JP2012064742A - 熱処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板の面内温度分布を均一にすることができる熱処理装置を提供する。
【解決手段】保持部７に保持された半導体ウェハーＷにハロゲンランプＨＬからハロゲン光を照射して予備加熱を行ったときに、周縁部の温度が中心部よりも低下する。保持部７に保持された半導体ウェハーＷの中心直下に配置されたレーザ光出射部４５から半導体ウェハーＷの周縁部に向けてレーザ光を出射しつつ、そのレーザ光出射部４５を半導体ウェハーＷの中心線ＣＸを回転中心として回転モータ４４によって回転させている。このため、レーザ光出射部４５から出射されたレーザ光の照射スポットが半導体ウェハーＷの裏面周縁部に沿って円形軌道を描くように旋回する。その結果、相対的に温度の低下した半導体ウェハーＷの周縁部の全体が均一に加熱されることとなり、半導体ウェハーＷの面内温度分布を均一にすることができる。
【選択図】図９

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の薄板状の精密電子基板（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。

半導体デバイスの製造プロセスにおいて、不純物導入は半導体ウェハー内にｐｎ接合を形成するための必須の工程である。現在、不純物導入は、イオン打ち込み法とその後のアニール法によってなされるのが一般的である。イオン打ち込み法は、ボロン（Ｂ）、ヒ素（Ａｓ）、リン（Ｐ）といった不純物の元素をイオン化させて高加速電圧で半導体ウェハーに衝突させて物理的に不純物注入を行う技術である。注入された不純物はアニール処理によって活性化される。この際に、アニール時間が数秒程度以上であると、打ち込まれた不純物が熱によって深く拡散し、その結果接合深さが要求よりも深くなり過ぎて良好なデバイス形成に支障が生じるおそれがある。

そこで、極めて短時間で半導体ウェハーを加熱するアニール技術として、近年フラッシュランプアニール（ＦＬＡ）が注目されている。フラッシュランプアニールは、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、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（数ミリ秒以下）に昇温させる熱処理技術である。

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、数ミリ秒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、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。

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として、特許文献１，２には、半導体ウェハーの表面側にフラッシュランプ等のパルス発光ランプを配置し、裏面側にハロゲンランプ等の連続点灯ランプを配置し、それらの組み合わせによって所望の熱処理を行うものが開示されている。特許文献１，２に開示の熱処理装置においては、ハロゲンランプ等によって半導体ウェハーをある程度の温度まで予備加熱し、その後フラッシュランプからのパルス加熱によって所望の処理温度にまで昇温している。また、特許文献３には、半導体ウェハーをホットプレートに載置して所定の温度まで予備加熱し、その後フラッシュランプからのフラッシュ光照射によって所望の処理温度にまで昇温する装置が開示されている。

特開昭６０−２５８９２８号公報 特表２００５−５２７９７２号公報 特開２００７−５５３２号公報

特許文献３に開示されるようなホットプレートにて半導体ウェハーを予備加熱する場合は、プレート温度を正確に温調すればウェハー温度の面内分布を比較的均一なものとすることができる。特に、特許文献３のホットプレートは同心円状に複数のゾーンに区分けされており、ゾーンごとに温調可能であるためウェハー温度の面内分布を容易に均一にすることができる。一方、特許文献１，２に開示されるようなハロゲンランプにて予備加熱を行う場合には、比較的高い予備加熱温度にまで半導体ウェハーを短時間で昇温することができるというプロセス上のメリットが得られるものの、ウェハー周縁部の温度が中心部よりも低くなる問題が生じやすい。

図１７は、フラッシュランプと予備加熱用のハロゲンランプとを組み合わせた従来の熱処理装置における、半導体ウェハーの面内温度分布を示す図である。なお、同図は、不純物注入後の半導体ウェハーに対してハロゲンランプである程度の温度まで予備加熱を行い、フラッシュランプからのフラッシュ光照射によってパルス加熱処理を行った後に、シート抵抗値を測定することによってウェハー到達温度を求めた結果である。図１７（ａ）に示すように、半導体ウェハーの周縁部よりも内側領域では良好な温度分布均一性が得られているものの、周縁部においては急激に温度が低下している。

このような周縁部における温度低下を解消するために、予備加熱にてハロゲンランプからウェハー周縁部に照射する光量を増やすと、図１７（ｂ）に示すように、周縁部の一部の温度が上昇するものの、周縁部よりも内側領域の温度分布均一性が損なわれることとなる。しかも、半導体ウェハーの最も外周の端縁部における温度低下は依然として解消されていない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、基板の面内温度分布を均一に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、基板を水平姿勢にて下方より保持する保持手段と、前記保持手段に保持された基板に上方よりフラッシュ光を照射するフラッシュランプと、前記保持手段に保持された基板のうちの他の領域よりも温度が低い一部領域に光を照射する補助照射手段と、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、前記保持手段は石英にて形成され、前記保持手段に保持された基板に下方から光照射を行って予備加熱するハロゲンランプ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２の発明に係る熱処理装置において、前記補助照射手段は、前記保持手段に保持された基板の前記一部領域に下方からレーザ光を照射するレーザ光照射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３の発明に係る熱処理装置において、前記レーザ光照射手段は、前記保持手段に保持された基板の中心直下に配置され、当該基板の周縁部に向けてレーザ光を出射するレーザ光出射部と、前記レーザ光出射部を前記基板の中心線を回転中心として回転させる回転部と、を備えることを特徴とする。

また、請求項５の発明は、請求項４の発明に係る熱処理装置において、前記レーザ光照射手段は、前記回転部によって回転される前記レーザ光照射手段を上下方向に沿って往復移動させる昇降部をさらに備えることを特徴とする。

また、請求項６の発明は、請求項３の発明に係る熱処理装置において、前記レーザ光照射手段は、出射したレーザ光を前記保持手段に保持された基板の面内にて走査させるレーザ光走査部を備えることを特徴とする。

また、請求項７の発明は、請求項２の発明に係る熱処理装置において、前記補助照射手段は、前記保持手段に保持された基板の周縁部に向けて円環状にアーク光を照射するアーク光照射手段を含むことを特徴とする。

請求項１から請求項７の発明によれば、保持手段に保持された基板のうちの他の領域よりも温度が低い一部領域に光を照射する補助照射手段を備えるため、当該一部領域を昇温して基板全体の面内温度分布を均一にすることができる。

特に、請求項２の発明によれば、石英の保持手段に保持された基板に下方から光照射を行って予備加熱するハロゲンランプを備えており、予備加熱によって他の領域よりも温度が低い一部領域が生じたときにもその温度分布の不均一を解消することができる。

特に、請求項４の発明によれば、保持手段に保持された基板の中心直下に配置され、当該基板の周縁部に向けてレーザ光を出射するレーザ光出射部と、レーザ光出射部を基板の中心線を回転中心として回転させる回転部と、を備えるため、基板の周縁部の温度が他の領域の温度よりも低くなったときに、当該周縁部を昇温して基板の面内温度分布を均一にすることができる。

特に、請求項５の発明によれば、回転部によって回転されるレーザ光照射手段を上下方向に沿って往復移動させる昇降部を備えるため、基板の周縁部におけるレーザ光照射領域の幅を拡げることができる。

特に、請求項６の発明によれば、出射したレーザ光を保持手段に保持された基板の面内にて走査させるレーザ光走査部を備えるため、基板面内にて温度が他の領域よりも低くなった任意の一部領域にレーザ光を照射することができ、当該一部領域を昇温して基板の面内温度分布を均一にすることができる。

本発明の第１実施形態に係る熱処理装置の構成を示す縦断面図である。 保持部の斜視図である。 保持プレートの平面図である。 保持プレートに半導体ウェハーが載置されたときのバンプ近傍を拡大した図である。 移載機構の平面図である。 移載機構の側面図である。 フラッシュランプの駆動回路を示す図である。 複数のハロゲンランプの配置を示す平面図である。 補助照射部の構成を示す図である。 半導体ウェハーを保持した保持プレートを示す図である。 レーザ光出射部におけるレーザ光の光路を示す図である。 レーザ光の照射スポットの軌道を示す図である。 第２実施形態の補助照射部の構成を示す図である。 第２実施形態のレーザ光の照射スポットの軌道を示す図である。 第３実施形態の補助照射部の構成を示す図である。 第４実施形態の補助照射部の構成を示す図である。 従来の熱処理装置における、半導体ウェハーの面内温度分布を示す図である。

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。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る熱処理装置１の構成を示す縦断面図である。本実施形態の熱処理装置１は、基板としてφ３００ｍｍの円板形状の半導体ウェハーＷに対してフラッシュ光照射を行うことによっ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に搬入される前の半導体ウェハーＷには不純物が注入されており、熱処理装置１による加熱処理によって注入された不純物の活性化処理が実行される。

熱処理装置１は、半導体ウェハーＷを収容するチャンバー６と、複数のフラッシュランプＦＬを内蔵するフラッシュ加熱部５と、複数のハロゲンランプＨＬを内蔵するハロゲン加熱部４と、シャッター機構２と、を備える。チャンバー６の上側にフラッシュ加熱部５が設けられるとともに、下側にハロゲン加熱部４が設けられている。また、熱処理装置１は、チャンバー６の内部に、半導体ウェハーＷを水平姿勢に保持する保持部７と、保持部７と装置外部との間で半導体ウェハーＷの受け渡しを行う移載機構１０と、を備える。さらに、熱処理装置１は、シャッター機構２、ハロゲン加熱部４、フラッシュ加熱部５およびチャンバー６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、筒状のチャンバー側部６１の上下に石英製のチャンバー窓を装着して構成されている。チャンバー側部６１は上下が開口された概略筒形状を有しており、上側開口には上側チャンバー窓６３が装着されて閉塞され、下側開口には下側チャンバー窓６４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上側チャンバー窓６３は、石英により形成された円板形状部材であり、フラッシュ加熱部５から出射された光をチャンバー６内に透過する石英窓として機能する。また、チャンバー６の床部を構成する下側チャンバー窓６４も、石英により形成された円板形状部材であり、ハロゲン加熱部４からの光をチャンバー６内に透過する石英窓として機能する。

また、チャンバー側部６１の内側の壁面の上部には反射リング６８が装着され、下部には反射リング６９が装着されている。反射リング６８，６９は、ともに円環状に形成されている。上側の反射リング６８は、チャンバー側部６１の上側から嵌め込むことによって装着される。一方、下側の反射リング６９は、チャンバー側部６１の下側から嵌め込んで図示省略のビスで留めることによって装着される。すなわち、反射リング６８，６９は、ともに着脱自在にチャンバー側部６１に装着されるものである。チャンバー６の内側空間、すなわち上側チャンバー窓６３、下側チャンバー窓６４、チャンバー側部６１および反射リング６８，６９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。

チャンバー側部６１に反射リング６８，６９が装着されることによって、チャンバー６の内壁面に凹部６２が形成される。すなわち、チャンバー側部６１の内壁面のうち反射リング６８，６９が装着されていない中央部分と、反射リング６８の下端面と、反射リング６９の上端面とで囲まれた凹部６２が形成される。凹部６２は、チャンバー６の内壁面に水平方向に沿って円環状に形成され、半導体ウェハーＷを保持する保持部７を囲繞する。

チャンバー側部６１および反射リング６８，６９は、強度と耐熱性に優れた金属材料（例えば、ステンレススチール）にて形成されている。また、反射リング６８，６９の内周面は電解ニッケルメッキによって鏡面とされている。

また、チャンバー側部６１には、チャンバー６に対して半導体ウェハーＷの搬入および搬出を行うための搬送開口部（炉口）６６が形設されている。搬送開口部６６は、ゲートバルブ１８５によって開閉可能とされている。搬送開口部６６は凹部６２の外周面に連通接続されている。このため、ゲートバルブ１８５が搬送開口部６６を開放しているときには、搬送開口部６６から凹部６２を通過して熱処理空間６５への半導体ウェハーＷの搬入および熱処理空間６５からの半導体ウェハーＷの搬出を行うことができる。また、ゲートバルブ１８５が搬送開口部６６を閉鎖するとチャンバー６内の熱処理空間６５が密閉空間とされる。

また、チャンバー６の内壁上部には熱処理空間６５に処理ガス（本実施形態では窒素ガス（Ｎ₂））を供給するガス供給孔８１が形設されている。ガス供給孔８１は、凹部６２よりも上側位置に形設されており、反射リング６８に設けられていても良い。ガス供給孔８１はチャンバー６の側壁内部に円環状に形成された緩衝空間８２を介してガス供給管８３に連通接続されている。ガス供給管８３は窒素ガス供給源８５に接続されている。また、ガス供給管８３の経路途中にはバルブ８４が介挿されている。バルブ８４が開放されると、窒素ガス供給源８５から緩衝空間８２に窒素ガスが送給される。緩衝空間８２に流入した窒素ガスは、ガス供給孔８１よりも流体抵抗の小さい緩衝空間８２内を拡がるように流れてガス供給孔８１から熱処理空間６５内へと供給される。

一方、チャンバー６の内壁下部には熱処理空間６５内の気体を排気するガス排気孔８６が形設されている。ガス排気孔８６は、凹部６２よりも下側位置に形設されており、反射リング６９に設けられていても良い。ガス排気孔８６はチャンバー６の側壁内部に円環状に形成された緩衝空間８７を介してガス排気管８８に連通接続されている。ガス排気管８８は排気部１９０に接続されている。また、ガス排気管８８の経路途中にはバルブ８９が介挿されている。バルブ８９が開放されると、熱処理空間６５の気体がガス排気孔８６から緩衝空間８７を経てガス排気管８８へと排出される。なお、ガス供給孔８１およびガス排気孔８６は、チャンバー６の周方向に沿って複数設けられていても良いし、スリット状のものであっても良い。また、窒素ガス供給源８５および排気部１９０は、熱処理装置１に設けられた機構であっても良いし、熱処理装置１が設置される工場のユーティリティであっても良い。

また、搬送開口部６６の先端にも熱処理空間６５内の気体を排出するガス排気管１９１が接続されている。ガス排気管１９１はバルブ１９２を介して排気部１９０に接続されている。バルブ１９２を開放することによって、搬送開口部６６を介してチャンバー６内の気体が排気される。

図２は、保持部７の斜視図である。保持部７は、サセプタ７０および保持プレート７４を備えて構成される。サセプタ７０は、石英により形成され、円環形状のリング部７１に複数の爪部７２（本実施形態では４本）を立設して構成される。図３は、保持プレート７４の平面図である。保持プレート７４は石英にて形成された円形の平板状部材である。保持プレート７４の直径は半導体ウェハーＷの直径よりも大きい。すなわち、保持プレート７４は、半導体ウェハーＷよりも大きな平面サイズを有する。保持プレート７４の上面には複数個のバンプ７５が立設されている。本実施形態においては、保持プレート７４の外周円と同心円の周上に沿って６０°毎に計６本のバンプ７５が立設されている。６本のバンプ７５を配置した円の径（対向するバンプ７５間の距離）は半導体ウェハーＷの径よりも小さく、本実施形態ではφ２８０ｍｍである。それぞれのバンプ７５は石英にて形成された支持ピンである。なお、バンプ７５の個数は６本に限定されるものではなく、半導体ウェハーＷを安定して支持可能な３本以上であれば良い。

また、保持プレート７４の上面には、６本のバンプ７５と同心円状に複数個（本実施形態では５個）のガイドピン７６が立設されている。５個のガイドピン７６を配置した円の径は半導体ウェハーＷの径よりも若干大きい。各ガイドピン７６は石英にて形成されている。なお、これら複数個のガイドピン７６に代えて上側に向けて拡がるように水平面と所定の角度をなすテーパ面が形成された円環状部材を設けるようにしても良い。

リング部７１が凹部６２の底面に載置されることによって、サセプタ７０がチャンバー６に装着される。そして、保持プレート７４はチャンバー６に装着されたサセプタ７０の爪部７２に載置される。チャンバー６に搬入された半導体ウェハーＷはサセプタ７０に保持された保持プレート７４の上に水平姿勢にて載置される。

図４は、保持プレート７４に半導体ウェハーＷが載置されたときのバンプ７５近傍を拡大した図である。サセプタ７０の各爪部７２には支持棒７３が立設されている。支持棒７３の上端部が保持プレート７４の下面に穿設された凹部に嵌合することによって、保持プレート７４が位置ずれすることなくサセプタ７０に保持される。

また、バンプ７５およびガイドピン７６も保持プレート７４の上面に穿設された凹部に嵌着されて立設されている。保持プレート７４の上面に立設されたバンプ７５およびガイドピン７６の上端は当該上面から突出する。半導体ウェハーＷは保持プレート７４に立設された複数のバンプ７５によって点接触にて支持されて保持プレート７４上に載置される。バンプ７５の上端の高さ位置から保持プレート７４の上面までの距離は０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下（本実施形態では１ｍｍ）である。従って、半導体ウェハーＷは複数のバンプ７５によって保持プレート７４の上面から０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下の間隔を隔てて支持されることとなる。また、ガイドピン７６の上端の高さ位置はバンプ７５の上端よりも高く、複数のガイドピン７６によって半導体ウェハーＷの水平方向の位置ずれが防止される。なお、バンプ７５およびガイドピン７６を保持プレート７４と一体に石英にて加工するようにしても良い。

また、ガイドピン７６に代えて上記テーパ面が形成された円環状部材を設けた場合には、当該円環状部材によって半導体ウェハーＷの水平方向の位置ずれが防止される。そして、保持プレート７４の上面のうち少なくとも複数のバンプ７５に支持された半導体ウェハーＷに対向する領域は平面となる。この場合、半導体ウェハーＷは複数のバンプ７５によって保持プレート７４の当該平面から０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下の間隔を隔てて支持されることとなる。

また、図２および図３に示すように、保持プレート７４には、上下に貫通して開口部７８および切り欠き部７７が形成されている。切り欠き部７７は、熱電対を使用した接触式温度計１３０のプローブ先端部を通すために設けられている。一方、開口部７８は、放射温度計１２０が保持プレート７４に保持された半導体ウェハーＷの下面から放射される放射光（赤外光）を受光するために設けられている。

図５は、移載機構１０の平面図である。また、図６は、移載機構１０の側面図である。移載機構１０は、２本の移載アーム１１を備える。移載アーム１１は、概ね円環状の凹部６２に沿うような円弧形状とされている。それぞれの移載アーム１１には２本のリフトピン１２が立設されている。各移載アーム１１は水平移動機構１３によって回動可能とされている。水平移動機構１３は、一対の移載アーム１１を保持部７に対して半導体ウェハーＷの移載を行う移載動作位置（図５の実線位置）と保持部７に保持された半導体ウェハーＷと平面視で重ならない退避位置（図５の二点鎖線位置）との間で水平移動させる。水平移動機構１３としては、個別のモータによって各移載アーム１１をそれぞれ回動させるものであっても良いし、リンク機構を用いて１個のモータによって一対の移載アーム１１を連動させて回動させるものであっても良い。

また、一対の移載アーム１１は、昇降機構１４によって水平移動機構１３とともに昇降移動される。昇降機構１４が一対の移載アーム１１を移載動作位置にて上昇させると、計４本のリフトピン１２が保持プレート７４に穿設された貫通孔７９（図２，３参照）を通過し、リフトピン１２の上端が保持プレート７４の上面から突き出る。一方、昇降機構１４が一対の移載アーム１１を移載動作位置にて下降させてリフトピン１２を貫通孔７９から抜き取り、水平移動機構１３が一対の移載アーム１１を開くように移動させると各移載アーム１１が退避位置に移動する。一対の移載アーム１１の退避位置は、サセプタ７０のリング部７１の直上である。リング部７１は凹部６２の底面に載置されているため、移載アーム１１の退避位置は凹部６２の内側となる。なお、移載機構１０の駆動部（水平移動機構１３および昇降機構１４）が設けられている部位の近傍にも図示省略の排気機構が設けられており、移載機構１０の駆動部周辺の雰囲気がチャンバー６の外部に排出されるように構成されている。

図１に戻り、チャンバー６の上方に設けられたフラッシュ加熱部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、フラッシュ加熱部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。フラッシュ加熱部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の石英窓である。フラッシュ加熱部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が上側チャンバー窓６３と相対向することとなる。フラッシュランプＦＬはチャンバー６の上方からランプ光放射窓５３および上側チャンバー窓６３を介して熱処理空間６５にフラッシュ光を照射する。

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。

図７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、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）９６とが直列に接続されている。また、図７に示すように、制御部３は、パルス発生器３１およびパルス設定部３２を備えるとともに、入力部３３に接続されている。入力部３３としては、キーボード、マウス、タッチパネル等の種々の公知の入力機器を採用することができる。入力部３３からの入力内容に基づいてパルス設定部３２がパルス信号の波形を設定し、その波形に従ってパルス発生器３１がパルス信号を発生する。

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から高電圧を印加することができる。トリガー回路９７がトリガー電極９１に電圧を印加するタイミングは制御部３によって制御される。

ＩＧＢＴ９６は、ゲート部にＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field effect transistor）を組み込んだバイポーラトランジスタであり、大電力を取り扱うのに適したスイッチング素子である。ＩＧＢＴ９６のゲートには制御部３のパルス発生器３１からパルス信号が印加される。ＩＧＢＴ９６のゲートに所定値以上の電圧（Hiの電圧）が印加されるとＩＧＢＴ９６がオン状態となり、所定値未満の電圧（Lowの電圧）が印加されるとＩＧＢＴ９６がオフ状態となる。このようにして、フラッシュランプＦＬを含む駆動回路はＩＧＢＴ９６によってオンオフされる。ＩＧＢＴ９６がオンオフすることによってフラッシュランプＦＬと対応するコンデンサ９３との接続が断続される。

コンデンサ９３が充電された状態でＩＧＢＴ９６がオン状態となってガラス管９２の両端電極に高電圧が印加されたとしても、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９２内に電気は流れない。しかしながら、トリガー回路９７がトリガー電極９１に高電圧を印加して絶縁を破壊した場合には両端電極間の放電によってガラス管９２内に電流が瞬時に流れ、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。

また、図１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。

チャンバー６の下方に設けられたハロゲン加熱部４の内部には複数本（本実施形態では４０本）のハロゲンランプＨＬが内蔵されている。複数のハロゲンランプＨＬはチャンバー６の下方から下側チャンバー窓６４を介して熱処理空間６５への光照射を行う。図８は、複数のハロゲンランプＨＬの配置を示す平面図である。本実施形態では、上下２段に各２０本ずつのハロゲンランプＨＬが配設されている。各ハロゲンランプＨＬは、長尺の円筒形状を有する棒状ランプである。上段、下段ともに２０本のハロゲンランプＨＬは、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配列されている。よって、上段、下段ともにハロゲンランプＨＬの配列によって形成される平面は水平面である。

また、図８に示すように、上段、下段ともに保持部７に保持される半導体ウェハーＷの中央部に対向する領域よりも周縁部に対向する領域におけるハロゲンランプＨＬの配設密度が高くなっている。すなわち、上下段ともに、ランプ配列の中央部よりも端部側の方がハロゲンランプＨＬの配設ピッチが短い。このため、ハロゲン加熱部４からの光照射による加熱時に温度低下が生じやすい半導体ウェハーＷの周縁部により多い光量の照射を行うことができる。

また、上段のハロゲンランプＨＬからなるランプ群と下段のハロゲンランプＨＬからなるランプ群とが格子状に交差するように配列されている。すなわち、上段の各ハロゲンランプＨＬの長手方向と下段の各ハロゲンランプＨＬの長手方向とが直交するように計４０本のハロゲンランプＨＬが配設されている。

ハロゲンランプＨＬ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。ガラス管の内部には、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）を微量導入した気体が封入されている。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ＨＬ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性を有する。また、ハロゲンランプＨＬは棒状ランプであるため長寿命であり、ハロゲンランプＨＬを水平方向に沿わせて配置することにより上方の半導体ウェハーＷへの放射効率が優れたものとなる。

また、第１実施形態においては、保持部７よりも下方に補助照射部４０を設けている。図９は、第１実施形態の補助照射部４０の構成を示す図である。図９においては、図示の便宜上、ハロゲン加熱部４およびチャンバー６の構成を簡略化して描いている。補助照射部４０は、レーザユニット４１、レーザ光出射部４５および回転モータ４４を備える。本実施形態のレーザユニット４１は、出力が８０Ｗ〜１２０Ｗの非常に高出力の半導体レーザであり、波長が８００ｎｍ〜８２０ｎｍの可視光レーザを放出する。レーザユニット４１から放出されたレーザ光は光ファイバー４２によってレンズ４３へと導かれる。レンズ４３から出射されたレーザ光はレーザ光出射部４５に入射する。

レーザ光出射部４５は、石英によって形成された略棒状の光学部材である。レーザ光出射部４５は、鉛直方向に沿って設けられた導光部４５ｂと斜め上方に向けて設けられた投光部４５ａとを備えて構成される。レーザ光出射部４５は、保持部７に保持された半導体ウェハーＷの中心直下に配置されている。具体的には、保持部７が水平姿勢にて保持する半導体ウェハーＷの中心を鉛直方向に貫く中心線ＣＸに沿って導光部４５ｂが設けられ、その導光部４５ｂの上端に斜め上方に向けて投光部４５ａが設けられている。

レーザ光出射部４５は、ハロゲン加熱部４の下方に設けられた回転モータ４４によって半導体ウェハーＷの中心線ＣＸを回転中心として回転可能とされている。本実施形態の回転モータ４４は、モータ軸が中空となっている中空モータであり、その中空部分に導光部４５ｂの下端が挿通されている。そして、導光部４５ｂの下端面に対向する位置にレンズ４３が配置されている。

導光部４５ｂの上端側は、ハロゲン加熱部４の底壁、および、図示を省略するハロゲンランプＨＬ用のリフレクタを貫通している。導光部４５ｂがハロゲン加熱部４の底壁を貫通する部位にはベアリングを設けるようにしても良い。導光部４５ｂは、さらにハロゲンランプＨＬの配置の隙間を通り抜け、その上端が少なくとも上段のハロゲンランプＨＬよりも上側に位置するように設けられる。そして、導光部４５ｂの上端に斜め上方に向けて（中心線ＣＸとなす角度が９０°未満となるように）投光部４５ａが連設される。このため、レーザ光出射部４５が回転したときにも、投光部４５ａとハロゲンランプＨＬとの接触が防止される。なお、投光部４５ａと導光部４５ｂとは石英部材にて一体に形成するようにしても良いし、別体の部材を接着するようにしても良い。

レーザユニット４１から放出されてレンズ４３からレーザ光出射部４５の導光部４５ｂに入射したレーザ光は、導光部４５ｂの上端で反射されて投光部４５ａから保持部７に保持された半導体ウェハーＷの周縁部に向けて出射される。そして、回転モータ４４が中心線ＣＸを回転中心としてレーザ光出射部４５を回転させることにより、レーザ光の照射スポットが半導体ウェハーＷの周縁部で旋回することとなる。なお、補助照射部４０による半導体ウェハーＷの周縁部へのレーザ光照射についてはさらに後述する。

図１に戻り、熱処理装置１は、ハロゲン加熱部４およびチャンバー６の側方にシャッター機構２を備える。シャッター機構２は、シャッター板２１およびスライド駆動機構２２を備える。シャッター板２１は、ハロゲン光に対して不透明な板であり、例えばチタン（Ｔｉ）にて形成されている。スライド駆動機構２２は、シャッター板２１を水平方向に沿ってスライド移動させ、ハロゲン加熱部４と保持部７との間の遮光位置にシャッター板２１を挿脱する。スライド駆動機構２２がシャッター板２１を前進させると、チャンバー６とハロゲン加熱部４との間の遮光位置（図１の二点鎖線位置）にシャッター板２１が挿入され、下側チャンバー窓６４と複数のハロゲンランプＨＬとが遮断される。これによって、複数のハロゲンランプＨＬから熱処理空間６５の保持部７へと向かう光は遮光される。逆に、スライド駆動機構２２がシャッター板２１を後退させると、チャンバー６とハロゲン加熱部４との間の遮光位置からシャッター板２１が退出して下側チャンバー窓６４の下方が開放される。なお、レーザ光出射部４５は、投光部４５ａの高さ位置がシャッター板２１の遮光位置よりも下方となるように設置されている。このため、レーザ光出射部４５がシャッター板２１の進退移動の障害となることは無い。

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構成される。制御部３のＣＰＵが所定の処理プログラムを実行することによって熱処理装置１における処理が進行する。また、図７に示したように、制御部３は、パルス発生器３１および波形設定部３２を備える。上述のように、入力部３３からの入力内容に基づいて、パルス設定部３２がパルス信号の波形を設定し、それに従ってパルス発生器３１がＩＧＢＴ９６のゲートにパルス信号を出力する。

上記の構成以外にも熱処理装置１は、半導体ウェハーＷの熱処理時にハロゲンランプＨＬおよびフラッシュランプＦＬから発生する熱エネルギーによるハロゲン加熱部４、フラッシュ加熱部５およびチャンバー６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の壁体には水冷管（図示省略）が設けられている。また、ハロゲン加熱部４およびフラッシュ加熱部５は、内部に気体流を形成して排熱する空冷構造とされている。また、上側チャンバー窓６３とランプ光放射窓５３との間隙にも空気が供給され、フラッシュ加熱部５および上側チャンバー窓６３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る。その不純物の活性化が熱処理装置１によるフラッシュ光照射加熱処理（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、給気のためのバルブ８４が開放されるとともに、排気用のバルブ８９，１９２が開放されてチャンバー６内に対する給排気が開始される。バルブ８４が開放されると、ガス供給孔８１から熱処理空間６５に窒素ガスが供給される。また、バルブ８９が開放されると、ガス排気孔８６からチャンバー６内の気体が排気される。これにより、チャンバー６内の熱処理空間６５の上部から供給された窒素ガスが下方へと流れ、熱処理空間６５の下部から排気される。

また、バルブ１９２が開放されることによって、搬送開口部６６からもチャンバー６内の気体が排気される。さらに、図示省略の排気機構によって移載機構１０の駆動部周辺の雰囲気も排気される。なお、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熱処理空間６５に継続的に供給されており、その供給量は処理工程に応じて適宜変更される。

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内の熱処理空間６５に搬入される。搬送ロボットによって搬入された半導体ウェハーＷは保持部７の直上位置まで進出して停止する。そして、移載機構１０の一対の移載アーム１１が退避位置から移載動作位置に水平移動して上昇することにより、リフトピン１２が貫通孔７９を通って保持プレート７４の上面から突き出て半導体ウェハーＷを受け取る。

半導体ウェハーＷがリフトピン１２に載置された後、搬送ロボットが熱処理空間６５から退出し、ゲートバルブ１８５によって搬送開口部６６が閉鎖される。そして、一対の移載アーム１１が下降することにより、半導体ウェハーＷは移載機構１０から保持部７の保持プレート７４に受け渡されて水平姿勢にて下方より保持される。図１０は、半導体ウェハーＷを保持した保持プレート７４を示す図である。半導体ウェハーＷは６本のバンプ７５によって点接触にて支持され、保持プレート７４の上面から０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下の間隔（本実施形態では１ｍｍ）を隔てて保持される。これにより、半導体ウェハーＷの下面と保持プレート７４の上面との間には厚さ１ｍｍの気体層が挟み込まれることとなる。保持プレート７４の下方にまで下降した一対の移載アーム１１は水平移動機構１３によって退避位置、すなわち凹部６２の内側に退避する。

半導体ウェハーＷが石英にて形成された保持部７によって水平姿勢にて下方より保持された後、ハロゲン加熱部４の４０本のハロゲンランプＨＬが一斉に点灯する。ハロゲンランプＨＬから出射されたハロゲン光は、石英にて形成された下側チャンバー窓６４および保持プレート７４を透過して半導体ウェハーＷの裏面から照射される。ハロゲンランプＨＬからの光照射を受けることによって半導体ウェハーＷが予備加熱されて温度が上昇する。なお、移載機構１０の移載アーム１１は凹部６２の内側に退避しているため、ハロゲンランプＨＬによる加熱の障害となることは無い。

ハロゲンランプＨＬによる予備加熱を行うときには、半導体ウェハーＷの温度が接触式温度計１３０によって測定されている。すなわち、熱電対を内蔵する接触式温度計１３０が保持部７に保持された半導体ウェハーＷの下面に保持プレート７４の開口部７７を介して接触して昇温中のウェハー温度を測定する。測定された半導体ウェハーＷの温度は制御部３に伝達される。制御部３は、ハロゲンランプＨＬからの光照射によって昇温する半導体ウェハーＷの温度が所定の予備加熱温度Ｔ１に到達したか否かを監視する。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６００℃程度とされる（本実施の形態では６００℃）。なお、ハロゲンランプＨＬからの光照射によって半導体ウェハーＷを昇温するときには、放射温度計１２０による温度測定は行わない。これは、ハロゲンランプＨＬから照射されるハロゲン光が放射温度計１２０に外乱光として入射し、正確な温度測定ができないためである。

ところで、予備加熱中の半導体ウェハーＷには中心部分に比較して周縁部の温度が低くなりやすい傾向が認められる。このような現象が生じる原因としては、半導体ウェハーＷの周縁部からの熱放射、比較的低温の保持プレート７４との間で半導体ウェハーＷの周縁部近傍に生じる対流、或いは半導体ウェハーＷの周縁部から保持プレート７４への熱伝導などが考えられる。

このため、ハロゲン加熱部４におけるハロゲンランプＨＬの配設密度は、半導体ウェハーＷの中央部に対向する領域よりも周縁部に対向する領域の方が高くなるように構成されており、半導体ウェハーＷの中心部よりも周縁部に向かう光量が多くなるようにしている。また、チャンバー側部６１に装着された反射リング６９の内周面は鏡面とされているため、この反射リング６９の内周面によっても半導体ウェハーＷの周縁部に向けて反射する光量が多くなる。

このようにして半導体ウェハーＷの中心部よりも周縁部に照射されるハロゲン光量を多くしたとしても、なお半導体ウェハーＷの周縁部における温度低下を解消することは困難であった。この傾向は、ハロゲンランプＨＬと保持部７に保持された半導体ウェハーＷとの距離が大きくなるにつれて顕著となる。また、ハロゲン加熱部４から半導体ウェハーＷの周縁部に照射する光量をさらに増やすと、図１７（ｂ）に示したように、さらに面内温度分布の均一性が損なわれることとにもなる。

このため、第１実施形態においては、保持部７に保持された半導体ウェハーＷの周縁部に追加の光照射を行う補助照射部４０を設けている。補助照射部４０のレーザユニット４１は、波長８００ｎｍ〜８２０ｎｍの可視光レーザを出力８０Ｗ〜１２０Ｗにて放出する。レーザユニット４１から放出されて光ファイバー４２によってレンズ４３へと導かれたレーザ光は、レンズ４３からレーザ光出射部４５の導光部４５ｂに入射される。

図１１は、レーザ光出射部４５におけるレーザ光の光路を示す図である。レンズ４３からは鉛直方向上方に向けてレーザ光が出射され、そのレーザ光がそのまま導光部４５ｂの下端面に垂直に入射する。鉛直方向に沿って設けられた導光部４５ｂ内では入射したレーザ光が鉛直方向上方に向かって、つまり導光部４５ｂの長手方向に沿って直進する。そして、鉛直方向上方に向けて直進するレーザ光は、導光部４５ｂの上端に形成されている傾斜面４５ｃで全反射され、その光路が斜め上方に向けて曲げられる。ここで、レーザ光は、図１１の点線にて示すように、保持部７に保持された半導体ウェハーＷの周縁部に向かうように反射される。そして、傾斜面４５ｃで全反射されたレーザ光は、投光部４５ａから保持部７に保持された半導体ウェハーＷの周縁部に向けて出射される。

レーザ光出射部４５の投光部４５ａから出射された波長８００ｎｍ〜８２０ｎｍの可視光レーザは、石英の保持部７を透過して半導体ウェハーＷの裏面周縁部に到達する。一方、ハロゲン加熱部４によってある程度昇温されているシリコンの半導体ウェハーＷは波長８００ｎｍ〜８２０ｎｍのレーザ光を吸収する。従って、レーザ光出射部４５から出射されたレーザ光は半導体ウェハーＷの周縁部に照射されて吸収され、その照射領域の温度を上昇させる。

また、第１実施形態においては、レーザ光出射部４５から半導体ウェハーＷの周縁部に向けてレーザ光を出射しつつ、図９の矢印ＡＲ９に示すように、回転モータ４４が半導体ウェハーＷの中心線ＣＸを回転中心としてレーザ光出射部４５を回転させる。その結果、図１２に示すように、レーザ光出射部４５から出射されたレーザ光の照射スポットＬＰが半導体ウェハーＷの裏面周縁部に沿って円形軌道を描くように旋回する。なお、回転モータ４４がレーザ光出射部４５を回転させる回転数は、５回転／秒〜２００回転／秒である（本実施の形態では２０回転／秒）。

このようにすることによって、予備加熱段階にて相対的な温度低下が生じていた半導体ウェハーＷの周縁部にレーザ光を照射し、その周縁部を昇温して面内温度分布の均一性を向上させている。なお、レーザ光出射部４５からのレーザ光照射を開始するタイミングは、ハロゲンランプＨＬが点灯するのと同時であっても良いし、ハロゲンランプＨＬが点灯してから所定時間が経過した後であっても良い。

半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１に到達して所定時間が経過した時点にてフラッシュランプＦＬがフラッシュ光照射を行う。フラッシュランプＦＬがフラッシュ光照射を行うに際しては、予め電源ユニット９５によってコンデンサ９３に電荷を蓄積しておく。そして、コンデンサ９３に電荷が蓄積された状態にて、制御部３のパルス発生器３１からＩＧＢＴ９６にパルス信号を出力する。

パルス発生器３１が出力するパルス信号の波形は、パルス幅の時間（オン時間）とパルス間隔の時間（オフ時間）とをパラメータとして順次設定したレシピを入力部３３から入力することによって規定することができる。このようなパラメータを記述したレシピをオペレータが入力部３３から制御部３に入力すると、それに従って制御部３のパルス設定部３２はオンオフを繰り返すパルス波形を設定する。そして、パルス設定部３２によって設定されたパルス波形に従ってパルス発生器３１がパルス信号を出力する。その結果、ＩＧＢＴ９６のゲートにはオンオフを繰り返す波形のパルス信号が印加され、ＩＧＢＴ９６のオンオフ駆動が制御されることとなる。

また、パルス発生器３１から出力するパルス信号がオンになるタイミングと同期して制御部３がトリガー回路９７を制御してトリガー電極９１に高電圧を印加する。これにより、ＩＧＢＴ９６のゲートに入力されるパルス信号がオンのときにはガラス管９２内の両端電極間で必ず電流が流れ、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。制御部３からＩＧＢＴ９６のゲートにパルス信号を出力するとともに、該パルス信号がオンになるタイミングと同期してトリガー電極９１にトリガー電圧を印加することにより、フラッシュランプＦＬを含む回路中にのこぎり波形の電流が流れる。すなわち、ＩＧＢＴ９６のゲートに入力されるパルス信号がオンのときにはフラッシュランプＦＬのガラス管９２内に流れる電流値が増加し、オフのときには電流値が減少する。なお、各パルスに対応する個々の電流波形はコイル９４の定数によって規定される。

フラッシュランプＦＬを含む回路中に電流が流れることによってフラッシュランプＦＬが発光する。フラッシュランプＦＬの発光強度は、フラッシュランプＦＬに流れる電流にほぼ比例する。その結果、フラッシュランプＦＬの発光強度の時間波形ものこぎり波形に近くなり、そのような強度波形にて保持部７に保持された半導体ウェハーＷにフラッシュ光照射が行われる。

ここで、ＩＧＢＴ９６などのスイッチング素子を使用することなくフラッシュランプＦＬを発光させた場合には、コンデンサ９３に蓄積されていた電荷が１回の発光で瞬時に消費される。このため、フラッシュランプＦＬの発光強度の波形は急激に立ち上がって急激に降下する幅が０．１ミリ秒ないし１０ミリ秒程度のシングルパルスとなる。

これに対して、本実施の形態のように、回路中にＩＧＢＴ９６を接続してそのゲートにパルス信号を出力することにより、当該回路がＩＧＢＴ９６によって断続的にオンオフされ、コンデンサ９３からフラッシュランプＦＬに流れる電流がチョッパ制御される。その結果、いわばフラッシュランプＦＬの発光がチョッパ制御されることとなり、コンデンサ９３に蓄積された電荷はフラッシュランプＦＬにて断続的に放電されて分割して消費され、極めて短い時間の間にフラッシュランプＦＬが点滅を繰り返す。もっとも、フラッシュランプＦＬに流れる電流値が完全に”０”になる前に次のパルスがＩＧＢＴ９６のゲートに印加されて電流値が再度増加する。このため、フラッシュランプＦＬが点滅を繰り返している間も発光強度が完全に”０”になることはない。

なお、フラッシュランプＦＬの発光強度の時間波形は、ＩＧＢＴ９６のゲートに印加するパルス信号の波形を調整することによって適宜に変更することができる。発光強度の時間波形は、フラッシュ加熱処理の目的（例えば、注入された不純物の活性化、不純物注入時に導入された結晶欠陥の回復処理など）に応じて決定すれば良い。但し、フラッシュランプＦＬの発光強度の時間波形が如何なる形態であったとしても、１回の加熱処理におけるフラッシュランプＦＬの総発光時間は１秒以下である。ＩＧＢＴ９６のゲートに印加するパルス信号の波形は、入力部３３から入力するパルス幅の時間およびパルス間隔の時間によって調整することができる。

このようにしてフラッシュランプＦＬからフラッシュ光照射を行うことによって、半導体ウェハーＷの表面温度が予備加熱温度Ｔ１から目標とする処理温度Ｔ２にまで緩やかに昇温してから緩やかに降温する。もっとも、半導体ウェハーＷの表面温度が緩やかに昇温してから緩やかに降温するとは言っても、それは従来のフラッシュランプアニールに比較すればのことであり、フラッシュランプＦＬの発光時間は１秒以下であるため、ハロゲンランプなどを用いた光照射加熱と比較すると著しく短時間での昇温・降温である。第１実施形態では、レーザ光出射部４５からのレーザ光照射によって予備加熱段階での半導体ウェハーＷの面内温度分布を均一にしているため、フラッシュ光照射時における半導体ウェハーＷ表面の面内温度分布も均一にすることができる。

フラッシュ加熱処理が終了した後、所定時間経過後にハロゲンランプＨＬが消灯する。また、補助照射部４０によるレーザ光照射も停止する。これにより、半導体ウェハーＷの降温速度が高まる。また、ハロゲンランプＨＬが消灯するのと同時に、シャッター機構２がシャッター板２１をハロゲン加熱部４とチャンバー６との間の遮光位置に挿入する。ハロゲンランプＨＬが消灯しても、すぐにフィラメントや管壁の温度が低下するものではなく、暫時高温のフィラメントおよび管壁から輻射熱が放射され続け、これが半導体ウェハーＷの降温を妨げる。シャッター板２１が挿入されることによって、消灯直後のハロゲンランプＨＬから熱処理空間６５に放射される輻射熱が遮断されることとなり、半導体ウェハーＷの降温速度を高めることができる。

そして、半導体ウェハーＷの温度が所定以下にまで降温した後、移載機構１０の一対の移載アーム１１が再び退避位置から移載動作位置に水平移動して上昇することにより、リフトピン１２が保持プレート７４の上面から突き出て熱処理後の半導体ウェハーＷを保持プレート７４から受け取る。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、リフトピン１２上に載置された半導体ウェハーＷが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の加熱処理が完了する。

第１実施形態においては、ハロゲンランプＨＬによる予備加熱によって生じた半導体ウェハーＷの面内温度分布の不均一を補正すべく、補助照射部４０によるレーザ光照射を行っている。保持部７に保持された半導体ウェハーＷにハロゲンランプＨＬから予備加熱を行うと、半導体ウェハーＷの中心部よりも周縁部の温度が低下する傾向が認められるが、補助照射部４０から当該周縁部にレーザ光を照射することによって当該周縁部を選択的に加熱して均一な面内温度分布となるようにしている。

特に、第１実施形態では、保持部７に保持された半導体ウェハーＷの中心直下に配置されたレーザ光出射部４５から半導体ウェハーＷの周縁部に向けてレーザ光を出射しつつ、そのレーザ光出射部４５を半導体ウェハーＷの中心線ＣＸを回転中心として回転させている。このため、レーザ光出射部４５から出射されたレーザ光の照射スポットＬＰが半導体ウェハーＷの裏面周縁部に沿って円形軌道を描くように旋回する。その結果、温度の低下した半導体ウェハーＷの周縁部の全体が均一に加熱されることとなり、半導体ウェハーＷの面内温度分布を均一にすることができる。

本発明に係る熱処理装置１は、３種類の光照射型熱源を備えている。すなわち、熱処理装置１は、不純物活性化のためのフラッシュ加熱を行うフラッシュランプＦＬと、フラッシュ光照射前に半導体ウェハーＷを予備加熱するためのハロゲンランプＨＬと、半導体ウェハーＷの周縁部にレーザ光を照射する補助照射部４０と、を備えている。そして、ハロゲンランプＨＬからの光量調整だけでは不可避的に生じる半導体ウェハーＷの周縁部の温度低下を補助照射部４０からのレーザ光照射によって補い、予備加熱段階における面内温度分布の均一性を向上させ、その結果として最終的にフラッシュ光照射時における半導体ウェハーＷの面内温度分布が均一となるようにしているのである。

＜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１３は、第２実施形態における補助照射部４０の構成を示す図である。図１３において、図９と同一の要素については同一の符号を付している。第２実施形態の補助照射部４０は、第１実施形態の構成に加えてカム機構を備えている。すなわち、第２実施形態の補助照射部４０は、回転モータ４４に固設された従動節４７および従動節４７に当接するカム４６を備える。なお、第２実施形態の熱処理装置１の構成は、補助照射部４０にカム機構を備えている点を除いては第１実施形態と同様である。また、熱処理装置１における半導体ウェハーＷの処理手順も第１実施形態と概ね同じである。

カム４６は、図示省略の回転駆動機構によって回転されるが、その回転中心は偏心している。このため、カム４６の回転中心から従動節４７とカム４６との接点までの距離は、カム４６の回転に伴って周期的に変動する。従って、カム４６が回転することによって従動節４７が上下動し、その結果レーザ光出射部４５が鉛直方向に沿って往復移動することとなる。

第２実施形態においては、レーザ光出射部４５から半導体ウェハーＷの周縁部に向けてレーザ光を出射しつつ、図１３の矢印ＡＲ９に示すように、回転モータ４４が半導体ウェハーＷの中心線ＣＸを回転中心としてレーザ光出射部４５を回転させる。それと同時に、図１３の矢印ＡＲ１３に示すように、回転モータ４４によって回転されるレーザ光出射部４５をカム４６および従動節４７によって鉛直方向に沿って往復移動させる。斜め上方に向けてレーザ光を出射するレーザ光出射部４５が上下動すると、半導体ウェハーＷの裏面におけるレーザ光の到達位置が径方向に沿って往復移動する。その結果、図１４に示すように、レーザ光出射部４５から出射されたレーザ光の照射スポットＬＰは、半導体ウェハーＷの裏面周縁部に沿って略円形軌道を描くように旋回するとともに、半導体ウェハーＷの径方向に沿っても往復移動する。すなわち、半導体ウェハーＷの裏面周縁部において、レーザ光の照射スポットＬＰが蛇行しながら略円形軌道を描くこととなる。

このようにすれば、第１実施形態と比較して、半導体ウェハーＷの周縁部におけるレーザ光の照射スポットＬＰの旋回軌道に幅を持たせることができる。レーザ光の照射スポットＬＰ自体は径が数ｍｍ程度の円または楕円であるが、それを半導体ウェハーＷの周縁部に沿って旋回させつつウェハー径方向にも往復移動させることにより、旋回軌道の幅を数１０ｍｍ程度にまで拡げることができる。従って、ハロゲンランプＨＬの予備加熱によって相対的な温度低下が生じている半導体ウェハーＷの周縁部の幅が大きかったとしても、その周縁部の全体に対して均一にレーザ光の照射スポットＬＰを走査して昇温し、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。

＜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１５は、第３実施形態における補助照射部４０の構成を示す図である。図１５において、図９と同一の要素については同一の符号を付している。第３実施形態の補助照射部４０は、第１，２実施形態のレーザ光出射部４５に代えて、ガルバノミラー４９を備えている。ガルバノミラー４９は、２枚のミラーを個別に駆動電圧に応じた量だけ回動させることによって、入射されたレーザ光を反射しつつ２次元面内で（ＸＹ方向に）走査させることができる。なお、第３実施形態の熱処理装置１の構成は、補助照射部４０がレーザ光出射部４５に代えてガルバノミラー４９を備えている点を除いては第１実施形態と同様である。また、熱処理装置１における半導体ウェハーＷの処理手順も第１実施形態と概ね同じである。

第３実施形態においては、レーザユニット４１から放出されたレーザ光が光ファイバー４２によってレンズ４３へと導かれ、レンズ４３からガルバノミラー４９に入射される。ガルバノミラー４９は、レンズ４３から入射されたレーザ光を２枚のミラーによって反射させて保持部７に保持された半導体ウェハーＷに向かわせるとともに、２枚のミラーを個別に駆動させて出射したレーザ光の照射スポットＬＰを半導体ウェハーＷの面内にてＸＹ方向に走査させる。このため、保持部７に保持された半導体ウェハーＷの裏面の任意の位置にレーザ光を照射することができる。

第３実施形態では、第１，２実施形態と比較して、レーザ光の照射位置の自由度が高い。従って、例えば、ハロゲンランプＨＬによる予備加熱によって半導体ウェハーＷの周縁部に相対的な温度低下が生じているのであれば、第１，２実施形態と同様に、半導体ウェハーＷの裏面周縁部に沿って円形軌道を描くようにレーザ光の照射スポットＬＰを走査させることにより、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。

また、半導体ウェハーＷの一部領域のみが他の領域よりも温度が低くなる、いわゆるコールドスポットが発生した場合には、その低温の一部領域のみにレーザ光を照射することにより、コールドスポットを解消することができる。逆に、半導体ウェハーＷの一部領域のみが他の領域よりも温度が高くなる、いわゆるホットスポットが発生した場合には、その高温の一部領域を除く他の領域にレーザ光を走査させることにより、ホットスポットを解消することができる。すなわち、第３実施形態においては、半導体ウェハーＷの任意の領域にレーザ光を照射することができるため、半導体ウェハーＷの中心に対して非対称な温度分布の不均一が生じたとしても、相対的に温度が低い領域にレーザ光の照射して面内温度分布を均一にすることができる。これは、半導体ウェハーＷの加熱処理にトリミングという概念を持ち込んだものである。

＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態について説明する。図１６は、第４実施形態における補助照射部４０の構成を示す図である。図１６において、図９と同一の要素については同一の符号を付している。第４実施形態の補助照射部４０は、半導体ウェハーＷの裏面周縁部に向けてアーク光を照射する。なお、第４実施形態の熱処理装置１の構成は、補助照射部４０の構成を除いて第１実施形態と同様である。また、熱処理装置１における半導体ウェハーＷの処理手順も第１実施形態と概ね同じである。

第４実施形態の補助照射部４０は、楕円ミラー１４２の内側にアークランプ１４１および反射板１４３を備えている。また、補助照射部４０は楕円ミラー１４２の外側にレンズ１４４を備える。アークランプ１４１は、アーク放電を利用したキセノンランプであり、楕円ミラー１４２の第一焦点位置に設置されている。第一焦点位置のアークランプ１４１から放射されたアーク光は、楕円ミラー１４２の内面にて反射されて第二焦点位置に集光される。楕円ミラー１４２の第二焦点位置にはレンズ１４４が設置されている。第二焦点位置に集光されたアーク光は、レンズ１４４を透過して保持部７に保持された半導体ウェハーＷの裏面に到達する。ここで、図１６に示すように、アークランプ１４１の直上であって、楕円ミラー１４２の開口中央部には反射板１４３が配置されているため、第二焦点位置に集光される光は反射板１４３と楕円ミラー１４２の内面との隙間を通過した反射光である。このため、レンズ１４４から水平面に照射される光は円環状となり、保持部７に保持された半導体ウェハーＷの裏面周縁部のみに円環状にアーク光が照射されることとなる。

第４実施形態では、ハロゲンランプＨＬによる予備加熱によって相対的な温度低下が生じている半導体ウェハーＷの周縁部に向けて補助照射部４０から円環状にアーク光が照射される。これにより、第１，２実施形態と同様に、半導体ウェハーＷの周縁部を昇温して、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。

＜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、上記第２実施形態においては、カム機構によってレーザ光出射部４５を上下動させるようにしていたが、これに限定されるものではなく、エアシリンダーやアクチュエータなどの他の昇降駆動機構によってレーザ光出射部４５を鉛直方向に沿って往復移動させるようにしても良い。

また、上記第３実施形態においては、ガルバノミラー４９の反射によってレーザ光を半導体ウェハーＷの裏面内で走査させるようにしていたが、これに代えて、ＡＯＭ(Acoustic Optical Modurator)またはＫＤＰ(Potassium Dihydrogen Phosphate)にレーザ光を透過させて走査させるようにしても良い。これらは電圧を印加することによって入射されたレーザ光の光路を曲げて出射し、レーザ光の照射スポットＬＰを半導体ウェハーＷの裏面内で走査させることができる光学素子である。

集約すると、補助照射部４０は、保持部７に保持された半導体ウェハーＷのうちの他の領域よりも温度が低い一部領域に光を照射し、その一部領域を昇温して半導体ウェハーＷ全体の面内温度分布を均一にするものであれば良い。第１から第３実施形態においては当該一部領域にレーザ光を照射し、第４実施形態ではアーク光を持続的に照射している。また、第１，２実施形態では、斜め上方に向けてレーザ光を出射するレーザ光出射部４５を回転させることによって相対的に低温となっている半導体ウェハーＷの周縁部にレーザ光を照射し、第３実施形態では、ガルバノミラー４９にてレーザ光を２次元面内で走査させることによって上記一部領域にレーザ光を照射している。

また、上記第１から第３実施形態においては、レーザユニット４１から放出されたレーザ光を光ファイバー４２によってレンズ４３へと導くようにしていたが、これに代えて、コリメートレンズと全反射鏡とを用いてレーザユニット４１から放出されたレーザ光をレンズ４３へ導くようにしても良い。

また、上記各実施形態においては、フラッシュランプＦＬの駆動回路にＩＧＢＴ９６を組み込んでフラッシュランプＦＬを流れる電流をチョッパ制御するようにしていたが、ＩＧＢＴ９６を組み込んでいない駆動回路であっても本発明に係る技術を適用することができる。すなわち、予備加熱段階で相対的に低温となっている半導体ウェハーＷの一部領域に補助照射部４０から光照射を行って当該一部領域を昇温して面内温度分布の均一性を向上させ、その状態にて通電がチョッパ制御されていないシングルパルスの波形にてフラッシュランプＦＬからフラッシュ光を照射するようにしても最終的なフラッシュ光照射時における半導体ウェハーＷの面内温度分布を均一にすることができる。

また、上記各実施形態においては、スイッチング素子としてＩＧＢＴ９６を用いていたが、これに代えてゲートに入力された信号レベルに応じて回路をオンオフできる他のトランジスタを用いるようにしても良い。もっとも、フラッシュランプＦＬの発光には相当に大きな電力が消費されるため、大電力の取り扱いに適したＩＧＢＴやＧＴＯ(Gate Turn Off)サイリスタをスイッチング素子として採用するのが好ましい。

また、パルス信号の波形の設定は、入力部３３から逐一パルス幅等のパラメータを入力することに限定されるものではなく、例えば、オペレータが入力部３３から波形を直接グラフィカルに入力するようにしても良いし、以前に設定されて磁気ディスク等の記憶部に記憶されていた波形を読み出すようにしても良いし、或いは熱処理装置１の外部からダウンロードするようにしても良い。

また、上記各実施形態においては、フラッシュ加熱部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、ハロゲン加熱部４に備えるハロゲンランプＨＬの本数も４０本に限定されるものではなく、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、ハロゲンランプＨＬからのハロゲン光照射によって半導体ウェハーＷを予備加熱するようにしていたが、予備加熱の手法はこれに限定されるものではなく、ホットプレートに載置することによって半導体ウェハーＷを予備加熱するようにしても良い。もっとも、ホットプレートは、同心円状に区分けされたゾーンごとに個別に温調可能であり、ゾーン制御によって半導体ウェハーＷの周縁部の温度低下を解消できるため、上記実施形態のように光照射によって半導体ウェハーＷの予備加熱を行う装置に本発明に係る技術を適用した方がより顕著な効果が得られる。

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、液晶表示装置などのフラットパネルディスプレイに用いるガラス基板や太陽電池用の基板であっても良い。また、本発明に係る技術は、金属とシリコンとの接合、或いはポリシリコンの結晶化に適用するようにしても良い。

１ 熱処理装置
２ シャッター機構
３ 制御部
４ ハロゲン加熱部
５ フラッシュ加熱部
６ チャンバー
７ 保持部
１０ 移載機構
４０ 補助照射部
４１ レーザユニット
４２ 光ファイバー
４３，１４４ レンズ
４４ 回転モータ
４５ レーザ光出射部
４５ａ 投光部
４５ｂ 導光部
４６ カム
４７ 従動節
４９ ガルバノミラー
６３ 上側チャンバー窓
６４ 下側チャンバー窓
６５ 熱処理空間
７０ サセプタ
７４ 保持プレート
９１ トリガー電極
１４１ アークランプ
１４２ 楕円ミラー
１４３ 反射板
ＦＬ フラッシュランプ
ＨＬ ハロゲンランプ
ＬＰ 照射スポット
Ｗ 半導体ウェハー

Claims (7)

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、
   基板を水平姿勢にて下方より保持する保持手段と、
   前記保持手段に保持された基板に上方よりフラッシュ光を照射するフラッシュランプと、
   前記保持手段に保持された基板のうちの他の領域よりも温度が低い一部領域に光を照射する補助照射手段と、
   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、
   前記保持手段は石英にて形成され、
   前記保持手段に保持された基板に下方から光照射を行って予備加熱するハロゲンランプをさらに備えることを特徴とする熱処理装置。
3. 請求項２記載の熱処理装置において、
   前記補助照射手段は、前記保持手段に保持された基板の前記一部領域に下方からレーザ光を照射するレーザ光照射手段を含むことを特徴とする熱処理装置。
4. 請求項３記載の熱処理装置において、
   前記レーザ光照射手段は、
   前記保持手段に保持された基板の中心直下に配置され、当該基板の周縁部に向けてレーザ光を出射するレーザ光出射部と、
   前記レーザ光出射部を前記基板の中心線を回転中心として回転させる回転部と、
   を備えることを特徴とする熱処理装置。
5. 請求項４記載の熱処理装置において、
   前記レーザ光照射手段は、前記回転部によって回転される前記レーザ光照射手段を上下方向に沿って往復移動させる昇降部をさらに備えることを特徴とする熱処理装置。
6. 請求項３記載の熱処理装置において、
   前記レーザ光照射手段は、
   出射したレーザ光を前記保持手段に保持された基板の面内にて走査させるレーザ光走査部を備えることを特徴とする熱処理装置。
7. 請求項２記載の熱処理装置において、
   前記補助照射手段は、前記保持手段に保持された基板の周縁部に向けて円環状にアーク光を照射するアーク光照射手段を含むことを特徴とする熱処理装置。

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