JP2011204809A

JP2011204809A - 枚葉型熱処理装置

Info

Publication number: JP2011204809A
Application number: JP2010069050A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Kobayashi; 和雄小林
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-03-25
Filing date: 2010-03-25
Publication date: 2011-10-13

Abstract

【課題】ＳｉＣウエハの表面温度を１６００℃にて活性化し、且つウエハ面内の温度チューニングを行う事が可能な枚葉型熱処理装置の提供を目的とする。
【解決手段】本発明の枚葉型熱処理装置は、ＳｉＣウエハ１５を載置するステージに備えられ、複数のヒータ部分に個別制御可能に分割されており、ステージ上に載置されたＳｉＣウエハ１５を加熱するヒータと、ステージ上に載置されたＳｉＣウエハ１５をレーザ照射により加熱するレーザ発振器２１と、ヒータの温度を複数のヒータ部分ごとに測定する温度計測手段と、温度計測手段の測定結果に応じてヒータの温度を複数のヒータ部分ごとに制御する温度制御手段とを備え、ヒータとレーザ発振器２１との同時加熱により、１６００℃以上の温度でＳｉＣウエハの熱処理を実施する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＳｉＣウエハプロセスに用いられる、バルク内注入処理後の活性化アニールを行う枚葉型熱処理装置に関する。

ＳｉＣウエハに不純物を導入するために、不純物をイオン化してイオン注入する方法が用いられている。イオン注入後、ＳｉＣ半導体基板をアニール処理し、注入にともなって導入された結晶欠陥を回復させ、かつドーピングされた不純物原子を電気的に活性化させるアニール処理を行う。

ＳｉＣウエハのアニール処理では、まずＳｉＣウエハをステージ上に設置し、１６００℃雰囲気まで高温化されたヒータ箇所までウエハを挿入し熱処理を実施する。その後、ウエハステージを下降させてウエハの冷却、取り出しを行う。

例えば特許文献１には、フラッシュランプやレーザ光を用いてウエハ上面を１１００℃以上に加熱し、不純物拡散領域を形成することが記載されている。

特開２００８−２９４３９７号公報

ＳｉＣウエハはＳｉウエハに比べて注入層が拡散しにくいため、現在、活性化のためには１６００℃以上の高温状態が必要である。そのため、温度計測の限界が１６００℃付近である白金ロジウム製の熱電対を用いることが出来ず、従来の縦型熱処理炉では放射温度計を用いて温度計測を行っている。炉内の温度を計測する放射温度計は、放射温度をモニタリングするに留まるが、真温を得るためには被測温体の放射率を知る必要がある。放射温度計では校正を実施したとしてもウエハ表面状態の変化により値が変動することがあり、熱電対のような接触法と比較すれば測定誤差が大きい。

また、炉内１６００℃の温度保証を取れる範囲（均熱ゾーン）は限られており、１１００℃近辺で使用される縦型拡散炉のように、ヒータによる加熱でウエハ１００枚相当を一度に熱処理するだけの均熱ゾーンを確保することは非常に困難である。

さらに、バッチ式の炉体全般に言えることではあるが、１６００℃の熱雰囲気に挿入することから、ウエハ面内の温度チューニングが実施できない構造となっており、ヒータ特性そのものでウエハの面内温度分布が決定されることからウエハ面内での製品特性不良が発生した場合には、最悪の場合としてヒータそのものを交換することになり、メンテナンスに非常に時間を要することとなる。

そこで、本発明は上述の問題点に鑑み、ＳｉＣウエハの表面を１６００℃にて活性化し、しかも熱電対のような接触法を用いて測温し、ウエハ面内の温度チューニングを行う事が可能な枚葉型熱処理装置の提供を目的とする。

本発明の枚葉型熱処理装置は、ＳｉＣウエハを載置するステージに備えられ、複数のヒータ部分に個別制御可能に分割されており、ステージ上に載置されたＳｉＣウエハを加熱するヒータと、ステージ上に載置されたＳｉＣウエハをレーザ照射により加熱するレーザ発振器と、ヒータの温度を複数のヒータ部分ごとに測定する温度計測手段と、温度計測手段の測定結果に応じてヒータの温度を複数のヒータ部分ごとに制御する温度制御手段とを備え、ヒータとレーザ発振器との同時加熱により、１６００℃以上の温度でＳｉＣウエハの熱処理を実施する。

本発明の枚葉型熱処理装置は、ＳｉＣウエハを載置するステージに備えられ、複数のヒータ部分に個別制御可能に分割されており、ステージ上に載置されたＳｉＣウエハを加熱するヒータと、ステージ上に載置されたＳｉＣウエハをレーザ照射により加熱するレーザ発振器と、ヒータの温度を複数のヒータ部分ごとに測定する温度計測手段と、温度計測手段の測定結果に応じてヒータの温度を複数のヒータ部分ごとに制御する温度制御手段とを備え、ヒータとレーザ発振器との同時加熱により、１６００℃以上の温度でＳｉＣウエハの熱処理を実施する。これにより、ＳｉＣウエハの表面を１６００℃にて活性化し、しかも熱電対のような接触法を用いて測温し、ウエハ面内の温度チューニングを行う事が可能である。

レーザアニール装置の構成図である。活性化アニールチャンバの構成図である。ステージヒータの構成図である。レーザアニール装置の温度評価を示す図である。

（実施の形態１）
＜構成＞
図１は、本実施の形態の枚葉型熱処理装置であるレーザアニール装置の構成図である。実施の形態１のレーザアニール装置は、ＳｉＣウエハ１５を載置するウエハローダー部１１、ＳｉＣウエハ１５を移載するウエハ搬送フォーク１２、ＳｉＣウエハ１５の予備加熱を行う予備加熱室１３、１６００℃でＳｉＣウエハ１５のアニール処理を行う活性化アニールチャンバ１４、ＳｉＣウエハ１５を冷却する冷却チャンバ１６を備える。

ウエハ処理フローを説明する。ウエハ搬送フォーク１２は、ウエハローダー部１１のカセットに設置されたＳｉＣウエハ１５を１枚取り出し、予備加熱室１３へ移載する。予備加熱室１３では常温状態から２００〜３００℃までウエハ温度を上昇させる。これは、ウエハ初期表面温度を急激に上げることで熱ストレスによりウエハ割れなどが生じないようにするための処理である。その後、ウエハ搬送フォーク１２がＳｉＣウエハ１５を活性化アニールチャンバ１４へ移載し、１６００℃のアニール処理が施される。

図２は、活性化アニールチャンバ１４の構成図である。活性化アニールチャンバ１４は、ＳｉＣウエハ１５をレーザ照射するレーザ発振器２１、レーザ発振器２１のレーザ光を屈折させる部分透過鏡２２ａ，２２ｂ、レーザ発振器２１のレーザ強度をモニタリングする出力モニタ用センサ２３、レーザ光を収束する転写レンズ２４、ＳｉＣウエハ１５を載置し加熱するステージヒータ２７、ステージヒータ２７の温度をモニタリングする熱電対２６、ステージヒータ２７の位置調整を行う駆動ステージ２８を備えている。

＜動作＞
ステージヒータ２７上に載置されたＳｉＣウエハは、レーザ発振器２１のレーザ照射と、ステージヒータ２７からのヒータ加熱の両方によって１６００℃まで過熱される。

ステージヒータ２７は、ＳｉＣウエハ１５を載置するステージにヒータ線が埋没した構造となっており、例えば図３（ａ）に示すように、ステージの中心部から外周部にかけて同心円状に這わされた３つのヒータ線からなる。これらのヒータ線の温度制御を図示しない温度制御手段が独立に行うことにより、ウエハ面内で温度チューニングを行う事ができる。この例では３つのヒータ線によってステージヒータ２７を構成したが、３つ以上のヒータ線を同心円状に這わせる構成とすれば、さらにウエハ面内の温度分布を微調整することができる。

あるいは、図３（ｂ）に示すように、ステージに埋没するヒータ線をステージの中心部から外周部に向かって放射上に４分割し、それぞれの分割部分を図示しない温度制御手段が独立に温度制御する構成にしても良い。このような構成によっても、図３（ａ）の構成と同様にウエハ面内の温度分布を調整することができる。この例ではヒータ線を４分割したが、さらに細かく分割することによって、さらにウエハ面内の温度分布を微調整することができる。

このようなステージヒータ２７の温度制御を行うべく、ステージヒータ２７には熱電対２６が埋め込まれ、これによって上述したヒータ線の分割部分の温度を夫々測定し、図示しない温度制御手段が行うヒータの温度制御へフィードバックする。

すなわち、本実施の形態の枚葉型熱処理装置は、ＳｉＣウエハ１５を載置するステージに備えられ、複数のヒータ部分に個別制御可能に分割されており、ステージ上に載置されたＳｉＣウエハを加熱するヒータ２７と、ステージ上に載置されたＳｉＣウエハ１５をレーザ照射により加熱するレーザ発振器２１と、ヒータ２７の温度を複数のヒータ部分ごとに測定する熱電対２６（温度計測手段）と、熱電対２６の測定結果に応じてヒータ２７の温度を複数のヒータ部分ごとに制御する温度制御手段とを備え、ヒータ２７とレーザ発振器２１との同時加熱により、１６００℃以上の温度でＳｉＣウエハ１５の熱処理を実施する。このようにＳｉＣウエハ１５の加熱をステージヒータ２７とレーザ発振器２１のレーザ照射で分担することにより、ステージヒータ２７の温度を抑制することができ、熱電対２６による温度モニタリングに応じたステージヒータ２７の分割温度制御によってＳｉＣウエハ１５の面内温度チューニングが可能になる。

レーザ発振器２１は例えばＹＡＧレーザ（波長：５３２ｎｍ）などである。レーザ発振器２１からのパルスレーザ出力は、部分透過鏡２２によってその一部が屈折し、さらに転写レンズ２４を経由してＳｉＣウエハ１５表面上に照射し、ＳｉＣウエハ１５が加熱される。レーザ強度は、部分透過鏡２２の先に設置された出力モニタ用センサ２３によって常時監視される。駆動ステージ２８を平面方向に移動することにより、ＳｉＣウエハ１５を移動し、ウエハ全面にレーザ照射が行き渡るようにする。

図４は、レーザ発振器２１に用いられるＹＡＧレーザのパルス幅を１００ｎｓ〜４００ｎｓまで１００ｎｓ刻みに変化させた時の、第２高調波によるウエハ表面からの深さ方向におけるアニール効果を示した図である。パルス幅を大きくすることによってより深いところを加熱することができることが分かる。本結果はＳｉウエハにおける特性結果であるが、ＳｉＣウエハでも同様の結果となる。よって、レーザ発振器２１のレーザ出力のパルス幅を可変にすることにより、ＳｉＣウエハ１５の活性化させる領域の深さ方向距離をチューニングする事ができる。

レーザ照射が完了すると、ＳｉＣウエハ１５をウエハ搬送フォーク１２により活性化アニールチャンバ１４から取り出し、冷却チャンバ１６にて２００℃以下まで冷却した後、ウエハローダー部１１のカセットへ収納してプロセスを終了する。

このように、ＳｉＣウエハ１５は活性化アニールチャンバ１４において、ステージヒータ２７で４００℃に加熱され、さらに前述のレーザ発振器２１のレーザ照射によって、その表面が１６００℃まで加熱される。レーザ照射ではその特性上、ウエハ表面上のレーザ照射箇所のみが高温になることから、ステージヒータ２７自体はレーザ照射によっては加熱されず、その温度は４００℃に留まる。そのため、ステージヒータ２７のヒータ素材には、高融点金属系（モリブデン、タングステン、タンタル）に加えて、白金系材料を用いることができる。また、ステージヒータ２７のみでＳｉＣウエハ１５を１６００℃まで加熱した場合と比べて、ヒータ素線の劣化は緩やかであり長寿命化が図られる。従来ヒータ寿命は１年以内であると言われているが、本実施の形態の枚葉型熱処理装置ではヒータ寿命が数倍長くなる。

さらに、ステージヒータ２７が４００℃程度の温度であることから、白金もしくは白金ロジウム製の熱電対２６によりステージヒータ２７の温度計測を行うことが可能であり、放射温度計に比べて高精度に温度計測を行う事ができる。

また、上述のようにステージヒータ２７は分割部分毎に４００度付近で温度制御を行うことが可能であり、レーザ発振器２１のレーザ出力は出力モニタ用センサ２３で監視し制御することによってＳｉＣウエハ１５に対し面内均一に照射することができるため、レーザ照射による加熱と併せて１６００度付近でＳｉＣウエハ１５の面内温度チューニングを行い、面内均一に熱処理を実施することができる。

なお、上記の説明ではステージヒータ２７の温度を４００℃としたが、５００℃あるいは６００℃とすれば、レーザ照射と併せて１７００℃、１８００℃での更なる高温領域での熱処理が可能となる。一方、ステージヒータ２７及びレーザ発振器２１の出力を調整することにより、超高温領域（１５００℃以上）のみならず、中温領域（６００℃〜１１００℃）での温度制御も可能である。

＜効果＞
本実施の形態の枚葉型熱処理装置によれば、すでに述べたとおり以下の効果を奏する。すなわち、本実施の形態の枚葉型熱処理装置は、ＳｉＣウエハ１５を載置するステージに備えられ、複数のヒータ部分に個別制御可能に分割されており、ステージ上に載置されたＳｉＣウエハを加熱するヒータと、ステージ上に載置されたＳｉＣウエハ１５をレーザ照射により加熱するレーザ発振器２１と、ヒータの温度を複数のヒータ部分ごとに測定する熱電対２６（温度計測手段）と、熱電対２６の測定結果に応じてヒータの温度を複数のヒータ部分ごとに制御する温度制御手段とを備え、ヒータとレーザ発振器２１との同時加熱により、１６００℃以上の温度でＳｉＣウエハ１５の熱処理を実施する。ＳｉＣウエハ１５の加熱をステージヒータ２７とレーザ発振器２１のレーザ照射で分担することにより、ステージヒータ２７の温度を抑制することができ、ステージヒータの分割温度制御によってＳｉＣウエハ１５の面内温度チューニングが可能になる。

また、ステージヒータ２７のヒータは、４００〜６００℃でＳｉＣウエハ２５を加熱する。ステージヒータ２７の温度が中温程度であるため、白金や白金ロジウム製の熱電対２６を用いて高精度な温度計測を行い、温度制御を適切に行う事ができる。

また、ステージヒータ２７のヒータはステージの中心部から外周部にかけて同心状に少なくとも３つ以上のヒータ部分に分割される。この分割したヒータ部分を独立して温度制御することにより、ＳｉＣウエハ１５の面内温度チューニングが可能となる。

あるいは、ステージヒータ２７のヒータは、ステージの中心部から放射状に少なくとも４つ以上のヒータ部分に分割される。このような分割方法によっても、分割したヒータ部分を独立して温度制御することにより、ＳｉＣウエハ１５の面内温度チューニングが可能となる。

１１ウエハローダー部、１２ウエハ搬送フォーク、１３予備加熱室、１４活性化アニールチャンバ、１５ＳｉＣウエハ、１６冷却チャンバ、２１レーザ発振器、２２ａ，２２ｂ部分透過鏡、２３出力モニタ用センサ、２４転写レンズ、２６熱電対、２７ステージヒータ、２８駆動ステージ。

Claims

ＳｉＣウエハを載置するステージに備えられ、複数のヒータ部分に個別制御可能に分割されており、前記ステージ上に載置された前記ＳｉＣウエハを加熱するヒータと、
前記ステージ上に載置された前記ＳｉＣウエハをレーザ照射により加熱するレーザ発振器と、
前記ヒータの温度を前記複数のヒータ部分ごとに測定する温度計測手段と、
前記温度計測手段の測定結果に応じて前記ヒータの温度を前記複数のヒータ部分ごとに制御する温度制御手段とを備え、
前記ヒータと前記レーザ発振器との同時加熱により、１６００℃以上の温度で前記ＳｉＣウエハの熱処理を実施する枚葉型熱処理装置。
前記ヒータは、４００〜６００℃で前記ＳｉＣウエハを加熱することを特徴とする請求項１に記載の枚葉型熱処理装置。
前記ヒータは前記ステージの中心部から外周部にかけて同心状に少なくとも３つ以上の前記ヒータ部分に分割されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の枚葉型熱処理装置。
前記ヒータは、前記ステージの中心部から放射状に少なくとも４つ以上の前記ヒータ部分に分割されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の枚葉型熱処理装置。