JP2008186940A - 熱処理用サセプタおよび熱処理装置 - 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】フラッシュランプから閃光を照射してフラッシュ加熱を行うときに半導体ウェハーＷを保持するサセプタ７２に、平面視で半導体ウェハーＷの直径よりも小さな直径を有する円板形状の凹部７８が形設されている。凹部７８の深さｔは０．１５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であり、また、凹部７８の直径ｒ１は半導体ウェハーＷの直径ｒ２の８０％以上９９％以下である。半導体ウェハーＷの外縁部が凹部７８のエッジによって支持されており、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、凹部７８の気体層を隔てて半導体ウェハーＷが加熱されるため、ウェハー面内温度分布を均一にすることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、フラッシュランプから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）に閃光（フラッシュ光）を照射することによって該基板を熱処理するときにその処理対象となる基板を保持する熱処理用サセプタおよびその熱処理用サセプタを備えた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（以下、単に「フラッシュランプ」とするときにはキセノンフラッシュランプを意味する）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、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。

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フラッシュ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。

特開２００４−１７９５１０号公報 特開２００４−２４７３３９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、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、フラッシュランプを使用した熱処理装置においては、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いる。ところが、予備加熱の段階で半導体ウェハーの面内温度分布に不均一が生じると、それがそのまま閃光照射時の面内温度分布に影響し、結果として処理結果に面内不均一が生じることとなっていた。

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、フラッシュランプから基板に閃光を照射することによって該基板の熱処理を行うときに該基板を保持する熱処理用サセプタにおいて、平面視で前記基板の平面サイズよりも小さな平板状の凹部を備え、前記熱処理用サセプタに保持された前記基板と前記凹部の底面とが平行とな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用サセプタにおいて、前記基板は円板形状を有し、前記凹部は前記基板よりも小径の円板形状であることを特徴とする。

また、請求項３の発明は、請求項２の発明に係る熱処理用サセプタにおいて、前記凹部の深さは０．１５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であることを特徴とする。

また、請求項４の発明は、請求項２または請求項３の発明に係る熱処理用サセプタにおいて、前記凹部の直径は、前記基板の直径の８０％以上９９％以下であることを特徴とする。

また、請求項５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、前記フラッシュランプの下方に設けられ、前記フラッシュランプから出射された閃光を透過するチャンバー窓を上部に備えるチャンバーと、前記チャンバー内にて基板を略水平姿勢にて保持する保持手段と、を備え、前記保持手段は、請求項２から請求項４のいずれかに記載の熱処理用サセプタを有することを特徴とする。

また、請求項６の発明は、請求項５の発明に係る熱処理装置において、前記保持手段は、前記熱処理用サセプタを載置するとともに、前記熱処理用サセプタに保持された前記基板を閃光照射前に予備加熱するホットプレートをさらに備え、前記ホットプレートは、前記基板の外縁部を予備加熱する円環形状の外縁部領域と、当該外縁部領域よりも内側の円形の内側領域とに分割され、前記外縁部領域と前記内側領域とを仕切る境界円の直径と前記凹部の直径との差は５ｍｍ以内であり、前記外縁部領域の温度が前記内側領域の温度よりも低いことを特徴とする。

請求項１および請求項２の発明によれば、熱処理用サセプタが平面視で基板の平面サイズよりも小さな平板状の凹部を備え、熱処理用サセプタに保持された基板と凹部の底面とが平行となるため、基板と凹部の底面との間に気体層が挟み込まれることとなり、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、特に請求項３の発明によれば、凹部の深さが０．１５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であるため、熱処理用サセプタから基板への伝熱性を損なうことなく基板の割れを防止することができる。

また、特に請求項４の発明によれば、凹部の直径が基板の直径の８０％以上９９％以下であるため、基板を熱処理用サセプタに確実に保持しつつ基板の割れを防止することができる。

また、請求項５の発明によれば、熱処理装置の保持手段が請求項２から請求項４のいずれかの発明に係る熱処理用サセプタを有しているため、該熱処理装置にて閃光照射により熱処理を行うときに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６の発明によれば、基板の外縁部を予備加熱する円環形状の外縁部領域と当該外縁部領域よりも内側の円形の内側領域とを仕切る境界円の直径と凹部の直径との差が５ｍｍ以内であり、外縁部領域の温度が内側領域の温度よりも低いため、基板の外縁部の方が熱処理用サセプタからの伝熱性が良好であるにもかかわらず、予備加熱時の基板の面内温度分布をより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と、複数のフラッシュランプＦＬ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から出射されたフラッシュ光を熱処理空間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７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を備えて構成される。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に保持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。

図３は、本発明に係る熱処理用サセプタに相当するサセプタ７２の断面図である。図４は、サセプタ７２の平面図である。サセプタ７２には、平面視で半導体ウェハーＷの直径よりも小さな直径を有する円板形状の凹部（ザグリ）７８が形設されている。凹部７８は平坦な円板形状であるため、サセプタ７２に保持された半導体ウェハーＷと凹部７８の底面とは平行となる。

本実施形態においては、図３に示す凹部７８の深さｔを０．１５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下としている。また、円板形状である凹部７８の直径ｒ１は円形の半導体ウェハーＷの直径ｒ２（通常は３００ｍｍまたは２００ｍｍ）の８０％以上９９％以下とされている。

このような凹部７８が形成されたサセプタ７２によって半導体ウェハーＷを保持するときには、凹部７８よりも半導体ウェハーＷの方が大きいため、図３，４に示すように、凹部７８のエッジ部によって半導体ウェハーＷの外縁部が支持されることとなる。その結果、半導体ウェハーＷの下面と凹部７８の底面と間に所定間隔の隙間が形成され、その隙間に気体層が挟み込まれることとなる。

図５は、保持部７の構成を示す断面図である。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７６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６は、ホットプレート７１を示す平面図である。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７６が周回するように配設されてヒータが個別に形成されており、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７６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７６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７６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。

上記構成を有するホットプレート７１は、サセプタ７２に保持された半導体ウェハーＷを閃光照射前に予備加熱するためのものであり、最外周のゾーン７１３〜７１６が半導体ウェハーＷの外縁部を予備加熱する。ゾーン７１３〜７１６にて構成されるホットプレート７１の円環形状の外縁部領域よりも内側にはゾーン７１１，７１２によって円形の内側領域が形成されている。そして、本実施形態においては、ホットプレート７１の外縁部領域と内側領域とを仕切る境界円、つまり４つのゾーン７１３〜７１６とゾーン７１２との隙間にて形成される円周の直径ｒ３と円板形状の凹部７８の直径ｒ１との差が５ｍｍ以内となるように構成している（図５）。なお、当該境界円の直径ｒ３と凹部７８の直径ｒ１との大小関係はいずれが大であっても良い。

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ＦＬ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、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ＦＬ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ＦＬ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（つまり水平方向に沿って）互いに平行となるように平面状に配列されている。よって、フラッシュランプＦＬの配列によって形成される平面も水平面である。

キセノンフラッシュランプＦＬ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付設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、コンデンサーに電荷が蓄積されていたとしても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。このようなキセノンフラッシュランプＦＬにおいては、予めコンデンサーに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、リフレクタ５２は、複数のフラッシュランプＦＬの上方にそれら全体を覆うように設けられている。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ＦＬ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ＦＬ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ＦＬ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。

また、制御部３は、熱処理装置１に設けられた上記の種々の動作機構を制御する。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および制御用ソフトウェアやデータなどを記憶しておく磁気ディスクを備えている。

上記の構成以外にも熱処理装置１は、半導体ウェハーＷの熱処理時にフラッシュランプＦＬ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およびランプハウス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（図示省略）が設けられている。また、ランプハウス５は、内部に気体流を形成して排熱するための気体供給管５５および排気管５６が設けられて空冷構造とされている（図３参照）。また、チャンバー窓６１とランプ光放射窓５３との間隙にも空気が供給され、ランプハウス５およびチャンバー窓６１を冷却する。

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（イオン）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７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ＦＬ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７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、図３の如く凹部７８のエッジ部によって半導体ウェハーＷが支持される。保持部７が処理位置にまで上昇するとサセプタ７２に保持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７６）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８００℃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ＦＬ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ＦＬ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ＦＬ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ＦＬ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ＦＬ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ＦＬ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。

ところで、本実施形態においては、フラッシュランプＦＬから閃光照射を行うときに、サセプタ７２の凹部７８のエッジによって処理対象の半導体ウェハーＷを支持している。凹部７８の直径ｒ１は半導体ウェハーＷの直径ｒ２の８０％以上９９％以下であるため、凹部７８のエッジ部によって半導体ウェハーＷの外縁部が支持されることとなる。一方、半導体ウェハーＷの内側部分と凹部７８との間には気体層が挟み込まれることとなる。よって、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ＦＬ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。そして、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、凹部７８のエッジによってウェハー外縁部のみ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（凹部７８の底面）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、凹部７８のエッジによってなるべく半導体ウェハーＷの外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く、少なくとも凹部７８の直径ｒ１を半導体ウェハーＷの直径ｒ２の８０％以上としておけばウェハー割れをほぼ防止することができる。このため、凹部７８の直径ｒ１は半導体ウェハーＷの直径ｒ２の８０％以上９９％以下としている。なお、凹部７８の直径ｒ１を半導体ウェハーＷの直径ｒ２の９９％以下としているのは、凹部７８のエッジによって半導体ウェハーＷを確実に保持するためである。

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ＦＬ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、半導体ウェハーＷは凹部７８の底面と平行となるように所定の間隔を隔てて保持されている。この保持状態にてホットプレート７１による予備加熱を行うと、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、その結果半導体ウェハーＷの面内温度分布が均一となる。特に、本実施形態においては、サセプタ７２に保持された半導体ウェハーＷと凹部７８の底面とが平行であるため、半導体ウェハーＷがより均一に加熱されることとなる。

但し、凹部７８の深さｔが２．０ｍｍより大きくなると、半導体ウェハーＷと凹部７８の底面との間隔が大きくなりすぎ、半導体ウェハーＷを予備加熱温度Ｔ１にまで昇温するのにホットプレート７１を相当な高温に加熱しなければならない。逆に、凹部７８の深さｔが０．１５ｍｍより小さくなると、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きに当該下面が凹部７８の底面に激しく衝突することとなり、上述したウェハー割れ防止効果を十分に得ることができない。このため、凹部７８の深さｔを０．１５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下としている。

また、上述のように凹部７８の底面との間に気体層を挟み込んで半導体ウェハーＷを保持したとしても、半導体ウェハーＷの外縁部のみはサセプタ７２と接触している（図３）。このため、ホットプレート７１が均一に加熱したとすると、サセプタ７２と接触している半導体ウェハーＷの外縁部への熱伝導が内側よりも良好となり、当該外縁部のみが高温となる。そこで、本実施形態においては、半導体ウェハーＷの外縁部を予備加熱するホットプレート７１の外縁部領域の温度を内側領域の温度よりも低温としている。具体的には、予備加熱時に、最外周のゾーン７１３〜７１６の温度が内側のゾーン７１１，７１２よりも低くなるように、制御部３が各ゾーンに配設された抵抗加熱線７６への電力供給量を制御している。

このようにすれば、半導体ウェハーＷの外縁部を予備加熱するゾーン７１３〜７１６の温度が内側のゾーン７１１，７１２よりも低いため、当該外縁部がサセプタ７２と直接接触していても強く加熱されることが抑制され、半導体ウェハーＷの全面がより均一に加熱されることとなり、半導体ウェハーＷの面内温度分布がさらに均一となる。このような効果を得るためには、ホットプレート７１の内側領域の形状と凹部７８の形状とを整合させておく必要があり、このため４つのゾーン７１３〜７１６とゾーン７１２との隙間にて形成される外縁部領域と内側領域との境界円の直径ｒ３と凹部７８の直径ｒ１との差を５ｍｍ以内としている。

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、フラッシュランプＦＬから半導体ウェハーＷに閃光照射を行うことにより、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、半導体ウェハーＷよりも小径の円板形状の凹部７８を形成したサセプタ７２によって半導体ウェハーＷを保持することにより、半導体ウェハーＷと凹部７８の底面とが平行となり、かつそれらの間に気体層が挟み込まれることとなり、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。

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、上記各実施形態においては、円板形状の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。

かかるガラス基板は通常矩形形状を有している。この場合、サセプタ７２に処理対象となるガラス基板よりもサイズの小さい矩形の平板形状の凹部を形成することにより、上記各実施形態と同様の効果を得ることができる。すなわち、サセプタ７２に形成する凹部の形状は円板形状に限定されるものではなく、平板状のものであれば良く、その形成された凹部の底面と基板とが平行であれば良い。

また、サセプタ７２に保持された基板と凹部７８の底面とが所定の間隔を隔てて平行となるのであれば、凹部７８のエッジがテーパ状となっていても良い。

また、上記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ＦＬを備えるようにしていたが、これに限定されずフラッシュランプＦＬの本数は任意のものとすることができる。また、フラッシュランプＦＬ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。

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。 サセプタの断面図である。 サセプタの平面図である。 保持部の構成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。

符号の説明

１ 熱処理装置
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
６１ チャンバー窓
６５ 熱処理空間
７１ ホットプレート
７２ サセプタ
７８ 凹部
７１１〜７１６ ゾーン
ＦＬ フラッシュランプ
Ｗ 半導体ウェハー

Claims (6)

1. フラッシュランプから基板に閃光を照射することによって該基板の熱処理を行うときに該基板を保持する熱処理用サセプタであって、
   平面視で前記基板の平面サイズよりも小さな平板状の凹部を備え、
   前記熱処理用サセプタに保持された前記基板と前記凹部の底面とが平行となることを特徴とする熱処理用サセプタ。
2. 請求項１記載の熱処理用サセプタにおいて、
   前記基板は円板形状を有し、
   前記凹部は前記基板よりも小径の円板形状であることを特徴とする熱処理用サセプタ。
3. 請求項２記載の熱処理用サセプタにおいて、
   前記凹部の深さは０．１５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であることを特徴とする熱処理用サセプタ。
4. 請求項２または請求項３記載の熱処理用サセプタにおいて、
   前記凹部の直径は、前記基板の直径の８０％以上９９％以下であることを特徴とする熱処理用サセプタ。
5. 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、
   前記フラッシュランプの下方に設けられ、前記フラッシュランプから出射された閃光を透過するチャンバー窓を上部に備えるチャンバーと、
   前記チャンバー内にて基板を略水平姿勢にて保持する保持手段と、
   を備え、
   前記保持手段は、請求項２から請求項４のいずれかに記載の熱処理用サセプタを有することを特徴とする熱処理装置。
6. 請求項５記載の熱処理装置において、
   前記保持手段は、前記熱処理用サセプタを載置するとともに、前記熱処理用サセプタに保持された前記基板を閃光照射前に予備加熱するホットプレートをさらに備え、
   前記ホットプレートは、前記基板の外縁部を予備加熱する円環形状の外縁部領域と、当該外縁部領域よりも内側の円形の内側領域とに分割され、前記外縁部領域と前記内側領域とを仕切る境界円の直径と前記凹部の直径との差は５ｍｍ以内であり、前記外縁部領域の温度が前記内側領域の温度よりも低いことを特徴とする熱処理装置。

Images