JPH051996U

JPH051996U - 光照射加熱炉

Info

Publication number: JPH051996U
Application number: JP697091U
Authority: JP
Inventors: 俊雄阿部
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1991-02-19
Filing date: 1991-02-19
Publication date: 1993-01-14

Abstract

(57)【要約】【目的】半導体ウエファの光照射加熱炉の性能すなわ
ち、温度上昇特性、温度の均一性、保守性、温度安定性
を向上させる。【構成】この発明は透過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１１を無心２次曲線
回転面副反射鏡１０の焦点位置において、この球プラズ
マランプ１１を吸収する空洞共振器１２と加熱電源７に
接続された高周波発信器１３を備えた加熱ユニット６を
複数個主反射鏡１５の上に連設して光を試料１に照射し
て加熱する事を特徴とする光照射加熱炉。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

この考案は半導体ウエファを熱処理するアニール炉の加熱装置の改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

特許公報昭６２−７４７４、照射加熱炉や特許公報昭６１−５４７、照射加熱炉において見られるように光による半導体ウエファの熱処理を行うアニール炉等は試料の温度上昇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活性化を行うとか、雰囲気の制御を正確に行えるので、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、ＣＶＤ（化学気相成長法）処理などを良好に行えるので半導体製造の各工程で用いられる可能性がある。現在はそのうちの一部が製造ラインに取り入れられては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半導体ウエファ同時処理（１００枚単位で）に勝るスループットが得られない事。さらに、半導体ウエファ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。光照射加熱炉は半導体ウエファを汚染しないとか、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。図１１に従来の代表的な光照射加熱炉を示す。図において１は半導体ウエファ等の試料、２はミラー、３はハロゲンランプ、４は風路部材、５は石英台である。

【０００３】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０１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、雰囲気は風路部材４で導かれて試料１に達し所定のガスが反応するなどの動作を行う。

【０００４】

【考案が解決しようとする課題】

従来の光照射加熱炉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３．２ｋｗ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。また、半導体ウエファ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。また、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、シリコンを用いた放射温度計が０．８から１ミクロンで試料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。このため通常はサーモパイルや熱電対を使用しているが熱電対は汚染の原因となるので製造的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試料の温度を測定する事ができないため、検出器を試料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。また、半導体ウエファの直径が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。

【０００５】この考案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、放射温度計で試料の温度を正確に計測し温度制御を行う光照射加熱炉を提供する事を目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】

この考案に関わる光照射加熱炉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試料に照射する事で加熱するものである。また、球プラズマランプの発光波長は金属元祖の種類によって決まる原子スペクトルであるから０．８５ミクロン以上の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）で放射温度計により温度計測を行い試料の温度を制御する。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試料に照射する事で加熱するものである。また、この場合においても上記のように放射温度計で試料の温度計測を行って温度制御を行う。また、上記の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試料表面の集光性を高める。さらに、この場合においても放射温度計で温度を計測し温度制御を行う。

【０００７】

【作用】

この考案に関わる光照射加熱炉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で半導体ウエファを加熱するので、シリコンの場合、入射した光の６５％が有効に吸収される。試料表面の光密度は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試料を透過するので熱効率は悪い。したがって、この光照射加熱炉は従来の３倍以上の加熱能力を持つ事となる。また、光源の大きさが直径３０ｍｍ以上にできるので従来のハロゲンランプに比較して均一性を確保できる。また、別の実施例においては、球プラズマ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試料の温度を制御する。また、さらに別の実施例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なものとしている。また、この場合においても上記のように放射温度計で試料の温度計測を行って温度制御を行う。また、さらに別の実施例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試料表面の集光性を高めるから加熱効率を向上させる。さらに、この場合においても放射温度計で温度を計測し温度制御を行う。

【０００８】

【実施例】

以下、この考案の一実施例を図について説明する。図１はこの考案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、風路部材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次曲線回転面空洞共振器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。なお、無心２次曲線回転面副反射鏡１０は放射面や双曲線面が空洞共振器となるものであるが円柱状の空洞共振器に構成する事も可能である。図３と図４は無心２次曲線回転面副反射鏡１０の主反射鏡１５への取付状態を示す構成図である。無心２次曲線回転面副反射鏡１０は放物面等の無心２次曲線回転面である主反射鏡１５の上に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。

【０００９】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ファで厚さ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、この場合はカリュウムの０．７６ミクロンの放射が支配的である。このスペクトラムは封入する金属元素の種類で変化するものである。

【００１０】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経由空洞共振器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、放射物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０．７６ミクロンを主とするもので試料１（シリコンウエハ）の吸収率が０．６５としている。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を透過してしまい熱に変換されない。この実施例の場合は波長を選択できるので透過損を無くする事が可能である。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。

【００１１】次に別の実施例を図について説明する。図７はこの考案の実施例を示す構成ブロック図であり、図において試料１、風路部材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た湾曲した湾曲円柱プラズマランプ１８と無心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次曲線面空洞共振器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、石英窓２０を経由して試料を見ている。この放射温度計は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が短波長で温度を計測するので石英窓２０を通しても正確さには変化はない。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。図９と図１０は無心２次曲線面空洞共振器１９の主反射鏡１５への取付状態を示す構成図である。無心２次曲線面空洞共振器１９は放物面等の無心２次曲線回転面である主反射鏡１５の形状に合わせて湾曲した加熱ユニット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。

【００１２】加熱ユニット１６の発光は上記の実施例と同様であるが湾曲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次曲線面空洞共振器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。

【００１３】次にさらに別の実施例を図について説明する。図１１はこの考案の実施例を示す構成ブロック図であり、図において試料１、風路部材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次曲線面空洞共振器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、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。図９と図１０は無心２次曲線面空洞共振器１９の主反射鏡１５への取付状態を示す構成図である。無心２次曲線面空洞共振器１９は放物面等の無心２次曲線回転面である主反射鏡１５の上に加熱ユニット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。

【００１４】加熱ユニット１６の発光は上記の実施例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次曲線面空洞共振器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。

【００１５】

【考案の効果】

以上のようにこの考案によれば従来の光照射加熱炉に比較して非常に大きな照射エネルギー密度を得る事ができる。また、半導体ウエファの赤外域の透過損を無くして効率の良い加熱ができる。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試料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。また、半導体ウエファの直径が８インチ以上の場合に均一性を確保できる。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。

【００１６】また別の考案によれば上記の効果の他にさらによい均一性を確保できる。さらに別の考案によれば上記の効果の他にさらによい均一性を確保でき構成を簡単にできる。

【００１７】

【図面の簡単な説明】

【図１】この考案の一実施例の構成図ブロック図であ
る。

【図２】この考案の加熱ユニットの構成図である。

【図３】この考案の一実施例の断面図である。

【図４】この考案の一実施例の正面図である。

【図５】試料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】この考案の別の実施例の構成図ブロック図であ
る。

【図８】別の実施例の加熱ユニットの構成図である。

【図９】別の実施例の断面図である。

【図１０】別の実施例の正面図である。

【図１１】さらに別の実施例の構成ブロック図である。

【図１２】さらに別の実施例の加熱ユニットの構成図で
ある。

【図１３】従来の光照射加熱炉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風路部材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次曲線回転面空洞共振器１３高周波発信器１４導波管１５主反射鏡１６加熱ユニット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次曲線面空洞共振器２０石英窓２１湾曲円柱プラズマランプ

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【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
れを収納する空洞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を備え、球プラズマランプの光
を試料に照射して加熱する事を特徴とする光照射加熱
炉。
【請求項２】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項記載の光照射加熱炉。
【請求項３】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、これを収納する空洞共振器と加熱
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を備
え、湾曲円柱プラズマランプから光を試料に照射して加
熱する事を特徴とする光照射加熱炉。
【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３項記載の光照射加熱炉。
【請求項５】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、これを収納する空洞共振器と加熱
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を備
え、直線円柱プラズマランプから光を試料に照射して加
熱する事を特徴とする光照射加熱炉。
【請求項６】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５項記載の光照射加熱炉。