JPS63143814A - 光加熱処理装置 - 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、熱処理技術、特に半導体装置製造用ウェハ（
以下、単にウェハという）の加熱処理に用いられるラン
プアニール技術に利用して有効な技術に関するものであ
る。

〔従来の技術〕

ウェハのランプアニール装置については、たとえば、株
式会社工業調査会、昭和６０年１１月２０日発行「電子
材料１９８５年別冊、超ＬＳＩ製造・試験装置ガイドブ
ック」Ｐ８２〜Ｐ８８に記載されている。ここには短時
間アニールを実現する技術としてタングステン−ハロゲ
ンランプ（以下単にハロゲンランプと略記する）方式に
よるランプアニール装置について、その特性が説明され
ている。

本発明者は、上記のようなランプアニール方式によるウ
ェハ加熱技術について検討した。以下は、本発明者によ
って検討された技術であり、その概要は次の通りである
。

すなわち、ランプアニール装置は、加熱エネルギーが強
力で高温かつ短時間での処理が可能な点から、特に大口
径のウェハ加熱処理にふいて、拡散装置等よりも有利な
加熱手段として注目されている。

また、素子形成プロセスの面からは、高集積化の要求に
ともなって、層厚の浅い拡散層を形成する必要を生じて
きているが、この点においても高温で短時間処理の可能
なランプアニール方式が有利である。

このようなランプアニール装置の構造としては、石英ガ
ラスで形成された処理空間内にウェハを載装置して、処
理空間外よりハロゲンランプ等の光源を用いて光照射を
行い、この波長吸収によってウェハを所定温度、たとえ
ば１０００℃程度にまで加熱するものが知られている。

ところで、上記ランプアニール装置では、定常加熱状態
において、ウェハの周辺部分、すなわち直径４インチの
ウェハを例に説明するとウェハの周縁１０ｍｍ程度の領
域で急激な温度低下を生じることが見い出された。この
ような温度差に起因する熱応力でウェハ上に結晶欠陥が
誘発されたり、素子の活性層における導入不純物の活性
化が不均一となり抵抗値のばらつきを生じることが本発
明者によって明らかにされた。

このようなウェハの周辺部分の温度低下を補償する手段
としては、まず第１に、加熱源であるランプ群を複数の
ゾーンに分割して、その各々のゾーンを独立制御し、ウ
ェハの周辺部に近いゾーンのランプ出力を高める技術が
考えられる。また第２に、処理空間内のウェハの近接位
置にウェハの周辺に沿った形状のリングランプを設けて
ウェハの周辺部の加熱効率を高くする技術等が考えらえ
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところが、上記第１のランプ群を分割制御する技術にあ
っては、ハロゲンランプから照射される照射光は放射光
であるという性質上、ウェハ上の局所加熱を行うことが
難しく、そのために、ウェハ周辺部の温度補償を適正に
行うことは困難であることが本発明者によって明らかに
された。

また第２のリングランプを用いた技術については、リン
グランプはウェハステージに固定する構造となるために
、ウェハステージを回転構造にできない。このため、リ
ングランプによってウニへの周辺部の温度低下は防止で
きても、ウェハ全体のハロゲンランプからの照射にばら
つきを生じ、そのために熱応力転位の発生を防止できな
い。

このように、いずれの方法によってもウェハの全体にわ
たって均一な熱処理の実現が難しいことが本発明者によ
って明らかにされた。

本発明は、上記問題点に着目してなされたものであり、
その目的は被処理物の全体にわたって温度分布を均一に
維持できる加熱処理技術を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本
明細書の記述右よび添付図面から明らかになるであろう
。

〔問題°点を解決するための手段〕

本願において開示される発明のうち代表的なものの概要
を簡単に説明すれば、次の通りである。

すなわち、処理空間内の被処理物に対して、その２次輻
射熱により温度補償を行う加熱補助具を設けるものであ
る。

〔作用〕 上記した手段によれば、定常加熱状態すなわち、１００
０℃程度の加熱状態において被処理物の周辺に生じる温
度低下を、上記加熱補助具からの２次輻射熱の放射によ
り補償することができ、このために、被処理物の全体に
わたって均一な加熱条件を得ることが可能となり、信頼
性の高い加熱処理を実現できる。

〔実施例１〕 第１図は本発明の一実施例であるランプアニール装置を
示す説明図、第２図は本実施例のランプアニール装置を
用いた場合のウニノ＼の温度特性を示す説明図である。

第１図において、処理空間１を形成するチャンバ２は石
英等の透明部材により構成されており、このチャンバ２
の上方および下方には加熱光源であるハロゲンランプ群
３がチャンバ２内を照射可能に配設されている。

ここで、ハロゲンランプ群３はたとえば３つの加熱ゾー
ン、すなわち加熱ゾーンＲ１，Ｒ２およびＲ３に分割さ
れて制御されるように構成されており、この各加熱ゾー
ンＲ１，Ｒ２およびＲ３は、それぞれ制御部Ｐによって
制御される出力分配部Ｄｉ、Ｄ２．Ｄ３に接続されてい
る。したがって制御部Ｐからの制御信号に基づいて各加
熱ゾーンＲ１，Ｒ２，Ｒ３の熱出力の分配比が所定の値
に設定されるようになっている。

ところで、上記チャンバ２の上部とハロゲンランプ群３
との間にはチャンバ２内に位置される被処理物としての
ウニ／Ｘ４の半径方向に対応するように温度センサ５が
取付けられており、ウニ／Ｘ４に対応する各位置の温度
が個別に検出されるように構成されており、それぞれセ
ンサ出力検知器Ｓ１、Ｓ２．３３を介して制御部Ｐに伝
達される構造となっている。

したがって、制御部Ｐは上記温度センサ５の検出情報に
基づいて各加熱ゾーンＲ１，Ｒ２，Ｒ３のランプ制御を
行うこととなる。この制御部Ｐによる制御としては、た
とえば比例動作、積分動作、微分動作を組み合わせた、
いわゆるＰＩＤ制御等が可能である。

チャンバ２の内部の処理空間１の底部には仕切板６によ
り仕切られた流体流通路１ａが隔成されており、この流
体流通路１ａには窒素ガス等の不活性流体７か所定圧で
供給されるようになっている。

仕切板６の処理空間１側には石英部材によって構成され
た透光性のホルダ８（回転治具）が載置されている。こ
のホルダ８は円板状に形成されたホルダ本体８ａと、こ
のホルダ本体８ａより上方に突出形成された複数の支持
ピンｌＯを有しており、被処理物であるウェハ４はこの
支持ビン１０の先端によって点接触状態で支持される構
造となっている。ウェハ４をこのように点接触で支持す
るのは、ウェハ４に対するチャンバ２あるいはホルダ８
の熱的な影響を防止するためである。

上記支持ビンｌＯによって支持されるウニノ″１４とホ
ルダ本体８ａとの間には、加熱補助板１１　（加熱補助
具）が上記ウェハ４と平行かつ同軸状となるように取付
けられている。このような加熱補助板１１としては、処
理空間１内のウニノ′％４の汚染を防止するために、ウ
ェハ４と同質の部材を用いることが望ましい。したがっ
て、ウニノー４がシリコンにより形成されている場合に
はシリコンあるいはシリコンカーバイドにより形成した
もの、またウェハ４がガリウムーヒ素あるいはシリコン
により形成されている場合にはガリウムーヒ素により形
成したものが最適である。また、加熱補助板１１は、た
とえばウェハ４よりも直径を２０ｆｉＩ程度大きくした
ものであり、その板厚はウェハ４と同程度たとえば４０
０〜７００μｍ程度でよい。

上記のような加熱補助板１１は、たとえばウェハ４の前
工程技術をそのまま利用することにより容易に形成でき
るものである。

上記ホルダ８の最下面の中心部には尖形のピン１２が下
方に突出形成されており、このピン１２がホルダ８０回
転中心としてＣの先端が仕切板６に設けられた小回１６
１Ｓ１３に入り込むようになっている。また、仕切板６
の上記小凹部１３の周囲には仕切板６を貫通する複数の
流体吹出口１５が斜め方向に開口されており、この流体
吹出口１５からの不活性流体７の吹出により、上記ホル
ダ８が処理空間１内において浮揚回転される構造となっ
ている。

次に、本実施例の作用について説明する。

まず、図示しないシャッタ機構等を介して処理空間１内
のホルダ８上にウニ、ハ４が載置されると、流体流通路
ｌａ内に所定圧の窒素ガス等からなる不活性流体７が供
給される。この不活性流体７は仕切板６の流体吹出口１
５より処理空間１に吹き出される。ここで、不活性流体
７の吹き出し圧力が高まると、処理空間１内のホルダ８
はビン１２を中心軸として浮揚回転状態となる。

次に、ハロゲンランプ群３が点灯されて、熱線がチャン
バ２の内部に照射されて徐々にウェハ４の加熱が開始さ
れる。

このとき、制御部Ｐは、温度センサ５によるウェハ各点
の温度と目標の定常加熱温度との差に基づいて、各加熱
ゾーンＲ１，Ｒ２，Ｒ３の熱出力の調整を開始する。こ
こで、温度上昇過程においてウェハ周辺部と中央部との
間に温度分布の差異が生じた場合には、加熱ゾーンＲ１
，Ｒ２，Ｒ３における熱出力の分配比を逐次変化させて
ウェハの中央部と周辺部との温度差が最小となるように
制御される。

ここで、ハロゲンランプ群３によるウェハ４の加熱原理
について簡単に説明すると以下の通りである。

すなわち、ハロゲンランプ群３による放射光の波長範囲
は０．２〜ｌＯμｍ程度に及ぶが、このうち５μｍ以上
の長波長成分は、石英バルブ（封体）、チャンバ２ある
いはホルダ８の石英部材中に吸収される。また、波長１
．２μｍ以下の短波長成分のみがＳｉのバンド間遷移に
より吸収されるため、実質的にウェハ４に吸収されるの
はハロゲンランプ群からの全熱出力の２５％程度にしか
過ぎない。

しかし、加熱温度が９００℃以上の、いわゆる定常加熱
温度近傍となってくると、シリコン中のフリーキャリア
の励起密度の上昇により波長１．２μｍ以上の長波長成
分もシリコン中に吸収されるようになり、加熱が急速に
加速される。

ところで、上記のような定常加熱温度近傍のウェハ４の
温度分布を測定した場合、本実施例１の加熱補助板１１
の存在を無視すると、ウェハ４の温度特性は、第２図に
おいて点線で示すような曲線Ａとなる。このように、た
とえハロゲンランプ群３の出力を各加熱ゾーンＲ１，Ｒ
２，Ｒ３毎に分割制御したとしても、ウェハ４の周辺１
０ｍｍ程度の温度低下は補償できない状態となっている
。

これはハロゲンランプ群３を構成するノ１０ゲンランプ
から放射される光が放射光であるために、たとえウェハ
４の周辺部に近い加熱ゾーンＲ１およびＲ３の出力を抑
制したとしても、チャンバ２の外にハロゲンランプ群３
を設けた構造では、ウェハ４上の周辺部のみの局所加熱
を行うことが困難なことに起因するものと考えられる。

ところで、本実施例１のように、ウェハ４の一面とハロ
ゲンランプ群３との間に加熱補助板１１を設けた場合、
この加熱補助板１１の定常加熱温度近傍での温度特性は
、第２図に実線で示す曲線Ｂのようになる。

すなわち、加熱補助板１１の下面側には下方のハロゲン
ランプ群３の照射光がその全面に照射される状態となっ
ているが、上面側は、その中央部においてウェハ４の陰
影となるため、このウニノ１４よりも大きい部分、すな
わち加熱補助板１１の周辺部分のみに上方からの光線が
照射される。ｉのため、加熱補助板１１においては、中
心部よりも周辺部′の方が高い温度となる。ここで、こ
のように上下面にハロゲンランプ群３からの照射光を受
けた加熱補助板１１の周辺部は、定常加熱温度、すなわ
ち９００℃近傍程度ととなると、上記に説明したウェハ
４の加熱原理と同様に、加熱補助板１１を構成するシリ
コン中のフリーキャリアの励起密度が高まり、長波長成
分も加熱に寄与することとなる。このため、加熱補助板
１１の、特に周辺部は急速に加熱され、２次輻射熱の放
射を開始する。この結果、２次輻射熱が大量に発生され
る加熱補助板１１の周辺部に近い位置にあるウェハ４の
周辺部が２次輻射によって局所的に加熱される。

これをウェハ４の側からみると、ウェハ４においては、
下側のハロゲンランプ群３からの光線が加熱補助板ｌｌ
により遮られているため、その加熱状態は加熱補助板１
１の存在しない場合に較べて高くはない。しかし、ウェ
ハ４の周辺部では、ウェハ４よりも大口径の加熱補助板
１１０周辺部からの２次輻射熱の放射により、その加熱
が局所的に高められるようになっている。そのため、ウ
ェハ４における温度特性は、第２図にふいて一点鎖線で
示される曲線Ｃのようになる。

この曲線Ｃからも明らかなように、本実施例１の加熱補
助板１１の存在によって、ウニ／Ｘ４の周辺部の温度低
下が補償され、ウニ／Ｘ４のほぼ全面にわたって平坦な
温度特性、すなわち均一な温度分布を得られることとな
る。しかも、ウニノ１４はホルダ８によって回転状態と
なっているため、ウェハ全体での温度分布の細かいばら
つきを生じることも防止できる。

このように、本実施例によれば以下の効果を得ることが
できる。

（１）、ウェハ４よりも大口径の加熱補助板１１をウェ
ハ４と同軸状となるようにホルダ８に取付けることによ
り、加熱補助板１１の周辺からの２次輻射熱の放射によ
り、ウェハ４の周辺部の温度低下を補償できる。

（２）、加熱補助板１１を取付けることにより、リング
ランプ等の他の補助加熱手段が不要となり、ウェハ４の
回転加熱を実現できるため、ウェハ全体での光照射のば
らつきをも防止できる。

（３）、加熱補助板１１を用いたウェハ周辺部の温度補
償とハロゲンランプ群３の出力の分割制御により、ウェ
ハ４の加熱開始時から定常加熱状態に至るまで、ウェハ
４の全体を均一な加熱状態とすることができる。

（４）、上記（１）、　（３）により、熱応力転位によ
るウニノ１不良を防止でき、信頼性の高いウェハの加熱
処理を実現することができる。

〔実施例２〕 第３図は本発明の他の実施例であるランプアニール装置
を示す説明図である。

本実施例２では、実施例１で説明したものとほぼ同様の
構造を有しているが、処理空間ｌ内に載置されるホルダ
１８ａおよび加熱補助具の構造が・異なるものである。

すなわち、本実施例２のホルダ１８では、支持ビン２０
の先端によって支持されるウェハ４の水平延長線上にウ
ェハ４の周辺部を囲むようにして環状の加熱補助リング
２１　（加熱補助具）が取付けられている。この加熱補
助リング２１は、実施例１の加熱補助板１１と同じく、
ウェハ４と同質の部材で形成されているものが望ましい
゛。

上記構造の加熱補助リング２１とすることにより、ウェ
ハ４の周辺部は、加熱補助リング２１からの２次輻射熱
により温度低下が補償されてウェハ４の全体にわたって
均一な加熱条件が得られる。

さらに、本実施例２の加熱補助リング２１によれば、ウ
ェハ４の上下面ともに、ハロゲンランプ群３からの光照
射が遮られない構造であるため、ウェハ４の効率的な加
熱が可能である。

以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具
体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定されるも
のではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能
であることはいうまでもない。たとえば、加熱光源とし
ては照射波長が０．２〜１０μｍ程度のハロゲンランプ
群３を用いた場合について説明したが、これに限らず照
射波長範囲が１．４μｍ以下の特性を有する、いわゆる
キセノンランプを用いてもよい。このようなキセノンラ
ンプを用いた場合には、ランプの放射光エネルギーの９
５％がシリコンのバンド間遷移により吸収されるため、
定常加熱温度以下の低温状態においても補助加熱治具か
らの２次輻射熱によるウェハ周辺部の温度補償が可能と
なる。

以上の説明では主として本発明者によってなされた発明
をその利用分野である、いわゆるウニノ１のアニール処
理に適用した場合について説明したが、これに限定され
るものではなく、たとえば、酸化性雰囲気の中での薄い
熱酸化膜形成技術等にも適用できる。

〔発明の効果〕

本願にふいて開示される発明のうち代表的なものによっ
て得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである
。

すなわち、被処理物を収容する処理空間と、この処理空
間外に設けられた加熱光源群とを有しており、処理空間
の内部には被処理物とともに該被処理物の周辺部分に対
して２次輻射熱を放射する加熱補助具を設けた光加熱処
理装置構造とすることにより、特に定常加熱温度条件に
おいてウェハ周辺に生じる温度低下を上記加熱補助具か
らの２次輻射熱の放射により補償できるため、ウェハの
全体にわたって均一な加熱処理を実現でき、熱応力によ
る結晶欠陥の発生を防止して信頼性の高いウェハの加熱
処理を実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例であるランプアニール装置を
示す説明図、 第２図は上記実施例のランプアニール装置を用いたウェ
ハの温度特性を示す説明図、 第３図は本発明の他の実施例であるランプアニール装置
を示す説明図である。 １・・・処理空間、１ａ・・・流体流通路、２・・・チ
ャンバ、３・・・ハロゲンランプ群、４・・・ウェハ、
５・・・温度センサ、６・・・仕切板、７・・・不活性
流体、８・・・ホルダ、８ａ・・・ホルダ本体、１０・
・・支持ピン、１１゛・・・加熱補助板、１２・・・ピ
ン、１３・・・小凹部、１５・・・流体吹出口、１８・
・・ホルダ、２０・・・支持ピン、２１・・・加熱補助
リング、Ｄｉ、Ｄ２．Ｄ３・・・出力分配部、Ｒ１゜Ｒ
２，Ｒ３・・・加熱ゾーン（加熱手段）、Ｓｌ。 ３２、Ｓ３・・・センサ出力検知部、Ｐ・・・制御部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、被処理物を収容する処理空間と、この処理空間外に
   設けられた加熱光源群とを有しており、処理空間の内部
   には被処理物とともに主として該被処理物の周辺部分に
   対して２次輻射熱を放射する加熱補助具が設けられてい
   ることを特徴とする光加熱処理装置。 ２、処理空間内の被処理物が透光性部材で形成された回
   転治具上に載置されており、一方加熱補助具は加熱光源
   群の光照射方向に対して被処理物とは平行位置となるよ
   うに該回転治具に取付けられるとともに、被処理物の一
   面への光照射を遮るように該被処理物よりも大面積で形
   成されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の光加熱処理装置。 ３、処理空間内の被処理物が透光性部材で形成された回
   転治具上に載置されており、加熱補助具は被処理物の周
   辺延長外方に被処理物を囲むように環状に形成されて回
   転補助具に取付けられていることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の光加熱処理装置。 ４、被処理物が半導体装置製造用ウェハであり、加熱補
   助具がシリコンまたはシリコンカーバイドにより形成さ
   れていることを特徴とする特許請求の範囲第１項、第２
   項または第３項記載の光加熱処理装置。