JP4288309B2 - 基板熱処理装置及び基板の熱処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板の熱処理などに用いられる基板熱処理装置に関する。更に詳しくは、基板を真空中で均一且つ急速に加熱することが可能な基板熱処理装置及び基板熱処理装置を用いた基板の熱処理方法に関する。

基板熱処理装置としては、真空室の下部に加熱プレートを設け、上部に環状の冷却ユニットを設け、この加熱プレートと冷却ユニットの間に昇降可能に、熱伝導率のよい材料で構成した基板ホルダを設けたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この基板熱処理装置による熱処理は、基板を載置した基板ホルダを下降させ、基板ホルダの下面を加熱プレートに接触させて、基板ホルダを介して基板を加熱した後、基板ホルダを上昇させ、基板ホルダの周縁を冷却ユニットに接触させて、基板ホルダを介して基板を冷却することで行われるものである。また、基板を加熱プレートと非接触で加熱する基板加熱処理装置として、基板を高温で加熱処理する機密状態の反応室と、冷却部とが設けられた基板加熱処理装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００３−３１８０７６号公報 特開２００５−２９９９９０号公報

しかしながら、特許文献１に記載された基板熱処理装置及び熱処理方法の場合、加熱が基板ホルダを介して熱伝導により行われるものとなっている。このため、基板と基板ホルダの接触状態が一様でないと加熱にムラを生じる問題がある。例えば、注入や熱工程などを経てきた基板に反りが生じていると、基板が基板ホルダに接触する場所と接触しない場所が生じ、加熱後のアニール特性の面内均一性を劣化させるという問題を生じる。また、冷却は基板ホルダの周縁から行われるので、全体を均一に降温させることができないばかりか、中心部まで冷却するのに時間がかかる問題もある。

特許文献２の基板熱処理装置では、輻射熱により基板を高温加熱するが、基板をより効率的に均一に加熱することが望まれる。また、基板を高温加熱する場合であっても、チャンバ壁まで温度が伝わらないことが必要であるが、特許文献２の基板処理装置では、冷却は、冷却部の壁で行われるので、冷却部のスペースを大きくとる必要があり、装置が大型化してしまうという問題もある。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたもので、基板を真空中で均一且つ急速に加熱することができる基板熱処理装置及び熱処理方法を提供することを第１の目的とする。また、本発明は、加熱した基板全体を速やかに冷却することが可能な基板熱処理装置及び熱処理方法を提供することを第２の目的とする。また、本発明は、小型化が可能な基板熱処理装置及びそれを用いた熱処理方法を提供することを第３の目的とする。

上記目的の少なくとも一つを解決する本発明にかかる基板熱処理装置は、基板が載置される、カーボン又はカーボン被覆材料で構成された基板ステージを備えた基板ホルダユニットと、
前記基板ステージの上方に設けられており、当該基板ステージと対向する放熱面を備え、前記基板ステージの上に載置された基板に対して非接触状態で、前記放熱面からの輻射熱で前記基板を加熱する加熱ユニットと、
前記基板ホルダユニットと前記加熱ユニットとが設けられているチャンバと、
前記チャンバ内において、前記基板ステージと前記加熱ユニットの放熱面とを、接近、または離間させるために、前記基板ホルダユニットと前記加熱ユニットとのうちの少なくともいずれか一方を昇降させる昇降装置と、を有する基板熱処理装置であって、
前記基板ホルダユニットが、
前記基板ステージの下側に間隔をあけて配置され、前記基板ステージの下面から放射される熱を捕らえ、捕らえた熱を前記基板ステージに対して輻射する輻射板と、
前記輻射板の下側に間隔をあけて配置され、前記輻射板から放射される熱を反射する反射板と、を備えることを特徴とする。

また、本発明にかかる基板の熱処理方法は、基板が載置される基板ステージを備えた基板ホルダユニットと、
前記基板ステージの上方に設けられており、当該基板ステージと対向する放熱面を備え、前記基板ステージの上に載置された基板に対して非接触状態で、前記放熱面からの輻射熱で前記基板を加熱する加熱ユニットと、を有する基板熱処理装置を用いた基板の熱処理方法であって、
表面に注入領域を有する基板を、当該注入領域側の面を前記加熱ユニットの放熱面側に向けて前記基板ステージ上に載置する載置工程と、
上記の本発明にかかる基板熱処理装置を用いて前記基板の熱処理を行う熱処理工程と、を有することを特徴とする。

本発明に係る基板熱処理装置及び熱処理方法での基板の加熱は、加熱ユニットの放熱面からの輻射熱により、基板とは非接触状態で行われる。加熱ユニットの放熱面は基板を載置する基板ステージと対向しており、その輻射熱は、基板の反りの有無に拘わらず均一に照射することができるので、基板が多少反っていても均一に加熱することができる。

また、基板ステージがカーボン又はカーボン被覆材料で構成されており、基板ステージの少なくとも表面が輻射率の高いカーボンとなっていることから、基板は、同時に輻射加熱される基板ステージからの輻射熱も受けることになる。つまり、基板の加熱は、加熱ユニットの放熱面からの輻射熱が主となって行われるが、基板ステージからの輻射熱も副次的に加えられることから、迅速な昇温が可能となる。

また、基板ステージの少なくとも表面が輻射率の高いカーボンとなっていることから、冷却時には輻射熱を吸収することで、基板ステージ全体を均一且つ迅速に温度降下させることができ、それに伴い、基板を迅速且つ均一に冷却することができる。

添付図面は明細書に含まれ、その一部を構成し、本発明の実施の形態を示し、その記述と共に本発明の原理を説明するために用いられる。
本発明の一例に係る基板熱処理装置であって、基板の搬入又は搬出時の状態を示す断面模式図である。 基板の加熱時の状態を示す断面模式図である。 基板の冷却時の状態を示す断面模式図である。 図１における基板ホルダユニット周りの拡大断面図である。 図２における基板ホルダユニット周りの拡大断面図である。 基板ステージの説明図である。 基板ステージの説明図である。 基板ステージの説明図である。 実施例３で作製したｐ⁺-ｎ接合ダイオードの断面図である。 実施例３で作製したｐ⁺ｎ接合ダイオードの電流密度−電圧特性のアニール温度依存性を示す図である。 昇降軸１２の内部構造を示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成要素はあくまで例示であり、本発明の技術的範囲は、請求の範囲によって確定されるのであって、以下の個別の実施形態によって限定されるわけではない。

図１は、本発明の一例に係る基板熱処理装置である。図１は、基板の搬入又は搬出時の状態を示す断面模式図、図２は、基板の加熱時の状態を示す断面模式図、図３は、基板の冷却時の状態を示す断面模式図である。また、図４は、図１における基板ホルダユニット周りの拡大断面図、図５は、図２における基板ホルダユニット周りの拡大断面図、図６は、基板ステージの説明図である。なお、図１〜図６Ａ，Ｂ，Ｃにおいて、同じ符号は同じ部材又は部位を示す。

図１〜図３にそれぞれ示されるように、本例の基板熱処理装置は、基板ホルダユニットＡと、加熱ユニットＢと、シャッタ装置Ｃとを真空チャンバＤ内に設けたものとなっている。

基板ホルダユニットＡは、最上段に基板ステージ１を備えている。加熱ユニットＢは、基板ステージ１の上方に設けられており、基板ステージ１と対向する放熱面２を備えている。基板ホルダユニットＡは、昇降装置Ｅにより昇降可能なもので、基板ステージ１と加熱ユニットＢの放熱面２との近接と離間は、昇降装置Ｅの動作により制御することが可能である。加熱ユニットＢは、基板ホルダユニットＡが図２に示されるように上昇し、基板ステージ１上の基板３と放熱面２が近接された時に、基板３と非接触状態で、放熱面２からの輻射熱で基板３を加熱するものとなっている。

図１の基板ホルダユニットＡは下降位置にあり、図２の基板ホルダユニットＡは上昇位置にある。図１の基板ホルダユニットＡ周りを拡大したのが図４であり、図２の基板ホルダユニットＡ周りを拡大したのが図５である。基板ホルダユニットＡについては、主にこの図４及び図５で説明し、図１〜図３の基板ホルダユニットＡについては主な部材の符号のみを付す。

図４及び図５に示されるように、基板ホルダユニットＡは、最上部に基板ステージ１、基板ステージの下に４枚の輻射板４、輻射板４の下に２枚の反射板５、そして最下部に冷却パネル６を備えたものとなっている。

基板ステージ１は、基板３を載置するもので、上面中央部が基板３が置かれる基板載置部７となっている。図４に示される基板３は、後述するリフトピン８で持ち上げ支持された状態となっているが、基板ホルダユニットＡの上昇により基板ステージ１がリフトピン８より上方へ移動すると、図５に示されるように基板載置部７上に移し取られて載置されることになる。

基板ステージ１は、輻射率が高く、輻射熱を効率良く吸収し、吸収した熱を効率良く放射することができ、しかも高熱に耐えられる材料で構成されている。具体的にはカーボン又はカーボン被覆材料で構成された板状をなしている。基板ステージ１を構成するカーボンとしては、ガラス状カーボン、グラファイト、熱分解カーボンを挙げることができる。また、カーボン被覆材料としては、セラミックスにこれらのカーボンの１種又は２種以上の被覆を施した材料を挙げることができる。

基板ステージ１は、熱容量を抑えて、冷却時間を短縮するために薄いことが好ましい。基板ステージ１の厚さは、構成材料や次に述べる基板載置部７の窪み量によっても相違するが、強度と冷却時間の短縮を両立させる観点から、２〜７ｍｍであることが好ましい。

基板ステージ１の中央部に設けられている基板載置部７は、凹部として設けられており、基板ステージ１の基板載置部７部分の厚さよりその周辺部の厚さが大きくなっていることが好ましい。このようにすると、後述する加熱ユニットＢによる基板３の加熱時に、放熱面２からの輻射熱が基板３の外側へ拡散するのを抑制できると共に、基板ステージ１における基板載置部７の外周縁部の熱容量を大きくし、基板３の外周縁部からの放熱を抑制することができる。そして、弱くなりやすい基板３周縁部の加熱を補って、より均一に基板３全体を加熱することが可能となる。基板載置部７を凹部として設け、基板ステージ１の基板載置部７部分の厚さよりその周辺部の厚さが大きくする態様としては、図６Ａ〜Ｃに示される態様がある。図６Ａは基板載置部７となる基板ステージ１の上面のみに比較的深い凹部を形成した態様を示す図である。図６Ｂは基板載置部７となる基板ステージ１の上面と対応する下面の両者に凹部を形成し、下面側の凹部を上面側の凹部より深くした態様を示す図である。図６Ｃは、図６Ｂとは上下の凹部の深さを逆にした態様を示す図である。

基板ステージ１の基板載置部７の周囲には、図５に示されるように基板ステージ１と加熱ユニットＢの放熱面２とが接近した時に、内側に加熱ユニットＢの放熱面２を受け入れる環状壁部９が突設されている。この環状壁部９は、基板ステージ１と同様のカーボン又はカーボン被覆材料で構成されていることが好ましい。環状壁部９を設けておくことにより、加熱ユニットＢの放熱面２からの輻射熱が周囲に逃げるのを抑制することができ、放熱面２による基板３の加熱効率を向上させることができる。

基板ステージ１と冷却パネル６との間には、それぞれ間隔をあけて、４枚の輻射板４と、２枚の反射板５とが設けられている。

輻射板４は、基板ステージ１と同様に、カーボン又はカーボン被覆材料で構成された板状をなすもので、基板ステージ１の下側に間隔をあけて配置されている。この輻射板４は、基板ステージ１の下面と対向して設けられており、基板３の加熱時に、基板ステージ１の下面から放射される熱を捕らえ、捕らえた熱を基板ステージ１に対して輻射する。これによって基板ステージ１の熱放射による温度低下を抑制することができるので、急速加熱が行いやすくなる。

基板ステージ１の温度を効率よく高温にするために輻射板４を設けることが好ましい。輻射板４を設置する場合、その枚数は１枚でも、図示される４枚以外の複数枚でもよい。輻射板を複数枚備えていると、比較的薄い輻射板４で、上記のように迅速な温度上昇を得ることができるため好ましい。また、比較的薄い輻射板を用いることができるため、各輻射板４の熱容量を抑えて冷却時間を短縮することができる。輻射板４の厚さは、構成材料や枚数によっても相違するが、加熱時の迅速な温度上昇と冷却時間の短縮を両立させる観点から、１〜３ｍｍであることが好ましい。

輻射板４の下側（輻射板４が１枚の場合の当該輻射板４又は輻射板４が複数枚の場合の最下部の輻射板４の下側）には、それぞれ間隔をあけて、２枚の反射板５が設けられている。反射板５は、モリブテン、タングステンなどの高融点金属で構成されており、少なくとも輻射板４側の（上面）には鏡面仕上げが施されている。反射板５は基板ステージ１、輻射板４から放射される熱を反射するものである。

反射板５を輻射板４の下側に１枚又は複数枚備えていると、更に基板ステージ１、輻射板４からの熱放射による温度低下を抑制しやすくなり、一層急速加熱が行いやすくなる。また、反射板５を設けることにより、反射板５で基板ステージ１、輻射板４の熱放射をさえぎることができるので、チャンバの温度上昇を防ぐことができて好ましい。

上記反射板５を設ける場合、反射板５の下側（反射板５が１枚の場合の当該反射板５又は反射板５が複数枚の場合の最下部の反射板５の下側）に間隔をあけて冷却パネル６を設けることができる。この冷却パネル６は、例えば水冷機構などの冷却手段で冷却されるパネル体で、基板ステージ１、輻射板４及び反射板５の下面に対向して設けることで、基板３の冷却時に、上方に位置するこれらの部材の均一且つ迅速な冷却を促すことができる。図９は、冷却パネル６が接続された昇降軸１２の内部構造を示す斜視図である。昇降軸１２の内部には、温度測定器１６と接続する温度測定孔１５が設けられている。更に、昇降軸１２の内部には、冷却パネル６の冷却手段に冷媒を供給し、冷却手段から冷媒を回収する、冷媒循環用の流路２９が複数設けられている。

また、後でも述べるように、図５に示される基板３の加熱時には、冷却パネル６で冷却すると、基板ホルダユニットＡの温度を一定に制御するができ、輻射加熱による基板ステージの温度の再現性を向上させるのに役立つ。

冷却パネル６を設ける場合、前記のように、反射板５を設けて、基板３の加熱を阻害しないようにすると共に、冷却パネル６の外壁を、鏡面仕上げを施したステンレス鋼やアルミニウム合金などで構成し、熱吸収を抑制しておくことが好ましい。

冷却パネル６を設ける場合、最下部の反射板５（反射板５が１枚の場合の当該反射板５）の周縁から、冷却パネル６の周囲にスカート部１０を延出させておくことが好ましい。このスカート部１０を設けることにより、冷却パネル６の周側面からの吸熱を抑制し、基板３の加熱に影響を及ぼすことを防止することができる。

基板ステージ１、輻射板４、反射板５は、それぞれアルミナセラミックスやジルコニウムオキサイドセラミックスなどの耐熱・断熱性材料を介在させて、連結ネジ１１で冷却パネル６上に支持されている。また、冷却パネル６は、昇降装置Ｅ（図１参照）の昇降軸１２の先端部に接続されている（図９参照）。後述するように、昇降装置Ｅは冷却パネル６を昇降軸１２の軸方向に上下に昇降させるもので、冷却パネル６の上下動に伴い、冷却パネル６の上方に構成されている基板ホルダユニットＡが昇降されるものとなっている。

基板ホルダユニットＡには、基板ホルダユニットＡを構成している基板ステージ１、輻射板４、反射板５及び冷却パネル６を貫通するリフトピン用貫通孔１３が複数箇所形成されている。リフトピン用貫通孔１３は、特に基板ステージ１の基板載置部７内を通る位置に形成されている。また、リフトピン用貫通孔１３の位置に対応して、真空チャンバＤの底部に複数本のリフトピン８が立設されている。

図４においては、リフトピン用貫通孔１３を介して、真空チャンバＤの底部に立設された複数本のリフトピン８が基板ステージ１上に突出している。リフトピン８は、基板載置部７上の基板３を先端で持ち上げ支持可能な位置と本数となっており、図４の状態から基板ホルダユニットＡが上昇して基板ステージ１がリフトピン８より上方へ移動すると、基板３は基板載置部７上に移行されることになる。また、基板載置部７上に基板３が載置された状態で基板ホルダユニットＡが下降し、リフトピン８がリフトピン用貫通孔１３を介して基板ステージ１上に突出すると、基板載置部７上の基板３がリフトピン８の先端で持ち上げ支持され、図４の状態となる。

基板ステージ１の基板載置部７の中央部直下には、輻射板４、反射板５及び冷却パネル６を貫通して、測定孔１４が形成されている。この測定孔１４は昇降軸１２の中心に形成された測定孔１５と一連に連なっている。この測定孔１４，１５は、図１に示される温度測定器１６により、石英製の熱赤外線透過窓を介して基板ステージ１からの放射熱を測定するためのものである。温度測定器としては、放射温度計を用いることができる。

加熱ユニットＢは、放熱面２と、この放熱面２を加熱するためのヒーター２８を備えたもので、ヒーターとしては、電子衝撃加熱方式のヒーター、高周波誘導加熱方式のヒーター、抵抗加熱方式のヒーターなどを用いることができる。放熱面２は、耐熱性黒色表面で、例えばガラス状カーボン、熱分解カーボン、アモルファスカーボンなどのカーボンコーティングにより得ることができる。放熱面２をこのようなカーボンコーティング面とすると、真空中での脱ガスとパーティクルの発生も抑えることができる。

シャッタ装置Ｃは、図１〜図３に示されるように、基板ホルダユニットＡが降下し、基板ステージ１と加熱ユニットＢの放熱面２とが離間された時に、シャッタ１７を基板ステージ１と放熱面２の間に進退させることができるものとなっている。シャッタ装置Ｃは、シャッタ１７を進退させるためのシャッタ駆動装置１８を備えている。

シャッタ１７は、熱隔壁として機能する。シャッタ１７は、図１及び図３に示されるように、基板ホルダユニットＡが下降し、基板ステージ１と放熱面２とが離間されている時に、基板ステージ１と放熱面２との間に進出し、放熱面２から基板ステージ１側へ熱が照射されるのを遮る。また、基板ホルダユニットＡの上昇時には、シャッタ駆動装置１８で回転移動され、基板ステージ１と放熱面２との間から図２に示される位置（図１では破線で示す）へ後退される。シャッタ１７は、基板ホルダユニットＡが上昇した後、再びシャッタ１７が邪魔にならない位置まで下降するまでの間、後退位置に維持される。

シャッタ装置Ｃは、シャッタ１７の進出時に、基板ステージ１及び基板ステージ１上の基板３の冷却を促進できるよう、例えば水冷機構など、シャッタ１７の冷却手段を有していることが好ましい。冷却手段で冷却する場合、シャッタ１７は、ステンレス鋼やアルミニウム合金で構成することができる。また、進出時に加熱ユニットＢの放熱面２と対向する側の面（上面）は、鏡面仕上げを施した反射面とし、放熱面２からの熱を遮断しやすくしておくことが好ましい。進出時に基板ホルダユニットＡの基板ステージ１と対向する側の面（下面）は、耐熱性黒色表面である吸熱面とし、基板ステージ１及び基板ステージ１上の基板３の冷却を迅速に行えるようにしておくことが好ましい。吸熱面は、黒色アルマイトなどの黒色材料で壁面を構成する他、ガラス状カーボン、熱分解カーボン、アモルファスカーボンなどのカーボンコーティングによっても得ることができる。

シャッタ１７で積極的に基板ステージ１及び基板ステージ１上の基板３を冷却する場合、基板ホルダユニットＡの降下位置を２段階に設定しておくことが好ましい。つまり、基板ステージ１及び基板３がシャッタ１７の下面と近接する冷却位置と、基板ステージ１及び基板３とシャッタ１７の下面との間に、基板３を出し入れするのに十分な間隔が得られる搬入出位置の二段階とすることが好ましい。冷却位置は、図３に示される基板ホルダユニットＡの位置である。また、搬入出位置は、図１に示される基板ホルダユニットＡの位置である。

シャッタ１７の冷却手段は、基板３の加熱温度領域によっては省略することもできる。この場合、シャッタ１７はモリブテン、タングステンなどの高融点金属で構成することが好ましい。また、冷却手段を設けない場合でも、放熱面２からの熱の遮断と、基板ステージ１及び基板ステージ１上の基板３の冷却促進とを図るために、放熱面３との対向面は反射面とし、基板ステージ１との対向面は吸熱面としておくことが好ましい。

真空チャンバＤは、アルミニウム合金などで構成された筐体で、壁内に水冷機構の水冷用流路１９が設けられている。また、基板３の搬入、搬出時に開閉されるスリットバルブ２０と、内部を真空雰囲気に排気するために排気系に接続される排気口２１を備えている。水冷用流路１９に冷却水を流すことにより、真空チャンバＤの筐体の温度が過度に上昇するのを防ぐことができる。

真空チャンバＤは、下側の第一室２２と、第一室２２の上方に連なった第二室２３を備えている。加熱ユニットＢは、上方に位置する第二室２３に放熱面２を下に向けて設けられている。基板ホルダユニットＡは、第一室２２と第二室２３間を昇降可能なもので、上昇時に、図２に示されるように、第一室２２と第二室２３間を冷却パネル６部分で塞いだ状態で、基板ステージ１と加熱ユニットＢの放熱面２とを接近させるものとなっている。このようにして基板３の加熱を行うと、第二室２３で生じた熱がその下方の第一室２２へ漏れにくくなり、加熱後に基板ホルダユニットＡを第一室２２へ降下させて行われる冷却をより迅速に行うことができる。また、真空チャンバＤの内面、特に第二室２３の内面は、加熱効率を向上させることができるよう、鏡面仕上げを施しておくことが好ましい。

昇降装置Ｅは、上端が基板ホルダユニットＡの冷却パネル６に接続された昇降軸１２と、昇降軸１２の下端部分に取り付けられた昇降アーム２４と、昇降アーム２４が螺合するボールネジ２５とを備えている。また、ボールネジ２５を正逆両方向に回転させることができる回転駆動装置２６と、昇降軸１２と真空チャンバＤ間の摺動部を覆い、真空チャンバＤ内の気密性を高めると共に、昇降軸１２の上下動に伴って伸縮する蛇腹状カバー２７も備えている。この昇降装置Ｅは、回転駆動装置２６でボールネジ２５を正又は逆回転させることで、このボールネジ２５と螺合している昇降アーム２４を上昇又は下降させ、それに伴って昇降軸１２を上下にスライドさせて、基板ホルダユニットＡを昇降させるものである。

なお、上記では真空チャンバ説明したが、真空チャンバを用いない場合には、アルゴンガスなどの不活性ガスでチャンバ内を充填しておく必要がある。

次に、上記基板熱処理装置の駆動状態について説明する。

まず、図１に示されるように、スリットバルブ２０を開放して、基板３を真空チャンバＤ内へ搬入する。基板３の搬入は、例えば以下に述べるように、ロボットで基板３を真空チャンバＤ内に持ち込み、図１及び図４に示されるように、基板３をリフトピン８上に載せて支持させることで行うことができる。

真空チャンバＤのスリットバルブ２０部分は、通常、ロボットを収容したトランスファ室（図示されていない）を介してロード／アンロードロック室（図示されていない）に連結されている。基板３は、まずロード／アンロードロック室にセットされる。室内の荒引き排気後、トランスファ室との間が開放され、更に排気を進めた後、スリットバルブ２０が開放され、トランスファ室のロボットにより、ロード／アンロードロック室から基板３をピック・アンド・プレイスによりリフトピン８に載せる。

このとき、ロボットのアームの先端部分は、高温でも耐え得るように、カーボン又はセラミック製が好ましい。また、ロボットのアームが、加熱ユニットＢの放熱面２からの輻射熱により煽られることを防ぐために、シャッタ１７は基板ステージ１と放熱面３の間に進出していることが好ましい。

ロボットのアームが逃げ、スリットバルブ２０が閉まり、真空チャンバＤ内を独立した真空室とした後、シャッタ１７を後退させ、基板ホルダユニットＡを上昇させる。基板３を基板ステージ１の基板載置部７ですくい取った後、更に基板ホルダユニットＡを上昇させて、図２及び図５に示されるように、基板ホルダユニットＡの基板ステージ１と、加熱ユニットＢの放熱面２とを近接させる。この時、少なくとも基板３は放熱面２と非接触状態であることが必要である。基板ステージ１は放熱面２と接触状態にすることも可能であるが、基板ステージ１と基板ステージ１上の基板３の両者とも放熱面２とは非接触状態であることが好ましい。放熱面２と基板３の大きさ、加熱温度、加熱ユニットＢの加熱力などにもよるが、放熱面２と基板３の間隔は１〜２５ｍｍとすることが好ましい。

次いで加熱ユニットＢのヒーター２８をオンにし、放熱面２からの輻射熱で基板３を加熱する。例えば加熱温度が１９００℃の場合、温度測定器１６で測定される基板ステージ１の温度が１９００℃になるまで加熱を継続し、１９００℃に達した後、所定のアニール時間（例えば１分程度）が経過するまでこの温度を保持する。

上記アニール時間経過後、加熱ユニットＢのヒーター２８をオフにし、自然冷却を開始する。これと共に、基板ホルダユニットＡを前記した冷却位置まで降下させ、シャッタ１７を、基板ホルダユニットＡの基板ステージ１と、加熱ユニットＢの放熱面２との間に進出させ、冷却を促進する。そして、基板３が取り出すのに支障のない温度（例えば２００℃）にまで冷却された後、基板ホルダユニットＡを前記した搬入出位置まで降下させる。冷却位置から搬入出位置までの降下の間に、基板３はリフトピン８上に移し取られ、取り出しやすい状態となる。基板ホルダユニットＡが搬入出位置まで降下した後、スリットバルブ２０を開き、トランスファ室（図示されていない）のロボットで基板３を取り出す。

以上説明した例においては、基板ホルダユニットＡが昇降できるようになっているが、基板ホルダユニットＡと加熱ユニットＢの両者を昇降可能としたり、その一方である加熱ユニットＢのみを昇降可能とすることもできる。加熱ユニットＢの昇降は、本例における昇降装置Ｅを真空チャンバＤ上に上下逆にして設け、昇降軸１２を加熱ユニットＢに接続することで行うことができる。

基板ホルダユニットＡと加熱ユニットＢの両者を昇降可能とした場合、本例における第二室２３を上下方向に拡大し、冷却時の両者の隔離距離を大きくとれるようにすることができる。つまり、図２で説明した位置で加熱を行った後、基板ホルダユニットＡを下降させると共に、加熱ユニットＢを上昇させ、基板３の冷却時に、基板ステージ１及びその上の基板３と放熱面２とを距離を大きくし、冷却効率を向上させることができる。加熱ユニットＢのみを昇降可能とした場合、リフトピン８を省略するか、別途これを上下動させるための機構が必要となると共に、上述した冷却位置での冷却が行いにくい不便はあるが、上述した例の基本的な利益は得ることが可能である。

本発明に係る基板熱処理装置は、表面にウエル領域（不純物領域）を有する基板３の熱処理に最適である。このような基板３としては、犠牲酸化、フッ酸処理を行ったバルクＳｉＣ基板上にＳｉＯ₂などを成膜し、リソグラフィとドライエッチングによりマスクを設け、イオン注入装置などにより、不純物とするアルミニウムイオンを注入したものが挙げられる。ウエル領域は、ＳｉＣ基板内に選択的に形成することができる。アルミニウムイオンの注入は、例えばＴＭＡ（テトラメチルアルミニウム）をソースとして、プラズマにて励起し、引き出し電極と分析管で、注入するＡｌイオンを引き出してイオン注入することで行うことができる。また、アルミニウムをソースとし、プラズマにて励起し、引き出し電極と分析管で、注入するアルミニウムイオンを引き出してイオン注入することでも行うことができる。

本発明に係る基板熱処理装置を用い、表面に注入領域を有する基板３を、注入領域側の面を加熱ユニットＢの放熱面２側に向けて基板ステージ１上に載置し、放熱面２からの輻射熱で基板２を加熱して熱処理を施す。このようにして熱処理を行うと、非常に表面荒れの少ないアニール処理が可能となる。注入領域とは、トランジスタの形成や、コンタクトやチャンネルなどの形成について行われる不純物の注入によって形成される領域をいう。

(実施例１)
４Ｈ−ＳｉＣ（０００１）基板上にＣＶＤにてＰ型ＳｉＣエピタキシャル層を厚さ１０μｍで形成し、その上に窒素イオンを、室温で、ボックスプロファイルになるように、多段で、注入量４×１０¹⁹イオン／ｃｍ³、深さ２２０ｎｍで注入した。このようにして得た基板サンプルに、図１〜図５に示されるような本発明に係る基板熱処理装置を用いて熱処理を施した。

基板サンプルは、窒素イオンの注入面を上側（加熱ユニットＢの放熱面２側）に向けて基板ステージ１上に載置し、加熱ユニットＢの放熱面２と、基板サンプルの窒素イオンの注入面との間隔を５ｍｍとして、１０⁻⁴Ｐａの減圧雰囲気下１分間加熱してアニール処理した。加熱時の放熱面２の温度は１９００℃とした。

処理後の窒素イオンの注入面のシート抵抗値と、ＡＦＭにより測定した、表面荒れの大きさを示すＲＭＳ値とを表１に示す。

（比較例１）
実施例１と同じ基板サンプルを、加熱手段を内蔵した、従来の板状の基板ホルダ上に、窒素イオンの注入面を上側（基板ホルダとは反対側）にして載置し、実施例１と同様の減圧下で１分間加熱して同様にアニール処理した。加熱時の基板ホルダの温度は１９００℃とした。

処理後の窒素イオンの注入面のシート抵抗値と、ＡＦＭを用いてダンピング方法により測定した（測定範囲：４μｍ×４μｍ）、表面荒れの大きさを示すＲＭＳ値とを表１に示す。

（比較例２）
実施例１と同じ基板サンプルを、窒素イオンの注入面を下側（基板ホルダユニットＡの基板ステージ１側）に向けて基板ステージ１上に載置した。加熱ユニットＢの放熱面２と、サンプルの窒素イオンの注入面との間隔は５ｍｍとし、実施例１と同様の減圧下で１分間加熱して実施例１と同様にアニール処理した。加熱時の放熱面２の温度は１９００℃とした。

処理後の窒素イオンの注入面のシート抵抗値と、ＡＦＭにより測定した、表面荒れの大きさを示すＲＭＳ値とを表１に示す。

表１から、本発明の基板加熱処理装置を用いた熱処理によると、従来の一般的な装置による熱処理に比して、シート抵抗値、表面荒れ共に改善されていることが分かる。また、比較例２ではシート抵抗値が６０９Ω／□と高くなり、窒素イオンの注入面の温度が充分に上昇していないことが分かる。

(実施例２)
４Ｈ−ＳｉＣ（０００１）基板上にＣＶＤにてｎ型ＳｉＣエピタキシャル層を厚さ１０μｍで形成し、その上にアルミニウムイオンを、５００℃で、ボックスプロファイルになるように、多段で、注入量２×１０¹⁸イオン／ｃｍ³、深さ８００ｎｍで注入した。このようにして得た３インチＳｉＣ基板を基板サンプルとし、図１〜図５に示されるような本発明に係る基板熱処理装置を用いて熱処理を施した。

基板サンプルは、アルミニウムイオンの注入面を上側（加熱ユニットＢの放熱面２側）に向けて基板ステージ１上に載置し、加熱ユニットＢの放熱面２と、サンプルの窒素イオンの注入面との間隔を５ｍｍとして、１０⁻⁴Ｐａの減圧雰囲気下１分間加熱してアニール処理した。加熱時の放熱面２の温度は１９００℃とした。

処理後、ＣＶ法を用いてキャリアの活性化率を評価したところ、８５％という理想的な高い値を示し、基板サンプル面内での活性化率のばらつきも５％以内と非常に小さいことが分った。ＡＦＭを用いてダンピング方法により測定した（測定範囲：４μｍ×４μｍ）ＲＭＳ値が０．６ｎｍであり、１ｎｍ以下でしかもステップバンチングもなく平坦なことが分った。また、アニール処理後の基板サンプルは、熱衝撃による割れやスリップなどの結晶性へのダメージも観測されなかった。このときの１枚当りの処理時間は、載置から加熱、冷却、基板取り出しまでの時間を含め１２分であり、従来のロボット搬送を用いない装置と比較して、スループットが約１０倍に改善された。

(実施例３)
図１〜図５に示されるような本発明に係る基板熱処理装置を用いてアニール処理を行い、図７に示すような断面形状を持つ、イオン注入によるｐ⁺ ｎ接合ダイオードを作製した。

オフ角４°を持つｎ⁺型４Ｈ−ＳｉＣ（０００１）基板上に５μｍのｎエピタキシャル層を犠牲酸化し、フッ酸処理した。その後、イオン注入装置で、注入温度５００℃、深さ３５０ｎｍで、注入濃度３×１０²⁰／ｃｍ³となるように、注入エネルギー３０ｋｅＶから１７０ｋｅＶの範囲で窒素を多段に注入した。このようにして得たＳｉＣ基板を基板サンプルとし、図１〜図５に示されるような本発明に係る基板熱処理装置を用いて熱処理を施した。

基板サンプルは、イオン注入面を上側（加熱ユニットＢの放熱面２側）に向けて基板ステージ１上に載置し、加熱ユニットＢの放熱面２と、サンプルの窒素イオンの注入面との間隔を５ｍｍとして、１０⁻⁴Ｐａの減圧雰囲気下１分間加熱してアニール処理した。加熱時の放熱面２の温度は１７００℃、１８００℃及び１９００℃とした。

アニール処理を行った基板サンプルの表面平坦性を評価するために、アニール処理前と、上記各温度でのアニール処理後のサンプルについて、ＡＦＭのダンピングモードにて、測定領域４μｍ×４μｍの範囲でＲＭＳ値を測定した。測定したＲＭＳ値を表２に示す。

次いで、アニール処理を施した各サンプルについて、犠牲酸化を行い、フッ酸洗浄を行い、表面変質層の除去を行った。更に、酸化珪素のパターニングを行った後、ＣＦ₄＋Ａｒ混合ガスにて、ＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）装置を用い、ＳｉＣ層を直径１００μｍ、深さ１μｍエッチングすることで、メサを形成した。

次に、真空蒸着装置を用いて、チタン（Ｔｉ）を２０ｎｍ、アルミニウム（Ａｌ）を１００ｎｍ成膜し、アルゴン（Ａｒ）ガス雰囲気中のアニール炉で、９００℃にて３分間アニールすることでオーミック電極を形成した。

得られたダイオードの特性の評価のため、室温にて「Ｋｅｉｔｈｌｅｙ社製の４２００」を用いて、電流密度−電圧特性を測定した。

表２に示す通り、各基板サンプルのアニール処理後の表面平坦性は、１９００℃にて１分間のアニールを行った後でも、ＲＭｎｍとほぼ同程度の小さい値を示しており、非常に平坦であることが分った。

図８にアニール温度が１７００℃、１８００℃、１９００℃のときのｐ⁺ｎダイオードの電流密度−電圧特性を示す。

順方向電圧０Ｖから２Ｖにおいて、アニール温度が１７００℃と１８００℃では大きなリーク電流密度が測定された。また、逆方向電圧領域では、アニール温度１７００℃と１８００℃では１０⁻⁴アンペア台という大きなリーク電流密度が測定された。

一方、アニール温度１９００℃においては、逆方向電圧領域では、殆どリーク電流密度が測定されず、順方向電圧領域でも１０⁻⁶アンペア台という非常に小さなリーク電流密度しか測定されなかった。これは、ｐｎ接合界面のイオン注入による結晶欠陥が、アニール温度１９００℃という高温処理によって消失したものと考えられる。

このように、本発明の基板熱処理装置を用いることで、非常に良好なｐ⁺-ｎ接合ダイオードの製作が可能となった。このようなｐｎ接合は、ｐｎ接合ダイオードばかりではなく、電界効果型トランジスタ（ＭＯＳ−ＦＥＴ）、接合型トランジスタ（Ｊ−ＦＥＴ）、ＭＥＳ−ＦＥＴ、バイポーラ型トランジスタ（ＢＪＴ）にも利用されており、これらＳｉＣを用いた電子デバイスの特性を改善し、大幅な生産性の改善が図られることにつながる。

このように本発明によれば、効率よく短時間で基板を均一に高温に加熱し、短時間で冷却でき、ロボットアームへのダメージなく基板を搬送することができ、２０００℃付近の超高温プロセスにおいても、実用的なスループットを実現できるようなった。

以上、本発明の好ましい実施形態を添付図面の参照により説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲の記載から把握される技術的範囲において種々な形態に変更可能である。

本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、本発明の範囲を公にするために、以下の請求項を添付する。

本願は、２００７年９月３日提出の日本国特許出願特願２００７−２２７４４９を基礎として優先権を主張するものであり、その記載内容の全てを、ここに援用する。

Claims (15)

1. 基板が載置される、カーボン又はカーボン被覆材料で構成された基板ステージを備えた基板ホルダユニットと、
   前記基板ステージの上方に設けられており、当該基板ステージと対向する放熱面を備え、前記基板ステージの上に載置された基板に対して非接触状態で、前記放熱面からの輻射熱で前記基板を加熱する加熱ユニットと、
   前記基板ホルダユニットと前記加熱ユニットとが設けられているチャンバと、
   前記チャンバ内において、前記基板ステージと前記加熱ユニットの放熱面とを、接近、または離間させるために、前記基板ホルダユニットと前記加熱ユニットとのうちの少なくともいずれか一方を昇降させる昇降装置と、を有する基板熱処理装置であって、
   前記基板ホルダユニットが、
   前記基板ステージの下側に間隔をあけて配置され、前記基板ステージの下面から放射される熱を捕らえ、捕らえた熱を前記基板ステージに対して輻射する輻射板と、
   前記輻射板の下側に間隔をあけて配置され、前記輻射板から放射される熱を反射する反射板と、を備えることを特徴とする基板熱処理装置。
2. 前記輻射板は、カーボン又はカーボン被覆材料で構成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の基板熱処理装置。
3. 前記輻射板が複数枚設けられており、前記反射板は前記複数枚の輻射板の最下部を構成する輻射板に対して間隔をあけて設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の基板熱処理装置。
4. 前記反射板は、高融点金属で構成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の基板熱処理装置。
5. 前記反射板の下側に間隔をあけて配置され、前記反射板、前記輻射板及び前記基板ステージのうち少なくともいずれか一つを冷却する冷却パネルを更に備え、
   前記反射板が複数枚設けられている場合、前記冷却パネルは、前記複数枚の反射板の最下部を構成する反射板に対して間隔をあけて配置されることを特徴とする請求項１に記載の基板熱処理装置。
6. 前記冷却パネルの周側面からの吸熱を抑制するために、前記反射板の周縁から前記冷却パネルの周囲に延出されているスカート部を更に備え、
   前記反射板が複数枚の場合、前記スカート部は、前記複数枚の反射板の最下部を構成する反射板の周縁から前記冷却パネルの周囲に延出されることを特徴とする請求項５に記載の基板熱処理装置。
7. 前記チャンバが、第一室と、当該第一室の上方に配置され当該第一室と連通している第二室と、を備えており、
   前記加熱ユニットが前記チャンバの第二室において、放熱面を下方に向けて設けられており、
   前記基板ホルダユニットが、前記昇降装置の動作により、前記第一室と前記第二室との間を昇降可能であり、
   前記基板ホルダユニットが前記第二室に上昇した時に、前記基板ステージと前記加熱ユニットの放熱面とが接近し、前記冷却パネルが前記第一室と前記第二室との連通を塞いだ状態にすることを特徴とする請求項５に記載の基板熱処理装置。
8. 前記基板ホルダユニットが前記第一室に降下して、前記基板ホルダユニットの前記基板ステージと前記加熱ユニットの放熱面とが離間された時に、前記基板ステージと前記放熱面との間にシャッタを進退させることができるシャッタ装置を更に有することを特徴とする請求項７に記載の基板熱処理装置。
9. 前記シャッタが前記基板ステージと前記放熱面との間に進出した時に、前記放熱面と対向する前記シャッタの面と、前記基板ステージと対向する前記シャッタの面とが、それぞれ反射面と吸熱面となっていることを特徴とする請求項８に記載の基板熱処理装置。
10. 前記シャッタ装置は、前記シャッタが前記基板ステージと前記放熱面との間に進出した時に、前記基板ステージ及び前記基板ステージ上に載置された基板を冷却することが可能な前記シャッタの冷却手段を有していることを特徴とする請求項８に記載の基板熱処理装置。
11. 前記チャンバの前記第一室には、前記基板を支持するための複数のピンが立設されており、
    前記基板ホルダユニットは、前記複数のピンが上下に貫通することが可能な複数の貫通孔を有しており、
    前記基板ホルダユニットが前記第二室から前記第一室に下降した状態で、前記貫通孔を介して前記複数のピンが前記基板ステージ上に突出し、前記基板ステージ上に載置された前記基板を支持することを特徴とする請求項７に記載の基板熱処理装置。
12. 前記基板ステージは、前記基板を載置するための基板載置部を有し、前記基板ステージの厚さは、前記基板載置部の厚さより大きいことを特徴とする請求項１に記載の基板熱処理装置。
13. 前記基板ステージは、前記基板載置部の周辺部に設けられており、前記基板ステージと前記加熱ユニットの放熱面とが接近した状態で、前記加熱ユニットの放熱面の周囲を覆い、前記放熱面からの輻射熱が周囲に逃げるのを抑制する環状壁部を有することを特徴とする請求項１２に記載の基板熱処理装置。
14. 基板が載置される基板ステージを備えた基板ホルダユニットと、
    前記基板ステージの上方に設けられており、当該基板ステージと対向する放熱面を備え、前記基板ステージの上に載置された基板に対して非接触状態で、前記放熱面からの輻射熱で前記基板を加熱する加熱ユニットと、を有する基板熱処理装置を用いた基板の熱処理方法であって、
    表面に注入領域を有する基板を、当該注入領域側の面を前記加熱ユニットの放熱面側に向けて前記基板ステージ上に載置する載置工程と、
    請求項１に記載の基板熱処理装置を用いて前記基板の熱処理を行う熱処理工程と、
    を有することを特徴とする基板の熱処理方法。
15. 前記熱処理工程では、前記基板の加熱時に、前記基板ステージを冷却パネルで冷却する冷却工程を有することを特徴とする請求項１４に記載の基板の熱処理方法。

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