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WO2004003984A1 - 半導体製造装置 - Google Patents

半導体製造装置 Download PDF

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WO2004003984A1
WO2004003984A1 PCT/JP2003/008125 JP0308125W WO2004003984A1 WO 2004003984 A1 WO2004003984 A1 WO 2004003984A1 JP 0308125 W JP0308125 W JP 0308125W WO 2004003984 A1 WO2004003984 A1 WO 2004003984A1
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WO
WIPO (PCT)
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infrared radiation
substrate
infrared
window
lamp
Prior art date
Application number
PCT/JP2003/008125
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English (en)
French (fr)
Inventor
Masahiro Shimizu
Yoshihide Tada
Minoru Yazawa
Original Assignee
Tokyo Electron Limited
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tokyo Electron Limited filed Critical Tokyo Electron Limited
Priority to AU2003243996A priority Critical patent/AU2003243996A1/en
Publication of WO2004003984A1 publication Critical patent/WO2004003984A1/ja

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/26—Bombardment with radiation
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    • H01L21/268—Bombardment with radiation with high-energy radiation using electromagnetic radiation, e.g. laser radiation
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    • H01L21/67011—Apparatus for manufacture or treatment
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    • H01L21/67115—Apparatus for thermal treatment mainly by radiation
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/0033—Heating devices using lamps
    • H05B3/0038—Heating devices using lamps for industrial applications
    • H05B3/0047—Heating devices using lamps for industrial applications for semiconductor manufacture
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2203/00—Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/032—Heaters specially adapted for heating by radiation heating

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor manufacturing apparatus, and more particularly to an infrared radiation lamp mainly emitting mid-infrared radiation and a processing apparatus using mid-infrared radiation for processing a substrate to be processed.
  • a lamp is used as one method of a heat source for heat treatment.
  • the lamp heating method is considered to be particularly advantageous for rapid or short-term heat treatment, since the heating temperature of the lamp by radiant energy rises quickly (temperature rise) after energization and is easy to control.
  • a halogen lamp consists of a bulb (bulb) made of quartz glass, a tungsten filament housed inside the bulb, and a trace amount of halogen element enclosed with an inert gas, and a filament using a so-called halogen cycle
  • the valve wall is prevented from blackening as well as being slowed down, and it is characterized by small, inexpensive, and high-quality radiation.
  • Radiation obtained by the conventional general halogen lamp visible light having a wavelength of about 0. 38 ⁇ 2. 5 ⁇ ⁇ (about 0. 8 iim below) to near infrared (about 0. 8 ⁇ 2. 5 ⁇ )
  • the main spectral component the spectral emissivity is very small in the mid-infrared wavelength range (about 2.5 to 25 ⁇ ) and the far-infrared wavelength range (about 25 m or more).
  • mid-infrared rays are more effective for heating a substance than visible or near-infrared rays.
  • glass substrates for LCDs absorb mid-infrared rays (especially 4.0 to 10 / zm) well while transmitting most visible and near infrared rays.
  • a first thermal radiator which emits an electromagnetic wave having a visible light beam and a near infrared ray as a main spectral component by energization.
  • a second heat radiator a second heat radiator.
  • the first heat radiator is constituted by a filament consisting of tungsten, and an inert gas and a halogen element are enclosed in a tube, and It is possible to use a halogen lamp.
  • the second heat radiation member is preferably a ceramic, particularly preferably by configuring it ceramics containing oxide Ke I arsenide (Si_ ⁇ 2) and / or alumina (A1 2 0 3), cracks and contamination problems Emit mid-infrared radiation with high emissivity Can be
  • a first processing apparatus of the present invention comprises: a processing chamber for containing a substrate to be processed under a predetermined atmosphere for desired processing; and the substrate in the processing chamber.
  • the substrate can be heated with high efficiency by using the infrared radiation lamp of the present invention.
  • a preferable lamp heating method is a configuration in which the infrared radiation lamp and the window are provided to face substantially the entire area of the substrate supported by the support means.
  • a configuration used in combination with a resistance heating method for example, an infrared radiation lamp and a window are provided opposite to the peripheral portion of the substrate supported by the support means, and an infrared radiation lamp or a resistance heating element is provided inside the window. Configuration is also possible.
  • the window may be configured to have one or more plate-like window members.
  • the window has a reticulated frame portion that transmits middle infrared rays, and a plate-like window member is provided at the reticulated opening of the frame portion.
  • a processing chamber for containing a substrate to be processed under a predetermined atmosphere for desired processing, an exhausting means for exhausting the gas in the processing chamber, and moisture in the chamber.
  • the infrared radiation lamp of the present invention emits infrared radiation into the processing chamber for evaporation and removal.
  • a processing chamber for containing a substrate to be processed under a predetermined atmosphere for desired processing, an exhausting means for exhausting the gas in the processing chamber, and moisture in the chamber.
  • a ceramic heater for emitting an infrared ray mainly composed of mid infrared rays in the processing chamber for evaporation and removal.
  • the residual moisture that is attached to the substrate, the inner wall of the processing chamber, or the like, or floats in the vicinity thereof can be absorbed by the mid-infrared rays and evaporated to be efficiently removed or exhausted.
  • the infrared radiation lamp may be configured to emit infrared radiation whose main spectral component is mid infrared radiation toward the vicinity of the surface to be treated of the substrate.
  • FIG. 1 is a partially sectional schematic front view showing the configuration of an infrared radiation lamp according to one embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing the spectral emissivity of a ceramic coating material suitable for the lamp of the embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the shift of the spectral distribution in the lamp of the embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram showing the spectral absorptivity of the glass substrate.
  • FIG. 6 is a view showing a step response characteristic of lamp temperature in the lamp of the embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram showing voltage characteristics of the lamp of the embodiment.
  • FIG. 9 is a front view, partly in cross section, showing the configuration of the device according to one embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram showing the improvement of the infrared transmittance of the window by the anti-reflection coating in the embodiment of the device.
  • FIG. 11 is a diagram showing improvement of infrared transmittance of a window by an anti-reflection coating in the embodiment of the device.
  • FIG. 12 is a view showing an example of the window structure in the embodiment of the invention apparatus.
  • FIG. 13 is a view showing an example of the window structure in the example embodiment of the device.
  • FIG. 14 is a partially sectional front view showing the configuration of the annealing apparatus according to one embodiment.
  • FIG. 15 is a view schematically showing a configuration of a CVD device according to an embodiment.
  • FIG. 16 schematically illustrates the configuration of a C V D device according to one embodiment.
  • FIG. 17 is a diagram showing spectral transmittance in the atmosphere. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • the ceramic coating 14 can be formed, for example, by plasma spraying or dipping.
  • an arc is generated by a spraying apparatus, and an inert gas (A r, H 2 , N 2, etc.) is supplied to the arc to send ceramic powder into a plasma flow created.
  • an inert gas A r, H 2 , N 2, etc.
  • the ceramic film 14 can be formed on the outer surface of the pulp 12.
  • the ceramic film 14 can be formed by immersing the pulp 12 in a solution in which the ceramic powder is dissolved in a solvent and pulling it up to dry and solidify the liquid film attached to the surface of the valve 12.
  • the coating portion of the ceramic coating 14 on the surface of the valve 12 may normally be all or most of the surface of the valve, it may be limited to a portion of the pulp surface depending on the valve shape, irradiation direction, etc. It is.
  • the material of the ceramic coating 14 Conditions to be possessed as the material of the ceramic coating 14 are that it has excellent bondability with the pulp 12 and that it exhibits high emissivity in the mid-infrared wavelength region. Moreover, in semiconductor manufacturing equipment, it is also desirable that contamination be as low as possible.
  • the bulb of lamp is generally made of glass, and the bulb of halogen lamp is quartz It is made of glass.
  • Si 0 2 (oxidation Kei-containing) and / or A1 2 0 3 MgO ⁇ Si_ ⁇ 2
  • 2 0 3 , 1 2 3 3 ⁇ Ti 0 2 , Al 2 O 3 ⁇ Si 0 2 were coating materials in the direction satisfying the above conditions. That is, these coating materials do not contain alkali metals or heavy metals, and can reduce the problem of metal contamination.
  • Si OX 2 and Al 2 O 3 which are also components of pulp 12 are included, they adhere easily to pulp 12 and the difference in coefficient of thermal expansion is small, and peeling and cracking hardly occur.
  • high emissivity can be obtained in the mid-infrared wavelength region (about 2.5 to 25 ⁇ m).
  • MgO ⁇ Si0 2 is 0.9 or more emissivity obtained in the wavelength range of from about 5 to 25 / zm, emissivity close to 1.0 in the vicinity of 8 mu m near you Yopi 17 mu m Is obtained.
  • A1 2 0 3 ⁇ Cr 2 0 3 is 0.9 or more emissivity obtained in a wavelength region of about 13 xm, 0. 95 or more radiation rate is obtained at a wavelength range of about 6 to 13 win.
  • A1 2 0 3 ⁇ Ti0 2 is 0.9 or more emissivity obtained in a wavelength region of about 10 mu m, 0. 95 or more radiation rate is obtained in the vicinity of 8 to 9 / im.
  • A1 2 0 3 ⁇ Si ⁇ 2 can achieve an emissivity of 0.95 or more in the wavelength range of about 7 to 10 // m, and even in the wavelength range of 6 to 7 ⁇ m or 10 to 25 m, around 0.9
  • the peak wavelength is selected or set in the range of about 2.0 to 8.0 / zm according to the radiation temperature of the ceramic film 14 or the radiation temperature of the filament 16, and the wavelength with a relative energy intensity of 50% or more
  • the region can be selected or set in the range of about 1.0 to 12.0 m.
  • the infrared rays emitted from the lamp 10 are suitable for use in the heat treatment of various objects to be treated, in particular, a glass substrate and an S O I substrate.
  • the glass substrate S O I substrate has high absorptivity in the mid-infrared wavelength region, in particular in the wavelength range of 4.0 to 10 // m.
  • the insulating film characteristics of the Box (Buried Oxide) layer appear, and the absorptivity for mid infrared rays becomes high.
  • the lamp 10 of this embodiment radiates mid-infrared rays with high efficiency, the number of lamps used and the power consumption can be reduced in the application to the heat treatment apparatus.
  • the lamp life can be greatly extended by using the lamp voltage lower than the rated voltage. As shown in Fig. 8, the lamp life of a general halogen lamp is extended by about 2 times when the lamp voltage is used 5% lower than the rated voltage, and about 4 times when the lamp voltage is used 10% lower .
  • This annealing apparatus 32 has a processing chamber 34 which accommodates the substrate A to be taken in and out, and is capable of forming the desired atmosphere (gas, pressure, etc.) for the annealing in the room.
  • a substrate support means 36 for supporting the substrate A almost horizontally with the back surface exposed is provided.
  • a gas inlet 38 for introducing a process gas for the funnel and an exhaust port 40 for exhausting the room are provided.
  • a window 42 is airtightly attached to the bottom surface of the processing chamber 34 at such a position and size as to face the entire or entire area of the back surface of the substrate A supported by the substrate support means 36.
  • the window 42 has a function of transmitting mid infrared rays with high transmittance while shielding the atmosphere in the processing chamber 34 from the outside air.
  • the portion except the window 42 of the processing chamber 34 may be composed of, for example, S i C, SUS, A1.
  • the window 42 can be composed of only infrared transparent crystal material.
  • infrared transparent crystal material alkali halides (NaF, NaC 1, KC1, KBr, KI, CsBr, Csl), alkaline earth fluorides (CaF 2, SrF 2, BaF 2, MgF 2, PbF 2), the semiconductor (Ge, Si, GaAs, ZnS, ZnSe, CdTe) and infrared transmissive glass (chalcogenide glass such as Ge 33 A s 12 S 55 , Corning 9754) are preferred.
  • a large number of infrared radiation lamps 10 are disposed at positions and distribution densities facing the entire area of the substrate A in the processing chamber 34.
  • a conical reflector 44 is attached to the lamp 10 in order to improve radiation directivity to the substrate A in the processing chamber 34.
  • the infrared ray emitted from the lamp 10 passes through the window 42 and is incident on the back surface of the substrate A to heat the substrate A to a predetermined processing temperature, for example, around 650.degree.
  • FIG. 12 shows another embodiment of the window 42.
  • the window 42 of this embodiment is provided with a mesh frame portion 46 having an outer shell (an example shown is a circular shell corresponding to a semiconductor wafer or an SOI substrate) according to the shape and size of the substrate A to be treated.
  • the infrared transparent crystal plate 48 is provided at the mesh opening of the frame portion 46.
  • a groove 46a extending in the circumferential direction is formed on the inner wall surface forming each mesh opening of the frame 46, and the infrared transparent crystal plate 48 is fitted into the groove 46a through the seal member 50.
  • the frame portion 46 may be made of an infrared transmitting material excellent in bending stress resistance, for example, a transmitted light ceramic. Is the force mow transmitted light ceramic (sapphire or single crystal alumina) A1 2 0 3 are preferred.
  • the infrared transparent crystal plate 48 may be, for example, a BaF 2 plate or a ZnSe plate coated on both sides with a ZnSe and ThF 4 coating material as described above.
  • the shape of the mesh opening of the frame portion 46 can be arbitrarily selected.
  • the example in FIG. 12 is square, but it may be hexagonal or circular as shown in, for example, (A) and (B) in FIG.
  • the lamp heating method and the resistance heating method are used in combination.
  • the resistive heating method is used as the main heating source
  • the lamp heating method is used as the auxiliary heating source.
  • the main heating source is the treatment room 3
  • the radiation heat is applied to the substrate A from the upper and lower sides by a resistance heating heater 52 having a planar shape slightly smaller than the substrate A provided on the upper side of the substrate 4.
  • the auxiliary heating source has a window 42 attached around the resistance heating heater 52 at the bottom of the processing chamber 34, and an infrared ray from a lamp 10 disposed immediately below the window 42 operates the peripheral portion of the substrate A.
  • the whole or each part of the substrate A can be heated at a uniform temperature.
  • FIG. 15 schematically shows the configuration of a chemical vapor deposition (CVD) apparatus for depositing a nitride film as another example of a processing apparatus to which the lamp 10 of this embodiment is applied.
  • the CVD apparatus has a mounting table 5 6 for horizontally mounting and supporting the substrate A in a processing chamber 54 configured to be able to put in and out the substrate A and to be sealed, and the mounting table 5 6 A single head 60 is provided to supply a process gas from above the substrate 6 to the substrate A. For example, if you deposited S iN 4 (silicon nitride film), NH 3 (ammonia) and S iH 4 (Monoshira down) is selected as the process gas.
  • a resistance heating heater 58 for heating the substrate A is provided inside the mounting table 56.
  • the inside of the processing chamber 54 is evacuated by a vacuum pump (not shown) via the exhaust port 62.
  • This CVD apparatus comprises an infrared radiation lamp 10 according to the present invention, and preferably emits an intermediate infrared ray from the lamp 10 towards the substrate A on the mounting table 56, preferably in the processing chamber 54.
  • one or more lamps 10 are mounted inward in a substantially horizontal position on the side wall of the processing chamber 54 at a position somewhat higher than the upper surface of the mounting table 56.
  • the emitted infrared radiation irradiates the upper surface (surface to be processed) of the substrate A, and crosses the upper side.
  • the lamp radiation temperature is set so that mid-infrared rays of a large wavelength range (about 5.5 to 7. 3 / zm) of such moisture evaporation (removal) action are emitted from lamp 10 Good.
  • FIG. 16 shows a modification in which the lamp 10 is replaced with a ceramic heater 64 in the above-mentioned C V D device.
  • the ceramic heater 64 is inferior in heating temperature rising speed and radiation directivity after the power is turned on as compared with the lamp 10, it is about 3.0 to 7 at a radiation temperature of 100 ° C. to 600 ° C.
  • Mid-infrared radiation can be emitted with peak wavelength within the 8 ⁇ ⁇ wavelength range.
  • the moisture removal function according to the present invention is also effective for processes other than nitride film processes, for example, Cu (copper) wiring process.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made within the scope of the technical idea thereof.
  • the infrared radiation lamp of the above-described embodiment uses a square lamp, it is also possible to use another type of incandescent lamp.
  • the annealing device and the CVD device in the above-described embodiment are one example, and can be applied to a heat treatment device of any other type or type of the present invention, and further, the object to be processed has a peak wavelength in the mid-infrared wavelength region. It is applicable to any heat treatment to the treatment body.
  • the present invention is applicable to an infrared radiation lamp that mainly emits mid-infrared radiation and a processing apparatus that uses infrared radiation to process a substrate to be processed, and is suitable for use in manufacturing processes for semiconductor devices, LCDs, etc. It is a thing.

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Abstract

製作が簡単で加熱効率の高い赤外線放射ランプが提供される。このランプ（１０）は、シングルエンド型ハロゲンランプを利用したものでよく、バルブ（１２）の外表面にセラミックスの被膜（１４）を形成している。電力を投入すると、フィラメント（１６）が通電して、通常の発熱温度つまり約２０００～３０００℃で可視光ないし近赤外線を主たる分光成分とする電磁波を放射する。このフィラメント（１６）より放射された電磁波はバルブ（１２）を介して外表面のセラミックス被膜（１４）に与えられる。セラミックス被膜（１４）は数百℃の放射温度で中間赤外線を主たる分光成分とする電磁波を放射する。

Description

技術分野
本発明は、 半導体製造装置に係り、 より詳細には、 主として中間赤外線を放 射する赤外線放射ランプおよび中間赤外線を被処理基板の処理に利用する処 理装置に闋する。
明
背景細技術
従来より、 半導体デバイスや LCD (Liquid Crystal Display) 等の製造プ ロセスでは、 熱処理用加熱源の一方式としてランプが用いられている。 ランプ の放射エネルギーによる加熱温度は通電後の立ち上がり （温度上昇） が速く、 制御が容易であることから、 ランプ加熱方式は特に急速または短時間の熱処理 に有利とされている。
このような熱処理用のランプで最も多く用いられているのはハロゲンラン プである。 ハロゲンランプは、 バルブ （管球） を石英ガラスで構成し、 バルブ 内にタングステン ·フィラメントを収容して、 不活性ガスとともに微量のハロ ゲン元素を封入してなり、 いわゆるハロゲンサイクルを利用してフィラメント の消耗を遅くするとともにバルブ壁の黒化現象を防止するようにしており、 小 型かつ安価で質の高い放射光が得られるという特長を有している。
従来一般のハロゲンランプで得られる放射光は、 約 0. 38〜2. 5 μιαの 波長を有する可視光 （約 0. 8 iim以下） ないし近赤外線 （約 0. 8〜2. 5 μαι) を主たる分光成分としており、 中間赤外線の波長領域 （約 2. 5〜25 μ α) や遠赤外線の波長領域 （約 25 m以上） では分光放射率が非常に小さ い。 しかしながら、 概して物質の加熱には、 可視光ないし近赤外線よりも中間 赤外線の方が効果的である。 たとえば、 LCD用のガラス基板は、 可視光ない し近赤外線を殆ど透過させる一方で、 中間赤外線 （特に 4. 0〜1 0/zm) を よく吸収する。 また、 最近新しいウェハ構造として注目されている SO I (silicon on insulator)基板も、 SiO 2層等の絶縁膜の特性が支配的になると可視 光ないし近赤外線よりも中間赤外線の波長領域で吸収率が大きくなる。 このた め、 ガラス基板や s O I基板おょぴ基板上の酸化物に対する熱処理においては、 ランプ加熱方式は加熱効率が低く、 抵抗加熱方式の方が有利であるとされてき た。
本発明は、 上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、 製作が 籣単で加熱効率の高い赤外線放射ランプおよびランプ加熱方式の処理装置を 提供することを目的とする。
本発明の別の目的は、 処理室内の不所望な残留水分を効率よく除去するよう にした処理装置を提供することにある。 発明の開示
上記の目的を達成するために、 本発明の赤外線放射ランプは、 通電により可 視光線な 、し近赤外線を主たる分光成分とする電磁波を放射する第 1の熱放 射体と、 前記第 1の熱放射体を収容する管球と、 前記管球の外表面に被膜とし て形成され、 前記第 1の熱放射体からの前記電磁波に応じて中間赤外線を主た る分光成分とする赤外線を放射する第 2の熱放射体とを有する。
本発明の赤外線放射ランプでは、 第 1の熱放射体より放射された可視光線な いし近赤外線を主たる分光成分とする電磁波のエネルギーが管球を介して第 2の放射体に与えられ、 第 2の放射体が中間赤外線を主たる分光成分とする赤 外線を放射する。 この中間赤外線のピーク波長おょぴ分光分布は、 第 2の放射 体の輻射温度つまり第 1の熱放射体の輻射温度によって調整することができ る。
本発明の赤外線放射ランプにおいて、 好ましい一形態は、 第 1の熱放射体が タングステンからなるフィラメントで構成され、 管球内に不活性ガスとハロゲ ン元素とが封入される構成であり、 一般のハロゲンランプを利用することがで さる。
また、 第 2の熱放射体は、 好ましくはセラミックス、 特に好ましくは酸化ケ ィ素 （Si〇2) および/またはアルミナ （A1203) を含むセラミックスで構成 することで、 クラックや汚染の問題がなく、 高い放射率で中間赤外線を放射す ることができる。
上記の目的を達成するために、 本発明の第 1の処理装置は、 被処理基板を所 望の処理のために所定の雰囲気下で収容する処理室と、 前記処理室内で前記基 板をその一面が露出した状態で支持する支持手段と、 前記支持手段に支持され る前記基板の一面に前記赤外線を照射するように配置された本発明の赤外線 放射ランプと、 前記支持手段に支持される前記基板と前記赤外線放射ランプと の間で雰囲気を遮断するように設けられ、 中間赤外線を透過させるウィンドウ とを有する。
上記第 1の処理装置では、 本発明の赤外線放射ランプを利用することにより、 高い効率で基板を加熱することができる。 この処理装置において、 好ましいラ ンプ加熱方式の一形態は、 支持手段に支持される基板のほぼ全域と対向して赤 外線放射ランプとウィンドウとを設ける構成である。 あるいは、 抵抗加熱方式 と併用する構成、 たとえば支持手段に支持される基板の周縁部と対向して赤外 線放射ランプとウィンドウとを設け、 赤外線放射ランプまたは前記ウィンドウ の内側に抵抗発熱体を設ける構成も可能である。
また、 好適には、 ウィンドウが、 中間赤外線を透過させる結晶材料からなる
1枚または複数枚の板状窓部材を有する構成としてよい。 この場合、 赤外線透 過率を向上させるため、 板状窓部材の片面または両面に中間赤外線に対する反 射防止膜を形成してなる構成が好ましい。 また、 ウィンドウが、 中間赤外線を 透過させる網状のフレーム部を有し、 フレーム部の網目開口部に板状窓部材を 設ける構成も好ましい。
本発明の第 2の処理装置は、 被処理基板を所望の処理のために所定の雰囲気 下で収容する処理室と、 この処理室内のガスを排出するための排気手段と、 室 内の水分を蒸発させて除去するために処理室内に赤外線を放射する本発明の 赤外線放射ランプとを有する。
本発明の第 3の処理装置は、 被処理基板を所望の処理のために所定の雰囲気 下で収容する処理室と、 この処理室内のガスを排出するための排気手段と、 室 内の水分を蒸発させて除去するために処理室内に中間赤外線を主たる分光成 分とする赤外線を放射するセラミックヒータとを有する。 上記第 2または第 3の処理装置では、 基板や処理室内壁等に付着し、 または その付近に浮遊している残留水分を中間赤外線を吸収させて蒸発させ、 効率よ く除去または排気することができる。 好ましくは、 赤外線放射ランプが、 基板 の被処理面付近に向けて中間赤外線を主たる分光成分とする赤外線を放射す る構成であってよい。 図面の簡単な説明
図 1は、 一実施形態による赤外線放射ランプの構成を示す一部断面略正面図 である。
図 2は、 実施形態のランプにおいて好適なセラミックス被膜材料の分光放射 率を示す図である。
図 3は、 実施形態のランプにおける分光分布のシフトを説明するための図で ある。
図 4は、 ガラス基板の分光吸収率を示す図である。
図 5は、 S O I基板おょぴパルク S iの分光吸収率を示す図である。
図 6は、 実施形態のランプにおけるランプ温度のステップ応答特性を示す図 である。
図 7は、 実施形態のランプによるガラス基板温度のステップ応答特性を示す 図である。
図 8は、 実施形態のランプにおける電圧特性を示す図である。
図 9は、 一実施形態によるァニール装置の構成を示す一部断面正面図である。 図 1 0は、 実施形態のァニール装置において反射防止コーティングによるゥ ィンドウの赤外線透過率の改善を示す図である。
図 1 1は、 実施形態のァニール装置において反射防止コーティングによるゥ ィンドウの赤外線透過率の改善を示す図である。
図 1 2は、 実施形態のァニール装置におけるウィンドウ構造の一実施例を示 す図である。
図 1 3は、 実施形態のァニール装置におけるウィンドウ構造の一実施例を示 す図である。 図 1 4は、 一実施形態によるァニール装置の構成を示す一部断面正面図であ る。
図 1 5は、 一実施形態による C VD装置の構成を模式的に示す図である。 図 1 6は、 一実施形態による C V D装置の構成を模式的に示す図である。 図 1 7は、 大気中の分光透過率を示す図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 添付図を参照して本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。
図 1に、 本発明の一実施形態による赤外線放射ランプの構成を示す。 このラ ンプ 1 0は、 たとえば普通のシング^^エンド型ハロゲンランプを利用したもの でよく、 バルブ （管球） 1 2の外表面にセラミックスの被膜 1 4を形成してい る。 バルブ 1 2内には不活性ガスとともに微量のハロゲン元素が封入され、 タ ングステンからなるフィラメント 1 6が収容されている。 フィラメント 1 6の 両端は、 内部導入線 1 8， 2 0、 封入部の金属箔 2 2， 2 4および外部導入線 2 6， 2 8を介して口金 3 0に電気的に接続されている。
セラミックス被膜 1 4は、 たとえばプラズマ溶射法やディップ法等で形成す ることができる。 プラズマ溶射法においては、 溶射装置でアークを ¾生させ、 このアーク中に不活性ガス （A r， H2, N 2等） を供給して作り出したプラズ マ流中にセラミックス粉体を送って溶融噴射することで、 パルプ 1 2の外表面 にセラミックス被膜 1 4を形成できる。 ディップ法によれば、 セラミックス粉 体を溶剤に溶かした溶液の中にパルプ 1 2を浸けて引き上げ、 バルブ 1 2表面 に付着した液膜を乾燥固化させることで、 セラミックス被膜 1 4を形成できる。 なお、 バルブ 1 2表面におけるセラミックス被膜 1 4のコーティング部分は、 通常はバルブ表面の全域または大部分でよいが、 バルブ形状や照射方向等に応 じてパルプ表面の一部に限定することも可能である。
セラミックス被膜 1 4の材料として具有すべき条件は、 パルプ 1 2との接合 性が優れていることと、 中間赤外線の波長領域で高い放射率を示すことである。 また、 半導体製造装置では、 汚染が極力少ないことも望まれる。 ところで、 ラ ンプのバルブは一般にガラスで作られており、 ハロゲンランプのバルブは石英 ガラスで作られている。 本発明者は、 実験を重ねて鋭意検討したところ、 Si 02 (酸化ケィ素） および/または A1203 (アルミナ） を含むセラミックスた とえば MgO · Si〇2、 Α12Ο3 · Cr203、 Α12Ο3 · Ti02、 Al2O3 · Si02 が、 上記の条件を満たす方向にある被膜材料であることを見出した。 すなわち、 これらの被膜材料は、 アルカリ金属や重金属を含まず、 金属汚染問題を低減で きる。 また、パルプ 12の成分でもある Si〇2や A1203を含むため、パルプ 1 2に接着しやすいうえ、 熱膨張率の差が小さく、 剥離やクラックが発生し難い。 さらに、 図 2に示すように、 中間赤外線の波長領域 （約 2. 5〜 25 μ m) で 高い放射率が得られる。
図 2において、 MgO · Si02は、約 5〜25 /zmの波長範囲で 0. 9以上の 放射率が得られ、 8 μ m付近おょぴ 17 μ m付近では 1. 0に近い放射率が得 られる。 A1203 · Cr203は、 約 13 xm以下の波長領域で 0. 9以上の放射 率が得られ、 約 6〜13 winの波長範囲では 0. 95以上の放射率が得られる。
A1203 · Ti02は、約 10 μ m以下の波長領域で 0. 9以上の放射率が得られ、 8〜9 /im付近では 0. 95以上の放射率が得られる。 A1203 · Si〇2は、約 7〜10 //mの波長範囲で 0. 95以上の放射率が得られ、 6〜 7 μ mや 10 〜25 mの波長範囲でも 0. 9近辺の放射率が得られる。
この実施形態のランプ 10において、 電力を投入すると、 フィラメント 16 が通電して、 通常の発熱温度つまり約 2000〜3000° Cで約 l〜2ytzm に相対エネルギー強度のピーク波長を有し、 約 0. 38〜2. 5//mの波長範 囲つまり可視光ないし近赤外線を主たる分光成分とする電磁波を放射する。 こ のフィラメント 16より放射された電磁波は、 パルプ 12を介して外表面のセ ラミックス被膜 14に与えられる。 一般のハロゲンランプでは、 ハロゲンサイ クルを維持するために、 パルプ 1 2の管壁が数百。 Cの高温になるように設計 されており、 セラミックス被膜 14は数百。 Cの温度で電磁波を放射する。 このセラミックス被膜 14の熱放射 （二次輻射） で生成される電磁波は、 図 3に示すように、 中間赤外線を主たる分光成分とする。 つまり、 相対エネルギ 一のピークを与える波長は絶対温度に逆比例するというウィーンの変位則に したがい、 約 1〜 2 / m付近にピーク波長を有する一次輻射の分光分布特性は、 セラミックス被膜 1 4をたとえば 3 0 0 ° Cで二次輻射させると約 5 . 1 ΐα をピーク波長とする分光分布特性にシフトし、 セラミックス被膜 1 4をたとえ ば 1 0 0 ° Cで二次輻射させると約 7 . 8 w mをピーク波長とする分光分布特 性にシフトする。 セラミックス被膜 1 4の輻射温度あるいはフィラメント 1 6 の輻射温度に応じて、 ピーク波長を約 2 . 0〜8 . 0 /z mの範囲内に選択また は設定し、 相対エネルギー強度 5 0 %以上の波長領域を約 1 . 0〜 1 2 . 0 mの範囲内に選択または設定することができる。
上記のようにしてランプ 1 0より放射される赤外線は、 各種被処理体、 特に ガラス基板や S O I基板の熱処理に用いて好適である。 図 4および図 5に示す ように、 ガラス基板おょぴ S O I基板は、 中間赤外線の波長領域、 特に 4 . 0 〜1 0 // mの波長範囲で高い吸収率を有する。 因みに、 S O I基板においては、 基板温度を高くするほど、 Box(Buried Oxide)層の絶縁膜特性があらわれて、 中間赤外線に対する吸収率が高くなる。
もっとも、 プランクの放射則にしたがい、 セラミックス被膜 1 4の放射温度 が低くなるにつれて放射エネルギー強度の絶対値も低くなり、 全波長に対する 放射発散度または放射量も減少する。 しかし、 この実施形態のランプ 1 0にお いては、 セラミックス被膜 1 4により図 2に示したような高い放射率で中間赤 外線を放射するため、 中間赤外線の波長領域に限ってみれば図 6およぴ図 7に 示すように従来一般のハロゲンランプ （コーティング無し） よりも格段に （数 十％以上） 高い加熱温度が得られる。 なお、 図 6およぴ図 7から判るように、 セラミックス被膜 1 4を膜厚 1 0 0 Az mに形成した場合よりも膜厚 2 0 0 μ mに形成した場合の方が加熱効率は高くなる。
このように、 この実施形態のランプ 1 0は、 中間赤外線を高効率で輻射する ので、 熱処理装置へのアプリケーションにおいてランプ使用数や消費電力を低 減することができる。 また、 ランプ電圧を定格電圧より低くして使用すること で、 ランプ寿命を大幅に延ばすこともできる。 図 8に示すように、 一般のハロ ゲンランプにおけるランプ寿命は、 ランプ電圧を定格電圧より 5 %下げて使用 するときは約 2倍延ぴ、 1 0 %下げて使用するときは約 4倍に延びる。
図 9に、 この実施形態のランプ 1 0を適用した熱処理装置の一例として熱放 射型ァニール装置の構成を示す。
このァニール装置 32は、 被処理基板 Aを出し入れ可能に収容し、 かつ室内 にァニール用の所望の雰囲気 （ガス ·圧力等） を形成できるように構成された 処理室 34を有している。 処理室 34内には、 基板 Aをその裏面が露出した状 態でほぼ水平に支持するための基板支持手段 36が設けられている。 処理室 3 4の側壁または他の壁面には、 ァニール用のプロセスガスを導入するためのガ ス導入口 38および室内を排気するための排気口 40が設けられている。 処理室 34の底面には、 基板支持手段 36に支持される基板 Aの裏面の全面 または全域と対向するような位置およぴサイズでウィンドウ 42が気密に取 り付けられている。 このウィンドウ 42は、 処理室 34内の雰囲気を外気から 遮断しつつ、 中間赤外線を高い透過率で透過させる機能を有している。 処理室 34のウィンドウ 42を除く部分は、 たとえば S i C、 SUS、 A1で構成し てよい。
一実施例として、 ウィンドウ 42を赤外透明結晶材料のみで構成することが できる。 かかる赤外透明結晶材料としては、 アルカリハライド （NaF, NaC 1, KC1, KBr, K I , CsBr, Csl)、 アルカリ土類フロライド （CaF 2, SrF2, BaF2, MgF2, PbF2)、 半導体 （Ge, Si, GaAs, ZnS, Zn Se， CdTe) およぴ赤外透過ガラス （カルコゲナイトガラスたとえば Ge33A s12S55, Corning9754)が好ましい。
ウィンドウ 42の下には処理室 34内の基板 Aの全域と対向するような位 置および分布密度で多数の赤外線放射ランプ 10が配置されている。 この構成 例では、 処理室 34内の基板 Aに対する輻射の指向性を高めるため、 ランプ 1 0に円錐型のリフレクタ 44を取り付けている。 ランプ 10より放射された赤 外線は、 ウィンドウ 42を透過して基板 Aの裏面に入射し、 基板 Aを所定の処 理温度たとえば 650° C付近まで加熱する。
このァニール装置は、 この実施形態によるランプ 10を用いるので、 高い加 熱効率で基板 Aを加熱することができる。 特に、 基板 Aがガラス基板や SO I 基板であるときは、 上記のように著しく改善した効率でランプ加熱方式のァニ ールを行うことができる。 ウィンドウ 42を上記のような赤外透明結晶材料で構成する場合は、 その片 面または両面に反射防止コーティングを施すことで、 ウィンドウ 42の赤外透 過率を高め、 加熱効率を一層向上させることができる。
たとえば、 図 10に示すように、 ウィンドウ 42用の赤外透明結晶板として 使用可能な ZnSe， Si, Ge基板の赤外線透過率は、 反射防止コーティングを 付けない場合はそれぞれ約 70%， 約 50%、 約 45%であるところ、 それぞ れ ZnSe (ThF4), Ge (SiO), Ge (SiO) からなる反射膜コーティング を基板両面に施すといずれも約 3. O/zmの波長領域で 70%以上に向上し、 特に 3. 5 xm付近では 100%近くまで向上する。
また、 図 1 1に示すように、 片面だけの反射防止コーティングでも、 両面コ 一ティングには及ばないものの、各赤外透明結晶板 （図示の例は ZnS, ZnS e, ZnS/ZnSe, Ge) の赤外線透過率を大きく向上させることができる。 図 12に、 ウィンドウ 42の別の実施例を示す。 この実施例のウィンドウ 4 2は、 被処理基板 Aの形状おょぴサイズに応じた外郭 （図示の例は半導体ゥヱ ハまたは SO I基板に対応する円形外郭） を有する網状フレーム部 46を備え、 このフレーム部 46の網目開口部に赤外透明結晶板 48を設ける。 フレーム部 46の各網目開口部を形成する内壁面には周回方向に延在する溝部 46 aが 形成され、 この溝部 46 aに赤外透明結晶板 48がシール部材 50を介して嵌 め込まれる。 フレーム部 46は、 曲げ応力耐性に優れた赤外線透過性材、 たと えば透過光性セラミッタスで構成してよい。 力かる透過光性セラミックスとし ては、 A1203 (または単結晶アルミナとしてサファイア） が好適である。 赤 外透明結晶板 48は、たとえば BaF2板あるいは上記のような ZnSeおよび T hF4コーティング材で両面コートした ZnSe板で構成してよい。
フレーム部 46の網目開口部の形状は任意に選択できる。 図 12の例は正方 形であるが、 たとえば図 13の （A)， (B) に示すように六角形や円形とする ことも可能である。
図 14に、 ァニール装置 32の別の実施例を説明する。 この実施例は、 ラン プ加熱方式と抵抗加熱方式とを併用するもので、 たとえば、 抵^ c¾n熱方式を主 加熱源とし、 ランプ加熱方式を捕助加熱源としている。 主加熱源は、 処理室 3 4の上おょぴ下に設けた基板 Aよりも一回り小さな面状の抵抗発熱ヒータ 5 2により、 基板 Aに上下から放射熱を当てるようにしている。 捕助加熱源は、 処理室 3 4の底面において抵抗発熱ヒータ 5 2の周りにウィンドウ 4 2を取 り付け、 このウィンドウ 4 2の直下に配置したランプ 1 0からの赤外線により 基板 Aの周縁部を照射加熱して、 抵抗加熱方式における基板周縁部の冷えを捕 償するようにしている。 抵抗発熱ヒータ 5 2の抵抗発熱量とランプ 1 0の赤外 線輻射量とのパランスを調整して、 基板 Aの全体または各部を均一な温度で加 熱することができる。
図 1 5に、 この実施形態のランプ 1 0を適用した処理装置の別の実施例とし て、 窒化膜堆積用の C VD (Chemical Vapor Deposition) 装置の構成を模式 的に示す。 この C VD装置は、 被処理基板 Aを出し入れ可能に、 かつ密閉可能 に構成された処理室 5 4の中に、 基板 Aを水平に載置して支持する載置台 5 6 と、 この載置台 5 6の上方から基板 Aに向けてプロセスガスを供給するシャヮ 一ヘッド 6 0とを設けている。 たとえば、 S iN4 (窒化シリコン膜） を成膜す る場合は、 プロセスガスとして N H 3 (アンモニア） および S iH 4 (モノシラ ン） が選ばれる。 載置台 5 6の内側には、 基板 Aを加熱するためのたとえば抵 抗発熱式のヒータ 5 8が設けられる。 処理室 5 4の室内は、 排気口 6 2を介し て真空ポンプ （図示せず） により真空引きされる。
この C VD装置は、 本発明による赤外線放射ランプ 1 0を備え、 処理室 5 4 の中に、 好ましくは載置台 5 6上の基板 A付近に向けてランプ 1 0より中間赤 外線を放射させるようにしている。 図示の構成例では、 載置台 5 6の上面より も幾らか高い位置にて処理室 5 4の側壁に 1個または複数のランプ 1 0をほ ぼ水平姿勢で内向きに取り付け、 ランプ 1 0より放射された赤外線が基板 Aの 上面 （被処理面） に照射し、 その上方を横切るようになつている。
力かる構成においては、 成膜プロセスにおいて生成する基板 A付近の残留水 分さらには処理室 5 4の内壁等に付着している残留水分を中間赤外線の作用 によって効果的に蒸発させて、 室内から除去 （排出） することができる。 図 1 7に示すように、 大気中の水分は、 約 5 . 5〜7 . 3 /z mの波長領域に対する 透過率がほぼ零であり、 そのような波長領域の中間赤外線をよく吸収し、 蒸発 しゃすいという性質があり、 処理室 5 4の室内でも同様の分光特性を示す。 し たがって、 ランプ 1 0よりそのような水分蒸発 （除去） 作用の大きな波長領域 (約 5 . 5〜7 . 3 /z m) の中間赤外線が放射されるように、 ランプ輻射温度 を設定してよい。
図 1 6に、 上記の C V D装置においてランプ 1 0をセラミックヒータ 6 4に 置き換えた一変形例を示す。 セラミックヒータ 6 4は、 ランプ 1 0と比較して 電源投入後の加熱温度立ち上がり速度や輻射指向性で劣るものの、 1 0 0 ° C 〜6 0 0 ° Cの輻射温度で約 3 . 0〜7 . 8 μ ηιの波長範囲内にピーク波長を 有する中間赤外線を放射することができる。 これによつて、 処理室 5 4内の基 板 Αその他の各部に対して上記と同様の水分除去作用を奏することができる。 なお、 本宪明による水分除去機能は、 窒化膜プロセス以外のプロセス、 たと えば Cu (銅） 配線プロセス等でも有効である。
本宪明は、 上記した実施形態に限定されるわけではなく、 その技術思想の範 囲内で種々の変形 '変更が可能である。 たとえば、 上記した実施形態の赤外線 放射ランプはハ口ゲンランプを利用したが、 他の方式の白熱ランプを利用する ことも可能である。 また、 上記実施形態におけるァニール装置や C VD装置は 一例であり、 本発明の他の任意の方式または形式の熱処理装置に適用可能であ り、 さらには中間赤外線の波長領域にピーク波長を有する被処理体に対する任 意の加熱処理に適用可能である。 産業上の利用の可能性
以上のように、 本発明は、 主として中間赤外線を放射する赤外線放射ランプ および赤外線を被処理基板の処理に »いる処理装置に適用可能であり、 半導体 デバイスや L C Dなどの製造工程に利用して好適なものである。

Claims

請求の範囲
(1) 通電により可視光線ないし近赤外線を主たる分光成分とする電磁波を放 射する第 1の熱放射体と、
前記第 1の熱放射体を収容する管球と、
前記管球の外表面に被膜として形成され、 前記第 1の熱放射体からの前記電 磁波に応じて中間赤外線を主たる分光成分とする赤外線を放射する第 2の熱 放射体と
を有する赤外線放射ランプ。
(2) 前記第 1の熱放射体がタングステンからなるフィラメントで構成され、 前記管球内に不活性ガスとハロゲン元素とが封入される請求項 1に記載の赤 外線放射ランプ。
(3) 前記第 2の熱放射体がセラミックスからなる請求項 1または 2に記載の 赤外線放射ランプ。
(4)前記第 2の熱放射体が酸化ケィ素（S i02) を含む請求項 1〜3のいずれ か一項に記載の赤外線放射ランプ。
(5) 前記第 2の熱放射体がアルミナ （A1203) を含む請求項 1〜4のいずれ か一項に記載の赤外線放射ランプ。
(6) 被処理基板を所望の処理のために所定の雰囲気下で収容する処理室と、 前記処理室内で前記基板をその一面が露出した状態で支持する支持手段と、 前記支持手段に支持される前記基板の一面に前記赤外線を照射するように 配置された請求項 1〜 5のいずれカゝ一項に記載の赤外線放射ランプと、 前記支持手段に支持される前記基板と前記赤外線放射ランプとの間で雰囲 気を遮断するように設けられ、 中間赤外線を透過させるウィンドウと を有する処理装置。
(7) 前記支持手段に支持される前記基板のほぼ全域と対向して前記赤外線放 射ランプと前記ウィンドウとを設ける請求項 6に記載の処理装置。
(8) 前記支持手段に支持される前記基板の周縁部と対向して前記赤外線放射 ランプと前記ウィンドウとを設け、 前記赤外線放射ランプまたは前記ウィンド ゥの内側に抵抗発熱体を設ける請求項 6に記载の処理装置。
(9) 前記ウィンドウが、 中間赤外線を透過させる結晶材料からなる 1枚また は複数枚の板状窓部材を有する請求項 6〜 8のいずれか一項に記載の処理装
(10)前記板状窓部材の片面または両面に中間赤外線に対する反射防止膜を形 成してなる請求項 6〜 9のいずれか一項に記載の処理装置。
(11) 前記ウィンドウが、 中間赤外線を逢過させる網状のフレーム部を有し、 前記フレーム部の網目開口部に前記板状窓部材を設ける請求項 9または 1 0 に記載の処理装置。
(12) 被処理基板を所望の処理のために所定の雰囲気下で収容する処理室と、 前記処理室内のガスを排出するための排気手段と、
室内の水分を蒸発させて除去するために前記処理室内に前記赤外線を放射 する請求項 1〜 5のいずれか一項に記載の赤外線放射ランプと
を有する処理装置。
(13)前記赤外線放射ランプが前記基板の被処理面付近に向けて前記赤外線を 放射する請求項 1 2に記載の処理装置。
(14) 被処理基板を所望の処理のために所定の雰囲気下で収容する処理室と、 前記処理室内のガスを排出するための排気手段と、
室内の水分を蒸発させて除去するために前記処理室内に中間赤外線を主た る分光成分とする赤外線を放射するセラミックヒータと
を有する処理装置。
(15)前記セラミックヒータが前記基板の被処理面付近に向けて前記赤外線を 放射する請求項 1 4に記載の処理装置。
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