JP6785848B2 - ミリ秒アニールシステムのためのガスフロー制御 - Google Patents

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Description

優先権の主張
本願は、２０１５年１２月３０日に出願された、米国仮特許出願第６２／２７２，８０４号、発明の名称「Ｇａｓ Ｆｌｏｗ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ Ｍｉｌｌｉｓｅｃｏｎｄ Ａｎｎｅａｌ Ｓｙｓｔｅｍ」の優先権の利益を主張するものであり、この文献は参照によって本願に組み込まれる。
分野
本発明は、一般的に、基板、例えば半導体基板を処理するために使用される熱プロセスチャンバに関し、より詳細にはミリ秒アニール熱プロセスチャンバに関する。
ミリ秒アニールシステムは、基板、例えばシリコンウェハを超高速に熱処理するための半導体プロセスに使用することができる。半導体プロセスにおいては、ドーパント種の拡散を制御しつつ、それと同時に、注入ダメージを回復させるため、堆積された層の品質を向上させるため、層界面の品質を向上させるため、ドーパントを活性化させるため、また他の目的を達成するために、高速な熱処理をアニールステップとして使用することができる。
毎秒１０4℃を上回ることができる割合で基板の上面全体を加熱するために、集中的で短時間の露光を使用することによって、半導体基板のミリ秒の、または超高速の温度処理を達成することができる。基板の一方の表面のみを高速に加熱することによって、基板の厚さにわたり大きい温度勾配を生じさせることができ、その一方で、基板のバルクは、露光の前に温度を維持する。したがって、基板のバルクはヒートシンクとして機能し、その結果、上面の高速な冷却速度が生じる。
本発明の実施の形態の態様および利点は、下記の明細書において部分的に明らかになるか、明細書から理解されるか、または実施の形態の実践によって理解される。
本発明の１つの例示的な態様は、熱処理システムに関する。熱処理システムは、ウェハ面プレートによって下部チャンバから隔てられている上部チャンバを含んでいる。システムは、基板の熱処理のために熱を供給するように構成されている複数の熱源を含んでいる。システムは、プロセスチャンバにガスを注入するように構成されている複数のガス注入口を含んでいる。ガス注入口の向き、大きさ、位置、形状、または配置のうちの１つまたは複数は、ウェハ面プレートにわたる層流を増大させるように構成されている。
本発明の別の例示的な態様は、ミリ秒アニールシステムに関する。ミリ秒アニールシステムは、ウェハ面プレートによって下部チャンバから隔てられている上部チャンバを有しているプロセスチャンバを含んでいる。システムは、基板の熱処理のために閃光を供給するように構成されている１つまたは複数のアークランプを含んでいる。システムは、プロセスチャンバにガスを注入するように構成されている１つまたは複数のガス注入口を含んでいる。ウェハ面プレートは、少なくとも１つのガスチャネルを有している。ガスチャネルの長さは、プロセスチャンバの幅にほぼ等しい。
本発明の別の例示的な態様は、ミリ秒アニールシステムに関する。ミリ秒アニールシステムは、ウェハ面プレートによって下部チャンバから隔てられている上部チャンバを有しているプロセスチャンバを含んでいる。システムは、基板の熱処理のために閃光を供給するように構成されている１つまたは複数のアークランプを含んでいる。システムは、プロセスチャンバにガスを注入するように構成されている１つまたは複数のガス注入口を含んでいる。システムは、平行な関係でウェハ面プレートの上に配置されている線形プレートを含むことができる。
本発明の他の例示的な態様は、基板を熱処理するための、システム、方法、装置およびプロセスに関する。
種々の実施の形態のそれらの特徴、態様および利点ならびに他の特徴、態様および利点は、下記の明細書および添付の特許請求の範囲を参照することにより一層理解されるであろう。本願に組み込まれ、また本願の一部を成す添付の図面は、本発明の実施の形態を示しており、また明細書と共に、関連する原理を説明するために用いられる。
当業者に対する実施の形態の詳細な説明を、添付の図面を参照しながら下記に記す。
本発明の実施例による、例示的なミリ秒アニール加熱プロフィールを示す。 本発明の実施例による、例示的なミリ秒アニールシステムの一部の例示的な斜視図を示す。 本発明の実施例による、例示的なミリ秒アニールシステムの分解図を示す。 本発明の実施例による、例示的なミリ秒アニールシステムの断面図を示す。 本発明の実施例による、ミリ秒アニールシステムにおいて使用される例示的なランプの斜視図を示す。 本発明の実施例による、ミリ秒アニールシステムのウェハ面プレートにおいて使用される例示的なエッジ反射器を示す。 本発明の実施例による、ミリ秒アニールシステムにおいて使用することができる例示的な反射器を示す。 本発明の実施例による、ミリ秒アニールシステムにおいて使用することができる例示的なアークランプを示す。 本発明の実施例による、例示的なアークランプの動作を示す。 本発明の実施例による、例示的なアークランプの動作を示す。 本発明の実施例による、例示的な電極の断面図を示す。 本発明の実施例による、ミリ秒アニールシステムにおいて使用される例示的なランプに水およびガス（例えばアルゴンガス）を供給するための例示的な閉ループシステムを示す。 本発明の実施例による、ミリ秒アニールシステムのための例示的な温度測定システムを示す。 本発明の実施例による、ミリ秒アニールシステムのためのガスフローシステムを示す。 本発明の実施例による、ミリ秒アニールシステムのためのガスフローシステムを示す。 本発明の実施例による、ミリ秒アニールシステムのためのガスフローシステムを示す。 本発明の実施例による、ミリ秒アニールシステムのためのガスフローシステムを示す。 本発明の実施例による、例示的なガス注入口を示す。 本発明の実施例による、例示的なガス注入口を示す。 本発明の実施例による、例示的なガス注入口を示す。 ガスチャネルを有している例示的なウェハ面プレートを示す。 本発明の実施例による、ウェハ面プレートにおけるガスチャネルを通過するガスフローを示す。 ミリ秒アニールシステムを通過する、シミュレートされたガスフローを示す。 本発明の実施例による、ウェハ面プレートにガスチャネルを有しているミリ秒アニールシステムを通過する、シミュレートされたガスフローを示す。 本発明の実施例による、ミリ秒アニールシステムのためのガスフローシステムを示す。 本発明の実施例による、例示的な線形のプレートを有している例示的なミリ秒アニールシステムを示す。
以下では、複数の実施の形態をより詳細に説明し、またそれらの実施の形態のうちの１つまたは複数は、図面に図示されている。各実施例は、実施の形態の説明を目的として表されており、本発明の限定を目的として表されたものではない。実際には、当業者であれば、本発明の範囲または精神から逸脱することなく、種々の修正および変更を実施の形態に対して行えることが分かる。例えば、１つの実施の形態の一部として図示または説明された特徴を別の実施の形態と共に用いて、さらに別の実施の形態を創作することができる。したがって、本発明の態様がそのような修正および変更をカバーすることが意図されている。
概観
本発明の例示的な態様は、ミリ秒アニールシステムにおけるガスフローの向上に関する。説明および考察を目的として、本発明の態様を、「ウェハ」または半導体ウェハを参照しながら考察する。当業者であれば、本明細書における開示内容によって、本発明の例示的な態様を、任意のワークピース、半導体基板または他の適切な基板に関連させて使用できることを理解するであろう。数値と関連させた「約」という語の使用は、記載された数値の１０％以内を表すことが意図されている。
ミリ秒アニールプロセスチャンバにおける半導体基板の熱処理を、大気圧の制御されたガス雰囲気下で実行することができる。主ガスは、ニトロゲン（Ｎ2）であってよいが、しかしながら他のガス（例えば、Ａｒ、Ｏ2、ＮＨ3または他のガス）もチャンバに適合している。基板を交換している間は、プロセスチャンバをウェハ処理モジュールの周囲空気に対して開放することができる。この理由から、熱処理の開始に先行して、チャンバをパージしなければならない。
多くの場合、ミリ秒アニールシステムにおけるガスフローパターンは、半導体基板の熱伝達に強い影響を及ぼすことができ、したがって半導体基板にわたる温度均一性にも強い影響を及ぼすことができる。局所的に、ガスフローは、強制的な対流による半導体基板の特定の領域における冷却速度に影響を及ぼす。半導体基板にわたる、また半導体基板の周囲の均一な層流パターンは、ウェハの温度均一性に低減された影響を及ぼすことができる。
さらに、ガスフローパターンは、粒子がチャンバ内でどのように移動するのか、また粒子がどのように再分散されるかについて強い影響を及ぼすことができる。典型的な粒子源は、ウェハ運搬処理機構（例えば、ウェハリフト機構および半導体基板を移動配置するためのロボット端部エフェクタ）である。高温の半導体基板は、熱拡散効果に起因して粒子をはじくことができる。しかしながら、渦流および停滞流の領域は、粒子の再分散および蓄積をもたらし、その結果、それらの粒子が半導体ウェハに堆積される虞がある。
さらに、ガスフローパターンは、ウェハに由来するガス状汚染物質がどのようにチャンバ内を移動するかに影響を及ぼすことができる。それらの汚染物質は、通常の場合、ウェハの熱処理中に放出され、また表面層に由来するか、または熱処理ステップに先行する他の処理ステップの結果である。ミリ秒アニールシステムが（例えば、流体冷却式の反射性のミラーを含む）冷態壁システムである実施の形態においては、それらの汚染物質が、反射性のミラーに堆積する可能性があり、これによって反射率が低下し、したがってウェハ温度の均一性に対して不利に作用する。
本発明の例示的な態様によれば、ミリ秒アニールシステムのプロセスチャンバ内のガスフローパターンを、（１）ガス注入ノズルの向き、大きさ、位置、形状および配置、またはそれらの組合せの変更；（２）ミリ秒アニールシステムの上部チャンバと下部チャンバとを繋いでいるウェハ面プレートにおけるガスチャネルの寸法の変更；および／または（３）半導体基板の上に配置される線形プレートを使用することによる、プロセスチャンバの実効容積の低減、のうちの１つまたは複数を実施することによって向上させることができる。
例えば、幾つかの実施の形態においては、熱処理システムが、ウェハ面プレートによって下部チャンバから隔てられている上部チャンバを有しているプロセスチャンバを含むことができる。システムは、基板の熱処理のために熱を供給するように構成されている複数の熱源を含むことができる。システムは、プロセスチャンバにガスを注入するように構成されている複数のガス注入口を含むことができる。ガス注入口の向き、大きさ、位置、形状または配置のうちの１つまたは複数は、ウェハ面プレートにわたる層流が増大するように、ウェハ面プレートに関して準備されている。
幾つかの実施の形態においては、複数のガス注入口を、上部チャンバの別個の上部角に配置することができる。ガス注入口を、基板を指し示すように配向することができる。幾つかの実施の形態においては、複数のガス注入口のうちの少なくとも１つが、ウェハ面プレートの近傍に位置決めされている。例えば、複数のガス注入口のうちの少なくとも１つを、上部チャンバの天井部から第１の距離、かつウェハ面プレートから第２の距離に位置決めすることができる。第１の距離は、第２の距離よりも長い。それらの実施の形態においては、システムが、幾つかの例では、上部チャンバの別個の上部角に配置されている複数のガス注入口を付加的に含むことができる。
幾つかの実施の形態においては、複数のガス注入口のうちの少なくとも１つが、ウェハ面プレートの近傍のゲートバルブの反対側に位置決めされている。さらに、ガスフローシステムは、ゲートバルブの近傍に位置決めされている１つまたは複数のベントを含むことができる。
幾つかの実施の形態においては、複数のガス注入口のうちの１つまたは複数が、反射性のミラーを貫通してプロセスチャンバ内まで延びているパイプを含んでいる。幾つかの実施の形態においては、パイプが平坦な開放端部を有することができる。幾つかの実施の形態においては、パイプがパイプ軸線に対して垂直な開口部を有することができる。幾つかの実施の形態においては、パイプがパイプ軸線に関して垂直ではない角度の開口部を有することができる。
本発明の別の実施例は、ミリ秒アニールシステムに関する。ミリ秒アニールシステムは、ウェハ面プレートによって下部チャンバから隔てられている上部チャンバを有しているプロセスチャンバを含んでいる。システムは、基板の熱処理のために閃光を供給するように構成されている１つまたは複数のアークランプを含んでいる。システムは、プロセスチャンバにガスを注入するように構成されている１つまたは複数のガス注入口を含んでいる。ウェハ面プレートは、少なくとも１つのガスチャネルを有している。ガスチャネルの長さは、プロセスチャンバの幅にほぼ等しい。
幾つかの実施の形態においては、ウェハ面プレートが、そのウェハ面プレートの別個の側面に配置されている複数のガスチャネルを含んでいる。例えば、幾つかの実施の形態においては、ウェハ面プレートが、そのウェハ面プレートの相互に対向する側面に配置されているガスチャネルの第１のセットと、そのウェハ面プレートの異なる相互に対向する側面に配置されているガスチャネルの第２のセットと、を含んでいる。ガスチャネルの第１のセットは、それぞれ第１の長さを有しており、またガスチャネルの第２のセットは、第２の長さを有している。第１の長さは、第２の長さよりも長くてよい。例えば、第１の長さは、プロセスチャンバの幅にほぼ等しくてよく、また第２の長さは、プロセスチャンバの幅よりも短くてよい。
本発明の別の実施例は、ミリ秒アニールシステムに関する。ミリ秒アニールシステムは、ウェハ面プレートによって下部チャンバから隔てられている上部チャンバを有しているプロセスチャンバを含んでいる。システムは、基板の熱処理のために閃光を供給するように構成されている１つまたは複数のアークランプを含んでいる。システムは、プロセスチャンバにガスを注入するように構成されている１つまたは複数のガス注入口を含んでいる。システムは、平行な関係でウェハ面プレートの上に配置されている線形プレートを含むことができる。
幾つかの実施の形態においては、線形プレートが石英であってよい。幾つかの実施の形態においては、ウェハ面プレートと線形プレートとの間の距離が、約３０ｍｍ〜約６０ｍｍの範囲にある。
例示的なミリ秒アニールシステム
例示的なミリ秒アニールシステムは、集中的で短時間の露光を提供して、例えば約１０4℃／ｓを上回ることができる割合で、ウェハの上面を加熱するように構成することができる。図１には、ミリ秒アニールシステムを使用して達成される、半導体基板の例示的な温度プロフィール１００が示されている。図１に図示されているように、半導体基板（例えば、シリコンウェハ）のバルクが、傾斜フェーズ１０２中に中間温度ＴIに加熱される。中間温度ＴIは、約４５０℃〜約９００℃の範囲であってよい。中間温度ＴIに達すると、半導体基板の上面を、非常に短い集中的な閃光に晒すことができ、その結果、約１０4℃／ｓまでの加熱の割合が得られる。窓１１０は、短い集中的な閃光中の、半導体基板の温度プロフィールを示す。曲線１１２は、閃光による露光中の、半導体基板の上面の急速な加熱を示す。曲線１１６は、閃光による露光中の、半導体基板のその他の部分またはバルクの温度を表す。曲線１１４は、ヒートシンクとして機能する半導体基板のバルクを介する、半導体基板の上面の伝導冷却による急速な冷却を示す。半導体基板のバルクは、基板に関する高速な上面冷却速度を生じさせるヒートシンクとして機能する。曲線１０４は、冷却剤としてのプロセスガスを用いる、熱放射および熱対流による半導体基板のバルクの緩慢な冷却を示す。本明細書において使用されているように、「約」という語は、数値と関連させて使用される場合、記載された数値の３０％以内を表す。
例示的なミリ秒アニールシステムは、例えば半導体基板の上面をミリ秒の長さで露光するための、つまり、いわゆる「閃光」を生じさせるための光源として、複数のアークランプ（例えば、４つのアルゴンアークランプ）を含むことができる。基板が中間温度（例えば、約４５０℃〜約９００℃）に加熱されると、閃光を半導体基板に供給することができる。複数の連続モードアークランプ（例えば、２つのアルゴンアークランプ）を使用して、半導体基板を中間温度に加熱することができる。幾つかの実施の形態においては、中間温度への半導体基板の加熱が、ウェハのバルク全体を加熱する傾斜割合で、半導体基板の底部表面を介して達成される。
図２から図５には、本発明の実施例による、例示的なミリ秒アニールシステム８０の種々の態様が図示されている。図２から図４に図示されているように、ミリ秒アニールシステム８０は、プロセスチャンバ２００を含むことができる。プロセスチャンバ２００を、ウェハ面プレート２１０によって、上部チャンバ２０２および下部チャンバ２０４に分割することができる。半導体基板（例えばシリコンウェハ）６０を、ウェハ支持プレート２１４（例えば、ウェハ面プレート２１０に挿入された石英ガラスプレート）に取り付けられている支持ピン（例えば、石英支持ピン）２１２によって支持することができる。
図２および図４に図示されているように、ミリ秒アニールシステム８０は、例えば半導体基板６０の上面をミリ秒の長さで露光するための、つまり、いわゆる「閃光」を生じさせるための光源として、上部チャンバ２０２の近傍に配置されている、複数のアークランプ２２０（例えば、４つのアルゴンアークランプ）を含むことができる。基板が中間温度（例えば、約４５０℃〜約９００℃）に加熱されると、閃光を半導体基板に供給することができる。
下部チャンバ２０４の近傍に設けられている、複数の連続モードアークランプ２４０（例えば、２つのアルゴンアークランプ）を使用して、半導体基板６０を中間温度に加熱することができる。幾つかの実施の形態においては、中間温度への半導体基板６０の加熱が、下部チャンバ２０４から、半導体基板６０のバルク全体を加熱する傾斜割合で、半導体基板の底部表面を介して達成される。
図３に図示されているように、半導体基板６０を加熱するための、（例えば、中間温度への半導体基板の加熱に使用するための）下部アークランプ２４０からの光、および（例えば、閃光によるミリ秒の加熱の提供に使用するための）上部アークランプ２２０からの光を、水の窓２６０（例えば、水冷式の石英ガラス窓）を介して、プロセスチャンバ２００に入射させることができる。幾つかの実施の形態においては、水の窓２６０は、２つの石英ガラス板から成るサンドイッチ構造を含むことができ、それら２つの石英ガラス板の間において、約４ｍｍの厚さの水の層が石英板を冷却するために循環しており、また例えば約１，４００ｎｍを上回る波長に対する光学的なフィルタを提供することができる。
さらに図３に図示されているように、プロセスチャンバ壁２５０は、加熱光を反射するための反射性のミラー２７０を含むことができる。反射性のミラー２７０は、例えば、水冷式の研磨されたアルミニウムパネルであってよい。幾つかの実施の形態においては、ミリ秒アニールシステムにおいて使用されるアークランプのメインボディは、ランプ放射に関する反射器を含むことができる。例えば、図５には、ミリ秒アニールシステム８０において使用することができる、上部ランプアレイ２２０および下部ランプアレイ２４０の両方の斜視図が示されている。図示されているように、各ランプアレイ２２０および２４０のメインボディは、加熱光を反射するための反射器２６２を含むことができる。それらの反射器２６２は、ミリ秒アニールシステム８０のプロセスチャンバ２００の反射表面の一部を形成することができる。
半導体基板の温度均一性を、半導体基板の異なる領域に入射する光の密度を操作することによって制御することができる。幾つかの実施の形態においては、メイン反射器に対して小型の反射器の反射等級を変更することによって、かつ／またはウェハを包囲するウェハ支持面に取り付けられたエッジ反射器の使用によって、均一性の調整を達成することができる。
例えば、下部ランプ２４０からの光を半導体基板６０の縁部に再方向付けるために、エッジ反射器を使用することができる。一例として、図６には、例示的なエッジ反射器２６４が図示されており、このエッジ反射器２６４は、下部ランプ２４０からの光を半導体基板６０の縁部に方向付けるために使用することができるウェハ面プレート２１０の一部を形成している。エッジ反射器２６４を、ウェハ面プレート２１０に取り付けることができ、またこのエッジ反射器２６４は、半導体基板６０を取り囲むことができるか、または少なくとも部分的に取り囲むことができる。
幾つかの実施の形態においては、ウェハ面プレート２１０の近傍のチャンバ壁に、付加的な反射器を取り付けることもできる。例えば、図７には、加熱光のための反射器ミラーとして機能することができ、またプロセスチャンバ壁に取り付けることができる、例示的な反射器が図示されている。より詳細には、図７には、下部チャンバ壁２５４に取り付けられている、例示的なくさび形反射器２７２が示されている。また図７には、上部チャンバ壁２５２の反射器２７０に取り付けられている反射性の素子２７４も示されている。半導体基板６０の処理の均一性を、プロセスチャンバ２００における、くさび形反射器２７２および／または他の反射性の素子（例えば反射性の素子２７４）の反射等級を変更することによって調整することができる。
図８から図１１には、半導体基板６０の上面をミリ秒の長さで集中的に露光するための（例えば「閃光」を生じさせるための）光源として使用することができる、例示的な上部アークランプ２２０の種々の態様が図示されている。例えば、図８には、例示的なアークランプ２２０の横断面図が示されている。アークランプ２２０は、例えば、オープンフローのアークランプであってよく、このアークランプでは、加圧されたアルゴンガス（または他の適切なガス）がアーク放電中に高圧プラズマに変換される。アーク放電は、負に帯電されたカソード２２２と、そこから距離を置いて設けられている（例えば、約３００ｍｍ離隔されている）、正に帯電されたアノード２３０と、の間の石英管２２５において行われる。カソード２２２とアノード２３０との間の電圧が、アルゴンの降伏電圧（例えば、約３０ｋＶ）または他の適切なガスの降伏電圧に達すると、安定した低誘導性のプラズマが即座に形成され、このプラズマが電磁スペクトルの可視範囲およびＵＶ範囲の光を放射する。図９に図示されているように、ランプは、半導体基板６０の処理のためにランプによって提供された光を反射するために使用することができるランプ反射器２６２を含むことができる。
図１０および図１１には、本発明の実施例による、ミリ秒アニールシステム８０におけるアークランプ２２０の例示的な動作の異なる態様が図示されている。より詳細には、プラズマ２２６が、水壁２２８によって内側から水冷される石英管２２５内に包含されている。水壁２２８は、高い流速でランプ２２０のカソード端部に注入され、またアノード端部において排出される。同一のことが、アルゴンガス２２９についても当てはまり、このアルゴンガス２２９もまた、カソード端部においてランプ２２０に供給され、アノード端部から排出される。水壁２２８を形成する水は、遠心作用が水の渦を生じさせるように、ランプの軸線に対して垂直に注入される。したがって、ランプの中心線に沿って、アルゴンガス２２９のためのチャネルが形成される。アルゴンガス柱２２９は、水壁２２８と同一方向に回転する。プラズマ２２６が形成されると、水壁２２８は石英管２２５を保護し、かつプラズマ２２６を中心軸線に向かって閉じ込める。水壁２２８および電極（カソード２３０およびアノード２２２）のみが、高エネルギのプラズマ２２６と直接的に接触する。
図１１には、本発明の実施例による、アークランプと共に使用される例示的な電極（例えば、カソード２３０）の断面図が示されている。図１１には、カソード２３０が図示されている。しかしながら、類似の構成をアノード２２２に対して使用することができる。
幾つかの実施の形態においては、電極が高い熱負荷に晒されるので、電極のうちの一方または両方がそれぞれ先端部２３２を含むことができる。この先端部をタングステンから作製することができる。またこの先端部を水冷式の銅製ヒートシンク２３４に接合かつ／または融着させることができる。銅製ヒートシンク２３４は、電極の内部冷却システムの少なくとも一部（例えば、１つまたは複数の水冷チャネル２３６）を含むことができる。電極はさらに、水または他の液体の循環および電極の冷却を提供するための水冷チャネル２３６を備えている真鍮製ベース部２３５を含むことができる。
本発明の態様による例示的なミリ秒アニールシステムにおいて使用されるアークランプは、水およびアルゴンガスのための、オープンフローのシステムであってよい。しかしながら幾つかの実施の形態においては、保存上の理由から、両媒体を閉ループ系において循環させることができる。
図１２には、本発明の実施例によるミリ秒アニールシステムにおいて使用される、オープンフローのアルゴンアークランプを動作させるために必要とされる水およびアルゴンガスを供給するための、例示的な閉ループ系３００が図示されている。
より詳細には、高純度水３０２およびアルゴン３０４がランプ２２０に供給される。高純度水３０２は、水壁および電極の冷却のために使用される。ランプから送り出されるものは、ガス／水混合物３０６である。この水／ガス混合物３０６は、ランプ２２０の入口に再び供給できるようになる前に、セパレータ３１０によって、ガスを含まない水３０２および乾性のアルゴン３０４に分離される。ランプ２２０を介する所要圧力降下を生じさせるために、ガス／水混合物３０６が、水駆動式のジェットポンプ３２０を用いてポンピングされる。
高出力電気ポンプ３３０は、ランプ２２０における水壁を駆動させるための水圧、ランプ電極のための冷却水、およびジェットポンプ３２０のための駆動流を供給する。ジェットポンプ３２０の下流側に設けられているセパレータ３１０を、混合物（アルゴン）から液相および気相を抽出するために使用することができる。アルゴンはさらに、ランプ２２０に再び流入する前に、コアレッシングフィルタ３４０において乾燥される。必要に応じて、付加的なアルゴンをアルゴン源３５０から供給することができる。
アークによって水中に放出された粒子を除去するために、水は１つまたは複数の粒子フィルタ３５０を通過する。イオン性汚染は、イオン交換樹脂によって除去される。水の一部は、混床イオン交換フィルタ３７０を通過する。イオン交換バイパス３７０への入口弁３７２を、水の抵抗率によって制御することができる。水の抵抗率が下側の値よりも低下すると弁３７２が開かれ、水の抵抗率が上側の値に達すると、弁３７２が閉じられる。システムは、活性炭フィルタバイパスループ３８０を含むことができ、そこでは水の一部を付加的にろ過して、有機汚染を除去することができる。水温を維持するために、水は熱交換器３９０を通過することができる。
本発明の実施例によるミリ秒アニールシステムは、半導体基板の両表面（例えば、上面および下面）の温度を独立して測定するための能力を有することができる。図１３には、ミリ秒アニールシステム８０のための例示的な温度測定システム１５０が図示されている。
ミリ秒アニールシステム８０の簡略化された図が図１３に示されている。半導体基板６０の両面の温度を、複数の温度センサによって、例えば温度センサ１５２および温度センサ１５４によって独立して測定することができる。温度センサ１５２は、半導体基板６０の上面の温度を測定することができる。温度センサ１５４は、半導体基板６０の下面を測定することができる。幾つかの実施の形態においては、約１，４００ｎｍの測定波長を有している、狭帯域高温測定センサを、例えば半導体基板６０の中心領域の温度を測定するための温度センサ１５２および／または温度センサ１５４として使用することができる。幾つかの実施の形態においては、温度センサ１５２および１５４が、閃光による加熱によって生じるミリ秒温度スパイクを分解するには十分な高さであるサンプリングレートを有している、超高速放射計（ＵＦＲ：ｕｌｔｒａ−ｆａｓｔ ｒａｄｉｏｍｅｔｅｒ）であってよい。
温度センサ１５２および１５４の読取り値は、補償された放射率であってよい。図１３に図示されているように、放射率補償スキームは、診断用フラッシュ１５６と、基準温度センサ１５８と、半導体ウェハの上面および下面を測定するように構成されている温度センサ１５２および１５４と、を含むことができる。診断用加熱および測定値を、診断用フラッシュ１５６（例えば、試験用フラッシュ）と共に使用することができる。基準温度センサ１５８からの測定値を、温度センサ１５２および１５４の放射率補償のために使用することができる。
幾つかの実施の形態においては、ミリ秒アニールシステム８０が、水の窓を含むことができる。水の窓は、温度センサ１５２および１５４の測定帯域にあるランプ放射を抑制する光学フィルタを提供することができ、それによって温度センサ１５２および１５４は、半導体基板に由来する放射のみを測定する。
温度センサ１５２および１５４の読取り値を、プロセッサ回路１６０に供給することができる。プロセッサ回路１６０を、ミリ秒アニールシステム８０のケーシング内に配置することができるが、代替的には、プロセッサ回路１６０を、ミリ秒アニールシステム８０から離れた場所に配置することができる。本明細書に記載する種々の機能を、所望される場合には、単一のプロセッサ回路によって実行することができるか、または局所的なプロセッサ回路および／または遠隔のプロセッサ回路の他の組合せによって実行することができる。
温度センサ１５２および１５４の読取り値を、基板にわたる温度プロフィールを求めるために、プロセッサ回路１６０によって使用することができる。温度プロフィールは、基板の表面にわたる種々の場所における基板の温度の測定値を提供することができる。温度プロフィールは、処理の間の基板の熱均一性の尺度を提供することができる。
ミリ秒アニールシステムのための例示的なガスフローシステム
図１４には、本発明の実施例による、ミリ秒アニールシステムのための例示的なガスフローシステムが図示されている。ミリ秒アニールプロセスチャンバにおける半導体基板の熱処理を、大気圧の制御されたガス雰囲気下で実行することができる。主ガスは、ニトロゲン（Ｎ2）であってよいが、しかしながら他のガス（例えば、Ａｒ、Ｏ2、ＮＨ3または他のガス）もチャンバに適合している。基板を交換している間は、プロセスチャンバをウェハ処理モジュールの周囲空気に対して開放することができる。この理由から、熱処理の開始に先行して、チャンバをパージしなければならない。
図１４には、本発明の実施例によるガスフローシステム３００の単純化された形態が図示されている。ガスフローシステム３００は、ミリ秒アニールシステムの上部チャンバ２０２の４つの上部角に配置されているガス注入口３０２を含むことができる。このガス注入口３０２にガスを注入することができる。ガスフローシステム３００は、下部チャンバ２０４の４つの下部角に配置されているガス流出口３０４を含むことができる。このガス流出口３０４を、プロセスチャンバからガスをパージするために使用することができる。ウェハ面プレート２１０は、プロセスチャンバを上部チャンバ２０２および下部チャンバ２０４に分割することができる。ガスは、ウェハ面プレート２１０に規定されているガスチャネル３１０を介して、上部チャンバ２０２から下部チャンバ２０４へと流れることができる。
高純度のプロセスニトロゲンガスを高速（１００ｌ／ｍｉｎ）でチャンバに流すことによって、パージを達成することができる。残存汚染レベルを、Ｏ2センサ３２０によって測定することができる。Ｏ2センサ３２０は、プロセスチャンバ内のＯ2レベルを表す信号を、１つまたは複数の制御装置３５０に送信することができる。制御装置３５０は、コントローラ、マイクロコントローラ、特定用途向け集積回路、コンピュータ可読命令を実行するように構成されているプロセッサなどのような任意の適切な制御装置であってよい。所望のＯ2レベル（例えば、２０ｐｐｍ）に達すると、パージステップの終了に達したと考えられる。この時点において、制御装置３５０は、Ｎ2の流量を低減することができる。図１４に図示されているように、Ｏ2センサ３２０を、プロセスチャンバのウェハ面プレート２１０の高さに配置することができる。
ガス注入を変更することによる例示的なガスフローパターンの向上
本発明の実施例によれば、ミリ秒アニールシステムのプロセスチャンバ内のガスフローパターンを、プロセスチャンバ内にガスを注入するために使用されるガス注入口に関連付けられた注入ノズルの向き、大きさ、位置、形状、および／または配置（またはそれらの組合せ）のうちの１つまたは複数を変更することによって向上させることができる。
幾つかの実施の形態においては、ガス注入口が配向されている角度が修正される。配向の角度を変更することによって、チャンバの中心におけるガスフロー分布に影響を及ぼすことができる。図１５には、本発明の実施例によるガスフローシステム３００の１つの実施例が図示されている。図１５の実施例においては、上部チャンバ２０２の上部角に配置されている、４つ全てのガス注入口３０２に関連付けられた注入ノズルを、チャンバの垂直な中心線３１５を指し示すように配向することができ、かつ下向きにして半導体基板６０を指し示すようにすることができる。この実施例においては、チャンバの中心へと流れるガスの量を、チャンバの縁部領域および角領域に比べて増加させることができる。
幾つかの実施の形態においては、ガス注入ノズルの直径が修正される。この修正を、注入ノズルからのガス噴射の流出速度が調整されるように実施することができる。より小さい直径は、速度を加速させることができ、かつガス噴射の到達距離を拡大することができる。さらに、より小さい直径によって、高い体積流量でより渦状のガスフローを生じさせることができ、これは汚染ガスのパージおよび希釈にとって有益であると考えられる。より大きい直径は、同一の体積流量では、ガス噴射を緩慢にすることができる。これによって、熱処理中の半導体基板の周囲における層流領域の維持を支援することができる。このことは、温度の均一性にとって有利であると考えられる。幾つかの実施の形態においては、ガス注入口の形状を、円形ではなく、矩形または楕円形に修正することができる。幾つかの実施の形態においては、注入口の数を増やして、櫛状のガス注入口の配置を提供することができる。
幾つかの実施の形態においては、１つまたは複数のガス注入口（例えば、付加的なガス注入口）が、ウェハ面プレートの高さに、またはほぼウェハ面プレートの高さに位置決めされている。例えば、図１６に図示されているように、ガスフローシステムは、ウェハ面プレート２１０の近傍に配置されている複数のガス注入口３０２を含むことができる。より詳細には、ガス注入口３０２が、上部チャンバ２０２の天井部を形成している水の窓２６０から距離ｄ１、かつウェハ面プレートから距離ｄ２に位置決めされている。距離ｄ１は、距離ｄ２よりも長く、例えばｄ２の少なくとも５倍である。幾つかの実施の形態においては、図１６に図示されているガス注入口３０２は、上部チャンバ２０２の上部角に配置されているガス注入口に付加的なものであってよい。これによって、最も重要な場所における周囲ガス条件を直接的に制御することができる。
図１７には、本発明の別の実施例によるガスフローシステム３００が図示されている。ガスフローシステムは、上部チャンバ２０２の上部角に配置されているガス注入口３０２を含むことができる。付加的にかつ／または代替的に、ガスフローシステム３００は、ゲートバルブ３５０（すなわち、チャンバドア）の反対側にガスを流入させることができるように、ウェハ面プレートの近傍において半導体基板６０の高さに位置決めされている、１つまたは複数のガス注入口３４０を含むことができ、これによってガスは、基板６０を通過してゲートバルブ３５０へと流れ、かつゲートバルブの近傍における（例えば、ゲートバルブのフランジにおける）ベント３５２を介して、または下部チャンバにおけるガス流出口３０４を介してチャンバから放出される。
幾つかの実施例においては、プロセスレシピの種々の段階に関して、フローパターンを切換え弁によって調整することができる。例えば、パージ中は、上部ガス注入口３０２も含めて全てのガス注入口が、高速かつ効果的な洗浄のために開放される。熱処理中は、上部ガス注入口３０２が閉鎖され、ウェハ面２１０近傍の注入口３４０のみが開放されたままとなり、基板６０にわたる層流領域が形成される。幾つかの実施の形態においては、プロセスチャンバが、ゲートバルブとは反対側の面に沿って、またゲートバルブを備えた面に沿って延びているガス注入口の線形アレイを含むことができる。
別の実施の形態では、チャンバ壁ミラーを貫通するパイプによって、複数のガス注入口をチャンバ内まで延長することができる。パイプ端部は、平坦な開放端部、パイプ軸線に対して垂直な開口部、または他の適切な形状を有することができる。例えば、図１８には、本発明の実施例による、チャンバ壁ミラー２７０を貫通したパイプ端部を有しているガス注入口３０２が図示されている。図１８（ａ）には、平坦な開放端部を備えたパイプを有しているガス注入口３０２が図示されている。図１８（ｂ）には、パイプ軸線に対して垂直な開口部を備えたパイプを有しているガス注入口３０２が図示されている。図１８（ｃ）には、パイプ軸線に関して垂直ではない角度の開口部を備えたパイプを有しているガス注入口３０２が図示されている。
ウェハ面プレートにおけるガスフローを変更することによる例示的なガスフローパターンの向上
本発明の実施例によれば、ミリ秒アニールシステムのプロセスチャンバ内のガスフローパターンを、ミリ秒アニールシステムにおいて上部チャンバと下部チャンバとを繋いでいるウェハ面プレートに規定されているガスフローチャネルを変更することによって向上させることができる。ミリ秒アニールシステムにおけるプロセスチャンバを、ウェハ面プレートによって、上部チャンバおよび下部チャンバに分割することができる。（ガスがチャンバに流入する）上部チャンバおよび（ガスがチャンバから放出される）下部チャンバからのガスフローを容易にするために、ウェハ面プレートの各面は、ガスフローチャネル（例えば、スロット）を含むことができる。
図１９には、本発明の実施例による、ミリ秒アニールシステムの上部チャンバと下部チャンバとの間のガスフローを容易にするためのガスチャネル３１０を備えているウェハ面プレート２１０が図示されている。各ガスチャネル３１０は、長さＬを有している。本発明の実施例によれば、ガスチャネル３１０は、図１４に図示したようなプロセスチャンバの全幅Ｗにわたり延びる長さを有している。
図２０には、ウェハ面プレート２１０におけるガスチャネル３１０を示しているチャンバの一部の横断面図が示されている。矢印は、ガスチャネル３１０を通過するガスフロー３１５の向きを示唆している。図示されているように、プロセスチャンバにおける反射器ミラー２７０の裏側の空間２０５にもガスフロー３１５は存在している。
本発明の例示的な態様によれば、ミリ秒アニールシステムにおけるガスフローパターンを、ガスチャネルの大きさおよび幾何学を操作することによって向上させることができる。例えば、長さを修正することによって、チャンバの角におけるフローパターンに影響を及ぼすことができる。より短いチャネルでは、シミュレーションによって、チャンバの角に上昇流が存在することが分かった。上昇流は、チャンバ内の弱いパージおよび粒子の再分散の原因になると考えられる。しかしながら、本発明の例示的な態様にしたがい、チャンバのほぼ全幅までチャネルの長さを延長すると、角では下降流が増大する。
例えば、図２１には、標準的なチャネル長を備えたウェハ面プレートを有しているプロセスチャンバにおけるゲートバルブの反対側の反射器ミラーの裏側における空気流のシミュレーションが示されている。チャネルを超えて、ガスはパネルの中心に向かって移動し、続いて矢印（１）に示されているように、チャネルを介して下部チャンバへと降下する。チャネルの外側では、ガスはチャンバの角に向かって移動し、また矢印（２）において示されているように上昇する。
図２２には、本発明の実施例にしたがい、チャネルの長さがチャンバの幅に延長されているウェハ面プレートを有しているプロセスチャンバにおけるゲートバルブの反対側の反射器ミラーの裏側における空気流が示されている。図示されているように、チャネル領域における空気流は、一般的に、矢印（１）によって示唆されているように下向きである。さらに、角における空気流は、主に上向きであったものが、ここでは矢印（２）に示されているように下向きに変更されている。
幾つかの実施の形態においては、ゲートバルブの反対側のウェハ面プレートにおけるチャネルの長さが、チャンバのほぼ全幅まで延長されている。チャンバのゲートバルブ側におけるチャネルの長さも全幅であってよい。チャンバの反対側におけるチャネルを、チャンバ幅よりも短いままにすることができ、それによってプレートをチャンバフレームに取り付けることができる。チャネルのフロー抵抗を前と後また左と右で対にして整合させることによって、フローパターンを対称的にしながら、それと同時に全ての角において下降流を提供することができる。
例えば、図２３には、本発明の実施例による例示的なガスフローシステム３００が図示されている。ガスフローシステム３００は、ウェハ面プレート２１０に形成されているチャネル３１０．２、３１０．４、３１０．６および３１０．８を含んでいる。相互に対向して配置されているチャネル３１０．２および３１０．４は、長さＬ１を有している。相互に対向して配置されているチャネル３１０．６および３１０．８は、長さＬ２を有することができる。長さＬ１は、長さＬ２よりも長くてよい。例えば、幾つかの実施の形態においては、長さＬ１が、ほぼプロセスチャンバの幅であってよく、また長さＬ２が、プロセスチャンバの幅よりも短くてよい。
線形プレートの追加による例示的なガスフローパターンの向上
本発明の実施例によれば、ミリ秒アニールシステムのプロセスチャンバ内のガスフローパターンを、半導体基板の上に線形プレートを使用してチャンバの実効容積を低減することによって向上させることができる。例えば、１つの実施の形態においては、間隔を空けた平行な関係で半導体基板を保持するために、線形プレートをウェハ面プレートの上に配置することができる。
図２４には、本発明の実施例による、ミリ秒アニールシステムに関連させて使用される例示的な線形プレート３８０が図示されている。線形プレート３８０は、間隔を空けた平行な関係でウェハ面プレート２１０の上に配置されている。幾つかの実施の形態においては、線形プレート３８０が石英線形プレートであってよい。
幾つかの実施の形態においては、ウェハ面プレート２１０と線形プレート３８０との間の距離が、約３０ｍｍ〜約６０ｍｍの範囲であってよい。幾つかの実施の形態においては、線形のプレートが、チャンバ壁をシールせず、したがってプロセスガスは、プレートの下の容積に、つまり基板６０の上に流れることができる。線形プレート３８０は、対流による回転を抑制することによって、また基板６０の表面に対して主に平行であるべきフローベクトルを変更することによって、基板６０の周囲に層流領域を形成することができる。幾つかの実施の形態においては、付加的なガス注入口３８５を、基板６０と線形プレート３８０との間の領域において、チャンバ壁に配置することができる。
線形プレート３８０の付加的な効果は、基板６０から放出された汚染物質からチャンバ壁を遮蔽できることである。線形プレート３８０を、半導体基板およびランプ放射によって受動的に加熱することができ、これによって、冷たいチャンバ壁に比べて堆積の確率を効果的に低減することができる。
線形プレート３８０の別の効果は、実効パージ容積を低減できることである。基板６０および線形プレート３８０によって形成されている遮蔽された容積外の汚染ガスを遮蔽することができる。遮蔽された容積外のガスの漏れ率を、線形プレートの外辺部とチャンバ壁との間の間隙によって調整することができる。
本発明の対象を、本発明の特定の実施例を参照しながら詳細に説明したが、当業者であれば、上記の記載を理解することによって、そのような実施の形態の代替形態、変形形態および等価形態を容易に創作できることは明らかである。したがって、本明細書の範囲は、限定的なものではなく、むしろ例示的なものであり、また本発明の対象は、当業者には容易に明らかになるであろう、本発明の対象に対するそのような修正、変更および／または追加が含まれることを排除するものではない。

Claims (13)

  1. 熱処理システムにおいて、
    ウェハ面プレートによって下部チャンバから隔てられている上部チャンバを含んでいるプロセスチャンバと、
    基板の熱処理のために熱を供給するように構成されている複数の熱源と、
    前記プロセスチャンバにガスを注入するように構成されている複数のガス注入口と、
    を含んでおり、
    前記ガス注入口の向き、大きさ、位置、形状または配置のうちの１つまたは複数が、前記ウェハ面プレートにわたる層流を増大させるように構成されており、
    前記ウェハ面プレートは、前記上部チャンバと前記下部チャンバとの間のガスフローを容易にするためのガスチャネルを備えている、
    熱処理システム。
  2. 前記複数のガス注入口は、前記上部チャンバの別個の上部角に配置されており、前記複数のガス注入口は、前記基板を指し示すように配向されている、
    請求項１記載の熱処理システム。
  3. 前記複数のガス注入口のうちの少なくとも１つは、前記ウェハ面プレートの近傍に位置決めされている、
    請求項１記載の熱処理システム。
  4. 前記複数のガス注入口のうちの少なくとも１つは、前記上部チャンバの天井部から第１の距離かつ前記ウェハ面プレートから第２の距離に位置決めされており、前記第１の距離は、前記第２の距離よりも長い、
    請求項１記載の熱処理システム。
  5. 前記熱処理システムは、前記上部チャンバの別個の上部角に配置されている複数のガス注入口をさらに含んでいる、
    請求項４記載の熱処理システム。
  6. 前記複数のガス注入口のうちの少なくとも１つは、前記ウェハ面プレートの近傍のゲートバルブの反対側に位置決めされている、
    請求項１記載の熱処理システム。
  7. ガスフローシステムは、前記ゲートバルブの近傍に位置決めされている１つまたは複数のベントを含んでいる、
    請求項６記載の熱処理システム。
  8. 前記複数のガス注入口のうちの１つまたは複数は、反射性のミラーを貫通して前記プロセスチャンバ内まで延びているパイプを含んでいる、
    請求項１記載の熱処理システム。
  9. 前記パイプは、水平な開放端部を有している、
    請求項８記載の熱処理システム。
  10. 前記パイプは、パイプ軸線に対して垂直な開口部を有している、
    請求項８記載の熱処理システム。
  11. 前記パイプは、パイプ軸線に関して垂直ではない角度の開口部を有している、
    請求項８記載の熱処理システム。
  12. 前記熱処理システムは、ミリ秒アニールシステムである、
    請求項１記載の熱処理システム。
  13. 前記プロセスチャンバは、プロセスチャンバ壁を有し、
    前記プロセスチャンバ壁は、ミラーを含み、
    前記プロセスチャンバ壁と前記ミラーとの間の空間にもガスフローが存在する、
    請求項１から１２までのいずれかに記載の熱処理システム。
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