DE2430432A1

DE2430432A1 - Rohrofen mit einem gasdurchstroemten reaktionsrohr

Info

Publication number: DE2430432A1
Application number: DE2430432A
Authority: DE
Inventors: Paul Wei-Ming Ing
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1973-06-29
Filing date: 1974-06-25
Publication date: 1975-01-16
Also published as: US3842794A; GB1420550A; FR2235487B1; JPS5024074A; FR2235487A1

Description

2430Λ32

Böblingen, den 20. Juni 1974 oe-fe

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: FI 9 72 125

■Rohrofen mit einem gasdurchströmten Reaktionsrohr

Die Erfindung betrifft einen Rohrofen mit einem gasdurchströmten Reaktionsrohr zum Behandeln von flachen Plättchen bei festgelegten Temperaturen.

Rohröfen, im folgenden auch einfach öfen genannt, werden in vielen Zweigen der Technik verwendet. Besonders hohe Anforderungen in bezug auf Temperaturkonstanz bzw. -Stabilität und auf die Gewährleistung eines vollkommen flachen Temperaturprofils im Reaktionsraum werden an Rohröfen gestellt, die in der Halbleitertechnik verwendet werden. Rohröfen, die in anderen Zweigen der Technik verwendet werden, sind - wegen der geringeren Anforderungen, die an sie gestellt werden — im allgemeinen weniger aufwendig ausgestattet, im Prinzip unterscheiden sie sich aber nicht von den öfen, die in der Halbleitertechnik Anwendung finden. Im folgenden wird deshalb nur auf solche öfen abgestellt, die auch in der Halbleitertechnik verwendet werden können, es sei aber klargestellt, daß die Anwendung dieser öfen nicht auf dieses Gebiet der Technik beschränkt 1st.

Als man zuerst daran ging. HalbleiterbauteiIe herzustellen, wurden die dafür 'benötigten Rohröfen aus den damals bereits bekannten Of entypen entsprechend den Forderungen der neuen Technologie entwickelt. Als mit dem zunehmenden Trend zu immer kleineren Abmessungen in der Halbleitertechnik die Forderungen an die Fertigungseinrichtungen immer höher wurden, wurde dem nicht dadurch

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begegnet, daß neue Rohröfen entwickelt sondern indem die alten verbessert wurden. Solche in der Halbleitertechnik verwendeten Rohröfen sind z.B. in den US-Patentsehriften 2 661 385, 2 825 222, 3 264 148, 3 299 196, 3 296 354 und 3 343 518 beschrieben. Die Hauptforderungen, die an diese Rohröfen, die hauptsächlich zum Oxydieren, Diffundieren und Tempern verwendet werden, gestellt werden, sind eine extreme Temperaturkonstanz über lange Zeiten und ein völlig flaches Temperaturprofil in dem Bereich des Reaktionsrohrs, in dem die Halbleiterplättchen prozessiert werden, auch dann, wenn Gas durch das Reaktionsrohr strömt. Beide Forderungen müssen innerhalb eines sehr kleinen Toleranzbereichs eingehalten werden. Die bekannten Rohröfen erfüllen diese Forderungen mit Hilfe einer schweren, stabilen Konstruktion und einer sehr hohen termisehen Masse, was jedoch zur Folge hat, daß diese öfen beim Abkühlen und Erhitzen termisch sehr träge sind. Die bekannten Rohröfen, die in der Halbleitertechnik verwendet werden, werden deshalb ininer auf derselben Temperatur gehalten und für jede Prozeßtemperatur wird mindestens ein Rohrofen benötigt.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Rohrofen zum Behandeln von flachen Plättchen in einem Gasstrom anzugeben, der in der Lage ist, die eingebrachten Plättchen von Raumtemperatur rasch auf die eingestellte Temperatur zu erhitzen, der bei Temperaturänderungen schnell reagiert und die zu behandelnden Plättchen rasch auf die neue, gewünschte Temperatur bringt, in dem die zu behandelnden Plättchen auch über lange Zeiten stabil auf einer eingestellten, einheitlichen Temperatur gehalten und über ihre gesamte Oberfläche gleichmäßig mit den Prozeßgasen versorgt werden können,der einen geringen verschleiß hat und leicht gewartet und bedient werden kann.

Diese Aufgabe wird mit einem Rohrofen der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Reaktionsrohr mindestens im Bereich, in dem die Behandlung stattfindet, einen rechteckigen Querschnitt hat, aus einem für die Wärmestrahlung durchlässigen Material besteht, und Leitplatten zur Erzeugung eines über den lichten Quer-

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schnitt gleichmäßigen Gasstroms enthält, daß im Reaktionsrohr ein Plättchenboot mit einer zur Decke des Reaktionsrohrs parallelen oberen Oberfläche vorhanden ist, daß das Verhältnis (B/A) von Breite (B) des Reaktionsrohrs zum Abstand zwischen den auf der oberen Plättchenbootsoberflache liegenden Plättchen und der Deckenunterseite des Reaktionsrohrs mindestens 1:1 beträgt, daß unterhalb und oberhalb von Decke und Boden des Reaktionsrohrs und parallel zu diesen Heizplatten angeordnet sind, daß die Heizenergie steuernde Temperaturregler vorhanden sind und daß das Heizplattenr-und Reaktionsrohr enthaltende Volumen mit einem Isoliermantel kleiner Wärmemasse und einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 0,33 mal 10 (cal/sec . cm«°C) umgeben ist.

Durch den mit Hilfe der Leitplatten und des richtig gewählten Verhältnisses B/A erzeugten gleichmäßigen Gasstrom über den lichten Rohrquerschnitt werden die zu behandelnden Plättchen über ihre gesamte Oberfläche gleichmäßig mit den Prozeßgasen versorgt. Die Ausbildung des Rohrquerschnitts, die Lage der zu behandelnden Plättchen im Reaktionsrohr und die Anordnung der Heizplatten zum Reaktionsrohr bewirkt, daß die zu behandelnden Plättchen zu den gleichmäßig erwärmten Heizplatten überall den gleichen Abstand haben, was, unterstützt durch die Eigenwärmeleitfähigkeit der zu behandelnden Plättchen zu einer vollständig gleichmäßigen Erwärmung der zu behandelnden Plättchen führt. Die gleichmäßige Versorgung mit den Prozeßgasen und die gleichmäßige Erwärmung stellen sicher, daß die im Reaktionsraum vorhandenen, zu behandelnden Plättchen genau identischen Bedingungen ausgesetzt sind und infolgedessen die Behandlung vollständig gleichmäßig erfolgt. Dadurch, daß das Verhältnis (B/A) mindestens den Wert eins hat, wird eine starke Wärmeabstrahlung nach der Seite verhindert. Dadurch reagieren die Plättchen und das Plättchenboot empfindlich auf Änderungen der Heizleistung, was sich bei der Konstanthaltung der Temperatur und auch bei Temperaturänderungen (s. u.) günstig auswirkt. Die eingebaute Temperaturregelung stellt sicher, daß die zu behandelnden Plättchen reproduzierbar den gewünschten Temperaturen ausgesetzt werden können. Die Genauigkeit, mit der das mög-

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lieh ist, hängt dann nur noch von der Empfindlichkeit der Temperaturregelung ab. Sehr empfindliche Geräte für die Temperaturregelung sind im Handel erhältlich. Die günstige Gestaltung des erfindungsgemäßen Ofens macht es - anders wie bei den bekannten Rohröfen - nicht notwendig, zur Sicherstellung der gleichmäßigen und reproduzierbaren Erwärmung der zu behandelnden Plättchen eine große Wärmemasse des Rohrofens vorzusehen. Die Wärmemasse des Ofens wird wesentlich durch die Wärmemasse des Isoliermantels bestimmt. Bei dem erfindungsgemäßen Rohrofen ist die Wärmemasse des Isoliermantels bewußt klein gehalten. Infolgedessen ist der erfindungsgemäße Rohrofen in hervorragender Weise dazu geeignet, die eingestellte Temperatur nach oben oder unten rasch zu ändern. Da - wiederum anders wie bei den meisten der bekannten Rohröfen - bei dem erfindungsgemäßen Rohrofen sich kein Wärme absorbierendes Material zwischen den Heizplatten und dem Reaktionsrohr befindet, d.h., eine direkte Wärmeübertragung durch Strahlung stattfindet, kann die Heizung sehr empfindlich auf die Temperatur der zu behandelnden Plättchen reagieren, was einerseits sicherstellt, daß bei einer gezielten Temperaturänderung sich die zu behandelnden Plättchen praktisch genau so schnell auf die neue Temperatur einstellen wie die Heizplatten und andererseits das Aufheizen in den Rohrofen eingebrachter, zu behandelnder Plättchen auf die gewünschte Temperatur beschleunigt wird. Außerdem läßt sich bei dieser Art der Wärmeübertragung die Temperatur der Plättchen und des Plättchenboots besonders empfindlich regeln. Der erfindungsgemäße Rohrofen ist sehr einfach konstruiert, was seine Wartung sehr erleichtert. Das Plättchenboot, auf dem die zu behandelnden Plättchen flach liegen, ist leicht zu beladen und läßt sich leicht in den Ofen schieben. Hinzu kommt die erwähnte schnelle Reaktion des Ofens auf Reaktionsänderung. Aus diesen Gründen ist die Bedienung des Ofens sehr einfach und er eignet sich ausgezeichnet für eine fabrikmäßige verwendung.

Es ist-vorteilhaft, wenn das Reaktionsrohr aus klarem, durchsichtigen Quarzglas besteht, weil dieses Material für die Wärmestrahlung sehr gut durchlässig ist.

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In vorteilhafter Weise wird eine gleichmäßige Versorgung der zu behandelnden Plättchen mit den Reaktionsgasen erreicht, wenn im Reaktionsraum zwischen dem Einlaß der Reaktionsgase und dem Raum, wo die Behandlung stattfindet, mindest je eine über die Breite des Reaktionsrohrs sich erstreckende und auf dem Boden stehende bzw. von der Decke hängende und in einem festgelegten Abstand von der Decke bzw. vom Boden endende Leitplatte vorhanden sind.

Die Wärmeübertragung von den Heizplatten zu den zu behandelnden Plättchen kann noch verbessert und intensiviert werden und die erzeugte Wärme kann noch besser auf die zu behandelnden Plättchen konzentriert werden, wenn das Plättchenboot aus einem die Wärmestrahlung absorbierenden Material besteht. Das Absorbieren der Wärmestrahlung durch das Plättchenboot wird in vorteilhafter Weise erreicht, wenn das Plattchenboot aus oberflächlich aufgerauhtem Quarzglas besteht.

Die Wärmeübertragung von den Heizplatten auf die zu behandelnden Plättchen, bzw/ das Verhältnis zwischen der auf die zu behandelnden Plättchen bzw. dem Plättchenboot eingestrahlten und von der von diesen abgestrahlten Wärmeenergie ist besonders günstig und die Erwärmung der zu behandelnden Plättchen und ihre Versorgung mit den Prozeßgasen ist besonders gleichmäßig, wenn das Verhältnis B/A, wobei B gleich der Breite des Reaktionsrohrs und A gleich'dem Abstand der oberen Oberfläche der zu behandelnden Plättchen von der Unterseite der Decke des Reaktionsrohrs sind, zwischen 7:1 und 30:1 liegt, wobei ein Verhältnis von 18:1 sich als besonders vorteilhaft erwiesen hat. *

Die Temperaturcharakteristik des Rohrofens wird auch vorteilhaft beeinflußt, wenn das Plättchenboot so hoch ist, daß die obere Oberfläche der zu behandelnden Plättchen von der Decke und dem Boden des Reaktionsrohr etwa denselben Abstand haben.

Es ist vorteilhaft, wenn die Heizplatten aus einem*elektrisch isolierenden Material bestehen, dessen Wärmeleitfähigkeit zwischen 1,24 .1O~ und 16,5 . 10 (cal/sec.cm. ⁰C) liegt. Dieser Bereich

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der Wärmeleitfähigkeit gewährleistet, daß sich die Heizplatten auf einer gleichmäßigen Temperatur befinden und infolgedessen über ihre Oberfläche gleichmäßig Temperatur abstrahlen. Es ist vorteilhaft, wenn die heißen Lötstellen der zur Temperaturregelung gehörenden Thermoelemente zwischen den Heizplatten und dem Reaktionsrohr positioniert sind. Eine Temperaturmessung an dieser Stelle erlaubt im Fall des Betriebs bei einer stabilen Temperatur eine schnelle und empfindliche Reaktion auf geringe Abweichungen von der Solltemperatur der zu behandelnden Plättchen und bewirkt im Fall von gewünschten Temperaturänderungen bzw. beim Beschicken des Rohrofens mit kalten zu behandelnden Plättchen, daß die Heizleistung auf den Unterschied zwischen der Soll- und Isttemperatur der zu behandelnden Plättchen optimal abgestimmt ist.

Es ist vorteilhaft, wenn das Material, aus dem der Isoliermantel

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besteht, eine zwischen etwa 0,33 . IO und etwa 0,45 . IO (cal/sec . cm . ⁰C) liegende Wärmeleitfähigkeit und eine zwischen etwa 6,8 und etwa 15,5 s. liegende Masse hat. Bei kleineren Wärmeleitfähigkeiten und größeren Massen reagiert der Ofen zu langsam auf Temperaturänderungen. Bei größeren Wärmeleitfähigkeiten und kleineren Massen ist eineunnötig hohe Heizleistung zur Aufrechterhaltung der Temperatur im Ofen erforderlich und der Ofen reagiert zu empfindlich auf Temperatureinflüsse von außen.

Es ist vorteilhaft, wenn der vom Isoliermantel umschlossene Baum eine Gaseinlaß- und eine Gasauslaßöffnung hat. Diese Ausgestaltung erlaubt in Fällen, in denen eine besonders schnelle Abkühlung des Rohrofens erwünscht ist, den Kühlvorgang durch Einleiten von kaltem Gas zu beschleunigen.

Der erfindungsgemäße Rohrofen ist besonders vorteilhaft, wenn mehrere aufeinanderfolgende Hochtemperaturverfahrensschritte, die bei unterschiedlichen Temperaturen ablaufen, durchzuführen sind. Während bei Verwendung der bekannten öfen, bei denen die Einstellung auf eine neue Temperatur sehr lange dauert und die

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deshalb normalerweise auf eine feste Temperatur eingestellt sind und infolgedessen nur für einen Verfahrensschritt zur Verfügung stehen, die Auslastung häufig schlecht ist, kann bei dem erfindungsgemäßen Rohrofen eine Änderung der Temperatur und die Gleichgewichtseinstellung auf die neue Temperatur sehr schnell vorgenommen werden, und es ist deshalb möglich, den erfindungsgemäßen Rohrofen bei mehreren Verfahrensschritten zu verwenden. Er kann deshalb besser ausgelastet und vielseitiger verwendet werden, wodurch sich Rohröfen einsparen lassen.

Die Erfindung wird anhand von durch Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:

Fig. l eine perspektivische, teilweise aufgeschnittene

Ansicht einer Ausbildung des erfindungsgemäßen Rohrofens,

Fig.IA eine Zeichnung, um Details des in Fig. 1 dargestellten Rohrofens zu zeigen,

Fig. 2 eine teilweise aufgeschnittene Seitenansicht

einer Ausgestaltung des zu dem erfindungsgemäßen Rohrofen gehörenden Reaktionsrohres,

Fig, 3 eine Profilkante einer statischen Temperaturverteilung im Reaktionsrohr, wie sie mit dem erfindungsgemäßen Rohrofen erzielt werden kann und

Fig. 4 in einem Diagramm aufgetragen über die Zeit ein

dynamisches Temperaturprofil einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Rohrofens.

Wie die Zeichnungen zeigen, besteht der hier beschriebene Ofen in seiner Grundausstattung aus einem Gehäuse 1/ durch welches sich ein für Strahlungswärme transparentes Reaktionsrohr 2 erstreckt, das z.B. aus Quarzglas mit einer Wandstärke von etwa

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3,2 ram besteht und in dem sich ein Bereich 3 zinn Durchführen von Hochtemperaturprozessen befindet. Wie gezeigt/ hat das Reaktionsrohr einen rechteckigen Querschnitt mit einer inneren Breite, die zwischen 33 mm und 50,8 cm liegt und einer inneren Höhe, die im Bereich zwischen 4,8 und 25,4 mm liegt. In einer typischen Ausbildung hat das Reaktionsrohr eine innere Breite von 18,1cm, eine Höhe Iran 12,7 mm und eine Gesamtlänge von 58,5cm. Das eine Ende 4 des Reaktionsrohrs 2 ist offen, während sich das andere Ende 5 verjüngt und in einen Gaseinlaß 6 übergeht, der mittels geeigneter Röhren mit den Quellen der erforderlichen Reaktionsgase verbunden ist. Innerhalb des Reaktionsrohrs 2 und seinem verjüngten Ende 5 benachbart befindet sich eine nach unten gerichtete Leitplatte 7, deren unteres Ende von der inneren Oberfläche 8 des Bodens 9 des Reaktionsrohrs einen Abstand hat, der zwischen etwa 0,76 und etwa 6,35 mm liegt. Eine zweite Leitplatte 10 steht auf dem Boden 9 und sein oberes Ende hat von der inneren Oberfläche der Decke 11 des Reaktionsrohrs einen Abstand, der zwischen etwa 0,76 und etwa 6,35 mm liegt. Im allgemeinen verlaufen die Decke 11 und der Boden 9 des Reaktionsrohrs 2 parallel in einem bestimmten Abstand zueinander, wobei die Leitplatten 10 und 7 sich über die ganze Breite des Reaktionsrohrs 2 erstrecken. Bei einer weiter unten beschriebenen speziellen Anwendung haben die auf die gegenüberliegende Rohrwand gerichteten Enden der Leitplatten 7 und 10 je einen definierten Abstand von der ihnen gegenüberliegenden Rohrwand von etwa 1,4 mm.

Die nach oben gerichtete Leitplatte 10 kann, wenn dies gewünscht wird,- als Anschlag für eine Plättchenunterlage oder ein Plättchenboot 12 dienen, welche bzw. welches in das Innere des Reaktionsrohrs 2 eingeschoben worden ist. Es ist auf diese Weise möglich, Plättchen 13, die zwischen etwa 0,4 und 0,45 mm dick sind, in dem Reaktionsrohr bei der Durchführung der gewünschten Reaktion in eine festgelegte Position zu bringen. Bei der Anwendung des hier beschriebenen Ofens ist es im allgemeinen günstig, wenn die Plättchenunterlage 12 für Strahlungswärme undurchlässig ist und diese absorbiert. Die Strahlungswärme geht von mehreren

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Hitze ausstrahlenden Heizplatten 14 aus, wobei normalerweise vier Hitze ausstrahlende Heizplatten auf dem Reaktionsrohr 2 und vier Hitze ausstrahlende Heizplatten 14 unter dem Reaktionsrohr 2/nebeneinander angeordnet sind. .Die Lage von jeweils vier Heizplatten zueinander ist aus der Fig. 3 ersichtlich. Im allgemeinen sind die Plättchenunterlagen bzw. Plättchenboote 12 so ausgestaltet, daß die Plättchen 13 parallel zum Boden 9 des Reaktionsrohrs 9 liegen und dabei von der Decke und von dem Boden etwa denselben Abstand haben. Ein typisches Plättchenboot 12 kann aus Quarz bestehen, welches durch eine Aufrauhung der Oberfläche für Strahlungswärme unddurchlässig gemacht worden ist, und das eine Dicke hat, die zwischen etwa 1,6 und etwa 6,4 mm liegt. Bei einer speziellen Auslegung des Ofens hatte das Plättchenboot 12 eine Dicke von etwa 3,2 mm.

Das Plättchenboot 12 hat an seinem einen Ende eine Kerbe 40, in die eine Kralle 41 des vorderen Teils 42 eines Bootschiebers 43, der dazu dient, das Plättchenboot in das Reaktionsrohr 2 hineinzuschieben und aus ihm herauszuziehen, eingreift. Der vordere Teil 42 ist mittels einer Stange 45 mit dem hinteren, als Stöpsel ausgebildeten Teil 44 verbunden, der in dem offenen Rohrende steckt und den Zweck hat, den Austritt von Prozeßgasen aus dem Reaktionsrohr einzuschränken. Die Handhabung des Bootschiebers 63 wird durch einen handgriff 46, der sich auf der nach außen gekehrten Seite des hinteren Teils 44 befindet, erleichtert. Im allgemeinen ist der hintere Teil 44 so dimensioniert, daß zwischen ihm und der inneren Oberfläche des Reaktionsrohrs 2 ein Durchlaß mit einer lichten Höhe zwischen etwa O_f75 und 1,5 mm übrig bleibt. Alle Teile des Bootschiebers 43 können aus Quarz bestehen. .

Wesentlich für die Anwendung der hier beschriebenen Vorrichtung ist der Abstand (A) zwischen der inneren Oberfläche der Decke 11 und der oberen Oberfläche der Plättchen 13. Dieser Abstand ist bestimmt durch die Gestalt des Plättchenboots 12, auf dem die Plättchen 13 liegen. Das Verhältnis dieses Abstands zu der

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inneren Breite (B) des Reaktionsrohrs definiert ein kritisches Verhältnis Ä/B, welches zusammen mit den Leitplatten 7 und 10 einen gleichmäßig verteilten Gasstrom in dem Prozeßraum des Reaktionsrohrs 2 und über die Oberfläche des Plättchens 13 hinweg gewährleistet, ohne daß es Gebiete gibt, in denen das Gas nicht strömt. Im allgemeinen wird der Abstand zwischen der inneren Oberfläche der Decke 11 und der oberen Oberfläche der Plättchen zwischen etwa 3,2 und etwa 19 mm liegen. Es ist notwendig, daß dieser Abstand (A) zu der inneren Breite (B) des Reaktionsrohrs 2 paßt, damit ein günstiges Verhältnis B/A zustandekommt. Im allgemeinen wird das Verhältnis B/A im Bereich zwischen etwa 7 und eta 30 liegen und ist optimal bei etwa 18. Innerhalb des Reaktionsrohrs 2 befindet sich auch eine Drosselleitplatte 16, die von der Decke 11 nach unten gerichtet ist xmd dazu dient, die Gasströme in Richtung der Auslaßrohre 17 zu stauen. Durch diese Auslaßrohre 17 werden die Gase entfernt, was durch einen Rückdruck unterstützt wird, der durch die Injektion eines inerten Gases erzeugt wird, das aus dem Einlaßrohr 2O über die Verzweigung 19 und die Einlasse 18 in das Reaktionsrohr 2 einströmt.

Die Hitze ausstrahlenden Heizplatten 14 bestehen aus einem elektrisch isolierenden Material, dad durch eine relativ hohe termische Leitfähigkeit, die sich im Bereich von etwa 1,24 . 1O~ und etwa 16,5 · IQ (cal/sec . cm . ⁰C) bewegt, ausgezeichnet ist. Typische Materialien dieser Art sind z.B. Aluminiumoxid (Al₃O₃) von relativ hoher Reinheit und MuIlit, dessen Al₂O- -Gehalt zwischen etwa 25 und 96 Gewichtsprozent liegt. Die Rückseiten der Hitze ausstrahlenden Heizplatten tragen Furchen 25, zwischen denen ein spiralförmiges Widerstandselement 26 eingefädelt ist, welches die auszustrahlende Hitze erzeugt. Die Steuerung der Hitzeerzeugung erfolgt mit Hilfe von konventionellen Thermoelementen, welche in den Ofen hineingeschoben sind und deren heiße Lötstellen an den Stellen, die die Fig. 3 zeigen, zwischen den Hitze ausstrahlenden Heizplatten und der Decke 11 des Reaktionsrohrs 2 gegenüber den Plättchen 13 angeordnet sind.

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Die Heizelemente und das Reaktionsrohr 2 sind mit irgendeinem geeigneten Isoliermantel 28 umgeben, welcher eine Masse zwischen etwa 6,8 und 15,5 kg hat und dessen termische Leitfähigkeit im

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Bereich zwischen etwa 0,33 . 10 und etwa 0,45 . 10 (cal/sec . cm . ⁰G) liegt. Der Isoliermantel ist in dem Gehäuse 29, das zum Einpacken des Ofens dient, eingeschlossen. Ein besonders vorteilhaftes Isoliermaterial ist fasriges Aluminiumsilikat, das z. B. von der Eagle-Picker Company aus Cincinnati, Ohio bezogen werden kann und welches leicht, dimensionsstabil, sehr wirkungsvoll ist und das etwa die Hälfte der thermischen Leitfähigkeit von Schamottestein bei 1000 ⁰C hat. Ein anderer Vorteil dieses keramischen fas ri gen Materials besteht darin, daß es in Blöcken erhältlich ist, die in bequemer Weise entsprechend der einzuschließenden Ofenteile geformt werden können.

Die Fig. 2 illustriert eine andere Ausbildung des hier beschriebenen Ofens, bei dem ein abgewandeltes Reaktionsrohr 2A benutzt wird, welches für Prozeßgase verwendet werden kann, welche sich mit Luft, d.h. mit Sauerstoff, vertragen. In dem abgewandelten Reaktionsrohr sind die Auslaßrohre 17 ebenso wie das Einlaßrohr 20 und die Einlasse 18 weggelassen. Im Gebrauch strömt das Gas aus dem Reaktionsrohr 2A durch das offene Ende, d.h. durch das Ende, durch das das Reaktionsrohr beladen wird, in die Atmosphäre, In jeder anderen Hinsicht ist das Reaktionsrohr 2A wie das Reaktionsrohr 2 gestaltet.

In der Fig. 3 ist eine^statische Pfofilkarte der termischen Charakteristik * des hier beschriebenen und in der Fig. 1 dargestellten Rohröfens. Bei der Aufnahme der statischen Profilkarte strömte Gas in den Mengen durch das Reaktionsrohr 2, wie sie weiter unten in einem Anwendungsbeispiel, bei dem Siliciumhalbleiterplättchen behandelt wurden, des Ofens angegeben sind. Die heißen Lötstellen der benutzten Thermoe leinen te waren direkt über dem Plättehenböot 12 in eine» Abstand von etwa 1,6 mm angeordnet. Zwischen den Ablesungen wurde jeweils mindestens zwei Minuten

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gewartet, damit sich die Temperatur stabilisieren konnte. Die in der-Fig. 3 angegebenen Temperaturen beziehen sich nur auf die unmittelbare Umgebung der Meßpunkte und nicht auf große Gebiete, deren Temperatur üblicherweise mittels Thermoelementen gemessen werden, die sich in einer StickstoffUmgebung befinden. Den in der Fig. 3 angegebenen Werten ist jeweils eine Neun voranzustellen, d.h. mit anderen Worten, daß der Meßwert 55 in Wirklichkeit für 9,55 steht, die Meßwerte bedeuten Thermospannungen, gemessen in Millivolt, wobei die den Millivolts entsprechenden Temperaturwerte der Tabelle zu entnehmen sind.

TABELLE
mV ⁰C

9.30 = 976

9.40 = 984

9.50 β 993

9.56 = 998

9.57 = 999
9.585 = 1000 9.596 = 1001

Die Fig. 4 zeigt in einem Diagramm ein dynamisches Temperaturprofil, in dem eine Temperaturerhöhung des hier beschriebenen Ofens von 840 auf 1050 °c und das anschließende Wiederabkühlen auf 840 °c in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt ist. Dieser Temperaturzyklus läßt sich in weniger als 66 Minuten durchführen.

Die Kurven 1 und 2 illustrieren den Temperaturverlauf, der von zwei Thermoelementen gemessen wurde, die in den Heizelementen in je einer in der Zeichnung angegebenen Zonen eingebettet waren. Es wäre auch möglich gewesen, die beiden Thermoelemente zwischen den Hitze ausstrahlenden Heizplatten und dem Reaktionsrohr zu positionieren. Die Kurven 3 und 4 zeigen die Temperaturen, die von je einem der Thermoelemente, die wie bei der Aufnahme des oben beschriebenen statischen Profils direkt über den Mittelpunkten von

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zwei Plattchenpositionen auf dem Plättchenboot positioniert waren, angezeigt wurden. Die Kurve 3 wurde in der Zone 1 und die Kurve in der Zone 2 aufgenommen. Wie aus der Fig. 4 ersichtlich ist, folgen die Temperaturen einerseits im Bereich der Heizelemente und andererseits direkt oberhalb der Plättchenposition in beiden Zonen im wesentlichen einem identischen Kurvenverlauf.

Im folgenden wird die Anwendung der hier beschriebenen öfen bei der Bildung des Gate-Oxids von Feldeffekt-Transistoren, in denen Source- und Draingebiete in vorangegangenen Operationen gebildet worden sind, beschrieben. Für diese Oxydation werden zwei öfen, wie sie hier beschrieben werden, benutzt. Der erste Ofen enthält ein Reaktionsrohr 2A, das die Ficr. 2 zeigt und der zweite Ofen enthält ein Reaktionsrohr 2, wie es d-«e Fig. 1 zeigt.

Die für die Oxydation verwendeten Siliciumsubstrate 13 haben Gate-Öffnungen in einer Oxidschicht, wobei diese öffnungen mittels eines photolithographischen Verfahrens in die Oxidschicht geätzt worden sind. Die Siliciumsubstrate 13 werden auf das Plättchenboot 12 gelegt und dieses anschließend in den ersten Ofen, der auf 1000 ⁰C erhitzt ist und durch dessen Reaktionsrohr 2A Sauerstoff mit einer Rate von 1300 cc/min strömt, geschoben und dort 72 Minuten lang gelassen. In diesem Verfahrensschritt wird ein trockenes Gate-Oxid aus Siliciumdioxid auf dem Plättchen 13 aufgewachsen. Anschließend wird das Plättchenboot 12 sofort in den zweiten Ofen überführt, der sich auf einer Temperatur von 840 °c befindet und durch dessen Reaktionsrohr 2 1182 cc Stickstoff und 118 cc Sauerstoff pro Minute strömen. Die Gase gelangen durch das Einlaßrohr 6 in das Reaktionsrohr 2. Gleichzeitig strömen 945 cc Stickstoff/min durch die Einlasse 18 in das Reaktionsrohr 2 hinein. Unter diesen Bedingungen, werden die Plättchen 13 2 bis 5 Minuten lang stabilisiert.

Nach der Stabilisierung wird durch das Einlaßrohr 6 zusätzlich 5 bis 7 Minuten lang ein Dotierungsgas in das Reaktionsrohr 2 injiziert. Der Dotierungsgasstrom bestand aus 15 cc Stick-Fi 972 125 409883/127 8

stoff/min, der 440 ppm POCl- enthielt. Das Dotierungsgas bewirkt das Niederschlagen eines Phophorsilikatglases (PSG) auf dem Substrat. Auch dieser Verfahrensschritt fand bei 840 ⁰C statt. Nach dem Ende des PSG-Niederschlags wurden der Sauerstoff und der POCl₃-dotierte Stickstoffstrom abgeschaltet und die Ofentemperatur wurde während eines 15 Minuten dauernden Temperns auf 1050 ⁰C erhöht. Das Tempern hat den Zweck, die Oberflächenladungen zu stabilisieren und die Phosphorverunreinigungen in der Siliciumoxidbedeckung des Substrats zu verteilen. Nach dem Ende des Temperns wurde der Ofen auf 840 °c abgekühlt. In der Zwischenzeit wurde das Plättchenboot herausgezogen, um die Plättchen bei Raumtemperatur abkühlen zu lassen. Die Gesamtdicke der gebildeten SiO- und PSG-Schichten betrug 675 8, wobei die PSG-Schichtdicke 110 S. betrug.

Es sei angemerkt, daß, obwohl die Abkühlung des Ofens allein durch die Steuerung der Heizenergie und der Wärmeabstrahlung des Ofens erzielt wurde, es auch durchaus möglich ist, die Abkühlung zu unterstuzten, indem ein kühlender Gasstrom durch den Ofen geschickt wird, wobei dieser Gasstrom zwischen dem Reaktionsrohr und den Hitze ausstrahlenden Heizplatten hindurchgeblasen wird.

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Claims

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ANSP küche

Rohrofen mit einem gasdurchströmten Reaktionsrohr zum Behandeln von flachen Plättchen bei festgelegten Temperaturen, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsrohr (2) mindestens im Bereich, in dem die Behandlung stattfindet, einen rechteckigen Querschnitt hat, aus einem für die Wärmestrahlung durchlässigen Material besteht und Leitplatten (7, 10) zur Erzeugung eines über den lichten Querschnitt gleichmäßigen Gasstroms enthält, daß in dem Reaktionsrohr (2) ein Plättchenboot (12) mit einer zur Decke (11) des Reaktionsrohrs (2) parallelen oberen Oberfläche vorhanden ist, daß das Verhältnis (B/A) von Breite (B) des Reaktionsrohrs (2) zum Abstand zwischen den auf der oberen Plättchen-

bootsöberfläche liegenden Platten (13) und der Decke (11) des Reaktionsrohrs (2) mindestens eins beträgt, daß unterhalb und oberhalb von Decke (11) und Boden (9) des Reaktionsrohrs und parallel zu diesen Heizplatten (14) angeordnet sind, daß die Heizenergie steuernde Temperaturregler vorhanden sind und daß das Heizplätten (14) und Reaktionsrohr (2) enthaltende Volumen mit einem Isoliermantel (28) kleiner Wärmemasse und einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 0,33 . 10~³ (cal/sec . cm . ⁰C) umgeben ist.
2. Rohrofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsrohr (2) aus klarem durchsichtigen Quarglas besteht.
3. Rohrofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Reaktiönsraum zwischen dem Einlaß (6) der Reaktionsgase und dem Raum, wo die Behandlung stattfindet, mindestens je eine über die Breite des Rohrs sich erstreckende und auf dem Boden (9) stehende bzw. von der Decke (11) hängende und in einem festgelegten Abstand von der Decke (11) bzw. vom Boden (9) endende Leitplatte (7, 10) vorhanden sind.

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4. Rohrofen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Plättchenboot (12) dem Reaktionsrohr (2) in seiner Breite angepaßt und in ihm verschiebbar ist.
5. Rohrofen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Plättchenboot (12) aus einem die Wärmestrahlung absorbierenden Material besteht.
6. Rohrofen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Plättchenboot (12) aus oberflächlich aufgerauhtem Quarzglas besteht.
7. Rohrofen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis (B/A) im Bereich zwischen 7:1 und 30:1 liegt.
8. Rohrofen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis (B/A) 18:1 beträgt.
9. Rohrofen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Plättchenboot (12) so hoch ist, daß die obere Oberfläche der zu behandelnden Platte (13) von der Decke (11) und dem Boden (9) des Reaktionsrohrs (2) etwa denselben Abstand haben.
10. Rohrofen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizplatten (14) aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen, dessen Wärmeleitfähigkeit zwischen 1,24 . 10~³ und 16,5 . io""³ (cal/sec

cm . °c) liegt und auf ihrer dem Reaktionsrohr abgewandten Seite mit einer aus einem Widerstandsdraht bestehenden elektrisch beheizten Heizspirale (26) bestückt sind.
11. Rohrofen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die heißen Lötstellen der zur

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Temperaturregelung gehörenden Thermoelemente zwischen den Heizplatten (14) und dem Reaktionsrohr (2) positioniert sind.
12.. Rohrofen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11/ dadurch gekennzeichnet, daß das Material, aus dem der Isoliermantel besteht, eine zwischen etwa 0,33 . 10 und etwa 0,45 . 10 (cal/sec. cm . ⁰C) liegende Wärmeleitfähigkeit und eine zwischen etwa 6,8 und etwa 15,5 kg liegende Masse hat.
13. Rohrofen nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Isoliermantel (28) aus fasrigem Aluminiumsilikat besteht.
14. Rohrofen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Isoliermantel (28) vom Reaktionsrohr (2) und von zwei Stirnflächen begrenzte Raum eine Gaseinlaß- und eine Gasauslaßöffnung hat.
15. · Rohrofen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14,

gekennzeichnet durch seine Verwendung bei mehreren aufeinanderfolgenden Hochtemperaturverfahrensschritten, die bei unterschiedlichen Temperaturen ablaufen.

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