JP2013207148A - 熱処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板の周方向における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】チャンバー６の上方にフラッシュランプＦＬが配置され、下方にハロゲンランプＨＬが配置される。チャンバー６の下部開口を覆う下部石英窓６４は回転駆動部９０によって回転される。下部石英窓６４が回転すると、それに載置された保持部７および半導体ウェハーＷも回転する。保持部７に保持された半導体ウェハーＷの下面にハロゲンランプＨＬからハロゲン光を照射するときに、保持部７とともに下部石英窓６４をチャンバー６に対して回転させる。これにより、回転する半導体ウェハーＷに対してハロゲン光が照射されることとなり、半導体ウェハーＷの周方向における温度分布を均一にすることができる。
【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、サセプター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

しかし、特許文献１に開示されるようなフラッシュランプアニール装置においては、ハロゲンランプによる予備加熱のときに、半導体ウェハーの中央から周縁部に向けて低温になりやすい。このため、特許文献１に開示される装置においては、ハロゲンランプの配設密度を半導体ウェハーの中央部よりも周縁部に対向する領域の方が高くなるようにしている。このようにして半導体ウェハーの周縁部に照射される光量を多くすることにより、半導体ウェハーの径方向の温度分布については概ね均一とすることができるものの、同一半径の周方向に沿った温度分布の不均一を解消することはできなかった。特に、半導体ウェハーの周縁部において、周方向に沿った温度分布のバラツキが大きくな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、基板の周方向における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、前記チャンバーの下部開口を覆う下部石英窓と、前記下部石英窓に載置され、前記チャンバー内にて基板を保持する保持手段と、前記下部石英窓の下方に設けられ、前記保持手段に保持された基板の下面に前記下部石英窓を介して光を照射するハロゲンランプと、前記保持手段とともに前記下部石英窓を前記チャンバーに対して回転させる回転駆動手段と、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、前記回転駆動手段は前記チャンバーの外部に設けられ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、前記回転駆動手段は前記下部石英窓の端縁部が嵌合された枠体を介して前記下部石英窓を回転させ、前記枠体と前記チャンバーと間にはシール部が設けられ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、前記下部石英窓の上面に凹部を形成し、前記保持手段の一部を前記凹部に嵌め込むことを特徴とする。

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、目標とする基板の面内温度分布精度と、前記ハロゲンランプからの光照射によって基板が昇温する昇温レートと、に基づいて算定される回転数にて前記下部石英窓が回転するように前記回転駆動手段を制御する制御手段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５の発明に係る熱処理装置において、前記制御手段は、基板が前記面内温度分布精度に相当する温度だけ昇温する間に、前記下部石英窓を１回転以上回転させることを特徴とする。

また、請求項７の発明は、請求項１から請求項６のいずれかの発明に係る熱処理装置において、前記チャンバーの上部開口を覆う上部石英窓と、前記上部石英窓の上方に設けられ、前記保持手段に保持された基板の上面に前記上部石英窓を介してフラッシュ光を照射するフラッシュランプと、をさらに備え、前記ハロゲンランプによって所定温度にまで予備加熱された基板に前記フラッシュランプからフラッシュ光を照射す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、基板を保持する保持手段とともに下部石英窓をチャンバーに対して回転させるため、基板を回転させつつハロゲンランプから光を照射することができ、基板の周方向における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、回転駆動手段はチャンバーの外部に設けられるため、回転駆動手段から発生したパーティクルがチャンバーの内部に流入して基板を汚染するのを防止することができる。

特に、請求項３の発明によれば、下部石英窓の端縁部が嵌合された枠体とチャンバーと間にはシール部が設けられるため、チャンバーの外部雰囲気がチャンバー内部に流入するのを防止しつつ、下部石英窓を回転させることができる。

特に、請求項４の発明によれば、保持手段の一部を下部石英窓の凹部に嵌め込むため、保持手段を安定して下部石英窓に載置することができる。

特に、請求項６の発明によれば、基板が面内温度分布精度に相当する温度だけ昇温する間に、下部石英窓を１回転以上回転させるため、基板の周方向における温度分布を目標とする面内温度分布精度の範囲内に収めることができる。

特に、請求項７の発明によれば、ハロゲンランプによって所定温度にまで予備加熱された基板にフラッシュランプからフラッシュ光を照射するため、フラッシュ光照射時における基板の面内温度分布をも均一にすることができる。

本発明に係る熱処理装置の要部構成を示す図である。 保持部の脚部が下部石英窓に嵌め込まれる様子を示す図である。 チャンバーの底部近傍の拡大図である。 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。 半導体ウェハーの昇温レートと下部石英窓の回転数との相関を示す図である。 下部石英窓に嵌め込まれた保持部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シリコン半導体ウェハー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、チャンバー６の上側に設けられたフラッシュランプハウス５と、チャンバー６の下側に設けられたハロゲンランプハウス４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形状を有する。チャンバー６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の上部開口には上部石英窓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上部石英窓６１は、石英により形成された円板形状部材であり、フラッシュランプＦＬ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。

チャンバー６の下部開口は、下部石英窓６４によって覆われている。但し、下部石英窓６４はチャンバー６と直接には接触していない。下部石英窓６４も石英により形成された円板形状部材であり、ハロゲンランプＨＬから出射されたハロゲン光をチャンバー６内に透過する。上部石英窓６１、下部石英窓６４およびチャンバー６の壁面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。

円板形状の下部石英窓６４の外周端には枠体８０が装着されている。枠体８０は、第１枠部８１と第２枠部８２とを備える。第１枠部８１は、円環形状の板状部材である。第１枠部８１の内径は下部石英窓６４の外径に等しく、第１枠部８１の内側に下部石英窓６４の端縁部が嵌合されて固定されている。また、第１枠部８１の外径はチャンバー６の外径よりも大きい。

第２枠部８２は、第１枠部８１の上面に立設された円筒状部材である。第２枠部８２の内径はチャンバー６の外径よりも大きい。よって、チャンバー６の底部近傍の外周は所定の間隔を隔てて第２枠部８２に取り囲まれることとなる。また、チャンバー６の底部と第１枠部８１の上面とも非接触であり、それらの間には所定間隔の隙間が形成される。第１枠部８１および第２枠部８２は金属材料（例えば、ステンレススチール等）にて形成される。

また、下部石英窓６４の上面には保持部７が載置されている。保持部７は、保持プレート７１と脚部７２とを備える。保持プレート７１および脚部７２を含む保持部７の全体は石英にて形成されている。保持プレート７１は円形の平板状部材である。保持プレート７１の直径は半導体ウェハーＷの直径（本実施形態ではφ３００ｍｍ）よりも大きい。すなわち、保持プレート７１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７１の上面には、半導体ウェハーＷの横方向の位置を規制するための複数のガイドピンが立設されていても良い。また、保持プレート７１には、温度測定のための開口部や半導体ウェハーＷの移載のための貫通孔が形成されていても良い（いずれも図示省略）。

保持プレート７１の周縁部には複数の脚部７２が溶接によって固着されている。本実施形態では、４本の脚部７２が保持プレート７１の周縁部に沿って９０°毎に設けられている。なお、脚部７２の本数は４本に限定されるものではなく、保持プレート７１を安定して支持することができる３本以上であれば良い。

図２は、保持部７の脚部７２が下部石英窓６４に嵌め込まれる様子を示す図である。下部石英窓６４の上面には脚部７２の下端部７２ａの形状に適合する凹部６８が形設されている。本実施形態では、４本の脚部７２に対応して凹部６８が４箇所形設される。そして、４本の脚部７２の下端部７２ａのそれぞれが凹部６８に嵌め込まれることによって、保持部７が下部石英窓６４に安定して載置される。保持部７が下部石英窓６４に載置された状態においては、円板形状の保持プレート７１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、保持部７の保持プレート７１の上に水平姿勢にて載置されて保持される。

図１に戻り、熱処理装置１は、下部石英窓６４を回転させる回転駆動部９０を備える。回転駆動部９０は、モータ９１および回転伝導部９２を備える。図１に示すように、回転駆動部９０はチャンバー６の外部に設けられる。モータ９１が回転軸９３を回転させると、その回転駆動力は回転伝導部９２を介して枠体８０に伝達される。これにより、枠体８０およびそれに嵌合された下部石英窓６４は、保持部７に保持された半導体ウェハーＷの中心軸ＣＸを回転中心として水平面内で回転される。なお、回転伝導部９２としては、例えば、２本の歯車軸が交差するかさ歯車などの歯車機構、ベルト駆動機構、リニアモータなど公知の種々の機構を採用することができる。

上述したように、下部石英窓６４および枠体８０とチャンバー６とは非接触であるため、チャンバー６を固定したまま下部石英窓６４および枠体８０のみを回転させることができる。下部石英窓６４が回転すると、それに載置された保持部７も中心軸ＣＸを回転中心として回転する。従って、保持部７の保持プレート７１に半導体ウェハーＷが保持されているときに回転駆動部９０が下部石英窓６４を回転させると、固定されたチャンバー６の内部にて半導体ウェハーＷが中心軸ＣＸを回転中心として回転することとなる。

図３は、チャンバー６の底部近傍の拡大図である。枠体８０の第１枠部８１および下部石英窓６４はチャンバー６と非接触である。チャンバー６の底部と第１枠部８１の上面との間には所定間隔の隙間が形成されている。また、円筒形状の第２枠部８２の内壁面とチャンバー６の外壁面との間にも所定間隔の隙間が形成されている。そして、この第２枠部８２とチャンバー６との間の隙間にシール部２０が設けられている。シール部２０としては、相対運動を行う部材間を密閉することができる公知の種々のシール機構を適用することができ、例えば磁気シールやリップシールを用いることができる。

第２枠部８２とチャンバー６との間の隙間にシール部２０を設けることにより、下部石英窓６４および枠体８０とチャンバー６との間を密閉した状態のまま下部石英窓６４を回転させることができる。このため、下部石英窓６４が回転したときにも、熱処理空間６５を密閉空間として装置外部の雰囲気との流通を遮断することができる。なお、チャンバー６の上部開口は上部石英窓６１によって気密に閉塞されている。

図１に戻り、チャンバー６の上方に固定設置されたフラッシュランプハウス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。フラッシュランプＦＬはチャンバー６の上方から上部石英窓６１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の下方に固定設置されハロゲンランプハウス４は、筐体４１の内部に、複数本（本実施形態では４０本）のハロゲンランプＨＬと、それらの下方を覆うように設けられたリフレクタ４２を備える。複数のハロゲンランプＨＬはチャンバー６の下方から下部石英窓６４を介して熱処理空間６５への光照射を行う。図４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４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、ハロゲンランプハウス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。

リフレクタ４２は、複数のハロゲンランプＨＬ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は、フラッシュランプハウス５のリフレクタ５２と同様のものであり、複数のハロゲンランプＨＬから出射された光を熱処理空間６５に反射する。なお、チャンバー６の上下に固定設置されたフラッシュランプハウス５およびハロゲンランプハウス４は回転するものではない。

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には、光照射によって半導体ウェハーＷを加熱するアニール装置としての典型的な構成要素が適宜設けられている。例えば、熱処理装置１は、ハロゲンランプＨＬおよびフラッシュランプＦＬからの光照射による過剰な温度上昇を防止するために、チャンバー６の壁体に水冷管を設けている。また、チャンバー６の壁体の一部には、熱処理空間６５に半導体ウェハーＷを搬入出するための搬送開口部（炉口）が形設されている。また、熱処理装置１は、チャンバー６内に窒素ガス（Ｎ_２）などの処理ガスを供給するガス供給機構およびチャンバー６内から雰囲気の排気を行う排気機構を備える。さらに、熱処理装置１は、熱処理中の半導体ウェハーＷの温度を測定するための放射温度計などを備える（いずれも図示省略）。

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、図示省略の搬送開口部が開放され、装置外部の搬送ロボットによっ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Ｓ１）。チャンバー６内に搬入された半導体ウェハーＷは保持部７の保持プレート７１上に載置される。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水平姿勢にて保持プレート７１に保持される。なお、半導体ウェハーＷの搬入時には、下部石英窓６４および保持部７が回転していないことは勿論である。

半導体ウェハーＷが保持部７の保持プレート７１に保持された後、搬送開口部が閉鎖され、ハロゲンランプハウス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Ｓ２）。ハロゲンランプＨＬの発光出力は制御部３によって制御されている。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部石英窓６４および保持プレート７１を透過して半導体ウェハーＷの下面から照射される。本実施形態では、半導体ウェハーＷの下面は、表面とは反対側のパターン形成がなされていない裏面である。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。予備加熱時の半導体ウェハーＷの温度は放射温度計などの温度センサによって測定され、制御部３に伝達される。

また、ハロゲンランプＨＬによる予備加熱が開始されるのと同時に、下部石英窓６４の回転が開始される（ステップＳ３）。すなわち、ステップＳ２とステップＳ３とは並行して実行される。制御部３の制御により回転駆動部９０が枠体８０および下部石英窓６４の回転を開始する。下部石英窓６４が回転すると、それに載置された保持部７および半導体ウェハーＷも中心軸ＣＸを回転中心として固定されたチャンバー６内にて下部石英窓６４と等しい回転数にて回転する。これにより、回転する半導体ウェハーＷの裏面にハロゲンランプＨＬから光照射が行われることとなる。なお、保持部７の脚部７２は下部石英窓６４の凹部６８に嵌め込まれているため、下部石英窓６４が回転したときには、それに連動して保持部７も確実に回転することとなる。

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、温度センサ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。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。

また、制御部３は、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が昇温する昇温レートに応じて下部石英窓６４の回転数（つまり、半導体ウェハーＷの回転数）を制御する（ステップＳ４）。図６は、半導体ウェハーＷの昇温レートと下部石英窓６４の回転数との相関を示す図である。時刻ｔ０にチャンバー６内に半導体ウェハーＷが搬入されて保持部７に保持され、時刻ｔ１にハロゲンランプＨＬによる予備加熱が開始される。時刻ｔ１から時刻ｔ２までは、半導体ウェハーＷの昇温レートが３０℃／秒となるように、制御部３がハロゲンランプＨＬの出力を制御している。この時刻ｔ１から時刻ｔ２までの予備加熱開始直後の間は、下部石英窓６４の回転数が１８０ｒｐｍとなるように、制御部３が回転駆動部９０を制御している。

次に、時刻ｔ２から時刻ｔ３までは、半導体ウェハーＷの昇温レートが１００℃／秒の比較的急速昇温となるように、制御部３がハロゲンランプＨＬの出力を制御する。この時刻ｔ２から時刻ｔ３までの間は、下部石英窓６４の回転数が６００ｒｐｍとなるように、制御部３が回転駆動部９０を制御する。続いて、時刻ｔ３から時刻ｔ４までは、半導体ウェハーＷの昇温レートが１５℃／秒の比較的低速の昇温となるように、制御部３がハロゲンランプＨＬの出力を制御する。この時刻ｔ３から時刻ｔ４までの間は、下部石英窓６４の回転数が１２０ｒｐｍとなるように、制御部３が回転駆動部９０を制御する。

本実施形態においては、加熱処理中における目標とする半導体ウェハーＷの面内温度分布精度を１０℃に設定している。すなわち、半導体ウェハーＷの面内における最高温度と最低温度との差を１０℃以内とすることを目標としている。そして、この面内温度分布精度と半導体ウェハーＷの昇温レートとに基づいて算定される回転数にて下部石英窓６４が回転するように制御部３が回転数制御を行っている。具体的には、半導体ウェハーＷが目標とする面内温度分布精度である１０℃昇温する間に、下部石英窓６４が１回転以上回転するように制御部３が回転駆動部９０を制御している。

例えば、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間は、半導体ウェハーＷの昇温レートが３０℃／秒であるため、１０℃昇温するのに１／３秒を要する。１／３秒で下部石英窓６４が１回転する回転数は１８０ｒｐｍである。同様に、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの間は、半導体ウェハーＷの昇温レートが１００℃／秒であるため、１０℃昇温するのに１／１０秒を要する。１／１０秒で下部石英窓６４が１回転する回転数は６００ｒｐｍである。一方、時刻ｔ３から時刻４までの間は、半導体ウェハーＷが面内温度分布精度である１０℃昇温する間に下部石英窓６４が１回転を超えて回転する（１０℃昇温する間に１回転する回転数は９０ｒｐｍ）。

このようにして昇温レートおよび回転数を制御しつつ、半導体ウェハーＷの予備加熱が進行し、時刻ｔ４には半導体ウェハーＷの温度が所定の予備加熱温度Ｔ１に到達する。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、半導体ウェハーＷがその予備加熱温度Ｔ１に維持されるように、制御部３がハロゲンランプＨＬの出力を制御する。

時刻ｔ４以降においては、ハロゲンランプＨＬからの光照射によっては半導体ウェハーＷは昇温しない（つまり、昇温レート０℃／秒）のであるが、このときにも下部石英窓６４の回転数が６０ｒｐｍとなるように、制御部３が回転駆動部９０を制御する。すなわち、ハロゲンランプＨＬからの光照射が行われている間は、下部石英窓６４の回転も継続されており、その回転数の下限値は６０ｒｐｍとされている。

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ｔ５に、フラッシュランプハウス５のフラッシュランプＦＬから半導体ウェハーＷの上面（本実施形態では表面）にフラッシュ光が照射される（ステップＳ５）。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（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。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。

フラッシュ加熱処理が終了した後、所定時間が経過した時刻ｔ６にハロゲンランプＨＬが消灯する（ステップＳ６）。時刻ｔ６にハロゲンランプＨＬが消灯するのと同時に、下部石英窓６４の回転も停止するように制御部３が回転駆動部９０を制御する。このように、ハロゲンランプＨＬが発光を開始した時刻ｔ１から発光を停止する時刻ｔ６まで、下部石英窓６４は継続して回転されている。半導体ウェハーＷが室温から予備加熱温度Ｔ１にまで昇温しているとき（時刻ｔ１から時刻ｔ４）には、目標とする面内温度分布精度である１０℃昇温する間に、下部石英窓６４が１回転以上回転するように制御部３が回転数制御を行っている。また、半導体ウェハーＷが予備加熱温度Ｔ１に維持されている間（時刻ｔ４から時刻ｔ６）は、下部石英窓６４の回転数は下限値である６０ｒｐｍとされる。

従って、フラッシュランプＦＬからフラッシュ光が照射される時刻ｔ５にも下部石英窓６４は６０ｒｐｍで回転されている。もっとも、フラッシュ光の照射時間は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時間であるため、フラッシュ光が照射されている間における下部石英窓６４の回転は１回転にも満たない（照射時間が１０ミリセカンドであれば、０．０１回転）。

時刻ｔ６にハロゲンランプＨＬが消灯することにより、半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１から急速に降温する。降温中の半導体ウェハーＷの温度も温度センサによって測定され、その測定結果は制御部３に伝達される。制御部３は、温度センサ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、チャンバー６の搬送開口部が開放され、熱処理後の半導体ウェハー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（ステップＳ７）。

本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の下面にハロゲンランプＨＬからハロゲン光を照射するときに、保持部７とともに下部石英窓６４をチャンバー６に対して回転させている。これにより、予備加熱時には回転する半導体ウェハーＷに対してハロゲン光が照射されることとなる。半導体ウェハーＷを回転させつつハロゲン光を照射することにより、半導体ウェハーＷの面内温度分布の不均一を解消することができ、特に半導体ウェハーＷの周方向における温度分布を均一にすることができる。その結果、フラッシュ光照射時における半導体ウェハーＷの面内温度分布をも均一にすることができる。なお、半導体ウェハーＷの径方向については、ハロゲンランプＨＬの配設密度を中央部よりも周縁部を高くする（図４参照）などの手法によって均一にしている。

また、下部石英窓６４の回転数については、目標とする半導体ウェハーＷの面内温度分布精度と、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が昇温する昇温レートと、に基づいて算定される回転数にて回転するように制御部３が回転駆動部９０を制御している。本実施形態の例では、半導体ウェハーＷが目標の面内温度分布精度に相当する１０℃昇温する間に、下部石英窓６４を１回転以上回転させている。半導体ウェハーＷの昇温レートが高くなるほど、目標の面内温度分布精度に相当する１０℃昇温するのに要する時間が短くなるため、下部石英窓６４の回転数を増加しなければならない。このようにすれば、半導体ウェハーＷの周方向における温度分布を目標とする面内温度分布精度の範囲内に収めることができる。

また、図６に示したように、予備加熱開始直後（時刻ｔ１〜時刻ｔ２）および半導体ウェハーＷが予備加熱温度Ｔ１に到達する直前（時刻ｔ３〜時刻ｔ４）では、その間の期間（時刻ｔ２〜時刻ｔ３）よりも昇温レートを低くし、下部石英窓６４の回転数も比較的小さくしている。すなわち、予備加熱時に半導体ウェハーＷを昇温するときには下部石英窓６４の回転数をＳ字制御している。このようにすることによって、下部石英窓６４並びにそれに載置された保持部７および半導体ウェハーＷの回転数が急激に変化するのを防ぎ、半導体ウェハーＷの位置ずれなどを防止することができる。このようなＳ字制御は、下部石英窓６４の回転数変更時および停止時に行うようにしても良い。

また、本実施形態においては、モータ９１および回転伝導部９２を含む回転駆動部９０をチャンバー６の外部に設けている。このため、回転駆動部９０の駆動にともなって発生したパーティクルがチャンバー６の内部に流入して半導体ウェハーＷを汚染する懸念は無い。

また、固定されたチャンバー６と回転する下部石英窓６４および枠体８０との間はシール部２０によって密閉されている。このため、チャンバー６の外部雰囲気がチャンバー６内部に流入するのを防止しつつ、下部石英窓６４を回転させることができる。

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、半導体ウェハーＷの昇温レートおよび下部石英窓６４の回転数は上記実施形態の例に限定されるものではなく、処理目的に応じた適宜の値とすることができる。昇温レートを変更した場合であっても、半導体ウェハーＷが目標とする面内温度分布精度である１０℃昇温する間に、下部石英窓６４が１回転以上回転するように制御部３が回転数制御を行う。目標とする面内温度分布精度が一定であれば、半導体ウェハーＷの昇温レートが高くなるほど下部石英窓６４の回転数を増加する。また、下部石英窓６４の回転の開始時、停止時および回転数変更時には、上記実施形態のようなＳ字制御を行うのが好ましい。

また、目標とする面内温度分布精度も１０℃に限定されるものではなく、要求に応じた適宜の値とすることができる。目標とする面内温度分布精度が大きいほど（つまり、許容される面内温度分布のバラツキが大きいほど）、それに相当する温度を昇温するのに要する時間が長くなるため、下部石英窓６４の回転数を少なくすることができる。

また、下部石英窓６４に嵌め込む保持部７の形状は図７に示すようなものであっても良い。図７に示す例では、保持プレート７１に対して鈍角をなすように脚部７２が設けられている。そして、下部石英窓６４の上面には傾斜して設けられた脚部７２の下端部７２ａの形状に適合する凹部が形設されており、その凹部に脚部７２の下端部７２ａが嵌め込まれる。このようにしても、保持部７は下部石英窓６４に安定して載置されることとなり、下部石英窓６４が回転したときには、それに連動して保持部７も確実に回転することとなる。

また、保持部７の脚部７２を溶接等によって下部石英窓６４に固着するようにしても良い。このようにしても、保持部７が下部石英窓６４に確実に装着されることとなるため、下部石英窓６４の回転に連動して保持部７も確実に回転することとなる。但し、下部石英窓６４および保持部７については定期的に洗浄処理を行って清浄度を維持しなければならないが、そのようなメンテナンス性を考慮すると上記実施形態のように保持部７を下部石英窓６４に着脱可能としておく方が好ましい。

また、上記実施形態においては、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半導体ウェハーＷを保持していたが、これを逆向き、つまり表面を下面として半導体ウェハーＷを保持部７に保持するようにしても良い。この場合、パターン形成のなされていない半導体ウェハーＷの裏面にフラッシュ光が照射されることとなる。

また、上記実施形態においては、フラッシュランプハウス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、ハロゲンランプハウス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、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。

また、本発明に係る熱処理技術は、フラッシュランプアニール装置に限定されるものではなく、ハロゲンランプを使用した枚葉式のランプアニール装置やＣＶＤ装置などのフラッシュランプ以外の熱源の装置にも適用することができる。特に、チャンバーの下方にハロゲンランプを配置し、半導体ウェハーの裏面から光照射を行って熱処理を行うバックサイドアニール装置に本発明に係る技術は好適に適用することができる。

１ 熱処理装置
３ 制御部
４ ハロゲンランプハウス
５ フラッシュランプハウス
６ チャンバー
７ 保持部
２０ シール部
７１ 保持プレート
７２ 脚部
６１ 上部石英窓
６４ 下部石英窓
６５ 熱処理空間
６８ 凹部
８０ 枠体
８１ 第１枠部
８２ 第２枠部
９０ 回転駆動部
９１ モータ
９２ 回転伝導部
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 (7)

1. 基板に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、
   前記チャンバーの下部開口を覆う下部石英窓と、
   前記下部石英窓に載置され、前記チャンバー内にて基板を保持する保持手段と、
   前記下部石英窓の下方に設けられ、前記保持手段に保持された基板の下面に前記下部石英窓を介して光を照射するハロゲンランプと、
   前記保持手段とともに前記下部石英窓を前記チャンバーに対して回転させる回転駆動手段と、
   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、
   前記回転駆動手段は前記チャンバーの外部に設けられ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、
   前記回転駆動手段は前記下部石英窓の端縁部が嵌合された枠体を介して前記下部石英窓を回転させ、
   前記枠体と前記チャンバーと間にはシール部が設けられることを特徴とする熱処理装置。
4. 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、
   前記下部石英窓の上面に凹部を形成し、
   前記保持手段の一部を前記凹部に嵌め込む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、
   目標とする基板の面内温度分布精度と、前記ハロゲンランプからの光照射によって基板が昇温する昇温レートと、に基づいて算定される回転数にて前記下部石英窓が回転するように前記回転駆動手段を制御する制御手段をさらに備えることを特徴とする熱処理装置。
6. 請求項５記載の熱処理装置において、
   前記制御手段は、基板が前記面内温度分布精度に相当する温度だけ昇温する間に、前記下部石英窓を１回転以上回転させることを特徴とする熱処理装置。
7. 請求項１から請求項６のいずれかに記載の熱処理装置において、
   前記チャンバーの上部開口を覆う上部石英窓と、
   前記上部石英窓の上方に設けられ、前記保持手段に保持された基板の上面に前記上部石英窓を介してフラッシュ光を照射するフラッシュランプと、
   をさらに備え、
   前記ハロゲンランプによって所定温度にまで予備加熱された基板に前記フラッシュランプからフラッシュ光を照射することを特徴とする熱処理装置。

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