DE69937255T2

DE69937255T2 - Schnell-aufheiz- und -kühlvorrichtung für halbleiterwafer

Info

Publication number: DE69937255T2
Application number: DE69937255T
Authority: DE
Inventors: Arnon Palo Alto GAT
Original assignee: Steag RTP Systems Inc
Current assignee: Steag RTP Systems Inc
Priority date: 1998-11-20
Filing date: 1999-11-12
Publication date: 2008-07-03
Anticipated expiration: 2019-11-13
Also published as: US7226488B2; KR100634642B1; US20050183854A1; JP4625183B2; EP1142001A1; JP2002530883A; US20040035847A1; KR20010075716A; TW459270B; US6919271B2; EP1142001B1; WO2000031777A1; DE69937255D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung von Substraten.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Eine thermische Bearbeitungskammer, wie sie hierin verwendet wird, bezeichnet eine Vorrichtung, die schnell Gegenstände erwärmt, wie beispielsweise Halbleiterwafer. Derartige Vorrichtungen umfassen typischerweise eine Substrathaltevorrichtung zum Halten eines Halbleiterwafers und eine Wärmeenergiequelle, wie beispielsweise eine Lichtquelle die Lichtenergie zur Erwärmung des Wafers emittiert. Während der Wärmebehandlung werden die Halbleiterwafer unter gesteuerten Bedingungen gemäß einem voreingestellten Temperaturbetriebszustand gesteuert. Zur Überwachung der Temperatur des Halbleiterwafers während der Wärmebehandlung, umfasst die thermische Bearbeitungskammer typischerweise Temperaturabfühlvorrichtungen, wie beispielsweise Pyrometer, die die Strahlung abfühlen, die durch den Halbleiterwafer mit einem ausgewählten Wellenlängenband emittiert wird. Durch Abfühlen der Wärmestrahlung, die durch den Wafer emittiert wird, kann die Temperatur des Wafers mit angemessener Genauigkeit berechnet werden.
In alternativen Ausführungsbeispielen können, anstelle von oder zusätzlich zu der Verwendung von Strahlabfühlvorrichtungen, die thermischen Bearbeitungskammern ebenfalls Thermopaare für das Überwachen der Temperatur der Wafer umfassen. Thermopaare messen die Temperatur der Objekte durch direkten Kontakt.
Viele Halbleitererwärmungsprozesse erfordern, dass ein Wafer auf hohe Temperaturen erwärmt wird, so dass verschiedene chemische und physikalische Reaktionen stattfinden können, während der Wafer in eine Vorrichtung gefertigt wird. Während der schnellen thermischen Bearbeitung, welche eine Art der Bearbeitung ist, werden Halbleiterwafer typischerweise durch Anordnungen von Lichtern auf Temperaturen von beispielsweise ungefähr 400°C bis ungefähr 1.200°C für Zeiten erwärmt, die typischerweise kürzer als wenige Minuten sind. Während dieser Pro zesse besteht ein Hauptziel darin, die Wafer so gleichmäßig wie möglich zu erwärmen.
Genauer gesagt wurden Halbleiterwafer in der Vergangenheit gemäß einem vorbestimmten Heiz- bzw. Erwärmungszyklus erwärmt. Zum Beispiel wurden die Wafer typischerweise von einer Anfangstemperatur auf eine erwünschte Temperatur mit einer sehr schnellen Erwärmungsrate erwärmt. Die Wafer wurden dann bei der erwünschten Temperatur für eine Zeit gehalten, die ausreichend für das Stattfinden erwünschter Prozesse ist. Zum Beispiel können die Wafer während dieser Prozesse angelassen oder verschiedene Beschichtungen und Filme können auf den Wafern abgelagert werden, wie beispielsweise Oxidfilme.
Um den Erwärmungszyklus abzuschließen, werden die Lichtquellen abgeschaltet und es wird zugelassen, dass die Wafer sich abkühlen, nachdem sie auf einer erwünschten Temperatur für eine vorbestimmte Zeitdauer gehalten wurden. Im Allgemeinen wurde zugelassen, dass sich die Wafer auf natürliche Weise durch einfaches Entfernen oder Abschalten der Wärmequellen abkühlen. Insbesondere würden sich die Wafer durch den Verlust von Energie durch Abstrahlung von dem heißen Körper abkühlen. Der Wärmebetrag der von den Wafern verloren wird, ist proportional zu der Differenz zwischen der Temperatur des Wafers und der Temperatur der umgebenden Atmosphäre. Folglich ist während dieser Prozesse die Kühlrate des Wafers bei hohen Temperaturen relativ schnell, und verlangsamt sich dann mit Abnahme der Temperatur des Wafers exponentiell.
In letzter Zeit wurde der Schwerpunkt auf das Bilden integrierter Schaltungen mit dünneren und gleichmäßigeren Schichten gelegt, deren Betrieb effizienter ist und weniger Leistung erfordert. In dieser Hinsicht wurde in letzter Zeit der Blickpunkt nicht nur auf präzise geformten Beschichtungen und Filme in thermischen Bearbeitungskammern gewendet, sondern auch auf die Verringerung der Zeitdauer, die erforderlich ist, um einen Erwärmungszyklus in der Kammer zu vollenden. Leider haben herkömmliche Verfahren zur Abkühlung von Wafern in thermischen Bearbeitungskammern diese Ziele vereitelt.
Beispielsweise besitzen, wie oben beschrieben, herkömmliche Verfahren zur Abkühlung von Wafern in thermischen Bearbeitungskammern eine Tendenz die Zeit erheblich zu verlängern, die erforderlich ist, um einen Erwärmungszyklus innerhalb der Kammer zu vollenden, in der die Wafer relativ langsam abgekühlt werden. Ferner können während dieser langsamen Abkühlphase des Zyklus ungewollte chemische und physikalische Reaktionen auftreten, die die elektrischen Eigenschaften der Beschichtungen und Filme, die auf dem Halbleiterwafer gebildet sind, negativ beeinflussen.
In der EP-A-0 454 054 ist eine Lampenanlassvorrichtung und ein Verfahren zum Anlassen eines Halbleiterwafers offenbart. Ein Kühlgas wird zum Umfang des Wafers hin in einem Erwärmungsschritt und zu einem Mittelteil des Wafers hin in einem Schritt eines stationären Zustands geblasen.
Ein Temperatursteuersystem, das schnell auf die Veränderung der Temperatur eines Substrats reagiert, das gerade bearbeitet wird, ist in der EP-A-0 451 740 gezeigt.
Alternative Kühlmittel zum Abkühlen eines Halbleiterwafers sind in den PATENT ABSTRACTS OF JAPAN, Band 016, Nr. 482 (E-1275), 7. Oktober 1992 (1992-10-07) & JP 04 176121 A und den PATENT ABSTRACTS OF JAPAN, Band 010, Nr. 359 (E-460), 3. Dezember 1986 (1986-12-03) & JP 61 156814A beschrieben.
Als solches besteht derzeit ein Bedarf an einer verbesserten Vorrichtung und einem Verfahren zur Abkühlung von Wafern in schnellen thermischen Bearbeitungskammern. Insbesondere besteht derzeit ein Bedarf an einer schnellen thermischen Bearbeitungskammer, die imstande ist, Halbleiterwafer sehr schnell aktiv abzukühlen nachdem die Wafer erwärmt wurden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung erkennt und adressiert die vorangehenden Nachteile sowie weitere von Konstruktionen und Verfahren des Standes der Technik.
Demgemäß ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Wärmebehandlung von Gegenständen bzw. Objekten, wie beispielsweise Halbleiterwafern, vorzusehen.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung zur Wärmebehandlung von Halbleiterwafern vorzusehen, die imstande ist, die Wafer schnell abzukühlen.
Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung zur Wärmebehandlung von Halbleiterwafern vorzusehen, die eine Kühlvorrichtung umfasst, die aktiv die Wafer abkühlt, nachdem die Wafer erwärmt worden sind.
Diese und andere Ziele der vorliegenden Erfindung werden durch das Vorsehen von Verfahren und einer Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 9 bzw. 1 erreicht. Die Vorrichtung kann für verschiedene Betriebe verwendet werden, wie beispielsweise für das Anlassen von Wafern nach einem Ionenimplantationsschritt oder zur Konstruktion oder dem Anlassen von Beschichtungen und Filmen auf den Halbleiterwafern, wie beispielsweise solchen die aus leitenden Materialien, Isolierungen und halbleitenden Materialien bestehen. Die Vorrichtung umfasst eine thermische Bearbeitungskammer und kann angepasst sein, um Halbleiterwafer zu enthalten. Eine Substrathaltevorrichtung ist innerhalb der thermischen Bearbeitungskammer enthalten und kann angepasst sein, um die Wafer zu halten und zu drehen. Zur Erwärmung von Substraten, wie beispielsweise Wafern, ist eine Wärmequelle in Verbindung mit der thermischen Bearbeitungskammer angeordnet. Die Wärmequelle kann beispielsweise eine Anzahl von Lampen sein, die Wärmelichtenergie emittieren.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die Vorrichtung ferner eine Kühlvorrichtung, die benachbart zu der Substrathaltevorrichtung zum selektiven Abkühlen der Substrate, wie beispielsweise den Halbleiterwafern, die in der thermischen Bearbeitungskammer enthalten sind, angeordnet ist. Die Kühlvorrichtung kann ein Kühlglied umfassen, welches zumindest einen Kühlkanal zur Zirkulierung eines Kühlströmungsmittels, wie beispielsweise einer Flüssigkeit, definiert. Insbesondere kann durch Zirkulieren eines Kühlströmungsmittels durch das Kühlglied die Kühlvorrichtung eine relativ niedrige Temperatur aufrechterhalten, die dann verwendet wird, um die Halbleiterwafer durch Konvektion und Konduktion abzukühlen.
Vorzugsweise wird die Kühlvorrichtung der vorliegenden Erfindung nur verwendet, um die Halbleiterwafer zu ausgewählten Zeiten abzukühlen, wie beispielsweise nachdem die Wafer auf eine vorbestimmte maximale Temperatur erwärmt wurden. Die Kühlvorrichtung kann einen Bewegungsmechanismus zur Bewegung der Kühlvorrichtung zwischen einer Eingriffsposition und einer Nicht-Eingriffsposition aufweisen. In der Eingriffsposition wird die Kühlvorrichtung benachbart zu und in direktem Kontakt mit dem Halbleiterwafer angeordnet, der auf dem Substrathalter zur Kühlung des Wafers gehalten wird. In der Nicht-Eingriffsposition ist die Kühlvorrichtung andererseits mit einem vorbestimmten Abstand von dem Halbleiterwafer beabstandet und kühlt den Wafer nicht wesentlich oder wirkt nicht auf den Wafer ein, während der Wafer erwärmt wird. Anstatt dass die Kühlvorrichtung zu dem Substrathalter hin und von diesem weg bewegbar ist, um den Wafer selektiv zu kühlen, kann alternativ der Substrathalter zu der Kühlvorrichtung hin und von dieser weg bewegbar sein.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die Kühlvorrichtung einen oder mehrere Gasdurchlässe zur Zirkulation eines Gases dadurch umfassen. Insbesondere können die Gasdurchlässe derart ausgelegt sein, dass ein Gas, das durch die Durchlässe strömt, durch das Kühlströmungsmittel, das durch die Kühlvorrichtung zirkuliert wird, gekühlt wird. Sobald es abgekühlt ist, kann das Gas dann zu einem Halbleiterwafer geleitet werden, der auf dem Substrathalter zur Kühlung des Wafers gehalten wird, und dieses kontaktieren. Das Kühlgas kann beispielsweise molekularer Stickstoff oder Helium sein. Um den Wafer nur zu ausgewählten Zeiten zu kühlen, kann der Strom des Kühlgases durch die Kühlvorrichtung bei Bedarf angehalten und begonnen werden.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist die Vorrichtung ferner eine Temperaturabfühlvorrichtung zur Überwachung der Temperatur eines Halbleiterwafers auf, der innerhalb der thermischen Bearbeitungskammer enthalten ist. Eine Steuervorrichtung kann in Verbindung mit der Temperaturabfühlvorrichtung angeordnet werden und kann ausgelegt sein, um die Wärmequelle und die Kühlvorrichtung zu steuern. Genauer gesagt kann die Steuervorrichtung Temperaturinformationen von der Temperaturabfühlvorrichtung empfangen und kann basierend auf derartigen Informationen automatisch die Wärmequelle und die Kühlvorrichtung zur Erwärmung und Abkühlung der Wafer gemäß dem vorbestimmten Temperaturzyklus steuern.
Beim Steuern der Wärmequelle kann die Steuervorrichtung beispielsweise verwendet werden, um den Betrag der Wärmeenergie, der auf den Halbleiterwafer emittiert wird, zu erhöhen oder zu verringern. Beim Steuern der Kühlvorrichtung kann die Steuervorrichtung andererseits konfiguriert werden, um die Bewegung der Kühlvorrichtung und/oder den Strom der Kühlströmungsmittel in und aus der Kühlvorrichtung zu steuern.
Andere Ziele, Merkmale und Aspekte der vorliegenden Erfindung werden im größeren Detail im Folgenden diskutiert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine vollständige und erläuternde Offenbarung der vorliegenden Erfindung, einschließlich ihres besten Ausführungsmodus, die sich an einen gewöhnlichen Fachmann des Gebiets wendet, wird genauer in der restlichen Beschreibung dargestellt, die sich auf die beigefügten Zeichnungen bezieht, in denen zeigt:
1 eine Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Wärmebehandlung von Halbleiterwafern gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 eine Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer Kühlvorrichtung, die in einer thermischen Bearbeitungskammer gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
3 eine Querschnittansicht der Kühlvorrichtung, die in 2 dargestellt ist;
4 ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Kühlvorrichtung, die in der thermischen Bearbeitungskammer gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann; und
5 ein Zeit- und Temperaturdiagramm, das die Differenz zwischen herkömmlichen Heiz- bzw. Erwärmungszyklen und Erwärmungszyklen darstellt, die in einer thermischen Bearbeitungskammer verwendet werden, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist.
Die wiederholte Verwendung von Bezugszeichen in der vorliegenden Beschreibung und den Zeichnungen soll gleiche oder analoge Merkmale oder Elemente repräsentieren.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Es sollte durch Fachleute des Gebiets verstanden werden, dass die vorliegende Diskussion lediglich eine Beschreibung eines beispielhaften Ausführungsbeispiels ist und nicht die breiteren Aspekte der vorliegenden Erfindung beschränken sollte, deren breiteren Aspekte in dem beispielhaften Aufbau enthalten sind.
Im Allgemeinen ist die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erwärmen und Abkühlen von Substraten, wie beispielsweise Wafern, in einer thermischen Bearbeitungskammer gerichtet. Zur Erwärmung von Halbleiterwafern kann die thermische Bearbeitungskammer herkömmliche Wärmequellen, wie beispielsweise eine Vielzahl von Lampen enthalten, die Strahlungsenergie emittieren. Gemäß der vorliegenden Erfindung enthält die Vorrichtung ferner eine Kühlvorrichtung, die aktiv den Halbleiterwafer kühlt, nachdem der Wafer erwärmt worden ist. Die Kühlvorrichtung kann verschiedene Formen annehmen und auf verschiedene Arten und Weisen funktionieren. In einem Ausführungsbeispiel kann die Kühlvorrichtung beispielsweise ein Kühlglied umfassen, welches ein Kühlströmungsmittel aufnimmt, um die Kühlvorrichtung auf einer niedrigeren Temperatur zu halten. Die Kühlvorrichtung kann ferner einen Mechanismus umfassen, der ausgelegt ist, um den Wafer nur zu bestimmten Zeiten zu kühlen.
Verschiedene Vorteile und Leistungen werden durch die Vorrichtung und den Prozess der vorliegenden Erfindung erreicht. Durch die Verwendung der Kühlvorrichtung wird beispielsweise die Zeit die erforderlich ist, um einen Erwärmungszyklus abzuschließen, in einer Vorrichtung der vorliegenden Erfindung erheblich verkürzt. Durch Verkürzen der Länge der Zeit, die erforderlich ist, um einen Erwärmungszyklus abzuschließen, sind die thermischen Bearbeitungskammern besonders gut angepasst, um ein effektives Anlassen von Schäden und die Aktivierung von ionenimplantierten Unreinheiten in dem Silicium zu bewirken, um ultradünne Beschichtungen und Filme auf Halbleiterwafern zu bilden, und um dünne Filme, leitend oder isolierend, anzulassen, die zuvor auf dem Halbleiterwafern abgelagert wurden. Die thermische Bearbeitungskammer ist ebenfalls imstande, sehr einheitliche bzw. gleichmäßige Beschichtungen und Filme mit verbesserten elektrischen Eigenschaften zu bilden. Insbesondere können die Halbleiterwafer sehr schnell gekühlt werden, was die chemischen und physikalischen Reaktionen bei einer hohen Temperatur „einfriert", die in der Kammer auftreten. Mit anderen Worten verhindert und hemmt das sehr schnelle Abkühlen der Wafer ungewollte und unerwünschte chemische und physikalische Reaktionen, die während relativ langsamer Abkühlphasen des Erwärmungszyklus auftreten.
Bezug nehmend auf 1 ist ein System 10, das im Allgemeinen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, zur Wärmebehandlung eines Wafers dargestellt, der aus einem Halbleitermaterial, wie beispielsweise Silicium, besteht. Das System 10 umfasst eine Bearbeitungskammer 12, die angepasst ist, um Substrate, wie beispielsweise einen Wafer 14, zur Ausführung verschiedener Prozesse aufzunehmen. Wie gezeigt, ist der Wafer 14 auf einem Substrathalter 15 positioniert, der aus einem thermisch isolierenden Material, wie beispielsweise Quartz, besteht. Die Kammer 12 ist ausgelegt, um den Wafer 14 mit sehr schnellen Raten und unter sorgfältig gesteuerten Bedingungen zu erwärmen. Die Kammer 12 kann aus verschiedenen Materialien, einschließlich Metallen, bestehen. Beispielsweise kann die Kammer 12 aus rostfreiem Stahl, Messing oder Aluminium bestehen.
Wenn die Kammer 12 aus einem wärmeleitenden Material hergestellt ist, umfasst die Kammer vorzugsweise ein Kühlsystem. Wie in 1 gezeigt, umfasst die Kammer 12 beispielsweise eine Kühlleitung 16, die um den Umfang der Kammer herum gewickelt ist. Die Leitung 16 ist angepasst, um ein Kühlströmungsmittel, wie beispielsweise Wasser, zu zirkulieren, welches verwendet wird, um die Wände der Kammer 12 auf einer relativ niedrigen Temperatur zu halten.
Die Kammer 12 kann ebenfalls einen Gaseinlass 18 und einen Gasauslass 20 zum Einleiten eines Gases in die Kammer und/oder zum Halten der Kammer innerhalb eines voreingestellten Druckbereichs umfassen. Beispielsweise kann ein Gas in die Kammer 12 durch den Gaseinlass 18 zur Reaktion mit dem Wafer 14 eingeführt werden, um beispielsweise Oxidbeschichtungen, leitende Schichten etc. zu bilden. Sobald es bearbeitet ist, kann das Gas aus der Kammer unter Verwendung des Gasauslasses 20 evakuiert werden.
Alternativ kann ein inertes Gas in die Kammer 12 durch den Gaseinlass 18 zugeführt werden, um jegliche ungewollten und unerwünschten Nebenreaktionen daran zu hindern, innerhalb der Kammer aufzutreten. In einem weiteren Ausführungsbeispiel können ein Gaseinlass 18 und ein Gasauslass 20 verwendet werden, um die Kammer 12 unter Druck zu setzen. Ein Vakuum kann ebenfalls in der Kammer 12 erzeugt werden, wenn dies erwünscht ist, und zwar unter Verwendung des Gasauslasses 20 oder eines zusätzlichen größeren Auslasses, der unterhalb der Ebene des Wafers positioniert ist.
Während der Bearbeitung kann in einem Ausführungsbeispiel der Substrathalter 15 angepasst werden, um den Wafer 14 unter Verwendung eines Waferdrehme chanismus 21 zu drehen. Das Drehen des Wafers fördert eine größere Temperaturgleichmäßigkeit über die Oberfläche des Wafers hinweg und fördert einen verbesserten Kontakt zwischen dem Wafer 14 und jeglichen Gasen, die in die Kammer eingeleitet werden. Es sollte verstanden werden, dass jedoch die Kammer 12 angepasst ist, um neben den Wafern optische Teile, Filme, Fasern, Bänder und andere Substrate mit jeglicher besonderer Form zu bearbeiten.
Eine Wärmequelle oder Erwärmungsvorrichtung, die im Allgemeinen mit 22 bezeichnet ist, ist in Verbindung mit der Kammer 12 zur Erwärmung des Wafers 14 während der Bearbeitung enthalten. Die Erwärmungsvorrichtung 22 umfasst eine Vielzahl von Lampen 24, wie beispielsweise Wolfram-Halogenlampen. Wie in 1 gezeigt, sind die Lampen 24 über dem Wafer 14 angeordnet. Es sollte jedoch verstanden werden, dass die Lampen 24 an irgendeiner bestimmten Stelle angeordnet werden können. Ferner könnten, sofern erwünscht, zusätzliche Lampen innerhalb des Systems 10 enthalten sein.
Die Verwendung der Lampen 24 als einer Erwärmungsquelle ist im Allgemeinen bevorzugt. Beispielsweise besitzen Lampen viel höhere Heiz- und Kühlraten als andere Erwärmungsvorrichtungen, wie beispielsweise elektrische Elemente oder herkömmliche Öfen. Die Lampen 24 erzeugen ein schnelles isothermisches Bearbeitungssystem, dass augenblicklich Energie vorsieht, wobei es typischerweise eine sehr kurze und gut gesteuerte Anlaufperiode erfordert. Der Energiestrom von den Lampen 24 kann ebenfalls zu jeder Zeit abrupt angehalten werden. Wie in der Figur gezeigt, sind die Lampen 24 mit einer stufenweisen Leistungssteuervorrichtung 25 ausgerüstet, die verwendet werden kann, um die Strahlungsenergie zu erhöhen oder zu verringern, die durch irgendeine der Lampen ausgestrahlt wird.
Um die Temperatur des Wafers 14 während des Erwärmungsprozesses zu überwachen, umfasst in diesem Ausführungsbeispiel die thermische Bearbeitungskammer 12 eine Vielzahl von Strahlungsabfühlvorrichtungen, die im Allgemeinen mit 27 bezeichnet sind. Die Strahlungsabfühlvorrichtungen 27 umfassen eine Vielzahl von optische Fasern oder Lichtleiter 28, die sich ihrerseits in Verbindung mit einer Vielzahl von entsprechenden Lichtdetektoren 30 befinden. Die Lichtleitfasern 28 sind ausgelegt, um Wärmeenergie aufzunehmen, die durch den Wafer 14 mit einer bestimmten Wellenlänge emittiert wird. Der Betrag der abgefühlten Strahlung wird dann an die Lichtdetektoren 30 übertragen, die ein verwendbares Spannungssignal erzeugen, um die Temperatur des Wafers zu bestimmen, die teilweise basierend auf dem Planckschen Gesetz berechnet werden kann. In einem Ausführungsbeispiel weist jede Lichtleiffaser 28 in Kombination mit einem Lichtdetektor 30 einen Pyrometer auf.
Im Allgemeinen kann die thermische Bearbeitungskammer 12 eine oder eine Vielzahl von Strahlungsabfühlvorrichtungen enthalten. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel enthält, wie in 1 gezeigt, die thermische Bearbeitungskammer 12 eine Vielzahl von Strahlungsabfühlvorrichtungen, die die Temperatur des Wafers an unterschiedlichen Stellen misst. Die Kenntnis der Temperatur des Wafers an verschiedenen Stellen kann dann verwendet werden, um den Wärmebetrag zu steuern, der dem Wafer zugeführt wird.
Das System 10 sollte so ausgelegt sein, dass die Lichtleitfasern 28 nur die Wärmestrahlung detektieren, die durch den Wafer 14 emittiert wird und nicht die Strahlung detektieren, die durch die Lampen 24 emittiert wird. In dieser Hinsicht umfasst das System 10 einen Filter 32, der verhindert, dass Wärmestrahlung, die durch die Lampen 24 mit der Wellenlänge emittiert wird, mit der die Lichtdetektoren 30 arbeiten, in die Kammer 12 eintreten. Der Filter 32 dient ebenfalls dazu, die Lampen 24 von dem Wafer 14 zu isolieren und um zu verhindern, dass die Kammer kontaminiert wird. Der Filter 32, der ebenfalls in 1 gezeigt ist, kann ein Fenster sein, das zwischen der Kammer 12 und der Wärmequelle 22 positioniert ist, und das beispielsweise aus Kiesel- bzw. Quartzglas oder Quartz besteht. In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann jede Lampe 24 durch einen separaten Filter abgedeckt sein.
Neben der Verwendung von Strahlungsabfühlvorrichtungen können andere Temperaturabfühlvorrichtungen verwendet werden. Beispielsweise können eines oder mehrere Thermopaare in dem System zur Überwachung der Temperatur des Wafers an einer einzelnen Stelle oder an einer Vielzahl von Stellen eingebaut sein.
Die Thermopaare können in direktem Kontakt mit dem Wafer angeordnet sein oder können benachbart zu dem Wafer angeordnet sein, von dem die Temperatur extrapoliert werden kann.
Das System 10 weist ferner eine Systemsteuervorrichtung 50 auf, die beispielsweise ein Mikroprozessor sein kann. Die Steuervorrichtung 50 empfängt die Spannungssignale von den Lichtdetektoren 30, die die Strahlungsbeträge darstellen, die an verschiedenen Stellen abgetastet werden. Basierend auf den empfangenen Signalen wird die Steuervorrichtung 50 ausgelegt, um die Temperatur des Wafers 14 an verschiedenen Stellen zu berechnen.
Die Systemsteuervorrichtung 50 kann, wie in 1 gezeigt, sich ebenfalls in Verbindung mit der Lampenleistungssteuervorrichtung 25 befinden. In dieser Anordnung kann die Steuervorrichtung 50 die Temperatur des Wafers 14 bestimmen und basierend auf dieser Information den Betrag der Wärmeenergie steuern, der durch die Lampen 24 emittiert wird. Auf diese Art und Weise können augenblickliche Anpassungen hinsichtlich der Bedingungen innerhalb des Reaktors 12 zur Bearbeitung des Wafers 14 innerhalb sorgfältig gesteuerter Grenzen vorgenommen werden.
In einem Ausführungsbeispiel kann die Steuervorrichtung 50 ebenfalls verwendet werden, um automatisch andere Elemente innerhalb des Systems zu steuern. Beispielsweise kann die Steuervorrichtung 50 verwendet werden, um die Strömungsrate der Gase zu steuern, die in die Kammer 12 durch den Gaseinlass 18 eintreten. Wie gezeigt, kann die Steuervorrichtung 50 ferner verwendet werden, um die Rate zu steuern, mit der der Wafer 14 innerhalb der Kammer gedreht wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst, wie in 1 gezeigt, das System 10 ferner eine Kühlvorrichtung 60, die in der thermischen Bearbeitungskammer 12 positioniert ist. Wie gezeigt, ist in diesem Ausführungsbeispiel die Kühlvorrichtung 60 unterhalb des Halbleiterwafers 14 gelegen und auf einer Basis 62 angebracht. Die Kühlvorrichtung 60 dient dem aktiven und schnellen Kühlen des Wafers 14 zu ausgewählten Zeiten mit der thermischen Bearbeitungskammer, insbesondere nachdem der Wafer auf eine vorbestimmte Bearbeitungstemperatur erwärmt worden ist.
Die Kühlvorrichtung 60 kann auf verschiedene Weise konstruiert werden und kann unterschiedliche Mechanismen zur Kühlung der Wafer umfassen. Bezug nehmend auf die 2 und 3 ist ein Beispiel einer Kühlvorrichtung, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Kühlvorrichtung 60 ein Kühlglied 64 mit einer plattenartigen Form. Das Kühlglied 64 umfasst Kühlkanäle 66, die ausgelegt sind, um die Strömung des Kühlströmungsmittels dadurch aufzunehmen. Beispielsweise kann das Kühlglied 64 in Verbindung mit einer Kühlströmungsmittelquelle, wie beispielsweise einer Wasserquelle, angeordnet werden, die ein Kühlströmungsmittel an den Kühlkanal 66 liefert. Das Kühlströmungsmittel hält die Temperatur des Kühlglieds 64 auf einer relativ niedrigen Temperatur, was es der Kühlvorrichtung 60 auf diese Weise ermöglicht, aktiv den Halbleiterwafer 14 durch den direkten Austausch von Wärmeenergie zwischen dem Wafer und dem Kühlglied zu kühlen.
Wie oben beschrieben, kühlt die Kühlvorrichtung 60 vorzugsweise den Wafer nur zu ausgewählten Zeiten im Verlauf eines Erwärmungszyklus, der in der Kammer ausgeführt wird. Folglich kann die Kühlvorrichtung 60, wie in 2 und 3 gezeigt, zu dem Wafer 14 hin und von diesem weg bewegt werden. Beispielsweise kann die Basis 62, wie in 1 gezeigt, einen Mechanismus umfassen, der die Kühlvorrichtung zu ausgewählten Zeiten anhebt und absenkt.
Die Kühlvorrichtung 60 kann beispielsweise zwischen einer Position, in der sie nicht in Eingriff mit dem Wafer steht, wie in 2 gezeigt, und einer Wafereingriffsposition, wie in 3 gezeigt, bewegbar sein. In der Position, in der sie nicht in Eingriff mit dem Wafer steht, sollte die Kühlvorrichtung 60 von dem Wafer 14 mit einer Entfernung beabstandet sein, die ausreichend ist, so dass sie nicht auf den Wafer störend einwirkt, während dieser erwärmt wird. Sobald der Wafer erwärmt worden ist und abgekühlt werden muss, kann die Kühlvorrichtung 60 jedoch benachbart zu dem Wafer angeordnet werden, wie in 3 gezeigt. Genau gesagt kann die Kühlvorrichtung 60 in direktem Kontakt mit dem Wafer angeord net werden. Wenn sie in der Eingriffsposition angeordnet wird, wie in 3 gezeigt, wird der Wafer 14 schnell abgekühlt.
Es sollte jedoch verstanden werden, dass außer dass die Kühlvorrichtung 60 zu dem Wafer hin und von diesem weg bewegbar ist, alternativ der Substrathalter 15 ausgelegt sein kann, um den Wafer selbst zu der Kühlvorrichtung hin und von dieser weg zu bewegen.
Ferner können neben dem Anpassen der Position der Kühlvorrichtung in Bezug auf den Wafer, andere Steuerungen verwendet werden, um die Wafer selektiv gemäß der vorliegenden Erfindung zu kühlen. Beispielsweise kann die Strömung eines Kühlströmungsmittels durch die Kühlkanäle 66 der Kühlvorrichtung 60 angepasst werden, und zwar abhängig von dem Kühlbetrag, der zu einer bestimmten Zeit erwünscht ist. Wenn beispielsweise keine Kühlung erwünscht ist, kann die Strömung eines Kühlströmungsmittels zu der Kühlvorrichtung 60 verlangsamt oder angehalten werden. Umgekehrt kann, wenn die Kühlung des Wafers erwünscht ist, die Strömung eines Kühlströmungsmittels durch die Kühlvorrichtung erhöht werden. In einem Ausführungsbeispiel kann die Systemsteuervorrichtung 50, wie in 1 gezeigt, in Verbindung mit der Kühlvorrichtung 60 zur automatischen Anpassung der Position der Kühlvorrichtung und/oder zur Steuerung der Strömung eines Kühlströmungsmittels zu einer Vorrichtung angeordnet werden.
Das Kühlglied 64 der Kühlvorrichtung 60 kann aus verschiedenen Materialien hergestellt sein. Insbesondere sollte das Kühlglied 64 aus einem leitenden Material hergestellt sein, das als ein Wärmetauscher zwischen dem Kühlströmungsmittel und dem Halbleiterwafer 14 dient. Verschiedene Materialien, die verwendet werden können um das Kühlglied 64 zu konstruieren, umfassen beispielsweise ein Metall, wie beispielsweise Aluminium, rostfreier Stahl oder Messing. Dieses Metall kann beschichtet sein, um eine Kontamination zwischen diesem und dem Halbleiterwafer zu verhindern.
Bezug nehmend auf 4 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Kühlvorrichtung 60 dargestellt, die in der Vorrichtung und dem Prozess der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Ähnlich zu dem Ausführungsbeispiel, das in den 2 und 3 dargestellt ist, umfasst in diesem Ausführungsbeispiel die Kühlvorrichtung 60 ein Kühlglied 64, das einen oder mehrere Kühlkanäle 66 zur Zirkulation eines Kühlströmungsmittels, wie beispielsweise einer Flüssigkeit, definiert. In diesem Ausführungsbeispiel definiert das Kühlglied 64 jedoch ferner zumindest einen Gasdurchlass 68.
Der Gasdurchlass 68 ist ausgelegt, um mit einer Gasquelle verbunden zu werden, die ein Gas durch die Kühlvorrichtung 60 zirkuliert. Wie gezeigt, fließt der Gasdurchlass 68 durch das Kühlglied 64 und umfasst dann eine Vielzahl von Ausgängen, die ein Gas benachbart zu dem Halbleiterwafer 14 freisetzen. Auf diese Art und Weise wird ein Gas, das durch den Gasdurchlass 68 geführt wird, durch ein Kühlströmungsmittel, das durch den Kanal 66 zirkuliert wird, gekühlt und dann zu dem Halbleiterwafer 14 geleitet, um den Wafer zu kühlen. Das Gas, das durch den Gasdurchlass 68 geführt wird, sollte ein inertes Gas sein, so dass keine unerwünschten chemischen Reaktionen stattfinden. Beispielsweise könnte molekularer Stickstoff, Argon oder Helium als das Kühlgas verwendet werden.
In dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Kühlvorrichtung 60 stationär sein oder kann in ähnlicher Weise wie das in 2 und 3 dargestellte Ausführungsbeispiel bewegbar sein. Vorzugsweise sollte, um die Wafer selektiv innerhalb einer thermischen Bearbeitungskammer zu kühlen, die Strömung des Kühlgases in den Gasdurchlass 68 steuerbar sein, so dass die Gasströmung zu gewünschten Zeiten angehalten und begonnen werden kann. In diesem Zusammenhang kann die in 1 gezeigte Systemsteuervorrichtung 50, in Verbindung mit der Kühlgasquelle angeordnet werden und kann ausgelegt sein, um die Strömung des Kühlgases von der Gasquelle zu der Kühlvorrichtung 60 zu steuern.
Es sollte verstanden werden, dass neben den Ausführungsbeispielen, die in den Figuren dargestellt sind, die Kühlvorrichtung 60 auf verschiedene andere Arten gekühlt werden kann. Beispielsweise kann in einem alternativen Ausführungsbeispiel eine aktive Kühlstruktur benachbart zu oder angebracht an der Kühlvorrichtung 60 zur Kühlung der Vorrichtung durch Konduktion angeordnet sein. Alternativ kann die Kühlvorrichtung 60 ein Kühlglied umfassen, das aus einem thermoelektrischen Material besteht, welches das Kühlglied auf einer niedrigeren Temperatur hält.
Wie oben beschrieben, besteht der Zweck der Kühlvorrichtung 60 darin, die Wafer in der thermischen Bearbeitungskammer schnell abzukühlen, um die Geschwindigkeit zu erhöhen, mit der die Erwärmungszyklen auf den Wafer in der Kammer ausgeführt werden können. Bezug nehmend auf 5 ist zu Vergleichszwecken ein herkömmlicher Erwärmungszyklus (a) in Vergleich zu einem Erwärmungszyklus (b) gezeigt, der durch Verwenden der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung erzeugt werden kann. Wie gezeigt, wird die Kühlrate unter Verwendung der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung dramatisch erhöht. Natürlich ist das Diagramm, das in 5 dargestellt ist, zu rein exemplarischen Zwecken. Es sollte verstanden werden, dass mit der Kühlvorrichtung der vorliegenden Erfindung die Rate der Kühlung gesteuert werden kann, so dass jeglicher gewünschter Kühlungskurve gefolgt werden kann.
Für die meisten Anwendungen wird die Kühlvorrichtung jedoch verwendet werden, um die Wafer so schnell wie möglich zu kühlen. Durch schnelles Kühlen der Wafer ergeben sich verschiedene Vorteile. Zum Beispiel werden neben der Verkürzung der Zeit, die erforderlich ist um die Wafer zu bearbeiten, weniger unerwünschte chemische und physikalische Reaktionen während der Abkühlphase des Erwärmungszyklus auftreten.
Diese und andere Modifikationen und Variationen an der vorliegenden Erfindung können durch gewöhnliche Fachleute des Gebiets praktiziert werden, ohne von dem Rahmen der vorliegenden Erfindung abzuweichen, der in den beigefügten Ansprüchen dargelegt ist. Ferner werden gewöhnliche Fachleute des Gebiets erkennen, dass die vorangehende Beschreibung nur beispielhaft ist und sie nicht die Erfindung beschränken soll, die weiterhin in den beigefügten Ansprüchen beschrieben ist.

Claims

Vorrichtung (10) zur Wärmebehandlung von Substraten (14), die Folgendes aufweist: eine thermische Prozesskammer (12), die in der Lage ist, wenigstens ein Substrat (14) aufzunehmen; eine Wärmequelle (22), die mit der thermischen Prozesskammer (12) zum Heizen des Substrats (14), das in der Kammer (12) aufgenommen ist, in Verbindung steht; einen Substrathalter (15) zum Halten des Substrats (14), wenn es in der thermischen Prozesskammer (12) aufgenommen ist; eine Kühlvorrichtung (16), die in der Nähe des Substrathalters (15) angeordnet ist zum selektiven Kühlen des Substrats (14), das in der thermischen Prozesskammer (12) aufgenommen ist, wobei die Kühlvorrichtung (60) ein Kühlglied (64) aufweist, das aufgebaut ist, um auf einer geringeren Temperatur als der maximalen Prozesstemperatur des Substrats (14) gehalten zu werden; dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (60) oder der Substrathalter (15) zu dem anderen, d. h. dem Substrathalter (15) oder der Kühlvorrichtung (60) bewegbar ist, und zwar derart, dass die Bewegung des einen zu dem anderen bewirkt, dass das Substrat (14) direkt durch die Kühlvorrichtung kontaktiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des einen zu dem anderen ferner bewirkt, dass das Substrat (14) von dem Substrathalter (15) separiert wird, so dass das Substrat (14) gekühlt wird, während es von dem Substrathalter (15) separiert ist und in direktem Kontakt mit der Kühlvorrichtung (16) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kühlvorrichtung (60) ferner wenigstens einen Gasdurchlass (68) aufweist, um ein Gas dorthin durchzuströmen und wobei der Gasdurchlass (68) konfiguriert ist, um das Gas zu dem Substrat (14) zu lenken, um das Substrat zu kühlen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Kühlglied (64) eine plattenförmige Form besitzt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kühlglied (64) aus einem Material hergestellt ist, das ein Metall aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Metall beschichtet ist, um eine Kontamination zwischen dem Metall und dem Halbleiter-Wafer (14) zu vermeiden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wärmequelle (22) eine Vielzahl von Lichtenergiequellen (24) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühlvorrichtung (60) ferner eine Kühlfluidquelle aufweist zum Liefern eines Kühlfluids zur Zirkulation durch Kühlkanäle (66), die durch das Kühlglied (64) definiert werden.
Verfahren zur Wärmebehandlung von Substraten (14) unter Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühlvorrichtung (60) oder der Substrathalter (15) zu dem anderen, d. h. dem Substrathalter (15) oder der Kühlvorrichtung (60) in einer solchen Art und Weise bewegt wird, dass die Bewegung des einen zu dem anderen bewirkt, dass das Substrat (14) direkt durch die Kühlvorrichtung (60) zum Kühlen kontaktiert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Kühlvorrichtung (60) oder der Substrathalter (15) zu dem anderen, d. h. dem Substrathalter (15) oder der Kühlvorrichtung (60) in einer solchen Art und Weise bewegt wird, dass die Bewegung des einen zu dem anderen bewirkt, dass das Substrat (14) direkt durch die Kühlvorrichtung (60) kontaktiert wird und von dem Substrathalter (15) getrennt wird, so dass das Substrat (14) gekühlt wird, während es von dem Substrathalter (15) getrennt ist und in direktem Kontakt mit der Kühlvorrichtung (60) steht.