JP2018190991A - 基板の加熱および冷却の制御改善のための装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高温計の帯域幅または波長範囲内の、加熱源（例えば、ランプ）から出る放射は、この放射が高温計によって検出される場合には、高温計信号を解釈する妨げになる。【解決手段】基板５１２を処理し、基板の加熱および冷却を制御する装置５００第１の波長範囲で放射する放射源５０２が、所定の温度範囲内で基板を加熱し、この基板は、第１の波長範囲内の第２の波長範囲で、所定の温度範囲内の放射を吸収する。フィルタ５０６が、第２の波長範囲内の放射の少なくとも一部分が基板に達することを防ぐ。【選択図】図５Ａ

Description

本発明は、一般に基板の熱処理に関する。特に、本発明の具体的な実施形態は、半導体の急速熱処理時の高温測定に関する。

急速熱処理（ＲＴＰ）は、半導体集積回路を製造するための適切に開発された技術であり、この技術では、例えばシリコンウエハである基板は、ＲＴＰチャンバ内で高強度の光放射により照射されて比較的高い温度まで基板が急速に加熱され、基板内の処理が熱によって促進される。基板が熱によって処理されると、放射エネルギーは除去され、基板は急速に冷える。そのようにして、基板を取り囲むチャンバは、基板を処理するのに必要な高温まで加熱されずに基板だけが加熱されるので、ＲＴＰはエネルギー効率がよい。言い換えると、ＲＴＰ時、処理される基板は周囲の環境、すなわちチャンバと熱平衡状態にない。

シリコンまたは他のウエハから集積回路を製造するには、層を堆積し、フォトリソグラフィで層をパターニングし、パターニングされた層をエッチングするという多くのステップを要する。イオン注入が、半導体シリコン中の活性領域をドーピングするために使用される。製造シーケンスにはまた、注入損傷を修復しドーパントを活性化することを含む多くの用途のために、ウエハの熱アニーリング、結晶化、熱酸化および熱窒化、ケイ素化、化学気相堆積、気相ドーピング、熱洗浄がとりわけ含まれる。

シリコン技術の初期段階でのアニーリングは通常、複数のウエハをアニーリングオーブン中で長期間加熱することを要したが、回路フィーチャがますます小さくなる基板の処理に対して絶えず厳しくなる要件を満たすために、ＲＴＰがますます使用されるようになってきた。ＲＴＰは通常、単一ウエハチャンバ内で、集積回路が形成されるウエハの前面に向けられた高強度のランプのアレイからの光でウエハを照射することによって実施される。この放射は、少なくとも一部分はウエハで吸収され、ウエハを所望の高温まで、例えば約６００℃を超えるまで、あるいは一部の適用例では１０００℃を超えるまで急速に加熱する。放射加熱を急速にオンオフして、例えば１分、例えば３０秒、より具体的には１０秒、さらに具体的には１秒という比較的短時間にわたってウエハを制御可能に加熱することができる。急速熱処理チャンバ内の温度変更は、少なくとも１秒当たり約１℃から１秒当たり５０℃までの速度で、またより速く、例えば少なくとも１秒当たり約１００℃、または少なくとも１秒当たり約１５０℃で行うことができる。

特定の処理時には、例えば約６００℃未満の低い温度が必要になることがある。処理チャンバ内の基板の温度は、４００℃未満のことがあり、約１７５℃しかないこともある。このような処理の一例は、シリコンウエハ上にシリサイドを形成するものである。チャンバ内でシリコンウエハなどの基板を処理する品質および性能は、一部にはウエハまたは基板の正確な温度制御を行い維持する能力によって決まる。加えて、基板の冷却速度の改善があれば、基板の急速熱処理の大きな進歩になるはずである。したがって、熱処理チャンバにおいて基板加熱のより好適な制御を実現し、かつ／または基板の冷却速度を改善するシステムおよび方法が望まれる。

一実施形態では、基板を加熱する装置が、第１の波長範囲の放射を行い基板を所定の温度範囲で加熱する熱源を備え、基板は、第１の波長範囲内の第２の波長範囲で、所定の温度範囲内の放射を吸収し、この装置はまた、基板を支持する基板支持体を含む処理部分と、第２の波長範囲内の放射の少なくとも一部分が基板で吸収されないように熱源からの放射をフィルタリングするための、基板支持体と熱源の間に配置されたフィルタとを備える。

一実施形態では、フィルタは、基板を約６００℃未満のある温度まで加熱した後に加熱源がオフされたときに、第２の波長範囲の放射の少なくとも一部分が基板まで送出されることを防ぐのに効果的な反射窓を備え、その結果、基板の冷却が、第２の波長範囲内の放射が基板で吸収されることが防がれなかった場合よりも速い速度で起こるようになる。一実施形態では、フィルタは、第２の波長範囲内の放射を反射する反射窓を備え、第２の波長範囲は、温度の関数としての基板の吸収率に基づいた所定の波長範囲である。

具体的な一実施形態では、基板はシリコンを含み、第２の波長範囲は、約１０００ｎｍを超える下限を有する。さらなる具体的な実施形態では、第２の波長範囲は、約１０００ｎｍの下限および約１３００ｎｍの上限、または約１０００ｎｍの下限および約１２００ｎｍの上限を有する。

一実施形態では、フィルタは、基板を約６００℃未満のある温度まで加熱した後に加熱源がオフされたときに、第２の波長範囲の放射の少なくとも一部分が基板まで送出されることを防ぐのに効果的な吸収窓を備える。一実施形態では、基板はシリコンを含み、第２の波長範囲は、約９００ｎｍを超過する下限を有する。

具体的な一実施形態では、加熱源はランプを含み、第２の波長範囲は、基板の組成と、ランプに印加されるエネルギーの関数としての加熱源のピーク放出とに基づいて選択されて、ランプに印加されるエネルギーの関数としての基板の加熱の予測可能性が改善される。

反射窓を利用する具体的な実施形態では、反射窓は、第２の波長範囲内の放射の事前選択されたパーセンテージと、第２の波長範囲と異なる第３の波長範囲内の放射の事前選択された異なるパーセンテージとを阻止するのに効果的である。

別の具体的な実施形態では、装置はさらに、ランプが処理部分内の基板の熱曝露を低減するための、最適化冷却プロファイルが得られる所定の最大加熱要素温度を発生するために、ランプに供給されるエネルギーの量およびエネルギーの時間間隔を制御するように動作可能なプロセッサを含む。

本発明の別の態様は、急速熱処理チャンバ内で基板を処理する方法に関係し、この方法は、所定の温度範囲内で第１の波長範囲の放射を生成する加熱源により基板を急速に加熱するステップを含み、基板は、第１の波長範囲内の第２の波長範囲で、所定の温度範囲内の放射を吸収し、この方法はまた、第２の波長範囲内の放射の少なくとも一部分が基板で吸収されないように加熱源からの放射をフィルタリングするステップを含む。

具体的な方法実施形態では、加熱源からの放射のフィルタリングが、基板を約６００℃未満のある温度まで加熱した後に加熱源がオフされたときに、第２の波長範囲の放射の少なくとも一部分が基板まで送出されることを防ぐのに効果的な反射窓によって行われ、基板の冷却は、第２の波長範囲内の放射が基板で吸収されることが防がれなかった場合よりも速い速度で起こる。一方法実施形態では、第２の波長範囲は、温度の関数としての基板の吸収率に基づいた所定の波長範囲である。

具体的な方法実施形態では、基板はシリコンを含み、第２の波長範囲は、約１０００ｎｍを超過する下限、例えば約１０００ｎｍの下限、および約１３００ｎｍの上限を有し、またはより具体的には、約１０００ｎｍの下限および約１２００ｎｍの上限を有する。

具体的な一方法実施形態では、加熱源からの放射のフィルタリングが、基板を約６００℃未満のある温度まで加熱した後に加熱源がオフされたときに、第２の波長範囲の放射の少なくとも一部分が基板まで送出されることを防ぐのに効果的な吸収窓によって行われる。

別の具体的な方法実施形態では、窓はさらに、基板を約６００℃未満のある温度まで加熱した後に加熱源がオフされたときに、第２の波長範囲の放射の少なくとも一部分が基板に達することを阻止するのに効果的な吸収材を含む。別の具体的な方法実施形態では、窓はさらに、基板を約６００℃未満のある温度まで加熱した後に加熱源がオフされたときに、所定の波長を超える放射の少なくとも一部分が基板に達することを阻止するのに効果的な吸収材を含む。

別の方法実施形態では、基板はシリコンを含み、第２の波長範囲は、約９００ｎｍを超過する下限を有する。

一方法実施形態では、加熱源はランプを含み、第２の波長範囲は、基板の組成と、ランプに印加されるエネルギーの関数としての加熱源のピーク放出とに基づいて選択されて、ランプに印加されるエネルギーの関数としての基板の加熱の予測可能性が、フィルタリングが実施されない場合と比較して改善される。この方法はさらに、ランプがチャンバ内の基板の熱曝露を低減するための、最適化冷却プロファイルが得られる所定の最大加熱要素温度を発生するために、ランプに供給されるエネルギーの量およびエネルギーの時間間隔を制御するステップをさらに含む。

１つまたは複数の実施形態による急速熱処理チャンバの断面図である。 １つまたは複数の実施形態による急速熱処理チャンバの別の断面図である。 本発明の一態様による、波長に対するフィルタ透過率のグラフである。 本発明の一態様による、波長に対するフィルタ透過率のグラフである。 本発明の一態様による熱源の断面図である。 本発明の一実施形態による処理チャンバの概略的な部分断面図である。 本発明の一実施形態による処理チャンバの概略的な部分断面図である。 本発明の一実施形態による処理チャンバの概略的な部分断面図である。 本発明の態様による放射フィルタ特性の２つのグラフである。 波長に対する放射吸収曲線を示すグラフである。 波長に対する放射強度曲線を示すグラフである。 特定の波長を超えるランプ放射の分布を示すグラフである。 特定の波長を超える放射の基板による吸収の分布を示すグラフである。 本発明の諸実施形態による様々なコーティングのフィルタ透過特性を示すグラフである。 本発明の諸実施形態による第１のフィルタコーティングが付けられた基板による放射吸収の分布をソース電力、温度および波長の関数として示すグラフである。 本発明の諸実施形態による第１のフィルタコーティングが付けられた基板による放射吸収の分布をソース電力、温度および波長の関数として示すグラフである。 本発明の諸実施形態による第１のフィルタコーティングが付けられた基板による放射吸収の分布をソース電力、温度および波長の関数として示すグラフである。 本発明の諸実施形態による第１のフィルタコーティングが付けられた基板による放射吸収の分布をソース電力、温度および波長の関数として示すグラフである。 本発明の諸実施形態による第２のフィルタコーティングが付けられた基板による放射吸収の分布をソース電力、温度および波長の関数として示すグラフである。 本発明の諸実施形態による第２のフィルタコーティングが付けられた基板による放射吸収の分布をソース電力、温度および波長の関数として示すグラフである。 本発明の諸実施形態による第２のフィルタコーティングが付けられた基板による放射吸収の分布をソース電力、温度および波長の関数として示すグラフである。 本発明の諸実施形態による第２のフィルタコーティングが付けられた基板による放射吸収の分布をソース電力、温度および波長の関数として示すグラフである。

本発明のいくつかの例示的実施形態を説明する前に、本発明が、以下の説明で示される構造またはプロセスステップの細部に限定されないことを理解されたい。本発明は、他の実施形態が可能であり、また様々なやり方で実践または実行することが可能である。

本発明の１つまたは複数の実施形態による、半導体ウエハなどの基板を処理するための熱処理チャンバが提示される。ウエハ温度が放射高温測定によって測定される。ウエハ温度は、基板の放射率を決定し、既知の放射法則を適用して正確な温度測定値が得られるように高温計の較正をすることにより、放射高温測定によって決定することができる。高温計の帯域幅または波長範囲内の、加熱源（例えば、ランプ）から出る放射は、この放射が高温計によって検出される場合には、高温計信号を解釈する妨げになる。これは、高温計に達するチャンバ内熱源放射の漏洩、またはウエハが熱源放射に対し「透過性」であるときに高温計に達する熱源放射の漏洩に起因することがある。これは、チャンバが動作中にシリコンウエハで、例えば４５０℃未満の温度で生じ、２５℃しかなくても生じる。

図１は、急速熱処理チャンバ１０を概略的に表す。Ｐｅｕｓｅらは、このタイプのリアクタおよびその計装について米国特許第５，８４８，８４２号および第６，１７９，４６６号でさらに詳細に説明している。例えば、熱処理されるべきシリコンウエハなどの半導体ウエハであるウエハ１２は、バルブまたはアクセスポート１３を通されてチャンバ１０の処理部分１８に入る。ウエハ１２は、その周辺部で、この実施形態では環状エッジリング１４として示される基板支持体によって支持され、環状エッジリング１４は、ウエハ１２の角部と接触する環状傾斜棚１５を有する。Ｂａｌｌａｎｃｅらは、このエッジリングおよびその支持体機能について、米国特許第６，３９５，３６３号でより完全に説明している。ウエハは、ウエハ１２の前面に既に形成されている処理フィーチャ１６が、下向きの重力場を基準として、透明な石英窓２０によって上側が画定された処理部分１８の方に上向きになるように向けられる。概略図に反してフィーチャ１６は、ほとんどの部分でウエハ１２の表面から実質的に隔たって突き出ないが、その表面の平面内および近辺でパターニングを構成する。３つのリフトピン２２は、ウエハをチャンバの中に入れエッジリング１４の上へと運ぶパドルまたはロボットブレード（図示せず）の間にウエハが渡されるときに、ウエハ１２の裏面を支持するために上下させることができる。放射熱装置２４は、放射エネルギーをウエハ１２に向け、そうしてウエハを加熱するために窓２０の上に配される。リアクタまたは処理チャンバ１０内で放射熱装置は、例示的な数で４０９個という多数の高強度タングステン−ハロゲンランプ２６を含み、これらのランプは、窓２０の上に六方最密アレイの形で配列されたそれぞれの反射管２７の中に配されている。ランプ２６のアレイは、場合によりランプヘッドと呼ばれる。しかし、他の放射熱装置を代用することもできる。一般にこれらは、放射源の温度を急速に上昇させるための抵抗加熱を伴う。適切なランプの例には、フィラメントを取り囲むガラスまたはシリカの外囲器を有する水銀蒸気ランプと、キセノンなどの、励起されたときに熱源になるガスを取り囲むガラスまたはシリカの外囲器を備えるフラッシュランプとが含まれる。本明細書では、ランプという語は、熱源を取り囲む外囲器を含むランプを包含するものとする。ランプの「熱源」とは、例えば通電できるフィラメントまたは励起できるガスである、基板の温度を上げることができる材料または元素を指す。

本明細書では、急速熱処理すなわちＲＴＰとは、約５０℃／秒以上の速度、例えば１００℃から１５０℃／秒、および２００℃から４００℃／秒の速度でウエハを均一に加熱することができる装置または処理を指す。ＲＴＰチャンバ内の典型的な下降（冷却）速度は８０〜１５０℃／秒の範囲内にある。ＲＴＰチャンバ内で実施される一部の処理では、基板全体にわたって温度変動が数℃未満の必要がある。こうして、ＲＴＰチャンバは、１００℃から１５０℃／秒まで、および２００℃から４００℃／秒の速度で加熱できるランプまたは他の適切な加熱システムと、加熱システム制御装置とを含まなければならず、それによって急速処理チャンバは、こうした速度で急速に加熱できる加熱システムおよび加熱制御システムがない他のタイプの熱チャンバと区別される。

本発明のさらなる態様によれば、本発明の諸実施形態はまた、フラッシュアニーリングに適用することもできる。本明細書では、フラッシュアニーリングとは、試料を５秒未満で、具体的には１秒未満で、また一部の実施形態ではミリ秒単位でアニーリンスすることを指す。

ウエハ１２全体にわたって温度を厳密に規定された温度に、ウエハ１２全体にわたって均一に制御することが重要である。この均一性を改善する１つの受動的な手段には、ウエハ１２より大きい部分に並行して延びてこの部分を覆い、かつウエハ１２の裏面と対向するリフレクタ２８が含まれる。リフレクタ２８は、ウエハ１２から放出される熱放射を効率的に反射してウエハ１２の方に返す。ウエハ１２とリフレクタ２８の間の間隔は、３から９ｍｍの範囲内とすることができ、空洞の幅と厚さのアスペクト比は、有利には２０より大きい。本発明の一態様によれば、リフレクタ板が、ウエハなどの基板の見かけの放射率を向上するために適用される。金コーティングまたは多層誘電体干渉鏡で形成できるリフレクタ２８は、ウエハ１２の暖かい部分から冷たい部分へ熱を分散させる傾向がある黒体空洞をウエハ１２の裏に効果的に形成する。例えば、米国特許第６，８３９，５０７号および第７，０４１，９３１号に開示の別の実施形態では、リフレクタ２８は、より不規則な面、または黒もしくは他の色が付いた面を有することができる。黒体空洞は、ウエハ１２の温度に対応する、普通はプランク分布に換算して記述される放射の分布で満たされるのに対して、ランプ２６からの放射は、ランプ２６のずっと高い温度に対応する分布を有する。リフレクタ２８は、特に冷却中に、ウエハからの過剰な放射をヒートシンクで放熱するための、金属でできた水冷基部５３の上に堆積することができる。したがって、処理チャンバの処理部分は、ほぼ平行の２つの壁を少なくとも有し、第１の壁は、放射に対して透過性の石英などの材料でできた窓２０であり、第１の壁にほぼ平行の第２の壁５３は、金属でできており透過性が極めて小さい。

均一性を改善する１つのやり方は、エッジリング１４を回転円筒３０の上に支持することを含み、円筒３０は、チャンバの外側に配された回転ランジ３２に磁気結合されている。ロータ（図示せず）はフランジ３２を回転させ、それゆえウエハをその中心３４のまわりに回転させる。中心３４は、概して対称形のチャンバの中心線でもある。

均一性を改善する別のやり方では、各ランプ２６を、中心軸３４のまわりに概してリング状に配列された区域に分割する。制御回路は、異なる区域のランプ２６に送出する電圧をそれぞれ変え、それによって放射エネルギーの放射分布を調整する。区域に分けられた加熱の動的制御は、回転するウエハ１２の半径範囲にわたって温度を測定するための、リフレクタ２８の開孔に通してウエハ１２の裏面に面するように配された１つまたは複数の光学的ライトパイプ４２を介して結合された、１つまたは複数の高温計４０の影響を受ける。ライトパイプ４２は、サファイア、金属、およびシリカファイバを含む様々な構造体で形成することができる。コンピュータ化されたコントローラ４４が高温計４０の出力を受け取り、それに応じてランプ２６の異なるリングに供給される各電圧を制御し、それによって、処理時の放射加熱の強度およびパターンを動的に制御する。高温計は一般に、約７００から１０００ｎｍの間の範囲の、例えば４０ｎｍの狭い波長帯域幅の光強度を測定する。コントローラ４４または他の計装は、この光強度を温度に変換するが、この変換は、その温度に保持された黒体から放射する光強度のスペクトル分布である、よく知られているプランク分布による。しかし、高温計は、スキャンされるウエハ１２の部分の放射率の影響を受ける。放射率εは、黒体の１と完全リフレクタの０との間で変化する可能性があり、そうしてウエハ裏面の反射率Ｒ＝１−εの逆の尺度である。ウエハの裏面は通常、均一であるため均一な放射率が予測されるのに対して、裏側構成物は以前の処理に応じて変わりうる。高温計は、ウエハを光学的に調べて高温計が対向するウエハの部分の放射率または反射率を関連する波長範囲で測定する放射計と、測定された放射率を含めるためのコントローラ４４の制御アルゴリズムとをさらに含むことによって改善することができる。

図１に示された実施形態では、基板１２とリフレクタ２８の間の分離は、所与の基板１２に対する所望の熱流によって決まる。一実施形態では、基板１２は、リフレクタ２８から大きい距離を取ったところに配置して基板への熱流を減らすことができる。別の実施形態では、基板１２は、リフレクタ２８の近くに設置して基板１２への熱流を増やすことができる。基板１２を加熱中の基板１２の正確な位置、および特定の位置で費やされる滞留時間は、基板１２への熱流の所望量によって決まる。

別の実施形態では、基板１２がリフレクタ２８に近い下方の位置にあるとき、基板１２からリフレクタ２８への熱伝導が増加し、冷却プロセスが増強される。冷却速度が増すと、最適なＲＴＰ動作が促進される。基板１２がリフレクタ２８の近くに配されるほど、熱曝露の量が正比例して減少することになる。図１に示された実施形態では、基板の熱曝露を制御できるように基板１２の支持体をチャンバ内側の異なる垂直位置に容易に浮上させることが可能である。図１に示された構成は、限定するものではないことを理解されたい。特に、本発明は、熱源またはランプが基板の一方の側または面に向けられ、高温計がウエハの反対側に向けられている構成に限定されない。

上記のように、処理チャンバの処理部分内のウエハ温度は通常、放射高温計によって測定される。放射高温計は非常に正確でありうるが、放射高温計帯域幅内にあり、かつ加熱源から出る放射は、この放射が高温計によって検出される場合には、高温計信号を解釈する妨げになることがある。Ａｐｐｌｉｅｄ ＭａｔｅｒｉａｌｓのＲＴＰシステムでは、この妨げが、処理キットおよびウエハ自体によって最小限になる。処理キットは、回転システムによりウエハと結合する。処理キットは、図１に３０で示される支持体円筒を含むことができる。処理キットはまた、図には示されていないが特定の処理チャンバ構成体で使用されることがある支持体リングを含むこともできる。このような支持体リングは基本的に、図１に１４で示されるエッジリングを支持する補助エッジリングである。

一般に、図１に示された１つまたは複数の高温計４０は、基板またはウエハ１２が放射源２６を高温計から遮蔽するようにして配することができる。ウエハなどの基板は、約１１００ｎｍ以上の波長の放射に対しておおむね透過性である。したがって、熱源放射が高温計に達することを制限する１つのやり方は、基板が実質的に不透明になりうる波長の放射を測定することである。シリコンウエハでは、このような波長は約１１００ｎｍ以下でありうる。それでもやはり、上記のように、処理キットは熱源放射を「漏洩」する可能性があり、また、特にウエハが約４５０℃以下の低温である場合、この高温計帯域幅でウエハ全ては不透明にならない。さらなる実施形態では、温度は約４００℃以下でありうる。さらなる実施形態では、温度は約２５０℃以下でありうる。さらなる実施形態では、温度は高いことがあり、チャンバ内で処理されているウエハなどの基板の溶融点を超えることがある。

本発明の一実施形態によれば、「漏洩」または基板を透過することによる加熱源から出る放射の１つの解決策は、高温計帯域幅内の熱源放射がウエハに達することを防ぐことである。本発明のさらなる態様によれば、高温計帯域幅内の放射は、反射されて熱源に返される。これは、図１の、熱源を処理部分１８から分離する窓２０を材料５１でコーティングすることによって行うことができ、材料５１は、高温計帯域幅放射を反射する一方で、加熱のための十分な熱源放射が窓２０を通過できるようにする。反射コーティング５０の膜は、図１に示されるように、熱源と対向する側の窓の面に設置することができる。別の実施形態では、材料５１は、図２に示されるように、基板と対向する側の窓２０の面に設置された反射層５１とすることができる。別の実施形態では、反射層を窓の両側面に付けることができる。具体的な一実施形態では、窓２０全体が反射層で完全に覆われ、コーティングには間隙または開口がない。言い換えると、反射層を備える窓２０は、反射層または窓２０に中断がなく、基板を熱源から分離する。窓２０には、窓２０の上の連続する反射層を分断または破断する透明な部分がない。

高温計が感応する波長範囲で窓２０を反射コーティングで覆うことによって、その波長範囲の、熱源から直接来る放射は実質的に高温計に達しないことになる。したがって、高温計がその波長範囲の放射を検出した場合、例えば、約４００℃未満、より具体的には約２５０℃未満の温度で処理されているシリコンウエハに関し、基板がその範囲の波長に対して透過性であっても、放射は基板だけから、またはほぼ基板だけから来ている。反射層を使用することで高温計の精度が改善される。

一実施形態では、窓２０をチャンバから取り出し、１つまたは複数の反射層でコーティングすることができる。膜の反射挙動は、選択された材料、層の数、および層の厚さによって決まる。指定の波長範囲で反射するように反射層の薄い層を窓に設けるための処理、および業務の提供者は知られている。このようなコーティング業務の一提供者は、例としてＪＤＳ Ｕｎｉｐｈａｓｅである。膜の一実施形態で反射層に使用できる材料は、チタニア−シリカ、タンタラ（tantala）−シリカなど、加熱源から放出される放射の大部分に対してほぼ透過性の、一般に高屈折率と低屈折率の誘電体材料が任意に組み合わされて交互になっている層とすることができる。一実施形態では、反射層はＳｉＯ_２およびＴａ_２Ｏ_５層で構成される。別の実施形態では、反射層はＳｉＯ_２およびＴｉＯ_２層で構成される。具体的な一実施形態では、最も外側の層はＳｉＯ_２を含む。

一実施形態では、層は場合により誘電体鏡と呼ばれる、屈折率が異なる光学的に透明な複数の材料の（薄い）多層を含むことができる。これらの層は、窓２０などの基板の上に堆積することができる。多層誘電体鏡は反射フィルタとして機能することができ、放射が反射される。放射は、いくつかの要素の中でとりわけ、放射の波長、放射の入射角度、付着誘電体材料の屈折率を含む付着誘電体材料の性質、各層の厚さ、厚さが異なる層の数、および層の配列に応じて、選択的に反射される。多層誘電体鏡のフィルタ性は、図３Ａのグラフ３００に提示されたグラフで図示することができる。このようなグラフは、与えられた放射輝度に対する放射の透過率を放射の波長に応じてパーセンテージで示す。図３Ａで分かるように、約７００ｎｍから１２００ｎｍまでの範囲内では放射が透過されないのに対し、例として１２００ｎｍを十分に上回ると放射の９５％超が透過される。図３Ａに図示されたフィルタは、帯域消去フィルタまたはノッチフィルタとみなすことができる。

具体的な一実施形態では、処理部分の一部としての窓２０だけがコーティングされなければならない。さらに、具体的な一実施形態では、この窓は完全にコーティングされ、層には開口がない。１つまたは複数の実施形態では、窓２０は取外し可能である。こうすることで、修理のためにコーティングする、または膜を再度付ける補修、あるいは窓を取替え用窓と交換することが比較的簡単になる。具体的な一実施形態では、壁５３はコーティングされない。

本発明のさらなる態様によれば、高温計を使用して約４００℃未満、または約２５０℃から約１７５℃未満の比較的低い温度を、約７００〜１１００ｎｍの波長範囲の放射を高温計で検出することによって測定する。処理チャンバ内の熱源から放射される波長の範囲は普通、７００ｎｍ未満から５．５ミクロンを超えるまで変動する。石英などの材料は、５．５ミクロンを超える波長で不透明になる。約７００〜１１００ｎｍの間の波長を有する放射が反射されて熱源に返される場合に、基板を約４００℃未満の温度まで加熱するための、他の波長の十分な放射が依然として熱源から得られる。

一実施形態では、反射層は広帯域反射フィルタである。一実施形態では、このフィルタは、７００〜１１００ｎｍの範囲で、約１００％の最大反射率を有する、または約１０００より小さくない最大反射と透過の比を有する反射フィルタとして動作する。相対帯域幅は、本明細書では

と定義され、λ_{ｃｅｎｔｅｒ}は、λ_ｈｉｇｈとλ_ｌｏｗの算術平均の波長である。ここでλ_ｌｏｗは、その上で測定された反射が、測定された入射放射の５０％になる波長と規定され、λ_ｈｉｇｈは、その下で測定された反射が、測定された入射放射の５０％になる波長と規定される。

この態様は、本発明の一態様によるフィルタのモデル化透過率特性を示す図３Ａおよび図３Ｂに図示されている。図３Ａは、透過率を波長の関数として線形目盛で示す。図３Ｂは、透過率を対数目盛で示す。両グラフの矢印３０３は、このフィルタの相対帯域幅を規定する５０％点を明らかにしている。このフィルタの相対帯域幅は、５０％点において約５００ｎｍである。

多層反射層の反射性は、放射の波長によって決まる。反射と透過の比もまた、熱源から膜の表面への入射角（ＡＯＩ）によって決まる。一実施形態では、反射層は、４５°以下のＡＯＩでランプを出る放射に基づく反射と透過の比を得るように設計される。

一実施形態では、大部分の熱源放射を通過させ、高温計帯域幅放射を反射するフィルタが、上に提示された処理チャンバから加熱源を分離する窓の外側もしくは内側のどちらか、または両方の面に配置される。本明細書では、「窓」という語は、基板と熱源の間の材料を指す。熱源がランプである諸実施形態では、窓という語は、通常は石英または他の任意の適切な材料でできているランプ外囲器を含むものとする。

それゆえに、さらなる実施形態では、フィルタはまた、放射源の外囲器の内面もしくは外面に、あるいは両面に設置することもできる。この態様の説明図が図４に示されており、ランプ４００の外囲器４０２の外に層４０１がある。これには、熱源の効率を上げることができるという付加的な利点がある。

さらなる実施形態では、指定された波長範囲内で高温計の性能を改善することが、膜の２つの反射する層の間の層として吸収体材料を反射層に追加することによって可能である。この吸収体はまた、反射層がドーパントまたは追加材料の形で付けられた基板の部分とすることもできる。それゆえに、この層が付けられた基板は部分的に吸収性でありうる。反射層が付けられる基板はまた、基板の吸収性の性質を増強する材料でドーピングすることもできる。反射層付きの基板は、図１および図２の窓２０などの窓である。他の実施形態では、一対の窓ガラスの間に吸収流体を入れることができる。この吸収体は、ある程度は高温計帯域幅内で吸収しなければならないが、他のスペクトル領域で吸収することが、放射源領域ではそれほど多くないものの可能である。単一の窓の両側面、または間隔を取った関係にある２つ別々の窓の上、のどちらかの２つの反射膜が、高温計帯域幅に対して窓のホールとして作用するので、正味の吸収効果が拡大されることになる。高温計帯域幅内で、石英（約０．４から４ミクロン）を通過する放射スペクトルにわたって放射を、ある程度であるが数％未満の量まで吸収する材料であれば適している。一実施形態では、希土類酸化物が、吸収体材料として反射層または基板に追加するのに非常によい候補である。さらなる実施形態では、高温計帯域幅よりも多く熱源放射を通過させる帯域通過吸収材（Ｓｉなど）を層または基板に追加することができる。さらなる実施形態では、一般的な吸収体材料、例えば炭素、金属、層材料または窓（基板）材料と混和性の他の酸化物、を層に追加することができる。窓材料には、石英、アルミニウム、イットリア、ガラス、またはほぼ透明なセラミックが含まれうる。

図５Ａおよび図５Ｂは、フィルタに吸収体材料を追加する概念を図示する。図５Ａに示されるように、チャンバ５００は、ランプヘッドとすることができる熱源５０２と、熱源５０２と対向する第１の面すなわち上面、およびウエハ５１２と対向する第２の面すなわち下面を有する窓５０８とを含み、ウエハ５１２は、矢印５０４で表された放射経路を通る放射によって加熱される。上記のように、誘電体多層フィルタとすることができる１つまたは２つの反射コーティングを窓５０８の上に設けることができ、それぞれの反射コーティングは、高温計が動作可能な放射波長帯内の放射を反射する。このタイプのフィルタ構成は「ノッチフィルタ」と言い表すことができ、ノッチが反射帯を表示する。第１の実施形態では、第１の反射コーティングを誘電体多層ノッチフィルタ５０６の形で窓５０８の上面にだけ堆積することができる。この多層ノッチフィルタ５０６は「上部フィルタ積層」と呼ばれることがあり、この積層は、複数の誘電体層によって形成される。「上部」という位置は、ウエハ５１２から最も遠い側の窓の面にフィルタがあるということで定義される。第２の実施形態では、第２の反射コーティングを誘電体多層ノッチフィルタ５１０の形で窓５０８の下面にだけ堆積することができる。この多層ノッチフィルタ５１０は「下部フィルタ積層」と呼ばれることがあり、この積層は、複数の誘電体層によって形成される。「下部」という位置は、ウエハ５１２から最も近い側の窓の面にフィルタがあるということで定義される。図５Ａに示された実施形態では、上部フィルタ積層５０６および下部フィルタ積層５１０の両方が窓５０８に付けられている。

上で論じたように、単一誘電体多層フィルタまたは二重誘電体多層フィルタは、選択された波長範囲の放射が熱源で発生したときに、この放射が、ウエハ５１２が処理されている処理チャンバに入らないようにするために付けられる。これにより、図１の高温計４０などの高温計によって検出される選択された範囲の放射が、おそらくはウエハで発生していることが確実になる。これは、全反射範囲をカバーする反射ノッチを有する単一ノッチフィルタまたは二重ノッチフィルタを使用して達成することができる。

１つまたは複数の実施形態では、上部フィルタ５０６および下部フィルタ５１０などの二重フィルタは、部分的に重なる、または付加的な反射範囲を有することができる。このような部分的に重なる配列の一例が図７に図示されており、図で７０１は、第１のフィルタの透過率特性の近似値を波長の関数として示す。７０１で表示されたこのフィルタは、λ_２未満の波長およびλ_３を超える波長の範囲の放射を完全に、またはほとんど完全に通過させる。このフィルタは、λ_２とλ_３の間の波長範囲の放射を完全に、またはほとんど完全に反射する。７０２で表された第２のフィルタは、λ_１とλ_４の間の波長範囲の放射を完全に、またはほとんど完全に反射し、ここでλ_１＜λ_２＜λ_４＜λ_３である。結果として、７０１および７０２で示された特性を有する２つのフィルタを窓の上部および下部に使用すると、合成された放射の反射がλ_１〜λ_３の範囲で生み出される。したがって、相補的なノッチを持つ２つのフィルタが使用される場合、ランプヘッドで発生したλ_１〜λ_３の波長範囲の放射は、ウエハに実質的に達しない、または限定された量しか達しないことになる。このような相補的な手法を用いることは、個別のフィルタを作り出すのに有利であるといえ、またより好適な総合フィルタ特性を得ることができる。

上で論じたように、誘電体多層鏡が窓の両方の側面に付けられた場合、これにより「鏡の間」効果が生み出さうれる。図５Ａに関し、「鏡の間」効果は、同じ反射性波長範囲を有する上部フィルタ５０６と下部フィルタ５１０で起こることがあり、あるいはこれら２つのフィルタに反射性波長範囲の実質的な重なりがある場合に起こりうる。２つのフィルタ５０６および５１０が使用される場合に、反射性波長範囲の重なりを最小限にすると「鏡の間」効果が最小限になりうる。「鏡の間」効果により、フィルタの反射性波長範囲の放射の放射エネルギーが窓内部の鏡間で捕捉され、これは望ましくないことがある。上で論じたように、少なくとも誘電体鏡の反射性波長範囲の放射エネルギーを吸収する放射吸収材料を窓内に含めることができる。広範囲の波長の放射を吸収する材料、あるいは反射性波長範囲などの限定された範囲で吸収する材料を使用することができる。広範囲吸収材料を使用する一実施形態では、反射性波長範囲の「鏡の間」効果を十分に抑制するための十分な吸収材料が使用され、非反射範囲でのランプヘッドから処理チャンバへのエネルギー伝達に実質的に影響を及ぼすことがない。さらなる実施形態では、石英でありうる窓材料は、吸収材料でドーピングすることができる。この吸収材料は、図５Ａで破線５１６として表示されている。広帯域のエネルギー損失を制限すると共に窓の過熱を防止するために、窓内の吸収材料の濃度は、約５重量％未満に、またはより具体的な実施形態では約１重量％未満に、またはより少なく制限されることがある。

図５Ｂに図示されたさらなる実施形態では、窓の一方の側面または両方の側面のフィルタの反射性波長範囲を少なくとも含む、吸収材料の１つまたは複数の層を設けることができる。これは、図５Ｂに５１４および５１８として図示されている。吸収層の目的は、反射される放射を抑制することである。この理由のために、一実施形態によれば、吸収層５１４および５１８は、反射コーティング５０６および５１０と窓材料のバルクとの間に置かれるべきである。吸収層は、反射性誘電体層が堆積される前に窓上に堆積される膜層などの層とすることができる。

さらなる実施形態では、吸収層は、石英窓のドーピング層の部分とすることができる。このような層はまた、傾斜層とすることもできる。したがって、放射が誘電体積層に入る前に、窓から来る反射性波長範囲の放射は、後方に反射される前に減衰され、放射が窓に再度入る前に、反射の後で再び減衰されることになる。

別の実施形態では、複数の窓を積層関係で熱源と基板の間に配列することができる。そのようにして２つ以上の窓を配列することができ、それぞれの窓が１つまたは複数の反射コーティングを有する。１つまたは複数の窓５０８は、上で図５Ａおよび図５Ｂについて説明した、または以下で図６に関して説明する吸収材を有することができる。異なるタイプの窓、例えば、図５Ａ、図５Ｂおよび／または図６のそれぞれのタイプの１つまたは複数のものは、積層関係で熱源と基板の間に配列することができる。これらの窓は、間隔を取った関係で配列することができ、あるいは互いに隣接することができる。

図６に示されたさらなる実施形態では、図１および図２の窓２０などの窓を、２つの窓要素６０８および６０９を含む複合窓６１８とすることができ、この複合窓では、各窓の間に間隙を設けることができる。この窓は、熱源６０２と基板６１２の間に配置され、基板６１２は、矢印６０４で図示された放射経路を通る放射によって加熱される。１つまたは複数の実施形態によれば、複合窓６１８内の窓要素６０８および６０９の両方が、窓が吸収性である広い範囲の内側の放射の第１の波長帯域を除いて、広い範囲の放射に対して透過性である。この透過性は、低いレベルの吸収材で窓をドーピングすることによって達成することができる。外側の面は（ここで「内側」は２つの窓の間と定義されている）、放射の第１の波長帯内で放射に対して実質的に反射性である反射コーティング６０６および６１１でコーティングされる。諸代替実施形態では、反射コーティング６０６および６１１は、外側の面に付けられるのではなく、あるいは外側の面に付けられることに加えて、内側の面に付けられることがある。この実施形態では、第１の外側コーティング６０６を光が通過すると、光は複合窓の第１の窓６０８、間隙、複合窓の第２の窓６０９を通り抜け、第２の窓のコーティング６１１に反射し、第２の窓、および間隙を通って戻り、再び第１の窓などを通って戻る。この構成では、反射ごとに光が窓（吸収材を持つ）を通り抜けなければならない回数（１回の反射につき２回通過）が最大になり、その結果として、必要な吸収材の量が最少になる。したがって、窓６０６と６０９の間の間隙は、ガスまたは液体でありうる光吸収流体６１４で満たされることがある。流体６１４はまた、複合窓６１８の冷却を行うこともできる。追加の吸収が望まれる場合には、吸収材６１６を窓６０８にドーピングすることができ、かつ／または吸収材６１９を窓６０９にドーピングすることができる。流体６１４は、ポンプを含むことができるシステムによって間隙の中に供給することができ、このポンプは液体またはガスを間隙に通して注入する。このシステムはまた、温度制御システムを有することもでき、この温度制御システムは、液体またはガスの温度を制御し、そうして窓の温度を制御する働きをすることができる。吸収材料をガスまたは液体に追加して、「鏡の間」効果を低減することができる。これらの吸収材料は、希土類材料、または他の任意の適切な吸収材料とすることができる。

さらなる実施形態では、少なくとも２つの窓を含む複合窓を適用することができ、それぞれの窓の各側面に、反射性波長の固有の範囲を持つ多層誘電体反射フィルタを備える。このような複合窓の場合では、誘電体層の各積層の個別フィルタ特性を４つまで足し合わせることによって、総合フィルタ特性が得られる。複合窓が３つ以上の個別窓を備える場合、総合フィルタ特性は、窓の側面にそれぞれ生成された個別フィルタから形成することができる。

少なくとも第１および第２の窓を備える複合窓のさらなる実施形態として、外側の第１の窓は透明な窓とすることができる。反射コーティングを持つ第２の窓は、処理部分と第１の窓の間に配することができる。第１の窓は、第２の窓および／またはそのコーティングの化学的および／または機械的損耗に対する防護物になりうる。

各図では、熱源が基板の上に配され、高温計が熱源の下に配されていることを理解されたい。処理チャンバの他の構成が実現可能であり、また完全に企図されており、かつ本発明の範囲内にある。例として、処理チャンバは、基板の下の加熱源と、熱源の上方に配された高温計とを有することができる。処理チャンバ内の基板、熱源および高温計の上記および他の配置の変形形態が、本明細書に記載の本発明の諸態様に本質的に影響を及ぼすことなく実現可能であり、企図されている。

さらなる実施形態では、図１および図２に示される第２の壁５３は、放射に対して透過性である窓を金属壁の代わりに備えることができる。このような第２の窓は、図１および図２のランプヘッド２４と類似の機能を有する第２のランプヘッドが供給できる熱放射に対して実質的に透過性である。ウエハなどの基板とほぼ平行な第２のランプヘッドは、処理部分を第２のランプヘッドから分離する。したがって、このような構成では、ウエハなどの基板は、少なくとも２つの側面から加熱することができる。さらに別の実施形態の第２の窓は反射層を有することができ、この反射層は、第１の窓の構成物または実施形態の１つの中にありうる。２つの窓を２つのランプヘッドと共に含む一実施形態では、それによってウエハなどの基板が２つの面で放射にさらされ、高温計の設定もまた修正されうる。さらなる実施形態では、高温計を、前に開示された反射層を持つ窓にほぼ垂直である壁の中、上または後ろに置くことができる。その場合、高温計は、ウエハなどの基板を上または下からではなく側面から見ている。基板から十分な放射を捕捉するために、高温計を配するいくつかの実施形態を用いることができる。さらなる実施形態では、高温計は、ウエハなどの基板に平行な平面に置かれた側壁の開口の中または後ろに配することができ、この平面は基板のレベルよりも高い、または低い。これにより、高温計は、基板をある角度のもとで見ることができ、それによって基板の表面から十分な放射を捕捉することができる。さらなる実施形態では、石英管などのライトパイプを側壁の孔に通してチャンバの処理部分の中に挿入することができる。この孔は基板に平行な平面内にあり、この平面は基板の平面の上または下にある。ライトパイプを、処理部分内のライトパイプの端部が基板の一面と平行になるようにして配置することができる。ライトパイプの別の実施形態では、ライトパイプは、ウエハなどの基板の一面と平行に処理部分に入っていくことがある。ライトパイプは、基板の一面の上または下で面にほぼ垂直になるように処理チャンバの内側で、その側面に湾曲部を備えることができる。

２つの窓を２つのランプヘッドすなわち加熱源と共に有する諸実施形態における、さらなる実施形態では、両方の窓を吸収材でドーピングし、反射コーティングでコーティングすることができる。２つの窓および２つのランプヘッドすなわち加熱源を有するチャンバのさらなる実施形態では、各窓は、上述の複合窓とすることができる。

上の論議から理解されるように、所定の波長範囲の放射が高温計に達することを防ぐ、または最小限にするためのフィルタを用意して、基板温度をより正確に測定することができる。以下の説明から明らかになるように、所定の波長範囲内の放射が処理チャンバ内のウエハまたは基板に達することを防ぐ、または最小限にするフィルタを用意することが望ましことがある。それゆえに、特定帯の放射が基板またはウエハに達することを防ぐ、または最小限にするフィルタを用意することができる。この放射フィルタリングは、上述した高温計とは別に、または高温計からの光のフィルタリングと一緒に実施することができる。特定の帯域幅の放射が基板に達しないように光をフィルタリングする場合、ウエハまたは基板の加熱中のより好適な基板温度の制御を達成することができる。このような加熱の制御を利用して、いっそう予測可能な基板の加熱を特に熱源の照射パワーと関連して行うことができる。この熱源は、具体的な実施形態ではタングステンハロゲンランプなどの抵抗ランプである。熱源の照射パワーと実際のウエハ温度の間を予測可能な関係にすることが非常に望ましい。このような関係にするのは、所定の帯域幅の放射を基板またはウエハに達しないようにフィルタリングすることによって可能である。加熱のさらなる制御は、ランプに供給される電力を修正することによって行うことができる。モデル化および実験的なデータの両方によって、基板の加熱プロファイルの最適制御を行うための最適なランプ電力およびフィルタ特性を得ることができる。別の実施形態では、熱源への電力が切られた後で所定の波長範囲内の放射が基板に達することを防ぐ、または最小限にするフィルタを用意することによって、基板の冷却速度をより好適に制御することができる。特定の諸実施形態では、所定の波長範囲は、基板材料のバンドギャップ範囲と一致する、または重なる。冷却中のこのようなフィルタリングは、基板の急速な加熱および冷却が望まれるスパイク加熱処理で有効である。放射が高温計に達することを防ぐためのフィルタを用意すること、ランプがオンになっているときの基板の加熱中に放射が基板に達することを防ぐためのフィルタを用意すること、およびランプがオフにされた後に放射が基板に達することを防ぐためのフィルタを用意することの概念が別々に実行できること、あるいはこれらのフィルタリング方法またはシステムの２つ以上のものを一緒にして実行できることを理解されたい。

ＲＴＰチャンバ内で、図１に示されるランプヘッド２４内のランプは、液冷チャンバ壁で取り囲むことができるウエハを加熱する。ランプから放出される放射輝度エネルギーは、図１に示された、ランプヘッド２４とウエハ１２の間にある石英窓２０を通してウエハ１２に伝達される。ウエハ温度を（熱スパイクを形成するために）ターゲット温度まで非常に急速に上昇させ、次に非常に速く下降させるスパイクアニーリングなどの熱スパイク処理では、急峻なスパイクが望まれることが多い。デバイス性能は、ターゲット温度に達する一方で、ターゲット温度またはその近くでは最少の時間（滞留時間）を費やすウエハに依拠する。この温度動作は、熱収支を低減し、処理時の欠陥の影響を最小限にし、化学種の拡散を防止し、かつ／またはデバイス性能を劣化させる他の物理的現象を防止するために必要とされる。すなわち、滞留時間を最小限にするために、高い加熱速度および冷却速度を達成することが望ましく、また熱処理時の加熱速度および冷却速度のあらゆる改善が望まれる。

熱スパイク処理では、特に約５００℃以下の温度で、チャンバ壁の補助冷却を行う必要なしに、またはウエハをチャンバ壁近くに移動させることなしに、速められた冷却速度を実現することは費用がかかり、物理的に困難であり、あるいは処理チャンバのユーザがあまり受け入れそうにないチャンバの物理的変更を必要とすることが多い。また、高温では、例として約６００℃以上のウエハ温度では、熱流束は、低いウエハ温度で支配的な伝導流束または対流流束とは対照的に、主として放射によって支配される。

従来の高速熱処理チャンバにおける、図１で図示されたチャンバ実施形態では、透明窓２０をランプとウエハの間に設置することができ、この窓を波長、角度および強度が変化するランプからの光が通過してウエハを加熱する。半導体シリコンウエハの発散度（および吸収度）は、波長および温度により大きく変わる。一例として、真性シリコンウエハは、１．２μｍを超える波長の放射に対して、３００℃未満の温度では透過性である。真性シリコンウエハが３００℃を超える温度まで熱くなると、１．２μｍを超える波長の放射エネルギーをより多く吸収し始める。この変動性は、真性シリコンウエハ、ドーピングされたウエハ、シリコンウエハ含有膜、窒化物または酸化物に当てはまり、あるいは他のウエハタイプにも当てはまるが、それぞれのウエハタイプは、互いに著しく異なる発散度特性を有しうる。ウエハが熱くなると、光エネルギーの大部分が吸収される波長がより長い波長へシフトする。このシフトは、グラフ８００で放射波長の関数としての吸収曲線をｐ型ドーピングされたシリコンについて異なるウエハ温度に対し示す図８に図示されている。各曲線は、３００℃、４００℃、５００℃、および６００℃のウエハ温度に対し示されている。

ウィーンの変位法則に基づいて、ランプがより熱くなると、ピーク放出が出現する波長がより短い波長の方へ移動する。ピーク放出が出現する波長＝２８９８［μｍ^＊Ｋ]／温度［Ｋ］である。この移動は、印加ランプ電圧に依存する一連の相対スペクトル放出パワー曲線をグラフ９００で示す図９に図示されている。曲線９０１から曲線９０７までの増大する電圧印加時の７本の曲線９０１、９０２、９０３、９０４、９０５、９０６、および９０７があり、曲線９０７がランプの高い方の設計電圧に近いランプ動作を表す。これらの曲線は、白熱光で加熱されるランプヘッドに特有のものである。これらのランプは、ある印加電圧で加熱されるフィラメントを使用する。電圧が高いほどフィラメントの温度が高くなる。曲線９０１、９０２、９０３、９０４、９０５、９０６、および９０７はウィーンの変位法則を図示し、ピーク放射放出が出現する波長が、高いランプ電圧で、すなわち高いランプ温度でより低い波長へシフトすること示す。

シリコンウエハなどの半導体基板の加熱および冷却を、１〜１．３ミクロンの波長帯の放射によって厳密に制御することは比較的困難である。これは特に、約６００℃未満、約５００℃未満、または約４００℃未満の温度まで加熱する場合に該当する。ドーピングされたシリコンを含むシリコンは、約６００℃未満、約５００℃未満、または約４００℃未満の温度で、かつ約１から約１．３ミクロン（１０００ｎｍから約１３００ｎｍ）の波長範囲内で放射を容易に吸収し、この放射はウエハ加熱を支配し、熱源がオフされたときに熱源からの放射をウエハが吸収し続けるので、冷却に悪影響を及ぼしうる。一実施形態では、例えば、シリコンウエハなどの基板が、図１で図示されたチャンバ内で特定帯の波長の放射を生成する電球を含む抵抗ランプからの放射で加熱される場合、所定の波長帯または波長範囲内の加熱は、基板と加熱ランプの間にフィルタを設けることによって回避、または少なくとも低減することができ、このフィルタは、ランプヘッドによって発生する放射の少なくとも一部分を約１〜１．３ミクロンの波長の範囲で阻止または低減し、あるいはこのような放射が基板に達することを少なくとも実質的に防ぐ。基板が所定の温度範囲内でエネルギーを吸収する所定の波長範囲内で、加熱を阻止または大幅に低減することによって、所定の波長範囲に対応する波長を持つ放射がフィルタリング除去されてウエハに達しないときに、より線形型の温度制御ΔＴ／ΔＰを基板の高速加熱中に維持することができ、ΔＴは基板温度の変化であり、ΔＰはランプ電力の変化である。一実施形態では、フィルタリングは、窓２０の上のコーティング、上で論じたフィルタコーティング、を利用することによって達成することができ、その結果、コーティングされた窓は、望ましくない帯域幅、例として１〜１．３ミクロンの波長帯の相当量の放射が窓を透過すること、および基板に達することを阻止することになる。すなわち、反射窓はフィルタとして機能する。本明細書でフィルタという語は、所定の波長範囲内の放射の少なくとも一部分を阻止することを指す。フィルタは反射フィルタまたは吸収フィルタとすることができる。反射フィルタは、上で論じたように、誘電体層の積層を石英窓の表面に堆積することによって得ることができる。フィルタリング特性は再び、付けられる誘電体層の材料、層の数、および層の厚さによって規定される。処理の温度範囲、基板の組成、およびランプによって生成される放射に依存する、処理時に阻止されるべき波長の範囲が決定されると、フィルタを、所定の範囲の波長を阻止するように設計し製造することができる。このようなフィルタは様々な会社から入手することができ、一社は、カリフォルニア州ＭｉｌｐｉｔａｓのＪＤＳ Ｕｎｉｐｈａｓｅである。フィルタを設計する同じ原理は、望ましくない放射が加熱源への電力が切られた後に基板に達することを阻止するフィルタを設計し提供するためにも使用できることを理解されたい。

図１０は、ランプ電圧に応じてランプヘッドによって発生する、１．２ミクロンを超える波長および１．２ミクロン未満の波長の放射エネルギーの分布の一例をグラフ１０００で図表によって示す。図１１は、シリコンの温度に応じた、１．２ミクロンを超える放射および１．２ミクロン未満の放射のシリコンによる吸収の一例をグラフ１１００で図表によって示す。図１１で分かるように、最大電圧の４０％以下の動作電圧のランプによって発生する放射の明らかに過半が、１．２ミクロンを超える波長を持つ放射である。約４００℃以下の温度のシリコンの加熱は、１．２ミクロン未満の波長の放射によって起こる。低温（４００℃以下）および低いランプ電圧（４０％以下）において、ランプヘッドから放射されるエネルギーのかなりの部分が、基板で吸収されて基板を加熱することがない。

温度制御に伴う問題を防止するために、基板またはウエハで吸収される放射の波長を、基板材料の固有吸収バンドギャップによって決まる１ミクロンの限度未満にさらに限定することが望ましい。これは、反射フィルタまたは吸収フィルタを使用することによって達成することができ、このフィルタは、波長λ１を超えるがλ２未満である光を反射して、前に提示されたノッチフィルタまたは阻止フィルタを形成する。

図１２は、例示的な諸実施形態による５つの異なる反射フィルタの透過曲線１２０１、１２０２、１２０３、１２０４および１２０５を示す。図１２は、全てのフィルタが少なくとも９００ｎｍから１１００ｎｍ帯の放射を制止することを示す。所定の波長範囲内の放射を阻止または吸収しない窓と比較して、図１２に示される窓は、熱源と基板の間に設置されたときに、限定された量の放射のみがウエハに達することができるようにする。この放射は、熱源の全波長範囲にわたって透過性である窓を使用することと比較して、限定された波長範囲にある。所定の波長範囲内の放射を阻止するように設計された窓が基板と熱源の間に設置された場合に、いわゆる透明窓を使用する場合と比較して同じ量の熱を与えるには、ランプは、より大きいランプ電圧を使用しなければならない。

図１２をなお参照すると、１つの実験では、フィルタコーティング１２０３でコーティングされた窓２０が使用された。このコーティングは、７００から１２００ｎｍの間の放射のかなりの部分をフィルタリング除去し、そうして１〜１．３ミクロン帯の放射を部分的にフィルタリングする。このフィルタをＲＴＰチャンバのランプと基板の間に配置することによって、加熱処理がより線形になり、それによってコントローラによるより好適な加熱の制御およびより速い熱制御が可能になる。このコントローラは、コントローラがより速く反応できる設定による、より線形の処理から利益を得ることができる。これは、抵抗加熱ランプに印加される電圧の量または電圧の持続時間などの、ランプコントローラの１つまたは複数の事前設定パラメータを再設定することによって達成することができる。このような事前設定パラメータは、ランプの加熱プロファイルを制御するプロセッサを介して実施することができる。一実施形態では、プロセッサは、ランプに供給されるエネルギー量およびエネルギーの時間間隔を制御して、ランプがチャンバ内の基板の熱曝露を低減するための、最適化冷却プロファイルが得られる所定の加熱要素最高温度を発生するように動作可能である。タングステン−ハロゲンランプなどの抵抗ランプを含むシステムまたは装置では、プロセッサは、ランプフィラメントである加熱要素が所定の最高温度に達するように、ランプに印加される電圧の量および電圧の時間を制御する。この所定の最高温度は、計算および／または実験的調査により決定された最適化温度であり、また最適化冷却プロファイルが得られる温度であり、この最適化冷却プロファイルは、ひいてはランプの冷却中の、放射による基板の熱曝露を最小限にする。それゆえに、このような所定の加熱要素最高温度が決定されると、加熱要素の冷却速度、および冷却中に加熱要素によって発生する熱で生成される、基板に達して基板の最適冷却を妨げる放射が少なくなることが認められる。

例として、より好適な線形動作により、コントローラの利得を増大することができる。システムがより高い利得でもってより線形であるので、ＰＩＤコントローラまたは他の適切なコントローラとすることができるコントローラは、今ではターゲット設定点により急速に達するようにシステムを制御することができる。反射フィルタまたは吸収フィルタがない窓を使用する、より非線形の状態では、高い利得を持つコントローラは、ターゲットを行き過ぎることがより多い、または全く不安定で短時間ではターゲット設定点に絶対に達しない、より不安定なシステムを作り出す。さらなる実験では、より高い遮断波長λ２を持つフィルタを使用すると、チャンバの動作および制御可能性がさらに改善することが示された。例として、フィルタコーティング１２０３は、１２０２よりも好適な性能をもたらす。

例として、コーティングされた窓は、チャンバの低温動作を改善するためのキットの一部として設けることができる。ユーザは、所定の波長範囲内の放射を阻止するようには設計されていない既存の「透明」窓を、反射コーティングおよび／または吸収材を有する窓であるフィルタに取り替えることができる。透明窓をフィルタ窓と交換することは、ランプコントローラの利得設定値を増加することを含むこともあるコントローラ設定値の変更と一緒にすることができる。熱処理装置のユーザは、ランプコントローラ利得を手作業で設定することができ、あるいは別法として、フィルタ窓と協働で働いて最適加熱プロファイルを達成する、適切な利得が得られる設定値をメニューから選択することができる。このメニューは、特定の窓に関する適切なパラメータを選択するためのプロセッサおよびユーザインターフェースを含みうるコントローラに備えることができる。このようなユーザインターフェースは、ランプに印加される電圧の分量および／または持続時間などの、ランプの利得および他のパラメータを調整するように動作するプロセッサを含むプログラム可能論理コントローラとすることができる。新しい窓のフィルタ特性に応じてコントローラの設定値を変更する他の方法もまた利用することができる。

したがって、放射加熱源と基板の間にフィルタを使用して規定または所定の温度範囲で半導体基板を処理するための処理チャンバが提供され、この半導体基板は、λ_ｌｏｗとλ_ｈｉｇｈの間の波長帯の放射を基板が吸収する原因となるエネルギーバンドギャップを有しフィルタは、放射源のλ_ｌｏｗとλ_ｈｉｇｈの間の帯の放射の少なくとも一部分が基板に達することを防ぎ、それによって、基板の温度挙動を制御するコントローラまたはコントローラシステムの、ターゲット設定点に達するための直線性および／または速度が改善される。一実施形態では、基板はシリコン基板である。さらなる実施形態では、基板はドーピングされたシリコン基板である。さらなる実施形態では、基板はｐ型ドーピングされたシリコン基板である。さらなる実施形態では、λ_ｌｏｗとλ_ｈｉｇｈの間の帯は１〜１．３ミクロンの間にある。さらなる実施形態では、規定の温度範囲は室温と６００℃の間である。さらなる実施形態では、規定の温度範囲は室温と５００℃の間である。さらなる実施形態では、規定の温度範囲は室温と４００℃の間である。さらなる実施形態では、規定の温度範囲は４００℃未満である。さらなる実施形態では、ターゲット温度に達する際のより速い応答時間を達成するために、フィルタの使用はコントローラの調整と一緒にされる。さらなる実施形態では、コントローラはＰＩＤコントローラである。さらなる実施形態では、コントローラの調整は利得を増大させることである。

図１２に示されたフィルタコーティングの効果はさらに、曲線１２０３で描かれたフィルタについては図１３に、曲線１２０５で描かれたフィルタについては図１４に図示されている。図１３Ａ〜Ｄおよび図１４Ａ〜Ｄは、ランプ電圧増大の効果を示す。ランプの電圧が増大するにつれ、ランプは熱くなり、より低い波長でより多く放射し始める。例として、図１３Ａ〜Ｄで分かるように、約０．７〜１．２ミクロンの間の波長範囲の反射帯を持つフィルタが使用される場合、ウエハは、その波帯の放射の加熱に関する寄与をほとんど受けない。というのは、その放射がフィルタ除去されるからである。４００℃未満の温度では、０．４〜０．７ミクロンの放射の寄与が加熱処理で支配的である。

図１４Ａ〜Ｃは、図１３Ａ〜Ｄのフィルタと比較して約０．１５ミクロンだけフィルタ帯域幅を増加することの効果を明示する。ここでは０．７〜１ミクロン範囲の放射が大きく寄与し、１．２１〜１．３３ミクロン範囲の放射は、ほとんど完全にフィルタ除去される。これは、１〜１．３ミクロン波長範囲の付加的な放射をフィルタリング除去することによる加熱処理の直線性改善と整合性がある。

上の議論で理解されるように、スペクトルフィルタリングまたはノッチフィルタリングを使用して、熱処理チャンバ内の基板の加熱プロファイルの、ランプに印加される電力に対する予測可能性または直線性を改善することができる。所定の波長範囲内の波長をフィルタリングする同じ原理を使用して、加熱源への電力が切られた後の基板の冷却プロファイルを改善することができる。ランプ電力がオフのときの冷却時フィルタリングを加熱時フィルタリングと別に、または一緒に実施して、加熱時の加熱の直線性または予測可能性を改善できることを理解されたい。両方のタイプの制御が望まれる場合（加熱時と冷却時）、別々のフィルタを利用することができ、あるいは、所定の１つまたは複数の阻止波長範囲を有する単一のフィルタを利用することもできる。冷却時の放射阻止は、スパイク熱処理時に有効なことがある。処理チャンバ内でのスパイク熱処理時、ランプは急速に熱くなってウエハ温度を上昇させるが、ランプへの電圧が瞬時に０に変えられてもランプが冷えるにはなおいくらかの時間がかかり、ウエハが冷える間ランプは依然としてウエハを照射している。冷えるランプから放射されるエネルギーをウエハが依然として吸収している場合には、ウエハの冷却速度は、冷えるランプからのエネルギーをウエハが吸収していない場合ほど速くない。

冷えるランプからウエハが受け取り続けるエネルギーの量を低減する１つのやり方は、より長い波長の光（例えば、基板材料の吸収帯端よりも短い波長）がウエハに達することを阻止する光学フィルタ（例えば、窓上の反射コーティング、または窓材料自体中の吸収ドーパント）をランプとウエハの間に設置することである。窓が放射のかなりの量をウエハに達しないように阻止するので、ランプは、同じ加熱速度に達するのにより高い電圧で動作することが必要になる（これは、ピーク放出がより短い波長に出現することを意味する）。ランプが遮断されるとランプは冷え、冷えるランプのピーク放出は、より長い波長の方へ移動し始め、ピーク放出波長が光学フィルタ端（例えば、シリコン基板で１．２ミクロン）を横切ると、ウエハにはもはや、冷えるランプの放射エネルギーが「見え」なくなり、ウエハはより速く冷えることになる。フィルタが＞０．９ミクロンの光を阻止するように設計されている場合、同じ加熱速度を達成するのによりいっそう高い電圧が必要になり、冷えるランプのピーク放出が、１．２ミクロンを横切るよりも早く０．９ミクロンの波長を横切ると、よりいっそう速いウエハの冷却速度が生じることになる。これは図９に、別々の曲線で明示されている。さらなる効果は、同じレベルの照射パワーに達するために、フィルタリングされる場合のランプは、フィルタリングされない場合と比較してより高い温度で動作することが必要になることである。照射パワー（Ｐ）がフィラメント温度（Ｔ）とＰ（Ｔ）＝Ｔ^４の関係があり、またフィラメント温度の冷却速度（Ｔ’）は、より高いフィラメント温度Ｔで大きいので、照射パワー低下速度（Ｐ’）は、高温で冷え始めるランプフィラメントでは著しく大きくなる。

フィルタを持つ処理チャンバ内で動作するランプには、より高い動作温度が必要とされる。基板に達する放射のフィルタリングされる熱源のパワーが、放射のフィルタリングされない熱源のパワーと釣り合うには、熱源（ランプ）の動作電力は、フィルタリングされない熱源のものより著しく高くなり、ランプは著しく高い温度に達することになる。例えば、簡単なパワーモデルで、７５０〜１２００ｎｍ波長帯の放射が、上で論じられた処理チャンバ内の窓上のフィルタによって除去される場合、フィルタリングされる熱源（チャンバ内のコーティングされた窓と一緒に働くランプ）は、フィルタリングされない熱源の放射パワーと釣り合うためには、約５２５℃高い温度で動作しなければならないことが示される。温度が高い物体が特定の温度まで冷える速度は、その物体の温度が低い場合よりも速いことが知られている。それゆえに、熱源（ランプ）の温度を上げ、基板に達する放射のかなりの部分をフィルタリングすることによって、冷却効果に影響を及ぼすことができる。

すなわち、光学フィルタは、光学性能に関して特定の処理およびウエハ温度に合わせることができる。窓が＞０．７から＞２．０ミクロンまでの波長を阻止する諸実施形態の全範囲を想定することができる。また、フィルタに、スペクトルの複数のセグメントを様々な強度で阻止および送出させて（すなわち、０．７５〜１ミクロンで９９．９％阻止し、＞１．５ミクロンで＞８０％阻止）、所与のウエハ温度およびウエハタイプで加熱速度と冷却速度の間の最適バランスを見出すことが望ましいこともある。例えば、５％のランプ電圧において、所望の温度（例えば、２００℃）に制御するにはウエハで見られるランプからの照射パワーがあまりに多い場合、前記温度でのウエハ温度制御は、能力が不十分、実用的でない、または実現可能性がないといえる。ランプからのパワーの一部を阻止するフィルタを使用することによって、ターゲットウエハ温度（例えば、２００℃）は、５％、または１０％、またはフィルタが照射をどれだけ阻止するかに応じてそれ以上、の平均ランプ区域を用いて制御することができる。この効果の別の利点は、フィルタにより、ターゲット温度を達成するためにランプで必要とされる公称電圧レベルが、ランプドライバの制御範囲の中心点に近付くことである。例えば、ランプドライバの制御範囲が５％〜１００％である場合、制御範囲の中心は５２．５％になる。コントローラが７％の公称電圧で温度を制御しようとする場合、コントローラは、下方飽和になる前に−２％の下端域を有するのみであるが、同じ所望の温度に達するために必要な公称制御電圧を１０％まで増大できる場合には、コントローラは、下方飽和に達する前に−５％の下端域を有する。０〜１００％の範囲を持つコントローラでは、最適公称値は５０％である。

放射による冷却効果改善は、追加の冷却装置を使用せずにフィルタを使用するだけの放射により改善された冷却速度を示す、実際の加熱スパイクで明示することができる。フィルタ窓を使用することによって、スパイクはまた、前に説明した改善直線性により改善されたウエハ加熱の上昇を、基板材料のバンドギャップに対応した放射を阻止することで示すはずである。比較として、得られる標準的な加熱スパイクは、見かけがやや平坦で、ピーク温度からの温度のほぼ平坦なロールオフすなわち低下がある。これは、ランプがオフされた後に基板を継続して加熱する一因となる波長を窓でフィルタリングすることがないためである。所定の波長内の放射を阻止するノッチフィルタまたは帯域阻止フィルタを使用することの好ましい効果は、このようなシステムが、フィルタが存在しない場合と比較してより速い温度の上昇、および比較的速い冷却を可能にする、かなり急峻な温度を生成することである。加熱および冷却の改善は、ランプからの放射が高温計の動作波長で高温計に達することを阻止することだけによるのではない。さらなる改善がまた、ランプがオフされた後に望ましくない放射が基板を加熱することを防ぐ適切なフィルタを使用することによる、より好適な制御可能性およびより急速な冷却によっても達成される。これは、フィルタの阻止帯域に異なる下限波長および上限波長を使用することによって実証される。基板のバンドギャップに対応する波長帯の放射をより好適に阻止すること、およびそのバンドギャップに対応する上限波長を超える波長を持つ放射を付加的に阻止することで、このような特性を有さなかったフィルタと比較して改善された制御可能性および冷却の両方が生み出される。

したがって、窓の片側または両側にコーティングできる反射コーティングおよび／または吸収材を含有する窓の形のフィルタを使用すると、加熱源からの所定の波長の放射が基板に達することを実質的に防ぐフィルタ特性が得られる。これにより、熱源のスイッチがオンのときの基板の熱処理の制御可能性が改善され、熱源のスイッチがオフにされた後のウエハの冷却速度が増大する。

本明細書全体を通して、「一実施形態（one embodiment）」、「ある特定の諸実施形態」、「１つまたは複数の実施形態」または「１つの実施形態（an embodiment）」に言及することは、その実施形態と関連して説明された特定の特徴、構造、材料、または特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。それゆえに、本明細書全体を通して様々な場所で「１つまたは複数の実施形態で」、「ある特定の諸実施形態で」、「一実施形態で」、または「１つの実施形態で」などの語句が現れても、必ずしも本発明の同じ実施形態を指していない。さらに、特定の特徴、構造、材料、または特性は、１つまたは複数の実施形態において任意の適切な仕方で組み合わせることができる。

本明細書では、本発明について特定の実施形態に関して説明したが、これらの実施形態は、本発明の原理および適用例の例示的なものにすぎないことを理解されたい。例えば、上述の諸実施形態を高速熱処理チャンバについて説明したが、本発明の原理が様々な熱処理チャンバに適用できること、および本発明が高速熱処理に限定されないことを理解されたい。当業者には、様々な修正および変形を本発明の方法および装置に加えることが、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなくできることが理解されよう。すなわち、本発明は、添付の特許請求の範囲およびその等価物の範囲内にある修正形態および変形形態を含むものである。

Claims (15)

1. 第１の波長範囲の放射を行い、基板を所定の温度範囲で加熱する熱源であって、前記基板が、前記第１の波長範囲内の第２の波長範囲で、前記所定の温度範囲内の放射を吸収する熱源と、
   前記基板を支持する基板支持体を含む処理部分と、
   前記第２の波長範囲内の前記放射の少なくとも一部分が前記基板で吸収されないように前記熱源からの放射をフィルタリングするための、前記基板支持体と前記熱源の間に配置されたフィルタとを備える、基板を加熱する装置。
2. 前記フィルタが、前記基板を約６００℃未満のある温度まで加熱した後で前記加熱源がオフされたときに、前記第２の波長範囲の前記放射の少なくとも一部分が前記基板まで送出されることを防ぐのに効果的な反射窓を備え、その結果、前記基板の冷却が、前記第２の波長範囲内の前記放射の前記基板での吸収が防がれなかった場合よりも速い速度で起こるようになる、請求項１に記載の装置。
3. 前記フィルタが、前記第２の波長範囲内の放射を反射する反射窓を備え、前記第２の波長範囲が、温度の関数としての前記基板の吸収率に基づいた所定の波長範囲である、請求項１に記載の装置。
4. 前記基板がシリコンを含み、前記第２の波長範囲が、約１０００ｎｍを超える下限および約１３００ｎｍの上限を有する、請求項２に記載の装置。
5. 前記フィルタが、前記基板を約６００℃未満のある温度まで加熱した後で前記加熱源がオフされたときに、前記第２の波長範囲の前記放射の少なくとも一部分が前記基板まで送出されることを防ぐのに効果的な吸収窓を備える、請求項１に記載の装置。
6. 前記加熱源がランプを含み、前記第２の波長範囲が、前記基板の組成と、前記ランプに印加されるエネルギーの関数としての加熱源のピーク放出とに基づいて選択され、前記ランプに印加されるエネルギーの関数としての前記基板の加熱の予測可能性が改善される、請求項１に記載の装置。
7. 前記反射窓が、前記第２の波長範囲内の放射の事前選択されたパーセンテージと、前記第２の波長範囲と異なる第３の波長範囲内の放射の事前選択された異なるパーセンテージとを阻止するのに効果的である、請求項２に記載の装置。
8. 前記装置がさらに、前記ランプが前記処理部分内の基板の熱曝露を低減するための、最適化冷却プロファイルが得られる所定の最大加熱要素温度を発生させるために、前記ランプに供給されるエネルギーの量およびエネルギーの時間間隔を制御するように動作可能なプロセッサを含む、請求項６に記載の装置。
9. 所定の温度範囲内で第１の波長範囲の放射を生成する加熱源により基板を急速に加熱するステップであって、前記基板が、前記第１の波長範囲内の第２の波長範囲で、前記所定の温度範囲内の放射を吸収するステップと、
   前記第２の波長範囲内の前記放射の少なくとも一部分が前記基板で吸収されないように前記加熱源からの放射をフィルタリングするステップとを含む、
   急速熱処理チャンバ内で基板を処理する方法。
10. 前記加熱源からの放射のフィルタリングが、前記熱源が前記基板を約６００℃未満のある温度まで加熱した後で前記加熱源がオフされたときに、前記第２の波長範囲内の前記放射の少なくとも一部分が前記基板まで送出されることを防ぐのに効果的な反射窓によって行われ、前記基板の冷却が、前記第２の波長範囲内の前記放射の前記基板での吸収が防がれなかった場合よりも速い速度で起こる、請求項９に記載の方法。
11. 前記第２の波長範囲が、温度の関数としての前記基板の吸収率に基づいた所定の波長範囲である、請求項９に記載の方法。
12. 前記加熱源からの放射のフィルタリングが、前記熱源が前記基板を約６００℃未満のある温度まで加熱した後で前記加熱源がオフされたときに、前記第２の波長範囲の前記放射の少なくとも一部分が前記基板まで送出されることを防ぐのに効果的な吸収窓によって行われる、請求項９に記載の方法。
13. 前記窓がさらに、前記基板を約６００℃未満のある温度まで加熱した後で前記加熱源がオフされたときに、前記第２の波長範囲の前記放射の少なくとも一部分が前記基板に達することを阻止するのに効果的な吸収材を含む、請求項１１に記載の方法。
14. 前記加熱源がランプを含み、前記第２の波長範囲が、前記基板の組成と、前記ランプに印加されるエネルギーの関数としての加熱源のピーク放出とに基づいて選択され、前記ランプに印加されるエネルギーの関数としての前記基板の加熱の予測可能性が、前記フィルタリングが実施されない場合と比較して改善される、請求項９に記載の方法。
15. 前記ランプが前記チャンバ内の基板の熱曝露を低減するための、最適化冷却プロファイルが得られる所定の最大加熱要素温度を発生させるために、前記ランプに供給されるエネルギーの量およびエネルギーの時間間隔を制御するステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。

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