JP2021044372A - 熱処理方法および熱処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】チャンバー内を効率良く迅速に冷却す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】ハロゲンランプからの光照射によって予備加熱されている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る。フラッシュ光が照射されることによって、半導体ウェハーの表面が短時間で急速に昇温する。フラッシュ光照射が終了した後にハロゲンランプが消灯すると同時に、窒素よりも高い熱伝導率を有するヘリウムガスを冷却ガスとしてチャンバー内に供給する。高い冷却能を有するヘリウムガスを供給することにより、半導体ウェハーおよびガスリングを含むチャンバー内を効率良く迅速に冷却することができる。【選択図】図９

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、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。

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。

フラッシュランプアニールを行う装置として、特許文献１には、ハロゲンランプからの光照射によって半導体ウェハーの予備加熱を行った後に、フラッシュランプからフラッシュ光を照射して半導体ウェハーの表面を１秒以下の極短時間加熱する装置が開示されている。特許文献１に開示のフラッシュランプアニール装置では、フラッシュ加熱が終了した後、自然冷却によって半導体ウェハーの温度が所定温度以下にまで降温した後に半導体ウェハーをチャンバーから搬出するようにしている。

特開２０１８−１９５６８６号公報

しかしながら、自然冷却によって半導体ウェハーを降温させた場合には、半導体ウェハーが所定温度以下にまで降温するのに相応の時間を要するため、スループットの向上が阻害されることとなっていた。また、特許文献１に開示の装置では、チャンバー内にガスを供給するための小径のガスリングを設置しているが、ガスリングの内壁面は冷却されているチャンバーの壁面から離間している。このため、ガスリング自体の冷却効率は低く、半導体ウェハーからの反応生成物によってガスリングが変色するという問題も生じていた。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、チャンバー内を効率良く迅速に冷却す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、基板をチャンバー内に収容する収容工程と、前記チャンバー内に収容された前記基板に連続点灯ランプから光を照射して前記基板を予備加熱する予備加熱工程と、前記チャンバー内に収容された前記基板にフラッシュランプからフラッシュ光を照射して前記基板を加熱するフラッシュ加熱工程と、前記チャンバー内に窒素よりも高い熱伝導率を有する冷却ガスを供給する冷却工程と、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、前記冷却ガスは、水素またはヘリウムであ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方法において、前記基板に前記フラッシュ光を照射した時点以降に前記冷却ガスの供給を開始す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、前記連続点灯ランプを消灯したときに前記冷却ガスの供給を開始す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、前記チャンバー内が所定温度にまで降温したときに前記冷却ガスの供給を停止することを特徴とする。

また、請求項６の発明は、基板にフラッシュ光を照射することによって該基板を加熱する熱処理装置において、基板を収容するチャンバーと、前記チャンバー内に収容された前記基板に光を照射して前記基板を予備加熱する連続点灯ランプと、前記チャンバー内に収容された前記基板にフラッシュ光を照射して前記基板を加熱するフラッシュランプと、前記チャンバー内に窒素よりも高い熱伝導率を有する冷却ガスを供給するガス供給部と、を備えることを特徴とする。

また、請求項７の発明は、請求項６の発明に係る熱処理装置において、前記冷却ガスは、水素またはヘリウムであることを特徴とする。

また、請求項８の発明は、請求項６または請求項７の発明に係る熱処理装置において、前記ガス供給部は、前記基板に前記フラッシュ光が照射された時点以降に前記冷却ガスの供給を開始することを特徴とする。

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、前記ガス供給部は、前記連続点灯ランプが消灯したときに前記冷却ガスの供給を開始することを特徴とする。

また、請求項１０の発明は、請求項６から請求項９のいずれかの発明に係る熱処理装置において、前記ガス供給部は、前記チャンバー内が所定温度にまで降温したときに前記冷却ガスの供給を停止することを特徴とする。

請求項１から請求項５の発明によれば、チャンバー内に窒素よりも高い熱伝導率を有する冷却ガスを供給するため、高い冷却能を有する冷却ガスによってチャンバー内を効率良く迅速に冷却することができる。

特に、請求項５の発明によれば、チャンバー内が所定温度にまで降温したときに冷却ガスの供給を停止するため、チャンバー内の構成部品が過度に冷却されるのを防止して基板の温度履歴を均一にすることができる。

請求項６から請求項１０の発明によれば、チャンバー内に窒素よりも高い熱伝導率を有する冷却ガスを供給するため、高い冷却能を有する冷却ガスによってチャンバー内を効率良く迅速に冷却することができる。

特に、請求項１０の発明によれば、チャンバー内が所定温度にまで降温したときに冷却ガスの供給を停止するため、チャンバー内の構成部品が過度に冷却されるのを防止して基板の温度履歴を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。 保持部の全体外観を示す斜視図である。 サセプタの平面図である。 サセプタの断面図である。 移載機構の平面図である。 移載機構の側面図である。 複数のハロゲンランプの配置を示す平面図である。 図１の熱処理装置における半導体ウェハーの処理手順を示すフローチャートである。 半導体ウェハーの表面温度の変化を示す図である。

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。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。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円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ガスリング９０が装着され、下部には反射リング６９が装着されている。ガスリング９０および反射リング６９は、ともに円環状に形成されている。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、反射リング６９およびガスリング９０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６９およびガスリング９０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６９およびガスリング９０が装着されていない中央部分と、反射リング６９の上端面と、ガスリング９０の下端面で囲まれた凹部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。

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。

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。

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吐出口８１が形設されている。ガス吐出口８１は、ガスリング９０と上側チャンバー窓６３との間に形設されている。ガス吐出口８１は、ガスリング９０の内部空間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からガスリング９０に処理ガスが送給される。ガスリング９０の内部空間にはバッファ空間およびラビリンス構造が設けられている。処理ガス供給源８５からガスリング９０に送給された処理ガスは、ガスリング９０の内部空間を通過することによって、チャンバー６の径方向および周方向に沿った流速が低下され、ガス吐出口８１から熱処理空間６５に均一に吐出される。処理ガスとしては、例えば窒素（Ｎ_２）等の不活性ガス、または、水素（Ｈ_２）、アンモニア（ＮＨ_３）等の反応性ガス、或いはそれらを混合した混合ガスを用いることができる（本実施形態では窒素ガス）。また、処理ガス供給源８５は、ヘリウム（Ｈｅ）または水素を冷却ガスとして送給することもできる。

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、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

図１に戻り、チャンバー６には、放射温度計２０および温度センサー２９が設けられている。放射温度計２０は、サセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの斜め下方に設けられている。放射温度計２０は、半導体ウェハーＷの下面から放射された赤外光を受光し、その赤外光の強度から当該下面の温度を測定する。一方、温度センサー２９は熱電対を用いて構成される。温度センサー２９は、チャンバー内６の内壁面に取り付けられている。温度センサー２９は、チャンバー６内の雰囲気温度を測温する。

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。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。

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円筒形状のガラス管（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、円筒形状の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。図８は、熱処理装置１における半導体ウェハーＷの処理手順を示すフローチャートである。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、処理ガス供給源８５からガスリング９０に処理ガスとしての窒素ガスが送給され、ガスリング９０の内部空間を通過した窒素ガスがガス吐出口８１から熱処理空間６５に吐出される。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。

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（ステップＳ１）。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。

図９は、半導体ウェハーＷの表面温度の変化を示す図である。半導体ウェハーＷが石英にて形成された保持部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の時刻ｔ１に、ハロゲン加熱部４の４０本のハロゲンランプＨＬが一斉に点灯して予備加熱（アシスト加熱）が開始される（ステップＳ２）。ハロゲンランプＨＬ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。

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、半導体ウェハーＷに添加された不純物が熱により拡散する恐れのない、２００℃ないし８００℃程度、好ましくは３５０℃ないし６００℃程度とされる（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に到達した時刻ｔ２に制御部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。

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。

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ｔ３にフラッシュ加熱部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（ステップＳ３）。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。

フラッシュ加熱処理が終了した後、所定時間（例えば２秒）が経過した時刻ｔ４にハロゲンランプＨＬが消灯する。ハロゲンランプＨＬが消灯すると同時に、冷却ガスの供給が開始される（ステップＳ４）。具体的には、ハロゲンランプＨＬが消灯する時刻ｔ４に処理ガス供給源８５からガスリング９０に冷却ガスとしてヘリウムガスが送給される。ガスリング９０に送給されたヘリウムガスはガス吐出口８１からチャンバー６内の熱処理空間６５に供給される。また、ガス排気孔８６からの排気も継続して行われている。

ヘリウムガスは高い熱伝導率を有する（０℃で約0.144W/m・K）。それゆえにヘリウムガスは高い冷却能を有する。ハロゲンランプＨＬが消灯すると同時にチャンバー６内にヘリウムガスが供給されることによって、フラッシュ加熱直後の比較的高温の半導体ウェハーＷが急速に冷却されて迅速に降温することとなる。

また、チャンバー６の壁体は水冷管によって冷却されているものの、その壁体から離間しているガスリング９０の内壁面までは十分に冷却されていない。このため、ガスリング９０の内壁面は、ハロゲンランプＨＬおよびフラッシュランプＦＬからの光照射によって高温となりやすく、昇温した半導体ウェハーＷの膜に由来する反応生成物によって変色することがある。本実施形態においては、フラッシュ加熱後に高い冷却能を有するヘリウムガスをチャンバー６内に供給しているため、半導体ウェハーＷのみならず、ガスリング９０を含むチャンバー６の構成部品も急速に冷却されることとなる。これにより、ガスリング９０の変色を防止することもできる。

チャンバー６内の雰囲気温度は温度センサー２９によって測定されている。ヘリウムガスの供給は、温度センサー２９によって測定されるチャンバー６内の雰囲気温度が所定温度（例えば、２００℃〜２５０℃）に降温するまで継続される（ステップＳ５）。そして、温度センサー２９によって測定されるチャンバー６内の雰囲気温度が所定温度にまで降温した時刻ｔ５にステップＳ５からステップＳ６に進み、冷却ガスの供給が停止される。

冷却ガスの供給が停止された後、チャンバー６内が減圧される（ステップＳ７）。具体的には、バルブ８４が閉止されてチャンバー６へのガス供給が停止されるとともに、チャンバー６からの排気のみが実行されてチャンバー６内が減圧される。チャンバー６内が減圧されることによって、冷却に使用されたヘリウムガスがチャンバー６から排出される。

チャンバー６内が所定圧（例えば、約１００Ｐａ）にまで減圧された後、チャンバー６内に窒素ガスが供給されてチャンバー６内が大気圧に復圧される（ステップＳ８）。このときには、バルブ８４が再び開放されて処理ガス供給源８５から窒素ガスが送給され、ガス吐出口８１からチャンバー６内に窒素ガスが供給される。これにより、チャンバー６内は再び窒素雰囲気となる。

次に、冷却された半導体ウェハーＷがチャンバー６から搬出される（ステップＳ９）。チャンバー６内が窒素雰囲気とされて復圧した後、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冷却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の処理が完了する。

本実施形態においては、フラッシュ加熱処理が終了した後に、高い冷却能を有するヘリウムガスを冷却ガスとしてチャンバー６内に供給している。これにより、半導体ウェハーＷやガスリング９０を含むチャンバー６内を効率良く迅速に冷却することができる。フラッシュ加熱後の半導体ウェハーＷを迅速に冷却することにより、自然冷却に比較して半導体ウェハーＷの冷却時間を短縮することができ、スループットを向上させることができる。また、ガスリング９０を効率良く冷却することにより、ガスリング９０の変色を防止することができる。

また、本実施形態では、チャンバー６内の雰囲気温度が所定温度にまで降温したときに、冷却ガスの供給を停止している。冷却ガスを長時間にわたって供給し続けると、チャンバー６の構成部品が過度に冷却されることとなる。そうすると、後続の新たな半導体ウェハーＷの処理を行うときに、過度に冷却されたサセプタ７４によって半導体ウェハーＷが保持されることとなり、複数枚の半導体ウェハーＷの温度履歴が不均一になるという問題が生じる。このため、チャンバー６内が過度に冷却されないように、チャンバー６内の雰囲気温度が所定温度にまで降温したときに、冷却ガスの供給を停止しているのである。

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、冷却ガスとしてヘリウムガスを使用していたが、これに限定されるものではなく、冷却ガスは窒素よりも高い熱伝導率を有するガスであればよい。すなわち、窒素ガスの熱伝導率は０℃で約0.024W/m・Kであり、それよりも高い熱伝導率を有するガスを冷却ガスとしてチャンバー６内に供給するようにしても良い。ヘリウム以外に窒素よりも高い熱伝導率を有するガスとしては、例えば水素が例示される（０℃で約0.168W/m・K）。フラッシュ加熱処理終了後にチャンバー６内に水素ガスを冷却ガスとして供給するようにしても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、上記実施形態においては、ハロゲンランプＨＬが消灯すると同時に冷却ガスの供給を開始していたが、冷却ガスの供給タイミングはこれに限定されるものではなく、フラッシュランプＦＬからフラッシュ光を照射した時点以降（時刻ｔ３以降）であれば良い。よって、例えば、フラッシュランプＦＬが発光すると同時に冷却ガスの供給を開始するようにしても良い。もっとも、フラッシュ光を照射した後の所定時間（時刻ｔ３から時刻ｔ４までの期間）はハロゲンランプＨＬが点灯しており、フラッシュランプＦＬが発光すると同時に冷却ガスの供給を開始したとしても、ハロゲンランプＨＬによる加熱と冷却ガスによる冷却とが同時に行われることとなり、効率的ではない。このため、上記実施形態のように、ハロゲンランプＨＬが消灯すると同時に冷却ガスの供給を開始した方がチャンバー６内を効率良く冷却することができる。また、フラッシュ光を照射するよりも前に冷却ガスを供給することは禁止されている。これは、フラッシュ光を照射するよりも前に冷却ガスを供給すると、フラッシュ光照射時に半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１よりも低下するおそれが生じるためである。

また、ガスリング９０からの冷却ガスの供給流量とガス排気孔８６からの排気圧とを制御することによって、チャンバー６内における冷却ガスの流速を高めるようにしても良い。冷却ガスの供給流量は、最大１５０リットル／分とすることができる。チャンバー６内における冷却ガスの流速を高めることにより、チャンバー６内の冷却効率を高めることができる。

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、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。

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。

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
８１ ガス吐出口
８６ ガス排気孔
９０ ガスリング
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 (10)

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、
   基板をチャンバー内に収容する収容工程と、
   前記チャンバー内に収容された前記基板に連続点灯ランプから光を照射して前記基板を予備加熱する予備加熱工程と、
   前記チャンバー内に収容された前記基板にフラッシュランプからフラッシュ光を照射して前記基板を加熱するフラッシュ加熱工程と、
   前記チャンバー内に窒素よりも高い熱伝導率を有する冷却ガスを供給する冷却工程と、
   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、
   前記冷却ガスは、水素またはヘリウムであることを特徴とする熱処理方法。
3. 請求項１または請求項２記載の熱処理方法において、
   前記基板に前記フラッシュ光を照射した時点以降に前記冷却ガスの供給を開始す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、
   前記連続点灯ランプを消灯したときに前記冷却ガスの供給を開始す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、
   前記チャンバー内が所定温度にまで降温したときに前記冷却ガスの供給を停止することを特徴とする熱処理方法。
6. 基板にフラッシュ光を照射することによって該基板を加熱する熱処理装置であって、
   基板を収容するチャンバーと、
   前記チャンバー内に収容された前記基板に光を照射して前記基板を予備加熱する連続点灯ランプと、
   前記チャンバー内に収容された前記基板にフラッシュ光を照射して前記基板を加熱するフラッシュランプと、
   前記チャンバー内に窒素よりも高い熱伝導率を有する冷却ガスを供給するガス供給部と、
   を備えることを特徴とする熱処理装置。
7. 請求項６記載の熱処理装置において、
   前記冷却ガスは、水素またはヘリウムであることを特徴とする熱処理装置。
8. 請求項６または請求項７記載の熱処理装置において、
   前記ガス供給部は、前記基板に前記フラッシュ光が照射された時点以降に前記冷却ガスの供給を開始する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、
   前記ガス供給部は、前記連続点灯ランプが消灯したときに前記冷却ガスの供給を開始することを特徴とする熱処理装置。
10. 請求項６から請求項９のいずれかに記載の熱処理装置において、
    前記ガス供給部は、前記チャンバー内が所定温度にまで降温したときに前記冷却ガスの供給を停止することを特徴とする熱処理装置。

Images