JP6976658B2 - チャックプレート及びアニール装置 - Google Patents
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Description
本発明は、チャックプレート及びアニール装置に関する。
フラッシュランプアニール法で半導体ウエハを高速加熱する際に、半導体の表面の温度を測定する技術が知られている（特許文献１）。例えば、半導体ウエハ表面からの熱放射光を検出することにより、半導体表面の温度を測定することができる。
半導体ウエハからの熱放射光を検出することにより、半導体ウエハの表面温度を測定する場合、種々の要因により正確な温度を測定することが困難な状況が生じ得る。例えば、保持テーブルの上にチャックプレートを介して半導体ウエハを保持して加熱する場合、半導体ウエハの下のチャックプレートや保持テーブルの形状等に起因して測定精度が低下する現象が生じることが判明した。本発明の目的は、熱放射光を検出することによる温度測定の精度を高めることが可能なチャックプレート及びアニール装置を提供することである。
本発明の一観点によると、
アニール対象物と保持テーブルとの間に配置されて使用され、前記アニール対象物から放射されて前記保持テーブルに向かう熱放射光を減衰させる機能を持つチャックプレートであって、
前記アニール対象物が保持される上面は、前記アニール対象物が保持された状態で前記アニール対象物に接触する一様な領域と、前記アニール対象物と重なるが前記アニール対象物に接触しない非接触領域とを含み、
前記アニール対象物が保持される上面の前記非接触領域、及び前記保持テーブルの方を向く下面の少なくとも一方に、前記アニール対象物から放射されて前記保持テーブルに向かう熱放射光を吸収する色素を含む吸収膜が設けられているチャックプレートが提供される。
アニール対象物と保持テーブルとの間に配置されて使用され、前記アニール対象物から放射されて前記保持テーブルに向かう熱放射光を減衰させる機能を持つチャックプレートであって、
前記アニール対象物が保持される上面は、前記アニール対象物が保持された状態で前記アニール対象物に接触する一様な領域と、前記アニール対象物と重なるが前記アニール対象物に接触しない非接触領域とを含み、
前記アニール対象物が保持される上面の前記非接触領域、及び前記保持テーブルの方を向く下面の少なくとも一方に、前記アニール対象物から放射されて前記保持テーブルに向かう熱放射光を吸収する色素を含む吸収膜が設けられているチャックプレートが提供される。
本発明の他の観点によると、
アニール対象物を保持する保持テーブルと、
前記保持テーブルと前記アニール対象物との間に配置されるチャックプレートと、
前記保持テーブルに保持された前記アニール対象物を加熱する加熱機構と、
前記保持テーブルに保持され、前記加熱機構によって加熱された前記アニール対象物からの熱放射光を検出する熱放射光検出器と
を有し、
前記チャックプレートの、前記アニール対象物が保持される上面は、前記アニール対象物が保持された状態で前記アニール対象物に接触する一様な領域と、前記アニール対象物と重なるが前記アニール対象物に接触しない非接触領域とを含み、
前記アニール対象物が保持される上面の前記非接触領域、及び前記保持テーブルの方を向く下面の少なくとも一方に、前記アニール対象物から放射されて前記保持テーブルに向かう熱放射光を吸収する色素が塗布されているアニール装置が提供される。
アニール対象物を保持する保持テーブルと、
前記保持テーブルと前記アニール対象物との間に配置されるチャックプレートと、
前記保持テーブルに保持された前記アニール対象物を加熱する加熱機構と、
前記保持テーブルに保持され、前記加熱機構によって加熱された前記アニール対象物からの熱放射光を検出する熱放射光検出器と
を有し、
前記チャックプレートの、前記アニール対象物が保持される上面は、前記アニール対象物が保持された状態で前記アニール対象物に接触する一様な領域と、前記アニール対象物と重なるが前記アニール対象物に接触しない非接触領域とを含み、
前記アニール対象物が保持される上面の前記非接触領域、及び前記保持テーブルの方を向く下面の少なくとも一方に、前記アニール対象物から放射されて前記保持テーブルに向かう熱放射光を吸収する色素が塗布されているアニール装置が提供される。
アニール対象物から下方に向かい、保持テーブルで反射され、チャックプレート及びアニール対象物を透過して上方に向かう熱放射光を減衰させることができる。その結果、熱放射光の強度を測定する際に、チャックプレートや保持テーブルの影響を受けにくくなる。
図１、図２Ａ、及び図２Ｂを参照して、実施例によるレーザアニール装置について説明する。
図１は、実施例によるレーザアニール装置の概略図である。チャンバ１０内に移動機構１２によって保持テーブル１３が支持されている。移動機構１２は、保持テーブル１３を水平面内で移動させることができる。保持テーブル１３の上に、チャックプレート１４を介してアニール対象物３０が保持される。保持テーブル１３は、真空チャック機構を含み、チャックプレート１４は、保持テーブル１３の真空チャック機構の作用をアニール対象物３０まで及ぼすための複数の貫通孔を有する。アニール対象物３０は、例えば、ドーパントが注入されたシリコンウエハ等の半導体ウエハである。実施例によるレーザアニール装置は、例えばドーパントの活性化アニールを行う。
保持テーブル１３は、例えばアルミニウム等の金属で形成される。チャックプレート１４には、保持テーブル１３の材料よりも硬い材料、例えばセラミック等が用いられる。チャックプレート１４は、例えば高い面精度を得る目的で、保持テーブル１３とアニール対象物３０との間に配置されて使用される。
レーザ光源２０が、アニール用のレーザビームを出力する。レーザ光源２０として、例えば発振波長約８００ｎｍのレーザダイオードが用いられる。レーザ光源２０から出力されたレーザビームが伝送光学系２１、ダイクロイックミラー２２、及びレンズ２３を経由し、チャンバ１０の天板に設けられたレーザ透過窓１１を透過して、アニール対象物３０に入射する。ダイクロイックミラー２２は、アニール用のレーザビームを透過させる。伝送光学系２１は、例えばビームホモジナイザ、レンズ、ミラー等を含む。ビームホモジナイザとレンズ２３とにより、アニール対象物３０の表面におけるビームスポットが整形され、ビームプロファイルが均一化される。
アニール対象物３０から放射された熱放射光が、レーザ透過窓１１を透過し、レンズ２３を経由し、ダイクロイックミラー２２で反射され、さらにレンズ２４を経由して熱放射光検出器２５に入射する。ダイクロイックミラー２２は、波長１μｍ以上の波長域の熱放射光を反射する。熱放射光検出器２５は、特定の波長域の熱放射光の強度を測定する。熱放射光検出器２５による熱放射光の測定結果が電圧値として制御装置４０に入力される。
レンズ２３及びレンズ２４は、アニール対象物３０の表面を、熱放射光検出器２５の受光面に結像させる。これにより、熱放射光検出器２５の受光面に対して共役な関係を持つアニール対象物３０の表面の領域から放射される熱放射光の強度が測定される。測定対象となる表面領域は、例えばレーザビームのビームスポットの内部に含まれるように設定される。
制御装置４０は、移動機構１２を制御して、保持テーブル１３に保持されているアニール対象物３０を水平面内の二次元方向に移動させるとともに、レーザ光源２０を制御してレーザ光源２０からパルスレーザビームを出力させる。さらに、制御装置４０は、レーザ光源２０から出力されるパルスレーザビームの各ショットに同期して、熱放射光検出器２５の検出結果を取得する。取得された検出結果は、アニール対象物３０の面内の位置と関連付けて、記憶装置４１に記憶される。
一例として、パルスレーザビームの１ショットごとに、熱放射光の強度の時間変化が得られる。記憶装置４１に記憶される検出結果は、例えば、パルスレーザビームの１ショットごとの熱放射光の強度のピーク値、または積分値である。制御装置４０は、アニール対象物３０の表面内における熱放射光の強度分布の情報を、画像、グラフ、または数値として出力装置４２に出力する
図２Ａは、保持テーブル１３の一部分の平面図である。保持テーブル１３の上面に穴１５及び溝１６が設けられている。穴１５及び溝１６は、例えばアニール対象物３０を保持するための保持機構の一部を構成する。
図２Ｂは、チャックプレート１４の一部分の平面図である。チャックプレート１４を保持テーブル１３に位置合わせして載せた状態で、保持テーブル１３の穴１５に対応する位置に貫通孔１８が設けられている。さらに、保持テーブル１３の溝１６に沿って、複数の貫通孔１９が分布している。貫通孔１８、１９が配置されていない領域は一様な平坦な表面とされている。チャックプレート１４の上面にアニール対象物３０を保持させると、一様な平坦な表面にアニール対象物３０が接触し、貫通孔１８、１９が配置された領域においては、アニール対象物３０がチャックプレート１４に接触しない。このように、チャックプレート１４の上面は、アニール対象物３０が保持された状態でアニール対象物３０に接触する一様な領域と、アニール対象物３０と重なるがアニール対象物３０に接触しない非接触領域とを含む。
次に、図３、図４Ａ、図４Ｂを参照して比較例によるレーザアニール装置を用いて評価実験を行った結果について説明する。比較例によるレーザアニール装置では、図１に示したチャックプレート１４（図１、図２Ｂ）としてセラミック製のものが用いられる。アニール対象物３０としてシリコンウエハを用いた。
図３は、アニール対象物３０のアニール時に取得された熱放射光の強度の検出結果の分布の一部分を示す図である。濃いグレーの領域が淡いグレーの領域より温度が低いことを表している。図３において縦方向の縞模様が現れているのは、レーザビームでシリコンウエハを縦方向に走査したためである。
貫通孔１８（図２Ｂ）の直上の箇所では、シリコンウエハで発生した熱がチャックプレート１４（図２Ｂ）を介して外部に伝達されないため、チャックプレート１４に接している箇所より高温になり易いと考えられる。ところが、図３に示した測定結果では、貫通孔１８（図２Ｂ）に対応する位置３２の温度の測定値が周囲の温度の測定値より低くなる結果が得られている。また、溝１６（図２Ａ）が設けられている領域に対応して、温度の測定値が低くなっていることがわかる。
図４Ａ及び図４Ｂを参照して、貫通孔１８（図２Ｂ）に対応する位置の温度の測定値が周囲の温度の測定値より低くなった理由について説明する。
図４Ａは、貫通孔１８が設けられていない箇所のアニール対象物３０、チャックプレート１４、及び保持テーブル１３の断面図である。アニール対象物３０にレーザビームが入射して加熱されると、高温になった箇所３１から熱放射光が放出される。上方に向かう熱放射光は、そのまま熱放射光検出器２５（図１）に入射する。本明細書において、高温になった箇所３１から上方に向かい熱放射光検出器２５に入射する熱放射光を「直接光」ということとする。
高温になった箇所３１から下方に向かう熱放射光は、チャックプレート１４を厚さ方向に伝搬し、保持テーブル１３の表面で反射した後、チャックプレート１４及びアニール対象物３０を透過して、熱放射光検出器２５に入射する。本明細書において、高温になった箇所３１から下方に向かい、保持テーブル１３の上面で反射した後、熱放射光検出器２５に入射する熱放射光を「間接光」ということとする。このように、貫通孔１８が設けられていない領域では、直接光と間接光との合計の強度が測定される。
図４Ｂは、貫通孔１８が設けられている箇所のアニール対象物３０、チャックプレート１４、及び保持テーブル１３の断面図である。高温になった箇所３１から放射されて下方に向かう熱放射光は、チャックプレート１４の裏面から貫通孔１８及び穴１５の内部の空洞に放射される。このため、下方に向かう熱放射光は保持テーブル１３の上面で反射されることがなく、熱放射光検出器２５に入射しない。
貫通孔１８が配置されている領域においては、直接光のみの強度が測定され、間接光の強度は測定値に加算されない。その結果、貫通孔１８が設けられている箇所の温度の測定値が、その周囲の温度の測定値より低くなる。
溝１６（図２Ａ）が設けられている領域においても、同様の理由により温度の測定結果が低くなっている。
このように貫通孔１８が設けられている箇所と、設けられていない箇所とで、測定環境が異なるため、正確な温度測定を行うことができない。以下に説明する実施例では、正確な温度測定を行うことが可能になる。
図５Ａ及び図５Ｂは、実施例によるレーザアニール装置のチャックプレート１４、保持テーブル１３、及びチャックプレート１４の上に保持したアニール対象物３０の断面図である。図５Ａは、貫通孔１８が設けられていない箇所の断面図であり、図５Ｂは、貫通孔１８が設けられている箇所の断面図である。
実施例によるレーザアニール装置で用いられるチャックプレート１４は、本体１４Ａと、その上面に塗布された吸収膜１４Ｂとを含む。本体１４Ａとして、例えばセラミックからなるプレートが用いられる。吸収膜１４Ｂは、熱放射光の波長域（例えば、波長１μｍ〜３μｍ）の光を吸収または減衰させる。吸収膜１４Ｂとして、例えば黒色の色素を含む膜が用いられる。
図５Ａに示すように、貫通孔１８が設けられていない箇所３１から放射されて下方に向かう熱放射光は、吸収膜１４Ｂで吸収または減衰される。さらに、保持テーブル１３で反射して上方に向かう熱放射光も、吸収膜１４Ｂで吸収または減衰される。このため、熱放射光検出器２５（図１）に入射する間接光の強度は、直接光の強度に比べて十分低い。
図５Ｂに示すように、貫通孔１８が設けられている箇所においても、図４Ｂに示した例と同様に、間接光が熱放射光検出器２５（図１）に入射することは無い。
上述のように、実施例においては、貫通孔１８が設けられている箇所と、設けられていない箇所との両方で、高温になった箇所３１から上方に向かう直接光のみの強度を測定することができる。このため、貫通孔１８が設けられている箇所と、貫通孔１８が設けられていない箇所とで、温度の測定条件は実質的に同等であるといえる。このため、温度分布の測定精度を高めることができる。
図６は、実施例によるレーザアニール装置でアニールを行う際に取得された熱放射光の強度の検出結果の分布の一部分を示す図である。濃いグレーの領域が淡いグレーの領域より温度が低いことを表している。貫通孔１８が設けられている位置３２の温度の測定値が、周囲の温度の測定値より高くなっている。この測定結果は、貫通孔１８が設けられている位置の温度が周囲の温度より高くなるという予測と一致する。
図７は、比較例によるレーザアニール装置を用いてアニールを行ったときの温度の測定結果と、実施例によるレーザアニール装置を用いてアニールを行ったときの温度の測定結果とを比較して示すグラフである。図７では、アニール対象物３０の走査方向（図３、図６において縦方向）に平行な直線に沿う測定結果を示している。横軸はアニール対象物３０の表面内の位置を表し、縦軸は、熱放射光検出器２５（図１）で検出された電圧を単位「ｍＶ」で表す。検出された電圧は、熱放射光の強度に対応する。熱放射光の強度は、アニール対象物３０の温度に対応する。図７のグラフ中の太い実線は、実施例によるチャックプレート１４を用いた場合（図６）、細い実線は、吸収膜が設けられていない比較例によるチャックプレート１４を用いた場合（図３）における測定結果を示す。
貫通孔１８が設けられている領域Ａでは、２つの測定結果がほぼ一致している。これは、図４Ｂ及び図５Ｂに示したように、両者で測定環境が実質的に同一であるためである。貫通孔１８が設けられていない領域では、実施例によるレーザアニール装置を用いた場合の測定結果（図５Ａ、図６）の方が、比較例によるレーザアニール装置を用いた場合の測定結果（図３、図４Ａ）より低い。このような測定結果が得られたのは、比較例では、間接光も熱放射光検出器２５（図１）に入射するのに対し、実施例では、間接光が熱放射光検出器２５（図１）に実質的に入射しないためである。
貫通孔１８が設けられていない領域における太い実線と細い実線との差が、間接光の強度に相当する。図７に示したグラフの比較結果から、間接光の強度は直接光の強度の約１０％であることがわかる。
十分な精度で温度分布を測定するためには、間接光の強度を直接光の強度の１／１００以下にすることが好ましい。この条件を満たすために、アニール対象物３０の高温になった箇所３１から下方に向かい、保持テーブル１３の上面で反射した後、アニール対象物３０を透過して上方に向かうまでの経路を伝搬する間に、熱放射光の強度を９０％以上減衰させるようにすることが好ましい。
上記実施例では、チャックプレート１４に貫通孔１８が設けられている場合でも、正確な温度分布の測定を行うことができることを示した。チャックプレート１４に貫通孔１８が設けられていない場合であっても、上記実施例によるレーザアニール装置を用いることにより、保持テーブル１３の上面の反射特性の面内のばらつきの影響を受けることなく、正確な温度分布を測定することができるという効果が得られる。
次に、上記実施例の変形例について説明する。
上記実施例では、吸収膜１４Ｂ（図５Ａ、図５Ｂ）として、黒色の色素を含む膜を用いたが、熱放射光検出器２５（図１）で検出する対象となっている波長域の光を吸収または減衰させる材料を含む膜を用いてもよい。また、吸収膜１４Ｂは、チャックプレート１４の本体１４Ａの上面に設ける代わりに、下面に設けてもよいし、上面と下面との両方に設けてもよい。その他に、チャックプレート１４を、熱放射光を減衰させる機能を持つ材料で形成してもよい。
上記実施例では、吸収膜１４Ｂ（図５Ａ、図５Ｂ）として、黒色の色素を含む膜を用いたが、熱放射光検出器２５（図１）で検出する対象となっている波長域の光を吸収または減衰させる材料を含む膜を用いてもよい。また、吸収膜１４Ｂは、チャックプレート１４の本体１４Ａの上面に設ける代わりに、下面に設けてもよいし、上面と下面との両方に設けてもよい。その他に、チャックプレート１４を、熱放射光を減衰させる機能を持つ材料で形成してもよい。
吸収膜１４Ｂは、チャックプレート１４に設ける代わりに、保持テーブル１３の上面に設けてもよい。
上記実施例では、レーザビームによってアニール対象物３０を加熱したが、その他の加熱機構で加熱してもよい。例えば、フラッシュランプ等によって加熱してもよい。
上記実施例は例示であり、実施例及び変形例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。実施例及び変形例の同様の構成による同様の作用効果については実施例及び変形例ごとには逐次言及しない。さらに、本発明は上述の実施例及び変形例に制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
１０ チャンバ
１１ レーザ透過窓
１２ 移動機構
１３ 保持テーブル
１４ チャックプレート
１４Ａ チャックプレートの本体
１４Ｂ 吸収膜
１５ リフトピン用の穴
１６ 溝
１７ リフトピン
１８ リフトピン用貫通孔
１９ 吸着用貫通孔
２０ レーザ光源
２１ 伝送光学系
２２ ダイクロイックミラー
２３、２４ レンズ
２５ 熱放射光検出器
３０ アニール対象物
３１ 高温になった箇所
３２ 貫通孔に対応する位置
４０ 制御装置
４１ 記憶装置
４２ 出力装置
１１ レーザ透過窓
１２ 移動機構
１３ 保持テーブル
１４ チャックプレート
１４Ａ チャックプレートの本体
１４Ｂ 吸収膜
１５ リフトピン用の穴
１６ 溝
１７ リフトピン
１８ リフトピン用貫通孔
１９ 吸着用貫通孔
２０ レーザ光源
２１ 伝送光学系
２２ ダイクロイックミラー
２３、２４ レンズ
２５ 熱放射光検出器
３０ アニール対象物
３１ 高温になった箇所
３２ 貫通孔に対応する位置
４０ 制御装置
４１ 記憶装置
４２ 出力装置
Claims (3)
- アニール対象物と保持テーブルとの間に配置されて使用され、前記アニール対象物から放射されて前記保持テーブルに向かう熱放射光を減衰させる機能を持つチャックプレートであって、
前記アニール対象物が保持される上面は、前記アニール対象物が保持された状態で前記アニール対象物に接触する一様な領域と、前記アニール対象物と重なるが前記アニール対象物に接触しない非接触領域とを含み、
前記アニール対象物が保持される上面の前記非接触領域、及び前記保持テーブルの方を向く下面の少なくとも一方に、前記アニール対象物から放射されて前記保持テーブルに向かう熱放射光を吸収する色素を含む吸収膜が設けられているチャックプレート。 - アニール対象物を保持する保持テーブルと、
前記保持テーブルと前記アニール対象物との間に配置されるチャックプレートと、
前記保持テーブルに保持された前記アニール対象物を加熱する加熱機構と、
前記保持テーブルに保持され、前記加熱機構によって加熱された前記アニール対象物からの熱放射光を検出する熱放射光検出器と
を有し、
前記チャックプレートの、前記アニール対象物が保持される上面は、前記アニール対象物が保持された状態で前記アニール対象物に接触する一様な領域と、前記アニール対象物と重なるが前記アニール対象物に接触しない非接触領域とを含み、
前記チャックプレートの、前記アニール対象物が保持される上面の前記非接触領域、及び前記保持テーブルの方を向く下面の少なくとも一方に、前記アニール対象物から放射されて前記保持テーブルに向かう熱放射光を吸収する色素が塗布されているアニール装置。 - 前記チャックプレートは、前記熱放射光検出器によって検出される波長域の熱放射光を減衰させる請求項２に記載のアニール装置。
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