JP2009272399A - 熱処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板の温度分布を短時間で容易に調整することができる熱処理装置を提供する。
【解決手段】複数本のフラッシュランプＦＬから持部７に保持される半導体ウェハーＷにフラッシュ光を照射して加熱する。保持部７は衝立２０の内側を自在に昇降する。保持部７が衝立２０の内側の比較的下側に位置しているときには、複数のフラッシュランプＦＬから半導体ウェハーＷの端縁部に照射される光の一部が衝立２０によって遮光される。一方、保持部７が衝立２０の内側の比較的上側に位置しているときには、全てのフラッシュランプＦＬから照射された光が衝立２０によって全く遮られることなく半導体ウェハーＷの全面に到達する。衝立２０の内側における保持部７の高さ位置を調整するだけで半導体ウェハーＷに到達する光の光量を増減することができ、短時間でフラッシュ加熱時の半導体ウェハーＷの温度分布を容易に調整することができる。
【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フラッシュ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）。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。

特開２００７−００５５３２号公報

ところで、フラッシュ加熱を行う前工程として半導体ウェハーへのイオン注入が行われるのであるが、このときの注入条件やイオン種は全ての半導体ウェハーについて同一ではない。このため、半導体ウェハー毎に表面状態が異なり、光吸収率も相違する。その結果、フラッシュランプから一定の照射エネルギーにてフラッシュ光を照射したときに、半導体ウェハー毎に面内温度分布が異なる。通常、温度分布は円形の半導体ウェハーの面内に同心円状に形成される。

半導体ウェハーの面内に大きな温度分布が生じると処理結果にもバラツキが生じることとなり好ましくない。この問題を解決するため、従来は半導体ウェハーを保持して予備加熱するホットプレートの温度調節を行っていたが、プレート温度が安定するまでに３０分から６０分を要するため、半導体ウェハー毎にプレート温度を調節することは現実的には不可能である。なお、数ミリセカンド以下で閃光照射を行うフラッシュランプの照射エネルギーを調節して半導体ウェハーの温度分布を調整することは極めて困難である。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、基板の温度分布を短時間で容易に調整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、基板を水平姿勢に保持する保持部と、前記保持部の上方に設けられ、複数のフラッシュランプを前記保持部に保持された基板よりも大きな平面エリアに配列した光源と、前記光源から照射される光に対して不透明な材質にて形成され、上下端が開口されて内側を前記保持部に保持された基板が通過可能な筒形状を有し、水平面にて切断した断面は前記複数のフラッシュランプが配列された平面よりも小さい衝立部材と、前記光源、前記保持部および前記衝立部材の相対的な位置関係を変化させて前記光源から前記保持部に保持された基板に到達する光の光量を調整する位置調整手段と、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、前記位置調整手段は、前記保持部を昇降させる保持部昇降手段を含むことを特徴とする。

また、請求項３の発明は、請求項１の発明に係る熱処理装置において、前記位置調整手段は、前記衝立部材を昇降させる衝立昇降手段を含むことを特徴とする。

また、請求項４の発明は、請求項１の発明に係る熱処理装置において、前記位置調整手段は、前記光源を昇降させる光源昇降手段を含むことを特徴とする。

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、前記衝立部材の上端に凹凸面を設けることを特徴とする。

本発明によれば、光源、保持部および衝立部材の相対的な位置関係を変化させて光源から保持部に保持された基板に到達する光の光量を調整するため、基板の温度分布を短時間で容易に調整することができる。

特に、請求項５の発明によれば、衝立部材の上端に凹凸面を設けるため、基板の端縁部の一部に到達する光の光量を調整することができる。

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。

＜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にフラッシュ光（閃光）を照射してその半導体ウェハーＷを加熱する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に透過する石英窓として機能する。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、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、その一端はガスバルブ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、ガスバルブ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を水平姿勢にて載置し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５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。

図３は、保持部７の構成を示す断面図である。保持部７は、半導体ウェハーＷよりも大きな径の略円板状を有する。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４は、ホットプレート７１を示す平面図である。図４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プレート電源９８（図６参照）に接続されている。プレート電源９８から各ゾーンに至る経路途中において、プレート電源９８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。

また、熱処理装置１内部の熱処理空間６５には衝立２０が設置されている。図７は、衝立２０の斜視図である。衝立２０は、円筒形状を有しており、その上端および下端は開口されている。また、衝立２０の上端面および下端面はともに平坦面である。衝立２０は、フラッシュランプＦＬから照射される光を透過しないアルミニウム合金によって形成されている。衝立２０の高さは３ｃｍ〜５ｃｍであり、その内径は円板状の保持部７の直径よりも若干大きい（つまり、半導体ウェハーＷの径よりも大きい）。よって、保持部７に保持された半導体ウェハーＷは衝立２０の内側を通過することが可能である。

第１実施形態においては、衝立２０は熱処理空間６５に固定設置されている。衝立２０は、その円筒の中心軸が保持部７の中心と一致するように設置されている。従って、保持部昇降機構４によって保持部７が昇降すると、衝立２０の内側を移動することとなる。なお、図１に示すように、衝立２０は搬送開口部６６よりも上側に設けられているため、半導体ウェハーＷの搬入出の障害となることはない。また、ガス供給孔８４の形成位置を衝立２０の若干下側にすれば、熱処理空間６５内における処理ガスの流れを妨げるおそれもない。

次に、ランプハウス５は、チャンバー６内の保持部７の上方に設けられている。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。複数のフラッシュランプＦＬの配列によって形成される平面の平面エリアは少なくとも保持部７に保持される半導体ウェハーＷよりも大きい。また、衝立２０を水平面にて切断した断面は複数のフラッシュランプＦＬが配列された平面の平面エリアよりも小さい。

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、そのときのキセノンの原子あるいは分子の励起によって光が放出される。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。

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。図６は、制御部３の構成を示すブロック図である。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ＣＰＵ３１、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ＲＯＭ３２、各種情報を記憶する読み書き自在のメモリであるＲＡＭ３３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３４をバスライン３９に接続して構成されている。

また、バスライン３９には、チャンバー６内にて保持部７を昇降させる保持部昇降機構４のモータ４０、フラッシュランプＦＬに電力供給を行うランプ電源９９、チャンバー６内への処理ガスの給排を行うガスバルブ８２，８７、搬送開口部６６を開閉するゲートバルブ１８５およびホットプレート７１のゾーン７１１〜７１６への電力供給を行うプレート電源９８等が電気的に接続されている。制御部３のＣＰＵ３１は、磁気ディスク３４に格納された制御用ソフトウェアを実行することにより、これらの各動作機構を制御して、半導体ウェハーＷの加熱処理を進行する。

さらに、バスライン３９には、表示部３５および入力部３６が電気的に接続されている。表示部３５は、例えば液晶ディスプレイ等を用いて構成されており、処理結果やレシピ内容等の種々の情報を表示する。入力部３６は、例えばキーボードやマウス等を用いて構成されており、コマンドやパラメータ等の入力を受け付ける。装置のオペレータは、表示部３５に表示された内容を確認しつつ入力部３６からコマンドやパラメータ等の入力を行うことができる。なお、表示部３５と入力部３６とを一体化してタッチパネルとして構成するようにしても良い。

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１，５参照）。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による光照射加熱処理（アニール）により実行される。以下に説明する熱処理装置１の処理手順は、制御部３が熱処理装置１の各動作機構を制御することにより進行する。

まず、保持部７が図５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に光照射が行われるときの保持部７の位置であり、図５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。なお、第１実施形態の熱処理装置１は、保持部７の処理位置の位置調整を行うのであるが、これについてはさらに後述する。

次に、保持部７が受渡位置に下降したときに、ガスバルブ８２およびガスバルブ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およびガスバルブ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。また、保持部７が受渡位置から処理位置まで上昇する過程にて衝立２０の内側を移動する。

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。

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。

上述のように、保持部７が処理位置に位置している状態にてフラッシュランプ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のであるが、第１実施形態の熱処理装置１は処理位置の位置調整を行うことができる。図８は、保持部７の位置調整を模式的に示す図である。３０本のフラッシュランプＦＬは保持部７に保持される半導体ウェハーＷおよび衝立２０を水平面で切断した断面よりも大きな平面エリアに配列されており、保持部７の処理位置は衝立２０の内側となる。図８（ａ）に示すように、保持部７が衝立２０の内側の比較的下側に位置しているときには、ランプハウス５内部に配列された３０本のフラッシュランプＦＬのうち端部に配置されたフラッシュランプＦＬから保持部７に保持された半導体ウェハーＷの最近接端縁部へと向かう光は衝立２０によって遮光される。このため、ランプハウス５から半導体ウェハーＷの端縁部に到達する光の光量を低減することができる。

一方、図８（ｂ）に示すように、保持部７が衝立２０の内側の比較的上側に位置しているときには、３０本のフラッシュランプＦＬから照射された光が衝立２０によって全く遮られることなく保持部７に保持された半導体ウェハーＷの全面に到達する。このため、図８（ａ）に比較してランプハウス５から半導体ウェハーＷの端縁部に到達する光の光量を増大することができる。

保持部７の処理位置の位置調整は半導体ウェハーＷの表面状態に応じて制御部３が実行する。具体的には、フラッシュ加熱の前工程であるイオン注入工程での注入条件およびイオン種等の前処理情報を制御部３が取得し、その前処理情報に基づいて保持部昇降機構４を制御して保持部７の高さ位置を調整する。かかる制御は、例えばイオン注入工程での前処理情報と最適な温度分布が得られる保持部７の高さ位置とを対応付けたテーブルを予め作成して磁気ディスク３４に格納しておき、それに基づいて制御部３が保持部昇降機構４を制御することにより容易に実現することができる。

第１実施形態の熱処理装置１においては、衝立２０の内側における保持部７の高さ位置を調整するだけで半導体ウェハーＷに到達する光の光量を増減することができ、従来のようにホットプレート７１の温度分布を変化させるのと比較して著しく短時間でフラッシュ加熱時の半導体ウェハーＷの温度分布を容易に調整することができる。従って、特に、連続して処理する半導体ウェハーＷ毎に表面状態が異なるような場合にスループットを向上させることができる。

＜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１０１の構成を示す側断面図である。第２実施形態の熱処理装置１０１が第１実施形態の熱処理装置１と相違するのは、衝立昇降部２５を備える点である。

衝立昇降部２５は、例えばエアシリンダを用いて構成され、熱処理空間６５内において衝立２０を昇降する。衝立昇降部２５は、図９に示すようにチャンバー６の外部に設けられていても良いし、チャンバー６の内部に設置されていても良い。もっとも、衝立昇降部２５をチャンバー６の内部に設ける場合は、パーティクルが熱処理空間６５内に拡散しないようにシールしておく方が好ましい。衝立昇降部２５も制御部３によって制御される。

残余の構成については、第２実施形態の熱処理装置１０１は第１実施形態の熱処理装置１と同じであり、同一の要素には同一の符合を付している。また、熱処理装置１０１における半導体ウェハーＷの処理手順についても概ね第１実施形態と同様である。但し、第２実施形態においては、保持部７の処理位置は定位置であり、衝立２０の高さ位置を調整することによって半導体ウェハーＷの温度分布を調整している。

図１０は、衝立２０の位置調整を模式的に示す図である。図１０（ａ）に示すように、衝立２０が上昇して保持部７が衝立２０の内側の比較的下側に位置するときには、ランプハウス５内部に配列された３０本のフラッシュランプＦＬのうち端部に配置されたフラッシュランプＦＬから保持部７に保持された半導体ウェハーＷの最近接端縁部へと向かう光は衝立２０によって遮光される。このため、ランプハウス５から半導体ウェハーＷの端縁部に到達する光の光量を低減することができる。

一方、図１０（ｂ）に示すように、衝立２０が下降して保持部７が衝立２０の内側の比較的上側に位置するときには、３０本のフラッシュランプＦＬから照射された光が衝立２０によって全く遮られることなく保持部７に保持された半導体ウェハーＷの全面に到達する。このため、図１０（ａ）に比較してランプハウス５から半導体ウェハーＷの端縁部に到達する光の光量を増大することができる。

衝立２０の高さ位置の調整は半導体ウェハーＷの表面状態に応じて制御部３が実行する。具体的には、第１実施形態と同様に、イオン注入工程での注入条件およびイオン種等の前処理情報を制御部３が取得し、その前処理情報に基づいて衝立昇降部２５を制御して衝立２０の高さ位置を調整する。

第２実施形態の熱処理装置１０１によれば、衝立２０の高さ位置を調整するだけで半導体ウェハーＷに到達する光の光量を増減することができ、短時間でフラッシュ加熱時の半導体ウェハーＷの温度分布を容易に調整することができる。従って、特に、連続して処理する半導体ウェハーＷ毎に表面状態が異なるような場合にスループットを向上させることができる。

＜３．第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態について説明する。図１１は、第３実施形態の熱処理装置２０１の構成を示す側断面図である。第３実施形態の熱処理装置２０１が第１実施形態の熱処理装置１と相違するのは、ランプ昇降部５９を備える点である。

ランプ昇降部５９は、例えばエアシリンダを用いて構成され、チャンバー６の上方にてランプハウス５を昇降させる。ランプハウス５が昇降することによって、複数のフラッシュランプＦＬが一括して昇降する。ランプ昇降部５９も制御部３によって制御される。

残余の構成については、第３実施形態の熱処理装置２０１は第１実施形態の熱処理装置１と同じであり、同一の要素には同一の符合を付している。また、熱処理装置２０１における半導体ウェハーＷの処理手順についても概ね第１実施形態と同様である。但し、第３実施形態においては、衝立２０は固定設置されるとともに保持部７の処理位置は定位置であり、複数のフラッシュランプＦＬの高さ位置を調整することによって半導体ウェハーＷの温度分布を調整している。

図１２は、フラッシュランプＦＬの位置調整を模式的に示す図である。図１２（ａ）に示すように、ランプハウス５が下降して複数のフラッシュランプＦＬが衝立２０および保持部７に近接するときには、ランプハウス５内部に配列された３０本のフラッシュランプＦＬのうち端部に配置されたフラッシュランプＦＬから保持部７に保持された半導体ウェハーＷの最近接端縁部へと向かう光は衝立２０によって遮光される。このため、ランプハウス５から半導体ウェハーＷの端縁部に到達する光の光量を低減することができる。

一方、図１２（ｂ）に示すように、ランプハウス５が上昇して複数のフラッシュランプＦＬが衝立２０および保持部７から離間するときには、３０本のフラッシュランプＦＬから照射された光が衝立２０によって全く遮られることなく保持部７に保持された半導体ウェハーＷの全面に到達する。このため、図１２（ａ）に比較してランプハウス５から半導体ウェハーＷの端縁部に到達する光の光量を増大することができる。

複数のフラッシュランプＦＬの高さ位置の調整は半導体ウェハーＷの表面状態に応じて制御部３が実行する。具体的には、第１実施形態と同様に、イオン注入工程での注入条件およびイオン種等の前処理情報を制御部３が取得し、その前処理情報に基づいてランプ昇降部５９を制御して複数のフラッシュランプＦＬの高さ位置を調整する。

第３実施形態の熱処理装置２０１によれば、複数のフラッシュランプＦＬの高さ位置を調整するだけで半導体ウェハーＷに到達する光の光量を増減することができ、短時間でフラッシュ加熱時の半導体ウェハーＷの温度分布を容易に調整することができる。従って、特に、連続して処理する半導体ウェハーＷ毎に表面状態が異なるような場合にスループットを向上させることができる。

＜４．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実施形態の熱処理装置１に、第２実施形態の衝立昇降部２５および第３実施形態のランプ昇降部５９の双方を備えるようにしても良い。保持部７、衝立２０および複数のフラッシュランプＦＬの高さ位置を適宜調整することによって半導体ウェハーＷに到達する光の光量を増減して温度分布を調整することができる。換言すれば、保持部７、衝立２０および複数のフラッシュランプＦＬの相対的な位置関係を変化させてランプハウス５から保持部７に保持された半導体ウェハーＷに到達する光の光量を調整するものであれば良い。

また、衝立２０の形状は円筒形状に限定されるものではなく、筒形状であれば良く、例えば水平面で切断した断面が多角形であっても良い。さらに、衝立は図１３に示すような形状であっても良い。図１３は、衝立の他の例を示す側面図である。図１３の衝立１２０は、上端が平坦面ではなく環状の凹凸面に形成されている。凹凸面としては、波形、正弦波形状、三角波形状等の種々の凹凸形状とすることができる。また、衝立１２０の上端面の全周を凹凸面とすることに限定されず、一部のみを凹凸面とするようにしても良い。このような上端に凹凸面を有する衝立１２０を使用すれば、ランプハウス５から半導体ウェハーＷの端縁部の一部に到達する到達する光の光量を調整することができる。

また、上記実施形態においては、衝立２０をアルミニウム合金によって形成していたが、これに限定されるものではなく、フラッシュランプＦＬから照射される光に対して不透明な材質にて形成すれば良く、例えば不透明石英にて形成するようにしても良い。

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、これに限定されるものではなく、フラッシュランプＦＬ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。また、フラッシュランプＦＬに代えて、照射時間が数ミリ秒程度の他の光源を備えるようにしても良い。

また、本発明に係る熱処理装置によって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く、液晶表示装置などに用いるガラス基板であっても良い。

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。 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。 制御部の構成を示すブロック図である。 衝立の斜視図である。 保持部の位置調整を模式的に示す図である。 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。 衝立の位置調整を模式的に示す図である。 第３実施形態の熱処理装置の構成を示す側断面図である。 フラッシュランプの位置調整を模式的に示す図である。 衝立の他の例を示す側面図である。

符号の説明

１ 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 衝立
２５ 衝立昇降部
５９ ランプ昇降部
６０ 上部開口
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
ＦＬ フラッシュランプ
Ｗ 半導体ウェハー

Claims (5)

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、
   基板を水平姿勢に保持する保持部と、
   前記保持部の上方に設けられ、複数のフラッシュランプを前記保持部に保持された基板よりも大きな平面エリアに配列した光源と、
   前記光源から照射される光に対して不透明な材質にて形成され、上下端が開口されて内側を前記保持部に保持された基板が通過可能な筒形状を有し、水平面にて切断した断面は前記複数のフラッシュランプが配列された平面よりも小さい衝立部材と、
   前記光源、前記保持部および前記衝立部材の相対的な位置関係を変化させて前記光源から前記保持部に保持された基板に到達する光の光量を調整する位置調整手段と、
   を備えることを特徴とする熱処理装置。
2. 請求項１記載の熱処理装置において、
   前記位置調整手段は、前記保持部を昇降させる保持部昇降手段を含むことを特徴とする熱処理装置。
3. 請求項１記載の熱処理装置において、
   前記位置調整手段は、前記衝立部材を昇降させる衝立昇降手段を含むことを特徴とする熱処理装置。
4. 請求項１記載の熱処理装置において、
   前記位置調整手段は、前記光源を昇降させる光源昇降手段を含む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、
   前記衝立部材の上端に凹凸面を設けることを特徴とする熱処理装置。

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