JP2019079894A - 加熱処理装置及び加熱処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱面の加熱時に非加熱面の温度の上昇を抑制することが可能な加熱処理装置を提供する。【解決手段】第１の基板支持パッドが、上方に向かってガスを噴き出し、基板を浮上させて支持する。基板の、第１の基板支持パッドに支持されている箇所の上面を、加熱装置が加熱する。ガス供給装置が、第１の基板支持パッドに、常温よりも低温のガスを供給する。【選択図】図１

Description

本発明は、加熱処理装置及び加熱処理方法に関する。

基板浮上パッドから上方に向かってガスを噴出させ、アモルファスシリコン膜が形成されたガラス基板を浮上させて支持し、浮上して支持された基板を移動させながら基板にレーザビームを照射するレーザ加工装置が公知である（特許文献１）。

特開２００９−１０１６１号公報

シリコンウエハを用いた絶縁ゲートバイポーラトランジスタ等のパワー半導体デバイスの低損失化のために、デバイスの薄板化が進んでいる。このようなパワー半導体デバイスの製造工程で、素子形成面とは反対側の面（加熱面）の活性化アニールが行われる。加熱面の活性化アニール時に、素子形成面（非加熱面）の温度が過度に上昇すると、既に形成されている素子が劣化してしまう。素子の劣化を抑制するために、加熱面の活性化アニール時に素子形成面の温度上昇を抑制することが望ましい。

本発明の目的は、加熱面の加熱時に非加熱面の温度の上昇を抑制することが可能な加熱処理装置及び加熱処理方法を提供することである。

本発明の一観点によると、
上方に向かってガスを噴き出し、基板を浮上させて支持する第１の基板支持パッドと、
前記基板の、前記第１の基板支持パッドに支持されている箇所の上面を加熱する加熱装置と、
前記第１の基板支持パッドに、常温よりも低温のガスを供給するガス供給装置と
を有する加熱処理装置が提供される。

本発明の他の観点によると、
常温より低温のガスを上方に向かって噴き出して基板を浮上させて支持し、
浮上して支持された前記基板の上面を加熱する加熱処理方法が提供される。

加熱処理時に、基板の裏面に常温より低温のガスが噴き付けられるため、基板の裏面の温度上昇を抑制することができる。

図１は、実施例による加熱処理装置の概略図である。 図２は、実施例による加熱処理装置の第１の基板支持パッド及びその近傍を拡大した概略図である。 図３は、実施例による加熱処理装置のチャンバ内の平面図である。 図４Ａは、実施例による加熱処理装置を用いた場合の基板の環境の例を示す模式図であり、図４Ｂは、基板の温度の時間変化のシミュレーション結果を示すグラフである。 図５Ａは、比較例による加熱処理装置を用いた場合の基板の環境の例を示す模式図であり、図５Ｂは、基板の温度の時間変化のシミュレーション結果を示すグラフである。

図１〜図３を参照して、実施例による加熱処理装置について説明する。
図１は、実施例による加熱処理装置の概略図である。第１の基板支持パッド（第１のエアベアリング）１０及び複数の第２の基板支持パッド（第２のエアベアリング）１１が、チャンバ３０内に配置され、水平な仮想面に沿って二次元的に分布している。ガス導入口３２からチャンバ３０内にパージガスが導入され、チャンバ３０内のパージガスがガス排気口３３から排気される。パージガスとして、例えば窒素ガスが用いられる。第１の基板支持パッド１０及び複数の第２の基板支持パッド１１の各々が、上方に向かってガスを噴き出し、基板４０を浮上させて支持する。基板４０は、例えば半導体ウエハ、ガラス基板等である。

ガス供給装置２０が、第１の基板支持パッド１０及び複数の第２の基板支持パッド１１に、常温より低温のガスを供給する。この低温のガスが、第１の基板支持パッド１０及び第２の基板支持パッド１１から上方に噴き出される。

ガス供給装置２０は、ガス源２１、冷却装置２２、及び配管２３を含む。冷却装置２２は、ガス源２１から放出されたガスを冷却する。冷却されたガスが配管２３を通って、第１の基板支持パッド１０及び複数の第２の基板支持パッド１１に供給される。ガス供給装置２０から第１の基板支持パッド１０及び複数の第２の基板支持パッド１１に供給するガスとして、パージガスと同一のガスを用いることが好ましい。

加熱装置２５が、基板４０の、第１の基板支持パッド１０に支持されている箇所の上面を加熱する。加熱装置２５は、レーザ光源２６及びビームホモジナイザ２７を含む。レーザ光源２６は、加熱用のレーザビーム、例えばパルスレーザビームを出力する。ビームホモジナイザ２７は、レーザ光源２６から出力されたレーザビームのビーム断面を、ホモジナイズ面において長尺形状に整形するとともに、ビーム断面内における長尺方向の光強度分布を均一化する。熱処理中は、基板４０の上面の高さをホモジナイズ面に一致させる。レーザビームは、チャンバ３０の上面に設けられたレーザ透過窓３１を通ってチャンバ３０内に導入される。

レーザ光源２６として、例えばＮｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＹＶＯ_４等の固体レーザの２倍高調波を出力する光源を用いることができる。この緑色の波長域のレーザビームは、シリコンウエハの表層部の加熱に適している。

図２は、第１の基板支持パッド１０及びその近傍を拡大した概略図である。第１の基板支持パッド１０及び複数の第２の基板支持パッド１１の上に、基板４０が浮上して支持されている。ガス供給装置２０から第１の基板支持パッド１０及び複数の第２の基板支持パッド１１に、常温より低温のガスが供給される。基板４０の、第１の基板支持パッド１０に支持されている箇所の上面に、加熱装置２５からレーザビームが入射する。

昇降機構１２が第１の基板支持パッド１０を昇降させる。第１の基板支持パッド１０が昇降することによって、第１の基板支持パッド１０の上に浮上している基板４０も上下に変位する。第１の基板支持パッド１０の側方に配置された高さセンサ１３が、第１の基板支持パッド１０の近傍において基板４０の高さを測定する。複数の第２の基板支持パッド１１の高さは固定されている。第１の基板支持パッド１０が上昇すると、第２の基板支持パッド１１に支持されている箇所に対して第１の基板支持パッド１０に支持されている箇所が上方に変位するように基板４０が撓む。

制御装置５０が、高さセンサ１３による高さの測定結果に基づいて昇降機構１２を制御することにより、基板４０の、第１の基板支持パッド１０に支持されている箇所をホモジナイズ面に一致させることができる。

図３は、実施例による加熱処理装置のチャンバ３０（図１）内の平面図である。第１の基板支持パッド１０の周囲に、複数の第２の基板支持パッド１１が配置されている。例えば、第２の基板支持パッド１１が正方格子の格子点に配置されている。１つの格子点の位置に、第２の基板支持パッド１１に代えて昇降可能な第１の基板支持パッド１０が配置されている。第１の基板支持パッド１０及び複数の第２の基板支持パッド１１の上に、基板４０が浮上して支持される。

平面視において、第１の基板支持パッド１０の内側にレーザビームのビームスポット２８が形成される。ビームスポット２８は、一方向に長い長尺形状を有する。ビームスポット２８の長手方向をｙ方向とし、水平面内においてｙ方向と直交する方向をｘ方向とするｘｙ直交座標系を定義する。

浮上した基板４０の下方に、基板４０を水平方向（ｘ方向及びｙ方向）に移動させる移動機構が配置されている。この移動機構は、複数のｘ方向リニアガイド３５ｘ及び複数ののｙ方向リニアガイド３５ｙを含む。ｘ方向リニアガイド３５ｘの各々は、ｘ方向に延びる案内レール３６ｘ、及び案内レール３６ｘに沿ってｘ方向に移動するブロック３７ｘを含む。ｙ方向リニアガイド３５ｙの各々は、ｙ方向に延びる案内レール３６ｙ、及び案内レール３６ｙに沿ってｙ方向に移動するブロック３７ｙを含む。

ビームスポット２８が基板４０の内側に位置するという条件の下で、基板４０が水平面内のどの位置に配置されていても、少なくとも２つのｘ方向リニアガイド３５ｘ、及び少なくとも２つのｙ方向リニアガイド３５ｙが基板４０に部分的に重なるように、複数のｘ方向リニアガイド３５ｘ及び複数のｙ方向リニアガイド３５ｙが配置されている。

ｘ方向リニアガイド３５ｘのストロークは、基板４０のｘ方向の寸法以上である。基板４０が円形である場合には、ｘ方向リニアガイド３５ｘのストロークは基板４０の直径以上である。ｙ方向リニアガイド３５ｙのストロークは、ビームスポット２８のｙ方向の寸法（長さ）程度である。

ｘ方向リニアガイド３５ｘのブロック３７ｘ及びｙ方向リニアガイド３５ｙのブロック３７ｙは、基板４０の裏面を吸着する機能を持つ。ブロック３７ｘが基板４０を吸着した状態で、ｘ方向リニアガイド３５ｘを駆動することにより、基板４０をｘ方向に移動させることができる。同様に、ブロック３７ｙが基板４０を吸着した状態で、ｙ方向リニアガイド３５ｙを駆動することにより、基板４０をｙ方向に移動させることができる。基板４０をｘ方向に移動させる処理（主走査）と、ｙ方向に移動させる処理（副走査）とを交互に繰り返すことにより、基板４０の上面の全域にレーザビームを入射させることができる。

制御装置５０が、ｘ方向リニアガイド３５ｘのブロック３７ｘ及びｙ方向リニアガイド３５ｙのブロック３７ｙの移動の制御、及びブロック３７ｘ、３７ｙによる基板４０の吸着の制御を行う。

次に、上記実施例による加熱処理装置が持つ優れた効果について説明する。
実施例では、第１の基板支持パッド１０が基板４０の底面に向かって冷却されたガスを噴き付ける。基板４０の底面がガスによって冷却されるため、基板４０の上面を加熱する熱処理を行う場合に、基板４０の裏面の温度上昇を抑制することができる。

基板４０をステージに吸着して、基板４０を走査する通常のレーザアニール装置では、基板４０とともにステージも移動させなければならない。さらに、基板４０を冷却するための機構をステージに設置するとなるとステージが大型化してしまう。これに対し、本実施例では、基板４０よりも小さなブロック３７ｘ、３７ｙを移動させることによって基板４０を移動させることができる。さらに、本実施例では、基板４０を冷却するためのガス供給装置２０及び第１の基板支持パッド１０を移動させる必要がない。ステージを移動させる場合に比べて、駆動部に加わる負荷が小さくなるため、駆動部の小型化を図ることができる。

さらに、基板４０をステージに吸着する場合には、基板４０の上面をホモジナイズ面に一致させるために、ステージを昇降させなければならない。これに対し、本実施例では、基板４０より小さな第１の基板支持パッド１０を昇降させることにより、レーザビームが入射する位置の基板４０の上面をホモジナイズ面に一致させることができる。基板４０が可撓性を有する場合、第１の基板支持パッド１０を昇降させると、基板４０が撓み、第１の基板支持パッド１０の近傍の部分のみが昇降する。これにより、基板４０をステージに保持してステージを昇降させる場合に比べて、基板４０の上面をホモジナイズ面に高速に一致させることができる。

次に、実施例による熱処理装置を用いて、半導体基板に注入されたドーパントの活性化アニールを行う方法について説明する。

まず、表層部にドーパントがイオン注入された基板４０を、ドーパントが注入された面を上に向けて、第１の基板支持パッド１０及び第２の基板支持パッド１１の上に浮上して支持させる。移動機構を制御して基板４０を所定の位置まで移動させる。例えば、基板４０の上面のアニール開始位置を、第１の基板支持パッド１０の上まで移動させる。制御装置５０が高さセンサ１３から測定結果を読み取り、測定結果に基づいて昇降機構１２を制御することにより、基板４０の上面をホモジナイズ面に一致させる。

レーザ光源２６からパルスレーザビームを出力させながら、基板４０の主走査及び副走査を行うことにより、基板４０の上面の全域をアニールする。主走査方向及び副走査方向に関して、基板４０の上面においてパルスレーザビームのショット間でビームスポット２８が重複するように、制御装置５０が基板４０の移動速度及びパルスレーザビームのパルス周波数を制御する。

実施例による加熱処理装置を使用することにより、基板４０のドーパントが注入されている面の活性化アニールを行う際に、基板４０の反対側の面の温度上昇を抑制することができる。

次に、図４Ａから図５Ｂまでの図面を参照して、低温のガスを基板４０の裏面に噴き付ける効果をシミュレーションした結果について説明する。

図４Ａは、実施例による加熱処理装置を用いた場合の基板４０の環境の例を示す模式図である。基板４０として、厚さ１００μｍの単結晶シリコン基板を用いた。基板４０の裏面に低温のガスが噴き付けられることにより、裏面の温度が２７℃に維持されると仮定した。基板４０の側面は断熱されていると仮定した。

この基板４０の上面に、緑色の波長域の２つのレーザパルスを、一定の遅延時間を設けて入射させる。２つのレーザパルスを入射させる処理を一定の周波数で繰り返すことにより、アニールを行う。シミュレーションでは、基板４０の同一箇所にレーザビームを入射させることとした。１パルス当たりのエネルギ密度を１．９Ｊ／ｃｍ^２、パルス幅を１４０ｎｓ、パルスのディレイ時間を５００ｎｓとした。パルスレーザビームのパルス周波数は３ｋＨｚとした。

図４Ｂは、基板４０の温度の時間変化のシミュレーション結果を示すグラフである。横軸は経過時間を単位「μｓ」で表し、縦軸は温度を単位「℃」で表す。図４Ｂ中の曲線ａ１、ａ２、ａ３、ａ４、及びａ５は、それぞれ基板４０の裏面からの深さが０μｍ、５μｍ、１０μｍ、２０μｍ、及び５０μｍの位置の温度を示す。曲線ａ１で示すように、基板４０の裏面の温度は、境界条件である２７℃に保たれる。基板４０の裏面からの深さが５０μｍまでの領域の温度は、１周期の間にほぼ２７℃まで低下している。

図５Ａは、比較例による加熱処理装置を用いた場合の基板４０の環境の例を示す模式図である。基板４０として、厚さ１００μｍの単結晶シリコン基板を用いた。基板４０は、厚さ１ｍｍのＡｌ_２Ｏ_３製のステージに密着して保持される。基板４０の側面、及びステージ４１の側面と底面は断熱されていると仮定した。基板４０へのレーザ照射条件は、図４Ａ及び図４Ｂに示したシミュレーションにおけるレーザ照射条件と同一である。

図５Ｂは、基板４０の温度の時間変化のシミュレーション結果を示すグラフである。横軸は経過時間を単位「μｓ」で表し、縦軸は温度を単位「℃」で表す。図５Ｂ中の曲線ｂ１及びｂ５は、それぞれ基板４０の裏面からの深さが０μｍ及び５０μｍの位置の温度を示す。曲線ｂ１、ｂ２で示すように、パルスレーザビームの入射による熱が、次の周期まで蓄積され、基板４０の温度が階段状に上昇している。

実施例による加熱処理装置を用いた場合に、基板４０の裏面から５０μｍまでの深さの部分の温度は、図４Ｂに示したように高々１００℃程度までしか上昇しない。これに対し、比較例による加熱処理装置を用いた場合に、図５Ｂに示したようにレーザパルスの入射回数の増加に伴って４００℃以上まで上昇する。

図４Ａから図５Ｂまでの図面に示したシミュレーションにより、実施例による加熱処理装置を用いると、ステージに基板を吸着する加熱処理装置に比べて、基板４０の裏面の温度上昇が抑制されることが確認された。

次に、上記実施例の変形例による加熱処理装置について説明する。
上記実施例では、ガス供給装置２０（図１）として、ガス源２１から放出されたガスを冷却装置２２で冷却したが、ガス源２１として、常温より低温のガスを放出するものを用いてもよい。例えば、配管２３を、液化ガスを収容した容器に接続し、気化したガスを第１の基板支持パッド１０及び第２の基板支持パッド１１に供給するようにしてもよい。液化ガスとして、例えば液化窒素を用いることができる。

上記実施例では、第１の基板支持パッド１０及び複数の第２の基板支持パッド１１のすべてから常温より低温のガスを噴出させたが、第１の基板支持パッド１０から低温のガスを噴出させ、複数の第２の基板支持パッド１１からは常温のガスを噴出させてもよい。この場合でも、レーザビームの入射する箇所の基板４０の裏面を冷却することができる。また、冷却すべきガスの流量が少なくなるため、冷却装置２２として冷却能力の低い装置を使用することができる。

上記実施例では、高さセンサ１３（図２）が基板４０の裏側（下側）から基板４０の高さを測定したが、基板４０の表側（上側）から基板４０の高さを測定するようにしてもよい。

上記実施例では、基板４０を二次元方向に移動させながら加熱処理を行ったが、加熱すべき領域が１本の直線に沿う細長い形状である場合には、基板４０を一次元方向に移動させながら加熱処理を行ってもよい。また、加熱すべき領域が、平面視において第１の基板支持パッド１０の範囲内に収まる場合には、基板４０を移動させる代わりに、レーザビームの経路をガルバノスキャナ等で走査してもよい。このように、基板４０とレーザビームの経路との一方を他方に対して移動させる構成としてもよい。

上記実施例では、基板４０の上面におけるビームスポット２８（図３）を長尺形状としたが、加熱の用途によって円形、正方形等にしてもよい。

上記実施例では、第１の基板支持パッド１０から噴き出すガスの温度を常温より低くしたが、ガスの温度は、加熱処理時における基板４０の裏面の最高到達温度が、許容上限値を超えないように設定するとよい。

上述の実施例は例示であり、本発明は上述の実施例に制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１０ 第１の基板支持パッド（第１のエアベアリング）
１１ 第２の基板支持パッド（第２のエアベアリング）
１２ 昇降機構
１３ 高さセンサ
２０ ガス供給装置
２１ ガス源
２２ 冷却装置
２３ 配管
２５ 加熱装置
２６ レーザ光源
２７ ビームホモジナイザ
２８ ビームスポット
３０ チャンバ
３１ レーザ透過窓
３２ ガス導入口
３３ ガス排気口
３５ｘ ｘ方向リニアガイド
３５ｙ ｙ方向リニアガイド
３６ｘ、３６ｙ 案内レール
３７ｘ、３７ｙ ブロック
４０ 基板
４１ ステージ
５０ 制御装置

Claims (8)

1. 上方に向かってガスを噴き出し、基板を浮上させて支持する第１の基板支持パッドと、
   前記基板の、前記第１の基板支持パッドに支持されている箇所の上面を加熱する加熱装置と、
   前記第１の基板支持パッドに、常温よりも低温のガスを供給するガス供給装置と
   を有する加熱処理装置。
2. さらに、前記基板を、前記第１の基板支持パッドで支持されている箇所以外の箇所において、浮上させて支持する複数の第２の基板支持パッドを有し、
   前記ガス供給装置は、複数の前記第２の基板支持パッドに常温のガスを供給する請求項１に記載の加熱処理装置。
3. 前記ガス供給装置は、
   ガス源と、
   前記ガス源から放出されたガスを冷却して前記第１の基板支持パッドに供給する冷却装置と
   を有する請求項１または２に記載の加熱処理装置。
4. 前記ガス供給装置は、液化ガスを収容する容器に接続され、前記容器から気化したガスを前記第１の基板支持パッドに供給する配管を含む請求項１または２に記載の加熱処理装置。
5. 前記加熱装置は、前記基板の、前記第１の基板支持パッドに支持されている箇所の上面にレーザビームを入射させることにより前記基板を加熱する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の加熱処理装置。
6. さらに、前記基板を前記第１の基板支持パッドに対して水平方向に移動させる移動機構を有する請求項１乃至５のいずれか１項に記載の加熱処理装置。
7. 常温より低温のガスを上方に向かって噴き出して基板を浮上させて支持し、
   浮上して支持された前記基板の上面を加熱する加熱処理方法。
8. 前記ガスを第１の基板支持パッドから噴き出し、
   前記基板の上面を加熱する工程において、前記第１の基板支持パッドに支持されている箇所の上面を加熱し、
   さらに、前記基板の、前記第１の基板支持パッドに支持されている箇所の上面を加熱しながら、前記第１の基板支持パッドに対して前記基板を水平方向に移動させる請求項７に記載の加熱処理方法。

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