JP4510661B2 - 酸化炉装置 - Google Patents

Description

本発明は、炉内において加熱した酸化性ガスを用いて試料を熱酸化する酸化炉装置に関するものである。

従来より、Bragg反射の法則を利用して材料の結晶構造の決定、結晶性の評価などを行うＸ線回折法が知られている。このＸ線回折法は、半導体材料、金属材料、高分子材料等の評価に用いられており、特にシリコン半導体の分野においては、デバイスの特性を支配する重要な因子である絶縁膜とシリコンの界面の評価に欠かすことができない。この界面の結晶性の評価は、専ら絶縁膜成長後、すなわち界面形成後に行われてきたが、絶縁膜の薄層化に伴い、近年では絶縁膜成長中、すなわち界面形成中における評価も求められてきている。

また、近年脚光を浴びているナノテクノロジー技術もシリコン系の半導体の分野に導入されてきており、ナノ構造を有する半導体が形成されているが、この場合においても界面形成中の結晶性の評価が求められている。シリコン系の半導体のナノ構造は、主に約１０００℃以上の高温の熱酸化プロセスにより形成される。したがって、シリコン系のナノ構造の界面の評価を界面形成中に行うには、上述したＸ線回折法により結晶性評価を行うＸ線回折測定装置と、熱酸化プロセスを実現する酸化装置とを組み合わせたものが必要となる。このような装置は、従来より各種提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。図２に従来の酸化炉装置の一例を示す。

図２に示す酸化炉装置１００は、ゴニオメータ１１０と、このゴニオメータ１１０上に配設されたチャンバー１２０と、チャンバー１２０内部のゴニオメータ１１０上に配設された試料台１３０と、この試料台１３０の下方に配設されたヒータ１４０と、このヒータ１４０に接続された電極１５０と、一端が電極１５０に接続され他端がチャンバー１２０外部に導出されて外部電源に接続された電線１６０と、チャンバー１２０の側面からチャンバー１２０内部に雰囲気ガスを導入する導入管１７０と、チャンバー１２０外部に設けられたＸ線照射装置１８１および検出器１８２とから構成される。

ゴニオメータ１１０は、試料台１３０と連結されており、この試料台１３０上に載置される試料２００の方位を自由に調節する支持装置または連動装置からなる。

チャンバー１２０は、例えばステンレスなど耐食性に優れた材料から構成され、内部に空間を有する箱形の形状を有する。チャンバー１２０の対向する側面には、例えばベリリウムから構成される窓１２１，１２２が形成されており、チャンバー１２０の上部には、排気ポート１２３が形成されている。ここで、窓１２１，１２２は、試料台１３０の後述する基部１３１と同程度の高さから上方にかけて配設されている。

試料台１３０は、例えば平面視略矩形の板からなる基部１３１と、棒状の脚１３２とから構成され、この脚１３２が基部１３１の裏面の四隅に接続された形状、例えば４本の脚を有する椅子または机のような形状を有する。したがって、試料台１３０の基部１３１の下方の脚１３２に囲まれた領域は開放され、チャンバー１２０内部の他の領域と連続している。ここで、基部１３１は、例えばＳｉＣから構成され、表面に試料２００が配置される。脚１３２は、例えばステンレスなどの耐食性に優れた材料から構成され、一端が基部１３１の裏面に、他端がゴニオメータ１１０に接続されている。

ヒータ１４０は、例えば銅、珪化モリブデン、カーボン等から構成され、試料台１３０の基部１３１の下方の脚１３２に囲まれた領域に配設される。このようなヒータ１４０は、電極１５０および電線１６０を介して供給される電力により発熱し、試料台１３０の基部１３１上に載置された試料２００を加熱する。

電極１５０は、例えば銅などの金属材料から構成され、ヒータ１４０と電線１６０とを接続する端子からからなる。電線１６０は、例えば銅などの金属材料から構成された公知の電線からなる。このような電極１５０および電線１６０は、酸化炉装置１００内部が例えば１０００℃程度の高温となるため、被覆されていない。

導入管１７０は、一端がチャンバー１２０の側壁からチャンバー１２０内部に導入されており、チャンバー１２０内部に酸化性ガスなどの雰囲気ガスをチャンバー１２０内部に導入する。

Ｘ線照射装置１８１は、窓１２１近傍のチャンバー１２０外部に配設され、窓１２１を介してチャンバー１２０内部に配設された試料２００にＸ線を照射する。

検出器１８２は、窓１２２近傍のチャンバー１２０外部に配設され、試料２００から生じる反射BraggＸ線を窓１２２を介して受光し、試料２００の結晶構造等を検出する。

このような酸化炉装置１００は、次のように動作する。まず、シリコン結晶、ゲルマニウム結晶、シリコンおよびゲルマニウムの混晶結晶などからなる試料２００を酸化して絶縁膜を形成する場合、導入管１７０によりチャンバー１２０内部に酸化性ガスを導入し、ヒータ１４０により試料台１３０の基部１３１に配設された試料２００を加熱する。すると、酸化性ガスにより試料２００が酸化され、試料２００の表面に絶縁膜が成長する。試料２００を酸化した酸化性ガスは、排気ポート１２３からチャンバー１２０外部に排気される。

また、試料２００の評価を行う場合、チャンバー１２０の外部に設けられたＸ線照射装置１８１によりチャンバー１２０の窓１２１からＸ線を試料２００に照射し、試料２００から生じる反射BraggＸ線をチャンバー１２０の窓１２２から検出器１８２に受光させる。すると、検出器１８２により、試料２００の結晶構造等が検出される。したがって、このような試料２００の評価動作を上述した絶縁膜成長中に行うことにより、界面形成中における評価が可能となる。

なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
M.Kimura、et all、J. Appl. Phys. vol.89、pp.2138-2145、2001

しかしながら、従来の酸化炉装置では、次のような問題が生じていた。

まず、従来の酸化炉装置では、ヒータに電力を供給する電極や電線が酸化ガスに曝されるため、雰囲気ガスとして酸化性ガスを使用する場合、特に炉内を１０００℃以上の高温にすると、電極や電線を構成する金属が酸化して消耗してしまう。このため、測定中に電極や電線が断線する恐れがあるので、従来の酸化炉装置では、内部を高温で長時間加熱することができなかった。

また、酸化炉装置のヒータの材料として銅などの金属材料やカーボンなどが用られるため、高温の酸化雰囲気中にヒータが曝されると、ヒータを構成する金属やカーボンが酸化して、ヒータが消耗してしまう。このため、測定中にヒータが断線する恐れがあるので、従来の酸化炉装置では、内部を高温で長時間加熱することができなかった。

そこで、本発明は、上述したような課題を解決するためになされたものであり、高温の酸化性ガス雰囲気中においても容易に測定を行うことができる酸化炉装置を提供することを目的とする。

上述したような課題を解決するために本発明にかかる酸化炉装置は、炉内を加熱し酸化性ガスを用いて炉内に配置した試料を熱酸化させる酸化炉装置において、炉内を加熱するヒータと、ヒータに接続され、ヒータに電力を供給する電極と、炉内に配設され、電極を収容する電極室と、炉外部から電極室に接続され、電極室内部に不活性ガスを導入する第１の導入管とを有し、ヒータは、表面が保護材により覆われ、電極室外部の上部に配設されることを特徴とする。

上記酸化炉装置において、炉内の前記試料の下部に配設され、ヒータを収容し、壁面に孔が形成された加熱室と、炉外部から加熱室に接続され、加熱室内部に酸化性ガスを導入する第２の導入管とをさらに備えるようにしてもよい。また、不活性ガスは、何れかの希ガス、窒素、および、これらのうち何れか２つ以上を混合したガスの何れかから構成されるようにしてもよい。

また、上記酸化炉装置において、試料にＸ線を照射するＸ線照射装置と、試料より発生する回折Ｘ線を検出する検出器とをさらに備えるようにしてもよい。
また、上記酸化炉装置において、炉は、対向する側面に、試料の下部と同程度の高さから上方にかけて配設された第１の窓および第２の窓をさらに備え、Ｘ線照射装置は、第１の窓近傍の炉外部に配設され、第１の窓を介して試料にＸ線を照射し、検出器は、第２の窓近傍の炉外部に配設され、窓２を介して試料から生じる回折Ｘ線を検出するようにしてもよい。

本発明によれば、電極を導入管が接続された筐体内部に配設することにより、筐体内部に雰囲気ガスが充満して電極が酸化ガスに曝されないので、電極が酸化するのを防ぐことができる。これにより、電極が消耗するのを防げるので、結果として、炉内を高温で長時間加熱することが可能となる。

また、本発明によれば、ヒータの表面を保護部で覆うことにより、ヒータが酸化ガスに曝されないので、ヒータが酸化するのを防ぐことができる。これにより、ヒータが消耗するのを防げるので、結果として、炉内を高温で長時間加熱することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１は、本実施の形態の酸化炉装置の構成を模式的に表す断面図である。図１に示す酸化炉装置１は、ゴニオメータ１０と、このゴニオメータ１０上に配設されたチャンバー２０と、チャンバー２０内部のゴニオメータ１０上に配設された試料台３０と、この試料台３０の内部に配設されたヒータ４０と、このヒータ４０に接続された電極５０と、一端が電極５０に接続され他端がチャンバー２０外部に導出されて外部電源に接続された電線６０と、チャンバー２０外部から試料台３０内部のヒータ４０近傍に導入され、酸化性ガスなどの雰囲気ガスを供給する第１の導入管７０と、チャンバー２０外部から試料台３０内部の電極５０近傍に導入され、酸素を含まない雰囲気ガスを供給する第２の導入管８０と、チャンバー２０外部に設けられたＸ線照射装置９１および検出器９２とから構成される。

ゴニオメータ１０は、試料台３０と連結されており、この試料台３０上に載置される試料２の方位を自由に調節する支持装置または連動装置からなる。

チャンバー２０は、例えばステンレスなど耐食性に優れた材料から構成され、内部に空間を有する箱形の形状を有する。チャンバー２０の対向する側面には、例えばベリリウムから構成される窓２１，２２が形成されており、チャンバー２０の上部には、排気ポート２３が形成されている。ここで、窓２１，２２は、試料台３０の後述する基部３１と同程度の高さから上方にかけて配設されている。

試料台３０は、例えば直方体や円柱など底面が開口した中空の筐体の形状を有し、上底部の基部３１には試料２が配設され、下底部はゴニオメータ１０に接続される。この下底部の開口はゴニオメータ１０の上底部により塞がれるので、試料台３０内部は、チャンバー２０の内部の領域と隔離される。このような試料台３０は、その内部が仕切板３２によって図１の紙面上において上下方向にそれぞれ加熱室３３と電極室３４に分割されている。

仕切板３２は、この仕切板３２の中心を通る鉛直方向に沿った断面が略凸字状の形状を有する。この仕切板３２には、加熱室３３と電極室３４とを連通する連通孔３２ａが形成されている。なお、仕切板３２の形状は、断面略凸字状に限定されず、例えば平板など加熱室３３と電極室３４とを分割できるのであれば適宜自由に設定することができる。

加熱室３３には、ヒータ４０が配設される。また、加熱室３３の側壁には、第１の導入管７０がその開口を加熱室３３内部に向けた状態で配設されている。さらに、加熱室３３の側壁には、孔３３ａも形成されている。ここで、第１の導入管７０は加熱室３３の下方に、孔３３ａは加熱室３３の上方に配設するのが望ましい。

電極室３４には、電極５０および電線６０が配設される。また、電極室３４の側壁には、第２の導入管８０がその開口を電極室３４内部に向けた状態で配設されている。さらに、電極室３４の側壁には、一端がチャンバー２０側壁に接続された略筒状の導出部３４ａが接続されている。

このような試料台３０は、上面の基部３１が例えばＳｉＣから構成され、他の部分が例えばステンレスなどの耐食性に優れた材料から構成される。

ヒータ４０は、例えば銅、珪化モリブデン、カーボン等から構成されるヒータ部４１と、このヒータ部４１の表面を覆うように形成された保護部材４２とから構成される。この保護部材４２は、耐酸化性、耐熱性、高温導電性に優れた材料から構成されるのが望ましく、例えば、炭化珪素、アルミナ、モリブデン、ニッケルとアルミニウムとクロムからなる合金、珪化モリブデン、窒化珪素、および、これらの材料のうち何れか２つ以上を組み合わせたものなどから構成するようにしてもよい。このようなヒータ４０は、例えば仕切板３２によって端部が支持されることにより、試料台３０の加熱室３３内部に配設される。なお、保護部材４２は、スパッタリング等の公知の方法により、ヒータ部４１の表面に形成することができる。

電極５０は、例えば銅などの金属材料から構成され、一端がヒータ４０に接続され、他端が電線６０に接続されている。このような電極５０は、上述したように試料台３０の電極室３４内部に配設され、試料台３０によりチャンバー２０内部の領域と隔離された状態となっている。

電線６０は、例えば銅などの金属材料から構成され、一端が電極５０に接続され、他端がチャンバー２０外部の外部電源に接続されている。このような電線６０は、電極室３４から電極室３４の導出部３４ａを通ってチャンバー２０外部に導出される。このように電線６０は、電極室３４内部に配設され、試料台３０によりチャンバー２０内部の領域と隔離された状態となっている。

第１の導入管７０は、一端が試料台３０の加熱室３３内部に接続されており、加熱室３３内部に酸化性ガスなどの雰囲気ガスを供給する。酸化性ガスとしては、酸素、オゾン、一酸化窒素、または、これらのうち何れか１つ以上のガスと第２の導入管８０により供給されるガスとの混合ガスを用いることができる。

第２の導入管８０は、一端が試料台３０の電極室３４内部に接続されており、電極室３４内部に酸素を含まない不活性ガスを供給する。このガスとしては、例えば、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドン、窒素、または、これらのうち何れか２つ以上を混合させたものを用いることができる。

Ｘ線照射装置９１は、窓２１近傍のチャンバー２０外部に配設され、窓２１を介してチャンバー２０内部に配設された試料２にＸ線を照射する。

検出器９２は、窓２２近傍のチャンバー２０外部に配設され、試料２から生じる反射BraggＸ線を窓２２を介して受光し、試料２の結晶構造を検出する。

このような酸化炉装置１は、次のように動作する。まず、シリコン結晶、ゲルマニウム結晶、シリコンおよびゲルマニウムの混晶結晶などからなる試料２を酸化して絶縁膜を形成する場合、第１の導入管７０により試料台３０の加熱室３３内部に酸化性ガスを導入するとともに、第２の導入管８０により試料台３０の電極室３４内部に酸素を含まない不活性ガスを導入し、ヒータ４０により試料台３０の基部３１上に配設された試料２を加熱する。ここで、第１の導入管７０および第２の導入管８０は、試料２を熱酸化させている間、それぞれ雰囲気ガスを放出し続ける。

第１の導入管７０から加熱室３３内部に導入されヒータ４０により加熱された酸化性ガスは、孔３３ａを通り、チャンバー２０内部に至り、試料２を酸化する。これにより、試料２の表面には絶縁膜が成長する。試料２を酸化させた酸化ガスは、排気ポート３１からチャンバー２０外部に排気される。

このとき、ヒータ４０は、第１の導入管７０により導入される酸化性ガスに曝されるが、上述したようにヒータ部４１の表面が保護部材４２により被覆されている。このため、この保護部材４２によりヒータ部４１が酸化性ガスから保護されるので、結果としてヒータ部４１が消耗しない。このように、図１に示す酸化炉装置１では、酸化性ガスによりヒータ４０が消耗しないので、炉内を高温で長時間加熱することが可能となる。

また、酸化性ガスをヒータ４０が配設された加熱室３３内部に導入することにより、酸化性ガスがより効率的に加熱されるため、試料の酸化を促進することが可能となる。

第２の導入管８０により電極室３４内部に導入された不活性ガスは、電極室３４内を充満する。電極室３４内部が不活性ガスに満たされると、過剰な不活性ガスは、連通孔３２ａを経て加熱室３３に流入し、上述した第１の導入管７０から供給される酸化性ガスとともに試料２を酸化させ、排気ポート３１からチャンバー２０外部に排気される。

このように、電極室３４内部を酸素を含まない不活性ガスで充満させることにより、電極室３４内部に酸化性ガスが流入しないので、電極室３４内部に配設された電極５０および配線６０が酸化するのを防ぐことができる。したがって、図１に示す酸化炉装置１では、酸化性ガスにより電極５０および電線６０が消耗しないので、炉内を高温で長時間加熱することが可能となる。

上述したような方法により試料２を酸化している際に、チャンバー２０の外部に設けられたＸ線照射装置９１によりチャンバー２０の窓２１からＸ線を試料２に照射し、試料２から生じる反射BraggＸ線をチャンバー２０の窓２２から検出器９２に受光させることにより、界面形成中における試料２の界面の評価を行うことが可能となる。

なお、本実施の形態において、試料台３０の加熱室３３内部にヒータ４０を配設するようにしたが、試料台３０の外部にヒータ４０を配設するようにしてもよい。この場合であっても、保護部材４２によりヒータ部４１が酸化性ガスから保護されるため、炉内を高温で長時間加熱することが可能となる。

本発明の酸化炉装置の構成を模式的に表す断面図である。 従来の酸化炉装置の構成を模式的に表す断面図である。

符号の説明

１…酸化炉装置、２…試料、１０…ゴニオメータ、２０…チャンバー、２１，２２…窓、２３…排気ポート、３０…試料台、３１…基部、３２…仕切板、３２ａ…連通孔、３３…加熱室、３３ａ…孔、３４…電極室、３４ａ…導出部、４０…ヒータ、４１…ヒータ部、４２…保護部材、５０…電極、６０…電線、７０…第１の導入管、８０…第２の導入管、９１…Ｘ線照射装置、９２…検出器。

Claims (5)

1. 炉内を加熱し酸化性ガスを用いて前記炉内に配置した試料を熱酸化させる酸化炉装置において、
   前記炉内を加熱するヒータと、
   前記ヒータに接続され、前記ヒータに電力を供給する電極と、
   前記炉内に配設され、前記電極を収容する電極室と、
   前記炉外部から前記電極室に接続され、前記電極室内部に不活性ガスを導入する第１の導入管とを有し、
   前記ヒータは、表面が保護材により覆われ、前記電極室外部の上部に配設される
   を有することを特徴とする酸化炉装置。
2. 前記炉内の前記試料の下部に配設され、前記ヒータを収容し、壁面に孔が形成された加熱室と、
   前記炉外部から前記加熱室に接続され、前記加熱室内部に酸化性ガスを導入する第２の導入管と
   をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の酸化炉装置。
3. 前記不活性ガスは、何れかの希ガス、窒素、および、これらのうち何れか２つ以上を混合したガスの何れかから構成される
   ことを特徴とする請求項１または２記載の酸化炉装置。
4. 前記試料にＸ線を照射するＸ線照射装置と、
   前記試料より発生する回折Ｘ線を検出する検出器と
   をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の酸化炉装置。
5. 前記炉は、対向する側面に、前記試料の下部と同程度の高さから上方にかけて配設された第１の窓および第２の窓をさらに備え、
   前記Ｘ線照射装置は、前記第１の窓近傍の前記炉外部に配設され、前記第１の窓を介して前記試料にＸ線を照射し、
   前記検出器は、前記第２の窓近傍の前記炉外部に配設され、前記窓２を介して前記試料から生じる回折Ｘ線を検出する
   ことを特徴とする請求項４記載の酸化炉装置。

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