JPH03218624A - 熱処理装置および熱処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はランプアニール装置に関し、特に半導体ウエハ
の熱処理に使用して好適なランプアニル装置に関する。

［従来の技術］ イオン注入後の結晶性回復やドーパント活性化等のため
に、半導体ウエハの表面をハロゲンランプ等の赤外線ラ
ンプで急加熱し、その後急冷するランプアニール装置が
使用されている。その一例を第３０図で説明すると、装
置ハウジングＨ内には石英ガラスのチューブＨ１が配設
され、該ナユブＨ１内には一端の小径開口より半導体材
料ガスが供給される。そして、チューブＨ１他端の大径
開口からは支持腕４２に支持されて被加熱材たるウエハ
２が装入されている。

上記ハウジングＨ内には上記チューブＨ１を挟んで上下
位置に、チューブＨ１の長手方向へ等間隔でハロゲンラ
ンプ１が設けてある。これらハロゲンランプ１は第３１
図に示す如く、反射板１５を備えた棒状のものが一般に
使用されている。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、上記従来のランブアニール装置でウエハ２を
加熱した場合、ウエハ表面を検査すると、第３２図に示
す如く、ウエハ板面を横切ってハロゲンランプ１の長手
方向（図の上下方向）へ比較的大きな温度差（最大４０
℃）が生じ、結晶のすべりや、歪みによるウエハ２のそ
りが問題となる。

そこで、上下のランプ１を互いに直交方向へ配設するこ
とか考えられ、これによると第３３図に示す如く、温度
分布は略四角形の同心状となり、かつ温度差も小さく（
最大２０℃）はなるが、未だ十分ではない。

本発明はかかる課題を解決するもので、ランプ加熱時に
被加熱材に生じる温度分布を十分に小さくすることが可
能なランプアニール装置を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明の構成を第１図で説明すると、板状の被加熱材２
に赤外線ランプ１により赤外光を照射し加熱するランプ
アニール装置は、上記赤外線ランブ１を球形となし、か
かる赤外線ランプ１を、上記被加熱材２の少なくとも一
方の板面に対向せしめて複数設け、かつ、上記被加熱材
２の各部の放熱特性に応じ、その放熱量を補なうように
、上記各部に対向する上記各赤外線ランプ１の赤外光照
射量を設定する手段３を設けたものである。

［作用］ 上記構成の装置において、照射量設定手段は、被加熱材
各部の放熱特性に応じてこの部分の放熱量を補うように
、対向設置した上記赤外線ランプの照射量を設定する。

しかして、被加熱材の各部の温度は均一化され、温度差
の発生が小さく抑えられる。

［第１実施例］ 第１図において、装置ハウジングＨ内は平行に配設した
石英ガラス板４１Ａ、４１Ｂにより上下に三室に区画さ
れており、上部室および下部室に赤外光を発する球状ハ
ロゲンランプ１が複数設けてある。中間室は熱処理室と
なっており、該熱処理室内には支持腕４２に支持せしめ
て被加熱材たる半導体ウエハ２が装入してある。

上記ウエハ２は円板形であり（第２図〉、上記ハロゲン
ランプ１は、上記ウエハの板面全体をカバーする領域に
、正六角形の同心状をなして上記板面に向け多数設けて
ある。ハロゲンランプ１は、不活性ガスとハロゲンガス
を封入したガラス球１１（第３図（１）、（２〉〉内に
タングステンフィラメント１２を設けたもので、その配
光分布は、第４図に示す如く、水平面内におけるフィラ
メントの延長方向で弱い。ここで、図中実線は垂直面内
の照度分布であり、鎖線は水平面内の照度分布である。

そこで、上記各ハロゲンランプ１は、第５図ないし第６
図に示す如く、そのフィラメント１２の配設方向を異な
らしめて、照度分布の強弱を互いに補完するようにして
ある。すなわち、第５図では各フィラメント１２を同心
円に沿う方向へ配し、また、第６図では放射線に沿う方
向へ配設してある。

第１図において、上述の如く配設された各ハロゲンラン
プ１は装置ハウジングＨの壁を貫通する配線により外部
の照射量設定装置３に接続されている。

照射量設定装置３は、通電回路３１、通電制御回路３２
、温度調節計３３、および放射温度計３４より構成され
ており、放射温度計３４は上記ウエハ２の中心部温度を
測定するようにハウジング底壁に一台設置されている。

本実施例では上記上下の各ハロゲンランプ１はウエハ２
の板面に対してそれぞれ中心より同心状に３ゾーンに区
画され、その各ゾーンについて通電回路３１と通電制御
回路３２が設けてある（１ゾーンのみ図示）。

温度調節計３３は、上記放射温度計３４から得られる測
定温度を、中心ゾーンの設定温度（例えば１１５０℃）
と比較し、その偏差が零になるように、通電制御回路３
２中の増幅回路３２１およびゲートパルス回路３２２を
介して通電回路３１に設けた電源ユニット３１１のサイ
リスタを駆動する。検出回路３１２からは、供給電流値
が通電制御回路３２の変換回路３２３を経てフィードバ
ックされている。

残る他のゾーンについても電力のフィードバック制御を
行っているが、その設定値は以下のように決定される。

すなわち、ニッケル板やステンレス板で製作したダミー
ウエハ上の、上記各ゾーンに対応した所定位置に熱電対
を取付け、この状態でハロゲンランプを点灯して、各ゾ
ーンの温度が中心ゾーンとほぼ同一温度になるような電
力設定値の比を決定する。

ところで、円板状の被加熱材を一定温度に保持した場合
の、各部からの放射エネルギ密度を一定条件下で計算す
ると、第７図に示すように、中心から外周に向かうに従
って次第に増加する。したがって、これを補完するよう
に、円形ウエハに対する供給電力は一般に、中心部を小
さくし、周辺部に向けて大きくすると良い。

しかして、本実施例では、かかる理論的背景も踏まえて
、上述の熱電対による測定結果より、周辺の各ゾーンの
ハロゲンランプ１への供給電力を一定の比で大きくし、
この結果、ウエハ２各部への入射エネルギ密度を、第８
図に示す如く、中心部より周辺部に向けて階段的に増加
せしめている。

かかるランプ照射量の制御によりウエハ２上の温度分布
は、例えば第９図に示す如く、同心状の変化を残しつつ
もその温度差は小さなものとなる（最大１０℃）。

なお、上記ハロゲンランプ１の照射量制御は、同心状の
ゾーン数を増すことにより、さらに高精度になすことが
可能であり、この場合はウエハの温度分布もさらに均一
化する。また、上下のランプ群を、中心回りに互いにず
らして配置することにより、ランプ境界部の温度分布の
変動を抑えることができる。

［第２〜第６実施例］ ハロゲンランプ１の配置は、上記実施例の如き正六角形
の同心状にすると最も設置密度を大きくできるが、各ラ
ンプ１を第１０図の如く同心円状に配置すれば、制御ゾ
ーンの区画が容易となる。

また、ウエハ２の形状に応じて、ランプ配置を第１１図
の如き四角の同心状とすることも可能である。

さらに、ハロゲンランプ１からの入射エネルギー密度を
大きくする必要があるウエハ２外周部で、これに対向す
るランプ位置をウエハ２に近接せしめ（第１２図〉、こ
れより中心部に向けて漸次ウエハ２より遠ざかるように
配置すれば、階段的なゾーン制御の粗さを補うことがで
きる。同様の効果は、外周部より中心部に向けてハロゲ
ンランプ１のワット数を小さくすることによっても達成
される。

ハロゲンランブ１は、照射効率を向上せしめるために、
第１３図に示す如く、ガラス球１１の後半部の内面ない
し外面に金、クロム、ジルコニア等のコーティング１３
を施し、あるいは第１４図に示す如く、反射傘１４を設
ける構造としても良い。

上記横成のランプアニール装置において、ハロゲンラン
プは、ウエハの形状に応じて配設し、ウエハ各部の放射
熱量を補うように照射制御する。

したがって、必ずしも同心状配置される必要はなく、ま
た、ウエハ各部の放射熱量は、ウエハの形状により左右
されることはもちろん、熱処理室に導入したガスの流れ
によっても変動するから、これらを考慮する必要がある
。

なお、ランプ群は上下のいずれか一方のみでも良い。

［第７実施例］ ところで、上記構成のランプアニール装置において、各
ハロゲンランプ１は、通常、第１５図に示す如く、フィ
ラメント１２を内包するガラス球１１とガイシ等の絶縁
体よりなる口金部１６からなり、口金部１６をランプ受
金５１に取付けて（第１６図）、通電することによりフ
ィラメント１２が加熱されるようになしてある。

フィラメント１２の両端部には、第１７図（１）（２〉
に示す如く、厚さ数１０μｍの金属箔を設けてあり、こ
れを、ガラス球１１内に封入されたハロゲンガスと外気
を遮断するための壁１１１に貫通せしめて封止部１７と
なしてある。

この封止部１７は、フィラメント１２が加熱されるとそ
の熱が伝わって温度上昇するが、その温度が２５０〜３
５０℃以上になると、封止部１７が酸化して断線するお
それがある。あるいは封止部１７の熱膨張によりガラス
球１１内のハロゲンガスが洩れてハロゲンガスの減少お
よび大気のランプ内導入につながり、フィラメント１２
の断線原因となる。そこで、封止部１７が２５０℃以上
にならないように、第１６図に示す如く、ガラス球１１
周りに反射板６を設ける、またはハロゲンランプ１１を
空冷することにより温度の上昇を防ぐことができる。

［第８実施例］ 一方、ウエハ熱処理時には、ウエハ温度を２５０゜Ｃ／
秒の割合で急速に上昇させ、かつウエハの温度分布が±
５℃以内を達成することが望ましい。

そのためにはハロゲンランプ１を、例えば第１８図のよ
うに配列し、ハロゲンランプ１個あたり３００Ｗの出力
でかつハロゲンランプの並びのピッチ９を最大２５ｍｍ
程度とするのがよい。ところが、通常使用されるハロゲ
ンランプの直径は２２ｒｌ１ｒＩ１程度であるので、ラ
ンプ周りに有効な反射板を設けるスペースがない、また
ハロゲンランプを空冷しようとすると、ランプが互いの
壁となって空気の流れが届かず、封止部の冷却が十分で
ないことがある。

第１９図はこのようにスペースが限られる場合の封止部
の冷却構造を示す。本実施例では、第２０図、第２１図
に示す如く、ハロゲンランプ１の口金部を口金上部１８
と口金下部１９に分離して、口金上部１８を熱伝導性の
良好な物質で構成するとともに、下方に向けて縮径する
テーパ状となしてある。ここでは（第１９図）、テーバ
角θ＝２゜２０゛、直径Ｃ＝１６ｎｗｎ、高さＤ”１２
ｍｍの銅製テーパ円筒とした。またハロゲンランプ１間
ピッチｇは２５ｍｍとした。

口金上部１８の周囲には複数の水路７１を有する水冷箱
７を配設してある（第１９図）。水冷箱６は、ハロゲン
ランプ１設置位置に、口金上部１８に対応するテーパ状
の穴７２を有し（第２２図）、該穴７２にハロゲンラン
プ１を嵌合せしめて、口金上部１８が水冷箱７に密着す
るようになしてある。このときハロゲンランプ１個あた
りの冷却水量は２００ｃｃ／分とした。

口金下部１９はガイシ等の絶縁体からなり、外周のネジ
部にてランプ受金５１に装着固定されている。ランプ受
金５１の下端面にはピン５２が一体に設けてあり、ピン
５２は受金ホルダ５３にバネ５４を介して支持されてい
る。

しかして、バネカによりピン５２、ランプ受金５１、ハ
ロゲンランプ１が一体となって第１９図矢印方向に引張
られ、口金上部１８と水冷箱７との密着性はより向上す
る。そして口金上部１８からの熱放散がより良好に行な
われ、封止部の温度上昇を抑制することができる。

ここで、封止部の温度が時間とともにどう変化するかを
調べた。第２３図（ａ＞はハロゲンランプ単独で点灯さ
せた場合、（ｂ）は第２４図に示す如く９個のハロゲン
ランプ１（直径ｄ＝２２ｍｍ＞をランプ間ピッチを２５
ｍｍとして配した場合で、いずれも水冷箱、反射板等は
設けず、風量２ｍ３／分の条件で空冷しな。ハロゲンラ
ンプ１は色温度２７００’Ｃ、交流１００Ｖ、３００Ｗ
の仕様で、また（ｂ）は中心部に位置するハロゲンラン
プについて測定を行なった。

図に明らかなように、（ａ）では封止部の温度が２５０
℃を越えて３５０℃前後まで上昇する。

（ｂ）ではランプ点灯から１００秒で４００℃を越えな
お上昇している。

次に、上記（ｂ）の構成において、口金上部に密着させ
て水冷箱を設け、同様の実験を行なった。

ハロゲンランプ１個あたりの冷却水量は２００ｃｃ／分
とした。

その結果、水冷箱を設けた本実施例の構成では、第２５
図に示す如く、ランプ点灯後１２０秒で温度は定常状態
の１５０℃になった。このように本実施例の構成では、
封止部から奪える熱量が増大し、かつ各ハロゲンランプ
を均一に冷却し得るので、限られたスペース内で大きな
冷却効果が得られる。

［第９〜第１０実施例］ 上記第８実施例において、口金上部１８の形状は円筒テ
ーパ形状に限らず、角筒（第２６図）、円筒（第２７図
）のような他形状とすることも可能である。また水冷箱
も口金形状に合わせて加工することが可能である。

口金上部１８の形状を第２７図の円筒形とじた場合につ
いて、上記と同様の実験を行なった。ハロゲンランブ１
は、第２８図に示す如く、口金上部１８を直径Ｂ＝１６
ｍｍ、高さＤ＝１２ｍｍの銅製円筒とした。

ただしこの場合、口金上部１８と水冷箱７が密着せず、
水冷箱７との間にギャップＧが生ずる。

そこで、十分な冷却効果を得るためのギャップＧを、下
記の熱通過の式により求めた。

Ｑ＝Ｋ　（ｔ，−ｔＢ　）２πＬ・・・・・・（１）Ｌ
；管長 Ｋ：熱通過率 Ｑ：通過熱量 １　／　Ｋ＝　１／　（　ａ　ｒ　・）　＋　＃，（１
０ｇ６　／’ＩＩＩ／λｍ）■ ・・・・・・（２） α：流体の熱伝達率 ｒ・　：管の最外半径 ρ　：ｒ／ｒ（ｒＩＩｌ：各管半径） …　　ｍ　　　ｍ−ｉ λ：各管の熱伝導率 上記（１）、（２）式より、封止部が２５０℃以下にな
るためのギャップＧを計算で求めたところ、ギャップＧ
は０．０２ｍｍ以下であればよいことがわかった。

ギャップＧを０．０２ｍｍ以下とし、冷却水量、ランプ
仕様は上記実施例と同様にして実験を行なった。その結
果、第２９図に示す如く、ランプ点灯後１８秒で定常温
度の２２０℃となり、十分な冷却効果が得られることが
わかる。

［発明の効果］ 以上の如く、本発明のランプアニール装置によれば、種
々の形状の板状被加熱材を均一に加熱することができ、
特に半導体ウエハの種々の熱処理に使用して大きな効果
を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第１４図は本発明の第１実施例に係り、第
１図は装置の全体構成図、第２図はハロゲンランプの配
置を示す平面図、第３図はハロゲンランプの側面図、第
４図はハロゲンランプの配光特性を示す図、第５図およ
び第６図はハロゲンランプのフィラメント方向を示す図
、第７図は円板ウエハの放射エネルギ密度を示す図、第
８図は円板ウエハに対する入射エネルギ密度を示す図、
第９図は円板ウエハの温度分布を示す平面図、第１０図
および第１１図はそれぞれ本発明の第２実施例および第
３実施例のハロゲンランプの配置を示す平面図、第１２
図は本発明の第４実施例でハロゲンランプのさらに他の
配置を示す装置本体の断面図、第１３図および第１４図
はそれぞれ本発明の第５実施例および第６実施例を示す
ハロゲンランプの側面図および斜視図、第１５図〜第１
７図は本発明の第７実施例を示し、第１５図はハロゲン
ランプの分解図、第１６図はハロゲンランプの側面図、
第１７図はガラス球の拡大図であり、第１８図〜第２５
図は本発明の第８実施例を示し、第１８図はハロゲンラ
ンプの配置例を示す図、第１９図はランプアニール装置
の部分断面図、第２０図はハロゲンランプの分解図、第
２１図はハロゲンランプの斜視図、第２２図は水冷箱の
部分断面図、第２３図（ａ＞（ｂ）は封止部の温度変化
を示す図、第２３図は封止部の温度変化を測定するため
に使用した装置の構成を示す図、第２４図は封止部の温
度変化を示す図であり、第２６図は本発明の第９実施例
を示すハロゲンランプの斜視図、第２７図〜第２９図は
本発明の第１０実施例を示し第２７図および第２８図は
それぞれハロゲンランプの斜視図および側面図、第２９
図は封止部の温度変化を示す図であり、第３０図ないし
第３３図は従来例に係り、第３０図は装置本体の断面図
、第３１図はハロゲンランプの斜視図、第３２図および
第３３図は円板ウエハの温度分布を示す平面図である。 １・・・ハロゲンランプ（赤外線ランプ）２・・・ウエ
ハ（被加熱材） ３・・・照射量設定回路（赤外線照射量設定手段）３１
・・・通電回路 ３２・・・通電制御回路 ３３・・・温度調節計 ３４・・・放射温度計 第 ２ 図 第 ３ 図 （１） （２） 第 ４ 図 ３０゛ 中心からの距離 （ｍｍ） 中心からの距離 （ｍｍ） 第１５図 第１６図 第１７図 （１） （２） 第１８図 第１９図 第２０図 第２１図 第２２図 第２３図 （ａ） 第２３閃 （ｂ） 時 間（ｓｅｃ） 第２４図 第２５図 時 問（ｓｅｃ） 第２６図 第２７図 第２８図 第２９図 １００ ２００ ３００ 時 間 （　ｓｅｃ　） 暑 ３０ 図 第３１ 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 板状の被加熱材に赤外線ランプにより赤外光を照射し加
   熱するランプアニール装置において、上記赤外線ランプ
   を球形となし、かかる赤外線ランプを、上記被加熱材の
   少なくとも一方の板面に対向せしめて複数設け、かつ、
   上記被加熱材の各部の放熱特性に応じ、その放熱量を補
   うように、上記各部に対向する上記各赤外線ランプの赤
   外光照射量を設定する手段を設けたことを特徴とするラ
   ンプアニール装置。