JP4747398B2 - 紫外線処理装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、紫外線処理装置、特に半導体ウェハなどの表面に形成されている表面膜にオゾンガス雰囲気中で紫外線を照射してその表面膜を改質する紫外線処理装置に属する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ウェハの表面に形成されているシリコン酸化膜や酸化タンタル膜にＮ₂Ｏガス又はオゾンガス雰囲気中で紫外線を照射し、その表面膜の絶縁性などの特性を向上させる技術が知られている。
【０００３】
この種の紫外線処理装置は、一般に天井が紫外線透過材料からなる処理容器もしくはチャンバー（以下、「処理容器等」という）と、処理容器等内でウェハを載せる回転台と、処理容器等の天井の上に設けられて紫外線源となる水銀ランプと、処理ガス供給手段とを備えている。そして、供給されたオゾンなどの処理ガスが紫外線や熱によって分解して活性酸素を生じ、それがウェハの表面膜を改質する。従って、ウェハの表面付近のガスがウェハの面方向に均一に分布できるように工夫しなければならない。
【０００４】
そこで、特開平１０−７９３８０号公報で、改質を均一にするために処理ガス供給手段として処理容器等の天井と回転台との間に格子状のシャワーヘッドを設置するとともに、紫外線の減衰を抑制するために処理容器内を真空引きする真空排気系を備えた装置を提案している。又、減衰を抑制するために天井とウェハとの間隔を狭くして水銀ランプとウェハとの距離を少なくするとともに、水銀ランプを平面方向に往復を繰り返す蛇行形状とし、その隙間に複数の処理ガス供給配管を配置して天井より複数本のガス流を噴射させて均一な改質を図る装置も知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平１０−７９３８０号公報に記載の装置でも均一性が不十分である上、真空排気系が必要となるといった欠点を有する。また、蛇行形状の水銀ランプの隙間に複数のガス供給配管を配置した装置の場合でも、水銀ランプによって囲まれる隙間の面積には限りがあるので、十分に均一な改質が期待できるほど配管数を増やすことができない。
それ故、この発明の課題は、真空下でなくても、均一に被処理体表面を改質することのできる装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
その課題を解決するために、この発明の紫外線処理装置は、
紫外線透過材料からなる天井を有するチャンバーと、天井の上に固定された紫外線ランプと、チャンバー内に活性酸素源含有ガスを供給する複数の配管とを備え、被処理体に活性酸素源含有ガスを供給し紫外線を照射する紫外線処理装置において、
前記各配管は、ガス供給源から天井の上面付近まで延びる送気部と、それに続いて天井の上面に沿って面方向に広がる拡散部と、それに続いて天井を貫通する複数のノズル部とからなることを特徴とする。
【０００７】
この発明の紫外線処理装置は、前記特開平１０−７９３８０号公報に記載の装置と異なり、天井を貫通する複数のノズル部よりガスを供給するので、天井と被処理体との間にシャワーヘッドのような障害物が無い。そのため、天井と被処理体との間隔を十分に狭めて紫外線ランプと被処理体とを接近させることができる。従って、紫外線の減衰を抑制できる。
【０００８】
又、活性酸素源含有ガスの供給ルートが複数の配管からなるので、それらの流量を個別に調節することができるし、各配管が上記のように送気部、拡散部及びノズル部からなるので、送気部を通過したガスが拡散部で面方向に広がり、ノズル部より均等にチャンバー内に噴き出す。従って、チャンバー内が真空下でなくても被処理体の表面にガスが均一に接触し、均一に改質される。
【０００９】
前記紫外線ランプは天井面と平行に間隔が空くように往復を繰り返し、前記複数の配管の送気部はその間隔を紫外線ランプの上方から通過していると好ましい。紫外線ランプが天井面と平行に往復を繰り返す形状を有することで、均一に紫外線を照射することができるからである。
【００１０】
前記ノズル部は、平面視で送気部の直下と異なる位置に設けられていると好ましい。送気部より拡散部に入ったガスは面方向に広がる間に紫外線や熱の作用で活性酸素を発生することがある。もし、送気部の直下にもノズル部が設けられていると、送気部直下のノズル部を通過するガスは拡散部で面方向に移動していないのでチャンバーに入った後に活性酸素を発生することとなり、拡散部で活性酸素を発生して別のノズル部よりチャンバーに入ったガスとの間で活性酸素濃度にむらが生じ、改質の均一化を妨げるからである。
【００１１】
本発明紫外線処理装置は、上記構成要素に加えて更に、チャンバー内に取り付けられて被処理体を載せる回転台を備え、被処理体に活性酸素源含有ガスを供給し紫外線を照射する間、被処理体を回転台と共に回転させることができるものであると好ましい。処理操作中に被処理体を回転させることにより、直径線上にガスが噴き出すだけで被処理体に均等にガスを吹き付けることができるからである。
ノズル部が送気部の直下と異なる位置に設けられている構成において、回転台の中心軸を中心とする円周を想定したとき、各配管に属するノズル部が互いに異なる円周上にあって、１つの配管の送気部の下端を通る円周が別の配管のノズル部を通る円周と重なるように前記各配管が設けられていると好ましい。これにより送気部の直下でもガスを噴出させることができるからである。
【００１２】
前記送気部は、各送気部の下端を通る円周同士の間隔が外側に向かうほど密になるように設けられていると好ましい。現実には配管が固定されて被処理体が回転台とともに回転するのであるが、被処理体から見れば配管が回転台の中心軸の回りに回転していることになる。従って、回転台の中心軸から送気部までの距離が個々の配管で異なる場合、１つの送気部の１周長さ当たりのガス濃度は外側に向かうほど小さくなることから、その円周同士の間隔を外側に向かうほど密にすることで、単位面積当たりのガス濃度をほぼ均一にしたものである。
【００１３】
更に、前記拡散部は、各送気部を流れるガスがその拡散部で混ざり合うように各配管に共通の単一のものであってもよく、その場合は拡散部が回転台の中心軸より偏心位置に設けられていると好ましい。前述のように、回転台の中心軸を中心として被処理体に対して相対的に拡散部が回転することから、拡散部を偏心位置に設けることで、中心軸上と周辺部とでノズル部から噴き出すガスの濃度が均一になるからである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
−実施形態１−
この発明の作用の理解を容易にするために、この発明の実施形態に改良する直前の紫外線処理装置の形態を図１に平面図、図２に図１のＸＹ断面図として示す。紫外線処理装置１００は、ステンレスなどからなるチャンバー１と、チャンバーの上に設けられたランプ容器２を備える。
【００１５】
チャンバー１の天井３は合成石英ガラスなどの紫外線透過材料からなり、ランプ容器２の下面の一部をも構成している。チャンバー１内には被処理体であるウェハＷを載せるとともにウェハＷを加熱するヒータ４を内蔵した回転台５が回転軸６を中心として回転可能に設置され、回転台５はリフトピン７によってリフトピンハウジング８とともに昇降させられる。回転台５のうちヒータ４の周囲は窒化アルミニウムなどのセラミックで形成されている。
【００１６】
ランプ容器２内部では紫外線を放射するために、天井３と平行な面内で互いに重ならずに往復を繰り返す対称形状の水銀ランプ９が天井３の直ぐ上に固定されている。水銀ランプ９は、その対称中心では往復の折り返し部分のみが存在するように間隔Ｄが開けられている。この間隔Ｄの中心線は平面視で回転台５の直径線と重なる。そして、外部から４本の合成石英ガラスからなるガス供給配管１０がランプ容器２の上面を貫通し、間隔Ｄを垂下してその端面がチャンバー１の内部空間に臨むように天井３に気密に接続している。接続方法は例えば溶接である。４本の配管１０と天井３との接続部は回転台５の前記直径線と平行に並んでいる。４本の配管１０は図略の流量調整弁にて個々に流量を調整することができる。各配管１０の内径は少なくともランプ容器２の上面の位置から端面に至るまで一様である。
【００１７】
この構造の紫外線処理装置によれば、特開平１０−７９３８０号公報に記載の装置と異なり、天井３と被処理体Ｗとの間に何ら障害物がないので、天井３を低くしてランプ９を被処理体Ｗに十分接近させることができる。しかも配管１０がランプ９から被処理体Ｗに向かう光線を遮らない。従って、ランプ９から発せられた紫外線は被処理体Ｗに達するまであまり減衰しない。使用済みガスは、図略の排気口から排出される。
【００１８】
しかし、配管１０の直下とそうでない箇所とでは被処理体Ｗの表面の改質の程度に差が生じ、例えば改質によって表面が酸化されるものとすると、酸化膜の厚さに差が生じる。
図３、図４及び図５は、この点を改良した本発明の第一の実施形態の要部を示す平面図、一部破断正面図及び図４のＶ部拡大断面図である。この実施形態の装置では、図１及び図２の装置と異なり各配管１１の内径は一様ではない。但し、配管１１の内径、本数及び配置を除く他の構成要素の形状、材質及び互いの位置関係は改良前の上記装置と基本的に同様であるから図示を省略している。従って、他の構成要素については図１及び図２と同じ符号を用いて説明する。また、配管の本数は５であって改良前よりも１多いが、これは実質的な差異ではない。
【００１９】
５本の配管１１の各々が、ガス供給源から天井の上面付近まで延びる送気部１１ａと、それに続いて天井の上面に沿って面方向に広がる拡散部１１ｂと、それに続いて天井を貫通する５〜１２本の細いノズル部１１ｃ、１１ｃ・・１１ｃとからなる。５本の配管１１は、それらの送気部１１ａが前記間隔Ｄ内においてその幅中心線上に並ぶように垂下している。回転軸６に近い順に第一番目、第三番目及び第五番目の３つの配管が回転軸６を挟む一方の側に、第二番目及び第四番目の２つの配管が他方の側にそれぞれ配置している。
【００２０】
送気部１１ａの内径は前記配管１０の内径とほぼ同じであってもよいが、拡散部１１ｂは送気部１１ａの断面積よりも広くなるように天井面と平行な１の方向に広がり、両端が円弧で中間部が一様幅の形状を有している。一方、個々のノズル部１１ｃの内径は、送気部１１ａの内径よりも小さいが、全ノズル部１１ｃの断面積の合計は１つの送気部１１ａの断面積の合計と同等もしくはそれ以上となっている。
【００２１】
５〜１２本のノズル部１１ｃは、拡散部１１ｂの幅中心線上に一直線にほぼ等間隔に並ぶように形成されており、送気部１１ａの直下には形成されていない。１つの配管１１に属するノズル部１１ｃの群及び送気部１１ａとその隣の配管１１に属するノズル部１１ｃの群及び送気部１１ａとは少なくとも次の２つの規則性が保たれるように配置している。
【００２２】
第一の規則性は、回転軸６を中心とする円周を想定したとき、１つの配管の送気部１１ａを通る円周が別の配管の一方の端のノズル部１１ｃを通る円周と重なっている点である。第二の規則性は、送気部１１ａを通る円周同士の間隔が外側に向かうほど狭くなっている点である。
【００２３】
これら２つの規則性を充足するために、この実施形態では、第一番目の送気部を回転台５の直径線上の偏心位置に垂下させ、その拡散部をそこから中心に至るまで設ける。第二番目の送気部を反対側のしかも第一番目よりも中心から遠い偏心位置に垂下させ、その拡散部をそこから中心に向かって設ける。但し、便宜上、第ｍ番目の配管に属する送気部をＴｍ、その配管に属するノズル部の群のうち最も内側のノズル部をＮmcとするとき、Ｎ2cを通る円周がＴ１を通る円周と重なるようにする。次に、Ｔ３をＴ１の外側に垂下させ、その拡散部をＴ３を通る直径線に対して角度を有する方向に且つＮ3cを通る円周がＴ２を通る円周と重なるように設ける。Ｎ4cとＴ３との位置、Ｎ5cとＴ４との位置も同様の関係が成り立つようにする。
【００２４】
以上のような規則性をもたせることで、送気部１１ａより送られてきた処理ガスが全て紫外線と熱の作用を受けてほぼ同じ組成で各ノズル部１１ｃより噴き出す。しかもチャンバー１内に入った後もガスの濃度は中心からの距離に関わりなくほぼ均一である。従って、処理されるウェハＷの表面の改質の程度は中心からの距離に関わりなく均一となる。
【００２５】
−実施形態２−
第一実施形態では、送気部、拡散部及びノズル部群が各配管毎に独立しており、送気部より送られてきたガスはチャンバー１内に入るまで混ざり合うことがなかった。
この第二実施形態は、送気部は第一実施形態と同様に独立しているが、拡散部は全ての配管に共通の単一のものとする例である。図６及び図７は、第二実施形態の紫外線処理装置の要部を示す平面図及び正面図である。
【００２６】
６本の配管２１の各々が、図略のガス供給源から天井の上面付近まで延び、平面視で１直線に並んだ送気部２１ａを備えている。ここでも第一番目、第三番目及び第五番目の送気部Ｔ１、Ｔ３、Ｔ５が中心より一方の側に垂下し、第二番目、第四番目及び第六番目の送気部Ｔ２、Ｔ４、Ｔ６が他方の側に垂下している。Ｔ３及びＴ５はランプ９の折り返し部分を回避するために下端付近で鉛直線に対して傾くように曲げられている。Ｔｍを通る円周とＴｍ＋１を通る円周との間隔はｍが大きくなるほどに小さくなっている。
【００２７】
天井の上面にはその面方向に広がる長方形の１つの拡散部２１ｂが偏心位置に設けられている。上記送気部Ｔ１〜Ｔ６は全てこの１つの拡散部２１ｂに接続している。拡散部２１ｂで覆われる天井の部分には短辺方向６列、長辺方向３４列の合計２０４本のノズル部２１ｃが形成されている。但し、送気部Ｔ１〜Ｔ６の直下には形成されていない。
【００２８】
この実施形態の紫外線処理装置においても、送気部２１ａより送られてきた処理ガスは、直ぐにチャンバー１内に入ることはなく、一旦拡散部２１ｂで面方向に拡散し、その間に紫外線や熱の作用を受けた後、中心からの距離に関わりなくほぼ同じ濃度で各ノズル部２１ｃよりチャンバー１内に噴き出す。送気部２１ａの直下にはノズル部２１ｃが無いが、処理中ウェハＷは回転させられるので、その表面に万遍なくガスが接触する。従って、処理されるウェハＷの表面の改質の程度は中心からの距離に関わりなく均一となる。
【００２９】
【実施例】
本発明の効果を確認するために、上記第二実施形態の紫外線処理装置を用いてシリコンウェハの表面を改質した。処理条件は次の通りである。
【００３０】
［処理条件］
紫外線強度 ：３０ｍＷ／ｃｍ²
処理温度 ：５００℃（回転台の温度）
処理時間 ：６００秒
Ｏ₃供給量 ：１５ＳＬＭ
Ｏ₃濃度 ：８０．９ｇ／ｍ³
チャンバー内圧：減圧
配管内ガス流量：外に向かうほどガス濃度が高くなるように各配管内ガス流量を調節した。
【００３１】
比較のために、図１及び図２に示した紫外線処理装置と、配管数が１０本である以外はそれと同一構造の紫外線処理装置を用いて同様にウェハの表面を改質した。処理条件は次の通りである。
【００３２】
［処理条件］
紫外線強度 ：３０ｍＷ／ｃｍ²
処理温度 ：４００℃（回転台の温度）
処理時間 ：９００秒
Ｏ₃供給量 ：１０ＳＬＭ
Ｏ₃濃度 ：１４５ｇ／ｍ³
チャンバー内圧：減圧
配管内ガス流量：外に向かうほどガス濃度が高くなるように各配管内ガス流量を調節した。
【００３３】
改質後にウェハの表面に生成した酸化膜の厚さを中心からの距離５ｍｍ毎に測定したところ、図８のグラフのような結果が得られた。図中、○は第二実施形態の装置によって得られた酸化膜、×は改良前の４本配管の装置によって得られた酸化膜、△は１０本配管の装置によって得られた酸化膜の厚さを示す。但し、縦軸の数値は、ある基準厚さに対する相対値（％）である。
【００３４】
グラフから明らかなように、第二実施形態の装置によって得られた酸化膜の厚さは、基準値に対して最大１０６％、最小１０１％であり、中心からの距離に関わりなく一定であった。これに対して４本配管の装置によって得られた酸化膜の厚さは、最大１１７％、最小９７．５％とばらついており、１０本配管の装置によって得られた酸化膜の厚さでさえ、同程度にばらついていた。一般に処理温度が低いほど厚さのばらつきは少なくなる。しかし、第二実施形態の装置による処理温度が５００℃であるのに対して４本配管装置や１０本配管装置による処理温度が４００℃であるにもかかわらず、第二実施形態の装置による方が厚さのばらつきが少なかったことは、本発明が著しい効果を生じるものであることを裏付けている。
【００３５】
【発明の効果】
以上の通り、本発明の紫外線処理装置によれば、真空下でなくても優れたエネルギー効率で被処理体の表面を均一に改質することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に改良する直前の紫外線処理装置を示す平面図である。
【図２】同じく縦断面図である。
【図３】第一実施形態の紫外線処理装置の要部を示す平面図である。
【図４】同じく一部破断正面図である。
【図５】図４のＶ部拡大断面図である。
【図６】第二実施形態の紫外線処理装置の要部を示す平面図である。
【図７】同じく一部破断正面図である。
【図８】第二実施形態の装置及び比較例の装置によって得られた酸化膜の厚さを中心からの距離５ｍｍ毎に測定した結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１ チャンバー
２ ランプ容器
３ 天井
４ ヒータ
５ 回転台
６ 回転軸
７ リフトピン
８ リフトピンハウジング
９ ランプ
１０、１１、２１ 配管
１１ａ、２１ａ 送気部
１１ｂ、２１ｂ 拡散部
１１ｃ、２１ｃ ノズル部

Claims (7)

1. 紫外線透過材料からなる天井を有するチャンバーと、天井の上に固定された紫外線ランプと、チャンバー内に活性酸素源含有ガスを供給する複数の配管とを備え、被処理体に活性酸素源含有ガスを供給し紫外線を照射する紫外線処理装置において、
   前記各配管は、ガス供給源から天井の上面付近まで延びる送気部と、それに続いて天井の上面に沿って面方向に広がる拡散部と、それに続いて天井を貫通する複数のノズル部とからなることを特徴とする紫外線処理装置。
2. 前記紫外線ランプは天井面と平行に間隔が空くように往復を繰り返し、前記複数の配管の送気部はその間隔を紫外線ランプの上方から通過している請求項１に記載の紫外線処理装置。
3. 前記ノズル部は、平面視で送気部の直下と異なる位置に設けられている請求項１又は２に記載の紫外線処理装置。
4. 更に、チャンバー内に取り付けられて被処理体を載せる回転台を備え、被処理体に活性酸素源含有ガスを供給し紫外線を照射する間、被処理体を回転台とともに回転させることのできる請求項１〜３のいずれかに記載の紫外線処理装置。
5. 回転台の中心軸を中心とする円周を想定したとき、各配管に属するノズル部が互いに異なる円周上にあって、１つの配管の送気部の下端を通る円周が別の配管のノズル部を通る円周と重なるように前記各配管が設けられている請求項４に記載の紫外線処理装置。
6. 前記送気部は、前記回転台の中心軸を中心とし各送気部の下端を通る円周同士の間隔が外側に向かうほど密になるように設けられている請求項４又は５に記載の紫外線処理装置。
7. 前記拡散部は、各送気部を流れるガスがその拡散部で混ざり合うように各配管に共通の単一のものであって、回転台の中心軸より偏心位置に設けられている請求項４に記載の紫外線処理装置。

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