DE3216850C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Behandeln eines Halbleitermaterials.

Auf dem Gebiet der Halbleiterfertigung werden Plättchen, z. B. in Form von Halbleiter-Einkristallen, insbesondere aus Silizium, einer Behandlung unterzogen, um nach Bedarf einzelne Vorrichtungen oder integrierte Schaltkreise zu erzeugen. Im Verlauf einer solchen Behandlung kann das Kristallgitter des Halbleitermaterials beschädigt werden. Beispielsweise bewirken während der Ionenimplantation die einfallenden energiehaltigen Ionen, daß kovalente Bindungen zwischen Siliziumatomen in dem Kristallgitter zerstört werden. Daher ist es erwünscht, die Defekte bei dem Kristallgitter dadurch zu beseitigen, daß eine Wärmebehandlung bei einer ausreichend hohen Temperatur und während einer genügend langen Zeit durchgeführt wird.

Die Wärmebehandlung zur Beseitigung solcher Schäden dient auch dazu, den in dem Silizium enthaltenen Dotierungsstoff zu aktivieren, bei dem es sich um Dotierungsatome wie Bor, Phosphor oder Arsen handelt, und diese Atome werden veranlaßt, in dem Kristallgitter Substitutionspositionen oder nahezu als Substitutionspositionen zu betrachtende Positionen einzunehmen, damit sie als Quellen für Ladungsträger zur Wirkung kommen können, wie es z. B. in der nachstehend genannten Literaturstelle beschrieben ist: A. Lietoila u. a., "Metastable As-Concentrations in Si Achieved by Ion Implantation and Rapid Thermal Annealing", J. App. Phys., Bd. 52, No. 1, S. 230-232, Jan. 1981.

Bei der Erzeugung dünner Filme aus Halbleitermaterialien ist es erwünscht, die Korngröße von polykristallinem Material zu vergrößern oder amorphes Silizium in eine epitaxiale Siliziumschicht umzuwandeln. Zu diesem Zweck kann man auf geeignete Weise Wärmeenergie zur Wirkung bringen, wie es z. B. in der nachstehend genannten Literaturstelle beschrieben ist: J. C. C. Fan u. a., "Lateral Epitaxy by Seeded Solidification for Growth of Single-Crystal Si Films on Insulators", App. Phys. Lett., Bd. 38 (5), S. 365-367, March 1981.

Zur thermischen Behandlung von Halbleitermaterialien ist es üblich, die Materialien in einem Ofen zu glühen. Hierbei werden z. B. Siliziumplättchen jeweils zu einer Charge von 100 bis 200 Plättchen zusammengestellt und in einem Träger (Schiffchen) angeordnet. Das Schiffchen wird langsam in ein Quarzrohr eingeführt, das sich in einem zylindrischen Hohlraum befindet und von Widerstandsheizelementen umgeben ist. Gewöhnlich wird das Quarzrohr mit Hilfe eines inerten Gases kontinuierlich von innen nach außen durchgespült. Der Hohlraum und das Quarzrohr weisen gewöhnlich Temperaturzonen auf, deren Temperatur fortschreitend zunimmt. Bei diesem Verfahren wird die mittlere Temperatur der Plättchen allmählich bis auf etwa 1000°C gesteigert. Danach verbleibt das Schiffchen während einer Zeit in der Größenordnung von 30 min in dem Ofen, wo es auf Temperaturen von etwa 900 bis 1100°C gehalten wird. Ein Glühen unter diesen Bedingungen erweist sich im allgemeinen als ausreichend, insbesondere bei kleineren Dosen des Dotierungsstoffs in der Größenordnung von 10¹⁰ bis 10¹⁴/cm²; bei solchen Einbauvorgängen erweist sich die Aktivierung praktisch in jedem Fall als zufriedenstellend. Jedoch wird häufig keine gleichmäßige Verteilung des Dotierungsstoffs erzielt, da die Zeit- und Temperaturcharakteristiken eines bestimmten Plättchens nicht mit denjenigen anderer Plättchen innerhalb der gleichen Charge identisch sind; ferner können an einem gewählten Punkt auf einem bestimmten Plättchen die im Laufe der Zeit zur Wirkung kommenden Temperaturen variieren. Eine solche Ungleichmäßigkeit der Verteilung ist bei der Herstellung komplizierter integrierter Schaltkreise unerwünscht, da sich die Ausbeute verringert. Weiterhin führt das Glühen von Plättchen bei solchen Temperaturen während einer längeren Zeit zu einer unerwünschten Ausbreitung oder Umverteilung des Dotierungsstoffs sowohl in seitlicher als auch in senkrechter Richtung. Dies ist insbesondere dann unerwünscht, wenn mit hohen Dosen des Dotierungsstoffs in der Größenordnung von 10¹⁵ bis 2×10¹⁶/cm² gearbeitet wird, wie es bei der Herstellung von MOS-Vorrichtungen von hoher Dichte geschieht. Eine solche Ausbreitung kann außerdem dazu führen, daß die Herstellung von Übergängen in geringer Tiefe und/oder von Schaltkreisen mit sehr hohem Integrationsgrad erschwert oder sogar unmöglich gemacht wird. Schließlich wird bei hohen Dosierungen die Aktivierung durch Glühen im Ofen schwierig, da sich die Atome des Dotierungsstoffs zusammenballen und nicht einzeln elektrisch aktiv werden, wie es in der nachstehend genannten Literaturstelle erwähnt ist: M. Y. Tsai u. a., "Shallow Junctions by High-Dose As Implants in Si: Experiments and Modeling", J. App. Phys., Bd. 51 (6), S. 3230-3235, June 1980. Im allgemeinen ist es erwünscht, den Glühvorgang und die Aktivierung so durchzuführen, daß nur eine minimale Umverteilung des Dotierungsstoffs stattfindet. Schließlich ist es erwünscht, einen möglichst hohen Aktivierungsgrad zu erzielen, damit man eine möglichst niedrige Implantationsdosis vorsehen kann, denn bei im übrigen gleichen Bedingungen erhöht sich der Durchsatz bei einer Verringerung der Implantationsdosis. Weiterhin ist das übliche Glühen im Ofen zeitraubend, und es ist nicht besonders geeignet, einen hohen Wirkungsgrad der aufgewandten Energie zu gewährleisten; hierbei handelt es sich um einen wichtigen Gesichtspunkt bezüglich der wirtschaftlichen Erzeugung von Filmen bei photoelektrischen Vorrichtungen.

Es sind insbesondere zwei Verfahren zur schnellen Durchführung der Wärmebehandlung von Halbleitermaterialien vorgeschlagen worden. In beiden Fällen wird die Oberfläche des Materials der Wirkung eines Energiestrahls ausgesetzt, um die Temperatur des Materials zu erhöhen und die gewünschte Wirkung hervorzurufen, z. B. ein Glühen, eine Aktivierung, eine Steigerung der Korngröße, ein epitaxiales Nachwachstum oder dergl. Insbesondere wurde auch die Benutzung von Laserstrahlen und Elektronenstrahlen vorgeschlagen und versuchsmäßig angewendet. In beiden Fällen wurde festgestellt, daß ein schnelles Glühen in der Größenordnung von Mikrosekunden möglich ist, wie es z. B. in der nachstehenden Literaturstelle beschrieben ist: W. L. Brown, "Superfast Annealling", IEEE Spektrum, April 1981, S. 50, sowie die dort angeführten Literaturstellen. Diese Verfahren sind Gegenstand von Untersuchungen in zahlreichen Laboratorien, doch werden sie bei im Handel erhältlichen Erzeugnissen noch nicht in großem Umfang angewendet. Laserstrahlen haben einen außerordentlich schlechten Ausnutzungsgrad der Energie und erfordern eine mechanische, elektro-optische oder elektro-mechanische Abtasttechnik. Bei Laserstrahlen können ferner Interferenzen auftreten, wenn sich ein SiO_x-Muster auf einem Siliziumsubstrat befindet. Außerdem kann eine bevorzugte Erhitzung der Trennfläche stattfinden, wodurch eine Ablösung der Oxidschicht bewirkt wird. Elektronenstrahlen sind zwar bezüglich der Energieverwertung relativ wirtschaftlich, doch erzeugen sie neutrale Fangstellen in der Nähe von Isolator- Halbleiter-Übergängen, die beim Gebrauch der Vorrichtungen im Laufe der Zeit zu Aufladungswirkungen führen können. Als dritte Möglichkeit wurde die Verwendung von Blitzlampen oder Bogenlampen in Verbindung mit einem geeigneten Reflektor für die Wärmebehandlung von Halbleitermaterialien vorgeschlagen. Bei Halbleiterplättchen bietet dieses letztere Verfahren den Vorteil, daß das gesamte Plättchen gleichzeitig erhitzt wird und daß thermische Ungleichmäßigkeiten dadurch vermieden werden, daß eine ebene isotropische thermische Front erzeugt wird. Die Nachteile dieses Verfahrens bestehen darin, daß es bezüglich der Energieausnutzung unwirtschaftlich ist und daß man gegebenenfalls komplizierte optische Elemente benötigt. Das optische System muß außerdem so aufgebaut sein, daß Streulicht vermieden oder auf irgendeine Weise nutzbar gemacht wird. Hierzu sei auf die nachstehende Literaturstelle verwiesen: K. Nishiyama u. a., "Radiation Annealing of Boron-Implanted Silicon With a Halogen Lamp", Japanese Journal of Applied Physics, Bd. 19, October 1980, S. L563-L566.

Aus IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 18, No. 3, August 1975, Seite 753, ist ein Gerät zur Wärmebehandlung von Feldeffekttransistoren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bekannt, das im wesentlichen aus einem zylindrischen Ofen, einer aus Graphit bestehenden Unterstützungsplatte und aus einer von einer HF-Versorgungsquelle gespeisten Induktionsspule besteht. In diesem Heizgerät werden die auf der Unterstützungsplatte angeordneten Feldeffekttransistoren dadurch erhitzt, daß das durch die Induktionsspule aufgebaute hochfrequente Magnetfeld in der Unterstützungsplatte starke Wirbelströme induziert, die die Unterstützungsplatte erhitzen, ohne daß sich die Innenwand des zylindrischen Ofens allzusehr erwärmt. Die auf der Unterstützungsplatte angeordneten Feldeffekttransistoren werden somit unmittelbar durch die Platte selbst erhitzt. Ein solches Heizgerät ist auch als Induktionsheizung bekannt.

In dem Lehrbuch von Chr. Gerthsen, H. O. Kneser "Physik", 11. Auflage, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1971, Seiten 373 bis 374 - ISBN 3-540-05562-2, ist z. B. das Prinzip des Hohlraumstrahlers beschrieben, d. h. einer Schwarzkörperstrahlungsquelle.

Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die es ermöglichen, Halbleitermaterialien einer Wärmebehandlung mit einem möglichst konstanten ebenen Energiefluß zu unterziehen.

Die Erfindung besteht darin, daß eine Vorrichtung zum thermischen Behandeln eines Halbleitermaterials vorgesehen ist, mit einer Vakuumkammer, einer Einrichtung zum Bestimmen des Drucks in der Vakuumkammer, Einrichtungen zum Einführen des Halbleitermaterials in die Vakuumkammer bzw. zum Entnehmen desselben aus der Vakuumkammer, eine in der Vakuumkammer angeordnete Tragplatte zum Aufnehmen des Halbleitermaterials bei dessen Einführung in die Vakuumkammer und zum Unterstützen des Materials während der Wärmebehandlung sowie zum Bereithalten des Materials zur Entnahme aus der Vakuumkammer, sowie einer Schwarzkörperstrahlungsquelle zum Erhitzen des Halbleitermaterials, die eine in einer Ebene gleichmäßig verteilte Energieflußcharakteristik aufweist und während der Wärmebehandlung vor der Tragplatte angeordnet ist.

Weitere besondere Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Dabei wird gleichermaßen ein Verfahren zum thermischen Behandeln eines Halbleitermaterials verfügbar gemacht, bei dem das Halbleitermaterial in eine Vakuumkammer eingeführt wird, bei dem ein Vakuum in der Kammer geschaffen wird und bei dem das Halbleitermaterial in der Kammer mittels einer Schwarzkörperstrahlungsquelle erhitzt wird, die eine in einer Ebene gleichmäßig verteilte Energieflußcharakteristik aufweist, wobei das Halbleitermaterial so gegenüber der Schwarzkörperstrahlungsquelle angeordnet wird, daß die Schwarzkörperstrahlungsquelle einen gleichmäßig verteilten Energiefluß über der Oberfläche der Tragplatte liefert.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Beispiel einer teilweise weggebrochen gezeichneten Schrägansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 eine Seitenansicht der Vorrichtung nach Fig. 1;

Fig. 3 eine Stirnansicht eines Teils einer Platte zum Unterstützen eines Halbleiterplättchens in der Vorrichtung nach Fig. 1 bzw. 2;

Fig. 4 die Vorderseite eines Schwarzkörperstrahlers, der einen konstanten ebenen Energiefluß erzeugt und bei der Vorrichtung nach Fig. 1 und 2 verwendet wird;

Fig. 5 einen Ablaufplan, der die Arbeitsweise der Vorrichtung nach Fig. 1 und 2 beim Glühen eines Halbleiterplättchens veranschaulicht;

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Umverteilung eines Dotierungsstoffs bei einer Glühbehandlung in einem Glühofen bekannter Art bzw. unter Benutzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 7a und 7b eine Draufsicht bzw. einen waagerechten Schnitt einer alternativen Ausführungsform einer Platte und

Fig. 8a und 8b bzw. 8c die Draufsicht bzw. eine Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform eines Schwarzkörperstrahlers.

Eine Behandlungsvorrichtung ist in Fig. 1 und 2 dargestellt. Diese Vorrichtung dient zum Aufnehmen, Glühen und Abgeben von Halbleiterplättchen. Fig. 1 zeigt die insgesamt mit 10 bezeichnete Vorrichtung in einer teilweise weggebrochen gezeichneten Schrägansicht. In einem Gehäuse 11 sind elektronische Schalttafeln 13 angeordnet, die über Türen 12 zugänglich sind. Zu der Vorrichtung gehört eine Beschickungs- und Entnahmestation, die in der US-PS 39 01 183 beschrieben ist. Nach dem Zuführen des Plättchens wird die Platte 21 gemäß Fig. 2 um eine Achse 34 in die Glühstellung geschwenkt, in der sie gegenüber einer Schwarzkörperstrahlungsquelle 22 angeordnet ist. Die Strahlungsquelle 22 kann mittels einer Verschlußplatte 23 abgedeckt werden, bis das Plättchen durch die Platte 21 in die richtige Stellung gebracht worden ist; alternativ kann die Strahlungsquelle eingeschaltet sein, jedoch im Leerlauf arbeiten, bis das Plättchen die richtige Lage einnimmt; natürlich stehen noch weitere Beschickungsverfahren zur Wahl. Der Abstand zwischen dem Plättchen und der Strahlungsquelle 22 kann zwischen 6,5 mm und einer für zweckmäßig gehaltenen längeren Strecke variieren. In der Praxis richtet sich der Abstand nach den Anforderungen bezüglich der Gleichmäßigkeit sowie dem Raumbedarf für den Verschluß, die Abschirmungen und die Platte. Um eine hohe Gleichmäßigkeit zu erreichen, ist die aktive Fläche der Strahlungsquelle mindestens ebenso groß wie die Fläche des Plättchens. Die Temperatur der Schwarzkörperstrahlungsquelle beträgt beim Glühen und Aktivieren eines Siliziumplättchens z. B. 1400°C. Die Glühzeit variiert zwischen etwa 1 und etwa 10 sec. Das Aufheizen des Plättchens erfolgt durch Strahlungswärme, so daß die Temperatur des Plättchens zunimmt, bis sie im Gleichgewichtszustand nahezu gleich der Temperatur der Wärmequelle ist. Bei für den praktischen Betrieb bestimmten Systemen, bei denen mit Zykluszeiten von 1 bis 10 sec gearbeitet wird, erreicht jedoch das Plättchen nicht den Gleichgewichtszustand, da die Glühung und Aktivierung erfolgt, bevor das Plättchen eine Temperatur von z. B. 900°C erreicht. Nach dem Glühen und Aktivieren wird das Plättchen durch eine Entnahmeschleuse 17 in eine von einem Kassettenhalter 19 aufgenommene Kassette überführt.

Um eine gleichmäßige Aufheizung zu gewährleisten, ist es zweckmäßig, eine Beheizung durch Strahlungswärme anstelle einer Beheizung durch Konvektion durchzuführen. Bei den üblichen Verfahren zum Beheizen von Glühöfen erfolgt die Beheizung zu einem großen Teil im Wege der Konvektion durch Stickstoff, Argon oder eine andere gasförmige Atmosphäre; wegen der durch thermische Einflüsse erzeugten Gasströmungen ist hierbei jedoch keine gleichmäßige Beheizung möglich. Bei dem Verfahren und der Vorrichtung wird der Druck mindestens zwischen der Schwarzkörperstrahlungsquelle und dem Halbleitermaterial ständig geregelt. In diesem Bereich variiert der Druck zwischen 10^-7 Torr und dem Umgebungsdruck, und er wird so gewählt, daß die mittlere freie Wegstrecke des Gases erheblich größer ist als der Abstand zwischen der Strahlungsquelle und dem Plättchen. Auf diese Weise wird verhindert, daß eine Beheizung in einem erheblichen Ausmaß durch Wärmeleitung erfolgt. Gemäß Fig. 2 wird eine mechanische Vorvakuumpumpe 33 benutzt, die mit einer Diffusionspumpe 32 in Reihe geschaltet ist, um die Kammer 24 über eine Rohrleitung 30 und eine Prallplattenanordnung 31 zu evakuieren. Auf diese Weise wird der Druck in der Arbeitskammer 24, 20 auf dem gewünschten Wert gehalten, der sich, wie erwähnt, danach richtet, daß die mittlere freie Weglänge der Gasmoleküle erheblich größer sein soll als der Abstand zwischen der Strahlungsquelle und dem Plättchen 37. Daher herrscht Strahlungsheizung von der Wärmequelle 35 vor.

Da nur das Plättchen erhitzt wird, während die Wände der Kammer unbeheizt bleiben, ergibt sich bei dieser Anordnung durch den verringerten Energiebedarf auch dann hohe Wirtschaftlichkeit, wenn man die Kosten der Einrichtung zum Erzeugen des Unterdrucks berücksichtigt.

Das Plättchen 37 wird durch einen konstanten ebenen Energiefluß aufgeheizt, der durch die Schwarzkörperstrahlungsquelle 22 bzw. 35 erzeugt wird. Der Ausdruck "konstanter ebener Energiefluß" bedeutet, daß diese Quelle eine ebene Front eines konstanten Energieflusses erzeugt. Zwar kann die Leistungsaufnahme infolge einer Aufheizverzögerung der Wärmequelle variieren, doch bleibt der Energiefluß über die ebene Front hinweg konstant. Die ebene Isotherme führt zu einer gleichmäßigen Aufheizung des Plättchens 37. Dies ist teilweise darauf zurückzuführen, daß die Schwarzkörperstrahlung in erster Linie im Infrarotbereich liegt und daß Silizium für Infrarotstrahlung teilweise durchlässig ist. Somit durchdringt die Strahlung ein Plättchen mit einer Dicke von mehreren hundert Mikrometer innerhalb von Millisekunden, wobei eine gleichmäßige Erhitzung bewirkt wird. Wenn die Oberflächentemperatur des Plättchens 900°C beträgt, liegt der Gradient durch das Plättchen hindurch unter 50°C. Außerdem kann die Strahlung durch die Platte reflektiert werden und das Plättchen erneut durchlaufen, wobei eine zusätzliche Absorption von Wärme oder eine Rückstrahlung zu der Wärmequelle stattfindet, die zu einer Steigerung des Wirkungsgrades führt. Wenn die Temperatur von Silizium zunimmt, wird der Energiebandabstand kleiner, und der unter der Bandlücke liegende Teil des Schwarzkörperspektrums vergrößert sich, so daß die Absorption verstärkt wird. Gemäß Fig. 3 ist das Plättchen 37 in einem kleinen Abstand in der Größenordnung von etwa 25 mm und vorzugsweise von weniger als 12,5 mm von der Schwarzkörperstrahlungsquelle 35 angeordnet. Da Strahlungsheizwirkung vorherrscht, stellt sich die temperaturmäßige Gleichmäßigkeit des Plättchens 37 im wesentlichen auf ein Gleichgewicht bezüglich der Emissionsfläche der Strahlungsquelle 35 ein, doch wird in der Praxis das Gleichgewicht häufig nicht erreicht. Da somit eine Erhitzung in der Weise erfolgt, daß über die Ebene des Plättchens hinweg kein Temperaturgradient vorhanden ist, wird die Gefahr eines Verziehens oder Reißens des Plättchens verringert.

Das Plättchen 37 wird innerhalb einiger Sekunden, z. B. 1 bis 10 Sekunden, von einer Temperatur in der Größenordnung von 30°C auf eine Temperatur in der Größenordnung von 900°C erhitzt. Die Wärmeaufnahme des Plättchens, d. h. das Integral des Energieflusses über die Zeit, richtet sich nach der Masse des Plättchens, der Art des Materials, der Konzentration des Dotierungsstoffs und der Behandlungsgeschichte des Plättchens. Ist die Wärmebehandlung abgeschlossen, wird die Wärmequelle entweder mit Hilfe des in Fig. 1 dargestellten Verschlusses 23 abgedeckt oder wird abgeschaltet. Besteht das Plättchen aus Silizium, wird es vorzugsweise auf 700°C abgekühlt, d. h. annähernd auf die Weißglutgrenze, die bei etwa 650 bis 700°C liegt, oder darunter, so daß das Plättchen der Glühkammer entnommen werden kann. Zu diesem Zweck wird die Platte aktiv gekühlt, oder sie wird so gedreht, daß das Plättchen Wärme an die Wände der Kammer abstrahlt, die als Schwarzkörper-Wärmeaufnahmeflächen zur Wirkung kommen. Gemäß Fig. 3 gehört zu der Platte 21 ein Metallklotz 19, an dessen Rückseite Kühlrohrschlangen 40 befestigt sind, in denen gekühltes Wasser mit einer Temperatur von etwa 10 bis 15°C bei einer Durchsatzgeschwindigkeit von etwa 4 ltr/min oder ein anderes Kühlmittel zirkuliert; diese Rohrschlangen sind durch nicht dargestellte Durchführungen mit einer außerhalb der Glühkammer angeordneten Kühlmittelquelle verbunden. Um eine gleichmäßige Glühwirkung zu begünstigen, ist auf der Vorderseite der Platte 21 ein sich längs ihres Umfangs erstreckender Streifen 42 aus einem hitzebeständigen Metall angeordnet. Dieser Streifen kann beheizt werden, um ein gleichmäßiges Temperaturprofil zwischen den Rändern des Plättchens und seinem Mittelpunkt zu gewährleisten. Ferner sind zwischen der Wärmequelle 35 und den Wänden der Vakuumkammer ebene Abschirmungen 40a und 41 angeordnet. Diese Abschirmungen verringern die Wärmeverluste entsprechend dem Ausdruck 1/n+1, in dem n die Anzahl der hintereinandergeschalteten Abschirmungen bezeichnet, wenn zwischen je zwei Abschirmungen ein Vakuum vorhanden ist. Bei einer Ausführungsform ist die Platte mit innenliegenden Abschirmungen versehen. Fig. 7b zeigt eine Ausführungsform, bei der zwei Abschirmungen 65 und 66 unter Verwendung von Abstandhaltern 67 zwischen dem Plättchen 60 und dem Plattenkörper 68 angeordnet sind. Diese Abschirmungen bestehen aus einem hitzebeständigen Metall, z. B. Tantal oder Molybdän. Dabei hat die Abschirmung 65 eine annähernd konkave Form, so daß das Plättchen 60 darüber hinweggleitet und sie nur im Bereich ihrer Ränder berührt. Hierdurch wird die die Schaltkreise tragende Seite des Plättchens geschützt, wenn die Rückseite geglüht wird, und außerdem wird die Wirkung einer zusätzlichen thermischen Sperre erzielt, da die Wärmeleitung auf ein Minimum verringert wird. Bei dieser bevorzugt verwendeten Platte 62 sind gemäß Fig. 7a Blattfedern aus hitzebeständigem Metall an Haltern 63 befestigt, um Anschläge für das Plättchen 60 zu bilden.

In Fig. 4 ist eine Ausführungsform des Schwarzkörperstrahlers 35 mit weiteren Einzelheiten dargestellt. Um eine gleichmäßige Beheizung über die ganze Fläche des Plättchens hinweg zu gewährleisten, erzeugt die Schwarzkörperstrahlungsquelle eine gleichmäßige thermische "Abbildung". Diese Karte erzeugt eine ebene thermische Front, d. h. in parallelen Ebenen vor der Strahlungsquelle tritt jeweils die gleiche Temperatur auf. Da die Beheizung des Plättchens mittels Strahlungswärme erfolgt, bewirkt die Strahlung eine Aufheizung des Plättchens unter Einhaltung einer zweidimensionalen Isotropie. Um die entsprechenden Isothermen zu erzeugen, verwendet man vorzugsweise eine ebene Strahlungsquelle, doch ist dies nicht unbedingt erforderlich. Wie im folgenden erläutert, ist es theoretisch auch möglich, Isothermen mit Hilfe einer nicht ebenen Strahlungsquelle zu erzeugen.

Die Schwarzkörperstrahlungsquelle wird vorzugsweise aus einem mit elektrischem Widerstand behafteten Material hergestellt, das sich durch Formen oder Schneiden zu einer Fläche verarbeiten läßt, die mit einem aus Streifen bestehenden Muster versehen ist. Besonders bevorzugt wird Graphit verwendet, etwa in Form von Tafeln, die sich gemäß Fig. 4 so zuschneiden lassen, daß sich ein serpentinenförmiges Muster ergibt. Alternativ kann man pyrolithischen Graphit von hoher Reinheit verwenden. Gemäß Fig. 4 wird ein Blatt 50 aus Graphit mit einer Dicke von etwa 1,6 bis 3,2 mm so zugeschnitten, daß sich ein Serpentinenmuster ergibt, das aus Streifen 54 besteht. Die Ecken der Strahlungsquelle werden auf einem Metallrahmen 41 an den Ecken mit Hilfe leitfähiger Kontaktzapfen 52 und 53 befestigt. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird die Platte aus Graphit bzw. Kohlenstoff ausgefräst, bevor die Streifen 54 zugeschnitten werden, um die Dicke innerhalb der Umfangslinie 51 nach Fig. 4 zu verringern. Dies hat zur Folge, daß die höchste Temperatur in der kreisrunden Zone innerhalb der Begrenzungslinie 51 auftritt, d. h. dort, wo die Strahlungsquelle gegenüber einem durch die Platte unterstützten Plättchen angeordnet ist. Im allgemeinen beträgt die Leistungsaufnahme einer solchen ebenen Strahlungsquelle mit serpentinenförmigen Streifen etwa 5 kW, doch verringert sich die erforderliche Leistungsaufnahme mit einer Zunahme des Wirkungsgrades der Abschirmung. Wenn eine möglichst gleichmäßige Erhitzung erzielt werden soll, muß die wirksame Fläche der Schwarzkörperstrahlungsquelle mindestens ebenso groß sein wie das zu erhitzende Plättchen, und der Abstand zwischen dem Plättchen und der Strahlungsquelle soll möglichst klein sein. Bei einer anderen Ausführungsform wird ein Blatt aus hitzebeständigem Metall mit einer Dicke in der Größenordnung von 0,13 mm zwischen zwei Paaren von stangenförmigen Klammern ausgespannt. Ein solches Blatt hat ein geringeres Emissionsvermögen als der bevorzugt verwendete Graphit, und es treten starke Einschaltstromstöße auf, da die Veränderungen des Widerstandes in Abhängigkeit von der Temperatur erheblich größer sind als bei Graphit bzw. Kohlenstoff.

In Fig. 8a bis 8c ist eine keine ebene Form aufweisende Schwarzkörperstrahlungsquelle dargestellt, die einen konstanten ebenen Energiefluß liefert. Hierzu gehören zwei zylindrische Stäbe 70 und 71, die in einen nicht dargestellten Rahmen in einem festen Abstand voneinander eingebaut sind. Ein Heizdraht aus hitzebeständigem Metall, z. B. Tantal, mit einem Durchmesser von etwa 1 mm ist so um die Stäbe 70 und 71 herumgelegt, daß er das in Fig. 8b dargestellte Muster bildet. Die Abschnitte des Heizdrahtes zwischen den Stäben erstrecken sich allgemein im rechten Winkel zu den Stäben, wobei die Versetzung zwischen den verschiedenen Abschnitten jeweils im Bereich der Stäbe herbeigeführt wird, wie es in Fig. 8a gezeigt ist. Diese Versetzung der Abschnitte ist gleichmäßig, so daß die unteren Abschnitte jeweils in der Mitte zwischen zwei benachbarten höher liegenden Abschnitten angeordnet sind, wie es aus der Draufsicht nach Fig. 8b ersichtlich ist. Vergleicht man Fig. 8a mit Fig. 8b, erkennt man, daß der Abschnitt 72′ mit dem Abschnitt 72 und der Abschnitt 73′ mit dem Abschnitt 73 identisch ist. Auf der Vorderseite der Strahlungsquelle nähert sich die thermische Wirkung derjenigen einer ebenen Strahlungsquelle an, so daß ein konstanter ebener Energiefluß erzeugt wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Stäbe 70 und 71 gemäß Fig. 8c mit Nuten 69 versehen, von denen der Glühfaden 75 aufgenommen wird, wenn er von der Oberseite zur Unterseite eines Stabes bzw. in umgekehrter Richtung geführt wird.

Beim Glühen von Plättchen unter Anwendung dieses Verfahrens zeigt es sich, daß eine erhebliche Verringerung der Umverteilung des Dotierungsstoffs erzielt wird. Die Darstellung entsprechend Fig. 6 ermöglicht es, die Umverteilung des Dotierungsstoffs bei Silizium mit implantiertem Bor nach Glühen im Ofen (+) mit von Silizium mit implantiertem Bor nach dem Glühen unter Benutzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung (Kreise) zu vergleichen. Das im Ofen geglühte Plättchen erhielt eine Dosis von 9,6×10¹⁴/cm² Bor 11 bei einer Implantationsspannung von 50 keV. Das Plättchen wurde im Ofen 30 min lang bei 1000°C geglüht. Das in der erfindungsgemäßen Vorrichtung behandelte Plättchen erhielt bei 50 keV eine Dosis Bor 11 von 1×10¹⁵/cm². Hierbei wurde die Behandlungsvorrichtung 10 sec lang mit einer Leistungsaufnahme von 4,5 kW betrieben, wobei die Rückseite des Plättchens der Strahlungsquelle nach Fig. 4 zugewandt war. Die maximale Verteilung des Bors betrug bei im Ofen geglühtem Silizium etwa 0,72 Mikrometer, während sie bei der Benutzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung etwa 0,55 Mikrometer betrug. Außerdem war die Spitzenverteilung des Bors bei dem in der erfindungsgemäßen Vorrichtung behandelten Silizium höher, was als logisches Ergebnis zu betrachten ist, da die ursprünglichen Dosierungen vergleichbar waren.

Das Verfahren wird erläutert, wenn man den Weg eines Plättchens anhand des in Fig. 5 wiedergegebenen Ablaufplans verfolgt. Gemäß Fig. 5 wird ein Plättchen Nr. 1 beim Beschicken der Vorrichtung in die Beschickungsschleuse eingeführt, die dann auf ein Vakuum von etwa 0,1 Torr ausgepumpt wird. Nach etwa 1 sec wird die Schleuse zu der Behandlungskammer geöffnet, und das Plättchen wird in der Behandlungskammer auf der Tragplatte angeordnet. Sobald die Behandlungskammer geschlossen ist und sich die Platte in ihrer Betriebsstellung gegenüber dem Schwarzkörperstrahler befindet, wird ein konstanter ebener Wärmefluß während einer Zeitspanne von etwa 1 bis 10 sec zur Wirkung gebracht. Sobald die maximale Temperatur erreicht ist, läßt man die Strahlungsquelle leer laufen, oder sie wird mit Hilfe des Verschlusses abgedeckt, und die Tragplatte wird in eine Stellung geschwenkt, bei der sich das erhitzte Plättchen etwa 2 sec lang dadurch abkühlen kann, daß es Energie an die Wände der Kammer abstrahlt. Alternativ kann man den Betrieb des Schwarzkörperstrahlers mit Hilfe einer Mikroprozessorsteuerung so programmieren, daß er den jeweils gewünschten Temperaturzyklus durchläuft. Hierauf wird das Plättchen in die Abgabeschleuse überführt, wo es während der Belüftung dieser Schleuse durch Wärmeleitung und Konvektion durch das Gas abgekühlt wird. Schließlich wird das Plättchen der Abgaseschleuse und damit der Vorrichtung entnommen. Dem ersten Plättchen folgt ein zweites Plättchen usw., und die übrigen Plättchen werden nacheinander der beschriebenen Behandlung unterzogen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist ein hoher Durchsatz in der Größenordnung von 150 bis 250 Plättchen pro Stunde möglich, wobei jeweils zu jedem beliebigen Zeitpunkt nur einige Plättchen gleichzeitig fehlerhaft werden können.

Bei der Durchführung des Verfahrens ist es erwünscht, eine Verunreinigung der aktiven Fläche jedes Plättchens zu vermeiden. Diese Fläche ist insbesondere für eine Verunreinigung durch Na⁺ und Schwermetalle empfindlich. Daher kann man nur Wärmequellen benutzen, die aus einer reinen wärmebehandelten Folie aus Kohlenstoff oder Metall bestehen. Strahlungsquellen aus Graphit müssen gründlich gereinigt werden, z. B. durch Brennen im Vakuum, da C-V-Verschiebungen anzeigen, daß metallische Verunreinigungen vorhanden sein können, wenn auf ein solches Brennen verzichtet wird. Eine Möglichkeit, bei der Durchführung des Verfahrens Verunreinigungen zu vermeiden, besteht darin, das Plättchen in die Tragplatte jeweils so einzuführen, daß seine Rückseite der Strahlung ausgesetzt wird. Hierbei würden etwa vorhandene Verunreinigungen von der Strahlungsquelle auf die Rückseite des Plättchens gelangen, wo sie von den aktiven Bereichen auf der Vorderseite weit entfernt sind und bei den Schaltkreisen keine Störungen hervorrufen. Wegen der beschriebenen Beheizung mit Hilfe eines ebenen konstanten Energieflusses erhitzt sich die Oberseite des Plättchens gleichmäßig und innerhalb einer kurzen Zeit in der Größenordnung von Millisekunden, nachdem die freiliegende Rückseite der Wirkung der ebenen isotopischen thermischen Front ausgesetzt worden ist. Das Plättchen erhitzt sich hierbei gleichmäßig über seine gesamte Dicke.

Claims (15)

1. Vorrichtung zum thermischen Behandeln eines Halbleitermaterials mit einer Vakuumkamer (20, 24), einer Einrichtung (32, 33) zum Bestimmen des Drucks in der Vakuumkammer, Einrichtungen (16, 17) zum Einführen des Halbleitermaterials in die Vakuumkammer bzw. zum Entnehmen desselben aus der Vakuumkammer, einer in der Vakuumkammer angeordneten Tragplatte (21) zum Aufnehmen des Halbleitermaterials bei dessen Einführung in die Vakuumkammer und zum Unterstützen des Materials während der Wärmebehandlung sowie zum Bereithalten des Materials zur Entnahme aus der Vakuumkammer, gekennzeichnet durch eine Schwarzkörperstrahlungsquelle (22) zum Erhitzen des Halbleitermaterials, die eine in einer Ebene gleichmäßig verteilte Energieflußcharakteristik aufweist und während der Wärmebehandlung vor der Tragplatte angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Halbleitermaterial um ein Plättchen (37) aus Halbleitermaterial in Form eines Einkristalls handelt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwarzkörperstrahlungsquelle (22) während der Wärmebehandlung in einem Abstand von weniger als 12,5 mm von der Tragplatte (21) und parallel zu dieser angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwarzkörperstrahlungsquelle (22) eine wirksame Emissionsfläche mit gleichmäßiger Verteilng mit einer Fläche aufweist, die größer ist als die Fläche des Halbleiterplättchens (37).

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragplatte (21) eine Kühleinrichtung (40) für den Hauptkörper der Tragplatte aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragplatte (62) mindestens eine zwischen dem Plättchen (60) und dem Hauptkörper (68) der Tragplatte angeordnete thermische Abschirmung (65, 66) aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Abschirmung (65) der beiden thermischen Abschirmungen eine annähernd konkave Form hat, so daß sie von dem Plättchen (60) nur längs seines äußeres Randes berührt wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch federnde Anschläge (64) aus hitzebeständigem Metall zum Aufnehmen und Anhalten des Plättchens (60) während des Einführens des Plättchens in die Tragplatte (62).

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die federnden Anschläge (64) entlang einem Rand der thermischen Abschirmung angeordnet sind, um als Anschlag und Positionierungsmittel für das Halbleiterplättchen zu dienen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die federnden Anschläge (64) eine Krümmung vergleichbar der Krümmung des Halbleiterplättchens aufweisen, um dem Halbleiterplättchen zu ermöglichen, sich auf einem Abschnitt seines Umfangs gegen einen Teil der federnden Anschläge anzulehnen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwarzkörperstrahlungsquelle aus einem Blatt aus elektrischem Widerstandsmaterial besteht, ein ungefähr ebenes Serpentinenmuster (54) aufweist und zum engen Ausrichten mit parallelem Abstand zu den Plättchen ausgebildet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandsmaterial Graphit ist.

13. Verfahren zum thermischen Behandeln eines Halbleitermaterials, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial in eine Vakuumkammer (20, 24) eingeführt wird, daß ein Vakuum in der Kammer geschaffen wird und daß das Halbleitermaterial in der Kammer mittels einer Schwarzkörperstrahlungsquelle (22) erhitzt wird, die eine gleichmäßig verteilte Energieflußcharakteristik in einer Ebene aufweist, wobei das Halbleitermaterial so gegenüber der Schwarzkörperstrahlungsquelle angeordnet wird, daß die Schwarzkörperstrahlungsquelle einen gleichmäßig verteilten Energiefluß über der Oberfläche der Tragplatte liefert.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterplättchen (37) mindestens 0,1 sec auf mindestens 700°C erhitzt wird.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterplättchen (37) mindestens 5 sec auf etwa 900°C erhitzt wird.