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Dokumentenidentifikation DE69733381T2 27.04.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0000811709
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Effizienzverbesserung strahlender Energiequellen für schnelle thermische Behandlung von Substraten durch Energiereflexion
Anmelder Applied Materials, Inc., Santa Clara, Calif., US
Erfinder Bahl, Suneet, Pleasanton, California 94566, US
Vertreter v. Füner Ebbinghaus Finck Hano, 81541 München
DE-Aktenzeichen 69733381
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT, NL
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 03.06.1997
EP-Aktenzeichen 973038557
EP-Offenlegungsdatum 10.12.1997
EP date of grant 01.06.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.04.2006
IPC-Hauptklasse C30B 31/14(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse C23C 16/04(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   H01L 21/00(2000.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   C30B 25/10(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   C23C 16/48(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]

Diese Erfindung bezieht sich insgesamt auf eine schnelle thermische Heizvorrichtung und auf ein Verfahren zum schnellen Erhitzen eines Substrats und insbesondere auf eine Strahlungsenergieheizquelle mit einer verbesserten Steuerbarkeit der räumlichen Erhitzung eines Substrats durch Reflektieren von Energie aus einer Strahlungsenergiequelle.

Die Einzelwaferbehandlung von Halbleitern ist eine starke und vielseitige Technik für die Herstellung von sehr hoch integrierten elektronischen Schaltungen (VLSI) sowie von ultrahochintegrierten elektronischen Schaltungen (ULSI). Sie kombiniert eine photonengestützte schnelle Wafererhitzung bei niedriger thermischer Masse mit einer Halbleiterbehandlung in reaktiver Umgebung. Sowohl die Wafertemperatur als auch die Prozessumgebung können schnell geändert werden (aufgrund kurzer Übergangszeiten) und als Folge können jeder Herstellungsschritt und seine Unterprozesse unabhängig optimiert werden, um die Gesamtleistung der hergestellten Bauelemente zu verbessern.

Die schnelle thermische Behandlung (RTP) von Halbleiterwafern ermöglicht eine bessere Prozesswiederholbarkeit von Wafer zu Wafer in einem thermischen Behandlungsreaktor für Einzelwafer mit Lampenerhitzung. Zahlreiche Siliziumfertigungstechnologien benutzen RTP-Techniken, zu denen die schnelle thermische Glühbehandlung (RTA), die schnelle thermische Reinigung (RTC), die schnelle thermische chemische Gasphasenabscheidung (RTCVD), die schnelle thermische Oxidation (RTO) und die schnelle thermische Nitrierung (RTN) gehören. Beispielsweise können RTCVD-Prozesse zur Bildung von Dielektrika (beispielsweise Oxyde und Nitride), Halbleitermaterialien (beispielsweise amorphes Silizium und Polysilizium) sowie von Leitern (beispielsweise Aluminium, Kupfer, Wolfram und Titannitrid) unter Verwendung fortgeschrittener RTP-Techniken zur Herstellung von VLSI- und ULSI-Bauelementen durchgeführt werden.

In der Halbleiterindustrie möchte man eine Temperaturgleichförmigkeit über der Oberfläche eines jeden Substrats während der zyklischen Temperaturbehandlung von Substraten erreichen. Die Gleichförmigkeit der Oberflächentemperatur führt zu gleichförmigen Prozessvariablen (beispielsweise Schichtdicke, spezifischer Widerstand und Ätztiefe) für verschiedene temperaturaktivierte Schritte, wie die Filmabscheidung, das Oxydwachstum und das Ausheizen. Zusätzlich ist eine Temperaturgleichförmigkeit erforderlich, um einen thermischen spannungsinduzierten Schaden, wie Verwerfen, Defekterzeugung und Gleiten verhindern.

Bei der speziellen Anwendung der CMOS-Tordielektrikumsbildung durch RTO oder RTN, sind die Dicke, die Wachstumstemperatur und die Gleichförmigkeit der Tordielektrika kritische Parameter, die die Gesamtleistung des Bauelements und die Fertigungsausbeute beeinflussen. Zurzeit werden CMOS-Bauelemente mit dielektrischen Schichten hergestellt, die nur 60 bis 80 Ångstrom dick sind und deren Dickengleichförmigkeit innerhalb +/– 2 Ångstrom gehalten werden muss. Dieser Wert der Gleichförmigkeit erfordert, dass Temperaturänderungen über dem Substrat während einer Hochtemperaturbehandlung nur wenige Grad Celsius (°C) überschritten werden können.

Der Wafer selbst kann häufig auch kleine Temperaturunterschiede während der Hochtemperaturbehandlung nicht tolerieren. Wenn man zulässt, dass der Temperaturunterschied auf über etwa 1 bis 2 °C bei 1200°C ansteigt, ist es wahrscheinlich, dass die sich ergebende Spannung ein Gleiten in dem Siliziumkristall verursacht. Die sich ergebenden Gleitflächen zerstören alle Bauelemente, durch die sie hindurch gehen.

Die Gerätehersteller haben beträchtliche Konstruktionsmittel aufgebracht, um ein gleichförmiges Wafererhitzen in RTP-Systemen zu gewährleisten. Beispielsweise offenbart das US-Patent 5 155 336 ('336-Patent), das auf die Zessionarin der vorliegenden Anmeldung übertragen ist, eine RTP-Kammer, die eine Vielzahl von Strahlungsenergiequellen verwendet, die für die Zuführung von Wärme zu einem Substrat angeordnet sind. Die Strahlungsenergiequellen sind so angeordnet, dass sich die bestrahlten Bereiche des Substrats, die benachbarten Strahlungsenergiequellen entsprechen, überlappen. Diese Überlappung wird durch überlappende Verteilungen der Strahlungsenergiedichte – worauf auch als Energieflussverteilungen gemessen in Einheiten von Energie/Fläche Bezug genommen wird – jeder Strahlungsenergiequelle verursacht. Die Überlappung trägt dazu bei, zu gewährleisten, dass die gesamte Oberfläche des Substrats gleichförmig bestrahlt wird.

Die relative Strahlungsstärke über einem Substrat hängt von den Überlappungsverteilungen benachbarter Strahlungsenergiequellen ab. Eine zusätzliche Strahlung wird jedoch für Abschnitte der Substratoberfläche von nicht benachbarten Strahlungsenergiequellen durch Mehrfachreflexionen von Strahlungsenergie weg von der Oberfläche des Substrats und den Oberflächen der RTP-Kammer beigetragen. Je stärker die Oberfläche des Substrats reflektiert, desto mehr Energie wird von der Substratoberfläche für die Übertragung um die RTP-Kammer herum weg reflektiert und kommt mit der Substratoberfläche an Stellen in Kontakt, die von der Strahlungsenergiequelle entfernt sind.

Als Folge der Überlappung der Flussverteilungen und der Mehrfachreflexionen von Strahlungsenergie tragen verschiedene Strahlungsenergiequellen zur Veränderung des Grades der Strahlungsdichte irgendeiner Stelle auf der Substratoberfläche bei. Diese Tatsache macht den Prozess der Steuerung des Temperaturprofils über der Substratoberfläche durch Manipulieren der Energie kompliziert, die verschiedenen Strahlungsenergiequellen zugeführt wird.

Man hat auch erkannt, dass ein Kompromiss zwischen der Steuerbarkeit der Temperaturgleichförmigkeit über der Substratoberfläche und dem Wirkungsgrad der Strahlungsenergiequellen vorliegt. Wenn beispielsweise in einer RTP-Kammer die Energieflussverteilung von einer Strahlungsenergiequelle durch beispielsweise eine Verengung des Auslasses des Lichtrohres der Quelle beschränkt ist, um eine bessere Steuerbarkeit der Substratoberflächentemperatur zu erreichen, nimmt der Wirkungsgrad der Strahlungsenergiequelle ab, da weniger Energie auf das Substrat gerichtet wird. Wenn der Wirkungsgrad der Strahlungsenergiequelle durch Vergrößern des Auslasses und notwendigerweise die Verteilung der von der Strahlungsenergiequelle freigegebenen Strahlungsenergie erhöht wird, nimmt umgekehrt die Steuerbarkeit wegen der gesteigerten Mehrfachreflexionen und der Flussverteilungsüberlappungen, wie vorstehend beschrieben, ab. Deshalb möchte man den Wirkungsgrad der Strahlungsenergiequellen verbessern, die Steuerbarkeit der Verteilung der Strahlungsenergie, die auf das Substrat gerichtet wird, jedoch nicht verschlechtern.

Es ist ein Ziel dieser Erfindung, eine Strahlungsenergie-Heizquelle bereitzustellen, die eine verbesserte räumliche Steuerung der Strahlungsenergie ermöglicht, die auf ein Substrat aufgebracht wird, während ein verbesserter Strahlungsenergiequellenwirkungsgrad verwirklicht wird.

Die US-A-3 623 712, die US 3 761 678 und die US 5 332 442 offenbaren jeweils eine Substratheizvorrichtung mit Strahlungsenergiequellen und Reflektoren, die eine lange zentrale Achse und ein erstes Ende haben, um Strahlungsenergie aus den Strahlungsenergiequellen aus dem ersten Ende heraus zu einem zu erhitzenden Substrat zu richten. Die Reflektoren der US 3 623 712 und 3 761 678 haben Spiegelreflektoroberflächen an ihrem ersten Ende mit einem konisch zulaufenden Bereich, während der Reflektor der US 5 332 442 eine Parabolform (US 5 332 442) hat, um Strahlungsenergie von jeder Strahlungsenergiequelle aus zu einem Substrat zur Bestrahlung eines begrenzten Bereichs von ihm zu reflektieren.

Diese Erfindung stellt eine thermische Heizvorrichtung zum Erhitzen eines Substrats während einer schnellen thermischen Behandlung des Substrats mit wenigstens zwei Strahlungsenergiequellen, die zur Zuführung von Wärme zu dem Substrat angeordnet sind, mit einem eine lange zentrale Achse und ein erstes Ende aufweisenden Reflektor für jede Strahlungsenergiequelle, wobei der Reflektor so gestaltet ist, dass er Strahlungsenergie von der Strahlungsenergiequelle aus dem ersten Ende zu dem Substrat richtet, bereit, wobei jeder Reflektor eine spiegelnde Reflektorfläche an dem ersten Ende hat, das einen konisch zulaufenden Bereich mit einem Einzelkonuswinkel aufweist, um Strahlungsenergie von der entsprechenden Strahlungsenergiequelle zu dem Substrat zur Bestrahlung eines begrenzten Bereichs von diesem zu reflektieren, das erste Ende des Reflektors die Energieflussverteilung aus der Strahlungsenergiequelle auf den begrenzten Bereich auf dem Substrat beschränkt und die Energieflussverteilungen aus benachbarten Energiequellen zur Steuerung der Substratoberflächentemperatur vorgegebene Überlappungen haben.

Vorzugsweise reflektiert der konisch zulaufende Bereich wenigstens eines Reflektors Strahlungsenergie von wenigstens einer Strahlungsenergiequelle im Wesentlichen parallel zur zentralen Achse. Bei einer Anordnung nach der Erfindung hat der eine Reflektor eine erste Länge, während der konisch zulaufenden Bereich annähernd 100% der ersten Länge aufweist.

Bei einer alternativen Anordndung hat der konisch zulaufende Bereich des wenigstens einen Reflektors etwa 30 bis 50% der ersten Länge.

Der konisch zulaufende Bereich eines jeden Reflektors kann einen Konuswinkel von etwa 1 bis 89° haben.

Beispielsweise kann der Konuswinkel etwa 1 bis 30° betragen.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann jede Strahlungsenergiequelle eine Lampenhülle aufweisen, die wenigstens teilweise innerhalb des entsprechenden Reflektors angeordnet ist, wobei die Lampenhülle ein erstes Ende nahe eines Basisabschnitts der Lampe und ein zweites Ende aufweist, und der konisch zulaufende Bereich des Reflektors gegenüber dem zweiten Ende der Lampenhülle beginnt.

Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung hat die thermische Heizvorrichtung eine Behandlungskammer, in der das Substrat angeordnet wird. Die Behandlungskammer hat ein Fenster, das zwischen den Strahlungsenergiequellen und dem Substrat angeordnet ist. Die Strahlungsenergie wird von einem konisch zulaufenden Bereich eines Spiegelreflektor-Lichtrohrs durch das Fenster in die Kammer zur Bestrahlung des Substrats reflektiert.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung hat die thermische Heizvorrichtung wenigstens einen Reflektor mit einer sich konisch erweiternden Spiegelreflektorhülse zur Reflexion von Strahlungsenergie aus einer Strahlungsenergiequelle und zum Lenken der Strahlungsenergie zu dem Substrat, um einen begrenzten Bereich des Substrats zu bestrahlen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung hat eine Vorrichtung zur schnellen thermischen Behandlung eines Substrats eine evakuierbare Kammer mit einem Fenster und eine Vielzahl von Strahlungsenergiequellen, die außerhalb der Kammer und angrenzend an das Fenster angeordnet sind. Die Strahlungsenergiequellen haben eine zentrale Längsachse, die sich in einer im Wesentlichen senkrechten Richtung bezüglich des Fensters erstreckt. Den Strahlungsenergiequellen zugeordnete Reflektoren lenken die Strahlungsenergie durch das Fenster zur Bestrahlung bestimmter Bereiche in einem Substrat in der Kammer mit einem Strahlungsstärkenmuster. Die Reflektoren erstrecken sich längs eines Hauptteils der Längsachse der Strahlungsenergiequellen. Die Reflektoren haben einen konisch zulaufenden Bereich an einem ersten Ende angrenzend an das Fenster, um Strahlungsenergie aus der Strahlungsenergiequelle zu reflektieren und zu dem Substrat zu richten. Die Strahlungsenergiequellen und die Reflektoren sind so angeordnet, dass ein Teil eines vorgegebenen Bereichs, der von einer Strahlungsenergiequelle bestrahlt wird, einen Teil eines vorgegebenen Bereichs überlappt, der von einer benachbarten Strahlungsenergiequelle bestrahlt wird, um über dem Substrat eine Strahlungsstärke zu erzeugen, die von der Stärke der benachbarten Strahlungsenergiequellen abhängt.

Die vorliegende Erfindung hat neben anderen den folgenden Vorteil, nämlich die Bereitstellung einer thermischen Heizvorrichtung mit einem verbesserten Wirkungsgrad der Strahlungsenergiequellen, wobei die Steuerbarkeit der Verteilung der auf das Substrat gerichteten Strahlungsenergie nicht verringert wird.

Die beiliegenden Zeichnungen, die hier eingeschlossen sind und einen Teil der Beschreibung bilden, veranschaulichen die Erfindung schematisch und dienen zusammen mit der vorstehenden allgemeinen Beschreibung und der nachstehenden ins Einzelne gehenden Beschreibung zur Erläuterung der Prinzipien der Erfindung.

1 ist eine schematische Schnittansicht eines RTP-Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

2 ist eine vergrößerte schematische Ansicht, die ein Lichtrohr gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

3 ist eine schematische vergrößerte Ansicht, die eine Fensteranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

4 ist eine schematische Ansicht, die ein Lichtrohr gemäß einer alternativen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung zeigt.

5A ist eine vergrößerte schematische Ansicht, die ein Lichtrohr mit einem konisch zulaufenden Spiegelreflektor an einem Licht emittierenden Ende gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist.

5B ist eine schematische Ansicht des Lichtrohrs von 5A mit einem konisch zulaufenden Spiegelreflektor mit einem konisch zulaufenden Teil gegenüber der Lampenhülle gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.

5C ist eine schematische Ansicht des Lichtrohrs von 5A mit einem konisch zulaufenden Spiegelreflektor, der auf seiner ganzen Länge konisch zuläuft, gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.

6A ist eine vergrößerte schematische Ansicht, die ein Lichtrohr mit einer Strahlungsenergiequelle mit niedriger Leistung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.

6B ist eine schematische Ansicht, die das Lichtrohr von 6A mit einer Strahlungsenergiequelle mit niedriger Leistung zeigt, die einen horizontalen Faden gemäß der vorliegenden Erfindung hat.

7 ist eine schematische Draufsicht, die eine abwechselnde Anordnung von Reflektoren und Strahlungsenergiequellen zeigt, mit denen die vorliegende Erfindung in Kombination verwendet werden kann, wobei mehrere Reflektoren mehrere Energiequellen umgeben.

8 ist eine schematische Draufsicht, die eine weitere abwechselnde Anordnung von Reflektoren und Strahlungsenergiequellen zeigt, mit denen die vorliegende Erfindung in Kombination verwendet werden kann, wobei mehrere konzentrische Reflektoren mehrere Energiequellen umgeben.

Die hier beschriebene Erfindung kann in Verbindung mit einem schnellen thermischen Heizsystem der Bauweise, wie sie in dem US-Patent 5 155 336 beschrieben ist, verwendet werden, deren gesamte Offenbarung hier durch Referenz eingeschlossen ist. Die Behandlungskammer kann jeweils entweder bei Atmosphärendruck oder reduziertem Druck (Vakuum) entweder mit einem Einzelfenster oder mit einer Doppelfensteranordnung arbeiten. Nachstehend wird nur ein mit verringertem Druck arbeitendes System beschrieben.

In 1 ist die Vorrichtung dieser Erfindung in Zuordnung zu einer mit reduziertem Druck oder Vakuum arbeitenden RTP-Kammer 20 gezeigt, die eine evakuierbare Kammer 33, eine Fensteranordnung 37 und eine Strahlungsenergieanordnung 38 aufweist, die über der Fensteranordnung liegt. Die Wände der Kammer 33 sind schematisch bei 34 gezeigt. Die Fensteranordnung 37 bildet die obere Wand der Kammer 33 und ist daran durch O-Ringe 36 abgedichtet. In der Kammer 33 wird ein Substrat 81, beispielsweise ein Siliziumwafer, an seinem Rand durch beabstandete Haltefinger 82 abgestützt, die auf einem Trägerrohr 83 angebracht sind. Die RTP-Kammer kann auch zur Behandlung anderer Arten von Substraten verwendet werden, beispielsweise Kunststofftafeln, Glasplatten oder Scheiben und Kunststoffwerkstücken.

Das Trägerrohr 83 ist drehbar von Kammerwänden 34 durch eine Lageranordnung 84 gehalten. An dem Trägerrohr 83 sind Magnete 86 angebracht. Die Magnetfelder der Magnete 86 erstrecken sich durch die Wände 34 und koppeln mit Magneten 87, die an einem Antriebsring 88 angebracht sind, der in geeigneter Weise angetrieben wird (nicht gezeigt). Die Drehung des Rings führt dazu, dass sich das Trägerrohr 83 und das Substrat 81 drehen. Während einer thermischen Behandlung dreht der Tragaufbau, der insgesamt mit 108 bezeichnet ist, mit etwa 90 Upm. Die magnetische Koppelung beseitigt die Notwendigkeit für einen sorgfältig konstruierten gegen Vakuum abgedichteten Antrieb. Für das Einblasen von Behandlungsgasen in die Kammer 33 ist ein Gaseinblaskopf 89 vorgesehen, wodurch verschiedene Behandlungsschritte in der Kammer ausgeführt werden können.

Die Strahlungsenergieanordnung 38 hat eine Vielzahl von Strahlungsenergiequellen oder Lampen 39, denen ein Reflektor zugeordnet ist. Bei einer Ausführungsform sind die Lampen 39 Wolframhalogenlampen mit 750 W und 120 V, die von Sylvania, Inc., 100 Endicott Street, Danvers, MA 01923 als Teilnummer ULS-750-QJKT hergestellt werden. Der Reflektor kann ein Lichtrohr 41 mit einer darin montierten Lampe sein. Das Lichtrohr kann aus rostfreiem Stahl, Messing, Aluminium oder einem anderen Metall hergestellt sein. Bei einer Ausgestaltung können Lichtrohre aus rostfreiem Stahl hergestellt von Luxtron Corporation-Accufiber Divsion, 2775 Northwestern Parkway, Santa Clara, CA 95051-0903 verwendet werden. Die Enden der Lichtrohre 41 sind an Öffnungen in einer oberen und unteren Kühlkammerwand 41, 43 hart angelötet, angeschweißt oder auf andere Weise befestigt. An dem Umfangsrand der Kühlkammerwände 42 und 43 kann eine zylindrische Wand 44 hart angelötet, angeschweißt oder auf andere Weise befestigt sein und bildet mit ihnen eine Kühlkammer 46.

In die Kammer 46 wird über einen Einlass 47 ein Kühlmittel, wie Wasser, eingeführt und an einem Auslass 48 abgeführt. Das Fluid durchläuft den Raum zwischen den verschiedenen Lichtrohren 41 und kühlt sie dabei. Um den richtigen Durchstrom durch die Kammer 46 zu gewährleisten, können Leitplatten (nicht gezeigt) vorgesehen werden.

Gemäß 2 hat jedes Lichtrohr 41 eine Wand 152 und einen Spiegelreflektor 159, der an einem Ende 164 angeordnet ist, das in der Nähe der Fensteranordnung 37 liegt. Die Wand 152 hat einen oberen Abschnitt, der ein integrales Teil des Lichtrohrs 41 oder als eine obere Hülse 31 ausgebildet sein kann, die in dem Lichtrohr 41 angeordnet ist. Die obere Hülse 31 kann aus rostfreiem Stahl hergestellt sein.

Der Spiegelreflektor 159 kann als Hülse ausgebildet sein, die in dem Lichtrohr 41 angeordnet ist. Alternativ kann der Spiegelreflektor 159 ein integrales Teil des Lichtrohrs 41 sein. Der Spiegelreflektor 159 kann aus Aluminium hergestellt sein. Je stärker die Oberfläche des Reflektors 159 reflektiert, desto mehr Energie wird reflektiert, um das Substrat 81 in der Kammer 33 zu erreichen. Deshalb ist die Fläche 160 des Spiegelreflektors 159 zur Verbesserung des Reflexionsvermögens poliert. Das Polieren kann dadurch erreicht werden, dass der Spiegelreflektor 159 langsam in Bahnen bearbeitet wird, oder durch Verwendung eines polierenden oder läppenden Rades nach der spanenden Bearbeitung. Bei einer Ausführungsform wird nach dem Polieren die Oberfläche 160 mit Gold plattiert, um zu verhindern, dass die Oberfläche oxidiert, und um einen hohen Reflexionsgrad aufrecht zu erhalten. Um eine Migration von Gold in den Spiegelreflektor 159 zu verhindern, wird auf der Oberfläche 160 vor dem Goldplattieren eine Diffusionssperrschicht aus Nickel aufgebracht. Die Nickelsperrschicht wird unter Verwendung üblicher stromloser Nickelplattiertechniken aufgebracht und anschließend Gold hoher Reinheit durch das Goldplattieren aufgetragen.

Jede Lampe 39 hat eine Basis 54, einen Faden 161, eine Lampenhülle 162, Zuführungsdrähte 163 und Leiter (Molybdänplatten) 53. Die Leiter 53 übertragen die durch die Zuführdrähte 163 bereitgestellte elektrische Energie zu dem Faden 161. Der Faden 161 kann als Wendel so gewickelt sein, dass seine Achse parallel zu der langen zentralen Achse der Lampenhülle 162 ist. Der größte Teil des Lichts aus den Lampen wird senkrecht zu dieser Achse zur Wand 152 des umgebenden Lichtrohrs 41 abgegeben.

Die Strahlungsenergie aus der Lampe 39 wird aus dem Ende 164 ihres zugehörigen Lichtrohrs nach vielen Reflexionen nach außen gerichtet. Etwas von der Energie wird jedoch an der Basis 54 absorbiert. Dies kann dazu führen, dass die Basis der Lampe viel höhere Temperaturen im Vergleich zu einer Lampe erreicht, die in einen offenen Raum abstrahlt. Wenn die Basis zu heiß wird, kann die durchschnittliche Lampenlebensdauer merklich reduziert werden. Deshalb sind Einrichtungen zum Kühlen der Lampenbasis vorgesehen. Insbesondere kann zwischen der Lampenbasis und der oberen Hülse 31 eine Keramikmasse 58 angeordnet werden, wodurch sich ein Wärmeübergang von der Basis 54 durch die Keramik 58 und die obere Hülse 31 zu der Umschließungsfront 152 ergibt. Die Keramikmasse ist ein guter Wärmeleiter und sorgt für einen hervorragenden Wärmeübergang von der Basis zu den umgebenden Wänden.

Ein weiterer Lampenstörungsmechanismus ergibt sich, wenn die Temperatur der Lampenhülle über 550°C ansteigt. Bei dieser Temperatur wird die Lampenhülle 162 weich genug, um sich aufzublähen oder Blasen zu bilden. Dies ist ein spezielles Problem, wenn Wolframhalogenbirnen verwendet werden, die bei sehr hohen inneren Gasdrucken arbeiten. Dieses Problem wird bei der vorliegenden Erfindung durch Verwendung eines Aluminiumspiegelreflektors 159 verringert.

In 2 ist ein Pyrometer oder ein Detektor 86 gezeigt, der mit einem Adapter 77 zusammenwirkt, der mit einem dünnen Lichtrohr 78 verbunden ist, das sich zwischen der oberen und unteren Kühlkammerwand 42, 43 erstreckt. Der Detektor 86 gibt ein Ausgangssignal, das die Oberflächentemperatur des Substrats in dem Sichtfeld des Lichtrohrs angibt. Vor dem Detektor 86 ist ein Filter 79 eingesetzt, das so ausgewählt ist, dass Infrarotenergie im Wellenlängenbereich von 4,8 bis 5,2 &mgr;m hindurchgeht, um eine Störung durch die Strahlungsenergie zu vermeiden, die von dem Lichtrohr 41 abgegeben wird.

Die Strahlungsenergieanordnung 38 mit der Vielzahl von Lichtrohren 41 und zugehörigen Lampen 39 ermöglicht die Verwendung von dünnen Quarzfenstern zur Schaffung eines optischen Kanals zur Erhitzung eines Substrats in der Kammer 33. Für eine mit reduziertem Druck (Vakuum) arbeitende RTP-Kammer wird eine Wasser gekühlte Quarzfensteranordnung verwendet, die voll in dem US-Patent 5 155 336 beschrieben und von der ein Teil im Einzelnen in 3 gezeigt ist. Die Fensteranordnung 37 hat kurze Lichtrohre 61, die an einer oberen und unteren Flanschplatte 62, 63 angeschweißt oder auf andere Weise daran befestigt sind oder ein Stück mit ihnen bilden, deren äußere Ränder an einer Wand 64 abgedichtet sind. Die Lichtrohre 61 decken sich mit den Lichtrohren 41 in der Strahlungsenergieanordnung 38. In Räume 66 zwischen den Lichtrohren 61 und den Flanschplatten 62 und 63 wird Kühlwasser zum Kühlen der Lichtrohre 61 und der Flanschplatten 62 und 63 eingestrahlt. Die Flanschplatten und die Lichtrohre sind sandwichartig zwischen zwei Quarzplatten 67 und 68 angeordnet. Die Quarzplatten 67 und 68 sind an den Flanschplatten 62 und 63 durch O-Ringe 69 bzw. 71 abgedichtet. In den Lichtrohren 61 wird durch Abpumpen durch ein Rohr 73 ein Vakuum erzeugt, das mit einem der Lichtrohre 61 verbunden ist, das seinerseits mit dem Rest der Lichtrohre 61 durch schmale Vertiefungen oder Nuten 72 in der unteren Flanschplatte 62 verbunden ist.

In der Fensteranordnung 37 sind Quarzfenster 67 und 68 angrenzend an das Lichtrohr 78 ausgeschnitten und mit Saphirfenstern 80 versehen, die Licht mit einer Wellenlänge von etwa 6,5 &mgr;m durchlassen. Dadurch kann Licht von dem Substrat durch die Saphirfenster 80 hindurch, durch das Lichtrohr 78 und durch den Filter 79 zum Detektor 86 gelangen, der ein Ausgangssignal abgibt, das die Oberflächentemperatur des Substrats im Sichtfeld des Lichtrohrs 78 angibt.

Gemäß 2 wird die Länge des Lichtrohrs 41 so gewählt, dass es wenigstens so lange wie seine zugehörige Lampe 39 ist. Sie kann länger gestaltet werden, vorausgesetzt, dass die das Substrat erreichende Leistung durch die sich ergebenden erhöhten Reflexionen nicht wesentlich gedämpft wird. 4 zeigt eine Geometrie, bei der die Lampe 39 eine Lampenhülle 162 hat, die sich im Wesentlichen zum Lichtrohrende 14 erstreckt. Insbesondere erstreckt sich die Lampenhülle 162 in etwa .010 Zoll über das Ende 164. Diese Ausgestaltung führt zu einer Steigerung des Wirkungsgrads der Strahlungsenergieheizquelle um 35% (27% Wirkungsgrad, beispielsweise Leistung-Aus/Leistung-Ein am Austritt des Lichtrohrs 41) gegenüber einer ähnlich gestalteten Strahlungsenergieheizquelle, die einen diffusen Reflektor und eine Quarzhülle hat.

Alternativ kann die Lampe 39 im Lichtrohr 41 so angebracht werden, dass die Lampenhülle 162 sich über das Ende des Lichtrohrs 41 hinaus erstrecken kann. Diese Art einer verlängerten Lampenausgestaltung kann den Wirkungsgrad der Strahlungsenergieanordnung 38 verbessern.

Um den Wirkungsgrad der Strahlungsenergieanordnung 38 zu erhöhen, kann, wie in 5A gezeigt ist, das Lichtrohr 41 eine sich konisch erweiternde Spiegelreflektorhülse 200 aufweisen. Der sich konisch erweiternde Spiegelreflektor kann als integrales Teil des Lichtrohrs 41 im Gegensatz zu einer gesonderten Hülse ausgebildet werden. Die sich konisch erweiternde Spiegelreflektorhülse 200 hat einen obersten zylindrischen Bereich 202 gegenüber (parallel zu) der Lampenhülle 162 und einen unteren konisch zulaufenden Bereich 204 mit einer Länge D. Der untere konisch zulaufende Bereich 204 wird von einem Konuswinkel &agr; definiert, der etwa 1 bis 89° betragen kann, wobei 1 bis 30° bevorzugt werden. Der konisch zulaufende Bereich 204 kann einen wesentlichen Teil der Länge der sich erweiternden Spiegelreflektorhülse 200 bilden, wobei 30 bis 50% der Gesamtlänge bevorzugt werden. Wenn der Konuswinkel zunimmt, nimmt die Energiemenge, die aus dem Lichtrohr 41 entweicht, zu, wodurch der Wirkungsgrad der Lampe 39 erhöht wird. Der Konuswinkel &agr; kann empirisch optimiert werden, um eine gleichförmige Ausleuchtung irgendeines gewünschten räumlichen Stärkenprofils oder einen gewünschten Lampenwirkungsgrad bereitzustellen.

Der konisch zulaufende Bereich 204 kann an einem Punktniveau mit dem Ende der Lampenhülle 163 beginnen, obwohl andere Ausgestaltungen möglich sind, was von dem gewünschten Lampenwirkungsgrad abhängt. 5B zeigt beispielsweise einen konisch zulaufenden Bereich 204 mit einem Konuswinkel &agr;1 von etwa 4°, der gegenüber der Lampenhülle 162 beginnt, was zu einem konisch zulaufenden Bereich mit einer Länge D1 von etwa 30% der sich erweiternden Spiegelreflektorhülse 200 ergibt. Bei dieser Ausgestaltung, die die Wolframhalogenlampe (USL-750-QJKT) mit 750 W von Sylvania verwendet, wurde eine 60%-Steigerung des Wirkungsgrads gemessen (32% Wirkungsgrad beispielsweise Leistung-Aus/Leistung-Ein am Austritt des Lichtrohrs 41) gegenüber einem ähnlichen Strahlungsenergieheizsystem mit einem diffusen Reflektor und einer Quarzhülse.

5C zeigt einen konisch zulaufenden Bereich 204 mit einem Konuswinkel &agr;2 von etwa 2°, was die gesamte Länge D2 der sich erweiternden Spiegelreflektorhülse 200 einschließt. Die vergrößerte Länge der sich erweiternden Spiegelreflektorhülse erhöht den Wirkungsgrad der Lampen 39, die mehr Strahlungsenergie zum Austritt des Lichtrohrs 41 reflektieren. Wenn jedoch die Länge des sich erweiternden Bereichs zunimmt, kann die Lampenkühlung problematisch werden. Wenn die Länge des konisch zulaufenden Bereichs zunimmt, wird ein größerer Luftspalt zwischen der Lampenhülle und der Reflektorhülse erzeugt. Es kann sich eine Überhitzung der Lampenbasis ergeben, da Luft kein sehr guter Leiter für Wärmeenergie ist. Die Auswahl des Konuswinkels und die Länge des konisch zulaufenden Bereichs sollten unter Berücksichtigung dieser potenziellen Anomalie getroffen werden.

6A zeigt eine sich erweiternde Spiegelreflektorhülse 300 mit einem ersten Ende 304, das sich in der Nähe der Basis 54 der Lampe 39 befindet, mit einem konisch zulaufenden Bereich 306, der am ersten Ende 304 beginnt und sich von der Lampenhülle 162 und einem Konuswinkel &bgr; weg erstreckt, sowie einem unteren Bereich 110. Der Konuswinkel &bgr; kann etwa 1 bis 89°, vorzugsweise 10 bis 45° betragen. Der konisch zulaufende Bereich 306 kann einen wesentlichen Teil der Länge der sich erweiternden Spiegelreflektorhülse 300 bilden, wobei 30 bis 50% der Gesamtlänge bevorzugt werden. Bei dieser Ausführungsform nimmt, wenn der Konuswinkel vergrößert wird, die Menge der aus dem Lichtrohr 41 entweichenden Energie zu, wodurch der Wirkungsgrad der Strahlungsenergieheizquelle gesteigert wird. Wenn zusätzlich die Fadenlänge dem konisch zulaufenden Bereich 306 gegenüber liegt, neigt die Strahlungsenergie dazu, direkt parallel zur zentralen Achse der Lampenhülle 162 reflektiert zu werden. Der Teil des konisch zulaufenden Bereichs, der dem Lampenfaden gegenüberliegt, neigt zum Sammeln der Strahlungsenergie.

Der untere Bereich 310 ist in seiner Form zylindrisch und hat bezüglich des Endes 164 des Lichtrohrs 41 senkrechte Wände. Alternativ kann der untere Bereich 310 mit einem gegenüber dem Konuswinkel &bgr; anderen Winkel konisch zulaufen. Der untere Bereich 310 bildet eine zweite Fläche 312 zum Reflektieren von Strahlungsenergie aus dem Ende 164 des Lichtrohrs 41 heraus.

Bei einer Ausgestaltung ist der sich erweiternde Spiegelreflektor 300 aus Aluminium hergestellt und seine Außenfläche (der Lampe 39 zugewandt) ist mit Gold plattiert, um die Reflexionseigenschaften des sich erweiternden Spiegelreflektors zu verbessern.

Die sich ergebende Steigerung des Wirkungsgrads, die dieser Art von sich erweitender Spiegelreflektorhülse zugeordnet ist, beträgt 150% gegenüber einer Ausgestaltung mit einem diffusen Reflektor und einer Quarzhülse (50% Wirkungsgrad, beispielsweise Leistung-Aus/Leistung-Ein am Auslass des Lichtrohrs 41).

Durch die Hinzufügung der sich erweiternden Spiegelreflektorhülse, wie sie vorstehend in Bezug auf die 5A, 5B, 5C und 6A beschrieben ist, kann eine Strahlungsenergiequelle mit niedrigerer Leistung verwendet werden, was zu einem verbesserten Energiewirkungsgrad und einer erhöhten Lebensdauer der Quelle führt. Insbesondere kann bei der Ausführungsform von 6A beispielsweise die Lampe 39 eine Wolframhalogenlampe mit 410 W und 82 V sowie einer festen Wendel hergestellt von Sylvania Teil Nummer ULS-AM410/82 sein. Diese Lampe hat einen relativ kurzen Faden und einen kleineren Gesamtbirnendurchmesser, der sich einer Energiepunktquelle besser annähert, als Lampen mit längerem und breiterem Faden. Eine Energiepunktquelle ermöglicht eine genaue Fokussierung von nahezu der ganzen Strahlungsenergie, die von der Quelle erzeugt wird, in dem Lichtrohr nach unten und auf einem speziellen Teil des Substrats, wodurch die Steuerbarkeit verbessert und die Energieverluste minimiert werden. Zusätzlich ermöglicht der kleinere Birnendurchmesser mehr Raum für das Entweichen von Strahlungsenergie. Je mehr Raum zwischen der Lampenhülle und dem Reflektor zur Verfügung steht, desto mehr Strahlungsenergie kann aus dem Ende des Lichtrohrs austreten.

Alternativ kann, wie in 6B gezeigt ist, die Lampe 301 so gestaltet werden, dass sie einen horizontalen Faden 350 hat. Bisher konnte eine Strahlungsenergiequelle mit einem horizontalen Faden keine ausreichende Menge von Strahlungsenergie zum Erhitzen eines entsprechenden Teils eines Substrats bei den Beschränkungen der Lichtrohre und der Reflexionsmöglichkeiten richten. Wie oben beschrieben wurde, führt eine Zunahme des Durchmessers der Lichtrohre zu einer komplizierten Quellensteuerung und zu Reflexionsproblemen bei der Aufrechterhaltung der Gleichförmigkeit der Erhitzung über der Substratoberfläche. Durch die Zufügung einer sich erweiternden Spiegelreflektorhülse (beispielsweise wie in Verbindung mit den 5A, 5B, 5C und 6A gezeigt ist) wird jedoch die Menge der Strahlungsenergie aus der Lampe (Lampe 301 in 6), die aus dem Lichtrohr 41 am Ende 164 austritt, wesentlich gesteigert und kann den Einsatz einer Lampe mit einem horizontalen Faden (Faden 350 in 6B) ermöglichen. Bei einer Ausführungsform wurde eine Wolframhalogenlampe mit 230 W und 28 V sowie horizontalem Faden, hergestellt von Sylvania, eingesetzt.

Die optimale Kombination (die optimalen Kombinationen) von Lampenabstand, Form der Lichtrohre und Konuswinkel kann (können) abhängig von den gewünschten Eigenschaften der RTP-Kammer und den Substratausleuchtungserfordernissen empirisch bestimmt werden. Durch Steuern dieser Parameter ist man in der Lage, ein gleichförmiges Stärkenprofil zu erreichen, das dann durch Steuerung der Lampenleistung für einzelne Lampen moduliert werden kann, um eine dynamische Temperaturgleichförmigkeit oder eine einfach verbesserte stationäre Gleichförmigkeit bereitzustellen, während der Energiewirkungsgrad der einzelnen Lampen verbessert wird.

Obwohl die Lichtrohre, die Strahlungsenergiequellen und die konisch zulaufenden Spiegelreflektoren so offenbart sind, dass sie eine Entsprechung von eins zu eins haben, kann das Reflektorkonzept bei einer alternativen Ausgestaltung dadurch ausgeführt werden, dass mehrere Strahlungsenergiequellen einem Reflektor in Verbindung mit einem konisch zulaufenden Spiegelbereich umgeben werden. Eine solche Anordnung ist in 7 gezeigt, in der ein Reflektor 400 sieben Energiequellen 39 umgibt. Jeder Reflektor 400 hat einen konisch zulaufenden Spiegelbereich 401 an dem Ende, das dem Substrat am nächsten liegt.

Alternativ können die Reflektoren konzentrisch so angeordnet werden, dass zylindrische Reflektoren mit großen Durchmessern nicht nur mehrere Strahlungsenergiequellen sondern auch Reflektoren mit kleineren Durchmessern umgeben. 8 zeigt eine solche Anordnung, bei der fünf konzentrische zylindrische Reflektoren 402, 404, 406, 408 und 410 mehrere Energiequellen 39 umgeben. Jeder Reflektor 402, 404, 406, 408 und 410 hat einen konisch zulaufenden Spiegelbereich 414 an einem Ende, aus dem Strahlungsenergie zu einem Substrat hin heraus reflektiert werden kann.

Zusammenfassend werden hier eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erhöhung des Wirkungsgrads von Strahlungsenergiequellen durch Koppeln einer sich erweiternden Spiegelreflektorhülse um die Strahlungsenergiequelle herum beschrieben, wodurch mehr Energie zu dem gewünschten Teil des Substrats gerichtet wird.

Die vorliegende Erfindung wurde in Bezug auf eine spezielle Ausführungsform beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die gezeigte und beschriebene Ausgestaltung beschränkt. Stattdessen wird der Rahmen der Erfindung durch die beiliegenden Ansprüche bestimmt.


Anspruch[de]
  1. Thermische Heizvorrichtung zum Erhitzen eines Substrats während einer schnellen thermischen Behandlung des Substrats

    – mit wenigstens zwei Strahlungsenergiequellen (39), die zur Zuführung von Wärme zu dem Substrat (81) angeordnet sind,

    – mit einem eine lange zentrale Achse und ein erstes Ende aufweisenden Reflektor (159) für jede Strahlungsenergiequelle, wobei der Reflektor so gestaltet ist, dass er Strahlungsenergie von der Strahlungsenergiequelle aus dem ersten Ende zu dem Substrat richtet,

    – wobei jeder Reflektor eine spiegelnde Reflektorfläche (160) an dem ersten Ende hat, das einen konisch zulaufenden Bereich mit einem Einzelkonuswinkel (204) aufweist, um Strahlungsenergie von der entsprechenden Strahlungsenergiequelle zu dem Substrat zur Bestrahlung eines begrenzten Bereichs von diesem zu reflektieren,

    dadurch gekennzeichnet,

    – dass das erste Ende des Reflektors die Energieflussverteilung aus der Strahlungsenergiequelle auf den begrenzten Bereich auf dem Substrat beschränkt, und

    – dass die Energieflussverteilungen aus benachbarten Energiequellen zur Steuerung der Substratoberflächentemperatur vorgegebene Überlappungen haben.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der konisch zulaufende Bereich (204) wenigstens eines Reflektors (159) Strahlungsenergie von wenigstens einer Strahlungsenergiequelle (39) im wesentlichen parallel zur zentralen Achse reflektiert.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Reflektor (159) eine erste Länge hat und dass der konisch zulaufende Bereich (204) annähernd 100 Prozent der ersten Länge aufweist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der konisch zulaufende Bereich (204) wenigstens eines Reflektors (159) etwa 30 bis 50 Prozent der ersten Länge aufweist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der konisch zulaufende Bereich (204) des wenigstens einen Reflektors (159) etwa 30 Prozent der ersten Länge aufweist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der konisch zulaufende Bereich (204) jedes Reflektors einen Konuswinkel von etwa 1 bis 89 Grad hat.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Konuswinkel etwa 1 bis 30 Grad beträgt.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Strahlungsenergiequelle (39) eine Lampenhülle (169) aufweist, die wenigstens teilweise innerhalb des entsprechenden Reflektors (159) angeordnet ist, wobei die Lampenhülle ein erstes Ende nahe eines Basisabschnitts der Lampe und ein zweites Ende aufweist und der konisch zulaufende Bereich des Reflektors gegenüber dem zweiten Ende der Lampenhülle beginnt.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Strahlungsenergiequelle (39) eine Lampenhülle (162) aufweist, die wenigstens teilweise in dem entsprechenden Reflektor (159) angeordnet ist, wobei die Lampenhülle ein erstes Ende nahe einem Basisabschnitt der Strahlungsenergiequelle und ein zweites Ende aufweist, wobei das zweite Ende der Lampenhülle an annähernd dem ersten Ende des Reflektors endet.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Strahlungsenergiequelle (39) eine Lampenhülle (162) aufweist, die in dem entsprechenden Reflektor (159) angeordnet ist, dessen konisch zulaufender Bereich dem wenigstens einen Abschnitt der Lampenhülle gegenüberliegt.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein spiegelnder Reflektor (159) eine spiegelnde Reflektorhülse ist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die spiegelnde Reflektorhülse (159) eine Außenfläche hat, die von einem Strahlungsenergie reflektierenden Material abgedeckt ist.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungsenergie reflektierende Material Gold ist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die spiegelnde Reflektorhülse (159) aus Aluminium hergestellt ist.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Strahlungsenergiequelle (39) einen Faden (161) aufweist, der im wesentlichen parallel zur zentralen Achse ausgerichtet ist.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die spiegelnde Reflektoroberfläche eines jeden Reflektors (159) einen oberen und einen unteren Bereich hat und dass der obere Bereich zum Reflektieren von Strahlungsenergie aus der entsprechenden Strahlungsenergiequelle zum Substrat zur Bestrahlung des entsprechenden begrenzten Bereichs des Substrats konisch zuläuft.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der konisch zulaufende Bereich einen Konuswinkel von etwa 1 bis 89 Grad hat.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Konuswinkel etwa 1 bis 30 Grad beträgt.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass jede Strahlungsenergiequelle (39) einen Faden (161) aufweist, der in der Lampenhülle (162) angeordnet ist, und dass der Faden im wesentlichen senkrecht zu der zentralen Achse ausgerichtet ist.
  20. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin eine Behandlungskammer (20) aufweist, in der das Substrat angeordnet ist, wobei die Behandlungskammer ein Fenster (37) hat, das zwischen den Strahlungsenergiequellen und dem Substrat so angeordnet ist, dass für jeden Reflektor die Strahlungsenergie von dem konisch zulaufenden Bereich durch das Fenster in die Kammer zur Bestrahlung des Substrats reflektiert wird.
  21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass jede Strahlungsenergiequelle (39) eine zentrale Längsachse hat, die sich in einer im wesentlichen senkrechten Richtung bezüglich des Fensters erstreckt und dass sich der Reflektor (159) längs eines Hauptteils der Längsachse der Strahlungsenergiequelle erstreckt.
Es folgen 11 Blatt Zeichnungen






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