CN108076683B - 加热装置、基板加热装置及半导体装置的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及加热装置、基板加热装置及半导体装置之制造方法。加热装置，包括：加热器、电子反射板、布置于所述加热器与所述电子反射板之间的丝极、对所述丝极的第1端子与第2端子之间供应交流电压而使热电子从所述丝极放出的加热电源、对所述丝极与所述加热器之间供应加速电压的加速电源、和被布置为形成连接所述电子反射板与所述加热电源的路径的电阻器。

Description

加热装置、基板加热装置及半导体装置的制造方法
技术领域
本发明涉及加热装置、基板加热装置及半导体装置的制造方法。
背景技术
在半导体装置的制造中，可能需要急速加热半导体基板的步骤。尤其，对于如以碳化硅(SiC)基板为代表的具有宽能隙(wideband gap)的半导体基板的活性化用的退火，可能需要2000℃程度的高温。专利文献1记载了背面电子冲击(bombardment)加热装置。此加热装置包括：具有加热板的加热容器、反射器、布置于加热板与反射器之间的丝极、经由2个电极使丝极通电而加热的加热电源、对丝极施加加速电压的加速电源。具有加热板的加热容器被接地。加速电源在丝极与加热容器之间施加加速电压，使得丝极处于负电位。反射器与丝极彼此导通，并且处于相同的负电位。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2008－53066号公报
发明内容
发明所要解决的问题
在专利文献1所描述的构成中，丝极包括2个端子，当加热电源在2个端子之间供应交流电压时，交流电流流过丝极。由于此交流电流，使得热电子从丝极放出。在丝极的2个端子间存在电位差。由此，即使反射器与丝极的1个端子彼此导通且两者被设为相同的电位，在反射器与丝极的其他端子之间，仍存在与加热电源的2个端子间的电位差相同的电位差。此外，在丝极的2个端子之间，形成了沿着丝极的电位梯度。因此，在反射器与丝极的各部分之间存在电位差。在丝极的某部分的电位变得比反射器的电位低的时段中，从丝极的所述部分所放出的热电子被引至反射器。这样的热电子不入射到加热板，故无助于加热板的加热。因此，在加热板中形成了与丝极的所述部分面对的部分的温度比其他部分的温度低的温度分布。在通过加热板而加热的基板中也可能形成这样的温度分布。这使得无法均匀地加热基板。
认识到上述问题而作出了本发明，并且本发明提供在基板等的加热对象物的均匀加热方面有利的技术。
解决问题的技术手段
根据本发明的1个方面，提供一种加热装置，包括：加热器、电子反射板、被布置于所述加热器与所述电子反射板之间的丝极、被配置为对所述丝极的第1端子与第2端子之间供应交流电压而使热电子从所述丝极放出的加热电源、以及被配置为对所述丝极与所述加热器之间供应加速电压的加速电源，并且所述加热装置包含：被布置为形成连接所述电子反射板与所述加热电源的路径的电阻器。
发明的有益效果
根据本发明，提供了在基板等的加热对象物的均匀加热方面有利的技术。
附图说明
图1是示出根据本发明的一实施例的基板加热装置的构成的视图。
图2是示出根据本发明的一实施例的加热装置的构成的视图。
图3A是示出丝极的第1端子A、第2端子B的电位时间变化的定时图。
图3B是示出在时刻t1、t2的丝极的电位的图。
图4是示出比较例的加热装置的构成的视图。
图5是示出在比较例中发生电子反射板损失的时段的定时图。
图6A是示出比较例中的与电子反射板损失相关的模拟结果的视图。
图6B是示出比较例中的与电子反射板损失相关的模拟结果的视图。
图6C是示出比较例中的与电子反射板损失相关的模拟结果的视图。
图7是示出比较例中的与电子反射板损失相关的模拟结果的图。
图8是示出根据本发明的一实施例的加热装置中的电子反射板损失的目标的图。
图9是示出根据本发明的一实施例的加热装置中的电子反射板的电位与丝极的第1端子A的电位的定时图。
图10是示出变更例的加热装置的构成的视图。
具体实施方式
以下，将参照附图描述本发明的例示的实施例。
图1示意性地示出根据本发明的一实施例的基板加热装置100的构成。基板加热装置100包括：保持基板S的基板保持部180、被配置为对通过基板保持部180保持的基板S进行加热的加热装置101、规定处理空间192的腔室190。在处理空间192中，未图示的泵创建减压环境，基板S可在此减压环境中经受热处理。
在图2中示意性地示出加热装置101的构成。加热装置101被构成为对基板等的加热对象物进行加热。加热装置101例如包括加热器110、电子反射板120、丝极130、加热电源140、加速电源150和电阻器160。加热器110与电子反射板120被配置为彼此面对。丝极130被布置于加热器110与电子反射板120之间。
丝极130可为单回路的丝极。丝极130包括第1端子A与第2端子B。加热电源140对丝极130的第1端子A与第2端子B之间供应交流电压Vt。从而，交流电流流过丝极130，热电子从丝极130放出。交流电压Vt的最大值为例如50V，交流电压Vt的频率为例如50Hz。但是，本发明不限于这些值。由加热电源140供应至丝极130的电流的最大值可为例如约40A。
加速电源150对丝极130与加热器110之间供应直流的加速电压Va。注意，加速电源150以加热器110的电位为基准而对丝极130施加负的电位。加热器110可被接地。从而，形成从加热器110朝向丝极130的加速电场，由于此加速电场，使得热电子沿从丝极130朝向加热器110的方向被加速。加速电压Va可为例如-2000V。
从丝极130所放出、并且通过加速电源150在丝极130与加热器110之间所形成的加速电场而加速的热电子冲撞加热器110。热电子对加热器110的冲撞将热电子的动能转换为热能，使得加热器110被加热。加热器110是为了引入(draw)热电子而以诸如碳的导电材料构成的。加热器110可构成真空室114的至少一部分，真空室114规定配置丝极130及电子反射板120的真空空间112。电子反射板120反射从丝极130所放出的热电子。电子反射板120由导电性部件构成，并且被配置为面对加热器110。
电阻器160被配置为构成连接电子反射板120与加热电源140的路径170。加热电源140对丝极130供应交流电压Vt，从而构成通过丝极130、电子反射板120及路径170的闭回路CC。路径170可被构成为连接电子反射板120与闭回路CC中的节点(在此例中，为后述的第4端子D)。经由电阻器160对电子反射板120供应加速电压Va。
加热电源140包括连接到丝极130的第1端子A的第3端子C以及连接到丝极130的第2端子B的第4端子D。加速电源150对加热电源140的第4端D与加热器110之间供应加速电压Va。电阻器160可例如以连接电子反射板120与加热电源140的第4端子D的方式构成路径170。
电阻器160的电阻值Rr可为比在加热电源140对丝极130供应交流电压的状态下的丝极130与电子反射板120之间的电阻值高的值。电阻值Rr可例如具有100Ω以上且100kΩ以下的值。优选上，电阻值Rr可具有1kΩ以上且10kΩ以下的值。更优选上，电阻值Rr可具有2kΩ以上且4kΩ以下的值。电阻器160能以硅化钼合金构成。
图3A示出丝极130的第1端子A和第2端子B的电位时间变化。横轴表示时刻，纵轴表示电位。从加速电源150所供应的直流的加速电压Va被供应到丝极130的第2端子B。另一方面，将直流的加速电压Va与加热电源140所产生的交流电压Vf加算所获得的电压被供应到丝极130的第1端子A。
在图3B示出图3A的时刻t1、t2的丝极130的电位。横轴表示丝极130上的位置，纵轴表示电位。如果丝极130的电位比电子反射板120的电位低，则从丝极130所放出的热电子的一部分可被引至电子反射板120。电阻器160作用为限制经由路径170而流通的电流的大小。此表示限制从丝极130所放出的热电子被引至电子反射板120。限制从丝极130所放出的热电子被引至电子反射板120，使得可使从丝极130所放出的热电子以低损失入射到加热器110。由此，可提高加热器110的发热的面内均匀性。如上所述，根据此实施例，可通过增加电阻器160这样的简单的构成变化来提高加热器110的发热的面内均匀性。
以下，将对比比较例描述设置电阻器160所获得的效果。图4示出从图1及图2所示的加热装置101去除电阻器160的构成。从加速电源150所供应的直流的加速电压Va被供应到丝极130的第2端子B。另一方面，通过加算直流的加速电压Va与加热电源140所产生的交流电压Vt所获得的电压Vf被供应到丝极130的第1端子A。加速电压Va还被供应到电子反射板120。
图5示出图4所示的比较例中电子反射板120的电位以及丝极130的第1端子A的电位的时间变化。横轴表示时间，纵轴表示电位。丝极130的第2端子B的电位是加速电压Va并且是固定的。此外，在比较例中，对电子反射板120直接供应加速电压Va，因此电子反射板120的电位为加速电压Va并且是固定的。在丝极130的电位比电子反射板120的电位低的时段中，从丝极130所放出的热电子的一部分可被引至电子反射板120。这意味着负的电流从丝极130流向电子反射板120，换句话说，正的电流从电子反射板120流向丝极130。如果这样的电流流通，则从丝极130入射到加热器110的热电子相应减少。采取以上方式使得热电子的一部分被引至电子反射板120因而入射到加热器110的热电子减少的情形将被称为电子反射板损失。
在图5中，各个带上影线的部分示出电子反射板损失。丝极130与电子反射板120之间的电位差从第2端子B朝向第1端子A增大。这意味着被引至电子反射板120的热电子的数量因丝极130的位置而异，由此入射到加热器110的热电子的数量因位置而异。从而，加热器110会产生不均匀的热分布。这可能引起基板S的热处理的不均匀性。
图6A～6C分别示出与在丝极130的第1端子A附近的电子反射板损失相关的模拟结果。图6A示出电子反射板的电位Vr(＝加速电压Va)为-2000V并且丝极的第1端A的电位Vf为-1950V的情况下的热电子的轨道。在图6A中，丝极(的第1端A)的电位Vf比电子反射板的电位Vr高，从而热电子不被引至电子反射板而入射到加热器。
图6B示出电子反射板的电位Vr(＝加速电压Va)为-2000V并且丝极的第1端A的电位Vf为-2000V的情况下的热电子的轨道。在图6B中，丝极(的第1端A)的电位Vf与电子反射板的电位Vr相等，从而热电子不被引至电子反射板而入射到加热器。
图6C示出电子反射板的电位Vr(＝加速电压Va)为-2000V并且丝极的第1端A的电位Vf为-2050V的情况下的热电子的轨道。在图6C中，丝极(的第1端A)的电位Vf比电子反射板的电位Vr低，从而热电子的一部分被引至电子反射板，导致电子反射板损失。由此，入射到加热器的电子的数量减少，发热量减少。越接近丝极130的第1端子A，电子反射损失越大。
图7示出比较例中当丝极130的第1端子A的电位Vf与电子反射板120的电位Vr(＝Va)之间的差(Vf-Vr)变化时入射到电子反射板120的热电子(电子反射板损失)的比率的变化。入射到电子反射板120的热电子的比率是通过将入射到电子反射板120的热电子的数量除以入射到加热器110的热电子的数量的值获得的值。入射到电子反射板120的电子的数量与在丝极130和电子反射板120之间流通的电流(在路径170流通的电流)成比例。此电流将被称为电子反射板电流。入射到加热器110的电子的数量与流过加速电源150的电流成比例。此电流将被称为射出电流。(Vf-Vr)为-50V的情况下，约3％的热电子入射到电子反射板120。亦即，电子反射板损失为约3％。在此情况下，使射出电流为10A时，电子反射板电流为0.3A。
使加热电源140所产生的交流电压Vt为Vm·sin(ωt)。由于Vf-Vr＝Vm·sin(ωt)，假定Vm为50V，则丝极130的第1端子A的电位Vf相对于电子反射板120的电位成为最低时(亦即，电子反射板损失成为最大时)的Vf-Vr为-50V。此时的电子反射板损失(最大值)为约3％。
在图5中加上影线的各部分中产生电子反射板损失。因此，使电子反射板损失的最大值为Lm时，电子反射板损失的时间平均为Lm/π(通过将正弦波的绝对值积分获得的值(2Lm/π)的一半)。即，电子反射板损失的时间平均为电子反射板损失的最大值的约1/3。因此，当电子反射板损失的最大值为约3％时，电子反射板损失的时间平均为约1％。透过仿真中的解析，获得电子反射板损失的时间平均为1％时的温度的降低为约6℃。
如上所述，发现：在比较例中，在加热电源140所产生的交流电压Vt的最大值为50V的情况下，在面对丝极130的第1端子A的位置与面对第2端子B的位置之间加热器110的温度差为约6℃。
以下，说明如示于图1及图2的实施例那样设置电阻器160的情况下的效果。如前所述，(Vf-Vr)为-50V的情况下的电子反射板电流为0.3A，从而丝极130与电子反射板120之间的电阻值Rs为50V/0.3A＝167Ω。设置具有电阻值Rr的电阻器160意指将电阻值Rs的电阻与电阻值Rr的电阻器160串联连接到路径170。
为了减低电子反射损失，将流过路径170(或闭回路CC)的电流减低即可。因此，将电阻器160的电阻值Rr设定为适当的值即可。在电阻器160的电阻值Rr过小的情况下，设置电阻器160的效果变小。另一方面，在电阻器160的电阻值Rr过大的情况下，电子反射板120接近浮接状态，故电子反射板120的电位可能变得不稳定。在电子反射板120的电位变得不稳定使得电子反射板120的电位比丝极130的电位低的情况下，电子反射板120与加热器110之间的电场改变，从丝极所放出的热电子的轨道发生变化，热电子入射加热器110的位置发生变化，并且加热器110的温度分布发生变化。
例如，使电子反射板120的电位不稳定的因素被考虑为从加热电源140、加速电源150等所产生的噪声。电阻器160的电阻值Rr可能依赖于所要求的规格。但是，它例如可具有100Ω以上且100kΩ以下的电阻值，优选具有1kΩ以上且10kΩ以下的电阻值，更优选具有2kΩ以上且4kΩ以下的电阻值。
以下将作为例示说明决定电阻器160的电阻值Rr的方法。前述比较例是不设置电阻器160的例子，此例中的电子反射板损失所致的温度的降低为6℃。
这里的设计目标为：通过在路径170将电阻值Rs的电阻(丝极130与电子反射板120之间的电阻)与电阻值Rr的电阻器160串联配置从而使电子反射板损失所致的温度的降低在1℃以内。在比较例中，电子反射板损失为1％时的电子反射板120的温度的降低为6℃。因此，为了使温度的降低在1℃以内，通过单纯的计算，使电子反射板损失为1％×1/6≒0.167％即可。图8示出(Vf-Vr)＝-50V时入射到电子反射板120的热电子的比率变为0.167％的特性。
仿效比较例使射出电流为10A时，与电子反射板损失为0.167％相当的射出电流的变化量ΔI(在丝极130与电子反射板120之间流通的电流)为10A×0.167％＝0.0167A。由于(Vf-Vr)＝-50V，故Rr+Rs＝50V/0.0167A≒3000Ω。丝极130与电子反射板120之间的电阻值Rs如上所述为167Ω，因此电阻器160的电阻值Rr为2.8kΩ。即，在此例子中，通过使电阻器160的电阻值Rr为2.8kΩ以上，使得加热器110的温度的降低(温度的不均匀性)可被控制在1℃以内。
图9示出在示于图1及图2的基板加热装置100(加热装置101)中的电子反射板120的电位与丝极130的第1端子A的电位。设置电阻器160，电阻器160承载电子反射板120与丝极130的第1端子A之间的电位差。从而，电子反射板120的电位根据丝极130的第1端子A的电位的降低也降低。从而，从丝极130所放出的热电子被引至电子反射板120的量减小。即，电子反射板损失减小。另外，电子反射板120的电位的降低是由于从丝极130所放出的热电子被引至电子反射板120而导致的，通过电子反射板120的电位的降低来缓和电子反射板120所致的热电子的引入。
图10示出在图1及图2所示的基板加热装置100(加热装置101)的变更例。在所述变更例中，加热电源140包括连接到丝极130的第1端子A的第3端子C和连接到丝极130的第2端子B的第4端子D，加速电源150对第4端D与加热器110之间供应加速电压Va。电阻器160构成连接电子反射板120与第3端子C的路径170。加热电源140将电流供应至丝极130，从而构成通过丝极130及电子反射板120的闭回路CC。路径170将电子反射板120与闭回路CC中的节点(此例中为第3端子C)连接。经由电阻器160对电子反射板120供应加速电压Va及交流电压Vt。在这样的连接中，电阻器160还减低在丝极130与电子反射板120之间流通的电流，并且作用为减小电子反射板损失。
以下将作为例示说明利用基板加热装置100来制造装置的装置制造方法。该装置制造方法可包含将杂质植入诸如SiC基板等的基板的步骤、和将该基板通过基板加热装置100而加热的退火步骤。该装置制造方法可进一步包含对该基板进行蚀刻的步骤、和在该基板之上形成图案的步骤等。
[符号说明]
100：基板加热装置
110：加热器
112：空间
114：真空室
120：电子反射板
130：丝极
140：加热电源
150：加速电源
160：电阻器
170：路径
180：基板保持部
190：腔室
192：处理空间
CC：闭回路
A：第1端子
B：第2端子
C：第3端子
D：第4端子

Claims (11)

1.一种加热装置，包括：加热器、电子反射板、被布置于所述加热器与所述电子反射板之间的丝极、被配置为对所述丝极的第1端子与第2端子之间供应交流电压而使热电子从所述丝极放出的加热电源、以及被配置为对所述丝极与所述加热器之间供应加速电压的加速电源，并且所述加热装置包含：
被布置为形成连接所述电子反射板与所述加热电源的路径的电阻器。
2.根据权利要求1所述的加热装置，其中，所述加热电源对所述丝极供应所述交流电压，从而构成通过所述丝极、所述电子反射板及所述路径的闭回路。
3.根据权利要求1所述的加热装置，其中，所述加热电源包括连接到所述丝极的第1端子的第3端子和连接到所述丝极的第2端子的第4端子，所述加速电源对所述第4端子与所述加热器之间供应所述加速电压，并且所述电阻器构成所述路径来连接所述电子反射板与所述第4端子。
4.根据权利要求1所述的加热装置，其中，所述加热电源包括连接到所述丝极的第1端子的第3端子和连接到所述丝极的第2端子的第4端子，所述加速电源对所述第4端子与所述加热器之间供应所述加速电压，并且所述电阻器构成所述路径来连接所述电子反射板与所述第3端子。
5.根据权利要求1所述的加热装置，其中，所述电阻器的电阻值高于在所述加热电源对所述丝极供应所述交流电压的状态下所述丝极与所述电子反射板之间的电阻值。
6.根据权利要求1所述的加热装置，其中，所述电阻器具有100Ω以上且100kΩ以下的电阻值。
7.根据权利要求6所述的加热装置，其中，所述电阻器具有1kΩ以上且10kΩ以下的电阻值。
8.根据权利要求1所述的加热装置，其中，所述电阻器包含硅化钼合金。
9.根据权利要求1所述的加热装置，其中，所述丝极是单回路的丝极。
10.一种基板加热装置，包含：
被配置为保持基板的基板保持部；和
被布置为对所述基板保持部所保持的所述基板进行加热的权利要求1限定的加热装置。
11.一种装置制造方法，包含：
将杂质植入基板的步骤；和
利用权利要求10限定的基板加热装置来加热基板的步骤。
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