CN112820666A - 热处理装置 - Google Patents

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CN112820666A
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布施和彦
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Abstract

本发明提供一种能够防止气环的变色的热处理装置。在腔室(6)的侧壁即腔室侧部(61)的上部安装气环(90)。气环(90)由上部环(91)和下部环(92)重叠而成。上部环(91)和下部环(92)之间的间隙成为处理气体的流路(97)。在流路(97)形成有具有迷宫结构的阻挡部。增大具有内壁面(92a)的下部环(92)的质量来增大热容量。此外，将下部环(92)相对冷却的腔室侧部(61)以面接触方式安装，将从下部环(92)到腔室侧部(61)的热传导率设为大的值，从而使下部环(92)中蓄积的热量变低。由此，能够在热处理时抑制下部环(92)的温度变高来防止气环(90)的变色。

Description

热处理装置
技术领域
本发明涉及通过向半导体晶片等的薄板状精密电子基板(下面，简称为“基板”)照射光来加热该基板的热处理装置。
背景技术
在半导体设备的制造工艺中，在极短时间内加热半导体晶片的闪光灯退火(FLA)引人注目。闪光灯退火是如下的热处理技术，即，通过使用氙气闪光灯(下面，在简称为“闪光灯”时是指氙气闪光灯)向半导体晶片的表面照射闪光，在极短时间内(几毫秒以下)仅使半导体晶片的表面升温。
氙气闪光灯的辐射光谱分布从紫外区域至近红外区域，波长比以往的卤素灯的波长短，并与硅的半导体晶片的基本吸收带几乎一致。由此，在从氙气闪光灯向半导体晶片照射闪光时，透射光至少能够使半导体晶片快速地升温。此外，已得知，若在几毫秒以下的极短时间内照射闪光，则能够有选择地仅使半导体晶片的表面附近升温。
这样的闪光灯退火利用于需要极短时间的加热的处理，例如，典型地利用于注入半导体晶片的杂质的活化。若从闪光灯向通过离子注入法注入杂质的半导体晶片的表面照射闪光，则能够仅在极短时间内将该半导体晶片的表面升温至活化温度，在能够不使杂质扩散得深的情况下，仅执行杂质活化。
作为这种使用氙气闪光灯的热处理装置，在专利文献1中公开了如下装置：在半导体晶片的表面侧配置闪光灯，在背面侧配置卤素灯等的连续点亮灯，利用这些的组合来进行期望的热处理。在专利文献1所公开的热处理装置中，利用卤素灯将半导体晶片预热至一定程度的温度，然后利用来自闪光灯的闪光照射使晶片表面升温至期望的处理温度。
此外，在专利文献1中公开了一种热处理装置，其具备设置有迷宫结构的流路的气环，从该气环向腔室内均匀地供给大流量的处理气体。
专利文献1：日本特开2018-195686号公报
在闪光灯退火装置中，由于有时将半导体晶片的表面加热至1000℃以上，因此上述气环等的腔室内的部件也被加热至一定程度的高温。若利用卤素灯预热的温度为600℃～700℃左右，则部件的温度上升不会成为问题。但是，近年来，经常要求以更高的温度进行处理，有时预热温度超过800℃。若预热温度超过800℃，则腔室内的气环也被加热成高温，存在气环的表面变色的问题。若气环的表面变色，则其表面的反射率降低，因此存在闪光照射时的向半导体晶片的闪光的照度降低而晶片表面无法达到预定的处理温度的担忧。
发明内容
为了解决上述课题，技术方案1的发明是一种热处理装置，通过向基板照射光来加热该基板，其特征在于，具备：腔室，具有圆筒形状的侧壁；保持部，在所述腔室内保持所述基板；光照射部，向由所述保持部保持的所述基板照射光；圆环形状的气环，安装于所述侧壁，并且将从所述腔室的外部供给的处理气体导向所述腔室的内部；冷却机构，冷却所述侧壁，所述气环包括圆环形状的第一环和圆环形状的第二环，所述第一环和所述第二环之间的间隙作为所述处理气体的流路，所述第二环具有圆筒状的内壁面，所述内壁面具有比所述侧壁的直径小的直径，至少所述第二环与所述侧壁进行面接触。
此外，技术方案2的发明是技术方案1的发明的热处理装置，其特征在于，所述第二环是实心材料。
此外，技术方案3的发明是技术方案1的发明的热处理装置，其特征在于，在所述第一环和所述第二环之间的所述流路形成有迷宫结构的阻挡部，所述阻挡部使所述处理气体的流速降低。
此外，技术方案4的发明是技术方案3的发明的热处理装置，其特征在于，所述气环具备多个导入孔，多个所述导入孔将从所述腔室的外部经由气体供给口供给的所述处理气体导入所述阻挡部，多个所述导入孔的配置间隔随着距所述气体供给口的距离变长而变宽。
此外，技术方案5的发明是技术方案1至技术方案4中任一个发明的热处理装置，其特征在于，所述光照射部包括连续点亮灯，所述连续点亮灯从所述腔室的下方照射光。
此外，技术方案6的发明是技术方案5的发明的热处理装置，其特征在于，所述光照射部包括闪光灯，所述闪光灯从所述腔室的上方照射闪光。
此外，技术方案7的发明是一种热处理装置，其特征在于，通过向基板照射光来加热该基板，其特征在于，具备：腔室，具有圆筒形状的侧壁；保持部，在所述腔室内保持基板；光照射部，向由所述保持部保持的所述基板照射光；圆环形状的气环，安装于所述侧壁，并且将从所述腔室的外部供给的处理气体导向所述腔室的内部；冷却机构，冷却所述侧壁，所述气环包括圆环形状的第一环和圆环形状的第二环，所述第一环和所述第二环之间的间隙作为所述处理气体的流路，所述第二环具有圆筒状的内壁面，所述内壁面具有比所述侧壁的直径小的直径，所述第二环的热容量和从所述第二环向所述侧壁的热传导率设置为，所述第二环的所述内壁面不因来自所述光照射部的光照射而变色的值。
根据技术方案1至技术方案6的发明，由于具有内壁面的气环的第二环与被冷却的腔室的侧壁进行面接触，因此从第二环到侧壁的热传导率高，第二环被有效地冷却而抑制第二环的温度上升，从而能够防止气环变色。
特别地，根据技术方案2的发明，第二环是实心材料而第二环的质量大，第二环的热容量成为大的值而抑制第二环的温度上升，从而能够防止气环的变色。
特别地，根据技术方案3的发明，在第一环和第二环之间的流路形成有使处理气体的流速降低的迷宫结构的阻挡部，因此能够向腔室均匀地供给处理气体。
特别地，根据技术方案4的发明，由于多个导入孔的配置间隔随着距气体供给口的距离变长而变宽，因此能够向阻挡部均匀地供给处理气体。
根据技术方案7的发明，由于将具有内壁面的气环的第二环的热容量和从第二环向腔室的侧壁的热传导率设置为第二环的内壁面不因来自光照射部的光照射而变色的值，因此能够防止气环变色。
附图说明
图1是表示本发明的热处理装置的结构的纵剖视图。
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是表示气环的一部分的立体图。
图9是表示上部环的外观的立体图。
图10是表示下部环的外观的立体图。
图11是安装于腔室侧部的气环的剖视图。
图12是表示气体供给口和导入孔之间的配置关系的图。
其中，附图标记说明如下：
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
20：辐射温度计
63：上侧腔室窗
64：下侧腔室窗
65：热处理空间
67：水冷管
74：基座
81：气体喷出口
82：气体供给口
83：气体供给管
90：气环
91：上部环
92：下部环
92a：内壁面
93：导入孔
97：流路
FL：闪光灯
HL：卤素灯
W：半导体晶片
具体实施方式
下面，参照附图，详细地说明本发明的实施方式。
图1是表示本发明的热处理装置1的结构的纵剖视图。图1的热处理装置1是闪光灯退火装置，其通过向作为基板的圆板形状的半导体晶片W照射闪光来对该半导体晶片W进行加热。成为处理对象的半导体晶片W的尺寸并不特别限定，例如为
Figure BDA0002784157660000051
或
Figure BDA0002784157660000052
(本实施方式中为
Figure BDA0002784157660000053
)。在被搬入热处理装置1前的半导体晶片W中注入有杂质，通过热处理装置1进行加热处理来执行已注入的杂质的活化处理。此外，在图1和之后的各图中，为了便于理解，根据需要夸张或简略各部的尺寸和数量。
热处理装置1具有容纳半导体晶片W的腔室6、内置多个闪光灯FL的闪光加热部5和内置多个卤素灯HL的卤素加热部4。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在腔室6的内部具有将半导体晶片W保持为水平姿势的保持部7和在保持部7和装置外部之间交接半导体晶片W的移载机构10。而且，热处理装置1具有控制部3，该控制部3对卤素加热部4、闪光加热部5以及在腔室6设置的各动作机构进行控制来执行半导体晶片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的。腔室侧部61具有上下开口的大致圆筒形状，在上侧开口安装上侧腔室窗63而堵塞上侧开口，在下侧开口安装下侧腔室窗64而堵塞下侧开口。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构件，作为使从闪光加热部5出射的闪光透过到腔室6内的石英窗发挥作用。此外，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构件，作为使来自卤素加热部4的光透过到腔室6内的石英窗发挥作用。
此外，在腔室侧部61的内侧的壁面的上部安装有气环90，在下部安装有反射环69。气环90和反射环69均形成为圆环状。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、反射环69和气环90包围的空间被定义为热处理空间65。
通过在腔室侧部61安装反射环69和气环90，在腔室6的内壁面形成凹部62。即，形成由腔室侧部61的内壁面中的没有安装反射环69和气环90的中央部分、反射环69的上端面、气环90的下端面包围的凹部62。凹部62在腔室6的内壁面沿着水平方向形成圆环状，围绕保持半导体晶片W的保持部7。
此外，在腔室侧部61形成有用于针对腔室6进行半导体晶片W的搬入和搬出的搬运开口部(炉口)66。搬运开口部66能够通过闸阀185来开闭。搬运开口部66与凹部62的外周面连通地连接。因此，在闸阀185打开搬运开口部66时，能够进行从搬运开口部66通过凹部62向热处理空间65搬入半导体晶片W和从热处理空间65搬出半导体晶片W。此外，若闸阀185关闭搬运开口部66，则腔室6内的热处理空间65成为密闭空间。
而且，在腔室侧部61贯穿设置有贯通孔61a。在腔室侧部61的外壁面的设置有贯通孔61a的部位安装有辐射温度计20。贯通孔61a是用于将从由后述的基座74保持的半导体晶片W的下表面辐射的红外光引导至辐射温度计20的圆筒状的孔。贯通孔61a相对于水平方向倾斜地设置，使得其贯通方向的轴与由基座74保持的半导体晶片W的主表面相交。在贯通孔61a的面向热处理空间65侧的端部安装有由氟化钡材料构成的透明窗21，该透明窗21使辐射温度计20能够测量的波长区域的红外光透过。
此外，在腔室6的内壁上部安装的气环90形成有向热处理空间65供给处理气体的气体喷出口81。气体喷出口81经由气环90的内部空间与气体供给管83连通地连接。气体供给管83与处理气体供给源85连接。此外，在气体供给管83的路径途中安装有阀84。若打开阀84，则从处理气体供给源85向气环90输送处理气体，通过气环90的内部空间的处理气体从气体喷出口81向热处理空间65喷出。作为处理气体，例如可以使用氮气(N2)等的非活性气体，或者、氢气(H2)、氨气(NH3)等的反应性气体，或者将其混合的混合气体(本实施方式中为氮气)。此外，关于气环90的结构在后面进一步说明。
另一方面，在腔室6的内壁下部形成有排出热处理空间65内的气体的气体排气孔86。气体排气孔86形成于比凹部62更靠下侧的位置，可以设置于反射环69。气体排气孔86经由在腔室6的侧壁内部形成为圆环状的缓冲空间87与气体排气管88连通地连接。气体排气管88与排气部190连接。此外，在气体排气管88的路径途中安装有阀89。若打开阀89，则热处理空间65的气体从气体排气孔86经由缓冲空间87向气体排气管88排出。此外，处理气体供给源85和排气部190可以是设置于热处理装置1的机构，也可以是设置热处理装置1的工厂的公用机构。
此外，在搬运开口部66的顶端连接有排出热处理空间65内的气体的气体排气管191。气体排气管191经由阀192与排气部190连接。通过打开阀192，经由搬运开口部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具备底座环71、连接部72和基座74。底座环71、连接部72和基座74均由石英形成。即，整个保持部7由石英形成。
底座环71是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后述的移载机构10的移载臂11和底座环71之间的干扰而设置的。底座环71载置于凹部62的底面，从而被腔室6的壁面支撑(参照图1)。在底座环71的上表面沿着其圆环形状的周向立设多个连接部72(本实施方式中为4个)。连接部72也是石英构件，通过熔接固定于底座环71。
基座74由设置于底座环71的4个连接部72支撑。图3是基座74的俯视图。图4是基座74的剖视图。基座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具有大于半导体晶片W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是内径大于半导体晶片W的直径的圆环形状的构件。例如，在半导体晶片W的直径为
Figure BDA0002784157660000071
的情况下，引导环76的内径为
Figure BDA0002784157660000072
引导环76的内周面形成为从保持板75向上方扩展的锥形面。引导环76与保持板75同样地由石英形成。引导环76可以熔接在保持板75的上表面，也可以用另行加工而成的销等固定在保持板75上。或者，也可以将保持板75和引导环76作为一体的构件进行加工。
保持板75的上表面中的比引导环76更靠内侧的区域为用于保持半导体晶片W的平面状的保持面75a。在保持板75的保持面75a上立设有多个基板支撑销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)同心的圆周每隔30°立设有共计12个基板支撑销77。配置有12个基板支撑销77的圆的直径(相对的基板支撑销77之间的距离)小于半导体晶片W的直径，如果半导体晶片W的直径为
Figure BDA0002784157660000081
则基板支撑销77的圆的直径为
Figure BDA0002784157660000083
(本实施方式中为
Figure BDA0002784157660000082
)。各个基板支撑销77由石英形成。多个基板支撑销77可以通过熔接设置在保持板75的上表面，也可以与保持板75一体加工。
返回图2，立设于底座环71的4个连接部72和基座74的保持板75的周缘部通过熔接固定。即，基座74和底座环71通过连接部72固定地连接。这种保持部7的底座环71被腔室6的壁面支撑，从而保持部7安装于腔室6。在保持部7安装于腔室6的状态下，基座74的保持板75处于水平姿势(法线与铅垂方向一致的姿势)。即，保持板75的保持面75a处于水平面。
搬入到腔室6的半导体晶片W以水平姿势载置于安装在腔室6的保持部7的基座74上并被保持。此时，半导体晶片W由立设在保持板75上的12个基板支撑销77支撑而保持在基座74上。更严密地讲，12个基板支撑销77的上端部与半导体晶片W的下表面接触来支撑该半导体晶片W。由于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的距离)是均等的，因此，能够利用12个基板支撑销77以水平姿势支撑半导体晶片W。
此外，半导体晶片W被多个基板支撑销77支撑为与保持板75的保持面75a隔开规定的间隔。引导环76的厚度大于基板支撑销77的高度。因此，用引导环76来防止被多个基板支撑销77支撑的半导体晶片W的水平方向的位置偏移。
此外，如图2和图3所示，在基座74的保持板75形成有沿着上下贯通的开口部78。开口部78是为了使辐射温度计20接收从半导体晶片W的下表面辐射的辐射光(红外光)而设置的。即，辐射温度计20经由开口部78和安装于腔室侧部61的贯通孔61a的透明窗21接收从半导体晶片W的下表面辐射的光来测量该半导体晶片W的温度。而且，在基座74的保持板75贯穿设置有4个贯通孔79，后述的移载机构10的升降销12贯通该贯通孔79以交接半导体晶片W。
图5是移载机构10的俯视图。图6是移载机构10的侧视图。移载机构10具有两条移载臂11。移载臂11大致为沿着圆环状的凹部62的圆弧形状。在各个移载臂11立设有两个升降销12。移载臂11和升降销12由石英形成。各个移载臂11利用水平移动机构13能够转动。水平移动机构13能够使一对移载臂11在相对于保持部7移载半导体晶片W的移载动作位置(图5的实线位置)和在俯视时与被保持部7保持的半导体晶片W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，可以利用各个马达分别使各移载臂11转动，也可以使用连杆机构并利用一个马达使一对移载臂11连动地转动。
此外，一对移载臂11利用升降机构14与水平移动机构13一起升降移动。若升降机构14使一对移载臂11在移载动作位置上升，则共计4个升降销12通过在基座74上贯穿设置的贯通孔79(参照图2、3)，升降销12的上端从基座74的上表面凸出。另一方面，升降机构14使一对移载臂11在移载动作位置下降，使升降销12从贯通孔79抽出，水平移动机构13使一对移载臂11以打开的方式移动时，各个移载臂11移动到退避位置。一对移载臂11的退避位置是保持部7的底座环71的正上方。由于底座环71载置于凹部62的底面，因此移载臂11的退避位置处于凹部62的内侧。此外，在设置有移载机构10的驱动部(水平移动机构13和升降机构14)的部位的附近也设置有省略图示的排气机构，该排气机构使移载机构10的驱动部周围的环境气体向腔室6的外部排出。
返回图1，设置于腔室6的上方的闪光加热部5在框体51的内侧设置有由多个(本实施方式中为30个)氙气闪光灯FL构成的光源和以覆盖该光源的上方的方式设置的反射器52。此外，在闪光加热部5的框体51的底部安装有灯光辐射窗53。构成闪光加热部5的底部的灯光辐射窗53是由石英形成的板状的石英窗。通过将闪光加热部5设置于腔室6的上方，使灯光辐射窗53与上侧腔室窗63相对。闪光灯FL从腔室6的上方经由灯光辐射窗53和上侧腔室窗63向热处理空间65照射闪光。
多个闪光灯FL是分别具有长的圆筒形状的棒状灯，以各自的长度方向沿着由保持部7保持的半导体晶片W的主面(即沿着水平方向)相互平行的方式呈平面状地排列。由此，闪光灯FL排列所形成的平面也是水平面。多个闪光灯FL排列的区域大于半导体晶片W的平面尺寸。
氙气闪光灯FL具有在内部封入氙气且在两端部配置有与电容器连接的阳极和阴极的圆筒形状玻璃管(放电管)和在该玻璃管的外周面上附设的触发电极。由于氙气是电绝缘体，因此，即使在电容器内蓄积有电荷，在通常的状态下，也不会在玻璃管内流通电流。然而，在向触发电极施加高电压而破坏绝缘的情况下，蓄积在电容器内的电荷在玻璃管内瞬间地流通，因此时的氙的原子或分子的激发而放出光。在这样的氙气闪光灯FL中，预先在电容器内蓄积的静电能量变换为0.1毫秒到100毫秒这样极短的光脉冲，因此，与如卤素灯HL那样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向闪光灯FL供给电力的灯电源的线圈常数来调整。
此外，反射器52以覆盖多个闪光灯FL整体的方式设置在多个闪光灯FL的上方。反射器52的基本作用是，将从多个闪光灯FL出射的闪光向热处理空间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)通过喷砂处理而被实施粗面化加工。
设置在室6的下方的卤素加热部4在框体41的内侧内置有多个(在本实施方式中为40个)卤素灯HL。卤素加热部4是由多个卤素灯HL从室6的下方经由下侧室窗64向热处理空间65照射光来对半导体晶片W进行加热的光照射部。
图7是表示多个卤素灯HL的配置的俯视图。40个卤素灯HL分上下两层配置。在接近保持部7的上层配置有20个卤素灯HL，并且，在比上层更远离保持部7的下层配置有20个卤素灯HL。各个卤素灯HL是具有长的圆筒形状的棒状灯。在上层和下层，20个卤素灯HL都排列为，各自的长度方向沿着由保持部7保持的半导体晶片W的主面(即沿着水平方向)相互平行。由此，在上层和下层，卤素灯HL排列所形成的平面都为水平面。
此外，如图7所示，在上层和下层，相比与由保持部7保持的半导体晶片W的中央部相对的区域，与周缘部相对的区域中的卤素灯HL的配置密度高。即，在上层和下层，相比灯排列的中央部，周缘部的卤素灯HL的配置间距短。因此，在利用卤素加热部4照射的光进行加热时，能够向容易产生温度下降的半导体晶片W的周缘部照射更多的光量。
此外，由上层的卤素灯HL构成的灯组和由下层的卤素灯HL构成的灯组呈格子状交叉排列。即，以在上层配置的20个卤素灯HL的长度方向和在下层配置的20个卤素灯HL的长度方向相互正交的方式，配置共计40个卤素灯HL。
卤素灯HL是通过对配置在圆筒形状的玻璃管内部的灯丝进行通电来使灯丝白炽化并使其发光的灯丝式光源。在玻璃管的内部封入有在氮气或氩气等非活性气体中导入了微量的卤族元素(碘，溴等)的气体。通过导入卤族元素，能够抑制灯丝的折损，并且能够将灯丝的温度设定为高温。因此，卤素灯HL与通常的白炽灯相比，具有寿命长且能够连续照射强光的特性。即，卤素灯HL是连续发光至少1秒以上的连续点亮灯。此外，因卤素灯HL是棒状灯而寿命长，通过使卤素灯HL沿水平方向配置，向上方的半导体晶片W辐射的效率优异。
此外，在卤素加热部4的框体41内，在两层卤素灯HL的下侧也设置有反射器43(图1)。反射器43将从多个卤素灯HL出射的光向热处理空间65一侧反射。
接着，继续说明气环90的结构。图8是表示气环90的一部分的立体图。安装于大致圆筒形状的腔室侧部61的内壁面上部的气环90具有圆环形状。气环90以其中心与腔室侧部61的中心一致的方式安装。即，气环90的径向和周向与腔室侧部61的径向和周向一致。气环90具备上部环(第一环)91和下部环(第二环)92。图9是表示上部环91的外观的立体图。此外，图10是表示下部环92的外观的立体图。上部环91和下部环92均具有圆环形状。上部环91和下部环92重叠形成气环90。
图11是安装于腔室侧部61的气环90的剖视图。如图11所示，构成气环90的上部环91和下部环92均以面接触的方式安装于腔室6的侧壁即腔室侧部61。因此，上部环91和下部环92与腔室侧部61之间的热传导率成为大的值。在腔室侧部61以围绕的方式设置有水冷管67。水冷管67从省略图示的冷却水供给机构被供给冷却水。即，腔室侧部61是水冷壁。通过向水冷管67供给冷却水，以与腔室侧部61面接触方式安装的上部环91和下部环92也被冷却。
此外，如图11所示，在下部环92设置有面向热处理空间65的内壁面92a。下部环92的内壁面92a形成为直径小于腔室侧部61的直径的圆筒状。即，下部环92的内壁面92a伸出至比腔室侧部61更靠基座74所保持的半导体晶片W的附近。下部环92的内壁面92a的直径例如是
Figure BDA0002784157660000121
具有圆筒状的内壁面92a的下部环92是在内部不存在空间的实心材料，与上部环91相比质量大。
在圆环形状的上部环91和下部环92重叠的结构中，上部环91和下部环92之间存在间隙。该间隙成为引导处理气体的流路97。在流路97形成有具有迷宫结构的阻挡部。具体来说，通过将上部环91中以向下侧凸出方式设置的多个同心圆的圆筒状壁和下部环92中以向上侧凸出方式设置的多个同心圆的圆筒状壁隔开规定间隔交错组合来形成阻挡部。通过这种迷宫结构的阻挡部，流路97成为沿着气环90的径向弯曲的路径。
经由气体供给管83输送的处理气体从气体供给口82向气环90的流路97供给。从气体供给口82流入到流路97的处理气体经由多个导入孔93导入到流路97的阻挡部。通过流路97的阻挡部的处理气体从设置于流路97的顶端的气体喷出口81向腔室6内的热处理空间65供给。
图12是表示气体供给口82和导入孔93之间的配置关系的图。圆环形状的气环90在离开180°相对的位置连接有2个气体供给管83。即，气体供给口82以180°间隔设置于2处。气环90设置有将经由2处的气体供给口82供给的处理气体导入流路97的阻挡部的多个导入孔93。如图12所示，多个导入孔93的设置间隔随着距各气体供给口82的距离变长而变宽。通过将多个导入孔93这样配置，能够将从2处的气体供给口82供给的处理气体均匀地导向流路97。
返回图1，控制部3控制设置在热处理装置1的上述的各种动作机构。作为控制部3的硬件结构，与一般的计算机相同。即，控制部3具有进行各种运算处理的电路即CPU、存储基本程序的读取专用的存储器即ROM、存储各种信息的可自由读写的存储器即RAM、存储控制用软件和数据等的磁盘。通过控制部3的CPU执行规定的处理程序，来进行热处理装置1中的处理。
接着，说明热处理装置1中的半导体晶片W的处理顺序。在此，作为处理对象的半导体晶片W是利用离子注入法添加了杂质(离子)的半导体基板。该杂质的活化由热处理装置1的闪光照射加热处理(退火)来执行。以下说明的热处理装置1的处理顺序是通过控制部3控制热处理装置1的各个动作机构来进行的。
首先，打开用于供气的阀84，并且打开排气用的阀89、192，开始对腔室6内进行供排气。若打开阀84，则从处理气体供给源85向气环90供给作为处理气体的氮气，通过气环90的内部空间的氮气从气体喷出口81向热处理空间65喷出。此外，若打开阀89，则从气体排气孔86排出腔室6内的气体。由此，从腔室6内的热处理空间65的上部供给的氮气向下方流动，从热处理空间65的下部排出。
此外，通过打开阀192，还从搬运开口部66排出腔室6内的气体。而且，利用省略图示的排气机构，还排出移载机构10的驱动部周边的环境气体。此外，在热处理装置1中的半导体晶片W的热处理时向热处理空间65持续地供给氮气，该供给量根据处理工序适当变更。
接着，打开闸阀185而使搬运开口部66打开，利用装置外部的搬运机械手经由搬运开口部66将离子注入后的半导体晶片W搬入至腔室6内的热处理空间65。此时，存在随着半导体晶片W的搬入而带入装置外部的环境气体的担忧，但是由于在腔室6中持续地供给有氮气，因此从搬运开口部66流出氮气，从而能够将带入的这种外部环境气体抑制至最小限度。
利用搬运机械手搬入的半导体晶片W进入至保持部7的正上方位置并停止。然后，通过移载机构10的一对移载臂11从退避位置水平移动至移载动作位置并上升，使升降销12通过贯通孔79而从基座74的保持板75的上表面凸出并接收半导体晶片W。此时，升降销12上升至高于基板支撑销77的上端的上方。
在半导体晶片W被载置于升降销12后，搬运机械手从热处理空间65退出，由闸阀185关闭搬运开口部66。然后，一对移载臂11下降，从而半导体晶片W从移载机构10交接至保持部7的基座74并从下方保持为水平姿势。半导体晶片W由立设在保持板75上的多个基板支撑销77支撑并保持于基座74。此外，半导体晶片W保持于保持部7并将形成有图案并注入有杂质的表面作为上表面。由多个基板支撑销77支撑的半导体晶片W的背面(与表面相反侧的主面)和保持板75的保持面75a之间形成规定的间隔。下降至基座74的下方的一对移载臂11由水平移动机构13退避至退避位置，即凹部62的内侧。
半导体晶片W通过由石英形成的保持部7的基座74从下方保持为水平姿势后，将卤素加热部4的40个卤素灯HL一起点亮，开始进行预热(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和基座74，向半导体晶片W的下表面照射。通过接收来自卤素灯HL的光照射，半导体晶片W被预热而温度上升。此外，由于移载机构10的移载臂11退避到凹部62的内侧，因此，不会妨碍卤素灯HL的加热。
在利用卤素灯HL进行预热时，半导体晶片W的温度由辐射温度计20测量。即，辐射温度计20经由开口部78接收从由基座74保持的半导体晶片W的下表面辐射的红外光，来测量升温中的晶片温度。所测量出的半导体晶片W的温度被传递至控制部3。控制部3监控因来自卤素灯HL的光照射而升温的半导体晶片W的温度是否已达到规定的预热温度T1，并且控制卤素灯HL的输出。即，控制部3基于辐射温度计20的测量值，反馈控制卤素灯HL的输出，以使半导体晶片W的温度变为预热温度T1。预热温度T1是，半导体晶片W中添加的杂质不会因热而扩散的、200℃至800℃左右，优选350℃至600℃左右(在本实施方式中预热温度是600℃)。
在半导体晶片W的温度达到了预热温度T1后，控制部3将半导体晶片W暂时维持在该预热温度T1。具体地说，在由辐射温度计20测量的半导体晶片W的温度达到了预热温度T1的时刻，控制部3调整卤素灯HL的输出，将半导体晶片W的温度大致维持在预热温度T1。
通过利用这样的卤素灯HL进行预热，使半导体晶片W的整体均匀地升温到预热温度T1。在利用卤素灯HL预热的阶段，具有更容易散热的半导体晶片W的周缘部的温度比中央部的温度下降的趋势，但是，就卤素加热部4中的卤素灯HL的配置密度而言，和与基板W的中央部相对的区域相比，与周缘部相对的区域的配置密度更高。因此，向容易散热的半导体晶片W的周缘部照射的光量变多，从而能够使预热阶段的半导体晶片W的面内温度分布变得均匀。
在半导体晶片W的温度达到了预热温度T1并经过了规定时间的时刻，闪光加热部5的闪光灯FL向由基座74保持的半导体晶片W的表面进行闪光照射。此时，从闪光灯FL辐射的闪光的一部分直接向腔室6内照射，其他部分一旦被反射器52反射后向室6内照射，通过上述的闪光的照射，进行半导体晶片W的闪光加热。
由于闪光加热是利用来自闪光灯FL的闪光照射来进行的，因此，能够在短时间内使半导体晶片W的表面温度上升。即，从闪光灯FL照射的闪光是预先蓄积在电容器内的静电能量变换为极短的光脉冲的、照射时间为0.1毫秒以上且100毫秒以下左右的极短的强闪光。并且，利用来自闪光灯FL的闪光照射进行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，在注入到半导体晶片W的杂质被活化后，表面温度快速下降。这样，在热处理装置1中，由于能够在极短时间内使半导体晶片W的表面温度升降，因此，能够抑制注入到半导体晶片W的杂质受热扩散并且使杂质活化。此外，由于杂质的活化所需的时间与该热扩散所需的时间相比极短，因此，即使在0.1毫秒至100毫秒左右的不产生扩散的短时间内，也可以完成活化。
闪光加热处理结束后，经过规定时间后卤素灯HL熄灯。由此，半导体晶片W从预热温度T1快速降温。降温中的半导体晶片W的温度由辐射温度计20测量，该测量结果被传送至控制部3。控制部3基于辐射温度计20的测量结果，监控半导体晶片W的温度是否已降温到规定温度。然后，半导体晶片W的温度下降到规定温度以下后，移载机构10的一对移载臂11重新从退避位置水平移动到移载动作位置并上升，由此，升降销12从基座74的上表面凸出，从基座74接收热处理后的半导体晶片W。接着，打开由闸阀185关闭的搬运开口部66，将载置在升降销12上的半导体晶片W由装置外部的搬运机械手搬出，从而完成热处理装置1中的半导体晶片W的加热处理。
在本实施方式中，从安装于腔室侧部61的上部的气环90向腔室6内供给氮气。从处理气体供给源85经由2个气体供给管83供给的氮气从气体供给口82向气环90的流路97供给。从气体供给口82流入到流路97的氮气经由多个导入孔93导入到流路97的阻挡部。从气环90的外部供给的氮气因受到来自迷宫结构的阻挡部的阻挡而流速降低，并且一边沿着气环90的周向扩散一边沿着径向从外周侧向内周侧流动，从缝隙状的气体喷出口81向腔室6内喷出。由此，即使向气环90供给了大流量的氮气，也从气体喷出口81向腔室6内均匀地喷出氮气。
此外，气环90的下部环92具有接近由基座74支撑的半导体晶片W的圆筒状的内壁面92a。因此，下部环92的内壁面92a从被卤素灯HL加热的半导体晶片W等接收辐射热。此处，在气环90的下部环92中蓄积的热量Q用如下的式(1)来表示。
Q＝Qh-(Qt+Qc+Qr)…(1)
在式(1)中，Qh是下部环92从半导体晶片W等的周边环境接收的热量。此外，Qt是从下部环92向周边传导的导热量，Qc是因腔室6内的对流而从下部环92夺取的热量，Qr是从下部环92辐射的热量。即，从下部环92接收的热量Qh减去从下部环92释放的热量(Qt+Qc+Qr)的值为蓄积于下部环92的热量Q。
另一方面，在蓄积于下部环92的热量Q和下部环92的温度之间成立如下的式(2)。
Q＝C×(T2-T1)…(2)
在式(2)中，C是下部环92的热容量，T2是下部环92的升温后的温度，T1是下部环92的升温前的温度。热容量C用下部环92的质量m和比热c的积来表示。此处，若将升温前的下部环92的温度T1设为23℃，则升温后的下部环92的温度T2用如下的式(3)来表示。
Figure BDA0002784157660000171
若该升温后的下部环92的温度T2超过临界温度Td，则下部环92的内壁面92a变色。若下部环92的内壁面92a变色，则该内壁面92a的反射率降低，因此从闪光灯FL出射并在内壁面92a反射的闪光的光量降低。结果，因闪光照射时的照向半导体晶片W的闪光的照度降低而存在半导体晶片W的表面温度达不到预定的处理温度T2的担忧。
因此，有必要使因半导体晶片W等而被加热的下部环92的温度T2不超过临界温度Td。从式(3)显而易见，为了使温度T2不超过临界温度Td，有必要增大下部环92的热容量C，和/或，降低下部环92中蓄积的热量Q。
下部环92的热容量C是下部环92的质量m和比热c的积。由于比热c是下部环92的材质(本实施方式中为不锈钢)固有的参数，因此为了增大热容量C，有必要增大下部环92的质量m。在本实施方式中，下部环92是在内部不存在空间的实心材料(图11)，所以下部环92的质量m相对较大，从而能够使热容量C成为大的值。
此外，式(1)中表示的参数中的、下部环92接收的热量Qh、因对流而被夺取的热量Qc和辐射的热量Qr是固定值。因此，为了降低下部环92中蓄积的热量Q，有必要增大从下部环92向周边传递的传热量Qt。在本实施方式中，将下部环92相对于冷却的腔室侧部61以面接触方式安装，从而使从下部环92向腔室侧部61的热传导率成为大的值来有效地冷却下部环92。结果，能够使从下部环92向周边传递的传热量Qt变大，来降低下部环92中蓄积的热量Q。
这样，在本实施方式的气环90中，增大下部环92的热容量C，并且降低下部环92中蓄积的热量Q，来抑制升温后的下部环92的温度T2变高。由此，能够在使下部环92的温度T2不超过变色的临界温度Td的情况下，防止下部环92的内壁面92a变色。换言之，将下部环92的热容量C和从下部环92向腔室侧部61的热传导率设为来自卤素灯HL的光照射时下部环92的内壁面92a不变色的值。结果，能够防止气环90的变色。
上面，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明只要不脱离其宗旨，除了上述的构成以外，能够进行各种变更。例如，在上述实施方式中，将流路97的阻挡部设为组装多个同心圆的圆筒状壁的迷宫结构，但并不局限于此。流路97的阻挡部也可以是例如立设多个柱状构件的结构、或者设置有贯穿设置多个贯通孔的板状构件的结构等。或者，也可以在流路97的阻挡部包括暂时贮留气体的空间即缓冲器。总之，流路97的阻挡部只要是能够将经由气体供给管83供给的处理气体均匀地向腔室6内供给的结构即可。
此外，在上述各实施方式中，闪光加热部5具有30个闪光灯FL，但并不局限于此，闪光灯FL的个数也可以是任意的数量。此外，闪光灯FL并不局限于氙气闪光灯，也可以是氪气闪光灯。此外，卤素加热部4所具有的卤素灯HL的个数也不限定于40个，也可以是任意的数量。
此外，在上述实施方式中，作为连续地发光1秒以上的连续点亮灯，使用了灯丝方式的卤素灯HL来对半导体晶片W进行了预热，但并不局限于此，代替卤素灯HL，可以将放电型的弧光灯(例如，氙气弧光灯)作为连续点亮灯来进行预热。
此外，在热处理装置1中成为处理对象的基板并不局限于半导体晶片，可以是液晶显示装置等的平板显示器所使用的玻璃基板、太阳能电池用的基板。

Claims (7)

1.一种热处理装置，通过向基板照射光来加热该基板，其特征在于，具备：
腔室，具有圆筒形状的侧壁；
保持部，在所述腔室内保持所述基板；
光照射部，向由所述保持部保持的所述基板照射光；
圆环形状的气环，安装于所述侧壁，并且将从所述腔室的外部供给的处理气体导向所述腔室的内部；
冷却机构，冷却所述侧壁，
所述气环包括圆环形状的第一环和圆环形状的第二环，
所述第一环和所述第二环之间的间隙作为所述处理气体的流路，
所述第二环具有圆筒状的内壁面，所述内壁面具有比所述侧壁的直径小的直径，
至少所述第二环与所述侧壁进行面接触。
2.根据权利要求1所述的热处理装置，其特征在于，
所述第二环是实心材料。
3.根据权利要求1所述的热处理装置，其特征在于，
在所述第一环和所述第二环之间的所述流路形成有迷宫结构的阻挡部，所述阻挡部使所述处理气体的流速降低。
4.根据权利要求3所述的热处理装置，其特征在于，
所述气环具备多个导入孔，多个所述导入孔将从所述腔室的外部经由气体供给口供给的所述处理气体导入所述阻挡部，
多个所述导入孔的配置间隔随着距所述气体供给口的距离变长而变宽。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的热处理装置，其特征在于，
所述光照射部包括连续点亮灯，所述连续点亮灯从所述腔室的下方照射光。
6.根据权利要求5所述的热处理装置，其特征在于，
所述光照射部包括闪光灯，所述闪光灯从所述腔室的上方照射闪光。
7.一种热处理装置，其特征在于，通过向基板照射光来加热该基板，其特征在于，具备：
腔室，具有圆筒形状的侧壁；
保持部，在所述腔室内保持基板；
光照射部，向由所述保持部保持的所述基板照射光；
圆环形状的气环，安装于所述侧壁，并且将从所述腔室的外部供给的处理气体导向所述腔室的内部；
冷却机构，冷却所述侧壁，
所述气环包括圆环形状的第一环和圆环形状的第二环，
所述第一环和所述第二环之间的间隙作为所述处理气体的流路，
所述第二环具有圆筒状的内壁面，所述内壁面具有比所述侧壁的直径小的直径，
所述第二环的热容量和从所述第二环向所述侧壁的热传导率设置为，所述第二环的所述内壁面不因来自所述光照射部的光照射而变色的值。
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