JP2012524400A - Ｌｅｄ基板処理 - Google Patents

Abstract

本発明の実施形態は、基板を熱的に処理するために発光ダイオード（ＬＥＤ）を組み込んでいる基板処理機器および方法に関連する。かかる光源は、より高い効率およびより早い反応時間を含む各種の利点を提供する。パルス幅は、１ミリ秒以下まで選択可能であるが、１秒までおよび１秒を超える長いパルスに及ぶ場合がある。ＬＥＤが５０％よりも高い効率で光を生成し、タングステン−ハロゲンランプが５％よりも低い効率で動作するので、より長い処理時間を認める環境においてさえ、ＬＥＤがタングステン−ハロゲンランプよりも好ましい。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２００９年４月２０日に出願した、米国特許仮出願第６１／１７１，０２０号の利益を主張し、その出願は、すべての目的のためにその全体が参照により本明細書中に組み込まれている。

半導体産業において使用するいくつかのプロセスでは、基板を処理するためにかかる時間を短縮するために、急速に基板を加熱することが望ましい。典型的には、急速サーマル処理システムは、ときには真空条件下で、処理チャンバの内部に保持されている基板を急速に加熱するために、高輝度光源を利用する。高輝度ランプのアレイから構成される場合がある高輝度光源を、チャンバの内側または外側で、光がチャンバ中へと通過する透明窓に隣接して置く。チャンバの内側で、基板温度が入ってくる光に迅速に応答できるように、基板を、（通常、端部の周りで）ほんの少しの物理的な接触により支持する。ウェーハの表面は、高輝度ランプからの光に曝され、光を受ける。ランプは、基本的には、黒体放射器であり、動作温度まで可能な限り早く（典型的には３００ｍｓから５００ｍｓ）加熱する。集積回路の製造の際に一般的に使用されるようなシリコン基板と同様に、多くの基板に関して、基板が室温に近いときに、特に、加熱サイクルの始めにおいて、光学的な吸収はより短い波長に対して大きい。ランプが短波長光のかなりの部分を放出し始める高温（約３０００℃）にランプが達した後で、急速シリコン基板加熱が始まる。

図１は、チャンバ１０５内に配置されたウェーハ１００が、チャンバ蓋１２０上にマウントされたランプ１２５からの放射光によって加熱されるフラッド型急速サーマル加熱装置の概略的な断面図を示す。ランプ１２５は、典型的には、タングステン−ハロゲンランプであり、基板の熱プロファイルを一様にするために、複数のランプを異なる温度にすることができる。チャンバ１０５内の窓１３５を通る光を監視することによって、高温測定を行うことができる。ランプ１２５を点灯することができる割合が、典型的な加熱ランプに関しては制限され、いかに早く基板を加熱できるかについての制限という結果になる。タングステン−ハロゲンランプを使用するパルス持続期間についての実際的な最小値は、フィラメントの反応時間のために約１ｓｅｃである。

処理時間目標値の範囲内に留めるために、効率を改善し、より短いパルス持続期間を実現するように、代替光源を使用してきている。１００μｓから１ｍｓのパルス持続期間を実現するフラッシュランプは、より短いパルス持続期間を有する。しかしながら、基板を加熱するためにフラッシュランプを使用するときには、基板の最大温度、すなわち、表面近傍域の基板の温度が、パルス持続期間によって制限される。

高効率ランプは、約１ｍｓより長いパルス持続期間を欠いている。それゆえ、約１ｍｓと１ｓｅｃとの間のパルス持続期間を実現できる高輝度基板照明源が必要である。

本発明の実施形態は、基板を熱的に処理するために発光ダイオード（ＬＥＤ）を組み込んでいる基板処理機器および方法に関連する。かかる光源は、より高い効率およびより早い反応時間を含む各種の利点を提供する。パルス幅は、１ミリ秒以下まで選択可能であるが、１秒までおよび１秒を超える長いパルスに及ぶ場合がある。ＬＥＤが５０％よりも高い効率で光を生成し、タングステン−ハロゲンランプが５％よりも低い効率で動作するので、より長い処理時間を認める環境においてさえ、ＬＥＤがタングステン−ハロゲンランプよりも好ましい。

基板処理システムは、基板に変化を生じさせるために、基板の第１の表面を照明するための複数の発光ダイオードを含み、発光ダイオードからの照明が、１つまたは複数の波長近くの１つまたは複数の光のパルスを含む。複数の発光ダイオードは、基板の表面近傍域に変化を生じさせることができる。１つまたは複数の光のパルスが、約１ミリ秒と約１秒との間の範囲に及ぶことがある、または約１０マイクロ秒と約１ミリ秒との間の範囲に及ぶことがある、または約１秒よりも長いことがある持続期間を有する。１つまたは複数の光のパルスは、５００ワット／ｃｍ^２よりも大きな光学的ピークパワーを有することができる。基板の第１の表面が、１００ｃｍ^２よりも大きいことがある。複数の発光ダイオードが、１つの透明基板上に形成されることがある。

別の一実施形態では、基板処理システムは、処理チャンバの内部に配置された基板を支持するための基板支持アセンブリと、第１の発光ダイオードアセンブリとを含む。第１の発光ダイオードアセンブリは、基板に変化を生じさせるために、第１の表面を照明するために基板の第１の表面近くに配置された複数の発光ダイオードをさらに含み、発光ダイオードからの照明が、１つまたは複数の波長近くの光のパルスを含む。複数の発光ダイオードは、基板の表面近傍域に変化を生じさせることができる。光のパルスは、約１ミリ秒と約１秒との間の持続期間を有することができる。光のパルスは、２００ワット／ｃｍ^２よりも大きな光学的ピークパワーを有することができる。光学的パルスは、基板の内部のドーパントを活性化させることによって基板に変化を生じさせることができる。光学的パルスは、基板中へと原子を拡散させることによって基板に変化を生じさせることができる。基板処理システムは、基板の第２の表面を照明するために基板の第２の表面近くに配置された第２の複数の発光ダイオードを含む第２の発光ダイオードアセンブリをさらに含むことができる。

別の一実施形態では、基板を処置する方法は、基板を用意するステップと、基板を処置するために十分な少なくとも１つの光学的パルスのＬＥＤパルス持続期間およびＬＥＤパルス輝度を選択するステップと、ＬＥＤアセンブリからの少なくとも１つの光の光学的パルスを用いて基板を処置するステップとを含む。少なくとも１つの光学的パルスは、１つまたは複数のＬＥＤ波長を含む。

本開示の適用可能性があるさらなる領域は、以降に与えられる詳細な説明から明白になるであろう。様々な実施形態を示しているが、詳細な説明および具体的な例が、実例のみの目的のつもりであり、本開示の範囲を必然的に限定するつもりがないことが、理解されるはずである。

下記に提示する明細書および図面の残りの部分を参照することによって、本発明の本質および利点のさらなる知見を理解することができる。図を、本発明の詳細な説明部へと組み込んでいる。

先行技術基板処理システム内の加熱システムおよび監視システムの断面概略図である。 本発明の実施形態による基板処理システムおよび発光構成要素の断面概略図である。 本発明の実施形態による基板処理システムおよび発光構成要素の断面概略図である。 本発明の実施形態による基板処理システムおよび発光構成要素の断面概略図である。 本発明の実施形態による基板処理システムおよび発光構成要素の断面概略図である。 本発明の実施形態による基板処理システムの断面概略図である。 本発明の実施形態から恩恵を受ける例示的な基板処理システムの断面図である。 開示した実施形態にしたがって基板の表面を処置するために使用することができる例示的な方法を示す流れ図である。

添付した図では、類似の構成要素および／またはフィーチャは、同じ参照標識を有することができる。さらに、ダッシュおよび類似の構成要素間を識別する２番目の標識を参照標識に続けることによって、同じタイプの様々な構成要素を識別することができる。主参照標識だけが明細書中で使用される場合には、２番目の参照標識に拘わらず同じ１番目の参照標識を有する類似の構成要素のうちのいずれか１つに、説明が適用可能である。

本発明の実施形態は、基板を熱的に処理するために発光ダイオード（ＬＥＤ）を組み込んでいる基板処理機器および方法に関連する。かかる光源は、より高い効率およびより早い反応時間を含む各種の利点を提供する。パルス幅は、選択可能であり、１ミリ秒以下から１秒以上までの範囲に及ぶ。ＬＥＤが５０％よりも高い効率で光を生成し、タングステン−ハロゲンランプが５％よりも低い効率で動作するので、より長い処理時間を認める環境においてさえ、ＬＥＤはタングステン−ハロゲンランプよりも好ましい。

開示した実施形態では、基板の表面を照明し加熱して基板の表面近傍域を処理するために、発光ダイオードを使用する。プロセスは、膜を形成することや、ドーパントを取り扱うことや、基板自体を再配列させることを含む。高放射輝度発光ダイオード（ＨＲ−ＬＥＤＳ）の利用可能性のために、基板処理が、いくつかのプロセスに対して使用可能になってきており、より一層高い出力輝度が利用可能になるので、はるかに多くのプロセスが、ＨＲ−ＬＥＤから恩恵を受けることができる。高放射輝度発光ダイオード（ＨＲ−ＬＥＤＳ）は、基板の表面近傍域を処理するために使用するときに利点を提供する。ＨＲ−ＬＥＤは、長時間持続し、出力照明光の（１つまたは複数の）波長とは無関係に出力輝度を選ぶことを可能にする。発光ダイオード（ＬＥＤ）は、窒化ガリウムか、窒化アルミニウムか、これらの組み合わせか、または能動域内のＩＩＩ−Ｖ族材料のバンドギャップによって決定される１つまたは複数の波長に近い光を放出するように構成された透明基板上に成長させた他のＩＩＩ−Ｖ族材料からなる場合がある。放出される波長をより長い波長へと変換するために、リンをやはり使用することができ、放出される波長のエネルギーを小さくする。吸収を高めるためまたは化学反応を高めるために、本明細書中に説明され残りの図に図示されるＬＥＤが、リンを採用することができることを、理解するであろう。

包含される化学的性質に応じて、ガス前駆体が存在する中で照明することは、熱的手段または他の手段によって化学反応の速度を高めることができる。例えば、表面における化学反応を促進させるために、光が、ガス相分子もしくは吸着した分子を励起することができる、または基板を電気的に励起することさえある。例えば、反応速度を高めるために分子の電子的遷移と共鳴する波長を選ぶことによって、望ましい膜プロセスを促進させるように、ＬＥＤの波長を選択することができる。基板による放射光の吸収を高めるために、波長をやはり選ぶことができ、それによってより効率的に基板を加熱する。

連続的に１０ワットよりも大きなパワーを放出する個々の高放射輝度（ＨＲ）ＬＥＤが、現在入手可能である。ＬＥＤが白熱電球をさらに置き換えることを可能にするもっと大きなパワーの利用可能性が、今後数年間に予想されている。ＬＥＤを使用することの１つの利点は、ＬＥＤの小さなサイズが、基板の表面を同時に実質的に照明するために適した高輝度光源を生成する１次元および２次元アレイにＬＥＤを配列することを可能にすることである。適したＬＥＤアセンブリを、異なる実施形態において、２００ワット／ｃｍ^２よりも大きいか、５００ワット／ｃｍ^２よりも大きいか、または１０００ワット／ｃｍ^２よりも大きな光学的パワーを放出するために本明細書中に開示する。

Ｓｉウェーハに対する多種多様な堆積や、アニーリングや、他の熱トリートメントは、短い加熱サイクルから恩恵を受ける。フラッシュランプに基づくシステムは、１００μｓから１ｍｓの時間範囲にあるパルス持続期間で動作することができるが、一方で、旧来のＲＴＰランプに基づくシステムは、１秒と１００秒との間のパルス持続期間で動作する。旧来のＲＴＰランプは、連続的なパワーを放出し、ランプおよびウェーハの応答時間によって拘束されている。ＬＥＤランプに基づくシステムが１ミリ秒と１秒との間のパルス持続期間で動作するので、ＬＥＤランプに基づくシステムは、フラッシュランプシステムと旧来のＲＴＰランプシステムとの間のギャップを都合よく埋める。ＬＥＤランプに基づくシステムが電源を挿入された数マイクロ秒後に短波長放射光を放出するので、急速に加熱することができるＬＥＤランプに基づくシステムは、基板または基板の表面近傍域を以前には得ることができなかったパルス持続期間の間（例えば、１ミリ秒と１秒との間）加熱することを可能にする。１ミリ秒と１秒との間基板を処理することは、基板を処理するためにかかる時間をさらに短縮し、基板を処理する半導体装置のスループットを増加させる。約１０〜２０ミリ秒より短いＬＥＤの範囲の下端のパルスに関しては、パルスの持続期間中に基板の上面が基板の底面とは異なる温度である場合があるので、典型的な基板は、平衡に達するまでの時間がない。

パルス持続期間や、繰返し速度や、繰返しの数や、輝度を制御できることに加えて、ＬＥＤは、ダイオードに印加する電圧を単に制御することによって光学的パルス形状を変えることを可能にするであろう。パルス整形は、プロセス効率と、プロセス中およびプロセス後の堆積した膜およびウェーハの両方の中の応力勾配とを均衡させるように加熱速度を操作することを可能にする。

１ミリ秒から１秒までの範囲に及ぶ時間域外で基板を処理するときに、ＬＥＤは、やはり利益を与えることができる。ある実施形態では、１０マイクロ秒よりも短いことがある、照明を開始するまでに必要な時間までの１ミリ秒以下のパルスを生成するために、ＬＥＤを使用することができる。これらのＬＥＤパルスは、フラッシュランプによってカバーされるパルスレジームと部分的に重なる。他の実施形態では、ＬＥＤを、フラッシュランプの限界よりも短いパルス持続期間に対して使用することができる。ＬＥＤからの照明光は、駆動電圧に基づいており、フラッシュランプおよび励起状態の再増殖を必要とするＱ−スイッチレーザでは得ることができないパルス持続期間およびデューティサイクルを可能にする。ある実施形態では、ＬＥＤを、連続動作モードで動作させる。１秒より長いパルスに関しては、ＬＥＤの動作効率がタングステン−ハロゲン白熱ランプの動作効率よりも少なくとも約１桁高いので、ＬＥＤがタングステン−ハロゲン白熱ランプよりも好ましい。

本発明をより良く理解し認識するために、本発明の実施形態による発光構成要素を組み込んでいる基板処理システムの断面概略図である図２Ａおよび図２Ｂを参照する。発光ダイオード（ＬＥＤ）アセンブリ２２５を、チャンバ２０５内の基板２００の上方に設置する。ＬＥＤアセンブリ２２５をやはり物理的に支持することができる蓋２２０を介して、電気的接続部２２４を送り入れる。電気的接続部２２４は、ＬＥＤアセンブリ２２５を形成するＬＥＤのアレイ内の各ＬＥＤに電力を配送する。基板２００の表面２０１を照明し加熱するＬＥＤアセンブリ２２５に、電圧を供給する。ある実施形態では、少なくとも１００ｃｍ^２の面積を照明する。

処理中には、パイロメータ２３５−１および２３５−２は、基板２００の裏面２０２および表面２０１上のいろいろな位置における基板２００の温度を検知し、その温度を、動的にＬＥＤアセンブリ２２５に配送する電圧の決定を助けるために使用することができる。あるいは、温度を、引き続くウェーハのためにＬＥＤアセンブリ２２５に印加する電圧を決定するために使用することができる。これら２つの制御実装形態は、フィードバック制御における変形である。基板の端部の周りの支持機構２０４によって、基板をほんの少しの接触で支持することができる。円形基板のケースでは連続するリングの形で、または円形基板もしくは長方形基板に対しては端部の周りに分布する分離したタブの形で、支持部を設けることができる。この方式で基板を支持することは、熱負荷を減少させ、その結果として、選択した温度に基板２００を加熱するためにＬＥＤアセンブリ２２５が必要とする電力を減少させる。

パイロメータ２３５−１および２３５−２は、基板を照明し加熱するために使用するＬＥＤアセンブリ２２５からの光とは異なる波長の光を検出することができ、基板温度のより正確な決定をもたらす。基板の表面または処理チャンバ２０５の内部の別の対象物からの反射光または散乱光を検出することを避けるようにパイロメータ２３５−１および２３５−２を構成すると、精度を高められる。ＬＥＤに由来する散乱光または反射光は、基板の温度の指標ではなく、基板の温度の誤った決定をもたらす場合がある。シリコン基板に関連する実施形態では、ＬＥＤアセンブリ２２５によって発生される波長を、約０．７５μｍより短くすることができ、一方で、パイロメータ２３５−１および２３５−２によって検出される波長は、約０．７５μｍと１．２μｍとの間である。もう１つのシリコン基板の実施形態では、ＬＥＤアセンブリ２２５は、約０．５μｍより短い光を放出し、パイロメータ２３５−１および２３５−２は、約０．５μｍと１．２μｍとの間の光を検出することができる。

ＬＥＤアセンブリは、タングステン−ハロゲンランプよりもはるかに多くのＬＥＤを含有することができ、類似のパワー密度を実現することを可能にする。同じパワー出力のために、ＬＥＤは、最先端のタングステン−ハロゲン電球の約１０分の１の少ない熱しか発生しない、しかしながら、ＬＥＤアセンブリは、ＬＥＤ構成要素の寿命期間を長くするために、循環流（図示せず）を用いて裏側を依然として水冷する場合がある。ＬＥＤアセンブリ２２５の内部のＬＥＤへの電力分配部は、各ダイオードに向けた固定しない導線またはダイオードアセンブリに張り付けた導線を包含することができる。基板の表面における光学的な輝度の空間分布を一様にするために、光学的拡散器を、ＬＥＤと基板との間に設置することができる。光学的拡散器を、精密に磨いた透明窓から作ることができる。

ＬＥＤアセンブリ２２５を形成するＬＥＤのアレイ内の例示的な素子を、図２Ｂに示す。電気的リード線２６１を、導電性パッド２６５を介してＬＥＤスタックの両側に取り付ける。右側と比較して、より高い電圧を左側に印加することができ、ｐ−ドープした窒化ガリウム層２７１とｎ−ドープした窒化ガリウム層２７２との間の界面のところに電圧差を作り出し、光が界面の近く（能動域）から放出されるようにする。高放射輝度ＬＥＤは、図２Ｂに図示したものよりももっと複雑な能動域を包含する場合があるが、構造は、透明基板２５５上にドープした層の形成を依然として包含するであろう。能動域からの照明光は、一般に透明基板２５５の面の内部を伝搬し、不透明層および反射界面によって閉じ込められ、これが基板に向けて下向きの光の放出をもたらす（図２Ａ）。これは、基板の表面近傍域に変化を生じさせるためにＬＥＤアセンブリを採用する１つの例示的な構造である。

図３Ａ〜図３Ｂは、本発明の実施形態による基板処理システムおよび発光構成要素の追加の断面概略図である。ＬＥＤアセンブリ３２５を、チャンバ３０５内の基板３００の上方に再び設置する。電気的接続部３２４を、蓋３２０を介して送り入れ、基板３００の表面３０１を照明し加熱するＬＥＤのアレイに電力を配送する。パイロメータ３３５−１および３３５−２は、基板３００の裏面３０２および表面３０１上の複数のいろいろな位置における基板３００の温度を再び決定する。この実施形態では、電力を、ＬＥＤアセンブリ３２５の上面上にプリントした電線を介して分配することができる。

この開示した実施形態では、ＬＥＤのアレイ内の代表的な素子を、図３Ｂに示す。電気的リード線３６１を、（２つ示した）導電性パッド３６５を介してＬＥＤスタックの上面に取り付ける。より高い電圧を、例えば、右の導電性パッドと比較して左の導電性パッドに印加することができ、ｐ−ドープした窒化ガリウム層３７１とｎ−ドープした窒化ガリウム層３７２との間の界面のところに電圧差を作り出し、光が能動域３５５から放出されるようにする。伝搬する能動域３５５からの照明光は、このケースでは下方から拘束されず、図３Ａの基板に向けて下向きに光を一般に放出するであろう。この構造は、図２Ａ〜図２Ｂのものよりも、さらに単純で典型的にはより大きな密度でアセンブルされるＬＥＤの２次元アレイを可能にする。２つの電気的接続部を上方から作り、ＬＥＤ素子を、劈開されずに残り、かつ基板３００を照明し加熱するための集積ユニットとして使用することができる大きな基板上に形成することができる。ＬＥＤアセンブリ３２５を製造するために使用する透明基板は、基板と同じサイズのものであり、ある実施形態では、一度に基板３００の上面３０１を照明し加熱するために使用することができる。

すべてのこれらの例示的な実施形態では、基板の一様な加熱を実現するために、ＬＥＤを、各々が異なった光学的パルス持続期間や、形状や、輝度を具備するゾーンへと分けることができる。端部に近い基板の部分は、典型的には、中心に近い部分とは異なるように冷却し加熱し、特に、２０ミリ秒よりも長いパルスについて望ましいゾーン制御にする。円形基板（ウェーハ）に関連する実施形態では、ゾーンを、ウェーハの中心からの距離に基づいて区切る。

図４は、本発明の実施形態による基板処理システムの断面概略図である。基板４００を加熱するために、２つのＬＥＤアセンブリ４２５−１および４２５−２を使用する。１つのＬＥＤアセンブリ４２５−１を、チャンバ４０５内の基板４００の上方に再び設置するが、一方で、第２のＬＥＤアセンブリ４２５−２を、チャンバ４０５内の基板４００の下方に設置する。第１のＬＥＤアセンブリ４２５−１を、基板４００の上面４０１を加熱するために使用するが、一方で、第２のＬＥＤアセンブリ４２５−２を、基板４００の底面４０２を加熱するために使用する。基板４００の両方の表面を照明し加熱するＬＥＤのアレイに電力を配送するために、２セットの電気的接続部２２４を、それぞれ、蓋４２０およびチャンバ４０５を介して送り入れる。パイロメータ４３５−１および４３５−２は、基板４００の裏面４０２および表面４０１上の複数のいろいろな位置における基板４００の温度を再び決定する。表面への妨害されないアクセスを与えるように、パイロメータ４３５−１および４３５−２の位置を調節する。

別の光源、例えば、タングステン−ハロゲンランプとの組み合わせでＬＥＤによって、基板を処理することができる。室温近くから、ある基板プロセス用に十分である低い処理温度まで加熱するために、ＬＥＤを利用することができる。さらに高い温度を必要とする追加のプロセスは、これらのより高い温度を実現するために、タングステン−ハロゲンランプを採用することができる。低い処理温度まで基板を上昇させることは、白熱タングステン−ハロゲンランプによって放出される光の吸収を高めることができ、ランプの加熱効率を高める。ＬＥＤおよび補足する放射光源を、１つの光学的アセンブリ、もしくは基板処理システムに統合することができる、または、これらを別々のアセンブリ中に実装することができる。

例示的な基板処理システム
図５は、円盤形状の基板５０５を処理するための処理チャンバ５００を含んでいる基板処理システムを示し、基板を１２インチ（３００ミリメートル（ｍｍ））直径シリコン（Ｓｉ）ウェーハとすることができる。

処理中には、本発明の実施形態によれば、基板５０５を、チャンバ５００の内側で基板支持アセンブリ５０８上に支持し、基板５０５の直ぐ上方に位置する照明素子５０２によって加熱する。照明素子５０２は、水冷された石英窓アセンブリ５０３を通って処理チャンバ５００に入ることができる放射光５１２を発生する。窓アセンブリ５０３と基板５０５との間のギャップを、調節可能にすることができ、実施形態では１０ミリメートル（ｍｍ）と５０ｍｍとの間である。基板５０５の下方にあるものは、一般に円柱状の基部を有する中央アセンブリ５２１上にマウントされた反射鏡５２０である。反射鏡５２０は、高反射表面コーティングを持っていることがある。基板５０５の下側面および反射鏡５２０の上面は、基板５０５の実効放射率を高めるための反射性キャビティと境を接する。基板５０５と反射鏡５２０との間の距離間隔を、やはり調節することができる。３００ｍｍ基板処理システムでは、ギャップを、約３ｍｍと２０ｍｍとの間に、異なる実施形態では約５ｍｍと８ｍｍとの間とすることができる。

光パイプ５２３を介して光を集め、光学センサ５２５および付属の電子機器を用いて検出した光の輝度を測定することによって下側から基板５０５の異なる区域における温度を監視するために、複数の温度プローブ（図５には３つを示す）が、高温測定法を採用することができる。各温度プローブは、中央アセンブリ５２１の裏側面から反射鏡５２０の上面へ貫通する導管中へと挿入された光パイプ５２３を含むことができる。光パイプ５２３を直径で０．０８０インチとすることができ、導管中への光パイプ５２３の挿入を容易にするために、導管はわずかに大きい。光パイプ５２３を、光学ファイバ５２４を経由して光学的センサ５２５に光学的に接続することができる。温度プローブは、基板の区域近くの測定した温度を指示する信号を生成し、信号をシステムコントローラ５６２に送ることができる。

処理域５１３は、基板５０５の上方に位置する。基板５０５に向けて照明素子５０２から光５１２を当てることによって、基板に変化を生じさせ、その光は基板を再配列させることができるおよび／またはプロセスガスおよび基板５０５に関与する化学反応を支援することができる。例えば、基板５０５の内部のドーパントを、活性化させるまたは分散させることができ、基板５０５中の配列秩序の程度を、大きくすることができる、または（シリサイドか、窒化物か、もしくは酸化物などの）膜を、基板５０５上に成長させることができる。注入口マニフォールド５７２を、チャンバ５００の側壁中に設置し、タンク５４１などの１つまたは複数のガスの供給源からチャンバ５００中へのガスを容認するように適合させる。タンク５４１からのガスの流れを、手動弁およびコンピュータ制御したフローコントローラ５４２を用いて好ましくは独立して制御する。排出キャップ５７３を、注入口マニフォールド５７２の直径方向に反対のチャンバ５００の側面に設置し、チャンバ５００からポンプシステム（図示せず）中へとプロセス流出物を排出するように適合させる。

中央アセンブリ５２１は、中央アセンブリ５２１を冷却するために冷却した流体が循環する冷却剤注入口（図示せず）に連結された室内チャンバ５２２を含んでいる循環回路を含む。加熱した基板５０５の温度よりも十分に低く中央アセンブリ５２１を維持するために、室温の水をある実施形態では使用する。中央アセンブリ５２１の温度を、実施形態では１５０℃より低く保つ。

光パイプ５２３が反射鏡５２０の上面を通過する反射鏡５２０の上面に、小さな反射キャビティ５１９を形成することができる。光パイプ５２３の最上端が各マイクロキャビティ５１９への入り口と同じ高さであるまたはわずかに低くなるように、光パイプ５２３を設置する。

光パイプ５２３を、サファイアなどの高光学的屈折率材料から作ることができる。サファイア光パイプが比較的小さな光散乱係数を有し、より大きな横光除去率を有する傾向があるので、サファイア光パイプが一般的に好ましい。その結果、光パイプがより小さな立体角、従って、より小さな測定の領域から入ってくる光線を受け入れるという理由で、光パイプは、優れた測定の局所集中を実現する。光パイプを、任意の適切な熱に強く腐食耐性のある材料、例えば、石英から作ることができ、おそらく介在する光学ファイバケーブル５２４を介してパイロメータへサンプリングした放射光を送ることができる。あるいは、放射光サンプリングシステムは、反射鏡５２０内にマウントされた小さな半径の対物レンズを含む光学システム、ならびに各パイロメータへ各レンズによって集められた放射光を伝達する鏡およびレンズのシステムであり得る。適切な即座に入手可能な光学素子が入手可能である場合には、かかる組み合わせは、サファイア光パイプよりも安価である場合がある。あるいは、光パイプを、高度に研磨した反射内表面を有する管から作ることができる。

上に指摘したように、３つの温度プローブだけを図５に示しているが、実際のシステムは、異なる半径位置およびアジマス位置のところの温度を測定するように、反射鏡５２０全域にわたって分布する７つまたは８つの測定プローブを使用することができる。熱的な処理中には、基板支持アセンブリ５０８を、基板５０５の熱分布を一様にするために多くの場合回転させる。発光ダイオードから遠くへ基板支持アセンブリの距離を調節できるように、基板支持アセンブリ５０８をやはり可動とすることができる。回転速度を約２０回転毎分（ＲＰＭ）と２００ＲＰＭとの間とすることができる。基板５０５を回転させるケースでは、各プローブは、基板上の対応する環状リング領域の温度プロファイルを実際にサンプリングする。基板支持アセンブリ５０８を、磁気浮揚式回転フレームとすることができる。基板支持アセンブリ５０８は、端部から基板５０５を支持しつつロータウェル５０９中へと延伸することができる。このようにして、基板５０５温度を均一にするために、基板５０５を照明素子５０２の下で回転させる。

端部リング５１１の内径に沿った部分を基板５０５と接触させるために、棚状またはくさび状の形状とすることができる。端部リング５１１は、基板５０５の外縁の周りで基板５０５と接触し、それによって、基板５０５の下側面の最少部分しか覆い隠さない。端部リング５１１は、ほぼ０．７５インチの半径方向幅を有する。端部リング５１１の一部が基板５０５に近づき、膜を形成するために、それ以外では基板５０５に変化を生じさせるために選択したプロセスガスによって腐食しがちであるまたは汚染しがちである場合がある。端部リング５１１用に使用する材料を、炭化シリコンなど、化学的な攻撃に対して耐性を持たせることができる。

端部リング５１１を、シリンダ５１０との光密封を作り出すように設計する。端部リング５１１の底表面から延伸しているものは、円柱形状をした穴のへりまたはスカートであり、シリンダ５１０の外径よりもわずかに小さなまたは大きな外径を有し、シリンダ５１０の外側域と内側域との間を光が直接進むことを防止する。端部リングがシリンダ５１０を超えて外に延伸するように、端部リング５１１は、シリンダ５１０の半径よりも大きな外半径を有する。シリンダ５１０を超える端部リング５１１のこの環状延伸部は、迷光が反射性キャビティ５１９に入ることを防止し、基板温度の指標であるとして誤解されることを防止するバッフルとして機能する。反射性キャビティ５１９に入る迷光の可能性をさらに減少させるために、端部リング５１１を、照明素子５０２によって発生される放射光を吸収する材料（例えば、炭化シリコンなどの黒色または灰色材料）でコーティングすることができる。反射性キャビティ５１９に入る迷光の量をさらに減少させるために、共に回転する端部リング延伸部５１３を使用することができる。シリンダ５１０を石英から作ることができ、反射性キャビティ５１９中への光の侵入をさらに制限するためにＳｉでコーティングすることができる。

図５に図説した基板処理システムは、システムコントローラ５６２を含み、照明素子５０２輝度や、ガス流量や、基板温度や、チャンバ圧力を制御することなどの基板処理システムの様々な動作を制御する。本発明の実施形態では、システムコントローラ５６２は、ハードディスク駆動装置（メモリ５６４）およびプロセッサ５６６を含む。プロセッサは、シングルボードコンピュータ（ＳＢＣ）や、アナログおよびディジタル入力／出力ボード５６８ならびにメカニカルインターフェースボードを含有する。

システムコントローラ５６２は、基板処理システムの活動を制御する。システムコントローラは、メモリ５６４などのコンピュータ可読媒体中に記憶したコンピュータプログラムであるシステム制御ソフトウェアを実行する。メモリ５６４をハードディスク駆動装置とすることができるが、メモリ５６４は、やはりＤＲＡＭや、フラッシュメモリや、別の種類のメモリを含むことができる。メモリ５６４を、やはり、１つまたは複数のタイプのメモリの組み合わせとすることができる。コンピュータプログラムは、タイミングや、ガスの混合や、チャンバ圧力や、チャンバ温度や、ランプパワーレベルや、基板支持アセンブリ位置や、特定のプロセスの他のパラメータを指令する命令のセットを含む。当然のことながら、例えば、フロッピディスクまたはもう１つの適切な駆動装置を含むもう１つのメモリデバイスに記憶されたものなどの別のコンピュータプログラムを、やはりシステムコントローラ５６２を動作させるために使用することができる。入力／出力（Ｉ／Ｏ）デバイス５６８は、機器とインターフェースすることに加えて、ＬＣＤモニタや、キーボードや、ポインティングデバイスなどのヒューマンインターフェースデバイスを含むことができる。システム機能の遠隔制御または監視を可能にするために、システムコントローラ５６２をネットワークに接続することができる。制御責任を分配するためにネットワークをわたって通信する複数のシステムコントローラ５６２間で、制御をやはり分配することができる。

図６は、開示した実施形態による基板の表面を処置するために使用することができる例示的な方法を示している流れ図である。基板を処理チャンバ中へと搬送する（操作６００）。（１つまたは複数の）パルスが基板をアニールするために十分なパワーを有するように、照明パルス持続期間および輝度を選ぶ（操作６０３）。基板処理システムの一部であり、複数のＬＥＤを含んでいる光学的アセンブリは、設定点温度まで基板をアニールするために、基板の表面を照明し加熱する（操作６０５）。アニール中に基板からの放射光を検出すために、パイロメータを使用し（操作６１０）、ＬＥＤによって放出される（１つまたは複数の）波長とは異なる波長近くの放出される放射光の量から実際の温度を計算する（操作６１５）。照明および高温測定のために別の波長を使用することは、パイロメータによって決定される温度の精度を向上させる。新しいパワーレベルを、実際の温度と設定点温度との間の差異に基づいて計算し（操作６２０）記憶させる。新しいパワーレベルを、次の基板を処理するために使用することができる。代替実施形態では、基板の処理中にＬＥＤパワーを調節するために、差異をリアルタイムフィードバックループの内部で使用する。

本明細書中で使用するように、「基板」を、その上に形成した層のあるまたは層のない支持基板とすることができる。層の一部またはすべておよび基板でさえ、パターニングすることができる。支持基板を、絶縁体またはいろいろなドーピング濃度およびプロファイルの基板とすることができ、例えば、集積回路の製造の際に使用するタイプの半導体基板とすることができる。用語「光」や、「光学的」や、「光学」の使用は、包含された電磁放射光がスペクトルの可視部分からでなければならないことの何らかの暗示を伝えるものではない。光を任意の波長のものとすることができる。

一実施形態では、基板処理システムは、第１の発光ダイオードおよび第２の発光ダイオードを含む複数の発光ダイオードであって、複数の発光ダイオードが少なくとも２００℃まで半導体基板の第１の表面を加熱する、複数の発光ダイオードを含む。第１の発光ダイオードが第１の複数の光エネルギーのパルスを放出し、第２の発光ダイオードが第２の複数の光エネルギーのパルスを放出する。

基板処理システムの別の一実施形態では、第１の複数の光のパルスおよび第２の複数の光のパルスが、１秒以下である持続期間を有する。

基板処理システムのさらに別の一実施形態では、複数の発光ダイオードが、半導体基板を実質的に均一に加熱するパターンに配列される。パターンは、同心円である場合があり、各同心円上の複数の発光ダイオードのエネルギー出力が、半導体基板の第１の表面を均一に加熱するように変えられることが可能である。

基板処理システムのさらに別の一実施形態では、パターンは、半導体基板の外側端部近くで同心円である。

基板処理システムのさらに別の一実施形態では、複数の発光ダイオードからの照明が、半導体基板の表面近傍域に変化を生じさせる。

基板処理システムのさらに別の一実施形態では、第１の複数の光のパルスおよび第２の複数の光のパルスが、約１ミリ秒から約１秒までの範囲に及ぶ持続期間を有する。

基板処理システムのさらに別の一実施形態では、第１の複数の光のパルスおよび第２の複数の光のパルスが、約１０マイクロ秒から約１ミリ秒までの範囲に及ぶ持続期間を有する。

基板処理システムのさらに別の一実施形態では、第１の複数の光のパルスおよび第２の複数の光のパルスが、５００ワット／ｃｍ^２よりも大きな光学的ピークパワーを有する。

基板処理システムのさらに別の一実施形態では、半導体基板の第１の表面の面積は、１００ｃｍ^２よりも大きい。

基板処理システムのさらに別の一実施形態では、複数の発光ダイオードが、１つの透明基板上に形成される。

別の一実施形態では、基板処理システムは、処理チャンバの内部に配置された半導体基板を支持する基板支持アセンブリと、第１の発光ダイオードおよび第２の発光ダイオードを含んでいる複数の発光ダイオード含む第１の発光ダイオードアセンブリであって、複数の発光ダイオードが少なくとも２００℃まで半導体基板の第１の表面を加熱する、第１の発光ダイオードアセンブリとを含む。第１の発光ダイオードが、第１の複数の光エネルギーのパルスを放出し、第２の発光ダイオードが、第２の複数の光エネルギーのパルスを放出する。複数の発光ダイオードが、半導体基板を実質的に均一に加熱するパターンに配列される。複数の発光ダイオードは、半導体基板の表面近傍域に変化を生じさせることができる。光のパルスは、約１ミリ秒から約１秒までの範囲に及ぶ持続期間を有することがある。第１の複数の光のパルスおよび第２の複数の光のパルスは、２００ワット／ｃｍ^２よりも大きな光学的ピークパワーを有することができる。第１の複数の光のパルスおよび第２の複数の光のパルスは、半導体基板の内部のドーパントを活性化させることができる。第１の複数の光のパルスおよび第２の複数の光のパルスは、半導体基板中へと原子を拡散させることができる。基板処理システムは、半導体基板の第２の表面を照明し加熱するために、半導体基板の第２の表面近くに配置された第２の複数の発光ダイオードを含んでいる第２の発光ダイオードアセンブリをさらに含むことができる。

別の一実施形態では、基板処理システムは、処理チャンバの内部に配置された半導体基板を支持する基板支持アセンブリと、第１の発光ダイオードおよび第２の発光ダイオードを含んでいる複数の発光ダイオードを含む第１の発光ダイオードアセンブリであって、複数の発光ダイオードが少なくとも２００℃まで半導体基板の第１の表面を加熱する、第１の発光ダイオードアセンブリとを含む。第１の発光ダイオードが、１つまたは複数の第１の処理波長を含んでいる第１の複数の光エネルギーのパルスを放出し、第２の発光ダイオードが、１つまたは複数の第２の処理波長を含んでいる第２の複数の光エネルギーのパルスを放出する。複数の発光ダイオードが、半導体基板を実質的に均一に加熱するパターンに配列される。基板処理システムは、半導体基板の一部の温度を決定するために、少なくとも１つの高温測定波長近くの光を検出する少なくとも１つのパイロメータであって、少なくとも１つの高温測定波長が１つまたは複数の第１の処理波長および第２の処理波長とは異なる、少なくとも１つのパイロメータをさらに含む。１つまたは複数の第１の処理波長および第２の処理波長は、約０．７５μｍより短い波長を含むことができ、少なくとも１つの高温測定波長が、約０．７５μｍより長い波長を含む。１つまたは複数の第１の処理波長および第２の処理波長は、約０．５０μｍより短い波長を含むことができ、少なくとも１つの高温測定波長が、約０．５０μｍより長い波長を含む。

別の一実施形態では、基板を処置する方法は、半導体基板を用意するステップと、半導体基板を処置するために十分な少なくとも１つの光学的パルスのＬＥＤパルス持続期間およびＬＥＤパルス輝度を選択するステップと、ＬＥＤアセンブリからの少なくとも１つの光の光学的パルスを用いて少なくとも２００℃まで半導体基板を加熱するステップとを含む。少なくとも１つの光学的パルスが、１つまたは複数のＬＥＤ波長を含む。方法は、半導体基板の表面から放出された光を受けるステップと、プロセス監視波長近くの放出された光の輝度を決定するステップであって、プロセス監視波長が１つまたは複数のＬＥＤ波長とは異なる、決定するステップとをさらに含むことができる。半導体基板を処置するステップは、半導体基板をアニールするステップを含むことができる。半導体基板を処置するステップは、半導体基板の内部のドーパントを拡散させるステップを含むことができる。

本発明を、好ましい実施形態の観点から上に説明してきているが、本発明がこれらに限定されないことを、当業者であればやはり理解するであろう。上記の発明の様々なフィーチャおよび態様を、個々にまたは一緒に使用することができる。さらに、特定の周囲環境における本発明の実装形態の背景において、および特定の応用例について、本発明を説明してきているが、本発明の有用性がこれらに限定されず、本発明を任意の複数の周囲環境および実装形態において利用することができることを、当業者であれば理解するであろう。

Claims (25)

1. 第１の発光ダイオードおよび第２の発光ダイオードを備えた複数の発光ダイオードであって、前記複数の発光ダイオードが少なくとも２００℃まで半導体基板の第１の表面を加熱する、複数の発光ダイオード
   を備え、
   前記第１の発光ダイオードが第１の複数の光エネルギーのパルスを放出し、前記第２の発光ダイオードが第２の複数の光エネルギーのパルスを放出する、
   基板処理システム。
2. 前記第１の複数の光のパルスおよび前記第２の複数の光のパルスが、１秒以下である持続期間を有する、請求項１に記載の基板処理システム。
3. 前記複数の発光ダイオードが、前記半導体基板を実質的に均一に加熱するパターンに配列される、請求項１に記載の基板処理システム。
4. 前記パターンが同心円であり、
   各同心円上の前記複数の発光ダイオードの前記エネルギー出力が、前記半導体基板の前記第１の表面を均一に加熱するように変えられることが可能である、
   請求項３に記載の基板処理システム。
5. 前記パターンが前記半導体基板の外側端部近くで同心円である、請求項１に記載の基板処理システム。
6. 前記複数の発光ダイオードからの照明が、前記半導体基板の表面近傍域に変化を生じさせる、請求項１に記載の基板処理システム。
7. 前記第１の複数の光のパルスおよび前記第２の複数の光のパルスが、約１ミリ秒から約１秒までの範囲に及ぶ持続期間を有する、請求項１に記載の基板処理システム。
8. 前記第１の複数の光のパルスおよび前記第２の複数の光のパルスが、約１０マイクロ秒から約１ミリ秒までの範囲に及ぶ持続期間を有する、請求項１に記載の基板処理システム。
9. 前記第１の複数の光のパルスおよび前記第２の複数の光のパルスが、５００ワット／ｃｍ^２よりも大きな光学的ピークパワーを有する、請求項１に記載の基板処理システム。
10. 前記半導体基板の前記第１の表面の面積が、１００ｃｍ^２よりも大きい、請求項１に記載の基板処理システム。
11. 前記複数の発光ダイオードが、１つの透明基板上に形成される、請求項１に記載の基板処理システム。
12. 処理チャンバの内部に配置された半導体基板を支持する基板支持アセンブリと、
    第１の発光ダイオードアセンブリであって、
    第１の発光ダイオードおよび第２の発光ダイオードを備えた複数の発光ダイオードであって、前記複数の発光ダイオードが少なくとも２００℃まで前記半導体基板の第１の表面を加熱する、複数の発光ダイオード、を備え、
    前記第１の発光ダイオードが第１の複数の光エネルギーのパルスを放出し、前記第２の発光ダイオードが第２の複数の光エネルギーのパルスを放出し、
    前記複数の発光ダイオードが、前記半導体基板を実質的に均一に加熱するパターンに配列される、第１の発光ダイオードアセンブリと
    を備えた、基板処理システム。
13. 前記複数の発光ダイオードが、前記半導体基板の表面近傍域に変化を生じさせる、請求項１２に記載の基板処理システム。
14. 前記第１の複数の光のパルスおよび前記第２の複数の光のパルスが、約１ミリ秒から約１秒までの範囲に及ぶ持続期間を有する、請求項１２に記載の基板処理システム。
15. 前記第１の複数の光のパルスおよび前記第２の複数の光のパルスが、２００ワット／ｃｍ^２よりも大きな光学的ピークパワーを有する、請求項１２に記載の基板処理システム。
16. 前記第１の複数の光のパルスおよび前記第２の複数の光のパルスが、前記半導体基板の内部のドーパントを活性化させる、請求項１２に記載の基板処理システム。
17. 前記第１の複数の光のパルスおよび前記第２の複数の光のパルスが、前記半導体基板中へと原子を拡散させる、請求項１２に記載の基板処理システム。
18. 前記半導体基板の第２の表面を照明するために前記半導体基板の第２の表面近くに配置された第２の複数の発光ダイオードを備えた第２の発光ダイオードアセンブリをさらに備えた、請求項１２に記載の基板処理システム。
19. 処理チャンバの内部に配置された半導体基板を支持する基板支持アセンブリと、
    第１の発光ダイオードアセンブリであって、
    第１の発光ダイオードおよび第２の発光ダイオードを備えた複数の発光ダイオードであって、前記複数の発光ダイオードが少なくとも２００℃まで前記半導体基板の第１の表面を加熱する、複数の発光ダイオード、を備え、
    前記第１の発光ダイオードが１つまたは複数の第１の処理波長を備えた第１の複数の光エネルギーのパルスを放出し、前記第２の発光ダイオードが１つまたは複数の第２の処理波長を備えた第２の複数の光エネルギーのパルスを放出し、
    前記複数の発光ダイオードが、前記半導体基板を実質的に均一に加熱するパターンに配列される、第１の発光ダイオードアセンブリと、
    前記半導体基板の一部の温度を決定するために少なくとも１つの高温測定波長近くの光を検出する少なくとも１つのパイロメータであって、前記少なくとも１つの高温測定波長が１つまたは複数の第１の処理波長および第２の処理波長とは異なる、少なくとも１つのパイロメータと
    を備えた基板処理システム。
20. 前記１つまたは複数の第１の処理波長および第２の処理波長が約０．７５μｍより短い波長を備え、前記少なくとも１つの高温測定波長が約０．７５μｍより長い波長を備える、請求項１９に記載の基板処理システム。
21. 前記１つまたは複数の第１の処理波長および第２の処理波長が約０．５０μｍより短い波長を備え、前記少なくとも１つの高温測定波長が約０．５０μｍより長い波長を備える、請求項１９に記載の基板処理システム。
22. 半導体基板を処置する方法であって、
    半導体基板を用意するステップと、
    前記半導体基板を処置するために十分な少なくとも１つの光学的パルスのＬＥＤパルス持続期間およびＬＥＤパルス輝度を選択するステップと、
    ＬＥＤアセンブリからの少なくとも１つの光の光学的パルスを用いて少なくとも２００℃まで前記半導体基板を加熱するステップであって、
    前記少なくとも１つの光学的パルスが、１つまたは複数のＬＥＤ波長を備える、
    加熱するステップと
    を備えた方法。
23. 前記半導体基板の表面から放出された光を受けるステップと、
    プロセス監視波長近くの前記放出された光の輝度を決定するステップであって、前記プロセス監視波長が前記１つまたは複数のＬＥＤ波長とは異なる、決定するステップと
    をさらに備えた、請求項２２に記載の方法。
24. 前記半導体基板を処置するステップが、前記半導体基板をアニールするステップを備える、請求項２２に記載の方法。
25. 前記半導体基板を処置するステップが、前記半導体基板の内部のドーパントを拡散させるステップを備える、請求項２２に記載の方法。

Images