JPS62181422A - 光照射装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光照射装置、特に半導体ウェハのアニール工程
、光ＣＶＤＴ程等に用いられる高効率光照射装置に関す
る。

〔従来の技術〕

半導体装置の製造工程において、イオン注入後に半導体
つ１ハをアニールする工程等、半導体ウェハを加熱する
工程が数多く採り入れられている。

このような加熱炉に用いられる加熱装置として、従来は
赤外線ヒータが主流であった。しかしながら、赤外線の
スベク１−ルど、シリコンウェハの吸収スペクトルとは
、第１３図に示づ゛ように部分的にしか巾なっていない
ため、非出°に加熱効率の悪いものとなる。また、加熱
中、炉内の半導体ウェハは均一な温度分布におかれるこ
とが理想であるが、赤外線ヒータ式加熱炉では、均一な
温度分布を得ることが非常に困難である。赤外線ヒータ
よりの照射に基づく温度分布の不均一さに加え、炉内に
充満されるガスの対流の影響を受けるためである。更に
赤外線ヒータ式加熱炉では、一度に１００枚程枚程半導
体ウェハを収容して加熱づ−るバッチ処理を行うため、
処理に失敗すると多数の半導体ウェハが、最悪の場合１
００枚程０半導体ウェハ全部が不良品となり、全半導体
製造工程の一部に大きな穴があく危険性もはらんでいる
。

そこで近年、光照射式加熱炉が提案されてぎている。赤
外線ランプを用いたり、キセノンフラッシュランプを用
いたり、ハロゲンランプを多数配設したりする方法が試
みられているが、現在実用化の域にまで達した装置は、
いわゆる直管式と呼ばれている光照射装置を用いた加熱
炉である。例えば米国イートン社（Ｅａｔｏｎ　Ｃｏｒ
ｐｏｒａｔｉｏｎ　）の開発したＮＯＶΔシリーズに利
用されている光照割式加熱炉が、直管式照射装置を用い
ている。第９図にこの直管式の光照射装置の原理図を示
す。半導体ウェハ１の上方に光源ランプとしてアルゴン
放電管２が配設されている。アルゴン放電管２は２つの
電極３間に生ずるミドルアークの放電（放電長２００〜
２５０　ｍｍ　）によって発光する。このアルゴン放電
管３の上方には反射鏡４が設けられている。アルゴンガ
スの発光スペクトルと、シリコンウェハの吸収スペクト
ルとは、かなり広い範囲で重なっているため、熱吸収効
率は赤外線ヒータ式加熱炉に比べてかなり改善される。

また、アルゴン放電管２の電極軸と半導体ウェハ１の照
射面とが平行になるように配され、反射鏡４によって光
照射を行っているため、半導体ウェハ１の照射面上には
、はぼ均一な照！）１密度分布を得ることができる。更
に、半導体ウェハ１を１枚ずつ順次処理することができ
るため、バッチ処理のような危険性も少ない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前述のように、直管式の光照射装置を用いた加熱炉は、
赤外線ヒータ式加熱炉に比べて柚々のメリッ１〜がある
。しかしながら、この直管式の光照射装置には、解決し
な【プればならない大きな問題が２つ存在する。それは
、（１）高効率化を図ることと、（２）照射密度分布の
制御を行えるようにすること、の２点である。以下、こ
れらの問題点についで順に説明する。

（１）　　高効率化 高効率化が図れれば、処理時間を短縮Ｊることができ、
低消費電力化が図れ、それに伴って電源装置や冷却系も
小型化することができ、コストダウンも図れるという種
々のメリットが得られる。

ここで、従来の直管式の光照射装置について考えると、
熱吸収効率に関しては、前述したようにスペクトルが広
く重なるため、かなり高い効率を）ｑることができる。

しかしながら、光照射面積効率には無駄が生じることに
なる。即ち、第９図に示したような状態で光照射を行う
と、照射領ｌｌ１１５は第１０図に示づ゛ように四角形
にならざるを得ない。

これに対し、半導体ウェハ１は円形であるため、仮に照
射領域５を半導体ウェハ１の外接正方形にまでしぼった
としても、半導体ウェハ１と照射領域５の面積比は、ウ
ェハ半径をｒとしてπｒ２／（２ｒ）２＝７８．５％と
なる。実際には照射密度は周辺部で低下するため、半導
体ウェハ１としては、半径０．７５ｒ程度のものまでし
か処理できないことになる。このときの面積比はπ（０
，７５ｒ）２／　（２ｒ）２−４４％となる。

上述の光照射面積効率は、いわば被照射物側からみた照
射効率であるが、光源ランプ側からみた照射効率、即ち
、光源ランプの配光のある部分の立体角に対する実際に
利用している部分の立体角の比（以下単に立体角効率と
いう。）を考えると、全体の効率は更に低下することに
なる。この直管式の光照射装置では、被照射物に対し均
一な照射密度で光照射を行うことを意図しているわけで
あるが、均一な照射密度を得るためには、光源ランプの
発する光をすべての立体角について利用することはでき
ないのである。例えばアルゴン放電管２の電極３付近で
は放電状態が特異なため、この付近から発する光を利用
することはできない。また、アルゴン放電管２の下側部
分からの光が直接半導体ウェハ１に照射されると、均一
な照射が困難であるため、この直射光を避けるために何
らかのマスクを設けることになる。このように利用でき
る立体角が制限されると、全体の効率は更に低下し、お
そらく３０％以下となってしまう。実際米国イートン社
の装置では、１００ｋＷのアルゴン放電管が用いられて
おり、電源装置、冷Ｎ１系もかなり大がかりなものが必
要となる。

（２）ｌ吐１産立血旦ｌ 直管式の光照射装置は、均一な照射密度で光照射するこ
とを意図しており、照射密度分布を自由に′制御するこ
とはできない。一般に光照射装置は均一な光照射が理想
とされることが多いが、中には意図的にに不均一な分布
が必要とされる場合がある。実は半導体ウェハ用の加熱
炉もその一例なのである。いま、第１１図に示づように
、半導体ウェハ１に光を照射して加熱する場合を考える
と、半導体ウェハ１では周辺部からの放熱が大きいため
、光照射を均一に行ったのでは、半導体ウェハ１内の温
度分布は第１２図のカーブＡに示すように周辺部Ｃ低下
するような分布となってしまう。

カーブＢに示すような均一な温度分布を得たいのであれ
ば、照射分布はカーブＣに示すように周辺部にゆくほど
密度が高くなるような分布としておかな（Ｊればならな
いことになる。カーブＣは、半導体ウェハ１の大きさ、
厚み、熱伝導率、均一なアニールが必要とされる深さ、
半導体ウェハ１を固定する署ナセプタの材質、半導体ウ
ェハ１とサセプタとの密着性等の諸条件を考慮して決定
される。

しかしながら、直管式の光照射装置では、照射密度分布
の制御ができないため、結局均一な分布で光照射を行っ
ており、半導体「クエハ１の温度分布は、カーブ八に示
すように一様にはならないのである。

〔問題点を解決するための手段〕

そこｒ本発明は、上述の諸問題に鑑み、高効率化を図る
ことができ、しかも照射密度分布を自由に制御しうる光
照射装置を提供することを目的とし、光照射装置にＪ３
いて、回転対象となる光束分布を与える光源装置と、光
束分布の対象軸に対して照射面が垂直とむるＪ：うに被
照射物を支持する支持手段と、対象軸に関して回転対象
となる光学特性を有し、照射面に光源装置からの光を対
象軸に関し回転対象どなる所定の分布で照射できるよう
に設Ｊ１された光学系と、を設け、上記目的を達成した
ものである。

（作　用） 上述のような構成を探ることにより、光源ランプからの
光を回転対象となる配光という形で利用して被照射面に
無駄なく照射することができるようになり、立体角効率
、照射面積効率とも向上する。また、回転対象に光学系
を配するようにしたため、この光学系をうまく設計する
ことにより、照射密度分布を自由に制御することができ
るようになる。

〔実施例〕

以下、本発明を図示する実施例に基づいて説明する。第
１図は本発明に係る光照射装置を半導体ウェハの光照射
式加熱炉に適用した一実施例の新面図である。光源ラン
プとしてはキセノンランプ６を用いている。キセノンラ
ンプ６は両電極７間のショートアーク（放電長１２＃ｌ
Ｉｌ＋）の放電を利用した光源ランプで、対象軸Ｘにつ
いて回転対象となる配光特性を有する。キセノンランプ
６には、電カケープル８を介して外部から電力が供給さ
れる。一方、被照射物としての円板状半導体ウェハ１は
、支持手段としてのサセプタ９によって、照射面が対象
軸Ｘに対して垂直になるように支持される。また、光学
系として反射鏡１０が設けられ、その内面は所定の自由
曲面どなっており、半導体ウェハ１の照射面に、キセノ
ンランプ６からの光を所望の分イ５、即ち、第１２図カ
ーブＣに示すような密度分布で照射できるように設計さ
れている。

反射鏡１０の内部には冷却管１１が設けられており、こ
こを流れる冷ｆＪ］水により反射鏡１０は冷１１される
。また、電カケープル８内に冷却水用の配管をし、電極
７を冷却するようにしてもよい。必要に応じて、反射鏡
１０の他に、表面が所定関数曲面となったレンズ１２を
併用してもよい。

キセノンランプの発光スペクトルとシリコンウェハの吸
収スペクトルとは、第１４図に示すようかなり広い範囲
で重なり合っているため、本装置でシリコンウェハを処
理した場合、熱吸収効率は非常に良くなる。また、キセ
ノンランプ６と半導体ウェハ１とが、ともに対象軸Ｘを
中心に回転対象に配されているので、照射領域を容易に
円形とすることができ、光照射面積効率も良好である。

また、キセノンランプ６の配光特性は第２図の破線で示
すような方向に、対象軸Ｘに関して回転対象となるよう
な特性であるため、立体角として第２図の角度θに挟ま
れた領域の光を利用すればよい。従って第１図に示す装
置では、立体角効率し非常に良好であることがわかるで
あろう。このように、本装置は従来の直管式の光照射装
置に比べ、全体的に効率が向上しており、直管式の装置
が１００ｋＷ稈度の電力を必要としていたのに対し、３
０ｋＷＰｉ！度の電力で駆動可能どなる。

本装置のもう１つの大きな特徴は、半導体装置ハコ上に
照（ト）される魚床１光密度が、第１２図カーブＣに示
Ｊ゛ような分布ど４丁っている点である。このような分
布で照射を行えば、周辺部からの熱のブを散効果に対し
て４１１７ｉｌｉ的＜１影響があられれ、結局、半導体
ウェハ１はカーブＢのような均一な温度分布で加熱され
ることになる。

所定の照印１光密度分布を１ｉＩるためには、反射鏡１
０あるいはレンズ１２といった光学系を、所定の関数曲
面で形成しなくてはならない。このような関数曲面を形
成する技術については、本願と同一出願人によるＵＢ際
出願（１９８２年４月２０日イ・Ｊの出願、出願番号Ｎ
ＱＰＣＴ／ＪＰ８２１００１３０）等に詳細に開示され
ているため、ここでは詳しい説明は省略する。例えば第
４図（ａ）（ｂ）（ｃ）に示１“ように、キセノンラン
プ６から出た光が反射鏡１０で反射して半導体・クエハ
１上に照射されるようにし、かつ、反射鏡１ｏの各微小
部分を微細なプリズムで形成し、これらの各プリズムの
傾斜角をそれぞれ所定値に設定して、半導体ウェハ１上
の照射光密度分布が所望のものどなるようにすればよい
。あるいは反ＯＡ＆ｆｆ　１０自体を所定曲面状に成形
しでもよく、所定曲面状に成形した支持面に微細なプリ
ズムを貼付するようにしてもよい。キロノンランプ６、
反ｑ１鏡１０゜半導体ウェハ１がηべて対象軸Ｘに関し
て回転対象に配されているため、上述の技術を用いて照
射密度分布「の制御が容易に行えるのである。

なお、第１図に示すように、キセノンランプ６には電カ
ケープル８を接続する必要がある。反射鏡１０を用いた
反射光によって半導体ウェハ１を照光するようにすれば
、半導体ウェハ１上に、キセノンランプ６自身の影がで
きるのを防ぐことができるが、下方の電カケープル８は
外部まで導かれているため、どうしても影が生じてしま
う。そこでこの影による照射密度分布の偏りをなくすた
め、照光動作中はサセプタ９を図の矢印の方向に回転さ
けるか、またはキビノンランプ６の電カケープル８を単
独で、あるいは電カケープル８をキセノンランプ６ごと
対象＠Ｘのまわりに回転させるようにすればよい。厳密
に言えば、電カケープル８の太さが一様であれば、この
影の影響は半導体ウェハ１の中心部と周辺部とでは、上
述の回転運動を行わせたとしても差ができてしまう。そ
こで更に、対象軸Ｘに対して垂直に、かつ対象軸Ｘから
の距離に応じて軸が変化するように設けられた遮へい板
を用いるようにずれば、この問題は完全に解決される。

第３図は第１図の装置の光源部分を下側から見た図であ
る。下方の電カケープル８は、扇形状の遮へい板１３に
よって隠されている。この遮へい板１３によって常に扇
形状の影が生ずるようになるが、上述の回転運動を行え
ば、半導体ウェハ１のすべての部分が同じ時間だけ遮へ
い板１３の影となるので、この影によって照射密度分布
が受ける影響は相殺される。なお、この遮へい板１３を
逆に利用して、ｍ形状でなく特定の形状とすれば、反射
鏡１０による分布制御に加えて、遮へい仮１３によって
照射密度を微妙に調整する分布制御を行うことしできる
。また、遮へい板１３を対象＠ｌｌＸにλ１して傾ける
ことによって分布制御２ＩＩを行うことも可能である。

前述のように、第１２図カーブＣは、被照射物としての
半導体ウェハの性質等諸条件により変化するため、反射
鏡１０あるいは遮へい板１３は脱着自在とし、所望の特
性のものにいつでも交換できるようにしておくのが好ま
しい。また、上述の実施例では、キセノンランプ６を光
源ランプとして用いているが、この他の回転対象となる
配光特性を有する光源ランプを用いてもかまわない。但
し、アルゴン放電管のようにミドルアーク以上の放電を
行うランプは、管長が長くなるため、構成が困難である
。従ってショートアークの放電を行うキセノンランプが
最も好ましい光源ランプといえる。

第５図は本発明の別な一実施例の断面図である。

第１図に示す装置とほぼ同様の構成であるが、反射鏡１
０自体は回転対象形をしてはいない。ただ、反射鏡１０
は対象軸Ｘを回転軸として回転運動を行うため、この回
転運動中は回転対象な光学系としての作用を行うことに
なる。キセノンランプ６の電カケープル８は、第１図に
示す装置と同様に単独で、あるいはキセノンランプ６ご
と対象軸Ｘのまわりに回転し、これと−緒に遮へい板１
３も回転する。

このように光源ランプを回転運動させて回転対象な配光
を得るようにすれば、光源ランプ自身の形状は回転対象
である必要はない。例えば第６図＜ａ）に示すようなフ
ィシメン１〜発光型の光源ランプの場合、発光部となる
フィラメント１４が支持部材どなるステイ１５によって
支持されているため、光源ランプ自身は回転対象にはな
らないが、これを回転して用いるようにすれば、回転対
象となる配光を得ることができ、本発明に適用すること
ができる。第６図＜ｂ）、（ｃ）に示ずような電極７を
ステイ１５によって支持するタイプのキセノンランプも
同様に用いることができる。この型のキセノンランプで
は、両電極７への電カケープル８は、ランプの同じ端か
ら導出されているため、例えば第１図に示ず装置に利用
する場合、両電カケープル８が上方へ導出される向きに
取付ければ、電カケープル８による影の問題は生じなく
なる。

第７図（ａ）は本発明の、また別な一実施例の斜視図で
ある。この装置では、光源ランプとして直管式放電ラン
プ１６を用いている。この直管式放電ランプ１６の上方
には反射鏡１７が設けられ、直管式放電ランプ１６と反
射鏡１７とは、一体となって対象軸Ｘを回転軸として回
転する。これにより、直管式放電ランプを用いたにもか
かわらず、回転対象となる配光を得ることがＣきる。

本装置には２枚の遮へい板が設けられている。

遮へい板１３は照射密度分布の微妙な制御を行うための
もので、遮へい板１８は直管式放電ランプ１６の電極付
近の不安定な光を遮へいするためのものである。両遮へ
い板１３．１８ともに対象軸Ｘのまわりに回転する。照
射密度分布の制御は反射鏡１７の形状、遮へい板１３の
形状によって行うことができるが、その他心管式放電ラ
ンプ１６の傾斜によっても行うことができる。即ち、第
７図（ｂ）の矢印に示すように、直管式放電ランプ１６
の電極軸と、半導体ウェハ１どのなす角を調整すること
によっても、照射密度分布の制御が可能となるのである
。更に、反射鏡１７および遮へい板１３を対象軸Ｘに対
して傾けることによっても照射密度分布制御を行うこと
ができる。

第８図は本発明の更に別な一実施例である。この装置で
は、第７図に示す装置と同様、直管式放電ランプ１６を
光源ランプとして用いている。遮へい板１３．１８の機
能も第７図に示す装置と同様である。ただ反射鏡１０は
もどもと対象軸Ｘについて回転対象となる形状をしてお
り、回転させる必要はない。

以上様々の実施例を掲げて説明を行ったが、要するに本
発明１．Ｌｌつの対象軸Ｘに関して回転対象となる配光
を与える光源装置と、回転対象となる特性を有する光学
系とを設け、この対象軸Ｘに対して照射面が垂直となる
ように被照射物を支持するようにして光照射を行うよう
な構成が実現できればどのような＋Ｍ造を採ってもかま
わない。

（発明の効果） 以上のとおり、本発明によれば、光照射装置において、
光源装置の配光、光学系の特性、被照射物をともに共通
の対象軸に関して回転対称に配設するようにしたため、
高効率化を図ることができ、また、照射密度分布の制御
を行うことができるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る光照射装置の一実施例の断面図、
第２図は第１図に示す装置に用いるキセノンランプの配
光特性図、第３図は第１図示す装置の光源部分の下面図
、第４図（ａ＞（ｂ）（ｃ）は第１図に示１装置にＪ３
ける光路図、第５図は本発明に係る光照射装置の別な一
実施例の断面図、第６図は本発明に係る光照射装置に利
用できる光源ランプの一例を示す図、第７図および第８
図はそれぞれ本発明に係る光照射装置の更に別な一実施
例の説明図、第９図は従来の直管式の光照射装置の原理
図、第１０図は第９図に示す装置による照射領域を示す
図、第１１図は半導体ウェハに光照射する説明図、第１
２図は半導体ウェハの照射密度分布と温度分イ［とを示
す図、第１３図はシリコンウェハの吸収スペクトルと赤
外線スペクトルとを示すグラフ、第１４図はシリコンウ
ェハの吸収スペクトルとキセノンランプの発光スペクト
ルとを示すグラフである。 １・・・半導体ウェハ、２・・・アルゴン放電管、３・
・・電極、４・・・反ｒＡ鏡、５・・・照射領域、６・
・・キレノンランプ、７・・・７１ｆＭｉ、８・・・電
カケープル、９・・・ザセブタ、１０・・・反射鏡、１
１・・・冷１．ＩＩ管、１２・・・レンズ、１３・・・
遮へ、い板、１４・・・フィラメント、１５・・・ステ
イ、１６゛・・・直管式放電ランプ、１７・・・反射鏡
、１８・・・遮へい板。 出願人代理人　　佐　　藤　　−雄 第１図 （ａ）　　　　　　　　　　　（ｂ）　　　　　　　　
　　　（ｃ）第４図 （Ｃ） （ａ）　　　　　　　　　　　　　　　（ｂ）第７図 第８図 第９図　　　　第１０図 第１１図　　　　第１２図 第１４図 手続ンｒａ正書 昭和６１年１月７３日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、回転対象となる光束分布を与える光源装置と、前記
   光束分布の対象軸に対して照射面が垂直となるように被
   照射物を支持する支持手段と、前記対象軸に関して回転
   対象となる光学特性を有し、前記照射面に前記光源装置
   からの光を前記対象軸に関し回転対象となる所定の分布
   で照射できるように設計された光学系と、を備えること
   を特徴とする光照射装置。 ２、支持手段が、円板状の被照射物を支持する機構を有
   することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光照
   射装置。 ３、円板状の被照射物が、半導体ウェハであることを特
   徴とする特許請求の範囲第２項記載の光照射装置。 ４、光学系が、円板状の被照射物の周辺部へゆくほど照
   射光密度が高くなるような所望の分布で、光源装置から
   の光を照射できるよう設計されていることを特徴とする
   特許請求の範囲第２項または第３項記載の光照射装置。 ５、光学装置の全部または一部が、対象軸を回転軸とし
   て回転することを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至
   第４項のいずれかに記載の光照射装置。 ６、光源装置が、対象軸に関して回転対象となる配光特
   性を有する光源ランプを有することを特徴とする特許請
   求の範囲第１項乃至第５項のいずれかに記載の光照射装
   置。 ７、光源ランプが、対象軸に沿つて２つの電極を有し、
   この電極間の放電によつて発光するランプであることを
   特徴とする特許請求の範囲第６項記載の光照射装置。 ８、光源ランプがショートアークを利用した放電ランプ
   であることを特徴とする特許請求の範囲第７項記載の光
   照射装置。 ９、光源ランプがキセノンまたはアルゴンの放電ランプ
   であることを特徴とする特許請求の範囲第７項または第
   ８項記載の光照射装置。 １０、光源ランプが、電力供給ケーブルを有し、前記ケ
   ーブルが単独で、または前記ケーブルを含む光源ランプ
   が一体となって、対象軸を回転軸として回転運動を行う
   ことを特徴する特許請求の範囲第１項乃至第９項のいず
   れかに記載の光照射装置。 １１、光源装置が、対象軸を回転軸として回転する光源
   ランプを有することを特徴とする特許請求の範囲第１項
   乃至第９項のいずれかに記載の光照射装置。 １２、光源ランプが、発光部を支持するための支持部材
   を有し、前記発光部および支持部材を含む光源ランプが
   一体となって、対象軸を回転軸として回転運動を行うこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１１項記載の光照射装
   置。 １３、支持手段が、対象軸を回転軸として被照射物を回
   転させる手段を有することを特徴とする特許請求の範囲
   第１項乃至第１２項のいずれかに記載の光照射装置。 １４、光学系が、自由曲面をもった反射鏡を有すること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第１３項のいず
   れかに記載の光照射装置。 １５、反射鏡が、対象軸に関して回転対象となる自由曲
   面を有することを特徴とする特許請求の範囲第１４項記
   載の光照射装置。 １６、反射鏡が、対象軸を回転軸として回転することを
   特徴とする特許請求の範囲第１４項記載の光照射装置。 １７、光学系が、対象軸からの距離に応じて軸が変化す
   るように設けられた遮へい板を有することを特徴とする
   特許請求の範囲第１項乃至第１６項のいずれかに記載の
   光照射装置。 １８、遮へい板が、対象軸を回転軸として回転すること
   を特徴とする特許請求の範囲第２７項記載の光照射装置
   。 １９、光源ランプが、電力供給ケーブルを有し、遮へい
   板が前記ケーブルを常に被照射物から遮へいするように
   前記ケーブルと一体となって回転することを特徴する特
   許請求の範囲第１８項記載の光照射装置。 ２０、光学系の前記または一部が脱着交換自在であるこ
   とを特徴する特許請求の範囲第１項乃至第１９項のいず
   れかに記載の光照射装置。