JPS6366930A - 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、半導体製造工程に用いられるランプアニール
装置等の光照射装置に関する。

〔従来の技術〕

近年、半導体製造工程に光の熱作用および化学作用を利
用する試みが数多くなされており、例えば、オプトロニ
クス　１９８５年Ｎｏ、１０．第５３〜６０頁　平本著
“半導体製造プロセスにおける光波術とその光源”に紹
介されている如くである。

即ち、■光の熱作用に関しては、 （ｉ）光の短時間アニールの技術があり、具体的には次
のような工程が挙げられる。

・イオン打込み後のドーパントの活性化・シリサイド化 ・シリサイド低抵抗化 ・合金化 ・ＰＳＣ，５ＢＰＳＧリフロー ・深拡散 ・ドーピング ・Ｓｏｌ再結晶化　　　　また、 （ｉｉ）エピタキシ、ＣＶＤ時のウェハ加熱の技術もあ
る。

そして、■光の化学作用に関しては、以下の如き工程が
ある。

・光ＣＶＤ、光ＭＯＣＶＤ ・光エピタキシ ・光エッチング ・光洗浄アッシング ・光酸化、光窒化 これらのプロセスを半導体製造工程に組入れていくため
に上記■−１）、■−１ｉ）ではウェハの全面にわたる
均等加熱が、また上記■ではウェハ全面にわたる短波長
光の均等照射とウェハ基板の補助加熱が重要な技術とな
る。更にこれらのプロセスは媒体となるガスの低圧雰囲
気下でおこなわれる場合が多く、これらの技術マツチン
グのとれた装置が待望されている。

従来のランプアニール装置を第３図（断面図）、第４図
（平面図）に示す、支持台２６上に置かれた被処理ウェ
ハ２５に対し、石英チャンバー２２の上方と下方に各１
０本程度の加熱用棒状ハロゲン光源２１が配置されてい
る。ハロゲンランプの発光スペクトルは１μｍ程度の波
長にピークを持つ連続光であるため、石英チャンバーを
透過し、シリコンなどのウェハには比較的良く吸収され
加熱作用を持つ、光アニールはガス雰囲気中でおこなわ
れることが多く、チャンバーにはガス給排気口２３．２
４と密閉可能なウェハ取り出し口２７が設けられている
。また、ウェハの温度管理は、ウェハ近傍に設けられた
熱電対や、チャンバの一部に測温用小窓を設け、熱放射
温度計でウェハの温度を測り、ランプによる加熱条件を
定めている。

このような従来の装置は、ウェハの照度が均一になるよ
う、ウェハの上下面の広い面積にわたり棒状光源がしき
つめられており、多（の欠点が措摘されている。ウェハ
中心部と周辺部では放熱条件が異なるため、均一に照明
しても、中心部に比べ周辺部の温度が低くなるため、特
開昭５８二１９４３３２号公報の如く、ウェハ周辺部に
補助加熱機構を持たせたものや、特開昭６０−２４７９
３４号公報に開示される如く、ウェハ周辺部の加熱を増
すためにランプの配置密度を変えたものなどが提案され
ている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしこれらの装置も、均一照明条件を得るためウェハ
の面積をはるかに超える大面積の面光源とするために数
多くの棒状光源を設ける必要があり、加熱効率は至って
悪い、そして、チャンバーの上下面に棒状ランプがしき
つめられているため、熱放射温度計によってはウェハ上
の数点での温度測定しかできず、また前工程でのウェハ
プロセスの固体差の補正や設定温度の変更のためには、
周辺部の補助加熱条件が異なる等の理由によって、温度
の制御が非常に難しい、更に、ガスの給排気もチャンバ
ー周辺部に設けなければならないため、ウェハに対する
反応の均一性を得ることも難しい。

そこで本発明の目的は、上述の如き従来の欠点を解決し
、どのようなプロセス条件下でもウェハ全面に対して均
一に光を照射することができる光照射装置を提供するこ
とにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、第１図、第２図の実施例に示す如く、同心状
に配置された複数の環状光ｉｆ！ｌａ、１ｂ、ｌｃ等を
設けたものである。そして、これらの環状光源は、支持
手段６によって支持される被照射物体５の中心位置上の
法線Ｎに対応する直線をほぼ中心として同心状に配置さ
れ、被照射物体面に平行な面光源として構成されるもの
である。

〔作　用〕

そして、このような構成によれば、被照射物体の中心に
対して、その法線を中心として同心状に配置された複数
の環状光源によって照明されるため、被照射物体の中心
に関して回転対称な光源形状となり、均一な照明が可能
となる。従って、光照射による加熱や化学反応の励起を
被照射物体の全面にわたって均一に行うことが可能であ
る。

また、光源が被照射物体に面して同心状に配置された環
状光源からなる回転対称形状であるため、環状光源の中
心位置に被照射面を観測するための光学系を配置するこ
とができ、被照射物体を環状光源の中心軸上に配置する
ことによって被照射物体の中心軸上から被照射物体面の
観測或いは光学的な検査を行うことが可能となる。

そして、被照射物体を特定のガス雰囲気中に置いて光照
射するためのチャンバーを用いる場合には、チャンバー
内にガスを供給及び排気する給排気口を環状光源の中心
位置を通して設けることができ、被照射物体の中心位置
からガスの供給及び排気を行うことができるので、ガス
による化学反応の均一性を維持するにも極めて有利とな
る。

【実施例〕

第１図は本発明の一実施例の概略構成を示す断面図であ
り、第２図はその平面図である。被照射物体の支持台６
に支持された被照射物体としての被処理ウェハ５は、石
英などで作られ加熱用照射光を透過するチャンバー２内
に置かれる。チャンバー２の上下の面と平行な面内でチ
ャンバーを挟むように設けられた、複数の加熱用環状光
源１ａ、　１ｂ＋１ｃ＋１ｄ等が被処理ウェハ５の中心
位置における法線Ｎに対応する直線を中心として同心状
に配置されている。この環状光源としては、第２図中で
破線１３で示した抵抗線を持つハロゲンランプや、閃光
放電灯が使われる。

本実施例では側方に密閉可能なウェハ取り出し口３、上
方中央にガス吸気口４、下方中央にウェハ測温系とガス
排気口１２が設けられている。中心の空間部に置れたウ
ェハ測温系は対物レンズ７、リレーレンズ８、走査ミラ
ー９、集光レンズ１０、ディテクター１１により構成さ
れている。走査ミラーは２次元的に傾角が変化するよう
に構成されており、対物レンズ７から導かれるウェハ５
の全面からの光束のうちの任意の領域からの光束をディ
テクター１１に導くことが可能である。加熱された被処
理ウェハよりの放射光束は、対物レンズ近傍に設けられ
た図示なき絞りで制限され、中間結像点に集光されてこ
こにウェハの像が形成される。そして、放射光束はリレ
ーレンズ８により平行光束に変換された後走査ミラーの
光軸中心で反射し、集光レンズ１０によりディテクター
１１上に集光される。このような温度測定用光学系の構
成において、走査ミラー８の角度変化によりディテクタ
ー１１との共役面であるウェハ全面にわたる温度計測が
可能になる。

被処理ウェハの温度を１００℃〜１５００℃と想定する
と、Ｗｉｅｎの変位則による最大放射光束の波長は２μ
ｍ〜８μｍであるので、少なくともこの帯域の波長に感
度を持つディテクターを使う必要がある。加熱用照明光
源にはハロゲンランプやキセノン閃光放電灯が使われる
ため、光源スペクトルは波長２μｍ以上で非常に微弱に
なるが、ウェハの温度測定のための光学系への混入を防
ぐ必要がある。このため、チャンバーを透過する照射光
（波長２μｍ以下）を反射し、測温用波長（２μｍ〜８
μｍ）を透過する薄膜処理をレンズ表面に施したり、同
様の働きをするグイクロイックミラーを測温光学系中に
挿入したり、光源側に測温用波長を吸収するフィルター
を付加することが望ましい、また測温光学系のレンズ、
鏡筒、絞りなどからの熱輻射がディテクターに至ると測
’ｌＫ　ｇＲ差を生じるため、空冷、水冷などにより測
温部は測定温度域から大巾にずらした温度環境下に置く
必要がある。これらの測温系は光学配置、走査ミラー、
ディテクターとも実施例に限定されることはなく、走査
ミラーを固定して代わりにディテクター数を増したり、
ポリゴン回転ミラーを採用する等様々のバリニーシラン
が考えられる。

通常ランプアニール装置は急速な加熱及び冷却をおこな
うため、被照射物体の厚さ方向の熱分布が表裏対称にな
るよう、ウェハの上方と下方との両面より同時に加熱し
、ウェハのそりを防止している０本実施例ではウェハの
上下に同じ加熱用環状光源をほぼ対称に配置し、下方の
中心空間部にウェハ測温系とガス排気口１２、上方の中
心空間部にガス吸気口４を設けたことにより、ウェハの
中心上、すなわち回転対称軸上から媒体ガスを供給する
ことができるため従来の装置ではできなかった被処理ウ
ェハの反応の均一化を促進することも可能になる。

このように照射光源として、同心上に配置された複数の
環状光源を用いることによって、空間配置的に円形のウ
ェハの同軸対称軸を有効に利用できるばかりでなく、加
熱条件、制御性とも棒状光源に比べ向上することを数値
解析例に従い、以下に説明する。

棒状光源を用いた照射装置としては、第３図及び第４図
に示した如き装置を比較対象とする。棒状光源を用いた
従来の装置では、被照射面の照度を一様にするため、棒
状光源と被照射面との間に拡散板を配置したり、中心部
の光源に比べて周辺部の光源の負荷を大きくしたり、各
棒状光源の長手方向でコイルの密度を変える等の工夫が
なされてはいるが、本願発明との定性的比較を行うため
に、ここでは各棒状光源は全て長手方向において等しい
コイル密度であるものとする。この棒状光源を用いた装
置は、ウェハ２５を支持する支持台２６を収納するチャ
ンバー２０の上方と下方の両面に複数の棒状光源２１ａ
、　２１ｂ＋　２１ｃ等が並列配置され、全体として矩
形の面光源を形成しているものとする。チャンバーの側
面にはガス供給口２４とその反対側にはウェハの挿入取
り出し口２７が、また上方窓の側部には排気口２３が設
けられている。環状光源及び棒状光源としては共にハロ
ゲンランプを仮定し、発光部の抵抗線１３．２８は細い
線状をなすものとする。ウェハ面の任意の場所での照度
は、発光部の輝度に比例し、距離の２乗に反比例し、ウ
ェハ面への入射角のコサインに比例するので光源全体に
わたり積分すると相対照度が求まる。勿論光源の発光特
性や、光源後方に設けられる反射ミラーの形状、チャン
バー側面よりの反射条件などを含め正確な照度を求める
ことも可能ではあるが、ここでは簡単のために前記相対
照度によって、第１図、第２図に示した本発明による照
射装置と第３図、第４図に示した従来の棒状光源の場合
とを比較する。

第１図及び第３図にて示した如く、ウェハの直径を１５
０冨誼φとし、ウェハより光源までの空気光路長をｈ、
ウェハ回転対称軸Ｎより各光源までの距離をｄとし、ウ
ニ凸面中心の相対照度値と、ウェハ周辺に至る照度ムラ
を求めた。但し、ウェハ面内での照度とその分布を比較
する目的であるので、ウェハの一方の側からのみ照射す
る構成として比較した。

添付の表１　　（Ａ）（Ｂ）及び表２　（Ａ）（Ｂ）は
共に、本発明の実施例についての計算結果であり、表３
　（Ａ）（Ｂ）は第３図及び第４図に示した従来の装置
についての値である。各表の（Ａ）は計算の前掛となる
諸元の値を示し、各表の（Ｂ）には、相対照度とウェハ
中心からの各位置における照度ムラの値を示す、（尚、
照度ムラは、ウェハ中心の照度に対するウェハの各点に
おける照度の比の値として表わされる。） 本発明による環状光源では、表１のとおり、発光ウェイ
トを４本の環状光源とも１とした場合に、ウェハの中心
での相対照度値は０．１２４、照度ムラは最大１．０５
８となった。また表２のように、複数の環状光源の構成
において、内側の光源の発光ウェイトを０．１にした場
合には、ウェハ周辺部で照度ムラは１．１７９と上る。

すなわちウェハの径方向にわたり測温していれば、ウェ
ハ周辺部からの熱放射が大きくても各光源を０Ｎ１０Ｆ
Ｆすることによりクローズ制御でウェハ全面を均一温度
で昇温、冷却できることを示している。

比較のための棒状光源１０本を用いた場合について、表
３（Ａ）のような諸元において求めてみると、ランプの
長さｌ、ウェハ中心軸よりの距離ｄとすれば、表３　（
Ｂ）に示す如く、ウェハ中心での相対照度値は表１に示
した環状光源の場合と同定度の０．１２０となるが、最
大照度ムラは０．９３９となる０表３　（Ｂ）のように
、この場合には照度分布が回転対象ではないので、第４
図中に示した如＜ｘ−ｙの直交座標に沿って値を示した
。

棒状ランプの場合にはウェハ周辺部の照度ムラ制御が不
可能なため別途の手段を講じなければならない。

また、光源の利用効率を環状光源と棒状光源で比較する
と、はぼ両者とも照度ムラが等しいとし、相対照度の比
と総光源長の比との積を求めれば、０．１２４１０．１
２０Ｘ３１５０／１９６１−１．６６ となり、本発明による環状光源の方が棒状光源より１．
６６倍も効率が良いことが分かる。

そして、相対照度が互いに等しい表１　（環状光源）と
表３（棒状光源）との場合を比較するに、表１の環状光
源の場合に最も内側に配置される環状光源の半径が４８
−一、直径９６＋ｓ−であるのに対し、表３の棒状光源
の場合に最も内側に配置される２本の棒状光源の間隔が
１７．５−■Ｘ２−３５−謡である。

従って、同程度の照度分布を得る場合には、本願発明に
よる環状光源の場合の方が、中央部に大きな空間を確保
することができることが明らかである。このため本発明
の照射装置では、前述した実施例のとおり、ウェハの中
心部上に対物レンズを配置してウェハ中心からウェハ面
を検査・観測することが可能となり、またガス雰囲気中
での処理のためのチャンバーの吸気口や排気口をチャン
バーの中央部、即ちウェハの中央部近辺に配置するのに
極めて有利となる。

第５図は、本発明による同心状に配置された環状光源を
４本用いた場合において、ウェハ面状の照度分布の均一
性について、ウェハと光源との距＃ｈと中心に配置され
る環状光源の大きさく半径：ｄ、）について比較検討し
た結果を説明する概略断面図である０本発明による照射
装置では前述のとおリウエハ中心の法線Ｎに関して回転
対称となっているため、第５図中の法ｊ１５１Ｎを境と
して左側と右側とで異なる光源の配置状態を示すことと
し、照度分布の計算に用いた諸元の値を図中に示した。

第５図の左側には、前記表１に示した如く４本の環状光
源１ａ、　ｌｂ、　ｌｃ、　ｌｄがウェハ面から６０−
ｌ離れて配置された場合の状態を表した。第５図の右側
では、４本の環状光源１ａ＋　１ｂ＋　１ｃ＋　ｌｄが
ウェハ面から８０１１ＩＩ１１離れて配置された場合で
あり、このときの各環状光源の間隔は左側と同一である
が半径は図示したとおり最も内側の環状光源を大きくし
たのに伴って、それぞれ大きい値にしである。

各環状光源１ａ、　ｌｂ、　ｌｃ、　ｌｄの直ぐ下に記
入された値は光源長を示しており、その下には総光源長
とウェハ中心における相対照度を併記した。そして、第
５図の上部にはウェハ中心の照度を１．０として、これ
に対するウェハの最周縁における照度と中心から最周縁
までの中間点における照度との各比の値を照度ムラとし
て示した。

第５図の上部に示した照度ムラの値から分かるように、
左側の場合にウェハの中間点での照度ムラが１．０４８
であるのに対し、右側の場合には１．０２６であり、照
度がより均一化されていることが分かる。即ち、光源を
遠くに配置した方が、照度は均一となる。そして、光源
とウェハとの距ｇｈを大きくする場合には、最も内側に
配置される環状光源の半径ｄも大きくすることが望まし
く、照度分布の均一性を保つためにｈとｄとの値はほぼ
比例関係にあることが判明した。また、環状光源の数を
増すことによってより均一な照度分布を得る・　ことも
可能である。

尚、上記の実施例では、環状光源を完全なリングとして
示したが、実際には電極の配置のために多少の変形が必
要になる。この場合でも、光源の形状が実質的にリング
状であれば十分な性能を得ることが可能である。

〔効　果〕

以上より本発明による環状光源の利点を列挙すれば、次
のとおりである。

（１）従来の棒状光源を用いた場合に比較して、照度分
布の均一性に優れており、光源の利用効率も棒状光源に
比べ１．６６倍改善される。

（２）中心部に空間的配置の余裕を生じるため、ウェハ
に対して最も望ましい位置に測温系やガス給排気系を配
置できる。

（３）各環状光源のＯＮ１０　Ｆ　Ｆによりウェハ周辺
部にわたる昇温制御が可能なため、（２）により配置さ
れた測温系によりウェハ全面の均一昇温・冷却のクロー
ズ制御が可能になる。

このように本発明によれば、被処理ウェハ全面にわたる
均一昇温・冷却がクローズ制御可能なランプアニール装
置が実現できるばかりでなく、前記■−１ｉ）や■にも
利用できる。■−１１）のエピタキシ、ＣＶＤのウェハ
加熱はウェハのそりを防ぐため長時間かけた予備加熱後
、反応室でウェハ裏面よりランプなどにより補助加熱を
加えながら、前面よりプラズマなどによりエピタキシ、
ＣＶＤを行っている９本発明の環状光源を使えば中央の
空間部よりエピタキシ・ＣＶＤが行えるため、急速加熱
下での反応が可能になる。また■の光の化学作用を利用
する分野でも、中央の環状光源の空間部を有効に利用す
ることができる。そして、水素ガスや弗素ガス雰囲気下
でウェハに紫外線を照射し、ラジカル水素やラジカル弗
素でアニールする方法（特開昭５９−１４３３１８、特
開昭５９−１４４１２２）においても、本発明による装
置を用いれば、中央の空間部に紫外線照明系を設定する
ことによりクローズ制御の昇温が可能な有利な装置が実
現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による同心状配置の複数環状光源を用い
た一実施例の構成を示す断面図、第２閏はその平面図、
第３図は本発明との比較のための棒状光源を用いた構成
の概要を示す断面図、第４図はその平面図、第５図は本
発明において、ウェハと光源との距離りと中心に配置さ
れる環状光源の半径ｄ、について比較検討した結果を示
す概略断面図である。 〔主要部分の符号の説明〕 １ａ、１ｂ、ｌｃ、ｌｄ　−−−一環状光源２−−−−
−−−−−−−　チャンバー４−−−−−−−−一　吸
気口 ５−−−−−−−一一一被照射物体（ウェハ）６−−−
−−−−−−−支持手段 ？　−−−−−−−−一　対物レンズ １１−−−−−一〜　ディテクター １２−−−−−ｍ−排気口 Ｎ　−−−−−−一被照射物体の中心位置上の法線に対
応する直線 出願人　　日本光学工業株式会社 代理人　弁理士　渡　辺　隆　男 第４図 照　　度　　ム　　ラ １、（Ｘ）５１．０４８１．０　１．０２６　＋、［Ｘ
１５第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）被照射物体を支持する支持手段と、該支持手段によ
   って支持される被照射物体の中心位置上の法線に対応す
   る直線を中心として同心状に配置された複数の環状光源
   とを有することを特徴とする光照射装置。 ２）被照射物体を支持する支持手段と、該支持手段によ
   って支持される被照射物体の中心位置上の法線に対応す
   る直線を中心として同心状に配置された複数の環状光源
   と、前記法線に対応する直線上に光軸を有する対物レン
   ズを具備した前記被照射物体の検出光学系とを有するこ
   とを特徴とする光照射装置。 ３）被照射物体を支持する支持手段と、該支持手段に支
   持される被照射物体を包囲する如く透光性部材で構成さ
   れたチャンバーと、該支持手段によって支持される被照
   射物体の中心位置上の法線に対応する直線を中心として
   該チャンバーの透光面に対向して同心状に配置された複
   数の環状光源とを有することを特徴とする光照射装置。 ４）前記チャンバーは、前記同心状に配置された環状光
   源の中心部に対向する位置に、所定ガスの給気口を有す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の光照射
   装置。