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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen der Temperatur eines Substrats, insbesondere eines Halbleitersubstrats, sowie eine Vorrichtung zum thermischen Behandeln von Substraten, insbesondere Halbleitersubstraten.
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In der Technik sind unterschiedliche Vorrichtungen und Verfahren zum thermischen Behandeln von Substraten, sowie Vorrichtungen und Verfahren zum Bestimmen der Temperatur eines Substrats während einer thermischen Behandlung bekannt.
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Ein bekanntes Verfahren zum thermischen Behandeln von Halbleiterwafern sieht zum Beispiel eine Erwärmung mittels elektromagnetischer Strahlung vor, die von Lampen, beispielsweise Wolfram-Halogenlampen ausgeht. Für eine Temperaturregelung der thermischen Behandlung ist es bekannt, während derselben die Temperatur des Halbleiterwafers über einen auf das Substrat gerichteten Strahlungsmesser zu bestimmen. Da der Strahlungsmesser aber in der Regel nicht nur vom Halbleiterwafer emittierte Strahlung sondern auch am Halbleiterwafer reflektierte Strahlung und gegebenenfalls durch den Halbleiterwafer hindurchgehende Strahlung detektiert, ist eine Unterscheidung dieser Strahlungsanteile für die Temperaturbestimmung erforderlich.
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Für eine solche Unterscheidung ist in
US 5,318,362 A die sogenannte Ripple Technik beschrieben, bei der der Lampenstrahlung über eine entsprechende Ansteuerung eine Frequenz aufgeprägt wird. Diese bestand ursprünglich in der Wechselstromfrequenz der Stromversorgung und über die Zeit wurde die Technik verfeinert und es wurden andere Frequenzen aufgeprägt. Temperaturänderungen des Halbleiterwafers erfolgen im Vergleich zu der aufgeprägten Frequenz wesentlich langsamer. Somit enthält die vom Halbleiterwafer aufgrund seiner Eigentemperatur emittierte Strahlung die der Lampenstrahlung aufgeprägte Frequenz nicht und ist somit von dieser unterscheidbar.
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Die der Lampenstrahlung aufgeprägte Frequenz ermöglicht nun beispielsweise über eine entsprechende frequenzabhängige Filterung des Signals des Strahlungsmessers die Trennung von reflektierter/hindurchgehender oder transmittierter Strahlung von der vom Halbleiterwafer emittierten Strahlung.
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In bestimmten Anwendungen ist jedoch das Aufprägen einer Frequenz über eine Ansteuerung der Lampen nicht möglich oder unerwünscht. Dies ist zum Beispiel der Fall, wenn Blitzlampen, die auch als Flashlampen, Entladungslampen oder Bogenlampen bezeichnet werden, über eine Kondensatorbank betrieben werden. Solche Lampen kommen insbesondere für kurzzeitige sehr schnelle Temperaturerhöhungen von Oberflächenbereichen und Kurzzeit-Ausheilungsprozessen zum Einsatz. Dabei werden sie in der Regel mit anderen Lampen, wie zum Beispiel den oben genannten, in Kombination eingesetzt, die unter anderem eine Vorheizung der Halbleiterwafer vorsehen.
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Während des Betriebs der Blitzlampen über eine Kondensatorbank wäre somit eine Temperaturmessung mit der oben genannten Technik nicht möglich, da eine ansteuerungsbedingte Modulation der Lampenstrahlung nicht gegeben ist.
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Ferner zeigt zum Beispiel die
DE 101 19 047 B4 eine Vorrichtung und ein Verfahren zum thermischen Behandeln von Substraten, bei der bzw. bei dem ein Drechopper mit Schlitz sowie unterschiedlich reflektierenden Oberflächen in einem Strahlenpfad zwischen dem Substrat und einem Detektor angeordnet ist. Aus der
US 2009 0 255 921 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum thermischen Behandeln von Substraten, bekannt, bei der bzw. bei dem ein Fenster zwischen einer Strahlungsquelle und dem Substrat einen Teil der Strahlung der Strahlungsquelle reflektiert, sodass dieser Teil nicht in einen auf das Substrat gerichteten Strahlungsmesser fallen kann. Darüber hinaus ist aus der
US 7 758 238 B2 eine Temperaturmessung unter Verwendung eines Pyrometers bekannt, bei der ein Fenster zwischen einer Strahlungsquelle und dem Substrat einen Teil der Strahlung der Strahlungsquelle absorbiert, sodass dieser Teil nicht in ein auf das Substrat gerichtetes Pyrometer fallen kann.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen der Temperatur eines Substrats, sowie eine Vorrichtung zum thermischen Behandeln von Substraten bereitzustellen, das unabhängig von einer ansteuerungsbedingten Modulation von Lampenstrahlung in der Lage ist, eine auf Strahlung basierende Temperaturbestimmung vorzusehen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Bestimmen der Temperatur eines Substrats nach Anspruch 1, eine Vorrichtung zum thermischen Behandeln von Substraten nach Anspruch 2 und ein Verfahren zum Bestimmen der Temperatur eines Substrats nach Anspruch 11 gelöst. Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
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Die Vorrichtung zum Bestimmen der Temperatur eines Substrats, insbesondere eines Halbleiterwafers während einer Erwärmung durch wenigstens eine erste Strahlungsquelle weist folgendes auf: eine erste Gitterstruktur mit Gitterlinien, die für einen wesentlichen Teil der Strahlung der ersten Strahlungsquelle undurchlässig sind, wobei die Gitterstruktur zwischen der ersten Strahlungsquelle und dem Substrat angeordnet ist, eine Bewegungseinheit zum Bewegen der ersten Gitterstruktur, einen ersten Strahlungsdetektor, der unmittelbar (d. h. nicht durch die Gitterstruktur hindurch) auf die zur Gitterstruktur weisende Oberfläche des Substrats gerichtet ist, und eine Einrichtung zum Bestimmen einer vom Substrat aufgrund seiner Eigentemperatur emittierten Strahlung und der Temperatur des Substrats anhand einer vom ersten Strahlungsdetektor detektierten Strahlung. Eine solche Vorrichtung ermöglicht das Erzeugen einer Modulation einer auf ein Substrat auftreffenden Strahlung einer ersten Strahlungsquelle unabhängig von einer Ansteuerung derselben. Dabei kann die Modulation in bekannter Weise für die Ermittlung der Temperatur des Substrats herangezogen werden, da sie eine Unterscheidung von vom Substrat aufgrund der Eigentemperatur emittierter Strahlung und am Substrat reflektierter und/oder durch das Substrat hindurchgehender Strahlung ermöglicht. Dies ist insbesondere für Strahlungsquellen von Vorteil, bei denen die Lampenstrahlung nicht über die Ansteuerung modulierbar ist, wie beispielsweise Flashlampen die mit Gleichstrom angesteuert werden.
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Die Vorrichtung zum thermischen Behandeln von Substraten, insbesondere Halbleiterwafern, weist eine Vorrichtung zum Bestimmen der Temperatur von Substraten des zuvor genannten Typs, wenigstens einen Substratträger und wenigstens eine erste Strahlungsquelle zum Heizen eines auf dem Substratträger aufgenommenen Substrats auf, wobei die erste Gitterstruktur zwischen der wenigstens einen ersten Strahlungsquelle und dem Substratträger angeordnet ist. Eine solche Vorrichtung ermöglicht eine thermische Behandlung von Substraten mittels Strahlungserwärmung und eine auf Strahlung basierende Temperaturbestimmung des Substrats während der Erwärmung.
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Vorzugsweise weist die Vorrichtung einen zweiten Strahlungsdetektor auf, der durch die erste Gitterstruktur hindurch auf wenigstens eine erste Strahlungsquelle gerichtet ist, und eine Einrichtung zum Bestimmen der von der ersten Strahlungsquelle ausgehenden Strahlungsintensität. Dies ermöglicht eine verbesserte Temperaturbestimmung des Substrats unabhängig von der Kenntnis der Reflektivität des Substrats, wie es in der Technik bekannt ist, bei denen die Strahlung von Strahlungsquellen über eine entsprechende Ansteuerung derselben moduliert wird.
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Bei einer Ausführungsform ist eine für die Strahlung der wenigstens einen ersten Strahlungsquelle im Wesentlichen transparente Abschirmung, insbesondere aus Quarz, vorgesehen, die zwischen der wenigstens einen ersten Strahlungsquelle und dem Substrat/Substratträger angeordnet ist. Eine solche Abschirmung ermöglicht eine Beeinflussung einer das Substrat umgebenden Prozessatmosphäre auf die wenigstens eine erste Strahlungsquelle zu verhindern oder zu reduzieren. Bei einer Ausführungsform ist die Gitterstruktur an der Abschirmung ausgebildet, wobei die Abschirmung als Oszillator ausgebildet sein kann, welche damit die Bewegungseinheit bildet. Hierdurch ergibt sich ein einfacher Aufbau der Vorrichtung. Wenn die Abschirmung als Oszillator ausgebildet ist, dessen Ober- und Unterseite sich bei einer Oszillation in entgegengesetzte Richtungen bewegen, kann es besonders vorteilhaft sein, Gitterstrukturen auf der Oberseite und der Unterseite der Abschirmung auszubilden. Da bei dieser Ausführungsform die Ober- und Unterseite in der Regel gegenläufige Bewegungen durchführen kann über die beidseitigen Gitterstrukturen eine Frequenzerhöhung insbedonere eine -verdopplung erreicht werden
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Bei einer alternativen Ausführungsform weist die Bewegungseinheit einen Piezobetätiger oder eine Voice-Coil auf, die bei hoher Frequenz einen ausreichenden Hub vorsehen können. Um ein gleichmäßiges Überstreichen der Abschattungsstruktur über das Substrat zu erreichen, ist die Bewegungseinheit vorzugsweise so ausgebildet und angeordnet, dass sie eine Bewegung der Gitterstruktur im Wesentlichen parallel zu einer zur Gitterstruktur weisenden Oberfläche des Substrats erzeugt.
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Die Vorrichtung ist insbesondere von Vorteil wenn die wenigstens eine erste Strahlungsquelle eine Flashlampe aufweist, deren Strahlung nicht über eine elektrische Ansteuerung moduliert wird.
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Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung wenigstens eine zweite Strahlungsquelle, eine zweite Gitterstruktur mit Gitterlinien, die für einen wesentlichen Teil der Strahlung der wenigstens einen zweiten Strahlungsquelle undurchlässig sind, wobei die Gitterstruktur zwischen der wenigstens einen zweiten Strahlungsquelle und dem Substrat angeordnet ist, und wenigstens eine Bewegungseinheit zum Bewegen der zweiten Gitterstruktur auf. Die wenigstens eine erste Strahlungsquelle und die wenigstens eine zweite Strahlungsquelle sind so angeordnet, dass das Substrat dazwischen aufnehmbar ist. Über die Kombination zweier Strahlungsquellen kann eine verbesserte thermische Behandlung, insbesondere eine geringere mechanische Belastung des Substrats, bei gleicher Energiemenge der Flashlampen höhere Temperaturen des Substrats, sowie eine verbesserte Temperatursteuerung erreicht werden. Dadurch, dass die Strahlung der zweiten Strahlungsquelle in der gleichen Weise moduliert wird, wie die der ersten Strahlungsquelle, lässt sich auch deren Strahlungsanteil, der am ersten Strahlungsdetektor detektiert wird, bei der Temperaturermittlung von Substratemissionen unterscheiden.
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Das Verfahren zum Bestimmen der Temperatur eines Substrats während einer thermischen Behandelung des Substrats, insbesondere eines Halbleiterwafers, weist die folgenden Verfahrensschritte auf: Erwärmen des Substrats mit wenigstens einer ersten Strahlung, die von wenigstens einer ersten Strahlungsquelle ausgeht, wobei die erste Strahlung auf dem Weg von der wenigstens einen ersten Strahlungsquelle durch eine erste Gitterstruktur hindurch auf eine erste Seite des Substrats fällt, wodurch ein der Gitterstruktur entsprechendes Abschattungsmuster auf der ersten Seite des Substrats entsteht, und Bewegen der Gitterstruktur und somit des Abschattungsmusters auf der ersten Seite des Substrats, so dass die auf das Substrat auftreffende Strahlung der ersten Strahlungsquelle eine der Bewegung entsprechende Modulation aufweist. Es wird ferner eine vom Substrat kommende Strahlung mit einem ersten Strahlungsdetektor detektiert, der auf die erste Seite des Substrats gerichtet ist, wobei die detektierte Strahlung wenigstens einen ersten Strahlungsanteil und einen zweiten Strahlungsanteil aufweist, wobei der erste Strahlungsanteil aus vom Substrat aufgrund der Eigentemperatur emittierter Strahlung besteht und der zweite Strahlungsanteil aus am Substrat reflektierter Strahlung der wenigstens einen ersten Strahlungsquelle besteht, welche die der Bewegung der Gitterstruktur entsprechende Modulation aufweist. Aus der am ersten Strahlungsdetektor detektierten Strahlung wird der erste Strahlungsanteil unter Berücksichtigung der Modulation des zweiten Strahlungsanteils ermittelt und auf der Basis des ersten Strahlungsanteils die Temperatur des Substrats. Das Verfahren verwendet eine mechanische Bewegung einer Gitterstruktur, um eine Modulation einer Strahlung zu erzeugen. Das Verfahren ist somit in der Lage, unabhängig von einer modulierten Ansteuerung der Strahlungsquelle eine auf Strahlung basierende Temperaturbestimmung vorzunehmen.
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Vorzugsweise ist die Bewegung der Gitterstruktur eine periodische Bewegung mit einer vorbestimmten Frequenz, wobei der zweite Strahlungsanteil zum Ermitteln des ersten Strahlungsanteils vorzugsweise mittels einer Frequenzfilterung in der detektierten Gesamtstrahlung unterdrückt wird. Dies ermöglicht eine einfache Ermittlung des ersten Strahlungsanteils für die Temperaturbestimmung.
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Zur Verbesserung der Temperaturbestimmung wird mit einem zweiten Strahlungsdetektor, der durch die Gitterstruktur hindurch auf die wenigstens eine erste Strahlungsquelle gerichtet ist, von der wenigstens einen Strahlungsquelle kommende, die Modulation aufweisende Strahlung detektiert, wobei das Ergebnis dieser Detektion in die Ermittlung der Temperatur des Substrats eingeht.
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Bei einer Ausführungsform ist die Gitterstruktur an einem Oszillator ausgebildet und die Bewegung der Gitterstruktur wird durch Anregen einer Oszillation des Oszillators erzeugt. Hierdurch ergeben sich ein einfacher Aufbau und eine einfache Ansteuerung zum Erzeugen der Modulation. Vorzugsweise erfolgt die Bewegung der Gitterstruktur im Wesentlichen parallel zu einer zur Gitterstruktur weisenden Oberfläche des Substrats. Das Verfahren ist insbesondere vorteilhaft, wenn die erste Strahlung durch wenigstes eine Flashlampe erzeugt wird.
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Bei einer weiteren Ausführungsform weist das Verfahren das Erwärmen des Substrats mit wenigstens einer zweiten Strahlung auf, die von wenigstens einer zweiten Strahlungsquelle ausgeht, wobei die zweite Strahlung auf dem Weg von der wenigstens einen zweiten Strahlungsquelle durch eine zweite Gitterstruktur hindurch auf eine zweite Seite das Substrats fällt, wodurch ein der zweiten Gitterstruktur entsprechendes Abschattungsmuster auf zweiten Seite des Substrats entsteht, und das Bewegen der zweiten Gitterstruktur die auf das Substrat auftreffende Strahlung der zweiten Strahlungsquelle eine der Bewegung entsprechende Modulation aufweist. Am ersten Strahlungsdetektor detektierte Strahlung kann daher wenigstens einen dritten Strahlungsanteil aufweisen, der aus durch das Substrat hindurchgehende Strahlung der wenigstens einen zweiten Strahlungsquelle besteht, welche die der Bewegung der zweiten Gitterstruktur entsprechende Modulation aufweist, und beim Ermitteln des ersten Strahlungsanteils aus der am ersten Strahlungsdetektor detektierten Strahlung wird die Modulation des dritten Strahlungsanteils berücksichtigt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigt:
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1 eine schematische Seitenschnittansicht durch eine Vorrichtung zum thermischen Behandeln von Halbleiterwafern;
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2 eine schematische Seitenschnittansicht durch eine Vorrichtung zum thermischen Behandeln von Halbleiterwafern gemäß einer alternativen Ausführungsform;
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3 eine schematische Draufsicht (3(a)) und eine schematische Seitenansicht (3(b)) eines Wandelements, wie es in einer Vorrichtung gemäß 1 eingesetzt ist;
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4 bis 6 schematische Draufsichten auf Gitterstrukturen, wobei die Gitterstrukturen der 4(a), 5(a) und 6(a) jeweils in einer Vorrichtung gemäß 2 eingesetzt werden könnten, und die der 4(b), 5(b) und 6(b) jeweils in einer Vorrichtung gemäß 1;
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7 eine schematische Funktionsskizze eine weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung verwendete Bezeichnungen wie oben, unten, links und rechts und ähnliches, beziehen sich auf die Figuren und sollen in keiner Weise einschränkend sein, obwohl sie sich auf eine bevorzugte Ausführungsform beziehen. Die Formulierung „im Wesentlichen”, bezogen auf Winkel und Anordnungen, soll Abweichungen bis 10° vorzugsweise bis 5° umfassen, sofern nicht andere Angaben gemacht sind. Die Formulierung „für einen wesentlichen Teil” soll wenigstens 10% vorzugsweise wenigstens 15% der nachfolgend genannten Größe umfassen.
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1 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht einer Vorrichtung 1 zum thermischen Behandeln von Halbleiterwafern W. Die Vorrichtung 1 weist ein Gehäuse 2 mit einem Innenraum auf, der unter anderem eine Prozesskammer 3 bildet. Die Prozesskammer 3 ist auf ihrer Ober- und Unterseite durch Wandelemente 5 bzw. 6 begrenzt und seitlich durch das Gehäuse 2. Oberhalb des Wandelements 5 ist im Gehäuse 2 eine Lampenkammer 7 vorgesehen, die verspiegelt sein kann und in der eine Heizquelle in der Form von mehreren Lampen 8 Vorgesehen ist. Unterhalb des Wandelements 6 ist ebenfalls eine Lampenkammer 9 ähnlich der Kammer 7 vorgesehen, in der eine Heizquelle in der Form von mehreren Lampen 10 vorgesehen ist.
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Die Seitenwände der Prozesskammer 3 können ebenfalls eine gewisse Spiegelwirkung für wenigstens einen Teil der in der Prozesskammer 3 vorhandenen elektromagnetischen Strahlung aufweisen. Ferner umfasst wenigstens eine der Seitenwände der Prozesskammer 3 eine Prozesskammertür, um das Einführen und Herausnehmen des Halbleiterwafers W zu ermöglichen. Ferner können nicht näher dargestellte Gaseinlässe und Gasauslässe für die Prozesskammer vorgesehen sein.
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Innerhalb der Prozesskammer 3 ist eine lichttransformierende Platte 12 – auch Hotliner® genannt – vorgesehen, die sich parallel zu dem unteren Wandelement 6 erstreckt. Auf einer oberen Seite der lichttransformierenden Platte 12 sind Abstandshalter 13 vorgesehen, auf denen der Halbleiterwafer W abgelegt ist, so dass er parallel und beabstandet zu der unteren lichttransformierenden Platte 12 gehalten wird. Die lichttransformierende Platte 12 besteht beispielsweise aus einem Material mit einem hohen Absorptionskoeffizienten für die von den Lampen 10 (und ggf. den Lampen 8) abgegebenen Strahlung. Somit absorbiert die lichttransformierende Platte 12 im Betrieb die von den Lampen 10 abgestrahlte Strahlung und gibt anschließend eine Wärmestrahlung zum Wärmen der Halbleiterwafer W mit einer anderen Wellenlänge als die der Lampenstrahlung ab. Alternativ ist es aber auch möglich die lichttransformierende Platte aus einem für die Strahlung der Lampen 10 (und ggf. der Lampen 8) im Wesentlichen Transparenten Material auszubilden, wie es in der Technik bekannt ist. Optional kann die Platte auch mit einem Rotationsmechanismus verbunden sein und in der Prozesskammer 3 kann ein das Substrat in seiner Ebene radial umgebender Kompensationsring vorgesehen sein, wie es in der Technik bei RTP Anlagen bekannt ist.
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Die Wandelemente 5 und 6, welche die Prozesskammer 3 nach oben und unten begrenzen bestehen jeweils aus Quarz und sind als Quarzoszillatoren ausgebildet, die einen AT-Schnitt (ca. 35°15' zur z-Achse geneigt) aufweist. Dieser Schnittwinkel ist für im Handel erhältliche Quarzoszillatoren üblich. Es können allerdings auch andere Schnittwinkel für die Quarzoszillatoren vorgesehen sein.
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Die Wandelemente 5, 6 an sich sind für die Strahlung der Lampen 8, 10 im wesentlichen transparent, weisen aber auf der Oberseite und der Unterseite jeweils eine Gitterstruktur 16 auf, die durch Gitterlinien 18 gebildet wird. Als Gitterstruktur sind hier unterschiedliche Strukturen gemeint, die aus einer Vielzahl von Linien bestehen, die gemeinsam eine Struktur bilden, wobei die Linien vorzugsweise eine gleichmäßige Beabstandung aufweisen. Die Gitterlinien auf der Oberseite und der Unterseite der Wandelemente 5, 6 sind vorzugsweise versetzt zueinander angeordnet und können in der Draufsicht eine gleichmäßige Gesamtstruktur bilden.
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Die Gitterlinien 18 können durch einen Materialauftrag oder auch durch eine Oberflächenbehandlung der Wandelemente 5, 6, gebildet werden, welche die Reflexions- oder Absorptionseigenschaften der Wandelemente lokal verändert. Die Gitterlinien 18 sind für einen wesentlichen Teil der Strahlung der Lampen 8, 10 undurchsichtig. Dabei bedeutet „für einen wesentlichen Teil der Strahlung”, dass wenigstens 10%, vorzugsweise wenigstens 15% des Strahlungsanteils, der ansonsten durch das Wandelement 5, 6 hindurchgehen würde, an den Gitterlinien 18 absorbiert oder reflektiert wird.
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Durch die Gitterstruktur 16 erfolgt somit im Betrieb eine entsprechende teilweise gitterförmige Abschattung auf dem Halbleiterwafer W der Lampenstrahlung.
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Durch eine entsprechende Erregung der als Quarzoszillatoren ausgebildeten Wandelemente 5, 6 ist diese Abschattung auf dem Halbleiterwafer W nicht stationär, sondern bewegt sich entsprechend der Schwingung der Wandelemente. Dabei würde eine entsprechende Schwingung entgegengesetzte Bewegungen der Gitterstrukturen 16 auf den jeweiligen Ober- und Unterseiten der Wandelemente 5, 6 bewirken. Allerdings wäre es auch möglich, eine Gitterstruktur 16 nur an der Oberseite oder der Unterseite der Wandelemente 5, 6 vorzusehen, wobei diese im Fall eines Materialauftrags bevorzugt auf der vom Prozessraum weg weisenden Seite aufgebracht wäre. Die Amplitude der Schwingung der Wandelemente 5, 6 sollte mit der Gitterstruktur 16 so abgestimmt sein, dass im Betrieb die Abschattungsbereiche die gesamte Oberfläche des Halbleiterwafers W im Wesentlichen gleichmäßig überstreichen. Durch Ausbildung von zueinander versetzten Gitterstrukturen auf der Ober- und Unterseite der Wandelemente lässt sich eine Frequenzerhöhung, insbesondere eine Frequenzverdopplung erreichen. Die Frequenzerhöhung könnte durch die Anordnung weiterer Gitterstrukturen, die separat von den Wandelementen vorgesehen und entsprechend bewegt werden, noch verstärkt werden
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Die Gitterlinien 18 sind wenigstens in einem Projektionsbereich des Halbleiterwafers W ausgebildet, erstrecken sich aber bevorzugt auch noch über diesen hinaus, damit von den Lampen 8, 10 stammende Strahlung nicht auf direktem Wege und bevorzugt auch nicht über eine einfache Reflektion auf den Halbleiterwafer W fallen kann. Die Gitterlinien 18 können in Projektion beispielsweise 30% der Oberfläche des Wandelements 5 einnehmen. Hieraus würden sich bei einer 10% Absorption/Reflexion von Strahlung durch die Gitterlinien 18 ein 3% Energieverlust und eine entsprechende (Amplituden-)Modulation der Lampenstrahlung ergeben. Natürlich kann auch ein anderer Flächenbereich durch die Gitterlinien 18 abgedeckt sein und die Gitterlinien einen unterschiedlichen Absorptions-/Reflexionswert aufweisen. Insbesondere kann über einen höheren Absorptions-/Reflexionswert eine größere (Amplituden-)Modulation der Lampenstrahlung hervorgerufen werden, um die Detektierbarkeit zu verbessern.
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3 zeigt eine schematische Draufsicht (3(a)) und eine schematische Seitenansicht (3(b)) eines beispielhaften Wandelements 5, wie es in einer Vorrichtung gemäß 1 eingesetzt ist, wobei hier die Gitterstruktur 16 durch einen Materialauftrag in Form von Gitterlinien 18 gebildet wird. Wie in der Draufsicht gemäß 3(a) zu erkennen ist, wird die Gitterstruktur 16 durch eine Vielzahl von konzentrischen Gitterlinien 18 gebildet. Dabei sind Gitterlinien 18, die sich auf der Oberseite des Wandelements 5 befinden, mit einer durchgezogenen Linie dargestellt, während die auf der Unterseite befindlichen Gitterlinien 18 gestrichelt dargestellt sind. In der Draufsicht der Gitterstruktur 16 wechseln sich auf der Oberseite und auf der Unterseite befindliche Gitterlinien 18 ab und sind ansonsten mit gleichmäßigen Abständen angeordnet. Natürlich sind noch andere Gitterstrukturen 16 denkbar, wie nachfolgend unter Bezugnahme auf die 4 bis 6 näher erläutert wird.
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Obwohl die Wandelemente 5, 6 bei der beschriebenen Ausführungsform als Quarzoszillatoren ausgebildet sind, sei bemerkt, dass die Wandelemente 5, 6 auch aus anderen, für die Lampenstrahlung im Wesentlichen transparenten Materialien aufgebaut sein könnten, an denen eine entsprechende Gitterstruktur 16 vorgesehen ist. Für eine Bewegung der Gitterstruktur 16 könnte dann beispielsweise eine externe Bewegungseinheit wie beispielsweise ein Piezobetätiger oder eine Voice-Coil (die auch als Tauchspulenaktuator bezeichnet wird) vorgesehen sein, der oder die so angeordnet ist, dass sie im Betrieb die Wandelemente 5, 6 seitlich hin und her bewegen kann. Dabei sollte die Bewegung im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des Halbleiterwafer W erfolgen.
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Bei der dargestellten Ausführungsform handelt es sich bei den Lampen 8 um sogenannte Flash-Lampen, die in der Regel im Blitzbetrieb betrieben und bei den Lampen 10 um Wolfram-Halogenlampen, die üblicherweise im Dauerbetrieb betrieben werden. Diese Lampen können natürlich auch anders angeordnet sein und insbesondere ist es auch möglich, die Lampentypen miteinander oder auch mit anderen Lampentypen zu kombinieren. Insbesondere ist es auch möglich, auf die untere Lampenkammer 9 und die Lampen 10 zu verzichten und nur eine obere Lampenkammer 7 mit Lampen 8 oder ggf. unterschiedlichen Lampentypen vorzusehen.
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Die Vorrichtung 1 weist ferner ein erstes, auf die Oberseite des Halbleiterwafers W gerichtetes Pyrometer auf, das nachfolgend als Substratpyrometer 20 bezeichnet wird, sowie ein zweites, auf wenigstens eine der Lampen 8 gerichtetes Pyrometer, das nachfolgend als Lampenpyrometer 22 bezeichnet wird.
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Das Substratpyrometer 20 ist derart auf die Oberseite des Halbleiterwafers W gerichtet, dass vom Substrat kommende Strahlung nicht durch die Gitterstruktur 16 hindurch auf das Substratpyrometer 20 fällt. Bei der Darstellung gemäß 1 ist das Substratpyrometer 20 so dargestellt, dass es seitlich am Gehäuse 2 angebracht ist und von der Seite her auf den Halbleiterwafer W gerichtet ist. Es ist aber auch möglich, dass das Substratpyrometer 20 beispielsweise senkrecht von oben auf den Halbleiterwafer W gerichtet ist, und zum Beispiel die Gitterstruktur im Sichtbereich des Substratpyrometers 20 unterbrochen ist. Beispielsweise könnte das Substratpyrometer 20 über einen Lichtwellenleiter, der sich in abgeschirmter Weise durch die Lampenkammer 7 und ggf. eine entsprechende Öffnung in der oberen Wand 5 erstreckt, unter Umgehung der Gitterstruktur 16 senkrecht auf die Oberseite des Halbleiterwafers gerichtet sein. Dabei sollte das Substratpyrometer vorzugsweise von der Bewegung der oberen Wand entkoppelt sein.
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Das Substratpyrometer 20 ist somit in der Lage vom Halbleiterwafer W emittierte Strahlung sowie von den Lampen 8 stammende, am Halbleiterwafer W reflektierte Strahlung, welche die oben beschriebene Modulation aufweisen kann, sowie gegebenenfalls von den Lampen 10 stammende Strahlung, die durch den Halbleiterwafer W hindurch geht, und die ebenfalls die Modulation (gemäß der Bewegung der unteren Gitterstrukturen 16, 26) aufweisen kann, zu detektieren. Darüber hinaus können gegebenenfalls auch noch andere Strahlungsanteile (mit und ohne Modulation), die beispielsweise über Mehrfachreflexionen in das Substratpyrometer 20 fallen, detektiert werden, die aber im nachfolgenden vernachlässigt werden. Diese Strahlungsanteile können gegebenenfalls über geeignete Strukturen, die zum Beispiel nur entlang einer definierten Sichtachse vom Wafer stammende Strahlung hindurchlassen, reduziert werden, wie es in der Technik bekannt ist.
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Das Lampenpyrometer 22 ist derart auf eine der Lampen 8 gerichtet, dass von der Lampe kommende Strahlung durch die Gitterstruktur 16 hindurch auf das Lampenpyrometer 22 fällt. Bei der Darstellung gemäß 1 ist das Lampenpyrometer 22 so dargestellt, dass es seitlich am Gehäuse 2 angebracht ist und von der Seite im Bereich der Prozesskammer auf die eine Lampe 8 gerichtet ist. Es ist aber auch möglich, dass das Lampenpyrometer 22 beispielsweise im Wesentlichen senkrecht von unten durch die Gitterstruktur 16 hindurch auf die eine Lampe 8 gerichtet ist.
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Dabei ist das Lampenpyrometer 22 so angeordnet, dass es im Wesentlichen nur das von der/den Lampe(n) 8 emittierte Strahlung nach dem Durchgang durch die Gitterstruktur 16, d. h. mit Modulation detektiert.
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Im Betrieb kann eine an das Substratpyrometer 20 angeschlossene, nicht näher dargestellte Auswerteschaltung die vom Halbleiterwafer W emittierte und am Substratpyrometer 20 detektierte Strahlung extrahieren und hieraus die Temperatur des Halbleiterwafers W bestimmen. Hierzu kann zum Beispiel das Signal des Substratpyrometers 20 einer Frequenzfilterung, insbesondere einer Tiefpassfilterung unterzogen werden, um Strahlungsanteile, welche die durch die bewegte Gitterstruktur 16 bedingte Modulation enthalten, herauszufiltern. Die vom Wafer aufgrund seiner Eigentemperatur emittierte Strahlung enthält diese Modulation nicht, da sich die Wafertemperatur nicht so schnell verändert. Über das Signal des Lampenpyrometers 18 lässt sich ferner die Intensität der Lampenstrahlung ermitteln, was wiederum für die Temperaturermittlung des Wafers vorteilhaft sein kann. Insbesondere kann hierdurch die Intensität der keine Modulation aufweisenden, am Halbleiterwafer W reflektierten Strahlung der Lampen 8, der sogenannte Lampenhintergrund, bestimmen.
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2 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht durch eine Vorrichtung 1 zum thermischen Behandeln von Halbleiterwafern gemäß einer alternativen Ausführungsform. Bei der nachfolgenden Beschreibung der 2 werden dieselben Bezugszeichen wie bei der Beschreibung der Ausführungsform gemäß 1 verwendet, sofern dieselben oder ähnliche Bauteile beschrieben werden. Daher wird auf die vorhergehende Beschreibung verwiesen, um Wiederholungen zu vermeiden und es werden nur die Unterschiede herausgestellt.
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Die Vorrichtung 1 ist im Wesentlichen genauso aufgebaut wie die zuvor beschriebene Vorrichtung 1, mit der Ausnahme, dass auf den Wänden 5, 6 keine Gitterstruktur vorgesehen ist. Dafür ist sowohl in der Lampenkammer 7 als auch der Lampenkammer 9 jeweils zwischen den Lampen 8, 10 und den Wänden 5 bzw. 6 ein separates Gitterstrukturelement 26 vorgesehen, das sich im Wesentlichen parallel zu der jeweiligen Wand 5, 6 erstreckt.
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Jedes Gitterstrukturelement 26 besitzt wiederum eine Gitterstruktur 16 aus Gitterlinien 18, die für einen wesentlichen Teil der Strahlung der Lampen 8, 10 undurchsichtig sind. Dabei bedeutet „für einen wesentlichen Teil der Strahlung”, dass wenigstens 10% vorzugsweise wenigstens 15% des Strahlungsanteils, der ansonsten durch das Gitterstrukturelement 16 hindurchgehen würde, an den Gitterlinien 18 absorbiert oder reflektiert wird.
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Das Gitterstrukturelement 26 kann einen Grundkörper aufweisen, an oder in dem die Gitterstruktur 16 ausgebildet ist. Dabei sollte der Grundkörper aus einem Material bestehen, das für die Strahlung der Lampen 8, 9 im Wesentlichen transparent ist. Beispielsweise kann der Grundkörper durch eine dünne Quarzplatte gebildet werden. Über das Vorsehen eines separaten Gitterstrukturelements 26 neben den Wandelementen 5, 6 kann erreicht werden, dass die Modulation der Lampenstrahlung unabhängig von sonstigen Aufgaben der Wandelemente 5, 6, wie zum Beispiel einer Abdichtung zwischen Prozesskammer und Lampenkammer, vorgesehen werden kann. Insbesondere kann das Gitterstrukturelement 26 aus sehr dünnen Materialien mit geringer Masse ausgebildet werden, um die zu bewegende Masse bei der Modulation der Lampenstrahlung zu verringern. In einer Ausführungsform könnte die Gitterstruktur zum Beispiel durch eine Anordnung aus Strukturelementen, wie zum Beispiel Drähten, Fasern oder Platten, welche die Gitterlinien 18 der Gitterstruktur 16 bilden ohne einen sie tragenden Grundkörper gebildet werden. Eine solche Anordnung könnte einen Tragrahmen aufweisen oder aber gegebenenfalls auch auf einen solchen verzichten, wenn die Strukturelemente eine ausreichende Steifheit besitzen und selbsttragend angeordnet werden können.
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Das Gitterstrukturelement 26 steht mit wenigstens einer nicht dargestellten Bewegungseinheit in Verbindung, um eine seitliche Bewegung (d. h. in der Ebene des Gitterstrukturelements 26) vorsehen zu können und dadurch eine entsprechende Bewegung der Abschattungsbereiche auf einem Halbleiterwafer W im Betrieb vornehmen zu können. Die Bewegung kann entlang einer oder auch entlang zweier bevorzugt orthogonaler Achsen vorgesehen sein. Als Bewegungseinheit wäre wiederum ein Piezobetätiger oder eine Voice-Coil denkbar. Alternativ könnte der Grundkörper des Gitterstrukturelements 26 auch wieder als ein Oszillator ausgebildet sein. Der Piezobetätiger, die Voice-Coil und auch der Quarzoszillator könnten eine Hin- und Herbewegung der Gitterstruktur 16 bewirken. Es ist aber auch denkbar, einen Drehantrieb für das Gitterstrukturelement 26 vorzusehen, das eine entsprechende Gitterstruktur zur Erzeugung sich bewegender Abschattungsbereiche aufweist. Auch ist eine Kombination aus Dreh- und Seitenbewegung denkbar.
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Die 4 bis 6 zeigen schematische Draufsichten auf unterschiedliche Gitterstrukturen 16, wobei die Gitterstrukturen der 4(a), 5(a) und 6(a) jeweils eine einfache Anordnung von Gitterlinien 18 zeigen, während die 4(b), 5(b) und 6(b) jeweils eine zweifache Anordnung von Gitterlinien 18, auf der Vor- und Rückseite eines Trägerelements, insbesondere eines Quarzoszillators, zeigen. Bei der Darstellung der 4(b), 5(b) und 6(b) zeigen zum Beispiel die durchgezogenen Linien Gitterlinien 18 auf der Vorderseite eines Trägerelements, während die gestrichelten Linien Gitterlinien 18 auf der Rückseite des Trägerelements zeigen.
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Die 4(a) und (b) zeigen beispielsweise eine Gitterstruktur 16, die aus einer Vielzahl von konzentrisch angeordneten, kreisförmigen Gitterlinien 18 gebildet wird. Die 5(a) und (b) zeigen hingegen beispielsweise eine Gitterstruktur 16, die aus einer Vielzahl von geraden, sich parallel erstreckenden Gitterlinien 18 gebildet wird. Die 6(a) und (b) zeigen wiederum eine Gitterstruktur 16, die aus zwei Gruppen von geraden, sich parallel erstreckenden Gitterlinien 18 gebildet werden, wobei sich die Gitterlinien 18 der jeweiligen Gruppen senkrecht schneiden. Wie der Fachmann erkennen kann, sind unterschiedliche Gitterstrukturen möglich, von denen hier nur einige dargestellt sind, die eine wenigstens partielle (im Sichtbereich des Substratpyrometers liegende) periodische Abschattung erlauben.
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Die Gitterstrukturen sollten mit der Bewegungseinheit derart abgestimmt sein, dass die im Betrieb auf dem Halbleiterwafer W entstehenden Abschattungsbereiche vorzugsweise alle Oberflächenbereiche des Halbleiterwafers W gleichmäßig überstreichen.
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7 zeigt eine schematische Funktionsskizze eine vereinfachten Ausführungsform der Erfindung, bei der wiederum dieselben Bezugszeichen wie bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden, soweit dieselben oder ähnliche Elemente beschrieben werden.
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7 zeigt einen Halbleiterwafer W, ein darüber liegendes Wandelement 5, eine obere Anordnung von Lampen 8, ein Substratpyrometer 20 und ein Lampenpyrometer 22. Somit ist hier eine Vorrichtung gezeigt, die eine Strahlungsheizung des Halbleiterwafers W nur von oben her vorsieht. Das Wandelement 5 weist wie bei der Ausführungsform der 1 eine Gitterstruktur (nicht näher dargestellt) auf und ist als Quarzoszillator aufgebaut. Die Lampen 8 sind oberhalb des Wandelements 5 angeordnet, und sind beispielsweise wieder sogenannte Flash-Lampen. Wiederum kann das Wandelement aber auch als einfache Quarzplatte aufgebaut sein, die über eine externe Bewegungseinheit, wie zum Beispiels einen Piezobetätiger oder eine Voice-Coil bewegt wird.
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Das Substratpyrometer 20 erstreckt sich zwischen den Lampen 8 hindurch und durch ein Loch im Wandelement 5. Im Bereich des Lochs im Wandelement ist auch eine Lücke in der Gitterstruktur vorgesehen, so dass das Substratpyrometer 20 eine freie Sicht auf die Oberfläche des Halbleiterwafers W besitzt. Natürlich könnte das Substratpyrometer 20 auch anders angeordnet und ein Lichtwellenleiter vorgesehen sein, der sich zwischen den Lampen 8 hindurch und durch ein Loch im Wandelement 5 erstreckt, um hierüber eine freie Sicht des Substratpyrometers 20 auf die Oberfläche des Halbleiterwafers vorzusehen. Das Substratpyrometer 20 oder der Lichtwellenleiter sind gegenüber direkter Strahlung der Lampen 8 abgeschirmt.
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Das Lampenpyrometer 22 ist durch das Wandelement 5 und die Gitterstruktur 16 hindurch auf eine der Lampen 8 gerichtet und gegenüber direkter Strahlung des Halbleiterwafers W abgeschirmt. Auch hier kann eine Anordnung mit Lichtwellenleiter verwendet werden, um hinsichtlich der Anordnung des Lampenpyrometers 22 eine größere Flexibilität zu haben.
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Während des Betriebs wird der Halbleiterwafer W über die Lampen 8 erwärmt. Durch die Gitterstruktur ergeben sich auf der Oberfläche des Halbleiterwafers W Abschattungsbereiche, die durch eine Bewegung der Gitterstruktur mittels einer Schwingung (oder Bewegung) des Wandelements die Oberfläche des Halbleiterwafers W überstreicht. Hierdurch erhält die Strahlung der Lampen 8 unterhalb des Wandelements eine der Bewegung entsprechende Modulation.
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Am Substratpyrometer 20 wird vom Halbleiterwafer W aufgrund seiner Eigentemperatur emittierte Strahlung und auch am Halbleiterwafer W reflektierte Strahlung der Lampen 8 detektiert. Darüber können in der detektierten Strahlung auch Transmissionskomponenten enthalten sein, die aber bei der folgenden Beschreibung nicht berücksichtigt werden.
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Die am Halbleiterwafer W reflektierte Strahlung weist die durch die Bewegung der Gitterstruktur bedingte Modulation auf, während die vom Wafer aufgrund der Eigentemperatur emittierte Strahlung diese Modulation nicht aufweist. Über eine entsprechende Filterung des Signals des Substratpyrometers 20 lässt sich der Anteil der aufgrund der Eigentemperatur des Halbleiterwafers W emittierte Strahlung und hieraus die Temperatur des Halbleiterwafers W ermitteln.
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Zur Unterstützung der Temperaturbestimmung unabhängig von einer Kenntnis der Emissivität des Halbleiterwafers W kann auch noch das Signal des Lampenpyrometers 22 herangezogen werden, wie es in der Technik bekannt ist.
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Die Erfindung wurde anhand bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung erläutert ohne auf diese Ausführungsformen beschränkt zu sein. Beispielsweise können für die Erzeugung der Bewegung der Gitterstruktur unterschiedlichste Mechanismen eingesetzt werden, wobei sie aus der Art der Bewegung unterschiedliche Gitterstrukturen ergeben können. So kann zum Beispiel bei einer Drehbewegung eine Anordnung von sich radial zu einem Mittelpunkt erstreckenden Gitterlinien vorteilhaft sein. Die Kombination aus Abschattungsmuster und Bewegung desselben sollte eine möglichst gleichmäßige Überstreichung aller Oberflächenbereiche des Halbleiterwafers W vorsehen. Hinsichtlich der unten liegenden Lampen ist es auch möglich, statt der mechanischen Modulation hier eine bekannte ansteuerungsbedingte Modulation vorzusehen. Bei der Ausführungsform mit unteren Lampen sollten auch weitere Strahlungsmesser, wie zum Beispiel Pyrometer, vorgesehen sein. Insbesondere könnte ein Substratpyrometer auf die Rückseite gerichtet sein, ähnlich wie das Substratpyrometer 20 auf die Oberseite gerichtet ist. Ein solcher Strahlungsmesser kann auch ohne untere Lampen 10 mit Vorteil eingesetzt werden, um die Auswirkung des Betriebs der Lampen 8 auf die Temperatur des gesamten Halbleiterwafers (nicht nur der zu den Lampen 8 weisenden Oberfläche) bestimmen zu können. Ferner könnte auch ein weiteres Lampenpyrometer vorgesehen sein, das zum Beispiel durch die Gitterstruktur hindurch auf die Lampen 10 gerichtet ist. Wenn die Strahlung der Lampen 10 nicht über eine Gitterstruktur sondern über die Ansteuerung der Lampen 10 moduliert wird, kann der Strahlungsmesser auch in bekannter Weise von unten durch das Gehäuse 2 auf wenigstens eine der Lampen 10 gerichtet sein.
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Die Merkmale einzelner Ausführungsbeispiele sind frei mit Merkmalen der anderen Ausführungsbeispiele kombinierbar oder austauschbar, sofern Kompatibilität vorliegt. Insbesondere kann zum Beispiel auch eine Vorrichtung gebildet werden, die mehrere übereinander liegende Gitterstrukturen aufweist, die gegebenenfalls separat bewegt werden.