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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum thermischen Behandeln von Substraten, insbesondere Halbleiterwafern.
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Computerchips
sowie andere elektronische Bauteilen werden auf Halbleiterscheiben,
sogenannten Wafern, gefertigt, die während des Fertigungsablaufes
thermischen Prozessen unterworfen werden. Diese thermischen Prozesse
verlangen einen definierten Temperaturverlauf des Wafers bei definierter Atmosphäre, im Vakuum
oder definiertem Unter- oder Überdruck.
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Zur
Temperaturbehandlung von Wafern treten Schnellheizanlagen, auch
RTP-Anlagen (Rapid Thermal
Processing Anlagen) genannt, immer mehr in den Vordergrund. Mit
ihnen ist eine schnelle sowie wohldefinierte thermische Behandlung
von Wafern unter vorgegebenen Prozeßbedingungen möglich. RTP-Anlagen erlauben
eine Erwärmung
des zu behandelnden Wafers, abhängig
vom Wafermaterial auf bis zu 1700°C
und mehr innerhalb weniger Sekunden. Gesteuertes bzw. geregeltes
und damit kontrolliertes Aufheizen des Wafers nach vorgegebenen Temperatur-Zeit-Kurven
mit Heizraten von bis zu 300°C/s
können
mit heutigen Anlagen bei Silüziumwafern
mit 300mm Durchmesser erreicht werden. Höhere Heizraten von bis zu 500°C/s können im open-loop-Betrieb erzielt werden,
oder bei Wafern mit kleinerem Durchmesser. RTP-Anlagen kommen insbesondere bei der
Herstellung von dielektrischen Schichten (z.B. SiO2-Schicht
welche durch Oxidation auf einem Siliziumwafer hergestellt wird,
Siliziumnitridschichten, Siliziumoxinitridschichten), Implant-Anneal-Prozessen (zur Aktivierung
von Fremdatomen im Halbleiterwafer), Prozessen zum Annealing von dielektrischen
Schichten, Prozesse zur Bildung Ohmscher Kontakte, Flash-Anneal-Prozessen
(z.B. zur Aktivierung von flach dotierten Zonen), Silizidierungsprozessen
(z.B. Ti-, Co-, Ni-Silizid), BPSG-Reflow-Prozessen oder Prozessen bei denen selektive Reaktionen
im Oberflächenbereich
des Wafers erfolgen wie z.B. selektive Oxidation eines Gate-Dielektrikums welches
sich unter einer Metallschicht befindet, um nur einige Prozesse
zu nennen. Ferner kann mittels moderner RTP-Anlagen die räumliche
Verteilung von Fremdatomen, von Gitterfehlstellen, von Sauerstoff
und von Sauerstoffprezipitate gezielt beeinflußt werden. Ein wesentlicher
Vorteil der RTP-Anlagen ist, daß in
der Regel aufgrund der verkürzten
Prozeßzeit
bei der Prozessierung der Wafer diese einzeln prozessiert werden,
wobei jeder Wafer den gleichen Prozeß mit sehr hoher Reproduzierbarkeit
durchläuft. Dies
reduziert vorteilhaft die thermische Belastung des Wafers. Ferner
eröffnen
die RTP-Anlagen aufgrund der Möglichkeit
des schnellen Heizens und des schnellen Kühlens die Erzeugung neuer Wafer-
bzw. Bauteileeigenschaften, die mit herkömmlichen Ofenprozessen nicht
erzielbar sind.
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Um
ein Substrat, wie z.B. einen Halbleiterwafer aus Silizium, Temperaturänderungen
von bis zu einigen hundert Grad pro Sekunde unterwerten zu können, wird
der Wafer in einer Schnellheizanlage, wie sie beispielsweise aus
der auf die Anmelderin zurückgehenden
DE-A-199 05 524 bekannt ist, mit Strahlung von Lampen, vorzugsweise
Halogenlampen geheizt. Die bekannte Schnellheizanlage weist eine
für die
Lampenstrahlung im wesentlichen transparente Prozesskammer (vorzugsweise
aus Quarzglas) zur Aufnahme eines Substrats auf. Oberhalb und unterhalb
der Prozesskammer sind Heizlampen angeordnet, die elektromagnetische
Strahlung zum thermischen Behandeln des Substrats erzeugen. Die Heizlampen
und die Prozesskammer sind können von
einer weiteren Kammer (Reflektorkammer) umgeben sein, die reflektierende
Innenwände
aufweisen kann, um die von den Heizlampen erzeugte elektromagnetische
Strahlung zu reflektieren.
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Eine
aus Quarzglas bestehende Prozesskammer ist für das Spektrum der elektromagnetischen
Strahlung, das durch die Heizlampen erzeugt wird, im Wesentlichen
durchsichtig. Die Prozesskammer besitzt Zu- und Abflüsse für Prozessgase,
durch die eine geeignete Gasatmosphäre während der thermischen Behandlung
des Substrats innerhalb der Prozesskammer erzeugt werden kann. Bei
geeigneter Dimensionierung der Prozeßkammer läßt sich auch ein Unter- bzw.
ein Überdruck
in der Kammer erzeugen.
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Zur
Messung der Wafertemperatur werden bevorzugt Strahlungsdetektoren
wie Pyrometer vorgesehen, welche die Wärmestrahlung des Wafers messen.
Aus der gemessenen Wärmestrahlung
des Wafers kann auf dessen Temperatur geschlossen werden. Um vom
Wafer emittierte Strahlung, sowie am Wafer reflektierte und durch
den Wafer hindurchgehende Strahlung zu unterscheiden, wird die Strahlung
der Heizlampen moduliert. Durch diese Modulation kann die vom Substrat
emittierte Strahlung von der am Substrat reflektierten und hindurchgehenden Strahlung
der Heizlampen unterschieden werden. Ferner lässt sich aufgrund der Modulation
die Reflektivität
und Transmissivität
und daraus die Emissivität des
Wafers bestimmen, was für
eine Temperaturbestimmung des Wafers aufgrund der von ihm ausgehenden
Strahlung notwendig ist. Einzelheiten der Modulation und des Temperaturbestimmungsverfahrens
ergeben sich aus der schon genannten DE-A-199 05 524 oder der US-A-5,154,512.
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Die
pyrometerbasierte Temperaturmessung besitzt jedoch das Problem,
dass in der Prozess- bzw. der Reflektorkammer ein starkes Strahlungsfeld herrscht,
das eine Unterscheidung der vom Wafer emittierten Strahlung von
der von den Heizlampen emittierten Hintergrundstrahlung erschwert.
Die vom Wafer emittierte und vom Strahlungsdetektor zu messende
Temperaturstrahlung kann von der Hintergrundstrahlung der Heizlampen überlagert
werden. Hierdurch ergibt sich ein sehr ungünstiges Signal (vom Wafer emittierte
Strahlung) zu Hintergrund (von den Heizlampen emittierte Hintergrundstrahlung)-Verhältnis. Diese
Problem erhöht
sich insbesondere bei geringen Wafertemperaturen, da die vom Wafer
emittierte Strahlung mit sinkender Temperatur rasch abnimmt. Bei
geringen Wafertemperaturen verringert sich daher auch das Signal-Hintergrund-Verhältnis. Unterhalb
von ungefähr
zwischen 400° und
500° Celsius
emittiert der Wafer nur eine sehr geringe Strahlung und darüber hinaus
ist er unterhalb dieser Temperatur im Falle eines Siliziumwafers
für die
Heizstrahlung transparenter, so dass sich das Signal-Hintergrund-Verhältnis nochmals
verschlechtert. Für
Temperaturen kleiner als 400° Celsius
ist es daher in der Regel mit der konventionellen Art und Weise
nicht mehr möglich,
die Wafertemperatur mit einem Pyrometer zu bestimmen.
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Zur
Verbesserung des Signal-Hintergrund-Verhältnisses bei pyrometerbasierter
Temperaturmessung in RTP-Anlagen, wird in der DE-A-40 12 614 vorgeschlagen,
die Prozesskammer aus einem OH-haltigen Quarzmaterial herzustellen.
Ein solches Quarzmaterial hat die Eigenschaft, infrarotes Licht
im Wellenlängenbereich
zwischen 2,7 μm
und 2,8 μm
zu absorbieren. Somit wird der in der Prozesskammer befindliche
Wafer von einer Strahlung geheizt, deren Spektrum zwischen 2,7 μm und 2,8 μm eine Lücke aufweist.
In der Quarzkammer ist ein Sichtfenster vorgesehen, das in dem genannten
Wellenlängenbereich
durchsichtig ist, und durch das ein Pyrometer auf den Wafer gerichtet
ist. Das Pyrometer misst nun von dem Wafer ausgehende Infrarotstrahlung
der Wellenlänge
2,7 μm.
Da die von den Heizlampen ausgehende Strahlung im Wellenlängenbereich
von 2,7 μm
nicht in die Prozesskammer eindringen kann, misst das Pyrometer
nur vom Wafer emittierte Temperaturstrahlung. Mit diesem Verfahren
läßt sich
die Strahlungsintensität
des Wafers sehr gut ermitteln und somit die Strahlungstemperatur. Weicht
allerdings die Emissivität
des Wafers wesentlich von 1 ab, was die übliche Praxis darstellt, so
ist zur Ermittlung der Wafertemperatur eine Emissivitätskorrektur
erforderlich, bzw. es muß eine
Kalibration bezüglich
der absoluten Wafertemperatur erfolgen.
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Bei
genannten Verfahren läßt sich
somit die Temperaturstrahlung des Wafers sehr gut ermitteln. Jedoch
ist es in der Praxis für
die Temperaturbestimmung des Wafers auch notwendig, dessen Reflektivität und Transmissivität bei der
Wellenlänge
2,7 μm zu kennen.
Dies reduziert den Aufwand etwaiger Kalibrationsverfahren.
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Das
aus der DE-A-199 05 524 bekannte Verfahren zur Bestimmung der Reflektivität, Transmissivität und der
daraus resultierenden Emissivität,
das eine charakteristische Modulation verwendet, um reflektierte
und durch den Wafer hindurchgehende Strahlung zu messen, kann bei
Temperaturen unter 400° bis
500° nur
mit sehr hohem apparativen Aufwand realisiert werden, da bei diesen
Temperaturen das Signal-zu-Hintergrundverhältnis sehr klein ist.
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Erfindungsgemäß liegt
der vorliegenden Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, auf einfache und
kostengünstige
Weise eine auf Pyrometern basierende Temperaturmessung von Substraten
vorzusehen, die eine exakte Temperaturmessung auch bei niedrigen
Temperaturen ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch eine Vorrichtung zum thermischen Behandeln von Substraten,
insbesondere Halbleiterwafern gelöst, die wenigstens eine erste
und wenigstens eine zweite Strahlungsquelle zum Heizen wenigstens
eines Substrats, wenigstens eine transparente Abschirmung zwischen
der ersten Strahlungsquelle und dem Substrat, die vorgegebene Wellenlängenbereiche der
Strahlung wenigstens der ersten Stahlungsquelle reduziert, wenigstens
einen auf der Seite der zweiten Strahlungsquelle angeordneten, auf
das Substrat gerichteten Strahlungsdetektor, der eine Strahlung
wenigstens teilweise innerhalb vorgegebener Wellenlängenbereiche
misst, eine Einrichtung zum Modulieren der von der zweiten Strahlungsquelle
ausgehenden Strahlung und eine Einrichtung zum Bestimmen der von
der zweiten Strahlungsquelle ausgehenden Strahlung aufweist. Die
Erfindung sieht somit eine von den ersten Strahlungsquellen ausgehende
Filterung bestimmter Wellenlängenbereiche
vor, die im Messbereich eines auf den Wafer gerichteten Strahlungsdetektors
liegen oder innerhalb derer der Messbereich eines auf den Wafer
gerichteten Strahlungsdetektors liegt. Hierdurch kann das Signal-zu-Hintergrund-Verhältnis der
Substratstrahlung zur Hintergrundstrahlung der Lampen erheblich
verbessert werden. Darüber
hinaus werden wenigstens die nicht gefilterten, auf der Seite des
Strahlungsdetektors liegenden Lampen moduliert und die von ihnen
ausgehende Strahlung bestimmt, wodurch sich die Reflektivität des Wafers
ermitteln lässt,
was wiederum (wenn die Transmissivität des Wafers auf der Meßwellenlänge bzw.
dem Meßwellenlängenbereich
vernachlässigt
werden kann) einen Rückschluß auf die Emissivität des Wafers
im Bereich der Messwellenlänge
des Pyrometers erlaubt. Anhand der Emissivität und der vom Wafer emittierten
Strahlung lässt
sich nun die Temperatur des Wafers bestimmen. Wichtig für die Temperaturbestimmung
ist, dass die hemisphärische
Reflektivität
und Emissivität
ermittelt wird, was z.B. durch ein geeignet gewähltes Blickfeld des Pyrometers
erzielt wird. Für übliche Halbleiterwafer sollte
der Öffnungswinkel
des Pyrometers in einer Ebene wenigstens zwischen 15° und 180° liegen, das
Blickfeld kann aber auch größer gewählt werden. Dies
kann z.B. durch eine geeignete Optik realisiert werden. Je größer das
Blickfeld innerhalb wenigstens einer Blickfeldebene ist, desto genauer
entspricht die Messung den hemisphärischen Größen, d.h. den in einem Raumwinkel
von 2π durch
Emission und/oder Reflektion abgestrahlten Strahlungsbeiträgen. Hierdurch
werden Störeinflüsse wie
z.B. Oberflächenrauhigkeit
des Wafers oder ungenaues Positionieren des Wafers in der Prozesskammer
relativ zum Pyrometer minimiert bzw. beseitigt. Für Si-Wafer
sollte der Öffnungswinkel
etwa 30° betragen.
Allerdings hängt
dieser Öffnungswinkel
von der Oberflächenrauhigkeit
ab.
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Durch
die erfindungsgemäße Lösung der
Filterung der ersten Strahlungsquelle durch die transparente Abschirmung
wird die Heizung des Wafers, wenn diese vorwiegend über die
erste Strahlungsquelle erfolgt, und die Messung der vom Wafer emittierten
Strahlung mittels des auf der Seite der zweiten Strahlungsquelle
angeordneten Strahlungsdetektors weitgehend entkoppelt und das Signal-zu-Hintergrund-Verhältnis entscheidend
verbessert, so daß tiefere
Temperaturen des Wafer, bei denen der Wafer weniger abstrahlt, wie
beispielsweise im Bereich von 300°C
bis 400°C
noch sicher gemessen werden können.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung sind die Strahlungsquellen auf entgegengesetzten Seiten
des Substrats angeordnet, um eine Trennung der gefilterten und ungefilterten
Strahlung zu erreichen. Dabei sind insbesondere die zweiten Strahlungsquellen
nur auf der Seite des Substrats angeordnet, auf die der Strahlungsdetektor
gerichtet ist, um am Pyrometer (Strahlungsdetektor) im Wesentlichen
nur vom Wafer emittierte und an ihm reflektierte Strahlung zu messen.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist eine Einrichtung zum Regeln der ersten Strahlungsquellen
vorgesehen, die in Abhängigkeit
von der pyrometerbasierten Temperaturbestimmung des Wafers geregelt
werden, um den Wafer einem bestimmten Temperaturverlauf zu unterwerfen.
Vorteilhafterweise ist ferner eine Einrichtung zum Steuern der zweiten
Strahlungsquellen vorgesehen, so dass sie konstant betrieben oder
eventuell auch nach bestimmten Setzpunkte (Sollpunkten oder vordefinierten
Kurven) gesteuert werden kann. Somit werden bevorzugt ausschließlich die
ersten, gefilterten Strahlungsquellen für die Temperaturregelung des
Wafers verwendet. Hierdurch werden Sprünge oder schnelle Fluktuationen
der Intensität der
reflektierten Lampenstrahlung, die im Bereich der Messwellenlänge des
Pyrometers liegt, verhindert, was die Temperaturbestimmung erleichtert,
da an die Dynamik des Temperaturmesssystem, insbesondere im Hinblick
auf die Bestimmung der Emissivität
geringere Anforderungen zu stellen sind.
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Vorteilhafterweise
sind die Strahlungsquellen Heizlampen, insbesondere Halogenlampen
und oder Bogenlampen. Die Strahlungsquellen können aber auch Blitzlampen
und/oder Laser umfassen. Gemäß einer
alternativen Ausführungsform
der Erfindung wird die transparente Abschirmung, die vorgegebene
Wellenlängen
der Lampenstrahlung bzw. der Strahlung der Strahlungsquellen absorbiert,
durch die Kolben der Heizlampen bzw. das Gehäuse der Strahlungsquelle gebildet.
Hierdurch kann auf einfache und kostengünstige Weise die gewünschte Filterfunktion
erreicht werden. Insbesondere kann durch einen einfachen Austausch
der Heizlampen bei bestehenden lampenbasierten RTP-Systemen eine Nachrüstung erfolgen.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform
der Erfindung ist die transparente Abschirmung eine zwischen den
ersten Strahlungsquellen und dem Substrat liegende Prozesskammerwand,
die den vorgegebenen Wellenlängenbereich
absorbiert. Die absorbierende Prozesskammerwand ist auf der vom
Pyrometer abgewandten Seite des Substrats angeordnet , so dass sichergestellt
wird, dass auf die vom Strahlungsdetektor abgewandte Seite des Substrats
keine Strahlung aus dem vorgegebenen Wellenlängenbereich fällt.
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Vorteilhafterweise
weist die transparente Abschirmung wenigstens eine Filterschicht
zur Absorption der vorgegebenen Wellenlängen auf, die gemäß einer
Ausführungsform
räumlich
von einem weiteren transparenten Material, wie beispielsweise einer
Prozesskammerwand aus Quarzglas, getrennt sein kann. Vorzugsweise
weist die transparente Abschirmung OH-angereichertes Quarzglas auf,
das vorzugsweise Wellenlängen
zwischen 2,7 μm
und 2,8 μm
absorbiert. Um ein Überhitzen
der transparenten Abschirmung, die vorgegebene Wellenlängen absorbiert,
zu vermeiden, ist eine Einrichtung zum Kühlen derselben vorgesehen.
Vorzugsweise weist die Kühleinrichtung
ein Kühlgas
oder eine Kühlflüssigkeit auf.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung kann die transparente Abschirmung eine mit einem Fluid
gefüllte
oder eine ein Fluid durchströmende
Vorrichtung umfassen, bei der die Abschirm- oder Filterwirkung im
wesentlichen durch das Fluid bewirkt wird, oder das Fluid zusätzlich eine
Abschirm- oder Filterwirkung
erzielt. Das Fluid kann aber auch rein zur Kühlung der Abschirmung dienen.
Das Fluid kann gasförmig
oder flüssig
sein, wobei im Falle einer Flüssigkeit
diese aus einer reinen Flüssigkeit,
einem Gemisch von Flüssigkeiten
oder einer Lösung
bestehen kann. Vorteilhaft wird in diesem Falle die Abschirmung
durch eine doppelwandige transparente Platte gebildet, die aus Quarz
und/oder OH-angereichertem Quarz bestehen kann, und die von einer
Flüssigkeit durchströmt wird. Über die
Flüssigkeit
läßt sich
zusätzlich
die Temperatur der Abschirmung steuern oder regeln, so daß diese
auf einer möglichst
niedrigen Temperatur gehalten werden kann, um die Eigenstrahlung
der Abschirmung zu minimieren. Wird als Fluid ein Flüssigkeitsgemisch
aus sich nichtmischenden Flüssigkeiten
gewählt,
wie beispielsweise eine Emulsion in der in Öl Wasser bis zur Löslichkeitsgrenze
bei einer vorgegebenen Temperatur des Öls gelöst wird, so läßt sich
zusätzlich
die Transparenz der Abschirmung über
die Temperatur steuern, indem bei Unterschreitung der vorgegebenen
Temperatur aufgrund der Löslichkeitsgrenze
das Wasser tröpfchenartig-
bzw. nebelartig ausfällt
und das Flüssigkeitsgemisch
opak werden läßt. Dies
ist insbesondere vorteilhaft, wenn der Wafer schnell abgekühlt werden
soll. Mittels einer solchen Abschirmung läßt sich neben der Temperatur
der Abschirmung zusätzlich
die Transparenz der Abschirmung über
einen breiten Wellenlängenbereich
von mehreren Mikrometern steuern.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist der Strahlungsdetektor ein Pyrometer. Vorzugsweise
ist das Substrat ein beschichteter Halbleiterwafer, insbesondere
mit einer CO- und/oder Ti-Beschichtung und/oder Ni-Beschichtung. Um
eine separate Transmissivität
zur Bestimmung der Emissivität überflüssig zu
machen, weist der Wafer vorzugsweise eine geringe Transmissivität auf. Vorzugsweise
liegt die Transmissivität
des Substrats unter 0,15.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform
der Erfindung ist ein zweiter auf das Substrat gerichteter Strahlungsdetektor
vorgesehen, der vorzugsweise derart angeordnet ist, dass er eine
Transmissivitätsmessung
ermöglicht,
um die Emissivität
des Substrats noch genauer bestimmen zu können. Bei einer Ausführungsform
der Erfindung misst der zweite Strahlungsdetektor Strahlung außerhalb
der vorgegebenen Wellenlängen,
um nicht absorbierte und modulierte Strahlung der Strahlungsquellen
messen zu können.
Dabei misst der zweite Strahlungsdetektor vorzugsweise Strahlung
unterhalb und oberhalb der vorgegebenen Wellenlängen, um über eine Interpolation, vorzugsweise
eine lineare Interpolation, eine Transmissivität des Substrats im Bereich
der vorgegebenen, absorbierten Wellenlänge bestimmen zu können.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform
der Erfindung, die insbesondere dann eingesetzt wird, wenn die Kolben
der Heizlampen die Filterfunktion beinhalten, ist der zweite Strahlungsdetektor
auf die der zweiten Strahlungsquelle abgewandten Seite des Substrats
gerichtet und misst Strahlung mit der vorgegebenen Wellenlänge. Hierdurch
kann von den zweiten Heizlampen ausgehende Strahlung, die durch
den Wafer hindurchgeht, direkt für
eine Transmissivitätsbestimmung
verwendet werden.
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Bei
den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen
wird das Substrat (im allgemeinen können es auch mehrere Substrate
sein, die bevorzugt stapelförmig übereinander
oder im wesentlichen in einer Ebene nebeneinander zum Heizen in
der Prozeßkammer
angeordnet sind) bei niederen Temperaturen im wesentlichen durch
die erste Strahlungsquelle beheizt. Die zweite Strahlungs quelle
dient dabei im wesentlichen zur Ermittlung der optischen Eigenschaften
des Substrats wie der Emissivität
der Reflektivität
und eventuell der Transmissivität,
ihr Beitrag zum Heizen des Wafers beträgt bei den niederen Temperaturen
weniger als 50%, um wie oben dargestellt ein verbessertes Signal-zu-Hintergrund-Verhältnis der
Meßanordnung
mit dem Strahlungsdetektor zu erzielen. Vorzugsweise ist bei niederen
Temperaturen der Beitrag der zweiten Strahlungsquelle weniger als
25% der Strahlungsleistung der ersten Strahlungsquelle. Unter niedere
Temperaturen sind Temperaturen zu verstehen, bei denen das Substrat selbst
wenig Eigenstrahlung abstrahlt oder auch teilweise transparent für die Heizstrahlung
ist. Für
reine Siliziumwafer werden Temperaturen unterhalb von 600°C als niedere
Temperaturen bezeichnet, da unterhalb dieser Temperatur das Substrat
für die
Heizstrahlung (wenn diese durch Halogenlampen erzeugt wird) transparent
wird und die Wafereigenstrahlung aufgrund der mit der Temperatur
stark abnehmenden Emissivität
sich stark reduziert. Bei Temperaturen über 600°C wird Silizium opak und die
Emissivität
erreicht einen nahezu über
das Wellenlängenspektrum der
Halogenlampen konstanten Wert von etwa 0,7 wodurch die vom Wafer
abgestrahlte Strahlung im wesentlichen nur noch von der Temperatur
bestimmt wird.
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Die
vorliegende Erfindung erlaubt nun abhängig von der Wafertemperatur
das Verhältnis
der Strahlungen der ersten und zweiten Strahlungsquelle so zu steuern
oder zu regeln, daß ein
vorgegebenes Signal-zu-Hintergrund-Verhältnis
für die
Meßanordnung
mittels des Strahlungsdetektors nicht unterschritten wird und somit
z.B. für
Siliziumwafer über den
gesamten Temperaturbereich von ca. 250°C bis 600°C eine zuverlässige Temperaturmessung
bei maximaler Aufheizrate des Wafers ermöglicht wird. Dabei kann der
Strahlungsbeitrag der zweiten Strahlungsquelle am Gesamtstrahlungsbeitrag
abhängig von
der Wafertemperatur von ca. 1 % bei etwa 200°C des Wafers bis zu 50% bei
etwa 600°C
des Wafers betragen. Die Steuerung oder Regelung erlaubt ferner,
daß der
Beitrag der zweiten Strahlungsquelle 50% übersteigt und der Wafer ausschließlich durch die
zweite Strahlungsquelle geheizt wird. Dies kann insbesondere bei
Temperaturen über
600°C von
Vorteil sein, insbesondere bei strukturierten Wafern, um ein schonendes
schnelles Aufheizen strukturierter Wafer z.B. von der Rückseite
des Wafers zu ermöglichen,
so daß selbst
bei Aufheizraten von 300°C/s
die auf dem Wafer befindlichen Strukturen nicht zerstört werden.
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Sind
die erste und zweite Strahlungsquelle jeweils auf verschiedenen
Seiten des Substrats angeordnet, so läßt sich vorteilhaft das Substrat
abhängig
von seiner Temperatur und von seinen optischen Eigenschaften beidseitig
aufheizen, so daß ein
vorgegebenes Signal-zu-Hintergrund-Verhältnis der Meßanordnung
zur Bestimmung der Substrattemperatur nicht unterschritten wird.
Damit wird selbst bei niedrigen Temperaturen ein sicheres Aufheizen
des Substrats mit maximalen Aufheizraten gewährleistet, wobei es auch möglich ist,
die Aufheizrate an Hand des noch zulässigen Signal-zu-Hintergund-Verhältnisses
zu regeln. Damit ist sichergestellt, daß insbesondere im Bereich niedriger
Temperaturen die Meßanordnung
mittels des Strahlungsdetektors selbst bei hohen Aufheizraten des
Substrats zuverlässig
arbeitet und das Substrat mit zunehmender Temperatur zunehmend von
beiden Seiten beheizt wird. Die genannten Vorteile und Möglichkeiten
der vorliegenden Erfindung werden insbesondere durch die Modulation
der zweiten Strahlungsquelle zum Heizen des Substrats erzielt. Es
ist ferner auch möglich
eine zweite Einrichtung zum Modulieren der ersten Strahlungsquelle
vorzusehen. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn wie
oben bereits beschrieben zusätzlich
die Transmissivität
ermittelt werden soll. Alternativ oder zusätzlich zur oben beschriebenen
Transmissivitätsmessung
kann die erste Strahlungsquelle mittels einer in der Modulationsart, der
Modulationsfrequenz oder der Modulationsphase im Vergleich zur zweiten
Strahlungsquelle unterschiedlichen Modulation moduliert sein. Diese
von der zweiten Strahlungsquelle unterschiedliche Modulation kann
mittels eines weiteren Strahlungsdetektors bei wenigstens teilweise
transparentem Substrat auf der dem ersten Strahlungsquelle gegenüberliegenden
Seite des Substrats gemessen werden. Bei Kenntnis der Modulation
der ersten Strahlungsquelle kann dann die Transmissivität des Substrats
ermittelt werden. Die Modulation der ersten Strahlungsquelle kann
analog zur zweiten Strahlungsquelle ermittelt werden, d.h. entweder
direkt über
Messung der von der Strahlungsquelle emittierten Strahlung oder über elektrische
Parameter wie Strom oder Spannung der Strahlungsquelle und ein Model
der Strahlungsquelle welches diese Parameter mit der abgestrahlten Strahlung
in Beziehung setzt.
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Die
der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auch durch ein Verfahren
zur thermischen Behandlung von Substraten, insbesondere Halbleiterwafern,
mit folgenden Verfahrensschritten gelöst: Bestrahlen des Substrats
mit wenigstens einer ersten und wenigstens einer zweiten Strahlung
zum Heizen des Substrats, Absorbieren vorgegebener Wellenlängen der
ersten Strahlung zwischen einer ersten Strahlungsquelle und dem
Substrat, Messen einer vom Substrat kommenden Strahlung an den vorgegebenen
Wellenlängen
mit einem Strahlungsdetektor, der auf derselben Seite wie eine zweite
Strahlungsquelle angeordnet ist, Modulieren der von der zweiten
Strahlungsquelle ausgehenden zweiten Strahlung und Ermitteln der
von der zweiten Strahlungsquelle ausgehenden zweiten Strahlung.
Durch dieses Verfahren werden die schon im Bezug auf die Vorrichtung
genannten Vorteile, nämlich
die Verbesserung eines Signal-Hintergrund-Verhältnisses durch die Absorption
vorgegebener Wellenlängen
der ersten Strahlung, sowie die Bestimmung der Emissivität des Wafers
durch die Modulation der zweiten Strahlung ermöglicht.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In
der Zeichnung zeigt:
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1 eine schematische Schnittdarstellung durch
eine Schnellheizanlage gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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2 eine schematische Schnittdarstellung durch
eine Schnellheizanlage gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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3 eine graphische Darstellung
des Verhältnisses
zwischen Transmissivität
und Reflektivität für bestimmte
Wafer;
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4 eine Temperaturmesskurve
für einen mit
Kobalt beschichteten Wafer, der thermisch behandelt wird;
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5 eine graphische Darstellung
für die Bestimmung
des Messbereiches für
eine Transmissivitätsmessung
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung näher
erläutert.
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1 zeigt im Querschnitt ein
Schnellheizsystem 1 zum schnellen Heizen von Halbleiterwafern gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung. Eine Prozeßkammer 2,
die einen Halbleiterwafer 3 aufnimmt, wird durch eine obere
transparente Platte 4 und eine untere transparente Platte 5,
vorzugsweise Quarzplatten, gebildet. In der Prozesskammer 2 ist
der zu prozessierende Wafer 3 auf einer Haltevorrichtung 6 abgelegt.
Nicht eingezeichnet sind Zu- und Abflüsse für Prozeßgase, durch
die eine für
den Prozeß geeignete
Gasatmosphäre
hergestellt werden kann.
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Oberhalb
und/oder unterhalb der Prozeßkammer 2 sind
Heizvorrichtungen, in der Form von Lampenbänken 7 und 8 angebracht.
Die Platten 4 und 5 liegen zwischen dem Wafer 3 und
den Lampenbänken 7 und 8 und
haben somit die Wirkung einer transparenten Abschirmung zur Bildung
einer geschlossenen Prozesskammer. Die gesamte Anordnung ist von
einer äußeren Ofenkammer 9 umschlossen,
die auch die Seitenwände
der Prozeßkammer 2 bildet
und deren Wände
wenigstens abschnittsweise verspiegelt sein können. Die Lampenbänke 7 und 8 weisen
jeweils eine Vielzahl parallel angeordneter stabförmiger Wolfram-Halogenlampen 10 und 11 auf. Alternativ
können
aber auch andere Lampen wie z.B. „Punktlampen" verwendet werden,
wobei unter einer „Punktlampe" eine Lampe verstanden
werden soll, deren Filamentlänge
kleiner als der Durchmesser des Lampenkolbens ist, wobei solche
Lampen innerhalb des Schnellheizsystems mit im wesentlichen senkrechtem
und/oder waagrechtem Filament betrieben werden können. Ferner können die
Lampen (Stablampen und/oder „Punktlampen") wenigstens teilweise
von Reflektoren umgeben sein. Natürlich lassen sich die Lampen
(Stablampen und/oder „Punktlampen") bezüglich der
Lage des Filaments relative zum Halbleiterwafer 3 unter
einem beliebigen Winkel anordnen. Mit der von den Lampen emittierten
elektromagnetischen Strahlung wird der Wafer 3 geheizt.
Bei der Ausführungsform
gemäß 1 weisen die Lampenkolben
der Heizlampen 10 der oberen Lampenbank 7 Lampenkolben
auf, die vorgegebene Wellenlängen
der Lampenstrahlung absorbieren. Bei der derzeit bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung sind die Lampenkolben aus OH-angereichertem Quarzglas
hergestellt und sie absorbieren Wellenlängen im Bereich zwischen 2,7 μm und 2,8 μm. Hierdurch
wird erreicht, dass von der oberen Lampenbank stammende Strahlung
im Bereich zwischen 2,7 bis 2,8 μm
im Spektrum eine Lücke
aufweist. Die Lampenkolben der Lampen 11 der unteren Lampenbank 8 sind
im wesentlichen für
das gesamte Spektrum der elektromagnetischen Strahlung der Lampen
durchlässig,
so dass das gesamte Spektrum auf den Wafer 3 in der Prozesskammer 2 fällt. Es
lassen sich auch andere Gläser
mit einer Filterwirkung auswählen,
wie z.B. PyrexR, welches eine Filterwirkung
im Bereich von 2,95 Mikrometer aufweist.
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Die
Strahlung der Lampen 11 der unteren Lampenbank wird durch
eine nicht näher
dargestellte Modulationseinheit mit einem charakteristischen Parameter
moduliert, wie es beispielsweise aus der schon genannten DE-A-199
05 524 bekannt ist, die insofern zum Gegenstand der vorliegenden
Erfindung gemacht wird, um Wiederholungen zu vermeiden.
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Zur
Messung der Wafertemperatur ist ein Pyrometer 13 als Temperaturmessvorrichtung
vorgesehen, der auf der Seite der unteren Lampenbank angeordnet
ist und auf die zu der unteren Lampenbank 8 weisende Seite
des Wafers gerichtet ist. Der Messbereich des (Pyrometers 13 liegt
in einem Wellenlängenbereich,
der in der Lücke
der Strahlung der oberen Lampenbank liegt. Beispielsweise misst
das Pyrometer 13 Strahlung mit Wellenlängen von 2,7 μm. Somit
misst das Pyrometer 13 im Wesentlichen nur Strahlung, die
vom Wafer 3 emittiert wird oder Strahlung, die von den
zweiten ungefilterten Lampen 11 der unteren Lampenbank 8 ausgeht
und am Wafer reflektiert wird. Dadurch, dass die Strahlung der zweiten
Lampen 11 eine Modulation aufweist, kann die vom Wafer
emittierte Strahlung, die diese Modulation nicht aufweist, von der
reflektierten Lampenstrahlung unterschieden werden. Neben der Waferstrahlung fällt nur
Strahlung der ungefilterten Lampen 11 der unteren Lampenbank 8 in
den Messbereich des Pyrometers, so dass sich ein verbessertes Signal-zu-Hintergrund-Verhältnis gegenüber dem
bekannten System ergibt, bei dem auch Strahlung der oberen Lampenbank
mit Wellenlängen,
die in den Messbereich des Pyrometers fallen, in dieses gelangt,
insbesondere dann, wenn die untere Lampenbank schwächer angesteuert
wird als die obere, so dass die obere Lampenbank im wesentlichen
zum Heizen des Wafers und die untere im wesentlichen zum Messen
der In-Situ-Reflektivität
des Wafers dient.
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Neben
dem Pyrometer 13, das auf den Wafer gerichtet ist, ist
ein sogenanntes Lampenpyrometer vorgesehen, das auf wenigstens eine
der ungefilterten und modulierten Lampen 11 der unteren
Lampenbank 8 gerichtet ist, um dessen Strahlungsintensität zu bestimmen.
Aufgrund der ermittelten Strahlungsintensität der Lampen 11, sowie
der am Pyrometer 13 gemessenen Intensität der von den zweiten Lampen 11 stammenden
Strahlung, die am Wafer 3 reflektiert wird – und aufgrund
der Modulation von der Waferstrahlung unterschieden werden kann – lässt sich
die Reflektivität
des Wafers ermitteln. Die Reflektivität wiederum lässt einen
Rückschluss
auf die Emissivität des
Wafers zu, die für
die Temperaturbestimmung des Wafers erforderlich ist, da die gemessene
Waferstrahlung allein ohne Kenntnis der Emissivität noch keinen
Rückschluss
auf die Temperatur des Wafers zulässt.
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Ein
weiterer Faktor für
die Bestimmung der Emissivität
ist die Transmissivität,
d.h. die Durchlässigkeit
des Wafers im Bereich der gemessenen Wellenlänge. Bei Halbleiterwafern,
die von Natur aus eine sehr geringe Transmissivität aufweisen,
wie beispielsweise hochdotierte Wafer mit einer Metallschicht, muss
die Transmissivität
nicht separat bestimmt werden, da diese vernachlässigbar ist. Gegebenenfalls
lässt sich
eine Konstante für
die Emissivitätsbestimmung
(Emissivität
= 1 – Transmissivität – Reflektivität) einsetzen,
so dass eine ausreichend genaue Emissivitätsbestimmung allein durch die
Ermittlung der Reflektivität
möglich
ist.
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Alternativ
kann allerdings auch die Transmissivität des Wafers gemessen werden.
Zu diesem Zweck kann ein nicht dargestelltes zweites Pyrometer vorgesehen
sein, das beispielsweise auf die von der unteren Lampenbank abgewandte
Seite des Wafers gerichtet ist und ebenfalls Strahlung im Bereich von
2,7 μm misst.
Da die obere Lampenbank aufgrund der Filterfunktion der Lampenkolben
in diesem Wellenlängenbereich
keine Strahlung emittiert, fällt neben
der eigentlichen Waferstrahlung nur die Strahlung der ungefilterten
Lampen 11 der unteren Lampenbank in das Pyrometer, die
durch den Wafer hindurchgegangen ist. Diese weist wiederum eine
Modulation auf, die eine Unterscheidung zu der Waferstrahlung ermöglicht.
Da die Strahlungsintensität
der ungefilterten Lampen 11 der unteren Lampenbank 8 bekannt
ist, lässt
sich nun die Transmissivität
des Wafers bestimmen.
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Natürlich kann
auch ein geringer Anteil der von den ungefilterten Lampen 11 der
unteren Lampenbank 8 stammenden Strahlung durch Mehrfachreflektion
an den verspiegelten Ofenkammerwänden und
der Oberseite des Wafers in das Pyrometer fallen. Diese Strahlung
ist jedoch vernachlässigbar,
und kann bei einer anfänglichen
Kalibration des Systems berücksichtigt
werden.
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Nach
Kenntnis der Reflektivität
und der Transmissivität
lässt sich
nunmehr die Emissivität des
Wafers 3 genau bestimmen. Anhand der vom Wafer emittierten
Strahlung, die entweder durch das Pyrometer 13 oder das
nicht dargestellte obere Pyrometer ermittelt werden kann, lässt sich
die Temperatur des Wafers sehr genau bestimmen. Dies gilt insbesondere
auch bei geringen Wafertemperaturen (für Wafer aus Silizium, Temperaturen
unter 450°C)
, bei denen die Eigenstrahlung des Wafers 3 gering ist, und
zwar aufgrund des verbesserten Signal-zu-Hintergrund-Verhältnisses
zwischen der Waferstrahlung und der Lampenstrahlung.
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Anhand
der bekannten Temperatur können nun
die Heizvorrichtungen geregelt werden. Bei der derzeit bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung werden für
die Regelung ausschließlich
die gefilterten Lampen 10 der oberen Lampenbank 7 und
gegebenenfalls gefilterte Lampen der unteren Lampen bank 8 verwendet.
Die ungefilterten Lampen 11 der unteren Lampenbank 8 werden
entweder konstant betrieben oder auf bestimmte Setzpunkte gesteuert. Hierdurch
werden Sprünge
in der Intensität
der Lampenstrahlung, die für
die Reflektivitäts-
und gegebenenfalls Transmissivitätsmessung
des Wafers verwendet wird, verhindert. Somit steht für die Reflektivitäts- bzw.
Transmissivitätsmessung
stets eine bekannte, im wesentlichen konstante Lampenstrahlung zur
Verfügung,
was eine verbesserte Temperaturbestimmung für den Wafer ermöglicht.
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In 2 ist eine Schnellheizanlage
gemäß einer
alternativen Ausführungsform
der Erfindung dargestellt. Sie besteht aus einer äußeren Kammer 20,
die eine Metallkammer oder Stahlkammer mit beliebigem geometrischen
Querschnitt sein kann. Sowohl rechteckige als auch runde Kammern
sind möglich.
Vorzugsweise ist die Kammerinnenwand mittels einer hochreflektiven
Schicht teilweise oder vollständig
verspiegelt. Die Kammerwand verfügt über eine kleine Öffnung 21,
die das Austreten einer zu messenden Strahlung aus dem Kammerinneren
erlaubt. Durch diese Öffnung
fällt die
zu messende Strahlung entweder direkt in ein dahinter befindliches
und in der Figur nicht gezeigtes Strahlungsmeßgerät, vorzugsweise ein Pyrometer,
oder es wird über
eine Leiteranordnung wie beispielsweise optische Fasern zu diesem
geführt.
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In
oder an der Kammerdecke sowie in oder am Kammerboden sind jeweils
Heizungsvorrichtungen in der Form einer oberen Lampenbank 27 und
einer unteren Lampenbank 28 vorgesehen. Vorzugsweise weisen
die Lampenbänke 27, 28 Lampen 29 bzw. 30 auf,
die auch im sichtbaren Licht strahlen können. Insbesondere weisen die
Lampenbänke
jeweils mehrere Wolfram-Halogen-Lampen 29 bzw. 30 als
Heizlampen auf. Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel sind alle Lampenkolben
der Lampen 29, 30 aus einem im Wesentlichen für das gesamte
Strahlungsspektrum der Lampen transparenten Material. Dabei kann
es sich um stabförmige Lampen
handeln als auch um beliebig angeordnete punktförmige Lampen. Es ist auch möglich, die
untere Lampenbank 28 mit stabförmigen Lampen zu bestücken und
die obere Lampenbank 27 mit punktförmigen Lampen oder umgekehrt.
Es sind auch beide Lampenarten innerhalb einer Lampenbank 27, 28 möglich. Falls
beide Lampenbänke 27, 28 aus
stabförmigen
Lampen bestehen, so sind Anordnungen möglich, bei denen die Stablampen
der oberen Lampenbank 27 parallel zu den Stablampen der
unteren Lampenbank 28 angeordnet sind oder Anordnungen, bei
denen die Stablampen der oberen Lampenbank 27 gegenüber den
Stablampen der unteren Lampenbank gekreuzt sind, vorzugsweise im
rechten Winkel.
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Zwischen
den Lampenbänken 27 und 28 ist ein
zu behandelndes Substrat 33 angeordnet, wie z. B. ein scheibenförmiger Halbleiterwafer,
bevorzugt aus Silicium. Der Wafer 33 kann unbeschichtet,
beschichtet und/oder implantiert sein. Vorteilhafterweise werden
beschichtete Wafer verwendet. Dabei werden Wafer mit einer Co- oder
Ti-Schicht oder einer Kombination davon bevorzugt, da deren Transmissionskoeffizient
(Transmissivität)
bei Temperaturen von 350°C
kleiner ist als 0,15. Der scheibenförmige Wafer 33 ist
mit seiner Oberseite 35 sowie mit seiner Unterseite 36 parallel
zu den Lampenbänken 27 und 28 angeordnet.
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Zwischen
der oberen Lampenbank 27 und der Oberseite 35 des
Wafers 33 ist eine plattenförmige transparente Abschirmung 38 angeordnet.
In gleicher Weise ist zwischen der Unterseite 36 des Substrates 33 und
der unteren Lampenbank 28 eine transparente Abschirmung 39 vorgesehen.
Die Abschirmungen 38 und 39 überspannen die komplette Kammer 20,
so daß sich
eine Dreiteilung des Innenvolumens der Kammer 20 ergibt.
Insbesondere wird durch die Abschirmungen 38 und 39 eine
Prozeßkammer 42 im
Inneren der Kammer 20 gebildet, in der sich das Substrat 33 befindet.
In der inneren Prozeßkammer 42 kann
eine dem gewünschten
Prozeß zuträgliche Prozeßatmosphäre mit zum
Teil aggressiven Gasen und unter hohen oder niedrigen Drücken gebildet
werden, ohne die Lampen 29, 30 der Lampenbänke 27 und 28 oder
die verspiegelte Innenwand der Kammer 20 zu beeinträchtigen
oder zu kontaminieren. Hierfür
sind entsprechende Gaszu- und abflüsse vorgesehen, die jedoch
in 2 nicht gezeigt sind.
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Die
obere Abschirmung 38 ist zur Absorption vorgegebener Wellenlängen oder
Wellenlängenbereiche
aus dem Spektrum der von der oberen Lampenbank 27 emittierten
Heizstrahlung ausgebildet, so daß die Oberseite des Substrats 33 von
einer Heizstrahlung geheizt wird, die ein Wellenlängenspektrum
mit wenigstens einer Lücke
aufweist. Man kann eine solche Absorbtionswirkung durch entsprechende
Filter in Form von einer oder mehreren Beschichtungen der Abschirmung 38 oder
einer oder mehrerer Filterfolien erreichen, die auf einem transparenten Grundmaterial,
d.h. einer transparenten Grundplatte aufgebracht sind. Vorzugsweise
wird für
das transparente Grundmaterial Quarzglas verwendet.
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Im
Falle des Einsatzes von Filterfolien müssen diese Folien nicht notwendigerweise
auf der transparenten Grundplatte angebracht sein oder in direkten
Kontakt mit dieser stehen. Vielmehr können die Filterfolien räumlich von
der transparenten Grundplatte getrennt sein und sich näher an der
oberen Lampenbank 27 als an der transparenten Grundplatte
befinden. Auch eine solche räumlich
getrennte Anordnung von Filterfolien und transparenter Grundplatte
wird nachfolgend als Abschirmung 38 bezeichnet.
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Mittels
solcher Beschichtungen und Folien ist es möglich, vorgegebene Wellenlängenbereiche aus
dem Spektrum der Heizstrahlung zu entfernen. Dabei kann es sich
um einen oder mehrere Wellenlängenintervalle
und/oder diskrete einzelne Wellenlängen handeln.
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Bei
der bevorzugten und in 2 dargestellten
Ausführungsform
der Erfindung ist die plattenförmige
transparente Abschirmung 38 aus mit OH-angereichertem Quarzglas hergestellt.
Dieses Quarzglas hat die Eigenschaft, infrarotes Licht im Wellenlängenbereich
zwischen 2,7 μm
und 2,8 μm
zu absorbieren, wodurch eine Lücke
im Wellenlängenspektrum
der Heizstrahlung in diesem Intervall entsteht. Schwierigkeiten,
die mit der Beschichtung von Quarzplatten und der Halterung von
Filterfolien auftreten können,
werden durch den Einsatz einer OH-angereicherten Quarzplatte umgangen.
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Da
durch die Absorption eines Teils der Heizstrahlung die Abschirmung 38 erwärmt wird,
kann eine Kühlung
derselben notwendig sein, da eine warme Abschirmung 38 selbst
thermische Strahlung emittiert, die den gewünschten Temperaturverlauf des
Substrates 33 beeinträchtigen
kann.
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Zur
Kühlung
der Abschirmungen 38 und sowie gegebenenfalls der Abschirmung 39 kann
ein Kühlgas
vorgesehen werden, das außerhalb
der Prozeßkammer 42 über die
Abschirmungen strömt.
Es ist aber auch möglich,
das Kühlgas
durch entsprechende Kühlleitungen
strömen
zu lassen, die sich im Inneren der Abschirmungen 38, 39 befinden.
In einem solchen Falle ist auch der Einsatz einer Kühlflüssigkeit
wie z.B. eines Öls
möglich.
Besteht die Abschirmung 38 beispielsweise aus einer transparenten Grundplatte
mit einer oder mehreren räumlich
davon getrennten Filterfolien, so kann das Kühlmedium zwischen den Folien
und der transparenten Grundplatte strömen.
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'Während Teile mit vorgegebenen
Wellenlängen
aus der von der Lampenbank 27 erzeugten Heizstrahlung von
der Abschirmung 38 entfernt werden, ist die untere Abschirmung 39 für diese
Wellenlängen transparent.
Vorzugsweise handelt es sich dabei um eine Platte aus gewöhnlichem
Quarzglas.
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Im
Betrieb der Anlage wird primär
von der oberen Lampenbank 27 die Heizstrahlung emittiert, mit
der der Wafer 33 auf eine vorgegebene Temperatur geheizt
wird. Diese Heizstrahlung besteht aus einem Spektrum verschiedener
Wellenlängen.
In 2 sind qualitativ
zwei Strahlen für
zwei verschiedene Wellenlängen
dieser Heizstrahlung dargestellt, und zwar Strahl 44, der
einen Lichtstrahl mit der Wellenlänge 2,7 μm darstellt und Strahl 45,
der einen Lichtstrahl mit der Wellenlänge 2,3 μm darstellt.
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Licht
mit der Wellenlänge
2,7 μm wird
von der Abschirmung 38, die aus einer mit OH-angereicherten
Quarzplatte besteht, absorbiert, d.h. der Strahl 44 kann
die Abschirmung 38 nicht durchdringen und wird von ihr
verschluckt. Die Wellenlänge des
Strahles 45 dagegen befindet sich außerhalb des Absorptionsbereiches
der Abschirmung 38 und durchdringt diese. Gemäß der Zeich nung
durchdringt er auch die untere Abschirmung 38 und wird
an der verspiegelten Innenwand der äußeren Kammer 20 reflektiert,
durchdringt abermals die Abschirmung 39 und trifft auf
den Wafer 33. Da der Wafer 33 selber hochreflektiv
ist, wird am Wafer 33 nur ein Teil des Strahles 45 absorbiert
und der Rest reflektiert. Dies ist übrigens einender Gründe, weswegen
die Heizstrahlung so intensiv sein muß. Wie man der Zeichnung entnehmen
kann, sind mehrfache Wiederholungen der Reflektionen möglich, bei
denen stets ein Teil des Strahls vom Wafer absorbiert wird. Schließlich fällt der
Strahl 45 auf die Öffnung 21 in
der Kammer 20 und gelangt zum Strahlungsdetektor.
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Die
Lampen 30 der unteren Lampenbank 28 werden so
angesteuert, daß sie
schwächer
strahlen als die Lampen 29 der oberen Lampenbank 27.
Ferner wird die Strahlung der Lampen 30 schwach moduliert.
Das Strahlungsspektrum der Lampenbank 28 hat vorteilhafterweise
das gleiche Strahlungsspektrum wie das der Lampenbank 27.
Von der Abschirmung 39 wird die modulierte Strahlung der
Lampenbank 28 ungehindert durchgelassen. Auch hier ist
ein Strahl 49 mit der Wellenlänge 2,7 μm und ein Strahl 48 für die Wellenlänge 2,3 μm eingezeichnet.
Beide Strahlen passieren die Abschirmung 39 ungehindert, werden
vom Substrat 33 teilweise reflektiert und treffen in der
Regel nach mehrfacher Reflexion zwischen Wafer und Kammerwand auf
die Öffnung 21 in
der äußeren Kammer 20.
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Vom
warmen Wafer 33 wird ebenfalls Strahlung emittiert. In 2 ist die Waferstrahlung
gestrichelt dargestellt, wobei Strahl 51 einen Strahl der Wellenlänge 2,7 μm und Strahl 52 einen
Strahl der Wellenlänge
2,3 μm symbolisiert.
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In 2 sind die entsprechenden
Signal-Hintergrundverhältnisse
für eine
Messung des Pyrometers bei 2,3 μm
und bei 2,7 μm
angedeutet. Erwartungsgemäß ist das
Signal-Hintergrundverhältnis
für Strahlung
der Wellenlänge
2,7 μm enorm
verbessert gegenüber
dem Signal-Hintergrundverhältnis für Strahlung
der Wellenlänge
2,3 μm,
da bei letzterer ein erheblicher Anteil aus der Heizstrahlung der
oberen Lampenbank resultiert und die vom Wafer emittierte Strahlung
bei dieser Wellenlänge
verdeckt wird.
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Für eine Temperaturbestimmung
des Wafers wird daher ein Pyrometer verwendet, das Strahlung mit
einer Wellenlänge
von 2,7 μm
misst. Bei dieser Wellenlänge
ergibt sich ein gutes Signal-zu-Hintergrund-Verhältnis zwischen der Waferstrahlung
und der am Wafer reflektierten Strahlung, da ausschließlich Strahlung
von der unteren Lampenbank 28 mit dieser Wellenlänge auf
das Pyrometer fällt.
Aufgrund der Modulation der Lampenstrahlung der unteren Lampenbank,
lässt sich
die Waferstrahlung in der oben beschriebenen Art und Weise leicht
von der am Wafer reflektierten Strahlung trennen. Die Strahlungsintensität der Lampen
der unteren Lampenbank wird, wie oben beschrieben, mittels eines
Pyrometers oder auf eine andere Art, wie beispielsweise einer Messung
der durch die Lampen verbrauchten elektrischen Leistung, bestimmt.
Somit lässt
sich wieder in der oben beschriebenen Art und Weise die Reflektivität des Wafers
und daraus seine Emissivität
bestimmen. Anhand der Emissivität
und der Waferstrahlung kann nunmehr die Temperatur des Wafers bestimmt werden.
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Als
besonders vorteilhaft erweist sich der Einsatz der Erfindung bei
der Herstellung und Prozessierung von Wafern, die mit einer Co-
oder Ti-Schicht versehen sind. Da CoSi2 ein
guter elektrischer Leiter ist, werden Silizium-Wafer mit Co beschichtet
und geheizt, um elektrische Kontakte aus CoSi2 herzustellen.
Die Bildung von CoSi2 findet im Temperaturbereich
zwischen 400°C
und 500°C
statt, d.h. zur definierten Temperaturführung des Wafers ist die Kontrolle
seiner Temperatur auch unterhalb von 400°C nötig.
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Mit
der beschriebenen Erfindung werden die spezifischen Eigenschaften
von Kobalt ausgenutzt. Zu diesen gehört eine hohe Reflektivität der Oberfläche. Wie
der 3 zu entnehmen ist,
verfügt
ein mit Kobalt beschichteter Wafer über eine Transmissivität, die so
gering und im Wesentlichen konstant ist, daß gesonderte Bestimmung nicht
notwendig ist. In 3 ist
die Transmissivität
eines Wafers über
der Reflektivität
aufgetragen. Zusätzlich
sind als gestrichelte Linien die Linien konstanter Emissivität in das
Diagramm eingezeichnet. Diese sind von links nach rechts abnehmend,
da Transmission, Reflektivität und
Emissivität
addiert zu jedem Zeitpunkt 1 ergeben. In das Diagramm sind
die Transmissionswerte bei unterschiedlichen Reflektivitäten für verschiedene
Wafer eingetragen: Einmal für
einen unbeschichteten Siliziumwafer bzw. Kalibrationswafer, einen
beschichteten Wafer und einen mit Kobalt beschichteten Wafer. Die
Transmissionszahlen des unbeschichteten Wafers sind überwiegend
größer als
0,15, während
die des beschichteten und des mit Kobalt beschichteten Wafers durchweg
kleiner sind als 0,15. Die mit Kobalt beschichten Wafer sind somit
für die obige
erfindungsgemäße Temperaturkontrolle
besonders geeignet, da eine gesonderte Bestimmung der Transmissivität nicht
notwendig ist.
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Allgemein
können
die Wafer mit einem Metall beschichtet sein.
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In 4 ist der Temperaturverlauf
eines mit Kobalt beschichteten Wafers in willkürlichen Zeiteinheiten gezeigt,
der in einer Schnellheizanlage gemäß 2 thermisch behandelt wurde. Die Temperatur wächst auf
450°C an,
um eine gewisse Zeit bei diesem Wert zu verbleiben und anschließend wieder
abzusinken. Der Temperaturverlauf wurde einmal mit Temperaturfühlern überwacht,
die in direktem Kontakt mit dem Wafer standen (Kurve A) und einmal
mittels einer Pyrometers (Kurve B), wobei das obige Verfahren eingesetzt
wurde. Bemerkenswert ist die hervorragende Koinzidenz des vom Pyrometer
detektierten Temperaturverlaufes mit dem von dem Temperaturfühlern gemessenen
Temperaturverlauf. Beide Kurven sind fast deckungsgleich, selbst
für Temperaturen
unterhalb von 300°C.
Zu Beginn zeigt das Pyrometer zwar leichte Schwankungen, doch mit Einsetzen
des Heizprozesses verschwinden diese und die Pyrometerkurve korrespondiert
mit der Temperaturfühlerkurve.
Eine kurzzeitige Spitze der Pyrometerkurve beim Abkühlungsprozess
ist auf einen Lampentest zurückzuführen.
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In
der Praxis kommen jedoch auch Wafer vor, deren Transmittivität über 0,15
liegt. In 3 wäre der unbeschichtete
Kalibrationswafer ein solcher Fall. Da die Summe aus Transmittivität, Emissivität und Reflektivität stets
gleich 1 ist, kann man sich behelfen, indem man zusätzlich zu
dem obigen Verfahren eine parallele Transmissionsmessung für den Wafer
durchführt,
die man zusammen mit der gemessenen Reflektivität zur Bestimmung der Emissivität und der
Wafertemperatur verwendet.
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Zu
diesem Zweck ist wie beim ersten Ausführungsbeispiel ein weiteres
Pyrometer notwendig, das durch eine entsprechende Öffnung in
der Kammer 20 oberhalb der oberen Lampenbank 27 auf
den Wafer 33 gerichtet ist.
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In 5 ist als Linie C die Transmission
der OH-angereicherten oberen Quarzplatte 4 eingezeichnet.
Wie man deutlich sieht, ist die Transmission dieser Quarzplatte
für Wellenlängen zwischen
2,7 μm und
2,8 μm gleich
Null, d.h. die Platte ist für
diese Wellenlängen
undurchsichtig. In diesem Wellenlängenbereich befindet sich aber
die Wellenlänge,
für die
der untere Strahlungsdetektor die Waferreflektivität zur Emissivitätsbestimmung
mißt.
Um zur Temperaturbestimmung Emissivität und Transmittivität zu verknüpfen, müßte strenggenommen
die Transmittivität
des Wafers bei eben dieser Wellenlänge bestimmt werden. Das ist
jedoch wegen der Undurchlässigkeit
der oberen Quarzplatte 38 für Licht dieser Wellenlänge nicht
möglich.
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Aus
diesem Grunde wird die Transmission von Licht anderer Wellenlängen gemessen
und die gesuchte Transmission aus diesen Daten extrapoliert. Zu
diesem Zweck wird dem oberen Pyrometer ein Filter vorgeschaltet,
das einen wellenlängenabhängigen Verlauf
der Transmission hat, wie ihn die Kurve D in 5 zeigt. Im Bereich der optischen Undurchsichtigkeit
der Quarzplatte 4 hat dieses Filter seine größte Transparenz.
Gegen kleinere sowie größere Lichtwellenlängen hin
nimmt die Durchsichtigkeit des Filters ab.
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Auf
diese Weise werden aus dem Wellenlängenspektrum links und rechts
des Absorptionsbereiches der Quarzplatte 38 zwei Bereiche
mit Wellenlängen
ausgeschnitten, die trotz OH-angereicherter Quarzplatte 38 und
Filter das Pyrometer oberhalb der Lampenbank 27 erreichen
können.
Praktischerweise wählt
man den Verlauf der Transmissionskurve für das Filter so, daß die von der
Filter-Kurve und der Quarz-Kurve eingefaßten Flächen an den Flanken des Absorptionsbereiches
für das
Quarz ungefähr gleich
groß sind.
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Hat
man es mit einem Wafer zu tun, dessen Transmissionszahl sich nur
schwach oder angenähert
linear mit der Wellenlänge ändert, wie
beispielsweise die in 5 eingezeichnete
Linie E für
die Transmissivität
eines Beispielswafers, so kann man die Transmission durch den Wafer
für eine
Wellenlänge
aus dem Bereich links des Absorptionsbereiches des Quarzes messen
sowie die Transmission durch den Wafer für eine Wellenlänge aus
dem Bereich rechts des Absorptionsbereiches des Quarzes. Da sich
die Transmission des Wafers nur schwach oder angenähert linear
mit der Wellenlänge ändert, läßt sich
die Transmission für
die gesuchte Wellenlänge
aus dem Absorptionsbereich des Quarzes über eine Mittelwertbildung
oder Approximation bestimmen. Durch Verknüpfung dieser Transmissionsmessung
mit der oben beschriebenen Messung der Reflektivität des Wafers
kann man nun die Emissivität bestimmen,
und zwar auch bei Wafern, deren Transmissionsgrad größer als
0,15 ist. Dies ermöglicht
somit eine zuverlässige
Temperaturkontrolle in Bereichen unterhalb 400°C bis zu ungefähr 300°C.
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Für die obige
Transmissionsmessung ist es notwendig, dass die Lampen der unteren
Lampenbank derart moduliert werden, dass sich die Strahlung der
Lampen der jeweiligen oberen und unteren Lampenbank unterscheiden
lassen. Wenn eine derartige Unterscheidung durch entsprechende Modulation
vorgesehen ist, ist es auch möglich,
für die Transmissionsmessung
einen Strahlungsdetektor, wie beispielsweise ein Pyrometer zu verwenden,
das unterhalb der unteren Lampenbank 28 angeordnet ist.
Dieses kann dann in der obigen Art und Weise von der oberen Lampenbank
ausgehende Strahlung, die wiederum moduliert ist, und sich somit
von der Waferstrahlung und der Strahlung der unteren Lampenbank
unterscheidet, messen. Die durch Mehrfachreflektion auf den Pyrometer
fallende Strahlung kann entweder bei einer Kalibration des Systems
berücksichtigt
werden, oder sie wird bei der Transmissivitätsbestimmung vernachlässigt.
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Bevorzugt
wird jedoch das erste Beispiel für die
Transmissivitätsmessung,
da wie beim ersten Ausführungsbeispiel
die obere Lampenbank für
die Temperaturregelung der Wafer eingesetzt wird, während die
untere Lampenbank konstant gehalten oder auf bestimmte Setzpunkte
(oder auch Sollwerte oder Sollkurven) gesteuert wird. Hierdurch
ergibt sich für die
Reflektions- und Transmissionsmessung eine im wesentlichen gleichbleibende
bzw. sich in bekannter Weise ändernde
Intensität
der Lampenstrahlung. Bei den Lampen, die für die Temperaturregelung eingesetzt
werden, kann sich die Intensität
der Lampenstrahlung hingegen rasch ändern, sodass Intensitätssprünge entstehen,
die die Reflektions- und Transmissionsmessung beeinträchtigen
können,
falls diese Intensitätssprünge vom
Pyrometer detektiert werden, was durch die Erfindung weitgehendst
vermieden wird.
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Obwohl
die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben
wurde, ist sie nicht auf die konkreten Ausführungsbeispiele beschränkt. Beispielsweise
kann für
die Bestimmung der Strahlungsintensität der Lampen statt eines Lampenpyrometers
eine geeignete andere Messeinrichtung, wie beispielsweise eine Einrichtung,
die anhand der verbrauchten elektrischen Leistung der Lampen die
Intensität
berechnet, eingesetzt werden. Darüber hinaus können einzelne
Merkmale der oben beschriebenen Ausführungsformen in jeder kompatiblen
Art und Weise ausgetauscht oder beliebig miteinander kombiniert
werden.