DE3787367T2

DE3787367T2 - Heizapparat für Halbleiter-Wafer.

Info

Publication number: DE3787367T2
Application number: DE19873787367
Authority: DE
Inventors: Anita S Gat; Eugene R Westerberg
Original assignee: PROCESSING TECHNOLOGIES Inc AG
Current assignee: PROCESSING TECHNOLOGIES Inc AG
Priority date: 1987-05-14
Filing date: 1987-05-14
Publication date: 1994-04-14
Anticipated expiration: 2007-05-15
Also published as: EP0290692B1; DE3787367D1; EP0290692A1

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Apparate zum Beheizen von Halbleiterwafern.
Es sind inzwischen hochintensive Lampenheizer zum Behandeln von Halbleiterwafern verfügbar. Z.B. erlaubt es das von AG Associates, Palo Alto, Kalifornien, hergestellte und verkaufte Heat-Pulse(WZ)-System, Temperaturen schnell auf 1.100ºC ansteigen zu lassen und diese Temperatur für eine Zeitspanne von etwa 10 Sekunden beizubehalten, um ionenimplantierte Halbleiterwafer schnell zu tempern. Die Temperatur wird dann schnell abgesenkt, um dadurch die Bewegung von Dotierionen in der Kristallgitterstruktur zu minimieren. Derselbe Apparat könnte zum Aufschmelzen eines phosphordotierten Oxids, zum Herstellen eines Metallsilizids, zum Tempern und für andere Halbleiteranwendungen verwendet werden.
Wenn Halbleiterwafer bei einer Temperatur von 1.100ºC oder höher wärmebehandelt werden, ist Gleichförmigkeit des Aufheizens wichtig, um thermisch hervorgerufene Spannungen und sich daraus ergebende Verschiebungen in der Kristallstruktur zu verhindern. Daher wurden Banken von Lampen über und unter dem Wafer, die alle parallel angeordnet sind, zum Aufheizen der Wafer verwendet. Der Strom in jeder Lampe wird so gesteuert, daß versucht wird, eine gewisse Gleichförmigkeit der Temperatur innerhalb des Apparats zu erzielen und beizubehalten. Jedoch war das Beibehalten einer gleichförmigen Temperatur aufgrund rückgestrahlter Energie nahe der Kanten des Wafers nicht möglich, was zu einem Temperaturgradienten nahe der Kanten des Wafers führte. Zu Versuchen zum Überwinden dieses Problems gehört die Verwendung einer Zusatzlampe mit im wesentlichen kreisförmiger Konfiguration, die den Wafer nahe der Waferkanten umgibt. Zusätzlich zur erhöhten Komplexität der Lampenheizanordnung liegt eine offensichtliche Beschränkung der Verwendung der Hilfslampe in der Beschränkung der Lampe auf eine Waferdurchmessergröße. Jedoch muß bei der tatsächlichen Anwendung mit Wafern mit verschiedenen Durchmessern von 7,5 cm (3 Zoll) bis 15 cm (6 Zoll) fertiggeworden werden.
Das Dokument US-A-3,836,751 offenbart Bänke von Lampen, die parallel über und unter den Wafern angeordnet sind, mit Einrichtungen, die benachbarte Lampen elektrisch in Gruppen verbinden, um die Komplexität und die Auflösung der Heizungssteuerung zu verringern.
Erfindungsgemäß wird ein Apparat zum Beheizen von Halbleiter-Wafern angegeben, mit einer ersten Anordnung von Lampen, einer zweiten Anordnung von Lampen, die in Abstand von der ersten Anordnung angeordnet ist, um einen Halbleiterwafer dazwischen anordnen zu können, einer Lampengruppen in der ersten Anordnung elektrisch verbindenden Einrichtung und einer Lampengruppen in der zweiten Anordnung elektrisch verbindenden Einrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß jede Gruppe Lampen enthält, die im gleichen Abstand von den jeweiligen Enden der Anordnung, von der sie einen Teil bilden, angeordnet sind; und daß jede Lampengruppe in der ersten Anordung elektrisch mit einer Lampengruppe in der zweiten Anordnung verbunden ist, so daß die verbundenen Lampengruppen gleichzeitig und in gleicher Weise erregt werden.
Die Erfindung gibt einen Hochtemperatur-Lampenheizapparat an, der beim Beheizen von Wafern mit verschiedenen Durchmessern leicht steuerbar ist, und der jeden Temperaturgradienten entlang der Waferkanten minimiert.
Um eine im wesentliche gleichförmige Temperatur über einen Wafer beliebiger Größe aufrecht zu halten, werden die Lampen in jeder Menge in Gruppen von zweien oder mehr erregt, wobei eine Gruppe innerhalb einer Menge zur Erregung mit einer Gruppe in der anderen Menge verbunden ist, wodurch die zwei Lampengruppen gleichzeitig und gleichmäßig erregt werden können. Vorzugsweise sind die Lampen so angeschlossen, daß mehrere sich nach außen erstreckende Heizzonen gebildet werden. Z.B. können die Lampen in jeder Gruppe dieselbe Position gegenüber gegenüberliegenden Enden der Menge haben, von der sie einen Teil bilden. Da die Lampengruppen unabhängig voneinander gesteuert werden, kann die Wärme nahe der Kante eines Wafers erhöht werden, um den Temperaturgradienten im Wafer zu minimieren.
Die elektrische Leistung der Lampen kann abhängig von einem vorgegebenen Lampenstrom gesteuert werden, um eine gewünschte Temperatur für eine spezielle Wafergröße zu erzielen. Alternativ können Sensoren vorhanden sein, um die Temperatur des beheizten Wafers abzutasten, und um eine Rückkopplung zum automatischen Regeln der Lampengruppen zu liefern. Darüber hinaus kann ein gewünschtes Temperaturgradientenprofil durch Einstellen der relativen Leistung der Lampengruppen durch kluge Auswahl der einzelnen Lampen betreffend die Nennleistung geschaffen werden.
Die Erfindung wird nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Apparats ist;
Fig. 2 eine Seitenansicht des Apparats von Fig. 1;
Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf die zwei Mengen von Lampen in Fig. 1 ist, die die Positionierung eines Wafers dazwischen sowie die paarweise Erregung der Lampen veranschaulicht;
Fig. 4 ein schematisches Diagramm ist, das die Erregung der zwei Paare von Lampen der Anordnung von Fig. 2 veranschaulicht; und
Fig. 5 ein Funktionsblockdiagramm der Steuerschaltung zum Steuern der mehreren Lampen in dem in Fig. 1 dargestellten Apparat ist.
Gemäß den Zeichnungen ist Fig. 1 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Heizapparats. Eine erste Menge langgestreckter Lampen, die allgemein unter 30 dargestellt sind und mit 1-10 beziffert sind, sind über einem Wafer 40 angeordnet, und eine zweite Menge langgestreckter Lampen, die allgemein unter 32 dargestellt sind und mit 11-20 beziffert sind, sind unter dem Wafer 40 angeordnet. Die Lampen 1 bis 20 können herkömmliche Wolfram-Halogen-Lampen sein. Ein Lichtreflektor 34 ist unter der Menge Lampen 32 angeordnet, und ein Lichtreflektor 36 ist über der Menge Lampen 30 angeordnet. Zwei Temperatursensoren 38 sind im Reflektor 34 positioniert, um die Temperatur des beheizten Wafers 40 zu erfassen. Geeignete Sensoren sind Thermometer auf Basis optischer Pyrometer, wie von I. R. Con, Inc., Skokie, Illinois, hergestellt und verkauft.
Fig. 2 ist eine Seitenansicht des Apparats von Fig. 1, und sie veranschaulicht die Positionierung des Wafers 40 zwischen den Mengen der Lampen 30 und 32 weiter. Einer der Sensoren 38 ist unter der Mitte des Wafers 40 angeordnet, und der andere Sensor 38 ist nahe der Kante des Wafers 40 angeordnet.
Fig. 3 ist eine Draufsicht auf die zwei Mengen von Lampen, wobei der Wafer 40 zwischen diesen in Ausrichtung mit einer kreuzweise rechtwinkligen Anordnung der Lampen der zwei Mengen positioniert ist. Wie dargestellt, sind die Lampen in jeder Menge paarweise geordnet, beginnend mit den äußersten Lampen 1, 10 sowie 11, 20, bis zum innersten Paar Lampen 5, 6 sowie 15, 16 nach innen fortschreitend. Entsprechende Lampenpaare in den zwei Mengen sind dann miteinander parallel für gleichzeitige und gleiche Erregung geschaltet. Z.B. sind, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist, die zwei Lampen 3, 8 in der oberen Menge 30 von Lampen mit dem entsprechenden Paar Lampen, 13, 18 in der unteren Menge 32 von Lampen verbunden, wobei die vier Lampen parallel für gleichzeitige Erregung durch eine Spannungsregelungseinheit 42 angeschlossen sind.
Bei einem Betriebsmodus wird Strom durch die Lampen durch Phasenmodulation einer Spannung mit konstanter Spitzenwertamplitude oder durch Steuern von deren relativer Einschaltdauer gesteuert. Die an die Lampenpaare angelegte Spannung kann für jede Wafergröße und jede spezielle Wärmebehandlung voreingestellt werden. Z.B. kann die Wärmebehandlung für einen Wafer mit einem Durchmesser von 10 cm (vier Zoll), wobei die Temperatur in 3 Sekunden bis auf 700ºC ansteigt, für 10 Sekunden auf konstantem Wert gehalten wird, und dann in 3 Sekunden abgesenkt wird, gemäß der folgenden Tabelle erfolgen: STEIGUNGSTABELLE Normierte Intensität = 1 = 30% des Spitzenwerts 3 Sekunden Anstieg 10 Sekunden Konstanter Zustand 3 Sekunden Abfall Gruppe
Dieses gesteuerte System, das einen vorgegebenen Strom für die Lampen verwendet, kann eine Tempertemperatur von 700ºC plus oder minus 7ºC für den konstanten Zustand von 10 Sekunden ergeben. Für Wafer anderer Größe und für andere temperaturmäßige Tempermuster ändert sich die normierte Stromstärke.
Andernfalls können die in Fig. 2 dargestellten Temperatursensoren 38 eine Rückkopplung für Computerregelung der Lampenströme liefern. Fig. 5 ist ein Funktionsblockdiagramm eines Regelungsgeräts, bei dem die Sensoren 38 verwendet werden. Signale der Temperatursensoren 38 werden unter 44 geeignet aufbereitet und über einen Multiplexer 46 einem Analog/Digital-Umsetzer 48 zugeführt. Die digitalen Signale vom Umsetzer 48 werden dann einem Mikroprozessor 50, der geeignet programmiert ist, um auf die erfaßte Temperatur anzusprechen, und Regelzeitgebern 52 und Phasensteuerungen 54 zum Aktivieren der Mengen (Bänke) an Lampen 56 gelegt. Dieses geschlossene System unter Verwendung der Temperatursensoren 38 kann die bei der Wärmebehandlung eines Wafers verwendeten Temperaturprofile einfacher ändern. Eine bessere Regelung kann unter Verwendung von mehr als zwei Temperatursensoren realisiert werden.
Bei alternativen Betriebsmodi kann ein einziger, mittlerer Sensor zum dynamischen Steuern der mittleren Lampengruppe verwendet werden. Die anderen Lampengruppen können vorgegebene Versätze gegenüber der Intensität der mittleren Gruppe aufweisen, wobei die äußeren Gruppen automatisch geändert werden, wenn die Intensität der mittleren Gruppe geändert wird.
Unter Verwendung der zwei Sensoren 38 kann der mittlere Sensor die mittlere Lampengruppe steuern, während die Temperaturdifferenz zwischen den zwei Sensoren den Versatz der äußeren Lampengruppen steuert.
Bei einem anderen Betriebsmodus können die Lampengruppen verschiedene Gleichgewichtsintensitäten für eine vorgegebene Spannung aufweisen, um dadurch einen gewünschten Temperaturgradienten zu schaffen. Jede Wafergröße kann mit einem speziellen Gradienten versehen sein, der nicht von der elektrischen Steuerung abhängt.
Heizapparate unter Verwendung hochintensiver Gleichspannungslampen, wie oben beschrieben, können für eine genaue Einstellung der Temperatur eines Wafers sorgen, und sie können die gewünschten Temperaturgradienten in diesem aufrecht erhalten. Die Verwendung von Temperatursensoren sowie Rückkopplung sorgt für größere Vielseitigkeit beim Einstellen der Temperaturprofile bei der Wärmebehandlung eines Wafers; andererseits kann eine geeignete Lampenwahl für einen gewünschten Temperaturgradienten sorgen, ohne daß es einer elektrischen Steuerung bedarf.

Claims

1. Heizapparat für Halbleiter-Wafer mit einer ersten Anordnung (30) von Lampen (1 bis 10), einer zweiten Anordnung (32) von Lampen (11 bis 20), die in Abstand von der ersten Anordnung angeordnet ist, um einen Halbleiter-Wafer (40) dazwischen anordnen zu können, einer Lampengruppen (z. B. 3 und 8) in der ersten Anordnung (30) elektrisch verbindenden Einrichtung und einer Lampengruppen (z. B. 13 und 18) in der zweiten Anordnung (32) elektrisch verbindenden Einrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß jede Gruppe Lampen enthält, die im gleichen Abstand von den jeweiligen Enden der Anordnung, von der sie einen Teil bilden, angeordnet sind; und

daß jede Lampengruppe (z. B. 3 und 8) in der ersten Anordnung (30) elektrisch mit einer Lampengruppe (z. B. 13 und 18) in der zweiten Anordnung (32) verbunden ist, so daß die verbundenen Lampengruppen (z. B. 3 und 8; 13 und 18) gleichzeitig und in gleicher Weise erregt werden.

2. Heizapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampen (1 bis 10; 11 bis 20) in jeder Menge (30; 32) längs gestreckt und parallel sind, wobei die Lampen einer Menge schräg zu den Lampen der anderen Menge verlaufen.

3. Heizapparat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampen (1 bis 10) der ersten Menge (30) senkrecht zu den Lampen (11 bis 20) der zweiten Menge (32) angeordnet sind.

4. Heizapparat nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampen (3 und 8; 13 und 18) in jeder Gruppe parallel geschaltet sind.

5. Heizapparat nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampen (3, 8, 13, 18) in den verbundenen Gruppen parallel geschaltet sind.

6. Heizapparat nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Lampengruppe (3 und 8; 13 und 18) aus zwei Lampen besteht.

7. Heizapparat nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung zum Steuern der Energieversorgung der verbundenen Lampengruppen, wobei eine gewünschte Temperatur beim Heizen eines Wafers (40) zwischen der ersten Menge (30) von Lampen (1 bis 10) und der zweiten Menge (32) von Lampen (11 bis 20) aufrechterhalten wird.

8. Heizapparat nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung einer Spannungsquelle und eine Modulationseinrichtung zum Modulieren der an die verbundenen Lampengruppen angelegten Spannung aufweist.

9. Heizapparat nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationseinrichtung in Übereinstimmung mit einem vorstabilisierten Stromzyklus der verbundenen Lampengruppen gesteuert wird.

10. Heizapparat nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch eine Temperaturfühler-Einrichtung (38) zum Aufnehmen der Temperatur eines Wafers (40) und eine computergesteuerte Einrichtung (50) zur Steuerung der Modulationseinrichtung in Abhängigkeit von der aufgenommenen Temperatur.

11. Heizapparat nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampen in jeder Lampengruppe unterschiedliche Dauerleistungen bei einer angelegten Spannung aufweisen, um einen gewünschten Temperaturgradienten zu herzustellen.