JP2008130888A - 熱処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フラッシュランプを効果的に冷却することができる熱処理装置を提供する。
【解決手段】フラッシュ光を照射する複数のフラッシュランプ６９の配列を覆ってリフレクタ５２が設けられ、リフレクタ５２の上側に冷却ボックス２０が設置されている。冷却ボックス２０の内部にはバッファ空間２１が内蔵され、そのバッファ空間２１に連通する複数の噴出孔２２が冷却ボックス２０の底部およびリフレクタ５２を貫通して穿設されている。複数の噴出孔２２のそれぞれは複数のフラッシュランプ６９の配列におけるランプ間の隙間の直上に位置するように設けられている。複数の噴出孔２２から噴出された窒素ガスはフラッシュランプ６９の配列における隣接するランプ間の隙間を通過してランプ光放射窓５３に吹き付けられる。フラッシュランプ６９は、窒素ガスによる直接冷却とランプ光放射窓５３の温度低下とによって効果的に冷却される。
【選択図】図８

Description

本発明は、半導体ウェハーや液晶表示装置用ガラス基板等（以下、単に「基板」と称する）に対してフラッシュ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を使用して半導体ウェハーの表面にフラッシュ光（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（例えば、特許文献１，２）。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フラッシュ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フラッシュ光照射であれば、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。

上記のようなフラッシュ加熱を行う熱処理装置においては、キセノンフラッシュランプを冷却すべく、ランプを配置したランプハウスへのエアーの給排気を行っている。これにより、ランプハウス内の熱が排出されるとともに、キセノンフラッシュランプ自体もエアーによって冷却されることとなる。

特開２００４−５５８２１号公報 特開２００４−８８０５２号公報

ところで、フラッシュ加熱を行う熱処理装置には、フラッシュ光を照射する前に半導体ウェハーを予備加熱するホットプレートが設けられている場合が多い。これは、フラッシュ光照射のみによって１０００℃以上にまで半導体ウェハーの表面を加熱しようとすると、非常に大きなエネルギーのフラッシュ光を照射しなければならず、ウェハー表面のみが急激に加熱されて半導体ウェハーが割れるおそれがあるため、ホットプレートに半導体ウェハーを載置して５００℃程度にまで予備加熱した後にキセノンフラッシュランプからフラッシュ光を照射して所定のアニール温度に到達するようにしていることによるものである。

しかしながら、かかるホットプレートからはその温度に応じた比較的長波長の赤外線が放射されており、それによる輻射熱によってキセノンフラッシュランプの放電管（石英製）が外部から加熱されることとなる。５００℃以上の比較的高温のホットプレートからの輻射熱によってキセノンフラッシュランプが加熱された場合、上述したエアーの給排気のみでは十分にキセノンフラッシュランプを冷却することができず、放電管が変色してランプ寿命が低下したり、最悪の場合キセノンフラッシュランプの劣化が急速に進行して破裂するという問題が生じる。このため、従来においては、ホットプレートによる予備加熱温度の上限が制約されることとなり、半導体ウェハーのアニール処理の処理条件も限定されたものにならざるを得なかった。

また、キセノンフラッシュランプを配置したランプハウスには、キセノンフラッシュランプから出射されたフラッシュ光を透過する石英板がランプ光放射窓として配置されているが、これもホットプレートから放射される長波長の遠赤外線によって加熱されることとなる。キセノンフラッシュランプを冷却するためにランプハウスにエアーの給排気を行うと、ランプ光放射窓も冷却されてその温度分布が不均一となる。加熱されたランプ光放射窓からも長波長の赤外線が放射されていて半導体ウェハーＷの温度に影響を与えており、その温度分布が不均一であると、処理対象の半導体ウェハーの温度分布にもばらつきを生じさせることがある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、フラッシュランプを効果的に冷却することができる熱処理装置を提供することを第１の目的とする。

また、本発明は、基板の面内温度分布の均一性を向上することができる熱処理装置を提供することを第２の目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、チャンバー内に収容した基板に対してランプハウスからフラッシュ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、前記チャンバーは、基板を保持するとともに、フラッシュ光照射の前に保持する基板を予備加熱する予備加熱機構を有する保持部と、前記ランプハウスからのフラッシュ光を前記保持部に透過するチャンバー窓と、を備え、前記ランプハウスは、棒状の放電管から前記チャンバー内の前記保持部に保持された基板に向けてフラッシュ光を出射する複数のフラッシュランプを配列した光源と、前記チャンバー窓に相対向して設けられ、前記光源から出射されたフラッシュ光を前記チャンバーに向けて透過する放射窓と、前記複数のフラッシュランプの配列におけるランプ間の隙間を通過して前記放射窓に気体を吹き付ける気体噴出部と、を備えることを特徴とする。

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、前記気体噴出部は、複数の区画に分割されたバッファ空間と、前記複数の区画のそれぞれの壁面を貫通して前記ランプ間の隙間に向かうように設けられた複数の噴出孔と、を含み、前記バッファ空間の前記複数の区画のそれぞれに個別に気体を供給する気体供給手段と、前記気体供給手段から供給される気体の流量を前記複数の区画ごとに個別に調整する流量調整手段と、をさらに備えることを特徴とする。

また、請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明に係る熱処理装置において、前記気体噴出部を挟んで対称位置に設けられ、前記気体噴出部から前記放射窓に吹き付けられた気体を外部へと排気する排気手段を前記ランプハウスに備えることを特徴とする。

また、請求項４の発明は、請求項２の発明に係る熱処理装置において、前記気体噴出部の一方側のみに設けられ、前記気体噴出部から前記放射窓に吹き付けられた気体を外部へと排気する排気手段を前記ランプハウスに備え、前記気体噴出部は、前記一方側と反対の他方側よりも前記一方側に多くの噴出孔を配置することを特徴とする。

また、請求項５の発明は、請求項２の発明に係る熱処理装置において、前記気体噴出部の一方側のみに設けられ、前記気体噴出部から前記放射窓に吹き付けられた気体を外部へと排気する排気手段を前記ランプハウスに備え、前記流量調整手段は、前記排気手段の排気によって前記放射窓に生じた温度分布の不均一を緩和するように前記複数の区画のそれぞれに供給する気体の流量を調整することを特徴とする。

また、請求項６の発明は、基板に対してフラッシュ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、基板を保持する保持部と、棒状の放電管から前記保持部に保持された基板に向けてフラッシュ光を出射するフラッシュランプと、前記フラッシュランプと前記保持部との間に配置され、前記フラッシュランプから出射されたフラッシュ光を前記保持部に透過する放射窓と、前記フラッシュランプの側方を経て前記放射窓に気体を吹き付ける気体噴出部と、を備えることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、複数のフラッシュランプの配列におけるランプ間の隙間を通過して放射窓に気体を吹き付けるため、フラッシュランプは気体によって直接冷却されるだけでなく、放射窓の温度低下によっても放射窓からの輻射によるランプ温度上昇が抑制されるため、効果的に冷却されることとなる。

また、請求項２の発明によれば、バッファ空間の複数の区画ごとに供給する気体の流量を個別に調整することができるため、より精密にフラッシュランプを冷却することができる。

また、請求項３の発明によれば、気体噴出部から放射窓に吹き付けられた気体を気体噴出部を挟んで対称位置に設けられた排気手段から外部へと排気するため、ランプハウス内に対称な気流が形成されることとなり、放射窓の温度分布の均一性が良好なものとなり、基板の面内温度分布の均一性を向上することができる。

また、請求項４の発明によれば、気体噴出部から放射窓に吹き付けられた気体を外部へと排気する排気手段が設けられた気体噴出部の一方側のそれとは反対側の他方側よりも多くの噴出孔を配置するため、排気によって生じた放射窓の温度分布の不均一が解消され、基板の面内温度分布の均一性を向上することができる。

また、請求項５の発明によれば、排気手段の排気によって放射窓に生じた温度分布の不均一を緩和するように複数の区画のそれぞれに供給する気体の流量を調整するため、放射窓の温度分布の不均一が解消され、基板の面内温度分布の均一性を向上することができる。

また、請求項６の発明によれば、フラッシュランプの側方を経て放射窓に気体を吹き付けるため、フラッシュランプは気体によって直接冷却されるだけでなく、放射窓の温度低下によっても放射窓からの輻射によるランプ温度上昇が抑制されるため、効果的に冷却されることとなる。

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。

＜１．第１実施形態＞
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は基板として略円形の半導体ウェハーＷに閃光（フラッシュ光）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と、複数のフラッシュランプ６９を内蔵するランプハウス５と、を備える。また、熱処理装置１は、チャンバー６およびランプハウス５に設けられた各動作機構を制御して半導体ウェハーＷの熱処理を実行させる制御部３を備える。

チャンバー６は、ランプハウス５の下方に設けられており、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とされており、上部開口６０にはチャンバー窓６１が装着されて閉塞されている。

チャンバー６の天井部を構成するチャンバー窓６１は、石英により形成された円板形状部材であり、ランプハウス５から出射された光を熱処理空間６５に透過する。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、チャンバー窓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、チャンバー窓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をチャンバー窓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、チャンバー窓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（ランプハウス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）の支持ピン７０が立設されている。支持ピン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（０₂）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。

また、熱処理装置１は、チャンバー６の内部において半導体ウェハーＷを水平姿勢にて保持しつつフラッシュ光照射前にその保持する半導体ウェハーＷの予備加熱を行う略円板状の保持部７と、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と、を備える。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４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がチャンバー窓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とチャンバー窓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。

保持部７は、半導体ウェハーＷを予備加熱（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）に設置されるサセプタ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。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、その上面には半導体ウェハーＷの位置ずれを防止するピン７５が設けられる。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上に設置される。これにより、サセプタ７２は、ホットプレート７１からの熱エネルギーを拡散してサセプタ７２上面に載置された半導体ウェハーＷに伝達するとともに、メンテナンス時にはホットプレート７１から取り外して洗浄可能とされる。

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３は、ホットプレート７１を示す平面図である。図３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、支持ピン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。

次に、ランプハウス５について説明する。ランプハウス５は、筐体５１の内側に、複数本（本実施形態では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からなる光源と、その光源の上方を覆うように設けられたリフレクタ５２と、リフレクタ５２の上側に配設された冷却ボックス２０と、を備えて構成される。また、ランプハウス５の筐体５１の底部にはランプ光放射窓５３が装着されている。ランプハウス５の床部を構成するランプ光放射窓５３は、石英により形成された板状部材である。ランプハウス５がチャンバー６の上方に設置されることにより、ランプ光放射窓５３がチャンバー窓６１と相対向することとなる。ランプハウス５は、チャンバー６内にて保持部７に保持される半導体ウェハーＷにランプ光放射窓５３およびチャンバー窓６１を介してフラッシュランプ６９からフラッシュ光を照射することにより半導体ウェハーＷを加熱する。

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（水平方向に沿って）互いに平行となるように平面状に配列されている。フラッシュランプ６９の配列によって形成される平面も水平面である。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棒状のガラス管（放電管）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、通常の状態では放電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放電管内に瞬時に流れ、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。なお、本実施形態の各フラッシュランプ６９の放電管の管径は約１３ｍｍであり、ランプ配列における隣接するフラッシュランプ６９の隙間は約２ｍｍである。また、リフレクタ５２とフラッシュランプ６９との間隔は約２０ｍｍであり、フラッシュランプ６９とランプ光放射窓５３との間隔は約５ｍｍである。

図５は、第１実施形態の冷却ボックス２０の内部構造を示す斜視図である。また、図６は、冷却ボックス２０へのガス供給機構を模式的に示す図である。冷却ボックス２０は、内側にバッファ空間２１を内蔵する平面視矩形形状の箱状部材であり、フラッシュランプ６９の反射板たるリフレクタ５２の上面に面接触するように設置される。リフレクタ５２の基本的な機能は、複数のフラッシュランプ６９から出射されたフラッシュ光を保持部７の側に反射するというものである。リフレクタ５２はアルミニウム合金板にて形成されており、その表面（フラッシュランプ６９に臨む側の面）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。このような粗面化加工を施しているのは、リフレクタ５２の表面が完全な鏡面であると、複数のフラッシュランプ６９からの反射光の強度に規則パターンが生じて半導体ウェハーＷの表面温度分布の均一性が低下するためである。なお、リフレクタ５２は冷却ボックス２０の底部外面に貼設しても良いし、リフレクタ５２と冷却ボックス２０とを一体として形成するようにしても良い。

冷却ボックス２０内部のバッファ空間２１は小空間２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄからなる４つの区画に分割されている。冷却ボックス２０は、図５に示す構造の上側に天板を装着して構成されるものであり、その状態においては４つの小空間２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄは互いに仕切り壁によって相互に雰囲気分離される。４つの小空間２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄのそれぞれの底面には複数の噴出孔２２が形設されている。各噴出孔２２は、冷却ボックス２０の低壁面およびリフレクタ５２を貫通して穿設されている。各噴出孔２２は、径がφ０．５ｍｍ以上φ１．５ｍｍ以下の円筒形状の孔であり、その円筒軸心方向が鉛直方向に沿うように形成されている。それぞれの噴出孔２２の上端はバッファ空間２１に開口して連通している。一方、噴出孔２２の下端は複数のフラッシュランプ６９からなる光源に向けて開口している。すなわち、各噴出孔２２は、バッファ空間２１から光源へと向かうように設けられている。

図５に示すように、冷却ボックス２０の側面外壁には４つの給気ポート２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄが具設されている。給気ポート２３ｂは、冷却ボックス２０の外壁の周囲に取り回された配管２４ａおよびバッファ空間２１を仕切る仕切り壁の内部に穿設された配管を経由して小空間２１ｂの開口２４ｂと連通している。同様に、給気ポート２３ａは、仕切り壁の内部に穿設された配管を経由して小空間２１ａの開口（開口２４ｂの対称位置に設けられている）と連通している。一方、給気ポート２３ｃは、外壁周囲の配管を介して小空間２１ｃの開口２４ｃと連通している。同様に、給気ポート２３ｄも外壁周囲の配管を介して小空間２１ｄの開口（開口２４ｃの対称位置に設けられている）と連通している。

冷却ボックス２０のバッファ空間２１にはガス供給機構３０によって所定の気体（本実施形態では窒素ガス）が供給される。ガス供給機構３０は、ガス配管３７に手動弁３１、レギュレータ３２、空気作動弁３３およびフィルター３４を介挿して構成されている。ガス配管３７の基端部は窒素ガス供給源９９に連通接続される。窒素ガス供給源９９としては、熱処理装置１が設置される工場のユーティリティを使用することができる。

一方、ガス配管３７の先端は４つの経路に分岐されて、分岐配管３７ａ，３７ｂ，３７ｃ，３７ｄを形成している。４本の分岐配管３７ａ，３７ｂ，３７ｃ，３７ｄのそれぞれは、給気ポート２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄに接続される。これによって、バッファ空間２１を４つの区画に分割した小空間２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄのそれぞれがガス配管３７を介して窒素ガス供給源９９と連通接続されることとなる。

手動弁３１は、手動によってガス配管３７を開閉するバルブである。レギュレータ３２は、ガス配管３７を通過する窒素ガスの圧力調整を行うものである。空気作動弁３３は、電源停止時にガス配管３７を閉鎖するために設けられているものであり、熱処理装置１の通常の稼働時には開放されている。また、フィルター３５は、ガス配管３７を通過する窒素ガスから微粒子等を取り除いて浄化する。手動弁３１および空気作動弁３３を開放するとともにレギュレータ３２が設定値に基づく圧力調整を行うことにより、窒素ガス供給源９９からガス配管３７に送給された所定圧の窒素ガスが４本の分岐配管３７ａ，３７ｂ，３７ｃ，３７ｄに分流する。すなわち、ガス供給機構３０は４つの小空間２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄのそれぞれに個別に窒素ガスを供給する。

４本の分岐配管３７ａ，３７ｂ，３７ｃ，３７ｄのそれぞれにはニードルバルブ３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄおよびフローメータ３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄが介挿されている。ニードルバルブ３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄのそれぞれは対応する分岐配管を流れる窒素ガスの流量を調整する。また、フローメータ３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄのそれぞれは対応する分岐配管を流れる窒素ガスの流量を計測する。ニードルバルブ３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄのそれぞれが設定値に基づいた流量調整を行うことにより、ガス供給機構３０から４つの小空間２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄのそれぞれに供給される窒素ガスの流量を個別に調整することができる。具体的には、フローメータ３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄの計測結果の基づいて制御部３がニードルバルブ３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄの設定値を自動制御するようにしても良い。また、熱処理装置１のオペレータがフローメータ３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄを監視しつつニードルバルブ３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄの設定値を手動で調整するようにしても良い。なお、フローメータおよびニードルバルブに代えて双方の機能を併せ持つマスフローメータを分岐配管３７ａ，３７ｂ，３７ｃ，３７ｄのそれぞれに設けるようにしても良い。

４本の分岐配管３７ａ，３７ｂ，３７ｃ，３７ｄのそれぞれから供給された窒素ガスは、一旦小空間２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄに貯留された後に、それぞれの小空間に形設された噴出孔２２から光源に向けて噴出される。このときのバッファ空間２１の窒素ガス圧は大気圧よりも若干大きい。

図７は、第１実施形態における噴出孔２２の配置形態を示す平面図である。第１実施形態においては、複数の噴出孔２２が冷却ボックス２０の各小空間の底面に格子状に配置されており、複数の噴出孔２２のそれぞれは複数のフラッシュランプ６９の配列におけるランプ間の隙間の直上に位置するように設けられている。従って、小空間２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄに供給された窒素ガスは、図８に示すように、複数の噴出孔２２のそれぞれから隣接するフラッシュランプ６９間の隙間に向けて噴出される。噴出された窒素ガスはフラッシュランプ６９によって遮られることなく隣接するフラッシュランプ６９間の隙間を通過する。そして、図８に示す如く、噴出孔２２から噴出されて隣接するフラッシュランプ６９間の隙間を通過した窒素ガスはランプ光放射窓５３に吹き付けられることとなる。

第１実施形態においては、４つの小空間２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄのそれぞれに供給する窒素ガスの流量を個別に調整することができるため、それに伴って各小空間の噴出孔２２から噴出される窒素ガスの流量も小空間毎に調整されることとなる。そして、その結果ランプ光放射窓５３に吹き付けられる窒素ガスの流量も窓上の領域毎に異なることとなる。

図１および図４に戻り、ランプハウス５には２つの排気口５６，５６が設けられている。２つの排気口５６，５６のそれぞれは排気管５７を介して図示省略の排気機構に連通接続されている。排気管５７の経路途中には排気弁５８が介挿されている。排気弁５８を開放することによって排気口５６を介してランプハウス５内の気体が外部に排出される。なお、図１および図４では、２つの排気管５７および排気弁５８を記載しているが、２つの排気口５６，５６から繋がる排気管５７を合流させて共通の排気弁５８を設けるようにしても良い。冷却ボックス２０から光源に向けて噴出された窒素ガスは、フラッシュランプ６９間の隙間を通過した後、ランプ光放射窓５３に到達してその上面に沿って２つの排気口５６，５６へと向かう気流を形成し、２つの排気口５６，５６から吸引されて排気される。

第１実施形態においては、２つの排気口５６，５６を冷却ボックス２０を挟んでランプハウス５内の対称位置に設けている。すなわち、２つの排気口５６，５６によってランプハウス５からの両方向排気が行われることとなり、排気によって生じるランプハウス５内の気流は対称なものとなる。

図１および図４に示す制御部３のハードウェアとしての構成は一般的なコンピュータと同様である。すなわち、制御部３は、各種演算処理を行うＣＰＵ、基本プログラムを記憶する読み出し専用のメモリであるＲＯＭ、各種情報を記憶する読み書き自在のメモリであるＲＡＭおよび制御用アプリケーションやデータなどを記憶しておく磁気ディスク等を備えている。制御部３は、モータ４０、弁８２，８７、フラッシュランプ６９への給電回路、ホットプレート７１のヒータへの給電回路、排気弁５８およびガス供給機構３０を制御する。

なお、第１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の過剰な温度上昇を防止するための冷却用の構造（図示省略）を備えている。具体的には、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、チャンバー６が受けた熱を排出するようにしている。

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によるフラッシュ加熱処理により実行される。

まず、保持部７が図４に示す処理位置から図１に示す受渡位置に下降する。「処理位置」とは、フラッシュランプ６９から半導体ウェハーＷに閃光照射が行われるときの保持部７の位置であり、図４に示す保持部７のチャンバー６内における位置である。また、「受渡位置」とは、チャンバー６に半導体ウェハーＷの搬出入が行われるときの保持部７の位置であり、図１に示す保持部７のチャンバー６内における位置である。熱処理装置１における保持部７の基準位置は処理位置であり、処理前にあっては保持部７は処理位置に位置しており、これが処理開始に際して受渡位置に下降するのである。図１に示すように、保持部７が受渡位置にまで下降するとチャンバー底部６２に近接し、支持ピン７０の先端が保持部７を貫通して保持部７の上方に突出する。

次に、保持部７が受渡位置に下降したときに、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、ゲートバルブ１８５が開いて搬送開口部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、複数の支持ピン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バッファ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、窒素ガスの供給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、保持部昇降機構４により保持部７が受渡位置からチャンバー窓６１に近接した処理位置にまで上昇する。保持部７が受渡位置から上昇する過程において、半導体ウェハーＷは支持ピン７０から保持部７のサセプタ７２へと渡され、サセプタ７２の上面に載置・保持される。保持部７が処理位置にまで上昇するとサセプタ７２に載置された半導体ウェハーＷも処理位置に保持されることとなる。

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）に個別に内蔵されたヒータ（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が保持部７と接触することにより、その半導体ウェハーＷはホットプレート７１に内蔵されたヒータによって予備加熱されて温度が次第に上昇する。

この処理位置にて約６０秒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とチャンバー窓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。

約６０秒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の制御によりランプハウス５のフラッシュランプ６９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、フラッシュランプ６９から放射されるフラッシュ光の一部は直接にチャンバー６内の保持部７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、これらのフラッシュ光の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、ランプハウス５のフラッシュランプ６９から照射されるフラッシュ光は、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から支持ピン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、支持ピン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、その供給量は、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。

上述したような一連のフラッシュ加熱処理を繰り返して行うことにより、フラッシュランプ６９の放電管は徐々に蓄熱されてその温度が上昇する。これは、フラッシュランプ６９自身の瞬間的なパルス発光による影響よりも、むしろ保持部７のホットプレート７１からの輻射熱による影響が大きい。すなわち、ホットプレート７１は半導体ウェハーＷの予備加熱を行うために２００℃ないし６００℃程度にまで昇温しており、比較的波長の長い遠赤外線を放射している。長波長の赤外線は石英にも吸収される。このため、ホットプレート７１から放射された赤外線は、まずチャンバー６の石英製のチャンバー窓６１に吸収され、チャンバー窓６１が昇温する。特に、本実施形態の熱処理装置１においては、保持部７の基準位置がチャンバー窓６１に近接した処理位置であるため、半導体ウェハーＷの搬出入を行うとき以外はホットプレート７１がチャンバー窓６１に近接しており、ホットプレート７１からの輻射熱によってチャンバー窓６１が容易に昇温する。

チャンバー窓６１が昇温すると、そのチャンバー窓６１からも長波長の赤外線が放射され、それによってランプハウス５のランプ光放射窓５３（石英製）が昇温する。そして、昇温したランプ光放射窓５３からも長波長の赤外線が放射されることとなり、その赤外線がフラッシュランプ６９の放電管（石英製）によって吸収され、フラッシュランプ６９の温度が上昇するのである。また、ホットプレート７１から放射された赤外線の一部はチャンバー窓６１およびランプ光放射窓５３を透過して直接フラッシュランプ６９の放電管を加熱する。このように、フラッシュランプ６９の放電管はホットプレート７１からの輻射熱によって直接的に、或いはチャンバー窓６１およびランプ光放射窓５３を介して間接的に加熱される。ホットプレート７１からは持続的に赤外線放射がなされているため、フラッシュランプ６９には徐々に蓄熱されてその温度が上昇する。また、予備加熱された半導体ウェハーＷからの輻射熱によってもフラッシュランプ６９は昇温する。

逆に、保持部７に保持されている半導体ウェハーＷもチャンバー窓６１およびランプ光放射窓５３からの熱影響を受ける。すなわち、昇温したランプ光放射窓５３からはフラッシュランプ６９の側だけではなくチャンバー窓６１の側にも赤外線が放射される。その赤外線はチャンバー窓６１によって吸収され、チャンバー窓６１に熱影響を与える。そして、チャンバー窓６１からも保持部７の側に赤外線が放射され、その赤外線が保持部７に保持されている半導体ウェハーＷに到達することによって、半導体ウェハーＷの温度に影響を与えるのである。

このため、本実施形態の熱処理装置１においては、冷却ボックス２０の噴出孔２２から光源に向けて窒素ガスを噴出するようにしている。そして、噴出孔２２から噴出された窒素ガスはフラッシュランプ６９の配列における隣接するランプ間の隙間（各フラッシュランプ６９の側方）を通過してランプ光放射窓５３に吹き付けられる。噴出された窒素ガスは隣接するフラッシュランプ６９間の隙間を通過するときに放電管と熱交換を行って当該フラッシュランプ６９を冷却するとともに、ランプ光放射窓５３に吹き付けられることによってさらなる熱交換を行い、ランプ光放射窓５３をも冷却する。すなわち、冷却ボックス２０は窒素ガスを光源に向けて噴出することによって、フラッシュランプ６９のみならずランプ光放射窓５３をも冷却するのである。

このようにすれば、光源を構成する複数のフラッシュランプ６９のそれぞれは、冷却ボックス２０から噴出される窒素ガスによって直接的に冷却され、さらに、ランプ光放射窓５３が冷却されて降温したことによってもランプ光放射窓５３からの輻射による温度上昇を抑制することができる。ランプ光放射窓５３はフラッシュランプ６９から見れば赤外線放射を直接受ける主たる熱源でもあり、ランプ光放射窓５３が冷却されると、いわば主熱源の温度が低下することとなるため、フラッシュランプ６９の加熱要因が低減するのである。その結果、窒素ガスによる直接冷却とランプ光放射窓５３の温度低下とによって複数のフラッシュランプ６９のそれぞれが効果的に冷却されることとなる。フラッシュランプ６９を効果的に冷却することができれば、フラッシュランプ６９の劣化を防止してランプ寿命を延ばせるだけでなく、ホットプレート７１による半導体ウェハーＷの予備加熱温度を高く設定することができ、半導体ウェハーＷのアニール処理の処理条件をも幅広いものとすることができる。

また、第１実施形態においては、図５および図６に示すように、４つの小空間２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄが対称に区分けされている。より厳密には、鉛直方向に沿った冷却ボックス２０の中心軸を対称軸として、小空間２１ａと小空間２１ｂとが、小空間２１ｃと小空間２１ｄとがそれぞれ対称に配置されている。そして、各小空間には噴出孔２２が格子状に等間隔で形成されている。さらには、ガス供給機構３０から供給された窒素ガスが一旦バッファ空間２１に貯留されてから複数の噴出孔２２より噴出されるので、複数の噴出孔２２のそれぞれから均一に窒素ガス流を噴出することができる。このため、冷却ボックス２０から噴出されることによって形成される窒素ガスの気流は鉛直方向に沿った冷却ボックス２０の中心軸を対称軸として対称なものとなる。

一方、２つの排気口５６，５６も冷却ボックス２０を挟んでランプハウス５内の対称位置に設けられている。このため、２つの排気口５６，５６からの排気によってランプハウス５内に生じる気流も上記冷却ボックス２０の中心軸を対称軸として対称なものとなる。その結果、冷却ボックス２０および２つの排気口５６，５６によってランプハウス５内に形成される窒素ガスの気流、すなわちランプ光放射窓５３の上面に沿って２つの排気口５６，５６に向けて流れる窒素ガスの気流も上記冷却ボックス２０の中心軸を対称軸として対称なものとなる。

従って、中心対称な窒素ガス流によってランプ光放射窓５３が冷却されることとなり、ランプ光放射窓５３の温度分布の均一性が良好なものとなる。ランプ光放射窓５３の温度分布均一性が良好になれば、それと対向配置されたチャンバー窓６１の温度分布の均一性も良好なものとなり、さらには保持部７によってチャンバー窓６１に対向して近接保持される半導体ウェハーＷの面内温度分布の均一性をも向上することができる。

また、仮にランプ光放射窓５３の温度分布が不均一になったとしても、第１実施形態においては、ニードルバルブ３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄによって４つの小空間２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄのそれぞれに供給される窒素ガスの流量を個別に調整することができる。このため、冷却ボックス２０の各小空間の下方に位置するランプ光放射窓５３の領域毎に吹き付けられる窒素ガスの流量を個別に調整することができ、ランプ光放射窓５３に生じた温度分布の不均一を容易に解消することができる。例えば、ランプ光放射窓５３に中心よりも周縁側の温度が著しく高くなる傾向が生じたならば、その周縁側に対応する冷却ボックス２０の小空間２１ｃおよび小空間２１ｄに供給される窒素ガスの流量を多くする。これにより、ランプ光放射窓５３の周縁側に吹き付けられる窒素ガスの流量が増加し、その温度が低下してランプ光放射窓５３の温度分布の不均一が解消し、その結果、保持部７に保持された半導体ウェハーＷの面内温度分布の均一性も向上する。

＜２．第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図９は、第２実施形態の熱処理装置１ａの構成を示す側断面図である。同図において、第１実施形態と同一の部材については図１，４と同じ符合を付している。第２実施形態の熱処理装置１ａが第１実施形態の熱処理装置１と相違するのはランプハウス５の給排気機構である。

第１実施形態においてはランプハウス５に２つの排気口５６，５６を設けていたが、第２実施形態ではそのうちの１つを吸気口５５としている。すなわち、図９に示すように、ランプハウス５には吸気口５５および排気口５６が設けられている。排気口５６は排気管５７を介して図示省略の排気機構に連通接続されている。排気管５７の経路途中には排気弁５８が介挿されている。排気弁５８を開放することによって排気口５６を介してランプハウス５内に負圧が作用し、その結果として吸気口５５から外気（空気）が吸引される。吸気口５５から吸引された空気は、リフレクタ５２とランプ光放射窓５３との間、つまり複数のフラッシュランプ６９の周囲を略水平方向に流れて排気口５６から排出されるように構成されている。なお、吸気口５５に空気を供給する空気供給機構を付設するようにしても良い。

第２実施形態においては、冷却ボックス１２０を挟んで一方側のみに排気口５６が設けられ、それとは反対の他方側には吸気口５５が設けられている。従って、冷却ボックス１２０の一方側の排気口５６から片側排気が行われることとなり、ランプハウス５内には吸気口５５から排気口５６へと向かうような一方向の気流（非対称な気流）が形成される。

かかる一方向気流は、リフレクタ５２とランプ光放射窓５３との間、すなわちホットプレート７１および半導体ウェハーＷから輻射熱によって昇温したランプ光放射窓５３の上面に沿って流れる。このため、その一方向気流に沿った温度勾配が生じ、ランプ光放射窓５３の温度分布が著しく不均一なものとなる。具体的には、ランプ光放射窓５３の吸気口５５に近い部位は常温の気流に絶えず接触することとなるため効果的に冷却されて温度が大きく低下する。逆に、ランプ光放射窓５３の排気口５６に近い部位はランプハウス５内にてある程度昇温した気流に絶えず接触することとなるため、あまり冷却されずに温度低下が小さい。その結果、吸気口５５側から排気口５６側に向けて温度が上昇するような温度勾配がランプ光放射窓５３に発生するのである。

ランプ光放射窓５３に温度勾配が発生すると、保持部７に保持されている半導体ウェハーＷにもその熱影響が及び、半導体ウェハーＷの面内温度分布も不均一となる。このため、第２実施形態においては、ランプハウス５に図１０および図１１に示すような冷却ボックス１２０を設けている。

図１０は、第２実施形態の冷却ボックス１２０の内部構造を示す斜視図である。また、図１１は、冷却ボックス１２０へのガス供給機構を模式的に示す図である。冷却ボックス１２０は、内側にバッファ空間１２１を内蔵する平面視矩形形状の箱状部材であり、フラッシュランプ６９の反射板たるリフレクタ５２の上面に面接触するように設置される。冷却ボックス１２０の外観形状は第１実施形態の冷却ボックス２０とほぼ同様であり、リフレクタ５２の構成・機能も第１実施形態と同じである。

冷却ボックス１２０内部のバッファ空間１２１は小空間１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄからなる４つの区画に分割されている。冷却ボックス１２０は、図１０に示す構造の上側に天板を装着して構成されるものであり、その状態においては４つの小空間１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄは互いに仕切り壁によって相互に雰囲気分離される。４つの小空間１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄのそれぞれの底面には複数の噴出孔２２が形設されている。各噴出孔２２自体は、第１実施形態と同様に、径がφ０．５ｍｍ以上φ１．５ｍｍ以下の円筒形状の孔であり、その円筒軸心方向が鉛直方向に沿うように冷却ボックス１２０の低壁面およびリフレクタ５２を貫通して穿設されている。また、それぞれの噴出孔２２の上端はバッファ空間１２１に開口して連通している。一方、噴出孔２２の下端は複数のフラッシュランプ６９からなる光源に向けて開口している。すなわち、各噴出孔２２は、バッファ空間１２１から光源へと向かうように設けられている。

図１０に示すように、冷却ボックス１２０の側面外壁には４つの給気ポート１２３ａ，１２３ｂ，１２３ｃ，１２３ｄが具設されている。４つの給気ポート１２３ａ，１２３ｂ，１２３ｃ，１２３ｄはそれぞれ小空間１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄと連通している。冷却ボックス１２０のバッファ空間１２１にはガス供給機構３０によって所定の気体（本実施形態では窒素ガス）が供給される。ガス供給機構３０の構成は第１実施形態と全く同じであり、図６と同一の符合を付している。すなわち、ガス供給機構３０は窒素ガス供給源９９からガス配管３７を介してバッファ空間１２１に窒素ガスを供給する。ガス配管３７から分岐された４本の分岐配管３７ａ，３７ｂ，３７ｃ，３７ｄはそれぞれ給気ポート１２３ａ，１２３ｂ，１２３ｃ，１２３ｄに接続される。これにより、ガス供給機構３０は４つの小空間１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄのそれぞれに個別に窒素ガスを供給する。また、ニードルバルブ３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄのそれぞれが設定値に基づいた流量調整を行うことにより、ガス供給機構３０から４つの小空間１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄのそれぞれに供給される窒素ガスの流量を個別に調整することができる。

４本の分岐配管３７ａ，３７ｂ，３７ｃ，３７ｄのそれぞれから供給された窒素ガスは、小空間１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄの内部に流入する。このときに、分岐配管３７ａから給気ポート１２３ａを介して供給された窒素ガスは一旦緩衝板１２５ａに当たってガス流の勢いが弱められることにより小空間１２１ａ内に均一に流入する。緩衝板１２５ａの高さはバッファ空間１２１の仕切り壁と同じである。また、分岐配管３７ｂから給気ポート１２３ｂを介して供給された窒素ガスは一旦緩衝板１２５ｂに当たってガス流の勢いが弱められてから小空間１２１ｂ内に均一に流入する。緩衝板１２５ｂはバッファ空間１２１の仕切り壁の一部として構成されるものである。同様に、分岐配管３７ｃから給気ポート１２３ｃを介して供給された窒素ガスは一旦緩衝板１２５ｃに当たってガス流の勢いが弱められてから小空間１２１ｃ内に均一に流入する。緩衝板１２５ｃの高さはバッファ空間１２１の仕切り壁と同じである。

一方、分岐配管３７ｄから給気ポート１２３ｄを介して供給された窒素ガスは、流路空間１２５ｄを流れてから緩衝壁１２５ｅを乗り越えて小空間１２１ｄ内に流入する。緩衝壁１２５ｅの高さはバッファ空間１２１の仕切り壁よりも低い。窒素ガスの気流が緩衝壁１２５ｅを乗り越えることによって小空間１２１ｄ内に均一に流入することとなる。なお、流路空間１２５ｄはバッファ空間１２１を構成するものではない。

このようにして小空間１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄのそれぞれに供給された窒素ガスは一旦各小空間に貯留された後に、それぞれの小空間に形設された噴出孔２２から光源に向けて噴出される。このときのバッファ空間１２１の窒素ガス圧は大気圧よりも若干大きい。

図１２は、第２実施形態における噴出孔２２の配置形態を示す平面図である。第２実施形態においては、複数の噴出孔２２が冷却ボックス１２０の各小空間の底面に千鳥状に配置されており、複数の噴出孔２２のそれぞれは複数のフラッシュランプ６９の配列におけるランプ間の隙間の直上に位置するように設けられている。従って、小空間１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄに供給された窒素ガスは、第１実施形態と同様に、複数の噴出孔２２のそれぞれから隣接するフラッシュランプ６９間の隙間に向けて噴出される（図８参照）。噴出された窒素ガスはフラッシュランプ６９によって遮られることなく隣接するフラッシュランプ６９間の隙間を通過する。そして、噴出孔２２から噴出されて隣接するフラッシュランプ６９間の隙間を通過した窒素ガスはランプ光放射窓５３に吹き付けられることとなる。

また、図１１に示す如く、第２実施形態においては、冷却ボックス１２０に非対称に噴出孔２２を形設している。上述のように、ランプ光放射窓５３には、吸気口５５および排気口５６によって形成される気流により、吸気口５５側から排気口５６側に向けて温度が上昇するような（矢印ＡＲ１１の示す向きに沿って温度が上昇するような）温度勾配が生じている。そして、冷却ボックス１２０には、吸気口５５に近い側よりも排気口５６に近い側、つまりランプ光放射窓５３の温度が相対的に低い部位に対向する領域よりも高い部位に対向する領域により多くの噴出孔２２を配置している。このため、ランプ光放射窓５３の温度が相対的に低い部位よりも高い部位に向けてより多くの窒素ガスの気流が吹き付けられることとなる。なお、噴出孔２２を形成する密度は冷却ボックス１２０の全体として均一であり、また４つの小空間１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄにはほぼ同数の噴出孔２２を設けている。よって、小空間１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄのそれぞれに均等な流量にて窒素ガスを供給すれば、冷却ボックス１２０に形成されている個々の噴出孔２２から噴出される窒素ガスの流量は小空間によらずほぼ等しくなる。

第２実施形態においても、４つの小空間１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄのそれぞれに供給する窒素ガスの流量を個別に調整することができるため、それに伴って各小空間の噴出孔２２から噴出される窒素ガスの流量も小空間毎に調整されることとなる。そして、その結果ランプ光放射窓５３に吹き付けられる窒素ガスの流量も窓上の領域毎に異なることとなる。

上述した点以外の熱処理装置１ａの構成は第１実施形態の熱処理装置１と同じである。また、第２実施形態の熱処理装置１ａにおける半導体ウェハーＷの処理手順についても第１実施形態と同一である。

第２実施形態の熱処理装置１ａにおいても、冷却ボックス１２０の噴出孔２２から光源に向けて窒素ガスを噴出するようにしている。そして、噴出孔２２から噴出された窒素ガスはフラッシュランプ６９の配列における隣接するランプ間の隙間を通過してランプ光放射窓５３に吹き付けられる。噴出された窒素ガスは隣接するフラッシュランプ６９間の隙間を通過するときに放電管と熱交換を行って当該フラッシュランプ６９を冷却するとともに、ランプ光放射窓５３に吹き付けられることによってさらなる熱交換を行い、ランプ光放射窓５３をも冷却する。

従って、第１実施形態と同様に、光源を構成する複数のフラッシュランプ６９のそれぞれは、冷却ボックス１２０から噴出される窒素ガスによって直接的に冷却され、さらに、ランプ光放射窓５３が冷却されて降温したことによってもランプ光放射窓５３からの輻射による温度上昇を抑制することができる。その結果、窒素ガスによる直接冷却とランプ光放射窓５３の温度低下とによって複数のフラッシュランプ６９のそれぞれが効果的に冷却されることとなる。フラッシュランプ６９を効果的に冷却することができれば、フラッシュランプ６９の劣化を防止してランプ寿命を延ばせるだけでなく、ホットプレート７１による半導体ウェハーＷの予備加熱温度を高く設定することができ、半導体ウェハーＷのアニール処理の処理条件をも幅広いものとすることができる。

また、第２実施形態においては、冷却ボックス１２０の一方側のみに設けられた排気口５６から片側排気が行われるため、吸気口５５側から排気口５６側に向けて温度が上昇するような温度勾配がランプ光放射窓５３に生じる。これに対応して、冷却ボックス１２０には非対称に複数の噴出孔２２を形設し、ランプ光放射窓５３の温度が相対的に低い部位に対向する領域よりも高い部位に対向する領域により多くの噴出孔２２を形成している。このため、ランプ光放射窓５３の温度が相対的に低い部位よりも高い部位に向けてより多くの窒素ガスの気流が吹き付けられることとなり、高温部位の方がより強く冷却されることとなる。すなわち、排気口５６からの片側排気によってランプ光放射窓５３に生じた温度分布の不均一を緩和するように冷却ボックス１２０に非対称に噴出孔２２が形成され、窒素ガスの噴出流量が調整されているのである。その結果、ランプ光放射窓５３の温度分布の均一性が良好なものとなり、それと対向配置されたチャンバー窓６１の温度分布の均一性も良好なものとなり、さらには保持部７によってチャンバー窓６１に対向して近接保持される半導体ウェハーＷの面内温度分布の均一性をも向上することができる。

４つの小空間１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄのそれぞれに均等な流量にて窒素ガスを供給してもランプ光放射窓５３の温度分布の不均一が十分に解消されない場合は、ニードルバルブ３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄによって４つの小空間１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄのそれぞれに供給する窒素ガスの流量を個別に調整することにより、ランプ光放射窓５３に生じた温度分布の不均一を容易に解消することができる。例えば、ランプ光放射窓５３の排気口５６に近い側の温度が依然として高いならば、排気口５６に近い冷却ボックス１２０の小空間１２１ａに供給される窒素ガスの流量を多くする。これにより、ランプ光放射窓５３の排気口５６に近い側に吹き付けられる窒素ガスの流量が増加し、その温度が低下してランプ光放射窓５３の温度分布の不均一が解消し、その結果、保持部７に保持された半導体ウェハーＷの面内温度分布の均一性も向上する。すなわち、排気口５６からの片側排気によってランプ光放射窓５３に生じた温度分布の不均一を緩和するように、４つの小空間１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄのそれぞれに供給する窒素ガスの流量をニードルバルブ３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄによって個別に調整すれば良いのである。

第１実施形態ではランプハウス５内に形成される気流を中心対称なものとすることができるため、より容易にランプ光放射窓５３の温度分布を均一にすることができる。また、噴出孔２２を格子状に配置しているため、大流量の窒素ガスにてフラッシュランプ６９およびランプ光放射窓５３をより効果的に冷却することができる。但し、第１実施形態においては、ランプハウス５の冷却用ガスを全て冷却ボックス２０から供給しなければならず、冷却用の窒素ガスを大量に消費することとなる。一方、第２実施形態においては、ランプ光放射窓５３の温度分布が均一となるように各小空間に供給する窒素ガスの流量に調整するのはやや難しくなるが、吸気口５５からも冷却用気体を導入することができるため、冷却ボックス１２０から供給する窒素ガスは少なくても済む。従って、熱処理装置を設置する工場のユーティリティとして大量の冷却用ガスを用意できる場合には第１実施形態のようにするのが好ましく、少量の冷却用ガスしか使用できない場合は第２実施形態のようにするのが好ましい。

＜３．変形例＞
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、第１実施形態において複数の噴出孔２２を千鳥状に配置しても良いし、第２実施形態において複数の噴出孔２２を格子状に配置しても良い。複数の噴出孔２２を格子状に配置した方がより多量の窒素ガスを噴出することができ、窒素ガスとフラッシュランプ６９の放電管との接触面積を大きくして冷却効果を高めることができる。一方、複数の噴出孔２２を千鳥状に配置すれば、噴出孔２２の総数を少なくすることができ、窒素ガスの消費量増大を抑制することができる。

また、上記各実施形態においては、冷却ボックス２０，１２０から噴出する冷却用ガスを窒素ガスとしていたが、ガス種は窒素ガスに限定されるものではなく、冷却能を有するガスであれば良く、例えば空気であっても良い。もっとも、冷却用ガスは大量に消費されるものであるため、コスト上昇を抑制する観点からは安価な空気または窒素ガスが好ましい。

また、上記実施形態においては、冷却ボックス２０，１２０を４つの区画に分割していたが、分割数は４つにて限定されるものではなく、２以上の任意の数とすることができる。

また、上記各実施形態においては、ランプハウス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、ランプハウス５のランプ光放射窓５３に窒素ガスを吹き付けることでチャンバー窓６１からの熱的影響を抑制してフラッシュランプ６９の蓄熱を抑制するようにしていたが、例えばランプハウス５とチャンバー６とが一体化され、ランプ光放射窓とチャンバー窓とを一枚の石英部材で兼用（共通化）されたものを放射窓として適用した場合にも、上記実施形態と同様にフラッシュランプ６９間の隙間を通過させて放射窓に窒素ガスを吹き付けることで放射窓の温度上昇を抑制でき、フラッシュランプ６９の蓄熱を抑制することができる。

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。 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。 第１実施形態の冷却ボックスの内部構造を示す斜視図である。 図５の冷却ボックスへのガス供給機構を模式的に示す図である。 第１実施形態における噴出孔の配置形態を示す平面図である。 噴出孔から光源に向けてガスが噴出された状態を示す図である。 第２実施形態の熱処理装置の構成を示す側断面図である。 第２実施形態の冷却ボックスの内部構造を示す斜視図である。 図１０の冷却ボックスへのガス供給機構を模式的に示す図である。 第２実施形態における噴出孔の配置形態を示す平面図である。

符号の説明

１，１ａ 熱処理装置
３ 制御部
４ 保持部昇降機構
５ ランプハウス
６ チャンバー
７ 保持部
２０，１２０ 冷却ボックス
２１，１２１ バッファ空間
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄ 小空間
２２ 噴出孔
３０ ガス供給機構
５２ リフレクタ
５３ ランプ光放射窓
５５ 吸気口
５６ 排気口
６１ チャンバー窓
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
Ｗ 半導体ウェハー

Claims (6)

1. チャンバー内に収容した基板に対してランプハウスからフラッシュ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、
   前記チャンバーは、
   基板を保持するとともに、フラッシュ光照射の前に保持する基板を予備加熱する予備加熱機構を有する保持部と、
   前記ランプハウスからのフラッシュ光を前記保持部に透過するチャンバー窓と、
   を備え、
   前記ランプハウスは、
   棒状の放電管から前記チャンバー内の前記保持部に保持された基板に向けてフラッシュ光を出射する複数のフラッシュランプを配列した光源と、
   前記チャンバー窓に相対向して設けられ、前記光源から出射されたフラッシュ光を前記チャンバーに向けて透過する放射窓と、
   前記複数のフラッシュランプの配列におけるランプ間の隙間を通過して前記放射窓に気体を吹き付ける気体噴出部と、
   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、
   前記気体噴出部は、複数の区画に分割されたバッファ空間と、前記複数の区画のそれぞれの壁面を貫通して前記ランプ間の隙間に向かうように設けられた複数の噴出孔と、を含み、
   前記バッファ空間の前記複数の区画のそれぞれに個別に気体を供給する気体供給手段と、
   前記気体供給手段から供給される気体の流量を前記複数の区画ごとに個別に調整する流量調整手段と、
   をさらに備えることを特徴とする熱処理装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の熱処理装置において、
   前記気体噴出部を挟んで対称位置に設けられ、前記気体噴出部から前記放射窓に吹き付けられた気体を外部へと排気する排気手段を前記ランプハウスに備えることを特徴とする熱処理装置。
4. 請求項２記載の熱処理装置において、
   前記気体噴出部の一方側のみに設けられ、前記気体噴出部から前記放射窓に吹き付けられた気体を外部へと排気する排気手段を前記ランプハウスに備え、
   前記気体噴出部は、前記一方側と反対の他方側よりも前記一方側に多くの噴出孔を配置することを特徴とする熱処理装置。
5. 請求項２記載の熱処理装置において、
   前記気体噴出部の一方側のみに設けられ、前記気体噴出部から前記放射窓に吹き付けられた気体を外部へと排気する排気手段を前記ランプハウスに備え、
   前記流量調整手段は、前記排気手段の排気によって前記放射窓に生じた温度分布の不均一を緩和するように前記複数の区画のそれぞれに供給する気体の流量を調整することを特徴とする熱処理装置。
6. 基板に対してフラッシュ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、
   基板を保持する保持部と、
   棒状の放電管から前記保持部に保持された基板に向けてフラッシュ光を出射するフラッシュランプと、
   前記フラッシュランプと前記保持部との間に配置され、前記フラッシュランプから出射されたフラッシュ光を前記保持部に透過する放射窓と、
   前記フラッシュランプの側方を経て前記放射窓に気体を吹き付ける気体噴出部と、
   を備えることを特徴とする熱処理装置。

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