JP3958931B2 - 急速熱処理（ｒｔｐ）システムのための膨張可能なエラストマエレメント - Google Patents

Description

【０００１】
１．発明の分野
本発明は、膨張可能なＯリングを使用してＲＴＰチャンバの本体に大きな透明石英板をシールし、これにより板に均一な圧力を提供するための装置及び方法に関する。
【０００２】
２．発明の背景
急速熱処理（ＲＴＰ）は、半導体処理のために使用することができる多目的光加熱法及び薄いシート、スラブ又はディスクとしての対象物又はウエハを加熱するための一般的な制御性のよい方法である。対象物は通常一度に１つチャンバ内へ挿入され、このチャンバは、強力な加熱ランプからの放射を透過させるために透明な、チャンバ壁部の少なくとも所定の部分を有している。壁部の透明部分は通常石英製であり、この透明部分は、３〜４ミクロンまでの波長の放射を透過させる。これらのランプは、通常タングステンハロゲンランプであるが、アークランプ又はその他のあらゆる可視放射源及び／又は近赤外放射源を使用してもよい。ランプからの放射は、壁部の透明部分を通過して、加熱したい対象物の表面へ送られる。対象物が、壁部の透明部分によって透過させられる近赤外又は可視スペクトル領域の光を吸収する限り、ＲＴＰ技術は、種々異なる材料処理及び条件に対して温度及びプロセスガスの迅速な変化を許容する。ＲＴＰは、様々な半導体処理の“熱予算”を低減させ、また、材料が急速に冷却される場合に、“凍結”することができる様々な準安定状態の製造を許容する。
【０００３】
ＲＴＰシステムは比較的新しい。最近の１０〜１５年に、このようなシステムは研究開発においてのみ使用された。作業の促進力は、温度の均一性を増大すること及び熱予算を減じるような加熱サイクル及びプロセスを発展することであっった。従来のＲＴＰ機械は、平らな板又はディスクとしての非構造的な均一の材料を加熱することができ、半導体処理プロセスにとって十分な板上の温度均一性を生ぜしめることができる。
【０００４】
現在のＲＴＰシステムにおける温度制御は、半導体ウエハの比較的構造化されていない特徴のない裏側の温度を測定する単色（若しくは狭い波長帯）の高温測定法によってほとんど行われる。温度測定の結果は、通常、加熱ランプ動力を制御するためにフィードバック制御において使用される。しかしながら、可変の放射率を備えた、裏側がコーティングされたウエハは、このように使用することができず、裏側の層は、通常エッチング除去されるか、温度は接触熱電対を使用して測定される。
【０００５】
温度制御のより新たな方法は、米国特許第５３５９６９３号明細書に記載された、動力制御される開ループ加熱である。この特許は引用によりここに組み込まれる。
【０００６】
引用によりここに組み込まれるドイツ連邦共和国特許第４２２３１３３号明細書には、ＲＴＰ機械において比較的欠点のない材料を製造する方法が開示されている。装置により誘発される熱不均一性は、より均一な処理の要求によりここ数年で減少している。使用される技術の中で、個々のランプ動力の制御、円形のランプの使用、独立した動力制御を用いる半導体ウエハの回転であった。
【０００７】
ほとんどのＲＴＰ機械は、一方の端部が開放した、薄い矩形の石英反応チャンバを有している。この反応チャンバは、従来公知の形式で結合された（“溶接された”）平らな石英板のセットから形成されている。真空使用目的のチャンバは、しばしば扁平な楕円形横断面を有している。チャンバは、平らな円筒状のパンケーキ状に形成することもできる。概して、チャンバは、加熱したい薄い対象物が水平に保持されるように使用されるが、対象物が鉛直又はあらゆる好都合な向きに保持されるように使用されてもよい。反応チャンバは、通常、ランプを、加熱したい対象物の近傍に配置するために薄い。反応チャンバは、ウエハ処理システムが動作中には、ニューマチック式に作動されるドアによって一方の端部において開閉される。ドアは、通常ステンレス鋼から形成されており、内側に取り付けられた石英板を有していてよい。プロセスガスは、ドアとは反対側からチャンバ内へ導入され、ドア側から排出される。プロセスガス流は、従来公知の形式で様々なマニホルドに結合されたコンピュータ制御弁によって制御される。
【０００８】
ウエハサイズが３００ｍｍにまで増大するに従い、石英の“箱”は製造及び使用することが次第に高価となる。ＲＴＰチャンバ内の補助装置の量及びサイズも、同じ割合で増大する。しかしながら、種々異なる材料から形成されたＲＴＰチャンバは、高温のウエハが長い波長の赤外放射を放射するという問題を有しており、この放射は、可視光及び近赤外光のみに対して透過性であるＲＴＰシステムの石英壁を加熱してしまう。また、システムの透明な壁部を、不透明な壁部の異なる材料にシールすることは困難である。なぜならば、種々異なる材料の膨張の差が、ＲＴＰチャンバの様々な部分の相対的な移動につながるからである。膨張の差は、石英板の様々な部分における極めて不均一な力につながり、このような力が、極めて高価な板を割ってしまうおそれがある。
【０００９】
石英板とＲＴＰチャンバの他の部分との相対的な移動は、シール材料を擦り、チャンバの汚染を生ぜしめるおそれがある。この汚染は、特にシステムが極めてクリーンでなければならず、システムの壁部からウエハ蒸気の全ての跡を除去するためにシステム全体が焼かれなければならず、通常のシール材料が、良好なＣＶＤ成長を妨げるために十分な材料をガス発生するような、シリコン−ゲルマニウムの化学蒸着（ＣＶＤ）にとって悪い。金属製ガスケットを使用しなければならず、この金属製ガスケットは、高圧で圧縮されなければならず、石英板の不均一な加熱に基づき、板は割れてしまう。
【００１０】
３．関連する適用例
ＲＴＰ原理に基づく反応装置では、しばしば、ウエハ処理プロセスの間、反応チャンバの一方の端部の横断面全体が開放している。このような構成が形成されるのは、様々なウエハホルダ、保護リング及び、ウエハよりも著しく大きな寸法を有しかつ厚いガス分散板を室内に導入しなければならず、また、プロセスが変更されたり例えば種々異なるウエハサイズが使用されたりした場合に容易かつ迅速に交換しなければならないからである。反応チャンバの寸法はこれらの補助的な部材を考慮して決定しなければならない。本発明の譲受人に譲渡されかつ引用によりここに組み込まれた米国特許第５５８０８３０号明細書は、ガス流を調整しかつプロセスチャンバにおける不純物を制御するためにガス流の重要性とドアに設けられた開口の使用とを教示している。
【００１１】
慣用のＲＴＰシステムにおいて加熱したいウエハは、通常、複数の石英ピン上に載置され、これらの石英ピンは、ウエハをシステムの反射壁に対して平行に正確に保持する。従来のシステムは、ウエハ、通常均一なシリコンウエハを、装備されたサセプタに載置させている。
【００１２】
本発明の譲受人に譲渡されかつ引用によりここに組み込まれた係属中の特許出願第０８／５３７４０９号明細書は、ウエハから分離されたサセプタ板の重要性を教示している。
【００１３】
ＩＩＩ−ＩＶ型半導体の急速熱処理は、シリコンのＲＴＰほど成功していない。その理由の１つは、表面が、例えば砒化ガリウム（ＧａＡｓ）の場合における砒素（Ａｓ）の比較的高い蒸気圧力を有しているということである。表面領域は、Ａｓが枯渇し、材料の質が悪化する。本発明の譲受人に譲渡された、引用によりここに組み込まれる継続中の特許出願第０８／６３１２６５号明細書は、この問題を克服するための方法及び装置を提供している。
【００１４】
発明の課題
本発明の課題は、クリーンかつ気密であり、チャンバの多くの加熱及び冷却サイクルの後にもクリーンかつ気密のままであるようなＲＴＰシステムを提供することである。本発明の課題は、浄化のため及びチャンバへの補助装置の装填のために迅速かつ容易に分解されるようなＲＴＰチャンバを提供することである。本発明の課題は、清浄度の超高真空標準にまで浄化することができるＲＴＰチャンバを提供することである。
【００１５】
発明の概要
ＲＴＰシステムの処理室の石英板窓は、膨張可能な弾性的なエレメントを使用してチャンバの本体にシールされている。前記エレメントは、ＲＴＰシステムの急速熱サイクルの間に窓及び本体が加熱及び冷却される場合に窓及び本体の相対的な移動に拘わらず窓に均一に押し付けられる。
【００１６】
発明の詳細な説明
図１には、ランプ１６及び１８のセットからの放射によって加熱するために石英ピン１４によって所定の位置に支持されたウエハ１２を備えた、従来のＲＴＰチャンバ１０を示す横断面図が示されている。チャンバ１０は、極めて研磨された内壁２２を有するハウジング２０によって支持されている。チャンバ１０のための気密シールを形成するためにドア２４が使用されている。ウエハ１０の温度は、高温計２６によって測定される。コンピュータ又はその他の制御手段２８が高温計２６から温度の読取りを受け取り、ランプ１６及び１８を制御し、予めプログラムされたスケジュールに従ってウエハを加熱する。コンピュータ２８は、ガス流制御装置３０を制御するためにも働き、このガス流制御装置３０は、プロセスガス２８をチャンバ１０へ導入する。
【００１７】
図２には、本発明の最も有利な実施例が示されている。ウエハ１０は、石英ピン（図示せず）によって処理するための位置に保持されている。ランプ１６の１つのセットが示されている。図２に示したＲＴＰチャンバは、本体３０と、少なくとも１つの板３２とから成っており、この板３２は、ランプ１６又はＲＴＰの技術において知られているようなその他の放射源からの放射に対して透過性である。チャンバの本体３０は、アルミニウム又はステンレス鋼等の金属から形成されていると有利である。ウエハ１０を挿入するために開口（図示せず）が本体に加工されている。ウエハ１２が加熱される場合にチャンバ内のプロセスガスを保持するためにこの開口をシールするために、ドア（図示せず）が使用されてよい。チャンバへのガス供給源は図示していない。ガス供給システム及びガス制御システムは当該技術分野においてよく知られている。本体３０は、中空の円筒又は中空の矩形であってよい。
【００１８】
板３２及び３２は、石英から形成されていると有利であり、これらの板は、ランプ１６からの放射のほとんどに対してほぼ透過性である。しかしながら、石英は、約４ミクロンよりも長い波長を有する放射を吸収する。ウエハが高温の場合、ウエハは、４ミクロンよりも長い波長を有する遠赤外線においてエネルギを放射し、このような放射は、石英の板３２において極めて容易に吸収される。チャンバの本体３０は、容易に水冷却されてよく、板３２は空気流によって冷却され、しかしながら、本体３０と板３２との温度差及び板３２に亘って生じる温度差は、本体３０と板３２との相対的な移動を生ぜしめる。Ｏリングシールを使用し、板３２を本体３０に対してボルト締めする典型的なシール方法は、しばしば石英の板の割れを生ぜしめる。図２に示したように膨張可能なＯリング等の膨張可能な部材３４が使用されてよく、これにより、膨張可能な弾性的な部材が膨張させられた場合に板３２に対して一定圧力を加える。膨張可能なＯリング３４を所定の位置に保持するために、Ｏリング溝を備えたリング３５が示されている。板３２をシールエレメント３６に対して押し付けるために膨張可能なエレメント３４を膨張させることによってシールが作動させられた場合にＲＴＰチャンバの本体３０と板３２との間のガス流を妨げるために、シールエレメント３６が使用されてよい。シールエレメント３６は、エラストマ製のＯリングであってよい。最も有利なシールエレメント３６はテフロン（ＴＭ）等の完全にフッ素化された材料から形成されている。典型的なvitonＯリングは、板３２と本体３０との相対的な移動によって擦られ、チャンバ及びウエハ１２を汚染する。さらに、板３２の中心から板の外側へ伝達される熱が、シールエレメント３６へ引き渡され、シールエレメント３６の温度を、シールエレメントが悪化して汚染を生ぜしめるような点にまで上昇させる。テフロン（ＴＭ）のシールエレメントを使用することによってこれらの両問題が回避される。図２に示した円で包囲した領域Ａは、発明者によって予想される様々な実施例のうちのいくつかのための以下の図面に拡大図として示されている図面の領域を示している。
【００１９】
膨張可能なエレメント３４は、膨張可能なエラストマ製のエレメントであっても、所要の弾性を与えるための金属製ベローズ装置であってもよい。
【００２０】
図３には、本発明の択一的な有利な実施例が示されており、この場合、膨張可能なエレメント３４は、円形の石英の板３２の周縁に沿って伸びている。板３２と本体３０との相対的な移動はこの場合膨張可能なＯリングを圧縮し、膨張可能なＯリングの表面の擦りにはつながらない。図３に示した実施例では、膨張可能なエレメント自体が、膨張させられた場合に板３２を本体３０に対してシールする。図３及びその他の実施例に示した実施例においては、膨張可能なエレメント３４の多くの横断面が使用されてよい。膨張可能なエレメント３４を膨張させるために使用される流体のためのラインはこれらの図面には示していない。
【００２１】
図４には、図２の領域Ａの拡大図が示されている。図５には、図３の対応する部分の図が示されている。図６には、テフロン製の薄いシート４０によって、板３２の温度が上昇した場合に図２の膨張可能なエラストマ製のエレメント３４が板３２に付着しないように保護されているような、システムのための対応する領域が示されている。また、図６には、板３２の中心領域を取り囲むように不透明な石英４２を備える板３２が示されている。不透明な石英４２は、多くの小さな真空充填された空所を有しており、これらの空所は、ランプ１６からの可視光を分散させ、可視光及び近赤外光がエレメント３４に伝達されることを妨げ、また、板３２の中心から板３２の周縁にまで熱で伝達される振動を低減する。
【００２２】
図７には膨張可能なＯリング３４の概略図が示されており、このＯリング３４はシールするために及び本体３０を板３２にシールするために所要の圧力を加えるために使用される。
【００２３】
図８には、超高真空技術分野において知られる軟質胴ガスケット又はシール４４であるシールエレメントが示されている。このようなシールは、例えばＳｉ−Ｇｅ ＣＶＤを行うためのチャンバにおいて最高純度が必要とされる場合に必要である。このような超高純度作業のための択一的でより有利なシールエレメントが図９に示されており、この場合、シールエレメントとして金属コーティングされた弾性的なエレメント４６が示されている。
【００２４】
前記詳述は単一エレメント石英又はその他の透明板を扱っているが、公知の形式で金属と結合された透明板が上に示した形式でシールされていてもよいことが発明者によって予測される。
【００２５】
書き手は、ＲＴＰチャンバのシールを行うために多くの種々異なる膨張可能な弾性的なエレメントが使用されてよいと予測する。特に、このような使用のためにより高い温度の材料が使用され又は発明されてよく、特定の形状は、特定のプロセスによく適していてよい。このような新たな材料及び種々異なる形状の使用は、この開示の結果として当業者に明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 加熱ランプの２つの列を備えた従来の開放端部石英反応チャンバＲＴＰシステムを示す図である。
【図２】 本発明の最も有利な実施例のＲＴＰチャンバを示す図である。
【図３】 本発明の有利な実施例のＲＴＰチャンバを示す図である。
【図４】 図２の領域Ａの拡大図である。
【図５】 図３の領域の拡大図である。
【図６】 本発明の有利な実施例を示す拡大図である。
【図７】 本発明の有利な実施例を示す拡大図である。
【図８】 本発明の有利な実施例を示す拡大図である。
【図９】 本発明の有利な実施例を示す拡大図である。
【符号の説明】
１０ ＲＴＰチャンバ、 １２ ウエハ、 １４ 石英ピン、 １６，１８ ランプ、 ２０ ハウジング、 ２２ 内壁、 ２４ ドア、 ２６ 高温計、 ２８ コンピュータ、 ３０ ガス流制御装置、 ３２ 板、 ３４ 膨張可能な部材、 ３５ リング、 ３６ シールエレメント

Claims (14)

1. 急速熱処理（ＲＴＰ）チャンバにおいて、本体と、該本体の近傍に保持された少なくとも１つの板とが設けられており、該板の少なくとも一部が、ＲＴＰシステムの放射源からの放射に対し透過性であり、前記板が、前記本体に対して気密シールを形成しており、該気密シールが、膨張可能なエレメントによって形成されるようになっており、前記本体と前記板との間にシールエレメントが配置されており、膨張可能なエレメントが膨張させられた場合に該膨張可能なエレメントが板と本体とを互いに対して押し付けるようになっており、前記膨張可能なエレメントと板との間に耐高温材料が配置されていることを特徴とする、急速熱処理チャンバ。
2. 前記耐高温材料がテフロンである、請求項１記載の装置。
3. 前記シールエレメントが、テフロンシールエレメントである、請求項１記載の装置。
4. 前記シールエレメントが、銅ガスケット超高真空シールエレメントである、請求項１記載の装置。
5. 前記シールエレメントが、金属で被覆されたエラストマのシールエレメントである、請求項１記載の装置。
6. 前記膨張可能なエレメントが、板と本体との間に配置されている、請求項１記載の装置。
7. 前記板が、周縁部を有する円形の板であり、前記膨張可能なエレメントが、板の周縁部を取り囲むように配置されている、請求項１記載の装置。
8. 前記板が、板の周縁の近傍に、放射を分散させる領域を有する石英の板である、請求項１記載の装置。
9. 急速熱処理（ＲＴＰ）システムにおいて、
   放射源と、ＲＴＰチャンバとが設けられており、
   該ＲＴＰチャンバが、本体と、該本体の近傍に保持された少なくとも１つの板とを有しており、該板の少なくとも一部が、放射源からの放射に対して透過性であり、前記板が、本体に対して気密シールを形成しており、気密シールが、膨張可能なエレメントによって形成されるようになっており、
   さらに、ＲＴＰチャンバにガスを導入するためのガス制御手段と、
   ＲＴＰチャンバ内に収容された対象物を加熱するために放射源を制御する手段と、対象物が加熱されている場合に該対象物を適切なガスで取り囲むために前記ガス制御手段を制御する手段とが設けられており、前記本体と前記板との間にシールエレメントが配置されており、前記膨張可能なエレメントが膨張させられた場合に該膨張可能なエレメントが板と本体とを互いに対して押し付けるようになっており、前記膨張可能なエレメントと板との間に耐高温材料が配置されていることを特徴とする、急速熱処理システム。
10. 前記耐高温材料がテフロンである、請求項９記載のシステム。
11. 前記シールエレメントが、テフロンシールエレメントである、請求項９記載のシステム。
12. ＲＴＰシステムを用いて対象物を急速熱処理（ＲＴＰ）する方法において、
    本体と、該本体の近傍に保持された少なくとも１つの板とを有しており、該板の少なくとも一部がＲＴＰシステムの放射源からの放射に対して透過性であり、前記板が、本体に対して気密シールを形成しており、該気密シールが、膨張可能なエレメントによって形成されるようになっているＲＴＰチャンバに、対象物を配置し、
    放射源からの放射によって対象物を加熱し、
    前記本体と前記板との間にシールエレメントが配置されており、膨張可能なエレメントが膨張させられた場合に該膨張エレメントが板と本体とを互いに対して押し付けるようになっており、前記膨張可能なエレメントと前記板との間に耐高温材料が配置されていることを特徴とする、ＲＴＰシステムを用いて対象物を急速熱処理する方法。
13. 前記耐高温材料がテフロンである、請求項１２記載の方法。
14. 前記シールエレメントが、テフロンシールエレメントである、請求項１２記載の方法。

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