JP2007073536A

JP2007073536A - 改良ランプ

Info

Publication number: JP2007073536A
Application number: JP2006329742A
Authority: JP
Inventors: Michael W Halpin; ダブリュー．ハルピンマイケル
Original assignee: ASM America Inc
Current assignee: ASM America Inc
Priority date: 2001-06-27
Filing date: 2006-12-06
Publication date: 2007-03-22
Also published as: NL1020948A1; US6980734B2; US6856078B2; NL1020948C2; US20030001475A1; US20050094989A1; JP2003142037A

Abstract

【課題】ランプの寿命を改善する。
【解決手段】ランプスリーブ内に軸方向にランプフィラメント１４を配置するように改良した支持体４２を設ける。図示した支持体４２は、フィラメント１４と接触する小さい直径の中央部を含む螺旋状コイルである。フィラメント接触部の両側において、コイルが、広がって、フィラメント１４が収容された石英スリーブの内壁と接触するようにより大きな直径となっている。支持体４２は、従って、側方から見るとＨ状となっている。ランプフィラメント１４は、中央部７２の両側に膨張補償部７４も備える。膨張補償部７４のフィラメントワイヤは、巻かれて、中央部７２におけるコイルと比較して直径が大きく巻線間の間隔も広いコイルとなる。膨張補償部７４は、好ましくは、圧縮可能であって、それにより、作動中におけるフィラメント１４の熱膨張を吸収して、隣接する巻線にわたってフィラメント１４を短絡させない。
【選択図】図７

Description

本発明は、高エネルギーの放射加熱が行われる半導体加工リアクター用の、概ねランプフィラメントに関し、さらに詳細には、フィランメントの支持及び設計を改良することに関する。

基板及びシリコンウェハ上に材料から薄膜を形成する化学気相成長法（ＣＶＤ）は、半導体産業において非常によく知られる工程である。ＣＶＤ工程においては、成長させる材料の気体状分子を、ウェハに供給して、化学反応によってウェハ上にその材料から薄膜を形成する。このように形成した薄膜は、多結晶、非晶質またはエピタキシャルであり得る。典型的には、ＣＶＤ工程は、化学反応を促進するように、かつ、高品質の膜を生成するように高温で行う。エピタキシャルシリコン成長のようないくつかの工程は、（９００℃を超える）極めて高温で行う。

基板（例えば、シリコンウェハ）は、抵抗加熱、誘導加熱または放射加熱を利用して加熱可能である。これらの中では、放射加熱が、最も効率のよい技術であり、従って、ある種類のＣＶＤには現在好ましい方法である。放射加熱は、リアクターと呼ぶ高温の炉内に赤外線ランプを配置することを含む。典型的には、これらのランプは、石英または他の透明スリーブ内に金属フィラメントを備えている。石英の壁はまた、反応チャンバーとランプとを隔てている。反応チャンバー内のサセプタは、典型的には、単一の基板を支持し、ウェハを均一に加熱することに役立つように、放射エネルギーも吸収する。

放射加熱が行われるリアクターの一つの構成が、１９９０年１２月４日にRobinson等に発行された米国特許第４，９７５，５６１号明細書（特許文献１）に示されており、この開示は、参照によりここに組み込まれたものとする。その開示において、直線状赤外線ランプが、ランプの上方では１つの方向、サセプタの下では直交する方向となった一対の交差列状に配置されている。交差列の構成から結果として得られる格子によって、種々の特定のランプまたはランプのグループに送る電力を調節することにより、ウェハ温度の均一性についての制御が容易になる。’５６１特許が開示したシステムでは、スポットランプも、さらに使用されている。

ＣＶＤ工程中において、１つまたはそれ以上の基板を、リアクター内に形成されたチャンバー（すなわち、反応チャンバー）内のウェハ支持体上に配置する。ウェハ及び支持体は、ともに所望の温度まで放射加熱されるが、放射エネルギーは、石英スリーブ及び石英チャンバー壁を通過するので、それらは比較的低温のままである。従って、そのリアクターは、「コールドウォール」リアクターと呼ばれる。ウェハのみ（及びサセプタのようないくつかの支持エレメント）が、反応ガスを活性化させるのに十分な温度まで加熱される。典型的なウェハ処理ステップにおいて、反応ガスは、加熱されたウェハ上を通過して、ウェハ上に所望の材料の薄膜を化学気相成長（ＣＶＤ）させる。

放射熱は同様に、半導体製造において、種々のいくつかの他の工程にも利用可能であって、限定はしないが、エッチング、ドーパント拡散、ドーパント活性化、酸化、窒化、シリサイド化、再配向アニール、酸化物または金属リフローなどに利用可能である。さらに、’５６１特許の加熱システムは、例示的に過ぎず、多くの他の放射加熱システムが、当該技術において周知である。
米国特許第４，９７５，５６１号明細書

現在利用可能な放射加熱エレメントについての１つの問題は、ランプの寿命が短く、頻繁な交換のためにかなりの休止時間が生じてしまうことである。典型的には、連続してウェハを、搬入し、高温で処理し、搬出するサイクルを繰り返すことを含んで、このようなランプを長く使用することによって、ランプが故障してしまう。

従って、ランプの寿命を改善するシステムに対する要請が存在する。

本発明の一態様によれば、ランプフィラメント支持体には、フィラメント接触部と、少なくとも２つのスリーブ接触部とを設ける。図示した実施形態において、フィラメント接触部は、側面図においてＨ状のエレメントに似た２つのスリーブ接触部の間に設ける。

本発明の別の態様によれば、ランプフィラメントには、中央部の両端に膨張補償部を設ける。補償部は、中央部と比較してフィラメント軸線周りの直径が大きく、また、巻線間の間隔も広い。補償部は、作動中のフィラメントの熱膨張を圧縮及び吸収可能であって、隣接する巻線にわたってフィラメントを短絡させないことが好ましい。

本発明のこれら及び他の態様は、以下の説明及び添付の図面から容易に明らかとなるだろう。以下の説明及び添付の図面において、同様の参照番号は、同様の部分を示し、それは、本発明を図示するためのものであり、本発明を限定するものではない。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、ランプの寿命を改善することができる。

図１から図５は、フィラメント支持体に関する問題と解決法を説明する目的のために、ランプ部分を示す。図６から図８は、フィラメントの膨張及び収縮に関する問題と解決法を説明することを目的として、ランプを示す。

放射加熱を適用した場合に使用するランプフィラメントの材料は、典型的にはタングステンワイヤであり、該タングステンのワイヤは、高温では剛性が維持されない。通常は、図１から図３に示したように、それぞれ螺旋状または円錐状である、スパイラルサポートワイヤを、フィラメントの長さに沿って周期的にフィラメントの周りに追加して、フィラメントの支持を助ける。

図１は、典型的にはリアクター内に見られるような石英ランプ１２を示す。石英ランプ１２は、フィラメント１４、螺旋状のフィラメント支持体１６及び、石英スリーブ１８を備える。支持体１６は、螺旋体の内部でフィラメント１４と接触し、螺旋体の外部で石英スリーブ１８に対する支持を行う。このように、支持体１６は、フィラメント１４を、石英ランプ１２の石英スリーブ１８から離して保持することを目的とする。残念ながら、この支持体は、作動中に傾いてしまうことが分かっている。

図２は、典型的な石英ランプ１２の側面図であって、図は、支持体１６が回転し、フィラメント１４が垂れ下がることにより起こる短絡という問題を示す。電気が、抵抗フィラメント１４を通過すると、それは、白熱し熱及び光を発し始める。フィラメント１４が、形成材料の融点に近づくと、高温になったフィラメント１４は、重力をうけて垂れ下がり始める。この垂れ下がりは、支持体１６を傾けるかまたは回転させることになるモーメント荷重を生じて、その結果、フィラメント１４を持ち上げるように機能しなくなる。フィラメント１４が、垂れ下がると、フィラメント１４の隣接したコイルは、変形したフィラメント１４の内側の湾曲部上がさらに接近し合って、最後にはフィラメントに沿い電気短絡２２、２６を生じる。これらの短絡２２、２６は、次に、フィラメント１４を流れる電気を増加して、温度を上昇させ、フィラメントが垂れ下がるという問題を悪化させる。最後には、フィラメント１４が、石英スリーブ１８に接近すると、フィラメントが発する熱が、石英を膨れさせるか溶かして、変形が生じ、ふくらみまたは孔２４を生じる。この点において、石英ランプ１２の完全性が、損なわれて、典型的には作動しなくなってしまう。

この問題に対する１つの解決法として、フィラメント支持体１６が延びる内側石英表面にディンプル３２を設けることにより、支持体１６を「トラップする（trap）」ことが提案され、これにより、支持体が所定位置から回転しにくくなった。しかしながら、図３に示したように、支持体１６はなお、ディンプル３２を利用しても回転しがちである。さらに、ディンプル３２は、他の滑らかな石英スリーブ１８上に設けるには、コストが高くつき、また他の透明な石英を曇らせやすく、あるいは石英ランプ１２の放射熱伝達及び目視検査に影響を与える。

図４に示したように、本発明の好ましい実施形態により構成した支持体４２は、横方向に相互に間隔をおいて配置した複数の接触部を含む。図示した実施形態において、各支持体４２は、頂点で連結した２つの円錐状螺旋体を備えている。支持体４２は、両端部に、２つのスリーブ接触部４４及び４６で石英スリーブと接触する１つの大きな直径のリングを備え、かつ、それより小さい直径の一連のリングであって、フィラメント接触部４７でフィラメント１４を支持するリングを備えている。図４の側面図において、支持体４２は、文字Ｈに似ている。しかしながら、当業者は、多数の実施形態を利用可能であることを理解するだろう。例えば、側面図において文字「Ｘ」に似た支持体も使用可能である。

好ましい支持体４２には、フィラメント１４と同じ厚さの（例えば、その厚さの約±５０％以内の）タングステンワイヤが含まれる。支持体４２の径方向内側においてフィラメント１４と接触する部分４７は、作動中に高温になり得、径方向外側においてスリーブと接触する部分４４、４６は、石英スリーブ１８への損傷が回避される程十分に低温となりやすい。しかしながら、支持体４２の構成には他の材料も利用可能であることが、理解されよう。

フィラメント１４が、形成材料の融点に近づくと、高温になったフィラメント１４は、重力下で垂れ下がり始める。図１から図３に示したように、先行技術においては、この垂れ下がりによって、支持体１６を傾かせるか回転させることになるモーメント荷重が生じ、その結果、フィラメント１４を持ち上げる機能が失われてしまう。しかしながら、好ましい実施形態において、改良した支持体４２は、モーメント下で傾いたり回転したりしない。有利には、これによって、フィラメント１４の過剰の垂れ下がりが防止され、それにより、短絡及び石英スリーブ１８の融解が避けられて、その結果、石英ランプ１２の作動寿命が延びる。

好ましい実施形態において、石英ランプ１２は、典型的にはリアクター内でＣＶＤまたは他の工程を行うことができるように設計する。特に、フィラメント１４は、好ましくは１ｋｗの容量を、さらに好ましくは３ｋｗの容量を、一層好ましくは６ｋｗの容量を、最も好ましくは１０ｋｗの容量を有する。その上に、リアクター（図示せず）は、好ましくは、約５００℃を超える温度、さらに好ましくは約７００℃を超える温度、最も好ましくは約９００℃を超える温度に達し得る。

図５を参照すると、石英ランプ１２は、本発明の好ましい実施形態により構成した複数のフィラメント支持体４２を伴って示されている。フィラメント支持体４２は、フィラメント１４に沿い間隔をおいて配置され、それによって、石英スリーブ１８内においてかつそれから離して保持する。

図６は、石英ランプ１２の概略側面図であって、ランプフィラメント１４上における熱膨張の影響を図示している。通常、フィラメント１４は、石英ランプ１２の横方向端部で電極接触部に剛性的に連結されている。石英ランプ１２を点灯すると、フィラメント１４は、非常に熱くなり、熱膨張係数（ＣＴＥ）に従い膨張する。フィラメント１４が高温になると、図６において「熱膨張」と印をつけた中央部分が最も膨張しやすくなる。フィラメント１４の横方向の両端を剛性的に連結することによって、狭い間隔で配置されたフィラメントコイルとフィラメント１４の両端部との間において膨張が吸収される。特に、図６において「圧縮」と印をつけた、横方向の端領域内に狭い間隔で配置されたコイルは、図３について上述したように完全に短絡するのに十分な程狭くなり得る。短絡したコイルによって、次に、抵抗が低くなり、フィラメント１４を流れる電流が多くなって、熱、さらにはフィラメント１４の膨張が増してしまう。フィラメント１４への電力を停止すると、フィラメント１４は、同一程度の収縮はせずに所定の位置において冷却されてしまう。その結果、加熱及び冷却サイクルを繰り返すことによって、フィラメント１４が融解し、石英ランプ１２が作動しなくなるまでに、問題は、悪化してしまう。

図７は、本発明の別の実施形態によって、改良し、フィラメント１４の熱補償部を備えた石英ランプ１２の概略側面図である。上述の新規なＨ状支持体４２を伴って図示したが、図７及び図８についての説明が、種々の機構のいずれによっても支持されるフィラメントに適用可能であることが、理解されるだろう。

石英ランプ１２は、好ましくは石英を含んだ透明スリーブ内において支持されるフィラメント１４を含む。フィラメント１４は、適切な材料からなるワイヤを含み、図示した実施形態においてはタングステンを含む。フィラメント１４の中央部７２内では、ワイヤは、高密度に巻いている。このように高密度に巻いていることによって、フィラメント１４が、高温になると、中央部７２が膨張する。フィラメント１４の両端に、膨張補償部７４がある。これらの膨張補償部７４は、フィラメント１４の中央部７２と比較すると、短絡せずにさらに容易に圧縮するという意味でばねとして機能するように構成されている。

詳細には、膨張補償部７４は、好ましくは、フィラメント１４の中央部７２と比較して直径が大きくかつ間隔を広くあけた（ピッチを大きくした）コイルにより形成される。好ましくは、膨張補償部７４の直径は、フィラメント１４の中央部７２内におけるコイルの直径の約１．５倍を超え、さらに好ましくは約２．０倍を超える。さらに、膨張補償部７４内における巻き線間の間隔は、フィラメント１４の中央部７２におけるコイルの間隔の好ましくは約１．５倍を超え、さらに好ましくは２．０倍を超える。典型的なランプにおいては、中央部７２は、コイルの直径が約３ｍｍから４ｍｍ、コイルの間隔が約０．２ｍｍであるが、当業者は、ここに教示したことを他の寸法のフィラメントに容易に適用できる。図８から最もよく分かるように、フィラメント１４の軸線に沿い測定した膨張補償部７４の長さは、中央部７２の長さと比較して小さく、好ましくは中央部７２の約１０分の１未満を示すが、各膨張補償部７４は、好ましくは少なくとも２．５巻または巻線を含む。

図示した膨張補償部７４は、フィラメント１４の中央部７２内におけるメインヒーターのコイルと同じワイヤから形成した一体型コイルを備える。有利には、膨張部７４を実現するのに追加部分は必要なく、巻線の形成は、簡便に、フィラメント１４の横方向端部で直径が大きくなりピッチが小さくなる（間隔が広くなる）コイルを含むように適合させる。当業者は、本開示から見て容易に理解するだろうが、同様の機能は、別個に形成したエレメントをフィラメント１４の両端部に接着することによって得られる。さらに、このようなエレメントは、必ずしもコイルを備えている必要はないが、フィラメント１４の熱膨張に応じて容易に圧縮できフィラメント１４に電流を運ぶこともできる他の装置を含み得る。膨張補償装置の他の例として、容易に圧縮可能な構成の板ばね、形状記憶合金などがある。

図８は、本発明による好ましい実施形態の作動を図示する。電流が、フィラメント１４を流れると、フィラメント１４の中央部７２が、膨張する（図８において「熱膨張」と印す）。好ましくは、長さ方向に測定すると、中央部７２は、フィラメント１４の少なくとも７０％を、さらに好ましくはフィラメント１４の８０％を、最も好ましくはフィラメント１４の９０％を含む。「圧縮」と印をつけた部分において示したように、フィラメント１４が膨張することによって、フィラメント１４の両端部上の膨張補償部７４が、圧縮される。

有利には、膨張補償部７４によって、フィラメント１４は、高温になる間に膨張し、低温になる間に収縮することができ、それにより、フィラメント１４は、もとの形状を保持することができる。好ましくは、サイクルを（少なくとも２０００サイクル）繰り返した後、フィラメント１４は、もとの長さの１０１．５％未満に、さらに好ましくはもとの長さの１０１％未満に、最も好ましくはもとの長さの１００．５％未満に戻る。有利には、フィラメント１４のコイルは、短絡しなくなり、ランプの寿命が延びる。

当業者には、種々の改良及び変更が、本発明の範囲を逸脱せずに可能であることが理解されるだろう。このような改良及び変更は、添付の請求項により限定するように、本発明の範囲内に入るものとする。

通常のフィラメント支持体を有する典型的なランプの側面図である。支持体が回転しフィラメントが垂れ下がることにより起こる短絡という問題を図示した、典型的なランプの側面図である。くぼんだランプスリーブと共に使用したフィラメント支持体の側面図である。本発明の好ましい実施形態により構成した、フィラメントをランプ管の壁から離して保持する２つの支持体を示す拡大図である。本発明の好ましい実施形態により構成し複数の支持体を有する管状ランプの側面図である。ランプフィラメントにおける熱膨張の影響を示すことを目的とした、ランプの概略側面図である。本発明の別の実施形態による、熱補償部を備えたランプの一方の端部の概略側面図である。好ましい実施形態の作用を図示することを目的とした、両端に熱膨張補償部を用いたランプの概略側面図である。

符号の説明

１２石英ランプ
１４フィラメント
１６フィラメント支持体
１８石英（透明）スリーブ
４２フィラメント支持体
４４スリーブ接触部
４６スリーブ接触部
４７フィラメント接触部
７２中央部
７４膨張補償部

Claims

半導体加工装置用ランプであって、該ランプは、
透明スリーブ内に収容したフィラメントを備え、
前記フィラメントは、ワイヤコイルにより形成した中央部、及び、前記フィラメントの横方向端部の近傍に一対の膨張補償部を備え、
前記膨張補償部は、短絡せずに、前記中央部のコイルよりさらに容易に圧縮可能である半導体加工装置用ランプ。
単一の膨張補償部が存在する請求項１に記載のランプ。
前記膨張補償部は、それぞれ、前記中央部のコイルより間隔が広いコイルを備える請求項１に記載のランプ。
前記膨張補償部は、それぞれ、前記中央部のコイルより直径が大きいコイルを備える請求項３に記載のランプ。
前記各膨張補償部のコイルの直径は、前記中央部のコイルの直径の約１．５倍を超える請求項４に記載のランプ。
前記各膨張補償部のコイルの直径は、前記中央部のコイルの直径の約２倍を超える請求項５に記載のランプ。
前記各膨張補償部のコイルの巻線間の間隔は、前記中央部のコイルの巻線間の間隔の約１．５倍を超える請求項４に記載のランプ。
前記各膨張補償部のコイルの巻線間の間隔は、前記中央部のコイルの巻線間の間隔の約２倍を超える請求項７に記載のランプ。
前記膨張補償部及び前記中央部のコイルは、一体化した金属ワイヤから形成される請求項３に記載のランプ。
前記各膨張補償部の長さは、フィラメント軸線に沿い測定すると、前記中央部の長さの１０分の１未満である請求項３に記載のランプ。
前記各膨張補償部は、少なくとも２．５巻きの巻線を含む請求項１０に記載のランプ。
相互に連結され、前記フィラメントを前記透明スリーブから間隔を置くように配置された少なくとも２つの支持部を有するフィラメント支持体をさらに備える請求項４に記載のランプ。
前記フィラメント支持体は、前記透明スリーブの内面にぴったり合う大きさの２つの端部と、前記フィラメントの外面にぴったり合う大きさで前記端部よりも小さい内部とを備える請求項１２に記載のランプ。
前記フィラメントは、ワイヤコイルを含み、
前記フィラメント支持体の内部は、前記ワイヤコイルの外面にぴったり合う請求項１３に記載のランプ。
前記フィラメント支持体は、頂点で連結した２つの円錐状螺旋体を含む請求項１４に記載のランプ。
前記半導体加工装置内において対象物を約５００℃を超える温度に加熱可能な請求項１に記載のランプ。
前記半導体加工装置内において対象物を約７００℃を超える温度に加熱可能な請求項１６に記載のランプ。
前記半導体加工装置内において対象物を約９００℃を超える温度に加熱可能な請求項１７に記載のランプ。
最大容量が約１ｋＷを超える請求項１に記載のランプ。
最大容量が約３ｋＷを超える請求項１９に記載のランプ。
最大容量が約６ｋＷを超える請求項２０に記載のランプ。
最大容量が約１０ｋＷを超える請求項２０に記載のランプ。
半導体加工装置内において使用する放射加熱ランプの寿命を延長する方法であって、該方法は、
前記ランプ内のフィラメントに電流を流すステップであって、前記フィラメントは、少なくとも３ｋＷの容量を有し、それにより、前記フィラメントは、高温になり膨張するステップと、
前記フィラメントが高温になり膨張することで、前記フィラメントの長さ方向の測定における少なくとも７０％を含む中央部を、横方向に膨張可能にするステップと、
前記フィラメントへの電流を止め、それにより冷却するステップと、
前記フィラメントを、冷却して収縮することを可能にするステップと
を含む放射加熱ランプ寿命延長方法。
前記中央部は、前記フィラメントの長さの少なくとも８０％を含む請求項２３に記載の方法。
前記中央部は、前記フィラメントの長さの少なくとも９０％を含む請求項２３に記載の方法。
加熱及び冷却サイクルを少なくとも２０００回繰り返した後、前記フィラメントは、もとの長さの１０１．５％未満に戻る請求項２３に記載の方法。
加熱及び冷却サイクルを少なくとも２０００回繰り返した後、前記フィラメントは、もとの長さの１０１％未満に戻る請求項２３に記載の方法。
加熱及び冷却サイクルを少なくとも２０００回繰り返した後、前記フィラメントは、もとの長さの１００．５％未満に戻る請求項２３に記載の方法。
前記フィラメントが高温になると、前記フィラメントの膨張が、前記フィラメントのいずれか一方のまたは両方の端部近傍に配置した１つまたはそれ以上の緩衝領域の圧縮により吸収されることを可能にするステップと、
前記フィラメントが低温になると、前記フィラメントがほぼもとの大きさ及び位置に戻るように、前記緩衝領域が、前記フィラメントの中央部を再圧縮することを可能にするステップと
をさらに備える請求項２３に記載の方法。
前記緩衝領域は、それぞれ、前記中央部のコイルより間隔が大きいコイルを含む請求項２９に記載の方法。
前記緩衝領域は、それぞれ、前記中央部のコイルより直径が大きいコイルを含む請求項３０に記載の方法。
前記各緩衝領域のコイルの直径は、前記中央部のコイルの直径の約１．５倍を超える請求項３１に記載の方法。
前記各緩衝領域のコイルの直径は、前記中央部のコイルの直径の約２倍を超える請求項３２に記載の方法。
前記各緩衝領域のコイルの巻線間の間隔は、前記中央部のコイルの巻線間の間隔の約１．５倍を超える請求項３１に記載の方法。
前記各緩衝領域のコイルの巻線間の間隔は、前記中央部のコイルの巻線間の間隔の約２倍を超える請求項３４に記載の方法。
前記緩衝領域及び前記中央部のコイルは、一体化した金属ワイヤから形成する請求項３０に記載の方法。
前記各緩衝領域の長さは、フィラメント軸線に沿い測定すると、前記中央部の長さの１０分の１未満である請求項３０に記載の方法。
前記各緩衝領域は、少なくとも２．５巻きの巻線を含む請求項３７に記載の方法。
前記ランプは、フィラメント支持体をさらに備え、該フィラメント支持体は、相互に連結されかつ、前記フィラメントを前記透明スリーブから間隔を置くように配置された少なくとも２つの支持部を有する請求項２９に記載の方法。
前記フィラメント支持体は、側方から見ると文字「Ｈ」に似ている請求項１に記載のランプ。
前記フィランメント支持体は、側方から見ると文字「Ｘ」に似ている請求項１に記載のランプ。