JP3876665B2 - 光照射式加熱処理装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
半導体ウエハ（以下ウエハ）を、成膜、拡散、アニール等のために、急速加熱・高温保持・急速冷却処理する、光照射式加熱処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造工程における光照射式加熱処理は、成膜、拡散、アニールなど、広い範囲にわたって行われている。いずれの処理も、ウエハを高温に加熱処理するものである。この加熱処理に光照射式加熱処理装置を使用すれば、ウエハを急速に加熱することができ、１０００°Ｃ以上にまで数秒間〜数十秒で昇温させることができる。そして、光照射を停止すれば、急速に冷却することができる。
しかし、ウエハを加熱する際にウエハに温度分布の不均一が生じると、ウエハにスリップと呼ばれる現象、即ち結晶転移の欠陥が発生し、不良品となる恐れがある。そこで、光照射式加熱処理装置を用いてウエハを加熱処理する場合に、ウエハの温度分布が均一になるように、加熱・高温保持・冷却する必要がある。
また、ウエハ上に成膜するために加熱する場合、均一な厚さで膜を形成するためには、高い面内照度均一度でウエハを加熱しなければならない。
【０００３】
図９に、従来の光加熱処理装置の断面図を示す。
光源部１には、図１０に示すような発光管（内部に設けられたフィラメントが発光する部分）が円環状であるフィラメントランプＬ２〜Ｌ１０と、その中心部にはシングルエンドタイプ（一端封止型）のランプＬ１が配されている。チャンバ２内には保持台３が設けられ、加熱処理される半導体ウエハＷ等のワークが載置される。また、ランプＬ２〜Ｌ１０とチャンバ２の間は例えば石英窓４等により区画される。
図１１に、光源部をワーク（ウエハ）側から見た図を示す。円環の直径が異なる複数個のランプが、同心円状に配置されている。
なお、用いるランプは、図１２のように、発光管が円弧状のものを２本またはそれ以上組み合わせて円環状にしてもよい。図１３に、発光管が円弧状のランプを組み合せて配置した光源部を、ワーク（ウエハ）側から見た図を示す。
光源部の中心部、即ち、配置される環状または円弧状ランプ（以下、両者を合わせ環状ランプと呼ぶ）の同心円の中心は、環状ランプ封体の曲げ加工の限界により、ランプのない状態になる。
そのままでは、ワークの中心部に照射される光の照度が低くなるので、図９に示すように、シングルエンドタイプ（一端封止型）のランプＬ１を該中心部に設け、照度の低下を補償している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
中心に設けたシングルエンドランプＬ１の放射照度は、その周辺の環状ランプＬ２等の放射照度と同等でなければならない。
しかし、シングルエンド型のランプは、環状のランプに比べ、フィラメントの径が細い。したがって、シングルエンドランプと環状ランプとを同じ放射照度にするため、同等の電力を供給すると、シングルエンドランプは環状ランプに比べてフィラメントが早く切れる。即ち寿命が短くなる。
シングルエンドランプと環状ランプとで、フィラメント径が異なる理由は次の通りである。
図１４（ａ）に示すように、シングルエンドランプは、封体２０内でフィラメント２１を折り返す構造である。折り返したフィラメント２１どうしが接触してショートしないように、フィラメント２１の径を細くする。なお、環状ランプの場合、前記図１０、図１２に示したように、フィラメントは折り返さないので、図１４（ｂ）に示すようにフィラメント径を太くすることができる。
ランプの寿命（フィラメントが切れるまでの点灯時間）は、例えば、環状ランプの寿命が約２０００時間であるのに対し、シングルエンドランプは約５００時間である。
【０００５】
中心部に設けたシングルエンドランプＬ１の寿命が他の環状ランプよりも短いので、シングルエンドランプＬ１の交換のためだけに、頻繁に（約５００時間毎に）装置を停止しなければならない。
装置の頻繁な停止をなくすために、シングルエンドランプの使用をやめたいが、このランプをなくすと、照射面における中心部の照度が小さくなり、照度分布が悪くなるので、ウエハ全面を均一に加熱することができなくなる。
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、本発明の目的は、光源部の中心にシングルエンドランプを設けずに、均一な照度を得ることができる、光照射式加熱処理装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を本発明においては、次のようにして解決する。
（１）前記光照射式加熱処理装置において、シングルエンドランプを設ける代わりに、光源部の中心部に、最も内側に設けられたフイラメントランプからの光をワークの中心部に向けて反射する、ワーク方向に凸の反射ミラーを設ける。
これにより、一番内側の環状ランプから照射される光を、上記ミラーにより、ワークの中心部方向に反射し、ワーク面での照度の落ちこみを補償することができる。
また、最も内側に設けられたフイラメントランプの直径をＬ、該フイラメントランプの中心からワークまでの距離をｄとしたとき、ｄ＜２Ｌとする。
上記のようにｄ＜２Ｌとすることにより、円錐形状のミラーによる照度補償効果を得ることができる。特に、ｄ≦Ｌとすれば、ワークの中心部の温度を所望の温度に近くすることができる。
（２）上記反射ミラーを、円錐形状とする。これにより、ランプからの光を均等にワーク面に照射することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の実施例の光照射式加熱処理装置の断面図を示す。
同図に示すように、光源部１には、環状のランプＬ２〜Ｌ１０が前記図１１、図１３に示したように同心円状に配置されている。環状ランプＬ２〜Ｌ１０の中心部には、ワーク側に凸のミラー１ｂが設けられ、ランプＬ２〜Ｌ１０の背面にはミラー１ａが設けられている。チャンバ２内には保持台３が設けられ、加熱処理される半導体ウエハＷ等のワークが載置される。
本実施例においては、上記のように環状ランプＬ２〜Ｌ１０の中心部に、ワーク側に凸のミラーを設けているので、中心部にシングルエンドランプを設けることなく、照射面における中心部の照度の低下を小さくすることができた。
【０００８】
上記のように中心部にミラー１ｂを設けた場合の照射面の中心部の照度がどのようになるかを検証した。以下、検証結果について説明する。
図２に検証結果を示す。図２は、図９に示した従来の装置（中心にシングルエンドランプあり）において、ウエハ面における照度を、中心から１００ｍｍの位置まで計算してこの値を１００％とし、以下の(1) 〜(3) の各条件におけるウエハ面の照度を示したものである。
(1) 図９に示した装置において、シングルエンドランプをなくした場合（ランプのなくなった部分は空洞）。
(2) 図３に示すように、ランプがなくなった空洞部を平面ミラー１ｃに置き換えた場合
(3) 図４に示すようにランプがなくなった空洞部に、図３の平面ミラー１ｃに代えて円錐形状のミラー１ｂを設けた場合における照度の計算値を示したものである。
なお、この計算においては、環状ランプＬ２，Ｌ３，Ｌ４の照度を考慮している。
【０００９】
従来の装置から、中心のランプを取り外し、それ以外は同じ条件で照度を計算した結果を図２の三角印で示す（上記(1) の場合）。この場合、ランプのなくなったミラー面は空洞である。中心から１００ｍｍ、８０ｍｍの位置において照度に変化はない。しかし、６０ｍｍの位置において、照度は９６％に低下し、中心では７９％に低下した。
図３に示すように、ランプがなくなった空洞部を平面ミラーで覆い、それ以外は同じ条件で照度を計算した結果を図２の四角形で示す（上記(2) の場合）。中心から１００ｍｍ〜４０ｍｍの位置において、従来装置の場合と比較して照度に変化はなかった。２０ｍｍの位置において、照度は９５％に低下し、中心では８９％に低下した。
図４に示すように、図３の平面ミラー１ｃに代えて円錐形状のミラー１ｂを設け、それ以外は同じ条件で照度を計算した結果を丸印で示す（上記(3) の場合）。なお、円錐の斜面の角度は、ランプＬ２からの光を、ワークの中心に向けて反射する角度に設定した。図３の場合と同様、中心から１００ｍｍ〜４０ｍｍの位置において、従来装置の場合と比較して照度は変化しなかった。２０ｍｍの位置において、照度は９７％に低下し、中心では９４％に低下した。
【００１０】
図２から明らかなように、図４の場合には、中心部の照度低下を１０％以内に抑えることができた。照度の低下が１０％以内であれば、内側の環状ランプＬ２やＬ３などの電力を制御し、放射照度を変化させる（バランス調整）ことにより、照度分布の均一度を従来と同等程度に補正することが可能である。
なお、図４においては、円錐形状の反射ミラー１ｂの反射面と、ランプを収めるミラーの溝とは連続していないが、図５（ａ）のように連続的に構成してもよい。また、図１に示したワークとランプとの間に設ける石英板に円錐状ミラーが接触しないようにするため、図５（ｂ）に示すように円錐状ミラーの先端を切り取ってもよい。なお、装置設計上の制約がなければ、完全な円錐形とした方が、光の反射効率がよいので好ましい。
なお、反射ミラーの形状は、円錐形状に限らない。図６（ａ）に示すように内側に凹の円錐形状であってもよいし、また図６（ｂ）に示すように反射面を多面体にしてもよい。
【００１１】
また、ランプの中心からワークまでの距離が短い程、ワーク側に凸の反射ミラーによるワーク中央部の照度の落ち込みを補償する効果がある。
図７に、ワーク中央部の照度改善率の距離（ランプ中心からワークまでの距離）依存性を示す。
同図において、縦軸は、円錐ミラーを設けたときの、ワーク中央部の照度の改善率である（中心のランプを取り除いた時の、ワークの中央部の照度を１とし、それとの比で表している）。
また、横軸は、ランプの中心からワークまでの距離ｄである。
図７は、最も内側に設けたランプＬ２の直径を５０ｍｍとしたときに求めたグラフであり、ランプの中心からワークまでの距離ｄが１００ｍｍ未満のとき、中心のランプを取り除いたときに比べ、ワーク中央部の照度が改善されていることがわかる。
したがって、図８に示すように、最も内側に設けたランプＬ２の直径をＬ（ｍｍ）、ランプＬ２の中心からワークまでの距離をｄ（ｍｍ）とすると、ｄ＜２Ｌの場合、円錐ミラーによる照度補償効果が得られる。
特に、ｄ≦Ｌの場合、反射ミラーがないと、温度換算にして、１０００°Ｃの設定に対して、ワークの中心部は、２０〜３０°Ｃ低くなる。一方、前記図４のような反射ミラーを設けると、中心部の温度は設定された温度に近くなる。更に、環状ランプＬ２やＬ３などの電力を制御し、放射照度を変化させる (バランス調整）ことにより、中心部の温度低下をほぼ解消することができる。
【００１２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、以下の効果を得ることができる。
（１）光源の中心部に、最も内側に設けられたフイラメントランプからの光をワークの中心部に向けて反射する、ワーク方向に凸の反射ミラーを設けたので、中心部にシングルエンドランプを設けなくても、照度分布の悪化を防ぐことができる。このため、寿命の短いシングルエンドランプを使用する必要がなく、光加熱装置の停止時間を短くすることができる。
（２）また、上記反射ミラーとして、円錐形状のミラーを使用し、最も内側に設けられたフイラメントランプの直径をＬ、該フイラメントランプの中心からワークまでの距離をｄとしたとき、ｄ＜２Ｌとすることにより、効果的に照度分布の悪化を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の光照射式加熱処理装置の断面構成を示す図である。
【図２】中心部にミラーを設けた場合の照射面の中心部の照度の検証結果を示す図である。
【図３】シングルエンドランプがなくなった空洞部を平面ミラーに置き換えた場合を示す図である。
【図４】シングルエンドランプがなくなった空洞部に円錐形状のミラーを設けた場合を示す図である。
【図５】図４の変形例を示す図である。
【図６】ワーク方向に凸の反射ミラーの他の例を示す図である。
【図７】ワーク中央部の照度改善率の距離依存性を示す図である。
【図８】ｄとＬを示す図である。
【図９】従来の光加熱処理装置の断面構成を示す図である。
【図１０】円環状であるフィラメントランプの例を示す図である。
【図１１】図１０のランプを用いた場合に光源部をワーク側から見た図である。
【図１２】円環状であるフィラメントランプを２本用いた場合を示す図である。
【図１３】図１３のランプを用いた場合に光源部をワーク側から見た図である。
【図１４】シングルエンドランプの構成例を示す図である。
【符号の説明】
１ 光源部
１ａ ミラー
１ｂ 円錐形のミラー
１ｃ 平面ミラー
２ チャンバ
３ 保持台
４ 石英窓
Ｌ２〜Ｌ１０ 環状のランプ
Ｗ 半導体ウエハ

Claims (2)

1. 発光管が円環状または円弧状であり、上記円環または円弧の直径が異なる複数個のフイラメントランプが、同心円状に配置され、該フィラメントランプの背面にはミラーが設けられた光源部を有し、光源部からの光をワークに照射し、ワークを加熱する、光照射式加熱熱処理装置であって、
   上記光源部の中心部には、最も内側に設けられたフイラメントランプからの光を、上記ワークの中心部に向けて反射する、ワーク方向に凸の反射ミラーが設けられ、
   最も内側に設けられた上記フイラメントランプの直径をＬ、該フイラメントランプの中心からワークまでの距離をｄとしたとき、ｄ＜２Ｌとした
   ことを特徴とする光照射式加熱装置。
2. 上記反射ミラーは、円錐形状であることを特徴とする請求項１の光照射式加熱処理装置。

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