JP2011129613A

JP2011129613A - 熱処理装置

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Publication number: JP2011129613A
Application number: JP2009284840A
Authority: JP
Inventors: Tomohito Komatsu; 智仁小松
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2009-12-16
Filing date: 2009-12-16
Publication date: 2011-06-30

Abstract

【課題】輻射加熱源の温度を低温域から中温域として使用しても、シリコンウエハの加熱効率の低下を抑制することが可能な熱処理装置を提供すること。
【解決手段】輻射加熱源３１と、輻射加熱源３１の上方に設けられた第１の反射板８ａと、輻射加熱源３１の下方に設けられた第２の反射板８ｂと、を備え、シリコンを含む被加熱体Ｗが第１の反射板８ａと第２の反射板８ｂとの間に配置され、シリコンを含む被加熱体Ｗが、輻射加熱源３１からの輻射エネルギが第１の反射板８ａと第２の反射板８ｂとの間で反射を繰り返す空間Ｓ内で熱処理されるように構成する。
【選択図】図１

Description

この発明は、熱処理装置に関する。

半導体デバイスの製造においては、被処理基板である半導体ウエハ（以下単にウエハと記す）に対して、成膜処理、酸化拡散処理、改質処理、アニール処理等の各種熱処理が行われる。これら熱処理の中でも、特に、成膜後の歪み除去のためのアニール処理や、イオンインプランテーション後のアニール処理は、スループットの向上の観点および拡散を最小限に抑える観点から、高速での昇降温が指向されている。このような高速昇降温が可能な熱処理装置として、ハロゲンランプに代表されるランプを輻射加熱源として用いたものが多用されている。

このような輻射加熱源を用いた熱処理装置としては、ダブルエンドタイプのランプを複数平面状に敷き詰めた加熱ユニットを有するものが知られている（例えば特許文献１）。

特開２００２−６４０６９号公報

しかしながら、輻射加熱源を用いた熱処理装置においては、輻射加熱源の温度を低温域から中温域、例えば、ハロゲンランプのフィラメントの色温度を、例えば、約２００〜１２００℃程度として使用する場合、シリコンウエハの加熱効率が低下する、という事情がある。

この発明は、上記事情に鑑みて為されたもので、輻射加熱源の温度を低温域から中温域として使用しても、シリコンウエハの加熱効率の低下を抑制することが可能な熱処理装置を提供する。

上記課題を解決するため、この発明の一態様に係る熱処理装置は、輻射加熱源と、前記輻射加熱源の上方に設けられた第１の反射板と、前記輻射加熱源の下方に設けられた第２の反射板と、を備え、シリコンを含む被加熱体が前記第１の反射板と前記第２の反射板との間に配置され、前記シリコンを含む被加熱体が、前記輻射加熱源からの輻射エネルギが前記第１の反射板と前記第２の反射板との間で反射を繰り返す空間内で熱処理されるように構成する。

この発明によれば、輻射加熱源の温度を低温域から中温域として使用しても、シリコンウエハの加熱効率の低下を抑制することが可能な熱処理装置を提供できる。

この発明の一実施形態に係る熱処理装置の一例を概略的に示す断面図ハロゲンランプの温度とピーク波長との関係を示す図シリコンウエハの温度とシリコンウエハの分光放射率との関係を示す図この発明の一実施形態に係る熱処理装置の他例を概略的に示す断面図（Ａ）図は一実施形態に係る熱処理装置が備える反射板の一構造例を示す平面図、（Ｂ）図は（Ａ）図中の５Ｂ−５Ｂ線に沿う断面図

以下、この発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。なお、全図にわたり、共通の部分には共通の参照符号を付す。

図１は、この発明の一実施形態に係る熱処理装置の一例を概略的に示す断面図である。

熱処理装置１００は、シリコンを含む被加熱体、例えば、シリコンウエハＷを処理する処理空間Ｓを規定する処理容器１と、処理容器１の上端に固定されたリング状をなすリッド２と、リッド２に支持され、複数のハロゲンランプを備えたランプユニット３と、処理容器１内でウエハＷを支持するウエハ支持部４と、処理容器１内でウエハ支持部４に支持されたウエハＷを昇降駆動および回転駆動させるための駆動機構５とを主な構成要素として備えている。

処理容器１の側壁上部にはガス導入孔１１が形成されており、アニールの際の処理ガスとしてＡｒガス等が処理ガス供給源（図示せず）から図示せぬガス配管を介して処理容器１内へ供給されるようになっている。処理容器１の底壁には、排気口１３が形成されており、この排気口１３には図示せぬ排気管が接続される。そして、排気管に接続された図示せぬ真空ポンプを作動させることにより、処理容器１内が排気口１３を介して排気され、処理容器１内が所定の真空雰囲気にされる。また、処理容器１の側壁のガス導入孔１１とは反対側には、ウエハＷを搬入出する搬入出口１５が設けられており、この搬入出口１５はゲートバルブ１６により開閉可能となっている。

ウエハ支持部４は、回転および昇降可能に設けられたベースプレート１７と、ベースプレート１７の外周面に立設された複数のウエハ支持ピン１８と、ベースプレート１７の下面中心から下方に延びる回転シャフト１９とを有している。回転シャフト１９は駆動機構５に接続されている。

ウエハ支持ピン１８に支持されているウエハＷの外周には、例えばシリコンで形成された均熱リング２０が設けられている。均熱リング２０は支持部材２１によって支持されている。処理容器１の底部には、温度を測定する温度計、例えば、放射温度計２２が設けられている。

ランプユニット３は、リッド２に支持され処理容器１の上方に処理容器１の上部開口を覆うように設けられたベース部材３０と、ベース部材３０に取り付けられた輻射加熱源、本例では、ハロゲンランプ３１とを備えている。ハロゲンランプ３１は、図１中では一本のみが示されているが、実際には平面的に複数備えられている。本例のランプユニット３は、複数のハロゲンランプ３１が一体となったカートリッジタイプのランプモジュールとして構成される。

ランプユニット３上には、冷却水等の冷却媒体により、ランプユニット３及び処理容器１等を冷却する冷却機構６が取り付けられている。

また、ランプユニット３と処理空間Ｓとの間には、ランプユニット３と処理空間Ｓとを互いに遮断する透過窓、本例では石英製の透過窓７が設けられている。本例の透過窓７は、リッド２に取り付けられている。

さらに、一実施形態に係る熱処理装置１００は、ハロゲンランプ３１の上方と、ウエハＷの下方とに、それぞれ反射板８ａ、８ｂが備えられている。反射板８ａは、本例ではランプユニット３内に設けられ、ハロゲンランプ３１のシリコンウエハＷ側とは反対の方向に放射された光を、シリコンウエハＷ側に反射させる。また、反射板８ｂは、本例ではウエハ支持部４内に設けられ、シリコンウエハＷを透過した光を、シリコンウエハＷ側に反射させる。

図２は、ハロゲンランプの温度とピーク波長との関係を示す図である。

ピーク波長は、ウィーンの変位則に基づいて、ハロゲンランプ３１の温度から次のように求められる。
ピーク波長［μｍ］＝約２８９７／ハロゲンランプの温度［Ｋ］
例えば、ハロゲンランプ３１の温度（詳しくはハロゲンランプ３１のフィラメントの色温度）が１０００℃（＝１２７３Ｋ）の時には、ピーク波長は約２．２８μｍと求められる。

図２には、ハロゲンランプ３１の温度が２００℃（＝４７３Ｋ）から３２００℃（＝３４７３Ｋ）までのピーク波長が示されている。ちなみに、ハロゲンランプ３１の温度が２００℃のときのピーク波長は約６．１２μｍとなり、ハロゲンランプ３１の温度が３２００℃のときのピーク波長は約０．８３μｍとなる。このようにハロゲンランプ３１は、その温度が高くなるにつれてピーク波長が短波長側に、反対にその温度が低くなるにつれてピーク波長が長波長側に移る傾向を示す。

図３は、シリコンウエハの温度とシリコンウエハの分光放射率との関係を示す図である。

図３に示すように、シリコンウエハＷは、その温度が６００℃以上であるときと、６００未満であるときとで分光放射率の性質が変化する。具体的には、シリコンウエハＷの温度が６００℃以上であるときには、例えば、波長０．５μｍ〜１５μｍの範囲において、その分光放射率が０．６から０．７の範囲でほとんど変化しない。対して、シリコンウエハＷの温度が６００℃未満であるときには、例えば、波長約１μｍ〜７μｍの範囲において、その分光放射率が低下する、という性質を示す。さらに、波長約１μｍ〜７μｍの範囲における分光放射率の低下の度合いは、シリコンウエハＷの温度が、例えば、５２０℃、４７０℃、４２０℃、３５０℃、２７０℃と下がるにつれて大きくなる。例えば、シリコンウエハＷの温度が２７０℃であるときには、波長１μｍ〜７μｍの範囲における分光放射率は、ほぼ０．０５にまで低下する。

図３には、ハロゲンランプ３１の温度が、例えば、１０００℃のときの分光分布が示してある。ハロゲンランプ３１の温度が１０００℃のとき、ピーク波長は約２．２８μｍであり、この約２．２８μｍの波長をピークとして、例えば、波長約０．４μｍ〜１２μｍのような広い範囲に波長が分布する。

シリコンウエハを６００℃未満の温度に加熱したい場合には、ハロゲンランプの温度は、１２００℃以下、消費電力やハロゲンランプ３１の寿命を考慮してパワーを下げたい、との要求があれば１０００℃以下の温度に低く抑えることになる。しかしながら、ハロゲンランプ３１の温度が１２００℃以下のときには、図２に示したように、そのピーク波長は、約１．９６μｍ以上になってしまう。約１．９６μｍ以上の波長は、シリコンウエハの温度が６００℃未満であるときに分光放射率が低下する、波長１．２μｍから７μｍの範囲と合致する。このため、シリコンウエハは、ハロゲンランプ３１からの輻射熱を吸収し難くなり、シリコンウエハの温度が上がり難くなる、という事情を招く。

そこで、この発明の一実施形態に係る熱処理装置１００は、シリコンウエハＷの上下に、光を反射する反射板８ａ、８ｂを設けている。反射板８ａ、８ｂを設けることで、ハロゲンランプ３１から放射された光、及びハロゲンランプ３１から放射されシリコンウエハＷを透過した光は、反射板８ａ、８ｂで反射される。結果として、ハロゲンランプ３１から放射された輻射エネルギが、２枚の反射板８ａ、８ｂ間で反射を繰り返す構成となる。このようにハロゲンランプ３１から放射された輻射エネルギが反射板８ａ、８ｂ間で反射を繰り返す構成とし、かつ、シリコンウエハＷをこの反射が繰り返される空間内に配置することで、シリコンウエハＷの、光透過回数が、反射板８ａ、８ｂが無い場合に比較して増やすことができる。

このように、一実施形態に係る熱処理装置１００によれば、シリコンウエハＷの光透過回数が増えることで、ハロゲンランプ３１の温度を低温域から中温域、例えば、約２００℃〜１２００℃の範囲とした場合でも、シリコンウエハＷがハロゲンランプ３１からの輻射熱を吸収し難くなる事情を解消することができる。

また、一実施形態に係る熱処理装置１００は、輻射加熱源としてシリコンウエハＷの吸収率が良い短波長光、例えば、レーザー光を用いてシリコンウエハＷを熱処理する熱処理装置に比較して、安価な輻射加熱源、例えば、ハロゲンランプ３１を利用しても加熱効率を上げることができる、という利点も得ることができる。

また、ハロゲンランプ３１から出た光は、反射板８ａ、８ｂで反射されるため、ハロゲンランプ３１が発した輻射エネルギが、真空容器１やランプユニット３に吸収される割合を減らすことができ、装置自体の熱効率が向上する、という利点も得ることができる。

また、輻射エネルギが真空容器１やランプユニット３に吸収される割合が減ることで、例えば、図４に示すように、真空容器１やランプユニット３を冷却する冷却機構６を排除することも可能であり、装置を簡素化できる、という利点も得ることができる。

図５Ａは一実施形態に係る熱処理装置が備える反射板の一構造例を示す平面図、図５Ｂは図５Ａ中の５Ｂ−５Ｂ線に沿う断面図である。

図５Ａ及び図５Ｂに示すように、一構造例に係る反射板８（８ａ、８ｂ）の平面形状は、円板状である。さらに、反射板８（８ａ、８ｂ）は、凹部８２を有したベース体８１と、凹部８２の底に形成された反射体８３と、凹部８２を封止し、密閉空間８５を形成するキャップ体８４とを含んで構成されている。キャップ体８４は、ベース体８１に、例えば融着させることで接合される。ハロゲンランプ３１からの光は、ベース体８１の凹部８２の形成面とは反対側の面からベース体８１に入射され、凹部８２の底に形成された反射体８３で反射されて、ベース体８１から出射される。

このようにベース体８１はハロゲンランプ３１からの光が入射されて出射される。また、ベース体８１、反射体８３、及びキャップ体８４は、熱処理中にシリコンウエハＷと温度と同程度の温度まで昇温される。

このため、まず、ベース体８１に要求される能力は、光を透過させる性質を持ち、かつ、光の減衰が少なく、しかも高温となっても変質やガスを放出し難いことを挙げることができる。このような要求を満たす材料の一例は石英である。

また、反射体８３に要求される能力は、光を反射させる性質を持ち、かつ、光を吸収し難く、高い反射率で反射でき、しかも高温となっても溶けたり、反射率が変動したりするなどの変質を起こし難いことを挙げることができる。このような要求を満たす材料の一例はモリブデンである。

さらに、この一構造例においては、高温となることによる反射体８３の変質や反射率の低下をより抑制するために、反射板８の内部に密閉空間８５を形成し、この密閉空間８５の内部に反射体８３を設けるようにしている。このように、反射体８３を密閉空間８５の内部に設けることで、反射体８３が処理雰囲気に直接晒されないようにすることができる。これにより、反射体８３の処理雰囲気、特にシリコンウエハＷからのデガスによる変質、及び上記デガスによる変質や付着物の付着に伴う反射率の低下を、より抑制することが可能となる。

さらに、この一構造例においては、密閉空間８５の内部に、不活性ガスを充填するようにしている。密閉空間８５の内部に不活性ガスを充填することで、密閉空間８５の内部の雰囲気で反射体８３が変質してしまう可能性も無くすことができる。密閉空間８５内に、充填される不活性ガスの例としては、ヘリウムガス、ネオンガス、アルゴンガス、クリプトンガス、キセノンガスなどを挙げることができる。また、窒素ガスであっても良い。

キャップ体８４は、ベース体８１とは異なり、光を透過させるなどの能力は特に要求されないが、高温となっても溶けたり、密閉空間８５の内部にガスを放出したりしないことが望ましい。本例では、キャップ体８４はベース体８１と同じ石英を用いた。

また、ベース体８１やキャップ体８４は、シリコンウエハＷからのデガス等により表面が汚染される。しかしながら、ベース体８１やキャップ体８４を、例えば石英で構成すると、定期的な洗浄、例えば、ウェット洗浄を行えば、上記汚染を簡単に除去することができる。

また、反射板８は、石英とモリブデンだけで構成することで、比較的安価に製作可能でる上、寿命も長く、ベース体８１やキャップ体８４の表面が腐蝕した場合でも、表面を研磨すれば容易に再生可能である、という利点も得ることができる。

以上、この発明を一実施形態に従って説明したが、この発明は、上記一実施形態に限定されることは無く、種々変形可能である。また、この発明の実施形態は、上記一実施形態が唯一の実施形態でもない。

例えば、上記一実施形態では、単純にシリコンウエハを加熱処理する熱処理装置を例にとって示したが、成膜装置等、シリコンウエハの加熱が必要な他の装置に適用することができる。

また、上記一実施形態では、輻射加熱源としてハロゲンランプを例示したが、例えば、波長が１μｍを超える波長（例えば、ピーク波長が１μｍから長波長側）を出す輻射加熱源であれば、ハロゲンランプ以外の輻射加熱源を利用することも可能である。

８、８ａ、８ｂ…反射板、３１…ハロゲンランプ、８１…ベース体、８２…凹部、８３…反射体、８４…キャップ体、８５…密閉空間、Ｗ…シリコンウエハ、Ｓ…処理空間。

Claims

輻射加熱源と、
前記輻射加熱源の上方に設けられた第１の反射板と、
前記輻射加熱源の下方に設けられた第２の反射板と、を備え、
シリコンを含む被加熱体が前記第１の反射板と前記第２の反射板との間に配置され、前記シリコンを含む被加熱体が、前記輻射加熱源からの輻射エネルギが前記第１の反射板と前記第２の反射板との間で反射を繰り返す空間内で熱処理されるように構成したことを特徴とする熱処理装置。
熱処理中の前記輻射加熱源のピーク波長が１μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の熱処理装置。
前記シリコンを含む被加熱体の加熱温度が６００℃未満であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱処理装置。
前記第１、第２の反射板が、
凹部を有したベース体と、
前記凹部の底に形成された反射体と、
前記ベース体の凹部側に接合されることで密閉空間を形成するキャップ体と、を含んで構成されることを特徴とする請求項１から請求項３いずれか一項に記載の熱処理装置。
前記密閉空間に、不活性ガスが充填されていることを特徴とする請求項４に記載の熱処理装置。