JP2014049468A - 熱処理方法および熱処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フラッシュ光照射によって基板の表面を溶融させることができる熱処理方法および熱処理装置を提供する。
【解決手段】長パルスの発光を行うフラッシュランプから半導体ウェハーの表面に３ミリ秒の照射時間にてフラッシュ光を照射して当該表面をシリコン融点ＭＰよりは低い第１目標温度Ｔ２にまで昇温する。そして、第１目標温度Ｔ２にまでされた半導体ウェハーの表面に短パルスの発光を行うフラッシュランプから０．１ミリ秒の照射時間にてフラッシュ光を照射して当該表面を融点ＭＰ以上の第２目標温度Ｔ３にまで昇温する。２段階のフラッシュ光照射を行うことにより、発光回路およびフラッシュランプに過度の負荷を与えることなく、半導体ウェハーの表面をシリコンの融点ＭＰ以上に昇温して溶融させることができる。
【選択図】図１２

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方法および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シリコンの半導体ウェハーに衝突させて物理的に不純物注入を行う技術である。注入された不純物はアニール処理によって活性化される。この際に、アニール時間が数秒程度以上であると、打ち込まれた不純物が熱によって深く拡散し、その結果接合深さが要求よりも深くなり過ぎて良好なデバイス形成に支障が生じるおそれがある。

そこで、極めて短時間で半導体ウェハーを加熱するアニール技術として、近年フラッシュランプアニール（ＦＬＡ）が注目されている。フラッシュランプアニールは、キセノンフラッシュランプ（以下、単に「フラッシュランプ」とするときにはキセノンフラッシュランプを意味する）を使用して半導体ウェハーの表面にフラッシュ光を照射することにより、不純物が注入された半導体ウェハーの表面のみを極めて短時間（数ミリ秒以下）に昇温させる熱処理技術である。

キセノンフラッシュランプの放射分光分布は紫外域から近赤外域であり、従来のハロゲンランプよりも波長が短く、シリコンの半導体ウェハーの基礎吸収帯とほぼ一致している。よって、キセノンフラッシュランプから半導体ウェハーにフラッシュ光を照射したときには、透過光が少なく半導体ウェハーを急速に昇温することが可能である。また、数ミリ秒以下の極めて短時間のフラッシュ光照射であれば、半導体ウェハーの表面近傍のみを選択的に昇温できることも判明している。このため、キセノンフラッシュランプによる極短時間の昇温であれば、不純物を深く拡散させることなく、不純物活性化のみを実行することができるのである。

このようなキセノンフラッシュランプを使用した熱処理装置として、特許文献１，２には、半導体ウェハーの表面側にフラッシュランプ等のパルス発光ランプを配置し、裏面側にハロゲンランプ等の連続点灯ランプを配置し、それらの組み合わせによって所望の熱処理を行うものが開示されている。特許文献１，２に開示の熱処理装置においては、ハロゲンランプ等によって半導体ウェハーをある程度の温度まで予備加熱し、その後フラッシュランプからのパルス加熱によって所望の処理温度にまで昇温している。

特開昭６０−２５８９２８号公報 特表２００５−５２７９７２号公報

一方、不純物の活性化率をさらに向上させるべく、不純物が注入された半導体ウェハーの表面のみをさらに高温に加熱して溶融させる検討がなされている。シリコンは熱伝導率が比較的高いため、半導体ウェハーの表面のみを溶融する程度に加熱するためには、表面から裏面に熱が逃げる前に表面のみを急速に昇温する必要がある。半導体ウェハーの表面のみを急速に昇温する技術としてフラッシュランプアニールは好適であるものの、表面が溶融する程度にまで昇温するためには、従来より行われているフラッシュランプアニールよりも、より短時間に、かつ、より強い強度のフラッシュ光を半導体ウェハーの表面に照射する必要がある。

しかしながら、フラッシュランプを発光させる場合、回路の抵抗や容量による制限によって短時間のうちに急激にフラッシュランプに流れる電流を上昇させることには限界がある。また、極短時間のうちに急激に電流値を上昇させたとしても、フラッシュランプを構成する電極やガラス管へのダメージが大きく、特に一定の電流値を超えた場合にはランプ寿命が極度に低下する。さらに、極短時間のうちにより強度の強いフラッシュ光を半導体ウェハーに照射すると、表面の膜剥がれやウェハー割れも問題となる。このような諸問題によって、フラッシュランプアニールにより半導体ウェハーの表面のみを溶融させることは困難であった。

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よって基板の表面を溶融させることができる熱処理方法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、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、基板の表面にフラッシュ光を第１の照射時間にて照射して当該表面を基板の融点よりも低い第１の温度に昇温する第１フラッシュ工程と、前記第１の温度に昇温された前記表面にフラッシュ光を第２の照射時間にて照射して当該表面を前記融点以上の第２の温度に昇温する第２フラッシュ工程と、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方法において、前記第１フラッシュ工程でのフラッシュ光照射を行っている間に、前記第２フラッシュ工程によるフラッシュ光照射を行うことを特徴とする。

また、請求項３の発明は、請求項２の発明に係る熱処理方法において、前記第１の照射時間は、０．５ミリ秒以上１５ミリ秒以下であり、前記第２の照射時間は、０．０５ミリ秒以上３ミリ秒以下であることを特徴とする。

また、請求項４の発明は、請求項３の発明に係る熱処理方法において、前記第２の照射時間は前記第１の照射時間の５分の１以下であ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方法において、前記第１フラッシュ工程の前に、基板を前記第１の温度よりも低い予備加熱温度に加熱する予備加熱工程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１から請求項５のいずれかの発明に係る熱処理方法において、前記基板は表面に不純物が導入されたシリコンの半導体ウェハーであり、当該表面をシリコンの融点以上に昇温することによって前記不純物の活性化を行うことを特徴とする。

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、フラッシュ光を出射する複数のフラッシュランプを有する第１フラッシュランプ群と、フラッシュ光を出射する複数のフラッシュランプを有する第２フラッシュランプ群と、前記保持手段に保持された基板の表面に前記第１フラッシュランプ群から第１の照射時間にてフラッシュ光を照射して当該表面を基板の融点よりも低い第１の温度に昇温させる第１発光回路と、前記第１の温度に昇温された前記表面に前記第２フラッシュランプ群から第２の照射時間にてフラッシュ光を照射して当該表面を前記融点以上の第２の温度に昇温させる第２発光回路と、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装置において、前記第１フラッシュランプ群によるフラッシュ光照射を行っている間に、前記第２発光回路が前記第２フラッシュランプ群によるフラッシュ光照射を行うことを特徴とする。

また、請求項９の発明は、請求項８の発明に係る熱処理装置において、前記第１の照射時間は、０．５ミリ秒以上１５ミリ秒以下であり、前記第２の照射時間は、０．０５ミリ秒以上３ミリ秒以下であることを特徴とする。

また、請求項１０の発明は、請求項９の発明に係る熱処理装置において、前記第２の照射時間は前記第１の照射時間の５分の１以下であ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装置において、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前に、当該基板を前記第１の温度よりも低い予備加熱温度に加熱する予備加熱手段をさらに備えることを特徴とする。

また、請求項１２の発明は、請求項７から請求項１１のいずれかの発明に係る熱処理装置において、前記基板は表面に不純物が導入されたシリコンの半導体ウェハーであり、当該表面をシリコンの融点以上に昇温することによって前記不純物の活性化を行うことを特徴とする。

請求項１から請求項６の発明によれば、基板の表面にフラッシュ光を第１の照射時間にて照射して当該表面を基板の融点よりも低い第１の温度に昇温し、第１の温度に昇温された表面にフラッシュ光を第２の照射時間にて照射して当該表面を融点以上の第２の温度に昇温するため、２段階のフラッシュ光照射を行うこととなって、発光回路およびフラッシュランプに過度の負荷を与えることなく、フラッシュ光照射によって基板の表面を溶融させることができる。

また、請求項７から請求項１２の発明によれば、基板の表面に第１フラッシュランプ群から第１の照射時間にてフラッシュ光を照射して当該表面を基板の融点よりも低い第１の温度に昇温させ、第１の温度に昇温された表面に第２フラッシュランプ群から第２の照射時間にてフラッシュ光を照射して当該表面を融点以上の第２の温度に昇温させるため、２段階のフラッシュ光照射を行うこととなって、発光回路およびフラッシュランプに過度の負荷を与えることなく、フラッシュ光照射によって基板の表面を溶融させることができる。

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。 フラッシュランプの発光回路を示す図である。 複数のフラッシュランプの配置構成を示す図である。 半導体ウェハーの表面温度の変化を示す図である。 フラッシュランプの発光強度の波形を示す図である。 フラッシュ光照射時における半導体ウェハーの表面温度の変化を示す図である。 半導体ウェハーの表面温度が第２目標温度に到達した時刻における半導体ウェハーの深さ方向の温度分布である。 フラッシュランプの配置構成の他の例を示す図である。 フラッシュランプの配置構成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。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。

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（本実施形態では窒素ガス（Ｎ_２））を供給するガス供給孔８１が形設されている。ガス供給孔８１は、凹部６２よりも上側位置に形設されており、反射リング６８に設けられていても良い。ガス供給孔８１はチャンバー６の側壁内部に円環状に形成された緩衝空間８２を介してガス供給管８３に連通接続されている。ガス供給管８３は窒素ガス供給源８５に接続されている。また、ガス供給管８３の経路途中にはバルブ８４が介挿されている。バルブ８４が開放されると、窒素ガス供給源８５から緩衝空間８２に窒素ガスが送給される。緩衝空間８２に流入した窒素ガスは、ガス供給孔８１よりも流体抵抗の小さい緩衝空間８２内を拡がるように流れてガス供給孔８１から熱処理空間６５内へと供給される。

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

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

図２は、保持部７の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。

図８は、フラッシュランプＦＬの発光回路を示す図である。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コンデンサ９３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）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）に応じた電荷が蓄積される。また、コンデンサ９３とガラス管９２の両端電極とを接続する回路にはコイル９４が設けられている。

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９３に電荷が蓄積されてガラス管９２の両端電極に高電圧が印加されたとしても、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、トリガースイッチＳＷをＯＮ状態にしてトリガー電極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コンデンサ９３に蓄えられた電気がガラス管９２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。つまり、キセノンフラッシュランプＦＬの発光開始タイミングはトリガースイッチＳＷをＯＦＦ状態からＯＮ状態に切り換えるタイミングで定まる。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９３に蓄えられていた静電エネルギーが０．０５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。なお、トリガースイッチＳＷとしては例えばサイリスター等の電気的なスイッチ素子を用いる。

ところで、本実施形態においては、３０本のフラッシュランプＦＬが設けられており、それぞれのフラッシュランプＦＬについて図８の如き発光回路が１つ設けられている。フラッシュランプＦＬの発光時間はコンデンサ９３のキャパシタンス（容量）およびコイル９４のインダクタンスによって定まる。フラッシュランプＦＬから出射されるフラッシュ光のパルスの周期、すなわちフラッシュ光照射１回あたりのフラッシュランプＦＬの発光時間は、コンデンサ９３の容量とコイル９４のインダクタンスとの積の１／２乗に比例することが知られており、コンデンサ９３の容量が大きくなるほど、またコイル９４のインダクタンスが大きくなるほど、フラッシュランプＦＬの発光時間は長くなる。

本実施形態においては、コイル９４のインダクタンスが異なる２種類の発光回路を使用しており、３０本のフラッシュランプＦＬのそれぞれは２種のうちのいずれかの発光回路に接続されている。図９は、本実施形態における複数のフラッシュランプＦＬの配置構成を示す図である。図９に示すように、３０本のフラッシュランプＦＬのそれぞれはショートパルス回路（第２発光回路）ＳＰまたはロングパルス回路（第１発光回路）ＬＰのいずれかに接続されている。ショートパルス回路ＳＰおよびロングパルス回路ＬＰは、いずれも図８の構成を有する発光回路であるが、コイル９４のインダクタンスが異なる。ショートパルス回路ＳＰのコイル９４のインダクタンスは、ロングパルス回路ＬＰのコイル９４のインダクタンスよりも小さい。よって、ショートパルス回路ＳＰにおけるコンデンサ９３の容量とコイル９４のインダクタンスとの積の１／２乗は、ロングパルス回路ＬＰにおけるそれよりも小さい。このため、ショートパルス回路ＳＰに接続されたフラッシュランプＦＬ１の発光時間は、ロングパルス回路ＬＰに接続されたフラッシュランプＦＬ２（理解の容易のために図９にはハッチングを付している）の発光時間よりも短い。本実施形態では、ショートパルス回路ＳＰに接続されたフラッシュランプＦＬ１の発光時間が０．１ミリ秒であり、ロングパルス回路ＬＰに接続されたフラッシュランプＦＬ２の発光時間が３ミリ秒である。なお、コイル９４のインダクタンスに代えて、または、それに加えてショートパルス回路ＳＰおよびロングパルス回路ＬＰにおけるコンデンサ９３の容量を異ならせるようにしても良い。

ここで、本実施形態においては図９に示すように、フラッシュランプＦＬ１とフラッシュランプＦＬ２とが交互に一列に配列されている。すなわち、３０本のフラッシュランプＦＬ（フラッシュランプＦＬ１とフラッシュランプＦＬ２とを特に区別して示す必要のないときは単に「フラッシュランプＦＬ」と総称する）を１５本ずつの２つのフラッシュランプ群に区分している。２つのフラッシュランプ群のうち、一方のフラッシュランプ群（第２フラッシュランプ群）をショートパルス回路ＳＰに接続するとともに、他方のフラッシュランプ群（第１フラッシュランプ群）をロングパルス回路ＬＰに接続し、第１フラッシュランプ群を構成するフラッシュランプＦＬ２と第２フラッシュランプ群を構成するフラッシュランプＦＬ１とを交互に配置しているのである。なお、図９では図示の便宜上、１５本のフラッシュランプＦＬ１が１つのショートパルス回路ＳＰに接続され、１５本のフラッシュランプＦＬ２が１つのロングパルス回路ＬＰに接続されているが、上述のように１つのフラッシュランプＦＬには１つの発光回路が設けられており、図９のショートパルス回路ＳＰおよびロングパルス回路ＬＰはそれぞれ１５個の発光回路を包括して記載したものである。

また、図１のリフレクタ５２は、複数のフラッシュランプＦＬの上方にそれら全体を覆うように設けられている。リフレクタ５２の基本的な機能は、複数のフラッシュランプＦＬから出射された光を保持部７の側に反射するというものである。リフレクタ５２はアルミニウム合金板にて形成されており、その表面（フラッシュランプＦＬに臨む側の面）はブラスト処理により粗面化加工が施されている。

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端部側の方がハロゲンランプＨＬの配設ピッチが短い。このため、ハロゲン加熱部４からの光照射による加熱時に温度低下が生じやすい半導体ウェハーＷの周縁部により多い光量の照射を行うことができる。

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

ハロゲンランプＨＬは、ガラス管内部に配設されたフィラメントに通電することでフィラメントを白熱化させて発光させるフィラメント方式の光源である。ガラス管の内部には、窒素やアルゴン等の不活性ガスにハロゲン元素（ヨウ素、臭素等）を微量導入した気体が封入されている。ハロゲン元素を導入することによって、フィラメントの折損を抑制しつつフィラメントの温度を高温に設定することが可能となる。したがって、ハロゲンランプＨＬは、通常の白熱電球に比べて寿命が長くかつ強い光を連続的に照射できるという特性を有する。また、ハロゲンランプＨＬは棒状ランプであるため長寿命であり、ハロゲンランプＨＬを水平方向に沿わせて配置することにより上方の半導体ウェハーＷへの放射効率が優れたものとなる。

また、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、制御部３は、図示省略のトリガー制御回路を制御することによって、所定のタイミングにてショートパルス回路ＳＰおよびロングパルス回路ＬＰのそれぞれのトリガースイッチＳＷをＯＮ状態とする。すなわち、制御部３は、ショートパルス回路ＳＰに接続されたフラッシュランプＦＬ１およびロングパルス回路ＬＰに接続されたフラッシュランプＦＬ２のそれぞれを所定のタイミングにて発光させる。

上記の構成以外にも熱処理装置１は、半導体ウェハーＷの熱処理時にハロゲンランプＨＬおよびフラッシュランプＦＬから発生する熱エネルギーによるハロゲン加熱部４、フラッシュ加熱部５およびチャンバー６の過剰な温度上昇を防止するため、様々な冷却用の構造を備えている。例えば、チャンバー６の壁体には水冷管（図示省略）が設けられている。また、ハロゲン加熱部４およびフラッシュ加熱部５は、内部に気体流を形成して排熱する空冷構造とされている。また、上側チャンバー窓６３とランプ光放射窓５３との間隙にも空気が供給され、フラッシュ加熱部５および上側チャンバー窓６３を冷却する。

次に、熱処理装置１における半導体ウェハーＷの処理手順について説明する。ここで処理対象となる半導体ウェハーＷはイオン注入法により不純物（イオン）が導入されたシリコンの半導体基板である。その導入された不純物の活性化が熱処理装置１によるフラッシュ光照射加熱処理（アニール）により実行される。以下に説明する熱処理装置１の処理手順は、制御部３が熱処理装置１の各動作機構を制御することにより進行する。

まず、給気のためのバルブ８４が開放されるとともに、排気用のバルブ８９，１９２が開放されてチャンバー６内に対する給排気が開始される。バルブ８４が開放されると、ガス供給孔８１から熱処理空間６５に窒素ガスが供給される。また、バルブ８９が開放されると、ガス排気孔８６からチャンバー６内の気体が排気される。これにより、チャンバー６内の熱処理空間６５の上部から供給された窒素ガスが下方へと流れ、熱処理空間６５の下部から排気される。

また、バルブ１９２が開放されることによって、搬送開口部６６からもチャンバー６内の気体が排気される。さらに、図示省略の排気機構によって移載機構１０の駆動部周辺の雰囲気も排気される。なお、熱処理装置１における半導体ウェハーＷの熱処理時には窒素ガスが熱処理空間６５に継続的に供給されており、その供給量は処理工程に応じて適宜変更される。

続いて、ゲートバルブ１８５が開いて搬送開口部６６が開放され、装置外部の搬送ロボットにより搬送開口部６６を介してイオン注入後の半導体ウェハーＷがチャンバー６内の熱処理空間６５に搬入される。搬送ロボットによって搬入された半導体ウェハーＷは保持部７の直上位置まで進出して停止する。そして、移載機構１０の一対の移載アーム１１が退避位置から移載動作位置に水平移動して上昇することにより、リフトピン１２が貫通孔７９を通ってサセプター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、イオン注入がな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。

半導体ウェハーＷが保持部７のサセプター７４に載置されて保持された後、ハロゲン加熱部４の４０本のハロゲンランプＨＬが一斉に点灯して予備加熱（アシスト加熱）が開始される。ハロゲンランプＨＬから出射されたハロゲン光は、石英にて形成された下側チャンバー窓６４およびサセプター７４を透過して半導体ウェハーＷの裏面から照射される。ハロゲンランプＨＬからの光照射を受けることによって半導体ウェハーＷ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１０は、半導体ウェハーＷの表面温度の変化を示す図である。半導体ウェハーＷが搬入されてサセプター７４に載置された後、制御部３が時刻ｔ０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８００℃以下の予備加熱温度Ｔ１（本実施形態では５００℃）にまで昇温している。

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ｔ１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ｔ２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フラッシュ加熱処理を実行する。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ｔ０から時刻ｔ１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ｔ１から時刻ｔ２までの時間）はいずれも数秒程度である。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の制御によってトリガースイッチＳＷがＯＮ状態となる。

図１１は、フラッシュランプＦＬ１およびフラッシュランプＦＬ２の発光強度の時間波形（強度プロファイル）を示す図である。同図において、実線はロングパルス回路ＬＰに接続されたフラッシュランプＦＬ２の発光強度を示し、点線はショートパルス回路ＳＰに接続されたフラッシュランプＦＬ１の発光強度を示す。本実施形態においては、制御部３がまずロングパルス回路ＬＰのトリガースイッチＳＷをＯＮ状態として時刻ｔ２１にフラッシュランプＦＬ２の発光を開始させる。上述したように、フラッシュランプＦＬ２の発光時間は、ロングパルス回路ＬＰのコンデンサ９３の容量とコイル９４のインダクタンスとによって規定されており、本実施形態では３ミリ秒である。すなわち、フラッシュランプＦＬ２は、時刻ｔ２１から時刻ｔ２４までの３ミリ秒間発光する。フラッシュランプＦＬ２から出射されたフラッシュ光は、保持部７のサセプター７４に載置された半導体ウェハーＷの表面に照射される。

ここで、図９に示したように、相対的に発光時間の短いフラッシュランプＦＬ１と発光時間の長いフラッシュランプＦＬ２とが交互に一列に配列されている。すなわち、パルス幅（フラッシュ光のパルスの周期）の異なるフラッシュランプＦＬ１とフラッシュランプＦＬ２とが相互に隣接するように配置されている。このため、１５本のフラッシュランプＦＬ１により構成されるフラッシュランプ群から半導体ウェハーＷの表面の全領域にフラッシュ光が照射されるとともに、１５本のフラッシュランプＦＬ２により構成されるフラッシュランプ群からも半導体ウェハーＷの表面の全領域にフラッシュ光が照射される。

図１２は、フラッシュ光照射時における半導体ウェハーＷの表面温度の変化を示す図である。ロングパルス回路ＬＰに接続されたフラッシュランプＦＬ２の発光時間は３ミリ秒である。このため、フラッシュランプＦＬ２から半導体ウェハーＷの表面には時刻ｔ２１から時刻２４までの３ミリ秒の照射時間にてフラッシュ光が照射される。このフラッシュランプＦＬ２からのフラッシュ光照射によって、半導体ウェハーＷの表面は予備加熱温度Ｔ１から第１目標温度（第１の温度）Ｔ２にまで昇温される。この第１目標温度Ｔ２は、フラッシュランプＦＬ２からのフラッシュ光照射による最高到達温度である。また、第１目標温度Ｔ２は、半導体ウェハーＷの融点ＭＰ、つまりシリコンの融点（約１４１０℃）よりも低い。

次に、半導体ウェハーＷの表面温度が第１目標温度Ｔ２に到達した時刻ｔ２２に、制御部３がショートパルス回路ＳＰのトリガースイッチＳＷをＯＮ状態としてフラッシュランプＦＬ１の発光を開始させる。フラッシュランプＦＬ１の発光時間は、ショートパルス回路ＳＰのコンデンサ９３の容量とコイル９４のインダクタンスとによって規定されており、本実施形態では０．１ミリ秒である。すなわち、フラッシュランプＦＬ１は、時刻ｔ２２から時刻ｔ２３までの０．１ミリ秒間発光する。なお、フラッシュランプＦＬ２が発光を開始する時刻ｔ２１からフラッシュランプＦＬ１が発光を開始する時刻ｔ２２までの間隔は当然に３ミリ秒未満であり、フラッシュランプＦＬ２によるフラッシュ光照射を行っている間に、ショートパルス回路ＳＰがフラッシュランプＦＬ１によるフラッシュ光照射を行う。フラッシュランプＦＬ１から出射されたフラッシュ光もサセプター７４に載置された半導体ウェハーＷの表面に照射される。

ショートパルス回路ＳＰに接続されたフラッシュランプＦＬ１の発光時間は０．１ミリ秒であるため、フラッシュランプＦＬ１から半導体ウェハーＷの表面には時刻ｔ２２から時刻２３までの０．１ミリ秒の照射時間にてフラッシュ光が照射される。フラッシュランプＦＬ１とフラッシュランプＦＬ２とは相互に隣接するように配置されているため、時刻ｔ２２から時刻ｔ２３の間は半導体ウェハーＷの表面の全領域において、フラッシュランプＦＬ１から照射されたフラッシュ光とフラッシュランプＦＬ２から照射されたフラッシュ光とが相互に均一に重なり合う。これにより、半導体ウェハーＷの表面は第１目標温度Ｔ２から第２目標温度（第２の温度）Ｔ３にまで昇温される。第２目標温度Ｔ３は、フラッシュランプＦＬ１からのフラッシュ光照射による最高到達温度である。そして、第２目標温度Ｔ３は、半導体ウェハーＷの融点ＭＰ以上である。

フラッシュランプＦＬ１およびフラッシュランプＦＬ２からのフラッシュ光照射によって半導体ウェハーＷの表面がシリコンの融点ＭＰ以上に昇温されることにより、半導体ウェハーＷの表面が溶融する。このように半導体ウェハーＷの表面が溶融することによって、当該表面に導入されていた不純物の活性化し、その活性化率は非常に高いものとなる。

ところで、シリコンの溶融は不純物が導入されている半導体ウェハーＷの表面近傍のみに留めなければならない。図１３は、半導体ウェハーＷの表面温度が第２目標温度Ｔ３に到達した時刻ｔ２５における半導体ウェハーＷの深さ方向の温度分布である。同図において、実線はロングパルス回路ＬＰに接続されたフラッシュランプＦＬ２からのフラッシュ光照射による温度分布を示し、点線はショートパルス回路ＳＰに接続されたフラッシュランプＦＬ１からのフラッシュ光照射による温度分布を示す。同図に示すように、フラッシュランプＦＬ２からの３ミリ秒のフラッシュ光照射によって、半導体ウェハーＷの表面は第１目標温度Ｔ２にまで昇温されている。そして、第１目標温度Ｔ２にまで昇温された半導体ウェハーＷの表面にフラッシュランプＦＬ１から０．１ミリ秒のフラッシュ光照射を行うことによって当該表面は融点ＭＰ以上の第２目標温度Ｔ３にまで昇温される。

フラッシュランプＦＬ１のフラッシュ光照射時間は０．１ミリ秒と極めて短いため、その熱影響は半導体ウェハーＷの表面から極浅い領域に限定される。従って、図１３に示すように、フラッシュランプＦＬ１からのフラッシュ光照射によってシリコンの融点ＭＰ以上に加熱されるのは半導体ウェハーＷの表面近傍の極めて浅い領域のみに留まる。融点ＭＰ以上に加熱される深さは不純物が導入されている深さと整合するようにフラッシュランプＦＬ１の照射時間を制御するのが好ましい。

また、フラッシュランプＦＬ２のフラッシュ光照射時間は３ミリ秒であり、フラッシュランプＦＬ１の照射時間よりは長いものの、例えばハロゲンランプＨＬなどに比較すると極めて短い。よって、フラッシュランプＦＬ２からのフラッシュ光照射によっても半導体ウェハーＷの深さ方向に均一に加熱されるものではなく、図１３に示す如き温度分布を形成する。すなわち、フラッシュランプＦＬ２からのフラッシュ光照射によって半導体ウェハーＷの表面は第１目標温度Ｔ２にまで昇温され、半導体ウェハーＷの表面からの深さが深くなるにつれて温度が低下する。従って、フラッシュランプＦＬ２からの３ミリ秒のフラッシュ光照射によっても、半導体ウェハーＷの裏面近傍では予備加熱温度Ｔ１からほとんど昇温しない。

図１１に戻り、時刻ｔ２３に制御部３がショートパルス回路ＳＰのトリガースイッチＳＷをＯＦＦ状態としてフラッシュランプＦＬ１の発光を停止させる。フラッシュランプＦＬ１の発光が停止することにより、半導体ウェハーＷの表面温度は第２目標温度Ｔ３からシリコンの融点ＭＰ以下にまで降温する。その結果、フラッシュランプＦＬ１からのフラッシュ光照射によって溶融していた半導体ウェハーＷの表面が凝固する。このとき、溶融したのは半導体ウェハーＷの表面近傍の極めて浅い領域のみであり、その領域よりも下層はシリコン単結晶のままであるため、その単結晶が成長するように凝固が生じ、表面温度が融点ＭＰ以下にまで降温したときには半導体ウェハーＷの全体が再び単結晶となる。

その後、時刻ｔ２４に制御部３がロングパルス回路ＬＰのトリガースイッチＳＷをＯＦＦ状態としてフラッシュランプＦＬ２の発光を停止させる。フラッシュランプＦＬ２の発光が停止することにより、半導体ウェハーＷの表面温度は第１目標温度Ｔ２からも急速に降温する。このようにしてフラッシュランプＦＬ１およびフラッシュランプＦＬ２の発光が停止することによって、フラッシュ加熱処理が終了する。なお、図１０の時刻スケールは秒であるのに対して、図１１の時刻スケールはミリ秒であるため、図１１のｔ２１からｔ２４はいずれも図１０ではｔ２に重ねて表示されるものである。

フラッシュランプＦＬ２の発光が停止した後、所定時間が経過した時刻ｔ３にハロゲンランプＨＬが消灯する。これにより、半導体ウェハーＷが予備加熱温度Ｔ１から降温を開始する。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。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、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。

本実施形態においては、発光時間の異なる２種類の発光回路（ロングパルス回路ＬＰおよびショートパルス回路ＳＰ）を設け、２段階のフラッシュ光照射を行っている。すなわち、まずはロングパルス回路ＬＰに接続されたフラッシュランプＦＬ２から半導体ウェハーＷの表面に３ミリ秒の照射時間にてフラッシュ光を照射して当該表面を融点ＭＰよりは低い第１目標温度Ｔ２にまで昇温している。そして、第１目標温度Ｔ２にまでされた半導体ウェハーＷの表面にショートパルス回路ＳＰに接続されたフラッシュランプＦＬ１から０．１ミリ秒の照射時間にてフラッシュ光を照射して当該表面を融点ＭＰ以上の第２目標温度Ｔ３にまで昇温している。

このように２段階のフラッシュ光照射を行うことにより、発光回路（ロングパルス回路ＬＰおよびショートパルス回路ＳＰ）およびフラッシュランプＦＬ（フラッシュランプＦＬ１およびフラッシュランプＦＬ２）に過度の負荷を与えることなく、半導体ウェハーＷの表面をシリコンの融点ＭＰ以上に昇温して溶融させることができる。これにより、半導体ウェハーＷの表面に導入された不純物の活性化率を従来より向上させることができる。また、予備加熱温度Ｔ１を８００℃以下にしつつ、照射時間の短いフラッシュ光照射によって半導体ウェハーＷの表面を融点ＭＰ以上にまで加熱しているため、不純物の過度の拡散を抑制することができる。さらに、２段階のフラッシュ光照射を行うことにより、シリコンの融点ＭＰ以上にまで加熱されて溶融される領域は表面から極浅い領域に限定される。

また、２段階のフラッシュ光照射であれば、個々のフラッシュランプＦＬに過度の負担を与えず、フラッシュランプＦＬに与えるダメージも従来と比較して顕著に大きなものではないため、フラッシュランプＦＬの寿命の低下を防止することができる。さらに、１パルスの極めて短時間、かつ、強度の強いフラッシュ光を照射して半導体ウェハーＷの表面を融点ＭＰ以上に加熱する場合と比較して、半導体ウェハーＷに与えるダメージも少なく、ウェハー割れや膜の剥がれを抑制することができる。

このような２段階のフラッシュ光照射によって半導体ウェハーＷの表面をシリコンの融点ＭＰ以上に昇温するフラッシュ加熱では、ロングパルス回路ＬＰに接続されたフラッシュランプＦＬ２からのフラッシュ光の照射時間を０．５ミリ秒以上１５ミリ秒以下とする（本実施形態では３ミリ秒）。フラッシュランプＦＬ２からの長パルスのフラッシュ光照射時間が０．５ミリ秒未満であると、照射時間が短すぎて半導体ウェハーＷの表面に十分なエネルギーを与えることができず、表面を第１目標温度Ｔ２にまで昇温させることが困難となる。

一方、フラッシュランプＦＬ２からのフラッシュ光照射時間が１５ミリ秒を超えると、フラッシュ光照射によって昇温した半導体ウェハーＷの表面から裏面に向けての熱伝導により裏面温度も上昇することとなる。半導体ウェハーＷの表面温度が上昇すると、その後の冷却工程における冷却速度が低下する。また、半導体ウェハーＷの裏面にもデバイスを形成している場合には、その裏面デバイスに熱影響を与えることとなる。このような理由により、フラッシュランプＦＬ２からの長パルスのフラッシュ光照射時間は０．５ミリ秒以上１５ミリ秒以下とする。なお、φ３００ｍｍの半導体ウェハーＷ（厚さは０．７７５ｍｍ）であれば、フラッシュ光照射の瞬間から熱伝導によって表面温度と裏面温度とが等しくなるまでに要する時間が約１５ミリ秒程度である。

また、ショートパルス回路ＳＰに接続されたフラッシュランプＦＬ１からのフラッシュ光の照射時間は０．０５ミリ秒以上３ミリ秒未満とする（本実施形態では０．１ミリ秒）。フラッシュランプＦＬ１からの短パルスのフラッシュ光照射時間が０．０５ミリ秒未満であると、照射時間が短すぎて半導体ウェハーＷの表面に十分なエネルギーを与えることができず、表面を融点ＭＰ以上の第２目標温度Ｔ３にまで昇温させることが困難となる。

一方、フラッシュランプＦＬ１からのフラッシュ光照射時間が３ミリ秒を超えると、半導体ウェハーＷの表面に過度にエネルギーが与えられることとなって、溶融領域が深くなり過ぎる。このような理由により、フラッシュランプＦＬ１からの短パルスのフラッシュ光照射時間は０．０５ミリ秒以上３ミリ秒未満とする。

フラッシュランプＦＬに与えるダメージをなるべく少なくして半導体ウェハーＷの表面を融点ＭＰ以上に昇温するためには、フラッシュランプＦＬ２からの長パルスのフラッシュ光照射によって表面を融点ＭＰ近くの第１目標温度Ｔ２にまで昇温するとともに、フラッシュランプＦＬ１から短パルスのフラッシュ光照射の時間を短くするのが好ましい。このためには、短パルスのフラッシュランプＦＬ１からのフラッシュ光照射時間を長パルスのフラッシュランプＦＬ２からのフラッシュ光照射時間に比較してなるべく短くする必要があり、５分の１以下とするのが好ましい。より望ましくは、フラッシュランプＦＬ１からのフラッシュ光照射時間をフラッシュランプＦＬ２からのフラッシュ光照射時間の１０分の１以下とする（本実施形態では３０分の１）。

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、フラッシュランプＦＬ２によるフラッシュ光照射を行っている間に、フラッシュランプＦＬ１によるフラッシュ光照射を行うようにしていたが、フラッシュランプＦＬ２によるフラッシュ光照射の後にフラッシュランプＦＬ１によるフラッシュ光照射を行うようにしても良い。要するに、フラッシュランプＦＬ２からの長パルスのフラッシュ光照射によって第１目標温度Ｔ２にまで昇温された半導体ウェハーＷの表面にフラッシュランプＦＬ１から短パルスのフラッシュ光照射を行うようにすれば良い。

また、複数のフラッシュランプＦＬの配置態様は図９の例に限定されるものではない。図１４は、複数のフラッシュランプＦＬの配置構成の他の例を示す図である。図１４の例においては、フラッシュランプＦＬ１とフラッシュランプＦＬ２とが井桁状に交差して配列されている。すなわち、複数のフラッシュランプＦＬを同数の２つのフラッシュランプ群に区分し、そのうちの一方のフラッシュランプ群（第２フラッシュランプ群）をショートパルス回路ＳＰに接続するとともに、他方のフラッシュランプ群（第１フラッシュランプ群）をロングパルス回路ＬＰに接続する。第１フラッシュランプ群を構成するフラッシュランプＦＬ２は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。また、第２フラッシュランプ群を構成するフラッシュランプＦＬ１も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いる。そして、第１フラッシュランプ群の配列面と第２フラッシュランプ群の配列面とを、フラッシュランプＦＬ１とフラッシュランプＦＬ２とが井桁状に交差するように重ねるて配置するのである。なお、フラッシュランプＦＬ１とフラッシュランプＦＬ２との配列の上下関係はいずれが上であっても良い。

このようにしても、複数のフラッシュランプＦＬ１から半導体ウェハーＷの表面の全領域にフラッシュ光が照射されるとともに、複数のフラッシュランプＦＬ２からも半導体ウェハーＷの表面の全領域にフラッシュ光が照射される。このため、上記実施形態と同様の処理を行って同様の効果を奏することができる。

また、複数のフラッシュランプＦＬの配置態様は図１５のようにしても良い。図９および図１４ではフラッシュランプＦＬを円筒状のガラス管９２を備えた棒状ランプとしていたが、図１５の例においてはフラッシュランプＦＬを点光源ランプ（例えば球状ランプ）としている。点光源ランプである複数のフラッシュランプＦＬを同数の２つのフラッシュランプ群に区分し、そのうちの一方のフラッシュランプ群（第２フラッシュランプ群）をショートパルス回路ＳＰに接続するとともに、他方のフラッシュランプ群（第１フラッシュランプ群）をロングパルス回路ＬＰに接続している。そして、図１５の配置構成においては、フラッシュランプＦＬ１とフラッシュランプＦＬ２とを縦方向および横方向の双方について交互に配列している。すなわち、フラッシュランプＦＬ１とフラッシュランプＦＬ２とを市松模様に配列しているのである。

このようにしても、複数のフラッシュランプＦＬ１から半導体ウェハーＷの表面の全領域にフラッシュ光が照射されるとともに、複数のフラッシュランプＦＬ２からも半導体ウェハーＷの表面の全領域にフラッシュ光が照射される。このため、上記実施形態と同様の処理を行って同様の効果を奏することができる。

また、フラッシュランプＦＬの配列態様は図９，１４，１５のパターンに限定されるものではなく、種々のパターンを採用することが可能である。但し、短パルスのフラッシュランプＦＬ１または長パルスのフラッシュランプＦＬ２が偏在する配置（例えば、図９において紙面右側半分にフラッシュランプＦＬ１のみを配置し、左側半分にフラッシュランプＦＬ２のみを配置）とすると、それぞれからのフラッシュ光が半導体ウェハーＷの表面の全領域に均一に照射されないこととなる。このため、フラッシュランプＦＬ１とフラッシュランプＦＬ２とを均等な密度で配置した図９，１４，１５の如きランプ配置とする方が好ましい。

また、上記実施形態においては、フラッシュランプＦＬ１とフラッシュランプＦＬ２とを同数としていたが、これに限定されるものではなく、いずれかの数が多くても良い。すなわち、複数のフラッシュランプのうちの一部にて構成される第２フラッシュランプ群をショートパルス回路ＳＰに接続するとともに、残部にて構成される第１フラッシュランプ群をロングパルス回路ＬＰに接続する構成であれば良い。

また、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の予備加熱温度Ｔ１を１０００℃以上とするのであれば、短パルスの１段階のフラッシュ光照射によって半導体ウェハーＷの表面をシリコンの融点ＭＰ以上に昇温することもできる。もっとも、上記実施形態のように不純物活性化のためのフラッシュ加熱を行う場合には、予備加熱段階で半導体ウェハーＷを１０００℃以上にまで加熱すると不純物が拡散するため、このような手法は適さない。しかし、例えばガラス基板上のシリコン再結晶の目的でフラッシュ加熱を行うような場合であれば、かかる手法によってシリコンを溶融させて再結晶させることができる。

また、上記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、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。特に、ガラス基板上に形成されたシリコンの膜を再結晶させるのに、本発明に係る技術を好適に用いて結晶性を向上させることができる。

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
６５ 熱処理空間
ＦＬ，ＦＬ１，ＦＬ２ フラッシュランプ
ＨＬ ハロゲンランプ
ＬＰ ロングパルス回路
ＳＰ ショートパルス回路
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方法であって、
   基板の表面にフラッシュ光を第１の照射時間にて照射して当該表面を基板の融点よりも低い第１の温度に昇温する第１フラッシュ工程と、
   前記第１の温度に昇温された前記表面にフラッシュ光を第２の照射時間にて照射して当該表面を前記融点以上の第２の温度に昇温する第２フラッシュ工程と、
   を備えることを特徴とする熱処理方法。
2. 請求項１記載の熱処理方法において、
   前記第１フラッシュ工程でのフラッシュ光照射を行っている間に、前記第２フラッシュ工程によるフラッシュ光照射を行うことを特徴とする熱処理方法。
3. 請求項２記載の熱処理方法において、
   前記第１の照射時間は、０．５ミリ秒以上１５ミリ秒以下であり、
   前記第２の照射時間は、０．０５ミリ秒以上３ミリ秒以下であることを特徴とする熱処理方法。
4. 請求項３記載の熱処理方法において、
   前記第２の照射時間は前記第１の照射時間の５分の１以下であることを特徴とする熱処理方法。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の熱処理方法において、
   前記第１フラッシュ工程の前に、基板を前記第１の温度よりも低い予備加熱温度に加熱する予備加熱工程をさらに備えることを特徴とする熱処理方法。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の熱処理方法において、
   前記基板は表面に不純物が導入されたシリコンの半導体ウェハーであり、
   当該表面をシリコンの融点以上に昇温することによって前記不純物の活性化を行うことを特徴とする熱処理方法。
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、
   フラッシュ光を出射する複数のフラッシュランプを有する第１フラッシュランプ群と、
   フラッシュ光を出射する複数のフラッシュランプを有する第２フラッシュランプ群と、
   前記保持手段に保持された基板の表面に前記第１フラッシュランプ群から第１の照射時間にてフラッシュ光を照射して当該表面を基板の融点よりも低い第１の温度に昇温させる第１発光回路と、
   前記第１の温度に昇温された前記表面に前記第２フラッシュランプ群から第２の照射時間にてフラッシュ光を照射して当該表面を前記融点以上の第２の温度に昇温させる第２発光回路と、
   を備えることを特徴とする熱処理装置。
8. 請求項７記載の熱処理装置において、
   前記第１フラッシュランプ群によるフラッシュ光照射を行っている間に、前記第２発光回路が前記第２フラッシュランプ群によるフラッシュ光照射を行うことを特徴とする熱処理装置。
9. 請求項８記載の熱処理装置において、
   前記第１の照射時間は、０．５ミリ秒以上１５ミリ秒以下であり、
   前記第２の照射時間は、０．０５ミリ秒以上３ミリ秒以下であることを特徴とする熱処理装置。
10. 請求項９記載の熱処理装置において、
    前記第２の照射時間は前記第１の照射時間の５分の１以下であることを特徴とする熱処理装置。
11. 請求項７から請求項１０のいずれかに記載の熱処理装置において、
    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前に、当該基板を前記第１の温度よりも低い予備加熱温度に加熱する予備加熱手段をさらに備えることを特徴とする熱処理装置。
12. 請求項７から請求項１１のいずれかに記載の熱処理装置において、
    前記基板は表面に不純物が導入されたシリコンの半導体ウェハーであり、
    当該表面をシリコンの融点以上に昇温することによって前記不純物の活性化を行うことを特徴とする熱処理装置。

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