JP2009164380A - 熱処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱処理時における基板上の温度分布の面内均一性を向上させることができる熱処理装置を提供する。
【解決手段】保持部２に保持された基板Ｗに向けて、第１光照射部３から光を照射して予備加熱処理を行い、第２光照射部４から閃光を照射してフラッシュ加熱処理を行う。吐出供給部６は、光照射部３，４と保持部２との間の空間（熱空間Ｖ）に窒素ガスを吐出供給する。吐出供給部６の備える気体吐出ノズル６１の姿勢は、吐出方向変更機構６７によって変更可能とされており、これにより気体の吐出方向を調整することができる。例えば、基板Ｗの特定の位置に高温領域（ホットスポット）が生じている場合、当該領域に向けて気体を吐出することによって、この温度不均一領域を消滅させることができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、半導体ウェハーや液晶表示装置用ガラス基板等（以下、単に「基板」と称する）に光を照射することにより該基板を熱処理する熱処理装置、特に閃光を照射して基板を瞬間的に加熱する熱処理装置に関する。

従来より、イオン注入後の基板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、基板を、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、基板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基板を昇温する上記ランプアニール装置を使用して基板のイオン活性化を実行した場合においても、基板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基板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基板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、シリコンの基板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基板に閃光を照射したときには、透過光が少なく基板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、基板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。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の構成例は、例えば特許文献１に記載されている。

特開２００４−１４０３１８号公報

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、基板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基板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。また、ウェハーの径方向に沿った温度分布の不均一のみならず、同一半径の周方向に沿った温度分布の不均一も存在することが判明している。具体的には、基板の周縁部の一部のみにコールドスポットと称される低温領域が生じることがあった。

また、キセノンフラッシュランプによるフラッシュ加熱を行う前には、ホットプレートやハロゲンランプ等を使用して基板の予備加熱が行われる。ホットプレートは、安全かつある程度は均一に基板を昇温できるという利点があるものの、昇温可能な温度に限界があるため、適用範囲に限界がある。一方、ハロゲンランプを使用すれば６００度以上の昇温が実現可能である。フラッシュ加熱前に、基板を予備的に６００度以上の高温領域まで昇温させておくことができれば、フラッシュ加熱に求められる昇温幅をその分小さくすることができる。すなわち、キセノンフラッシュランプによって基板に与えるべきエネルギーを小さくすることができる。これによって、フラッシュ加熱において基板に生じる熱応力を小さくすることが可能となり、フラッシュ加熱における基板の割れの発生を防止することができる。しかしながら、ハロゲンランプを用いる構成では、基板を均一に昇温させることが非常に困難であり、予備昇温においても基板の表面領域の一部のみにホットスポットと称される高温領域やコールドスポットが生じてしまう。

上述の通り、キセノンフラッシュランプやハロゲンランプ等の光源からの光照射によって基板を熱処理する態様においては、基板上にホットスポットやコールドスポット等の温度不均一領域が生じやすい。特に、光源と基板とが大きく（例えば、１００mm以上）離間する装置構成の場合、基板上の温度分布は、光源と基板との間の空間に生じる対流によって大きな影響を受ける。ところが、この空間に生じる対流は非常に不安定なものであり、些細な要因（例えば、基板を搬入する際の僅かな振動等）によってその時々で大きく変化するため、この影響を受けて基板上の温度分布が非常に不安定なものとなってしまう。基板上の温度分布が不安定になると、予期せぬ位置にホットスポットやコールドスポットが発生してしまう。また、熱処理の再現性も悪化してしまう。

この発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、熱処理時における基板上の温度分布の面内均一性を向上させ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。

請求項１の発明は、基板に対して光を照射することによって当該基板を加熱処理する熱処理装置であって、基板を保持する保持手段と、前記保持手段に保持された基板と所定の距離だけ離間した位置から前記基板に向けて光を照射する１以上の光照射手段と、前記１以上の光照射手段のそれぞれと前記保持手段に保持される基板との間に形成される熱空間へ所定の気体を吐出供給する吐出供給手段と、を備え、前記吐出供給手段が、前記所定の気体の吐出方向を変更する吐出方向変更手段と、前記吐出方向変更手段を制御して前記所定の気体の吐出方向を調整する吐出方向制御手段と、を備える。

請求項２の発明は、請求項１に記載の熱処理装置であって、前記吐出方向制御手段が、前記熱空間内に所定の対流が形成されるように、前記吐出方向を調整する。

請求項３の発明は、請求項１に記載の熱処理装置であって、前記吐出方向制御手段が、前記保持手段に保持された基板の所定の表面領域に向けて前記所定の気体が吐出されるように、前記吐出方向を調整する。

請求項４の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の熱処理装置であって、前記吐出方向制御手段が、前記加熱処理が行われた後において、前記加熱処理後の基板に向けて前記所定の気体が吐出されるように、前記吐出方向を調整する。

請求項５の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の熱処理装置であって、前記吐出方向制御手段が、前記加熱処理が行われた後において、前記保持手段に向けて前記所定の気体が吐出されるように、前記吐出方向を調整する。

請求項６の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の熱処理装置であって、前記熱空間に挿入される挿入体、を備え、前記吐出方向制御手段が、前記加熱処理が行われた後において、前記挿入体に向けて前記所定の気体が吐出されるように、前記吐出方向を調整する。

請求項７の発明は、請求項１から６のいずれかに記載の熱処理装置であって、前記１以上の光照射手段の１つが、閃光を照射するフラッシュランプ、を備える。

請求項８の発明は、請求項１から７のいずれかに記載の熱処理装置であって、前記１以上の光照射手段の少なくとも１つが、ハロゲンランプ、を備える。

請求項１〜８の発明によると、熱空間へ気体を吐出供給する吐出供給手段を備え、この吐出供給手段は、気体の吐出方向を変更する吐出方向変更手段と、この吐出方向変更手段を制御して気体の吐出方向を調整する吐出方向制御手段とを備える。熱空間内に形成される気体の流れは基板の温度分布に影響を及ぼすところ、この構成によると、気体の吐出方向を調整することによって熱空間内の気体の流れを制御することが可能となり、これによって、熱処理時における基板上の温度分布の面内均一性を向上させることができる。

特に、請求項２の発明によると、気体を吐出供給することによって、熱空間に所定の対流を形成することができる。熱空間に積極的に対流を形成することによって、熱空間内に偶然的に形成される対流に起因して基板に予測不可能な温度不均一領域が生じることを防止することができる。すなわち、基板上の温度分布を安定させて、面内均一性を向上させることができる。

特に、請求項３の発明によると、基板の所定の表面領域に向けて気体を吐出することができる。これによって、基板上の温度不均一領域を消滅させることができる。例えば、基板上にホットスポットが生じている場合、このホットスポットへ向けて気体を吐出供給することによって、ホットスポットを消滅させて基板上の温度分布の面内均一性を向上させることができる。

特に、請求項４の発明によると、加熱処理が行われた後において、加熱処理後の基板に向けて気体を吐出することができる。これによって、加熱処理後の基板を冷却することができる。

特に、請求項５の発明によると、加熱処理が行われた後において、保持手段に向けて気体を吐出することができる。これによって、保持手段に保持された加熱処理後の基板を、保持手段を介して間接的に冷却することができる。

特に、請求項６の発明によると、加熱処理が行われた後において、熱空間に挿入された挿入体に向けて気体を吐出することができる。これによって、加熱処理後の基板を、挿入体を介して間接的に冷却することができる。

この発明の実施の形態に係る熱処理装置について図面を参照しながら説明する。この発明の実施の形態に係る熱処理装置１００は、略円形の基板Ｗに閃光（フラッシュ光）を照射してその基板Ｗを加熱するフラッシュランプアニール装置である。

〈１．熱処理装置の全体構成〉
はじめに、この発明の実施の形態に係る熱処理装置の全体構成について、図１〜図３を参照しながら説明する。図１は、熱処理装置１００の構成を示す側断面図である。図２および図３は、熱処理装置１００を図１の矢印Ｑ１方向および矢印Ｑ２方向からそれぞれみた縦断面図である。

熱処理装置１００は、６枚の反射板１１によって６角形の筒状に形成された反射体１を備える。各反射板１１は反射率が十分に高い部材（例えば、アルミニウム等）により形成されている。もしくは、内側表面に反射率を高めるコーティング（例えば、金の非拡散コーティング）がなされている。後述する光照射部３，４から照射された光線の一部は、反射板１１の内側表面で反射されて後述する保持部２に保持される基板Ｗに入射する。これによって、光照射部３，４から発生した光エネルギーが無駄なく基板Ｗの熱処理に用いられることになる。

また、熱処理装置１００は、反射体１の筒内部において基板Ｗを水平に保持する保持部２を備える。保持部２は、光透過性の部材（例えば石英）により形成される保持ステージ２１を備える。保持ステージ２１には、複数個（例えば３個）の支持ピン２２が立設される。保持部２に保持される基板Ｗは、これら複数の支持ピン２２によって裏面側から点で支持される。

また、熱処理装置１００は、反射体１の筒内部に配置され、保持部２に保持される基板Ｗに光を照射することにより基板Ｗを加熱する２つの光照射部３，４を備える。

第１の光照射部（第１光照射部３）は、保持部２に保持された基板Ｗの下側であって基板Ｗと１００mm以上離間した位置から、基板Ｗに向けて光を照射する。そして、その光エネルギーによって基板Ｗを所定の予備加熱温度まで昇温させる。第１光照射部３は、複数のハロゲンランプ３１およびリフレクタ３２を有する。複数のハロゲンランプ３１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２に保持される基板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３２は、複数のハロゲンランプ３１の下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。

ハロゲンランプ３１は、ガラス管内部に配設されたフィラメントに通電することでフィラメントを白熱化させて発光させるフィラメント方式の光源である。ガラス管内部には、窒素やアルゴン等の不活性ガスにハロゲン元素（ヨウ素、臭素等）を微量導入したものが封入されている。ハロゲン元素を導入することによって、フィラメントの折損を抑制しつつフィラメントの温度を高温に設定することが可能となる。したがって、ハロゲンランプ３１は、通常の白熱電球に比べて寿命が長くかつ強い光を連続的に照射できるという特徴を有する。

第２の光照射部（第２光照射部４）は、保持部２に保持された基板Ｗの上側であって基板Ｗと１００mm以上離間した位置から、基板Ｗ（より具体的には、第１光照射部３により予備加熱された基板Ｗ）に向けて閃光を照射する。そして、その光エネルギーによって基板Ｗの表面を短時間に昇温させる。第２光照射部４は、複数（例えば、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）４１およびリフレクタ４２を有する。複数のフラッシュランプ４１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２に保持される基板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４２は、複数のフラッシュランプ４１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。

キセノンフラッシュランプ４１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４１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、光照射部３，４と保持部２との間には、光照射部３，４のそれぞれと保持部２に保持された基板Ｗとを分離された空間におくための雰囲気遮断部材を設けてもよい。ただし、この雰囲気遮断部材は光を透過させる部材（例えば、石英）を用いて形成する必要がある。雰囲気遮断部材を設けることによって、光照射部３，４にて発生したパーティクル等によって保持部２に保持された基板Ｗが汚染されるのを防止することができる。

また、熱処理装置１００は、反射体１を覆う六角筒形状のチャンバー５を備える。チャンバー５は、反射体１を包囲する六角筒状のチャンバー側部５１と、チャンバー側部５１の上部を覆うチャンバー蓋部５２、および、チャンバー側部５１の下部を覆うチャンバー底部５３によって構成される。チャンバー側部５１には、基板Ｗの搬入および搬出を行うための搬送開口部５１１が形成されている。搬送開口部５１１は、軸５１２を中心に回動するゲートバルブ５１３により開閉可能とされる。搬送開口部５１１は、反射体１の側壁面をも貫通して形成されており、ゲートバルブ５１３が開放位置（図１の仮想線位置）におかれることによって、搬送開口部５１１を通じて反射体１の筒内部に基板Ｗを搬出入することが可能となる（矢印ＡＲ５）。一方、ゲートバルブ５１３が閉鎖位置（図１の実線位置）におかれると、チャンバー５の内部が密閉空間とされる。

また、熱処理装置１００は、反射体１の筒内部であって、第１光照射部３と保持部２との間の空間および第２光照射部４と保持部２との間の空間（以下において、「熱空間Ｖ」と総称する）に所定の気体（例えば、不活性ガスであり、この実施の形態においては窒素ガスとする）を吐出供給する吐出供給部６を備えている。吐出供給部６の具体的な構成については後に説明する。

また、熱処理装置１００は、上記の各構成を制御する制御部９１と、ユーザインターフェイスである操作部９２および表示部９３を備える。操作部９２および表示部９３はチャンバー５の外部に配置され、ユーザから各種の指示をチャンバー５の外部にて受け付ける。制御部９１は、操作部９２および表示部９３から入力された各種の指示に基づいて熱処理装置１００の各構成を制御する。

〈２．吐出供給部の構成〉
次に、吐出供給部６の構成について、図１、図３を参照しながら具体的に説明する。この実施の形態に係る熱処理装置１００は、図１に示すように、２個の吐出供給部６を備える。すなわち、保持部２と第１光照射部３との間に設けられ、保持部２と第１光照射部３との間の熱空間Ｖに所定の気体（窒素ガス）を吐出供給する吐出供給部６（第１の吐出供給部６ａ）と、保持部２と第２光照射部４との間に設けられ、保持部２と第２光照射部４との間の熱空間Ｖに所定の気体を吐出供給する吐出供給部６（第２の吐出供給部６ｂ）とを備える。以下においては、第２の吐出供給部６ｂについて説明するが、第１の吐出供給部６ａもこれと同様の構成を有している。また、第１の吐出供給部６ａと第２の吐出供給部６ｂとを特に区別しない場合は、単に「吐出供給部６」と示す。

吐出供給部６ｂは、チャンバー側部５１の内壁面であって、第２光照射部４と保持部２との間の所定位置に形成されたノズル（気体吐出ノズル６１）を備えている。気体吐出ノズル６１は、反射体１を貫通して設けられ、その吐出口が反射体１の筒内部（熱空間Ｖ）に位置するように形成される。

気体吐出ノズル６１は、チャンバー側部５１の壁面を貫通して形成された気体供給ライン６２に接続されている。気体供給ライン６２は、バルブ６３および流量調整部６４を介して所定の気体（この実施の形態においては、窒素ガス）を供給する窒素供給源６５に接続されている。また、気体供給ライン６２には、当該ラインを流れる窒素ガスを所定の温度に温調する気体温調部６６が介挿されている。

制御部９１は、所定のタイミングでバルブ６３を開閉制御することによって、窒素供給源６５から供給される窒素ガスを、気体供給ライン６２を介して、気体吐出ノズル６１から所定のタイミングで吐出させることができる。また、流量調整部６４を制御することによって、気体吐出ノズル６１から吐出させる窒素ガスの流量を変更することができる。また、気体温調部６６を制御することによって、気体吐出ノズル６１から吐出される窒素ガスの温度を変更することができる。すなわち、制御部９１は、バルブ６３、流量調整部６４および気体温調部６６の各部を制御することによって、所定のタイミングで、所定の温度に温調された窒素ガスを、所定の流量で、気体吐出ノズル６１から熱空間Ｖに向けて吐出させることができる。

また、吐出供給部６ｂは、気体吐出ノズル６１の姿勢を変更する吐出方向変更機構６７を備える。例えば、気体吐出ノズル６１の吐出口と固定端（チャンバー側部５１の内壁面に固定的に取り付けられた端部）との間に、曲げを可能とする蛇腹構造６１１を形成しておく。そして、吐出方向変更機構６７は、固定端に対する吐出口の位置を変更する構成とする。吐出方向変更機構６７が固定端に対する吐出口の位置を変更することによって（すなわち、気体吐出ノズル６１の姿勢を変更することによって）、気体吐出ノズル６１から吐出される窒素ガスの吐出方向が変更されることになる。すなわち、吐出方向の変更が可能となる。

制御部９１は、操作部９２および表示部９３を介してオペレータから入力された指示に応じて吐出方向変更機構６７を駆動制御して、気体吐出ノズル６１の姿勢をオペレータが指示した状態に調整する。すなわち、窒素ガスの吐出方向をオペレータが指示した方向に調整する。

オペレータは、例えば、窒素ガスの吐出方向が、熱空間Ｖ内の任意の座標位置に向く方向となるように指示することができる。このような方向に窒素ガスが吐出されると、吐出方向に応じた対流が熱空間Ｖ内に形成されることになり、これによって、後述するように、熱処理における基板Ｗ上の温度分布を安定させて、基板Ｗ上の温度分布の面内均一性を向上させることができる。

また例えば、窒素ガスの吐出方向が、保持部２に保持された基板Ｗの特定の表面領域に向く方向となるように指示することができる。基板Ｗの適切な表面領域に窒素ガスを吐出供給することによって、後述するように、熱処理において基板Ｗ上に温度不均一領域が生じることを防止することができる。

また例えば、窒素ガスの吐出方向が、保持部２に保持された基板Ｗの全域に向く方向となるよう指示することができる。吐出方向を基板Ｗの全域に向けるには、例えば、吐出方向が基板Ｗの全域をカバーするように気体吐出ノズル６１の姿勢を時間とともに順次変更させればよい。このような方向に窒素ガスが吐出されると、後述するように、基板Ｗを冷却することができる。

また例えば、窒素ガスの吐出方向が、保持部２に向く方向となるように指示することができる。このような方向に窒素ガスが吐出されると、後述するように、保持部２を介して保持部２に保持された基板Ｗを間接的に冷却することができる。

制御部９１は、さらに、操作部９２および表示部９３を介してオペレータから入力された指示に応じて所定のタイミングで吐出方向変更機構６７を駆動制御して、気体吐出ノズル６１の姿勢をオペレータが指示したタイミングで変更することができる。すなわち、窒素ガスの吐出方向を、オペレータが指示したタイミングで変更することができる。

オペレータは、例えば、基板Ｗに対する熱処理（予備加熱処理およびフラッシュ加熱処理）行われた後に、気体吐出ノズル６１の姿勢を変更するように指示することができる。例えば、熱処理の間は、窒素ガスの吐出方向が第１の方向（例えば、基板Ｗの特定領域（例えば、ホットスポットが生じやすい領域）に向く方向）となるように指示するとともに、熱処理が終了した後は、吐出方向を第２の方向（例えば、保持部２に向く方向）に変更するよう指示することができる。この場合、熱処理の間は、基板Ｗの特定領域に向けて窒素ガスが吐出される。これによって、後述するように、熱処理において基板Ｗ上に温度不均一領域が生じることを防止することができる。一方、熱処理が終了した後は、保持部２に向けて窒素ガスが吐出される。これによって、後述するように、保持部２に保持された基板Ｗを間接的に冷却することができる。

〈３．熱処理装置の動作〉
次に、熱処理装置１００における基板Ｗの処理手順について図４を参照しながら説明する。図４は、熱処理装置１００にて実行される処理の流れを示す図である。ここで処理対象となる基板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１００による熱処理により行われる。なお、以下の処理動作は、制御部９１が所定のタイミングで各構成を制御することによって行われる。

まず、イオン注入後の基板Ｗを熱処理装置１００内に搬入する（ステップＳ１）。より具体的には、制御部９１が駆動手段（図示省略）を制御して、ゲートバルブ５１３を開放位置におく。これにより搬送開口部５１１が開放される。続いて、装置外部の搬送ロボットが、イオン注入後の基板Ｗを搬送開口部５１１を通じてチャンバー５内に搬入して、保持部２上に載置する。基板Ｗが保持部２上に載置されると、制御部９１が再び駆動手段（図示省略）を制御して、ゲートバルブ５１３を閉鎖位置におく。これにより搬送開口部５１１が閉鎖され、チャンバー５内部が密閉空間とされる。

チャンバー５内部が密閉空間とされると、続いて、熱空間Ｖへの窒素ガスの吐出供給を行う（ステップＳ２）。より具体的には、制御部９１が、吐出供給部６の備えるバルブ６３、流量調整部６４および気体温調部６６の各部を制御することによって、所定の温度に温調された窒素ガスを、所定の流量で、気体吐出ノズル６１から熱空間Ｖに向けて吐出させる。なお、この処理が行われる前に、制御部９１が、吐出方向変更機構６７を駆動制御して、気体吐出ノズル６１の姿勢をオペレータが指示した状態に調整しているものとする。したがってここでは、オペレータが指示した方向に窒素ガスが吐出供給されることになる。熱空間Ｖの所定方向に向けて窒素ガスを吐出供給することによって、以下に説明する各種の効果を得ることができる。

〈ｉ．温度分布の安定〉
例えば、熱空間Ｖ内の任意の座標位置に向く方向に所定の時間（例えば、数秒程度）窒素ガスを吐出することによって、基板Ｗの温度分布を安定させることができる。熱空間Ｖの特定の方向に向けて気体を吐出供給すると、たとえ吐出された気体の量がほんの僅かであっても、それをきっかけとして熱空間Ｖ内には特定の方向の対流が形成される。基板Ｗに対する熱処理（後述するステップＳ３およびステップＳ４の処理）を熱空間Ｖ内に特定の方向の対流が形成された状態にて行えば、偶然的に形成される対流に起因して基板Ｗに予測不可能な温度不均一領域が生じることを防止することができる。すなわち、熱処理における基板Ｗ上の温度分布を安定させて、基板Ｗ上の温度分布の面内均一性を向上させることができる。また、複数枚の基板Ｗのそれぞれに対して、同じ対流の下での熱処理を行うことができるので、熱処理の再現性を高めることができる。

〈ｉｉ．温度分布の偏りの解消〉
また例えば、熱空間Ｖ内の適切な方向に窒素ガスを吐出して、熱空間Ｖに適切な方向に流れる対流を形成することによって、基板Ｗ上に温度分布の偏りが生じることを防止することができる。例えば、各種の要因（例えば、ハロゲンランプ３１やフラッシュランプ４１の配光特性（特定の方向について偏った光度分布を与える性格）や保持部２の非対称性等）に起因して、熱処理において基板Ｗ上に特定の方向に沿った温度勾配が生じることが判明している場合、適切な方向に向けて気体を吐出供給すれば、当該方向に沿って温度勾配を打ち消す向きの対流を熱空間Ｖ内に形成することができる。これによって、基板Ｗ上に特定の方向に沿った温度勾配が生じることを未然に防止することができる。

〈ｉｉｉ．温度不均一領域の消滅〉
また例えば、保持部２に保持された基板Ｗの特定の表面領域に向けて窒素ガスを吐出することによって、基板Ｗ上に温度不均一領域が生じることを防止することができる。熱処理を受ける基板Ｗの特定の表面領域に向けて気体を吐出供給しておくと、当該領域は熱処理において昇温しにくくなる。したがって、熱処理において基板Ｗ上の一部領域にホットスポットが生じやすいことが判明している場合、当該領域に向けて気体を吐出供給すれば、当該領域にホットスポットが生じることを未然に防止することができる。なお、この場合、窒素ガスの吐出供給を開始するタイミングは、熱処理（後述するステップＳ３，ステップＳ４）を開始した後であってもよい。

再び図４の説明に戻る。ステップＳ２の処理に続いて、保持部２に保持された基板Ｗを予備加熱する（ステップＳ３）。より具体的には、制御部９１が第１光照射部３を制御して、保持部２に保持された基板Ｗに向けて光を照射させる。この光エネルギーによって基板Ｗが所定の予備加熱温度（例えば、６００度）まで昇温される。このとき、第１光照射部３のハロゲンランプ３１から放射される光の一部は直接に保持部２に保持された基板Ｗへと向かい、他の一部は一旦反射板１１やリフレクタ３２により反射されてから基板Ｗへと向かう。これらの光照射により基板Ｗの予備加熱が行われる。

予備加熱が完了すると、続いて、保持部２に保持された基板Ｗをフラッシュ加熱する（ステップＳ４）。より具体的には、制御部９１が第２光照射部４を制御して、保持部２に保持された基板Ｗに向けて閃光（フラッシュ光）を照射させる。この光エネルギーによって基板Ｗが所定の処理加熱温度まで昇温される。このとき、第２光照射部４のフラッシュランプ４１から放射される光の一部は直接に保持部２に保持された基板Ｗへと向かい、他の一部は一旦反射板１１やリフレクタ４２により反射されてから基板Ｗへと向かう。これらの閃光照射により基板Ｗのフラッシュ加熱が行われる。

なお、フラッシュ加熱は、フラッシュランプ４１からの閃光照射により行われるため、基板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、第２光照射部４のフラッシュランプ４１から照射される閃光は、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４１からの閃光照射によりフラッシュ加熱される基板Ｗの表面温度は、瞬間的に所定の処理温度（例えば、１０００℃ないし１１００℃程度）まで上昇し、基板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１００では、基板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、基板Ｗに添加された不純物の熱による拡散（この拡散現象を、基板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第１光照射部３により基板Ｗを予備加熱しておくことにより、フラッシュランプ４１からの閃光照射によって基板Ｗの表面温度を処理温度まで容易に上昇させることができる。特に、この実施の形態においては、ハロゲンランプ３１を用いて予備加熱を行うので、ホットプレート等を用いた場合に比べて高温（例えば、６００度以上）領域まで基板Ｗを予備昇温させておくことができる。これにより、フラッシュ加熱における昇温幅を小さくすることが可能となり、フラッシュ加熱における基板の割れの発生を防止することができる。

フラッシュ加熱が終了すると、続いて、熱空間Ｖ内の所定位置に向けて窒素ガスを吐出供給することによって、熱処理後の基板Ｗを冷却する（ステップＳ５）。より具体的には、制御部９１が、吐出方向変更機構６７を駆動制御して、気体吐出ノズル６１の姿勢をオペレータが指示した状態に調整する。オペレータが熱処理の前後において気体吐出ノズル６１の姿勢を変更するように指示している場合は、ここで気体吐出ノズル６１の姿勢を変更する。さらに、吐出供給部６の備えるバルブ６３、流量調整部６４および気体温調部６６の各部を制御することによって、所定の温度に温調された窒素ガスを、所定の流量で、気体吐出ノズル６１から熱空間Ｖに向けて吐出させる。これによって、オペレータが指示した方向に窒素ガスが吐出供給されることになる。

例えばここで、保持部２に保持された基板Ｗに向けて窒素ガスを吐出供給することによって基板Ｗを冷却することができる。また例えば、保持部２（より具体的には、保持ステージ２１）に向けて窒素ガスを吐出供給することによって、保持部２を介して、保持部２に保持された（すなわち、保持ステージ２１に立設された支持ピン２２に支持された）基板Ｗを間接的に冷却することができる。

熱処理装置１００から搬出する前に、基板Ｗを粗く冷却しておくことによって、熱処理後の基板Ｗを保持して搬送する搬送アームのダメージを低減することができる（熱処理直後の基板Ｗは６００度以上の高温状態となっており、特に耐熱性の高い材質（例えば石英）で形成された部材以外では把持することすら難しい）。また、基板Ｗは、高温状態で酸素を含有する雰囲気下におかれるとたちまちに酸化してしまうが、ある程度冷却しておけば酸化しにくくなる。つまり、基板Ｗを粗く冷却しておくことによって、熱処理装置１００から搬出された基板Ｗが酸化されにくくなる。また、一般に、熱処理後の基板Ｗは、熱処理装置１００から搬出された後にコールドプレート等を用いて所定の温度まで冷却されることになるが、熱処理装置１００にて基板Ｗをある程度冷却しておけば、コールドプレート等において基板Ｗを所定の温度まで冷却するのに要する時間を短縮することができる。すなわち、スループットを上げることが可能となる。

なお、基板Ｗや保持ステージ２１等を冷却する目的で気体の吐出供給を行う場合には、気体吐出ノズル６１から気体を吐出させつつ、吐出方向変更機構６７によって気体吐出ノズル６１の吐出口の位置を所定速度で移動させてもよい。これによると、広範な領域にわたって気体を吐出することができるので、被冷却物の表面領域の全体を均一に冷却することができる。

再び図４の説明に戻る。基板Ｗがある程度（例えば、２００度以下程度）まで冷却されると、基板Ｗを熱処理装置１００内から搬出する（ステップＳ６）。より具体的には、制御部９１が駆動手段（図示省略）を制御してゲートバルブ５１３を開放位置におく。続いて、装置外部の搬送ロボットが、基板Ｗを搬送開口部５１１を通じてチャンバー６内から搬出する。以上で、熱処理装置１００における基板Ｗの処理が終了する。

〈４．効果〉
上記の実施の形態に係る熱処理装置１００は、熱空間Ｖに所定の気体（窒素ガス）を吐出供給する吐出供給部６を備えており、この吐出供給部６は、気体吐出ノズル６１の姿勢を変更することによって気体の吐出方向を変更する吐出方向変更機構６７を備えている。すなわち、熱処理装置１００においては、気体の吐出方向をオペレータが所望する任意の方向へ調整することができる。適切な方向に向けて気体を吐出供給することによって、上述の通り、基板Ｗの温度分布を安定させること、温度分布の偏りを解消させること、および温度不均一領域を消滅させることが可能となる。また、熱処理後の基板Ｗを冷却することも可能となる。

〈５．変形例〉
上記の実施の形態に係る熱処理装置１００において、熱空間Ｖ内であって保持部２に保持された基板Ｗと気体吐出ノズル６１との間に、所定の挿入体を挿入する構成としてもよい。気体吐出ノズル６１からこの挿入体へ向けて気体を吐出供給することによって、挿入体を冷却することができる。これによって、保持部２に保持された基板Ｗを、熱空間Ｖを介して間接的に冷却することができる。ただし、挿入体は光透過性の部材（例えば石英）により形成する必要がある。

図５は、この変形例に係る熱処理装置１００の構成を示す側断面図である。例えば図５に示すように、保持部２に保持された基板Ｗと気体吐出ノズル６１（例えば、第２の吐出供給部６ｂの備える気体吐出ノズル６１）との間に、石英により形成された板状部材（挿入体７）を挿入する。オペレータは、窒素ガスの吐出方向が、挿入体に向く方向となるように指示することができる。制御部９１が、当該指示に応じて吐出方向変更機構６７を駆動制御して、気体吐出ノズル６１の姿勢に調整すると、挿入体７に向けて気体が吐出供給される。これによって挿入体７が冷却され、挿入体７を介して間接的に基板Ｗを冷却することができる。

なお、挿入体７の挿入位置は、任意に設定することができる。また、挿入体７の挿入位置（例えば高さ位置）を変更可能とする機構を設けてもよい。保持部２に保持された基板Ｗと挿入体７との離間距離を適宜変更することによって、基板Ｗの冷却速度を調整することも可能である。

また、挿入体７の形状も任意のものを採用することができる。例えば、挿入体７を、反射体１の筒断面と同一のサイズに成型し、当該挿入体７により熱空間Ｖを完全に分離する構成としてもよい。また例えば、反射体１の筒断面よりも小さなサイズの各種形状（例えば、円板形状、円環板形状、筒断面と相似の形状等）に成型し、当該挿入体７を所定の位置に配置する構成としてもよい。さらに、当該挿入体７の姿勢や、水平面内における位置を変更可能とする機構を設けてもよい。挿入体７の挿入位置を、温度不均一領域の発生位置に応じて適宜変更することによって、基板Ｗの表面に発生している温度不均一領域を適切に消滅させることも可能となる。

また、上記の実施の形態に係る熱処理装置１００においては、吐出供給部６は１個の気体吐出ノズル６１を備える構成としたが、１以上の気体吐出ノズル６１を備える構成としてもよい。複数の気体吐出ノズル６１それぞれの姿勢を適切に調整するとともに、各気体吐出ノズル６１から同時に（もしくは所定の時間差をつけて）気体を吐出させることによって、熱空間Ｖに多様な対流を形成することが可能となる。例えば、互いに対向する位置に設けられ、それぞれが共通の円周の接線に対して同じ角度をなす方向に向くような姿勢におかれた複数の気体吐出ノズル６１のそれぞれから、同時に気体を吐出させることによって、熱空間Ｖにトルネード状の対流を形成することができる。

また、上記の実施の形態においては、制御部９１によって電気的に制御される吐出方向変更機構６７によって気体吐出ノズル６１の姿勢を変更するものとしたが、気体吐出ノズル６１の姿勢を変更する機構は必ずしも電気的制御によるものでなくてもよい。例えば、気体吐出ノズル６１の吐出口と接続され、吐出口の位置を規定する軸（支持軸）をチャンバー５を貫通させて形成し、当該支持軸の位置を、チャンバー５の外部からオペレータに直接に調整させることによって気体吐出ノズル６１の姿勢を調整する構成としてもよい。この構成によると、オペレータは、チャンバー５の外部から、支持軸の位置を変更することによって、気体吐出ノズル６１の姿勢を所望通りに調整することができる。

また、上記の実施の形態においては、例えば、吐出供給部６における気体の吐出方向を適切に調整することによって、第１光照射部３（より具体的にはハロゲンランプ３１）や第２光照射部４（より具体的にはフラッシュランプ４１）に向けて気体を吐出させることも可能である。これによって、ハロゲンランプ３１やフラッシュランプ４１を冷却することができる。

また、上記の実施の形態においては、熱処理後の基板を冷却する工程を設けているが（図４のステップＳ５）、この工程は必ずしも必須ではない。

また、上記の実施の形態においては、反射体１は６枚の反射板１１によって６角形の筒状に形成されているが、反射体１の形状はこれに限らず、ｎ枚（ただし、ｎは３以上の整数）の反射板１１によって任意の多角形の筒状に形成することができる。また、１枚の反射板１１によって円筒状に形成することもできる。

また、上記の実施の形態においては、２つの光照射部３，４の両方が、保持部２に保持された基板Ｗから１００mm以上離間した位置に配置されるとしたが、必ずしも両方の光照射部３，４を基板Ｗから１００mm以上離間させなくともよい。少なくとも一方の光照射部３，４が１００mm以上離間している構成を有する熱処理装置においては、上記の発明は有効に作用する。というのも、被加熱物である基板Ｗと光照射部との距離が大きくなるほど、基板Ｗを均一に加熱することが難しくなるからである。

また、上記の実施の形態においては、第２光照射部４は、光源としてキセノンフラッシュランプを備える構成としたが、この光源としてハロゲンランプが用いられてもよい。

また、上記の実施の形態においては、第１光照射部３および第２光照射部４のそれぞれは、複数の棒状光源（ハロゲンランプ３１、フラッシュランプ４１）を備える構成としたが、光源は必ずしも棒状でなくともよい。例えば、渦巻き形状の光源を用いてもよい。また、複数個の点光源を規則的に配置してもよい。また、互いに異なる直径を有する複数個の円環状の光源を同心円に配置してもよい。

また、上記の実施の形態においては、保持部２は、保持ステージ２１に設けた複数個の支持ピン２２により基板Ｗを支持（点支持）する構成としたが、基板Ｗを保持する態様はこれに限らない。例えば、保持ステージ２１上に基板Ｗを直接載置して保持ステージ２１に基板Ｗを支持（面支持）させる構成としてもよい。また、基板Ｗの直径よりも若干大きな直径を有するリング状の部材により基板Ｗを支持する構成としてもよい。この場合、例えばリングの内側端面に、基板Ｗの裏面を点で支持する支持部材を複数個（例えば４個）形成しておき、これら複数個の支持部材によって基板Ｗを裏面側から支持する構成とすることができる。さらにまた、各種形状のハンドにより支持する構成としてもよい。

熱処理装置の構成を示す側断面図である。 熱処理装置の構成を示す縦断面図である。 熱処理装置の構成を示す縦断面図である。 熱処理装置にて実行される処理の流れを示す図である。 変形例に係る熱処理装置の構成を示す側断面図である。

符号の説明

１ 反射体
２ 保持部
３ 第１光照射部
４ 第２光照射部
５ チャンバー
６ 吐出供給部
６１ 気体吐出ノズル
６２ 気体供給ライン
６３ バルブ
６４ 流量調整部
６５ 窒素供給源
６６ 気体温調部
６７ 吐出方向変更機構
７ 挿入体
１００ 熱処理装置
Ｗ 基板

Claims (8)

1. 基板に対して光を照射することによって当該基板を加熱処理する熱処理装置であって、
   基板を保持する保持手段と、
   前記保持手段に保持された基板と所定の距離だけ離間した位置から前記基板に向けて光を照射する１以上の光照射手段と、
   前記１以上の光照射手段のそれぞれと前記保持手段に保持される基板との間に形成される熱空間へ所定の気体を吐出供給する吐出供給手段と、
   を備え、
   前記吐出供給手段が、
   前記所定の気体の吐出方向を変更する吐出方向変更手段と、
   前記吐出方向変更手段を制御して前記所定の気体の吐出方向を調整する吐出方向制御手段と、
   を備えることを特徴とする熱処理装置。
2. 請求項１に記載の熱処理装置であって、
   前記吐出方向制御手段が、
   前記熱空間内に所定の対流が形成されるように、前記吐出方向を調整することを特徴とする熱処理装置。
3. 請求項１に記載の熱処理装置であって、
   前記吐出方向制御手段が、
   前記保持手段に保持された基板の所定の表面領域に向けて前記所定の気体が吐出されるように、前記吐出方向を調整することを特徴とする熱処理装置。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の熱処理装置であって、
   前記吐出方向制御手段が、
   前記加熱処理が行われた後において、前記加熱処理後の基板に向けて前記所定の気体が吐出されるように、前記吐出方向を調整することを特徴とする熱処理装置。
5. 請求項１から３のいずれかに記載の熱処理装置であって、
   前記吐出方向制御手段が、
   前記加熱処理が行われた後において、前記保持手段に向けて前記所定の気体が吐出されるように、前記吐出方向を調整することを特徴とする熱処理装置。
6. 請求項１から３のいずれかに記載の熱処理装置であって、
   前記熱空間に挿入される挿入体、
   を備え、
   前記吐出方向制御手段が、
   前記加熱処理が行われた後において、前記挿入体に向けて前記所定の気体が吐出されるように、前記吐出方向を調整することを特徴とする熱処理装置。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の熱処理装置であって、
   前記１以上の光照射手段の１つが、
   閃光を照射するフラッシュランプ、
   を備えることを特徴とする熱処理装置。
8. 請求項１から７のいずれかに記載の熱処理装置であって、
   前記１以上の光照射手段の少なくとも１つが、
   ハロゲンランプ、
   を備えることを特徴とする熱処理装置。

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