JP2011527837A - シャワーヘッドを備える急速熱処理チャンバ - Google Patents

Abstract

基板を熱処理する装置および方法が提供される。チャンバは、基板の加熱および冷却中、板から異なる距離のところに基板を位置決めするように構成された浮上式の支持アセンブリを含む。一実施形態では、板の表面上の複数の開口が、基板の放射状の表面全体にわたってガスを均等に分布させるように構成される。このガスの分布により、熱処理中に基板へ後方反射されない放射エネルギーを板の吸収性の領域と結合させて、基板の冷却を開始することができる。本明細書に記載の方法および装置は、基板を急速に熱処理する制御可能かつ効果的な手段を可能にする。

Description

本発明の実施形態は一般に、半導体ウェーハおよびその他の基板の熱処置に関する。詳細には、本発明の実施形態は、白熱ランプのアレイなどの放射源からのウェーハの急速熱処理に関する。

シリコンまたは他のウェーハから集積回路を製作することには、層を堆積させ、これらの層にフォトリソグラフィでパターン形成し、これらのパターン形成した層をエッチングするという多数のステップを必要とする。半導体シリコン内の活性領域をドープするにはイオン注入が使用される。この製作シーケンスはまた、注入損傷の回復およびドーパントの活性化、結晶化、熱酸化および窒化、シリサイド化、化学気相成長、気相ドーピング、熱清浄、ならびに他の理由を含む多くの用途のために、ウェーハの熱アニールを含む。初期のシリコン技術でのアニールでは、通常、アニール炉内で複数のウェーハを長期間加熱する必要があったが、回路フィーチャの小型化による要件の厳格化を満たすために、急速熱処理（ＲＴＰ）がますます使用されるようになった。ＲＴＰは通常、単一ウェーハチャンバ内で、集積回路が形成されつつあるウェーハのおもて面に誘導された高強度ランプのアレイからの光をウェーハに照射することによって実行される。この放射は、ウェーハによって少なくとも部分的に吸収され、このウェーハを所望の高い温度まで、たとえば６００℃を超えるまで、またはいくつかの応用例では１０００℃を超えるまで、迅速に加熱する。この放射加熱のオンおよびオフを迅速に切り換えて、たとえば１分以下、またはさらには数秒という比較的短期間にわたって、ウェーハを制御可能かつ均一に加熱することができる。ＲＴＰチャンバは、約５０℃／秒以上の速度で、たとえば１００℃〜１５０℃／秒および２００℃〜４００℃／秒の速度で、ウェーハを均一に加熱することが可能である。ＲＴＰチャンバ内の典型的な下降（冷却）速度は、８０〜１５０℃／秒の範囲内である。ＲＴＰチャンバ内で実行されるいくつかのプロセスでは、基板全体にわたって温度の変動を摂氏数度未満にする必要がある。

急速熱処理は毎回単一の半導体に作用するため、最適なＲＴＰ性能には、最適な加熱および冷却手段が必要である。基板の熱処理中、基板の温度均一性を最適化することが望ましい。温度均一性により、膜堆積、酸化物成長、およびエッチングなど、温度で活性化されるステップに対して、基板上での均一なプロセス変量（たとえば、層厚さ、抵抗率、エッチング深さ）がもたらされる。さらに、基板の温度均一性は、反り、欠陥生成、およびすべりなど、熱応力によって引き起こされる基板損傷を防止するのに必要である。たとえば、１１５０℃では、４インチのシリコンウェーハ上の中心と縁部の温度差が約５℃になると、転位の形成およびすべりを引き起こす可能性がある。温度勾配はまた、他の原因によって引き起こされることがある。たとえば、基板は、基板の表面積または体積に対する空間的修正のため、均一でない放射率を有することがある。これらの修正は、フォトリソグラフィによってパターン形成された膜、またはバイポーラトランジスタ用の埋込み層などの局部的にドープされた領域を含むことがある。さらに、基板の温度勾配は、処理チャンバ設計に関係する局部的なガス冷却または加熱効果、ならびに処理中に基板表面上で発生しうる均一でない吸熱または発熱反応によって引き起こされることがある。改善された温度均一性を提供するＲＴＰチャンバを提供することが望ましいであろう。

本発明の１つまたは複数の実施形態は、基板を加熱する急速熱処理（ＲＴＰ）装置を対象とする。ＲＴＰチャンバは、チャンバと、チャンバ内で基板を保持する支持体とを備えることができ、基板は、第１の面と、第１の面の反対側の第２の面とを有する。チャンバ内部には、基板の第１の面の方へ放射エネルギーを誘導する放射熱源が位置することができる。放射熱源は、オンおよびオフを迅速に切り換えて、均一な分布を含む所望の空間温度分布で基板を制御可能に加熱するように構成することができる。この装置は、所定の波長範囲にわたって放射の強度を測定する少なくとも１つの高温計をさらに含む。高温計は、基板によって放出される放射を受け取るように位置決めすることができる。この装置はまた、基板の第２の面に面している板を含むことができる。この板は、少なくとも１つのガス源および板の表面上の複数の開口に結合された少なくとも１つのガスチャネルを含む。これらの開口は、基板全体にわたってプロセスガスを均等に分布させるように構成される。板は、所定の波長範囲内の放射を反射する反射領域を有する。

他の実施形態では、板は、基板に近接して位置決めすることができる。これらの実施形態の板は、ウェーハによって放出される放射の少なくとも一部分を吸収することができる。さらなる実施形態では、板は、基板の面積より大きい面積にわたる。

１つまたは複数の実施形態では、ガスチャネルは、第１のガスおよび第２のガスを送達するように構成される。第１および第２のガスは、ガスチャネル内の少なくとも１つの混合チャンバ内で混合してから送達することができる。追加の構成では、３つ以上のガスを同時に送達することを可能にすることができる。これらのガスはまた、反応性のものとすることができ、基板表面へ送達する前または後に混合することができる。

さらなる実施形態では、板は、外側の反射性の高い部分と、外側の部分の下にある吸収層を有する内側の部分とを有する。板の反射領域は、少なくとも１つの高温計の方へ熱を反射するように位置決めすることができる。

いくつかの実施形態の開口は、基板の放射状の表面全体にわたってガスを均等に分布させて、板と基板の熱結合を促進するように構成される。他の実施形態では、開口は、板全体にわたって均等に分布される。

いくつかの実施形態は、浮上式の支持アセンブリである、基板を取り付ける支持体を有する。浮上式のアセンブリは、チャンバ内の上部位置と下部位置の間で基板を動かすように構成することができる。浮上式の支持アセンブリはまた、固定子アセンブリに磁気的に結合することができる。固定子アセンブリは、アクチュエータアセンブリにさらに機械的に結合することができる。

１つまたは複数の実施形態では、基板は、加熱および冷却プロセス中に板から様々な距離のところに位置決めすることができる。これにより、板と基板の間のガスの流れ場を特別に調整することを可能にすることができる。この距離は、動的に変化させることができ、それによって、基板表面の化学的性質に影響を与えるように活性種の滞留時間を調節することができる。

本発明の追加の実施形態は、基板を急速に熱処理する方法を対象とする。この方法は、放射熱源を基板の第１の表面へ誘導することによって基板を急速に加熱するステップと、基板の第２の表面近傍に位置決めされた反射体で、放射熱を基板の第２の表面の方へ反射するステップと、吸収板により熱を吸収することによって基板を冷却するステップと、吸収板を通って基板の第２の表面へプロセスガスを誘導するステップとを含むことができる。

いくつかの実施形態では、基板の加熱は、約２分以下の期間を含む。他の実施形態では、基板の冷却は、約１０秒以下の期間内に行うことができる。１つまたは複数の実施形態では、基板は、冷却のために板より下でその近傍に位置決めされる。他の実施形態では、基板は、板より上に位置決めされる。

さらなる実施形態では、吸収板の表面上の複数の開口を通ってプロセスガスを誘導する。開口は、冷却中に基板と吸収板の吸収層の間の熱伝導を高めるために、基板の放射状の表面全体にわたってガスを均等に分布させるように位置決めすることができる。開口はまた、制御された不均等な分布で、基板の放射状の表面全体にわたってガスを分布させるように位置決めすることができる。

様々な実施形態の急速熱処理技法は、基板上に膜を形成するためのスパイクアニールプロセスを含む。基板。

急速熱処理（ＲＴＰ）チャンバの一実施形態の簡略化した等角図である。 一実施形態による吸収シャワーヘッド近傍に位置決めされた基板の横断面図である。 吸収シャワーヘッドの底面図である。 図２の線３−３に沿って示す横断面図である。

以下に記載の実施形態は概して、基板全体にわたって均等にガスを分布させて基板の急速かつ制御された加熱および冷却を可能にするためのガス分布出口を組み込む板を含むＲＴＰシステムを対象とする。板は、吸収性、反射性、または両方を組み合わせたものとすることができる。本明細書では、急速熱処理またはＲＴＰとは、約５０℃／秒以上の速度で、たとえば１００〜１５０℃／秒および２００〜４００℃／秒の速度で、ウェーハを均一に加熱することが可能な装置またはプロセスを指す。ＲＴＰチャンバ内の典型的な下降（冷却）速度は、８０〜１５０℃／秒の範囲内である。ＲＴＰチャンバ内で実行されるいくつかのプロセスでは、基板全体にわたって温度の変動を摂氏数度未満にする必要がある。したがって、ＲＴＰチャンバは、最高１００〜１５０℃／秒および２００〜４００℃／秒の速度で加熱することが可能なランプまたは他の適切な加熱システム、および加熱システム制御部を含まなければならず、これらの速度で急速に加熱することが可能な加熱システムおよび加熱制御システムをもたない他のタイプの熱チャンバから、急速熱処理チャンバを区別している。図示の実施形態では、ＲＴＰチャンバは任意選択で、チャンバの内壁と接触しないでチャンバ内で浮上して回転するように適合された基板支持体を含む。浮上式の基板支持システムは、ガス分布出口を組み込む吸収板と結合されており、チャンバ内で処理されている基板の加熱および冷却を向上するように、吸収板からの流れを調整することを可能にする。吸収板とガス分布出口の間の距離を調節する能力を提供することによって、活性種の滞留時間を変化させることができ、基板表面の化学的性質をより精密に変化させることができる。

図１を次に参照して、急速熱処理チャンバ１００の例示的な実施形態を示す。処理チャンバ１００は、基板支持体１０４およびチャンバ本体１０２を含み、チャンバ本体１０２は、室内容積１２０を画定する壁１０８、底部１１０、および頂部１１２を有する。壁１０８は通常、基板１４０の出し入れを容易にするために、少なくとも１つの基板アクセスポート１４８を含む（図１に一部分を示す）。アクセスポートは、搬送チャンバ（図示せず）またはロードロックチャンバ（図示せず）に結合することができ、スリットバルブなどのバルブ（図示せず）で選択的に封止することができる。一実施形態では、基板支持体１０４は環状であり、チャンバ１００は、基板支持体１０４の内径内に配置された放射熱源１０６を含む。放射熱源１０６は通常、複数のランプを備える。修正できるＲＴＰチャンバおよび使用できる基板支持体の例は、米国特許第６８００８３３号および米国特許出願公開第２００５／０１９１０４４号に記載されている。これらをどちらも、全体として参照により組み込む。本発明の一実施形態では、チャンバ１００は、基板全体にわたって均等にガスを分布させて基板の急速かつ制御された加熱および冷却を可能にするために、ガス分布出口を組み込む板２００を含む（以下により詳細に説明する）。

板は、吸収性、反射性のものとすることができ、または吸収領域と反射領域の組合せを有することができる。詳細な実施形態では、板は、高温計の視野内にある領域と、高温計の視野の外側にある領域とを有することができる。高温計の視野内にある領域は、円形の場合、直径約１インチとすることができ、または必要に応じて他の形状および寸法とすることができる。プローブの視野内にある領域は、高温計によって観察される波長範囲全体にわたって反射性の非常に高いものとすることができる。高温計の波長範囲および視野の外側では、板は、放射熱損失を最小にするための反射性のものから、放射熱損失を最大にしてより短い熱暴露を可能にするための吸収性のものまで多岐にわたることができる。

ＲＴＰチャンバ１００はまた、頂部１１２に隣接し、結合され、または中に形成された冷却ブロック１８０を含む。通常、冷却ブロック１８０は、放射熱源１０６とは隔置され、放射熱源１０６に対向している。冷却ブロック１８０は、入口１８１Ａおよび出口１８１Ｂに結合された１つまたは複数の冷媒チャネル１８４を備える。冷却ブロック１８０は、ステンレス鋼、アルミニウム、ポリマー、またはセラミック材料など、プロセスに耐える材料から作ることができる。冷媒チャネル１８４は、螺旋形のパターン、矩形のパターン、円形のパターン、またはこれらの組合せを備えることができ、またチャネル１８４は、たとえば冷却ブロック１８０を鋳造すること、および／または３つ以上の部片から冷却ブロック１８０を製作してこれらの部片をつなぎ合わせることによって、冷却ブロック１８０内に一体形成することができる。追加で、または別法として、冷却ブロック１８０内に穴を開けて冷媒チャネル１８４を形成することもできる。

入口１８１Ａおよび出口１８１Ｂは、バルブおよび適切な配管によって冷媒源１８２に結合することができ、また冷媒源１８２は、制御装置１２４と連通して、中に配置された流体の圧力および／または流れの制御を容易にする。流体は、水、エチレングリコール、窒素（Ｎ_２）、ヘリウム（Ｈｅ）、または熱交換媒体として使用される他の流体とすることができる。

図示の実施形態では、基板支持体１０４は任意選択で、室内容積１２０内で磁気的に浮上して回転するように適合される。図示の基板支持体１０４は、処理中に垂直に上下しながら回転することが可能であり、また処理の前、間、または後に回転なしで上下させることもできる。この磁気的浮上および／または磁気的回転により、基板支持体を上下および／または回転させるのに通常必要な可動部分をなくしまたは低減させるため、粒子の生成を防止しまたは最小にする。

チャンバ１００はまた、熱および様々な波長の光に対して透過性の材料から作られた窓１１４を含む。この光は、赤外（ＩＲ）スペクトル内の光を含むことができ、窓１１４を通って、放射熱源１０６からの光子が基板１４０を加熱することができる。一実施形態では、窓１１４は石英材料から作られるが、サファイアなど、光に対して透過性の他の材料を使用することもできる。窓１１４はまた、窓１１４の上部表面に結合された複数のリフトピン１４４を含むことができ、リフトピン１４４は、チャンバ１００の内外への基板の搬送を容易にするために、基板１４０に選択的に接触して支持するように構成されている。複数のリフトピン１４４はそれぞれ、放射熱源１０６からのエネルギーの吸収を最小にするように構成され、石英材料など、窓１１４に使用されるものと同じ材料から作ることができる。複数のリフトピン１４４は、搬送ロボット（図示せず）に結合されたエンドエフェクタの通過を容易にするように位置決めして互いに放射状に間隔を置いて配置することができる。別法として、エンドエフェクタおよび／またはロボットは、基板１４０の搬送を容易にするように、水平および垂直の動きを可能にすることもできる。

一実施形態では、放射熱源１０６は、第２の冷媒源１８３に結合された冷媒アセンブリ（図示せず）内に複数のハニカムチューブ１６０を含む筐体から形成されたランプアセンブリを含む。第２の冷媒源１８３は、水、エチレングリコール、窒素（Ｎ_２）、およびヘリウム（Ｈｅ）の１つまたは組合せとすることができる。筐体壁１０８、１１０は、銅材料または他の適切な材料から作ることができ、第２の冷媒源１８３からの冷媒を流すのに適した冷媒チャネルが中に形成される。冷媒は、筐体が基板１４０より冷たくなるように、チャンバ１００の筐体を冷却する。各チューブ１６０は、反射体と、高強度ランプアセンブリまたはＩＲ放射器とを含むことができ、そこからハニカム状のパイプ構成が形成される。パイプのこの最密な六角形の構成は、放射エネルギー源に高いパワー密度および良好な空間分解能を提供する。一実施形態では、放射熱源１０６は、基板を熱処理するのに、たとえば基板１４０上に配置されたシリコン層をアニールするのに十分な放射エネルギーを提供する。放射熱源１０６は、環状区間をさらに備えることができ、この環状区間内で、チューブ１６０からのエネルギーの放射状の分布を向上するように、制御装置１２４によって複数のチューブ１６０に供給される電圧を変動させることができる。基板１４０の加熱の動的制御は、基板１４０全体の温度を測定するように適合された１つまたは複数の温度センサ１１７によって行うことができる。

図示の実施形態では、チャンバ本体１０２の壁１０８に任意選択の固定子アセンブリ１１８が外接し、チャンバ本体１０２の外面に沿って固定子アセンブリ１１８の上昇を制御する１つまたは複数のアクチュエータアセンブリ１２２に結合される。一実施形態（図示せず）では、チャンバ１００は、チャンバ本体の周りに放射状に、たとえばチャンバ本体１０２の周りに約１２０°の角度で配置された３つのアクチュエータアセンブリ１２２を含む。固定子アセンブリ１１８は、チャンバ本体１０２の室内容積１２０内に配置された基板支持体１０４に磁気的に結合される。基板支持体１０４は、回転子として機能する磁気部分を備えることまたは含むことができ、そのようにして、基板支持体１０４を持ち上げかつ／または回転させるための磁気軸受けアセンブリを作製することができる。一実施形態では、基板支持体１０４の少なくとも一部分は、流体源１８６に結合されたトラフ（図示せず）によって部分的に取り囲まれており、流体源１８６は、基板支持体に対する熱交換媒体として適合された水、エチレングリコール、窒素（Ｎ_２）、ヘリウム（Ｈｅ）、またはこれらの組合せを含むことができる。固定子アセンブリ１１８はまた、固定子アセンブリ１１８の様々な部品および構成要素を密閉する筐体１９０を含むことができる。一実施形態では、固定子アセンブリ１１８は、懸架コイルアセンブリ１７０上に積み重ねた駆動コイルアセンブリ１６８を含む。駆動コイルアセンブリ１６８は、基板支持体１０４を回転および／または上下させるように適合され、一方懸架コイルアセンブリ１７０は、処理チャンバ１００内で基板支持体１０４を受動的に中心に位置決めするように適合することができる。別法として、回転および中心の位置決め機能は、単一のコイルアセンブリを有する固定子によって実行することもできる。

チャンバ本体１０２の室内容積１２０には、雰囲気制御システム１６４も結合される。雰囲気制御システム１６４は通常、チャンバ圧力を制御するスロットルバルブおよび真空ポンプを含む。雰囲気制御システム１６４は、室内容積１２０にプロセスまたは他のガスを提供するガス源をさらに含むことができる。雰囲気制御システム１６４はまた、熱蒸着プロセス、熱エッチングプロセス、およびチャンバ構成要素の現場清浄のためにプロセスガスを送達するように適合することができる。雰囲気制御システムは、シャワーヘッドガス送達システムと一緒に機能する。

チャンバ１００はまた、制御装置１２４を含み、制御装置１２４は通常、中央演算処理装置（ＣＰＵ）１３０、支持回路１２８、およびメモリ１２６を含む。ＣＰＵ１３０は、産業環境で、様々な操作およびサブプロセッサを制御するように使用できる任意の形式のコンピュータプロセッサの１つとすることができる。メモリ１２６またはコンピュータ可読媒体は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）、フロッピーディスク、ハードディスク、またはローカルもしくは遠隔の任意の他の形式のデジタル記憶装置などの１つまたは複数の容易に利用可能なメモリとすることができ、通常、ＣＰＵ１３０に結合される。支持回路１２８は、従来通り制御装置１２４を支持するようにＣＰＵ１３０に結合される。これらの回路は、キャッシュ、電源、クロック回路、入出力回路、サブシステムなどを含む。

一実施形態では、それぞれのアクチュエータアセンブリ１２２は通常、チャンバ本体１０２の壁１０８から延びる２つのフランジ１３４間に結合された高精度の親ねじ１３２を備える。親ねじ１３２は、ねじが回転するにつれて親ねじ１３２に沿って軸方向に進むナット１５８を有する。固定子１１８とナット１５８の間に継ぎ手１３６が結合され、したがって親ねじ１３２を回転させるにつれて、継ぎ手１３６は親ねじ１３２に沿って動いて、継ぎ手１３６との境界面で固定子１１８の上昇を制御する。したがって、アクチュエータ１２２の１つの親ねじ１３２を回転させて、他のアクチュエータ１２２のナット１５８間で相対移動を生じさせると、固定子１１８の水平面は、チャンバ本体１０２の中心軸に対して変化する。

一実施形態では、親ねじ１３２にステッパまたはサーボモータなどのモータ１３８が結合され、制御装置１２４による信号に応答して制御可能な回転を提供する。別法として、とりわけ空圧式シリンダ、油圧式シリンダ、ボールねじ、ソレノイド、線形アクチュエータ、およびカム従動子など、他のタイプのアクチュエータ１２２を利用して、固定子１１８の線形位置を制御することもできる。

チャンバ１００はまた、１つまたは複数のセンサ１１６を含み、センサ１１６は通常、チャンバ本体１０２の室内容積１２０内の基板支持体１０４（または基板１４０）の上昇を検出するように適合される。センサ１１６は、チャンバ本体１０２および／または処理チャンバ１００の他の部分に結合することができ、基板支持体１０４とチャンバ本体１０２の頂部１１２および／または底部１１０との距離を示す出力を提供するように適合され、また、基板支持体１０４および／または基板１４０のミスアライメントを検出することができる。

１つまたは複数のセンサ１１６は、センサ１１６から出力メトリックを受け取って、基板支持体１０４の少なくとも一部分を上下させるように１つまたは複数の信号を１つまたは複数のアクチュエータアセンブリ１２２に提供する制御装置１２４に結合される。制御装置１２４は、センサ１１６から得た位置メトリックを利用して、各アクチュエータアセンブリ１２２で固定子１１８の上昇を調整することができ、したがって、基板支持体１０４およびその上に位置する基板１４０の上昇と平面性はどちらも、ＲＴＰチャンバ１００および／または放射熱源１０６の中心軸に対して調整することができる。たとえば、制御装置１２４は、基板支持体１０４の軸方向のミスアライメントを補正するために、１つのアクチュエータ１２２の操作によって基板支持体を上げるように信号を提供することができ、または制御装置は、すべてのアクチュエータ１２２に信号を提供して、基板支持体１０４が同時に垂直に動くのを容易にすることができる。

１つまたは複数のセンサ１１６は、チャンバ本体１０２内の基板支持体１０４の近接を検出することが可能な超音波、レーザ、誘導性、容量性、または他のタイプのセンサとすることができる。センサ１１６は、頂部１１２近傍でチャンバ本体１０２に結合することができ、または壁１０８に結合することができるが、チャンバ１００の外側で固定子１１８に結合するなど、チャンバ本体１０２内およびその周囲の他の位置が適していることもある。一実施形態では、１つまたは複数のセンサ１１６は、固定子１１８に結合することができ、壁１０８を通じて基板支持体１０４（または基板１４０）の上昇および／または位置を感知するように適合される。この実施形態では、壁１０８は、壁１０８を通じた位置の感知を容易にするために、より薄い断面を含むことができる。

チャンバ１００はまた、１つまたは複数の温度センサ１１７を含み、温度センサ１１７は、処理の前、間、および後に基板１４０の温度を感知するように適合することができる。図１に示す実施形態では、温度センサ１１７は頂部１１２を貫通して配置されるが、チャンバ本体１０２内およびその周囲の他の位置を使用することもできる。温度センサ１１７は、光高温計とすることができ、一例として、光ファイバプローブを有する高温計とすることができる。センサ１１７は、基板の直径全体または基板の一部分を感知する構成で、頂部１１２に結合するように適合することができる。センサ１１７は、基板の直径に実質上等しい感知面積、または基板の半径に実質上等しい感知面積を画定するパターンを構成することができる。たとえば、基板の半径または直径全体にわたって感知面積を可能にするように、放射状または線形の構成で、頂部１１２に複数のセンサ１１７を結合することができる。一実施形態（図示せず）では、頂部１１２の中心の周りから頂部１１２の周辺部分へ放射状に延びるように１列に複数のセンサ１１７を配置することができる。このようにして、センサ１１７によって基板の半径を監視することができ、これにより、回転中には基板の直径を感知することができる。

本明細書に記載のように、チャンバ１００は、基板を「上向き」に受け入れるように適合され、基板の堆積物を受け取る側または面は板２００の方へ向けられ、また基板の「裏面」は、放射熱源１０６に面している。基板の裏面は通常、基板の面より反射性が低いため、「上向き」にすることで、放射熱源１０６からのエネルギーを基板１４０によってより急速に吸収することが可能になる。

板２００および放射熱源１０６がそれぞれ室内容積１２０の上部部分および下部に位置決めされるものとして記載したが、冷却ブロック１８０と放射熱源１０６の位置を逆にすることもできる。たとえば、冷却ブロック１８０は、基板支持体１０４の内径内に位置決めされるように寸法設定および構成することができ、また放射熱源１０６は、頂部１１２に結合することができる。この構成では、石英窓１１４は、チャンバ１００の上部部分内で放射熱源１０６に隣接するなど、放射熱源１０６と基板支持体１０４の間に配置することができる。裏面が放射熱源１０６に面しているとき、基板１４０は熱を容易に吸収することができるが、いずれの構成でも、基板１４０を上向きにしても下向きにしてもよい。

吸収板２００に関するさらなる細部を、図２および３に示す。図２を参照して、基板全体にわたってガスを均等に分布させて基板の急速かつ制御された加熱および冷却を可能にするためのガス分布出口を組み込む吸収板２００を示す。板２００は、ガス導入システム２０２を有する頂部部分２０１を含み、ガス導入システム２０２は、２つのガスを混合するガス混合チャンバ２０８と連通している第１のガス導入ポート２０４および任意選択の第２のガス導入ポート２０６を含む。単一のガス導入ポートだけが提供された場合、混合チャンバ２０８を設計から省くことができる。追加のガス導入ポートも同様に提供できることが理解されるであろう。ガス導入ポート２０２、２０６はもちろん、ガスタンクまたはガス供給システム（図示せず）などの適切なガス源に接続されるはずである。混合チャンバ２０８は、ガス流路２１２と連通しており、ガス流路２１２は、遮断板２１３内に形成されたガスチャネル２１４およびガス導入開口２１６と連通している。遮断板２１３は、頂部部分２０１に固定された別個の構成要素とすることができ、または頂部部分内に一体形成することもできる。もちろん、シャワーヘッドを出た後にガス混合が行われるように、３つ以上のガスに対して３組以上のこのタイプの個々の開口２１６が提供されるものも含めて、他の設計も可能である。吸収板は、開口２１６が貫通するように形成された面２０３を含む。

図３は、吸収板２００および面２０３を貫通する複数の開口２１６の平面図を示す。開口の数およびパターンは変更することができ、図３に示す設計は例示のみを目的とすることを理解されたい。簡単に説明すると、板２００を貫通する穿孔により、温度センサ１１７による基板の温度測定が可能である。１つまたは複数の実施形態では、吸収板上の複数の開口は、板の表面の１０％以下から構成される。一実施形態では、複数の開口は、高温計の２５ｍｍ以内、および吸収板の反射性の高い表面の直径１ｍｍ以内には位置しないように位置決めされる。

１つまたは複数の実施形態では、シリコン基板を処理するシステムで、長い放射波長（たとえば、約３．５〜４ミクロンより大きい波長）を検出する高温計が、温度センサ１１７として利用される。しかし、この手法は、７００℃を超える温度に最も適している。室温では、シリコンウェーハは、１．０ミクロンより長い光の波長に対して透過性である。基板の温度が上昇するにつれて、基板はより長い波長に対して不透明になり、約７００℃で、基板は当該のすべての波長に対して不透明になる。したがって、７００℃より低い温度では、長い波長に対して感度を有する高温計が、熱源から直接くる光を検出するのにもより適している。すなわち、高温計によって標本化される波長は通常、プロセス温度と共に変動する。プロセス温度が実質上７００℃より低い場合、高温計は通常、１．１ミクロンより短い波長を標本化する。より高いプロセス温度が使用される場合、より長い波長を標本化することができる。

９００℃〜１３５０℃のプロセス温度に特に適した１つの設計では、０．９ミクロン〜１．０ミクロンの波長の放射に対して感度を有する固体素子温度計が使用される。この温度範囲では、波長範囲０．９〜１．０ミクロンで生じる相当な量の放射が、高い信号強度および高い信号対雑音比をもたらす。

図４は、吸収板２００上で使用できる層状の構成を示す。図４に示すように、処理中に基板１４０に面している吸収板２００の面２０３は、標的波長範囲内の放射に関して反射性が高く、標的波長範囲外の放射に関して反射性が低い層を有する。いくつかの実施形態では、この選択的な反射率を実現するために、吸収板表面上に１つまたは複数の被覆または層が提供される。一実施形態では、これらの被覆は、標的波長範囲内の放射に対して高い反射率を提供し、吸収板の表面を覆うように位置決めされた１つまたは複数の干渉層を含む。

図３に示すように、層構造には、１つまたは複数の干渉層２５０が含まれる。これらの干渉層は、数対の層を含み、各対は、低い屈折率をもつ層と、高い屈折率をもつ層とを含む。合わせると、これらの干渉層は、標的波長範囲内の放射に関して反射性が高く、標的波長範囲外の放射に関して反射性が低い構造を構成する。干渉層の特定の材料、厚さ、および他の特性は、所望の標的波長範囲を含めて、処理システムの複数の特性に基づいて選択される。適切な干渉層構造は、コロラド州ボールダーのＲｅｓｅａｒｃｈ Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃｓ社から得ることができる。

一実施形態では、吸収板２００の反射性の高い部分は、４分の１波長スタックを構成する。４分の１波長スタックは交互の誘電体層から構成され、これらの誘電体層は、異なる屈折率を有し、また高温計へのそれぞれの受光角全体にわたって高温計の感度が最もよい波長の１／４に等しい光学厚さ（たとえば、９５０ナノメートルの１／４に等しい厚さ）を有する。上述のように、干渉層２５０は、標的波長内の放射に対して高い反射率を提供する。吸収板２００の別の部分は、標的波長外の放射を吸収する。一実施形態では、吸収板の面２０３より上で干渉層２５０より下に、吸収層２５２を位置決めすることができる。この吸収層２５２は、吸収板２００の反射率が高い部分より吸収性が高い。標的波長外の放射は干渉層を通過するため、吸収層によって吸収される。その結果生じる熱は吸収板２００を通過し、前述の冷却機構を通じて放散される。

吸収性の層２５２には、たとえば金属酸化物を含めて、様々な材料を用いることができ、また適切な材料は、当業者には明らかであろう。さらに、放射の吸収のための他の機構を用いることもできる。たとえば、図４に示す吸収性の層２５２を用いるのではなく、吸収板の面２０３が、吸収板の反射性が高い部分を通過する放射を吸収することができる。同様に、図４に示す干渉層２５０の構造は例示のみを目的とし、当技術分野で知られている他の機構を使用して、標的波長範囲内の放射を、吸収板２００の吸収性の部分から離れるようにフィルタリング、ミラーリング、または反射することができる。

図４に示すように、干渉層２５０より上にパッシベーション層２５４を用いることができる。このパッシベーション層は、吸収板の面２０３より上の層の材料が場合によってはチャンバを汚染するのを防止する。パッシベーション層２５４は、二酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化シリコン、または当該波長範囲内のその反射特性を許容できないほどに劣化させることなく反射体をパッシベートする任意の他の許容できる材料から作ることができる。

本発明の範囲内で、反射体表面上で他の層２５６、２５８を用いて、デバイスの製作または動作のためのよく知られている機能を実行することができる。たとえば、そのような層２５６、２５８を用いて、吸収性の層２５２、干渉層２５０、および／もしくはパッシベーション層２５４の適用またはこれらの間の遷移を容易にすることができる。

通常、標的波長範囲は、高温計の温度測定に使用されるスペクトル領域に対応する。一実施形態では、高温計の温度測定は、狭いスペクトル領域内の基板によって放出される放射の光学測定である。このスペクトル領域は、約７００〜１０００ナノメートルであることが好ましい。同様に、吸収すべき放射の波長も特定することができる。熱処理中に基板から放射されるエネルギーのスペクトルは、温度、放射率、およびプランクの黒体放射則の複雑な関数である。簡略化すると、反射体の吸収部分のスペクトル限界は、黒体放射則、およびプロセスのピーク温度の温度範囲、すなわち放射冷却が最も望まれるプロセスの温度で決まる。

図３に示す詳細な実施形態では、吸収板２００は、それぞれのプローブ上に直径約１インチの領域２０５を有し、それによって通常高温計である温度センサは、所定の波長領域全体にわたって放射の強度を測定することができる。領域２０５は、高温計の波長範囲全体にわたって非常に高い反射率を有し、領域２０５内の鏡面を覆う多層の誘電体スタックの形とすることができる。これらの領域の主に重要な点は、高温計から見た領域内のウェーハの見掛け上の放射率が著しく高まるローカル領域を提供することである。

図１に示す実施形態では、基板と板２００の間の離隔距離は、所与の基板に対する所望の熱暴露に依存する。一実施形態では、基板を板２００からより長い距離のところで、ランプのより近くに配置して、基板の熱暴露の量を増大させ、また板からの冷却を低減させることができる。基板が板２００により近く、ランプからより遠い位置に配置されるとき、この構成では、基板の熱暴露の量を低減させ、板から受ける冷却を増大させる。基板の加熱中の基板の正確な位置、および特定の位置で費やす滞留時間は、熱暴露の所望の量および冷却の量次第である。ほとんどの場合、滞留時間は、基板の所望の表面の化学的性質に依存する。図１に示す実施形態では、チャンバ内部の異なる垂直位置で基板支持体を容易に浮上させて、基板の熱暴露の制御を可能にすることができる。

代替実施形態では、吸収板と光源を、図１に示す構成とは逆にすることができる。逆にした構成では、基板が吸収板近傍にあるとき、基板から吸収板２００への熱伝導が増大し、冷却プロセスを向上する。冷却の速度を増大させると、最適のＲＴＰ性能を促進することができる。したがって、基板が吸収板により近く位置決めされるとき、ランプに対する熱暴露の量は低減し、一方板からの冷却の量は増大する。

一実施形態では、基板が吸収板近傍の位置へ動かされるにつれて、吸収板の表面上に見られる複数の開口からガスを解放して、基板の冷却を最適化することができる。複数の開口は、基板の放射状の表面全体にわたってガスを均等に分布させて、基板と吸収板の吸収層の間の熱伝導および対流を高めるように構成することができる。伝導効果を高めるために、より伝導性の高いガスと伝導の低いガスを交換することができ、または孔２１６を通過するガスの速度を増大させて、乱流をもたらし、シャワーヘッドと基板の間の対流結合を高めることができる。基板の方へ放射状にガスを分布させることで、基板の冷却を最適化し、ＲＴＰチャンバのスパイク性能を最適化する。いくつかの実施形態では、基板支持体は、より良好な均一性のために、処理中に基板全体にわたってガスの均等な分布を促進するように基板を回転させることができる。

ＲＴＰチャンバ内部で基板を熱処理する方法には、吸収板から所望の距離のところに基板を位置決めすることを必要とする。基板は、熱処理に関して本明細書に述べるように、基板を加熱および冷却するのに理想的な位置へ容易に動かすことができる。基板は、前述の浮上式の支持アセンブリを利用することによって、吸収板から異なる距離のところに動く。一実施形態では、支持アセンブリは、ＲＴＰチャンバに取り付けられたＣＰＵによって制御することができる。

別の実施形態では、熱処理中に異なる組のガスを利用することができる。１組のガスは基板の加熱中に使用され、第２の組のガスは基板の冷却中に使用される。ガスの選択は、所望の熱伝導性に依存する。たとえば、熱処理中に伝導性の低いガスを使用することで、傾斜中に必要なエネルギー量を低減させ、一方プロセスの終端で熱伝導性の高いガスを使用することで、冷却速度を増大させる。

したがって、本発明の１つまたは複数の実施形態は、基板を加熱する急速熱処理（ＲＴＰ）装置を対象とする。ＲＴＰチャンバは、チャンバと、チャンバ内で基板を保持する支持体とを備えることができ、基板は、第１の面と、第１の面の反対側の第２の面とを有する。チャンバ内部には、基板の第１の面の方へ放射エネルギーを誘導する放射熱源が位置することができる。放射熱源は、オンおよびオフを迅速に切り換えて、均一な分布を含む所望の空間温度分布で基板を制御可能に加熱するように構成することができる。この装置は、所定の波長範囲にわたって放射の強度を測定する少なくとも１つの高温計をさらに含む。高温計は、基板によって放出される放射を受け取るように位置決めすることができる。この装置はまた、基板の第２の面に面している板を含むことができる。この板は、板の表面上で少なくとも１つのガス源および複数の開口に結合された少なくとも１つのガスチャネルを含む。これらの開口は、基板全体にわたってプロセスガスを均等に分布させるように構成される。板は、所定の波長範囲内の放射を反射する反射領域を有する。

他の実施形態では、板は、基板に近接して位置決めすることができる。これらの実施形態の板は、ウェーハによって放出される放射の少なくとも一部分を吸収することができる。さらなる実施形態では、板は、基板の面積より大きい面積にわたる。

様々な実施形態のガスチャネルは、第１のガスおよび第２のガスを送達するように構成される。第１および第２のガスは、ガスチャネル内の少なくとも１つの混合チャンバ内で混合してから送達することができる。追加の構成では、３つ以上のガスを同時に送達することを可能にすることができる。これらのガスはまた、反応性のものとすることができ、基板表面へ送達する前または後に混合することができる。「反応性ガス」とは、エッチングガスなど、基板上の反応のために使用できるガス、または基板上に材料を形成するために使用される前駆体となるガスを指す。

さらなる実施形態では、板は、外側の反射性の高い部分と、外側の部分の下にある吸収層を有する内側の部分とを有する。板の反射領域は、少なくとも１つの高温計の方へ熱を反射するように位置決めすることができる。

いくつかの実施形態の開口は、基板の放射状の表面全体にわたってガスを均等に分布させて、板と基板の熱結合を促進するように構成される。他の実施形態では、開口は、板全体にわたって均等に分布される。

いくつかの実施形態は、浮上式の支持アセンブリである、基板を取り付ける支持体を有する。浮上式のアセンブリは、チャンバ内の上部位置と下部位置の間で基板を動かすように構成することができる。浮上式の支持アセンブリはまた、固定子アセンブリに磁気的に結合することができる。固定子アセンブリは、アクチュエータアセンブリにさらに機械的に結合することができる。

１つまたは複数の実施形態では、基板は、加熱および／または冷却プロセス中に板から様々な距離のところに位置決めすることができる。これにより、板と基板の間のガスの流れ場を特別に調整することを可能にすることができる。この距離は、動的に変化させることができ、それによって、基板表面の化学的性質に影響を与えるように活性種の滞留時間を調節することができる。

本発明の追加の実施形態は、基板を急速に熱処理する方法を対象とする。この方法は、放射熱源を基板の第１の表面へ誘導することによって基板を急速に加熱するステップと、基板の第２の表面近傍に位置決めされた反射体で、放射熱を基板の第２の表面の方へ反射するステップと、吸収板により熱を吸収することによって基板を冷却するステップと、吸収板を通って基板の第２の表面へプロセスガスを誘導するステップとを含むことができる。

いくつかの実施形態では、基板の加熱は、約２分以下の期間を含む。他の実施形態では、基板の冷却は、約１０秒以下の期間内に行うことができる。

様々な実施形態の基板は、冷却のために吸収板より下でその近傍に位置決めされる。

さらなる実施形態では、吸収板の表面上の複数の開口を通ってプロセスガスを誘導する。開口は、冷却中に基板と吸収板の吸収層の間の熱伝導を高めるために、基板の放射状の表面全体にわたってガスを均等に分布させるように位置決めすることができる。開口はまた、制御された不均等な分布で、基板の放射状の表面全体にわたってガスを分布させるように位置決めすることができる。

様々な実施形態の急速熱処理技法は、基板上に膜を形成するためのスパイクアニールプロセスを含む。

この明細書全体にわたって、「一実施形態（ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」、「特定の実施形態」、「１つまたは複数の実施形態」、または「一実施形態（ａｎ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」に対する言及は、その実施形態に関連して記載の特定の特徴、構造、材料、または特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、この明細書全体にわたって様々な場所に「１つまたは複数の実施形態で」、「特定の実施形態で」、「一実施形態（ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）で」、または「一実施形態（ａｎ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）で」などの語句が見られることは、必ずしも本発明の同じ実施形態に言及しているというわけではない。さらに、１つまたは複数の実施形態では、特定の特徴、構造、材料、または特性を、任意の適切な形で組み合わせることができる。

本明細書では本発明について、特定の実施形態を参照して説明したが、これらの実施形態は、本発明の原理および応用例を例示するものにすぎないことを理解されたい。本発明の精神および範囲から逸脱することなく、本発明の方法および装置に様々な修正および変形を加えることができることが、当業者には明らかであろう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲およびその等価物の範囲内にある修正形態および変形形態を含むものとする。

Claims (15)

1. 基板を加熱する急速熱処理装置であって、
   チャンバと、
   前記チャンバ内で前記基板を保持する支持体であり、前記基板が第１の面および前記第１の面の反対側の第２の面を有する支持体と、
   前記基板の前記第１の面の方へ放射エネルギーを誘導し、オンおよびオフを迅速に切り換えて、均一な分布を含む所望の空間温度分布で前記基板を制御可能に加熱するように構成された放射熱源と、
   所定の波長範囲にわたって放射の強度を測定する少なくとも１つの高温計であり、前記基板によって放出される放射を受け取るように位置決めされる高温計と、
   前記基板の前記第２の面に面している板であり、少なくとも１つのガス源と、前記基板全体にわたってプロセスガスを均等に分布させるように構成された前記板の表面上の複数の開口とに結合された少なくとも１つのガスチャネルを含み、前記所定の波長範囲内の放射を反射する反射領域を有する板と
   を備える装置。
2. 前記板が、前記基板に近接して位置決めされて、ウェーハによって放出される放射の少なくとも一部分を吸収する、請求項１に記載の装置。
3. 前記板が、前記基板の面積より大きい面積にわたって延びている、請求項１に記載の装置。
4. 前記ガスチャネルが、第１のガスおよび第２のガスを送達するように構成されており、前記第１のガスと前記第２のガスが、前記ガスチャネル内の少なくとも１つの混合チャンバ内で混合され、前記第１および第２のガスの少なくとも１つが反応性のものである、請求項１に記載の装置。
5. 前記板が、外側の反射性の高い部分と、前記外側の部分の下にある吸収層を有する内側部分とを有している、請求項１に記載の装置。
6. 前記基板の放射状の表面全体にわたってガスを均等に分布させるように構成された前記開口が、前記板と前記基板の熱結合を促進する、請求項５に記載の装置。
7. 前記開口が、前記板全体にわたって均等に分布されている、請求項１に記載の装置。
8. 前記基板を取り付ける前記支持体が、前記チャンバ内の上部位置と下部位置の間で前記基板を動かすように構成された浮上式の支持アセンブリであり、前記浮上式の支持アセンブリが固定子アセンブリに磁気的に結合されており、前記固定子アセンブリがアクチュエータアセンブリに機械的に結合されている、請求項１に記載の装置。
9. 前記板の前記反射領域が、少なくとも１つの高温計に向かって熱を反射するように位置決めされている、請求項１に記載の装置。
10. 基板を急速に熱処理する方法であって、
    放射熱源を前記基板の第１の表面へ誘導することによって前記基板を急速に加熱するステップと、
    前記基板の第２の表面近傍に位置決めされた反射体を用いて、前記放射熱を前記基板の第２の表面に向かって反射するステップと、
    吸収板により熱を吸収することによって前記基板を冷却するステップと、
    前記吸収板を通って前記基板の前記第２の表面へとプロセスガスを誘導するステップと
    を含む方法。
11. チャンバ内に位置決めされた浮上式および回転式の基板支持体によって前記基板を支持し、放射熱源の上方で放射熱源近傍に前記基板を配置し、加熱および冷却中に様々な距離だけ前記吸収板を離間させる、請求項１０に記載の方法。
12. 前記加熱が約２分以下の期間を含み、冷却のために前記吸収板の下方で前記吸収板近傍に前記基板を位置決めし、前記冷却が約１０秒以下の期間を含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記吸収板の表面上の複数の開口を通して前記プロセスガスを誘導する、請求項１０に記載の方法。
14. 冷却中に前記基板と前記吸収板の吸収層との間の熱伝導を高めるために、前記基板の前記放射状の表面全体にわたってガスを均等に分布させるように前記開口を位置決めする、請求項１３に記載の方法。
15. 制御された不均等な分布で、前記基板の前記放射状の表面全体にわたってガスを分布させるように前記開口を位置決めする、請求項１３に記載の方法。

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