JP3422464B2 - 加熱炉及びその製造方法 - Google Patents
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Description
基板等のウェーハの表面に珪素半導体単結晶薄膜等の薄
膜を形成する際に用いる加熱炉の製造方法に関するもの
である。
に珪素半導体単結晶薄膜等の薄膜を形成する際には、加
熱用の光を放出する光源と該光源からの光を反射する壁
面を有するランプハウス等を備えた放射加熱による通称
ランプ加熱炉が用いられている。
加熱炉は、ウェーハ1を収容する石英ガラス15からな
る反応炉14と、該反応炉14の上部に複数の赤外線ラ
ンプ等の光源11が配置されたランプハウス10が設け
られている。光源11は円周状に複数個配置されてお
り、ランプハウス10の内壁面には、光源ランプ11か
ら発せられる光を反射するための鏡面反射板12が取り
付けられている。また、必要に応じて、点線で表示した
内面及び外面が鏡面の鏡面反射筒13も取り付けられ
る。この鏡面反射筒13は着脱可能であり、加熱計算に
基づいて加熱分布の調整のため取り付けられるものであ
る。
際には、まず試作した加熱炉について、図1のように熱
電対2を用いて加熱実験によりウェーハ1の加熱温度分
布の測定を行い、その結果に基づいて加熱炉の試作改良
を行い、再度加熱実験により温度測定をするという試行
錯誤を繰り返していた。すなわち、経験に基づいて設計
・製作されていた。したがって、完成までの試行錯誤の
回数が夥しく多かった。
試行錯誤の回数を減らす試みも行われていた。これは、
光源から放出される光が全て乱反射すると仮定してシミ
ュレーションするものである。
ている珪素半導体単結晶基板等のウェーハを加熱する加
熱炉のランプハウスの壁面は、鏡面からなる反射板が用
いられているために、ランプハウスの壁面での光の反射
は、乱反射よりむしろ正反射すなわち鏡面反射として考
えなければ正確な温度予測はできない。また、加熱する
ウェーハは主表面が鏡面加工された鏡面ウェーハなの
で、ウェーハ表面における光の反射も考慮する必要があ
る。したがって、従来の放射加熱及び乱反射板からなる
加熱炉で適用されるようなシミュレーション方法で、鏡
面からなる反射板がランプハウスの鏡面に用いられた加
熱炉により鏡面ウェーハを加熱する場合の温度予測を行
うことは困難であった。
いる加熱炉による加熱においては、鏡面を有するウェー
ハと鏡面反射板が構成要素として含まれるために、光源
から発せられた光が夥しい回数の反射を行いながらウェ
ーハにエネルギーを与えるので、乱反射を主とする加熱
炉とは異なり、ウェーハ上のエネルギー分布の予測が困
難である。そのために、光が全て乱反射すると仮定した
シミュレーションでは、温度分布などの予測が不十分と
なり、完成度の低い加熱炉しか得られず、加熱効率の低
下などの問題を解決するために結局、余分な試行錯誤を
繰り返す必要があった。これは、時間・費用だけでな
く、地球資源の損失でもある。
に基づいて加熱炉を設計・製造する方法の開発が望まれ
ていた。本発明は上記のような問題点に鑑みてなされた
ものであり、ウェーハを加熱する際に予め加熱分布を予
測し、少ない試行錯誤で所望の加熱分布を有する加熱炉
を製造することができる方法を提供することを目的とす
る。
明は、光源と該光源を取り囲むランプハウスを有するウ
ェーハ加熱用の加熱炉の製造において、光源から放出さ
れた光束がランプハウスの壁面で鏡面反射を行うと仮定
すると共に、ウェーハ表面上でも鏡面反射を行うと仮定
し、ランプハウス壁の表面上での反射及びウェーハの表
面上での反射による光束の経路を追跡し、少なくともウ
ェーハの表面上での反射とともに起こる光束の吸収を熱
エネルギーに換算する計算を、光源から放出される複数
の光束について行うことにより、ウェーハ上の加熱分布
を算出し、その結果に基づいて光源とランプハウスの構
造を決定することを特徴とする加熱炉の製造方法を提供
する。
おいて、ウェーハに1回目に入射する光束による加熱分
布と、ウェーハ表面上での1回目の反射後2回目以降に
入射する光束による加熱分布とが異なるように構造を決
定することを特徴とする加熱炉の製造方法を提供する。
は請求項2において、光源を複数の点光源の集合体と仮
定し、各点光源から各角度に放出される複数の光束につ
いて前記計算をそれぞれに行った結果を、全角度及び全
点光源について合算することを特徴とする加熱炉の製造
方法を提供する。
源を取り囲むランプハウスを有するウェーハ加熱用の加
熱炉において、ウェーハに1回目に入射する光束による
加熱分布と、ウェーハ表面上での1回目の反射後2回目
以降に入射する光束による加熱分布とが異なる構造を有
し、前記構造が、ウェーハに1回目に入射する光束によ
りウェーハの外周部がより強く加熱され、ウェーハに2
回目に入射する光束によりウェーハの中心部がより強く
加熱される構造であることを特徴とする加熱炉を提供す
る。
ける特性に着目し、図2に示すような光の直進性と反射
の性質を素直に記述する数値計算により加熱分布を予測
し、その結果に基づいて加熱炉を製造する方法を開発し
た。光源11から鏡面加工が施されたウェーハ1に向け
て発せられた光束11aは、ウェーハ1の表面において
反射率R(ただし、0<R<1)に従って鏡面反射する
が、この時にウェーハ1内に(1−R)の割合で反射前
の光のエネルギーの一部が与えられるものと仮定した。
すなわち、光束11aの有する光エネルギーIoのう
ち、ウェーハ1に吸収されるエネルギーIabは(1−
R)Ioとなる。ここで光束11aとは、光源11から
単位時間当たりに発せられるエネルギーのことである。
ンプ加熱炉によく用いられる赤外線を透過するものの、
高温(例えば600℃以上)では灰色体となるので、加
熱時には透過を考慮する必要がなくなる。
えられる。このように、本発明においては、簡単な原理
だけに基づいた計算を行い、ウェーハ1の表面の場所毎
に与えられる光のエネルギーを加算することにより、ウ
ェーハ1の加熱分布を予測する。更に、その計算結果に
基づいて加熱炉を設計・製作する。製作した加熱炉にお
けるウェーハ1の温度確認については、従来のように熱
電対2を取り付けた珪素半導体単結晶基板1を、例えば
図1のように反応炉14内に載置して温度測定を行う。
加熱分布について加熱炉の複雑な形状をそのまま計算に
用いながら詳細に予測できるので、加熱炉の試作と温度
測定からなる試行錯誤を繰り返していた場合に比較し
て、速やかに加熱炉を完成させることができる。特に、
加熱炉内の光源、反射板の配置に関する要点が把握でき
るので、設計の指針が容易に決定できる。その結果、改
良を要する点が明確に把握でき、試行錯誤の回数を大幅
に減らして加熱炉の製作を行うことができる。
より、光源からの光束がウェーハ表面において行う1回
目の反射によりウェーハに与えるエネルギーと、2回目
以降の反射によりウェーハに与えるエネルギーの分布と
が変化するように設計することが可能となるので、エネ
ルギー効率の高い加熱炉を製造できるという作用があ
る。
計算に基づく設計について最初に説明し、次に加熱エネ
ルギー分布について説明する。
基づいて数値計算により解析して、ウェーハ1に与えら
れるエネルギーの計算値と実測の温度とを比較した。具
体的には、光源11から放出される光束11aの強度か
らウェーハ1に吸収されるエネルギーIabを計算し、
これとウェーハ1の実測温度とを比較した。その結果を
図3に示す。放射エネルギーによる熱伝達においては、
高温物体の温度の1乗と放射エネルギーの1/4乗との
間に直線関係が存在することがステファン−ボルツマン
の法則として知られているが、この法則が本発明におい
て開発したシミュレーション技術においても成立してい
ることが分かり、本発明が一般性のあるシミュレーショ
ン技術であることが確認された。
レーションの一例を示す。これは、光源11から発した
光束11aが加熱炉の外に出て行くまでに辿る経路を詳
細に追跡した結果である。ランプハウス10の一端に配
置された光源11から斜め上方の2方向に発した光束1
1aは、鏡面反射筒13がない場合(図4(a))に
は、鏡面反射板12で2回反射した後に加熱炉の反対側
に到達するが、鏡面反射筒13がある場合(図4
(b))には、鏡面反射筒13と外側の鏡面反射板12
との間で12回反射を繰り返し、ウェーハ1の表面に2
回到達した後に加熱炉の反対側に出て行く様子が示され
ている。つまり、本発明において開発したシミュレーシ
ョン技術により、光源11から発した光束11aの経路
について鏡面反射筒13の有無による違いが具体的に予
測できることが分かる。
発明の方法により算出した、ウェーハ1に与えられたエ
ネルギー分布を示す。ここでは赤外線ランプ11を20
本円周状に配置した加熱炉を用いた。具体的な計算方法
を次に示す。まず、1個の赤外線ランプ11を同一軸上
に等間隔に並んだ4個の点光源の集合体とみなし、1個
の点光源について、前記軸を含みウェーハ1の方向の仮
想面上において180°の範囲で1°毎の角度に発せら
れる光束11aの各々について、その光束11aが鏡面
反射板12とウェーハ1の表面上で反射する経路を順次
追跡するとともに、ウェーハ1の表面上で反射する毎に
起こる光束11aの吸収を熱エネルギーに換算する計算
を行う。この計算を、前記1個の点光源について、前記
軸を含む面を前記軸中心に1°毎に360°回転させた
場合についても行う。更に、これらの計算を4個の点光
源全てについて行い、これを更に20本の赤外線ランプ
11についてそれぞれ行った結果を合算することによ
り、上記ウェーハ1に与えられたエネルギー分布が得ら
れる。なお、鏡面反射板12の表面での反射は反射率R
=1.0(吸収率が0)とし、ウェーハ1上での反射は
反射率R=0.3(吸収率が0.7)として計算した。
には、ウェーハ1の中心部で光束11aの吸収による加
熱強度が高く、外周部で低い加熱状態となることが予測
される。一方、鏡面反射筒13を置いた時にはウェーハ
1の中心部におけるエネルギーの吸収が抑えられるの
で、外周部が少々高い加熱分布となるものの、ウェーハ
全体の加熱強度がより均一になることが予測される。
素半導体単結晶基板1を1000℃に昇温し、図1のよ
うにして前記珪素半導体単結晶基板1の中心部から外周
部までの温度分布を測定したところ、鏡面反射筒13が
ない場合には外周部が中心部より約100℃低く、鏡面
反射筒13がある場合には外周部が中心部より少々高い
ものの温度差が3℃以内という優れて均一な温度分布を
形成できた。すなわち、ほとんど試行錯誤を行わなくて
も均一な温度分布を得ることができた。このように、本
発明の方法により加熱分布を予測することによって、最
少回数の試行錯誤で所望の加熱分布を有する加熱炉を完
成させることができるのである。
に重要な点は、ウェーハの表面における反射回数の進行
に伴い、ウェーハに与えられるエネルギーの分布状態が
変化することを予測して設計できることである。
筒13がない場合についてウェーハ1の表面に光が入射
する回数をウェーハ1の直径方向に計算した結果を示
す。光源11から直接又は鏡面反射板12で反射して初
めてウェーハ1に入射する光束(第1回目の反射)の分
布では、ウェーハ1の中心部に入射回数が多く、外周部
で少ない入射回数分布が形成されている。この分布状態
は、第2、3回目の反射においても変わらずに同じ分布
状態を示している。
面反射筒13がある場合の計算結果を示す。第1回目の
反射では外周部に入射する回数が顕著に多くなっている
ものの、第2、3回目では第1回目とは逆に中心部分の
ほうが高い入射回数分布を示している。なお、ウェーハ
1の表面における反射回数とエネルギー分布は、図2の
説明から分かるように比例関係にある。また、第1回目
の反射後であっても、通常は光源から発せられた初期の
エネルギーの約30%を有しているので、無視できない
影響を持っている。図7の場合を考えると、実際には第
1回目の反射及び第2回目以降の反射を合計した結果が
ウェーハの加熱分布に対応する。したがって、第1回目
の反射時にウェーハに与えられたエネルギー分布を第2
回目以降の反射が穏やかな加熱分布になるように補正す
る働きをしていることが分かる。
技術を用いて加熱分布を予測することにより、第1回目
と第2回目以降の反射においてウェーハに与えられるエ
ネルギー分布を変えることが可能となり、従来は無視さ
れていた第2回目以降の反射を有効に利用することが可
能となった。この結果、加熱炉のエネルギー効率を向上
させることができ、地球環境の保護においても有効な加
熱炉を実現できる。
結晶基板の他に例えば化合物半導体基板等が含まれるこ
とは当然のことである。また、本明細書に示した反射
板、光源とウェーハの配置は本発明の一例であり、これ
ら構造に限定されるものではない。
反射による光束の経路を追跡して加熱分布を予測するこ
とにより所望の温度分布を自在に設計し、試行錯誤の回
数を最小限に抑えて加熱炉を設計・製造することができ
る。また、加熱分布が完全に把握されているので、加熱
炉使用時の温度分布調整においても、やはり試行錯誤の
回数が少なくて済む加熱炉を製造できるため、加熱条件
の変更などが自在であるという効果をも有する。
・吸収を説明する図である。
る。
ある。
布を示すグラフである。
を示すグラフである。
Claims (4)
- 【請求項1】 光源と該光源を取り囲むランプハウスを
有するウェーハ加熱用の加熱炉の製造において、光源か
ら放出された光束がランプハウスの壁面で鏡面反射を行
うと仮定すると共に、ウェーハ表面上でも鏡面反射を行
うと仮定し、ランプハウス壁の表面上での反射及びウェ
ーハの表面上での反射による光束の経路を追跡し、少な
くともウェーハの表面上での反射とともに起こる光束の
吸収を熱エネルギーに換算する計算を、光源から放出さ
れる複数の光束について行うことにより、ウェーハ上の
加熱分布を算出し、その結果に基づいて光源とランプハ
ウスの構造を決定することを特徴とする加熱炉の製造方
法。 - 【請求項2】 ウェーハに1回目に入射する光束による
加熱分布と、ウェーハ表面上での1回目の反射後2回目
以降に入射する光束による加熱分布とが異なるように構
造を決定することを特徴とする請求項1記載の加熱炉の
製造方法。 - 【請求項3】 光源を複数の点光源の集合体と仮定し、
各点光源から各角度に放出される複数の光束について前
記計算をそれぞれに行った結果を、全角度及び全点光源
について合算することを特徴とする請求項1又は請求項
2に記載の加熱炉の製造方法。 - 【請求項4】 光源と該光源を取り囲むランプハウスを
有するウェーハ加熱用の加熱炉において、ウェーハに1
回目に入射する光束による加熱分布と、ウェーハ表面上
での1回目の反射後2回目以降に入射する光束による加
熱分布とが異なる構造を有し、 前記構造は、ウェーハに1回目に入射する光束によりウ
ェーハの外周部がより強く加熱され、ウェーハに2回目
に入射する光束によりウェーハの中心部がより強く加熱
される構造である ことを特徴とする加熱炉。
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