DE3855871T2

DE3855871T2 - Vorrichtung zur Durchführung einer Wärmebehandlung an Halbleiterplättchen

Info

Publication number: DE3855871T2
Application number: DE3855871T
Authority: DE
Inventors: Shigeki Hirasawa; Kazuo Honma; Toshihiro Komatsu; Hiroto Nagatomo; Akihiko Sakai; Tetsuya Takagaki; Takuji Torii; Toshiyuki Uchino; Tomoji Watanabe
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-09-11
Filing date: 1988-09-09
Publication date: 1997-10-16
Anticipated expiration: 2008-09-10
Also published as: US5001327A; EP0306967A3; DE3855871D1; EP0306967B1; EP0306967A2

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochtemperaturofen zur Durchführung einer Wärmebehandlung an Halbleiterscheiben.
In einem Halbleiterelement wird die sogenannte "Halbleiterfunktion" dadurch erreicht, daß eine kleine Menge an Baronatomen, Phosphararsenatomen, usw. als Störstellen in ein hochreines festes Substrat, wie z.B. einen Siliconwafer, eingebaut werden. Die Fremdatome werden in einer lonenimplantationsanlage in ein Substrat eingebaut und das Substrat wird anschließend bei 800 - 1200 ºC eine vorbestimmte Zeit lang in einer Atmosphäre aus Stickstoffgas, Argongas, Wasserstoffgas usw. in einer Diffusionsvorrichtung erwärmt, damit die Fremdatome auf eine vorbestimmte Tiefe mit zulässiger Dispersion eindiffundieren und damit die durch die lonenimplantation erzeugten Kristallstörungen beseitigt werden.
Auch bei der Erzeugung eines Oxidfilms auf einem Substrat, z.B. ein Gateoxidfilm eines MOS-Transistors oder ein Zwischenelement-Isolationsoxidfilm, wird ein Substrat in einer Atmosphäre aus Sauerstoffgas oder Dampf in einer Diffusionsvorrichtung erwärmt, um einen thermischen Oxidfilm mit einer zulässigen Dickenverteilung zu erzeugen.
In einer bei dem herkömmlichen Diffusionsverfahren verwendeten Wärmebehandlungsvorrichtung sind mehrere Halbleiterscheiben auf einem Quarzschiffchen angeordnet und werden in einen zylindrischen Horizontalofen eingeführt.
In den letzten Jahren wurden Diffusionen geringer Tiefe und über der gesamten Halbleiterscheibenoberfläche gleichmäßige dünne Oxide durch eine kurze Wärmebehandlung entsprechend der verkleinerten Strukturen gefordert. Als Wärmebehandlungsvorrichtung zur Erfüllung derartiger Erfordernisse wurde ein in der Beschreibung der JP-A-60-171 723 offenbarter Aufbau vorgeschlagen, bei dem ein vertikaler zylindrischer Hochtemperaturofen eine Öffnung am unteren Ende aufweist und bei dem jedesmal ein horizontal gehaltener Wafer von der unteren Öffnung zur Erwärmung eingeführt wird.
Bei dieser konventionellen Technologie wurde jedoch nicht auf eine gleichzeitige und gleichförmige Erwärmung zweier Halbleiterscheiben in kurzer Zeit geachtet. Eine aufeinanderfolgende Erwärmung der Halbleiterscheiben ist mit einer geringen Produktivität verbunden. Zur Erwärmung zweier Halbleiterscheiben werden diese horizontal nebeneinander angeordnet. Dann werden sehr große Temperaturunterschiede von Halbleiterscheibe zu Halbleiterscheibe und innerhalb einer Halbleiterscheibe erzeugt. Wenn darüber hinaus eine Halbleiterscheibe kurz erwärmt und schnell aus einem Hochtemperaturofen entnommen wird, wird eine sehr heiße Halbleiterscheibe direkt der Außenatmosphäre ausgesetzt und kann dadurch verunreinigt werden. Die vorgenannte Technologie sieht außerdem keine gleichmäßige Erwärmung einer großen Halbleiterscheibe vor, was durch den neueren Trend der weiteren Verkleinerung der Strukturen und der Verwendung von Halbleiterscheiben mit größerem Durchmesser erforderlich wird.
Aus der US-A-4 649 261 ist eine Heizvorrichtung für eine Halbleiterscheibe mit einer oberen und unteren Lampenreihe bekannt, die angrenzend an die obere und untere Endwand einer integrierten Lichtröhre angeordnet sind. Die zu behandelnde Halbleiterscheibe ist zwischen der oberen und unteren Lampenreihe in einer zur Längsachse der Lichtröhre senkrechten Targetebene angeordnet. Die Vorrichtung verwendet CW-Lampen, gepulste Lampen und eine Kombination dieser beiden.
Die EP-A-0 225 501 A2 offenbart eine Vorrichtung zur Durchführung einer Wärmebehandlung an Halbleiterscheiben mit einer um ein Quarzrohr angeordneten zylindrischen Heizeinrichtung und zwei flachen Platten-Widerstandsheizelementen, die an beiden Endflächen der zylindrischen Heizeinrichtung im wesentlichen parallel zu den Oberflächen der zu behandelnden Halbleiterscheiben angeordnet sind. Die zylindrische Heizeinrichtung enthält mehrere getrennt steuerbare Heizelemente.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Hochtemperaturofen zu schaffen, der aufeinanderfolgende Heizvorgänge der Halbleiterscheiben in kurzen Zeitabschnitten und auch eine schnelle und gleichmäßige Abkühlung der Halbleiterscheiben ermöglicht, ohne daß diese der Außenatmosphäre ausgesetzt sind, wodurch eine Wärmebehandlung mit hoher Qualität und hohem Wirkungsgrad unter Vermeidung einer Erzeugung von thermischen Spannungsdefekten in den Halbleiterscheiben durchführbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
In den erfindungsgemäßen Hochtemperaturofen können ein oder zwei Halbleiterscheiben gleichzeitig eingeführt oder aus diesem an einer unteren Stelle entnommen werden, eine Erwärmung der Heizeinrichtung entsprechend der Bereiche in der Halbleiterscheibenfläche ist möglich, die Erzeugung von thermischen Spannungsdefekten kann verhindert werden und eine gleichformige kurzzeitige Erwärmung ist möglich durch Verringerung der Temperaturverteilung in der Gesamtfläche der aufeinanderfolgend zugeführten Halbleiterscheiben.
Abhängige Ansprüche sind auf bevorzugte Ausführungen der Erfindung gerichtet.
Fig. 1 ist eine allgemeine schematische Perspektivansicht einer Diffusionsvorrichtung, bei der die Erfindung verwendet wird.
Fig. 2 ist ein Längsschnitt eines Hochtemperaturofens und eines Temperatursteuersystems.
Fig. 3 ist ein Längsschnitt eines Hochtemperaturofens.
Fig. 4 ist eine Perspektivansicht eines Halters für die Einführung einer Halbleiterscheibe.
Fig. 5 ist ein Längsschnitt des Halters von Fig. 4.
Fig. 6 ist ein Längsschnitt des Hochtemperaturofens in einer Richtung senkrecht zu der von Fig. 2, sowie ein zugehöriges Steuersystem.
Fig. 7 ist eine Perspektivansicht eines Prozeßrohrs.
Fig. 8 ist eine Perspektivansicht eines Ausführungsbeispiels des Hochtemperaturofens mit einer in unterschiedliche Heizbereiche aufgeteilten Anordnung.
Fig. 9 ist ein Flußdiagramm der Betriebsabläufe in der Temperatursteuerung der Wärmebehandlungskammer.
Fig. 10 ist eine Perspektivansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Hochtemperaturofens mit einer in unterschiedliche Heizbereiche aufgeteilten anderen Anordnung.
Fig. 11 ist eine Perspektivansicht der Hauptteile eines Zufuhrmechanismus für die Halbleiterscheiben.
Fig. 12 ist eine Perspektivansicht eines Beladungshalters und eines Entladungshalters.
Fig. 13 ist eine Perspektivansicht eines Linearrohrs.
Fig. 14 ist ein Längsschnitt, der zeigt, wie Teile eines unteren Bereichs des Hochtemperaturofens zusammengesetzt sind.
Fig. 15 ist eine Darstellung von Versuchsergebnissen, die die Veränderung der effektiven Wärmebehandlungstemperatur und der durch die Heizeinrichtung vorgegebenen Temperatur für eine entsprechende Anzahl von Einführungsvorgängen zeigt.
Fig. 16 ist eine Darstellung der Versuchsergebnisse, die die Zeitabhängigkeit der Innentemperatur der Wärmebehandlungskammer und der Halbleiterscheibentemperatur zeigt.
Fig. 17 ist eine Darstellung der Versuchsergebnisse an Halbleiterscheibenkühleigenschaften.
Fig. 18 ist eine Darstellung der Berechnungen der Temperaturdifferenz in einer Halbleiterscheibenfläche.
Fig. 19 ist eine Darstellung der Versuchsergebnisse, die die Beziehung der Gasströmungsrate und der Höhe der Vermischung der Außenatmosphäre zeigt.
Fig. 20 ist eine Darstellung der Versuchsergebnisse, die die Beziehung zwischen der Geschwindigkeit der Halbleiterscheibeneinführung und der Menge der gemischten Außenatmosphäre zeigt.
Fig. 21 ist eine Perspektivansicht eines Prozeßrohrs gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung.
Fig. 22 ist ein Längsschnitt eines Hochtemperaturofens gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung.
Fig. 23 ist ein Flußdiagramm von Betriebsabläufen in einer Temperatursteuerung gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung.
Fig. 24 ist ein Längsschnitt eines Hochtemperaturofens in einer Diffusionsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung mit einem zugehörigen Steuersystem.
Fig. 25 und 26 sind Flußdiagramme von Betriebsabläufen in einer Steuereinrichtung für die Wärmebehandlung der Halbleiterscheiben gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung.
Fig. 27 bis 31 sind Längsschnitte von Halbleiterscheibenbeladungsbereichen der Halterungen für die Einführung der Halbleiterscheiben gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung.
Fig. 32 ist eine Perspektivansicht einer Halterung für die Einführung der Halbleiterscheiben gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung.
Fig. 33 bis 35 sind Längsschnitte von Halbleiterscheibenbeladungsbereichen der Halterungen für die Einführung der Halbleiterscheiben gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung.
Fig. 36 ist eine Perspektivansicht eines Halters zur Einführung einer Halbleiterscheibe gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung.
Fig. 37 ist ein Längsschnitt der Halterung von Fig. 36.
Fig. 38 bis 40 sind Längsschnitte der Halterungen zur Einführung der Halbleiterscheiben gemäß weiterer Ausführungen der Erfindung.
Fig. 41 bis 44 sind Längsschnitte von weiteren Hochtemperaturöfen.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung erläutert.
Fig. 1 zeigt eine allgemeine Ansicht des Aufbaus einer Diffusionsvorrichtung, bei der die Erfindung verwendet wird.
Die Fig. 2 und 3 zeigen Längsschnitte eines Hochtemperaturofens 2 und ein Steuersystem der Vorrichtung von Fig. 1. Wie aus den Fig. 2 und 3 hervorgeht, weist der Hochtemperaturofen 2 eine rechteckige Form auf. Ein Wärmeisolierungselement 6 umgibt ein Paar von rechten und linken plattenförmigen Heizelementen 4a, 4b und 4c (die aus gefalztem Widerstandsheizblech aus einer Eisen-Chrom-Aluminium-Legierung (Kanthal) eingebettet in einen Warmeisolator aus Aluminium usw. hergestellt sein können), wobei jedes in mehrere Wärmeerzeugungsbereiche unterteilt ist. Im Inneren der Heizeinrichtung sind ein (aus Siliciumkarbid usw. bestehendes) Linearrohr 8 und ein (aus Quarzglas usw. bestehendes) Prozeßrohr 10 angeordnet, die von einem (aus rostfreiem Stahl usw. bestehenden) Flansch gehalten sind und den Hochtemperaturofen 2 bilden.
Von der Unterseite des Hochtemperaturofens 2 werden zwei auf einem Halbleiterscheiben-Einsatzhalter 14 angeordnete Halbleiterscheiben 16 nahezu vertikal in das Innere eines Prozeßrohrs 10 eingeführt. Der untere Teil 18 des Prozeßrohrs 10 erstreckt sich unterhalb des Hochtemperaturofens 2 und wird von einem Kühlelement 20 umgeben (wie z.B. eine Platte, in der ein Kühlfluid strömen kann).
Fig. 4 ist eine Perspektivansicht eines Halbleiterscheiben- Einsatzhalters. Fig. 5 ist ein Längsschnitt des in Fig. 4 gezeigten Halbleiterscheiben-Einsatzhalters.
Der Halbleiterscheiben-Einsatzhalter 14 enthält eine zwischen zwei Halbleiterscheiben liegende Scheibe 22, ein oberes Endteil 26 mit Nuten 24 zur Aufnahme der Scheibe 22 und der Halbleiterscheiben 16, eine Tragstütze 28 aus einem dünnwandigen Rohr sowie einen Flansch 32 zur Anordnung an einem höhenverstellbaren Träger 30. Mit Ausnahme eines unteren Bereichs hat die Scheibe 22 an einem Umfangsbereich 34 eine größere Dicke als ein Mittelteil 36 und hat den gleichen Durchmesser wie die Halbleiterscheiben 16. Der obere Endteil 26 ist aus dünnen Platten geformt und im Bereich mit den Nuten 24 in Form von runden Stangen ausgebildet. Die Tragstütze 28 hat eine Gasverbindungsbohrung 38 an einem unteren Bereich und ist sonst hermetisch abgeschlossen.
Der Halbleiterscheiben-Einsatzhalter 14 kann aus Quarzglas, polykristallinem Silicium, Siliciumkarbid, usw. hergestellt sein. Die Scheibe 22 und die Tragstütze 28 können aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Es können auch solche Verbundmaterialien verwendet werden, die durch Beschichtung eines Quarzglaselements mit einem polykristallinem Siliciumfilm, einem Siliciumnitridfilm, usw. erzeugt werden.
Typische Abmessungen des Halbleiterscheiben-Einsatzhalters 14 werden im folgenden erläutert. Im Falle einer Wärmebehandlung zweier Halbleiterscheiben mit jeweils einem Durchmesser von 150 mm und einer Dicke von 0,6 mm weist die Scheibe 22 einen Außendurchmesser von 150 mm, eine Dicke von 1 mm im Zentralbereich 36 und eine Dicke von 2 mm am Umfangsbereich 34 mit einer Breite für den dicken Umfangsbereich von 8 mm vom Umfang auf. Der Spalt zwischen jeder Halbleiterscheibe 16 und dem dicken Bereich 34 der Scheibe betr;gt 2,5 mm. Das obere Ende des Halters mit den Nuten 24 ist in Form von runden Stangen mit einem Durchmesser von 5 mm ausgebildet. Jede Nut 24 zur Aufnahme der Halbleiterscheiben hat eine Breite von 0,7 mm und eine Tiefe von 2,5 mm mit abgerundeten Kanten in der Nut. Die Plattenelemente des oberen Endteils 26 und das Rohr der Haltestütze 28 haben eine Dicke von 1,5 mm.
Die Nuten 24 sind so ausgebildet, daß zwei Halbleiterscheiben 16 und die Scheibe 22 um 50 gegenüber der Vertikalen geneigt und in der Aufnahmestellung auf dem oberen Endteil 26 zueinander parallel sind. Der Grund für die geneigte Anordnung der Halbleiterscheiben besteht darin, Vibrationen der Halbleiterscheiben in der horizontalen Richtung zu vermeiden, wenn der Einsatzhalter 14 vertikal transportiert wird. Da der Neigungswinkel gering ist, besteht nahezu kein Unterschied in den Wärmeübergangseigenschaften zwischen den beiden Halbleiterscheiben beim Erwärmen im Hochtemperaturofen und beim Abkühlen in einer Kühlzone, selbst wenn die Halbleiterscheiben geneigt sind.
Der auf- und abwärts bewegliche Träger 30 ist auf einem Antriebsmechanismus für die Auf- und Abwärtsbewegung angeordnet, in dem Kugelrollspindeln usw. angeordnet sind. Von einer Hauptsteuerung 42 werden Steuersignals an den Antriebsmechanismus 40 für die Auf- und Abwärtsbewegung abgegeben.
Temperatursensoren 44a, 44b und 44c für die Wärmeerzeugungsbereiche sind in den entsprechenden getrennten Heizbereichen 4a, 4b und 4c angeordnet. Die Höhe der Wärmeerzeugung wird durch PID-Thyristor-Temperatursteuerungen 46a, 46b und 46c und Heinzeinrichtungs-Energiequellen 48a, 48b und 48c derart gesteuert, daß die Temperaturen der Wärmeerzeugungsbereiche an entsprechenden Heizbereichen die vorgegebenen Solltemperaturen erreichen.
Ein Temperatursensor 50 für die Erfassung der Innentemperatur der Wärmebehandlungskammer ist an einer Einsatzstelle der Halbleiterscheiben zwischen dem Prozeßrohr 10 und dem Linearrohr 8 angeordnet und ist mit einer Wärmebehandlungskammer-Temperatursteuerung 52 verbunden. In der Wärmebehandlungskammer-Temperatursteuerung 52 wird ein im weiteren erläuterter Arbeitsablauf zur Einstellung der Temperaturen der Temperatursteuerungen 46a, 46b und 46c durchgeführt. Die Wärmebehandlungskammer-Temperatursteuerung 52 empfängt von der Hauptsteuerung Zustandssignals, die beispielsweise den Beginn der Halbleiterscheibeneinführung angeben.
Fig. 6 zeigt einen Längsschnitt des Hochtemperaturofens entlang einer Ebene im rechten Winkel zu der von Fig. 2 sowie ein Steuersystem. Fig. 7 ist eine Perspektivansicht des Prozeßrohrs 10. In dem Prozeßrohr wird ein Gas, wie z.B. Stickstoff, Argon, Sauerstoff, Wasserdampf, das je nach beabsichtigtem Zweck der Diffusionsvorrichtung ausgewählt wird, vorgeheizt, zugeführt und kann vom oberen Ende bis zum Boden des Prozeßrohrs 10, d.h. nach unten strömen. An der linken und rechten Seite des Prozeßrohrs 10 sind Gaszufuhrrohre 54a und 54b vorgesehen. Das von einer Gasguelle 56 zugeführte Gas wird zu den Gaszufuhrrohren 54a und 54b entweder über ein Rohrsystem 58 für die Zufuhr mit einer geringen Rate und ein Steuerventil 60 oder über ein Rohrsystem 62 für die Zufuhr mit hoher Rate und ein Steuerventil 64 geleitet, wird beim Aufsteigen in den Gaszufuhrrohren außerhalb des Prozeßrohrs 10 vorgewärmt und in das Innere des Prozeßrohrs 10 an seinem unteren Teil eingeleitet. Die Steuerventile 60 und 64 werden in Öffnungs- oder Schließrichtung durch die Signale von der Hauptsteuerung 42 zur Erzielung einer hohen oder geringen Gasströmungsrate gesteuert.
Fig. 8 ist eine Perspektivansicht eines Hochtemperaturofens 2, die die Aufteilung der Heizeinrichtung zeigt. Die Heizeinrichtung enthält zwei parallele Platten, die jeweils in fünf Bereiche 4a bis 4j unterteilt sind. Aufgrund der Vorne-Hinten- und Rechts-Links-Symmetrie werden vier Wärmeerzeuger im zentralen (4b und 49), im oberen (4a und 4f), im unteren (4c und 4h) und im seitlichen (4d, 4e, 4i, 4j) Bereich unabhängig gesteuert.
Entsprechend der vier Wärmeerzeuger der Heizeinrichtung sind die Heizeinrichtungs-Temperatursteuerungen 46a bis 46d, die Heizeinrichtungs-Energiequellen 48a bis 48d und die Wärmeerzeugungstemperatursensoren 44a bis 44d in vier unabhängige Systeme unterteilt. Zur Beibehaltung der Vorne- Hinten- oder Rechts-Links-Symmetrie werden die Wärmeerzeugungsbereiche an der Vorder- und Hinterseite und auf der rechten und linken Seite zur Erzeugung derselben Wärmemenge gesteuert.
Bei der Herstellung der Heizeinrichtung können die Widerstandswerte der Bereiche in den symmetrischen Stellungen etwas variieren. Durch Anbringung von einstellbaren Widerständen am externen Leitungssystem kann eine Einstellung erfolgen.
Fig. 9 ist ein Flußdiagramm der Funktionsabläufe in der Temperatursteuerung 52 der Wärmebehandlungskammer. Was die Heizeinrichtungen 4b und 49 in dem Zentralbereich anbelangt, wird davon ausgegangen, daß die Solltemperatur der Heiztemperatursteuerung nach Einführung der i-ten Halbleiterscheibe als Hi, die vorhergehende Solltemperatur daher als Hi-1, die Solltemperatur im stationären Zustand ohne Einführung einer Halbleiterscheibe als H&sub0;, die Innentemperatur der Wärmebehandlungskammer im stationären Zustand als w&sub1;, die Innentemperatur der Wärmebehandlungskammer unmittelbar vor Einführung der i-ten Halbleiterscheibe als wi und die Innentemperatur der Wärmebehandlungskammer unmittelbar vor der zweiten Einführung als w&sub2; bezeichnet wird.
Wenn in Fig. 9 bei die Heizeinrichtung eingeschaltet wird, werden H&sub0;, w&sub1; und w&sub2; sowie die Solltemperaturen für die entsprechenden Heiztemperatursteuerungen von der Hauptsteuerung eingegeben und ein Signal der Solltemperatur des Mittelbereichs Hi = H&sub0; wird an die Heizeinrichtungs-Temperatursteuerung 46b für den zentralen Bereich ausgegeben. Zusammen mit diesem werden die Solltemperaturen der anderen Bereiche zu den Heiztemperatursteuerungen für die anderen Bereiche ausgegeben. Hier werden die Werte von H&sub0;, w&sub1;, und w&sub2; und die entsprechenden Solltemperaturen für die Heizeinrichtung im voraus durch Versuche für jeden Heizbehandlungszustand erhalten und in der Hauptsteuerung gespeichert. Wenn die aufeindanderfolgende Einführung der Halbleiterscheiben beginnt, wird die Innentemperatur wi der Wärmebehandlungskammer unmittelbar vor der Einführung der Halbleiterscheibe gemessen. Für die erste und zweite der aufeinanderfolgenden Einführungen, wird die Solltemperatur Hi an die Heiztemperatursteuerung für den zentralen Bereich in Übereinstimmung mit der Unterbrechungszeit der Halbleiterscheibeneinführung ausgegeben. Für die dritte und weitere der aufeinanderfolgenden Einführungen, wird die Solltemperatur der Heizeinrichtung für den zentralen Bereich durch Δw = w&sub2; - w&sub1; derart korrigiert, daß die Innentemperatur wi der Wärmebehandlungskammer unmittelbar vor der Halbleiterscheibeneinführung den Wert w&sub2; unmittelbar vor der zweiten Einführung erreicht. Wenn die Halbleitereinführung unterbrochen wird, wird die Solltemperatur der Heizeinrichtung für den zentralen Bereich 3 Minuten lang nach der Unterbrechung auf H&sub0; +2 ºC eingestellt. Wenn jedoch hier die vorherige Solltemperatur Hi-1 unterhalb H&sub0; +2 liegt, wird die Solltemperatur auf H&sub0; eingestellt. Nach Ablauf von 3 Minuten nach der Unterbrechung wird die Solltemperatur der Heizeinrichtung für den zentralen Bereich auf H&sub0; eingestellt, um auf den Wiederbeginn der Halbleiterscheibenzuführung zu warten.
Der Grund für die nach der Unterbrechung der Halbleitereinführung 3 Minuten lange Einstellung der Heizeinrichtungs- Solltemperatur für den zentralen Bereich auf H&sub0; +2 in von Fig. 9 ist die Vermeidung einer schnellen Änderung der Heizeinrichtungs-Solltemperatur. Auch die Korrektur Δw der Heizeinrichtungs-Solltemperatur in bei der folgenden Einführung in dem Bereich 0 -1 ºC dient zur Vermeidung einer großen Korrektur, wenn der Innentemperatursensor 50 der Wärmebehandlungskammer einen abnormalen Wert durch Störungen erfaßt.
Die Steuerung der Heizeinrichtungs-Solltemperatur in Fig. 9 erfolgt nur für die zentralen Heizeinrichtungsbereiche 4b und 4g, wobei andere Heizeinrichtungsbereiche 4a, 4c bis 4f, und 4h bis 4j auf konstanten Solltemperaturen gehalten werden. Grund hierfür ist die Abkühlung des zentralen Heizbereichs durch die Einführung einer Halbleiterscheibe oder Halbleiterscheiben mit Raumtemperatur, wohingegen die anderen Heizbereiche dadurch nicht abgekühlt werden.
Fig. 10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Hochtemperaturofens 2, bei dem die Heizeinrichtung aufgeteilt ist. Dieses Ausführungsbeispiel ist nicht Teil der Erfindung. Die Heizeinrichtung ist in ein oberes Heizelement 4k und ein unteres Heizelement 4l, die beide im wesentlichen parallel zur Halbleiterscheibenebene angeordnet sind, in seitliche Heizelemente 4m und 4n und ein oberes Plan-Heizelement 40 unterteilt, die alle unabhängig gesteuert sind. Diese Ausführung hat im Vergleich zur Ausführung von Fig. 8 weniger Unterteilungen und kann dennoch eine ähnliche Wärmebehandlung ausführen.
Fig. 11 ist eine Perspektivansicht der Hauptteile eines Halbleiterzufuhrmechanismus. Alle Teile sind in Fig. 1 gezeigt.
Der Halbleiterscheibenzufuhrmechanismus enthält eine Kassette 66 zur Aufnahme vorbehandelter Halbleiterscheiben, einen Entnahmehalter 68, einen Beladungshalter 70, einen Einführungshalter 14, einen Entladehalter 72, ein Kühlschiffchen 74, einen Einlegehalter 76, eine Kassette 78 zur Aufnahme nachbehandelter Halbleiterscheiben usw. Die Pfeile in Fig. 11 geben die Bewegungsrichtungen der entsprechenden Halter an. Der Entladehalter 72 hat denselben Aufbau wie der Beladehalter 70. Diese Halter 72 und 70 sind auf der rechten und linken Seite des Einführungshalters 14 angeordnet. Der Einlegehalter 76 hat denselben Aufbau wie der Entnahmehalter 68.
Fig. 12 ist eine Außenansicht eines vorderen Endteils des Beladehalters 70 und des Entladehalters 72. Er besteht aus runden Stangen (z.B. aus Quarzglas) mit Nuten 80 zur Aufnahme von Halbleiterscheiben. Um die beiden Halbleiterscheiben von der Scheibe 22 des Einführungshalters 14 fernzuhalten oder dessen Durchgang zu ermöglichen, sind die beiden Halbleiterscheiben getrennt gehaltert.
Wie in Fig. 1 gezeigt, weist das System ein Antriebsglied 82 für den Entnahmehalter 68, ein Antriebsglied 84 für den Beladehalter 70, ein Antriebsglied 86 für den Entladehalter 72 und ein Antriebsglied 88 für den Einlegehalter 76 auf. Die Stromquellen für diese Antriebsglieder sind in einem Gehäuse 90 zusammen mit dem Heizenergietransformator usw. angeordnet. Das Steuergerät 92, wie die Hauptsteuerung 42, hat ein Steuerpult 94 mit Anzeigetafeln und Schaltern an der Vorderseite. Obwohl dies in der Figur nicht gezeigt ist, sind Sensoren zur Erfassung der Anordnung einer Halbleiterscheibe in den Kassetten 66 und 78 und dem Kühlschiffchen 74 sowie Sensoren für die Erfassung einer Halterung der Halbleiterscheiben durch die entsprechenden Halter 14, 68, 70, 72 und 76 vorgesehen. Es sind auch Lagesensoren für die entsprechenden Halter 68, 70, 72 und 76 vorgesehen. Da die Halbleiterscheiben auf dem Einsatzhalter 14 mit einer leichten Neigung angeordnet sind, sind auch die Kassetten 66 und 78, das Kühlschiffchen 74 und die entsprechenden Halter 68, 70, 72 und 76 leicht gegenüber der Vertikalen geneigt.
Fig. 13 zeigt eine Außenansicht des Linearrohrs 8. Das Rohr 8 enthält einen Deckel 96 und einen Hauptkörper 98. Der Hauptkörper 98 hat abgerundete Ecken zur Erhöhung seiner Festigkeit.
Fig. 14 ist ein Querschnitt von Einzelheiten der Teile zur Verbindung des Prozeßrohrs 10, des Linearrohrs 8, der Heizeinrichtung 4, und der Warmeisolierungselemente 6 mit dem Flansch 12. Das Prozeßrohr 10 sollte zur Reinigung häufig entfernt werden. Zur Vereinfachung der Entfernung, ist das Prozeßrohr 10 an dem Flansch 12 mit Schrauben und einem Befestigungselement 100 aus Metall befestigt. Das Linearrohr 8 ist auch von dem Hochtemperaturofen 2 für Wartungszwecke abnehmbar angeordnet. Der untere Teil des Hochtemperaturofens 2 ist von einer Spüleinrichtung 102 umgeben. Die Spüleinrichtung 102 dient auch als Kühlelement und führt das Behandlungsgas und die aus dem Prozeßrohr austretenden Staubteilchen zu dem Abgassystem. Ein Wärmeisolierungselement 106 (z.B. aus Keramik usw.) ist zwischen dem Linearrohr 8 und den Schrauben sowie einem Befestigungselement 104 aus Metall zur Verringerung der Wärmeabfuhr vorgesehen.
Verfahren zur Durchführung der Wärmebehandlung an den Halbleiterscheiben unter Verwendung der vorstehend erläuterten Diffusionsvorrichtung werden im weiteren erläutert. Eine Bedienperson gibt die Wärmebehandlungsbedingungen (objektive Behandlungstemperatur, Behandlungszeit, Gasart, usw.) in die Hauptsteuerung 42 ein. Die Eingangswerte sind z.B. 1000 ºC, 3 Minuten und Stickstoff. Die Hauptsteuerung 42 überträgt diese Informationen an die Wärmebehandlungstemperatursteuerung 52. Die Wärmebehandlungstemperatursteuerung 52 gibt die Heizeinrichtungs-Solltemperaturen an die Heiztemperatursteuerungen 46a bis 46d für die entsprechenden Heizbereiche vor. Als Solltemperaturen für die unteren Heizbereiche 4c und 4h werden höhere Temperaturen im Vergleich zu den zentralen Heizbereichen 4b und 4g vorgegeben, um die Wärmeabfuhr vom unteren Einlaß des Hochtemperaturofens 2 und die Einflüsse des Einsatzhalters 14 auszuschließen. Wenn z.B. die Solltemperatur der zentralen Heizbereiche 4b und 4g auf 1000 ºC eingestellt wird, wird die Solltemperatur für die unteren Heizbereiche 4c und 4h auf 1060 ºC eingestellt. Die Solltemperaturen der oberen und seitlichen Heizbereiche 4a, 4d, 4e, 4f, 4i und 4j werden derart eingestellt, daß die Wärmebehandlung der Halbleiterscheibe gleichmäßig erfolgt. Die Solltemperatur der oberen Heizbereiche 4a und 4f wird beispielsweise auf 990 ºC und die Solltemperatur der seitlichen Heizbereiche 4d, 4e, 4i und 4j wird auf 980 ºC eingestellt. Der Grund dafür, daß die Temperaturen der oberen und seitlichen Heizbereiche etwas kleiner als die des zentralen Heizbereichs ausgewählt werden, liegt darin, daß der Umfangsbereich der Halbleiterscheibe bei der gleichzeitigen Einführung zweier Halbleiterscheiben in die Wärmebehandlungskammer mehr durch die Hitze vom Seitenbereich als vom Zentralbereich der Halbleiterscheibe erhitzt wird und daß somit die Temperaturen der oberen und seitlichen Bereiche etwas höher als die des zentralen Bereichs gehalten werden sollten, um eine gleichmäßige Wärmebehandlung zu erreichen. Unter diesen Heizeinrichtungs-Solltemperaturen beginnt die Einführung der Halbleiterscheiben, nachdem die Innentemperatur der Wärmebehandlungskammer stabil wird. Bis zum Beginn der Halbleiterscheibeneinführung wird der Einsatzhalter 14 in der Wärmebehandlungskammer gehalten und vorgeheizt.
Wenn ein Bediener eine Kassette 66 mit Halbleiterscheiben und eine leere Kassette 78 in die Einrichtung einsetzt und das Signal zum Starten der Wärmebehandlung von der Steuertafel 94 an die Hauptsteuerung 42 eingibt, entnimmt der Entnahmehalter 68 aufgrund der Signale von der Hauptsteuerung 42 die Halbleiterscheiben nacheinander aus der Kassette 66 und transportiert zwei Halbleiterscheiben zu dem Beladehalter 70. Anschließend werden von der Hauptsteuerung 42 Signals an den Antriebsmechanismus 40 für die Auf- und Abbewegung gegeben, um den Einsatzhalter 14 unter den Hochtemperaturofen 2 zu bewegen. Der Beladehalter 70 wird zur Aufnahme zweier Halbleiterscheiben auf dem Einsatzhalter 14 aktiviert. Nach der Aufnahme der Halbleiterscheiben auf dem Einsatzhalter 14 öffnet der Beladehalter 70 seine oberen Enden, kehrt zu seiner Ursprungsstellung zurück, nimmt die beiden durch den Entnahmehalter 68 transportierten Halbleiterscheiben auf und wartet auf die nächste Aktion.
Der Einsatzhalter 14 bewegt sich nach oben und führt die Halbleiterscheiben 16 in die Wärmebehandlungskammer ein (siehe Fig. 2). Um eine Wärmeverteilung in den Halbleiterscheiben bei der Einführung zu verhindern, wird eine hohe Einführungsgeschwindigkeit von beispielsweise 150 mm/s oder mehr gewählt. Um zu verhindern, daß bei der Einführung der Halbleiterscheiben zuviel Außenluft in die Wärmebehandlungskammer gelangt, werden von der Hauptsteuerung 42 Steuersignale an die Steuerventile 60 und 64 zur Erhöhung der Gasströmungsrate abgegeben. Die Halbleiterscheiben 16 werden in der Wärmebehandlungskammer aufgenommen und eine vorbestimmte Zeit lang erwärmt. Die Gasströmung während der Wärmebehandlung kann gering sein und daher wirken die Signale der Hauptsteuerung 42 auf die Steuerventile 60 und 64 zur Einstellung einer geringen Strömungsrate. In Abhängigkeit von den Wärmebehandlungsbedingungen kann hier die Gasart beim Einführen und Herausnehmen und während der Wärmebehandlung geändert werden. Bei der Einführung und Herausnahme kann beispielsweise Stickstoff und während der Wärmebehandlung Sauerstoff verwendet werden.
Wenn die Wärmebehandlung beendet ist, bewegt sich der Einsatzhalter 14 durch Signale von der Hauptsteuerung 42 nach unten und verschiebt die Halbleiterscheiben zwischen die Kühlelemente 20 unterhalb des Hochtemperaturofens (siehe Fig. 3). Nachdem die Halbleiterscheiben eine vorbestimmte Zeit lang zwischen den Kühlelementen 20 abgekühlt wurden, bewegt sich der Einsatzhalter 14 weiter nach unten und entnimmt die Halbleiterscheiben.
Für die Überführung oder Bewegung der Halbleiterscheiben wird eine ähnlich hohe Geschwindigkeit wie für die Einführung gewählt, um eine Temperaturverteilung in der Halbleiterscheibenebene zu verhindern, wenn sich der Halter nach unten bewegt. Um einen zu starken Eintritt der Außenatmosphäre in die Wärmebehandlungskammer zu verhindern, wird die Strömungsrate des Gases auf einem geringen Wert gehalten, wie später erläutert wird. Die aus dem Hochtemperaturofen entnommenen Halbleiterscheiben werden eine vorbestimmte Zeit lang auf den Einsatzhaltern abgekühlt, werden dann durch die Entladehalter 72 entnommen, durch den Einlegehalter 76 zu dem Kühlschiffchen 74 transportiert und dort abgekühlt. Während dieser Vorgänge wird ein neuer Halbleiterscheibensatz auf den Einsatzhalter 14 durch den Beladehalter 70 abgelegt und die vorgenannten Vorgänge werden wiederholt. Die in dem Kühlschiffchen 74 genügend abgekühlten Halbleiterscheiben werden durch den Einlegehalter 76 wieder in die Kassette gelegt.
Um eine zu starke Abkühlung des Einsatzhalters 14 beim Beund Entladen zu verhindern, werden für die Abkühldauer zwischen den Kühlelementen 20 beispielsweise 10 s, für die Abkühldauer der Halbleiterscheiben auf dem Einsatzhalter unmittelbar unterhalb des Hochtemperaturofens beispielsweise 10 s und für die Be- und Entladezeiten beispielsweise 20 s gewählt.
Bei jeder Einführung eines neuen Halbleiterscheibensatzes wird die Solltemperatur des zentralen Heizbereichs verändert und eine gleichmäßige Wärmebehandlung der Halbleiterscheiben wird gemäß dem Flußdiagramm von Fig. 9 erreicht. Wenn die Halbleiterscheibenzufuhr unterbrochen wird, erfaßt ein (nicht gezeigter) Sensor bzw. Sensoren das Fehlen einer neuen Halbleiterscheibe auf dem Beladehalter und der Einsatzhalter ohne darauf angeordneter Halbleiterscheibe wird in der Wärmebehandlungskammer gehalten und wartet auf die nächste Aktion.
Fig. 15 zeigt die Versuchsergebnisse einer Veränderung der effektiven Wärmebehandlungstemperatur und der Solltemperatur Hi des zentralen Heizbereichs für eine unterschiedliche Anzahl von Einführungsvorgängen, wenn die Steuerung der Heizeinrichtungs-Solltemperatur gemäß dem in Fig. 9 gezeigten Flußdiagramm durchgeführt wird. Die effektive Wärmebehandlungstemperatur wird durch Messung der vorübergehenden Änderungen der Halbleiterscheibentemperatur (durch Verwendung eines im folgenden als Meßinstrument beschriebenen Strahlungsthermometers) und durch Integration der Halbleiterscheibentemperatur mit einer Gewichtung der Diffusionsgeschwindigkeit von Störstellen in dem Siliciumsubstrat (im Fall der Fig. 15 sind die Störstellen Arsen) zum Erhalt einer durchschnittlichen Halbleiterscheibentemperatur während der Heizperiode bestimmt. Fig. 15 zeigt mit einer unterbrochenen Linie auch die Veränderung der effektiven Wärmebehandlungstemperatur, wenn keine Steuerung der Heizeinrichtungs-Solltemperatur erfolgt und wenn die Heizeinrichtungs- Solltemperaturen auf konstanten Werten gehalten werden. Wenn die Heizeinrichtungs-Solltemperaturen konstant gehalten werden, fällt die Innentemperatur der Wärmebehandlungskammer bei jeder Halbleiterscheibeneinführung und auch die effektive Wärmebehandlungstemperatur der Halbleiterscheibe ab. Durch Steuerung der Heizeinrichtungs-Solltemperaturen kann die effektive Wärmebehandlungstemperatur der Halbleiterscheibe für die entsprechende Anzahl von Halbleiterscheibeneinführungen im wesentlichen konstant gehalten werden.
Fig. 16 zeigt die Versuchsergebnisse der Zeitabhängigkeit der Innentemperatur w der Wärmebehandlungskammer und der Halbleiterscheibentemperatur U. Die Temperatur der Wärmebehandlungskammer nimmt bei Einführung einer Halbleiterscheibe mit geringer Temperatur zunächst ab und steigt dann allmählich an. Es ist ersichtlich, daß die Halbleiterscheibentemperatur nicht innerhalb von 3 Minuten stabil wird.
Fig. 17 zeigt die Versuchsergebnisse der Kühleigenschaften der Halbleiterscheibe. Die Temperatur wurde durch Anordnung von Thermoelementen an den Halbleiterscheiben gemessen. Durch eine etwa 10 Sekunden dauernde Kühlung der Halbleiterscheibe in der Kühlzone unterhalb des Reaktionsrohrs erreicht die Halbleiterscheibentemperatur etwa 700 ºC und erreicht durch etwa 3minütige Abkühlung der Halbleiterscheibe in dem Kühlschiffchen einen Wert von etwa 100 ºC.
Da bei dieser Ausführung eine Fläche jedes Halbleiterscheibenpaars zu dem plattenförmigen Kühlelement 20 weist, können die beiden Halbleiterscheiben mit derselben Abkühlgeschwindigkeit schnell herabgekühlt werden. Da darüber hinaus die Breite des Ofeneintritts an dem Hochtemperaturofen 2 gering ist, ist die Wärmeableitung vom Inneren des Hochtemperaturofens zur Außenseite gering.
Der Einsatzhalter 14 verändert seine Temperatur bei der Ein- und Ausfahrbewegung am Hochtemperaturofen 2. Da der obere Endteil 26 und die Tragstütze 28 des Halters 14 eine geringe Dicke aufweisen, ist deren Wärmekapazität gering und beeinflußt die Temperaturverteilung in der Halbleiterscheibe bei der Erwärmung nur geringfügig.
Wenn zwei Halbleiterscheiben 16 und die Scheibe 22 mit entsprechenden Abständen untereinander ausgerichtet sind und in den Hochtemperaturofen 2 eingeführt werden, werden die Außenflächen der beiden Halbleiterscheiben nahezu gleichförmig erwärmt. Für die Innenflächen wird jedoch die Erwärmung über die Zwischenräume zum Außenumfang hin größer. Hier weist der Umfangsteil 34 der Scheibe 22 eine erhöhte Dicke und damit eine erhöhte Wärmekapazität im Vergleich zu dem zentralen Bereich 36 der Scheibe 22 auf und es ist daher schwer, seine Temperatur zu verändern. Dies führt dazu, daß der Umfangsbereich der Halbleiterscheiben 16 infolge der Heizvorgänge über die Zwischenräume und die Wärmekapazität der Scheibe im wesentlichen denselben Temperaturanstieg wie der zentrale Bereich der Halbleiterscheibe aufweist. Daher erreicht die Halbleiterscheibenfläche eine einheitliche Temperatur. Der Grund für den nicht vorgesehenen dicken Bereich in dem unteren Teil der Scheibe 22 liegt darin, daß sich am unteren Teil der obere Endteil 26 und die Tragstütze 28 des Einsatzhalters befinden, die eine ähnliche Funktion wie der dicke Bereich ausüben.
Vorübergehende Temperaturänderungen beim Beladen eines Einsatzhalters von 500 ºC mit Halbleiterscheiben mit Raumtemperatur und beim Einführen in einen Hochtemperaturofen werden numerisch berechnet.
Fig. 18 zeigt die Berechnungsergebnisse des Temperaturunterschieds (zwischen dem Umfangsbereich und dem Zentralbereich) in der Halbleiterscheibenfläche für den Fall, daß zwischen den Halbleiterscheiben eine Scheibe mit den typischen Abmessungen angeordnet ist, sowie für den Fall, daß keine Scheibe zwischen den Halbleiterscheiben vorhanden ist. Die Abszisse gibt die Temperatur des Umfangsbereichs der Halbleiterscheibe in dem Übergangszustand an. Als Näherungen werden in die Berechnung aufgenommen, daß die Scheibe aus Opakquarz besteht, daß der Hochtemperaturofen einen gleichmäßigen Temperaturbereich von 1000 ºC aufweist und daß der Einfluß der Trägerstütze des Einsatzhalters vernachlässigt wird. Es ist ersichtlich, daß die Temperaturdifferenz in der Halbleiterscheibenfläche im Übergangszustand bei vorhandener Scheibe auf etwa die Hälfte verringert wird.
Wenn das Dickenverhältnis zwischen dem Zentralbereich 36 und dem Umfangsbereich 34 der Scheibe 22 weiter erhöht wird, nimmt der maximale Temperaturunterschied bei einer Halbleiterscheibentemperatur im Bereich von 700 ºC ab, steigt jedoch im Bereich von 1000 ºC an.
Bei dieser Ausführung wird der unterste Teil des Prozeßrohrs 10 immer offengehalten. Da das im Inneren befindliche Gas eine hohe Temperatur aufweist und nach unten strömt, kann die Außenatmosphäre nicht in das Prozeßrohr 10 durch Konvektion oder Diffusion in dem stabilen Zustand eintreten.
Fig. 19 zeigt die Versuchsergebnisse, die die Beziehung der Gasmenge und die zur Einströmung in das Prozeßrohr 10 zugelassenen Menge der Außenluft beim Einführen und bei der Herausnahme der Halbleiterscheiben erläutern. Als Gas wurde hochreines Stickstoffgas verwendet und der Sauerstoffgehalt in der Mitte der Wärmebehandlungskammer wurde gemessen. Die Temperatur der Wärmebehandlungskammer wurde auf 1000 ºC und die Transportgeschwindigkeit für die Einführung und Herausnahme der Halbleiterscheiben auf 200 mm/s eingestellt. Die momentane maximale Zunahme des Sauerstoffgehalts bei der Einführung ist durch eine durchgezogene Kurve und die momentane maximale Zunahme bei der Herausnahme ist durch eine unterbrochene Kurve dargestellt.
Die Menge der sich vermischenden Außenatmosphäre bei der Einführung kann reduziert werden, wenn die Gasstromrate auf 20 Nl/min oder mehr eingestellt wird, während die Menge der sich vermischenden Außenatmosphäre bei der Entnahme klein gehalten werden kann, wenn die Gasstromrate auf 20 Nl/min oder weniger eingestellt wird. Der Grund für die kleiner werdende Menge der sich vermischenden Außenatmosphäre bei größer werdender Gasstromrate während der Einführung liegt darin, daß die mit den Halbleiterscheiben eintretende Außenatmosphäre mit ansteigender Gasstromrate besser ausgeblasen werden kann. Der Grund für die größer werdende Menge der sich vermischenden Außenatmosphäre bei größer werdender Gasstromrate während der Entnahme ist folgender. Da die Gasstromrate hoch ist, wird die Vorheizung des Gases unzureichend. Dann erreicht die Temperatur des in das Prozeßrohr strömenden Gases nicht die Temperatur der Wärmebehandlungskammer. Daher tritt eine Konvektion in der Wärmebehandlungskammer auf. Wenn die Halbleiterscheiben in einem derartigen Zustand entnommen werden, wird eine dem Volumen der aus der Wärmebehandlungskammer entnommenen Halbleiterscheiben und des Einsatzhalters entsprechende Menge der Außenatmosphäre am Ofeneingang eingesaugt. Eine derart eintretende Atmosphäre kann durch die Konvektion in der Wärmebehandlungskammer tief in die Wärmebehandlungskammer eintreten.
Aus dem Vorstehenden geht hervor, daß die Menge der sich vermischenden Außenatmosphäre durch Steigerung der Gasströmungsrate bei der Einführung und durch Absenkung der Gasströmungsrate bei der Wärmebehandlung und bei der Entnahme klein gehalten werden kann. In dem Beispiel von Fig. 19 kann die Menge der sich vermischenden Außenatmosphäre immer klein gehalten werden, selbst wenn die Gasströmungsrate konstant auf 20 Nl/min gehalten wird. Wenn die Gasströmungsrate während der Wärmebehandlung und bei der Entnahme weiter verringert wird, ergibt sich der Vorzug eines verringerten Gasverbrauchs. Wenn die Wärmebehandlungskammer eine geringere Temperatur als im Fall von Fig. 19 aufweist, verlagert sich die Grenze über der die Vermischung der Außenatmosphäre bei der Halbleiterscheibenentnahme erfolgt, zu einem geringeren als den in Fig. 19 gezeigten Wert (d.h., die unterbrochene Linie in Fig. 19 verlagert sich nach links). Dann kann die Menge der sich vermischenden Außenatmosphäre nicht einfach dadurch klein gehalten werden, daß die Gasströmungsrate während der Einführung und Entnahme konstant gehalten wird.
Fig. 20 zeigt die Beziehung zwischen der Halbleiterscheibentransportgeschwindigkeit und der Menge der sich vermischenden Außenatmosphäre bei der Einführung der Halbleiterscheibe. Wenn die Halbleiterscheibentransportgeschwindigkeit 150 mm/s oder weniger beträgt, wird die Menge der sich vermischenden Außenatmosphäre bei der Einführung groß.
In der vorgenannten Beschreibung wurde angenommen, daß es sich bei den Heiztemperatursteuerungen 46a, 46b und 46c um PID-Regler handelte, wobei auch andere Arten, wie z.B. Regler mit Störgrößenaufschaltung möglich sind.
Obwohl zwei Steuerventile 60 und 64 im Ein-/Ausschaltbetrieb zum Wechsel zwischen einer hohen und geringen Strömungsrate des Behandlungsgases gesteuert sind, kann statt dessen auch nur eine Strömungsratensteuerung verwendet werden.
Es können auch im voraus Versuche für alle Bedingungen durchgeführt werden, um Daten für die Solltemperaturen der Heiztemperatursteuerungen bezüglich der Zeit zu erhalten. Diese Datenbank kann in der Hauptsteuerung gespeichert werden und die Heizeinrichtungs-Solltemperaturen können entsprechend der Betriebsbedingungen ohne Ausführung von Betriebsabläufen ausgegeben werden.
Es ist auch durchaus denkbar, daß die Innentemperatur w&sub1; der Wärmebehandlungskammer im stabilen Zustand und die Innentemperatur w&sub2; der Wärmebehandlungskammer unmittelbar vor der zweiten Einführung ohne vorhergehender Speicherung der Daten w&sub1; und w&sub2; in der Hauptsteuerung für jede aufeinanderfolgende Einführung gemessen wird, um diese bei den Betriebsabläufen zur Einstellung der Heizeinrichtungs-Solltemperatur bei der dritten und den folgenden Einführungen zu verwenden.
Es kann auch ein von dem Gaszufuhrrohr 54 getrenntes zweites Gaszufuhrrohr vorgesehen sein und eine große Gasmenge kann bei der Halbleiterscheibeneinführung durch das zweite Gaszufuhrrohr eingeleitet werden.
Wenn mehrere Temperatursensoren 50 innerhalb der Wärmebehandlungskammer vorgesehen und die Temperatursteuerung im Inneren der Wärmebehandlungskammer verfeinert wird, kann die Gleichmäßigkeit weiter verbessert werden.
In der vorgenannten Ausführung ist die Wartung einfach, da die Scheibe 22 und die Tragstütze 28 abnehmbar sind. Die Scheibe 22 und die Stütze 28 können jedoch auch einstückig ausgebildet sein.
Da der Halbleiterscheibendurchmesser und der Durchmesser der Scheibe gleich sind, ergibt sich der Vorteil, daß der Hochtemperaturofen im wesentlichen dieselben Abmessungen aufweisen kann wie bei der Beladung nur mit den Halbleiterscheiben. Der Scheibendurchmesser kann jedoch etwas größer als der Durchmesser der Halbleiterscheiben gewählt werden. In diesem Fall kann auch der Innendurchmesser des dicken Ringbereichs 34 der Scheibe etwas kleiner als der Halbleiterscheibendurchmesser gewählt werden.
Obwohl die Kühlelemente 20 bei der vorstehenden Ausführung verwendet werden, könnten die Halbleiterscheiben auch durch direkte Abstrahlung an den Außenraum ohne Kühlelemente gekühlt werden.
Gemäß Fig. 21 ist es außerdem wirtschaftlich, die Rohre 54 für das Behandlungsgas dicht um einen unteren Teil 18 des Prozeßrohrs 10 zu wickeln, um so eine Kühlzone mit dem Behandlungsgas zu bilden und das Behandlungsgas vorzuheizen.
Wie in Fig. 22 gezeigt ist, können ferner Gasöffnungen 108 an einem unteren Teil des Hochtemperaturofens vorgesehen sein, um einen unteren Teil 18 des Prozeßrohrs 10 mit einem Kühlgas zu dessen Kühlung anzublasen.
Wenn die Halbleiterscheiben ferner an einem unteren Teil 18 des Prozeßrohrs 10 nach der Wärmebehandlung abgekühlt werden müssen, können die Halbleiterscheiben von dem Einsatzhalter zu einem getrennten Kühlhalter (nicht gezeigt) transportiert werden und der Einsatzhalter 14 kann mit einem nächsten Halbleiterscheibensatz beladen und in das Innere des Hochtemperaturofens 2 eingesetzt werden, um so den Arbeitstakt zu verkürzen und die Produktivität zu verbessern.
Ohne Verlängerung des unteren Teils des Prozeßrohrs kann auch eine von dem Reaktionsrohr getrennte Struktur verwendet werden, um den Kühlbereich von der Außenluft mit einem ähnlichen technischen Effekt abzuschirmen.
Es können auch zwei oder mehr Temperaturzonen in dem Hochtemperaturofen ausgebildet sein und die Halbleiterscheiben können vor der Wärmebehandlung vorgeheizt werden. In diesem Fall ist es besser, wenn die Temperaturzone mit der höheren Temperatur höher angeordnet wird, um die Gaskonvektion zu verhindern.
Wenn die Halbleiterscheiben während der Wärmebehandlung in dem Hochtemperaturofen gedreht werden, ist eine gleichmäßigere Erwärmung der Halbleiterscheiben möglich. In diesem Fall ist die Anordnung einer Halbleiterscheibe oder mehrerer Halbleiterscheiben auf einer Scheibe möglich und die Halbleiterscheiben können zusammen mit der Scheibe gedreht werden.
Zwei Halbleiterscheiben können auch in engen Kontakt zueinander gebracht und einer Wärmebehandlung ausgesetzt werden. In diesem Fall ist keine Trennung durch eine Scheibe zwischen den Halbleiterscheiben erforderlich, es können jedoch Einrichtungen erforderlich sein, um die beiden Halbleiterscheiben in engen Kontakt miteinander zu bringen und um die in Kontakt gelangenden Halbleiterscheiben zu trennen.
Der Hochtemperaturofen, die Halbleiterscheiben und sämtliche anderen Einrichtungen können selbst um einen großen Winkel geneigt sein (beispielsweise 45º gegenüber der Vertikalen).
Fig. 23 zeigt ein Flußdiagramm der in der Wärmebehandlungs- Temperatursteuerung 52 durchzuführenden Betriebsabläufe gemäß einem alternativen Arbeitsverfahren. Bei diesem Verfahren wird gemäß die Heizeinrichtungs-Solltemperatur für den Zentralbereich ab der zweiten und weiteren der aufeinanderfolgenden Einführung derart korrigiert, daß die Innentemperatur wi der Wärmebehandlungskammer unmittelbar vor der Einführung der Halbleiterscheibe den Wert w&sub1; in dem stabilen Zustand erreicht.
Fig. 24 zeigt einen Längsschnitt eines Hochtemperaturofens 2 einer Diffusionsvorrichtung und ein Steuersystem gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung. Zwischen einem Linearrohr 8 und einem Prozeßrohr 10 ist ein (z.B. aus Quarzglas usw. hergestelltes) Prisma 110 an der Halbleiterscheibeneinführungsposition eingesetzt und ein Spiegel 112 ist unmittelbar unterhalb des Prismas 110 außerhalb des Hochtemperaturofens vorgesehen. Darüber hinaus ist ein (z.B. kontaktloses) Strahlungsthermometer 114 vorgesehen. Die von den Halbleiterscheiben 16 abgegebene Strahlungsenergie wird zu dem Strahlungsthermometer 114 über das Prisma 110 und den Spiegel 112 geführt, um so eine Messung der Halbleiterscheibentemperatur während der Wärmebehandlung zu ermöglichen. Die Temperaturdaten der Halbleiterscheiben werden von dem Strahlungsthermometer 114 über eine elektrische Verbindung zu einer Wärmebehandlungssteuerung 116 geführt, in der die nachstehend erläuterten Arbeitsabläufe durchgeführt werden, um die entsprechenden Heizeinrichtungs-Temperatursteuerungen 46a, 46b und 46c mit Solltemperaturen zu versorgen.
Fig. 25 zeigt ein Flußdiagramm der Arbeitsabläufe in der Wärmebehandlungssteuerung 116. In dieser Figur wird die Heizeinrichtungs-Solltemperatur für den zentralen Bereich ab der zweiten und weiteren aufeinanderfolgenden Entnahme derart korrigiert, daß die Halbleiterscheibentemperatur Ui-1 unmittelbar vor der Halbleiterscheibenentnahme den Wert U&sub1; unmittelbar vor der ersten Entnahme der Halbleiterscheibe erreicht. Da bei dieser Ausführung die Halbleiterscheibentemperatur direkt gemessen und die Heizeinrichtungstemperatur dadurch gesteuert wird, kann die Wärmebehandlung der Halbleiterscheiben mit einer hohen Genauigkeit und Gleichmäßigkeit durchgeführt werden.
Fig. 26 zeigt ein Flußdiagramm der in der Wärmebehandlungssteuerung 116 gemäß eines alternativen Arbeitsverfahrens durchzuführenden Arbeitsabläufe. In dieser Figur wird nachdem die Halbleiterscheiben eingeführt sind, die Halbleiterscheibentemperatur Ui ständig durch das Strahlungsthermometer 114 gemessen und die Berechnung der Wärmebehandlungsgröße X wird durchgeführt. Wenn Soll- Wärmebehandlungsgröße Xe erreicht ist, wird die Halbleiterscheibenentnahme an die Hauptsteuerung ausgegeben. In Fig. 26 ist die Berechnungsformel für die Größe der Wärmebehandlung X durch die Formel des Diffusionsabstands der Arsenatome in einer Siliciumhalbleiterscheibe angegeben. Eine Veränderung der Berechnungsformel in Abhängigkeit von den Wärmebehandlungsbedingungen ist erwünscht. In dieser Ausführung werden die Heizeinrichtungs-Solltemperaturen für alle Heizeinrichtungen nicht bei jeder Einführung verändert. Gemäß dieser Ausführung kann die Wärmebehandlung der Halbleiterscheiben selbst dann gleichmäßig erfolgen, wenn die Temperatur der Wärmebehandlungskammer variiert.
Die Fig. 27 bis 31 zeigen Längsschnitte des Halbleiterscheiben-Beladebereichs von alternativen Halbleiterscheibeneinsatzhaltern, die bei dieser Erfindung verwendet werden. Fig. 27 zeigt eine Ausführung, bei der ein dicker Bereich 34 auch an dem unteren Teil der Scheibe 22 vorgesehen ist. Fig. 28 zeigt eine Ausführung, bei der eine ringförmige Platte 118 zwischen zwei Halbleiterscheiben 16 angeordnet ist. Um die Temperaturverteilung in der Halbleiterscheibe bei der Einführung zu verringern, kann es besser sein, wenn für die Dicke der ringförmigen Platte 118 ein ähnlicher Wert wie für die Dicke der Halbleiterscheibe 16 gewählt wird.
Fig. 29 zeigt eine Ausführung, bei der das Scheibenelement eine Verbundstruktur aus drei Schichten aufweist, wobei zwei Scheiben 22 auf beiden Seiten einer ringformigen Platte 118 angeordnet sind.
Fig. 30 zeigt eine Ausführung, bei der das Scheibenelement eine Verbundstruktur aus zwei Schichten aufweist, wobei eine ringförmige Platte 118 und eine Scheibe 22 aufeinander angeordet sind.
Fig. 31 zeigt eine Ausführung, bei der sich die Dicke der Scheibe 22 in Radialrichtung durchgehend verändert.
In Fig. 32 ist ein für die Erfindung verwendbarer weiterer Halbleitereinsatzhalter gezeigt. Der Halter hat einen um den Umfang der Halbleiterscheibe angeordneten Ring 120 mit einem etwas größeren Durchmesser als die Halbleiterscheibe sowie einen oberen Endbereich 26, der innerhalb des Rings 120 angeordnet und aus runden Stangen mit Nuten 24 und dünnen Platten geformt ist. Der Abstand zwischen der Innenwand des Rings 120 und der Außenkante der Halbleiterscheiben beträgt vorzugsweise 10 mm oder weniger und die Breite des Rings 120 ist vorzugsweise dreimal so groß wie der Spalt zwischen den Halbleiterscheiben. Wenn bei dieser Ausführung der die Halbleiterscheiben tragende Einsatzhalter in das Innere des Hochtemperaturofens 2 eingesetzt wird, wird die Wärme, die sonst über den Spalt zwischen den beiden Halbleiterscheiben zu der Innenseite der beiden Halbleiterscheiben strahlt, durch den Ring 120 abgeschirmt und beide Halbleiterscheiben werden nur durch die Erwärmung an den Außenflächen gleichmäßig erwärmt.
Dieser Effekt kann vergrößert werden, wenn die Oberfläche des Rings 120 z.B. durch Sandstrahlen auf gerauht wird oder z.B. durch Beschichtung lichtundurchlässig gemacht wird.
Die Fig. 33 bis 35 zeigen Längsschnitte von Halbleiterscheiben-Beladebereichen des Halbleiterscheiben-Einsatzhalters gemäß weiterer Ausführungen der Erfindung. Fig. 33 zeigt eine Ausführung, bei der der Ring 120 einen gebogenen Querschnitt zur Anordnung um die Halbleiterscheiben 16 aufweist.
Fig. 34 zeigt eine Ausführung, bei der der Ring 120 einen V-förmigen Querschnitt zur Anordnung um die Halbleiterscheiben 16 aufweist. Bei dieser Ausführung läuft der Ring 120 in Radialrichtung auseinander, wodurch die Beladung und Entladung der Halbleiterscheiben erleichtert wird.
Fig. 35 zeigt eine Ausführung, bei der der Ring 120 einen abgewinkelten U-förmigen Querschnitt zur Anordnung um die Halbleiterscheiben aufweist.
Fig. 36 zeigt einen Halbleiterscheiben-Einsatzhalter gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung und Fig. 37 zeigt einen Längsschnitt des Halters von Fig. 36. Innerhalb des Außenumfangs der beiden Halbleiterscheiben 16 ist ein Ring 120 vorgesehen. Der Querschnitt des Rings 20 ist kreisförmig mit einem Durchmesser, der etwas geringer als der Spalt zwischen den Halbleiterscheiben ist. Es ist kein Ring am unteren Teil der Halbleiterscheiben vorgesehen, so daß die Halbleiterscheiben von dem Beladehalter und dem Entladehalter gehalten werden können, wie dies in Fig. 12 gezeigt ist.
Fig. 38 zeigt eine Ausführung, bei der der Ring 120 einen rechteckigen Querschnitt aufweist. Der Innendurchmesser des Rings 120 entspricht in etwa dem Halbleiterscheibendurchmesser.
Wie aus den Fig. 39 und 40 hervorgeht, kann auch eine Kombination aus einer Scheibe und einem Ring (Fig. 39) und aus einer Hohlscheibe und einem Ring (Fig. 40) verwendet werden, um so den Wärmeübergang auf die Halbleiterscheiben genau einzustellen.
Fig. 41 zeigt einen Längsschnitt eines Hochtemperaturofens gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung. Innerhalb eines Hochtemperaturofens 2 in Form eines vertikalen Zylinders sind ein zylinderförmiges Linearrohr 8 und ein Prozeßrohr 10 in Form eines rechteckigen Rohrs vorgesehen. Der untere Teil 18 des Prozeßrohrs 10 erstreckt sich von dem Hochtemperaturofen 2 nach unten und wird von einem Kühlelement 20 umgeben. In einem unteren Bereich des Hochtemperaturofens 2 zwischen dem Prozeßrohr 10 und dem Linearrohr 8 sind Strahlungsabschirmplatten 122 vorgesehen. Bei dieser Ausführung wird ein zylinderförmiger Hochtemperaturofen 2 verwendet, der somit einfach herzustellen ist und eine hohe Festigkeit aufweist. Aufgrund der Strahlungsabschirmplatten 122 kann die Wärmeableitung vom Hochtemperaturraum im Inneren des Hochtemperaturofens 2 zum Kühlelement 20 und zur Außenseite klein gehalten werden.
Fig. 42 zeigt einen Längsschnitt eines Hochtemperaturofens einer Diffusionsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung. Innerhalb eines einzelnen Hochtemperaturofens 2 sind zwei Heizräume ausgebildet und werden von parallelen plattenförmigen Heizelementen 4a, 4b und 4c erwärmt. In jeden Heizraum werden zwei Halbleiterscheiben eingeführt. Ein gemeinsamer Hub/Absenk-Träger 30 trägt alle Halbleiterscheiben. Gemäß dieser Ausführung kann eine Wärmebehandlung an vier Halbleiterscheiben gleichzeitig durchgeführt werden.
Fig. 43 zeigt einen Längsschnitt eines Hochtemperaturofens. Drei Hochtemperaturöfen 2 sind miteinander verbunden, wobei in jedem dieser Öfen eine einzelne Halbleiterscheibe 16 durch ein einzelnes plattenförmiges Heizelement 4a, 4b oder 4c erwärmt wird. Ein gemeinsamer Hub/Absenk-Träger 30 trägt und bewegt alle Halbleiterscheiben. Gemäß dieser Ausführungen ist eine Wärmebehandlung an drei Halbleiterscheiben gleichzeitig möglich. Es können auch zwei oder mehr Hochtemperaturöfen miteinander verbunden werden.
Fig. 44 zeigt einen Längsschnitt eines Hochtemperaturofens gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung. Ein Hochtemperaturofen 2 wird durch parallele plattenförmige Heizelemente 4a, 4b und 4c gebildet. Jede der drei Halbleiterscheiben 16 wird von einem unabhangigen Einsatzhalter 14 gehalten und durch einen unabhängigen Hub/Absenk-Träger 30 bewegt. In den Hochtemperaturofen 2 werden immer zwei Halbleiterscheiben 16 eingeführt. Der andere Einsatzhalter wird aus der Heizeinrichtung entnommen und es erfolgt ein Halbleiterscheibenaustausch oder -wechsel. Wenn eine Halbleiterscheibe nach Beendigung der Wärmebehandlung aus der Heizeinrichtung entnommen wird, wird eine neue Halbleiterscheibe in die Heizeinrichtung eingeführt. Gemäß dieser Ausführung kann der Hochtemperaturofen 2 zur Verbesserung des Durchsatzes effektiv genutzt werden.
Die Funktionen und die technischen Vorteile der vorstehend erläuterten Ausführungen werden im folgenden zusammengefaßt.
Die Funktionen lassen sich zunächst wie folgt analysieren.
(1) In einem Hochtemperaturofen ist zumindestens eine Fläche jeder Halbleiterscheibe zu einer Innenwand des Hochtemperaturofens hin gerichtet und die Heizeinrichtung des Hochtemperaturofens ist in mehrere Bereiche in der Richtung der Halbleiterscheibenfläche unterteilt und wird einer entsprechenden Wärmeerzeugungssteuerung unterworfen. Daher kann die gesamte Fläche der Halbleiterscheiben auch im Übergangszustand gleichmäßig erwärmt werden. Da darüber hinaus zwei Halbleiterscheiben unter äquivalenten Bedingungen erwärmt werden können, wird die Erwärmung der beiden Halbleiterscheiben äquivalent. Da die Einführung und Entnahme der Halbleiterscheibe mit hoher Geschwindigkeit erfolgt, besteht nahezu kein Unterschied in der Erwärmungsdauer zwischen einem zuerst und einem zuletzt eingeführten Teil.
(2) Durch Abkühlung der heißen Halbleiterscheibe nach der Wärmebehandlung in einer Kühlzone an einem unteren Teil des Reaktionsrohrs kann die Halbleiterscheibe ohne deren Entnahme aus dem Prozeßrohr gekühlt werden, wodurch verhindert wird, daß die heiße Halbleiterscheibe unmittelbar der Außenatrmosphäre ausgesetzt ist. Auch in der Kühlzone weist eine Fläche von jeder der beiden Halbleiterscheiben zu dem Kühlelement oder zur Außenseite. Daher sind die Abkühlungsgeschwindigkeiten für beide Halbleiterscheiben nahezu gleich und hoch.
(3) Wenn zwei Halbleiterscheiben mit einem bestimmten Spalt dazwischen angeordnet sind, können die Halbleiterscheiben leicht auf dem Einsatzhalter angeordnet von diesem entnommen werden. Die Halbleiterscheiben werden in einer schmalen Nut bzw. Nuten gehalten. Daher ist der Kontaktbereich zwischen der Halbleiterscheibe und dem Halter gering und somit kann der Halbleitscheibenbereich, der infolge des Kontakts mit dem Halter einer nicht gleichmäßigen Wärmebehandlung ausgesetzt ist, klein gehalten werden. Da die beiden Halbleiterscheiben durch einen bestimmten Spalt getrennt sind, werden Umfangsbereiche des Halbleiterscheibeninneren von dem Spalt erwärmt. Durch Anordnung einer Scheibe zwischen den Halbleiterscheiben mit einer größeren Dicke in einem Umfangsbereich kann die Geschwindigkeit der Temperaturerhöhung zwischen dem Umfangbereich und dem Zentralbereich der Halbleiterscheibe ausgeglichen werden.
(4) Wenn die Temperatur des Wärmeerzeugungsbereichs der Heizeinrichtung gesteuert wird, um die Innentemperatur der Wärmebehandlungskammer für jede Halbleiterscheibeneinführung konstant zu halten, kann eine gleichmäßige Wärmebehandlung der Halbleiterscheiben für die entsprechenden Halbleiterscheibeneinführungen erfolgen.
Wenn die Halbleiterscheibenzufuhr unterbrochen wird, kann die Innentemperatur der Wärmebehandlungskammer zu dem stabilen Zustandswert zurückkehren, indem die Temperatur des Wärmeerzeugungsbereichs der Heizeinrichtung zu einem vorbestimmten Wert zurückkehrt.
(5) Wenn bei der Einführung der Halbleiterscheibe eine große Gasmenge zugeführt wird, kann die ansonsten mit dem Halbleiter eintretende Außenatmosphäre ausgeblasen und somit die Menge der sich vermischenden Außenatmosphäre klein gehalten werden. Wenn bei der Entnahme der Halbleiterscheibe die Gaszufuhr auf einen kleinen Wert gehalten wird, kann die Konvektion im Inneren der Wärmebehandlungskammer unterdrückt werden, um so die Vermischung der Außenatmosphäre zu verringern.
Als nächstes werden die technischen Vorteile erläutert.
(1) Wenn in einem Hochtemperaturofen eine Wärmebehandlung an zwei Halbleiterscheiben gleichzeitig durchgeführt wird, können die beiden Halbleiterscheiben gleich erwärmt werden und die Wärmeerzeugung der Heizelemente in Richtung der Halbleiterscheibenflächen kann gesteuert werden. Es wird daher möglich, die Halbleiterscheibenflächen auf einer gleichmäßigen Temperatur auch im Übergangszustand zu halten und dadurch eine gleichmäßige Wärmebehandlung in einer kurzen Zeit zu erreichen.
(2) Die heißen Halbleiterscheiben können nach Beendigung der Wärmebehandlung gleichmäßig abgekühlt werden, ohne daß diese direkt der Außenatmosphäre ausgesetzt sind. Es besteht daher nicht die Gefahr einer Halbleiterscheibenkontamination und das Ergebnis der Wärmebehandlung kann verbessert werden.
(3) Die Be- und Entladung zweier Halbleiterscheiben wird einfach. Durch Anordnung einer Scheibe mit veränderlicher Dicke in Radialrichtung zwischen den beiden Halbleiterscheiben kann die Temperaturverteilung der Halbleiterscheibenfläche im Übergangszustand verringert werden. Es ist daher möglich, eine gleichmäßige Wärmebehandlung in kurzer Zeit ohne Verursachung thermischer Spannungsdefekte zu erreichen. In dem in Fig. 18 gezeigten Fall kann die Temperaturdifferenz in der Halbleiterscheibenfläche bei der Einführung auf etwa die Hälfte reduziert und das Ergebnis der Wärmebehandlung verbessert werden.
(4) Die Qualität der Wärmebehandlung kann über eine Vielzahl von Halbleiterscheibeneinführungen vereinheitlicht werden. So wird beispielsweise bei dem in Fig. 15 gezeigten Fall die effektive Wärmebehandlungstemperatur um 4 ºC durch zehnmaliges Einführen einer Halbleiterscheibe ohne Steuerung der Solltemperatur gesenkt, wohingegen diese bei Steuerung der Solltemperatur auf eine Temperaturstreuung von 2 ºC heruntergedrückt werden kann.
(5) Die Menge der sich vermischenden Außenatmosphäre kann auch bei der Einführung und Entnahme klein gehalten werden. Es kann somit verhindert werden, daß staubhaltiger Sauerstoff in das Prozeßrohr gelangt und das Ergebnis der Wärmebehandlung kann verbessert werden.
Durch Verwendung des erfindungsgemäßen Ofens konnen Halbleiterscheiben in kurzer Zeit gleichmäßig erwärmt und schnell gekühlt werden, ohne daß diese der Außenatmosphäre ausgesetzt werden. Es wird eine Wärmebehandlungsvorrichtung für Halbleiterscheiben mit hoher Qualität und hoher Wirtschaftlichkeit geschaffen.

Claims

1. Hochtemperaturofen (2) zur Durchführung einer Wärmebehandlung an Halbleiterscheiben (16) mit:

einer Heizeinrichtung (4) aus zwei parallelen, vertikal angeordneten flachen Platten-Widerstandsheizelementen, die innerhalb eines Wärmeisolierungselements (6) angeordnet sind und dazwischen einen vertikal verlaufenden Heizbereich begrenzen, der an seinem unteren Teil eine Öffnung zur Einführung und Herausnahme der Halbleiterscheiben aufweist, wobei die flachen Platten-Widerstandsheizelemente auf beiden Seiten und im wesentlichen parallel zu den Oberflächen der Halbleiterscheiben angeordnet sind, wenn die Scheiben im Ofen zur Erwärmung angeordnet sind, und wobei die flachen Platten- Widerstandsheizelemente ferner in mehrere Wärmeerzeugungsbereiche (4a-4e, 4f-4j) unterteilt sind;

einer Steuereinrichtung (44a-44d; 46a-46d; 48a-48d) zur unabhängigen Steuerung der Temperaturen der entsprechenden Wärmeerzeugungsbereiche (4a-4e, 4f-4j); und

einer Halteeinrichtung zur Halterung von einer oder zwei Halbleiterscheiben (16) und zur Einführung in bzw. zur Herausnahme der Scheiben (16) aus dem Heizbereich.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (4) in zentrale (4b, 4g), obere (4a, 4f), untere (4c, 4h) und seitliche (4d, 4e, 4i, 4j) Bereiche unterteilt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Prozeßrohr (10) in dem Heizbereich angeordnet ist, das einen vom Hochtemperaturofen (2) nach unten ragenden unteren Teil (18) hat, wobei das Prozeßrohr (10) an seinem unteren Teil einen Kühlbereich zur Kühlung der Halbleiterscheiben (16) ohne direkten Kontakt mit der Außenatmosphäre aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein in dem Heizbereich angeordnetes Prozeßrohr (10) und eine Anordnung (54, 60, 64) für die Zufuhr eines vorgewärmten Prozeßgases zur Abwärtsströmung im Prozeßrohr (10).

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteeinrichtung (14) zur im wesentlichen vertikalen und parallelen Halterung zweier Halbleiterscheiben (16) ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zwischenplatte (22) zwischen den beiden Halbleiterscheiben (16) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenplatte (22) eine Scheibenform mit demselben Durchmesser wie die zu erwärmenden Scheiben aufweist, die am Umfangsbereich dicker ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteeinrichtung (14) einen Haltebereich (26) zur Halterung der Halbleiterscheiben und eine Haltestütze (28) zur Anordnung des Haltebereichs (26) an seinem einen Ende enthält, wobei die Haltestütze (28) eine aus einem dünnen Element gebildete Hohistruktur und eine Öffnung (38) hat, die in die Hohlstruktur an einer Stelle gebohrt ist, die nicht in den Heizbereich eingesetzt wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteeinrichtung (14) einen Ring (120) enthält, der einen etwas größeren Durchmesser als die in den Heizbereich aufzunehmenden Halbleiterscheiben aufweist, wobei der Ring (120) die Form eines schleifenförmigen Bands aufweist, dessen Breite größer ist als ein zwischen zwei eingeführten Halbleiterscheiben zu bildender Spalt und wobei das Band in einer Position zur Abschirmung des zwischen zwei eingeführten Halbleiterscheiben zu bildenden Spalts angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Steuereinrichtung (44a-44d, 46a-46d, 48a-48d) zur unabhängigen Steuerung der Temperaturen der Wärmeerzeugnngsbereiche (4a-4e, 4f-4j) Temperatursensoren (44a-44d) zur Erfassung der Temperatur eines Wärmeerzeugungsbereichs (4a-4j) der Heizeinrichtung (4), PID-Thyristorsteuerungen (46a-46d) zur Einstellung der Temperatur der Wärmeerzeugungsbereiche (4a-4j) auf einen Setzwert auf der Grundlage des erfaßten Werts und eine Energiequelle für die Heizeinrichtung (48a-48d) zur Energiezufuhr an die Heizeinrichtung enthält und

- eine Korrektureinrichtung (42, 50, 52) zur Korrektur der Setzwerte auf der Grundlage der Temperatur des Heizbereichs vorgesehen ist, wobei die Korrektureinrichtung (42, 50, 52) einen Heizbereichstemperatursensor (50) zur Erfassung der Temperatur des Heizbereichs und eine Heizbereichstemperatursteuerung (52) zur Korrektur des Setzwerts der Temperatur der Wärmeerzeugungsbereiche (4a-4j) der Heizeinrichtung (4) auf der Grundlage des erfaßten Werts enthält.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine Korrektureinrichtung (42, 114, 116) zur Korrektur der Temperatursetzwerte durch die Steuereinrichtung (44, 46, 48) auf der Grundlage einer Oberflächentemperatur der einer Wärmebehandlung zu unterziehenden Halbleiterscheibe (16), wobei die Korrektureinrichtung (42, 114, 116) ein außerhalb des Hochtemperaturofens (2) angeordnetes berührungsloses Strahlungsthermometer (114), ein Prisma (110) und einen Spiegel (112) zur Führung einer von einer Halbleiterscheibe (16) im Heizbereich abgestrahlten Strahlung zum Strahlungsthermometer (114), eine Wärmebehandlungssteuerung (116) und eine elektrische Verbindung für die Zuleitung des die erfaßte Oberflächentemperatur der Halbleiterscheibe (16) repräsentierenden Ausgangssignals des Strahlungsthermometers (114) zu der Wärmebehandlungssteuerung (116) enthält.

12. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Gasmengensteuereinrichtung (60, 64) zur Steuerung der zugeführten Menge eines in den Heizbereich eingeleiteten Behandlungsgases mit einer hohen Rate im Zeitpunkt der Einführung der Halbleiterscheiben (16) und mit einer reduzierten Rate bei anderen Gelegenheiten.