EP1393354A1 - Verfahren und vorrichtung zum thermischen behandeln von substraten - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum thermischen behandeln von substraten

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Publication number
EP1393354A1
EP1393354A1 EP02743086A EP02743086A EP1393354A1 EP 1393354 A1 EP1393354 A1 EP 1393354A1 EP 02743086 A EP02743086 A EP 02743086A EP 02743086 A EP02743086 A EP 02743086A EP 1393354 A1 EP1393354 A1 EP 1393354A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
radiation
substrate
wafer
radiation source
lamps
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02743086A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Hauf
Christoph Striebel
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Mattson Thermal Products GmbH
Original Assignee
Mattson Thermal Products GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Mattson Thermal Products GmbH filed Critical Mattson Thermal Products GmbH
Publication of EP1393354A1 publication Critical patent/EP1393354A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C23C16/48—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating by irradiation, e.g. photolysis, radiolysis, particle radiation
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    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
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Definitions

  • the present invention relates to a method and an apparatus for the thermal treatment of substrates, in particular semiconductor wafers.
  • Computer chips and other electronic components are manufactured on semiconductor wafers, which are subjected to thermal processes during the manufacturing process. These thermal processes require a defined temperature profile of the wafer in a defined atmosphere, in a vacuum or in a defined negative or positive pressure.
  • RTP systems rapid thermal processing systems
  • RTP systems allow the wafer to be treated to be heated up to 1700 ° C and more, depending on the wafer material, within a few seconds.
  • Controlled or regulated and thus controlled heating of the wafer according to predetermined temperature-time curves with heating rates of up to 300 ° C / s can be achieved with today's systems with silicon wafers with a diameter of 300 mm.
  • Higher heating rates of up to 500 ° C / s can be achieved in open-loop operation, or for wafers with a smaller diameter.
  • RTP systems come in particular in the manufacture of dielectric layers (eg SiO 2 layer which is produced by oxidation on a silicon wafer, silicon nitride layers, silicon oxynitride layers), implant annealing processes (for activating foreign atoms in the semiconductor wafer), processes for annealing of dielectric layers, processes for the formation of ohmic contacts, flash annealing processes (e.g. for activating flat doped zones), silicidation processes (e.g. Ti, Co, Ni silicide), BPSG reflow processes or processes in which selective reactions In the surface area of the wafer, for example, selective oxidation of a gate dielectric which is located under a metal layer takes place by only a few Processes.
  • dielectric layers eg SiO 2 layer which is produced by oxidation on a silicon wafer, silicon nitride layers, silicon oxynitride layers
  • implant annealing processes for activating foreign atoms in the semiconductor wafer
  • RTP systems the spatial distribution of foreign atoms, lattice defects, oxygen and oxygen precipitates can be influenced in a targeted manner by means of modern RTP systems.
  • a major advantage of the RTP systems is that, due to the shortened process time when processing the wafers, they are processed individually, with each wafer going through the same process with very high reproducibility. This advantageously reduces the thermal load on the wafer. Furthermore, due to the possibility of rapid heating and cooling, the RTP systems open up the generation of new wafer or component properties that cannot be achieved with conventional furnace processes.
  • a rapid heating system as is known, for example, from DE-A-199 05 524, which originates from the applicant, with radiation from lamps, preferably Halogen lamps heated.
  • the known rapid heating system has a process chamber which is essentially transparent to the lamp radiation (preferably made of quartz glass) for receiving a substrate. Heating lamps are arranged above and below the process chamber, which generate electromagnetic radiation for the thermal treatment of the substrate.
  • the heating lamps and the process chamber can be surrounded by a further chamber (reflector chamber), which can have reflecting inner walls in order to reflect the electromagnetic radiation generated by the heating lamps.
  • a process chamber made of quartz glass is essentially transparent to the spectrum of the electromagnetic radiation generated by the heating lamps.
  • the process chamber has inflows and outflows for process gases, through which a suitable gas atmosphere can be generated during the thermal treatment of the substrate within the process chamber. With a suitable dimensioning of the process chamber, a negative or positive pressure can also be generated in the chamber.
  • radiation detectors such as pyrometers are preferably provided, which measure the thermal radiation of the wafer. The temperature of the wafer can be inferred from the measured thermal radiation. In order to distinguish between radiation emitted by the wafer and radiation reflected on the wafer and passing through the wafer, the radiation from the heating lamps is modulated.
  • the radiation emitted by the substrate can be distinguished from the radiation of the heating lamps which is reflected and passes through on the substrate. Furthermore, the reflectivity and transmissivity and, from this, the emissivity of the wafer can be determined on the basis of the modulation, which is necessary for determining the temperature of the wafer on the basis of the radiation emitted by it. Details of the modulation and the temperature determination method can be found in the aforementioned DE-A-199 05 524 or US-A-5,154,512.
  • the pyrometer-based temperature measurement has the problem that there is a strong radiation field in the process or reflector chamber, which makes it difficult to distinguish the radiation emitted by the wafer from the background radiation emitted by the heating lamps.
  • the temperature radiation emitted by the wafer and to be measured by the radiation detector can be overlaid by the background radiation of the heating lamps. This results in a very unfavorable signal (radiation emitted by the wafer) to background (background radiation emitted by the heating lamps) ratio.
  • This problem increases in particular at low wafer temperatures, since the radiation emitted by the wafer rapidly decreases with falling temperature. At low wafer temperatures, the signal-background ratio is also reduced.
  • the wafer emits only a very small amount of radiation and, moreover, below this temperature it is more transparent to the heating radiation in the case of a silicon wafer, so that the signal-background ratio deteriorates again.
  • a pyrometer For temperatures below 400 ° Celsius, it is therefore usually no longer possible to determine the wafer temperature with a pyrometer using the conventional method.
  • DE-A-40 12 614 To improve the signal-background ratio in pyrometer-based temperature measurement in RTP systems, it is proposed in DE-A-40 12 614 to produce the process chamber from an OH-containing quartz material.
  • Such a quartz material has the property of absorbing infrared light in the wavelength range between 2.7 ⁇ m and 2.8 ⁇ m.
  • the wafer located in the process chamber is thus heated by radiation, the spectrum of which has a gap between 2.7 ⁇ m and 2.8 ⁇ m.
  • a viewing window is provided in the quartz chamber, which is transparent in the wavelength range mentioned and through which a pyrometer is aimed at the wafer.
  • the pyrometer now measures infrared radiation from the wafer with a wavelength of 2.7 ⁇ m. Since the radiation emitted by the heating lamps in the wavelength range of 2.7 ⁇ m cannot penetrate the process chamber, the pyrometer only measures temperature radiation emitted by the wafer. The radiation intensity of the wafer and thus the radiation temperature can be determined very well with this method. However, if the emissivity of the wafer deviates significantly from 1, which is common practice, an emissivity correction is required to determine the wafer temperature, or a calibration must be carried out with respect to the absolute wafer temperature.
  • the temperature radiation of the wafer can thus be determined very well.
  • the method known from DE-A-199 05 524 for determining the reflectivity, transmissivity and the resulting emissivity which uses a characteristic modulation to measure reflected radiation and passes through the wafer, can be used at temperatures below 400 ° to 500 ° can only be implemented with a high level of equipment complexity, since the signal-to-background ratio is very small at these temperatures.
  • the present invention is therefore based on the object of providing a pyrometer-based temperature measurement of substrates in a simple and inexpensive manner, which enables an exact temperature measurement even at low temperatures.
  • this object is achieved by a device for the thermal treatment of substrates, in particular semiconductor wafers, which has at least one first and at least one second radiation source for heating at least one substrate, at least one transparent shield between the first radiation source and the substrate and the predetermined wavelength ranges of the Radiation of at least the first radiation source is reduced, at least one radiation detector, which is arranged on the side of the second radiation source and is directed towards the substrate and measures radiation at least partially within predetermined wavelength ranges, a device for modulating the radiation emanating from the second radiation source and a device for determining the has radiation emanating from the second radiation source.
  • the invention thus provides for filtering of certain wavelength ranges starting from the first radiation sources which lie in the measurement range of a radiation detector directed at the wafer or within which the measurement range of a radiation detector is directed. In this way, the signal-to-background ratio of the substrate radiation to the background radiation of the lamps can be considerably improved.
  • at least the unfiltered lamps located on the side of the radiation detector are modulated and the radiation emanating from them is determined, as a result of which the reflectivity of the wafer can be determined, which in turn (if the transmissivity of the wafer at the measuring wavelength or the measuring wavelength range can be neglected) allows a conclusion on the emissivity of the wafer in the range of the measurement wavelength of the pyrometer.
  • the temperature of the wafer can now be determined on the basis of the emissivity and the radiation emitted by the wafer. It is important for the temperature determination that the hemispherical reflectivity and emissivity are determined becomes what is achieved, for example, by a suitably chosen field of view of the pyrometer.
  • the opening angle of the pyrometer should be at least between 15 ° and 180 ° in one plane, but the field of view can also be chosen to be larger. This can be achieved, for example, with suitable optics.
  • the larger the field of view within at least one field of view the more precisely the measurement corresponds to the hemispherical quantities, ie the radiation contributions emitted by emission and / or reflection at a solid angle of 2 ⁇ . This minimizes or eliminates interference such as surface roughness of the wafer or inaccurate positioning of the wafer in the process chamber relative to the pyrometer.
  • the opening angle for Si wafers should be approximately 30 °. However, this opening angle depends on the surface roughness.
  • the solution according to the invention of filtering the first radiation source by means of the transparent shield largely decouples the heating of the wafer, if this takes place predominantly via the first radiation source, and the measurement of the radiation emitted by the wafer by means of the radiation detector arranged on the side of the second radiation source and significantly improves the signal-to-background ratio, so that lower wafer temperatures, at which the wafer emits less, such as in the range from 300 ° C. to 400 ° C., can still be measured reliably.
  • the radiation sources are arranged on opposite sides of the substrate in order to achieve a separation of the filtered and unfiltered radiation.
  • the second radiation sources are arranged only on the side of the substrate to which the radiation detector is directed in order to measure on the pyrometer (radiation detector) essentially only radiation emitted by the wafer and reflected on it.
  • a device for regulating the first radiation sources is provided, which is dependent on the pyrometer-based temperature determination of the wafer be regulated in order to subject the wafer to a specific temperature profile.
  • a device for controlling the second radiation sources is also provided, so that it can be operated constantly or possibly also controlled according to certain set points (set points or predefined curves).
  • set points set points or predefined curves.
  • the radiation sources are advantageously heating lamps, in particular halogen lamps and or arc lamps.
  • the radiation sources can also include flash lamps and / or lasers.
  • the transparent shield which absorbs the predetermined wavelengths of the lamp radiation or the radiation from the radiation sources, is formed by the bulbs of the heating lamps or the housing of the radiation source. In this way, the desired filter function can be achieved in a simple and inexpensive manner. In particular, simple replacement of the heating lamps in existing lamp-based RTP systems can be used for retrofitting.
  • the transparent shield is a process chamber wall which lies between the first radiation sources and the substrate and which absorbs the predetermined wavelength range.
  • the absorbing process chamber wall is arranged on the side of the substrate facing away from the pyrometer, so that it is ensured that no radiation from the predetermined wavelength range falls on the side of the substrate facing away from the radiation detector.
  • the transparent shield has at least one filter layer for absorption of the predetermined wavelengths, which according to one embodiment spatially differs from another transparent material, such as For example, a process chamber wall made of quartz glass can be separated.
  • the transparent shield preferably has OH-enriched quartz glass, which preferably absorbs wavelengths between 2.7 ⁇ m and 2.8 ⁇ m.
  • a device for cooling the same is provided.
  • the cooling device preferably has a cooling gas or a cooling liquid.
  • the transparent shield can comprise a device filled with a fluid or a device flowing through a fluid, in which the shielding or filtering effect is essentially effected by the fluid, or the fluid additionally achieves a shielding or filtering effect.
  • the fluid can also be used purely for cooling the shield.
  • the fluid can be gaseous or liquid, and in the case of a liquid it can consist of a pure liquid, a mixture of liquids or a solution.
  • the shielding is advantageously formed by a double-walled transparent plate which can consist of quartz and / or OH-enriched quartz and through which a liquid flows.
  • the temperature of the shield can also be controlled or regulated via the liquid, so that it can be kept at the lowest possible temperature in order to minimize the intrinsic radiation of the shield.
  • a liquid mixture of non-mixing liquids is selected as the fluid, such as an emulsion in which water is dissolved in oil up to the solubility limit at a specified temperature of the oil
  • the transparency of the shielding can also be controlled via the temperature by falling below the specified temperature
  • Temperature due to the solubility limit the water is droplet-like or mist-like and the liquid mixture becomes opaque. This is particularly advantageous if the wafer is to be cooled quickly.
  • such a shield can also be used to control the transparency of the shield over a wide wavelength range of several micrometers.
  • the radiation detector is a pyrometer.
  • the substrate is preferably a coated semiconductor wafer, in particular with a CO and / or Ti coating and / or Ni coating.
  • the wafer preferably has a low transmissivity.
  • the transmissivity of the substrate is preferably below 0.15.
  • a second radiation detector is provided, which is preferably arranged in such a way that it enables a transmissivity measurement in order to be able to determine the emissivity of the substrate even more precisely.
  • the second radiation detector measures radiation outside the predetermined wavelengths in order to be able to measure non-absorbed and modulated radiation from the radiation sources.
  • the second radiation detector preferably measures radiation below and above the predetermined wavelengths in order to be able to determine a transmissivity of the substrate in the range of the predetermined, absorbed wavelength via an interpolation, preferably a linear interpolation.
  • the second radiation detector is directed towards the side of the substrate facing away from the second radiation source and measures radiation with the predetermined wavelength. In this way, radiation emanating from the second heating lamps and passing through the wafer can be used directly for a transmissivity determination.
  • the substrate in general it can also be a plurality of substrates, which are preferably stacked one above the other or essentially in one plane next to one another for heating in the process chamber
  • the second radiation Source essentially serves to determine the optical properties of the substrate such as the emissivity of the reflectivity and possibly the transmissivity, their contribution to heating the wafer is less than 50% at the low temperatures in order to improve the signal-to-background as shown above.
  • the contribution of the second radiation source is preferably less than 25% of the radiation power of the first radiation source.
  • Low temperatures are understood to mean temperatures at which the substrate itself emits little natural radiation or is also partially transparent to the heating radiation.
  • temperatures below 600 ° C are referred to as lower temperatures, since below this temperature the substrate for the heating radiation (if it is generated by halogen lamps) becomes transparent and the wafer radiation due to the strongly decreasing emissivity is greatly reduced.
  • temperatures above 600 ° C silicon becomes opaque and the emissivity reaches a value of approximately 0.7 which is almost constant over the wavelength spectrum of the halogen lamps, whereby the radiation emitted by the wafer is essentially only determined by the temperature.
  • the present invention now allows the ratio of the radiation from the first and second radiation sources to be controlled or regulated in such a way that a predetermined signal-to-background ratio for the measuring arrangement by means of the radiation detector is not undershot and thus, for example, for silicon wafers the entire temperature range from approx. 250 ° C to 600 ° C a reliable temperature measurement with maximum heating rate of the wafer is made possible.
  • the radiation contribution of the second radiation source to the total radiation contribution depending on the wafer temperature, can be from approximately 1% at approximately 200 ° C. of the wafer to 50% at approximately 600 ° C. of the wafer.
  • the control or regulation also allows the contribution of the second radiation source to exceed 50% and the wafer to be heated exclusively by the second radiation source.
  • the substrate can advantageously be heated on both sides depending on its temperature and on its optical properties, so that a predetermined signal-to-background ratio of the measuring arrangement for determining the substrate temperature is not is undercut.
  • This ensures reliable heating of the substrate at maximum heating rates even at low temperatures, it also being possible to regulate the heating rate on the basis of the still permissible signal-to-background ratio.
  • This ensures that, particularly in the area of low temperatures, the measuring arrangement works reliably by means of the radiation detector even at high heating rates of the substrate and that the substrate is increasingly heated from both sides with increasing temperature.
  • the mentioned advantages and possibilities of the present invention are achieved in particular by modulating the second radiation source for heating the substrate.
  • the transmissivity is also to be determined.
  • the first radiation source can be modulated by means of a modulation that is different in the type of modulation, the modulation frequency or the modulation phase compared to the second radiation source.
  • This modulation which differs from the second radiation source, can be measured by means of a further radiation detector with the substrate at least partially transparent on the side of the substrate opposite the first radiation source. If the modulation of the first radiation source is known, the transmissivity of the substrate can then be determined.
  • the modulation of the first radiation source can be determined analogously to the second radiation source, ie either directly by measuring the radiation emitted by the radiation source or via electrical parameters such as current or voltage of the radiation source and a model of the radiation source which relates these parameters to the emitted radiation.
  • the object on which the invention is based is also achieved by a method for the thermal treatment of substrates, in particular semiconductor wafers, with the following method steps: irradiating the substrate with at least one first and at least one second radiation for heating the substrate, absorbing predetermined wavelengths of the first radiation a first radiation source and the substrate, measuring a radiation coming from the substrate at the predetermined wavelengths with a radiation detector which is arranged on the same side as a second radiation source, modulating the second radiation emanating from the second radiation source and determining that from the second radiation source outgoing second radiation.
  • This method enables the advantages already mentioned in relation to the device, namely the improvement of a signal-background ratio through the absorption of predetermined wavelengths of the first radiation, and the determination of the emissivity of the wafer through the modulation of the second radiation.
  • Figure 1 is a schematic sectional view through a rapid heating system according to a first embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a schematic sectional view through a rapid heating system according to a second embodiment of the present invention.
  • 3 is a graphical representation of the relationship between transmissivity and reflectivity for certain wafers; 4 shows a temperature measurement curve for a wafer coated with cobalt, which is being thermally treated; 5 shows a graphical representation for the determination of the measuring range for a transmissivity measurement according to an embodiment of the present invention.
  • a process chamber 2 which receives a semiconductor wafer 3, is formed by an upper transparent plate 4 and a lower transparent plate 5, preferably quartz plates.
  • the wafer 3 to be processed is placed on a holding device 6 in the process chamber 2. Inlets and outlets for process gases are not shown, by means of which a gas atmosphere suitable for the process can be produced.
  • Heaters in the form of lamp banks 7 and 8, are mounted above and / or below the process chamber 2.
  • the plates 4 and 5 lie between the wafer 3 and the lamp banks 7 and 8 and thus have the effect of a transparent shield to form a closed process chamber.
  • the entire arrangement is enclosed by an outer furnace chamber 9, which also forms the side walls of the process chamber 2 and whose walls can be mirrored at least in sections.
  • the lamp banks 7 and 8 each have a multiplicity of rod-shaped tungsten halogen lamps 10 and 11 arranged in parallel.
  • lamps such as “point lamps” can also be used, whereby a “point lamp” is to be understood to mean a lamp whose filament length is smaller than the diameter of the lamp bulb, such lamps within the rapid heating system being essentially vertical and / or horizontal Filament can be operated.
  • the lamps flashlights and / or “spotlights” can be at least partially surrounded by reflectors.
  • the lamps flashlights and / or “spotlights” can be positioned with respect to the position of the filament relative to the semiconductor wafer 3 arrange at any angle. The wafer 3 is heated with the electromagnetic radiation emitted by the lamps.
  • the lamp bulbs of the heating lamps 10 of the upper lamp bank 7 have lamp bulbs which absorb predetermined wavelengths of the lamp radiation.
  • the lamp bulbs are made from OH-enriched quartz glass and they absorb wavelengths in the range between 2.7 ⁇ m and 2.8 ⁇ m. This ensures that radiation from the upper lamp bank has a gap in the range between 2.7 and 2.8 ⁇ m in the spectrum.
  • the lamp bulbs of the lamps 11 of the lower lamp bank 8 are essentially transparent to the entire spectrum of the electromagnetic radiation from the lamps, so that the entire spectrum falls on the wafer 3 in the process chamber 2.
  • Other glasses with a filter effect can also be selected, such as Pyrex R , which has a filter effect in the range of 2.95 micrometers.
  • the radiation from the lamps 11 of the lower lamp bank is modulated by a modulation unit (not shown in more detail) with a characteristic parameter, as is known, for example, from the aforementioned DE-A-199 05 524, which is made the subject of the present invention, by repetitions to avoid.
  • a pyrometer 13 is provided as a temperature measuring device, which is arranged on the side of the lower lamp bank and is directed towards the side of the wafer facing the lower lamp bank 8.
  • the measuring range of the pyrometer 13 lies in a wavelength range which lies in the gap of the radiation from the upper lamp bank.
  • the pyrometer 13 measures radiation with wavelengths of 2.7 ⁇ m.
  • the pyrometer 13 essentially measures only radiation that is emitted by the wafer 3 or radiation that emanates from the second unfiltered lamps 11 of the lower lamp bank 8 and is reflected on the wafer. Because the radiation from the second lamps 11 has a modulation, the radiation emitted by the wafer, which does not have this modulation, can be distinguished from the reflected lamp radiation.
  • a so-called lamp pyrometer is provided, which is directed at at least one of the unfiltered and modulated lamps 11 of the lower lamp bank 8 in order to determine its radiation intensity.
  • the pyrometer 13 which is aimed at the wafer, a so-called lamp pyrometer is provided, which is directed at at least one of the unfiltered and modulated lamps 11 of the lower lamp bank 8 in order to determine its radiation intensity.
  • the reflectivity in turn allows a conclusion to be drawn about the emissivity of the wafer, which is necessary for determining the temperature of the wafer, since the measured wafer radiation alone, without knowledge of the emissivity, does not allow any conclusion to be drawn about the temperature of the wafer.
  • transmissivity Another factor for determining emissivity is transmissivity, ie the permeability of the wafer in the range of the measured wavelength.
  • transmissivity ie the transmissivity of the wafer in the range of the measured wavelength.
  • the transmissivity does not have to be determined separately, since this is negligible.
  • the transmissivity of the wafer can also be measured.
  • a second pyrometer (not shown) can be provided, which is directed, for example, towards the side of the wafer facing away from the lower lamp bank and likewise measures radiation in the range of 2.7 ⁇ m. Since the upper lamp bank does not emit any radiation in this wavelength range due to the filter function of the lamp bulbs, in addition to the actual wafer radiation, only the radiation from the unfiltered lamps 11 of the lower lamp bank that has passed through the wafer falls into the pyrometer. This in turn has a modulation that enables a differentiation to the wafer radiation. Since the radiation intensity of the unfiltered lamps 11 of the lower lamp bank 8 is known, the transmissivity of the wafer can now be determined.
  • the emissivity of the wafer 3 can now be determined precisely.
  • the temperature of the wafer can be determined very precisely on the basis of the radiation emitted by the wafer, which can be determined either by the pyrometer 13 or the upper pyrometer (not shown). This also applies in particular to low wafer temperatures (for wafers made of silicon, temperatures below 450 ° C.) at which the intrinsic radiation of the wafer 3 is low, specifically because of the improved signal-to-background ratio between the wafer radiation and the lamp radiation ,
  • the heating devices can now be regulated on the basis of the known temperature.
  • only the filtered lamps 10 of the upper lamp bank 7 and optionally filtered lamps of the lower lamp are used for the control. bank 8 used.
  • the unfiltered lamps 11 of the lower lamp bank 8 are either operated constantly or are controlled to specific setting points. This prevents jumps in the intensity of the lamp radiation which is used for the reflectivity and, if appropriate, transmissivity measurement of the wafer.
  • a known, essentially constant lamp radiation is always available for the reflectivity or transmissivity measurement, which enables an improved temperature determination for the wafer.
  • FIG. 2 shows a rapid heating system according to an alternative embodiment of the invention. It consists of an outer chamber 20, which can be a metal chamber or steel chamber with any geometric cross section. Both rectangular and round chambers are possible.
  • the chamber inner wall is preferably partially or completely mirrored by means of a highly reflective layer.
  • the chamber wall has a small opening 21 which allows radiation to be measured to emerge from the interior of the chamber. Through this opening, the radiation to be measured either falls directly into a radiation measuring device located behind it and not shown in the figure, preferably a pyrometer, or it is guided to the latter via a conductor arrangement such as optical fibers.
  • Heating devices in the form of an upper lamp bank 27 and a lower lamp bank 28 are provided in or on the chamber ceiling and in or on the chamber floor.
  • the lamp banks 27, 28 preferably have lamps 29 and 30, respectively, which can also shine in visible light.
  • the lamp banks each have a plurality of tungsten-halogen lamps 29 and 30 as heating lamps.
  • all the lamp bulbs of the lamps 29, 30 are made of a material which is essentially transparent to the entire radiation spectrum of the lamps. These can be rod-shaped lamps or arbitrarily arranged point-shaped lamps. It is also possible to equip the lower lamp bank 28 with rod-shaped lamps and the upper lamp bank 27 with point-shaped lamps or vice versa. It is both Types of lamps within a lamp bank 27, 28 possible.
  • both lamp banks 27, 28 consist of rod-shaped lamps
  • the flashlights of the upper lamp bank 27 are arranged parallel to the flashlights of the lower lamp bank 28 or arrangements in which the flashlights of the upper lamp bank 27 are opposite the flashlights the lower lamp bank are crossed, preferably at right angles.
  • a substrate 33 to be treated is arranged, such as. B. a disk-shaped semiconductor wafer, preferably made of silicon.
  • the wafer 33 can be uncoated, coated and / or implanted. Coated wafers are advantageously used. Wafers with a Co or Ti layer or a combination thereof are preferred since their transmission coefficient (transmissivity) is less than 0.15 at temperatures of 350 ° C.
  • the disk-shaped wafer 33 is arranged with its upper side 35 and with its lower side 36 parallel to the lamp banks 27 and 28.
  • a plate-shaped transparent shield 38 is arranged between the upper lamp bank 27 and the upper side 35 of the wafer 33.
  • a transparent shield 39 is provided between the underside 36 of the substrate 33 and the lower lamp bank 28.
  • the shields 38 and 39 span the entire chamber 20, so that the inner volume of the chamber 20 is divided into three.
  • the shields 38 and 39 form a process chamber 42 inside the chamber 20, in which the substrate 33 is located.
  • a process atmosphere conducive to the desired process can be formed with partially aggressive gases and under high or low pressures without impairing or contaminating the lamps 29, 30 of the lamp banks 27 and 28 or the mirrored inner wall of the chamber 20. Corresponding gas inflows and outflows are provided for this, but these are not shown in FIG.
  • the upper shield 38 is designed to absorb predetermined wavelengths or the wavelength ranges from the spectrum of the heating radiation emitted by the upper lamp bank 27, so that the upper side of the substrate 33 is heated by a heating radiation which has a wavelength spectrum with at least one gap.
  • Such an absorption effect can be achieved by appropriate filters in the form of one or more coatings of the shield 38 or one or more filter foils which are applied to a transparent base material, ie a transparent base plate. Quartz glass is preferably used for the transparent base material.
  • filter foils are used, these foils do not necessarily have to be attached to the transparent base plate or be in direct contact with it. Rather, the filter foils can be spatially separated from the transparent base plate and be closer to the upper lamp bank 27 than to the transparent base plate. Such a spatially separated arrangement of filter foils and transparent base plate is also referred to below as shield 38.
  • Such coatings and foils make it possible to remove predetermined wavelength ranges from the spectrum of the heating radiation. This can be one or more wavelength intervals and / or discrete individual wavelengths.
  • the plate-shaped transparent shield 38 is made of quartz glass enriched with OH.
  • This quartz glass has the property of absorbing infrared light in the wavelength range between 2.7 ⁇ m and 2.8 ⁇ m, which creates a gap in the wavelength spectrum of the heating radiation in this interval. Difficulties that can arise with the coating of quartz plates and the holding of filter foils are avoided by using an OH-enriched quartz plate. Since the shield 38 is heated by the absorption of part of the heating radiation, cooling of the latter may be necessary, since a warm shield 38 itself emits thermal radiation, which can impair the desired temperature profile of the substrate 33.
  • a cooling gas can be provided which flows outside the process chamber 42 via the shields. However, it is also possible to let the cooling gas flow through corresponding cooling lines, which are located inside the shields 38, 39. In such a case, the use of a coolant such as e.g. of an oil possible. If the shield 38 consists for example of a transparent base plate with one or more spatially separated filter foils, the cooling medium can flow between the foils and the transparent base plate.
  • the lower shielding 39 is transparent for these wavelengths. It is preferably a plate made of ordinary quartz glass.
  • the heating radiation is primarily emitted by the upper lamp bank 27, with which the wafer 33 is heated to a predetermined temperature.
  • This radiant heat consists of a spectrum of different wavelengths. 2 shows qualitatively two beams for two different wavelengths of this heating radiation, namely beam 44, which represents a light beam with a wavelength of 2.7 ⁇ m and beam 45, which represents a light beam with a wavelength of 2.3 ⁇ m.
  • the shield 38 which consists of an OH-enriched quartz plate, ie the beam 44 cannot penetrate the shield 38 and is swallowed by it.
  • the wavelength of the beam 45 is outside the absorption range of the shield 38 and penetrates it. According to the drawing voltage also penetrates the lower shield 38 and is reflected on the mirrored inner wall of the outer chamber 20, penetrates the shield 39 again and hits the wafer 33. Since the wafer 33 itself is highly reflective, only a part of the Beam 45 absorbed and the rest reflected. Incidentally, this is one of the reasons why the radiant heat must be so intense. As can be seen in the drawing, multiple repetitions of the reflections are possible, in which part of the beam is always absorbed by the wafer. Finally, the beam 45 falls on the opening 21 in the chamber 20 and reaches the radiation detector.
  • the lamps 30 of the lower lamp bank 28 are controlled so that they radiate weaker than the lamps 29 of the upper lamp bank 27. Furthermore, the radiation from the lamps 30 is weakly modulated.
  • the radiation spectrum of the lamp bank 28 advantageously has the same radiation spectrum as that of the lamp bank 27.
  • the shielded 39 allows the modulated radiation of the lamp bank 28 to pass through unhindered.
  • a beam 49 with a wavelength of 2.7 ⁇ m and a beam 48 for a wavelength of 2.3 ⁇ m are also shown here. Both rays pass through the shield 39 unhindered, are partially reflected by the substrate 33 and, as a rule, hit the opening 21 in the outer chamber 20 after multiple reflection between the wafer and the chamber wall.
  • Radiation is also emitted from the warm wafer 33.
  • the wafer radiation is shown in dashed lines, beam 51 symbolizing a beam of wavelength 2.7 ⁇ m and beam 52 symbolizing a beam of wavelength 2.3 ⁇ m.
  • the corresponding signal background conditions for a measurement of the pyrometer at 2.3 ⁇ m and at 2.7 ⁇ m are indicated in FIG. 2.
  • the signal-background ratio for radiation of the wavelength 2.7 ⁇ m is enormously improved compared to the signal-background ratio for radiation of the wavelength 2.3 ⁇ m, since in the latter a considerable portion results from the heating radiation from the upper lamp bank and the radiation emitted by the wafer this wavelength is covered.
  • a pyrometer is used to determine the temperature of the wafer, which measures radiation with a wavelength of 2.7 ⁇ m. At this wavelength, there is a good signal-to-background ratio between the wafer radiation and the radiation reflected on the wafer, since only radiation from the lower lamp bank 28 with this wavelength falls on the pyrometer.
  • the wafer radiation can be easily separated from the radiation reflected on the wafer in the manner described above.
  • the radiation intensity of the lamps of the lower lamp bank is, as described above, determined by means of a pyrometer or in another way, such as for example a measurement of the electrical power consumed by the lamps.
  • the reflectivity of the wafer and its emissivity can be determined again in the manner described above.
  • the temperature of the wafer can now be determined on the basis of the emissivity and the wafer radiation.
  • the use of the invention has proven to be particularly advantageous in the production and processing of wafers which are provided with a Co or Ti layer. Since CoSi 2 is a good electrical conductor, silicon wafers are coated with Co and heated to produce electrical contacts from CoSi 2 . The formation of CoSi 2 takes place in the temperature range between 400 ° C and 500 ° C, ie for the defined temperature control of the wafer it is necessary to control its temperature below 400 ° C.
  • a wafer coated with cobalt has a transmissivity which is so low and essentially constant that a separate determination is not necessary.
  • 3 shows the transmissivity of a wafer over the reflectivity.
  • the lines of constant emissivity are drawn into the diagram as dashed lines. These decrease from left to right because of transmission and reflectivity and emissivity add up to 1 at each point in time.
  • the transmission values for different reflectivities for different wafers are entered in the diagram: Firstly for an uncoated silicon wafer or calibration wafer, a coated wafer and a wafer coated with cobalt.
  • the transmission numbers of the uncoated wafer are predominantly greater than 0.15, while those of the coated and cobalt-coated wafers are consistently less than 0.15.
  • the wafers coated with cobalt are therefore particularly suitable for the above-mentioned temperature control according to the invention, since a separate determination of the transmissivity is not necessary.
  • the wafers can be coated with a metal.
  • FIG. 4 shows the temperature profile of a wafer coated with cobalt in arbitrary time units, which was thermally treated in a rapid heating system according to FIG. 2.
  • the temperature rises to 450 ° C in order to remain at this value for a certain time and then to decrease again.
  • the temperature profile was monitored once using temperature sensors that were in direct contact with the wafer (curve A) and once using a pyrometer (curve B), using the above method.
  • the remarkable coincidence of the temperature curve detected by the pyrometer with the temperature curve measured by the temperature sensors is remarkable. Both curves are almost congruent, even for temperatures below 300 ° C.
  • the pyrometer shows slight fluctuations, but when the heating process starts, these disappear and the pyrometer curve corresponds to the temperature sensor curve.
  • a brief peak in the pyrometer curve during the cooling process is due to a lamp test.
  • a further pyrometer is necessary, which is directed onto the wafer 33 through a corresponding opening in the chamber 20 above the upper lamp bank 27.
  • the transmission of the OH-enriched upper quartz plate 4 is shown as line C.
  • the transmission of this quartz plate is zero for wavelengths between 2.7 ⁇ m and 2.8 ⁇ m, i.e. the plate is opaque for these wavelengths.
  • this wavelength range contains the wavelength for which the lower radiation detector measures the wafer reflectivity for emissivity determination. Strictly speaking, in order to link emissivity and transmittance to determine the temperature, the transmittance of the wafer would have to be determined at precisely this wavelength. However, this is not possible due to the opacity of the upper quartz plate 38 for light of this wavelength.
  • a filter is connected upstream of the upper pyrometer, which has a wavelength-dependent course of the transmission, as shown by curve D in FIG. 5.
  • this filter In the area of the optical opacity of the quartz plate 4, this filter has its greatest transparency. The transparency of the filter decreases towards smaller and larger light wavelengths.
  • the transmission through the wafer can be Measure the wavelength from the area to the left of the absorption area of the quartz and the transmission through the wafer for a wavelength from the area to the right of the absorption area of the quartz. Since the transmission of the wafer changes only weakly or approximately linearly with the wavelength, the transmission for the desired wavelength can be determined from the absorption range of the quartz by averaging or approximation. By linking this transmission measurement with the above-described measurement of the reflectivity of the wafer, the emissivity can now be determined, even for wafers whose transmittance is greater than 0.15. This enables reliable temperature control in areas below 400 ° C up to approximately 300 ° C.
  • the lamps of the lower lamp bank are modulated in such a way that the radiation from the lamps of the respective upper and lower lamp banks can be distinguished.
  • a radiation detector such as a pyrometer, for example, which is arranged below the lower lamp bank 28 for the transmission measurement. This can then measure in the above manner radiation emanating from the upper lamp bank, which in turn is modulated and thus differs from the wafer radiation and the radiation from the lower lamp bank.
  • the radiation falling on the pyrometer as a result of multiple reflection can either be taken into account when calibrating the system, or it is neglected when determining the transmissivity.
  • the first example for the transmissivity measurement is preferred, since, as in the first exemplary embodiment, the upper lamp bank is used for temperature control of the wafer, while the lower lamp bank is kept constant or is controlled to specific set points (or also set values or set curves). This results in an essentially constant or, in a known manner, intensity of the lamp radiation for the reflection and transmission measurement. In the case of the lamps which are used for temperature control, however, the intensity of the lamp radiation can change rapidly, so that intensity jumps occur which can impair the reflection and transmission measurement if these intensity jumps are detected by the pyrometer, which is largely avoided by the invention.
  • a suitable other measuring device such as a device that calculates the intensity on the basis of the electrical power consumed by the lamps, can be used instead of a lamp pyrometer for determining the radiation intensity of the lamps.
  • a lamp pyrometer for determining the radiation intensity of the lamps.
  • individual features of the above-described embodiments can be exchanged in any compatible manner or combined with one another as desired.

Abstract

Um auf eine einfache und kostengünstige Weise eine auf Pyrometern basierende Temperaturmessung vorzusehen, die eine genaue Temperaturmessung auch bei geringen Temperaturen ermöglicht, gibt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum thermischen Behandeln von Substraten an, bei der bzw. bei dem das Substrat mit wenigstens einer ersten und wenigstens einer zweiten Strahlung bestrahlt wird, vorgegebene Wellenlängen der ersten Strahlung zwischen einer ersten Strahlungsquelle und dem Substrat absorbiert werden, eine vom Substrat kommende Strahlung an der vorgegebenen Wellenlänge mit einem Strahlungsdetektor, der auf der selben Seite wie eine zweite Strahlungsquelle angeordnet ist, gemessen wird, die von der zweiten Strahlungsquelle ausgehende zweite Strahlung moduliert wird und die von der zweiten Strahlungsquelle ausgehende zweite Strahlung ermittelt wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum thermischen Behandeln von Substraten
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum thermischen Behandeln von Substraten, insbesondere Halbleiterwafern.
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.
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 Siliziumwafem 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 Schich- ten (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. Bauteileeigenschaf- ten, die mit herkömmlichen Ofenprozessen nicht erzielbar sind.
Um ein Substrat, wie z.B. einen Halbleiterwafer aus Silizium, Temperaturänderungen von bis zu einigen hundert Grad pro Sekunde unterwerfen 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.
Eine aus Quarzglas bestehende Prozesskammer ist für das Spektrum der e- lektromagnetischen 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 thermi- sehen 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. 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.
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 Wafertem- peraturen, 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. 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 herzu- stellen. 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 Wellenlän- genbereich 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 Temperaturstrah- lung. Mit diesem Verfahren läßt sich die Strahlungsintensität des Wafers sehr gut ermitteln und somit die Strahlungstemperatur. Weicht allerdings die Emis- sivität 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 erfol- gen.
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 Kalibra- tionsverfahren.
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. 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 Tempera- turmessung auch bei niedrigen Temperaturen ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zum thermischen Behandeln von Substraten, insbesondere Halbleiterwafem gelöst, die wenigstens eine erste und wenigstens eine zweite Strahlungsquelle zum Hei- zen 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 bestimm- ter 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 we- nigstens 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 Emissi- vität 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 a- ber 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 Re- flektion 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.
Durch die erfindungsgemäße Lösung der Filterung der ersten Strahlungsquel- le 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.
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.
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 Kur- ven) 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.
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.
Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist die transparente Abschirmung eine zwischen den ersten Strahlungsquellen und dem Substrat lie- gende 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.
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.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die transparente Ab- schirmung 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 Abschirmoder 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 wer- den 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. 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.
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 E- missivität 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 modu- lierte 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.
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 vor- gegebenen Wellenlänge. Hierdurch kann von den zweiten Heizlampen ausgehende Strahlung, die durch den Wafer hindurchgeht, direkt für eine Transmis- sivitätsbestimmung verwendet werden.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen wird das Substrat (im allgemeinen können es auch mehrere Substrate sein, die bevorzugt stapeiförmig 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 teil- weise 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. 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 Tempera- turbereich 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.
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 Einrich- tung 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 o- ben beschriebenen Transmissivitätsmessung kann die erste Strahlungsquelle mittels einer in der Modulationsart, der Modulationsfrequenz oder der Modula- tionsphase 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.
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 zwi- sehen 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 Strahlungs- quelle 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.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung durch eine Schnellheizanlage gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung durch eine Schnellheizanlage gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; Fig. 3 eine graphische Darstellung des Verhältnisses zwischen Transmissivität und Reflektivität für bestimmte Wafer; Fig. 4 eine Temperaturmesskurve für einen mit Kobalt beschichteten Wafer, der thermisch behandelt wird; Fig. 5 eine graphische Darstellung für die Bestimmung des Messbereiches für eine Transmissivitätsmessung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher erläutert.
Fig. 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 Gas- atmosphäre hergestellt werden kann.
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 stabför- miger 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 Fig. 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 Be- reich von 2,95 Mikrometer aufweist.
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.
Zur Messung der Wafertemperatur ist ein Pyrometer 13 als Temperaturmessvorrichtung vorgesehen, der auf der Seite der unteren Lampenbank angeord- net 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 Wa- ferstrahlung 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.
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 Strahlungsin- tensität der Lampen 1 1 , 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.
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 Emissivitäts- bestimmung (Emissivität = 1 - Transmissivität - Reflektivität) einsetzen, so dass eine ausreichend genaue Emissivitätsbestimmung allein durch die Ermittlung der Reflektivität möglich ist. 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 1 1 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 1 1 der unteren Lampenbank 8 bekannt ist, lässt sich nun die Transmissivität des Wafers bestimmen.
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.
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 Wafer- temperaturen (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.
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 1 1 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.
In Fig. 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 Lei- teranordnung wie beispielsweise optische Fasern zu diesem geführt.
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 Anord- nungen, bei denen die Stablampen der oberen Lampenbank 27 gegenüber den Stablampen der unteren Lampenbank gekreuzt sind, vorzugsweise im rechten Winkel.
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.
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 Fig. 2 nicht gezeigt sind. Die obere Abschirmung 38 ist zur Absorption vorgegebener Wellenlängen o- der 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 Absorbtionswir- kung 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 Grundmateri- al Quarzglas verwendet.
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.
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.
Bei der bevorzugten und in Fig. 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. 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.
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.
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.
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 Fig. 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.
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 hoch- reflektiv ist, wird am Wafer 33 nur ein Teil des Strahles 45 absorbiert und der Rest reflektiert. Dies ist übrigens einer der 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.
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 Strahlungsspekt- rum 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.
Vom warmen Wafer 33 wird ebenfalls Strahlung emittiert. In Fig. 2 ist die Waferstrahlung gestrichelt dargestellt, wobei Strahl 51 einen Strahl der Wellen- länge 2,7 μm und Strahl 52 einen Strahl der Wellenlänge 2,3 μm symbolisiert.
In Fig. 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. 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 Strah- lungsintensität 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.
Als besonders vorteilhaft erweist sich der Einsatz der Erfindung bei der Herstellung und Prozessierung von Wafern, die mit einer Co- oder Ti-Schicht ver- sehen 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.
Mit der beschriebenen Erfindung werden die spezifischen Eigenschaften von Kobalt ausgenutzt. Zu diesen gehört eine hohe Reflektivität der Oberfläche. Wie der Fig. 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 Fig. 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. Ka- librationswafer, 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.
Allgemein können die Wafer mit einem Metall beschichtet sein.
In Fig. 4 ist der Temperaturverlauf eines mit Kobalt beschichteten Wafers in willkürlichen Zeiteinheiten gezeigt, der in einer Schnellheizanlage gemäß Fig. 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.
In der Praxis kommen jedoch auch Wafer vor, deren Transmittivität über 0,15 liegt. In Fig. 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.
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.
In Fig. 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.
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 Fig. 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.
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.
Hat man es mit einem Wafer zu tun, dessen Transmissionszahl sich nur schwach oder angenähert linear mit der Wellenlänge ändert, wie beispielsweise die in Fig. 5 eingezeichnete Linie E für die Transmissivität eines Beispiels- wafers, 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 beschriebe- nen 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.
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 Mehr- fachreflektion auf den Pyrometer fallende Strahlung kann entweder bei einer Kalibration des Systems berücksichtigt werden, oder sie wird bei der Trans- missivitätsbestimmung vernachlässigt. 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 Soll- kurven) 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.
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.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum thermischen Behandeln von Substraten, insbesondere Halbleiterwafem, mit wenigstens einer ersten und wenigstens einer zweiten Strahlungsquelle zum Heizen eines Substrats, wenigstens einer transparenten Abschirmung zwischen der ersten Strahlungsquelle und dem Substrat, die vorgegebene Wellenlängenbereiche der Strahlung wenigstens der ersten Strahlungsquelle reduziert, wenigstens einen auf der Seite der zweiten Strahlungsquelle angeordneten, auf das Substrat gerichteten Strahlungsdetektor, der eine Strahlung wenigstens teilweise innerhalb der vorgegebenen Wellenlängenbereiche misst, eine Einrichtung zum Modulieren wenigstens der von der zweiten Strahlungsquelle ausgehenden Strahlung, und eine Einrichtung zum Bestimmen der von der zweiten Strahlungsquelle ausgehenden Strahlung.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Strahlungsquellen auf entgegengesetzten Seiten des Substrats angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Regeln der ersten Strahlungsquellen.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Steuern der zweiten Strahlungsquellen.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquellen Heizlampen sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die trans- parente Abschirmung durch die Kolben der Heizlampen gebildet wird.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die transparente Abschirmung eine zwischen den ersten Strahlungsquellen und dem Substrat liegende Prozesskammerwand ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die transparente Abschirmung wenigstens eine Filterschicht zur Absorption der vorgegebenen Wellenlängen aufweist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Filter- schicht räumlich von einem weiteren transparenten Material getrennt ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die transparente Abschirmung OH-angereichertes Quarzglas aufweist.
1 1. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die transparente Abschirmung Wellenlängen zwischen 2,7 μm und 2,8 μm absorbiert.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Kühlen der transparenten Abschirmung.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung ein Kühlgas oder eine Kühlflüssigkeit aufweist.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsdetektor ein Pyrometer ist.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein beschichteter Halbleiterwafer ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine CO- und/oder Ti-Beschichtung aufweist.
17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass das Substrat eine Transmissivität von kleiner 0,15 aufweist.
18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen zweiten auf das Substrat gerichteten Strahlungsdetek- tor.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Strahlungsdetektor Strahlung außerhalb der vorgegebenen Wellenlängen misst.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Strahlungsdetektor Strahlung unterhalb und oberhalb der vorgegebenen Wellenlängen misst.
21. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Strahlungsdetektor auf die den zweiten Strahlungsquellen abgewandte Seite des Substrats gerichtet ist und Strahlung mit den vorgegebenen Wellenlängen misst.
22. Verfahren zum thermischen Behandeln von Substraten, insbesondere Halbleiterwafern, mit folgenden Verfahrensschritten:
Bestrahlen des Substrats mit wenigstens einer ersten und wenigstens einer zweiten Strahlung zum Heizen des Substrats, Absorbieren vorgegebener Wellenlängen der ersten Strahlung zwi- sehen der 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,
Ermitteln der von der zweiten Strahlungsquelle ausgehenden zweiten Strahlung.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Strahlung von entgegengesetzten Seiten auf das Substrat gerichtet sind.
24. Vorrichtung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Strahlungsquelle geregelt wird.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Strahlung gesteuert wird.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung durch Heizlampen erzeugt wird.
27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die vorge- gebenen Wellenlängen der ersten Strahlung durch die Kolben der ersten Heizlampen absorbiert werden.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebenen Wellenlängen der ersten Strahlung durch eine zwischen der ersten Strahlungsquelle und dem Substrat liegenden
Prozesskammerwand absorbiert wird.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass Wellenlängen der ersten Strahlung zwischen 2,7μm und 2, 8μm absorbiert werden.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass ein die vorgegebenen Wellenlängen absorbierendes Element gekühlt wird.
31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass das Element mit einem Kühlgas oder einer Kühlflüssigkeit gekühlt wird.
32. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 31 , dadurch gekennzeichnet, dass die vom Substrat kommende Strahlung mit einem Pyrometer gemessen wird.
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass eine vom Substrat kommende Strahlung mit einem weiteren Strahlungsdetektor gemessen wird.
34. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Strahlungsdetektor Strahlung außerhalb der vorgegebenen Wellenlängen misst.
35. Verfahren nach Anspruch 33 oder 34, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Strahlungsdetektor Strahlung unterhalb und oberhalb der vorgegebenen Wellenlängen misst.
36. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass der weite- re Strahlungsdetektor auf die der zweiten Strahlungsquelle abgewandten Seite des Substrats gerichtet wird und Strahlung mit der vorgegebenen Wellenlänge misst.
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