JP2015135782A - マイクロ波処理装置及びマイクロ波処理方法 - Google Patents

マイクロ波処理装置及びマイクロ波処理方法 Download PDF

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Abstract

【課題】マイクロ波処理装置において、処理容器内におけるマイクロ波の分布を細かく調整することが可能なマイクロ波処理装置を提供する。【解決手段】楔形部材５１Ａ，５２Ａは誘電率が小さく、楔形部材５１Ｂ，５２Ｂは楔形部材５１Ａ，５２Ａに比べて相対的に誘電率が大きい。誘電率が異なる２つの楔形部材を貼り合わせることによって、誘電体板５１，５２のそれぞれにおいて、導波管を伝送されてくるマイクロ波の進行方向に対して直交する方向での誘電率を不均一にすることができる。誘電体板５１と誘電体板５２とを相対的に回転させることによって、回転透過窓３３Ｂを透過するマイクロ波の偏向角の大きさを変化させることができる。【選択図】図５

Description

本発明は、マイクロ波を処理容器に導入して基板に対して加熱処理を行うマイクロ波処理装置及びマイクロ波処理方法に関する。
半導体ウエハなどの基板に対してアニール処理を施す装置として、マイクロ波を使用する装置が知られている。マイクロ波によるアニール処理は、内部加熱、局所加熱、選択加熱が可能であることから、ランプ加熱方式や抵抗加熱方式のアニール装置に比べてプロセスメリットが大きいことが知られている。マイクロ波を利用して基板を均一に加熱するためには、処理容器内にマイクロ波を効率良く導入し、かつ基板に対して均等に照射することが重要である。例えば、特許文献１では、導波管から出射するマイクロ波を分散させる凹レンズを設け、ウエハの主面に垂直な中心線が凹レンズの光軸と一致するように配置したマイクロ波加熱処理装置が提案されている。
特開平５−０２１４２０号公報（特許請求の範囲など）
マイクロ波処理装置による加熱処理では、基板の面内における加熱温度の均一性を維持することが必要である。基板の面内における加熱温度の均一性を高めるためには、処理容器内で、導入されたマイクロ波の分布を細かく調整することが有効である。
本発明の目的は、マイクロ波処理装置において、処理容器内におけるマイクロ波の分布を細かく調整することが可能なマイクロ波処理装置を提供することである。
本発明のマイクロ波処理装置は、基板に対してマイクロ波を照射することにより処理を行うものである。本発明のマイクロ波処理装置は、前記基板を収容する処理容器と、前記マイクロ波を生成するマイクロ波源を有し、前記処理容器内のマイクロ波放射空間へ前記マイクロ波を導入するマイクロ波導入装置と、を備えている。
本発明のマイクロ波処理装置において、前記マイクロ波導入装置は、前記処理容器内へ前記マイクロ波を導く伝送路を形成する導波管と、前記伝送路と前記マイクロ波放射空間との間に介在する第１のマイクロ波透過窓と、前記第１のマイクロ波透過窓よりも前記マイクロ波源に近い側に設けられ、前記マイクロ波の進行方向を変化させる第２のマイクロ波透過窓と、を有している。
本発明のマイクロ波処理装置において、前記第２のマイクロ波透過窓は、誘電率が不均一な一つ又は複数の誘電体板によって構成されていてもよい。この場合、前記誘電体板は、前記導波管を伝送されてくる前記マイクロ波の進行方向に対して直交する方向の誘電率が不均一であってもよい。
本発明のマイクロ波処理装置において、複数の前記誘電体板が積層されていてもよい。
本発明のマイクロ波処理装置において、前記第２のマイクロ波透過窓は、それぞれ回転自在に設けられていてもよい。
本発明のマイクロ波処理装置において、前記第２のマイクロ波透過窓は、厚みが変化する形状を有する一つ又は複数の誘電体部材を有し、前記導波管を伝送されてくる前記マイクロ波に対して垂直でない入射角を形成するものであってもよい。この場合、前記誘電体部材は、前記マイクロ波の進行方向における断面が楔形をなしていてもよい。
本発明のマイクロ波処理装置において、複数の前記誘電体部材が積層されていてもよい。
本発明のマイクロ波処理装置において、複数の前記誘電体部材が、それぞれ回転自在に設けられていてもよい。
本発明のマイクロ波処理方法は、上記いずれかのマイクロ波処理装置を用いて基板を処理するものである。
本発明のマイクロ波処理装置は、マイクロ波の進行方向を変化させる第２のマイクロ波透過窓を有することによって、処理容器内のマイクロ波放射空間における電界強度分布を細かく調節することができる。従って、本発明のマイクロ波処理装置によれば、基板の面内で均一な処理を行うことができる。
本発明の一実施の形態に係るマイクロ波処理装置の概略の構成を示す断面図である。 図１に示した処理容器の天井部の下面を示す平面図である。 図１に示したマイクロ波処理装置の高電圧電源部の概略の構成を示す説明図である。 制御部のハードウェア構成を示すブロック図である。 回転透過窓の構成例を説明する図面である。 図５の状態から、上側の誘電体板を１８０°回転させた状態を説明する図面である。 回転透過窓の別の構成例を説明する図面である。 図７の状態から、上側の誘電体板を１８０°回転させた状態を説明する図面である。 回転透過窓のさらに別の構成例を説明する図面である。 図９の状態から、上側の誘電体板を１８０°回転させた状態を説明する図面である。 誘電体板の厚みとマイクロ波の位相との関係を説明する図面である。 本発明の第２の実施の形態に係るマイクロ波処理装置における回転透過窓の構成例を説明する図面である。 図１２の状態から、上側の誘電体部材を１８０°回転させた状態を説明する図面である。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
［第１の実施の形態］
まず、図１〜図１１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係るマイクロ波処理装置について説明する。図１は、マイクロ波処理装置の概略の構成を示す断面図である。図２は、図１に示した処理容器の天井部の下面を示す平面図である。マイクロ波処理装置１は、連続する複数の動作を伴って、例えば半導体デバイス製造用の半導体ウエハ（以下、単に「ウエハ」と記す。）Ｗに対して、マイクロ波を照射してアニール処理を施す装置である。ここで、平板状をなすウエハＷにおいて、面積の広い上下の面のうち、上面が半導体デバイスの形成面であり、この面を処理対象となる主面とする。
マイクロ波処理装置１は、被処理体であるウエハＷを収容する処理容器２と、処理容器２内にマイクロ波を導入するマイクロ波導入装置３と、処理容器２内においてウエハＷを支持する支持装置４と、処理容器２内にガスを供給するガス供給機構５と、処理容器２内を減圧排気する排気装置６と、これらマイクロ波処理装置１の各構成部を制御する制御部８とを備えている。
＜処理容器＞
処理容器２は、金属材料によって形成されている。処理容器２を形成する材料としては、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス等が用いられる。マイクロ波導入装置３は、処理容器２の上部に設けられ、処理容器２内に電磁波（マイクロ波）を導入するマイクロ波導入手段として機能する。マイクロ波導入装置３の構成については、後で詳しく説明する。
処理容器２は、上壁としての板状の天井部１１および底壁としての底部１３と、天井部１１と底部１３とを連結する側壁としての４つの側壁部１２とを備えている。また、処理容器２は、天井部１１を上下に貫通して形成された複数のマイクロ波導入ポート１０と、側壁部１２に形成された搬入出口１２ａと、底部１３に形成された排気口１３ａとを有している。ここで、４つの側壁部１２は、水平断面が直角に接続された角筒状をなしている。従って、処理容器２は、内部が空洞の立方体状をなしている。また、各側壁部１２の内面は、いずれも平坦になっており、マイクロ波を反射させる反射面としての機能を有している。搬入出口１２ａは、処理容器２に隣接する図示しない搬送室との間でウエハＷの搬入出を行うためものである。処理容器２と図示しない搬送室との間には、ゲートバルブＧＶが設けられている。ゲートバルブＧＶは、搬入出口１２ａを開閉する機能を有し、閉状態で処理容器２を気密にシールすると共に、開状態で処理容器２と図示しない搬送室との間でウエハＷの移送を可能にする。
＜支持装置＞
支持装置４は、処理容器２の底部１３のほぼ中央を貫通して処理容器２の外部まで延びる管状のシャフト１４と、シャフト１４の上端付近からほぼ水平方向に設けられた複数（例えば３つ）のアーム部１５と、各アーム部１５のそれぞれに着脱可能に装着された、複数の支持ピン１６と、シャフト１４を回転させる回転駆動部１７と、シャフト１４を上下に変位させる昇降駆動部１８と、シャフト１４を支持するとともに、回転駆動部１７と昇降駆動部１８とを連結する可動連結部１９と、を有している。回転駆動部１７、昇降駆動部１８及び可動連結部１９は、処理容器２の外部に設けられている。なお、処理容器２内を真空状態にする場合は、シャフト１４が底部１３を貫通する部分の周囲に、例えばベローズなどのシール機構２０を設けることができる。
支持装置４において、シャフト１４、アーム部１５、回転駆動部１７及び可動連結部１９は、支持ピン１６に支持されたウエハＷを水平方向に回転させる回転機構を構成している。また、支持装置４において、シャフト１４、アーム部１５、昇降駆動部１８及び可動連結部１９は、支持ピン１６に支持されたウエハＷの高さ位置を調節する高さ位置調節機構を構成している。複数の支持ピン１６は、処理容器２内においてウエハＷの裏面に当接してウエハＷを支持する。複数の支持ピン１６は、その上端部がウエハＷの周方向に並ぶように配置されている。複数のアーム部１５は、回転駆動部１７を駆動させることによって、シャフト１４を回転中心にして回転し、各支持ピン１６を水平方向に公転させる。また、複数の支持ピン１６及びアーム部１５は、昇降駆動部１８を駆動させることによって、シャフト１４とともに、上下方向に昇降変位するように構成されている。
複数の支持ピン１６およびアーム部１５は、誘電体材料によって形成されている。複数の支持ピン１６およびアーム部１５を形成する材料としては、例えば、石英、セラミックス等を用いることができる。
回転駆動部１７は、シャフト１４を回転させ得るものであれば、特に制限はなく、例えば図示しないモータ等を備えていてもよい。昇降駆動部１８は、シャフト１４及び可動連結部１９を昇降変位させ得るものであれば、特に制限はなく、例えば図示しないボールねじ等を備えていてもよい。回転駆動部１７と昇降駆動部１８は一体の機構であってもよく、可動連結部１９を有しない構成であってもよい。なお、ウエハＷを水平方向に回転させる回転機構及びウエハＷの高さ位置を調節する高さ位置調節機構は、それらの目的を実現できれば、他の構成であってもよい。
＜排気機構＞
排気装置６は、例えば、ドライポンプ等の真空ポンプを有している。マイクロ波処理装置１は、更に、排気口１３ａと排気装置６とを接続する排気管２１と、排気管２１の途中に設けられた圧力調整バルブ２２と、を備えている。排気装置６の真空ポンプを作動させることにより、処理容器２の内部空間が減圧排気される。なお、マイクロ波処理装置１は、大気圧での処理も可能であり、その場合は、真空ポンプは不要である。排気装置６としてドライポンプ等の真空ポンプを用いる替わりに、マイクロ波処理装置１が設置される施設に設けられた排気設備を用いることも可能である。
＜ガス導入機構＞
マイクロ波処理装置１は、更に、処理容器２内にガスを供給するガス供給機構５を備えている。ガス供給機構５は、図示しないガス供給源を備えたガス供給装置５ａと、ガス供給装置５ａに接続され、処理容器２内に処理ガスを導入する複数の配管２３（２本のみ図示）と、を備えている。複数の配管２３は、処理容器２の側壁部１２に接続されている。
ガス供給装置５ａは、複数の配管２３を介して、処理ガスとして、例えば、Ｎ２、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｏ２、Ｈ２等のガスを処理容器２内へサイドフロー方式で供給できるように構成されている。なお、処理容器２内へのガスの供給は、例えばウエハＷに対向する位置（例えば、天井部１１）にガス供給手段を設けて行ってもよい。また、ガス供給装置５ａの代りに、マイクロ波処理装置１の構成には含まれない外部のガス供給装置を使用してもよい。図示しないが、マイクロ波処理装置１は、更に、配管２３の途中に設けられたマスフローコントローラおよび開閉バルブを備えている。処理容器２内に供給されるガスの種類や、これらのガスの流量等は、マスフローコントローラおよび開閉バルブによって制御される。
＜整流板＞
マイクロ波処理装置１は、更に、処理容器２内の複数の支持ピン１６の周囲において、側壁部１２との間に、枠状をした整流板２４を備えている。整流板２４は、整流板２４を上下に貫通するように設けられた複数の整流孔２４ａを有している。整流板２４は、処理容器２内においてウエハＷが配置される予定の領域の雰囲気を整流しながら排気口１３ａに向かって流すためのものである。整流板２４は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス等の金属材料によって形成されている。なお、整流板２４は、マイクロ波処理装置１における必須の構成要素ではなく、設けなくてもよい。
＜温度計測部＞
マイクロ波処理装置１は、更に、ウエハＷの表面温度を測定する複数の放射温度計２６と、複数の放射温度計２６に接続された温度計測部２７とを備えている。なお、図１では、ウエハＷの中央部の表面温度を測定する放射温度計２６を除いて、複数の放射温度計２６の図示を省略している。
＜マイクロ波放射空間＞
本実施の形態のマイクロ波処理装置１では、処理容器２内において、天井部１１、４つの側壁部１２及び整流板２４で区画される空間がマイクロ波放射空間Ｓを形成している。このマイクロ波放射空間Ｓには、天井部１１に設けられた貫通開口である複数のマイクロ波導入ポート１０からマイクロ波が放射される。処理容器２の天井部１１、４つの側壁部１２及び整流板２４は、いずれも金属材料によって形成されているため、マイクロ波を反射し、マイクロ波放射空間Ｓ内に散乱させる。なお、整流板２４を設けない場合には、処理容器２の天井部１１、４つの側壁部１２及び底部１３で区画される空間がマイクロ波放射空間Ｓを形成することになる。
＜マイクロ波導入装置＞
次に、図１、図２及び図３を参照して、マイクロ波導入装置３の構成について説明する。図３は、マイクロ波導入装置３の高電圧電源部の概略の構成を示す説明図である。前述のように、マイクロ波導入装置３は、処理容器２の上部に設けられ、処理容器２内に電磁波（マイクロ波）を導入するマイクロ波導入手段として機能する。図１に示したように、マイクロ波導入装置３は、マイクロ波を処理容器２に導入する複数のマイクロ波ユニット３０と、複数のマイクロ波ユニット３０に接続された高電圧電源部４０とを備えている。
（マイクロ波ユニット）
本実施の形態では、複数のマイクロ波ユニット３０の構成は全て同一である。各マイクロ波ユニット３０は、ウエハＷを処理するためのマイクロ波を生成するマグネトロン３１と、マグネトロン３１において生成されたマイクロ波を処理容器２に伝送する伝送路としての導波管３２と、マイクロ波導入ポート１０を塞ぐように天井部１１に固定された第１のマイクロ波透過窓としての透過窓３３Ａと、透過窓３３Ａよりもマグネトロン３１に近い側に設けられた第２のマイクロ波透過窓としての回転透過窓３３Ｂと、を有している。マグネトロン３１は、本発明におけるマイクロ波源に対応する。
図２に示したように、本実施の形態では、処理容器２は、天井部１１において周方向に等間隔に配置された４つのマイクロ波導入ポート１０を有している。各マイクロ波導入ポート１０は、長辺と短辺とを有する平面視矩形をなしている。各マイクロ波導入ポート１０の大きさや、長辺と短辺の比は、マイクロ波導入ポート１０毎に異なっていてもよいが、ウエハＷに対するアニール処理の均一性を高めるとともに制御性をよくする観点から、４つのマイクロ波導入ポート１０のすべてが同じ大きさ及び形状であることが好ましい。なお、本実施の形態では、各マイクロ波導入ポート１０にそれぞれマイクロ波ユニット３０が接続されている。つまり、マイクロ波ユニット３０の数は４つである。
マグネトロン３１は、高電圧電源部４０によって供給される高電圧が印加される陽極および陰極（いずれも図示省略）を有している。また、マグネトロン３１としては、種々の周波数のマイクロ波を発振することができるものを用いることができる。マグネトロン３１によって生成されるマイクロ波は、被処理体の処理毎に最適な周波数を選択し、例えばアニール処理においては、２．４５ＧＨｚ、５．８ＧＨｚ等の高い周波数のマイクロ波であることが好ましく、５．８ＧＨｚのマイクロ波であることが特に好ましい。
導波管３２は、断面が矩形且つ角筒状の形状を有し、処理容器２の天井部１１の上面から上方に延びている。マグネトロン３１は、導波管３２の上端部の近傍に接続されている。導波管３２の下端部は、回転透過窓３３Ｂの上面に近接している。マグネトロン３１において生成されたマイクロ波は、導波管３２、回転透過窓３３Ｂおよび透過窓３３Ａを介して処理容器２内に導入される。
透過窓３３Ａは、誘電体材料によって形成されている。透過窓３３Ａの材料としては、例えば、石英、セラミックス等を用いることができる。透過窓３３Ａと天井部１１との間は、図示しないシール部材によって気密にシールされている。
回転透過窓３３Ｂは、例えば２枚の誘電体板５１，５２を含んでいる。回転透過窓３３Ｂは、互いに相対的に回転可能な２枚の誘電体板５１，５２を上下に重ねた構造を有している。下側の誘電体板５１と上側の誘電体板５２は、密着していてもよいし、離間していてもよい。誘電体板５１，５２は、それぞれ、回転自在に設けられている。つまり、誘電体板５１，５２は、回転駆動部５３によって積層方向に直交する平面上を独立して回転可能とされている。この場合の回転軸は、導波管３２を伝送されてくるマイクロ波の進行方向と同じ方向である。回転駆動部５３における駆動機構としては、例えばラック＆ピニオン機構などを挙げることができる。なお、誘電体板５１，５２の構成については、後で詳述する。
マイクロ波ユニット３０は、更に、導波管３２の途中に設けられたサーキュレータ３４、検出器３５およびチューナ３６と、サーキュレータ３４に接続されたダミーロード３７とを有している。サーキュレータ３４、検出器３５およびチューナ３６は、導波管３２の上端部側からこの順に設けられている。サーキュレータ３４およびダミーロード３７は、処理容器２からの反射波を分離するアイソレータを構成する。すなわち、サーキュレータ３４は、処理容器２からの反射波をダミーロード３７に導き、ダミーロード３７は、サーキュレータ３４によって導かれた反射波を熱に変換する。
検出器３５は、導波管３２における処理容器２からの反射波を検出するためのものである。検出器３５は、例えばインピーダンスモニタ、具体的には、導波管３２における定在波の電界を検出する定在波モニタによって構成されている。定在波モニタは、例えば、導波管３２の内部空間に突出する３本のピンによって構成することができる。定在波モニタによって定在波の電界の場所、位相および強さを検出することにより、処理容器２からの反射波を検出することができる。また、検出器３５は、進行波と反射波を検出することが可能な方向性結合器によって構成されていてもよい。
チューナ３６は、マグネトロン３１と処理容器２との間のインピーダンスのマッチング（以下、単に「マッチング」と記すことがある）を行う機能を有している。チューナ３６によるマッチングは、検出器３５における反射波の検出結果に基づいて行われる。チューナ３６は、例えば、導波管３２の内部空間に出し入れすることができるように設けられた導体板（図示省略）によって構成することができる。この場合、導体板の、導波管３２の内部空間への突出量を制御することにより、反射波の電力量を調整して、マグネトロン３１と処理容器２との間のインピーダンスを調整することができる。
（高電圧電源部）
高電圧電源部４０は、マグネトロン３１に対してマイクロ波を生成するための高電圧を供給する。図３に示したように、高電圧電源部４０は、商用電源に接続されたＡＣ−ＤＣ変換回路４１と、ＡＣ−ＤＣ変換回路４１に接続されたスイッチング回路４２と、スイッチング回路４２の動作を制御するスイッチングコントローラ４３と、スイッチング回路４２に接続された昇圧トランス４４と、昇圧トランス４４に接続された整流回路４５とを有している。マグネトロン３１は、整流回路４５を介して昇圧トランス４４に接続されている。
ＡＣ−ＤＣ変換回路４１は、商用電源からの交流（例えば、三相２００Ｖの交流）を整流して所定の波形の直流に変換する回路である。スイッチング回路４２は、ＡＣ−ＤＣ変換回路４１によって変換された直流のオン・オフを制御する回路である。スイッチング回路４２では、スイッチングコントローラ４３によってフェーズシフト型のＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御またはＰＡＭ（Pulse Amplitude Modulation）制御が行われて、パルス状の電圧波形が生成される。昇圧トランス４４は、スイッチング回路４２から出力された電圧波形を所定の大きさに昇圧するものである。整流回路４５は、昇圧トランス４４によって昇圧された電圧を整流してマグネトロン３１に供給する回路である。
＜制御部＞
マイクロ波処理装置１の各構成部は、それぞれ制御部８に接続されて、制御部８によって制御される。制御部８は、典型的にはコンピュータである。図４は、図１に示した制御部８のハードウェア構成の一例を示している。制御部８は、主制御部１０１と、キーボード、マウス等の入力装置１０２と、プリンタ等の出力装置１０３と、表示装置１０４と、記憶装置１０５と、外部インターフェース１０６と、これらを互いに接続するバス１０７とを備えている。主制御部１０１は、ＣＰＵ（中央処理装置）１１１、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）１１２およびＲＯＭ（リードオンリメモリ）１１３を有している。記憶装置１０５は、情報を記憶できるものであれば、その形態は問わないが、例えばハードディスク装置または光ディスク装置である。また、記憶装置１０５は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体１１５に対して情報を記録し、また記録媒体１１５より情報を読み取るようになっている。記録媒体１１５は、情報を記憶できるものであれば、その形態は問わないが、例えばハードディスク、光ディスク、フラッシュメモリなどである。記録媒体１１５は、本実施の形態に係るマイクロ波処理方法のレシピを記録した記録媒体であってもよい。
制御部８では、ＣＰＵ１１１が、ＲＡＭ１１２を作業領域として用いて、ＲＯＭ１１３または記憶装置１０５に格納されたプログラムを実行することにより、本実施の形態のマイクロ波処理装置１においてウエハＷに対する加熱処理を実行できるようになっている。具体的には、制御部８は、マイクロ波処理装置１において、例えばウエハＷの温度、処理容器２内の圧力、ガス流量、マイクロ波出力、ウエハＷの回転速度等のプロセス条件に関係する各構成部（例えば、マイクロ波導入装置３、支持装置４、ガス供給装置５ａ、排気装置６等）を制御する。
＜回転透過窓＞
次に、図５〜図１０を参照しながら、本実施の形態で用いる回転透過窓３３Ｂの構成例について説明する。回転透過窓３３Ｂは、２枚の誘電体板５１，５２を有している。誘電体板５１，５２は、それぞれ、導波管３２を伝送されてくるマイクロ波の進行方向に対して直交する方向の誘電率が不均一に構成されている。誘電体板５１，５２の材質としては、例えば、石英、セラミックスのほか、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ハフニア（ＨｆＯ２）などの金属酸化物、メタマテリアル等を用いることができる。誘電体板５１，５２を石英で形成する場合、石英に対し、不純物をドープすることによって、誘電率を変化させることができる。例えば、不純物としてＢ２Ｏ３を用いる場合、周波数１０ＧＨｚにおける石英の誘電率３．８１、誘電損失０．００１９に対し、Ｂ２Ｏ３のドーズ量を３５質量％としたときの周波数１０ＧＨｚにおける誘電率は５．０６、誘電損失は０．０３４に変化する。この場合、石英に対し１桁程度誘電損失が高くなるが、マイクロ波を透過させる際の極端な発熱は生じないと考えられる。
図５〜１０は、誘電体板５１，５２の構成例を示している。図５及び図６は、第１の態様を示している。図５及び図６では、誘電体板５１は、互いに誘電率が異なり、傾斜面を有し、断面が楔形をなす２つの楔形部材５１Ａ，５１Ｂをその傾斜面において貼り合わせることによって形成されている。また、誘電体板５２も、互いに誘電率が異なり、傾斜面を有し、断面が楔形をなす２つの楔形部材５２Ａ，５２Ｂをその傾斜面において貼り合わせることによって形成されている。ここでは、楔形部材５１Ａ，５２Ａは誘電率が小さく、楔形部材５１Ｂ，５２Ｂは楔形部材５１Ａ，５２Ａに比べて相対的に誘電率が大きい。このように、誘電率が異なる２つの楔形部材を貼り合わせることによって、誘電体板５１，５２のそれぞれにおいて、導波管３２を伝送されてくるマイクロ波の進行方向に対して直交する方向での誘電率を不均一にすることができる。本態様では、楔形部材５１Ａ，５２Ａを石英で構成し、楔形部材５１Ｂ，５２Ｂを、例えば１０〜４０質量％の範囲内でＢ２Ｏ３をドープした石英で構成することによって、図５及び図６に示したような誘電率の分布を作り出すことが可能である。図５及び図６では、Ｂ２Ｏ３をドープした石英をドットパターンで強調して示している。また、本態様では、楔形部材５１Ａ，５２Ａを石英で構成し、楔形部材５１Ｂ，５２Ｂをアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ハフニア（ＨｆＯ２）などの誘電率の高い材質で構成してもよい。
そして、図６に示すように、誘電体板５１に対して誘電体板５２を（又は、誘電体板５２に対して誘電体板５１を）積層方向に直交する平面上で例えば１８０°回転させることによって、回転透過窓３３Ｂを透過するマイクロ波の偏向角の大きさを変化させることができる。この場合、図５では、誘電体板５１の誘電率が大きい部分と誘電体板５２の誘電率が大きい部分とが上下に重なり、誘電体板５１の誘電率が小さい部分と誘電体板５２の誘電率が小さい部分が上下に重なる。そのため、回転透過窓３３Ｂの全体でみると、誘電体板５１，５２の積層方向における誘電率の厚みを考慮した加重平均が、積層方向に直交する方向で大きく変化し、誘電率の分布が最大となる。従って、図５では、回転透過窓３３Ｂを透過するマイクロ波の偏向角が最大となる。
一方、図６では、誘電体板５１の誘電率が大きい部分と誘電体板５２の誘電率が小さい部分が上下に重なり、誘電体板５１の誘電率が小さい部分と誘電体板５２の誘電率が大きい部分が上下に重なる。そのため、回転透過窓３３Ｂの全体でみると、誘電体板５１，５２の積層方向における誘電率の厚みを考慮した加重平均が、積層方向に直交する方向でほぼ均一となり、誘電率の分布が最小となる。従って、図６では、回転透過窓３３Ｂを透過するマイクロ波の偏向が最小となる。
図７及び図８は、第２の態様を示している。図７及び図８では、回転透過窓３３Ｂの誘電体板５１，５２として、それぞれ、積層方向に直交する方向で誘電率が徐々に変化する材質を用いている。なお、図７及び図８では、誘電率の変化を灰色の濃淡のグラデーションで強調して示している。本態様では、誘電体板５１，５２を石英で構成し、これらの積層方向に直交する方向で石英へのＢ２Ｏ３のドーズ量を連続的に変える事で、例えば図７及び図８に示したような誘電率の分布を作り出すことが可能である。
図７と図８に示すように、誘電体板５１に対して誘電体板５２を（又は、誘電体板５２に対して誘電体板５１を）積層方向に直交する平面上で例えば１８０°回転させることによって、回転透過窓３３Ｂを透過するマイクロ波の偏向の度合いを変化させることができる。この場合、図７では、誘電体板５１の誘電率が大きい部分と誘電体板５２の誘電率が大きい部分とが上下に重なり、誘電体板５１の誘電率が小さい部分と誘電体板５２の誘電率が小さい部分が上下に重なる。そのため、回転透過窓３３Ｂの全体でみると、誘電体板５１，５２の積層方向における誘電率の厚みを考慮した加重平均が、積層方向に直交する方向で大きく変化し、誘電率の分布が最大となる。従って、図７では、回転透過窓３３Ｂを透過するマイクロ波の偏向が最大となる。
一方、図８では、誘電体板５１の誘電率が大きい部分と誘電体板５２の誘電率が小さい部分が上下に重なり、誘電体板５１の誘電率が小さい部分と誘電体板５２の誘電率が大きい部分が上下に重なる。そのため、回転透過窓３３Ｂの全体でみると、誘電体板５１，５２の積層方向における誘電率の厚みを考慮した加重平均が、積層方向に直交する方向でほぼ均一となり、誘電率の分布が最小となる。従って、図８では、回転透過窓３３Ｂを透過するマイクロ波の偏向が最小となる。
図９及び図１０は、第３の態様を示している。図９及び図１０では、誘電率を自由に調節できるメタマテリアルを用いた例を示している。ここでは、誘電体板５１，５２のそれぞれにおいて、誘電率が大きい部分と小さい部分の比率を、その厚み方向（つまり、導波管３２を伝送されてくるマイクロ波の進行方向）に変化させている。図９及び図１０では、誘電体板５１，５２のそれぞれにおいて、相対的に、誘電率の大きな部分をドット模様で示し、誘電率が小さい部分を白抜きで示している。そして、図９と図１０に示すように、誘電体板５１に対して誘電体板５２を（又は、誘電体板５２に対して誘電体板５１を）積層方向に直交する平面上で例えば１８０°回転させることによって、回転透過窓３３Ｂを透過するマイクロ波の偏向の度合いを変化させることができる。この場合、図９では、誘電体板５１の誘電率が大きい部分と誘電体板５２の誘電率が大きい部分とが上下に重なり、誘電体板５１の誘電率が小さい部分と誘電体板５２の誘電率が小さい部分が上下に重なる。そのため、回転透過窓３３Ｂの全体でみると、誘電体板５１，５２の積層方向における誘電率の厚みを考慮した加重平均が、積層方向に直交する方向で大きく変化し、誘電率の分布が最大となる。従って、図９では、回転透過窓３３Ｂを透過するマイクロ波の偏向が最大となる。
一方、図１０では、誘電体板５１の誘電率が大きい部分と誘電体板５２の誘電率が小さい部分が上下に重なり、誘電体板５１の誘電率が小さい部分と誘電体板５２の誘電率が大きい部分が上下に重なる。そのため、回転透過窓３３Ｂの全体でみると、誘電体板５１，５２の積層方向における誘電率の厚みを考慮した加重平均が、積層方向に直交する方向でほぼ均一となり、誘電率の分布が最小となる。従って、図１０では、回転透過窓３３Ｂを透過するマイクロ波の偏向が最小となる。
なお、メタマテリアルを用いることによって、図７及び図８と同様に、誘電体板５１，５２を、それぞれ、積層方向に直交する方向で誘電率が徐々に変化するように構成してもよい。
ここで、図１１を参照しながら、誘電体板の厚みとマイクロ波の位相との関係について説明する。図５〜図１０に示したように、２枚以上の誘電体板を積層する場合は、積層境界でプラズマ（異常放電）が発生しないように、導波管３２によって導かれるマイクロ波の波長を考慮して誘電体板の厚みを決定することが好ましい。例えば、透過窓３３Ａと回転透過窓３３Ｂとの合計の厚みＴｔを０．２５λ／εｒ以下［ここで、λは導波管３２によって導かれるマイクロ波の波長であり、εｒは、透過窓３３Ａ及び回転透過窓３３Ｂを構成する誘電体の比誘電率である］にすることが好ましい。このようにすれば、透過窓３３Ａと誘電体板５１との積層境界及び誘電体板５１と誘電体板５２との積層境界で、例えば、図１１において円で囲んだＡ部及びＢ部に示したように、マイクロ波による電場が最小もしくは最小に近い値に調整することができる。従って、これらの積層境界でのプラズマの発生を抑制できる。
また、透過窓３３Ａと回転透過窓３３Ｂとの合計の厚みＴｔを０．２５λ／εｒ以下に設定することが困難な場合は、積層境界でプラズマが発生しないように、透過窓３３Ａ及び回転透過窓３３Ｂを構成する誘電体の一枚の厚みｔを（ｎ−０．１２５）λ／εｒ≦ｔ≦（ｎ＋０．１２５）λ／εｒ［ここで、λ、εｒは前記と同じ意味を有し、ｎは正の整数を意味する］とすることが好ましい。
なお、誘電体板は、２枚を積層する場合に限らず、１枚でもよいし、３枚以上でもよい。また、誘電体板の回転角は例示した１８０°に限らず、０°〜３６０°の範囲で任意に決定してよい。
以上のように、マイクロ波処理装置１は、回転透過窓３３Ｂが、導波管３２を伝送されてくるマイクロ波の進行方向に対して直交する方向の誘電率が不均一な誘電体板５１、５２を備えている。そして、マイクロ波処理装置１では、誘電体板５１、５２のいずれか片方又は両方を、積層方向に直交する平面上で任意の角度に回転させることによって、回転透過窓３３Ｂを透過するマイクロ波の進行方向を変化させ、処理容器２内のマイクロ波放射空間Ｓにおける電界強度分布を調節することができる。従って、マイクロ波処理装置１では、回転透過窓３３Ｂによって、ウエハＷの面内での加熱温度のばらつきを抑制し、ウエハＷの面内で均一なアニール処理を行うことができる。
［マイクロ波処理方法］
次に、マイクロ波処理装置１で行われるマイクロ波処理方法について説明する。まず、制御部８の入力装置１０２から、マイクロ波処理装置１においてアニール処理を行うように指令が入力される。次に、主制御部１０１は、この指令を受けて、記憶装置１０５またはコンピュータ読み取り可能な記録媒体１１５に保存されたレシピを読み出す。次に、レシピに基づく条件によってアニール処理が実行されるように、主制御部１０１からマイクロ波処理装置１の各エンドデバイス（例えば、マイクロ波導入装置３、支持装置４、ガス供給装置５ａ、排気装置６等）に制御信号が送出される。
次に、ゲートバルブＧＶが開状態にされて、図示しない搬送装置によって、ウエハＷが、ゲートバルブＧＶおよび搬入出口１２ａを介して処理容器２内に搬入され、複数の支持ピン１６の上に載置される。そして、支持装置４の昇降駆動部１８によって、ウエハＷを保持する複数の支持ピン１６を上下に変位させて所定の高さ位置にセットする。
次に、ゲートバルブＧＶが閉状態にされて、必要な場合は排気装置６によって、処理容器２内が減圧排気される。必要な場合は、ガス供給装置５ａによって処理ガスが処理容器２内に導入される。処理容器２の内部空間は、排気量および処理ガスの供給量を調整することによって、所定の圧力に調整される。必要に応じて、制御部８の制御の下で回転駆動部１７を駆動させることによって、ウエハＷを水平方向に所定の速度で回転させる。なお、ウエハＷの回転は、連続的でなく、非連続的であってもよい。
次に、高電圧電源部４０からマグネトロン３１に対して電圧を印加してマイクロ波を生成する。マグネトロン３１において生成されたマイクロ波は、導波管３２を伝搬し、回転透過窓３３Ｂ及び透過窓３３Ａを透過して、処理容器２内においてウエハＷの上方の空間に導入される。本実施の形態では、複数のマグネトロン３１において順次マイクロ波を生成し、各マイクロ波導入ポート１０から交互にマイクロ波を処理容器２内に導入する。本実施の形態では、マイクロ波を導入する前に予め、あるいは、マイクロ波を導入している間に、回転透過窓３３Ｂの誘電体板５１及び／又は５２を回転させることによって、マイクロ波の偏向角を変化させ、マイクロ波放射空間Ｓにおけるマイクロ波の分布を細かく制御できる。また、マイクロ波を導入している間に回転透過窓３３Ｂの誘電体板５１及び／又は５２を回転させながらウエハＷの処理を行う場合は、所定間隔で間欠的に回転させてもよいし、連続的に回転させてもよい。このように回転透過窓３３Ｂの誘電体板５１及び／又は５２を回転させることにより、マイクロ波放射空間Ｓにおけるマイクロ波の定在波の腹と節の位置を変化させることが可能となり、ウエハＷの面内での均一な処理が可能となる。なお、複数のマグネトロン３１において同時に複数のマイクロ波を生成させ、各マイクロ波導入ポート１０から同時にマイクロ波を処理容器２内に導入するようにしてもよい。
処理容器２に導入されたマイクロ波は、ウエハＷに照射されて、ジュール加熱、磁性加熱、誘導加熱等の電磁波加熱により、ウエハＷが迅速に加熱される。その結果、ウエハＷに対してアニール処理が施される。
アニール処理の間は、ウエハＷを回転させることによって、ウエハＷに照射されるマイクロ波の偏りを少なくし、ウエハＷの面内の加熱温度を均一化することができる。
主制御部１０１からマイクロ波処理装置１の各エンドデバイスにアニール処理を終了させる制御信号が送出されると、マイクロ波の生成が停止されると共に、ウエハＷの回転が停止し、処理ガスの供給が停止されて、ウエハＷに対するアニール処理が終了する。
所定時間のアニール処理又はアニール処理後の冷却処理が終了した後、ゲートバルブＧＶが開状態にされて、支持装置４によってウエハＷの高さ位置を調整した後、図示しない搬送装置によって、ウエハＷが搬出される。
マイクロ波処理装置１は、例えば半導体デバイスの作製工程において、拡散層に注入されたドーピング原子の活性化を行うためのアニール処理などの目的で好ましく利用できる。
以上のように、本実施の形態のマイクロ波処理装置１では、処理容器２内におけるマイクロ波の分布を細かく調整することが可能であるため、ウエハＷの面内で均一な加熱処理を行うことが可能になる。
［第２の実施の形態］
次に、図１２及び図１３を参照しながら、本発明の第２の実施の形態のマイクロ波処理装置１について説明する。本実施の形態のマイクロ波処理装置は、回転透過窓の構成が第１の実施の形態のマイクロ波処理装置１と相違する。以下、第１の実施の形態のマイクロ波処理装置１との相違点についてのみ説明し、本実施の形態のマイクロ波処理装置において、第１の実施の形態と同じ構成については説明を省略する。
図１２及び図１３に示すように、本実施の形態において、回転透過窓３３Ｂは、例えば互いに相対的に回転可能な２つの誘電体部材５４，５５を含んでいる。誘電体部材５４，５５は、同じ材質でもよいし、異なる材質でもよい。誘電体部材５４，５５の材質としては、例えば、石英、セラミックスのほか、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ハフニア（ＨｆＯ２）などの金属酸化物、メタマテリアル等を用いることができる。
誘電体部材５４，５５は、それぞれ、導波管３２を伝送されてくるマイクロ波２００の進行方向における厚みが変化する形状を有している。具体的には、誘電体部材５４は、傾斜面５４ａを有し、断面が楔形をなしており、誘電体部材５５は、傾斜面５５ａを有し、断面が楔形をなしている。回転透過窓３３Ｂは、２つの誘電体部材５４，５５をそれらの傾斜面５４ａ，５５ａが向かい合うようにして上下に重ねた構造を有している。下側の誘電体部材５４と上側の誘電体部材５５は、密着していてもよいし、離間していてもよい。
誘電体部材５４，５５は、それぞれ回転自在に設けられている。すなわち、誘電体部材５４，５５は、回転駆動部５３（図１参照）によって、それぞれ独立して、かつ、異なる回転軸を中心にして回転可能に構成されている。回転駆動部５３における駆動機構としては、例えばラック＆ピニオン機構などを挙げることができる。
図１２の状態から、回転駆動部５３によって、上側の誘電体部材５５のみを例えば１８０°回転させると、図１３に示す状態となる。図１２に示す状態では、回転透過窓３３Ｂの全体として、厚みＴは、誘電体部材５４，５５の積層方向に直交する方向においてほぼ均一である。一方、図１３では、断面視楔形をなす誘電体部材５４と誘電体部材５５の厚みが小さい部分どうし、及び、厚みが大きい部分どうしが、それぞれ上下に重なる。そのため、回転透過窓３３Ｂの全体として、最も小さい厚みＴ１の部分と、最も大きな厚みＴ２の部分とが形成される。
本実施の形態において、図１２では、回転透過窓３３Ｂの全体として厚みＴが一定であり、誘電体部材５５の上面に対するマイクロ波２００の入射角はほぼ垂直である。従って、図１２の状態では、回転透過窓３３Ｂに入射するマイクロ波２００の屈折角はゼロとなり、マイクロ波２００の進行方向は変化しない。
一方、図１３の状態では、回転透過窓３３Ｂの全体として、最小の厚みＴ１と最大の厚みＴ２とが形成され、誘電体部材５５の上面は、導波管３２を伝送されてくるマイクロ波２００の進行方向に対して傾斜した角度を有している。屈折角と入射角との間には、スネルの法則が成り立つため、図１２の状態に比べて、図１３の状態の方が、屈折が大きくなり、マイクロ波２００の進行方向の変化が大きくなる。
以上のように、本実施の形態のマイクロ波処理装置では、回転透過窓３３Ｂが、厚みが変化する形状を有する誘電体部材５４，５５を有し、そのいずれか片方又は両方を任意の角度で回転させることによって、導波管３２を伝送されてくるマイクロ波２００に対して垂直でない任意の入射角を形成できる。このことによって、回転透過窓３３Ｂを透過するマイクロ波２００の進行方向を変化させ、処理容器２内のマイクロ波放射空間Ｓにおける電界強度分布を調節することができる。従って、マイクロ波処理装置１では、回転透過窓３３Ｂによって、ウエハＷの面内での加熱温度のばらつきを抑制し、ウエハＷの面内で均一なアニール処理を行うことができる。
本実施の形態における他の構成及び効果は、第１の実施の形態と同様である。
なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の変更が可能である。例えば、本発明のマイクロ波処理装置は、半導体ウエハを基板とする場合に限らず、例えば太陽電池パネルの基板やフラットパネルディスプレイ用基板を基板とするマイクロ波処理装置にも適用できる。
また、マイクロ波処理装置におけるマイクロ波ユニット３０の数（マグネトロン３１の数）やマイクロ波導入ポート１０の数は、上記実施の形態で説明した数に限られない。
１…マイクロ波処理装置、２…処理容器、３…マイクロ波導入装置、４…支持装置、５…ガス供給機構、５ａ…ガス供給装置、６…排気装置、８…制御部、１０…マイクロ波導入ポート、１２…側壁部、１４…シャフト、１５…アーム部、１６…支持ピン、１７…回転駆動部、１８…昇降駆動部、３０…マイクロ波ユニット、３１…マグネトロン、３２…導波管、３３Ａ…透過窓、３３Ｂ…回転透過窓、３４…サーキュレータ、３５…検出器、３６…チューナ、３７…ダミーロード、４０…高電圧電源部、５１，５２…誘電体板、５３…回転駆動部、Ｗ…半導体ウエハ。

Claims (10)

  1. 基板に対してマイクロ波を照射することにより処理を行うマイクロ波処理装置であって、
    前記基板を収容する処理容器と、
    前記マイクロ波を生成するマイクロ波源を有し、前記処理容器内のマイクロ波放射空間へ前記マイクロ波を導入するマイクロ波導入装置と、
    を備え、
    前記マイクロ波導入装置は、
    前記処理容器内へ前記マイクロ波を導く伝送路を形成する導波管と、
    前記伝送路と前記マイクロ波放射空間との間に介在する第１のマイクロ波透過窓と、
    前記第１のマイクロ波透過窓よりも前記マイクロ波源に近い側に設けられ、前記マイクロ波の進行方向を変化させる第２のマイクロ波透過窓と、
    を有していることを特徴とするマイクロ波処理装置。
  2. 前記第２のマイクロ波透過窓は、誘電率が不均一な一つ又は複数の誘電体板によって構成されている請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
  3. 前記誘電体板は、前記導波管を伝送されてくる前記マイクロ波の進行方向に対して直交する方向の誘電率が不均一である請求項２に記載のマイクロ波処理装置。
  4. 複数の前記誘電体板が積層されている請求項２又は３に記載のマイクロ波処理装置。
  5. 前記第２のマイクロ波透過窓は、それぞれ回転自在に設けられている請求項４に記載のマイクロ波処理装置。
  6. 前記第２のマイクロ波透過窓は、厚みが変化する形状を有する一つ又は複数の誘電体部材を有し、前記導波管を伝送されてくる前記マイクロ波に対して垂直でない入射角を形成する請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
  7. 前記誘電体部材は、前記マイクロ波の進行方向における断面が楔形をなしている請求項６に記載のマイクロ波処理装置。
  8. 複数の前記誘電体部材が積層されている請求項６又は７に記載のマイクロ波処理装置。
  9. 複数の前記誘電体部材が、それぞれ回転自在に設けられている請求項８に記載のマイクロ波処理装置。
  10. 請求項１から９のいずれか１項に記載のマイクロ波処理装置を用いて基板を処理するマイクロ波処理方法。
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