JP2000505961A - 急速熱処理用炉 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ウェーハ（７）の急速熱処理に用いる炉（１）を記載する。この炉において、ウェーハ（７）をランプ（９）により加熱し、熱放射を、加熱段階中には反射性状態にある光学的切換装置（１５、１７）により反射する。ウェーハ（７）の冷却段階中には、熱を、熱吸収状態にある切換装置（１５、１７）により吸収する。この切換装置は、水素交換により水素化物を形成することができる３価の金属、例えばガドリニウムの切換フィルムを有する。水素化物の水素濃度に依存して、フィルムは熱を反射するかまたは吸収する。切換フィルム中の水素含有量を、水素分圧を変化させるか、または好ましくは、電気化学的電池中の層の積み重ねの一部を形成する切換フィルムの電位を変化させることにより、変化させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】 急速熱処理用炉 本発明は、ウェーハの急速熱処理用の炉であって、ハウジング内に、 ウェーハを支持する手段と、 熱放射をウェーハに反射することができる熱制御手段と、 ウェーハと熱制御手段との間に位置する、熱放射を発生するための手段と を備えた急速熱処理用炉に関する。 本発明はまた、ウェーハ、特に半導体ウェーハの急速熱処理方法に関する。 半導体ウェーハ（例えばケイ素）からの集積回路の製造において、急速熱処理 （ＲＴＰ）は進歩している。ＲＴＰの主要な利点は、ウェーハの温度負荷が低下 することおよびプロセスサイクル時間が低下することである。ＲＴＰ炉中で、ウ ェーハは、赤外線ランプにより加熱される。炉の内壁には、高度に熱（赤外線） 反射性である被膜が塗布されていて、定常状態サイクル中に最大の加熱速度およ び最適な温度均一性を得ている。理想的なプロセスにおいて、３００〜１１００ ℃／秒の加熱速度、１１００℃において５秒のアニール時間および１００℃／秒 の冷却速度が必要である。欠点は、冷却段階中に、ウェーハの熱含量を迅速に放 散することができないことである。一層迅速な冷却速度は、炉の高度に反射性の 壁により妨げられる。ウェーハにより発せられた熱の大部分は、ウェーハの方向 に反射されて戻る。従って、ウェーハの処理量は低下する。冷却段階中に壁が熱 を吸収し、加熱段階中に熱を反射するようにすることにより、冷却速度もまた上 昇し、従ってプロセスサイクル時間は低下する。 ドイツ国特許出願第ＤＥ−Ａ−４１４１４６６号明細書には、一列の回転可能 な薄板が下方の壁と上方の壁との間に設けられ、熱源が設けられた、ＲＴＰ用の 加工室が開示されている。これらの薄板は、これらの縦軸の周囲に機械的に回転 可能であり、熱制御手段として機能する。各薄板の一方の側には、反射性金被膜 が設けられ、他方の側には黒色表面が設けられている。加熱中に、薄板の反射性 の側は、ウェーハに曝される。ウェーハの迅速な冷却のために、黒色である薄板 の後側を、ウェーハの方向に向けて、冷却段階中にウェーハにより発せられた熱 放射を吸収する。このようにして、ウェーハの迅速な冷却を得ることができる。 欠点は、既知の炉において、反射器が機械的に駆動され、このことが、ほとんど の場合において、むしろ複雑であり、粒子形成の危険を増大することである。さ らに、熱の放散は、薄板が限定された熱容量を有するため、限定される。また、 個々の反射器を制御して、温度プロフィルの均一性を上昇させることは、厄介で ある。 本発明の目的は、熱放射の反射と吸収とを交互に、代替の方法で得る、ウェー ハのＲＴＰ用の炉を提供することにある。さらに、本発明の炉において、前述の 欠点は回避される。 本発明において、これらの目的は、最初のパラグラフで述べた炉において、熱 制御手段が、水素化物を形成することができる３価の金属を含む切換フィルムを 有する光学的切換装置を備え、このフィルムを、水素を交換することにより、熱 反射性状態である第１の状態から黒色の熱吸収状態または透明状態である第２の 状態へと可逆的に切り換えることができることを特徴とする炉により、達成され る。 本発明において用いる切換フィルムは、数種の３価の金属、例えば遷移金属Ｙ 、ＳｃおよびＬａ並びに希土類金属、例えばＧｄおよびＳｍを、水素の含有量が 低い（およそ二水素化物）組成物から水素の含有量が高い（およそ三水素化物） 組成物に、水素の交換により可逆的に転化することができるという現象を基礎と しており、この現象は、本出願人により出願された、未公開の国際特許出願第Ｗ Ｏ９６／３８７５８号明細書に記載されている。両方の組成物は、異なる光学的 特性を有する。低い水素含有量において、このような３価の金属から製造した切 換フィルムは、金属特性を有する：このフィルムは、少なくともスペクトルの赤 外線領域においては、不透明であり、反射性であるかまたは鏡状である。高い水 素含有量において、この切換フィルムは、透明である。ウェーハの加熱およびア ニール中に、この切換フィルムを反射性状態に切り換え、一方冷却中にはこの切 換フィルムを透明状態に切り換える。この例においては、炉の壁は、例えば壁に 黒色被膜を設けて、切換フィルムの透明状態において、ウェーハの熱が、（水で ） 冷却した壁に容易に放散できるようにすることにより、熱吸収性となっている。 このようにして、熱制御手段の反射性を、非機械的方法で調節し、これにより粒 子形成の危険を回避する。 切換フィルムの切り換えは、水素により起こる。切換フィルムの反射は、水素 含有量に左右される：反射は、水素含有量が上昇するに伴って低下する。分子状 水素ガスを切換フィルムに供給する場合には、反射は、水素圧が上昇するに伴っ て低下する。水素は、原子状Ｈに解離しなければならない。切換フィルムの表面 に、厚さが例えば５ｎｍのパラジウムの薄いキャップ層を設けることにより、解 離速度を上昇させることができる。この厚さにおいて、パラジウム層は、不連続 である。層の厚さは臨界的に重要ではなく、２〜２５ｎｍの範囲内で選択するこ とができる。しかし、パラジウム層の厚さにより、切換装置の最大透過が決まる ので、２〜１０ｎｍの薄層が好ましい。さらに、パラジウムキャップ層は、下に ある切換フィルムを酸化から保護する。 パラジウムに加えて、水素の解離を促進する他の触媒的に活性な金属、例えば 白金、ニッケルおよびコバルト、またはこれらの金属との合金を、キャップ層と して用いることができる。 分子状水素を、Ｈ₂を充填したボンベから炉中に、簡単な方法で通じることが できる。反射性状態にある低水素切換フィルムは、透明な高水素状態に変化する 。この転化は可逆的である：この透明フィルムを反射性状態に、加熱および／ま たは水素の排気により転化する。 本発明に係る切換フィルムは薄い。即ち、このフィルムの厚さは、２μｍ未満 である。切換フィルムの厚さは、１００〜１，０００ｎｍの範囲内であるのが好 ましい。水素が切換フィルム中に拡散しなければならないので、フィルムの厚さ により、反射性状態から透明状態への完全な転化およびその逆の速度が決まる。 好ましくは、３価の金属に加えて、切換フィルムもまたマグネシウムを含む。 Ｍｇを３価の金属に加えると、透明状態の切換フィルムの透過および不透明状態 の切換フィルムの反射が増大する。６０原子％を超えるＭｇを、例えばＧｄを含 む切換フィルムに加えると、切換フィルムの水素含有量に依存して、即ち、水素 含有量が増大するに伴って、３種の安定な状態：反射性状態、黒色吸収状態およ び透明状態が得られる。９５原子％までのＭｇを、切換フィルムに加えることが できる。これに関連して、原子百分率を、全金属含有量の百分率として、即ち水 素含有量を除外して表す。３価の金属の存在は、小量であっても、必須である。 Ｇｄに加えて、他の３価の遷移金属および希土類金属並びにこれらの金属の合金 は、同様の現象を示す。これらの金属の例は、例えば、ルテチウム（Ｌｕ）、イ ットリウム（Ｙ）およびランタン（Ｌａ）である。この例において、切換フィル ムの切り換えを、ウェーハの加熱段階中の反射性状態と、ウェーハの急速な冷却 中の黒色吸収状態との間で、実施する。この例においては、黒色吸収壁を有する 炉を提供する必要はない。好ましくは、切換装置を、炉の（水で）冷却した壁の 上に直接載置して、熱を放散させる。 ３価の金属とマグネシウムとの合金の代わりに、３価の金属の薄層とＭｇの薄 層との交互の積み重ね、例えば５０対のＭｇ｜Ｇｄ対の多層の積み重ねを用いる ことができる。このような多層は、光学的状態の間の切換速度を上昇させるとい う、追加の利点を有する。 本発明の好適例において、光学的切換装置は電気化学的電池であり、ここで切 換フィルムを電気化学的に切り換える。このことは、イオン伝導電解質により分 離された第１の電極および第２の電極を有し、第１の電極が３価の金属の水素化 物の切換フィルムを含み、従って、電極間に電位または電流を印加することによ り、水素化物を水素の交換により、低水素反射性状態から高水素透明状態または 黒色吸収状態に、および逆に、電気化学的に転化する際に、切換フィルムの反射 の変化が観察される装置により達成される。切換フィルムに水素を負荷するには 、電極間に電位を印加することにより、プロトンを電解的に還元するかまたはＨ^- イオンを酸化する。この電極／電解質界面において、例えばプロトンが原子状 水素に還元される。生成した原子状水素（Ｈ）は、反射性状態から透明状態また は黒色吸収状態への転化を発生させる。電位を変化させると、後者の状態の反射 性状態への酸化が達成される。このようにして、可逆的電気光学的スイッチが得 られる。 水素化および脱水素化の速度、および従って切換速度を上昇させるために、金 属水素化物含有切換フィルムに、電気触媒金属または合金、例えばパラジウム、 白金またはニッケルの薄層を設けることができる。これらの金属は、特に、プロ トンの水素への還元を触媒する。 電解質は、良好なイオン導体であるが、装置の自己放電を防止するために、電 子にっいては絶縁体でなければならない；好ましくは、固体状態電解質を用いる 。良好なプロトン（Ｈ⁺）導体は、水和酸化物、例えばＴａ₂Ｏ₅・ｎＨ₂Ｏ、Ｎｂ₂ Ｏ₅・ｎＨ₂Ｏ、ＣｅＯ₂・ｎＨ₂Ｏ、Ｓｂ₂Ｏ₅・ｎＨ₂Ｏ、Ｚｒ（ＨＰＯ₄）₂・ｎ Ｈ₂ＯおよびＶ₂Ｏ₅・ｎＨ₂Ｏ、Ｈ₃ＰＯ₄（ＷＯ₃）₁₂・２９Ｈ₂Ｏ、Ｈ₃ＰＯ₄（Ｍ ｏＯ₃）₁₂・２９Ｈ₂Ｏ、［Ｍｇ₂Ｇｄ（ＯＨ）₆］ＯＨ・２Ｈ₂Ｏ並びに無水化合 物、例えばＫＨ₂ＰＯ₄、ＫＨ₂ＡｓＯ₄、ＣｅＨＳＯ₄、ＣｅＨＳｅＯ₄、ＬｉＥｕ Ｈ₄、Ｍｇ（ＯＨ）₂並びにＭＣｅＯ₃（Ｍ＝Ｍｇ、Ｃａ、Ｂａ、Ｓｒ）のタイプ の化合物であって、Ｃｅの一部がＹｂ、ＧｄまたはＮｂで置換された化合物であ る。また、ガラス、例えばアルカリ非含有リン酸ジルコニウムガラスを用いるこ とができる。良好なイオン（Ｈ₃Ｏ⁺）導体の例は、ＨＵＯ₂ＰＯ₄・４Ｈ₂Ｏおよ びオキソニウムβ−アルミナである。良好なＨ^-イオン導体の例は、ＣａＣｌ₂／ ＣａＨ₂、Ｂａ₂ＮＨおよびＳｒＬｉＨ₃である。 種々の物質、例えば水素化パラジウム並びに透明な（亜）酸化物、例えばＴｉ Ｏ₂、ＷＯ₃、ＮｉＯ_z、Ｒｈ₂Ｏ₃およびＶ₂Ｏ₅を、対極または第２の電極として 用いることができる。これらの物質に水素を、水素雰囲気中でスパッタリングす るかまたは別途の工程で電気化学的に負荷することができる。また、水素化物形 成金属間ＡＢ₂およびＡＢ₅化合物、例えばＴｉＮｉ₂およびＬａＮｉ₅を用いるこ とができる。 切換装置の層を上に設けることができる基板としては、金属、例えばステンレ ススチール、あるいは透明物質、例えばガラス、石英、または酸化アルミニウム を用いることができる。これらの基板を単独とするか、またはこれらの基板は炉 の壁の一部を形成する。切換フィルムの状態の１つが透明状態であり、壁の熱吸 収性質をウェーハの冷却状態中に用いる場合には、基板を含む層の積み重ね全体 が、透明でなければならない。 切換フィルムおよび切換装置の他の薄層を、基板上に、従来の方法、例えば真 空蒸発、スパッタリング、レーザアブレーション、化学蒸着または電気めっきに より、設けることができる。また、無機酸化物電解質を、ゾル−ゲル方法により 製造することができ、ここで出発物質としては、適切なアルコキシ化合物を用い る。 本発明に係る電気化学的光学切換装置における層の順序の１つの例は、以下の 通りである： 基板｜Ｐｄ｜ＬｉＥｕＨ₄｜ＧｄＭｇＨ_x｜ＳｉＯ₂ この形態において、ＧｄＭｇＨ_xは、最初は、低水素反射性状態（ｘ＜≒２） である一方、パラジウム対極に水素が負荷される。この状態を、ウェーハの加熱 段階中に用いる。負の電位をＧｄＭｇＨ_xフィルムに印加すると、プロトンがパ ラジウムからＬｉＥｕＨ₄電解質により輸送され、ＧｄＭｇ_xフィルムにおいて還 元される。この電気化学的反応により、ＧｄＭｇＨ_xは、 GdMgH_{x+ δ}（高水素状 態；ｘ＋δ≒２．７）に転化され、これは黒色であり、吸収性である。この状態 を、ウェーハの冷却段階中に用いる。この切換プロセスは、可逆的である。正の 電位を GdMgH_{x+ δ}フィルムに印加すると、このフィルムは水素を失い、装置は 再び反射性となる。この切換プロセスを多数回繰り返すことができ、これを、２ Ｖ以内の低い電圧で起こすことができる。スパッターしたＳｉＯ₂層は、保護層 として作用する。 照明されるべきウェーハは、加熱サイクルのすべての段階、即ちウェーハ端部 がウェーハ中央部よりも高温である加熱段階、定常状態およびウェーハ端部がウ ェーハ中央部よりも低温である冷却段階中に、極めて均一な温度プロフィルを必 要とする場合かある。ウェーハにおける局所的な温度差異が大きすぎる場合には 、この温度差異は、応力の原因となることがあり、この結果ＩＣ回路に破裂が生 じうる。本発明に係る切換可能な反射器を種々のゾーンにおいて用いることによ り、マルチゾーン(multizone)ランプを電源とすることを必要とせずに、現在比 較的効率が低い多くのランプの複雑な配列を必要とするマルチゾーン温度制御を 達成することができる。円形の断面を有する炉を用い、炉に円形の切換可能な反 射器を、例えば外側、中央および内側の反射器ゾーンに備える場合には、マルチ ゾーン温度制御を、ランプの複雑な環状配列を伴わずに達成することができる。 この 場合において、比較的高い効率を有する長いハロゲン石英ランプを、尚用いるこ とができる。 前述のように、炉のハウジングは、現在２０ｍｍ（８インチ）のウェーハを加 工するのに用いられているように円形の断面または、例えば方形の断面を有する ことができる。 通常の台または３つ組のピンの列を、ウェーハを支持するための手段として用 いることができる。 熱をいくつかの手段、例えば石英ハロゲンランプまたはキセノンランプにより 発生することができる。 本発明はまた、ウェーハ、特に半導体ウェーハの急速熱処理方法に関し、この 方法は、加熱段階および冷却段階を含んでなる。加熱段階において、ウェーハを 熱放射に曝し、この熱放射は、熱反射表面によりウェーハに反射され、冷却段階 において、ウェーハにより発せられた熱放射は、熱吸収表面により吸収される。 このような方法は、前述のドイツ国特許出願第ＤＥ−Ａ−４１４２４６６号明細 書に開示されている。本発明の目的は、本発明において、さらに、熱反射および 熱吸収表面を、水素化物を形成することができる３価の金属を含む切換フィルム を有する光学的切換装置により得、このフィルムを、水素の交換により、熱反射 性状態である第１の状態から熱吸収状態または透明状態である第２の状態に可逆 的に切り換えることを特徴とする方法により、達成される。本発明において、熱 反射器を、機械的に切り換えるのではなく、水素の交換により、（電気）化学的 に切り換える。 本発明のこれらの観点と他の観点を、以下に記載する例を参照して明らかにし 、詳細に説明する。 図面において、 図１は、本発明の炉の線図的断面図であり、 図２は、本発明の炉において用いるための切換装置の線図的断面図である。実施例 図１は、本発明の炉１の線図的断面図である。この炉は、ステンレススチール ハウジング３、ウェーハ７を支持するための支持体５および、熱を発生するため の一列の長い石英ハロゲンランプ９を備える。ハウジング３には、ウェーハ７お よびプロセスガスを導入するための開放部１１および１３が設けられている。ハ ウジング３の上壁、下壁および側壁には、光学的切換装置１５および１７が設け られている。図２は、切換装置１５および１７の線図的断面図である。この切換 装置は、ステンレススチール基板２（これをハウジング３の壁の一部とすること ができる）、厚さが２００ｎｍであり、スパッタリングにより水素を負荷してあ るパラジウム対極４を備える。パラジウム層４の上に、厚さが２００ｎｍのＬｉ ＥｕＨ₄の固体状態の電解質層６が設けられている。層６の上に、厚さが２００ ｎｍのＧｄ₃₀Ｍｇ₇₀（原子％で示す）合金の切換フィルム８が、電子ビーム蒸発 により設けられている。この積み重ねの最上部に、厚さが２００ｎｍのＳｉＯ₂ の保護層１０が設けられている。層４と８とは、外部ＤＣ電源（図示せず）に接 続されている。負の電位を切換フィルム８に印加することにより、水素は、パラ ジウム層４から切換フィルム８に輸送される。切換フィルム８の位置において、 プロトンは水素に還元され、その後、高水素含有量の水素化物Ｇｄ_0.3Ｍｇ_0.7Ｈ_x （ｘ≒２．７）が生成し、この物質は黒色であり、熱吸収性である。この状態 を、ウェーハの冷却段階中に用いる。層の積み重ねを通って流れる電流を逆転さ せると、水素は、切換フィルム８からパラジウム電極４に輸送される。切換フィ ルム８において、比較的低い水素含有量を有する水素化物Ｇｄ_0.3Ｍｇ_0.7Ｈ_x（ ｘ≒２）が生成し、この水素化物は鏡状であり、熱を反射する。この状態を、ウ ェーハの加熱状態中に用いる。 切換フィルム８と対極４との間に±１Ｖ以内の電圧を印加することにより、切 換装置を、熱反射性状態と熱吸収状態との間で迅速に切り換えることができる。 このようにして、機械的に駆動される回転可能な鏡を、炉において回避すること ができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ウェーハの急速熱処理用の炉であって、ハウジング内に、 ウェーハを支持する手段と、 熱放射をウェーハに反射することができる熱制御手段と、 ウェーハと熱制御手段との間に位置する、熱放射を発生するための手段と を備えた急速熱処理用炉において、 熱制御手段が、水素化物を形成することができる３価の金属を含む切換フィ ルムを有する光学的切換装置を備え、このフィルムを、水素を交換することによ り、熱反射性状態である第１の状態から黒色の熱吸収状態または透明状態である 第２の状態へと可逆的に切り換えることができることを特徴とする、ウェーハの 急速熱処理用の炉。 ２．切換フィルムに、パラジウム、白金、コバルトおよびニッケルから成る群か ら選択された少なくとも１種の金属を含むキャップ層を設けた、請求の範囲１記 載の炉。 ３．切換フィルムが、全金属含有量に関して計算して、６０〜９５原子％のマグ ネシウムを含む、請求の範囲１または２記載の炉。 ４．光学的切換装置が、イオン伝導電解質により分離された第１の電極および第 ２の電極を有し、第１の電極が切換フィルムを含み、第２の電極が水素を含み、 従って、電極間に電位を印加することにより、金属水素化物を水素の交換により 、低水素含有量の熱反射性状態から高水素含有量の透明状態または熱吸収状態に 、および逆に、電気化学的に転化する際に、切換層の光学的反射の変化が得られ る、請求の範囲１記載の炉。 ５．ウェーハを急速熱処理する方法であって、加熱段階および冷却段階を含んで なり、この方法において、加熱段階において、ウェーハを熱放射に曝し、この熱 放射が熱反射表面によりウェーハに反射され、冷却段階において、ウェーハによ り発せられた熱放射が熱吸収表面により吸収される方法であって、 熱反射および熱吸収表面を、水素化物を形成することができる３価の金属を 含む切換フィルムを有する光学的切換装置により形成し、このフィルムを、水 素の交換により、熱反射性状態である第１の状態から熱吸収状態または透明状態 である第２の状態に可逆的に切り換えることを特徴とする、ウェーハの急速熱処 理方法。