JP2018148129A - 熱処理装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】フラッシュ光照射による損傷を生じさせることなく基板の面内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】石英のサセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの下方からハロゲンランプによって光照射がなされて予備加熱が行われ、その後上方からフラッシュランプによってフラッシュ光照射がなされる。サセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの周縁部に近接するように光吸収リング２０が設けられる。光吸収リング２０は、赤外光を吸収し、かつ、可視光を透過する。予備加熱時には光吸収リング２０がハロゲンランプＨＬから出射された光を吸収して昇温し、ウェハー周縁部から放出された熱を補償して半導体ウェハーＷの面内温度分布を均一にする。その一方、フラッシュ光は光吸収リング２０を透過するため、フラッシュ光照射による光吸収リング２０の損傷は防止される。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体ウェハー等の薄板状精密電子基板（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当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、例えば特許文献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し、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、ハロゲンランプ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フラッシュ光照射によって半導体ウェハーの表面を所望の処理温度にまで昇温している。
特開２０１０−２２５６４５号公報
特許文献１に開示の熱処理装置においては、円形の半導体ウェハーを石英の円板形状のプレート上に設けた複数の微小な支持ピン上に載置して熱処理を行っている。当該円板形状のプレートの直径は半導体ウェハーの直径よりも大きい。このような石英のプレート上に半導体ウェハーを載置してハロゲンランプによる予備加熱を行うと、半導体ウェハーの外縁部からの放熱が顕著となり、その外縁部分での温度低下が大きくなって半導体ウェハーの面内温度分布が不均一になるという問題が生じ易い。
このため、特許文献１には、円板形状のプレートの周縁部に炭化ケイ素（ＳｉＣ）にて形成された温度補償リングを設け、ハロゲンランプによる予備加熱時には温度補償リングが昇温して半導体ウェハーの外縁部から放出された熱を補償することが提案されている。このようにすれば、予備加熱段階における半導体ウェハーの面内温度分布を均一にすることができる。
しかしながら、炭化ケイ素の温度補償リングは、予備加熱に続くフラッシュ加熱時にフラッシュランプから出射されたフラッシュ光によって熱的な損傷を受けるという新たな問題が生じていた。
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よる損傷を生じさせることなく基板の面内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、基板にフラッシュ光を照射することによって当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前記基板を保持する石英のサセプタと、前記チャンバーの下方に設けられ、前記サセプタに保持された前記基板の下面に光を照射するハロゲンランプと、前記チャンバーの上方に設けられ、前記サセプタに保持された前記基板の上面にフラッシュ光を照射するフラッシュランプと、前記サセプタに保持された前記基板の周縁部に近接するように設けられ、赤外光を吸収し、かつ、可視光を透過する赤外光吸収部材と、を備えることを特徴とする。
また、請求項２の発明は、基板にフラッシュ光を照射することによって当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前記基板を保持する石英のサセプタと、前記チャンバーの下方に設けられ、前記サセプタに保持された前記基板の下面に光を照射するハロゲンランプと、前記チャンバーの上方に設けられ、前記サセプタに保持された前記基板の上面にフラッシュ光を照射するフラッシュランプと、前記サセプタに保持された前記基板の周縁部に近接するように設けられ、赤外光の透過率が２０％以下、かつ、可視光の透過率が６０％以上の赤外光吸収部材と、を備えることを特徴とする。
また、請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明に係る熱処理装置において、前記チャンバー内にて前記赤外光吸収部材を上下動させる駆動機構をさらに備え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、前記赤外光吸収部材が石英の被覆部材によって覆われ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、前記サセプタの平面サイズは前記基板の平面サイズよりも小さいことを特徴とする。
請求項１および請求項３から請求項５の発明によれば、赤外光を吸収し、かつ、可視光を透過する赤外光吸収部材がサセプタに保持された基板の周縁部に近接するように設けられるため、赤外光吸収部材がハロゲンランプからの光を吸収して基板周縁部から放出された熱を補償するとともに、フラッシュ光は赤外光吸収部材を透過することとなり、フラッシュ光照射による損傷を生じさせることなく基板の面内温度分布を均一にすることができる。
請求項２および請求項３から請求項５の発明によれば、赤外光の透過率が２０％以下、かつ、可視光の透過率が６０％以上の赤外光吸収部材がサセプタに保持された基板の周縁部に近接するように設けられるため、赤外光吸収部材がハロゲンランプからの光を吸収して基板周縁部から放出された熱を補償するとともに、フラッシュ光は赤外光吸収部材を透過することとなり、フラッシュ光照射による損傷を生じさせることなく基板の面内温度分布を均一にすることができる。
特に、請求項３の発明によれば、チャンバー内にて赤外光吸収部材を上下動させる駆動機構を備えるため、赤外光吸収部材による基板周縁部の加熱の程度を調整することができる。
特に、請求項４の発明によれば、赤外光吸収部材が石英の被覆部材によって覆われるため、当該赤外光吸収部材に好ましくない成分が含まれていたとしても、そのような成分が基板に付着するのを防止することができる。
特に、請求項５の発明によれば、サセプタの平面サイズは基板の平面サイズよりも小さいため、基板周縁部からの放熱を抑制して基板の面内温度分布をさらに均一にすることができる。
本発明に係る熱処理装置の構成を示す縦断面図である。 保持部の平面図である。 保持部の縦断面図である。 光吸収リングの近傍を拡大した図である。 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。 光吸収リングの透過率の分光特性を示す図である。 光吸収リングを石英によって被覆した例を示す図である。
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。処理対象となる半導体ウェハーＷのサイズは特に限定されるものではないが、例えばφ３００ｍｍやφ４５０ｍｍ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、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、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、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。
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は熱処理空間６５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、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は処理ガス供給源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、処理ガス供給源８５から緩衝空間８２に処理ガスが送給される。緩衝空間８２に流入した処理ガスは、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。処理ガスとしては、窒素（Ｎ２）等の不活性ガス、または、水素（Ｈ２）、アンモニア（ＮＨ３）等の反応性ガスを用いることができる（本実施形態では窒素）。
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、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、処理ガス供給源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の平面図である。図３は、保持部７の縦断面図である。保持部７は、支持部７２およびサセプタ７４を備えて構成される。支持部７２およびサセプタ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。
サセプタ７４はチャンバー６の内壁面に取り付けられた４個の支持部７２によって支持される。サセプタ７４は、円板形状の保持プレート７５の上面に複数の基板支持ピン７７を立設して構成される。保持プレート７５は、石英にて形成された略円形の平板状部材である。保持プレート７５の直径は半導体ウェハーＷの直径よりも小さい。すなわち、サセプタ７４の平面サイズは半導体ウェハーＷの平面サイズよりも小さいのである。
保持プレート７５の上面には、複数の基板支持ピン７７が立設されている。本実施形態においては、円板形状の保持プレート７５の外周円と同心円の周上に沿って３０°毎に計１２個の基板支持ピン７７が立設されている。１２個の基板支持ピン７７を配置した円の径（対向する基板支持ピン７７間の距離）は半導体ウェハーＷの径よりも小さく、半導体ウェハーＷの径がφ３００ｍｍであればφ２７０ｍｍ〜φ２８０ｍｍ（本実施形態ではφ２７０ｍｍ）である。それぞれの基板支持ピン７７は石英にて形成されている。複数の基板支持ピン７７は、保持プレート７５の上面に溶接によって設けるようにしても良いし、保持プレート７５と一体に加工するようにしても良い。
サセプタ７４の保持プレート７５の周縁部が４個の支持部７２によって支持される。具体的には、支持部７２の先端に形成された鉛直方向に沿って延びる部分の上端によって保持プレート７５の下面周縁部が支持される。サセプタ７４が４個の支持部７２によって支持された状態においては、サセプタ７４の保持プレート７５は水平姿勢（法線が鉛直方向と一致する姿勢）となる。すなわち、保持プレート７５の上面は水平面となる。
チャンバー６に搬入された半導体ウェハーＷは、サセプタ７４の上に水平姿勢にて載置されて保持される。このとき、半導体ウェハーＷは保持プレート７５上に立設された１２個の基板支持ピン７７によって支持されてサセプタ７４に保持される。より厳密には、１２個の基板支持ピン７７の上端部が半導体ウェハーＷの下面に接触して当該半導体ウェハーＷを支持する。１２個の基板支持ピン７７の高さ（基板支持ピン７７の上端から保持プレート７５の上面までの距離）は均一であるため、１２個の基板支持ピン７７によって半導体ウェハーＷを水平姿勢に支持することができる。
図２に示すように、サセプタ７４の保持プレート７５には、上下に貫通して開口部７８が形成されている。開口部７８は、放射温度計１２０（図１参照）が半導体ウェハー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。すなわち、放射温度計１２０が開口部７８を介して半導体ウェハーＷの下面から放射された光を受光し、別置のディテクタによってその半導体ウェハーＷの温度が測定される。さらに、サセプタ７４の保持プレート７５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。
また、円板形状のサセプタ７４の周囲を囲繞するように光吸収リング２０が配置されている。図４は、光吸収リング２０の近傍を拡大した図である。光吸収リング２０は円環形状の部材である。円環形状の光吸収リング２０の内径は、サセプタ７４の保持プレート７５の直径よりも大きく、半導体ウェハーＷの直径よりも小さい。光吸収リング２０の外径は、半導体ウェハーＷの直径よりも大きい。光吸収リング２０の厚さは適宜のものとすることができる。
図８は、光吸収リング２０の透過率の分光特性を示す図である。同図に示すように、光吸収リング２０は、可視光の透過率が６０％以上である一方、赤外光の透過率は２０％以下である。すなわち光吸収リング２０は、赤外光を吸収し、かつ、可視光を透過する性質を有する素材にて形成されている。このような特性を有する素材としては、例えば株式会社五鈴精工硝子製の赤外線吸収フィルターＩＳＫ−１５０を用いることができる。
光吸収リング２０の内径は半導体ウェハーＷの直径よりも小さいため、光吸収リング２０はサセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの下面周縁部に近接するように設けられることとなる。図１，３に示すように、光吸収リング２０は、チャンバー６の壁面に取り付けられた昇降駆動部２５によって昇降可能に設けられる。昇降駆動部２５は、サセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの周縁部の下方にて図４の矢印ＡＲ４に示すように光吸収リング２０を上下動させることにより、当該半導体ウェハーＷの下面周縁部と光吸収リング２０との間隔ｄを調整する。
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、概ね円筒状のチャンバー側部６１の内壁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７４に穿設された貫通孔７９（図２参照）を通過し、リフトピン１２の上端がサセプタ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。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。すなわち、フラッシュランプＦＬは、１秒未満の極めて短い時間で瞬間的に発光するパルス発光ランプである。なお、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は、筐体４１の内側に複数本（本実施形態では４０本）のハロゲンランプＨＬを内蔵している。ハロゲン加熱部４は、複数のハロゲンランプＨＬによってチャンバー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への光照射を行って半導体ウェハーＷを加熱する光照射部である。
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。４０本のハロゲンランプＨＬは上下２段に分けて配置されている。保持部７に近い上段に２０本のハロゲンランプＨＬが配設されるとともに、上段よりも保持部７から遠い下段にも２０本のハロゲンランプ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、上段に配置された２０本のハロゲンランプＨＬの長手方向と下段に配置された２０本のハロゲンランプＨＬの長手方向とが互いに直交するように計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。すなわち、ハロゲンランプＨＬは少なくとも１秒以上連続して発光する連続点灯ランプである。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、ハロゲン加熱部４の筐体４１内にも、２段のハロゲンランプＨＬの下側にリフレクタ４３が設けられている（図１）。リフレクタ４３は、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の側に反射する。
制御部３は、熱処理装置１に設けられた上記の種々の動作機構を制御する。制御部３のハードウェアとしての構成は一般的なコンピュータと同様である。すなわち、制御部３は、各種演算処理を行う回路である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（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を介して処理対象となる半導体ウェハーＷがチャンバー６内の熱処理空間６５に搬入される。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には窒素ガスが供給され続けているため、搬送開口部６６から窒素ガスが流出して、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７４の保持プレート７５の上面から突き出て半導体ウェハーＷを受け取る。このとき、リフトピン１２は基板支持ピン７７の上端よりも上方にまで上昇する。
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７４に受け渡されて水平姿勢にて下方より保持される。半導体ウェハーＷは、保持プレート７５上に立設された複数の基板支持ピン７７によって支持されてサセプタ７４に保持される。また、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保持部７に保持される。複数の基板支持ピン７７によって支持された半導体ウェハーＷの裏面（表面とは反対側の主面）と保持プレート７５の上面との間には所定の間隔が形成される。サセプタ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によって退避位置に退避する。
また、チャンバー６に半導体ウェハーＷが搬入されるときには、サセプタ７４の周囲に光吸収リング２０が配置されている。光吸収リング２０は、その上面が基板支持ピン７７の上端よりも低くなる高さ位置に昇降駆動部２５によって移動されている。従って、半導体ウェハーＷがサセプタ７４に保持されたときには、当該半導体ウェハーＷの下面周縁部と光吸収リング２０とが近接対向することとなる（図３，４）。半導体ウェハーＷがサセプタ７４に保持された後、半導体ウェハーＷの下面周縁部と光吸収リング２０との間隔ｄが予め設定された値となるように、光吸収リング２０の高さ位置が昇降駆動部２５によって調整される。
半導体ウェハーＷが保持部７のサセプタ７４によって水平姿勢にて下方より保持された後、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７４を透過して半導体ウェハーＷの下面から照射される。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が予備加熱されて温度が上昇する。
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の温度が放射温度計１２０によって測定されている。すなわち、サセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの下面から開口部７８を介して放射された赤外光を放射温度計１２０が受光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、放射温度計１２０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する。予備加熱温度Ｔ１は、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℃）。
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、放射温度計１２０によって測定される半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１に到達した時点にて制御部３がハロゲンランプＨＬの出力を調整し、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。
ところで、ハロゲンランプＨＬによる予備加熱の段階では、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の温度よりも低下する傾向にある。本実施形態においては、サセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの周縁部に近接するように光吸収リング２０を設けている。光吸収リング２０は、赤外光を吸収し、かつ、可視光を透過する。
ハロゲンランプＨＬから出射される光の分光分布においては、主として赤外域での強度が強い。すなわち、ハロゲンランプＨＬは主に赤外光を出射するのである。従って、ハロゲンランプＨＬから出射された光は光吸収リング２０にも吸収されることとなる。そして、ハロゲンランプＨＬから出射された光を吸収することによって光吸収リング２０の温度も上昇する。半導体ウェハーＷの下面周縁部と近接対向する光吸収リング２０が昇温することにより、光吸収リング２０からの熱放射によって半導体ウェハーＷの周縁部が加熱される。その結果、予備加熱時の半導体ウェハーＷの周縁部からは熱が放出される一方、その半導体ウェハーＷの周縁部には光吸収リング２０から熱が与えられるのである。換言すれば、ハロゲンランプＨＬによって予備加熱される半導体ウェハーＷの周縁部から放出された熱が光吸収リング２０によって補償されることとなり、予備加熱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。
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点にてフラッシュ加熱部５のフラッシュランプＦＬが半導体ウェハーＷの表面にフラッシュ光照射を行う。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、予めコンデンサーに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。
本実施形態では、サセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの周縁部に近接するように光吸収リング２０を設け、予備加熱時に半導体ウェハーＷの周縁部から放出された熱を光吸収リング２０によって補償することにより、予備加熱段階での半導体ウェハーＷの面内温度分布を均一にしている。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表面の面内温度分布も均一にすることができる。
また、光吸収リング２０は、赤外光を吸収し、かつ、可視光を透過する。フラッシュランプＦＬから出射されるフラッシュ光の分光分布においては、主として可視光域での強度が強く、ハロゲンランプＨＬよりも波長が短い。すなわち、フラッシュランプＦＬは主に可視光を出射するのである。従って、フラッシュランプＦＬから出射されたフラッシュ光は光吸収リング２０には吸収されず、光吸収リング２０を透過することとなる。このため、フラッシュランプＦＬからのフラッシュ光照射によって光吸収リング２０が熱的な損傷を受けることは防がれる。なお、フラッシュ加熱時のフラッシュ光照射時間は極めて短いため、光吸収リング２０がフラッシュ光を透過しても、半導体ウェハーＷの温度分布には影響を及ぼさない。
フラッシュ加熱処理が終了した後、所定時間経過後にハロゲンランプ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から急速に降温する。降温中の半導体ウェハーＷの温度は放射温度計１２０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、放射温度計１２０の測定結果より半導体ウェハー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、サセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの周縁部に近接するように光吸収リング２０を設けている。光吸収リング２０は、赤外光を吸収し、かつ、可視光を透過する。予備加熱を行うハロゲンランプＨＬは主に赤外光を出射し、フラッシュ加熱を行うフラッシュランプＦＬは主に可視光を出射する。すなわち大まかに言えば、光吸収リング２０は、ハロゲンランプＨＬから出射された光を吸収し、かつ、フラッシュランプＦＬから出射されたフラッシュ光を透過するのである。
従って、ハロゲンランプＨＬによる予備加熱時には光吸収リング２０がハロゲンランプＨＬから出射された光を吸収して昇温し、半導体ウェハーＷの周縁部から放出された熱を補償して半導体ウェハーＷの面内温度分布を均一にする。その一方、フラッシュランプＦＬによるフラッシュ光照射時には、フラッシュランプＦＬから出射されたフラッシュ光が光吸収リング２０を透過するため、光吸収リング２０が熱的な損傷を受けることは防がれる。すなわち、赤外光を吸収し、かつ、可視光を透過する光吸収リング２０をサセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの周縁部に近接して設けることにより、フラッシュ光照射による損傷を生じさせることなく半導体ウェハーＷの面内温度分布を均一にすることができるのである。
また、本実施形態においては、半導体ウェハーＷよりも平面サイズが小さいサセプタ７４によって半導体ウェハーＷを保持している。よって、半導体ウェハーＷの周縁部近傍には石英のサセプタ７４が存在していない。石英のサセプタ７４はハロゲンランプＨＬから出射された赤外光をも透過するため予備加熱時にもほとんど昇温せず、半導体ウェハーＷの周縁部から放熱の原因となる。本実施形態では、半導体ウェハーＷの周縁部近傍に石英のサセプタ７４が存在していないため、予備加熱時における半導体ウェハーＷの周縁部からの放熱を抑制して半導体ウェハーＷの面内温度分布をより均一にすることができる。
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、サセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの下面周縁部に対向するように光吸収リング２０を配置していたが、これに限定されるものではなく、半導体ウェハーＷの端縁部を囲繞するように光吸収リング２０を配置しても良いし、半導体ウェハーＷの上面周縁部に対向するように光吸収リング２０を配置しても良い。このような配置であっても、予備加熱時に半導体ウェハーＷの周縁部から放出される熱を光吸収リング２０によって補償することができ、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。要するに、サセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの周縁部に近接するように光吸収リング２０を配置すれば良い。もっとも、半導体ウェハーＷの上面周縁部に対向するように光吸収リング２０を配置すると、光吸収リング２０がフラッシュ光照射時の障害となるおそれもあるため、上記実施形態のように、半導体ウェハーＷの下面周縁部に対向するように光吸収リング２０を設けるのが好ましい。
また、光吸収リング２０の素材が半導体製造プロセスに好ましくない成分を含有する場合には、光吸収リング２０を石英によって被覆するようにしても良い。図９は、光吸収リング２０を石英によって被覆した例を示す図である。光吸収リング２０は、上記実施形態と同様の素材にて形成されており、赤外光を吸収し、かつ、可視光を透過する。その光吸収リング２０の表面全面が石英の被覆部材２９によって覆われる。これにより、光吸収リング２０に含有される半導体製造プロセスに好ましくない成分が半導体ウェハーＷに付着するのを防止することができる。
また、放射温度計１２０に加えて半導体ウェハーＷの異なる位置の温度を測定する複数の放射温度計を設けるようにしても良い。複数の放射温度計は、例えば半導体ウェハーＷの中央部、周縁部およびそれらの中間部の温度を測定する。そして、半導体ウェハーＷの周縁部の温度低下の程度に応じて、半導体ウェハーＷの下面周縁部と光吸収リング２０との間隔ｄを調整するようにしても良い。半導体ウェハーＷの周縁部の温度低下の程度が大きいときには光吸収リング２０を上昇させて間隔ｄを小さくし、当該周縁部の温度低下の程度が小さいときには光吸収リング２０を下降させて間隔ｄを大きくする。より具体的には、半導体ウェハーＷの周縁部の温度が中央部の温度と等しくなるように、制御部３が昇降駆動部２５をフィードバック制御して間隔ｄを調整する。
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、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。処理対象の基板が矩形のガラス基板であれば、光吸収リング２０の形状も四角の環状となる。また、本発明に係る技術は、高誘電率ゲート絶縁膜（High-k膜）の熱処理、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 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
２０ 光吸収リング
２５ 昇降駆動部
２９ 被覆部材
６５ 熱処理空間
７４ サセプタ
７５ 保持プレート
７７ 基板支持ピン
１２０ 放射温度計
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 (5)

  1. 基板にフラッシュ光を照射することによって当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前記基板を保持する石英のサセプタと、
    前記チャンバーの下方に設けられ、前記サセプタに保持された前記基板の下面に光を照射するハロゲンランプと、
    前記チャンバーの上方に設けられ、前記サセプタに保持された前記基板の上面にフラッシュ光を照射するフラッシュランプと、
    前記サセプタに保持された前記基板の周縁部に近接するように設けられ、赤外光を吸収し、かつ、可視光を透過する赤外光吸収部材と、
    を備えることを特徴とする熱処理装置。
  2. 基板にフラッシュ光を照射することによって当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前記基板を保持する石英のサセプタと、
    前記チャンバーの下方に設けられ、前記サセプタに保持された前記基板の下面に光を照射するハロゲンランプと、
    前記チャンバーの上方に設けられ、前記サセプタに保持された前記基板の上面にフラッシュ光を照射するフラッシュランプと、
    前記サセプタに保持された前記基板の周縁部に近接するように設けられ、赤外光の透過率が２０％以下、かつ、可視光の透過率が６０％以上の赤外光吸収部材と、
    を備えることを特徴とする熱処理装置。
  3. 請求項１または請求項２記載の熱処理装置において、
    前記チャンバー内にて前記赤外光吸収部材を上下動させる駆動機構をさらに備え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、
    前記赤外光吸収部材が石英の被覆部材によって覆われ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、
    前記サセプタの平面サイズは前記基板の平面サイズよりも小さいことを特徴とする熱処理装置。
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