EP1393360A1 - Method and device for short-term thermal treatment of flat objects - Google Patents

Method and device for short-term thermal treatment of flat objects

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Publication number
EP1393360A1
EP1393360A1 EP02730281A EP02730281A EP1393360A1 EP 1393360 A1 EP1393360 A1 EP 1393360A1 EP 02730281 A EP02730281 A EP 02730281A EP 02730281 A EP02730281 A EP 02730281A EP 1393360 A1 EP1393360 A1 EP 1393360A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat
substrate
gas
sides
mixture
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP02730281A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Gerd Strauch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Aixtron SE
Original Assignee
Aixtron SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE10132709A external-priority patent/DE10132709A1/en
Application filed by Aixtron SE filed Critical Aixtron SE
Publication of EP1393360A1 publication Critical patent/EP1393360A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/67—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67005—Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67011—Apparatus for manufacture or treatment
    • H01L21/67098—Apparatus for thermal treatment
    • H01L21/67109—Apparatus for thermal treatment mainly by convection
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/10—Mixing gases with gases
    • B01F23/19—Mixing systems, i.e. flow charts or diagrams; Arrangements, e.g. comprising controlling means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F35/00—Accessories for mixers; Auxiliary operations or auxiliary devices; Parts or details of general application
    • B01F35/20—Measuring; Control or regulation
    • B01F35/21—Measuring
    • B01F35/211—Measuring of the operational parameters
    • B01F35/2111—Flow rate
    • B01F35/21111—Mass flow rate
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F35/00—Accessories for mixers; Auxiliary operations or auxiliary devices; Parts or details of general application
    • B01F35/20—Measuring; Control or regulation
    • B01F35/22—Control or regulation
    • B01F35/221—Control or regulation of operational parameters, e.g. level of material in the mixer, temperature or pressure
    • B01F35/2211—Amount of delivered fluid during a period
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/02—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by influencing fluid boundary
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F35/00—Accessories for mixers; Auxiliary operations or auxiliary devices; Parts or details of general application
    • B01F35/90—Heating or cooling systems

Definitions

  • the invention relates to an apparatus and a method for, in particular, short-term thermal treatment of, in particular, flat objects, such as semiconductor, glass or metal substrates, with temperature control devices arranged on both sides of the substrate surfaces for heat exchange with the substrate, which heat exchange at least partially by heat conduction via a heat-conducting medium he follows.
  • RTP Rapid-Thermal-5 Processing
  • the two opposite broad side surfaces of the substrate can have different surface emissivities.
  • the heating takes place, for example, by means of infrared radiation or also by heat conduction, which takes place via a medium in contact with the substrate surface, for example a gas.
  • the cooling rate also depends on the surface emissivity.
  • the surface emissivity can change during the RTP process. Emissivity is the measure of the extent to which the substrate radiates heat or absorbs radiant heat. Because the heat is removed from the substrate, especially at high temperatures is very strongly dependent on the emissivity of the respective surface, and the emissivities of the front and the back are generally not identical, there is a fundamental risk that the substrate will bend thermally when cooling or heating. The larger the substrate, the more important this becomes.
  • the circular disk-shaped substrates can have a diameter of, for example, 300 mm. It is known in the prior art to counteract this phenomenon by regulating the heating of the two broad sides of the substrate separately.
  • the object of the invention is to further develop the generic method and the generic device in an advantageous manner.
  • the object is achieved by the method specified in claim 1 or the device specified in claim 2, the aim being that the heat-conducting medium is a mixture of at least two gases with very different thermal conductivity and the mixture on both
  • Broadside substrate is individually adjustable.
  • the mixture is adjusted individually in such a way that the respective surface temperature is controlled over time, taking into account the respective total heat exchange via thermal radiation.
  • An increased exchange via heat radiation can be compensated for by a gas mixture ratio in which the poorly heat-conductive gas dominates.
  • a low heat exchange via heat radiation is compensated in a corresponding manner by a gas mixture in which the highly thermally conductive gas dominates.
  • the heat exchange on the two sides of different sizes, so that when the substrate is heated or cooled, a temperature gradient is formed within the substrate from the front to the back, which in particular over the entire heat treatment time or Heat exchange time is kept the same.
  • Both gas mixtures are controlled separately.
  • the gas mixtures can be selected from inert gases of high purity with different specific thermal conductivity values. The regulation can be carried out by means of simple mass flow controllers. Gases with high thermal conductivity are, for example, hydrogen or helium. Gases with low thermal conductivity are nitrogen or argon.
  • the mixture is introduced into the process chamber with such a total pressure and ratio below and / or above the substrate that heat is exchanged with the substrate to a sufficient extent via the thermal conductivity.
  • the temperature control devices in particular those for cooling the substrate, can therefore be arranged at a short distance above or below the substrate. In the case of a vertical position of the substrate in the process chamber, the two temperature control devices then lie horizontally next to the substrate, the arrangement and shape of the temperature control devices being selected such that the heat transport from or to the substrate takes place uniformly over the entire substrate surface, that there are no significant temperature differences across the substrate surfaces.
  • the temperature control devices and the mixtures of the two gases are preferably set such that, taking into account the heat transport via heat radiation, such amounts of heat are exchanged on both sides per unit of time, so that the internal temperature gradient from the front to the back of the substrate is zero.
  • the mixture preferably flows through a gap which half and / or above the substrate.
  • a quick change of the gas mixture is possible.
  • By changing the mixing ratio during the heat exchange it is possible to control the heat flow via the variable thermal conductivity. It is also possible to specifically set the heat balance differently for each surface while accepting the thermal stress. This can also be done by trimming the gas mixture. There is preferably only a relatively thin gas gap on the underside of the substrate.
  • the gas volume is then made sufficiently thin to form a gas cushion on which the substrate rests.
  • the gas cushion can be formed by the gas mixture flow flowing moderately into the volume.
  • the inflowing gas mass is kept so low that there is no significant heat dissipation via the gas mass flow.
  • the substrate can not only be suspended from the gas stream while it is being stored isostatically and isothermally. It can also be driven by the gas flow.
  • Fig. 2 shows a second embodiment of the invention, in which the substrate floats freely on a gas cushion and
  • the substrate 1 rests on bearing blocks 10. These bearing blocks 10 cause the substrate 1 to occupy a gap spacing 5 from a lower temperature control device 3.
  • This temperature control device 3 can be a heat sink or a heat source.
  • the temperature control device 2 arranged above the substrate can also be a heat sink or a heat source via a gap 4 that is spaced apart from the substrate 1.
  • the temperature control devices 2 and 3 can also perform both functions. For example. they can form cooled surfaces and have an infrared radiation at another time, on the one hand to cool the substrate by heat dissipation and on the other hand to heat the substrate by supplying heat.
  • Feed lines 6, 7 lead through the temperature control devices 2, 3.
  • the feed lines 6, 7 can also be designed differently. Their goal is to introduce a gas mixture, which consists, for example, of helium and argon or hydrogen and nitrogen, into the two interstices 4, 5.
  • An individual gas mixture of hydrogen and nitrogen or helium and argon is continuously introduced into each of the two gap spaces 4, 5.
  • the total pressure of the two gas mixtures is essentially the same. It is so high that the gases in the gap 4, 5 have a heat-conducting effect.
  • the gap width of the gap spaces 4, 5 is also selected.
  • the substrate 1 is not supported on the lugs 10 supporting the edge of the substrate 1 during the heat exchange, but lies freely floating on a gas cushion which contains the gas mixture introduced into the gap space 5 through the feed line 7 is maintained.
  • a gas cushion which contains the gas mixture introduced into the gap space 5 through the feed line 7 is maintained.
  • Only holding webs 11 need to be provided here, which hold the substrate 1 in position. However, these are not absolutely necessary.
  • the substrate can also be self-centering on the gas cushion.
  • FIG. 2 additional holding brackets 10 are additionally shown, which can raise the substrate 1 for loading or unloading the process chamber.
  • the device according to the invention functions as follows:
  • the substrate 1 can have different heat emissivities on its two substrate surfaces. The consequence of this is that, with the same radiation power of the temperature control devices 2, 3 performing a heating function, the heating of the two opposite substrate broad side surfaces can be different. In any case, the heat flow into the substrate via heat radiation is of different heights. Similar effects occur when the substrate 1 is cooled.
  • the different emissivities mean that in
  • a gas mixture of hydrogen and nitrogen is introduced into the gap spaces 4, 5 below and above the substrate 1.
  • This gas mixture has a large one on the substrate side, which has a high emissivity Nitrogen content.
  • the gas mixture then has a low thermal conductivity.
  • the gas mixture 4 On the side on which the emissivity is lower, the gas mixture 4 has a higher hydrogen content, so that the gas mixture there has a higher thermal conductivity.
  • the heat which due to the different heat radiation is less emitted on one side or supplied by radiation, is compensated for by a corresponding heat dissipation or heat supply via heat conduction, so that the surface temperatures on the two broad side surfaces of the substrate remain essentially the same during the heat exchange , It may be necessary to change the gas mixture that can be set via the mass flow controllers 8, 9 during the heating or cooling process.
  • a gas cushion is built up by means of the gas flow provided by the mass flow regulators 8 ', 9', on which the substrate 1 floats freely. This avoids heat exchange via surface contact with holding brackets or the like.
  • the nozzle which is located at the end of the feed line 7, can be directed so that an angular momentum is transmitted to the substrate 1.
  • a plurality of nozzles both above and below the substrate 1 are preferred.
  • the substrate 1 can even be driven in rotation by means of these nozzles.
  • the temperatures of the two surfaces can be optically measured during the process.
  • a temperature drift can be countermeasures can be counteracted by changing the gas mixture composition.
  • the course of the temperature Ti on one substrate surface and the temperature T 2 on the other substrate surface during heating, heat treatment and cooling is shown in FIG. 3.
  • the course of the temperature Ti is solid and the course of the temperature T 2 shown by a dashed line.
  • the two lines are almost in line. This is a consequence of the optimized trimming of the heat supply to the two broad sides of the substrate by means of heat radiation on the one hand and controlled heat conduction on the other.
  • the cooling process also takes place via heat radiation or heat dissipation.
  • the heat conduction is also regulated here.

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Abstract

The invention relates to a method and a device for the thermal treatment, especially short-term, of flat objects in particular, such as semi-conductor, glass or metal substrates. Heat is, at least in part, supplied to or taken away from both sides of said substrates by means of thermal conduction via a thermal conduction medium. The invention aims to improve the method and device so that they can be used effectively. To this end, a mixture consisting of two gases, differing greatly in their thermal conductivity, is used as a thermal conduction medium. The mixture on both sides of the substrate (1) is individually adjusted so that the respective surface temperature is time-controlled by taking the respective heat exchange due to heat radiation into account.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR KURZZEITIGEN THERMISCHEN BEHANDLUNG VON FLACHEN G EGENSTÄNDENMETHOD AND DEVICE FOR SHORT-TERM THERMAL TREATMENT OF FLAT ITEMS
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zur insbesondere kurzzeitigen thermischen Behandlung von insbesondere flachen Gegenständen, wie Halbleiter-, Glas- oder Metallsubstrate, mit beidseitig der Substratoberflächen angeordneten Temperierungseinrichtungen zum Wärmeaustausch mit dem Substrat, welcher Wärmeaustausch zumindest teilweise durch Wärmeleitung über ein wärmeleitendes Medium erfolgt. 0The invention relates to an apparatus and a method for, in particular, short-term thermal treatment of, in particular, flat objects, such as semiconductor, glass or metal substrates, with temperature control devices arranged on both sides of the substrate surfaces for heat exchange with the substrate, which heat exchange at least partially by heat conduction via a heat-conducting medium he follows. 0
Bei der Herstellung von Bauelementen aus einem Halbleitermaterial ist es oftmals erforderlich, die Substrate oder die bereits strukturierten, beschichteten oder anderweitig bspw. durch Implantationsschritte vorbehandelte Substrate thermisch nachzubehandeln. Dies erfolgt in einem mit Rapid-Thermal- 5 Processing bezeichneten Verfahren (RTP). Die beiden gegenüberliegenden Breitseitenflächen des Substrates können unterschiedliche Oberflächen- Emissivitäten aufweisen. Um die Substrate gleichmäßig, d.h. ohne inneren Temperaturgradienten aufzuheizen, müssen die Strahlungsleistungen, mit denen die beiden Seiten auf eheizt werden, an die verschiedenen Oberflächen- 0 Emissivitäten angepasst werden. Die Erwärmung erfolgt bspw. mittels infraroter Strahlung oder auch über Wärmeleitung, die über ein mit der Substratoberfläche in Kontakt befindliches Medium, bspw. ein Gas, erfolgt. Auch die Abkühlrate hängt von der Oberflächen-Emissivität ab. Es müssen deshalb geeignete Maßnahmen vorgesehen sein, damit sich die Temperatur auf den beiden 5 Oberflächen gleichmäßig absenkt oder erhöht. Das Aufheizen und das Abkühlen sollen schnell erfolgen. Während des RTP- Verfahrens kann sich die Oberflächen-Emissivität ändern. Die Emissivität ist das Maß dafür, in welchem Umfange das Substrat Wärme abstrahlt bzw. Strahlungswärme aufnimmt. Da der Wärmeabtransport vom Substrat insbesondere bei hohen Temperaturen sehr stark von der Emissivität der jeweiligen Oberfläche abhängig ist, und die Emissivitäten der Vorder- und der Rückseite in der Regel nicht identisch sind, besteht grundsätzlich die Gefahr, dass sich das Substrat beim Abkühlen bzw. Aufheizen thermisch verbiegt. Dies wird um so bedeutender, je größer das Substrat ist. Die kreisscheibenförmigen Substrate können Durchmesser von bspw. 300 mm besitzen. Im Stand der Technik ist es bekannt, diesem Phänomen dadurch entgegenzuwirken, dass die Erwärmung der beiden Substrat- Breitseiten getrennt geregelt wird. Dies erfordert eine hochgenaue, emissivi- tätskompensierte Temperaturmessung. Dies hat den Nachteil, dass teure und/oder begrenzt genaue Meß- und Regelaufbauten verwendet werden. Zudem ist mit einem derartigen Aufbau ein Temperaturgradient von der Vorder- zur Rückseite nicht gänzlich vermeidbar, z. B. beim Abkühlen.In the production of components from a semiconductor material, it is often necessary to post-treat the substrates or the substrates that have already been structured, coated or otherwise pretreated, for example, by implantation steps. This is done in a process called Rapid-Thermal-5 Processing (RTP). The two opposite broad side surfaces of the substrate can have different surface emissivities. In order to heat the substrates uniformly, ie without internal temperature gradients, the radiation power with which the two sides are heated must be adapted to the different surface emissivities. The heating takes place, for example, by means of infrared radiation or also by heat conduction, which takes place via a medium in contact with the substrate surface, for example a gas. The cooling rate also depends on the surface emissivity. Appropriate measures must therefore be provided so that the temperature on the two 5 surfaces drops or increases evenly. Heating and cooling should be done quickly. The surface emissivity can change during the RTP process. Emissivity is the measure of the extent to which the substrate radiates heat or absorbs radiant heat. Because the heat is removed from the substrate, especially at high temperatures is very strongly dependent on the emissivity of the respective surface, and the emissivities of the front and the back are generally not identical, there is a fundamental risk that the substrate will bend thermally when cooling or heating. The larger the substrate, the more important this becomes. The circular disk-shaped substrates can have a diameter of, for example, 300 mm. It is known in the prior art to counteract this phenomenon by regulating the heating of the two broad sides of the substrate separately. This requires a highly precise, emission-compensated temperature measurement. This has the disadvantage that expensive and / or limitedly precise measurement and control structures are used. In addition, with such a structure, a temperature gradient from the front to the back is not entirely avoidable, e.g. B. when cooling.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Verfahren bzw. die gattungsgemäße Vorrichtung gebrauchsvorteilhaft weiterzubilden.The object of the invention is to further develop the generic method and the generic device in an advantageous manner.
Gelöst wird die Aufgabe durch das im Anspruch 1 angegebene Verfahren bzw. die im Anspruch 2 angegebene Vorrichtung, wobei darauf abgestellt ist, dass das wärmeleitende Medium eine Mischung aus zumindest zwei Gasen mit stark verschiedener Wärmeleitfähigkeit ist und die Mischung auf beidenThe object is achieved by the method specified in claim 1 or the device specified in claim 2, the aim being that the heat-conducting medium is a mixture of at least two gases with very different thermal conductivity and the mixture on both
Substrat-Breitseiten individuell einstellbar ist. Die Mischung wird derart individuell eingestellt, dass unter Berücksichtigung des jeweiligen Gesamt- Wärmeaustausches über Wärmestrahlung die jeweilige Oberflächentemperatur zeitlich kontrolliert ist. Insbesondere ist vorgesehen, dass der Verlauf der Tem- peratur beim Aufheizen oder Abkühlen und ihr jeweiliger Wert auf den beiden Substrat-Breitseiten gleich groß ist. Ein vermehrter Austausch über Wärmestrahlung kann durch ein Gasmischungsverhältnis, bei dem das schlecht wärmeleitf ähige Gas dominiert, kompensiert werden. Ein geringer Wärmeaustausch über Wärmestrahlung wird in entsprechender Weise über eine Gasmischung kompensiert, in der das stark wärmeleitfähige Gas dominiert. Es ist erfindungsgemäß aber auch möglich, den Wärmeaustausch auf den beiden Seiten unterschiedlich groß zu halten, so dass beim Auf- heizen oder beim Abkühlen des Substrates sich innerhalb des Substrates von der Vorder- zur Rückseite ein Temperaturgradient ausbildet, der insbesondere über die gesamte Wärmebehandlungszeit oder Wärmeaustauschzeit gleich gehalten wird. Beide Gasgemische werden separat gesteuert. Die Gasgemische können aus inerten Gasen mit hoher Reinheit mit unterschiedlichen spezif i- sehen Wärmeleitwerten ausgewählt werden. Die Regelung kann mittels einfacher Massenflußregler erfolgen. Gase mit hoher Wärmeleitfähigkeit sind bspw. Wasserstoff oder Helium. Gase mit niedriger Wärmeleitfähigkeit sind Stickstoff oder Argon. Die Mischung wird mit einem derartigen Totaldruck und Verhältnis unter- und/ oder oberhalb des Substrates in die Prozesskammer eingeleitet, dass über die Wärmeleitfähigkeit in ausreichendem Maße Wärme mit dem Substrat ausgetauscht wird. Die Temperierungseinrichtungen, insbesondere diejenigen zur Kühlung des Substrates können deshalb mit geringem Abstand oberhalb oder unterhalb des Substrates angeordnet sein. Bei einer vertikalen Lage des Substrates in der Prozesskammer Hegen die beiden Temperierungs- einrichtungen dann in Horizontalrichtung neben dem Substrat, wobei die Anordnung und die Gestalt der Temperierungseinrichtungen so gewählt ist, dass der Wärmetransport vom bzw. zum Substrat über die gesamte Substratoberfläche derart gleichmäßig erfolgt, dass sich über die Substratoberflächen keine nennenswerten Temperaturunterschiede einstellen. Bevorzugt werden die Temperierungseinrichtungen und die Mischungen der beiden Gase so eingestellt, dass unter Berücksichtigung des Wärmetransportes über Wärmestrahlung beidseitig solche Wärmemengen pro Zeiteinheit ausgetauscht werden, so dass der innere Temperaturgradient von der Vorder- zur Rückseite des Substrates Null ist. Bevorzugt durchströmt die Mischung einen Spaltraum, der unter- halb und/ oder oberhalb des Substrates liegt. Zufolge dieses stetigen Gasaustausches ist ein schneller Wechsel des Gasgemisches möglich. Durch eine Änderung des Mischungsverhältnisses während des Wärmeaustausches ist es möglich, den Wärmefluss über die variable Wärmeleitfähigkeit zu steuern. Es ist auch möglich, gezielt die Wärmebilanz je Oberfläche unterschiedlich einzustellen unter Inkaufnahme der thermischen Spannung. Auch dies kann über die Trimmung des Gasgemisches erfolgen. Bevorzugt befindet sich auf der Unterseite des Substrates nur ein relativ dünner Gasspalt. Das Gasvolumen ist dann hinreichend dünn ausgebildet, um ein Gaspolster auszubilden, auf wel- chem das Substrat aufliegt. Das Gaspolster kann von dem mäßig in das Volumen einströmenden Gasmischungsfluss ausgebildet werden. Die einströmende Gasmasse wird derart gering gehalten, dass über den Gasmassen-Strom kein nennenswerter Wärmeabtransport erfolgt. Das Substrat kann von dem Gasstrom nicht nur schwebend und gleichzeitig isostatisch und isotherm gela- gert werden. Es kann von dem Gasstrom auch drehangetrieben werden.Broadside substrate is individually adjustable. The mixture is adjusted individually in such a way that the respective surface temperature is controlled over time, taking into account the respective total heat exchange via thermal radiation. In particular, it is provided that the course of the temperature during heating or cooling and its respective value on the two broad sides of the substrate are the same. An increased exchange via heat radiation can be compensated for by a gas mixture ratio in which the poorly heat-conductive gas dominates. A low heat exchange via heat radiation is compensated in a corresponding manner by a gas mixture in which the highly thermally conductive gas dominates. However, it is also possible, according to the invention, to keep the heat exchange on the two sides of different sizes, so that when the substrate is heated or cooled, a temperature gradient is formed within the substrate from the front to the back, which in particular over the entire heat treatment time or Heat exchange time is kept the same. Both gas mixtures are controlled separately. The gas mixtures can be selected from inert gases of high purity with different specific thermal conductivity values. The regulation can be carried out by means of simple mass flow controllers. Gases with high thermal conductivity are, for example, hydrogen or helium. Gases with low thermal conductivity are nitrogen or argon. The mixture is introduced into the process chamber with such a total pressure and ratio below and / or above the substrate that heat is exchanged with the substrate to a sufficient extent via the thermal conductivity. The temperature control devices, in particular those for cooling the substrate, can therefore be arranged at a short distance above or below the substrate. In the case of a vertical position of the substrate in the process chamber, the two temperature control devices then lie horizontally next to the substrate, the arrangement and shape of the temperature control devices being selected such that the heat transport from or to the substrate takes place uniformly over the entire substrate surface, that there are no significant temperature differences across the substrate surfaces. The temperature control devices and the mixtures of the two gases are preferably set such that, taking into account the heat transport via heat radiation, such amounts of heat are exchanged on both sides per unit of time, so that the internal temperature gradient from the front to the back of the substrate is zero. The mixture preferably flows through a gap which half and / or above the substrate. As a result of this constant gas exchange, a quick change of the gas mixture is possible. By changing the mixing ratio during the heat exchange, it is possible to control the heat flow via the variable thermal conductivity. It is also possible to specifically set the heat balance differently for each surface while accepting the thermal stress. This can also be done by trimming the gas mixture. There is preferably only a relatively thin gas gap on the underside of the substrate. The gas volume is then made sufficiently thin to form a gas cushion on which the substrate rests. The gas cushion can be formed by the gas mixture flow flowing moderately into the volume. The inflowing gas mass is kept so low that there is no significant heat dissipation via the gas mass flow. The substrate can not only be suspended from the gas stream while it is being stored isostatically and isothermally. It can also be driven by the gas flow.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention are explained below with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 grob schematisiert ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit oberhalb und unterhalb des Substrates angeordneten Temperierungseinrichtungen,1 roughly schematized a first embodiment of the invention with temperature control devices arranged above and below the substrate,
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem das Substrat frei auf einem Gaspolster schwebt undFig. 2 shows a second embodiment of the invention, in which the substrate floats freely on a gas cushion and
Fig. 3 der Temperaturverlauf der Temperaturen T1, T2 der beiden Substratoberflächen beim Aufheizen bzw. Abkühlen. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel liegt das Substrat 1 auf La- gerböckchen 10 auf. Diese Lagerböckchen 10 bewirken, dass das Substrat 1 einen Spaltabstandsraum 5 zu einer unteren Temperierungseinrichtung 3 einnimmt. Diese Temperierungseinrichtung 3 kann eine Wärmesenke oder eine Wärmequelle sein. Ebenso kann die oberhalb des Substrats angeordnete Temperierungseinrichtung 2 ebenfalls über einen Spaltzwischenraum 4 vom Substrat 1 beabstandet angeordnete Temperierungseinrichtung 2 eine Wärmesenke oder eine Wärmequelle sein. Die Temperierungseinrichtungen 2 und 3 können auch beide Funktionen übernehmen. Bspw. können sie gekühlte Ober- flächen ausbilden und zu einer anderen Zeit infrarotstrahlend wirken, um einerseits das Substrat durch Wärmeabf hr zu kühlen und andererseits das Substrat durch Wärmezufuhr aufzuheizen.3 shows the temperature profile of the temperatures T1, T2 of the two substrate surfaces during heating or cooling. In the exemplary embodiment shown in FIG. 1, the substrate 1 rests on bearing blocks 10. These bearing blocks 10 cause the substrate 1 to occupy a gap spacing 5 from a lower temperature control device 3. This temperature control device 3 can be a heat sink or a heat source. Likewise, the temperature control device 2 arranged above the substrate can also be a heat sink or a heat source via a gap 4 that is spaced apart from the substrate 1. The temperature control devices 2 and 3 can also perform both functions. For example. they can form cooled surfaces and have an infrared radiation at another time, on the one hand to cool the substrate by heat dissipation and on the other hand to heat the substrate by supplying heat.
■ Durch die Temperierungseinrichtungen 2, 3 führen jeweils Zuleitungen 6, 7. Die Zuleitungen 6, 7 können auch andersartig gestaltet sein. Ihr Ziel ist es, ein Gasgemisch, das bspw. aus Helium und Argon oder Wasserstoff und Stickstoff besteht, in die beiden Spaltzwischenräume 4, 5 einzuleiten. Feed lines 6, 7 lead through the temperature control devices 2, 3. The feed lines 6, 7 can also be designed differently. Their goal is to introduce a gas mixture, which consists, for example, of helium and argon or hydrogen and nitrogen, into the two interstices 4, 5.
In jeden der beiden Spaltzwischenräume 4, 5 wird ein individuelles Gasgemisch aus Wasserstoff und Stickstoff bzw. Helium und Argon stetig eingeleitet. Der Totaldruck der beiden Gasmischungen ist im Wesentlichen gleich. Er ist so hoch, dass die Gase in dem Spaltzwischenraum 4, 5 wärmeleitend wirken. Mit entsprechender Vorgabe ist auch die Spaltbreite der Spaltzwischenräume 4, 5 gewählt.An individual gas mixture of hydrogen and nitrogen or helium and argon is continuously introduced into each of the two gap spaces 4, 5. The total pressure of the two gas mixtures is essentially the same. It is so high that the gases in the gap 4, 5 have a heat-conducting effect. With a corresponding specification, the gap width of the gap spaces 4, 5 is also selected.
Wasserstoff und Stickstoff werden mittels individuellen Massenflussreglern 8, 9 in die jeweilige Zuleitung 6, 7 geleitet. Bei dem in der Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel lagert das Substrat 1 während des Wärmeaustauschens nicht auf den Rand des Substrates 1 unterstützenden Böckchen 10, sondern liegt freischwebend auf einem Gaspolster auf, welches von dem durch die Zuleitung 7 in den Spaltraum 5 eingebrachten Gas- gemisch aufrechterhalten wird. Bspw. brauchen hier lediglich Haltestege 11 vorgesehen zu werden, die das Substrat 1 in Position halten. Diese sind aber nicht zwingend notwendig. Das Substrat kann auch selbstzentrierend auf dem Gaspolster aufliegen.Hydrogen and nitrogen are fed into the respective feed line 6, 7 by means of individual mass flow controllers 8, 9. In the embodiment shown in FIG. 2, the substrate 1 is not supported on the lugs 10 supporting the edge of the substrate 1 during the heat exchange, but lies freely floating on a gas cushion which contains the gas mixture introduced into the gap space 5 through the feed line 7 is maintained. For example. only holding webs 11 need to be provided here, which hold the substrate 1 in position. However, these are not absolutely necessary. The substrate can also be self-centering on the gas cushion.
In der Fig. 2 sind zusätzlich optionale Halteböckchen 10 dargestellt, welche zum Be- oder Entladen der Prozesskammer das Substrat 1 anheben können.In FIG. 2, additional holding brackets 10 are additionally shown, which can raise the substrate 1 for loading or unloading the process chamber.
Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Folgende: Das Substrat 1 kann auf seinen beiden Substratoberflächen unterschiedliche Wärmeemissivitäten besitzen. Dies hat zur Folge, dass bei gleicher Strahlungsleistung der eine Heizungsfunktion ausübenden Temperierungseinrichtungen 2, 3 die Erwärmung der beiden gegenüberliegenden Substratbreitseitenflächen unterschiedlich sein kann. Jedenfalls ist der Wärmezufluss ins Substrat über Wärmestrahlung verschieden hoch. Ähnliche Effekte treten beim Abkühlen des Substrates 1 auf. Die unterschiedlichen Emissivitäten führen dazu, dass imThe device according to the invention functions as follows: The substrate 1 can have different heat emissivities on its two substrate surfaces. The consequence of this is that, with the same radiation power of the temperature control devices 2, 3 performing a heating function, the heating of the two opposite substrate broad side surfaces can be different. In any case, the heat flow into the substrate via heat radiation is of different heights. Similar effects occur when the substrate 1 is cooled. The different emissivities mean that in
Wege der Wärmestrahlung beidseitig unterschiedliche Wärmemengen abgegeben werden. Dies hat zur Folge, dass während des Aufheizens bzw. Abkühlens des Substrates die Substratoberflächen unterschiedliche Temperaturen aufweisen können. Dieser innere Temperaturgradient kann zu unerwünschten Ver- f ormungen führen.Different amounts of heat are emitted on both sides due to the heat radiation. The consequence of this is that the substrate surfaces can have different temperatures during the heating or cooling of the substrate. This internal temperature gradient can lead to undesirable deformations.
In die Spaltzwischenräume 4, 5 unterhalb und oberhalb des Substrates 1 wird ein Gasgemisch aus Wasserstoff und Stickstoff eingeleitet. Dieses Gasgemisch besitzt auf der Substratseite, welche eine hohe Emissivität besitzt, einen großen Stickstoff anteil. Die Gasmischung besitzt dann eine geringe Wärmeleitfähigkeit. Auf der Seite, auf der die Emissivität geringer ist, besitzt die Gasmischung 4 einen höheren Wasserstoff anteil, so dass die Gasmischung dort eine höhere Wärmeleitfähigkeit besitzt. Die Wärme, die zufolge der unterschiedlichen Wärmestrahlung auf der einen Seite weniger abgestrahlt bzw. durch Strahlung zugeführt wird, wird durch eine entsprechende Wärmeabfuhr bzw. Wärmezufuhr über Wärmeleitung kompensiert, so dass die Oberflächentemperaturen auf den beiden Substrat-Breitseitenflächen während des Wärmeaustausches im Wesentlichen gleich bleibt. Dabei kann es erforderlich sein, dass die über die Mas- senflussregler 8, 9 einstellbare Gasmischung während des Aufheiz- oder Abkühlprozesses geändert wird.A gas mixture of hydrogen and nitrogen is introduced into the gap spaces 4, 5 below and above the substrate 1. This gas mixture has a large one on the substrate side, which has a high emissivity Nitrogen content. The gas mixture then has a low thermal conductivity. On the side on which the emissivity is lower, the gas mixture 4 has a higher hydrogen content, so that the gas mixture there has a higher thermal conductivity. The heat, which due to the different heat radiation is less emitted on one side or supplied by radiation, is compensated for by a corresponding heat dissipation or heat supply via heat conduction, so that the surface temperatures on the two broad side surfaces of the substrate remain essentially the same during the heat exchange , It may be necessary to change the gas mixture that can be set via the mass flow controllers 8, 9 during the heating or cooling process.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird mittels des von den Massenflussreglern 8', 9' bereitgestellten Gasflusses ein Gaspolster aufgebaut, auf welchem das Substrat 1 frei schwebt. Ein Wärmeaustausch über Oberflächenkontakt mit Halteböckchen oder dergleichen wird dadurch vermieden. Die Düse, die am Ende der Zuleitung 7 sitzt, kann gerichtet sein, so dass auf das Substrat 1 ein Drehimpuls übertragen wird. Insbesondere sind eine Vielzahl von Düsen sowohl oberhalb als auch unterhalb des Substrates 1 zu bevorzugen. Mittels dieser Düsen kann das Substrat 1 sogar drehangetrieben werden.In the exemplary embodiment shown in FIG. 2, a gas cushion is built up by means of the gas flow provided by the mass flow regulators 8 ', 9', on which the substrate 1 floats freely. This avoids heat exchange via surface contact with holding brackets or the like. The nozzle, which is located at the end of the feed line 7, can be directed so that an angular momentum is transmitted to the substrate 1. In particular, a plurality of nozzles both above and below the substrate 1 are preferred. The substrate 1 can even be driven in rotation by means of these nozzles.
Es kann auch vorteilhaft sein, bei bestimmten Anwendungen die Wärmebilanz auf den beiden Oberflächen gezielt unterschiedlich einzustellen. Dies kann insbesondere dann erwünscht sein, wenn man bewusst thermische Spannungen durch Temperaturunterschiede zwischen Vorder- und Rückseite einstellen will.It can also be advantageous to set the heat balance on the two surfaces in a targeted manner differently in certain applications. This can be particularly desirable if you want to consciously set thermal tensions due to temperature differences between the front and rear.
Während des Prozesses können die Temperaturen der beiden Oberflächen optisch gemessen werden. Einer Temperaturdrift kann durch entsprechendes Ge- gensteuern durch Änderung der Gasmischungszusammensetzung entgegengewirkt werden.The temperatures of the two surfaces can be optically measured during the process. A temperature drift can be countermeasures can be counteracted by changing the gas mixture composition.
Den Verlauf der Temperatur Ti auf der einen Substratoberfläche und der Tem- peratur T2 auf der anderen Substratoberfläche beim Aufheizen, Wärmebehandeln und Abkühlen zeigt die Fig. 3. Dabei ist der Verlauf der Temperatur Ti mit einer durchgezogenen und der Verlauf der Temperatur T2 mit einer gestrichelten Linie dargestellt. Die beiden Linien liegen nahezu in Deckung. Dies ist eine Folge des optimierten Trimms der Wärmezufuhr zu den beiden Substrat- breitseiten mittels Wärmestrahlung einerseits und geregelter Wärmeleitung andererseits. Auch der Abkühlprozess erfolgt über Wärmeabstrahlung bzw. Wärmeableitung. Auch dabei ist die Wärmeleitung geregelt.The course of the temperature Ti on one substrate surface and the temperature T 2 on the other substrate surface during heating, heat treatment and cooling is shown in FIG. 3. The course of the temperature Ti is solid and the course of the temperature T 2 shown by a dashed line. The two lines are almost in line. This is a consequence of the optimized trimming of the heat supply to the two broad sides of the substrate by means of heat radiation on the one hand and controlled heat conduction on the other. The cooling process also takes place via heat radiation or heat dissipation. The heat conduction is also regulated here.
Alle offenbarten Merkmale sind (für sich) erfindungswesentlich. In der Offen- barung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen. All of the features disclosed are (in themselves) essential to the invention. In the disclosure of the application, the disclosure content of the associated / attached priority documents (copy of the prior application) is hereby also included in full, also for the purpose of including features of these documents in claims of the present application.

Claims

ANSPRÜCHE EXPECTATIONS
1. Verfahren zur insbesondere kurzfristigen thermischen Behandlung von insbesondere flachen Gegenständen, wie Halbleiter-, Glas- oder Metall- Substrate, welchen beidseitig zumindest teilweise durch Wärmeleitung über ein wärmeleitendes Medium Wärme zu- oder abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass als wärmeleitendes Medium eine Mischung aus zumindest zwei Gasen mit stark verschiedener Wärmeleitfähigkeit verwendet wird und die Mischung auf beiden Seiten des Substrates (1) derart indivi- duell eingestellt wird, dass unter Berücksichtigung des jeweiligen Warmeaustauschs über Wärmestrahlung die jeweilige Oberflächentemperatur zeitlich kontrolliert ist.1. A method for, in particular, short-term thermal treatment of, in particular, flat objects, such as semiconductor, glass or metal substrates, to which heat is at least partially supplied or removed on both sides by heat conduction via a heat-conducting medium, characterized in that a mixture is used as the heat-conducting medium from at least two gases with very different thermal conductivity is used and the mixture on both sides of the substrate (1) is adjusted so individually that the respective surface temperature is controlled in time, taking into account the respective heat exchange via thermal radiation.
2. Vorrichtung zur insbesondere kurzzeitigen thermischen Behandlung von insbesondere flachen Gegenständen, wie Halbleiter-, Glas- oder Metallsubstrate, mit beidseitig der Substratoberflächen angeordneten Temperierungseinrichtungen (2, 3) zum Wärmeaustausch mit dem Substrat (1), welcher Wärmeaustausch zumindest teilweise durch Wärmeleitung über ein wärmeleitendes Medium erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass das wär- meleitende Medium eine Mischung aus zumindest zwei Gasen mit stark verschiedener Wärmeleitfähigkeit ist und die Mischung auf beiden Substratseiten individuell einstellbar ist.2. Device for in particular short-term thermal treatment of in particular flat objects, such as semiconductor, glass or metal substrates, with temperature control devices (2, 3) arranged on both sides of the substrate surfaces for heat exchange with the substrate (1), which heat exchange at least partially by heat conduction via a thermally conductive medium, characterized in that the thermally conductive medium is a mixture of at least two gases with very different thermal conductivity and the mixture is individually adjustable on both sides of the substrate.
3. Verfahren oder Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehen- den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur beim Temperieren auf beiden Seiten gleich ist. 3. The method or device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the temperature during tempering is the same on both sides.
4. Verfahren oder Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur beim Temperieren auf beiden Seiten unterschiedlich groß ist.4. The method or device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the temperature during tempering is different on both sides.
5. Verfahren oder Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gase Wasserstoff- und Stickstoff bzw. Helium und Argon sind.5. The method or device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the gases are hydrogen and nitrogen or helium and argon.
6. Verfahren oder Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehen- den Ansprüche, gekennzeichnet durch einen stetigen in einen Spaltzwischenraum (4, 5) zwischen Temperierungseinrichtung (2, 3) und Substrat (1) einfließenden Gasfluss.6. The method or device according to one or more of the preceding claims, characterized by a continuous gas flow flowing into a gap (4, 5) between the temperature control device (2, 3) and the substrate (1).
7. Verfahren oder Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehen- den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasflussregelung über7. The method or device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the gas flow control over
Massenflussregler (8, 9; 8', 9') erfolgt.Mass flow controller (8, 9; 8 ', 9') takes place.
8. Verfahren oder Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) auf einem von dem der Substratunterseite zugeordneten Gasstrom gebildeten Gaspolster freischwebend gelagert ist.8. The method or device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the substrate (1) is freely suspended on a gas cushion formed by the gas stream assigned to the underside of the substrate.
9. Verfahren oder Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) von dem das wärmeleitende Medium ausbildenden Gasstrom freischwebend drehangetrieben ist. 9. The method or device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the substrate (1) is driven in a freely floating manner by the gas stream forming the heat-conducting medium.
10. Verfahren oder Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierung eine Wärmeabfuhr oder eine Wärmezufuhr ist.10. The method or device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the temperature control is a heat dissipation or a heat supply.
11. Verfahren oder Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Gaszusammensetzung bzw. der Gasdruck zeitlich während des Wärmeaustausches ändert.11. The method or device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the gas composition or the gas pressure changes over time during the heat exchange.
12. Verfahren oder Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehen- den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Massenfluss des wärmeleitenden Mediums in die Spaltzwischenräume (4, 5) derart gering ist, dass die über den Gasmassenfluss ab- oder zugeführte Wärmemenge wesentlich kleiner ist als die über Wärmeleitung zu- oder abgeführte Wärme. 12. The method or device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the mass flow of the heat-conducting medium into the gap spaces (4, 5) is so small that the amount of heat removed or supplied via the gas mass flow is significantly smaller than the heat added or removed via heat conduction.
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