JP2006332338A - 熱処理装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】導光ロッドの太さに制約されることなく大きな光源とリフレクタを用いることができるようにし、基板の加熱効率を向上させることができるようにした熱処理装置を提供する。
【解決手段】処理室10の上方に複数の光源30と、これらの光源30から出射した光を基板2にそれぞれ導く複数の導光ロッド31と、各光源30から出射した光をそれぞれ集光し導光ロッド31に導く複数のリフレクタ32とシャッタ33を配設する。光源30とリフレクタ32を基板2の径方向外側に広がるようにかつ階段状に配置し、導光ロッド31を入光面側端部が対応する光源30と対向するように基板2の径方向外側に向かって湾曲させる。
【選択図】 図1

Description

本発明は、シリコンウエハ等の基板に光を照射することにより基板をアニール処理するための熱処理装置に関するものである。
半導体デバイスの製造工程においては、成膜処理、パターンのエッチング処理、酸化拡散処理、改質処理、アニール処理等の各種の熱処理が繰り返し行われる。シリコンウエハ等の基板を例えば、400℃以上の高温で所定の熱処理を極力短時間に施す熱処理装置としては、光源からの光を基板に照射することにより、基板を急速加熱するようにした急速加熱装置(ランプアニール)が用いられている(例えば、特許文献1〜3参照)。
特許文献1に記載された熱処理装置は、基板を収納する処理室と、この処理室の上方に設けられ前記処理室内の基板に向けて光を照射する光照射手段と、前記処理室の上部に設けられ前記光照射手段から出た光を透過させる透過窓とを備え、前記照射手段を光源、導光ロッド、ランプハウス等で構成し、前記導光ロッドの下端面を前記透過窓に接触させたものである。このような熱処理装置によれば、導光ロッドの端面から基板までの距離を短縮することができるため、光の散乱を抑制でき、導光ロッドの直下領域における基板上での照度分布を均一にすることができるとしている。
特許文献2に記載されている熱処理装置は、基板が配設された処理室と、この処理室の上方に設けられ、処理室に向けて光を出射する複数の光源と、これらの光源のそれぞれと前記処理室との間に配置され各光源からそれぞれ出射された光を前記基板に導く複数の多角柱形状の導光ロッドと、前記光源から出射した光を基板に照射して加熱する際に、基板を支持している支持手段を前記導光ロッドの下端面に対して近づけた状態にさせる駆動手段とを備えたものである。このような熱処理装置によれば、光源から出射した光が導光ロッド内において多重に反射を繰り返して下端面から処理室内の基板に向けて出光するために、均一な照度分布を有する光が得られ、その結果、基板上の照度分布もほぼ均一となり、熱処理時に基板の温度分布の均一性を確保することができるとしている。
特許文献3に記載されている熱処理装置は、熱処理室内を減圧するとともに半導体ウエハを加熱状態にある熱拡散板に接触させることにより予備加熱し、ウエハの表面温度が予備加熱温度になった直後に複数の棒状フラッシュランプを点灯し、この光をリフレクタによって反射して半導体ウエハをフラッシュ加熱するようにしたものである。このような熱処理装置によれば、減圧下で熱処理を行うようにしているので、熱処理室内で気体が反応してパーティクルを拡散させたり半導体ウエハを移動させたりすることがなく、半導体ウエハーを均一かつ、清浄に処理することができ、また装置の寿命の低下を防止することができるとしている。
特開2002−289548号公報 特開2001−297994号公報 特開2003−133250号公報
しかしながら、特許文献1,2に記載されている従来の熱処理装置は、いずれも真直なストレートな導光ロッドを用い、ハロゲンランプ等の光源から出た光を基板に導くようにしているため、リフレクタとして反射面が回転楕円面または回転半球面のものを用いた場合、リフレクタの大きさが導光ロッドの直径以下に制約される(相互干渉を防ぐため)という問題があった。特に、反射面が2つの焦点を有する回転楕円面のリフレクタの場合は、その一方の焦点位置にフィラメントが位置するように光源を配置したとき、リフレクタが小さいと光源であるフィラメントを取り囲むガラス管がリフレクタの内面に当たって焦点位置にフィラメントを位置付けることができず、光源から出た光が他方の焦点位置に集光しなくなるため、光の強度が分散し加熱効率を低下させる。そこで、リフレクタと干渉しないように光源を小さくして焦点位置に配置すると、それだけ光の強度が弱くなり、所定の処理温度まで昇温させるのに時間がかかり過ぎてしまう。一方、光の強度を大きくするためにフィラメントに流す電流値を大きくすると、フィラメントの耐久性が低下するという問題が生じる。
本発明は上記したような従来の問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、導光ロッドの太さに制約されることなく大きな光源とリフレクタを用いることができるようにし、基板の加熱効率を向上させることができるようにした熱処理装置を提供することにある。
上記目的を達成するために本発明は、処理室内に収納した基板に光を照射することにより熱処理を行う熱処理装置において、前記処理室の上方に設けられた複数の光源と、これらの光源から出射した光を前記基板にそれぞれ導く複数の導光ロッドと、前記各光源から出射した光をそれぞれ集光し前記導光ロッドに導く複数のリフレクタとを備え、前記複数の光源とリフレクタを前記基板の径方向外側に広げかつ多段状に配置し、前記複数の導光ロッドのうち少なくとも一部を導光ロッドの入光面側端部を対応する光源と対向するように基板の径方向外側に向かって湾曲させたものである。
また、本発明は、前記導光ロッドを長さに応じて複数のグループに分け、各グループの導光ロッド毎に前記基板上に導かれる光の強度が等しくなるように各光源の発光出力を調整するようにしたものである。
また、本発明は、前記リフレクタの反射面を回転楕円面または回転半球面としたものである。
また、本発明は、前記各光源から出射した光をそれぞれ遮断、通過させるシャッタをさらに備えているものである。
また、本発明は、前記基板を予備加熱する予備加熱手段をさらに備え、この予備加熱手段によって予備加熱された基板を光源から出射した光によってフラッシュ加熱するものである。
本発明においては、導光ロッドの入光面側端部を基板の径方向外側に湾曲させ、光源とリフレクタを基板の表面積より広い範囲にわたって配置するようにしたので、隣り合う導光ロッドの入光面どうしの間隔が広がり、導光ロッドの外径に制約されることなく大きな光源とリフレクタを用いることができる。これにより、加熱効率を向上させることができる。また、リフレクタが大きくければ、光源を焦点位置に配置することが容易になり、光の集光性を向上させることができる。
また、光源を多段状(立体的)に配置しているので、リフレクタどうしの相互干渉を防止できる。光源から出射した光は導光ロッド内に入射して基板に導かれるので散乱を抑制できる。
光源を多段状に配置すると、導光ロッドの長さが異なり光の吸収量が異なる。このため、基板上での光の照度分布の均一性が損なわれる。
本発明においては、導光ロッドの長さに応じて各光源の発光出力を調整するようにしているので、基板上の照度分布を略均一にすることができる。これにより、温度分布の均一性も向上する。
また、本発明においては、リフレクタの反射面が回転楕円面または回転半球面であるため、光源から出た光を焦点位置に集光することができる。
また、本発明においては、光源から出射した光を遮断、通過させるシャッタを備えているので、瞬間的に開いて光を通過させることにより基板のフラッシュ加熱を可能にする。また、アニール処理後に基板温度を降温させる際に光源からの輻射熱を遮断し、高速降温を行うことができる。
さらに、本発明においては、基板の予備加熱手段を備えているので、熱処理時に基板を所定の処理温度まで高速で昇温させることができる。
以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図1は本発明に係る熱処理装置の一実施の形態を示す概略構成図、図2は光源部の概略斜視図、図3は本発明の原理を説明するための図で、導光ロッド、光源およびリフレクタの一部を示す側断面図、図4は図3のA部の拡大図、図5は導光ロッドとペルチェモジュールの配列の一例を示す図、図6は導光ロッドとペルチェモジュールの配列の他の例を示す図、図7は導光ロッドとペルチェモジュールの配列のさらに他の例を示す図、図8は加熱冷却のシーケンスを示す図である。
本実施の形態においては、半導体デバイスであるトランジスタのチャンネル層に不純物原子をイオン注入した後に、原子構造を安定化させる目的でランプアニールを行う熱処理装置に適用した例を示す。このような熱処理装置は、シリコンウエハ(以下、基板という)の表面をイオン活性化に必要な所定の処理温度(例えば、1000℃〜1100℃程度)まできわめて短時間に昇温させ、処理後は同じく短時間に元の温度まで降温させる必要がある。その理由は、加熱処理時間が長くなると不純物原子が基板の奥深く拡散して裏面側に突き抜けてしまい不良品となるからである。
図1〜図4において、全体を符号1で示す熱処理装置1は、熱処理すべき基板2を収納するチャンバー3と、このチャンバー3の上方に配設されたランプハウジング4と、装置全体を制御するコントローラ5と、前記チャンバー3内に処理ガスを供給するガス供給源6と、チャンバー3内を排気する排気手段7等を備えている。
前記チャンバー3は、内部が基板2の処理室10を形成し、下部には基板2のサセプタ部11が設けられている。基板2としては、直径300mmのものが用意される。
前記処理室10は、配管12,13によって前記ガス供給源6と排気手段7に接続されており、基板2の熱処理時に排気手段7によって内部の空気が排気されると、ガス供給源6より供給される化学的反応性の低いガス(例えば、窒素ガス、アルゴンガス)に置換される。処理室10の上部には、前記ランプハウジング4内の後述する光源から出射した光を基板2に導くために開口部14が設けられており、この開口部14をプレート15によって気密に覆っている。プレート15としては、アルミニウムによって構成されている。
前記サセプタ部11には、前記基板2が載置される載置台20と、基板2を予備加熱する予備加熱手段21と、熱媒体流路22が設けられている。
前記予備加熱手段21は、ペルチェ効果を利用したペルチェモジュール24と、シートヒータ25とで構成されている。ペルチェモジュール24は、異種の導体や半導体を電極によって直列に接続し電流を流すと接点間でジュール熱以外に熱の発生や吸熱が生じる(このような効果をペルチェ効果という)ペルチェ素子26を複数個備えて構成されるもので、前記コントローラ5にリード線を介して電気的に接続されている。ペルチェ素子26としては、例えば400℃以上の高温下で使用に耐え得るBi2Te3(ビスマス・テルル)素子、PbTe(鉛・テルル)素子、SiGe(シリコン・ゲルマニウム)素子等を用いることができる。
前記シートヒータ25は、ペルチェモジュール24の下部に設けられており、同じく前記コントローラ5に電気的に接続されている。
前記熱媒体流路22は、前記予備加熱手段21の下部に設けられており、熱媒体として少なくとも冷媒(水、エチレングリコール、ガルデン等)が供給され、前記ペルチェ素子26の下面から温熱を奪ってこれを冷却するように構成されている。また、必要に応じて温媒が供給されることにより、ペルチェ素子26の下面から冷熱を奪ってこれを加熱するように構成されている。なお、熱媒体流路22は、熱媒体を送給する循環器27に接続されている。
前記ランプハウジング4の内部には、それぞれ複数個からなる光源30、導光ロッド31,リフレクタ32およびシャッタ33が支持枠34に組み付けられて配設されている。
前記光源30は、熱処理時に前記基板2を加熱するための加熱手段を構成するもので、波長が1.17μm以下の熱線を出力するランプ、例えば主として紫外線を出射する紫外線放電ランプや、主として可視光線を射出するハロゲンランプや、主として赤外線を射出する赤外線ランプ等を用いる。このような光源30は、基板2の直上ではあるが、一部の光源が基板2より径方向外側に位置するように広い領域(例えば、投影面積が1m2 )の範囲にわたって位置するように格子状に配列されている。また、これらの光源30は中央部から外側に向かって徐々に高さが低くなるように多段状(立体的)に配列されている。
光源30を多段状に配列するに際しては、単純に中央から外側に向かうにしたがって高さが段階的に低くなるように配列することが考えられるが、本発明においてはこれに限定されるものではなく、例えば図1に示すように中央の光源30Aを取り囲む2列目の複数の光源30Bを、その外側を取り囲む3列目の複数の光源30Cより低くして配列するものも含まれるものである。すなわち、隣り合う光源の高さが交互に高−低−高−低となるように配列してリフレクタどうしの干渉を防止するようにしてもよい。
さらに、複数の光源30のうち中央部に位置する光源30Aはその光の出射方向を真下に向けて配置されるが、外側に位置する光源30はその軸線を基板2の径方向外側に傾けて配置されている。
光源30としては、波長が1.17μm以下の熱線を出力するランプ、例えば主として紫外線を出射する紫外線放電ランプや、主として可視光線を射出するハロゲンランプや、主として赤外線を射出する赤外線ランプ等を用いる。
前記導光ロッド31は、各光源30から出射した光を基板2の表面にそれぞれ導き、光の散乱を抑制または防止するもので、断面形状が円形の石英からなり前記基板2と前記各光源30との間に配設されている。このため、導光ロッド31は光源30と同数用いられる。また、導光ロッド31は、光源30が多段状に配置されていることから、長さおよび側面形状が異なる複数種のロッドで構成され、格子状に配列されている。すなわち、中央に位置するロッド31Aは、上端部(入光面側端部)31bと下端部(出光面側端部)31aが略垂直になるように配置されており、それ以外のロッド31は下端部31aが同じく垂直で、上端部31bが基板2の径方向外側に向かって湾曲している。また、各導光ロッド31の上端部31bの湾曲される角度αは、対向する光源30の光軸の傾き角と同じ角度で、垂直な軸線に対して中心に近いロッドほど小さく、外側に向かうロッドほど大きい。そして、このような導光ロッド31は、下端部31aが前記プレート15を貫通して処理室10内に挿入され、図5に示すように基板2の直上とその周囲に密集して格子状に配列されている。なお、導光ロッド31の下端面(出光面)36は、光の散乱を低減し基板2上の照度分布の均一性を向上させるために、基板2の表面に可及的近接するように対向させている。
前記リフレクタ32は、光源30から出射した光をそれぞれ集光し導光ロッド31に導くためのもので、反射面が2つの焦点F1,F2を有する回転楕円面のリフレクタが用いられ、取付板38に光軸が光源30の光軸と一致するように同一の傾斜角度(α)をもって固定されている。リフレクタ32の内部には、光源30がそのフィラメント37を内側の焦点F1と一致するように組み込まれている。リフレクタ32の外側の焦点F2には、導光ロッド31の上面である入光面35が位置付けられる。
前記シャッタ33は、通常時は閉じており、基板2の熱処理時に開くことにより光源30から出射した光を通過させるもので、各光源30と導光ロッド31の入光面35との間にそれぞれ配設されており、エアシリンダ等を用いることにより熱処理時に全て同期して動作するように構成されている。
図5は、ペルチェ素子26と導光ロッド31の配列例を示す図である。図5においては、直径が300mmの基板2に対して25mm角からなる208個のペルチェ素子26を前記載置台20に、基板2の真下およびその周囲に位置するように略密接させて格子状に配置している。また、直径が50mmからなる50本の導光ロッド31の下端部31aを同じく基板2の直上とその周囲に密集させて格子状に配設している。このようにペルチェ素子26を密接させて配置すると、基板2と載置台20をより均一に加熱することができる。また、導光ロッド31の下端部31aも密集して配置されているので、光源30からの光を基板2の全面に略均一に導くことができる。なお、導光ロッド31は断面形状が円形のものに限らず、多角形のものであってもよい。また、導光ロッド31は、光ファイバなどの細いガラス繊維を複数組合わせたものでもよい。また、ペルチェ素子26は四角形に限らず円形や多角形のものであってもよい。
図6は、ペルチェ素子26と導光ロッド31の他の配列例を示す図である。図6においては、直径が300mmの基板2に対して25mm角からなる148個のペルチェ素子26を載置台20に、基板2の真下およびその周囲に位置するように略密接させて格子状に配置している。また、直径が25mmからなる148本の導光ロッド31の下端部31aを同じく基板2の直上とその周囲に密集させて格子状に配設している。このような配列構造においても基板2を全面にわたって略均一に加熱することができる。
図7は、ペルチェ素子26と導光ロッド31のさらに他の配列例を示す図である。図7においては、直径が300mmの基板2に対して25mm角からなる148個のペルチェ素子26を載置台20に、基板2の真下およびその周囲に位置するように略密接させて格子状に配置している。また、直径が50mmからなる24本の導光ロッド31Aと直径が25mmからなる52本の導光ロッド31Bの下端部31aを基板2の直上とその周囲に密集させて格子状に配設している。このような配列構造においても基板2の全面を均一に加熱することができる。
次に、このような構造からなる熱処理装置1による基板2の熱処理動作を図8に基づいて説明する。
先ず、チャンバー3の側壁に設けられたゲートバルブ40を開いて処理室10内の載置台20上に熱処理すべき基板2を載置する。その後、ゲートバルブ40を閉じ、チャンバー3を密閉する。次に、排気手段7によって処理室10内を真空排気してガス供給源6より供給される処理ガスに置換し、所定のプロセス圧力に維持する。
次に、ペルチェモジュール24の各ペルチェ素子26とシートヒータ25に通電して基板2を予備加熱する。予備加熱温度は、500〜600℃程度である。また、光源30を点灯しその熱線の温度を一定温度にする。予備加熱中は、シャッタ33は閉じている。予備加熱温度では、基板2に打ち込まれたイオンが拡散することはない。
基板2の温度は温度センサによって検出されており、この温度センサが所定の予備加熱温度になったことを検出すると、シリンダ等を駆動させることによりシャッタ33を開く。シャッタ33の開放時間はたかだか1sec〜10sec程度であり、これにより光源30から出射しリフレクタ32の反射面で反射した光はシャッタ33で遮られることなく閃光となり焦点F2に集光された後、導光ロッド31の入光面35からロッド31内に入射され、ロッドの内面で多重反射しながら進行し出光面36から出射することにより基板2の表面を照射し所定の処理温度(例えば、1000℃)まで瞬時に昇温させる。これにより、基板2のフラッシュランプアニールが行われる。フラッシュ加熱の場合は、連続して点灯する光源の光に比べて強い光を照射することができることから、短時間に昇温させることができる。また、基板2内のイオンの活性化はきわめて短時間に完了するため、イオンが拡散することはない。
基板2のアニール処理に際しては、光源30の通電を導光ロッド31の長さに対応させて制御する。すなわち、光源30を多段状に配置しているため、導光ロッド31は長さが基板2の径方向において異なる複数のグループに分けられている。このため、導光ロッド31の光の吸収量は長さによって異なり、長いロッドほど吸収量が多くなり光のエネルギーロスとなる。すなわち、基板2上での光の照度分布が導光ロッド31の長さによって異なり均一性が損なわれる。このため、光源30の供給電力を各グループの導光ロッド31毎に異ならせて光の発光出力を調整し、基板2上での光照度分布を均一にする。これにより、基板2全体の温度分布も均一になる。
さらに、光源30の発光出力を基板2の各部毎、例えば中央部分、中間部分および外側部分毎にグループ化し、各グループ毎に制御すると、基板2の全面を高い精度で均一に加熱することができる。
また、導光ロッド31は、曲げ角度が多くなると光の漏れが多くなるので、光の漏れが少なくなるように曲げ角度を調節し、さらに曲げ角度に応じて各光源30の供給電力を異ならせて光の発光出力を調整し、基板2に伝達する光量が均一になるようにコントロールすることが望ましい。
基板2のアニール処理が終了すると、基板2の温度を高速降温させるために、ペルチェ素子26に加熱時とは反対方向の電流を流してその上面を冷却する。これにより、載置台20が冷却されて基板2を急速に冷却する。ペルチェ素子26は上面側が冷却されると、下面側には温熱が発生して加熱されるので、熱媒体流路22に冷却水を供給してペルチェ素子26の下面を冷却する。この熱媒体流路22への冷却水の供給は、ペルチェ素子26の通電方向の切替えと略同時に行う。そして、基板2の温度を所定温度まで降温させると、チャンバー4を開いて処理室10内からアニール処理された基板2を取出し、熱処理を終了する。
このような熱処理装置1によれば、光源30とリフレクタ32を導光ロッド31の外径に制約されることなく大きなものを使用することができるため、加熱効率を向上させることができ、処理時間を短縮することができる。すなわち、導光ロッド31の上端部31bを基板2の径方向外側に向かって、中心部よりも外側のロッドほど傾斜角度が大きくなるように湾曲させることにより、光源30を基板2の表面積より広い範囲にわたって配置したので、隣り合うリフレクタ32間の間隔が広くなり、リフレクタ32どうしの相互干渉を防止することができる。このため、大きなリフレクタ32を用いることができ、またリフレクタ32が大きければ光源30も大きなものを用いることができる。この結果として、光源30の発光出力を大きくすることができ、基板2の加熱効率を向上させることができる。
また、リフレクタ32が大きくなれば、リフレクタ32内への光源30の組込みが容易となり、ガラス管がリフレクタ32の反射面に当たったりすることがなくなるので、フィラメント37を一方の焦点F1に位置付けることができ、光源30から出た光を他方の焦点F2に集光させることができる。これにより、光のエネルギー密度が高くなり、強い光を基板2に照射することができ、基板2の加熱効率を一層向上させることができる。
また、予備加熱手段21として複数個のペルチェ素子26を用いて基板2を予備加熱しているので、ペルチェ素子26を、基板2の各部毎、例えば中央部分、中間部分および外側部分毎にグループ化し、各グループ毎に温度制御すると、基板2の全面を高い精度で均一な温度に加熱することができる。
また、各光源30はシャッタ33を備えているので、予め光源30を点灯させておいてシャッタ33を開くと、きわめて短くて強いパルス状の光を基板2に瞬時に照射することができ、この点からも基板2の昇温速度を向上させることができる。
なお、上記した実施の形態においては、リフレクタ32として反射面が回転楕円面からなるリフレクタを用いた例を示しが、これに限らず反射面が回転半球面のリフレクタであってもよい。
また、被処理基板としては半導体ウエハに限らず、例えば液晶表示装置(LCD)用のガラス板等の他のものであってもよい。
本発明はイオンの活性化に用いられる熱処理装置に適用した例を示したが、これに特定されるものではなく成膜工程、パターンのエッチング処理工程等の各種工程に用いられる熱処理装置にも適用することができる。
本発明に係る熱処理装置の一実施の形態を示す概略構成図である。 光源部の概略斜視図である。 本発明の原理を説明するための図で、導光ロッド、光源およびリフレクタの一部を示す側断面図である。 図3のA部の拡大図である。 導光ロッドとペルチェモジュールの配列の一例を示す図である。 導光ロッドとペルチェモジュールの配列の他の例を示す図である。 導光ロッドとペルチェモジュールの配列のさらに他の例を示す図である。 加熱冷却のシーケンスを示す図である。
符号の説明
1…熱処理装置、2…基板、3…チャンバー、4ランプハウジング、20…載置台、21…予備加熱手段、24…ペルチェモジュール、25…シートヒータ、30…光源、31…導光ロッド、32…リフレクタ、33…シャッタ。

Claims (5)

  1. 処理室内に収納した基板に光を照射することにより基板を熱処理する熱処理装置において、
    前記処理室の上方に設けられた複数の光源と、これらの光源から出射した光を前記基板にそれぞれ導く複数の導光ロッドと、前記各光源から出射した光をそれぞれ集光し前記導光ロッドに導く複数のリフレクタとを備え、
    前記複数の光源と前記リフレクタを前記基板の径方向外側に広げかつ多段状に配置し、
    前記複数の導光ロッドのうち少なくとも一部の導光ロッドの入光面側端部を対応する光源と対向するように基板の径方向外側に向かって湾曲させたことを特徴とする熱処理装置。
  2. 前記導光ロッドを長さに応じて複数のグループに分け、各グループの導光ロッド毎に基板上に導かれる光の強度が等しくなるように各光源の発光出力を調整することを特徴とする請求項1記載の熱処理装置。
  3. 前記リフレクタの反射面を回転楕円面または回転半球面としたことを特徴とする請求項1または2記載の熱処理装置。
  4. 前記各光源から出射した光をそれぞれ遮断、通過させるシャッタをさらに備えたことを特徴とする請求項1,2,3のうちのいずれか1つに記載の熱処理装置。
  5. 前記基板を予備加熱する予備加熱手段をさらに備え、この予備加熱手段によって予備加熱された基板を光源から出射した光によってフラッシュ加熱することを特徴とする請求項1〜4のうちのいずれか1つに記載の熱処理装置。
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