CN101091236B - 加热装置、热处理装置、计算机程序及存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种加热装置，该用于加热被处理体(W)的加热装置(62)，包括多个加热光源，该加热光源具有向所述被处理体射出波长360～520nm范围内的加热用光的LED元件(74)。由此，能够在与膜种没有关系的温度分布均一的状态下，只使半导体晶片等被处理体的表面的浅层高速升温及高速降温。

Description

加热装置、热处理装置、计算机程序及存储介质
技术领域
本发明涉及对半导体晶片等照射加热用的光的加热装置、利用该装置对半导体晶片等进行规定的热处理的枚页式热处理装置、计算机程序以及存储介质。
背景技术
一般的情况下，在制造半导体器件时，需要对半导体晶片反复地进行成膜处理、形成图案蚀刻处理、氧化扩散处理、改性处理、退火处理等各种热处理从而制造所希望的器件，但是，伴随着半导体器件高密度化、多层化、以及高度集成化的同时，规格标准也日趋严格，尤其希望提高以上所列出的各种热处理在晶片内的均匀性以及提高膜质。以作为半导体器件的晶片管的沟道层(channel layer)等的处理为例进行说明。一般情况下，在对沟道层等注入杂质离子后为了使原子结构稳定化还需对其进行退火处理。
这里，参照图13，以晶片管的一般结构为代表例，就门结构的沟道层进行说明。在图13中，在掺杂有n型杂质的n型硅基板等的半导体晶片W的表面上，分别设置掺杂有p型杂质的p+浓度的源极(source)2以及漏极(drain)4，并且在各源极2和漏极4的表面上分别形成有杂质浓度比上述p+区域变高的p++区域6、8。而且，在上述源极2和上述漏极4之间，经由例如硅氧化膜等的门绝缘膜10，形成有例如由多晶硅层构成的门电极12。
另外，在该门电极12或门绝缘膜10的侧壁上还形成了例如SiN构成的绝缘层14。此外，如此形成的微细的晶片管在晶片表面形成有多个，除此之外，在晶片的表面上还形成有许多其它必要的微小的元件。并且，这种晶片管只不过是表示了其中的一个例子，根据用途能够使用多种多样用途各异的膜种。正如上面所述，为了使掺杂有杂质的区域的原子结构趋于稳定而进行退火处理。
在这种情况下，虽然如果长时间进行上述退火处理，则原子结构稳定化，但是杂质原子会向膜厚方向扩散至内部深处，从下方穿透出来，所以必须要尽量缩短时间。即是说，如果要使沟道层等的膜厚既薄又不会产生穿透，还要原子结构稳定的话，必须要将半导体晶片迅速升温到退火温度，并且在退火处理后迅速降温到不发生扩散的低温。
为了实现这样的退火处理，现有的处理装置一般都是进行用加热灯的灯照退火(专利文献1)。而该加热用灯一般是卤素灯或闪光灯(flash lamp)等。
另外，现有的其他一些处理装置，例如专利文献2所示，是在晶片台(Wafer stage)上设置珀耳帖元件，当在100～250℃左右对晶片进行蚀刻时，利用上述的珀耳帖元件来对晶片进行升温降温的装置。
而且，最近，为了能够有较大的输出而开发的LED(Light EmittingDiode)元件或激光器有被用作加热源或光源的趋势(专利文献3～5)。就这种LED元件或激光来说，元件本身的发热与加热灯比起来非常的少，而寿命比加热灯长的多，况且热容量也要小很多，所以有被广泛使用的趋势。
例如在专利文献3中就介绍了一种组合加热管与LED元件的灯，在专利文献4中说明的是利用LED元件或激光器对抗蚀剂(resist)加热，而在文献5中说明的是为了进行CVD处理而采用LED元件阵列(array)。
[专利文献1]美国专利第5689614号
[专利文献2]日本特开2001-85408号公报
[专利文献3]日本特开2004-296245号公报
[专利文献4]日本特开2004-134674号公报
[专利文献5]美国专利第6818864号
如上所述，在进行热处理时，不仅要进行加热使得晶片的表面温度分布均匀，还要使晶片温度能够在短时间内实现升温降温。
而且，在半导体器件的更加高速化细微化的要求下，关于源极2与漏极4等的杂质注入区域来说，都在追求更浅并且杂质浓度也更高。因此，在对这些区域进行退火处理时，为了尽量抑制杂质在基板厚度方向的扩散，必须追求更高速地升温降温。
但是，在利用卤素灯作为加热单元进行退火处理时，射出的加热用光的中心波长为例如1～3μm，该波长带域就会拓宽到3～5μm，而且波长长，所以，加热的不仅仅是晶片表面浅的那一部分，光可以达到晶片表面较深的位置使晶片表面较深的部分(深部)也被加热。其结果，就产生了杂质扩散至晶片表面深的部分的问题。
另外，由于射出的光的波长如上所述比较长，会使晶片表面较深位置的一些不必要的区域也被加热，升温效率也降低，所以，这正是需要高输出但能源效率降低的原因。
其次，在利用闪光灯作为加热单元来进行退火处理时，从该闪光灯发出的光的波长虽然比上述的卤素灯短很多，但是根据图14所示的闪光灯的波长带域来看，是以500nm左右为中心波长，非常宽的1μm左右的带域，因此它也同上述的卤素灯一样，有加热至晶片的深处的问题。
与之相对的，在利用激光器或LED(Light Emitting Diode：发光二极管)元件作为加热单元时，能够消除上述的问题，能够只对晶片的表面进行有效的加热。但是，在代表激光器的ArF激光器(准分子激光器：中心波长193nm)或KrF激光器(准分子激光器：中心波长248nm)的情况下，由此放射的光的带域宽度在1μm以下，与上述情况相反过于狭窄，其结果是，根据膜种与波长的不同，在微小的区域里产生成为横向压力生成原因的温度差，或者会有部分熔融等的问题。再者，因为光路截面积非常小，为了对晶片整个表面进行加热必须利用扫描机构使激光进行扫描，因此又产生了机构变复杂的问题。
另外，在使用LED元件的情况下，所放射的光的波长根据所使用的元件而不同，例如，在300～950nm的范围内，具有100nm左右的带域宽度，因此所放射的光具有比激光器的情况下还宽并且比上述闪光灯或者卤素灯的情况下还窄的带宽，所以可抑制根据膜质的加热温度的选择性，其结果，具有能够比较均匀地加热晶片表面侧的特性。
但是，只使用LED元件的话，由于所射出的光的波长并不是最优化的波长，而为了以最近的设计规则中所要求的程度，将杂质扩散区域的深度维持在较浅的程度，并且要维持杂质的高浓度，所以要仅仅对晶片表面进行有选择性且均匀的加热是比较困难的。
发明内容
本发明从上述的问题着手，是可以有效地解决这些问题的提案。本发明的目的是提供通过使从LED元件所发出的加热用的光的波长最优化，只对半导体晶片等被处理体的表面较浅地、并且与膜种没有关系、在均匀的温度分布的状态下，进行高速升温以及高速降温的加热装置、使用该加热装置的热处理装置、计算机程序以及存储介质。
本发明提供一种用于加热被处理体的加热装置，其特征在于：包括多个加热光源，该加热光源具有向所述被处理体射出波长在360～520nm范围内的加热用光的LED(Light Emitting Diode)元件。
这样，因为具有多个加热光源，且该加热光源包括可以向上述被处理体射出波长在360～520nm范围内的加热用光的LED元件，所以能够使从LED元件所发出的加热用的光的波长最优化，结果，能够只对半导体晶片等被处理体的表面较浅地、并且与膜的种类没有关系、在均匀的温度分布的状态下，进行高速升温以及高速降温。
本发明是一种加热装置，其特征在于：所述LED元件由射出紫外光的紫外光LED元件、射出紫色光的紫色光LED元件、和射出蓝色光的蓝色光LED元件中的至少一种构成。
本发明是一种加热装置，其特征在于：所述蓝色光LED元件射出中心波长为470nm的加热用光。
本发明是一种加热装置，其特征在于：还包括与所述各加热光源对应设置、反射从该加热光源射出的光并朝向所述被处理体的第一反射器。
本发明是一种加热装置，其特征在于：来自所述各第一反射器的反射光被设定为分别朝向所述被处理体的不同区域聚光。
本发明是一种加热装置，其特征在于：所述第一反射器的反射面形成为曲面状。
本发明是一种加热装置，其特征在于：所述第一反射器是由铝或在铝的表面覆盖氟化镁膜而形成的。
本发明是一种加热装置，其特征在于：所述各加热光源包括由热管构成的元件安装棒、和安装在该元件安装棒的前端部上的多个所述LED元件。
本发明是一种加热装置，其特征在于：所述各加热光源具有基部，该加热光源的基部由外壳进行支承。
本发明是一种加热装置，其特征在于：所述外壳形成为半球状，其内侧形成为曲面状，成为作为第二反射器发挥功能的反射面。
本发明是一种加热装置，其特征在于：所述第二反射器是由铝或在铝的表面覆盖氟化镁膜而形成的。
本发明是一种加热装置，其特征在于：在所述外壳中设置用于冷却所述元件安装棒的基部的安装棒冷却单元。
本发明是一种加热装置，其特征在于：所述各加热光源的元件安装棒是沿着与所述被处理体的表面正交的方向、或者沿着与该正交方向相近似的方向设置的。
本发明是一种加热装置，其特征在于：还包括用于测定所述被处理体的温度的放射温度计，设定该放射温度计的测定波长带域，使之与所述LED元件所发出的光的波长带域不同。
本发明是一种热处理装置，用于对被处理体实施规定的热处理，其特征在于，包括：可排气并具有开口着的顶棚部的处理容器；设置在所述处理容器内并在其上面侧载置所述被处理体用的载置台；气密地覆盖所述处理容器的顶棚部的光透过窗；向所述处理容器内导入必要气体的气体导入单元；和设置在所述光透过窗的上方，向所述被处理体照射加热用光的加热装置，其中所述加热装置包括加热光源，该加热光源具有向所述被处理体射出波长在360～520nm范围内的加热用光的LED元件。
本发明是一种热处理装置，其特征在于：在所述载置台的上部，设置多个热电转换元件。
本发明是一种热处理装置，其特征在于：在所述载置台上，设置有在必要时流过热介质的热介质通路。
本发明是一种热处理装置，其特征在于：所述热处理装置还包括用于控制该热处理装置整体动作的控制单元，该控制单元按照如下方式进行控制，在所述被处理体的加热时，接通所述加热装置，并且在所述热电转换元件中向着加热所述被处理体的万向流过电流，在所述被处理体的冷却时，断开所述加热装置，并且在所述热电转换元件中向着冷却所述被处理体的方向流过电流。
本发明是一种热处理装置，其特征在于：所述热处理装置还包括用于控制该热处理装置整体动作的控制单元，该控制单元按照如下方式进行控制，在所述被处理体的加热时，首先接通所述热电转换元件，向着加热所述被处理体的方向流过电流，进行预加热后，接通所述加热装置，在所述被处理体的冷却时，断开所述加热装置，并且在所述热电转换元件中向着冷却所述被处理体的方向流过电流。
本发明是一种热处理装置，其特征在于：所述控制单元能够对各热电转换元件分别控制其电流的方向和电力，在所述被处理体的加热时，为了提高所述被处理体的温度的面内均匀性，对每个所述热电转换元件，控制加热或冷却。
本发明是一种热处理装置，其特征在于：所述光透过窗由石英玻璃构成。
本发明是一种计算机程序，其特征在于：在用于对被处理体实施规定的热处理的热处理装置中，包括，可排气并具有开口着的顶棚部的处理容器；设置在所述处理容器内并在其上面侧载置所述被处理体用的载置台；气密地覆盖所述处理容器的顶棚部的光透过窗；向所述处理容器内导入必要气体的气体导入单元；和设置在所述光透过窗的上方，向所述被处理体照射加热用光的加热装置，所述加热装置包括加热光源，该加热光源具有向所述被处理体射出波长在360～520nm范围内的加热用光的LED元件，其中，在使用在所述载置台的上部设置有多个热电转换元件的热处理装置对被处理体实施规定的热处理时，所述计算机程序进行如下控制：在所述被处理体的加热时，接通所述加热装置，并且在所述热电转换元件中流过可加热所述被处理体的方向上的电流；在所述被处理体的冷却时，断开所述加热装置，并且在所述热电转换元件中流过可冷却所述被处理体的方向上的电流。
本发明是一种计算机程序，其特征在于：在用于对被处理体实施规定的热处理的热处理装置中，包括，可排气并具有开口着的顶棚部的处理容器；设置在所述处理容器内并在其上面侧载置所述被处理体用的载置台；气密地覆盖所述处理容器的顶棚部的光透过窗；向所述处理容器内导入必要气体的气体导入单元；和设置在所述光透过窗的上方，向所述被处理体照射加热用光的加热装置，所述加热装置包括加热光源，该加热光源具有向所述被处理体射出波长在360～520nm范围内的加热用光的LED元件，其中，在使用在所述载置台的上部设置有多个热电转换元件的热处理装置对被处理体实施规定的热处理时，所述计算机程序进行如下控制：在所述被处理体的加热时，首先接通所述热电转换元件，向着加热所述被处理体的方向流过电流，进行预加热后，接通所述加热装置；在所述被处理体的冷却时，断开所述加热装置，并且在所述热电转换元件中向着冷却所述被处理体的方向流过电流。
本发明是一种存储介质，其特征在于：存储有下述计算机存储程序，在用于对被处理体实施规定的热处理的热处理装置中，包括，可排气并具有开口着的顶棚部的处理容器；设置在所述处理容器内并在其上面侧载置所述被处理体用的载置台；气密地覆盖所述处理容器的顶棚部的光透过窗；向所述处理容器内导入必要气体的气体导入单元；和设置在所述光透过窗的上方，向所述被处理体照射加热用光的加热装置，所述加热装置包括加热光源，该加热光源具有向所述被处理体射出波长在360～520nm范围内的加热用光的LED元件，其中，在使用在所述载置台的上部设置有多个热电转换元件的热处理装置对被处理体实施规定的热处理时，所述计算机程序进行如下控制：在所述被处理体的加热时，接通所述加热装置，并且在所述热电转换元件中流过可加热所述被处理体的方向上的电流；在所述被处理体的冷却时，断开所述加热装置，并且在所述热电转换元件中流过可冷却所述被处理体的方向上的电流。
本发明是一种存储介质，其特征在于：存储有下述计算机存储程序，在用于对被处理体实施规定的热处理的热处理装置中，包括，可排气并具有开口着的顶棚部的处理容器；设置在所述处理容器内并在其上面侧载置所述被处理体用的载置台；气密地覆盖所述处理容器的顶棚部的光透过窗；向所述处理容器内导入必要气体的气体导入单元；和设置在所述光透过窗的上方，向所述被处理体照射加热用光的加热装置，所述加热装置包括加热光源，该加热光源具有向所述被处理体射出波长在360～520nm范围内的加热用光的LED元件，其中，在使用在所述载置台的上部设置有多个热电转换元件的热处理装置对被处理体实施规定的热处理时，所述计算机程序进行如下控制：在所述被处理体的加热时，首先接通所述热电转换元件，向着加热所述被处理体的方向流过电流，进行预加热后，接通所述加热装置；在所述被处理体的冷却时，断开所述加热装置，并且在所述热电转换元件中向着冷却所述被处理体的方向流过电流。
根据本发明所涉及的加热装置、采用此加热装置的热处理装置、程序以及存储介质，能够发挥出以下的优良效果。
因为具有多个加热光源，且该加热光源包括可以向上述被处理体射出波长在360～520nm范围内的加热用光的LED元件，所以能够使从LED元件所发出的加热用的光的波长最优化，结果，能够只对半导体晶片等被处理体的表面较浅地、并且与膜的种类没有关系、在均匀的温度分布的状态下，进行高速升温以及高速降温。
附图说明
图1为本发明的热处理装置的一例的截面结构图。
图2为热电转换元件的排列状态平面图。
图3为从载置台方向看加热装置时的反射器(reflector)排列的图。
图4为从作为加热光源的半导体光射出元件射出的加热用光的光路图。
图5为安装有半导体光射出元件的元件安装棒放大截面图。
图6为元件安装棒前端部分的扩大立体图。
图7为表示光向Si基板的厚度方向(深度方向)的侵入深度与波长依存性的图表。
图8为Si基板的线吸收系数与光的波长的依存关系的图表。
图9为晶片表面各膜种的反射率与光波长依存关系的图表。
图10为Si基板的放射率(吸收)与波长和温度的依存关系的图表。
图11为反射器材料的反射率与光的波长的依存关系的图表。
图12为石英玻璃的穿透率和波长的依存关系的图表。
图13为晶片管一般结构的代表例子的门结构的示意图。
图14为闪光灯波长带域示意图。
具体实施方式
以下，将根据附加的图对本发明所涉及的加热装置、热处理装置、以及存储介质的一个实施方式进行说明。
图1为本发明的热处理装置的一例的截面结构图。图2为热电转换元件的排列状态平面图。图3为从载置台方向看加热装置时反射器的排列状态图。图4为从作为加热光源的半导体光射出元件所射出的加热用光的光路图。图5为安装有半导体光射出元件的元件安装棒放大截面图。图6为元件安装棒前端部分的扩大立体图。
如图1所示，这个热处理装置22包括具有由铝构成的形成为筒体状并开着口的顶棚部24a的处理容器24；以及设置在处理室24内，其上面侧用来放置半导体晶片(被处理体)W的载置台38。该处理容器24被设置成能够收纳例如300mm晶片的大小。这个处理容器24的顶棚部24a开口，在该开口部经由O形环等的密封材料26气密地设置有相对后述加热用光为透明的光透过窗28。作为该光透过窗28的材料，针对本发明所使用的加热用光的波长，特别采用了透明的例如石英玻璃等材料。
另外，这个处理容器24的侧壁上设置有开口27，同时在这个开口27上设置了在半导体晶片W被搬出搬入时可开闭的闸阀30。而处理容器24另外的侧壁上还设置有作为在处理时向内部导入必要气体的气体导入单元的气体喷嘴32。另外在处理容器24底部的周边部上形成有排气口34，在该排气口34连接着图中未表示出的设置有真空泵的排气系统，处理容器24内的气氛可以实现抽真空。而且，也可以根据处理将处理容器24内维持在大气压程度。另外，该处理容器24的底部被较大的开口，如上所述，该开口经由例如O形环等的密闭部件36气密地安装并固定有兼作底部且壁厚的载置台38。
这个载置台38具有：例如铝制壁厚的载置台本体40、设置在其上部的多个热电转换元件42、以及设置在热电转换元件42的上侧的薄的圆板状载置板44。作为被处理体的半导体晶片W被直接放置在这个载置板44上。具体来说的话，上述的热电转换元件42采用例如珀耳帖元件。该珀耳帖元件是通过电极串联连接不同种的导体或半导体，如果流过电流，则在接点间除了焦耳热以外产生热和吸热的元件，通过例如可以在200℃以下的温度下使用的Bi2Te3(铋·碲)元件、能够在更高温度下使用的PbTe(铅·碲)元件、以及SiGe(硅·锗)元件等形成，经由导线48电气连接在热电转换元件控制部46上。热电转换元件控制部46可以控制在对上述晶片W进行热处理时所供给热电转换元件42的电流大小、方向。
图2是表示由珀耳帖元件构成的热电转换元件42的排列的一例。在图2中所示的例子是，相对于直径300mm的晶片W，将60个热电转换元件42几乎毫无间隙的覆盖在上述载置板44的背面侧的整个面上。如果像这样紧密相接配置热电转换元件42的话，则能够均匀加热晶片W和载置板44。热电转换元件42的形状不仅仅限于四角形也可以是圆形或六角形的。这里所说的热电转换是指由热能转换为电能或者由电能转换为热能。另外，这里所介绍的上述热电转换元件42，是为了只由使用着成为后述本发明特征的LED元件的加热装置来进行必要的热处理而设置的，也可以不设置。
回到图1，在上述载置台本体40的内部，横跨其平面方向的几乎整个平面形成有热介质通路50。该热介质通路50设置在上述热电转换元件42的下部，在晶片W降温时，通过供给制冷剂(水)作为热介质从上述的热电转换元件42下面吸收热量从而对其进行冷却。另外，在晶片W升温时，通过根据需要供给温介质从上述的热电转换元件42的下面吸收冷热从而对其进行加热。此外，热介质通路50通过热介质导入管54以及热介质排出管56与供给热介质的介质循环器52相连。由此，介质循环器52将热介质循环供给到热介质通路50中。
另外，作为设置在上述的热电转换元件42上的载置板44的材料来说，由SiO2、A1N、SiC、Ge、Si、以及金属材料等构成。载置台38上设置有图中未表示出的升降晶片W的升降机构，这个升降机构包括贯穿载置台本体40以及载置板44，从下方支承晶片W的多个可以自由升降的支承销；以及用来使这些支承销升降的驱动装置。
另外，在载置台本体40中形成有在上下方向将其贯穿的贯通孔57，在这里设置放射温度计58。具体来讲，在气密状态下将一直延伸到上述载置板44下面的光纤(fibre)60通插入上述的贯通孔57，以使得可以对来自载置板44的辐射光进行导向。而且，在该光纤60的端部连接着放射温度计本体62，能够利用规定的测定波长带域的光测定载置板44的温度，也就是晶片的温度。在这里，设定上述放射温度计58的测定波长带域，使之与后叙的LED元件射出的光的波长带域为不同的值。
在处理容器24的光透过窗28的上方，设置有可以对上述晶片W发射加热用光的加热装置62。具体来讲，这个加热装置62有成形为穹顶半球状的外壳64，该外壳以覆盖上述光透过窗28上方的方式进行设置。这个穹顶状的外壳64是由铝(包含铝合金)或铜等导热性能良好的材料构成，全体形成为例如半球的形状。在这个外壳64的下端部的一部与处理容器24的上端部的一部之间由图中并未表示出的链状物(hinge)连接，上述的外壳64可以展开。
在这个外壳64的内周面上，成为实施过氟化镁膜(MgF2)或镀金等的高反射率的反射面，该外壳64的反射面发挥作为第二反射器66的功能。此外，作为该第二反射器66来说，如后所述，优选在铝(包含铝合金)的表面涂上(coating)氟化镁膜。而且，在该外壳64的内周面侧安装着多个加热光源68，以此来射出加热用的光(光线)。该加热光源68比较均匀地分布在穹顶状外壳64内周面的几乎整个区域，例如，在这里共设置了39个左右。不过图3中加热光源68的表示被省略了。
另外，如图3图4所示，与各加热光源68相对应，分别设置了凹陷为曲面状进行成形的第一反射器70。这个第一反射器70的内周面成为实施过氟化镁膜或镀金等的高反射率的反射面。并且该第一反射器70和上述的第二反射器66一样，优选在铝(包含铝合金)的表面涂上(coating)氟化镁膜。该第一反射器70的开口面形成为圆形或者椭圆形，设置成从下方的载置台40看过来的投影图为同一形状。如上所述，外壳64采用了半球状的曲面形状，由此可以比平面形状的情况安装更多的上述的加热光源68，这样一来就可以为加热用投入更大的电力。
另外，上述的各加热光源68，如图5及图6所示，包括微小的棒状的元件安装棒72；以及安装在其几乎整体上的作为本发明特征的多个LED元件74，这个元件安装棒72的基部72a连接安装在上述外壳64的第一反射器70的中央部所设置的连接端子76(参照图4)上，由此，在支承固定元件安装棒72的同时，也可以给上述的LED元件74提供必要的电力。上述的连接端子76通过图中未表示出的配线连接在电源系统上。由此，大部分的元件安装棒72都被设置在了沿着与晶片W的表面正交的方向或者接近正交的方向上。
而且，在本发明中，LED元件74采用了射出的加热用的光的波长在360～520nm范围内(分别对应紫外光～紫色光～绿色光)的LED元件，因此，如后所述，与晶片面内的膜的种类无关，可以在维持温度的面内均一性的状态下实现快速的升温和快速的降温。即是说，该LED元件74采用主体发出蓝色光的蓝色光LED元件或主体发出紫色光的紫色光LED元件，在一般的LED元件中，输出的光的波长具有100nm左右的宽度。
另外，上述的元件安装棒72为一个中空状的例如热管(heat pipe)，如图5所示，在其内面上粘贴了管芯(wick)78，并且在内部密封有工作流体。这个元件安装棒72由铝或铜等导热性良好的金属材料做成。这个元件安装棒72形成为多角形，比如在图6中形成为六角形，在其大致整体的侧面上，使上述的LED元件74集中进行安装，整个看起来就像是点光源的大小。而这个LED元件74在现有的技术下正在开发每一个元件都能够得到高输出的元件。例如正在开发能够得到LED元件的每个元件都为最大30W左右的高输出的元件。例如，这里，在上述的六角形的元件安装棒72的各面上，分别排列42个LED元件74进行设置，因此，对于一个元件安装棒72就可设置252个(＝42个×6列)LED元件74。
这里，假设一个LED元件74的输出为7.5W(瓦特)，则从一个加热光源68能够得到7.5W×252＝1890W(瓦特)的高输出。而且，如果假设加热光源68全部的数量为如上所述的39个，则总输出就有1890W×39＝73.71kW。这个输出是可以使晶片达到1000℃/sec的升温速度的必要能量。此外，在上述元件安装棒72自身，也设置了与上述接续端子76和各LED元件74电连接的配线，但在图中并未表示出配线。
上述的元件安装棒72总长为60mm左右，六角形的每条边长L1为1～3mm左右，非常小型化。
如图4所示，如果假定上述第一反射器70的曲面形状为具有两个焦点f1、f2的旋转椭圆面，将被视作点光源的加热光源68的LED元件74群设置在焦点f1，则加热光源68放射出的光线中经第一反射器70反射后的反射光80A聚焦在第二焦点f2。但是，因为实际上并不是完全的点光源，从加热光源68射出的经过第一反射器70反射后的反射光80A中有一部分被扩散并没有聚焦在第二焦点f2，而是照在了周围。另外，从加热光源68射出的并没有照在第一反射器70上的直射光80B中有一部分直接照射到了晶片W的表面，其他的一部分照在第二反射器66上反射后照射到晶片W的表面。照射晶片W的光中，被晶片W吸收的量最大为70％左右，剩下的被反射或是穿透。这其中，反射后的光被第二反射器66反射之后再次照射晶片W。于是，直射光中，照射在载置台38与载置板44上的光成为损失。这些损失的光线的量能够通过改变第一反射器70的大小、倾角、开口直径等来尽力缩小。
加热光源68的数量根据晶片W的大小、1个加热光源在晶片W上的照射面积S1、晶片W升温速度的设计指标、加热光源68整体的功率、和第二反射器66的直径等来决定。
在这里，设定由各加热光源68照射到的照射面积S1的区域，使得在晶片W表面朝向各个不同区域聚光，并能够覆盖晶片W表面的全部区域。
回到图1，在设置有上述加热光源68的外壳64上，设置用来冷却上述元件安装棒72的基部侧的安装棒冷却单元82。具体来说，这个安装棒冷却单元82具有通过上述元件安装棒72的基部附近而形成的冷却介质通路84，从制冷剂入口84A导入冷却介质，比如冷却水，然后从制冷剂出口84B排出。并且对上述的外壳64的内侧空间也可以进行空冷。另外，为了不发生导致测量误差的杂散光现象，将上述的放射温度计58的测定波长带域与上述的LED元件74的光的波长(360～520nm)设定为不同的值，例如设定3μm左右的波长，作为测定波长带域。
该热处理装置22整体由通过例如微型计算机等构成的控制单元86控制。同时，该控制单元86包括存储了控制整个装置动作用的程序的存储介质88，比如软盘、闪存、硬盘、DVD以及CD-ROM等等。
接下来，说明通过如上所述形成的热处理装置22对晶片W进行的热处理动作。如上所述，以下所说明的动作都是根据存储在上述存储介质88中的程序而进行的。这里，以对在表面注入有杂质的晶片W进行退火为例进行说明。
首先说明一般的动作，打开设置在处理容器24侧壁的闸阀30，将需要处理的晶片W由开口27运入处理容器24内，并放在载置台38的载置板44上。随后，关闭闸阀30，将处理容器24密闭。接下来由排气单元对处理容器24内进行真空排气，通过气体供给源送入处理气体，置换为例如氩气或氮气，维持在规定的处理压力(例如100～10000Pa)。
接下来，对由珀耳帖元件构成的热电转换元件42通电，对晶片W进行预备加热。预备加热的温度为500～600℃左右。在该预备加热温度中，晶片W中所注入的杂质不会扩散。
由放射温度计58来检测晶片W的温度，当放射温度计58检测到温度达到规定预备加热的温度后，接通加热装置62全部的加热光源68，各LED元件74放射光，这些光照射在晶片W的表面，使其瞬间升温至规定的处理温度(例如1000℃)。这时，为热电转换元件42提供的电力也作为例如满功率(full power)，从上下两面使得晶片W迅速升温。
这种情况下，在不使用热电转换元件42对晶片W进行预备加热的时候，可以在接通加热光源68的同时对热电转换元件42通电。
此外，在晶片W温度的面内均匀性非常重要时，可以通过对各个热电转换元件42的电流方向以及电力进行控制，使热电转换元件42单独加热或冷却，以此来修正加热装置62的加热光源68的热量不均匀。如此一来可以更好的提高晶片温度的面内均匀性。
另外，在载置台38上没有设置热点转换元件42的情况下，通过加热装置62的驱动进行升温至上述预备加热以及处理温度。于是，通过将该高温状态维持规定的时间，进行退火处理。这样，晶片W被加热，提高升温速度直至例如100～1000℃/sec左右，能够实现高速升温。
特别地，集合多个可高输出的LED元件74，将其点光源化而成为加热光源68，配置多个该加热光源，各加热光源68可发射更高输出的加热用光，因此能够使晶片表面上的光的照度非常高，可以实现迅速的升温。此外，在本发明中，设定LED元件74所发出的光的波长在波长带域，也就是360～520nm范围内，该波长带域与膜种对光的反射特性(吸收特性)之间的依存性少，并且向沿晶片深度(厚度)方向的穿透少，从而能够有选择性的只加热晶片表面侧，所以，能够在维持晶片表面温度的面内均匀性的同时仅使晶片表面的浅的部分高速的升温。这种情况下，显而易见，控制加热部位的深度，只要控制光的照射时间就可以了。
在进行退火处理时，由珀耳帖元件构成的热电转换元件42的背面侧会产生冷热，因此为了排出此冷热，在载置台本体40上设置的加热介质流路50中流通入加热介质，可以使热电转换元件42有效地动作。
另外，加热装置62的LED元件74，与伴随着大量的焦耳热产生的电阻加热器，在发光形态上不同，但是也不可避免其自身会有一定程度的发热。但是，因为装有LED元件74的这个元件安装棒72由热管构成，所以可以将上述的LED元件74所产生的热带到元件安装棒72的另一端，同时传导到由铝等制的外壳64侧，进一步的，因为在外壳64上所设置的元件安装棒冷却单元82的制冷剂通路84里通入了冷却用水来排热，所以LED元件74和元件安装棒72能够得到有效的冷却。
另外，因为多数由热管构成的元件安装棒72都被设置在了沿相对晶片W的表面正交的方向或者接近该正交的方向上，所以，可以使主要通过重力动作的热管更有效率地动作，因此LED元件74的冷却效率得到了提高。
而且，通过第一反射器70与第二反射器66来有效地反射发光效率很高的LED元件74发出的光，能够均匀地对晶片表面进行照射，因此能够提高加热的效率，同时，也能够使晶片温度的面内均匀性提高。特别的，因为在上述的反射器66、70的表面上涂有MgF2膜的情况下，能够提高反射率，所以能够进一步有效率地进行加热。
如此一来，如果要在规定的短时间内进行退火处理的话，为了防止晶片W中的杂质过度扩散，需要尽量迅速地冷却晶片W。即、这种情况下，为了能使晶片的温度迅速下降，需要对由珀耳帖元件构成的热电转换元件42通入与加热时相反方向的电流，对其上面进行冷却。由此，载置板44被冷却，可急速地冷却晶片W。这时，因为热电转换元件42的下面会产生热量，被加热，所以，为了将其冷却，与加热晶片时正好相反，要向加热介质流路50里注入制冷剂。由此，能够使热电转换元件42有效地动作。
而且，在进行上述动作的同时，将设置在外壳64上的加热装置62的各个加热光源68关闭，切断电力供给。此时，持续向元件安装棒冷却单元82的制冷剂通路84中流入制冷剂，比如冷水，来对各加热光源68的元件安装棒72以及LED元件74降温。这种情况下，在使用加热灯作为晶片加热源的情况下，因为加热灯本身具有巨大的热容量，即使关灯以后加热灯本身也还是高温状态，加热灯自身发出的辐射热也会加热晶片，即使使用冷却单元加热速度也会有界限，进一步提高降温速度还是很困难的，而在本发明装置中，采用了元件本身发热量非常少的LED元件74，并且还用元件安装棒冷却单元82冷却LED元件74和元件安装棒72，所以不仅能够抑制元件本身的发热量，也能够迅速地对其进行冷却，因此，将大幅度地削减所放出的辐射热，结果，将大幅提高晶片W的降温速度，能够实现高速降温。
这种情况下，与加热晶片时的说明一样，因为使用热管作为元件安装棒72，并且多数的元件安装棒72都被设置在沿着与晶片表面正交的方向(铅直方向)或接近正交的方向上，以使得热管可以有效率地工作，所以能够更加有效果乃至有效率地对LED元件74进行冷却，结果，能够以更大的降温速度进行降温，实现高速降温。根据本发明装置，能够以100～150℃/sec左右的高速的降温速度冷却晶片。并且，与加热灯相比，LED元件74的寿命更长。
在上述的实施方式中，每个加热光源68所设置的第一反射器70的曲面形状为旋转椭圆面，但是并不限定于此，也可以设定为近似旋转椭圆面的曲面，例如旋转抛物面(抛物线状)或者半球面等。
另外，也可以将设置在外壳64上的各加热光源68间隔为例如同心圆状的多个区域，能够对每个区域控制供给电力。
另外，作为气体导入单元32并不一定限定为喷嘴，例如，对于加热用的光，也可采用透明的材料、例如石英制的喷淋头结构。
再者，在上述的实施方式中，虽然以半球曲面形状的外壳64为例进行了说明，但是并不仅限于此，可以是旋转椭圆形状或者与其近似的曲面形状，再者，虽然加热光源68的安装数量变少，平面形状也是可以采用的，不管采用哪一种，都是根据各加热光源68的输出功率或晶片W的加热温度来决定的。
接下来，关于将在本发明中使用的LED元件74所射出的光的波长限定在360～520nm范围内，即限定在紫光(包含一部分紫光)到蓝光的范围内的理由进行说明。
首先，如参照图13所进行的说明，由于对晶体管等器件更高的高速操作化、以及高集成化的要求，在掺杂有杂质的源极或漏极等的扩散区域，杂质的浓度更高，并且该扩散区域有趋于更浅(变薄)的倾向。
因此，在对晶片进行退火处理的时候，为了尽可能地抑制杂质在晶片深度方向(厚度方向)上的扩散，有必要只对晶片的表面部迅速地升温及降温，并且，为了抑制在晶片表面的细微区域上产生横向应力，在对上述晶片升降温时，应该防止晶片表面温度分布的不均一并尽量维持面内温度的均一性。
依据上述观点，对光的各个波长的特性进行评价。
首先，就在作为半导体晶片的硅基板的厚度方向(深度方向)上的光的侵入深度与波长的依存性进行评价。图7是在硅基板的厚度方向(深度方向)上光的侵入深度的波长依存性的示意图。这里，使光的波长在370(包含一部分紫外光)～1000nm范围间变化，测定此时的硅基板厚度方向(深度方向)上光的透过率。在此，透过率在深度方向上急剧减少意味着只对晶片的表面部进行加热，透过率在深度方向上平缓的减少意味着加热至晶片的深部。从该图可以很明显地看出，波长越短深度方向上的透过率减少的越多，因此，可以判断波长越短就越能有选择性的只对晶片的表面部进行加热。换言之，波长越长，越能够加热至晶片的深部。这样的情况下，在最近的设计标准中，杂质的注入深度从晶片表面开始最大为50nm左右，变得非常浅。因此，具有如下判断，光的波长在700nm左右或者以上的，会加热到晶片的深部，所以并不优选，有必要使光的波长比470nm(蓝光)左右小。
这里，对于硅基板的线吸收系数与光的波长依存性一般具有图8所示的特性。图8是相对于硅基板的线吸收系数与光的波长依存性的示意图。这里，光的波长在100～1000nm范围内。依照该图，以波长300nm(紫外光)为峰值(peak)越向其前后方向，线吸收系数逐渐降低。因此，判断出波长300nm附近的光能够最有效地对晶片加热。另外，依照该图，光的波长如果变得比520nm附近更长或者比180nm附近更小，则线吸收系数都变得太小从而对晶片的加热效率大幅度降低。
接着，对晶片表面的各种膜的反射率与光的波长依存性进行评述。图9是晶片表面的各种膜的反射率与光的波长依存性的示意图。这里，反射率相互之间的差别越小，就越能够以相互之间的差更少的升温速度进行加热。这里，在硅氧化膜(SiO2)上，分别形成SiN膜、TEOS构成的Si膜、Poly Si膜并进行测定。并且作为参考也对Bare Si(纯硅)进行测定。正如图13所示的晶体管那样，在晶片表面的细微区域上，各个膜种被显露出来。
如图9所示，包含各Bare Si的各膜种依据光的波长，其反射率在不同的形成图形上有很大的上下变动。但是，如果对于各反射率之间的差非常小的波长区域进行讨论，这样的区域的光的波长是360～520nm的范围，在360～520nm的范围中，各反射率的差大约是0.15以内。这个事实意味着，即使在晶片表面上存在多个膜种不同的微小区域，在这些微小区域之间并不会产生很大的温度差，能够以温度均匀分布的状态升温。
换句话说，如果在膜种不同的微小区域间有较大的温度差，即在产生温度分布差的状态下升温的话，由于热膨胀差的原因在微小区域间就会产生很大的横向应力，最坏的情况是，元件本身有可能会被损坏，如上所述，通过将光的波长设定在360～520nm范围内，就能够防止由上述微小区域之间的温度差引起的元件本身的损害。这样的情况下，如图9，由于能够使得各膜种的反射率的差更小，更优选的波长范围是400～470nm。
另外，光的波长在360～520nm的范围内时也满足前述图7所述的限定条件(比470nm左右小)以及图8所述的限定条件(180～520nm的范围)，其结果是，能够有如下的确认，作为LED元件来说优选使用所发射的光的波长范围在360～520nm的范围内的LED元件。
如前所述，实际上的LED元件中，产生具有相对于中心波长有100nm左右的宽度的宽的(broad)光。然而现在，大量生产能够发出中心波长470nm的蓝色光的蓝色LED元件，所以，如果使用该蓝色光LED元件，则能够以较低的价格提供装置本身。此外，也能够使用发出包含一部分紫外光或不包含紫外光的紫色光的紫色LED元件、或者发出紫外光的紫外光LED元件等。或者也能够将这些元件混合设置。
接着，关于依据上述内容求出的光的波长360～520nm的带域，就Si基板的放射率(吸收)的波长和温度的依存性进行探讨，对其探讨结果进行说明。图10是Si基板的放射率(吸收)的波长和温度的依存性的示意图。该图是在T.Sato.Jpn.J.Appl.Phys.Vol.6(1967)339.中表示的。该图中，表示光的波长范围是从0.4μm(400nm)附近到20μm左右。依据该图10，能够确认，在波长400～520nm(0.4～0.52μm)范围内，晶片温度在543K(270℃)～1073K(800℃)的范围内，放射率(吸收)被维持在0.5～0.6的较高的值上。这意味着，能够以高放射率(吸收)高效地将晶片从低温升温到高温。因此，如上所述，用波长在360～520nm范围内的光对晶片进行加热可以使晶片高效地升温。
接着，关于如上所述求出的光的波长360～520nm的带域，对反射器的材料进行评述，并说明其评述结果。图11是反射器的材料与反射率的光的波长依存性的示意图。
这里，作为反射器的材料，讨论了Au(金)的情况，讨论了只有Al(包含铝合金)的情况，并讨论了在Al(包含铝合金)的表面涂上MgF2(氟化镁)膜的情况。
该图中明显的表示出，光的波长在360～520nm范围内时，Au的情况下，反射率为30～40％左右，并不是优选的。与此相对，在只有Al及在Al的表面覆盖了MgF2膜的情况时，反射率显示在80～90％的范围的高值，因此，能够确认，这些材料作为第一及第二反射器70、66的材料是非常合适的。
接着，关于如上所述求出的光的波长360～520nm的带域，对石英玻璃的透过率进行论述，并说明其结果。图12是石英玻璃的透过率的波长依存性的示意图。
这里，光的波长在150～950nm的范围内变化。该图中明显的表示出，光的波长在360～520nm范围内时，石英玻璃的透过率是90～94％左右的高值。因此，构成处理容器24的顶棚部的光透过窗28如果使用石英玻璃的话，则光的吸收很少而透过率变高，可以确认该石英玻璃是适合的。
并且，在这里，作为热处理以退火处理为例进行说明，但并不仅限于此，本发明对于氧化扩散处理、成膜处理、改性处理、蚀刻处理等其他的热处理也是适用的。
并且，作为被处理体是以半导体晶片为例进行说明的，但并不仅限于此，本发明也能够适用于玻璃基板、LCD基板、陶瓷基板等中。

Claims (21)

1.一种加热装置，用于加热被处理体，其特征在于：
包括多个加热光源，该加热光源具有向所述被处理体射出波长在360～520nm范围内的加热用光的发光二极管元件。
2.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于：
所述发光二极管元件由射出紫外光的紫外光发光二极管元件、射出紫色光的紫色光发光二极管元件、和射出蓝色光的蓝色光发光二极管元件中的至少一种构成。
3.根据权利要求2所述的加热装置，其特征在于：
所述蓝色光发光二极管元件射出中心波长为470nm的加热用光。
4.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于：
还包括与所述各加热光源对应设置、反射从该加热光源射出的光并朝向所述被处理体的第一反射器。
5.根据权利要求4所述的加热装置，其特征在于：
来自所述各第一反射器的反射光被设定为分别朝向所述被处理体的不同区域聚光。
6.根据权利要求4所述的加热装置，其特征在于：
所述第一反射器的反射面形成为曲面状。
7.根据权利要求4所述的加热装置，其特征在于：
所述第一反射器是由铝或在铝的表面覆盖氟化镁膜而形成的。
8.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于：
所述各加热光源包括由热管构成的元件安装棒、和安装在该元件安装棒的前端部上的多个所述发光二极管元件。
9.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于：
所述各加热光源具有基部，该加热光源的基部由外壳进行支承。
10.根据权利要求9所述的加热装置，其特征在于：
所述外壳形成为穹顶半球状，其内侧形成为曲面状，成为作为第二反射器发挥功能的反射面。
11.根据权利要求10所述的加热装置，其特征在于：
所述第二反射器是由铝或在铝的表面覆盖氟化镁膜而形成的。
12.根据权利要求9所述的加热装置，其特征在于：
在所述外壳中设置用于冷却所述元件安装棒的基部的安装棒冷却单元。
13.根据权利要求8所述的加热装置，其特征在于：
所述各加热光源的元件安装棒是沿着与所述被处理体的表面正交的方向设置的。
14.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于：
还包括用于测定所述被处理体的温度的放射温度计，设定该放射温度计的测定波长带域，使之与所述发光二极管元件所发出的光的波长带域不同。
15.一种热处理装置，用于对被处理体实施规定的热处理，其特征在于，包括：
可排气并具有开着口的顶棚部的处理容器；
设置在所述处理容器内的载置台，在该载置台上面侧载置所述被处理体；
气密地覆盖所述处理容器的顶棚部的光透过窗；
向所述处理容器内导入必要气体的气体导入单元；和
设置在所述光透过窗的上方，向所述被处理体照射加热用光的加热装置，其中
所述加热装置包括加热光源，该加热光源具有向所述被处理体射出波长在360～520nm范围内的加热用光的发光二极管元件。
16.根据权利要求15所述的热处理装置，其特征在于：
在所述载置台的上部，设置多个热电转换元件。
17.根据权利要求15所述的热处理装置，其特征在于：
在所述载置台上，设置有流过热介质的热介质通路。
18.根据权利要求16所述的热处理装置，其特征在于：
所述热处理装置还包括用于控制该热处理装置整体动作的控制单元，
该控制单元按照如下方式进行控制，在所述被处理体的加热时，接通所述加热装置，并且在所述热电转换元件中向着加热所述被处理体的方向流过电流，在所述被处理体的冷却时，断开所述加热装置，并且在所述热电转换元件中向着冷却所述被处理体的方向流过电流。
19.根据权利要求16所述的热处理装置，其特征在于：
所述热处理装置还包括用于控制该热处理装置整体动作的控制单元，
该控制单元按照如下方式进行控制，在所述被处理体的加热时，首先接通所述热电转换元件，向着加热所述被处理体的方向流过电流，进行预加热后，接通所述加热装置，在所述被处理体的冷却时，断开所述加热装置，并且在所述热电转换元件中向着冷却所述被处理体的方向流过电流。
20.根据权利要求18或19所述的热处理装置，其特征在于：
所述控制单元能够对各热电转换元件分别控制其电流的方向和电力，在所述被处理体的加热时，为了提高所述被处理体的温度的面内均匀性，对每个所述热电转换元件，控制加热或冷却。
21.根据权利要求15所述的热处理装置，其特征在于：
所述光透过窗由石英玻璃构成。
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