JP7277144B2 - 基層を熱処理する方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも１つの気体放電ランプを用いて基層を一時的に熱処理する方法及び装置に関するものである。この方法は、例えば半導体製造、光起電モジュール又はディスプレイ製造におけるような産業の様々な分野において応用される。とりわけプリンテッドエレクトロニクス又はナノ粒子による表面のコーティングが新たなタイプの応用分野に含まれる。熱処理の短い継続時間により、例えば拡散過程が最小化され、産業上の通過設備における炉において通常であるような加熱区間あるいは冷却区間が回避される。

図１には、半導体のドープのための様々な方向の熱処理の継続時間が示されている。これには、フラッシュランプ（ＦＬＡ：＝Ｆｌａｓｈ Ｌａｍｐ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）による熱処理、ハロゲンランプあるいは赤外線ランプ（ＲＴＡ：＝Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）による熱処理及び炉（ＦＡ：＝Ｆｕｒｎａｃｅ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）における熱処理が含まれる。

実験及び熱的なシミュレーションにおいて、用途に応じて、１つ若しくは複数の方法又はこれらの組合せが熱処理に適していることが分かった。例えば、いわゆる「光焼成（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｕｒｉｎｇ）」において、銅を含むインクが、第１のプロセスステップにおいて合成樹脂フィルムへ印刷され、第２のプロセスステップにおいて赤外線照射装置を用いて約１２０℃の温度においておよそ１秒以内で乾燥され、第３のプロセスステップにおいてフラッシュランプを用いて８００℃を超える温度で１ミリ秒焼結される。焼結プロセスは、合成樹脂の最大の動作温度に基づき、赤外線照射装置によっても、また従来の炉においても実行されることができない。これに対して、乾燥プロセスは、とりわけフィルムの厚さに依存して、印刷されたインクに含まれる溶媒が蒸発されるまである程度の時間を必要とする。この乾燥時間は、現場において可能なフラッシュランプのパルス継続時間を超える１～数オーダー（Ｇｒｏｅｓｓｅｎｏｒｄｎｕｎｇｅｎ）にある。原則的には、通過設備においては、基層への赤外線照射装置あるいはハロゲンランプの作用時間を、互いに対して高い相対速度によってミリ秒の範囲においても調整することが可能である。しかし、赤外線照射装置又はハロゲンランプの最大限可能な出力は、８００℃への迅速な温度上昇に必要な出力を下回る数オーダーにある。

半導体産業においては、例えば実装後のドープ剤の活性化のための、又は酸素での表面の酸化のための、ハロゲンランプを用いたＲＴＡは、生産における固定された構成要素である。基層表面におけるより高い温度を達成できるように、いくつかの場合には、ハロゲンランプに加えてフラッシュランプが用いられる。ハロゲンランプを用いた９００℃への例えば１～数秒以内での半導体を有するウエハ全体の完全な加熱直後、約１３００℃の最大表面温度を一時的に達成するために、フラッシュランプによって熱処理が行われる。ハロゲンランプによる完全な加熱により、ウエハ全体内部の無視できる程度の温度勾配が意図されている。これに対して、フラッシュランプにより生じる追加的な温度上昇は、ウエハにおけるフラッシュランプによって照射される側の第１の数マイクロメートルに関係するものである。ハロゲンランプ及びフラッシュランプの組合せは、「フラッシュランプ補助スパイクアニール」（ｆｌａｓｈ ｌａｍｐ ｓｐｉｋｅ ａｎｎｅａｌｉｎｇ）とも呼ばれる。１３００℃の範囲における温度のフラッシュランプにより生じる作用時間よりも長い作用時間は、トランジスタにおけるｐｎ接合の拡散プロファイルへの不都合な作用を有している。フラッシュランプ単独による１３００℃の空間温度のウエハの加熱が、ウエハの破断までの過剰に大きな温度勾配及びこれに伴う熱機械的な応力をもたらすのみならず、これに必要な出力が、実施形態に応じてフラッシュランプの破壊限度に近いか、又は破壊限度を超えるものである。

図１において見て取れるように、ＦＬＡ及びＲＴＡの間の熱処理について時間的な隙間が存在する。この隙間は、とりわけ、約２～約２００ミリメートルの厚さを有する基層におけるコーティングに該当する。これには、例えばナノ粒子を有するゾルゲルフィルム又は塗装が含まれる。同様に、「フラッシュランプ補助スパイクアニール」（ｆｌａｓｈ ｌａｍｐ ｓｐｉｋｅ ａｎｎｅａｌｉｎｇ）により基層内部におけるよりわずかな温度勾配が生じるが、このとき、基層の背側は空間温度のままである方法を見出すことは非常に興味深い。理想的には、この方法は、複数のエネルギー源に代えて唯一の種類で済むべきである。設置空間の理由から、フラッシュランプ補助スパイクアニールにおいては、通常、ハロゲンランプは、ウエハの背側を照射するために配置され、フラッシュランプは、トランジスタが位置する端面側を照射するために配置される。この特殊な配置は、ハロゲンランプによるウエハの完全な加熱に基づいてのみ可能である。しかし、基層の完全な過熱が熱処理のために回避されなければならない場合、すなわち基層の背側が所定の温度を超過してはならない場合には、両エネルギー源を端面側にのみ配置することが可能である。このことは、とりわけ配置空間の理由又は光学系に関する制限から必ずしも可能ではない。

ハロゲンランプ又は赤外線ランプの別の欠点は、比較的長いオン時間あるいはオフ時間である。例えば、ハロゲンランプのコイルフィラメントがオンの際に十分なビーム出力に至るまで加熱されるまでにおよそ０．５秒かかる。これに対して、フラッシュランプにおいては、オン時間は、１～数マイクロ秒の範囲にあり得る。本発明による方法のために、エネルギー源についてのオン時間及びオフ時間は、全露光時間の１０％より短くあるべきである。理想的には、この時間は、数マイクロ秒の範囲にあるフラッシュランプの場合のように短い。

原則的には、図１に図示されたＦＬＡとＲＴＰの間の時間的な隙間に対してレーザを用いることが可能である。しかし、これまで言及したエネルギー源に比して本質的により大きな、レーザの生成及び動作についてのコストを除いて、生産において達成可能な処理能力は、多くの場合において過剰にわずかである。処理能力を高めるための複数のレーザの使用は、特に、レーザが互いに調整される必要があるため、特にコスト上の理由から合理的ではない。加えて、平行に配置されたフラッシュランプ又はハロゲンランプあるいは赤外線照射招致のフィールドの平面的な作用とは異なり、レーザによる他の温度プロファイルが、その点状の作用と、これによる基層における温度プロファイルに基づき生じる。異なる温度プロファイルは、基層の熱処理の結果に対して様々な作用をもたらし得る。

半導体のドープのための様々な方向の熱処理の継続時間を示す図である。 生産におけるフラッシュランプの動作について通常である装置の従来技術を示す図である。 本発明による装置に対する拡張部を示す図である。

図２には、生産におけるフラッシュランプの動作について通常である装置（１００）の従来技術が示されている。基本的には、回路は、フラッシュランプ（１１０）と、エネルギー源としてのコンデンサ（１２０）と、電流を制限するためのチョークコイル（１３０）とで構成されている。フラッシュランプの点火のために、分離された電流供給部（１４０）が必要であり、この電流供給部は、図ではいわゆる「外部点火器」として構成されている。外部点火器は、例えば、フラッシュランプの周囲に配置されて点火器の電流供給部と電気的に接続された、金属製の光学的な反射器で構成されている。他の点火器態様も、フラッシュランプの用途に依存して同様に用いることが可能である。

レーザの光学的な圧送のためにフラッシュランプを使用する場合には、フラッシュランプがスタンバイモードにおいていわゆるシマー電流供給部（Ｓｉｍｍｅｒ－Ｓｔｒｏｍｖｅｒｓｏｒｇｕｎｇ）によって動作されれば、フラッシュランプの寿命が延長され得ることが分かった。「煮える」に対する英語のシマー（ｓｉｍｍｅｒ）は、燃焼における点火火花に類似したフラッシュランプにおける薄いプラスマストリングを保持する電流供給部である。例えば、フラッシュランプによるシマー電流は、フラッシュランプの点火後０．５アンペアである。フラッシュランプの実際の動作モードへ切り換えるために、コンデンサ（１２０）は、あらかじめ電流供給部（１５０）によって充電される必要がある。つづいて、電子スイッチ（１７０）を介してコンデンサ（１２０）がフラッシュランプ（１１０）によって放電される。フラッシュランプの実施形態及び所望の光強度に応じて、電流は、動作モジュールにおいて数百～数千アンペアとなり得る。典型的には、フラッシュランプの動作モードにおける放電のパルス継続時間は、５０マイクロ秒～２０ミリ秒であり、電流は、フラッシュランプにより、時間に関してガウス曲線の形状をとる。このとき、コンデンサの放電過程は、電子スイッチ（１７０）によって適宜の時点で停止される。

図３には本発明による装置（１００）に対する拡張部が示されており、この拡張部は、追加的な電子スイッチ１（２９０）と、追加的な電流供給部（２８０）とで構成されている。電流供給部（２８０）は、単純な構成においては、漂遊磁場変圧器（Ｓｔｒｅｕｆｅｌｄｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｏｒ）であり、この漂遊磁場変圧器は、十分に高い無負荷電圧に対して、フラッシュランプ（１１０）のアーク長に依存して構想されているとともに、手動かつ機械的に調整可能な短絡電流を有している。手動かつ機械的に調整可能な漂遊磁場変圧器は、金属の電気式の溶接にも用いられる。変圧器の出力部は、整流器を介して電子スイッチ及びアース線に接続されている。電流供給部（２８０）に対する典型的な出力電流は、１０～１００アンペアである。コンデンサ（１２０）とは異なり、漂遊磁場変圧器は一定の電流を供給するため、フラッシュランプ（１１０）は、連続的に燃焼する気体放電ランプとして動作されることができるが、コンデンサ（１２０）に比べて１つから複数のオーダーだけわずかな出力で、あるいはフラッシュランプの電流の大きさに合わせて動作されることができる。例えばスイッチング電源のような、漂遊磁場変圧器への代替的な電流供給部も同様に適している。

電流供給部（２８０）のための周知の電源についての一時的で非常に大きな出力（電力）需要を避けるために、バッファとしてのアキュムレータ（蓄電池）を用いることが可能である。例えば、自動車の始動時に用いられる多数のアキュムレータの直列接続によって、１０００アンペアを超える電流において数百～数千ボルトの範囲の電圧が発生し得る。アキュムレータの化学的な反応時間は、典型的には数マイクロ秒の範囲にあるため、１ミリ秒～数秒の時間における露光時間を問題なく実現することが可能である。アキュムレータは、連続的な出力（電力）消費時に、例えば３０秒の時間的な間隔を有する互いに連続する２つの露光間で周知の電源から充電される。

ランプ（１１０）は、電子スイッチ１（２９０）により、電子スイッチ２（１７０）と同じように迅速にオン及びオフされるため、露光時間は、ハロゲンランプ又は赤外線ランプの場合にように、オン過程中又はオフ過程中の重大な遅延なしに、ほぼ適宜に短く設定されることが可能である。

重要で制限的なファクタは、例えば空気又は水によるランプの冷却である。いかなる時点においても、フラッシュランプの石英ガラス又は主にタングステンから成るフラッシュランプの電極が溶融してはならない。しかし、基層の熱処理のために、例えば５００ミリ秒の時間にわたって一時的に電流を設定することができ、この電流は、フラッシュランプの場合に類似して、継続動作において最大電流を超えるものである。

両電子スイッチ（１７０），（２９０）は、原則的には、適宜の各時点において、互いに依存せずに閉鎖又は開放されることが可能である。しかし、基層の熱処理のために、以下の３つの態様が現場において関連がある：ａ）電子スイッチ１（２９０）以外が所望の時間の間閉鎖され、つづいて再び開放される、ｂ）電子スイッチ２（１７０）以外が閉鎖され、基層の最大の熱処理がコンデンサの容量に依存し、ｃ）ランプによる基層の所望の露光時間の最後において、電子スイッチ２（１７０）が電流供給部（２８０）を用いて閉鎖され、このとき、ほぼ同時に電子スイッチ１（２９０）の開放によりランプの電流供給部が継続動作（２８０）のための電流供給部から分離され、その結果、「フラッシュランプ補助スパイクアニール」（ｆｌａｓｈ ｌａｍｐ ｓｐｉｋｅ ａｎｎｅａｌｉｎｇ）に類似した温度経過となる。ただし、このとき、一方側から、例えば基層の端面側から加熱がなされる。

図３における装置は、フラッシュランプ及び／又はハロゲンランプあるいは赤外線ランプに対して、図１によるＦＬＡとＲＴＰの間の範囲において追加的な露光時間、すなわち約２０ミリ秒と約５００ミリ秒の間の追加的な露光時間を提供する。そのほか、ハロゲンランプ又は赤外線ランプに比べて大きなランプ（１１０）の光出力と、ＲＴＰについて通常の露光時間も達成することが可能である。さらに、「フラッシュランプ補助スパイクアニール」（ｆｌａｓｈ ｌａｍｐ ｓｐｉｋｅ ａｎｎｅａｌｉｎｇ）に比べて、基層の熱処理に必要な唯一の種類のランプのみが必要である。
なお、本発明は、以下の態様も包含し得る：
１．少なくとも１つの気体放電ランプ（１１０）により基層を熱処理する方法において、
前記気体放電ランプが、２０ミリ秒～５秒の第１の時間にわたって一定の電気的な出力において動作され、前記第１の時間の最後に、前記気体放電ランプの平均的な電気的な出力が、５０マイクロ秒～２０ミリ秒の第２の時間にわたって少なくとも１つのオーダーだけ高められることを特徴とする方法。
２．前記基層の前記熱処理が、２０ミリ秒～５秒の前記第１の時間へ制限されたままであることを特徴とする上記１．に記載の方法。
３．前記基層が、２～２００マイクロメートルの厚さを有するコーティングを有していることを特徴とする上記１．又は２．に記載の方法。
４．前記コーティングが、少なくとも１つのゾルゲルフィルム、塗装、ナノ粒子で構成されていることを特徴とする上記３．に記載の方法。
５．スタンバイモードにおけるシマー動作を備えた少なくとも１つの気体放電ランプ（１１０）を有する、基層を熱処理する装置において、
前記気体放電ランプが、５０マイクロ秒を超える選択可能な時間にわたって、一定の出力の第１の電流供給部（２８０）に第１の電子スイッチ（２９０）を介して接続されることが可能であるとともに、電気的に充電される少なくとも１つのコンデンサ（１２０）に第２の電子スイッチ（１７０）を介して接続されることが可能であることを特徴とする装置。
６．前記第１の電流供給部（２８０）が、漂遊磁場変圧器及び整流器を含んでいることを特徴とする上記５．に記載の装置。
７．前記漂遊磁場変圧器の最大の電流の大きさを、機械的な調整器を介して手動で設定することが可能であることを特徴とする上記６．に記載の装置。
８．前記第１の電流供給部（２８０）が、少なくとも１つのアキュムレータを含んでいることを特徴とする上記５．に記載の装置。

１００ 従来技術による装置
１１０ 気体放電ランプ
１２０ コンデンサ
１３０ チョークコイル
１４０ 点火のための電流供給部
１５０ コンデンサの充電のための電流供給部
１６０ シマー動作のための電流供給部
１７０ 電子スイッチ２
２００ 本発明による装置
２８０ 継続動作のための一定の出力を有する電流供給部
２９０ 電子スイッチ１

Claims (8)

1. 少なくとも１つの気体放電ランプ（１１０）により基層を熱処理する方法において、
   前記気体放電ランプが、２０ミリ秒～５秒の第１の時間にわたって一定の電気的な出力において動作され、前記第１の時間の最後に、前記気体放電ランプの平均的な電気的な出力が、５０マイクロ秒～２０ミリ秒の第２の時間にわたって少なくとも１つのオーダーだけ高められることを特徴とする方法。
2. 前記基層の前記熱処理が、２０ミリ秒～５秒の前記第１の時間へ制限されたままであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記基層が、２～２００マイクロメートルの厚さを有するコーティングを有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記コーティングが、少なくとも１つのゾルゲルフィルム、塗装、ナノ粒子で構成されていることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. スタンバイモードにおけるシマー動作を備えた、請求項１～４のいずれか１項に記載の少なくとも１つの気体放電ランプ（１１０）により基層を熱処理する方法を実施する装置において、
   前記気体放電ランプが、５０マイクロ秒を超える選択可能な時間にわたって、一定の出力の第１の電流供給部（２８０）に第１の電子スイッチ（２９０）を介して接続されることが可能であるとともに、電気的に充電される少なくとも１つのコンデンサ（１２０）に第２の電子スイッチ（１７０）を介して接続されることが可能であることを特徴とする装置。
6. 前記第１の電流供給部（２８０）が、漂遊磁場変圧器及び整流器を含んでいることを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 前記漂遊磁場変圧器の最大の電流の大きさを、機械的な調整器を介して手動で設定することが可能であることを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 前記第１の電流供給部（２８０）が、少なくとも１つのアキュムレータを含んでいることを特徴とする請求項５に記載の装置。

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