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    • 专利摘要:
    Die vorliegende Erfindung zielt darauf eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung zu schaffen, welche so verbessert ist, dass ein SiC Substrat, welches einen Durchmesser von mehreren inches oder mehr hat, schnell auf Temperaturen bis zu 1200 DEG C oder höher mit einer flächigen Gleichmäßigkeit erhitzt werden kann, in dem eine periphere Zone eines Substrats unter Verwendung von Hochfrequenzinduktion erwärmt wird und in dem eine zentrale Zone der Probe unter Verwendung von Infrarotlampen erwärmt wird, während das Substrat und ein Gestell desselben mit einer Schildplatte abgedeckt sind. DOLLAR A Es wird eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung offenbart, welche eine Vakuumkammer 4 umfasst, welche die Durchführung der thermischen Behandlung im Vakuum oder verschiedenen Gasatmosphären erlaubt, ein in der Vakuumkammer 4 vorgesehenes elektrisch leitendes Probengestell 10 und eine auf dem Probengestell 10 angeordnete Probe 12, eine das Probengestell 10 umgebende Hochfrequenzwicklung 7, einen Infrarotgenerator, welcher aus einer einzelnen oder mehreren Infrarotwellenleiter-Quarzsäulen 3 besteht, die über und/oder unter der Probe 12 angeordnet sind, eine Infrarotlampe 1 und einen elliptischen Rotationsreflektor 2, welche beide an einem Ende der Infrarotwellenleiter-Quarzsäulen 3 angeordnet sind, und eine koaxiale doppelwandige Quarzröhre 6, welche in der Hochfrequenzwicklung 7 angeordnet ist, so dass Kühlwasser zwischen dieser koaxialen doppelwandigen Quarzröhre 6 fließen kann, wobei ...
    公开号:DE102004028714A1
    申请号:DE200410028714
    申请日:2004-06-14
    公开日:2005-09-08
    发明作者:Tomoyoshi Mitaka Endo；Kenji Tsukuba Fukuda；Shinichi Tsukuba Nishizawa；Junji Tsukuba Senzaki；Teruyuki Sagamihara Yashima
    申请人:NIPPON SAMONIKUSU KABUSHIKI KA；NIPPON SAMONIKUSU SAGAMIHARA KK；SAMO RIKO MITAKA KK；National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST；
    IPC主号:H01L21-31
    专利说明:
    [0001] Dievorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur thermischenBehandlung, welche in einem Herstellungsverfahren genutzt wird,in welchem eine thermische Behandlung in einer möglichst kurzen Zeit erreichtwerden muss, zum Beispiel in dem Verfahren zur thermischen Aktivierungsbehandlung nachder Ionenimplantation von Störstellenin SiC.
    [0002] NachdemStörstellen,wie zum Beispiel Phosphor oder Stickstoff, in ein SiC Substrat ionenimplantiertwurden, ist eine thermische Behandlung bei einer Temperatur vonbis zu 1500°Coder höher nötig, umStörstellenaktivierende Trägerzu erzeugen. Füreine solche thermische Behandlung wurde schon die Verwendung einesWiderstandsheizofens beschrieben. Derartige Widerstandsheizöfen benötigen allerdingsungünstigerweiseeine unakzeptabel lange Zeit, bis eine Temperatur auf 1500°C oder höher steigt.Darüberhinaus wird eine Aufenthaltsdauer von etwa 30 Minuten für eine effektivethermische Behandlung benötigtund Si verdampft unvermeidlich von der SiC Substratoberfläche, waszu Unregelmäßigkeitenauf der Substratoberflächeführt.Zusätzlich wirdnicht nur Si verdampft, sondern auch die Störstellen, so dass der mit Störstellenionendotierte Bereich unakzeptabel hohe Widerstandswerte aufweist undes nicht mehr möglichist, ein normales SiC Element herzustellen. Während auch eine thermische Behandlungbeschrieben wurde, welche eine Hochfrequenzerwärmung benutzt, kann ein derartiges Verfahrenzu einer ungleichmäßigen Temperaturverteilungführen,da das Substrat von seinen Randbereichen her erwärmt wird. Eine hochgeschwindigkeits-Wärmebehandlungsvorrichtungund ein Verfahren, welches eine Infrarotlampe benutzt, wurde ebenfallsschon beschrieben (siehe zum Beispiel das nichtpatent Dokument 1).Gemäß diesemVerfahren kann die Temperatur in einer Minute auf 1700°C steigenund die Verdampfung von Si von dem SiC Substrat wird gehindert.Währendes fürdieses Verfahren möglichist, den Temperaturanstieg in einer gewünscht kurzen Zeit zu erreichen,in dem die Umwandlung von Infrarotstrahlen zur Aufheizung genutztwird, ist die Anwendung dieses Verfahrens auf die thermische Behandlungvon SiC Substraten beschränkt, welcheeine Größe von etwa1 cm2 haben. Mit anderen Worten; diesesVerfahren ist nicht fürdie Massenproduktion von SiC Elementen geeignet. In Anbetracht solchermit den Verfahren und Vorrichtungen nach dem Stand der Technik beobachtetenProblemen, besteht eine starke Nachfrage für eine Vorrichtung zur thermischenBehandlung, welche so verbessert ist, dass selbst ein SiC Substratmit einem Durchmesser von 2 inches oder mehr in einer kurzen Zeitauf eine gewünschthohe Temperatur, mit einer praktisch gleichförmigen Temperaturverteilungaufgeheizt werden kann.
    [0003] NichtpatentDokument 1: Kazuo Arai und Sadafumi Yoshida: „Prinzipien und Anwendungvon SiC Elementen" veröffentlichtvon Ohmsha, Seite 110.
    [0004] Wieoben schon beschrieben wurde, können dieauf der Infrarotlampe beruhenden thermischen Behandlungsvorrichtungennach dem Stand der Technik nicht für die Massenproduktion derSiC Elemente aus einem SiC Substrat verwendet werden, welches einenDurchmesser von mehreren Zentimetern oder mehr hat. Während dasthermische Behandlungsverfahren, welches den Hochfrequenzofen benutzt,zwar schon vorgeschlagen wurde, führt dieses Verfahren dazu,dass die Temperatur in der Randzone relativ hoch ist, während dieTemperatur in der zentralen Zone relativ niedrig ist. Daher wirddie Temperaturverteilung wesentlich und in dem SiC Substrat erscheintein Bereich, in dem die Störstellen ausreichendaktiviert sind und ein Bereich, in dem die Störstellen nicht ausreichendaktiviert sind. Irgendwann werden die flächigen Ungleichmäßigkeitender elektrischen Eigenschaften des SiC Elements so gravierend, dassderartige Vorrichtungen weder fürdie Massenproduktion noch fürdie industrielle Fertigung des SiC Elements genutzt werden können.
    [0005] ImHinblick auf das oben beschriebene Problem, ist es ein prinzipiellesZiel der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur thermischenBehandlung zu schaffen, welches so verbessert ist, dass ein SiCSubstrat mit einem Durchmesser von mehreren inches oder größer schnellauf eine Temperatur von bis zu 1200°C oder höher, mit einer großen flächenmäßigen Gleichmäßigkeiterwärmtwerden kann, in dem eine periphere Zone eines Substrats unter Verwendungvon Hochfrequenzinduktion erwärmtwird und in dem eine zentrale Zone der Probe unter Verwendung vonInfrarotlampen erwärmtwird, während dasSubstrate und ein Gestell desselben mit einer Schildplatte abgedecktsind.
    [0006] Indem Fall, dass das Substrat durch Infrarotlampen auf eine hohe Temperaturerhitzt wird, welche mit einer Quarzsäule genutzt werden, wurdendie konventionellen Vorrichtungen auch von einem weiteren Problembegleitet, in dem verschiedene, von dem Substratgestell erzeugteStörstellenan der Quarzsäuleanhaften und die Transmission der Infrarotstrahlen blockieren können.
    [0007] Hinsichtlichdieses Problems ist es ebenfalls ein Ziel der vorliegenden Erfindungeine Vorrichtung zur thermischen Behandlung zu schaffen, welcheso verbessert ist, dass eine Quarzplatte zwischen dem Substrat oderdem Gestell desselben und der Quarzsäule angeordnet ist und dadurchverschiedene, von dem Gestell des Substrats erzeugte Störstellenam anhaften an der Quarzsäulegehindert werden.
    [0008] Indem Fall der Erwärmungdurch die Infrarotlampe wird die Temperatur des Substrats in der zentralenZone höherals in der peripheren Zone, wie in 1(A) abgebildet.In dem Fall der Erwärmung durchdie Hochfrequenzwellenerwärmungwird die Temperatur des Substrats andererseits in der peripherenZone höherals in der zentralen Zone, weil in erster Linie die periphere Zonedes Substrats erwärmtwird, wie in 1(B) dargestellt. DieTemperaturverteilung kann wesentlich homogenisiert werden, in demdas Substrat durch simultane Verwendung der Infrarotlampe und derHochfrequenzwelle erwärmtwird, wie in 1(C) abgebildet.
    [0009] Dasoben gesetzte Ziel wird gemäß der vorliegendenErfindung durch eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung nachAnspruch 1 erreicht, welche eine Vakuumkammer umfasst, welche dieDurchführungder thermischen Behandlung im Vakuum oder verschiedenen Gasatmosphären erlaubt,ein in der Vakuumkammer vorgesehenes elektrisch leitendes Probengestellund eine auf dem Probengestell angeordnete Probe, eine das Probengestellumgebende Hochfrequenzwicklung, einen Infrarotgenerator, welcheraus einer einzelnen oder mehreren Infrarotwellenleiter-Quarzsäulen besteht,die über und/oderunter der Probe angeordnet sind, eine Infrarotlampe und einen elliptischenRotationsreflektor, welche beide an einem Ende der Infrarotwellenleiter-Quarzsäulen angeordnetsind, und eine koaxiale doppelwandige Quarzröhre, welche in der Hochfrequenzwicklungangeordnet ist, so dass Kühlwasser zwischendieser koaxialen doppelwandigen Quarzröhre fließen kann, wobei die Infrarotlampedurch Kühlwasseroder Luft, welche außerhalbder Infrarotlampe strömen,wasser- oder luftgekühltist, um die Probe vor Erwärmungdurch die Infrarotlampe zu bewahren.
    [0010] Dievorliegende Erfindung kann auch auf wie folgt auf verschiedene bevorzugteWeisen realisiert werden.
    [0011] Inder Vorrichtung zur thermischen Behandlung gemäß Anspruch 1, ist eine Quarzplattezwischen der Probe und der wie in Anspruch 2 beschriebenen Infrarotwellenleiter-Quarzsäule angeordnet.
    [0012] Inder Vorrichtung zur thermischen Behandlung gemäß Anspruch 1 oder 2, sind dieProbe und das Probengestell mit einer wie in Anspruch 3 beschriebenenSchildplatte abgedeckt.
    [0013] Inder Vorrichtung zur thermischen Behandlung gemäß einem der Ansprüche 1 bis3, ist das Probengestell mit einer elektrisch leitenden Schildplatte abgedeckt,welche mit einem Spalt versehen ist, der eine Abmessung in einemBereich von 1 mm bis 30 mm hat, wie in Anspruch 4 beschrieben.
    [0014] Inder Vorrichtung zur thermischen Behandlung gemäß einem der Ansprüche 1 bis4, ist das Probengestell und/oder die Schildplatte aus Wolfram, Molybdän oder Tantalhergestellt, wie in Anspruch 5 beschrieben.
    [0015] Inder Vorrichtung zur thermischen Behandlung gemäß einem der Ansprüche 1 bis4, ist das Probengestell und/oder die Schildplatte aus Kohlenstoff odermit SiC beschichtetem Kohlenstoff hergestellt, wie in Anspruch 6beschrieben.
    [0016] Inder Vorrichtung zur thermischen Behandlung gemäß einem der Ansprüche 1 bis6, hat die Hochfrequenzwelle eine Frequenz von weniger als 50 kHz,wie in Anspruch 7 beschrieben.
    [0017] DieVorrichtung zur thermischen Behandlung gemäß einem der Ansprüche 1 bis7 umfasst weiter einen Mechanismus, welcher eingerichtet ist, umeinen Abstand zwischen einer Endoberfläche der Quarzsäule undder Probe in einem Bereich von 0,5 mm bis 20 mm einzustellen, wiein Anspruch 8 beschrieben.
    [0018] DieVorrichtung zur thermischen Behandlung gemäß einem der Ansprüche 1 bis8 umfasst weiter ein Probentemperatursteuerungsmittel, welches eingerichtetist, um eine Temperatur des Probengestells oder der Probe selbstmittels eines Pyrometers oder eines Thermoelements zu messen, undsomit einen Spannungs- oder Stromwert zu steuern, welcher der Infrarotlampeoder der Hochfrequenzwicklung zugeführt wird, wie in Anspruch 9beschrieben.
    [0019] Inder Vorrichtung zur thermischen Behandlung gemäß einem der Ansprüche 1 bis9, ist die Quarzsäulein einer geneigten Position eingerichtet, wie in Anspruch 10 beschrieben.
    [0020] Inder Vorrichtung zur thermischen Behandlung gemäß einem der Ansprüche 1 bis10 ist die Vorrichtung so programmiert, dass das SiC Substrat von einerRaumtemperatur auf 1200°Coder höherin 10 Sekunden bis 5 Minuten erwärmt,dann auf dieser Temperatur für10 Sekunden bis 10 Minuten gehalten wird und danach das SiC Substratauf eine Temperatur von weniger als 1200°C in 10 Sekunden bis 30 Minutengekühltwird, wie in Anspruch 11 beschrieben.
    [0021] Inder Vorrichtung zur thermischen Behandlung gemäß Anspruch 11 ist die Vorrichtungso programmiert, dass das SiC Substrat zuerst auf eine Temperaturvon weniger als 1200°Cerwärmtwird, dann von einer Raumtemperatur auf 1200°C oder höher in 10 Sekunden bis 5 Minutenerwärmtund danach auf eine Temperatur von weniger als 1200°C in 10 Sekundenbis 30 Minuten gekühltwird, wie in Anspruch 12 beschrieben.
    [0022] Dievorliegende Erfindung hat eine wie oben beschrieben einmalige Konstruktionund bietet einen wie im Folgenden beschriebenen Effekt.
    [0023] DieVorrichtung zur thermischen Behandlung nach Anspruch 1 umfasst eineVakuumkammer, welche die Durchführungder thermischen Behandlung im Vakuum oder verschiedenen Gasatmosphären erlaubt,ein in der Vakuumkammer vorgesehenes elektrisch leitendes Probengestellund eine auf dem Probengestell angeordnete Probe, eine das Probengestellumgebende Hochfrequenzwicklung, einen Infrarotgenerator, welcheraus einer einzelnen oder mehreren Infrarotwellenleiter-Quarzsäulen besteht,die überund/oder unter der Probe angeordnet sind, eine Infrarotlampe undeinen elliptischen Rotationsreflektor, welche beide an einem Endeder Infrarotwellenleiter-Quarzsäulenangeordnet sind, und eine koaxiale doppelwandige Quarzröhre, welchein der Hochfrequenzwicklung angeordnet ist, so dass Kühlwasserzwischen dieser koaxialen doppelwandigen Quarzröhre fließen kann, wobei die Infrarotlampe durchKühlwasseroder Luft, welche außerhalbder Infrarotlampe strömen,wasser- oder luftgekühltist, um die Probe vor Erwärmungdurch die Infrarotlampe zu bewahren. Eine derartige Vorrichtungermöglicht es,eine Temperatur von einer Raumtemperatur auf bis zu 1800°C so schnellwie in einer Minute zu steigern und eine Temperaturverteilung sicherzu stellen, welche eine vernachlässigbareUngleichmäßigkeit von+/- 50°Chat, ohne die Gefahr der Zerstörungder Vorrichtung.
    [0024] DieVorrichtung zur thermischen Behandlung gemäß Anspruch 2, welche der Vorrichtunggemäß Anspruch1 entspricht, wobei eine Quarzplatte zwischen der Probe und derInfrarotwellenleiter-Quarzsäuleangeordnet ist, ermöglichtes der Quarzplatte, jegliche Störstellenvom Anhaften an der Endoberflächeder Infrarotwellenleiter-Quarzsäulezu hindern, so dass die Infrarotbestrahlung über einen langen Zeitraum ausgeführt werdenkann, ohne die Infrarotwellenleiter-Quarzsäule auszutauschen, sofern die Quarzplatteausgetauscht wird, wenn dies gewünschtwird.
    [0025] DieVorrichtung zur thermischen Behandlung gemäß Anspruch 3, welche der Vorrichtunggemäß Anspruch1 oder 2 entspricht, wobei die Probe und das Probengestell mit einerSchildplatte abgedeckt sind, ermöglichtes der Temperatur schnell auf 1200°C oder höher zu steigen.
    [0026] DieVorrichtung zur thermischen Behandlung gemäß Anspruch 4, welche der Vorrichtunggemäß einemder Ansprüche1 bis 3 entspricht, wobei das Probengestell mit einer elektrischleitenden Schildplatte abgedeckt ist, welche mit einem Spalt versehenist, der eine Abmessung in einem Bereich von 1 mm bis 30 mm hat,wirkt effektiv, um eine Induktionserwärmung durch die Hochfrequenzwellezu verhindern und um einen Temperaturanstieg der koaxialen doppeltenQuarzröhreaufgrund eines Temperaturanstiegs der elektrisch leitenden Schildplattezurückzuhalten.
    [0027] DieVorrichtung zur thermischen Behandlung gemäß Anspruch 5, welche der Vorrichtunggemäß einemder Ansprüche1 bis 4 entspricht, wobei das Probengestell und/oder die Schildplatteaus Wolfram, Molybdänoder Tantal hergestellt sind/ist, wirkt effektiv, um das Schmelzender Schildplatte selbst bei einer hohen Temperatur zu verhindernund dadurch um die Schildplatte vor einer Verformung von ihrer ursprünglichenForm zu bewahren.
    [0028] DieVorrichtung zur thermischen Behandlung gemäß Anspruch 6, welche der Vorrichtunggemäß einemder Ansprüche1 bis 4 entspricht, wobei das Probengestell und/oder die Schildplatteaus Kohlenstoff oder mit SiC beschichtetem Kohlenstoff hergestelltsind, erlaubt es, die thermische Behandlung selbst bei einer hohenTemperatur zu stabilisieren.
    [0029] DieVorrichtung zur thermischen Behandlung gemäß Anspruch 7, welche der Vorrichtunggemäß einemder Ansprüche1 bis 6 entspricht, wobei die Hochfrequenzwelle eine Frequenz vonweniger als 50 kHz hat, fördertdie Fortpflanzung der Hochfrequenzwelle in die Probe, so dass eineZone der Probe in der Umgebung ihres Zentrums ausreichend erwärmt werdenkann, um die Ungleichmäßigkeitder Temperaturverteilung zu minimieren.
    [0030] DieVorrichtung zur thermischen Behandlung gemäß Anspruch 8, welche der Vorrichtunggemäß einemder Ansprüche1 bis 7 entspricht, welche weiter einen Mechanismus umfasst, welchereingerichtet ist, um einen Abstand zwischen einer Endoberfläche derQuarzsäuleund der Probe in einem Bereich von 0,5 mm bis 20 mm einzustellen,verbessert einen Heizeffekt der Infrarotstrahlen.
    [0031] DieVorrichtung zur thermischen Behandlung gemäß Anspruch 9, welche der Vorrichtunggemäß einemder Ansprüche1 bis 8 entspricht, welche weiter ein Probentemperatursteuerungsmittelumfasst, welches eingerichtet ist, tun eine Temperatur des Probengestellsoder der Probe selbst mittels eines Pyrometers oder eines Thermoelementszu messen, und somit einen Spannungs- oder Stromwert zu steuern,welcher der Infrarotlampe oder der Hochfrequenzwicklung zugeführt wird,erlaubt es, die Leistungsabgaben der Infrarotlampe und der Hochfrequenzwellezu steuern und dadurch die Temperatur zu steuern.
    [0032] DieVorrichtung zur thermischen Behandlung gemäß Anspruch 10, welche der Vorrichtunggemäß einemder Ansprüche1 bis 9 entspricht, wobei die Quarzsäule in einer geneigten Positioneingerichtet ist, erlaubt es viele Quarzsäulen anzuordnen und dadurchdie Flächeder Infrarotbestrahlung zu vergrößern.
    [0033] DieVorrichtung zur thermischen Behandlung gemäß Anspruch 11, welche der Vorrichtunggemäß einemder Ansprüche1 bis 10 entspricht, wobei die Vorrichtung so programmiert ist,dass das SiC Substrat von einer Raumtemperatur auf 1200°C oder höher in 10Sekunden bis 5 Minuten erwärmt,dann auf dieser Temperatur für10 Sekunden bis 10 Minuten gehalten wird und danach das SiC Substratauf eine Temperatur von weniger als 1200°C in 10 Sekunden bis 30 Minutengekühltwird. Mit einer derartigen Anordnung kann ein Widerstandswert desSiC Substrats, welches mit Störstellenwie zum Beispiel Phosphor, Stickstoff, Aluminium und Bor ionendotiertist, adäquatabgesenkt werden und zur gleichen Zeit kann die Verdampfung vonSi von dem SiC Substrat, welche zu den unerwünschten Unregelmäßigkeiten derOberflächeführt,verhindert werden. Auf diese Weise kann ein qualitativ hochwertigesSiC Element hergestellt werden.
    [0034] DieVorrichtung zur thermischen Behandlung gemäß Anspruch 12, welche der Vorrichtunggemäß Anspruch11 entspricht, wobei die Vorrichtung so programmiert ist, dass dasSiC Substrat zuerst auf eine Temperatur von weniger als 1200°C erwärmt wird, dannvon einer Raumtemperatur auf 1200°Coder höherin 10 Sekunden bis 5 Minuten erwärmtund danach auf eine Temperatur von weniger als 1200°C in 10 Sekundenbis 30 Minuten gekühltwird. Auch mit einer derartigen Anordnung kann ein Widerstandswertdes SiC Substrats, welches mit Störstellen wie zum Beispiel Phosphor,Stickstoff, Aluminium und Bor ionendotiert ist, adäquat abgesenktwerden und zur gleichen Zeit kann die Verdampfung von Si von demSiC Substrat, welche zu den unerwünschten Unregelmäßigkeitender Oberflächeführt,verhindert werden. Auf diese Weise kann ein qualitativ hochwertigesSiC Element hergestellt werden.
    [0035] Detailsder vorliegenden Erfindung werden aus der Beschreibung von bevorzugtenAusführungsformendeutlich, welche im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungengegeben wird.
    [0036] 1 zeigtdie als ein Resultat der Erwärmungdurch die Infraroterwärmungund/oder die Hochfrequenzerwärmungauftretende Temperaturverteilung, wobei A die als ein Resultat der alleinigen Infraroterwärmung auftretendeTemperaturverteilung zeigt, B die als ein Resultat der alleinigenHochfrequenzerwärmungauftretende Temperaturverteilung zeigt und C die als ein Resultatder Infraroterwärmungund der Hochfrequenzerwärmungauftretende Temperaturverteilung zeigt. 2 ist eineTeilansicht einer Vorrichtung zur thermalen Behandlung gemäß der Erfindung. 3 zeigtein Beispiel einer Schildstruktur. Während die dargestellte Schildstrukturaus Tantal hergestellt ist, kann diese Schildstruktur auch aus Wolfram,Molybdän,Kohlenstoff oder mit SiC beschichtetem Kohlenstoff hergestellt sein. 4 zeigt dieAnordnung der Infrarotlampen. Wie dargestellt, sind eine Vielzahlvon Infrarotlampen überund/oder unter einem Probengestell angeordnet. 5 istein Graph, welcher einen gemessenen Verlauf eines Temperaturanstiegsin dem Substrat, welches einen Durchmesser von 2 inches hat, darstellt,wenn nur die Hochfrequenzerwärmunggenutzt wird, wobei eine durchgezogene Linie die Temperatur in derzentralen Zone anzeigt und eine gestrichelte Linie die Temperaturin der peripheren Zone anzeigt. 6 ist einGraph, welcher einen gemessenen Verlauf eines Temperaturanstiegsin dem Substrat, welches einen Durchmesser von 2 inches hat, darstellt,wenn die Hochfrequenzerwärmungund die Infraroterwärmung genutztwerden. In diesem Graph wurde der Verlauf des Temperaturanstiegsgemessen, wobei die ersten etwa 50 verstrichenen Sekunden das durchdie Verwendung der Infraroterwärmungalleine erzielte Ergebnis anzeigen und der danach gemessene Verlauf desTemperaturanstiegs das Ergebnis anzeigt, welches durch die Verwendungder Hochfrequenzerwärmungund der Infraroterwärmungerreicht wird. Die durchgezogene Linie zeigt die Temperatur in derzentralen Zone an und die gestrichelte Linie zeigt die Temperaturin der peripheren Zone des Substrats an.
    [0037] Voneiner Infrarotlampe 1 emittierte Infrarotstrahlen werdendurch einen elliptischen Rotationsreflektor 2 gesammelt,dann durch eine Infrarotwellenleiter-Quarzsäule 3 zu einer Endoberfläche der Quarzsäule 3 geführt undeine Probe 12 und ein Probengestell 10 werdenmit von der Endoberflächeder Quarzsäule 3 kommendenInfrarotstrahlen bestrahlt. Leerer Raum ist um den elliptischenRotationsreflektor 2 vorgesehen und dieser leere Raum istmit einem Einlass 18 und einem Auslass von Kühlwasserversehen, so dass der Reflektor 2 mit Wasser gekühlt werdenkann. Alternativ ist es möglich,den leeren Raum so zu konstruieren, dass die Wasserkühlung durch Luftkühlung ersetztwerden kann. Das Probengestell 10 muss aus elektrisch leitendemMaterial gebildet sein. Gemäß der Erfindungwird diese Anforderung dadurch verwirklicht, in dem das Probengestell 10 auseinem metallischen Material geformt ist, welches einen ausreichendhohen Schmelzpunkt hat, um einer vorgegeben hohen Temperatur zuwiderstehen, wie zum Beispiel Wolfram, Molybdän und Tantal. Alternativ istes möglich,das Probengestell 10 aus Kohlenstoff von hoher Reinheitzu bilden, welcher im Wesentlichen frei von metallischen Unreinheiten,wie zum Beispiel Titan, Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt,Nickel oder Kupfer ist, oder durch Kohlenstoff von hoher Reinheit,von welchem Stickstoff, Bor, Aluminium oder Phosphor, welche allein der Lage sind Unreinheiten vom N-Typ oder P-Typ zu bilden, soperfekt wie möglichentfernt wurde, oder aus Kohlenstoff, dessen Oberfläche mitSiC beschichtet ist.
    [0038] DieWärmeleitungvon dem Probengestell 10, welches durch Infrarotstrahlenaufgeheizt wird, verursacht einen Temperaturanstieg der Probe 12, welchezum Beispiel aus dem SiC Substrat besteht. Andererseits heizt eineinduktive Erwärmungdurch Hochfrequenzwellen, welche einer Hochfrequenzwicklung 7 voneinem Hochfrequenzoszillator zugeführt wird, das Probengestell 10 undverursacht somit einen Temperaturanstieg der Probe 12 durch thermischeKonduktion. In dem Fall der Probe 12, welche elektrischleitend ist, wird auch die Probe 12 selbst durch eineninduktiven Heizeffekt durch Hochfrequenzwellen erwärmt. UmWärmedissipationzu verhindern, ist eine Schildplatte 11 vorgesehen. Wenndiese Schildplatte 11 aus elektrisch leitendem Materialhergestellt ist, würdeeine Temperatur der Schildplatte 11 selbst, ähnlich zudem Probengestell 10, ansteigen und die das Probengestell 10 umgebendenBauteile erwärmen,wie zum Beispiel das Quarzrohr 6 für das Kühlwasser, was schließlich zur Zerstörung, zumBeispiel durch Schmelzen oder Spalten, führen würde. Um dieses unerwünschte Problemzu vermeiden, sollte ein Spalt 20 vorgesehen werden, umeinen induzierten Strom zu unterbrechen, wie in 3 gezeigt,wenn die Schildplatte 11, ähnlich wie das Probengestell 10,aus einem metallischen Material mit hohem Schmelzpunkt gemacht ist,wie zum Beispiel Wolfram, Molybdänoder Tantal oder Kohlenstoff von hoher Reinheit oder mit SiC beschichteterKohlenstoff. Gemäß der Erfindunghat ein solcher Spalt eine Abmessung von 4 mm. Wenn der Spalt vergrößert wird,um den Effekt des unterbrochenen induzierten Stroms zu verstärken, verringert sichdementsprechend der Schildeffekt. Davon ausgehend sollte der Spaltdimensioniert werden, um in der Größenordnung von 1 mm oder größer zu sein aberwobei der gewünschteSchildeffekt beibehalten wird. Die Schildplatte 11 kannmit einer Klappe 22 versehen sein, welche eine Öffnung 21 aufweist, durchwelche die Infrarotwellenleiter-Quarzsäule 3 durchgestecktwird.
    [0039] Umeinen Effekt von Infrarotbestrahlung zu maximieren, bewegt ein Hub-und Senkmechanismus 9 die Infrarotwellenleiter-Quarzsäule 3 vertikal, sodass die Temperatur so schnell wie möglich ansteigen kann und dieTemperatur so gleichmäßig wie möglich verteiltwerden kann. Wenn die Endoberflächeder Infrarotwellenleiter-Quarzsäule 3 verschmiert ist,wird die Übertragungder Infrarotstrahlen als auch der Temperaturanstieg behindert. Umdieses Problem zu lösen,ist eine Quarzplatte 13 auf dem Probengestell 10 platziertund dadurch wird das Problem umgangen, dass irgendwelche von demProbengestell 10 kommenden Unreinheiten an der Endoberfläche derInfrarotwellenleiter-Quarzsäule 3 anhaften unddiese kontaminieren. Nimmt man die Tatsache in Betracht, dass diethermische Behandlung in verschiedenen Atmosphären durchgeführt wird,zum Beispiel Vakuum, Argon, Stickstoff, Helium oder Wasserstoff,sind die Komponenten der direkt für die thermische Behandlungdienenden Ausrüstunginnerhalb einer Vakuumkammer 4 angeordnet, welche mit einemVakuumpumpenausgangsanschluss 8 versehen ist, welche miteiner Vakuumpumpe in Verbindung steht, und einem Gaseinlassanschluss 16.
    [0040] Außerhalbder Schildplatte 11 sind die koaxiale doppelte Quarzröhre 6 unddas Kühlwasserrohr 5 vorgesehen,um der Befürchtungentgegenzutreten, dass eine Temperatur in der Nähe des Probengestells 10 übermäßig ansteigenkönnteund die Ausrüstungzerstörtwerden könnten.Die Temperatur der Probe kann mittels eines Thermoelements und eines Infrarot-Temperatursensorsgemessen werden und die Steuerung der Temperatur ist ebenfalls möglich. Essind ein Temperatursensor Abnahmeanschluss 14 vorgesehen,durch welchen eine Verkabelung des Thermoelements führt undein Temperatursensoranschluss 15 für den Infrarot-Temperatursensor.Währendein Paar der Infrarotlampen in der bestimmten, in 2 abgebildetenAusführungsform übereinandervorgesehen sind, ist die Anordnung der Infrarotlampen nicht aufdieses Ausführungsformbeschränkt.Die Probe kann zum Beispiel mit Infrarotstrahlen von zwei oder dreiInfrarotlampen bestrahlt werden, welche unterhalb der Probe angeordnet sind,wie in 4(1) (2) abgebildet, oder vondrei Infrarotlampen, welche oberhalb der Probe angeordnet sind,wie in 4(3) abgebildet; oder von zweiPaaren von Infrarotlampen, welche oberhalb beziehungsweise unterhalbder Probe angeordnet sind, wie in 4(4) abgebildet;oder von einer einzelnen Infrarotlampe, welche oberhalb der Probeangeordnet ist und zwei Infrarotlampen, welche unterhalb der Probeangeordnet sind; oder von drei Infrarotlampen, welche oberhalb derProbe angeordnet sind und drei Infrarotlampen, welche unterhalbder Probe angeordnet sind, wie in 4(6) abgebildet.Auf diese Weise kann die Anzahl der Infrarotwellenleiter-Quarzsäulen erhöht werdenund dadurch kann die mit Infrarotstrahlen bestrahlte Fläche, abhängig vonder Größe des thermischzu behandelnden SiC Substrats, vergrößert werden. Um den Betriebkomfortabler zu gestalten, insbesondere um das Herausnehmen der Probe 12 zuvereinfachen, kann ausgewähltwerden, ob die Infrarotlampen alleine oberhalb der Probe angeordnetwerden sollen oder alleine unterhalb der Probe.
    [0041] 5 und 6 zeigenein Resultat einer experimentellen Aufheizung eines SiC Substratsmit einem Durchmesser von 2 inch. Die Experimente wurden unter folgendenBedingungen durchgeführt: Ausgangsleistungder Infrarotlampe: 100 V, 30 A (3 kW); Ausgangsleistung Hochfrequenz:14688 W; und Frequenz: 25,5 kHz. Für die Atmosphäre, unterwelcher die thermische Behandlung durchgeführt wurde, wurde der Luftdruckinnerhalb der Vakuumkammer durch eine Turbinenpumpe auf etwa 0,1Pascal reduziert und anschließendwurde in die Kammer Argongas, in einer Rate von 1 L/min, geleitet.Die Temperatur wurde durch den, an dem Probengestell 10 montiertenInfrarot-Temperatursensor gemessen. In dem Fall der alleinigen Aufheizungdurch die Hochfrequenzwelle (5), hatsich herausgestellt, dass die Temperatur der Probe in ihrer peripherenZone höher ist,als in ihrer zentralen Zone und die Maximaltemperatur ca. 1750°C beträgt. Diefür dieAktivierung der Störstellen,welche eingerichtet sind, um P-Typ Störstellen im SiC zu werden,nötigeTemperatur der thermischen Behandlung ist normalerweise in der Größenordungvon etwa 1800°Cund die gewünschteAktivierung kann bei der Temperatur von ca. 1750°C nicht erreicht werden. Außerdem wareine Temperaturdifferenz zwischen der peripheren Zone und der zentralenZone der Probe mit etwa 300°Cbemerkenswert. Eine derartige ungleichmäßige Temperaturverteilung machtdie elektrischen Eigenschaften des SiC Elements unweigerlich ungleichmäßig. Aufbauendauf dieser Beobachtung, ist ein derartiges Verfahren für die Massenproduktionpraktisch ungeeignet.
    [0042] Indem Fall der Aufheizung alleine durch die Infrarotlampen innerhalbweniger als 30 Sekunden (6), war die Maximaltemperaturetwa 1000°C, wasunzureichend ist, um die ionenimplantierten Störstellen in dem SiC Substratzu aktivieren. Im Gegensatz zu dem Fall, wo durch die Hochfrequenzwellenalleine geheizt wurde, wurde hier festgestellt, dass die Temperaturder Probe in der zentralen Zone höher ist, als in der peripherenZone der Probe. Insbesondere war die Temperaturdifferenz dazwischen etwa600°C, wasunvermeidlich die elektrischen Eigenschaften des SiC Elements ungleichmäßig macht unddieses Verfahren der thermischen Behandlung für die Massenproduktion ungeeignetmacht. Nachdem die Probe für30 Sekunden auf einer Temperatur von weniger als 1000°C gehaltenwurde, wurde die Hochfrequenzerwärmunggestartet. Daraufhin stieg die Temperatur schnell in 40 Sekunden aufeine Temperatur von 1800°Coder höher.Auf diese Weise erreichte die Temperatur ein ausreichend hohes Niveau,um die in das SiC Substrat implantierten Störstellen zu aktivieren. Etwa10 Sekunden nach Vollendung der thermischen Behandlung betrug dieTemperatur 1200°Coder weniger, ohne irgendwelche wesentlichen Verdampfungen von Sivon der Oberflächedes SiC. Dementsprechend war das Auftreten von Unregelmäßigkeitenauf der Oberflächedes SiC effektiv begrenzt. Auf der Oberfläche des SiC Substrats durchein Elektronenmikroskop gemessene Unregelmäßigkeiten waren im Wesentlichenwie vor der thermischen Behandlung, d.h. die Oberfläche war ausreichendglatt. Wesentliche Unregelmäßigkeiten würden dieelektrischen Eigenschaften des SiC, wie zum Beispiel einen Druckwiderstand,beeinträchtigen.Das durch die Anwendung der Vorrichtung gemäß der Erfindung erhaltene Produkthat sich als frei von solchen Beeinträchtigungen erwiesen. Die bei derthermischen Behandlung bei einer Temperatur von 1800°C auftretendeDifferenz der Temperatur zwischen der peripheren Zone und der zentralen Zonewar nur 44°Cund derartig kleine Temperaturdifferenzen beeinträchtigtennicht eine flächigeGleichmäßigkeitder elektrischen Eigenschaften des SiC Elements, welches durch dieVorrichtung gemäß der Erfindungthermisch behandelt wurde. Basierend auf dem Resultat von experimentellenMessungen, kann die Vorrichtung zur thermischen Behandlung gemäß der Erfindungals fürdie Massenproduktion geeignet angesehen werden.
    [0043] Während dasSiC Substrat als ein Beispiel der Probe beschrieben und dargestelltwurde, ist die Probe nicht auf das SiC beschränkt.
    [0044] 1 zeigteine Temperaturverteilung.
    [0045] 2 isteine Teilansicht der Vorrichtung zur thermischen Behandlung gemäß der Erfindung.
    [0046] 3 zeigtein Beispiel der Schildstruktur.
    [0047] 4 zeigteine Anordnung der Infrarotlampen.
    [0048] 5 istein Graph, welcher einen gemessenen Verlauf eines Temperaturanstiegsin dem Substrat zeigt, welches einen Durchmesser von 2 inches hat,wobei alleine die Hochfrequenzheizung genutzt wurde.
    [0049] 6 istein Graph, welcher einen gemessenen Verlauf eines Temperaturanstiegsin dem Substrat zeigt, welches einen Durchmesser von 2 inches hat,wobei die Hochfrequenzheizung und die Infrarotheizung genutzt wurde.
    [0050] Bezeichnungder in den Zeichnungen genutzten Referenznummern:
    1 Infrarotlampe 2 elliptischerRotationsreflektor 3 Infrarotwellenleiter-Quarzsäule 4 Vakuumkammer 5 Kühlwasserkanal 6 Quarzröhre 7 Hochfrequenzwicklung 8 Vakuumpumpenausgangsanschluss 9 Heb-und Senkmechanismus der Infrarotwellenleiter-Quarzsäule 10 Probengestell 11 Schildplatte 12 Probe 13 Quarzplatte 14 Temperatursensor-Abnahmeanschluss 15 Infrarot-Temperatursensoreinlassanschluss 16 Gaseinlassanschluss 17 Gasauslassanschluss 18 Eingang 19 Ausgang 20 Spalt
    CentralZone zentrale ZonePeripheralzone periphere ZoneSecondsSekundenInfraredrays InfrarotstrahlenTempertureTemperatur
    权利要求:
    Claims (12)
    [1] Vorrichtung zur thermischen Behandlung, umfassendeine Vakuumkammer, welche die Durchführung der thermischen Behandlungim Vakuum oder verschiedenen Gasatmosphären erlaubt, ein in der Vakuumkammervorgesehenes elektrisch leitendes Probengestell und eine auf demProbengestell angeordnete Probe, eine das Probengestell umgebende Hochfrequenzwicklung,einen Infrarotgenerator, welcher aus einer einzelnen oder mehrerenInfrarotwellenleiter-Quarzsäulenbesteht, die überund/oder unter der Probe angeordnet sind, eine Infrarotlampe undeinen elliptischen Rotationsreflektor, welche beide an einem Endeder Infrarotwellenleiter-Quarzsäule(n)angeordnet sind, und eine koaxiale doppelwandige Quarzröhre, welchein der Hochfrequenzwicklung angeordnet ist, so dass Kühlwasserzwischen dieser koaxialen doppelwandigen Quarzröhre fließen kann, wobei die Infrarotlampedurch Kühlwasseroder Luft, welche außerhalbder Infrarotlampe strömen, wasser-oder luftgekühltist, um die Probe vor Erwärmungdurch die Infrarotlampe zu bewahren.
    [2] Vorrichtung zur thermischen Behandlung gemäß Anspruch1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Quarzplatte zwischen der Probeund der Infrarotwellenleiter-Quarzsäule angeordnet ist.
    [3] Vorrichtung zur thermischen Behandlung gemäß Anspruch1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe und das Probengestellmit einer Schildplatte abgedeckt sind.
    [4] Vorrichtung zur thermischen Behandlung gemäß einemder Ansprüche1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Probengestell mit einerelektrisch leitenden Schildplatte abgedeckt ist, welche mit einemSpalt versehen ist, der eine Abmessung in einem Bereich von 1 mmbis 30 mm hat.
    [5] Vorrichtung zur thermischen Behandlung gemäß einemder Ansprüche1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Probengestell und/oderdie Schildplatte aus Wolfram, Molybdän oder Tantal hergestellt ist/sind.
    [6] Vorrichtung zur thermischen Behandlung gemäß einemder Ansprüche1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Probengestell und/oderdie Schildplatte aus Kohlenstoff oder mit SiC beschichtetem Kohlenstoffhergestellt ist/sind.
    [7] Vorrichtung zur thermischen Behandlung gemäß einemder Ansprüche1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenzwelle eineFrequenz von weniger als 50 kHz hat.
    [8] Vorrichtung zur thermischen Behandlung gemäß einemder Ansprüche1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiter einen Mechanismusumfasst, welcher eingerichtet ist, um einen Abstand zwischen einerEndoberflächeder Quarzsäuleund der Probe in einem Bereich von 0,5 nun bis 20 mm einzustellen.
    [9] Vorrichtung zur thermischen Behandlung gemäß einemder Ansprüche1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiter ein Probentemperatursteuerungsmittelumfasst, welches eingerichtet ist, um eine Temperatur des Probengestellsoder der Probe selbst mittels eines Pyrometers oder eines Thermoelementszu messen, und somit einen Spannungs- oder Stromwert zu steuern,welcher der Infrarotlampe oder der Hochfrequenzwicklung zugeführt wird.
    [10] Vorrichtung zur thermischen Behandlung gemäß einemder Ansprüche1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Quarzsäule in einer geneigten Positioneingerichtet ist.
    [11] Vorrichtung zur thermischen Behandlung gemäß einemder Ansprüche1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung so programmiertist, dass das SiC Substrat in 10 Sekunden bis 5 Minuten von einerRaumtemperatur auf 1200°Coder höher erwärmt, dannauf dieser Temperatur für10 Sekunden bis 10 Minuten gehalten wird und danach das SiC Substratin 10 Sekunden bis 30 Minuten auf eine Temperatur von weniger als1200°C gekühlt wird.
    [12] Vorrichtung zur thermischen Behandlung gemäß Anspruch11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung so programmiertist, dass das SiC Substrat zuerst auf eine Temperatur von wenigerals 1200°Cerwärmtwird, dann in 10 Sekunden bis 5 Minuten von einer Raumtemperaturauf 1200°Coder höhererwärmtund danach in 10 Sekunden bis 30 Minuten auf eine Temperatur vonweniger als 1200°C gekühlt wird.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    JP2005243667A|2005-09-08|
    US20050183820A1|2005-08-25|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2009-04-23| 8139| Disposal/non-payment of the annual fee|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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