JP5543601B2 - 基板加熱処理装置、基板加熱処理装置の温度制御方法、半導体デバイスの製造方法、基板加熱処理装置の温度制御プログラム及び記録媒体 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体デバイスの熱処理工程に用いる基板加熱処理装置、基板加熱処理装置の温度制御方法、これを利用した半導体デバイスの製造方法、基板加熱処理装置の温度制御プログラム及びこれを記録した記録媒体に関する。
炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板は、不純物の熱拡散係数が非常に小さく、実用上不純物の熱拡散工程を用いることができない。そのため、ＳｉＣ基板の電気伝導性を制御するには、不純物のイオン注入後に１５００℃から２０００℃程度の温度でアニール処理を施して不純物を活性化する必要がある。
この活性化アニール工程の実施前には、炉内を所定の温度に上昇させるために、炉内の予備加熱が行なわれている。例えば特許文献１には、ハロゲンランプで処理基板をアニール処理する方法において、処理基板の加熱炉への搬入前に炉内を予備加熱しておき、炉内が所定の温度に達した後に処理基板の炉内搬入を行なう技術が開示されている。
また特許文献２には、ランプアニール装置にて、実際と同一の工程でダミー基板の搬入から搬出までの一連の工程を繰り返して予備加熱を行う場合に、昇温時間が所定値以内になったときに予備加熱を終了する技術が開示されている。
しかしながら、電子衝撃加熱装置にて処理基板を高温で活性化アニール処理する場合に、炉内を所定温度に予備加熱しても、炉内へ連続的に処理基板を搬入すると、最初の１枚目の基板と２枚目以降の基板の品質が異なることがあった。
このような基板品質の差異は、電子衝撃による加熱方式に特有の問題であると考えられる。即ち、電子衝撃加熱方式は、真空の加熱容器内のフィラメントから発生する熱電子に加速電源から加速電圧を印加し、加速した熱電子を衝突させて加熱容器を加熱することにより、その放熱を利用して処理基板を加熱する。したがって、特許文献１及び２のようなランプ加熱方式の予備加熱技術をそのまま適用すると、基板品質に差異が生じるという問題があった。
そこで本発明は、電子衝撃加熱方式にて活性化アニール処理を行なう場合に、処理容器内へ連続的に処理基板を搬入しても、基板品質を同等に保つことができる基板加熱処理装置を提供することを目的とする。
さらに本発明は、上記目的を達成しうる基板加熱処理装置の温度制御方法、半導体デバイスの製造方法、基板加熱処理装置の温度制御プログラム及び記録媒体を提供する。
上記の目的を達成すべく成された本発明の構成は以下の通りである。
即ち、本発明に係る基板加熱処理装置の温度制御方法は、真空排気可能な処理容器内に、フィラメントを組み込んだ導電体の加熱容器を備え、
上記フィラメントと上記加熱容器との間に印加された加速電圧で、上記フィラメントから発生する熱電子を加速し、該加速した熱電子を前記加熱容器に衝突させて該加熱容器を加熱し、該加熱容器の熱により基板のアニール処理を行う基板加熱処理装置の温度制御方法であって、
上記処理容器内への上記基板の搬入前に、上記基板のアニール処理温度よりも高温、かつアニール処理時間よりも長時間にて上記処理容器内を加熱した後、上記アニール処理温度を下回る温度まで冷却する予備加熱を行なう工程と、
上記予備加熱工程が終了した上記処理容器内へ前記基板を搬入した後、上記アニール処理温度まで昇温してアニール処理を行う工程と、
を有することを特徴とする基板加熱処理装置の温度制御方法である。
上記フィラメントと上記加熱容器との間に印加された加速電圧で、上記フィラメントから発生する熱電子を加速し、該加速した熱電子を前記加熱容器に衝突させて該加熱容器を加熱し、該加熱容器の熱により基板のアニール処理を行う基板加熱処理装置の温度制御方法であって、
上記処理容器内への上記基板の搬入前に、上記基板のアニール処理温度よりも高温、かつアニール処理時間よりも長時間にて上記処理容器内を加熱した後、上記アニール処理温度を下回る温度まで冷却する予備加熱を行なう工程と、
上記予備加熱工程が終了した上記処理容器内へ前記基板を搬入した後、上記アニール処理温度まで昇温してアニール処理を行う工程と、
を有することを特徴とする基板加熱処理装置の温度制御方法である。
本発明によれば、電子衝撃加熱装置を用いて高温で活性化アニール処理を行う場合に、処理容器内へ連続的に処理基板を搬入しても、基板品質を同等に保つことができるという優れた効果を奏する。
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明するが、本発明は本実施形態に限定されるものではない。
まず、図１を参照して、本発明を適用する電子衝撃加熱方式を利用した基板加熱処理装置（以下、「電子衝撃加熱装置」という。）の一態様について説明する。図１は、電子衝撃加熱装置の全体構成を模式的に示す概略図である。
本実施形態の電子衝撃加熱装置１は、フィラメント１４から発生する熱電子に加速電源４２から加速電圧を印加し、加速した熱電子を加熱容器１１に衝突させて加熱容器１１を加熱し、その放熱面１１ａに対向配置した処理基板２１の熱処理を行なう装置である。この電子衝撃加熱装置１は、処理基板２１を熱処理する処理室２ａと待機室２ｂとを上下に連通させて区画形成する真空排気可能な処理容器３を備えている。上部の処理室２ａの内部には、フィラメント１４が組み込まれた加熱装置（以下、「ヒータ」という。）１０を備えている。
ヒータ１０は、一端が閉塞された円筒体状の加熱容器１１、その内部に収納されたフィラメントベース１２、支柱１３及びフィラメント１４から構成されている。
フィラメント１４は、例えば、炭素繊維強化複合材料（以下、「ＣＣコンポジット」という。）製のフィラメントベース１２上に起立された直径φ２ｍｍのタンタル製支柱１３によって、加熱容器１１の閉塞端面（放熱面）１１ａに略平行に張設されている。
フィラメント１４としては、例えば、タングステン・レニウム線または、カリウムやランタン等の希土類が添加されたタングステン線が採用され、直径φ０．８ｍｍ、長さ９００ｍｍのものが使用される。
加熱容器１１は、導電体により形成されている。具体的には、加熱容器１１の外面には、放出ガスが少なくなるように、例えば、熱分解カーボンがコーティングされている。この加熱容器１１は、不図示の真空排気手段に接続され、内部が上記処理容器３と独立に真空排気可能となっている。
また、加熱容器１１の閉塞端面の加熱プレート（放熱面）１１ａに対向するようにＣＣコンポジット製の基板ステージ２０が配置されている。この基板ステージ２０上には、上記ヒータ１０に臨ませて処理基板（ウェハ）２１が載置される。本実施形態では、処理基板２１として、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）基板が採用されるが、これに限定されない。
基板ステージ２０は円筒体状の支柱４により支持されており、この支柱４の貫通孔５の先端には、石英製のビューイングポート６を介して２色式放射温度計７が接続されている。ビューイングポート６は、真空空間を閉塞して真空状態と大気状態とを画している。このビューイングポート６を通じて、基板ステージ２０またはＳｉＣ基板２１からの放射光が２色式放射温度計７に到達する。
２色式放射温度計７は、例えば、集光部８と検出器９とからなり、ＣＣコンポジット製の基板ステージ２０を介して、間接的にヒータ１０の温度を測定するようになっている。この温度測定は、基板ステージ２０の温度測定に限らず、放熱面１１ａまたは加熱容器１１の温度を測定してもよい。
支柱４の下端には支持板３１が固定され、この支持板３１と処理容器３との間にはベローズ３２が介設されている。さらに、支持板３１には不図示のネジ孔の形成された昇降アーム３３が固定され、この昇降アーム３３のネジ孔には回転駆動装置３５に接続されたボールネジ３４が挿通されている。即ち、回転駆動装置３５でボールネジ３４を回転させることにより、昇降アーム３３はボールネジ３４に沿って昇降移動し、この昇降アーム３３に支柱４等を介して接続された基板ステージ２０が昇降移動可能となっている。すなわち、ベローズ３２、昇降アーム３３、ボールネジ３４及び回転駆動装置３５は、基板ステージ２０と加熱容器１１の放熱面１１ａとを接近または離間させるための基板ステージ昇降装置の主要部品を構成する。本実施形態では、基板ステージ２０を昇降移動させているが、基板ステージ２０とヒータ１０との少なくともいずれか一方を昇降移動可能に構成すればよい。
処理容器３の内部は、排気口２５に接続された不図示の排気装置により真空排気される。また、処理容器３の待機室２ｂの一側壁にはスリットバルブ２２が設けられており、このスリットバルブ２２を開放することにより、不図示の搬送ロボットで基板２１を処理容器３内へ搬入、あるいは処理容器３内から搬出するようになっている。さらに、処理容器３の待機室２ｂ内には、回動装置２３に接続された水冷シャッタ機構（以下、「シャッタ」という。）２４が水平方向へ回動可能に設けられている。このシャッタ２４は、基板ステージ２０が待機室２ｂ内へ後退したときに、この基板ステージ２０と加熱容器１１の放熱面１１ａとの間に侵入して、基板２１を放熱面１１ａから遮断するようになっている。
次に、図３を参照して、図１の電子衝撃加熱装置に備えられた制御系の構成の一態様について説明する。図３は、電子衝撃加熱装置の制御系の構成を示す概略図である。
図３に示すように、本実施形態の制御系４０は、フィラメント電源、加速電源、加速電圧計、フィラメント電流計、エミッション電流計、サイリスタを含む加熱電源、多機能式温調計、シーケンサ、パイロメータ集光部及びパイロメータ本体を備えている。
フィラメント電源４１は、フィラメント１４の加熱用に電力供給する交流電源であって、例えば、最大５０Ａ（アンペア）まで可変的に印加可能である。フィラメント１４の接続回路にはフィラメント電流計４５が接続され、フィラメント１４の電流値が計測される。
加速電源（ＨＶ電源）４２は、接地された加熱容器１１とフィラメント１４との間に加速電圧を印加する直流電源であって、例えば、フィラメント１４に対し０Ｖ（ボルト）から−３．０ＫＶまで可変的に加速電圧を印加可能となっている。加速電源４２の接続回路には、加速電圧を計測する加速電圧計（ＨＶ電圧計）４６と、エミッション電流値を計測するエミッション電流計４７が接続されている。
多機能式温調計４３は、例えば、山武社製のＳＤＣ−４６Ａが採用される。この温調計４３は、フィラメント電流計４５からの入力信号、エミッション電流計４７からの入力信号及び加速電圧計４６からの入力信号を受信すると共に、シーケンサ４９からの設定値を受信する。シーケンサ４９の設定値はサイリスタ４８にも入力される。さらに、多機能式温調計４３は、サイリスタ４８を介してフィラメント電源４１への出力信号を送信するようになっている。
次に、図２から図４を参照して、上記電子衝撃加熱装置１に適用する本実施形態の予備加熱を含む温度制御方法について説明する。図２は、図１の電子衝撃加熱装置の基板ステージが降下している状態の模式図である。図４は、本実施形態の温度制御方法の予備加熱における基板ステージ裏面温度と処理時間の関係を示す説明図である。
本発明に係る予備加熱を含む温度制御方法のアルゴリズムは、制御系４０に接続された制御装置（ＰＣ）の記憶部に温度制御プログラムとして記憶されており、予備加熱の開始の際にＣＰＵにより読み出されて実行される。
ここで、温度制御プログラムは、基板ステージ裏面温度の検出信号等に基づいて、上記制御装置にヒータ１０の温度制御を実行させるプログラムである。即ち、本実施形態の温度制御プログラムは、処理容器内への基板搬入前に、基板のアニール処理温度よりも高温、かつアニール処理時間よりも長時間にて処理容器内を加熱した後、アニール処理温度を下回る温度まで冷却する予備加熱を行なう手順を有する。さらに、予備加熱手順が終了した処理容器内へ基板を搬入した後、アニール処理温度まで昇温してアニール処理を行う手順を有する。
上記温度制御プログラムは、コンピュータ（ＰＣ）等の制御装置により読み取り可能な記録媒体に記録されて、ＰＣの記憶部にインストールされる。
記録媒体としては、フロッピー（登録商標）ディスク、ＺＩＰ（登録商標）等の磁気記録媒体、ＭＯ等の光磁気記録媒体、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ−Ｒ、ＤＶＤ＋Ｒ，ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＤＶＤ＋ＲＷ（登録商標）、ＰＤ等の光ディスク等が挙げられる。また、コンパクトフラッシュ（登録商標）、スマートメディア（登録商標）、メモリースティック（登録商標）、ＳＤカード等のフラッシュメモリ系、マイクロドライブ（登録商標）、Ｊａｚ（登録商標）等のリムーバブルディスクが挙げられる。
本発明に係る温度制御方法は、処理容器内への基板の搬入前に、基板のアニール処理温度よりも高温、かつアニール処理時間よりも長時間にて処理容器内を加熱した後、アニール処理温度を下回る温度まで冷却する工程を含む。
ここで、「アニール処理温度」、「アニール処理温度より高温に処理容器内を加熱」、「アニール処理温度を下回る温度まで冷却」における、各温度は、処理容器内の同一測定場所温度で判断する。具体的には、基板ステージ裏面温度あるいは加熱容器の温度を測定することにより、判断するが、より基板に近い点から、基板ステージ裏面温度を測定することが好ましい。
本実施形態の温度制御方法は、上述したように、処理容器３内へ処理基板２１を搬入する前に、実際のアニール処理温度よりも高温、かつアニール処理時間よりも長時間にて、ヒータ１０、基板ステージ２０を含む処理容器内の予備加熱工程を行う。そして、予備加熱工程の終了後、搬送ロボットにより処理基板２１を処理容器３内へ搬入し、実際のアニール処理工程を行なう方法である。具体的には、基板ステージ２０上にダミー基板を載置せずに、基板ステージ２０を上昇させて、該ステージ２０の上面と加熱容器１１の閉塞端部の放熱面１１ａとの距離を（例えば５ｍｍまで）接近させる。そして、基板ステージ裏面温度が実際のアニール処理温度（例えば１５７５℃）よりも高温（例えば１７００℃）となるように制御し、アニール処理時間（例えば１分間）よりも長時間（例えば４分間）保持して予備加熱する。
図３及び図４を参照して、本実施形態における予備加熱工程を含む本実施形態の温度制御方法を説明する。
まず、フィラメント加熱を行ってフィラメント１４への吸着ガスを放出させ、フィラメント１４の劣化を防ぐ。具体的には、シーケンサ４９から多機能式温調計４３へ信号を入力し、フィラメント電流計４５の電流値が設定値（例えば３０Ａ）になるまで、フィラメント電流値を徐々に上昇させる。多機能式温調計４３は、シーケンサ４９からの信号をフィラメント電流計４５からのリターン信号と比較し、サイリスタ４８へ信号を出力する。サイリスタ４８からの入力に従って、フィラメント電源４１はフィラメント電流値の出力を徐々に増加させ、フィラメント電流計４５の電流値が３０Ａになるまで、フィラメント１４を加熱する。
次に、加速電源４２からフィラメント１４に加速電圧（ＨＶ）を印加して、徐々に電圧を上昇させることで、急激なエミッション電流値の上昇を防ぐと共に、異常放電を防止する。具体的には、フィラメント電流値は設定値（例えば３０Ａ）で固定のまま、シーケンサ４９からサイリスタ４８へ信号を出力し、設定電圧（例えば−５００Ｖ）の加速電圧（ＨＶ）を印加する。加速電源４２では、サイリスタ４８からの入力に従い、加速電圧（ＨＶ）−５００Ｖをフィラメント１４に印加する。さらに、シーケンサ４９はサイリスタ４８へ信号を出力し、加速電圧（ＨＶ）が設定電圧（例えば−１８００Ｖ）になるように、加速電圧（ＨＶ）を徐々に上昇させる。加速電源４２では、サイリスタ４８の入力に従い、加速電圧（ＨＶ）の出力を徐々に増加させ、加速電圧（ＨＶ）が−１８００Ｖになるようにし、エミッション電流を発生させる。
さらに、エミッション電流値が設定値（例えば１０．７Ａ）となるように、シーケンサ４９から多機能式温調計４３へ信号を入力する。具体的には、多機能式温調計４３では、加速電圧（ＨＶ）を−１８００Ｖで固定のまま、シーケンサ４９からの信号とエミッション電流計からの出力信号と比較する。さらに、多機能式温調計４３は、エミッション電流値が１０．７Ａになるように、フィラメント電流値を制御するための信号をサイリスタ４８へ入力する。サイリスタ４８からの入力信号により、フィラメント電源４１はエミッション電流値が１０．７Ａになるように制御する。そして、エミッション電流値１０．７Ａにて、基板ステージ裏面温度が設定温度（例えば１５９０℃）になるように短時間で昇温させる。
そして、基板ステージ裏面温度が１５９０℃になったら、シーケンサ４９、多機能式温調計４３及びサイリスタ４８を通した入力信号により、フィラメント電源４１はエミッション電流計４７の電流値と比較する。さらにフィラメント電源４１は、エミッション電流値が設定値（例えば９．８Ａ）になるようにフィラメント電流値を制御して、設定温度（例えば１６４０℃）まで昇温する。このときの加速電圧（ＨＶ）は−１８００Ｖで一定のまま維持させる。
次に、エミッション電流値を設定値（例えば７．７Ａ）に維持して、設定時間（例えば３分間）加熱する。さらに、エミッション電流値を設定値（例えば７．５Ａ）に維持して、設定時間（例えば２分間）加熱する。このときの最高温度は、１７１０℃であった。
その後、エミッション電流が出ないようにフィラメント電流値を設定値（例えば２０Ａまで）絞った状態で、基板ステージ２０の上面と加熱容器１１の放熱面１１ａとの距離を拡げて、冷却を行う。
２色式放射温度計７にてヒータの側面の測定温度が設定温度（例えば１２００℃）になったら、基板ステージ２０の上面と加熱容器１１の放熱面１１ａとの距離をさらに拡げる。そして、基板ステージ２０の上面と加熱容器１１の放熱面１１ａとの間を水冷シャッタ２４で隔離する。このようにヒータ１０からの輻射熱が搬送用ロボットアームに影響しないようにして、処理基板２１の出し入れを行う。
この間、スタンバイ加熱により、ヒータ側面温度が１２００℃になるように入力パワーをＰＩＤ制御する。このとき、冷却時にヒータパワーをオフしてしまうと、次のスタンバイ加熱時の昇温開始が大幅に遅れ、温度再現性の劣化や、スループットの低下を招く。
次に、基板（炭化珪素基板）に不純物をイオン注入した後、アニール処理して不純物を活性化させるアニール処理工程を行なう。基板ステージ２０上に処理基板２１を載置した後、エミッション電流値が所定値（例えば３Ａ）になるように電源パワーを制御して、基板ステージ裏面温度が設定温度（例えば１２００℃）になるまで基板２１のガス出しを行い、表面平坦性の劣化を防ぐ。
さらに、エミッション電流値を設定値（例えば１０．２Ａ）にして急速に昇温し、エミッション電流値を段階的に下げ、所定値（例えば７．１Ａ）で加熱保持する。
アニール保持時間（例えば１分間）が終了した後、フィラメント電流値を設定値（例えば２０Ａ）に絞り、基板ステージ２０の上面と加熱容器１１の放熱面１１ａとの距離を拡げて、処理基板２１を冷却する。基板ステージ裏面温度が設定温度（例えば１２００℃）になったら、基板ステージ２０を降下させ、水冷シャッタ２４を閉じる。そして、スリットバルブ２２を開けて、搬送ロボットにより処理基板２１を搬出し、次の処理基板２１を搬入する。以上の一連の工程を繰り返して、複数の処理基板２１を順次処理する。
本発明によれば、高温でアニール処理を行う場合であっても、１枚目の基板とそれ以降の基板とで同等の基板品質を確保することができる。このように基板品質を同等に保つことができるのは、以下の理由によるものと考えられる。
すなわち、本発明によれば、予備加熱において、アニール処理温度よりも高温で加熱しているので、アニール処理時に処理容器の内壁や内部の部品から放出されるガス量を低減することができる。ガス放出は温度に依存するので、高温になるほどガス放出し易くなるからである。
電子衝撃加熱装置１の加熱容器１１内は高真空に保たれているので、ガスが加熱容器１１に放出されると一時的に加熱容器１１内の真空度が低減し、フィラメント１４からの電子放出が制御できず、スパークを生じることがある。それに伴い、ヒータ温度が変化することや、酷い場合には加熱を停止してしまうことになる。
一方、本発明では、予め予備加熱工程の温度を実際のアニール処理温度よりも高温に設定することにより、予備加熱の段階で加熱容器１１からのガス放出が生じる。したがって、アニール処理工程においてガス放出が生じるのを低減することができ、アニール処理における昇温速度を高速にかつ一定の範囲に制御することができる。
また、アニール処理温度の再現性を高め、電子衝撃加熱装置１によるアニール処理のスループットを大幅に改善することで、炭化ケイ素（ＳｉＣ）デバイスの生産性を大幅に向上させることができる。
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載から把握される技術的範囲において種々の変更が可能である。
以下、実施例を挙げて、本発明に係る基板加熱処理装置の温度制御方法をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
〔実施例１〕
実施例１は、図１及び図２の電子衝撃加熱装置１を用いて、本発明の予備加熱を含む温度制御方法を用いて半導体デバイスを製造する場合について説明する。
実施例１は、図１及び図２の電子衝撃加熱装置１を用いて、本発明の予備加熱を含む温度制御方法を用いて半導体デバイスを製造する場合について説明する。
本実施例の電子衝撃加熱装置１には、複数の処理基板２１を収納したカセットを収容するロードロック室（図示せず）と、このロードロック室と電子衝撃加熱装置１とを接続するトランスファ室（図示せず）と、が付帯されている。
まず、石英製カセットに炭化珪素基板（ＳｉＣ基板）を１０枚収納し、このカセットをロードロック室に収容して、その内部の排気を行う。ロードロック室の排気が開始されると同時に、予備加熱工程を開始する。そして、予備加熱工程を行っている間に、ロードロック室の粗引きを終了する。
その後、トランスファ室とロードロック室との隔壁となるスリットバルブを開放し、トランスファ室のターボモレキュラポンプ（ＴＭＰ）により、トランスファ室の圧力が１×１０-3Ｐａ以下になるまで排気する。
予備加熱工程（ダミーアニール）は、上述したように、ヒータ１０、基板ステージ２０を含む処理容器内の温度を予め上昇させておく工程である。具体的には、ダミー基板を用いることなく、基板ステージ２０を上昇させて、該ステージ２０の上面と加熱容器１１の閉塞端部の放熱面１１ａとの距離が５ｍｍになるように接近させる。そして、基板ステージ２０の裏面温度が実際のアニール処理温度１５７５℃よりも高温の１７１０℃になるように設定し、実際の処理時間（１分間）よりも長時間（４分間）だけ保持して加熱する。
ここで、図３を参照して、本実施例における予備加熱工程を具体的に説明する。
まず、フィラメント加熱を行ってフィラメント１４への吸着ガスを放出させ、該フィラメント１４の劣化を防ぐ。具体的には、シーケンサ４９から多機能式温調計４３に信号を入力し、フィラメント電流計４５の電流値が３０Ａになるまで、フィラメント電流値を１秒間に１Ａずつ上昇させる。多機能式温調計４３は、シーケンサ４９からの信号とフィラメント電流計４５からのリターン信号とを比較し、サイリスタ４８へ信号を出力する。サイリスタ４８からの入力に従って、フィラメント電源４１はフィラメント電流値の出力を徐々に増加させ、フィラメント電流計４５の電流値が３０Ａになるまで、フィラメント１４を加熱する。
次に、加速電源４２からフィラメント１４に加速電圧（ＨＶ）を印加して、徐々に電圧を上昇させることで、急激なエミッション電流値の上昇を防ぎ、異常放電を防止する。フィラメント電流値は３０Ａで固定のまま、シーケンサ４９からサイリスタ４８へ信号を出力し、加速電圧（ＨＶ）−５００Ｖを印加する。加速電源４２では、サイリスタ４８からの入力に従い、例えば、加速電圧（ＨＶ）−５００Ｖをフィラメント１４に印加する。さらに、シーケンサ４９はサイリスタ４８へ信号を出力し、加速電圧（ＨＶ）が−１８００Ｖになるように、１秒間に加速電圧（ＨＶ）を−１００Ｖずつ上昇させる。加速電源４２では、サイリスタ４８の入力に従い、加速電圧（ＨＶ）の出力を徐々に増加させ、加速電圧（ＨＶ）が−１８００Ｖになるようにし、エミッション電流を発生させる。
さらにシーケンサ４９から、エミッション電流値が１０．７Ａとなる信号を多機能式温調計４３へ入力する。多機能式温調計４３では、加速電圧（ＨＶ）が−１８００Ｖで一定のまま、エミッション電流計からの出力信号と比較し、エミッション電流値１０．７Ａになるように、フィラメント電流値を制御するための信号をサイリスタ４８へ入力する。サイリスタ４８からの入力信号により、フィラメント電源４１はエミッション電流値が１０．７Ａになるように制御する。そして、エミッション電流値１０．７Ａにて、基板ステージ２０の裏面温度が１５９０℃になるように短時間で昇温させる。
そして、基板ステージ２０の裏面温度が１５９０℃になったら、シーケンサ４９、多機能式温調計４３及びサイリスタ４８を通した入力信号により、フィラメント電源４１はエミッション電流計４７の電流値と比較する。さらにフィラメント電源４１は、エミッション電流値が９．８Ａになるようにフィラメント電流値を制御して１６４０℃まで昇温する。このときの加速電圧（ＨＶ）は−１８００Ｖで一定のまま維持させる。
次に、エミッション電流値７．７Ａにて、３分間加熱する。さらに、エミッション電流値７．５Ａにて、２分間加熱する。加熱初期段階でのヒータ１０や基板ステージ２０の温度により最高到達温度が変化するため、これらの加熱制御は、温度をトリガーにするのではなく、時間を固定したパワー制御を行なっている。これにより、初期段階の温度がいずれの場合にあっても、ダミーアニール工程を再現性良く行なうことができる。このときの最高温度は、１７１０℃であった。
その後、エミッション電流が出ないようにフィラメント電流値を２０Ａまで絞った状態で、基板ステージ２０の上面と加熱容器１１の放熱面１１ａとの距離を７２ｍｍにして冷却を行う。
２色式放射温度計７にて基板ステージ２０の裏面温度が１２００℃になったら、基板ステージ２０の上面と加熱容器１１の放熱面１１ａとの距離を１９８ｍｍまで拡げる。そして、基板ステージ２０の上面と加熱容器１１の放熱面１１ａとの間を水冷シャッタ２４で閉じ、ヒータ１０からの輻射熱が搬送用ロボットアームに影響しないようにして、ＳｉＣ基板の出し入れを行う。
この間、スタンバイ加熱により、ヒータ側面温度（加熱容器側面温度）が１２００℃になるように入力パワーをＰＩＤ制御する。このとき、冷却時にヒータパワーをオフしてしまうと、次のスタンバイ加熱時の昇温開始が大幅に遅れ、温度再現性の劣化や、スループットの低下を招く。
なお、スタンバイ加熱においては、水冷シャッタにより基板ステージの裏面温度の測定はできないため、ヒータ側面温度を測定した。
ＳｉＣ基板が基板ステージ２０に載置された後、エミッション電流値が３Ａになるように電源パワーを制御して、９０秒間で基板ステージ２０の裏面温度が約１２００℃になるまでのガス出しを行い、表面平坦性の劣化を防ぐ。次に、エミッション電流値１０．２Ａで急速に昇温し、基板ステージ裏面温度１５１５℃〜１５３５℃の間はエミッション電流値９．５Ａで、基板ステージ裏面温度１５３５℃〜１５５５℃の間はエミッション電流値８．４Ａで昇温させる。さらに、基板ステージ裏面温度１５５５℃〜１５７５℃の間はエミッション電流値７．３Ａで昇温させ、１５７５℃で１分間はエミッション電流値７．１Ａで加熱保持する。ここで、基板ステージ裏面温度を接点として、エミッション電流値を段階的に下げていくことで、直径φ２００ｍｍの大口径ヒータでも高温を高速かつ安定的に制御できる。
アニール保持時間１分間が終了した後、フィラメント電流値を２０Ａに絞り、基板ステージ２０の上面と加熱容器１１の放熱面１１ａとの距離を７２ｍｍまで拡げて、ＳｉＣ基板を冷却する。基板ステージ裏面温度が１２００℃になったら、基板ステージ２０の上面と加熱容器１１の放熱面１１ａとの距離を１９８ｍｍになるように基板ステージ２０を降下させる。そして、水冷シャッタ２４を閉じ、スリットバルブ２２を開けて、搬送ロボットによりＳｉＣ基板を搬出させ、次のＳｉＣ基板を搬入する。この間は、スタンバイ加熱により、ヒータ１０の側面の温度が１２００℃になるように、放射温度計にて、ヒータ１０の側面の温度を計測し、パワーを制御してヒータ温度を保持させておく。
同様の工程で複数のＳｉＣ基板を順次処理し、最終１０枚目のＳｉＣ基板の処理が完了した後、ロードロック室に回収してスタンバイ加熱を終了させ、一連の処理が完了となる。
このときの基板ステージ裏面温度と処理時間との関係を図４に示すと共に、その拡大図を図５に示す。本実施例によれば、処理時間は１時間４７分であり、スループット５枚／時以上が達成できた。このとき、１０枚全てのＳｉＣ基板のアニール保持温度１５７５℃での最大温度差は＋３℃で、最低温度差は−４℃となり、温度再現性が十分に確保され、基板の品質が保持されていることが判った。
１ 基板加熱処理装置（電子衝撃加熱装置）、３ 処理容器、１０ 加熱装置、１１ 加熱容器、１４ フィラメント、２１ 処理基板、２４ シャッタ機構、４２ 加速電源
Claims (7)
- 真空排気可能な処理容器内に、フィラメントを組み込んだ導電体の加熱容器を備え、
前記フィラメントと前記加熱容器との間に印加された加速電圧で、前記フィラメントから発生する熱電子を加速し、該加速した熱電子を前記加熱容器に衝突させて該加熱容器を加熱し、該加熱容器の熱により基板のアニール処理を行う基板加熱処理装置の温度制御方法であって、
前記処理容器内への前記基板の搬入前に、前記基板のアニール処理温度よりも高温、かつアニール処理時間よりも長時間にて前記処理容器内を加熱した後、前記アニール処理温度を下回る温度まで冷却する予備加熱を行なう工程と、
前記予備加熱工程が終了した前記処理容器内へ前記基板を搬入した後、前記アニール処理温度まで昇温してアニール処理を行う工程と、
を有することを特徴とする基板加熱処理装置の温度制御方法。 - 炭化珪素基板に不純物をイオン注入した後、アニール処理して不純物を活性化させるアニール処理工程を有する半導体デバイスの製造方法において、
請求項１に記載の予備加熱工程を含む温度制御方法により温度制御して前記アニール処理を行うことを特徴とする半導体デバイスの製造方法。 - 真空排気可能な処理容器内に、フィラメントを組み込んだ導電体の加熱容器を備え、
前記フィラメントと前記加熱容器との間に印加された加速電圧で、前記フィラメントから発生する熱電子を加速し、該加速した熱電子を前記加熱容器に衝突させて該加熱容器を加熱し、該加熱容器の熱により基板のアニール処理を行う基板加熱処理装置の温度制御プログラムであって、
前記処理容器内への前記基板の搬入前に、前記基板のアニール処理温度よりも高温、かつアニール処理時間よりも長時間にて前記処理容器内を加熱した後、前記アニール処理温度を下回る温度まで冷却する予備加熱を行なう手順と、
前記予備加熱手順が終了した前記処理容器内へ前記基板を搬入した後、前記アニール処理温度まで昇温してアニール処理を行う手順と、
を基板加熱処理装置の制御装置に実行させることを特徴とする基板加熱処理装置の温度制御プログラム。 - 前記真空排気可能な処理容器と、
フィラメントを組み込んだ導電体の加熱容器を備え、前記フィラメントと前記加熱容器との間に印加された加速電圧で、前記フィラメントから発生する熱電子を加速し、該加速した熱電子を前記加熱容器に衝突させて該加熱容器を加熱し、該加熱容器の放熱面からの熱により基板の熱処理を行う加熱装置と、
前記基板を載置する基板ステージと、
前記処理容器内において、前記基板ステージと前記加熱容器の放熱面とを接近または離間させるために、前記基板ステージと前記加熱装置との少なくともいずれか一方を昇降移動させる昇降装置と、
これらを制御する制御装置とシーケンサを少なくとも備える制御系と、
を備え、
前記制御装置に、請求項３に記載の温度制御プログラムが組み込まれていることを特徴とする基板加熱処理装置。 - 前記基板ステージと前記加熱容器の放熱面とをシャッタで隔壁するためのシャッタ機構を有し、
前記制御装置に、前記基板を搬送する際、前記基板ステージと前記加熱容器の放熱面との間をシャッタで隔離した状態で、前記加熱容器の温度を放射温度計で測定し、該測定温度に基づいて温度制御するスタンバイ加熱の温度制御プログラムが組み込まれていることを特徴とする請求項４に記載の基板加熱処理装置。 - 前記シャッタは水冷シャッタであることを特徴とする請求項５に記載の基板加熱処理装置。
- 請求項３に記載の温度制御プログラムを記録したコンピュータで読み取り可能な記録媒体。
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