JP3531567B2

JP3531567B2 - 閃光照射加熱装置

Info

Publication number: JP3531567B2
Application number: JP2000049021A
Authority: JP
Inventors: 滋斎藤; 樹志大和田
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2000-02-25
Filing date: 2000-02-25
Publication date: 2004-05-31
Anticipated expiration: 2020-02-25
Also published as: JP2001237195A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウェハ等、
ワークの熱処理に使用される加熱装置に係り、閃光放電
ランプよりの閃光をワークに照射して短時間に加熱処理
する閃光照射加熱装置に関する。なかでも、閃光照射前
にワークを予備的に加熱する予備加熱手段に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体ウェハ等の製造において、ワーク
に熱処理を施して、表面に酸化膜を形成させたり、内部
に不純物を拡散させたりすることが知られている。上記
熱処理に係る加熱方法として、閃光放電ランプよりの閃
光をワークに照射してワークの反応温度まで加熱する閃
光照射加熱方法が知られている。係る閃光放電ランプに
よる加熱方法では、ワークに閃光放電ランプよりの閃光
を照射するに先立ち、ワークをあらかじめある温度まで
予備的に加熱しておく。この理由は、閃光放電ランプの
みでワークを例えば５００℃以上昇温させようとする
と、極めて大きな照射強度が必要になり、短時間で発光
管の破裂に至るなど、使用寿命が著しく短くなるため、
比較的小さな照射強度で所定の反応温度までワークの温
度を昇温できるように、閃光照射時の温度と反応温度と
の温度差を小さくするためである。このような閃光放電
ランプによる加熱方法は、例えば特開昭５７−１６２３
４０号公報に開示されている。

【０００３】閃光放電ランプを用いた閃光照射加熱装置
（従来装置）の構成を図６に示す。同図に示すように、
ワーク４１の直上には、複数本の閃光放電ランプ１１が
平板状のワーク４１に対して平行に並設されており、更
にその上には該閃光放電ランプ１１の閃光をワーク４１
に向けて照射する反射ミラー１２が具備されている。同
図において、ワーク４１が搭載される載置台５には、例
えばワーク４１と略同心円に配置された複数の環状ヒー
タ（図示省略）等からなる予備加熱手段を具えており、
この予備加熱手段により、ワーク４１は閃光照射に先立
って予備的に加熱される（予備加熱）。ワーク４１が十
分に予備加熱された後、ワーク４１に閃光照射すると、
ワークは被照射面が瞬時に反応温度まで昇温し（尚、後
段において、閃光照射による加熱を「主加熱」と称
す）、熱処理が完遂されるようになる。

【０００４】上記閃光照射による加熱方法においては、
ワークに熱的ダメージが生じない範囲で適宜予備加熱す
れば良いが、なかでもその温度を高くすると、ワーク熱
処理に必要な反応温度との差が小さくなるので、主加熱
時の昇温かかるエネルギーが小さくて済み、よって閃光
エネルギーの強度を小さくすることができ、閃光放電ラ
ンプの短寿命化を防止できて好ましいものとなる。

【０００５】

【発明の解決しようとする課題】ところで、従来装置係
る予備加熱手段では温度制御が困難で、ワークの全域を
均一に加熱することができなかった。このため、ワーク
の主加熱後においては、予備加熱時の温度差によって処
理にむらを生じたり、欠損が生じる。

【０００６】又、閃光放電ランプを用いた加熱装置で
は、ワークを枚挙に処理するものであり、高い生産性を
実現させるために予備加熱に要する時間を短縮し、高効
率化を図りたいという事情がある。しかしながら、従来
装置に係るヒータでは一般に温度の立上がりが鈍くて上
記要請に対応することはできなかった。

【０００７】以上のように、閃光照射に先立つ予備加熱
においては、ワークの温度を急速、且つ、均一に昇温さ
せることは不可能であった。そこで本願発明は、半導体
ワーク等のワークを閃光放電ランプよりの閃光を照射し
て加熱処理する閃光照射加熱装置において、ワークを効
率よく、急速、且つ、均一に加熱することができる予備
加熱手段を提供し、よって、短時間で均一にワークを熱
処理することができる閃光照射加熱装置を提供すること
にある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】そこで、本願発明は、ワ
ークを閃光放電ランプよりの閃光を照射して加熱処理す
る閃光照射加熱装置において、前記閃光照射加熱装置は
閃光照射に先立って加熱する予備加熱手段を含み、該予
備加熱手段は、予備加熱用の光源ランプとガラス製の角
柱ブロックとを有し、この予備加熱用光源ランプからの
光を当該角柱ブロックの一端面から入射して、当該角柱
ブロックの側面において全反射を繰返しながら該角柱ブ
ロックの他端面より出射し、当該ワークを照射して加熱
する加熱手段からなることを特徴とする。そして、前記
閃光照射加熱装置において、予備加熱手段はワークの一
方の面を加熱するよう配置されており、前記閃光放電ラ
ンプよりの閃光が該ワークの他方の面に照射されること
を特徴とする。更に、前記閃光照射加熱装置の閃光放電
ランプは、ワーク処理面に対して平行移動が可能である
ことを特徴とする。尚、前記角柱ブロックは、OH基の含
有量が５ｐｐｍ以下の石英ガラスからなるのが好まし
い。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下に、図面に基いて本発明の実
施の形態を具体的に説明する。図１は、本願発明に係る
閃光照射加熱装置を斜め上方より見た概略説明図であ
る。又、図２はこの閃光照射加熱装置を閃光放電ランプ
の管軸の断面方向から見た概略説明図である。図２にお
いて示すように、ワーク４１の上方においてワーク４１
の上面に閃光を照射する閃光照射ユニット１と、これに
対向してワーク４１下方に載置されて当該ワーク４１の
下面を照射して予備加熱する予備加熱用ユニット２とか
らなる。尚、図２においてワーク４１表面（熱処理され
る面）は４１ａ面であり、反対側の４１ｂ面が裏面であ
る。

【００１０】図３は、本発明に係る閃光照射加熱装置に
係る予備加熱ユニットの構成の一部を抜き出した図で、
予備加熱用光源ランプの管軸の断面方向から見た模式図
である。２１は予備加熱用光源ランプで、ハロゲンラン
プ、キセノンランプ、水銀ランプなどのランプからな
る。２２は該ランプよりの放射光を反射する反射ミラ
ー、３はガラス製の角柱ブロックで石英ガラスやパイレ
ックスガラスのように、光の屈折率の大きなガラスで角
柱状に成形されたものである。予備加熱用光源ランプ２
１よりの放射光及び反射ミラー２２からの反射光は、該
角柱ブロック３の３ａ面に入射されて、側面に３ｂで反
射され、最終的に３ｃ面より出射される。同図内に予備
加熱用光源ランプ２１よりの放射光の反射状況を示す
と、角柱ブロック３の下側の端面３ａより入射された、
光はスネルの法則により、角柱ブロック３の有する光の
屈折率が１．４１以上である場合は、９０゜に近い極め
て大きな入射角度θ₁で角柱ブロック３に入射した光
も、同図中の実線矢印で示すように、角柱ブロック３の
軸心からθ₂が４５゜以内の角度成分の光になる。すな
わち、角柱ブロック３の一端面（３ａ）に入射した全て
の光は、角柱ブロック３の軸心から４５゜以内の角度成
分の光になる。つまり、石英ガラス（波長１．０μｍの
光に対する屈折率＝１．４５）やパイレックスガラス
（波長１．０μｍの光に対する屈折率＝１．４７）から
なる角柱ブロック３においては、該角柱ブロック３の下
側の端面３ａより入射した全ての光は、図３の破線矢印
で示すように、角柱ブロック３の軸心からθ₃が４５゜
以内の角度成分の光になり、角柱ブロック３の一端面
（３ａ）に入射した光の内、角柱ブロック３の側面（３
ｂ）に入射する光はθ₄が４５゜以上の角度を持って入
射するので、角柱ブロック３の側面（３ｂ）で全反射し
て、この側面（３ｂ）から直接外に出ることはない。そ
して、光は角柱ブロック３内で全反射を繰り返しながら
これを透過するようになる。角柱ブロック３の光の透過
方向の長さが長いほど、角柱ブロック３の側面（３ｂ）
で反射せずに直接透過する光が少なくなり、全反射を繰
り返しながら透過する光の割合が大きくなるとともに、
全反射する回数も多くなる。そして、角柱ブロック３の
側面（３ｂ）で全反射を繰り返した光は、角柱ブロック
３を直接透過する光と共に、角柱ブロック３の他端面
（３ｃ）から出射するようになる。

【００１１】角柱ブロック３の側面（３ｂ）で幾度とな
く光が全反射された結果、角柱ブロック３の上方に向か
うにしたがって角柱ブロック３の任意断面における放射
エネルギー密度の差異が小さくなり、このようにして長
い角柱ブロック３内を光が透過した結果、角柱ブロック
の他端面（３ｃ）に対向した位置では放射エネルギーが
同等になって、該他端面（３ｃ）に載置されたワークに
均一な光が照射されるようになる。よって、ワーク４１
が均一に加熱されるようになる。

【００１２】理由を以下に詳細に説明する。図４は、被
照射面である角柱ブロック３の一端面から予備加熱用の
光源ランプ２１を見た場合のランプの像を示すが、角柱
ブロック３を直接透過せずに角柱ブロック３の側面で全
反射した光は、点線で示す複数の予備加熱用光源ランプ
２１虚像から来ているように見えるので、光源が非常に
多く存在することになる。そして、光が角柱ブロック３
の側面で全反射する回数が多いほど、光源の数が多くな
る。従って、被照射面においては、極めて多数の光源か
ら光が来ているのと同じことになり、被照射面の場所に
よる放射エネルギーの差異が小さくなり、従って、ワー
ク４１を均一に加熱できるようになる。この結果、図５
に示すよう、ワーク４１の温度分布曲線（斜線部）は、
極めてフラットな曲線になる。また、角柱ブロック３の
側面から光が外に逃げないで、当該角柱ブロック３に入
射した光を全てワーク４１に照射できてワークの加熱に
利用することができるので、高効率な光加熱を実現でき
る。

【００１３】尚、予備加熱用光源ランプ２１には、ハロ
ゲンランプ、キセノンランプ、水銀ランプなどのランプ
を使用できるが、これらのランプは、ほぼ０．３〜３．
０μｍの波長の光を放射するので、該ランプよりの放射
光の一部は、角柱ブロック３に吸収されることがある。
角柱ブロック３が石英ガラスの場合、その製法によって
は多くのＯＨ基を含んでしまうが、この石英ガラスのＯ
Ｈ基の含有量を５ｐｐｍ以下にすると、該ＯＨ基による
光の透過率の悪影響が小さくて予備加熱用光源ランプ２
１から放射される光を効率良く利用できる。具体的に
は、真空溶融して形成する無水石英ガラスは、ＯＨ基を
ほとんど含まないので好ましい。

【００１４】以上のように、上記構成に係る予備加熱ユ
ニットによると、効率よく、且つ、均一にワークを加熱
することが可能になる。従って、閃光照射による加熱装
置の予備加熱手段として係る構成を有する加熱手段を採
用することで、主加熱に先立って行われる予備加熱に要
する時間を極めて短縮できて、ワークの均一加熱が可能
となり、更にワークを均一に熱処理することができる。

【００１５】以下、本発明の一実施形態を説明する。予
備加熱ユニット２は、予備加熱用光源ランプ２１と、反
射ミラー２２と、ガラス製の角柱ブロック３とからな
る。予備加熱用光源ランプ２は、例えば、赤外線を多く
含む光を放射するハロゲンランプで、ワークの温度が３
００〜５００℃に達するよう電力は調整される。

【００１６】予備加熱用光源ランプ２１の背面（図にお
いて下方）に置かれた反射ミラー２２は、例えば耐熱性
のセラミックスからなり、その反射面２２ａは予備加熱
用光源ランプ２１の形状に沿って樋状の溝が形成されて
おり、鏡面状に加工されている。

【００１７】一方、予備加熱用光源ランプ２１上には、
例えば、底面が３５ｍｍ×３５ｍｍ、長さ１５０ｍｍの
四角形であるガラス製の角柱ブロック３が、例えば６×
６（計３６本）セットされる。これら角柱ブロック３
は、予備加熱用光源ランプ２１が並べられた平面に対し
て起立した状態に立てて配置され、該角柱ブロック３同
士の間隔が０〜０．２ｍｍとなるよう密接して並べられ
ている。上記ガラス製の角柱ブロック３の材質として
は、ガラスのなかでも光の屈折率が大きいものが好まし
く、例えば、石英ガラス、パイレックス等が挙げられ
る。尚、光の屈折率では１．４１以上が好ましい。図
１、２において、ワーク４１は、予備加熱ユニット２の
直上において保持部材４２上に水平に載置される。保持
部材４２は、例えば透光性の石英ガラスであり、予備加
熱用光源ランプ２１からの放射光を透過するような材質
で構成される。

【００１８】ワーク４１の上方において位置される閃光
照射ユニット１は、当該ワーク４１の面に対し平行な仮
想平面上にある。そして、該閃光照射ユニット１により
閃光照射するときには、複数の閃光放電ランプ１１は、
ワーク４１面に対して等間隔に近接配置されるように並
べられる。尚、閃光放電ランプ１１のワーク４１とは反
対側の位置に一枚の反射ミラー１２が配置されている。

【００１９】閃光放電ランプ１１は、発光管の大きさが
例えば、外径１０ｍｍ、肉厚１．０ｍｍ、全長が２８０
ｍｍであり、石英ガラスよりなる。この両端には高融点
金属からなる電極が、電極間距離２２０ｍｍとして対向
配置されており、キセノン（Ｘｅ）ガスが封入されてい
る。係る閃光放電ランプ１１は、例えば２０本用意され
る。そして、ワーク４１の表面（図２において４１ａ
面）に対して、例えば２５ｍｍ離隔されて配置される。
上記構成に係る閃光照射ユニット１では、照射面積は例
えば２００ｍｍ×２００ｍｍである。

【００２０】図２のように、前記閃光照射ユニット１に
は、前記仮想平面を移動することができる駆動装置（図
示省略）が具備される。該閃光照射ユニット１が駆動で
きると、ワーク４１の予備加熱時には予備加熱用光源ラ
ンプ２１からの光が3ｂを通して該閃光照射ユニット１
に照射されないように、該閃光照射ユニット１を後退さ
せておき、ワーク４１の予備加熱が完了したら、当該閃
光照射ユニットをワークの直上に移動させて閃光照射す
るようにできて、ワーク４１の予備加熱時において、予
備加熱用光源ランプの光が閃光照射ユニット１に照射さ
れずに済み、当該閃光照射ユニット１の過熱を防止でき
る。

【００２１】尚、ワークの温度分布曲線は極めてフラッ
トな曲線になるが、ワークの外周縁からも熱が放射する
ので、ワークの端部近傍においては温度低下を生じてし
まう。このため、予備加熱ユニットのワークの端部に対
応させて、光源ランプの放射エネルギーを大きくするの
がよい。具体的手段としては、図１に示したような直管
状のハロゲンランプを用いる場合は、並べられた光源ラ
ンプのうち、両脇の位置にあるハロゲンランプの電力を
それ以外のものに比較して大きくすると共に、中心側に
位置されたハロゲンランプの発光量を、個々のハロゲン
ランプで封装されたフィラメントの巻回密度を大きくす
る等の方法によって、両端において大きくするといった
手段がある。本発明においては、光源ランプよりの放射
エネルギーが角柱ブロックに入射されると、角柱ブロッ
ク毎に光が出射されるので隣接する光源ランプの影響を
ほとんど受けなくなる。従って、予備加熱用の光源ラン
プの出射エネルギーを、ワークの位置に対応させて制御
することにより、予備加熱ユニット全体から出射するエ
ネルギーの分布曲線を所望の形状に容易に制御すること
ができ、ワークの端部の温度を中央部と同等にすること
ができる。

【００２２】以上のように、予備加熱用光源ランプより
の光をガラス製の角柱ブロックの一端面より入射して、
当該角柱ブロックの側面において全反射を繰返しながら
該角柱ブロックの他端面より出射してワークを加熱する
ので、多数の光源から放射される光で被処理物を加熱し
ているのと同等になり、ワークの全域をきわめて均一に
加熱することができる。そして、予備加熱用光源ランプ
よりの放射エネルギーを極めて効率良くワークに照射す
ることができるので、当該ワークを急速に加熱すること
ができる。そして、本発明に係る閃光照射加熱装置によ
れば、上記予備加熱手段を採用することで、高効率故
に、均一かつ急速に予備加熱が行えるので、予備加熱に
かかる時間も短縮でる。

【００２３】尚、ワークの表側に閃光照射ユニットを位
置させて、裏側に予備加熱ユニットを配置しておくこと
により、予備加熱を行いながら閃光を照射でき、予備加
熱後もワークが冷めること無く、ワーク全体を所望の予
備加熱温度まで昇温させて閃光照射できるので、一層の
高効率化を図ることができる。そして、主加熱に要する
時間を短縮できて、ワークが高温に曝される時間も極め
て短くて済みワークの加熱処理部以外の個所における加
熱による欠損等、ワークへのダメージも防止できる。

【００２４】ところで、上述した実施形態においては、
１本の予備加熱用の光源ランプに対して６本の角柱ブロ
ックを使用したがこれに限定されることなく適宜変更可
能である。又、角柱ブロック同士が密接に並設できれば
良く、角柱ブロックの断面形状は四角形に限定されるこ
と無く、その他の多角形でも良い。

【００２５】更に、予備加熱用の光源ランプは、ハロゲ
ンランプに限定されること無く、上記したように、紫外
線や可視光を多く含む光を放射するキセノンランプや水
銀ランプ等の放電ランプを用いても、同様の効果を奏す
る。

【００２６】上述の実施形態に係る構成の閃光照射加熱
装置により、厚さ０．５ｍｍ、直径２００ｍｍのシリコ
ンウェハを加熱した実施例を以下に述べる。予備加熱ユ
ニットの光源ランプは定格８０ｋＷである。これを５秒
間保持して予備加熱を行った。しかる後シリコンウェハ
温度は中心部において約４００℃で該ウェハの端部との
温度差は±４℃以下であった。しかる後、閃光照射ユニ
ットをワークの直上に移動させて予備加熱ユニットより
の光照射を継続しながら閃光放電ランプを点灯した。閃
光放電ランプ１本当りの発光エネルギーは２．８〜３．
０ｋＪで、パルス巾（１／２波高長）を１．０〜３．０
ｍｓｅｃ（ミリ秒）で発光照射した。シリコンウェハへ
の閃光照射後、ウエハーは加熱の効果が見られ、熱処理
が完全に終了したと確認された。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の閃光照射
加熱装置は、閃光照射するに先立ち、予備加熱用光源ラ
ンプよりの光をガラス製の角柱ブロックの一端面より入
射して、当該角柱ブロックの側面において全反射を繰返
しながら該角柱ブロックの他端面より出射してワークを
加熱するので極めて多数の光源から放射される光で被処
理物を加熱しているのと同等になりワークの全域をきわ
めて均一に加熱できて、急速、且つ、均一にワークの予
備加熱を行うことができる。このように、ワークを均一
に予備加熱できるので、主加熱によるワークの熱処理に
むらを生じないでワーク全域を均質に処理できるように
なる。又、予備加熱手段によってワークの裏側を加熱す
ることにより、閃光放電ランプよりの閃光を照射すると
きも、ワークの予備加熱温度を保持することができ、予
備加熱から主加熱までの熱ロスが小さくできて、熱処理
の反応温度まで瞬時に昇温されるようになり、効率が非
常に良いうえ、主加熱にかかる時間も閃光加熱な為、極
めて短くて済む。又、加熱は表面のみが閃光により加熱
されるのでワーク全体の過剰加熱が防止されて過不足無
く熱処理することができるようになる。

【００２８】尚、予備加熱手段における角柱ブロックが
石英ガラスからなる場合は、石英ガラスのＯＨ基含有量
を５ｐｐｍ以下とすることにより、赤外線の石英ガラス
への吸収量が少なくなって効率良くワーク加熱すること
ができ、予備加熱における更なる高効率化を実現でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願発明に係る閃光照射加熱装置を斜め上方
より見た概略説明図である。

【図２】閃光照射加熱装置を閃光放電ランプの管軸の
断面方向から見た概略説明図である。

【図３】予備加熱ユニットの構成を説明するハロゲン
ランプの断面方向から見た概略説明図である。

【図４】角柱ブロック一端面から光源ランプを見た場
合のランプの像を説明する図である。

【図５】ワークの温度分布曲線を示した図である。

【図６】従来の閃光照射加熱装置の概略図である。

【符号の説明】

１閃光照射ユニット１１閃光放電ランプ１２反射ミラー２予備加熱ユニット２１予備加熱用光源ランプ２２反射ミラー３角柱ブロック４１ワーク４２保持部材５ワーク載置台

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ワークを閃光放電ランプよりの閃光を照
射して加熱処理する閃光照射加熱装置において、前記閃光照射加熱装置は閃光照射に先立って加熱する予
備加熱手段を含み、該予備加熱手段は、予備加熱用の光源ランプとガラス製
の角柱ブロックとを有し、この予備加熱用光源ランプか
らの光を当該角柱ブロックの一端面から入射して、当該
角柱ブロックの側面において全反射を繰返しながら該角
柱ブロックの他端面より出射し、当該ワークを照射して
加熱する加熱手段からなることを特徴とする閃光照射加
熱装置。
【請求項２】前記予備加熱手段はワークの一方の面を
加熱するよう配置されており、前記閃光放電ランプより
の閃光が該ワークの他方の面に照射されることを特徴と
する請求項１に記載の閃光照射加熱装置。
【請求項３】前記閃光放電ランプはワーク処理面に対
して平行移動が可能であることを特徴とする請求項１又
は２に記載の閃光照射加熱装置。
【請求項４】前記角柱ブロックは、OH基の含有量が５
ｐｐｍ以下の石英ガラスからなることを特徴とする請求
項１乃至３の何れかに記載の閃光照射加熱装置。