JP2013161935A

JP2013161935A - 熱処理装置および熱処理方法

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Publication number: JP2013161935A
Application number: JP2012022435A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Yokouchi; 健一横内
Original assignee: Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2012-02-03
Filing date: 2012-02-03
Publication date: 2013-08-19
Anticipated expiration: 2032-02-03
Also published as: JP6026748B2

Abstract

【課題】短時間で全ての加熱処理を完了することができる熱処理装置および熱処理方法を提供する。
【解決手段】室温の半導体ウェハーＷの裏面に下側フラッシュランプＬＦＬからフラッシュ光を照射して第１フラッシュ加熱を行い、裏面から表面への熱伝導によって半導体ウェハーＷの表面を室温から中間温度にまで昇温させる。その後、半導体ウェハーＷの表面に上側フラッシュランプＵＦＬからフラッシュ光を照射して第２フラッシュ加熱を行い、半導体ウェハーＷの表面を中間温度から目標温度にまで昇温させて不純物の活性化を達成する。下側フラッシュランプＬＦＬおよび上側フラッシュランプＵＦＬからのフラッシュ光照射のみによって半導体ウェハーＷを室温から目標温度にまで到達させるため、１秒以内の極めて短時間で全ての加熱処理を完了させることができる。
【選択図】図１

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および熱処理方法に関する。

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表面温度を所望の処理温度にまで昇温する装置が開示されている。また、特許文献２には、半導体ウェハーの上側にフラッシュランプを配置するとともに、下側にハロゲンランプを配置し、ハロゲンランプからの光照射によって半導体ウェハーを予備加熱し、その後フラッシュランプからウェハー表面にフラッシュ光照射を行う装置が開示されている。いずれにおいても、注入された不純物の拡散が生じない温度まで予備加熱し、その後半導体ウェハーの表面にフラッシュ光照射を行って表面を急速に処理温度にまで加熱して不純物活性化を実行している。

特開２００７−５５３２号公報特開２００９−２３１６７６号公報

上述した従来のフラッシュランプアニールでは、予備加熱後に半導体ウェハーの表面にフラッシュ光を照射して表面温度を急速に上昇させている。特許文献１に開示されるようなホットプレートによって予備加熱を行う場合には１分程度の予備加熱時間が必要となり、特許文献２に開示されるようなハロゲンランプによって予備加熱を行う場合であっても数秒から１０秒程度の時間を必要としていた。フラッシュ加熱の時間が数ミリ秒であっても予備加熱時間に長時間を要すると、スループットが低下するだけでなく、半導体ウェハーを収容するチャンバー内の構成部材の温度も上昇し、その結果フラッシュ加熱後の半導体ウェハーの降温速度が低下するという問題も生じる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、短時間で全ての加熱処理を完了することができる熱処理装置および熱処理方法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、基板を収容するチャンバーと、前記チャンバー内にて基板を支持する支持部材と、前記支持部材に支持された基板にフラッシュ光を照射して前記基板の表面を室温から中間温度にまで昇温させる第１フラッシュランプと、前記中間温度に昇温された前記基板にフラッシュ光を照射して前記表面を前記中間温度から目標温度にまで昇温させる第２フラッシュランプと、を備えることを特徴とする。

また、請求項２の発明は、基板に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、基板を収容するチャンバーと、前記チャンバー内にて基板を支持する支持部材と、前記支持部材に支持された基板にフラッシュ光を照射して前記基板の表面を室温から目標温度にまで昇温させるフラッシュランプと、を備え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、前記目標温度は１０００℃以上であることを特徴とする。

また、請求項４の発明は、請求項１から請求項３のいずれかの発明に係る熱処理装置において、前記支持部材は、石英にて形成され、ベルヌーイ効果によって前記基板を非接触で保持するベルヌーイチャックを含むことを特徴とする。

また、請求項５の発明は、基板に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方法において、チャンバー内にて支持部材に支持された基板にフラッシュ光を照射して前記基板の表面を室温から中間温度にまで昇温させる第１フラッシュ加熱工程と、前記中間温度に昇温された前記基板にフラッシュ光を照射して前記表面を前記中間温度から目標温度にまで昇温させる第２フラッシュ加熱工程と、を備えることを特徴とする。

また、請求項６の発明は、基板に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方法において、チャンバー内にて支持部材に支持された基板にフラッシュ光を照射して前記基板の表面を室温から目標温度にまで昇温させるフラッシュ加熱工程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５または請求項６の発明に係る熱処理方法において、前記目標温度は１０００℃以上であることを特徴とする。

請求項１から請求項７の発明によれば、フラッシュ光の照射によって基板の表面を室温から目標温度にまで昇温させているため、短時間で全ての加熱処理を完了することができる。

本発明に係る熱処理装置の要部構成を示す図である。ベルヌーイチャックの一例を示す図である。上側フラッシュランプおよび下側フラッシュランプの配置関係を示す斜視図である。フラッシュランプの駆動回路を示す図である。図１の熱処理装置における半導体ウェハーの処理手順を示すフローチャートである。第１実施形態における半導体ウェハーの表面および裏面の温度変化を示す図である。第１実施形態における下側フラッシュランプの発光出力プロファイルを示す図である。第１実施形態における上側フラッシュランプの発光出力プロファイルを示す図である。第２実施形態における半導体ウェハーの表面および裏面の温度変化を示す図である。第２実施形態における下側フラッシュランプおよび上側フラッシュランプの発光出力プロファイルを示す図である。第３実施形態の熱処理装置の要部構成を示す図である。第３実施形態における半導体ウェハーの表面および裏面の温度変化を示す図である。ベルヌーイチャックの他の例を示す図である。

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、本発明に係る熱処理装置１の要部構成を示す図である。この熱処理装置１は、基板としての略円形の半導体ウェハーＷにフラッシュ光を照射して加熱処理を行うフラッシュランプアニール装置である。なお、図１および以降の各図においては、理解容易のため、必要に応じて各部の寸法や数を誇張または簡略化して描いている。

熱処理装置１は、主たる構成として、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、チャンバー６内にて半導体ウェハーＷを保持する保持部７と、保持部７に対して半導体ウェハーＷの受け渡しを行う移載部７９と、チャンバー６の上側に設けられた上側加熱部５と、チャンバー６の下側に設けられた下側加熱部４と、チャンバー６内に処理ガスを供給するガス供給部８と、チャンバー６から排気を行う排気部２と、を備えている。また、熱処理装置１は、これらの各部を制御して半導体ウェハーＷの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、上下両端が開放された略円筒状の内壁を有するチャンバー側部６３を備える。チャンバー側部６３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等）にて形成される。チャンバー６の上部開口および下部開口には上側チャンバー窓６１および下側チャンバー窓６４がそれぞれ装着されて閉塞されている。チャンバー側部６３、上側チャンバー窓６１および下側チャンバー窓６４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６の天井部を構成する上側チャンバー窓６１は、石英により形成された円板形状部材であり、上側加熱部５から出射された光を熱処理空間６５に透過する石英窓として機能する。同様に、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、下側加熱部４から出射された光を熱処理空間６５に透過する石英窓として機能する。

また、熱処理空間６５の気密性を維持するために、上側チャンバー窓６１および下側チャンバー窓６４とチャンバー側部６３とは図示省略のＯリングによってシールされている。具体的には、上側チャンバー窓６１の下面周縁部および下側チャンバー窓６４の上面周縁部とチャンバー側部６３との間にそれぞれＯリングを挟み込み、これらの隙間から気体が流出入するのを防いでいる。

チャンバー側部６３には、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が設けられている。搬送開口部６６は、図示を省略するゲートバルブによって開閉可能とされている。搬送開口部６６が開放されると、図外の搬送ロボットによってチャンバー６に対する半導体ウェハーＷの搬入および搬出が可能となる。また、搬送開口部６６が閉鎖されると、熱処理空間６５が外部との通気が遮断された密閉空間となる。

チャンバー６内に設けられた保持部７は、ベルヌーイチャック１７０および遮光部材７１を備える。遮光部材７１は、チャンバー側部６３の内側壁面に固設されている。遮光部材７１は、フラッシュランプＦＬからのフラッシュ光に対して不透明な材質、例えば炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ホウ素（ＢＮ）などのセラミックによって形成すれば良い。遮光部材７１は、略円筒形状のチャンバー側部６３の内壁から突出するように円環形状に設けられている。遮光部材７１の上面内周部にベルヌーイチャック１７０が載置されている。

図２は、ベルヌーイチャック１７０の一例を示す図である。ベルヌーイチャック１７０は、フラッシュランプＦＬからのフラッシュ光を透過する石英にて形成されている。ベルヌーイチャック１７０は、石英の壁面の内部に中空部１７３を設けて構成される。ベルヌーイチャック１７０の天井部の石英壁面は、半導体ウェハーＷを載置する円形の載置面１７１とされている。載置面１７１の径は、半導体ウェハーＷの径よりも小さい。また、載置面１７１の周囲を取り囲むように円環形状の凹部１７２が設けられている。さらに、その凹部１７２を取り囲む円環状にガイド部１７５が設けられている。

また、載置面１７１には、気体の噴出孔１７４が形成されている。図２に示すように、噴出孔１７４はベルヌーイチャック１７０の中心側から斜め上方に向けて形成されている。噴出孔１７４は、円形の載置面１７１と同心円上に沿って設けられた複数の円形の孔であっても良いし、複数のスリット状の孔であっても良い。但し、噴出孔１７４は、その出口がベルヌーイチャック１７０に保持される半導体ウェハーＷの端縁部よりも内側となるように形成されている。また、ベルヌーイチャック１７０には移載部７９のピンが貫通するための貫通孔（図示省略）が形成されており、その貫通孔の内側と中空部１７３とは雰囲気分離されている。

ベルヌーイチャック１７０の中空部１７３にはチャック用ガス供給部１８０から窒素ガスが供給される。図１に示すように、チャック用ガス供給部１８０は、給気配管１８４、ガス供給源１８１、バルブ１８２および流量調整バルブ１８３を備える。給気配管１８４の一端はベルヌーイチャック１７０の中空部１７３に連通接続されるとともに、他端はガス供給源１８１に接続される。また、給気配管１８４の経路途中には、バルブ１８２および流量調整バルブ１８３が介挿されている。バルブ１８２を開放することによって、ガス供給源１８１からベルヌーイチャック１７０の中空部１７３にチャック用ガス（本実施形態では窒素（Ｎ_２））が供給される。チャック用ガス供給部１８０がベルヌーイチャック１７０に供給する窒素の流量は流量調整バルブ１８３によって調整される。

バルブ１８２を開放してチャック用ガス供給部１８０が中空部１７３に窒素ガスを供給すると、中空部１７３の内圧が上昇して窒素が噴出孔１７４から噴出される。ベルヌーイチャック１７０の載置面１７１に半導体ウェハーＷが載置されているときにチャック用ガス供給部１８０が中空部１７３に窒素を供給すると、噴出孔１７４から半導体ウェハーＷの下面周縁部に向けて窒素が噴出される。噴出孔１７４は斜め上方に向けて形成されているため、図２に示すように、噴出された窒素は半導体ウェハーＷを載置面１７１から若干浮上させ、半導体ウェハーＷの下面周縁部と載置面１７１との間にできた隙間を凹部１７２に向けて（つまり、半導体ウェハーＷの中心側から端縁部に向けて）流れる。

ところで、窒素の如き流体が流れるときには、流体が外界に及ぼす圧力である静圧は低下する（ベルヌーイ効果）。窒素の流速が早くなるほど、静圧の低下も大きくなる。従って、窒素の流れが形成されている半導体ウェハーＷの下面と載置面１７１との間の隙間の圧力は大気圧よりも小さくなり、その結果半導体ウェハーＷには周辺雰囲気から載置面１７１に向けて押し付けるような圧力が作用する。すなわち、噴出孔１７４から斜め上方に向けて窒素を噴出することにより、窒素の噴出圧力によって半導体ウェハーＷを載置面１７１から若干浮上させるとともに、浮上により形成された半導体ウェハーＷと載置面１７１との隙間を窒素が流れて半導体ウェハーＷに載置面１７１に押し付けるような圧力を作用させているのである。このような窒素の噴出圧力と窒素流のベルヌーイ効果とによってベルヌーイチャック１７０は半導体ウェハーＷを非接触で吸着保持する。

半導体ウェハーＷが非接触でベルヌーイチャック１７０に保持された状態において、半導体ウェハーＷの端縁部と凹部１７２との間隔（凹部１７２から端縁部までの高さ）は３ｍｍ以上とするのが好ましい。これは、フラッシュ光照射時に半導体ウェハーＷが変形したときに、端縁部が凹部１７２に接触するのを防ぐためである。

ベルヌーイ効果によって非接触で保持される半導体ウェハーＷは水平方向に横滑りするおそれがある。このため、凹部１７２の周囲にガイド部１７５を設けている。ガイド部１７５の上端は、窒素の噴出によって非接触で保持される半導体ウェハーＷの高さ位置よりも高い。また、その高さ位置において、ガイド部１７５の内径は半導体ウェハーＷの直径よりも若干大きい。このため、非接触で保持される半導体ウェハーＷの水平方向位置はガイド部１７５によって規制される。また、フラッシュ光照射時に半導体ウェハーＷがガイド部１７５に接触して割れるのを防止するために、ガイド部１７５の内側壁面をテーパ面としておくのが好ましい。

チャンバー６内に搬入された半導体ウェハーＷは、ベルヌーイチャック１７０によってチャンバー６内にて水平姿勢（主面の法線が鉛直方向に向く姿勢）で非接触保持される。本実施形態では、遮光部材７１がフラッシュランプＦＬからの光に対して不透明な材質にて形成されているため、ベルヌーイチャック１７０の周囲において上側加熱部５と下側加熱部４とが光学的に遮断されている。

保持部７の下方には移載部７９が設けられている。移載部７９は、図示省略の駆動機構によって水平方向の移動と鉛直方向の移動とが可能に構成されている。移載動作を行わないときには、移載部７９は遮光部材７１の下側の待機位置に待機している。保持部７に対して半導体ウェハーＷの移載を行う際には、移載部７９が待機位置からベルヌーイチャック１７０の下方に水平移動した後、鉛直方向に沿って上昇する。これにより、移載部７９のピンの上端がベルヌーイチャック１７０の載置面１７１から突き出る。移載動作が終了すると、移載部７９は再び待機位置に戻る。

ガス供給部８は、チャンバー６内の熱処理空間６５に処理ガスを供給する。ガス供給部８は、処理ガス供給源８１とバルブ８２とを備えており、バルブ８２を開放することによって熱処理空間６５に処理ガスを供給する。ガス供給部８が供給する処理ガスとしては、窒素（Ｎ_２）、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）などの不活性ガス、または、酸素（Ｏ_２）、水素（Ｈ_２）、塩素（Ｃｌ_２）、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）、塩化水素（ＨＣｌ）、オゾン（Ｏ_３）、アンモニア（ＮＨ_３）などの反応性ガスを用いることができる。なお、処理ガス供給源８１としては、熱処理装置１内に設けられた気体タンクと送給ポンプとで構成するようにしても良いし、熱処理装置１が設置される工場の用力を用いるにようにしても良い。

排気部２は、排気装置２１およびバルブ２２を備えており、バルブ２２を開放することによってチャンバー６内の雰囲気を排気する。排気装置２１としては、真空ポンプや熱処理装置１が設置される工場の排気ユーティリティを用いることができる。排気装置２１として真空ポンプを採用し、ガス供給部８から処理ガスを供給することなく密閉空間である熱処理空間６５の雰囲気を排気すると、チャンバー６内を真空雰囲気にまで減圧することができる。また、排気装置２１として真空ポンプを用いていない場合であっても、ガス供給部８から処理ガスを供給することなく排気を行うことにより、チャンバー６内を大気圧よりも低い気圧に減圧することができる。

本実施形態においては、保持部７に半導体ウェハーＷが保持されているときには、遮光部材７１、ベルヌーイチャック１７０および半導体ウェハーＷによって熱処理空間６５が上下に雰囲気分離される。このため、図１に示すように、熱処理空間６５の保持部７よりも上側と下側のそれぞれにガス供給部８が処理ガスを供給するとともに、それぞれから排気部２が排気を行うようにするのが好ましい。

上側加熱部５は、チャンバー６の上方に設けられている。上側加熱部５は、複数本のフラッシュランプＦＬを有する光源と、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。上側加熱部５は、チャンバー６内にてベルヌーイチャック１７０に支持される半導体ウェハーＷの上面に石英の上側チャンバー窓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。

一方、下側加熱部４は、チャンバー６の下方に設けられている。下側加熱部４は、複数本のフラッシュランプＦＬを有する光源と、その光源の下方を覆うように設けられたリフレクタ４２と、を備えて構成される。下側加熱部４は、チャンバー６内にてベルヌーイチャック１７０に支持される半導体ウェハーＷの下面に石英の下側チャンバー窓６４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。なお、上側加熱部５のフラッシュランプＦＬと下側加熱部４のフラッシュランプＦＬとを特に区別するときには、上側加熱部５のフラッシュランプＦＬを上側フラッシュランプＵＦＬと称し、下側加熱部４のフラッシュランプＦＬを下側フラッシュランプＬＦＬと称する。上側フラッシュランプＵＦＬと下側フラッシュランプＬＦＬとは配置位置が異なるものの同一の棒状のキセノンフラッシュランプであり、それらの区別を要しないときには単にフラッシュランプＦＬとする。

図３は、上側フラッシュランプＵＦＬおよび下側フラッシュランプＬＦＬの配置関係を示す斜視図である。複数の上側フラッシュランプＵＦＬ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。同様に、複数の下側フラッシュランプＬＦＬも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の主面に沿って互いに平行となるように平面状に配列されている。

図３に示すように、上側加熱部５の上側フラッシュランプＵＦＬと下側加熱部４の下側フラッシュランプＬＦＬとは互いに直交するように配置されている。すなわち、上側加熱部５の上方から見ると、上側フラッシュランプＵＦＬの配列と下側フラッシュランプＬＦＬの配列とが井桁状に交差するように配置されている。

図４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４に示すように、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波形設定部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（充電電圧）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（High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。

図４に示すような駆動回路は、上側加熱部５の複数の上側フラッシュランプＵＦＬおよび下側加熱部４の複数の下側フラッシュランプＬＦＬのそれぞれに個別に設けられている。従って、上側フラッシュランプＵＦＬと下側フラッシュランプＬＦＬとでは互いに異なる制御態様とすることができる。

図１に戻り、上側加熱部５のリフレクタ５２は、複数の上側フラッシュランプＵＦＬ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、複数の上側フラッシュランプＵＦＬから出射されたフラッシュ光を熱処理空間６５の側に反射するというものである。一方、下側加熱部４のリフレクタ４２は、複数の下側フラッシュランプＬＦＬの下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４２の基本的な機能は、複数の下側フラッシュランプＬＦＬから出射された光を熱処理空間６５の側に反射するというものである。リフレクタ５２およびリフレクタ４２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。

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４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、波形設定部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。

次に、上記構成を有する熱処理装置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。図５は、熱処理装置１における半導体ウェハーＷの処理手順を示すフローチャートである。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、図示省略のゲートバルブ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を介して処理対象となる半導体ウェハーＷがチャンバー６内に搬入される（ステップＳ１１）。第１実施形態において、処理対象となる半導体ウェハーＷは、表面にパターン形成がなされて不純物が注入されたシリコンの半導体基板である。なお、パターン形成および不純物注入は、例えば、熱処理装置１とは別に設置されたフォトリソグラフィ装置およびイオン注入装置によってそれぞれ行うようにすれば良い。

このような半導体ウェハーＷを保持した搬送ロボットのハンドが搬送開口部６６からチャンバー６内に進入し、保持部７の直上にて停止する。続いて、移載部７９が遮光部材７１の下側の待機位置からベルヌーイチャック１７０の下側に水平移動した後、鉛直方向に沿って上昇し、移載部７９のピンがベルヌーイチャック１７０の貫通孔を通って載置面１７１よりも上側に突き出て搬送ロボットのハンドから半導体ウェハーＷを受け取る。その後、搬送ロボットのハンドがチャンバー６から退出するとともに、搬送開口部６６が閉鎖されることによりチャンバー６内の熱処理空間６５が密閉空間とされる。そして、半導体ウェハーＷを受け取った移載部７９が下降することにより、半導体ウェハーＷは移載部７９のピンからベルヌーイチャック１７０に渡されて載置面１７１に載置される（ステップＳ１２）。ベルヌーイチャック１７０に半導体ウェハーＷを渡した移載部７９は待機位置に戻る。

ここで、半導体ウェハーＷの表面とはデバイスが形成される主面であり、上述のように表面にはパターン形成がなされて不純物が注入されている。半導体ウェハーＷの表面においては、パターンによって光の吸収率が異なるために吸収率の面内分布が均一ではない。一方、半導体ウェハーＷの裏面とは、表面とは反対側の主面である。半導体ウェハーＷの裏面には、通常は膜形成もパターン形成もなされない。但し、表面に膜形成がなされた結果として不可避的に裏面にも、例えば酸化膜、窒化膜、ポリシリコンなどの薄膜が形成されることはあるが、このような場合には均一な膜形成がなされる。いずれにしても、半導体ウェハーＷの裏面においては、光の吸収率の面内分布は均一である。

第１実施形態では、半導体ウェハーＷの表面が上面を向いた状態でチャンバー６内に搬入されてベルヌーイチャック１７０に載置される。なお、半導体ウェハーＷの上面とは鉛直方向の上側を向いている主面であり、下面とは下側を向いている面である。よって、半導体ウェハーＷの表面が上面を向いていることもあり、下面を向いていることもある。

また、搬送開口部６６が閉鎖されて熱処理空間６５が密閉空間とされた後、バルブ８２が開放されてガス供給部８から熱処理空間６５に処理ガス（本実施形態では窒素ガス）を供給する。これとともに、バルブ２２が開放されて排気部２が熱処理空間６５から排気を行う。これにより、チャンバー６内の熱処理空間６５に窒素ガスの気流が形成され、保持部７に保持された半導体ウェハーＷの周辺は窒素雰囲気とされる。なお、チャンバー６内の雰囲気置換効率を高める観点からは、処理ガスを供給することなく排気部２が熱処理空間６５の排気を行って一旦大気圧よりも低い減圧雰囲気とした後に、ガス供給部８から処理ガスを供給するのが好ましい。

また、チャンバー６内の雰囲気置換を行うとともに、バルブ１８２が開放されてチャック用ガス供給部１８０からベルヌーイチャック１７０の中空部１７３に窒素ガスを供給する。中空部１７３に供給された窒素ガスが噴出孔１７４から斜め上方に向けて噴出されることにより、窒素の噴出圧力と窒素流のベルヌーイ効果とによって半導体ウェハーＷがベルヌーイチャック１７０に非接触で吸着保持される（ステップＳ１３）。

半導体ウェハーＷがベルヌーイチャック１７０に非接触で保持された後、下側加熱部４の複数のフラッシュランプＦＬ（下側フラッシュランプＬＦＬ）から半導体ウェハーＷの裏面にフラッシュ光を照射する第１フラッシュ加熱を実行する（ステップＳ１４）。すなわち、本実施形態においては、従来のホットプレートやハロゲンランプによる予備加熱を行うことなく、室温の半導体ウェハーＷにフラッシュ光を照射してフラッシュ加熱を行っているのである。図６は、半導体ウェハーＷの表面および裏面の温度変化を示す図である。同図において、半導体ウェハーＷの表面温度を実線にて示し、裏面温度を点線にて示している。

所定の時刻ｔ１１に、制御部３の制御によって下側加熱部４の複数のフラッシュランプＦＬからフラッシュ光を出射する。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してＩＧＢＴ９６をオンオフ駆動する。

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の波形設定部３２はオンオフを繰り返すパルス波形を設定する。そして、波形設定部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。具体的には、ＩＧＢＴ９６のゲートに入力されるパルス信号がオンのときにはＩＧＢＴ９６がオン状態となってコンデンサ９３およびフラッシュランプＦＬを含む回路が閉じることとなり、パルス信号がオフのときにはＩＧＢＴ９６がオフ状態となって当該回路が開くこととなる。

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（トリガー電圧）を印加する。コンデンサ９３に電荷が蓄積された状態にてＩＧＢＴ９６のゲートにパルス信号が入力され、かつ、その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に高電圧が印加されることにより、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のゲートにオンオフを繰り返す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に高電圧を印加することにより、フラッシュランプＦＬを含む回路中に断続的に電流が流れる。このように、回路中にスイッチング素子たるＩＧＢＴ９６を接続してそのゲートにオンオフを繰り返すパルス信号を出力することにより、コンデンサ９３からフラッシュランプＦＬへの電荷の供給をＩＧＢＴ９６によって断続してフラッシュランプＦＬに流れる電流を制御しているのである。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ようなノコギリ波形の電流がフラッシュランプＦＬに流れる。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。

このようなノコギリ波形の電流が流れてフラッシュランプＦＬが発光する。ＩＧＢＴ９６によってコンデンサ９３からフラッシュランプＦＬへの電荷の供給を断続してフラッシュランプＦＬに流れる電流の波形をノコギリ波形とすることにより、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る。すなわち、コンデンサ９３に蓄積された電荷が分割して消費され、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。但し、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出力が完全に”０”になるものではない。従って、比較的間隔の短いパルス信号がＩＧＢＴ９６に出力されているときには、その間フラッシュランプＦＬが連続して発光していることとなる。

パルス信号の波形は、パルス幅の時間およびパルス間隔の時間を規定することによって任意に設定することができる。このため、ＩＧＢＴ９６のオンオフ駆動も任意に制御することができ、比較的パルス間隔の短いパルスを多数設定することにより、フラッシュランプＦＬの発光時間を１０ミリ秒〜１０００ミリ秒に適宜に設定することができる。

図７は、第１実施形態における下側フラッシュランプＬＦＬの発光出力の出力波形（プロファイル）を示す図である。第１実施形態においては、下側フラッシュランプＬＦＬの発光時間を時刻ｔ１１から時刻ｔ１２までの８０ミリ秒としている。また、下側フラッシュランプＬＦＬの発光出力がピーク到達後に第１フラッシュ加熱の終了時点（時刻ｔ１２）に向けて徐々に小さくなってゼロに漸近するようにしている。具体的には、時刻ｔ１１から時刻ｔ１２にかけてパルス幅が徐々に短くなるとともにパルス間隔が徐々に長くなる複数のパルスを設定したパルス信号を下側フラッシュランプＬＦＬに対応するＩＧＢＴ９６に出力する。これにより、下側フラッシュランプＬＦＬは、時刻ｔ１１から時刻ｔ１２までの８０ミリ秒間発光し、その発光出力はピーク到達後に時刻ｔ１２に向けて徐々に小さくなってゼロに漸近する。

下側フラッシュランプＬＦＬから出射されたフラッシュ光は、石英のベルヌーイチャック１７０を透過し、ベルヌーイチャック１７０に非接触で保持された半導体ウェハーＷの裏面に照射される。図７に示すようなプロファイルの発光出力にて半導体ウェハーＷの裏面に下側フラッシュランプＬＦＬからフラッシュ光を照射することにより、図６に示す如く半導体ウェハーＷの裏面は時刻ｔ１１から時刻ｔ１２にかけて表面に先行して昇温する。

第１フラッシュ加熱における下側フラッシュランプＬＦＬからのフラッシュ光照射による半導体ウェハーＷの裏面の昇温速度は毎秒１０００℃以上、毎秒４００００℃以下となるようにしている。この昇温速度は、ＩＧＢＴ９６のゲートに印加するパルス信号のパルス幅およびパルス間隔の時間を調整することによって設定することができる。裏面の昇温速度が毎秒４００００℃を超えると、裏面の急激な熱膨張によって半導体ウェハーＷが割れるおそれがある。一方、昇温速度が毎秒１０００℃未満であると、注入された不純物の拡散が懸念される。また、半導体ウェハーＷの表面に形成した高誘電率膜（High-k膜）のアニール処理を行う場合であれば、昇温速度が毎秒１０００℃未満であるとシリコンの基材と高誘電率膜との間の酸化膜が成長する懸念がある。

また、第１フラッシュ加熱における下側フラッシュランプＬＦＬのフラッシュ光照射時間は、半導体ウェハーＷの裏面から表面への熱伝導に要する熱伝導時間よりも長時間、かつ、１秒以下となるようにしている。ここで、「熱伝導時間」とは、フラッシュ光照射によって半導体ウェハーＷの裏面に発生した熱が表面に伝導するのに要する時間である。熱伝導時間は、半導体ウェハーＷの材質および外寸によって規定されるものであり、本実施形態の如きφ３００ｍｍのシリコンウェハー（規格により厚さは０．７７５ｍｍに標準化されている）であれば約１５ミリ秒である。下側フラッシュランプＬＦＬのフラッシュ光照射時間もＩＧＢＴ９６のゲートに印加するパルス信号のパルス幅およびパルス間隔の時間を調整することによって適宜に設定することができる。第１実施形態においては、第１フラッシュ加熱における下側フラッシュランプＬＦＬのフラッシュ光照射時間を時刻ｔ１１から時刻ｔ１２までの８０ミリ秒とし、熱伝導時間である１５ミリ秒よりも長時間、かつ、１秒以下としている。

半導体ウェハーＷの裏面に下側フラッシュランプＬＦＬから熱伝導時間よりも長時間のフラッシュ光照射を行うことにより、第１フラッシュ加熱の途中で裏面から表面への熱伝導が生じ、図６に示すように半導体ウェハーＷの裏面に遅れて表面も室温から所定の中間温度（本実施形態では約５００℃）にまで昇温する。このようにして、パターン形成がなされて不純物が注入された半導体ウェハーＷの表面が加熱される。なお、第１フラッシュ加熱における下側フラッシュランプＬＦＬのフラッシュ光照射時間を１秒以下としているのは、サーマルバジェットを小さくするためである。このような半導体ウェハーＷの裏面へのフラッシュ光照射による第１フラッシュ加熱の技術的意義は、従来のハロゲンランプ等による予備加熱を含むものである。

また、第１実施形態においては、下側フラッシュランプＬＦＬの発光出力がピーク到達後に第１フラッシュ加熱の終了時点に向けて徐々に小さくなってゼロに漸近するようにしている。これにより、第１フラッシュ加熱において、半導体ウェハーＷの裏面が過度に昇温するのを防ぐとともに、表裏面の温度差が第１フラッシュ加熱の終了時点に向けて徐々に滑らかに小さくなるようにすることができる。その結果、表裏面の温度差に起因して半導体ウェハーＷに生じる熱応力を緩和することができる。

時刻ｔ１１から８０ミリ秒が経過した時刻ｔ１２にて下側フラッシュランプＬＦＬの発光が停止する。第１フラッシュ加熱の終了時点に向けて半導体ウェハーＷの表裏面の温度差が徐々に小さくなるため、下側フラッシュランプＬＦＬの発光が停止する時刻ｔ１２の時点で表面温度と裏面温度とがほぼ等しく中間温度となっている（図６参照）。

時刻ｔ１２にて下側フラッシュランプＬＦＬの発光が停止した後、時刻ｔ１３までの一定時間待機する。この待機時間の間は、上側加熱部５の上側フラッシュランプＵＦＬおよび下側加熱部４の下側フラッシュランプＬＦＬのいずれも発光を行わない。そして、所定時間待機した時刻ｔ１３に、制御部３の制御によって上側加熱部５の複数のフラッシュランプＦＬから半導体ウェハーＷの表面にフラッシュ光を照射する第２フラッシュ加熱を実行する（ステップＳ１５）。

下側フラッシュランプＬＦＬによる補助加熱が終了した時刻ｔ１２から上側フラッシュランプＵＦＬのフラッシュ光照射が開始される時刻ｔ１３までの待機時間は、半導体ウェハーＷの裏面から表面への熱伝導に要する熱伝導時間よりも長時間である。第１実施形態においては、時刻ｔ１２から時刻ｔ１３までの待機時間を２０ミリ秒とし、熱伝導時間である１５ミリ秒よりも長時間としている。このように時刻ｔ１２から時刻ｔ１３までの待機時間を熱伝導時間よりも長時間とすることにより、第１フラッシュ加熱の最終時点である時刻ｔ１２に下側フラッシュランプＬＦＬから照射されたフラッシュ光によって半導体ウェハーＷの裏面に発生した熱も上側フラッシュランプＵＦＬからのフラッシュ光照射前に表面に伝導することとなり、下側フラッシュランプＬＦＬから照射されたフラッシュ光を無駄なく利用することができる。

上側加熱部５の上側フラッシュランプＵＦＬの発光制御は、広義には上述した下側フラッシュランプＬＦＬについての発光制御と同様である。すなわち、制御部３からＩＧＢＴ９６のゲートにパルス信号を出力することによってコンデンサ９３から上側フラッシュランプＵＦＬへの電荷の供給を断続し、上側フラッシュランプＵＦＬの発光を制御している。但し、第１実施形態では、上側フラッシュランプＵＦＬに対応するＩＧＢＴ９６のゲートに所定時間幅の単一のパルス信号を出力し、上側フラッシュランプＵＦＬの発光時間を下側フラッシュランプＬＦＬに比較して顕著に短くしている。

図８は、上側フラッシュランプＵＦＬの発光出力の出力波形を示す図である。第１実施形態においては、上側フラッシュランプＵＦＬを時刻ｔ１３に瞬間的に発光させて、その発光時間を数ミリ秒程度としている。具体的には、数ミリ秒のパルス幅の単一のパルス信号を設定して上側フラッシュランプＵＦＬに対応するＩＧＢＴ９６に時刻ｔ１３に出力することにより、上側フラッシュランプＵＦＬを時刻ｔ１３に瞬間的に発光させている。上側フラッシュランプＵＦＬの発光時間は下側フラッシュランプＬＦＬよりも顕著に短いが、上側フラッシュランプＵＦＬの発光出力は下側フラッシュランプＬＦＬの平均値よりも大きい。

下側フラッシュランプＬＦＬによって室温から中間温度にまで昇温された半導体ウェハーＷの表面に上側フラッシュランプＵＦＬ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の表面がさらに加熱される。このときには、上側フラッシュランプＵＦＬから比較的大きな発光出力のフラッシュ光が瞬間的に照射されるため、図６に示すように、半導体ウェハーＷの表面温度が時刻ｔ１３に中間温度から急激に上昇して目標温度に到達する。目標温度は、注入された不純物の活性化が達成される１０００℃以上であり、第１実施形態では１１００℃としている。

但し、上側フラッシュランプＵＦＬのフラッシュ光照射時間は熱伝導時間よりも短時間であるため、半導体ウェハーＷ自体がヒートシンクとして作用し、１０００℃以上の目標温度に到達した半導体ウェハーＷの表面温度は急速に低下する。従って、半導体ウェハーＷの表面温度が１０００℃以上となっているのは極めて短時間であり、不純物の活性化を達成しつつも不純物の拡散は防止することができる。一方、半導体ウェハーＷの表面から裏面への熱伝導によって裏面温度も若干上昇して表面温度と裏面温度とが等しくなる。

上側フラッシュランプＵＦＬによるフラッシュ光照射が終了すると、上側フラッシュランプＵＦＬおよび下側フラッシュランプＬＦＬの双方の発光が完了して半導体ウェハーＷの温度が急速に降温する。半導体ウェハーＷの温度が所定以下にまで降温した後、移載部７９が待機位置からベルヌーイチャック１７０の下側に水平移動した後、鉛直方向に沿って上昇し、移載部７９のピンが処理後の半導体ウェハーＷを持ち上げてベルヌーイチャック１７０から離間させる。そして、搬送開口部６６が開放されて搬送ロボットのハンドがチャンバー６内に進入し、半導体ウェハーＷの直下にて停止する。続いて、移載部７９が下降して搬送ロボットのハンドに半導体ウェハーＷを渡す。その後、半導体ウェハーＷを受け取った搬送ロボットのハンドがチャンバー６から退出することにより半導体ウェハーＷが搬出され、熱処理装置１におけるフラッシュ加熱処理が完了する（ステップＳ１６）。なお、搬送開口部６６を開放する前に、チャンバー６内の熱処理空間６５を大気雰囲気に置換するようにしても良い。

第１実施形態においては、室温の半導体ウェハーＷの裏面に下側フラッシュランプＬＦＬからフラッシュ光を照射して第１フラッシュ加熱を行い、裏面から表面への熱伝導によって半導体ウェハーＷの表面を室温から中間温度にまで昇温させている。その後、半導体ウェハーＷの表面に上側フラッシュランプＵＦＬからフラッシュ光を照射して第２フラッシュ加熱を行い、半導体ウェハーＷの表面を中間温度から目標温度にまで昇温させて不純物の活性化を達成している。第１実施形態の第１フラッシュ加熱は、従来のホットプレートやハロゲンランプによる予備加熱の技術的意義を含むものである。すなわち、半導体ウェハーＷの表面へのフラッシュ光照射の前に、第１フラッシュ加熱によって半導体ウェハーＷの表面温度を室温から中間温度にまで昇温させている。

このように第１実施形態においては、下側フラッシュランプＬＦＬによって予備加熱に相当する第１フラッシュ加熱を実行することにより、従来のようなホットプレートやハロゲンランプ等による予備加熱を行うことなく、下側フラッシュランプＬＦＬおよび上側フラッシュランプＵＦＬからのフラッシュ光照射のみによって半導体ウェハーＷを室温から１０００℃以上の目標温度にまで到達させている。下側フラッシュランプＬＦＬおよび上側フラッシュランプＵＦＬからのフラッシュ光照射のみによって半導体ウェハーＷを室温から目標温度にまで昇温すれば１秒以内の極めて短時間で全ての加熱処理を完了させることができる（第１実施形態では約０．１秒）。従って、熱処理装置１における処理時間を顕著に短時間とすることができ、スループットを大幅に高めることができる。また、処理時間が短時間となれば、チャンバー側部６３などの部材の不要な温度上昇を抑制することもでき、フラッシュ加熱後の半導体ウェハーＷの降温速度を高速にすることができる。

また、透明なベルヌーイチャック１７０がベルヌーイ効果によって半導体ウェハーＷを非接触で保持しているため、昇温した半導体ウェハーＷからベルヌーイチャック１７０への熱伝導はほとんど生じない。半導体ウェハーＷがチャックに接触して保持されていると、その接触部位近傍のみで熱伝導が生じて温度が低下し、面内温度分布が不均一となることがある。第１実施形態では、半導体ウェハーＷからベルヌーイチャック１７０への熱伝導がほとんど生じないため、そのような部分的な温度低下も生じず、半導体ウェハーＷの面内温度分布をより均一にすることができる。

もっとも、ベルヌーイチャック１７０は、噴出孔１７４から半導体ウェハーＷの下面周縁部に窒素を噴出してベルヌーイ効果を生じさせているため、その気流によって半導体ウェハーＷの周縁部の温度が低下することはある。しかし、第１実施形態ではフラッシュ光照射のみによって１秒以内に全ての加熱処理を完了させているため、その極めて短い時間では噴出気流による温度低下の影響はほとんど生じない。

また、半導体ウェハーＷはベルヌーイチャック１７０から浮上して非接触保持されているため、フラッシュ光照射時に急激な温度変化によって半導体ウェハーＷが変形したとしても、その変形を拘束するような応力は作用しない。このため、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もできる。

さらに、上側加熱部５の上側フラッシュランプＵＦＬと下側加熱部４の下側フラッシュランプＬＦＬとが互いに直交するように配置されているため、上側フラッシュランプＵＦＬおよび下側フラッシュランプＬＦＬにおける棒状ランプの配列に起因した照度ムラを互いに解消して半導体ウェハーＷの面内温度分布をより均一にすることができる。

＜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。第２実施形態の熱処理装置の構成は第１実施形態と全く同様である。第２実施形態においては、フラッシュランプＦＬの発光タイミングが第１実施形態と異なる。

第２実施形態における半導体ウェハーＷの処理手順はフラッシュ光照射の前工程（つまり、図５のステップＳ１３）までは第１実施形態と同じである。すなわち、処理対象となる半導体ウェハーＷがチャンバー６内に搬入されてベルヌーイチャック１７０によって非接触で吸着保持される。また、ガス供給部８と排気部２とによってチャンバー６内の熱処理空間６５は窒素雰囲気とされる。

半導体ウェハーＷがベルヌーイチャック１７０に非接触で保持された後、下側加熱部４の複数のフラッシュランプＦＬ（下側フラッシュランプＬＦＬ）および上側加熱部５の複数のフラッシュランプＦＬ（上側フラッシュランプＵＦＬ）から半導体ウェハーＷの裏面および表面のそれぞれにフラッシュ光を照射してフラッシュ加熱を実行する。すなわち、第２実施形態においては、上側フラッシュランプＵＦＬおよび下側フラッシュランプＬＦＬを同時期に発光させてフラッシュ加熱を行っているのである。図９は、第２実施形態における半導体ウェハーＷの表面および裏面の温度変化を示す図である。

所定の時刻ｔ２１に、制御部３の制御によって下側加熱部４の複数の下側フラッシュランプＬＦＬおよび上側加熱部５の複数の上側フラッシュランプＵＦＬからフラッシュ光を出射する。下側フラッシュランプＬＦＬおよび上側フラッシュランプＵＦＬの発光制御は、概ね第１実施形態と同様である。すなわち、制御部３からＩＧＢＴ９６のゲートにパルス信号を出力することによってコンデンサ９３から下側フラッシュランプＬＦＬおよび上側フラッシュランプＵＦＬへの電荷の供給を断続し、これらの発光をチョッパ制御している。

図１０は、第２実施形態における下側フラッシュランプＬＦＬおよび上側フラッシュランプＵＦＬの発光出力の出力波形（プロファイル）を示す図である。第２実施形態においては、下側フラッシュランプＬＦＬおよび上側フラッシュランプＵＦＬの発光を時刻ｔ２１に同時に開始し、時刻ｔ２２に同時に終了している。また、下側フラッシュランプＬＦＬおよび上側フラッシュランプＵＦＬの発光出力の出力波形も同じにしている。すなわち、下側フラッシュランプＬＦＬに対応するＩＧＢＴ９６および上側フラッシュランプＵＦＬに対応するＩＧＢＴ９６に同一のパルス信号を出力することにより、下側フラッシュランプＬＦＬおよび上側フラッシュランプＵＦＬを同時期に同等の出力で発光させているのである。なお、時刻ｔ２１から時刻ｔ２２までのフラッシュランプＦＬの発光時間は８０ミリ秒としている。

また、下側フラッシュランプＬＦＬおよび上側フラッシュランプＵＦＬの発光出力がピーク到達後に発光終了時点（時刻ｔ２２）に向けて徐々に小さくなってゼロに漸近するようにしている。具体的には、時刻ｔ２１から時刻ｔ２２にかけてパルス幅が徐々に短くなるとともにパルス間隔が徐々に長くなる複数のパルスを設定したパルス信号を下側フラッシュランプＬＦＬおよび上側フラッシュランプＵＦＬに対応するＩＧＢＴ９６に出力する。これにより、下側フラッシュランプＬＦＬおよび上側フラッシュランプＵＦＬは、時刻ｔ２１から時刻ｔ２２までの８０ミリ秒間発光し、その発光出力はピーク到達後に時刻ｔ２２に向けて徐々に小さくなってゼロに漸近する。

ベルヌーイチャック１７０に非接触で保持された半導体ウェハーＷの表面および裏面に同時期に同等の出力にてフラッシュ光を照射することにより、半導体ウェハーＷが表裏からフラッシュ加熱される。なお、下側フラッシュランプＬＦＬから出射されたフラッシュ光は、石英のベルヌーイチャック１７０を透過し、ベルヌーイチャック１７０に非接触保持された半導体ウェハーＷの裏面に照射される。このような表裏両面からのフラッシュ加熱により、図９に示すように、半導体ウェハーＷの表面および裏面が時刻ｔ２１から時刻ｔ２２にかけて急速に昇温して目標温度（第２実施形態では１０５０℃）にまで到達する。また、フラッシュ加熱による半導体ウェハーＷの表裏面の昇温速度は毎秒１０００℃以上、毎秒４００００℃以下となるようにしている。

時刻ｔ２２に上側フラッシュランプＵＦＬおよび下側フラッシュランプＬＦＬによる同時期・同出力のフラッシュ光照射が終了すると、半導体ウェハーＷの温度が表裏ともに降温する。半導体ウェハーＷの温度が所定以下にまで降温した後、移載部７９および搬送ロボットによって処理後の半導体ウェハーＷがチャンバー６から搬出されてフラッシュ加熱処理が完了する。

第２実施形態においては、室温の半導体ウェハーＷの表面および裏面に上側フラッシュランプＵＦＬおよび下側フラッシュランプＬＦＬのそれぞれから同時期に同等の出力にてフラッシュ光を照射している。これにより、時刻ｔ２１から時刻ｔ２２にかけて半導体ウェハーＷの表面および裏面を室温から目標温度にまで昇温させて不純物の活性化を達成している。

第２実施形態においても、従来のようなホットプレートやハロゲンランプ等による予備加熱を行うことなく、下側フラッシュランプＬＦＬおよび上側フラッシュランプＵＦＬからのフラッシュ光照射のみによって半導体ウェハーＷを室温から１０００℃以上の目標温度にまで到達させている。下側フラッシュランプＬＦＬおよび上側フラッシュランプＵＦＬからのフラッシュ光照射のみによって半導体ウェハーＷを室温から目標温度にまで昇温すれば１秒以内の極めて短時間で全ての加熱処理を完了させることができる（第２実施形態では約８０ミリ秒）。従って、熱処理装置１における処理時間を顕著に短時間とすることができ、スループットを大幅に高めることができる。また、処理時間が短時間となれば、チャンバー側部６３などの部材の不要な温度上昇を抑制することもでき、フラッシュ加熱後の半導体ウェハーＷの降温速度を高速にすることができる。

また、第１実施形態と同様に、透明なベルヌーイチャック１７０によって半導体ウェハーＷを非接触で保持しているため、フラッシュ光照射時の半導体ウェハーＷの面内温度分布を均一にできるとともに、割れを防止することもできる。

＜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１１は、第３実施形態の熱処理装置１ａの要部構成を示す図である。図１１において、第１実施形態の図１と同一の要素については同一の符号を付している。第３実施形態が第１実施形態と相違するのは、熱源としてチャンバー６の上側に上側加熱部５のみを設けている点である。

第３実施形態のチャンバー６においては、下部開口がチャンバー側部６３と同様の金属材料の円板状部材によって閉塞されている。チャンバー６の上部開口には第１実施形態と同様の上側チャンバー窓６１が装着されている。

上側加熱部５の構成は第１実施形態と同様である。すなわち、上側加熱部５は、複数本のフラッシュランプＦＬを有する光源と、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、を備える。複数のフラッシュランプＦＬのそれぞれは図４に示すような駆動回路によって制御される。第３実施形態の熱処理装置１ａの残余の構成は第１実施形態の熱処理装置１と同じである。

第３実施形態における半導体ウェハーＷの処理手順はフラッシュ光照射の前工程（図５のステップＳ１３）までは第１実施形態と同じである。すなわち、処理対象となる半導体ウェハーＷがチャンバー６内に搬入されてベルヌーイチャック１７０によって非接触で吸着保持される。また、ガス供給部８と排気部２とによってチャンバー６内の熱処理空間６５は窒素雰囲気とされる。

半導体ウェハーＷがベルヌーイチャック１７０に非接触で保持された後、上側加熱部５の複数のフラッシュランプＦＬから半導体ウェハーＷの表面にフラッシュ光を照射してフラッシュ加熱を実行する。このときの、複数のフラッシュランプＦＬの発光制御は概念的には第１実施形態と同じようにしても良いし、第２実施形態と同様にしても良い。

第１実施形態と同様の発光制御を行う場合には、上側加熱部５の複数のフラッシュランプＦＬを２つのランプ群に分離し、第１のフラッシュランプ群を上側フラッシュランプＵＦＬと同様に発光させるとともに、第２のフラッシュランプ群を下側フラッシュランプＬＦＬを同様に発光させる。すなわち、半導体ウェハーＷの表面を室温から中間温度にまで昇温させる第１フラッシュ加熱および中間温度から目標温度にまで昇温させる第２フラッシュ加熱の双方を半導体ウェハーＷの表面に対して行う。

図１２は、第３実施形態における半導体ウェハーＷの表面および裏面の温度変化を示す図である。所定の時刻ｔ３１から時刻ｔ３２にかけて、制御部３の制御によって上側加熱部５の複数のフラッシュランプＦＬのうちの第１のフラッシュランプ群から半導体ウェハーＷの表面にフラッシュ光を照射する。第１のフラッシュランプ群の発光出力の出力波形は図７と同様である。これにより、時刻ｔ３１から時刻ｔ３２にかけて半導体ウェハーＷの表面が室温から中間温度にまで昇温する第１フラッシュ加熱が実行される。なお、第３実施形態では、図１２に示すように、半導体ウェハーＷの裏面が表面に遅れて昇温する。

時刻ｔ３２にて第１のフラッシュランプ群の発光が停止した後、時刻ｔ３３に制御部３の制御によって上側加熱部５の複数のフラッシュランプＦＬのうちの第２のフラッシュランプ群から半導体ウェハーＷの表面にフラッシュ光を照射する。第２のフラッシュランプ群の発光出力の出力波形は図８と同様である。これにより、時刻ｔ３３に半導体ウェハーＷの表面が中間温度から目標温度にまで昇温する第２フラッシュ加熱が実行される。

このようにしても、第１実施形態と同様に、ホットプレートやハロゲンランプ等による予備加熱を行うことなく、フラッシュランプＦＬからのフラッシュ光照射のみによって半導体ウェハーＷの表面を室温から目標温度にまで昇温しているため、１秒以内の極めて短時間で全ての加熱処理を完了させることができる。なお、フラッシュ光の照度分布を均一にするために、例えば上側加熱部５の複数のフラッシュランプＦＬを水平方向の配列に沿って交互に第１のフラッシュランプ群と第２のフラッシュランプ群とに属させるようにするのが好ましい。また、第１のフラッシュランプ群と第２のフラッシュランプ群と２段に配置するようにしても良い。

また、第２実施形態と同様の発光制御を行う場合には、上側加熱部５の複数のフラッシュランプＦＬの全体を図１０と同様の出力波形にて発光させる。すなわち、第２実施形態では半導体ウェハーＷの表面および裏面に同時期に同等の出力で照射されていたフラッシュ光を第３実施形態では表面のみに照射するのである。このようにしても、フラッシュランプＦＬからのフラッシュ光照射のみによって半導体ウェハーＷの表面を室温から目標温度にまで昇温することができ、１秒以内の極めて短時間で全ての加熱処理を完了させることができる。なお、半導体ウェハーＷの表面へのフラッシュ光照射のみによって表面温度を室温から中間温度にまで昇温させる場合には、表面の急激な熱膨張に起因した割れを防止すべく、フラッシュランプＦＬの発光時間を１秒以内の範囲で長く設定するのが好ましい。

＜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２実施形態においては、上側フラッシュランプＵＦＬおよび下側フラッシュランプＬＦＬを同時期に同等の出力で発光させていたが、これらの発光時期および発光出力を異ならせるようにしても良い。例えば、上側フラッシュランプＵＦＬおよび下側フラッシュランプＬＦＬのフラッシュ光照射期間の始期が異なるようにしても良いし、終期が異なるようにしても良い。但し、上側フラッシュランプＵＦＬのフラッシュ光照射期間および下側フラッシュランプＬＦＬのフラッシュ光照射期間の少なくとも一部は互いに重なり合うようにする。

また、上側フラッシュランプＵＦＬおよび下側フラッシュランプＬＦＬのフラッシュ光照射期間は上記第１および第２実施形態の例に限定されるものではなく、ＩＧＢＴ９６に出力するパルス信号の波形によって適宜に設定することができる。もっとも、上側フラッシュランプＵＦＬおよび下側フラッシュランプＬＦＬのフラッシュ光照射期間の総時間は１秒以下である。

また、ベルヌーイチャックを図１３に示すようなものとしても良い。図１３において、図２と同一の要素については同一の符号を付している。図２のベルヌーイチャック１７０が面一の載置面１７１を備えていたのに対して、図１３のベルヌーイチャック１７０ａは円環状の載置部１７７を備えている。円環状の載置部１７７の径は、半導体ウェハーＷの径よりも小さい。その載置部１７７の周囲を取り囲むように円環形状の凹部１７２が設けられている。

載置部１７７の側面はテーパ面とされている。そして、ベルヌーイチャック１７０ａの天井部の石英壁面には、載置部１７７の内周側テーパ面の傾斜に沿うように噴出孔１７４が形成されている。よって、噴出孔１７４から斜め上方に向けて噴出された窒素ガスは、そのまま載置部１７７の内周側テーパ面に沿って流れる。ベルヌーイチャック１７０ａの残余の構成については図２のベルヌーイチャック１７０と同じである。

ベルヌーイチャック１７０ａの載置部１７７に半導体ウェハーＷが載置されているときにチャック用ガス供給部１８０が中空部１７３に窒素を供給すると、噴出孔１７４から半導体ウェハーＷの下面周縁部に向けて窒素が噴出される。図１３に示すように、噴出された窒素は載置部１７７の内周側テーパ面に沿って斜め上方に流れ、載置部１７７の頂上部に載置された半導体ウェハーＷを載置部１７７から若干浮上させる。そして、半導体ウェハーＷの下面周縁部と載置部１７７との間にできた隙間に、半導体ウェハーＷの中心側から端縁部に向かう窒素ガス流が形成される。半導体ウェハーＷと載置部１７７との間にできた隙間に窒素の気体流が形成されることにより、ベルヌーイ効果によって半導体ウェハーＷには周辺雰囲気から載置部１７７に向けて押し付けるような圧力が作用する。よって、上記実施形態と同様に、窒素の噴出圧力と窒素流のベルヌーイ効果とによってベルヌーイチャック１７０ａは半導体ウェハーＷを非接触で吸着保持することができる。

また、ベルヌーイチャック１７０に代えて、半導体ウェハーＷの周縁部を円環状のリングによって支持するようにしても良い。

また、半導体ウェハーの表面にニッケル膜を成膜し、本発明に係る熱処理装置によってフラッシュ加熱処理を施してニッケルシリサイドを形成するようにしても良い（シリサイド化）。さらに、半導体ウェハーの表面にハフニウムなどを含む高誘電率膜（High-k膜）を形成し、本発明に係る熱処理装置によってフラッシュ加熱処理を施して高誘電率膜の結晶化を促進するようにしても良い（ＰＤＡ：Post Deposition Anneal）。

或いは、半導体ウェハーＷの表面にレジスト膜を形成し、そのレジスト膜の塗布後ベーク処理(PAB:Post Applied Bake)や露光後ベーク処理(PEB:Post Exposure Bake)を本発明に係る熱処理技術によって行うようにしても良い。これらの熱処理に必要な目標温度は比較的低い（１００℃〜２００℃）ため、第３実施形態のように半導体ウェハーＷの表面のみにフラッシュ光を照射する場合であっても急激な熱膨張に起因した割れを抑制することができる。

また、本発明に係る熱処理技術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や太陽電池用の基板であっても良い。

１，１ａ熱処理装置
２排気部
３制御部
４下側加熱部
５上側加熱部
６チャンバー
７保持部
８ガス供給部
６５熱処理空間
７１遮光部材
７９移載部
９６ＩＧＢＴ
１７０，１７０ａベルヌーイチャック
ＦＬフラッシュランプ
ＬＦＬ下側フラッシュランプ
ＵＦＬ上側フラッシュランプ
Ｗ半導体ウェハー

Claims

基板に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、
基板を収容するチャンバーと、
前記チャンバー内にて基板を支持する支持部材と、
前記支持部材に支持された基板にフラッシュ光を照射して前記基板の表面を室温から中間温度にまで昇温させる第１フラッシュランプと、
前記中間温度に昇温された前記基板にフラッシュ光を照射して前記表面を前記中間温度から目標温度にまで昇温させる第２フラッシュランプと、
を備えることを特徴とする熱処理装置。
基板に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、
基板を収容するチャンバーと、
前記チャンバー内にて基板を支持する支持部材と、
前記支持部材に支持された基板にフラッシュ光を照射して前記基板の表面を室温から目標温度にまで昇温させるフラッシュランプと、
を備えることを特徴とする熱処理装置。
請求項１または請求項２記載の熱処理装置において、
前記目標温度は１０００℃以上であることを特徴とする熱処理装置。
請求項１から請求項３のいずれかに記載の熱処理装置において、
前記支持部材は、石英にて形成され、ベルヌーイ効果によって前記基板を非接触で保持するベルヌーイチャックを含むことを特徴とする熱処理装置。
基板に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方法であって、
チャンバー内にて支持部材に支持された基板にフラッシュ光を照射して前記基板の表面を室温から中間温度にまで昇温させる第１フラッシュ加熱工程と、
前記中間温度に昇温された前記基板にフラッシュ光を照射して前記表面を前記中間温度から目標温度にまで昇温させる第２フラッシュ加熱工程と、
を備えることを特徴とする熱処理方法。
基板に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方法であって、
チャンバー内にて支持部材に支持された基板にフラッシュ光を照射して前記基板の表面を室温から目標温度にまで昇温させるフラッシュ加熱工程を備えることを特徴とする熱処理方法。
請求項５または請求項６記載の熱処理方法において、
前記目標温度は１０００℃以上であることを特徴とする熱処理方法。