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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf die rasche thermische Behandlung
von delikaten Materialien, wie beispielsweise Halbleitersubstraten. Insbesondere
präsentiert
die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum gleichmäßigen Bestrahlen
eines Halbleiterwafers während
sich das Substrat dreht.
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AUSGANGSPUNKT
DER ERFINDUNG
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Die
rasche thermische Behandlung bzw. die rasche thermische Prozessierung
(RTP = Rapid Thermal Processing) ist ein vielseitiges optisches Heizverfahren,
das verwendet werden kann für
die Halbleiterverarbeitung sowie allgemein als ein gut kontrolliertes
Verfahren zum Heizen von Objekten oder Wafern, welche in der Form
dünner
Flächenelemente,
Plättchen
oder Scheiben vorliegen. Die Objekte werden im Allgemeinen einzeln
in eine Kammer eingeführt,
bei der wenigstens Teile der Kammerwände transparent sind, um Strahlung
von leistungsstarken Heizlampen zu übertragen. Der transparente
Teil der Wände
ist üblicherweise
Quarz, das Strahlung bis zu einer Wellenlänge von 3 bis 4 Mikrometern überträgt. Die
Lampen sind im Allgemeinen Wolfram-Halogenlampen, aber es können auch
Bogenlampen oder irgendwelche anderen Quellen sichtbarer und/oder
naher Infrarotstrahlung verwendet werden. Die Strahlung von den
Lampen wird durch die transparenten Teile der Wände auf die Oberfläche des
zu erwärmenden
Objekts gerichtet. Solange die Objekte Licht im nahen Infrarot oder
sichtbaren Spektralbereich absorbieren, das durch den transparenten Teil
der Wände übertragen
wird, erlauben RTP-Techniken rasche Änderungen der Temperatur und
des Prozessgases für
unterschiedliche Materialprozesse und Bedingungen. RTP ermöglicht,
dass das "thermische
Budget" unterschiedlicher
Halbleiterprozesse reduziert wird und erlaubt ferner die Erzeugung
unterschiedlicher metastabiler Zustände, die "eingefroren" werden können, wenn das Material rasch
abgekühlt
wird.
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RTP-Systeme
sind relativ neu. In den letzten 10 bis 15 Jahren wurden solche
Systeme nur in der Forschung und Entwicklung eingesetzt. Der Hauptteil der
Arbeit lag im Erhöhen
der Temperaturgleichförmigkeit
und im Entwickeln von Heizzyklen und Prozessen, welche das thermische
Budget verringerten. RTP-Anlagen
des Standes der Techniken können
unstrukturierte, homogene Materialien in der Form einer flachen
Platte oder Scheibe erwärmen
und Temperaturgleichförmigkeiten über die
Platte hinweg erzeugen, welche für
Halbleiterverarbeitungsprozesse adäquat sind.
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Die
Temperatursteuerung in derzeitigen RTP-Systemen wird meistens durch
monochromatische Pyrometrie (oder Pyrometrie innerhalb eines schmalen
Wellenlängenbandes)
durchgeführt,
welche die Temperatur der relativ unstrukturierten und keine Bauelemente
aufweisenden Rückseite
von Halbleiterwafern misst. Die Ergebnisse der Temperaturmessung
werden im Allgemeinen in einer Regelung bzw. einer Steuerung mit
Rückkopplung
verwendet zum Steuern der Heizlampenleistung. Rückseitenbeschichtete Wafer
mit variierender Emissivität können nicht
in dieser Art und Weise verwendet werden und die Rückseitenschichten
werden normalerweise weggeätzt
oder die Temperatur wird unter Verwendung von Kontaktthermoelementen
gemessen.
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Ein
neueres Verfahren der Temperatursteuerung ist die leistungsgesteuerte
Heizung mit offener Schleife, die im U.S. Patent Nr. 5,359,693 beschrieben
ist.
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Das
deutsche Patent
DE
42 23 133 C2 offenbart ein Verfahren zum Erzeugen eines
relativ defektfreien Materials in RTP-Anlagen. Vorrichtungsinduzierte
thermische Inhomogenitäten
wurden in den letzten paar Jahren reduziert, in Folge der Anforderung
für eine
gleichförmigere
Prozessierung. Unter den verwendeten Techniken waren die Steuerung
individueller Lampenleistung, die Verwendung kreisförmiger Lampen
und die Rotation der Halbleiterwafer mit unabhängiger Leistungssteuerung.
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Die
meisten RTP-Anlagen besitzen eine dünne rechteckige Quarzreaktionskammer,
die ein offenes Ende besitzt. Kammern, die zur Verwendung mit einem
Vakuum bestimmt sind, besitzen häufig
einen abgeflachten ovalen Querschnitt. Kammern könnten selbst in der Form eines
flachen zylindrischen Pfannkuchens ausgebildet werden. Im Allgemeinen
werden die Kammern so verwendet, dass die dünnen zu erwärmenden Objekte horizontal
gehalten werden, aber sie könnten
auch vertikal oder in irgendeiner geeigneten Orientierung gehalten
werden. Die Reaktorkammer ist üblicherweise
dünn, um
die Lampen nahe an das zu erwärmende
Objekt zu bringen. Die Reaktorkammer wird an einem Ende geöffnet und
geschlossen mit einer pneumatisch betätigten Tür, wenn das Waferhandlingsystem
im Betrieb ist. Die Tür
ist üblicherweise
aus rostfreiem Stahl hergestellt und kann eine Quarzplatte, an der
Innenseite davon befestigt, besitzen. Das Prozessgas wird in die
Kammer von der Seite, die der Tür
gegenüber
liegt, eingeführt
und auf der Türseite
ausgelassen. Die Prozessgasströmung
wird durch Computer gesteuerte Ventile gesteuert, die mit unterschiedlichen
Sammelleitungen in einer bekannten Art und Weise verbunden sind.
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Ferner
wird auf die US-A-5 587 019 und die EP-A-0 695 922 verwiesen, die
beide eine Vorrichtung für
die thermische Behandlung von Halbleiterwafern durch Bestrahlung
derselben mit Strahlung von Strahlungsquellen zeigen. Jede Vorrichtung weist
eine Prozesskammer mit stationären
Wänden und
einen Suszeptor zum Tragen des Wafers in der Prozesskammer auf.
Gemäß der US-A-5
587 019 sind Mittel zum Drehen der Strahlungsquellen bezüglich des
Wafers gezeigt. Die EP-A-0 695 922 zeigt Mittel zum Drehen des Suszeptors,
welche innerhalb der Prozesskammer angeordnet sind und welche eine
Drehung des Wafers bezüglich
der Strahlungsquellen erlaubt.
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VERWANDTE
ANMELDUNGEN
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Reaktoren,
die auf dem RTP-Prinzip basieren, besitzen oft den gesamten Querschnitt
von einem Ende der Reaktorkammer, während des Waferhandhabungsprozesses
geöffnet.
Dieser Aufbau wurde etabliert, da unterschiedliche Waferhalter, Schutz-
bzw. Kompensationsringe und Gasverteilungsplatten, welche erheblich
größere Dimensionen besitzen
und dicker sein können
als die Wafer auch in die Kammer eingeführt werden müssen und
leicht und rasch ausgetauscht werden müssen, wenn der Prozess verändert wird
oder wenn zum Beispiel unterschiedliche Wafergrößen prozessiert werden. Die Reaktionskammerabmessungen
sind hinsichtlich dieser zusätzlichen
Gesichtspunkte aufgebaut. Das US-Patent 5,580,830, das dem Anmelder
der vorliegenden Erfindung gehört,
lehrt die Wichtigkeit der Gasströmung
und die Verwendung einer Öffnung
in der Tür,
um die Gasströmung
zu regulieren und Verunreinigungen in der Prozesskammer zu steuern.
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Der
zu erwärmende
Wafer ruht in einem herkömmlichen
RTP-System üblicherweise
auf einer Vielzahl von Quarzstiften, welche den Wafer akkurat parallel
zu den Reflektorwänden
des Systems hält. Bei
Systemen des Standes der Technik ruht der Wafer auf einem instrumentierten
Suszeptor, typischerweise einem gleichförmigen Siliziumwafer. Das US-Patent
5,861,609, das dem Anmelder der vorliegenden Erfindung gehört, lehrt
die Wichtigkeit von Suszeptorplatten getrennt vom Wafer.
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Die
rasche thermische Behandlung von III-IV-Halbleitern war bisher nicht
so erfolgreich, wie die rasche thermische Behandlung von Silizium.
Ein Grund hierfür
liegt darin, dass die Oberfläche
einen relativ hohen Dampfdruck von zum Beispiel Arsen (As) in dem
Fall von Galliumarsenid (GaAs) besitzt. Der Oberflächenbereich
verarmt an As und die Materialqualität leidet. US-Patent 5,837,555,
das dem Anmelder der vorliegenden Erfindung gehört, liefert ein Verfahren und
eine Vorrichtung, um dieses Problem zu überwinden.
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ZIELE DER
ERFINDUNG
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zum gleichmäßigen Erwärmen eines
Substrats in einem raschen thermischen Behandlungssystem vorzusehen.
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DIE ERFINDUNG
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine Vorrichtung für
die rasche thermische Behandlung (RTP) von Halbleiterwafern gemäß Anspruch
1 vorgesehen. Bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
beansprucht.
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Bei
dem RTP-System wird der Wafer durch eine Wand der Prozesskammer
getragen. Die eine Wand ist drehbar bezüglich der Strahlungsquellen, so
dass das Substrat bezüglich
der Strahlungsquellen des RTP-System gedreht werden kann.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Darstellung eines RTP-Systems des Standes der
Technik mit einer offenendigen Quarzreaktorkammer, und mit zwei Bänken von
Heizlampen.
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2 ist
eine schematische Darstellung der RTP-Kammer des bevorzugten Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung.
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3 ist
eine auseinander gezogene Ansicht eines Teils der RTP-Kammer eines Ausführungsbeispiels
der Erfindung.
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4 ist
eine perspektivische weggeschnittene Ansicht der Kammer eines Ausführungsbeispiels
der Erfindung.
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5 ist
eine perspektivische weggeschnittene Ansicht der Kammer eines Ausführungsbeispiels
der Erfindung.
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6 ist
eine perspektivische weggeschnittene Ansicht der Kammer eines Ausführungsbeispiels
der Erfindung.
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7 ist
eine Aufrissansicht der RTP-Kammer eines Ausführungsbeispiels der Erfindung
in einer geöffneten
Position.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 zeigt
eine Querschnittsansicht einer bekannten RTP-Kammer 10 mit
einem Wafer 12, der durch Quarzstifte 14 in einer
Position zum Heizen durch Strahlung von einem Satz von Lampen 16 und 18 getragen
wird. Die Kammer 10 wird durch ein Gehäuse 20 mit hoch polierten
Innenwänden 22 getragen.
Eine Tür 24 wird
verwendet, um eine gasdichte Abdichtung mit der Kammer 10 vorzusehen.
Die Temperatur des Wafers 12 wird durch ein Pyrometer 26 gemessen.
Ein Computer oder andere Steuermittel 32 empfangen die
Temperaturablesung von dem Pyrometer 26 und steuert die
Lampen 16 und 18, um den Wafer 12 gemäß einem
vorprogrammierten Plan zu erwärmen
bzw. zu heizen. Der Computer 32 dient auch zum Steuern
einer Gasströmungssteuerung 30, die
ein Prozessgas 28 in die Kammer 10 einführt.
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Die
Rotation von Suszeptoren, welche Wafer tragen, ist bekannt als ein
Mittel um eine gleichförmige
Erwärmung
und einen Wachstum von Filmen in Halbleiterprozessen sicherzustellen.
Jedoch verwenden Vorrichtungen des Standes der Technik eine Drehwelle,
welche in die Kammer eindringt, um den Suszeptor und den Wafer zu
halten. Eine solche Drehwelle würde
die Wärmeströmung von
einem unteren Satz von Lampen zu einem Suszeptor oder einem Wafer
stören.
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Die
derzeitig am meisten bevorzugte Vorrichtung der vorliegenden Erfindung
ist im Querschnitt in 2 dargestellt. Ein Halbleiterwafer 12 wird
durch Quarzstifte 14 in einer Position für die rasche
thermische Behandlung durch Lampen 16 und 18 getragen. Die
Strahlung von den Lampen 16 geht durch die obere Quarzwand 52 der
Kammer 10 hindurch und die Strahlung von den Lampen 18 geht
durch die untere Quarzwand 54 hindurch. Die untere Quarzwand 54 dreht
sich um ihre Achse bezüglich
der oberen Quarzwand 52. Die Tragglieder, die die untere Quarzwand 54 tragen,
welche sich dreht, sind in 2 schraffiert
dargestellt. Die obere Quarzwand 52 und ihre Tragglieder
sind fixiert, während
die sich nicht drehenden unteren Tragglieder, welche die tragenden
Teile, die sich nicht drehenden Lampen 18 und die sich
nicht drehenden Gasleitungen (die nachfolgend identifiziert werden)
tragen aus der in 2 gezeigten Position abgesenkt
werden können,
um eine Entnahme des Wafers 12 und das Einführen eines
neuen Wafers zu ermöglichen.
Ein Schutz- bzw. Kompensationsring 56 wird durch Träger 58 getragen,
welche an dem sich nicht drehenden und nicht bewegenden Teil der
Kammer 10 befestigt sind. Wenn der Wafer 12 auf
den Stiften 14 platziert ist und die untere Quarzplatte 54 in
die angehobene Position bewegt wird, wird der Wafer 12 in
eine Position in der Mitte des Kompensationsrings 56 angehoben
und ist im Wesentlichen koplanar zu dem Kompensationsring 56.
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Eine
Prozessgasleitung 28, eine Spülgasleitung 60, eine
Auslassleitung 62 sind fest in ihrer Position bezüglich des
oberen Teils der Kammer 10 gezeigt. Eine Rotationsantriebswelle 64 und
ein Zahnradantrieb 66 sind gezeigt, um die Mittel zum Drehen des
unteren Quarzfensters 54 bezüglich des oberen Quarzfensters 52 zu
zeigen. Die Antriebswelle 64 geht bewegbar durch die feste
Basis 68 hindurch, welche die oberen nicht drehenden und
sich nicht bewegenden Tragglieder tragen. Eine Kühlwasserleitung 70 und
eine Kühlluftleitung 72 sind
auch schematisch angedeutet, die bewegbar durch die Basis 68 hindurch
gehen. Die tatsächlichen
Verbindungen der Leitungen 70 und 72 sind nicht
dargestellt. Die Kühlwasser-
und Kühlluftleitungen
für die
oberen nicht bewegbaren Glieder sind nicht dargestellt. Eine Kugellagerlauffläche 74 ist
dargestellt, welche die drehbaren Glieder von der bewegbaren Basis 76 trägt, welche
die unteren bewegbaren Glieder trägt. Die unterschiedlichen Gasströmungen sind
durch Pfeile angezeigt und werden im Detail später beschrieben.
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Der
Dichtungsmechanismus innerhalb des Kreises, der durch A in 2 angezeigt
ist, ist in vergrößerter Ansicht
in 3 dargestellt. Es ist wesentlich, dass die Prozesskammer 10 so
rein wie möglich für die Halbleiterverarbeitung
ist. Bei der vorliegenden Anordnung gibt es keine Gleitdichtungen,
um Partikel in die Kammer 10 einzuführen. Alle Dichtungen sind
Gasdichtungen. Das Prozessgas 28 wird in die Kammer 10,
wie in 3 dargestellt ist, eingeführt und leckt aus der Kammer
heraus durch einen 100 Mikrometerspalt zwischen der drehbaren Quarzplatte 54 und
einem Quarzglied 78, das von der feststehenden Quarzplatte 52 vorsteht.
Das Prozessgas dehnt sich in einen Expansionsraum 80 aus,
strömt dann
zwischen den feststehenden und drehbaren Traggliedern und aus dem
Auslass 62 heraus. Spülgas 60 stellt
sicher, dass das Prozessgas 28 nicht in die Atmosphäre austritt,
die die RTP-Kammer umgibt. Ein optionaler serpentinenförmiger Gaspfad 82 ist
dargestellt, um sicherzustellen, dass das Spülgas nicht in die Prozesskammer 10 eintritt.
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4 zeigt
eine perspektivische weg geschnittene schematische Darstellung der
Vorrichtung mit einem Wafer in einer Position für RTP. (Lampen, Kühlleitungen
etc. sind nicht gezeigt). Die drehbaren Teile sind schraffiert dargestellt.
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5 zeigt
den unteren Teil der Kammer abgesenkt und wie der Wafer 12 in
die Kammer 10 durch eine Tür 84 in der Vorrichtung
eingeführt
oder aus der Kammer herausgenommen wird.
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6 zeigt
eine weggeschnittene perspektivische Ansicht der aus Quarz bestehenden
oberen Platte 52 und der unteren Platte 54, welche
den Wafer 12 auf den Stiften 14 trägt. Eine
Quarzbasis, welche die Stifte 14 hält, ist nicht gezeigt. Die
Kanten der Quarzplatten 52 und 54 und das Glied 78 sind
als opakes Quarz 86 dargestellt. Das opake Quarzmaterial
ist Quarz, das voll von mikroskopischen Leerstellen bzw. Blasen
ist, welche den thermischen Widerstand des Quarzes viel höher machen
und die Leitung von Wärme
aus der Mitte der Quarzplatten 52 und 54 zu den
sie umgebenden Metallträgern
verringern. Das "opake" Quarz streut auch
das Licht, das in dem Quarz eingefangen wird (wie ein Lichtleiter)
und erlaubt der Lichtenergie aus dem Quarz auszutreten, bevor es
die Metallwände
und die Tragglieder erreicht.
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7 zeigt
eine Aufrissansicht der oberen Quarzplatte 52 und der unteren
Quarzplatte 54, die abgesenkt ist, um das Einführen eines
Produktwafers 12 zu erlauben. Die Anordnung erlaubt die
innovative simultane Einführung
von einem Wafer von einer Seite der Kammer, während der zuvor behandelte
Wafer von einer anderen Seite entnommen wird. Der gesamte Prozess
wird beschleunigt, um die Zeit, die normalerweise für einen
Roboterarm erforderlich ist, um eine Vakuumpfanne 90, die
den Wafer 12 trägt, zu
entnehmen, um den entnommenen Wafer in eine Aufnahmekassette einzuführen und
um einen unbehandelten Wafer für
das Einführen
in die Kammer aufzunehmen. 7 zeigt
auch die Platzierung von Hilfsheizplatten 86 und 88 oberhalb
und unterhalb des Wafers.