(57)【要約】多層の基板の中の１つの層の側方に進行する酸化の場合に、一定の点での側方への酸化の進行を停止させることを可能にするために、本発明によれば、多数の層を有する基板、殊に半導体ウェーハを熱処理する方法が設けられており、この場合には、基板の上方および下方から被覆された層は、が側方縁部から中心に向かって、定義された中心範囲が酸化されることがないように酸化される。この方法は、本発明によれば、次の処理工程：基板を処理室中で所定の処理温度に加熱する工程；水素に富んだ水蒸気を所定の時間の間、処理室中に導入する工程；乾燥された酸素または酸素に富んだ水蒸気を所定の時間の経過後に処理室中に導入する工程を含み；この場合処理室中への水素に富んだ水蒸気の導入は、基板の加熱前、加熱中および／または加熱後に行なうことができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上方および下方から被覆された、基板の層を側方縁部から中心に向かって、定義された中心範囲が酸化されないように酸化することにより、多数の層を有する基板、殊に半導体ウェーハを熱処理する方法において、次の処理工程：
ａ）基板を処理室中で所定の処理温度に加熱する工程；
ｂ）水素に富んだ水蒸気を所定の時間の間、処理室中に導入する工程；
ｃ）乾燥された酸素、即ち純粋な酸素（原子状および／または分子状Ｏ２および／またはＯ３の形）、酸素および基板の層と化学的に反応しない不活性ガスからなる混合物、または水を含有しない酸素含有化合物、または酸素に富んだ水蒸気を所定の時間の経過後に処理室中に導入する工程が設けられており、
この場合工程ｂ）は、所定の処理温度への基板の加熱前、加熱中および／または加熱後に行なうことができることを特徴とする、多数層を有する支持体を熱処理する方法。
【請求項２】
水素に富んだ水蒸気を処理室から駆出させるために、工程ｂ）とｃ）との間で他のガスを処理室中に導入する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
他のガスが水素も酸素も含有しない、請求項２記載の方法。
【請求項４】
他のガスが不活性ガスである、請求項２または３記載の方法。
【請求項５】
基板を３００℃〜７００℃の処理温度に加熱する、請求項１から４までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
基板がＩＩＩ−Ｖ半導体構造、殊にＡｌＧａＡｓ構造体またはＩｎＡｌＡｓ構造体を有する半導体ウェーハを備えている、請求項１から５までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
酸化すべき層がアルミニウムを含有する層である、請求項６記載の方法。
【請求項８】
多数の層の少なくとも若干数が円錐台を形成する、請求項１から７までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
円錐台が円形である、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
酸化すべき層が円錐台の範囲内に存在する、請求項８または９記載の方法。
【請求項１１】
１つの層の酸化されていない中心範囲が面発光型半導体レーザー（ＶＣＳＥＬ）と呼称されている、垂直方向の共振器を備えた面発光する半導体レーザーのための絞りを形成する、請求項１から１０までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
絞りが円形である、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
基板を工程ｂ）およびｃ）の間に処理温度に維持する、請求項１から１２までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
基板を工程ｃ）の直後に処理室から取り出される、請求項１から１３までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
処理室を低圧下で運転する、請求項１から１４までのいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、上方および下方から被覆された、基板の層を側方縁部から中心に向かって酸化することにより、多数の層を有する基板を熱処理する方法に関する。
【０００２】
この種の方法は、例えば面発光型半導体レーザー（VCSEL）とも呼称される、垂直方向の共振器を備えた面発光する半導体レーザーのための絞りの場合に公知である。ＶＣＳＥＬは、発生されるビームが垂直方向、即ち半導体表面およびｐ−ｎ−移行面に対して垂直な方向に拡散する半導体レーザーである。従来のレーザーの場合には、ビームは、版胴体表面およびｐ−ｎ−移行面に対して平行な方向に拡散される。ＶＣＳＥＬは、大型の平行な光学的結合アーキテクチャーのための好ましい光源として使用される。ＶＣＳＥＬと光ファイバーとの結合を可能にするために、ＶＣＳＥＬは、ガウスビームのプロフィールを発光する。ガウスビームのプロフィールおよびレーザーの活性化のためには、特殊な円形の絞りがＶＣＳＥＬ中に必要とされ、この場合このＶＣＳＥＬは、正確に定義されていなければならない。
【０００３】
この絞りは、過去において側面から進行する、ＶＣＳＥＬのＡｌＧａＡｓ構造体の酸化によって形成された。酸化のために、ＶＣＳＥＬは、処理室中で処理温度にもたらされ、窒素含有の水蒸気で酸化された。酸化後、ＶＣＳＥＬは、処理室中で不活性ガス雰囲気内で処理室温度未満の温度で冷却され、引続きＶＣＳＥＬは、処理室から取り出される。更に、通過量を高めるために、多数のＶＣＳＥＬ工程の場合には、基板を既に処理温度で処理室から取り出すために、基板の冷却は、一般に環境空気中で行なわれる。
【０００４】
側方からの酸化は、例えば米国特許第６０１４４００号明細書の記載から公知であるように、窒素含有の水蒸気処理によって導入され、外側から内向きに進行する酸化フロントを形成する。不活性のガス雰囲気中での冷却の間および処理室からのウェーハの取出しの際またはＶＣＳＥＬ構造を有する基板の環境空気中での冷却の際に、酸化の進行は徐々に減速し、停止状態にもたらされる。しかし、酸化フロントのこの減速および停止は、上記方法では正確に制御することができず、したがって良好に予測可能な絞りの形成は、不可能である。
【０００５】
しかし、ＶＣＳＥＬの良好な光学的性質、殊に例えばガウスビームのプロフィールのような望ましい空間的なビームプロフィールの形成のために、正確な絞りの形成は、必要とされる。
【０００６】
従って、上記の公知技術水準から出発して、本発明の課題は、側方から進行する、多層基板の層の酸化が、定義された中心範囲を酸化せず、即ち側方の酸化の進行を一定の点で停止させることができるように可能であるという方法を設けることである。
【０００７】
本発明によれば、この課題は、上方および下方から被覆された、基板の層を側方縁部から中心に向かって、定義された中心範囲が酸化されないように酸化することにより、多数の層を有する基板、殊に半導体ウェーハを熱処理する方法によって解決され、この場合基板は、処理室中で所定の処理温度に加熱され、水素に富んだ水蒸気は、所定の時間の間、処理室中に導入され、乾燥された酸素または酸素に富んだ水蒸気は、所定の時間の経過後に処理室中に導入される。上方および下方から被覆された、基板の層の制御された、側方に進行する酸化は、処理温度への基板の加熱および水素に富んだ水蒸気の導入によって達成することができる。酸化の側方への進行は、酸化されていない定義された中心範囲を得るために、乾燥された酸素または酸素に富んだ水蒸気を処理室中に引続き導入することによって停止させることができる。乾燥された酸素は、純粋な酸素（原子状Ｏおよび／または分子状Ｏ２および／またはＯ３の形）ならびに酸素と不活性ガス、例えば酸素またはアルゴンとからなる混合物を含み、この場合不活性ガスは、基板の層と化学的に反応しないことを示す。更に、乾燥された酸素は、水を含有しない酸素含有化合物をも含む。
【０００８】
本発明の好ましい実施態様の場合には、水素に富んだ水蒸気を処理室から駆出させるために、水素に富んだ水蒸気の導入と乾燥された酸素または酸素に富んだ水蒸気の導入との間で他のガスが処理室中に導入される。それによって、処理室および基板の高められた温度に基づいて爆発の危険をまねきうる、処理室中での水素と酸素とからなる爆鳴気の形成は、阻止される。特に、この洗浄工程の間に基板との望ましくない反応を阻止するために、他のガスは、不活性ガスである。
【０００９】
良好に制御可能で側方に進行する、酸化すべき層の酸化のために、基板は、特に３００℃〜７００℃の処理温度に加熱される。
【００１０】
本発明の特に好ましい実施態様の場合、基板は、例えばＶＣＳＥＬの形成に適しているＡｌＧａＡｓ構造体を有する半導体ウェーハを備えている。この場合、酸化すべき層は、有利にアルミニウムを含有する層（以下、略してアルミニウム層と呼称する）である。アルミニウム層の場合、乾燥された酸素または酸素に富んだ水蒸気の導入の間にサファイアが形成され、このことは、酸化フロントの側方への進行を抑制する。
【００１１】
好ましくは、多数の層の少なくとも若干数は、有利に円形の円錐台を形成し、この場合酸化すべき層は、円錐台の範囲内にある。それによって、良好に定義された円形で酸化されていない、酸化すべき層の中心範囲が達成されうる。
【００１２】
本発明の好ましい実施態様によれば、酸化すべき層の酸化されていない中心範囲は、面発光型半導体レーザー（ＶＣＳＥＬ）のための絞りを形成する。この場合、絞りは、レーザーの良好な活性化およびガウスビームのプロフィールを達成させるために、有利に円形である。
【００１３】
有利に基板の温度は、酸化フロントの定義された進行および酸化フロントの制御された停止を可能にするために、水素に富んだ水蒸気および乾燥された酸素または酸素に富んだ水蒸気の導入の間に処理温度に維持される。本方法の促進のためには、基板は、特に工程ｃ）の直後に処理室から取り出され、このことは、酸化フロントが乾燥された酸素または酸素に富んだ水蒸気の導入によって制御されて停止されたので、可能なことである。従って、処理室中での基板の制御された冷却は、もはや不要である。
【００１４】
水素に富んだ水蒸気の導入は、所定の処理温度への基板の加熱前、加熱中および／または加熱後に行なうことができるが、しかし、この場合には、側方に進行する酸化のできるだけ正確に定義された条件を設けるために、急速加熱装置（ＲＴＰ装置）中での熱処理の際に、好ましくは加熱前に導入が行なわれる。
【００１５】
次に、本発明を本発明の好ましい実施例につき図を参考しながら詳説する。
【００１６】
図１は、面発光型半導体レーザー１のためのＡｌＧａＡｓ構造体の略示断面図を示し、このレーザーの光出射絞りは、本発明による方法により製造されている。
【００１７】
レーザーは、ＧａＡｓ基板を有し、このＧａＡｓ基板上には、第１の多数のｎドープされたＡｌＧａＡｓ層が施こされている。第１の多数の層は、ＧａＡｓ基板上の範囲４内に施こされており、この層は、本質的にＧａＡｓ基板３と同じ周囲寸法を有する。層のドーピングは、図１に示されているように、範囲４を超えて変化する。
【００１８】
更に、区間６において、第２の多数の層は、第１の多数の層上に施こされている。第２の区間６において、多数の層は、円形の円錐台またはメサ状形、即ち基板上に盛り上がって層構造を形成する程度に施こされているかまたは処理されている。
【００１９】
第１の多数の層を有する区間４に隣接して、最初にＧａＡｓＭＱＷ層が設けられてる。引続き、アルミニウム層８が続き、さらにこのアルミニウム層上には、多数のｐドープされたＡｌＧａＡｓ層が設けられている。円錐台の上面には、矢印１０、１１によって示されているように、レーザーを活性化するために電気的接点が設けられている。
【００２０】
アルミニウム層８は、暗色で示された酸化されている外側範囲１３ならびに明色で示された酸化されていない中心範囲１４を有し、この場合この中心範囲は、レーザーのための絞りとして使用される。良好なレーザー活性化および光ファイバーへのレーザーの良好な結合のためには、酸化されていない中心範囲１４ができるだけ正確に定義された円形の絞りを形成していることが重要である。
【００２１】
このように正確に定義された円形の絞りは、以下に記載された本発明による方法によって製造することができる。
【００２２】
酸化されている外側範囲１３の形成のために、アルミニウム層８が十分に酸化されていない状態にある上記構造を有するＡｌＧａＡｓ構造体は、熱処理装置の処理室中に積み込まれている。熱処理装置は、例えば本明細書と同一の出願人に由来するドイツ連邦共和国特許出願公開第１９９０５５２４号明細書の記載から公知の急速加熱装置であり、この場合この急速加熱装置は、その限りにおいては反復を避けるために本発明の対象に対するものである。
【００２３】
引続き、ＡｌＧａＡｓ構造体の温度は、アルミニウム層８の良好に定義された酸化にとって好ましい３００〜７００℃の処理温度に加熱される。前記構造体の加熱後に、水素に富んだ水蒸気は、加熱装置の処理室中に導入される。水素に富んだ水蒸気は、例えば水素を水蒸気に導通させることにより発生される。また、選択的に水素に富んだ水蒸気混合物は、以下の図２および３に記載されたバーナーによって発生させることもできる。
【００２４】
水素に富んだ水蒸気の導通によって、処理室内で次の化学反応が生じる：
２ＡｌＡｓ＋３Ｈ２Ｏ＝Ａｌ２Ｏ３＋２ＡｓＨ３
ＡｌＡｓ＋２Ｈ２Ｏ＝ＡｌＯ（ＯＨ）＋ＡｓＨ３
ＡｌＯ（ＯＨ）＋ＡｌＡＳ＋Ｈ２Ｏ＝Ａｌ２Ｏ３＋２ＡｓＨ３
ＡｌＡｓ＋３Ｈ２Ｏ＝Ａｌ（ＯＨ）３＋ＡｓＨ３
Ａｌ（ＯＨ）３＋ＡｌＡｓ＝Ａｌ２Ｏ３＋ＡｓＨ３
２ＡｌＡｓ＋６Ｈ２Ｏ＝Ａｌ２Ｏ３＋Ａｓ２Ｏ３＋６Ｈ２
Ａｓ２Ｏ３＋６Ｈ２＝２ＡｓＨ３＋３Ｈ２Ｏ
この場合には、アルミニウム層の側方に進行する酸化を生じ、この酸化は、層８の側方縁部から内向きに進行する。酸化の側方への速度は、公知であり、酸化の一定の進行の達成後、即ち一定の時間の経過後に水素に富んだ水蒸気の導入は、停止される。
【００２５】
引続き、水素を処理室から駆出させるために、処理室は、ガス、有利に不活性ガスで洗浄される。不活性ガスとしては、有利に窒素および／または希ガス、例えばアルゴンが使用される。
【００２６】
処理室を不活性ガスで洗浄した後に、乾燥された酸素または酸素に富んだ水蒸気は、処理室中に導入される。乾燥された酸素または酸素に富んだ水蒸気の導入によって、次の化学反応が生じる：
４ＡｌＡｓ＋５Ｏ２＝２Ａｌ２Ｏ３＋４ＡｓＯまたは
２ＡｌＡｓ＋３Ｏ２＝Ａｌ２Ｏ３＋Ａｓ２Ｏ３
それによって、酸化フロントの進行は、酸化層の固定化によって達成される。従って、レーザーのために絞りの定義された縁部範囲を形成させるために、酸化フロントの進行および酸化されていない絞り１４の形成は、正確に制御されることができる。
【００２７】
また、不活性ガスを用いての上記の洗浄工程の代わりに、処理室の洗浄のために水素に富んだ水蒸気の駆出後に乾燥された酸素または酸素に富んだ水蒸気を導入する目的で、別のガス、例えば純粋な水蒸気を処理室中に導入することが可能である。酸素の導入前の水素の駆出は、処理室中での爆鳴気混合物の形成を阻止するために、必要とされる。
【００２８】
水素に富んだ水蒸気および／または酸素に富んだ水蒸気は、バーナー２０で得ることができ、この場合このバーナーは、図２に断面図で略示されている。図３は、全体の装置２２をブロック図で略示しており、この場合この装置は、上記方法の実施のために適しており、図２によるバーナー２０および熱処理装置２４を含む。
【００２９】
バーナー２０および装置２２は、例えば本明細書と同一の出願に由来する、"プロセスガスを発生させるための方法および装置" の発明の名称で、２００１年４月２３日出願の公開されていないドイツ連邦共和国特許出願第１０１１９７４１号に記載されている構造体であり、この場合この構造体は、その限りにおいては反復を避けるために本発明の対象に対するものである。
【００３０】
総括的に云えば、バーナー２０は、燃焼室２５を有するケーシング２３を備えている。燃焼室２５は、装入管２７を有し、この装入管は、第１のガス装入導管および第２のガス装入導管２８、３０と結合されている。装入導管２８、３０を介して、それぞれ制御されて酸素または水素は、燃焼室２５中に導入されることができる。装入導管２８、３０を介して導入されるガスを加熱し、かつその際に生じる、水素および酸素からなる爆鳴気混合物の燃焼させるために、装入管２７の範囲内で、装入導管２８、３０を包囲する加熱リング３２が設けられている。燃焼は、相応する火焔センサー３４で監視される。燃焼の場合には、生成される酸素／水素ガス混合物の成分の化学量論的な燃焼によって水蒸気が生成される。成分の１つが化学量論的な割合を上廻る場合には、酸素に富んだ水蒸気混合物または水素に富んだ水蒸気混合物が生じ、これらの水蒸気混合物は、ＶＣＳＥＬ１の熱処理のために図３に記載の熱処理装置２４中に導入されることができる。
【００３１】
酸素含量または水素含量を上昇させることによって、酸素に富んだ水蒸気混合物と水素に富んだ水蒸気混合物との間で交換が生じることができ、この場合この交換の際に、バーナーの外部では爆鳴気混合物が全く生成されえないことに注目することができる。これは、完全な燃焼を保証し、かつバーナーからの過剰の酸素の駆出のために、例えば酸素に富んだ水蒸気混合物の発生後に一定の時間で化学量論的割合の酸素と水素が導入されることが達成されうる。引続き初めて、水素に富んだ水蒸気混合物を発生させるために、付加的に水素はバーナー中に導入される。
【００３２】
勿論、選択的にバーナーは、中期の時間に不活性ガスで洗浄されてもよく、この場合この不活性ガスは、同時に熱処理装置２４の洗浄に使用されてもよい。
【００３３】
図３から認めることができるように、本発明による熱処理法に使用されることができる全体の装置２２は、制御装置４０を有し、この制御装置は、相応する弁４２を介してバーナー２０中への異なるガスの供給を制御するかまたはバーナー２０と熱処理装置２４との間の接続導管を制御する。バーナー２０と熱処理装置２４との間の接続導管中への酸素または水素の導入によって、酸素に富んだ水蒸気混合物または水素に富んだ水蒸気混合物の酸素含量または水素含量を正確に調節することが可能である。
【００３４】
本発明は、先に好ましい実施例につき記載されたが、しかし、具体的に示されたこの実施例に制限されるものではない。例示的に、酸素に富んだ水蒸気混合物または水素に富んだ水蒸気混合物の発生のためには、図２に記載されたバーナーの使用は、不要である。むしろ、混合物は、水の蒸発および水蒸気への酸素または水素の導入によって製造されてもよい。更に、多数の層を有する基板を処理するための本発明による方法は、任意の処理室圧力で実施されてもよい。例示的に、ＲＴＰ装置中での方法は、常圧（大気圧）、過圧または低圧で実施することができる。適当な低圧および室の設計の場合には、場合による爆鳴気の爆発の場合による爆発圧力は、室または基板が損なわれない限り、減少させることができる。従って、水素に富んだ水蒸気と酸素の富んだ水蒸気との間（または反対の）の直接的な切換は、可能であり、この場合には、爆鳴気混合物の回避のために室は、不活性ガスまたは純粋な水蒸気によって洗浄されることはない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】面発光型半導体レーザー（ＶＣＳＥＬ）のためのＡｌＧａＡｓ半導体構造を示す略示断面図。
【００３６】
【図２】水素含有水蒸気または酸素含有水蒸気を備えさせるためのバーナーを示す略示断面図。
【００３７】
【図３】本発明による方法を実施するための基板処理装置を示す略示ブロック図。
【符号の説明】
【００３８】
１  面発光型半導体レーザー
３  ＧａＡｓ基板
４  範囲
６  区間
８  アルミニウム層
１０、１１  矢印
１３  暗色で示された酸化されている外側範囲
１４  明色で示された酸化されていない中心範囲
２０  バーナー
２２  全体の装置
２３  ケーシング
２４  熱処理装置
２５  燃焼室
２７  装入管
２８  第１のガス導入導管
３０  第２のガス導入導管
３２  加熱リング
３４  火焔センサー３４
４０  制御装置
４２  弁
【図３】
2005501409.tif 000003
【図１】
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【国際公開パンフレット】
2005501409.tif 000005
2005501409.tif 000006
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2005501409.tif 000008
2005501409.tif 000009
2005501409.tif 000010
2005501409.tif 000011
2005501409.tif 000012
2005501409.tif 000013
2005501409.tif 000014
2005501409.tif 000015
2005501409.tif 000016
2005501409.tif 000017
2005501409.tif 000018
2005501409.tif 000019
2005501409.tif 000020
2005501409.tif 000021
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2005501409.tif 000022
2005501409.tif 000023
【国際調査報告】
2005501409.tif 000024
2005501409.tif 000025
2005501409.tif 000026
2005501409.tif 000027
2005501409.tif 000028
2005501409.tif 000029