CN101091235B - 热处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热处理装置，其特征在于，包括：收纳基板的处理室；设置在所述处理室的上方、并且分别照射所述基板的多个光源；内面形成为圆顶状的反射面，反射从所述各个光源发出的光的一部分并导向所述基板的第一反射镜；和分别设置于所述各个光源，反射并汇聚从各个光源发出的光、导向所述基板的多个第二反射镜，为了在配设各光源的位置形成第一焦点，并在配设所述基板的一侧形成第二焦点，各第二反射镜的反射面具有围绕该第一焦点的周围的旋转椭圆面或者与其近似的曲面的一部分。

Description

热处理装置

技术领域

本发明涉及一种通过向硅晶片等基板照射光，对该基板进行热处理的热处理装置。

背景技术

在半导体元件的制造工艺中，反复进行成膜处理、图形的蚀刻处理、氧化扩散处理、改性处理、退火处理等各种热处理。作为在极短的时间内在硅晶片等基板上实施400℃以上的高温条件下的规定热处理的热处理装置，使用一种通过向基板照射来自光源的光而迅速加热该基板的迅速加热装置(灯退火：lamp anneal)(例如，日本特开2005-101237号公报、日本特开2001-237195号公报、日本注册实用新型公报第3017978号公报、日本特开平7-29843号公报)。

在日本特开2005-101237号公报中所述的热处理装置中，作为高速加热被处理体晶片的加热单元，在灯室(lamp house)的顶部的大体整个下面安装多个光源。顶部的下面形成为由平坦面或圆锥面构成的反射面，从各个光源发出的热线被向着下方的晶片反射。而且，对于位于灯室中央部的光源，按照其热线的放射方向朝向正下方的方式而被安装，对于位于灯室的周边部的光源，按照其热线的放射方向向下方内侧倾斜的方式而被安装。由此，就使该热线的放射方向聚集在晶片的周边部。

在日本特开2001-237195号公报中所述的闪光照射加热装置中，由直管构成的若干根闪光放电灯在工件的上方并且与工件相对并列设置。在闪光放电灯的上方设置有使从各个闪光放电灯发出的闪光向下方反射的反射镜。反射镜形成为平板形状，它的两端部以规定的角度向斜下方弯曲。

在日本注册实用新型公报第3017978号中所述的电子束加热器中，在外周部具有多个散热孔的灯室内配设有内面形成为反射面的半球状的反射镜。在该反射镜的内部设置有卤素灯，从该卤素灯发出的光被反射镜的反射面反射，并以点状汇聚在设置在下方的工件上。

在日本特开平7-29834号公报中所述的热处理装置中，在由内面为圆顶状(半球状)的反射面构成的灯室的内部配设有多个光源，从这些光源发出的光被上述反射面向下方反射，并被导向半导体晶片的表面。作为光源使用直径各异的多个圆环状的卤素灯或点光源构成的多个电球型灯。

在半导体器件的制造工艺中，在进行成膜处理、图案的蚀刻处理、氧化扩散处理、改性处理、退火处理等各种热处理的情况下，需要在短时间之内将基板表面加热至规定的温度。而且在加热时，必须使在基板的各个部分的温度分布均匀。

但是，上述日本特开2005-101237号公报中所述的热处理装置以及日本特开2001-237195号公报中所述的闪光照射装置均使用反射面为平面或圆锥面的反射镜，因此，很难高密度地汇聚从各个光源发出的光并导向基板的规定位置，而且也难以均匀地加热整个基板。特别是极难应用于大口径(300mm)的基板。

另一方面，在具备半球状的反射面的日本注册实用新型公报第3017978号中所述的电子束加热器以及日本特开平7-29843号公报中所述的热处理装置中，根据立体角投射定理，能够使半球形状的平坦面(底面)中的照度分布均匀。因此，能够使基板的整个表面的温度分布均匀。但是，如果在反射镜(reflector)的焦点位置配置基板，那么，照射面积就会变小，因此，为了照射整个表面必须增加光源的数量。另一方面，如果使基板从焦点位置偏离，那么，就能够照射基板的大面积，因此，能够削减光源的数量，但另一方面就会出现光的强度变弱，加热效率下降这样的问题。而且，如果为了提高加热效率而增大流经光源灯丝的电流值并增加从光源发出的光的强度，那么，虽然能够快速地升温，但在这种情况下，就会出现光源的耐久性下降这样的问题。

发明内容

因此，本发明者对光的汇聚进行了研究，并进行了各种各样的实验。结果发现，通过使用两种反射镜构成的复合型反射镜，不仅能有效地将光源发出的光导向基板，而且还能在短时间之内升温至高温。

本发明是为了解决上述原有的问题而提出的发明，其目的在于提供一种不仅能减少从光源发出的光的损失而高密度地进行汇聚，而且还能在短时间之内使基板升温至高温的热处理装置。

为了达到上述目的，本发明是一种热处理装置，其特征在于，包括：收纳基板的处理室；设置在上述处理室的上方并且分别照射上述基板的多个光源；内面形成为圆顶状的反射面，反射从上述各个光源发出的光的一部分并导向上述基板的第一反射镜；和分别设置在上述各个光源中，反射并汇聚从各个光源发出的光然后导向上述基板的多个第二反射镜，为了在配设有各个光源的位置形成第一焦点，并在配设上述基板的一侧形成第二焦点，各个第二反射镜的反射面具有围绕该第一焦点的周围的旋转椭圆面或者与其近似的曲面的一部分。

根据本发明，从光源发出的光的一部分被第二反射镜的反射面反射，该反射光一边照射基板表面一边在第二焦点汇聚。另一方面，从光源发出并且未接触第二反射镜的直射光的一部分直接照射基板表面，而其它的部分与第一反射镜的反射面接触反射之后照射基板表面。在这种方式中，光的损失少，能够提高加热效率，并能使基板迅速升温。

优选，第一反射镜的反射面形成为半球状，上述光源横跨大致整个第一反射镜而被配设在该反射面外侧。在这种情况下，光源构成半球状的发热光源，根据立体角投射定理，半球面光源的底面的照度分布变得均匀。因此，能够实现温度分布均匀的加热，也能适用于大口径的基板。

此外，优选，各第二反射镜以相对于所述第一反射镜的光轴调整的倾斜角度而被设置，使得从各个光源发出并且被该反射镜的反射面反射的反射光互不交叉，并且分别照射应处理的基板的表面不同的特定照射区域。由此，就能更容易并且均匀地加热基板的整个表面。

附图说明

图1是表示本发明的热处理装置的一个实施方式的结构概图。

图2是图1的热处理装置的剖面图。

图3是表示基板和光源以及第二反射镜的焦点的位置关系的示意图。

图4是表示构成热电转换单元的珀耳帖元件的一个排列例子的示意图。

具体实施方式

下面，根据实施方式详细地说明本发明。

图1是表示本发明的热处理装置的一个实施方式的结构概图。图2是图1的热处理装置的剖面图。图3是表示基板和光源以及第二反射镜的焦点的位置关系的示意图。图4是表示构成热电转换单元的珀耳帖元件的一个排列例子的示意图。

如图1～图4所示，本实施方式的热处理装置1是一种在作为半导体器件的晶体管的沟道层离子注入杂质原子之后，为了稳定原子结构而进行灯退火的装置。这种热处理装置1在极短的时间之内使硅晶片(以下称基板)2的表面升温至离子活性化所需的规定的处理温度(例如1000℃～1100℃左右)，同时，需要在处理后用同样的极短时间而降温至原来的温度。其理由在于，如果加热处理时间长，那么，杂质原子就会扩散至基板2的深处并穿透至背面侧，从而形成次品。

热处理装置1具备收纳应进行热处理的基板2的腔室(处理容器)3、在腔室3的上方配设的灯室4。热处理装置1能够对直径为300mm的基板2进行热处理。

腔室3利用铝等材料形成为具有上方侧开口部6a和下方侧开口部6b的箱型。上方侧开口部6a通过透明部件7和O形环8而被气密的密闭。下方侧开口部6b通过底板5和O形环9也同样被气密的密闭。透明部件7的材质因在基板2的热处理时作为加热单元而使用的光源15的种类而各异。例如，在使用红外线灯时，使用石英等具有红外线透过性的透明材料。

腔室3的内部形成有对基板2进行热处理的处理室10。在该处理室10的内部配设有载置基板2的圆板状的载置台11、使基板2相对于该载置台11升降的升降机构(图示省略)。

载置台11隔着热电转换单元12而配设在底板5的上面。作为载置台11的材料，使用最容易吸收来自使用的光源15的光线的材料。例如，如果光源15是红外线灯，那么主要采用容易吸收红外线的SiO₂材料、AlN材料、SiC材料等制造。如果光源15是紫外线灯或者卤素灯，那么，主要采用容易吸收紫外线的Ge材料、Si材料、金属材料等制造。

基板2的升降机构(省略图示)可以由贯通载置台11并从下方支承基板2的多根自由升降的支承销以及使这些支承销升降的驱动装置等而构成。

此外，在腔室3的侧壁上设置有能够向处理室10内搬入搬出基板2的基板出入口16、将基板2的热处理所需的处理气体导入处理室10内的气体喷嘴17。作为处理气体使用N₂气体和Ar气体等化学反应性低的气体。基板出入口16通常情况下被闸阀18密闭。气体喷嘴17与气体供给源(未图示)连接。在腔室3的底部还形成有排气口19。该排气口19通过排气管20与未图示的排气单元连接。基板2的热处理时，处理室10通过排气单元而排出内部的空气，同时，从气体供给源并且通过气体喷嘴17而供给处理气体。即，处理室10内的空气被置换成处理气体。

作为热电转换单元12使用多个珀耳帖元件21。珀耳帖元件21是借助电极串联连接不同的导体和半导体的元件，是在电流经过时在接点间产生焦耳热以外的发热乃至吸热的元件。具体来讲，珀耳帖元件21可以使用能够在200℃以下的温度下耐用的Bi₂Te₃(铋碲)元件、能够在更高的温度下使用的PbTe(铅碲)元件、SiGe(硅锗)元件等形成。珀耳帖元件21通过导线23与珀耳帖控制部22电连接。珀耳帖控制部22在上述基板2的热处理时，控制供给珀耳帖元件21的电流方向和大小。

图4是珀耳帖元件21的排列的一个例子。在图4的例子中，与直径为300mm的基板2相对，60个珀耳帖元件21几乎没有缝隙地铺满载置台11的背面侧的大致整个表面。这样，珀耳帖元件21紧密配置，就能更加均匀地加热基板2和载置台11。各个珀耳帖元件21的形状并不限于四边形，也可以是圆形和六边形。此处的热电转换是指，将热能转换为电能，或者将电能转换为热能。

在底板5的内部，热介质流路26横跨底板5的平面方向的大致整个板面而形成。热介质流路26位于热电转换单元12的下方，基板2降温时供给作为热介质的制冷剂(水)。由此，从珀耳帖元件21的下面夺走温热，从而使其冷却。基板2升温时，根据需要供给调温剂。这样，从珀耳帖元件21的下面夺取冷热，将其加热。热介质流路26通过热介质导入管28和热介质排出管29与送给热介质的循环器27连接。由此，循环器27就能向热介质流路26中循环供给热介质。

灯室4具备分别通过铝等而形成的向下方开口的半球状的外壳体31以及内壳体32、保持这些外壳体31以及内壳体32的下端的环形的保持框33。该保持框33通过合页34以可向前后方向自由旋转的方式安装在腔室3的上面后端部。由此，透明部件7的上方空间被气密式覆盖。

内壳体32形成直径比外壳体31的直径略小，比基板2的直径大的半球状。并且，内壳体32的内面形成半球状的反射面36，并构成反射镜(以下，内壳体32称作第一反射镜)。反射面36被加工后施以镀金等处理，形成高反射率的反射面。

在第一反射镜32的大致整个表面上，一体的突出设置有多个第二反射镜37。在各个反射镜37内分别设置上述光源15。

如图1以及图3所示，第二反射镜37呈具有向第一反射镜32的外侧突出的两个焦点f₁、f₂的旋转椭圆体(或者与此近似的曲面)的一部分的形状。换言之，呈中空的略呈弹头形状(近似炮弹的头部形状的形状)。在第二反射镜37的头顶部形成用来安装光源15的插座38的插座孔39。第二反射镜37的开放一侧与在第一反射镜32的反射面36上形成的孔40的周边粘合。由此，第二反射镜37的内部和第一反射镜32的内部相互连通。

第二反射镜37的内面通过被实施镀金等处理而形成高反射率的反射面41。第二反射镜37的两个焦点f₁、f₂中的一个焦点f₁位于第二反射镜37的内部，并被反射面41所包围。并且，光源15的灯丝15a的位置被确定在该第一焦点f₁。而第二焦点f₂位于第二反射镜37的轴线上，位于腔室3的处理室10内的基板2的下方。

利用上述这种第二反射镜37，从各个光源15发出并被反射面41反射的反射光分别以互不交叉的方式到达应处理基板2的表面上不同的特定照射区域S1，并照射该照射区域S1。此处，为了使整个基板2的表面温度变得均匀，分别调整各个第二反射镜37相对于第一反射镜32的光轴的倾斜角度。

此处，第二焦点f₂与第一焦点f₁相对而位于基板2一侧即可，在图3中表示第二焦点f₂位于基板2的下方侧的例子，但并不局限于此，第二焦点f₂也可以位于基板2的上方。例如，也可以按照第二焦点f₂与第一反射镜32的球心一致的方式形成第二反射镜37。

热处理时，作为加热基板2的光源15是由大致为点光源构成的电球型灯，优选使用输出波长为1.17μm以下的热线的灯。使用波长为1.17μm以下的灯的理由是，在基板2是硅晶片的情况下，硅晶片的热线吸收率因热线的波长和晶片本身的温度而不同。即，波长为1.17μm左右的热线不受硅晶片的温度影响，硅晶片显示出0.5～0.7左右的高吸收率，但是，如果波长大于1.17μm，那么吸收率较大地依赖于硅晶片的温度，温度变低则吸收率也变小(透过率增大)。例如，如果硅晶片在270～600℃的范围变化，那么，与此相应，吸收率在0.1～0.7的范围变化。因此，为了使硅晶片构成的基板2高速升温，作为光源15优选使用发出波长为1.17μm以下的热线的灯，例如主要发出紫外光线的紫外线放电灯、主要发出可见光线的卤素灯和主要发出红外线的红外线灯等。其中，在本说明书中，如前所述，热线是包括从紫外光线到远红外光线的广义上概念。

如果将光源15视作点光源，那么，在从光源15发出的光42中，第二反射镜37的反射面41反射的反射光42a汇聚在第二焦点f2。但是，实际上并非是完全的点光源，因此，从光源15发出然后被反射面41反射的反射光42a的一部分不会汇聚在第二焦点f2，而是照射到其周围。而从光源15发出而不与反射面41接触的直射光42b的一部分直接照射基板2的表面。而且，从光源15发出而不与反射面41接触的直射光42b的另一部分被第一反射镜32的反射面36反射之后，照射到基板2的表面。在照射基板2的光中，被基板2吸收的量最大可达70％左右。剩余的被反射或透射。其中，在基板2被反射的光还被第一反射镜32的反射面36再次反射，于是再次照射基板2。在直射光中，照射载置台11和底板5的光为损失。通过改变第二反射镜37的大小、倾斜角度、开口直径等，能够极力缩小该损失的光线量。

光源15的数量取决于基板2的大小、每个光源在基板2上的照射面积S₁、基板2的升温速率的设计指标、整个光源15的功率、第一反射镜32的直径、反射面37的表面积等。

下面说明第一反射镜32以及第二反射镜37的设计步骤的一个例子。使用某种特定的光源15的情况下，第一反射镜32和第二反射镜37的结构可以按照如下步骤进行设计。

首先，从满足工艺条件的基板2的升温速率求出所需的整个光源的功率。

接着，从所求得的整个光源的功率和各个光源15的个别功率求出所需的光源15的数量n。

另一方面，从各个光源15的大小求出第二反射镜37的半径r。由此，通过(1)式求出所需的第一反射镜32的表面积S。

S＝nπr²+α...(1)

此处的α是修正面积的常数。

如果假设此时的第一反射镜32的半径为R，那么，第一反射镜32的表面积S也可以用(2)式表示。

S＝2πR²...(2)

由(2)式可知，第一反射镜32的半径R用下面的3(式)表示。

$R=\sqrt{\frac{S}{2\mathrm{\π}}}...\left(3\right)$

再者，此处在确定光源15之后求出各个条件，但是也可以从其它的条件确定各个条件。

在本实施方式中，对于300mm的基板2使用186个直径为15mm的红外线灯。通过上下移动基板2而改变它与光源15的距离，这样就能很容易地改变光源15在基板2上的照射面积S₁。

在外壳体31和第一反射镜32之间形成密闭空间45。在该密闭空间45中配设有水冷管46。通过向该水冷管46供给水47，第一、第二反射镜32、37被水冷却，光源15亮时灯室4的温度上升得以抑制。而且，第一反射镜32的内部通过供给的空气48而被空气冷却。

下面，说明由这种结构构成的热处理装置1对基板2的进行热处理的操作。

首先，设置在腔室3侧壁上的闸阀18被打开，应处理的基板2从基板出入口16被插入处理室10内，被载置在载置台11上。之后，闸阀18关闭，于是腔室3被密闭。接着，利用排气单元对处理室10内的空气进行真空排气，被置换成从气体供给源供给的处理气体，并被保持在规定的处理压力(例如，100～10000Pa)。

接着，在热电转换单元12的各个珀耳帖元件21上，沿着该珀耳帖元件21的上面被加热的方向使电流通电，于是基板2被预加热。预备加热温度为500～600℃左右。在该预加热温度下，被注入基板2的离子不会扩散。

基板2的温度被温度传感器检测出来。一旦该温度传感器检测出达到规定的预加热温度，该检测信号被发送到控制整个装置的控制部50。控制部50接收来自温度传感器的该检测信号，于是使所有的光源15点亮，利用它们发出的热线，使基板2的表面瞬间升温至规定的处理温度(例如，1000℃)。由此，对基板2实施闪烁退火(flash lamp anneal)(处理)。

与使光源15连续点亮时的光相比，上述闪烁退火(处理)的情况下能够照射更强的光。因此，能够在短时间之内完成升温。由此，由于能够用极短的时间完成基板2内的离子的活化，因此，离子不会扩散。

在本实施方式的热处理装置1中，使用由半球状的第一反射镜32和旋转椭圆形的第二反射镜37构成的复合型反射镜。因此，与上述现有装置相比，能够有效地对基板2进行加热。即，如上所述，在从光源15发出并照射基板2的光(被第一反射镜32反射的光、被第二反射镜37反射的光、从光源15直接照射的光)之中，被基板2吸收的光在吸收率最有效的情况下也达到70％左右，剩余的30％被反射或者透射。其中，被基板2反射的光被第一反射镜32的反射面36反射，再次照射基板2。因此，光的损失少，即使不增大光源15的发光输出，也能在短时间内将基板2加热至规定的处理温度，即能够提高加热效率。

在基板2的退火处理时，如果在基板2的各个部分都控制光源15的发光输出，例如分成中央部分和中间部分以及外侧部分三组，在每组中都进行控制，那么，基板2上的光照度分布变得均匀，能够更精确并且均匀地加热基板2的整个表面。

而且，如果对于热电转换单元12的珀耳帖元件21，也在基板2的各个部分进行温度控制，例如分成中央部分和中间部分以及外侧部分三组，在每组中都进行温度控制，那么，就能更加精确并且均匀地加热基板2的整个表面。

一旦基板2的灯退火处理结束，为了使基板2的温度高速降温，使与加热基板2时方向相反的电流经过珀耳帖元件21，于是其上面就被冷却。由此，载置台11被冷却，基板2被急速冷却。如果珀耳帖元件21的上面侧被冷却，那么，在下面侧就会产生温热。因此，此时，向热介质流路26供给冷却水，对珀耳帖元件21的下面进行冷却。向热介质流路26供给冷却水，是与切换珀耳帖元件21的通电方向大体同时进行的。基板2的温度被降至规定的温度，则打开闸阀18，在处理室10内已经过退火处理的基板2被取出到腔室3的外部，基板2的热处理工艺结束。

如上所述，采用本实施方式的热处理装置1，与现有装置相比，光的损失明显减少，不仅能将从光源15发出的大部分光导向基板2，还能高速地将基板2加热至规定的处理温度，即能够提高加热效率。通过提高加热效率，则不必增大流经光源15的灯丝15a的电流值，因此，能够提高光源15的耐久性。

再者，在上述的实施方式中，第二反射镜37的反射面41为旋转椭圆面，但也并非局限于此，也可以是接近旋转椭圆面的曲面(例如旋转抛物面)。

此外，作为基板2并非局限于硅晶片，例如也可以是液晶显示装置(LCD)用的玻璃板等。

上述实施方式是离子活化所使用的热处理装置，但是，本发明并不限定于此，也可应用于成膜工艺、图形的蚀刻处理工艺等各种工艺中所使用的各种各样的热处理装置。

Claims (5)

1.一种热处理装置，其特征在于，包括：

收纳基板的处理室；

设置在所述处理室的上方、并且分别照射所述基板的多个光源；

内面形成为圆顶状的反射面，反射从所述各个光源发出的光的一部分并导向所述基板的第一反射镜；和

分别设置于所述各个光源，反射并汇聚从各个光源发出的光、导向所述基板的多个第二反射镜，

为了在配设各光源的位置形成第一焦点，并在配设所述基板的一侧形成第二焦点，各第二反射镜的反射面具有围绕该第一焦点的周围的旋转椭圆面的一部分。

2.如权利要求1所述的热处理装置，其特征在于，

第一反射镜的反射面形成为半球状，

所述光源横跨整个第一反射镜而配设在该反射面的外侧。

3.如权利要求1或2所述的热处理装置，其特征在于，

各第二反射镜以相对于所述第一反射镜的光轴调整的倾斜角度而被设置，使得从各个光源发出并且被该反射镜的反射面反射的反射光互不交叉，并且分别照射应处理的基板的表面不同的特定照射区域。

4.如权利要求1或2所述的热处理装置，其特征在于，

所述第一反射镜的反射面形成为半球状，

各第二反射镜的第二焦点与第一反射镜的球心一致。

5.如权利要求1或2所述的热处理装置，其特征在于，

以所需光源数量为n、第二反射镜的半径为r的情况下，第一反射镜的半径R以下述式(3)表示：

$R=\sqrt{\frac{S}{2\mathrm{\π}}}---\left(3\right),$

其中，S＝nπr²+α，S为所述第一反射镜的表面积，α为修正面积的常数。

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