JP5982758B2 - マイクロ波照射装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウエハ等の被処理体に対してマイクロ波を照射することにより改質処理やアニール処理等を行うマイクロ波照射装置に関する。

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、膜質の向上及び熱処理の短時間化等が望まれている。

例えば半導体ウエハの表面をアニールや改質する場合には、一般的には加熱ランプや加熱ヒータを有する処理装置を用いて、この処理装置の処理容器内で不活性ガス等の処理ガスの雰囲気中で半導体ウエハを加熱し、アニールや改質処理等を行うようになっている。

ところで、最近にあっては、ドーパントの活性化等のアニール処理や改質処理等を行う場合、不純物の拡散を抑制しつつ、浅い活性層を形成でき、更には格子欠損も修復可能であることからマイクロ波を用いたマイクロ波照射装置が提案されている（特許文献１、２）。

特表２００９−５１６３７５号公報 特開２０１０−１２９７９０号公報

上述のように、マイクロ波を用いることにより各種の処理を短時間で且つ効率的に行うことができる。しかしながら、上記したようなマイクロ波照射装置を用いて各種の処理を行う場合、被処理体である半導体ウエハの温度管理が非常に重要であるが、従来のマイクロ波照射装置にあってはウエハの温度を十分に制御することができない、といった問題があった。また、マイクロ波の投入電力を制御することによりウエハ温度を制御することも考えられるが、処理の態様によっては、マイクロ波の電力とウエハの温度を独立して制御する必要があり、このような態様には対応できないといった問題もあった。このため、上記問題点の早期解決が求められていた。また、別の処理の態様によっては、マイクロ波をウエハに効率的に照射しつつマイクロ波によって加熱されるウエハをできるだけ効率的に冷却することが求められる場合もあった。

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。本発明の一実施例は、被処理体に対してマイクロ波を照射しながら、これとは別個独立して被処理体の温度制御を行うことができるマイクロ波照射装置である。また本発明の他の一実施例は、被処理体に対してマイクロ波を効率的に照射しつつ被処理体を効率的に冷却することが可能なマイクロ波照射装置である。

本発明の関連技術は、被処理体に対してマイクロ波を照射して処理をするマイクロ波照射装置において、前記被処理体を収容する処理容器と、前記被処理体を支持する支持機構と、前記処理容器内へ処理ガスを導入する処理ガス導入手段と、前記処理容器内へマイクロ波を導入するマイクロ波導入手段と、前記被処理体を加熱する加熱手段と、前記被処理体を冷却ガスにより冷却するガス冷却手段と、前記被処理体の温度を測定する放射温度計と、前記放射温度計の測定値に基づいて前記加熱手段と前記ガス冷却手段とを制御することにより前記被処理体の温度を調整する温度制御部と、を備えたことを特徴とするマイクロ波照射装置である。

このような構成により、被処理体に対してマイクロ波を照射しつつ放射温度計で被処理体の温度を測定し、この測定値に基づいて加熱手段とガス冷却手段とを制御することにより被処理体の温度を調整することができる。

請求項１に係る発明は、被処理体に対してマイクロ波を照射して処理をするマイクロ波照射装置において、前記被処理体を収容する処理容器と、前記被処理体を支持する支持機構と、前記処理容器内へ処理ガスを導入する処理ガス導入手段と、前記処理容器内へマイクロ波を導入するマイクロ波導入手段と、前記支持機構の上方に設置されたシャワーヘッド部を有して前記被処理体を冷却ガスにより冷却するガス冷却手段と、前記被処理体の温度を測定する放射温度計と、前記放射温度計の測定値に基づいて前記ガス冷却手段を制御することにより前記被処理体の温度を調整する温度制御部とを備え、前記シャワーヘッド部から前記被処理体の被処理面に向けてシャワー状に冷却ガスを供給しながら前記マイクロ波を導入するように構成したことを特徴とするマイクロ波照射装置である。

このような構成により、被処理体に対してマイクロ波を照射しつつ放射温度計で被処理体の温度を測定し、この測定値に基づいてガス冷却手段を制御することにより被処理体の温度を調整することができる。

本発明の他の関連技術は、被処理体に対してマイクロ波を照射して処理をするマイクロ波照射装置において、前記被処理体を収容する処理容器と、前記被処理体を支持する支持機構と、前記処理容器内へ処理ガスを導入する処理ガス導入手段と、前記処理容器内へマイクロ波を導入するマイクロ波導入手段と、前記被処理体を加熱する加熱手段と、前記被処理体の温度を測定する放射温度計と、前記放射温度計の測定値に基づいて前記加熱手段を制御することにより前記被処理体の温度を調整する温度制御部と、を備えたことを特徴とするマイクロ波照射装置である。

このような構成により、被処理体に対してマイクロ波を照射しつつ放射温度計で被処理体の温度を測定し、この測定値に基づいて加熱手段を制御することにより被処理体の温度を調整することができる。

本発明の更に他の関連技術は、被処理体に対してマイクロ波を照射して処理をするマイクロ波照射装置において、前記被処理体を収容する処理容器と、前記処理容器内の雰囲気を排気する排気系と、前記処理容器内へマイクロ波を導入するマイクロ波導入手段と、前記被処理体の下面に対して冷却ガスを噴射して冷却するガス冷却手段と、前記被処理体を支持するリフトピンを有して前記被処理体を昇降させるリフタ機構と、前記リフトピンに形成された吸引孔を有し、前記吸引孔を吸引通路により前記排気系に接続することにより形成されたチャック機構と、を備えたことを特徴とするマイクロ波照射装置である。

このような構成により、被処理体に対してマイクロ波を効率的に照射しつつ被処理体を効率的に冷却することができる。

本発明に係るマイクロ波照射装置によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
本発明の関連技術によれば、被処理体に対してマイクロ波を照射しつつ放射温度計で被処理体の温度を測定し、この測定値に基づいて加熱手段とガス冷却手段とを制御することにより被処理体の温度を調整することができる。
本発明によれば、被処理体に対してマイクロ波を照射しつつ放射温度計で被処理体の温度を測定し、この測定値に基づいてガス冷却手段を制御することにより被処理体の温度を調整することができる。
本発明の他の関連技術によれば、被処理体に対してマイクロ波を照射しつつ放射温度計で被処理体の温度を測定し、この測定値に基づいて加熱手段を制御することにより被処理体の温度を調整することができる。
本発明の更に他の関連技術によれば、被処理体に対してマイクロ波を効率的に照射しつつ被処理体を効率的に冷却することができる。

本発明に係るマイクロ波照射装置の第１実施例を示す構成図である。 処理容器の天井部におけるマイクロ波導入手段の導波管の配置を示す図である。 ガス冷却手段（処理ガス導入手段）のシャワーヘッド部の下面を示す図である。 本発明に係るマイクロ波照射装置の第２実施例を示す構成図である。 本発明に係るマイクロ波照射装置の第３実施例を示す構成図である。 ガス冷却手段（処理ガス導入手段）の変形例を示す図である。 本発明に係るマイクロ波照射装置の第４実施例を示す構成図である。 ガス冷却手段の冷却ガス噴射箱の近傍を示す平面図である。 リフタ機構のリフトピンの部分を示す拡大断面図である。

以下に、本発明に係るマイクロ波照射装置の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。図１は本発明に係るマイクロ波照射装置の第１実施例を示す構成図、図２は処理容器の天井部におけるマイクロ波導入手段の導波管の配置を示す図、図３はガス冷却手段（処理ガス導入手段）のシャワーヘッド部の下面を示す図である。

＜第１実施例＞
図示するように、このマイクロ波照射装置２は、アルミニウム、アルミニウム合金又はステンレス等により内部が断面円形に成形された筒体状の処理容器４を有している。この処理容器４内には、円板状になされた支持機構としての支持台６が、円筒状になされた支柱８により容器底部より起立されて設けられている。上記支持台６及び支柱８は、アルミニウム、アルミニウム合金又はステンレス等の金属により形成されている。

上記支持台６には、上方へ延びる複数本、ここでは３本の支持ピン１０（図１では２本のみ示す）が設けられており、この支持ピン１０の上端で被処理体である例えば直径が３００ｍｍの半導体ウエハＷの裏面に当接して、これを支持するようになっている。この支持ピン１０は、ウエハＷの周方向へ均等に分散されて配置されている。この支持ピン１０は、誘電率の小さい、すなわち誘電損失が少ない誘電体材料、例えば石英やセラミック材により形成されていると共に、この支持ピン１０は、中空状、すなわち管状に形成されている。この中空状の支持ピン１０の内径は、例えば２ｍｍ程度である。

また上記円筒状の支柱８内は密閉されてチャック用密閉空間１２として形成されている。そして、このチャック用密閉空間１２は上記管状の支持ピン１０と連通されて、真空チャック機構１４として構成されている。従って、後述するように、このチャック用密閉空間を真空引きすることにより、上記支持ピン１０の上端でウエハＷの裏面を吸引して真空吸着するようになっている。

また上記支持台６に支持されたウエハＷを加熱するために、加熱手段１６が設けられている。具体的には、この加熱手段１６は、ここでは上記支持台６の上面側に配置された複数の発光素子ユニット１８を有している。この発光素子ユニット１８は、ウエハＷの下面のほぼ全面に対応されて配置されている。そして、各発光素子ユニット１８には、ＬＥＤ素子やレーザ素子等の多数の発光素子が搭載されており、この発光素子ユニット１８から放射された光によってウエハＷを加熱できるようになっている。尚、上記発光素子ユニット１８を同心円状に区分して、ウエハＷを同心円状にゾーン毎に独立して加熱できるようにしてもよい。この各発光素子ユニット１８は、給電ライン２０に接続されており、この給電ライン２０に設けた加熱電源２２より電力を供給できるようになっている。

また、上記支持台６とウエハＷとの間には、ウエハＷの搬出入時にこれを持ち上げ、持ち下げるリフタ機構２４が設けられる。具体的には、このリフタ機構２４は、円弧状に成形されたリフト板２６と、このリフト板２６の上面側に設けた複数、例えば３本（図１では２本のみ示す）のリフトピン２８とを有している。このリフトピン２８は、ウエハＷの裏面側の周縁部に沿ってほぼ均等の距離になるように配置されており、このリフトピン２８を昇降させることによってウエハＷを上方向へ昇降できるようになっている。

このため、上記リフト板２６は、上記支持台６及び容器底部を貫通して下方へ延びる昇降ロッド３０の上端部に係合されており、この昇降ロッド３０の下部は、これを上下動させるアクチュエータ３２に連結されている。また、上記昇降ロッド３０の容器底部の貫通部には、処理容器４内の気密性を維持しつつ昇降ロッド３０の上下動を許容する金属製のベローズ３４が介設されている。このリフトピン２８やリフト板２６は、誘電体材料である例えば石英やセラミック材により形成されている。

また処理容器４の底部には、処理容器４内の雰囲気を排気する排気口３６が形成されており、この排気口３６には真空排気系３８が接続されている。この真空排気系３８は、上記排気口３６に接続された排気通路４０を有しており、この排気通路４０には、その上流側より下流側に向けて圧力調整弁４２及び真空ポンプ４４が順次介設されて、上述したように処理容器４内の雰囲気を圧力調整しつつ真空引きするようになっている。

更に、上記チャック用密閉空間１２を区画する容器底部には、チャック用排気口４６が設けられている。そして、上記圧力調整弁４２と真空ポンプ４４との間の排気通路４０と上記チャック用排気口４６との間はチャック用排気通路４８により接続されている。また、このチャック用排気通路４８には第１の開閉弁５０が介設されており、この第１の開閉弁５０を開状態にすることにより上記チャック用密閉空間１２内の雰囲気を真空引きしてウエハＷを吸引吸着する真空チャック機能を発揮できるようになっている。

また上記第１の開閉弁５０の上流側のチャック用排気通路４８と上記圧力調整弁４２の上流側の排気通路４０との間は、リリース通路５２により接続されている。そして、このリリース通路５２には第２の開閉弁５４が介設されて、この第２の開閉弁５４を開状態（第１の開閉弁５０は閉状態）にすることにより、ウエハＷが収容されている処理空間とチャック用密閉空間１２との圧力を同圧にしてウエハＷのチャックを解除できるようになっている。

そして、上記処理容器４内の支持台６の周縁部と処理容器４内の側壁との間にはリング状の整流板５６が介設されると共に、この整流板５６には多数の整流孔５８が形成されており、ウエハＷが設置されている処理空間Ｓの雰囲気を下方向へ整流しながら流して排気口３６へ排出するようになっている。

また、処理容器４の側壁には、ウエハＷを搬出入するための搬出入口６０が形成されると共に、この搬出入口６０にはゲートバルブ６２が取り付けられている。そして、この処理容器４には、上記ウエハＷの温度を測定するための放射温度計６４が設けられている。具体的には、この放射温度計６４は、上記処理容器４の底部及び支持台６を貫通して延びる例えば光ファイバよりなるプローブライン６６を有しており、このプローブライン６６の先端は、ウエハＷの裏面に接近させてウエハＷの直下に位置されている。そして、このプローブライン６６で導いた光に基づいて温度計測部６８でウエハＷの温度を求めるようになっている。

そして、この温度計測部６８で求めた測定値を例えばコンピュータよりなる温度制御部７０へ通知し、この測定値に基づいて温度制御部７０は、この第１実施例では上記加熱電源２２と後述するガス冷却手段とを制御することにより、ウエハＷの温度を調整して制御するようになっている。

一方、上記処理容器４の天井部には、この処理容器４内へマイクロ波を導入するためのマイクロ波導入手段７２が設けられている。尚、ここではマイクロ波は、周波数が例えば３００ＭＨｚ〜３０ＧＨｚまでの電磁波を指すものとする。具体的には、上記マイクロ波導入手段７２は、ここでは複数、例えば４基のマイクロ波ユニット７４（図１では２基のみ示す）を有している。尚、このマイクロ波ユニット７４の数量は特に４基には限定されない。具体的には、上記マイクロ波ユニット７４は、それぞれ容器天井部に連結された導波管７６を有している。図２にも示すように、この導波管７６は、断面矩形状に成形されており、容器天井部に、その周方向に沿って等間隔で配置されている。

また、上記容器天井部には開口されたマイクロ波導入ポート７８が設けられると共に、このマイクロ波導入ポート７８には、例えば石英等の誘電体材料よりなる透過窓８０がＯリング等のシール部材８２を介して取り付けられている。そして、上記各導波管７６の下端部が上記透過窓８０に取り付けられており、この透過窓８０を介してマイクロ波を処理容器４内へ導入するようになっている。

上記各導波管７６の途中にはサーキュレータ８４が介設されると共に、その方向が直角方向に曲げられて、その基端部にはマイクロ波発生器８６が設けられている。ここでは２．４５６ＧＨｚや５．８ＧＨｚや２８ＧＨｚのマイクロ波が用いられる。これにより、上記マイクロ波発生器８６で発生したマイクロ波は、上記導波管７６を伝播されてマイクロ波導入ポート７８より処理容器４内へ導入されることになる。また上記サーキュレータ８４には、ダミーロード８８が連結されており、インシュレータの機能を発揮するようになっている。尚、ダミーロード８８は、各マイクロ波ユニット７４毎に設けないで、各マイクロ波ユニット７４間で共用するようにしてもよい。

上記マイクロ波発生器８６の動作は、マイクロ波制御部９０により制御されており、各マイクロ波発生器８６から発生するマイクロ波が例えば重なり合わないようにしている。またこの際、マグネトロンの電源波形は、半波サイン、台形波、矩形波等にすることができる。

また、この処理容器４の天井部には、上記マイクロ波導入手段７２によって導入されたマイクロ波を撹拌するための撹拌機９２が設けられている。具体的には、この撹拌機９２は、処理容器４内の天井部の直下に配置された撹拌プロペラ９４を有している。この撹拌プロペラ９４の回転軸９６は、磁性流体シール９８を介して天井部を気密に貫通しており、回転モータ９９により回転されるようになっている。そして、上記撹拌プロペラ９４は、金属やＰＺＴ等の複合セラミックやクォーツサファイヤ等よりなる誘電損失の小さな高誘電材料により形成されており、この撹拌プロペラ９４を回転することによりマイクロ波を撹拌して処理容器４内にマイクロ波の定在波が発生することを防止するようになっている。

また、この撹拌プロペラ９４と支持台６との間には、この処理容器４内を上下に区分する仕切板１００が設けられており、上記撹拌プロペラ９４から落下するパーティクルがウエハＷの上面に付着しないようにしている。この仕切板１００は、誘電率の小さい誘電体材料、例えば石英やセラミック材やテフロン（登録商標）により形成されており、マイクロ波をできるだけ吸収しないで効率的に透過するようになっている。具体的には、この仕切板１００の材料としては、誘電率が４．０以下で、タンデルタ（誘電正接）が０．０００１以下の誘電体材料を用いるのが好ましい。また、この仕切板１００の周辺部には、複数の連通孔１０２が形成されており、この仕切板１００の上下の空間を連通するようになっている。

これにより、仕切板１００の上下の空間の差圧が解消されるので、その仕切板１００の厚さをできるだけ薄くすることができる。また、上記連通孔１０２は、この下方に位置する整流板５６に形成した整流孔５８と、この上下方向において同じ領域に形成するのが好ましく、これによれば、上記撹拌プロペラ９４を収容した空間の雰囲気が連通孔１０２を通って排出される場合にウエハＷの方向に拡散することなく、そのまま直下方向の整流孔５８に向かってダウンフローとなって排出することが可能となる。

また、この処理容器４には、上記半導体ウエハＷを冷却ガスにより冷却するガス冷却手段１０４が設けられている。ここでは、上記ガス冷却手段１０４は、処理容器４内へ処理ガスを導入する処理ガス導入手段１０６と兼用されている。具体的には、このガス冷却手段１０４は、ここではウエハＷの上方であって仕切板１００の下方に配置されたシャワーヘッド部１１０を有している。このシャワーヘッド部１１０は、図３にも示すように、同心円状に配置された複数、図示例では２つの大小のリング状の分散管１１２Ａ、１１２Ｂを有しており、これらの分散管１１２Ａ、１１２Ｂは連通管１１４で接続されると共に互いに連通されている。

そして、上記分散管１１２Ａ、１１２Ｂの下面側には、その周方向に沿って等間隔で多数のガス噴射孔１１６が形成されており、下方向のウエハＷの表面に向けて冷却ガス（処理ガス）を噴射し得るようになっている。このシャワーヘッド部１１０は、誘電率の低い材料、例えば石英やセラミック材等により形成されており、マイクロ波をできるだけ吸収しないようになっている。

またこのシャワーヘッド部１１０は、容器側壁に支持されていると共に、このシャワーヘッド部１１０には、ガス通路１１８が接続されている。そして、このガス通路１１８にはマスフローコントローラのような流量制御器１２０が介設されており、冷却ガス（処理ガス）を流量制御しつつ供給できるようになっている。この場合、ウエハＷの冷却効率を高めるためには、シャワーヘッド部１１０をできるだけウエハＷに接近させて設けるのがよい。この場合、ウエハＷとシャワーヘッド部１１０との間の距離は例えば１０〜３００ｍｍ程度に設定されている。ここでは、冷却ガスと処理ガスとを兼用するガスとしてＡｒガス或いはＮ_２ ガス、又はこれらの両ガスを供給している。この冷却ガス及び処理ガスとして、上記の他にＨｅ、Ｎｅ等の他の希ガスを用いるようにしてもよい。また、処理の態様によっては、冷却ガスや処理ガスとして水素や酸素等を用いる場合もある。

そして、前述したように、上記温度制御部７０は、温度計測部６８での測定値に基づいて、上記処理ガス導入手段１０６の流量制御器１２０及び加熱電源２２を制御してウエハＷの温度を調整し得るようになっている。

そして、このマイクロ波照射装置２の全体の動作は、例えばマイクロコンピュータ等よりなる装置制御部１２２により制御されるようになっており、この動作を行うコンピュータのプログラムはフレキシブルディスクやＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ）やフラッシュメモリやハードディスク等の記憶媒体１２４に記憶されている。具体的には、この装置制御部１２２からの指令により、ガスの供給や流量制御、マイクロ波の供給や電力制御、ウエハ温度やプロセス圧力の制御等が直接的、或いは間接的に行われる。

次に、上記マイクロ波照射装置２を用いて行われる処理（アニール処理や改質処理等）について説明する。まず、開かれたゲートバルブ６２を介して半導体ウエハＷを搬送アーム（図示せず）により処理容器４内に収容し、リフタ機構２４のリフトピン２８を上下動させることによりウエハＷを支持台６の支持ピン１０上に載置し、ゲートバルブ６２を閉じて処理容器４内を密閉する。この場合、上記半導体ウエハＷとしては、単体の半導体基板、例えばシリコン基板を用いてもよい。

ここで真空排気系３８の真空ポンプ４４は連続駆動されており、チャック用排気通路４８に介設した第１の開閉弁５０を開状態（第２の開閉弁５４は閉状態）にすることにより、支持台６の下方のチャック用密閉空間１２を真空引きして減圧し、これによりチャック機能が発揮されて中空状の支持ピン１０上に載置されているウエハＷの裏面を真空吸着してウエハＷを吸着固定する。尚、この真空吸着を解除するには、上記第１の開閉弁５０を閉状態にすると共に、リリース通路５２に介設した第２の開閉弁５４を開状態にすることにより、チャック用密閉空間１２と処理空間Ｓとを同圧にすればよい。

次に、上述のようにウエハＷを吸着したならば、処理容器４内にガス冷却手段１０４を兼用する処理ガス導入手段１０６のシャワーヘッド部１１０より、処理ガスとしてＡｒガスやＮ_２ ガスを流量制御しつつ供給する。この場合、処理空間Ｓのプロセス圧力は、処理態様にもよるが、例えば数１００Ｔｏｒｒ程度であり、チャック用密閉空間１２の圧力は、チャック機能を発揮するためにこれよりも低い数１０ｍｍＴｏｒｒである。

また、加熱手段１６の加熱電源２２より各発光素子ユニット１８へ電力を供給し、この発光素子ユニット１８に搭載されているＬＥＤ素子やレーザ素子から光を放射してウエハＷの裏面に当て、ウエハＷを昇温して所定の温度まで加熱する。これと同時に、マイクロ波導入手段７２の各マイクロ波ユニット７４のマイクロ波発生器８６を駆動してマイクロ波を発生させる。このマイクロ波は、導波管７６を伝播して処理容器４の天井部に形成した各マイクロ波導入ポート７８より処理容器４内へ導入され、このマイクロ波は更に仕切板１００を透過してウエハＷの表面に照射される。このように、マイクロ波がウエハＷに照射されると、ジュール加熱、磁性加熱、誘電加熱等の電磁波加熱によりウエハＷは更に迅速に加熱されることになり、この結果、アニール処理や改質処理等が行われることになる。

ここでウエハのプロセス温度が比較的高い場合には、マイクロ波だけで高温まで加熱しようとすると、ウエハ表面に放電が生ずる場合がある。そこで、上述のように別途に加熱手段１６を設けてウエハの加熱を補助することにより、ウエハ表面に放電を生ずることなくこれを高温まで加熱することができる。この時のウエハ温度は、例えば１００〜４００℃程度の範囲内である。また、このマイクロ波の処理中は、容器天井部に設けた撹拌機９２の撹拌プロペラ９４を旋回させておく。このように、処理容器４内に導入されたマイクロ波を撹拌プロペラ９４により撹拌することにより処理容器４内に定在波が発生することを防止し、ウエハ処理の面内均一性を向上させることができる。

このようなウエハ処理中において、ウエハＷの裏面側に配置した放射温度計６４のプローブライン６６によってウエハＷの放射光が取り込まれ、温度測定部６８によってウエハＷの温度が連続的に測定されている。この測定値は温度制御部７０へ伝達され、温度制御部７０はこの測定値に基づいて加熱電源２２を制御して発光素子ユニット１８への供給電力を増減すると共に、ガス冷却手段（処理ガス導入手段）１０４の流量制御器１２０を制御して冷却ガス（処理ガス）の流量を増減してウエハＷの温度を調整、すなわちコントロールする。

ここでウエハＷの温度に依存して、マイクロ波の吸収率が変動する場合があるので、ここでは例えばマイクロ波の供給電力を一定にしつつ、ウエハＷが所定の温度を維持するように発光素子ユニット１８への供給電力を制御したり、ウエハＷの表面に吹き付ける冷却ガスの流量を制御したりする。これにより、ウエハＷの温度をマイクロ波の供給電力とは別個独立に制御することができる。

また、上記撹拌プロペラ９４の回転によりパーティクル等が発生する危惧が生じるが、発生したパーティクルはこの下方の仕切板１００によって受けられるので、ウエハＷの表面に落下することはない。また、発生したパーティクルがこの領域空間の雰囲気と共に連通孔１０２を介して処理空間Ｓに流れ込んだ場合には、この流れ出た雰囲気はこの真下に位置する整流板５６の整流孔５８に向けて流れて行くので、この点からもウエハＷの表面にパーティクルが付着することを防止することができる。

以上のように、被処理体である半導体ウエハＷに対してマイクロ波を照射しつつ放射温度計６４で被処理体の温度を測定し、この測定値に基づいて加熱手段１６とガス冷却手段１０４とを制御することによりマイクロ波の照射量とは独立して被処理体の温度を調整することができる。

＜第２実施例＞
次に本発明のマイクロ波照射装置の第２実施例について説明する。半導体ウエハＷの処理態様によっては、ウエハＷの温度をそれ程高くする必要はなく、マイクロ波照射による加熱量で十分に目標とする温度滞域までウエハ温度を昇温できる場合がある。このような場合には、先の第１実施例で用いた加熱手段１６を不要にすることができる。図４はこのような本発明に係るマイクロ波照射装置の第２実施例を示す構成図である。尚、図４において、先の図１乃至図３に示した部分と同一構成部分については同一参照符号を付してその説明を省略する。

図４に示すように、ここでは図１に示す構成から加熱手段１６を構成する発光素子ユニット１８及び加熱電源２２（図１参照）を取り除いた構成となっており、他の構成は図１に示す構成と同じである。また、加熱手段１６を取り除いたので、温度制御部７０は、ガス冷却手段１０４（処理ガス導入手段１０６）で冷却ガスの流量を制御することにより、ウエハＷの温度調整を行うことになる。

この場合にも、第１実施例と同様の作用効果を発揮することができる。すなわち、被処理体である半導体ウエハに対してマイクロ波を照射しつつ放射温度計６４で被処理体の温度を測定し、この測定値に基づいてガス冷却手段１０４を制御することにより被処理体の温度を調整することができる。

＜第３実施例＞
次に本発明のマイクロ波照射装置の第３実施例について説明する。半導体ウエハＷの処理態様によっては、プロセス温度が比較的高くウエハＷの温度をガス冷却手段を用いて冷却する必要はなく、加熱手段の制御で十分に目標とする温度にウエハ温度を制御できる場合がある。このような場合には、先の第１実施例で用いたガス冷却手段１０４を不要にすることができる。図５はこのような本発明に係るマイクロ波照射装置の第３実施例を示す構成図である。尚、図５において、先の図１乃至図３に示した部分と同一構成部分については同一参照符号を付してその説明を省略する。

図５に示すように、ここでは図１に示す構成からガス冷却手段１０４を取り除いた構成となっており、他の構成は図１に示す構成と同じである。すなわち、図１に示す場合は、ガス冷却手段１０４と処理ガス導入手段１０６とは兼用されていたので、ここではシャワーヘッド部１１０や流量制御器１２０は処理ガス導入手段１０６として機能することになる。また、ガス冷却手段１０４を取り除いたので、温度制御部７０は、加熱手段１６の加熱電源２２のみを制御することにより、ウエハＷの温度調整を行うことになる。

この場合にも、第１実施例と同様の作用効果を発揮することができる。すなわち、被処理体である半導体ウエハに対してマイクロ波を照射しつつ放射温度計６４で被処理体の温度を測定し、この測定値に基づいて加熱手段１６を制御することにより被処理体の温度を調整することができる。

＜ガス冷却手段（処理ガス導入手段）の変形例＞
次に、ガス冷却手段（処理ガス導入手段）の変形例について説明する。先に説明した第１〜第３実施例においては、ガス冷却手段１０４或いは処理ガス導入手段１０６は、同心円状に配置された２本の分散管１１２Ａ、１１２Ｂ（図３参照）を有していたが、これに限定されず、ノズルを用いてもよい。図６はガス冷却手段（処理ガス導入手段）の変形例を示す図である。尚、図６において先に説明した図と同一構成部分については同一参照符号を付して、その説明を省略する。

図６に示すように、ここではシャワーヘッド部１１０（図１参照）を設けておらず、これに代えて処理容器４の側壁を貫通させるようにして複数本のガスノズル１３０を設けており、このガスノズル１３０の先端をウエハＷの表面に斜め上方より接近させて向けている。これにより噴射される冷却ガス（処理ガス）を直接的にウエハＷの表面に当てて冷却効率を上げるようになっている。また、このガスノズル１３０の数は特に制限されない。

尚、以上の各実施例（第３実施例を除く）の説明では、ガス冷却手段１０４と処理ガス導入手段１０６とを兼用するようにしたが、これに限定されず、両者を分離してそれぞれ別個に設けるようにしてもよい。例えばガス冷却手段１０４として図６に示したようなガスノズル１３０を有するものを用い、処理ガス導入手段１０６として図１に示すようなシャワーヘッド部１１０を有するものを用いてもよいし、或いは両者を逆にして用いるようにしてもよい。また、ここでは加熱手段１６としてＬＥＤ素子やレーザ素子を備えた発光素子ユニット１８（図１参照）を用いたが、これに限定されず、ハロゲンランプ、水銀ランプ、フラッシュランプ等の加熱ランプを用いるようにしてもよい。

＜第４実施例＞
次に、本発明のマイクロ波照射装置の第４実施例について説明する。半導体ウエハの処理態様によっては、先の第２実施例と同様に、例えば下地膜等を熱的に保護する目的でウエハＷのプロセス温度を低く抑えたい場合がある。このような場合には、第１実施例で用いた加熱手段１６は不要になると共に、マイクロ波照射による加熱量でもウエハ温度はかなり上昇するので、プロセス中にはウエハを効率的に冷却する必要がある。

図７はこのような本発明に係るマイクロ波照射装置の第４実施例を示す構成図、図８はガス冷却手段の冷却ガス噴射箱の近傍を示す平面図、図９はリフタ機構のリフトピンの部分を示す拡大断面図である。図７乃至図９において、先の図１乃至図６に示した部分と同一構成部分については同一参照符号を付してその説明を省略する。

図７にも示すように、この第４実施例のマイクロ波照射装置では、処理容器４の天井部には、先の第１実施例と同様にマイクロ波導入手段７２及び撹拌機９２は設けられている。しかし、マイクロ波照射の障害となる仕切板１００及びシャワーヘッド部１１０（図１参照）は設けられておらず、天井部に設けたマイクロ波導入手段７２のマイクロ波導入ポート７８からマイクロ波を被処理体である半導体ウエハＷに向けて直接的に照射できるようになっている。

そして、この処理容器４内には、上記半導体ウエハＷを支持するリフトピン１３２を有してこのウエハＷを昇降させるリフタ機構１３４と、上記ウエハＷの下面に対して冷却ガスを噴射して冷却するガス冷却手段１３６とが設けられ、更に、上記リフタ機構１３４にウエハＷを吸着させる真空チャック機構１３８が設けられる。

具体的には、上記リフタ機構１３４は、上記リフトピン１３２と、このリフトピン１３２の下端部に連結されてリフトピン１３２を支持するリフト板１４０と、このリフト板１４０にその上端部が連結された昇降ロッド１４２と、この昇降ロッド１４２を昇降させるアクチュエータ１４４とを有している。上記リフトピン１３２は複数本、例えば３本（図７では２本のみ記す）が円周上に等間隔で配置されている（図８参照）。

そして、上記リフト板１４０は、例えば円形リング状に形成されており、このリフト板１４０の上面に上記リフトピン１３２の下端部が接合して連結されている。尚、このリフト板１４０は、円弧形状、或いは円板状に成形してもよい。そして、上記リフトピン１３２の上端を上記ウエハＷの下面の周縁部に当接させてこれを支持するようになっている。

上記リフト板１４０の一端部には、上記昇降ロッド１４２の上端部が接合して連結されており、この昇降ロッド１４２の下部は、下方向へ延びて処理容器４の底部を貫通している。そして、この昇降ロッド１４２の下端部側に上記アクチュエータ１４４を連結しており、上記リフト板１４０及びリフトピン１３２を一体的に昇降できるようになっている。また上記昇降ロッド１４２の容器底部の貫通部には、金属製のベローズ１４６が介設されており、処理容器４内の気密性を維持しつつ昇降ロッド１４２の上下動を許容するようになっている。

ここで上記リフトピン１３２、リフト板１４０及び昇降ロッド１４２は、マイクロ波に対する吸収が少ない誘電体材料である石英（ＳｉＯ_２ ）やアルミナ（Ａｌ_２ Ｏ_３ ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）等のセラミック材により形成されている。本実施例では、上記各リフトピン１３２に、吸引孔１５０が形成されており、この吸引孔１５０が上記真空チャック機構１３８の一部を形成している。具体的には、上記吸引孔１５０は、リフトピン１３２の中心部にその長さ方向に沿って形成されており、また上記リフト板１４０及び昇降ロッド１４２の内部には、これらに沿って吸引通路１５２が形成されている。この吸引通路１５２の先端部は、上記リフトピン１３２に形成した吸引孔１５０の下端部に連通されている。

更に、上記昇降ロッド１４２に形成した吸引通路１５２の下端部は、昇降ロッド１４２の上下動を許容する金属製のベローズ１５４を介してチャック用排気通路４８に接続されている。そして、このチャック用排気通路４８の他端は真空排気系３８の圧力調整弁４２と真空ポンプ４４との間の排気通路４０に接続されている。

そして、このチャック用排気通路４８には第１の開閉弁５０が介設されており、この第１の開閉弁５０を開状態にすることにより上記吸引通路１５２内及び吸引孔１５０内の雰囲気を真空引きしてウエハＷを吸引吸着する真空チャック機能を発揮できるようになっている。

また上記第１の開閉弁５０の上流側のチャック用排気通路４８と上記圧力調整弁４２の上流側の排気通路４０との間は、リリース通路５２により接続されている。そして、このリリース通路５２には第２の開閉弁５４が介設されて、この第２の開閉弁５４を開状態（第１の開閉弁５０は閉状態）にすることにより、ウエハＷが収容されている処理空間と吸引孔１５０内との圧力を同圧にしてウエハＷのチャックを解除できるようになっている。

ここで、上記リフトピン１３２の上端部は、図９にも示すように拡径されており、吸引孔１５０内の上端部である吸引ポート１５６の直径を大きくして吸引面積が拡大されており、ウエハＷに対して適正な吸引力を発生するようになっている。この場合、吸引ポート１５６の直径は、後述するようにウエハＷの裏面に対して吹き付けられる冷却ガスによりウエハＷが上方へ吹き飛ばされず且つ過度に大きな吸引力を発生しないような大きさに設定される。この吸引ポート１５６の直径Ｄ１の大きさは、真空排気系３８の排気吸引能力にもよるが、例えば２〜１０ｍｍの範囲内の大きさであり、ここでは例えば３ｍｍに設定されている。

そして、上記リフトピン１３２に支持されたウエハＷの下面に対して冷却ガスを噴射する上記ガス冷却手段１３６は、上記ウエハＷの下方に配置された冷却ガス噴射箱１５８を有している。この冷却ガス噴射箱１５８は、ウエハＷの直径よりも少し大きくなされた円形の箱状、或いは容器状に成形されている。この冷却ガス噴射箱１５８は、処理容器４の底部より起立された支柱８により支持されている。この場合、先の第１実施例のように直径の大きな円筒状の１本の支柱８を用いてもよいし、或いは直径の小さな円柱状の複数本の支柱８を用いてもよい。

ここでは直径の小さな円柱状の複数本の支柱８により上記冷却ガス噴射箱１５８を支持している。そして、この冷却ガス噴射箱１５８の内部には、ガス拡散室１６０が形成されている。この冷却ガス噴射箱１５８の上面区画壁には、複数のガス噴射孔１６２が全面に亘ってほぼ均等に分散させて設けられており、各ガス噴射孔１６２からウエハＷの下面に向けて冷却ガスを吹き付けることにより、上記ウエハＷを冷却できるようになっている。

また上記冷却ガス噴射箱１５８には、上記リフトピン１３２の設置位置に対応させてピン挿通管１６４が上下方向に沿って形成されており、このピン挿通管１６４内に沿って上記リフトピン１３２を挿通させるようになっている。このピン挿通管１６４内は、上記ガス拡散室１６０に対して気密に区画されている。上記冷却ガス噴射箱１５８は、アルミニウムやアルミニウム合金等の金属汚染の少ない金属や石英やセラミック材等により成形することができる。

また上記冷却ガス噴射箱１５８からは下方に向けてガス導入管１６６が延びており、このガス導入管１６６は、Ｏリング等のシール部材１６８を介して下方へ貫通されている。そして、このガス導入管１６６にはガス通路１１８が接続されている。このガス通路１１８には、マスフローコントローラのような流量制御器１２０や開閉弁１７０が介設されており、ＡｒやＮ_２ 等の冷却ガスを流量制御しつつ供給できるようになっている。上記冷却ガスとしてＨｅ、Ｎｅ等の他の希ガスを用いてもよい。

そして、上記冷却ガス噴射箱１５８の周縁部と処理容器４内の側壁との間にはリング状の整流板５６が介設されると共に、この整流板５６には多数の整流孔５８が形成されており、ウエハＷが設置されている処理空間Ｓの雰囲気を下方向へ整流しながら流して排気口３６へ排出するようになっている。

次に、上記マイクロ波照射装置を用いて行われる処理（アニール処理や改質処理等）について説明する。まず、開かれたゲートバルブ６２を介して半導体ウエハＷを搬送アーム（図示せず）により処理容器４内に収容し、リフタ機構１３４のリフトピン１３２を上昇させることによってリフトピン１３２の上端でウエハＷの下面を突き上げてウエハＷを受け取り、搬送アームを後退させた後にゲートバルブ６２を閉じて処理容器４内を密閉する。この場合、上記半導体ウエハＷとしては、単体の半導体基板、例えばシリコン基板を用いてもよい。

ここで真空排気系３８の真空ポンプ４４は連続駆動されており、真空チャック機構１３８のチャック用排気通路４８に介設した第１の開閉弁５０を開状態（第２の開閉弁５４は閉状態）にすることにより、リフタ機構１３４のリフト板１４０及び昇降ロッド１４２に形成した吸引通路１５２内及びリフトピン１３２に形成した吸引孔１５０内の雰囲気を真空引きして減圧し、これによりチャック機能が発揮されてリフトピン１３２上に載置されているウエハＷの裏面を真空吸着してウエハＷを吸着固定する。尚、この真空吸着を解除するには、上記第１の開閉弁５０を閉状態にすると共に、リリース通路５２に介設した第２の開閉弁５４を開状態にすることにより、チャック用密閉空間１２と処理空間Ｓとを同圧にすればよい。

次に、上述のようにウエハＷを吸着したならば、リフトピン１３２をプロセスを行う位置まで降下させてリフトピン１３２を停止させる。この場合、ウエハＷは冷却ガス噴射箱１５８の上面に接しないでこの上方に位置させて停止されており、この状態でプロセスが開始される。

そして、ガス冷却手段１３６を駆動してガス拡散室１６０内へ冷却ガスとしてＡｒガスやＮ_２ ガスを流量制御しつつ供給して拡散させ、この冷却ガスを各ガス噴射孔１６２から上方へ吹き出してウエハＷの下面全体に亘って冷却ガスを吹き付け、ウエハＷの冷却を開始する。この時、ウエハＷの下面と冷却ガス噴射箱１５８の上面との間は所定の幅Ｈ１の隙間が形成されており、各ガス噴射孔１６２から吹き出された冷却ガスがウエハＷの裏面全体に均一に行き亘ることができる。上記隙間の幅Ｈ１は、例えば数ｍｍ〜数ｃｍの範囲内である。この場合、処理空間Ｓのプロセス圧力は、処理態様にもよるが、例えば数１００Ｔｏｒｒ程度であり、吸引孔１５０内の圧力は、チャック機能を発揮するためにこれよりも低い数１０ｍｍＴｏｒｒである。

これと同時に、マイクロ波導入手段７２の各マイクロ波ユニット７４のマイクロ波発生器８６を駆動してマイクロ波を発生させる。このマイクロ波は、導波管７６を伝播して処理容器４の天井部に形成した各マイクロ波導入ポート７８より処理容器４内へ導入され、このマイクロ波はウエハＷの表面に直接的に照射される。このように、マイクロ波がウエハＷに照射されると、ジュール加熱、磁性加熱、誘電加熱等の電磁波加熱によりウエハＷは迅速に加熱されることになり、この結果、アニール処理や改質処理等が行われることになる。

ここで、マイクロ波の吸収によりウエハＷは昇温するので、上述のように冷却ガス噴射箱１５８の各ガス噴射孔１６２よりウエハＷの下面に冷却ガスを噴射してウエハＷを冷却している。この場合、ウエハＷの下面に冷却ガスがほぼ均一に吹き付けられるので、ウエハ温度の面内均一性を高くすることができる。この時のウエハのプロセス温度は、例えば１００〜４００℃程度の範囲内である。

また、ウエハＷの下面に冷却ガスを吹き付けることでウエハＷには上方への浮力が発生するが、ウエハＷを裏面から支持するリフトピン１３２が真空チャック機構１３８を兼ねているのでウエハＷの位置ずれを防ぎつつ確実に冷却することができる。また、ここではリフトピン１３２の上端に設けた吸引ポート１５６の直径を適切に調整して最適化してこの吸引ポート１５６で発生する吸引力とウエハＷの下面に吹き付けられる冷却ガスにより発生する浮上力とがほぼ同じになるか、或いは吸引力の方が僅かに大きくなるように設定している。従って、ウエハＷが熱伸縮しても、この熱伸縮は容易に許容されてウエハＷの下面とリフトピン１３２の上端面との間で大きな摩擦力が発生せず、パーティクルの発生やウエハ下面が損傷することを抑制することができる。

また、ウエハＷがマイクロ波を吸収するのに最適なウエハＷの下面と冷却ガス噴射箱１５８の上面との隙間の幅Ｈ１は、照射されるマイクロ波の条件により変化するが、ウエハＷをリフトピン１３２に保持したままマイクロ波の照射が行えるので、幅Ｈ１を適切な値にした上でウエハＷの処理を行うことができる。このように、本実施例では、被処理体である例えば半導体ウエハＷに対してマイクロ波を効率的に照射しつつ被処理体を効率的に冷却することができる。

尚、ここでは冷却ガスの流量は固定的に設定したが、これに限定されず、第１実施例のようにウエハ温度を測定する放射温度計を設けて、この検出温度で冷却ガスの流量をフィードバック制御することにより、ウエハＷの温度を制御するようにしてもよい。

またここでは、処理容器４内へは冷却ガスのみ導入しているが、処理態様によってはＨ_２ 等の還元ガスやＯ_２ 等の酸化ガス等の処理ガスを用いる場合があり、このような場合には、上記ガス冷却手段１３６のガス通路１１８に処理ガス通路を接続して流量制御しつつ処理ガスを導入し、冷却ガスと処理ガスとを混合状態で供給するように構成すればよい。この場合には、ガス冷却手段と処理ガス導入手段とが兼用されることになる。

また、上記処理ガスを導入する場合には、ガス冷却手段１３６とは別個に、図１に示したようにシャワーヘッド部１１０を有する処理ガス導入手段１０６を処理容器４内の上方に設けるようにしてもよい。

また更に、上記第４実施例では、ガス冷却手段１３６として冷却ガス噴射箱１５８を用いたが、これに限定されず、例えば図１及び図３に示すように複数の分散管１１２Ａ、１１２Ｂと連通管１１４とよりなるシャワーヘッド部１１０を用いてもよい。この場合には、このシャワーヘッド部１１０をウエハＷの下方に配置し、各ガス噴射孔１１６を上方に向けてウエハＷの下面に冷却ガスを吹き付けるようにする。また、処理態様によっては、ウエハＷの下面と冷却ガス噴射箱１５８の上面との間の隙間の幅Ｈ１（図９参照）を異ならせるようにしてもよい。

また、ここでは被処理体として半導体ウエハを例にとって説明したが、この半導体ウエハにはシリコン基板やＧａＡｓ、ＳｉＣ、ＧａＮなどの化合物半導体基板も含まれ、更にはこれらの基板に限定されず、液晶表示装置に用いるガラス基板やセラミック基板等にも本発明を適用することができる。

２ マイクロ波照射装置
４ 処理容器
６ 支持台
１０ 支持ピン
１２ チャック用密閉空間
１４ 真空チャック機構
１６ 加熱手段
１８ 発光素子ユニット
２２ 加熱電源
３８ 真空排気系
６４ 放射温度計
６６ プローブライン
６８ 温度測定部
７０ 温度制御部
７２ マイクロ波導入手段
７４ マイクロ波ユニット
８６ マイクロ波発生器
９２ 撹拌機
９４ 撹拌プロペラ
１０４ ガス冷却手段
１０６ 処理ガス導入手段
１１０ シャワーヘッド部
１３２ リフトピン
１３４ リフタ機構
１３６ ガス冷却手段
１３８ 真空チャック機構
１４０ リフト板
１４２ 昇降ロッド
１４４ アクチュエータ
１５０ 吸引孔
１５２ 吸引通路
１５８ 冷却ガス噴射箱
１６０ ガス拡散室
１６２ ガス噴射孔
１６４ ピン挿通管
Ｗ 半導体ウエハ（被処理体）

Claims (8)

1. 被処理体に対してマイクロ波を照射して処理をするマイクロ波照射装置において、
   前記被処理体を収容する処理容器と、
   前記被処理体を支持する支持機構と、
   前記処理容器内へ処理ガスを導入する処理ガス導入手段と、
   前記処理容器内へマイクロ波を導入するマイクロ波導入手段と、
   前記支持機構の上方に設置されたシャワーヘッド部を有して前記被処理体を冷却ガスにより冷却するガス冷却手段と、
   前記被処理体の温度を測定する放射温度計と、
   前記放射温度計の測定値に基づいて前記ガス冷却手段を制御することにより前記被処理体の温度を調整する温度制御部とを備え、
   前記シャワーヘッド部から前記被処理体の被処理面に向けてシャワー状に冷却ガスを供給しながら前記マイクロ波を導入するように構成したことを特徴とするマイクロ波照射装置。
2. 前記ガス冷却手段と前記ガス導入手段とは兼用されていることを特徴とする請求項１記載のマイクロ波照射装置。
3. 前記処理容器内の天井部には、前記マイクロ波導入手段より導入されるマイクロ波を撹拌する撹拌機が設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載のマイクロ波照射装置。
4. 前記撹拌機と前記支持機構との間には、誘電体よりなる仕切板が設けられていることを特徴とする請求項３記載のマイクロ波照射装置。
5. 前記仕切板の周辺部には、前記仕切板で仕切られた上下の空間を連通するための連通孔が形成されていることを特徴とする請求項４記載のマイクロ波照射装置。
6. 前記被処理体は、前記支持機構上に複数の支持ピンを介して支持されてい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マイクロ波照射装置。
7. 前記支持ピンは中空になされており、前記被処理体の裏面を吸着するチャック機構として形成されていることを特徴とする請求項６記載のマイクロ波照射装置。
8. 前記支持機構の下部は、前記チャック機構の一部を形成するために真空引きされたチャック用密閉空間として形成されていると共に、前記チャック用密閉空間と前記支持ピンとは連通されていることを特徴とする請求項７記載のマイクロ波照射装置。

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