JPH04297581A - 光気相成長装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は試料、例えば半導体ウ
エハーの表面に酸化膜や窒化膜を形成する製膜工程にお
いて化学気相成長法（以下気相成長と称する）を用いた
光気相成長装置の改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】特公昭６２−７４７４号公報、や特公昭
６１−５４７号公報に示されているように光による試料
、例えば試料として半導体ウエハーの熱処理を行うアニ
ール炉等を用いてウエハーの温度上昇によって気相成長
を行う方式が最も良く用いられている気相成長方式であ
る。光気相成長装置の性能は加熱や冷却が高速に秒単位
で行え、半導体のドーパントの分布状態を良好に保ちな
がら膜形成を行うとか、雰囲気の制御を正確に行い、ウ
エハーの温度を均一にして厚さの一定な膜形成ができる
事が求められている。

【０００３】紫外線を用いた光気相成長装置は上記の要
求を満足できるので将来は量産ラインにおいても、イオ
ン打ち込み工程の結晶損傷の回復や窒化、酸化膜の形成
に利用される事が期待されている。現在はそのうちの一
部が製造ラインに取り入れられているがまだ本格的な採
用にはいたっていない。その理由は、従来のこの種の炉
はハロゲンランプを利用して構成されており非常に長い
ハロゲンランプを高密度で実装するので装置自体の信頼
性が疑問視されている事。および、加熱手段は電気炉に
よる大量の試料、例えば半導体ウエハー同時処理（１０
０枚単位で）に勝るスループットが得られない事。さら
に、試料、例えば半導体ウエハーの大口径化にともなっ
て直径８インチの大型なものの均一加熱が困難な事が挙
げられる。光気相成長装置は半導体ウエハーを汚染しな
いとか、性能を劣化させない等の優れた性能を持つので
将来の超高密度化ＬＳＩ等の製造において重要な装置と
なるものと考えられる。

【０００４】図１３に従来の代表的な光気相成長装置を
示す。図において１は試料、例えば半導体ウエハー、２
はミラー、３はミラー２の反射面側に平行に並べられた
円柱状のハロゲンランプ、４は真空槽、５は試料１を保
持する光透過性を有する石英台である。

【０００５】次に動作について説明する。長さ３０セン
チ程度の円筒状のハロゲンランプ３をミラー２の上に平
行に並べて配置し、石英台５の上にある試料１を加熱す
る。試料１は高速に昇温して熱処理が行われる。このと
き、雰囲気は真空槽４の内部で制御されて試料１に達し
所定のガス、例えば酸素が反応して試料１の表面に酸化
膜を形成する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の光気相成長装置
は以上のように構成されているのでハロゲンランプ３を
１０本以上ミラー２に取り付けるので冷却に問題があり
照射エネルギー密度を大きくできないという問題があっ
た。１本のハロゲンランプ３の最大入力電力は３．２Ｋ
ｗ程度であるがこの様な大電力では寿命が短くなる問題
があった。

【０００７】また、試料、例えば半導体ウエハーは通常
シリコンであるがこの種の材料は赤外域に透過特性が非
常に良く赤外レーザの窓材に用いられているほどである
からハロゲンランプ３のエネルギーの大半は透過によっ
て失われ有効に熱に変換されないという問題があった。

【０００８】さらに、ハロゲンランプ３の発光波長が０
．３ミクロンから３ミクロンあたりまで広く分布してい
るが、紫外域の光線がほとんど無く紫外線の化学的な効
果が期待できないことと、さらにシリコンを用いた放射
温度計が０．８から１ミクロンでウエハーの温度を計測
するため干渉してしまい測定不可能となっている。この
ため膜の形成に長時間を必要とし、また、温度検出に通
常はサーモパイルや熱電対を使用しているので熱電対は
汚染の原因となり、製造時には使用できないし、サーモ
パイルは５ミクロン以上の赤外線を検出するので石英を
透過してウエハーの温度を測定する事ができないため、
検出器をウエハーの近くに設置しなければならず汚染の
原因となるとともに外乱の影響を受け易いので温度精度
や温度分解能が悪いという問題があった。このため温度
センサを制御ループの中に組み込んだ装置はまだ実現し
ていない。

【０００９】また、半導体ウエハーの直径が８インチに
もなるとさらに長いハロゲンランプ３を用いて電力を増
加しなければならないとか、均一性を保つのが困難にな
るなどの問題があった。

【００１０】この発明は上記のような問題点を解決する
ためになされたもので光の照射を紫外線と近赤外線の両
方で同時に行い加熱を瞬時に行うと共に紫外線の化学効
果を用いて膜形成を行う。また、光照射の密度を高め、
均一性を高め、寿命の長い装置を提供する事を目的とす
る。また、放射温度計でウエハーの温度を正確に計測し
温度制御を行う光気相成長装置を提供する事を目的とす
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明に係わる光気相
成長装置は金属元素を封入した球プラズマランプを含む
加熱ユニットを複数個主反射鏡に取り付けて、球プラズ
マランプを高周波で加熱して発光させてウエハーに照射
する事で加熱と酸化、窒化膜形成処理を行うものである
。

【００１２】また、金属元素を封入した直線円柱プラズ
マランプを含む加熱ユニットを複数個主反射鏡に取り付
けてこの直線円柱プラズマランプを高周波で加熱して発
光させてウエハーに照射する事で加熱と酸化、窒化膜形
成処理を行うものである。

【００１３】また、湾曲円柱プラズマランプを含む加熱
ユニットを主反射鏡の曲率に合わせて湾曲させた湾曲円
柱プラズマランプ加熱ユニットを用いてウエハー表面の
集光性を高める。

【００１４】さらに、以上の場合において放射温度計と
、温度制御装置と、加熱電源を接続し、ランプに入力す
る高周波の発生源であるマグネトロンの発生電力を調節
する。

【００１５】

【作用】この発明に係わる光気相成長装置は複数の球プ
ラズマランプから０．７６ミクロン程度の近赤外線およ
び０．２５ミクロンの紫外線を発光して試料、例えば半
導体ウエハーを照射して加熱し酸化、窒化膜形成処理す
る。シリコンの場合、入射した光の６５％が有効に吸収
される。（ハロゲンランプの場合は１．２ミクロン以上
は透過するから半分程度のエネルギーが無駄になる）そ
してこの場合のウエハー表面の光密度は１．６×１０６
　（ｗ／ｍ２　）もの強力なものである。従来のハロゲ
ンランプによる場合は３０ｃｍ直径の範囲を３６ｋｗ程
度で照射するので５×１０５　（ｗ／ｍ２）となり、さ
らにこの内の半分程度の光はウエハーを透過するので熱
効率は悪い。したがって、この光気相成長装置は従来の
３倍以上の加熱能力を持つ事となる。

【００１６】また、球プラズマランプの発光波長は金属
元素の種類によって決まる原子スペクトルであるから０
．２５ミクロンから０．８５ミクロンの間で発光波長を
選択できしかも複数の元素を用いれば複数の波長を選択
して発光でき、０．８５ミクロンより長波長の光は発光
しないので近赤外（０．８５〜１ミクロンの間）の感度
を持つ放射温度計を備えこれにより温度計測を行いウエ
ハーの温度を制御する。

【００１７】また、光源の大きさが直径３０ｍｍ以上に
でき、ランプの形状と反射鏡の形状を調整して自由に光
量の分布を設計できるから従来のハロゲンランプに比較
して均一性を確保できる。

【００１８】また、さらに別の発明では湾曲円柱プラズ
マランプを含む加熱ユニットを主反射鏡の曲率に合わせ
て湾曲させることで、試料の周辺部に発生しやすい結晶
欠陥、すなわちスリップラインの発生を防止するため周
辺部を中央部より強く加熱する事ができる。また、試料
であるウエハー表面への集光性を高めるから加熱効率を
向上させる。

【００１９】また、さらに別の発明においては直線円柱
プラズマランプで加熱するものである。この場合は均一
性をさらに良いものとし装置を小型で簡単なものとして
いる。

【００２０】また、別の発明においては、以上の場合に
おいてランプの発光波長が０．８５ミクロン以上の長波
長の光は発光しないことを利用して０．８５〜１ミクロ
ンの間で放射温度計により温度計測を行いウエハーの温
度計測を行って温度制御装置で加熱電源のパワーを調節
しマグネトロンの発生電力を調整してランプの光強度を
調節し温度制御を行う。

【００２１】

【実施例】実施例１．以下、この発明の一実施例を図に
ついて説明する。図１はこの発明の一実施例を示す構成
図であり、図２は加熱ユニット６の構成を示す図で、図
３は全体の構成を示す断面図で図３ではマグネトロン１
３、加熱電源７、温度制御装置９は省略している。図４
は図３の構成を上からみた図で加熱ユニット６の配置を
示している。図において試料１、真空槽４、石英台５は
従来装置と同じ。６は図２に示されるように無心２次曲
線回転面副反射鏡１０の焦点位置に取り付けられた球プ
ラズマランプ１１と無心２次曲線回転面副反射鏡１０の
内部に金網等を接着した無心２次曲線回転面空胴共振器
１２とマグネトロンなどの高周波発信器１３と導波管１
４とで構成される加熱ユニット、７は高周波発信器１３
に接続される加熱電源、８は試料１の温度を石英で作ら
れた温度観測窓２４を通して測定する放射温度計であり
シリコン素子を用いて波長０．８５から１ミクロンの範
囲の近赤外線を取り込んで温度に変換するものである。 ９は加熱電源７と放射温度計８の両方に接続される温度
制御装置、１５はアルミを放物面状に鏡面加工して金メ
ッキ等を施した主反射鏡で６０センチ程度の直径となり
、加熱ユニット６を複数個搭載する。２０は球プラズマ
ランプ１１に直接雰囲気が接触しないように試料と隔離
するため主反射鏡１５の全面に取り付けられた石英板で
構成された石英窓、２２は真空槽４に設けられた排気口
、２３は真空槽４に設けられたガス流入口、２４は真空
槽４に設けられた石英の温度観測窓であり放射温度計８
がこの温度観測窓２４から試料１を覗く構成になってい
る。なお、無心２次曲線回転面副反射鏡１０は放物面や
双曲線面が空胴共振器となるものであるが円柱状の空胴
共振器に構成する事も可能である。

【００２２】図５は試料１の温度上昇を有限要素法で解
析した結果である。加熱ユニット６の放射する光の強度
は３０００Ｗ／個で、１３個を同時に点灯する場合であ
る。この場合、試料１の吸収率は０．６５を用いており
反射鏡による集光率を８０％とし、試料１は直径２０セ
ンチの半導体ウエハーで厚さ０．５ｍｍとしている。周
囲の環境は空気が片面を覆っており熱伝達があるとして
いる。図からわかるように７秒程度で溶解温度に到達す
る事がわかる。図６は球プラズマランプ１１の発光スペ
クトラムの一例であり、この場合はカリキュウムの０．
７６ミクロン（カリュウム）の放射と０．２５ミクロン
の放射（水銀）が支配的である。

【００２３】以下に動作について図を用いて詳細に説明
する。加熱ユニット６の高周波発信器１３に加熱電源７
から電力が供給されると高周波発信器１３は発信して２
．５ＧＨｚ程度の高周波を発生する。これは電子レンジ
の動作と同様なものである。高周波発信器１３から送出
された高周波は導波管１４経由空胴共振器１２に導かれ
て定在波をこの内部に作る。球プラズマランプ１１は定
在波の強大な電磁界によって励起された金属元素の原子
スペクトルを発光する。この光は無心２次曲線回転面副
反射鏡１０によって、放物面や双曲面等で反射されて試
料１に照射される。加熱ユニット６は例えば図４のよう
に１３個を主反射鏡１５に取り付けた場合は図５のよう
な温度上昇特性が得られる。この場合は球プラズマラン
プ１１の発光波長は図６のような０．２５と０．７６ミ
クロンを主とするもので試料１（シリコンウエハー）の
吸収率が０．６５としている。従来のハロゲンランプ３
やキセノンランプの場合は発光波長が広く分布するので
１．２ミクロン以上の波長は試料１を完全に透過してし
まい熱に変換されないのでこの発明に比較して大半のエ
ネルギーを無駄にしている事となる。

【００２４】この実施例の場合は従来のものと比較して
違う点はランプの発光波長を自由に選択できるので試料
１の光学特性によって吸収しやすい波長で加熱する事が
でき透過損を無くし効率が良く、急速な昇温が可能であ
る。試料１の雰囲気は真空槽４により外部から制御され
ているので紫外線によって雰囲気との反応が高速に進め
られる。反応は５秒程度で十分なので直ちに球プラズマ
ランプ１１をオフして冷却する。冷却の速度はハロゲン
ランプ３に比較して早い。冷却後直ちに別の試料１に交
換される。

【００２５】また、放射温度計８は試料１の温度を石英
を通して計測でき、球プラズマランプ１１の発光を避け
られるので温度計測が可能となる。実験で紫外線と近赤
外線を同時に発光する球プラズマランプ１１を用いて酸
化膜と窒化膜をタングステン試料の表面に形成してみた
ところ６００℃の加熱を２分間、減圧雰囲気の中で行う
と５０ミクロン程度の厚さの膜ができた。これは従来の
気相成長装置が０．３ミクロン／分程度の膜形成速度で
あるので１０倍程度の高速な酸化、窒化膜形成処理がで
きた事を意味する。従って、従来と同じ厚さの酸化膜や
窒化膜の酸化、窒化膜形成処理に要する時間が５秒程度
ですむ事となるので１時間で酸化、窒化膜形成処理でき
る試料、例えば半導体ウエハーの枚数を従来の１００枚
から２００枚以上にする事が十分可能となる。このこと
は極めて重要な事であって従来の電気炉に代わる高速処
理を実現するものである。

【００２６】実施例２．次に別の発明の一実施例を図に
ついて説明する。図７はこの発明の一実施例を示す構成
ブロック図であり、図８は加熱ユニット１６の構成を示
す図で、図９は全体の構成を示す断面図で図９ではマグ
ネトロン１３、加熱電源７、温度制御装置９は省略して
いる。図１０は図９の構成を上からみた図で加熱ユニッ
ト１６の配置を示している。図において試料１、真空槽
４、石英台５は従来装置と同じ。６は図８に示されるよ
うに無心２次曲線面副反射鏡１７の焦点位置に取り付け
られ主反射鏡１５の曲率に合わせて湾曲した湾曲円柱プ
ラズマランプ２１と上記無心２次曲線面副反射鏡１７の
内部に金網等を接着し湾曲した無心２次曲線面空胴共振
器１９とマグネトロンなどの高周波発信器１３と導波管
１４とで構成される加熱ユニット、７は高周波発信器１
３に接続される加熱電源、８は試料１の温度を測定する
放射温度計でありシリコン素子を用いて波長０．８５か
ら１ミクロンの範囲の近赤外線を取り込んで温度に変換
するものである。９は加熱電源７と放射温度計８の両方
に接続される温度制御装置である。１５はアルミ材等を
鏡面加工して金メッキ等を施した主反射鏡で放物面等の
無心２次曲線回転面で反射鏡を形成した主反射鏡でその
上に放物面等の無心２次曲線回転面である主反射鏡１５
の形状と曲率に合わせて湾曲した円柱加熱ユニット１６
が複数個が配置されて試料１に光が集まるようになって
いる。２０は球プラズマランプ１１に直接雰囲気が接触
しないように試料と隔離するため主反射鏡１５の全面に
取り付けられた石英板で構成された石英窓である。

【００２７】円柱加熱ユニット１６の発光は上記の発明
と同様であるが湾曲円柱プラズマランプ２１が電磁界に
よって励起された金属元素の原子スペクトルを発光する
。この光は無心２次曲線面空胴共振器１９および主反射
鏡１５で反射されて試料１に照射され加熱される。この
とき、試料１はその周辺部が中央部よりも放射が多いの
で冷却されて温度が低下し熱応力が生じて結晶に欠陥が
生ずる。この現象をスリップラインの発生と呼んでいる
が、周辺部の温度を中央部と均一に保つ事は試料である
ウエハーの品質を維持するための重要な点である。この
発明では湾曲円柱プラズマランプ２１が周辺部で試料１
に近づくため試料１の周辺部の温度を高める事が可能と
なる。従来はハロゲンランプ３の並び方を変えて周辺部
で試料に近づけるなどの対策を施していたが直線的なラ
ンプを用いる限り不完全なものである。また、放射温度
計８は試料１の温度を石英を通して計測でき、球プラズ
マランプ１１の発光を避けられるので温度計測が可能と
なる。

【００２８】実施例３．次にさらに別の発明の一実施例
を図について説明する。図１１はこの発明の一実施例を
示す構成ブロック図であり、図において試料１、真空槽
４、石英台５は従来装置と同じ。６は図１２に示される
ように無心２次曲線面副反射鏡１７の焦点位置に取り付
けられた直線状の直線円柱プラズマランプ１８と上記無
心２次曲線面副反射鏡１７の内部に金網等を接着し直線
状の無心２次曲線面空胴共振器１９とマグネトロンなど
の高周波発信器１３と導波管１４とで構成される加熱ユ
ニット、７は高周波発信器１３に接続される加熱電源、
８は試料１の温度を測定する放射温度計でありシリコン
素子を用いて波長０．８５から１ミクロンの範囲の近赤
外線を取り込んで温度に変換するものである。９は加熱
電源７と放射温度計８の両方に接続される温度制御装置
である。

【００２９】円柱加熱ユニット６の発光は上記の発明と
同様であるが直線円柱プラズマランプ１８が電磁界によ
って励起された金属元素の原子スペクトルを発光する。 この光は無心２次曲線面空胴共振器１９および主反射鏡
１５で反射されて試料１に照射され加熱される。また、
放射温度計８は試料１の温度を石英を通して計測でき、
球プラズマランプ１１の発光を避けられるので温度計測
が可能となる。また、直線円柱プラズマランプ１８の太
さを部分的に変える事により試料１の温度分布を調節で
きる。たとえば、試料１の周辺部の温度を中央部と等し
くするために直線円柱プラズマランプ１８の端部を太く
して発光量を大きくして周辺部に強く光が集光されるよ
うな調節が可能である。この様な特徴は従来のハロゲン
ランプ３ではタングステンコイルの巻きピッチを変化さ
せる事で達成しようとしていたがピッチを密にするとタ
ングステンコイルに短絡故障が生じ易いなど信頼性が低
下する。

【００３０】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば従来の光
気相成長装置に比較して非常に大きな照射エネルギー密
度を得、加熱と同時に紫外線による化学反応を行って従
来の１０倍程度の高速な酸化、窒化膜形成処理が可能と
なる。従って、スループットを従来の１０倍近くに向上
させるので電気炉のスループット（１００枚／時間）に
比較して倍以上（２００〜３００枚／時間）のスループ
ットを期待できる。

【００３１】また、試料、例えば半導体ウエハーの赤外
域の透過損を無くして効率の良い、急速な昇温を可能と
する加熱ができる。また、シリコンを用いた放射温度計
を用いて石英を透過してウエハーの温度を測定する事が
でき汚染の原因を除去できるとともに外乱の影響を受け
ないので温度精度や温度分解能が向上する。このため温
度センサを制御ループの中に組み込んだ温度制御が可能
となる。このことはウエハー表面の温度を精密に制御し
膜の厚さを均一に制御できる効果が生ずる。

【００３２】また、光の照射分布を自由に設計できるか
ら半導体ウエハーの直径が８インチ以上の場合にも容易
に均一性を確保できる。

【００３３】また、球プラズマランプの寿命は１万時間
連続動作、１０万回の点滅動作ができるのでハロゲンラ
ンプに比較して５倍以上の寿命となり保守が容易になる
。

【００３４】また、片面の照射だけで十分に温度を制御
できるのでいわゆる半導体ウエハーのフェイスダウン処
理を可能とし塵の付着を防止するから装置の清掃を軽減
する。

【００３５】また湾曲円柱プラズマランプにより、上記
の効果の他に試料の周辺部でスリップラインの発生を防
止し、品質の良い半導体ウエハーの製造に資する事がで
きる。

【００３６】また、直線円柱プラズマランプの採用によ
り、簡単な構成で従来よりも均熱性が向上し急速加熱が
可能な装置を提供できる。また、直線円柱プラズマラン
プの太さを部分的に変える事により試料の温度分布を細
かく調整する事が可能となる。

【００３７】また、上記各種のプラズマランプにおいて
は電源をオフしたときの冷却速度が従来のハロゲンラン
プ等よりも早いので試料の急速な冷却が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例の構成図ブロック図である
。

【図２】この発明の加熱ユニットの構成図である。

【図３】この発明の一実施例の断面図である。

【図４】この発明の一実施例の正面図である。

【図５】ウエハーの温度上昇の解析結果を示す図である
。

【図６】球プラズマランプの発光スペクトラムを示す図
である。

【図７】別の発明の一実施例の構成図ブロック図である
。

【図８】別の発明の加熱ユニットの構成図である。

【図９】別の発明の一実施例の断面図である。

【図１０】別の発明の一実施例の正面図である。

【図１１】さらに別の発明の一実施例の構成図ブロック
図である。

【図１２】さらに別の発明の加熱ユニットの構成図であ
る。

【図１３】従来の光気相成長装置の構成図ブロック図で
ある。

【符号の説明】

１　　試料 ２　　ミラー ３　　ハロゲンランプ ４　　真空槽 ５　　石英台 ６　　加熱ユニット ７　　加熱電源 ８　　放射温度計 ９　　温度制御装置 １０　　無心２次曲線回転面副反射鏡 １１　　球プラズマランプ １２　　無心２次曲線回転面空胴共振器１３　　高周波
発信器 １４　　導波管 １５　　主反射鏡 １７　　無心２次曲線面副反射鏡 １８　　直線円柱プラズマランプ １９　　無心２次曲線面空胴共振器 ２０　　石英窓 ２１　　湾曲円柱プラズマランプ ２２　　排気口 ２３　　ガス流入口 ２４　　温度観測窓

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　透光性球殻の内部に金属元素やガスを
   封入してなる球プラズマランプと、この球プラズマラン
   プを無心２次曲線回転面副反射鏡の焦点位置に置いて、
   これを収納する空胴共振器と加熱電源に接続された高周
   波発信器を備えた加熱ユニットと、この加熱ユニットを
   複数個搭載する主反射鏡と、試料を収納し、かつ排気口
   とガス流入口を有する真空槽とを備え、球プラズマラン
   プから近赤外光と紫外光を試料に照射して試料表面に膜
   を形成する事を特徴とする光気相成長装置。
2. 【請求項２】　　湾曲した透光性円柱殻の内部に金属元
   素やガスを封入してなる湾曲円柱プラズマランプと、こ
   の湾曲円柱プラズマランプを無心２次曲線回転面副反射
   鏡の焦点位置に置いて、これを収納する空胴共振器と加
   熱電源に接続された高周波発信器を備えた円柱加熱ユニ
   ットと、この円柱加熱ユニットを複数個搭載する主反射
   鏡と、試料を収納し、かつ排気口とガス流入口を有する
   真空槽とを備え、湾曲円柱プラズマランプから近赤外光
   と紫外光を試料に照射して試料表面に膜を形成する事を
   特徴とする光気相成長装置。
3. 【請求項３】　　直線状の透光性円柱殻の内部に金属元
   素やガスを封入してなる直線円柱プラズマランプと、こ
   の直線円柱プラズマランプを無心２次曲線回転面副反射
   鏡の焦点位置に置いて、これを収納する空胴共振器と加
   熱電源に接続された高周波発信器を備えた円柱加熱ユニ
   ットと、この円柱加熱ユニットを複数個搭載する主反射
   鏡と、試料を収納し、かつ排気口とガス流入口を有する
   真空槽とを備え、直線円柱プラズマランプから近赤外光
   と紫外光を試料に照射して試料表面に膜を形成する事を
   特徴とする光気相成長装置。
4. 【請求項４】　　上記真空槽に石英窓を備え、この石英
   窓を経由して試料に対向して置かれた放射温度計と、こ
   の放射温度計に接続される温度制御装置と、この温度制
   御装置に接続された加熱電源とを備え、試料の温度を放
   射温度計の温度計測値を用いて制御する事を特徴とする
   請求項第１項、第２項又は第３項記載の光気相成長装置
   。