(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
面状光源を構成する複数本のフィラメントランプと、当該フィラメントランプから放射された光を被処理体側へ反射する反射鏡とにより構成されたランプユニットと、フィラメントランプを冷却する冷却風を供給する冷却風供給機構とを備えてなり、当該フィラメントランプからの光を光取り出し窓を介して被処理体に照射することにより被処理体の加熱処理を行う光照射式加熱処理装置において、
前記反射鏡には、その中央領域に冷却風を通過させるための開口が形成されており、当該開口を覆うよう通気性を有する反射体が設けられており、当該反射体は、セラミック粒子の焼成体または金属粒子の焼結体により構成されていることを特徴とする光照射式加熱処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光照射式加熱処理装置に関し、特に、フィラメントランプを被処理体を加熱するための光源として備えた光照射式加熱処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、半導体製造工程における、例えば、成膜、酸化、窒化、膜安定化、シリサイド化、結晶化、注入イオン活性化などの様々なプロセスを行うに際しては、光源からの光照射による加熱処理が利用されており、特に、例えば半導体ウエハなどの被処理体の温度を急速に上昇させたり下降させたりする急速熱処理（以下、「ＲＴＰ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）」という。）は、歩留まりや品質を向上させることができることから、好ましく利用されている。
【０００３】
このような光照射式加熱処理装置においては、光源として例えば白熱ランプが用いられている。
白熱ランプは、光透過性材料からなる発光管の内部にフィラメントが配設されてなり、投入電力の９０％以上が全放射され、被処理体に接触することなく加熱することが可能であることから、ガラス基板や半導体ウエハの加熱用熱源として使用した場合には、抵抗加熱法に比して被処理体の温度を急速に昇降温させること、具体的には、例えば被処理体を１０００℃以上の温度にまで、数秒から数十秒間で昇温させることが可能であると共に光照射停止後、被処理体を急速に冷却することができる。
【０００４】
従来の光照射式加熱処理装置としては、図１１に示すように、内部空間が板状の光取り出し窓４２によって上下に分割されてランプユニット収容空間Ｓ１と加熱処理空間Ｓ２とが形成されたチャンバ４１を備えており、ランプユニット収容空間Ｓ１には、面状光源を構成するよう配置された複数本のフィラメントランプ５１と、これらのフィラメントランプ５１の上方に配置された、当該フィラメントランプ５１から上方に向けて放射された光を被処理体Ｗ側へ反射する反射鏡５２とにより構成されたランプユニット５０が配置されており、これにより、各フィラメントランプ５１から放射される光は、直接的にあるいは反射鏡５２により反射されて、加熱処理空間Ｓ２に設置される被処理体Ｗに対して光取り出し窓４２を介して照射され、被処理体Ｗが所定の温度状態になるよう加熱される。
【０００５】
近年においては、半導体素子の微細化・高性能化に伴って、被処理体における温度分布の均一性が、以前にも増して厳しく要求されるようになってきている。
一例を挙げると、被処理体を１１００℃で加熱する際には、温度誤差が±１℃の範囲になるように加熱することが要求されており、このような要求に対して、被処理体の表面における放射照度分布が均一となるよう、フィラメントランプと被処理体との離間距離を短くすることが考えられる。
【０００６】
ところが、フィラメントランプと被処理体との離間距離が短くなるように光照射式加熱処理装置を構成した場合であっても、被処理体の表面における温度誤差を可及的に小さくすることは、実際上は困難であることが判明した。その理由は、以下のように考えられる。
すなわち、光照射式加熱処理装置においては、フィラメントランプの表面が高温状態になることを避けるため、フィラメントランプの表面に大流量の冷却風を吹き付けることによってフィラメントランプを冷却しているので、フィラメントランプの光出射側に位置される光取り出し窓もフィラメントランプと同時に冷却されている。特に、図１１に示す従来の光照射式加熱処理装置においては、フィラメントランプ５１の配列方向における一方に位置された冷却風供給用風路４５からランプユニット収容空間Ｓ１内に導入される冷却風（図１１において白抜きの矢印で示す）が光取り出し窓４２に沿ってこれと平行に流通されて冷却風供給用風路４５の反対側に位置される排気用風路４６から排気される構成とされていることから、風下側ほど冷却風の温度が高く、風上側ほど冷却風の温度が低くなり、その結果、光取り出し窓４２は、冷却風の流通する方向に依存した温度分布を有することになり、風上側に位置する部分ほど温度が低く、風下側に位置する部分ほど温度が高い、という温度分布を有することになる。
また、光取り出し窓は、一般的に、ランプの有効照射領域よりも大きく設定されており、光取り出し窓の周縁部ほどランプから照射される光の量が少なくなるので、中央部ほど温度が高く周縁部ほど温度が低いという温度分布になりやすい。
その結果、光取り出し窓の温度分布は、冷却風の流通方向に依存する分布と、ランプからの光照射量に依存する温度分布とが合成されることによって歪んだ形になり、しかも、冷却風の流量やランプの照度の変動に影響を受けて様々に変化する。
以上のように、従来の光照射式加熱処理装置においては、光取り出し窓と被処理体とを近接した状態とすると、光取り出し窓の温度制御が困難であるため、光取り出し窓の温度分布による悪影響を受けて被処理体の温度分布が均一にならないものと考えられる。
【０００７】
一方、フィラメントランプの上方側に位置される反射鏡に開口を設け、この開口を介して、複数のフィラメントランプによって形成される仮想平面の法線方向に、冷却風を流す構成の光照射式加熱処理装置が開示されている（特許文献１参照）。
このような構成であることにより、光取り出し窓と被処理体とを近接した状態とした場合であっても、光取り出し窓の温度分布による影響を受けて被処理体の温度分布が均一にならないという、問題が解決することができる、とされている。
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載されているように、単純に反射鏡に開口を設けるのみでは、反射鏡が有する有効反射面の面積が減少することによって反射鏡本来の機能が損なわれ、被処理体への光照射量が減少する、という問題がある。
【０００９】
【特許文献１】特開２０００−３０６８５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、フィラメントランプから放射される光が光取り出し窓を介して被処理体に照射されると共に、反射鏡に形成された開口を介して冷却風がフィラメントランプに供給または排気される冷却機構を備えた構成のものにおいて、反射鏡本来の機能を損なうことがなく、しかも、光取り出し窓の温度分布による被処理体の温度分布に対する悪影響が排除され、従って、被処理体を所望の温度分布で加熱処理することのできる光照射式加熱処理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】
【００１１】
本発明の光照射式加熱処理装置は、面状光源を構成する複数本のフィラメントランプと、当該フィラメントランプから放射された光を被処理体側へ反射する反射鏡とにより構成されたランプユニットと、フィラメントランプを冷却する冷却風を供給する冷却風供給機構とを備えてなり、当該フィラメントランプからの光を光取り出し窓を介して被処理体に照射することにより被処理体の加熱処理を行う光照射式加熱処理装置において、
前記反射鏡には、その中央領域に冷却風を通過させるための開口が形成されており、当該開口を覆うよう通気性を有する反射体が設けられており、当該反射体は、セラミック粒子の焼成体または金属粒子の焼結体により構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の光照射式加熱処理装置によれば、反射鏡に設けた開口から通気性を有する反射体を介して導入または排気される冷却風によって光取り出し窓がその表面において例えば同心円状の温度分布を有する状態となるよう冷却されるので、被処理体の表面における温度分布状態に応じた同心円状の温度分布を有する状態となるようゾーン制御を行うことができ、被処理体の表面における、ランプユニットからの光照射による温度分布に対する、光取り出し窓の温度分布による影響が排除され、しかも、反射体に向かって放射された光のうちの大部分が光取り出し窓の方向へ反射させることができるので、分光反射率を高い水準に維持することができ、従って、被処理体を所望の温度分布で加熱処理することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は、本発明の光照射式加熱処理装置の一例における構成の概略を示す正面断面図、図２は、図１に示す光照射式加熱処理装置の側面断面図である。
この光照射式加熱処理装置１０は、内部空間が例えば円板状の光取り出し窓１２によって上下に分割されて上部にランプユニット収容空間Ｓ１が形成されると共に下部に加熱処理空間Ｓ２が形成された、例えばステンレス鋼などの金属材料からなるチャンバ１１を備えており、ランプユニット収容空間Ｓ１には、複数本のフィラメントランプ２１と、このフィラメントランプ２１群の上方側に配置された、フィラメントランプ２１から上方に向けて放射された光を被処理体Ｗ側へ反射する反射鏡２５とにより構成されたランプユニット２０が配置されており、これにより、各フィラメントランプ２１から放射される光は、直接的にあるいは反射鏡２５によって反射され、加熱処理空間Ｓ２に配置される、例えば半導体ウエハなどの被処理体Ｗに対して、光取り出し窓１２を介して照射される。
【００１５】
ランプユニット２０は、図３に示すように、各々、例えば棒状のフィラメントランプ２１の複数本が、各々、ランプ中心軸が互いに同一平面レベルに位置された状態で、例えば所定の間隔で離間して並設されて構成された２つのランプ群２１Ａ，２１Ｂが、互いに上下方向に並んで対向し、かつ、一方のランプ群２１Ａのランプ２１に係るランプ中心軸と他方のランプ群２１Ｂのランプ２１に係るランプ中心軸とが互いに交差する状態で、反射鏡２５に設けられた支持部材２８によって支持されており、これにより、面状光源が構成されている。なお、図３においては、一方のランプ群２１Ａのみを示してある。
【００１６】
ランプユニット２０を構成する反射鏡２５は、例えばアルミニウムからなり、必要に応じて適宜に表面に金メッキが施されてなる平板形状のものであって、その中央領域に、冷却風を通過するための断面形状が円形状の開口２６が形成されており、この開口２６を例えば背面側から覆うよう通気性を有する板状の反射体３０が設けられている。
開口２６の大きさは、例えば被処理体の大きさ（ウエハ径）と同等またはそれ以上であることが好ましい。
【００１７】
反射体３０は、例えばアルミニウム粒子など金属粒子の焼結体、アルミナ、酸化ケイ素またはそれらの混合体で構成されるセラミック粒子の焼成体、発泡処理された銅などにより構成されており、図４に示すように、金属またはセラミックなどの粒子Ｐの間に形成された間隙３１を冷却風が通過できるように構成されている。
また、反射体３０の表面には、必要に応じて金メッキが施されていてもよい。
反射体３０の気孔率（１個の孔に換算した場合の孔が占める面積比率）は、例えば３０〜７０％であることが好ましい。
反射体３０の、４００〜１７００ｎｍの波長範囲の光の分光反射率は、例えば７０％以上であることが好ましい。
【００１８】
ランプユニット２０は、反射鏡２５の周縁部が、チャンバ１１に形成された、反射鏡を支持するための矩形枠状の反射鏡支持部１５の内周面に当接されることにより固定されており、一方のランプ群２１Ａの配列方向の両側において、反射鏡２５と反射鏡支持部１５との間にスリット状の冷却風路１６Ａが形成されると共に、一方のランプ群２１Ａに係るランプ２１の軸方向の両側において、支持部材２８に形成された凹所２８Ａと反射鏡支持部１５との間にスリット状の冷却風路１６Ｂが形成される。
ここに、ランプユニット２０、具体的には、他方のランプ群２１Ｂと光取り出し窓１２との離間距離は、例えば３〜２０ｍｍである。
【００１９】
光取り出し窓１２は、例えば石英ガラスなどの、フィラメントランプ２１から放射される光に対して透過性を有する材料からなり、円板形状を有する。
光取り出し窓１２はその厚みが例えば３〜２５ｍｍ程度であり、直径がφ４００〜６００ｍｍであるものである。
【００２０】
チャンバ１１の上方には、フィラメントランプ２１を冷却するための冷却風を供給する冷却風供給機構が設けられている。図１および図２おける符号１８Ａ、１８Ｂは冷却風路を形成するダクトである。
冷却風供給機構は、冷却風が反射鏡２５の開口２６を介してランプユニット収容空間Ｓ１に流入または排気されるよう構成されていれば、その冷却風供給源（例えばファンなど）は、エアーを吹き出すものであっても、エアーを吸引するものであってもどちらでもよい。
【００２１】
上記光照射式加熱処理装置１０においては、ランプユニット２０の各フィラメントランプ２１の各々に対して適正な大きさに制御された電力が供給されて点灯状態とされることにより、各フィラメントランプ２１から放射される光が直接的に、あるいは反射鏡２５によって反射されて、光取り出し窓１２を介して加熱処理空間Ｓ２に配置された被処理体Ｗに照射され、被処理体Ｗの加熱処理が行われる。
被処理体Ｗを加熱処理するに際しては、例えば、被処理体Ｗを複数のゾーンに分割し、各ゾーン毎に、被処理体Ｗの物理特性等に応じた温度分布が得られるよう、各フィラメントランプ２１の点灯制御が行われる。
一方、各フィラメントランプ２１が点灯されると、それと同時に冷却風供給機構から冷却風がランプユニット収容空間Ｓ１内に供給される。ここに、冷却風の供給量は、例えば３〜１０ｍ3 ／分である。
【００２２】
冷却風の主たる流れについて具体的に説明すると、例えば、ダクト１８Ａから供給される冷却風が、反射体３０および反射鏡２５の開口２６を通過してランプユニット収容空間Ｓ１内に導入されて各フィラメントランプ２１に対して吹き付けられることにより、各フィラメントランプ２１における発光管が冷却されると共に、各フィラメントランプ２１の間を通過するように吹き出されて光取り出し窓１２に対して吹き付けられ、その後、熱交換により高温になった冷却風は、光取り出し窓１２に沿ってこれと平行に、光取り出し窓１２の中央部から周縁部に向かって放射状に流れ、反射鏡２５の周縁部（４辺）に形成された４箇所のスリット状の冷却風路１６Ａ，１６Ｂからダクト１８Ｂを介して外部に排出される。
なお、冷却風の流れ方向は、特に限定されるものではなく、ダクト１８Ｂから供給される冷却風が反射鏡２５の周縁部（４辺）に形成された４箇所のスリット状の冷却風路１６Ａ，１６Ｂから供給されて、反射体３０および反射鏡２５の開口２６を通過してダクト１８Ａから外部に排気されるよう構成されていてもよく、この場合には、冷却風は、光取り出し窓１２の周縁部から中央部に向かった流れとなる。
【００２３】
而して、上記光照射式加熱処理装置１０によれば、反射鏡２５の中央領域に開口２６が形成されると共にこの開口２６を覆うよう通気性を有する反射体３０が設けられており、当該開口２６を介して冷却風がフィラメントランプ２１に供給される構成とされていることにより、フィラメントランプ２１と共に冷却されることとなる光取り出し窓１２がその表面において例えば同心円状の温度分布を有する状態となるよう冷却されるので、被処理体Ｗの表面における温度分布状態に応じた同心円状の温度分布を有する状態となるようゾーン制御を行うことができ、被処理体Ｗの表面における、ランプユニット２０からの光照射による温度分布に対する、光取り出し窓１２の温度分布による偏った影響が排除され、しかも、反射体３０がセラミック粒子の焼成体または金属粒子の焼結体により構成されていることにより、反射体３０に導入された光が金属粒子またはセラミック粒子の間で拡散、多重反射することによって、反射鏡２５の裏面側（ランプユニットの逆側）に漏れ出す光の割合を少なくすることができ、反射体３０に向かって放射された光のうちの大部分が光取り出し窓１２の方向へ反射させることができるので、反射鏡２５が、気孔率が例えば５０％となる状態が確保されるよう開口が形成されたものと同等の構造であるにも関わらず、反射鏡２５本来の機能を確実に得ること、すなわち分光反射率を高い水準例えば９０％程度に維持することができる。例えば特許文献１に記載されている、単に開口を形成した構造では、開口に入射した光はそのまま反射鏡の裏面に抜けて損失となるため、反射率が開口の占有面積の比率（すなわち気孔率）と同等になるので、反射率は５０％程度まで悪化する。
従って、被処理体Ｗを所望の温度分布で加熱処理することができる。
【００２４】
以下、本発明の効果を確認するために行った実験例について説明する。
＜実験例１＞
図１に示す構成に従って作製した、以下に示す構成を有する本発明に係る光照射式加熱処理装置を用い、口径がφ２００ｍｍのシリコンウエハの表面に、以下に示す成膜条件で、Ｓｉ酸化膜を形成する加熱処理を行い、シリコンウエハ上に形成されたＳｉ酸化膜の膜厚分布を調べた。結果を図５に示す。図５中の数値は膜厚（ｎｍ）を示す。
＜光照射式加熱処理装置＞
ランプユニット４０は、ランプ数が２７本、ランプの配設ピッチが１５ｍｍであり、各ランプは、電力密度８０Ｗ／ｃｍ、発光長４０ｃｍ、定格電圧２００Ｖ、定格電力３２００Ｗであるものである。
反射鏡は、縦方向寸法４２５ｍｍ×横方向寸法４２５ｍｍであり、冷却風通過用の開口の大きさがφ２００ｍｍであり、反射体は、縦方向寸法２３０ｍｍ×横方向寸法２３０ｍｍである、三菱鉱山マテリアル製のアルミナセラミックを主成分とした多孔質体よりなり、気孔率が５０％であると共に、図６に示すように、４００〜７００ｎｍの波長範囲において高い分光反射率を有するものである。
光取り出し窓の厚みは５ｍｍ、直径がφ４２０ｍｍである。
ランプユニットと被処理体との離間距離が１００ｍｍ、ランプユニットと光取り出し窓との離間距離は、例えば３５ｍｍであり、被処理体と光取り出し窓との距離は、例えば６０ｍｍである。
すべてのフィラメントランプを同一の点灯条件で作動させると共に、冷却風の風量を５ｍ3 ／分とした。
＜成膜条件＞
処理ガスとして純酸素を用い、処理ガスの流量を５リットル／ｍｉｎとし、大気圧雰囲気下において、シリコンウエハの加熱温度を１１００℃に設定した。
【００２５】
図５に示す結果から、本発明に係る光照射式加熱処理装置によれば、Ｓｉ酸化膜の膜厚分布が被処理体の中心側のゾーンほど被処理体の外周縁側のゾーンよりもＳｉ酸化膜の厚さが大きくなる略同心円状のものとなっており、被処理体の表面における温度分布が、被処理体の中心側のゾーンほど被処理体の外周縁側のゾーンよりも高温状態となる略同心円状となることが確認された。この理由は、反射鏡に設けた開口から反射体を介して導入された冷却風によって光取り出し窓が冷却されることにより、光取り出し窓が同心円状の温度分布を有する状態となっており、その結果として、被処理体の温度分布が同心円状になったためであるものと考えられる。
従って、被処理体の中央側のゾーンに対応して配置されたフィラメントランプに投入する電力を、被処理体の外周縁側のゾーンに対応して配置されたフィラメントランプに投入する電力より小さくすることにより、被処理体の表面における温度分布が均一な状態となるよう調整することができる。
【００２６】
＜比較実験例１＞
図１１に示す構成に従って作製した光照射式加熱処理装置を用い、実験例１と同様の成膜条件で、Ｓｉ酸化膜を形成する加熱処理を行い、シリコンウエハ上に形成されたＳｉ酸化膜の膜厚分布を調べた。結果を図７に示す。なお、この光照射式加熱処理装置は、反射鏡が開口を有さないものであって、冷却風が光取り出し窓と平行に冷却風が供給される構成とされていることの他は、ランプユニットおよびその他の構成は、上記実験例１に係るものと同一である。図７中における数値はＳｉ酸化膜の厚さ（ｎｍ）を示し、矢印は冷却風の流れ方向を示す。
【００２７】
図７に示す結果から、従来の光照射式加熱処理装置においては、被処理体の表面における温度分布が略同心円状となる状態とすることができないことが明らかである。この理由は、光取り出し窓の温度分布が同心円状のものとならないため、被処理体に近接している光取り出し窓の温度分布の影響を受けて、被処理体の温度分布が同心円状にならなかったと考えられる。
従って、従来においては、フィラメントランプに投入する電力をいかに調整しても、被処理体の表面における温度分布が均一な状態となるよう調整することができないことが確認された。
【００２８】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
例えば、反射鏡２５は、上記実施例に係る構成のものに限定されず、例えば図８に示すように、中央領域に形成された開口２６を下面側から覆うよう反射体３０が設けられた構成のもの、または、図９に示すように、中央領域に形成された開口２６における下面側の開口縁部に反射体３０が嵌合された構成のもの、あるいは、図１０に示すように、反射鏡２５の反射面の全面に、中央領域に形成された開口２６を下面側から覆う状態で、反射体３０が設けられた構成のものであってもよく、いずれの反射鏡によっても、上記実施例に係るものと同様の効果を得ることができる。
また、本発明の光照射式加熱処理装置においては、ランプユニットを構成するフィラメントランプの個数および配列方法は、上記実施例のものに限定されず、目的に応じて適宜に設計変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の光照射式加熱処理装置の一例における構成の概略を示す正面断面図である。
【図２】図１に示す光照射式加熱処理装置の側面断面図である。
【図３】ランプユニットの構成を示す説明図であって、（Ａ）分解斜視図、（Ｂ）反射体が装着された状態を示す斜視図、（Ｃ）フィラメントランプの中心軸に沿った断面を示す断面図である。
【図４】反射体の構造を概略的に示す断面図である。
【図５】本発明に係る光照射式加熱処理装置を用い、被処理体の表面にＳｉ酸化膜を形成したときの、被処理体上に形成されたＳｉ酸化膜の膜厚分布を示す図である。
【図６】実験例で用いた反射体の分光全反射率を測定した結果を示すグラフである。
【図７】従来の光照射式加熱処理装置を用い、被処理体の表面にＳｉ酸化膜を形成したときの、被処理体上に形成されたＳｉ酸化膜の膜厚分布を示す図である。
【図８】本発明の光照射式加熱処理装置に係る反射鏡における他の構成例を示す断面図である。
【図９】本発明の光照射式加熱処理装置に係る反射鏡における更に他の構成例を示す断面図である。
【図１０】本発明の光照射式加熱処理装置に係る反射鏡における更に他の構成例を示す断面図である。
【図１１】従来の光照射式加熱処理装置における一例における構成の概略を示す正面断面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１０  光照射式加熱処理装置
１１  チャンバ
１２  光取り出し窓
１５  反射鏡支持部
１６Ａ，１６Ｂ  冷却風路
１８Ａ，１８Ｂ  ダクト
２０  ランプユニット
２１  フィラメントランプ
２１Ａ  一方のランプ群
２１Ｂ  他方のランプ群
２５  反射鏡
２６  開口
２８  支持部材
２８Ａ  凹所
３０  反射体
３１  間隙
４１  チャンバ
４２  光取り出し窓
４５  冷却風供給用風路
４６  排気用風路
５０  ランプユニット
５１  フィラメントランプ
５２  反射鏡
Ｓ１  ランプユニット収容空間
Ｓ２  加熱処理空間
Ｗ  被処理体
Ｐ  粒子
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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