JP2014090058A - マイクロ波加熱処理装置および処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 被処理体に対して均一かつ効率のよい加熱処理を行うことが可能なマイクロ波加熱処理装置および処理方法を提供する。
【解決手段】 マイクロ波加熱処理装置１において、支持装置４は、処理容器２の底部１３のほぼ中央を貫通して処理容器２の外部まで延びる管状のシャフト１４と、シャフト１４の上端付近においてほぼ水平方向に設けられた誘電体板１５と、誘電体板１５の周縁部に着脱可能に装着された支持部材としての複数の支持ピン１６とを有している。誘電体板１５は、それ自体がマイクロ波を吸収して発熱することによって輻射熱でウエハＷの加熱を促進する熱アシスト手段として機能する。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ波を処理容器に導入して所定の処理を行うマイクロ波加熱処理装置およびこのマイクロ波加熱処理装置を用いて被処理体を加熱処理する処理方法に関する。

半導体装置の製造過程で、半導体ウエハ等の基板にアニールを施す装置として、従来、ランプヒーターを用いるＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）と呼ばれる急速加熱が利用されてきた。しかし、近年では、基板に対してアニールを施す装置として、マイクロ波を使用する装置が提案されている。

例えば、特許文献１では、マイクロ波を誘電体に照射して表面波を形成し、この表面波を、エアギャップを介して誘電体に対向するマイクロ波吸収体に吸収させて、伝熱により、加熱体を発熱させる方法が提案されている。また、特許文献２では、電子・正孔対を発生させた半導体基板または半導体膜に対して１メガヘルツ以上の周波数を有する高周波を照射して半導体基板または半導体膜を８００度以上まで加熱する方法が提案されている。さらに、特許文献３では、半導体ウエハを支持する回転可能な支持台と、半導体ウエハを加熱するための電磁波照射部とを備えた有機物剥離装置が提案されている。

特開２０００−１５０１３６号公報（例えば、図１） 特開２００８−２４３９６５号公報（例えば、図１） 特開２００１−１５６０４９号公報（例えば、図５）

マイクロ波加熱は、マイクロ波が半導体ウエハに吸収されることにより、その内部から均一な加熱を行うことができる、という長所を有している。その反面、半導体ウエハへのマイクロ波の吸収率が低いと、加熱が不十分になったり、加熱に時間がかかったりする、という問題があった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、被処理体に対して均一かつ効率のよい加熱処理を行うことが可能なマイクロ波加熱処理装置および処理方法を提供することにある。

本発明のマイクロ波加熱処理装置は、上壁、底壁及び側壁を有し、被処理体を収容する処理容器と、前記被処理体を加熱処理するためのマイクロ波を生成して前記処理容器に導入するマイクロ波導入装置と、前記処理容器内で被処理体に当接してこれを支持する支持部材と、前記支持部材によって支持された被処理体に対して離間して配置され、前記マイクロ波を吸収して発熱し、その輻射熱によって被処理体の加熱をアシストする熱アシスト部材と、
を備えている。

本発明のマイクロ波加熱処理装置において、前記被処理体及び前記熱アシスト部材は、共に板状をなし、それぞれの最も面積の広い主表面が少なくとも部分的に対向するように配置されていてもよい。

本発明のマイクロ波加熱処理装置において、前記熱アシスト部材は、誘電体材料により構成されていてもよい。この場合、前記誘電体材料が、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化珪素（ＳｉＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）及び窒化アルミニウム（ＡｌＮ）よりなる群から選ばれる１種又は２種以上であってもよい。

本発明のマイクロ波加熱処理装置において、被処理体の昇温過程において、前記熱アシスト部材は、温度上昇に伴い、前記マイクロ波の吸収率が低下し、相対的に反射率が大きくなる誘電体材料によって構成されていてもよい。

本発明のマイクロ波加熱処理装置は、前記底壁から前記熱アシスト部材までの高さを可変に調節する高さ位置調節機構をさらに備えていてもよい。

本発明のマイクロ波加熱処理装置は、前記熱アシスト部材と前記被処理体との距離を可変に調節する変位機構をさらに備えていてもよい。

本発明のマイクロ波加熱処理装置は、前記支持部材を水平方向に回転させる回転機構をさらに備えていてもよい。

本発明のマイクロ波加熱処理装置において、前記処理容器の上壁は、前記マイクロ波導入装置において生成された前記マイクロ波を前記処理容器に導入する複数のマイクロ波導入ポートを有していてもよい。

本発明の処理方法は、上壁、底壁及び側壁を有し、被処理体を収容する処理容器と、前記被処理体を加熱処理するためのマイクロ波を生成して前記処理容器に導入するマイクロ波導入装置と、前記処理容器内で被処理体に当接してこれを支持する複数の支持部材と、前記支持部材によって支持された被処理体に対して離間して配置され、前記マイクロ波を吸収して発熱し、その輻射熱によって被処理体の加熱をアシストする熱アシスト部材と、を備えたマイクロ波加熱処理装置を用いて前記被処理体を加熱処理する。

本発明の処理方法は、前記支持部材により支持した前記被処理体を回転させながら加熱処理するものであってもよい。

本発明のマイクロ波加熱処理装置および処理方法では、被処理体に対して均一かつ効率の良い加熱処理を行うことが可能である。

本発明の第１の実施の形態に係るマイクロ波加熱処理装置の概略の構成を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態における支持ピンを装着した誘電体板を示す斜視図である。 本発明の第１の実施の形態における誘電体板と支持ピンと半導体ウエハとの高さ位置を示す説明図である。 本発明の第１の実施の形態におけるマイクロ波導入装置の高電圧電源部の概略の構成を示す説明図である。 図１に示した処理容器の天井部の上面を示す平面図である。 図１に示した制御部の構成を示す説明図である。 第１の実施の形態で利用可能な誘電体材料の誘電率又は誘電損失の温度変化のモデルを示す図面である。 本発明の第２の実施の形態に係るマイクロ波加熱処理装置の概略の構成を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態における支持ピンと誘電体板とを示す斜視図である。 第２の実施の形態のマイクロ波加熱処理装置における作用を説明する原理図である。 実施例１、２及び比較例におけるウエハの昇温レートの測定結果を示すグラフである。 実施例１、２で使用したＳｉＣ板の体積抵抗の温度変化の計測結果を示すグラフである。 実施例１で使用したＳｉＣ板の高さ位置を変化させた場合のウエハの最高到達温度の計測結果を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
まず、図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係るマイクロ波加熱処理装置の概略の構成について説明する。図１は、本実施の形態に係るマイクロ波加熱処理装置の概略の構成を示す断面図である。本実施の形態に係るマイクロ波加熱処理装置１は、連続する複数の動作を伴って、例えば半導体デバイス製造用の半導体ウエハ（以下、単に「ウエハ」と記す。）Ｗに対して、マイクロ波を照射してアニール処理を施す装置である。ここで、半導体ウエハを構成する半導体材料としては、シリコンのほか、例えば、窒化ガリウムなどの化合物半導体を挙げることができる。

マイクロ波加熱処理装置１は、被処理体であるウエハＷを収容する処理容器２と、処理容器２内にマイクロ波を導入するマイクロ波導入装置３と、処理容器２内においてウエハＷを支持する支持装置４と、処理容器２内にガスを供給するガス供給機構５と、処理容器２内を減圧排気する排気装置６と、これらマイクロ波加熱処理装置１の各構成部を制御する制御部８とを備えている。

＜処理容器＞
処理容器２は、金属材料によって形成されている。処理容器２を形成する材料としては、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス等が用いられる。

処理容器２は、上壁としての板状の天井部１１および底壁としての底部１３と、天井部１１と底部１３とを連結する角筒状の側壁部１２と、天井部１１を上下に貫通するように設けられた複数のマイクロ波導入ポート１０と、側壁部１２に設けられた搬入出口１２ａと、底部１３に設けられた排気口１３ａとを有している。なお、側壁部１２は円筒状であってもよい。搬入出口１２ａは、処理容器２に隣接する図示しない搬送室との間でウエハＷの搬入出を行うためものである。処理容器２と図示しない搬送室との間には、ゲートバルブＧＶが設けられている。ゲートバルブＧＶは、搬入出口１２ａを開閉する機能を有し、閉状態で処理容器２を気密にシールすると共に、開状態で処理容器２と図示しない搬送室との間でウエハＷの移送を可能にする。

＜マイクロ波導入装置＞
マイクロ波導入装置３は、処理容器２の上部に設けられ、処理容器２内に電磁波（マイクロ波）を導入するマイクロ波導入手段として機能する。マイクロ波導入装置３の構成については、後で詳しく説明する。

＜支持装置＞
支持装置４は、処理容器２の底部１３のほぼ中央を貫通して処理容器２の外部まで延びる管状のシャフト１４と、シャフト１４の上端付近においてほぼ水平方向に設けられた熱アシスト部材としての誘電体板１５と、誘電体板１５の周縁部に着脱可能に装着された支持部材としての複数の支持ピン１６とを有している。さらに、支持装置４は、シャフト１４を回転させる回転駆動部１７と、シャフト１４を上下に変位させる昇降駆動部１８と、シャフト１４を支持するとともに、回転駆動部１７と昇降駆動部１８とを連結する可動連結部１９と、を有している。回転駆動部１７、昇降駆動部１８及び可動連結部１９は、処理容器２の外部に設けられている。なお、処理容器２内を真空状態にする場合は、シャフト１４が底部１３を貫通する部分の周囲に、例えばベローズなどのシール機構２０を設けることができる。

図２は、支持ピン１６を装着した誘電体板１５を示す斜視図である。また、図３は、側面から見た、誘電体板１５と、支持ピン１６と、支持ピン１６上に支持されたウエハＷの高さ位置を示す説明図である。複数（本実施の形態では３本）の支持ピン１６は、処理容器２内においてウエハＷの下面に当接してウエハＷを支持する。複数の支持ピン１６は、その上端部がウエハＷの周方向に並ぶように配置されている。各支持ピン１６は、誘電体板１５に着脱可能に装着されている。

誘電体板１５は、熱アシスト作用を有している。ここで、「熱アシスト作用」とは、誘電体板１５自体がマイクロ波を吸収して発熱し、その輻射熱によってウエハＷの加熱を促す作用を意味する。誘電体板１５を形成する誘電体材料としては、半導体プロセスの信頼性を確保する観点から、コンタミネーションなどが生じにくい材料、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化珪素（ＳｉＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等を用いることができる。

また、昇温過程における比較的低温域で大きな熱アシスト作用を得るために、誘電体板１５を形成する誘電体材料としては、温度上昇に伴い、マイクロ波の吸収率が低下し、相対的に反射率が大きくなる誘電体材料を用いることが好ましい。例えば、４００℃程度までの温度域に誘電率や誘電損失のピークが存在し、４００℃より高い温度域では、相対的に誘電率や誘電損失が低下して導体的な性質が強くなるような材料を用いることが好ましい。このような観点から、誘電体板１５を形成する誘電体材料としては、半導体的な性質を持つものが好ましい。例えば、エネルギーバンドギャップが２〜９ｅＶの範囲内にある材料を用いることが好ましく、このような誘電体材料としては、例えば炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、カーボン（Ｃ）、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）などを挙げることができる。また、より好ましくは、エネルギーバンドギャップが２〜６ｅＶの範囲内にある材料を用いることが好ましく、このような誘電体材料としては、例えば炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、カーボン（Ｃ）などを挙げることができる。

複数の支持ピン１６は、誘電体材料によって形成されている。複数の支持ピン１６を形成する誘電体材料としては、例えば、石英、セラミックス等を用いることができる。

本実施の形態において、誘電体板１５は、ウエハＷの下方において、ウエハＷから離間した状態で、ウエハＷと底部１３との間に介在している。誘電体板１５は、その最も面積の広い主表面として、上面と下面を有しており、ウエハＷも、その最も面積の広い主表面として、上面と下面を有している。そして、ウエハＷの下面と、誘電体板１５の上面とが、少なくとも部分的に対向するように配置され、好ましくは、ウエハＷの下面の全体が、誘電体板１５の上面に対向するように配置される。

本実施の形態において、誘電体板１５は、ウエハＷを支持する支持装置４の一構成部材であるとともに、ウエハＷの加熱をアシストする熱アシスト手段として機能する。例えば、ウエハＷを４００℃程度までの温度域で昇温する過程において、誘電体板１５を熱アシスト手段として効果的に機能させる場合は、底部１３から離間させておくことが好ましい。この場合、底部１３の上面から誘電体板１５の下面までの高さＨ_１は、例えば、３〜４０ｍｍの範囲内、好ましくは３０〜４０ｍｍの範囲内とすることができる。また、例えば４００℃より高い温度域で誘電体板１５によるマイクロ波の吸収を抑制する場合は、誘電体板１５を大きく下降させ、例えば接地電位の底壁１３に接触させる（高さＨ_１＝０）ことが好ましい。

支持ピン１６は、ウエハＷを誘電体板１５から所定の間隔で離間させ得る突出高さを有している。支持ピン１６の突出高さは、図３に示す誘電体板１５の上面からウエハＷの下面までの高さＨ_２に等しい。この高さＨ_２は、誘電体板１５を熱アシスト手段として効果的に機能させる観点から、例えば、３〜４０ｍｍの範囲内、好ましくは１０〜３０ｍｍの範囲内とすることができる。本実施の形態において、高さＨ_２は、支持ピン１６を交換することによって調節できる。なお、支持ピン１６の本数は、ウエハＷを安定して支持できれば３本に限らない。

本実施の形態において、ウエハＷと誘電体板１５は、共に円板状をなしており、誘電体板１５の直径Ｄは、少なくともウエハＷの直径Ｄ_Ｗ以上であることが好ましい。なお、誘電体板１５は、ウエハＷの加熱をアシストする作用を有する限り、その形状は問わず、例えばブロック状等の形状であってもよい。誘電体板１５の厚みＴは、ウエハＷへの熱アシスト効果に影響を与える。誘電体板１５を熱アシスト手段として効果的に機能させる観点から、厚みＴは、底部１３の上面から誘電体板１５の下面までの高さＨ_１、及び誘電体板１５の上面からウエハＷの下面までの高さＨ_２を考慮した上で、例えば２〜２０ｍｍの範囲内から選択することが好ましい。

支持装置４において、シャフト１４、誘電体板１５、回転駆動部１７及び可動連結部１９は、支持ピン１６に支持されたウエハＷを水平方向に回転運動させる回転機構を構成している。複数の支持ピン１６及び誘電体板１５は、回転駆動部１７を駆動させることによって、シャフト１４を回転中心にして回転し、各支持ピン１６を水平方向に円運動（公転）させる。また、支持装置４において、シャフト１４、昇降駆動部１８及び可動連結部１９は、誘電体板１５及び支持ピン１６に支持されたウエハＷの高さ位置を調節する高さ位置調節機構を構成している。誘電体板１５及び複数の支持ピン１６は、昇降駆動部１８を駆動させることによって、シャフト１４とともに、上下方向に昇降変位するように構成されている。

回転駆動部１７は、シャフト１４を回転させ得るものであれば、特に制限はなく、例えば図示しないモータ等を備えていてもよい。昇降駆動部１８は、シャフト１４及び可動連結部１９を昇降変位させ得るものであれば、特に制限はなく、例えば図示しないボールねじ等を備えていてもよい。回転駆動部１７と昇降駆動部１８は一体の機構であってもよく、可動連結部１９を有しない構成であってもよい。なお、ウエハＷを水平方向に回転させる回転機構及びウエハＷの高さ位置を調節する高さ位置調節機構は、それらの目的を実現できれば、他の構成であってもよい。

＜排気機構＞
排気装置６は、例えば、ドライポンプ等の真空ポンプを有している。マイクロ波加熱処理装置１は、更に、排気口１３ａと排気装置６とを接続する排気管２１と、排気管２１の途中に設けられた圧力調整バルブ２２と、を備えている。排気装置６の真空ポンプを作動させることにより、処理容器２の内部空間が減圧排気される。なお、マイクロ波加熱処理装置１は、大気圧での処理も可能であり、その場合は、真空ポンプは不要である。排気装置６としてドライポンプ等の真空ポンプを用いる替わりに、マイクロ波加熱処理装置１が設置される施設に設けられた排気設備を用いることも可能である。

＜ガス供給機構＞
マイクロ波加熱処理装置１は、更に、処理容器２内にガスを供給するガス供給機構５を備えている。ガス供給機構５は、図示しないガス供給源を備えたガス供給装置５ａと、ガス供給装置５ａに接続され、処理容器２内に処理ガスを導入する複数の配管２３と、を備えている。複数の配管２３は、処理容器２の側壁部１２に接続されている。

ガス供給装置５ａは、複数の配管２３を介して、処理ガスまたは冷却ガスとして、例えば、Ｎ_２、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｏ_２、Ｈ_２等のガスを処理容器２内へサイドフロー方式で供給できるように構成されている。なお、処理容器２内へのガスの供給は、例えばウエハＷに対向する位置（例えば、天井部１１）にガス供給手段を設けて行ってもよい。また、ガス供給装置５ａの代りに、マイクロ波加熱処理装置１の構成には含まれない外部のガス供給装置を使用してもよい。図示しないが、マイクロ波加熱処理装置１は、更に、配管２３の途中に設けられたマスフローコントローラおよび開閉バルブを備えている。処理容器２内に供給されるガスの種類や、これらのガスの流量等は、マスフローコントローラおよび開閉バルブによって制御される。

＜整流板＞
マイクロ波加熱処理装置１は、更に、処理容器２内の複数の支持ピン１６の周囲において、側壁部１２との間に、枠状をした整流板２４を備えている。整流板２４は、整流板２４を上下に貫通するように設けられた複数の整流孔２４ａを有している。整流板２４は、処理容器２内においてウエハＷが配置される予定の領域の雰囲気を整流しながら排気口１３ａに向かって流すためのものである。整流板２４は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス等の金属材料によって形成されている。なお、整流板２４は、マイクロ波加熱処理装置１における必須の構成要素ではなく、設けなくてもよい。

＜温度計測部＞
マイクロ波加熱処理装置１は、更に、ウエハＷの表面温度を測定する図示しない複数の放射温度計と、これらの放射温度計に接続された温度計測部２７とを備えている。

＜マイクロ波放射空間＞
本実施の形態のマイクロ波加熱処理装置１では、処理容器２内において、天井部１１、側壁部１２及び整流板２４で区画される空間がマイクロ波放射空間Ｓ１を形成している。このマイクロ波放射空間Ｓ１には、天井部１１に設けられた複数のマイクロ波導入ポート１０からマイクロ波が放射される。処理容器２の天井部１１、側壁部１２及び整流板２４は、いずれも金属材料によって形成されているため、マイクロ波を反射し、マイクロ波放射空間Ｓ１内に散乱させる。

＜マイクロ波導入装置＞
次に、図１、図４及び図５を参照して、マイクロ波導入装置３の構成について説明する。図４は、マイクロ波導入装置３の高電圧電源部の概略の構成を示す説明図である。図５は、図１に示した処理容器２の天井部１１の上面を示す平面図である。

前述のように、マイクロ波導入装置３は、処理容器２の上部に設けられ、処理容器２内に電磁波（マイクロ波）を導入するマイクロ波導入手段として機能する。図１に示したように、マイクロ波導入装置３は、マイクロ波を処理容器２に導入する複数のマイクロ波ユニット３０と、複数のマイクロ波ユニット３０に接続された高電圧電源部４０とを備えている。

（マイクロ波ユニット）
本実施の形態では、複数のマイクロ波ユニット３０の構成は全て同一である。各マイクロ波ユニット３０は、ウエハＷを処理するためのマイクロ波を生成するマグネトロン３１と、マグネトロン３１において生成されたマイクロ波を処理容器２に伝送する導波管３２と、マイクロ波導入ポート１０を塞ぐように天井部１１に固定された透過窓３３とを有している。マグネトロン３１は、本発明におけるマイクロ波源に対応する。

図５に示したように、本実施の形態では、処理容器２は、天井部１１において全体として略十字形をなすように周方向に等間隔に配置された４つのマイクロ波導入ポート１０を有している。各マイクロ波導入ポート１０は、長辺と短辺とを有する平面視矩形をなしている。各マイクロ波導入ポート１０の大きさや、長辺と短辺の比は、マイクロ波導入ポート１０毎に異なっていてもよいが、ウエハＷに対するアニール処理の均一性を高めるとともに制御性をよくする観点から、４つのマイクロ波導入ポート１０のすべてが同じ大きさ及び形状であることが好ましい。なお、本実施の形態では、各マイクロ波導入ポート１０にそれぞれマイクロ波ユニット３０が接続されている。つまり、マイクロ波ユニット３０の数は４つである。

マグネトロン３１は、高電圧電源部４０によって供給される高電圧が印加される陽極および陰極（いずれも図示省略）を有している。また、マグネトロン３１としては、種々の周波数のマイクロ波を発振することができるものを用いることができる。マグネトロン３１によって生成されるマイクロ波は、被処理体の処理毎に最適な周波数を選択し、例えばアニール処理においては、２．４５ＧＨｚ、５．８ＧＨｚ等の高い周波数のマイクロ波であることが好ましく、５．８ＧＨｚのマイクロ波であることが特に好ましい。

導波管３２は、断面が矩形且つ角筒状の形状を有し、処理容器２の天井部１１の上面から上方に延びている。マグネトロン３１は、導波管３２の上端部の近傍に接続されている。導波管３２の下端部は、透過窓３３の上面に接している。マグネトロン３１において生成されたマイクロ波は、導波管３２および透過窓３３を介して処理容器２内に導入される。

透過窓３３は、誘電体材料によって形成されている。透過窓３３の材料としては、例えば、石英、セラミックス等を用いることができる。透過窓３３と天井部１１との間は、図示しないシール部材によって気密にシールされている。透過窓３３の下面から支持ピン１６に支持されたウエハＷの表面までの距離（ギャップＧ）は、ウエハＷへマイクロ波が直接放射されることを抑制する観点から、例えば２５ｍｍ以上とすることが好ましく、２５〜５０ｍｍの範囲内で可変に調節することがより好ましい。

マイクロ波ユニット３０は、更に、導波管３２の途中に設けられたサーキュレータ３４、検出器３５およびチューナ３６と、サーキュレータ３４に接続されたダミーロード３７とを有している。サーキュレータ３４、検出器３５およびチューナ３６は、導波管３２の上端部側からこの順に設けられている。サーキュレータ３４およびダミーロード３７は、処理容器２からの反射波を分離するアイソレータを構成する。すなわち、サーキュレータ３４は、処理容器２からの反射波をダミーロード３７に導き、ダミーロード３７は、サーキュレータ３４によって導かれた反射波を熱に変換する。

検出器３５は、導波管３２における処理容器２からの反射波を検出するためのものである。検出器３５は、例えばインピーダンスモニタ、具体的には、導波管３２における定在波の電界を検出する定在波モニタによって構成されている。定在波モニタは、例えば、導波管３２の内部空間に突出する３本のピンによって構成することができる。定在波モニタによって定在波の電界の場所、位相および強さを検出することにより、処理容器２からの反射波を検出することができる。また、検出器３５は、進行波と反射波を検出することが可能な方向性結合器によって構成されていてもよい。

チューナ３６は、マグネトロン３１と処理容器２との間のインピーダンスを整合する機能を有している。チューナ３６によるインピーダンス整合は、検出器３５における反射波の検出結果に基づいて行われる。チューナ３６は、例えば、導波管３２の内部空間に出し入れすることができるように設けられた導体板（図示省略）によって構成することができる。この場合、導体板の、導波管３２の内部空間への突出量を制御することにより、反射波の電力量を調整して、マグネトロン３１と処理容器２との間のインピーダンスを調整することができる。

（高電圧電源部）
高電圧電源部４０は、マグネトロン３１に対してマイクロ波を生成するための高電圧を供給する。図４に示したように、高電圧電源部４０は、商用電源に接続されたＡＣ−ＤＣ変換回路４１と、ＡＣ−ＤＣ変換回路４１に接続されたスイッチング回路４２と、スイッチング回路４２の動作を制御するスイッチングコントローラ４３と、スイッチング回路４２に接続された昇圧トランス４４と、昇圧トランス４４に接続された整流回路４５とを有している。マグネトロン３１は、整流回路４５を介して昇圧トランス４４に接続されている。

ＡＣ−ＤＣ変換回路４１は、商用電源からの交流（例えば、三相２００Ｖの交流）を整流して所定の波形の直流に変換する回路である。スイッチング回路４２は、ＡＣ−ＤＣ変換回路４１によって変換された直流をオン・オフ制御する回路である。スイッチング回路４２では、スイッチングコントローラ４３によってフェーズシフト型のＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御またはＰＡＭ（Pulse Amplitude Modulation）制御が行われて、パルス状の電圧波形が生成される。昇圧トランス４４は、スイッチング回路４２から出力された電圧波形を所定の大きさに昇圧するものである。整流回路４５は、昇圧トランス４４によって昇圧された電圧を整流してマグネトロン３１に供給する回路である。

＜制御部＞
マイクロ波加熱処理装置１の各構成部は、それぞれ制御部８に接続されて、制御部８によって制御される。制御部８は、典型的にはコンピュータである。図６は、図１に示した制御部８の構成を示す説明図である。図６に示した例では、制御部８は、ＣＰＵを備えたプロセスコントローラ８１と、このプロセスコントローラ８１に接続されたユーザーインターフェース８２および記憶部８３とを備えている。

プロセスコントローラ８１は、マイクロ波加熱処理装置１において、例えば温度、圧力、ガス流量、マイクロ波出力、ウエハＷの回転速度等のプロセス条件に関係する各構成部（例えば、マイクロ波導入装置３、支持装置４、ガス供給装置５ａ、排気装置６、温度計測部２７等）を統括して制御する制御手段である。

ユーザーインターフェース８２は、工程管理者がマイクロ波加熱処理装置１を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードやタッチパネル、マイクロ波加熱処理装置１の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等を有している。

記憶部８３には、マイクロ波加熱処理装置１で実行される各種処理をプロセスコントローラ８１の制御によって実現するための制御プログラム（ソフトウエア）や、処理条件データ等が記録されたレシピ等が保存されている。プロセスコントローラ８１は、ユーザーインターフェース８２からの指示等、必要に応じて、任意の制御プログラムやレシピを記憶部８３から呼び出して実行する。これにより、プロセスコントローラ８１による制御下で、マイクロ波加熱処理装置１の処理容器２内において所望の処理が行われる。

上記の制御プログラムおよびレシピは、例えば、ＣＤ−ＲＯＭ、ハードディスク、フレキシブルディスク、フラッシュメモリ、ＤＶＤ、ブルーレイディスク等のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に格納された状態のものを利用することができる。また、上記のレシピは、他の装置から、例えば専用回線を介して随時伝送させてオンラインで利用することも可能である。

＜第１の実施の形態の作用＞
次に、本実施の形態に係るマイクロ波加熱処理装置１の作用効果について説明する。誘電体板１５に吸収されるマイクロ波のパワーＰは、下式で計算することができる。式中、ｆはマイクロ波の周波数［Ｈｚ］、ｖはマイクロ波の電界強度［Ｖ／ｍ］、εは誘電体板１５を構成する材料の比誘電率、ｔａｎδは誘電体板１５を構成する材料の誘電正接（δは誘電損失角）を意味する。下式より、比誘電率及び誘電損失角の大きな材料を用いることによって、誘電体板１５へのマイクロ波吸収効率が高くなり、誘電体板１５の発熱による熱アシスト効果が大きくなることがわかる。

本実施の形態では、誘電体板１５を形成する誘電体材料として、温度上昇に伴い、マイクロ波の吸収率が低下し、相対的に反射率が大きくなる誘電体材料を用いることが好ましい。図７は、本実施の形態で利用可能な誘電体材料の誘電率又は誘電損失の温度変化のモデルを示す図面である。図７に示したように、例えば４００℃程度までの温度域に誘電率や誘電損失のピークが存在し、４００℃より高い温度域では、相対的に誘電率や誘電損失が低下して導体的な性質が強くなるような材料を用いることができる。図７に示したような特性を有する誘電体材料は、４００℃以下の昇温過程では効率よくマイクロ波を吸収して発熱し、輻射熱によってウエハＷの加熱をアシストすることが可能になる。また、４００℃を超える昇温過程では導体的性質が強まってマイクロ波を反射し、誘電体材料によるマイクロ波の損失を抑制することができる。従って、本実施の形態に係るマイクロ波加熱処理装置１では、誘電体部材１５を用いることによって、ウエハＷの加熱効率が改善し、昇温レートが大きくなり、アニール処理のスループットを向上させることができる。また、ウエハＷの処理温度である４００℃以上の領域では、供給されたマイクロ波のパワーが誘電体部材１５に吸収される割り合いが低下するため、マイクロ波のパワーを効率的にウエハＷに供給することが可能となる。

また、本実施の形態では、回転駆動部１７を駆動させることによって、複数の支持ピン１６に支持されたウエハＷを水平方向に所定の速度で回転させながらアニール処理を行う。これによって、ウエハＷの面内において、周方向でのマイクロ波の放射が均一化される。従って、回転によって、ウエハＷの面内での周方向におけるアニール処理の均一化が実現できる。

［処理手順］
次に、マイクロ波加熱処理装置１においてウエハＷに対してアニール処理を施す際の処理の手順について説明する。まず、例えばユーザーインターフェース８２から、マイクロ波加熱処理装置１においてアニール処理を行うように、プロセスコントローラ８１に指令が入力される。次に、プロセスコントローラ８１は、この指令を受けて、記憶部８３またはコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に保存されたレシピを読み出す。次に、レシピに基づく条件によってアニール処理が実行されるように、プロセスコントローラ８１からマイクロ波加熱処理装置１の各エンドデバイス（例えば、マイクロ波導入装置３、支持装置４、ガス供給装置５ａ、排気装置６等）に制御信号が送出される。

次に、ゲートバルブＧＶが開状態にされて、図示しない搬送装置によって、ウエハＷが、ゲートバルブＧＶおよび搬入出口１２ａを通って処理容器２内に搬入され、複数の支持ピン１６の上に載置される。複数の支持ピン１６は、昇降駆動部１８を駆動させることによって、シャフト１４、誘電体板１５とともに、上下方向に昇降し、ウエハＷが所定の高さＨにセットされる。この高さＨは、上記高さＨ_１、厚みＴ及び高さＨ_２を考慮して設定することができる。この高さＨで、回転駆動部１７を駆動させることによって、ウエハＷを、水平方向に所定の速度で回転させる。なお、ウエハＷの回転は、連続的でなく、非連続的であってもよい。次に、ゲートバルブＧＶが閉状態にされて、必要な場合は排気装置６によって、処理容器２内が減圧排気される。次に、ガス供給装置５ａによって、所定の流量の処理ガスが処理容器２内に導入される。処理容器２の内部空間は、排気量およびガス供給量を調整することによって、所定の圧力に調整される。

次に、高電圧電源部４０からマグネトロン３１に対して電圧を印加してマイクロ波を生成する。マグネトロン３１において生成されたマイクロ波は、導波管３２を伝搬し、次に、透過窓３３を透過して、処理容器２内において回転するウエハＷの上方の空間に導入される。本実施の形態では、複数のマグネトロン３１において順次マイクロ波を生成し、各マイクロ波導入ポート１０から交互にマイクロ波を処理容器２内に導入する。なお、複数のマグネトロン３１において同時に複数のマイクロ波を生成させ、各マイクロ波導入ポート１０から同時にマイクロ波を処理容器２内に導入するようにしてもよい。

処理容器２に導入されたマイクロ波は、回転するウエハＷに照射されて、ジュール加熱、磁性加熱、誘導加熱等の電磁波加熱により、ウエハＷが迅速に加熱される。その結果、ウエハＷに対してアニール処理が施される。このように、支持装置４によって、アニール処理の間にウエハＷを回転させることによってウエハＷに照射されるマイクロ波の偏りを少なくし、ウエハＷ面内の加熱温度を均一化することができる。また、ウエハＷに近接して配置された誘電体板１５は、それ自体がマイクロ波を吸収して発熱することによって輻射熱でウエハＷの加熱を促進する熱アシスト手段として機能する。その結果、特に昇温過程の低温領域においてウエハＷの加熱が促進され、昇温レートが向上する。なお、本実施の形態では、ウエハＷの高さＨ、誘電体板１５の高さＨ_１をアニール処理の間に変化させてもよい。

プロセスコントローラ８１からマイクロ波加熱処理装置１の各エンドデバイスにアニール処理を終了させる制御信号が送出されると、マイクロ波の生成が停止されると共に、ウエハＷの回転が停止し、処理ガスおよび冷却ガスの供給が停止されて、ウエハＷに対するアニール処理が終了する。次に、ゲートバルブＧＶが開状態にされて、支持ピン１６上のウエハＷの高さ位置を調整した後、図示しない搬送装置によって、ウエハＷが搬出される。

マイクロ波加熱処理装置１は、例えば半導体デバイスの作製工程において、拡散層に注入されたドーピング原子の活性化を行うためのアニール処理などの目的で好ましく利用できる。

以上のように、本実施の形態のマイクロ波加熱処理装置１および処理方法では、熱アシスト部材としての誘電体板１５を、ウエハＷに対し所定の間隔を開けて配置することによって、ウエハＷの加熱を促進し、加熱効率を改善することができる。また、ウエハＷを水平方向に所定の速度で回転させながらアニール処理を行うことによって、ウエハＷの面内において、マイクロ波の吸収が均一化される。従って、本実施の形態のマイクロ波加熱処理装置および処理方法によれば、ウエハＷに対して効率良く、かつ、ウエハＷの面内において優れた均一性でアニール処理を行うことが可能である。

［第２の実施の形態］
次に、図８及び図９を参照して、本発明の第２の実施の形態のマイクロ波加熱処理装置について説明する。図８は、本実施の形態に係るマイクロ波加熱処理装置１Ａの概略の構成を示す断面図である。図９は、支持ピン１６と誘電体板１５Ａとの関係を示す斜視図である。本実施の形態に係るマイクロ波加熱処理装置１Ａは、連続する複数の動作を伴って、例えばウエハＷに対して、マイクロ波を照射してアニール処理を施す装置である。以下の説明では、第１の実施の形態のマイクロ波加熱処理装置１との相違点を中心に説明し、図８及び図９において、第１の実施の形態のマイクロ波加熱処理装置１と同じ構成には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施の形態のマイクロ波加熱処理装置１Ａは、ウエハＷを収容する処理容器２と、処理容器２内にマイクロ波を導入するマイクロ波導入装置３と、処理容器２内においてウエハＷを支持する支持装置４Ａと、処理容器２内にガスを供給するガス供給機構５と、処理容器２内を減圧排気する排気装置６と、これらマイクロ波加熱処理装置１Ａの各構成部を制御する制御部８とを備えている。

支持装置４Ａは、処理容器２の底部１３のほぼ中央を貫通して処理容器２の外部まで延びる二重構造のシャフト１４Ａと、シャフト１４Ａの上端付近においてほぼ水平方向に設けられた熱アシスト部材としての誘電体板１５Ａと、シャフト１４Ａに取付けられた複数のアーム部１５Ｂと、各アーム部１５Ｂに着脱可能に装着された複数の支持ピン１６とを有している。さらに、支持装置４Ａは、シャフト１４Ａを回転させる回転駆動部１７と、シャフト１４Ａを上下に変位させる昇降駆動部１８Ａと、シャフト１４Ａを支持するとともに、回転駆動部１７と昇降駆動部１８Ａとを連結する可動連結部１９と、を有している。

二重構造のシャフト１４Ａは、図示しない内軸及び外筒を有しており、内軸には誘電体板１５Ａが取り付けられており、外筒には複数のアーム部１５Ｂが取り付けられている。内軸と外筒は、いずれも昇降駆動部１８Ａによって独立して上下に変位し、誘電体板１５Ａとアーム部１５Ｂと底部１３との距離を可変に調節する。

アーム部１５Ｂは、支持ピン１６と同数（例えば３本）設けられている。各アーム部１５Ｂは、シャフト１４Ａを中心に水平方向に放射状に延びている。支持ピン１６は、各アーム部１５Ｂの先端付近に装着されている。本実施の形態では、ウエハＷと誘電体板１５Ａが共に円板状をなしており、誘電体板１５Ａの直径は、ウエハＷの直径よりも小さい。従って、複数の支持ピン１６は、誘電体板１５Ａの外側において誘電体板１５Ａの下方から上方へ向けて立上がり、ウエハＷを支持する。

誘電体板１５Ａは、ウエハＷの下方において、ウエハＷ及び処理容器２の底部１３の両方から離間した状態で、ウエハＷと底部１３との間に介在する。誘電体板１５Ａは、ウエハＷの加熱を促進する熱アシスト手段として機能する。誘電体板１５Ａは、ウエハＷを支持する支持ピン１６を装着していない点を除き、第１の実施の形態と同様に熱アシスト作用を有している。このように、本実施の形態では、熱アシスト部材としての誘電体板１５Ａと、複数の支持ピン１６を支持するアーム部１５Ｂと、を別個の部材によって構成している。

また、支持装置４Ａにおいて、シャフト１４Ａ、昇降駆動部１８Ａ及び可動連結部１９は、誘電体板１５Ａと、支持ピン１６に支持されたウエハＷとの距離を可変に調節する変位機構を構成している。複数の支持ピン１６及び誘電体板１５Ａは、昇降駆動部１８Ａを駆動させることによって、独立して上下方向に昇降変位するように構成されている。

本実施の形態における誘電体板１５Ａの厚みＴ、底部１３の上面から誘電体板１５Ａの下面までの高さＨ_１、誘電体板１５Ａの上面からウエハＷの下面までの高さＨ_２、及び、底部１３の上面からウエハＷの下面までの高さＨは、第１の実施の形態と同様に設定することができる。本実施の形態においては、特に、４００℃前後までの昇温過程では、底部１３の上面から誘電体板１５Ａの下面までの高さＨ_１は、例えば３〜４０ｍｍの範囲内、好ましくは３０〜４０ｍｍの範囲内とすることができる。また、４００℃より高い温度域では、高さＨ_１を４００℃以下の温度域における高さＨ_１よりも小さくすることが好ましい。

＜第２の実施の形態の作用＞
次に、本実施の形態に係るマイクロ波加熱処理装置１Ａの作用効果について説明する。本実施の形態のマイクロ波加熱処理装置１Ａでは、ウエハＷと誘電体板１５Ａの高さ位置を独立して調節できる。図１０は、本実施の形態のマイクロ波加熱処理装置１Ａにおける作用を説明する原理図である。図１０に示したように、例えば４００℃以下の昇温過程ではウエハＷと誘電体板１５Ａの間隔Ｌ_１（高さＨ_２と同じ）を小さくしておくことにより、誘電体板１５Ａが効率よくマイクロ波を吸収して発熱し、輻射熱によってウエハＷの加熱をアシストすることが可能になる。また、４００℃を超える昇温過程では、ウエハＷと誘電体板１５Ａの間隔Ｌ_２（高さＨ_２と同じ）を大きくした状態（つまり、Ｌ_１＜Ｌ_２）で配置することによって、誘電体板１５Ａ自体によるマイクロ波の損失（吸収）を抑制することができる。従って、本実施の形態に係るマイクロ波加熱処理装置１Ａを用いることによって、ウエハＷの加熱効率が改善し、昇温レートが大きくなり、アニール処理のスループットを向上させることができる。また、マイクロ波のパワーを効率的にウエハＷに供給することが可能となる。なお、本実施の形態では、誘電体板１５Ａは熱アシスト作用を有していればよく、その材質を問わないが、高い熱アシスト効果を得るためには、第１の実施の形態と同様に、例えば４００℃以下の温度域に誘電率や誘電損失のピークが存在し、温度上昇に伴い、マイクロ波の吸収率が低下し、相対的に反射率が大きくなる誘電体材料を用いることが好ましい。

本実施の形態のマイクロ波加熱処理装置１Ａにおける他の構成及び効果は、第１の実施の形態のマイクロ波加熱処理装置１と同様である。なお、ウエハＷと誘電体板１５Ａの高さ位置を独立して変位させるための機構は、特に問われない。例えば、誘電体板１５Ａと、アーム部１５Ｂ及び支持ピン１６は、別々の駆動機構によって回転及び昇降させるように構成してもよい。この場合、誘電体板１５Ａは、支持装置４Ａの一構成部材ではなく、独立した部材とすることができる。また、本実施の形態では、誘電体板１５Ａは回転しなくてもよい。

［実施例］
次に、図１１〜図１３を参照しながら、本発明の基礎となった試験結果について説明する。第１の実施の形態（図１〜図６）と同様の構成のマイクロ波加熱処理装置１において、熱アシスト部材として、直径３１４ｍｍ、厚み４ｍｍのＳｉＣ板を用いた。このＳｉＣ板を、底部１３の上面からＳｉＣ板の下面までの高さが３６ｍｍ、及び底部１３の上面からウエハＷの下面までの高さが５３ｍｍとなるように設置した。ウエハＷの下面とＳｉＣ板の上面との間隔は１３ｍｍとした。

ウエハＷとしては、３００ｍｍ径のシリコンウエハを用いた。ＳｉＣ板として、実施例１ではサンプルＡ（体積抵抗４×１０^４Ω・ｃｍ）、実施例２ではサンプルＢ（体積抵抗６×１０^６Ω・ｃｍ）を使用した。

ウエハＷの昇温レートの測定結果を図１１に示した。比較例として、ＳｉＣ板を配備しない場合についても試験を行った。図１１より、約４００℃までの昇温レートは、ＳｉＣ板を用いた実施例１及び実施例２の方が、比較例に比べて２倍以上大きく、ＳｉＣ板による熱アシスト効果が確認できた。

次に、上記サンプルＡ及びサンプルＢのＳｉＣ板について、体積抵抗の温度変化を計測した結果を図１２に示した。図１２より、サンプルＡ及びサンプルＢのＳｉＣ板は、温度上昇に伴って体積抵抗が低下しており、相対的に、誘電体から導体に近い性質に変化していることが確認できた。

次に、サンプルＡを用い、ＳｉＣ板の高さを変化させた場合にウエハＷの加熱温度（最高到達温度）に与える影響についての試験結果を図１３に示した。この試験では、底部１３の上面からＳｉＣ板の下面までの高さを２２ｍｍから４０ｍｍの範囲内で設定した。ウエハＷの下面とＳｉＣ板の上面との間隔は１３ｍｍで一定に設定した。図１３より、底部１３の上面からＳｉＣ板の下面までの高さを変化させることによって、アニール処理におけるウエハＷの最高到達温度を変化させ得ることが確認された。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の変更が可能である。例えば、本発明のマイクロ波加熱処理装置は、半導体ウエハを被処理体とする場合に限らず、例えば太陽電池パネルの基板やフラットパネルディスプレイ用基板を被処理体とするマイクロ波加熱処理装置にも適用できる。

また、上記の実施の形態では、熱アシスト部材としての誘電体板１５，１５ＡをウエハＷの下方に配置したが、例えば、ウエハＷの上方に配置することもできる。

また、上記の実施の形態では、熱アシスト部材としての誘電体板１５，１５Ａを支持装置４，４Ａの構成部分としているが、誘電体板１５は支持装置の構成部分でなくてもよい。

また、マイクロ波加熱処理装置におけるマイクロ波ユニット３０の数（マグネトロン３１の数）やマイクロ波導入ポート１０の数は、上記実施の形態で説明した数に限られない。

１…マイクロ波加熱処理装置、２…処理容器、３…マイクロ波導入装置、４、４Ａ…支持装置、５…ガス供給機構、５ａ…ガス供給装置、６…排気装置、８…制御部、１０…マイクロ波導入ポート、１１…天井部、１２…側壁部、１２ａ…搬入出口、１３…底部、１３ａ…排気口、１４…シャフト、１５、１５Ａ…誘電体板、１６…支持ピン、１７…回転駆動部、１８、１８Ａ…昇降駆動部、１９…可動連結部、２１…排気管、２２…圧力調整バルブ、２３…配管、２４…整流板、２４ａ…整流孔、３０…マイクロ波ユニット、３１…マグネトロン、３２…導波管、３３…透過窓、３４…サーキュレータ、３５…検出器、３６…チューナ、３７…ダミーロード、４０…高電圧電源部、Ｇ…ギャップ、ＧＶ…ゲートバルブ、Ｓ１…マイクロ波放射空間、Ｗ…半導体ウエハ。

Claims (11)

1. 上壁、底壁及び側壁を有し、被処理体を収容する処理容器と、
   前記被処理体を加熱処理するためのマイクロ波を生成して前記処理容器に導入するマイクロ波導入装置と、
   前記処理容器内で被処理体に当接してこれを支持する支持部材と、
   前記支持部材によって支持された被処理体に対して離間して配置され、前記マイクロ波を吸収して発熱し、その輻射熱によって被処理体の加熱をアシストする熱アシスト部材と、
   を備えたマイクロ波加熱処理装置。
2. 前記被処理体及び前記熱アシスト部材は、共に板状をなし、それぞれの最も面積の広い主表面が少なくとも部分的に対向するように配置される請求項１に記載のマイクロ波加熱処理装置。
3. 前記熱アシスト部材は、誘電体材料により構成されている請求項１又は２に記載のマイクロ波加熱処理装置。
4. 前記誘電体材料が、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化珪素（ＳｉＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）及び窒化アルミニウム（ＡｌＮ）よりなる群から選ばれる１種又は２種以上である請求項３に記載のマイクロ波加熱処理装置。
5. 被処理体の昇温過程において、前記熱アシスト部材は、温度上昇に伴い、前記マイクロ波の吸収率が低下し、相対的に反射率が大きくなる誘電体材料によって構成されている請求項１又は２に記載のマイクロ波加熱処理装置。
6. 前記底壁から前記熱アシスト部材までの高さを可変に調節する高さ位置調節機構をさらに備えた請求項１から５のいずれか１項に記載のマイクロ波加熱処理装置。
7. 前記熱アシスト部材と前記被処理体との距離を可変に調節する変位機構をさらに備えた請求項１から５のいずれか１項に記載のマイクロ波加熱処理装置。
8. 前記支持部材を水平方向に回転させる回転機構をさらに備えた請求項１から７のいずれか１項に記載のマイクロ波加熱処理装置。
9. 前記処理容器の上壁は、前記マイクロ波導入装置において生成された前記マイクロ波を前記処理容器に導入する複数のマイクロ波導入ポートを有している請求項１から８のいずれか１項に記載のマイクロ波加熱処理装置。
10. 上壁、底壁及び側壁を有し、被処理体を収容する処理容器と、
    前記被処理体を加熱処理するためのマイクロ波を生成して前記処理容器に導入するマイクロ波導入装置と、
    前記処理容器内で被処理体に当接してこれを支持する複数の支持部材と、
    前記支持部材によって支持された被処理体に対して離間して配置され、前記マイクロ波を吸収して発熱し、その輻射熱によって被処理体の加熱をアシストする熱アシスト部材と、
    を備えたマイクロ波加熱処理装置を用いて前記被処理体を加熱処理する処理方法。
11. 前記支持部材により支持した前記被処理体を回転させながら加熱処理する請求項１０に記載の処理方法。

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