(57)【要約】【課題】フラッシュランプを光源とした光加熱装置であって、シリコンウエハの割れを防止するものを提供すること。【解決手段】希ガスを封入するフラッシュランプ（２０）と、このフラッシュランプ（２０）を取り囲むケーシング（３２）と、フラッシュランプからの放射光が照射されるシリコンウエハを載置するステージと、フラッシュランプの発光を制御する給電装置からなり、このステージ面における前記フラッシュランプの１回の発光は、波長２２０ｎｍ〜３７０ｎｍの範囲の積分放射強度Ａと、波長３７０ｎｍ〜８００ｎｍの範囲の積分放射強度Ｂとの比率Ｂ／Ａが１．０以上であることを特徴とする。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
希ガスを封入するフラッシュランプと、このフラッシュランプを取り囲むケーシングと、フラッシュランプからの放射光が照射されるシリコンウエハを載置するステージと、フラッシュランプの発光を制御する給電装置から構成される光加熱装置において、
前記ステージのウエハ載置面における前記フラッシュランプの１回の発光は、波長２２０ｎｍ〜３７０ｎｍの範囲の積分放射強度Ａと、波長３７０ｎｍ〜８００ｎｍの範囲の積分放射強度Ｂとの比率Ｂ／Ａが１．０以上であることを特徴とする光加熱装置。
【請求項２】
前記フラッシュランプからの放射光は、気密な透光部材を介して前記ステージ面に向って放射され、このステージ面における照射エネルギー密度は、２０Ｊ／ｃｍ２以上であることを特徴とする請求項１の光加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は光加熱装置に関し、特に、シリコンウエハなどの基板を光照射により急速に加熱処理する光加熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコンウエハなどの基板を光照射により加熱する光照射式加熱装置が知られている。
これは半導体製造工程においてウエハを急速加熱、高温保持、急速冷却するものであり、成膜（ウエハ表面に酸化膜を形成する）、拡散（ウエハ内部に不純物を拡散させる）など広い範囲で行なわれる。拡散についていえば、シリコンウエハの表層部分におけるシリコン結晶に、イオン注入により不純物を導入し、この状態のシリコンウエハに、例えば１０００℃以上の熱処理を施して当該不純物を拡散させることによってシリコンウエハの表層部分に不純物拡散層を形成するものである。
【０００３】
シリコンウエハの熱処理を行なうためには、ランプを加熱源として用い、この加熱源から放射される光をウエハに対して照射することによって急速に加熱し、その後、急速に冷却することができるＲＴＰ（Ｒａｐｉｄ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓ）装置が知られている。このような装置の加熱源としてはハロゲンランプが知られていた。
【０００４】
しかしながら、近年、半導体集積回路の高集積化、微細化がますます要求されていることから、例えば２０ｎｍ以下というより浅いレベルで不純物拡散を形成することが必要となっており、ハロゲンランプを加熱源とした装置では、このような要請に十分に対応することが困難になっている。
【０００５】
また、極めて浅い領域に不純物拡散を達成する方法としては、レーザ照射（ＸｅＣＬ）を用いて、このレーザ光によって数ミリメートルの照射幅でシリコンウエハをスキャンして熱処理を行なう装置と方法が知られている。
しかしながら、レーザ光を使う装置は非常に高価であり、また、シリコンウエハの表面上を小さなスポット径のレーザビームでスキャンしながら熱処理するには、スループットという点で問題がある。
【０００６】
そこで、光源として、フラッシュランプ（フラッシュランプ）を使い、シリコンウエハに対して極めて短時間に加熱する方法も提案されている。このフラッシュランプによる熱処理方法は、シリコンウエハが受ける温度を下げることができ、照射時間も極めて短いことから大きなメリットがある。しかしながら、フラッシュランプを点灯させる照射処理時、あるいは照射処理後にシリコンウエハが割れてしまうという問題が発生した。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
この発明が解決しようとする課題は、フラッシュランプを熱源とした光加熱装置であって、シリコンウエハの割れを防止できる構成を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、この発明の光加熱装置は希ガスを封入するフラッシュランプと、このフラッシュランプを取り囲むケーシングと、フラッシュランプからの放射光が照射されるシリコンウエハを載置するステージと、フラッシュランプの発光を制御する給電装置からなり、このステージ面における前記フラッシュランプの１回の発光は、波長２２０ｎｍ〜３７０ｎｍの範囲の積分放射強度Ａと、波長３７０ｎｍ〜８００ｎｍの範囲の積分放射強度Ｂとの比率Ｂ／Ａが１．０以上であることを特徴とする。
【０００９】
キセノンなどの希ガスを封入する放電ランプは、波長２２０ｎｍから８００ｎｍの全波長領域にわたり連続的な放射スペクトルを発光する。したがって、被照射物であるシリコンウエハにも広範囲の連続スペクトル光が照射されることになる。
この現象から、本発明者は、シリコンウエハは照射面からの深さ方向（厚み方向）において、波長による吸収特性が異なり、ウエハの厚み方向において到達する光波長のスペクトル範囲が微妙に相違していることに着目した。
具体的には、シリコンウエハの照射面から深さ数十ｎｍ付近を強力に加熱する波長域の光（短波長光）と、それよりも深い部分を加熱する波長域の光（長波長光）が存在しており、浅い部分を加熱する光の成分が多すぎる場合に、シリコンウエハの厚み方向の温度分布（温度勾配）が大きくなり、これが原因となって、シリコンウエハに割れを生じさせているものと考えた。
そして、シリコンウエハの厚み方向における浅い部分と深い部分において、吸収される光成分の比率を調整することで、当該ウエハ割れの問題を良好に解決できることを見出したものである。
【００１０】
さらに、前記フラッシュランプからの放射光は気密な透光部材を介して前記ステージ面に向って放射され、このステージ面における照射エネルギー密度は、２０Ｊ／ｃｍ２以上であることを特徴とする。
これは、ステージ面における照射エネルギー密度が２０Ｊ／ｃｍ２以上という大きなエネルギーによる光加熱処理では、上記したウエハの厚み方向における光吸収の相違に基づくウエハの割れ以外に、ランプの発光に伴う衝撃波の影響を受けていることを見出した。
そして、フラッシュランプからの放射光を、直接、シリコンウエハに照射させるのではなく、気密な透光部材を透過させて照射させることで、当該透光部材が衝撃波を遮断する役割を果たし、その影響を低減させるというのである。ここで、「気密な透光部材」とは、網やスリットのように空間的に連通する透光部材を排除する意味であって、石英ガラスなどの板状部材によって、透光部分において空間的に仕切る構成を意味するものをいう。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の光加熱装置の概略構成を示す。
光加熱装置１０は、シリコンウエハＷを被処理物とするものであって、雰囲気ガス導入口１１Ａと、排出口１１Ｂとを有する石英ガラス製のチャンバー１１と、このチャンバー１１内に配置されたシリコンウエハを支持するためのステージ１２とを備えている。チャンバー１１の天井面（図１において上面）には、石英の平板１３が気密な透光部材として設けられる。
【００１２】
透光部材１３の上方には、フラッシュランプ２０が加熱源として設けられ、チャンバー１１の下方には予備加熱手段としてのハロゲンヒータランプ３０が設けられている。このヒータランプ３０は、ステージ１２に埋設されて、チャンバー制御回路３１により温度制御される。このチャンバー制御回路３１では、ステージ１２の昇降機能やガス導入口１１Ａ、ガス排出口１１Ｂの開閉制御なども行なわれる。
【００１３】
この光加熱装置１０によれば、不純物が導入されたシリコンウエハＷがチャンバー１１内に搬入されると、ヒータランプ３０によりシリコンウエハＷを不純物の熱拡散が問題にならない所定温度まで予備加熱した後、フラッシュランプ２０を発光させることでシリコンウエハＷへの閃光放射による熱処理が行なわれる。このような熱処理により、シリコンウエハＷはその表層部分が急速に高温になるよう加熱され、その後、急速に冷却されてチャンバー１１から搬出される。なお、予備加熱は、ウエーハの厚み方向の温度勾配を小さくすることと照射面の温度を必要な程度まで上昇させるために必要なランプに注入するエネルギーを最小に留めるという理由で行なうことが好ましく、加熱温度は、３００〜５００℃の範囲から選択され、例えば、３５０℃である。
また、ヒータランプ３０とフラッシュランプ２０による熱処理中におけるウエハの表面温度は１０００℃以上になり、具体的には１０００℃〜１３００℃の範囲で熱処理される。このように、ウエハにおける最大温度を１０００℃以上にまで加熱することにより、ウエハ表層部分に確実に不純物拡散層を形成することができる。
【００１４】
フラッシュランプ２０は、透光部材１３に沿って等間隔で並行に配列されており、これらフラッシュランプ２０に対して共通の反射鏡３２が覆い被さり、この反射鏡３２をケーシング３４が収納する。また、各フラッシュランプ２０の点灯動作は給電装置３４により制御される。
この実施例においては、フラッシュランプ２０を内蔵するケーシング３３は放射光側が開口になっているが、この開口を覆うように透光部材を設けることもできる。
【００１５】
図２は、フラッシュランプ２０の概略構成を示す。
直管型の石英ガラス製放電容器２１には、例えば、キセノンガスが封入されており、両端が封止されて内部に放電空間が区画される。放電空間内には陽極２２、陰極２３が対向配置しており、放電容器２１の外面には長手方向にトリガ電極２４がトリガバンド２５に保持されて配設される。
【００１６】
フラッシュランプについて数値例をあげると、放電容器の内径はφ８〜１５ｍｍの範囲から選択され、例えば１０ｍｍ、放電容器の長さは２００〜５５０ｍｍの範囲から選択され、例えば３００ｍｍである。
封入ガスであるキセノンガスの封入量は２００〜１５００ｔｏｒｒの範囲から選択され、例えば５００ｔｏｒｒである。また、主発光成分としてはキセノンガスに限らず、その代わりにアルゴンやクリプトンガスを採用することもできる。また、キセノンガスに加えて水銀など他の物質を添加することもできる。
電極は、タングステンを主成分とする焼結型電極であって、大きさは外径が４〜１０ｍｍの範囲から選択され、例えば５ｍｍ、長さが５〜９ｍｍの範囲から選択され、例えば７ｍｍである。電極間距離は１６０〜５００ｍｍの範囲から選択され、例えば２８０ｍｍである。また、陰極にはエミッターとして酸化バリウム（ＢａＯ），酸化カルシウム（ＣａＯ），酸化ストロンチウム（ＳｒＯ），アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）などが混入されている。
さらに、トリガ電極は、ニッケルやタングステンで形成されるワイヤ状のものであり放電容器に接触される。
【００１７】
図３は、図１に示す給電装置３４であって、フラッシュランプ２０の点灯回路を示すもので、特に、複数のフラッシュランプ２０に対して共通の充電回路Ｓと各フラッシュランプごとに対応する発光回路Ｈを有している。
充電回路Ｓは、交流電源ＡＣに接続され、スイッチングインバータ回路、トランスＴ、整流回路、およびインバータ回路の制御回路から構成される。
整流回路の後段には、フラッシュランプごとに設けられた発光回路Ｈ（Ｈ１、Ｈ２・・・Ｈｎ）が接続される。各発光回路Ｈは、逆流防止ダイオードＤ、電圧検出用抵抗回路Ｒ、主コンデンサＣ、チョークコイルＬなどから構成され、この発光回路Ｈにフラッシュランプ２０が接続される。
また、各フラッシュランプ２０には、トリガー電極２４が併設され、このトリガ電極２４はトリガー回路２６に接続される。なお、フラッシュランプ２０と発光装置Ｈは、実際には２０〜３０個接続されている。
【００１８】
このような給電装置において、インバータ回路を経て各発光回路Ｈの主コンデンサＣにエネルギーが充電される。主コンデンサＣに十分なエネルギーが充電されると、トリガ電極２４の印加によって、石英ガラスからなる放電容器を誘電体として電界を誘発するとともに、それにつれて主コンデンサＣのエネルギーが一騎に放電してフラッシュ発光（閃光発光）をする。ここで、各発光回路Ｈでは主コンデンサＣの充電電圧を検知するとともに、全ての発光回路の主コンデンサＣが充電を完了したら、全てのトリガ電極に同時に電圧を印加させて、フラッシュランプを同じタイミングで一斉に発光させなければならない。
【００１９】
このような給電装置によるフラッシュランプの発光について、数値例をあげると、主コンデンサＣの充放電は、例えば１分間に０．５〜２回、具体的には１回の割合で繰り返され、主コンデンサＣには、例えば、２０００〜５０００Ｖの範囲から選択され、例えば４５００Ｖ、エネルギーで表現すると１２００〜７５００Ｊの範囲から選択され、例えば６０００Ｊものエネルギが充放電を起こし、各フラッシュランプに供給する。
フラッシュランプの本数は、前記のように５〜３０本から選択されて、例えば、１０本である。そして、照射面における光強度は、フラッシュランプの総本数が５〜３０の範囲として、１０〜５０Ｊ／ｃｍ２範囲から選択され、例えば２０Ｊ／ｃｍ２となる。
【００２０】
図４は、ステージのウエハ載置面における放射光のスペクトルを表す。縦軸は波長５００ｎｍの強度に対する相対放射強度を示し、横軸は波長（ｎｍ）を示している。
このうち、波長２２０ｎｍ〜波長３７０ｎｍを短波長の光、波長３７０〜８００ｎｍを長波長の光と、本発明では称している。そして、短波長の光と長波長の光は、シリコンウエハの厚み方向において吸収量が異なっている。
具体的には、波長２２０ｎｍ〜波長３７０ｎｍの光は、大きな光強度として表面のごく浅い部分のみを加熱しているのに対し、波長３７０〜８００ｎｍｎｍの光は表面から深さ４００ｎｍの領域まで同じ程度（短波長に比較すると）の光強度をもって加熱に寄与する。
ここで、シリコンウエハの厚さは、概略７２５μｍであり、イオン注入などで導入された不純物を活性化させるためには、概略１００ｎｍの深さまでを加熱させなければならない。
【００２１】
そして、本発明者は、上記ウエハ加熱に関する特性からフラッシュランプから放射される波長２２０ｎｍ〜波長８００ｎｍの波長範囲において短波長領域の光と長波長領域の光の強度比を調整することでウエハの厚さ方向における加熱状態のアンバランスを解消することができ、これによってウエハが割れるという問題も良好に解決できることを見出した。
【００２２】
次に、上記短波長領域の光と長波長領域の光の強度比とウエハ割れの因果関係を立証する実験例について説明する。
図１に示す装置と概略同様の構成であって、フラッシュランプを便宜上１本配置させた簡易な装置を構成して、短波長領域の光と長波長領域の光の強度比を変化させて実験を行なった。
実験の仕様は、直径４インチ、厚さ７２５μｍのシリコンウエハをヒータを内蔵したステージ上にセッティングさせ、シリコンウエハを約３５０℃に加熱した。フラッシュランプは、電極間距離１６０ｍｍ、内径１０ｍｍ、キセノンガスを主発光成分として封入したものを採用した。これらは同一条件として、発光管の材料と構成を個々に変化させて短波長領域の光と長波長領域の光の強度比を変化させた。具体的には、発光管材料はシリカガラスに酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化セリウム（ＣｅＯ２）を含有させて、含有量を数十〜数百重量ｐｐｍの範囲で変化させた。さらに、発光管の内径は前記のように１０ｍｍであるが、ガラス管の肉厚を変化させた。
ここで、「短波長領域」とは波長２２０ｎｍ〜３７０ｎｍの範囲であって、その積分放射強度Ａとし、また、「長波長領域」は波長３７０〜８００ｎｍの範囲であって、その積分放射強度Ｂとした。光強度の測定は、ステージにファイバー端面をランプに向けて配置させるとともに、ファイバーによって瞬時分光器（スペクトルラジオメータ）まで導光させて波長分解能０．５ｎｍ、時間分解能５ｍ秒で測定を行なった。
積分放射強度は、各々の波長範囲における放射強度の積分値であって、１回のフラッシュ発光の合計値を測定している。
【００２３】
以上の実験によって、短波長領域は波長２２０ｎｍ〜３７０ｎｍの範囲として積分放射強度Ａと、長波長領域は波長３７０〜８００ｎｍの範囲として積分放射強度Ｂとして放射強度比Ｂ／Ａが、０．８．０．９、１．０、１．３、３．０、５．０の場合にシリコンウエハは割れたか否かを測定した。
さらに、フラッシュランプとシリコンウエハの間に窓部材を介在させた場合と、介在させない場合の両ケースに対して実験を行なった。
測定は、各々の条件に対してシリコンウエハ２５枚に対して何枚割れたかを見ている。
【００２４】
図５に実験の結果を表す。窓部材を介在させた場合は、Ｂ／Ａが１．０、１．３、３．０、５．０のとき、２５枚のシリコンウエハは１枚も割れることがなかった。一方、Ｂ／Ａが０．８のときは８枚のウエハが割れ、また、０．９のときは５枚のウエハが割れた。
この実験より、Ｂ／Ａが１．０より大きい（１．０も含む）場合には、シリコンウエハが厚み方向において応力が発生しない程度に緩やかな温度勾配をもって加熱させることができるのに対し、１．０より小さい場合には、シリコンウエハの厚み方向において温度勾配が急激となり応力発生に基づくウエハ割れが発生したものと推測される。
【００２５】
なお、Ｂ／Ａをより大きくすると、ウエハを厚み方向においてより温度勾配の小さい加熱を達成することが可能になると推測できる。しかしながら、イオン注入などで導入された不純物を活性化させるためには、前記のようにウエハ表面から概略１００ｎｍの深さまでであるため、それ以上の厚さまでの均一加熱を考慮することは加熱に必要のないエネルギー消費の割合を増加させるという観点から望ましいことではない。この意味において、Ｂ／Ａの上限値は５．０、より望ましくは３．０である。
【００２６】
また、フラッシュランプとシリコンウエハの間に窓部材を介在させない場合は、Ｂ／Ａが０．８〜５．０の全てにおいてウエハ割れを発生させた。これは、フラッシュランプの発光エネルギーが大きい場合にランプからの衝撃波が発生して、これが原因でウエハ割れを生じさせるものと考えられる。つまり、短波長領域の光と長波長領域の光の強度比を考慮したとしても、フラッシュランプの発光エネルギーが大きい場合は衝撃波の影響を受けることになる。
本発明者は、鋭意検討することで、ウエハ照射面における照射エネルギー密度が２０Ｊ／ｃｍ２以上のときにウエハ割れという意味の衝撃波の影響を受けることを見出している。
【００２７】
上記実施例においては、Ｂ／Ａを変化させるファクターとして、発光管の材料と肉厚を採用したが、これに限るものではなく、発光管内のガス圧、希ガスのガス種、フラッシュランプへの投入エネルギーなど他のファクターを採用することもできる。
また、本発明においては、「短波長領域」の範囲を波長２２０ｎｍ〜３７０ｎｍとして、「長波長領域」の範囲を波長３７０〜８００ｎｍとしたが、波長３７０ｎｍを境界にすることで、Ｂ／Ａが「１．０」という数値によって本発明の作用効果を規定できるものであって、技術思想としては、ウエハの表面近傍で吸収される短波長の光と、ウエハ内部まで侵入する長波長の光を放射強度比を規定することにある。
【００２８】
また、図１に示す装置においては、ステージを有するチャンバーに光透過窓を配置させたが、フラッシュランプを有するケーシングに光透過窓を設けることも可能であり、両者に光透過窓を設けてもよい。
また、１回のフラッシュ発光は、概ね５０〜１０００μｓｅｃであり、実際の処理では、ウエハに対して１〜１０回程度、典型的には５回照射させる。
本発明の光処理は、前記のように複数のフラッシュランプを配置させて、これらを同時に発光させることで照射処理する場合もあるが。この場合は、各フラッシュランプの放射スペクトルそのものは、必ずしも同じである必要はなく、ステージの照射面における短波長の光と長波長の光の比率が重要な要素となる。
【００２９】
このように、この発明の光加熱装置は、ステージ面における前記フラッシュランプの１回の発光は、波長２２０ｎｍ〜３７０ｎｍの範囲の積分放射強度Ａと、波長３７０ｎｍ〜８００ｎｍの範囲の積分放射強度Ｂとの比率Ｂ／Ａが１．０以上とすることで、シリコンウエハの厚み方向における浅い部分と深い部分における光の吸収割合を均一に調整することができ、これにより、厚み方向におけるウエハ内部の応力発生に基づき割れの問題を良好に解消することができる。
【００３０】
さらに、フラッシュランプとステージ面との間に気密な透光部材を介在させることにより、フラッシュランプからの発光エネルギーが強大な場合であっても、その衝撃波を影響を受けることなく、ウエハを良好に加熱制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る光加熱装置の全体概略構成を示す。
【図２】この発明に係る光加熱装置の加熱源であるフラッシュランプを示す。
【図３】この発明に係る光加熱装置の給電装置の回路例を示す。
【図４】ステージにおける放射光のスペクトルを示す。
【図５】この発明の実験結果について示す。
【符号の簡単な説明】
１０　光加熱装置
１１　チャンバー
１３　光透過窓
２０　フラッシュランプ
３３　給電装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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