JP2013206897A - 熱処理用サセプタおよび熱処理装置 - 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に基板が割れるのを防止することができる熱処理用サセプタおよび熱処理装置を提供する。
【解決手段】サセプタ７２の凹部７８の凹面形状の表面のうち通気溝２１が形成された領域によって半導体ウェハーの周端部が支持される。保持した半導体ウェハーが加熱されて昇温すると次第に軟化し、半導体ウェハーの中央部近傍が若干沈み込むとともに、周縁部は凹部７８の凹面形状の表面に沿うように変形する。また、半導体ウェハーの裏面と凹部７８の表面との間の空間で熱対流が生じ、この対流は半導体ウェハーの中央に向けてのみならず、通気溝２１を通って半導体ウェハーの周縁部よりも外方に向かって流れる。その結果、半導体ウェハーの周縁部が凹部７８の表面に吸着されることが防がれ、フラッシュ光照射時に半導体ウェハーＷが割れるのを防止することができる。
【選択図】図６

Description

本発明は、フラッシュランプから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の熱処理を行うときにその処理対象となる基板を保持する熱処理用サセプタおよびその熱処理用サセプタを備えた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。

しかし、フラッシュランプアニールでは、極めて高いエネルギーのフラッシュ光を瞬間的に半導体ウェハーの表面に照射するため、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。このようなフラッシュランプアニールにおける特有の割れを解決するために、特許文献１には、半導体ウェハーを保持するサセプタに、ウェハー平面サイズよりも大きな凹面形状の凹部を備えることが記載されている。このようなサセプタを用いることによって、フラッシュ光照射時の半導体ウェハーへの機械的衝撃を緩和し、ウェハー割れを低減することができる。

特開２００７−５５３２号公報

しかしながら、特許文献１に開示されるような凹面形状の凹部を備えるサセプタ（コンケーブサセプタ）を用いたとしても、フラッシュ光照射時に半導体ウェハーが粉々に割れる現象（シャッタリング）を完全に防止することはできなかった。その原因は次にように考えられる。特許文献１に開示されるコンケーブサセプタは、半導体ウェハーの端縁部のみを全周にわたって支持しているため、熱処理時に自重によってウェハー中央部が若干沈み込むとともに、ウェハー周縁部はサセプタの表面に沿うように近接して弱く吸着されたような状態となる。このウェハー周縁部の吸着状態が半導体ウェハーを拘束することとなり、半導体ウェハーが自由に動けなくなった結果としてウェハー割れが生じる。

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に基板が割れるのを防止することができる熱処理用サセプタおよび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、フラッシュランプから基板にフラッシュ光を照射することによって該基板の熱処理を行うときに該基板を保持する熱処理用サセプタにおいて、平面視で基板の平面サイズよりも大きな凹面形状の表面を有する凹部と、前記凹部の前記表面に形成され、前記凹部に保持される基板の周縁部と前記表面との間の空間と、前記周縁部よりも外方の空間と、の間で気体が通過する気体通過流路と、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用サセプタにおいて、前記気体通過流路は、前記表面のうち前記保持される基板の前記周縁部に対向する領域から前記周縁部よりも外方の領域にわたって形成された通気溝であ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用サセプタにおいて、前記通気溝は格子状に形成されることを特徴とする。

また、請求項４の発明は、請求項１の発明に係る熱処理用サセプタにおいて、前記気体通過流路は、前記表面のうち前記保持される基板の前記周縁部に対向する領域から前記周縁部よりも外方の領域にわたって形成された凹凸パターンであることを特徴とする。

また、請求項５の発明は、フラッシュランプから基板にフラッシュ光を照射することによって該基板の熱処理を行うときに該基板を保持する熱処理用サセプタにおいて、平面視で基板の平面サイズよりも大きな凹面形状の表面を有する凹部と、前記凹部の前記表面に形成され、前記凹部に室温の基板を保持したときには先端が当該基板に近接する凸状ピンと、を備えることを特徴とする。

また、請求項６の発明は、請求項５の発明に係る熱処理用サセプタにおいて、前記基板は直径３００ｍｍの半導体ウェハーであり、前記凸状ピンは、前記表面のうち中心から半径１００ｍｍ〜１３５ｍｍの円環状領域に形成されることを特徴とする。

また、請求項７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フラッシュランプと、を備え、前記保持手段は、請求項１から請求項６のいずれかの発明に係る熱処理用サセプタと、前記熱処理用サセプタを支持するホットプレートと、を備えることを特徴とする。

請求項１から請求項４の発明によれば、平面視で基板の平面サイズよりも大きな凹面形状の凹部の表面に形成され、凹部に保持される基板の周縁部と表面との間の空間と、周縁部よりも外方の空間と、の間で気体が通過する気体通過流路を備えるため、基板の周縁部が凹部の表面に吸着することが防がれ、フラッシュランプからのフラッシュ光照射時に基板が割れるのを防止することができる。

また、請求項５および請求項６の発明によれば、平面視で基板の平面サイズよりも大きな凹面形状の凹部の表面に形成され、凹部に室温の基板を保持したときには先端が当該基板に近接する凸状ピンを備えるため、昇温した基板が軟化してもその周縁部が凹部の表面に吸着することが防がれ、フラッシュランプからのフラッシュ光照射時に基板が割れるのを防止することができる。

また、請求項７の発明によれば、熱処理装置の保持手段が請求項１から請求項６のいずれかの発明に熱処理用サセプタを備えるため、該熱処理装置にてフラッシュ光照射により熱処理を行うときの基板の割れを防止することができる。

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。 第１実施形態のサセプタの平面図である。 サセプタに半導体ウェハーが保持されて加熱される状態を示す図である。 第２実施形態のサセプタの部分平面図である。 第３実施形態のサセプタの断面図である。 第３実施形態のサセプタの平面図である。 室温の半導体ウェハーが保持された第３実施形態のサセプタの部分拡大図である。

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＞
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（Ｎ_２）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（Ｏ_２）ガス等）を導入する導入路８１が形成され、その一端は弁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、弁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。本実施形態のサセプタ７２は石英により形成され、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上に支持される。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電力供給源（図示省略）に接続されている。電力供給源から各ゾーンに至る経路途中において、電力供給源からの電力線は、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。

図６は、第１実施形態のサセプタ７２の平面図である。サセプタ７２には、平面視で半導体ウェハーＷの平面サイズよりも大きな凹面形状の表面を有する凹部７８が形設されている。本実施形態において、処理対象となる半導体ウェハーＷの直径はφ３００ｍｍであり、凹部７８の外径はφ３１０ｍｍである。また、サセプタ７２の外径はφ３４０ｍｍである。凹部７８を規定する凹面形状は所定の曲率半径を有している。このような凹部７８が形成されたサセプタ７２によって半導体ウェハーＷを保持するときには、凹部７８の中心と半導体ウェハーＷの中心とが一致するように保持する。

また、凹部７８の外周円に沿って６０°毎に６本のピン７５が設けられている。ピン７５は、半導体ウェハーＷの位置ずれを防止するための部材である。凹部７８の内側には、支持ピン７０が挿通される３つの貫通孔７９が穿設されている。３つの貫通孔７９は、凹部７８の外周円と同心円上に１２０°毎に穿設されている。３つの貫通孔７９が配置される円の径はφ１６０ｍｍである。

また、第１実施形態においては、凹部７８の凹面形状の表面のうち、保持される半導体ウェハーＷの周縁部に対向する領域から当該周縁部よりも外方の領域にわたって通気溝２１が形成されている。具体的に第１実施形態では、通気溝２１は、凹部７８の凹面形状の表面のうち、凹部７８の中心から半径１００ｍｍ〜１５５ｍｍの領域に形成される。すなわち、半導体ウェハーＷ（半径１５０ｍｍ）の外周より５ｍｍ外側から５０ｍｍ内側に対向する領域に通気溝２１は刻設される。

通気溝２１は、凹部７８の径方向に沿って設けられた縦溝２１ａと、凹部７８の外周円と同心円状の横溝２１ｂと、を有する。すなわち、通気溝２１は、格子状に形成されている。図６では図示の便宜上、本数を少なくして描いているが、縦溝２１ａおよび横溝２１ｂは双方ともに、例えば幅０．２ｍｍ〜１ｍｍ、深さ１ｍｍで５ｍｍピッチにて形成される。このような通気溝２１の形成手法としては、例えば、マスク材を図６のようなパターンで凹部７８の表面に印刷し、マスクをしていない部分をエッチングによって削り取るようにすれば良い。

サセプタ７２の凹部７８に半導体ウェハーＷを保持すると、凹部７８の凹面形状の表面のうち通気溝２１が形成された領域によって半導体ウェハーＷの周端部が支持されることとなる。室温の半導体ウェハーＷが凹部７８に保持されたときには、半導体ウェハーＷの中心と凹部７８の中心との間の間隔は約０．４８ｍｍとなる。

図１に戻り、ランプハウス５は、チャンバー６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。

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１００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。フラッシュランプＦＬの発光時間は、フラッシュランプＦＬに電力供給を行うランプ電源のコイル定数によって調整することができる。

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いる。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。

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いる。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。

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（フラッシュランプアニール）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。

保持部７はチャンバー６に固定設置された支持ピン７０に対して昇降するものであり、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の先端がホットプレート７１の貫通孔７７およびサセプタ７２の貫通孔７９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後、ガスバルブ８２が開かれてチャンバー６の熱処理空間６５内に不活性ガス（本実施形態では、窒素ガス）が供給される。それと同時に、ガスバルブ８７が開かれて熱処理空間６５内の気体が排気される。チャンバー６に供給された窒素ガスは、熱処理空間６５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、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。

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の凹部７８内に保持される。このときには、サセプタ７２の凹部７８の内壁面のうち通気溝２１が形成された領域によって半導体ウェハーＷの周端部が支持される。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６００℃程度、好ましくは３５０℃ないし５５０℃程度とされる。また、保持部７とチャンバー窓６１との間の距離は、保持部昇降機構４のモータ４０の回転量を制御することにより任意に調整することが可能とされている。

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からのフラッシュ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ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下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、瞬間的に処理温度Ｔ２まで上昇し、半導体ウェハーＷに注入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に注入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、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１００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からのフラッシュ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。

第１実施形態においては、保持部７が上昇して支持ピン７０から半導体ウェハーＷを受け取る際に、サセプタ７２の凹部７８の凹面形状の表面のうち通気溝２１が形成された領域によって半導体ウェハーＷの周端部が支持される。室温の半導体ウェハーＷが凹部７８に保持されたとき、半導体ウェハーＷの中心と凹部７８の中心との間の間隔、つまり半導体ウェハーＷの裏面と凹部７８の表面との間の最大距離は約０．４８ｍｍである。

室温の半導体ウェハーＷが保持部７と接触することによる予備加熱によって、半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１にまで昇温する。半導体ウェハーＷの温度が上昇するにつれて次第に軟化し、半導体ウェハーＷの中央部近傍が若干沈み込むとともに、周縁部は凹部７８の凹面形状の表面に沿うように変形する。また、半導体ウェハーＷの裏面と凹部７８の表面との間の空間で対流が生じる。

図７は、サセプタ７２に半導体ウェハーＷが保持されて加熱される状態を示す図である。同図に示すように、ホットプレート７１による予備加熱によって、ウェハー周縁部が凹部７８の凹面形状の表面に沿うように半導体ウェハーＷが若干撓むとともに、半導体ウェハーＷと凹部７８の表面との間には熱対流も生じる。ここで、撓んだ半導体ウェハーＷの周縁部と凹部７８の表面とが密着していると、対流は半導体ウェハーＷの周縁部から中央部に向けてのみ流れることとなり、その結果半導体ウェハーＷの周縁部が凹部７８の表面に弱く真空吸着された状態となる。そして、半導体ウェハーＷの周縁部が真空吸着された状態でフラッシュランプＦＬからフラッシュ光が照射されると、急激な熱膨張が生じたときに半導体ウェハーＷが動けないために割れが生じるおそれがある。

第１実施形態では、サセプタ７２の凹部７８の凹面形状の表面のうち、保持される半導体ウェハーＷの周縁部に対向する領域から当該周縁部よりも外方の領域にわたって通気溝２１が形成されている。この通気溝２１によって、凹部７８に保持される半導体ウェハーＷの周縁部と凹部７８の表面との間の空間と、半導体ウェハーＷの周縁部よりも外方の空間と、の間で気体が通過可能となる。このため、半導体ウェハーＷと凹部７８の表面との間で生じた熱対流は、半導体ウェハーＷの中央に向けてのみならず、矢印ＡＲ７に示すように、通気溝２１を通って半導体ウェハーＷの周縁部よりも外方に向かって流れる。これにより、半導体ウェハーＷの周縁部が凹部７８の表面に吸着されることが防がれ、その結果フラッシュランプＦＬからのフラッシュ光照射時にウェハー表面に急激な熱膨張が生じたときにも半導体ウェハーＷが拘束されていないためにウェハー割れを防止することができる。なお、半導体ウェハーＷと凹部７８の表面との間の空間には支持ピン７０が通るための貫通孔７９から外気が導入される。

また、半導体ウェハーＷの周縁部が凹部７８の表面に吸着されていないため、フラッシュ加熱処理終了後に保持部７が下降して支持ピン７０が半導体ウェハーＷを受け取る際にも、凹部７８の表面から半導体ウェハーＷを容易に持ち上げることができる。よって、支持ピン７０から半導体ウェハーＷに局所的な応力が作用して接触部位にダメージを与えるのを防止することができる。

＜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実施形態においては、凹部７８の表面に施す加工の形態が第１実施形態と異なり、残余の点については第１実施形態と同様である。図８は、第２実施形態のサセプタ１７２の部分平面図である。第２実施形態のサセプタ１７２にも、平面視で半導体ウェハーＷの平面サイズよりも大きな凹面形状の表面を有する凹部７８が形設されている。第１実施形態と同じく、処理対象となる半導体ウェハーＷの直径はφ３００ｍｍであり、サセプタ１７２の外径はφ３４０ｍｍであり、凹部７８の外径はφ３１０ｍｍである。また、凹部７８を規定する凹面形状は所定の曲率半径を有している。

第２実施形態においては、凹部７８の凹面形状の表面のうち、保持される半導体ウェハーＷの周縁部に対向する領域から当該周縁部よりも外方の領域にわたって凹凸パターン２２が形成されている。具体的に第２実施形態では、凹凸パターン２２は、凹部７８の凹面形状の表面のうち、凹部７８の中心から半径１００ｍｍ〜１５５ｍｍの領域に形成される。すなわち、半導体ウェハーＷ（半径１５０ｍｍ）の外周より５ｍｍ外側から５０ｍｍ内側の領域に凹凸パターン２２は形成される。このような凹凸パターン２２は、例えば、テクスチャー加工によって形成すれば良い。なお、凹凸パターン２２のパターン形状については種々の形態のものを採用することができる。

第２実施形態においては、保持部７が上昇して支持ピン７０から半導体ウェハーＷを受け取る際に、サセプタ７２の凹部７８の凹面形状の表面のうち凹凸パターン２２が形成された領域によって半導体ウェハーＷの周端部が支持される。この凹凸パターン２２によって、凹部７８に保持される半導体ウェハーＷの周縁部と凹部７８の表面との間の空間と、半導体ウェハーＷの周縁部よりも外方の空間と、の間で気体が通過可能となる。このため、第１実施形態と同様に、半導体ウェハーＷと凹部７８の表面との間で生じた熱対流は、半導体ウェハーＷの中央に向けてのみならず、凹凸パターン２２を通って半導体ウェハーＷの周縁部よりも外方に向かって流れる。これにより、半導体ウェハーＷの周縁部が凹部７８の表面に吸着されることが防がれ、その結果フラッシュランプＦＬからのフラッシュ光照射時にウェハー表面に急激な熱膨張が生じたときにも半導体ウェハーＷが拘束されていないためにウェハー割れを防止することができる。

＜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。第１および第２実施形態では凹部７８の表面に気体通過流路を形成していたが、第３実施形態においては凹部７８の表面に凸状ピンを形成している。図９は、第３実施形態のサセプタ２７２の断面図である。第３実施形態のサセプタ２７２にも、平面視で半導体ウェハーＷの平面サイズよりも大きな凹面形状の表面を有する凹部７８が形設されている。第１実施形態と同じく、処理対象となる半導体ウェハーＷの直径はφ３００ｍｍであり、サセプタ２７２の外径はφ３４０ｍｍであり、凹部７８の外径はφ３１０ｍｍである。また、凹部７８を規定する凹面形状は所定の曲率半径を有している。

第３実施形態においては、凹部７８の凹面形状の表面に石英の凸状ピン２５が立設されている。図１０は、第３実施形態のサセプタ２７２の平面図である。凹部７８の凹面形状の表面において、凹部７８の中心から半径１００ｍｍの円周上に１２０°間隔で３つの凸状ピン２５が立設され、凹部７８の中心から半径１３５ｍｍの円周上に１２０°間隔で３つの凸状ピン２５が立設されている。各凸状ピン２５は、凹部７８の表面に嵌め込むようにして設けても良いし、溶接によって接合するようにしても良い。また、凸状ピン２５の形状は特に限定されるものではないが、先端の面積が小さい方が好ましい。なお、図１０では、図示の便宜上、半導体ウェハーＷの位置ずれ防止のためのピンおよび支持ピン７０が通る貫通孔の記載を省略している。

第３実施形態においては、保持部７が上昇して支持ピン７０から半導体ウェハーＷを受け取る際に、サセプタ７２の凹部７８の凹面形状の表面によって半導体ウェハーＷの周端部が支持される。図１１は、室温の半導体ウェハーＷが保持されたときのサセプタ２７２の部分拡大図である。室温の半導体ウェハーＷが凹部７８に保持されたとき、６つの凸状ピン２５の先端は半導体ウェハーＷの裏面に非接触で近接している。このときのそれぞれの凸状ピン２５の先端と半導体ウェハーＷの裏面との間隔は約０．１ｍｍである。

半導体ウェハーＷが保持部７と接触することによる予備加熱によって、半導体ウェハーＷの温度が室温から予備加熱温度Ｔ１にまで昇温する。半導体ウェハーＷの温度が上昇するにつれて次第に軟化し、半導体ウェハーＷの中央部近傍が若干沈み込むように変形する。このとき、半導体ウェハーＷの裏面が凸状ピン２５の先端に接触することによって、半導体ウェハーＷの周縁部が凹部７８の凹面形状の表面に密着することが防がれる。これにより、半導体ウェハーＷの周縁部が凹部７８の表面に吸着されることが防がれ、その結果フラッシュランプＦＬからのフラッシュ光照射時にウェハー表面に急激な熱膨張が生じたときにも半導体ウェハーＷが拘束されていないためにウェハー割れを防止することができる。

＜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、第１実施形態では凹部７８の表面に通気溝２１を形成し、第２実施形態では凹凸パターン２２を形成するようにしていたが、これらに限定されるものではなく、気体が通過可能となるような表面加工を凹部７８の表面に施せば良い。すなわち、凹部７８に保持される半導体ウェハーＷの周縁部と凹部７８の表面との間の空間と、半導体ウェハーＷの周縁部よりも外方の空間と、の間で気体が通過できる気体通過流路を凹部７８の表面に形成すれば良い。

また、第１実施形態においては、通気溝２１を縦溝２１ａと横溝２１ｂとの格子状に形成していたが、半導体ウェハーＷの周縁部の内側と外方との通気のためには、少なくとも凹部７８の径方向に沿って縦溝２１ａが形成されていれば良い。

また、第３実施形態においては、凹部７８の中心から半径１００ｍｍの円周上および半径１３５ｍｍの円周上の２列に凸状ピン２５を設けていたが、これらのうちいずれか１列のみを設けるようにしても良いし、これらの間にさらに凸状ピン２５を設けて３列以上とするようにしても良い。すなわち、凹部７８の凹面形状の表面において、凹部７８の中心から半径１００ｍｍ〜半径１３５ｍｍに複数の凸状ピン２５を設ける形態であれば良い。

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、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
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
２１ 通気溝
２１ａ 縦溝
２１ｂ 横溝
２２ 凹凸パターン
２５ 凸状ピン
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
７２，１７２，２７２ サセプタ
７８ 凹部
ＦＬ フラッシュランプ
Ｗ 半導体ウェハー

Claims (7)

1. フラッシュランプから基板にフラッシュ光を照射することによって該基板の熱処理を行うときに該基板を保持する熱処理用サセプタであって、
   平面視で基板の平面サイズよりも大きな凹面形状の表面を有する凹部と、
   前記凹部の前記表面に形成され、前記凹部に保持される基板の周縁部と前記表面との間の空間と、前記周縁部よりも外方の空間と、の間で気体が通過する気体通過流路と、
   を備えることを特徴とする熱処理用サセプタ。
2. 請求項１記載の熱処理用サセプタにおいて、
   前記気体通過流路は、前記表面のうち前記保持される基板の前記周縁部に対向する領域から前記周縁部よりも外方の領域にわたって形成された通気溝であることを特徴とする熱処理用サセプタ。
3. 請求項２記載の熱処理用サセプタにおいて、
   前記通気溝は格子状に形成されることを特徴とする熱処理用サセプタ。
4. 請求項１記載の熱処理用サセプタにおいて、
   前記気体通過流路は、前記表面のうち前記保持される基板の前記周縁部に対向する領域から前記周縁部よりも外方の領域にわたって形成された凹凸パターンであることを特徴とする熱処理用サセプタ。
5. フラッシュランプから基板にフラッシュ光を照射することによって該基板の熱処理を行うときに該基板を保持する熱処理用サセプタであって、
   平面視で基板の平面サイズよりも大きな凹面形状の表面を有する凹部と、
   前記凹部の前記表面に形成され、前記凹部に室温の基板を保持したときには先端が当該基板に近接する凸状ピンと、
   を備えることを特徴とする熱処理用サセプタ。
6. 請求項５記載の熱処理用サセプタにおいて、
   前記基板は直径３００ｍｍの半導体ウェハーであり、
   前記凸状ピンは、前記表面のうち中心から半径１００ｍｍ〜１３５ｍｍの円環状領域に形成されることを特徴とする熱処理用サセプタ。
7. 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フラッシュランプと、
   を備え、
   前記保持手段は、
   請求項１から請求項６のいずれかに記載の熱処理用サセプタと、
   前記熱処理用サセプタを支持するホットプレートと、
   を備えることを特徴とする熱処理装置。

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