WO2005029561A1

WO2005029561A1 - 熱処理装置

Info

Publication number: WO2005029561A1
Application number: PCT/JP2004/013922
Authority: WO
Inventors: Masahiro Shimizu; Shigeru Kasai; Masatake Yoneda
Original assignee: Tokyo Electron Limited
Priority date: 2003-09-24
Filing date: 2004-09-24
Publication date: 2005-03-31
Also published as: KR100833386B1; US20110002674A1; JP4442171B2; JP2005101237A; CN1856863A; CN100547737C; US7978963B2; KR20060080216A

Abstract

　シリコンウエハ等の被処理体に４００°C以上の温度でアニール処理等の熱処理を施すための熱処理装置である。この装置は、天井部に透過窓（８）を有する処理容器（４）を備えている。この容器内は、透過窓と対向するように被処理体（Ｗ）を載置する載置台（１０）が設けられている。処理容器の上方は、透過窓を通じて被処理体に熱線を照射することにより被処理体を加熱する複数の加熱ランプ（４２Ａ，４２Ｂ）が設けられている。載置台には、被処理体を少なくとも冷却可能な熱電変換器（２４）が設けられている。被処理体の昇温時には主として加熱ランプからの熱線により加熱し、降温時には熱電変換器を用いて強制的に冷却する。

Description

技術分野

[0001] 本発明は、半導体ウェハ等の被処理体に対してァニール処理や成膜処理等の熱処理を行う熱処理装置に関する。

背景技術

[0002] 一般に、半導体デバイスを製造するには、半導体ウェハに成膜処理、パターンエツ明

チング処理、酸化拡散処理、改質処理、ァニール処理等の各種の熱処理を繰り返し田

行って所望のデバイスを製造するが、半導体デバイスが高密度化、多層化および高集積ィ匕するに伴ってその仕様が年々厳しくなつており、これらの各種の熱処理のゥェハ面内における均一性の向上および膜質の向上が特に望まれている。例えば半導体デバイスであるトランジスタのチャネル層の処理を例にとって説明すると、このチヤネル層に不純物原子のイオン注入後に、原子構造を安定化させる目的でァニール処理が一般的に行われる。

[0003] この場合、上記ァニール処理を長時間行うと原子構造は安定化するが、不純物原子が膜厚方向へ奥深くまで拡散して下方へ突き抜けてしまうので、極力短時間で行う必要がある。すなわち、チャネル層などの膜厚を薄くしつつ、且つ突き抜けも生ずることなく原子構造を安定化させるためには、半導体ウェハを高温まで高速で昇温し、且つァニール処理後にあっては拡散が生じな、ような低、温度まで高速で降温させることが必要となる。

このようなァニール処理を可能とするために、従来の熱処理装置では、加熱ランプを収容したランプハウスに輻射熱を遮断するシャッター機構を設け、高温でァニール処理した後にウェハ温度を降温させる際にこのシャッター機構を作動させて加熱ランプからの輻射熱を遮断し、ウェハの高速降温を行うようになって!/、る。

[0004] また他の従来の熱処理装置としては、例えば特開 2001— 85408号公報に示すように、ウェハステージにペルチェ素子を設け、 100— 250°C程度でウェハをエッチングする際に、昇降温時に上記ペルチェ素子を用いるようにした熱処理装置がある。 [0005] ところで、シャッター機構を設けた上記従来の熱処理装置にあっては、このシャツタ一機構自体が大きいために装置が大型化し、また装置自体も複雑化する、といった問題があった。またペルチェ素子を用いた従来の熱処理装置にあっては、エツチングを行うプロセス温度が 100— 250°Cの範囲であってそれ程高くなぐ例えば高温でァニール処理等を行うには温度が低過ぎて十分ではな、、 t 、つた問題があった。発明の開示

[0006] 本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、高温での熱処理を行う際に、被処理体の高速昇温および高速降温を行うことが可能な熱処理装置を提供することにある。また本発明の他の目的は、被処理体の加熱効率を向上させることが可能な熱処理装置を提供することにめる。

[0007] 上記目的を達成するために、本発明は、被処理体に 400°C以上の温度で熱処理を施すための熱処理装置であって、天井部に透過窓を有する処理容器と、この処理容器内に設けられ、前記透過窓と対向するように被処理体を載置する載置台と、前記処理容器の上方に設けられ、前記透過窓を通じて被処理体に熱線を照射することにより被処理体を加熱する複数の加熱ランプと、前記載置台に設けられ、被処理体を少なくとも冷却可能な熱電変換器と、を備えたことを特徴とする熱処理装置を提供する。

[0008] この熱処理装置によれば、被処理体に 400°C以上の温度で熱処理を行うに際して、被処理体の昇温時には主として加熱ランプ力の熱線により加熱し、降温時には熱電変換器を用いて強制的に冷却することで、被処理体の高速昇温および高速降温を行うことが可能となる。

[0009] この熱処理装置においては、前記熱電変換器の下側に、内部に熱媒体流路の形成された熱媒体ジャケットを設けることが好まし、。

また、前記熱電変換器は、被処理体の冷却時とは逆方向の電流が流されることで、被処理体を加熱するように構成されてヽることが好ま、。

[0010] さらに、前記熱電変換器は、前記載置台上の複数のゾーンにそれぞれ対応して配置された複数の熱電変換素子を含み、当該熱処理装置は、前記載置台上の各ゾーン別に熱電変換素子に流される電流を制御する変換素子制御器を更に備えることが好ましい。

これによれば、被処理体の温度の面内均一性を維持したままこれを高速降温させることが可能となる。

その場合、前記変換素子制御器は、前記熱電変換素子に間欠的に電流を流すように制御を行うと共に、前記熱電変換素子に電流が流れていない期間に前記熱電変換素子の起電力に基づいて当該熱電変換素子の温度を測定するができる。

[0011] 被処理体はシリコンウェハである場合には、前記複数の加熱ランプは、主として紫外線を放射する紫外線放電ランプと、主として可視光線を放射するハロゲンランプとで構成されることが好ま U、。

これにより、加熱ランプからの熱線に対する被処理体の吸収率が高くなり、より高速で昇温させることができる。

その場合、前記紫外線放電ランプの電力制御は、デューティ制御により行われることが好ましい。

また、被処理体の中央部に対しては主として前記紫外線放電ランプ力の紫外線が照射され、被処理体の周辺部には対しては主として前記ハロゲンランプ力の可視光線が照射されるように構成されて、ることが好ま、。

[0012] また、本発明は、被処理体に高温で熱処理を施すための熱処理装置であって、天井部に透過窓を有する処理容器と、この処理容器内に設けられ、前記透過窓と対向するように被処理体を載置する載置台と、前記処理容器の上方に設けられ、前記透過窓を通じて被処理体に熱線を照射することにより被処理体を加熱する複数の加熱ランプと、を備え、前記載置台は、前記加熱ランプから主として放射される熱線の種類に応じて、その熱線を主として吸収する吸収板を含むことを特徴とする熱処理装置を提供する。

このように、加熱ランプから主として放射される熱線の種類に応じて、その熱線を主として吸収する吸収板によって、載置台上の被処理体に対する加熱効率を向上させることが可能となる。

この熱処理装置においては、前記載置台は、互いに異なる種類の熱線を主として吸収する複数の吸収板を含むことができる。

その場合、前記吸収板どうしの間に、被処理体側を少なくとも冷却可能な熱電変換器が設けられて、ることが好ま、。

図面の簡単な説明

[0013] [図 1]は、本発明の熱処理装置の第 1実施形態を示す断面構成図である。

[図 2]は、加熱手段の加熱ランプの配列の一例を示す平面図である。

[図 3]は、熱電変換器を構成するペルチェ素子の配列の一例を示す平面図である。

[図 4]は、熱線の波長に対するシリコンウェハの吸収率を示すグラフである。

[図 5]は、熱線の波長に対するゲルマニウムとシリコンの透過率を示すグラフである。

[図 6]は、熱線の波長に対する石英と窒化アルミニウム (A1N)と SiCとの吸収率を示すグラフである。

[図 7]は、熱線の波長に対する CaF (弗化カルシウム）と LiF (弗化リチウム）の透過

2

率を示すグラフである。

[図 8]は、熱線の波長に対する熔融石英の透過率を示すグラフである。

[図 9]は、各種の母材に対してコーティング処理を行った時の赤外線領域の透過率を示すグラフである。

[図 10]は、本発明の熱処理装置の第 2実施形態における載置台の構造を示す構成図である。

[図 11]は、本発明の熱処理装置第 3実施形態を示す断面構成図である。

[図 12]は、本発明の熱処理装置第 4実施形態を示す断面構成図である。

発明を実施するための最良の形態

[0014] 以下に本発明に係る熱処理装置の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。

<第 1実施形態 >

図 1に示す本発明の第 1実施形態に係る熱処理装置 2は、例えばアルミニウムにより筒体状に成形された処理容器 4を有している。この処理容器 4の天井部は開口されており、この開口部には、 Oリング等のシール部材 6を介して透明な透過窓 8が気密に設けられている。また処理容器 4の内部には、薄い円板状になされた載置台 10 が設けられており、この載置台 10の上面に、被処理体としての半導体ウエノ、 Wが載置されるようになっている。ここで載置台 10の材料としては、使用する加熱ランプからの光線を最も吸収し易ヽような材料で形成され、例えば主に赤外線ランプの光線を吸収し易い SiO 材、 A1N材、 SiC材、主に紫外線ランプおよびノヽロゲンランプの光

2

線を吸収し易い Ge (ゲルマニウム)材、 Si材、金属材等を用いることができる。

[0015] また、この処理容器 4の側壁には、半導体ウェハ Wを搬出入する際に開閉されたゲートバルブ 12が設けられると共に、熱処理時に必要な処理ガスを内部へ導入するガスノズル 14が設けられている。また処理容器 4の底部の周辺部には、排気口 16が形成されており、この排気口 16には図示しない真空ポンプが介設された排気系 18が接続されて、処理容器 4内の雰囲気を例えば真空排気可能としている。またこの処理容器 4の底部の周辺部を残した中心側には大口径の開口が形成されており、この開口に例えば Oリング等のシール部材 20を介在させて例えばアルミニウム製の肉厚な底板 22が気密に取り付け固定されている。

[0016] そして、上記底板 22の上面側に、熱電変換器 24を介して上記板状の載置台 10が接合して設けられている。この熱電変翻24は、複数の熱電変換素子として例えば複数のペルチェ素子 24Aを有しており、これらのペルチェ素子 24Aはこれらより底板 22を気密に貫通して外側へ配線されたリード線 26を介してペルチヱ制御部（変換素子制御器） 28へ接続されており、このペルチェ制御部 28により電流の方向や大きさを制御できるようになつている。ここで熱電変換とは、熱エネルギーを電気エネルギーに、また電気エネルギーを熱エネルギーに変換することを言う。また、ペルチェ素子 2

4Aとしては、例えば 400°C以上の高温下での使用に耐え得る Bi Te (ビスマス'テ

2 3

ルル）素子、 PbTe (鉛'テルル）素子、 SiGe (シリコン.ゲルマニウム）素子等を用いることができる。

[0017] また上記底板 22の上部には、熱媒体を流すための熱媒体流路 30がその平面方向の全体に亘つて形成されており、この熱媒体流路 30の一端には熱媒体導入路 32が接続され、他端には熱媒体排出路 34が接続されて、この底板 22は熱媒体ジャケット 36として兼用されている。ここで、熱媒体としては少なくとも冷媒を流すことができ、上記ペルチェ素子 24Aの下面力温熱を奪ってこれを冷却するようになっている。また必要に応じて温媒を流して上記ペルチェ素子 24Aの下面力冷熱を奪ってこれをカロ熱し得るようになつている。この熱媒体は、例えば循環器 38により循環使用される。尚、この底板 22は、ウェハ Wを上記載置台 10に対して昇降させるために図示しないリフタピンが設けられる。

[0018] 一方、上記透過窓 8の上方には、上記ウェハ Wを加熱するための加熱手段 40が設けられる。具体的には、この加熱手段 40は、複数の加熱ランプ 42A、 42Bよりなり、これらの加熱ランプ 42A、 42Bを、透過窓 8の上方に設けた容器状のランプハウス 44 の天井部の下面にその全体に亘つて取り付けて!/、る。またこのランプハウス 44の天井部の内面は反射鏡 48となっており、各加熱ランプ 42A、 42Bからの熱線を下方向に反射させるようになつている。また各加熱ランプ 42A、 42Bの総電力は例えば 100 一 200キロワット程度である。これらの各加熱ランプ 42A、 42Bの制御はランプ制御部 46によって行われ、このランプ制御部 46には、上記ペルチェ制御部 28から後述するように例えば温度情報が入力されるようになって、る。

[0019] ここで図示例においては、ランプハウス 44の周辺部以外の中央部に位置する加熱ランプ 42Aはその熱線の放射方向を真下に向けられているのに対して、ランプハウス 44の周辺部に位置する加熱ランプ 42Bは、下方向内側に向けて斜めに設けられており、その熱線の放射方向をウエノ、 Wの周辺部に集中させるようになつている。尚、熱線とは、紫外線、可視光線および赤外線 (近赤外、遠赤外も含む)の全てを含むものとする。

ここでは図 2に示すように、上記加熱ランプ 42A、 42Bが設けられたランプハウス 44 の天井部は、中央側の内側ゾーン 50Aと周辺部の外側ゾーン 50Bとで同心円状に分けられる。内側ゾーン 50Aには加熱ランプ 42A群が設けられ、外側ゾーン 50Bには加熱ランプ 42B群が設けられている。加熱ランプ 42A、 42Bの電力は、各ゾーン 5 0A、 50B毎に制御できるようになつている。尚、上記内側ゾーン 50Aには加熱ランプ 42A群を比較的疎に配置し、これに対して、上記外側ゾーン 50Bには加熱ランプ 42 B群を比較的密に配置してウェハの面内温度均一な加熱を図ることが好ましい。

[0020] ここで上記加熱ランプ 42A、 42Bとしては、紫外線を主として射出する紫外線放射ランプと、可視光線を主として射出するハロゲンランプと、赤外線を主として射出する赤外線ランプとよりなる群の内から選択された 1種または 2種以上のランプを用いることができる。図 1では例えば中央側の加熱ランプ 42Aとしては、例えば大きさは大きくて大出力が可能な紫外線放電ランプを用い、これに対して、周辺部側の加熱ランプ 42Bとしては例えば小型化されたノヽロゲンランプが用いられる。ここで上記透過窓 8 は、上記加熱ランプ 42A、 42B力射出する光線に対する吸収率が少なくなるようにその材質 (母材）、コーティング材料が決定されている。具体的には、例えば熔融石英ガラス、耐熱ガラス、 CaF (弗化カルシウム)材、 LiF (弗化リチウム)材、 Ge (ゲル

2

マニウム)材、コーティングが施された Ge母材等が用いられる。

[0021] また図 3 (A)に示すように、底板 22上に配置されたペルチェ素子 24Aは、載置台 1 0の略全面に亘つて配置されている。そして、各ペルチェ素子 24Aは、載置台 10上の中央部に位置する内側ゾーン 52Aと、その外側の中周に位置する中側ゾーン 52 Bと、その外側の最外周に位置する外側ゾーン 52Cとの 3つのゾーンに同心円状に区分されている。更に、微妙な温度コントロールが必要な外側ゾーン 52Cは、更にその周方向に沿ってペルチェ素子 24Aを 3個ずつ含む 4つの分割ゾーンに区画されており、上記各ゾーン 52A、 52B、 52C (外側ゾーン 52Cについては更に 4つの分割ゾーン）毎に独立して制御できるようになって、る。

尚、図 3 (A)に示したペルチヱ素子の配列に変えて、図 3 (B)、図 3 (C)のように配列することも可能である。これらは載置台 10の略全面にわたりペルチェ素子 24Aが敷き詰められた構造を有し、ペルチェ素子 24A間にはほとんど隙間がない。これによれば、より精密で均一な温度制御を達成することができる。これらの配列においては、各ゾーン 52A、 52B、 52Cが正確な同心円状にならないが、各ゾーン 52A、 52B、 52Cは図示されるように適宜決定すればよい。ここで図 3 (A)、図 3 (B)ではペルチヱ素子 24Aの形状は、略四角形に形成され、図 3 (C)に示す場合には略六角形に形成されて!/、る。また図 3 (B)および図 3 (C)ではゾーン毎にペルチヱ素子 24Aに異なる模様を付してゾーン区分を明確にして、る。またこれら図 3に示したゾーンの分割形式は、単に一例を示したに過ぎず、これに限定されないのは勿論である。

[0022] 次に、上述のように構成された熱処理装置 2の動作にっ、て説明する。まず、ァ- ール処理を行うために開放されたゲートバルブ 12を介して未処理の半導体ウェハ W は処理容器 4内へ導入されて載置台 10上に載置され、処理容器 4内を密閉する。そして、ガスノズル 14より処理ガスとして例えば N ガス、或いは Arガスを流量制御しつ

2

つ導入すると共に、処理容器 4内を例えば真空排気して所定のプロセス圧力、例えば 1一 100Pa (7. 5mTorr— 750mTorr)を維持する。これと同時に、ランプ制御部 46により加熱手段 40を動作させて各加熱ランプ 42A、 42Bを点灯させる。

[0023] これにより、各加熱ランプ 42A、 42Bより発せられた熱線が透過窓 8を透過して半導体ウェハ Wの表面に入射し、これを急速に加熱して昇温する。この時の昇温速度は例えば 100— 200°CZsec程度である。ここで加熱ランプとして紫外線放電ランプを用いた場合には、この紫外線放電ランプに対してデューティ制御を行って、その投入電力を制御する。この点は、以降に説明する各実施形態においても同様である。そして、ウェハ Wを 400°C以上、例えば 500— 1000°Cのプロセス温度に、所定の時間だけ維持してァニール処理を行う。尚、ここで紫外線放電ランプに対してデューティ制御を行う理由は、次の通りである。すなわち紫外線放電ランプに連続的に電力を供給した場合にあっては、この電力を徐々に上げていっても、ある値（閾値)以上にならないと放電が起こらず、つまり投入電力に対し、比例的な熱線量が得られないと共に、熱線量を 0— 100%まで連続的に変化させる事ができない。そこで、放電を起こさせるに十分な電力によりデューティ制御を行えば、これらの問題を一挙に解決できることになる。

[0024] このようにして、ァニール処理が終了したならば、ウェハ Wの温度を急速に冷却する高速降温を行う。そのために、各加熱ランプ 42A、 42Bを消灯すると共に、載置台 10の下面に設けてある熱電変^ ^24の各ペルチェ素子 24Aに、その上面が冷えるような方向で電流を流す。これにより、処理容器 4内の対流と放射による冷却効果以外に各ペルチェ素子 24Aの上面に冷熱が発生して冷却されるので、これと接してヽる載置台 10が冷却されてウェハ Wを急速に冷却することができ、ウェハ Wの高速降温を行うことができる。この際、各ペルチェ素子 24Aの下面には温熱が発生して熱くなるので、底板 22に形成した熱媒体ジャケット 36の熱媒体流路 30に冷却用の熱媒体を流し、上記各ペルチェ素子 24Aの下面に発生した温熱を上記熱媒体により系外へ運び出して各ペルチェ素子 24Aの下面を冷却することになる。この時の冷却用の熱媒体としては冷却水等を用いることができる。 [0025] さて、このような動作において、図 2に示すように各加熱ランプ 42A、 42Bは複数のゾーン、図示例では 2つのゾーンに分けられており、特に外側ゾーン 50Bの各加熱ランプ 42Bは、ウェハ Wを昇温させ難いウェハ周辺部に向けられており、この周辺部に熱線を集中的に照射するようになって、るので、面内温度の均一性を維持したままゥェハ Wを高速昇温することができる。この場合、ウェハ温度、或いは載置台 10の温度は、各ペルチェ素子 24Aのゼーベック効果による起電力に基づ!/、てペルチヱ制御部 28により（ペルチェ素子 24A自体の温度として)測定できる。その温度測定結果をランプ制御部 46へ入力して、この制御部 46で測定結果に基づ、て上記各加熱ランプ 42A、 42Bをゾーン毎に制御することにより、面内温度の均一性をより高く維持したままウェハ Wを高速昇温することができる。

[0026] 更には、ウェハ Wの昇温時に、各ペルチェ素子 24Aに、その上面が発熱するような方向で電流を流すことにより（ウェハの降温時とは電流の方向は逆になる）、ウェハ W 力 Sこの各ペルチェ素子 24Aにより補助的に加熱されることになる。このため、ウェハ Wの昇温速度を一層大きくすることができる。この場合、各ペルチェ素子 24Aに加熱用の電流を間欠的に流しながら、各ペルチェ素子 24Aに電流が流れていない期間にペルチェ素子 24Aの起電力に基づいてその温度を測定する。そして、この測定温度に基づいてペルチェ素子 24Aへ流す加熱用の電流をゾーン毎に制御する。これにより、昇温時のウェハ温度の面内均一性を一層高く維持することができる。尚、ゥェハ Wの昇温時には、各ペルチヱ素子 24Aの下面に冷熱が発生するので、熱媒体ジャケット 36の熱媒体流路 30には、ウェハ Wの降温時とは異なって加熱用の熱媒体を流し、各ペルチェ素子 24Aの下面に生じた冷熱を上記加熱用の熱媒体で系外へ排出するように動作させる。この場合、加熱用の熱媒体としては、例えば高温の温水を用!/、ることができる。

[0027] またウェハ Wの降温時にも、ウェハ冷却用の電流を間欠的に各ペルチエ素子 24A に流しながら、各ペルチヱ素子 24Aに電流が流れていない期間にペルチヱ素子 24 Aの起電力に基づいてその温度を測定する。そして、この測定温度に基づいてペルチェ素子 24Aへ流す冷却用の電流をゾーン毎に制御する。これにより、ウェハ温度の面内均一性を高く維持した状態でウェハ温度を降温させることができる。また複数のペルチェ素子 24Aを分割するゾーン数を更に多くしたり、或いは個々のペルチェ素子 24A毎に電流制御ができるようにすれば、ウェハ昇温時および降温時の面内温度の均一性をより一層高く維持することができる。尚、載置台の温度は、これに埋設された熱電対、または光ファイバ一を通じて熱輻射量から計る放射温度計により測定しても良いのは勿論である。

[0028] ここで被処理体を高速昇温させるためには、加熱手段 40の各加熱ランプへの投入電力を増加させるだけでは十分ではなぐランプからの熱線に対する被処理体自体の吸収率を大きくする必要がある。被処理体として例えばシリコンウェハを用ヽた場合を例にとると、熱線に対するこのシリコンウェハの吸収率は図 4に示すグラフのようになる。図 4に示すように、シリコンウェハの熱線の吸収率は熱線の波長およびシリコンウェハの温度に依存する。ここで熱線とは、前述したように紫外線カゝら遠赤外線まで含む広、概念で用いて、る。

図示するように、波長が 1. 程度までは、シリコンウェハの温度に関係なぐ 0 . 5-0. 7程度の高い吸収率を示しているが、波長が 1. 17 mよりも大きくなると、吸収率はシリコンウェハの温度に大きく依存し、温度が低い程、吸収率が小さくなる（透過率は大きくなる）。すなわち、シリコンウェハの温度が 270— 600°Cの範囲で変化すると、それに応じて吸収率は 0. 1-0. 7程度の範囲で変化している。

[0029] 従って、被処理体を高速昇温させるには、加熱ランプとしては、波長が 1. ΙΊ μ χη 以下の熱線を出力するランプ、すなわち主として紫外線を射出する紫外線放電ランプゃ主として可視光線を射出するハロゲンランプを用いるのが好ましいことが判明する。またこの種の加熱ランプを用いることにより熱線を有効に利用でき、加熱効率を向上させることができる。

[0030] 加熱効率を向上させるためには、シリコンウェハを透過した熱線がその下の載置台 10によってどの程度吸収されるかが大きな問題となる。そこで、次に載置台 10の材質について検討する。

図 5は熱線の波長に対するゲルマニウムとシリコンの透過率（ 1 吸収率)を示すグラフ、図 6は熱線の波長に対する石英（SiO )と窒化アルミニウム (A1N)と炭化シリ

2

コン（SiC)の吸収率を示すグラフである。まず、図 5に示すようにここではゲルマニウムは厚さを 2mmに設定し、シリコンは厚さを 2. 5mmに設定している。図 5から明らかなように、熱線の波長が 0. 77 m以下である可視光線の領域および紫外線の領域では透過率は 10%以下、すなわち吸収率は 90%以上で非常に大きくなつている。従って、加熱ランプとして紫外線放電ランプやハロゲンランプを用いた場合、或いは本実施形態のように両ランプを混在させて設けた場合には、載置台 10の材料としてゲルマニウム基板やシリコン基板を用いるのが好まし、ことが確認できた。これによれば、シリコンウェハを透過した熱線を載置台 10が効率良く吸収でき、この結果、この載置台 10の熱でシリコンウェハを加熱することができる。従って、その分、加熱効率を向上させることができ、また、昇温速度も更に向上させることができる。

[0031] また図 6に示す SiO (図 6 (A) )、 A1N (図 6 (B) )、 SiC (図 6 (C) )の板厚は 1. 3—

2

3. 4mmに設定されている。上記各材料は、波長が約 4 m以上の赤外線の領域でなければ十分に大きな吸収率を示しておらず、紫外線および可視光線の領域では吸収率が非常に低い。従って、加熱ランプとして赤外線ランプを用いた場合には、載置台 10の材料として SiO 板、 A1N板、 SiC板を用いるのが好ましいことが確認でき

2

た。この場合、 SiC等の他に、他の酸ィ匕物を含むセラミック材を用いてもよい。

[0032] また、加熱効率を向上させるには熱線に対する透過窓 8の透過率も大きな問題となる。そこで、次に透過窓 8について検討する。

図 7は熱線の波長に対する CaF (弗化カルシウム） [厚さ： 3mm]と LiF (弗化リチウ

2

ム） [厚さ： 2mm]の透過率を示すグラフ、図 8は熱線の波長に対する熔融石英 (厚さ： 1mm)の透過率を示すグラフ、図 9は各種の母材に対してコーティング処理を行つた時の赤外線領域の透過率を示すグラフである。

まず、図 7に示すように、 CaF 板（図 7 (A) )は 0. 2 mの紫外線力ら 8 mの赤外

2

線の範囲で、また LiF板（図 7 (B) )は 0. 12 mの紫外線から 7 mの赤外線の範囲で、共に 90%前後の高い透過率を示している。従って、加熱ランプの種類を問わず、紫外線放電ランプ、ハロゲンランプ、赤外線ランプの全てのランプに対してこの CaF 板や LiF板を透過窓 8として用いることができることを確認できた。特に、この CaF

2 2 板や LiF板は紫外線の領域で高い透過率を示しており、従って、加熱う

外線放電ランプを用いる場合に特に有効であることが確認できた。 [0033] また図 8に示すように熔融石英の場合には、波長が略 0. の紫外線の領域から波長が略 4. 0 mの赤外線の領域に亘つて透過率は 80%前後の高い値を示している。従って、図 7に示した材料と同様に、熔融石英も紫外線の領域から赤外線の領域の広い範囲に亘つて透過窓 8の材料として好ましいことが確認できた。特に、可視光線の領域 (0. 42-0. 77 m)の領域では吸収率が 90%以上と非常に高くなつており、特に好ましいことが確認できた。この場合にも、先に説明したと同様に加熱効率を向上でき、また、昇温速度も更に向上させることができる。

[0034] 次に、図 9を参照して赤外線領域の光線について検討する。図 9に示すように、 Zn Se板、 Si板、 Ge板がそれぞれ単独の場合 (コートなし）には、透過率はそれぞれ 70 %、 50%、 45%であってそれ程高くない。しかし、以下に述べる両面コートをそれぞれに施すと、透過率は全て 90— 100%の範囲内に大幅に上昇し、高い加熱効率を発揮できることが確認できた。すなわち、加熱ランプとして赤外線ランプを用いた場合には上記両面コートの ZnSe板、 Ge板、 Si板を用いるのが好ましいことが確認できた

[0035] 二こで ZnSe板の場合、熱線入射側の上面には母材の ZnSeよりも低、屈折率の Th F コーティング材を用い、熱線透過側の下面には母材の ZnSeよりも高い屈折率の

4

ZeSeコーティングを用いた。また、 Si板の場合、上面には母材の SUりも低い屈折率の SiO コーティング材を用い、下面には母材の SUりも高い屈折率の Geコーティン

2

グ材を用いた。また、 Ge板の場合、上面には母材の Geよりも低い屈折率の SiO コ

2 一ティング材を用い、下面には母材の Geよりも高、屈折率の Geコ一ティング材を用いた。

[0036] <第 2実施形態 >

上記第 1実施形態においては載置台 10として 1種類の材料を用いた場合を例にとつて説明したが、これに限定されない。例えば主たる吸収波長帯域が互いに異なる特性を有する複数の吸収板を積層することにより載置台 10を形成するようにしてもよい。

図 10は、そのような本発明の第 2実施形態の載置台の構造を示す構成図である。尚、載置台 10以外の構成については図示省略している。この載置台 10は、具体的には、紫外線と可視光線とを主として吸収する可視光吸収板 62と、赤外線を主として吸収する赤外光吸収板 64とを積層して構成されてヽる。

[0037] ここで各吸収板 62、 64を構成する材料としては、図 5および図 6を参照して先に説明したように、紫外光 ·可視光吸収板 62としては例えばゲルマニウム、或いはシリコン板を用い、赤外光吸収板 64としては例えば石英板、 A1N板、或いは SiC板を用いることができる。尚、ここで赤外光とは、近赤外線、赤外線および遠赤外線を含む。この場合には、吸収板の吸収波長帯域の熱線であって被処理体を透過した熱線を全て載置台 10で吸収することができる。従って、その分、加熱効率を大幅に向上させることができ、また昇温速度を更に上げることができる。

[0038] 尚、図 10 (A)において、各吸収板 62、 64の積層の順序は特に限定されない。また、吸収率の高い周波数領域が異なる 3種類の吸収板を積層することもできる。

また図 10 (A)に示す場合には、 2枚の吸収板 62、 64を重ね合わせて積層して載置台 10を形成し、この下面側にペルチェ素子 24Aを接合している。これに対して、図 10 (B)に示すように各吸収板 62、 64どうしの間にペルチェ素子 24Aをそれぞれ介在させるようにしてもよい。この場合、ァニール処理後にウェハ温度を高速降温させるためには、各ペルチェ素子 24Aの上面側を吸熱状態とし (冷熱を発生）、下面側を放熱 (発熱)状態とするように各ペルチ素子 24Aに電流を流すようにする。この時、当然のこととして熱媒体ジャケット 36 (図 1)には冷却用の熱媒体、例えば冷却水を流す

[0039] これに対して、ウェハの高速昇温時には、各ペルチヱ素子 24Aの上面側を放熱（発熱)状態とし、下面側を吸熱状態 (冷熱を発生）とするように各ペルチェ素子 24Aに電流を流すようにする。この時、当然のこととして熱媒体ジャケット 36 (図 1)に加熱用の熱媒体を流す。図 10 (B)に示す構成は、吸収板が 3枚の場合にも適用することができる。このように構成することにより、熱線の吸収波長帯域が異なる吸収板 62、 64 間の熱伝導率を向上させることができるので、結果として、ウェハの加熱効率および降温効率を向上させることができる。

[0040] <第 3実施形態 >

次に本発明の第 3実施形態について説明する。図 11は本発明の第 3実施形態を示す断面構成図である。尚、図 1中と同一構成部分については同一符号を付してその説明を省略する。ここでは図 11に示すように、処理容器 4の底板 22をなす熱媒体ジャケット 36の上面に、例えばアルミニウムメツキよりなる反射板 70を全面に亘つて形成している。そして、この反射板 70の上にペルチェ素子 24Aを介して載置台 10を設けるようにしている。

[0041] この実施形態によれば、ウェハ Wや載置台 10を透過した熱線をこの反射板 70で上方に反射させて再度ウェハ Wの加熱に寄与できる。従って、その分、加熱効率を向上させることができるので、更に高速で昇温を行うことができる。尚、この実施形態の載置台 10に対しても、図 10に示す第 2実施形態の構成を採用できるのは勿論であり、反射板 70は載置台 10とペルチェ素子 24Aの間に設置されてもよい。また、カロ熱ランプ 42Aの種類は、ここでも問わず、紫外線放電ランプ、ハロゲンランプ、赤外線ランプの内の 1種、または 2種以上を用いることができる。

[0042] <第 4実施形態 >

次に本発明の第 4実施形態について説明する。図 12は本発明の第 4実施形態を示す断面構成図である。尚、図 1中と同一構成部分については同一符号を付してその説明を省略する。

この第 4実施形態では、加熱ランプ 42Aとしてより少ない数のランプ、図示例では 1 つの大型で大電力の紫外線放電ランプを用いて、ウェハを多量の熱線で粗く加熱するようになっている。この場合、ウエノ、 Wの昇降時および降温時には、各ペルチェ素子 24Aの電流をゾーン毎に、或いは個別に微細に制御することによりウェハ温度の面内均一性を高く維持する。またこの大型の紫外線放電ランプよりなる加熱ランプ 42 Aの電力は、前述したようにデューティ制御によりコントロールされる。

[0043] また、ここでは底板 22に円筒状の脚部 22Aを設けて、全体の高さをかさ上げしている。そして、この底板 22の上部の外周側に回転保持台 74を設けて、必要時にウェハ Wを持ち上げた状態でこれを回転し得るようになつている。具体的には、この回転保持台 74は例えばアルミニウム等により円筒体状に成形されて、載置台 10および底板 22の上部の外周側に所定の間隔を隔てて配置されている。そして、この回転保持台 74の上端部は、内側へ略直角に折り曲げられており、その先端部に適当数の保持片 76が水平方向に延びるようにして設けられている。それらの保持片 76により、必要に応じてウェハ Wの周辺部の下面を保持できるようになって、る。またこの回転保持台 74の下端部の内側には、その周方向に沿って永久磁石 78が多数配列させて設けられている。また、上記底板 22の脚部 22Aには、上記永久磁石 78に対向させて回転用の電気コイル 80がその周方向に沿って設けられている。この電気コイル 80に電流を流すことにより回転磁回を発生させて、これに磁気結合される上記永久磁石 7 8側、すなわち回転保持台 74を回転し得るようになってヽる。

[0044] また上記回転用の電気コイル 80の下部には、浮上用の電気コイル 82がその周方向に沿って形成されている。必要に応じてこの浮上用の電気コイル 82に通電するようことにより上記永久磁石 78との間で磁気的に反発力を生ぜしめて、上記回転保持台 74を上方へ浮かせることができるようになつている。尚、図示されていないが、この回転保持台 74にはエンコーダ等が設けられており、その回転数や回転位置を検知し、且つ制御できるようになつている。また、載置台 10の周辺部には、上記保持片 76 の上下移動を許容する図示しな、切り欠き等が設けられて、る。

[0045] さてこのような熱処理装置にあっては、ウェハ Wを加熱昇温し、ァニール処理を行う時には、浮上用の電気コイル 82に通電をして永久磁石 78との間に反発力を生ぜしめて保持片 76でウエノ、 Wを支持した回転保持台 74を浮上させる。これにより、ゥェハ Wは載置台 10の上面力も離間して浮上した状態となる。尚、この場合、載置台 10 の材料としては、上述の各実施形態において記載されたものとは異なり、ランプからの熱線を反射してウェハ側に戻すような材料が選ばれることが望まし、。このような材料として、例えば紫外光 ·可視光 ·赤外光に対しては A1材料、可視光 ·紫外光に対しては AgZAu材料、またはこれらに反射増強コーティングをカ卩えたものなどが挙げられる。そして、回転用の電気コイル 80に通電することにより回転磁回が生じて回転保持台 74が回転する。このように、ウェハ Wは載置台 10の上面より浮上して回転された状態で加熱昇温されてァニール処理されることになる。尚、この際、ペルチェ素子 24Aの上面を発熱させて温度制御を行うようにしてもよい。これにより、相対的に熱容量の小さいウェハのみを加熱昇温すれば良いことになり、さらなる高速昇温が可能となる。 [0046] またァニール処理が終了し、ウェハ Wを冷却する場合には、加熱ランプ 42Aへの通電を断ち、各電気コイル 80, 82への通電をそれぞれ切って回転保持台 74を降下させ、ウェハ Wを載置台 10の上面に接した状態でこの冷却を行う。この時、前述したようにペルチェ素子 24Aの上面は、冷熱を発生するように電流を流し、これによりゥェハ Wを高速降温させることができる。

またここでは保持片 76でウェハ Wの周辺部を保持して持ち上げるようにしたが、これに限定されない。例えば、載置台 10をペルチェ素子 24Aから分離可能に構成し、保持片 76は載置台 10の周辺部を保持してこれ持ち上げるようにしてもょ、。

[0047] 以上の各実施形態では、熱処理としてァニール処理を例にとって説明した力これに限定されず、他の熱処理、例えば成膜処理、酸化拡散処理、改質処理等の場合にも本発明を適用できるのは勿論である。

また、被処理体としてシリコンウェハを例にとって説明したが、化合物半導体等の他の半導体ウェハ、 LCD基板、ガラス基板等を処理する場合にも本発明を適用できるのは勿論である。

Claims

請求の範囲

[1] 被処理体に 400°C以上の温度で熱処理を施すための熱処理装置であって、天井部に透過窓を有する処理容器と、

この処理容器内に設けられ、前記透過窓と対向するように被処理体を載置する載置台と、

前記処理容器の上方に設けられ、前記透過窓を通じて被処理体に熱線を照射することにより被処理体を加熱する複数の加熱ランプと、

前記載置台に設けられ、被処理体を少なくとも冷却可能な熱電変換器と、を備えたことを特徴とする熱処理装置。

[2] 前記熱電変換器の下側に、内部に熱媒体流路の形成された熱媒体ジャケットを設けたことを特徴とする請求項 1記載の熱処理装置。

[3] 前記熱電変は、被処理体の冷却時とは逆方向の電流が流されることで、被処理体を加熱するように構成されて!ヽることを特徴とする請求項 1記載の熱処理装置。

[4] 前記熱電変換器は、前記載置台上の複数のゾーンにそれぞれ対応して配置された複数の熱電変換素子を含み、

当該熱処理装置は、前記載置台上の各ゾーン別に熱電変換素子に流される電流を制御する変換素子制御器を更に備えることを特徴とする請求項 1記載の熱処理装置。

[5] 前記変換素子制御器は、前記熱電変換素子に間欠的に電流を流すように制御を行うと共に、前記熱電変換素子に電流が流れていない期間に前記熱電変換素子の起電力に基づ、て当該熱電変換素子の温度を測定することを特徴とする請求項 4記載の熱処理装置。

[6] 被処理体はシリコンウェハであり、

前記複数の加熱ランプは、主として紫外線を放射する紫外線放電ランプと、主として可視光線を放射するハロゲンランプとで構成されることを特徴とする請求項 1記載の熱処理装置。

[7] 前記紫外線放電ランプの電力制御は、デューティ制御により行われることを特徴とする請求項 6記載の熱処理装置。

[8] 被処理体の中央部に対しては主として前記紫外線放電ランプ力の紫外線が照射され、被処理体の周辺部には対しては主として前記ハロゲンランプからの可視光線が照射されるように構成されてヽることを特徴とする請求項 6記載の熱処理装置。

[9] 被処理体に高温で熱処理を施すための熱処理装置であって、

天井部に透過窓を有する処理容器と、

を備え、

前記載置台は、前記加熱ランプ力主として放射される熱線の種類に応じて、その熱線を主として吸収する吸収板を含むことを特徴とする熱処理装置。

[10] 前記載置台は、互いに異なる種類の熱線を主として吸収する複数の吸収板を含むことを特徴とする請求項 9記載の熱処理装置。

[11] 前記吸収板どうしの間に、被処理体側を少なくとも冷却可能な熱電変翻が設けられて!ヽることを特徴とする請求項 10記載の熱処理装置。