JP2007258286A - 熱処理装置、熱処理方法及び記憶媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】被処理体の表面の材料に影響を受けることなく面内の温度の均一性を維持したまま高速で昇降温させることが可能な熱処理装置を提供する。
【解決手段】被処理体Ｗに対して所定の熱処理を施すようにした熱処理装置において、前記被処理体を収容する処理容器４と、前記被処理体を載置する載置台２８と、前記処理容器内を真空引きする真空排気系２４と、前記被処理体に対して加熱用の電磁波を照射する電磁波供給手段５６と、前記被処理体に対してプラズマが立たないような高真空の圧力下、又は電磁波照射エネルギー密度を落とした状態で前記電磁波を照射するように制御する制御手段７８とを備える。これにより、被処理体の表面の材料に影響を受けることなく面内の温度の均一性を維持したまま高速で昇降温させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウエハ等に対してマイクロ波や高周波を照射することによりウエハを加熱して所定の熱処理を行う枚葉式の熱処理装置、熱処理方法及び記憶媒体に関する。

一般に、半導体デバイスを製造するには、半導体ウエハに成膜処理、パターンエッチング処理、酸化拡散処理、改質処理、アニール処理等の各種の熱処理を繰り返し行なって所望のデバイスを製造するが、半導体デバイスが高密度化、多層化及び高集積化するに伴ってその仕様が年々厳しくなっており、これらの各種の熱処理のウエハ面内における均一性の向上及び膜質の向上が特に望まれている。例えば半導体デバイスであるトランジスタのチャネル層の処理を例にとって説明すると、このチャネル層に不純物原子のイオン注入後に、不純物原子を活性化させる目的でアニール処理が一般的に行われる。

この場合、上記アニール処理を長時間行うと原子構造は安定化するが、不純物原子が膜厚方向へ奥深くまで拡散して下方へ突き抜けてしまうので、極力短時間で行う必要がある。すなわち、チャネル層などの膜厚を薄くしつつ、且つ突き抜けも生ずることなく原子構造を安定化させるためには、半導体ウエハを高温まで高速で昇温し、且つアニール処理後にあっては拡散が生じないような低い温度まで高速で降温させることが必要となる。
特に最近のトランジスタ素子にあっては、チャネル層にソース・ドレインエクステンション等の非常に微細な領域を設けた構造も提案されており、これらの微細領域の電気特性を保持するためにも、高速の昇降温により不純物原子を拡散させることなく活性化させることが望まれている。

このようなアニール処理を行うために、従来では加熱ランプを用いてランプアニールを行うランプアニール装置（特許文献１）やＬＥＤ素子やレーザ素子を用いた熱処理装置（特許文献２〜４）が提案されている。
ところで、周知のように、半導体集積回路の製造過程においては、ウエハ表面に種々の異なる材料が配置されている。例えばトランジスタの製造途中を例に挙げれば、絶縁膜であるＳｉＯ_２ 等のシリコン酸化膜、ポリシリコン膜、配線層であるＣｕ膜やＡｌ膜、バリヤ膜であるＴｉＮ膜等の光学的特性が互いに異なる各種の材料の微小エリアがウエハ表面に点在している。

この場合、上記したアニールに用いる光、すなわち可視光や紫外光に対する上記各種の材料の光学特性、例えば反射率、吸収率、透過率等は材料によって異なり、このために材料の種類に依存して吸収されるエネルギーの量が相異してしまう。この結果、上記光学特性の相異に起因してアニール処理がほとんどできなかったり、或いは均一なアニール処理ができない場合があった。
そこで、上記可視光や紫外光の波長帯域よりも波長の長いマイクロ波や高周波等の電磁波を用いて半導体ウエハを加熱するようにした加熱装置も提案されている（特許文献５〜７）。

米国特許第５６８９６１４号 特開２００４−２９６２４５号公報 特開２００４−１３４６７４号公報 米国特許第６８１８８６４号 特開平５−２１４２０号公報 特開２００２−２８０３８０号公報 特開２００５−２６８６２４号公報

ところで、上述したような電磁波を用いて半導体ウエハを加熱する場合には、ウエハ表面の各材料の光学的特性にはそれほど影響を受けることはないが、加熱プロセス時の圧力や半導体ウエハ自体の物性をそれ程考慮していないために、ウエハ面内における十分な均一加熱が困難である、といった問題があった。
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、被処理体の表面の材料に影響を受けることなく面内の温度の均一性を維持したまま高速で昇降温させることが可能な熱処理装置、熱処理方法及び記憶媒体を提供することにある。

請求項１に係る発明は、被処理体に対して所定の熱処理を施すようにした熱処理装置において、前記被処理体を収容する処理容器と、前記被処理体を載置する載置台と、前記処理容器内を真空引きする真空排気系と、前記被処理体に対して加熱用の電磁波を照射する電磁波供給手段と、前記被処理体に対してプラズマが立たないような高真空の圧力下にて前記電磁波を照射するように制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする熱処理装置である。
このように、プラズマが立たないような高真空の圧力下にて被処理体に電磁波を照射することにより、被処理体の表面の材料に影響を受けることなく面内の温度の均一性を維持したまま高速で昇降温させることができ、しかも、被処理体を効率的に加熱することができる。

この場合、例えば請求項２に規定するように、前記高真空の圧力は１．３Ｐａ以下であること、又は前記電磁波の照射エネルギーが前記被処理体の単位面積当り０．７Ｗ／ｃｍ^２ 以下である。
また例えば請求項３に規定するように、前記電磁波の周波数は３０ＭＨｚ〜３００ＴＨｚの範囲内である。
また例えば請求項４に規定するように、前記電磁波の周波数は、前記被処理体の厚さ方向の半分の厚さまで加熱するような周波数に設定されている。
また例えば請求項５に規定するように、前記電磁波供給手段は、複数のスロットの形成された平面アンテナ部材を有する。
或いは例えば請求項６に規定するように、前記電磁波供給手段は、上部電極を有している。

また例えば請求項７に規定するように、前記載置台は、複数の熱電変換素子よりなる温調手段を有する。
また例えば請求項８に規定するように、前記温調手段は、複数のゾーンに区画されており、各ゾーン毎に個別に温度制御が可能になされている。
また例えば請求項９に規定するように、前記被処理体の表面には、ＳｉＯＮ層が少なくとも部分的に形成されている。
また例えば請求項１０に規定するように、前記被処理体の表面には、熱によって蒸発させるべき水分が付着している。

また例えば請求項１１に規定するように、前記被処理体の表面には、イオン注入によりドープされた不純物原子よりなる格子間原子が存在する。
また例えば請求項１２に規定するように、前記被処理体の表面には、光学特性が互いに異なる異種材料が存在する。
また例えば請求項１３に規定するように、前記被処理体の表面には、比誘電率の低い絶縁膜が少なくとも部分的に存在する。
また例えば請求項１４に規定するように、前記被処理体の表面には、レジスト膜が形成されている。

請求項１５に係る発明は、被処理体に対して所定の熱処理を施すようにした熱処理方法において、真空引き可能になされた処理容器内に前記被処理体を収容し、前記処理容器内をプラズマが立たないような高真空の圧力下にした状態で前記被処理体に電磁波を照射して前記被処理体を加熱するようにしたことを特徴とする熱処理方法である。

請求項１６に係る発明は、被処理体を収容する処理容器と、前記被処理体を載置する載置台と、前記処理容器内を真空引きする真空排気系と、前記被処理体に対して加熱用の電磁波を照射する電磁波供給手段と、装置全体を制御する制御手段と、を備えた熱処理装置を用いて前記被処理体に所定の熱処理を施すに際して、前記被処理体に対してプラズマが立たないような高真空の圧力下にて前記電磁波を照射するように前記熱処理装置を制御するプログラムを記憶することを特徴とする記憶媒体である。

本発明に係る熱処理装置、熱処理方法及び記憶媒体によれば、次のような優れた作用効果を発揮することができる。
プラズマが立たないような高真空の圧力下にて被処理体に電磁波を照射することにより、被処理体の表面の材料に影響を受けることなく面内の温度の均一性を維持したまま高速で昇降温させることができ、しかも、被処理体を効率的に加熱することができる。

以下に本発明に係る熱処理装置、熱処理方法及び記憶媒体の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明の熱処理装置の第１実施例を示す断面構成図、図２は熱電変換素子の配列状態を示す平面図、図３は載置台の加熱用ゾーンの区画の一例を示す図である。

図１に示すように、この第１実施例の熱処理装置２は、例えばアルミニウムにより筒体状に成形された処理容器４を有している。この処理容器４は被処理体である基板として例えば直径が３００ｍｍである半導体ウエハを収容できるような大きさに設定されており、この処理容器４自体は接地されている。この処理容器４の天井部は開口されており、この開口部には、Ｏリング等のシール部材６を介して後述するように電磁波を透過する天板８が気密に設けられている。この天板８の材料としては、例えば石英や窒化アルミ等のセラミック材が用いられる。

また、この処理容器４の側壁には、開口１０が設けられると共に、この開口１０には被処理体として例えば半導体ウエハＷを搬出入する際に開閉されるゲートバルブ１２が設けられる。また処理容器４の他の側壁には、処理時に必要なガスを内部へ導入するガス導入手段としてのガスノズル１４が設けられている。また処理容器４の底部の周辺部には、排気口１６が形成されており、この排気口１６には、排気通路１８に圧力制御弁２０や真空ポンプ２２等を介設してなる真空排気系２４が接続されており、処理容器４内の雰囲気を真空排気可能としている。またこの処理容器４の底部は大きく開口され、この開口に例えばＯリング等のシール部材２６を介在させて底部を兼ねる肉厚な載置台２８が気密に取り付け固定されていると共に、この載置台２８も接地されている。

この載置台２８は、例えばアルミニウム製の肉厚な載置台本体３０と、この上部に設けられる温調手段としての複数の熱電変換素子３２と、この熱電変換素子３２の上面側に設置される薄い円板状の載置板３４とにより構成され、この載置板３４上に被処理体である半導体ウエハＷを直接的に載置するようになっている。具体的には、上記熱電変換素子３２としては、例えばペルチェ素子が用いられる。このペルチェ素子は、異種の導体や半導体を電極によって直列に接続し電流を流すと接点間でジュール熱以外に熱の発生や吸熱が生じる素子であり、例えば２００℃以下の温度での使用に耐え得るＢｉ_２ Ｔｅ_３ （ビスマス・テルル）素子、より高温で使用できるＰｂＴｅ（鉛・テルル）素子、ＳｉＧｅ（シリコン・ゲルマニウム）素子等によって形成されており、熱電変換素子制御部３６にリード線３８を介して電気的に接続されている。熱電変換素子制御部３６は、前記ウエハＷの熱処理時に熱電変換素子に供給される電流の方向や大きさを制御する。

図２にペルチェ素子よりなる熱電変換素子３２の配列の一例を示す。図２においては、直径が３００ｍｍのウエハＷに対して６０個の熱電変換素子３２を前記載置板３４の裏面側（載置台本体３０の上面側）に略全面にわたってほとんど隙間なく敷き詰めた例を示している。このように熱電変換素子３２を密接させて配置すると、ウエハＷと載置板３４を均一に加熱することができる。熱電変換素子３２の形状は、四角形に限らず、円形や六角形であってもよい。ここで熱電変換とは、熱エネルギーを電気エネルギーに、また電気エネルギーを熱エネルギーに変換することを言う。

ここで上記各熱電変換素子３２は、全体で一体的に温度制御を行うようにしてもよいが、グループ化して複数の加熱用ゾーンに区画し、各ゾーン毎に個別独立的に温度制御を行うようにしてもよい。ゾーンの具体例としては、図３（Ａ）に示すように、熱電変換素子３２を、同心円状に複数、例えば内側ゾーン４０Ａと外側ゾーン４０Ｂとに２つにゾーン化してもよいし、或いは図３（Ｂ）に示すように、外側ゾーンを円弧状に更に複数、例えば４分割して４つのゾーン４０Ｂａ、４０Ｂｂ、４０Ｂｃ、４０Ｂｄを形成してもよい。いずれにしても、ゾーン数やその形状は特に限定されない。尚、この温調手段としての熱電変換素子３２は必要な場合に設けるようにし、後述する電磁波による加熱が十分な場合には設けなくてもよい。

図１に戻って上記載置台本体３０の内部には、熱媒体流路４０がその平面方向の略全面に亘って形成されている。この熱媒体流路４０は、上記熱電変換素子３２の下部に設けられており、ウエハＷの降温時に熱媒体として冷媒（水）が供給されることにより、上記熱電変換素子３２の下面から温熱を奪ってこれを冷却するように構成されている。また、ウエハＷの昇温時には必要に応じて温媒が供給されることにより、熱電変換素子３２の下面から冷熱を奪ってこれを加熱するように構成されている。この熱媒体流路４０は、熱媒体を送給する媒体循環器４２に熱媒体導入管４４と熱媒体排出管４６を介して接続されており、これにより、媒体循環器４２は熱媒体を熱媒体流路４０に循環供給する。

また上記熱電変換素子３２上に設置される載置板３４の材料としては、例えばＳｉＯ_２ 材、ＡｌＮ材、ＳｉＣ材、Ｇｅ材、Ｓｉ材、金属材等によって製作される。また載置台２８にはウエハＷを昇降する図示しない昇降機構が設けられ、この昇降機構は、載置台本体３０及び載置板３４を貫通してウエハＷを下から支持する複数本の昇降自在な支持ピンと、これらの支持ピンを昇降させる駆動装置等で構成されている。尚、上記載置板３４上に静電チャックを設けるようにしてもよい。

また、載置台本体３０には、これを上下方向に貫通する貫通孔４８が形成されており、ここに放射温度計５０が設置される。具体的には、上記貫通孔４８に上記載置板３４の下面まで延びる光ファイバ５２を気密状態で挿通して載置板３４からの輻射光を案内し得るようになっている。そして、この光ファイバ５２の端部には放射温度計本体５４が接続されており、所定の測定波長帯域の光より載置板３４の温度、すなわちウエハ温度を測定できるようになっている。

そして、処理容器４の天板８の上方には、上記ウエハＷに向けて加熱用の電磁波を照射する電磁波供給手段５６が設けられている。ここで電磁波としては、周波数が３０ＭＨｚ〜３００ＴＨｚの範囲の電磁波を用いることができ、一般的には３００ＭＨｚ又は１ＧＨｚが高周波とマイクロ波の境界であるので、ここでは一例として２．４５ＧＨｚのマイクロ波を用いた場合を例にとって説明する。

具体的には、この電磁波供給手段５６は、上記天板８の上面に設けられた円板状の平面アンテナ部材５８を有しており、この平面アンテナ部材５８上に遅波材６０が設けられる。この遅波材６０は、マイクロ波の波長を短縮するために高誘電率特性を有している。上記平面アンテナ部材５８は、上記遅波材６０の上方全面を覆う導電性の中空円筒状容器よりなる導波箱６２の底板として構成され、前記処理容器４内の上記載置台２８に対向させて設けられる。この導波箱６２の上部には、これを冷却するために冷媒を流す冷却ジャケット６４が設けられる。

この導波箱６２及び平面アンテナ部材５８の周辺部は共に処理容器４に導通されると共に、この導波箱６２の上部の中心には、同軸導波管６６の外管６６Ａが接続され、内側の内部導体６６Ｂは、上記遅波材６０の中心の貫通孔を通って上記平面アンテナ部材５８の中心部に接続される。そして、この同軸導波管６６は、モード変換器６８及び導波管７２を介してマッチング回路７０を有する例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波発生器７４に接続されており、上記平面アンテナ部材５８へ電磁波としてマイクロ波を伝搬するようになっている。この周波数は２．４５ＧＨｚに限定されず、他の周波数、例えば２８ＧＨｚ、１００ＧＨｚ又は１ＴＨｚを用いてもよい。この導波管７２としては、断面円形或いは矩形の導波管や同軸導波管を用いることができる。そして、上記遅波材６０としては、例えば窒化アルミ等を用いることができる。

上記平面アンテナ部材５８は、大きさが３００ｍｍサイズのウエハ対応の場合には、例えば直径が４００〜５００ｍｍ、厚みが１〜数ｍｍの導電性材料よりなる、例えば表面が銀メッキされた銅板或いはアルミ板よりなり、この円板には、例えば長溝状の貫通孔よりなる多数のマイクロ波放射孔７６が形成されている。このマイクロ波放射孔７６の配置形態は、特に限定されず、例えば同心円状、渦巻状、或いは放射状に配置させてもよいし、アンテナ部材全面に均一になるように分布させてもよい。一般的には、マイクロ波放射孔７６は、この２個のマイクロ波放射孔７６を僅かに離間させて略Ｔの字状に配置して一対の組を形成して同心円状に配置している。このように形成することにより、この平面アンテナ部材５８は、いわゆるＲＬＳＡ（Ｒａｄｉａｌ Ｌｉｎｅ Ｓｌｏｔ Ａｎｔｅｎｎａ）方式のアンテナ構造となっている。

そして、この熱処理装置２の全体の動作は、例えばマイクロコンピュータ等よりなる制御手段７８により制御されるようになっており、この動作を行うコンピュータのプログラムはフロッピやＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ）やフラッシュメモリ等の記憶媒体８０に記憶されている。具体的には、この制御手段７８からの指令により、ガスの供給や流量制御、マイクロ波の供給や電力制御、プロセス温度やプロセス圧力の制御等が行われる。

次に、以上のように構成された熱処理装置２を用いて行なわれる熱処理方法、すなわちここではアニール方法について図４も参照して説明する。図４は本発明の熱処理方法の一例を示すフローチャートである。
まず、ゲートバルブ１２を介して半導体ウエハＷを搬送アーム（図示せず）により処理容器４内に収容し（Ｓ１）、図示しない昇降ピンを上下動させることによりウエハＷを載置台２８の載置板３４上に載置し、ゲートバルブ１２を閉じて処理容器４内を密閉する。次に、真空排気系２４によって処理容器４内を真空排気して必要な場合にはガスノズル１４より、例えばアルゴンガスや窒素ガス等の不活性ガスを僅かに供給し（Ｓ２）、所定のプロセス圧力、すなわちプラズマが立たないような高真空の圧力下、例えば１．３Ｐａ以下の圧力に維持する（Ｓ３）。

次に、ペルチェ素子よりなる熱電変換素子３２に通電してウエハＷを予備加熱する（Ｓ４）。予備加熱温度は５００〜６００℃程度である。この予備加熱温度では、ウエハＷに注入されている不純物が拡散することはない。
ウエハＷの温度は放射温度計５０によって検出されており、この放射温度計５０が所定の予備加熱温度になったことを検出すると、電磁波供給手段５６のマイクロ波発生器７４を駆動することにより、このマイクロ波発生器７４にて発生したマイクロ波を、導波管７２及び同軸導波管６６を介して平面アンテナ部材５８に供給して遅波材６０によって波長が短くされたマイクロ波をマイクロ波放射孔７６から放射させて天板８を透過し、これにより処理空間Ｓにマイクロ波を導入させる。処理空間Ｓに導入されたマイクロ波はウエハＷの表面に照射され、この表面を電磁波加熱により急激に加熱することになる（Ｓ５）。

これにより、ウエハＷの表面を所定の処理温度（例えば１０００℃）まで瞬時に昇温させる（Ｓ６）。この際、熱電変換素子３２に供給する電力も例えばフルパワーとしてウエハＷを迅速に昇温させる。そして、この高温状態を所定の時間維持することにより、アニール処理を行う。このように、ウエハＷは上下両面より加熱されることになり、例えば１００〜２００℃／ｓｅｃ程度まで昇温速度を上げて高速昇温を実現することができる。

この場合、加熱のために可視光や紫外線を用いていないので、ウエハＷの表面に光学的特性の互いに異なる各種の材料の微小エリアが存在していてもウエハ表面のみを選択的に且つ迅速に昇温してアニールすることができる。換言すれば、従来装置のフラッシュランプアニールやレーザアニールの場合は、波長が短いため、表面材料の光学特性（反射率・吸収率・透過率）により光エネルギーの吸収状態が異なって高々１μｍ深さ程度のパターンに影響されて均熱加熱ができなかったが、本発明では波長の長い電磁波加熱によるので、ウエハ全面に渡ってウエハ表面より３２５〜４００μｍ程度の深さまでエネルギーを吸収させることができ、従ってパターン依存性を回避でき、表面部のみの面内均一加熱を行うことができる。

これにより、例えばイオン注入された不純物原子の格子間原子を拡散させることなく格子原子にさせて活性化することができ、有効にエネルギーを使用することができる。またウエハＷの表面を選択的に加熱できるので、その分、加熱エネルギーが少なくて済むので省エネルギーにも寄与できる。ここで例えば、マイクロ波の周波数をウエハＷの厚さ方向の半分の厚さだけ効率的に加熱するように設定しておけば、ウエハＷの表面部分のみの更なる迅速な昇温が可能となる。またウエハの昇温時には、上記熱電変換素子３２は下側加熱手段として機能することになる。

このアニール処理時には、ペルチェ素子よりなる熱電変換素子３２の裏面側には冷熱が発生するので、この冷熱を排除するために載置台本体３０に設けた熱媒体流路４０には加熱媒体を流すようにし、熱電変換素子３２を効率的に動作させるのがよい。

このようにして、所定の短時間だけアニール処理を行ったならば、ウエハＷ中の不純物が過度に拡散することを防止するために、ウエハＷをできるだけ速く冷却する。すなわち、この場合にはウエハ温度を高速降温させるために、マイクロ波発生器７４からのマイクロ波の発生を停止すると同時に、ペルチェ素子よりなる熱電変換素子３２に加熱時とは反対方向へ電流を流してその上面を冷却する。これにより、載置板３４が冷却されてウエハＷを急激に冷却する（Ｓ７）。この時、熱電変換素子３２の下面は温熱が発生して加熱されるので、これを冷却するために、熱媒体流路４０へは、ウエハ加熱時とは逆に冷却媒体を流すようにする。これにより、熱電変換素子３２を効率的に動作させて、ウエハＷの降温速度を大幅に向上させて高速降温を実現することができる。本発明装置によれば、ウエハを例えば１００〜３００℃／ｓｅｃ程度の高速降温で冷却することができる。

上記アニール処理において、処理容器４内の圧力が１．３Ｐａよりも高くなると、プラズマが発生してしまうので、ウエハ加熱効率が急激に低下して好ましくない。この場合、上記処理容器４内の圧力が１．３Ｐａより高い場合でも、電磁波の照射エネルギーが被処理体の単位面積当り０．７Ｗ／ｃｍ^２ 以下であれば、プラズマが発生しない。また逆に、電磁波の照射エネルギーが被処理体の単位面積当り０．７Ｗ／ｃｍ^２ より大きい場合でも、上記処理容器４内の圧力が１．３Ｐａ以下あれば、この場合にもプラズマが発生しない。
また加熱に用いる電磁波の周波数は、３０ＭＨｚ〜３００ＴＨｚの範囲内であるが、被処理体の物性（誘電率、誘電損失、電気抵抗、比透磁率等）や被処理体の厚さを考慮すると、３００ＭＨｚ〜３０ＴＨｚの範囲内、より好ましくは１ＴＨｚ〜５ＴＨｚの範囲内である。

また本実施例でウエハＷの厚さ方向の上半分のみを主として加熱するように電磁波の周波数を選択した理由は、例えば３００ｍｍサイズのウエハの場合には、その厚さの半分まで加熱すれば目的とする領域のアニール処理が十分に行え、またウエハＷの厚さ一杯まで加熱するように設定すると、ウエハ以外の部材、すなわちウエハを載置する載置台２８も或る程度加熱を余儀なくされるので、エネルギー効率が低下してしまうからである。従って、ウエハＷの厚さは例えば３００ｍｍサイズのウエハの場合には、一般的には７００μｍ程度なので、その半分の厚さである３５０μｍ程度まで加熱するように設定している。尚、ウエハの厚さに関係なく、その表面より３５０μｍ程度の厚さまで加熱できればアニール処理には十分である。

＜電磁波の周波数の評価＞
ここで半導体ウエハを電磁波加熱するときの周波数の最適化についてシミュレーションによる評価を行ったのでその評価結果について説明する。
このシミュレーションにおいて、実際に半導体に関してシミュレーションを行う計算式は求められておらず、そして、半導体は導電体と絶縁体の中間の物理的特性を有しているので、ここでは金属等の導電体に対する評価と絶縁体に対する評価を行って、その中間的な領域を半導体に対する最適化範囲としている。

図５は導電体及び絶縁体に対する電磁波の周波数と電力の浸透深さとの関係を示すグラフである。図５（Ａ）は導電体を誘導加熱した際のグラフを示し、図５（Ｂ）は絶縁体を誘電加熱した際のグラフを示す。
図５（Ａ）に示す場合には、導電体試料の深さ方向にどの程度の電力が浸透しているかを示しており、ここでは導電体試料の厚さを０．７ｍｍ（半導体ウエハと同じ）とし、比透磁率μを”１”に固定している。そして、抵抗率ρは１Ωｃｍ、１０Ωｃｍ、１００Ωｃｍの３種類について検討した。また周波数ｆは１０^６ Ｈｚ〜１０^１５Ｈｚ程度まで変化させた。浸透深さｄ１は次の式で与えられる。
ｄ１＝５．０３×１０^７ ×√（ρ／（μ・ｆ））

図５（Ａ）から明らかなように、抵抗率ρの大小にそれ程関係なく、周波数が略１０^６ 〜１０^１５Ｈｚへと増加するに従って、浸透深さは１０^５ 〜１０^０ μｍ程度まで略直線的に減少していることが判る。
ここで導電体試料の厚さ（０．７ｍｍ）の半分の厚さである”０．３５ｍｍ＝３５０μｍ”まで浸透する時の周波数ｆは略１ＴＨｚとなる。換言すれば、導電体の場合には、電磁波を０．３５ｍｍ以上の深さまで浸透させるにはその周波数を１ＴＨｚ以下に設定する必要があることが判る。

また図５（Ｂ）に示す場合には、絶縁体試料の深さ方向にどの程度の電力が浸透しているかを示しており、ここでは絶縁体試料の厚さを０．７ｍｍとした。そして、比誘電率ε及び誘電損失ｔａｎδを変数とした。また周波数ｆは１０^６ Ｈｚ〜１０^１５Ｈｚ程度まで変化させた。半減深度ｄ２は次の式で与えられる。
ｄ２＝３．３２×１０^１３／（ｆ√（ε）・ｔａｎδ）

図では√（ε）・ｔａｎδを変数としているが、各特性は全て同じであった。図５（Ｂ）から明らかなように、√（ε）・ｔａｎδの大小に関係なく、周波数が略１０^６ 〜１０^１５Ｈｚへと増加するに従って、図５（Ａ）の場合とは逆に、半減深度は１０^−１１ μｍ〜１０^９ μｍまで略直線的に増加していることが判る。ここで絶縁体試料の厚さ（０．７ｍｍ）の半分の厚さである”０．３５ｍｍ＝３５０μｍ”における半減深度の周波数ｆは略５ＴＨｚ（＝１０^１２Ｈｚ）となる。換言すれば、絶縁体の場合は、電磁波を０．３５ｍｍ以上の深さまで浸透させるには周波数を５ＴＨｚ以上に設定する必要があることが判る。
以上の結果より、導電体と絶縁体の中間的な物性を有する半導体ウエハ、例えばシリコン基板等の場合には、上記２つの限界周波数、すなわち好ましくは１ＴＨｚ〜５ＴＨｚの間の周波数の電磁波を用いることにより、半導体ウエハの上側半分（厚さ０．３５ｍｍ程度）のみを効率的に加熱できることが判る。

ここで、ウエハの半分の厚さを少なくとも効率的に加熱するようにした理由は、厚さが０．３５ｍｍ程度まで加熱すれば、イオン注入深さを十分にカバーできるからであり、従って、例えば厚さが２ｍｍのウエハを用いても、ウエハ表面から深さ０．３５ｍｍ程度まで加熱すればよいことになる。実際に、ウエハを電磁波で加熱処理する場合には、その物性を考慮して上記１ＴＨｚ〜５ＴＨｚの間で更に適正な周波数範囲を絞り込んで用いるのがよい。

＜加熱効率の検証実験＞
次に、電磁波を用いてウエハの加熱処理を行なったので、その結果を従来のハロゲンランプを用いた加熱装置の結果と比較して説明する。
まず、実験では５インチウエハを２．４５ＧＨｚのマイクロ波（電磁波）で加熱したところ、３５℃／ｓｅｃの昇温速度を得た。この時の消費電力は１．２４ｋＷであり、パワー面密度は１．１８Ｗ／ｃｍ^２ であった。従って、加熱効率Ａは次のようになる。
加熱効率Ａ＝３５／１．１８＝２９

また比較実験ではハロゲンランプを用いた加熱装置で直径３００ｍｍのウエハを加熱したところ、１００℃／ｓｅｃの昇温速度を得た。この時の消費電力は１８６ｋＷであり、パワー面密度は２６３Ｗ／ｃｍ^２ であった。従って、加熱効率Ｂは次のようになる。
加熱効率Ｂ＝１００／２６３＝０．３８
これより、上記各加熱効率（＝昇温速度／消費電力）を比較すると、７６倍（＝２９／０．３８）も本発明の方が優れていることを確認することができた。

＜第２実施例＞
次に本発明の第２実施例について説明する。図６は本発明の熱処理装置の第２実施例を示す断面構成図であり、図１に示した構成部分と同一構成部分については同一参照符号を付してその説明を省略する。
先の第１実施例ではマイクロ波帯域の電磁波を用いた場合を例にとって説明したが、ここでは高周波帯域の電磁波を用いた場合について説明する。尚、一般的には３００ＭＨｚ程度が高周波とマイクロ波とを分ける境界周波数であるが、この周波数については特に限定されず、ここでは１３．５６ＭＨｚの高周波を用いている。

図１に示す場合には、マイクロ波を放射するために、平面アンテナ部材５８にマイクロ波放射孔７６を設けたが、ここで説明する高周波の場合には、電磁波供給手段５６の一部として天板８上に上記平面アンテナ部材５８と同じ材質の円板状の上部電極９０を設ける。この場合、載置台２８は下部電極として機能し、いわゆる平行平板型の熱処理装置が構成される。
そして、上記上部電極９０には、同軸ケーブル９２が接続され、この同軸ケーブル９２は、途中にマッチング回路９４を介して例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電源９６に接続されている。尚、この高周波の周波数は１３．５６ＭＨｚに限定されず、３０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚの範囲内で任意の周波数を用いることができる。
この熱処理装置の作用効果も周波数帯域が異なる点を除いて先に図１〜図５を参照して説明した第１実施例の場合と同様な作用効果を発揮することができる。

また本発明において加熱対象となる被処理体である半導体ウエハＷを加熱処理する時の半導体ウエハの状態としては次のような態様が一例として適用できる。
（１）半導体ウエハの表面のＳｉＯＮ膜のアニールモジュール
ウエハ表面にＳｉＯＮ膜が形成されている場合には、上述した電磁波加熱によってウエハ表面を選択加熱してＳｉＯＮ膜のＮ原子分布の再表面化、或いは安定化を図って膜特性を向上させることができる。
（２）半導体ウエハ表面の純水成分の選択アニールモジュール
ＰＥＢ（Ｐｏｓｔ Ｅｘｐｏｓｕｒｅ Ｂａｋｅ）モジュールである焼き締め工程では、今後ウエハは液浸露光プロセスが行われるが、この場合、ウエハ表面に残留する純水を選択加熱して蒸発させたり、或いは現状の乾燥モジュールにおいて洗浄プロセス後にウエハ表面に残留する希釈水をウォータマーク等を残すことなく電磁波加熱により乾燥させることができる。

（３）低誘電率（Ｌｏｗ−ｋ）の絶縁層のアニールモジュール
現在、Ｌｏｗ−ｋの絶縁膜の開発においては、主たる誘電率低減の他に下地密着性向上の課題があるが、例えばシロキサンなどのＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合構造を持つ化合物材料では、この結合に特有な吸収波長９μｍ（＝３３ＴＨｚ）の電磁波を照射すると、下地界面との化合物生成を促進させて下地密着性を向上できるのみならず、材料特性を向上させることができる。

（４）ウエハ表層の化学増幅型レジスト層の選択アニールモジュール
現在のフォトリソ（Ｃｏａｔｅｒ Ｄｅｖｅｌｏｐｅｒ）プロセス開発においては、パターン倒れの他にＣＤ（Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）ロス低減の問題があるが、例えばＳｉ−Ｏ結合構造を持つレジスト用ポリマー材料では、特有な吸収波長９μｍ（＝３３ＴＨｚ）を照射すると、架橋密度を安定化させてレジストＰＥＢ（Ｐｏｓｔ Ｅｘｐｏｓｕｒｅ Ｂａｋｅ）感度を鈍くさせることができ、この結果、温度変化に対してＣＤを安定化させて、材料特性を向上させることができる。
尚、以上の実施例では被処理体である基板として半導体ウエハを例にとって説明したが、これに限定されず、ガラス基板、ＬＣＤ基板、セラミック基板等にも本発明を適用することができる。

本発明の熱処理装置の第１実施例を示す断面構成図である。 熱電変換素子の配列状態を示す平面図である。 載置台の加熱用ゾーンの区画の一例を示す図である。 本発明の熱処理方法の一例を示すフローチャートである。 導電体及び絶縁体に対する電磁波の周波数と電力の浸透深さとの関係を示すグラフである。 本発明の熱処理装置の第２実施例を示す断面構成図である。

符号の説明

２ 熱処理装置
４ 処理容器
８ 天板
２４ 真空排気系
２８ 載置台
３０ 載置台本体
３２ 熱変換素子（温調手段）
５６ 電磁波供給手段
５８ 平面アンテナ部材
６６ 同軸導波管
７４ マイクロ波発生器
７６ マイクロ波放射孔
７８ 制御手段
８０ 記憶媒体
９０ 上部電極
９２ 同軸ケーブル
９６ 高周波電源
Ｗ 半導体ウエハ（被処理体）

Claims (16)

1. 被処理体に対して所定の熱処理を施すようにした熱処理装置において、
   前記被処理体を収容する処理容器と、
   前記被処理体を載置する載置台と、
   前記処理容器内を真空引きする真空排気系と、
   前記被処理体に対して加熱用の電磁波を照射する電磁波供給手段と、
   前記被処理体に対してプラズマが立たないような高真空の圧力下にて前記電磁波を照射するように制御する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする熱処理装置。
2. 前記高真空の圧力は１．３Ｐａ以下であること、又は前記電磁波の照射エネルギーが前記被処理体の単位面積当り０．７Ｗ／ｃｍ^２ 以下であることを特徴とする請求項１記載の熱処理装置。
3. 前記電磁波の周波数は３０ＭＨｚ〜３００ＴＨｚの範囲内であることを特徴とする請求項１又は２記載の熱処理装置。
4. 前記電磁波の周波数は、前記被処理体の厚さ方向の半分の厚さまで加熱するような周波数に設定されていることを特徴とする請求項３記載の熱処理装置。
5. 前記電磁波供給手段は、複数のスロットの形成された平面アンテナ部材を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の熱処理装置。
6. 前記電磁波供給手段は、上部電極を有していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の熱処理装置。
7. 前記載置台は、複数の熱電変換素子よりなる温調手段を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の熱処理装置。
8. 前記温調手段は、複数のゾーンに区画されており、各ゾーン毎に個別に温度制御が可能になされていることを特徴とする請求項７記載の熱処理装置。
9. 前記被処理体の表面には、ＳｉＯＮ層が少なくとも部分的に形成されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の熱処理装置。
10. 前記被処理体の表面には、熱によって蒸発させるべき水分が付着していることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の熱処理装置。
11. 前記被処理体の表面には、イオン注入によりドープされた不純物原子よりなる格子間原子が存在することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の熱処理装置。
12. 前記被処理体の表面には、光学特性が互いに異なる異種材料が存在することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の熱処理装置。
13. 前記被処理体の表面には、比誘電率の低い絶縁膜が少なくとも部分的に存在することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の熱処理装置。
14. 前記被処理体の表面には、レジスト膜が形成されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の熱処理装置。
15. 被処理体に対して所定の熱処理を施すようにした熱処理方法において、
    真空引き可能になされた処理容器内に前記被処理体を収容し、前記処理容器内をプラズマが立たないような高真空の圧力下にした状態で前記被処理体に電磁波を照射して前記被処理体を加熱するようにしたことを特徴とする熱処理方法。
16. 被処理体を収容する処理容器と、
    前記被処理体を載置する載置台と、
    前記処理容器内を真空引きする真空排気系と、
    前記被処理体に対して加熱用の電磁波を照射する電磁波供給手段と、
    装置全体を制御する制御手段と、を備えた熱処理装置を用いて前記被処理体に所定の熱処理を施すに際して、
    前記被処理体に対してプラズマが立たないような高真空の圧力下にて前記電磁波を照射するように前記熱処理装置を制御するプログラムを記憶することを特徴とする記憶媒体。
    
    

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