DE102011007544A1

DE102011007544A1 - Verfahren und Vorrichtung zur thermischen Behandlung von Substraten

Info

Publication number: DE102011007544A1
Application number: DE102011007544A
Authority: DE
Inventors: Harald Gross; Volker Linss; Jörg Neidhardt
Original assignee: Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Current assignee: Von Ardenne GmbH
Priority date: 2011-04-15
Filing date: 2011-04-15
Publication date: 2012-10-18
Also published as: WO2012140253A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Behandlung von Substraten, unter Nutzung eines RTP-Prozesses, eine RTP-Vorrichtung sowie die Verwendung eines solchen Verfahrens und einer solchen Vorrichtung zur Veränderung von Substraten mittels Energieeintrag. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu finden, bei dem komplexe thermisch induzierte Strukturen gleichzeitig und zeitsparend auf dem Substrat erzeugt werden können. Dies wird erreicht durch ein Verfahren in dem das Substrat lokal definiert thermisch behandelt wird, also unterschiedliche Bereiche auf dem Substrat zur gleichen Zeit einem unterschiedlichen Energieeintrag ausgesetzt sind und durch eine Vorrichtung die Mittel zur definierten lokalen Variation des Energieeintrags in das Substrat beinhaltet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Behandlung von Substraten, unter Nutzung eines RTP(„Rapid Thermal Processing” = „schnelle thermische Bearbeitung”)-Prozesses, eine RTP-Vorrichtung sowie die Verwendung eines solchen Verfahrens und einer solchen Vorrichtung zur Veränderung von Substraten mittels Energieeintrag.
Die Veränderung von Oberflächen, Strukturen wie auch Tiefenprofilen von Massivmaterialien oder von Funktionsschichten auf Substraten zu deren Vergütung erfolgt typischerweise durch das Tempern bzw. temperähnliche Prozesse. Tempern ist das Aufheizen des entsprechenden Materials auf eine Temperatur unterhalb seiner Schmelztemperatur über einen definierten Zeitraum und nach einem definierten Temperaturprofil, d. h. mit definierten Temperaturanstiegs- und Abkühlungsraten. Dabei kann zusätzlich auch noch unter Einwirkung von Reaktionsgasen eine Umwandlung der diesen Gasen ausgesetzten Oberflächen stattfinden.
Für die thermische Behandlung von auf Substraten abgeschiedenen Funktionsschichten wird meist das gesamte Substrat aufgeheizt. Diese Prozesse dauern typischerweise von einigen Minuten bis hin zu Stunden. Solche Standardprozesse sind nicht für solche Substrate oder gar komplexe Schichtabfolgen auf Substraten geeignet, die sich bei Temperaturbelastung verändern oder gar zerstört werden, wenn eigentlich nur eine bestimmte Funktionsschicht durch Temperatureinwirkung verändert werden soll.
Temperprozesse werden unter anderem in der Halbleiterproduktion eingesetzt, wobei auch hier vielfach die Forderung besteht, die Oberfläche oder aber oberflächennahe Bereiche des Substrats thermisch zu beeinflussen, dabei jedoch beispielsweise Dotierprofile des Halbleiters so wenig wie nur möglich zu verändern. Beispielsweise sollen Kristalldefekte aufgrund einer Ionenimplantation ausgeheilt werden ohne das bereits vorhandene Dotierprofil zu verändern.
Deshalb werden zu solchen Zwecken Prozesse genutzt, bei denen die Temperaturbelastung verhältnismäßig gering gehalten werden kann: Typischerweise sind das sogenannte RTP-Verfahren (Rapid Thermal Processing), bei denen besonders hohe Temperaturanstiegs- bzw. abkühlungsraten erreicht werden können. Mit Hilfe von RTP-Verfahren werden beispielsweise implantierte Spezies aktiviert, Siliziumoberflächen oxidiert oder aber amorphes Silizium in polykristallines Silizium umgewandelt.
Um diese hohen Temperaturanstiegs- und Abkühlungsraten zu erreichen, werden bei RTP-Verfahren üblicherweise Halogenlampen und mittlerweile auch Blitzlampen zum Einsatz gebracht. Mit derartigen Strahlungsmitteln ist es prinzipiell möglich, die Oberflächen stark, z. B. mehrere hundert bis über tausend Grad Celsius, zu erhitzen und dabei das Substrat nur bis in eine Tiefe von wenigen Mikrometern zu erwärmen. Weiter in der Tiefe liegende Schichten bzw. Bereiche des Substrates bleiben dabei auf Raumtemperatur. Voraussetzung ist, dass das zu erwärmende Material das Licht absorbiert und damit eine Temperaturerhöhung möglich ist.
Bei der Nutzung von RTP-Verfahren hat man sich allerdings bislang darauf konzentriert, Substrate besonders uniform zu behandeln, d. h. die Prozessbedingungen über das gesamte Substrat hinweg so gleich wie nur möglich zu halten. Dabei wurden diverse Hilfsmittel eingesetzt. In der KR1020090056671A wird so beispielsweise eine Anordnung verschiedener Heizlampen und von Masken zwischen diesen Lampen und dem Substrat beschrieben, die die von den Lampen ausgesendete Strahlung besonders uniform auf dem Substrat auftreffen lässt.
In RTP-artigen Verfahren und Vorrichtungen zur thermischen Behandlung von Substraten werden also bisher entsprechende Strahlungsmittel nur für die Bestrahlung der gesamten Oberfläche des Substrats verwendet. Es ist also mit diesen Verfahren und Vorrichtungen nach dem Stand der Technik nicht möglich, nur definierte Teilbereiche der Oberfläche zu tempern, während andere nicht thermisch beaufschlagt werden.
Zur thermischen Behandlung nur von Teilbereichen der Oberfläche wurden bislang Laser eingesetzt, die dann entsprechend über die Oberfläche der Substrate geführt werden, wobei diese Verfahren wiederum schwerpunktmäßig in der Photovoltaikindustrie eingesetzt werden. Durch das Führen des Lasers über die Oberfläche ist allerdings hierfür ein erheblicher Zeitaufwand nötig, insbesondere die lokale thermische Behandlung von komplexeren Strukturen ist auf diese Art und Weise nicht mit dem für die Produktion erforderlichen Durchsatz zu bewerkstelligen. Um dabei scharfe Temperaturprofile zu erreichen, werden hierfür Laser mit hohen Leistungen und sehr kurzen Expositionszeiten eingesetzt.
Generell werden hingegen zur Erzeugung von komplexeren Strukturen auf Substraten, bei denen jedoch keine lokale thermische Behandlung notwendig ist, Fotolithografie-Verfahren und -Vorrichtungen oder aber die Laserstrukturierung eingesetzt. Bei Fotolithografie-Verfahren wird dabei eine fotoempfindliche Schicht auf dem Substrat abgeschieden, anschließend unter Zuhilfenahme einer sogenannten Fotomaske, also einer Schattenmaske, die erzeugt wurde durch Strukturierung einer lichtreflektierenden Schicht auf einem transparenten Grundkörper, belichtet und entwickelt. Nach der Entwicklung der belichteten fotoempfindlichen Schicht wird diese dann wiederum zur gezielten Behandlung (wie z. B. Strukturierung oder Implantation) des darunterliegenden Substrats verwendet und anschließend die strukturierte fotoempfindliche Schicht wieder entfernt. Gewünschte Strukturen werden also immer indirekt und unter Nutzung einer Abfolge verschiedener, teilweise sehr kostenintensiver Prozesse auf das Substrat übertragen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung von Substraten zu finden, bei dem komplexe thermisch induzierte Strukturen gleichzeitig und zeitsparend auf dem Substrat erzeugt werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur thermischen Behandlung von Substraten mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 12 und die Verwendung eines solchen Verfahrens und/oder einer solchen Vorrichtung für die thermische Behandlung von Substraten nach Anspruch 25. Die Ansprüche 2 bis 11, 13 bis 24 und 26 bis 27 geben Ausführungsvarianten dieser erfindungsgemäßen Lösung wieder.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur thermischen Behandlung von Substraten, wobei unter dem Begriff Substrat im folgenden sowohl ein Massivmaterial als auch eine strukturierte und/oder nicht strukturierte Schichtabfolge auf einer Unterlage verstanden werden soll, das sowohl eine ebene Oberfläche als auch eine gezielt aufgebaute Topologie aufweisen kann, nutzt einen RTP(„Rapid Thermal Processing”, d. h. „schnelle thermische Bearbeitung”)-Prozess, bei dem ein Strahlungsmittel einen Energieeintrag in ein Substrat und damit eine Temperaturerhöhung des Substrats mit hohen Temperaturanstiegs- und Abkühlungsraten bewirkt, was kurze Expositionszeiten des Substrats ermöglicht. Die für RTP-Prozesse üblichen hohen Leistungen des Strahlungsmittels bewegen sich dabei im Bereich mehrerer zehn Kilowatt, womit hohe Temperaturanstiegsraten von üblicherweise hundert bis mehreren hundert Kelvin pro Sekunde erreicht werden können, die Zeiten der Einwirkung der Strahlung, die Expositionszeit, damit sehr gering gehalten werden können, wobei hier üblicherweise im Millisekundenbereich bis Sekundenbereich gearbeitet werden kann. Da bei diesen Verfahren die Strahlungsquelle abrupt abgeschaltet werden kann, sind hernach Abkühlungsraten in ähnlichen Größenordnungen wie die Temperaturanstiegsraten möglich. Üblicherweise liegen diese Abkühlungsraten leicht unterhalb der Temperaturanstiegsraten bei mehreren zehn bis hundert Kelvin pro Sekunde. Sie sind von der Art des Energieeintrags in das Substrat und der Erwärmung der Umgebung abhängig. Je höher die Temperaturanstiegsraten und je geringer die Gesamtprozesszeit, umso geringer wird sich die Umgebung aufheizen und somit auch eine hohe Abkühlungsrate ermöglichen. Das erfindungsgemäße Verfahren soll dabei nicht auf die oben angegebenen Bereiche beschränkt werden, sondern es kann auch nach einer Weiterentwicklung der üblichen RTP-Prozesse und -Anlagen, die zu noch höheren Leistungen, kürzeren Expositionszeiten und noch höheren Temperaturanstiegs- und Abkühlungsraten führen, weiterhin eingesetzt werden. Erfindungsgemäß wird dabei das Substrat lokal definiert thermisch behandelt: Unterschiedliche Bereiche auf dem Substrat werden also gleichzeitig einem unterschiedlichen Energieeintrag ausgesetzt. Mit anderen Worten ist also zumindest für zwei Teilflächen des Substrats die Energieeintragsdichte, d. h., der Energieeintrag pro Fläche, verschieden. Die lokal definierte thermische Behandlung, die auch als „Microtempering” bezeichnet werden kann, beinhaltet dabei ein vorheriges Festlegen des notwendigen Energieeintrags für jede Position des Substrates und eine Übertragung dieser so festgelegten „Energieeintragsstruktur” in lokale Prozessparameter.
Dabei sendet die im erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Strahlungsquelle in einer häufig genutzten Ausführungsvariante divergente Strahlung aus. In dieser Ausführungsvariante ergibt sich eine Vielzahl von einfachen Realisierungsmöglichkeiten der Strahlungserzeugung. Das ist insbesondere günstig, wenn, wie in diesem Verfahren, beachtet werden muss, dass die ausgesendete Strahlung einen zur schnellen Erwärmung des Substrats geeigneten Energieeintrag ermöglichen muss.
Die erfindungsgemäße RTP(„Rapid Thermal Processing”, d. h. „schnelle thermische Bearbeitung”)-Vorrichtung enthält hierfür ein Strahlungsmittel mit dem hohen Strahlungsleistungen erzeugt werden können, ein dem Strahlungsmittel gegenüberliegendes Substrat, sowie Mittel zur definierten lokalen Variation des Energieeintrags in das Substrat. Je nach Einsatz dieser Vorrichtung kann dabei die lokale Variation des Energieeintrags in das dem Strahlungsmittel gegenüber liegende Substrat durch entsprechende lokale Variation der Leistung des Strahlungsmittels selbst oder aber durch Nutzung zusätzlicher Hilfsmittel zum Fokussieren und/oder zum Ausblenden der vom Strahlungsmittel erzeugten Strahlung erreicht werden.
Besonders günstig ist dabei eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung, die ein divergent ausstrahlendes Strahlungsmittel enthält. Solcherart Strahlungsmittel sind relativ einfach aufgebaut, können bei Bedarf auch größere Bereiche ausleuchten und es bietet sich eine größere Auswahl an für den jeweiligen Zweck einsetzbaren Strahlungsmitteln: Diese Strahlungsmittel können nichtkontinuierlicher wie auch kontinuierlicher Art sein. Neben im sichtbaren Bereich ausstrahlenden Strahlungsmitteln sind ggf. auch im nichtsichtbaren Bereich strahlende Strahlungsmittel möglich.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung enthält die Vorrichtung dabei Mittel zur Begrenzung des Energieeintrags in das Substrat, die diesen Energieeintrag jeweils auf definierte Bereiche in Größenordnungen ab wenigen Mikrometern Breite beschränken können. Dies ermöglicht grundsätzlich die Nutzung einer solchen Vorrichtung für einen „strukturierten” Energieeintrag, so dass diese Vorrichtung ähnlich den Belichtungsvorrichtungen in üblichen Fotolithographie-Verfahren, die zur topologischen Strukturierung oder zur Maskierung von Implantationen eingesetzte werden, genutzt werden kann, mit dem Unterschied, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung eine „Strukturierung” auf dem Substrat durch die lokale thermische Veränderung der Oberflächen, der inneren Struktur des Substratmaterials oder der Zusammensetzung des Substratmaterials und/oder von Tiefenprofilen im Substrat ermöglicht.
In einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird dies dadurch ermöglicht, dass zwischen dem Strahlungsmittel und dem Substrat eine Schattenmaske, d. h., eine partiell transparente Maske, positionierbar ist, deren Grundkörper aus einem für die durch das Strahlungsmittel ausgesendete Strahlung transparenten Material besteht. Auf diesem ist substratseitig eine dünne strahlungsreflektierende Schicht derart aufgebracht und strukturiert worden, dass sie Öffnungen genau an den Positionen enthält, an denen die durch das Strahlungsmittel ausgesendete Strahlung auf das hinter der Schattenmaske befindliche Substrat treffen soll. Die Öffnungen können dabei Minimalbreiten von wenigen Zehntel Mikrometern aufweisen. Diese Schattenmaske enthält also die festgelegte „Energieeintragsstruktur”, die das Substrat nach der thermischen Behandlung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aufweisen soll. Sie ist spezifisch ausgebildet, d. h., für unterschiedliche Verwendungen dieser Vorrichtung werden jeweils entsprechende Schattenmasken erstellt.
In einem speziellen erfindungsgemäßen Verfahren wird dabei die spezifische Schattenmaske, durch die festgelegt ist, in welchen Positionen das Substrat lokal thermisch behandelt werden soll, zwischen das Strahlungsmittel und das zu behandelnde Substrat eingebracht. Die Strahlung des Strahlungsmittels gelangt also von der Rückseite der Schattenmaske durch die Öffnungen in der strahlungsreflektierenden Schicht hindurch auf das Substrat und führt nur dort zu einem lokalen Energieeintrag und damit beispielsweise zu einem lokalen Temperprozess. An Stellen, an denen keine Öffnung in der strahlungsreflektierenden Schicht vorhanden ist, wird das Licht zurück durch den transparenten Grundkörper der Schattenmaske reflektiert und führt damit zu keiner Erwärmung der Oberfläche des Substrats, so dass eine thermische Behandlung dieser Bereiche des Substrats vermieden wird. Dabei kann das Einbringen der Schattenmaske vor der thermischen Behandlung oder aber zwischen verschiedenen Schritten der thermischen Behandlung des Substrats erfolgen. Auch ist ein sukzessives Arbeiten mit mehreren Masken in verschiedenen Teilschritten der thermischen Behandlung des Substrats möglich.
In einer speziellen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird hierfür eine Schattenmaske verwendet, die einen Grundkörper aus Quarzglas und eine aluminiumhaltige strahlungsreflektierende Schicht aufweist. Möglich ist hier beispielsweise eine Aluminiumschicht mit einer Dicke von zirka 100 nm. Auch andere Materialien wie Silber sind als strahlungsreflektierende Schicht einsetzbar. Prinzipiell sollte als Grundkörper für eine solche Schattenmaske ein erstes, für die eingesetzte Strahlung transparentes Material und für die auf dem Grundkörper befindliche strukturierte strahlungsreflektierende Schicht ein für die eingesetzte Strahlung idealerweise totalreflektierendes Material genutzt werden.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Strahlungsmittel während der thermischen Behandlung zeitlich und/oder räumlich seine Strahlungsintensität variieren. Damit können bei einfachen zu erzeugenden „Energieeintragsstrukturen” diese allein über diese Variation der Strahlungsintensität erreicht werden, oder aber die Variation der Strahlungsintensität mit dem Einsatz einer Schattenmaske kombiniert werden, um auf diese Weise kompliziertere „Energieeintragsstrukturen” zu erzeugen.
Um eine Variation der Strahlungsintensität zu erreichen, ist in einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung das Strahlungsmittel mit lokal variablen Intensitäten strahlend ausgebildet.
Dabei enthält in einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung das Strahlungsmittel eine Vielzahl von einzelnen Strahlungskörpern. Dies ermöglicht eine einfache Erzeugung von Strahlung mit lokal variablen Intensitäten, wenn in dieser Ausführungsform jeder einzelne Leuchtkörper des Strahlungsmittels unabhängig angesteuert werden kann.
In einer speziellen Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dabei mit einer Expositionszeit, also der Zeit, in der das Substrat der aus dem Strahlungsmittel ausgesendeten Strahlung und damit der thermischen Behandlung ausgesetzt ist, gearbeitet, die kleiner als eine Millisekunde ist. Dies erlaubt einen äußerst lokalen Energieeintrag, denn wie bereits geschildet, ist die Erwärmung von nichtgewünschten Bereichen des Substrats wie auch von der gesamten Umgebung des Substrats von den Verfahrenszeiten abhängig.
Kurze Expositionszeiten können dabei insbesondere in einer Ausführung des Verfahrens erreicht werden, in dem die zur thermischen Behandlung des Substrats benötigte Strahlung durch eine Blitzlampe erzeugt wird. Mit Blitzlampen sind mittlerweile Expositionszeiten erreichbar, die den sehr kurzen Expositionszeiten entsprechen, die bislang nur mit Lasern erreichbar waren und die in Bereichen unter einer Zehntel Millisekunde liegen können.
Eine entsprechende spezielle erfindungsgemäße Vorrichtung enthält dabei ein Strahlungsmittel, das mindestens eine Blitzlampe aufweist. Die für die thermische Behandlung des Substrats benötigte Strahlung kann folglich in dieser Vorrichtung entweder nur durch die Blitzlampe erzeugt werden oder aber durch eine Blitzlampe, die in Kombination mit anderen Strahlungskörpern eingesetzt wird.
In einer weiteren Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die zur thermischen Behandlung des Substrats benötigte Strahlung durch einen Mikrowellengenerator erzeugt. Auch Mikrowellen erlauben einen hohen Energieeintrag in kurzer Zeit und damit entsprechend kurze Expositionszeiten des Substrats. Bei Nutzung einer entsprechenden Schattenmaske, beispielsweise einer, die einen Grundkörper aus Quarzglas enthält, können die Mikrowellen diesen durchlaufen, da die Absorption der Mikrowellen im Quarzglas vernachlässigbar gering ist. Dort, wo sich auf dem Grundkörper der Schattenmaske hingegen eine strukturierte, mikrowellenreflektierende Schicht befindet, wird die Mikrowellenstrahlung daran gehindert, das Substrat zu erreichen.
Eine hierfür entsprechende spezielle erfindungsgemäße Vorrichtung enthält dabei ein Strahlungsmittel, das einen Mikrowellengenerator aufweist, sowie ggf. eine Schattenmaske, die einen mikrowellendurchlässigen Grundkörper und eine mikrowellenreflektierende, strukturierte Schicht enthält. Die für die thermische Behandlung des Substrats benötigte Strahlung kann folglich in dieser Vorrichtung entweder nur durch den Mikrowellengenerator erzeugt werden oder aber durch einen Mikrowellengenerator, der in Kombination mit anderen Strahlungskörpern eingesetzt wird.
Dabei wird in einer besonderen Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens das Substrat mit divergenter Strahlung eines definierten Wellenlängenbereichs lokal thermisch behandelt. Die Auswahl eines bestimmten Wellenlängenbereichs wird dort notwendig, wo das Verfahren bei Einsatz von Strahlung beliebiger Wellenlängen zur Schädigung des Substratmaterials führen kann. Dies kann z. B. bei der Behandlung von organischem Material der Fall sein.
Eine mögliche spezielle erfindungsgemäße Vorrichtung, die es erlaubt, Substrate mit divergenter Strahlung eines definierten Wellenlängenbereiches thermisch zu behandeln, enthält hierfür zwischen Strahlungsmittel und Substrat positioniert mindestens ein Filter zum Unterdrücken unerwünschter Wellenlängenbereiche.
Besonders zur Behandlung von organischen Substratmaterialien wird hierfür ein Filter für UV-Strahlung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zwischen Strahlungsmittel und dem Substrat angeordnet. In der Praxis kann beispielsweise ein reguläres Floatglas, welches im Fensterbau eingesetzt wird, als Filter verwendet werden.
In einer weiteren Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Substrat und/oder das Strahlungsmittel während der thermischen Behandlung bewegt. Dies bietet eine weitere Möglichkeit, den Energieeintrag lokal zu beeinflussen, denn durch entsprechende Bewegungen kann die durch das Strahlungsmittel erzeugte Strahlung mehr oder weniger lange mehr oder weniger intensiv an einer definierten Position zum Energieeintrag genutzt werden.
Hierzu umfasst eine besondere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung Mittel zur Bewegung des Substrats und/oder des Strahlungsmittels während des Energieeintrags in das Substrat. Diese Mittel sind dabei so ausgebildet, dass die Bewegung des Substrats und/oder des Strahlungsmittels koordiniert zur gerade eingesetzten Strahlungsintensität erfolgen kann.
In einer speziellen Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die thermische Behandlung des Substrats in einer Inertgasatmosphäre, d. h. bei Vorhandensein von Gasen, mit denen das Substratmaterial selbst bei hohen Temperaturen keine Reaktion eingeht, durchgeführt, um eine chemische Veränderung des Substratmaterials durch den Einfluss der Umgebungselemente während der thermischen Behandlung zu vermeiden.
In wiederum einer anderen speziellen Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens findet die thermische Behandlung des Substrats in einer Reaktivgasatmosphäre statt, sodass das Substratmaterial während der thermischen Behandlung mit dem Reaktivgas reagiert und dadurch die entsprechenden thermisch behandelten Bereiche des Substrats lokal chemisch verändert werden. So kann z. B. das Vorhandensein von Sauerstoff während des erfindungsgemäßen Verfahrens zu einer lokalen Oxidation des thermisch behandelten Substratmaterials führen.
Um eine definierte Atmosphäre, entweder eine Inertgasatmosphäre oder eine Reaktivgasatmosphäre, bei der lokalen thermischen Behandlung von Substraten zu erreichen, enthält eine besondere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung Mittel zur kontrollierten Zufuhr von Gasen in die Vorrichtung und zur kontrollierten Evakuierung von Gasen aus der Vorrichtung. Zudem ist die entsprechende erfindungsgemäße Vorrichtung so ausgeführt, dass ein unkontrolliertes Eindringen von Gasen von außerhalb der Vorrichtung nicht möglich ist. Die Mittel zur kontrollierten Zufuhr von Gasen können dabei entsprechende Gasleitungen mit regelbaren Ventilen sein. Zur kontrollierten Evakuierung ist beispielsweise ein Pumpensystem einsetzbar.
Das erfindungsgemäße Verfahren und/oder die erfindungsgemäße Vorrichtung sind einsetzbar für jegliche lokale Veränderung von Substraten mittels lokal definiertem Energieeintrag. Konkret kann es sich bei den lokalen Veränderungen des Substrates um lokale Widerstandsänderungen und/oder lokale Änderungen der inneren Struktur des Substrates und/oder lokale Änderung von Implantationsprofilen und/oder eine Reaktion von definierten Teilbereichen des Substrats mit Gasen aus der Atmosphäre der Vorrichtung und/oder eine lokale Beeinflussung des Ätzverhaltens handeln. Prinzipiell ist aber jegliche Veränderung eines Substrats unter Temperatureinwirkung möglich, wobei es das erfindungsgemäße Verfahren und/oder die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt, eine vorher festgelegte, d. h. aus funktionellen Gründen heraus geplante, „Energieeintragsstruktur” und damit eine festgelegte durch Temperatureinwirkung indizierte Strukturierung eines Substrates vorzunehmen.
Insbesondere entspricht es einer erfindungsgemäßen Verwendung, durch einen lokalen Energieeintrag den Widerstand einer TCO-Schicht (Transparent Conductive Oxide-Schicht) auf einem Substrat lokal derart zu ändern, dass dadurch TCO-Leiterbahnen in isolierendem TCO entstehen. Hierzu ist es zunächst nötig, den Widerstand einer kalt abgeschiedenen TCO-Schicht ganzflächig durch Energieeintrag zu vermindern und ihn anschließend lokal durch einen weiteren Energieeintrag entsprechend einer festgelegten „Energieeintragsstruktur”, mit der alle Bereiche der TCO-Schicht festgelegt werden, deren Widerstand so hoch sein soll, dass sie isolierende Eigenschaften haben, stark zu erhöhen.
Eine weitere erfindungsgemäße Verwendung ist die lokale Reaktion eines Substrates mit Gasen aus der das Substrat umgebenden Atmosphäre. Dabei findet eine Reaktion nur an den Positionen des Substrates statt, an denen der lokale Energieeintrag zu einem Erreichen der nötigen Reaktionstemperatur führt. Ein entsprechender Anwendungsbereich hierfür ist die lokale Oxidation des zu behandelnden Substrats in einer oxidierenden Atmosphäre.
Die erfindungsgemäße Lösung für ein Verfahren und eine Vorrichtung zur lokalen thermischen Behandlung von Substraten sowie deren Verwendung soll nun anhand mehrerer Anwendungsbeispiele erläutert werden.
Die 1 zeigt eine Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer schematischen Darstellung. In einer RTP-Kammer 1 befindet sich als Strahlungsmittel eine sich über die gesamte Breite der RTP-Kammer 1 ausdehnende Blitzlampe 2 und ein Substrat 6, das ebenfalls die gesamte Breite der RTP-Kammer 1 einnimmt und das einen lokalen Energieeintrag an vorher definierten Positionen 7 erhalten soll. Dieses Substrat kann durch eine verschließbare Öffnung 9 in einer Seitenwand der RTP-Kammer in diese eingeführt und durch eine weitere verschließbare Öffnung 9' in der gegenüberliegenden Seitenwand der RTP-Kammer wieder ausgeführt werden, so dass diese RTP-Kammer Teil einer größeren Anlage zum Beschichten und Strukturieren von Substraten sein kann, in der das Substrat von einer Vorkammer, in der eine Vorprozessierung stattgefunden hat, in die erfindungsgemäße RTP-Kammer eingeführt wird und nach der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Folgekammer weiterprozessiert werden kann. In dieser RTP-Kammer 1 ist zwischen der Blitzlampe 2 und dem Substrat 6 eine Schattenmaske 3 positioniert, die aus einem Grundkörper 4 aus Quarzglas besteht, der eine strahlungsreflektierende strukturierte Schicht 5 aus Aluminium einer Dicke von 100 nm enthält, die substratseitig auf den Grundkörper 4 aufgebracht worden ist. Diese Schattenmaske 3 kann bei Nichtgebrauch in der RTP-Vorrichtungskammer 1 weggedreht werden oder aber über eine verschließbare Öffnung 8 in der Seitenwand aus der RTP-Vorrichtungskammer 1 entnommen werden. Die Schattenmaske 3 enthält durch ihre strahlungsreflektierende strukturierte Schicht 5 auf ihrem Grundkörper 4 die entsprechenden Informationen darüber, an welchen Positionen 7 des Substrats 6 bei Durchführung des entsprechenden Verfahrens der Energieeintrag durch die von der Blitzlampe 2 ausgesendete Strahlung vollzogen wird. Aufgrund der divergenten Strahlung der Blitzlampe 2 befindet sich die Schattenmaske 3 idealerweise in Kontakt mit dem Substrat 6 oder in größtmöglicher Nähe zu diesem, da es sonst zu einer Verbreiterung der Strukturen der Schattenmaske 3 kommt bzw. sich die Randbereiche der Strukturen einer geringeren einfallenden Lichtintensität auf dem Substrat 6 ausgesetzt werden als zentrale Bereiche der Strukturen.
Diese Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren kann nun in einem ersten Anwendungsbeispiel eingesetzt werden um eine gewünschte Widerstandsverteilung auf einem Substrat 6 einzustellen, und damit den Stromfluss bei großflächigen OLEDs oder Elektrochrombeschichtungen durch lokales und graduelles Tempern der entsprechenden Schicht zu verbessern, so dass im Fall des Leuchtens bzw. Schaltens keine Helligkeitsunterschiede auftreten. Dabei sind auch große Substratflächen in Durchlaufanlagen behandelbar, wobei die Widerstands-Strukturen durch Variation der Leistung des Strahlungsmittels 2, dessen einzelne Leuchtelemente bzw. Leuchtbereiche unabhängig voneinander ansteuerbar sind, beim alleinigen Durchlaufen oder durch den zusätzlichen Einsatz von Schattenmasken 3 während der Prozessierung in der Anlage eingestellt werden können.
In einem weiteren Anwendungsbeispiel wird die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren verwendet, um eine bei Raumtemperatur abgeschiedenen Schicht eines TCOs, also ein sogenanntes kalt abgeschiedenes TCO wie z. B. ein aluminiumdotiertes Zinkoxid (ZnO:Al), auf einem Substrat 6 durch einen lokalen Energieeintrag unter Nutzung einer Schattenmaske 3 lokal zu tempern. Damit ist die Erniedrigung des Schichtwiderstands und somit die Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit von kalt abgeschiedenem aluminiumdotierten Zinkoxid in getemperten Bereichen um bis zu einer Größenordnung im Vergleich zu nicht getemperten Bereichen möglich. Zudem wird durch einen lokalen Energieeintrag die Transparenz des TCOs an den gewünschten Positionen 7 erhöht.
Die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur lokalen thermischen Beeinflussung von TCO-Schichten ist aber nicht allein auf ein Absenken des Widerstandes eines gleichmäßig aufgebrachten TCOs an den getemperten Stellen beschränkt. Es ist bekannt ( DE 10 2008 009 337 A1 ), dass oberhalb einer bestimmten Temperatur der Widerstand des aluminiumdotierten Zinkoxids (ZnO:Al) wieder deutlich ansteigt. Dazu wird zunächst eine kalt in einem Vorprozess auf einem Substrat 6 abgeschiedene TCO-Schicht ganzflächig, d. h. ohne Nutzung einer Schattenmaske 3 oder einer sonstigen lokalen Variation der Leistung des Strahlungsmittels 2 und damit des Energieeintrags, in einer RTP-Kammer 1 getempert und somit ihr Schichtwiderstand ganzflächig erniedrigt. Anschließend wird die Schattenmaske 3 in der RTP-Kammer 1 zwischen dem die TCO-Schicht enthaltenden Substrat 6 und dem Strahlungsmittel 2 in Position gebracht und die TCO-Schicht erneut und mit deutlich höherer Leistung des Strahlungsmittels getempert, wobei in diesem Schritt der lokale Energieeintrag an jeder Position 7 der TCO-Schicht durch die Schattenmaske 3 bestimmt wird. Mit den deutlich „übertemperten” TCO-Bereichen lassen sich nun größere Unterschiede in der Leitfähigkeit und somit im Widerstand des TCOs herstellen als durch optimal getempertes TCO im Vergleich zu kalt abgeschiedenem. Im Grenzfall ist damit durch die mittels Schattenmaske 3 festgelegte „Energieeintragsstruktur” die Strukturierung eines isolierenden Materials innerhalb einer leitfähigen TCO-Schicht erreichbar. Es bleiben transparente, leitfähige TCO-Bahnen übrig, die begrenzt sind durch das isolierende TCO-Material der so behandelten TCO-Schicht.
Anwendung findet das erfindungsgemäße Verfahren und/oder die erfindungsgemäße Vorrichtung auch bei einem weiteren Prozess der OLED-Herstellung. Sollen strukturierte OLEDs hergestellt werden, so wird nach dem Stand der Technik das transparente leitfähige Material abgeschieden und dann an den Stellen, an denen das Material nicht benötigt wird, unter Zuhilfenahme einer Ätzmaske, die vorher z. B. mittels eines fotolithografischen Schritts aufgebracht werden muss, weggeätzt. Das führt zu Kanten, die im weiteren Herstellungsprozess stören, da sie Abschattungen bewirken. Auch hier werden nun stattdessen in der erfindungsgemäßen Anwendung die elektrischen Eigenschaften lokal durch einen lokalen Energieeintrag in einer insgesamt erhaltenen Schicht verändert.
Das erfindungsgemäße Verfahren und/oder die erfindungsgemäße Vorrichtung werden desweiteren auch zur topologischen Strukturierung eingesetzt. Das ist dann möglich, wenn sich das Ätzverhalten eines Substratmaterials bzw. des Materials einer Schicht, die sich auf dem Substrat 6 befindet, durch Temperatureinwirkung signifikant verändert.
Auch für die lokale Kristallisation von organischen Materialien, bei der deren Leitfähigkeit um mehrere Größenordnungen erhöht wird, ist das erfindungsgemäße Verfahren und/oder die erfindungsgemäße Vorrichtung einsetzbar. In diesem Fall wird durch den zusätzlichen Einsatz eines UV-Filters zwischen Blitzlampe 2 und die Schattenmaske 3 die Organik vor Schäden zu geschützt.
Die lokale Oxidation eines Silizium-Wafers stellt ein weiteres Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Verfahrens und einer entsprechenden Vorrichtung dar. Hierzu wird das Silizium-Substrat 6 durch eine Schattenmaske 3, auf der die gewünschten Strukturen abgebildet sind, hindurch von einer Blitzlampe 2 bestrahlt, während es sich in einer stark oxidierenden Atmosphäre befindet. Neben der einfachen Nutzung der so entstandenen Siliziumoxid-Bereiche als isolierende Bereiche zwischen zwei aktiven Silizium-Bereichen sind die so entstandenen Siliziumoxid-Strukturen als Maske für das Ätzen der noch offenliegenden unoxidierten Silizium-Bereiche des Wafers verwendbar. Diese Art der Anwendung ist selbstverständlich auch auf die durch einen Energieeintrag gesteuerten Reaktionen von anderen Substratmaterialien bzw. Schichtmaterialien auf Substraten 6 in anderen Reaktivgasatmosphären übertragbar.
Bezugszeichenliste

1: RTP-Kammer
2: Strahlungsmittel, Blitzlampe
3: Schattenmaske
4: Grundkörper
5: strahlungsreflektierende strukturierte Schicht
6: Substrat
7: Position des lokalen Energieeintrags
8: verschließbare Öffnung zum Ein- und Ausführen der Schattenmaske
9, 9': verschließbare Öffnungen zum Ein- und Ausführen des
Substrates

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

KR 1020090056671 A [0007]
DE 102008009337 A1 [0044]

Claims

Verfahren zur thermischen Behandlung von Substraten (6), unter Nutzung eines RTP-Prozesses, bei dem ein Strahlungsmittel (2) einen Energieeintrag in das Substrat (6) ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (6) lokal definiert thermisch behandelt wird, also unterschiedliche Bereiche auf dem Substrat (6) zur gleichen Zeit einem unterschiedlichen Energieeintrag ausgesetzt sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungsmittel divergente Strahlung aussendet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte lokale thermische Behandlung durch das Einschieben einer spezifischen Schattenmaske (3) erfolgt, die zwischen das Strahlungsmittel (2) und das zu behandelnde Substrat (6) eingebracht wird und während der thermischen Behandlung die vom Strahlungsmittel (2) ausgesendete Strahlung an den Stellen reflektiert, an denen sie das darunter liegende Substrat (6) nicht treffen soll.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungsmittel (2) während der thermischen Behandlung zeitlich und/oder räumlich seine Strahlungsintensität variiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (6) mit divergenter Strahlung eines definierten Wellenlängenbereichs lokal thermisch behandelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (6) und/oder das Strahlungsmittel (2) während der thermischen Behandlung bewegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behandlung des Substrats (6) in einer Inertgasatmosphäre, d. h. bei Vorhandensein von Gasen, mit denen das Substratmaterial selbst bei hohen Temperaturen keine Reaktion eingeht, stattfindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behandlung des Substrats (2) in einer Reaktivgasatmosphäre stattfindet, das Substratmaterial während der thermischen Behandlung mit dem Reaktivgas reagiert und dadurch Bereiche des Substrats (6) chemisch verändert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Expositionszeit, also die Zeit, in der das Substrat (6) Strahlung und damit der thermischen Behandlung ausgesetzt ist, kleiner als eine Millisekunde ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zur thermischen Behandlung des Substrats (6) benötigte Strahlung durch eine Blitzlampe (2) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zur thermischen Behandlung des Substrats (6) benötigte Strahlung durch einen Mikrowellengenerator erzeugt wird.
RTP-Vorrichtung, die ein Strahlungsmittel (2) und ein dem Strahlungsmittel (2) gegenüberliegendes Substrataufnahmemittel enthält, auf dem ein Substrat (6) befestigbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Mittel zur definierten lokalen Variation des Energieeintrags in das Substrat (6) beinhaltet.
RTP-Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungsmittel divergent ausstrahlend ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zur Begrenzung des Energieeintrags in das Substrat (6) enthält, die diesen Energieeintrag jeweils auf definierte Bereiche in Größenordnungen ab wenigen Mikrometern beschränken.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Strahlungsmittel (2) und dem Substrat (6) eine Schattenmaske (3) positionierbar ist, deren Grundkörper (4) aus einem für die durch das Strahlungsmittel (2) ausgesendete Strahlung transparenten Material besteht und auf dem substratseitig eine strahlungsreflektierende Schicht (5) derart aufgebracht und strukturiert ist, dass sie Öffnungen genau an den Positionen (7) enthält, an denen die durch das Strahlungsmittel (2) ausgesendete Strahlung auf das hinter der Schattenmaske (3) befindliche Substrat (6) treffen soll.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Schattenmaske (3) einen Grundkörper (4) aus Quarzglas und eine aluminiumhaltige strahlungsreflektierende, strukturierte Schicht (5) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungsmittel (2) mit lokal variablen Intensitäten strahlend ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungsmittel (2) eine Vielzahl von einzelnen Strahlungskörpern enthält.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungsmittel (2) eine Blitzlampe aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungsmittel (2) einen Mikrowellengenerator aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwischen Strahlungsmittel (2) und Substrat (6) positioniert ein Filter zum Unterdrücken unerwünschter Wellenlängenbereiche enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um ein Filter für UV-Strahlung handelt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zur Bewegung des Substrats (6) und/oder des Strahlungsmittels (2) während des Energieeintrags in das Substrat (6) umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zur kontrollierten Zufuhr von Gasen in die Vorrichtung und Evakuierung von Gasen aus der Vorrichtung enthält.
Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 und/oder einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 24 zur lokalen Veränderung von Substraten (6) mittels lokal definiertem Energieeintrag, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand und/oder die inneren Struktur des Substrates (6) und/oder ein Implantationsprofil lokal verändert wird und/oder definierte Teilbereiche des Substrats (6) mit Gasen aus der Atmosphäre der Vorrichtung reagieren und/oder das Ätzverhalten lokal beeinflusst wird.
Verwendung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass dabei lokal der Widerstand einer TCO-Schicht auf einem Substrat (6) derart geändert wird, dass zunächst der Widerstand einer kalt abgeschiedenen TCO-Schicht ganzflächig durch Energieeintrag vermindert wird und anschließend lokal durch einen weiteren Energieeintrag stark erhöht wird und damit TCO-Leiterbahnen in isolierendem TCO entstehen.
Verwendung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen lokalen Energieeintrag in einer oxidierenden Atmosphäre das zu behandelnde Substrat (6) lokal oxidiert wird.