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Bereich der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung
eines Halbleiterwafers.
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Stand der Technik
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Ein
Wärmebehandlungskammer,
wie sie hierin verwendet wird, bezieht sich auf eine Vorrichtung,
die Gegenstände
wie beispielsweise Halbleiter-Wafer schnell erwärmt. Solche Vorrichtungen weisen
typischerweise einen Substrathalter zum Halten eines Halbleiter-Wafers
und eine Wärmeenergiequelle
auf, wie beispielsweise eine Lichtquelle, die Energie zum Erwärmen des
Wafers abstrahlt. Während der
Wärmebehandlung
werden die Halbleiter-Wafer unter kontrollierten Bedingungen gemäß einem
voreingestellten Temperaturplan erwärmt. Zur Überwachung der Temperatur der
Halbleiter-Wafer während der
Wärmebehandlung
weisen Wärmebehandlungskammern
typischerweise auch Temperaturabfühlvorrichtungen auf, wie beispielsweise
Pyrometer, die die durch den Halbleiter-Wafer auf einer ausgewählten Wellenlänge abgestrahlte
Strahlung abfühlen.
Durch das Abfühlen
der durch den Wafer abgestrahlten Wärmestrahlung kann die Temperatur
des Wafers mit angemessener Genauigkeit berechnet werden.
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Viele
Halbleiterwärmprozesse
setzen voraus, dass ein Wafer auf hohe Temperaturen erhitzt werden,
sodass verschiedene chemische und physikalische Reaktionen stattfinden
können,
wenn der Wafer in eine Vorrichtung gefertigt wird. Während der schnellen
Wärmebehandlung,
die eine Art der Behandlung ist, werden Halbleiter-Wafer typischerweise durch
Anordnungen von Lichtquellen für
Dauer von Zeitspannen, die typischerweise kürzer als einige Minuten sind,
auf Temperaturen beispielsweise von 400°C bis 1200°C erhitzt.
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In
der Vergangenheit wurden Halbleiter-Wafer beispielsweise einem vorbestimmten
Wärmezyklus
entsprechend erwärmt.
Beispielsweise wurden die Wafer typischerweise von einer Starttemperatur bis
zu einer gewünschten
Temperatur mit einer sehr hohen Heizrate erwärmt. Die Wafer wurden dann
an der gewünschten
Temperatur für
eine Zeitspanne gehalten, die ausreichend ist, damit bestimmte Prozesse
stattfinden können.
Beispielsweise können
die Wafer während
dieser Heizzyklen entspannt werden, oder verschiedene Beschichtungen
und Filme, wie beispielsweise Oxidfilme, können auf den Wafern abgeschieden
werden. Um den Heizzyklus zu vervollständigen, werden die Lichtquellen
abgeschaltet und es wird den Wafern ermöglicht, abzukühlen, nachdem
sie für
eine vorbestimmte Zeitdauer auf einer gewünschten Temperatur gehalten
wurden. Im Allgemeinen lässt
man die Wafer abkühlen,
indem die Lichtquellen einfach entfernt oder abgeschaltet werden.
Zudem wurde in manchen Fällen
auch eine Kühlvorrichtung
verwendet, um den Wafer abzukühlen.
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In
letzter Zeit wurde die Betonung auf das Bilden integrierter Schaltkreise
gelegt, die dünnere und
gleichförmigere
Schichten aufweisen, die effizienter sind und weniger Energie im
Betrieb benötigen. In
dieser Hinsicht wurde in letzter Zeit die Aufmerksamkeit nicht nur
auf das präzisere
Bilden von Schichten und Filmen in Wärmebehandlungskammern gerichtet,
sondern auch darauf, die Länge
der Zeit zu reduzieren, die benötigt
wird, um einen Heizzyklus in der Kammer zu vervollständigen,
d. h. Temperaturanstieg, einen Zustand beständiger Temperatur, und das
Abkühlen.
Im Allgemeinen müssen
die Wafer so gleichmäßig wie
möglich
erwärmt
und abgekühlt
werden, um die gewünschten
Ergebnisse zu erreichen.
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Ein
Problem mit dem Erwärmen
und Abkühlen
von Halbleiter-Wafern ist jedoch, dass das Temperaturprofil eines
Wafers an verschiedenen Stellen des Wafers unterschiedlich sein
kann, was die gesamte Gleichförmigkeit
des Erwärmens
und Abkühlens
verringert. Wenn beispielsweise eine Oxidschicht auf einem Siliziumwafer
unter Verwendung herkömmlicher
Verarbeitungsprozesse gebildet wird, weist das Temperaturprofil
des Wafers typischerweise Abwei chungen von der gewünschten
gleichförmigen
Temperatur auf, die von einer Vielzahl von Faktoren abhängen, wie
der Art der verwendeten Heizvorrichtung, der Geometrie der Kammer,
etc.. Diese Abweichungen sind typischerweise nur in bestimmten Bereichen
des Wafers lokalisiert. Beispielsweise können lokalisierte Temperaturabweichungen
während
den Abkühl-
und Aufwärmehasen
des Heizzyklus vorherrschen. Während
solcher Phasen können die
lokalisierten äußeren Bereiche
des Wafers dazu neigen, sich schneller zu erwärmen oder abzukühlen als
die lokalisierten Mittelbereiche. Das führt zu Ungleichförmigkeiten
im Temperaturprofil über
den Wafer hinweg.
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Solch
lokalisierten Temperaturabweichungen weisen typischerweise eine
Stärke
im Bereich einiger Grade auf und sind in Bereichen einiger Zentimeter
des Wafers lokalisiert. Insbesondere sind diese Abweichungen bei
schnellen thermischen Prozessen üblicherweise
in der Spanne von ungefähr
0,1% bis ungefähr
10% von der gleichförmigen
Zieltemperatur. Beispielsweise ist eine typische lokalisierte Abweichung
in einem herkömmlichen
schnellen thermischen Verarbeitungsprozess ungefähr 5°C bei einer Zielprozesstemperatur
von ungefähr
1000°C.
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Weiter
wird auf
US-A-5,177,878 hingewiesen,
die eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Behandlung eines Halbleiter-Wafers
unter verringertem Druck beschreibt. Die Vorrichtung weist eine
Vakuumkammer auf, die mit einem Substrathalter versehen ist, der
einen Körper
mit Heiz- und/oder Kühlmitteln
und eine tragende Oberfläche
aufweist, welche eine Vielzahl von Einsprühöffnungen und Auslassöffnungen
aufweist. Durch die Einsprühöffnungen
kann ein Gas in die Vakuumkammer eingesprüht werden, um ein Gaspolster
zwischen dem Substrathalter und dem Halbleiter-Wafer zu bilden,
um einen Wärmeaustausch
zwischen beiden zu verstärken.
Gleichzeitig mit dem Einsprühen
des Gases durch die Einsprühöffnungen
wird die gleiche Menge an Gas durch die Auslassöffnungen abgeleitet, um das
Vakuum in der Vakuumkammer nicht zu beeinflussen. Lokale Korrekturen
der Temperaturverteilung des Wafers können durch das Stoppen des
Gaszuflusses jeweils in die oder aus ausgewählten der genannten Einsprüh- und Auslassöffnungen
beeinflusst werden.
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Somit
besteht derzeit ein Bedarf an einer verbesserten Vorrichtung und
einem Verfahren zum Abkühlen
und Erwärmen
von Wafern in schnellen thermischen Behandlungskammern. Insbesondere
besteht derzeit ein Bedarf an einer schnellen thermischen Prozesskammer,
die in der Lage ist, einen Halbleiter örtlich zu kühlen und/oder zu erwärmen, um
Abweichungen im Temperaturprofil des Wafers zu minimieren.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung erkennt die vorhergehenden Nachteile und andere
der Konstruktionen und Verfahren gemäß Stand der Technik und geht
diese an.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung
und ein Verfahren bereitzustellen, um die Temperatur lokalisierter
Bereiche eines Halbleiter-Wafers während eines vorbestimmten Heizzyklus
zu steuern. In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung wird eine Methode und eine Vorrichtung
zur Wärmebehandlung
eines Halbleiter-Wafers, wie jeweils in den Patentansprüchen 1 und
13 ausgeführt,
bereitgestellt. Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den abhängigen
Patentansprüchen
beansprucht.
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Während des
Prozesses der Herstellung integrierter Schaltkreise kann die Vorrichtung
für verschiedene
Arbeitsvorgänge
verwendet werden, wie beispielsweise dem Entspannen von Wafern nach
einem Schritt der Ionenimplantation, oder zum Herstellen oder Entspannen
von Beschichtungen oder filmen auf Halbleiter-Wafern, wie beispielsweise
solche, die aus leitenden Materialien, Isolatoren, und halbleitenden
Materialien bestehen. Die Vorrichtung weist eine thermische Prozesskammer
auf, die darauf eingerichtet ist, Halbleiter-Wafer aufzunehmen. Ein Substrathalter
kann sich innerhalb der Prozesskammer befinden, um die Wafer zu
halten und zu drehen. Um die Wafer zu er wärmen, steht eine Wärmequelle
mit der Prozesskammer in Verbindung. Die Wärmequelle ist eine Vielzahl
von Lampen, die Wärmestrahlung
abgeben. In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung weist die Vorrichtung weiterhin eine
Einrichtung auf, die mindestens einen Gasauslass aufweist und dazu
dient, lokalisierte Bereiche eines Halbleiter-Wafers zu Erwärmen und/oder zu
kühlen.
Durch das lokale Erwärmen
oder Abkühlen
bestimmter Bereiche des Wafers können
Abweichungen der Temperatur korrigiert oder grundsätzlich unterbunden
werden. Insbesondere ist es gewöhnlicherweise
wünschenswert,
einen Wafer während
eines bestimmten Schritts eines Heizzyklus auf eine vorbestimmte
Temperatur zu erwärmen.
Um angemessene Prozessergebnisse zu erhalten (beispielsweise eine
gleichförmige
Oxiddicke) muss der gesamte Wafer im Allgemeinen bei dieser vorbestimmten
Temperatur gehalten werden. Von daher können diese Abweichungen von
der vorbestimmten Temperatur gemäß der vorliegenden
Erfindung angemessen korrigiert werden, so dass sich ein im Wesentlichen
gleichförmiges
Temperaturprofil für
den Wafer ergibt. Beispielsweise kann die Vorrichtung zum lokalisierten
Erwärmen
und/oder Kühlen
in einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung unterhalb des Wafers positioniert werden.
In diesem Ausführungsbeispiel
kann die Vorrichtung mit einem oder mehr Gasauslässen ausgestattet sein, um
den Wafern ein Gas oder mehrere Gase zuzuführen. Während der Verarbeitung können diese
Gase zugeführt werden,
um den Wafer aufzuwärmen
oder abzukühlen.
Zum Beispiel können
während
des Aufheizens verschiedene lokalisierte Bereiche des Wafers (beispielsweise
aussen liegende Bereiche) durch diese Gase gekühlt werden, um ein zu starkes
Aufwärmen („over-heating") zu kompensieren,
das ansonsten ein gleichförmiges
Aufwärmen
verhindern würde.
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Zudem
kann auch eine Vielzahl von Steuerungsmechanismen verwendet werden,
um das Zuführen
eines Gases zu dem Wafer zu steuern. So umfassen Beispiele solcher
Steuerungsmechanismen das Steuern der Zuflussrate der Gase, Steuern
der Temperatur der Gase, Variieren der Arten der Gase, Einstellen
des Verteilungsprofils des Gases, Variieren der Winkel, mit denen
die Gase ausgestossen werden, Beeinflussung der Positionierung der
Auslässe, Variieren
der Durchmesser der Gasauslässe, das Ändern des
Abstands zwischen den Gasauslässen,
das Rotieren des Wafers in einer bestimmten Richtung, das Montieren
der Gasauslässe
durch eine reflektierende Vorrichtung etc., sind aber nicht darauf beschränkt.
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Zusätzlich verwendet
ein anderes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ein Gasrohr zur lokalisierten Erwärmung und/oder
Kühlung. Obwohl
es nicht notwendig ist, wird das Rohr typischerweise über dem
Wafer positioniert. Um sicherzustellen, dass das Erwärmen nicht
durch die Lampe unterbunden wird, besteht das Gasrohr im Allgemeinen
aus einem transparenten Material, wie beispielsweise Saphir oder
Quartz. Weiterhin kann die Vorrichtung dieses Ausführungsbeispiels ähnlich dem oben
besprochenen Ausführungsbeispiel
mit einem oder mehreren Gasauslässen
ausgestattet sein, die ein oder mehrere Gase zuführen können, um lokalisierte Bereiche
des Wafers zu heizen oder zu kühlen.
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Weiterhin
kann jeder der oben erwähnten Steuerungsmechanismen
in Verbindung mit dem Gasrohr verwendet werden. Es können jedoch
auch andere Mechanismen in Übereinstimmung
mit diesem Ausführungsbeispiel
verwendet werden. Beispielsweise umfassen Beispiele solcher Steuerungsmechanismen
das Variieren des Durchmessers und/oder der Länge des Gasrohrs, das Aufteilen
des Gasrohrs in verschiedene Segmente, das Verwenden mehrere Gasrohre
(beispielsweise Innenrohr), das Verwenden mehrerer Reihen oder Ketten
von Gasauslässen
mit einem einzelnen Gasrohr, etc., sind aber nicht darauf beschränkt. Zudem
können, ähnlich dem
oben besprochenen Ausführungsbeispiel,
diese und andere Steuerungsmechanismen unter Verwendung einer Systemsteuerung
automatisch eingestellt werden, die mit einer oder mehreren Temperaturabfühlvorrichtungen
in Verbindung steht. Andere Ziele, Eigenschaften und Aspekte der
vorliegenden Erfindung werden unten genauer besprochen werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Eine
vollständige
und ermächtigende,
an einen Fachmann gerichtete Offenbarung der vorliegenden Erfindung
einschließlich
der besten Art der Ausführung
wird im Rest der Beschreibung genauer ausgeführt, welche sich auf die beigefügten Zeichnungen
bezieht, wobei:
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1 ein
Querschnitt eines Ausführungsbeispiels
einer Vorrichtung zur Wärmebehandlung
von Halbleiter-Wafern gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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2 ein
Querschnitt eines Ausführungsbeispiels
einer Vorrichtung ist, die zum lokalisierten Kühlen oder Erwärmen gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet wird;
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3 ein
Querschnitt der in 2 dargestellten Vorrichtung
ist;
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4 eine
graphische Darstellung des Beispiels ist;
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5 ein
Querschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels
einer Vorrichtung zur Wärmebehandlung
von Halbleiter-Wafern gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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6 ein
Querschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels
einer Vorrichtung ist, die zum lokalisierten Kühlen oder Erwärmen gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet wird;
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7 ein
Querschnitt der in 6 dargestellten Vorrichtung
ist;
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8 ein
Querschnitt eines alternativen Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung
ist, die zum lokalisierten Kühlen
oder Erwärmen
gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet wird;
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9(a) und 9(b) Darstellungen
eines weiteren Ausführungsbeispiels
einer Vorrichtung ist, die zum lokalisierten Kühlen oder Erwärmen gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet wird; und
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10 ein
Querschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels
einer Vorrichtung ist, die zum lokalisierten Kühlen oder Erwärmen gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet wird.
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Die
wiederholte Verwendung von Bezugszeichen in den vorliegenden Beschreibungen
und Zeichnungen soll dazu dienen, gleiche oder analoge Eigenschaften
oder Elemente der Erfindung darzustellen.
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Detaillierte Beschreibung
der repräsentativen
Ausführungsbeispiele
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Ein
Fachmann wird verstehen, dass die vorliegende Besprechung nur eine
Beschreibung beispielhafter Ausführungsbeispiele
ist, und nicht darauf abzielt, die breiteren Aspekte der vorliegenden
Erfindung einzuschränken,
wobei breitere Aspekte in der beispielhaften Konstruktion ausgedrückt sind.
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Im
Allgemeinen zielt die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung
und ein Verfahren ab, um Wafer in einer thermischen Prozesskammer
zu Erwärmen.
Um Halbleiter-Wafer zu erwärmen,
weist die Vorrichtung eine Vielzahl von Lampen auf, die energetische
Strahlung aussenden. Zudem kann die thermische Prozesskammer auch
eine Kühlvorrichtung enthalten,
um den gesamten Halbleiter-Wafer aktiv zu kühlen, nachdem er erwärmt wurde.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung werden die Heizquellen und/oder Kühlvorrichtungen auch zusammen
mit einer Vorrichtung zur Korrektur der Temperaturabweichungen entlang
einer oder mehrerer „lokalisierten
Bereiche" des Wafers
verwendet. Die Vorrichtung liefert heiße und/oder kalte Gase an ausgewählte lokalisierte
Bereiche eines Halbleiter-Wafers, um Temperaturabweichungen zu korrigieren.
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So
wie hier verwendet, bezieht sich „Iokalisierte(r) Bereich(e)" im Allgemeinen auf
eine begrenzte Fläche
in Richtung einer oder mehrerer Achsen eines Substrates. Beispielsweise
weist ein scheibenförmiger
Wafer lokalisierte Bereiche entlang seiner radialen Achsen auf.
Typischerweise beträgt
diese begrenzte Fläche
weniger als 50% der gesamten Fläche
eines Querschnitts des Substrates, insbesondere weniger als 35%
der gesamten Fläche,
und noch genauer weniger als 25% der gesamten Fläche, und am genauesten weniger
als 15% der gesamten Fläche.
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So
wie hier verwendet, bezieht sich „Temperabweichung(en)" im Allgemeinen auf
den absoluten Unterschied zwischen einer vorbestimmten Temperatur,
wie durch den Heizzyklus definiert, und der tatsächlichen Temperatur eines bestimmten
lokalisierten Bereichs während
einer Phase des Heizzyklus. Im Allgemeinen betragen Temperaturabweichungen in
Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung insbesondere weniger als 100°C, bevorzugterweise weniger
als 50°C,
noch bevorzugter weniger als 25°C,
und am bevorzugtesten weniger als ungefähr 5°C. Lokalisiertes Erwärmen oder
Abkühlen
ist für gewöhnlich jedoch
nicht nötig,
wenn die Temperaturabweichungen weniger als ungefähr 3°C betragen, und
insbesondere dann nicht, wenn sie weniger als 1°C betragen.
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Im
Allgemeinen kann eine Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, die
zum lokalisierten Erwärmen
und/oder Kühlen
verwendet wird, eine Vielzahl an Formen annehmen und kann auf verschiedene
Arten funktionieren. Beispielsweise kann die Vorrichtung in einem
Ausführungsbeispiel
Gasstrahlen zur Zuführung
von heißen
und/oder kalten Gasen zu lokalisierten Bereichen des Wafers aufweisen.
Zudem kann die Vorrichtung in einem anderen Ausführungsbeispiel ein Gasrohr
aufweisen, das Düsen
enthält, die
lokalisierten Bereichen des Wafers heiße und/oder kalte Gase zuführen.
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Verschiedene
Vorteile und Nutzen werden durch die Vorrichtung und das Verfahren
der vorliegenden Erfindung erzielt. Zum Beispiel kann durch die
Verwendung einer Vorrichtung der vorliegenden Erfindung das Temperaturprofil
des Halbleiter-Wafers während
des gesamten Heizzyklus, der Aufwärmehasen, einen beständigen Zustand,
und Abkühlphasen
aufweist, auf einer im Wesentlichen gleichförmigen Temperatur gehalten
werden. Durch das Halten des Temperaturprofil des Wafers auf im
Wesentlichen gleichförmigen
Temperaturen sind die sich daraus ergebenden thermischen Prozesskammern
besonders gut darauf eingestellt, um ein effektives Entspannen von
Beschädigungen
und die Aktivierung ionenimplantierter Unreinheiten in dem Silizium
auszulösen,
um ultradünne
Beschichtungen und Filme auf Halbleiter-Wafern zu bilden, und um
dünne Filme,
leitend oder isolierend, zu entspannen, die zuvor auf Halbleiter-Wafern
abgelagert wurden. Die thermische Prozesskammer der vorliegenden
Erfindung ist ebenfalls in der Lage, hoch gleichförmige Beschichtungen
und Filme mit verbesserten elektrischen Eigenschaften zu bilden.
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Mit
Bezug auf 1 wird ein System 10 zur Wärmebehandlung
eines aus einem halbleitenden Material, wie beispielsweise Silizium
hergestellten Wafers beschrieben, das gemäß der vorliegenden Erfindung
hergestellt wurde. Das System 10 weist eine Prozesskammer 12 auf,
die darauf ausgelegt ist, Substrate wie einen Wafer 14 zur
Durchführung
verschiedener Prozesse aufzunehmen. Wie gezeigt, wird der Wafer 14 auf
einem Substrathalter 15 positioniert, der aus einem thermisch
isolierenden Material besteht, wie beispielsweise Quarz. Die Kammer 12 ist
gestaltet, um den Wafer 14 mit hoher Geschwindigkeit und
unter sorgfältig
kontrollierten Bedingungen zu erwärmen. Die Kammer 12 kann
aus verschiedenen Materialien gefertigt sein, welche beispielsweise
Metalle und/oder transparente Materialien umfassen. Beispielsweise
kann in einem Ausführungsbeispiel
die ganze oder Teile der Kammer 12 aus rostfreiem Stahl,
Messing, oder Aluminium gefertigt sein. Zudem kann in einem anderen
Ausführungsbeispiel
alles oder ein Teil (beispielsweise die Wände) der Kammer 12 aus
einem transparenten Material wie beispielsweise Quarz oder Saphir
bestehen. So ein transparentes Material kann insbesondere sinnvoll
sein, wenn der Wafer 14 von mehreren Seiten mit thermischer
Strahlung erwärmt
wird, die durch Heizlampen (beispielsweise Halogenlampen) erzeugt
wird.
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In
einigen Ausführungsbeispielen
kann die Kammer 12 auch ein Kühlsystem aufweisen. Beispielsweise
weist die Kammer 12, wie in 1 gezeigt,
eine Kühlleitung 16 auf,
die um den Umfang der Kammer gewunden ist. Die Leitung 16 ist
dafür ausgelegt,
um ein Kühlströmungsmittel
wie zum Beispiel Wasser zirkulieren zu lassen, welches verwendet wird,
um die Wände
der Kammer 12 auf vergleichsweise geringen Temperaturen
zu halten. Die Kammer 12 kann auch einen Gaseinlass 18 und
einen Gasauslass 20 zum Einfüh ren eines Gases in die Kammer
und/oder das Aufrechterhalten eines Kammerdrucks innerhalb einer
voreingestellten Druckspanne aufweisen. Beispielsweise kann ein
Gas durch den Gaseinlass 18 in die Kammer 12 eingeführt werden, um
mit dem Wafer 14 zu reagieren und beispielsweise Oxidbeschichtungen,
leitende Schichten etc. zu bilden. Nachdem es verarbeitet wurde,
kann das Gas dann unter Verwendung des Gasauslasses 20 aus der
Kammer ausgeleitet werden.
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Alternativ
kann ein inertes Gas durch den Gaseinlass 18 in die Kammer 12 eingeführt werden, um
zu verhindern, dass jegliche ungewollte oder unerwünschte Nebenreaktionen
innerhalb der Kammer auftreten. In einem weiteren Ausführungsbeispiel können der
Gaseinlass 18 und der Gasauslass 20 verwendet
werden, um die Kammer 12 mit Druck zu beaufschlagen. Wenn
gewünscht,
kann unter Verwendung des Gasauslasses 20 oder eines zusätzlichen
größeren Auslasses,
der unterhalb der Ebene des Wafers positioniert ist, auch ein Vakuum
in der Kammer 12 geschaffen werden.
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Während der
Verarbeitung kann der Substrathalter in einem Ausführungsbeispiel
darauf ausgelegt sein, den Wafer 14 unter Verwendung eines
Waferdrehmechanismus 21 zu drehen. Das Drehen des Wafers
fördert
eine höhere
Gleichförmigkeit
der Temperatur über
der Oberfläche
des Wafers und fördert einen
verstärkten
Kontakt zwischen dem Wafer 14 und jeglichem Gas, das in
die Kammer eingeführt wird.
Es ist jedoch zu beachten, dass die Kammer auch darauf ausgelegt
ist, neben Wafern auch optische Teile, Fasern, Filme, Bänder und
andere Substrate zu verarbeiten, die jegliche Form aufweisen können.
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Eine
Wärmequelle
oder Heizvorrichtung 22 ist im Allgemeinen in Verbindung
mit der Kammer 12 vorgesehen, um den Wafer 14 während der
Verarbeitung zu erwärmen.
Die Heizvorrichtung 22 weist eine Vielzahl von Lampen 24 auf,
wie beispielsweise Wolfram-Halogenlampen. Wie in 1 gezeigt,
sind die Lampen 24 über
dem Wafer 14 platziert. Es ist jedoch zu beachten, dass
die Lampen 24 an jeglichem Ort angebracht sein können. Beispielsweise
können die Lampen 24 unter
dem Wafer 14, seitlich des Wafers 14 und in Kombinationen
davon platziert werden. Demgemäß können weitere
Lampen in dem System 10 enthalten sein, wenn gewünscht.
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Lampen
weisen eine viel höhere
Aufheiz- und Abkühlrate
auf als andere Heizvorrichtungen, wie beispielsweise elektrische
Elemente oder herkömmliche
Brennöfen.
Die Lampen 24 erzeugen ein schnelles isothermisches Verarbeitungssystem,
das sofortige Energie bereitstellt und typischerweise eine sehr
kurze und gut kontrollierte Anlaufphase benötigt. Der Energiestrom von
den Lampen 24 kann auch jederzeit sofort gestoppt werden.
Wie in der Zeichnung gezeigt, sind die Lampen 24 mit einem
schrittweisen Leistungsregler ausgestattet, der verwendet werden
kann, um die Strahlungsenergie, die durch eine der Lampen abgestrahlt
wird, zu steigern oder zu verringern.
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Um
die Temperatur des Wafers während
des Heizzyklus zu überwachen,
weist die thermische Prozesskammer 12 in diesem Ausführungsbeispiel
im Allgemeinen eine Vielzahl von Strahlungsabfühlvorrichtungen 27 auf.
Die Strahlungsabfühlvorrichtungen 27 umfassen
eine Vielzahl von optischen Fasern oder Lichtleitern 28,
welche ihrerseits mit einer Vielzahl von entsprechenden Lichtdetektoren 30 in
Verbindung stehen. Die optischen Fasern 28 sind eingerichtet,
um die vom Wafer 14 bei einer bestimmten Wellenlänge emittierte
Wärmeenergie
aufzunehmen. Die Menge der abgefühlten
Strahlung wird dann an die Lichtdetektoren 30 übermittelt,
welche ein verwendbares Spannungssignal zur Bestimmung der Temperatur
des Wafers erzeugen, welche zumindest teilweise auf dem Planckschen
Gesetz basierend berechnet werden kann. In einem Ausführungsbeispiel weist
jede Faser 28 in Verbindung mit einem Lichtdetektor 30 ein
Pyrometer auf.
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Im
Allgemeinen kann die thermische Prozesskammer 12 einen
oder eine Vielzahl von Strahlungsabfühlvorrichtungen beinhalten.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
beinhaltet die Prozesskammer 12, wie in 1 gezeigt,
eine Vielzahl von Strahlungsabfühlvorrichtungen,
die die Temperatur des Wafers an verschiedenen Stellen messen. Das
Wissen um die Temperatur des Wafers an verschiedenen Stellen kann
dann verwendet werden, um die nötige
Menge des Erwärmens
und/oder Kühlens
zu steuern, die dem Wafer zugeführt
wird.
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Während des
Prozesses der vorliegenden Erfindung sollte das System 10 derart
gestaltet sein, dass die optischen Fasern 28 nur thermische
Strahlung detektieren, die von dem Wafer 14 abgestrahlt wird,
und Strahlung, die von den Lampen 24 abgestrahlt wird,
nicht detektieren. In dieser Hinsicht weist das System 10 einen
Filter 32 auf, der verhindert, dass die von den Lampen 24 auf
derjenigen Wellenlänge,
auf der die Lichtdetektoren arbeiten, abgestrahlte thermische Strahlung
in die Kammer 12 eintritt. Der Filter 32 dient
auch dazu, die Lampen 24 von dem Wafer 14 zu isolieren,
und eine Verschmutzung der Kammer zu verhindern. Der Filter 32,
wie in 1 gezeigt, kann ein zwischen der Kammer 12 und
der Heizquelle 22 angebrachtes Fenster sein und kann beispielsweise
aus Quarzglas oder Quarz gefertigt sein. In einem alternativen Ausführungsbeispiel
kann jede Lampe 24 durch einen separaten Filter abgedeckt
werden.
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Neben
der Verwendung von Strahlungsabfühlvorrichtungen
können
andere Temperaturabfühlvorrichtungen
in dem System der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Beispielsweise
kann eines oder mehrere Thermoelemente in dem System vorhanden sein,
um die Temperatur des Wafers an einer Stelle oder mehreren Stellen
zu überwachen.
Die Thermoelemente können
in direktem Kontakt mit dem Wafer oder in direkter Nähe des Wafers
platziert werden woraus die Temperatur extrapoliert werden kann.
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Zusätzlich ist
ebenfalls eine reflektierende Vorrichtung 26 in der Kammer 12 vorhanden,
nahe des Wafers 14. Die reflektierende Vorrichtung 26 ist mit
den Lichtleitern 28 verbunden, die, wie oben beschrieben,
mit den Lichtdetektoren 30 in Verbindung stehen. Zudem
können
die Lichtleiter 28, die Pyrometer, und/oder die Thermoelemente
durch die reflektierende Vorrichtung 26 versorgt werden,
um Strahlung in den Räumen
zwischen dem Wafer 14 und der reflektierenden Vorrichtung 26 zu
detektieren, oder um die Temperatur des Wafers 24 zu detektieren.
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Im
Allgemeinen ist die reflektierende Vorrichtung 26 gestaltet,
um die thermische Strahlung, die durch den Wafer 14 auf
der Wellenlänge,
auf der die Detektoren 30 arbeiten, abgestrahlt wird, zu
reflektieren. Die reflektierende Vorrichtung 26 bewirkt
dass die Strahlung, die von dem Wafer 14 abgestrahlt wird, mehrfach
zwischen einer Oberfläche
des Wafers 14 und einer Oberfläche der reflektierenden Vorrichtung 26 reflektiert
wird.
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Die
reflektierende Vorrichtung 26 sollte im Allgemeinen so
nah wie möglich
am Wafer 14 platziert werden, um das Maß zu erhöhen, in dem die von dem Wafer
abgestrahlte thermische Strahlung reflektiert wird. Da die reflektierende
Vorrichtung 26 typischerweise eine niedrigere Temperatur
als der Wafer 14 aufweist, kann es den Heizprozess beeinträchtigen
oder verhindern, dass der Wafer mit gleichförmiger Geschwindigkeit erwärmt wird,
wenn die reflektierende Vorrichtung zu nahe an dem Wafer platziert wird.
Die Wahl der Entfernung oder des Abstands zwischen Wafer 14 und
der reflektierenden Vorrichtung 26 hängt von der Größe des Wafers 14 ab.
Bei Wafern des Durchmessers 200 mm kann die reflektierende Vorrichtung 26 im
Allgemeinen zwischen 3 mm und 15 mm vom Wafer 14 entfernt
sein. Insbesondere ist die reflektierende Vorrichtung 26 bei
dieser Wafergröße vom Wafer 14 typischerweise
zwischen 6 mm bis 8 mm beabstandet. Ein größerer Abstand kann bei größeren Wafern
zu bevorzugen sein.
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Die
reflektierende Vorrichtung 26 sollte eine hohe Reflektivität aufweisen,
vorzugsweise größer als
0,9 bei der Wellenlänge,
bei der die Strahlung von den optischen Fasern 28 und den
Lichtdetektoren 30 abgetastet wird. Die reflektierende
Vorrichtung 26 kann aus verschiedenen Materialien hergestellt
sein. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird eine reflektierende Oberfläche
durch das Beschichten eines metallischen Substrats, wie beispielsweise
rostfreiem Stahl, mit einem dielektrischen Film gebildet. Der dielelektrische
Film kann ein vielschichtiger optischer Film sein, der speziell
entworfen wurde, um die angemessene Reflektivität bei der gewünschten
Wellenlänge
aufzuweisen. Solche Filme sind gemäß Stand der Technik bekannt
und können
von Deposition Sciences, Inc. Santa Rosa, Kalifornien, bezogen werden.
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Neben
dielektrischen Filmen kann die reflektierende Oberfläche auch
aus hoch polierten Metallen bestehen, die mit einer durchsichtigen
Schutzschicht, wie beispielsweise einer durchsichtigen dielektrischen
Beschichtung, beschichtet sind. Solche Metalle umfassen Gold, Silber,
und Nickel. Für
eine bestimmte gewünschte
Wellenlänge
sind Metalloberflächen
jedoch typischerweise nicht so reflektierend wie die oben beschriebenen
dielektrischen Filme. Außerdem
können
die Metalle eine Verunreinigung der Kammer
12 verursachen,
wenn sie auf hohe Temperaturen erhitzt werden. Die Verwendung einer reflektierenden
Platte ist genauer im
U.S. Patent
Nr. 5874711 beschrieben.
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Ein
gegen das Verrutschen sichernder Ring (oder Schutzring) 17 kann
in der vorliegenden Erfindung ebenfalls verwendet werden. Der gegen
das Verrutschen sichernde Ring 17, der üblicherweise aus Silizium,
Siliziumkarbid, oder anderen ähnlichen Materialien
hergestellt ist, ist im Allgemeinen derart gestaltet, um den Wafer 14 derart
zu umgeben, dass der Wafer 14 innerhalb des Umfang des
Rings 17 positioniert wird. Während des Betriebs der thermischen
Prozesskammer absorbiert der Ring 17 Energie, die durch
die Heizlampen 24 abgestrahlt wird, und strahlt die Energie
dann an die Ränder
des Wafers 14 zurück.
Der Ring 17 kann ebenfalls Energie, die von den Rändern des
Wafers 14 abgestrahlt wird, zurück in den Wafer reflektieren.
Auf diese Weise kann der passiv erwärmte Ring einen gewissen Wärmeverlust
an den Rändern
des Wafers 14 kompensieren und ebenso das konvektive Abkühlen des
Wafers reduzieren, wenn Prozessgase durch die Kammer strömen.
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Das
System 10 weist weiterhin eine Systemsteuerung 50 auf,
welche beispielsweise ein Mikroprozessor sein kann. Die Steuerung 50 empfängt Spannungssignale
von den Lichtdektektoren 30, die die Strahlungsmengen darstellen,
die an den verschiedenen Stellen abgetastet werden. Basierend auf
den empfangenen Signalen ist die Steuerung 50 eingerichtet,
um die Temperatur des Wafers 14 an verschiedenen Stellen
zu berechnen.
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Die
Systemsteuerung 50, wie in 1 gezeigt,
kann ebenfalls mit der Lampenleistungssteuerung 25 in Verbindung
stehen. In dieser Anordnung kann die Steuerung 50 die Temperatur
des Wafers 14 bestimmen und basierend auf dieser Information
die Menge an thermischer Energie steuern, die durch die Lampen 24 abgestrahlt
wird. Auf diese Weise können sofortige
Einstellungen unter Beachtung der Bedingungen innerhalb des Reaktors 12 vorgenommen werden,
um den Wafer 14 innerhalb sorgfältig kontrollierter Grenzen
zu verarbeiten.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung weist ein System der vorliegenden Erfindung auch eine
Vorrichtung auf, um das Substrat örtlich zu erwärmen und/oder
zu kühlen,
wenn der Wafer erwärmt
oder gekühlt
wird. Daher kann die Vorrichtung zum örtlichen Erwärmen und/oder
Kühlen
des Substrates zusätzlich
zur Steuerung der Leistungsabgabe der Lampen ebenfalls verwendet
werden, um die Gleichförmigkeit
der Temperatur zu erhöhen.
Wie in 1 dargestellt, weist die thermische Prozesskammer 12 eine
Vorrichtung 60 zum örtlichen
Erwärmen und/oder
Kühlen
bestimmter Bereiche des Wafers 14 auf. Insbesondere ist,
wie in 1–2 gezeigt, zumindest
ein Gasauslass (beispielsweise Strahl oder Düse) 62 unterhalb des
Wafers 14 angebracht und erstreckt sich durch die reflektierende
Vorrichtung 26, sodass Gas an einzelne Sektionen, oder
lokalisierte Bereiche, des Halbleiter-Wafers zugeführt wird.
Es ist jedoch zu beachten, dass sich der Gasauslass 62 nicht
durch die reflektierende Oberfläche erstrecken
muss. Tatsächlich
kann der Gasauslass 62 in jeglicher gewünschten Art gestaltet sein,
um einem lokalisierten Bereich der Oberfläche des Wafers 14 ein
Gas zuzuführen.
Zudem kann der Gasauslass 62 ebenfalls eingerichtet sein,
um den Seiten oder der Oberseite des Wafers 14 Gas zuzuführen.
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Indem
Gas auf die oben beschriebene Weise zugeführt wird, kann die Temperatur
eines oder mehrerer lokalisierter Bereiche des Wafers 14 gesteuert wer den.
Beispielsweise kann in einem Ausführungsbeispiel ein kaltes Gas
durch die Gasauslässe 62 zugeführt werden,
um die Temperatur eines lokalisierten Bereichs des Wafers 14 zu
verringern. In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann ein heißes Gas durch
die Auslässe 62 zugeführt werden.
Zudem können
in einigen Ausführungsbeispielen
gleichzeitig sowohl heiße
und kalte Gase durch verschiedene Auslässe angewandt werden. Im Allgemeinen
kann jedes Gas, das normalerweise verwendet wird, um ein Substrat
zu erwärmen
oder zu kühlen,
in der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Beispiele einiger Gase,
die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, umfassen
beispielsweise Stickstoff, Argon, und ähnliche Gase mit hoher thermischer
Leitfähigkeit,
beispielsweise Helium, Wasserstoff, Sauerstoff, Mischungen davon,
und ähnliches
etc.
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Um
eine Steuerung der Temperatur lokalisierter Bereiche eines Wafers
während
eines Heizzyklus bereitzustellen, kann im Allgemeinen eine Vielzahl
von Parametern gesteuert werden. Beispielsweise kann in einem Ausführungsbeispiel
die Anzahl der Gasauslässe 61 erhöht werden,
um ein lokalisiertes Erwärmen
und/oder Kühlen
für mehr
als eine begrenzte Region des Wafers 14 bereitzustellen.
Als Ergebnis stellen die Gasauslässe 62 einen
bessere Steuerung der Temperatur einer Vielzahl lokalisierter Bereiche
eines Halbleiter-Wafers
bereit, und erlaubt dadurch eine insgesamt höhere Gleichförmigkeit
der Temperatur.
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Zudem
kann in einigen Ausführungsbeispielen
die Positionierung der Auslässe 62 gesteuert
werden, um ein gesteuertes lokalisiertes Erwärmen und/oder Kühlen zu
erlauben. Beispielsweise kann es in einem Ausführungsbeispiel notwendig sein,
den lokalisierten Randbereichen des Wafers ein stärkeres Erwärmen oder
stärkere
Kühlung
zuzuführen.
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Demgemäß können die
Gasauslässe
radial positioniert sein, um den äußeren Rändern des Wafers zu entsprechen.
Beispielsweise können
die Auslässe 62 in
einem Ausführungsbeispiel,
wie in 3 gezeigt, durch die reflektierende Vorrichtung 26 hindurch
positioniert sein, sodass die Anzahl der Auslässe von der Mitte des Wafers
ausgehend nach außen hin
ansteigt. Zudem kann in einem anderen Ausführungsbeispiel ein Gasauslass
(nicht dargestellt) im Wesentlichen unter dem Wafer positioniert
sein.
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Zusätzlich kann
auch die Waferrotation verwendet werden, um das lokalisierte Erwärmen und/oder
Kühlen
des Wafers zu steuern. Wenn ein Wafer beispielsweise rotiert wird,
weisen die durch die Auslässe
und in die Kammer strömenden
Gase die Tendenz auf, in einer radial auswärts gerichteten Richtung zu
strömen.
Daher wird, weil der Gasstrom auf die Unterseite des Wafers auf
trifft und sich radial verteilt, der konvektive Kühlungs-
oder Erwärmungseffekt
auf den Wafer an den radialen Positionen maximal sein. Andererseits
wird, wenn der Wafer unbewegt bleibt, der konvektive Kühlungs-
oder Erwärmungseffekt
auf den Wafer am radialen Aussenrand des sich über oder unter dem Gasauslass
befindlichen Wafers maximal sein.
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In
einigen Fällen
kann die Gasausströmrate der
einzelnen Gasauslässe
ebenfalls gesteuert werden. Durch das Steuern der Gasausströmraten kann ein
System, wie hier beschrieben, eine verbesserte Steuerung jedes einzelnen
lokalisierten Bereichs eines Wafers bereitstellen. Beispielsweise
können Ventile 65,
wie in 2 gezeigt, verwendet werden, um das Ausströmen von
Gas aus den Auslässen 62 unabhängig zu
steuern. Es ist jedoch zu beachten, dass jede gemäß Stand
der Technik bekannte Vorrichtung zur Steuerung des Gasflusses verwendet werden
kann. Zusätzlich
zur Steuerung der Gasausströmrate
kann auch die Temperatur jedes durch die Auslässe strömenden Gases gesteuert werden.
Beispielsweise können,
wie in 2 gezeigt, Heizvorrichtungen 67 verwendet
werden, um die Gase auf eine vorbestimmte Temperatur zu erwärmen. Es
ist ebenfalls zu beachten, dass auf ähnliche Weise eine Kühlvorrichtung
verwendet werden kann, um die Gase auf eine vorbestimmte Temperatur
zu kühlen. Weiterhin
können
auch verschiedene Gase an einige oder alle Gasauslässe 62 geliefert
werden, um eine verbesserte Steuerung der Temperatur der lokalisierten
Bereiche des Wafers bereitzustellen.
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Zusätzlich kann
bereits das Vorhandensein der Gasauslässe auf der reflektierenden
Vorrichtung bereits die Steuerung der Temperatur der lokalisierten
Bereiche eines Wafers verbessern. So reduziert beispielsweise das
Vorhandensein der Gasauslässe 62 auf
der reflektierenden Vorrichtung 26 im Allgemeinen die Reflektivität der Vorrichtung 26 an
denjenigen Stellen, an denen die Auslässe sich durch die Vorrichtung
erstrecken. Durch das Reduzieren der Reflektivität können die Gasauslässe 62 somit
die Temperaturen von lokalisierten Bereichen des Wafers 14 reduzieren,
die denjenigen Bereichen der reflektierenden Vorrichtung entsprechen,
die durch die Auslässe 62 eingenommen
werden. Somit können die
Gasauslässe 62 zusätzlich zu
dem Zuführen
von Gasen zu den lokalisierten Bereichen die Steuerung der Temperatur
dieser Bereiche verbessern, indem sie die auf diese Bereiche reflektierte
Strahlung reduzieren. Diese Verringerung der Reflektivität kann insbesondere
dann nützlich
sein, wenn der Wafer während
des Heizzyklus abgekühlt
wird, wie oben beschrieben.
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Zudem
kann, um die Steuerung der Temperatur der lokalisierten Bereiche
des Wafers weiter zu verbessern, der Ausstosswinkel jedes Auslasses
bezüglich
des Objektwafers eingestellt werden. Beispielsweise wird durch Positionieren
einer Düse
in einem 90°-Winkel
bezüglich
des Wafers das Gas einem direkt über
der Düse
liegenden lokalisierten Bereich zugeführt. Durch das Positionieren
einer Düse in
einem 45°-Winkel
kann Gas jedoch fort von der Düse
gerichtet werden, näher
zu den Rändern
des Wafers.
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Neben
den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen
kann das lokalisierte Kühlen und/oder
Erwärmen
auf eine Vielzahl von Wegen erreicht werden. Beispielsweise kann
in einem anderen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, wie in den 5–9 dargestellt, eine wie oben detailliert beschriebene
Prozesskammer 12 auch zumindest ein Gasrohr 70 aufweisen,
das zwischen den Lampen 24 und dem Wafer 14 angebracht
ist. Ein Gas, das durch ein solches Rohr strömt und durch die Gasauslässe austritt,
kann über
lokalisierte Bereiche des Wafers strömen und dadurch den Wafer gleichförmig erwärmen oder
kühlen.
Es ist jedoch zu beachten, dass das Gasrohr 70 als Al ternative
zu oder zusätzlich
zum Positionieren des Rohrs oberhalb des Wafers ebenfalls unterhalb
des Wafers positioniert werden kann.
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Im
Allgemeinen kann ein Gasrohr aus einer Vielzahl von Materialien
hergestellt sein. Beispielsweise ist das Gasrohr in den meisten
Ausführungsbeispielen
aus einem transparenten Material wie Quarz oder Saphir hergestellt,
um den Einfluss des Gasrohrs auf das Erwärmen des Wafers zu minimieren.
In den meisten Ausführungsbeispielen
wird das Gasrohr auch in Verbindung mit einem Rotationsmechanismus 21 (oben
beschrieben) verwendet, der ausgelegt sein kann, um den Wafer 14 zu
rotieren. Das Rotieren des Wafers kann es dem Gasrohr ermöglichen,
lokalisierte Bereiche des Wafers 14 nicht nur zu erwärmen und/oder
zu kühlen,
sondern auch dabei zu helfen, den gesamten Wafer während des Abkühlvorgangs
zu kühlen,
wie in dem Ausführungsbeispiel,
das in den oben besprochenen 1–4 dargestellt
ist.
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Zudem
kann das Gasrohr ebenfalls in einer Vielzahl von Größen und/oder
Formen konstruiert sein. Beispielsweise kann im Allgemeinen jeder Durchmesser
(Querschnitt) des Gasrohrs 70 verwendet werden. In den
meisten Ausführungsbeispielen übersteigt
der Durchmesser des Gasrohrs 70 jedoch nicht den Durchmesser
der Lampen, insbesondere wenn Leuchtröhren verwendet werden. Insbesondere
weist das Gasrohr 70 typischerweise einen Durchmesser auf,
der geringer, oder gleich dem Abstand zwischen zwei benachbarten
Lampen 24 ist, sodass das Rohr 70 in dem zu den
Lampen 24 parallelen Spalt positioniert werden kann.
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Zusätzlich kann
das Rohr 70 im Allgemeinen jegliche gewünschte Länge aufweisen. In den meisten
Ausführungsbeispielen
kann das Rohr 70 zumindest eine Länge aufweisen, die groß genug
ist, dass ein Ende des Rohrs im Wesentlichen mit der Mitte des Wafers 14 abschließt bzw.
dazu ausgerichtet ist. In einigen Ausführungsbeispielen muss das Rohr 70 jedoch
nicht auf die ganze Länge
durchgängig
sein. Beispielsweise kann in einem Ausführungsbeispiel eine Trennwand
in der Mitte des Rohres 70 vorgesehen sein, sodass das
Rohr 70 zwei Abschnitte aufweist. Somit kann ein Gas durch
das eine Ende des Rohrs eingeführt
werden und ein anderes Gas kann durch das andere Ende des Rohrs
eingeführt
werden. Zusätzlich
könnte
das Rohr in jede andere Anzahl von Abschnitten eingeteilt sein,
wie beispielsweise in drei Abschnitte. Ein Rohr, das drei Abschnitte
aufweist (beispielsweise einen Mittelteil und zwei Enden), kann
ein Gas der Mitte des Wafers zuführen und
den Rändern
des Wafers ein anderes Gas zuführen.
Dieses Verfahren des Gasaufbringens kann helfen, den Photon-Box-Effekt
zu minimieren, der unten genauer beschrieben wird.
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Im
Allgemeinen kann das Rohr 70 auch auf verschiedene Arten
positioniert werden, um die gewünschte
Steuerung der Temperatur zu ermöglichen. Beispielsweise
ist das Rohr 70 in einem Ausführungsbeispiel parallel zur
Waferoberfläche
angeordnet. Zudem kann das Rohr 70 in einigen Ausführungsbeispielen
auch senkrecht zur Ausrichtung der geraden Heizlampen und/oder dem
Wafer angeordnet sein. Typischerweise ist die Entfernung des Rohrs 70 zur
Waferoberfläche
eine solche, dass das Vorhandensein der Rohrs die Prozessergebnisse nicht
beeinflusst. Insbesondere beträgt
der Abstand von dem Rohr zur Waferoberfläche in Abhängigkeit von der Größe der Prozesskammer
im Allgemeinen zwischen ungefähr
0,5 cm und 10 cm.
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Weiterhin
ist das Rohr vorzugsweise derart angeordnet, dass sich zumindest
ein Teil des Rohrs 70 direkt über dem Rotationszentrum des
Wafers,, beispielsweise der Mitte des Wafers, befindet. Das Rohr 70 kann
jedoch, in Abhängigkeit
von der Rotationsgeschwindigkeit (Winkelgeschwindigkeit) und davon,
ob zusätzliche
Rohre vorhanden sind, in einer Richtung um eine bestimmte Entfernung
verschoben sein, wie beispielsweise um weniger als ungefähr 5 cm
von der Mitte eines Wafers, der einen Durchmesser von ungefähr 300 mm
aufweist. Wenn zwei Rohre verwendet werden, sind die Rohre zweckmäßigerweise
symmetrisch um die Mitte des Wafers angeordnet. Mit Bezug auf 6 weist
ein Rohr 70 im Allgemeinen auch einen oder mehrere Gasauslässe 72 auf
(beispielsweise Löcher
oder Düsen),
um Gas auf lokalisierte Bereiche einer Waferoberfläche auszustossen.
Die Zuführung
von Gas zu solchen lokalisierten Bereichen kann eine bessere Steuerung
der Gleichförmigkeit
der Temperatur des Wafers während
des Heizzyklus bereitstellen. Insbesondere kann jedes einer Vielzahl
von Gasen, wie oben beschrieben, durch die Gasauslässe 72 zugeführt werden.
Weiterhin kann das Gasrohr zwei oder mehr verschiedene Gase durch
verschiedene Gasauslässe ausstossen.
Diese zwei Gase können
gleich oder verschieden heiße
Gase, Kühlgase,
oder andere Prozessgase sein.
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Im
Allgemeinen kann der Durchmesser der Gasauslässe der gleiche sein oder unterschiedliche Durchmesser
aufweisen. Beispielsweise ist in einem Ausführungsbeispiel der Durchmesser
der Auslässe, die
den Rändern
des Wafers 14 entsprechen, größer, als der Durchmesser der
Auslässe,
die der Mitte des Wafers 14 entsprechen. Durch das Verändern des Durchmessers
auf diese Weise kann der Durchmesser der Auslässe einem scheibenförmigen Objekt, wie
beispielsweise einem Wafer, entsprechen, in welchem die gesamte
Wärmekapazität des Wafers
linear mit der radialen Entfernung ansteigt.
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Zudem
können
die Auslässe
im Allgemeinen auch in einer Vielzahl von Arten positioniert werden, um
Gas auf einen lokalisierten Bereich des Wafers 14 auszustossen.
Beispielsweise können
die Auslässe 72 in
einem Ausführungsbeispiel
mit gleichen Abständen
voneinander positioniert sein, so dass jeder Auslass einem bestimmten
lokalisierten Bereich des Wafers 14 entspricht. In anderen
Ausführungsbeispielen
kann die Anzahl der Auslässe,
die den Rändern
des Wafers 14 entspricht, größer sein als die Anzahl der
Auslässe,
die der Mitte des Wafers 14 entspricht. Zusätzlich kann
die Entfernung zwischen benachbarten Gasauslässen, die den Rändern des
Wafers entsprechen, verglichen mit der Entfernung zwischen benachbarten
Gasauslässen,
die der Mitte des Wafers entsprechen, auch verringert werden. Zudem kann
es, wenn durch einen gegen Verrutschen sichernden Ring (oder Schutzring) 17 umgeben,
wie in 5 und 7 gezeigt, förderlich sein, dass kein Gasauslass
direkt über
dem Spalt zwischen dem Wafer und dem Schutzring positioniert ist.
Während
des Aufheizens kann jedoch ein direkt über dem Spalt angebrachter
Gasauslass vorzuziehen sein. Weiterhin kann ein Rohr ebenfalls verwendet werden,
um den Schutzring getrennt von dem Wafer zu kühlen oder zu erwärmen.
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Durch
ein angemessenes Positionieren der Gasauslässe, wie oben beschrieben,
kann das Erwärmen
und/oder Kühlen
der lokalisierten Bereiche des Wafers auf effektive Weise gesteuert
werden. Beispielsweise tendieren die Ränder des Wafers während der
Aufheizphase und Abkühlphase
dazu, schneller als die Mitte des Wafers aufzuheizen oder abzukühlen. Diese
Tendenz ist als Photon-Box-Effekt bekannt. Um diesen Photon-Box-Effekt
auszugleichen, können
die Gasauslässe
derart positioniert oder dimensioniert, um den Rändern des Wafers mehr Gas zuzuführen. Somit
kann beispielsweise während
der Aufheizphase mehr Kühlgas
verwendet werden, um die Temperatur der Waferränder zu steuern, und dadurch
die Gleichförmigkeit
der Temperatur zu steigern.
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Im
Allgemeinen können
die oben beschriebenen Gasauslässe
auch positioniert werden, um Gas in einem bestimmten „Verbreitungsprofil" auszustossen, um
die Steuerung der Gleichförmigkeit
der Temperatur zu unterstützen.
Wie hier verwendet, bezieht sich der Ausdruck „Verbreitungsprofil" allgemein auf diejenige
Fläche
eines Substrates, die mit dem Gas aus einem bestimmten Gasauslass
Kontakt hat. Das Verbreitungsprofil eines Gases, das durch einen
Gasauslass ausgestoßen
wird, kann ausgewählt
werden, um die Gleichförmigkeit
der Temperatur eines Wafers zusätzlich
zu steuern. Insbesondere wird die Position der Gasauslässe typischerweise derart
gewählt,
dass die Verbreitungsprofile benachbarter Gasauslässe auf
der Oberfläche
des Wafers leicht überlappen.
Somit wird der gesamte Wafer mit ausreichender Gleichförmigkeit
entlang der Kette der Gasauslässe
des Rohrs gekühlt
und/oder erwärmt, sodass
keine „vergessenen
Streifen" („slip lines") auftreten. Dieses Überlappen
kann auf eine Vielzahl von Arten gesteuert werden, wie oben beschrieben, beispielsweise
durch das Steuern des Gasstroms, das Verändern der Position der Auslässe entlang
des Gasrohrs, etc.. Beispielsweise soll in einem Ausführungsbeispiel
der maximale Temperaturgradient im Temperatur- Profil über den Wafer hinweg bei Temperaturen über ungefähr 700°C geringer
als 1°C/cm sein.
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Der
Winkel, bei dem die Gasauslässe
Gas ausstossen, kann ebenfalls eingestellt werden, um das Verteilungsprofil
des Gases zu steuern. Beispielsweise können die Gasauslässe 72,
wie in 9 gezeigt, gegen die Richtung
der Waferrotation geneigt sein, wie durch die Richtungspfeile der 9(a) angezeigt, oder können in die Richtung der Waferrotation
geneigt sein, wie durch die Richtungspfeile der 9(b) angezeigt. In den meisten Ausführungsbeispielen
sind die Gasauslässe
in einem Winkel zwischen 60° und
120° bezüglich des
Wafers positioniert. Beispielsweise sind die Gasauslässe, wie
in 6 gezeigt, in einem Winkel von 90° bezüglich des Wafers
positioniert. Zudem können
die Gasauslässe 72 in
einigen Ausführungsbeispielen
auch beweglich auf dem Gasrohr 70 montiert sein, sodass
der Winkel des Gasausstosses während
der Verarbeitung verändert
werden kann.
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Gemäß den Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung kann mehr als ein Gasrohr verwendet werden,
um dem Wafer Gase zuzuführen. Beispielsweise
kann in einem Ausführungsbeispiel ein äußeres Gasrohr 80,
wie in 8 gezeigt, auch ein inneres Gasrohr 86 enthalten,
das derart angeordnet ist, dass das innere Rohr 86 mit
den Gasauslässen 82 des äußeren Gasrohres
verbunden ist. Obwohl es nicht benötigt wird, ist das innere Rohr 86 in diesem
Ausführungsbeispiel
positioniert, um Gase den Rändern
eines Wafers zuzuführen,
um das Minimieren des Photon-Box-Effekt zu unterstützen. Genauer
strömt
ein erstes Gas durch das äussere
Gasrohr 80 zu den Mittelbereichen des Wafers, während ein
zweites Gas durch das innere Gasrohr 86 zu den Randbereichen
des Wafers strömt.
Die ersten und zweiten Gase können
die selben oder unterschiedliche Gase sein, und können gesteuert
werden, um verschiedene Kühl-
und/oder Heizraten bereitzustellen. Beispielsweise können der
Strom und/oder die Temperatur jedes Gases unabhängig gesteuert werden, um eine
höhere
Gleichförmigkeit
der Temperatur für
jeden lokalisierten Bereich des Wafers bereitzustellen.
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Weiterhin
kann das Gasrohr in einigen Ausführungsbeispielen
auch mehr als eine Reihe an Gasauslässen aufweisen. Beispielsweise
kann das Gasrohr 90, wie in 10 gezeigt,
drei Reihen von Gasauslässen
aufweisen. Insbesondere ist eine erste Reihe 91 von Gasauslässen 92 auf
der Unterseite des Rohrs 90 positioniert und eine zweite
Reihe 101 ist überhalb
der Unterseite des Rohrs 90 derart positioniert, dass sich
die zweite Reihe 101 von einem ersten Ende 105 des
Gasrohrs zur Mitte erstreckt. Zusätzlich erstreckt sich eine
dritte Reihe 111 von der Mitte des Rohrs 90 zu
einem zweiten Ende 115. In einigen Ausführungsbeispielen ist die dritte
Reihe 111 ebenfalls auf ungefähr der selben Höhe positioniert wie
die zweite Reihe 101. Wie gezeigt, können die zweite Reihe 101 und
die dritte Reihe 111 derart positioniert sein, dass die
Auslässe
dieser Reihen den Auslässen 92 der
Reihe 91 entsprechen. Obwohl es nicht dargestellt ist,
ist jedoch zu beachten, dass die Reihen auch derart angeordnet sein
können,
dass die Auslässe
der Reihen 101 und/oder 111 zwischen den Auslässen 92 der
Reihe 91 oder benachbart dazu positioniert sein können.
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Die
Verwendung mehrfacher Reihen kann im Allgemeinen einen geeigneten
Mechanismus zur Verwendung von zwei oder mehr Gasströmen bereitstellen.
Insbesondere kann ein erster Gasstrom durch die erste Reihe auf
den Wafer ausgestoßen werden
und ein zweiter Strom kann durch die zweite und dritte Reihe in
einem Winkel auf den Wafer ausgestossen werden. In einigen Ausführungsbeispielen können diese
Reihen das Gas auch in sich unterscheidenden Winkeln ausstossen.
Im Allgemeinen kann eine solche Verwendung von zwei oder mehr Strömen mehrere
Vorteile bieten. Beispielsweise kann, abhängig von der Rotationsrichtung
des Wafers, ein Strom als Vorkühlstrom
dienen, während
der andere Strom als Nachkühlstrom
verwendet werden könnte.
Es ist zu beachten, dass die Reihen der Gasauslässe im Allgemeinen auf jede
Art angeordnet sein können.
Beispielsweise können
in einem Ausführungsbeispiel
die zweite und dritte Reihe direkt über der ersten Reihe positioniert
sein. Zudem ist zu beachten, dass ebenso jede Anzahl an Reihen verwendet
werden kann. Weiterhin kann jede der Reihen auch mit einem inneren
Gasrohr versehen sein, wie in 8 dargestellt.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung kann jede Prozessbedingung oder -parameter, wie oben beschrieben,
automatisch durch die Systemsteuerung 50 gesteuert werden.
Beispielsweise können, wie
oben genauer beschrieben, die Lichtleiter 28 und -detektoren 30 gestaltet
sein, um die Temperatur an verschiedenen lokalisierten Bereichen
des Wafers 14 zu bestimmen und solche Informationen an
die Steuerung 50 zu übermitteln.
Danach kann die Steuerung 50 jegliche einer Vielzahl von
Prozessbedingungen angemessen einstellen, um Abweichungen von einer gewünschten
Temperatur zu korrigieren. Beispielsweise kann die Temperatur lokalisierter
Bereiche des Wafers in einem Ausführungsbeispiel durch das automatische
Einstellen der Strömungsrate,
Art, Temperatur etc. der verwendeten Gase, wie oben beschrieben,
gesteuert werden. Insbesondere können die
Ventile 65 und/oder Heizvorrichtungen 67 mit der Steuerung 50 in
Verbindung stehen und wie benötigt eingestellt
werden.
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Beispiel
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Die
Fähigkeit
der Vorrichtung und des Verfahrens der vorliegenden Erfindung um
die Temperaturabweichungen während
eines Heizzyklus zu minimieren, wurde demonstriert. Mit Bezug auf 4 wird
eine radiale Verteilung einer 121-Punkt-Messung der Oxiddicke eines
Siliziumwafers nach einem Oxidationsprozess von 50 Sekunden Dauer
bei 1100°C
dargestellt. In diesem Experiment wurden ringförmige Lampen verwendet und
in ungefähr
vier konzentrischen ringförmigen
Bereichen angeordnet, deren Leistung individuell gesteuert wird.
Die Abszisse zeigt die 121 Messpunkte, die mit steigender Nummer
eine wachsende radiale Entfernung darstellen. Ohne lokales Kühlen (d.
h. geschlossen, „closed") ist ein klares
Stufenprofil erkennbar, wenn mit den Lampen erwärmt wird. Dieses Profil entspricht
der räumlichen
Anordnung der Heizlampen.
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In
einem zweiten Experiment wurde auch lokalisiertes Kühlen (d.
h. offen, „open") in Verbindung mit
dem Erwärmen
durch die selben Lampen, wie oben verwendet, eingesetzt. Das lokalisierte
Kühlen wurde
auf der Unterseite der Wafermitte mit nur einer Gasreihe eingesetzt,
die beispielsweise Stickstoff auf die Rückseite austösst. Das
zusätzliche
Kühlen
in diesem lokalisierten Mittelbereich wurde eingesetzt, um die starke
Lampenstrahlung in der Mitte leicht auszugleichen. Wie durch die
reduzierten „Spitzen" („peaks") in 4 gezeigt,
verbesserte das lokalisierte Kühlen
die radiale Gleichförmigkeit
der Oxiddicke. Dies wurde durch eine Verbesserung der radialen Gleichförmigkeit
der Temperatur über
den Wafer hinweg bewirkt.
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Demgemäß können als
Ergebnis der Vorrichtung und des Verfahrens der vorliegenden Erfindung
lokalisierte Bereiche eines Substrates, wie beispielsweise eines
Halbleiter-Wafers, in angemessener Weise gesteuert werden, um die
Gleichförmigkeit der
Temperatur durch den ganzen Heizzyklus hindurch zu verbessern. Beispielsweise
kann die vorliegende Erfindung den Photon-Box-Effekt während der Aufheiz- und Abkühlphasen
ausgleichen. Zudem kann als Ergebnis der vorliegenden Erfindung
die Verwendung von leistungsstarken Lampen erreicht werden, was
ein Erwärmen
auf höhere
Temperaturen möglich
manchen kann, ohne das Substrat zu zerstören. Dies ist möglich aufgrund
der Fähigkeit
der vorliegenden Erfindung, die Ränder des Wafers während des
Erwärmens
auf eine gleichförmige
Temperatur zu kühlen.
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Zusätzlich umfassen
andere Vorteile der vorliegenden Erfindung das wahlweise Kühlen oder
Erwärmen
des Wafers, lokalisierte Temperaturveränderungen auf dem Wafer, um
die Steuerbarkeit zu verbessern, gesteigerter Durchsatz durch verbessertes Kühlen während des
Abkühlens
des Wafers. Zudem kann die Verwendung von verschiedenen Gasen über- und
unterhalb des Wafers die Fehler verringern, die durch die Verwendung
inerten Gases während
der Kalibrierung und eines reaktiven Gases während der Verarbeitung entstehen.
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Neben
den oben beschriebenen Anwendungen sind auch andere Anwendungen
der vorliegenden Erfindung möglich.
Beispielsweise können
in einem Ausführungsbeispiel
Prozessgase dem System auch durch Düsen zugeführt werden. Die Düsen könnten beispielsweise
auch in Kupfer-Reflow-Prozessen, bei denen die Kalibrierung des
Systems in einer inerten Umgebung (z. B. Stickstoff, Argon, etc.) vorgenommen
wird, und der Prozess dann in einer Wasserstoffumgebung durchgeführt wird.
Ein solcher Prozess kann Temperaturabweichungen bei der Kalibrierung
aufgrund der Verwendung unterschiedlicher Gase hervorrufen, welche
unterschiedliche thermische Leitfähigkeiten aufweisen. Ein System
der vorliegenden Erfindung kann helfen, die Wafertemperaturen gleichförmig zu
halten, indem ein inertes Gas direkt gegen die Unterseite des Wafers
geblasen wird, während
gleichzeitig die Oberseite mittels Wasserstoffgas verarbeitet wird.
Durch das Anbringen der Düsen
der Gasauslässe
unterhalb der Ebene des Wafers, wie in 1 gezeigt,
kann die Neigung der Gase, sich zu vermischen, verringert werden.
Im Ergebnis würde
der Fehler, der aus der Wärmeleitung vom
Wafer zur Reflektorplatte hervorgeht, eliminiert werden.
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Diese
und andere Modifikationen und Änderungen
der vorliegenden Erfindung können
durch Fachleute ausgeführt
werden, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen,
welcher in den anhängenden
Ansprüchen
dargelegt ist. Zusätzlich ist
zu beachten, dass Aspekte der verschiedenen Ausführungsbeispiele im Ganzen oder
in Teilen ausgetauscht werden können.
Weiterhin werden Fachleute verstehen, dass die vorhergehende Beschreibung
nur als Beispiel dient, und nicht die Absicht hat, die in entsprechenden
Ansprüchen
weiter beschriebene Erfindung einzuschränken.