DE3505795A1 - Method for the controlled variation of a temperature gradient in a substrate while holding constant a prescribable mean temperature - Google Patents

Method for the controlled variation of a temperature gradient in a substrate while holding constant a prescribable mean temperature

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DE3505795A1 DE19853505795 DE3505795A DE3505795A1 DE 3505795 A1 DE3505795 A1 DE 3505795A1 DE 19853505795 DE19853505795 DE 19853505795 DE 3505795 A DE3505795 A DE 3505795A DE 3505795 A1 DE3505795 A1 DE 3505795A1
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Abstract

In this method, the temperature (T) and its gradient (dT/dx) are set by means of thermal radiation which is generated by two heatable surfaces (3, 4) arranged on two mutually opposite sides of the substrate (1). Furthermore, the mean temperature (T) of the substrate is measured and fed as actual value (TI) in addition to a prescribable desired value (TS) to a controller (10) whose output signal (TR) is used to control the heating power of the two heatable surfaces (3, 4) and, in addition, is amplified separately for each heatable surface (3, 4) by a weighting factor (G1, G2) assigned to the respective surface (3, 4). A previously produced calibration graph or a calibration table are used, taking account of the desired value (TS) of the mean temperature (T) relating to the respectively prescribed instantaneous value (dT/dx(t)) of the temperature gradient (dT/dx), to determine the weighting factors (G1, G2). <IMAGE>

Description

Verfahren zur kontrollierten Aenderung eines Temperatur-Process for the controlled change of a temperature

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.gradient in a substrate while keeping a predeterminable one constant medium temperature The invention relates to a method for controlled change of a temperature gradient in a substrate while keeping a predeterminable one constant mean temperature according to the preamble of claim 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.The procedure is a standard procedure and is used in the field gradient-controlled processes e.g. the production of doping profiles more finite Depth and comparatively small width in semiconductor material due to liquid migration Zones, as is known here from European patent application 82201054.2.

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.In the known manufacturing method, the one that drives the process Temperature gradient in the substrate after a liquid zone has migrated from one the surfaces of the substrate are reversed from before the melted zone the opposite Has reached the surface of the substrate. To the well-known llerstellurlgswerfarhren with To be able to achieve reproducible success, it is extremely important to change the temperature gradient in a controlled manner and thereby the mean temperature of the substrate during the entire process.

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.It is therefore the object of the invention to provide a method such as the Temperature gradient in the substrate while maintaining the average constant sufficiently The temperature of the substrate is changed in a controlled manner to a predeterminable value can be.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist.This object is achieved by the invention as set out in the claims is marked.

Die Grundidee des erfindungsgemässen Verfahrens liegt in der Entkopplung der Prozessgrössen mittlere Temperatur und Temperaturgradient.The basic idea of the method according to the invention lies in the decoupling the process variables mean temperature and temperature gradient.

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.The method according to the invention allows a precisely controllable and reproducible implementation of the manufacturing process according to the aforementioned European patent application. With the aid of the method according to the invention it is possible to increase the mean temperature of the substrate during the gradient reversal a value of 1200 ° C with a maximum deviation of + 1 ° C.

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.The method according to the invention also allows the course over time to preselect the gradient reversal according to any time function. This leaves the manufacturing process according to the aforementioned European patent application optimize so that in the environment and within the doped semiconductor area As few disruptive crystal defects as possible arise. It is also possible at an average temperature of the substrate of e.g. 1200 ° C the temperature gradient continuously between 0 and a maximum value of about 180 OC / cm to adjust. This allows for the manufacturing process according to the aforementioned European patent application set desired driving force and thereby to preselect very precisely defined working conditions.

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.Since the method according to the invention can be set very precisely and cooling conditions allowed, it can also be used for the transient healing of semiconductor defects, caused e.g. by ion implantation.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to the drawing.

Es zeigt: Fig. 1 ein Blockdiagramm des erfindungsgemässen Verfahrens.It shows: FIG. 1 a block diagram of the method according to the invention.

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.In Fig. 1, 1 denotes a substrate. In this substrate 1 should maintain a constant mean temperature at a value T5, a temperature gradient dT / dx can be set and changed in a controlled manner, e.g. according to the one in the rectangle shown time function. The setting of the mean temperature and the temperature gradient in the substrate 1 takes place by means of thermal radiation from the heatable surfaces 3 and 4 is generated on both sides of the substrate l. Preferably used as heatable Areas 3, 4 used electrical resistance heaters in the form of graphite foils, which are fed by power output stages 5, 6. To heat the substrate 1 The substrate 1 and the heatable ones are to be ensured solely by thermal radiation Areas 3, 4 arranged in an evacuable recipient 7, which optionally evacuates or operated with protective gas to avoid contamination. Next is a reference substrate in the recipient 7 between the heatable surfaces 3, 4 8th An arrangement in which a thermocouple 9 is embedded. The thermocouple 9 is calibrated relative to the mean temperature T of the substrate 1 and delivers as an output signal its actual value T This actual value T1 of the mean temperature T of the substrate 1 is fed to a controller 10 on the input side. Received as another input signal the controller 10 the setpoint T5 of the mean temperature T of the substrate 1. The setpoint T5 is, as shown in rectangle 11, at least for the time of the change of the temperature gradient dT / dx kept constant. The controller 10 is preferably a PID controller (proportional-integral-differential controller) is used. The regulator 10 provides a signal TR at its output, which is separate for each of the heatable surfaces 3, 4 in the multipliers 12, 13 by one of the respective areas 3, 4 assigned Weighting factor G1 or G2 amplified and after this amplification to control the Power output stages 5, 6 is used. Depending on whether the weighting factor G1 or the weighting factor G2 is larger, a temperature gradient is created in the substrate 1 dT / dx generated by the heatable surface 3 after the heatable surface 4 or vice versa. In the case of fixed values of the weighting factors Gl, G2, the controller 10 alone takes care of the Constancy of the mean temperature T in the substrate 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.The weighting factors G1 and G2 are calculated taking into account the target value T5 is the mean temperature T in the substrate 1, for example according to the time function Instantaneous value of the temperature gradient dT / dx from a given in rectangle 2 Calibration graphs or a calibration table. Such a calibration graph is in a rectangle 14 shown. It is plotted along a right-angled coordinate system the abscissa the weighting factor Gl 1 and along the ordinate the weighting factor G 2 In this diagram there are curves along them for everyone Pairs of values Gl, G2 mean temperature T in substrate 1 is constant. In the rectangle 14 shows such a Ksotherm labeled T = const.

Entlang dieser Isotherme soll die mittlere Temperatur T im Substrat 1 den gewünschten Sollwert T5 aufweisen.The mean temperature T in the substrate should be along this isotherm 1 have the desired setpoint T5.

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.However, the value of the temperature gradient changes along the isotherm dT / dx. The calibration graph in rectangle 14 is therefore expediently used in such a way that that first of all the associated with the given instantaneous value of the temperature gradient dT / dx The curve point of the isotherm is sought and then those associated with this curve point Weight factors Gl, G2 are determined.

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.A calibration table would have to contain a number of values for the temperature gradient dT / dx each contain pairs of associated weighting factors Gl, G2 for which the desired mean temperature T in the substrate 1 results.

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.The calibration table or the calibration graph can be checked before the execution of the method according to the invention in that to a number of values one of the two weighting factors, e.g. the weighting factor a corresponding number respectively assigned values of the other weight factor, in the example G2, is determined so that with a constant output signal T R of the controller 10 and constant Heat losses in the control loop mean temperature T in substrate 1 in each case has desired constant value T5. Then must belong together for each so determined Value pair of weighting factors G G2 the respective associated value of the temperature gradient dT / dx can be determined.

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.The time specifications shown in rectangles 2 and ii in FIG for the temperature gradient d1 / dx and the setpoint T5 of the mean temperature T in substrate 1 as well as the determination of the weighting factors G and 2 using a calibration graph or a calibration table, modern Computing technology can be easily automated.

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.Finally it should be mentioned that using corresponding calibration graphs or calibration tables also apply the described method to this effect can be modified that a change in the mean temperature T in the substrate 1 can be achieved while keeping a given temperature gradient dT / dx constant.

Claims (4)

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. PATENT CLAIMS 1. Method for the controlled change of a temperature gradient (dT / dx) in a substrate (1) while keeping a predetermined mean value constant Temperature (T) at which the temperature (T) and its gradient (dT / dx) by means of Heat radiation is adjustable from two opposite sides of the substrate (1) arranged heatable surfaces (3, 4) is produced, characterized in that that the mean temperature (T) of the substrate (1) is measured and as an actual value (T1) the output signal is fed to a controller (10) in addition to a predeterminable setpoint value (T5) (TR) of the controller (10) to control the heating power of the two heatable surfaces (3, 4) and separately for each heatable surface (3, 4) around one of the respective Area (3, 4) assigned weight factor (G1, G2) is reinforced and the weight factors (G1, G2) taking into account the target value (T5) of the mean temperature (T) for the given instantaneous value (dT / dx (t) of the temperature gradient (dT / dx) can be determined from a previously created calibration graph or a calibration table. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als heizbare Flächen (3, 4) elektrische Widerstandsheizer in Form von Graphitfolien verwendet werden.2. The method according to claim 1, characterized in that as a heatable Areas (3, 4) used electrical resistance heaters in the form of graphite foils will. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Regler ein PID-Regler verwendet wird.3. The method according to claim 1, characterized in that as a controller a PID controller is used. 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.4. The method according to claim 1, characterized in that the middle Temperature (T) using an in embedded in a reference substrate (8) and thermocouple calibrated relative to the mean temperature (T) of the substrate (1) (9) is measured. 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.Method according to claim 1, characterized in that for creating the calibration graph or the calibration table for a number of values of one of the two Weighting factors (G1, G2) a corresponding number of respectively assigned values of the other weighting factor (C1, G2) is determined so that with a constant output signal (TR) of the controller (10) and constant heat losses in the control circuit, the mean temperature (T) in the substrate (1) in each case has its desired constant value (T5) and for each associated pair of values (G1, G2) of weighting factors determined in this way the respective associated value of the temperature gradient (dT / dx) is determined.
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