JP2008028084A - 熱処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フラッシュランプからの閃光照射時の基板の面内温度分布を均一にしつつ割れを防止することができる熱処理装置を提供する。
【解決手段】フラッシュランプ６９から閃光照射を行うときに半導体ウェハーＷを保持して予備加熱する保持部７は、ホットプレート７１の上に平板形状の石英のサセプタ７２を載置して構成される。サセプタ７２の上面には３本の支持ピン７２５が設けられている。３本の支持ピン７２５は半導体ウェハーＷの半径の中心よりもウェハー端縁部側にて半導体ウェハーＷを支持しており、ウェハー中心部近傍領域は全く拘束されていないため、閃光照射時に半導体ウェハーＷが割れるのを防止することができる。また、支持ピン７２５によって平板形状のサセプタ７２の上方に所定の間隔を隔てて半導体ウェハーＷを支持して予備加熱を行うと、半導体ウェハーＷの面内温度分布を均一にすることができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、半導体ウェハーやガラス基板等（以下、単に「基板」と称する）に閃光を照射することにより該基板を加熱する熱処理装置に関する。

従来より、イオン注入後の半導体ウェハーのイオン活性化工程においては、ハロゲンランプを使用したランプアニール装置が一般的に使用されていた。このようなランプアニール装置においては、半導体ウェハーを、例えば、１０００℃ないし１１００℃程度の温度に加熱（アニール）することにより、半導体ウェハーのイオン活性化を実行している。そして、このような熱処理装置においては、ハロゲンランプより照射される光のエネルギーを利用することにより、毎秒数百度程度の速度で基板を昇温する構成となっている。

一方、近年、半導体デバイスの高集積化が進展し、ゲート長が短くなるにつれて接合深さも浅くすることが望まれている。しかしながら、毎秒数百度程度の速度で半導体ウェハーを昇温する上記ランプアニール装置を使用して半導体ウェハーのイオン活性化を実行した場合においても、半導体ウェハーに打ち込まれたボロンやリン等のイオンが熱によって深く拡散するという現象が生ずることが判明した。このような現象が発生した場合においては、接合深さが要求よりも深くなり過ぎ、良好なデバイス形成に支障が生じることが懸念される。

このため、キセノンフラッシュランプ等を使用して半導体ウェハーの表面に閃光を照射することにより、イオンが注入された半導体ウェハーの表面のみを極めて短時間（数ミリセカンド以下）に昇温させる技術が提案されている。キセノンフラッシュランプの放射分光分布は紫外域から近赤外域であり、従来のハロゲンランプよりも波長が短く、シリコンの半導体ウェハーの基礎吸収帯とほぼ一致している。よって、キセノンフラッシュランプから半導体ウェハーに閃光を照射したときには、透過光が少なく半導体ウェハーを急速に昇温することが可能である。また、数ミリセカンド以下の極めて短時間の閃光照射であれば、半導体ウェハーの表面近傍のみを選択的に昇温できることも判明している。このため、キセノンフラッシュランプによる極短時間の昇温であれば、イオンを深く拡散させることなく、イオン活性化のみを実行することができるのである。

キセノンフラッシュランプを使用した熱処理装置においては、極めて高いエネルギーを有する光を瞬間的に半導体ウェハーに照射するため、一瞬で半導体ウェハーの表面温度が急速に上昇し、ウェハー表面に急激な熱膨張が生じて半導体ウェハーが高い確率で割れていた。このようなキセノンフラッシュランプを使用した熱処理特有の割れを解決するために、例えば特許文献１，２には半導体ウェハーを保持するサセプタのウェハポケットの周縁部にテーパを形成する技術が開示されている。

また、このようなキセノンフラッシュランプを使用した熱処理装置において、複数のキセノンフラッシュランプを列設した領域は、半導体ウェハーの面積よりもかなり大きいのであるが、それにもかかわらず半導体ウェハーの周縁部における照度はそれよりも内側部における照度と比較すると多少低下することとなっていた。特に、φ３００ｍｍの大径基板では、ウェハー周縁部における照度低下の程度が大きく、面内照度分布は良くなかった。

このような問題を解決するため、キセノンフラッシュランプと半導体ウェハーとの間に設置されたディフューザのうち半導体ウェハーの周縁部を除く部分（内側部分）の上方の領域に擦りガラス状の幾何学模様を形成し、当該領域の光透過率を低下させて、フラッシュ加熱時の半導体ウェハーの内側部分の照度を低下させ、その結果均一な面内照度分布を得る熱処理装置が特許文献３に開示されている。

特開２００４−１７９５１０号公報 特開２００４−２４７３３９号公報 特開２００４−１４０３１８号公報

特許文献１，２に開示されているような技術を用いることによって、キセノンフラッシュランプを使用した場合における半導体ウェハーの割れをある程度は防止できるようになったものの、半導体ウェハーの種類や熱処理条件（予備加熱温度、照射エネルギー）によっては依然として相当な頻度で割れが生じていた。

また、特許文献３に開示されているような処理、すなわち、擦りガラス処理によってある一定値に透過率を正確に調整することは非常に難しく、その結果ディフューザ間の透過率にバラツキが生じやすくなり、装置間で面内照度分布に不均一が生じるという問題が懸念される。さらには、キセノンフラッシュランプを使用した熱処理装置では、一瞬の閃光照射のみでは半導体ウェハーを目標温度にまで昇温できないこともあるため、通常、閃光照射前に予め２００℃ないし６００℃程度に半導体ウェハーを予備加熱しており、閃光照射時の照度分布のみを均一にしても半導体ウェハーの面内温度分布を均一に出来ないこともあった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、フラッシュランプからの閃光照射時の基板の面内温度分布を均一にしつつ割れを防止することができる熱処理装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、基板に対して閃光を照射することによって該基板を加熱する熱処理装置において、基板に閃光を照射するフラッシュランプと、基板を収容するチャンバーと、前記チャンバー内にて基板を保持して加熱するホットプレートと、基板を前記ホットプレートの上方に近接させて点接触にて支持する複数の支持ピンと、を備える。

また、請求項２の発明は、請求項１の発明に係る熱処理装置において、前記ホットプレートの上面に載置された石英の平板形状のサセプタをさらに備え、前記複数の支持ピンに基板を前記サセプタの上方に所定の距離を隔てて支持させている。

また、請求項３の発明は、請求項２の発明に係る熱処理装置において、前記複数の支持ピンに、前記サセプタの上面から０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下隔てて基板を支持させている。

また、請求項４の発明は、請求項１から請求項３のいずれかの発明に係る熱処理装置において、前記複数の支持ピンに支持される基板を円板形状とし、前記複数の支持ピンのそれぞれに基板の半径の中心よりも端縁部側にて基板を支持させている。

また、請求項５の発明は、請求項１から請求項４のいずれかの発明に係る熱処理装置において、前記複数の支持ピンのそれぞれの上端部を直径０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下の円筒形状としている。

また、請求項６の発明は、請求項１から請求項５のいずれかの発明に係る熱処理装置において、前記チャンバーの上部に設けられ、前記フラッシュランプから出射された閃光を前記チャンバー内に導く透光窓と、前記透光窓上に載置された石英板と、を備え、前記石英板の中心が前記複数の支持ピンに支持された基板の中心の鉛直方向直上に位置するように前記石英板を前記透光窓上に載置している。

請求項１の発明によれば、基板を複数の支持ピンにてホットプレートの上方に近接させて点接触にて支持するため、基板とホットプレートとの間に気体の断熱層が形成されることとなり、フラッシュランプからの閃光照射時の基板の面内温度分布を均一にしつつ割れを防止することができる。

また、請求項２の発明によれば、基板を複数の支持ピンにてサセプタの上方に所定の距離を隔てて支持するため、基板とサセプタとの間に気体の断熱層が形成されることとなり、フラッシュランプからの閃光照射時の基板の面内温度分布を均一にしつつ割れを防止することができる。

また、請求項３の発明によれば、基板を複数の支持ピンにてサセプタの上面から０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下隔てて支持するため、基板の加熱効率を低下させることなく基板とサセプタとの接触を防止することができる。

また、請求項４の発明によれば、複数の支持ピンのそれぞれにて基板の半径の中心よりも端縁部側にて基板を支持しているため、基板の中心部近傍領域は全く拘束されておらず、閃光照射時の基板の割れをより確実に防止することができる。

また、請求項５の発明によれば、複数の支持ピンのそれぞれの上端部が直径０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下の円筒形状であるため、基板を点接触にて支持することができる。

また、請求項６の発明によれば、石英板の中心が複数の支持ピンに支持された基板の中心の鉛直方向直上に位置するように石英板を透光窓上に載置しているため、石英板の表面および底面での反射によって基板の内側部分に到達する光量が低下し、その結果として基板上の照度分布の面内均一性を向上して閃光照射時の基板の面内温度分布を均一にすることができる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。

まず、本発明に係る熱処理装置の全体構成について概説する。図１は、本発明に係る熱処理装置１の構成を示す側断面図である。熱処理装置１は基板として円板形状の半導体ウェハーＷに閃光を照射してその半導体ウェハーＷを加熱するフラッシュランプアニール装置である。

熱処理装置１は、半導体ウェハーＷを収容する略円筒形状のチャンバー６を備える。チャンバー６は、略円筒状の内壁を有するチャンバー側部６３、および、チャンバー側部６３の下部を覆うチャンバー底部６２によって構成される。また、チャンバー側部６３およびチャンバー底部６２によって囲まれる空間が熱処理空間６５として規定される。熱処理空間６５の上方は上部開口６０とされている。

また、熱処理装置１は、上部開口６０に装着されて上部開口６０を閉塞する閉塞部材である透光板６１、チャンバー６の内部において半導体ウェハーＷを保持しつつ予備加熱を行う略円板状の保持部７、保持部７をチャンバー６の底面であるチャンバー底部６２に対して昇降させる保持部昇降機構４、保持部７に保持される半導体ウェハーＷに透光板６１を介して光を照射することにより半導体ウェハーＷを加熱する光照射部５、および、これらの構成を制御して熱処理を行う制御部３を備える。

チャンバー６は、光照射部５の下方に設けられている。チャンバー６の上部に設けられた透光板６１は、例えば、石英等により形成された円板形状部材であり、光照射部５から出射された光を透過して熱処理空間６５に導くチャンバー窓として機能する。チャンバー６の本体を構成するチャンバー底部６２およびチャンバー側部６３は、例えば、ステンレススチール等の強度と耐熱性に優れた金属材料にて形成されており、チャンバー側部６３の内側面の上部のリング６３１は、光照射による劣化に対してステンレススチールより優れた耐久性を有するアルミニウム（Ａｌ）合金等で形成されている。

また、熱処理空間６５の気密性を維持するために、透光板６１とチャンバー側部６３とはＯリングによってシールされている。すなわち、透光板６１の下面周縁部とチャンバー側部６３との間にＯリングを挟み込むとともに、クランプリング９０を透光板６１の上面周縁部に当接させ、そのクランプリング９０をチャンバー側部６３にネジ止めすることによって、透光板６１をＯリングに押し付けている。

チャンバー底部６２には、保持部７を貫通して半導体ウェハーＷをその下面（光照射部５からの光が照射される側とは反対側の面）から支持するための複数（本実施の形態では３本）の保持ピン７０が立設されている。保持ピン７０は、例えば石英により形成されており、チャンバー６の外部から固定されているため、容易に取り替えることができる。

チャンバー側部６３は、半導体ウェハーＷの搬入および搬出を行うための搬送開口部６６を有し、搬送開口部６６は、軸６６２を中心に回動するゲートバルブ１８５により開閉可能とされる。チャンバー側部６３における搬送開口部６６とは反対側の部位には熱処理空間６５に処理ガス（例えば、窒素（Ｎ₂）ガスやヘリウム（Ｈｅ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス等の不活性ガス、あるいは、酸素（Ｏ₂）ガス等）を導入する導入路８１が形成され、その一端は弁８２を介して図示省略の給気機構に接続され、他端はチャンバー側部６３の内部に形成されるガス導入バッファ８３に接続される。また、搬送開口部６６には熱処理空間６５内の気体を排出する排出路８６が形成され、弁８７を介して図示省略の排気機構に接続される。

図２は、チャンバー６をガス導入バッファ８３の位置にて水平面で切断した断面図である。図２に示すように、ガス導入バッファ８３は、図１に示す搬送開口部６６の反対側においてチャンバー側部６３の内周の約１／３に亘って形成されており、導入路８１を介してガス導入バッファ８３に導かれた処理ガスは、複数のガス供給孔８４から熱処理空間６５内へと供給される。

図１に示す保持部昇降機構４は、略円筒状のシャフト４１、移動板４２、ガイド部材４３（本実施の形態ではシャフト４１の周りに３本配置される）、固定板４４、ボールネジ４５、ナット４６およびモータ４０を有する。チャンバー６の下部であるチャンバー底部６２には保持部７よりも小さい直径を有する略円形の下部開口６４が形成されており、ステンレススチール製のシャフト４１は、下部開口６４を挿通して、保持部７（厳密には保持部７のホットプレート７１）の下面に接続されて保持部７を支持する。

移動板４２にはボールネジ４５と螺合するナット４６が固定されている。また、移動板４２は、チャンバー底部６２に固定されて下方へと伸びるガイド部材４３により摺動自在に案内されて上下方向に移動可能とされる。また、移動板４２は、シャフト４１を介して保持部７に連結される。

モータ４０は、ガイド部材４３の下端部に取り付けられる固定板４４に設置され、タイミングベルト４０１を介してボールネジ４５に接続される。保持部昇降機構４により保持部７が昇降する際には、駆動部であるモータ４０が制御部３の制御によりボールネジ４５を回転し、ナット４６が固定された移動板４２がガイド部材４３に沿って鉛直方向に移動する。この結果、移動板４２に固定されたシャフト４１が鉛直方向に沿って移動し、シャフト４１に接続された保持部７が図１に示す半導体ウェハーＷの受渡位置と図６に示す半導体ウェハーＷの処理位置との間で滑らかに昇降する。

移動板４２の上面には略半円筒状（円筒を長手方向に沿って半分に切断した形状）のメカストッパ４５１がボールネジ４５に沿うように立設されており、仮に何らかの異常により移動板４２が所定の上昇限界を超えて上昇しようとしても、メカストッパ４５１の上端がボールネジ４５の端部に設けられた端板４５２に突き当たることによって移動板４２の異常上昇が防止される。これにより、保持部７が透光板６１の下方の所定位置以上に上昇することはなく、保持部７と透光板６１との衝突が防止される。

また、保持部昇降機構４は、チャンバー６の内部のメンテナンスを行う際に保持部７を手動にて昇降させる手動昇降部４９を有する。手動昇降部４９はハンドル４９１および回転軸４９２を有し、ハンドル４９１を介して回転軸４９２を回転することより、タイミングベルト４９５を介して回転軸４９２に接続されるボールネジ４５を回転して保持部７の昇降を行うことができる。

チャンバー底部６２の下側には、シャフト４１の周囲を囲み下方へと伸びる伸縮自在のベローズ４７が設けられ、その上端はチャンバー底部６２の下面に接続される。一方、ベローズ４７の下端はベローズ下端板４７１に取り付けられている。べローズ下端板４７１は、鍔状部材４１１によってシャフト４１にネジ止めされて取り付けられている。保持部昇降機構４により保持部７がチャンバー底部６２に対して上昇する際にはベローズ４７が収縮され、下降する際にはべローズ４７が伸張される。そして、保持部７が昇降する際にも、ベローズ４７が伸縮することによって熱処理空間６５内の気密状態が維持される。

図３は、保持部７の構成を示す側断面図である。保持部７は、半導体ウェハーＷを保持して予備加熱（いわゆるアシスト加熱）するホットプレート（加熱プレート）７１、および、ホットプレート７１の上面（保持部７が半導体ウェハーＷを保持する側の面）に載置されるサセプタ７２を有する。保持部７の下面には、既述のように保持部７を昇降するシャフト４１が接続される。

ホットプレート７１は、ステンレススチール製の上部プレート７３および下部プレート７４にて構成される。上部プレート７３と下部プレート７４との間には、ホットプレート７１を加熱するニクロム線等の抵抗加熱線が配設され、導電性のニッケル（Ｎｉ）ロウが充填されて封止されている。また、上部プレート７３および下部プレート７４の端部はロウ付けにより接着されている。

図５は、ホットプレート７１を示す平面図である。図５に示すように、ホットプレート７１は、保持される半導体ウェハーＷと対向する領域の中央部に同心円状に配置される円板状のゾーン７１１および円環状のゾーン７１２、並びに、ゾーン７１２の周囲の略円環状の領域を周方向に４等分割した４つのゾーン７１３〜７１６を備え、各ゾーン間には若干の間隙が形成されている。また、ホットプレート７１には、保持ピン７０が挿通される３つの貫通孔７７が、ゾーン７１１とゾーン７１２との隙間の周上に１２０°毎に設けられる。

６つのゾーン７１１〜７１６のそれぞれには、相互に独立した抵抗加熱線が周回するように配設されてヒータが形成されており、各ゾーンに内蔵されたヒータにより各ゾーンが個別に加熱される。保持部７に保持された半導体ウェハーＷは、６つのゾーン７１１〜７１６に内蔵されたヒータにより加熱される。また、ゾーン７１１〜７１６のそれぞれには、熱電対を用いて各ゾーンの温度を計測するセンサ７１０が設けられている。各センサ７１０は略円筒状のシャフト４１の内部を通り制御部３に接続される。

ホットプレート７１が加熱される際には、センサ７１０により計測される６つのゾーン７１１〜７１６のそれぞれの温度が予め設定された所定の温度になるように、各ゾーンに配設された抵抗加熱線への電力供給量が制御部３により制御される。制御部３による各ゾーンの温度制御はＰＩＤ(Proportional,Integral,Derivative)制御により行われる。ホットプレート７１では、半導体ウェハーＷの熱処理（複数の半導体ウェハーＷを連続的に処理する場合は、全ての半導体ウェハーＷの熱処理）が終了するまでゾーン７１１〜７１６のそれぞれの温度が継続的に計測され、各ゾーンに配設された抵抗加熱線への電力供給量が個別に制御されて、すなわち、各ゾーンに内蔵されたヒータの温度が個別に制御されて各ゾーンの温度が設定温度に維持される。なお、各ゾーンの設定温度は、基準となる温度から個別に設定されたオフセット値だけ変更することが可能とされる。

６つのゾーン７１１〜７１６にそれぞれ配設される抵抗加熱線は、シャフト４１の内部を通る電力線を介して電力供給源（図示省略）に接続されている。電力供給源から各ゾーンに至る経路途中において、電力供給源からの電力線は、マグネシア（マグネシウム酸化物）等の絶縁体を充填したステンレスチューブの内部に互いに電気的に絶縁状態となるように配置される。なお、シャフト４１の内部は大気開放されている。

サセプタ７２は、その下面をホットプレート７１の上面に面接触させてホットプレート７１の上面に載置される。図４は、サセプタ７２の外観斜視図である。サセプタ７２は石英（あるいは、窒化アルミニウム（ＡＩＮ）等であってもよい）により形成された平板形状の円板である。サセプタ７２の表面平坦度は平均表面粗さ（Ｒａ）が０．１ｍｍ以下である。サセプタ７２には、保持ピン７０が挿通される３つの貫通孔７２０が、上述したホットプレート７２のゾーン７１１とゾーン７１２との間の隙間に対向する周上に沿って１２０°毎に穿設されている。サセプタ７２をホットプレート７１上に設置したときに、これら３つの貫通孔７２０のそれぞれが上記貫通孔７７と連通して保持ピン７０が通過可能な１つの貫通孔を形成することは勿論である。

また、サセプタ７２には、３つの貫通孔７２０と同一円周上に沿って１２０°毎に貫通孔７２０と交互に３つの嵌合孔も穿設されている。これら３つの嵌合孔のそれぞれには支持ピン７２５が嵌合される。３本の支持ピン７２５のそれぞれは、熱伝導率が比較的低い石英にて形成されており、円筒形状のピン上部７２５ａとそれよりも大径の円筒形状のピン下部７２５ｂとを２段に接続して構成されている（図３）。ホットプレート７１上面に載置したサセプタ７２の嵌合孔に支持ピン７２５を嵌めると、ピン下部７２５ｂがほぼ完全に当該嵌合孔に嵌合してその底部がホットプレート７１の上面に接触する。そして、ピン上部７２５ａがサセプタ７２の上面から突出することとなる。

ピン上部７２５ａの上端高さ位置からサセプタ７２の上面までの距離は０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下（本実施形態では１ｍｍ）である。半導体ウェハーＷにも数１０μｍ〜数１００μｍ程度のうねりや反りが存在しており、またサセプタ７２の表面にも上述の如き平均表面粗さが０．１ｍｍ以下の範囲で凹凸があるため、支持する半導体ウェハーＷとサセプタ７２との接触を確実に防止するためには上記の距離を０．５ｍｍ以上とするのが好ましい。また、支持する半導体ウェハーＷとサセプタ７２との距離が大きくなりすぎると予備加熱の効率が低下するため、上記の距離は２ｍｍ以下としている。また、ピン上部７２５ａの円筒の直径は０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下としている。

さらに、サセプタ７２の上面には半導体ウェハーＷの位置ずれを防止する位置ずれ防止ピン７５が立設されている（図３および図４では位置ずれ防止ピン７５を省略している）。位置ずれ防止ピン７５は、支持ピン７２５よりもウェハー外周側に設けられており、その高さは支持ピン７２５よりも高い。

保持ピン７０に半導体ウェハーＷを保持した状態にて保持部７が上昇すると、半導体ウェハーＷの裏面に支持ピン７２５が当接し、保持ピン７０から保持部７の支持ピン７２５に半導体ウェハーＷが渡される。このときに、ピン上部７２５ａの直径は０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下であり、保持部７に渡された半導体ウェハーＷは３本の支持ピン７２５によって点接触にて支持される。また、ピン上部７２５ａの上端高さ位置からサセプタ７２の上面までの距離が０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下であるため、３本の支持ピン７２５はサセプタ７２の上面から０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下隔てて半導体ウェハーＷを支持することとなる。

さらに、３本の支持ピン７２５のそれぞれは半導体ウェハーＷの半径の中心よりもウェハー端縁部側にて半導体ウェハーＷを支持する。すなわち、半導体ウェハーＷがφ３００ｍｍであると、半導体ウェハーＷの中心より１５０ｍｍ以上離れた位置にて３本の支持ピン７２５は半導体ウェハーＷを支持する。

図１に示す光照射部５は、複数（本実施の形態においては３０本）のキセノンフラッシュランプ（以下、単に「フラッシュランプ」という）６９およびリフレクタ５２を有する光源である。複数のフラッシュランプ６９は、それぞれが長尺の円筒形状を有する棒状ランプであり、それぞれの長手方向が保持部７に保持される半導体ウェハーＷの主面に沿って互いに平行となるように平面状に配列されている。リフレクタ５２は、複数のフラッシュランプ６９の上方にそれら全体を覆うように設けられ、その表面はブラスト処理により粗面化加工が施されて梨地模様を呈する。また、光拡散板５３（ディフューザ）は、表面に光拡散加工を施した石英ガラスにより形成され、透光板６１との間に所定の間隙を設けて光照射部５の下面側に設置される。熱処理装置１には、メンテナンス時に光照射部５をチャンバー６に対して相対的に上昇させて水平方向にスライド移動させる照射部移動機構５５がさらに設けられる。

キセノンフラッシュランプ６９は、その内部にキセノンガスが封入されその両端部にコンデンサーに接続された陽極および陰極が配設されたガラス管と、該ガラス管の外周面上に巻回されたトリガー電極とを備える。キセノンガスは電気的には絶縁体であることから、通常の状態ではガラス管内に電気は流れない。しかしながら、トリガー電極に高電圧を印加して絶縁を破壊した場合には、コンデンサーに蓄えられた電気がガラス管内に瞬時に流れ、そのときのジュール熱でキセノンガスが加熱されて光が放出される。このキセノンフラッシュランプ６９においては、予め蓄えられていた静電エネルギーが０．１ミリセカンドないし１０ミリセカンドという極めて短い光パルスに変換されることから、連続点灯の光源に比べて極めて強い光を照射し得るという特徴を有する。

また、本実施形態の熱処理装置１においては、光照射部５と保持部７に保持された半導体ウェハーＷとを仕切る透光板６１の上に１枚の照度調整板１０を載置している。照度調整板１０は、金属やアルカリイオンの含有量が極めて少ない高純度の半導体用途の石英板である。照度調整板１０の形状は円板形状であって、その径は処理対象となる半導体ウェハーＷの直径よりも小さい。また、本実施形態の照度調整板１０の厚さは０．７ｍｍ〜１．２ｍｍであり、その平面度は０．４ｍｍ以下である。このような照度調整板１０の中心が保持部７に保持された半導体ウェハーＷの中心の鉛直方向直上に位置するように、照度調整板１０を透光板６１の上に載置する。なお、照度調整板１０の位置がずれないように、例えば照度調整板１０の底面に穴を形成するとともに透光板６１の上面にピンを形成し、そのピンを照度調整板１０の穴に嵌合させるようにしても良い。

キセノンフラッシュランプ６９の放射光分布は概ね紫外線域から近赤外線域までの範囲である。高純度の石英板であればこの波長域の光をほとんど吸収しない。従って、フラッシュランプ６９から出射されて照度調整板１０に入射した光が照度調整板１０によって吸収されることはない。このため、フラッシュランプ６９から強大なエネルギーの閃光が照射されたとしても、照度調整板１０はその閃光をほとんど吸収しないため、照度調整板１０の温度上昇およびそれに起因した割れを抑制することができる。

また、フラッシュランプ６９から出射されて照度調整板１０に入射した光の一部は照度調整板１０の表面および底面で反射され、残りが照度調整板１０の底面から出射、つまり照度調整板１０を透過することとなる。高純度の石英板で構成される照度調整板１０の透過率（フラッシュランプ６９からの放射光に対する透過率）は９３％〜９５％である。なお、上述のように、照度調整板１０はフラッシュランプ６９の放射光をほとんど吸収しないため、照度調整板１０内部で吸収される光量は反射光および透過光と比較すると無視できる程度に小さい。よって、上記の透過率は照度調整板１０の厚さに依存しない。

なお、本実施形態の熱処理装置１は、半導体ウェハーＷの熱処理時にフラッシュランプ６９およびホットプレート７１から発生する熱エネルギーによるチャンバー６および光照射部５の過剰な温度上昇を防止するため、様々な冷却用の構造（図示省略）を備えている。例えば、チャンバー６のチャンバー側部６３およびチャンバー底部６２には水冷管が設けられており、光照射部５は内部に気体を供給する供給管とサイレンサ付きの排気管が設けられて空冷構造とされている。また、透光板６１と光照射部５（の光拡散板５３）との間隙には圧縮空気が供給され、光照射部５および透光板６１を冷却するとともに、間隙に存在する有機物等を排除して熱処理時における光拡散板５３および透光板６１への付着を抑制する。

次に、熱処理装置１における半導体ウェハーＷの処理手順について簡単に説明する。ここで処理対象となる半導体ウェハーＷはイオン注入法により不純物が添加された半導体基板であり、添加された不純物の活性化が熱処理装置１による熱処理により行われる。

まず、保持部７が図１に示すようにチャンバー底部６２に近接した位置に配置される。以下、図１における保持部７のチャンバー６内における位置を「受渡位置」という。保持部７が受渡位置にあるとき、保持ピン７０の先端は、保持部７を貫通して保持部７の上方（厳密には支持ピン７２５の上端部よりも上方）に突出する。

次に、弁８２および弁８７が開かれてチャンバー６の熱処理空間６５内に常温の窒素ガスが導入される。続いて、搬送開口部６６が開放され、装置外部の搬送ロボットにより搬送開口部６６を介してイオン注入後の半導体ウェハーＷがチャンバー６内に搬入され、複数の保持ピン７０上に載置される。

半導体ウェハーＷの搬入時におけるチャンバー６への窒素ガスのパージ量は約４０リットル／分とされ、供給された窒素ガスはチャンバー６内においてガス導入チャンネル８３から図２中に示す矢印ＡＲ４の方向へと流れ、図１に示す排出路８６および弁８７を介してユーティリティ排気により排気される。また、チャンバー６に供給された窒素ガスの一部は、べローズ４７の内側に設けられる排出口（図示省略）からも排出される。なお、以下で説明する各ステップにおいて、チャンバー６には常に窒素ガスが供給および排気され続けており、窒素ガスのパージ量は半導体ウェハーＷの処理工程に合わせて様々に変更される。

半導体ウェハーＷがチャンバー６内に搬入されると、ゲートバルブ１８５により搬送開口部６６が閉鎖される。そして、図６に示す如く、保持部昇降機構４により保持部７が透光板６１に近接した位置（以下、「処理位置」という）まで上昇される。このとき、半導体ウェハーＷは保持ピン７０から保持部７へと渡され、３本の支持ピン７２５によってサセプタ７２の上方に所定の間隔（本実施形態では１ｍｍ）を隔てて支持される。

ホットプレート７１の６つのゾーン７１１〜７１６のそれぞれは、各ゾーンの内部（上部プレート７３と下部プレート７４との間）に個別に配設された抵抗加熱線により所定の温度まで加熱されている。保持部７が処理位置まで上昇して半導体ウェハーＷが３本の支持ピン７２５で点接触支持されてホットプレート７１の上方に近接保持されることにより、その半導体ウェハーＷは予備加熱されて温度が次第に上昇する。

この処理位置にて所定時間の予備加熱が行われ、半導体ウェハーＷの温度が予め設定された予備加熱温度Ｔ１まで上昇する。予備加熱温度Ｔ１は、半導体ウェハーＷに添加された不純物が熱により拡散する恐れのない、２００℃ないし６００℃程度、好ましくは３５０℃ないし５５０℃程度とされる。また、保持部７と透光板６１との間の距離は、保持部昇降機構４のモータ４０の回転量を制御することにより任意に調整することが可能とされている。

所定時間の予備加熱時間が経過した後、保持部７が処理位置に位置したまま制御部３の制御により光照射部５から半導体ウェハーＷへ向けてフラッシュ光が照射される。このとき、光照射部５のフラッシュランプ６９から放射される光の一部は直接にチャンバー６内へと向かい、他の一部は一旦リフレクタ５２により反射されてからチャンバー６内へと向かい、これらの閃光照射により半導体ウェハーＷのフラッシュ加熱が行われる。フラッシュ加熱は、フラッシュランプ６９からの閃光照射により行われるため、半導体ウェハーＷの表面温度を短時間で上昇することができる。

すなわち、光照射部５のフラッシュランプ６９から照射される光は、予め蓄えられていた静電エネルギーが極めて短い光パルスに変換された、照射時間が０．１ミリ秒ないし１０ミリ秒程度の極めて短く強い閃光である。そして、フラッシュランプ６９からの閃光照射によりフラッシュ加熱される半導体ウェハーＷの表面温度は、瞬間的に１０００℃ないし１１００℃程度の処理温度Ｔ２まで上昇し、半導体ウェハーＷに添加された不純物が活性化された後、表面温度が急速に下降する。このように、熱処理装置１では、半導体ウェハーＷの表面温度を極めて短時間で昇降することができるため、半導体ウェハーＷに添加された不純物の熱による拡散（この拡散現象を、半導体ウェハーＷ中の不純物のプロファイルがなまる、ともいう）を抑制しつつ不純物の活性化を行うことができる。なお、添加不純物の活性化に必要な時間はその熱拡散に必要な時間に比較して極めて短いため、０．１ミリセカンドないし１０ミリセカンド程度の拡散が生じない短時間であっても活性化は完了する。

また、フラッシュ加熱の前に保持部７により半導体ウェハーＷを予備加熱しておくことにより、フラッシュランプ６９からの閃光照射によって半導体ウェハーＷの表面温度を処理温度Ｔ２まで速やかに上昇させることができる。

フラッシュ加熱が終了し、処理位置における約１０秒間の待機の後、保持部７が保持部昇降機構４により再び図１に示す受渡位置まで下降し、半導体ウェハーＷが保持部７から保持ピン７０へと渡される。続いて、ゲートバルブ１８５により閉鎖されていた搬送開口部６６が開放され、保持ピン７０上に載置された半導体ウェハーＷは装置外部の搬送ロボットにより搬出され、熱処理装置１における半導体ウェハーＷのフラッシュ加熱処理が完了する。

既述のように、熱処理装置１における半導体ウェハーＷの熱処理時には窒素ガスがチャンバー６に継続的に供給されており、そのパージ量は、保持部７が処理位置に位置するときには約３０リットル／分とされ、保持部７が処理位置以外の位置に位置するときには約４０リットル／分とされる。

ところで、本実施形態では、フラッシュランプ６９から閃光照射を行うときに、保持部７の３本の支持ピン７２５によって処理対象の半導体ウェハーＷを支持している。そして、３本の支持ピン７２５は半導体ウェハーＷの半径の中心よりもウェハー端縁部側にて半導体ウェハーＷを支持している。半導体ウェハーＷに拘束力を与える部材は３本の支持ピン７２５のみであり、半導体ウェハーＷの中心部近傍領域においては如何なる拘束をも受けていない。

フラッシュランプ６９からの閃光照射によりフラッシュ加熱される半導体ウェハーＷの表面温度は瞬間的に１０００℃ないし１１００℃程度の処理温度Ｔ２まで上昇する一方、その瞬間の裏面温度は３５０℃ないし５５０℃程度の予備加熱温度Ｔ１からさほどには上昇しない。このため、ウェハー表面側のみに急激な熱膨張が生じ、半導体ウェハーＷが上面を凸面とするように反る。次に瞬間には、半導体ウェハーＷの表面温度が急速に下降する一方、表面から裏面への熱伝導により裏面温度も若干上昇する。その結果、閃光照射の瞬間に生じた半導体ウェハーＷの上面を凸面とした反りが戻り、さらにその反動で下面を凸面とするような反りが生じる。

このときに、本実施形態のように、３本の支持ピン７２５によって半導体ウェハーＷの半径の中心よりもウェハー端縁部側にて半導体ウェハーＷを支持していると、ウェハー中心部近傍領域は全く拘束されていないため、閃光照射直後に半導体ウェハーＷが下面を凸面として反ったとしても当該下面がサセプタ７２の表面に衝突しない、或いは衝突したとしても衝撃が小さいため、ウェハー割れの頻度が著しく低減する。

このようなウェハー割れ防止効果を得るためには、３本の支持ピン７２５がなるべく半導体ウェハーＷの端縁部側を支持して中心部近傍の広い領域を開放しておくことが好ましいが、図７に示すように少なくとも半導体ウェハーＷの半径の中心よりもウェハー端縁部側の支持領域ＳＡにて半導体ウェハーＷを支持しておけばウェハー割れをほぼ防止することができる。

以上のようにしてフラッシュ加熱時におけるウェハー割れの発生頻度が低減すると、それに伴って歩留まりが飛躍的に向上する。また、従来よりも大きなエネルギーにてフラッシュランプ６９から閃光照射を行うことができるため、より良好な活性化処理を促進することができる。

また、３本の支持ピン７２５はサセプタ７２の上方に所定の間隔を隔てて半導体ウェハーＷを支持している。本発明者等が種々の形状（中央が凹状、中央が凸状、平板状）のサセプタについて半導体ウェハーＷを直接接触載置して上記実施形態と同様の予備加熱を行ってウェハー面内の温度分布を調査したところ、いずれの形状であっても面内温度差（最高温度測定点と最低温度測定点との温度差）が１０℃以上となった。上記３種類のサセプタのうち面内温度差が最も小さかったのは本実施形態と同様の平板形状のサセプタであるが、それでも約１３℃の面内温度差が認められた。

図５に示したように、同心円状に配置されたホットプレート７１の６つのゾーン７１１〜７１６を個別に温度制御することができるので、それによってある程度の温度差を解消することは可能であるが、面内温度分布は必ずしも同心円状に沿って差が生じていないため、ゾーン７１１〜７１６の個別温度制御で上記面内温度差を十分に解消することは困難である。

そこで、本実施形態のように、支持ピン７２５によって平板形状のサセプタ７２の上方に所定の間隔を隔てて半導体ウェハーＷを支持して予備加熱を行うと、半導体ウェハーＷとサセプタ７２との間に気体の断熱層を形成した非接触加熱が行われることとなり、その結果面内温度差は僅かに３．３℃となって予備加熱段階における半導体ウェハーＷの面内温度分布を均一にすることができた。

また、本実施形態の熱処理装置１においては、照度調整板１０の中心が保持部７に保持された半導体ウェハーＷの中心の鉛直方向直上に位置するように、透光板６１の上に半導体ウェハーＷの直径よりも小さい径を有する照度調整板１０を載置している。このため、光照射部５から出射された光の一部は照度調整板１０を透過して保持部７に保持された半導体ウェハーＷの中央部に到達し、他の一部は照度調整板１０の側方を通過して該半導体ウェハーＷの周縁部に到達する。より正確に表現すれば、保持部７に保持された半導体ウェハーＷの中央部に到達する光の大部分は光照射部５から出射されて照度調整板１０を透過したものであるのに対して、周縁部に到達する光のうち相当量は照度調整板１０の側方を通過したものである。

光照射部５から出射された光が照度調整板１０を透過するときには、照度調整板１０の表面および底面にて一定比率で反射が生じるため、その反射光分の光量が減少する。その結果、照度調整板１０の透過率は９３％〜９５％となる。一方、照度調整板１０を透過していない光については当然光量低下が生じていない。このため、保持部７に保持された半導体ウェハーＷの周縁部以外の部分（内側部分）に到達する光の光量が減少する一方で、該周縁部に到達する光の光量は減少していない。従って、従来照度調整板１０が存在しないときには半導体ウェハーＷの周縁部で照度不足が生じていた問題が解消され、半導体ウェハーＷ上の照度分布の面内均一性が向上する。なお、透光板６１によっても反射に起因した光量減少は生じるのであるが、これは保持部７に保持された半導体ウェハーＷに到達する光の全体に対して均一に生じるため、周縁部に到達する光量と内側部分に到達する光量との相対差には影響を与えない。

このようにして、予備加熱段階における半導体ウェハーＷの面内温度分布を均一にした後に、閃光照射時の半導体ウェハーＷ上の照度分布の面内均一性を向上させることにより、熱処理装置１におけるフラッシュ加熱工程全体として半導体ウェハーＷの面内温度分布を均一にすることができる。すなわち、３本の支持ピン７２５によって半導体ウェハーＷの半径の中心よりもウェハー端縁部側の支持領域ＳＡにて平板形状のサセプタ７２の上方に所定の間隔を隔てて半導体ウェハーＷを点接触で支持することにより、閃光照射時の半導体ウェハーＷの割れを防止することと面内温度分布を均一にすることとを両立することができるのである。また、３本の支持ピン７２５によって半導体ウェハーＷを点接触で支持することとなるため、保持ピン７０から保持部７に半導体ウェハーＷが渡されたときにサセプタ７２と半導体ウェハーＷの裏面との間に気体層が挟み込まれて半導体ウェハーＷが横滑りを生じるおそれはない。このため、半導体ウェハーＷを受け渡す瞬間に保持部７の上昇速度を低下させる必要がなく、スループット低下を抑制することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、この発明はその趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、３本の支持ピン７２５によって半導体ウェハーＷを点接触支持するのであれば、サセプタ７２は必ずしも必要ではない。すなわち、図３の構成からサセプタ７２を取り除き、ホットプレート７１の上面に立設された３本の支持ピン７２５によってホットプレート７１の上方に半導体ウェハーＷを近接させて点接触にて支持するようにしてもよい。このようにしても上記実施形態と同様に、閃光照射時の半導体ウェハーＷの面内温度分布を均一にしつつ割れを防止することができる。但し、ホットプレート７１は金属製であるため、閃光照射時に半導体ウェハーＷが変形してホットプレート７１に接触すると高温の半導体ウェハーＷ中に金属成分が拡散するメタル汚染の危険性があるため、石英のサセプタ７２を設けることによって半導体ウェハーＷが直接ホットプレート７１に接触するのを確実に防止しておく方が好ましい。

また、上記実施形態においては、サセプタ７２の嵌合孔に支持ピン７２５を嵌め込むようにしていたが、両部材ともに石英製であるため、これらを一体成型するようにしても良い。もっとも、複数本の支持ピンが立設されたサセプタを一体成型するよりも、上記実施形態のように平板形状のサセプタ７２と円筒状の支持ピン７２５とを別部材として加工する方が容易であり、製作に要するコストも少なくて済む。

また、支持ピン７２５の本数は３本に限定されるものではないが、半導体ウェハーＷを安定して支持するためには少なくとも３本以上設ける必要がある。

また、上記実施形態においては、光照射部５に３０本のフラッシュランプ６９を備えるようにしていたが、これに限定されるものではなく、フラッシュランプ６９の本数は任意の数とすることができる。また、フラッシュランプ６９はキセノンフラッシュランプに限定されるものではなく、クリプトンフラッシュランプであっても良い。

また、上記実施形態においては、透光板６１の上に１枚の照度調整板１０を載置するようにしていたが、これに限定されるものではなく、２枚以上の照度調整板１０を載置するようにしても良い。２枚以上の照度調整板１０を載置すると、反射によって減少する光量が多くなり、その枚数に応じて半導体ウェハーＷの内側部分に到達する光量がさらに減少することとなる。何枚の照度調整板１０を重ねるかは、半導体ウェハーＷの内側部分に到達する光量が周縁部に到達する光量とほぼ等しくなるような枚数に決定すればよい。

また、上記各実施形態においては、半導体ウェハーに光を照射してイオン活性化処理を行うようにしていたが、本発明にかかる熱処理装置による処理対象となる基板は半導体ウェハーに限定されるものではない。例えば、窒化シリコン膜や多結晶シリコン膜等の種々のシリコン膜が形成されたガラス基板に対して本発明にかかる熱処理装置による処理を行っても良い。一例として、ＣＶＤ法によりガラス基板上に形成した多結晶シリコン膜にシリコンをイオン注入して非晶質化した非晶質シリコン膜を形成し、さらにその上に反射防止膜となる酸化シリコン膜を形成する。この状態で、本発明にかかる熱処理装置により非晶質のシリコン膜の全面に光照射を行い、非晶質のシリコン膜が多結晶化した多結晶シリコン膜を形成することもできる。

また、ガラス基板上に下地酸化シリコン膜、アモルファスシリコンを結晶化したポリシリコン膜を形成し、そのポリシリコン膜にリンやボロン等の不純物をドーピングした構造のＴＦＴ基板に対して本発明にかかる熱処理装置により光照射を行い、ドーピング工程で打ち込まれた不純物の活性化を行うこともできる。

本発明に係る熱処理装置の構成を示す側断面図である。 図１の熱処理装置のガス路を示す断面図である。 保持部の構成を示す側断面図である。 サセプタの外観斜視図である。 ホットプレートを示す平面図である。 図１の熱処理装置の構成を示す側断面図である。 支持ピンによって半導体ウェハーを支持する支持領域を示す図である。

符号の説明

１ 熱処理装置
４ 保持部昇降機構
５ 光照射部
６ チャンバー
７ 保持部
１０ 照度調整板
６１ 透光板
６５ 熱処理空間
６９ フラッシュランプ
７１ ホットプレート
７２ サセプタ
７２５ 支持ピン
ＳＡ 支持領域
Ｗ 半導体ウェハー

Claims (6)

1. 基板に対して閃光を照射することによって該基板を加熱する熱処理装置であって、
   基板に閃光を照射するフラッシュランプと、
   基板を収容するチャンバーと、
   前記チャンバー内にて基板を保持して加熱するホットプレートと、
   基板を前記ホットプレートの上方に近接させて点接触にて支持する複数の支持ピンと、
   を備えることを特徴とする熱処理装置。
2. 請求項１記載の熱処理装置において、
   前記ホットプレートの上面に載置された石英の平板形状のサセプタをさらに備え、
   前記複数の支持ピンは基板を前記サセプタの上方に所定の距離を隔てて支持することを特徴とする熱処理装置。
3. 請求項２記載の熱処理装置において、
   前記複数の支持ピンは、前記サセプタの上面から０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下隔てて基板を支持することを特徴とする熱処理装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の熱処理装置において、
   前記複数の支持ピンに支持される基板は円板形状を有し、
   前記複数の支持ピンのそれぞれは基板の半径の中心よりも端縁部側にて基板を支持することを特徴とする熱処理装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の熱処理装置において、
   前記複数の支持ピンのそれぞれの上端部は直径０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下の円筒形状であることを特徴とする熱処理装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の熱処理装置において、
   前記チャンバーの上部に設けられ、前記フラッシュランプから出射された閃光を前記チャンバー内に導く透光窓と、
   前記透光窓上に載置された石英板と、
   を備え、
   前記石英板の中心が前記複数の支持ピンに支持された基板の中心の鉛直方向直上に位置するように前記石英板を前記透光窓上に載置することを特徴とする熱処理装置。
   

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