DE102006056811A1

DE102006056811A1 - Heizvorrichtung für Halbleiterchargen

Info

Publication number: DE102006056811A1
Application number: DE102006056811A
Authority: DE
Inventors: John Thomas Avon Lake Mariner; Eric Beachwood Wintenberger; Douglas Alan Brecksville Longworth; Wei Middleburg Heights Fan
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2006-03-17
Filing date: 2006-12-01
Publication date: 2007-09-20
Also published as: US7312422B2; CN101067996A; KR20070094445A; US20070215596A1; JP2007251126A

Abstract

Es wird eine Heizbehandlungsvorrichtung zur Verwendung beim Chargenheizen/beim Verarbeiten eines Wafers bereitgestellt, welche Vorrichtung umfasst: eine Prozesskammer zum Aufnehmen eines Wafer-Bootes, mindestens ein Heizelement mit einem Substratkörper, der zum Ausbilden eines elektrischen Heizschaltkreises für mindestens eine Heizzone konfiguriert ist und der in eine kontinuierliche Überzugsschicht eingekapselt ist, einen Heizreflektor mit einer auf dem Heizelement angeordneten, Wärme reflektierenden Oberfläche, und wobei das Heizelement eine Aufheizrate von mindestens 1°C pro Sekunde zum Heizen des Wafers in dem Wafer-Boot aufweist.

Description

Diese Anmeldung beansprucht die Vorteile der US 60/788,861, eingereicht am 17. März 2006, welche hierin durch Verweis vollständig mit aufgenommen ist.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Chargenverarbeitungsvorrichtung. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Heizvorrichtung, vornehmlich zur Verwendung in Geräten zur Verarbeitung von Halbleiter-Wafern. Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein Halbleiterverarbeitungssystem, das schnelles, gleichförmiges, energieeffizientes und verunreinigungsfreies Aufheizen und Abkühlen von einer Mehrzahl von Wafern erzielen kann, während es die Aufbauflexibilität ermöglicht, die in Vorrichtungen für Chargenverarbeitung wünschenswert ist.

Die Hochtemperaturverarbeitung von Silizium-Wafern ist bedeutsam für die Herstellung von modernen Mikroelektronik-Geräten. Derartige Prozesse, einschließlich Silizidbildung, Implantationsausheizungen, Oxidationen, diffusionsgetriebenes Eintreiben und chemische Gasphasenabscheidung (CVD) werden bei Temperaturen von etwa 300°C bis 1200°C sowohl in Mehrfachwafer-Chargenöfen als auch in thermischen Schnellprozessvorrichtungen für Einzelwafer ausgeführt. Diese Schritte erfordern typischerweise eine sehr genaue Steuerung der Temperatur, des Drucks und des Gasstroms in der Kammer. In einer Ausführungsform des Stands der Technik werden die Prozessschritte in einem Röhrenofen ausgeführt, wobei die Wafer im Chargenmodus für einen vergrößerten Durchsatz verarbeitet werden.

In herkömmlichen Chargenöfen aus dem Stand der Technik werden typischerweise elektrische Heizelemente eingesetzt. Elektrische Heizelemente, wie etwa Metallspulenelemente, werden normalerweise mit einem keramischen Material isoliert, beispielsweise mit gesintertem Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid, die inhärent anfällig sind für Mechanismen, die Brüche und Teilchen erzeugen, wenn sie thermischen Zyklen unterworfen werden. Die thermische Masse von derartigen Systemen ist hoch und führt zu niedrigen Heiz- und Kühlraten. Darüber hinaus variiert die Leistungsdichte, aufgrund der diskontinuierlichen Oberfläche von herkömmlichen Spulenelementen, drastisch über der zu heizenden Fläche. Zusätzlich kann, aufgrund des Unterschieds der thermischen Ausdehnung zwischen den Metallheizelementen und der keramischen Isolation beim Ausführen thermischer Zyklen, die Verwendung des Heizers im Stand der Technik zur Teilchenerzeugung oder zum Betriebsausfall führen. Bei Verarbeitungsvorgängen, während denen Leistung eingespeist wird, verursachen die Teilchen deshalb nicht generell Verarbeitungsprobleme, weil sie typischerweise oberhalb des Halbleitersubstrats schweben. Wenn jedoch die Leistung am Ende eines Verarbeitungszyklus verringert wird, verschwinden die die Teilchen in der Schwebe haltenden Kräfte, was ihnen (den Teilchen) erlaubt, zu fallen und auf der Halbleitersubstratoberfläche zu landen, was eine Verunreinigung verursacht. Der Fallvorgang kann ein Ergebnis sowohl der Schwerkraft als auch einer elektrischen Anziehung an die Halbleiteroberfläche sein. Neben dem Problem der Teilchenverunreinigung bei herkömmlichen Chargenöfen, die aus gesinterten keramischen Materialen bestehende Heizelemente einsetzen, gibt auch ihre Zuverlässigkeit Anlass zur Diskussion, und es bestehen inhärente Begrenzungen hinsichtlich der Aufheiz- und Abkühlraten. Gesinterte Keramiken sind empfindlich gegenüber thermischem Schock und neigen zum Bruch, wenn sie hohen Temperaturgradienten unterworfen werden.

Um das Problem der ungewünschten Diffusion von Dotierungsstoffen oder Teilchen aus den Heizern zu verringern, die auf der Halbleitersubstratoberfläche landen und Verunreinigung verursachen, werden in einigen herkömmlichen Verarbeitungskammern für Halbleiterchargen Lampen mit hoher Intensität eingesetzt. Strahlungslampen ermöglichen aufgrund ihrer extrem geringen thermischen Masse ein sehr schnelles Aufheizen und ein schnelles Abkühlen, weil sie instantan ausgeschaltet werden können. Jedoch können bei der Verwendung von Hochintensitätslampen Probleme auftreten, weil sie lokalisierte Energiequellen darstellen. Nicht nur, dass aufgrund der Heiz- und Kühlübergangsphasen Temperaturdifferenzen auftreten, wie in herkömmlichen Chargenöfen, sondern es können auch während der Verarbeitung Ungleichförmigkeiten andauern. Die inneren Wände von typischen, auf Lampen beruhenden RTP-Systemen sind normaler weise relativ kühl und werden nicht, wie in einem herkömmlichen Chargenofen, auf eine gleichförmige Gleichgewichtsprozesstemperatur aufgeheizt. Für Wafer mit größerem Durchmesser kann es schwierig sein, über einen Wafer eine gleichförmige Temperatur aufrecht zu erhalten. Für weitere Systeme sind sie nicht geeignet, eine gleichförmige Wafer-zu-Wafer-Heizung in einem Boot mit mehreren Wafern bereit zu stellen. Viele Lampen setzen ein lineares Filament ein, was sie zum Bereitstellen von gleichförmiger Wärme für einen runden Wafer ineffektiv macht. Es kann notwendig sein, Nicht-Gleichförmigkeiten der Temperatur dynamisch zu detektieren und die Heizung während der Verarbeitung aktiv einzustellen. Dies kann wiederum komplexe Temperaturmesssysteme erforderlich machen. In einigen auf Lampen basierenden Systemen können aufgrund der Alterung und Verschlechterung der Lampen und anderer Komponenten zusätzliche Probleme auftreten. Infolgedessen kann es schwierig sein eine wiederholbare Leistungsfähigkeit aufrecht zu erhalten, und der häufige Ersatz von Teilen kann notwendig sein.

Neben den Problemen der Verunreinigung und der Gleichförmigkeit gibt es in den Chargensystemen aus dem Stand der Technik eine Konformitätsbegrenzung. Systeme für die Chargenverarbeitung von Halbleiter-Wafern weisen häufig eine zylindrische Geometrie auf, die durch die runde Form der Wafer bedingt ist. Häufig wird versucht, die Geometrie des Heizsystems der Geometrie des Substrats anzupassen. In den Widerstandsheizern aus dem Stand der Technik stellen die in keramischer Isolierung eingebetteten Metallspulenelemente keine kontinuierliche Heizoberfläche bereit. Systeme, die eine Anordnung von Lampen einsetzen, können typischerweise keine zylindrische Heizoberfläche bereitstellen.

Die Probleme im Stand der Technik werden zumindest teilweise gelöst durch eine Chargenverarbeitungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, deren Verwendung nach Anspruch 13 und ein Verfahren nach dem Anspruch 14.

Weitere Vorteile, Aspekte und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung sind aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen offensichtlich.

In einer Ausführungsform bezieht sich die Erfindung auf eine Chargenverarbeitungsvorrichtung mit einer Kammer, die einen Innenraum aufweist zum Anordnen eines Wafer-Bootes zum Verarbeiten einer Mehrzahl von Wafern; mindestens einem außerhalb angeordneten Strahlungsheizer, der an die Außenseite der Kammer zum Heizen der Mehrzahl der darin enthaltenen Wafer mit einer Aufheizrate von mindestens 40°C/min in einem Bereich von 300 bis 800°C angepasst ist, wobei der Heizer mindestens ein Widerstandsheizelement aufweist, das aus einer Mehrzahl von Leitungen gebildet ist, wobei mindestens eine Zone zum unabhängigen gesteuerten Heizen der mindestens einen Zone dient, wobei mindestens ein Teil der Oberfläche des Widerstandsheizelements beschichtet ist mit einer dielektrischen isolierenden Schicht, die zumindest eines der folgenden umfasst: ein Nitrid, Carbid, Carbonitrid oder Oxinitrid von Elementen, die ausgewählt sind aus einer Gruppe, die aus B, Al, Si, Ga, hochschmelzenden Hartmetallen, Übergangsmetallen und Seltene-Erd-Metallen oder Komplexen und/oder Kombinationen davon besteht, mindestens eine Wärmeabschirmung, die an einer Außenseite des Heizers angeordnet sind, gegenüber der Seite des Heizers, die der das Wafer-Boot enthaltenen Kammern gegenüber liegt, und ein außerhalb des Wärmeschildes angeordnetes, isolierendes Gehäuse.

Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Heizbehandlungsvorrichtung bereitgestellt zur Verwendung in einer Chargenheiz-/Wafer-Verarbeitung, die umfasst: eine Prozesskammer zum Aufnehmen eines Wafer-Bootes, mindestens ein Heizelement mit einem Substratkörper, der zum Ausbilden eines elektrischen Heizschaltkreises für mindestens eine Heizzone ausgebildet und in einer kontinuierlichen Überzugsschicht eingekapselt ist, ein Heizreflektor mit einer auf dem Heizelement angeordneten, Wärme reflektierenden Oberfläche, und wobei das Heizelement eine Aufheizrate von mindestens 1°C pro Sekunde zum Aufheizen des Wafers in dem Wafer-Boot aufweist.

In einem Aspekt umfasst der Strahlungsheizer einen Graphitkern mit einer Einkapselung, der eine im wesentlichen kontinuierliche Oberfläche bildet, die den Graphitkern beschichtet, wobei die Einhüllung ein dünner Mantel aus einem Material ist, das aus einem der folgenden ausgewählt ist: ein Nitrid, Carbid, Carbonitrid oder Oxinitrid von Elementen, die ausgewählt sind aus einer Gruppe, die aus B, Al, Si, Ga, hochschmelzenden Hartmetallen, Übergangsmetallen und Selten-Erd-Metallen oder Komplexen und/oder Kombinationen davon besteht; ein Zirkoniumphosphat mit hoher thermischer Stabilität, das eine NZP-Struktur von NaZr₂(PO₄)₃ aufweist; eine Glas-Keramik-Zusammensetzung, die mindestens ein Element enthält, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus den Elementen der Gruppe 2a, Gruppe 3a und Gruppe 4a des Periodensystems der Elemente besteht; eine Mischung von SiO₂ und einem plasmaresistenten Material, das ein Oxid von Y, Sc, La, Ce, Gd, Eu, Dy oder dergleichen enthält.

Die Erfindung bezieht sich in einem Aspekt auf ein Verfahren zum Heizen einer Mehrzahl von Wafern in einer Chargenverarbeitungsvorrichtung, die einen Heizer einsetzt, der mindestens ein Widerstandsheizelement aufweist, das aus einer Mehrzahl von Leitungen gebildet ist, die mindestens eine Zone zum unabhängigen, kontrollierten Heizen der mindestens einen Zone ausbilden, wobei zumindest ein Teil der Oberfläche des Widerstandsheizelements mit einer dielektrisch isolierenden Schicht beschichtet ist, die mindestens eines der folgenden umfasst: ein Nitrid, Carbid, Carbonitrid oder Oxinitrid von Elementen, die ausgewählt sind aus einer Gruppe, die aus B, Al, Si, Ga, hochschmelzenden Hartmetallen, Übergangsmetallen und Selten-Erd-Metallen oder Komplexen und/oder Kombinationen davon besteht, zum Heizen des Wafersubstrats auf eine Temperatur von bis hinauf zu 800°C mit einer Aufheizrate von mindestens 40°C/min in einem Bereich von 300-800°C.

Die Erfindung ist ebenfalls auf eine Vorrichtung zum Ausführen des offenbarten Verfahrens gerichtet und enthält Geräteteile zum Ausführen von jedem beschriebenen Verfahrensschritt. Diese Verfahrensschritte können mittels Hardwarekomponenten, einem mit geeigneter Software programmierten Computer, durch eine Kombination der beiden oder in einer beliebigen anderen Art und Weise ausgeführt werden. Des weiteren ist die Erfindung auch auf Verfahren gerichtet, mit denen die beschriebene Vorrichtung betrieben wird. Sie enthält Verfahrensschritte zum Ausführen von jeder Funktion der Vorrichtung.

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in den Zeichnungen veranschaulicht und im Folgenden ausführlicher beschrieben werden. Die Zeichnungen zeigen das Folgende:
1 ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer Verarbeitungskammer für Halbleiterchargen nach der Erfindung, die einen Aufbau derselben darstellt.
2A ist eine Aufsicht, und die 2B und 2C sind Querschnittsansichten von einer Ausführungsform des in der Verarbeitungskammer der 1 eingesetzten Widerstandsheizers.
3 ist ein oberseitiger Querschnitt einer Ausführungsform einer zylindrischen Ausführungsform des Chargenheizsystems nach der Erfindung.
4 ist ein oberseitiger Querschnitt einer zweiten Ausführungsform einer Ausführungsform des Chargenheizsystems nach der Erfindung mit einem zylindrischen Abschnitt.
5 ist ein oberseitiger Querschnitt einer hexagonalen Ausführungsform des Chargenheizsystems nach der Erfindung.
6 ist ein oberseitiger Querschnitt einer quadratischen Ausführungsform des Chargenheizsystems, das ebene Heizelemente verwendet.
7 ist eine geschnittene Ansicht einer Ausführungsform mit einem zylindrischen Abschnitt nach der Erfindung, die externe Pfosten zur elektrischen Verbindung verwendet.
8 ist ein Schaubild, das die Aufheizrate einer Ausführungsform nach der Erfindung mit einem zylindrischem Abschnitt veranschaulicht.
9 ist ein Schaubild, das die Wiederholbarkeit von Ausführungsformen von zwei zylindrischen Abschnitten nach der Erfindung veranschaulicht.
10 ist ein Schaubild, das sich auf das Beispiel 3 der Erfindung bezieht.
Wie hierin verwendet, kann eine näherungsweise Ausdrucksweise angewendet werden, um jede quantitative Darstellung zu modifizieren, die ohne eine Veränderung der grundlegenden Funktion, auf die sie sich bezieht, verändert werden kann. Dementsprechend darf in einigen Fällen ein Wert, der von einem Ausdruck oder Ausdrücken wie etwa "ungefähr" und "im wesentlichen" begleitet wird, nicht auf den präzisen angegebenen Wert beschränkt werden.
Der Ausdruck "Widerstandsheizvorrichtung" kann austauschbar verwendet werden mit "Heizer" oder "Heizelement", und der Ausdruck kann in der Einzahl- oder Mehrzahlform auftreten, was darauf hinweist, dass ein oder mehrere Geräte vorhanden sein können. Wie hierin verwendet, wird "Wärmeabschirmung" austauschbar verwendet mit "Wärmereflektoren" oder "Strahlungsabschirmblechen".
"Wafersubstrate" oder "Substrate", wie hierin verwendet, sind in der Pluralform, jedoch sind die Ausdrücke dazu eingesetzt, um anzudeuten, dass ein oder mehrere Substrate verwendet werden können und dass "Wafer" austauschbar mit "Substrat" verwendet werden kann. In gleicher Weise können "Heizplatten", "Heizelemente", "Überzugsschichten", "reflektierende Elemente" oder "Reflektoren" in der Pluralform verwendet werden, jedoch werden die Ausdrücke verwendet, um anzudeuten, dass ein oder mehrere Elemente benutzt werden können.
"Chargenverarbeitungskammer" kann austauschbar benutzt werden mit "Chargenaufheizvorrichtung" oder "Chargenofen", was auf einen Zusammenbau mit einer umringten Kammer unter Vakuum verweist, die eine Mehrzahl von darin enthaltenen Substrat-"Wafern" aufweist, wobei die umringte Kammer von einem oder mehreren Heizern auf eine Temperatur von 300-800°C aufgeheizt wird.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Verarbeitungskammer für Halbleiterchargen, wobei einen eingekapselten, festen Körper umfassende Widerstandsheizer eingesetzt werden. Das Chargenheizsystem nach der Erfindung ermöglicht eine schnelle, gleichförmige und relativ verunreinigungsfreie thermische Verarbeitung von mehreren Wafern, beruhend auf der niedrigen thermischen Masse und Reinheit von mit Keramik eingekapselten Graphitheizvorrichtungen. Die Vorrichtung umfasst einen oder eine Mehrzahl von keramischen Heizern, die angeordnet sind, um ein innerhalb einer umringten Kammer enthaltenes Boot von Wafern gleichförmig aufzuwärmen, wobei die keramischen Heizer von einer Isolation mit niedriger thermischer Masse, wie etwa Wärmeabschirmungen, umringt sind.
Chargenverarbeitungskammer: 1 veranschaulicht eine Ausführungsform eines Chargenofens nach der Erfindung für eine vertikale Wärmebehandlungsvorrichtung. Der Chargenofen umfasst eine umringte Kammer 1, die die für den Prozess erforderlichen Umgebungsbedingungen (Druckniveau, Gasdurchflussmenge usw.) aufrecht erhält. In einer Ausführungsform ist die Kammer 1 aus einem Quarzmaterial mit hoher Reinheit hergestellt, um die Verunreinigung der Wafer 3 zu verringern. In einer Ausführungsform (nicht gezeigt) ist die Verarbeitungskammer 1 in der Form einer Röhre oder ist ein Typ mit doppelter Struktur mit einer inneren Röhre und einer äußeren Röhre. Eine Mehrzahl von Wafern 3 wird in das Wafer-Boot 2, das eine Mehrzahl von Trägern oder Fächern aufweist, geladen, um die Wafer während der Verarbeitung zu platzieren. In einer Ausführungsform wird das Wafer-Boot durch eine Welle 4, die sich durch eine Basisplatte 5 hindurch erstreckt, getragen. Die Welle 4 kann das Wafer-Boot in die Prozesskammer hinein und aus der Prozesskammer 1 heraus bewegen zum Beladen/Entnehmen der Wafer 3. Die Welle 4 dreht sich typischerweise um ihre Achse, um jede Nicht-Gleichförmigkeit des Prozesses auf den Wafern 3 auszumitteln. Für Prozesse, die einen Strom von Gasen einbeziehen, können in der Basisplatte 5 oder in der Prozesskammerwand 1 Gaseinlass- und Auslassöffnungen angeordnet sein.
Bevor der tatsächliche Prozess beginnen kann, müssen die Wafer auf das Wafer-Boot geladen werden. Desgleichen müssen am Ende des Prozesses die Wafer von dem Boot entladen werden, und neue Wafer müssen geladen werden. Das Laden/Entnehmen der Wafer wird typischerweise bei Temperaturen ausgeführt, die viel niedriger sind als die Prozesstemperatur. Wenn daher die Wafer auf das Wafer-Boot geladen sind, ist es notwendig, den Ofen von der Beladungs-/Entladungstemperatur auf die Prozesstemperatur aufzuwärmen. Die Notwendigkeit des Wartens auf Bedingungen in dem Ofen zum Erreichen eines gleichförmigen Zustands für gleichförmige Ergebnisse erfordert lange Verarbeitungszeiten. Ebenso ist es notwendig, den Ofen abzukühlen, bevor die Wafer am Ende des Prozesses entladen werden können. Die zum Aufheizen und Abkühlen des Ofens erforderliche Zeit kann einen bedeutsamen Anteil der gesamten Zykluszeit darstellen und muss für einen vergrößerten Durchsatz minimiert werden. Der Energieeintrag in die Wafer während des gesamten Zeit-Temperaturzyklusses wird häufig als das thermische Budget bezeichnet. Die erforderlichen langen Verarbeitungszeiten können Beschränkungen, die durch das thermische Budget der Prozessvorgabe auferlegt werden, verletzen.
In einer Ausführungsform einer Chargenheizvorrichtung werden Wafer 3 durch die Widerstandsheizelemente 6a-6c auf die Prozesstemperatur aufgeheizt. Diese Widerstandsheizelemente sind von Keramik eingekapselte Graphitheizer, die in einer Isolation mit geringer thermischer Masse aufgenommen sind, deren Rolle darin besteht, die Wärmeverluste an die Umgebung zu verringern und die Effizienz des Systems zu optimieren. Die von Keramik eingekapselten Graphitheizer 6a-6c sind um die Quarzkammer 1, die das die zu verarbeitenden Wafer 3 enthaltende Wafer-Boot 2 aufnimmt, herum angeordnet.
In einer Ausführungsform werden, um bessere Temperaturgleichförmigkeit auf den Wafern 3 zu erzielen, mehrere Heizer eingesetzt, um mehrere Heizzonen 6a-6c zu erzeugen, deren Leistungsdichte unabhängig gesteuert werden kann. Jede Heizzone kann aus einem oder mehreren Heizern bestehen. Es können Heizzonen mit großer Größe erzeugt werden, indem mehrere Heizer zusammen in Reihe oder parallel montiert werden und unter Verwendung einer einzigen Temperatursteuereinheit, um diese Heizer mit Leistung zu versorgen.
Heizabschirmungen 7a-7c sind um die Heizer herum und in der Nähe der Heizer angeordnet, um Wärmeverluste zu verringern. In einer Ausführungsform sind die Abschirmungen in direktem Kontakt mit dem Heizer. In einer anderen Ausführungsform ist eine Lücke von 5-20 mm zwischen den Abschirmungen und den Heizern. Die Wärmeabschirmungen vergrößern die Aufheizrate effektiv und verringern das thermische Budget des Prozesses, weil sie die von den keramischen Heizern abgestrahlte Wärme reflektieren, um die zur Außenseite der Kammer übertragene Wärme zu minimieren. Wie in 1 gezeigt, sind die Wärmeabschirmungen an der Außenseite der Heizer angeordnet. In anderen Ausführungsformen können die Wärmeabschirmungen oberhalb oder unterhalb der Quarzkammer positioniert sein, um die Wärmeverluste durch die Oberseite oder Unterseite des Wafer-Bootes zu verringern und dazu beizutragen, eine gute Temperaturgleichförmigkeit über die Charge der Wafer aufrechtzuerhalten.
In einer Ausführungsform umfassen die Wärmeabschirmungen hochreflektierende Metalle, wie etwa Aluminium, rostfreier Stahl, Molybdän, Tantal etc. In einer zweiten Ausführungsform sind die Wärmeabschirmungen aus einem beliebigen, Wärme reflektierenden Material hergestellt, einschließlich keramischer Materialien, wie etwa pyrolytischem Bornitrid, Aluminiumnitrid etc. In einer Ausführungsform ist die Oberfläche der Wärmeabschirmungen poliert, um ihre Reflektivität zu vergrößern. Je höher die Reflektivität, desto mehr Wärme wird auf den Heizer reflektiert und desto thermisch effizien ter wird das System sein. In einer Ausführungsform umfassen die Wärmeabschirmungen eine dünne Folie oder Schicht aus Metall mit einer Dicke von 0,001 Zoll bis 0,05 Zoll. Weil sie so dünn sind, weisen Wärmeabschirmungen inhärent eine sehr geringe thermische Masse auf, was sie ideal für Anwendungen macht, bei denen schnelles Aufheizen und Abkühlen vorteilhaft ist.
In einer Ausführungsform umfassen die Wärmeabschirmungen 7a-7c ferner Isolatoren, wie etwa mit Metall beschichtete Keramiken, metallisierte Gläser und dergleichen, die widerstandsfähig gegen den Prozess und im allgemeinen frei von Verunreinigungen sind, wie etwa Kupfer.
Widerstandsheizer mit schneller Aufheizrate oder verringerter Verunreinigung mit Teilchen: In einer Ausführungsform einer Chargenheizvorrichtung mit verringerter Teilchenverunreinigung, beispielsweise verunreinigungsfrei oder beinahe verunreinigungsfrei, umfasst der Widerstandsheizer 6a-6c einen Substratkörper mit einer Heizoberfläche, die als Muster für einen elektrischen Strompfad konfiguriert ist, um eine erste Zone eines elektrischen Heizkreis zu beschreiben, und mit einer dielektrischen isolierenden Überzugsschicht, die den Körper als Substrat einkapselt.
In einer Ausführungsform umfasst der Substratkörper der Heizelemente 6a-6c Graphit. In einer anderen Ausführungsform umfasst der Substratkörper ein Material, das aus einem der folgenden ausgewählt ist: Quarz, Bornitrid, gesintertes Aluminiumnitrid, gesintertes Siliziumnitrid, einen gesinterten Körper aus Bornitrid und Aluminiumnitrid, und ein hochschmelzendes Metall, das aus der Gruppe von Molybdän, Wolfram, Tantal, Rhenium und Niobium ausgewählt ist. Die Oberfläche der Heizelemente 6a-6c nach der Erfindung sind im wesentlichen kontinuierlich und mit einer Überzugsschicht oder -schichten beschichtet, um den Wärme erzeugenden Widerstandskörper hermetisch abzuschließen, anders als diejenigen Oberflächen, die für die elektrischen Verbindungen erforderlich sind, wodurch Kurzschlüsse verhindert werden und elektrische Veränderungen am Auftreten gehindert werden und was eine im wesentlichen kontinuierliche Oberfläche, die frei von Graphitstaub und Teilchen ist, sicherstellt.
In einer Ausführungsform besteht die Überzugsschicht aus mindestens einem der folgenden: ein Nitrid, Carbid, Carbonitrid oder Oxinitrid von Elementen, die ausgewählt sind aus einer Gruppe, die aus B, Al, Si, Ga, hochschmelzenden Hartmetallen, Übergangsmetallen und Selten-Erd-Metallen oder Komplexen und/oder Kombinationen davon besteht.
In einer Ausführungsform umfasst die Abdeckschicht der Widerstandsheizelemente 6a bis 6c ein Zirkoniumphosphat mit hoher thermischer Stabilität, das die NZP-Struktur von NaZr₂(PO₄)₃, aufweist, und ebenso damit zusammenhängende, isostrukturelle Phosphate und Silikophosphate mit einer ähnlichen Kristallstruktur. In einer anderen Ausführungsform enthält die schützende Abdeckschicht 25 eine Glas-Keramik-Zusammensetzung, die mindestens ein Element enthält, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus Elementen der Gruppe 2a, Gruppe 3a und Gruppe 4a des Periodensystems besteht. Die Gruppe 2a, wie sie hierin bezeichnet ist, bedeutet die Erdalkali-Metallelemente einschließlich Be, Mg, Ca, Sr und Ba. Die Gruppe 3a, wie sie hierin bezeichnet wird, bedeutet Sc, Y oder ein Lanthanoidelement. Die Gruppe 4a, wie sie hierin bezeichnet ist, bedeutet Ti, Zr, Hf. Beispiele von geeigneten Glas-Keramikzusammensetzungen zur Verwendung als Abdeckschicht 25 enthalten, sind jedoch nicht beschränkt auf, Lanthan-Aluminosilikate (LAS), Magnesium-Aluminosilikate (MAS), Kalzium-Aluminosilikate (CAS) und Yttrium-Aluminosilikate (YAS). In einem Beispiel enthält die schützende Überzugsschicht 25 eine Mischung aus SiO₂ und einem plasmaresistenten Material, das ein Oxid von Y, Sc, La, Ce, Gd, Eu, Dy oder dergleichen umfasst, oder ein Fluorid von einem dieser Metalle, oder Yttrium-Aluminium-Granat (YAG). Es können Kombinationen der Oxide von derartigen Metallen und/oder Kombinationen der Metalloxide mit Aluminiumoxid verwendet werden. In einer anderen Ausführungsform beruht die schützende Abdeckschicht 25 auf Y₂O₃-Al₂O₃-SiO₂ (YAS), mit einem Yttria-Gehalt, der von 25 bis 55 Gewichtsprozent variiert, für einen Schmelzpunkt von weniger als 1600°C und eine Glasübergangstemperatur (Tg) in einem engen Bereich von 884 bis 895°C. In einer Ausführungsform der Widerstandsheizvorrichtung mit mehreren Überzugsschichten kann die äußere Abdeckung aus demselben Material oder aus einem von der ersten Abdeckschicht verschiedenen Material sein.
In einer Ausführungsform der Widerstandsheizvorrichtungen 6a-6c mit einem Graphitkern kann ein Muster aus der Mehrzahl von Leitungen, die durch den Graphitkörper definiert sind, vielfältige Größen und Formen zum Ausbilden eines elektrischen Strompfads für mindestens einen Bereich eines elektrischen Heizkreises aufweisen, beispielsweise eine Spirale oder Serpentine, eine spiralische Spule, ein Zickzack, ein Labyrinthmuster, etc. Die Dicke des Graphitkörpers kann mit aus dem Stand der Technik bekannten elektrischen Berechnungen bestimmt werden, d.h. beruhend auf der Länge, der Breite und der Dicke des elektrischen Serpentinenpfads, wobei die Dicke des elektrischen Pfads in der Graphitbasis 10 definiert wurde. In einer Ausführungsform weist die Graphitbasis 10 eine Dicke von mindestens 0,05 Zoll auf. In einer zweiten Ausführungsform mindestens etwa 0,10 Zoll. In einer Ausführungsform werden elektrische Kontakte durch die Abdeckschicht(en) hindurch eingearbeitet, um das Graphit an Kontaktstellen bloßzulegen zum Verbinden mit einem externen Netzteil. Alternativ können die elektrischen Kontaktverlängerungen zu Beginn vor dem finalen Beschichtungsprozess in die Graphitbasis hineingearbeitet werden, oder vor dem Vorgang des Aufbringens der Überzugsschicht hinzugefügt werden.
In einer Ausführungsform der Widerstandsheizvorrichtungen 6a-6c ist das Abdeckmaterial eines der folgenden: pyrolytisches Bornitrid, Aluminiumnitrid, Titanaluminiumnitrid, Titannitrid, Titanaluminiumcarbonitrid, Titancarbid, Siliziumcarbid und Siliziumnitrid, in undotierter Form oder dotierter Form mit Materialen wie etwa Kohlenstoff Silizium oder Y₂O₃. Sowohl pBN als auch AlN weisen außergewöhnliche isolierende und leitfähige Eigenschaften auf und können leicht aus der Gasphase abgeschieden werden. Sie weisen auch eine hohe Temperaturstabilität auf. Zusätzlich weisen sie eine andere Farbe (weiß) auf als die pyrolytische Graphitbasis (schwarz), daher kann in dem Schritt des Ausbildens des Musters der Leitungen die Überzugsschicht leicht visuell von den Mustern unterschieden werden.
Es können verschiedene Verfahren verwendet werden, um die Überzugsschicht oder Schichten auf den Körper/Substrat der Widerstandsheizer abzuscheiden, einschließlich expandierendes thermisches Plasma (ETP, Englisch: Expanding Thermal Plasma), Ionenplattieren, plasma-gestützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD, Englisch: Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), metall-organische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD, Englisch: Metal Organic Chemical Vapor Deposition) (auch organo-metallische chemische Gasphasenabscheidung (OMCVD genannt), metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE, Englisch: Metal Organic Vapor Phase Epitaxy), physikalische Prozesse zum Abscheiden aus der Dampfphase, wie etwa Sputtern, reaktive Elektronenstrahl (E-Strahl) Abscheidung, Anstreichen und anschließendes Ausheizen (für relativ dicke Überzugsschichten), thermisches Sprühen und Plasmasprühen. Die Verfahren können für eine Mehrzahl von Überzugsschichten auf dem Substrat des Heizers kombiniert werden, wobei jede Schicht mit einem anderen Verfahren abgeschieden wird. In einer Ausführungsform weist die Abdeckschicht eine Dicke von 0,005 bis 0,10 Zoll auf. In einer zweiten Ausführungsform ist diese Abdeckschicht etwa 0,01 bis 0,05 Zoll. In einer dritten Ausführungsform weist die Abdeckschicht eine Dicke von weniger als etwa 0,02 Zoll auf. In einer vierten Ausführungsform weist die Abdeckschicht eine im Wesentlichen kontinuierliche Oberflächenschicht mit einer Dicke im Bereich von etwa 0,01 bis 0,03 Zoll auf.
In einem Beispiel eines Heizelements, wie in US Patent Nr. 5,343,022 beschrieben, umfasst das Heizelement eine Platte aus pyrolytischem Bornitrid (pBN) als Substrat mit einer darauf abgeschiedenen, gemusterten, pyrolytischen Graphitschicht zum Ausbilden eines Heizelements und mindestens eine die gemusterte Platte einkapselnde Abdeckschicht. In einem anderen Beispiel eines Heizelements, wie in der US Patentveröffentlichung US 20040074899A1 beschrieben, umfasst das Heizelement einen Graphitkörper, der als ein Muster ausgebildet ist für einen elektrischen Strompfad für eine Widerstandsheizvorrichtung, die eingekapselt ist in mindestens eine Abdeckschicht, die eines der folgenden umfasst: ein Nitrid, Carbid, Carbonitrid oder Oxinitrid in Verbindung oder Mischungen davon. In einem anderen Beispiel eines Heizelements, wie in der US Patentveröffentlichung Nr. US 20040173161A1 offenbart, umfasst das Heizelement ein Graphit-Substrat, eine erste Abdeckschicht, die mindestens eines der folgenden enthält: eine Nitrid-, Carbid-, Carbonitrid- oder Oxinitrid-Zusammensetzung, eine zweite Abdeckschicht aus gemustertem Graphit, das einen elektrischen Strompfad für eine Widerstandsheizvorrichtung ausbildet, und eine Oberflächenabdeckschicht auf dem gemusterten Substrat, wobei die Oberflächenabdeckschicht auch mindestens eines der folgenden enthält: eine Nitrid-, Carbid-, Carbonitrid- oder Oxinitrid-Zusammensetzung. In einer Ausführungsform, in der pBN für die Abdeckschicht verwendet wird, wird die Schichtdicke optimiert, um thermische Gleichförmigkeit zu verbessern, wobei der hohe Grad der Isotrophie der thermischen Leitfähigkeit, die für pPN inhärent ist, vorteilhaft eingesetzt wird. In einer zweiten Ausführungsform werden mehrere Abdeckschichten zum Verbessern der thermischen Gleichförmigkeit eingesetzt.
Strahlungsheizer zur Verwendung in dem Chargenzusammenbau sind dadurch gekennzeichnet, dass sie eine außergewöhnlich hohe Aufheizrate aufweisen, d.h. >40°C pro Minute zwischen 100 und 300°C. In einer Ausführungsform für einen Temperaturbereich zwischen 100 und 300°C weisen die Heizer eine Aufheizrate von >60°C/Minute auf, in einer anderen Ausführungsform eine Aufheizrate von >80°C pro Sekunde. In noch einer anderen Ausführungsform ist die Aufheizrate >100°C pro Minute. In einer fünften Ausführungsform ist die Aufheizrate >150°C pro Minute. Auch können andere Heizer mit außergewöhnlicher Beständigkeit in Bezug auf thermischen Schock unter extremen Bedingungen und schnellen thermischen Antwortraten, beispielsweise mit Heizraten >5°C pro Sekunde für einen Temperaturbereich von 100-300°C eingesetzt werden.
Die Heizvorrichtung kann eine zylindrische Form, die Form einer flachen Scheibe, eines Tiegels und der gleichen aufweisen, mit Abmessungen, die zur Verwendung in einer Chargenheizvorrichtung geeignet sind. In einer Ausführungsform ist jeder Heizer von 2 bis 20 Zoll in seiner größten Abmessung (beispielsweise Durchmesser, Länge, etc.) und 0,05 Zoll bis 0,50 Zoll dick. In einer Ausführungsform kann er aus einer Scheibe mit einer Abmessung von 2 Zoll lang × 2 Zoll breit × 0,01 Zoll mm dick sein. In einer dritten Ausführungsform eines Zylinders (oder teilweisen Abschnitten, die einen Zylinder ausbilden) weist der zylindrische Heizer bezüglich seines inneren Durchmessers Abmessungen von 2 Zoll bis 20 Zoll, 0,10 Zoll bis 0,50 Zoll Wandstärke und 2 Zoll bis 40 Zoll Länge auf.
2A stellt eine Aufsicht einer Ausführungsform einer Heizvorrichtung 6a-6c mit einer zylindrischen Form dar. 2B zeigt die zylindrische Heizvorrichtung im Querschnitt entlang der Linie A-A der 2A dar, und 2C stellt eine Explosionsansicht des in 2B gezeigten eingekreisten Bereichs dar. Der Graphitkörper oder die Basis 10 kann jede gewünschte, für Anwendungen in der Halbleiterverarbeitung geeignete Dicke aufweisen. Die äußere Abdeckschicht 12 kapselt beide Oberflächen des Graphitbasiskörpers 10 ein. In einer anderen Ausführungsform überdeckt die Abdeckschicht 12 einfach die obere Oberfläche des Graphit-Basiskörpers 10 für Korrosionsbeständigkeit und als strukturelle Stütze. Das Muster 13 ist das einer Spirale oder einer Serpentinenkonfiguration, mit offenen Enden, angepasst zum Verbinden an ein (nicht gezeigtes) externes Netzgerät.
Verschiedene Ausführungsformen von Chargenheizvorrichtungen: In einer Ausführungsform ist das Chargenheizsystem an die Geometrie von runden Wafern angepasst, und stellt eine zylindrische Heizoberfläche um die Quarzkammer herum bereit. 3 ist eine oberseitige Querschnittsansicht einer zylindrischen Ausführungsform der Heizvorrichtungen 6a-6c. Weil die Quarzkammer nicht vollständig durch die Heizer umringt werden kann und Öffnungen in einigen radialen Positionen erlaubt sein müssen, umfassen die Heizvorrichtungen in einer anderen Ausführungsform zylindrische Abschnitte aus Heizelementen, die durch Wärmeabschirmungen umringt sind (siehe 4). Die zylindrischen Bereiche sind voneinander beabstandet, um für Prozess- oder Messzwecke einen Zugang in die Quarzkammer zu ermöglichen, und sie sind unter einem Gesichtspunkt der Herstellung leichter herzustellen. Des weiteren stellen die Abschnitte eine Aufbauflexibilität bereit, um an Prozesse mit radialen Ungleichförmigkeiten anpassbar zu sein, die durch die Geometrie, den Gasstrom oder jedwede andere nicht achsensymmetrische Störungen verursacht sind.
In Ausführungsformen zum Aufnehmen von in Halbleiterverarbeitungsprozessen anzutreffenden Wafer-Geometrien einschließlich Quadraten, Rechtecken oder allgemeiner polygonaler Formen, beispielsweise zur Verarbeitung von Flachpanelanzeigegeräten, weisen die Heizvorrichtungen 6a-6c eine polygonale Geometrie auf, wie in 5 veranschaulicht. In einer anderen Ausführungsform besteht das Heizsystem aus ebenen Heizelementen, die um die Quarzkammer herum angeordnet sind, wie in 6 veranschaulicht. Flache bzw. ebene Heizelemente sind typischerweise leichter herzustellen und können an nahezu jede Wafer-Geometrie angepasst werden. Sie können auch zusätzliche Flexibilität durch radiale Temperatursteuerung bereitstellen.
In einer Ausführungsform umfassen die Wärmeabschirmungen ein einziges kontinuierliches Stück, wie in 6 veranschaulicht. Die Heizabschirmungen können unter Benutzung von verschiedenen Verfahren befestigt werden, wie etwa Festkleben unter Einsatz von druckempfindlichen Klebemitteln, keramischen Klebungen, Klebstoff und dergleichen oder durch Befestigungsmittel, wie etwa Schrauben, Bolzen, Klips und dergleichen, die beständig gegenüber dem Prozess und allgemein frei von Verunreinigungen sind, wie etwa Kupfer. In einer Ausführungsform bestehen die Wärmeabschirmungen aus getrennten Stücken, die um die ebene Heizvorrichtung herum befestigt sind. In einer zweiten Ausführungsform sind die Wärmeabschirmungen flache Platten, die zur leichten Installation und Deinstallation an der Rückseite der ebenen Heizvorrichtungen befestigt sind. In noch einer anderen Ausführungsform sind die Wärmeabschirmungen von den Heizern 6a-6c unter Verwendung von isolierten Befestigungsmitteln, wie etwa isolierten Schrauben, Bolzen, Clipsen und dergleichen, die eine Lücke dazwischen ausbilden, beabstandet.
Elektrischer Kontakt mit den Heizern kann auf verschiedenste Arten hergestellt werden. In einer Ausführungsform von flachen oder polygonalen Heizern wird die Abdeckschicht entfernt, um das Graphit an einer bestimmten Position bloßzulegen, dann wird ein Bolzen oder ein leitfähiger Stab unter Verwendung von mit Gewinde versehenen Muttern und Scheiben aus Graphit für einen verbesserten Kontakt auf das bloßgelegte Graphit gebracht. Die Stäbe und Muttern können aus irgend einem leitfähigen Material, wie etwa Aluminium, rostfreiem Stahl, Molybdän, Tantal etc. hergestellt werden. In Anwendungen, wo bloßgelegtes Graphit nicht zulässig ist, oder wo Vorsprünge innerhalb der von den Heizern definierten inneren Oberfläche nicht gewünscht sind, können elektrische Verbindungen durch die Verwendung von mit Keramik beschichten Graphit-Pfosten hergestellt werden.
In einer Ausführungsform werden die Graphitpfosten entweder an Graphitschrauben befestigt oder direkt in die Graphitbasis des Heizelements geschraubt. Diese Techniken ermöglichen, dass die elektrische Verbindung weiter von den geheizten Oberflächen entfernt angeordnet sind, beispielsweise an der Außenseite der Wärmeabschirmung, wo die Temperatur viel niedriger ist. Weil die elektrischen Verbindungen in einem Bereich mit niedriger Temperatur angeordnet sind, unterliegen sie differentieller thermischer Ausdehnung viel weniger, so dass die Flexibilität im Entwurf des Aufbaus gesteigert wird.
In einer Ausführungsform eines Chargensystems, das externe Pfosten zur elektrischen Verbindung einsetzt, wie in 7 veranschaulicht, sind in Bereiche unterteilte zylindrische Heizer 6 mit einer Mehrzahl von an der Außenseite angeordneten Heizabschirmungen 7a-7b versehen. Die Leistung wird in den Heizer über pBN beschichtete Graphitpfosten 8 und 9 zugeführt. Diese Pfosten laufen durch die Wärmeabschirmungen hindurch, um einen Kontakt auf der Außenseite des Heizsystems herzustellen, wo die elektrischen Verbindungen auf einer viel niedrigeren Temperatur sind. In einer derartigen Ausführungsform wird die Temperatur des Heizkerns zu 700°C gemessen, während die Temperatur des Pfostenendes zu einer viel niedrigeren Temperatur von 500°C gemessen wird. Auch andere Verfahren können eingesetzt werden, um die Graphitpfosten mit Stromkabeln zu verbinden, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf Metallstäbe, die in die Graphit-Pfosten eingeschraubt sind, Klammern auf dem äußeren Durchmesser der Pfosten, zungenartige Anschlüsse, die flach gegen die Enden der Pfosten eingeschraubt werden, etc.
Eigenschaften der Chargenheizvorrichtung: In einer Ausführungsform der Heizvorrichtung umfassen die Heizvorrichtungen 6a-6c als Heizelemente Graphit für einen niedrigen Widerstand, so dass die Verwendung einer Spannungsversorgung mit niedriger Spannung und hohem Strom erforderlich ist. Der schlussendliche Widerstand eines mit Keramik eingekapselten Graphitheizers kann während der Herstellung genau gesteuert werden. In einer Ausführungsform weist der Heizer eine typische Variation von Teil zu Teil von weniger als 0,5% auf in einer zweiten Ausführungsform weniger als 0,1%. Beispielsweise werden zwei Heizer 6a-6c aus zylindrischen Abschnitten mit einem inneren Durchmesser von 8 Zoll, radialer Ausdehnung von 130 Grad und 6,3 Zoll Höhe mit demselben Leitermuster hergestellt. Das erste Teil weist einen finalen Widerstand von 6,655 Ohm auf, wohingegen das zweite Teil einen endgültigen Widerstand von 6,639 Ohm aufweist, also innerhalb von 0,24% von dem des ersten Teils. Daher werden in einer Ausführungsform mehrere der Heizvorrichtungen in Reihe geschaltet und als ein unabhängiger Heizbereich verwendet. Der Vorteil davon, sie in Reihe zu montieren, ist, dass der Widerstand der gesamten Heizzone vergrößert wird. Durch Auswählen der richtigen Menge von Heizvorrichtungen, die in Reihe zu montieren sind, kann ein herkömmliches Netzgerät mit hohem Strom und niedriger Spannung (beispielsweise 200 V, 20 A) eingesetzt werden, um die Heizvorrichtungen mit Leistung zu versorgen.
Die Kombination von außergewöhnlicher Beständigkeitseigenschaften in Bezug auf thermischen Schock der mit Keramik eingekapselten Heizelemente und die geringe thermische Masse der Wärmeabschirmungsisolation ermöglicht, dass mit der vorliegenden Erfindung sehr hohe Aufheizraten erzielt werden. In einer Ausführungsform, wo mit pBN eingekapselte Graphit-Heizvorrichtungen verwendet werden, wird die Chargen-Heizvorrichtung mit Aufheizraten von mehr als 600°C/min aufgeheizt, ohne an der Heizvorrichtung oder den Heizvorrichtungen nachteilige Effekte zu beobachten. Weiterhin wird durch die Verwendung der Wärmeabschirmungen mit metallisierten Isolationsschichten, die die von der Heizvorrichtung emittierte Wärme auf sich selbst reflektieren, eine höhere Aufheizrate erzielt. Aufgrund ihrer geringen thermischen Masse werden die Wärmeabschirmungen inhärent selbst sehr schnell aufgewärmt.
In einer Ausführungsform der Chargenheizvorrichtung mit der Verwendung der eingekapselten Heizvorrichtungen 6a-6c mit einer sehr schnellen thermischen Antwort können die Wafer sehr schnell aufgeheizt werden, um die Wafer mit einer Rate von 1°C/sec auf eine Prozesstemperatur in der Größenordnung von 300-1000°C zu bringen. In einer Ausführungsform der Erfindung werden die Heizvorrichtungen mit einer Rate von mindestens 10°C pro Minute ("Aufheizrate") von Raumtemperatur auf 1000°C aufgeheizt. In einer zweiten Ausführungsform beträgt die Aufheizrate mindestens 40°C/min. In einer dritten Ausführungsform ist die Rate zwischen 60 und 300°C/min.
In einer Ausführungsform ist die Chargenheizvorrichtung weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass sie eine gesamte thermische Masse von weniger als 1/10 der thermischen Masse einer Chargenheizvorrichtung aus dem Stand der Technik aufweist. Das bedeutet, dass mit der gleichen Leistungszufuhr die Chargenheizvorrichtung nach der Erfindung mehr als 10 mal so schnell wie die Chargen-Heizvorrichtung aus dem Stand der Technik aufgeheizt wird. Graphit weist eine niedrigere Dichte auf als andere keramische Materialien, ist extrem beständig in Bezug auf thermischen Schock und kann sehr dünn gearbeitet werden, um eine keramisch eingekapselte Heizvorrichtung herzustellen. Die Wärmeabschirmungen können aus Folienmetall mit Dicken von typischerweise 0,001 Zoll bis 0,05 Zoll hergestellt werden, was zu sehr niedrigen Masseanteilen führt.
Die Berechnungen der thermischen Masse können wie folgt veranschaulicht werden. Für ein 1 Meter langes zylindrisches Heizsystem mit einem inneren Durchmesser von 400 mm (typisch für die Verarbeitung von 300 mm Wafern), wird ein herkömmliches, aus Aluminium hergestelltes, 40 mm dickes Keramikheizsystem eine gesamte thermische Masse bei 25°C von 184 kJ/K aufweisen. Im Vergleich dazu beträgt in einer Ausführungsform einer Heizvorrichtung nach der Erfindung mit sehr dünnen (8 mm), zylindrischen, mit Keramik eingekapselten Graphitschichten und zwei 10 mm beabstandeten Wärmeabschirmungen aus rostfreiem Stahl an der Außenseite des Heizers, die thermische Masse des Heizers 14,5 kJ/K und die thermische Masse der Reflektoren 1,3 kJ/K. Die gesamte thermische Masse beträgt 17,1 kJ/K. Diese niedrige thermische Mas se rührt von der Kombination der niedrigen thermischen Masse des mit Keramik eingekapselten Heizers und der niedrigen thermischen Masse der Wärmeabschirmungen her.
Die Chargenheizvorrichtung, die die eingekapselte Heizvorrichtung einsetzt, ist ferner durch eine außergewöhnliche Temperaturgleichförmigkeit auf der inneren Oberfläche der Heizvorrichtung gekennzeichnet, weil die Verteilung der Leistungsdichte zur Gleichförmigkeit durch entsprechendes Herstellen des Graphitmusters angepasst werden kann. Zusätzlich erzeugt die kontinuierliche Oberfläche, die durch die keramische Beschichtung auf dem Heizelement ausgebildet wird, einen sehr hohen Grad an thermischer Gleichförmigkeit. In einer Ausführungsform, in der pBN- oder AlN-Beschichtungen eingesetzt werden, trägt die hohe thermische Leitfähigkeit der keramischen Beschichtung, beispielsweise 60 W/mK für pBN oder 200 W/mK für AlN, dazu bei, die Wärme gleichförmiger zu verteilen als in Chargenöfen aus dem Stand der Technik, die Materialien mit niedrigerer Leitfähigkeit, wie etwa Aluminium einsetzen. In einer Ausführungsform, bei der Heizvorrichtungen mit abschnittweise zylindrischer Geometrie eingesetzt werden (mit einem inneren Durchmesser von 8 Zoll), wird die thermische Gleichförmigkeit, die als die Differenz zwischen der maximalen und der minimalen Temperatur definiert ist, in einem mittleren Bereich, der 6 Zoll von den Rändern des Heizers entfernt ist, zu 5°C gemessen. Die außergewöhnliche thermische Gleichförmigkeit der Heizeroberfläche spiegelt sich in einer entsprechenden thermischen Gleichförmigkeit in der Kammer, in der die Wafer enthalten sind, wieder und anschließend in den aufgeheizten Wafern. In einer Ausführungsform ist die Temperaturdifferenz zwischen der maximalen und minimalen Temperatur auf der äußeren Oberfläche der die Wafer enthaltenden Kammer weniger als 10°C.
In Chargenheizvorrichtungen aus dem Stand der Technik, und solange die Heizelemente nicht dicht beieinander angeordnet sind oder eine angemessen entworfene thermische Isolierung verwendet wird, verschlechtern Randeffekte die thermische Gleichförmigkeit in den Bereichen dichter an den Rändern des Heizelements, wodurch die Qualität der aufzuheizenden Wafer beeinflusst wird.
Ein anderer Vorteil der Chargenverarbeitungsvorrichtung, die eingekapselte Heizer einsetzt, besteht in verringerter Bildung von Teilchen, die auf dem Halbleiter-Wafer abgeschieden werden. In typischen Chargenaufbauten geschieht die Wafer-Verarbeitung innerhalb der Quarzkammer, jedoch ist die Teilchenerzeugung und die Reinheit des die Quarzkammer umringenden Heizsystems ein Schlüsselfaktor, der die Wafer-Oberfläche beeinflusst. Trotz der vielen Vorkehrungen, die getroffen werden, um eine Verunreinigung der Prozessumgebung innerhalb der Quarzkammer zu verhindern, durch Gase und Teile, die diese umringen (Dichtungen, positive Druckdifferentiale usw.), können Teilchen immer noch ihren Weg in die Quarzkammer finden und den Prozess verunreinigen. Daher ist es absolut notwendig, ein verunreinigungsfreies Heizsystem zu haben. In einer Ausführungsform der Erfindung setzt die Chargenheizvorrichtung Heizvorrichtungen ein, die mit schützenden Schichten beschichtet sind, die mittels Prozessen wie etwa der chemischen Gasphasenabscheidung abgeschieden werden. Die Überzugsschicht ist daher rein, vollständig dicht und beständigig gegenüber thermischem Schock. Beispielsweise ist pyrolytisches Bornitrid (pBN) bei Heizraten von über 3000°C/min Zyklen unterworfen worden, ohne Anzeichen von Teilchenerzeugung, Rissbildung oder Ausfall zu zeigen. Aufgrund ihrer Herstellungsprozesse sind Heizer, die diese Schichten verwenden, nicht anfällig für die Mechanismen, die in gesinterten Materialien Risse und Teilchen erzeugen. Sie sind daher besser geeignet für Anwendungen, die thermische Zyklen umfassen.
Die Chargenheizvorrichtung ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass sie im Betrieb eine im Vergleich zu den Chargenvorrichtungen aus dem Stand der Technik ausgedehnte/längere Lebensdauer aufweist. Heizvorrichtungen, die Abdeckungen verwenden wie etwa AlN und/oder pBN, haben eine hohe Beständigigkeit gegenüber Oxidation und eine außergewöhnliche Gasdichtheit bzw. Hermetizität gezeigt. Die Heizkomponenten, Graphit in diesem Beispiel, werden durch die pBN Beschichtungen gut geschützt. Die Chargenvorrichtung kann in Wafer-Verarbeitungen eingesetzt werden, die für herkömmliche Heizvorrichtungen mit Metallspulen aufgrund von inhärenten Oxidationsproblemen nicht ratifiziert bzw. geprüft sind, und mit bedeutend niedrigeren Dichtheits anforderungen an die Prozesswerkzeuge und Anforderungen an die Reinheit der Verdrängungsgase.
Die Erfindung wird durch die folgenden, nicht ausschließlichen Beispiele weiter veranschaulicht.
Beispiel 1: Ein Experiment wurde ausgeführt, um die Aufheizratenfähigkeit von einer Chargenvorrichtung mit einer mit Keramik eingekapselten Heizvorrichtung in der Form von zylindrischen Abschnitten eines Boralectric^® Heizers von General Electric Company ("GE") mit 200 mm innerem Durchmesser und 8 mm Dicke, mit einem Graphitkern und einer Beschichtung aus pyrolytischem Bornitrid, zu veranschaulichen. Die zylindrischen Abschnitte waren unter Verwendung von Abstandshaltern aus Aluminium 10 mm von einer Wärmeabschirmung aus rostfreiem Stahl beabstandet. Der Aufbau aus Strahlungsschild/eingekapseltem Heizer wurde auf einer Tragestruktur befestigt und dann verwendet, um direkt einen Quarzzylinder von 100°C auf 700°C aufzuheizen. Es sei angemerkt, dass der Heizer schnell auf 700°C aufgeheizt werden musste, bevor seine Temperatur auf 700°C stabilisiert wurde.
8 ist ein Schaubild, das die verschiedenen Szenarios veranschaulicht, bei denen die Aufheizrate des Heizers auf verschiedene Werte geregelt wurde. In den Experimenten nahm die Heizertemperatur mit Raten von 15, 30 und 60°C/min zu. Auch wurde die Aufheizrate in den Experimenten nicht geregelt, sondern es wurde volle Leistung in den Heizer eingebracht (die Leistung nahm zu, wenn R abnahm und I zunahm). Die Aufheizrate war 300°C/min zwischen 100 und 300°C. Zwischen 300 und 600°C wurde sie zu 120°C/min gemessen. Zwischen 600 und 700°C wurde sie verringert auf 42°C/min, bevor die Temperatur auf 700°C konstant gehalten wurde. Es dauerte weniger als 9 Minuten, bis der Heizer eine konstante Temperatur bei 700°C erreichte. Dies wurde mit einer Leistungsdichte von 8,5 W/cm² auf der inneren Heizerfläche erzielt. Im Vergleich dazu ist die maximale Heizrate, die mit gesinterten keramischen Materialien in der Chargenheizvorrichtung aus dem Stand der Technik erzielt werden kann, in der Größenordnung von 20°C/min, was die Verarbeitungszeiten bedeutend verlängert.
Beispiel 2: 9 ist ein Schaubild, das den beschleunigten Lebensdauertest einer anderen Ausführungsform einer Chargenvorrichtung veranschaulicht, die 8 mm dicke, mit Keramik eingekapselte Heizvorrichtungen einsetzt, die von als Strahlungsabschirmungen benutzten Reflektoren aus rostfreiem Stahl 10 cm beabstandet sind. In diesem Experiment wurden zwei in Reihe montierte, halbzylindrische Abschnitte getestet. Die in Abschnitte unterteilten Heizvorrichtungen (mit jeder zylindrischen Hälfte wie in 7 veranschaulicht) waren Boralectric^® Heizvorrichtungen der General Electric Company, die einen Graphitkern und eine Beschichtung aus pyrolytischem Bornitrid aufweisen.
Diese Vorrichtung wurde mehr als 100-mal zwischen 200 und 500°C mit einer Aufheizrate von 45°C/min zyklisch betrieben. Die Ergebnisse zeigen, dass dieses System sehr wiederholbar ist, mit außergewöhnlicher thermischer Gleichförmigkeit. Es wurde eine Temperaturvariation von weniger als 6,5°C zwischen der linken Heizvorrichtung und der rechten Heizvorrichtung erzielt. Dies rührt von der genauen Steuerung des Heizerwiderstands in dem in der Chargenheizvorrichtung nach der Erfindung eingesetzten Graphitheizer her.
Beispiel 3: In diesem Beispiel zum Auswerten der Leistungsfähigkeit einer Chargenvorrichtung während des Betriebs in thermischen Zyklen wurden zur Verwendung in der Vorrichtung zwei halb-zylindrische Abschnitte zu einem zylindrischen Heizer zusammengesetzt. Dazu passende Reflektoren aus rostfreiem Stahl wurden an der Rückseite der Abschnitte der Heizvorrichtungen unter Verwendung von Aluminiumabstandshaltern befestigt, so dass ein Zwischenraum von 10 mm frei blieb. Die Vorrichtung wurde an einer Tragestruktur befestigt und dann einem Aufheizratentest von 158 thermischen Zyklen von 200 bis 600°C unterworfen. Dies ist ein typisches Szenario, wie es in einer Chargenheizvorrichtung zum Heizen einer Quarzkammer in einem Wafersubstrat-Verarbeitungssystem auftritt. Für jeden Zyklus wurde der Heizer einer Rampe bis hinauf zu 600°C betrieben, für 7 Minuten bei 600°C gehalten, dann auf 200°C abkühlen gelassen und für 10 Minuten auf 200°C gehalten. Wie in 10 veranschaulicht, zeigt die Vorrichtung eine Aufheizrate auf 600°C von über 50°C/min.
Während die Erfindung mit Verweis auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben worden ist, wird der Fachmann verstehen, dass vielfältige Veränderungen ausgeführt werden können und Äquivalente ersetzt werden können für Elemente davon, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich können viele Modifikationen ausgeführt werden, um eine bestimmte Situation oder ein Material an die Lehre der Erfindung anzupassen, ohne von ihrem wesentlichem Schutzumfang abzuweichen.
Alle hierin zitierten Fundstellen werden hierin durch Verweis ausdrücklich mit aufgenommen.

Claims

Eine Chargenbehandlungsvorrichtung zur Verwendung beim Heizen einer Mehrzahl von Wafer-Substraten auf eine Prozesstemperatur von 300 bis 800°C, umfassend: eine Kammer mit einem Innenraum zur Anordnung eines Wafer-Bootes, das eine Mehrzahl von Fächern zum Tragen der Wafer-Substrate enthält; mindestens eine außerhalb der Kammer angebrachte Heizvorrichtung, wobei die mindestens eine Heizvorrichtung eine Innenseite und eine Außenseite aufweist, wobei die Innenseite der Kammer zugewendet ist und zum Aufheizen der darin enthaltenen Wafer Wärmeenergie an die Kammer überträgt; mindestens eine Wärmeabschirmungsschicht, die an der Außenseite der mindestens einen Heizvorrichtung angeordnet ist, und mindestens eine metallisierte Isolationsschicht, die außerhalb der mindestens einen Wärmeabschirmungsschicht angeordnet ist; wobei die mindestens eine Heizvorrichtung mindestens ein Widerstandsheizelement aufweist, das aus einer Mehrzahl von Leitungen gebildet ist, die mindestens einen Bereich zum unabhängig gesteuerten Aufheizen des mindestens einen Bereichs definieren, wobei mindestens ein Bereich des Widerstandsheizelements mit mindestens einer Schicht beschichtet ist, die mindestens eines der folgenden umfasst: ein Nitrid, Carbid, Carbonitrid oder Oxinitrid von Elementen, die ausgewählt sind aus einer Gruppe, die aus B, Al, Si, Ga, hochschmelzenden Hartmetallen, Übergangsmetallen und Selten-Erd-Metallen besteht, oder Komplexverbindungen und/oder Kombinationen davon; ein Zirkoniumphosphat mit hoher thermischer Stabilität mit einer NZP-Struktur von NaZr₂(PO₄)₃; eine Glas- Keramik-Zusammensetzung, die mindestens ein Element enthält, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die die Elemente der Gruppe 2a, Gruppe 3a und Gruppe 4a enthält; ein BaO-Al₂O₃-B₂O₃-SiO₂ Glas; und eine Mischung aus SiO₂ und einem Oxid von Y, Sc, La, Ce, Gd, Eu oder Dy; wobei die Abdeckschicht auf dem Widerstandsheizelement durch mindestens eines der folgenden aufgebracht ist: expandierendes thermisches Plasma (ETP), chemische Dampfabscheidung (CVD), plasma-gestützte chemische Gasphasenabscheidung, Ionen-Plasma-Abscheidung, metall-organische chemische Gasphasenabscheidung, metall-organische Gasphasenepitaxie, Sputtern, Elektronenstrahl und Plasmasprühen; und wobei die Kammer mit einer Aufheizrate von mindestens 40°C/min auf die Prozesstemperatur erhitzt wird.
Die Chargenbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Heizvorrichtung eine Aufheizrate von mindestens 60°C/min. in einem Temperaturbereich von 300 bis 800°C aufweist.
Die Chargenbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Heizvorrichtung eine Aufheizrate von mindestens 100°C/min in einem Temperaturbereich von 300 bis 800°C aufweist.
Die Chargenbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das mindestens eine Widerstandsheizelement Graphit umfasst und mit einer dielektrischen Isolationsschicht beschichtet ist, die eines von pyrolytischem Bornitrid und Aluminiumnitrid umfasst.
Die Chargenbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die mindestens eine Wärmeabschirmungsschicht eine Wärme reflektierende O berfläche aufweist, die mindestens ein Material umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus Glas, Keramik, Aluminium, Nickel, Eisen, Wolfram, Tantal, Molybdän und Legierungen davon besteht.
Die Chargenbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei zwischen der mindestens einen Heizvorrichtung und der mindestens einen Wärmeabschirmungsschicht ein nicht-kontaktierender Zwischenraum vorliegt.
Die Chargenbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die mindestens eine Heizvorrichtung eine an die Form der Kammer angepasste Form aufweist, mit einer Querschnittsform, die ausgewählt ist aus einer der folgenden: ein Zylinder, ein Rechteck, ein Quadrat und ein Polygon.
Die Chargenbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die mindestens eine Heizvorrichtung eine der folgenden ist: eine Platte, ein Zylinder, ein zylindrischer Abschnitt, ein halb-zylindrischer Abschnitt, ein polygonaler Abschnitt, ein kugelförmiger Abschnitt, eine Scheibe und ein Tiegel.
Die Chargenbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die mindestens eine Heizvorrichtung mindestens ein Widerstandsheizelement aufweist, das aus einer Mehrzahl von Leitungen gebildet ist, die eine Mehrzahl von Heizzonen definieren, und wobei jede Zone unabhängig gesteuert wird.
Die Chargenbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend eine Mehrzahl von miteinander verbundenen Heizvorrichtungen, die mindestens eine Heizzone ausbilden.
Die Chargenbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, umfassend eine Mehrzahl von miteinander in Reihe oder parallel geschalteten Heizvorrichtungen, die eine Mehrzahl von Heizzonen definieren.
Eine Chargenbehandlungsvorrichtung zur Verwendung beim Heizen einer Mehrzahl von Wafer-Substraten auf eine Prozesstemperatur von 300 bis 800°C, umfassend: eine Kammer mit einem Innenraum zum Anordnen eines Wafer-Bootes, das eine Mehrzahl von Fächern zum Tragen der Wafer-Substrate enthält; eine Mehrzahl von an der Außenseite der Kammer angeordneten Heizvorrichtungen, wobei jede Heizvorrichtung eine innere Seite und eine äußere Seite aufweist, wobei die innere Seite der Kammer zugewendet ist und zum Aufheizen der darin enthaltenen Wafer Wärmeenergie an die Kammer überträgt; eine Mehrzahl von an der Außenseite der Heizvorrichtung angebrachten Wärmeabschirmungsschichten, und mindestens eine Mehrzahl von an der Außenseite der Wärmeabschirmungsschicht angeordneten, metallisierten Isolationsschichten; wobei jede Heizvorrichtung mindestens ein Widerstandsheizelement aufweist, das aus einer Mehrzahl von Leitungen gebildet ist, die mindestens eine Zone zum unabhängig gesteuerten Aufheizen der mindestens einen Zone definieren, wobei mindestens ein Bereich des Widerstandsheizelements mit mindestens einer Schicht beschichtet ist, die mindestens eines der folgenden umfasst: ein Nitrid, Carbid, Carbonitrid oder Oxinitrid von Elementen, die ausgewählt sind aus einer Gruppe, die aus B, Al, Si, Ga, hochschmelzenden Hartmetallen, Übergangsmetallen und Selten-Erd-Metallen besteht, oder Komplexverbindungen und/oder Kombinationen davon; einem Zirkoniumphosphat mit hoher thermischer Stabilität mit einer NZP-Struktur von NaZr₂(PO₄)₃; eine Glas-Keramik-Zusammensetzung, die mindestens ein Element enthält, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus den Elementen der Gruppe 2a, Gruppe 3a und Gruppe 4a besteht; ein BaO-Al₂O₃-B₂O₃-SiO₂ Glas; und eine Mischung aus SiO₂ und einem Oxid von Y, Sc, La, Ce, Gd, Eu oder Dy; wobei die Abdeckschicht auf mindestens einem Widerstandsheizelement angeordnet worden ist durch mindestens einen der folgenden: expandierendes thermisches Plasma (ETP), chemische Gasphasenabscheidung (CVD), plasma-gestützte chemische Gasphasenabscheidung, Ionen-Plasma-Abschneidung, metallorganische chemische Gasphasenabscheidung, metall-organische Gasphasenepitaxie, Sputtern, Elektronenstrahl und Plasmasprühen, und wobei die Kammer mit einer Aufheizrate von mindestens 40°C/min auf eine Prozesstemperatur aufgeheizt wird; und wobei die Heizvorrichtungen in Serie oder parallel geschaltet sind.
Verwendung der Chargenbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zum Heizen von mindestens einem Wafer-Substrat auf eine Prozesstemperatur von 300 bis 800°C.
Verfahren zum Heizen einer Mehrzahl von Wafern in einer Chargenbehandlungsvorrichtung, die eine Heizvorrichtung einsetzt, die mindestens ein Widerstandsheizelement aufweist, das aus einer Mehrzahl von Leitungen gebildet ist, die jeweils mindestens eine Zone zum unabhängig gesteuerten Heizen der mindestens einen Zone definieren, wobei mindestens ein Bereich der Oberfläche des Widerstandsheizelements mit einer dielektrischen isolierenden Schicht beschichtet ist, die mindestens eines der folgenden umfasst: ein Nitrid, Carbid, Carbonitrid oder Oxinitrid von Elementen, die ausgewählt sind aus einer Gruppe, die aus B, Al, Si, Ga, hochschmelzenden Hartmetallen, Übergangsmetallen und Selten-Erd-Metallen besteht, oder Komplexverbindungen und/oder Kombinationen davon, zum Heizen des Wafer-Substrats auf eine Temperatur von bis zu 800°C bei einer Aufheizrate der Heizvorrichtung von mindestens 40°C/min in einem Bereich von 300 bis 800°C.