(57)【要約】【課題】長寿命のフラッシュ発光をできるものを提供するものである。【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（２０）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て、前記フラッシュランプの１パルスの発光における最大電流密度が２．５ＫＡ／ｃｍ２以上であって、かつ、ランプへの電流注入開始から１０μ秒経過後の電流値が２００Ａ以上でかつ、２４×（最大電流密度）３．５以下であることを特徴とする。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。【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、
前記フラッシュランプの１パルスの発光における最大電流密度が２．５ＫＡ／ｃｍ２以上であって、かつ、ランプへの電流注入開始から１０μ秒経過後の電流値が２００Ａ以上でかつ、２４×（最大電流密度）３．５以下であることを特徴とする光加熱装置。
【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（ウエハ内部に予めドープした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、照射時間も極めて短いことからシリコンウエハがバルクとして受ける温度を下げることができ、大きなメリットがある。しかしながら、この用途に使われるフラッシュランプの点滅回数で表す寿命は１０万回〜１００万回とされているが、それを全うすることなく、照度劣化、ランプ破壊、不点灯になるものが３０％の割合で存在するという問題がある。
これは、上記シリコンウエハの熱処理という用途に使うフラッシュランプが、高速プリンターやカメラなどに使う光源とは異なり、熱的、エネルギー的に厳しく過酷な条件で使用を強いていることが原因と考えられる。
【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、シリコンウエハなどの光加熱プロセスに使用するフラッシュランプを熱源とした光加熱装置であって、長寿命のフラッシュ発光をできるもの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構成されて、前記フラッシュランプの１パルスの発光における最大電流密度が２．５ＫＡ／ｃｍ２以上であって、かつ、ランプへの電流注入開始から１０μ秒経過後の電流値が２００Ａ以上でかつ、２４×（最大電流密度）３．５以下であることを特徴とする。
【０００９】
本発明者は、鋭意検討の結果、最大電流密度が２５００Ａ（アンペア）／ｃｍ２というエネルギー的に厳しく過酷な条件で使用を強いることになるシリコンウエハの光加熱プロセスにおいては、使用時間の経過に伴う電極の磨耗こそが照度劣化、ランプ破壊、不点灯の原因につながることを突き止めた。特に、フラッシュランプの発光初期から電極、主に陰極側周辺の発光管内壁に電極のスパッタと思われる灰色の薄膜が形成されている。
そして、この灰色の薄膜が遮光することで当該部分からの放射光が十分にシリコンウエハに到達することができず、結果として照度低下ということになってしまう。さらに、この灰色の薄膜が光を吸収することでその他の部分に比較して温度が上昇してしまい、これが原因となって発光管に残留応力を生じさせるとともに発光管の破壊を導くものと考えられる。そして、これら発光管の変色と温度上昇に伴い、ランプ不点灯も導いているものと考えられる。現に、本発明者は電極、特に陰極を観察したところ、その表面は大きく荒れて形状変化していることが確認されている。
【００１０】
このような原因を突き止めた後、ランプへの電流の供給の仕方、具体的には、時間と供給量の関係を考慮することで電極へのダメージを軽減できることを見出したわけである。
ここで、「最大電流密度」とは、フラッシュランプに流れる電流値の最大値であって、放電容器の断面積で割った値を意味する。放電容器の断面積とは、電極間の一部分であって、放電容器の内面積であって、本発明のフラッシュランプは直管状であって放電容器の電極間の断面積は、微小な製造上の加工誤差などを無視すれば、一定であるということが前提となる。
【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ものエネルギーが充放電を起こし、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の範囲の場合に、１０〜５０Ｊ／ｃｍ２範囲から選択され、例えば２０Ｊ／ｃｍ２となる。
また、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。
【００２０】
図５は、図１に示す光加熱装置と図３に示す給電装置により、トリガ電極による電圧印加に伴い、フラッシュランプを発光させた場合の電流波形の概略図を表す。このうち、▲１▼は急激に放電電流が流れる場合の電流波形を表し、▲２▼は比較的緩やかに放電電流が流れる場合の電流波形を表す。
【００２１】
ここで、フラッシュランプからの供給エネルギーは、光加熱処理というプロセス上の理由によりある程度の量は必要となり、積分放射量（図５において電流波形で形成される面積）を必要以上に小さくすることはできない。このため、電極にダメージを与えないように、給電装置からランプに対してエネルギーを供給させるためには、前記電流波形のピーク値の時間的、電流量的な位置が重要なポイントとなる。このピーク値は図４においてＰ１、Ｐ２で示している。
そして、本発明者は、ピーク値Ｐ１，Ｐ２のポジションを、給電装置からランプへの電流注入開始後１０μ秒経過時の電流値を考慮することとした。１０μ秒経過時の電流値を考慮した理由は、本発明が対象とするシリコンウエハの光加熱では、１回の閃光発光でランプに電流が流れる時間が概ね１０００μ秒であり、この１０００μ秒間に形成される電流波形は、初期値とピーク値が大きく影響しており、初期電流量として、具体的に閃光発光開始（電流がランプに注入開始）から１０μ経過時を選定したのである。
【００２２】
次に、電流波形のピーク値のポジションと放電容器の変色との因果関係を立証する実験について説明する。
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、フラッシュランプの発光における電流波形（図４に示す波形）を変化させて実験を行なった。
実験は、直径４インチ、厚さ７２５μｍのシリコンウエハをヒータ内蔵型ステージにセッティングさせ、シリコンウエハを約３５０℃に予備加熱させた。フラッシュランプは、電極間距離１６０ｍｍ、内径１０ｍｍ、断面積７８．５ｍｍ２、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。
そして、フラッシュランプそのものに関する条件は同一として、給電装置の条件を変化させてフラッシュランプに供給される電流波形、具体的にはピーク値のポジションを変化させた。給電装置の条件とは、具体的には、図３に示す主コンデンサＣの容量やインダクタンスＬの値である。
【００２３】
図６は、ランプに電流が注入されてから１０μ秒経過後の電流値と、１パルスにおける最大電流密度、さらに、当該発光を１０万回させた後のステージ面における照度を初期照度との比率で表している。
照度比率については、１０万回点灯後の照度が初期照度の７０％より大きければ、実用上合格値として認知されているので、この実験においても７０％より大きいものを合格とし、７０％も含めてそれ以下のものを不合格と評価した。すなわち、実験１、実験３、実験４、実験６は合格であり、実験２、実験５は不合格である。
【００２４】
図７は、図６に示す結果をプロットした図であって、縦軸はランプに電流が注入されてから１０μ秒経過後の電流値（Ａ）を示し、横軸は１パルスにおける最大電流密度（ＫＡ／ｃｍ２）を示している。
この図から、合格の領域を算出すると、ランプに電流が注入されて始めてから１０μ秒経過後の電流値（Ａ）が、１パルスにおける最大電流密度Ｂ（ＫＡ／ｃｍ３）との関係において、２４×Ｂ３．５以下が良いことが分かる。
なお、ランプに電流が注入されて始めてから１０μ秒経過後の電流値（Ａ）が２００（Ａ）以下の場合は発光時間が長くなりすぎ、ランプを黒化させるという点で好ましくない。
【００２５】
以上、説明したように、最大電流密度が２５００Ａ（アンペア）／ｃｍ２という過酷な条件で使用を強いるシリコンウエハの光加熱プロセスにおいて、照度劣化、ランプ破壊、不点灯という問題は、使用時間の経過に伴う電極の磨耗に起因することを突き止め、ランプへの電流供給の仕方、具体的には、時間と供給量の関係を考慮することで良好に解決するものである。
具体的には、フラッシュランプの１パルスの発光における最大電流密度が２．５ＫＡ／ｃｍ２以上であって、かつ、ランプへの電流注入開始から１０μ秒経過後の電流値が２００Ａ以上でかつ、２４×（最大電流密度）３．５以下とすることで前記問題を解決できる。
【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波長のスペクトルを示す。
【図５】フラッシュランプを発光させた場合の電流波形を示す。
【図６】この発明の実験結果について示す。
【図７】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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【図６】
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【図７】
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