JP2013207033A - 熱処理装置および熱処理方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】フラッシュ光照射にともなって基板に付着するパーティクルを低減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】半導体ウェハーのチャンバーへの搬入が完了した後に窒素ガスの供給流量が減少され、この状態にて予備加熱処理およびフラッシュ光照射が行われる。時刻ｔ４にフラッシュ光照射が実行され、これによって半導体ウェハーの表面温度が最高温度に到達した後に降温して裏面温度と等しくなった時刻ｔ４６に、チャンバー内に供給する窒素ガスの流量を増加する。その後、半導体ウェハーがチャンバーから搬出されるまで窒素ガスの供給流量は一定に維持される。半導体ウェハーの表面がある程度降温してから窒素ガスの流量を増加しているため、面内温度分布が不均一となることに起因した悪影響を抑制しつつ、半導体ウェハーに付着するパーティクルを低減することができる。
【選択図】図１１

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、半導体ウェハーの表面側にフラッシュランプを配置するとともに裏面側にハロゲンランプを配置し、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に開示の熱処理装置においては、サセプタに保持された半導体ウェハーをハロゲンランプによってある程度の温度にまで予備加熱し、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している。
特開２００９−１６４４５１号公報
特許文献１に開示される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においては、極めて高いエネルギーを有する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する。その結果、半導体ウェハーの表面に急激な熱膨張が生じて変形し、フラッシュ光照射時に半導体ウェハーがサセプタ上で振動、或いは跳躍する現象が生じていた。そして、半導体ウェハーの振動（或いは、跳躍）に伴うサセプタとの摺動や気流の乱れにより、チャンバー内にパーティクルが発生し、それが半導体ウェハーに付着するという問題が生じていた。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、フラッシュ光照射にともなって基板に付着するパーティクルを低減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保持する保持手段と、前記保持手段に保持された基板を所定の予備加熱温度に加熱する予備加熱手段と、前記保持手段に保持された基板の一方面にフラッシュ光を照射するフラッシュランプと、前記チャンバー内に不活性ガスを供給するガス供給手段と、前記チャンバー内の雰囲気を排気する排気手段と、前記保持手段に保持された基板にフラッシュ光が照射されて前記一方面の温度が最高温度に到達した後に所定の温度にまで降温したときに、前記ガス供給手段から前記チャンバー内に供給する不活性ガスの流量を増加させる流量制御手段と、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、前記流量制御手段は、前記基板の前記一方面の温度が他方面の温度と等しくなったときに、前記ガス供給手段から前記チャンバー内に供給する不活性ガスの流量を増加させることを特徴とする。
また、請求項３の発明は、請求項１の発明に係る熱処理装置において、前記流量制御手段は、前記基板の前記一方面の温度が前記一方面に注入された不純物の拡散および不活性化が生じない温度にまで降温したときに、前記ガス供給手段から前記チャンバー内に供給する不活性ガスの流量を増加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の発明に係る熱処理装置において、前記流量制御手段は、前記基板の前記一方面の温度が前記予備加熱温度にまで降温したときに、前記ガス供給手段から前記チャンバー内に供給する不活性ガスの流量を増加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、前記流量制御手段は、前記基板の前記一方面の温度が前記所定の温度にまで降温したときに、前記ガス供給手段から前記チャンバー内に供給する不活性ガスの流量を前記チャンバーから基板を搬出するときと等しい流量に増加させ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を所定の予備加熱温度に加熱する予備加熱手段と、前記保持手段に保持された基板の一方面にフラッシュ光を照射するフラッシュランプと、前記チャンバー内に不活性ガスを供給するガス供給手段と、前記チャンバー内の雰囲気を排気する排気手段と、前記保持手段に保持された基板にフラッシュ光が照射されてから前記チャンバーから当該基板が搬出されるまでの間に、前記ガス供給手段から前記チャンバー内に供給する不活性ガスの流量を増加して前記チャンバーから前記基板が搬出されるまで流量を維持する流量制御手段と、を備え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方法において、チャンバー内に収容した基板を所定の予備加熱温度に加熱する予備加熱工程と、前記予備加熱温度に加熱された前記基板の一方面にフラッシュランプからフラッシュ光を照射するフラッシュ光照射工程と、前記基板にフラッシュ光が照射されて前記一方面の温度が最高温度に到達した後に所定の温度にまで降温したときに、前記チャンバー内に供給する不活性ガスの流量を増加させる流量制御工程と、を備えることを特徴とする。
また、請求項８の発明は、請求項７の発明に係る熱処理方法において、前記流量制御工程では、前記基板の前記一方面の温度が他方面の温度と等しくなったときに、前記チャンバー内に供給する不活性ガスの流量を増加させることを特徴とする。
また、請求項９の発明は、請求項７の発明に係る熱処理方法において、前記流量制御工程では、前記基板の前記一方面の温度が前記一方面に注入された不純物の拡散および不活性化が生じない温度にまで降温したときに、前記チャンバー内に供給する不活性ガスの流量を増加させることを特徴とする。
また、請求項１０の発明は、請求項７の発明に係る熱処理方法において、前記流量制御工程では、前記基板の前記一方面の温度が前記予備加熱温度にまで降温したときに、前記チャンバー内に供給する不活性ガスの流量を増加させることを特徴とする。
また、請求項１１の発明は、請求項７から請求項１０のいずれかの発明に係る熱処理方法において、前記流量制御工程では、前記基板の前記一方面の温度が前記所定の温度にまで降温したときに、前記チャンバー内に供給する不活性ガスの流量を前記チャンバーから基板を搬出するときと等しい流量に増加させることを特徴とする。
また、請求項１２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、チャンバー内に収容した基板を所定の予備加熱温度に加熱する予備加熱工程と、前記予備加熱温度に加熱された前記基板の一方面にフラッシュランプからフラッシュ光を照射するフラッシュ光照射工程と、前記基板にフラッシュ光が照射されてから前記チャンバーから当該基板が搬出されるまでの間に、前記チャンバー内に供給する不活性ガスの流量を増加して前記チャンバーから前記基板が搬出されるまで流量を維持する流量制御工程と、を備えることを特徴とする。
請求項１から請求項５の発明によれば、基板にフラッシュ光が照射されて一方面の温度が最高温度に到達した後に所定の温度にまで降温したときに、チャンバー内に供給する不活性ガスの流量を増加させるため、基板の面内温度分布が不均一となることに起因した悪影響を抑制しつつ、フラッシュ光照射にともなって発生するパーティクルを効果的に排出して基板に付着するパーティクルを低減することができる。
特に、請求項５の発明によれば、基板の一方面の温度が所定の温度にまで降温したときに、チャンバー内に供給する不活性ガスの流量をチャンバーから基板を搬出するときと等しい流量に増加させるため、基板の搬出時にガス流速が変化してパーティクルが巻き上がることが防止され、基板に付着するパーティクルをさらに低減することができる。
また、請求項６の発明によれば、基板にフラッシュ光が照射されてからチャンバーから当該基板が搬出されるまでの間に、チャンバー内に供給する不活性ガスの流量を増加してチャンバーから基板が搬出されるまで流量を維持するため、基板の搬出時にガス流速が変化してパーティクルが巻き上がることが防止され、フラッシュ光照射にともなって基板に付着するパーティクルを低減することができる。
請求項７から請求項１１の発明によれば、基板にフラッシュ光が照射されて一方面の温度が最高温度に到達した後に所定の温度にまで降温したときに、チャンバー内に供給する不活性ガスの流量を増加させるため、基板の面内温度分布が不均一となることに起因した悪影響を抑制しつつ、フラッシュ光照射にともなって発生するパーティクルを効果的に排出して基板に付着するパーティクルを低減することができる。
特に、請求項１１の発明によれば、基板の一方面の温度が所定の温度にまで降温したときに、チャンバー内に供給する不活性ガスの流量をチャンバーから基板を搬出するときと等しい流量に増加させるため、基板の搬出時にガス流速が変化してパーティクルが巻き上がることが防止され、基板に付着するパーティクルをさらに低減することができる。
また、請求項１２の発明によれば、基板にフラッシュ光が照射されてからチャンバーから当該基板が搬出されるまでの間に、チャンバー内に供給する不活性ガスの流量を増加してチャンバーから基板が搬出されるまで流量を維持するため、基板の搬出時にガス流速が変化してパーティクルが巻き上がることが防止され、フラッシュ光照射にともなって基板に付着するパーティクルを低減することができる。
本発明に係る熱処理装置の構成を示す縦断面図である。 保持部の全体外観を示す斜視図である。 保持部を上面から見た平面図である。 保持部を側方から見た側面図である。 移載機構の平面図である。 移載機構の側面図である。 複数のハロゲンランプの配置を示す平面図である。 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。 半導体ウェハーの表面温度の変化を示す図である。 フラッシュ光照射時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。 チャンバーに供給する窒素ガスの流量の変化を示す図である。 チャンバーに供給する窒素ガスの流量の他の例を示す図である。 チャンバーに供給する窒素ガスの流量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。
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。本実施形態の熱処理装置１は、基板としてφ３００ｍｍの円板形状のシリコン半導体ウェハー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から出射されたフラッシュ光をチャンバー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（本実施形態では不活性ガスとしての窒素ガス（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および流量調整バルブ８０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。ガス供給管８３を流れる窒素ガスの流量は流量調整バルブ８０によって調整される。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の全体外観を示す斜視図である。また、図３は保持部７を上面から見た平面図であり、図４は保持部７を側方から見た側面図である。保持部７は、基台リング７１、連結部７２およびサセプター７４を備えて構成される。基台リング７１、連結部７２およびサセプター７４はいずれも石英にて形成されている。すなわち、保持部７の全体が石英にて形成されている。
基台リング７１は円環形状の石英部材である。基台リング７１は凹部６２の底面に載置されることによって、チャンバー６の壁面に支持されることとなる（図１参照）。円環形状を有する基台リング７１の上面に、その周方向に沿って複数の連結部７２（本実施形態では４個）が立設される。連結部７２も石英の部材であり、溶接によって基台リング７１に固着される。なお、基台リング７１の形状は、円環形状から一部が欠落した円弧状であっても良い。
平板状のサセプター７４は基台リング７１に設けられた４個の連結部７２によって支持される。サセプター７４は石英にて形成された略円形の平板状部材である。サセプター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、サセプター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。サセプター７４の上面には複数個（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はサセプター７４の外周円と同心円の周上に沿って設けられている。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も石英にて形成されている。なお、ガイドピン７６は、サセプター７４と一体に石英のインゴットから加工するようにしても良いし、別途に加工したものをサセプター７４に溶接等によって取り付けるようにしても良い。
基台リング７１に立設された４個の連結部７２とサセプター７４の周縁部の下面とが溶接によって固着される。すなわち、サセプター７４と基台リング７１とは連結部７２によって固定的に連結されており、保持部７は石英の一体成形部材となる。このような保持部７の基台リング７１がチャンバー６の壁面に支持されることによって、保持部７がチャンバー６に装着される。保持部７がチャンバー６に装着された状態においては、略円板形状のサセプター７４は水平姿勢（法線が鉛直方向と一致する姿勢）となる。チャンバー６に搬入された半導体ウェハーＷは、チャンバー６に装着された保持部７のサセプター７４の上に水平姿勢にて載置されて保持される。半導体ウェハーＷは、５個のガイドピン７６によって形成される円の内側に載置されることにより、水平方向の位置ずれが防止される。なお、ガイドピン７６の個数は５個に限定されるものではなく、半導体ウェハーＷの位置ずれを防止できる数であれば良い。
また、図２および図３に示すように、サセプター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がサセプター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。さらに、サセプター７４には、後述する移載機構１０のリフトピン１２が半導体ウェハーＷの受け渡しのために貫通する４個の貫通孔７９が穿設されている。
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がサセプター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の上端がサセプター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、保持部７の基台リング７１の直上である。基台リング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。
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、ハロゲンランプＨＬの如き連続点灯の光源に比べて極めて強い光を照射し得るという特徴を有する。
また、リフレクタ５２は、複数のフラッシュランプＦＬの上方にそれら全体を覆うように設けられている。リフレクタ５２の基本的な機能は、複数のフラッシュランプＦＬから出射されたフラッシュ光を熱処理空間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。
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７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７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周縁部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、図１に示すように、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。
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表面に不純物（イオン）が添加されたシリコンの半導体基板である。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。図８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。以下に示す半導体ウェハーＷ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って進行する。
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（ステップＳ１）。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に不活性ガスとして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。チャンバー６内に供給される窒素ガスの流量は制御部３の制御下にて流量調整バルブ８０によって調整されており、半導体ウェハーＷの搬入時には例えば４０リットル／分とされる。
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を介して不純物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（ステップＳ２）。このときには、半導体ウェハーＷの搬入にともなって装置外部の雰囲気を巻き込むおそれがあるが、チャンバー６には４０リットル／分の流量にて窒素ガスが供給されているため、そのような外部雰囲気の巻き込みを最小限に抑制することができる。
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を通ってサセプター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のサセプター７４に受け渡されて水平姿勢に保持される。半導体ウェハーＷは、パターン形成がなされて不純物が注入された表面を上面としてサセプター７４に保持される。また、半導体ウェハーＷは、サセプター７４の上面にて５個のガイドピン７６の内側に保持される。サセプター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。
また、半導体ウェハーＷの搬入が完了し、ゲートバルブ１８５によって搬送開口部６６が閉鎖された時点でチャンバー６内に供給する窒素ガスの流量が減少するように制御部３が流量調整バルブ８０を制御する（ステップＳ３）。半導体ウェハーＷの搬入が完了した後の窒素ガスの供給流量は例えば２０リットル／分とされる。
半導体ウェハーＷが搬入されてチャンバー６への窒素ガスの供給流量が減少された後、ハロゲン加熱部４の４０本のハロゲンランプＨＬが一斉に点灯して予備加熱（アシスト加熱）が開始される（ステップＳ４）。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およびサセプター７４を透過して半導体ウェハーＷの裏面（表面とは反対側の主面）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の温度が上昇する。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。
図９は、半導体ウェハーＷの表面温度の変化を示す図である。時刻ｔ０にチャンバー６に対する給排気が開始され、時刻ｔ１に室温の半導体ウェハーＷがチャンバー６内に搬入される。そして、半導体ウェハーＷがサセプター７４に載置された後、制御部３が時刻ｔ２に４０本のハロゲンランプＨＬを点灯させてハロゲン光照射によって半導体ウェハーＷを予備加熱温度Ｔ１にまで昇温している。予備加熱温度Ｔ１は、半導体ウェハーＷに注入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℃）。
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がサセプター７４に保持された半導体ウェハーＷの下面に切り欠き部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しつつ、ハロゲンランプＨＬの出力を制御する。すなわち、制御部３は、接触式温度計１３０による測定値に基づいて、半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１となるようにハロゲンランプＨＬの出力をフィードバック制御している。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。
半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１に到達した後、制御部３は半導体ウェハーＷをその予備加熱温度Ｔ１に暫時維持する。具体的には、接触式温度計１３０によって測定される半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１に到達した時刻ｔ３にて制御部３がハロゲンランプＨＬの出力を制御して半導体ウェハーＷの温度をほぼ予備加熱温度Ｔ１に維持している。
このようなハロゲンランプＨＬによる予備加熱を行うことによって、半導体ウェハーＷの全体を予備加熱温度Ｔ１に均一に昇温している。ハロゲンランプＨＬによる予備加熱の段階においては、より放熱が生じやすい半導体ウェハーＷの周縁部の温度が中央部よりも低下する傾向にあるが、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っている。このため、放熱が生じやすい半導体ウェハーＷの周縁部に照射される光量が多くなり、予備加熱段階における半導体ウェハーＷの面内温度分布を均一なものとすることができる。さらに、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り、予備加熱段階における半導体ウェハーＷの面内温度分布をより均一なものとすることができる。
次に、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刻ｔ４にフラッシュランプＦＬからフラッシュ光を照射することによる加熱処理を実行する（ステップＳ５）。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。なお、半導体ウェハーＷの温度が室温から予備加熱温度Ｔ１に到達するまでの時間（時刻ｔ２から時刻ｔ３までの時間）および予備加熱温度Ｔ１に到達してからフラッシュランプＦＬが発光するまでの時間（時刻ｔ３から時刻ｔ４までの時間）はいずれも数秒程度である。
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（閃光）照射により行われるため、半導体ウェハーＷの表面温度を短時間で上昇することができる。すなわち、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からのフラッシュ光照射によりフラッシュ加熱される半導体ウェハーＷの表面温度は、瞬間的に１０００℃以上の処理温度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。目標温度Ｔ２は注入された不純物の活性化が達成される１０００℃以上１４００℃以下であり、本実施形態では１１００℃としている。
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。
続いて、フラッシュランプＦＬによるフラッシュ光照射の直後にチャンバー６内に供給する窒素ガスの流量が増加するように制御部３が流量調整バルブ８０を制御する（ステップＳ６）。より詳細には、フラッシュ光照射によって処理温度Ｔ２にまで昇温した半導体ウェハーＷの表面の温度が裏面温度と等しくなった時点にて、チャンバー６内に供給する窒素ガスの流量を増加する。
図１０は、フラッシュ光照射時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。同図において、半導体ウェハーＷの表面の温度変化を実線にて示し、裏面の温度変化を一点鎖線にて示している。時刻ｔ４のフラッシュ光照射によって半導体ウェハーＷの表面温度が予備加熱温度Ｔ１から時刻ｔ４５には最高温度である処理温度Ｔ２に到達する。その後、半導体ウェハーＷの表面温度は、表面から裏面への熱伝導によって急速に降温する。
一方、半導体ウェハーＷの裏面温度は、表面からの熱伝導によって予備加熱温度Ｔ１から徐々に昇温する。このように、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いフラッシュ光を照射したときには、半導体ウェハーＷの表面のみが先行して急速に昇温した後に急速に降温し、裏面は遅れて徐々に昇温する。そして、時刻ｔ４６に半導体ウェハーＷの表面温度が裏面温度と等しくなるのである。表裏面の温度が等しくなった時刻ｔ４６以降は、半導体ウェハーＷの厚さ方向での熱伝導は生じないため、半導体ウェハーＷの全体の温度が予備加熱温度Ｔ１にまで徐々に降温する。なお、φ３００ｍｍのシリコンの半導体ウェハーＷ（規格により厚さは０．７７５ｍｍに標準化されている）であれば、フラッシュ光の照射を開始した時刻ｔ４から表裏面の温度が等しくなる時刻ｔ４６までの時間は約１５ミリセカンド程度である。
本実施形態においては、時刻ｔ４のフラッシュ光照射によって半導体ウェハーＷの表面温度が最高温度である処理温度Ｔ２に到達した後に降温して裏面温度と等しくなった時刻ｔ４６に、チャンバー６内に供給する窒素ガスの流量を４０リットル／分に増加している。表裏面の温度が等しくなる時刻ｔ４６における半導体ウェハーＷの表面温度（＝裏面温度）は処理温度Ｔ２よりも相当に低く、この温度では表面に注入された不純物の拡散および不活性化は生じない。
フラッシュ加熱処理が終了してチャンバー６への窒素ガスの供給流量が増加された後、所定時間が経過した時刻ｔ５にハロゲンランプＨＬが消灯する（ステップＳ７）。これにより、半導体ウェハーＷが予備加熱温度Ｔ１からの降温を開始する。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（ステップＳ８）。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。
また、シャッター板２１が遮光位置に挿入された時点で放射温度計１２０による温度測定を開始する。すなわち、保持部７に保持された半導体ウェハーＷの下面からサセプター７４の開口部７８を介して放射された赤外光の強度を放射温度計１２０が測定して降温中の半導体ウェハーＷの温度を測定する。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。
消灯直後の高温のハロゲンランプＨＬからは多少の放射光が放射され続けるのであるが、放射温度計１２０はシャッター板２１が遮光位置に挿入されているときに半導体ウェハーＷの温度測定を行うため、ハロゲンランプＨＬからチャンバー６内の熱処理空間６５へと向かう放射光は遮光される。従って、放射温度計１２０は外乱光の影響を受けることなく、サセプター７４に保持された半導体ウェハーＷの温度を正確に測定することができる。
制御部３は、放射温度計１２０によって測定される半導体ウェハーＷの温度が所定温度まで降温したか否かを監視する。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がサセプター７４の上面から突き出て熱処理後の半導体ウェハーＷをサセプター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（ステップＳ９）、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。
搬送開口部６６が開放されて半導体ウェハーＷが搬出されるときのチャンバー６への窒素ガス供給流量は４０リットル／分である。すなわち、フラッシュ光照射後に半導体ウェハーＷの表裏面温度が等しくなった時刻ｔ４６にチャンバー６内に供給する窒素ガスの流量を４０リットル／分に増加し、そのまま半導体ウェハーＷをチャンバー６から搬出するまで窒素ガスの供給流量を維持しているのである。
図１１は、チャンバー６に供給する窒素ガスの流量の変化を示す図である。本実施形態においては、チャンバー６に半導体ウェハーＷが搬入されるよりも前の時刻ｔ０に４０リットル／分の流量（大流量）にて窒素ガスの供給が開始される。搬送開口部６６が開放されて半導体ウェハーＷがチャンバー６に搬入される時刻ｔ１にも、窒素ガスの供給流量は４０リットル／分に維持されており、これによって搬送開口部６６からの外部雰囲気の巻き込みを最小限に抑制することができる。
半導体ウェハーＷの搬入が完了し、搬送開口部６６が閉鎖された時刻ｔ１６にチャンバー６内に供給する窒素ガスの流量が２０リットル／分（小流量）に減少される。そして、２０リットル／分の流量にてチャンバー６に窒素ガスが供給され続け、その窒素ガス流が形成されている雰囲気中にて半導体ウェハーＷの予備加熱およびフラッシュ加熱が行われる。半導体ウェハーＷの加熱処理を行うときには、チャンバー６内に供給する窒素ガスの流量が少なくされているため、窒素ガス流が半導体ウェハーＷの温度分布に与える影響は小さく、加熱処理時の半導体ウェハーＷの面内温度分布を均一にすることができる。また、予備加熱段階での半導体ウェハーＷの昇温レートが低下することもなく、エネルギー消費効率の悪化を防止することもできる。
時刻ｔ４にフラッシュ光照射が実行され、これによって半導体ウェハーＷの表面温度が最高温度である処理温度Ｔ２に到達した後に降温して裏面温度と等しくなった時刻ｔ４６に、チャンバー６内に供給する窒素ガスの流量を４０リットル／分に再び増加する。フラッシュ光照射時には、半導体ウェハーＷの表面に急激な熱膨張が生じて変形し、半導体ウェハーＷがサセプター７４上で振動または跳躍することに起因してパーティクルが発生する。本実施形態では、フラッシュ光照射の直後（時刻ｔ４から時刻ｔ４６までの時間は約１５ミリセカンド）にチャンバー６内に供給する窒素ガスの流量を４０リットル／分に増加しているため、発生したパーティクルは効率良くチャンバー６から排出され半導体ウェハーＷに付着することが防止される。その結果、フラッシュ光照射時に半導体ウェハーＷに付着するパーティクルを低減することができる。
その一方、チャンバー６内に供給する窒素ガスの流量が多くなると、窒素ガス流が半導体ウェハーＷの温度分布に与える影響が大きくなり、面内温度分布の均一性が損なわれることとなる。仮に、チャンバー６内に供給する窒素ガスの流量を半導体ウェハーＷの搬入時から搬出時まで一貫して４０リットル／分に維持したとすると、予備加熱時およびフラッシュ加熱時の半導体ウェハーＷの面内温度分布が不均一となり、処理結果に悪影響を与える。
そこで、本実施形態においては、フラッシュ光照射時に半導体ウェハーＷの表面温度が最高温度である処理温度Ｔ２から降温して裏面温度と等しくなった時刻ｔ４６にチャンバー６内に供給する窒素ガスの流量を４０リットル／分に増加している。半導体ウェハーＷの表面温度が裏面温度と等しくなる時刻ｔ４６における表面温度は、処理温度Ｔ２よりも相当に低く、表面に注入された不純物の挙動に影響を与えない温度である。このような温度にまで半導体ウェハーＷの表面温度が降温していれば、窒素ガス流によって面内温度分布が不均一になったとしても問題はなく、処理結果にも影響を与えない。すなわち、半導体ウェハーＷの表面温度が処理温度Ｔ２から降温して裏面温度と等しくなった時刻ｔ４６にチャンバー６内に供給する窒素ガスの流量を４０リットル／分に増加することにより、面内温度分布が不均一となることに起因した悪影響を抑制しつつ、半導体ウェハーＷに付着するパーティクルを低減することができるのである。なお、一般に、予備加熱温度Ｔ１および処理温度Ｔ２は、フラッシュ光照射時に半導体ウェハーＷの表面温度が裏面温度と等しくなった時点で温度分布が乱れたとしても注入された不純物の挙動に影響を与えないような値に設定されている。
その後、半導体ウェハーＷがチャンバー６から搬出される時刻ｔ７までチャンバー６内に供給する窒素ガスの流量は４０リットル／分に維持される。すなわち、半導体ウェハーＷの表面温度が裏面温度と等しくなる時刻ｔ４６に増加したチャンバー６への窒素ガスの供給流量を半導体ウェハーＷが搬出される時刻ｔ７まで一定値に維持するのである。
従来より、搬送開口部６６を開放しての半導体ウェハーＷの搬入・搬出時に、搬送開口部６６からの外部雰囲気の巻き込み防止のために窒素ガス供給流量を増加させることは行われてきた。しかし、半導体ウェハーＷの搬出時には、チャンバー６内に半導体ウェハーＷが存在している状態にて窒素ガスの流量が増加することとなるため、窒素ガス流の流速変化によってチャンバー６内のパーティクルが巻き上がり、それが半導体ウェハーに付着するおそれがあった。
本実施形態においては、半導体ウェハーＷの表面温度が裏面温度と等しくなる時刻ｔ４６に増加したチャンバー６への窒素ガスの供給流量を半導体ウェハーＷが搬出される時刻ｔ７まで一定に維持しているため、半導体ウェハーＷの搬出時にも窒素ガス流の流速は変化しない。その結果、半導体ウェハーＷの搬出時にチャンバー６内にパーティクルが巻き上がることはなく、そのようなパーティクルが半導体ウェハーＷに付着するのを防止することができる。
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、半導体ウェハーＷの表面温度が裏面温度と等しくなる時刻ｔ４６に窒素ガスの供給流量を増加するようにしてたが、半導体ウェハーＷの表面温度が表面に注入された不純物の拡散および不活性化が生じない温度にまで降温したときに、チャンバー６内に供給する窒素ガスの流量を増加す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の面内温度分布が不均一となることに起因した悪影響を抑制しつつ、半導体ウェハーＷに付着するパーティクルを低減することができる。
また、フラッシュ光照射後に半導体ウェハーＷの表面温度が予備加熱温度Ｔ１にまで降温したときに、チャンバー６内に供給する窒素ガスの流量を増加するようにしても良い。半導体ウェハーＷの表面温度が予備加熱温度Ｔ１にまで降温するのは、表裏面の温度が等しくなる時刻ｔ４６よりも後であるが、フラッシュ光照射時に発生したパーティクルが半導体ウェハーＷに付着するまでに多少の時間を要する。このため、半導体ウェハーＷの表面温度が予備加熱温度Ｔ１にまで降温したときに、チャンバー６内に供給する窒素ガスの流量を増加するようにしても、半導体ウェハーＷの面内温度分布が不均一となることに起因した悪影響を抑制しつつ、半導体ウェハーＷに付着するパーティクルを低減することができる。
要するに、半導体ウェハーＷにフラッシュ光が照射されて表面の温度が最高温度である処理温度Ｔ２に到達した後に、注入された不純物の挙動に影響を与えない所定の温度にまで降温したときに、チャンバー６内に供給する窒素ガスの流量を増加すれば良い。なお、実際には、フラッシュ光照射を開始してから半導体ウェハーＷの表面温度が裏面温度と等しくなるまでの時間に比較して流量調整バルブ８０の応答には相応の時間を要する。このため、フラッシュ光照射と同時或いはフラッシュ光照射よりも若干前に窒素ガスの供給流量を増加するように制御部３が流量調整バルブ８０に制御信号を与えたとしても問題は無い。
また、チャンバー６に供給する窒素ガスの流量変化は図１２に示すようなものであっても良い。図１２に示す例においても、時刻ｔ０にチャンバー６への窒素ガスの供給を開始してから時刻ｔ１６に搬送開口部６６が閉鎖されまでは４０リットル／分の流量で供給し、その後２０リットル／分に流量を減少して半導体ウェハーＷの予備加熱処理およびフラッシュ光照射を行う点は図１１と同様である。図１２に示す例では、時刻ｔ４にフラッシュ光照射が行われてから数秒程度が経過した時刻ｔ４８にチャンバー６内に供給する窒素ガスの流量を４０リットル／分に再び増加している。そして、半導体ウェハーＷがチャンバー６から搬出される時刻ｔ７までチャンバー６内に供給する窒素ガスの流量は４０リットル／分に維持される。すなわち、半導体ウェハーＷにフラッシュ光が照射されてからチャンバー６から半導体ウェハーＷが搬出されるまでの間のいずれかの時点で、チャンバー６内に供給する窒素ガスの流量を増加し、半導体ウェハーＷが搬出されるまで窒素ガスの供給流量を一定に維持するのである。このようにしても、少なくとも半導体ウェハーＷの搬出時における窒素ガス流の流速変化は生じないため、搬出時にパーティクルが巻き上がることが防止され、そのようなパーティクルが半導体ウェハーＷに付着するのを防止することができる。
また、チャンバー６に供給する窒素ガスの流量変化は図１３に示すようなものであっても良い。図１３に示す例においては、チャンバー６への窒素ガスの供給を開始する時刻ｔ０からフラッシュ光照射時に半導体ウェハーＷの表面温度が裏面温度と等しくなる時刻ｔ４６まで、窒素ガスの供給流量を２０リットル／分に維持している。そして、半導体ウェハーＷの表面温度が最高温度である処理温度Ｔ２から降温して裏面温度と等しくなった時刻ｔ４６にチャンバー６内に供給する窒素ガスの流量を４０リットル／分に増加する。続いて、フラッシュ光が照射されてから半導体ウェハーＷが搬出されるまでの間のいずれかの時点である時刻ｔ４９に、チャンバー６内に供給する窒素ガスの流量を２０リットル／分に減少し、半導体ウェハーＷが搬出されるまで窒素ガスの供給流量を２０リットル／分に維持している。
このようにしても、上記実施形態と同様に、半導体ウェハーＷの表面温度が注入された不純物の挙動に影響を与えない温度にまで降温してからチャンバー６内に供給する窒素ガスの流量を４０リットル／分に増加しているため、面内温度分布が不均一となることに起因した悪影響を抑制しつつ、半導体ウェハーＷに付着するパーティクルを低減することができる。また、半導体ウェハーＷの搬出時における窒素ガス流の流速変化は生じないため、搬出時にパーティクルが巻き上がることが防止され、そのようなパーティクルが半導体ウェハーＷに付着するのを防止することができる。もっとも、半導体ウェハーＷの搬入・搬出時に、搬送開口部６６からの外部雰囲気の巻き込みを確実に防止するためには、上記実施形態のように、搬入・搬出時に窒素ガスの供給流量を大流量としておく方が好ましい。
また、上記実施形態においては、半導体ウェハーＷの表面にフラッシュ光を照射して熱処理を行うようにしていたが、半導体ウェハーＷの裏面にフラッシュ光を照射するようにしても良い。具体的には、半導体ウェハーＷの表裏を反転させて保持部７に保持（つまり、表面を下面として保持）させて上記実施形態と同様の処理を行うようにすれば良い。また、熱処理装置の構成をチャンバー６の上側にハロゲン加熱部４を配置するとともに、下側にフラッシュ加熱部５を配置し、その熱処理装置にてフラッシュ加熱処理を行うようにしても良い。
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、上記実施形態においては、チャンバー６に供給する窒素ガスの流量を２０リットル／分と４０リットル／分とに切り替えていたが、これに限定されるものではなく、増加後または減少後の窒素ガスの供給流量はチャンバー６の容積などに応じた適宜の値とすることができる。半導体ウェハーＷの予備加熱処理およびフラッシュ加熱処理を行うときには、面内温度分布の均一性が維持される窒素ガスの流量とするのが好ましい。一方、フラッシュ光照射後に窒素ガスの流量を増加するときには、パーティクルが効果的にチャンバー６から排出される窒素ガスの流量とするのが好ましい。
また、チャンバー６に供給するガスは、窒素ガスに限定されるものではなく、例えばアルゴンガス（Ａｒ）やヘリウムガス（Ｈｅ）などのその他の不活性ガスであっても良い。もっとも、上記実施形態のように、窒素ガスを供給する方がコストを低く抑制することができる。
また、上記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。
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
６３ 上側チャンバー窓
６４ 下側チャンバー窓
６５ 熱処理空間
７４ サセプター
８０ 流量調整バルブ
８５ 窒素ガス供給源
ＦＬ フラッシュランプ
ＨＬ ハロゲンランプ
Ｗ 半導体ウェハー

Claims (12)

  1. 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を所定の予備加熱温度に加熱する予備加熱手段と、
    前記保持手段に保持された基板の一方面にフラッシュ光を照射するフラッシュランプと、
    前記チャンバー内に不活性ガスを供給するガス供給手段と、
    前記チャンバー内の雰囲気を排気する排気手段と、
    前記保持手段に保持された基板にフラッシュ光が照射されて前記一方面の温度が最高温度に到達した後に所定の温度にまで降温したときに、前記ガス供給手段から前記チャンバー内に供給する不活性ガスの流量を増加させる流量制御手段と、
    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、
    前記流量制御手段は、前記基板の前記一方面の温度が他方面の温度と等しくなったときに、前記ガス供給手段から前記チャンバー内に供給する不活性ガスの流量を増加させることを特徴とする熱処理装置。
  3. 請求項１記載の熱処理装置において、
    前記流量制御手段は、前記基板の前記一方面の温度が前記一方面に注入された不純物の拡散および不活性化が生じない温度にまで降温したときに、前記ガス供給手段から前記チャンバー内に供給する不活性ガスの流量を増加させることを特徴とする熱処理装置。
  4. 請求項１記載の熱処理装置において、
    前記流量制御手段は、前記基板の前記一方面の温度が前記予備加熱温度にまで降温したときに、前記ガス供給手段から前記チャンバー内に供給する不活性ガスの流量を増加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、
    前記流量制御手段は、前記基板の前記一方面の温度が前記所定の温度にまで降温したときに、前記ガス供給手段から前記チャンバー内に供給する不活性ガスの流量を前記チャンバーから基板を搬出するときと等しい流量に増加させることを特徴とする熱処理装置。
  6. 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を所定の予備加熱温度に加熱する予備加熱手段と、
    前記保持手段に保持された基板の一方面にフラッシュ光を照射するフラッシュランプと、
    前記チャンバー内に不活性ガスを供給するガス供給手段と、
    前記チャンバー内の雰囲気を排気する排気手段と、
    前記保持手段に保持された基板にフラッシュ光が照射されてから前記チャンバーから当該基板が搬出されるまでの間に、前記ガス供給手段から前記チャンバー内に供給する不活性ガスの流量を増加して前記チャンバーから前記基板が搬出されるまで流量を維持する流量制御手段と、
    を備えることを特徴とする熱処理装置。
  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方法であって、
    チャンバー内に収容した基板を所定の予備加熱温度に加熱する予備加熱工程と、
    前記予備加熱温度に加熱された前記基板の一方面にフラッシュランプからフラッシュ光を照射するフラッシュ光照射工程と、
    前記基板にフラッシュ光が照射されて前記一方面の温度が最高温度に到達した後に所定の温度にまで降温したときに、前記チャンバー内に供給する不活性ガスの流量を増加させる流量制御工程と、
    を備えることを特徴とする熱処理方法。
  8. 請求項７記載の熱処理方法において、
    前記流量制御工程では、前記基板の前記一方面の温度が他方面の温度と等しくなったときに、前記チャンバー内に供給する不活性ガスの流量を増加させることを特徴とする熱処理方法。
  9. 請求項７記載の熱処理方法において、
    前記流量制御工程では、前記基板の前記一方面の温度が前記一方面に注入された不純物の拡散および不活性化が生じない温度にまで降温したときに、前記チャンバー内に供給する不活性ガスの流量を増加させることを特徴とする熱処理方法。
  10. 請求項７記載の熱処理方法において、
    前記流量制御工程では、前記基板の前記一方面の温度が前記予備加熱温度にまで降温したときに、前記チャンバー内に供給する不活性ガスの流量を増加させることを特徴とする熱処理方法。
  11. 請求項７から請求項１０のいずれかに記載の熱処理方法において、
    前記流量制御工程では、前記基板の前記一方面の温度が前記所定の温度にまで降温したときに、前記チャンバー内に供給する不活性ガスの流量を前記チャンバーから基板を搬出するときと等しい流量に増加させることを特徴とする熱処理方法。
  12. 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、
    チャンバー内に収容した基板を所定の予備加熱温度に加熱する予備加熱工程と、
    前記予備加熱温度に加熱された前記基板の一方面にフラッシュランプからフラッシュ光を照射するフラッシュ光照射工程と、
    前記基板にフラッシュ光が照射されてから前記チャンバーから当該基板が搬出されるまでの間に、前記チャンバー内に供給する不活性ガスの流量を増加して前記チャンバーから前記基板が搬出されるまで流量を維持する流量制御工程と、
    を備えることを特徴とする熱処理方法。
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