JP2019220576A - Heat treatment apparatus and atmosphere replacement method for heat treatment apparatus - Google Patents
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Abstract
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その熱処理装置の雰囲気置換方法に関する。 The present invention relates to a heat treatment apparatus for heating a thin plate-like precision electronic substrate (hereinafter, simply referred to as a “substrate”) such as a semiconductor wafer by irradiating the substrate with light, and an atmosphere replacement method of the heat treatment apparatus.
半導体デバイスの製造プロセスにおいて、極めて短時間で半導体ウェハーを加熱する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、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。 2. Description of the Related Art In a semiconductor device manufacturing process, flash lamp annealing (FLA) for heating a semiconductor wafer in an extremely short time has attracted attention. Flash lamp annealing uses a xenon flash lamp (hereinafter simply referred to as a xenon flash lamp) to irradiate the surface of a semiconductor wafer with flash light, thereby extremely exposing only the surface of the semiconductor wafer. This is a heat treatment technology that raises the temperature in a short time (several milliseconds or less).
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。 The emission spectral distribution of the xenon flash lamp is from the ultraviolet region to the near infrared region, the wavelength is shorter than that of the conventional halogen lamp, and almost coincides with the basic absorption band of a silicon semiconductor wafer. Therefore, when the semiconductor wafer is irradiated with flash light from the xenon flash lamp, the transmitted light is small and the temperature of the semiconductor wafer can be rapidly raised. In addition, it has been found that when the flash light is irradiated for a very short time of several milliseconds or less, only the vicinity of the surface of the semiconductor wafer can be selectively heated.
このようなフラッシュランプアニールは、極短時間の加熱が必要とされる処理、例えば典型的には半導体ウェハーに注入された不純物の活性化に利用される。イオン注入法によって不純物が注入された半導体ウェハーの表面にフラッシュランプからフラッシュ光を照射すれば、当該半導体ウェハーの表面を極短時間だけ活性化温度にまで昇温することができ、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。 Such flash lamp annealing is used for a process that requires heating for an extremely short time, for example, activation of impurities typically implanted into a semiconductor wafer. By irradiating the surface of the semiconductor wafer into which impurities are implanted by the ion implantation method with flash light from a flash lamp, the surface of the semiconductor wafer can be heated to the activation temperature for a very short time, and the impurities can be diffused deeply. Without activation, only impurity activation can be performed.
一方、フラッシュランプアニールをアンモニア等の反応性ガスの雰囲気中にて行うことも試みられている。例えば、特許文献1には、高誘電率ゲート絶縁膜(high-k膜)を形成した半導体ウェハーを収容したチャンバー内にアンモニア雰囲気を形成し、当該半導体ウェハーに対してフラッシュ光を照射して加熱することにより、高誘電率ゲート絶縁膜の成膜後熱処理を行うことが開示されている。特許文献1に開示の装置においては、アンモニア雰囲気中で半導体ウェハーの熱処理を行った後、チャンバー内を減圧して有害なアンモニアを排出して窒素雰囲気に置換してから半導体ウェハーを搬出するようにしている。 On the other hand, it has been attempted to perform flash lamp annealing in an atmosphere of a reactive gas such as ammonia. For example, in Patent Document 1, an ammonia atmosphere is formed in a chamber containing a semiconductor wafer on which a high dielectric constant gate insulating film (high-k film) is formed, and the semiconductor wafer is irradiated with flash light and heated. It is disclosed that heat treatment is performed after the formation of the high dielectric constant gate insulating film. In the apparatus disclosed in Patent Document 1, after performing a heat treatment of a semiconductor wafer in an ammonia atmosphere, the inside of the chamber is decompressed to discharge harmful ammonia and replaced with a nitrogen atmosphere, and then the semiconductor wafer is unloaded. ing.
ところで、フラッシュランプアニールを行う熱処理装置には定期的に或いは不定期にメンテナンスが行われる。メンテナンス時にはチャンバー内の空間が外部に開放されるため、チャンバー内から完全にアンモニア等の有害な反応性ガスを排出しておく必要がある。 Meanwhile, the heat treatment apparatus for performing the flash lamp annealing is regularly or irregularly maintained. At the time of maintenance, since the space in the chamber is opened to the outside, it is necessary to completely discharge harmful reactive gas such as ammonia from the inside of the chamber.
しかしながら、チャンバーに接続された各種配管にはマスフローコントローラが設けられていたり、配管径が細かったり等の種々の理由により、配管の圧力損失が大きい場合がある。特に、アンモニア等の反応性ガスを供給する供給配管の圧力損失が大きかった場合、特許文献1に開示されるように単にチャンバー内を減圧しただけでは、チャンバー内のアンモニアは排出できても、当該供給配管に残留するアンモニア等を完全に排出することは困難である。 However, various pipes connected to the chamber may be provided with a mass flow controller or may have a large pipe pressure loss due to various reasons such as a small pipe diameter. In particular, when the pressure loss of a supply pipe for supplying a reactive gas such as ammonia is large, even if ammonia in the chamber can be discharged simply by reducing the pressure in the chamber as disclosed in Patent Literature 1, It is difficult to completely remove ammonia and the like remaining in the supply pipe.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、反応性ガスを供給する供給配管から完全に反応性ガスを排出して当該供給配管内に不活性ガスを充填することができる熱処理装置および熱処理装置の雰囲気置換方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and a heat treatment apparatus capable of completely discharging a reactive gas from a supply pipe for supplying a reactive gas and filling the supply pipe with an inert gas. An object of the present invention is to provide an atmosphere replacement method for a heat treatment apparatus.
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、前記チャンバー内に収容された前記基板に光を照射する光照射部と、前記チャンバーに反応性ガスを供給する第1供給配管と、前記チャンバーに不活性ガスを供給する第2供給配管と、前記チャンバー内の雰囲気を排気する排気配管と、前記第1供給配管に設けられた圧力計と、を備え、前記圧力計の測定値が第1の気圧以下となるまで前記排気配管から前記第1供給配管の排気を行った後、前記圧力計の測定値が前記第1の気圧よりも高い第2の気圧以上となるまで前記第2供給配管から前記第1供給配管に不活性ガスを供給することを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 1 is directed to a heat treatment apparatus for heating a substrate by irradiating the substrate with light, wherein a chamber for accommodating the substrate and light are applied to the substrate accommodated in the chamber. A light irradiation unit for irradiation, a first supply pipe for supplying a reactive gas to the chamber, a second supply pipe for supplying an inert gas to the chamber, an exhaust pipe for exhausting an atmosphere in the chamber, A pressure gauge provided in a first supply pipe, and after exhausting the first supply pipe from the exhaust pipe until a measured value of the pressure gauge becomes equal to or less than a first atmospheric pressure, An inert gas is supplied from the second supply pipe to the first supply pipe until the measured value becomes equal to or higher than a second pressure higher than the first pressure.
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、前記第1供給配管にはさらにマスフローコントローラが設けられることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the heat treatment apparatus according to the first aspect, a mass flow controller is further provided in the first supply pipe.
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、前記光照射部は連続点灯ランプを含み、前記排気配管から排気を行う前に、前記連続点灯ランプから光照射を行って前記チャンバー内の雰囲気を加熱することを特徴とする。 Further, according to a third aspect of the present invention, in the heat treatment apparatus according to the first or second aspect of the present invention, the light irradiation unit includes a continuous lighting lamp, and before the exhaust pipe exhausts gas from the continuous lighting lamp. Light irradiation is performed to heat the atmosphere in the chamber.
また、請求項4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の雰囲気置換方法において、基板を収容するチャンバーに、反応性ガスを供給する第1供給配管、不活性ガスを供給する第2供給配管、および、前記チャンバー内の雰囲気を排気する排気配管が接続され、前記第1供給配管には圧力計が設けられ、前記圧力計の測定値が第1の気圧以下となるまで前記排気配管から前記第1供給配管の排気を行う排気工程と、前記排気工程の後、前記圧力計の測定値が前記第1の気圧よりも高い第2の気圧以上となるまで前記第2供給配管から前記第1供給配管に不活性ガスを供給する給気工程と、を備えることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the method for replacing atmosphere in a heat treatment apparatus for heating a substrate by irradiating the substrate with light, a first supply pipe for supplying a reactive gas to a chamber for accommodating the substrate is provided. A second supply pipe for supplying gas and an exhaust pipe for exhausting the atmosphere in the chamber are connected, and a pressure gauge is provided in the first supply pipe, and a measured value of the pressure gauge is equal to or less than a first pressure. An evacuation step of exhausting the first supply pipe from the evacuation pipe until the above, and after the evacuation step, until the measured value of the pressure gauge becomes equal to or higher than a second pressure higher than the first pressure. Supplying an inert gas from a second supply pipe to the first supply pipe.
また、請求項5の発明は、請求項4の発明に係る熱処理装置の雰囲気置換方法において、前記排気工程と前記給気行程とを繰り返すことを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the method for replacing atmosphere in the heat treatment apparatus according to the fourth aspect of the present invention, the exhausting step and the air supply step are repeated.
また、請求項6の発明は、請求項4または請求項5の発明に係る熱処理装置の雰囲気置換方法において、前記排気工程の前に、連続点灯ランプから光照射を行って前記チャンバー内の雰囲気を加熱する加熱工程をさらに備えることを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, in the method for replacing atmosphere of the heat treatment apparatus according to the fourth or fifth aspect of the present invention, the atmosphere in the chamber is irradiated with light from a continuous lighting lamp before the evacuation step. The method further includes a heating step of heating.
請求項1から請求項3の発明によれば、第1供給配管に設けられた圧力計の測定値が第1の気圧以下となるまで排気配管から第1供給配管の排気を行った後、圧力計の測定値が第1の気圧よりも高い第2の気圧以上となるまで第2供給配管から第1供給配管に不活性ガスを供給するため、第1供給配管の圧力損失の大きさに関わらず、第1供給配管から完全に反応性ガスを排出して当該第1供給配管内に不活性ガスを充填することができる。 According to the first to third aspects of the present invention, the first supply pipe is evacuated from the exhaust pipe until the measured value of the pressure gauge provided in the first supply pipe becomes equal to or lower than the first atmospheric pressure. Since the inert gas is supplied from the second supply pipe to the first supply pipe until the measured value of the meter becomes equal to or higher than the second pressure higher than the first pressure, regardless of the magnitude of the pressure loss of the first supply pipe. Instead, the reactive gas can be completely discharged from the first supply pipe, and the first supply pipe can be filled with the inert gas.
特に、請求項3の発明によれば、排気配管から排気を行う前に、連続点灯ランプから光照射を行ってチャンバー内の雰囲気を加熱するため、雰囲気中の気体分子の熱運動が活性化し、圧力計の測定値が第1の気圧以下となるまでに要する排気時間を短縮することができる。 In particular, according to the third aspect of the invention, before exhausting from the exhaust pipe, the atmosphere in the chamber is heated by irradiating light from the continuous lighting lamp, so that the thermal motion of gas molecules in the atmosphere is activated, The evacuation time required for the measured value of the pressure gauge to be equal to or lower than the first atmospheric pressure can be reduced.
請求項4から請求項6の発明によれば、第1供給配管に設けられた圧力計の測定値が第1の気圧以下となるまで排気配管から第1供給配管の排気を行った後、圧力計の測定値が第1の気圧よりも高い第2の気圧以上となるまで第2供給配管から第1供給配管に不活性ガスを供給するため、第1供給配管の圧力損失の大きさに関わらず、第1供給配管から完全に反応性ガスを排出して当該第1供給配管内に不活性ガスを充填することができる。 According to the fourth to sixth aspects of the present invention, the first supply pipe is evacuated from the exhaust pipe until the measured value of the pressure gauge provided on the first supply pipe becomes equal to or lower than the first atmospheric pressure. Since the inert gas is supplied from the second supply pipe to the first supply pipe until the measured value of the meter becomes equal to or higher than the second pressure higher than the first pressure, regardless of the magnitude of the pressure loss of the first supply pipe. Instead, the reactive gas can be completely discharged from the first supply pipe, and the first supply pipe can be filled with the inert gas.
特に、請求項6の発明によれば、排気工程の前に、連続点灯ランプから光照射を行ってチャンバー内の雰囲気を加熱するため、雰囲気中の気体分子の熱運動が活性化し、圧力計の測定値が第1の気圧以下となるまでに要する排気時間を短縮することができる。
In particular, according to the invention of
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
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。図1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(本実施形態ではφ300mm)。熱処理装置1に搬入される前の半導体ウェハーWにはゲート絶縁膜として高誘電率膜(high-k膜)が形成されており、熱処理装置1による加熱処理によって高誘電率膜の成膜後熱処理(PDA:Post Deposition Anneal)が実行される。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。 FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a configuration of a heat treatment apparatus 1 according to the present invention. The heat treatment apparatus 1 in FIG. 1 is a flash lamp annealing apparatus that heats a semiconductor wafer W having a disc shape as a substrate by irradiating the semiconductor wafer W with flash light. The size of the semiconductor wafer W to be processed is not particularly limited, but is, for example, φ300 mm or φ450 mm (φ300 mm in the present embodiment). A high dielectric constant film (high-k film) is formed as a gate insulating film on the semiconductor wafer W before being loaded into the heat treatment apparatus 1. (PDA: Post Deposition Anneal) is executed. Note that, in FIG. 1 and each of the following drawings, the dimensions and the numbers of the respective parts are exaggerated or simplified as necessary for easy understanding.
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。
The heat treatment apparatus 1 includes a
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。
The
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。
A
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。
By attaching the reflection rings 68 and 69 to the
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。
Further, a transfer opening (furnace opening) 66 for carrying the semiconductor wafer W into and out of the
さらに、チャンバー側部61には、貫通孔61aが穿設されている。チャンバー側部61の外壁面の貫通孔61aが設けられている部位には放射温度計20が取り付けられている。貫通孔61aは、後述するサセプタ74に保持された半導体ウェハーWの下面から放射された赤外光を放射温度計20に導くための円筒状の孔である。貫通孔61aは、その貫通方向の軸がサセプタ74に保持された半導体ウェハーWの主面と交わるように、水平方向に対して傾斜して設けられている。貫通孔61aの熱処理空間65に臨む側の端部には、放射温度計20が測定可能な波長領域の赤外光を透過させるフッ化バリウム材料からなる透明窓21が装着されている。
Further, a through
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(N2)および/またはアンモニア(NH3))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は二叉に分岐され、そのうちの一方である反応性ガス配管(第1供給配管)83aはアンモニア供給源91に接続され、他方の不活性ガス配管(第2供給配管)83bは窒素供給源92に接続されている。アンモニア供給源91は、制御部3の制御下にて、反応性ガス配管83aにアンモニアを送給する。窒素供給源92は、制御部3の制御下にて、不活性ガス配管83bに窒素ガスを送給する。
Further, a
反応性ガス配管83aの経路途中には、供給元バルブ93、供給確認圧力計94、マスフローコントローラ95および供給バルブ96が介挿される。供給元バルブ93および供給バルブ96が開放されると、アンモニア供給源91から反応性ガス配管83aおよびガス供給管83を経て緩衝空間82にアンモニアが送給される。供給確認圧力計94は、アンモニア供給源91から反応性ガス配管83aに予め定められた圧力にてアンモニアが供給されているか否かを判定する。マスフローコントローラ95は、反応性ガス配管83aを流れるアンモニアの流量を予め定められた設定値に調整する。
A
一方、不活性ガス配管83bの経路途中には、マスフローコントローラ97および供給バルブ98が介挿される。供給バルブ98が開放されると、窒素供給源92から不活性ガス配管83bおよびガス供給管83を経て緩衝空間82に窒素ガスが送給される。マスフローコントローラ97は、不活性ガス配管83bを流れる窒素ガスの流量を予め定められた設定値に調整する。供給元バルブ93、供給バルブ96および供給バルブ98の全てが開放されているときには、反応性ガス配管83aから送給されたアンモニアと不活性ガス配管83bから送給された窒素ガスとがガス供給管83で合流してアンモニアと窒素ガスとの混合ガスが緩衝空間82に送給される。
On the other hand, a
また、反応性ガス配管83aと不活性ガス配管83bとを連通接続するバイパス配管84が設けられている。バイパス配管84は、反応性ガス配管83aの供給元バルブ93と供給確認圧力計94との間の部位と、不活性ガス配管83bの窒素供給源92とマスフローコントローラ97との間の部位とを連通接続する。バイパス配管84には、バイパスバルブ85が介挿される。バイパスバルブ85が開放されると、反応性ガス配管83aと不活性ガス配管83bとが連通状態となる。
In addition, a
ガス供給管83から送給されて緩衝空間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緩衝空間82を満たす。そして、緩衝空間82を満たした処理ガスがガス供給孔81から熱処理空間65内へと供給される。
The processing gas supplied from the
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の経路途中には排気バルブ89および真空圧力計191が介挿されている。排気バルブ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。真空圧力計191は、直接的にはガス排気管88の圧力を測定する。ガス排気管88の真空圧力計191が設けられている部位の圧力はチャンバー6内の圧力とほぼ同じであるため、真空圧力計191によって測定された圧力は、チャンバー6内の圧力でもある。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。
A
排気部190としては、真空ポンプや熱処理装置1が設置される工場の排気ユーティリティを用いることができる。排気部190として真空ポンプを採用し、ガス供給孔81から何らのガス供給を行うことなく密閉空間である熱処理空間65の雰囲気を排気すると、チャンバー6内を真空雰囲気にまで減圧することができる。また、排気部190として真空ポンプを用いていない場合であっても、ガス供給孔81からガス供給を行うことなく排気を行うことにより、チャンバー6内を大気圧未満の気圧に減圧することができる。減圧されているチャンバー6内の圧力は真空圧力計191によって測定される。
As the
図2は、保持部7の全体外観を示す斜視図である。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。
FIG. 2 is a perspective view showing the overall appearance of the holding
基台リング71は円環形状から一部が欠落した円弧形状の石英部材である。この欠落部分は、後述する移載機構10の移載アーム11と基台リング71との干渉を防ぐために設けられている。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)。基台リング71の上面に、その円環形状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。
The
サセプタ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。図3は、サセプタ74の平面図である。また、図4は、サセプタ74の断面図である。サセプタ74は、保持プレート75、ガイドリング76および複数の基板支持ピン77を備える。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の直径よりも大きい。すなわち、保持プレート75は、半導体ウェハーWよりも大きな平面サイズを有する。
The
保持プレート75の上面周縁部にガイドリング76が設置されている。ガイドリング76は、半導体ウェハーWの直径よりも大きな内径を有する円環形状の部材である。例えば、半導体ウェハーWの直径がφ300mmの場合、ガイドリング76の内径はφ320mmである。ガイドリング76の内周は、保持プレート75から上方に向けて広くなるようなテーパ面とされている。ガイドリング76は、保持プレート75と同様の石英にて形成される。ガイドリング76は、保持プレート75の上面に溶着するようにしても良いし、別途加工したピンなどによって保持プレート75に固定するようにしても良い。或いは、保持プレート75とガイドリング76とを一体の部材として加工するようにしても良い。
A
保持プレート75の上面のうちガイドリング76よりも内側の領域が半導体ウェハーWを保持する平面状の保持面75aとされる。保持プレート75の保持面75a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、保持面75aの外周円(ガイドリング76の内周円)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。
A region inside the
図2に戻り、基台リング71に立設された4個の連結部72とサセプタ74の保持プレート75の周縁部とが溶接によって固着される。すなわち、サセプタ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いる。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、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の保持面75aは水平面となる。
Returning to FIG. 2, the four connecting
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の保持面75a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。
The semiconductor wafer W carried into the
また、半導体ウェハーWは複数の基板支持ピン77によって保持プレート75の保持面75aから所定の間隔を隔てて支持されることとなる。基板支持ピン77の高さよりもガイドリング76の厚さの方が大きい。従って、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の水平方向の位置ずれはガイドリング76によって防止される。
Further, the semiconductor wafer W is supported by the plurality of substrate support pins 77 at a predetermined distance from the holding
また、図2および図3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20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20が開口部78およびチャンバー側部61の貫通孔61aに装着された透明窓21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て当該半導体ウェハーWの温度を測定する。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。
As shown in FIGS. 2 and 3, the holding
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。移載アーム11およびリフトピン12は石英にて形成されている。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。
FIG. 5 is a plan view of the
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2,3参照)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。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。
Further, the pair of
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。
Returning to FIG. 1, the
複数のフラッシュランプFLは、それぞれが長尺の円筒形状を有する棒状ランプであり、それぞれの長手方向が保持部7に保持される半導体ウェハーWの主面に沿って(つまり水平方向に沿って)互いに平行となるように平面状に配列されている。よって、フラッシュランプFLの配列によって形成される平面も水平面である。複数のフラッシュランプFLが配列される領域は半導体ウェハーWの平面サイズよりも大きい。 Each of the plurality of flash lamps FL is a rod-shaped lamp having a long cylindrical shape, and has a longitudinal direction along the main surface of the semiconductor wafer W held by the holding unit 7 (that is, along the horizontal direction). They are arranged in a plane so as to be parallel to each other. Therefore, the plane formed by the arrangement of the flash lamps FL is also a horizontal plane. The area where the plurality of flash lamps FL are arranged is larger than the plane size of the semiconductor wafer W.
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。 The xenon flash lamp FL has a rod-shaped glass tube (discharge tube) in which xenon gas is sealed and an anode and a cathode connected to a condenser are disposed at both ends thereof, and is provided on the outer peripheral surface of the glass tube. And a trigger electrode. Since xenon gas is electrically an insulator, electricity does not flow in a glass tube in a normal state even if charges are stored in a capacitor. However, when a high voltage is applied to the trigger electrode to break the insulation, the electricity stored in the capacitor flows instantaneously into the glass tube, and light is emitted by excitation of xenon atoms or molecules at that time. In such a xenon flash lamp FL, electrostatic energy previously stored in a condenser is converted into an extremely short light pulse of 0.1 to 100 milliseconds. It has a feature that it can emit extremely strong light compared to a light source. That is, the flash lamp FL is a pulsed lamp that emits light instantaneously in a very short time of less than one second. The light emission time of the flash lamp FL can be adjusted by the coil constant of a lamp power supply that supplies power to the flash lamp FL.
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。
The
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。
The
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。
FIG. 7 is a plan view showing an arrangement of a plurality of halogen lamps HL. The forty halogen lamps HL are arranged in two upper and lower stages. Twenty halogen lamps HL are arranged in an upper stage near the holding
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。
Further, as shown in FIG. 7, the arrangement density of the halogen lamps HL is higher in a region facing the peripheral portion than in a region facing the center of the semiconductor wafer W held by the holding
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。 Further, a lamp group composed of the upper halogen lamps HL and a lamp group composed of the lower halogen lamps HL are arranged so as to intersect in a grid pattern. That is, a total of 40 halogen lamps HL are arranged such that the longitudinal direction of the 20 halogen lamps HL arranged in the upper stage and the longitudinal direction of the 20 halogen lamps HL arranged in the lower stage are orthogonal to each other. I have.
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。 The halogen lamp HL is a filament type light source that emits light by incandescent the filament by energizing the filament disposed inside the glass tube. A gas in which a trace amount of a halogen element (iodine, bromine, or the like) is introduced into an inert gas such as nitrogen or argon is sealed inside the glass tube. By introducing a halogen element, it is possible to set the temperature of the filament to a high temperature while suppressing breakage of the filament. Therefore, the halogen lamp HL has a characteristic that it has a longer life and can continuously emit strong light as compared with a normal incandescent lamp. That is, the halogen lamp HL is a continuous lighting lamp that continuously emits light for at least one second. Further, since the halogen lamp HL is a rod-shaped lamp, it has a long life, and by arranging the halogen lamp HL along the horizontal direction, the radiation efficiency to the upper semiconductor wafer W becomes excellent.
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。
A
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。
The
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。
In addition to the above-described configuration, the heat treatment apparatus 1 prevents an excessive rise in temperature of the
次に、熱処理装置1における処理動作について説明する。まず、処理対象となる半導体ウェハーWに対する熱処理の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、ゲート絶縁膜として高誘電率膜が形成されたシリコンの半導体基板である。高誘電率膜は、例えばALD(Atomic Layer Deposition)やMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)等の手法によって半導体ウェハーWの表面に堆積されて成膜されている。その半導体ウェハーWに対して熱処理装置1がアンモニア雰囲気中にてフラッシュ光を照射して成膜後熱処理(PDA)を行うことにより、成膜後の高誘電率膜中の欠陥を消滅させる。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。
Next, a processing operation in the heat treatment apparatus 1 will be described. First, the procedure of the heat treatment for the semiconductor wafer W to be processed will be described. Here, the semiconductor wafer W to be processed is a silicon semiconductor substrate on which a high dielectric constant film is formed as a gate insulating film. The high dielectric constant film is deposited and formed on the surface of the semiconductor wafer W by a technique such as ALD (Atomic Layer Deposition) or MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition). The heat treatment apparatus 1 irradiates the semiconductor wafer W with flash light in an ammonia atmosphere to perform heat treatment after film formation (PDA), thereby eliminating defects in the high dielectric constant film after film formation. The processing procedure of the heat treatment apparatus 1 described below proceeds by the
まず、高誘電率膜が形成された半導体ウェハーWが熱処理装置1のチャンバー6に搬入される。半導体ウェハーWの搬入時には、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を介して高誘電率膜が形成された半導体ウェハーWがチャンバー6内の熱処理空間65に搬入される。この際に、チャンバー6の内外はともに大気圧であるため、半導体ウェハーWの搬入にともなってチャンバー6内の熱処理空間65に装置外雰囲気が巻き込まれる。そこで、供給バルブ98を開放して窒素供給源92からチャンバー6内に窒素ガスを供給し続けることによって搬送開口部66から窒素ガス流を流出させ、装置外部の雰囲気がチャンバー6内の流入するのを最小限に抑制するようにしても良い。さらに、ゲートバルブ185の開放時には、排気バルブ89を閉止してチャンバー6からの排気を停止するのが好ましい。これにより、チャンバー6内に供給された窒素ガスは搬送開口部66のみから流出することとなるため、外部雰囲気の流入をより効果的に防ぐことができる。
First, the semiconductor wafer W on which the high dielectric constant film is formed is carried into the
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。
The semiconductor wafer W carried in by the transfer robot advances to a position immediately above the holding
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、高誘電率膜が成膜された表面を上面としてサセプタ74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の保持面75a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、すなわち凹部62の内側に退避する。
After the semiconductor wafer W is placed on the lift pins 12, the transfer robot exits the
半導体ウェハーWがチャンバー6に収容され、ゲートバルブ185によって搬送開口部66が閉鎖された後、チャンバー6内を大気圧よりも低い気圧に減圧する。具体的には、搬送開口部66が閉鎖されることによって、チャンバー6内の熱処理空間65が密閉空間となる。この状態にて、給気のための供給バルブ96および供給バルブ98を閉止しつつ、排気バルブ89を開放する。これにより、チャンバー6内に対してはガス供給が行われることなく排気が行われることとなり、チャンバー6内の熱処理空間65が減圧される。
After the semiconductor wafer W is stored in the
チャンバー6内が所定の圧力にまで減圧された後、排気バルブ89を開放しつつ、供給元バルブ93、供給バルブ96および供給バルブ98を開放する。供給元バルブ93および供給バルブ96が開放されることによって、反応性ガス配管83aからアンモニアが送給される。また、供給バルブ98が開放されることによって、不活性ガス配管83bから窒素ガスが送給される。送給されたアンモニアと窒素ガスとはガス供給管83で合流する。そして、アンモニアと窒素ガスとの混合ガスがチャンバー6内の熱処理空間65に供給される。その結果、チャンバー6内にて保持部7に保持された半導体ウェハーWの周辺には減圧状態にてアンモニア雰囲気が形成される。アンモニア雰囲気中におけるアンモニアの濃度(つまり、アンモニアと窒素ガスとの混合比)は、特に限定されるものではなく適宜の値とすることができるが、例えば10vol.%以下であれば良い(本実施形態では約2.5vol.%)。アンモニアの濃度は、マスフローコントローラ95およびマスフローコントローラ97によってそれぞれアンモニアおよび窒素ガスの供給流量を制御することにより調整することができる。
After the pressure in the
次に、ハロゲン加熱部4の40本のハロゲンランプHLが一斉に点灯して半導体ウェハーWの予備加熱(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の下面に照射される。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。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。
Next, the 40 halogen lamps HL of the
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20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透明窓21を通して放射温度計20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20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300℃以上600℃以下であり、本実施形態では450℃である。
When performing the preliminary heating by the halogen lamp HL, the temperature of the semiconductor wafer W is measured by the
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20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。
After the temperature of the semiconductor wafer W reaches the preheating temperature T1, the
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、基板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。
By performing such preheating by the halogen lamp HL, the entire semiconductor wafer W is uniformly heated to the preheating temperature T1. At the stage of preheating by the halogen lamp HL, the temperature of the peripheral portion of the semiconductor wafer W where heat radiation is more likely to occur tends to be lower than that of the central portion, but the arrangement density of the halogen lamp HL in the
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がサセプタ74に保持された半導体ウェハー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。
When a predetermined time elapses after the temperature of the semiconductor wafer W reaches the preheating temperature T1, the flash lamp FL of the
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、高誘電率膜が成膜された半導体ウェハーWの表面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って、高誘電率膜を含む半導体ウェハーWの表面は瞬間的に処理温度T2にまで昇温して成膜後熱処理が実行される。フラッシュ光照射によって半導体ウェハーWの表面が到達する最高温度(ピーク温度)である処理温度T2は600℃以上1200℃以下であり、本実施形態では1000℃である。 Since the flash heating is performed by irradiating flash light (flash light) from the flash lamp FL, the surface temperature of the semiconductor wafer W can be increased in a short time. That is, the flash light emitted from the flash lamp FL is converted into a light pulse in which the electrostatic energy previously stored in the condenser is extremely short, and the irradiation time is extremely short, from about 0.1 millisecond to about 100 milliseconds. It is a strong flash. Then, by irradiating the surface of the semiconductor wafer W on which the high dielectric constant film is formed with flash light from the flash lamp FL, the surface of the semiconductor wafer W including the high dielectric constant film instantaneously rises to the processing temperature T2. After the film is heated, a heat treatment is performed. The processing temperature T2, which is the maximum temperature (peak temperature) at which the surface of the semiconductor wafer W reaches by flash light irradiation, is 600 ° C. or more and 1200 ° C. or less, and is 1000 ° C. in the present embodiment.
アンモニア雰囲気中にて半導体ウェハーWの表面が処理温度T2にまで昇温して成膜後熱処理が実行されると、高誘電率膜の窒化が促進されるとともに、高誘電率膜中に存在していた点欠陥等の欠陥が消滅する。なお、フラッシュランプFLからの照射時間は0.1ミリセカンド以上100ミリセカンド以下程度の短時間であるため、半導体ウェハーWの表面温度が予備加熱温度T1から処理温度T2にまで昇温するのに要する時間も1秒未満の極めて短時間である。フラッシュ光照射後の半導体ウェハーWの表面温度は処理温度T2からただちに急速に下降する。 When the surface of the semiconductor wafer W is heated to a processing temperature T2 in an ammonia atmosphere and a heat treatment is performed after the film formation, nitridation of the high dielectric constant film is promoted, and the heat treatment is performed in the high dielectric constant film. Defects such as point defects disappear. Since the irradiation time from the flash lamp FL is as short as about 0.1 millisecond to about 100 millisecond, the surface temperature of the semiconductor wafer W may increase from the preheating temperature T1 to the processing temperature T2. The time required is very short, less than one second. The surface temperature of the semiconductor wafer W after the irradiation of the flash light immediately drops rapidly from the processing temperature T2.
フラッシュ加熱処理の終了後、供給バルブ96および供給バルブ98を閉止してチャンバー6内を再び減圧する。これにより、チャンバー6内の熱処理空間65から有害なアンモニアを排出することができる。続いて、排気バルブ89を閉止して供給バルブ98を開放し、窒素供給源92からチャンバー6内に窒素ガスを供給して常圧(大気圧)にまで復圧する。これにより、チャンバー6内が窒素雰囲気に置換される。また、ハロゲンランプHLも消灯し、これによって半導体ウェハーWが予備加熱温度T1からも降温する。降温中の半導体ウェハーWの温度は放射温度計20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、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。
After the completion of the flash heating process, the
ところで、上記の熱処理装置1に対しては定期的に或いは不定期にメンテナンスが行われる。不定期にメンテナンスが行われるのは、熱処理装置1に何らかの障害が発生した場合である。熱処理装置1のメンテナンスを行う際には、チャンバー6の内部を開放して各種配管を外すこととなる。従って、メンテナンス前にチャンバー6内の熱処理空間65および各種配管を含む熱処理装置1の全体から有害なアンモニアを完全に排出しておく必要がある。
Meanwhile, maintenance is performed on the heat treatment apparatus 1 periodically or irregularly. The maintenance is performed irregularly when some trouble occurs in the heat treatment apparatus 1. When performing the maintenance of the heat treatment apparatus 1, the inside of the
ところが、単に排気バルブ89を開放してチャンバー6内の雰囲気を排気しただけでは、反応性ガス配管83aに残留しているアンモニアを完全には排出することが困難な場合がある。反応性ガス配管83aからのアンモニアの排出の容易さはマスフローコントローラ95に大きく依存する。反応性ガス配管83aには、プロセスの目的に応じて様々なフルスケールサイズのマスフローコントローラ95が設けられる。例えば、大きなアンモニア供給流用が必要な場合にはフルスケールサイズが大きな(例えば、100リットル/分)マスフローコントローラ95が反応性ガス配管83aに設けられる。一方、高精度のアンモニア供給流量制御が求められる場合にはフルスケールサイズが比較的小さな(例えば、20リットル/分)マスフローコントローラ95が反応性ガス配管83aに設けられる。
However, it is sometimes difficult to completely exhaust the ammonia remaining in the
大きなフルスケールサイズのマスフローコントローラ95よりも小さなフルスケールサイズのマスフローコントローラ95の方が圧力損失が大きい。従って、反応性ガス配管83aに小さなフルスケールサイズのマスフローコントローラ95が設けられている場合には、反応性ガス配管83aからの排気が困難となり、管内に残留しているアンモニアの排出が難しくなる。そこで、本実施形態においては、以下のようにしてマスフローコントローラ95のフルスケールサイズにかかわらず反応性ガス配管83aから完全にアンモニアを排出するようにしている。なお、上述した半導体ウェハーWのプロセスの途中ではチャンバー6を開放することはないため、単にチャンバー6からの排気を行ったときに反応性ガス配管83aに若干のアンモニアが残留していたとしても問題とはならない。
The
図8は、熱処理装置1の雰囲気置換方法の手順を示すフローチャートである。まず、メンテナンスを行う前のチャンバー6内に半導体ウェハーWが存在していない状態でハロゲンランプHLが点灯する(ステップS1)。ハロゲンランプHLからの光照射によってチャンバー6内の雰囲気が加熱されて昇温し、雰囲気中の気体分子の熱運動が活性化する。ステップS1における雰囲気の加熱温度は特に限定されるものではないが、例えばハロゲンランプHLからの約30分の光照射によってチャンバー6内の雰囲気は約300℃に加熱される。
FIG. 8 is a flowchart illustrating a procedure of the atmosphere replacement method of the heat treatment apparatus 1. First, the halogen lamp HL is turned on in a state where the semiconductor wafer W does not exist in the
チャンバー6内の雰囲気が加熱された後、反応性ガス配管83aの排気を実行する(ステップS2)。ステップS2の排気を行うときには、供給元バルブ93、バイパスバルブ85および供給バルブ98が閉止され、供給バルブ96および排気バルブ89が開放される。これにより、ガス排気管88からチャンバー6内およびマスフローコントローラ95を含む反応性ガス配管83a(正確には、供給元バルブ93よりも下流側の部位)の排気が行われ、反応性ガス配管83a内は減圧されることとなる。但し、上述したように、反応性ガス配管83aに設けられたマスフローコントローラ95のフルスケールサイズが小さい場合には、反応性ガス配管83aからの排気が困難となり、アンモニアが残留しやすい。
After the atmosphere in the
このため、本実施形態では、供給確認圧力計94の測定値が予め設定された第1圧力以下となるまで排気を継続する(ステップS3)。具体的には、例えば、供給確認圧力計94に大気圧−90kPaを第1圧力として設定し、測定値が第1圧力以下となると供給確認圧力計94が異常信号を発信するようにしておく。
For this reason, in the present embodiment, the evacuation is continued until the measured value of the supply
供給確認圧力計94の測定値が第1圧力以下となり、供給確認圧力計94が異常信号を発信すると、ステップS4に進み、排気を停止して反応性ガス配管83aへの窒素ガス供給を実行する。このときには、供給元バルブ93、供給バルブ96および供給バルブ98が閉止され、バイパスバルブ85が開放される。これにより、窒素供給源92から送給された窒素ガスがバイパス配管84を通ってマスフローコントローラ95を含む反応性ガス配管83a(正確には、供給元バルブ93と供給バルブ96との間の部位)に充填されることとなる。なお、反応性ガス配管83aへの窒素ガス供給を行っている間も、排気バルブ89は継続して開放され、チャンバー6内は減圧されている。
When the measured value of the supply
本実施形態では、供給確認圧力計94の測定値が予め設定された第2圧力以上となるまで反応性ガス配管83aへの窒素ガス供給を継続する(ステップS5)。第2圧力は第1圧力よりも高い。具体的には、例えば、供給確認圧力計94に170kPaを第2圧力として設定し、測定値が第2圧力以上となると供給確認圧力計94が正常信号を発信するようにしておく。
In the present embodiment, the supply of the nitrogen gas to the
供給確認圧力計94の測定値が第2圧力以上となり、供給確認圧力計94が正常信号を発信すると、ステップS6に進み、上記の排気と窒素ガス供給とを設定回数繰り返したか否かが制御部3によって判定される。制御部3には、繰り返しの設定回数が例えばGUI(Graphical User Interface)を用いて予め設定されている。排気と窒素ガス供給とが設定回数繰り返されていない場合には、再度ステップS2〜ステップS5が繰り返される。例えば、繰り返しの設定回数として”10”と設定されている場合には、上述した排気と窒素ガス供給とが10回繰り返されることとなる。
When the measured value of the supply
本実施形態においては、供給確認圧力計94の測定値が第1圧力以下となるまで反応性ガス配管83aの排気を継続している。マスフローコントローラ95のフルスケールサイズが小さい場合には反応性ガス配管83aからの排気が困難となることもあるが、供給確認圧力計94の測定値が第1圧力以下となるまで反応性ガス配管83aの排気を継続することにより、マスフローコントローラ95のフルスケールサイズに関わらず、反応性ガス配管83aを第1圧力以下にまで減圧して反応性ガス配管83aから残留アンモニアを完全に排出することができる。
In the present embodiment, the evacuation of the
また、反応性ガス配管83aからアンモニアを排出した後、供給確認圧力計94の測定値が第2圧力以上となるまで反応性ガス配管83aへの窒素ガス供給を継続している。マスフローコントローラ95のフルスケールサイズが小さい場合には反応性ガス配管83aへの給気も困難となるが、供給確認圧力計94の測定値が第2圧力以上となるまで反応性ガス配管83aへの窒素ガス供給を継続することにより、マスフローコントローラ95のフルスケールサイズに関わらず、反応性ガス配管83aに十分に窒素ガスを供給して充填することができる。
After the ammonia is discharged from the
このように、上述した排気に続いて窒素ガス供給を行うことにより、アンモニアを供給する反応性ガス配管83aから完全にアンモニアを排出して反応性ガス配管83a内に窒素ガスを充填することができるのである。その結果、メンテナンス時にチャンバー6の内部を開放しても、反応性ガス配管83a内に微量に残留していたアンモニアが漏出するおそれはない。また、このような反応性ガス配管83aからの排気と反応性ガス配管83aへの窒素ガス供給とを複数回繰り返すことにより、より確実に反応性ガス配管83aからアンモニアを排出して反応性ガス配管83a内に窒素ガスを充填することができる。
As described above, by supplying nitrogen gas following the above-described exhaustion, it is possible to completely discharge ammonia from the
排気停止および窒素ガスの供給停止を判定するための供給確認圧力計94は、本来はアンモニア供給源91から適正な圧力でアンモニアが供給されているか否かを判定する要素である。すなわち、本実施形態のようにすれば、新たに特別な機構を設けることなく、反応性ガス配管83aから完全にアンモニアを排出して反応性ガス配管83a内に窒素ガスを充填することができるのである。また、供給確認圧力計94が異常信号を発信したら排気を停止し、供給確認圧力計94が正常信号を発信したら窒素ガス供給を停止すれば良いため、給排気の制御は容易である。
The supply
また、本実施形態においては、排気を行う前に、ハロゲンランプHLから光照射を行ってチャンバー6内の雰囲気を加熱するようにしている。これにより、チャンバー6内雰囲気中の気体分子の熱運動が活性化し、続く排気工程にて気体分子が速やかに排気されることになる。その結果、供給確認圧力計94の測定値が第1圧力以下となるまでに要する排気時間を短縮することができる。
Further, in the present embodiment, before exhausting, the atmosphere in the
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、上記のステップS3では、供給確認圧力計94の測定値が予め設定された第1圧力以下となるまで排気を継続していたが、これに加えて、真空圧力計191の測定値が所定値(例えば、0.1kPa)以下となるまで排気を継続するようにしても良い。もっとも、マスフローコントローラ95のフルスケールサイズが小さく反応性ガス配管83aからの排気が困難な場合には、供給確認圧力計94の測定値が予め設定された第1圧力以下となる時点では既に真空圧力計191の測定値が所定値以下となっていることが多い。
Although the embodiments of the present invention have been described above, various changes other than those described above can be made in the present invention without departing from the gist thereof. For example, in the above step S3, the evacuation was continued until the measured value of the supply
また、上記実施形態においては、反応性ガス配管83aからアンモニアを供給していたが、これに限定されるものではなく、反応性ガス配管83aから酸素(O2)、水素(H2)、塩素(Cl2)、塩化水素(HCl)、オゾン(O3)、一酸化窒素(NO)、亜酸化窒素(N2O)、二酸化窒素(NO2)、三フッ化窒素(NF3)などを反応性ガスとして供給するようにしても良い。また、不活性ガス配管83bから供給されるガスも窒素ガスに限定されるものではなく、不活性ガス配管83bからアルゴン(Ar)、ヘリウム(He)などを不活性ガスとして供給するようにしても良い。これら種々のガスを用いた場合であっても、本発明に係る技術を適用することにより、反応性ガス配管83aから完全に反応性ガスを排出して当該反応性ガス配管83a内に不活性ガスを充填することができる。
Further, in the above embodiment, ammonia was supplied from the
また、本発明に係る技術は、マスフローコントローラ95のフルスケールサイズが小さい場合に限らず、例えば反応性ガス配管83aの配管径が細くて圧力損失が大きい場合にも好適に適用することが可能である。
Further, the technology according to the present invention is not limited to the case where the full-scale size of the
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。
Further, in the above-described embodiment, the
また、上記実施形態においては、1秒以上連続して発光する連続点灯ランプとしてフィラメント方式のハロゲンランプHLを用いて半導体ウェハーWの予備加熱を行っていたが、これに限定されるものではなく、ハロゲンランプHLに代えて放電型のアークランプ(例えば、キセノンアークランプ)を連続点灯ランプとして用いて予備加熱を行うようにしても良い。この場合、排気前にアークランプからの光照射によってチャンバー6内の雰囲気が加熱される。
Further, in the above-described embodiment, the preheating of the semiconductor wafer W is performed using the filament type halogen lamp HL as a continuous lighting lamp that emits light continuously for 1 second or more. However, the present invention is not limited to this. The preliminary heating may be performed using a discharge type arc lamp (for example, a xenon arc lamp) as a continuous lighting lamp instead of the halogen lamp HL. In this case, the atmosphere in the
また、熱処理装置1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、熱処理装置1では、注入された不純物の活性化、金属とシリコンとの接合、或いはポリシリコンの結晶化を行うようにしても良い。 The substrate to be processed by the heat treatment apparatus 1 is not limited to a semiconductor wafer, but may be a glass substrate used for a flat panel display such as a liquid crystal display device or a substrate for a solar cell. In the heat treatment apparatus 1, activation of the implanted impurities, bonding of metal and silicon, or crystallization of polysilicon may be performed.
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
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
83 ガス供給管
83a 反応性ガス配管
83b 不活性ガス配管
84 バイパス配管
85 バイパスバルブ
88 ガス排気管
89 排気バルブ
91 アンモニア供給源
92 窒素供給源
93 供給元バルブ
94 供給確認圧力計
95,97 マスフローコントローラ
96,98 供給バルブ
190 排気部
191 真空圧力計
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
REFERENCE SIGNS LIST 1
Claims (6)
基板を収容するチャンバーと、
前記チャンバー内に収容された前記基板に光を照射する光照射部と、
前記チャンバーに反応性ガスを供給する第1供給配管と、
前記チャンバーに不活性ガスを供給する第2供給配管と、
前記チャンバー内の雰囲気を排気する排気配管と、
前記第1供給配管に設けられた圧力計と、
を備え、
前記圧力計の測定値が第1の気圧以下となるまで前記排気配管から前記第1供給配管の排気を行った後、前記圧力計の測定値が前記第1の気圧よりも高い第2の気圧以上となるまで前記第2供給配管から前記第1供給配管に不活性ガスを供給することを特徴とする熱処理装置。 A heat treatment apparatus that heats the substrate by irradiating the substrate with light,
A chamber for accommodating the substrate;
A light irradiating unit that irradiates light to the substrate housed in the chamber,
A first supply pipe for supplying a reactive gas to the chamber;
A second supply pipe for supplying an inert gas to the chamber;
An exhaust pipe for exhausting an atmosphere in the chamber,
A pressure gauge provided in the first supply pipe;
With
After evacuating the first supply pipe from the exhaust pipe until the measured value of the pressure gauge becomes equal to or lower than the first pressure, the second pressure is higher than the first pressure by the measured value of the pressure gauge. A heat treatment apparatus, wherein an inert gas is supplied from the second supply pipe to the first supply pipe until the above is achieved.
前記第1供給配管にはさらにマスフローコントローラが設けられることを特徴とする熱処理装置。 The heat treatment apparatus according to claim 1,
The heat treatment apparatus according to claim 1, wherein a mass flow controller is further provided in the first supply pipe.
前記光照射部は連続点灯ランプを含み、
前記排気配管から排気を行う前に、前記連続点灯ランプから光照射を行って前記チャンバー内の雰囲気を加熱することを特徴とする熱処理装置。 The heat treatment apparatus according to claim 1 or 2,
The light irradiation unit includes a continuous lighting lamp,
A heat treatment apparatus, wherein the atmosphere in the chamber is heated by irradiating light from the continuous lighting lamp before exhausting from the exhaust pipe.
基板を収容するチャンバーに、反応性ガスを供給する第1供給配管、不活性ガスを供給する第2供給配管、および、前記チャンバー内の雰囲気を排気する排気配管が接続され、
前記第1供給配管には圧力計が設けられ、
前記圧力計の測定値が第1の気圧以下となるまで前記排気配管から前記第1供給配管の排気を行う排気工程と、
前記排気工程の後、前記圧力計の測定値が前記第1の気圧よりも高い第2の気圧以上となるまで前記第2供給配管から前記第1供給配管に不活性ガスを供給する給気工程と、
を備えることを特徴とする熱処理装置の雰囲気置換方法。 An atmosphere replacement method for a heat treatment apparatus that heats the substrate by irradiating the substrate with light,
A first supply pipe for supplying a reactive gas, a second supply pipe for supplying an inert gas, and an exhaust pipe for exhausting an atmosphere in the chamber are connected to the chamber containing the substrate,
A pressure gauge is provided in the first supply pipe,
An exhausting step of exhausting the first supply pipe from the exhaust pipe until a measurement value of the pressure gauge becomes equal to or less than a first atmospheric pressure;
After the evacuation step, an air supply step of supplying an inert gas from the second supply pipe to the first supply pipe until a measurement value of the pressure gauge becomes equal to or higher than a second pressure higher than the first pressure. When,
An atmosphere replacement method for a heat treatment apparatus, comprising:
前記排気工程と前記給気行程とを繰り返すことを特徴とする熱処理装置の雰囲気置換方法。 The atmosphere replacement method for a heat treatment apparatus according to claim 4,
An atmosphere replacement method for a heat treatment apparatus, wherein the exhaust step and the air supply step are repeated.
前記排気工程の前に、連続点灯ランプから光照射を行って前記チャンバー内の雰囲気を加熱する加熱工程をさらに備えることを特徴とする熱処理装置の雰囲気置換方法。 An atmosphere replacement method for a heat treatment apparatus according to claim 4 or claim 5,
An atmosphere replacement method for a heat treatment apparatus, further comprising a heating step of irradiating light from a continuous lighting lamp to heat an atmosphere in the chamber before the evacuation step.
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