JP2016054242A - 熱処理方法及び熱処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光源を熱源とする熱処理において、加熱用の光源からの光を直接測定することなく、光源の劣化をモニタリングして、その結果に基づいて適切な加熱用の光を照射する。
【解決手段】複数の発光素子ユニット３０を熱源に用いてウェハＷを熱処理する場合、所定ロット数のウェハＷを処理した後、表面反射率が既知の測定用ウェハＷｔに対して、発光素子ユニット３０から加熱用の光を照射する。その時の反射光を反射光センサ５１で測定し、予め用意していた初期値の反射光の測定データと比較し、光量が低下していた場合には、初期値の反射光の光量となるように、発光素子ユニット３０に電力を供給する電源４０に対して、電力を補正する指令を制御部１５０が出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源を熱源とする熱処理方法及び熱処理装置に関する。

例えば半導体デバイスの製造工程では、例えば基板としての半導体ウェハ（以下、「ウェハ」という。）上に成膜を行う成膜処理や熱処理などの各種処理が順次行われる。イオン注入後の熱処理においては、拡散を最小限に抑えるためにより高速での昇降温が要求されるが、近年、半導体デバイスの微細化、高集積化に伴い、その要求は特に顕著である。

そこで近年、より高速での昇降温を行なう熱処理装置の熱源として、例えば特許文献１に開示されるように、ＬＥＤ光が用いられる場合がある。ＬＥＤ光を熱源として用いるにあたっては、高速昇温に対応するためにＬＥＤが高密度で配置される。

特開２０１０−１５３７３４号公報

ところで、加熱源としてたとえばＬＥＤを用いた場合、必要なエネルギーを得るため大電流を投入することから、ＬＥＤが経年劣化してしまい、ＬＥＤが所定の光量を照射できずウェハを均一に加熱できないおそれがある。またロット間のプロセス結果が初期の調整状態から次第にずれていくことも懸念される。

これに対処するため、ＬＥＤから照射される光を測定するセンサをＬＥＤの照射面に対向配置し、直接ＬＥＤからの光（エネルギー量）をモニタリングすることが考えられる。
しかしながら加熱用のＬＥＤからの光を直接測定すると、光が強いため、センサがダメージを受けるおそれがある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、ＬＥＤなどの光源を熱源とする熱処理において、加熱用のＬＥＤからの光を直接測定することなく、光源の劣化をモニタリングして、その結果に基づいて適切な加熱用の光を照射できるようにして、前記した問題を解決することを目的としている。

前記目的を達成するため、本発明は、発光素子から光を被処理体に照射して、当該被処理体を熱処理する熱処理方法であって、表面反射率が既知の測定用被処理体に対して、前記発光素子から光を照射し、前記測定用被処理体からの反射光の光量を、反射光センサを用いて測定し、前記測定結果に基づいて、前記発光素子に供給する電力を補正することを特徴としている。

本発明によれば、ＬＥＤからの光を直接センサに導入して測定するのではなく、反射光の光を測定するようにしたので、反射光センサのセンサがダメージを受けることが従来より抑えられている。そしてたとえば初期の調整時に所定の電力によって、同様な測定を行った結果を基準値とし、その後所定の時間経過後や、所定の処理回数、処理ロット数を経た後に、前記所定の電力を電源に供給して得られた測定結果と、前記基準値と比較することで、劣化に伴う光量の減衰量を知ることができる。後は、この減衰量を補償するように、電源から供給する電力を補正（増加）すればよい。その際、減衰量の許容値（しきい値）を予め定めておいてもよい。

前記測定用被処理体に対する発光素子から光の照射、及び反射光の光量の測定結果に基づく電力の補正は、所定ロット数の被処理体に対する熱処理後に行うようにしてもよい。

別な観点による本発明は、被処理体に光を照射して熱処理する熱処理装置であって、前記被処理体を支持する支持部材と、前記支持部材に支持された被処理体に対向して設けられ、前記被処理体に光を照射する発光素子と、表面反射率が既知の測定用被処理体からの反射光の光量を測定する反射光センサと、前記反射光センサの測定結果に基づいて、前記発光素子に電力を供給する電源の出力を補正する制御部と、を有することを特徴としている。

この場合、前記反射光センサの測定部は、熱処理装置の処理空間外に設けられ、前記測定用被処理体からの反射光は、受光部を有する光伝送部材を介して前記測定部に導入されるようにしてもよい。

また前記発光素子を複数有し、前記電源は、これら複数の発光素子をグループ化した発光素子群ごとに設けられ、前記制御部は、発光素子群ごとに設けられた前記電源を個別に制御可能であるように構成してもよい。

本発明によれば、ＬＥＤなどの光源を熱源とする熱処理において、加熱用のＬＥＤからの光を直接測定することなく光源の劣化をモニタリングすることができ、その結果に基づいて適切な加熱用の光を照射できる。

本実施の形態にかかる熱処理装置の構成の概略を示す縦断面図である。 発光素子ユニットの構成の概略を示す平面図である。 熱源の構成の概略を示す平面図である。 制御部の構成の概略を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態の一例について、図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る熱処理装置１の概略の構成を示す縦断面図である。

熱処理装置１は、被処理体としてのシリコン基板であるウェハＷを載置する載置台１０が設けられた略円筒状の処理容器１１を有している。処理容器１１は、載置台１０上方の熱処理部１２と、載置台１０の外側に設けられたガス拡散部１３を有している。

載置台１０の上面にはウェハＷを支持する支持部材としての支持ピン２０が複数設けられている。支持ピン２０の内部には、温度センサ２０ａが内蔵されている。そのため、温度センサ２０ａにより当該ウェハＷを載置する支持ピン２０の温度を測定することで、ウェハＷの温度を模擬的に測定することができる。温度センサとしては例えば熱電対などが用いられる。なお、熱電対などの温度センサ２０ａそのものを支持ピン２０として用いてもよい。また、ウェハＷの温度を模擬的に測定するとは、ウェハＷと接触する支持ピン２０の温度を温度センサ２０ａにより測定することのみならず、ウェハＷを温度センサ２０ａにより支持し、ウェハＷに温度センサ２０ａを接触させることにより測定する場合を含んでいる。

処理容器１１の天板１１ａの下面には、熱源２１が設けられている。熱源２１は、複数の発光素子ユニット３０により構成されている。各発光素子ユニット３０は、載置台１０に載置されたウェハＷに光を照射するように、載置台１０に対向して、すなわち、支持ピン２０に支持されたウェハＷに対向して設けられている。各発光素子ユニット３０は、電極３１を介して支持板３１ａに支持され、支持板３１ａは天板１１ａに支持されている。天板１１ａの内部には図示しない冷媒管が設けられ、その内部に冷却水を通水することで、各発光素子ユニット３０の冷却が行なわれる。

発光素子ユニット３０は、図２に示すように六角状に形成された支持板３２を有し、当該支持板３２の表面に発光素子３３が多数配置されている。発光素子３３としては、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）が用いられる。各発光素子３３の間には反射層３４が形成されており、発光素子３３からの光を反射させることで、載置台１０に向けて有効に光を取り出すことができる。発光素子３３及び反射層３４は支持板３２により支持されている。なお、反射層３４の反射率は例えば０．８以上である。

各発光素子３３は、半球状に形成されたレンズ層（図示せず）で覆われている。レンズ層は屈折率の高いＬＥＤと屈折率が１の空気との中間の屈折率を有し、ＬＥＤから空気中に光が直接射出されることによる全反射を緩和するために設けられる。レンズ層を設けることで各発光素子３３の側面からも光を取り出すことができる。また、側面から取り出された光は反射層３４により反射されて載置台１０に向けて照射される。そして、熱源２１は、例えば図３に示すように、一つの発光素子ユニット３０の六角状の支持板３２の辺が互いに隣接するように配置されて構成されている。このような配置構成とすることで、全ての発光素子ユニット３０が隙間無く配置される。

発光素子ユニット３０の間の所定の位置には、反射光センサ５１の受光部５１ａが配置されている。受光部５１ａが受光した光は、光伝送部材５１ｂを介して、処理容器１１の天板１１ａ上に設けられている測定部５１ｃへと導かれる。本実施の形態では、図３に示したように、たとえば６つの受光部５１ａが発光素子ユニット３０の隙間に配置されている。図１に示したように、受光部５１ａは、鉛直に設けられた光伝送部材５１ｂの先端部に設けられ、発光素子ユニット３０の面よりも載置台１０に近い位置に配置されている。これによって、発光素子ユニット３０からの光を直接受光せず、且つウェハＷからの反射光を検出できる。測定部５１ｃからの測定結果は、制御部１５０に出力される。

一つの発光素子ユニット３０には、１０００〜２０００個程度の発光素子３３が搭載されている。発光素子３３として用いられるＬＥＤとしては、光の波長が紫外〜近赤外の範囲、好ましくは３６０〜１０００ｎｍの範囲の、例えばＧａＮ（窒化ガリウム）やＧａＡｓ（ガリウムヒ素）などの化合物半導体が用いられる。なお、加熱対象がシリコン製のウェハである場合、シリコンウェハによる吸収率の高い８００〜９７０ｎｍ付近の波長を有するＧａＡｓ系の材料からなるＬＥＤを用いることが好ましい。

天板１１ａの上面には、各発光素子ユニット３０に電流を供給する電源４０が複数配置されている。電源４０は、後述する制御部１５０に接続されており各発光素子ユニット３０へ供給する電流は制御部１５０により個別に制御される。

本実施の形態では、６つの電源４０が設けられている。これは、複数の発光素子ユニット３０を、６つの発光素子ユニット群に分割し、各発光素子ユニット群に個別に供給するためである。そして前記した反射光センサ５１も、この６つの発光素子ユニット群に対応して設けられたものである。

また、処理容器１１の天板１１ａには、当該処理容器１１内に、図示しない処理ガス供給機構から所定の処理ガスを導入する処理ガス供給管４１が接続されている。処理容器１１のガス拡散部１３の底部には、図示しない排気装置に接続された排気管４２が接続されており、この排気管４２を通じて処理容器１１内を排気することができる。

載置台１０と発光素子ユニット３０との間には、発光素子ユニット３０からウェハＷに向けて照射された光を透過する光透過部材４３が、載置台１０の上面と所定の距離だけ離間して配置されている。光透過部材４３は、天板１１ａの下面から鉛直下方に延下した垂下部１１ｂの下端に、例えばねじ止めなどにより支持されている。垂下部１１ｂは円環状に形成されており、発光素子ユニット３０は、垂下部１１ｂと当該垂下部１１ｂの下端に支持される光透過部材４３により囲まれた空間の内部に収容された状態となっている。なお、光透過部材４３としては、例えば石英などが用いられる。

制御部１５０は、例えばコンピュータである。制御部１５０は、図４に示すように、光量モニタ５０や反射光センサ５１からの信号が入力される入力部１５１、入力部１５１から入力されたデータを演算する演算部１５２と、所定のデータを記憶する記憶部１５３、各電源４０やその他機器の動作を制御するための信号を出力する出力部１５４を有している。

演算部１５２の機能について詳述する。図４に示すように演算部１５２では、入力部１５１に入力された反射光センサ５１からの光量と、記憶部１５３に予め記憶されていた、例えば発光素子ユニット３０が初期状態にあったときの、反射光センサ５１からの光量とを、各発光素子ユニット群ごとに比較演算する。これはいずれも電源４０から同一出力時のデータに基づいて比較される。そして劣化に伴って光量低下した場合には、所定の初期状態の光量との差分を補償して同一光量となるような、例えば電流値を算出し、その結果を出力部１５４から各電源４０に対して、相応の電流指令値を出力する。発光素子ユニット３０が劣化した場合には、受光する光量は低下するので、通常は電流を増加する指令値が出力される。これによって、発光素子ユニット３０に供給する電力が補正される。

なお、記憶部１５３には、各電源４０やその他機器などを制御して、熱処理装置１を動作させるためのプログラムも格納されている。なお、上記のプログラムは、例えばコンピュータ読み取り可能なハードディスク（ＨＤ）、フレキシブルディスク（ＦＤ）、コンパクトディスク（ＣＤ）、マグネットオプティカルデスク（ＭＯ）、メモリーカードなどのコンピュータに読み取り可能な記憶媒体に記録されていたものであって、その記憶媒体から制御部１５０にインストールされたものであってもよい。

本実施の形態にかかる熱処理装置１は以上のように構成されており、次に、本実施の形態にかかる熱処理装置１におけるウェハＷの熱処理について説明する。

ウェハＷの熱処理にあたっては、先ず、処理容器１１内にウェハＷが搬入され、載置台１０上に載置されて保持される。次いで、排気管４２を介して処理容器１１内を排気すると共に、処理ガス供給管４１から所定の処理ガスが供給される。それと並行して、天板１１ａ内部の図示しない冷媒管に冷却水が通水される。

次いで、各電源４０へ所定の電流指令値が出力され、発光素子ユニット３０に対して所定の電流の電力が供給される。それにより発光素子ユニット３０から、所定の照度、光量の光がウェハＷに照射されて、ウェハＷに対して所定の熱処理が施される。

ところでそのような熱処理を行っていると、発光素子ユニット３０の発光素子３３として用いられるＬＥＤは経年劣化などによって性能が低下し、所定の電流が供給されても、所期の照度、光量の光がウェハＷに照射されなくなることがある。

このような事態に対処するため、下記のような供給電力の補正が行われる。まずたとえば初期の調整状態において、ウェハＷに対して所定の光量を照射するときの、電源４０から発光素子ユニット３０に供給する電流値Ａ１を求めておく。次いで反射率が既知の測定用ウェハＷｔを載置台１０に載置して、電流値Ａ１の電流を発光素子ユニット３０に供給し、測定用ウェハＷｔに対して発光素子ユニット３０から光を照射する。そしてそのときに測定用ウェハＷｔから反射される反射光を、反射光センサ５１で測定し、その結果をたとえば基準値Ｂ１として、制御部１５０記憶部１５３に格納しておく。

次いで、たとえば所定のロット数のウェハＷに対して、電流値Ａ１の下で通常の熱処理を施した後、再び前記測定用ウェハＷｔを載置台１０に載置して、電流値Ａ１の電流を発光素子ユニット３０に供給し、測定用ウェハＷｔに対して発光素子ユニット３０から光を照射する。そしてそのときに測定用ウェハＷｔから反射される反射光を、反射光センサ５１で測定する。その結果をたとえば測定値Ｂ２とする。

前記したように、発光素子ユニット３０の発光素子３３として用いられるＬＥＤは経年劣化などによって性能が低下する。したがって、所定の電流が供給されても、所期の照度、光量の光がウェハＷに照射されなくなるので、測定値Ｂ２は、基準値Ｂ１よりも小さくなっている。

そこで基準値Ｂ１と測定値Ｂ２とを比較し、測定値Ｂ２＜基準値Ｂ１の場合には、制御部１５０は、反射光センサ５１が測定する測定用ウェハＷｔが測定する反射光の光量の値が基準値Ｂ１となるように、電源４０に対して電流補正指令値を出力し、発光素子ユニット３０に供給する電流値を補正する（測定値Ｂ２＜基準値Ｂ１の場合には、電流を増加させる指令が出される）。これによって、発光素子ユニット３０の発光素子３３が劣化等によって性能が低下し、所定の光量が得られなくなった場合でも、所期の光量を被処理体に対して照射することができる。

また本実施の形態では、複数の発光素子ユニット３０を、６つの発光素子ユニット群に分割し、各発光素子ユニット群に個別に反射光センサ５１の受光部５１ａが設けられ、また電源４０もこれら発光素子ユニット群に対応して個別に設けられているので、各発光素子ユニット群ごとに反射光を測定し、当該測定結果に基づいて個別に補正して各電源４０から補正後の電流を供給することができる。したがって、発光素子ユニット群ごとに劣化度合いに応じた適切な補正電力を供給することができ、ウェハＷ全体に対してより均一な照射加熱が可能である。

しかもかかる補正は、測定用ウェハＷｔからの反射光を測定して行っているので、発光素子ユニット３０の発光素子３３からの加熱用の光を直接受光しないから、反射光センサ５１に対するダメージを緩和することができる。また、反射光センサ５１の測定部５１ｃは、処理空間外である処理容器１１の外部に設けられているから、より一層のダメージの防止を図ることができる。

なお測定用ウェハＷｔを使用しての発光素子ユニットの反射光の測定は、前記したように、所定のロット数のウェハＷに対する通常の熱処理が終了した後に行ってもよいが、ロット数に関わらず、所定の枚数、所定の照射時間経過ごとに行うようにしてもよい。

また反射光センサ５１の設置数、受光部５１ａの設置位置については、任意であり、状況に応じて適宜任意に選択できるものである。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１ 熱処理装置
１０ 載置台
１１ 処理容器
１１ａ 天板
１１ｂ 垂下部
１２ 熱処理部
１３ ガス拡散部
２０ 支持ピン
２１ 熱源
３０ 発光素子ユニット
３１ 電極
３１ａ 支持板
３２ 支持板
３３ 発光素子
３４ 反射層
４０ 電源
４１ 処理ガス供給管
４２ 排気管
４３ 光透過部材
５１ 反射光センサ
５１ａ 受光部
５１ｂ 光伝送部材
５１ｃ 測定部
１５０ 制御部
１５１ 入力部
１５２ 演算部
１５３ 記憶部
１５４ 出力部
Ｗ ウェハ
Ｗｔ 測定用ウェハ

Claims (5)

1. 発光素子から光を被処理体に照射して、当該被処理体を熱処理する熱処理方法であって、
   表面反射率が既知の測定用被処理体に対して、前記発光素子から光を照射し、
   前記測定用被処理体からの反射光の光量を、反射光センサを用いて測定し、
   前記測定結果に基づいて、前記発光素子に供給する電力を補正することを特徴とする、熱処理方法。
2. 前記測定用被処理体に対する発光素子から光の照射、及び反射光の光量の測定結果に基づく電力の補正は、所定ロット数の被処理体に対する熱処理後に行うことを特徴とする、請求項１に記載の熱処理方法。
3. 被処理体に光を照射して熱処理する熱処理装置であって、
   前記被処理体を支持する支持部材と、
   前記支持部材に支持された被処理体に対向して設けられ、前記被処理体に光を照射する発光素子と、
   表面反射率が既知の測定用被処理体からの反射光の光量を測定する反射光センサと、
   前記反射光センサの測定結果に基づいて、前記発光素子に電力を供給する電源の出力を補正する制御部と、
   を有することを特徴とする、熱処理装置。
4. 前記反射光センサの測定部は、熱処理装置の処理空間外に設けられ、
   前記測定用被処理体からの反射光は、受光部を有する光伝送部材を介して前記測定部に導入されることを特徴とする、請求項３に記載の熱処理装置。
5. 前記発光素子を複数有し、前記電源は、これら複数の発光素子をグループ化した発光素子群ごとに設けられ、
   前記制御部は、発光素子群ごとに設けられた前記電源を個別に制御可能であることを特徴とする、請求項３または４のいずれか一項に記載の熱処理装置。

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