JPWO2018051494A1 - 加熱装置、基板加熱装置および半導体デバイスの製造方法 - Google Patents

加熱装置、基板加熱装置および半導体デバイスの製造方法 Download PDF

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Abstract

加熱装置は、ヒータと、電子反射板と、前記ヒータと前記電子反射板との間に配置されたフィラメントと、前記フィラメントの第1端子および第2端子の間に交流電圧を供給して前記フィラメントから熱電子を放出させる加熱電源と、前記フィラメントと前記ヒータとの間に加速電圧を供給する加速電源と、前記電子反射板と前記加熱電源とを接続する経路を構成するように配置された抵抗器とを備える。

Description

本発明は、加熱装置、基板加熱装置および半導体デバイスの製造方法に関する。
半導体デバイスの製造において、半導体基板を急速に加熱する工程が必要とされうる。特に、炭化ケイ素(SiC)に代表されるようなワイドバンドギャップを有する半導体基板の活性化のためのアニールには、2000°C程度の高温が必要とされうる。特許文献1には、背面電子衝撃加熱装置が記載されている。この加熱装置は、加熱プレートを有する加熱容器と、レフレクタと、加熱プレートとレフレクタとの間に配置されたフィラメントと、2つの電極を介してフィラメントを通電させて加熱する加熱電源と、フィラメントに加速電圧を印加する加速電源と、を有する。加熱プレートを有する加熱容器は接地され、フィラメントと加熱容器との間には、フィラメントがマイナス電位となるように、加速電源によって加速電圧が印加される。レフレクタとフィラメントとは導通していて、同電位のマイナス電位とされている。
特開2008−53066号公報
特許文献1に記載された構成において、フィラメントは2つの端子を有し、2つの端子の間に加熱電源によって交流電圧が供給されることによってフィラメントに交流電流が流れる。この交流電流によってフィラメントから熱電子が放出される。フィラメントの2つの端子間には電位差が存在する。そのため、レフレクタとフィラメントの1つの端子とが導通し両者が同電位にされていたとしても、レフレクタとフィラメントの他の端子との間には、加熱電源の2つの端子間の電位差と同様の電位差が存在する。また、フィラメントの2つの端子の間には、フィラメントに沿った電位勾配が形成される。よって、レフレクタとフィラメントの各部との間には電位差が存在する。フィラメントのある部分の電位がレフレクタの電位より低くなる期間においては、フィラメントの前記部分から放出された熱電子がレフレクタに引き込まれる。このような熱電子は、加熱プレートには入射しないので、加熱プレートの加熱には寄与しない。そのために、加熱プレートには、フィラメントの前記部分に対向する部分の温度が他の部分の温度より低い温度分布が形成されうる。このような温度分布は、加熱プレートによって加熱される基板にも形成されうる。これにより基板を均一に加熱することができなくなる。
本発明は、上記の課題認識を契機としてなされたものであり、基板等の加熱対象物の均一な加熱のために有利な技術を提供することを目的とする。
本発明の1つの側面は、ヒータと、電子反射板と、前記ヒータと前記電子反射板との間に配置されたフィラメントと、前記フィラメントの第1端子および第2端子の間に交流電圧を供給して前記フィラメントから熱電子を放出させる加熱電源と、前記フィラメントと前記ヒータとの間に加速電圧を供給する加速電源とを備える加熱装置に係り、前記加熱装置は、前記電子反射板と前記加熱電源とを接続する経路を構成するように配置された抵抗器を備える。
本発明によれば、基板等の加熱対象物の均一な加熱のために有利な技術が提供される。
本発明の一実施形態の基板加熱装置の構成を示す図。 本発明の一実施形態の加熱装置の構成を示す図。 フィラメントの第1端子A、第2端子Bの電位の時間変化を示す図。 時刻t1、t2におけるフィラメントの電位を示す図。 比較例の加熱装置の構成を示す図。 比較例において電子反射板損失が生じる期間を示す図。 比較例における電子反射板損失に関するシミュレーション結果を示す図。 比較例における電子反射板損失に関するシミュレーション結果を示す図。 比較例における電子反射板損失に関するシミュレーション結果を示す図。 比較例における電子反射板損失に関するシミュレーション結果を示す図。 本発明の一実施形態の加熱装置における電子反射板損失の目標を示す図。 本発明の一実施形態の加熱装置における電子反射板の電位とフィラメントの第1端子Aの電位とを示す図。 変形例の加熱装置の構成を示す図。
以下、添付図面を参照しながら本発明をその例示的な実施形態を通して説明する。
図1には、本発明の一実施形態の基板加熱装置100の構成が模式的に示されている。基板加熱装置100は、基板Sを保持する基板保持部180と、基板保持部180によって保持された基板Sを加熱するように配置された加熱装置101と、処理空間192を規定するチャンバ190とを備えている。処理空間192には、不図示のポンプによって減圧環境が形成され、この減圧環境において基板Sが熱処理されうる。
図2には、加熱装置101の構成が模式的に示されている。加熱装置101は、基板等の加熱対象物を加熱するように構成される。加熱装置101は、例えば、ヒータ110と、電子反射板120と、フィラメント130と、加熱電源140と、加速電源150と、抵抗器160とを備えている。ヒータ110と電子反射板120とは、互いに対向するように配置される。フィラメント130は、ヒータ110と電子反射板120との間に配置される。
フィラメント130は、シングルループのフィラメントでありうる。フィラメント130は、第1端子Aおよび第2端子Bを有する。加熱電源140は、フィラメント130の第1端子Aと第2端子Bとの間に交流電圧Vtを供給する。これによりフィラメント130を通して交流電流が流れ、フィラメント130から熱電子が放出される。交流電圧Vtの最大値は、例えば50Vであり、交流電圧Vtの周波数は、例えば50Hzであるが、これらに制限されるものではない。加熱電源140によってフィラメント130に供給される電流の最大値は、例えば40A程度でありうる。
加速電源150は、フィラメント130とヒータ110との間に直流の加速電圧Vaを供給する。ここで、加速電源150は、ヒータ110の電位を基準としてフィラメント130に負の電位を与える。ヒータ110は、接地されうる。これによりヒータ110からフィラメント130に向かう加速電界が形成され、この加速電界によって、フィラメント130からヒータ110に向かう方向に熱電子が加速される。加速電圧Vaは、例えば、−2000Vでありうる。
ヒータ110には、フィラメント130から放出され、加速電源150によってフィラメント130とヒータ110との間に形成される加速電界によって加速された熱電子が衝突する。ヒータ110に対する熱電子の衝突によって熱電子の運動エネルギーが熱エネルギーに変換され、これによってヒータ110が加熱される。ヒータ110は、熱電子を引き込むために、導電材料、例えばカーボンで構成される。ヒータ110は、フィラメント130および電子反射板120が配置される真空空間112を規定する真空チャンバ114の少なくとも一部を構成しうる。電子反射板120は、フィラメント130から放出された熱電子を反射する。電子反射板120は、導電性部材で構成され、ヒータ110に対向して配置される。
抵抗器160は、電子反射板120と加熱電源140とを接続する経路170を構成するように配置される。加熱電源140がフィラメント130に交流電圧Vtを供給することによって、フィラメント130、電子反射板120および経路170を通る閉回路CCが構成される。経路170は、電子反射板120と閉回路CC中のノード(この例では、後述の第4端子D)とを接続するように構成されうる。電子反射板120には、抵抗器160を介して加速電圧Vaが供給される。
加熱電源140は、フィラメント130の第1端子Aに接続された第3端子Cと、フィラメント130の第2端子Bに接続された第4端子Dとを有する。加速電源150は、加熱電源140の第4端Dとヒータ110との間に加速電圧Vaを供給する。抵抗器160は、例えば、電子反射板120と加熱電源140の第4端子Dとを接続するように経路170を構成しうる。
抵抗器160の抵抗値Rrは、加熱電源140がフィラメント130に交流電圧を供給している状態におけるフィラメント130と電子反射板120との間の抵抗値よりも高い値でありうる。抵抗値Rrは、例えば、100Ω以上かつ100kΩ以下の値を有しうる。好ましくは、抵抗値Rrは、1kΩ以上かつ10kΩ以下の値を有しうる。更に好ましくは、抵抗値Rrは、2kΩ以上かつ4kΩ以下の値を有しうる。抵抗器160は、モリブデンシリサイド合金で構成されうる。
図3Aには、フィラメント130の第1端子A、第2端子Bの電位の時間変化が示されている。横軸は時刻、縦軸は電位を示している。フィラメント130の第2端子Bには、加速電源150から供給される直流の加速電圧Vaが供給される。一方、フィラメント130の第1端子Aには、直流の加速電圧Vaと加熱電源140が発生する交流電圧Vfとを加算した電圧が供給される。
図3Bには、図3Aの時刻t1、t2におけるフィラメント130の電位が示されている。横軸はフィラメント130上の位置、縦軸は電位を示している。フィラメント130の電位が電子反射板120の電位より低いと、フィラメント130から放出された熱電子の一部が電子反射板120に引き込まれうる。抵抗器160は、経路170を介して流れる電流の大きさを制限するように作用する。これは、フィラメント130から放出された熱電子が電子反射板120に引き込まれることを制限することを意味する。フィラメント130から放出された熱電子が電子反射板120に引き込まれることを制限することによって、フィラメント130から放出された熱電子を低損失でヒータ110に入射させることができる。これにより、ヒータ110の発熱の面内均一性を高めることができる。以上のように、この実施形態によれば、抵抗器160を追加するという簡単な構成変更によってヒータ110の発熱の面内均一性を高めることができる。
以下では、抵抗器160を設けることによる効果を比較例と対比しながら説明する。図4には、図1および図2に示される加熱装置101から抵抗器160を取り除いた構成が示されている。フィラメント130の第2端子Bには、加速電源150から供給される直流の加速電圧Vaが供給される。一方、フィラメント130の第1端子Aには、直流の加速電圧Vaと加熱電源140が発生する交流電圧Vtとを加算した電圧Vfが供給される。また、電子反射板120には、加速電圧Vaが供給される。
図5には、図4に示された比較例において、電子反射板120の電位およびフィラメント130の第1端子Aの電位の時間変化が示されている。横軸は時間であり、縦軸は電位である。フィラメント130の第2端子Bの電位は、加速電圧Vaであり、一定である。また、比較例では、電子反射板120に加速電圧Vaが直接に供給されているので、電子反射板120の電位は、加速電圧Vaであり、一定である。フィラメント130の電位が電子反射板120の電位より低い期間では、フィラメント130から放出された熱電子の一部が電子反射板120に引き込まれうる。これは、フィラメント130から電子反射板120に向かって負の電流が流れること、換言すると、電子反射板120からフィラメント130に正の電流が流れることを意味する。このような電流が流れると、その分だけ、フィラメント130からヒータ110に入射する熱電子が減少する。以上のようにして熱電子の一部が電子反射板120に引き込まれることによってヒータ110に入射する熱電子が減少することを電子反射板損失と呼ぶことにする。
図5において、ハッチングが付された部分は、電子反射板損失を示している。フィラメント130と電子反射板120との間の電位差は、第2端子Bから第1端子Aに向かって大きくなる。これは、電子反射板120に引き込まれる熱電子の数がフィラメント130の位置に応じて異なり、そのために、ヒータ110に入射する熱電子の数が位置に応じて異なることを意味する。これにより、ヒータ110に不均一な熱分布が生じうる。これは、基板Sの熱処理の不均一性をもたらしうる。
図6A〜6Cには、フィラメント130の第1端子Aの近傍における電子反射板損失に関するシミュレーション結果が示されている。図6Aでは、電子反射板の電位Vr(=加速電圧Va)が−2000V、フィラメントの第1端Aにおける電位Vfが−1950Vである場合の熱電子の軌道が示されている。図6Aでは、フィラメント(の第1端A)の電位Vfが電子反射板の電位Vrより高いので、熱電子は、電子反射板に引き込まれることなくヒータに入射する。
図6Bでは、電子反射板の電位Vr(=加速電圧Va)が−2000V、フィラメントの第1端Aにおける電位Vfが−2000Vである場合の熱電子の軌道が示されている。図6Bでは、フィラメント(の第1端A)の電位Vfが電子反射板の電位Vrと等しいので、熱電子は、電子反射板に引き込まれることなくヒータに入射する。
図6Cでは、電子反射板の電位Vr(=加速電圧Va)が−2000V、フィラメントの第1端Aにおける電位Vfが−2050Vである場合の熱電子の軌道が示されている。図6Cでは、フィラメント(の第1端A)の電位Vfが電子反射板の電位Vrより低いので、熱電子の一部は、電子反射板に引き込まれ、電子反射板損失が発生している。これにより、ヒータに入射する電子の数が減少し、発熱量が減少する。電子反射損失は、フィラメント130の第1端子Aに近いほど大きい。
図7には、比較例において、フィラメント130の第1端子Aの電位Vfと電子反射板120の電位Vr(=Va)との差(Vf−Vr)を変化させたときの電子反射板120に入射する熱電子(電子反射板損失)の比率の変化が示されている。電子反射板120に入射する熱電子の比率は、電子反射板120に入射する熱電子の数をヒータ110に入射する熱電子の数で割った値である。電子反射板120に入射する電子の数は、フィラメント130と電子反射板120との間を流れる電流(経路170を流れる電流)に比例する。この電流を電子反射板電流と呼ぶことにする。ヒータ110に入射する電子の数は、加速電源150を流れる電流に比例する。この電流をエミッション電流と呼ぶことにする。(Vf−Vr)が−50Vである場合、約3%の熱電子が電子反射板120に入射している。つまり、電子反射板損失は約3%である。この場合、エミッション電流を10Aとすると、電子反射板電流は0.3Aである。
加熱電源140が発生する交流電圧VtをVm・sin(ωt)とする。Vf−Vr=Vm・sin(ωt)であるので、Vmが50Vとすると、電子反射板120の電位に対してフィラメント130の第1端子Aの電位Vfが最も低いとき(即ち、電子反射板損失が最大となるとき)のVf−Vrは、−50Vである。このときの電子反射板損失(最大値)は、約3%である。
ところで、電子反射板損失は、図5においてハッチングが付された部分で生じるので、電子反射板損失の最大値をLmとすると、電子反射板損失の時間平均はLm/πである(正弦波の絶対値を積分した値(2Lm/π)の半分)。つまり、電子反射板損失の時間平均は、電子反射板損失の最大値の約1/3である。よって、電子反射板損失の最大値が約3%であるとき、電子反射板損失の時間平均は、約1%である。電子反射板損失の時間平均が1%であるときの温度の低下をシミュレーションによって解析すると、約6°Cである。
以上より、比較例において、加熱電源140が発生する交流電圧Vtの最大値が50Vである場合、フィラメント130の第1端子Aに対向する位置と第2端子Bに対向する位置とにおけるヒータ110の温度差は、約6°Cであることが分かる。
以下、図1および図2に示す実施形態のように抵抗器160を設けた場合の効果を説明する。前述のように、(Vf−Vr)が−50Vである場合の電子反射板電流は0.3Aであるので、フィラメント130と電子反射板120との間の抵抗値Rsは、50V/0.3A=167Ωである。抵抗値Rrを有する抵抗器160を設けることは、経路170に抵抗値Rsの抵抗と抵抗値Rrの抵抗器160とを直列に接続することを意味する。
電子反射損失を低減するためには、経路170(あるいは閉回路CC)を流れる電流を低減すればよいので、抵抗器160の抵抗値Rrを適切な値に設定すればよい。抵抗器160の抵抗値Rrが小さ過ぎる場合、抵抗器160を設ける効果が小さくなる。一方、抵抗器160の抵抗値Rrが大き過ぎる場合、電子反射板120がフローティング状態に近くなるので、電子反射板120の電位が不安定になりうる。電子反射板120の電位が不安定になることによって電子反射板120の電位がフィラメント130の電位より低くなると電子反射板120とヒータ110との間の電界が変わり、フィラメントから放出された熱電子の軌道が変化しヒータ110への熱電子入射位置が変わりヒータ110の温度分布が変化してしまう。
電子反射板120の電位を不安定にする要因としては、例えば、加熱電源140や加速電源150等から発生するノイズが考えられる。抵抗器160の抵抗値Rrは、要求される仕様に依存しうるが、例えば、100Ω以上かつ100kΩ以下の抵抗値を有することができ、1kΩ以上かつ10kΩ以下の抵抗値を有することが好ましく、2kΩ以上かつ4kΩ以下の抵抗値を有することが更に好ましい。
以下、抵抗器160の抵抗値Rrを決定する方法を例示的に説明する。前述の比較例は、抵抗器160を設けない例であり、この例における電子反射板損失による温度の低下は6°Cであった。
ここでは、経路170に抵抗値Rsの抵抗(フィラメント130と電子反射板120との間の抵抗)と抵抗値Rrの抵抗器160とを直列に配置することによって電子反射板損失による温度の低下を1°C以内にすることを設計目標とする。比較例では、電子反射板損失が1%であるときの電子反射板120の温度の低下が6°Cであったので、温度の低下を1°C以内にするためには、単純計算で、電子反射板損失を1%×1/6≒0.167%にすればよい。図8には、(Vf−Vr)=−50Vのときに電子反射板120に入射する熱電子の比率が0.167%になる特性が示されている。
比較例にならってエミッション電流を10Aとすると、電子反射板損失が0.167%であることに相当するエミッション電流の変化分ΔI(フィラメント130と電子反射板120との間を流れる電流)は、10A×0.167%=0.0167Aである。(Vf−Vr)=−50Vであるので、
Rr+Rs=50V/0.0167A≒3000Ω
である。フィラメント130と電子反射板120との間の抵抗値Rsは前述のように167Ωであるので、抵抗器160の抵抗値Rrは2.8kΩとなる。つまり、この例では、抵抗器160の抵抗値Rrを2.8kΩ以上とすることによってヒータ110の温度の低下(温度の不均一性)を1°C以内に抑えることができる。
図9には、図1および図2に示される基板加熱装置100(加熱装置101)における電子反射板120の電位とフィラメント130の第1端子Aの電位が示されている。抵抗器160を設けることによって、電子反射板120とフィラメント130の第1端子Aとの電位差を抵抗器160が受けることになるので、フィラメント130の第1端子Aの電位の低下に応じて電子反射板120の電位も低下する。これによりフィラメント130から放出された熱電子が電子反射板120に引き込まれる量が低減される。即ち、電子反射板損失が低減される。なお、電子反射板120の電位の低下は、フィラメント130から放出された熱電子が電子反射板120に引き込まれることによって起こるが、電子反射板120による熱電子の引き込みは、電子反射板120の電位の低下によって緩和される。
図10には、図1および図2に示された基板加熱装置100(加熱装置101)の変形例が示されている。変形例では、加熱電源140は、フィラメント130の第1端子Aに接続された第3端子Cと、フィラメント130の第2端子Bに接続された第4端子Dとを有し、加速電源150は、第4端Dとヒータ110との間に加速電圧Vaを供給する。抵抗器160は、電子反射板120と第3端子Cとを接続する経路170を構成する。加熱電源140がフィラメント130に電流を供給することにより、フィラメント130および電子反射板120を通る閉回路CCが構成され、経路170は、電子反射板120と閉回路CC中のノード(この例では、第3端子C)とを接続する。電子反射板120には、抵抗器160を介して加速電圧Vaおよび交流電圧Vtが供給される。このような接続においても、抵抗器160は、フィラメント130と電子反射板120との間を流れる電流を低減し、電子反射板損失を低減するように機能する。
以下、基板加熱装置100を用いてデバイスを製造するデバイス製造方法を例示的に説明する。該デバイス製造方法は、SiC基板等の基板に不純物を注入する工程と、該基板を基板加熱装置100によって加熱するアニール工程とを含みうる。該デバイス製造方法は、更に、該基板をエッチングする工程、および、該基板の上にパターンを形成する工程等を含みうる。
100:基板加熱装置、110:ヒータ、112:空間、114:真空チャンバン、120:電子反射板120:フィラメント、140:加熱電源、150:加速電源、160:抵抗器、170:経路、180:基板保持部、190:チャンバ、192:処理空間、CC:閉回路、A:第1端子、B:第2端子、C:第3端子、D:第4端子

Claims (11)

  1. ヒータ(110)と、電子反射板(120)と、前記ヒータ(110)と前記電子反射板(120)との間に配置されたフィラメント(130)と、前記フィラメント(130)の第1端子(A)および第2端子(B)の間に交流電圧を供給して前記フィラメント(130)から熱電子を放出させる加熱電源(140)と、前記フィラメント(130)と前記ヒータ(110)との間に加速電圧を供給する加速電源(150)とを備える加熱装置であって、
    前記電子反射板(120)と前記加熱電源(140)とを接続する経路(170)を構成するように配置された抵抗器(160)を備えることを特徴とする加熱装置。
  2. 前記加熱電源(140)が前記フィラメント(130)に前記交流電圧を供給することによって、前記フィラメント(130)、前記電子反射板(120)および前記経路(170)を通る閉回路(CC)が構成される、
    ことを特徴とする請求項1に記載の加熱装置。
  3. 前記加熱電源(140)は、前記フィラメント(130)の第1端子(A)に接続された第3端子(C)と、前記フィラメント(130)の第2端子(B)に接続された第4端子(D)とを有し、前記加速電源(140)は、前記第4端子(D)と前記ヒータ(11との間に前記加速電圧を供給し、前記抵抗器(160)は、前記電子反射板(120)と前記第4端子(D)とを接続するように前記経路(170)を構成する、
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の加熱装置。
  4. 前記加熱電源(140)は、前記フィラメント(130)の第1端子(A)に接続された第3端子(D)と、前記フィラメントの第2端子に接続された第4端子とを有し、前記加速電源は、前記第4端子と前記ヒータ(130)との間に前記加速電圧を供給し、前記抵抗器(160)は、前記電子反射板(120)と前記第3端子(C)とを接続するように前記経路(170)を構成する、
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の加熱装置。
  5. 前記抵抗器(160)は、前記加熱電源(140)が前記フィラメント(130)に前記交流電圧を供給している状態における前記フィラメント(130)と前記電子反射板(120)との間の抵抗値よりも高い抵抗値を有する、
    ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の加熱装置。
  6. 前記抵抗器(160)は、100Ω以上かつ100kΩ以下の抵抗値を有する、
    ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の加熱装置。
  7. 前記抵抗器(160)は、1kΩ以上かつ10kΩ以下の抵抗値を有する、
    ことを特徴とする請求項6に記載の加熱装置。
  8. 前記抵抗器(160)は、モリブデンシリサイド合金を含む、
    ことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の加熱装置。
  9. 前記フィラメント(130)は、シングルループのフィラメントである、
    ことを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の加熱装置。
  10. 基板(S)を保持する基板保持部(18)と、
    前記基板保持部(180)によって保持された前記基板(S)を加熱するように配置された請求項1乃至9のいずれか1項に記載の加熱装置と、
    を備えることを特徴とする基板加熱装置。
  11. 基板(S)に不純物を注入する工程と、
    該基板(S)を請求項1乃至10のいずれか1項に記載の基板加熱装置を用いて加熱する工程と、
    を含むことを特徴とするデバイス製造方法。
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