CN111656489A - 热处理方法及热处理装置 - Google Patents

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Abstract

在开始进行成为批次的最初的处理对象的半导体晶片的处理前，将虚设晶片搬入至腔室(6)内，形成包含具有较高热传导率的氦气的环境。通过来自卤素灯的光照射而加热虚设晶片，由此自升温的虚设晶片以氦气为热介质向上侧腔室窗及下侧腔室窗产生热传导。在将成为最初的处理对象的半导体晶片搬入至腔室内时，上侧腔室窗及下侧腔室窗被加热，故可使构成批次的所有半导体晶片的温度历程均一，可省略虚设运转。

Description

热处理方法及热处理装置
技术领域
本发明涉及一种通过对半导体晶片等薄板状精密电子基板(以下，简你为“基板”)照射光而加热该基板的热处理方法及热处理装置。
背景技术
在半导体组件的制造制程中，杂质导入是用以在半导体晶片内形成pn结的必需的步骤。当前，通常杂质导入是通过离子注入法与其后的退火法完成。离子注入法是使硼(B)、砷(As)、磷(P)等杂质元素离子化并以高加速电压与半导体晶片碰撞而物理性地进行杂质注入的技术。所注入的杂质通过退火处理而活化。此时，如果退火时间为数秒程度以上，则所注入的杂质通过热而较深地扩散，其结果有结深度相较要求过深而妨碍形成良好的组件的担忧。
因此，作为在极短时间内加热半导体晶片的退火技术，近年来闪光灯退火(FLA，Flash Lamp Anneal)受到关注。闪光灯退火是一种通过使用氙闪光灯(以下，在仅设为“闪光灯”时指氙闪光灯)对半导体晶片的表面照射闪光而仅使注入有杂质的半导体晶片的表面在极短时间(数毫秒以下)升温的热处理技术。
氙闪光灯的辐射分光分布是自紫外区至近红外区，波长相较先前的卤素灯短，且与硅半导体晶片的基础吸收带大致一致。由此，在自氙闪光灯对半导体晶片照射闪光时，透过光较少，能够使半导体晶片急速升温。此外，也判明如果为数毫秒以下的极短时间的闪光照射，则可选择性地仅使半导体晶片的表面附近升温。因此，如果为利用氙闪光灯的极短时间的升温，则不会使杂质较深地扩散，可仅执行杂质活化。
作为使用有此种氙闪光灯的热处理装置，例如在日本专利文献1中，揭示有在半导体晶片的表面侧配置闪光灯，在背面侧配置卤素灯，且通过其等的组合而进行所需的热处理者。在日本专利文献1所揭示的热处理装置中，通过卤素灯将半导体晶片预加热至某程度的温度为止，其后通过来自闪光灯的闪光照射使半导体晶片的表面升温至所需的处理温度。
[先前技术文献]
[专利文献]
[专利文献1]日本专利特开2010-225645号公报
发明内容
[发明所要解决的问题]
一般而言，并不限于热处理，半导体晶片的处理是以批次(成为在相同条件下进行相同内容的处理的对象的1组半导体晶片)为单位进行。在单片式的基板处理装置中，对构成批次的多片半导体晶片连续地依序进行处理。在闪光灯退火装置中，也将构成批次的多个半导体晶片逐片搬入至腔室而依序进行热处理。
在运转停止状态的闪光灯退火装置开始批处理的情况下，将批次的最初的半导体晶片搬入至大致室温的腔室而进行加热处理。在加热处理时，将腔室内支撑在晶座的半导体晶片预加热至特定温度为止，进而通过闪光加热使晶片表面升温至处理温度。其结果，通过升温的半导体晶片将晶座、腔室窗等腔室内构造物加热，该腔室内构造物的温度也上升。此种腔室内构造物的伴随半导体晶片的加热处理的温度上升是自批次的最初持续数片左右，不久在约进行了10片半导体晶片的加热处理时腔室内构造物的温度达到固定的稳定温度。即，相对于批次的最初的半导体晶片在室温的腔室中进行处理，第10片以后的半导体晶片在升温至稳定温度的腔室中进行处理。
因此，产生构成批次的多个半导体晶片的温度历程变得不均一的问题。尤其自批次的最初起数片程度的半导体晶片是在相对较低温度的腔室内进行处理，故也有闪光照射时的表面到达温度无法达到处理温度的担忧。
因此，自先前以来，在开始批处理之前，将并非处理对象的虚设晶片搬入至腔室内且保持在晶座，在与处理对象的批次相同条件下进行预加热及闪光加热处理，由此事先使腔室内构造物升温(虚设运转)。通过对约10片左右的虚设晶片进行预加热及闪光加热处理，而腔室内构造物达到稳定温度，故其后开始进行成为处理对象的批次的最初的半导体晶片的处理。由此，可使构成批次的多个半导体晶片的温度历程均一。
然而，此种虚设运转不仅消耗与处理无关的虚设晶片，而且为了对10片左右的虚设晶片进行闪光加热处理而需要相当的时间，故有妨碍闪光灯退火装置有效地运用的问题。
本发明是鉴于所述课题而完成，其目的在于提供一种可省略虚设运转的热处理方法及热处理装置。
[解决问题的技术手段]
为解决所述课题，技术方案1的发明是一种热处理方法，其是通过对基板照射光而加热该基板者，该热处理方法的特征在于具备：光照射步骤，其是自连续点亮灯对载置在腔室内的晶座上的基板照射光而加热该基板；环境形成步骤，其是在将成为处理对象的基板搬入至所述腔室之前，将预热用基板载置在所述晶座，将热传导率相较在所述光照射步骤中使用的处理气体高的传热气体供给至所述腔室内，形成包含所述传热气体的环境；及预热步骤，其是通过来自所述连续点亮灯的光照射而加热所述预热用基板，自所述预热用基板经由所述传热气体使设置在所述腔室的石英窗升温。
此外，技术方案2的发明是根据技术方案1的发明的热处理方法，其特征在于，在所述环境形成步骤中，将经加热的所述传热气体供给至所述腔室内。
此外，技术方案3的发明是根据技术方案1或2的发明的热处理方法，其中所述传热气体是氦气。
此外，技术方案4的发明是一种热处理装置，其是通过对基板照射光而加热该基板者，该热处理装置的特征在于具备：腔室，其收容基板；晶座，其在所述腔室内支撑基板；连续点亮灯，其对支撑在所述晶座的基板照射光而加热该基板；及气体供给部，其对所述腔室内供给气体；且在将成为处理对象的基板搬入至所述腔室之前，将预热用基板载置在所述晶座，将热传导率相较成为所述处理对象的基板的热处理时使用的处理气体高的传热气体自所述气体供给部供给至所述腔室内而形成包含所述传热气体的环境之后，通过来自所述连续点亮灯的光照射而加热所述预热用基板，自所述预热用基板经由所述传热气体使设置在所述腔室的石英窗升温。
此外，技术方案5的发明是根据技术方案4的发明的热处理装置，其进而具备加热所述传热气体的气体加热部。
此外，技术方案6的发明是根据技术方案4或5的发明的热处理装置，其中所述传热气体是氦气。
[发明的效果]
根据技术方案1至3的发明，在将成为处理对象的基板搬入至腔室之前，通过来自连续点亮灯的光照射而加热预热用基板，自预热用基板经由传热气体使设置在腔室的石英窗升温，故将成为处理对象的基板搬入至腔室时石英窗升温，可省略虚设运转。
尤其根据技术方案2的发明，将经加热的传热气体供给至腔室内，故可使石英窗效率更佳地升温。
根据技术方案4至6的发明，在将成为处理对象的基板搬入至腔室之前，通过来自连续点亮灯的光照射而加热预热用基板，自预热用基板经由传热气体使设置在腔室的石英窗升温，故在将成为处理对象的基板搬入至腔室时石英窗升温，可省略虚设运转。
尤其根据技术方案5的发明，进而具备加热传热气体的气体加热部，故可使石英窗效率更佳地升温。
附图说明
图1是表示本发明的热处理装置的构成的纵截面图。
图2是表示保持部的整体外观的立体图。
图3是晶座的俯视图。
图4是晶座的截面图。
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是表示本发明的热处理方法的处理顺序的流程图。
图9是表示在氦气环境中加热虚设晶片的状态的图。
具体实施方式
以下，一面参照图式一面对本发明的实施方式详细地进行说明。
图1是表示本发明的热处理装置1的构成的纵截面图。图1的热处理装置1是通过对作为基板的圆板形状的半导体晶片W进行闪光照射而加热该半导体晶片W的闪光灯退火装置。成为处理对象的半导体晶片W的尺寸例如为φ300mm或φ450mm，但并无特别限定。另外，在图1及其后的各图中，为了容易理解，视需要而对各部的尺寸或数量进行夸大或简化地描绘。
热处理装置1具备：腔室6，其收容半导体晶片W；闪光加热部5，其内置多个闪光灯FL；及卤素加热部4，其内置多个卤素灯HL。在腔室6的上侧设置有闪光加热部5，并且在下侧设置有卤素加热部4。此外，热处理装置1具备：保持部7，其将半导体晶片W以水平姿势保持在腔室6的内部；及移载机构10，其在保持部7与装置外部的间进行半导体晶片W的交接。进而，热处理装置1具备控制部3，其控制设置在卤素加热部4、闪光加热部5及腔室6的各动作机构而执行半导体晶片W的热处理。
腔室6是在筒状的腔室侧部61的上下安装石英制的腔室窗而构成。腔室侧部61具有上下开口的大致筒形状，在上侧开口安装上侧腔室窗63而封闭，并在下侧开口安装下侧腔室窗64而封闭。构成腔室6的顶壁的上侧腔室窗63是由石英形成的圆板形状构件，且作为使自闪光加热部5出射的闪光透过至腔室6内的石英窗而发挥功能。此外，构成腔室6的底壁部的下侧腔室窗64也是由石英形成的圆板形状构件，且作为使来自卤素加热部4的光透过至腔室6内的石英窗而发挥功能。
本实施方式的腔室6为应对可将内部减压至未达大气压的减压，而使上侧腔室窗63及下侧腔室窗64的厚度相较应对常压的厚度厚以增大耐压性。例如，如果为应对常压，则腔室窗的厚度为8mm，此时，本实施方式的上侧腔室窗63及下侧腔室窗64的厚度设为28mm。
此外，在腔室侧部61内侧的壁面的上部安装有反射环68，在下部安装有反射环69。反射环68、69均形成为圆环状。上侧的反射环68是通过自腔室侧部61的上侧嵌入而安装。另一方面，下侧的反射环69是通过自腔室侧部61的下侧嵌入并以省略图示的螺钉固定而安装。即，反射环68、69是均装卸自由地安装在腔室侧部61者。将腔室6的内侧空间、即由上侧腔室窗63、下侧腔室窗64、腔室侧部61及反射环68、69包围的空间规定为热处理空间65。
通过将反射环68、69安装在腔室侧部61而在腔室6的内壁面形成凹部62。即，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、反射环69的上端面包围的凹部62。凹部62在腔室6的内壁面沿水平方向形成为圆环状，并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。
此外，在腔室侧部61，配合形状地设置有用以对腔室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而开闭。搬送开口部66连通连接在凹部62的外周面。因此，在闸阀185将搬送开口部66打开时，可自搬送开口部66通过凹部62将半导体晶片W搬入至热处理空间65、及自热处理空间65将半导体晶片W搬出。此外，如果闸阀185将搬送开口部66关闭，则腔室6内的热处理空间65被设为密闭空间。
此外，在腔室6的内壁上部配合形状地设置有对热处理空间65供给气体的气体供给孔81。气体供给孔81配合形状地设置在相较凹部62更靠上侧位置，也可设置在反射环68。气体供给孔81是经由圆环状地形成在腔室6的侧壁内部的缓冲空间82而连通连接在气体供给管83。气体供给管83连接在气体供给源85。此外，在气体供给管83的路径中途介插有阀84及加热器22。气体供给源85供给的气体的种类并无特别限定，可适当地选择，例如可使用氮气(N2)、氩气(Ar)、氦气(He)等惰性气体、或氧气(O2)、氢气(H2)、氯气(Cl2)、氯化氢(HCl)、臭氧(O3)、氨气(NH3)等反应性气体、或将其等混合而成的混合气体。
如果将阀84打开，则自气体供给源85向缓冲空间82馈送气体。流入至缓冲空间82的气体以在流体阻力相较气体供给孔81小的缓冲空间82内扩散的方式流动，自气体供给孔81供给至热处理空间65内。即，气体供给源85及阀84相当于向腔室6内供给气体的气体供给部。此外，加热器22对流动在气体供给管83的气体进行加热。将由加热器22加热后的气体自气体供给孔81供给至热处理空间65。即，加热器22相当于对供给至腔室6的气体进行加热的气体加热部。
另一方面，在腔室6的内壁下部配合形状地设置有将热处理空间65内的气体进行排气的气体排气孔86。气体排气孔86配合形状地设置在相较凹部62更靠下侧位置，也可设置在反射环69。气体排气孔86是经由圆环状地形成在腔室6的侧壁内部的缓冲空间87而连通连接在气体排气管88。气体排气管88连接在排气部190。此外，在气体排气管88的路径中途介插有阀89。如果将阀89打开，则热处理空间65的气体自气体排气孔86经由缓冲空间87向气体排气管88排出。另外，气体供给孔81及气体排气孔86也可沿着腔室6的圆周方向设置多个，也可为狭缝状者。
此外，也在搬送开口部66的前端连接有将热处理空间65内的气体排出的气体排气管191。气体排气管191经由阀192而连接在排气部190。通过打开阀192而将腔室6内的气体经由搬送开口部66排出。
作为排气部190，可使用真空泵或设置有热处理装置1的工厂的排气实体。如果采用真空泵作为排气部190，将阀84关闭，不自气体供给孔81进行任何的气体供给而是对作为密闭空间的热处理空间65的环境进行排气，则可将腔室6内减压至真空环境。此外，即便为不使用真空泵作为排气部190的情况，也可通过不自气体供给孔81进行气体供给而进行排气，而可将腔室6内减压至未达大气压的气压。
图2是表示保持部7的整体外观的立体图。保持部7是具备基台环71、连结部72及晶座74而构成。基台环71、连结部72及晶座74均由石英形成。即，保持部7的整体是由石英形成。
基台环71是自圆环形状缺失一部分而成的圆弧形状的石英构件。该缺失部分是为了防止下述的移载机构10的移载臂11与基台环71的干涉而设置。基台环71通过载置在凹部62的底面而支撑在腔室6的壁面(参照图1)。在基台环71的上表面，沿着其圆环形状的圆周方向竖立设置有多个连结部72(本实施方式中为4个)。连结部72也为石英的构件，通过熔接而固着在基台环71。
晶座74是由设置在基台环71的4个连结部72支撑。图3是晶座74的俯视图。此外，图4是晶座74的截面图。晶座74具备保持板75、引导环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构件。保持板75的直径大于半导体晶片W的直径。即，保持板75具有相较半导体晶片W大的平面尺寸。
在保持板75的上表面周缘部设置有引导环76。引导环76是具有相较半导体晶片W的直径大的内径的圆环形状的构件。例如，在半导体晶片W的直径为φ300mm的情况下，引导环76的内径为φ320mm。引导环76的内周设为自保持板75朝上方变宽的锥面。引导环76是由与保持板75相同的石英形成。引导环76可熔接在保持板75的上表面，也可由另外加工而成的销等固定于保持板75。或者，也可将保持板75与引导环76加工成一体的构件。
将保持板75的上表面中的相较引导环76更靠内侧的区域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，竖立设置有多个基板支撑销77。在本实施方式中，沿着与保持面75a的外周圆(引导环76的内周圆)为同心圆的圆周上每隔30°竖立设置有共计12个基板支撑销77。配置12个基板支撑销77而成的圆的直径(对向的基板支撑销77间的距离)小于半导体晶片W的直径，如果半导体晶片W的直径为φ300mm，则该直径为φ270mm～φ280mm(本实施方式中为φ270mm)。各个基板支撑销77是由石英形成。多个基板支撑销77可通过熔接而设置在保持板75的上表面，也可与保持板75加工成一体。
返回图2，竖立设置在基台环71的4个连结部72与晶座74的保持板75的周缘部通过熔接而固着。即，晶座74与基台环71通过连结部72而固定地连结。通过将此种保持部7的基台环71支撑在腔室6的壁面而将保持部7安装在腔室6。在保持部7安装在腔室6的状态下，晶座74的保持板75成为水平姿势(法线与铅直方向一致的姿势)。即，保持板75的保持面75a成为水平面。
搬入至腔室6的半导体晶片W以水平姿势载置并保持在腔室6中安装的保持部7的晶座74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支撑而保持在晶座74。更严格而言，12个基板支撑销77的上端部接触在半导体晶片W的下表面而支撑该半导体晶片W。由于12个基板支撑销77的高度(自基板支撑销77的上端至保持板75的保持面75a的距离)均一，故可由12个基板支撑销77将半导体晶片W以水平姿势予以支撑。
此外，半导体晶片W通过多个基板支撑销77自保持板75的保持面75a隔开特定的间隔地支撑。相较基板支撑销77的高度，引导环76的厚度更大。因此，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通过引导环76得以防止。
此外，如图2及图3所示，在晶座74的保持板75，上下贯通地形成有开口部78。开口部78是为了辐射温度计120(参照图1)接受自半导体晶片W的下表面辐射的辐射光(红外光)而设置。即，辐射温度计120经由开口部78接受自半导体晶片W的下表面辐射的光，并通过另外设置的检测器测定该半导体晶片W的温度。进而，在晶座74的保持板75上，穿孔设置有为了进行半导体晶片W的交接而供下述移载机构10的顶起销12贯通的4个贯通孔79。
图5是移载机构10的俯视图。此外，图6是移载机构10的侧视图。移载机构10具备2条移载臂11。移载臂11设为如同沿着大致圆环状的凹部62的圆弧形状。在各个移载臂11竖立设置有2根顶起销12。移载臂11及顶起销12由石英形成。各移载臂11能够通过水平移动机构13而旋动。水平移动机构13使一对移载臂11在相对于保持部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)、与俯视下不与保持在保持部7的半导体晶片W重迭的退避位置(图5的二点链线位置)的间水平移动。作为水平移动机构13，可通过个别的马达使各移载臂11分别旋动，也可使用连杆机构通过1个马达使一对移载臂11连动地旋动。
此外，一对移载臂11通过升降机构14而与水平移动机构13一同地升降移动。如果升降机构14使一对移载臂11在移载动作位置上升，则共计4根顶起销12通过穿孔设置在晶座74的贯通孔79(参照图2、3)，顶起销12的上端自晶座74的上表面突出。另一方面，如果升降机构14使一对移载臂11在移载动作位置下降，将顶起销12自贯通孔79拔出，水平移动机构13使一对移载臂11以张开的方式移动，则各移载臂11移动至退避位置。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。由于基台环71载置在凹部62的底面，故移载臂11的退避位置成为凹部62的内侧。另外，也在设置有移载机构10的驱动部(水平移动机构13及升降机构14)的部位附近设置省略图示的排气机构，构成为将移载机构10的驱动部周边的环境排出至腔室6的外部。
如图1所示，在腔室6的内部设置有3个辐射温度计120、130、140。如上所述，辐射温度计120经由设置在晶座74的开口部78而测定半导体晶片W的温度。辐射温度计130检测自上侧腔室窗63辐射的红外光而测定上侧腔室窗63的温度。另一方面，辐射温度计140检测自下侧腔室窗64辐射的红外光而测定下侧腔室窗64的温度。
设置在腔室6的上方的闪光加热部5在壳体51的内侧具备包含多根(本实施方式中为30根)氙闪光灯FL的光源、及以覆盖该光源的上方的方式设置的反射器52而构成。此外，在闪光加热部5的壳体51的底部安装有灯光辐射窗53。构成闪光加热部5的底壁部的灯光辐射窗53是由石英形成的板状的石英窗。通过将闪光加热部5设置在腔室6的上方而使灯光辐射窗53与上侧腔室窗63相对向。闪光灯FL自腔室6的上方经由灯光辐射窗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分别为具有长条的圆筒形状的棒状灯，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(也即沿着水平方向)成为相互平行的方式排列成平面状。由此，由闪光灯FL的排列而形成的平面也为水平面。
氙闪光灯FL具备：棒状的玻璃管(放电管)，该玻璃管在其内部封入有氙气，并在其两端部配设有连接在电容器的阳极及阴极；及触发电极，其附设在该玻璃管的外周面上。由于氙气为电性绝缘体，故即便电容器中储存有电荷，在通常的状态下电流也不会在玻璃管内流动。然而，在对触发电极施加高电压而破坏绝缘的情况下，蓄积在电容器中的电会瞬间在玻璃管内流动，通过此时氙的原子或分子的激发而发出光。在此种氙闪光灯FL中，预先蓄积在电容器中的静电能量转换为0.1毫秒至100毫秒的极短的光脉冲，故与如卤素灯HL般连续点亮的光源相比具有能够照射极强的光的特征。即，闪光灯FL是以未达1秒的极短时间瞬间发光的脉冲发光灯。另外，闪光灯FL的发光时间可根据对闪光灯FL进行电力供给的灯电源的线圈常数而调整。
此外，反射器52是在多个闪光灯FL的上方以覆盖其等整体的方式而设置。反射器52的基本功能是使自多个闪光灯FL出射的闪光向热处理空间65的侧反射。反射器52是由铝合金板形成，其表面(面向闪光灯FL的侧的面)通过喷砂处理而实施粗面化加工。
设置在腔室6的下方的卤素加热部4在壳体41的内侧内置有多根(本实施方式中为40根)卤素灯HL。卤素加热部4是通过多个卤素灯HL自腔室6的下方经由下侧腔室窗64对热处理空间65进行光照射而加热半导体晶片W的光照射部。将卤素加热部4设置在腔室6的下方，由此多根卤素灯HL成为与下侧腔室窗64相对向。
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2段而配置。在靠近保持部7的上段配设有20根卤素灯HL，并且在相较上段更远离保持部7的下段也配设有20根卤素灯HL。各卤素灯HL为具有长条的圆筒形状的棒状灯。上段、下段均为20根的卤素灯HL是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(也即沿着水平方向)成为相互平行的方式排列。由此，上段、下段均为由卤素灯HL的排列而形成的平面为水平面。
此外，如图7所示，上段、下段均为相较与保持在保持部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的卤素灯HL的配设密度更高。即，上下段均为相较灯排列的中央部，周缘部的卤素灯HL的配设间距更短。因此，在通过来自卤素加热部4的光照射进行加热时，可对容易产生温度降低的半导体晶片W的周缘部进行更多光量的照射。
此外，包含上段的卤素灯HL的灯群、与包含下段的卤素灯HL的灯群以格子状交叉的方式排列。即，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的长度方向彼此正交的方式，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而使灯丝白炽化进行发光的灯丝方式的光源。在玻璃管的内部，封入有对氮气或氩气等惰性气体导入有微量卤素元素(碘、溴等)的气体。通过导入卤素元素而能够抑制灯丝的折损，并且将灯丝的温度设定为高温。因此，卤素灯HL具有与通常的白热灯相比寿命较长且可连续地照射较强的光的特性。即，卤素灯HL是至少1秒以上连续地发光的连续点亮灯。此外，卤素灯HL为棒状灯，故寿命长，通过将卤素灯HL沿着水平方向配置而成为对上方的半导体晶片W的辐射效率优异者。
此外，也在卤素加热部4的壳体41内，在2段卤素灯HL的下侧设置有反射器43(图1)。反射器43将自多个卤素灯HL出射的光向热处理空间65的侧反射。
控制部3控制设置在热处理装置1的所述各种动作机构。作为控制部3的硬件的构成是与普通计算机相同。即，控制部3具备进行各种运算处理的电路即CPU(CentralProcessing Unit，中央处理器)、存储基本程序的读出专用的存储器即ROM(Read OnlyMemory，只读存储器)、存储各种信息的读写自由的存储器即RAM(Random Access Memory，随机存取存储器、及预先存储控制用软件或数据等的磁盘。控制部3的CPU通过执行特定的处理程序而进行热处理装置1中的处理。
其次，对热处理装置1中的处理动作进行说明。首先，就对成为处理对象的半导体晶片W的通常的热处理顺序进行说明。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有杂质(离子)的半导体基板。该杂质的活化是通过热处理装置1的闪光照射加热处理(退火)而执行。以下说明的半导体晶片W的处理顺序是通过控制部3控制热处理装置1的各动作机构而进行。
首先，打开用于供气的阀84，并且打开排气用的阀89、192而开始对腔室6内进行供排气。如果打开阀84，则自气体供给孔81对热处理空间65供给氮气作为处理气体。此外，如果打开阀89，则自气体排气孔86对腔室6内的气体进行排气。由此，自腔室6内的热处理空间65的上部供给的氮气流向下方，且自热处理空间65的下部排气。
此外，通过打开阀192而也自搬送开口部66对腔室6内的气体进行排气。进而，通过省略图示的排气机构也对移载机构10的驱动部周边的环境进行排气。另外，在热处理装置1中的半导体晶片W的热处理时将氮气持续地供给至热处理空间65，且其供给量根据处理步骤而适当变更。
继而，打开闸阀185将搬送开口部66打开，通过装置外部的搬送机器人将成为处理对象的半导体晶片W经由搬送开口部66搬入至腔室6内的热处理空间65。此时，有伴随半导体晶片W的搬入而引入装置外部的环境的担忧，但由于对腔室6持续地供给氮气，故氮气自搬送开口部66流出，从而可将此种外部环境的引入抑制为最小限度。
由搬送机器人搬入的半导体晶片W前进至保持部7的正上方位置后停止。继而，移载机构10的一对移载臂11自退避位置水平移动至移载动作位置并上升，由此顶起销12通过贯通孔79自晶座74的保持板75的上表面突出而接收半导体晶片W。此时，顶起销12上升至相较基板支撑销77的上端更上方。
半导体晶片W载置在顶起销12之后，搬送机器人自热处理空间65退出，并通过闸阀185将搬送开口部66关闭。继而，通过一对移载臂11下降而将半导体晶片W自移载机构10交接至保持部7的晶座74并以水平姿势自下方保持。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支撑而保持在晶座74。此外，半导体晶片W是将完成图案形成且注入有杂质的表面作为上表面而保持在保持部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之间形成特定的间隔。下降至晶座74的下方的一对移载臂11通过水平移动机构13而退避至退避位置、即凹部62的内侧。
在将半导体晶片W由以石英形成的保持部7的晶座74以水平姿势自下方保持之后，卤素加热部4的40根卤素灯HL同时点亮而开始预加热(辅助加热)。自卤素灯HL出射的卤素光透过由石英形成的下侧腔室窗64及晶座74而照射至半导体晶片W的下表面。通过接受来自卤素灯HL的光照射而半导体晶片W得以预加热而温度上升。另外，移载机构10的移载臂11退避至凹部62的内侧，故不会妨碍卤素灯HL的加热。
在利用卤素灯HL进行预加热时，半导体晶片W的温度是由辐射温度计120测定。即，由辐射温度计120接受自保持在晶座74的半导体晶片W的下表面经由开口部78辐射的红外光而测定升温中的晶片温度。所测定的半导体晶片W的温度被传递至控制部3。控制部3一面监视通过来自卤素灯HL的光照射而升温的半导体晶片W的温度是否已达到特定的预加热温度T1，一面控制卤素灯HL的输出。即，控制部3根据辐射温度计120的测定值，以半导体晶片W的温度成为预加热温度T1的方式对卤素灯HL的输出进行反馈控制。预加热温度T1设为约200℃至800℃，该温度范围内不存在半导体晶片W中所添加的杂质因热而扩散的担忧，较佳为350℃至600℃左右(在本实施方式中为600℃)。
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。具体而言，在由辐射温度计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且经过特定时间后的时间点，闪光加热部5的闪光灯FL对保持在晶座74的半导体晶片W的表面进行闪光照射。此时，自闪光灯FL辐射的闪光的一部分直接朝向腔室6内，另一部分暂且由反射器52反射后朝向腔室6内，通过该等闪光的照射进行半导体晶片W的闪光加热。
闪光加热是通过来自闪光灯FL的闪光(flashing light)照射而进行，故可使半导体晶片W的表面温度在短时间内上升。即，自闪光灯FL照射的闪光是将预先蓄积在电容器中的静电能量转换为极短光脉冲、且照射时间为约0.1毫秒以上且100毫秒以下的极短且较强的闪光。而且，通过来自闪光灯FL的闪光照射而被闪光加热的半导体晶片W的表面温度瞬间上升至1000℃以上的处理温度T2，在注入至半导体晶片W的杂质活化之后，表面温度急速下降。如此，热处理装置1中，可使半导体晶片W的表面温度在极短时间内升降，故可一面抑制注入至半导体晶片W的杂质因热而扩散一面进行杂质的活化。另外，杂质的活化所需的时间与其热扩散所需的时间相比极短，故即便为约0.1毫秒至100毫秒的不会产生扩散的短时间，也可完成活化。
在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自预加热温度T1急速降温。降温中的半导体晶片W的温度由辐射温度计120测定，且将该测定结果传递至控制部3。控制部3根据辐射温度计120的测定结果而监视半导体晶片W的温度是否已降温至特定温度。继而，在半导体晶片W的温度已降温至特定温度以下之后，移载机构10的一对移载臂11再次自退避位置水平移动至移载动作位置后上升，由此顶起销12自晶座74的上表面突出，自晶座74接收热处理后的半导体晶片W。继而，通过闸阀185而将已关闭的搬送开口部66打开，将载置在顶起销12上的半导体晶片W通过装置外部的搬送机器人搬出，而热处理装置1中的半导体晶片W的加热处理完成。
且说，典型而言，半导体晶片W的处理是以批次为单位进行。所谓批次是成为在相同条件下进行相同内容的处理的对象的1组半导体晶片W。在本实施方式的热处理装置1中，将构成批次的多片(例如25片)半导体晶片W逐片依序搬入至腔室6而进行加热处理。
此处，在许久未进行处理的热处理装置1中开始批处理的情况下，将批次的最初的半导体晶片W搬入至大致室温的腔室6而进行闪光加热处理。此种情况例如是在维护后热处理装置1启动后对最初的批次进行处理的情况、或对先前的批次进行处理之后经过较长时间的情况等。在加热处理时，产生自升温的半导体晶片W向晶座74等腔室内构造物的热传导及热辐射，故在初期处在室温的腔室内构造物伴随半导体晶片W的处理片数增加而逐渐蓄热从而升温。此外，自卤素灯HL出射的红外光的一部分被下侧腔室窗64吸收，故伴随半导体晶片W的处理片数增加，下侧腔室窗64的温度也逐渐升温。
继而，在进行了约10片半导体晶片W的加热处理时，包含下侧腔室窗64的腔室内构造物的温度达到固定的稳定温度。达到稳定温度的腔室6中，自半导体晶片W向腔室内构造物的导热量、与来自腔室内构造物的放热量均衡。在腔室6的温度达到稳定温度之前，来自半导体晶片W的导热量多在来自腔室内构造物的放热量，故伴随半导体晶片W的处理片数增加，腔室内构造物的温度逐渐蓄热从而上升。相对于此，在腔室6的温度达到稳定温度之后，来自半导体晶片W的导热量与来自腔室内构造物的放热量均衡，故腔室内构造物的温度维持在固定的稳定温度。此外，在下侧腔室窗64的温度达到稳定温度之后，下侧腔室窗64自卤素灯HL的照射光吸收的热量与自下侧腔室窗64放出的热量均衡，下侧腔室窗64的温度也维持在固定的稳定温度。
因此，如果在室温的腔室6中开始处理，则对于批次的初期的半导体晶片W与中途的半导体晶片W，腔室6的构造物的温度不同。具体而言，相对于批次的初期的半导体晶片W在室温附近的腔室6内受到处理，第10片以后的半导体晶片W在升温至稳定温度的腔室6内受到处理。其结果，对于批次的初期的半导体晶片W与中途的半导体晶片W，因周边温度不同而有温度历程变得不均一的问题。因此，如上所述，先前，在开始批处理之前，实施虚设运转，即，将并非处理对象的约10片虚设晶片依序搬入至腔室6内，进行与处理对象的半导体晶片W相同的预加热及闪光加热处理，将晶座74及下侧腔室窗64等腔室内构造物升温至稳定温度。此种虚设运转也如所述般阻碍热处理装置1的有效运用。
因此，在本实施方式中，将成为处理对象的半导体晶片W搬入至腔室6之前，事先对包含下侧腔室窗64及上侧腔室窗63的腔室内构造物进行预加热。图8是表示本发明的热处理方法的处理顺序的流程图。
首先，在室温的腔室6中开始处理之前，将虚设晶片DW搬入至该腔室6内(步骤S1)。虚设晶片DW是与半导体晶片W相同的圆板形状的硅晶片，具有与半导体晶片W相同的尺寸及形状。但是，在虚设晶片DW中，未完成图案形成或离子注入(所谓裸晶片)。
虚设晶片DW搬入至腔室6的搬入顺序与所述半导体晶片W的搬入顺序相同。即，由装置外部的搬送机器人将虚设晶片DW搬入至腔室6内，移载机构10的顶起销12接收虚设晶片DW。继而，通过顶起销12下降而将虚设晶片DW保持在晶座74(步骤S2)。另外，在虚设晶片DW搬入时将腔室6内设为氮气环境。
其次，将腔室6内置换为氦气环境(步骤S3)。此时，暂且不自气体供给孔81进行任何的气体供给，对作为密闭空间的热处理空间65的环境进行排气而将腔室6内减压至未达大气压。继而，关闭阀89及阀192而打开阀84，自气体供给源85对腔室6内供给氦气与氮气的混合气体。由此，在腔室6内的热处理空间65形成包含氦气的环境。暂且将腔室6内减压后供给氦气与氮气的混合气体，由此可将腔室6内快速地自氮气环境置换为氦气环境。
其次，40根卤素灯HL点亮，通过来自卤素灯HL的光照射而加热虚设晶片DW(步骤S4)。自卤素灯HL出射的光透过由石英形成的下侧腔室窗64及晶座74而照射至虚设晶片DW的下表面。通过接受来自卤素灯HL的光照射而加热虚设晶片DW，其温度上升。
图9是表示在氦气环境中加热虚设晶片DW的状态的图。氦气具有相较半导体晶片W的热处理时使用的处理气体即氮气高的热传导率。相对于0℃下的氮气的热传导率0.024W/mK，0℃下的氦气的热传导率为0.144W/mK。具有此种较高的热传导率的氦气作为传热气体发挥功能，在包含氦气的环境中如果虚设晶片DW升温，则自该虚设晶片DW以氦气为热介质向腔室6内的构造物产生热传导。由此，腔室6的上侧腔室窗63及下侧腔室窗64被加热(步骤S5)。此外，通过来自升温的虚设晶片DW的热传导及热辐射，晶座74也被加热。
此时，以上侧腔室窗63及下侧腔室窗64的温度达到稳定温度的方式通过虚设晶片DW对腔室6内的构造物加热。所谓上侧腔室窗63及下侧腔室窗64的稳定温度是在连续进行批次的10片以上的半导体晶片W的加热处理之后，上侧腔室窗63及下侧腔室窗64的温度上升而达到成为固定的稳定状态时该上侧腔室窗63及下侧腔室窗64的温度。具体而言，预先通过实验或模拟求出可将虚设晶片DW加热至用以使上侧腔室窗63及下侧腔室窗64升温至稳定温度所需的温度的卤素灯HL的输出且设定于控制部3。继而，在控制部3的控制下，将卤素灯HL的输出调整为该设定输出。其结果，通过来自卤素灯HL的光照射将虚设晶片DW加热至特定温度，自该虚设晶片DW以氦气为热介质，上侧腔室窗63及下侧腔室窗64升温至稳定温度。或也可根据由辐射温度计130、140测定的测定值，控制部3以上侧腔室窗63及下侧腔室窗64成为稳定温度的方式反馈控制卤素灯HL的输出。
由虚设晶片DW使上侧腔室窗63及下侧腔室窗64升温至稳定温度之后，40根卤素灯HL熄灭(步骤S6)。通过卤素灯HL熄灭，虚设晶片DW的温度降温，但热容量较大的上侧腔室窗63、下侧腔室窗64及晶座74的石英构件并未立即降温而是维持在大致稳定温度。
继而，将腔室6内置换为氮气环境(步骤S7)。此时，与所述置换为氦气环境同样地，暂且将腔室6内减压至未达大气压后供给氮气，由此腔室6内迅速地自氦气环境置换为氮气环境。
其次，将虚设晶片DW自腔室6搬出(步骤S8)。自腔室6搬出虚设晶片DW的搬出顺序也与所述半导体晶片W的搬出顺序相同。即，顶起销12上升而自晶座74接收虚设晶片DW，将该虚设晶片DW通过装置外部的搬送机器人自腔室6搬出。
将虚设晶片DW自腔室6搬出之后，迅速地将成为批次的最初的处理对象的半导体晶片W搬入至腔室6且保持在晶座74(步骤S9)。继而，按照所述处理顺序执行成为处理对象的半导体晶片W的加热处理(步骤S10)。
在本实施方式中，开始进行成为批次的最初的处理对象的半导体晶片W的处理之前，将虚设晶片DW搬入至腔室6内且载置在晶座74，将具有相较氮气高的热传导率的氦气供给至腔室6内而形成包含氦气的环境。继而，在包含氦气的环境中通过来自卤素灯HL的光照射加热虚设晶片DW，由此自升温的虚设晶片DW以氦气为热介质向包含上侧腔室窗63及下侧腔室窗64的腔室6内的构造物产生热传导。尤其通过将腔室6内设为包含具有较高热传导率的氦气的环境，可使虚设晶片DW的热效率良好地传递至包含上侧腔室窗63及下侧腔室窗64的腔室6内的构造物。
自虚设晶片DW经由氦气向包含上侧腔室窗63及下侧腔室窗64的腔室6内的构造物传递热而使该构造物升温，由此在将成为批次的最初的处理对象的半导体晶片W搬入至腔室6内时，上侧腔室窗63及下侧腔室窗64被加热至稳定温度。因此，遍及构成批次的所有半导体晶片W，上侧腔室窗63及下侧腔室窗64为相等的温度(稳定温度)，可使温度历程均一。其结果，可省略对如先前的多片(10片以上)虚设晶片进行与对实际半导体晶片W相同的加热处理的虚设运转，故能够缩短腔室内构造物达到稳定温度的时间，进行基板处理装置1的有效运用。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明只要不脱离其主旨，则可在所述情况以外进行各种变更。例如，在所述实施方式中，使用氦气作为将虚设晶片DW的热传递至上侧腔室窗63及下侧腔室窗64的传热气体，但并不限定于此。作为传热气体，只要为具有相较成为处理对象的半导体晶片W的热处理时使用的处理气体即氮气高的热传导率的气体即可，例如也可使用氢气(0℃下的热传导率为0.168W/mK)。
此外，也可将多种传热气体混合供给至腔室6内。该情况下，较佳为能够通过质量流量控制器等变更传热气体的混合比率。
此外，也可由加热器22加热氦气等传热气体且供给至腔室6内。通过将经加热的传热气体供给至腔室6内，能够使包含上侧腔室窗63及下侧腔室窗64的腔室6内的构造物效率更佳地升温。
此外，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的根数可设为任意数量。此外，闪光灯FL并非限定于氙闪光灯，也可为氪闪光灯。此外，卤素加热部4中具备的卤素灯HL的根数也并非限定于40根，可设为任意数量。
此外，在所述实施方式中，使用灯丝方式的卤素灯HL作为1秒以上连续发光的连续点亮灯而进行半导体晶片W的预加热，但并不限定于此，也可代替卤素灯HL而使用放电型的电弧灯(例如氙电弧灯)作为连续点亮灯进行预加热。该情况下，在事先加热时通过放电型的电弧灯而加热虚设晶片DW。
此外，根据热处理装置1，成为处理对象的基板并非限定于半导体晶片，也可为用于液晶显示设备等平板显示器的玻璃基板或太阳电池用的基板。此外，本发明的技术也可应用于高介电常数闸极绝缘膜(High-k膜)的热处理、金属与硅的接合、或多晶硅的结晶化。
此外，本发明的热处理技术并非限定于闪光灯退火装置，也可应用于使用有卤素灯的单片式的灯退火装置或CVD装置等闪光灯以外的热源的装置。尤其本发明的技术可较佳地应用于将卤素灯配置在腔室的下方、自半导体晶片的背面进行光照射而进行热处理的背面退火装置。
[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
22 加热器
63 上侧腔室窗
64 下侧腔室窗
65 热处理空间
74 晶座
84 阀
85 气体供给源
120、130、140 辐射温度计
DW 虚设晶片
FL 闪光灯
HL 卤素灯
W 半导体晶片

Claims (6)

1.一种热处理方法，其是通过对基板照射光而加热该基板者，且具备：
光照射步骤，其是自连续点亮灯对载置在腔室内的晶座上的基板照射光而加热该基板；
环境形成步骤，其是在将成为处理对象的基板搬入至所述腔室之前，将预热用基板载置在所述晶座，将热传导率相较在所述光照射步骤中使用的处理气体高的传热气体供给至所述腔室内，形成包含所述传热气体的环境；及
预热步骤，其是通过来自所述连续点亮灯的光照射而加热所述预热用基板，自所述预热用基板经由所述传热气体使设置在所述腔室的石英窗升温。
2.根据权利要求1所述的热处理方法，其中
在所述环境形成步骤中，将经加热的所述传热气体供给至所述腔室内。
3.根据权利要求1或2所述的热处理方法，其中
所述传热气体是氦气。
4.一种热处理装置，其是通过对基板照射光而加热该基板者，且具备：
腔室，其收容基板；
晶座，其在所述腔室内支撑基板；
连续点亮灯，其对支撑在所述晶座的基板照射光而加热该基板；及
气体供给部，其对所述腔室内供给气体；且
在将成为处理对象的基板搬入至所述腔室之前，将预热用基板载置在所述晶座，将热传导率相较成为所述处理对象的基板的热处理时使用的处理气体高的传热气体自所述气体供给部供给至所述腔室内而形成包含所述传热气体的环境之后，通过来自所述连续点亮灯的光照射而加热所述预热用基板，自所述预热用基板经由所述传热气体使设置在所述腔室的石英窗升温。
5.根据权利要求4所述的热处理装置，其进而具备气体加热部，该气体加热部加热所述传热气体。
6.根据权利要求4或5所述的热处理装置，其中
所述传热气体是氦气。
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