CN1320611C - 光加热装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种以闪光灯为光源的光加热装置，可以防止硅晶片产生裂纹，由以下部分构成，封入了稀有气体的闪光灯(20)；包围该闪光灯(20)的壳体(32)；放置被该闪光灯的放射光照射的硅晶片的载物台；和控制闪光灯的发光的供电装置，其特征在于，上述载物台表面上的上述闪光灯进行一次发光时，波长范围220nm～370nm的积分放射强度A和波长范围370nm～800nm的积分放射强度B的比率B/A为1.0以上。

Description

光加热装置
技术领域
本发明涉及一种光加热装置，特别涉及一种利用光照射对硅晶片等基片进行急速加热处理的光加热装置。
背景技术
利用光照射加热硅晶片等的光照射式加热装置已为公知。
该装置用来在半导体制造工序中对晶片进行急速加热、高温保持、急速冷却，广范应用于成膜(在晶片表面形成氧化膜)、扩散(向晶片内部扩散杂质)等。关于扩散，通过离子注入向硅晶片的表层部分的硅结晶导入杂质，在这种状态下的硅晶片上，例如，通过实施1000℃以上的热处理使该杂质扩散，在硅晶片的表层部分形成杂质扩散层。
众所周知的RTP(Rapid Thermal Process)装置，为了进行硅晶片的热处理，用灯作加热源，把从该加热源放射的光对着晶片进行照射，从而可以进行急速加热，然后进行急速冷却。这种装置的加热源，是周知的卤素灯。
但是，近年来，日益要求着半导体集成电路的高集成化、细微化，例如，需要形成20nm以下的更浅的杂质扩散，用卤素灯作加热源的装置，在充分应对该要求方面有困难。
在极浅的区域实现杂质扩散的方法，使用激光照射(XeCL)，利用该激光光束以数毫米的照射宽度扫描硅晶片，从而进行热处理的装置和方法已广为公知。
但是，使用激光光束的装置非常昂贵，另外，利用束斑直径小的激光光束边扫描硅晶片表面边进行热处理，具有生产能力上的问题。
本文提出一种用闪光灯作光源，在极短时间内对硅晶片进行加热的方法。利用闪光灯进行的热处理方法，具有可以降低硅晶片的接受温度、照射时间极短的优点。但是，在使闪光灯亮灯的照射处理时或照射处理后，会产生硅晶片裂纹的问题。
发明内容
为了解决上述课题，本发明提供一种以闪光灯为热源的光加热装置，可以防止硅晶片产生裂纹。
为了解决上述课题，本发明的光加热装置由以下部分构成，封入了稀有气体的闪光灯；包围该闪光灯的壳体；放置被来自该闪光灯的放射光照射的硅晶片的载物台；和控制闪光灯的发光的供电装置，其特征在于，上述载物台表面上的上述闪光灯进行一次发光时，波长范围220nm～370nm的积分放射强度A和波长范围370nm～800nm的积分放射强度B的比率B/A为1.0以上。
封入氙等稀有气体的放电灯，在从波长220nm到800nm的全波长范围，连续发出放射光谱。因此，作为被照射物的硅晶片能够被照射到广范围的连续光谱。
根据该现象，本发明者注意到，硅晶片在距照射面的深度方向(厚度方向)，吸收特性随波长而不同，在晶片的厚度方向，所到达的光波长的光谱范围有微妙差异。
具体而言，存在把距硅晶片的照射面深度为数十nm附近强力加热的波长范围的光(短波长光)，和加热其更深层部分的波长范围的光(长波长光)，加热浅层部分的光的成分过多时，硅晶片的厚度方向的温度分布(温度梯度)变大，以此为原因，使硅晶片产生裂纹。
本发明者发现，在硅晶片的厚度方向上的浅层部分和深层部分，通过调整所吸收的光成分的比率，可以良好解决该晶片裂纹问题。
此外，本发明的特征在于，来自上述闪光灯的放射光通过气密性透光部件射向上述载物台表面，该载物台表面的照射能量密度为20J/cm2以上。
本发明者发现，利用载物台表面的照射能量密度为20J/cm2以上的大能量进行光加热处理，除基于上述的晶片厚度方向的光吸收差异而造成的晶片裂纹以外，还接受着伴随灯的发光而产生的冲击波的影响。
使来自闪光灯的放射光不直接照射硅晶片，而使其透过气密性透光部件来进行照射，以此使该透光部件发挥遮断冲击波的作用，降低冲击波的影响。这里所说的“气密性透光部件”的意思是排除象网和狭缝那样的空间上连通着的透光部件，而是指利用石英玻璃等板状部件在透光部分构成空间隔板的意思。
附图说明
图1表示本发明涉及的光加热装置的整体概略构成。
图2表示本发明涉及的光加热装置的加热源闪光灯。
图3表示本发明涉及的光加热装置的供电装置的电路示例。
图4表示载物台上的放射光的光谱。
图5表示本发明的实验结果。
具体实施方式
图1表示本发明涉及的光加热装置的整体概略构成。
光加热装置10是把硅晶片W作为被处理物，具有氛围气体导入口11A和排出口11B的石英玻璃制容器11，和配置在该容器11内，用于支撑硅晶片的载物台12。在容器11的顶面(图1中的上面)设有石英平板13作为气密性透光部件。
在透光部件13的上方设有闪光灯20作为加热源，在容器11的下方设有碘钨加热灯30作为预加热单元。该加热灯30埋设在载物台12中，由容器控制电路31进行温度控制。该容器控制电路31进行载物台12的升降功能和气体导入口11A、气体排出口11B的开闭控制等。
根据该光加热装置10，导入了杂质的硅晶片W被搬入容器11内时，利用加热灯30对硅晶片W进行预加热至杂质的热扩散不成问题的规定温度，然后，通过使闪光灯20发光，向硅晶片W进行闪光放射以实施热处理。
采用这种热处理，硅晶片W的表层部分被急速加热到高温后，被急速冷却下来，并从容器11搬出。基于以下理由，最好进行预加热处理，即，把向缩小晶片的厚度方向的温度梯度和使照射面的温度上升至必要程度所需的灯中注入的能量抑制到最小。加热温度可以从300～500℃范围中选择，例如是350℃。
利用加热灯30和闪光灯20进行热处理时的晶片表面温度在1000℃以上，具体而言，是在1000℃～1300℃范围内进行热处理。这样，通过把晶片的最大温度加热到1000℃以上，可以在晶片表层部分可靠形成杂质扩散层。
闪光灯20沿着透光部件13以等间隔并行排列，用共同的反射镜32蒙盖这些闪光灯20，把该反射镜32收放在壳体34内。各闪光灯20的亮灯动作是由供电装置34控制的。
在该实施例中，内置闪光灯20的壳体33放射光的一侧形成开口，但以可以设置透光部件以覆盖该开口。
图2表示闪光灯20的概略构成。
在置管型石英玻璃制放电容器21中，例如封入氙气，封堵两端使内部被划分成放电空间。在放电空间内对置配置阳极22和阴极23，在放电容器21外面的长手方向设置着由触发带25支撑的触发电极24。
如果列举闪光灯的数值示例，放电容器内径可以从φ8～15mm范围内选择，例如是10mm，放电容器的长度可以从200～550mm范围内选择，例如是300mm。
作为封入气体的氙气的封入量可以从200～1500torr范围内选择，例如是500torr。另外，作为主发光成分，并不限定于氙气，也可用氩气和氪气来代替。此外，也可以向氙气添加水银等其他物质。
电极是以钨为主成分的烧结型电极，其外径大小可以从4～10mm范围内选择，例如是5mm，其长度可以从5～9mm范围内选择，例如是7mm。电极间距离可以从160～500mm范围内选择，例如是280mm。另外，阴极可以混入氧化钡(BaO)、氧化钙(CaO)、氧化锶(SrO)、氧化铝(Al2O3)等。
触发电极是由镍和钨形成的丝状电极，并接触放电容器。
图3表示图1所示的供电装置34，闪光灯20的亮灯电路，特别是具有相对多个闪光灯20的共同的充电电路S和对应各闪光灯的发光电路H。
充电电路S连接至交流电源AC，由开闭转换电路、变压器T、整流电路、和转换电路的控制电路构成。
整流电路的后级连接为各闪光灯而设置的发光电路H(H1、H2……Hn)。各发光电路H由防逆流二极管D、电压检测用电阻电路R、主电容器C、轭流线圈L等构成，该发光电路H连接闪光灯20。
在各闪光灯20并列设有触发电极24，该触发电极24连接至触发电路26。闪光灯20和发光电路H实际上连接有20～30个。
这种供电装置，经过转换电路给各发光电路H的主电容器C充电。主电容器C充电了足够的能量后，在触发电极24的施加作用下，使由石英玻璃组成放电容器作为电介质感应电场，同时随之使主电容器C的能量全放电，产生闪光发光。此时，用各充电电路H检测主电容器C的充电电压，同时在所有发光电路的主电容器C充电结束后，向所有触发电极同时施加电压，必须在相同时间使闪光灯一起发光。
根据这种供电装置产生的闪光灯的发光，如果列举其数值示例，主电容器C的充放电，例如1分钟反复0.5～2次，具体讲是以1次的比例反复，主电容器C例如可以从2000～5000V范围内选择，例如是4500V，用能量表示时，可以从1200～7500J范围内选择，例如，能量是6000J的电容器产生充放电，并供给各闪光灯。
闪光灯的数量可以从上述的5～30个中选择，例如是10个。照射面的光强度，在闪光灯的总数是5～30的范围内时，可以从10～50J/cm2范围内选择，例如是20J/cm2。
图4表示载物台的晶片放置面上的放射光的光谱。纵轴表示相对波长500nm强度的相对放射强度，横轴表示波长(nm)。
本发明把波长220nm～波长370nm称为短波长光，把波长370nm～波长800nm称为长波长光。短波长和长波长的光在硅晶片的厚度方向的吸收量不同。
具体而言，波长220nm～波长370nm的光以大的光强度仅加热表面极浅的部分，而波长370nm～波长800nm的光以相同程度(和短波长比较而言)的光强度加热从表面到400nm的区域。
硅晶片的厚度约725μm，为了激活通过离子注入等导入的杂质，必须加热到约100nm深。
本发明者根据上述晶片加热的相关特性发现，在从闪光灯放射的波长220nm～波长800nm范围内，通过调整短波长范围的光和长波长范围的光的强度比，可以消除晶片厚度方向上的加热状态不均衡，因此可以良好地解决晶片裂纹问题。
下面，利用实验示例说明上述短波长范围的光和长波长范围的光的强度之比与晶片裂纹的因果关系。
和图1所示的装置构成大概相同，为了方便只配置了1个闪光灯来构成简易装置，改变短波长范围的光和长波长范围的光的强度比，进行了实验。
实验规格参数是，把直径4英寸、厚725μm的硅晶片安放在内置了加热器的载物台上，把硅晶片加热到约350℃。闪光灯采用的是电极间距离160mm、内径10mm、封入的主发光成分为氙气的闪光灯。以上为相同条件，然后逐个改变发光管材料和构成，使短波长范围的光和长波长范围的光的强度比发生变化。具体而言，使发光管材料在石英玻璃内含有氧化钛(TiO2)、氧化铈(CeO2)，在数十～数百重量ppm范围内改变含有量。发光管的内径如前所述，是10mm，但改变了玻璃管的壁厚。
此处的“短波长范围”是波长220nm～370nm范围，其积分放射强度为A，“长波长范围”是波长370nm～800nm范围，其积分放射强度为B。光强度的测定是，使光纤端面朝向灯配置在载物台上，同时通过光纤被导光到瞬时分光器(光谱辐射计)，以波长分辨力0.5nm、时间分辨力5微秒，进行了测定。
积分放射强度是各波长范围的放射强度的积分值，测定一次闪光发光的合计值。
通过以上实验，短波长范围为波长220nm～370nm范围，其积分放射强度为A，长波长范围为波长370nm～800nm范围，其积分放射强度为B，放射强度比B/A是0.8、0.9、1.0、1.3、3.0、5.0时，测定了硅晶片是否有裂纹。
另外，还对在闪光灯和硅晶片间夹放窗口部件和不夹放时的两种壳体，进行了实验。
对各个条件，测定了25片硅晶片看一看有无产生裂纹。
图5表示实验结果。夹放有窗口部件时，B/A为1.0、1.3、3.0、5.0时，25片硅晶片中没有1片出现裂纹。另一方面，B/A为0.8时，8片晶片出现裂纹，B/A为0.9时，5片晶片出现裂纹。
根据该实验推测，B/A大于1.0时(含1.0)，能够以硅晶片厚度方向不产生应力的缓和温度梯度进行加热，而小于1.0时，硅晶片厚度方向的温度梯度变急剧，发生了基于应力而产生的晶片裂纹。
进一步加大B/A时，可以推测能以厚度方向更小的温度梯度对晶片进行加热。但是，为了激活通过离子注入等导入的杂质，如前所述为加热到距晶片表面100nm深的部位，考虑到更深层的均一加热，会增加不必要加热的能量消耗的比例，所以从该观点考虑不是优选状态。从该意义上讲，B/A的上限值是5.0，优选3.0。
另外，在闪光灯和硅晶片间不夹放窗口部件时，B/A在0.8～5.0范围内，全部产生晶片裂纹。这是因为闪光灯的发光能量大时，产生来自灯的冲击波，从而导致晶片产生裂纹。即，即使考虑到短波长范围的光和长波长范围的光的强度比，在闪光灯的发光能量大时，还是会受到冲击波的影响。
本发明者对这一点进行了认真研究，结果发现，晶片照射面的照射能量密度在20J/cm2以上时，会受到称为晶片裂纹的冲击波的影响。
上述实施例中，采用发光管的材料和壁厚作为改变B/A的因素，但并不受此限定，也可以采用发光管内的气压、稀有气体种类、闪光灯的投入能量等其他因素。
本发明是把“短波长范围范围设为波长220nm～370nm，“长波长范围”范围设为波长370nm～800nm，通过以波长370nm为境界，利用B/A数值为1.0来规定了本发明的作用效果，其技术构思是，规定了在晶片表面附近被吸收的短波长的光和侵入到晶片内部的长波长的光的放射强度比。
图1所示的装置在具有载物台的容器上配置了透光窗口，但也可以在具有闪光灯的壳体上设置透光窗口，也可在两方都设置透光窗口。
一次闪光发光大约为50～1000μsec，实际处理时，是对晶片实施1～10次左右，典型的是照射5次。
本发明的光处理，如前所述，配置多个闪光灯，使它们同时发光来进行照射处理。此时，各闪光灯的放射光谱自身不必完全相同，载物台照射面上的短波长的光和长波长的光的比率是重要因素。
这样，本发明的光加热装置，载物台面上的上述闪光灯进行一次发光时，使波长220nm～370nm范围的积分放射强度A和波长370nm～800nm范围的积分放射强度B的比率B/A为1.0以上，从而可以把硅晶片厚度方向的浅层部分和深层部分的光吸收比率调整均一，因此，可以良好地消除由于厚度方向的晶片内部产生应力而引发的裂纹问题。
此外，通过在闪光灯和载物台表面之间夹放气密型透光部件，即使在来自闪光灯的发光能量强大时，也不会接受其冲击波的影响，可以良好地控制晶片加热。

Claims (2)

1.一种光加热装置，由以下部分构成，封入了稀有气体的闪光灯；包围该闪光灯的壳体；放置被来自该闪光灯的放射光照射的硅晶片的载物台；和控制闪光灯的发光的供电装置，其特征在于，
上述载物台的晶片放置面的上述闪光灯进行一次发光时，波长范围220nm～370nm的积分放射强度A和波长范围370nm～800nm的积分放射强度B的比率B/A为1.0以上。
2.根据权利要求1所述的光加热装置，其特征在于，来自上述闪光灯的放射光通过气密性透光部件射向上述载物台表面，该载物台表面的照射能量密度为20J/cm2以上。
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