JP4442171B2

JP4442171B2 - 熱処理装置

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Publication number: JP4442171B2
Application number: JP2003332482A
Authority: JP
Inventors: 正裕清水; 河西　　繁; 昌剛米田
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2003-09-24
Filing date: 2003-09-24
Publication date: 2010-03-31
Anticipated expiration: 2023-09-24
Also published as: KR100833386B1; WO2005029561A1; CN100547737C; US20110002674A1; US7978963B2; JP2005101237A; KR20060080216A; CN1856863A

Description

本発明は、半導体ウエハ等に対してアニール処理や成膜処理等の各種の熱処理を行う枚葉式の熱処理装置に関する。

一般に、半導体デバイスを製造するには、半導体ウエハに成膜処理、パターンエッチング処理、酸化拡散処理、改質処理、アニール処理等の各種の熱処理を繰り返し行なって所望のデバイスを製造するが、半導体デバイスが高密度化、多層化及び高集積化するに伴ってその仕様が年々厳しくなっており、これらの各種の熱処理のウエハ面内における均一性の向上及び膜質の向上が特に望まれている。例えば半導体デバイスであるトランジスタのチャネル層の処理を例にとって説明すると、このチャネル層に不純物原子のイオン注入後に、原子構造を安定化させる目的でアニール処理が一般的に行われる。

この場合、上記アニール処理を長時間行うと原子構造は安定化するが、不純物原子が膜厚方向へ奥深くまで拡散して下方へ突き抜けてしまうので、極力短時間で行う必要がある。すなわち、チャネル層などの膜厚を薄くしつつ、且つ突き抜けも生ずることなく原子構造を安定化させるためには、半導体ウエハを高温まで高速で昇温し、且つアニール処理後にあっては拡散が生じないような低い温度まで高速で降温させることが必要となる。
このようなアニール処理を可能とするために、従来の熱処理装置では、加熱ランプを収容したランプハウスに輻射熱を遮断するシャッター機構を設け、高温でアニール処理した後にウエハ温度を降温させる際にこのシャッター機構を作動させて加熱ランプからの輻射熱を遮断し、ウエハの高速降温を行うようになっている。

また他の従来の熱処理装置としては、例えば特許文献１に示すように、ウエハステージにペルチェ素子を設け、１００〜２５０℃程度でウエハをエッチングする際に、昇降温時に上記ペルチェ素子を用いるようにした熱処理装置がある。

特開２００１−８５４０８号公報

ところで、シャッター機構を設けた上記従来の熱処理装置にあっては、このシャッター機構自体が大きいために装置が大型化し、また装置自体も複雑化する、といった問題があった。
またペルチェ素子を用いた従来の熱処理装置にあっては、エッチングを行うプロセス温度が１００〜２５０℃の範囲であってそれ程高くなく、例えば高温でアニール処理等を行うには温度が低過ぎて十分ではない、といった問題があった。
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、高いプロセス温度での熱処理を行う際に、被処理体の高速昇温及び高速降温を行うことが可能な熱処理装置を提供することにある。
また本発明の他の目的は、加熱効率を向上させることが可能な熱処理装置を提供することにある。

請求項１に係る発明は、天井部に透過窓が設けられて内部が排気可能になされた処理容器内に設けられた載置台上に被処理体を載置し、前記処理容器の上方に設けた複数の加熱ランプを有する加熱手段からの熱線を前記透過窓に透過させて前記被処理体を加熱昇温することにより前記被処理体に４００℃以上の高温で所定の熱処理を施すようにした熱処理装置において、前記載置台に少なくとも高速降温を可能とするための熱電変換手段を設け、前記熱電変換手段の下面に、内部に熱媒体を流すための熱媒体ジャケットを設け、前記複数の加熱ランプは、紫外光線を主として射出する紫外線放電ランプを含み、前記紫外線放電ランプの電力制御は、デューティ制御により行われるように構成したことを特徴とする熱処理装置である。

このように、４００℃以上での高温で被処理体に対して熱処理を行うに際して、載置台に熱電変換手段を設け、昇温時には主として加熱ランプからの熱により加熱し、降温時には熱電変換手段を用いて強制的に冷却するようにしたので、被処理体の高速昇温及び高速降温を行うことが可能となる。

この場合、例えば請求項２に規定するように、前記載置台は、紫外光線を主として吸収する紫外光吸収板を含むことを特徴とする。
また例えば請求項３に規定するように、前記載置台は、可視光線を主として吸収する可視光吸収板と、赤外光線を主として吸収する赤外光吸収板とよりなる群の内から選択された１種以上の吸収板を更に含むことを特徴とする。

また例えば請求項４に規定するように、前記吸収板を２種以上用いた場合には前記吸収板間に前記熱電変換手段が介在させて設けられる。
また例えば請求項５に規定するように、前記透過窓は、前記加熱ランプから射出する光線に対する吸収率が少なくなるように形成されている。
また例えば請求項６に規定するように、前記被処理体の昇温時には、前記熱電変換手段には、降温時とは逆方向に電流が流される。
また例えば請求項７に規定するように、前記熱電変換手段は、複数の熱電変換素子を含み、該熱電変換素子は複数のゾーンに区画されると共に、前記各ゾーン毎に温度制御が可能になされている。
これによれば、熱電変換手段をゾーン毎に制御できるので、被処理体の温度の面内均一性を維持したままこれを高速降温させることが可能となる。

また例えば請求項８に規定するように、前記熱電変換素子は、少なくとも前記被処理体の周辺部に対応する前記載置台の周辺部に設けられる。
また例えば請求項９に規定するように、前記熱電変換素子に電流を流さない時に、前記熱電変換素子の起電力により前記載置台の温度を測定するように構成している。
また例えば請求項１０に規定するように、前記熱電変換素子はペルチェ素子よりなる。
また例えば請求項１１に規定するように、前記複数の加熱ランプは、可視光線を主として射出するハロゲンランプと、赤外光線を主として射出する赤外線ランプとよりなる群の内から選択された１種以上のランプを更に含む。

また例えば請求項１２に規定するように、前記複数の加熱ランプが紫外線放電ランプとハロゲンランプとよりなる場合には、前記被処理体の中央部に対しては主として前記紫外線放電ランプからの紫外光線を照射し、前記被処理体の周辺部には主として前記ハロゲンランプからの可視光線を照射する。

本発明の熱処理装置によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
請求項１〜５、７〜１２に係る発明によれば、４００℃以上での高温で被処理体に対して熱処理を行うに際して、載置台に熱電変換手段を設け、昇温時には主として加熱ランプからの熱により加熱し、降温時には熱電変換手段を用いて強制的に冷却するようにしたので、被処理体の高速昇温及び高速降温を行うことができる。
また請求項２、３及びこれらを引用する請求項に係る発明によれば、被処理体を載置する載置台を、加熱ランプから発する光線の種類に対応させて所定の吸収波長帯域の特性を有する１種、或いは主たる吸収波長帯域が互いに異なる特性を有する２種以上の吸収板により形成するようにしたので、加熱効率を向上させることができる。
請求項７に係る発明によれば、熱電変換手段をゾーン毎に制御できるので被処理体の温度の面内均一性を維持したままこれを高速降温させることができる。

以下に本発明に係る熱処理装置の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
＜第１実施例＞
図１は本発明の熱処理装置の第１実施例を示す断面構成図、図２は加熱手段の加熱ランプの配列の一例を示す平面図、図３は熱電変換手段を構成するペルチェ素子の配列の一例を示す平面図、図４は熱線の波長に対するシリコンウエハの吸収率を示すグラフ、図５は熱線の波長に対するゲルマニウムとシリコンの透過率を示すグラフ、図６は熱線の波長に対する石英と窒化アルミニウム（ＡｌＮ）とＳｉＣとの吸収率を示すグラフである。
図１に示すように、この熱処理装置２は、例えばアルミニウムにより筒体状に成形された処理容器４を有している。この処理容器４の天井部は開口されており、この開口部には、Ｏリング等のシール部材６を介して透明な透過窓８が気密に設けられている。また処理容器４の内部には、薄い円板状になされた載置台１０が設けられており、この載置台１０の上面に熱処理が施される被処理体としての半導体ウエハＷを載置するようになっている。ここで載置台１０の材料としては、使用する加熱ランプからの光線を最も吸収し易いような材料で形成され、例えば主に赤外線ランプの光線を吸収し易いＳｉＯ_２材、ＡｌＮ材、ＳｉＣ材、主に紫外線ランプ及びハロゲンランプの光線を吸収し易いＧｅ（ゲルマニウム）材、Ｓｉ材、金属材等を用いることができる。

また、この処理容器４の側壁には、半導体ウエハＷを搬出入する際に開閉されたゲートバルブ１２が設けられると共に、熱処理時に必要な処理ガスを内部へ導入するガスノズル１４が設けられている。また処理容器４の底部の周辺部には、排気口１６が形成されており、この排気口１６には図示しない真空ポンプが介設された排気系１８が接続されて、処理容器４内の雰囲気を例えば真空排気可能としている。またこの処理容器４の底部の周辺部を残した中心側には大口径の開口が形成されており、この開口に例えばＯリング等のシール部材２０を介在させて例えばアルミニウム製の肉厚な底板２２が気密に取り付け固定されている。

そして、上記底板２２の上面側に、熱電変換手段２４を介して上記板状の載置台１０が接合して設けられている。この熱電変換手段２４は、複数の熱電変換素子として例えば複数のペルチェ素子２４Ａを有しており、これらのペルチェ素子２４Ａはこれらより底板２２を気密に貫通して外側へ配線されたリード線２６を介してペルチェ制御部２８へ接続されており、このペルチェ制御部２８により電流の方向や大きさを制御できるようになっている。ここで熱電変換とは、熱エネルギーを電気エネルギーに、また電気エネルギーを熱エネルギーに変換することを言う。また、ペルチェ素子２４Ａとしては、例えば４００℃以上の高温下での使用に耐え得るＢｉ_２Ｔｅ_３（ビスマス・テルル）素子、ＰｂＴｅ（鉛・テルル）素子、ＳｉＧｅ（シリコン・ゲルマニウム）素子等を用いることができる。

また上記底板２２の上部には、熱媒体を流すための熱媒体流路３０がその平面方向の全体に亘って形成されており、この熱媒体流路３０の一端には熱媒体導入路３２が接続され、他端には熱媒体排出路３４が接続されて、この底板２２は熱媒体ジャケット３６として兼用されている。ここで、熱媒体としては少なくとも冷媒を流すことができ、上記ペルチェ素子２４Ａの下面から温熱を奪ってこれを冷却するようになっている。また必要に応じて温媒を流して上記ペルチェ素子２４Ａの下面から冷熱を奪ってこれを加熱し得るようになっている。この熱媒体は、例えば循環器３８により循環使用される。尚、この底板２２は、ウエハＷを上記載置台１０に対して昇降させるために図示しないリフタピンが設けられる。

一方、上記透過窓８の上方には、上記ウエハＷを加熱するための加熱手段４０が設けられる。具体的には、この加熱手段４０は、複数の加熱ランプ４２Ａ、４２Ｂよりなり、これらの加熱ランプ４２Ａ、４２Ｂを、透過窓８の上方に設けた容器状のランプハウス４４の天井部の下面にその全体に亘って取り付けている。またこのランプハウス４４の天井部の内面は反射鏡４８となっており、各加熱ランプ４２Ａ、４２Ｂからの熱線を下方向に反射させるようになっている。また各加熱ランプ４２Ａ、４２Ｂの総電力は例えば１００〜２００キロワット程度である。これらの各加熱ランプ４２Ａ、４２Ｂの制御はランプ制御部４６によつて行われ、このランプ制御部４６には、上記ペルチェ制御部２８から後述するように例えば温度情報が入力されるようになっている。

ここで図示例においては、ランプハウス４４の周辺部以外の中央部に位置する加熱ランプ４２Ａはその熱線の放射方向を真下に向けられているのに対して、ランプハウス４４の周辺部に位置する加熱ランプ４２Ｂは、下方向内側に向けて斜めに設けられており、その熱線の放射方向をウエハＷの周辺部に集中させるようになっている。尚、熱線とは、紫外光線、可視光線及び赤外光線（近赤外、遠赤外も含む）の全てを含むものとする。
ここでは図２に示すように、上記加熱ランプ４２Ａ、４２Ｂは、天井部の中央側に位置する加熱ランプ４２Ａ群よりなる内側ゾーン５０Ａと、周辺部に位置する加熱ランプ４２Ｂ群よりなる外側ゾーン５０Ｂとに同心円状に２つのゾーンに分かれており、上記加熱ランプ４２Ａ、４２Ｂの電力は、上記各ゾーン５０Ａ、５０Ｂ毎に制御できるようになっている。
尚、上記内側ゾーン５０Ａには加熱ランプ４２Ａ群を比較的疎に配置し、これに対して、上記外側ゾーン５０Ｂには加熱ランプ４２Ｂ群を比較的密に配置してウエハの面内温度均一な加熱を図ることが好ましい。

ここで上記加熱ランプ４２Ａ、４２Ｂとしては、紫外光線を主として射出する紫外線放射ランプと、可視光線を主として射出するハロゲンランプと、赤外光線を主として射出する赤外線ランプとよりなる群の内から選択された１種または２種以上のランプを用いることができる。
図１では例えば中央側の加熱ランプ４２Ａとしては、例えば大きさは大きくて大出力が可能な紫外線放電ランプを用い、これに対して、周辺部側の加熱ランプ４２Ｂとしては例えば小型化されたハロゲンランプが用いられる。ここで上記透過窓８は、上記加熱ランプ４２Ａ、４２Ｂから射出する光線に対する吸収率が少なくなるようにその材質（母材）、コーティング材料が決定されている。具体的には、例えば熔融石英ガラス、耐熱ガラス、ＣａＦ_２（弗化カルシウム）材、ＬｉＦ（弗化リチウム）材、Ｇｅ（ゲルマニウム）材、コーティングが施されたＧｅ母材等が用いられる。

また図３（Ａ）に示すように、底板２２上に配置されたペルチェ素子２４Ａは、載置台１０の略全面に亘って配置されている。そして、各ペルチェ素子２４Ａは、中央に位置する内側ゾーン５２Ａと、その外側の中周に位置する中側ゾーン５２Ｂと、その外側の最外周に位置する外側ゾーン５２Ｃとの３つのゾーンに同心円状に区分されている。更に、微妙な温度コントロールが必要な外側ゾーン５２Ｃは、更にその周方向に沿ってペルチェ素子２４Ａが３個ずつになるように４つのゾーンに区画されており、上記各ゾーン５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃ（４分割ゾーン）毎に独立して制御できるようになっている。
尚、図３（Ａ）に示したペルチェ素子の配列に変えて、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）のように配列することも可能である。これらは載置台１０の略全面にわたりペルチェ素子２４Ａが敷き詰められた構造を有し、ペルチェ素子２４Ａ間にはほとんど隙間がない。これによれば、より精密で均一な温度制御を達成することができる。これらにおいては、各ゾーン５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃが正確な同心円状にならないが、図示されるように適宜決定すればよい。ここで図３（Ａ）、図３（Ｂ）ではペルチェ素子２４Ａの形状は、略四角形に形成され、図３（Ｃ）に示す場合には略六角形に形成されている。また図３（Ｂ）及び図３（Ｃ）ではゾーン毎にペルチェ素子２４Ａに異なる模様を付してゾーン区分を明確にしている。またこれら図３に示したゾーンの分割形式は、単に一例を示したに過ぎず、これに限定されないのは勿論である。

次に、上述のように構成された熱処理装置２の動作について説明する。まず、アニール処理を行うために開放されたゲートバルブ１２を介して未処理の半導体ウエハＷは処理容器４内へ導入されて載置台１０上に載置され、処理容器４内を密閉する。そして、ガスノズル１４より処理ガスとして例えばＮ_２ガス、或いはＡｒガスを流量制御しつつ導入すると共に、処理容器４内を例えば真空排気して所定のプロセス圧力、例えば１〜１００Ｐａ（７．５ｍＴｏｒｒ〜７５０ｍＴｏｒｒ）を維持する。これと同時に、ランプ制御部４６により加熱手段４０を動作させて各加熱ランプ４２Ａ、４２Ｂを点灯させる。

これにより、各加熱ランプ４２Ａ、４２Ｂより発せられた熱線が透過窓８を透過して半導体ウエハＷの表面に入射し、これを急速に加熱して昇温する。この時の昇温速度は例えば１００〜２００℃／ｓｅｃ程度である。ここで加熱ランプとして紫外線放電ランプを用いた場合には、この紫外線放電ランプに対してディーティ制御を行って、その投入電力を制御する。この点は、以降に説明する各実施例においても同様である。そして、４００℃以上の高温となるプロセス温度、例えば５００〜１０００℃の所定の温度に、所定の時間だけ維持してアニール処理を行う。尚、ここで紫外線放電ランプに対してデューティ制御を行なう理由は、次の通りである。すなわち紫外線放電ランプに連続的に電力を供給した場合にあっては、この電力を徐々に上げていっても、ある値（閾値）以上にならないと放電が起こらず、つまり投入電力に対し、比例的な熱線量が得られないと共に、熱線量を０〜１００％まで連続的に変化させる事ができない。これを放電を起こさせるに十分な電力によりデューティ制御を行えば、これらの問題を一挙に解決できることになる。

このようにして、アニール処理が終了したならば、ウエハＷの温度を急速に冷却する高速降温を行うために、各加熱ランプ４２Ａ、４２Ｂを消灯すると共に、載置台１０の下面に設けてある熱電変換手段２４の各ペルチェ素子２４Ａに、この上面が冷えるような方向で電流を流す。これにより、処理容器４内の対流と放射による冷却効果以外に各ペルチェ素子２４Ａの上面に冷熱が発生して冷却されるので、これと接している載置台１０が冷却されてウエハＷを急速に冷却することができ、ウエハＷの高速降温を行うことができる。
この際、各ペルチェ素子２４Ａの下面には温熱が発生して熱くなるので、底板２２に形成した熱媒体ジャケット３６の熱媒体流路３０に冷却用の熱媒体を流し、上記各ペルチェ素子２４Ａの下面に発生した温熱を上記熱媒体により系外へ運び出して各ペルチェ素子２４Ａの下面を冷却することになる。この時の冷却用の熱媒体としては冷却水等を用いることができる。

さて、このような動作において、図２に示すように各加熱ランプ４２Ａ、４２Ｂは複数のゾーン、図示例では２つのゾーンに分けられており、特に外側ゾーン５０Ｂの各加熱ランプ４２Ｂは、ウエハＷの温度の均熱性が取り難いウエハ周辺部に向けられており、この周辺部に熱線を集中的に照射するようになっているので、面内温度の均一性を維持したままウエハＷを高速昇温することができる。この場合、ウエハ温度、或いは載置台１０の温度は、各ペルチェ素子２４Ａのゼーベック効果による起電力をペルチェ制御部２８により測定でき、その温度測定結果をランプ制御部４６へ入力してこの測定結果に基づいて上記各加熱ランプ４２Ａ、４２Ｂをゾーン毎に制御することにより、面内温度の均一性をより高く維持したままウエハＷを高速昇温することができる。

更には、ウエハＷの昇温時に、各ペルチェ素子２４Ａに、この上面が発熱するような方向で電流を流すことにより（ウエハの降温時とは電流の方向は逆になる）、ウエハＷがこの各ペルチェ素子２４Ａにより補助的に加熱されることになるので、ウエハＷの昇温速度を一層大きくすることができる。更に、この場合、加熱用の電流を間欠的に各ペルチェ素子２４Ａに流しながら加熱用の電流の間欠期間にペルチェ素子２４Ａの起電力を測定してその温度を求め、この測定温度に基づいてペルチェ素子２４Ａへ流す加熱用の電流をゾーン毎に制御するようにすれば、昇温時のウエハ温度の面内均一性を一層高く維持することができる。尚、ウエハＷの昇温時には、各ペルチェ素子２４Ａの下面に冷熱が発生するので、熱媒体ジャケット３６の熱媒体流路３０には、ウエハＷの降温時とは異なって加熱用の熱媒体を流し、各ペルチェ素子２４Ａの下面に生じた冷熱を上記加熱用の熱媒体で系外へ排出するように動作させる。この場合、加熱用の熱媒体としては、例えば高温の温水を用いることができる。

またウエハＷの降温時には、ウエハ冷却用の電流を間欠的に各ペルチェ素子２４Ａに流しながら冷却用の電流の間欠期間にペルチェ素子２４Ａの起電力を測定してその温度を求め、この測定温度に基づいてペルチェ素子２４Ａへ流す冷却用の電流をゾーン毎に制御し、これにより、ウエハ温度の面内均一性を高く維持した状態でウエハ温度を降温させることができる。また複数のペルチェ素子２４Ａを分割するゾーン数を更に多くしたり、或いは個々のペルチェ素子２４Ａ毎に電流制御ができるようにすれば、ウエハ昇温時及び降温時の面内温度の均一性をより一層高く維持することができる。尚、載置台の温度は、これに埋設された熱電対、または光ファイバーを通じて熱輻射量から計る放射温度計により測定しても良いのは勿論である。

ここで被処理体を高速昇温させるためには、加熱手段４０の各加熱ランプへの投入電力を増加させるだけでは十分ではなく、ランプからの熱線に対する被処理体自体の吸収率を大きくする必要がある。
被処理体として例えばシリコンウエハを用いた場合を例にとると、熱線に対するこのシリコンウエハの吸収率は図４に示すグラフのようになる。図４に示すように、シリコンウエハの熱線の吸収率は熱線の波長及びシリコンウエハの温度に依存する。ここで熱線とは、前述したように紫外光線から遠赤外光線まで含む広い概念で用いている。
図示するように、波長が１．１７μｍ程度までは、シリコンウエハの温度に関係なく、０．５〜０．７程度の高い吸収率を示しているが、波長が１．１７μｍよりも大きくなると、吸収率はシリコンウエハの温度に大きく依存し、温度が低い程、吸収率も小さくなる（透過率は大きくなる）。すなわち、シリコンウエハが２７０〜６００℃の範囲で変化すると、それに応じて吸収率は０．１〜０．７の範囲で変化している。

従って、被処理体を高速昇温させるには、加熱ランプとしては、波長が１．１７μｍ以下の熱線を出力するランプ、すなわち主として紫外光線を射出する紫外線放電ランプや主として可視光線を射出するハロゲンランプを用いるのが好ましいことが判明する。またこの種の加熱ランプを用いることにより熱線を有効に利用でき、加熱効率を向上させることができる。
また加熱効率を向上させるためには、上述のようにしてシリコンウエハを透過した熱線がこの下部の載置台１０によってどの程度吸収されるかが大きな問題となり、次にこの載置台１０の材質について検討する。

図５は熱線の波長に対するゲルマニウムとシリコンの透過率（≒１−吸収率）を示すグラフ、図６は熱線の波長に対する石英（ＳｉＯ_２）と窒化アルミニウム（ＡｌＮ）と炭化シリコン（ＳｉＣ）の吸収率を示すグラフである。まず、図５に示すようにここではゲルマニウムは厚さを２ｍｍに設定し、シリコンは厚さを２．５ｍｍに設定している。図５から明らかなように、熱線の波長が０．７７μｍ以下である可視光線の領域及び紫外光線の領域では透過率は１０％以下で非常に小さくなっており、すなわち吸収率は９０％以上で非常に大きくなっている。従って、加熱ランプとして紫外線放電ランプやハロゲンランプを用いた場合、或いは本実施例のように両ランプを混在させて設けた場合には、載置台１０の材料としてゲルマニウム基板やシリコン基板を用いるのが好ましいことが確認できた。これによれば、シリコンウエハを透過した熱線を載置台１０が効率良く吸収でき、この結果、この載置台１０の熱でシリコンウエハを加熱することができるので、その分、加熱効率を向上させることができ、また、昇温速度も更に向上させることができる。

また図６に示すＳｉＯ_２（図６（Ａ））、ＡｌＮ（図６（Ｂ））、ＳｉＣ（図６（Ｃ））の板厚は１．３〜３．４ｍｍに設定されており、上記各材料は、波長が０．７７μｍ以上の赤外光線以上の領域でなければ十分に大きな吸収率を示しておらず、紫外光線及び可視光線の領域では吸収率が非常に低い。従って、加熱ランプとして赤外線ランプを用いた場合には、載置台１０の材料としてＳｉＯ_２板、ＡｌＮ板、ＳｉＣ板を用いるのが好ましいことが確認できた。この場合、ＳｉＣ等の他に、他の酸化物を含むセラミック材を用いてもよい。
また、加熱効率を向上させるには熱線に対する透過窓８の透過率も大きな問題となり、次にこの透過窓８について検討する。図７は熱線の波長に対するＣａＦ_２（弗化カルシウム）［厚さ：３ｍｍ］とＬｉＦ（弗化リチウム）［厚さ：２ｍｍ］の透過率を示すグラフ、図８は熱線の波長に対する熔融石英（厚さ：１ｍｍ）の透過率を示すグラフ、図９は各種の母材に対してコーティング処理を行った時の赤外光線領域の透過率を示すグラフである。

まず、図７に示すように、ＣａＦ_２板（図７（Ａ））は０．２μｍの紫外光線から８μｍの赤外光線の範囲で、またＬｉＦ板（図７（Ｂ））は０．１２μｍの紫外光線から７μｍの赤外光線の範囲で、共に９０％前後の高い透過率を示しており、従って、加熱ランプの種類を問わず、紫外線放電ランプ、ハロゲンランプ、赤外光線ランプの全てのランプに対してこのＣａＦ_２板やＬｉＦ板を透過窓８として用いることができることを確認できた。特に、このＣａＦ_２板やＬｉＦ板は紫外光線の領域で高い透過率を示しており、従って、加熱ランプとして紫外線放電ランプを用いる場合に特に有効であることが確認できた。

また図８に示すように熔融石英の場合には、波長が略０．２μｍの紫外光線の領域から波長が略４．０μｍの赤外光線の領域に亘って透過率は８０％前後の高い値を示しており、図７に示した材料と同様に、熔融石英も紫外光線の領域から赤外光線の領域の広い範囲に亘って透過窓８の材料として好ましいことが確認できた。特に、可視光線の領域（０．４２〜０．７７μｍ）の領域では吸収率が９０％以上と非常に高くなっており、特に好ましいことが確認できた。この場合にも、先に説明したと同様に加熱効率を向上でき、また、昇温速度も更に向上させることができる。

次に、図９を参照して赤外線領域の光線について検討する。図９に示すように、ＺｎＳｅ板、Ｓｉ板、Ｇｅ板がそれぞれ単独の場合（コートなし）には、透過率はそれぞれ７０％、５０％、４５％であってそれ程高くないが、以下に述べる両面コートをそれぞれに施すと、透過率は全て９０〜１００％の範囲内に大幅に上昇し、高い加熱効率を発揮できることが確認できた。すなわち、加熱ランプとして赤外線ランプを用いた場合には上記両面コートのＺｎＳｅ板、Ｇｅ板、Ｓｉ板を用いるのが好ましいことが確認できた。

ここでＺｎＳｅ板の場合、熱線入射側の上面には母材のＺｎＳｅよりも低い屈折率のＴｈＦ_４コーティング材を用い、熱線透過側の下面には母材のＺｎＳｅよりも高い屈折率のＺｅＳｅコーティングを用いた。また、Ｓｉ板の場合、上面には母材のＳｉよりも低い屈折率のＳｉＯ_２コーティング材を用い、下面には母材のＳｉよりも高い屈折率のＧｅコーティング材を用いた。
また、Ｇｅ板の場合、上面には母材のＧｅよりも低い屈折率のＳｉＯ_２コーティング材を用い、下面には母材のＧｅよりも高い屈折率のＧｅコーティング材を用いた。

＜第２実施例＞
次に、本発明の第２実施例について説明する。上記第１実施例においては載置台１０として１種類の材料を用いた場合を例にとって説明したが、これに限定されず、例えば主たる吸収波長帯域が互いに異なる特性を有する複数の吸収板を積層することにより載置台１０を形成するようにしてもよい。図１０は本発明の第２実施例の載置台の構造を示す構成図である。尚、載置台１０以外の構成については図示省略している。この載置台１０は、具体的には、紫外光線と可視光線とを主として吸収する可視光吸収板６２と、赤外光線を主として吸収する赤外光吸収板６４とよりなる２種類の吸収板を積層して構成されている。

図１０においては、２種類の吸収６２、６４を用いた場合を示している。ここで各吸収板６２、６４を構成する材料としては、先に説明した図５及び図６も参照して、紫外光・可視光吸収板６２としては例えばゲルマニウム、或いはシリコン板を用い、赤外光吸収板６４としては例えば石英板、ＡｌＮ板、或いはＳｉＣ板を用いることができる。尚、ここで赤外光とは、近赤外光線、赤外光線及び遠赤外光線を含む。
この場合には、用いた吸収板に相当する吸収波長帯域の熱線であって被処理体を透過した熱線を全て載置台１０で吸収することができるので、その分、加熱効率を大幅に向上させることができ、また昇温速度を更に上げることができる。

また、１枚の吸収板がそれぞれの領域において独立的に吸収率が高い場合、３種類の吸収板を積層することもできる。また図１０（Ａ）において、各吸収板６２、６４の積層の順序は特に限定されない。
また図１０（Ａ）に示す場合には、２枚の吸収板６２、６４を重ね合わせて積層して載置台１０を形成し、この下面側にペルチェ素子２４Ａを接合しているが、これに限定されず、図１０（Ｂ）に示すように各吸収板６２、６４の相互間にペルチェ素子２４Ａを分散状態で介在させるようにしてもよい。この場合、アニール処理後にウエハ温度を高速降温させるためには、各ペルチェ素子２４Ａの上面側を吸熱状態とし（冷熱を発生）、下面側を放熱（発熱）状態とするように各ペルチェ素子２４Ａに電流を流すようにする。この時、当然のこととして熱媒体ジャケット３６には冷却用の熱媒体、例えば冷却水を流す。

これに対して、ウエハの高速昇温時には上記とは逆であり、各ペルチェ素子２４Ａの上面側を放熱（発熱）状態とし、下面側を吸熱状態（冷熱を発生）とするように各ペルチェ素子２４Ａに電流を流すようにする。この時、当然のこととして熱媒体ジャケット３６に加熱用の熱媒体を流す。図１０（Ｂ）に示す構成は、吸収板の使用枚数が３枚の場合にも適用することができる。
このように構成することにより、熱線の吸収波長帯域が異なる吸収板６２、６４間の熱伝導率を向上させることができるので、結果として、ウエハの加熱効率及び降温効率を向上させることができる。

＜第３実施例＞
次に本発明の第３実施例について説明する。
図１１は本発明の第３実施例を示す断面構成図である。尚、図１中と同一構成部分については同一符号を付してその説明を省略する。ここでは図１１に示すように、処理容器４の底板２２、或いは熱媒体ジャケット３６の上面に、例えばアルミニウムメッキよりなる反射板７０を全面に亘って形成している。そして、この反射板７０の上にペルチェ素子２４Ａを介して載置台１０を設けるようにしている。

この実施例によれば、ウエハＷや載置台１０を透過した熱線をこの反射板７０で上方に反射させて再度ウエハＷの加熱に寄与できるので、その分、加熱効率を向上させることができ、従って、更に速度の大きい高速昇温を行うことができる。尚、この実施例の載置台１０に対しても、図１０に示す第２実施例を採用できるのは勿論であり、反射板７０は載置台１０とペルチェ素子２４Ａの間に設置されてもよい。また、加熱ランプ４２Ａの種類は、ここでも問わず、紫外線放電ランプ、ハロゲンランプ、赤外線ランプの内の１種、または２種以上を用いることができる。

＜第４実施例＞
次に本発明の第４実施例について説明する。
図１２は本発明の第４実施例を示す断面構成図である。尚、図１中と同一構成部分については同一符号を付してその説明を省略する。
この第４実施例では、加熱ランプ４２Ａとして少ない数の、図示例では１つの大型の大電力の紫外線放電ランプを用いてウエハを多量の熱線で粗く加熱するようになっている。この場合、ウエハＷの昇降時及び降温時には、各ペルチェ素子２４Ａの電流をゾーン毎に、或いは個別に微細に制御することによりウエハ温度の面内均一性を高く維持する。またこの大型の紫外線放電ランプよりなる加熱ランプ４２Ａの電力は、前述したようにデューティ制御によりコントロールされる。

また、ここでは底板２２に円筒状の脚部２２Ａを設けて、この高さ全体を大きくしている。そして、この底板２２の上部の外周側に被処理体回転保持台７４を設けて、必要時にウエハＷを持ち上げた状態でこれを回転し得るようになっている。具体的には、この被処理体回転保持台７４は例えばアルミニウム等により円筒体状に成形されて、載置台１０及び底板２２の上部の外周側に所定の間隔を隔てて配置されている。そして、この被処理体回転保持台７４の上端部は、内側へ略直角に折り曲げられており、その先端部に適当数の保持片７６が水平方向に延びるようにして設けられ、必要に応じてここではウエハＷの周辺部の下面を保持できるようになっている。またこの被処理体回転保持台７４の下端部の内側には、その周方向に沿って永久磁石７８が多数配列させて設けられている。また、上記底板２２の脚部２２Ａには、上記永久磁石７８に対向させて回転用の電気コイル８０がその周方向に沿って設けられており、この電気コイル８０に電流を流すことにより回転磁回を発生させて、これに磁気結合される上記永久磁石７８側、すなわち被処理体回転保持台７４を回転し得るようになっている。

また上記回転用の電気コイル８０の下部には、浮上用の電気コイル８２がその周方向に沿って形成されており、必要に応じてこの浮上用の電気コイル８２に通電するようことにより上記永久磁石７８との間で磁気的に反発力を生ぜしめて、上記被処理体回転保持台７４を上方へ浮かせることができるようになっている。尚、図示されていないが、この被処理体回転保持台７４にはエンコーダ等が設けられており、その回転数や回転位置を検知し、且つ制御できるようになっている。また、載置台１０の周辺部には、上記保持片７６の上下移動を許容する図示しない切り欠き等が設けられている。

さてこのような熱処理装置にあっては、ウエハＷを加熱昇温し、アニール処理を行う時には、浮上用の電気コイル８２に通電をして永久磁石７８との間に反発力を生ぜしめて保持片７６でウエハＷを支持した状態で被処理体回転保持台７４を浮上させる。これにより、ウエハＷは載置台１０の上面から離間して浮上した状態となる。尚、この場合、載置台１０の材料としては、上述の各実施例において記載されたものとは異なり、ランプからの熱線を反射してウエハ側に戻すような材料が選ばれることが望ましい。このような材料として、例えば紫外光・可視光・赤外光に対するＡｌ材料、可視光・紫外光に対するＡｇ／Ａｕ材料、またはこれらに反射増強コーティングを加えたものなどが挙げられる。
そして、回転用の電気コイル８０に通電することにより回転磁回が生じて被処理体回転保持台７４が回転する。このように、ウエハＷは載置台１０の上面より浮上して回転された状態で加熱昇温されてアニール処理されることになる。尚、この際、ペルチェ素子２４Ａの上面を発熱させて温度制御を行うようにしてもよい。これにより、熱容量の小さいウエハのみを加熱昇温すれば良いことになり、さらなる高速昇温が可能となる。

またアニール処理が終了し、ウエハＷを冷却する場合には、加熱ランプ４２Ａへの通電を断ち、上記浮上用の電気コイル８２及び回転用の電気コイル８０への通電をそれぞれ切って被処理体回転保持台７４を降下させ、ウエハＷを載置台１０の上面に接した状態でこの冷却を行う。この時、前述したようにペルチェ素子２４Ａの上面は、冷却を発生するように電流を流し、これによりウエハＷを高速降温させることができる。
またここでは保持片７６は、ウエハＷの周辺部を保持して持ち上げるようにしたが、これに限定されず、載置台１０をペルチェ素子２４Ａの上面上に載置するだけの構造とし、保持片７６は載置台１０の周辺部を保持して持ち上げるようにしてもよい。

以上の各実施例では、熱処理としてアニール処理を例にとって説明したが、これに限定されず、他の熱処理、例えば成膜処理、酸化拡散処理、改質処理等の場合にも本発明を適用できるのは勿論である。
またここでは、被処理体としてシリコンウエハを例にとって説明したが、化合物半導体等の他の半導体ウエハ、ＬＣＤ基板、ガラス基板等を処理する場合にも本発明を適用できるのは勿論である。

本発明の熱処理装置の第１実施例を示す断面構成図である。加熱手段の加熱ランプの配列の一例を示す平面図である。熱電変換手段を構成するペルチェ素子の配列の一例を示す平面図である。熱線の波長に対するシリコンウエハの吸収率を示すグラフである。熱線の波長に対するゲルマニウムとシリコンの透過率を示すグラフである。熱線の波長に対する石英と窒化アルミニウム（ＡｌＮ）とＳｉＣとの吸収率を示すグラフである。熱線の波長に対するＣａＦ_２（弗化カルシウム）とＬｉＦ（弗化リチウム）の透過率を示すグラフである。熱線の波長に対する熔融石英の透過率を示すグラフである。各種の母材に対してコーティング処理を行った時の赤外光線領域の透過率を示すグラフである。本発明の第２実施例の載置台の構造を示す構成図である。本発明の第３実施例を示す断面構成図である。本発明の第４実施例を示す断面構成図である。

符号の説明

２熱処理装置
４処理容器
８透過窓
１０載置台
２４熱電変換手段
２４Ａペルチェ素子
２８ペルチェ制御部
３６熱媒体ジャケット
４０加熱手段
４２Ａ，４２Ｂ加熱ランプ
４６ランプ制御部
６２可視光吸収板
６４赤外光吸収板
Ｗ半導体ウエハ（被処理体）

Claims

天井部に透過窓が設けられて内部が排気可能になされた処理容器内に設けられた載置台上に被処理体を載置し、前記処理容器の上方に設けた複数の加熱ランプを有する加熱手段からの熱線を前記透過窓に透過させて前記被処理体を加熱昇温することにより前記被処理体に４００℃以上の高温で所定の熱処理を施すようにした熱処理装置において、
前記載置台に少なくとも高速降温を可能とするための熱電変換手段を設け、前記熱電変換手段の下面に、内部に熱媒体を流すための熱媒体ジャケットを設け、
前記複数の加熱ランプは、紫外光線を主として射出する紫外線放電ランプを含み、前記紫外線放電ランプの電力制御は、デューティ制御により行われるように構成したことを特徴とする熱処理装置。
前記載置台は、紫外光線を主として吸収する紫外光吸収板を含むことを特徴とする請求項１記載の熱処理装置。
前記載置台は、可視光線を主として吸収する可視光吸収板と、赤外光線を主として吸収する赤外光吸収板とよりなる群の内から選択された１種以上の吸収板を更に含むことを特徴とする請求項２記載の熱処理装置。
前記吸収板を２種以上用いた場合には前記吸収板間に前記熱電変換手段が介在させて設けられることを特徴とする請求項３記載の熱処理装置。
前記透過窓は、前記加熱ランプから射出する光線に対する吸収率が少なくなるように形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の熱処理装置。
前記被処理体の昇温時には、前記熱電変換手段には、降温時とは逆方向に電流が流されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の熱処理装置。
前記熱電変換手段は、複数の熱電変換素子を含み、該熱電変換素子は複数のゾーンに区画されると共に、前記各ゾーン毎に温度制御が可能になされていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の熱処理装置。
前記熱電変換素子は、少なくとも前記被処理体の周辺部に対応する前記載置台の周辺部に設けられることを特徴とする請求項７記載の熱処理装置。
前記熱電変換素子に電流を流さない時に、前記熱電変換素子の起電力により前記載置台の温度を測定するように構成したことを特徴とする請求項７または８記載の熱処理装置。
前記熱電変換素子はペルチェ素子よりなることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか一項に記載の熱処理装置。
前記複数の加熱ランプは、可視光線を主として射出するハロゲンランプと、赤外光線を主として射出する赤外線ランプとよりなる群の内から選択された１種以上のランプを更に含むことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の熱処理装置。
前記複数の加熱ランプが紫外線放電ランプとハロゲンランプとよりなる場合には、前記被処理体の中央部に対しては主として前記紫外線放電ランプからの紫外光線を照射し、前記被処理体の周辺部には主として前記ハロゲンランプからの可視光線を照射することを特徴とする請求項１１記載の熱処理装置。