JP2010045106A - 熱処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フラッシュランプからのフラッシュ光照射時の基板の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】３０本のフラッシュランプＦＬは、それらの配列方向ＬＤに沿って５つのフラッシュランプ群ＬＧ１〜ＬＧ５に分割されている。フラッシュランプ群ＬＧ１〜ＬＧ５のそれぞれは６本のフラッシュランプＦＬを含んで構成される。５つのフラッシュランプ群ＬＧ１〜ＬＧ５のうちの一端のフラッシュランプ群ＬＧ１から順次隣接するフラッシュランプ群ＬＧ２，ＬＧ３，ＬＧ４，ＬＧ５を発光させ、保持部７に保持される半導体ウェハーＷ上におけるフラッシュ光照射領域を走査させる。半導体ウェハーＷの表面の全面が一時に急激に熱膨張することはなく、フラッシュ光照射時の半導体ウェハーＷの割れを防止することができる。
【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、不純物注入後の半導体ウェハーの不純物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、半導体ウェハーの不純物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不純物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不純物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、不純物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、不純物を深く拡散させることなく、不純物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には、複数のフラッシュランプを奇数番のランプ群と偶数番のランプ群とに２分割し、それぞれのランプ群の発光タイミングをずらすことによって半導体ウェハーの割れを防止する技術が開示されている。

特開２００４−２００２０４号公報

しかしながら、特許文献１に開示の技術を用いたとしても、半導体ウェハー表面の急激な熱膨張を完全に抑制することは困難であり、その結果として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。

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フラッシュ光照射時の基板の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手段と、前記保持手段に保持された基板にフラッシュ光を照射する複数のフラッシュランプと、前記複数のフラッシュランプを所定方向に沿って複数のフラッシュランプ群に分割したときのそれぞれのフラッシュランプ群の発光タイミングを制御する発光制御手段と、を備え、前記発光制御手段は、前記複数のフラッシュランプ群のうちの一のフラッシュランプ群から順次隣接するフラッシュランプ群を発光させて基板上におけるフラッシュ光照射領域を走査させ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、前記発光制御手段は、隣接するフラッシュランプ群の発光時間の一部が重なるように複数のフラッシュランプ群の発光タイミングを制御す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、前記発光制御手段は、前記複数のフラッシュランプ群のうちの一端に位置するフラッシュランプ群から順に他端に向けて隣接するフラッシュランプ群を発光させることを特徴とする。

また、請求項４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、前記発光制御手段は、前記複数のフラッシュランプ群のうちの中央に位置するフラッシュランプ群から順に両端に向けて隣接するフラッシュランプ群を発光させることを特徴とする。

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、前記発光制御手段は、前記複数のフラッシュランプ群のそれぞれに印加するトリガー電圧の印加タイミングを順次遅延させることを特徴とする。

また、請求項６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、前記複数のフラッシュランプのそれぞれの形状は棒状であり、前記複数のフラッシュランプは互いに平行に所定の配列方向に沿って一列に配列され、前記複数のフラッシュランプを前記配列方向に沿って分割して複数のフラッシュランプ群を形成することを特徴とする。

本発明によれば、複数のフラッシュランプを所定方向に沿って複数のフラッシュランプ群に分割し、それら複数のフラッシュランプ群のうちの一のフラッシュランプ群から順次隣接するフラッシュランプ群を発光させて基板上におけるフラッシュ光照射領域を走査させるため、フラッシュランプからのフラッシュ光照射時に基板表面の全面が一時に急激に熱膨張することはなく、フラッシュ光照射時の基板の割れを防止することができる。

特に、請求項２の発明によれば、隣接するフラッシュランプ群の発光時間の一部が重なるように複数のフラッシュランプ群の発光タイミングを制御するため、フラッシュ光照射領域が連続的に基板上を走査されることとなり、基板の全面において均一な温度履歴の加熱処理を行うことができる。

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の構成を示す縦断面図である。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（ＦＬＡ）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のフラッシュ加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７）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。

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からなるフラッシュ光源と、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の主面と平行となるように配置されている。また、複数のフラッシュランプＦＬは、互いに平行に所定の配列方向（ランプ長手方向と垂直の水平方向）に沿って一列に配列されている。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となる。

図６は、フラッシュランプＦＬの駆動回路を示す図である。同図に示すように、コンデンサ９３と、コイル９４と、フラッシュランプＦＬとが直列に接続されている。各フラッシュランプＦＬは、その内部にキセノンガスが封入されその両端部に陽極および陰極が配設された棒状のガラス管（放電管）９２と、該ガラス管９２の外周面上に付設されたトリガー電極９１とを備える。コンデンサ９３には、電源ユニット９５によって所定の電圧が印加され、その印加電圧に応じた電荷が充電される。また、トリガー電極９１にはトリガー回路９７から電圧を印加することができる。本実施形態においては、３０本のフラッシュランプＦＬのそれぞれについて図６の駆動回路が設けられており、３０個のトリガー電極９１は１つのトリガー回路９７に接続されている。なお、トリガー回路９７についてはさらに後述する。

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９３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９２内に電気は流れない。しかしながら、トリガー回路９７からトリガー電極９１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９３に蓄えられた電荷がガラス管９２内の両端電極間で瞬時に流れ、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９３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、図１，図５のリフレクタ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７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、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、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、フラッシュランプＦＬの電源ユニット９５およびトリガー回路９７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，図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。

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。

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。ここで、本実施形態においては、３０本のフラッシュランプＦＬを５つのフラッシュランプ群に分割し、それらフラッシュランプ群の発光タイミングを少しずつずらすようにしている。以下、その具体的な技術内容について説明する。

図８は、複数のフラッシュランプＦＬの分割例を示す図である。同図に示す例では、３０本のフラッシュランプＦＬが互いに平行に配列方向ＬＤに沿って一列に配列されている。そして、３０本のフラッシュランプＦＬがそれらの配列方向ＬＤに沿って５つのフラッシュランプ群ＬＧ１〜ＬＧ５に分割されている。フラッシュランプ群ＬＧ１〜ＬＧ５のそれぞれは６本のフラッシュランプＦＬを含んで構成される。フラッシュランプ群ＬＧ１〜ＬＧ５は互いに混在することなく、配列方向ＬＤに沿って順番に整列している。すなわち、フラッシュランプ群ＬＧ１〜ＬＧ５は、配列方向ＬＤに沿ってこの順番で隣接して配置されている。

図９は、トリガー回路９７の構成を示すブロック図である。トリガー回路９７は、図示を省略する起電回路にて生じたトリガー電圧を印加するためのトリガースイッチ１９１と４つのディレイ回路１９２を備える。図９に示すように、フラッシュランプ群ＬＧ１を構成する６本のフラッシュランプＦＬのトリガー電極９１はトリガースイッチ１９１に直接接続されている。フラッシュランプ群ＬＧ１に隣接するフラッシュランプ群ＬＧ２を構成する６本のフラッシュランプＦＬのトリガー電極９１は、１つのディレイ回路１９２を介してトリガースイッチ１９１に接続されている。

同様に、フラッシュランプ群ＬＧ２に隣接するフラッシュランプ群ＬＧ３を構成する６本のフラッシュランプＦＬのトリガー電極９１は、２つのディレイ回路１９２を介してトリガースイッチ１９１に接続されている。また、フラッシュランプ群ＬＧ３に隣接するフラッシュランプ群ＬＧ４を構成する６本のフラッシュランプＦＬのトリガー電極９１は、３つのディレイ回路１９２を介してトリガースイッチ１９１に接続される。フラッシュランプ群ＬＧ４に隣接するフラッシュランプ群ＬＧ５を構成する６本のフラッシュランプＦＬのトリガー電極９１は、４つのディレイ回路１９２を介してトリガースイッチ１９１に接続される。

本実施形態においては、各ディレイ回路１９２の遅延時間は０．５ミリ秒に設定されている。従って、制御部３の制御によってトリガースイッチ１９１がオンになると、まずフラッシュランプ群ＬＧ１のトリガー電極９１にトリガー電圧が印加された後、０．５ミリ秒遅れてフラッシュランプ群ＬＧ２のトリガー電極９１にトリガー電圧が印加される。さらに、その後０．５ミリ秒遅れてフラッシュランプ群ＬＧ３のトリガー電極９１にトリガー電圧が印加され、同様に０．５ミリ秒ずつ遅れてフラッシュランプ群ＬＧ４，ＬＧ５のトリガー電極９１にトリガー電圧が順次印加される。すなわち、トリガー回路９７は、５つのフラッシュランプ群ＬＧ１〜ＬＧ５のそれぞれに印加するトリガー電圧の印加タイミングを順次遅延させる。その結果、フラッシュランプ群ＬＧ１〜ＬＧ５は０．５ミリ秒ずつ遅れて順次発光することとなる。

図１０は、フラッシュランプ群の発光タイミングを示す図である。予め、３０本全てのフラッシュランプＦＬについて、コンデンサ９３には電源ユニット９５によって電荷が蓄積されている。最初に、トリガースイッチ１９１がオンになると同時に、フラッシュランプ群ＬＧ１のトリガー電極９１にトリガー電圧が印加され、フラッシュランプ群ＬＧ１を構成する６本のフラッシュランプＦＬが発光する。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、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内の保持部７に保持された半導体ウェハーＷに照射される。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。フラッシュランプＦＬの発光時間（照射時間）および発光の強度プロファイルはコイル９４の定数によって規定される。本実施形態においては、３０本のフラッシュランプＦＬの発光時間は属するフラッシュランプ群に関わらず全て約１ミリ秒とされている。

フラッシュランプ群ＬＧ１のトリガー電極９１にトリガー電圧が印加されてから０．５ミリ秒遅れて隣接するフラッシュランプ群ＬＧ２のトリガー電極９１にトリガー電圧が印加され、フラッシュランプ群ＬＧ２を構成する６本のフラッシュランプＦＬが発光する。フラッシュランプ群ＬＧ１の発光時間が約１ミリ秒であるため、フラッシュランプ群ＬＧ１が発光している途中でフラッシュランプ群ＬＧ２の発光が開始されることとなる。すなわち、フラッシュランプ群ＬＧ１の発光時間とフラッシュランプ群ＬＧ２の発光時間とは約０．５ミリ秒程度オーバーラップする。

次に、フラッシュランプ群ＬＧ２のトリガー電極９１にトリガー電圧が印加されてから０．５ミリ秒遅れて隣接するフラッシュランプ群ＬＧ３のトリガー電極９１にトリガー電圧が印加され、フラッシュランプ群ＬＧ３を構成する６本のフラッシュランプＦＬが発光する。フラッシュランプ群ＬＧ２の発光時間も約１ミリ秒であるため、フラッシュランプ群ＬＧ２が発光している途中でフラッシュランプ群ＬＧ３の発光が開始される。すなわち、フラッシュランプ群ＬＧ２の発光時間とフラッシュランプ群ＬＧ３の発光時間とは約０．５ミリ秒程度重なることとなる。

次に、フラッシュランプ群ＬＧ３のトリガー電極９１にトリガー電圧が印加されてから０．５ミリ秒遅れて隣接するフラッシュランプ群ＬＧ４のトリガー電極９１にトリガー電圧が印加され、フラッシュランプ群ＬＧ４を構成する６本のフラッシュランプＦＬが発光する。上記と同様に、フラッシュランプ群ＬＧ３の発光時間とフラッシュランプ群ＬＧ４の発光時間とも約０．５ミリ秒程度重なることとなる。

最後に、フラッシュランプ群ＬＧ４のトリガー電極９１にトリガー電圧が印加されてから０．５ミリ秒遅れて隣接するフラッシュランプ群ＬＧ５のトリガー電極９１にトリガー電圧が印加され、フラッシュランプ群ＬＧ５を構成する６本のフラッシュランプＦＬが発光する。同様に、フラッシュランプ群ＬＧ４の発光時間とフラッシュランプ群ＬＧ５の発光時間とも約０．５ミリ秒程度重なる。

このように、本実施形態においては、フラッシュランプ群ＬＧ１からフラッシュランプ群ＬＧ２，フラッシュランプ群ＬＧ３，フラッシュランプ群ＬＧ４，フラッシュランプ群ＬＧ５の順に発光させている。すなわち、５つのフラッシュランプ群ＬＧ１〜ＬＧ５のうちの一端に位置するフラッシュランプ群ＬＧ１から順に他端に向けて隣接するフラッシュランプ群を順次発光させて半導体ウェハーＷのフラッシュ加熱を行っている。また、隣接するフラッシュランプ群の発光時間の一部は重なる。

その結果、図１１に示すように、半導体ウェハーＷ上におけるフラッシュ光照射領域ＬＡが矢印ＡＲ１１にて示す向きに連続して走査されることとなる。このようにしてフラッシュ光照射領域ＬＡが半導体ウェハーＷ上を走査されるようにすると、半導体ウェハーＷの表面全面が一時に急激に熱膨張することはなく、熱膨張が生じる領域もフラッシュ光照射領域ＬＡとともに矢印ＡＲ１１にて示す向きに移動する。すなわち、半導体ウェハーＷの端から順次熱膨張することとなる。このため、フラッシュランプＦＬからのフラッシュ光照射時の半導体ウェハーＷの割れを防止することができる。

また、フラッシュ光照射領域ＬＡにおける半導体ウェハー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、急速に下降する。フラッシュ光照射領域ＬＡにおける半導体ウェハーＷの表面温度は極めて短時間で昇降するため、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。

また、フラッシュランプＦＬからフラッシュ光を照射する前に保持部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、フラッシュ光照射領域ＬＡにおける半導体ウェハー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。

本実施形態のようにすれば、トリガー回路９７によって、５つのフラッシュランプ群ＬＧ１〜ＬＧ５のうちの一のフラッシュランプ群ＬＧ１から順次隣接するフラッシュランプ群ＬＧ２，ＬＧ３，ＬＧ４，ＬＧ５を発光させて半導体ウェハーＷ上におけるフラッシュ光照射領域ＬＡを走査させているため、半導体ウェハーＷの表面の全面が一時に急激に熱膨張することはなく、フラッシュ光照射時の半導体ウェハーＷの割れを防止することができる。このため、フラッシュランプＦＬからより大きな照射エネルギーを半導体ウェハーＷに与えることもできる。

また、隣接するフラッシュランプ群の発光時間の一部が重なるように複数のフラッシュランプ群ＬＧ１〜ＬＧ５の発光タイミングを制御しているため、フラッシュ光照射領域ＬＡが断続的ではなく連続的に半導体ウェハーＷ上を走査される。このため、半導体ウェハーＷの全面において均一な温度履歴のフラッシュ加熱処理が行われる。

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、上記実施形態においては、５つのフラッシュランプ群ＬＧ１〜ＬＧ５のうちの一端に位置するフラッシュランプ群ＬＧ１から順に他端に向けて隣接するフラッシュランプ群を発光させるようにしていたが、発光の順序はこれに限定されるものではない。他の発光順として、最初に真ん中のフラッシュランプ群ＬＧ３を発光させた後、フラッシュランプ群ＬＧ２，ＬＧ４を発光させ、さらにその後両端のフラッシュランプ群ＬＧ１，ＬＧ５を発光させるようにしても良い。すなわち、５つのフラッシュランプ群ＬＧ１〜ＬＧ５のうち中央に位置するフラッシュランプ群ＬＧ３から順に両端に向けて隣接するフラッシュランプ群を発光させるようにしても良い。このようにしても、半導体ウェハーＷ上におけるフラッシュ光照射領域ＬＡが中央から両端に向けて走査されることとなるため、半導体ウェハーＷの表面の全面が一時に急激に熱膨張することはなく、フラッシュ光照射時の半導体ウェハーＷの割れを防止することができる。

また、上記実施形態においては、３０本のフラッシュランプＦＬを５つのフラッシュランプ群ＬＧ１〜ＬＧ５に分割していたが、これに代えて３つのフラッシュランプ群、６つのフラッシュランプ群、１０のフラッシュランプ群、或いは３０のフラッシュランプ群に分割するようにしても良い。３つのフラッシュランプ群に分割した場合、各フラッシュランプ群は１０本のフラッシュランプＦＬを備える。また、６つのフラッシュランプ群に分割した場合、各フラッシュランプ群は５本のフラッシュランプＦＬを備え、１０のフラッシュランプ群に分割した場合、各フラッシュランプ群は３本のフラッシュランプＦＬを備える。さらに、３０のフラッシュランプ群に分割した場合、各フラッシュランプ群は１本のフラッシュランプＦＬでもって構成されることとなる。いずれの分割態様であっても、フラッシュランプＦＬの配列方向ＬＤに沿って分割され、複数のフラッシュランプ群のうちの一のフラッシュランプ群から順次隣接するフラッシュランプ群を発光させて半導体ウェハーＷ上におけるフラッシュ光照射領域ＬＡを走査させる。複数のフラッシュランプ群のうちの一端に位置するフラッシュランプ群から順に他端に向けて発光させるようにしても良いし、中央に位置するフラッシュランプ群から順に両端に向けて発光させるようにしても良い。なお、分割数が偶数の場合、中央に位置する２つのフラッシュランプ群から同時に発光を開始するようにしても良いし、それらのいずれか一方から発光を開始するようにしても良い。

また、ランプハウス５に備えるフラッシュランプＦＬの本数も３０本に限定されるものではなく、任意の本数とすることができ、その総本数によって分割態様も種々のものを採りうる。要するに、複数のフラッシュランプを所定方向に沿って複数のフラッシュランプ群（１本のフラッシュランプでフラッシュランプ群を構成する場合を含む）に分割し、そのうちの任意の一のフラッシュランプ群から順次隣接するフラッシュランプ群を発光させて半導体ウェハーＷ上におけるフラッシュ光照射領域ＬＡを走査させることにより、上記実施形態と同様にフラッシュ光照射時の半導体ウェハーＷの割れを防止することができる。

また、ディレイ回路１９２の遅延時間は０．５ミリ秒に限定されるものではなく、他の値であっても良い。また、フラッシュランプＦＬの発光時間も１ミリ秒に限定されるものではなく、コイル９４の定数によって０．１ミリ秒から１０ミリ秒程度の間のいずれかとしても良い。但し、隣接するフラッシュランプ群の発光時間の一部が重なるように設定した方がフラッシュ光照射領域ＬＡが連続的に半導体ウェハーＷ上を走査されることとなって好ましい。

また、上記実施形態においては、複数のディレイ回路１９２を備えるトリガー回路９７によってハード的に複数のフラッシュランプ群のそれぞれに印加するトリガー電圧の印加タイミングを順次遅延させることにより、複数のフラッシュランプ群の発光タイミングを制御していたが、これを制御部３によってソフト的に制御するようにしても良い。具体的には、例えば、複数のフラッシュランプ群のそれぞれにトリガースイッチを設け、そのオンオフを制御部３が制御して複数のフラッシュランプ群のそれぞれに印加するトリガー電圧の印加タイミングを順次遅延させるようにしても良い。

また、図６に示すフラッシュランプＦＬの駆動回路に絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ；Insulated gate bipolar transistor）などのスイッチング素子を組み込み、フラッシュランプＦＬの発光をチョッパ制御するようにしても良い。各フラッシュランプＦＬについてはＩＧＢＴによって発光をチョッパ制御するとともに、複数のフラッシュランプを複数のフラッシュランプ群に分割し、そのうちの一のフラッシュランプ群から順次隣接するフラッシュランプ群を発光させる。このようにすれば、半導体ウェハーＷの割れを防止することができるだけでなく、フラッシュ加熱処理のバリエーションを豊富なものとすることができる。

また、上記実施形態においては、保持部７のホットプレート７１によって半導体ウェハーＷの予備加熱を行っていたが、これに代えてチャンバー６の下部にハロゲンランプを備え、そのハロゲンランプによって半導体ウェハーＷの予備加熱を行い、フラッシュランプＦＬからのフラッシュ加熱を行うようにしても良い。

また、上記実施形態においては、フラッシュランプＦＬをキセノンフラッシュランプとしていたが、これに限定されるものではなく、フラッシュランプＦＬはクリプトンフラッシュランプであっても良い。

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縦断面図である。 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縦断面図である。 フラッシュランプの駆動回路を示す図である。 制御部の構成を示すブロック図である。 複数のフラッシュランプの分割例を示す図である。 トリガー回路の構成を示すブロック図である。 フラッシュランプ群の発光タイミングを示す図である。 基板上におけるフラッシュ光照射領域の走査を示す図である。

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
６５ 熱処理空間
７１ ホットプレート
７２ サセプタ
９１ トリガー電極
９２ ガラス管
９３ コンデンサ
９４ コイル
９７ トリガー回路
１９１ トリガースイッチ
１９２ ディレイ
ＦＬ フラッシュランプ
ＬＧ１，ＬＧ２，ＬＧ３，ＬＧ４，ＬＧ５ フラッシュランプ群
Ｗ 半導体ウェハー

Claims (6)

1. 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手段と、
   前記保持手段に保持された基板にフラッシュ光を照射する複数のフラッシュランプと、
   前記複数のフラッシュランプを所定方向に沿って複数のフラッシュランプ群に分割したときのそれぞれのフラッシュランプ群の発光タイミングを制御する発光制御手段と、
   を備え、
   前記発光制御手段は、前記複数のフラッシュランプ群のうちの一のフラッシュランプ群から順次隣接するフラッシュランプ群を発光させて基板上におけるフラッシュ光照射領域を走査させ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、
   前記発光制御手段は、隣接するフラッシュランプ群の発光時間の一部が重なるように複数のフラッシュランプ群の発光タイミングを制御す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記載の熱処理装置において、
   前記発光制御手段は、前記複数のフラッシュランプ群のうちの一端に位置するフラッシュランプ群から順に他端に向けて隣接するフラッシュランプ群を発光させることを特徴とする熱処理装置。
4. 請求項１または請求項２記載の熱処理装置において、
   前記発光制御手段は、前記複数のフラッシュランプ群のうちの中央に位置するフラッシュランプ群から順に両端に向けて隣接するフラッシュランプ群を発光させ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、
   前記発光制御手段は、前記複数のフラッシュランプ群のそれぞれに印加するトリガー電圧の印加タイミングを順次遅延させることを特徴とする熱処理装置。
6. 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、
   前記複数のフラッシュランプのそれぞれの形状は棒状であり、
   前記複数のフラッシュランプは互いに平行に所定の配列方向に沿って一列に配列され、
   前記複数のフラッシュランプを前記配列方向に沿って分割して複数のフラッシュランプ群を形成することを特徴とする熱処理装置。

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