WO2013120696A1 - Verfahren zum abkühlen von scheiben aus halbleitermaterial - Google Patents

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WO2013120696A1
WO2013120696A1 PCT/EP2013/051840 EP2013051840W WO2013120696A1 WO 2013120696 A1 WO2013120696 A1 WO 2013120696A1 EP 2013051840 W EP2013051840 W EP 2013051840W WO 2013120696 A1 WO2013120696 A1 WO 2013120696A1
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semiconductor material
heat sink
ring
disk
plate
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PCT/EP2013/051840
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Inventor
Hannes Hecht
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Siltronic Ag
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Publication date
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B33/00—After-treatment of single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure
    • C30B33/02—Heat treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/56—After-treatment
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a method for cooling hot slices of semiconductor material, for example, after an epitaxial process, wherein the disc is protected from semiconductor material during the cooling process from metal contamination.
  • Semiconductor material e.g. Silicon
  • Semiconductor material e.g. Silicon
  • Produce semiconductor material by a process sequence which is essentially the pulling of a single crystal of a melt of semiconductor material, a separation of the single crystal into slices (for example by means of a wire saw), a
  • a method of manufacturing a wafer of semiconductor material is
  • a surface of the wafer of semiconductor material may be epitaxially coated for specific applications. This can either be with one
  • monocrystalline layer of the same semiconductor material from which the substrate is made (homoepitaxial coating, for example a monocrystalline silicon layer on a silicon substrate) happen, or with a layer whose Material differs from the substrate (heteroepitaxial coating).
  • Epitaxial reactors which are used in particular in the semiconductor industry for depositing an epitaxial layer on a wafer of semiconductor material are described, for example, in EP 0 445 596 B1 and US Pat
  • lamps or lamp banks heated for example, lamps or lamp banks heated
  • a gas mixture consisting of a source gas, a carrier gas and optionally a doping gas.
  • a susceptor which consists for example of graphite, silicon carbide or quartz.
  • the disk of semiconductor material lies during the
  • Semiconductor material which is usually not deposited, to protect from the source gas.
  • passively cooling devices via radiation are preferably used for cooling hot disks of semiconductor material after epitaxy.
  • Disk of semiconductor material, onto another object, e.g. a cooling element (heat sink) is transmitted, among other things, determined both by the temperature difference between the two objects and the distance between the two objects to each other.
  • a cooling element heat sink
  • semiconductor material after epitaxy also depends on the thermal conductivity or thermal capacity of the heat sink, i. how well and how much thermal radiation the heat sink can absorb. With a sufficient amount of thermal conductivity or thermal capacity of the heat sink, i. how well and how much thermal radiation the heat sink can absorb. With a sufficient amount of thermal radiation the heat sink can absorb.
  • Heat sinks made of steel, copper, brass or aluminum are preferably manufactured.
  • the metal can still be mixed with another metal, e.g. Nickel, plated.
  • Reactor space very close (0.2 - 3 mm) are moved to a surface acting as a heat sink, so that the surface of the
  • Heat radiation can absorb the disc.
  • the hot epitaxial disk of semiconductor material is positioned between two heat sinks, that the distance between the disc and the two
  • Heat sinks is very low (0.2 - 3 mm).
  • the hot epitaxial disk is made
  • the hot disks of semiconductor material are slightly curved due to the heat during the epitaxial process and "jump" on cooling back to its original (planar) shape due to the very low for optimal heat transfer distance between the hot disk
  • Semiconductor material can come.
  • the object of the invention was to provide a cost-effective and effective method for cooling at least one hot disk of semiconductor material, which makes it possible for the at least one slice of semiconductor material during the cooling process before a possible
  • the object is achieved by a method for cooling a hot disk of semiconductor material (5), comprising
  • a first plate (1) which consists of a
  • Material is made, which does not contaminate the disc (5) when touched, and between the plate (1) and a side surface of the disc (5) is a distance h.
  • Example but can also be used for the cooling of several slices of semiconductor material, the
  • Rapid Thermal Processing such as Rapid Thermal Annealing (RTA) or Rapid Thermal Oxidation (Rapid Thermal
  • Fig. 1 shows the average cooling rates of silicon wafers as a function of time.
  • Fig. 2a shows the top view of a circular surface of a heat sink covering plate 1, which of a
  • the ring 2 preferably has on the
  • the ring 2 can rest on the plate 1 (FIG. 2 b) on the flat surface 3 of FIG
  • Heatsink 4 rest (Fig. 2c) or in an outer
  • annular recess having a surface 3a in the
  • Fig. 3 shows schematically preferred embodiments of serving for supporting the disc of semiconductor material 5 ring 2 with a lying on the inside ring recess (pocket) 2a for receiving the disc of semiconductor material 5, wherein the support surface 2a a) flat, b) convex or c ) is inclined to the ring inside with an inclination angle (relative to the surface of the heat sink). Between the plate 1 and the opposite side of the plate 1 of resting on the support surface 2a disc of semiconductor material 5 is a
  • FIG. 4 schematically shows, by way of example, two embodiments for cooling a slice of semiconductor material 5 between two heat sinks 4, wherein the slice of semiconductor material 5 is horizontal on a ring 2 during the cooling process
  • the approximately 400-950 ° C hot disk of semiconductor material is preferably rearranged with a gripper robot under a protective gas atmosphere for cooling in a cooling station.
  • the cooling station can be located both in the reactor space of the Epi reactor and outside, but connected to the Epi reactor.
  • the cooling station for cooling the hot, epitaxial disks of semiconductor material adjacent to the actual reactor space is standard.
  • the cooling station of the Applied Materials Epi reactor consists of one with a coolant, e.g. Water,
  • Semiconductor material are placed on these quartz pins to prevent contact and thus contamination between the disc of semiconductor material and heat sink.
  • a cooling station preferably consists essentially of a closed space in which there is at least one metal body (heat sink) 4 through which a coolant flows, which is the heat energy of the at least one hot one
  • Slice of semiconductor material 5 receives and releases to the coolant.
  • the heat sink 4 made of nickel-plated aluminum or stainless steel.
  • a heat sink 4 with a flat surface 3 is preferred.
  • the planar surface 3 of the heat sink 4 is during the
  • the surface 3 of the heat sink 4 and the front or the back of the disc to be cooled semiconductor material 5 parallel to each other.
  • the surface 3 of the heat sink 4 is round and has the same diameter as the disc to be cooled
  • the diameter of the surface 3 of the heat sink 4 is greater than the diameter of the cooling disc of semiconductor material 5.
  • any other external shape of the surface 3 of the heat sink 4 is preferred, the surface 3 in its smallest cross-section Q at least the diameter of the
  • cooling disc of semiconductor material 5 corresponds.
  • the coolant used is preferably water. Likewise preferred is the addition of additives, for example glycol, to the coolant.
  • the disc can be easily cooled.
  • Semiconductor material 5 are also positioned horizontally between two heat sinks 4 so that the disc out
  • pins which are preferably made of quartz and have a height h, above the surface 3 of a first lower
  • Heat sink 4 is stored and above the disc of semiconductor material 5, a second heat sink 4 is located at a distance h x , wherein the distance h x preferably corresponds to the height h of the quartz pins.
  • the prior art wafer is brought close to a heat sink 4 by means of a suitable carrier, the wafer of semiconductor material not touching the heat sink 4 and the front or back side of the wafer made of semiconductor material preferably parallel to
  • the wafer of semiconductor material 5 can also be vertical
  • Semiconductor material are each located at an equal distance h or h x parallel to the surfaces 3 of the two heat sink 4. In general, the contact is the hot disk
  • Disc of semiconductor material 5 the possibly coming into contact metallic surface of the heat sink 4 is covered with a plate 1.
  • the cover of the heat sink must fulfill two tasks. On the one hand, the cover must not have a negative influence on the cooling process, including the cooling rate of the hot disk of semiconductor material 5, and on the other hand, the
  • the plate 1 is made to cover the surface 3 of a heat sink 4 made of silicon or sapphire. Both materials do not appreciably affect the cooling rate of the hot semiconductor material slices 5, as extensive experiments by the inventors have shown ( Figure 1).
  • the thickness of the plate 1 for covering the heat sink is preferably 0.05-2 mm, more preferably 0.2-1 mm.
  • the size of the heat sink 4 is preferably chosen such that a suitably dimensioned heat sink 4 has a surface 3 suitably dimensioned with respect to the diameter of the disk of semiconductor material 5, which during the
  • Semiconductor material 5 is opposite at a distance h.
  • Diameter D of this circular surface 3 is preferably larger than the diameter of the disc to be cooled
  • Semiconductor material 5 is.
  • Heat sink 4 during the cooling process of a page a disc of semiconductor material 5 is opposite, covered by a suitably shaped plate 1.
  • the plate 1 is flat on the top 3 of the heat sink (Fig. 2b
  • Heatsink 4 a circular plate 1 to the cover
  • the diameter of the plate 1 for covering the surface 3 of the heat sink 4 preferably corresponds to the diameter D of the circular surface 3 (FIG. 2b).
  • the diameter of the plate 1 for covering the surface 3 of the heat sink 4 preferably corresponds to the diameter D of the circular surface 3 (FIG. 2b).
  • the diameter of the heat sink 4 is particularly preferred
  • Plate 1 selected to cover the heat sink 4 is slightly smaller than the diameter D of the circular surface 3, so that, in a centered support of the plate 1 on the disc of semiconductor material 5 facing surface 3 of
  • Heatsink 4 an uncovered edge strip of metal remains.
  • the diameter D of the circular surface 3 of the heat sink 4 is, for example, 310 mm
  • the diameter of the plate for covering is, for example, 295 mm.
  • a heat sink 4 with a circular surface 3 with a diameter of 310 mm, for example, is suitable for Cooling of discs of semiconductor material with a diameter of up to 300 mm.
  • example has a width of 15 mm, a ring 2 is placed, which serves as a bearing surface for the hot disk
  • the inner diameter of the ring 2 is in this other
  • the ring 2 is made of silicon carbide (SiC) or sapphire.
  • the thickness (height) of the ring 2 is preferably selected such that the ring 2 has a greater thickness than the plate 1, which lies on the surface 3 of the heat sink 4 facing the disk of semiconductor material 5. This ensures that, when a slice of semiconductor material 5 is applied to the ring 2, the slice of semiconductor material 5 is at a distance h from the plate 1.
  • the thickness (height) of the ring is preferably 0.5 to 10 mm, particularly preferably 0.5 to 5 mm.
  • Semiconductor material is preferably flat (planar) (FIG. 3a) or convex (FIG. 3b), particularly preferably inclined towards the inner side of the ring (FIG. 3c).
  • a ring surface inclined toward the support surface 2a wherein the inclination angle, based on the surface 3 of the heat sink 4, preferably between 0.1 to 30 °, more preferably between 1 to 10 °.
  • the contact surface between the ring 2 and the disc of semiconductor material 5 minimal.
  • the height h is preferably 0.1 to 5 mm, particularly preferably 0.1 to 2 mm.
  • Semiconductor material 5 faces, a circumferential
  • Recess of the heat sink 4 is, preferably corresponds to the inner diameter of this circumferential recess of the heat sink 4, so that the ring 2 is secured by the increased compared to the recessed surface 3a inner surface 3 of the heat sink 4 against slipping.
  • Recess raised surface 3 of the heat sink 4 is covered in this embodiment with the plate 1, wherein the plate 1 is flush with the inner edge of the ring 2 (Fig. 2d).
  • Heatsink 4 lying ring 2 is chosen so that a resting on the ring disc of semiconductor material 5 by the height h is higher than the surface of the plate 1, which lies on the surface 3 of the heat sink 4.
  • the thickness (height) of the ring is preferably 0.5 to 10 mm, particularly preferably 0.5 to 5 mm.
  • the height h is preferably 0.1 to 5 mm, particularly preferably 0.1 to 2 mm.
  • the outer diameter of the ring 2 preferably corresponds to the
  • Diameter D of the surface 3 of the heat sink 4 so that the ring 2 flush with the surface 3 of the heat sink. 4
  • the ring 2 is screwed to the heat sink 4. Also preferred is a fixation of the ring 2 by
  • the surface of the ring 2 additionally has a circumferential (annular) recess 2a (pocket) on the
  • Semiconductor material 5 can be inserted and thus serves as a support surface for the disc of semiconductor material 5.
  • the width of the circumferential recess 2a on the inner ring side is characterized by an inner diameter (corresponds to the
  • the outer diameter d of this circumferential recess 2a on the inside of the ring is slightly larger than the diameter of the disk of semiconductor material 5, which is to be placed in this recess of the ring 2.
  • the outer diameter d is the circumferential
  • Recess 2a on the inside of the ring for receiving a disk of semiconductor material 5 with a diameter of 300 mm, preferably in a range of 302 - 320 mm, especially preferably in a range of 302 to 305 mm, wherein the
  • Support surface 2a in the annular recess preferably has a width of 2 to 5 mm.
  • semiconductor material 5 may be planar (FIG. 3 a), convex (FIG. 3 b) or inclined towards the inside of the ring (FIG. 3 c).
  • a ring surface inclined toward the support surface 2a wherein the inclination angle, based on the surface 3 of the heat sink 4, preferably between 0.1 ° and 30 °, more preferably between 1 ° and 10 °.
  • the inclination angle based on the surface 3 of the heat sink 4 preferably between 0.1 ° and 30 °, more preferably between 1 ° and 10 °.
  • the ring 2 is provided with channels (holes) and or recesses in the surface, so that the
  • Gas space which is located between the disc of semiconductor material 5 and the surface of the heat sink covering plate 1 with the height h, is in contact with the gas space of the cooling station.
  • bearing surfaces 2a of the ring sections corresponds to the shapes shown in FIG.
  • the hot disk of semiconductor material 5 can be cooled in an economically acceptable time to the extent that it for the other
  • Embodiment of the inventive method for cooling hot slices of semiconductor material 5 is carried out the
  • the above-described embodiments of the plate 1 for covering the heat sink and the ring 2 as a support surface for the disc of semiconductor material 5 are preferred for the lower heat sink 4.
  • the surface 3 of the second (upper) heat sink 4 facing the wafer of semiconductor material 5 is covered with a plate 1 of silicon or sapphire.
  • the thickness of the plate 1 for covering the heat sink is preferably 0.05-2 mm, more preferably 0.2-1 mm.
  • the plate 1 for covering the second heat sink 4 is preferably fixed with non-metallic screws or bolts on the surface 3 of the heat sink 4. Also preferred is the sticking of the plate. 1
  • the hot disk of semiconductor material 5 is in this case
  • Heatsink 4 which is preferably flowed through with a cooling medium, down to a height h x on the upper side of the disc of semiconductor material 5 lowered.
  • the hot disk is off
  • Semiconductor material 5 is inserted with a robot arm on the ring 2 or in the support surface 2a of the ring 2, and a second heat sink 4, which is preferably flowed through with a cooling medium, already at a height h x above the upper side of the disc of semiconductor material. 5 located.
  • the distance h x corresponds to the distance h, so that the distance between the respective surfaces 3 of
  • Heatsink 4 covering plates 1 and the corresponding
  • the distance h and h x 0.1 to 5 mm, particularly preferably 0.1 to 2 mm.
  • the second (upper) heat sink 4 made of the same material as the lower heat sink 4 and also corresponds in its dimensions and shape of the lower heat sink 4, so that on both sides
  • Semiconductor material 5 is ensured to the two heat sinks 4.
  • water is preferably used. Also preferred is the addition of additives such as glycol to the coolant.
  • At least one hot disk of semiconductor material 5 wherein the disc of semiconductor material 5 on a ring 2 or rests on a support surface 2a of the ring 2, not limited to a horizontal orientation of the disc of semiconductor material 5 and the at least one heat sink 4, but may also for any other inclined
  • Positions (0 - 90 ° with respect to a horizontal surface) are applied.
  • the distance h is preferably 0.1 to 5 mm, particularly preferably 0.1 to 2 mm.
  • the heat sink 4 made of nickel-plated aluminum or stainless steel.
  • the size of the heat sink 4 is preferably selected such that a suitably dimensioned heat sink 4 has a surface 3, suitably dimensioned with respect to the diameter of the disk of semiconductor material 5, which has a surface 3 during the process
  • Semiconductor material 5 is opposite at a distance h.
  • Semiconductor material 5 is opposite, is covered with a plate 1 of silicon or sapphire.
  • the shape or diameter of the plate 1 corresponds to the shape or diameter of the surface 3 of the heat sink 4.
  • the plate 1 for covering the surface 3 of the heat sink 4 is preferably made with non-metallic screws or bolts on Heatsink 4 attached. Also preferred is the sticking of the plate. 1
  • the thickness of the plate 1 for covering the second heat sink is preferably 0.05-2 mm, more preferably 0.2-1 mm.
  • water is preferably used. Also preferred is the addition of additives such as glycol to the coolant.
  • the hot wafer of semiconductor material with a suitable carrier is vertical or at any inclination (with respect to a horizontal surface) between two, each with a plate 1 made of silicon or sapphire covered surfaces 3 of metal heat sinks 4, both preferably of one
  • Coolants are flowed through, centered with a distance h or h x positioned.
  • h h x .
  • the distance h and h x 0.1 to 5 mm, particularly preferably 0.1 to 2 mm.
  • both heat sinks 4 are preferably made of the same material and are in theirs
  • Semiconductor material 5 is ensured to the two heat sinks 4.
  • both heatsinks 4 are made of nickel-plated
  • the thickness of the plate for covering the second heat sink is preferably 0.05-2 mm, more preferably 0.2 mm.
  • coolant for the heat sink water is preferably used.
  • additives for example glycol

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Abstract

Verfahren zum Abkühlen von Scheiben aus Halbleitermaterial Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Abkühlen von heißen Scheiben aus Halbleitermaterial, beispielsweise nach einem Epitaxieprozess, bei der die Scheibe aus Halbleitermaterial während des Abkühlprozesses vor einer Metallkontamination geschützt ist.

Description

Verfahren zum Abkühlen von Scheiben aus Halbleitermaterial
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abkühlen von heißen Scheiben aus Halbleitermaterial, beispielsweise nach einem Epitaxieprozess , bei der die Scheibe aus Halbleitermaterial während des Abkühlprozesses vor einer Metallkontamination geschützt ist. Epitaktisch beschichtete (epitaxierte) Scheiben aus
Halbleitermaterial, z.B. Silicium, eignen sich für die
Verwendung in der Halbleiterindustrie, insbesondere zur
Fabrikation von hochintegrierten elektronischen Bauelementen wie z.B. Mikroprozessoren oder Speicherchips. Für die moderne Mikroelektronik werden Ausgangsmaterialien (Substrate)
benötigt, die, neben den hohen Anforderungen unter anderem an globale und lokale Ebenheit sowie Defektfreiheit, nicht durch Fremdstoffe, z.B. Metalle, kontaminiert sind. Nach dem Stand der Technik lässt sich eine Scheibe aus
Halbleitermaterial durch eine Prozessfolge herstellen, die im Wesentlichen das Ziehen eines Einkristalls aus einer Schmelze aus Halbleitermaterial, ein Auftrennen des Einkristalls in Scheiben (beispielsweise mittels einer Drahtsäge) , ein
Verrunden der mechanisch empfindlichen Kanten der Scheiben, die Durchführung eines Abrasivschrittes wie Schleifen oder Läppen, sowie eine abschließende Politur umfasst. Ein Verfahren zur Herstellung einer Scheibe aus Halbleitermaterial ist
beispielsweise in der Anmeldeschrift DE 2906470 AI beschrieben.
Nach der abschließenden Politur einer oder beider Seiten der Scheibe aus Halbleitermaterial kann für spezielle Anwendungen eine Oberfläche der Scheibe aus Halbleitermaterial epitaktisch beschichtet werden. Dies kann entweder mit einer
einkristallinen Schicht aus demselben Halbleitermaterial aus dem das Substrat besteht (homoepitaktische Beschichtung, beispielsweise eine einkristalline Siliciumschicht auf einem Siliciumsubstrat ) geschehen, oder mit einer Schicht, dessen Material sich vom Substrat unterscheidet (heteroepitaktische Beschichtung) .
Epitaxiereaktoren (Epi-Reaktoren) , die insbesondere in der Halbleiterindustrie zum Abscheiden einer epitaktischen Schicht auf einer Scheibe aus Halbleitermaterial verwendet werden, sind beispielsweise in den Schriften EP 0 445 596 Bl und US
2008/0182397 AI beschrieben. Während sämtlicher Prozessschritte werden eine oder mehrere Scheiben aus Halbleitermaterial mittels Heizquellen,
vorzugsweise mittels oberen und unteren Heizquellen,
beispielsweise Lampen oder Lampenbänken erwärmt und
anschließend einem Gasgemisch, bestehend aus einem Quellengas, einem Trägergas und gegebenenfalls einem Dotiergas, ausgesetzt.
Als Auflage für die Scheibe aus Halbleitermaterial in einer Prozesskammer des Epitaxiereaktors dient ein Suszeptor, der beispielsweise aus Graphit, Siliciumcarbid oder Quarz besteht. Die Scheibe aus Halbleitermaterial liegt während des
Abscheideprozesses auf diesem Suszeptor oder in Ausfräsungen des Suszeptors auf, um eine gleichmäßige Erwärmung zu
gewährleisten und um die Rückseite der Scheibe aus
Halbleitermaterial, auf der üblicherweise nicht abgeschieden wird, vor dem Quellengas zu schützen.
Bei Scheiben aus Halbleitermaterial mit größeren Durchmessern (größer oder gleich 150 mm) werden üblicherweise
Einzelscheibenreaktoren verwendet und die Scheiben aus
Halbleitermaterial einzeln prozessiert, da sich dabei eine gute Gleichförmigkeit der epitaktisch abgeschiedenen Schichtdicken ergibt .
Verfahren zur Herstellung von epitaxierten Siliciumscheiben sind beispielsweise in den Schriften DE 10025871 AI sowie DE 102005045339 B4 beschrieben. Nach der epitaktischen Beschichtung werden die noch heißen Scheiben aus Halbleitermaterial in einer Kühlstation unter Schutzgasatmosphäre abgekühlt. Die Patentschrift US 5,902,393 lehrt ein Verfahren zum Abkühlen von epitaxierten Scheiben aus Halbleitermaterial mit einem Wasserstoff-freien Trägergas.
Nachteilig bei der Kühlung einer heißen Scheibe aus
Halbleitermaterial mit einem Kühlgas ist sowohl die Gefahr der
Verunreinigung der Oberflächen durch Partikelaufwirbelung als auch die durch die Strömung bedingte ungleichmäßige Abkühlung.
Bevorzugt werden daher passiv kühlende Einrichtungen (über Strahlung) zur Abkühlung heißer Scheiben aus Halbleitermaterial nach der Epitaxie eingesetzt. Dabei wird die Geschwindigkeit, mit der die Wärme von einem Objekt, z.B. der epitaxierten
Scheibe aus Halbleitermaterial, auf ein anderes Objekt, z.B. ein Kühlelement (Kühlkörper) , übertragen wird unter anderem sowohl von der Temperaturdifferenz zwischen den zwei Objekten als auch dem Abstand beider Objekte zueinander bestimmt. Je größer die Temperaturdifferenz zwischen den zwei Objekten ist und je kleiner der Abstand beider Objekte zueinander ist, desto schneller findet ein Temperaturausgleich statt.
Die Geschwindigkeit der Abkühlung heißer Scheiben aus
Halbleitermaterial nach der Epitaxie hängt zusätzlich auch noch von der Wärmeleitfähigkeit bzw. die thermische Kapazität des Kühlkörpers ab, d.h. wie gut und wie viel Wärmestrahlung der Kühlkörper aufnehmen kann. Bei einem ausreichend
dimensionierten Kühlkörper ist dessen Wärmekapazität größer als die aufzunehmende Wärmeenergie der abzukühlenden Scheibe aus Halbleitermaterial .
Bevorzugt werden Kühlkörper aus Stahl, Kupfer, Messing ode Aluminium gefertigt. Dabei kann das Metall noch mit einem anderen Metall, z.B. Nickel, überzogen werden.
Die Schrift WO 0016380 AI beschreibt ein Verfahren zur
Abkühlung heißer epitaxierter Scheiben aus Halbleitermaterial von einer ersten Temperatur auf eine zweite Temperatur direkt in der Prozesskammer. Hierzu kann - in einer Ausführung des Verfahrens - die auf einem Träger befestigte Scheibe im
Reaktorraum sehr nah (0,2 - 3 mm) an eine als Wärmesenke wirkende Fläche bewegt werden, so dass die Fläche die
Wärmestrahlung der Scheibe aufnehmen kann.
In einer anderen Ausführung des in der Schrift WO 0016380 AI beschriebenen Verfahrens wird die heiße epitaxierte Scheibe aus Halbleitermaterial so zwischen zwei Kühlkörpern positioniert, dass der Abstand zwischen der Scheibe und den beiden
Kühlkörpern sehr gering ist (0,2 - 3 mm) .
In einer weiteren in der Schrift WO 0016380 AI beschriebenen Ausführungsform wird die heiße epitaxierte Scheibe aus
Halbleitermaterial auf mindestens 3 Stiften (pins) horizontal in einer Kühlstation außerhalb des Reaktorraumes gelagert und ein bevorzugt kontinuierlich gekühlter Kühlkörper oberhalb der heißen Scheibe in einem geringen Abstand (0,2 - 3 mm)
positioniert.
Die heißen Scheiben aus Halbleitermaterial sind aufgrund der Hitzeeinwirkung während des Epitaxieprozesses leicht gewölbt und „springen" beim Abkühlen in ihre ursprüngliche (ebene) Form zurück. Aufgrund des für einen optimalen Wärmeüberganges sehr geringen Abstandes zwischen der heißen Scheibe aus
Halbleitermaterial und dem Kühlkörper (Kühlelement) besteht die Gefahr, dass die heiße epitaxierte Scheibe aus
Halbleitermaterial während des „Springens" mit der Oberfläche eines Kühlkörpers in Kontakt kommt und es somit zu einer unerwünschten Metallkontamination der Scheibe aus
Halbleitermaterial kommen kann.
Untersuchungen der Erfinder haben gezeigt, dass die Berührung der Scheibe aus Halbleitermaterial mit der Oberfläche des
Kühlkörpers auch bei der horizontalen Positionierung der
Scheibe auf Quarzstiften in der Kühlstation, wie beispielsweise in der Patentschrift WO 0016380 AI beschrieben, auftreten kann. Die Aufgabe der Erfindung bestand darin, ein kostengünstiges und effektives Verfahren zur Abkühlung mindestens einer heißen Scheibe aus Halbleitermaterial zur Verfügung zu stellen, das es ermöglicht, die mindestens eine Scheibe aus Halbleitermaterial während des Abkühlprozesses vor einer möglichen
Metallkontamination zu schützen, ohne den Abkühlprozess der Scheibe aus Halbleitermaterial negativ zu beeinflussen. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Abkühlen einer heißen Scheibe aus Halbleitermaterial (5) , umfassend das
Bereitstellen eines ersten Kühlkörpers (4), der Wärmestrahlung, die von der Scheibe abgegeben wird, aufnimmt und das
Positionieren der Scheibe gegenüber einer Oberfläche (3) des ersten Kühlkörpers (4), dadurch gekennzeichnet, dass die
Oberfläche (3) durch eine erste Platte (1), die aus einem
Material gefertigt ist, das die Scheibe (5) bei Berührung nicht verunreinigt, bedeckt ist und zwischen der Platte (1) und einer Seitenfläche der Scheibe (5) ein Abstand h besteht.
Die Erfindung wird nachfolgend am Beispiel einer in einem
Einzelscheibenreaktor epitaktisch beschichteten Scheibe aus Halbleitermaterial detailliert erläutert. Das erfindungsgemäße Verfahren beschränkt sich nicht nur auf das erläuternde
Beispiel, sondern kann auch für die Abkühlung von mehreren Scheiben aus Halbleitermaterial verwendet werden, die
beispielsweise in Mehrscheibenreaktoren epitaktisch beschichtet wurden oder im Rahmen des Herstellungsprozesses erhitzt worden sind. Hier sind beispielsweise die schnellen thermischen
Bearbeitungsprozesse (Rapid Thermal Processing, RTP) wie die schnelle thermische Ausheilung (Rapid Thermal Annealing, RTA) oder die schnelle thermische Oxidation (Rapid Thermal
Oxidation, RTO) zu nennen. Zusätzlich wird das erfindungsgemäße Verfahren mit Hilfe der Fig. 1 bis 4 beschrieben, wobei bei den Darstellungen aus
Gründen der Übersichtlichkeit die einzelnen Größenverhältnisse unbeachtet geblieben und nicht maßstabsgerecht wiedergegeben sind .
Fig. 1 zeigt die durchschnittlichen Abkühlraten von Scheiben aus Silicium als Funktion der Zeit. Die untere Linie gibt die Abkühlrate von Siliciumscheiben wieder, die sich im Abstand h = 0,3 mm von einem nicht abgedeckten Kühlkörper befunden haben, wohingegen die obere Linie die Abkühlrate von Siliciumscheiben wiedergibt, die sich im Abstand h = 0,3 mm von einem mit einer Siliciumplatte (Dicke 0,8 mm) abgedeckten Kühlkörperoberfläche befunden haben.
Fig. 2a zeigt die Aufsicht auf eine die kreisförmige Oberfläche eines Kühlkörpers abdeckende Platte 1, die von einem
umlaufenden Ring 2 mit einem Außendurchmesser D formschlüssig begrenzt ist. Der Ring 2 besitzt bevorzugt auf der
Ringinnenseite eine umlaufende Vertiefung 2a mit einem
Außendurchmesser d, in die eine nicht gezeigte Scheibe aus Halbleitermaterial mit einem geeigneten Durchmesser gelegt wird, und sich die Scheibe aus Halbleitermaterial in einem
Abstand h zur Platte 1 befindet. Der Ring 2 kann auf der Platte 1 aufliegen (Fig. 2b), auf der planen Oberfläche 3 des
Kühlkörpers 4 aufliegen (Fig. 2c) oder in einer äußeren
ringförmigen Vertiefung mit einer Oberfläche 3a in der
Oberfläche 3 des Kühlkörpers 4 aufliegen (Fig. 2d) .
Fig. 3 zeigt schematisch bevorzugte Ausführungsformen des zur Auflage der Scheibe aus Halbleitermaterial 5 dienenden Ringes 2 mit einer auf der Ringinnenseite liegenden Vertiefung (Pocket) 2a zur Aufnahme der Scheibe aus Halbleitermaterial 5, wobei die Auflagefläche 2a a) eben, b) konvex oder c) zur Ringinnenseite mit einem Neigungswinkel (bezogen auf die Oberfläche des Kühlkörpers) hin geneigt ist. Zwischen der Platte 1 und der der Platte 1 gegenüberliegenden Seite der auf der Auflagefläche 2a aufliegenden Scheibe aus Halbleitermaterial 5 besteht ein
Abstand h. Fig. 4 zeigt schematisch beispielhaft zwei Ausführungsformen zur Abkühlung einer Scheibe aus Halbleitermaterial 5 zwischen zwei Kühlkörpern 4, wobei die Scheibe aus Halbleitermaterial 5 während des Abkühlprozesses horizontal auf einem Ring 2
aufliegend zwischen einem oberen und einem unteren jeweils mit einer geeignet dimensionierten Platte 1 abgedeckten Kühlkörper 4 positioniert wird (Fig. 4a) oder vertikal zwischen einem linken und einem rechten Kühlkörper 4, deren zu der Scheibe aus Halbleitermaterial 5 weisenden Oberflächen 3 jeweils mit einer geeignet dimensionierten Platte 1 abgedeckt sind, durch einen geeigneten Träger (nicht eingezeichnet) positioniert wird (Fig. 4b) . In beiden Ausführungsformen ist der Abstand h bzw. hx zwischen der Scheibe aus Halbleitermaterial 5 und der
jeweiligen Platte 1 gleich groß.
Nach der epitaktischen Beschichtung wird die etwa 400 - 950°C heiße Scheibe aus Halbleitermaterial vorzugsweise mit einem Greifroboter unter Schutzgasatmosphäre zur Abkühlung in eine Kühlstation umgelagert. Die Kühlstation kann sich sowohl im Reaktorraum des Epi-Reaktors als auch außerhalb, aber mit dem Epi-Reaktor verbunden, befinden.
Beispielsweise befindet sich bei dem Epi-Reaktor der Firma Applied Materials standardmäßig die Kühlstation zur Abkühlung der heißen epitaxierten Scheiben aus Halbleitermaterial neben dem eigentlichen Reaktorraum.
Die Kühlstation des Epi-Reaktors der Firma Applied Materials besteht aus einem mit einem Kühlmittel, z.B. Wasser,
durchflossenen Metallkörper (Kühlkörper) , in dessen Oberfläche Quarzstifte eingelassen sind. Die Scheiben aus
Halbleitermaterial werden auf diese Quarzstifte gelegt um einen Kontakt und damit eine Kontamination zwischen der Scheibe aus Halbleitermaterial und Kühlkörper zu vermeiden.
Die Quarzstifte haben dabei eine Höhe von 0,56 mm, so dass sich zwischen dem Kühlkörper und der Scheibe aus Halbleitermaterial eine entsprechend hohe Schicht aus Schutzgas befindet. Allgemein besteht eine Kühlstation bevorzugt im Wesentlichen aus einem geschlossenem Raum, in dem sich mindestens ein mit einem Kühlmittel durchflossener Metallkörper (Kühlkörper) 4 befindet, der die Wärmeenergie der mindestens einen heißen
Scheibe aus Halbleitermaterial 5 aufnimmt und an das Kühlmittel abgibt .
Bevorzugt besteht der Kühlkörper 4 aus vernickeltem Aluminium oder Edelstahl.
Bevorzugt wird ein Kühlkörper 4 mit einer ebenen Oberfläche 3. Die ebene Oberfläche 3 des Kühlkörpers 4 ist während des
Abkühlprozesses der Vorder- oder der Rückseite der
abzukühlenden Scheibe aus Halbleitermaterial 5 zugewandt.
Bevorzugt stehen während des Abkühlprozesses die Oberfläche 3 des Kühlkörpers 4 und die Vorder- oder der Rückseite der abzukühlenden Scheibe aus Halbleitermaterial 5 parallel zu einander.
Bevorzugt ist die Oberfläche 3 des Kühlkörpers 4 rund und hat den gleichen Durchmesser wie die abzukühlende Scheibe aus
Halbleitermaterial 5. Besonders bevorzugt ist der Durchmesser der Oberfläche 3 des Kühlkörpers 4 größer als der Durchmesser der abzukühlenden Scheibe aus Halbleitermaterial 5. Darüber hinaus ist auch jede andere äußere Form der Oberfläche 3 des Kühlkörpers 4 bevorzugt, wobei die Oberfläche 3 in ihrem kleinsten Querschnitt Q mindestens dem Durchmesser der
abzukühlenden Scheibe aus Halbleitermaterial 5 entspricht.
Als Kühlmittel wird bevorzugt Wasser verwendet. Ebenfalls bevorzugt ist der Zusatz von Additiven, beispielsweise Glykol, zum Kühlmittel.
Bei der Abkühlung der heißen Scheibe aus Halbleitermaterial 5 in einer horizontalen Position wird die Scheibe aus
Halbleitermaterial 5 gemäß dem Stand der Technik auf Stiften (pins) , die bevorzugt aus Quarz gefertigt sind, oberhalb der Oberfläche (Oberseite) des Kühlkörpers gelagert.
Zur schnelleren Abkühlung kann die Scheibe aus
Halbleitermaterial 5 auch horizontal zwischen zwei Kühlkörpern 4 so positioniert werden, dass die Scheibe aus
Halbleitermaterial 5 gemäß dem Stand der Technik auf Stiften (pins) , die bevorzugt aus Quarz gefertigt sind und eine Höhe h haben, oberhalb der Oberfläche 3 eines ersten unteren
Kühlkörpers 4 gelagert wird und sich oberhalb der Scheibe aus Halbleitermaterial 5 ein zweiter Kühlkörper 4 in einem Abstand hx befindet, wobei der Abstand hx bevorzugt der Höhe h der Quarzstifte entspricht. Bei der Abkühlung der heißen Scheibe aus Halbleitermaterial 5 in einer vertikalen Position wird die Scheibe gemäß dem Stand der Technik mittels eines geeigneten Trägers nahe an einen Kühlkörper 4 gebracht, wobei die Scheibe aus Halbleitermaterial den Kühlkörper 4 nicht berührt und die Vorder- oder Rückseite der Scheibe aus Halbleitermaterial bevorzugt parallel zur
Oberfläche 3 des Kühlkörpers 4 ausgerichtet ist.
Die Scheibe aus Halbleitermaterial 5 kann auch vertikal
zwischen zwei Kühlkörpern 4 so positioniert werden, dass sich die Vorder- und die Rückseite der Scheibe aus
Halbleitermaterial sich jeweils in einem gleichen Abstand h bzw. hx parallel zu den Oberflächen 3 der beiden Kühlkörper 4 befinden . Generell ist der Kontakt der heißen Scheibe aus
Halbleitermaterial 5 mit einem Metall zu vermeiden, da dies zur Kontamination der Scheibe mit Metallatomen führen würde.
Im erfindungsgemäßen Verfahren zur Abkühlung einer heißen
Scheibe aus Halbleitermaterial 5 wird die möglicherweise in Kontakt kommende metallische Oberfläche des Kühlkörpers 4 mit einer Platte 1 abgedeckt. Die Abdeckung des Kühlkörpers muss zwei Aufgaben erfüllen. Zum einen darf die Abdeckung keinen negativen Einfluss auf den Abkühlprozess einschließlich der Abkühlrate der heißen Scheibe aus Halbleitermaterial 5 haben und zum anderen muss die
Abdeckung eine Kontamination der Scheibe aus Halbleitermaterial 5 mit Metallen sicher verhindern. Das erfindungsgemäße
Verfahren erfüllt beide Anforderungen.
Bevorzugt wird die Platte 1 zur Abdeckung der Oberfläche 3 eines Kühlkörpers 4 aus Silicium oder Saphir hergestellt. Beide Materialien beeinflussen die Abkühlrate der heißen Scheiben aus Halbleitermaterial 5 nicht merklich, wie umfangreiche Versuche der Erfinder gezeigt haben (Fig. 1) . Bevorzugt beträgt die Dicke der Platte 1 zur Abdeckung des Kühlkörpers 0,05 - 2 mm, besonders bevorzugt 0,2 bis 1 mm.
Nachfolgend wird zunächst eine erste bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abkühlung einer heißen Scheibe aus Halbleitermaterial 5 beschrieben, bei der die heiße Scheibe aus Halbleitermaterial 5 in einer horizontalen Position abgekühlt wird.
In der ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Größe des Kühlkörpers 4 bevorzugt so gewählt, dass ein geeignet dimensionierter Kühlkörper 4 eine bzgl. des Durchmessers der Scheibe aus Halbleitermaterial 5 geeignet dimensionierte Oberfläche 3 hat, die während des
Abkühlprozesses einer Seite einer Scheibe aus
Halbleitermaterial 5 in einem Abstand h gegenüberliegt.
Bevorzugt wird eine kreisförmige Oberfläche 3, wobei der
Durchmesser D dieser kreisförmigen Oberfläche 3 bevorzugt größer als der Durchmesser der abzukühlenden Scheibe aus
Halbleitermaterial 5 ist.
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird die Oberfläche 3 des
Kühlkörpers 4, die während des Abkühlprozesses einer Seite einer Scheibe aus Halbleitermaterial 5 gegenüberliegt, durch eine geeignet geformte Platte 1 abgedeckt. Dabei liegt die Platte 1 plan auf der Oberseite 3 des Kühlkörpers auf (Fig. 2b
- 2d) .
Bevorzugt wird bei einer kreisförmigen Oberfläche 3 eines
Kühlkörpers 4 eine kreisförmige Platte 1 zur Abdeckung
verwendet . Bevorzugt entspricht bei einem Kühlkörper 4, mit beispielsweise einer runden Oberfläche 3, der Durchmesser der Platte 1 zur Abdeckung der Oberfläche 3 des Kühlkörpers 4 dem Durchmesser D der kreisförmigen Oberfläche 3 (Fig. 2b) . Auf die die Oberfläche 3 des Kühlkörpers 4 abdeckende Platte 1 wird in einer Variante der ersten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens ein - hinsichtlich des
Durchmessers der abzukühlenden Scheibe aus Halbleitermaterial 5
- geeignet dimensionierter Ring 2 gelegt, der als Auflagefläche für die heiße Scheibe aus Halbleitermaterial 5 während des
Abkühlvorganges dient (Fig. 2b) .
Besonders bevorzugt wird in einer anderen Variante der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einer runden Oberfläche 3 eines Kühlkörpers 4 der Durchmesser der
Platte 1 zur Abdeckung des Kühlkörpers 4 etwas kleiner als der Durchmesser D der kreisförmigen Oberfläche 3 gewählt, so dass, bei einer zentrierten Auflage der Platte 1 auf der der Scheibe aus Halbleitermaterial 5 zugewandten Oberfläche 3 des
Kühlkörpers 4, ein nicht abgedeckter Randstreifen aus Metall verbleibt .
Beträgt der Durchmesser D der kreisförmigen Oberfläche 3 des Kühlkörpers 4 beispielsweise 310 mm, so wird als Durchmesser der Platte zur Abdeckung beispielsweise 295 mm gewählt. Ein Kühlkörper 4 mit einer kreisförmigen Oberfläche 3 mit einem Durchmesser von 310 mm, eignet sich beispielsweise für die Kühlung von Scheiben aus Halbleitermaterial mit einem Durchmesser von bis zu 300 mm.
Auf diesen Randstreifen aus Metall, der gemäß dem oben
genannten Beispiel eine Breite von 15 mm hat, wird ein Ring 2 gelegt, der als Auflagefläche für die heiße Scheibe aus
Halbleitermaterial während des Abkühlvorganges dient.
Der Innendurchmesser des Ringes 2 wird in dieser anderen
Variante der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens so gewählt wird, dass der innere Rand des Ringes 2 mit der Abdeckplatte 1 bündig schließt, d.h. der Durchmesser der Platte 1 ist gleich dem Innendurchmesser des Ringes 2 (Fig. 2c und 2d) .
Bevorzugt wird als Material für den Ring 2 Quarz verwendet. Ebenfalls bevorzugt wird der Ring 2 aus Siliciumcarbid (SiC) oder Saphir hergestellt.
Die Dicke (Höhe) des Ringes 2 wird bevorzugt so gewählt, dass der Ring 2 eine größere Dicke hat als die Platte 1, die auf der der Scheibe aus Halbleitermaterial 5 zugewandten Oberfläche 3 des Kühlkörpers 4 liegt. Dadurch ist gewährleistet, dass, bei Auflage einer Scheibe aus Halbleitermaterial 5 auf den Ring 2, sich die Scheibe aus Halbleitermaterial 5 in einem Abstand h zu der Platte 1 befindet.
Bevorzugt beträgt die Dicke (Höhe) des Ringes 0,5 bis 10 mm, besonders bevorzugt 0,5 bis 5 mm.
Die Auflagefläche 2a des Ringes für die Scheibe aus
Halbleitermaterial ist bevorzugt eben (plan) (Fig. 3a) oder konvex (Fig. 3b), besonders bevorzugt zur Ringinnenseite hin geneigt (Fig. 3c) .
Besonders bevorzugt ist eine zur Ringinnenseite hin geneigte Auflagefläche 2a, wobei der Neigungswinkel , bezogen auf die Oberfläche 3 des Kühlkörpers 4, bevorzugt zwischen 0,1 bis 30°, besonders bevorzugt zwischen 1 bis 10° liegt. Bei einer zu Ringinnenseite geneigten Auflagefläche 2a ist die Kontaktfläche zwischen dem Ring 2 und der Scheibe aus Halbleitermaterial 5 minimal .
Wird eine Scheibe aus Halbleitermaterial 5 auf den Ring 2 gelegt, so befindet sich zwischen der Scheibe aus
Halbleitermaterial 5 und der Platte 1 ein definierter
Zwischenraum mit einer Höhe h, wobei h dem Abstand zwischen der auf der Oberseite 3 des Kühlkörpers 4 liegenden Platte 1 und der der Platte 1 zugewandten Seite der Scheibe aus
Halbleitermaterial 5 entspricht. Bevorzugt ist die Höhe h 0,1 bis 5 mm, besonders bevorzugt 0,1 bis 2 mm.
In einer weiteren bevorzugten Variante der ersten
Ausführungsform weist der Kühlkörper 4 am Rand der Oberfläche 3, die während des Abkühlprozesses der Scheibe aus
Halbleitermaterial 5 zugewandt ist, eine umlaufende
(ringförmige) Vertiefung mit einer Oberfläche 3a auf. In die umlaufende Vertiefung bzw. auf die Oberfläche 3a wird ein Ring 2 gelegt (Fig. 2 d) .
Der Innendurchmesser des Ringes 2, der in der umlaufenden
Vertiefung des Kühlkörpers 4 liegt, entspricht bevorzugt dem Innendurchmesser dieser umlaufenden Vertiefung des Kühlkörpers 4, so dass der Ring 2 durch die im Vergleich zur vertieften Oberfläche 3a erhöhten inneren Fläche 3 des Kühlkörpers 4 gegen ein Verrutschen gesichert ist. Die innere, gegenüber der
Vertiefung erhabene Fläche 3 des Kühlkörpers 4 wird in dieser Ausführungsform mit der Platte 1 abgedeckt, wobei die Platte 1 bündig an den inneren Rand des Ringes 2 anschließt (Fig. 2d) .
Die Dicke (Höhe) des in der ringförmigen Vertiefung des
Kühlkörpers 4 liegenden Ringes 2 wird so gewählt, dass eine auf dem Ring aufliegende Scheibe aus Halbleitermaterial 5 um die Höhe h höher ist, als die Oberfläche der Platte 1, die auf der Oberfläche 3 des Kühlkörpers 4 liegt.
Bevorzugt beträgt die Dicke (Höhe) des Ringes 0,5 bis 10 mm, besonders bevorzugt 0,5 bis 5 mm. Bevorzugt ist die Höhe h 0,1 bis 5 mm, besonders bevorzugt 0,1 bis 2 mm . Der Außendurchmesser des Ringes 2 entspricht bevorzugt dem
Durchmesser D der Oberfläche 3 des Kühlkörpers 4, so dass der Ring 2 bündig mit der Oberfläche 3 des Kühlkörpers 4
abschließt . Bevorzugt wird der Ring 2 mit dem Kühlkörper 4 verschraubt. Ebenfalls bevorzugt ist eine Fixierung des Ringes 2 durch
Stifte, die in den Kühlkörper 4 eingelassen sind und in
entsprechende Vertiefungen (Löcher) in der Unterseite des
Ringes 2 passen.
Die Breite (= Differenz zwischen Außen- und Innendurchmesser) des Ringes 2 beträgt bevorzugt 5 bis 20 mm, besonders bevorzugt 10 bis 15 mm. Bevorzugt weist die Oberfläche des Ringes 2 zusätzlich eine umlaufende (ringförmige) Vertiefung 2a (Pocket) auf der
Ringinnenseite auf (Fig. 3), in die die Scheibe aus
Halbleitermaterial 5 eingelegt werden kann und die damit als Auflagefläche für die Scheibe aus Halbleitermaterial 5 dient.
Die Breite der umlaufende Vertiefung 2a auf der Ringinnenseite ist dabei durch einen Innendurchmesser (entspricht dem
Innendurchmesser der ringförmigen Vertiefung des Kühlkörpers 4) und einem Außendurchmesser bestimmt. Der Außendurchmesser d dieser umlaufenden Vertiefung 2a auf der Ringinnenseite ist dabei geringfügig größer als der Durchmesser der Scheibe aus Halbleitermaterial 5, die in diese Vertiefung des Ringes 2 gelegt werden soll. Beispielsweise liegt der Außendurchmesser d der umlaufenden
Vertiefung 2a auf der Ringinnenseite zur Aufnahme einer Scheibe aus Halbleitermaterial 5 mit einem Durchmesser von 300 mm bevorzugt in einem Bereich von 302 - 320 mm, besonders bevorzugt in einem Bereich von 302 bis 305 mm, wobei die
Auflagefläche 2a in der ringförmigen Vertiefung bevorzugt eine Breite von 2 bis 5 mm hat. Die ringförmigen Vertiefung 2a für die Scheibe aus
Halbleitermaterial 5 kann im erfindungsgemäßen Verfahren eben (Fig. 3a), konvex (Fig. 3b) oder zur Ringinnenseite hin geneigt (Fig. 3c) sein. Besonders bevorzugt ist eine zur Ringinnenseite hin geneigte Auflagefläche 2a, wobei der Neigungswinkel , bezogen auf die Oberfläche 3 des Kühlkörpers 4, bevorzugt zwischen 0,1° und 30°, besonders bevorzugt zwischen 1° und 10° liegt. Bei einer zu Ringinnenseite geneigten Auflagefläche 2a ist die
Kontaktfläche zwischen dem Ring 2 und der Scheibe aus
Halbleitermaterial 5 minimal.
Ebenfalls bevorzugt ist der Ring 2 mit Kanälen (Bohrungen) und oder Vertiefungen in der Oberfläche versehen, so dass der
Gasraum, der sich zwischen der Scheibe aus Halbleitermaterial 5 und der Oberfläche der den Kühlkörper abdeckenden Platte 1 mit der Höhe h befindet, in Kontakt mit dem Gasraum der Kühlstation steht . Ebenfalls bevorzugt ist im erfindungsgemäßen Verfahren die
Verwendung von zwei oder mehr Ringteilstücken als Auflage für die Scheibe aus Halbleitermaterial, so dass zwischen den einzelnen Ringteilstücken ein definierter Abstand ist und die Ringteilstücke kreisförmig angeordnet sind. Die Scheibe aus Halbleitermaterial 5 liegt hierbei auf den zwei bzw. mehr
Ringteilstücken auf.
Die bevorzugten Formen der Auflageflächen 2a der Ringteilstücke entspricht dabei den in Fig. 3 dargestellten Formen.
Die durch einen vorangegangenen Prozessschritt, beispielsweise einer epitaktischen Beschichtung, thermisch aktivierte (heiße) Scheibe aus Halbleitermaterial 5 wird nach Abschluss dieses Prozessschrittes bevorzugt mit einem Roboterarm unter Schutzgasatmosphäre in die Kühlstation überführt und horizontal auf den Ring 2 bzw. in die ringförmige Vertiefung (Pocket) 2a des Ringes 2 gelegt, unter dem sich der mit einer Platte 1 abgedeckte, mit einem Kühlmittel durchfließbare Kühlkörper 4 befindet .
Durch den sich unter dem Ring 2 befindlichen Kühlkörper 4, der bevorzugt mit einem Kühlmedium durchströmt wird und der durch die aufliegende Platte 1 abgedeckt ist, kann die heiße Scheibe aus Halbleitermaterial 5 in einer wirtschaftlich vertretbaren Zeit soweit abgekühlt werden, dass sie für die weiteren
Prozessschritte schnell und kontaminationsfrei zur Verfügung steht .
In einer weiteren bevorzugten Variante der ersten
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Abkühlen von heißen Scheiben aus Halbleitermaterial 5 erfolgt die
Abkühlung zwischen zwei Kühlkörpern 4, wobei die Scheibe aus Halbleitermaterial 5 bevorzugt in einer horizontalen Position, auf einem Ring 2 aufliegend, abgekühlt wird (Fig. 4a) .
Bei dieser Variante werden für den unteren Kühlkörper 4 die bereits oben beschrieben Ausführungsformen der Platte 1 zur Abdeckung des Kühlkörpers sowie des Ringes 2 als Auflagefläche für die Scheibe aus Halbleitermaterial 5 bevorzugt.
Die zur Scheibe aus Halbleitermaterial 5 weisende Oberfläche 3 des zweiten (oberen) Kühlkörpers 4 ist mit einer Platte 1 aus Silicium oder Saphir abgedeckt.
Bevorzugt beträgt die Dicke der Platte 1 zur Abdeckung des Kühlkörpers 0,05 - 2 mm, besonders bevorzugt 0,2 bis 1 mm. Die Platte 1 zur Abdeckung des zweiten Kühlkörpers 4 wird bevorzugt mit nichtmetallischen Schrauben oder Bolzen auf der Oberfläche 3 des Kühlkörpers 4 befestigt. Ebenfalls bevorzugt ist das Aufkleben der Platte 1. Die heiße Scheibe aus Halbleitermaterial 5 wird in dieser
Ausführungsform mit einem Roboterarm auf den Ring 2 bzw. in die Auflagefläche 2a des Ringes 2 eingelegt, und ein zweiter
Kühlkörper 4, der bevorzugt mit einem Kühlmedium durchflössen ist, bis auf eine Höhe hx auf die obere Seite der Scheibe aus Halbleitermaterial 5 herabgesenkt.
Ebenfalls bevorzugt ist, dass die heiße Scheibe aus
Halbleitermaterial 5 mit einem Roboterarm auf den Ring 2 bzw. in die Auflagefläche 2a des Ringes 2 eingelegt, und ein zweiter Kühlkörper 4, der bevorzugt mit einem Kühlmedium durchflössen ist, sich bereits auf einer Höhe hx über der oberen Seite der Scheibe aus Halbleitermaterial 5 befindet.
Bevorzugt entspricht der Abstand hx dem Abstand h, so dass der Abstand zwischen den die jeweiligen Oberflächen 3 der
Kühlkörper 4 abdeckenden Platten 1 und den entsprechenden
Seiten der Scheibe aus Halbleitermaterial 5 gleich ist.
Bevorzugt ist der Abstand h bzw. hx 0,1 bis 5 mm, besonders bevorzugt 0,1 bis 2 mm.
Im erfindungsgemäßen Verfahren besteht der zweite (obere) Kühlkörper 4 aus demselben Material wie der untere Kühlkörper 4 und entspricht auch in seiner Dimensionierung und Form dem unteren Kühlkörper 4, so dass zu beiden Seiten ein
gleichmäßiger Wärmeübergang von der Scheibe aus
Halbleitermaterial 5 zu den beiden Kühlkörpern 4 gewährleistet ist.
Als Kühlmittel für beide Kühlkörper 4 wird bevorzugt Wasser verwendet. Ebenfalls bevorzugt ist der Zusatz von Additiven wie beispielsweise Glykol, zum Kühlmittel.
Die hier beschriebenen Ausführungsformen zur Abkühlung
mindestens einer heißen Scheibe aus Halbleitermaterial 5, bei der die Scheibe aus Halbleitermaterial 5 auf einem Ring 2 bzw. auf einer Auflagefläche 2a des Ringes 2 aufliegt, beschränken sich nicht allein auf eine horizontale Ausrichtung der Scheibe aus Halbleitermaterial 5 und dem mindestens einen Kühlkörper 4, sondern kann auch für alle anderen beliebig geneigten
Positionen (0 - 90° in Bezug auf eine horizontale Fläche) angewendet werden.
In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abkühlung einer Scheibe aus Halbleitermaterial 5 wird die Scheibe 5 mit einem geeigneten Träger vertikal oder in einer beliebigen Neigung (in Bezug auf eine horizontale Fläche) vor einem geeignet dimensionierten metallenen Kühlkörper 4, der bevorzugt von einem Kühlmittel durchströmt wird, in einem Abstand h so positioniert, dass die jeweiligen Flächen parallel zu einander sind. Der Abstand h beträgt bevorzugt 0,1 bis 5 mm, besonders bevorzugt 0,1 bis 2 mm.
Bevorzugt besteht der Kühlkörper 4 aus vernickeltem Aluminium oder Edelstahl.
Die Größe des Kühlkörpers 4 wird bevorzugt so gewählt, dass ein geeignet dimensionierter Kühlkörper 4 eine in Bezug auf den Durchmesser der Scheibe aus Halbleitermaterial 5 geeignet dimensionierte Oberfläche 3 hat, die während des
Abkühlprozesses einer Seite einer Scheibe aus
Halbleitermaterial 5 in einem Abstand h gegenüberliegt.
Die Oberfläche 3 des Kühlkörpers 4, die während des
Abkühlprozesses einer Seite einer Scheibe aus
Halbleitermaterial 5 gegenüberliegt, wird mit einer Platte 1 aus Silicium oder Saphir abgedeckt. Bei dieser Ausführungsform entspricht die Form bzw. der Durchmesser der Platte 1 der Form bzw. dem Durchmesser der Oberfläche 3 des Kühlkörpers 4.
Die Platte 1 zur Abdeckung der Oberfläche 3 des Kühlkörpers 4 wird bevorzugt mit nichtmetallischen Schrauben oder Bolzen am Kühlkörper 4 befestigt. Ebenfalls bevorzugt ist das Aufkleben der Platte 1.
Bevorzugt beträgt die Dicke der Platte 1 zur Abdeckung des zweiten Kühlkörpers 0,05 - 2 mm, besonders bevorzugt 0,2 bis 1 mm.
Als Kühlmittel für den Kühlkörper 4 wird bevorzugt Wasser verwendet. Ebenfalls bevorzugt ist der Zusatz von Additiven wie beispielsweise Glykol, zum Kühlmittel.
In einer weiteren Variante der zweiten bevorzugten
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Abkühlen einer Scheibe aus Halbleitermaterial 5, wird die heiße Scheibe aus Halbleitermaterial mit einem geeigneten Träger vertikal oder in einer beliebigen Neigung (in Bezug auf eine horizontale Fläche) zwischen zwei, jeweils mit einer Platte 1, die aus Silicium oder Saphir besteht, bedeckten Oberflächen 3 von metallenen Kühlkörpern 4, die beide bevorzugt von einem
Kühlmittel durchströmt werden, mittig mit einem Abstand h bzw. hx positioniert. Dabei gilt: h = hx.
Bevorzugt ist der Abstand h bzw. hx 0,1 bis 5 mm, besonders bevorzugt 0,1 bis 2 mm.
In dieser Variante der zweiten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen beide Kühlkörper 4 bevorzugt aus demselben Material und sind in ihrer
Dimensionierung und Form identisch, so dass zu beiden Seiten ein gleichmäßiger Wärmeübergang von der Scheibe aus
Halbleitermaterial 5 zu den beiden Kühlkörpern 4 gewährleistet ist .
Bevorzugt bestehen beide Kühlkörper 4 aus vernickeltem
Aluminium oder Edelstahl.
Die Form bzw. der Durchmesser der die der Scheibe aus
Halbleitermaterial 5 zugewandten Oberflächen 3 der Kühlkörper 4 bedeckenden Platten 1 entsprechen jeweils der Form bzw. dem Durchmesser der Oberflächen 3 der Kühlkörper 4.
Bevorzugt beträgt die Dicke der Platte zur Abdeckung des zweiten Kühlkörpers 0,05 - 2 mm, besonders bevorzugt 0,2 bis mm.
Als Kühlmittel für den Kühlkörper wird bevorzugt Wasser verwendet. Ebenfalls bevorzugt ist der Zusatz von Additiven beispielsweise Glykol, zum Kühlmittel.

Claims

Verfahren zum Abkühlen einer heißen Scheibe aus
Halbleitermaterial (5) , umfassend das Bereitstellen eines ersten Kühlkörpers (4), der Wärmestrahlung, die von der Scheibe abgegeben wird, aufnimmt und das Positionieren der Scheibe gegenüber einer Oberfläche (3) des ersten
Kühlkörpers (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe aus Halbleitermaterial (5) auf einem Ring (2) liegt, der Ring
(2) sich auf einem ersten Kühlkörper (4) befindet und die Oberfläche (3) des ersten Kühlkörpers durch eine erste Platte (1), die aus einem Material gefertigt ist, dass die Scheibe (5) bei Berührung nicht verunreinigt, bedeckt ist und zwischen der Platte (1) und einer Seitenfläche der Scheibe (5) ein Abstand h besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe aus Halbleitermaterial (5) zwischen dem ersten Kühlkörper (4) und einem zweiten Kühlkörper (4)
positioniert wird, die der Oberflächen der Scheibe jeweils gegenüberliegenden Oberflächen
(3) der Kühlkörper
(4) durch jeweils eine Platte (1) bedeckt sind und zwischen der jeweiligen Platte (1) und den jeweiligen, den Platten (1) gegenüberliegenden Seitenflächen der Scheibe
(5) ein
Abstand h und hx besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die die Oberfläche (3) bedeckende Platte (1) aus Silicium oder Saphir besteht.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte (1) eine Dicke von 0,05 bis 2 mm hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass der Ring (2), auf dem die Scheibe aus Halbleitermaterial aufliegt, aus Quarz, Siliciumcarbid oder Saphir besteht.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass der Ring (2) in der Ringoberseite eine als Auflagefläche (2a) für eine Scheibe aus
Halbleitermaterial (5) eine umlaufende Vertiefung (2a) zur Ringinnenseite hin aufweist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (2a) entweder parallel zur Oberfläche (3) des ersten Kühlkörpers (4), konvex geformt oder zur Ringmitte hin geneigt ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Ringmitte geneigte Fläche (2a) mit einem Winkel zwischen 0,1 und 30°, bezogen auf die Oberfläche (3) des ersten Kühlkörpers (4), geneigt ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, dass der Ring (2) aus zwei oder mehr
Teilstücken besteht.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, dass der Abstand h bei einem ersten
Kühlkörper (4), bzw. h und hx bei zwei Kühlkörpern (4), zwischen 0,1 und 5 mm liegt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand h gleich dem Abstand hx ist.
PCT/EP2013/051840 2012-02-13 2013-01-31 Verfahren zum abkühlen von scheiben aus halbleitermaterial WO2013120696A1 (de)

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