DE102004060557A1

DE102004060557A1 - Blitzlampenspiegelanordnung

Info

Publication number: DE102004060557A1
Application number: DE200410060557
Authority: DE
Inventors: Matthias Dr. Voelskow; Wolfgang Anwand; Wolfgang Dr. Skorupa
Original assignee: Forschungszentrum Dresden Rossendorf eV
Current assignee: Forschungszentrum Dresden Rossendorf eV
Priority date: 2004-12-16
Filing date: 2004-12-16
Publication date: 2006-06-29
Also published as: DE112005003465A5; WO2006063563A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Blitzlampenspiegelanordnung als Teil einer Strahlungsbeheizungsanordnung zur kurzzeitigen Erwärmung von vorzugsweise scheibenförmigen Halbleitersubstraten mittels stabförmiger Blitzlampen. DOLLAR A Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Blitzlampenspiegelanordnung vorzuschlagen, die eine homogene und schnelle Erwärmung von Halbleitersubstraten bei unwesentlich erhöhten Anlagenkosten ermöglicht. DOLLAR A Die Erfindung beinhaltet, dass mindestens über die gesamte Substratoberfläche mehrere Blitzlampen einzeln justierbar in jeweils einem hohlzylinderförmigen Spiegel parabelförmigen Querschnitts angeordnet sind und dass die einzelnen Spiegel im Winkel zueinander und ihrer Höhe zum Substrat justierbar angeordnet sind, wobei die Lage der Blitzlampen parallel zueinander, bezogen auf ihre Längsachse, und zu den Substraten ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Blitzlampenspiegelanordnung als Teil einer Strahlungsbeheizungsanordnung zur kurzzeitigen Erwärmung von vorzugsweise scheibenförmigen Halbleitersubstraten mittels stabförmiger Blitzlampen.

Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen werden zunehmend sogenannte RTP-Prozessschritte (rapid thermal processing) anstelle der konventionellen Ofentemperung eingesetzt. Innerhalb dieser Methoden besitzt die rapide Erhitzung von Halbleitersubstraten mit Hilfe von intensiver optischer Strahlung, beispielsweise der von Blitzlampen, gegenüber der weit verbreiteten Kurzzeitausheilung in Halogenlampenanlagen eine Reihe gravierender Vorteile (Panknin, D.; Stoemenos, J.; Eickhoff, M.; Heera, V.; Voelskow, M.; Skorupa, W., The beneficial role of flash lamp annealing on the epitaxial growth of the 3C-SiC on Si, Appl. Surf. Sc. 184 (2001) 377–382). Zum ersten erfolgt hierbei, aufgrund der kurzzeitig verfügbaren, extrem hohen Leistung derartiger Lampen bis in den Megawattbereich, verglichen mit der Leistung von Halogenlampen im Kilowattbereich, eine ultraschnelle Aufheizung der Substrate. Zum zweiten besitzen derartige Lampen keine Trägheit wie Glühlampen, d.h., sobald die Entladung erlischt, kühlt sich die Probe aufgrund von Wärmestrahlung sehr schnell ab. Ein Problem, welches sich bei der Blitzlampenbestrahlung, wie auch bei allen anderen, auf einer Anordnung von mehreren Lampen basierenden Strahlungsheizungen, gegenüber der Temperung in konventionellen Rohröfen ergibt, ist die Erzielung einer einheitlichen Temperatur (Temperaturhomogenität) über die gesamte Halbleiteroberfläche bei maximaler Ausnutzung der Lichtenergie.

Insbesondere jedoch bei der Blitzlampenbestrahlung, mit Prozesszeiten im Bereich von Millisekunden, und dem aufgrund der kurzen Zeit nicht stattfindenden lateralen Temperaturausgleich während der Bestrahlung, führen Bestrahlungsinhomogenitäten zu extremen thermischen Spannungen innerhalb der Scheiben, was wiederum zu bleibender Verbiegung oder sogar zum Bersten derselben führen kann. Aber schon eine geringe Verbiegung kann dazu führen, dass nachfolgende photolithographische Prozessschritte bei der Bauelementeherstellung nicht mehr durchführbar sind.

Die Erhöhung der Homogenität der Lichteinstrahlung bei Blitzlampenanlagen dient somit in hohem Maße der Erhöhung der Ausbeute in der Bauelementeherstellung.

Üblicherweise wird die Erhöhung der Homogenität bei der Blitzlampenbestrahlung durch einen großen Abstand der Lampen zu den zu bestrahlenden Scheiben und durch ein entsprechend ausgedehntes Lampenfeld (Mehrfaches des Scheibendurchmessers) erreicht. Die damit zwangsläufig verbundene notwendige Vergrößerung der Bestrahlungskammer und des Lampenfeldes und damit auch der Kondensatorbatterie, als Energiequelle für die Blitzlampen, führt jedoch zu einer außerordentlichen Steigerung der Anlagekosten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Blitzlampenspiegelanordnung vorzuschlagen, die eine homogene und schnelle Erwärmung von Halbleitersubstraten bei unwesentlich erhöhten Anlagenkosten ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den in den Patentansprüchen dargelegten Merkmalen gelöst.

Dabei ist wesentlich, dass jede einzelne zylinderförmige Lampe mit ihrer Achse justierbar im Brennpunktes eines parabelförmigen Zylinderspiegels angeordnet ist und außerdem jede Spiegel/Lampe-Einheit parallel zur benachbarten angeordnet ist, wobei die einzelnen Einheiten in ihrem Abstand zueinander und in ihrem Abstand zur Probe und der axialen Ausrichtung frei justierbar sind. Dadurch wird die Möglichkeit geschaffen, die durch die parabelförmigen Spiegel erzeugten, in ihrer Intensität homogenen einzelnen Lichtbündel durch Justierung der einzelnen Spiegel so auf die Probe zu positionieren, dass sich eine einheitliche, gleichmäßig beleuchtete Fläche ergibt.

Bei der Projektion des Lichtes auf das Substrat werden zwei Fälle unterschieden:

– Das Licht aller Blitzlampen wird gebündelt. Damit wird die Substratoberfläche mit einer hohen Energiedichte bestrahlt. Die mit einem Blitz modifizierte Fläche ist klein.
– Das Licht der Blitzlampen wird parallel auf das Substrat projiziert. Die in dieser Anordnung erreichbaren Energiedichten sind geringer, jedoch kann die gleichzeitig bestrahlte Fläche nahezu beliebig vergrößert werden.

Der wesentliche Vorteil der beschriebenen Blitzlampenspiegelanordnung gegenüber den herkömmlichen Anordnungen mit einem einzigen Spiegel besteht in der Eliminierung des Intensitätsabfalles zum Rand der zu bestrahlenden Scheibe hin, wie er bei ei nem Feld aus freiliegenden parallelen Lampen zwangsläufig zu beobachten ist. Die Lampenlänge sollte dabei mindestens das Doppelte des Durchmessers der zu bestrahlenden Scheiben betragen, damit auch die Homogenität der Bestrahlung in Richtung der Lampenachsen gewährleistet ist.

Ein weiterer Vorteil ist, dass die Gesamtenergie des Lichtimpulses nicht oder kaum erhöht werden muss.

Nachstehend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
In der zugehörigen Zeichnung zeigen
1 die Anordnung der Spiegel in einem Winkel zueinander und
2 die Anordnung der Spiegel eng nebeneinander.
Über einem massiven Probenhalter 1, im wesentlichen bestehend aus einer wassergekühlten, geschlossenen und im Inneren mit Schutzgas durchströmten Aluminiumkonstruktion, sind in einem Halbrund stabförmige Blitzlampen 5 angeordnet, wobei sich jede Blitzlampe 5 einzeln und justierbar in der Brennlinie jeweils eines wassergekühlten Parabolspiegel befindet. Dadurch erzeugt jede Lampe-Spiegel-Anordnung einen rechteckförmigen, homogen Streifen paralleler Lichtstrahlen. Jede einzelne Spiegel-Lampe-Konstruktion ist außerdem schwenkbar in einer Achse parallel zur Spiegelachse angebracht, wodurch sich die rechteckförmigen Lichtstreifen so nebeneinander auf dem Substrat 4 justieren lassen, dass sich eine geschlossene und mit gleichmäßiger Intensität ausgeleuchtete Fläche ergibt.
Der Probenhalter 1, in dessen Inneren das Substrat 4 wärmeisoliert auf Quarzröhrchen gelagert ist, besitzt außer dem Quarzfenster 3 zur Transmission des Blitzlampenlichtes ein zweites, gegenüberliegendes Quarzfenster 2 zur Transmission des Lichtes von Halogenlampen 6, welche zur Vorheizung der Proben vor dem Blitz dienen.
Es lassen sich aber auch in dieser Spiegelanordnung zwecks Erhöhung der Energiedichte auf bestimmten Substratbereichen oder zur intensiven Bestrahlung kleinerer Substrate 4 durch Schwenken der Spiegel zwei oder mehrere Lichtstreifen übereinander auf dem Substrat 4 positionieren.
2 zeigt den konstruktiv am wenigsten aufwendigen Fall der dicht nebeneinander angebrachten Spiegel mit parallelem Lichtaustritt, wobei die maximale Energiedichte auf dem Substrat 4 durch die Ausmaße der Spiegel und der Lampenparameter begrenzt ist Der Probenhalter 1 ist wie in 1 ausgeführt gestaltet.
Die Blitzlampen 5 werden elektrisch gespeist von Hochleistungskondensatoren, welche ihre Energie durch eine Kombination mit Induktivitäten impulsförmig abgeben. Die Lichtimpulszeiten können dabei zwischen 500 μs und 20 ms gezielt eingestellt werden. Der Energieeintrag durch die Blitzlampen 5 in die Substrate 4 liegt typischerweise im Bereich von 100 Joule/cm². Mit Hilfe der Halogenheizung kann das Substrat 4 im Bereich von einigen Hundert Grad bis 1100 °C vorgeheizt werden. Die Substratdurchmesser betragen üblicherweise zwischen 100 mm und 200 mm. Die Temperatur der Substratoberfläche am Ende des Lichtimpulses beträgt typischerweise 1400 C.

Claims

Blitzlampenspiegelanordnung, zur Wärmebehandlung von Substraten (4) mittels stabförmiger Blitzlampen (5) vor einem Spiegel, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens über die gesamte Substratoberfläche mehrere Blitzlampen (5) einzeln justierbar in jeweils einem hohlzylinderförmigen Spiegel parabelförmigen Querschnitts angeordnet sind und dass die einzelnen Spiegel im Winkel zueinander und ihrer Höhe zum Substrat (4) justierbar angeordnet sind, wobei die Lage der Blitzlampen (5) parallel zueinander bezogen auf ihre Längsachse und zu den Substraten (4) ist.
Blitzlampenspiegelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegel aus Metall mit polierter Oberfläche bestehen.
Blitzlampenspiegelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegel mit einer Kühlungseinrichtung versehen ist.
Blitzlampenspiegelanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlungseinrichtung aus Kühlrippen für die Luftkühlung besteht.
Blitzlampenspiegelanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlungseinrichtung als Kühlrohr innerhalb des Spiegels ausgebildet ist.