CN110164790B - 热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够加热基板而不会在基板产生翘曲的热处理方法。因来自经加热的半导体晶片(W)的导热及热辐射，石英基座(74)也升温。在处理过的半导体晶片(W)被搬出的时间点，产生与基座(74)的端缘部相比中央部成为高温这样的不均匀的温度分布。于在该基座(74)保持着新的半导体晶片(W)并开始来自卤素灯(HL)的光照射的预加热的初期阶段，将从排列着多个卤素灯(HL)的光照射部(45)的中央部放射的光的强度相对于从端部放射的光的强度的比率也就是强度比设为小于100％。之后，提高从光照射部(45)的中央部放射的光的强度相对于从端部放射的光的强度的比率。

Description

热处理方法
技术领域
本发明涉及一种热处理方法，从多个连续照明灯对保持在石英基座的半导体晶片等薄板状精密电子基板(以下，简称为“基板”)照射光，由此将该基板加热。
背景技术
在半导体器件的制造制程中，在极短时间内将半导体晶片加热的闪光灯退火(FLA)备受关注。闪光灯退火是一种热处理技术，通过使用氙气闪光灯(以下，在简称为“闪光灯”时意味着氙气闪光灯)对半导体晶片的表面照射闪光，仅使半导体晶片的表面在极短时间内(数毫秒以下)升温。
氙气闪光灯的放射分光分布是从紫外线区域到近红外线区域，且波长比以往的卤素灯短，与硅半导体晶片的基础吸收带大致一致。因此，在从氙气闪光灯对半导体晶片照射闪光时，透过光较少，可使半导体晶片急速地升温。另外，也了解到如果是数毫秒以下的极短时间的闪光照射，那么能够选择性地仅使半导体晶片的表面附近升温。
这种闪光灯退火被用于需要极短时间的加热的处理、例如典型为注入到半导体晶片中的杂质的活化。如果从闪光灯对通过离子注入法注入了杂质的半导体晶片的表面照射闪光，那么能够使该半导体晶片的表面以极短时间升温到活化温度，且能够在不使杂质较深地扩散的情况下仅执行杂质活化。
在专利文献1中公开了一种装置：在将半导体晶片保持在石英基座上，从卤素灯对该半导体晶片照射光并进行预加热之后，从闪光灯照射闪光并执行闪光灯退火。在专利文献1中所公开的闪光灯退火装置中，将卤素灯配置在基座的下方，从卤素灯出射的光透过石英基座照射到半导体晶片的下表面。
[背景技术文献]
[专利文献]
[专利文献1]日本专利特开2009-164451号公报
发明内容
[发明所要解决的问题]
像专利文献1中所公开的那样，当对保持在基座上的半导体晶片进行加热处理时，因来自升温的半导体晶片的导热及热辐射，基座也被加热。另外，从卤素灯放射的光的一部分也被石英基座吸收，由此也会将基座加热。结果，基座也会某种程度上升温。
闪光灯退火装置中的一系列处理必定包含在闪光照射后使半导体晶片降温的步骤。在半导体晶片降温时，保持该半导体晶片的基座的温度也降低。此时，半导体晶片及基座的温度均从端缘部开始下降，中央部的温度降低得最晚。因此，在从装置搬出加热处理后的半导体晶片的时间点，基座中产生中央部为高温且端缘部相对成为低温的不均匀的温度分布。尤其是，在为了提高装置的处理量而缩短降温时间的情况下，半导体晶片的搬出时间点的基座会存在较大的温度分布的不均匀性。
当在这种具有不均匀的温度分布的基座保持着新的常温半导体晶片时，会因来自基座的热辐射而将该半导体晶片不均匀地加热。也就是说，与半导体晶片的端缘部相比，中央部被较强地加热，该半导体晶片也产生中央部与端缘部相比成为高温这样的不均匀的温度分布。而且，了解到当在该状态下开始来自卤素灯的光照射而将半导体晶片加热时，半导体晶片产生翘曲。
本发明是鉴于所述问题完成的，目的在于提供一种能够加热基板而不会在基板产生翘曲的热处理方法。
[解决问题的技术手段]
为了解决所述问题，技术方案1的发明的特征在于：其是通过从多个连续照明灯对保持在石英基座的基板照射光来将该基板加热的热处理方法，且包括：第1照射步骤，在来自所述多个连续照明灯的光照射开始时，将从排列着所述多个连续照明灯的光照射部的中央部放射的光的强度相对于从所述光照射部的端部放射的光的强度的比率也就是强度比设为小于100％的第1比率，对所述基板进行光照射；以及第2照射步骤，在所述第1照射步骤之后，将所述强度比设为比所述第1比率高的第2比率来对所述基板进行光照射。
另外，技术方案2的发明是如技术方案1的发明的热处理方法，其特征在于：在所述第2照射步骤中，使所述第2比率高于100％。
另外，技术方案3的发明是如技术方案1的发明的热处理方法，其特征在于：所述第1比率为40％以上70％以下。
另外，技术方案4的发明是如技术方案1的发明的热处理方法，其特征在于：在所述第1照射步骤中，从所述多个连续照明灯进行5秒以上15秒以下的光照射。
另外，技术方案5的发明是如技术方案1至4中任一项发明的热处理方法，其特征在于：还具备第3照射步骤，该第3照射步骤是在所述第2照射步骤之后，将所述强度比设为小于10.0％的第3比率来对所述基板进行光照射。
另外，技术方案6的发明是如技术方案1的发明的热处理方法，其特征在于：在所述基板被保持在所述基座的时间点，所述基座的中央部的温度为250℃以上，且所述基座的中央部与端缘部的温度差为20℃以上。
[发明的效果]
根据技术方案1至技术方案6的发明，在来自多个连续照明灯的光照射开始时，将从排列着多个连续照明灯的光照射部的中央部放射的光的强度相对于从光照射部的端部放射的光的强度的比率也就是强度比设为小于100％的第1比率来对基板进行光照射之后，将该强度比设为比第1比率高的第2比率来对基板进行光照射，所以能够加热基板而不会在基板产生翘曲。
尤其是，根据技术方案5的发明，还具备第3照射步骤，该第3照射步骤是将强度比设为小于100％的第3比率来对基板进行光照射，所以能够将基板均匀地加热。
附图说明
图1是表示本发明的热处理方法中所使用的热处理装置的构成的纵剖视图。
图2是表示保持部的整体外观的立体图。
图3是基座的俯视图。
图4是基座的剖视图。
图5是移载机构的俯视图。
图6是移载机构的侧视图。
图7是表示多个卤素灯的配置的俯视图。
图8是表示预加热时来自卤素灯的光照射的顺序的流程图。
图9是表示半导体晶片的表面温度的变化的图。
图10是示意性地表示执行翘曲抑制照射时的状态的图。
具体实施方式
以下，一边参照附图，一边对本发明的实施方式进行详细说明。
首先，对用来实施本发明的热处理方法的热处理装置进行说明。图1是表示本发明的热处理方法中所使用的热处理装置1的构成的纵剖视图。图1的热处理装置1是闪光灯退火装置，通过对作为基板的圆板形状的半导体晶片W进行闪光照射来将半导体晶片W加热。成为处理对象的半导体晶片W的大小并无特别限定，例如为φ300mm或φ450mm。此外，在图1及之后的各图中，为了易于理解，视需要夸张或简化地描画各部的尺寸或数量。
热处理装置1包括：腔室6，收容半导体晶片W；闪光加热部5，内置多个闪光灯FL；及卤素加热部4，内置多个卤素灯HL。在腔室6的上侧设有闪光加热部5，并且在下侧设有卤素加热部4。另外，热处理装置1包括：保持部7，在腔室6的内部，将半导体晶片W保持为水平姿势；及移载机构10，在保持部7与装置外部之间进行半导体晶片W的交接。进而，热处理装置1包括控制部3，该控制部3控制卤素加热部4、闪光加热部5及腔室6中设置的各动作机构，使这些动作机构执行半导体晶片W的热处理。
腔室6是在筒状的腔室侧部61的上下安装石英制腔室窗而构成。腔室侧部61具有上下形成有开口的大致筒形状，且在上侧开口安装上侧腔室窗63而封闭，在下侧开口安装下侧腔室窗64而封闭。构成腔室6的顶部的上侧腔室窗63是由石英形成的圆板形状部件，作为使从闪光加热部5出射的闪光透过腔室6内的石英窗发挥功能。另外，构成腔室6的底部的下侧腔室窗64也是由石英形成的圆板形状部件，作为使来自卤素加热部4的光透过腔室6内的石英窗发挥功能。
另外，在腔室侧部61的内侧的壁面上部安装着反射环68，在下部安装着反射环69。反射环68、69均形成为圆环状。上侧反射环68是通过从腔室侧部61的上侧嵌入来安装。另一方面，下侧反射环69是通过从腔室侧部61的下侧嵌入并利用图示省略的螺钉固定来安装。也就是说，反射环68、69均装卸自如地安装在腔室侧部61。腔室6的内侧空间、也就是由上侧腔室窗63、下侧腔室窗64、腔室侧部61及反射环68、69包围的空间被规定为热处理空间65。
通过在腔室侧部61安装反射环68、69而在腔室6的内壁面形成凹部62。也就是说，形成由腔室侧部61的内壁面中的未安装反射环68、69的中央部分、反射环68的下端面及反射环69的上端面包围而成的凹部62。凹部62沿着水平方向呈圆环状形成在腔室6的内壁面，围绕保持半导体晶片W的保持部7。腔室侧部61及反射环68、69是由强度与耐热性优异的金属材料(例如不锈钢)形成。
另外，在腔室侧部61形成着用来对腔室6进行半导体晶片W的搬入及搬出的搬送开口部(炉口)66。搬送开口部66能够通过闸阀185来开启及关闭。搬送开口部66与凹部62的外周面连通并连接。因此，在闸阀185将搬送开口部66打开时，能够从搬送开口部66通过凹部62向热处理空间65搬入半导体晶片W及从热处理空间65搬出半导体晶片W。另外，如果闸阀185将搬送开口部66闭合，那么腔室6内的热处理空间65成为密闭空间。
另外，在腔室6的内壁上部形成着对热处理空间65供给处理气体的气体供给孔81。气体供给孔81形成在比凹部62更靠上侧位置，也可设置在反射环68。气体供给孔81经由呈圆环状形成在腔室6的侧壁内部的缓冲空间82连通并连接在气体供给管83。气体供给管83连接在处理气体供给源85。另外，在气体供给管83的路径中途插入着阀门84。当打开阀门84时，从处理气体供给源85对缓冲空间82进给处理气体。流入到缓冲空间82的处理气体以在流体阻力比气体供给孔81小的缓冲空间82内扩散的方式流动，从气体供给孔81向热处理空间65内供给。作为处理气体，例如能够使用氮气(N2)等惰性气体、或氢气(H2)、氨气(NH3)等反应性气体、或者将它们混合而成的混合气体(本实施方式中为氮气)。
另一方面，在腔室6的内壁下部形成着将热处理空间65内的气体排出的气体排气孔86。气体排气孔86形成在比凹部62更靠下侧位置，也可设置在反射环69。气体排气孔86经由呈圆环状形成在腔室6的侧壁内部的缓冲空间87连通并连接在气体排气管88。气体排气管88连接在排气部190。另外，在气体排气管88的路径中途插入着阀门89。当打开阀门89时，热处理空间65的气体从气体排气孔86经过缓冲空间87向气体排气管88排出。此外，气体供给孔81及气体排气孔86可沿着腔室6的周向设置多个，也可为狭缝状。
另外，在搬送开口部66的前端也连接着将热处理空间65内的气体排出的气体排气管191。气体排气管191经由阀门192连接在排气部190。通过将阀门192打开而经由搬送开口部66排出腔室6内的气体。
图2是表示保持部7的整体外观的立体图。保持部7包括基台环71、连结部72及基座74而构成。基台环71、连结部72及基座74均由石英形成。也就是说，保持部7的整体是由石英形成。
基台环71是从圆环形状缺损一部分后的圆弧形状的石英部件。该缺损部分被设置成用于防止下述移载机构10的移载臂11与基台环71的干涉。基台环71载置在凹部62的底面，由此支撑在腔室6的壁面(参照图1)。在基台环71的上表面，沿着其圆环形状的周向竖立设置着多个连结部72(本实施方式中为4个)。连结部72也为石英部件，通过焊接而固接在基台环71。
基座74由设置在基台环71的4个连结部72支撑。图3是基座74的俯视图。另外，图4是基座74的剖视图。基座74具备保持板75、导环76及多个基板支撑销77。保持板75是由石英形成的大致圆形的平板状部件。保持板75的直径比半导体晶片W的直径大。也就是说，保持板75具有比半导体晶片W大的平面尺寸。
在保持板75的上表面周缘部设置着导环76。导环76为具有比半导体晶片W的直径大的内径的圆环形状的部件。例如在半导体晶片W的直径为φ300mm的情况下，导环76的内径为φ320mm。导环76的内周形成为从保持板75朝向上方变宽那样的锥形面。导环76由与保持板75相同的石英形成。导环76可焊接在保持板75的上表面，也可利用另行加工的销等固定在保持板75。或者，也可将保持板75与导环76设为一体部件进行加工。
保持板75的上表面中的比导环76更靠内侧的区域被设为保持半导体晶片W的平面状的保持面75a。在保持板75的保持面75a，竖立设置着多个基板支撑销77。在本实施方式中，沿着与保持面75a的外周圆(导环76的内周圆)为同心圆的圆周上每隔30°竖立设置着共计12个基板支撑销77。配置了12个基板支撑销77的圆的直径(对向的基板支撑销77间的距离)比半导体晶片W的直径小，如果半导体晶片W的直径为φ300mm，那么所述圆的直径为φ270mm～φ280mm(本实施方式中为φ270mm)。各基板支撑销77是由石英形成。多个基板支撑销77可通过焊接而设置在保持板75的上表面，也可与保持板75一体地加工。
返回到图2中，竖立设置在基台环71的4个连结部72与基座74的保持板75的周缘部通过焊接而固接。也就是说，基座74与基台环71由连结部72固定地连结。这种保持部7的基台环71支撑在腔室6的壁面，由此将保持部7安装在腔室6。在保持部7安装在腔室6的状态下，基座74的保持板75成为水平姿势(法线与铅垂方向一致的姿势)。也就是说，保持板75的保持面75a成为水平面。
搬入到腔室6的半导体晶片W以水平姿势载置并保持在安装于腔室6的保持部7的基座74之上。此时，半导体晶片W由竖立设置在保持板75上的12个基板支撑销77支撑并保持在基座74。更严格来说，12个基板支撑销77的上端部与半导体晶片W的下表面接触并支撑该半导体晶片W。12个基板支撑销77的高度(从基板支撑销77的上端到保持板75的保持面75a为止的距离)均匀，所以能够利用12个基板支撑销77将半导体晶片W呈水平姿势支撑。
另外，半导体晶片W由多个基板支撑销77以从保持板75的保持面75a隔开特定间隔的方式支撑。导环76的厚度大于基板支撑销77的高度。因此，利用导环76来防止由多个基板支撑销77支撑的半导体晶片W的水平方向的位置偏移。
另外，如图2及图3所示，在基座74的保持板75，以上下贯通的方式形成着开口部78。开口部78被设置成用于供放射温度计120(参照图1)接收从半导体晶片W的下表面放射的放射光(红外光)。也就是说，放射温度计120经由开口部78接收从半导体晶片W的下表面放射的光并测定半导体晶片W的温度。进而，在基座74的保持板75贯穿设置着4个贯通孔79，这些贯通孔79供下述移载机构10的顶起销12贯通，以进行半导体晶片W的交接。
图5是移载机构10的俯视图。另外，图6是移载机构10的侧视图。移载机构10包括2根移载臂11。移载臂11形成为沿着大致圆环状的凹部62那样的圆弧形状。在各移载臂11竖立设置着2根顶起销12。移载臂11及顶起销12是由石英形成。各移载臂11形成为能够利用水平移动机构13来旋动。水平移动机构13使一对移载臂11在对保持部7进行半导体晶片W的移载的移载动作位置(图5的实线位置)与和保持在保持部7的半导体晶片W俯视下不重叠的退避位置(图5的双点划线位置)之间水平移动。作为水平移动机构13，既可为利用个别马达使各移载臂11分别旋动的机构，也可为使用连杆机构并利用1个马达使一对移载臂11连动地旋动的机构。
另外，一对移载臂11利用升降机构14与水平移动机构13一起升降并移动。当升降机构14使一对移载臂11在移载动作位置上升时，共计4根顶起销12通过贯穿设置在基座74的贯通孔79(参照图2、3)，顶起销12的上端从基座74的上表面突出。另一方面，当升降机构14使一对移载臂11在移载动作位置下降并将顶起销12从贯通孔79拔出，且水平移动机构13使一对移载臂11以打开的方式移动时，各移载臂11移动到退避位置。一对移载臂11的退避位置为保持部7的基台环71的正上方。因基台环71载置在凹部62的底面，所以移载臂11的退避位置成为凹部62的内侧。此外，构成为在移载机构10的设置着驱动部(水平移动机构13及升降机构14)的部位附近也设置着图示省略的排气机构，移载机构10的驱动部周边的气体被排出到腔室6的外部。
如图1所示，在热处理装置1设置着3个放射温度计120、130、140。如上所述，放射温度计120经由设置在基座74的开口部78测定半导体晶片W的温度。放射温度计130侦测从基座74的中央部放射的红外光并测定该中央部的温度。另一方面，放射温度计140侦测从基座74的端缘部放射的红外光并测定该端缘部的温度。
设置在腔室6的上方的闪光加热部5构成为在壳体51的内侧具备：包含多根(本实施方式中为30根)氙气闪光灯FL的光源，及以覆盖该光源的上方的方式设置的反射罩52。另外，在闪光加热部5的壳体51的底部安装着灯光放射窗53。构成闪光加热部5的底部的灯光放射窗53是由石英形成的板状的石英窗。闪光加热部5设置在腔室6的上方，由此，灯光放射窗53与上侧腔室窗63相对向。闪光灯FL从腔室6的上方经由灯光放射窗53及上侧腔室窗63对热处理空间65照射闪光。
多个闪光灯FL分别为具有长条圆筒形状的棒状灯，且以各自的长度方向沿着保持在保持部7的半导体晶片W的主面(也就是沿着水平方向)相互平行的方式呈平面状排列。由此，由闪光灯FL的排列形成的平面也为水平面。
氙气闪光灯FL包括：棒状的玻璃管(放电管)，在其内部封入着氙气且在其两端部配设着与电容器连接的阳极及阴极；及触发电极，附设在该玻璃管的外周面上。因为氙气是电绝缘体，所以即使在电容器中蓄积了电荷，通常状态下玻璃管内也不会通电。然而，在对触发电极施加高电压而破坏绝缘的情况下，电容器中蓄积的电力瞬间流入到玻璃管内，通过此时的氙原子或者分子的激发而发出光。这种氙气闪光灯FL具有如下特征：预先蓄积在电容器中的静电能量被转换为0.1毫秒至100毫秒这种极短的光脉冲，所以与卤素灯HL之类的连续点亮的光源相比能够照射极强的光。也就是说，闪光灯FL是在小于1秒的极短时间内瞬间发光的脉冲发光灯。此外，闪光灯FL的发光时间能够根据对闪光灯FL进行电力供给的灯电源的线圈常数进行调整。
另外，反射器52以覆盖所有闪光灯FL的方式设置在多个闪光灯FL的上方。反射罩52的基本功能是将从多个闪光灯FL出射的闪光朝热处理空间65侧反射。反射器52由铝合金板形成，其表面(面向闪光灯FL一侧的面)通过喷砂处理被实施表面粗化加工。
设置在腔室6的下方的卤素加热部4包括在壳体41的内侧排列着多根(本实施方式中为40根)卤素灯HL的光照射部45。卤素加热部4利用多个卤素灯HL从腔室6的下方经由下侧腔室窗64进行对热处理空间65的光照射来将半导体晶片W加热。
图7是表示多个卤素灯HL的配置的俯视图。40根卤素灯HL分为上下两段配置。在靠近保持部7的上段配设着20根卤素灯HL，并且在比上段距离保持部7远的下段也配设着20根卤素灯HL。各卤素灯HL是具有长条圆筒形状的棒状灯。上段、下段均为20根卤素灯HL以各自的长度方向沿着保持在保持部7的半导体晶片W的主面(也就是说，沿着水平方向)相互平行的方式排列。因此，上段、下段均为由卤素灯HL的排列形成的平面是水平面。
另外，如图7所示，上段、下段均为相比与保持在保持部7的半导体晶片W的中央部对向的区域，与周缘部对向的区域中的卤素灯HL的配设密度高。也就是说，上下段均为相比灯排列的中央部，周缘部的卤素灯HL的配设间距短。因此，能够对在通过来自卤素加热部4的光照射进行加热时易发生温度降低的半导体晶片W的周缘部照射更多光量。
另外，由上段的卤素灯HL构成的灯群与由下段的卤素灯HL构成的灯群以呈格子状交叉的方式排列。也就是说，以配置在上段的20根卤素灯HL的长度方向与配置在下段的20根卤素灯HL的长度方向相互正交的方式配设共计40根卤素灯HL。
卤素灯HL是通过对配设在玻璃管内部的灯丝通电来使灯丝白炽化并发光的灯丝方式的光源。在玻璃管的内部封入了对氮气或氩气等惰性气体导入微量卤素元素(碘、溴等)所得的气体。通过导入卤素元素，能够抑制灯丝折损且将灯丝温度设定为高温。因此，卤素灯HL具有以下特性：与普通白炽灯泡相比寿命长且能够连续地照射强光。也就是说，卤素灯HL是至少1秒以上连续地发光的连续照明灯。另外，卤素灯HL因为是棒状灯，所以寿命长，通过将卤素灯HL沿着水平方向配置，对上方的半导体晶片W的放射效率变得优异。
另外，能够个别地控制卤素加热部4的40根卤素灯HL的输出并个别地调整从各个卤素灯HL放射的光的强度。在本实施方式中，将40根卤素灯HL区分为若干个灯群，针对每个灯群调整所放射的光的强度。具体来说，如图7所示，从上段的20根卤素灯HL中的两端将7根卤素灯HL设为端部灯群45E，将中央的6根卤素灯HL设为中央部灯群45C。同样地，关于下段的20根卤素灯HL，也从两端将7根卤素灯HL设为端部灯群45E，将中央的6根卤素灯HL设为中央部灯群45C。而且，将从端部灯群45E及中央部灯群45C放射的光的强度分别个别地进行调整。也就是说，将从排列着40根卤素灯HL的光照射部45的端部放射的光的强度与从中央部放射的光的强度个别地进行调整。
另外，在卤素加热部4的壳体41内，也在2段卤素灯HL的下侧设置着反射器43(图1)。反射器43将从多个卤素灯HL出射的光朝热处理空间65侧反射。
控制部3控制设置在热处理装置1的所述各种动作机构。控制部3的作为硬件的构成与普通电脑相同。也就是说，控制部3包括：CPU(Central Processing Unit，中央处理器)，为进行各种运算处理的电路；ROM(Read Only Memory，只读存储器)，为存储基本程序的只读存储器；RAM(Random Access Memory，随机访问存储器)，为存储各种信息的读写自如的存储器；及磁碟，预先存储着控制用软件或数据等。通过控制部3的CPU执行特定的处理程式来进行热处理装置1中的处理。另外，控制部3将从端部灯群45E及中央部灯群45C放射的光的强度分别个别地进行控制。
除所述构成以外，热处理装置1还包括各种冷却用结构，以防止在半导体晶片W的热处理时由卤素灯HL及闪光灯FL产生的热能引起的卤素加热部4、闪光加热部5及腔室6的温度过度上升。例如，在腔室6的壁体设置着水冷管(图示省略)。另外，卤素加热部4及闪光加热部5被制成为在内部形成气流而进行排热的空气冷却结构。另外，对上侧腔室窗63与灯光放射窗53的间隙也供给空气，将闪光加热部5及上侧腔室窗63冷却。
接着，对热处理装置1中的处理动作进行说明。首先，说明针对成为处理对象的半导体晶片W的典型的热处理顺序。此处成为处理对象的半导体晶片W是通过离子注入法添加了杂质(离子)的半导体基板。该杂质的活化是通过利用热处理装置1的闪光照射加热处理(退火)来执行。以下所说明的半导体晶片W的处理顺序是通过控制部3控制热处理装置1的各动作机构来进行。
首先，将用于供气的阀门84打开，并且将排气用阀门89、192打开而开始对腔室6内进行供气排气。当阀门84打开时，从气体供给孔81对热处理空间65供给氮气。另外，当阀门89打开时，从气体排气孔86排出腔室6内的气体。由此，从腔室6内的热处理空间65的上部供给的氮气朝下方流动，且从热处理空间65的下部排出。
另外，通过将阀门192打开，也从搬送开口部66排出腔室6内的气体。进而，利用图示省略的排气机构，移载机构10的驱动部周边的气体也被排出。此外，在热处理装置1中的半导体晶片W的热处理时，持续地对热处理空间65供给氮气，其供给量根据处理步骤来适当变更。
接下来，闸阀185打开后搬送开口部66被打开，利用装置外部的搬送机械手经由搬送开口部66将成为处理对象的半导体晶片W搬入到腔室6内的热处理空间65。此时，有伴随半导体晶片W的搬入而夹带装置外部的气体的顾虑，但因为对腔室6持续供给氮气，所以氮气从搬送开口部66流出，能够将这种外部气体的夹带限制为最小限度。
由搬送机械手搬入的半导体晶片W进入到保持部7的正上方位置并停止。然后，移载机构10的一对移载臂11从退避位置水平移动到移载动作位置并上升，由此，顶起销12通过贯通孔79并从基座74的保持板75的上表面突出来接收半导体晶片W。此时，顶起销12也上升到比基板支撑销77的上端更靠上方为止。
半导体晶片W被载置到顶起销12之后，搬送机械手从热处理空间65退出，利用闸阀185将搬送开口部66闭合。然后，一对移载臂11下降，由此，半导体晶片W被从移载机构10交接到保持部7的基座74并以水平姿势从下方得以保持。半导体晶片W由竖立设置在保持板75上的多个基板支撑销77支撑而保持在基座74。另外，半导体晶片W以实施了图案形成并注入了杂质的表面为上表面被保持在保持部7。在由多个基板支撑销77支撑的半导体晶片W的背面(与正面为相反侧的主面)与保持板75的保持面75a之间形成着特定间隔。下降到基座74的下方为止的一对移载臂11利用水平移动机构13退避到退避位置、也就是凹部62的内侧。
半导体晶片W被由石英形成的保持部7的基座74以水平姿势从下方保持之后，卤素加热部4的40根卤素灯HL一齐点灯并开始预加热(辅助加热)。从卤素灯HL出射的卤素光透过由石英形成的下侧腔室窗64及基座74，照射到半导体晶片W的下表面。通过接收来自卤素灯HL的光照射，半导体晶片W被预加热而温度上升。此外，移载机构10的移载臂11退避到凹部62的内侧，所以不会妨碍利用卤素灯HL进行的加热。
在进行利用卤素灯HL的预加热时，半导体晶片W的温度是利用放射温度计120进行测定。也就是说，放射温度计120接收从保持在基座74的半导体晶片W的下表面经由开口部78放射的红外光并测定升温中的晶片温度。所测定出的半导体晶片W的温度被传达给控制部3。控制部3一边监视通过来自卤素灯HL的光照射而升温的半导体晶片W的温度是否达到特定的预加热温度T1，一边控制卤素灯HL的输出。也就是说，控制部3基于放射温度计120的测定值，以半导体晶片W的温度成为预加热温度T1的方式反馈控制卤素灯HL的输出。预加热温度T1为不存在添加到半导体晶片W中的杂质因热而扩散的顾虑的200℃至800℃左右、优选350℃至600℃左右(本实施方式中为600℃)。此外，关于预加热时的卤素灯HL的输出控制的详情将在下文进一步详细叙述。
在半导体晶片W的温度达到预加热温度T1之后，控制部3将半导体晶片W暂时维持在该预加热温度T1。具体来说，在由放射温度计120测定的半导体晶片W的温度达到预加热温度T1的时间点，控制部3调整卤素灯HL的输出，将半导体晶片W的温度维持在大致预加热温度T1。
在半导体晶片W的温度达到预加热温度T1并经过特定时间的时间点，闪光加热部5的闪光灯FL对保持在基座74的半导体晶片W的表面进行闪光照射。此时，从闪光灯FL放射的闪光的一部分直接照向腔室6内，另一部分暂时被反射器52反射后照向腔室6内，通过这些闪光的照射来进行半导体晶片W的闪光加热。
闪光加热是通过来自闪光灯FL的闪光(flashing light)照射进行，所以能够使半导体晶片W的表面温度在短时间内上升。也就是说，从闪光灯FL照射的闪光是预先蓄积在电容器中的静电能量被转换为极短的光脉冲的照射时间为0.1毫秒以上100毫秒以下左右的极短的强闪光。而且，通过来自闪光灯FL的闪光照射而闪光加热的半导体晶片W的表面温度瞬间上升到1000℃以上的处理温度T2为止，在注入到半导体晶片W中的杂质活化之后，表面温度急速下降。这样，就热处理装置1来说，能够使半导体晶片W的表面温度在极短时间内升降，因此能够一边抑制注入到半导体晶片W中的杂质的由热所引起的扩散，一边进行杂质的活化。此外，杂质活化所需的时间与其热扩散所需的时间相比极短，所以即使是0.1毫秒至100毫秒左右的未产生扩散的短时间，活化也会完成。
闪光加热处理结束之后，经过特定时间后，卤素灯HL熄灭。由此，半导体晶片W从预加热温度T1急速地降温。降温中的半导体晶片W的温度是利用放射温度计120进行测定，其测定结果被传达给控制部3。控制部3监视半导体晶片W的温度是否从放射温度计120的测定结果降温到特定温度为止。而且，在半导体晶片W的温度降温到特定以下为止之后，移载机构10的一对移载臂11再次从退避位置水平移动到移载动作位置并上升，由此，顶起销12从基座74的上表面突出并从基座74接收热处理后的半导体晶片W。接下来，将利用闸阀185闭合的搬送开口部66打开，利用装置外部的搬送机械手将顶起销12上所载置的半导体晶片W搬出，热处理装置1中的半导体晶片W的加热处理完成。
如上所述，成为处理对象的半导体晶片W在通过来自卤素灯HL的光照射预加热到预加热温度T1为止之后，被闪光加热到处理温度T2。然后，因来自升温的半导体晶片W的导热及热辐射，保持半导体晶片W的基座74也被加热并升温。
在卤素灯HL熄灭后半导体晶片W降温时，基座74也降温。此时，半导体晶片W及基座74的温度均从散热程度大的端缘部开始下降，中央部的温度降低得最晚。也就是说，半导体晶片W及基座74产生如下温度梯度：从中央部朝向端缘部，温度下降。此外，所谓基座74的端缘部意味着在基座74保持着半导体晶片W时与该半导体晶片W对向的区域的端缘部。
另一方面，从缩短处理时间并提高处理量的观点来看，考虑缩短在卤素灯HL熄灭后半导体晶片W在腔室6内降温所需的待机时间。在该情况下，半导体晶片W未充分地降温而是以某种程度上温度较高的状态从腔室6搬出，基座74也未充分地降温。而且，在将半导体晶片W从腔室6搬出的时间点，产生如下不均匀的温度分布：基座74的中央部温度比较高且端缘部相对成为低温。
当在产生这种不均匀的温度分布的基座74保持着新的常温半导体晶片W时，因来自温度比较高的基座74的中央部的热辐射，半导体晶片W的中央部被较强地加热，另一方面，半导体晶片W的端缘部未被较强地加热。在该状态下，当从卤素加热部4的40根卤素灯HL以均匀的强度进行光照射时，半导体晶片W的中央部被过强地加热，在预加热阶段半导体晶片W产生翘曲。
因此，在本实施方式中，以如下方式控制预加热阶段的卤素灯HL的输出。图8是表示预加热时来自卤素灯HL的光照射的顺序的流程图。图9是表示半导体晶片W的表面温度的变化的图。
当将搬入到腔室6内的半导体晶片W保持在基座74之后，在时刻t1，40根卤素灯HL点亮并开始预加热。在从时刻t1到时刻t2为止的预加热的初期阶段，由卤素灯HL执行“翘曲抑制照射(第1照射步骤)”(步骤S1)。在翘曲抑制照射中，将从排列着40根卤素灯HL的光照射部45的中央部放射的光的强度相对于从端部放射的光的强度的比率也就是强度比设为小于100％。也就是说，使从光照射部45的中央部放射的光的强度比从端部放射的光的强度弱。具体来说，将从中央部灯群45C放射的光的强度相对于从端部灯群45E放射的光的强度的比率设为40％以上70％以下。另外，从由多个卤素灯HL执行翘曲抑制照射的时刻t1到时刻t2为止的时间为5秒以上15秒以下。
图10是示意性地表示执行翘曲抑制照射时的状态的图。对保持在中央部与端缘部相比成为高温的不均匀温度分布的基座74的半导体晶片W，从排列着多个卤素灯HL的光照射部45进行翘曲抑制照射。从具有不均匀的温度分布的基座74，半导体晶片W的中央部比端缘部更强地被加热，但在预加热的初期阶段，使从光照射部45的中央部放射的光的强度比从端部放射的光的强度弱，所以半导体晶片W的整个面大体上均匀地被加热。结果，能够预加热半导体晶片W而不会在半导体晶片W产生翘曲。
为了消除来自基座74的不均匀的加热并将半导体晶片W的整个面大体上均匀地加热，优选将从光照射部45的中央部放射的光的强度相对于从端部放射的光的强度的比率设为70％以下。另一方面，当使从光照射部45的中央部放射的光的强度与从端部放射的光的强度相比极端弱时，反而会导致半导体晶片W的端缘部被过强地加热而在半导体晶片W产生翘曲。因此，必须将从光照射部45的中央部放射的光的强度相对于从端部放射的光的强度的比率设为40％以上。
另外，优选在半导体晶片W被保持在基座74的时间点的基座74的中央部的温度为250℃以上，且基座74的中央部与端缘部的温度差为20℃以上的情况下执行翘曲抑制照射。也就是说，在产生基座74的中央部温度比较高且与中央部相比端缘部成为低温的不均匀的温度分布的情况下，优选执行所述翘曲抑制照射。这是因为，在基座74的中央部并不那么高温且中央部与端缘部未产生不均匀的温度分布的情况下，也不会有从基座74将半导体晶片W的中央部较强地加热的情况，所以无需翘曲抑制照射，通过执行翘曲抑制照射反而会有半导体晶片W的端缘部被过强地加热而产生翘曲的担忧。此外，当卤素灯HL熄灭且加热处理后的半导体晶片W被从腔室6搬出之后，基座74的中央部的温度为250℃以上时，多数情况下，与基座74的中央部相比，端缘部为20℃以上的低温。
接着，在时刻t2从“翘曲抑制照射”切换为“升温用照射”。从时刻t2到时刻t3为止，由卤素灯HL执行“升温用照射(第2照射步骤)”(步骤S2)。升温用照射是使半导体晶片W升温到预加热温度T1附近为止的预加热中心阶段的照射。在升温用照射中，使从光照射部45的中央部放射的光的强度相对于从端部放射的光的强度的比率高于翘曲抑制照射中的强度比。也就是说，使从光照射部45的中央部放射的光的强度相对于从端部放射的光的强度的比率高于至少70％。升温用照射中从光照射部45的中央部放射的光的强度相对于从端部放射的光的强度的比率如果高于翘曲抑制照射时，那么可为100％以下，也可高于100％。在本实施方式中，使升温用照射中从光照射部45的中央部放射的光的强度相对于从端部放射的光的强度的比率高于100％。具体来说，使从中央部灯群45C放射的光的强度相对于从端部灯群45E放射的光的强度的比率高于100％，使两者的强度比与翘曲抑制照射时相反。
通过使从光照射部45的中央部放射的光的强度相对于从端部放射的光的强度的比率高于100％，与翘曲抑制照射时相比，半导体晶片W的中央部被较强地加热。如果在预加热的初期阶段预先通过翘曲抑制照射来防止半导体晶片W的翘曲，那么即使之后以使从光照射部45的中央部放射的光的强度比从端部放射的光的强度强的方式将半导体晶片W的中央部较强地加热，也不会在半导体晶片W产生翘曲。而且，将半导体晶片W的中央部较强地加热的升温用照射优选将半导体晶片W急速地升温到预加热温度T1附近为止。
接着，在时刻t3从“升温用照射”切换为“均匀化照射”。从时刻t3到卤素灯HL熄灭为止，由卤素灯HL执行“均匀化照射(第3照射步骤)”(步骤S3)。均匀化照射是用于将半导体晶片W的整体均匀地加热到预加热温度T1的预加热的最终照射。在均匀化照射中，将从光照射部45的中央部放射的光的强度相对于从端部放射的光的强度的比率再次设为小于100％。也就是说，将从中央部灯群45C放射的光的强度相对于从端部灯群45E放射的光的强度的比率设为小于100％。
典型来说，虽然相比半导体晶片W的中央部，来自端缘部的散热较多，但因为在所述升温用照射中将半导体晶片W的中央部较强地加热，所以有半导体晶片W的面内温度分布变得不均匀的顾虑。因此，在预加热的最终阶段进行将从光照射部45的中央部放射的光的强度相对于从端部放射的光的强度的比率设为小于100％的均匀化照射。在均匀化照射中，使从光照射部45的端部放射的光的强度比从中央部放射的光的强度强，将容易产生散热的半导体晶片W的端缘部较强地加热，所以能够使半导体晶片W的面内温度分布均匀。而且，在半导体晶片W均匀地升温到预加热温度T1的状态下，在时刻t4从闪光灯FL对半导体晶片W的表面照射闪光，由此能够将该表面均匀地加热到处理温度T2为止。
在本实施方式中，在开始来自多个卤素灯HL的光照射的预加热的初期阶段，将从光照射部45的中央部放射的光的强度相对于从端部放射的光的强度的比率也就是强度比设为小于100％。然后，之后提高从光照射部45的中央部放射的光的强度相对于从端部放射的光的强度的比率。通过这样做，能够迅速地预加热半导体晶片W而不会产生因基座74出现的不均匀温度分布引起的半导体晶片W的翘曲。
之后，也能够通过进而将从光照射部45的中央部放射的光的强度相对于从端部放射的光的强度的比率再次设为小于100％，来使半导体晶片W的面内温度分布均匀。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明能够在不脱离其主旨的范围内，进行除所述内容以外的各种变更。例如，在半导体晶片W被保持在基座74的时间点的基座74的中央部的温度小于250℃的情况下，也可在图9的时刻t1到时刻t2为止的期间，交替地反复进行所述实施方式的翘曲抑制照射与升温用照射。在基座74的中央部的温度小于250℃的情况下，也无半导体晶片W的中央部由基座74较强地加热的情况，所以通过在预加热的初期阶段交替地进行翘曲抑制照射与升温用照射，能够高效率地使半导体晶片W升温而不会使半导体晶片W产生翘曲。
另外，也可为利用放射温度计130测定基座74的中央部的温度，并且利用放射温度计140测定基座74的端缘部的温度，基于它们的测定结果，控制部3自动地切换预加热的模式。具体来说，当半导体晶片W被保持在基座74的时间点的基座74的中央部的温度为250℃以上，且基座74的中央部与端缘部的温度差为20℃以上时，控制部3选择所述实施方式的预加热模式。另一方面，当半导体晶片W被保持在基座74的时间点的基座74的中央部的温度小于250℃或基座74的中央部与端缘部的温度差小于20℃时，控制部3选择在预加热的初期阶段反复交替地进行翘曲抑制照射与升温用照射的预加热模式。
另外，在产生基座74的端缘部温度比较高且中央部成为低温的与所述实施方式相反的温度分布的情况下，也可利用翘曲抑制照射使从光照射部45的端部放射的光的强度比从中央部放射的光的强度弱。也就是说，只要以与基座74出现的温度分布相反的强度分布从光照射部45照射光即可。
另外，在所述实施方式中，使闪光加热部5具备30根闪光灯FL，但并不限定于此，闪光灯FL的根数能够设为任意数量。另外，闪光灯FL并不限定于氙气闪光灯，也可为氪气闪光灯。另外，卤素加热部4所具备的卤素灯HL的根数也不限定于40根，能够设为任意数量。
另外，在所述实施方式中，使用灯丝方式的卤素灯HL作为连续发光1秒以上的连续照明灯来进行半导体晶片W的预加热，但并不限定于此，也可使用连续照明灯代替卤素灯HL作为放电型电弧灯(例如氙气电弧灯)来进行预加热。在该情况下，与所述实施方式同样地调整从多个电弧灯放射的光的强度。
另外，成为热处理装置1的处理对象的基板并不限定于半导体晶片，也可为液晶显示装置等平板显示器中所使用的玻璃基板或太阳电池用基板。
另外，本发明的热处理技术并不限定于闪光灯退火装置，也可应用于使用卤素灯的单片式灯退火装置或CVD(Chemical Vapor Deposition，化学气相沉积)装置等除闪光灯以外的热源装置。尤其是，本发明的技术能够优选地应用于背面退火装置，该背面退火装置是在腔室的下方配置卤素灯，从半导体晶片的背面进行光照射来进行热处理的装置。
[符号的说明]
1 热处理装置
3 控制部
4 卤素加热部
5 闪光加热部
6 腔室
7 保持部
10 移载机构
45 光照射部
45C 中央部灯群
45E 端部灯群
65 热处理空间
74 基座
75 保持板
77 基板支撑销
120、130、140 放射温度计
FL 闪光灯
HL 卤素灯
W 半导体晶片

Claims (3)

1.一种热处理方法，其特征在于：通过从多个连续照明灯对保持在石英基座的基板照射光来将该基板加热，且包括：
第1照射步骤，在来自所述多个连续照明灯的光照射开始时，将从排列着所述多个连续照明灯的光照射部的中央部放射的光的强度相对于从所述光照射部的端部放射的光的强度的比率也就是强度比设为小于100％的第1比率，对所述基板进行光照射；
第2照射步骤，在所述第1照射步骤之后，将所述强度比设为比100％高的第2比率来对所述基板进行光照射；以及
第3照射步骤，在所述第2照射步骤之后，将所述强度比设为小于100％的第3比率来对所述基板进行光照射；
在所述基板被保持在所述基座的时间点，所述基座的中央部的温度为250℃以上，且所述基座的中央部与端缘部的温度差为20℃以上。
2.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于：
所述第1比率为40％以上70％以下。
3.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于：
在所述第1照射步骤中，从所述多个连续照明灯进行5秒以上15秒以下的光照射。
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