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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung
von Substraten.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Eine
thermische Bearbeitungskammer, wie sie hierin verwendet wird, bezeichnet
eine Vorrichtung, die schnell Gegenstände erwärmt, wie beispielsweise Halbleiterwafer.
Derartige Vorrichtungen umfassen typischerweise eine Substrathaltevorrichtung
zum Halten eines Halbleiterwafers und eine Wärmeenergiequelle, wie beispielsweise
eine Lichtquelle die Lichtenergie zur Erwärmung des Wafers emittiert.
Während
der Wärmebehandlung
werden die Halbleiterwafer unter gesteuerten Bedingungen gemäß einem
voreingestellten Temperaturbetriebszustand gesteuert. Zur Überwachung
der Temperatur des Halbleiterwafers während der Wärmebehandlung, umfasst die
thermische Bearbeitungskammer typischerweise Temperaturabfühlvorrichtungen,
wie beispielsweise Pyrometer, die die Strahlung abfühlen, die
durch den Halbleiterwafer mit einem ausgewählten Wellenlängenband
emittiert wird. Durch Abfühlen
der Wärmestrahlung,
die durch den Wafer emittiert wird, kann die Temperatur des Wafers
mit angemessener Genauigkeit berechnet werden.
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In
alternativen Ausführungsbeispielen
können,
anstelle von oder zusätzlich
zu der Verwendung von Strahlabfühlvorrichtungen,
die thermischen Bearbeitungskammern ebenfalls Thermopaare für das Überwachen
der Temperatur der Wafer umfassen. Thermopaare messen die Temperatur
der Objekte durch direkten Kontakt.
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Viele
Halbleitererwärmungsprozesse
erfordern, dass ein Wafer auf hohe Temperaturen erwärmt wird,
so dass verschiedene chemische und physikalische Reaktionen stattfinden
können,
während
der Wafer in eine Vorrichtung gefertigt wird. Während der schnellen thermischen
Bearbeitung, welche eine Art der Bearbeitung ist, werden Halbleiterwafer
typischerweise durch Anordnungen von Lichtern auf Temperaturen von
beispielsweise ungefähr
400°C bis
ungefähr
1.200°C
für Zeiten
erwärmt,
die typischerweise kürzer
als wenige Minuten sind. Während dieser
Pro zesse besteht ein Hauptziel darin, die Wafer so gleichmäßig wie
möglich
zu erwärmen.
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Genauer
gesagt wurden Halbleiterwafer in der Vergangenheit gemäß einem
vorbestimmten Heiz- bzw. Erwärmungszyklus
erwärmt.
Zum Beispiel wurden die Wafer typischerweise von einer Anfangstemperatur
auf eine erwünschte
Temperatur mit einer sehr schnellen Erwärmungsrate erwärmt. Die
Wafer wurden dann bei der erwünschten
Temperatur für eine
Zeit gehalten, die ausreichend für
das Stattfinden erwünschter
Prozesse ist. Zum Beispiel können die
Wafer während
dieser Prozesse angelassen oder verschiedene Beschichtungen und
Filme können
auf den Wafern abgelagert werden, wie beispielsweise Oxidfilme.
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Um
den Erwärmungszyklus
abzuschließen, werden
die Lichtquellen abgeschaltet und es wird zugelassen, dass die Wafer
sich abkühlen,
nachdem sie auf einer erwünschten
Temperatur für
eine vorbestimmte Zeitdauer gehalten wurden. Im Allgemeinen wurde
zugelassen, dass sich die Wafer auf natürliche Weise durch einfaches
Entfernen oder Abschalten der Wärmequellen
abkühlen.
Insbesondere würden sich
die Wafer durch den Verlust von Energie durch Abstrahlung von dem
heißen
Körper
abkühlen.
Der Wärmebetrag
der von den Wafern verloren wird, ist proportional zu der Differenz
zwischen der Temperatur des Wafers und der Temperatur der umgebenden Atmosphäre. Folglich
ist während
dieser Prozesse die Kühlrate
des Wafers bei hohen Temperaturen relativ schnell, und verlangsamt
sich dann mit Abnahme der Temperatur des Wafers exponentiell.
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In
letzter Zeit wurde der Schwerpunkt auf das Bilden integrierter Schaltungen
mit dünneren
und gleichmäßigeren
Schichten gelegt, deren Betrieb effizienter ist und weniger Leistung
erfordert. In dieser Hinsicht wurde in letzter Zeit der Blickpunkt
nicht nur auf präzise
geformten Beschichtungen und Filme in thermischen Bearbeitungskammern
gewendet, sondern auch auf die Verringerung der Zeitdauer, die erforderlich
ist, um einen Erwärmungszyklus
in der Kammer zu vollenden. Leider haben herkömmliche Verfahren zur Abkühlung von
Wafern in thermischen Bearbeitungskammern diese Ziele vereitelt.
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Beispielsweise
besitzen, wie oben beschrieben, herkömmliche Verfahren zur Abkühlung von Wafern
in thermischen Bearbeitungskammern eine Tendenz die Zeit erheblich
zu verlängern,
die erforderlich ist, um einen Erwärmungszyklus innerhalb der
Kammer zu vollenden, in der die Wafer relativ langsam abgekühlt werden.
Ferner können
während dieser
langsamen Abkühlphase
des Zyklus ungewollte chemische und physikalische Reaktionen auftreten,
die die elektrischen Eigenschaften der Beschichtungen und Filme,
die auf dem Halbleiterwafer gebildet sind, negativ beeinflussen.
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In
der
EP-A-0 454 054 ist
eine Lampenanlassvorrichtung und ein Verfahren zum Anlassen eines
Halbleiterwafers offenbart. Ein Kühlgas wird zum Umfang des Wafers
hin in einem Erwärmungsschritt und
zu einem Mittelteil des Wafers hin in einem Schritt eines stationären Zustands
geblasen.
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Ein
Temperatursteuersystem, das schnell auf die Veränderung der Temperatur eines
Substrats reagiert, das gerade bearbeitet wird, ist in der
EP-A-0 451 740 gezeigt.
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Alternative
Kühlmittel
zum Abkühlen
eines Halbleiterwafers sind in den PATENT ABSTRACTS OF JAPAN, Band
016, Nr. 482 (E-1275), 7. Oktober 1992 (1992-10-07) &
JP 04 176121 A und
den PATENT ABSTRACTS OF JAPAN, Band 010, Nr. 359 (E-460), 3. Dezember
1986 (1986-12-03) &
JP 61 156814A beschrieben.
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Als
solches besteht derzeit ein Bedarf an einer verbesserten Vorrichtung
und einem Verfahren zur Abkühlung
von Wafern in schnellen thermischen Bearbeitungskammern. Insbesondere
besteht derzeit ein Bedarf an einer schnellen thermischen Bearbeitungskammer,
die imstande ist, Halbleiterwafer sehr schnell aktiv abzukühlen nachdem
die Wafer erwärmt
wurden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung erkennt und adressiert die vorangehenden Nachteile
sowie weitere von Konstruktionen und Verfahren des Standes der Technik.
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Demgemäß ist es
ein Ziel der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren und
eine verbesserte Vorrichtung zur Wärmebehandlung von Gegenständen bzw.
Objekten, wie beispielsweise Halbleiterwafern, vorzusehen.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte
Vorrichtung zur Wärmebehandlung
von Halbleiterwafern vorzusehen, die imstande ist, die Wafer schnell
abzukühlen.
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Noch
ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte
Vorrichtung zur Wärmebehandlung
von Halbleiterwafern vorzusehen, die eine Kühlvorrichtung umfasst, die
aktiv die Wafer abkühlt,
nachdem die Wafer erwärmt
worden sind.
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Diese
und andere Ziele der vorliegenden Erfindung werden durch das Vorsehen
von Verfahren und einer Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 9 bzw. 1 erreicht. Die
Vorrichtung kann für
verschiedene Betriebe verwendet werden, wie beispielsweise für das Anlassen
von Wafern nach einem Ionenimplantationsschritt oder zur Konstruktion
oder dem Anlassen von Beschichtungen und Filmen auf den Halbleiterwafern,
wie beispielsweise solchen die aus leitenden Materialien, Isolierungen
und halbleitenden Materialien bestehen. Die Vorrichtung umfasst
eine thermische Bearbeitungskammer und kann angepasst sein, um Halbleiterwafer
zu enthalten. Eine Substrathaltevorrichtung ist innerhalb der thermischen
Bearbeitungskammer enthalten und kann angepasst sein, um die Wafer
zu halten und zu drehen. Zur Erwärmung
von Substraten, wie beispielsweise Wafern, ist eine Wärmequelle
in Verbindung mit der thermischen Bearbeitungskammer angeordnet.
Die Wärmequelle kann
beispielsweise eine Anzahl von Lampen sein, die Wärmelichtenergie
emittieren.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst die Vorrichtung ferner eine Kühlvorrichtung, die benachbart
zu der Substrathaltevorrichtung zum selektiven Abkühlen der
Substrate, wie beispielsweise den Halbleiterwafern, die in der thermischen
Bearbeitungskammer enthalten sind, angeordnet ist. Die Kühlvorrichtung
kann ein Kühlglied
umfassen, welches zumindest einen Kühlkanal zur Zirkulierung eines
Kühlströmungsmittels,
wie beispielsweise einer Flüssigkeit,
definiert. Insbesondere kann durch Zirkulieren eines Kühlströmungsmittels
durch das Kühlglied
die Kühlvorrichtung
eine relativ niedrige Temperatur aufrechterhalten, die dann verwendet
wird, um die Halbleiterwafer durch Konvektion und Konduktion abzukühlen.
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Vorzugsweise
wird die Kühlvorrichtung
der vorliegenden Erfindung nur verwendet, um die Halbleiterwafer
zu ausgewählten
Zeiten abzukühlen,
wie beispielsweise nachdem die Wafer auf eine vorbestimmte maximale
Temperatur erwärmt
wurden. Die Kühlvorrichtung
kann einen Bewegungsmechanismus zur Bewegung der Kühlvorrichtung
zwischen einer Eingriffsposition und einer Nicht-Eingriffsposition aufweisen.
In der Eingriffsposition wird die Kühlvorrichtung benachbart zu
und in direktem Kontakt mit dem Halbleiterwafer angeordnet, der
auf dem Substrathalter zur Kühlung
des Wafers gehalten wird. In der Nicht-Eingriffsposition ist die
Kühlvorrichtung
andererseits mit einem vorbestimmten Abstand von dem Halbleiterwafer
beabstandet und kühlt
den Wafer nicht wesentlich oder wirkt nicht auf den Wafer ein, während der
Wafer erwärmt
wird. Anstatt dass die Kühlvorrichtung
zu dem Substrathalter hin und von diesem weg bewegbar ist, um den
Wafer selektiv zu kühlen,
kann alternativ der Substrathalter zu der Kühlvorrichtung hin und von dieser
weg bewegbar sein.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung kann die Kühlvorrichtung einen oder mehrere
Gasdurchlässe
zur Zirkulation eines Gases dadurch umfassen. Insbesondere können die
Gasdurchlässe
derart ausgelegt sein, dass ein Gas, das durch die Durchlässe strömt, durch
das Kühlströmungsmittel,
das durch die Kühlvorrichtung zirkuliert
wird, gekühlt
wird. Sobald es abgekühlt
ist, kann das Gas dann zu einem Halbleiterwafer geleitet werden,
der auf dem Substrathalter zur Kühlung
des Wafers gehalten wird, und dieses kontaktieren. Das Kühlgas kann
beispielsweise molekularer Stickstoff oder Helium sein. Um den Wafer
nur zu ausgewählten
Zeiten zu kühlen,
kann der Strom des Kühlgases durch
die Kühlvorrichtung
bei Bedarf angehalten und begonnen werden.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung weist die Vorrichtung ferner eine Temperaturabfühlvorrichtung
zur Überwachung
der Temperatur eines Halbleiterwafers auf, der innerhalb der thermischen
Bearbeitungskammer enthalten ist. Eine Steuervorrichtung kann in
Verbindung mit der Temperaturabfühlvorrichtung
angeordnet werden und kann ausgelegt sein, um die Wärmequelle
und die Kühlvorrichtung
zu steuern. Genauer gesagt kann die Steuervorrichtung Temperaturinformationen
von der Temperaturabfühlvorrichtung
empfangen und kann basierend auf derartigen Informationen automatisch
die Wärmequelle
und die Kühlvorrichtung
zur Erwärmung
und Abkühlung
der Wafer gemäß dem vorbestimmten
Temperaturzyklus steuern.
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Beim
Steuern der Wärmequelle
kann die Steuervorrichtung beispielsweise verwendet werden, um den
Betrag der Wärmeenergie,
der auf den Halbleiterwafer emittiert wird, zu erhöhen oder
zu verringern. Beim Steuern der Kühlvorrichtung kann die Steuervorrichtung
andererseits konfiguriert werden, um die Bewegung der Kühlvorrichtung
und/oder den Strom der Kühlströmungsmittel
in und aus der Kühlvorrichtung
zu steuern.
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Andere
Ziele, Merkmale und Aspekte der vorliegenden Erfindung werden im
größeren Detail im
Folgenden diskutiert.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Eine
vollständige
und erläuternde
Offenbarung der vorliegenden Erfindung, einschließlich ihres besten
Ausführungsmodus,
die sich an einen gewöhnlichen
Fachmann des Gebiets wendet, wird genauer in der restlichen Beschreibung
dargestellt, die sich auf die beigefügten Zeichnungen bezieht, in
denen zeigt:
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1 eine
Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels
einer Vorrichtung zur Wärmebehandlung
von Halbleiterwafern gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels
einer Kühlvorrichtung,
die in einer thermischen Bearbeitungskammer gemäß der vorliegenden Erfindung
verwendet werden kann;
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3 eine
Querschnittansicht der Kühlvorrichtung,
die in 2 dargestellt ist;
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4 ein
alternatives Ausführungsbeispiel einer
Kühlvorrichtung,
die in der thermischen Bearbeitungskammer gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet
werden kann; und
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5 ein
Zeit- und Temperaturdiagramm, das die Differenz zwischen herkömmlichen
Heiz- bzw. Erwärmungszyklen
und Erwärmungszyklen
darstellt, die in einer thermischen Bearbeitungskammer verwendet
werden, die gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt ist.
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Die
wiederholte Verwendung von Bezugszeichen in der vorliegenden Beschreibung
und den Zeichnungen soll gleiche oder analoge Merkmale oder Elemente
repräsentieren.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Es
sollte durch Fachleute des Gebiets verstanden werden, dass die vorliegende
Diskussion lediglich eine Beschreibung eines beispielhaften Ausführungsbeispiels
ist und nicht die breiteren Aspekte der vorliegenden Erfindung beschränken sollte,
deren breiteren Aspekte in dem beispielhaften Aufbau enthalten sind.
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Im
Allgemeinen ist die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung und
ein Verfahren zum Erwärmen
und Abkühlen
von Substraten, wie beispielsweise Wafern, in einer thermischen
Bearbeitungskammer gerichtet. Zur Erwärmung von Halbleiterwafern kann
die thermische Bearbeitungskammer herkömmliche Wärmequellen, wie beispielsweise
eine Vielzahl von Lampen enthalten, die Strahlungsenergie emittieren.
Gemäß der vorliegenden
Erfindung enthält
die Vorrichtung ferner eine Kühlvorrichtung,
die aktiv den Halbleiterwafer kühlt,
nachdem der Wafer erwärmt worden
ist. Die Kühlvorrichtung
kann verschiedene Formen annehmen und auf verschiedene Arten und Weisen
funktionieren. In einem Ausführungsbeispiel kann
die Kühlvorrichtung
beispielsweise ein Kühlglied
umfassen, welches ein Kühlströmungsmittel aufnimmt,
um die Kühlvorrichtung
auf einer niedrigeren Temperatur zu halten. Die Kühlvorrichtung
kann ferner einen Mechanismus umfassen, der ausgelegt ist, um den
Wafer nur zu bestimmten Zeiten zu kühlen.
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Verschiedene
Vorteile und Leistungen werden durch die Vorrichtung und den Prozess
der vorliegenden Erfindung erreicht. Durch die Verwendung der Kühlvorrichtung
wird beispielsweise die Zeit die erforderlich ist, um einen Erwärmungszyklus
abzuschließen,
in einer Vorrichtung der vorliegenden Erfindung erheblich verkürzt. Durch
Verkürzen
der Länge
der Zeit, die erforderlich ist, um einen Erwärmungszyklus abzuschließen, sind
die thermischen Bearbeitungskammern besonders gut angepasst, um ein
effektives Anlassen von Schäden
und die Aktivierung von ionenimplantierten Unreinheiten in dem Silicium
zu bewirken, um ultradünne
Beschichtungen und Filme auf Halbleiterwafern zu bilden, und um dünne Filme,
leitend oder isolierend, anzulassen, die zuvor auf dem Halbleiterwafern
abgelagert wurden. Die thermische Bearbeitungskammer ist ebenfalls imstande,
sehr einheitliche bzw. gleichmäßige Beschichtungen
und Filme mit verbesserten elektrischen Eigenschaften zu bilden.
Insbesondere können
die Halbleiterwafer sehr schnell gekühlt werden, was die chemischen
und physikalischen Reaktionen bei einer hohen Temperatur „einfriert", die in der Kammer
auftreten. Mit anderen Worten verhindert und hemmt das sehr schnelle
Abkühlen
der Wafer ungewollte und unerwünschte
chemische und physikalische Reaktionen, die während relativ langsamer Abkühlphasen
des Erwärmungszyklus
auftreten.
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Bezug
nehmend auf 1 ist ein System 10, das
im Allgemeinen gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, zur Wärmebehandlung
eines Wafers dargestellt, der aus einem Halbleitermaterial, wie
beispielsweise Silicium, besteht. Das System 10 umfasst
eine Bearbeitungskammer 12, die angepasst ist, um Substrate, wie
beispielsweise einen Wafer 14, zur Ausführung verschiedener Prozesse
aufzunehmen. Wie gezeigt, ist der Wafer 14 auf einem Substrathalter 15 positioniert,
der aus einem thermisch isolierenden Material, wie beispielsweise
Quartz, besteht. Die Kammer 12 ist ausgelegt, um den Wafer 14 mit
sehr schnellen Raten und unter sorgfältig gesteuerten Bedingungen zu
erwärmen.
Die Kammer 12 kann aus verschiedenen Materialien, einschließlich Metallen,
bestehen. Beispielsweise kann die Kammer 12 aus rostfreiem Stahl,
Messing oder Aluminium bestehen.
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Wenn
die Kammer 12 aus einem wärmeleitenden Material hergestellt
ist, umfasst die Kammer vorzugsweise ein Kühlsystem. Wie in 1 gezeigt, umfasst
die Kammer 12 beispielsweise eine Kühlleitung 16, die
um den Umfang der Kammer herum gewickelt ist. Die Leitung 16 ist
angepasst, um ein Kühlströmungsmittel,
wie beispielsweise Wasser, zu zirkulieren, welches verwendet wird,
um die Wände
der Kammer 12 auf einer relativ niedrigen Temperatur zu halten.
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Die
Kammer 12 kann ebenfalls einen Gaseinlass 18 und
einen Gasauslass 20 zum Einleiten eines Gases in die Kammer
und/oder zum Halten der Kammer innerhalb eines voreingestellten
Druckbereichs umfassen. Beispielsweise kann ein Gas in die Kammer 12 durch
den Gaseinlass 18 zur Reaktion mit dem Wafer 14 eingeführt werden,
um beispielsweise Oxidbeschichtungen, leitende Schichten etc. zu
bilden. Sobald es bearbeitet ist, kann das Gas aus der Kammer unter
Verwendung des Gasauslasses 20 evakuiert werden.
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Alternativ
kann ein inertes Gas in die Kammer 12 durch den Gaseinlass 18 zugeführt werden, um
jegliche ungewollten und unerwünschten
Nebenreaktionen daran zu hindern, innerhalb der Kammer aufzutreten.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel können ein
Gaseinlass 18 und ein Gasauslass 20 verwendet
werden, um die Kammer 12 unter Druck zu setzen. Ein Vakuum
kann ebenfalls in der Kammer 12 erzeugt werden, wenn dies
erwünscht
ist, und zwar unter Verwendung des Gasauslasses 20 oder eines
zusätzlichen
größeren Auslasses,
der unterhalb der Ebene des Wafers positioniert ist.
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Während der
Bearbeitung kann in einem Ausführungsbeispiel
der Substrathalter 15 angepasst werden, um den Wafer 14 unter
Verwendung eines Waferdrehme chanismus 21 zu drehen. Das
Drehen des Wafers fördert
eine größere Temperaturgleichmäßigkeit über die
Oberfläche
des Wafers hinweg und fördert
einen verbesserten Kontakt zwischen dem Wafer 14 und jeglichen
Gasen, die in die Kammer eingeleitet werden. Es sollte verstanden
werden, dass jedoch die Kammer 12 angepasst ist, um neben den
Wafern optische Teile, Filme, Fasern, Bänder und andere Substrate mit
jeglicher besonderer Form zu bearbeiten.
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Eine
Wärmequelle
oder Erwärmungsvorrichtung,
die im Allgemeinen mit 22 bezeichnet ist, ist in Verbindung
mit der Kammer 12 zur Erwärmung des Wafers 14 während der
Bearbeitung enthalten. Die Erwärmungsvorrichtung 22 umfasst
eine Vielzahl von Lampen 24, wie beispielsweise Wolfram-Halogenlampen.
Wie in 1 gezeigt, sind die Lampen 24 über dem
Wafer 14 angeordnet. Es sollte jedoch verstanden werden,
dass die Lampen 24 an irgendeiner bestimmten Stelle angeordnet
werden können.
Ferner könnten,
sofern erwünscht,
zusätzliche
Lampen innerhalb des Systems 10 enthalten sein.
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Die
Verwendung der Lampen 24 als einer Erwärmungsquelle ist im Allgemeinen
bevorzugt. Beispielsweise besitzen Lampen viel höhere Heiz- und Kühlraten
als andere Erwärmungsvorrichtungen,
wie beispielsweise elektrische Elemente oder herkömmliche Öfen. Die
Lampen 24 erzeugen ein schnelles isothermisches Bearbeitungssystem,
dass augenblicklich Energie vorsieht, wobei es typischerweise eine
sehr kurze und gut gesteuerte Anlaufperiode erfordert. Der Energiestrom
von den Lampen 24 kann ebenfalls zu jeder Zeit abrupt angehalten
werden. Wie in der Figur gezeigt, sind die Lampen 24 mit
einer stufenweisen Leistungssteuervorrichtung 25 ausgerüstet, die
verwendet werden kann, um die Strahlungsenergie zu erhöhen oder
zu verringern, die durch irgendeine der Lampen ausgestrahlt wird.
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Um
die Temperatur des Wafers 14 während des Erwärmungsprozesses
zu überwachen,
umfasst in diesem Ausführungsbeispiel
die thermische Bearbeitungskammer 12 eine Vielzahl von
Strahlungsabfühlvorrichtungen,
die im Allgemeinen mit 27 bezeichnet sind. Die Strahlungsabfühlvorrichtungen 27 umfassen
eine Vielzahl von optische Fasern oder Lichtleiter 28,
die sich ihrerseits in Verbindung mit einer Vielzahl von entsprechenden
Lichtdetektoren 30 befinden. Die Lichtleitfasern 28 sind
ausgelegt, um Wärmeenergie
aufzunehmen, die durch den Wafer 14 mit einer bestimmten
Wellenlänge
emittiert wird. Der Betrag der abgefühlten Strahlung wird dann an die
Lichtdetektoren 30 übertragen,
die ein verwendbares Spannungssignal erzeugen, um die Temperatur
des Wafers zu bestimmen, die teilweise basierend auf dem Planckschen
Gesetz berechnet werden kann. In einem Ausführungsbeispiel weist jede Lichtleiffaser 28 in
Kombination mit einem Lichtdetektor 30 einen Pyrometer
auf.
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Im
Allgemeinen kann die thermische Bearbeitungskammer 12 eine
oder eine Vielzahl von Strahlungsabfühlvorrichtungen enthalten.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
enthält,
wie in 1 gezeigt, die thermische Bearbeitungskammer 12 eine
Vielzahl von Strahlungsabfühlvorrichtungen, die
die Temperatur des Wafers an unterschiedlichen Stellen misst. Die
Kenntnis der Temperatur des Wafers an verschiedenen Stellen kann
dann verwendet werden, um den Wärmebetrag
zu steuern, der dem Wafer zugeführt
wird.
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Das
System 10 sollte so ausgelegt sein, dass die Lichtleitfasern 28 nur
die Wärmestrahlung
detektieren, die durch den Wafer 14 emittiert wird und
nicht die Strahlung detektieren, die durch die Lampen 24 emittiert
wird. In dieser Hinsicht umfasst das System 10 einen Filter 32,
der verhindert, dass Wärmestrahlung,
die durch die Lampen 24 mit der Wellenlänge emittiert wird, mit der
die Lichtdetektoren 30 arbeiten, in die Kammer 12 eintreten.
Der Filter 32 dient ebenfalls dazu, die Lampen 24 von
dem Wafer 14 zu isolieren und um zu verhindern, dass die
Kammer kontaminiert wird. Der Filter 32, der ebenfalls
in 1 gezeigt ist, kann ein Fenster sein, das zwischen
der Kammer 12 und der Wärmequelle 22 positioniert
ist, und das beispielsweise aus Kiesel- bzw. Quartzglas oder Quartz
besteht. In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann jede Lampe 24 durch
einen separaten Filter abgedeckt sein.
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Neben
der Verwendung von Strahlungsabfühlvorrichtungen
können
andere Temperaturabfühlvorrichtungen
verwendet werden. Beispielsweise können eines oder mehrere Thermopaare
in dem System zur Überwachung
der Temperatur des Wafers an einer einzelnen Stelle oder an einer
Vielzahl von Stellen eingebaut sein.
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Die
Thermopaare können
in direktem Kontakt mit dem Wafer angeordnet sein oder können benachbart
zu dem Wafer angeordnet sein, von dem die Temperatur extrapoliert
werden kann.
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Das
System 10 weist ferner eine Systemsteuervorrichtung 50 auf,
die beispielsweise ein Mikroprozessor sein kann. Die Steuervorrichtung 50 empfängt die
Spannungssignale von den Lichtdetektoren 30, die die Strahlungsbeträge darstellen,
die an verschiedenen Stellen abgetastet werden. Basierend auf den
empfangenen Signalen wird die Steuervorrichtung 50 ausgelegt,
um die Temperatur des Wafers 14 an verschiedenen Stellen
zu berechnen.
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Die
Systemsteuervorrichtung 50 kann, wie in 1 gezeigt,
sich ebenfalls in Verbindung mit der Lampenleistungssteuervorrichtung 25 befinden.
In dieser Anordnung kann die Steuervorrichtung 50 die Temperatur
des Wafers 14 bestimmen und basierend auf dieser Information
den Betrag der Wärmeenergie steuern,
der durch die Lampen 24 emittiert wird. Auf diese Art und
Weise können
augenblickliche Anpassungen hinsichtlich der Bedingungen innerhalb
des Reaktors 12 zur Bearbeitung des Wafers 14 innerhalb
sorgfältig
gesteuerter Grenzen vorgenommen werden.
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In
einem Ausführungsbeispiel
kann die Steuervorrichtung 50 ebenfalls verwendet werden,
um automatisch andere Elemente innerhalb des Systems zu steuern.
Beispielsweise kann die Steuervorrichtung 50 verwendet
werden, um die Strömungsrate der
Gase zu steuern, die in die Kammer 12 durch den Gaseinlass 18 eintreten.
Wie gezeigt, kann die Steuervorrichtung 50 ferner verwendet
werden, um die Rate zu steuern, mit der der Wafer 14 innerhalb
der Kammer gedreht wird.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst, wie in 1 gezeigt,
das System 10 ferner eine Kühlvorrichtung 60,
die in der thermischen Bearbeitungskammer 12 positioniert
ist. Wie gezeigt, ist in diesem Ausführungsbeispiel die Kühlvorrichtung 60 unterhalb
des Halbleiterwafers 14 gelegen und auf einer Basis 62 angebracht.
Die Kühlvorrichtung 60 dient dem
aktiven und schnellen Kühlen
des Wafers 14 zu ausgewählten
Zeiten mit der thermischen Bearbeitungskammer, insbesondere nachdem
der Wafer auf eine vorbestimmte Bearbeitungstemperatur erwärmt worden
ist.
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Die
Kühlvorrichtung 60 kann
auf verschiedene Weise konstruiert werden und kann unterschiedliche
Mechanismen zur Kühlung
der Wafer umfassen. Bezug nehmend auf die 2 und 3 ist
ein Beispiel einer Kühlvorrichtung,
die gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt ist, dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel
umfasst die Kühlvorrichtung 60 ein
Kühlglied 64 mit
einer plattenartigen Form. Das Kühlglied 64 umfasst
Kühlkanäle 66,
die ausgelegt sind, um die Strömung
des Kühlströmungsmittels
dadurch aufzunehmen. Beispielsweise kann das Kühlglied 64 in Verbindung
mit einer Kühlströmungsmittelquelle,
wie beispielsweise einer Wasserquelle, angeordnet werden, die ein
Kühlströmungsmittel
an den Kühlkanal 66 liefert.
Das Kühlströmungsmittel hält die Temperatur
des Kühlglieds 64 auf
einer relativ niedrigen Temperatur, was es der Kühlvorrichtung 60 auf
diese Weise ermöglicht,
aktiv den Halbleiterwafer 14 durch den direkten Austausch
von Wärmeenergie
zwischen dem Wafer und dem Kühlglied
zu kühlen.
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Wie
oben beschrieben, kühlt
die Kühlvorrichtung 60 vorzugsweise
den Wafer nur zu ausgewählten
Zeiten im Verlauf eines Erwärmungszyklus,
der in der Kammer ausgeführt
wird. Folglich kann die Kühlvorrichtung 60,
wie in 2 und 3 gezeigt, zu dem Wafer 14 hin
und von diesem weg bewegt werden. Beispielsweise kann die Basis 62,
wie in 1 gezeigt, einen Mechanismus umfassen, der die
Kühlvorrichtung
zu ausgewählten
Zeiten anhebt und absenkt.
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Die
Kühlvorrichtung 60 kann
beispielsweise zwischen einer Position, in der sie nicht in Eingriff
mit dem Wafer steht, wie in 2 gezeigt,
und einer Wafereingriffsposition, wie in 3 gezeigt,
bewegbar sein. In der Position, in der sie nicht in Eingriff mit dem
Wafer steht, sollte die Kühlvorrichtung 60 von dem
Wafer 14 mit einer Entfernung beabstandet sein, die ausreichend
ist, so dass sie nicht auf den Wafer störend einwirkt, während dieser
erwärmt
wird. Sobald der Wafer erwärmt
worden ist und abgekühlt werden
muss, kann die Kühlvorrichtung 60 jedoch benachbart
zu dem Wafer angeordnet werden, wie in 3 gezeigt.
Genau gesagt kann die Kühlvorrichtung 60 in
direktem Kontakt mit dem Wafer angeord net werden. Wenn sie in der
Eingriffsposition angeordnet wird, wie in 3 gezeigt,
wird der Wafer 14 schnell abgekühlt.
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Es
sollte jedoch verstanden werden, dass außer dass die Kühlvorrichtung 60 zu
dem Wafer hin und von diesem weg bewegbar ist, alternativ der Substrathalter 15 ausgelegt
sein kann, um den Wafer selbst zu der Kühlvorrichtung hin und von dieser
weg zu bewegen.
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Ferner
können
neben dem Anpassen der Position der Kühlvorrichtung in Bezug auf
den Wafer, andere Steuerungen verwendet werden, um die Wafer selektiv
gemäß der vorliegenden
Erfindung zu kühlen.
Beispielsweise kann die Strömung
eines Kühlströmungsmittels
durch die Kühlkanäle 66 der Kühlvorrichtung 60 angepasst
werden, und zwar abhängig
von dem Kühlbetrag,
der zu einer bestimmten Zeit erwünscht
ist. Wenn beispielsweise keine Kühlung
erwünscht
ist, kann die Strömung
eines Kühlströmungsmittels
zu der Kühlvorrichtung 60 verlangsamt
oder angehalten werden. Umgekehrt kann, wenn die Kühlung des
Wafers erwünscht
ist, die Strömung
eines Kühlströmungsmittels
durch die Kühlvorrichtung
erhöht
werden. In einem Ausführungsbeispiel
kann die Systemsteuervorrichtung 50, wie in 1 gezeigt,
in Verbindung mit der Kühlvorrichtung 60 zur
automatischen Anpassung der Position der Kühlvorrichtung und/oder zur
Steuerung der Strömung
eines Kühlströmungsmittels
zu einer Vorrichtung angeordnet werden.
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Das
Kühlglied 64 der
Kühlvorrichtung 60 kann
aus verschiedenen Materialien hergestellt sein. Insbesondere sollte
das Kühlglied 64 aus
einem leitenden Material hergestellt sein, das als ein Wärmetauscher
zwischen dem Kühlströmungsmittel
und dem Halbleiterwafer 14 dient. Verschiedene Materialien,
die verwendet werden können
um das Kühlglied 64 zu
konstruieren, umfassen beispielsweise ein Metall, wie beispielsweise
Aluminium, rostfreier Stahl oder Messing. Dieses Metall kann beschichtet
sein, um eine Kontamination zwischen diesem und dem Halbleiterwafer
zu verhindern.
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Bezug
nehmend auf 4 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel
einer Kühlvorrichtung 60 dargestellt,
die in der Vorrichtung und dem Prozess der vorliegenden Erfindung
verwendet werden kann. Ähnlich
zu dem Ausführungsbeispiel,
das in den 2 und 3 dargestellt
ist, umfasst in diesem Ausführungsbeispiel
die Kühlvorrichtung 60 ein
Kühlglied 64,
das einen oder mehrere Kühlkanäle 66 zur Zirkulation
eines Kühlströmungsmittels,
wie beispielsweise einer Flüssigkeit,
definiert. In diesem Ausführungsbeispiel
definiert das Kühlglied 64 jedoch
ferner zumindest einen Gasdurchlass 68.
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Der
Gasdurchlass 68 ist ausgelegt, um mit einer Gasquelle verbunden
zu werden, die ein Gas durch die Kühlvorrichtung 60 zirkuliert.
Wie gezeigt, fließt
der Gasdurchlass 68 durch das Kühlglied 64 und umfasst
dann eine Vielzahl von Ausgängen,
die ein Gas benachbart zu dem Halbleiterwafer 14 freisetzen.
Auf diese Art und Weise wird ein Gas, das durch den Gasdurchlass 68 geführt wird,
durch ein Kühlströmungsmittel,
das durch den Kanal 66 zirkuliert wird, gekühlt und
dann zu dem Halbleiterwafer 14 geleitet, um den Wafer zu
kühlen.
Das Gas, das durch den Gasdurchlass 68 geführt wird,
sollte ein inertes Gas sein, so dass keine unerwünschten chemischen Reaktionen
stattfinden. Beispielsweise könnte molekularer
Stickstoff, Argon oder Helium als das Kühlgas verwendet werden.
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In
dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Kühlvorrichtung 60 stationär sein oder
kann in ähnlicher
Weise wie das in 2 und 3 dargestellte
Ausführungsbeispiel
bewegbar sein. Vorzugsweise sollte, um die Wafer selektiv innerhalb
einer thermischen Bearbeitungskammer zu kühlen, die Strömung des
Kühlgases
in den Gasdurchlass 68 steuerbar sein, so dass die Gasströmung zu
gewünschten
Zeiten angehalten und begonnen werden kann. In diesem Zusammenhang
kann die in 1 gezeigte Systemsteuervorrichtung 50,
in Verbindung mit der Kühlgasquelle
angeordnet werden und kann ausgelegt sein, um die Strömung des Kühlgases
von der Gasquelle zu der Kühlvorrichtung 60 zu
steuern.
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Es
sollte verstanden werden, dass neben den Ausführungsbeispielen, die in den
Figuren dargestellt sind, die Kühlvorrichtung 60 auf
verschiedene andere Arten gekühlt
werden kann. Beispielsweise kann in einem alternativen Ausführungsbeispiel eine
aktive Kühlstruktur
benachbart zu oder angebracht an der Kühlvorrichtung 60 zur
Kühlung
der Vorrichtung durch Konduktion angeordnet sein. Alternativ kann
die Kühlvorrichtung 60 ein
Kühlglied
umfassen, das aus einem thermoelektrischen Material besteht, welches
das Kühlglied
auf einer niedrigeren Temperatur hält.
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Wie
oben beschrieben, besteht der Zweck der Kühlvorrichtung 60 darin,
die Wafer in der thermischen Bearbeitungskammer schnell abzukühlen, um die
Geschwindigkeit zu erhöhen,
mit der die Erwärmungszyklen
auf den Wafer in der Kammer ausgeführt werden können. Bezug
nehmend auf 5 ist zu Vergleichszwecken ein
herkömmlicher
Erwärmungszyklus
(a) in Vergleich zu einem Erwärmungszyklus
(b) gezeigt, der durch Verwenden der Vorrichtung der vorliegenden
Erfindung erzeugt werden kann. Wie gezeigt, wird die Kühlrate unter
Verwendung der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung dramatisch
erhöht.
Natürlich
ist das Diagramm, das in 5 dargestellt ist, zu rein exemplarischen
Zwecken. Es sollte verstanden werden, dass mit der Kühlvorrichtung
der vorliegenden Erfindung die Rate der Kühlung gesteuert werden kann,
so dass jeglicher gewünschter
Kühlungskurve
gefolgt werden kann.
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Für die meisten
Anwendungen wird die Kühlvorrichtung
jedoch verwendet werden, um die Wafer so schnell wie möglich zu
kühlen.
Durch schnelles Kühlen
der Wafer ergeben sich verschiedene Vorteile. Zum Beispiel werden
neben der Verkürzung
der Zeit, die erforderlich ist um die Wafer zu bearbeiten, weniger
unerwünschte
chemische und physikalische Reaktionen während der Abkühlphase
des Erwärmungszyklus
auftreten.
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Diese
und andere Modifikationen und Variationen an der vorliegenden Erfindung
können
durch gewöhnliche
Fachleute des Gebiets praktiziert werden, ohne von dem Rahmen der
vorliegenden Erfindung abzuweichen, der in den beigefügten Ansprüchen dargelegt
ist. Ferner werden gewöhnliche
Fachleute des Gebiets erkennen, dass die vorangehende Beschreibung
nur beispielhaft ist und sie nicht die Erfindung beschränken soll,
die weiterhin in den beigefügten
Ansprüchen
beschrieben ist.