WO2023210656A1 - 加熱処理装置、及びその動作方法 - Google Patents

加熱処理装置、及びその動作方法 Download PDF

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heat treatment
treatment apparatus
temperature
heating
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誠 高村
京樹 佐藤
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ローム株式会社
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    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
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    • H01L21/324—Thermal treatment for modifying the properties of semiconductor bodies, e.g. annealing, sintering

Definitions

  • the present embodiment relates to a heat treatment apparatus and an operating method thereof.
  • Infrared lamp annealing is known as a method of rapidly heating a semiconductor substrate. It is also known that graphene can be formed by performing a surface pyrolysis method on the surface of silicon carbide.
  • the energy density of infrared radiant energy alone using a halogen lamp used for infrared lamp annealing is low.
  • the entire surface of the substrate cannot reach the surface decomposition temperature uniformly and/or the heating rate is insufficient, resulting in step bunching when forming graphene, making it difficult to achieve flatness and controllability in the number of layers. may be difficult.
  • the present disclosure provides a heat treatment apparatus capable of forming a graphene layer with excellent flatness and layer number controllability, and a method of operating the same.
  • a semiconductor substrate, a carbon susceptor on which the semiconductor substrate is placed, a first heating device, and light output from the first heating device is collected and irradiated onto the surface of the semiconductor substrate.
  • a second heating device that faces the semiconductor substrate with the carbon susceptor in between and is disposed apart from the carbon susceptor. The second heating device heats the semiconductor substrate to a first temperature, and the first heating device uses an optical system to condense and irradiate the semiconductor substrate to a second temperature higher than the first temperature.
  • a heat treatment apparatus is provided.
  • FIG. 1 is a top view of the heat treatment apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a sectional view taken along line A1-A1 in FIG.
  • FIG. 3A is a cross-sectional view showing one step of the method of operating the heat treatment apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 3B is a cross-sectional view showing one step following FIG. 3A.
  • FIG. 4 is an example of a temperature profile showing the relationship between temperature and time of the heat treatment apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a top view of the heat treatment apparatus according to the second embodiment.
  • FIG. 6 is a sectional view taken along line A2-A2 in FIG.
  • FIG. 1 is a top view of a heat treatment apparatus 100 according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a sectional view taken along line A1-A1 in FIG. Note that the description will be made assuming that the device plane in the plan view shown in FIG. 1 is the XY plane, and that the direction perpendicular to the XY plane is the Z axis.
  • FIG. 2 is an XZ plane viewed from the Y direction. That is, the first direction parallel to the orientation flat surface of the semiconductor substrate 4 is called the X direction, the second direction that intersects the X direction is called the Y direction, and the third direction is called the Z direction. In the following description, the first direction is the X direction, the second direction is the Y direction, and the third direction is the Z direction.
  • a heat treatment apparatus 100 includes a heating light source 1 which is an example of a first heating apparatus 1, a resistance heating 2 which is an example of a second heating apparatus 2, and a carbon susceptor. 3 and a semiconductor substrate 4.
  • the heat processing apparatus 100 is provided within a processing chamber, although not shown.
  • the processing chamber of the heat processing apparatus 100 as shown in FIG. 2, at least two heating devices are provided in the vertical direction of the carbon susceptor 3 in a cross-sectional view along the XZ plane in the Y direction.
  • the processing chamber has a structure that can be isolated from the outside air.
  • the processing chamber may be regulated to a vacuum or a pressure higher than atmospheric pressure by enclosing or flowing an inert gas or the like.
  • a quartz glass 13 may be provided between the heating light source 1 and the semiconductor substrate 4.
  • the first heating device 1 is also referred to as a heating light source 1 and the second heating device 2 is also referred to as a resistance heating 2.
  • the heating light source 1 includes a heating light source. As shown in FIG. 1, the heating light source 1 is arranged in a circular shape when viewed from above along the XY plane in the Z direction. Further, the heating light source 1 is arranged to face the resistance heating 2 with the semiconductor substrate 4 and the carbon susceptor 3 in between. The area of the heating light source 1 is larger than the area of the semiconductor substrate 4 in a plan view along the XY plane in the Z direction.
  • the heating light source 1 is arranged above the resistance heating 2, the carbon susceptor 3, and the semiconductor substrate 4. Furthermore, the heating light source 1 is curved in a hemispherical shape when viewed in cross section along the XZ plane in the Y direction.
  • the heating light source 1 includes, for example, an assembly of infrared lamps 11.
  • the infrared lamp 11 can be, for example, a halogen lamp 11.
  • the infrared lamp 11 is also referred to as the halogen lamp 11.
  • the halogen lamp 11 has a condenser lens 12, which is an example of an optical system.
  • Condenser lens 12 is arranged above semiconductor substrate 4 .
  • the infrared radiation emitted from the halogen lamp 11 may be incident on a collimating lens.
  • the collimating lens collimates the diverging light emitted from the halogen lamp 11.
  • the collimated infrared radiation light is incident on the condenser lens 12 .
  • the incident infrared radiation light is focused by the condensing lens 12 onto the carbon susceptor 3 and the semiconductor substrate 4 on the positive side surface in the Z direction.
  • the carbon susceptor 3 and the semiconductor substrate 4 are absorbed by the thermal energy of the focused infrared radiant light on the positive side surface in the Z direction, and are heated. That is, the heating light source 1 can heat the semiconductor substrate 4 by condensing the emitted radiation light, thereby raising the temperature to a temperature that sublimates silicon atoms (Si) contained in the semiconductor substrate 4.
  • the positive side surface in the Z direction is also referred to as the surface. Further, the temperature at which silicon atoms (Si) contained in the semiconductor substrate 4 are sublimated will be explained with reference to FIG. 4, for example.
  • the resistance heating 2 includes a heating resistance.
  • the resistance heating 2 is a heating element made of carbon or the like of a resistance heating type, for example.
  • the carbon susceptor 3 and the semiconductor substrate 4 are absorbed by the radiant energy of the resistance heating 2 on the minus side surface in the Z direction and are heated.
  • the resistance heating 2 can preheat the carbon susceptor 3 and the semiconductor substrate 4 to 800° C. to 1200° C. or lower, for example.
  • the resistance heating 2 can maintain the heating state at all times even when the carbon susceptor 3 on which the semiconductor substrate 4 is placed is not carried in.
  • the carbon susceptor 3 on which the semiconductor substrate 4 is mounted can be carried into the resistance heating 2 while being kept in a constantly heated state. Further, in the constant heating state, unnecessary gas adsorbed on the carbon susceptor 3 and the semiconductor substrate 4 is burned out, so that the influence on subsequent processes can be reduced.
  • the negative side surface in the Z direction is also referred to as the back surface.
  • the resistance heating 2 is arranged in a circular shape in the XY plane view in the Z direction.
  • the area of the resistance heating 2 is larger than the area of the semiconductor substrate 4 in the XY plane view in the Z direction.
  • the resistance heating 2 is arranged below the heating light source 1, the carbon susceptor 3, and the semiconductor substrate 4. Moreover, the resistance heating 2 is arranged with a gap of 0.15 mm or more and 5.00 mm or less between it and the carbon susceptor 3.
  • the carbon susceptor 3 is a substrate holder for the semiconductor substrate 4 heated by the heating light source 1 and resistance heating 2. As shown in FIG. 2, the carbon susceptor 3 is placed apart from the resistance heating 2. Note that the thickness of the carbon susceptor is, for example, about 0.1 mm to 3.0 mm. By setting the thickness of the carbon susceptor to, for example, about 0.1 mm to 3.0 mm, it is possible to achieve both the mechanical strength and heat capacity reduction necessary for the carbon susceptor 3, and to achieve rapid temperature rise and temperature fall.
  • SiC single crystal silicon carbide
  • the semiconductor substrate 4 is also referred to as a SiC substrate 4.
  • the quartz glass 13 can prevent silicon atoms sublimated from the SiC substrate 4 from adhering to the condenser lens 12. Further, for example, by supplying argon gas in a laminar flow over the entire surface of the chamber in parallel with the surface of the SiC substrate 4 facing the quartz glass 13, the silicon sublimated onto the surface of the quartz glass 13 facing the SiC substrate 4 can be added. It can prevent atoms from adhering. That is, when silicon atoms adhere to the condenser lens 12, the transmittance of infrared rays emitted from the heating light source 1 decreases, so by suppressing the adhesion, the maintenance cycle of the heat treatment apparatus 100 is extended. productivity can be improved.
  • FIGS. 3A and 3B are cross-sectional views showing one step of the operating method of the heat treatment apparatus 100 according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is an example of a temperature profile showing the relationship between temperature and time of the heat treatment apparatus 100 according to the first embodiment.
  • the SiC substrate 4 is placed on the carbon susceptor 3.
  • the carbon susceptor 3 may be covered with a polycrystalline silicon carbide layer 21 formed by, for example, high temperature chemical vapor deposition (HT-CVD).
  • HT-CVD high temperature chemical vapor deposition
  • the radiant heat energy from the first heating device 1 and the second heating device 2 can be adsorbed onto the carbon susceptor 3 without reducing its absorption efficiency.
  • the amount of residual gas can be reduced.
  • the influence of graphene formation due to volatile gas (also referred to as outgas) released from the carbon susceptor 3 during heating can be suppressed.
  • the carbon susceptor 3 is coated with a polycrystalline silicon carbide layer 21. Furthermore, by preheating the carbon susceptor 3 to 800° C. to 1200° C. or lower using radiant heat energy from the second heating device, the amount of residual gas adsorbed on the carbon susceptor 3 can be reduced by the baking effect. You can also do it.
  • the heating light source 1 and resistance heating 2 are mounted in the processing chamber.
  • the SiC substrate 4 is carried into the processing chamber while being placed on the carbon susceptor 3, and after the heat treatment is completed, the SiC substrate 4 is carried out while being placed on the carbon susceptor 3.
  • the temperature of the carbon susceptor 3 and the SiC substrate 4 at the time of import may be room temperature.
  • the temperature of the carbon susceptor 3 and the SiC substrate 4 at the time of unloading may be a high temperature equal to or higher than room temperature. That is, at the time of carrying out, since graphene is not affected after being formed if the temperature is higher than room temperature, it may be carried out before being cooled down to room temperature in the processing chamber.
  • the carbon susceptor 3 and the SiC substrate 4 are preheated to a first temperature T1 by resistance heating 2.
  • preheating is performed to a first temperature T1 between timing t0 and timing t1.
  • the first temperature T1 is a temperature lower than the sublimation temperature of silicon atoms contained in the SiC substrate 4.
  • the first temperature T1 may be, for example, 800° C. to 1200° C. or less.
  • the resistance heating 2 may maintain heating from timing t1 to timing t2 until the first temperature T1 becomes stable.
  • the carbon susceptor 3 and the SiC substrate 4 are rapidly heated by the heating light source 1 to a second temperature T2 higher than the first temperature T1.
  • the heating light source 1 rapidly heats up to a second temperature T2 higher than the first temperature T1 from timing t2 to timing t3, for example, as shown in FIG.
  • the second temperature T2 is the sublimation temperature of silicon atoms contained in the SiC substrate 4. That is, the temperature is such that one or several layers of graphene can be formed on the SiC substrate 4.
  • the pressure inside the heat treatment apparatus 100 may be adjusted to a pressure exceeding atmospheric pressure by introducing argon gas, which is an inert gas.
  • the second temperature T2 may be, for example, 1400° C. to 1850° C. or lower. Since the heating light source 1 is condensed by the condenser lens 12, it can reach a temperature of 1400° C. to 1850° C. or less. In addition, since a graphene layer is formed in a short time by rapidly uniformly heating the surface, it is possible to form a graphene layer with a uniform number of layers while maintaining the smoothness of the SiC substrate 4. .
  • the rate of rapid temperature increase up to the second temperature T2 may be, for example, 10° C. or more and less than 300° C. per second.
  • the heating light source 1 may maintain heating between timing t3 and timing t4 until the second temperature T2 becomes stable.
  • the intensity of the radiant heat energy of the heating light source 1 and the resistance heating 2 may be adjusted. By adjusting the intensity of the radiant heat energy, the temperature difference between the front surface and the back surface of the SiC substrate 4 can be reduced, and warping due to heat can be suppressed. In addition, by suppressing warpage, the contact between the carbon susceptor 3 and the SiC substrate 4 is improved, so that the temperature distribution on the surface of the SiC substrate 4 is made uniform.
  • the heating of the heating light source 1 is cut off, and the temperature of the carbon susceptor 3 and SiC substrate 4 is rapidly lowered to the first temperature T1.
  • the heating light source 1 interrupts heating between timing t4 and timing t5, and efficiently radiates thermal energy from the carbon susceptor 3 and the SiC substrate 4, thereby rapidly increasing the temperature.
  • the temperature drops.
  • the rate of rapid temperature decrease from the second temperature T2 to the first temperature may be, for example, 2° C. or more and less than 10° C. per second.
  • one or several graphene layers can be formed on the SiC substrate 4.
  • the SiC substrate 4 is heated to the first temperature T1 by the resistance heating 2, and the light output from the heating light source 1 is heated by the optical system by the heating light source 1.
  • the heating light source 1 is arranged above the SiC substrate 4, and the condensing lens 12 condenses and irradiates the SiC substrate 4 to a temperature higher than the first temperature T1. It is possible to rapidly heat up to the second temperature T2.
  • FIG. 5 is a top view of a heat treatment apparatus 100A according to the second embodiment.
  • FIG. 6 is a sectional view taken along line A2-A2 in FIG.
  • a heat treatment apparatus 100A according to the second embodiment includes a heating light source 1A instead of the heating light source 1 in the heat treatment apparatus 100 according to the first embodiment.
  • the heating light source 1A is another example of the first heating device.
  • the heat treatment apparatus 100A according to the second embodiment further includes a reflecting mirror 5, which is another example of an optical system.
  • a reflecting mirror 5 is another example of an optical system.
  • silica glass may be further provided between the reflecting mirror 5 and the SiC substrate 4 as in the first embodiment.
  • the heating light source 1A includes a heating light source. As shown in FIG. 5, the heating light source 1A is arranged in a circular shape in the XY plane view in the Z direction. In addition, a plurality of heating light sources 1A are arranged at intervals so as to sandwich the resistance heating 2 in an XY plane view in the Z direction. The area of the heating light source 1A is larger than the area of the semiconductor substrate 4 in the XY plane view in the Z direction.
  • the heating light source 1A is arranged below the resistance heating 2, the carbon susceptor 3, and the semiconductor substrate 4, as shown in FIG. Although not shown, the heating light source 1A is arranged in a hemispherically curved manner when viewed in cross section along the XZ plane in the Y direction, similarly to the heating light source 1 of the first embodiment.
  • the heating light source 1A includes, for example, an assembly of infrared lamps 11, like the heating light source 1.
  • the infrared lamp 11 can be, for example, a halogen lamp 11.
  • the halogen lamp 11 may include a condenser lens 12, which is an example of an optical system. That is, the infrared radiation light emitted from the heating light source 1A may be condensed and irradiated onto the reflecting mirror 5.
  • the condenser lens 12 may be arranged below the carbon susceptor 3 and the SiC substrate 4.
  • the heating light source 1A emits infrared radiation light and irradiates it onto the reflecting mirror 5. That is, the infrared radiation light is focused on the surfaces of the carbon susceptor 3 and the SiC substrate 4 by irradiating the reflecting mirror 5 from the plurality of heating light sources 1A. That is, the carbon susceptor 3 and the SiC substrate 4 are heated by being absorbed by the positive side surface in the Z direction by the thermal energy of the focused infrared radiation light.
  • the heating light source 1A can reach a temperature that sublimates silicon atoms contained in the SiC substrate 4 by condensing the emitted radiation light and heating the SiC substrate 4.
  • the reflecting mirror 5 is arranged above the SiC substrate 4.
  • the reflecting mirror 5 reflects the infrared rays emitted from the plurality of heating light sources 1A and irradiates the surfaces of the carbon susceptor 3 and the SiC substrate 4 with the reflected infrared radiation light.
  • the present disclosure includes configurations related to the following additional notes.
  • the semiconductor substrate 4, the carbon susceptor 3 on which the semiconductor substrate 4 is placed, the first heating devices 1 and 1A, and the light output from the first heating device 1 is condensed and irradiated onto the surface of the semiconductor substrate 4.
  • a second heating device 2 that faces a semiconductor substrate 4 with a carbon susceptor 3 in between and is arranged at a distance from the carbon susceptor 3.
  • the second heating device 2 heats the semiconductor substrate 4 to a first temperature T1
  • the first heating devices 1 and 1A use optical systems 12 and 5 to condense and irradiate the semiconductor substrate 4 to a temperature higher than the first temperature.
  • the semiconductor substrate 4 is heated to a second temperature T2.
  • the optical system 12 is the heat treatment apparatus described in Supplementary Note 1, wherein the optical system 12 is disposed above the semiconductor substrate 4.
  • the optical system 12 is the heat treatment apparatus according to Supplementary Note 1, wherein the optical system 12 is disposed below the semiconductor substrate.
  • the first temperature T1 is a temperature lower than the sublimation temperature of silicon atoms contained in the semiconductor substrate 4, and the second temperature T2 is a sublimation temperature of silicon atoms contained in the semiconductor substrate 4.
  • the first heating device 1 is the heat treatment device according to any one of appendices 1 to 12, wherein the first heating device 1 is disposed above the second heating device 2, the carbon susceptor 3, and the semiconductor substrate 4.
  • Appendix 15 The heat treatment apparatus according to any one of appendices 1 to 12, wherein the optical system includes a reflecting mirror 5 that reflects the light output from the first heating apparatus 1A and irradiates the surface of the semiconductor substrate 4.
  • the first heating device 1A is a heat treatment device according to any one of Supplementary Notes 1 to 12 and 15, wherein the first heating device 1A is disposed below the carbon susceptor 3 and the semiconductor substrate 4.
  • a semiconductor substrate 4 is placed on a carbon susceptor 3, and the second heating device 2 heats the semiconductor substrate 4 to a first temperature T1.
  • the light output from the heating devices 1 and 1A is focused and irradiated onto the surface of the semiconductor substrate 4, and the semiconductor substrate 4 is heated to a second temperature T2 higher than the first temperature T1, thereby forming a graphene layer on the semiconductor substrate 4.

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Abstract

加熱処理装置は、半導体基板と、半導体基板を載置するカーボンサセプタと、第１加熱装置と、第１加熱装置から出力される光を集光し、半導体基板の表面に照射するための光学系と、カーボンサセプタを挟んで半導体基板と対向し、かつカーボンサセプタと離隔して配置される第２加熱装置と、を備える。第２加熱装置は、第１温度まで半導体基板を加熱し、第１加熱装置は、光学系によって、集光して照射することで、第１温度よりも高い第２温度まで半導体基板を加熱する。

Description

加熱処理装置、及びその動作方法
　本実施形態は、加熱処理装置、及びその動作方法に関する。
　半導体基板を急速に加熱する方法として、赤外線ランプアニールが知られている。また、シリコンカーバイドの表面に対して表面熱分解法を実施することによりグラフェンが形成可能であることが知られている。
米国特許出願公開第２００３/０１８６５５４号明細書
　しかしながら、シリコンカーバイド基板のサイズが直径4インチ以上になると赤外線ランプアニールに用いられるハロゲンランプを有する赤外線輻射エネルギーだけでは、エネルギー密度が低い。このため、基板全面が均一に表面分解温度まで到達できない、及び/又は、昇温レートが不足して、グラフェンを形成する際にステップバンチングが発生し、平坦性かつ層数制御性を実現することが難しい可能性がある。
　本開示は、平坦性かつ層数制御性に優れたグラフェン層を形成可能な加熱処理装置、及びその動作方法を提供する。
　本開示の一態様によれば、半導体基板と、半導体基板を載置するカーボンサセプタと、第１加熱装置と、第１加熱装置から出力される光を集光し、半導体基板の表面に照射するための光学系と、カーボンサセプタを挟んで半導体基板と対向し、かつカーボンサセプタと離隔して配置される第２加熱装置と、を備える。第２加熱装置は、第１温度まで半導体基板を加熱し、第１加熱装置は、光学系によって、集光して照射することで、第１温度よりも高い第２温度まで半導体基板を加熱する、加熱処理装置が提供される。
　本開示によれば、平坦性かつ層数制御性に優れたグラフェン層を形成可能な加熱処理装置、及びその動作方法を提供することができる。
図１は、第１の実施形態に係る加熱処理装置の上面図である。 図２は、図１のＡ１－Ａ１線に沿う断面図である。 図３Ａは、第１の実施形態に係る加熱処理装置の動作方法の一工程を示す断面図である。 図３Ｂは、図３Ａに続く一工程を示す断面図である。 図４は、第１の実施形態に係る加熱処理装置の温度と時間の関係を示す温度プロファイルの一例である。 図５は、第２の実施形態に係る加熱処理装置の上面図である。 図６は、図５のＡ２－Ａ２線に沿う断面図である。
　次に、図面を参照して、本実施形態について説明する。以下に説明する図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各構成部品の厚みと平面寸法との関係等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面の相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
　また、以下に示す実施形態は、技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、各構成部品の材質、形状、構造、配置等を特定するものではない。本実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
　［第１の実施形態］
　第１の実施形態に係る加熱処理装置１００について図面を用いて説明する。
　図１は、第１の実施形態に係る加熱処理装置１００の上面図である。図２は、図１のＡ１－Ａ１線に沿う断面図である。なお、図１に示す平面図のデバイス面をＸＹ面とし、ＸＹ面に垂直な方向をＺ軸として説明する。図２は、Ｙ方向からみたXＺ面である。すなわち、半導体基板４のオリエンテーションフラット面と平行となる第１の方向をＸ方向、Ｘ方向と交差する第２の方向をＹ方向、第３の方向をＺ方向と称する。以下の説明において、第１の方向をＸ方向、第２の方向をＹ方向、第３の方向をＺ方向として説明する。
　第１の実施形態に係る加熱処理装置１００は、図１に示すように、第１加熱装置１の一例である加熱光源１と、第２加熱装置２の一例である抵抗加熱２と、カーボンサセプタ３と、半導体基板４とを備える。なお、加熱処理装置１００は、図示しないが処理チャンバ内に設けられている。ここで、加熱処理装置１００の処理チャンバ内には、図２に示すように、Ｙ方向のＸＺ面に沿う断面視において、カーボンサセプタ３の上下方向に少なくとも２つの加熱装置を設けている。処理チャンバは、外気と隔離することができる構造である。なお、処理チャンバは、不活性ガス等を封入または流入することにより、真空または大気圧以上に至る圧力に調整してもよい。なお、加熱光源１と半導体基板４との間に、石英ガラス１３を備えていてもよい。以下の説明において、第１加熱装置１を加熱光源１、第２加熱装置２を抵抗加熱２とも称する。
　加熱光源１は、加熱用の光源を備える。加熱光源１は、図１に示すように、Ｚ方向のＸＹ面に沿う平面視において、円形状に配置されている。また、加熱光源１は、半導体基板４及びカーボンサセプタ３を挟んで、抵抗加熱２と対向するように配置されている。加熱光源１の面積は、Ｚ方向のＸＹ面に沿う平面視において、半導体基板４の面積よりも大きい。
　加熱光源１は、図２に示すように、抵抗加熱２、カーボンサセプタ３、及び半導体基板４の上方に配置されている。さらに、加熱光源１は、Ｙ方向のＸＺ面に沿う断面視において、半球状に湾曲して配置されている。
　加熱光源１は、図２に示すように、例えば、赤外線ランプ１１の集合体を有する。具体的には、赤外線ランプ１１は、例えば、ハロゲンランプ１１が適用可能である。以下の説明において、赤外線ランプ１１をハロゲンランプ１１とも称する。
　ハロゲンランプ１１は、図２に示すように、光学系の一例である集光レンズ１２を有する。集光レンズ１２は、半導体基板４の上方に配置されている。具体的には、ハロゲンランプ１１から射出される赤外線の輻射光は、図示しないが、コリメートレンズに入射されていてもよい。コリメートレンズは、ハロゲンランプ１１から射出された発散光を平行化する。平行化した赤外線の輻射光は、集光レンズ１２に入射される。入射された赤外線の輻射光は、集光レンズ１２によって、Ｚ方向のプラス側の面において、カーボンサセプタ３及び半導体基板４に集光する。すなわち、カーボンサセプタ３及び半導体基板４は、集光した赤外線の輻射光の熱エネルギーによって、Ｚ方向のプラス側の面に吸収され、加熱される。つまり、加熱光源１は、射出する輻射光を集光して半導体基板４を加熱することで、半導体基板４に含まれるシリコン原子（Ｓｉ）を昇華する温度に達するまで昇温することができる。以下の説明において、Ｚ方向のプラス側の面を表面とも称する。また、半導体基板４に含まれるシリコン原子（Ｓｉ）を昇華する温度については、例えば、図４で説明する。
　抵抗加熱２は、加熱用の抵抗を備える。抵抗加熱２は、例えば、抵抗加熱方式のカーボン等から形成される発熱体である。カーボンサセプタ３及び半導体基板４は、抵抗加熱２の輻射エネルギーによって、Ｚ方向のマイナス側の面に吸収され、加熱される。具体的には、抵抗加熱２は、例えば、カーボンサセプタ３及び半導体基板４を予め８００℃～１２００℃以下に予備加熱することができる。なお、抵抗加熱２は、半導体基板４を載置したカーボンサセプタ３が搬入されていない状態でも常時加熱状態を保持することができる。また、抵抗加熱２は、常時加熱状態のまま半導体基板４を載置したカーボンサセプタ３を搬入することができる。さらに、常時加熱状態において、カーボンサセプタ３及び半導体基板４に吸着した不要なガスは、焼き出されて、その後のプロセスへの影響を低減することができる。以下の説明において、Ｚ方向のマイナス側の面を裏面とも称する。
　抵抗加熱２は、図１に示すように、Ｚ方向のＸＹ平面視において、円形状に配置されている。抵抗加熱２の面積は、Ｚ方向のＸＹ平面視において、半導体基板４の面積よりも大きい。
　抵抗加熱２は、図２に示すように、加熱光源１、カーボンサセプタ３、及び半導体基板４の下方に配置されている。また、抵抗加熱２は、カーボンサセプタ３との間に、０．１５ｍｍ以上５．００ｍｍ以下の隙間を空けて、配置されている。
　カーボンサセプタ３は、加熱光源１及び抵抗加熱２によって加熱される半導体基板４の基板保持体である。カーボンサセプタ３は、図２に示すように、抵抗加熱２と離隔して配置されている。なお、カーボンサセプタの厚みは、例えば、０．1ｍｍ～３．０ｍｍ程度である。カーボンサセプタの厚みを例えば、０．1ｍｍ～３．０ｍｍ程度にすることにより、カーボンサセプタ３に必要な機械強度と熱容量低減の両方を図り、急速な昇温及び降温を実現することができる。
　半導体基板４としては、例えば、単結晶シリコンカーバイド（ＳｉＣ）が適用可能である。以下の説明において、半導体基板４をＳｉＣ基板４とも称する。
　石英ガラス１３は、ＳｉＣ基板４から昇華したシリコン原子が集光レンズ１２に付着することを防ぐことができる。さらに、例えば、石英ガラス１３と対面するＳｉＣ基板４の表面と平行してチャンバ内全面にアルゴンガスを層流するように供給することで、ＳｉＣ基板４に対向する石英ガラス１３面に昇華したシリコン原子が付着することを防ぐことができる。すなわち、石英ガラス１３は、シリコン原子が集光レンズ１２に付着すると、加熱光源１から射出される赤外線の透過率が低下するため、付着を抑制することで、加熱処理装置１００のメンテナンス周期が延長され生産性を向上することができる。
　（加熱処理装置の動作方法）
　次に、第１の実施形態に係る加熱処理装置１００の動作方法について説明する。
　図３Ａ～図３Ｂは、第１の実施形態に係る加熱処理装置１００の動作方法の一工程を示す断面図である。図４は、第１の実施形態に係る加熱処理装置１００の温度と時間の関係を示す温度プロファイルの一例である。
　まず、図３Ａに示すように、カーボンサセプタ３上にＳｉＣ基板４を載置する。具体的には、カーボンサセプタ３は、例えば、高温化学的気相堆積（ＨＴ－ＣＶＤ：High Temperature Chemical Vapor Deposition）法により形成された多結晶シリコンカーバイド層２１により被覆されていてもよい。ここで、カーボンサセプタ３上に多結晶シリコンカーバイド層２１を被覆することにより、第１加熱装置１及び第２加熱装置２からの輻射熱エネルギーの吸収効率を低下することなく、カーボンサセプタ３に吸着する残留ガス量を低減することができる。また、加熱時に、カーボンサセプタ３から放出される揮発ガス（アウトガスとも称する。）によるグラフェン形成の影響を抑制することができる。すなわち、カーボンサセプタ３上に付着している不純物があった場合、第１加熱装置１及び第２加熱装置２によって加熱させられ、揮発ガスとなる。この揮発ガスがＳｉＣ基板４の表面上に付着するとグラフェン形成に影響があるため、カーボンサセプタ３上に多結晶シリコンカーバイド層２１を被覆する。また、第２加熱装置からの輻射熱エネルギーを用いてカーボンサセプタ３を８００℃～１２００℃以下に予備加熱しておくことにより、その焼き出し効果によってカーボンサセプタ３に吸着する残留ガス量を低減することもできる。
　次に、図３Ｂに示すように、処理チャンバ内に加熱光源１及び抵抗加熱２を搭載する。具体的には、ＳｉＣ基板４は、例えば、カーボンサセプタ３上に載置している状態で処理チャンバ内に搬入し、加熱処理が終了したらカーボンサセプタ３上に載置している状態で搬出する。なお、搬入時のカーボンサセプタ３及びＳｉＣ基板４の温度は、室温であってもよい。また、搬出時のカーボンサセプタ３及びＳｉＣ基板４の温度は、室温以上の高温であってもよい。すなわち、搬出時において、室温より高い程度では、グラフェンを形成後に影響ないため処理チャンバ内で室温まで冷却する前に搬出してもよい。
　次に、抵抗加熱２によって、カーボンサセプタ３及びＳｉＣ基板４を第１温度Ｔ１まで予備加熱する。具体的には、抵抗加熱２は、例えば、図４に示すように、タイミングｔ０からタイミングｔ１の間、第１温度Ｔ１まで予備加熱する。ここで、第１温度Ｔ１とは、ＳｉＣ基板４に含まれるシリコン原子の昇華温度よりも低い温度である。なお、第１温度Ｔ１は、例えば、８００℃～１２００℃以下が適用可能である。また、１２００℃以下の加熱では、ＳｉＣ基板４の表面にステップバンチングによる粗面化は起こらない。なお、抵抗加熱２は、タイミングｔ１からタイミングｔ２の間、第１温度Ｔ１が安定するまで加熱を維持していてもよい。
　次に、加熱光源１によって、カーボンサセプタ３及びＳｉＣ基板４を第１温度Ｔ１よりも高い第２温度Ｔ２まで急速加熱する。具体的には、加熱光源１は、例えば、図４に示すように、タイミングｔ２からタイミングｔ３の間、第１温度Ｔ１よりも高い第２温度Ｔ２まで急速加熱する。ここで、第２温度Ｔ２とは、ＳｉＣ基板４に含まれるシリコン原子の昇華温度である。すなわち、ＳｉＣ基板４上にグラフェン層を1層または数層形成可能な温度である。急速加熱時に、加熱処理装置１００内の圧力において、不活性ガスであるアルゴンガスを導入して大気圧を超える圧力に調整してもよい。圧力を調整することで、カーボンサセプタ３とＳｉＣ基板４との間の熱対流による熱伝導性の向上、及びＳｉＣ基板４の表面のシリコン原子が昇華するのを抑制し、低欠陥化したグラフェン層を形成することができる。なお、第２温度Ｔ２は、例えば、１４００℃～１８５０℃以下が適用可能である。加熱光源１は、集光レンズ１２によって集光しているため、１４００℃～１８５０℃以下の温度まで達することができる。また、急速に面内均一加熱をすることにより、短時間でグラフェン層が形成されるため、ＳｉＣ基板４の平滑性を維持しつつ、均一に層数制御されたグラフェン層を形成することができる。なお、第２温度Ｔ２に至るまでの高速昇温するレートは、例えば、毎秒１０℃以上３００℃未満であってもよい。また、加熱光源１は、タイミングｔ３からタイミングｔ４の間、第２温度Ｔ２が安定するまで加熱を維持していてもよい。加熱光源１及び抵抗加熱２の輻射熱エネルギーの強度は、調節してもよい。輻射熱エネルギーの強度を調整することで、ＳｉＣ基板４の表面と裏面との温度差を低減し、熱による反りを抑制することができる。また、反りが抑制されることで、カーボンサセプタ３とＳｉＣ基板４との接触性が向上することにより、ＳｉＣ基板４の表面の温度分布が均一化される。
　次に、加熱光源１の加熱を遮断し、カーボンサセプタ３及びＳｉＣ基板４を第１温度Ｔ１まで急速降温する。具体的には、加熱光源１は、例えば、図４に示すように、タイミングｔ４からタイミングｔ５の間、加熱を遮断し、カーボンサセプタ３及びＳｉＣ基板４から熱エネルギーを効率よく輻射することで急速降温する。なお、第２温度Ｔ２から第１温度に至るまでの高速降温するレートは、例えば、毎秒２℃以上１０℃未満であってもよい。
　以上の第１の実施形態に係る加熱処理装置の動作方法によって、ＳｉＣ基板４上にグラフェン層を1層または数層形成することができる。
　以上説明したように、第１の実施の形態によれば、抵抗加熱２により第１温度Ｔ１までＳｉＣ基板４を加熱し、加熱光源１により、光学系によって、加熱光源１から出力される光を集光し、ＳｉＣ基板４の表面に照射し、第１温度Ｔ１よりも高い第２温度Ｔ２までＳｉＣ基板４を加熱することで、平坦性かつ層数制御性に優れたグラフェン層を形成することができる。
　また、第１の実施の形態によれば、加熱光源１をＳｉＣ基板４の上方に配置し、集光レンズ１２により集光して照射することで、ＳｉＣ基板４を第１温度Ｔ１よりも高い第２温度Ｔ２まで急速加熱することができる。
　［第２の実施形態］
　次に、第２の実施形態に係る加熱処理装置１００Ａについて図面を用いて説明する。
　図５は、第２の実施形態に係る加熱処理装置１００Ａの上面図である。図６は、図５のＡ２－Ａ２線に沿う断面図である。
　第２の実施形態に係る加熱処理装置１００Ａは、図５及び図６に示すように、第１の実施形態に係る加熱処理装置１００において加熱光源１の代わりに、加熱光源１Ａを備える。加熱光源１Ａは、第１加熱装置の別の一例である。また、第２の実施形態に係る加熱処理装置１００Ａは、さらに、光学系の別の一例である反射鏡５を備える。他の構成、動作方法、及び効果は、第１の実施形態と同じである。なお、図示していないが、第１の実施形態のように、反射鏡５とＳｉＣ基板４との間に、石英ガラスをさらに備えてもよい。
　加熱光源１Ａは、加熱用の光源を備える。加熱光源１Ａは、図５に示すように、Ｚ方向のＸＹ平面視において、円形状に配置されている。また、加熱光源１Ａは、Ｚ方向のＸＹ平面視において、抵抗加熱２を挟むように離隔して複数配置されている。加熱光源１Ａの面積は、Ｚ方向のＸＹ平面視において、半導体基板４の面積よりも大きい。
　加熱光源１Ａは、図６に示すように、抵抗加熱２、カーボンサセプタ３、及び半導体基板４の下方に配置されている。なお、加熱光源１Ａは、図示しないが、第１の実施形態の加熱光源１と同様に、Ｙ方向のＸＺ面に沿う断面視において、半球状に湾曲して配置されている。
　加熱光源１Ａは、図示しないが、加熱光源１と同様に、例えば、赤外線ランプ１１の集合体を有する。具体的には、赤外線ランプ１１は、例えば、ハロゲンランプ１１を適用可能である。なお、ハロゲンランプ１１は、第１の実施形態と同様に、光学系の一例である集光レンズ１２を備えていてもよい。すなわち、加熱光源１Ａから射出される赤外線の輻射光を、集光して反射鏡５に照射してもよい。なお、集光レンズ１２は、カーボンサセプタ３及びＳｉＣ基板４の下方に配置してもよい。
　加熱光源１Ａは、図６に示すように、赤外線の輻射光を射出し、反射鏡５に照射する。すなわち、赤外線の輻射光は、複数の加熱光源１Ａから反射鏡５に照射することでカーボンサセプタ３及びＳｉＣ基板４の表面に集光する。つまり、カーボンサセプタ３及びＳｉＣ基板４は、集光した赤外線の輻射光の熱エネルギーによって、Ｚ方向のプラス側の面に吸収され加熱する。加熱光源１Ａは、射出する輻射光を集光してＳｉＣ基板４を加熱することで、ＳｉＣ基板４に含まれるシリコン原子を昇華する温度まで達することができる。
　反射鏡５は、ＳｉＣ基板４の上方に配置されている。反射鏡５は、複数の加熱光源１Ａから射出された赤外線の輻射光を反射してカーボンサセプタ３及びＳｉＣ基板４の表面に照射する。
　（その他の実施形態）
　上述のように、一実施形態について記載したが、開示の一部をなす論述及び図面は例示的なものであり、限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替の実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。このように、本実施形態は、ここでは記載しない様々な実施形態等を含む。
　本開示は、以下の付記に関する構成を含む。
　（付記１）
　半導体基板４と、半導体基板４を載置するカーボンサセプタ３と、第１加熱装置１、１Ａと、第１加熱装置１から出力される光を集光し、半導体基板４の表面に照射するための光学系１２、５と、カーボンサセプタ３を挟んで半導体基板４と対向し、かつカーボンサセプタ３と離隔して配置される第２加熱装置２と、を備える加熱処理装置。第２加熱装置２は、第１温度Ｔ１まで半導体基板４を加熱し、第１加熱装置１、１Ａは、光学系１２、５によって、集光して照射することで、第１温度よりも高い第２温度Ｔ２まで半導体基板４を加熱する。第１加熱光源１、１Ａは、光学系１２、５によって集光しているため、第２温度Ｔ２まで急速に面内均一加熱をすることにより、短時間でグラフェン層が形成される。このため、半導体基板４の平滑性を維持しつつ、均一に層数制御されたグラフェン層を形成することができる。
　（付記２）
　光学系１２は、半導体基板４の上方に配置される、付記１に記載の加熱処理装置。
　（付記３）
　光学系１２は、半導体基板の下方に配置される、付記１に記載の加熱処理装置。
　（付記４）
　第１温度Ｔ１は、半導体基板４に含まれるシリコン原子の昇華温度よりも低い温度であり、第２温度Ｔ２は、半導体基板４に含まれるシリコン原子の昇華温度である、付記１～３のいずれかに記載の加熱処理装置。
　（付記５）
　第１加熱装置は、加熱用の光源１、１Ａを備え、第２加熱装置は、加熱用の抵抗２を備える、付記１～４のいずれかに記載の加熱処理装置。
　（付記６）
　加熱用の光源１、１Ａの高速昇温するレートは、毎秒１０℃以上３００℃未満である、付記１～５のいずれかに記載の加熱処理装置。
　（付記７）
　加熱用の光源１、１Ａの高速降温するレートは、毎秒２℃以上１０℃未満である、付記１～５のいずれかに記載の加熱処理装置。
　（付記８）
　第１加熱装置１、１Ａの面積は、半導体基板４の表面の面積よりも大きい、付記１～７のいずれかに記載の加熱処理装置。
　（付記９）
　光学系１２、５と半導体基板４との間に、石英ガラス１３をさらに備える、付記１～８のいずれかに記載の加熱処理装置。石英ガラス１３は、半導体基板４から昇華したシリコン原子が光学系１２に付着することを防ぐことができる。
　（付記１０）
　カーボンサセプタ３の厚みは０．1ｍｍ～３．０ｍｍである、付記１～９のいずれかに記載の加熱処理装置。
　（付記１１）
　カーボンサセプタ３の表面を被覆する多結晶シリコンカーバイド層２１を備える、付記１～１０のいずれかに記載の加熱処理装置。カーボンサセプタ３上に多結晶シリコンカーバイド層２１を被覆することにより、第１加熱装置１及び第２加熱装置２からの輻射熱エネルギーの吸収効率を低下することなく、カーボンサセプタ３に吸着する残留ガス量を低減することができる。また、加熱時に、カーボンサセプタ３から放出される揮発ガス（アウトガスとも称する。）によるグラフェン形成の影響を抑制することができる。
　（付記１２）
　光学系は、集光レンズ１２を備える、付記１～１１のいずれかに記載の加熱処理装置。
　（付記１３）
　第１加熱装置１は、第２加熱装置２、カーボンサセプタ３、及び半導体基板４の上方に配置される、付記１～１２のいずれかに記載の加熱処理装置。
　（付記１４）
　第１加熱装置１と第２加熱装置２は、カーボンサセプタ３を挟み、互いに離隔して配置される、付記１～１３のいずれかに記載の加熱処理装置。
　（付記１５）
　光学系は、第１加熱装置１Ａから出力される光を反射し、半導体基板４の表面に照射する反射鏡５を備える、付記１～１２のいずれかに記載の加熱処理装置。
　（付記１６）
　第１加熱装置１Ａは、カーボンサセプタ３、及び半導体基板４の下方に配置される、付記１～１２、１５のいずれかに記載の加熱処理装置。
　（付記１７）
　第１加熱装置１Ａは、平面視において、第２加熱装置２を挟むように離隔して複数配置される、付記１～１２、１５、１６のいずれかに記載の加熱処理装置。
　（付記１８）
　カーボンサセプタ３上に半導体基板４を載置し、第２加熱装置２により、第１温度Ｔ１まで半導体基板４を加熱し、第１加熱装置１、１Ａにより、光学系１２、５によって、第１加熱装置１、１Ａから出力される光を集光し、半導体基板４の表面に照射し、第１温度Ｔ１よりも高い第２温度Ｔ２まで半導体基板４を加熱し、半導体基板４上にグラフェン層を１層または数層形成する、加熱処理装置の動作方法。第１加熱光源１、１Ａは、光学系１２、５によって集光しているため、第２温度Ｔ２まで急速に面内均一加熱をすることにより、短時間でグラフェン層が形成される。このため、半導体基板４の平滑性を維持しつつ、均一に層数制御されたグラフェン層を形成することができる。
　（付記１９）
　半導体基板４は、単結晶シリコンカーバイド基板を備え、単結晶シリコンカーバイド基板の表面は、（０００１）面である、付記１８に記載の加熱処理装置の動作方法。
　（付記２０）
　加熱処理装置内の圧力において、大気圧を超える圧力に調整する、付記１８又は１９に記載の加熱処理装置の動作方法。
１、１Ａ　加熱光源
２　抵抗加熱
３　カーボンサセプタ
４　半導体基板
５　反射鏡
１１　ハロゲンランプ
１２　集光レンズ
１３　石英ガラス
２１　多結晶シリコンカーバイド層
１００、１００Ａ　加熱処理装置

Claims (20)

  1. 　半導体基板と、
    　前記半導体基板を載置するカーボンサセプタと、
    　第１加熱装置と、
    　前記第１加熱装置から出力される光を集光し、前記半導体基板の表面に照射するための光学系と、
    　前記カーボンサセプタを挟んで前記半導体基板と対向し、かつ前記カーボンサセプタと離隔して配置される第２加熱装置と、
    を備え、
    　前記第２加熱装置は、第１温度まで前記半導体基板を加熱し、
    　前記第１加熱装置は、前記光学系によって、集光して照射することで、前記第１温度よりも高い第２温度まで前記半導体基板を加熱する、
    加熱処理装置。
  2. 　前記光学系は、前記半導体基板の上方に配置される、
    請求項１に記載の加熱処理装置。
  3. 　前記光学系は、前記半導体基板の下方に配置される、
    請求項１に記載の加熱処理装置。
  4. 　前記第１温度は、
    　前記半導体基板に含まれるシリコン原子の昇華温度よりも低い温度であり、
    　前記第２温度は、
    　前記半導体基板に含まれるシリコン原子の昇華温度である、
    請求項１～３のいずれか１項に記載の加熱処理装置。
  5. 　前記第１加熱装置は、加熱用の光源を備え、
    　前記第２加熱装置は、加熱用の抵抗を備える、
    請求項１～４のいずれか１項に記載の加熱処理装置。
  6. 　前記加熱用の光源の高速昇温するレートは、
    　毎秒１０℃以上３００℃未満である、
    請求項１～５のいずれか１項に記載の加熱処理装置。
  7. 　前記加熱用の光源の高速降温するレートは、
    　毎秒２℃以上１０℃未満である、
    請求項１～５のいずれか１項に記載の加熱処理装置。
  8. 　前記第１加熱装置の面積は、前記半導体基板の前記表面の面積よりも大きい、
    請求項１～７のいずれか１項に記載の加熱処理装置。
  9. 　前記光学系と前記半導体基板との間に、石英ガラスをさらに備える、
    請求項１～８のいずれか１項に記載の加熱処理装置。
  10. 　前記カーボンサセプタの厚みは０．1ｍｍ～３．０ｍｍである、
    請求項１～９のいずれか１項に記載の加熱処理装置。
  11. 　前記カーボンサセプタの表面を被覆する多結晶シリコンカーバイド層を備える、
    請求項１～１０のいずれか１項に記載の加熱処理装置。
  12. 　前記光学系は、集光レンズを備える、
    請求項１～１１のいずれか１項に記載の加熱処理装置。
  13. 　前記第１加熱装置は、
    　前記第２加熱装置、前記カーボンサセプタ、及び前記半導体基板の上方に配置される、
    請求項１～１２のいずれか１項に記載の加熱処理装置。
  14. 　前記第１加熱装置と前記第２加熱装置は、前記カーボンサセプタを挟み、互いに離隔して配置される、
    請求項１～１３のいずれか１項に記載の加熱処理装置。
  15. 　前記光学系は、前記第１加熱装置から出力される光を反射し、前記半導体基板の表面に照射する反射鏡を備える、
    請求項１～１２のいずれか１項に記載の加熱処理装置。
  16. 　前記第１加熱装置は、
    　前記カーボンサセプタ、及び前記半導体基板の下方に配置される、
    請求項１～１２、１５のいずれか１項に記載の加熱処理装置。
  17. 　前記第１加熱装置は、平面視において、前記第２加熱装置を挟むように離隔して複数配置される、
    請求項１～１２、１５、１６のいずれか１項に記載の加熱処理装置。
  18. 　カーボンサセプタ上に半導体基板を載置し、
    　第２加熱装置により、第１温度まで前記半導体基板を加熱し、
    　第１加熱装置により、光学系によって、前記第１加熱装置から出力される光を集光し、前記半導体基板の表面に照射し、
    　前記第１温度よりも高い第２温度まで前記半導体基板を加熱し、
    　前記半導体基板上にグラフェン層を1層または数層形成する、
    加熱処理装置の動作方法。
  19. 　前記半導体基板は、単結晶シリコンカーバイド基板を備え、
    　前記単結晶シリコンカーバイド基板の表面は、（０００１）面である、
    請求項１８に記載の加熱処理装置の動作方法。
  20. 　前記加熱処理装置内の圧力において、大気圧を超える圧力に調整する、
    請求項１８又は１９に記載の加熱処理装置の動作方法。
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