Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kurzzeitigen thermischen Behandlung eines Substrats mittels mindestens einer Gasentladungslampe. Anwendung findet das Verfahren in den verschiedensten Bereichen der Industrie wie beispielsweise in der Halbleiterproduktion, der Fabrikation von Photovoltaik-Modulen oder der Displayherstellung. Zu neuartigen Anwendungsgebieten gehören unter anderem gedruckte Elektronik oder Beschichtungen von Oberflächen mit

Nanopartikeln . Aufgrund der kurzen Dauer der thermischen

Behandlung werden beispielsweise Diffusionsvorgänge minimiert und Aufheiz- bzw. Abkühlstrecken vermieden wie sie bei Öfen in industriellen Durchlaufanlagen üblich sind.

Figur 1 zeigt die zeitliche Dauer der thermischen Behandlung verschiedener Verfahren für die Dotierung eines Halbleiters. Dazu gehört die thermische Behandlung mit Blitzlampen (FLA:= Flash Lamp Annealing) , mit Halogen- bzw. Infrarotlampen (RTA:= Rapid Thermal Annealing) und die thermische Behandlung in Öfen (FA:= Furnace Annealing) .

Bei Experimenten und thermischen Simulationen hat sich

herausgestellt, dass je nach Anwendung das eine oder andere Verfahren oder eine Kombination davon zur thermischen

Behandlung geeignet ist. Beispielsweise wird beim sogenannten „Photonic Curing" in einem ersten Prozessschritt eine

kupferhaltige Tinte auf eine Kunststofffolie gedruckt, in einem zweiten Prozessschritt mittels eines Infrarotstrahlers bei einer Temperatur von ca. 120 Grad Celsius innerhalb ungefähr einer Sekunde getrocknet und in einem dritten

Prozessschritt mit Hilfe von Blitzlampen bei über 800 Grad Celsius eine Millisekunde lang gesintert. Der Sinterprozess kann aufgrund der maximalen Betriebstemperatur des Kunststoffs weder mit Infrarotstrahlern, noch in einem konventionellen Ofen durchgeführt werden. Der Trocknungsprozess hingegen benötigt eine gewisse Zeit u.a. in Abhängigkeit von der Dicke des Films bis die in der gedruckten Tinte enthaltene

Lösungsmittel verdampft sind. Diese Trocknungszeit liegt ein bis mehrere Größenordnungen über der in der Praxis möglichen Pulsdauer von Blitzlampen. Prinzipiell könnte man bei

Durchlaufanlagen die Einwirkungsdauer des Infrarotstrahlers bzw. der Halogenlampe auf das Substrat durch eine hohe

Relativgeschwindigkeit zueinander auch im Bereich einer

Millisekunde einstellen. Aber die maximal möglichen Leistungen von Infrarotstrahlern oder Halogenlampen liegen mehrere

Größenordnungen unterhalb der für den raschen

Temperaturanstieg auf 800 Grad Celsius erforderlichen

Leistungen . In der Halbleiterindustrie ist RTA mit Hilfe von

Halogenlampen, z.B. zur Aktivierung von Dotanden nach der Implantation oder zur Oxidation von Oberflächen in Sauerstoff ein fester Bestandteil in der Produktion. Um höhere

Temperaturen auf der Substratoberfläche erreichen zu können werden in manchen Fällen Blitzlampen zusätzlich zu den

Halogenlampen eingesetzt. Nach der vollständigen Erwärmung eines gesamten Wafers mit Halbleitern innerhalb beispielsweise einer bis weniger Sekunden auf 900 Grad Celsius mit Hilfe der Halogenlampen findet direkt danach eine thermische Behandlung mit Blitzlampen statt, um kurzzeitig eine maximale

Oberflächentemperatur von ca. 1300 Grad Celsius zu erreichen. Mit vollständiger Erwärmung durch die Halogenlampen ist ein vernachlässigbarer Temperaturgradient innerhalb des gesamten Wafers gemeint. Die durch die Blitzlampen hervorgerufene zusätzliche Temperaturerhöhung hingegen betrifft nur die ersten wenigen Mikrometer der von den Blitzlampen beleuchteten Seite des Wafers. Die Kombination von Halogenlampen und

Blitzlampen wird auch als „flash lamp assisted spike

annealing" bezeichnet. Eine längere als mit Blitzlampen verursachte Einwirkungsdauer von Temperaturen im Bereich von 1300 Grad Celsius hätte nachteilige Effekte auf die

Diffusionsprofile eines pn-Übergangs in einem Transistor. Eine Erwärmung des Wafers von Raumtemperatur auf 1300 Grad Celsius durch Blitzlampen alleine würde nicht nur übermäßig hohe Temperaturgradienten und damit verbundene thermomechanische Verspannung bis zum Bersten des Wafers führen, sondern die dafür erforderlichen Leistungen liegen je nach Ausführungsform nahe oder auch über der Explosionsgrenze von Blitzlampen.

Wie in Figur 1 zu sehen ist gibt es eine zeitliche Lücke hinsichtlich der thermischen Behandlung zwischen FLA und RTA. Diese Lücke betrifft unter anderem Beschichtungen auf

Substraten, die eine Dicke von ungefähr 2 bis etwa 200

Mikrometer aufweisen. Dazu gehören beispielsweise Sol-Gel

Filme mit Nanopartikeln oder Lacke. Ebenso ist es von großem Interesse ein Verfahren zu finden, welches geringere

Temperaturgradienten innerhalb des Substrats erzeugt gemäß dem „flash lamp assisted spike annealing", aber dabei die

Rückseite des Substrats auf Raumtemperatur bleibt.

Idealerweise sollte dieses Verfahren mit einer einzigen Art anstelle mehrerer Energiequellen auskommen. Aus Platzgründen werden beim flash lamp assisted spike annealing die

Halogenlampen üblicherweise zur Bestrahlung der Rückseite des Wafers angeordnet und die Blitzlampen zur Bestrahlung der

Stirnseite, auf denen sich die Transistoren befinden. Diese spezielle Anordnung ist nur aufgrund der vollständigen

Erwärmung des Wafers durch die Halogenlampen möglich. Wenn aber eine vollständige Erwärmung des Substrats für die

thermische Behandlung vermieden werden muss, d.h. die

Rückseite des Substrats eine bestimmte Temperatur nicht überschreiten darf, so können beide Energiequellen nur auf der Stirnseite angeordnet werden. Dies ist u.a. aus Platzgründen oder Beschränkungen hinsichtlich der Lichtoptik nicht immer möglich.

Ein weiterer Nachteil der Halogenlampen oder Infrarotlampen ist die relativ lange Anschalt- bzw. Abschaltdauer.

Beispielsweise dauert es ungefähr eine halbe Sekunde bis die Glühwendel der Halogenlampen beim Anschalten bis zur vollen Strahlungsleistung aufgeheizt sind. Bei Blitzlampen hingegen kann die Anschaltdauer im Bereich von einer bis wenigen

Mikrosekunden liegen. Für das Verfahren gemäß der Erfindung sollte die Anschalt- und Abschaltdauer für die Energiequelle kürzer als 10% der gesamten Belichtungsdauer sein.

Idealerweise ist diese so kurz wie bei Blitzlampen, welche im Bereich von wenigen Mikrosekunden liegt. Prinzipiell könnten Laser für die in Figur 1 skizzierte zeitliche Lücke zwischen FLA und RTP eingesetzt werden. Aber abgesehen von wesentlich höheren Kosten für die Herstellung und den Betrieb von Lasern gegenüber den bisher erwähnten Energiequellen ist der in der Produktion erreichbare Durchsatz in den meisten Fällen viel zu gering. Der Einsatz mehrerer

Laser zur Erhöhung des Durchsatzes ist i.a. aus Kostengründen nicht vertretbar, insbesondere da die Laser miteinander koordiniert werden müssten. Zusätzlich ergeben sich andere Temperaturprofile durch Laser aufgrund deren punktförmige Einwirkung und daraus folgenden Temperaturprofile auf dem Substrat im Gegensatz zu der flächenhaften Einwirkung von Feldern parallel angeordneter Blitzlampen oder Halogenlampen bzw. Infrarotstrahlern. Die unterschiedlichen

Temperaturprofile können verschiedene Auswirkungen auf das Resultat der thermischen Behandlung des Substrats nach sich ziehen .

Die Figur 2 zeigt den Stand der Technik einer Vorrichtung (100), die zum Betrieb von Blitzlampen in der Produktion üblich ist. Grundsätzlich besteht ein Schaltkreis aus einer Blitzlampe (110), einem Kondensator (120) als Energiequelle und einer Drosselspule (130) zur Strombegrenzung. Zur Zündung der Blitzlampe ist eine separate Stromversorgung (140) notwendig, die in der Figur als sogenannte „externe Zündung" ausgeführt ist. Eine externe Zündung besteht beispielsweise aus einem optischen Reflektor aus Metall, der um die

Blitzlampe angeordnet ist und mit der Stromversorgung der Zündung elektrisch verbunden ist. Andere Zündungsvarianten werden ebenso eingesetzt in Abhängigkeit von der Anwendung der Blitzlampen.

Bei der Verwendung von Blitzlampen zum optischen pumpen von Lasern hat sich herausgestellt, dass die Lebensdauer der

Blitzlampen erhöht werden kann, wenn sie im Standby-Modus durch eine sogenannte Simmer-Stromversorgung betrieben werden. Simmer - englisch für „köcheln" - sind Stromversorgungen, die einen dünnen Plasmafaden in der Blitzlampe ähnlich einem

Zündfunken am Brennen halten. Beispielsweise beträgt der

Simmer-Strom durch die Blitzlampe 0,5 Ampere nach der Zündung der Blitzlampe. Zur Umschaltung in den eigentlichen

Betriebsmodus der Blitzlampe muss zuvor durch eine

Stromversorgung (150) der Kondensator (120) geladen werden. Anschließend wird über einen elektronischen Schalter (170) der Kondensator (120) über die Blitzlampe (110) entladen. Der Strom kann im Betriebsmodus mehrere 100 bis mehrere 1000

Ampere betragen, je nach Ausführungsform und gewünschter

Lichtintensität der Blitzlampe. Typischerweise beträgt die Pulsdauer der Entladung im Betriebsmodus der Blitzlampen zwischen 50 Mikrosekunden und 20 Millisekunden, wobei der Strom durch die Blitzlampe in Bezug auf die Zeit die Form einer Gaußglocke annimmt. Der Entladevorgang des Kondensators kann dabei durch den elektronischen Schalter (170) zu einem beliebigen Zeitpunkt gestoppt werden.

Figur 3 zeigt eine Erweiterung gegenüber der Vorrichtung (100) gemäß der Erfindung, welche aus einem zusätzlichen

elektronischen Schalter 1 (290) und einer zusätzlichen

Stromversorgung (280) besteht. Die Stromversorgung (280) kann in einfachster Bauweise ein Streufeldtransformator sein, der für eine ausreichend hohe LeerlaufSpannung in Abhängigkeit von der Lichtbogenlänge der Blitzlampe (110) konzipiert ist und einen manuell und mechanisch einstellbaren Kurzschlussstrom aufweist. Manuell und mechanisch einstellbare

Streufeldtransformatoren werden auch zum elektrischen

Schweißen von Metallen verwendet. Der Ausgang des

Transformators wird über einen Gleichrichter mit dem

elektronischen Schalter und der Masseleitung verbunden.

Typische Ausgangsströme für die Stromversorgung (280) betragen 10 bis 100 Ampere. Im Gegensatz zum Kondensator (120) liefert der Streufeldtransformator einen konstanten Strom, sodass die Blitzlampe (110) als kontinuierliche brennende

Gasentladungslampe betrieben werden kann, allerdings mit einer um ein bis mehrere Größenordnungen geringeren Leistung gegenüber dem Kondensator (120) bzw. entsprechend der Stärke des Stroms durch die Blitzlampe. Alternative Stromversorgungen zu einem Streufeldtransformator wie z.B. Schaltnetzteile sind ebenso geeignet.

Zur Vermeidung von kurzzeitigen und sehr hohen

Leistungsanforderungen an das öffentliche Stromnetz für die Stromversorgung (280) können Akkumulatoren als Puffer

eingesetzt werden. Beispielsweise kann durch eine

Serienschaltung vieler Akkumulatoren, die zum Start eines Automobils verwendet werden, eine Spannung im Bereich von mehreren hundert bis mehreren tausend Volt erzeugt werden bei Strömen über 1000 Ampere. Die chemische Reaktionszeit des Akkumulators liegt typischerweise im Bereich von wenigen

Mikrosekunden, sodass Belichtungszeiten im Zeitraum von einer Millisekunde bis mehrere Sekunden problemlos realisiert werden können. Die Akkumulatoren werden bei einer kontinuierlichen Leistungsentnahme aus dem öffentlichen Netz zwischen zwei aufeinanderfolgende Belichtungen geladen, die einen zeitlichen Abstand von beispielsweise 30 Sekunden haben.

Mit dem elektronischen Schalter 1 (290) kann die Lampe (110) gleich schnell an- und ausgeschaltet werden wie mit dem elektronischen Schalter 2 (170), sodass die Belichtungszeit nahezu beliebig kurz eingestellt werden kann ohne signifikante Verzögerungen während des Ein- oder Ausschaltvorgangs wie dies bei Halogenlampen oder Infrarotlampen der Fall ist.

Ein wichtiger und begrenzender Faktor ist die Kühlung der Lampe, z.B. mit Luft oder Wasser. Es darf zu keinem Zeitpunkt das Quarzglas der Blitzlampe oder die hauptsächlich aus

Wolfram bestehenden Elektroden der Blitzlampe schmelzen. Es können aber kurzzeitig zur thermischen Behandlung eines

Substrats für eine Dauer von z.B. 500 Millisekunden Ströme eingestellt werden, die weit über den maximalen Strömen im Dauerbetrieb liegen ähnlich wie bei Blitzlampen.

Beide elektronische Schalter (170), (290) können prinzipiell zu jedem beliebigen Zeitpunkt und unabhängig voneinander geschlossen oder geöffnet werden. Für eine thermische Behandlung eines Substrats sind aber nur folgende drei

Varianten praxisrelevant: a) es wird ausschließlich der

Elektronische Schalter 1 (290) für eine gewünschte Zeit lang geschlossen und anschließend wieder geöffnet, b) es wird ausschließlich der elektronische Schalter 2 (170) geschlossen, wobei die maximale thermische Behandlungszeit des Substrats von der Kapazität des Kondensators abhängt, c) am Ende einer gewünschten Belichtungszeit des Substrats mit der Lampe (110) unter Verwendung der Stromversorgung (280) wird der

elektronische Schalter 2 (170) geschlossen und dabei ungefähr zur gleichen Zeit die Stromversorgung der Lampe über das

Öffnen des elektronischen Schalter 1 (290) von der

Stromversorgung für den Dauerbetrieb (280) getrennt, sodass es zu einem Temperaturverlauf ähnlich dem „flash lamp assisted spike annealing" kommt. Dabei erfolgt die Erwärmung allerdings immer von einer Seite, beispielsweise von der Stirnseite des Substrats . Die Vorrichtung in Figur 3 bietet gegenüber Blitzlampen und/oder Halogenlampen bzw. Infrarotlampen zusätzlich

Belichtungszeiten im Bereich zwischen FLA und RTP gemäß Figur 1, d.h. zwischen ungefähr 20 Millisekunden und ungefähr 500 Millisekunden. Außerdem können höhere Lichtleistungen der Lampe (110) im Vergleich zu Halogen- oder Infrarotlampen erreicht werden, auch für RTP übliche Belichtungszeiten.

Weiterhin ist nur eine einzige Art von Lampen zur thermischen Behandlung Substrats erforderlich im Vergleich zum „flash lamp assisted spike annealing".

Verfahren und Vorrichtung zur thermischen Behandlung eines Substrats .

Bezugszeichenliste

100: Vorrichtung gemäß Stand der Technik

110: Gasentladungslampe

120: Kondensator

130: Drosselspule

140: Stromversorgung für Zündung

150: Stromversorgung zur Ladung des Kondensators

160: Stromversorgung für Simmer-Betrieb

170: Elektronischer Schalter 2

200: Vorrichtung gemäß der Erfindung

280: Stromversorgung mit konstanter Leistung für Dauerbetrieb

290: Elektronischer Schalter 1