DE19849462A1

DE19849462A1 - Infrarot Lampenheizung für Temperaturen >1000 DEG C

Info

Publication number: DE19849462A1
Application number: DE1998149462
Authority: DE
Inventors: Dieter Bimberg; Frank Heinrichsdorff; Armin Dadgar; Alois Krost; Oliver Stier; Andre Strittmatter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-10-21
Filing date: 1998-10-21
Publication date: 2000-07-06

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der schnellen und dauerhaften Erwärmung von Substrathaltern in Epitaxieanlagen zur Epitaxie von z. B. Halbleitern mittels Infrarot-Lampenheizungen. Hierbei tritt in bisherigen Lampenheizungen das Problem der Überbeanspruchung der Lampen durch die erforderliche Leistungsabgabe und den entstehenden Wärmestau auf, der zu einem vorzeitigen (< 1 h) Ausfall der Lampen führt. Eine einfache Erhöhung der Lampenanzahl ist oftmals aus Platzgründen nicht möglich. Eine Leistungssteigerung der Lampen ist nur mit unvertretbaren Mehrkosten verbunden. DOLLAR A In der Erfindung wird das Problem gelöst durch eine Reduktion der optischen Verlustleistung und durch eine aktive Luftkühlung der Lampen. Die optische Verlustleistung ist gegeben aus der Abbildung des von der Lampe ausgehenden Lichtfeldes durch Reflektoren auf den Substrathalter und der Reflektivität der Oberfläche der Reflektoren. Deshalb werden die Formen der einzelnen Reflektoren individuell berechnet und ihre Oberfläche reflexerhöhend beschichtet. Die aktive Luftkühlung erfolgt durch geeignete Ausführungen der Lampenhalterungen.

Description

Infrarot-Lampenheizungen werden in Anlagen zur Gasphasenepitaxie zur schnellen Erwärmung der Substrathalter eingesetzt. Sogenannte Hochtemperatur- Epitaxieprozesse (z. B. zur Abscheidung von Siliziumkarbid oder Galliumnitrid) erfordern, daß das Substrat und damit der Substrathalter schnell und wiederholt auf Temperaturen über 1000°C erwärmt und dort stabil gehalten werden kann. Dies setzt voraus, daß eine ausreichend große Wärmeleistung dauerhaft geliefert werden kann. Die nutzbare Leistung einer gegebenen Anordnung von Lampen ist aus folgenden Gründen begrenzt:

1. Die Anzahl der einsetzbaren Lampen ist durch die Forderung nach ausschließlich rückseitiger Beleuchtung des Substrathalters und durch seine relativ kleinen Abmessungen beschränkt.
2. Der Abstand der Lampen zum Substrathalter ist durch mehrere Faktoren, wie z. B. Sicherheitsabstand sowie Breite und Höhe der Reflektorkörper, nach unten begrenzt.
3. Die Lebensdauer der Halogenlampen hängt extrem empfindlich von der beanspruchten Leistung ab (Produktkatalog: Quartz Infrared Lamps, Research Inc., 6425 Flying Cloud Drive, Eden Prairie, MN 55344-3385, USA)

Deshalb kann die empfohlene Arbeitsspannung und damit die Nennleistung der Lampen nur um wenige Prozent überschritten werden.

Die üblichen, nicht optimierten Heizkonstruktionen aus Infrarot-Halogenstablampen haben weitere, nachfolgend aufgezählte Nachteile:

1. Alle eingesetzten Reflektoren sind nicht jeweils so konstruiert, daß sie Überstrahlungsverluste bei der Abbildung des Lichtfeldes der Lampe auf die Substrathalterfläche minimieren.
2. Der bei derart hohen Temperaturen entstehende Wärmestau in der Umgebung der Lampen führt zu einer Degradation des Halogenprozesses der Lampen und zur drastischen Verringerung ihrer Lebensdauer. Oft beobachtetes Phänomen ist ein Aufweichen des Glaskörpers, der zum vorzeitigen Funktionsausfall führt. Von den Lampenherstellern werden sogenannte Hochtemperatur-Halogenstablampen angeboten, deren Enden in einer temperaturbeständigeren Fassung ausgearbeitet sind. Damit wird zwar die Gefahr des Schutzgasaustritts, der ebenfalls zum Funktionsausfall der Halogenlampe führt, vermindert, da die Bildung von Lecks gehemmt wird, jedoch ist das Problem der Überhitzung des Glaskörpers durch die hohe Umgebungstemperatur damit nicht zu lösen. Hinzu kommt, daß Beschaffungs- und Wartungsaufwand (Lampenwechsel) solcher Lampen erheblich größer als für Standard-Halogenstablampen sind.
3. Die Reflektoren werden üblicherweise aus Aluminium gefertigt, da Aluminium kostengünstig ist. Der Spektralbereich der charakteristischen Temperaturstrahlung der Halogenlampen liegt etwa im Bereich von 0,8-2,0 µm Wellenlänge, wobei das Intensitätsmaximum typischerweise im kurzwelligen Anteil liegt. Der Reflexionsgrad von Aluminium im kurzwelligen Spektralbereich (≦1,3 µm) ist aber kleiner als 90%, während z. B. Gold und Silber einen Reflexionsgrad von ∼95% bzw. ∼98% besitzen (Landoldt-Börnstein, Neue Serie, Springer-Verlag, Bd. III/15b, 1985). Weiterhin ist Aluminium nicht chemisch inert, sondern korrodiert an Luft. Diese Korrosion nimmt bei hohen Temperaturen stark zu und führt zu einer Erblindung und damit zu einer weiteren Effizienzverringerung der Reflektoren.

Das technische Problem, das den Ansprüchen 1-4 zugrunde liegt, besteht in der Aufgabe, für eine gegebene horizontale Anordnung von Halogenstablampen zur rückseitigen Bestrahlung von Substrathaltern in Anlagen zur Gasphasenepitaxie die Verlustleistung durch Überstrahlung und die thermische Belastung der Halogenlampen so zu verringern, daß der Substrathalter schnell (<10 Min.) und dauerhaft (<10 h) auf Temperaturen <1000°C erhitzt werden kann.

Dieses Problem wird gelöst durch die Formung der Reflektoren gemäß Anspruch 1, die zu einer optimalen Ausnutzung der Lichtfelder der Lampen führt. Die verbleibende Überstrahlungsleistung resultiert nur aus dem Lichtfeld der Lampe, das nicht vom Reflektor erfaßt, aber in einem größeren Winkel als dem Aperturwinkel der beleuchtbaren Fläche des Substrathalters abgestrahlt wird. Die Effizienzsteigerung führt einerseits zur erforderlichen Wärmeleistung, um den Substrathalter zu erwärmen, und andererseits in passiver Weise - durch die verminderte notwendige Leistungsaufnahme jeder einzelnen Lampe - auch zu einer Absenkung der thermischen Belastung.

Schutzanspruch 2 stellt eine weitere Effizienzsteigerung der Anordnung dar, da

a) die Reflektivität der Spiegel erhöht wird und
b) die Spiegel dauerhaft gegen Erblindung durch Korrosion geschützt werden.

Die im Schutzanspruch 3 beschriebene Luftkühlung ist eine Ausführung des Heizers, der eine aktive Reduktion der unmittelbaren Umgebungstemperatur der Lampen ermöglicht, da sowohl die Lampenfassung als auch der Lampenkörper durch einen steten Luftstrom gekühlt werden können.

In Schutzanspruch 4 wird eine weitere spezielle Ausführung eines nach Anspruch 1-3 konstruierten Infrarot-Strahlungsheizers mit kostengünstigen Standard- Halogenstablampen angegeben. Im Gegensatz zu speziellen Hochtemperatur- Halogenstablampen, die sehr teuer sind und einen relativ komplizierten elektrischen Anschluß haben, sind die Standard-Halogenlampen um einen Faktor 20-40 billiger und darüber hinaus in einfacher Weise durch eine Steckverbindung elektrisch kontaktierbar. Dadurch verringern sich die laufenden Kosten für die Wartung der Heizung erheblich.

Ausführungsbeispiel

Die folgende Beschreibung bezieht sich auf die technische Veränderung eines Infrarot-Heizsystems zur Erwärmung eines Substrathalters, welches häufig in Anlagen zur Gasphasenepitaxie von Halbleitermaterialien eingesetzt wird. Aufgrund der physikalischen und chemischen Gegebenheiten des Epitaxieprozesses darf der Substrathalter nicht auf der Oberseite mit Licht bestrahlt werden.

Die prinzipielle Anordnung der Lampen L und Reflektoren R zeigt Abb. 1. Ihre Längsachsen sind parallel zur Längsachse des Substrathalters S orientiert und bogenförmig um den Substrathalter herum angeordnet. Der Quarzglasmantel Q (Reaktorrohr) ist üblicher Bestandteil solcher Anlagen und dient dem Einschluß der teilweise giftigen oder brennbaren Prozeßgase.

Für einen Substrathalter für Substrate mit 2" Durchmesser besteht der Heizer z. B. aus 6 Einzelelementen. Jedes Einzelelement (s. Abb. 2) besteht aus einer Halogenstablampe (8), die sich innerhalb einer Kombination aus 2 Reflektorhalterungen (2) und einem beschichteten Aluminium-Reflektor (1) befindet. Die Anschlüsse (5) für die Luftkühlung entsprechend der Ausführung nach Anspruch 3 befinden sich an der Unterseite der Reflektorhalterungen (2), und der Luftaustritt (angedeutet durch die Pfeile) kann nur an der Öffnung für die Halogenlampe in den Reflektorhalterungen (2) erfolgen. Jede Reflektorhalterung besitzt an ihren äußeren Enden eine abnehmbare Verschlußplatte (3), in welche die Lampenhalterung (4) und der elektrische Anschluß (9) integriert sind. Jeder Reflektor besitzt einen Wasserein- (6) und -ausgang (7) an seiner Unterseite, welche durch horizontale Bohrungen im Reflektorkörper (1) miteinander verbunden sind.

Die Anordnung der Einzelelemente (s. Abb. 3) erfolgt in starrer Weise über Querstreben (10) auf einem gemeinsamen Bügel (B). Die Reflektorformen entsprechen im Querschnitt (Zeichenebene in Abb. 3) einer Ellipse. Elliptische Reflektoren stellen hier die optimale Form dar, da sie für die gegebene Geometrie des Substrathalters, die begrenzt wählbaren Reflektorabmessungen und den minimal zulässigen Abstand zwischen dem Glaskörper der Halogenlampe G und der Reflektoroberfläche den maximal möglichen Nutzwinkel Ω (s. Abb. 4) erzielen. Der Nutzwinkel Ω wird dabei durch die Lichtstrahlen K₁, K₂ vom Zentrum der Glühwendel zur Reflektorkante gebildet und schließt die Reflektoroberfläche ein (s. Abb. 4).

Die jeweiligen Ellipsenparameter sind so gewählt, daß das Lichtfeld der Reflektoren auf der Substrathalterunterseite mit wachsendem Abstand von der Symmetrieebene enger wird. Die jeweilige Form entsprechend Schutzanspruch 1 wird dadurch gefunden, daß man für alle den technischen Randbedingungen genügenden Formen das reflektierte Lichtfeld unter Berücksichtigung des Durchmessers der Glühwendel berechnet. Dies geschieht, indem durch gewisse Punkte P auf der Reflektorfläche F die beiden Tangenten T₁, T₂ an den Umkreis U der Glühwendel und sodann deren Reflexionen R₁, R₂ am Reflektor F konstruiert werden (s. Abb. 4). Die Schnittpunkte der reflektierten Strahlen R₁, R₂ mit der Substrathalteroberfläche S (Unterseite des Substrathalters) charakterisieren die Lichtverteilung auf dessen Unterseite. Mit einer repräsentativen Menge von Punkten P auf der Reflektorfläche F läßt sich so das gesamte Lichtfeld darstellen. Unter allen Formen, deren Reflexstrahlen alle den Substrathalter treffen, wird iterativ diejenige gesucht, für die Ω maximal ist.

Die Beschichtung der Reflektoren entsprechend der Ausführung nach Anspruch 2 ist durch eine Gold-Schicht realisiert, die die Reflektivität der Spiegelfläche im kurzwelligen Spektralbereich der Wärmestrahlung (λ<1,3 µm) von <90% (für Aluminium) auf ∼94% steigert und durch ihre chemische Stabilität gegenüber Luft einen vollkommenen Korrosionsschutz darstellt. Eine weitere Reflexerhöhung läßt sich durch Aufbringung einer dielektrischen, transparenten, chemisch und thermisch stabilen Schicht erreichen, deren optische Dicke gleich dem Viertel der Wellenlänge im Intensitätsmaximum der Wärmestrahlung entspricht (sog. λ/4-Schicht).

Die Ausführung des Heizers mit Standard-Halogenlampen entsprechend Anspruch 4 erfordert lediglich den Einbau entsprechender Standard-Lampenhalterungen in die Verschlußplatte.

Die in diesem Beispiel beschriebene Konstruktion schließt ausdrücklich nicht aus, daß für andere Substrathaltergeometrien modifizierte Reflektorformen gefunden werden müssen oder können, um die geforderten Bedingungen zu erfüllen.

Claims

1. Infrarot-Lampenheizung zur rückseitigen Erwärmung von Substrathaltern auf Temperaturen <1000°C in Anlagen zur Gasphasenepitaxie mit horizontaler Geometrie, bestehend aus mehreren Halogenstablampen, Reflektorhalterungen und gekühlten Reflektoren, die längs um den zu erhitzenden Substrathalter herum angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet,
daß jeder Reflektor das von ihm reflektierte Lichtfeld auf die rückseitige Oberfläche des Substrathalters abbildet, wobei die Form der reflektierenden Fläche unter Berücksichtigung der technischen Randbedingungen (wie z. B. minimal möglicher Krümmungsradius, Durchmesser der Glühwendel, maximale Breite und Tiefe der Öffnung) folgenden Forderungen genügt:

- Das vom Reflektor erfaßte Lichtfeld wird ohne Überstrahlung auf die von der jeweiligen Lampenposition aus beleuchtbare Fläche des Substrathalters gerichtet.
- Das Winkelmaß Ω (s. Abb. 4 und Text S. 6) für die auf den Substrathalter abgebildete Lichtmenge erreicht seinen größtmöglichen Wert.

2. Infrarot-Lampenheizung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die spiegelnde Fläche der Reflektoren gegen Korrosion durch eine chemisch inerte, thermisch stabile und reflexerhöhende Schicht geschützt ist.

3. Infrarot-Lampenheizung zur rückseitigen Erwärmung von Substrathaltern auf Temperaturen <1000°C in Anlagen zur Gasphasenepitaxie mit horizontaler Geometrie, bestehend aus mehreren Halogenstablampen, Reflektorhalterungen und gekühlten Reflektoren, die längs um den zu erhitzenden Substrathalter herum angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektorhalterung mit einem Anschluß zur Luftkühlung versehen ist, und daß der Luft-Austritt in Richtung des Glaskörpers der Halogen-Lampe erfolgen kann, so daß der Lampenkörper stetig gekühlt wird.

4. Infrarot-Lampenheizung nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampenhalterung selbstjustierend und durch mechanischen Druck in Längsrichtung der Stablampen für die Befestigung von Standard- Halogenstablampen sorgt.