DE3505795A1

DE3505795A1 - Verfahren zur kontrollierten aenderung eines temperaturgradienten in einem substrat unter konstanthaltung einer vorgebbaren mittleren temperatur

Info

Publication number: DE3505795A1
Application number: DE19853505795
Authority: DE
Inventors: Petra Dr. Kluge-Weiss; Thomas Kylewer; Jürg Dr. Baden Waldmeyer
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1985-02-20
Filing date: 1985-02-20
Publication date: 1986-08-21

Description

Verfahren zur kontrollierten Aenderung eines Temperatur-
gradienten in einem Substrat unter Konstanthaltung einer vorgebbaren mittleren Temperatur Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontrollierten Aenderung eines Temperaturgradienten in einem Substrat unter Konstanthaltung einer vorgebbaren mittleren Temperatur gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Das Verfahren ist ein Regelverfahren und findet Anwendung im Bereich gradientengesteuerter Prozesse z.B. der Herstellung von Dotierungsprofilen endlicher Tiefe und vergleichsweise kleiner Breite in Halbleitermaterial durch Migration flüssiger Zonen, wie es hier aus der Europäischen Patentanmeldung 82201054.2 bekannt ist.
Bei dem bekannten Herstellungsverfahren wird der den Prozess treibende Temperaturgradient im Substrat nach Einmigrieren einer flüssigen Zone von einer der Oberflächen des Substrats aus umgekehrt, bevor die geschmolzene Zone die gegenüberliegende Oberfläche des Substrats erreicht hat. Um das bekannte llerstellurlgswerfarhren mit reproduzierbarem Erfolg durchführen zu können, ist es ausserordentlich wichtig, den Temperaturgradienten kontrolliert zu verändern und dabei die mittlere Temperatur des Substrats während des gesamten Prozesses konstant zu halten.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, wie der Temperaturgradient im Substrat unter ausreichender Konstanthaltung der mittleren Temperatur des Substrats auf einem vorgebbaren Wert in kontrollierter Weise geändert werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist.
Die Grundidee des erfindungsgemässen Verfahrens liegt in der Entkopplung der Prozessgrössen mittlere Temperatur und Temperaturgradient.
Das erfindungsgemässe Verfahren erlaubt eine exakt kontrollierbare und reproduzierbare Durchführung des Herstellungsverfahrens nach der vorgenannten Europäischen Patentanmeldung. Mit Hilfe des erfindungsgemässen Verfahrens ist es möglich, die mittlere Temperatur des Substrats während der Gradientenumkehr auf einem Wert von 1200 °C mit maximalen Abweichungen von +l °C konstant zu halten.
Weiter erlaubt das erfindungsgemässe Verfahren, den zeitlichen Verlauf der Gradientenumkehr nach einer beliebigen Zeitfunktion vorzuwählen. Dadurch lässt sich das Herstellungsverfahren nach der vorgenannten Europäischen Patentanmeldung so optimieren, dass in der Umgebung und innerhalb des dotierten Halbleiterbereichs möglichst wenig störende Kristalldefekte entstehen. Ausserdem ist es möglich, bei einer mittleren Temperatur des Substrats von z.B. 1200 °C den Temperaturgradienten zwischen 0 und einem Maximalwert von etwa 180 OC/cm kontinuierlich zu verstellen. Dies erlaubt es, die für den Herstellungsprozess nach der vorgenannten europäischen Patentanmeldung gewünschte treibende Kraft einzustellen und dadurch sehr genau definierte Arbeitsbedingungen vorzuwählen.
Da das erfindungsgemässe Verfahren sehr genau einstellbare Aufheiz- und Abkühlbedingungen erlaubt, kann es auch zum transienten Ausheilen von Halbleiterdefekten, verursacht z.B. durch Ioneninplantation, benutzt werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt: Fig. 1 ein Blockdiagramm des erfindungsgemässen Verfahrens.
In Fig. 1 ist mit 1 ein Substrat bezeichnet. In diesem Substrat 1 soll unter Konstanthaltung seiner mittleren Temperatur auf einem Wert T5 ein Temperaturgradient dT/dx eingestellt und kontrolliert zeitlich verändert werden z.B. nach der im Rechteck dargestellten Zeitfunktion. Die Einstellung der mittleren Temperatur und des Temperaturgradienten im Substrat 1 erfolgt mittels Wärmestrahlung, die von heizbaren Flächen 3 und 4 zu beiden Seiten des Substrats l erzeugt wird. Vorzugsweise werden als heizbare Flächen 3, 4 elektrische Widerstandsheizer in Form von Graphitfolien verwendet, die von Leistungsendstufen 5, 6 gespeist werden. Um die Heizung des Substrats 1 allein durch Wärmestrahlung sicherzustellen, sind das Substrat 1 und die heizbaren Flächen 3, 4 in einem evakuierbaren Rezipienten 7 angeordnet, der wahlweise evakuiert oder mit Schutzgas zum Vermeiden von Verunreinigungen betrieben wird. Weiter ist im Rezipienten 7 zwischen den heizbaren Flächen 3, 4 ein Referenzsubstrat 8 angeurdneL, in welchem ein Ihtrmoelement 9 eingebettet ist. Das Thermoelement 9 ist relativ zur mittleren Temperatur T des Substrats 1 geeicht und liefert als Ausgangssignal dessen Ist-Wert T Dieser Ist-Wert T1 der mittleren Temperatur T des Substrats 1 wird eingangsseitig einem Regler 10 zugeführt. Als weiteres Eingangssignal erhält der Regler 10 den Sollwert T5 der mittleren Temperatur T des Substrats 1. Der Sollwert T5 wird, wie dies im Rechteck 11 dargestellt ist, zumindest für die Zeit der Aenderung des Temperaturgradienten dT/dx konstant gehalten. Als Regler 10 wird vorzugsweise ein PID-Regler (Proportional-Integral-Differential-Regler) verwendet. Der Regler 10 liefert an seinem Ausgang ein Signal TR, das separat für jede der heizbaren Flächen 3, 4 in den Multipliziergliedern 12, 13 um einen der jeweiligen Fläche 3, 4 zugeordneten Gewichtsfaktor G1 bzw. G2 verstärkt und nach dieser Verstärkung zur Steuerung der Leistungsendstufen 5, 6 verwendet wird. Je nachdem, ob der Gewichtungsfaktor G1 oder der Gewichtungsfaktor G2 grösser ist, wird im Substrat 1 ein Temperaturgradient dT/dx von der heizbaren Fläche 3 nach der heizbaren Fläche 4 oder umgekehrt erzeugt. Bei festen Werten der Gewichtsfaktoren Gl, G2 sorgt allein der Regler 10 für die Konstanz der mittleren Temperatur T im Substrat 1.
Die Gewichtsfaktoren G1 und G2 werden unter Berücksichtigung des Soll-Wertes T5 der mittleren Temperatur T im Substrat 1 zum jeweils z.B. nach der Zeitfunktion im Rechteck 2 vorgegebenen Momentanwert des Temperaturgradienten dT/dx aus einem Eichgraphen oder einer Eichtabelle bestimmt. Ein solcher Eichgraph ist im Rechteck 14 dargestellt. Aufgetragen ist in einem rechtwinkligen Koordinatensystem entlang der Abszisse der Gewichtungsfaktor Gl 1 und entlang der Ordinate der Gewichtungsfaktor G 2 In diesem Diagramm gibt es Kurven entlang derer für sämtliche Wertepaare Gl, G2 die mittlere Temperatur T im Substrat 1 konstant ist. Im Rechteck 14 ist eine solche mit T = konst. bezeichnete Ksotherme dargestellt.
Entlang dieser Isotherme soll die mittlere Temperatur T im Substrat 1 den gewünschten Sollwert T5 aufweisen.
Entlang der Isotherme ändert sich jedoch der Wert des Temperaturgradienten dT/dx. Der Eichgraph im Rechteck 14 wird daher zweckmässigerweise derart verwendet, dass zunächst der zum vorgegebenen Momentanwert des Temperaturgradienten dT/dx zugehörige Kurvenpunkt der Isotherme aufgesucht und dann die zu diesem Kurvenpunkt zugehörigen Gewichtsfaktoren Gl, G2 bestimmt werden.
Eine Eichtabelle müsste zu einer Anzahl von Werten des Temperaturgradienten dT/dx jeweils Paare von zugehörigen Gewichstfaktoren Gl, G2 enthalten, für die sich die gewünschte mittlere Temperatur T im Substrat 1 ergibt.
Die Eichtabelle oder der Eichgraph lassen sich vor der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens dadurch erstellen, dass zu einer Anzahl von Werten eines der beiden Gewichtsfaktoren, z.B. des Gewichtsfaktors eine entsprechende Anzahl jeweils zugeordneter Werte des anderen Gewichtsfaktors, im Beispielsfall also G2, so bestimmt wird, dass bei konstantem Ausgangssignal T R des Reglers 10 und konstanten Wärmeverlusten im Regelkreis die mittlere Temperatur T im Substrat 1 jeweils ihren gewünschten konstanten Wert T5 aufweist. Sodann muss zu jedem so ermittelten zusammengehörenden Wertepaar von Gewichstfaktoren G G2 der jeweils dazugehörende Wert des Temperaturgradienten dT/dx ermittelt werden.
Die in den Rechtecken 2 und ii in Fig. 1 dargestellten Zeitvorgaben für den Temperaturegradienten d1/dx und den Sollwert T5 der mittleren Temperatur T im Substrat 1 wie auch die Ermittlung der Gewichtsfaktoren G und 2 anhand eines Eichgraphen oder einer Eichtabelle können mit Mitteln der modernen Rechentechnik ohne weiteres automatisiert werden.
Schliesslich soll noch erwähnt werden, dass sich unter Verwendung entsprechender Eichgraphen bzw. Eichtabellen das beschriebene Verfahren auch dahingehend modifizieren lässt, dass eine Aenderung der mittleren Temperatur T im Substrat 1 unter Konstanthaltung eines vorgegebenen Temperaturgradienten dT/dx erreichbar ist.

Claims

PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur kontrollierten Aenderung eines Temperaturgradienten (dT/dx) in einem Substrat (1) unter Konstanthaltung einer vorgebbaren mittleren Temperatur (T), bei welchem die Temperatur (T) und ihr Gradient (dT/dx) mittels Wärmestrahlung einstellbar ist, die von zwei auf einander gegenüberliegenden Seiten des Substrats (1) angeordneten heizbaren Flächen (3, 4) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Temperatur (T) des Substrats (1) gemessen und als Ist-Wert (T1) neben einem vorgebbaren Sollwert (T5) einem Regler (10) zugeführt wird, das Ausgangssignal (TR) des Reglers (10) zur Steuerung der Heizleistung der beiden heizbaren Flächen (3, 4) verwendet und dazu separat für jede heizbare Fläche (3, 4) um einen der jeweiligen Fläche (3, 4) zugeordneten Gewichtsfaktor (G1, G2) verstärkt wird und die Gewichtsfaktoren (G1, G2) unter Berücksichtigung des Soll-Wertes (T5) der mittleren Temperatur (T) zum jeweils vorgegebenen Momentanwert (dT/dx(t) des Temperaturgradienten (dT/dx) aus einem zuvor erstellten Eichgraphen oder einer Eichtabelle bestimmt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als heizbare Flächen (3, 4) elektrische Widerstandsheizer in Form von Graphitfolien verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Regler ein PID-Regler verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Temperatur (T) mittels eines in einem Referenzsubstrat (8) eingebetteten und relativ zur mittleren Temperatur (T) des Substrats (1) geeichten Thermoelements (9) gemessen wird.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erstellung des Eichgraphen oder der Eichtabelle zu einer Anzahl von Werten eines der beiden Gewichtsfaktoren (G1, G2) eine entsprechende Anzahl jeweils zugeordneter Werte des anderen Gewichtsfaktors (C1, G2) so bestimmt wird, dass bei konstantem Ausgangssignal (TR) des Reglers (10) und konstanten Wärmeverlusten im Regelkreis die mittlere Temperatur (T) im Substrat (1) jeweils ihren gewünschten konstanten Wert (T5) aufweist und zu jedem so ermittelten zusammengehörenden Wertepaar (G1, G2) von Gewichtsfaktoren der jeweils zugehörende Wert des Temperaturgradienten (dT/dx) ermittelt wird.