DE10119047B4

DE10119047B4 - Thermische Bearbeitungsvorrichtung und thermisches Bearbeitungsverfahren

Info

Publication number: DE10119047B4
Application number: DE10119047A
Authority: DE
Inventors: Masayuki Kitamura; Eisuke Morisaki; Yun Nirasaki Mo
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2000-04-21
Filing date: 2001-04-18
Publication date: 2010-12-09
Anticipated expiration: 2021-04-19
Also published as: DE10119047A1; US6630991B2; US20020020696A1

Abstract

Thermobearbeitungsvorrichtung (100) mit:
einer Prozesskammer (110) mit einer Stufe (150), die zum Stützen eines Substrats (W) angepaßt ist, wobei die Prozesskammer (110) einen Evakuierungsanschluß zum Verbinden mit einem Evakuierungssystem (190) aufweist;
einer Heizquelle, die vorgesehen ist, um das Substrat (W) in der Prozesskammer (110) zu heizen;
einem Strahlungspyrometer (200), das an die Prozesskammer (110) zum Messen einer Temperatur des Substrats (W) gekoppelt ist;
einer Steuereinheit (300) zum Steuern einer Energiezufuhr zu der Heizquelle als Reaktion auf eine Temperatur des Substrats (W); und
einem Kühlmechanismus (116a, 116b) zum Kühlen eines Abschnitts der Prozesskammer (110) in der Nähe des Strahlungspyrometer (200),
das Strahlungspyrometer (200) aufweisend:
einen Drehchopper (230) mit einem Schlitz (231) und einer hoch-reflektierenden Fläche (232) und einem niedrig-reflektierenden Bereich (234), wobei der Drehchopper (230) in einem optischen Weg einer Strahlung angeordnet ist, die von dem Substrat (W) ausgesendet wird;
einen transparenten Stab...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Herstellung von Halbleitereinrichtungen, insbesondere eine schnelle Thermobearbeitungsvorrichtung.
Das schnelle Thermobearbeiten (RTP) umfaßt Verfahren, wie ein schnelles thermisches Erwärmen/Abkühlen bzw. Tempern (RTA), ein schnelles thermisches Reinigen (RTC), ein schnelles thermisches, chemisches Dampfablagern bzw. -beschichten (RTCVD), eine schnelle thermische Oxydation (RTO), eine schnelle thermische Nitrierung (RTN) und dergleichen, und wird umfangreich bei dem Herstellungsprozeß von Halbleitereinrichtungen genutzt, einschließlich integrierter Speicherschaltungen und integrierter Logikschaltungen.
Ein typischer Herstellungsprozeß einer integrierten Halbleiterschaltung umfaßt verschiedene thermische Verfahrensschritte, beispielsweise eine Filmbeschichtung bzw. -ablagerung, ein Erwärmen/Kühlen bzw. Tempern, eine Oxydation, eine Diffusion, ein Sputtern, ein Ätzen, ein Nitrieren oder dergleichen. Somit ist ein Halbleitersubstrat einer Anzahl solcher thermischer Verfahrensschritte ausgesetzt.
Ein RTP-Verfahren ist eine vielversprechende Substratverarbeitung zum Verbessern der Ausbeute und der Qualität der Halbleitereinrichtungen in Anbetracht der Tatsache, daß der Temperaturanstieg und der Temperaturabfall in einer kurzen Zeitperiode mit einer sehr großen Rate ausgeführt werden. Mittels der Nutzung eines RTP-Verfahrens kann die Dauer, in welcher das Substrat einer hohen Temperatur ausgesetzt ist, wesentlich verkürzt werden.
Eine herkömmliche RTP-Vorrichtung umfaßt im allgemeinen eine cluster-ähnliche Prozeßkammer für die Einzelwafer-Verarbeitung bzw. -Bearbeitung eines Substrates, wobei das Substrat ein Halbleiterwafer, ein Glassubstrat, das eine Photomaske trägt, ein Glassubstrat für eine Flüssigkristallanzeigeneinrichtung, ein Substrat für eine optische Platte oder dergleichen sein kann. Die Prozeßkammer umfaßt ein Quarzfenster und eine Hochenergielampe, beispielsweise eine Halogenlampe, die benachbart zu dem Quarzfenster über und/oder unter der Prozeßkammer so angeordnet ist, daß durch das Quarzfenster das Substrat in der Prozeßkammer erwähnt werden kann. Die Lampe trägt einen Reflektor auf einer Seite, die zu der Seite entgegengesetzt ist, auf welcher das Substrat angeordnet ist.
Typischerweise weist das Quarzfenster eine plattenähnliche Form auf, wobei auch röhrenförmige Fenster möglich sind. In letzterem Fall ist das zu berbeitende Substrat in dem röhrenförmigen Quarzfenster angeordnet. In dem Fall, daß die Prozeßkammer mittels einer Vakuumpumpe evakuiert ist, wird bevorzugt, daß das Quarzfenster eine Dicke von einigen Millimetern (30–40 mm) aufweist, so daß eine ausreichende mechanische Stärke zum Aushalten des atmosphärischen Drucks gewährleistet ist, der auf die evakuierte Prozeßkammer angewendet wird. In Anbetracht der Tendenz, daß eine thermische Beanspruchung ein konkaves Durchbiegen des Quarzfensters in Richtung des inneren der Prozeßkammer verursacht, existieren Fälle, in denen das Quarzfenster eine kompensierende, konvexe Krümmung aufweist, so daß das Quarzfenster von der Prozeßkammer nach außen absteht.
Um ein gleichmäßiges Erwärmen zu erreichen, sind benachbart zu dem Quarzfenster eine Anzahl von Halogenlampen angeordnet, wobei die von den Halogenlampen erzeugte, thermische Strahlung mit Hilfe des Reflektors, der hinter den Lampen vorgesehen ist, in Richtung des Substrats in der Prozeßkammer gerichtet wird. Typischerweise weist die Prozeßkammer in der Seitenwand zum Ein-/Ausführen des Substrats ein Absperr- bzw. Torventil auf, und es ist ein Gaszuführventil ebenfalls in der Seitenwand der Prozeßkammer vorgesehen.
In einer solchen RTP-Vorrichtung ist es für das Erreichen einer zuverlässigen Bearbeitung wichtig, daß die Substrattemperatur exakt gemessen wird. Zu diesem Zweck ist ein Temperaturdetektor in der Prozeßkammer so vorgesehen, daß der Temperaturdetektor die Temperatur des Substrats in der Prozeßkammer erfaßt. Während ein solcher Temperaturdetektor mittels eines Thermoelements gebildet werden kann, wird die Nutzung des Thermoelements in einer RTP-Vorrichtung nicht bevorzugt, weil die Möglichkeit besteht, daß das Metall, welches das Thermoelement bildet, eine Kontamination des Substrats verursacht.
In Anbetracht der oben beschriebenen Situation nutzen herkömmliche RTP-Vorrichtungen ein Strahlungspyrometer für die Temperaturerfassung des Substrats, wobei ein Strahlungsthermometer oder Strahlungspyrometer die Stärke der thermischen Strahlung erfaßt, die von der Rückfläche des Substrats emittiert wird. Die thermische Strahlungsstärke, die auf diese Weise erfaßt wird, wird basierend auf dem Emissionsgrad ε gemäß der folgenden Beziehung in eine Temperatur umgewandelt Em(T) = εEBB(T) (1).
E_m(T) repräsentiert die erfaßte Strahlungsstärke, während E_BB(T) die Strahlungsstärke eines schwarzen Körpers bei einer Temperatur T repräsentiert. Die Nutzung eines solchen Pyrometers wurde bereits in der offengelegten japanischen Patentanmeldung JP 11-258051 AA beschrieben.
Beim Betrieb einer RTP-Vorrichtung wird ein zu bearbeitender Wafer in die Prozeßkammer eingeführt und auf einer Waferstufe mittels eines Spannfutter-Mechanismus gehalten. Danach wird ein Prozeßgas, beispielsweise Stickstoff oder Sauerstoff, von dem Gaszuführventil in die Prozeßkammer eingeführt. Die Halogenlampe wird zum schnellen Erwärmen des Wafers mit Energie versorgt. Hierdurch wird die Temperatur des Substrats mit Hilfe des Strahlungspyrometers erfaßt. Eine Steuereinrichtung steuert die Anregung der Halogenlampen und erreicht eine rückgekoppelte Steuerung als Reaktion auf den Ausgang des Strahlungspyrometers.
Andererseits weist eine herkömmliche RTP-Vorrichtung, die ein Strahlungspyrometer nutzt, einen Nachteil dahingehend auf, daß wegen des kleinen Abstands zwischen dem Substrat und dem Sensorkopf des Pyrometers ein Temperaturanstieg im Sensorkopf des Pyrometers als Ergebnis thermischer Strahlung des Wafers auftritt, was zu einem Fehler des Ergebnisses der Temperaturerfassung führt.
Während ein solcher Fehler mit Hilfe des Vorsehens einer Kühlbefestigung des Pyrometers vermieden werden kann, erhöht eine solche Konstruktion die Größe und die Kosten der RTP-Vorrichtung.
Deshalb leidet die herkömmliche RTP-Vorrichtung, welche ein Strahlungspyrometer für die Temperaturerfassung des Substrats nutzt, unter dem Problem einer geringen Genauigkeit der Temperaturmessung, wobei festgestellt wurde, daß das Problem nicht nur durch den vorher beschriebenen Temperaturanstieg des Pyrometers, sondern auch durch andere Gründe verursacht wird.
Im Ergebnis von Untersuchungen, die die Basis für die vorliegende Erfindung bilden, hat der Erfinder der vorliegenden Erfindung festgestellt, daß unter den folgenden Bedingungen eine Abweichung von der vorher genannten Gleichung (1) auftritt: (1) Der Seonsorkopf des Pyrometers erfaßt Mehrfachreflexionen der von dem Substrat emittierten, thermischen Strahlung; (2) es existiert eine thermische Strahlung, die von einer anderen Wärmequelle als dem Zielbe reich des Wafers kommt; (3) es existiert ein Reflexionsverlust an der Endoberfläche des optischen Mediums, welches zwischen dem Wafer und dem Sensor angeordnet ist; und (4) es existiert ein substantieller Absorptionsverlust in dem optischen Medium. Im Fall der RTP-Vorrichtung, in welcher auf verschiedenen Abschnitten der Prozeßkammer zur Verbesserung der thermischen Effizienz eine reflektierende Beschichtung vorgesehen ist, kann der Effekt der vorgenannten Faktoren (1) und (2) nicht ignoriert werden.
EP 0 718 610 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen von Substrattemperaturen. Darin wird ein Substrat auf Prozesstemperatur erhitzt, und eine erste Sonde und eine zweite Sonde werden verwendet, um die Temperatur des Substrats zu messen. Die erste Sonde hat eine erste effektive Reflektivität und die zweite Sonde hat eine zweite effektive Reflektivität. Beide Sonden zeigen eine jeweilige Temperatur an. Der Temperaturwert der zweiten Sonde wird verwendet, um den Temperaturwert der ersten Sonde zu korrigieren. Ein ähnliches Verfahren ist auch in der WO 99/47901 A1 derselben Erfinder offenbart.
WO 99/42797 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Messen der Temperatur eines Substrats in einer Prozesskammer. Das Substrat befindet sich oberhalb eines Reflektors und bildet dadurch einen reflektierenden Hohlraum. Die Sonde eines Temperatursensors hat ein Eingangsende, das so positioniert ist, dass es die Strahlung aus dem reflektierenden Hohlraum empfangt, und ein Ausgabeende, welches optisch mit einem Sensor verbunden ist, um eine Temperatur auszulesen. Der Temperatursensor ist dazu konfiguriert, den Effekt von Strahlung zu verringern, die in einem Bereich in der Nähe des Eingangsendes des Sonde und senkrecht von dem Substrat reflektiert wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Dementsprechend besteht eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine neue nützliche Thermobearbeitungsvorrichtung zu schaffen, bei der die vorgenannten Probleme eliminiert sind.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Thermobearbeitungsvorrichtung zu schaffen, bei der die Genauigkeit der Temperaturerfassung verbessert ist.
Weiterhin ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Thermobearbeitung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Thermobearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren zur Thermobearbeitung nach Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Des weiteren wird ein Verfahren zum Erfassen einer Temperatur mittels eines Strahlungspyrometers eines Objekts beschrieben, das in einer Mehrfachreflexions-Umgebung angeordnet ist. Das Verfahren umfaßt die folgenden Schritte:

– Erfassen einer Strahungsstärke, die von einem Zielbereich des Objets emittiert wird;
– Anwenden einer Korrektur auf die Strahlungsstärke, um die Wirkung der Mehrfachreflexionen einer von dem Objekt emittierten Strahlung zu kompensieren;
– Anwenden einer Korrektur auf die Strahlungsstärke, um einen Reflexionsverlust zu kompensieren, der an einer Endoberfläche eines optischen Mediums verursacht wird, das zwischen dem Objekt und dem Sensorkopf angeordnet ist;
– Anwenden einer Korrektur auf die Strahlungsstärke, um einen optischen Absorptionsverlust zu kompensieren, der in dem optischen Medium verursacht wird; und
– Anwenden einer Korrektur auf die Strahlungsstärke, um eine Streustrahlung zu kompensieren, die von einer anderen Quelle als dem Zielbereich des Objekts in den Sensorkopf gelangt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Abweichung der mittels des Pyrometers erfaßten Temperatur von der wahren Temperatur hinsichtlich der folgenden Punkte effektiv kompensiert: Die Mehrfachreflexion, die in der Mehrfachreflexions-Umgebung stattfindet; der Reflexionsverlust auf der Oberfläche des optischen Mediums zwischen dem Substrat und dem Sensorkopf; der Absorptionsverlust in dem optischen Medium; und die thermische Streustahlung, die von einer anderen Quelle als dem Zielabschnitt des Objekts in den Sensorkopf gelangt. Das Objekt kann ein Substrat oder ein Wafer sein. Die Mehrfachreflexions-Umgebung kann eine Prozeßkammer einer Thermobearbeitungsvorrichtung sein. Auf diese Weise wird eine genaue Temperaturmessung in einer Thermobearbeitungsvorrichtung mittels eines Pyrometers möglich und die Temperatursteuerung in einer solchen Thermobearbeitungsvorrichtung verbessert.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Thermobearbeitungsvorrichtung zu schaffen, die die folgenden Elemente umfaßt: Eine Prozeßkammer mit einer hierin angeordneten Stufe, die zum Stützen eines Substrats angepaßt ist, wobei die Prozeßkammer einen Evakuierungsanschluß zum Verbinden mit einem Evakuierungssystem aufweist; eine Wärmequelle, die vorgesehen ist, um das Substrat in der Prozeßkammer zu erwärmen; ein Strahlungspyrometer, das zum Messen einer Temperatur des Substrats an die Prozeßkammer gekoppelt ist; eine Steuereinheit zum Steuern der Erregung bzw. Anregung der Wärmequelle als Reaktion auf eine Temperatur des Substrats; und einen Kühlmechanismus zum Kühlen eines Teils der Prozeßkammer in der Nähe des Strahlungspyrometers; wobei das Strahlungspyrometer weiterhin die folgenden Elemente aufweist:

– einen Drehchopper mit einem Schlitz, einer hoch-reflektierenden Oberfläche und einem niedrig-reflektierenden Bereich, wobei der Drehchopper in einem optischen Weg der von dem Substrat emittierten Strahlung angeordnet ist;
– einen durchsichtigen Stab, der in dem optischem Weg zwischen dem Substrat und dem Chopper angeordnet ist, wobei der durchsichtige Stab eine Mehrfachreflexion der Strahlung zwischen dem Wafer und dem Chopper erlaubt; und
– einen Detektor, der zum Erfassen der Strahlung, die durch den Schlitz gelangt, hinter dem Chopper angeordnet ist.

Erfindungsgemäß wird der Abstand zwischen dem Detektor und dem Substrat vergrößert und sind der Effekt des Temperaturanstiegs des Detektors und die verbundene Abweichung von der Temperaturerfassung erfolgreich vermieden.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden, detaillierten Beschreibung in Verbindung mit zugehörigen Zeichnungen.
Kurzbeschreibung der Figuren
1 ist ein Diagramm, das die Konstruktion einer RTP-Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
2 ist ein Diagramm, das die Konstruktion eines Quarzfensters in Draufsicht zeigt, welches in der RTP-Vorrichtung nach 1 genutzt wird;
3 ist ein Diagramm, das einen Teil des Quarzfensters zusammen mit einer Lampe und einem Reflektor in einer vergrößerten Aussicht zeigt;
4 ist ein Diagramm, das die Konstruktion einer Lampe zeigt, die für die RTP-Vorrichtung nach 1 anwendbar ist;
5 ist ein Diagramm, das die Wirkung der indirekt auf das Quarzfenster einfallen den Strahlung erklärt;
6 ist ein Diagramm, das auf einer vergrößerten Skala eine Modifikation des Reflektors nach 3 zeigt;
7 ist ein Diagramm, das die Wirkung der Konstruktion nach 6 erklärt;
8 ist ein Diagramm, das eine Draufsicht des Kühlluftflusses in das Quarzfenster zeigt, welches mit dem Reflektor nach 6 gekoppelt ist;
9 ist ein Diagramm, was die Beziehung zwischen dem Kühlluftdurchgang in dem Quarzfenster und dem Dichtteil der Lampe zeigt;
10 ist ein Diagramm, das einen Abschnitt des Quarzfensters für den Fall zeigt, daß die rohrförmige Doppelend-Lampe durch eine Einzelend-Glühbirne ersetzt ist;
11 ist ein Diagramm, daß das Quarzfenster zusammen mit Einzelend-Glühlampen in Draufsicht zeigt;
12 ist ein Diagramm, daß eine vergrößerte Querschnittdarstellung der Konstruktion eines Strahlungspyrometers zeigt, das in der RTP-Vorrichtung nach 1 genutzt wird;
13 ist ein Diagramm, das die Draufsicht der Konstruktion eines Choppers zeigt, der in dem Strahungspyrometer nach 12 genutzt wird;
14 ist eine Grafik, die eine Beziehung zwischen einer tatsächlichen Wafertemperatur und der Wafertemperatur zeigt, die mittels des Strahlungspyrometers erhalten wird, während eine herkömmliche Umwandlungsgleichung bezüglich eines zentralen Abschnitts eines Wafers genutzt wird;
15 ist eine Grafik, die die Beziehung zwischen der tatsächlichen Wafertemperatur und der Wafertemperatur zeigt, die mittels des Strahlungspyrometers erhalten wird, während eine herkömmliche Umwandlungsgleichung bezüglich eines Randkantenabschnitts des Wafers genutzt wird;
16 ist ein Diagramm, das den Grund des Fehlers erklärt, der auftritt, wenn die herkömmliche Umwandlungsgleichung mit dem Strahlungspyrometer nach 12 genutzt wird;
17 ist eine Grafik, die die Beziehung zwischen der tatsächlichen Wafertemperatur und der Wafertemperatur zeigt, die mittels des Strahlungspyrometers erhalten wird, während eine Umwandlungsgleichung bezüglich des zentralen Abschnitts des Wafers genutzt wird;
18 ist eine Grafik, die die Beziehung zwischen der tatsächlichen Wafertemperatur und der Wafertemperatur zeigt, die mittels des Strahlungspyrometers erhalten wird, während eine Umwandlungsgleichung bezüglich des Randkantenabschnitts des Wafers genutzt wird;
19 ist eine Diagramm, das das Ergebnis einer Simulation bezüglich der RTP-Vorrichtung nach 1 zeigt;
20 ist ein Diagramm, das eine Modifikation der RTP-Vorrichtung nach 1 zeigt;
21 ist ein Diagramm, das den Zustand der RTP-Vorrichtung nach 20 zeigt, wenn ein schnelles Erwärmen des zu behandelnden Wafers ausgeführt wird;
22 ist ein Diagramm, das den Zustand der RTP-Vorrichtung nach 20 zeigt, wenn ein schnelles Abkühlen des zu behandelnden Wafers ausgeführt wird;
23 ist ein Diagramm, das die Zuführung eines thermischen Leitungsgases zu der unteren Oberfläche des Substrats in der Thermobearbeitungsvorrichtung nach 20 zeigt; und
24 ist ein Diagramm, das eine Modifikation des Emissionspyrometers nach 12 zeigt.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Im folgenden wird die Konstruktion einer schnellen Thermobearbeitungsvorrichtung (RTP) 100 unter Bezugnahme auf 1 beschrieben, die eine allgemeine Konstruktion der Vorrichtung 100 im Querschnitt zeigt.
Gemäß 1 umfaßt die RTP-Vorrichtung 100 allgemein eine Prozeßkammer 110, ein Quarzfenster 120, eine Wärmelampe 130, einen Reflektor 140, einen Stützring 150, eine Auflage bzw. einen Träger 160, einen permanenten Magneten 170, einen Gaseinlaßanschluß 80, einen Gasauslaß- bzw. Agbasanschluß 190, ein Strahlungspyrometer 200 und eine Systemsteuereinrichtung 300.
Die Prozeßkammer 110 wird von einem zylindrischen Kammerkörper aus rostfreiem Stahl oder Aluminium gebildet. Das Quarzfenster 120 ist an der Prozeßkammer 110 so vorgesehen, daß die obere Öffnung des Kammerkörpers bedeckt ist. Mittels des Vorsehens des Quarzfensters 120 ist ein Raum zum Bearbeiten bzw. Verarbeiten eines Wafers W innerhalb der Prozeßkammer 110 so definiert, daß der Raum von der atmosphärischen Umgebung isoliert ist.
Um den Wafer W zu stützen, ist ein drehbares, zylindrisches Stützbauteil 152 in der Prozeßkammer 110 vorgesehen, wobei das Stützbauteil 152 den Stützring 150 auf einem oberen Abschnitt hiervon trägt. Wie bereits beschrieben, wird der Wafer W auf dem Stützring 150 gestützt.
Die Prozeßkammer 110 hat einen zylindrischen Seitenwandabschnitt 112, wobei der zylindrische Seitenwandabschnitt 112 einen Gaseinlaß 180, der mit einer nicht dargestellten Gasquelle verbunden ist, und einen Auslaß- bzw. Abgasanschluß 190 trägt, der mit einer nicht dargestellten Vakuumpumpe verbunden ist. Mittels des Evakuierens durch den Abgasanschluß 190, wird im Inneren der Prozeßkammer 110 ein verminderter Umgebungsdruck aufrechterhalten, während der Wafer bearbeitet wird. Die RTP-Einrichtung 100 umfaßt weiterhin ein Absperr- bzw. Torventil zum Ein- und Ausführen des Wafers W, was nicht dargestellt ist.
An einem Bodenabschnitt 114 der Prozeßkammer 110 ist eine Temperatur-Regulierungsbefestigung vorgesehen, die von Kühlmitteldurchgängen 116a und 116b gebildet ist, wobei die Kühlmitteldurchgänge 116a und 116b mit einem Kühlmedium versorgt werden. Auf diese Weise funktioniert der Bodenabschnitt 114 der Prozeßkammer 110 als eine Kühlplatte des Substrats W. Die Kühlplatte 114 kann als Temperaturregulierer des Substrats genutzt werden. In diesem Fall umfaßt der Temperaturregulierer einen Temperatursensor und einen Heizer, der mit Hilfe der Systemsteuereinrichtung 300 gesteuert wird und ein Kühlwasser als Kühlmedium zuführt. Alternativ können andere Kühlmedien genutzt werden, beispielsweise Alkohol, Galden, Flon oder dergleichen. Irgendein bekannter Temperatursensor, beispielsweise ein PTC-Thermistor, ein Infrarotsensor, ein Thermoelement oder dergleichen, können zum Konstruieren des Temperaturregulierers genutzt werden. Der Heizer kann mittels des Wickelns eines Heizdrahtes um die Röhre gebildet werden, die die Kühlmitteldurchgänge 116a und 116b bildet. Mittels des Steuerns des Treiberstroms durch den Heizdraht ist es möglich, die Temperatur des Kühlmediums in den Kühlmitteldurchgängen 116a und 116b zu steuern.
Das Quarzfenster 120 ist über eine nicht dargestellte, luftdichte Dichtung an der Prozeßkammer 110 vorgesehen, so daß es dem atmosphärischen Druck widersteht. Die mittels der Hochenergie-Halogenlampe 130 erzeugte, thermische Strahlung wird auf den Wafer W gerichtet, der in der Prozeßkammer in einer reduzierten Druckumgebung gehalten wird. Gemäß den 2 oder 3 kann das Quarzfenster 120 eine scheibenähnliche Quarzplatte 121 umfassen, die einen Durchmesser von etwa 400 mm und eine Dicke von 2–6 mm aufweist, wobei das Quarzfenster 120 weiterhin eine Rippenstruktur 122 umfaßt, die auf der Quarzplatte 121 zur Verstärkung der mechanischen Stärke vorgesehen ist. 2 zeigt das Quarzfenster 120 in einer Draufsicht, während 3 das Quarzfenster 120 von oben auf einer vergrößerten Skala zeigt, die einen Abschnitt des Quarzfensters 120 in einer Querschnittsdarstellung zeigt, einschließlich der Lampe 130 und des Reflektors 140.
Gemäß den 2 und 3 umfaßt die Rippenstruktur 122 umlaufende Rippen 124 zum Verstärken der mechanischen Stärke des Fensters 120 in der umlaufenden Richtung und Radialrippen 126 zum Verstärken der mechanischen Stärke in der Radialrichtung, wobei die umlaufenden Rippen 124 mit Hilfe einer Anzahl von Ausschnitten zum Vorsehen eines Durchgangs der Kühlluft zum Kühlen eines abgedichteten Teils 136 (8) der Lampe 130 gebildet sind und wobei die Lampe 130 gegen das Quarzfenster 120 abgedichtet ist. Vorzugsweise weisen die Rippen 124 und 126 eine Dicke von weniger als 10 mm, insbesondere eine Dicke im Bereich zwischen 2–6 mm, und eine Höhe von weniger als etwa 10 mm auf. Während das dargestellte Beispiel eine Konstruktion zeigt, bei der die Rippen 122 sich in Richtung der Lampe 144 erstrecken, ist die vorliegende Erfindung nicht auf eine solche spezifische Konstruktion begrenzt. Andere Konstruktionen, beispielsweise eine, bei der die Rippen 122 sich in Richtung des Wafers W erstrecken, oder eine Konstruktion, bei der die Rippen 122 auf der oberen und der unteren Oberfläche der Platte 121 gebildet sind, sind möglich. Im letzteren Fall können die Rippen 124 und die Rippen 126 verschiedene Größen aufweisen.
Mittels des Vorsehens der Rippen 122 ist die Quarzplatte 121 hinsichtlich des Widerstands gegen thermische Deformierung verbessert. Deshalb besteht nicht länger die Notwendigkeit, eine konvexe Oberfläche zu bilden, und die Quarzplatte 121 kann mit Hilfe einer flachen Scheibe gebildet werden. Eine solche flache Scheibe kann im Vergleich zu Quarzplatten mit einer gekrümmten Oberfläche leicht gebildet werden. Die Rippen 122 können mittels Schweißens oder irgendwelcher anderer Mittel auf der Quarzplatte 121 fixiert werden. Beispielsweise können die Rippen 122 als ein integraler Körper mit der Quarzplatte 121 ausgebildet werden.
Vorzugsweise haben die Quarzplatte 121 und die Rippen 122, die das Quarzfenster 120 bilden, eine Dicke von 10 mm oder weniger, insbesondere im Bereich von 2–6 mm, wie dieses bereits erwähnt wurde, wobei die vorhergehende Dicke wesentlich kleiner als die Dicke von einigen Millimeter (30–40 mm) ist, die für herkömmliche Quarzfenster genutzt wird. Als Folge der Nutzung eines solchen dünnen Quarzfensters 120 kann die RTP-Vorrichtung 100 die optische Absorption der thermischen Strahlung vermindern, die von der Lampe 130 erzeugt wird. Hierdurch wird die Effizienz des Heizens des Wafers W mittels der Lampe 130 verbessert und kann der gewünschte, schnelle Temperaturanstieg mit einem verminderten Energieverbrauch erreicht werden. Darüber hinaus weist die RTP-Vorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform das weitere vorteilhafte Merkmal einer verminderten Temperaturdifferenz zwischen der oberen Oberfläche und der unteren Oberfläche der Quarzplatte 121 auf. In Verbindung mit der reduzierten Temperaturdifferenz ist die thermische Beanspruchung, die in der Quarzplatte 121 verursacht wird, vermindert, und das Problem einer auf die Quarzplatte 121 angewendeten thermischen Beschädigung, was eine Beschädigung verursachen kann, vermindert. Dieses betrifft ebenfalls die Rippen 122. Wegen des verminderten Temperaturanstiegs der Quarzplatte 120 im Vergleich zu herkömmlichen Quarzfenstern ist es weiterhin möglich, die Ablagerung verschiedener Filme oder von Reaktionsnebenprodukten auf dem Quarzfenster zu unterdrücken, insbesondere in dem Fall eines Beschichtungs- bzw. Ablagerungsverfahrens. Die Wiederholbarkeit der Temperatur ist garantiert. Des weiteren kann die Häufigkeit des Anwendens des Reinigungsverfahrens der Prozeßkammer 110 vermindert werden.
Hinsichtlich der Lampe 130 nutzt das dargestellte Beispiel eine Doppelend-Lampe, während die Nutzung einer Einzelend-Lampe auch möglich ist, was später erklärt wird. Die Nutzung eines Heizdrahtes ist ebenfalls möglich. Gemäß 4 weist eine Doppelend-Lampe 130 eine Lampe mit zwei Zwischenverbindungselektroden 132 auf, während eine Einzelend-Lampe nur eine Zwischenverbindungs-Elektrode aufweist, wie im Fall einer Glühlampe. Die Lampe 130 funktioniert als eine Wärmequelle zum Heizen des Substrats W. Eine Halogenlampe kann in herkömmlicher Weise für diesen Zweck genutzt werden. Selbstverständlich ist die Lampe 130 der vorliegenden Erfindung nicht auf eine Halogenlampe begrenzt. Es wird darauf hingewiesen, daß die Ausgangsenergie der Lampe 130 mittels eines Lampentreibers 310 bestimmt wird, während der Lampentreiber 310 mit Hilfe der Systemsteuereinrichtung 300 gesteuert wird, was später erklärt wird. Der Lampentreiber 310 liefert eine elektrische Energie an die Lampe 130, die mit Hilfe der Systemsteuereinrichtung 300 spezifiziert wird.
Aus der indirekten Sicht in 4 ergibt sich, daß die Lampe 130 zwei Zwischenverbindungselektroden 132 und ein rohrförmiges Lampengehäuse 134 dazwischen aufweist, wobei das Lampengehäuse 134 einen Glühdraht 135 aufnimmt, der sich zwischen den zwei Zwischenverbindungselektroden 132 erstreckt. Wie bereits beschrieben, wird die zu der Lampe 130 zu liefernde elektrische Energie an die Zwischenverbindungs-Elektroden 132 unter der Steuerung der Systemsteuereinrichtung 300 geliefert. Es wird darauf hingewiesen, daß ein Dichtungsbauteil 136 zwischen der Zwischenverbindungs-Elektrode 132 und dem Reflektor 140A vorgesehen ist.
Gemäß 4 umfaßt das Lampengehäuse 134 eine vertikale Röhre 134a und eine gebogene, horizontale Röhre 134b, die bezüglich der vertikalen Röhre 134a gebogen ist, wobei die horizontale Röhre 134 zwischen einem Paar benachbarter Rippen 126, beispielsweise den gebogenene Rippen 126a und 126b, angeordnet ist, so daß zusammen im allgemeinen konzentrische Rillen auf der Quarzplatte 121 gebildet sind. Es wird darauf hingewiesen, daß es nicht immer notwendig ist, alle zwischen benachbarten Rippen 126 mittels der Lampe 130 geformten Rillen auszufüllen. Die Lampe 130 kann vorgesehen sein, um eine gebogene, optische Quelle mit einem vorbestimmten Winkel zu bilden. Beispielsweise kann die Lampe 130 von den Rillen zwischen den Rippen 126b und 126c und von den Rillen zwischen den Rippen 126d und 126a weggelassen sein. In diesem Fall ist die Lampe 130 nur in den Rillen vorgesehen, die zwischen den Rippen 126a und 126b und zwischen den Rippen 126c und 126d gebildet sind.
Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die Lampen 130 gemeinsam in einer im wesentlichen konzentrischen Form in Übereinstimmung mit dem Wafer W angeordnet, welcher eine im wesentlichen runde Form aufweist. Bei einer solchen Konstruktion ist eine Anzahl gebogener Lampen mit einem im wesentliche identischen Radius einer Krümmung in einer umlaufenden Richtung angeordnet. Darüber hinaus ist eine Anzahl gebogener Lampen mit verschiedenen Radien einer Krümmung in der Radialrichtung angeordnet.
Es wird darauf hingewiesen, daß die vorliegende Erfindung die Nutzung einer geraden Doppelend-Lampe nicht ausschließt. Wenn eine solche gerade Lampe genutzt wird, ist es notwendig, die Rippen 122 so zu modifizieren, daß sie gerade Lampen aufnehmen können. Die Nutzung der gekrümmten oder gebogenen Lampe 130 gemäß den vorherigen Ausführungen ist im Vergleich mit dem Fall der Nutzung gerader Lampen vorteilhafter bezüglich der Tatsache, daß eine gerade Lampe einen großen Bereich des Wafers W bedeckt. Die Nutzung der ge krümmten oder gebogenen Lampe 130 ist weiterhin vorteilhaft hinsichtlich der Tatsache, daß eine gerade Lampe so angeordnet ist, daß Flächen des Wafers W bedeckt sind, die verschiedene radiale Durchmesser haben, und es schwierig ist, die Temperatur des runden Wafers im Vergleich zu dem Fall zu steuern, bei dem eine Anzahl gebogener Lampen genutzt wird. Mittels der Nutzung gebogener bzw. gekrümmter Lampen wird es möglich, die Temperatur für jeden konzentrischen Bereich des runden Wafers leicht zu steuern. Darüber hinaus wird die Richtfähigkeit der thermischen Strahlung verbessert, und die Effizienz des Erwärmens des Wafers ist auch verbessert.
Es wird darauf hingewiesen, daß ein Reflektor 140 die Strahlung der Lampe 130 reflektiert. Der Reflektor 140 hat eine im allgemeinen zylindrische Form mit einem Querschnitt einer im allgemeinen rechtwinkligen Form gemäß 1. Der Reflektor 140 umfaßt mehrere Durchdringungslöcher 142, die sich senkrecht zu der Ebene des Quarzfensters 120 zum Aufnehmen des Endabschnitts 132 der Lampe 134 erstrecken, und eine Anzahl konzentrischer Rillen 144 zum Aufnehmen des Lampengehäuses 134b. Darüber hinaus ist ein Kühlrohr innerhalb und außerhalb des Reflektors 140 vorgesehen, obwohl dieses in 1 nicht dargestellt ist.
Der Reflektor umfaßt einen horizontalen Abschnitt 145, der dem vorderen Ende der Rippen 122 zwischen einem Paar der Rillen 144 gegenübersteht.
Es wird darauf hingewiesen, daß der Reflektor 140 durch einen Reflektor 140A gemäß 6 ersetzt werden kann, wobei der Reflektor 140A eine Anzahl von Schlitzen 146 in dem vorhergehenden horizontalen Abschnitt 145 zur Aufnahme der Rippen 122 aufweist. Es wird darauf hingewiesen, daß 6 eine vergrößerte Darstellung ist, die einen Abschnitt des Reflektors 140A zeigt.
Bei dem Reflektor 140 gemäß 3 wird darauf hingewiesen, daß der optische Weg 2 für die von der Lampe 130 in einer indirekten Richtung emittierte, thermische Strahlung zu der Quarzfensterplatte 120 größer als der optische Weg 1 ist, der senkrecht zu der Platte 121 emittiert. Hiermit verbunden ist, daß die Absorption des Optischen für die Strahlung, die sich entlang des optischen Wegs 2 bewegt, größer als für die Strahlung wird, die sich entlang des optischen Wegs 1 bewegt. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß 5 eine Querschnittsdarstellung zum Erklären der Wirkung der thermischen Strahlung ist, die durch das Quarzfenster 120 in die Prozeßkammer 110 einfällt.
Als Ergebnis einer solchen Differenz der Infrarotabsorption existiert eine induzierte Temperaturdifferenz in dem Quarzfenster 120 zwischen der Quarzplatte 121 und den Rippen 122, während eine solche Temperaturdifferenz eine thermische Spannung bzw. Beanspruchung in dem Quarzfenster 120 induziert, welche zum Brechen führen kann, insbesondere zwischen den Rippen 122 und der Quarzplatte 121. Obwohl es möglich ist, einen solchen Bruch mittels des Optimierens der Dicke der Rippen 122 zu eliminieren, ist es vorteilhaft, den Reflektor 140A zu Nutzen, dessen Konstruktion in 6 dargestellt ist.
Gemäß 6 unterscheidet sich der Reflektor 140A von dem Reflektor 140 in dem Punkt, daß eine Rille 144A mit einer im Vergleich zu der Rille 144 größeren Tiefe vorgesehen ist und daß der Schlitz 122, welcher vorher beschrieben wurde, in dem horizontalen Abschnitt 145 vorgesehen ist. Mittels der Nutzung des Reflektors 140A werden die Rippen 122 in die in dem Reflektor 140 ausgebildeten Schlitze 146 eingeführt. Das Problem, das die Rippen 122 direkt durch die thermische Strahlung der Lampe 130 bestrahlt werden, ist erfolgreich vermieden. Die Struktur nach 6 ist in dem weiteren Punkt vorteilhaft, daß der Luftdruck, der als Ergebnis der Druckdifferenz zwischen dem Inneren der Prozeßkammer 110 und der atmosphärischen Umgebung auf das Quarzfenster 120 ausgeübt wird und eine konkave Deformation der Quarzplatte 121 verursacht, mit Hilfe der Verbindung der Rippe 122 und dem Schlitz 146 gemäß 7 effektiv unterstützt wird. Es wird darauf hingewiesen, daß 7 eine vergrößere Darstellung eines zugehörigen Abschnitts des Reflektors 140A und des Quarzfensters 120 ist. Als Ergebnis einer solchen Verbindung des Reflektors 140A mit den Rippen 122 ist auch eine Verstärkung des Quarzfensters 120 erreicht.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf 8 und 9 die Beziehung zwischen dem Luftdurchgang 128, der in dem Quarzfenster 120 gebildet ist, und dem Dichtungsabschnitt 136 der Lampe 130 erklärt.
8 zeigt das Quarzfenster 120 in Draufsicht. Gemäß 8 wird eine Kühlluft veranlaßt, entlang des Luftdurchgangs 128 zu fließen. In 8 ist der Dichtungsabschnitt 136 der Lampe 130 mittels eines Kreises bezeichnet.
9 zeigt den Abschnitt, einschließlich des Dichtungsabschnitts 136 der Lampe 130, wobei darauf hingewiesen wird, daß die Lampe 130 mit einer elektrischen Treiberspannung an dem Dichtungsabschnitt 130 versorgt wird, welcher an dem Ende des Rohres vorgesehen ist, der die Lampe 130 bildet. Gemäß 9 ist der Dichtungsabschnitt 136 in das durchgehende Loch bzw. Durchdringungsloch 142 in dem Reflektor 140A eingeführt, wobei die Kühlluft auch in das Loch 142 eindringt. Die Kühlung des Dichtungsabschnitts 136 ist hierdurch effizient erreicht. In 1 ist die Darstellung der Konstruktion zum Einführen der Kühlluft eliminiert.
10 und 11 zeigen den Fall, in welchem die vorher erklärte Doppelend-Lampe 130 durch eine Einzelend-Lampe 130A ersetzt ist, wobei ersichtlich ist, daß eine Anzahl von Einzelend-Lampen 130A in Kombination mit dem Reflektor 140A vorgesehen ist. 10 zeigt einen vergrößerten Abschnitt des Quarzfensters 120 mit solchen Einzelend-Lampen 130A, während 11 den Reflektor 140A in Draufsicht zeigt. Es wird darauf hingewiesen, daß die Konstruktion gemäß den 10 und 11 eine sehr gute Richtfähigkeit und Steuerbarkeit für die von den Lampen 130A emittierte, thermische Strahlung liefert.
Im folgenden wird die Konstruktion des Strahlungspyrometers 200, welches in der RTP-Vorrichtung 100 gemäß 1 genutzt wird, unter Bezugnahme auf 12 und 13 beschrieben, wobei 12 einen Abschnitt der Prozeßkammer 110, einschließlich des Strahlungspyrometers 200 in einer vergrößerten Darstellung zeigt, während 13 die Konstruktion eines Choppers 230 in Draufsicht zeigt, der in dem Strahlungspyrometer 200 genutzt wird. Es wird darauf hingewiesen, daß das Strahlungspyrometer 200 bezüglich des Wafers W auf einer zu der Lampe 130 entgegengesetzten Seite vorgesehen ist, um das Einfallen von Strahlung der Lampe 130 direkt auf das Strahlungspyrometer 200 zu vermeiden, wobei die vorliegende Erfindung den Fall nicht ausschließt, bei dem das Strahlungspyrometer 200 auf der gleichen Seite der Lampe 130 angeordnet ist.
Es wird darauf hingewiesen, daß das Strahlungspyrometer 200 an einem Bodenabschnitt 114 der Prozeßkammer 110 montiert ist, wobei der Bodenabschnitt 114 eine innere Oberfläche 114a aufweist, die mit einem hoch-reflektierenden Film beschichtet ist, beispielsweise einem Goldfilm, und wobei die innere Oberfläche 114a als ein Reflektor funktioniert. Wenn eine schwarze Oberfläche für die Oberfläche 114a genutzt wird, wird es notwendig, die Treiberspannung 130 zu erhöhen, um die Absorptionsverluste zu kompensieren, die durch den Bodenabschnitt 114 der Prozeßkammer 110 verursacht werden, wobei eine solche Konstruktion dem Erfordernis eines ökonomischen Betreibens der RTP-Vorrichtung 100 entgegensteht.
Der Bodenabschnitt 114 der Prozeßkammer 110 weist ein rundes Durchdringungsloch 115 auf. Das Strahlungspyrometer 200 erfaßt die Temperatur des Wafers W mittels des Erfassens der Infrarotstrahlung, die von einer vorbestimmten Fläche des Wafers W an der Bodenoberfläche ausgesendet wird. Das Strahlungspyrometer 200 umfaßt einen durchsichtigen Stab 210 aus Quarz oder Saphir, der in das vorgenannte Durchdringungsloch 115 eingeführt ist, und ein Gehäuse bzw. einen Käfig 220, der das Bodenende des durchsichtigen Stabs 210 bedeckt, wobei das Gehäuse 220 einen Chopper 230 zum abwechselnden Unterbrechen der Infrarotstrahlung aufnimmt, die von dem Bodenende des durchsichtigen Stabs 210 emittiert wird. Der Chopper 230 wird mittels eines Motors 240 gedreht, der auf der Außenseite des Gehäuses 220 vorgesehen ist. Die Infrarotstrahlung, die durch den Chopper 230 gelangt, wird mittels eines Detektors 270 erfaßt, der auf der Außenseite des Gehäuses 220 vorgesehen ist.
Aufgrund der Ausbildung des durchsichtigen Stabs 210 mit Hilfe von Quarz oder Saphir zeigt der Stab 210 eine sehr gute Widerstandsfähigkeit hinsichtlich der Temperatur und behält während der Nutzung der RTP-Vorrichtung 100 sehr gute optische Eigenschaften, obwohl das den Stab 210 bildende Material nicht auf Quarz oder Saphir begrenzt ist. Wegen der sehr guten thermischen Widerstandsfähigkeit des Stabs 210 ist es nicht notwendig, für den Stab 210 einen Kühlmechanismus vorzusehen, und kann die RTP-Vorrichtung 100 in einer kompakten Bauweise ausgebildet werden.
Der Stab 210 kann vorgesehen werden, um von der inneren Oberfläche 114a in Richtung des Inneren der Prozesskammer 110 vorzustehen, wenn dies notwendig ist. Der Stab 210 ist mittels eines Dichtrings 190 in dem Durchdringungsloch 115 abgedichtet. Die Prozesskammer 110 wird effektiv auf einem niedrigen Druck gehalten.
Mit Hilfe des Vorsehens des Stabs 210 in dem Durchdringungsloch 115 wird es möglich, die Infrarotstrahlung, die in das Gehäuse 220 einfällt, ohne das Verursachen substantieller Verluste zu führen. Der Fotodetektor 270 kooperiert mit dem Stab 210 und empfängt die Infrarotstrahlung effizient. Darüber hinaus ermöglicht die Nutzung des Stabs 210 eine Mehrfachreflexion der Infrarotstrahlung zwischen der Oberfläche des Choppers 230 und der Bodenfläche des Wafers W, wie dieses mittels Pfeilen in 12 dargestellt ist. Des weiteren wird es mit Hilfe des Stabs 210, derart, daß das vordere Ende des Stabs in einem kurzen Abstand von der Rückfläche des Wafers W angeordnet ist, möglich, die Temperatur des Wafers W mit hoher Genauigkeit zu messen.
Mit Hilfe der Nutzung des Stabs 210 wird es andererseits möglich, den Abstand zwischen dem Wafer W und dem Gehäuse 220 zu vergrößern. Hierdurch wird die Erwärmung des Ge häuses 220 auf einem Minimum gehalten und ist kein Kühlmechanismus notwendig. Deshalb trägt die Nutzung des Stabs 210 zur Verkleinerung der RTP-Vorrichtung 100 bei. Auch in dem Fall, in dem ein Kühlmechanismus an dem Gehäuse 220 vorgesehen ist, trägt die Nutzung des Stabs 210 zur Verminderung des Energieverbrauchs des Kühlmechanismus bei.
Es wird darauf hingewiesen, daß der Stab 210 zusammen mit einer optischen Faser 210A gemäß 24 genutzt werden kann. Mit Hilfe des Vorsehens einer solchen optischen Faser 210A wird der optische Weg der zu messenden Infrarotstrahlung flexibel, und der Freiheitsgrad des Designs des Strahlungspyrometers 200 vergrößert sich. Darüber hinaus wird es möglich, den Abstand des Hauptkörpers oder Gehäuses 220 des Strahlungspyrometers 200 von dem Wafer W zu vergrößern. Ungünstige Wirkungen, die in dem Strahlungspyrometer 200 durch eine thermische Deformation verursacht werden, sind eliminiert. Hierdurch wird die Genauigkeit der Temperaturmessung verbessert.
Es wird darauf hingewiesen, daß das Gehäuse 220 unter dem Durchdringungsloch 115 eine zylindrische Form aufweisen kann.
Gemäß 13 weist der Chopper 230 ein scheibenähnliches Bauteil auf, das mit einem Versatz von der Mitte des Durchdringungsloch 115 und folglich mit der Mitte des Stabs 210 im wesentlichen horizontal angeordnet ist. Der Chopper 230 ist mit einem Drehschaft des Motors 240 verbunden und wird als Reaktion auf die Anregung des Motors 240 gedreht.
Gemäß 13 umfaßt der Chopper 230 Quadrantensektoren, wobei ein hoch-reflektierender Sektor 232 und ein niedrig-reflektierender Sektor 234 alternativ entlang der Umfangsrichtung angeordnet sind. Jeder der Sektoren 232 und 234 trägt einen Schlitz 231 in Übereinstimmung mit dem optischen Weg der Infrarotstrahlung, die von dem Bodenende des Stabs 210 ausgesendet wird. Der hoch-reflektierende Sektor 232 kann eine reflektierende Beschichtung aufweisen, beispielsweise Al oder Au, während der niedrig-reflektierende Sektor 234 eine schwarze Beschichtung aufweist.
Bei dem Chopper 230 wird darauf hingewiesen, daß der Schlitz 231 in dem hoch-reflektierenden Sektor 232 als ein Meßabschnitt 232a funktioniert, wohingegen der verbleibende Abschnitt des hoch-reflektierenden Sektors 232 als ein Unterbrechungsabschnitt 232b arbeitet. In ähnlicher Weise funktioniert der Schlitz 232 in dem niedrig-reflektierenden Sektor 234 als ein Meßabschnitt 234a, wohingegen der verbleibende Abschnitt des niedrig-reflektierenden Sektors 234 als ein Unterbrechnungsabschnitt 234b funktioniert.
Es wird darauf hingewiesen, daß die Konstruktion des Choppers 230 gemäß 13 nur ein Beispiel ist und verschiedene Modifikationen der Konstruktion nach 13 vorgenommen werden können. Beispielsweise kann der Chopper halbrunde, hoch-reflektierende Abschnitte und niedrig-reflektierende Abschnitte aufweisen, die die Oberfläche des runden Choppers 230 halbieren. Die Oberfläche des Choppers 230 kann auch in mehr als die vorgenannten vier Quadranten unterteilt werden. Darüber hinaus ist es möglich, den Schlitz 231 nur in dem hoch-reflektierenden Sektor des Choppers 230 vorzusehen. Des weiteren kann der niedrig reflektierende Sektor 234 durch einen Ausschnitt ersetzt werden.
Wenn der Chopper 230 mit der Drehung des Motors 240 gedreht wird, erscheinen der hoch reflektierende Sektor 232 und der niedrig-reflektierende Sektor 234 alternierend am Bodenende des Stabs 210. Wenn der Sektor 232 unterhalb des Stabs 210 angeordnet ist, wird deshalb die Mehrheit der Infrarotstrahlung, die von dem Bodenabschnitt des Stabs 210 ausgesendet wird, zu der Rückfläche des Wafers W durch den Stab 210 zurück reflektiert. Wenn der Sektor 234 unterhalb des Stabs 210 angeordnet ist, wird die Mehrheit der Infrarotstrahlung, die von dem Bodenende des Stabs 210 ausgesendet wird, von dem niedrig-reflektierenden Sektor 234 absorbiert. Auf diese Weise erfaßt der Fotodetektor 270 die Infrarotstrahlung, die von der Rückfläche des Wafers W direkt ausgesendet wird, und weiterhin die Strahlung nach einer Mehrfachreflexion zwischen dem Wafer und dem hoch-reflektierenden Sektor.
Der Detektor 270 umfaßte eine Linse, eine Si-Fotozelle, einen Verstärker und dergleichen, die nicht dargestellt sind, und wandelt die auf die Linse einfallende Infrarotstrahlung in ein elektrisches Signal um, das für eine Strahlungsintensität E₁(T) oder E₂(T) indikativ ist, die später beschrieben werden, wobei das elektrische Signal auf diese Weise an die Systemsteuereinrichtung 300 geliefert wird. Die Systemsteuereinrichtung 300 umfaßt andererseits eine CPU und einen Speicher und berechnet den Emissionsgrad ε des Wafers W und die Wafertemperatur gemäß eines zu beschreibenden Verfahrens. Diese Berechnung der Temperatur kann selbstverständlich mit Hilfe anderer arithmetischer Einheiten in dem nicht dargestellten Strahlungspyromether 200 ausgeführt werden.
Die Infrarotstrahlung, die durch den Schlitz 231 gelangt, wird mit Hilfe der Linse 250 gebündelt und über eine optische Faser 260 zu dem Detektor 270 geführt. Hierdurch wird die Emis sionsstärke (oder Leuchtdichte) am hoch-reflektierenden Sektor 232 wie folgt repräsentiert:
Hierbei repräsentiert E₁(T) die Strahlungsstärke, die mittels des Detektors 270 für die hoch-reflektierende Oberfläche 232 bei einer Temperatur erhalten wird. R repräsentiert den effektiven Reflexionsgrad der hoch-reflektierenden Oberfläche 232. Darüber hinaus repräsentiert ε den Reflexionsgrad des Wafers W. E_BB(T) repräsentiert die Strahlungsstärke eines schwarzen Körpers bei der Temperatur T.
Es wird darauf hingewiesen, daß die vorhergehende Gleichung (2) von der folgenden Gleichung (3) wie folgt abgeleitet werden kann, wobei angenommen wird, daß keine Transmission der thermischen Strahlung durch den Wafer W existiert:
Des weiteren wird darauf hingewiesen, daß die Emissionsstärke (oder Leuchtdichte) auf dem niedrig-reflektierenden Sektor 234 wie folgt repräsentiert wird: E2(T) = εEBB(T), (4)
E₂(T) repräsentiert die Emissionsstärke der niedrig-reflektierenden Oberfläche 234 bei der Temperatur T, die mittels des Detektors 270 erhalten wird. Die Gleichung (4) wird aus der Planck'schen Strahlungsgleichung abgeleitet.
Aus den Gleichungen (2) und (4) ergibt sich der Emissionsgrad ε wie folgt:
Allgemein ist das Spektrum der elektromagnetischen Strahlung, die von einem schwarzen Körper ausgesendet wird, durch die Planck'sche Gleichung gegeben. Es existiert eine Beziehung zwischen der Temperatur T eines schwarzen Körpers und der Emissionsstärke E_BB(T), die mittels des Strahlungspyrometers 200 gemessen wird:
A, B und C sind Konstanten, die durch das optische System des Strahlungspyrometers 200 bestimmt sind, wohingegen C₂ die zweite Strahlunskonstante repräsentiert.
Die Gleichung (6) kann bezüglich der Temperatur T gelöst werden, so daß sich die folgende Gleichung ergibt:
Deshalb wird mittels des Detektors 270 und der Systemsteuereinrichtung 300 basierend auf Gleichung (5) und Gleichung (2) oder (4) die Emissionsstärke E_BB(T) erhalten. Die Emissionsstärke E_BB(T) wird in Gleichung (7) genutzt, um die Temperatur T des Wafers W zu erhalten.
Die Temperatur T, die auf der Basis von Gleichung (7) auf diese Weise erhalten wird, enthält im allgemeinen jedoch einen Fehler von etwa 20–40°C gemäß der 14 oder 15. Es ist schwierig, eine qualitativ hochwertige, thermische Bearbeitung mit einer genau gesteuerten Temperatur auszuführen, wenn das herkömmliche Strahlungspyrometer 200 genutzt wird, wobei 14 die Beziehung zwischen der tatsächlichen Temperatur des Wafers W im mittleren Abschnitt und der Temperatur zeigt, die mittels des Strahlungspyrometers 200 zusammen mit der Gleichung (1) erhalten wird. Darüber hinaus zeigt 15 die Beziehung zwischen der tatsächlichen Temperatur des Wafers, die für den Randabschnitt des Wafers W erhalten wird, und der entsprechenden Temperatur, die mittels des Strahlungspyrometers 200 unter Nutzung von Gleichung (1) erhalten wird.
Nach einer detaillierten Untersuchung des Grundes für den Fehler fand der Erfinder der vorliegenden Erfindung mehrere Faktoren, die den vorgenannten Fehler gemäß 16 verursacht haben.
Auf den Stab 210 kann insbesondere Infrarotstrahlung einfallen, die mehrmals zwischen dem Wafer W und der inneren Oberfläche 144a der Prozesskammer reflektiert wurde, wie dieses in 16 mittels eines Strahls J gezeigt ist. Darüber hinaus kann auf den Stab 210 Strahlung einfallen, die mit Hilfe der Lampe 130 erzeugt wird und in der Prozesskammer 110 als ein Streulicht wandert, wie dieses in 16 mittels eines Strahls K gezeigt ist.
Darüber hinaus verursacht der Stab 210 selbst eine optische Absorption, wobei eine solche optische Absorption als ein optischer Verlust M in 16 erscheint. Des weiteren kann Reflexion an der Endoberfläche des Stabs 210 einen weiteren optischen Verlust L verursachen (vgl. 16).
Bei einer Vorrichtung zum Bearbeiten eines einzelnen Wafers, beispielsweise der RTP-Vorrichtung 100, weisen das Innere der Prozesskammer 110 und andere Teile, die in der Nähe des Wafers W vorgesehen sind, eine reflektierende Beschichtung zur Verbesserung der thermischen Effizienz auf. Deshalb ist es Problem der Mehrfachreflexion J und des Streulichts K in der RTP-Vorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Erfindung von besonderer Bedeutung. Wie oben erwähnt, ist 16 ein vergrößertes Querschnittsdiagramm der Prozesskammer 110, das die vorgenannten, verschiedenen Gründe für den Fehler zeigt, wenn die Temperatur mittels des Strahlungspyrometers 200 bestimmt wird.
Aus dem Vorhergehenden hat der Erfinder der vorliegenden Erfindung eine Schlußfolgerung dahingehend erreicht, daß der vorgenannte Fehler mittels der Modifizierung der Gleichung (1) in eine folgende Gleichung kompensiert werden kann:
Gleichung (8) kompensiert die Wirkung der Mehrfachreflexion J mittels des Modifizierens des Emissionsgrads ε, um einen effektiven Emissionsgrad zu formulieren, der durch ε/{1 – α(1 – ε)} repräsentiert ist, wobei α ein Korrekturkoeffizient ist.
Des weiteren kompensiert Gleichung (8) die Wirkung der Streustrahlung S mittels des Hinzufügens eines Korrekturterm S zu E_BB(T), wobei der Korrekturterm S als eine Repräsentation einer zusätzlichen Strahlungsquelle interpretiert werden kann, die die Streustrahlung erzeugt. Darüber hinaus kompensiert Gleichung (8) die Wirkung der Reflexion L an dem Ende des Stabs 210 mit Hilfe des Abziehens eines Korrekturterms β, der dem Reflexionsverlust L des effektiven Emissionsgrad ε/{1 – α(1 – ε)} entspricht. Des weiteren kompensiert Gleichung (8) die Wirkung des Absorptionsverlustes M mit Hilfe des Multiplizierens eines Korrekturkoeffizienten G (Verstärkungskoeffizient) mit dem Term [ε/{1 – α(1 – ε)} – β]{E_BB(T) + S}.
In Abhängigkeit von der Situation können ein oder mehrere der Korrekturterme in Gleichung (8) weggelassen werden. Gleichung (8) kann auf einem computerlesbaren Medium, beispielsweise einer Magnetplatte oder einer optischen Platte, zusammen mit einem Computerprogramm zum Ausführen der Temperaturmessung gespeichert werden. Darüber hinaus kann ein Computerprogramm, das Gleichung (8) umfaßt, über ein Telekommunikationsnetzwerk von einem Ort zu einem anderen Ort in Form einer Transaktion übertragen werden.
Die 17 und 18 zeigen die Pyrometertemperatur, die mittels Gleichung (8) erhalten wurde und die tatsächliche gemessene Temperatur des Wafers, wobei 17 die zwei Temperaturablesungen in der Mitte des Wafers W vergleicht, wohingegen 18 die zwei Temperaturablesungen an der Kante des Wafers W vergleicht. Aus der 17 oder der 18 ergibt sich, daß die Abweichung zwischen den zwei Temperaturablesungen sich innnerhalb von ±3°C bewegt.
Es wird darauf hingewiesen, daß die Systemsteuereinrichtung 300 eine CPU und einen Speicher umfaßt und die Temperatur T des Wafers W in der RTP-Vorrichtung 100 wiedererkennt. Die Systemsteuereinrichtung 300 leitet bzw. führt dann eine Rückkopplungssteuerung des Lampentreibers 310 als Reaktion auf die Temperatur T. Wie später erklärt wird, steuert die Systemsteuereinrichtung 300 darüber hinaus die Drehung des Wafers W mittels des Zuführens eines Treibersignals an den Motortreiber 320 in einem vorbestimmten Intervall.
Es wird darauf hingewiesen, daß der Gaseinlaß 180 verschiedene verbundene Einheiten umfaßt, die nicht dargestellt sind, beispielsweise eine Gasquelle, Flußsteuerventile, Massenflußsteuereinrichtungen, eine Gaszuführdüse und verschiedene Rohre, die diese Einheiten verbinden. Während das dargestellte Beispiel die Konstruktion nutzt, bei der der Gaseinlaß 180 an der Seitenwand 112 der Prozesskammer 110 vorgesehen is, ist die vorliegende Erfindung nicht auf eine solche spezifische Ausführungsform begrenzt, und das Prozessgas kann aus einem Duschkopf eingeführt werden, der an dem oberen Abschnitt der Prozesskammer 110 vorgesehen ist.
Wenn die thermische Bearbeitung, die in der Prozesskammer 110 ausgeführt wird, ein Tempern ist, kann ein Gas beispielsweise N2 oder Ar, über den Gaseinlaß in die Prozesskammer 110 eingeführt werden. Wenn ein Oxidationsprozess auszuführen ist, kann andererseits irgendein Gas genutzt werden, beispielsweise O₂ und H₂, H₂O oder NO₂. Darüber hinaus können Gase, wie NH₃, SiH₂Cl₂, SiH₄ oder dergleichen genutzt werden, wenn ein Beschichtungs- bzw. Ablagerungsprozess auszuführen ist. Es wird daraufhingewiesen, daß die genutzten Gase in der RTP-Vorrichtung nicht auf ein solches spezifisches Gas begrenzt sind.
Es wird darauf hingewiesen, daß die Masseflußsteuereinrichtung zum Steuern der Flußrate des Gases genutzt wird und von einer Art sein kann, die eine Brückenschaltung, eine Verstärkerschaltung, eine Komperatorsteuerschaltung und ein Flußsteuerventil umfaßt. Die Masseflußsteuereinrichtung dieser Art steuert das Flußsteuerventil mittels des Erfassen der Gasflußrate auf der Basis der Messung der thermischen Übertragung, die durch den Gasfluß erzeugt wird, der von der oberstromigen Seite zu der unterstromigen Seite fließt.
Das Gaszuführsystem ist gestaltet, um mittels eines nahtlosen Rohres das Eindringen von Verunreinigungen aus dem Gaskanal in das Gas zu verhindern. Darüber hinaus dienen eine Eingreifverbindung oder eine Metalldichtungsverbindung demselben Zweck. Des weiteren ist vorgesehen, die innere Oberfläche des Kanals mit einem isolierenden Material zu bedecken, beispielsweise PTFE, PFA, Polyimid, PBI oder dergleichen, um Schmutzpartikel infolge der Kontamination oder der Korrosion innerhalb des Kanals zu eliminieren. Alternativ kann die innere Oberfläche des Kanals einem elektrolytischen Polierprozess ausgesetzt sein. Des weiteren existieren Fälle, in denen eine Staub- bzw. Schmutzteilchenfalle vorgesehen ist.
In Verbindung mit der Konstruktion nach 1 wird darauf hingewiesen, daß der Abgasanschluß 190 so vorgesehen ist, daß die Prozesskammer 110 in einer im wesentlichen horizontalen Richtung, ähnlich zu dem Gaseinlaßanschluß 180, evakuiert wird. Es wird darauf hingewiesen, daß der Abgasanschluß 190 nicht auf eine solche Konstruktion begrenzt ist. Es können an anderen Orten zwei oder mehr vorgesehen sein. Der Abgasanschluß 190 ist über ein Druckregulierungsventil mit einer geeigneten Evakuierungspumpe verbunden, beispiels weise einer Turbo-Molekularpumpe, einer Sputter-Ionenpumpe, einer Getterpumpe, einer Sorptionspumpe, einer Kryopumpe oder dergleichen.
Während die Prozesskammer bei der vorliegenden Ausführungsform im Verlauf des Prozesses einer reduzierten Druckumgebung gehalten wird, kann die vorliegende Erfindung auch für den Fall angewendet werden, bei dem das Verarbeiten keine reduzierte Druckumgebung verlangt. Beispielsweise kann die RTP-Vorrichtung für das Verarbeiten in dem Druckbereich von 133 Pa bis atmosphärischen Druck verwendet werden. Darüber hinaus wird darauf hingewiesen, daß der Abgaßanschluß 190 die weitere Funktion des Entfernen des in dem Prozess genutzten He-Gases aus der Prozesskammer 110 vor dem Beginn des nächsten Prozesses hat, was unter Bezugnahme auf die 20–24 erklärt wird.
19 ist eine Grafik, die das Ergebnis einer Simulation zeigt, die bezüglich der Kühlrate des Wafers W für die RTP-Vorrichtung 100 nach 1 durchgeführt wurde, wobei die in 19 gezeigte „Lücke” den Intervall zwischen dem Wafer W und dem Bodenabschnitt 114 der Prozesskammer 110 anzeigt.
Aus 19 ergibt sich, daß mit zunehmender Größe der Lücke die Kühlrate steigt und daß die Kühlrate merklich zunimmt, wenn in die Prozesskammer 110 ein He-Gas eingeführt wird, so daß das He-Gas zwischen dem Substrat W und dem Bodenabschnitt 114 fließt.
Es wird darauf hingewiesen, daß die Konstruktion der RTP-Vorrichtung 100 nach 1 den Bodenabschnitt 114 als eine Kühlplatte auf der Rückseite des Wafers W nutzt, während der Wafer W von der oberen Seite mittels der Lampe 130 erwärmt wird. Folglich liefert die Konstruktion nach 1 eine relativ große Kühlrate, während sie wegen der großen Wärmeverteilung eine große elektrische Energie für einen schnellen Temperaturanstieg benötigt. Um während der Zeit des Temperaturanstiegs elektrische Energie zu sparen, ist es möglich, die Zuführung des Kühlwassers zu unterbrechen, während ein solcher Prozess im allgemeinen wegen des Problems des Abfalls der Rate der Waferverarbeitung nicht akzeptabel ist.
Um dieses Problem zu vermeiden, ist es dann möglich, einen Bodenabschnitt 114A, welcher in den 20–22 anstelle des Bodenabschnitts 114 dargestellt ist, zu nutzen, wobei der Bodenabschnitt 114A bezüglich des Wafers W bewegbar ist. Des weiteren wird ein thermisch leitendes He-Gas veranlaßt, zwischen dem Wafer W und dem Bodenabschnitt 114A zur Verstärkung der Wärmeverbreitung bzw. Ausbreitung des Wafers W zu fließen. Es wird darauf hingewiesen, daß 20 eine schematische Querschnittsdarstellung ist, die die bewegbare Konstruktion des Bodenabschnitts 114A bezüglich des Wafers W zeigt, während 21 die Positionsbeziehung zeigt, die in der RTP-Vorrichtung 100 zwischen dem Bodenabschnitt 114A und dem Wafer W genutzt wird, wenn ein schnelles Erwärmen des Wafers W ausgeführt wird. Des weiteren zeigt 22 die Positionsbeziehung, die in der Thermobearbeitungsvorrichtung 100 zwischen dem Bodenabschnitt 114A und dem Wafer genutzt wird, wenn ein schnelles Kühlen des Wafers W ausgeführt wird. In den Darstellungen der 20–22 wurden zur Vereinfachungen die Darstellung des Strahlungspyrometers 200 und der Kühldurchgänge 116a und 116b weggelassen.
Gemäß 20 nutzt die gezeigte Konstruktion einen Blasebalg zum Aufrechterhalten der reduzierten Druckumgebung innerhalb der Prozesskammer 110, wobei der Bodenabschnitt 114A in Bezug auf den Wafer W mittels eines Hebemechanismus 117 unter Steuerung der Systemsteuereinrichtung 300 auf und ab bewegt wird. Da jeder beliebige, verfügbare Mechanismus für den Hebemechanismus 117 genutzt werden kann, wird auf eine weitere Erklärung verzichtet. Im Gegensatz zu der vorliegenden Ausführungsform ist es auch möglich, den Stützring 150 als bewegbares Teil auszubilden, so daß der Wafer W in der Prozesskammer 110 auf und ab bewegt wird.
Wenn der Wafer W erwärmt wird, wird der Bodenabschnitt 114A gemäß 21 abgesenkt, um den Abstand zwischen dem Wafer W und dem Bodenabschnitt 114A zu vergrößern, und die Zuführung des He-Gases wird unterbrochen. Ein Abstand zwischen dem Wafer W und dem Bodenabschnitt 114A kann beispielsweise etwa 10 mm betragen. Aufgrund des großen Abstands zwischen dem Bodenabschnitt 114A und dem Wafer W wird der thermische Einfluß des Bodenabschnitts 114A auf den Wafer W vermindert und steigt die Temperatur des Wafers W schnell. Der Zustand gemäß 21 kann beispielsweise eine Ausgangsstellung des Wafers W definieren.
Wenn andererseits der Wafer W gekühlt wird, wird der Bodenabschnitt 114A in Richtung des Wafers W angehoben, um den Abstand dazwischen zu vermindern, und die Zuführung des He-Gases beginnt. Wegen des kleinen Abstands zwischen dem Wafer W und dem Bodenabschnitt 114A wird der Wafer W infolge des vergrößerten thermischen Einflusses des Bodenabschnitts 114A schnell gekühlt. Typischerweise wird zwischen dem Wafer W und dem Bodenabschnitt 114A ein Abstand von etwa 1 mm genutzt.
23 zeigt die Einführung des He-Gases, wobei 23 den in 2 eingekreisten Bereich V auf einer größeren Skala zeigt.
Gemäß 23 weist der Bodenabschnitt 114 eine Anzahl kleiner Löscher 115A auf, und das He-Gas wird in den Raum zwischen der Rückfläche des Wafers W und dem Bodenabschnitt 114A über diese kleinen Löscher 115A eingeführt. Es wird darauf hingewiesen, daß ein Gehäuse bzw. Käfig 410 mit einem Ventil 400 an dem Bodenabschnitt 114 angebracht ist. Eine Gaszuführleitung von einer He-Gas-Quelle ist mit dem Ventil 400 verbunden.
Es wird darauf hingewiesen, daß die Konstruktion gemäß den 20–22, die gestaltet ist, um den Abstand zwischen dem Wafer W und dem Bodenabschnitt 114 der Prozesskammer 110 zu verändern, auch zum Verändern des Abstands zwischen dem Wafer W und der Lampe 130 genutzt werden kann.
Im folgenden wird die Konstruktion zum Drehen des Wafers W unter Bezugnahme auf 1 erklärt.
Um eine hohe Ausbeute bei der Produktion von Halbleitereinrichtung und integrierten Schaltungen zu erhalten und eine hohe Leistungsfähigkeit der einzelnen Halbleitereinrichtungen aufrechtzuerhalten, ist es notwendig, daß der Wafer W über die gesamte Oberfläche einer gleichförmigen RTP ausgesetzt wird. Wenn eine ungleichmäßige Temperaturverteilung auf dem Wafer W existiert, werden verschiedene Probleme erwartet, beispielsweise eine ungleichmäßige Filmdicke oder eine Ausbildung von einer Einschußversetzung in dem Siliziumkristall, die durch eine thermische Beanspruchung bzw. Spannung verursacht ist. Die RTP-Vorrichtung 100 kann in diesem Fall nicht länger eine qualitativ hohe thermische Bearbeitung liefern.
Eine solche ungleichmäßige Temperarturverteilung auf dem Wafer W kann durch eine ungleichförmige Verteilung der Strahlung der Lampe 130 oder durch die thermische Wirkung des Niedrigtemperaturbearbeitungsgases, welches in die Prozesskammer 110 über den Gaseinlaß 180 eingebracht wird, verursacht sein. Um eine solche Ungleichmäßigkeit der Temperaturverteilung zu eliminieren und eine gleichmäßige Erwärmung des Wafers W zu garantieren, kann die RTP-Vorrichtung 100 einen Drehmechanismus zum Drehen des Wafers W umfassen.
Es wird darauf hingewiesen, daß der Drehmechanismus von W zusätzlich zu dem Stützring 150 und dem ringförmigen Permanentmagneten 170 einen magnetischen Körper 172 umfaßt, der an der Bodenkante des Drehstützbauteils 152 angebracht ist. Der magnetische Körper 172 weist eine konzentrische Beziehung zu dem Permanentmagneten 170 auf. Der Permanentmagnet 170 wird mit Hilfe eines Motors 330 gedreht, der mittels einer Treiberschaltung 320 unter der Steuerung der Systemsteuereinrichtung 300 angetrieben wird. Als Reaktion auf die Drehung des Permanentmagneten 170 dreht sich deshalb der magnetische Körper 172 und folglich der Stützring 150 der über das Drehstützbauteil 152 mit dem magnetischen Körper 172 verbunden ist.
Typischerweise ist der Stützring 150 aus einem feuerfesten, keramischen Material gebildet, beispielsweise SiC, und weist der Stützring 150 eine Ringform auf. Der Stützring 150 funktioniert als eine Stufe des Wafers W und weist einen zentralen Ausschnitt auf, der die Rückfläche des Wafers W freigibt, worauf bereits hingewiesen wurde. Weil der zentrale Ausschnitt einen Durchmesser aufweist, der kleiner als der äußere Durchmesser des Wafers W ist, kann der Stützring 150 den Wafer W hierauf durch das Zusammenwirken mit einem Randkantenabschnitts des Wafers W stützen. Der Stützring 150 kann einen Klammermechanismus oder ein elektrostatisches Spannfutter zum festen Halten des Wafers W umfassen. Mittels der Nutzung des Stützrings 150 wird es möglich, die Verschlechterung eines Temperaturprofils zu verhindern, welche durch die thermische Strahlung an den Randkantenbereichen des Wafers W verursacht wird.
Wie bereits beschrieben wurde, trägt der Stützring 150 das Drehstützbauteil 152, das mit einem Randkantenabschnitt verbunden ist, wobei das Drehstützbauteil 152 mit dem Randkantenabschnitt des Stützrings 150 über ein Thermo-Isolierbauteil, beispielsweise einem Quarzglas, so verbunden ist, daß der magnetische Körper 152 thermisch geschützt ist. In dem dargestellten Beispiel wird das Drehstützbauteil 152 von einer zylindrischen Hülse bzw. Buchse aus einem entglasten Quarzglas gebildet.
Zwischen dem Drehstützbauteil 152 und der Seitenwand 112 der Prozesskammer 110 ist ein Unterstütz- bzw. Stützmechanismus 160 zum Erlauben einer freien Drehung des Drehstützbauteils 152 in den Zustand vorgesehen, in welchem die Prozesskammer 110 in einen Hochvakuumzustand evakuiert wird, wobei der Stützmechanismus 160 auf der inneren Oberfläche der Seitenwand 112 fixiert ist. Wie bereits erwähnt wurde, ist der magnetische Körper 172 an der Bodenkante des Drehstützbauteils 152 vorgesehen.
Wie bereits beschrieben, sind der ringförmige Permanentmagnet 170 und der magnetische Körper 172 in einer konzentrischen Beziehung angeordnet, wobei der Permanentmagnet 170 und der magnetische Körper 172 über die Seitenwand 112 der Prozeßkammer 110, die typischerweise aus einem nicht magnetischen Material, beispielsweise Al gebildet ist, eine magnetische Kopplung erreichen. Deshalb dreht sich der magnetische Körper 172 als Reaktion auf eine Drehung des Magneten 170, welcher unter der Steuerung der Systemsteuereinrichtung 300 mit Hilfe der Motortreiberschaltung 320 über den Motor 330 angetrieben wird. Hierdurch wird die Drehgeschwindigkeit in Anbetracht des Materials und der Größe des Wafers W und der Gasatmosphäre sowie der Gastemperatur in der Prozesskammer 110 so gesteuert, daß Turbulenzen der Atmosphäre in der Prozesskammer 110 vermieden werden, insbesondere in dem Randbereich des Wafers W. Bei dem dargestellten Beispiel wird der Stützring 150 mit einer Drehgeschwindigkeit von 90 Umdrehungen pro Minute gedreht. Es wird darauf hingewiesen, daß es möglich ist, für den Magneten 170 ein magnetisches Material und für das magnetische Material 172 einen Permanentmagneten zu nutzen, solange sie magnetisch gekoppelt sind. Weiterhin können beide Bauteile 170 und 172 von einem Permanentmagneten gebildet werden.
Im folgenden wird der Betrieb der RTP-Vorrichtung 100 erklärt.
Zuerst wird der Wafer W in die Prozesskammer 110 mit Hilfe von Transportmitteln, beispielsweise einem Transportarm eines Clusterwerkzeugs (nicht dargestellt), über ein Torventil der Prozesskammer 110 (nicht dargestellt) eingebracht. Wenn der den Wafer W tragende Arm den oberen Abschnitt des Stützrings 150 erreicht hat, wird von dem Stützring 150 eine Anzahl Hebestifte (typischerweise drei) aufwärts bewegt und mit der Rückfläche des Wafers in Verbindung gebracht. In diesem Zustand wird der Arm durch das Torventil zurück bewegt und wird das Torventil geschlossen. Der Transportarm kann danach in seine Ausgangsstellung zurückkehren (nicht dargestellt).
Danach werden die Hebestifte in den Stützring 150 zurück bewegt. Der Wafer W wird auf dem Stützring 150 in einer vorbestimmten Stellung gehalten. Der Antrieb der Hebestifte kann mittels der Nutzung eines nicht dargestellten Blasebalgs so erreicht werden, daß in der Prozesskammer 110 die evakuierte Niedrigdruckumgebung aufrecht erhalten wird und daß ein Austreten der Atmosphäre in der Prozesskammer 110 in die atmosphärische Umgebung verhindert wird.
Danach steuert die Systemsteuereinrichtung 300 den Lampentreibern 310, um die Hochenergielampe 130 mit Energie zu versorgen. Als Reaktion hierauf versorgt der Lampentreiber 310 die Lampe 130 mit Energie und wird der Wafer W auf eine Temperatur von etwa 800°C erhitzt.
Die von der Lampe 130 ausgesendete Infrarotstrahlung beleuchtet die obere Fläche des Wafers W. Die Temperatur des Wafers W steigt schnell auf die vorgenannte Temperatur von 800°C mit einer Rate von 200°C/s. Obwohl eine allgemeine Tendenz dahingehend besteht, daß der Randbereich des Wafers W im Vergleich mit dem mittleren Teil eine große Wärmeverteilungsrate aufweist, kann die vorliegende Erfindung das Auftreten eines ungleichen Temperaturprofils mittels des Vorsehens der Lampe 130 in der Form einer Anzahl konzentrischer Lampenelemente und des unabhängigen Einschaltens der Lampenelemente kompensieren.
Während dieser Phase des schnellen Temperaturanstiegs wird der Bodenabschnitt 114A in der Ausgangsstellung gemäß 21 positioniert, wenn die Konstruktion nach 20 genutzt wird. Es wird darauf hingewiesen, daß der Zustand gemäß 21 wegen des vergrößerten Abstands des Bodenabschnitts, der als eine Kühlplatte wirkt, von dem Wafer W besonders vorteilhaft für den schnellen Temperaturanstieg ist. Gleichzeitig mit dem Wärmen wird das Evakuierungssystem 190 angetrieben, um in der Prozesskammer 110 die reduzierte Druckumgebung aufrechtzuerhalten.
Während der vorgenannten Phase des schnellen Temperaturanstiegs steuert die Systemsteuereinrichtung 300 den Motortreiber 320, um den Motor 330 mit einer vorbestimmten, optimierten Geschwindigkeit zu treiben. Als Reaktion wird der Motor 330 mit Energie versorgt und wird der ringförmige Magnet 170 mit der vorgenannten, optimierten Geschwindigkeit gedreht. Als Ergebnis der Drehung des Magneten 170 wird das Stützbauteil 152 zusammen mit dem Stützring 150 und dem hierauf angeordneten Wafer W gedreht. Als Ergebnis der Drehung des Wafers W wird die Temperatur in dem Wafer W während des Intervalls der schnellen Thermobearbeitung einheitlich gehalten.
Aus der relativ kleinen Dicke der Quarzplatte 121, die das Quarzfenster 120 bildet, ergeben sich verschiedene Vorteile: (1) eine verminderte Absorption der von der Lampe 130 ausgesendeten Strahlung; (2) eine verminderte Thermobelastung, die in der Quarzplatte 121 induziert wird, weil die Temperaturdifferenz zwischen der oberen Fläche und der unteren Fläche vermindert ist; (3) eine verminderte Ablagerung von Filmen oder Nebenprodukten auf der Oberfläche der Quarzplatte während eines Beschichtungsprozesses wegen der verminderten Temperatur der Quarzplatte 121; (4) ausreichende mechanische Stärke mittels der verstärkenden Rippen 122, um der Luftdruckdifferenz zwischen dem atmosphärischen Druck und dem niedrigen Druck innerhalb der Prozesskammer 110 zu widerstehen, auch in Fällen, in denen die Dicke der Quarzplatte 121 vermindert ist; (5) ein reduzierter Temperaturanstieg der Rippen 122, wenn die Konstruktion nach 6 verwendet wird, bei der die Rippen 122 in jeweilige Rillen 146 des genutzten Reflektors 140A eingeführt sind, und eine sich ergebende Verminderung der thermischen Belastung in den Kreuzungsabschnitten, in denen die Quarzplatte 121 und die Rippen 122 verbunden sind; und (6) ein weiter verbesserter Widerstand des Quarzfensters bezüglich der Druckdifferenz zwischen der atmosphärischen Umgebung und dem Inneren der Prozesskammer 110, wenn die Konstruktion nach 6 genutzt wird.
Die Temperatur des Wafers W wird mittels des Strahlungspyrometers 200 gemessen. Die Systemsteuerung 300 führt eine Rückkoppelsteuerung des Lampentreibers 310 auf der Basis der mittels des Strahlungspyrometers 200 gelesenen Temperatur aus. Während allgemein erwartet wird, daß sich infolge der Drehung des Wafers W in dem Wafer eine einheitliche Temperaturverteilung ausbildet, ist es möglich, das Strahlungspyrometer 200 in mehreren Positionen vorzusehen, beispielsweise in der Mitte oder an der Randkante des Wafers W, wenn dies notwendig ist. In einem solchen Fall wird es möglich, die Energiezuführung der Lampe 130 lokal über den Lampentreiber 310 zu modifizieren, wenn festgestellt wird, daß die Temperaturverteilung auf dem Wafer W nicht einheitlich ist.
Es wird darauf hingewiesen, daß der Abstand zwischen dem Wafer W in der Prozesskammer 110 und dem Chopper 230 in dem Strahlungspyrometer 200 bei der vorliegenden Erfindung als Ergebnis der Nutzung des Stabs 210 vergrößert ist und der nachteilige thermische Einfluß des Wafers W auf das Strahlungspyrometer 200 minimiert ist. Deshalb verbessert die erfindungsgemäße Konstruktion die Exaktheit des Strahlungspyrometers 200. Wegen des vergrößerten Abstand zwischen dem Wafer W und dem Chopper 230 ist es überhaupt nicht notwendig, einen Kühlmechanismus für das Strahlungspyrometer 200 vorzusehen, oder ist es ausreichend, nur ein einfaches Kühlsystem vorzusehen. Hierdurch werden die Kosten und die Größe der RTP-Vorrichtung 100 vermindert.
In Anbetracht der Möglichkeit des Auftretens umfangreicher Diffusion von Verunreinigungselementen in dem Wafer W, wenn der Wafer W über eine ausgedehnte Dauer in einer Hochtemperaturumgebung angeordnet wird, und sich ergebener Verschlechterung der Lei stung der Halbleitereinrichtungen und integrierten Schaltungen, die hierauf ausgebildet sind, ist die Nutzung des Strahlungspyrometers 200 insbesondere für die Realisierung einer RTP-Vorrichtung nützlich, bei der ein schneller Temperaturanstieg und ein schneller Temperaturabfall mittels Rückkoppelsteuerung erreicht werden. Insbesondere der Fehler der Temperaturlesung des Strahlungspyrometers 200 wird mittels der Nutzung der Gleichung (8) in dem Pyrometer 200 oder in der Systemsteuereinrichtung 300 für die Temperaturberechnung unterdrückt. Hierdurch ist eine qualitativ hohe Temperatursteuerung realisiert.
Nach der vorhergehenden Phase des schnellen Temperaturanstiegs wird durch einen Gaseinlaß in die Prozesskammer 110 ein Prozessgas mit einer gesteuerten Flußrate eingebracht.
Nach einem vorbestimmten Intervall, beispielsweise 10 Sekunden für die Thermobearbeitung steuert die Systemsteuereinrichtung 300 den Treiber 310 und beendet die Energiezuführung 130. Als Reaktion hierauf unterbricht der Lampentreiber 310 die Zuführung der Treiberspannung zu der Lampe 130.
In dieser schnellen Abkühlungsphase steuert die Systemsteuereinrichtung 300 den Hebemechanismus 117, wenn die RTP-Vorrichtung 100 die Konstruktion nach 20 aufweist, so daß der Bodenabschnitt 114A in die Kühlstellung angehoben wird, wie dieses in 23 dargestellt ist. Weiterhin wird eine thermisch leitendes Gas, beispielsweise Helium, in die Lücke zwischen dem Wafer W und dem Bodenabschnitt 114A gemäß 23 zum Unterstützen des Kühlen des Wafers W eingeführt. Hierdurch wird es möglich, eine Kühlrate von bis zu 200°C/s zu erreichen.
Nach der vorgenannten Thermobehandlung wird der Wafer W mit Hilfe des Transportarms durch das Torventil in einer zu der vorher beschriebenen Prozedur umgekehrten Prozedur aus der Prozesskammer 110 herausgenommen. Der Transportarm transportiert den dann bearbeiteten Wafer W weiter zu einer Bearbeitungsvorrichtung einer nächsten Stufe, welches eine Beschichtungsvorrichtung sein kann, sofern dies notwendig ist.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen begrenzt. Es können Veränderungen und Modifikationen vorgenommen werden, ohne daß der Bereich der Erfindung verlassen wird.

Claims

Thermobearbeitungsvorrichtung (100) mit: einer Prozesskammer (110) mit einer Stufe (150), die zum Stützen eines Substrats (W) angepaßt ist, wobei die Prozesskammer (110) einen Evakuierungsanschluß zum Verbinden mit einem Evakuierungssystem (190) aufweist; einer Heizquelle, die vorgesehen ist, um das Substrat (W) in der Prozesskammer (110) zu heizen; einem Strahlungspyrometer (200), das an die Prozesskammer (110) zum Messen einer Temperatur des Substrats (W) gekoppelt ist; einer Steuereinheit (300) zum Steuern einer Energiezufuhr zu der Heizquelle als Reaktion auf eine Temperatur des Substrats (W); und einem Kühlmechanismus (116a, 116b) zum Kühlen eines Abschnitts der Prozesskammer (110) in der Nähe des Strahlungspyrometer (200), das Strahlungspyrometer (200) aufweisend: einen Drehchopper (230) mit einem Schlitz (231) und einer hoch-reflektierenden Fläche (232) und einem niedrig-reflektierenden Bereich (234), wobei der Drehchopper (230) in einem optischen Weg einer Strahlung angeordnet ist, die von dem Substrat (W) ausgesendet wird; einen transparenten Stab (210), der in dem optischen Weg zwischen dem Substrat (W) und dem Chopper (230) angeordnet ist, wobei der transparente Stab (210) eine Mehrfachreflexion der Strahlung zwischen dem Substrat (W) und dem Chopper (230) erlaubt; und einen Detektor (270), der hinter dem Chopper (230) zum Erfassen der durch den Schlitz (231) gelangenden Strahlung angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der transparente Stab (210) ein Quarzstab oder ein Saphirstab ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Vorrichtung weiterhin eine optische Faser (210A) aufweist, die zwischen dem transparenten Stab (210) und dem Drehchopper (230) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der transparente Stab (210) in einem Loch (115), das in der Prozesskammer (110) gebildet ist, zusammen mit einem Dichtungsbauteil (190) angeordnet ist, das einen Raum zwischen dem transparenten Stab (210) und einer inneren Wand des Loches (115) abdichtet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der eine Temperatur des Substrats aus einer Strahlungsstärke E_m(T) des Substrats berechnet wird, die mittels des Strahlungspyrometers (200) aus einer Emissionsstärke E_BB(T) eines schwarzen Körpers bei einer Temperatur T gemessen wird, wobei ein Emissionsgrad ε des Substrats gemäß der folgenden Gleichung genutzt wird:
wobei α ein Korrekturfaktor bezüglich einer Mehrfachreflexion der Infrarotstrahlung zwischen dem Substrat (W) und einer inneren Oberfläche der Prozesskammer (110), β ein Korrekturterm bezüglich eines Reflexionsverlustes an einer Endoberfläche des transparenten Stabs (210), G ein Korrekturkoeffizient bezüglich einer optischen Absorption, die durch den transparenten Stab (210) verursacht wird, und S ein Korrekturfaktor bezüglich einer Streustrahlung sind, die in den transparenten Stab (210) gelangt, und wobei die Parameter α, β, G und S jeweilige Werte annehmen, ausschließlich eines Falls bei dem gleichzeitig mit α = β = S = 0 G = 1 gilt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Temperatur des Substrats (W) mit Hilfe der Steuereinheit (300) berechnet wird.
Verfahren zur Thermobearbeitung, das Verfahren die folgenden Schritte aufweisend: Heizen eines Substrats (W) in einer reduzierten Druckumgebung mittels der Energiezuführung zu einer Heizquelle; Messen einer Temperatur des Substrats (W) mittels eines Strahlungspyrometers (200); und Steuern der Energiezuführung zu der Heizquelle als Reaktion auf die mittels des Strahlungspyrometers (200) gemessene Temperatur, das Strahlungspyrometer (200) aufweisend: einen Drehchopper (230) mit einem Schlitz (231) und einer hoch-reflektierenden Oberfläche (232) und einem niedrig-reflektierenden Bereich (234); einen transparenten Stab (210), der zwischen dem Chopper (230) und dem Substrat (W) zum Ermöglichen von Mehrfachreflexionen einer von dem Substrat (W) ausgesendeten Strahlung angeordnet ist; und einen Detektor (270), der hinter dem Chopper (230) zum Erfassen der durch den transparenten Stab (210) und den Schlitz (231) auf den Drehchopper (230) gelangenden Strahlung angeordnet ist.
Verfahren zur Thermobearbeitung nach Anspruch 7, wobei das Strahlungspyrometer (200) die Temperatur des Substrats (W) aus der mittels des Strahlungspyrometers (200) für das Substrat (W) erfaßten Strahlungsstärke E_m(T) berechnet, die mittels des Strahlungspyrometers (200) aus einer Emissionsstärke E_BB(T) eines schwarzen Körpers bei einer Temperatur T erfaßt wird, wobei ein Emissionsgrad ε des Substrats gemäß der folgenden Gleichung genutzt wird:
wobei α ein Korrekturkoeffizient bezüglich der Mehrfachreflexion der Infrarotstrahlung zwischen dem Substrat (W) und einer inneren Oberfläche der Prozesskammer (110), β ein Korrekturterm bezüglich des Reflexionsverlustes an der Endoberfläche des transparenten Stabs (210), G ein Korrekturkoeffizient bezüglich des optischen Absorptionsverlustes, der durch den transparenten Stab (210) verursacht wird, und S ein Korrekturterm bezüglich der Streustrahlung sind, die in den transparenten Stab (210) gelangt, und wobei die Parameter α, β, G und S jeweilige Werte annehmen, ausschließlich eines Falles bei dem gleichzeitig mit α = β = S = 0 G = 1 gilt.