RU2849000C1 - Устройство быстрой термической обработки полупроводниковых пластин - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов и, в частности, к хорошо контролируемым методам нагрева полупроводниковых пластин. Устройство быстрой термической обработки полупроводниковых пластин содержит тонкую прямоугольную кварцевую реакционную камеру с первым открытым концом, сопряженным с фланцем из нержавеющей стали с загрузочным окном фланца для загрузки пластин, нагреватель и держатель пластин. Дополнительно в устройство введены два закрепленных на загрузочном окне фланца стержня, на которых крепится держатель для пластин, подвижный держатель реакционный камеры, который может передвигаться из зоны нагрева в зону охлаждения, термопара для измерения температуры и управления процессом отжига, патрубок для ввода газа, электронный контроллер температуры и вентиляторы воздушного охлаждения, при этом второй конец реакционной камеры имеет патрубок для вывода газа. Изобретение обеспечивает упрощение конструкции устройства при сохранении основных возможностей, связанных с повышением максимальной скорости нагрева и охлаждения, повышением температуры термической обработки полупроводниковых пластин в условиях газовой среды, повышением производительности установки за счет упрощения процесса отжига. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Быстрая термическая обработка - это востребованный метод оптического нагрева, который используется для обработки, а также в качестве общего, хорошо контролируемого метода нагрева полупроводниковых пластин. Во многих процессах нагрева полупроводников требуется нагревать пластину до высоких температур, чтобы при изготовлении устройства из пластины могли происходить различные химические и физические реакции. Во время термической обработки полупроводниковые пластины обычно нагревают до температуры от 200°С до 1000°С, при этом высокая скорость нагрева и охлаждения позволяют реализовывать широкий спектр технологических режимов обработки, в частности при вжигании омических контактов.

Камеры быстрой термической обработки, в которых пластины нагреваются с использованием энергии света, обычно работают в неравновесном состоянии. В частности, стенки, окружающие пластину, остаются холодными, и поэтому камеры обычно называют системами с «холодными стенками». Неравновесная конфигурация относится к тому факту, что температура нити накала внутри источника излучения намного выше, чем температура пластины. Ключевым преимуществом использования систем быстрой термической обработки является возможность быстрого изменения температуры пластин, что обеспечивает очень короткие циклы нагрева.

Одно из применений данного изобретения относится к области минимизации контактного сопротивления напыленных металлизированных контактов к полупроводниковым структурам путем их быстрого термического отжига и может найти применение, как в полупроводниковых лазерах, так и в любых полупроводниковых приборах, где требуется минимальное контактное сопротивление напыленных контактов: транзисторы, диоды, солнечные элементы.

Известно устройство для быстрой термической обработки полупроводниковых пластин (US 5710407 A, МПК H01L21/68735, опубл. 18.08.2000). Устройство специально предназначено для обработки пластин в процессе производства или обработки полупроводниковых, или электрических твердотельных устройств или компонентов. Данное изобретение, в целом, относится к обработке полупроводниковых пластин и, в частности, к способу и устройству для быстрой термической обработки нескольких полупроводниковых пластин одновременно и одной большой полупроводниковой пластины. Реактор быстрого термического отжига характеризуется коротким временем технологического цикла по сравнению с тем же временем технологического цикла в обычном реакторе. Быстрый нагрев пластины является одним из факторов, определяющих более короткое время технологического цикла, характерное для этого реактора. Структура для обработки полупроводников по данному изобретению содержит реакционную камеру с вращающимся держателем, установленным внутри реакционной камеры. Вращающийся держатель имеет первую поверхность, предназначенную для установки одной пластины или нескольких пластин, а также вторую поверхность. Источник лучистого тепла установлен снаружи реакционной камеры таким образом, что лучистое тепло от источника тепла напрямую нагревает пластину или пластины, установленные на вращающемся держателе. Источник лучистого тепла повышает температуру пластины или пластин до практически одинаковой температуры обработки, то есть до температуры, достаточно однородной для получения приемлемых результатов обработки, за такой промежуток времени, что структура полупроводниковой обработки характеризуется как реактор быстрого термического процесса. В другом варианте осуществления изобретения структура для обработки полупроводников также включает нагреватель, установленный в реакционной камере рядом со второй поверхностью вращающегося подвеса. Предпочтительно, чтобы нагреватель представлял собой нагревательный элемент сопротивления. В одном из вариантов реализации этого изобретения вращающийся держатель изготовлен из кварца, а первая поверхность обработана пескоструйной обработкой, в то время как вторая поверхность отполирована пламенем. Для подачи технологических газов в реактор по данному изобретению используется либо несколько газовых струй, установленных в реакционной камере, либо центральная головка для подачи газа. Реакционная камера ограничена сосудом с боковой стенкой, охлаждаемой водой, нижней стенкой, охлаждаемой водой, и верхней стенкой, охлаждаемой принудительно воздухом. Верхняя стенка, охлаждаемая принудительно воздухом, представляет собой круглую куполообразную кварцевую стенку. Источник лучистой энергии этого изобретения включает в себя несколько блоков ламп, где каждый блок ламп содержит по меньшей мере одну лампу. Лампы представляют собой кварцево-галогенные лампы с вольфрамовой нитью накала.

Недостаток данного изобретения в избыточной сложности из-за наличия вращающегося держателя пластин. Кроме этого в варианте осуществления изобретения структура для обработки полупроводников также включает нагреватель, установленный в реакционной камере рядом со второй поверхностью вращающегося подвеса, что приводит к чрезмерному увлечению объема камеры. Кроме этого реакционная камера включает водоохлаждаемые элементы, что усложняет ее изготовление и снижает технологичность при производстве.

Известно устройство, использующее лампы непрерывного действия высокой интенсивности для улучшения термообработки полупроводниковых пластин (US 4680451 A, МПК F27D99/0006, опубл. 14.07.1987). При радиационном нагреве полупроводниковой пластины используется первое и второе множество разнесенных и перекошенных ламп. Лампы в каждом множестве группируются, начиная с самых внутренних ламп и заканчивая самыми внешними лампами. Каждая группа ламп в одном множестве ламп соединена с группой ламп в другом множестве ламп, в результате чего на соединенные группы ламп одновременно и одинаково подается напряжение. Напряжение лампы модулируется в соответствии с заранее установленной таблицей для каждого размера пластины и температурного цикла. В качестве альтернативы можно использовать датчики температуры для обеспечения обратной связи с модулятором, управляемым компьютером. Лампы в разных группах могут 1L21 быть выбраны так, чтобы иметь различную интенсивность мощности в установившемся режиме для данного напряжения, чтобы тем самым установить желаемый температурный градиент.

Недостаток данного устройства в избыточной сложности нагревательного узла, выражающееся в сложной конфигурации ламп, что отрицательно сказывается на технологичности изготовления и эксплуатационных характеристиках устройства.

Известно (TW 315493 B, МПК H01L21/324, опубл. 18.11.2010) устройство для термообработки, которое снабжено рабочей камерой для термообработки пластины. Пластина загружается на загрузочный лоток внутри камеры обработки. Рабочий газ подается в камеру обработки. Основное нагревательное устройство для нагрева пластины расположено в нижней части камеры обработки через окно. Основное нагревательное устройство излучает тепловые лучи на загрузочный лоток и снабжено: множеством источников нагрева для нагрева пластины; и вращающийся носитель, на поверхности которого установлены источники тепла. Устройство термообработки дополнительно снабжено компенсирующим нагревательным устройством для компенсации неравномерности температур на поверхности пластины, возникающей вследствие нагрева пластины основным нагревательным устройством. Источник тепла компенсирующего нагревательного устройства установлен на поверхности вращающегося носителя вместе с источниками тепла основного нагревательного устройства, но имеет выход, которым можно управлять независимо от источников тепла основного нагревательного устройства.

Недостатком данного устройства является чрезмерная сложность нагревательного блока, что отрицательно сказывается на эксплуатационных характеристиках.

Известен (US 6051512, МПК H01L21/67754 опубл. 10.12.2011) также реактор для термической обработки полупроводниковых пластин в газовой среде или вакууме, содержащий вакуумную камеру, корпус которой выполнен из кварцевого стекла. Источник инфракрасного излучения представляет собой совокупность галогенных ламп накаливания, размещенных с верхней и нижней сторон корпуса вакуумной камеры вне ее. Внутри корпуса расположено средство поддержки полупроводниковой пластины. Ввиду интенсивного нагрева корпуса вследствие расположения ламп инфракрасного излучения с двух сторон вакуумной камеры и отсутствия системы охлаждения, температура и время проведения процесса термической обработки полупроводниковых пластин ограничены. В подобных камерах при максимально возможной температуре 1200°С процесс можно проводить не более 30 секунд, в ином случае происходит деградация материала корпуса вакуумной камеры. Кроме того, в устройстве отсутствуют средства для быстрого охлаждения обработанной пластины, что снижает производительность установки и ограничивает технологические режимы, для которых важно быстрое охлаждение.

Известно (US 5001327 A, МПК H01L21/67751, опубл. 19.03.1991) устройство и способ проведения термообработки полупроводниковых пластин. Нагреватели, расположенные в высокотемпературной печи, образуют в ней по меньшей мере одно пространство для нагрева. Отверстие для вставки и извлечения расположено в нижней части каждого пространства для нагрева, обеспечивая прохождение через него пластин. Каждое из нагревательных пространств приспособлено для приема одной или двух пластин и обеспечения одновременной и равномерной термообработки пластин.

Недостаток данного устройства в высокой инерционности нагревательного устройства, что отрицательно сказывается на скорости нагрева и охлаждения.

Известная (SU 443234А1, МПК F26B 25/12 опубл. 15.09.1974) полезная модель относится к области термической обработки полупроводниковых материалов, предназначенных для изготовления приборов, используемых в микроэлектронике. Устройство для термической обработки полупроводниковых пластин, содержащее размещенные в корпусе отражательный экран с водоохлаждающей рубашкой, источник инфракрасного излучения и систему подачи газа; устройство снабжено расположенной над отражательным экраном прозрачной пластиной с выполненными в ней сквозными наклонными отверстиями, служащими для прохода газа, а источник инфракрасного излучения расположен между отражательным экраном и прозрачной пластиной.

Данное техническое решение имеет ряд недостатков. Наличие сквозных отверстий в прозрачной пластине не позволяет создать вакуум в камере и осуществлять термическую обработку полупроводниковых пластин в вакууме. Кроме того, в устройстве-прототипе отсутствуют средства для быстрого охлаждения обработанной пластины, что снижает производительность установки.

Известно устройство для быстрой термической обработки (заявка US 5861609 A, МПК Н05В3/0047, опубл. 02.10.2015). Настоящее изобретение относится к устройству и способу быстрой термической обработки чувствительных электронных материалов. Настоящее изобретение уменьшает тепловую неоднородность, возникающую при неоднородной структуре материалов и характеристиках оптического поглощения. Объекты помещаются в камеру, в которой по крайней мере некоторые части стенок прозрачны и пропускают излучение от мощных нагревательных ламп. Прозрачная часть стенок обычно изготавливается из кварца, который пропускает излучение с длиной волны от 3 до 4 микрон. Обычно эти лампы представляют собой вольфрамово-галогенные лампы, но могут использоваться дуговые лампы или любой другой источник видимого и/или ближнего инфракрасного излучения. Излучение от ламп направляется через прозрачные участки стенок на поверхность нагреваемого объекта. Поскольку объекты поглощают свет в ближней инфракрасной или видимой области спектра, пропускаемый прозрачной частью стенок, технологии быстрого нагрева позволяют быстро изменять температуру и технологический газ для различных процессов и условий обработки материалов. Устройство быстрого нагрева позволяет сократить «тепловой бюджет» при обработке различных полупроводников.

Недостатком данного устройства в отсутствии дополнительных технических решений, обеспечивающих высокую скорость снижения температуры.

В качестве прототипа выбрано устройство быстрой термической обработки полупроводниковых пластин (US 6051512 A, МПК H01L21/67754, опубл. 13.03.2002), содержащее тонкую прямоугольную кварцевую реакционную камеру с открытым одним концом (при работе системы обработки пластин реакторная камера открывается и закрывается с помощью пневматической дверцы), нагреватель, держатель пластин, сопряженный с первым приводом, перегрузочную камеру и модуль откачки, при этом вакуумный комплекс содержит также систему охлаждения, расположенную в перегрузочной камере, и выполнен в виде корпуса с полостью, сопряженной с источником хладагента, на этапе введения полупроводниковых пластин в камеру полупроводниковые пластины вводятся в камеру линейным движением манипулятора робота.

Недостатком данного изобретения можно считать наличие перегрузочной камеры и робота манипулятора, что приводит к удорожанию установки и сложности ее эксплуатации.

Задачей настоящего изобретения является упрощение конструкции при сохранении основных возможностей, связанных с повышением максимальной скорости нагрева и охлаждения, повышением температуры термической обработки полупроводниковых пластин в условиях газовой среды, повышением производительности установки за счет упрощения процесса отжига.

Поставленная задача решается тем, что устройство быстрой термической обработки полупроводниковых пластин содержит тонкую прямоугольную кварцевую реакционную камеру с первым открытым концом, сопряженным с фланцем из нержавеющей стали с загрузочным окном фланца для загрузки пластин, нагреватель и держатель пластин. Новым является тот факт, что в устройство введены два закрепленных на загрузочном окне фланца стержня, на которых крепится держатель для пластин, подвижный держатель реакционный камеры, который может передвигаться из зоны нагрева в зону охлаждения, термопара для измерения температуры и управления процессом отжига, патрубок для ввода газа, электронный контроллер температуры и вентиляторы воздушного охлаждения, при этом второй конец реакционной камеры имеет патрубок для вывода газа.

Держатель пластин может быть выполнен из графита.

По периметру держателя пластин может быть ограничивающий бортик сечением 1×1 мм².

Нагреватель может быть выполнен в виде блока галогеновых ламп, расположенных сверху и снизу реакционной камеры со смещением друг относительно друга. Нижние лампы расположены между верхними для повышения однородности нагрева по площади держателя

Стержни могут быть выполнены из молибдена.

Введенные в устройство два закрепленных на загрузочном окне фланца стержня, на которых крепится держатель для пластин имеют простую конструкцию и обеспечивают быструю загрузку и выгрузку пластин из камеры.

Подвижный держатель реакционный камеры, который может передвигаться из зоны нагрева в зону охлаждения, обеспечивает упрощение конструкции при ее изготовлении при сохранении функциональных характеристик, обеспечивающих высокую скорость охлаждения.

Термопара для измерения температуры и управления процессом отжига, упрощает конструкцию за счет отсутствия сложных элементов обработки, например, необходимых при использовании пирометров, а также повышает точность за счет фиксированного места расположения.

Патрубок для ввода газа размещенный в загрузочном окне фланца, обеспечивает упрощение конструкции при решении задачи обеспечения инертной атмосферы, а также упрощает конструкцию при решении задачи повышения скорости охлаждения.

Электронный контроллер температуры обеспечивает контроль за изменением температуры.

Вентиляторы воздушного охлаждения, обеспечивают высокую скорость охлаждения, что проще и технологичнее, чем при использовании водных систем.

Нагреватели из галогеновых ламп находятся снизу и сверху тонкой кварцевой камеры со смещением друг относительно друга, что обеспечивает упрощение конструкции при обеспечении однородности распределения температуры и повышение скорости нагрева.

Сверху отжигаемые пластины прикрываются графитовой пластиной толщиной такой же, как толщина держателя, что обеспечивает упрощение конструкции для выравнивания температурного поля.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показан продольный разрез устройства.

Устройство быстрого термического отжига включает реакционную камеру 1, загрузочное окно фланца 2, графитовый держатель 3, молибденовые стержни 4 для крепления графитового держателя, термопару 5, блок 6 галогеновых ламп накаливания, полированные отражатели 7 из нержавеющей стали, подвижный держатель 8 реакционной камеры, двигающийся по направляющим 9, электронный контроллер 10 температуры, блок 11 вентиляторов охлаждения, патрубок ввода газа 12 для ввода в реакционную камеру инертного газа, который размещен в загрузочном окне фланца, патрубок вывода газа 13 для вывода из реакционной камеры инертного газа, который размещен со стороны глухого конца реакционной камеры, фланец из нержавеющей стали 14 для сопряжения загрузочного окна фланца и реакционной камеры.

Устройство работает следующим образом.

Полупроводниковые пластины загружают на графитовый держатель 3 и прикрывают графитовой пластиной по размеру идентичной держателю. Далее конструкция графитового держателя 3, закрепленного на молибденовых стержнях 4, задвигается в реакционную камеру 1 и уплотняется загрузочным окном фланца 2. Реакционная камера 1, закрепленная на подвижном держателе 8, по направляющим 9 задвигается в зону нагрева, включается продувка реактора азотом, который подается через патрубок ввода газа 12 и выводится из реакторной камеры через патрубок вывода газа 13. Далее электронный контроллер 10 температуры по сигналу термопары 5 управляет процессом отжига в соответствии с установленной программой за счет подачи электрической мощности на галогеновые лампы. После завершения отжига блок 6 галогеновых ламп накаливания выключаются, и реакционная камера 1 передвигается в зону охлаждения, где происходит ее обдув вентиляторами 11.

Пример

Изготовлено устройство быстрой термической обработки полупроводниковых пластин. Устройство включает тонкую прямоугольную кварцевую реакционную камеру с первым открытым концом. Тонкая прямоугольная кварцевая реакционная камера переходит в круглую с открытым концом, сопряженным с фланцем из нержавеющей стали. Фланец снабжен загрузочным окном фланца для уплотнения реакционной камеры и изоляции ее от внешней атмосферы. К фланцу крепится подвижный держатель, который может передвигать камеру из зоны нагрева в зону охлаждения. К загрузочному окну фланца крепятся два молибденовых стержня, на которых закреплен графитовый держатель для пластин, через него же выведена термопара для измерения температуры и управления процессом отжига, а также патрубок для подачи газа. Стержни выполнены из молибдена диаметром 4 мм. Держатель для пластин выполнен из графита площадью 80×80 мм² толщиной 2 мм, по периметру держателя имеется бортик сечением 1×1 мм²; сверху образцы прикрываются пластиной из графита размером 80×80 мм² толщиной 2 мм для исключения отражения от металлизированной поверхности образцов и достижения более однородного нагрева. Второй конец реакционной камеры имеет патрубок для вывода газа. В зоне нагрева расположены цилиндрические галогеновые лампы (5 сверху и 6 снизу со смещением по отношению к верхним). Мощность ламп составляет 500 Вт каждая. Управление процессом отжига осуществляется электронным контролером температуры. После процесса нагрева подвижный держатель реакционный камеры перемещается в зону охлаждения, где осуществляется обдув реакционный камеры 4 вентиляторами.

Применение одиннадцати галогеновых ламп повышенной мощности позволяет увеличить скорость нагрева отжигаемых пластин до 500°С/мин и проводить отжиг до 1000°С. Конструкция графитового держателя образцов позволяет размещать несколько отжигаемых пластин общей площадью до 20 см²; бортик по периметру держателя предохраняет от смещения образцов и служит опорой для верхней прикрышки держателя образцов из графита; геометрия размещения нагревательных галогеновых ламп, конструкция держателя образцов а также исполнение реакционной камеры из плоского оптического кварца позволяет достичь однородности нагрева образцов по площади держателя 2-3°С. Электронный котроллер, управляющий процессом отжига, позволяет поддерживать заданную температуру ортжига с точностью 2-3°С. Конструкция фланца из нержавейщей стали и загрузочного окна фланца из нержавеющей стали с закрепленным на нем держателем образцов позволяет производить загрузку-выгрузку образцов в течение нескольких минут, что существенно снижает временные затраты при эксплуатации установки. Возможность быстро перемещать реакционную камеру из зоны нагрева в зону охлаждения, а также при необходимости использовать охлажденный жидким азотом технологический газ позволяет увеличить скорость охлаждения до 200°С/мин.

Простота конструкции обеспечивает технологичность и доступность при изготовлении, а также удобство в работе устройства. Кроме этого, предложенная конструкция устройства позволяет существенно снизить временные затраты при его эксплуатации за счет выведения реакционной камеры из зоны нагрева, а также реализовывать технологии быстрого термического отжига и охлаждения.

Claims (5)

1. Устройство быстрой термической обработки полупроводниковых пластин, содержащее тонкую прямоугольную кварцевую реакционную камеру с первым открытым окном, фланец из нержавеющей стали, загрузочное окно фланца, нагреватель и держатель пластин, отличающееся тем, что в него введены два стержня, закрепленные на загрузочном окне фланца, на которых крепится держатель для пластин, подвижный держатель реакционный камеры, который может передвигаться из зоны нагрева в зону охлаждения, термопара для измерения температуры и управления процессом отжига, патрубок для ввода газа, электронный контроллер температуры и вентиляторы воздушного охлаждения, при этом второй конец реакционной камеры имеет патрубок для вывода газа.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что держатель пластин выполнен из графита.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что по периметру держателя пластин имеется ограничивающий бортик сечением 1×1 мм².

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что нагреватель выполнен в виде блока галогеновых ламп, расположенных сверху и снизу реакционной камеры со смещением друг относительно друга.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что стержни выполнены из молибдена.