DE69623967T2

DE69623967T2 - Verfahren und vorrichtung zur thermischen behandlung von halbleitersubstraten

Info

Publication number: DE69623967T2
Application number: DE69623967T
Authority: DE
Inventors: E. Johnsgard; S. Matson; James Mcdiarmid; J. Zeitlin
Original assignee: Mattson Technology Inc
Current assignee: Mattson Technology Inc
Priority date: 1995-07-10
Filing date: 1996-07-09
Publication date: 2003-04-30
Anticipated expiration: 2016-07-10
Also published as: WO1997003236A3; US6043460A; EP0840811A2; EP0840811B1; DE69623967D1; US6002109A; WO1997003236A2; US6172337B1; JPH11508870A; US6403925B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft allgemein die Halbleiterbearbeitung und insbesondere ein System und ein Verfahren zur thermischen Bearbeitung eines Halbleitersubstrats mit Hilfe einer Wärmequelle von gleichbleibender Temperatur.

2. Hintergrund

Diffusionsöfen finden breite Anwendung bei der thermischen Bearbeitung von Materialien für Halbleitervorrichtungen (z. B. Halbleiter-Wafern oder anderen Halbleitersubstraten). Die Öfen haben gewöhnlich eine große thermisch wirksame Masse, die eine vergleichsweise gleichmäßige und stabile Temperatur für die Bearbeitung bereitstellt. Damit gleichmäßige Ergebnisse erzielt werden, müssen die Bedingungen im Ofen nach Einbringen einer Wafercharge in den Ofen ein Temperaturgleichgewicht erreichen. Deshalb müssen Wafer in einem Diffusionsofen vergleichsweise lang, gewöhnlich länger als 10 Minuten, erhitzt werden.
Weil integrierte Schaltkreise immer kleiner werden, möchte man bei einigen Verfahren die thermischen Bearbeitungsschritte verkürzen, beispielsweise das thermische Glühen beschleunigen, damit die laterale Diffusion der Dotiermittel und die damit einhergehende Vergrößerung der Ausstattungsmerkmale verringert wird. Die Dauer des thermischen Verfahrens lässt sich zudem einschränken, damit die Vorwärtsdiffusion verringert wird und die Halbleiterzone im Wafer sich nicht verschiebt. Deshalb sind die längeren Bearbeitungszeiten mit herkömmlichen Diffusionsöfen für viele Verfähren nicht mehr erwünscht. Zudem machen zunehmend strikte Anforderungen an die Verfahrenskontrolle und -wiederholgenauigkeit die Chargenbearbeitung für viele Anwendungen unerwünscht.
Alternativ zu Diffusionsöfen gibt es noch zum schnellen Erhitzen und Abkühlen von Wafern Systeme für die thermische Schnellbearbeitung einzelner Wafer (single wafer thermal processing, RTP). Die meisten RTP-Systeme verwenden Lampen hoher Intensität (gewöhnlich Wolfram-Halogen- Lampen oder Bogenlampen), mit denen ein Wafer in einem Clear-Quartz-Vakuum-Kaltwandofen selektiv erhitzt wird. Da die Lampen eine sehr kleine thermisch wirksame Masse haben, kann der Wafer schnell erhitzt werden. Schnelles Abkühlen des Wafer wird ebenfalls leicht erreicht, weil die Wärmequelle sofort abgeschaltet werden kann, ohne dass ein langsamer Temperaturabfall nötig ist. Das Erhitzen von Wafern mit Lampen minimiert die Auswirkungen der thermisch wirksamen Masse der Bearbeitungskammer und ermöglicht eine schnelle Echtzeitregulation der Wafertemperatur. Zwar bieten Einzelwafer-RTP-Reaktoren eine bessere Verfahrenskontrolle, aber ihr Durchsatz ist erheblich kleiner als bei Chargenofensystemen.
Fig. 1 zeigt ein Diagramm eines gewünschten Erhitzungsprofils für einen Wafer bei der schnellen thermischen Bearbeitung in einem lampenerhitzten RTP-System. Dabei zeigt die durchgezogene Linie in Fig. 1 den Verlauf der Temperatur im Zentrum des Wafers über die Dauer eines schnellen thermischen Glühverfahrens. Wie in Fig. 1 durch 102 dargestellt ist, lässt sich der Wafer mit schneller Rate erhitzen. Die Lampenstrahlung lässt sich schnell einstellen, wenn die gewünschte Bearbeitungstemperatur erreicht wird, sodass eine konstante Bearbeitungstemperatur erzielt wird, siehe 104. Am Ende des Bearbeitungsschritts lässt sich die Lampenstrahlung zum Abkühlen schnell verringern, siehe 106.
RTP-Systeme ermöglichen schnelles Erhitzen und Abkühlen. Unter Verwendung von RTP ist es aber schwierig, besonders für größere Wafer (200 mm und größer) wiederholgenaue gleichmäßige Waferbearbeitungstemperaturen zu erreichen. Eine gleichmäßige Temperatur hängt von der Gleichmäßigkeit der Absorption von optischer Energie und von Wärmeverlusten des Wafers durch Strahlung und Konvektion ab. Ungleichmäßige Wafertemperaturen treten gewöhnlich nahe den Waferrändern auf, weil Wärmeverluste durch Strahlung an den Rändern am höchsten sind. Bei der RTP sind die Waferränder zeitweise mehrere Grad (oder sogar mehrere zehn Grad) kälter als das Waferzentrum. Bei hohen Temperaturen von gewöhnlich mehr als achthundert Grad Celsius (800ºC) kann diese Ungleichmäßigkeit am Wafer (besonders in der Nähe des Randes) Kristallschlupflinien erzeugen. Zur Minimierung der Schlupflinienbildung bringt man oft Isolationsringe um den Wafer herum an, damit er von den Kaltkammerwänden abgeschirmt wird. Ungleichmäßigkeit ist zudem unerwünscht, weil sie zu ungleichmäßigen Materialeigenschaften führen kann, wie Legierungsgehalt, Korngröße und Dotiermittelkonzentration. Ungleichmäßige Materialeigenschaften können die Schalttechnik verschlechtern und die Ausbeute sogar bei niedrigen Temperaturen (gewöhnlich unter 800ºC) verringern. Eine gleichmäßige Temperatur ist beispielsweise entscheidend für die Bildung von Titansilizid mittels Glühen nach der Abscheidung. Daher verwendet man als Standardmaß zur Bestimmung der Temperaturgleichmäßigkeit bei RTP-Systemen die Gleichmäßigkeit des Schichtwiderstands des erhaltenen Titansilizids.
Also müssen in RTP-Systemen die Werte und die Gleichmäßigkeit der Temperatur sorgfältig überwacht und reguliert werden. Gewöhnlich verwendet man optische Pyrometrie, weil sie nicht invasiv ist und eine vergleichsweise schnelle Messung bietet, was für die Regulation von schnellem Erhitzen und Abkühlen bei RTP wichtig ist. Die genaue Temperaturmessung unter Verwendung von optischer Pyrometrie hängt aber von der genauen Messung der Strahlufigsintensität ab, die vom Wafer emittiert wird, sowie von den Strahlungsemissionseigenschaften oder dem spezifischen Emissionsvermögen des Wafers. Das spezifische Emissionsvermögen ist gewöhnlich waferabhängig und hängt von einem Spektrum an Parametern ab, einschließlich der Temperatur, dem Reflexionsvermögen der Kammer, dem Wafermaterial (einschließlich der Dotiermittelkonzentration), der Oberflächenrauheit und der Oberflächenschichten (einschließlich der Art und Dicke von Unterschichten). Sie verändert sich dynamisch bei der Bearbeitung, wenn Schichten auf der Oberfläche des Wafers entstehen. Außerdem wird Strahlung von Wärmequellen, insbesondere von Lampen, an der Waferoberfläche reflektiert und stört die optische Pyrometrie. Diese reflektierte Strahlung vergrößert fälschlich die gemessene, von der Waferoberfläche emittierte Strahlungsintensität und führt zu einer ungenauen Temperaturmessung.
Zur Messung des spezifischen Emissionsvermögens und zur Kompensation von reflektierter Strahlung hat man immer komplexere Systeme entwickelt. Ein Ansatz verwendet zwei optische Pyrometer - eines zur Messung der Strahlung von den Lampen und eines zur Messung der Strahlung vom Wafer. Die Stärke des charakteristischen Netzbrummens der von der Lampe herrührenden Strahlung lässt sich mit der Stärke des vom Wafer reflektierten Netzbrummens vergleichen und so das Reflexionsvermögen des Wafers bestimmen. Dadurch lässt sich wiederum die reflektierte Strahlung im Wesentlichen subtrahieren, die vom Wafer emittierte Strahlung isolieren und die Temperatur unter Verwendung der Planckschen Gleichung bestimmen. Siehe U.S.-Patent 5 156 080 an Schietinger et al. Diese Systeme erfordern jedoch eine komplexe Schalttechnik zur Isolation des Netzbrummens und die Durchführung der Berechnungen, damit die reflektierte Strahlung effizient eliminiert wird. Zudem sind ein weiterer optischer Sensor und weitere Bestandteile notwendig.
Ein weiterer Ansatz zur Messung der Wafertemperatur und zur Kompensation der Wirkungen des spezifischen Emissionsvermögens verwendet eine Infrarotlaserquelle, die kohärentes Licht in einen Strahlaufspalter leitet. Von dort wird der kohärente Lichtstrahl in zahlreiche einfallende Strahlen aufgespalten, die über optische Faserbündel zur Waferoberfläche wandern. Die optischen Faserbündel sammeln zudem die reflektierten kohärenten Lichtstrahlen sowie die vom Wafer abgestrahlte Energie. Bei Niedertemperaturanwendungen kann auch die transmittierte Energie gesammelt und gemessen werden. Das aufgefangene Licht wird dann in getrennte Komponenten geteilt, deren Strahldichte, spezifisches Emissionsvermögen und Temperatur berechnet werden können. Siehe z. B. U.S.-Patent 5 156 461 an Moslehi et al. Ein Ein Nachteil dieser Systeme ist, dass ein Laser und andere komplexe Bestandteile benötigt werden. Vorteilhaft sind diese Systeme aber, weil sie Messungen der Wafertemperatur an vielen Punkten entlang der Waferoberfläche bereitstellen, die sich zur Bestimmung und Kompensation von Temperaturungleichmäßigkeiten eignen können.
Zur Kompensation von Temperaturungleichmäßigkeiten ist möglicherweise ein Heizgerät mit mehreren, unabhängig regelbaren Zonen erforderlich. Ein Ansatz besteht in der Verwendung eines Mehrzonen-Lampensystems, die in mehreren konzentrischen Kreisen angeordnet sind. Die Lampenenergie lässt sich so einstellen, dass Temperaturunterschiede kompensiert werden, die unter Verwendung von Mehrpunktoptischer Pyrometrie gemessen werden. Diese Systeme erfordern oft komplizierte und teure Lampensysteme mit getrennter Temperaturregulation für jede Lampenzone. U.S.-Patent 5 268 989 an Moslehi offenbart z. B. ein Mehrzonenheizgerät mit fünfundsechzig Wolfram-Halogen-Lampen, die in vier Heizzonen angeordnet sind. Zudem wird ein System zur Eliminierung von Lichtinterferenzen offenbart, das Lichtleitungen in sieben Blindlampen zur Messung der Lampenstrahlung sowie fünf oder mehr Lichtleitungen zur Messung der Strahlung über die Waferoberfläche einsetzt. Das System zur Eliminierung von Lichtinterferenzen verwendet die Strahlung der Blindlampen zur Bestimmung des Anteils an der Gesamtstrahlung von der Waferoberfläche, der von den Lampen reflektiert anstatt von der Waferoberfläche emittiert wird. Die emittierte Strahlung lässt sich dann isolieren und zur Bestimmung der Temperatur über die Waferoberfläche verwenden, die sich ihrerseits zur Regulation der Lampenheizzonen einsetzen lässt.
Ein oft verwendetes und beispielhaftes RTP-System ist das HeatpulseTM 8108-System von AG Associates, das in Fig. 2 im Querschnitt gezeigt ist. Der veröffentlichten technischen Beschreibung zufolge verwendet das System achtundzwanzig Wolfram-Halogen-Lampen in Überkreuzanordnung mit zehn softwarekontrollierten Heizzonen. Der Verfahrensbeschreibung für dieses System zufolge beträgt die Gleichmäßigkeit der Titansilizidbildung auf einem 200 mm-Wafer 1,5% Ungleichmäßigkeit zusätzlich zur wie zerstäubten Titanwafergleichmäßigkeit. Für das Verfahren wird ein Durch- Satz von etwa fünfundzwanzig (25) Wafer pro Stünden angegeben.
Zwar ist die Wafertemperatur bei Mehrzonen- Lampensystemen gleichmäßiger, aber ihre Komplexität stellt höhere Anforderungen an Kosten und Wartung. Zudem treten bei lampenerhitzten RTP-Systemen andere Probleme auf. Zum Beispiel verwenden viele Lampen lineare Glühfäden, die Wärme in linearen Abschnitten bereitstellen. Daher sind sie unwirksam oder ineffizient bei der Bereitstellung von gleichmäßiger Wärme an einen runden Wafer, sogar wenn Mehrzonenlampen verwendet werden. Zudem verschlechtern sich Lampensysteme mit zunehmender Verwendung, was die Wiederholgenauigkeit des Verfahrens behindert. Die Gleichmäßigkeit wird verringert, weil die einzelnen Lampen sich mit unterschiedlicher Rate verschlechtern können. Zudem steigert das Ersetzen von kaputten Lampen die Anforderungen an Kosten und Wartung.
Zur Überwindung der Nachteile lampenbeheizter RTP- Systeme hat man wenige Systeme vorgeschlagen, die eine widerstandsbeheizte Platte verwenden. Die Heizplatten liefern eine vergleichsweise große thermisch wirksame Masse mit stabiler Temperatur. Fig. 3 zeigt eine Seitenquerschnittsansicht einer herkömmlichen Vorrichtung zur schnellen thermischen Bearbeitung mit Heizplatte. Siehe Fig. 3: Ein Wafer kann zur thermischen Bearbeitung auf oder in der Nähe der Heizplatte 304 untergebracht werden. Der Wafer gelangt in die Kammer durch eine Öffnung 306 in der Kammerwand 308. Er wird auf den Tragestiften 310 untergebracht, die zum Einbringen und Entnehmen des Wafers angehoben und gesenkt werden können. Für die Bearbeitung wird der Wafer bis auf oder nahezu auf die Heizplatte 304 abgesenkt. Die Heizplatte wird mit einem Heizwiderstand 312 erhitzt. Der Wafer wird mittels Leitung, Konvektion und Strahlung von der Heizplatte schnell erhitzt. Da die Heizplatte eine konstante und erhebliche Wärmequelle ist, wird eventuell ein Reflexionswärmeschild 314 zum Schutz der Kammerwände 308 benötigt. In dem System der Fig. 3 wird die Temperatur unter Verwendung eines Thermoelementes 316 in der Heizplatte überwacht. Dies steht im Gegensatz zu einem optischen Pyrometer, das durch Schwankungen im spezifischen Emissionsvermögen beeinflusst werden kann. Direkt vom Thermoelement wird jedoch die Temperatur der Heizplatte 304 und nicht die Temperatur des Wafers gemessen.
Die Heizplatte 304 stellt eine stabile, wiederholgenaue Wärmequelle mit großer thermischer Masse ähnlich einem Diffusionsofen bereit. Die Kammerwände 308 werden gekühlt. Dadurch kann der Wafer durch Absenken auf die Heizplatte für einen kurzen Zeitraum schnell erhitzt und durch Entfernen des Wafers von der Platte schnell abgekühlt werden. Zudem lässt sich ein strahlungsabsorbierendes Material zum Abdecken der Kammeroberfläche verwenden, sodass der Wafer beim Anheben mit den Stiften nach dem Erhitzen besser gekühlt wird. Siehe U.S.-Patente 5 060 354 und 5 252 807 an Chizinsky.
Heizplatten-Vorrichtungen zur schnellen thermischen Bearbeitung liefern eine stabile Temperatur an der Heizplatte, die mit einem Thermoelement gemessen werden kann. Es können aber Probleme in Bezug auf Ungleichmäßigkeiten der Wafertemperatur auftreten. Wafer lassen sich erhitzen, indem sie nicht auf der Heizplatte, sondern in deren Nähe untergebracht werden. Bei diesen Systemen kann es zu großen Wärmeverlusten an den Waferrändern kommen, die wie bei lampenbeheizten RTP-Systemen zu Ungleichmäßigkeiten führen können. Zu Ungleichmäßigkeiten kommt es sogar, wenn ein Wafer in Kontakt mit einer Heizplatte steht. Die Heizplatte kann selbst Randverluste erleiden, weil: 1) die Ecken und Ränder der Platte über einen breiteres Spektrum von Winkeln in die Kammer abstrahlen können, 2) vertikale Kaminwirkungen zu größeren Wärmeverlusten durch Konvektion an den Heizplattenrändern führen können und 3) die Ränder der Heizplatte sich nahe bei den Kaltkammerwänden befinden können. Die Randverluste der Platte können ihrerseits Temperaturungleichmäßigkeiten bei einem Wafer auf der Platte bewirken.
Wärmeverlust und Temperaturgleichmäßigkeit über die Waferoberfläche schwanken zudem mit der Temperatur und dem Druck. Die Wärmeübertragung durch Leitung zwischen zwei Objekten (wie dem Wafer und der Kaltkammerwand) ist proportional zur Temperaturdifferenz zwischen den Objekten. Wärmeübertragung durch Strahlung ist proportional zur Temperaturdifferenz zur vierten Potenz (T&sub1;&sup4;-T&sub2;&sup4;). So nimmt der Temperaturunterschied auf der Waferoberfläche bei höheren Bearbeitungstemperaturen zu. Der Druck in der Kammer kann zudem das Wafertemperaturprofil beeinflussen, weil die Wärmeübertragung bei niedrigen Drücken überwiegend durch Strahlung erfolgt, bei höheren Drücken dagegen durch eine Kombination von Strahlung, Leitung und Konvektion.
Ebenso wie bei lampenbeheizten RTP-Systemen lässt sich mit einer Reihe von Techniken eine bessere Wafertemperaturgleichmäßigkeit erhalten. Zum Beispiel umfasst der Reaktor der Fig. 3 eine Wand 317, die vom Umfang der Heizplatte nach oben ragt. Die Wand 317 soll für eine gleichmäßige Temperatur über den Waferdurchmesser sorgen, wenn der Wafer auf den Stiften von der Heizplatte weg verschoben wird. Wahrscheinlich werden aber Temperatur- und Bearbeitungsungleichmäßigkeiten von den Kaltkammerwänden induziert, die sich nahe der aufragenden Wand und Teilen der Heizplatte befinden und diesen direkt ausgesetzt sind. Zudem verändert sich die Wirkung der Wand über den Temperatur- und Druckbereich.
Herkömmliche Heizplatten-Bearbeitungssysteme sind zudem energieineffizient. Die Heizplatte wird mit konstanten Verlusten durch Leitung, Konvektion und Strahlung an die Kaltkammerwände bei hoher Temperatur gehalten. Verluste durch Leitung und Konvektion lassen sich bei niedrigeren Drücken verringern, aber dies hemmt die Wärmeübertragung an den Wafer. Bei niedrigen Drücken erfolgt das Erhitzen hauptsächlich durch Strahlung, und der Wafer kann erheblich kälter sein als die Heizplatte, besonders beim kontaktlosen Erhitzen. Dadurch ist die Wafertemperatur schwierig zu regulieren. Da bei niedrigen Drücken die Wärmeübertragung hauptsächlich über Strahlung erfolgt, kann zudem die Schwankung in der Wafertemperaturgleichmäßigkeit über die jeweiligen Temperaturbereiche größer sein, weil die Wärmeübertragung durch Strahlung proportional zur Differenz zwischen den Oberflächentemperaturen in der vierten Potenz (T14-T24) ist. Senken des Drucks zur Erhöhung der Energieeffizienz kann also dazu führen, dass die Wafertemperatur und -gleichmäßigkeit schwierig zu regulieren sind.
Ein weiterer Nachteil herkömmlicher Heizplatten- Bearbeitungsvorrichtungen ist, dass ihre große thermisch wirksame Masse das schnelle Einstellen der Heizrate und somit das Erreichen gewünschter Temperaturprofile verhindert, beispielsweise des in Fig. 1 gezeigten schnellen thermischen Glühprofils. Wird ein Wafer in die Nähe einer Wärmequelle mit konstanter Temperatur gebracht, beispielsweise einer Heizplatte mit großer thermischer Masse, zeigt er ein asymptotisches Temperaturprofil über die Zeit, siehe Fig. 4. Wie der mit 404 bezeichnete Kurvenanteil angibt, erwärmt sich der Wafer zu Beginn schnell. Nähert er sich der Temperatur der Platte, verlangsamt sich die Heizrate, und der Wafer erlangt die Temperatur der Heizplatte asymptotisch, siehe den mit 406 bezeichneten Kurvenanteil. Weil die große thermisch wirksame Masse verhindert, dass sich die Temperatur der Heizplatte schnell einstellen lässt, wird das gewünschte Temperaturprofil der Fig. 1 nicht erreicht.
Bei herkömmlichen Heizplatten-Bearbeitungsvorrichtungen können sich weitere Probleme ergeben, besonders wenn aufgrund seiner vorteilhaften Heizeigenschaften ein Graphitheizgerät gewünscht ist. Diese Geräte sind oft brüchig und werden durch Scherbeanspruchung leicht beschädigt. Ein Graphitheizgerät kann beschädigt werden, wenn es an einen Träger oder eine Elektrode angeklemmt oder montiert wird. Oft ist es schwierig, eine zuverlässige elektrische Verbindung zwischen einem Graphitheizgerät und einer Stromquelle herzustellen. Wird das Heizgerät mit einem vertikalen Träger montiert, wie bei 318 in Fig. 3 dargestellt, kann es sich beim Erhitzen vertikal ausdehnen. Dies erfordert einen Spielraum zwischen dem Heizwiderstand und dem Heizblock, sodass unterschiedliche Ausdehnungen bei verschiedenen Temperaturen möglich sind. Für effizientes Erhitzen ist aber bevorzugt, dass sich der Heizwiderstand nahe beim Heizblock befindet.
Aufgrund der Probleme mit herkömmlichen Heizplatten- Vorrichtungen zur schnellen thermischen Bearbeitung hat die Industrie diese nicht als brauchbare Alternative zu lampenbeheizten RTP-Systemen aufgenommen. Eine Untersuchung von 1993 über RTP-Ausrüstung mit den Produkten von zweiundzwanzig verschiedenen Lieferanten zeigt, dass zum Zeitpunkt der Untersuchung nur ein Nicht-Lampen-System verfügbar war. Siehe Roozeboom "Manufacturing Equipment Issues in Rapid Thermal Processing", Rapid Thermal Processing auf 349-423 (Academic Press 1993). Das einzige aufgeführte Nicht-Lampen-System verwendet eine widerstandsbeheizte Glasglocke mit zwei Temperaturzonen und ist kein Heizplattenreaktor. Siehe U.S.-Patent 4 875 689 an Lee. Zurzeit wird der RTP-Markt von Systemen auf Lampenbasis dominiert. Trotz vieler Probleme in Verbindung mit diesen Systemen haben sie im Gegensatz zu den vorgeschlagenen Heizplattenansätzen breite Akzeptanz erlangt. Obwohl Heizplattenansätze eine stabile und wiederholgenaue Wärmequelle liefern können, glaubt man, dass die Probleme mit der Energieeffizienz, Gleichmäßigkeit, der Regulation von Temperatur und Heizrate sowie dem Einsatz brüchiger, nicht kontaminierender Heizwiderstände diese Systeme für den Markt inakzeptabel machen.
U.S.-Patent 4 914 27 6 an Blair offenbart einen Hochtemperatur-Strahlungsofen. Dieser hat aber den Nachteil, dass sich das Werkstück in einer Kammer befindet, die vom Heizraum isoliert ist. Dadurch lässt sich das Werkstück nicht bei verringertem Druck halten.
Benötigt werden ein System und ein Verfahren zur schnellen thermischen Bearbeitung mit einer stabilen und wiederholgenauen Wärmequelle, die ein hohes Maß an Gleichmäßigkeit über einen breiten Temperaturenbereich bereitstellt. Vorzugsweise wird die Wärmequelle bei hoher Temperatur gehalten, ohne dass schnelles Erhitzen und Abkühlen der Wärmequelle nötig ist. Ein solches System ist zudem vorzugsweise energieeffizient und liefert eine genaue Wafertemperaturregulation, die von Schwankungen im spezifischen Emissionsvermögen des Wafers im Wesentlichen unabhängig ist. Zudem lässt es die Verwendung einer Kaltwandkammer zu. Vorzugsweise liefert dieses System zudem einen erheblich besseren Durchsatz als herkömmliche Einzelwafer- RTP-Systeme, behält dabei aber ein hohes Maß von Verfahrenskontrolle und Wafertemperaturgleichmäßigkeit bei. Zudem stellt das System bevorzugt eine raumsparende Wärmequelle bereit, die nicht signifikant größer ist als die erhitzten Wafer.
Benötigt werden zudem ein System und ein Verfahren zur thermischen Bearbeitung eines Wafer unter Verwendung einer Wärmequelle mit einer vergleichsweise großen, stabilen thermisch wirksamen Masse, wobei die Heizrate schnell eingestellt werden kann, damit gewünschte Temperaturprofile erzielt werden können. Vorzugsweise kann mit einem solchen System ein Wafer mit schneller Heizrate erhitzt werden, bis eine gewünschte Temperatur erreicht ist. Dann kann die Heizrate schnell eingestellt werden, sodass die Temperatur auf vergleichsweise konstantem Niveau bleibt. Die Systeme ermöglichen zudem vorzugsweise die thermische Bearbeitung von Wafern mit einem Temperaturprofil, einer Gleichmäßigkeit und einem Durchsatz, die mit herkömmlichen Lampen-RTP-Systemen konkurrieren können.
Benötigt werden zudem ein besseres System und ein besseres Verfahren zum Einsatz eines brüchigen Heizwiderstandes. Vorzugsweise lässt sich bei dem System ein Graphitheizgerät mit besserer elektrischer Verbindung und erheblich kleinerer Gefahr einer Beschädigung durch Scherbeanspruchung an eine Stromquelle anschließen. Vorzugsweise kann bei dem System zudem ein Graphitheizgerät nahe bei einem Heizblock angebracht werden, ohne dass es sich über einen breiten Temperaturbereich erheblich in vertikaler Richtung ausdehnt.
Alle obigen Merkmale werden bevorzugt in einem einzigen raumsparenden, kostengünstigen RTP-System und -Verfahren kombiniert.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Unter einem Aspekt stellt die Erfindung eine thermische Bearbeitungsvorrichtung bereit zum Bearbeiten eines Halbleitersubstrates, umfassend:
eine isolierende Kammer (534) mit Kammerwänden (502); isolierende Wände (530 a,b,c,d), die eine Heizkammer (528) bilden;
eine Wärmequelle (516, 520), die mindestens eine heizbare Oberfläche (518) in der Heizkammer (528) bereitstellt; .
Einrichtungen (510, 516) zum Halten des Halbleitersubstrates neben der heizbaren Oberfläche für die thermischen Bearbeitung in der Heizkammer;
wobei die isolierenden Wände im Wesentlichen dicht leitend für Wärmestrahlung von der heizbaren Oberfläche sind, sodass direkte Strahlung von der heizbaren Oberfläche zu den Kammerwänden während der thermischen Bearbeitung im Wesentlichen vermieden wird; und
Einrichtungen (538, 540) zum Aufrechterhalten eines verminderten Drucks in der isolierenden Kammer und in der Heizkammer, sodass Wärmeübertragung mittels Konvektion durch die Isolierkammer und die Heizkammer während der thermischen Bearbeitung im Wesentlichen vermieden wird und die Wärmeübertragung durch die Isolierkammer und die. Heizkammer hauptsächlich über Strahlung erfolgt.
Unter einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren bereit zur thermischen Bearbeitung eines Halbleitetsubstrates in einer thermischen Bearbeitungsvorrichtung mit einer Isolierkammer und einem Heizraum, der innerhalb der Isolierkammer gebildet wird, umfassend die Schritte:
Erhitzen mindestens einer Oberfläche im Heizraum;
im Wesentlichen Verhindern, dass direkte Wärmestrahlung von der heizbaren Oberfläche den Heizraum verlässt, sodass die Wärmeübertragung vom Heizraum an die Isolierkammer hauptsächlich mittels Leitung erfolgt;
Aufrechterhalten eines niedrigen Drucks in der Isolierkammer und im Heizraum, sodass Wärmeübertragung mittels Konvektion durch die Isolierkammer und den Heizraum im Wesentlichen verhindert wird;
Beschränken der Wärmeübertragung durch den Heizraum und die Isolierkammer hauptsächlich auf Strahlung;
Einbringen des Halbleitersubstrates in den Heizraum; thermisches Bearbeiten des Halbleitersubstrates im Heizraum; und
Entnehmen des Halbleitersubstrates aus dem Heizraum.
Diese Aspekte der Erfindung haben den Vorteil, dass ein teures und brüchiges Graphitheizgerät mit einem erheblich kleineren Beschädigungsrisiko durch Scherbeanspruchung verwendet werden kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass das Heizgerät nahe bei einem erhitzten Gegenstand angebracht werden kann, ohne dass ein erheblicher Spielraum für die Wärmeausdehnung erforderlich ist.
Unter weiteren Aspekten stellt die Erfindung einen besseren Anschluss eines Heizwiderstandes an eine Stromquelle bereit. Bei einer Ausführungsform wird ein verformbares leitendes Material zwischen einen Heizwiderstand und eine Stromquelle geklemmt, sodass eine bessere elektrische Verbindung geschaffen wird. Von jeder angeklemmten Oberfläche des Heizwiderstandes werden zudem die Beschichtungen entfernt, sodass man eine bessere Leitung zwischen dem Heizgerät und einer Stromquelle erhält.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Diese und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung kann der Fachmann der folgenden genauen Beschreibung und den anliegenden Zeichnungen entnehmen. Es zeigt:
Fig. 1 ein Diagramm eines gewünschten Wafertemperaturprofils für ein schnelles thermisches Glühverfahren;
Fig. 2 eine Seitenquerschnittsansicht eines herkömmlichen Lampen-RTP-Systems;
Fig. 3 eine Seitenquerschnittsansicht einer herkömmlichen Heizplatten-Vorrichtung zur schnellen thermischen Bearbeitung;
Fig. 4 ein Diagramm der Temperatur eines Wafers, der von einem Heizgerät mit konstanter Temperatur bei konstantem Druck erhitzt wird, gegen die Zeit;
Fig. 5 eine Seitenquerschnittsansicht einer thermischen Bearbeitungskammer nach einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform;
Fig. 6A eine Querschnittsansicht von oben einer thermischen Bearbeitungskammer nach der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform mit abgenommenen Isolationshauben;
Fig. 6B eine Querschnittsansicht von oben einer thermischen Bearbeitungskammer nach der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform mit Isolationshauben;
Fig. 7 eine Seitenquerschnittsansicht eines Teils der thermischen Bearbeitungskammer von Fig. 5;
Fig. 8 in tabellarischer Form den prozentualen Anteil der Wärmeübertragung zwischen zwei Oberflächen aufgrund von Strahlung, Leitung und Konvektion bei verschiedenen Drücken und Temperaturen;
Fig. 9 in einem Diagramm den Zusammenhang zwischen der Wärmeübertragung durch Strahlung, Leitung und Konvektion bei verschiedenen Temperaturen und Drücken;
Fig. 10A ein eindimensionales Modell zur Bestimmung der Wärmeübertragung in der Kammer nach einer ersten Ausführungsform;
Fig. 10B eine thermische Ersatzschaltung für das in Fig. 10A gezeigte Wärmeübertragungsmodell;
Fig. 10C in tabellarischer Form die mit dem Modell der Fig. 10A berechnete Temperatur der Kammeroberflächen bei verschiedenen Abständen von Heizoberfläche zu Wafer;
Fig. 11 Karten der Gleichmäßigkeit des Waferschichtwiderstands vor und nach dem Titansilizidglühen in der thermischen Bearbeitungskammer nach der ersten Ausführungsform;
Fig. 12 eine Ansicht von oben eines Heizwiderstandes nach der ersten Ausführungsform;
Fig. 13A eine Seitenquerschnittsansicht eines Heizgerät-Montiermechanismus nach der ersten Ausführungsform;
Fig. 13B eine Vorderansicht eines Heizgerät- Montiermechanismus nach der ersten Ausführungsform;
Fig. 14A ein Diagramm der Temperatur von Wafern, die bei 2 Torr und 50 Torr in der Kammer nach der ersten Ausführungsform erhitzt worden sind; und
Fig. 14B ein Diagramm der Temperatur eines Wafers, der bei der Bearbeitung in einer Kammer nach der ersten Ausführungsform bei mehreren Drücken erhitzt worden ist.

EINGEHENDE BESCHREIBUNG

Unter einem Aspekt der Erfindung lässt sich eine stabile Wärmequelle zur schnellen thermischen Bearbeitung einsetzen. Die folgende Beschreibung befähigt jeden Fachmann, die Erfindung herzustellen und zu verwenden. Beschreibungen spezieller Bauweisen dienen nur als Beispiele.
Die Erfindung ist also nicht auf die gezeigte Ausführungsform beschränkt, sondern deckt sich mit dem breitesten Umfang, der mit den hier offenbarten Prinzipien und Merkmalen übereinstimmt.
Fig. 5 zeigt eine Seitenquerschnittsansicht einer thermischen Bearbeitungskammer, die insgesamt mit 500 bezeichnet ist, nach der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform. Fig. 6A zeigt eine Querschnittsansicht von oben der thermischen Bearbeitungskammer nach der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform mit abgenommenen Isolationshauben. Fig. 6B zeigt eine Querschnittsansicht von oben der thermischen Bearbeitungskammer nach der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform mit Isolationshauben.
Die erste erfindungsgemäße Ausführungsform eignet sich bevorzugt für die Verwendung in Verbindung mit dem AspenTM Waferbearbeitungssystem von Mattson Technologie Inc., dem vermerkten Rechtsnachfolger der Erfindung durch Abtretung. Mit dem AspenTM-System können zwei Wafer gleichzeitig bearbeitet werden, und die Kammer nach der ersten Ausführungsform hat zwei Waferbearbeitungsstationen, siehe Fig. 6A. Die gestrichelte Linie in Fig. 6A zeigt die Stelle des Seitenquerschnitts in Fig. 5, die eine der Bearbeitungsstationen zeigt. Bestimmte Aspekte der Erfindung ermöglichen die Verwendung einer einzelnen stabilen Wärmequelle zur gleichmäßigen Bearbeitung von zwei Wafern gleichzeitig. Wie im folgenden noch beschrieben wird, lässt sich das Titansilizidglühen in der Kammer der ersten Ausführungsform mit einem Durchsatz von etwa neunzig (90) Wafern pro Stunde und einer besseren Verfahrensgleichmäßigkeit als bei üblichen Mehrzonen-Lampensystemen durchführen. Natürlich lässt sich eine Reihe von Verfahren durchführen, und alternative Ausführungsformen können für die Bearbeitung eines einzelnen Wafers optimiert werden. Die im folgenden beschriebenen Verfahren lassen sich auch so anwenden, dass mehr als zwei Wafer gleichzeitig gleichmäßig bearbeitet werden können.
Siehe Fig. 5: Bei der ersten Ausführungsform bilden die Kammerwände 502 eine äußere Öffnung 504, durch die ein Halbleitersubstrat; wie ein Wafer 506, in die Kammer 500 eingebracht werden kann. Ein herkömmlicher Mechanismus zum Arretieren der Beschickung (wie beim AspenTM-System) lässt sich zum Einbringen und Entnehme n des Wafers 506 durch die äußere Öffnung 504 verwenden. Nach Einbringen des Wafers in die Kammer 500 wird die äußere Öffnung 504 mit einer Platte 507 bedeckt. Zudem kann ein Sichtfenster 505 u. a. zur Endpunktbestimmung, in-situ-Verfahrensüberwachung und Messung der Oberflächentemperatur des Wafers bereitgestellt werden. Wird für diese Zwecke ein Fenster verwendet, muss ein kleines Loch oder ein durchsichtiger Abschnitt durch eine der inneren Kammeroberflächen, beispielsweise die Isolierwände, bereitgestellt werden, damit der Wafer sichtbar ist. Wird kein Fenster verwendet, kann die Sichtöffnung zur besseren Isolation mit einer nicht leitenden Platte verdeckt werden.
Die Kammerwände 502 sind vergleichsweise kalt und werden vorzugsweise bei einer durchschnittlichen Temperatur unter einhundert Grad Celsius (100ºC) gehalten. Bei der ersten Ausführungsform sind die Kammerwände 502 aus Aluminium und werden von den Kühlkanälen 508 gekühlt. Wasser oder andere Kühlmedien lassen sich zum Kühlen der Aluminiumkammerwände 502 durch die Kühlkanäle 508 pumpen.
Nach Einbringen des Wafers in die Kammer wird dieser auf schmalen Stiften 510 untergebracht, die bei der ersten Ausführungsform Siliziumcarbid oder Keramik umfassen. Die Stifte sind auf einer Stiftehalterplatte 512 befestigt, die durch einen Hebemechanismus 514 angehoben und gesenkt werden können, z. B. einen pneumatischen oder elektromechanischen Heber mit vakuumversiegelten Federbälgen. Nach Einbringen des Wafers in die Kammer und Setzen auf die Stifte 510 wird der Hebemechanismus 514 gesenkt, sodass der Wafer 506 zur thermischen Bearbeitung neben oder auf einem Heizblock 516 untergebracht wird.
Det Heizblock hat vorzugsweise eine große thermisch wirksame Masse, die eine stabile und wiederholgenaue Wärmequelle zum Erhitzen des Wafers 506 liefert. Der Heizblock 516 stellt in der Kammer bevorzugt eine heizbare Oberfläche 518 bereit, die im Wesentlichen parallel zum Wafer verläuft, sodass Wärmeübertragung über die gesamte hintere Oberfläche des Wafers möglich ist. Der Heizblock 516 umfasst ein Material, das den Wafer. 506 sogar dann nicht kontaminiert, wenn dieser bei hohen Temperaturen (über 500ºC) und niedrigen Drucken (unter 13,33 kPa (100 Torr)) mit dem Heizblock in Kontakt gebracht wird. Bei der ersten Ausführungsform umfasst der Heizblock 516 siliziumcarbidbeschichtetes Graphit. Aber auch andere Materialien können verwendet werden, die bei den Bearbeitungstemperaturen nicht mit dem Wafer reagieren, wie Siliziumcarbid oder Quarz. Bevorzugt ist ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, damit die Wärme gleichmäßig durch den Block verteilt wird. Die unten beschriebenen Isolationstechniken werden eingesetzt, damit scharfe Temperaturgradienten im Heizblock augrund von Wärmeverlusten an den Blockrändern vermieden werden.
Der Heizblock ist bei der ersten Ausführungsform etwa 25,4 mm (1 Zoll) dick und liefert eine erheblich größere thermisch wirksame Masse als der Wafer, der nur etwa 0,9 mm (0,035 Zoll) dick ist. Bevorzugt ist der Heizblock 516 mindestens zehnmal dicker als der bearbeitete Wafer. Dies liefert eine Wärmequelle mit stabiler Temperatur zur thermischen Bearbeitung des Wafers 506.
Bei der ersten Ausführungsform erstreckt sich ein einziger Heizblock 516 durch den größten Teil der Kammer und liefert eine insgesamt rechteckige Heizfläche, die groß genug für die gleichzeitige Bearbeitung von zwei Wafern ist, siehe Fig. 6A. Die freiliegenden Bereiche 516a und 516b in Fig. 6A sind Teile des gleichen Heizblocks. Die Verwendung eines einzigen Heizblocks stellt eine vereinfachte und kostengünstige Bauweise dar. Der Heizblock lässt sich jedoch nicht einfach drehen, damit die Wafer während der Bearbeitung rotiert werden können. Rotieren der Wafer ist oft, gewünscht, damit die Halbleiterbearbeitung gleichmäßiger wird. Die thermische Bearbeitungskammer der ersten Ausführungsform liefert sogar mit der vereinfachten nicht-drehbaren Bauweise eine außerordentliche Bearbeitungsgleichmäßigkeit. Bei alternativen Ausführungsformen kann für jeden Wafer eine getrennte rotierende Heizplatte bereitgestellt werden, sodass die Gleichmäßigkeit noch verstärkt wird. Die Wafer können auch etwas oberhalb der Heizplatte gehalten und auf Stiften gedreht werden. Die Kammer der ersten Ausführungsform liefert jedoch auch ohne Rotation eine ausgezeichnete Gleichmäßigkeit, sodass eine vereinfachte und kostengünstige Bauweise bevorzugt ist.
Der Heizblock wird durch einen Heizwiderstand 520 erhitzt, der sich unter dem Heizblock befindet. Der Heizwiderstand umfasst bevorzugt siliziumcarbidbeschichtetes Graphit. Es können aber auch andere Materialien verwendet werden. Die Bauweise des Heizwiderstandes ist anhand von Fig. 12 unten eingehend beschrieben. Mit Heizgeräthaltestiften 522 wird der Heizwiderstand in einem kurzen Abstand (etwa 3,9 mm (0,125 Zoll) vom Heizblock 516 beabstandet. Eine Stromquelle (nicht, dargestellt) ist mit dem Heizgerät über einen Heizgerätmontiermechanismus 524 in einer getrennten Heizgerätmontierkammer 542 verbunden, wie weiter unten anhand der Fig. 13A und 13B eingehend beschrieben. Der Strom gelangt durch den Heizwiderstand 520 und erhitzt den Heizblock 516, der seinerseits als stabile Wärmequelle für den Wafer 506 dient. Der an den Heizwiderstand angelegte Strom kann eingestellt werden, sodass sich die Temperatur des Heizblocks regulieren lässt. Ein Thermoelement 526 oder ein anderer Temperatursensor lässt sich zum Messen der Heizblocktemperatur einsetzen. Ein optisches Pyrometer oder ein Thermoelement (nicht dargestellt) lässt sich zudem zum direkten Messen der Wafertemperatur verwenden. Die Temperatursensoren senden. Signale, welche die Heizblock- und/oder Wafertemperatur anzeigen, an ein herkömmliches Temperaturregulationssystem (nicht dargestellt). Dieses bewirkt dann, dass ein Transformator oder eine andere Stromquelle eine entsprechende Strommenge an den Heizwiderstand abgibt und die gewünschte Bearbeitungstemperatur erreicht wird. Üblicherweise werden Temperaturen zwischen fünfhundert Grad Celsius (500ºC) und eintausend Grad Celsius (1000ºC) für die thermische Bearbeitung in der Kammer der ersten Ausfühtungsform eingesetzt.
Es lassen sich natürlich andere Mechanismen zur Bereitstellung einer stabilen Wärmequelle einsetzen. Beispielsweise kann eine Hochfrequenzspule zum Induzieren eines Stroms in einer leitenden Platte in der Kammer verwenden, oder Lampen können zum Erhitzen der Rückseite eines leitenden Blocks eingesetzt werden. Der Heizwiderstand und der Heizblock der ersten Ausführungsform stellen aber eine außerordentlich stabile und dauerhafte Wärmequelle bereit und sind bevorzugt.
Zur Verringerung von Wärmeverlust und zur Steigerung der Gleichmäßigkeit sind der Heizblock 516 und der Wafer 506 in einer isolierten Heizkammer 528 eingeschlossen. Diese wird von Isolierwänden 530a-d gebildet, die vom Heizgerät 520, vom Heizblock 516 und vom Wafer 506 beabstandet sind. Die Isolierwände 530a-d umfassen bevorzugt ein Material mit kleiner Wärmeleitfähigkeit, sind zudem hochreflektierend sowie im Wesentlichen nicht leitend für Wärmestrahlung (besonders im sichtbaren und Infrarot- Bereich). So verhindern die Isolierwände 530a-d im Wesentlichen die Wärmeübertragung durch direkte Strahlung vom Inneren des Heizraums 528 an die Kaltkammerwände 502. Bei der ersten Ausführungsform umfassen die Isolierwände 530ad opakes Quarz mit einer Wärmeleitfähigkeit von etwa dreieinhalb Watt pro Zentimeter Kelvin (3,5 W/cmK). Opakes Quarz ist bei der ersten Ausführungsform stark bevorzugt, weil es bei praktisch allen Verfahren dauerhaft und inert ist, ein hohes Reflexionsvermögen und niedrige Leitfähigkeit hat und weil sich eine Isolierwand aus einem einzigen ursprünglichen Materialstück herstellen lässt. Opakes Siliziumdioxidglas OP-1 von Nippon Silica Glass U.S.A., Inc., ist ein beispielhaftes opakes Quarz, das bei der ersten Ausführungsform eingesetzt werden kann. Im Gegensatz zu transparentem Quarz ist opakes Quarz weiß mit nahezu idealem opakem Aussehen aufgrund der speziellen Struktur des Materials, das eine gut eingestellte Verteilung von Mikroporen in der ansonsten dichten Matrix aufweist und Licht sowie Wärmestrahlung auf effiziente und homogene Weise streut. Somit wird die direkte Übertragung von Strahlung nahezu vollständig unterdrückt (weniger als 1% Transmission bei Wellenlängen von 200 bis 5000 nm bei einer Wegstrecke von 3 mm). Die Oberfläche des opaken Quarzes wird vorzugsweise behandelt, sodass Abschuppen und Teilchenfreisetzung verhindert werden. Dies erfolgt bei der ersten Ausführungsform, indem die Oberflächen des opaken Quarzes hohen Temperaturen ausgesetzt werden, welche die Oberflächen glasieren. Dies bildet eine flache (etwa 1 mm tiefe) Schicht aus klarem, dauerhaftem Quarz auf den Außenflächen der Isolierwände, die als Schutzschicht dient.
Natürlich lassen sich für die Isolierwände auch andere wärmebeständige Isoliermaterialien verwenden, wie Aluminiumoxid und Siliziumcarbid. Zudem können die Isolierwände aus einem durchlässigen Material hergestellt werden, z. B. aus klarem Quarz, das mit einem reflektierenden Material beschichtet ist, wie Aluminiumoxid, Siliziumcarbid oder Siliziumnitrid. Diese Alternativen sind aber weniger dauerhaft als glasiertes opakes Quarz, schuppen und blättern oft und können die Chemie einiger Verfahren stören.
Bei der ersten Ausführungsform hat das für die Isolierwände verwendete Material vorzugsweise eine Wärmeleitfähigkeit von weniger als fünf Watt pro Zentimeter Kelvin (5 W/cmK). Selbstverständlich können aber die Dicke, Wärmeleitfähigkeit und Transmission des Materials verändert werden, sodass ein gewünschtes Ausmaß an Isolation erreicht wird. Zwischen dem Heizraum und den Kammerwänden lassen sich zur besseren Isolation noch zusätzliche Isolierwände anbringen. Insbesondere kann die Heizkammer in mehrere Isoliergehäuse eingeschlossen werden, zwischen denen sich Vakuumbereiche befinden.
Siehe Fig. 5: Bei der ersten Ausführungsform wird die Heizkammer 528 aus vier Isolierwänden aus opakem Quarz gebildet - einer oberen 530a, einer seitlichen 530b, einer Basis- 530c und einer unteren Isolierwand 530d. Die obere und seitliche Isolierwand 530a und 530b lassen sich aus einem Stück opakem Quarz herstellen. Dies liefert eine Isolierhaube, die über jeweils einer Waferbearbeitungsstation angebracht werden kann, siehe Fig. 6B. Siehe Fig. 5: Die Basis- und die untere Isolierwand 530c und 530d befinden sich nahe beim Heizblock 516 und beim Heizwiderstand 520. Bei der ersten Ausführungsform schließen die Basis- und die untere Isolierwand 530c und 530d die Wärmequelle im Wesentlichen ein. Ausgenommen sind freiliegende kreisförmige Bereiche der Heizfläche, die so geformt sind, dass sie die Wafer aufnehmen können, siehe 516a und 516b in Fig. 6A. Dadurch wird der Wärmefluss von der Wärmequelle durch einen ringförmigen Abschnitt gleichmäßig zur Waferoberfläche geleitet, und seitliche Wärmegradienten werden verringert. Zudem verläuft die Heizfläche radiär vom ringförmigen Abschnitt unter der Basis-Isolierwand 530c nach außen. Dadurch wird der Wafer von Temperaturabfällen am Rand des Heizblocks isoliert. Siehe Fig. 5: Der Heizblock bildet in den kreisförmigen Abschnitten, die in der Basis-Isolierwand 530c frei geblieben sind, flache Taschen, welche die Wafer aufnehmen. Die Taschen sind bei der ersten Ausführungsform zwischen 1,6 mm und 3,2 mm (0,0625 und 0,125 Zoll) tief. Sie können flach und leicht konkav sein, sodass die Mitte der Tasche etwas (etwa 0,08 mm (0,003 Zoll) niedriger als der Umkreis der Tasche ist. Sie können auch mit der Mitte eine Stufe bilden und in Bezug auf eine Leiste um den äußeren Radius der Tasche zurückspringen. Durch zurückspringende Taschen kann die Wärme an den Waferrändern zurückgehalten werden. Die Taschenform kann die Temperaturgleichmäßigkeit über die Waferoberfläche beeinflussen. Trotzdem wurden ausgezeichnet gleichmäßige Verfahren bei sechshundert Grad Celsius (600ºC) und achthundert Grad Celsius (800ºC) mit flacher und mit zurückspringender Taschenbauweise erzielt.
Det Querschnitt von oben der Fig. 6A zeigt die Kammer der ersten Ausführungsform ohne die obere und seitliche Isolierwand 530a und 530b. Fig. 6B zeigt eine Ansicht der Kammer von oben mit Isolierhauben (welche die obere und seitliche Isolierwand 530a und 530b bereitstellen) über jeder Waferbearbeitungsstation, siehe 602 und 604. Siehe Fig. 6B: Über jeder Wafertasche ist eine getrennte Isolierhaube angebracht. Es kann auch eine einzelne Haube verwendet werden, die beide Taschen umschließt. Es können auch andere Bauweisen verwendet werden, zum Beispiel zylindrische Hauben um jede Wafertasche.
Die Isolierwände haben vorzugsweise eine Dicke von 6,4 mm bis 25,4 mm (0,25 bis 1 Zoll). Die Dicke kann aber je nach der Wärmeleitfähigkeit und der Transmission des Materials verändert werden. Bei der ersten Ausführungsform sind die obere, die seitliche und die Basis-Isolierwand etwa 9,5 mm (0,375 Zoll) dick. Die untere Isolierwand (nahe dem Graphitheizgerät) ist etwa 15,9 mm (0,625 Zoll) dick. Die untere Isolierwand 530d ist durch einen Haltefuß 532 von den Kammerwänden 502 beabstandet. Der Haltefuß 532 umfasst ebenfalls ein Isoliermaterial, wie opakes Quarz, damit Wärmeleitung von der unteren Isolierwand 530d zu den Kammerwänden 502 minimiert wird. Es können zwar mehrere Haltefüße verwendet werden, aber wünschenswerterweise wird der Querschnitt des wärmeleitenden Pfades zwischen der unteren Isolierwand 530d und der unteren Kammerwand durch Haltefüße minimiert. Bei der ersten Ausführungsform hat der Haltefuß 532 einen vergleichsweise kleinen Querschnitt (im Wesentlichen weniger als 10% der Fläche der unteren Isolierwand), damit sich kein großer wärmeleitender Pfad zwischen Isolierwänden und Kammerwänden bilden kann.
Die Isolierwände 530a-d umschließen im Wesentlichen den Heizraum 528 und bilden eine äußere Isolierkammer 534 zwischen den Isolierwänden und den Kaltkammerwänden. Die Isolierwände bilden eine innere Öffnung 536 zwischen dem Heizraum 528 und der Isolierkammer 534, sodass ein Wafer in den Heizraum eingebracht werden kann. Die innere Öffnung 536 lässt sich während der Bearbeitung mit einem Stück Isoliermaterial verdecken, sodass zusätzlich isoliert wird. Gewöhnlich wird bei der ersten Ausführungsform Wärme von der Heizplatte 516 durch den Heizraum 528 zu den Isolierwänden 530a-d, durch die Isolierwände 530a-d und durch die Isolierkammer 534 zu den Kaltkammerwänden 502 übertragen. Ein wenig Wärme kann aber auch mittels Leitung durch den Haltefuß 532 und mittels direkter Strahlung durch die Innenöffnung 536 (wenn keine opake Abdeckung verwendet wird) übertragen werden. Der überwiegende Teil (mehr als 90%) der Strahlung vom Heizblock 516 wird aber durch die Isolierwände 530a-d abgefangen, und nur ein kleiner Abschnitt der unteren Isolierwand (weniger als 10%) ist in Kontakt mit dem Haltefuß. So hängt die Wärmeübertragungsrate bei der ersten Ausführungsform im Wesentlichen vom Wärmewiderstand durch den Heizraum 528, die Isolierwände 530a-d und die Isolierkammer 534 ab.
Der Wärmewiderstand durch den Heizraum und die Isolierkammer lässt sich durch Einstellen des Bearbeitungsdrucks einregulieren. Das Rohr 538 stellt einen Gaseinlass bereit, und die Gasausstoßöffnung 540 liefert einen Gasauslass. Das Rohr 538 ist mit einer herkömmlichen Gasquelle (nicht dargestellt) verbunden. Die Gasausstoßöffnung 540 ist an eine herkömmliche Vakuumpumpe (nicht dargestellt) angeschlossen, wodurch der Druck im Raum reguliert werden kann. Bei der ersten Ausführungsform kann ein Druck von 101,3 kPa (760 Torr (Atmosphärendruck)) bis weniger als 0,013 kPa (0,1 Torr) erreicht werden. Wie weiter unten noch beschrieben wird, sind Drücke unter 13,33 kPa (100 Torr) und insbesondere zwischen 0,26 kPa (2 Torr) und 6,67 kPa (50 Torr) bei der ersten Ausführungsform bevorzugt.
Der niedrige Druck, die Isolierwände und andere thermische Eigenschaften (die unten noch beschrieben werden) ermöglichen eine raumsparende Kammerbauweise, die mit einem hohen Maß an Gleichmäßigkeit eingesetzt werden kann. Bei der ersten Ausführungsform ist der Heizblock 516 etwa 254 mm (10 Zoll) breit, d. h. nur etwas breiter als der Wafer. Seine Ränder können innerhalb von 25,4 mm (1 Zoll) der Kammerwände liegen. Die Basis-Isolierwand 530c befindet sich etwa 3,2 mm (0, 125 Zoll) vom Rand des Heizblocks 516. Der Abstand von der Basis-Isolierwand zur Kammerwand (durch die Isolierkammer 534) ist kleiner als 12,7 mm (ein halbes Zoll). Daher beträgt die Breite des Heizblocks mehr als achtzig Prozent (80%) der Innenbreite der Bearbeitungskammer. Zudem nimmt der Heizblock mehr als zehn Prozent (10%) des Innenvolumens der Bearbeitungskammer ein. Unter Verwendung dieser raumsparenden Bauweise lässt sich sogar dann eine gleichmäßige Bearbeitungstemperatur erzielen, wenn der Heizblock auf mehr als eintausend Grad Celsius (1000ºC) erhitzt wird. Die Kammerwände können unter Verwendung von Wasser oder anderen Kühlmedien auf eine durchschnittliche Temperatur von weniger als einhundert Grad Celsius (100ºC) gekühlt werden. Damit ein annehmbares Maß an Gleichmäßigkeit beibehalten wird, müssen aber die Kammermaße und -materialien sowie die Verfahrensparameter bei der ersten Ausführungsform sorgfältig so ausgewählt werden, dass die Wärmeübertragung durch den Heizraum 528, die Isolierwände 530a-d und die Isolierkammer 534 reguliert werden kann. Damit man bei der ersten Ausführungsform die Wärmeübertragung regulieren kann, muss man die Wärmeübertragungsmechanismen in diesen drei Abschnitten verstehen.
Wärme kann durch den Heizraum und die Isolierkammer durch Leitung, Strahlung und Konvektion übertragen werden. Die Wärmeübertragung durch die Isolierwand erfolgt hauptsächlich mittels Leitung - die Isolierwand ist opak, sodass wenig Wärme durch Strahlung übertragen wird, wenn überhaupt. Weil die Isolierwand fest ist, gibt es keine Konvektionsströme. Anhand der Gleichungen in der nachstehenden Tabelle 1 werden nun die Grundmechanismen von Leitung, Strahlung und Konvektion erläutert. Weitere Information siehe z. B. in F. Kreith, Principles of Heat Transfer (3. Aufl. 1973).
Bei der Wärmeübertragung durch Leitung erfolgt ein Energieaustausch von einem Bereich mit hoher Temperatur zu einem Bereich mit niedriger Temperatur durch kinetische Bewegung oder direktes Auftreffen von Molekülen, wie bei einem ruhenden Gas, und durch die Wanderung von Elektronen in Feststoffen. Gleichung 1 in Tabelle 1 beschreibt die Wärmeübertragung durch Leitung zwischen zwei ebenen Oberflächen, wobei q die Wärmeübertragungsrate, ΔT der Temperaturunterschied zwischen den beiden Oberflächen, L der Abstand zwischen den beiden Oberflächen und k die Wärmeleitfähigkeit des Materials ist, durch das die Wärme übertragen wird. Wärmeübertragung durch Leitung ist proportional zu ΔT und umgekehrt proportional zu L. Für ein Gas lässt sich zudem der Wärmeleitungswiderstand bei sehr kleinem Druck (in verdünnten Gasen) aufgrund des größeren freien Wegs der Gasmoleküle erhöhen. Daher ist die Wärmeleitung bei sehr kleinen Drücken kleiner.
Natürliche Konvektion umfasst eine Wärmeübertragung von einer heißen Oberfläche auf eine darüber liegende kalte Oberfläche und erfolgt durch Fluidströme. Die Wärme wird auf einen Teil des Fluids in der Nähe der heißen Oberfläche übertragen. Das erwärmte Fluid dehnt sich aus und schafft dadurch eine Auftriebszelle niedriger Dichte. Diese erwärmte Auftriebszelle bewegt sich aufwärts und weg von der heißen Oberfläche und wird durch eine kühlere, dichtere Zelle ersetzt. Der Austausch oder Strom von heißen und kalten Zellen verstärkt die Wärmeübertragung.
Natürliche Konvektion ist eine komplizierte Art der Wärmeübertragung und lässt sich nicht leicht berechnen. Sie lässt sich aber unter Verwendung des als Grashof-Zahl bezeichneten Quotienten bestimmen. In der Regel steht eine kleine Grashof-Zahl (unter 10000) für eine geringe Wärmeübertragung durch Konvektion, eine hohe Grashof-Zahl dagegen für eine hohe Wärmeübertragung durch Konvektion. Gleichung 2 in Tabelle 1 ist die Gleichung für die Grashof- Zahl, wobei g die Schwerkraftbeschleunigung (-9,8 m/s²), ρ die Dichte des Fluids (die für ein Gas proportional zum Druck und umgekehrt proportional zur Temperatur ist), β die Komprimierbarkeit des Fluids (die für ein Gas umgekehrt proportional zur Temperatur ist), L der Abstand zwischen den Oberflächen, ΔT die Temperaturdifferenz zwischen den Oberflächen und u die Viskosität des Fluids ist. Also ist die Wärmeübertragung durch Konvektion proportional zu ΔT, zum Quadrat des Drucks (wegen des Ausdrucks ρ²) und zur dritten Potenz des Abstands (L³). Wärmeübertragung durch Konvektion erfolgt also im Wesentlichen nicht bei kleinen Drücken über kurze Abstände.
Wärmeübertragung durch Strahlung ist die Übertragung von Energie durch elektromagnetische Wellen, die zwischen zwei Oberflächen abgestrahlt werden. Eine Gleichung für die Wärmestrahlung zwischen zwei parallelen Platten ist in Gleichung 3 der Tabelle 1 dargestellt, wobei σ die Stefan- Boltzmann-Konstante (5,6697 · 10&supmin;&sup8; W/ (m²K&sup4;), Th die Temperatur der heißeren Oberfläche, Tc die Temperatur der kälteren Oberfläche, &epsi;h das Emissionsvermögen der heißeren Oberfläche und &epsi;c das Emissionsvermögen der kälteren Oberfläche ist. Die Strahlung ist proportional zur Differenz zwischen Th&sup4; und Tc&sup4;.
Die thermische Bearbeitungskammer der ersten Ausführungsform liefert eine bessere Bearbeitungsgleichmäßigkeit über einen breiteren Temperaturenbereich und eine bessere Verfahrenswiederholgenauigkeit, weil die Wärmeübertragung vom Heizblock 516 und vom Wafer 506 an die Kaltkammerwände 502 minimiert wird. Gleichzeitig wird eine hohe Wärmeübertragungsrate von der Heizfläche 518 an den Wafer 506 erhalten. Die relativen Abstände zwischen dem Wafer 506 und der Heizfläche 518, der Heizfläche 518 und den Isolierwänden 530, den Isolierwänden 530 und den Kaltkammerwänden 502 sind zudem sorgfältig mit dem Verfahrensdruck ausgewogen, sodass bessere Gleichmäßigkeit und Wiederholgenauigkeit erhalten werden.
Wünschenswerterweise wird bei der ersten Ausführungsform eine hohe Wärmeübertragungsrate von der Heizfläche 518 an den Wafer 506 erzielt, sodass der Wafer schnell auf etwa die gleiche Temperatur wie die Heizfläche erhitzt wird. Dadurch bildet die Heizfläche eine stabile und wiederholgenaue Wärmequelle für den Wafer. Die Wafertemperatur lässt sich zudem unter Verwendung eines Thermoelementes abschätzen, das in der Heizfläche eingebettet ist. Einige herkömmliche Ansätze zur Verbesserung der Wärmeübertragung von einem Heizgerät an einen Wafer umfassen das Beabstanden des Wafers vom Heizgerät und die Bereitstellung von Gas, sodass Konvektionsströme zwischen Heizgerät und Wafer induziert werden. Bei der ersten Ausführungsform ist es aber auch wünschenswert, die Wärmeübertragung von den Rändern des Wafers und der Heizfläche an die Kaltkammerwände zu minimieren, damit Wafertemperaturungleichmäßigkeiten vermieden werden. In dieser Hinsicht sind Konvektionsströme eindeutig unerwünscht. Für eine bessere Energieeffizienz ist zudem wünschenswert, den Gesamtwärmeverlust aus der Kammer zu minimieren und trotzdem eine ausreichende Wärmeübertragungsrate an den Wafer bereitzustellen.
Es ist zudem wünschenswert, eine stabile Heizumgebung bereitzustellen, wobei die Heizfläche eine große thermisch wirksame Masse hat. Im Gegensatz zu herkömmlichen Diffusionsöfen sollte die thermische Umgebung durch Einbringen vergleichsweise kalter Wafer nicht in größerem Ausmaß gestört werden. Daher sollte zu Beginn ein hoher Wärmewiderstand zwischen dem Wafer und der Umgebung bestehen. Anschließend wird der Wärmewiderstand zwischen Heizfläche und Wafer wünschenswerterweise verringert, sodass eine im Wesentlichen gleichmäßige Erwärmung über die Waferoberfläche erfolgt. Gleichzeitig sollte an den Waferrändern und den Rändern der Heizfläche ein hoher Wärmewiderstand erhalten bleiben, damit scharfe Wärmegradienten und Temperaturungleichmäßigkeiten vermieden werden. Man hat zwar aktive Heizgeräte, Hitzeschilde und Isolierung an den Rändern von Wafern und Heizplatten eingesetzt, aber herkömmliche Ansätze sind oft nicht wünschenswert, weil die Wärmeübertragung über bestimmte Temperaturbereiche stark schwankt. Dies führt bei einigen Temperaturen zu Unterhitzung, bei anderen dagegen zu Überhitzung der Waferränder.
Die Abmessungen der Kammer, die Kammermaterialien und die Bearbeitungsparameter werden bei der ersten Ausführungsform so ausgewählt, dass die zahlreichen, mit herkömmlichen thermischen Bearbeitungsvorrichtungen einhergehenden Probleme vermieden werden. Insbesondere werden die in Tabelle 2 gezeigten Bedingungen bei der ersten Ausführungsform erfüllt, sodass die gewünschten thermischen Eigenschaften erhalten werden.
Bei der ersten Ausführungsform wird die Wärmeleitung vom Heizblock 516 zu den Kammerwänden 502 erheblich verringert, indem der Bearbeitungsdruck und die Abstände zwischen dem Heizblock und den umgebenden Kammerflächen eingestellt werden. Eine signifikante Wärmeleitung von der Heizfläche 518 zum Wafer 506 ist aber wünschenswert. Fig. 7 zeigt einen Teil der Kammer der Fig. 5 mit der Anordnung von Heizblock 516, Wafer 506 und Basis-Isolierwand 530c. L&sub1; ist der Abstand von der Heizfläche zum Wafer, L&sub2; der durchschnittliche Abstand vom Seitenrand des Heizblocks zur nächsten wärmeaufnehmenden Oberfläche in der Kammer (bei der ersten Ausführungsform die Basis- Isolierwand 530c). Zur Verringerung von Wärmeverlust durch Leitung am Heizblockrand und von Wärmeverlust durch natürliche Konvektion wird wünschenswerterweise L&sub2; vergrößert und der Druck verkleinert. Zum Erhitzen des Wafers 506 mittels Leitung wird jedoch wünschenswerterweise der Druck erhöht und L&sub1; verkleinert. In dem Ausmaß, in dem Gradienten am Rand des Heizblocks 516 bestehen, ist jedoch der Radius des Wafers Rw wünschenswerterweise kleiner als der durchschnittliche Abstand vom Waferzentrum zum Heizblockrand RH, sodass der Wafer von den Gradienten isoliert wird. Diese Faktoren werden bei der ersten Ausführungsform anhand der ersten Bedingung in Tabelle 2 ausbalanciert, wobei L&sub2; der durchschnittliche Abstand vom Heizblockrand zur nächsten wärmeaufnehmenden Kammeroberfläche, L&sub1; der Abstand zwischen dem Wafer und der Heizfläche, RW der Waferradius und RH der durchschnittliche Abstand vom Waferzentrum zum nächsten Rand des Heizblocks ist.
Wird diese Bedingung erfüllt, ist L&sub2; größer als L&sub1;. Dann gibt es einen höheren Wärmeleitungswiderstand zwischen dem Heizblock und den umgebenden Kammeroberflächen als zwischen der Heizfläche und dem Wafer. Bei höheren Drücken muss L&sub2; größer sein, weil der Wärmeverlust vom Heizblock durch Konvektion größer wird. Rw/RH kann aber in gewissem Ausmaß verringert werden, damit der Wafer von Wärmegradienten am Heizblockrand isoliert wird. Bei der ersten Ausführungsform beträgt L&sub2; etwa 3,2 mm (0,125 Zoll), und L&sub1; ist kleiner als 0,13 mm (0,005 Zoll) (bevorzugt befindet sich der Wafer 506 im Wesentlichen in Kontakt mit dem Heizblock 516). Somit ist L&sub2; viel größer als L&sub1; und L&sub2;/L&sub1; beträgt mindestens fünfundzwanzig (25). Rw ist etwa 100 mm (4 Zoll), RH mindestens 127 mm (5 Zoll) (der kleinste Radius vom Waferzentrum zum Rand der Heizplatte beträgt etwa 127 mm (5 Zoll), und wegen der länglichen Form des Heizblocks ist der durchschnittliche Radius RH größer). Daher beträgt RW/RH mindestens acht Zehntel (0,8). Gemäß der ersten in Tabelle 2 dargestellten Bedingung ist daher 25 Rw/RH kleiner als zwanzig (20), d. h. kleiner als das Verhältnis L&sub2;/L&sub1; (das größer als 25 ist). Ein sehr kleiner L&sub1; (kleiner als 0,25 mm (0,01 Zoll)) ist bei der ersten Ausführungsform bevorzugt, weil die obige Bedingung mit kleinerem L&sub2; und RH erfüllt werden kann. Daher lässt sich eine raumsparende Kammerbauweise einsetzen. Bei der raumsparenden Kammerbauweise der ersten Ausführungsform wird kontaktloses Erhitzen vermieden, sodass Temperaturungleichmäßigkeiten aufgrund von Wärmeverlusten durch Leitung vermieden werden. Bei der ersten Ausführungsform werden zwar die Wärmeverluste durch Leitung eingeschränkt, aber die Leitung spielt eine wichtige Rolle beim Erhitzen des Wafers.
Bei der ersten Ausführungsform wird dagegen die Wärmeübertragung durch Konvektion im Wesentlichen beseitigt, weil vertikale Kamineffekte entlang der Heizblockränder ansonsten inakzeptable Wärmegradienten erzeugen. Weil die Konvektion im Wesentlichen beseitigt wird, steigt zudem die Energieeffizienz der Kammer stark an. Da sich der Wafer vorzugsweise sehr nahe bei der Heizfläche befindet, spielt Konvektion zudem keine größere Rolle für das Erhitzen des Wafers. Die Beseitigung von Wärmeverlusten durch Konvektion verbessert daher die Effizienz des Systems, verschlechtert aber das Erhitzen des Wafers nicht wesentlich. Bei der ersten Ausführungsform wird Wärmeübertragung durch Konvektion im Wesentlichen durch Senken des Bearbeitungsdrucks beseitigt. Beim Absenken des Drucks von Atmosphärendruck verringert sich die Wärmeübertragung durch Konvektion. An einem Punkt wird die Wärmeübertragung durch Konvektion im Wesentlichen beseitigt. Eine weitere Druckreduktion vermindert die Wärmeübertragung nicht mehr wesentlich (wenn der Druck nicht auf einen sehr kleinen Wert im Bereich verdünnter Gase gesenkt wird, wodurch die Wärmeleitung verringert wird). Bei der ersten Ausführungsform wird der Druck unter dem Wert gehalten, an dem die Wärmeübertragung durch Konvektion im Wesentlichen beseitigt ist. Vorzugsweise ist der Druck kleiner als 10, 67 kPa (80 Torr), wobei Drücke von 6,67 kPa (50 Torr), 1,33 kPa (10 Torr) und 0,26 kPa (2 Torr) in der Regel bei der Bearbeitung verwendet werden, wie weiter unten beschrieben.
Bei sehr kleinen Drücken wird die Wärmeübertragung weiter verringert. Bei der ersten Ausführungsform verringert dieses Phänomen die Wärmeübertragung zwischen der Heizplatte und dem Wafer bei Drücken unter etwa 1,33 kPa (10 Torr). Man nimmt an, das dieses Phänomen auf den Wärmeleitungseigenschaften eines Gases zwischen zwei nahe beabstandeten Oberflächen beruht, wobei der mittlere freie Weg der Moleküle im Gas (für verdünnte Gase) ungefähr dem Abstand zwischen den Oberflächen entspricht. Bei sehr kleinen Drücken (wenn der mittlere freie Weg am größten ist) und kleinen Abständen muss die Gleichung für die Wärmeleitung (siehe Tabelle 1) wahrscheinlich modifiziert werden und gibt dann wieder, dass der mittlere freie Weg der Moleküle im Gas durch die nahe beabstandeten Oberflächen eingeschränkt wird.
Wahrscheinlich muss die erste Gleichung in Tabelle 1 so modifiziert werden, dass sie die Schwankungen in der Heizrate bei kleinen Drücken erklärt, wenn die Oberflächen nahe beabstandet sind. Insbesondere muss wahrscheinlich der effektive Abstand Leff für den geometrischen Abstand L zwischen den Oberflächen (in diesem Fall der Abstand zwischen dem Wafer und der Heizfläche) eingesetzt werden. Der effektive Abstand Leff ist gleich dem geometrischen Abstand L plus zweimal der mittlere freie Weg der Moleküle im Gas, 2λ. Da die Wärmeleitung umgekehrt proportional zu Lett ist, kann eine Veränderung des mittleren freien Wegs durch Druckänderung die Heizrate mittels Leitung drastisch verändern, wenn der mittlere freie Weg im Verhältnis zum geometrischen Abstand L signifikant ist. Dies tritt bei kleinen Drücken (gewöhnlich unter 6,67 kPa (50 Torr) und unter 1,33 kPa (10 Torr) bei der ersten Ausführungsform) auf, wenn sich der Wafer in der Nähe (und vorzugsweise in Kontakt mit) der Heizfläche befindet.
Daher werden Leitung und Konvektion bei der ersten Ausführungsform durch Verringerung des Kammerdrucks vermindert. Vorzugsweise machen Leitung und Konvektion weniger als zwanzig Prozent (20%) der Wärmeübertragung vom Heizblock zu den Isolierwänden aus. Die Wirkung des Drucks auf die Wärmeübertragung lässt sich anhand eines Modells der Wärmeübertragung zwischen zwei parallelen Oberflächen veranschaulichen. Die erste Oberfläche soll ein Graphitblock bei sechshundert Grad Celsius (600ºC) oder achthundert Grad Celsius (800ºC) sein, die zweite Oberfläche eine leitende Wand mit fünfzig Grad Celsius (50ºC). Die Materialeigenschaften und Abmessungen werden konstant gehalten. Wärmeübertragung durch Strahlung, Konvektion und Leitung werden bei verschiedenen Drücken bestimmt. Selbstverständlich ist dieses Beispiel nur veranschaulichend für die Wirkungen des Drucks auf die Wärmeübertragung und kein Beispiel für eine tatsächliche Wärmeübertragung bei der ersten Ausführungsform. Fig. 8 zeigt in tabellarischer Form die bestimmten prozentualen Anteile der Wärmeübertragung mittels Strahlung, Konvektion und Leitung bei Drücken von 0,26 kPa (2 Torr), 26, 66 kPa (200 Torr) und 101, 3 kPa (760 Torr) bei Graphitblocktemperaturen von sechshundert Grad Celsius (600ºC) und achthundert Grad Celsius (800ºC). Zudem gezeigt sind der gesamte bestimmte Wärmefluss und die Biot-Zahl. Diese entspricht (hL)/k, wobei h der Koeffizient der Wärmeübertragung durch Konvektion (der mit höherem Druck kleiner wird), L die Dicke des Graphitblocks und k die Wärmeleitfähigkeit des Blocks ist. Eine kleine Biot-Zahl deutet auf eine gute Temperaturgleichmäßigkeit im gesamten Block. Also liefert ein wärmeleitender Block bei kleinem Druck die gleichmäßigste Wärmequelle. Damit die Wafer gleichmäßig erhitzt werden, wird daher wünschenswerterweise der Druck bei der ersten Ausführungsform so weit gesenkt, dass noch ein ausreichender Wärmestrom zum Wafer erhalten bleibt. Siehe Fig. 9: Das Diagramm zeigt den Druck, bei dem bestimmt wurde, dass Leitung und Konvektion weniger als zwanzig Prozent (20%) der Wärmeübertragung ausmachen. Bei der ersten Ausführungsform wird der Druck im Heizraum während der Bearbeitung vorzugsweise unter dem Druck gehalten, der durch die Linie 902 in Fig. 9 angegeben ist.
Dadurch ist bei der ersten Ausführungsform Strahlung die hauptsächliche Art der Wärmeübertragung zu den Isolierwänden. Wärmestrahlung vom Heizblock zu den Isolierwänden ist proportional zur Temperatur des Heizblocks in der vierten Potenz TH&sup4; minus der Temperatur der Isolierwände in der vierten Potenz Ti&sup4;. Aufgrund der exponentiellen Temperaturabhängigkeit ist es wünschenswert, die durchschnittliche Temperaturdifferenz ΔTAV zwischen dem Heizblock und den die Strahlung aufnehmenden Kammeroberflächen (in diesem Fall die Isolierwände) zu verringern. Siehe die zweite Bedingung in Tabelle 2; ΔTAV wird wünschenswerterweise auf weniger als die Hälfte der durchschnittlichen Temperatur des Heizblocks (TH/2) beschränkt, damit Verluste durch Strahlung und mögliche induzierte Wärmegradienten eingeschränkt werden. Allgemeiner lässt sich ΔTAV definieren als die durchschnittliche Temperatur einer Heizfläche, die zum Erhitzen eines Wafers vwendet wird, minus der durchschnittlichen Temperatur der kälteren Kammeroberflächen, welche die Strahlung von der Heizfläche aufnehmen. ΔTAV lässt sich experimentell unter Verwendung von Thermoelementen messen, die die Temperaturen über die Heizfläche und die strahlungsaufnehmenden Oberflächen messen.
Die zweite Bedingung in Tabelle 2 wird bei der ersten Ausführungsform dadurch erfüllt, dass im Wesentlichen nicht leitende Isolierwände mit kleiner Wärmeleitfähigkeit verwendet werden, die sämtliche direkte Strahlung vom Heizblock (über mehr als 90% der Heizfläche des Heizblocks) blockieren. Gewöhnlich muss die Strahlung von den Isolierwänden 530a-d absorbiert, durch diese hindurch geleitet und durch die Isolierkammer 534 abgestrahlt werden, damit sie die Kaltkammerwände 502 erreicht. Zudem werden bei der ersten Ausführungsform der Heizraum 528 und die Isolierkammer 534 bei kleinem Druck gehalten (unter 13,33 kPa (100 Torr) und gewöhnlich unter 2, 67 kPa (20 Torr) Also muss die Wärme vom Heizblock 516 durch einen ersten Vakuumbereich (d. h. den Heizraum 528) zu den Isolierwänden 530a-d übertragen werden. Die Wärme muss dann durch die Isolierwände 530a-d geleitet werden, deren Wärmeleitfähigkeit klein ist (bevorzugt kleiner als 5 W/cmK). Dann muss die Wärme durch einen zweiten Vakuumbereich (d. h. die Isolierkammer 534) übertragen werden, damit sie die Kaltkammerwände 502 erreicht. Diese Doppelvakuumisolation ermöglicht es, die Isolierwände 530a-d am Temperaturgleichgewicht bei einer durchschnittlichen Temperatur von mehr als der Hälfte der durchschnittlichen Heizblocktemperatur zu halten, obwohl eine, kalte äußere Kammerwand verwendet wird. Dies verringert die Rate der Wärmeübertragung durch Strahlung vom Heizblock (und vom Wafer) an die Isolierwände, die ansonsten inakzeptable Temperaturungleichmäßigkeiten verursachen kann.
Fig. 10A ist ein eindimensionales Modell der Wärmeübertragung, das die Wärmeübertragung bei der ersten Ausführungsform vom Heizblock 516 durch einen Teil des Heizraums 528 an den Wafer 506, vom Wafer 506 durch den übrigen Heizraum 528 an die obere Isolierwand 530a, durch die Isolierwand 530a, durch die Isolierkammer 534 an die Kammerwand 502 zeigt. Für dieses Beispiel wird angenommen, dass der Heizblock achthundert Grad Celsius (800ºC) und die Kammerwand fünfzig Grad Celsius (50ºC) hat. Das Gas in der Kammer ist Stickstoff bei 1,33 kPa (10 Torr). Das spezifische Emissionsvermögen des Heizblocks beträgt etwa acht Zehntel (0,8), das spezifische Emissionsvermögen des Wafers etwa neunundsechzig Hundertstel (0,69), das spezifische Emissionsvermögen der oberen Isolierwand etwa fünf Hundertstel (0,05) und das spezifische Emissionsvermögen der Aluminiumkammerwände etwa fünfundzwanzig Hundertstel (0,25). Der Wafer ist 0,89 mm (0,035 Zoll) dick, die obere Isolierwand 9,53 mm (0,35 Zoll) dick. Die Isolierwand hat eine Wärmeleitfähigkeit von dreieinhalb Watt pro Zentimeter Kelvin (3,5 W/cmK)
Fig. 10B zeigt eine thermische "Ersatzschaltung" für das Wärmeübertragungsmodell, wobei die Wärmewiderstände als Widerstände dargestellt sind. Die Figur zeigt, dass parallele Pfade von Leitung/Konvektion, Rcon/conv, sowie Strahlung, Krad, eine Wärmeübertragung von der Heizfläche zum Wafer, vom Wafer zur Isolierwand und von der Isolierwand zur Kammerwand ermöglichen. Die Wärmeübertragung durch die Isolierwand 530a erfolgt nur durch Leitung. Die zuvor beschriebenen Gleichungen für Leitung, Konvektion und Strahlung können zur Bestimmung der theoretischen Wärmeübertragung durch die vier Bereiche (Block-Wafer, Wafer- Isolierwand, durch die Isolierwand und Isolierwand- Kammerwände) verwendet werden, wobei die Temperaturen des Wafers Tw, der unteren Oberfläche der Isolierwände TL und der oberen Oberfläche der Isolierwände TU sowie der Wärmefluss unbekannt sind. Dies führt zu vier Gleichungen mit vier Unbekannten, die mit im Fachgebiet bekannten Techniken gelöst werden können.
Fig. 10C zeigt in tabellarischer Form die Temperaturen, die unter Verwendung des obigen Wärmeübertragungsmodells für gegebene Abstände zwischen Heizblock und Wafer bei gegebener Heizflächentemperatur (800ºC) und gegebenem Druck (1,33 kPa (10 Torr)) berechnet wurden. Siehe Fig. 10C: Die durchschnittliche Temperatur der oberen Isolierwand wird bei einer durchschnittlichen Temperatur über sechshundert Grad Celsius (600ºC) gehalten, wobei die durchschnittliche Heizflächentemperatur TH achthundert Grad Celsius (800ºC) beträgt. Daher beträgt ΔTAV weniger als zweihundert Grad Celsius (200ºC), sodass die zweite Bedingung in Tabelle 2 leicht erfüllt wird. Dies führt zu einer starken Verringerung der Wärmeverluste durch Strahlung (etwa um den Faktor zwei oder drei) verglichen mit den Wärmeverlusten durch Strahlung ohne Isolierwand.
Aus Fig. 10C ist zudem ersichtlich, dass die Wafertemperatur Tw sehr ähnlich der Temperatur der Heizfläche ist, wenn sich der Wafer in der Nähe der Heizfläche befindet. Dies deutet auf einen kleinen Wärmeleitungswiderstand für kleine Abstände. Wie oben anhand der ersten Bedingung in Tabelle 2 beschrieben, ist dies bei der ersten Ausführungsform gewünscht. Der Wafer wird bei der Bearbeitung bevorzugt im Wesentlichen in Kontakt mit der Heizfläche gebracht. Die Wafertemperatur TW nimmt bei 1,33 kPa (10 Torr) schnell ab, wenn der Wafer von der Heizfläche weg bewegt wird, siehe Fig. 100. Der Grund dafür ist der hohe Leitungswiderstand über den Abstand bei kleinem Vakuumdruck. Somit sollte der Abstand entsprechend beschränkt werden, damit die gewünschte Wafertemperatur erzielt wird.
Die Basis-Isolierwand 530c ist näher am Heizblock als die im Wärmeübertragungsmodell der Fig. 10 verwendete obere Isolationswand. Daher wird die Basis-Isolierwand 530c heißer als die obere Isolierwand 530a, und Strahlung von den Rändern der Heizfläche wird weiter verringert. Dies ist wünschenswert, weil Verluste durch Strahlung von den Rändern der Heizfläche zu unerwünschten seitlichen Wärmegradienten führen kann. Damit Wärmegradienten durch übermäßige Randstrahlung vermieden werden, wird vorzugsweise die dritte Bedingung in Tabelle 2 erfüllt, wobei TRand die durchschnittliche Temperatur der Kammeroberflächen ist, die direkte Strahlung vom Eckenrand der Heizfläche (siehe 702 in Fig. 7) empfangen. TH ist die durchschnittliche Temperatur der Heizfläche. Wie die dritte Bedingung anzeigt, hat die durchschnittliche Temperatur TRand aller Kammeroberflächen, die direkte Strahlung vom Eckenrand 702 empfangen, verglichen mit der Heizfläche am Temperaturgleichgewicht eine relativ hohe Temperatur. In dem Ausmaß, in dem signifikante Randverluste durch Strahlung auftreten, wird die Heizfläche 518 zur Kompensation wünschenswerterweise von den Waferrändern radiär nach außen verlängert (d. h. RH/RW wird erhöht). Die dritte Bedingung in Tabelle 2 wird bei der ersten Ausführungsform erfüllt, weil im Wesentlichen sämtliche direkte Strahlung vom Eckenrand 702 der Heizfläche durch die nahe beabstandete Basis-Isolierwand 530c unterbrochen wird. Im Gegensatz zu Vielen herkömmlichen Systemen gibt es keinen direkten Strahlungsweg vom Heizblockrand zu den Kaltkammerwänden oder anderen Kammeroberflächen mit Temperaturen unter der Hälfte der durchschnittlichen Heizblocktemperatur.
Bei der ersten Ausführungsform werden alle Bedingungen in Tabelle 2 erfüllt, und der Druck wird auf sehr kleine Werte gesenkt. Dies liefert eine sehr energieeffiziente Kammer und ermöglicht die Verwendung einer raumsparenden Bauweise. Zudem kann ein hohes Maß an Wafertemperaturgleichmäßigkeit über ein Spektrum an Temperaturen erzielt werden, obwohl sich die Kaltkammerwände vergleichsweise nahe bei den Rändern von Heizblock und Wafer befinden.
Die Gleichmäßigkeit spiegelt sich in den Ergebnissen des Titansilizidglühens wieder, das in der thermischen Bearbeitungskammer nach der ersten Ausführungsform durchgeführt wird. Titan wird auf einen zweihundert-Millimeter- (200-mm-) Wafer abgeschieden. Die Gleichmäßigkeit wird auf einem Kartierungssystem für den spezifischen Widerstand unter Verwendung Von 121 Messpunkten gemessen. Vor dem Glühen zeigt die Widerstandsgleichmäßigkeit der Waferschicht eine Standardabweichung von 1,81 Prozent. Der Mittelwert beträgt 11,69 Ohm/Quadrat, das Minimum ist 11,23 Ohm/Quadrat und das Maximum 12, 12 Ohm/Quadrat. Der Wafer wird dann in der thermischen Bearbeitungskammer untergebracht. Ein erster Glühschritt erfolgt bei etwa 660ºC. Nach dem Glühen zeigt die Widerstandsgleichmäßigkeit der Waferschicht eine Standardabweichung von 1,755 Prozent. Der Mittelwert beträgt 7,821 Ohm/Quadrat, das Minimum ist 7,511 Ohm/Quadrat und das Maximum 8,097 Ohm/Quadrat. Fig. 11 zeigt die Karten der Widerstandsgleichmäßigkeit der Waferschicht vor und nach dem Glühen. Überraschenderweise wird die Gleichmäßigkeit durch das Glühen etwas verbessert. Dieses Ergebnis wird ohne Rotation erzielt. Es ist ersichtlich, dass die Gleichmäßigkeit besser ist als gewöhnlich für Lampensysteme beschrieben, obwohl diese Systeme oft Dutzende von Lampen verwenden, die in mehreren, unabhängig regulierbaren Heizzonen angeordnet sind, und einige Systeme den Wafer drehen, damit die Gleichmäßigkeit erhöht wird. Dagegen verwendet die thermische Bearbeitungsvorrichtung der ersten Ausführungsform ein Ein-Zonen- Heizgerät zur gleichzeitigen Bearbeitung von zwei Wafern, erfordert keine Rotation, kann mit einem Thermoelement reguliert werden, das vom Emissionsvermögen unabhängig und in den Heizblock eingebettet ist, und hat eine äußerst raumsparende und kostengünstige Bauweise. Zudem verbraucht die Kammer der ersten Ausführungsform viel weniger Strom als moderne Lampen-RTP-Systeme.
Der Heizblock lässt sich zudem kontinuierlich bei höherer Temperatur halten, und das AspenTM-System oder ein ähnliches Waferbearbeitungssystem kann zum Einbringen und Entnehmen von zwei Wafern gleichzeitig bei im Wesentlichen kontinuierlicher Bearbeitung eingesetzt werden. Für das Titansilizidglühen lässt sich ein Durchsatz von etwa neunzig (90) Wafern erreichen, was deutlich über dem Durchsatz liegt, der für sämtliche dem Anmelder bekannte Lampensysteme berichtet wird. Ein Durchsatz von bis zu einhundertzwanzig (120) Wafern pro Stunden wird erwartet.
Zum gleichmäßigen Bearbeiten von zwei Wafern gleichzeitig lässt sich zudem ein einzelnes siliziumcarbidbeschichtetes Graphitheizgerät einsetzen, das an eine einzelne Stromquelle angeschlossen ist. Dies ist von Vorteil, weil Graphitheizgeräte teuer sind und beim Anschließen beschädigt werden können.
Fig. 12 ist eine Aufsicht von oben auf den siliziumcarbidbeschichteten Graphitheizwiderstand 520, der bei der ersten Ausführungsform eingesetzt wird. Der Heizwiderstand stellt einen einzelnen leitenden Pfad zwischen dem Stromeintragspol 1202a und dem Stromabgabepol 1202b bereit. Der leitende Pfad windet sich vor und zurück und bildet ein Heizgerät mit gebogenen Rändern 1204a und 1204b auf zwei Seiten. Die gebogenen Ränder beschreiben halbkreisförmige Bereiche, die etwas größer sind als die Hälfte eines Wafers. Der leitende Pfad beschreibt zudem einen rechteckigen Heizbereich zwischen den zwei halbkreisförmigen Bereichen, sodass das Graphitheizgerät zum Erhitzen von zwei Wafern gleichzeitig verwendet werden kann. Aufgrund der ovalen Form des Heizwiderstandes muss der Strom des Heizgerätes entlang dem leitenden Pfad verändert werden, damit gleichmäßig erhitzt wird. Insbesondere liefern die beiden äußeren Windungen des leitenden Pfads entlang dem Halbkreisumfang (zwischen den gestrichelten Linien 1206, siehe Fig. 12) einen höheren Widerstand und verbrauchen daher mehr Energie als das übrige Heizgerät. Bei der ersten Ausführungsform hat zwar der Großteil des leitenden Pfades eine Dicke von etwa 6,35 mm (0, 25 Zoll), diese Bereiche haben aber eine Dicke von 3,2 mm (0,125 Zoll), wie im Querschnitt der Fig. 5 zu sehen ist. Da die Querschnittsfläche des leitenden Pfades nur halb so groß ist, verdoppelt sich der Widerstand etwa. Die Querschnittsfläche (und daher der Strom) des leitenden Pfades kann natürlich im gesamten Heizgerät auf viele Werte verändert werden, damit bessere Wafertemperaturgleichmäßigkeit erhalten wird. Durch Variieren des Stroms, der an verschiedene Bereiche des Heizgeräts abgegeben wird, können nicht-kreisförmige Heizgerätformen eingesetzt werden, die mehrere Wafer aufnehmen. Z. B. lässt sich eine Kleeblattbauweise mit einem höheren Widerstand entlang ihrem Umfang zur gleichzeitigen Bearbeitung von vier Wafern mit annehmbarer Gleichmäßigkeit einsetzen. Der Stromverbrauch kann über das Heizgerät variiert werden. Zum Teil aufgrund der thermischen Bedingungen, die bei der ersten Ausführungsform erfüllt werden, kann aber wahrscheinlich mit einem Ein-Zonen-Heizgerät (d. h. mit einer einzigen Stromregulation) eine annehmbare Gleichmäßigkeit über einen breiten Bereich von Bearbeitungstemperaturen erzielt werden.
Siehe Fig. 12: Es lassen sich im Heizwiderstand Löcher herstellen, damit Vorrichtungen durch das Heizgerät verlaufen können. Beispielsweise kann ein zentrales Loch 1208 gebildet werden, sodass eine Haltevorrichtung durch das Heizgerät verlaufen und den Heizblock halten kann. Vorzugsweise umfassen Haltevorrichtungen ein isolierendes Material, wie opakes Quarz, und befinden sich im Zentrum der Kammer, sodass sie das Erhitzen der Wafer nicht stören. Zudem lassen sich unter jeder Wafertasche Löcher 1210 bereitstellen, sodass die Stifte den Wafer erreichen können. Ein entsprechendes Loch für jeden Stift befindet sich auch im. Heizblock. Bei der ersten Ausführungsform gibt es drei Stifte zum Anheben und Senken jedes Wafers. Zudem können die Löcher 1212 bereitgestellt werden, sodass Thermoelemente in den Heizblock eingesetzt werden können.
Im Heizgerät können zudem die Löcher 1214 mit entsprechenden Löchern im Heizblock gebildet werden, sodass ein optischer Sensor oder ein Thermoelement die Strahlung von der hinteren Waferoberfläche zum Messen und Regulieren der Temperatur auffangen kann. Durch Einbringen des optischen Sensors durch das Loch lässt sich Fremdstrahlung in der Kammer blockieren und eine Störung des optischen Sensors vermeiden. Zudem kann das Loch im Heizblock so gestaltet werden, dass eine wirksame schwarze-Körper- Aussparung gebildet wird, welche die Abhängigkeit der Temperaturmessung vom spezifischen Emissionsvermögen des Wafers im Wesentlichen verringert. Siehe die gleichzeitig anhängige U.S.-Patentanmeldung 08/451 789 mit dem Titel "Semiconductor Substrate Processing System and Method Providing Shielded Optical Pyrometry", eingereicht am 26. Mai 1995 unter den Namen Kristian E. Johnsgard und James McDiarmid und wie vermerkt abgetreten an den Rechtsnachfolger der Erfindung, deren gesamte Offenbarung hier durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Der Heizwiderstand in Fig. 12 hat zwar vorteilhafte thermische Eigenschaften, umfasst aber vorzugsweise siliziumcarbidbeschichtetes Graphit und ist vergleichsweise brüchig und teuer. Das Heizgerät wird vor allem leicht durch Scherbeanspruchung beim Montieren beschädigt. Zur Verringerung des Beschädigungsrisikos wird bei der ersten Ausführungsform der Heizgerätmontiermechanismus verwendet, der in Fig. 5 bei 524 dargestellt ist. Siehe Fig. 5: Das Heizgerät ragt horizontal durch einen Spalt in der Kammerwand in die Heizgerätmontierkammer 542. Siehe Fig. 12: Die Ende n des leitenden Graphitpfades, der das Heizgerät bildet, verlaufen horizontal und können daher in die Heizgerätmontierkammer 542 eingebracht werden. Die Enden liefern Pole 1202a und 1202b, die an eine Stromquelle angeschlossen werden können.
Der Heizgerätmontiermechanismus ist zudem eingehend in den Fig. 13A und 13B gezeigt. Siehe Fig. 13A: Die Enden des Graphitheizgerätes bilden ein vertikales Verbindungselement 1302, das an einem Block 1304 aus elektrisch leitendem Material montiert wird. Bei der ersten Ausführungsform besteht der Block 1304 aus silberbeschlagenem Kupfer. Der Silberbeschlag dient der Passivierung des reaktiven Kupfers und der Verstärkung der elektrischen Leitfähigkeit zwischen dem Block 1304 und dem Heizgerät. Das vertikale Verbindungselement 1302 wird am leitenden Block 1304 unter Verwendung von drei Bolzen oder Klammern 1306 und einer Basisplatte 1307 aus einem feuerfesten Material, wie Monel, montiert. Der Teil des Heizgeräts, der mit dem leitenden Block 1304 in Kontakt steht, besteht aus unbeschichtetem Graphit; wodurch eine bessere elektrische Leitung vom Block zum Heizgerät erhalten wird.
Zwischen dem leitenden Block und dem Heizgerät wird zudem ein verformbares leitendes Material 1308a untergebracht, beispielsweise reine Silberfolie oder dgl. Ein verformbares leitendes Material 1308b kann auch zwischen die Basisplatte 1307 und das Heizgerät eingebracht werden. Wird das Heizgerät angeklemmt, passt sich das verformbare leitende Material an die Oberflächen der Heizgerätberührungsfläche an und füllt Mikrovertiefungen aus. Dies verhindert Mikroüberschläge und liefert eine bessere und dauerhaftere elektrische Verbindung. Dies ist ein Vorteil gegenüber vielen herkömmlichen Graphitheizgeräten, die oft eine schlechte elektrische Verbindung aufweisen.
Das Heizgerät 520 ist zudem bevorzugt über die gesamte Fläche unbeschichtet, die mit dem Heizblock 1304, den Bolzen 1306 und der Basisplatte 1307 in Kontakt tritt. Bei herkömmlichen Graphitheizgeräten liegt oft an einer Oberfläche Graphit frei vor, damit eine mögliche Kontamination minimiert wird, andere Montieroberflächen sind dagegen direkt gegen eine Siliziumcarbidbeschichtung angeklemmt. Diese kann dadurch Risse bekommen, was zu Überschlägen führen und die Eigenschaften der elektrischen Verbindung mit der Zeit verändern kann. Dies verringert die Verfahrenswiederholgenauigkeit und bewirkt in einigen Fällen das Versagen des Heizgerätes. Zur Beseitigung dieser Probleme ist das Heizgerät bei der ersten Ausführungsform an jeder angeklemmten Oberfläche unbeschichtet. Da nach dem Anklemmen die freiliegenden Graphitoberflächen durch den Montiermechanismus bedeckt werden, erfolgt keine Kontamination. Die Möglichkeit einer Kontamination wird weiter verringert, indem die freiliegenden Graphitoberflächen in der separaten Heizgerätmontierkammer isoliert werden. So wird ein besserer elektrischer Kontakt dadurch erzielt, dass der leitende Block und die Basisplatte gegen freiliegende Graphitoberflächen montiert werden. Wie oben beschrieben, kann zudem ein verformbares leitendes Material gegen die freiliegenden Graphitoberflächen geklemmt werden, sodass die elektrische Verbindung weiter verbessert wird.
Die Bolzen 1306 verwenden eine Druck- (anstelle einer Scher-) kraft zum Zusammenhalten des Graphitheizgeräts 520 und des leitendem Blocks 1304. Diese Druckkraft beschädigt das Heizgerät sogar dann nicht, wenn sich Bolzen und Heizgerät beim Erhitzen ausdehnen. Scherbeanspruchung kann jedoch das Heizgerät beschädigen, wenn an die Bolzen ein Drehmoment angelegt wird. Damit eine Beschädigung des Heizgeräts durch Scherbeanspruchung verhindert wird, bringt man durch den leitenden Block 1304 einen Keramikmontierstab 1310 ein, der an einem festen Träger befestigt wird, z. B. an der Wand der Montierkammer. Der Montierstab 1310 wird durch Löcher gebildet, die sich mit Löchern im leitenden Block und im Heizgerät decken. Die Bolzen 1306 werden durch die Löcher eingebracht. Zum Festklemmen des Heizgeräts 520 am leitenden Block 1306 wird ein Drehmoment an die Bolzen angelegt. Der Montierstab 1310 verläuft schräg zu den Bolzen. So wird verhindert, dass das an die Bolzen angelegte Drehmoment durch den leitenden Block 1304 wandert und das Heizgerät 520 beschädigt.
Der Montierstab 1310 verhindert, dass ein Drehmoment auf das Heizgerät ausgeübt wird. Der Stab wird vorzugsweise so befestigt, dass er sich um seine Mittelachse drehen kann. Dadurch kann der leitende Block 1304 wie nötig geschwenkt oder gedreht werden, damit ohne Scherbeanspruchung ein guter Kontakt mit dem Heizgerät 520 aufrechterhalten wird. Damit sich der leitende Block drehen kann, wird mit einer flexiblen leitenden Schicht 1312, bevorzugt silberbeschlagenem Kupfer, Strom an den leitenden Block geliefert. Die leitende Schicht 1312 wird an einem Ende mit dem leitenden Block 1304 und am anderen Ende mit einem Stromeintragsstab 1314a oder einem Stromabgabestab 1314b verbunden, siehe Fig. 13A und 13B. Die leitende Schicht 1312 biegt sich, damit sich der leitende Block 1304 drehen und eben mit dem vertikalen Verbindungselement 1302 abschließen kann, wodurch die Scherbeanspruchung minimiert wird.
Man beachte, dass der durch den Montiermechanismus bereitgestellte elektrische Pfad für den Stromeintrag und die Stromabgabe relativ breit ist und einen kleineren Widerstand hat als der leitende Pfad, der zur Widerstandserhitzung des Heizgeräts verwendet wird. Dadurch wird unerwünschtes Erhitzen in der Heizgerätmontierkammer 542 verhindert und zudem die Wärmeausdehnung des Heizgeräts in der Heizgerätmontierkammer verringert.
Der Montiermechanismus ermöglicht zudem eine nahe Beabstandung des Heizgerätes zur Heizplatte 516, damit die Scherbeanspruchung des Heizwiderstandes 520 verringert wird. Da das Heizgerät von der Seite montiert wird, dehnt es sich beim Erhitzen eher horizontal als vertikal aus. Die in Fig. 5 bei 522 dargestellten Heizgeräthaltestifte sind nicht am Heizblock 516 oder an der unteren Isolierwand 530d fixiert, sodass sich das Heizgerät beim Erhitzen horizontal ausdehnen kann. Weil kein vertikaler Befestigungsarm verwendet wird, dehnt sich das Heizgerät nicht sehr in vertikaler Richtung aus. Dadurch kann das Heizgerät zum Heizblock nahe beabstandet werden, wodurch das Erhitzen verbessert und die Kammergröße reduziert werden kann.
Der Heizwiderstand 520 und der Heizblock 516 bilden zusammen ein Wärmequelle mit stabiler, großer thermisch wirksamer Masse für die Waferbearbeitung. Dies stellt ein gleichmäßiges und wiederholgenaues Verfahren bereit. Bei der ersten Ausführungsform lässt sich aber die Waferheizrate nicht gut schnell regulieren, damit gewünschte Bearbeitungstemperaturprofile erhalten werden. Aufgrund der großen thermisch wirksamen Masse des Heizblocks kann man zum Regulieren der Heizrate den Block nicht schnell erhitzen und abkühlen. Die Heizrate wird dagegen durch Verändern des Wärmeleitungswiderstands zwischen der Heizfläche 518 und dem Wafer 506 reguliert.
Ein Ansatz zum Verändern der Heizrate ist die Veränderung des Abstands zwischen dem Wafer 506 und der Heizfläche 518. Zu Beginn kann der Wafer auf der Heizfläche untergebracht werden. Bei Erreichen der gewünschten Bearbeitungstemperatur kann der Wafer von der Heizfläche 518 weg bewegt werden, sodass die Temperatur vergleichsweise konstant gehalten wird. Wie oben beschrieben, ist es jedoch wünschenswert, den Wafer auf oder sehr nahe bei der Heizfläche zu erhitzen, damit das gewünschte Ausmaß an Gleichmäßigkeit bei raumsparender Kammerbauweise erhalten wird. Bei kontaktlosem Erhitzen wird zudem ein optischer Sensor oder ein Thermoelement, die durch ein Loch in den Heizblock eingesetzt worden sind, nicht mehr vollständig durch den Wafer bedeckt. Dadurch kann Strahlung vom Heizraum die optische Pyrometrie stören. Wird zudem die Temperatur mit einem Thermoelement im Heizblock gemessen, ist sie möglicherweise beim kontaktlosen Erhitzen nicht repräsentativ für die tatsächliche Wafertemperatur.
Bei der ersten Ausführungsform wird daher der Wärmewiderstand zwischen Wafer und Heizblock vorzugsweise mit anderen Techniken verändert. Bei der ersten Ausführungsform wird der Ansatz verwendet, den Wafer sehr nahe bei oder in Kontakt mit dem Heizblock unterzubringen und dann den Kammerdruck in einem Bereich von kleinen Drücken von gewöhnlich unter 5,67 kPa (50 Torr) zu variieren. Diese Technik hat man verwendet, um die Heizrate mit einer kleinen Druckänderung in einem breiten Rahmen zu verändern. Wie oben beschrieben, kann die Veränderung des mittleren freien Weges durch Druckänderung die Heizrate mittels Leitung drastisch verändern, wenn der mittlere freie Weg im Verhältnis zum geometrischen Abstand zwischen dem Wafer und der Heizfläche signifikant ist (in System verdünnte Gase).
Siehe Fig. 14A: Das Diagramm zeigt die Temperaturprofile eines Wafers, der bei 6, 67 kPa (50 Torr) und 0, 26 kPa (2 Torr) in einer thermischen Bearbeitungsvorrichtung nach der ersten Ausführungsform erhitzt wurde. Die vertikale Achse zeigt die Temperatur in Grad Celsius, die horizontale Achse die Zeit in Sekunden, gemessen von dem Zeitpunkt, an dem ein Wafer in die Kammer eingebracht wird. Die Temperatur des Heizblocks beträgt etwa sechshundertsechzig Grad Celsius (660ºC). Die gewünschte Waferbearbeitungstemperatur beträgt sechshundertfünfzig Grad Celsius (650ºC). Die Stifte 510 werden gesenkt, und der Wafer 506 wird etwa fünfzehn (15) Sekunden, nachdem er anfänglich in die Kammer eingebracht worden ist, auf der Heizfläche 518 untergebracht. Wegen der hohen Transmission eines Siliziumwafers bei niedrigen Temperaturen und des Wärmewiderstands bei Vakuumdruck wird der Wafer nicht schnell erhitzt, bis die Stifte gesenkt werden. Die durchgezogene Linie 1402 in Fig. 14A zeigt die Temperatur des Wafers mit der Zeit bei einem Druck von 0,26 kPa (2 Torr), die gestrichelte Linie 1404 zeigt die Temperatur des Wafers mit der Zeit bei einem Druck von 6,67 kPa (50 Torr). Die Temperaturen werden unter Verwendung von optischer Pyrometrie mit einem optischen Sensor gemessen, der durch ein Loch mit Heizblock eingebracht wird und die Rückseite des Wafers überwacht. Siehe Fig. 14A: Die anfängliche Heizrate bei 6, 67 kPa (50 Torr) (siehe die Steigung der gestrichelten Linie 1404) ist signifikant höher als bei 0,26 kPa (2 Torr) (siehe die Steigung der durchgezogenen Linie 1402).
Siehe Fig. 14B: Das Diagramm zeigt die Wafertemperatur mit der Zeit, wobei der Wafer etwa fünfzehn (15) Sekunden bei 6,67 kPa (50 Torr) und dann für das restliche Verfahren bei 0,26 kPa (2 Torr) erhitzt wird. Zu Beginn beim Einbringen des Wafers in die Kammer beträgt der Druck etwa 0,26 kPa (2 Torr), Nach dem Senken der Stifte wird der Druck für etwa fünfzehn (15) Sekunden auf 6,67 kPa (50 Torr) erhöht. Beim Erreichen der gewünschten Bearbeitungstemperatur wird die Kammer auf etwa 0,26 kPa (2 Torr) evakuiert. Es ist ersichtlich, dass durch die raumsparende Bauweise der Kammer bei der ersten Ausführungsform das Gasausstoßsystem den Druck in der Kammer schnell einstellen und so die Heizrate modifizieren kann. In Fig. 14B zeigt 1410 ein leichtes Überhitzen des Wafers bei 6,67 kPa (50 Torr) an. Die Temperatur sinkt beim Senken des Drucks leicht unter sechshundertfünfzig Grad Celsius (650ºC) und steigt dann sehr allmählich wieder an.
Wahrscheinlich lässt sich das Temperaturprofil in Fig. 14B durch Reduzieren des Drucks in mehreren Schritten weiter verbessern, wenn man sich der gewünschten Bearbeitungstemperatur nähert. Z. B. kann der anfängliche Kammerdruck 0,32 kPa (2,4 Torr) betragen und beim Senken der Stifte auf 6,67 kPa (50 Torr) erhöht werden. Der Wafer kann etwa acht (8) Sekunden bei 6,67 kPa (50 Torr) und dann etwa zehn (10) Sekunden bei 0,66 kPa (5 Torr) erhitzt werden. Der Druck lässt sich dann für das restliche Verfahren von 0,66 kPa (5 Torr) auf 0,32 kPa (2,4 Torr) senken. Wahrscheinlich liefert dieses Verfahren einen schnellen Wärmeanstieg (etwa 25ºC) und anschließend eine vergleichsweise konstante Bearbeitungstemperatur (in diesem Fall etwa 650ºC).
Für den Fachmann ist leicht ersichtlich, dass das obige Verfahren zum Erreichen einer ganzen Reihe von Temperaturprofilen eingesetzt werden kann. Das Verfahren lässt sich bei niedrigen Drücken (in der Regel unter 13,33 kPa (100 Torr)) und bei kleinen Abständen zwischen Wafer und Heizfläche (gewöhnlich unter 1,6 mm (0,0625 Zoll)) anwenden. Insbesondere wird der Bearbeitungsdruck in einem Bereich variiert, der mindestens einen Druck im System verdünnter Gase umfasst. Bei der ersten Ausführungsform umfasst der Bereich mindestens einen Druck von oder über 1,33 kPa (10 Torr) und einen Druck unter 1,33 kPa (10 Torr).

Claims

1. Thermische Bearbeitungsvorrichtung zum Bearbeiten eines Halbleitersubstrates, umfassend:

eine isolierende Kammer (534) mit Kammerwänden (502);

isolierende Wände (530 a,b,c,d), die eine Heizkammer (528) bilden;

eine Wärmequelle (516, 520), die mindestens eine heizbare Oberfläche (518) in der Heizkammer (528) bereitstellt;

Einrichtungen (510, 516) zum Halten des Halbleitersubstrates neben der heizbaren Oberfläche für die thermischen Bearbeitung in der Heizkammer;

wobei die isolierenden Wände im Wesentlichen nicht leitend für Wärmestrahlung von der heizbaren Oberfläche sind, sodass direkte Strahlung von der heizbaren Oberfläche zu den Kammerwänden während der thermischen Bearbeitung im Wesentlichen vermieden wird; und

Einrichtungen (538, 540) zum Aufrechterhalten eines verminderten Drucks in der isolierenden Kammer und der Heizkammer, sodass Wärmeübertragung mittels Konvektion durch die Isolierkammer und die Heizkammer während der thermischen Bearbeitung im Wesentlichen vermieden wird und die Wärmeübertragung durch die Isolierkammer und die Heizkammer hauptsächlich über Strahlung erfolgt.

2. Thermische Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Wände der Heizkammer opakes Quarz umfassen.

3. Thermische Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Oberfläche des opaken Quarzes glasiert ist.

4. Thermische Bearbeitungsvorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Wände der Heizkammer eine Wärmeleitfähigkeit von weniger als fünf (5) W/cm K aufweisen.

5. Thermische Bearbeitungsvorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Einrichtungen zum Aufrechterhalten eines verminderten Drucks so gestaltet sind, dass sie einen Druck unter 80 mm Hg (80 Torr) halten.

6. Thermische Bearbeitungsvorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Einrichtungen zum Aufrechterhalten eines verminderten Drucks so gestaltet sind, dass sie einen Druck unter 20 mm Hg (20 Torr) halten.

7. Thermische Bearbeitungsvorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, die zudem eine Einrichtung zum Kühlen der Kammerwände (508) auf weniger als etwa einhundert Grad Celsius (100ºC) umfasst, wobei die Stärke der Wärmequelle so eingerichtet ist, dass sie die heizbare Oberfläche für die thermische Bearbeitung auf eine Temperatur von mindestens sechshundert Grad Celsius (600ºC) erhitzt, und die isolierenden Wände ein Material mit einer Wärmebeständigkeit umfassen, dass die Temperatur der isolierenden Wände im Heizraum während der thermischen Bearbeitung um bis zu zweihundert Grad Celsius (200ºC) von der Temperatur der heizbaren Oberfläche abweicht.

8. Thermische Bearbeitungsvorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, die zudem eine Einrichtung zum Kühlen der Kammerwände (508) auf weniger als etwa einhundert Grad Celsius (100ºC) umfasst, wobei die Stärke der Wärmequelle so eingerichtet ist, dass sie die heizbare Oberfläche für die thermische Bearbeitung auf eine Temperatur von mindestens sechshundert Grad Celsius (600ºC) erhitzt, und die isolierenden Wände ein Material mit einer Wärmebeständigkeit umfassen, dass die Temperatur der isolierenden Wände im Heizraum während der thermischen Bearbeitung höher ist als vierhundert Grad Celsius (40000)

9. Thermische Bearbeitungsvorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, die zudem eine Einrichtung zum Kühlen der Kammerwände (508) auf weniger als etwa einhundert Grad Celsius (100ºC) umfasst, wobei die Stärke der Wärmequelle so eingerichtet ist, dass sie die heizbare Oberfläche für die thermische Bearbeitung auf eine Temperatur von mindestens sechshundert Grad Celsius (600ºC) erhitzt, und die isolierenden Wände ein Material mit einer Wärmebeständigkeit umfassen, dass die Temperatur der isolierenden Wände im Heizraum während der thermischen Bearbeitung höher ist als sechshundert Grad Celsius (600ºC).

10. Thermische Bearbeitungsvorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, die zudem eine Einrichtung zum Kühlen der Kammerwände (508) auf weniger als etwa einhundert Grad Celsius (100ºC) umfasst, wobei die Stärke der Wärmequelle so eingerichtet ist, dass sie die heizbare Oberfläche für die thermische Bearbeitung auf eine Temperatur von mindestens sechshundert Grad Celsius (600ºC) erhitzt, und die isolierenden Wände ein Material mit einer Wärmebeständigkeit umfassen, dass die Temperatur der isolierenden Wände im Heizraum während der thermischen Bearbeitung mehr als halb so hoch ist wie die Temperatur der heizbaren Oberfläche.

11, Thermische Bearbeitungsvorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, die zudem eine Einrichtung zum Kühlen der Kammerwände (508) auf weniger als etwa einhundert Grad Celsius (100ºC) umfasst, wobei die Stärke der Wärmequelle so eingerichtet ist, dass sie die heizbare Oberfläche für die thermische Bearbeitung auf eine Temperatur von mindestens sechshundert Grad Celsius (600ºC) erhitzt, und die isolierenden Wände ein Material mit einer Wärmebeständigkeit umfassen, dass die Temperatur der isolierenden Wände im Heizraum während der thermischen Bearbeitung nahezu gleich der Temperatur der heizbaren Oberfläche ist.

12. Thermische Bearbeitungsvorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Stärke der Wärmequelle so eingerichtet ist, dass sie die heizbare Oberfläche für die thermische Bearbeitung auf eine Temperatur von mindestens achthundert Grad Celsius (800ºC) erhitzt.

13. Thermische Bearbeitungsvorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Stärke der Wärmequelle so eingerichtet ist, dass sie die heizbare Oberfläche für die thermische Bearbeitung auf eine Temperatur von mindestens tausend Grad Celsius (1000ºC) erhitzt.

14. Thermische Bearbeitungsvorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Einrichtung zum Halten des Halbleitersubstrates zudem eine Einrichtung zum Halten des Halbleitersubstrates direkt neben der heizbaren Oberfläche zur thermischen Bearbeitung umfasst.

15. Thermische Bearbeitungsvorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Einrichtung zum Halten des Halbleitersubstrates zudem eine Einrichtung zum Unterbringen des Halbleitersubstrates in Kontakt mit der heizbaren Oberfläche zur thermischen Bearbeitung umfasst.

16. Thermische Bearbeitungsvorrichtung nach einem vorhergehenden Ansprüch, wobei die Einrichtung zum Halten des Halbleitersubstrates zudem eine Einrichtung zum Halten des Halbleitersubstrates im Wesentlichen parallel zu der heizbaren Oberfläche während der thermischen Bearbeitung umfasst.

17. Thermische Bearbeitungsvorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die isolierenden Wände eine Öffnung (504) bilden, durch die das Halbleitersubstrat von der Seite in den Heizraum eingebracht werden kann.

18. Thermische Bearbeitungsvorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, die zudem Einrichtungen (510, 512) umfasst, mit denen das Halbleitersubstrat beim Einbringen und Entnehmen von der heizbaren Oberfläche im Heizraum beabstandet und für die Bearbeitung auf die heizbare Oberfläche zu bewegt werden kann.

19. Thermische Bearbeitungsvorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die heizbare Oberfläche Siliziumcarbid umfasst.

20. Thermische Bearbeitungsvorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Oberflächen im Heizraum nicht metallisch sind.

21. Thermische Bearbeitungsvorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die heizbare Oberfläche eine stabile Heizvorrichtung mit großer thermisch wirksamer Masse für das Halbleitersubstrat bereitstellt.

22. Thermische Bearbeitungsvorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Kammerwände Aluminium umfassen.

23. Thermische Bearbeitungsvorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die heizbare Oberfläche eine Breite von mehr als achtzig Prozent (80%) der Breite der Isolierkammer hat.

24. Thermische Bearbeitungsvorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Breite der heizbaren Oberfläche kleiner ist als der doppelte Durchmesser des Halbleitersubstrates.

25. Thermische Bearbeitungsvorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Breite der Isolierkammer größer ist als der Durchmesser der Heizkammer und kleiner als der doppelte Durchmesser des Halbleitersubstrates.

26. Thermische Bearbeitungsvorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Höhe der Isolierkammer kleiner ist als der doppelte Durchmesser des Halbleitersubstrates.

27. Thermische Bearbeitungsvorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Breite der Heizkammer größer ist als der Durchmesser des Halbleitersubstrates und kleiner als der doppelte Durchmesser des Halbleitersubstrates.

28. Thermische Bearbeitungsvorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Höhe der Heizkammer kleiner ist als der Durchmesser des Halbleitersubstrates.

29. Thermische Bearbeitungsvorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, die zudem direkt neben der Wärmequelle einen Isolator (530c) umfasst, der mindestens eine Öffnung bildet, sodass ein Abschnitt der heizbaren Oberfläche zugänglich und so geformt ist, dass er das Halbleitersubstrat für das Erhitzen aufnehmen kann, wobei die isolierende Wand die Wärmequelle mit Ausnahme mindestens eines zugänglichen Abschnitts im Wesentlichen isoliert.

30. Thermische Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 29, wobei der Isolator opakes Quarz umfasst.

31. Thermische Bearbeitungsvorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Wärmequelle einen Heizwiderstand (520) neben einem leitfähigen Block (516) umfasst.

32. Thermische Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 31, wobei der Heizwiderstand mit Siliziumcarbid beschichteten Graphit umfasst.

33. Thermische Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 31, wobei der leitfähige Block mit Siliziumcarbid beschichteten Graphit umfasst.

34. Thermische Bearbeitungsvorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Kammerwände eine erste Öffnung bilden und die isolierenden Wände eine zweite Öffnung bilden, die sich mit der ersten Öffnung deckt, sodass das Halbleitersubstrat im Wesentlichen entlang dergleichen Ebene durch die erste und die zweite Öffnung: in den Heizraum eingebracht werden kann.

35. Thermische Bearbeitungsvorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, der zudem eine Einrichtung zum seitlichen Einbringen des Halbleitersubstrates in die und zum seitlichen Entnehmen des Halbleitersubstrates aus dem Heizraum umfasst.

36. Verfahren zur thermischen Bearbeitung eines Halbleitersubstrates in einer thermischen Bearbeitungsvorrichtung mit einer Isolierkammer und einem Heizraum, der innerhalb der Isolierkammer gebildet wird, umfassend die Schritte:

Erhitzen mindestens einer Oberfläche im Heizraum;

im Wesentlichen. Verhindern, dass direkte Wärmestrahlung von der heizbaren Oberfläche den Heizraum verlässt, sodass die Wärmeübertragung vorn Heizraum an die Isolierkammer hauptsächlich mittels Leitung erfolgt;

Aufrechterhalten eines niedrigen Drucks in der Isolierkammer und im Heizraum, sodass Wärmeübertragung mittels Konvektion durch die Isolierkammer und den Heizraum im Wesentlichen verhindert wird;

Beschränken der Wärmeübertragung durch den Heizraum und die Isolierkammer hauptsächlich auf Strahlung;

Einbringen des Halbleitersubstrates in den Heizraum;

thermisches Bearbeiten des Halbleitersubstrates im Heizraum;

Entnehmen des Halbleitersubstrates aus dem Heizraum.

37. Verfahren nach Anspruch 36, wobei der Schritt Aufrechterhalten eines niedrigen Drucks im Heizraum zudem den Schritt Halten des Drucks im Heizraum (528) bei unter 50 mm Hg (50 Torr) umfasst.

38. Verfahren nach Anspruch 36, wobei der Schritt Aufrechterhalten eines niedrigen Drucks im Heizraum zudem den Schritt Halten des Drucks im Heizraum (528) bei unter 10 mm Hg (10 Torr) umfasst.

39. Verfahren nach einem der Ansprüche 36-38, wobei der Schritt Aufrechterhalten eines niedrigen Drucks in der Isolierkammer zudem den Schritt Halten des Drucks in der Isolierkammer bei unter 50 mm Hg (50 Torr) umfasst.

40. Verfahren nach einem der Ansprüche 36-38, wobei der Schritt Aufrechterhalten eines niedrigen Drucks in der Isolierkammer zudem den Schritt Halten des Drucks in der Isolierkammer bei unter 10 mm Hg (10 Torr) umfasst.

41. Verfahren nach einem der Ansprüche 36-40, das zudem die Schritte umfasst Halten der Innenwände des Heizraums bei einer Temperatur von mehr als vierhundert Grad Celsius (400ºC).

42. Verfahren nach einem der Ansprüche 36-41, wobei der Schritt thermisches Bearbeiten des Halbleitersubstrates zudem den Schritt umfasst Erhitzen des Halbleitersubstrates auf eine Temperatur über sechshundert Grad Celsius (600ºC).

43. Verfahren nach einem der Ansprüche 36-40, wobei der Schritt thermisches Bearbeiten des Halbleitersubstrates zudem den Schritt umfasst Erhitzen des Halbleitersubstrates auf eine Temperatur über tausend Grad Celsius (1000ºC)

44. Verfahren nach einem der Ansprüche 36-43, das zudem den Schritt umfasst Unterbringen des Halbleitersubstrates direkt neben der heizbaren Oberfläche für die Bearbeitung.

45. Verfahren nach einem der Ansprüche 36-43, das zudem den Schritt umfasst Unterbringen des Halbleitersubstrates in Kontakt mit der heizbaren Oberfläche für die Bearbeitung.

46. Verfahren nach einem der Ansprüche 36-45, wobei der Schritt Einbringen des Halbleitersubstrates in den Heizraum zudem den Schritt umfasst Einbringen des Halbleitersubstrates in den Heizraum von der Seite im Wesentlichen parallel zu und in einem Abstand von der heizbaren Oberfläche;

wobei das Verfahren zudem den Schritt umfasst Bewegen des Halbleitersubstrates für die thermische Bearbeitung auf die heizbare Oberfläche zu, wobei das Halbleitersubstrat im Wesentlichen parallel zur heizbaren Oberfläche gehalten wird.

47. Verfahren nach einem der Ansprüche 36-46, wobei der Schritt thermisches Bearbeiten des Halbleitersubstrates zudem den Schritt umfasst Durchführen eines schnellen thermischen Härtungsverfahrens mit dem Halbleitersubstrat.