(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱処理チャンバのための冷却されるウィンドウアセンブリ（２０）において、チャンバ内の半導体ウェハが、赤外放射を含む放射を発する、チャンバ外の放射源（２４）によって加熱されるようになっており、
上部及び下部の透明なプレート（３０，２６）が設けられており、これらのプレートの間に通路が画定されており、
該通路を流過する冷却流体が設けられており、該冷却流体が、赤外放射に対して透明であり、これにより、放射源からの赤外放射が、プレート及び通路内の流体を通過し、前記半導体ウェハを加熱するようになっており、
前記上部プレート（３０）が、下部プレート（２６）よりも厚く、通路（３２）の幾何学的パターンが、１つ又は２つ以上のリングから成り、
通路（３２）は、放射源（２４）によって放射される放射の幾何学的パターンと合致させられており、前記放射源からの放射は、冷却流体を通過して、チャンバ内の半導体ウェハに到達するようになっていることを特徴とする、熱処理チャンバのための冷却されるウィンドウアセンブリ。
【請求項２】
通路（３２）を画定するために上部及び下部のプレート（３０，２６）の間に固定された、透明な材料（２８）から成るセグメントが設けられている、請求項１記載のアセンブリ。
【請求項３】
前記通路の幾何学的パターンが、一連の同心的環状部分から成る、請求項２記載のアセンブリ。
【請求項４】
チャンバが排気された場合にウィンドウアセンブリが大気圧に耐えるように、前記上部プレートが十分な厚さを有している、請求項１記載のアセンブリ。
【請求項５】
前記冷却流体が、１．１μｍよりも長い波長を有する放射に対して透明である、請求項１記載のウィンドウアセンブリ。
【請求項６】
前記冷却流体が、液体フルオロカーボンから成る、請求項５記載のアセンブリ。
【請求項７】
熱処理チャンバ内の半導体ウェハを、チャンバ外に位置決めされた放射源（２４）によって発せられた、赤外放射を含む放射によって加熱するための方法において、
前記放射源が、上部及び下部の透明プレート（３０，２６）によって形成されたウィンドウ（２０）によって前記半導体ウェハから分離されており、前記上部及び下部の透明プレートが互いから分離されており、上部プレート（３０）が下部プレート（２６）よりも厚く、通路（３２）を画定するために、上部及び下部のプレート（３０，２６）の間に透明な材料（２８）から成るセグメントが固定されており、
前記通路（３２）に冷却流体を通過させ、
上部及び下部の透明プレート（３０，２６）並びに通路（３２）内の冷却流体を通過する、放射源（２４）によって発せられる放射によって半導体ウェハを加熱し、通路の幾何学的パターンが、１つ又は２つ以上のリングから成り、
通路（３２）は、放射源（２４）によって放射される放射の幾何学的パターンと合致させられており、前記放射源からの放射は、冷却流体を通過して、チャンバ内の半導体ウェハに到達するようになっていることを特徴とする、半導体ウェハを加熱する方法。
【請求項８】
前記通路の幾何学的パターンが、一連の同心的環状部分から成る、請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記冷却流体が、１．１μｍよりも長い波長を有する放射に対して透明である、請求項７記載の方法。
【請求項１０】
上部透明プレートが、チャンバが排気された場合にウィンドウアセンブリが大気圧に耐えることができるように十分な厚さを有している、請求項７記載の方法。
【請求項１１】
前記下部プレート（２６）が、２００℃より低い温度にまで冷却される、請求項７記載の方法。
【請求項１２】
前記下部プレート（２６）が、２００℃よりも低い温度に維持される、請求項７記載の方法。
【請求項１３】
前記冷却流体が、液体フルオロカーボンから成る、請求項９記載の方法。
【請求項１４】
排気可能な熱処理チャンバのための冷却されるウィンドウアセンブリにおいて、チャンバ内の半導体ウェハが、チャンバ外の放射源によって加熱されるようになっており、前記ウィンドウアセンブリに、
上部透明プレートが設けられており、該上部透明プレートが、放射源に隣接して位置決めされておりかつ、チャンバが排気された場合にウィンドウアセンブリが大気圧に耐えることができるように十分な厚さを有しており、
下部透明プレートが設けられており、該下部透明プレートが、チャンバ内の半導体ウェハに隣接して位置決めされておりかつ、上部透明プレートの厚さよりも薄い厚さを有しており、
支持片が設けられており、該支持片が、下部プレートに機械的支持を提供するために上部プレートと下部プレートとの間に固定されておりかつ、プレートを冷却するために冷却流体が通過させられるプレート間の通路を画定するように配置されており、通路の幾何学的パターンが、１つ又は２つ以上のリングから成り、
通路（３２）は、放射源（２４）によって放射される放射の幾何学的パターンと合致させられており、前記放射源からの放射は、冷却流体を通過して、チャンバ内の半導体ウェハに到達するようになっていることを特徴とする、ウィンドウアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の分野
本発明は、概して半導体処理装置、特に半導体ウェハの放射加熱のための装置に関する。
【０００２】
発明の背景
半導体ウェハの急速熱処理では、放射源、例えばタングステンハロゲンランプ又はランプの配列が、ウェハを加熱するために一般的に使用される。通常石英又はサファイアから形成された透明なウィンドウは、処理チャンバをヒータから分離させるために使用される。ウィンドウは、チャンバの真空とチャンバ外の大気圧との差圧に耐えるように十分に強くなければならず、ひいてはかなり厚くなければならない。しかしながら、石英は、４μｍより長い波長に対して不透明であり、０．２〜４μｍの領域の少量の放射を吸収する。吸収量全体は、ウィンドウの厚さが増すに従い大きくなる。
【０００３】
このような条件下では、効果的な冷却が行われないと、ウィンドウは、チャンバ内での何回かの処理サイクル後には、高温、通常５００℃にまで達するおそれがある。厚く、高温のウィンドウは、多数の望ましくない形式で処理に影響するおそれがある。
【０００４】
・“初期ウェハ効果”−バッチにおける初期のいくつかのウェハは窓が平衡温度に達する前に処理され、ひいては処理の反復精度が影響を受ける
・石英の熱伝導率が低いため、ウィンドウに沿った温度は不均一となるおそれがあり、ひいてはウェハに沿った温度の均一性に影響する
・幾つかの急速加熱化学的気相成長法（ＲＴＣＶＤ）、例えばポリシリコン堆積法は、ウィンドウを含む、真空チャンバの高温部分における材料の堆積をも生ぜしめるおそれがある。この堆積は、ウィンドウの透過率を減じ、所望のウェハ温度に到達するためにより多くのランプパワーが使用されなければならない
・ウィンドウにおける堆積はチャンバ内の粒子の数をも増加させ、このことはウェハの汚染を生ぜしめ、より頻繁なクリーニングを必要とする。
【０００５】
ウィンドウを冷却するための方法及び装置は半導体処理技術分野において知られている。例えば、マハウィリの米国特許第４５５０６８４号明細書は、０．３〜０．９μｍの波長の放射を用いてウェハを加熱するためにランプを使用する気相成長システムを説明している。ウィンドウはランプを、ウェハを収容した真空チャンバから分離している。ウィンドウは、間隔を置いて位置する２つのプレートから構成されており、これらのプレートの間に水がポンプにより供給され、これにより、ウィンドウの温度を制御する。ウィンドウを通過する水は、ランプによって放射される赤外放射を吸収するが、マハウィリはこの効果が有利であると考えている。彼は、ウェハを加熱するための望ましい波長範囲は０．３〜０．９μｍであり、この範囲外の波長はチャンバから排除されるべきであると指摘している。
【０００６】
グロネット他の米国特許第５４８７１２７号明細書は、急速加熱装置を説明しており、この装置には、半導体基板に熱を照射及び供給するためにランプが複数の光パイプに配置されている。光パイプは、ランプを排気された処理チャンバから分離する、液体冷却式のウィンドウと一体的に形成されている。ウィンドウは、光パイプ自体に進入したり光パイプの前を通過することなしに光パイプの間の空間内に冷却水を噴射することができるように構成されている。光パイプ自体は排気される。したがって、ランプからの放射は水によって減衰されることなくチャンバに到達するが、ランプと、排気される光パイプと、冷却されるウィンドウとの一体的な構造は複雑であり、構成及び維持することが困難である。
フランス特許第２６８６９６７号明細書（フランステレコム）は、半導体加熱炉を示しており、この場合、加熱源（タングステンハロゲンランプ）は、加熱したい半導体ウェハから、石英板１３及び１４によって分離されている。石英板は、チャネル１７によって互いから分離されており、チャネル１７を、０．４〜４μｍの版胴に対して透明な冷却液体が通過させられる。冷却液体はフルオロカーボンであると有利である。引用例は、石英板の間の規定された通路を示しておらず、特に、不均一な温度を生じるおそれがあるシャドウイングを最小限にするために、加熱源及び加熱源から発せられる放射パターンと幾何学的に整合した通路を示していない。さらに、引用例は、より厚い石英板（１４）を、加熱したい半導体ウェハのより近くに配置している（図１）。より厚い石英板を、冷却しかつ所定の最大温度に維持することは、より困難である。
欧州特許出願公開第０４２４１８３号明細書（Ｉｎｃｏ  Ｌｔｄ．）及び米国特許第４４３１２５７号明細書（Ｂｏｒｎ）は、放射源を対象物から分離するために装着された放射透明ウィンドウを示している。加熱したい対象物は半導体ウェハではない。冷媒は、ウィンドウによって規定された通路を流過するが、これらの引用例は、加熱源及び加熱源から発せられる放射パターンと幾何学的に整合された規定された通路を示していない。これらの引用例は、厚いウィンドウ板と薄いウィンドウ板との組合せの使用をも示しておらず、この場合、より厚い板が、より高い強度及び安定性を提供し、より薄い板が、より容易に、冷却されかつ所定の温度に維持される。
【０００７】
発明の概要
本発明の目的は、真空チャンバ内の半導体ウェハの放射加熱において使用するための改良された冷却されるウィンドウを提供することである。
【０００８】
本発明の有利な実施例では、熱処理チャンバのための冷却されるウィンドウは、適切な透明材料、有利には石英の上層及び下層から成っており、これらの層の間には通路が設けられており、この通路を冷却流体が通過する。冷却流体は、水とは異なり、約１．１μｍ、有利には１．４μｍよりも長い波長の赤外線範囲において高い透過率を有するように選択される。有利にはランプ配列から成る放射ヒータは、チャンバ内の半導体ウェハを加熱するように構成及び位置決めされており、この場合、可視放射及び赤外放射を含む、ヒータからの放射は、ウィンドウの上層及び下層並びに冷却流体を通過し、実質的な減衰なしにウェハに衝突する。したがって、単純かつ頑丈な構造を有する冷却されるウィンドウは、実質的に、ランプによって放射された有効放射のスペクトル全体を、ウェハに効率的に供給することができる。
【０００９】
本発明の有利な実施例では、熱処理チャンバは使用時に排気され、透明材料から成る上層は、十分に厚く形成されているので、チャンバ外の周囲大気圧とチャンバ内の真空との差圧によりウィンドウに加えられる力に耐えることができる。下層は、上層よりも実質的に薄く、これにより、下層の、ウェハに隣接した下面は、下層を介する流体への熱伝導により徹底的かつ均一に冷却される。下層は、チャンバが排気された場合にウィンドウの内外の差圧に耐えるには、それ自体では薄すぎる。しかしながら、下層は、上層と下層との間に固定された構造によって機械的に支持されており、この構造は、通路を画定しており、この通路を流体が流過し、また前記構造は、ウィンドウを通過する放射の妨害を最小限にするように構成されている。
【００１０】
したがって、本発明の有利な実施例によれば、熱処理チャンバのための冷却されるウィンドウアセンブリが提供され、この場合、チャンバ内の対象物が、赤外放射を含む放射を放射する、チャンバ外の放射源によって加熱されるようになっており、前記アセンブリが、
上部及び下部の透明プレートを含んでおり、これらの透明プレートの間に通路を画定するために放射透明材料から成るセグメントが前記プレートに固定されており、この場合、前記通路が、放射源によって発せられる放射の幾何学的パターンとほぼ整合させられており、
通路を流過する冷却流体を含んでおり、この流体が赤外放射に対して実質的に透明であり、放射源からの赤外放射が、プレートと、通路内の流体とを通過して対象物を加熱するようになっている。
【００１１】
有利には、冷却流体は、１．１μｍよりも長い波長を有する放射、最も有利には１．４μｍよりも長い波長を有する放射に対して実質的に透明である。さらに有利には、冷却流体は、可視放射に対して実質的に透明である。有利な実施例では、冷却流体は、液体フルオロカーボンを含む。
【００１２】
有利には、ウィンドウアセンブリは、通路を画定するために上部プレートと下部プレートとの間に固定された、透明な材料から成るセグメントを含んでおり、この場合、通路は、放射源によって放射される放射の幾何学的パターンとほぼ合致されている。
【００１３】
さらに有利には、上部プレートは下部プレートよりも実質的に厚く、上部プレートは、チャンバが排気された場合にウィンドウアセンブリが大気圧に耐えることができるように十分な厚さを有している。
【００１４】
本発明の有利な実施例によれば、排気可能な熱処理チャンバのための冷却されるウィンドウアセンブリも設けられており、この場合、チャンバ内の対象物は、チャンバ外の放射源によって加熱され、アセンブリは、
放射源に隣接して位置決めされていてかつ、チャンバが排気された場合にウィンドウアセンブリが大気圧に耐えることができるように十分な厚さを有する、上部透明プレートと、
チャンバ内の対象物に隣接して位置決めされていてかつ、上部透明プレートの厚さよりも実質的に小さな厚さを有する、下部透明プレートと、
下部プレートに機械的な支持を提供するために上部プレートと下部プレートとの間に固定されていてかつプレートの間に通路を画定するように配置された支持片とを含んでおり、前記通路を冷却流体が通過してプレートを冷却するようになっている。
【００１５】
有利には、通路は、放射源によって放射される放射の幾何学的パターンとほぼ合致しており、これにより、放射源からの放射は、冷却流体を通過して、チャンバ内の対象物に到達する。
【００１６】
本発明の有利な実施例によれば、さらに、熱処理チャンバのための加熱装置が設けられており、この加熱装置が、
赤外放射を含む放射を発する、チャンバ外の放射源と、
冷却されるウィンドウとを含んでおり、このウィンドウが、チャンバをシールしておりかつ通路を有しており、この通路を冷却流体が流過するようになっており、この流体が赤外放射に対して実質的に透明であり、これにより、放射源からの赤外放射が、通路内の流体を通過して、チャンバ内の対象物を加熱するようになっている。
【００１７】
有利には、ウィンドウは、上部及び下部の透明なプレートを含んでおり、これらのプレートはその間に通路を画定しており、この場合、上部プレートは下部プレートよりも実質的に厚い。有利には、上部プレートは、チャンバが排気された場合にウィンドウアセンブリが大気圧に耐えることができるように十分な厚さを有している。
【００１８】
有利には、放射源は、所定の幾何学的パターンで放射を発する１つ又は２つ以上のランプの配列を含んでおり、この場合、通路はパターンとほぼ合致している。最も有利には、パターンは１つ又は２つ以上のリングを含む。
【００１９】
本発明の有利な実施例によれば、熱処理チャンバ内の対象物を加熱する方法も提供され、この方法は、
貫通した通路を有するウィンドウを使用してチャンバをシールし、
ウィンドウを通過する放射によって対象物を加熱し、この放射が赤外放射を含んでおり、
赤外放射が、実質的に減衰なしに流体を通過するように、赤外線透明流体を通路に流過させることによってウィンドウを冷却することを含む。
【００２０】
本発明は、図面を引用した有利な実施例の以下の詳細な説明からより完全に理解されるであろう。
【００２１】
図面の簡単な説明
図１は、本発明の有利な実施例に基づくランプハウジング及び冷却されるウィンドウを示す概略的な断面図である。
【００２２】
図２は、ＩＩ−ＩＩ線に沿って見た、図１のウィンドウの横断面図である。
【００２３】
図３は、種々異なる冷却流体を使用したウィンドウ透過性の比較測定を示すグラフである。
【００２４】
有利な実施例の詳細な説明
今や、本発明の有利な実施例に基づくヒータアセンブリ２２及び付随した冷却されるウィンドウ２０を概略的に示した図１及び図２が参照される。通常、アセンブリからの放射熱はウィンドウ２０を通過し、排気された処理チャンバ（図示せず）、有利には、この分野で知られるようなウェハ急速熱処理のためのチャンバ内の半導体ウェハを加熱する。図１は、ヒータアセンブリ及びウィンドウを断面図で示しているが、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿ったウィンドウの横断面図である。
【００２５】
ウィンドウ２０は、ウィンドウ内の冷却通路３２を画定した中間層２８によって分離された下部プレート（下層）２６及び上部プレート（上層）３０を有している。有利には全ての３つの層は石英から形成されている。最も有利には、下部プレート２６は５〜６ｍｍの厚さであり、これにより、下部プレートは、通路３２内を流れる冷媒への熱伝導により徹底的かつ均一に冷却されることができる。プレートがより厚いならば、プレートの、ウェハに隣接した下面は、プレートを介する伝導により十分に冷却されず、望ましくない効果、例えば不均一な温度及び高温のウィンドウ表面における材料の堆積が生じるおそれがある。有利には、冷媒は熱交換器を通過させられ、これにより、プレートは２００℃以下の温度に維持される。上部プレート３０は、チャンバと周囲空気との圧力差に耐えるために必要な機械的強度を提供するために、より厚い、例えば約２５ｍｍの厚さであると有利である。
【００２６】
中間層は、薄いアーチ状のセグメント２９から形成された構造から成ると有利であり、これらのセグメントは、拡散溶接、高温セメントを用いたボンディング、又はこの分野で知られるあらゆるその他の適切な方法を使用して、上層と下層との間に固定されている。少なくとも１つの入口３４及び少なくとも１つの出口３６が設けられており、これらの入口及び出口と、開口３８とは、冷媒が通路３２を流れ、ウィンドウ全体を冷却することができる。セグメント２９の厚さ及び間隔は、プレート２６が、通路３２内の冷媒の圧力に耐えることができるようになっている。
【００２７】
中間層２８の構造と、中間層に設けられた通路のパターンとは例として図２に示されており、徹底的かつ均一な冷却及び機械的強度の考慮に基づきその他の適切な構造及びパターンが設計されてよい。必須の設計基準は、下層２６の下面を所定の最大温度、例えば２００℃よりも低く維持することができるように下層２６が十分に薄いということである。この基準を満たすために、下層２６は、通常、下側における真空と上側における周囲空気又は流体圧力と差圧に耐えるためには、それ自体では薄すぎる。所要の機械的強度は、より厚い上層３０によって提供され、この上層に対して下層２６が当て付けられるように支持される。したがって、ウィンドウ２０として具体化された本発明の原理は、単純かつ頑丈な構造（例えば前記米国特許第５４８７１２７号明細書に記載されたものと比較した場合）を提供し、この場合、ウィンドウの、ウェハに対向した下面を十分かつ均一に冷却することができる。
【００２８】
図１に示したように、セグメント２９は、ヒータ２２内に同心円状に配置されたランプ配列２４と通路３２が整合させられるように、成形及び配置されていると有利である。ランプ２４は、カリフォルニア州Cypress所在のUshio America Inc. から入手可能なJCV 240V-1500WGZランプ等のタングステンハロゲンランプから成ると有利である。択一的に、その他のタイプのランプ、例えばリニアランプ、及び異なる構成のランプ配列が使用されてよい。通路をランプと整合させることにより、セグメント２９によるウェハ上の影を最小限に抑制し、この影は、さもなければ不均一な温度を生ぜしめかつ熱効率を低下させる。
【００２９】
図３は、種々異なる冷媒材料のための放射波長に関して示された、ウィンドウ２０の光学的特性をエミュレートするように設計された試験セットアップの測定された透過率を概略的に示すグラフである。図示したように、冷媒の選択は、ウィンドウの赤外透過率を決定する場合に極めて重要である。破線５０は、冷媒として空気が使用される場合のウィンドウの透過率を示しており、この場合、透過率が、可視及び赤外波長の試験範囲全体に亘ってほぼ均一であることが分かる。しかしながら、空気は、下層２６を２００℃の前記目標温度よりも低く保持するためには冷媒として十分に効果的ではない。実線５２は、冷媒として水が使用された場合の透過率を示しており、この実線５２から、水はウィンドウを低温に保つ場合に効果的であってよいが、１．４μｍを越える波長における実質的に全てのエネルギを含む、ヒータアセンブリ２２によって放射される赤外エネルギのほとんどを遮断することが分かる。
【００３０】
発明者は、フルオロカーボン族の熱伝達流体が、効果的な冷却と高い赤外線透過率との最適な組合せを提供することを発見した。図３における点線５４は、イタリア、BollateのAusimontによって製造された過フッ化されたフルオロカーボン流体である、Galden HT135又はHT200 を使用して得られる結果を示している。Galden の屈折率（１．２８）は石英の屈折率（１．４５）にほぼ一致するので、プレート３０及び２６の内面における反射損失は、空気に対して減じられる。したがって、Galdenは、可視放射及び近赤外線範囲全体に亘って、空気の透過率に匹敵する、有効な全体のウィンドウ透過率を提供する。
【００３１】
Galdenは、金属、プラスチック及びエラストマ材料との優れた適合性を有し、また、高い耐酸化性を有する。したがって、Galdenは、冷媒として空気又は水よりも優れており、ウィンドウ２０及び関連した部分を、単純かつ頑丈な設計にすることができ、この分野で知られる冷却されるウィンドウと比較して広い波長範囲に亘って高い透過率を可能にする。しかしながら、その他の赤外透過性の流体が同様に使用されてもよい。
【００３２】
前記有利な実施例は例として引用されており、本発明の完全な範囲は請求項によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の有利な実施例に基づくランプハウジング及び冷却されるウィンドウを示す概略的な断面図である。
【図２】  ＩＩ−ＩＩ線に沿って見た、図１のウィンドウの横断面図である。
【図３】  種々異なる冷却流体を使用したウィンドウ透過性の比較測定を示すグラフである。
【符号の説明】
２０  ウィンドウ、  ２２  ヒータアセンブリ、  ２４  ランプ、  ２６  下部プレート、  ２８  中間層、  ２９  セグメント、  ３０  上部プレート、  ３２  通路、  ３４  入口、  ３６  出口、  ３８  開口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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