DE10393617T5

DE10393617T5 - Vorrichtung und Verfahren zum Dämpfen von Streulicht in Substratbehandlungskammern

Info

Publication number: DE10393617T5
Application number: DE10393617T
Authority: DE
Inventors: Paul Janis Mountain View Timans
Original assignee: Mattson Technology Inc
Current assignee: Beijing E Town Semiconductor Co Ltd Cn; Mattson Technology Inc
Priority date: 2002-11-05
Filing date: 2003-07-22
Publication date: 2005-08-25
Anticipated expiration: 2023-07-23
Also published as: US20040084437A1; WO2004044961A1; KR101057841B1; JP2006505946A; US7358462B2; KR20050073605A; CN1695229A; US6835914B2; CN100364038C; US7135656B2; JP4937513B2; AU2003265297A1; DE10393617B4; TWI226941B; US20050098552A1; US20060289434A1

Abstract

Vorrichtung zur Wärmebehandlung von Substraten, umfassend:
eine Wärmebehandlungskammer zum Aufnehmen von Substraten;
eine Strahlungsenergiequelle, welche sich in Verbindung mit der Wärmebehandlungskammer befindet, wobei die Strahlungsenergiequelle Strahlungsenergie in die Kammer emittiert;
mindestens eine Strahlungserfassungsvorrichtung, welche sich in Verbindung mit der Wärmebehandlungskammer befindet, wobei die Strahlungserfassungsvorrichtung dazu geeignet ist, Strahlung bei einer vorgewählten Wellenlänge zu erfassen; und
ein Spektralfilter, welches in Verbindung mit der Strahlungsenergiequelle angeordnet ist, wobei das Spektralfilter dazu geeignet ist, Strahlung, welche durch die Strahlungsenergiequelle emittiert wird, bei der vorgewählten Wellenlänge zu absorbieren, wobei das Spektralfilter ein Material umfaßt, welches ein Seltenerdmetall-Element enthält.

Description

Hintergrund der Erfindung
Eine Wärmebehandlungskammer bezeichnet eine Vorrichtung, welche Energie, wie etwa Strahlungsenergie, verwendet, um Gegenstände, wie etwa Halbleiterwafer, zu erwärmen. Derartige Vorrichtungen umfassen typischerweise eine Substrathalterung zum Halten eines Halbleiterwafers und eine Lichtquelle, welche Lichtenergie emittiert, zum Erwärmen des Wafers. Zum Überwachen der Temperatur des Halbleiterwafers während einer Wärmebehandlung umfassen Wärmebehandlungskammern ferner typischerweise Strahlungserfassungsvorrichtungen, wie etwa Pyrometer, welche die Strahlung, welche durch den Halbleiterwafer emittiert wird, bei einer ausgewählten Wellenlänge erfassen. Durch Erfassen der Wärmestrahlung, welche durch den Wafer emittiert wird, kann die Temperatur des Wafers mit angemessener Genauigkeit berechnet werden.
Ein Hauptproblem bei der Gestaltung schneller Wärmebehandlungskammern, welche ein optisches Temperaturmeßsystem aufweisen, war jedoch die Fähigkeit, zu verhindern, daß unerwünschtes Licht, welches durch die Heizlampen abgestrahlt wird, durch die pyrometrischen Gerätschaften erfaßt wird. Wenn unerwünschtes Licht, welches nicht durch den Halbleiterwafer emittiert wird, durch das Pyrometer erfaßt wird, kann die berechnete Temperatur des Wafers in unangemessener Weise von der tatsächlichen bzw. wahren Temperatur des Wafers abweichen.
In der Vergangenheit wurden verschiedene Verfahren verwendet, um zu verhindern, daß unerwünschte Wärmestrahlung durch das Pyrometer er faßt wird. Beispielsweise wurden früher physikalische Abschirmungen verwendet, um unerwünschtes Licht, welches durch die Heizlampen emittiert wird, abzuschirmen und zu verhindern, daß dieses in Kontakt mit dem Pyrometer gelangt. Physikalische Abschirmungen wurden insbesondere in schnellen Wärmebehandlungskammern verwendet, bei welchen die Heizlampen auf einer Seite des Halbleiterwafers angeordnet sind und das Pyrometer auf der gegenüberliegenden Seite des Wafers angeordnet ist.
Physikalische Abschirmungen können jedoch die Systemgestaltung einschränken. Beispielsweise kann die Lagerungsweise des Wafers durch die physikalische Abschirmung eingeschränkt werden. Bei einem Ausführungsbeispiel ist eine lichtundurchlässig abgeschlossene Umhüllung unter dem Wafer unter Verwendung eines kontinuierlichen Lagerrings zum Halten des Wafers an dessen Kanten ausgebildet. Wenn ein Lagerring vorhanden ist, kann eine Überlappung zwischen dem Lagerring und den Kanten des Wafers bestehen, welche während Erwärmungszyklen zu Ungleichmäßigkeiten der Temperatur in dem Wafer führen kann. Ein weiteres Problem kann entstehen, wenn der Lagerring oder der Wafer auch nur geringfügig verformt werden. In dem Fall kann eine Streuung von Licht durch den Spalt in den vermeintlich lichtundurchlässig abgeschlossenen Bereich erfolgen. Das Streulicht kann Fehler der Pyrometermeßwerte bewirken.
Außer physikalischen Abschirmungen wurden ferner Spektralfilter verwendet, um die Störlichtmenge, welche durch die Pyrometer erfaßt wird, zu begrenzen. Beispielsweise können Spektralfilter dadurch wirken, daß diese Licht, welches durch die Heizlampen emittiert wird, bei der Wellenlänge, bei welcher das Pyrometersystem arbeitet, entfernen. Vorzugsweise absorbieren Spektralfilter unerwünschte Wärmestrahlung, wobei diese gleichzeitig für die Wärmestrahlung, welche durch die Heizlampen emittiert wird, welche notwendig ist, um den Halbleiterwafer zu erwärmen, durchlässig sind.
Ein Spektralfiltertyp, welcher in der Vergangenheit verwendet wurde, ist eine Luke, welche aus Kieselglas hergestellt ist, wie etwa Siliziumdioxid mit zugesetzten Hydroxidionen (OH-Ionen). Kieselglas ist für den größten Teil der Lichtenergie durchlässig; jedoch ist bekannt, daß dieses verschiedene Bereiche starker Absorption aufweist, welche bei Wellenlängen von etwa 2,7 Mikrometer, 4,5 Mikrometer und bei Wellenlängen, welche gleich oder größer als 5 Mikrometer sind, Maximalwerte erreichen.
Aufgrund der Tatsache, daß bestimmte Kieselgläser mit OH-Zusatz Licht bei Wellenlängen von 2,7, 4,5 und mehr als 5 Mikrometer wirksam absorbieren können und bei vielen kürzeren Lichtwellenlängen im wesentlichen durchlässig sind, bildet Kieselglas einen wirksamen Spektralfilter, wenn das Pyrometer, welches in der Wärmebehandlungskammer enthalten ist, dazu geeignet ist, Wärmestrahlung bei einer der oben erwähnten Wellenlängen zu erfassen.
Kieselglas ist jedoch leider nicht gut geeignet, um als Spektralfilter in Temperaturmeßsystemen verwendet zu werden, welche Pyrometer enthalten, welche Wärmestrahlung bei kürzeren Wellenlängen, wie etwa weniger als etwa ein Mikrometer, erfassen. Genauer ist es bei einigen Anwendungen vorteilhafter und günstiger, Pyrometer bei relativ kurzen Wellenlängen zu betreiben. Genauer können durch Verwenden von Pyrometern, welche bei kürzeren Wellenlängen arbeiten, die Wirkungen von Änderungen des Waferemissionsvermögens minimiert werden, wobei dies genauere Temperaturbestimmungen ermöglicht. Insbesondere sind Siliziumwafer bei kleineren Wellenlängen lichtundurchlässiger, und das Emissionsvermögen des Wafers ist nicht deutlich temperaturabhängig. Das Emissionsvermögen des Wafers ist eine Variable, welche beim Bestimmen der Temperatur von Wafern unter Verwendung von Pyrometern mit einiger Genauigkeit bekannt sein muß.
Zusätzlich dazu, daß diese die Temperatur von Wafern genauer bestimmen, sind Pyrometer, welche bei relativ kürzeren Wellenlängen arbei ten, ferner generell weniger teuer und weniger kompliziert als Pyrometer, welche dazu geeignet sind, bei größeren Wellenlängen zu arbeiten. Ferner arbeiten Pyrometer, welche Wärmestrahlung bei kleineren Wellenlängen erfassen, generell sehr effizient und können rauscharme Messungen liefern.
In der Vergangenheit wurden aufgrund der bedeutenden Streulichtmenge, welche in Wärmebehandlungskammern bei kleineren Wellenlängen erfaßt werden kann, in Wärmebehandlungskammern jedoch selektiv Pyrometer verwendet, welche bei kleineren Wellenlängen arbeiten. Daher besteht gegenwärtig ein Bedarf im Hinblick auf ein Spektralfilter, welches Lichtenergie bei kleineren Wellenlängen, wie etwa Wellenlängen von weniger als etwa 2 Mikrometer, wirksam absorbieren kann.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft generell eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Halbleitervorrichtungen. Die Vorrichtung umfaßt eine Wärmebehandlungskammer, welche dazu geeignet ist, einen Halbleiterwafer zu enthalten. Eine Strahlungsenergiequelle, welche mindestens eine Lampe umfaßt, wird verwendet, um Lichtenergie in die Kammer zu emittieren. Mindestens eine Strahlungserfassungsvorrichtung befindet sich in der Wärmebehandlungskammer und ist dazu geeignet, Wärmestrahlung bei einer vorgewählten Wellenlänge, welche durch einen Halbleiterwafer emittiert wird, welcher wärmebehandelt wird, zu erfassen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt die Vorrichtung ferner ein Spektralfilter, welches dazu geeignet ist, Wärmestrahlung, welche durch die Lichtquelle emittiert wird, bei der vorgewählten Wellenlänge, bei welcher die Strahlungserfassungsvorrichtung arbeitet, zu absorbieren. Das Spektralfilter umfaßt ein Lichtabsorptionsmittel. Das Lichtabsorptionsmittel kann beispielsweise ein Seltenerdmetall-Element, ein lichtabsorbierender Farbstoff, ein Metall oder ein Halbleitermaterial sein. Beispielsweise umfaßt das Spek tralfilter bei einem Ausführungsbeispiel ein Grundmaterial mit einem zugesetzten Seltenerdmetall-Element. Das Seltenerdmetall-Element kann Ytterbium, Neodym, Thulium, Erbium, Holmium, Dysprosium, Terbium, Gadolinium, Europium, Samarium, Praseodym oder Mischungen davon umfassen.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel umfaßt das Spektralfilter ein Grundmaterial mit einem zugesetzten Metall, wie etwa einem Übergangsmetall. Spezielle Metalle, welche verwendet werden können, umfassen beispielsweise Eisen und Kupfer.
Das Grundmaterial kann eine Flüssigkeit, ein Glas, ein Kristall, ein Kunststoff oder ein keramisches Material sein. Besonders vorteilhafterweise kann, wenn das Spektralfilter ein Seltenerdmetall-Element enthält, das Spektralfilter dazu geeignet sein, Lichtenergie bei einer Wellenlänge von weniger als etwa 2 Mikrometer, wie etwa von etwa 0,5 Mikrometer bis etwa 1,5 Mikrometer, und speziell von etwa 0,6 Mikrometer bis etwa 1,1 Mikrometer, zu absorbieren. Beispielsweise kann das Spektralfilter bei einem Ausführungsbeispiel Ytterbium, welches in einem Glasmaterial in einer Menge von mindestens 0,5 Gewichtsprozent, und speziell in einer Menge von mindestens etwa 20 Gewichtsprozent, enthalten ist, sein. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann das Spektralfilter dazu geeignet sein, Licht bei einer Wellenlänge von zwischen etwa 900 nm bis etwa 1010 nm zu absorbieren.
Wie oben erwähnt, kann die Menge des Lichtabsorptionsmittels, welche in dem Grundmaterial vorhanden ist, in Einheiten von Gewichtsprozent gemessen werden. Beispielsweise kann das Lichtabsorptionsmittel für viele Anwendungen in einer Menge von etwa 0,5 bis etwa 50 Gewichtsprozent in dem Grundmaterial vorhanden sein. Bei einigen Anwendungen kann es jedoch günstig sein, anstatt von Gewichtsprozentwerten die atomare Zusammensetzung als Konzentrationsmaß zu verwenden. Beispielsweise kann das Lichtabsorptionsmittel in dem Grundmaterial mit einer Konzentration der atomaren Zusammensetzung (Molprozent) von etwa 0,5% bis etwa 50% vor handen sein. Die Konzentration der atomaren Zusammensetzung kann sich ändern, abhängig von dem speziellen Grundmaterial und den speziellen Lichtabsorptionsmitteln, welche ausgewählt werden.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel kann das Seltenerdmetall-Element in Form einer Seltenerdmetallverbindung, wie etwa eines Oxids, vorliegen. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Seltenerdmetallverbindung in einem keramischen Material enthalten sein und als Spektralfilter verwendet werden.
Wie oben beschrieben, kann das Lichtabsorptionsmittel bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ein lichtabsorbierender Farbstoff sein. Der Farbstoff kann beispielsweise ein organischer Salzfarbstoff, ein Nickelkomplexfarbstoff, ein Edelmetallfarbstoff, wie etwa ein Platinkomplexfarbstoff oder ein Palladiumfarbstoff, ein Phalocyaninfarbstoff oder ein Anthraquinon oder eine Mischung davon sein. Derartige Farbstoffe sind ferner gut geeignet, um Licht bei Wellenlängen von weniger als etwa 2 Mikrometer zu absorbieren.
Zusätzlich zu Elementen aus der Gruppe der Seltenerdmetalle und lichtabsorbierenden Farbstoffen kann das Spektralfilter ferner aus einem Halbleitermaterial hergestellt sein. Das Halbleitermaterial kann beispielsweise Galliumarsenid, Aluminiumarsenid, Germanium, Silizium, Indiumphosphid, Legierungen dieser Materialien, wie etwa Si/Ge; AlAs/GaAs/InP, umfassen.
Erfindungsgemäß hergestellte Spektralfilter können bei der interessierenden Wellenlänge einen Dämpfungsfaktor von mindestens 5 aufweisen. Beispielsweise kann das Spektralfilter bei der interessierenden Wellenlänge einen Dämpfungsfaktor von mindestens 10³ aufweisen und kann speziell einen Dämpfungsfaktor von mindestens 10⁵ aufweisen. Ferner können die oben erwähnten Dämpfungsfaktoren mit einem relativ dünnen Material erreicht werden. Beispielsweise kann das Spektralfilter eine Dicke von weniger als etwa 1 Zoll, und speziell von weniger als etwa 100 mm, aufweisen.
Das Spektralfilter kann in Verbindung mit den Lichtquellen an verschiedenen Orten in der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung angeordnet sein. Beispielsweise kann das Spektralfilter bei einem Ausführungsbeispiel zwischen der Wärmebehandlungskammer und den Lichtquellen angeordnet sein. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel kann das Spektralfilter jedoch derart verwendet werden, daß dieses eine Lampe bzw. einen Glühdraht umgibt. Bei einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel kann das Spektralfilter in einem Reflektor aufgenommen sein, welcher hinter den Lichtquellen angeordnet ist.
Weitere Merkmale und Aspekte der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend genauer erörtert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Eine vollständige und nachvollziehbare Offenbarung der vorliegenden Erfindung, welche die beste Ausführungsweise davon umfaßt, für gewöhnlich Fachkundige ist im Rest der Beschreibung unter Verweis auf die beigefügten Figuren genauer dargelegt, wobei:
1 eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Wärmebehandlung von Halbleitervorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
2 eine Querschnittsansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Wärmebehandlung von Halbleitervorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
3A eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels einer Lampe, welche von einem Spektralfilter umgeben ist, gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
3B eine Querschnittsansicht eines weiteren alternativen Ausführungsbeispiels einer Lampe, welche von einem Spektralfilter umgeben ist, gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
4 eine perspektivische Ansicht einer Vielzahl von Lampen darstellt, welche in Verbindung mit einem Ausführungsbeispiel eines Spektralfilters, welches erfindungsgemäß hergestellt ist, angeordnet sind;
5 ein Kurvendiagramm der Lichtdurchlässigkeit, aufgetragen gegen die Wellenlänge, für ein erfindungsgemäßes Spektralfilter, welches Ytterbium enthält, darstellt.
Eine wiederholte Verwendung von Bezugszeichen in der vorliegenden Beschreibung und der Zeichnung soll gleiche bzw. analoge Merkmale bzw. Elemente der Erfindung bezeichnen.
Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Für gewöhnlich Fachkundige sei bemerkt, daß die vorliegende Erörterung lediglich eine Beschreibung beispielhafter Ausführungsbeispiele darstellt und diese die weiteren Aspekte der vorliegenden Erfindung nicht beschränken soll, wobei diese weiteren Aspekte bei der beispielhaften Konstruktion verwirklicht sind.
Generell betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erwärmen von Halbleiterwafern, wobei die Temperatur des Wafers genau überwacht wird. Die Vorrichtung umfaßt eine Wärmebehandlungskammer in Verbindung mit einer Lichtquelle, welche verwendet wird, um Halbleiterwafer zu erwärmen, welche in der Kammer enthalten sind. Eine Strahlungserfassungsvorrichtung, wie etwa ein Pyrometer, befindet sich in Verbindung mit der Kammer und ist geeignet angeordnet, um Wärmestrah lung bei einer bestimmten Wellenlänge, welche durch einen Halbleiterwafer emittiert wird, zu erfassen. Dadurch, daß dieses die Wärmestrahlung, welche durch den Wafer emittiert wird, bei einer bestimmten Wellenlänge erfaßt, kann das Pyrometer verwendet werden, um die Temperatur des Wafers während des Betriebs der Wärmebehandlungskammer zu berechnen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt die Vorrichtung ferner ein Spektralfilter, welches in Verbindung mit der Lichtquelle angeordnet ist. Das Spektralfilter absorbiert Lichtenergie, welche durch die Lampe emittiert wird, bei der Wellenlänge, bei welcher die Strahlungserfassungsvorrichtung arbeitet, um zu verhindern, daß das absorbierte Licht durch die Strahlungserfassungsvorrichtung erfaßt wird und Temperaturmessungen stört, welche vorgenommen werden. Das Spektralfilter ist jedoch im wesentlichen durchlässig für Lichtenergie, welche durch die Lichtquelle emittiert wird, welche zum Erwärmen eines Halbleiterwafers, welcher in der Kammer enthalten ist, benötigt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können verschiedene Materialien verwendet werden, um das Spektralfilter herzustellen. Beispielsweise kann das Spektralfilter bei einem Ausführungsbeispiel ein Grundmaterial umfassen, welches ein Lichtabsorptionsmittel enthält. Das Lichtabsorptionsmittel kann beispielsweise ein Seltenerdmetall-Element oder ein lichtabsorbierender Farbstoff sein. Beispiele von Elementen aus der Gruppe der Seltenerdmetalle, welche gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, umfassen Ytterbium, Neodym, Thulium, Erbium, Holmium, Dysprosium, Terbium, Gadolinium, Europium, Samarium, Praseodym und Mischungen davon.
Lichtabsorbierende Farbstoffe, welche gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, umfassen organische Salzfarbstoffe, Nickelkomplexfarbstoffe, Edelmetallfarbstoffe, wie etwa Platinkomplexfarbstoffe und Palladiumkomplexfarbstoffe, Phalocyaninfarbstoffe, Anthraquinonfarbstoffe und Mischungen davon.
Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann das Spektralfilter aus einer Verbindung, welche ein Seltenerdmetall-Element enthält (wie etwa einem Oxid), oder einem Halbleitermaterial hergestellt sein. Die Verbindung des Seltenerdmetall-Elements kann eine Verbindung eines beliebigen der oben beschriebenen Seltenerdmetall-Elemente sein. Beispiele von Halbleitermaterialien, welche als Spektralfilter verwendet werden können, umfassen Galliumarsenid, Aluminiumarsenid, Indiumphosphid, Silizium, Germanium oder Legierungen dieser Materialien. Wenn ein Halbleitermaterial als Spektralfilter verwendet wird, kann es notwendig sein, das Spektralfilter während einer Erwärmung von Halbleiterwafern, welche in der Wärmebehandlungskammer enthalten sind, zu kühlen, abhängig von der Position des Spektralfilters.
Die vorliegende Erfindung schafft verschiedene Vorzüge und Vorteile beim Bestimmen der Temperatur von Wafern bei Erwärmungsvorgängen. Insbesondere kann das Spektralfilter unerwünschte Strahlung absorbieren und verhindern, daß diese durch die Strahlungserfassungsvorrichtung erfaßt wird, um die Temperatur der Wafer genauer zu bestimmen. Besonders vorteilhafterweise kann bei einem Ausführungsbeispiel ein erfindungsgemäß hergestelltes Spektralfilter gewählt werden, welches beim Absorbieren von Licht bei relativ kurzen Wellenlängen, wie etwa Wellenlängen von weniger als etwa 2 Mikrometer, und speziell bei Wellenlängen von weniger als etwa 1 Mikrometer, sehr wirksam ist. Bei anderen Ausführungsbeispielen können erfindungsgemäß hergestellte Spektralfilter jedoch dazu geeignet sein, Licht bei Wellenlängen, welche länger als 2 Mikrometer sind, zu absorbieren, was bei manchen Anwendungen erwünscht sein kann.
In 1 ist eine Vorrichtung, generell 10, welche gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung hergestellt ist, zum Behandeln von Halbleitervorrichtungen, wie etwa Siliziumwafern, dargestellt. Die Vorrichtung 10 um faßt eine Behandlungskammer 12, welche dazu geeignet ist, Substrate, wie etwa einen Halbleiterwafer 14, aufzunehmen, um verschiedene Behandlungsvorgänge durchzuführen. Die Kammer 12 ist dazu geeignet, den Wafer 14 mit hohen Geschwindigkeiten und unter sorgfältig kontrollierten Bedingungen zu erwärmen. Die Kammer 12 kann aus verschiedenen Materialien hergestellt sein, wobei dies Metalle und keramische Materialien umfaßt. Beispielsweise kann die Kammer 12 bei einem Ausführungsbeispiel aus rostfreiem Stahl hergestellt sein.
Wenn die Kammer 12 aus einem wärmeleitenden Material hergestellt ist, kann die Kammer ein Kühlsystem umfassen. Beispielsweise umfaßt, wie in 1 dargestellt, die Kammer 12 ein Kühlrohr 16, welches um den Umfang der Kammer gewickelt ist. Das Kühlrohr 16 ist dazu geeignet, ein Kühlfluid, wie etwa Wasser, welches verwendet wird, um die Wände der Kammer 12 auf einer konstanten Temperatur zu halten, in Umlauf zu leiten.
Die Kammer 12 kann ferner einen Gaseinlaß 18 und einen Gasauslaß 20 zum Einleiten eines Gases in die Kammer und/oder zum Halten der Kammer innerhalb eines vorher festgelegten Druckbereichs umfassen. Beispielsweise kann ein Gas zur Reaktion mit dem Wafer 14 durch den Gaseinlaß 18 in die Kammer 12 eingeleitet werden. Nach der Behandlung kann das Gas sodann unter Verwendung des Gasauslasses 20 aus der Kammer abgepumpt werden.
Alternativ kann ein inertes Gas durch den Gaseinlaß 18 in die Kammer 12 eingespeist werden, um zu verhindern, daß unerwünschte bzw. nicht wünschenswerte Nebenreaktionen in der Kammer erfolgen. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel können der Gaseinlaß 18 und der Gasauslaß 20 verwendet werden, um die Kammer 12 unter Druck zu setzen. Ferner kann ein Unterdruck unter Verwendung des Gasauslasses 20 oder eines zusätzlichen größeren Auslasses, welcher unterhalb des Niveaus des Wafers angeordnet ist, in der Kammer 12 erzeugt werden, wenn dies erwünscht ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Kammer 12 dazu geeignet sein, den Wafer 14 während einer Behandlung zu drehen. Das Drehen des Wafers fördert eine größere Gleichmäßigkeit der Temperatur an der Oberfläche des Wafers und fördert einen verbesserten Kontakt zwischen dem Wafer 14 und jeglichen Gasen, welche in die Kammer eingeleitet werden. Es sei jedoch bemerkt, daß die Kammer 12 dazu geeignet ist, außer Wafern auch optische Elemente, Filme, Fasern, Bänder und andere Substrate mit einer beliebigen speziellen Gestalt zu behandeln.
Ein Lichtquelle, generell 22, ist in Verbindung mit der Kammer 12 aufgenommen, um Lichtenergie zu emittieren und den Wafer 14 während einer Behandlung zu erwärmen. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfaßt die Lichtquelle 22 eine Vielzahl von Lampen 24. Die Lampen 24 können Glühlampen, wie etwa Wolfram-Halogen-Lampen, Bogenlampen oder ähnliches sein. Die Lichtquelle 22 kann einen Reflektor bzw. eine Gruppe von Reflektoren umfassen, um Lichtenergie, welche durch die Lampen 24 emittiert wird, sorgfältig gleichmäßig auf den Wafer 14 zu richten. Wie in 1 dargestellt, sind die Lampen 24 über dem Wafer 14 angeordnet. Es sei jedoch bemerkt, daß die Lampen 24 an einem beliebigen speziellen Ort angeordnet sein können. Ferner können wunschgemäß mehr oder weniger Lampen in der Vorrichtung 10 aufgenommen sein.
Bei einigen Wärmebehandlungskammern ist die Verwendung von Lampen 24 als Wärmequelle bevorzugt. Beispielsweise weisen Lampen viel höhere Erwärmungs- und Abkühlungsgeschwindigkeiten als andere Heizvorrichtungen auf. Die Lampen 24 erzeugen ein schnelles Wärmebehandlungssystem, welches sofortige Energie liefert, welches typischerweise eine sehr kurze und genau geregelte Anlaufperiode erfordert. Der Energiefluß von den Lampen 24 kann ferner jederzeit abrupt beendet werden. Die Lampen können mit schrittweisen Energiereglern versehen sein und können mit einer Steuereinheit verbunden sein, welche die Lichtenergiemenge, welche durch die Lampen emittiert wird, auf Basis von Temperaturmessungen des Wafers automatisch einstellt.
Zusätzlich zu den Lampen 24 kann die Vorrichtung 10 jedoch auch eine Heizvorrichtung umfassen, welche in der Wärmebehandlungskammer 12 an einem Ort neben dem Wafer 14 angeordnet ist. Die Heizvorrichtung kann zusätzlich zu den Lampen ein Heizelement, wie etwa eine elektrische Widerstandsheizung oder eine Induktionsheizung, umfassen, um den Wafer zu erwärmen.
Der Halbleiterwafer 14 ist in einer Wärmebehandlungskammer 12 durch eine Substrathalterung 26 gelagert. Die Substrathalterung 26 trägt bei diesem Ausführungsbeispiel ferner eine Vielzahl von optischen Fasern bzw. Lichtleitern 28, welche sich wiederum in Verbindung mit einer (oder mehreren) Strahlungserfassungsvorrichtung(en) 30, wie etwa einem (oder mehreren) Pyrometer(n), befinden. Alternativ zu dem Ausführungsbeispiel, welches in 1 dargestellt ist, kann jede optische Faser 28 mit einer getrennten Strahlungserfassungsvorrichtung verbunden sein, wenn dies erwünscht ist.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Verwendung optischer Fasern zum Übertragen von Strahlungsenergie zu den Pyrometern unnötig sein. Beispielsweise können einfache Linsensysteme anstatt optischer Fasern verwendet werden. Ferner können die Pyrometer bei weiteren Ausführungsbeispielen in einer direkten Sichtlinie mit dem Substrat, welches behandelt wird, angeordnet sein. Die spezielle Anordnung der Temperaturmeßvorrichtung in der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung hängt von dem Aufbau und der speziellen Anwendung ab.
Die optischen Fasern 28 sind dazu geeignet, Wärmestrahlung aufzunehmen, welche durch den Wafer 14 bei einer bestimmten Wellenlänge emittiert wird. Die Menge der erfaßten Strahlung wird sodann zu der Strahlungs erfassungsvorrichtung 30 übermittelt, welche ein geeignetes Spannungssignal zum Bestimmen der Temperatur des Wafers erzeugt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung 10 derart gestaltet, daß optische Fasern 28 lediglich Wärmestrahlung, welche durch den Wafer emittiert wird, erfassen und bedeutende Strahlungsmengen, welche durch die Lampen 24 emittiert werden, nicht erfassen. Im Hinblick darauf umfaßt die Vorrichtung 10 ein Spektralfilter 32, welches zwischen der Lichtquelle 22 und der Strahlungserfassungsvorrichtung 30 angeordnet ist. Das Spektralfilter verhindert im wesentlichen, daß Wärmestrahlung, welche durch die Lampen 24 bei der Wellenlänge, bei welcher die Strahlenerfassungsvorrichtung 30 arbeitet, emittiert wird, in die Kammer 12 eindringt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfaßt das Spektralfilter 32 ein Lichtabsorptionsmittel, welches in einem Grundmaterial enthalten ist. Generell verhindert das Spektralfilter 32 einerseits, daß Wärmestrahlung, welche durch die Lampen 24 bei der Wellenlänge, bei welcher die Strahlungserfassungsvorrichtung 30 arbeitet, emittiert wird, in die Kammer 12 eintritt, wobei dieses andererseits den Durchtritt von Strahlung bei anderen Wellenlängen in ausreichenden Mengen, um den Wafer 14 zu erwärmen, ermöglicht. Allgemein ausgedrückt, kann das Spektralfilter 32 gemäß der vorliegenden Erfindung dazu geeignet sein, viele verschiedene Wellenlängen und Wellenlängenbereiche zu filtern.
Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel ist das Spektralfilter dazu geeignet, relativ kurze Wellenlängen zu filtern. Beispielsweise kann es im Fall von Halbleitermaterialien einfacher sein, Strahlungserfassungsvorrichtungen zu verwenden, welche bei Wellenlängen unterhalb der Halbleiter-Absorptionskante ansprechen, was einer Photonenenergie entspricht, welche größer als die Halbleiter-Bandlücke ist. Bei diesen Wellenlängen ist der Untersuchungsgegenstand bei der Messungswellenlänge generell lichtundurchlässig. Infolgedessen ändert sich die Durchlässigkeit des Versuchsgegen stands nicht stark in Abhängigkeit von der Temperatur und der Waferdotierung, wie dies gewöhnlich für Wellenlängen jenseits der Absorptionskante der Fall ist.
Bei kleineren Wellenlängen weist das Planck'sche Gesetz, welches verwendet wird, um die Temperatur zu berechnen, eine sehr starke Temperaturabhängigkeit auf. Infolgedessen können bei kleineren Wellenlängen sehr starke Abschwächungen der Signalstärke beobachtet werden, wenn die Temperatur abfällt. Somit wird die niedrigste Temperatur, welche in einer Wärmebehandlungskammer zuverlässig gemessen werden kann, gewöhnlich durch das Rauschen in dem Erfassungssystem oder durch Streulicht, welches nicht von dem Wafersignal unterschieden werden kann, beschränkt. Infolgedessen besteht die Tendenz, daß das Verhältnis von Waferstrahlung zu Streulicht günstiger wird, wenn die Erfassungswellenlänge größer wird. Infolgedessen werden bei einigen Ausführungsbeispielen relativ genaue Ergebnisse erreicht, wenn die Temperaturmeßvorrichtungen bei einer Wellenlänge von etwa 0,5 Mikrometer bis etwa 1,5 Mikrometer, und speziell von etwa 0,8 Mikrometer bis etwa 1,1 Mikrometer, arbeiten. Erfindungsgemäß hergestellte Spektralfilter können dazu geeignet sein, Wellenlängen in den oben erwähnten Bereichen zu filtern.
Wie oben beschrieben, umfaßt das Spektralfilter 32 ein Lichtabsorptionsmittel, welches in einem Grundmaterial enthalten ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Lichtabsorptionsmittel beispielsweise ein Seltenerdmetall-Element oder ein lichtabsorbierender Farbstoff sein. Das Grundmaterial für das Lichtabsorptionsmittel kann beispielsweise Glas, Keramik, Kristallmaterial und ähnliches sein.
Wenn dieses hergestellt ist, sollte das Spektralfilter in der Lage sein, Wärmestrahlung bei der interessierenden Wellenlänge, welche die Wellenlänge ist, bei welcher die Strahlungserfassungsvorrichtung arbeitet, wirksam zu filtern. Im Hinblick darauf muß der Absorptionskoeffizient des Spektralfil ters groß genug sein, um die erwünschte Dämpfung der Strahlung bei der interessierenden Wellenlänge zu liefern. Beispielsweise sollte das Spektralfilter für die meisten Anwendungen einen Dämpfungsfaktor von mindestens 5, speziell von mindestens 100, und noch spezieller von mindestens 1000, aufweisen. Beispielsweise kann der Dämpfungsfaktor bei einem Ausführungsbeispiel größer als etwa 10⁹ sein. Gemäß Verwendung in der vorliegenden Schrift wird der Dämpfungsfaktor folgendermaßen berechnet: Dämpfungsfaktor = exp(– αd),wobei Alpha der Absorptionskoeffizient (1/cm) ist und d die Dicke (cm) des Spektralfilters ist.
Der Absorptionskoeffizient und die Dicke des Spektralfilters können sich ändern, solange sich der Dämpfungsfaktor bei der interessierenden Wellenlänge in einem geeigneten Bereich befindet. Für die meisten Anwendungen sollte das Material jedoch einen Absorptionskoeffizienten aufweisen, welcher größer als etwa 5 cm^–1, speziell größer als etwa 10 cm^–1, und noch spezieller größer als etwa 50 cm^–1 ist. Generell sollte das Spektralfilter möglichst dünn sein. Beispielsweise sollte das Spektralfilter eine Dicke von weniger als etwa 100 mm, speziell von weniger als 25 mm, aufweisen und kann bei einem Ausführungsbeispiel eine Dicke von weniger als etwa 5 mm aufweisen. Es sei jedoch bemerkt, daß die Dicke des Spektralfilters über die oben erwähnten Bereiche vergrößert werden kann, um einen erwünschten Dämpfungsfaktor zu liefern.
Die verschiedenen Lichtabsorptionsmittel und Grundmaterialien, welche bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, werden nun genauer beschrieben. Beispielsweise umfaßt, wie oben erwähnt, das Lichtabsorptionsmittel bei einem Ausführungsbeispiel ein Seltenerdmetall-Element. Seltenerdmetall-Elemente, welche bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, umfassen Ytterbium, Neodym, Thulium, Erbium, Holmium, Dysprosium, Terbium, Gadolinium, Europium, Samarium, Praseodym und ähnliches.
Beispielsweise erwies sich, daß Ytterbium eine starke Absorptionsspitze zwischen etwa 900 nm und etwa 1010 nm, und speziell zwischen etwa 950 nm und 985 nm, aufweist. Die Wellenlängen, welche durch das Ytterbium absorbiert werden, können jedoch durch das Grundmaterial geringfügig beeinflußt werden. Für Erbium und Neodym erwies sich gleichfalls, daß diese starke Absorptionsspitzen bei Wellenlängen von weniger als etwa 1,5 Mikrometer und mehr als etwa 0,6 Mikrometer aufweisen.
Wie oben beschrieben, können die erfindungsgemäß hergestellten Spektralfilter jedoch auch verwendet werden, um Wellenlängen zu absorbieren, welche größer als etwa 1,5 Mikrometer sind. Beispielsweise erwies sich, daß Holmium, Europium und Terbium günstige Absorptionseigenschaften für Wellenlängen von etwa 1,7 Mikrometer bis etwa 2,4 Mikrometer aufweisen. Genauer weist Holmium eine Absorptionsspitze bei 1,49 Mikrometer auf, weist Europium eine Absorptionsspitze bei etwa 2,09 Mikrometer auf und weist Terbium eine Absorptionsspitze zwischen etwa 1,85 Mikrometer und etwa 2,1 Mikrometer auf.
Um die Absorptionseigenschaften eines Seltenerdmetall-Elements darzustellen, ist als 5 ein Kurvendiagramm der Lichtdurchlässigkeit, aufgetragen gegen die Wellenlänge, für ein Glas mit zugesetztem Ytterbium aufgenommen. Das Glas wurde von der Schott Company bezogen und wurde unter der Bezeichnung Schott S-8050 Glass verkauft. Das Glas wies eine Dicke von etwa 14 mm auf und enthielt etwa 30 Gewichtsprozent Ytterbium. Wie dargestellt, ist das Glas mit zugesetztem Ytterbium bei diesem Ausführungsbeispiel gut geeignet, um Licht in einem Wellenlängenbereich von etwa 900 nm bis etwa 980 nm zu absorbieren und ist speziell gut geeignet, um Licht mit einer Wellenlänge von etwa 940 nm bis etwa 980 nm zu absorbieren.
Wie oben erwähnt, kann das Grundmaterial für das Seltenerdmetall-Element zusätzlich zu Glas ein keramisches oder ein kristallines Material oder ein Kunststoffmaterial sein. Generell kann jedes geeignete Grundmaterial verwendet werden, wobei dies flüssige Materialien umfaßt. Für die meisten Anwendungen wird es bevorzugt, daß das Lichtabsorptionsmittel eine gute Lösbarkeit in dem Grundmaterial aufweist. Ferner sind die Grundmaterialien vorzugsweise kostengünstig und können einfach zu erwünschten Formen ausgebildet werden. Ferner ist das Grundmaterial vorzugsweise auch gegen chemische Angriffe, wenn dieses in der Behandlungskammer direkt freiliegt, resistent.
Die Menge des Lichtabsorptionsmittels, welche dem Grundmaterial beigemischt ist, hängt von der speziellen Anwendung und den erwünschten Ergebnissen ab. Für die meisten Anwendungen sollte das Grundmaterial das Lichtabsorptionsmittel jedoch in einer Menge von mindestens 0,5 Gewichtsprozent, speziell von mindestens 10 Gewichtsprozent, und noch spezieller von mindestens 20 Gewichtsprozent, enthalten. Beispielsweise kann das Grundmaterial das Lichtabsorptionsmittel bei einem Ausführungsbeispiel in einer Menge von etwa 0,5 Gewichtsprozent bis etwa 50 Gewichtsprozent enthalten. Wie oben beschrieben, kann die Menge des Lichtabsorptionsmittels in dem Grundmaterial bei einigen Anwendungen auch als Konzentration der atomaren Zusammensetzung ausgedrückt werden.
Es folgen verschiedene Materialien, welche als Grundmaterialien gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Es sei jedoch bemerkt, daß die folgende Liste lediglich beispielhaft und nicht erschöpfend ist.
Glasmaterialien

Siliziumdioxid SiO₂
Germaniumoxid GeO₂
Titandioxid TiO₂
Silikatgläser (Li-Silikat, Na-Silikat)
Silikatglas: (Nb₂O₅-ZrO₂-SiO₂)
Silikatglas: Schott LG-680 (Laserglas)
Silikatglas: Kigre Q-246
Aluminium-Silikatglas
Aluminium-Germanium-Silikatglas
Bor-Silikatglas
Germanium-Silikatgläser
Phosphatgläser
Phosphatglas: (BaO-K₂O-P₂O₅)
Phosphatglas: Schott LG-700, LG-750, LG-760 (Lasergläser)
Phosphatgläser QX (Kigre), ADY, LY, PN, PNK
NASICON Phosphatglas Na₄AlZnP₃O₁₂
Fluor-Phosphatgläser
Fluorid-Phosphatglas
Fluorid-Sulfatglas
Fluor-Aluminatglas
Germanatgläser (K-Germanat)
Chalcogenidgläser
Gallium-Lanthan-Sulfidgläser – Chalcogenide
Halidgläser
Schwermetallfluoridgläser
ZB, ZBLA, ZBLAN & ZBLANP(ZBLANP = ZrF₄-BaF₂-LaF₃-AlF₃-NaF- PbF₂)-Schwermetallfluoridgläser
Fluor-Zirkonatgläser
BIGaZYT
Fluor-Boratgläser
Blei-Fluor-Boratgläser (PbO-PbF₂-B₂O₃)
Bleioxid-Fluorid-Gläser (PbO-PbF₂)
Blei-Boratgläser (PbO-B₂O₃)
Blei-Fluor-Boratglas (PbO-PbF₂-B₂O₃)
Telluritgläser (YTG)
Telluritglas (TeO₂-ZnO-Na₂O)
Telluridgläser

Kristalline Materialien

Yttrium-Aluminium-Granat (YAG = Y₃Al₅O₁₂)
Saphir Al₂O₃
Y₂O₃, Sc₂O₃, Lu₂O₃ (Sesquioxide)
Halbleiterkristalle (AlAs, GaAs, GaP, InP, AlGaAs, CdTe, CdS, CdSe, ZnS, ZnSe, ZnTe, Sic, Si)
LaBr₃, LaCl₃, LaF₃, LiYF₄, YalO₃, YVO₄
Sr₃Y(BO₃)₃ (BOYS)
Ca₄Gd (BO₃)₃O (GdCOB)
Ca₄Y (BO₃)₃O (YCOB)
KGd(WO₄)₂
KY(WO₄)₂
Sr₅(PO₄)₃F(S-FAP) – Apatitstruktur
Ca₅(PO₄)₃F(C-FAP) – Apatitstruktur
Ba₅(PO₄)₃F
LiNbO₃
Ca₈La₂(PO₄)₆O₂ (CLYPA) – Oxoapatit

Keramische Materialien

Aluminiumoxid (Al₂O₃)
Aluminiumoxynitrid (manchmal als AlON bezeichnet)
Keramische Formen von YAG
Siliziumkarbid
Siliziumnitrid
Spinell

Anstatt eines Seltenerdmetall-Elements kann das Lichtabsorptionsmittel bei einem Ausführungsbeispiel ein Metall, wie etwa ein Übergangsmetall, sein. Beispielsweise können dem Grundmaterial bei speziellen Ausführungsbeispielen Eisen oder Kupfer beigemischt sein. Allgemein können diese Materialien dem Grundmaterial in den gleichen Mengen beigemischt sein, wie oben für die Seltenerdmetall-Elemente erwähnt.
Zusätzlich dazu, daß das Grundmaterial ein Seltenerdmetall-Element enthält, wie oben beschrieben, kann das Lichtabsorptionsmittel ferner ein lichtabsorbierender Farbstoff sein. Der lichtabsorbierende Farbstoff kann alleine verwendet werden oder kann in Verbindung mit Elementen aus der Gruppe der Seltenerdmetalle und/oder den oben beschriebenen Metallen verwendet werden. Die lichtabsorbierenden Farbstoffe, welche in der vorliegenden Schrift beschrieben werden, können verschiedenen Grundmaterialien beigemischt sein. Einige lichtabsorbierende Farbstoffe können jedoch temperaturempfindlich sein. Daher können die Farbstoffe bei einigen Ausführungsbeispielen gegenüber einigen der anderen oben beschriebenen Grundmaterialien besser zum Beimischen in Kunststoffe und Lösungsmittel geeignet sein.
Bei der vorliegenden Erfindung können viele verschiedene Typen lichtabsorbierender Farbstoffe verwendet werden, abhängig von den erwünschten Ergebnissen. Beispielsweise kann der lichtabsorbierende Farbstoff einen organischen Salzfarbstoff (Produktreihe Epolin 100 & 2000), einen Nickelkomplexfarbstoff (Produktreihe Epolin 3000; SDA6370, 845 nm, von der H.W. Sands Corp.), Edelmetallfarbstoffe, wie etwa einen Platinkomplexfarbstoff und einen Palladiumkomplexfarbstoff (die Produktreihe Epolin 4000 umfaßt Platin- und Palladiumfarbstoffe; SDA5484, 886 nm, H.W. Sands Corp., ist ein Palladiumfarbstoff), einen Phalocyaninfarbstoff (Produktreihe Epolin 6000) oder einen Anthraquinonfarbstoff (Produktreihe Epolin 9000) umfassen. Die lichtabsorbierenden Farbstoffe können alleine oder in Verbindung mit anderen Farbstoffen verwendet werden. Die oben aufgelisteten Farbstoffe können vor der Festlegung der Zusammensetzung per Computersimulation optimiert werden. Ferner kann ein lichtabsorbierender Farbstoff auch in Verbindung mit einem Seltenerdmetall-Element verwendet werden.
Der lichtabsorbierende Farbstoff der vorliegenden Erfindung kann vor oder während der Einlagerung in ein Grundmaterial ferner mit verschiedenen Mitteln und Stabilisatoren kombiniert werden. Beispielsweise können den Farbstoffen Wärmestabilisatoren und Lichtstabilisatoren zugesetzt werden. Beispielsweise weisen Epolin-Klasse-V-Farbstoffe, welche EPOLIGHT 4029 umfassen, hohe thermische Stabilität und Ultraviolettstabilität auf. Ultraviolettlichtstabilisatoren, welche den Farbstoffen zugesetzt werden können, umfassen beispielsweise Ceroxid.
Einige im Handel erhältliche lichtabsorbierende Farbstoffe, welche bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, umfassen die folgenden:
Zusätzlich zu Grundmaterialien, welche ein zugesetztes Seltenerdmetall-Element oder einen lichtabsorbierenden Farbstoff enthalten, können verschiedene andere Materialien verwendet werden, um ein kleineres Spektralfilter gemäß der vorliegenden Erfindung herzustellen. Beispielsweise kann das Spektralfilter bei einem Ausführungsbeispiel aus einem Oxid eines Seltenerdmetall-Elements hergestellt sein. Beispielsweise kann Ytterbiumoxid (Yb₂O₃) verwendet werden. Die Oxide können in einer kristallinen Form, einer glasigen Form oder einer keramischen Form verwendet werden. Ferner können die Oxide miteinander oder mit anderen Bestandteilen gemischt werden, um eine mehrkomponentige Keramik oder ein Glas zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung zu bilden.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Spektralfilter aus einem Halbleitermaterial hergestellt sein. Das Halbleitermaterial kann beispielsweise Galliumarsenid, Aluminiumarsenid, Indiumphosphid, Silizium, Germanium oder Legierungen dieser Materialien umfassen. Beispielsweise ist Galliumarsenid gut geeignet, um Licht bei einer Wellenlänge von weniger als etwa 0,9 Mikrometer zu absorbieren. Wenn ein Halbleitermaterial verwendet wird, kann es jedoch notwendig sein, das Spektralfilter während des Betriebs der Behandlungskammer zu kühlen. Das Spektralfilter kann beispielsweise durch Leiten eines Fluids in Umlauf durch das gesamte Filtermaterial oder neben diesem gekühlt werden. Das Kühlfluid kann beispielsweise Luft oder Wasser sein. Selbstverständlich kann dazu jede geeignete Kühlvorrichtung verwendet werden.
Die Halbleitermaterialien können wegen der Tendenz einiger Materialien, hohe Brechungsindizes aufzuweisen und infolgedessen eine große Lichtmenge zu reflektieren, ferner mit einer reflexionsdämpfenden Beschichtung beschichtet sein. Reflexionsdämpfende Beschichtungen können beispielsweise aus dünnen Filmen aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid hergestellt sein. Ferner können mehrschichtige Beschichtungen geeignet gestaltet und aufgebracht sein, um eine Breitbandbeschichtung zu erreichen, welche in einem breiten Spektralbereich wirksam ist. Die Beschichtungen können alleine oder in Kombination mit verschiedenen absorbierenden Elementen verwendet werden. Bei einem Ausführungsbeispiel kann die reflexionsdämpfende Beschichtung verwendet werden, welche bei der Wellenlänge, bei welcher das Pyrometer arbeitet, ein hohes Reflexionsvermögen aufweist.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß hergestellten Wärmebehandlungskammer, generell 10, dargestellt. Gleiche Bezugsziffern wurden aufgenommen, um ähnliche Elemente zu kennzeichnen. Wie dargestellt, wird der Wafer 14 bei diesem Ausführungsbeispiel unter Verwendung zweier Gruppen von Lichtenergiequellen 24 von beiden Seiten erwärmt. Somit umfaßt die Vorrichtung bei diesem Ausführungsbeispiel ein erstes Spektralfilter 32 und ein zweites Spektralfilter 132, welche dazu dienen, den Wafer gegen die Lampen abzuschirmen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel umfassen die Spektralfilter 32 und 132 Öffnungen für die optischen Fasern 28 der Strahlungserfassungsvorrichtungen 30. Die Öffnungen ermöglichen es, daß Strahlung, welche durch den Wafer emittiert wird, zu den Strahlungserfassungsvorrichtungen durchgelas sen wird. Wie dargestellt, filtern die Spektralfilter 32 und 132 die Lichtenergie, welche durch die Lampen 24 in die Behandlungskammer 12 emittiert wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung können die Spektralfilter 32 und 132 aus jedem der oben beschriebenen Materialien hergestellt sein.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann das Spektralfilter 32 verwendet werden, um das Lampengehäuse selbst auszubilden. Insbesondere kann das Spektralfilter in direkter Verbindung mit dem Lampenglühdraht, welcher Strahlungsenergie erzeugt, angeordnet sein.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Spektralfilter der vorliegenden Erfindung als Beschichtung auf der Lampenhülle aufgetragen sein.
Zusätzlich zur Ausbildung von Öffnungen in den Spektralfiltern 32 und 132 können bei einem alternativen Ausführungsbeispiel die optischen Fasern 28 oder das Pyrometer selbst in Bereichen enthalten sein, wo dem Grundmaterial das Lichtabsorptionsmittel nicht zugesetzt ist. In dieser Weise besitzt das Pyrometer eine Sichtöffnung durch diese Bereiche, um Messungen des Wafers vorzunehmen. Bei einem Ausführungsbeispiel können die Bereiche durch Verschmelzen von Glasstücken ohne Zusatz zu einer Glasschicht mit Zusatz, welche mit Öffnungen ausgebildet wurde, ausgebildet sein.
Zusätzlich zur Anordnung der optischen Fasern 28 in den Spektralfiltern können die optischen Fasern jedoch ebenso an anderen Orten angeordnet sein. Beispielsweise können die optischen Fasern auch vollständig durch das Filter oder durch die Kammerseitenwände verlaufen.
Zusätzlich dazu, daß diese die Form von Luken aufweisen, welche die Wärmebehandlungskammer gegen die Lampen abschirmen, können die Spektralfilter der vorliegenden Erfindung auch in anderen Anordnungen aufgebaut sein. Beispielsweise kann, wie in den 3A und 3B dargestellt, das Spektralfilter 32 die Form einer Hülse aufweisen, welche um einzelne Lampen oder Gruppen von Lampen angeordnet ist. Wie in 3A dargestellt, kann die Lampe 24 vertikal ausgerichtet sein oder horizontal ausgerichtet sein, wie in 3B dargestellt. Bei dieser Anordnung können die Spektralfilter 32 alleine oder in Verbindung mit weiteren Luken verwendet werden, welche dazu dienen, die Kammer 12 abzuschirmen.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können die optischen Fasern 28 gemäß Darstellung in den 1 und 2 außerhalb der Wärmebehandlungskammer 12 in der gleichen Nähe zu den Lampen 24 angeordnet sein. Bei dieser Anordnung läuft Licht, welches durch die Lampen emittiert wird, zweimal durch das Spektralfilter, bevor dieses durch die optischen Fasern erfaßt wird. Licht, welches von dem Wafer emittiert wird, läuft jedoch lediglich einmal durch das Spektralfilter, bevor dieses durch die optischen Fasern erfaßt wird. Infolgedessen wird das Verhältnis von Streulicht zu Signal günstiger für das Vornehmen genauer Temperaturmessungen.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die Vorrichtung 10 ein Paar paralleler Luken umfassen, welches eine erste Luke neben den Lampen und eine zweite Luke neben der Kammer umfaßt. In dieser Weise kann ein Kühlfluid, wie etwa Luft oder Wasser, zwischen den zwei Luken in Umlauf geleitet werden. Eine oder beide Luken können ein erfindungsgemäßes Spektralfilter sein. Wenn eine der Luken nicht als Spektralfilter verwendet wird, kann die Luke beispielsweise aus Quarz oder Saphir hergestellt sein.
Gemäß 4 kann das Spektralfilter bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Form eines Reflektors 40 aufweisen, welcher in Verbindung mit einer Vielzahl von Lampen 24 angeordnet ist. Beispielsweise kann der Reflektor 40 eine erste Schicht 42 und eine zweite Schicht 44 umfassen. Die erste Schicht 42 kann aus einem stark re flektierenden Material, wie etwa einem Metall, hergestellt sein. Die zweite Schicht 44 kann ein erfindungsgemäßes Lichtabsorptionsmittel enthalten. In dieser Weise dient die zweite Schicht 44 zum Filtern von Licht, welches von den Lampen und in die Wärmebehandlungskammer reflektiert wird. Somit wird, obgleich direktes Licht, welches durch die Lampen bei der interessierenden Wellenlänge emittiert wird, die Kammer erreichen kann, die Menge des reflektierten Lichts bei der interessierenden Wellenlänge vermindert. Abhängig von der speziellen Anwendung kann der Reflektor 40 die Lichtmenge bei der Wellenlänge, bei welcher die Strahlungserfassungsvorrichtungen arbeiten, in einem zum Vornehmen relativ genauer Temperaturmessungen ausreichenden Umfang vermindern.
Diese und weitere Abwandlungen und Änderungen der vorliegenden Erfindung können durch gewöhnlich Fachkundige ausgeführt werden, ohne von Prinzip und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen, welche in den beigefügten Ansprüchen genauer dargelegt sind. Ferner sei darauf hingewiesen, daß Aspekte der verschiedenen Ausführungsbeispiele sowohl insgesamt als auch teilweise ausgetauscht werden können. Ferner ist für gewöhnlich Fachkundige zu ersehen, daß die vorangehende Beschreibung lediglich beispielhaft gemeint ist und die Erfindung, welche in den beigefügten Ansprüchen weiter beschrieben ist, nicht beschränken soll.
(57) Zusammenfassung
Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erwärmen von Halbleiterwafern offenbart. Die Vorrichtung umfaßt ein kontaktfreies Temperaturmeßsystem, welches Strahlungserfassungsvorrichtungen, wie etwa Pyrometer, verwendet, um die Temperatur des Wafers während einer Behandlung zu bestimmen. Die Strahlungserfassungsvorrichtungen bestimmen die Temperatur des Wafers durch Überwachen der Strahlungsmenge, welche durch den Wafer bei einer bestimmten Wellenlänge emittiert wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Spektralfilter zum Filtern von Licht, welches von Lampen emittiert wird, welche verwendet werden, um den Wafer zu erwärmen, bei der Wellenlänge, bei welcher die Strahlungserfassungsvorrichtungen arbeiten, in der Vorrichtung aufgenommen. Das Spektralfilter umfaßt ein Lichtabsorptionsmittel, wie etwa ein Seltenerdmetall-Element, ein Oxid eines Seltenerdmetall-Elements, einen lichtabsorbierenden Farbstoff oder ein Halbleitermaterial.
(1)

Claims

Vorrichtung zur Wärmebehandlung von Substraten, umfassend: eine Wärmebehandlungskammer zum Aufnehmen von Substraten; eine Strahlungsenergiequelle, welche sich in Verbindung mit der Wärmebehandlungskammer befindet, wobei die Strahlungsenergiequelle Strahlungsenergie in die Kammer emittiert; mindestens eine Strahlungserfassungsvorrichtung, welche sich in Verbindung mit der Wärmebehandlungskammer befindet, wobei die Strahlungserfassungsvorrichtung dazu geeignet ist, Strahlung bei einer vorgewählten Wellenlänge zu erfassen; und ein Spektralfilter, welches in Verbindung mit der Strahlungsenergiequelle angeordnet ist, wobei das Spektralfilter dazu geeignet ist, Strahlung, welche durch die Strahlungsenergiequelle emittiert wird, bei der vorgewählten Wellenlänge zu absorbieren, wobei das Spektralfilter ein Material umfaßt, welches ein Seltenerdmetall-Element enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Seltenerdmetall-Element ein Material ist, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus Ytterbium, Neodym, Thulium, Erbium, Holmium, Dysprosium, Terbium, Gadolinium, Europium, Samarium, Praseodym und Mischungen davon besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Seltenerdmetall-Element in einem Grundmaterial enthalten ist, wobei das Grundmaterial ein Glas, eine Flüssigkeit, einen Kristall, einen Kunststoff oder ein keramisches Material umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Seltenerdmetall-Element Ytterbium ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das Ytterbium in einem Glasmaterial in einer Menge von mindestens 0,5 Gewichtsprozent enthalten ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Ytterbium in dem Glas in einer Menge von mindestens 20 Gewichtsprozent enthalten ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei sich die vorgewählte Wellenlänge zwischen etwa 900 nm und etwa 1010 nm befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Spektralfilter ein Oxid eines Seltenerdmetall-Elements umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Seltenerdmetall-Element Ytterbium ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Spektralfilter eine Dicke von weniger als etwa 100 mm aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Spektralfilter zwischen der Strahlungsenergiequelle und einer Substrathalterung, welche in der Wärmebehandlungskammer enthalten ist, angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Spektralfilter einen Dämpfungsfaktor von mindestens 5 aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Spektralfilter einen Dämpfungsfaktor von mindestens 10³ aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Seltenerdmetall-Element Holmium, Europium oder Terbium ist und die vorgewählte Wellenlänge etwa 1,7 Mikrometer bis etwa 2,4 Mikrometer beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Strahlungsenergiequelle mindestens eine Lampe umfaßt.
Vorrichtung zur Wärmebehandlung von Substraten, umfassend: eine Wärmebehandlungskammer zum Aufnehmen eines Substrats; eine Strahlungsenergiequelle, welche sich in Verbindung mit der Wärmebehandlungskammer befindet, zum Emittieren von Strahlungsenergie in die Kammer; mindestens eine Strahlungserfassungsvorrichtung, welche sich in Verbindung mit der Wärmebehandlungskammer befindet, wobei die Strahlungserfassungsvorrichtung dazu geeignet ist, Strahlung bei einer vorgewählten Wellenlänge zu erfassen; und ein Spektralfilter, welches in Verbindung mit der Strahlungsenergiequelle angeordnet ist, wobei das Spektralfilter dazu geeignet ist, Strahlung, welche durch die Strahlungsenergiequelle emittiert wird, bei der vorgewählten Wellenlänge zu absorbieren, wobei das Spektralfilter ein Lichtabsorptionsmittel umfaßt, wobei das Lichtabsorptionsmittel ein Material umfaßt, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus einem Seltenerdmetall-Element, einem Farbstoff und einem Halbleitermaterial besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei das Lichtabsorptionsmittel ein Halbleitermaterial umfaßt, wobei das Halbleitermaterial Galliumarsenid, Aluminiumarsenid, Silizium, Germanium, Indiumphosphid oder Legierungen davon umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei das Lichtabsorptionsmittel einen Farbstoff umfaßt, wobei der Farbstoff einen organischen Salzfarbstoff, einen Nickelkomplexfarbstoff, einen Edelmetallfarbstoff, einen Phalocyaninfarbstoff oder ein Anthraquinon oder Mischungen davon umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei das Spektralfilter ein Grundmaterial mit dem zugesetzten Lichtabsorptionsmittel umfaßt, wobei das Lichtabsorptionsmittel ein Seltenerdmetall-Element umfaßt, wobei das Seltenerdmetall-Element ein Material ist, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus Ytterbium, Neodym, Thulium, Erbium, Holmium, Dysprosium, Terbium, Gadolinium, Europium, Samarium, Praseodym und Mischungen davon besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die vorbestimmte Wellenlänge weniger als etwa 1,5 Mikrometer beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei das Seltenerdmetall-Element Ytterbium umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei die vorgewählte Wellenlänge etwa 900 nm bis etwa 1010 nm beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei das Spektralfilter zwischen der Strahlungsenergiequelle und dem Substrat angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei das Spektralfilter einen Dämpfungsfaktor von mindestens 5 aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei das Spektralfilter einen Dämpfungsfaktor von mindestens 10³ aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Strahlungsenergiequellen eine oder mehrere Lampen umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Strahlungserfassungsvorrichtung ein Pyrometer umfaßt.
Verfahren zum Erwärmen von Substraten in einer Behandlungskammer unter Verwendung von Strahlungsenergie, umfassend die Schritte: Anordnen eines Substrats in einer Wärmebehandlungskammer; Erwärmen des Substrats mit einer Strahlungsenergiequelle, welche in Verbindung mit der Wärmebehandlungskammer angeordnet ist; Erfassen von Strahlung bei einer vorgewählten Wellenlänge, welche durch das Substrat emittiert wird, während das Substrat erwärmt wird, wobei die Strahlung durch mindestens eine Strahlungserfassungsvorrichtung erfaßt wird; und Absorbieren von Streulicht bei der vorgewählten Wellenlänge, welche durch die Strahlungsenergiequelle emittiert wird, wobei das Streulicht durch ein Spektralfilter absorbiert wird, wobei das Spektralfilter ein Seltenerdmetall-Element oder einen Farbstoff umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei das Spektralfilter ein Grundmaterial umfaßt, welches einen Farbstoff enthält, wobei der Farbstoff ein Material umfaßt, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus einem organischen Salzfarbstoff, einem Nickelfarbstoff, einem Edelmetallfarbstoff, einem Phalocyaninfarbstoff, einem Anthraquinonfarbstoff oder Mischungen davon besteht.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei das Spektralfilter ein Grundmaterial umfaßt, welches ein Seltenerdmetall-Element enthält, wobei das Seltenerdmetall-Element ein Material umfaßt, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus Ytterbium, Neodym, Thulium, Erbium, Holmium, Dysprosium, Terbium, Gadolinium, Europium, Samarium, Praseodym und Mischungen davon besteht.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei das Seltenerdmetall-Element Ytterbium umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei die vorgewählte Wellenlänge etwa 900 nm bis etwa 1010 nm beträgt.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei die vorbestimmte Wellenlänge kleiner als etwa 1,5 Mikrometer ist.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei das Spektralfilter einen Dämpfungsfaktor von mindestens 5 aufweist.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei das Spektralfilter einen Dämpfungsfaktor von mindestens 10³ aufweist.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei das Spektralfilter einen Dämpfungsfaktor von mindestens 10⁵ aufweist.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei das Seltenerdmetall-Element Neodym umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei das Seltenerdmetall-Element Erbium umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei das Grundmaterial ein Glas, einen Kristall oder ein keramisches Material umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei das Grundmaterial einen Kunststoff oder eine Flüssigkeit umfaßt.
Vorrichtung zur Wärmebehandlung von Substraten, umfassend: eine Wärmebehandlungskammer zum Aufnehmen von Substraten; eine Strahlungsenergiequelle, welche sich in Verbindung mit der Wärmebehandlungskammer befindet, wobei die Strahlungsenergiequelle Strahlungsenergie in die Kammer emittiert; mindestens eine Strahlungserfassungsvorrichtung, welche sich in Verbindung mit der Wärmebehandlungskammer befindet, wobei die Strahlungserfassungsvorrichtung dazu geeignet ist, Strahlung bei einer vorgewählten Wellenlänge zu erfassen; und ein Spektralfilter, welches in Verbindung mit der Strahlungsenergiequelle angeordnet ist, wobei das Spektralfilter dazu geeignet ist, Strahlung, welche durch die Strahlungsenergiequelle emittiert wird, bei der vorgewählten Wellenlänge zu absorbieren, wobei das Spektralfilter ein Material umfaßt, welches ein Metall enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 41, wobei das Metall ein Übergangsmetall umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 41, wobei das Metall Eisen umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 41, wobei das Metall Kupfer umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 41, wobei das Metall in einem Grundmaterial enthalten ist, wobei das Grundmaterial ein Glas, eine Flüssigkeit, einen Kristall, einen Kunststoff oder ein keramisches Material umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 45, wobei das Metall in dem Grundmaterial in einer Menge von etwa 0,5 bis etwa 50 Gewichtsprozent enthalten ist.
Vorrichtung nach Anspruch 41, wobei das Spektralfilter zwischen der Strahlungsenergiequelle und einer Substrathalterung, welche in der Wärmebehandlungskammer enthalten ist, angeordnet ist.