JP4841854B2

JP4841854B2 - 熱処理装置

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Publication number: JP4841854B2
Application number: JP2005096799A
Authority: JP
Inventors: 達文楠田
Original assignee: Screen Holdings Co Ltd; Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Screen Holdings Co Ltd; Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2005-03-30
Filing date: 2005-03-30
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2025-03-30
Also published as: JP2006278806A

Description

この発明は、半導体ウェハーやガラス基板等（以下、単に「基板」と称する）に閃光を照射することにより基板を熱処理する熱処理装置に関する。

従来より、イオン注入後の半導体ウェハーのイオン活性化工程においては、ハロゲンランプを使用したランプアニール装置等の熱処理装置が使用されている。このような熱処理装置においては、半導体ウェハーを、例えば、１０００℃ないし１１００℃程度の温度に加熱（アニール）することにより、半導体ウェハーのイオン活性化を実行している。そして、このような熱処理装置においては、ハロゲンランプより照射される光のエネルギーを利用することにより、毎秒数百度程度の速度で基板を昇温する構成となっている。

一方、近年、半導体デバイスの高集積化が進展し、ゲート長が短くなるにつれて接合深さも浅くすることが望まれている。しかしながら、毎秒数百度程度の速度で半導体ウェハーを昇温する上記ランプアニール装置を使用して半導体ウェハーのイオン活性化を実行した場合においても、半導体ウェハーに打ち込まれたボロンやリン等のイオンが熱によって深く拡散するという現象が生ずることが判明した。このような現象が発生した場合においては、接合深さが要求よりも深くなり過ぎ、良好なデバイス形成に支障が生じることが懸念される。

このため、キセノンフラッシュランプ等を使用して半導体ウェハーの表面に閃光を照射することにより、イオン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（数ミリセカンド以下）に昇温させる技術が実現されている。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閃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、数ミリセカンド以下の極めて短時間の閃光照射であれば、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、イオンを深く拡散させることなく、イオン活性化のみを実行することができるのである。

ところが、キセノンフラッシュランプは極めて高いエネルギーを有する光を瞬間的に半導体ウェハーに照射するため、一瞬で半導体ウェハーの表面温度が急速に上昇し、照射する光のエネルギーがある閾値を超えると急速な表面の熱膨張によって半導体ウェハーが高い確率で割れることとなる。また、サセプタに半導体ウェハーを保持させた状態にてキセノンフラッシュランプからの閃光照射によって該ウェハーを加熱したときには、上記閾値未満のエネルギーの閃光を照射したとしても、半導体ウェハーが割れることがあった。これは、一瞬の閃光照射によってウェハー表面が急激に熱膨張して半導体ウェハーが凸状に反ろうとしたときに、ウェハー端部がサセプタのポケット縁や位置決めピンに接触していたりすると、その接触部に大きな力が加わる一方で、そのような応力を緩和すべくウェハーがサセプタ上を滑って移動する時間的余裕がないためである。その結果、上記閾値未満のエネルギーの閃光を照射したときであっても、半導体ウェハーの端部が何かに接触していると瞬間的な熱膨張時にそこから受ける応力によってウェハーが割れることとなっていたのである。

このような問題を解決するため、特許文献１には閃光照射の直前に半導体ウェハーをサセプタから浮上させ、サセプタの上面と半導体ウェハーの下面との間に空気層を挟み込んだ浮遊状態にてフラッシュ加熱を行う技術が開示されている。これによれば、フラッシュランプからの閃光照射時に浮遊状態の半導体ウェハーが自由に動くことができ、一瞬の閃光照射によってウェハー表面が急激に熱膨張しても半導体ウェハーの割れを防止することができる。

特開２００４−１８６５４２号公報

しかしながら、イオンの活性化率をさらに高めるために、より大きなエネルギー（上記閾値に近いエネルギー）にてフラッシュ加熱を行いたいという要望が強い。このような大きなエネルギーにて閃光照射を行うと、それに伴って加熱時に半導体ウェハーが大きく凸状に湾曲することとなる。特許文献１に開示された技術を用いたとしても、サセプタからの浮遊距離以上に半導体ウェハーが大きく湾曲すると、図１０に示すように、半導体ウェハーの周縁端部がサセプタ１０１に接触することとなる。なお、図１０において、ホットプレート１０２は、サセプタ１０１を介して半導体ウェハーＷを予備加熱するためのものである。

図１０に示す如く、半導体ウェハーが大きく凸状に湾曲してその周縁端部がサセプタ１０１の上面に接触すると、その接触によって半導体ウェハーＷが割れるおそれがある。また、半導体ウェハーが凸状に反った瞬間には、半導体ウェハーＷの下面とサセプタ１０１の上面との間に形成される気密状態の空間１０３が減圧空間となり、半導体ウェハーＷに作用する外気の圧力はそのままサセプタ１０１上面に対する半導体ウェハーＷの周縁端部の接触荷重となる。このときに、半導体ウェハーＷの周縁端部からサセプタ１０１が受ける荷重は、φ２００ｍｍの半導体ウェハーＷであっても３００ｋｇｗ以上であり、φ３００ｍｍの半導体ウェハーＷともなると約７００ｋｇｗにも及ぶ。通常、サセプタ１０１は石英製であるが、このような大きな接触荷重が作用するとサセプタ１０１上面に半導体ウェハーＷの周縁形状に沿った傷が付くことがある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、大きなエネルギーにて閃光照射を行ったとしても基板の割れを防止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、基板に対して閃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、フラッシュランプを有する光源と、前記光源の下方に設けられたチャンバーと、前記光源から閃光を照射する前に基板を予備加熱するホットプレートと、前記ホットプレートの上面に固定されたウェハステージと、前記ホットプレートに対して相対昇降が可能に設けられ、前記光源から閃光を照射するときに、前記チャンバー内にて基板を略水平姿勢にて保持するサセプタと、前記予備加熱を行うときには、前記サセプタの上面が前記ウェハステージの上面と面一となる接触位置にまで前記サセプタを前記ホットプレートに対して相対的に下降させるとともに、前記光源から閃光を照射するときには、前記接触位置よりも上方の浮上位置にまで前記サセプタを前記ホットプレートに対して相対的に上昇させるサセプタ昇降手段と、を備え、前記サセプタの平面サイズを処理対象となる基板の平面サイズよりも小さくしている。

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、処理対象となる基板および前記サセプタが実質的に円形であり、前記サセプタの直径を処理対象となる基板の直径の４０％以上８０％以下としている。

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、前記サセプタの上面周縁部を面取り加工している。

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、前記サセプタに、上面側と下面側とを連通する貫通孔を穿設している。

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、前記サセプタの側方に、熱処理時の基板の位置ずれを防止する位置ずれ防止ピンを立設している。

請求項１の発明によれば、サセプタの平面サイズが処理対象となる基板の平面サイズよりも小さいため、大きなエネルギーにて閃光照射が行われたとしても基板が自由に湾曲することができ、基板内部に生じるストレスが軽減され、その結果基板の割れを防止することができる。

また、請求項２の発明によれば、サセプタの直径が処理対象となる基板の直径の４０％以上８０％以下であるため、基板を安定して保持することと自由な湾曲させることとを両立させることができる。

また、請求項３の発明によれば、サセプタの上面周縁部にアールをつけているため、閃光照射時に基板が湾曲しても、その裏面に傷が付くことが防止される。

また、請求項４の発明によれば、サセプタに、上面側と下面側とを連通する貫通孔を穿設しているため、閃光照射時に基板がより自由に湾曲することができる。

また、請求項５の発明によれば、サセプタの側方に、熱処理時の基板の位置ずれを防止する位置ずれ防止ピンを立設しているため、閃光照射時に基板が急激に湾曲してもサセプタから基板が滑落するのを防止することができる。

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の構成を示す側断面図である。熱処理装置１は基板として実質的に円形の半導体ウェハーＷに閃光を照射してその半導体ウェハーＷを加熱するフラッシュランプアニール装置である。

熱処理装置１は、半導体ウェハーＷを収容する略円筒形状のチャンバー６を備える。チャンバー６は、略円筒状の内壁を有するチャンバー側部６３、および、チャンバー側部６３の下部を覆うチャンバー底部６２によって構成される。また、チャンバー側部６３およびチャンバー底部６２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。熱処理空間６５の上方は上部開口６０とされている。

また、熱処理装置１は、上部開口６０に装着されて上部開口６０を閉塞する閉塞部材である透光板６１、チャンバー６の内部において半導体ウェハーＷを水平姿勢にて保持しつつ予備加熱を行う略円板状の保持部７、保持部７の全体をチャンバー６の底面であるチャンバー底部６２に対して昇降させる保持部昇降機構４、保持部７の一部であるサセプタ７２１を保持部７に対して昇降させるサセプタ昇降機構９、サセプタ７２１に保持される半導体ウェハーＷに透光板６１を介して光を照射することにより半導体ウェハーＷを加熱する光照射部５、および、これらの構成を制御して熱処理を行う制御部３を備える。

チャンバー６は、光照射部５の下方に設けられている。チャンバー６の上部に設けられた透光板６１は、例えば、石英等により形成され、光照射部５から出射された光を透過して熱処理空間６５に導くチャンバー窓（透光窓）として機能する。チャンバー６の本体を構成するチャンバー底部６２およびチャンバー側部６３は、例えば、ステンレススチール等の強度と耐熱性に優れた金属材料にて形成されており、チャンバー側部６３の内側面の上部のリング６３１は、光照射による劣化に対してステンレススチールより優れた耐久性を有するアルミニウム（Ａｌ）合金等で形成されている。

チャンバー側部６３は、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６６を有し、搬送開口部６６は、軸６６２を中心に回動するゲートバルブ１８５により開閉可能とされる。チャンバー側部６３における搬送開口部６６とは反対側の部位には熱処理空間６５に処理ガス（例えば、窒素（Ｎ₂）ガスやヘリウム（Ｈｅ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス等の不活性ガス、あるいは、酸素（０₂）ガス等）を導入する導入路８１が形成され、その一端は弁８２を介して図示省略の給気機構に接続され、他端はチャンバー側部６３の内部に形成されるガス導入チャンネル８３に接続される。また、搬送開口部６６には熱処理空間６５内の気体を排出する排出路８６が形成され、弁８７を介して図示省略の排気機構に接続される。

図２は、チャンバー６をガス導入チャンネル８３の位置にて水平面で切断した断面図である。図２に示すように、ガス導入チャンネル８３は、図１に示す搬送開口部６６の反対側においてチャンバー側部６３の全周の約１／３に亘って形成されており、導入路８１を介してガス導入チャンネル８３に導かれた処理ガスは、複数のガス供給孔８４から熱処理空間６５内へと供給される。

図１に示す保持部昇降機構４は、略円筒状のシャフト４１、移動板４２、ガイド部材４３（本実施の形態ではシャフト４１の周りに３本配置される）、固定板４４、ボールネジ４５、ナット４６およびモータ４０を有する。チャンバー６の下部であるチャンバー底部６２には保持部７よりも小さい直径を有する略円形の下部開口６４が形成されており、ステンレススチール製のシャフト４１は、下部開口６４を挿通して、保持部７（厳密には保持部７のホットプレート７１）の下面に接続されて保持部７を支持する。

移動板４２にはボールネジ４５と螺合するナット４６が固定されている。また、移動板４２は、チャンバー底部６２に固定されて下方へと伸びるガイド部材４３により摺動自在に案内されて上下方向に移動可能とされる。また、移動板４２は、シャフト４１を介して保持部７に連結される。

モータ４０は、ガイド部材４３の下端部に取り付けられる固定板４４に設置され、タイミングベルト４０１を介してボールネジ４５に接続される。保持部昇降機構４により保持部７が昇降する際には、駆動部であるモータ４０が制御部３の制御によりボールネジ４５を回転し、ナット４６が固定された移動板４２がガイド部材４３に沿って鉛直方向に移動する。この結果、移動板４２に固定されたシャフト４１が鉛直方向に沿って移動し、シャフト４１に接続された保持部７が図１に示す半導体ウェハーＷの受渡位置と図４に示す半導体ウェハーＷの熱処理位置との間で滑らかに昇降する。

移動板４２の上面には略半円筒状（円筒を長手方向に沿って半分に切断した形状）のメカストッパ４５１がボールネジ４５に沿うように立設されており、仮に何らかの異常により移動板４２が所定の上昇限界を超えて上昇しようとしても、メカストッパ４５１の上端がボールネジ４５の端部に設けられた端板４５２に突き当たることによって移動板４２の異常上昇が防止される。これにより、保持部７が透光板６１の下方の所定位置以上に上昇することはなく、保持部７と透光板６１との衝突が防止される。

また、保持部昇降機構４は、チャンバー６の内部のメンテナンスを行う際に保持部７を手動にて昇降させる手動昇降部４９を有する。手動昇降部４９はハンドル４９１および回転軸４９２を有し、ハンドル４９１を介して回転軸４９２を回転することより、タイミングベルト４９５を介して回転軸４９２に接続されるボールネジ４５を回転して保持部７の昇降を行うことができる。

チャンバー底部６２の下側には、シャフト４１の周囲を囲み下方へと伸びる伸縮自在のベローズ４７が設けられ、その上端はチャンバー底部６２の下面に接続される。一方、ベローズ４７の下端はベローズ下端板４７１に取り付けられている。べローズ下端板４７１は、鍔状部材４１１によってシャフト４１にねじ止めされて取り付けられている。保持部昇降機構４により保持部７がチャンバー底部６２に対して上昇する際にはベローズ４７が収縮され、下降する際にはべローズ４７が伸張される。そして、保持部７が昇降する際にも、ベローズ４７が伸縮することによって熱処理空間６５内の気密状態が維持される。

保持部７は、半導体ウェハーＷを予備加熱（いわゆるアシスト加熱）するホットプレート（加熱プレート）７１、並びに、ホットプレート７１の上面（保持部７が半導体ウェハーＷを保持する側の面）に設けられたサセプタ７２１およびウェハステージ７２２を有する。保持部７の下面には、既述のように保持部７を昇降するシャフト４１が接続される。

ホットプレート７１は、ステンレススチール製の上部プレート７３および下部プレート７４を有する。上部プレート７３と下部プレート７４との間には、ホットプレート７１を加熱するニクロム線等の抵抗加熱線が配設され、導電性のニッケル（Ｎｉ）ロウが充填されて封止されている。また、上部プレート７３および下部プレート７４の端部はロウ付けにより接着されている。

図３は、ホットプレート７１を示す平面図である。図３に示すように、ホットプレート７１は、保持される半導体ウェハーＷと対向する領域の中央部に同心円状に配置される円板状のゾーン７１１および円環状のゾーン７１２、並びに、ゾーン７１２の周囲の略円環状の領域を周方向に４等分割した４つのゾーン７１３〜７１６を備え、各ゾーン間には若干の間隙が形成されている。また、ホットプレート７１には、支持ピン７０が挿通される３つの貫通孔７７が、ゾーン７１１とゾーン７１２との隙間の周上に１２０°毎に設けられる。

６つのゾーン７１１〜７１６のそれぞれには、相互に独立した抵抗加熱線が周回するように配設されてヒータが形成されており、各ゾーンに内蔵されたヒータにより各ゾーンが個別に加熱される。保持部７に保持された半導体ウェハーＷは、６つのゾーン７１１〜７１６に内蔵されたヒータにより加熱される。また、ゾーン７１１〜７１６のそれぞれには、熱電対を用いて各ゾーンの温度を計測するセンサ７１０が設けられている。各センサ７１０は略円筒状のシャフト４１の内部を通り制御部３に接続される。

ホットプレート７１が加熱される際には、センサ７１０により計測される６つのゾーン７１１〜７１６のそれぞれの温度が予め設定された所定の温度になるように、各ゾーンに配設された抵抗加熱線への電力供給量が制御部３により制御される。制御部３による各ゾーンの温度制御はＰＩＤ(Proportional,Integral,Differential)制御により行われる。ホットプレート７１では、半導体ウェハーＷの熱処理（複数の半導体ウェハーＷを連続的に処理する場合は、全ての半導体ウェハーＷの熱処理）が終了するまでゾーン７１１〜７１６のそれぞれの温度が継続的に計測され、各ゾーンに配設された抵抗加熱線への電力供給量が個別に制御されて、すなわち、各ゾーンに内蔵されたヒータの温度が個別に制御されて各ゾーンの温度が設定温度に維持される。なお、各ゾーンの設定温度は、基準となる温度から個別に設定されたオフセット値だけ変更することが可能とされる。

６つのゾーン７１１〜７１６にそれぞれ配設される抵抗加熱線は、シャフト４１の内部を通る電力線を介して電力供給源（図示省略）に接続されている。電力供給源から各ゾーンの抵抗加熱線に至る経路途中において、電力供給源からの電力線はマグネシア（マグネシウム酸化物）等の絶縁体を充填したステンレスチューブの内部に互いに電気的に絶縁状態となるように配置される。なお、シャフト４１の内部は大気開放されている。

図１および図４に示すように、ホットプレート７１の上面側には、保持部７に対して相対昇降が可能なサセプタ７２１および固定されているウェハステージ７２２が個別に設けられている。サセプタ７２１およびウェハステージ７２２はともに石英（あるいは、窒化アルミニウム（ＡＩＮ）等であってもよい）により形成される。

ウェハステージ７２２は、円環形状の板状部材であって、その下面をホットプレート７１の上面に面接触させてホットプレート７１上に設置される。ウェハステージ７２２の外径はホットプレート７１の直径と等しい。一方、ウェハステージ７２２の内径はサセプタ７２１の直径よりも若干大きい。また、ウェハステージ７２２の上面には、熱処理時の半導体ウェハーＷの位置ずれを防止する位置ずれ防止ピン７５が立設されている。位置ずれ防止ピン７５は、半導体ウェハーＷの径よりも若干大きな径を有する円の周方向に沿って、例えば１２０°毎に３ヶ所設けられている。また、位置ずれ防止ピン７５の高さは、その上端がフラッシュ加熱時にサセプタ７２１に保持されている半導体ウェハーＷよりも高くなる程度のものであれば良い。

サセプタ７２１は、円盤形状の板状部材である。図５はサセプタ７２１の側断面図であり、図６はサセプタ７２１の平面図である。本実施形態のサセプタ７２１の直径ＤＳは処理対象となる半導体ウェハーＷの直径よりも短く、例えば半導体ウェハーＷの直径の７０％である。サセプタ７２１の厚さはウェハステージ７２２の厚さと等しい。また、サセプタ７２１の中心部には、サセプタ７２１の上面側と下面側とを連通する貫通孔７２３が穿設されている。貫通孔７２３の径は、上下面の雰囲気が連通する程度であれば充分であり、例えば数ｍｍ程度である。さらに、サセプタ７２１の上面周縁部には、例えば数ｍｍのアールがつけられている。

図１に示すサセプタ昇降機構９は、支持ピン７０（本実施形態ではシャフト４１の周りに３本配置される）、昇降板９１およびエアシリンダ９２を有する。チャンバー６の下部であるチャンバー底部６２には、下部開口６４の周りに１２０°毎に貫通孔９４が３ヶ所形成されている。支持ピン７０は、例えば石英により形成されており、貫通孔９４を挿通して、サセプタ７２１の下面に接続されてサセプタ７２１を下方より支持する。

支持ピン７０の下端は、昇降板９１に接続されている。昇降板９１は、シャフト４１の周りに配置された円環形状の部材である。昇降板９１は、エアシリンダ９２のピストンに接続されている。エアシリンダ９２はベローズ下端板４７１の上面に固定設置されている。従って、上述した保持部昇降機構４が保持部７を昇降させるのに連動してサセプタ昇降機構９の全体が昇降する。そして、制御部３の制御によりエアシリンダ９２が昇降板９１を昇降させると、それに伴ってサセプタ７２１が鉛直方向に沿って保持部７に対して相対的に昇降する。すなわち、サセプタ昇降機構９によって、サセプタ７２１は、ホットプレート７１に面接触する接触位置（図４）とホットプレート７１の上面から上方に離間した浮上位置（図１）との間で昇降する。

サセプタ７２１が接触位置に下降しているときには、ウェハステージ７２２の内側に入り込むこととなり、サセプタ７２１の上面とウェハステージ７２２の上面とは面一となる。このときには、サセプタ７２１およびウェハステージ７２２はともに、ホットプレート７１からの熱エネルギーを拡散してそれらの上面に載置された半導体ウェハーＷに伝達する役割を担う。一方、サセプタ７２１が浮上位置に上昇しているときには、ホットプレート７１上面から離間するため、ホットプレート７１の熱は伝達されない。このときには、サセプタ７２１のみによって半導体ウェハーＷが保持されることとなり、サセプタ７２１の側方に立設された位置ずれ防止ピン７５によって半導体ウェハーＷが取り囲まれる。なお、浮上位置に上昇したサセプタ７２１に保持されている半導体ウェハーＷよりも位置ずれ防止ピン７５の上端の方が若干高い。

また、チャンバー底部６２の下側と昇降板９１との間には支持ピン７０の周囲を囲むようにベローズ９３が設けられている。ベローズ９３の上端はチャンバー底部６２の下面に接続され、その下端は昇降板９１に取り付けられている。サセプタ昇降機構９によりサセプタ７２１が保持部７に対して上昇するときにはベローズ９３が収縮し、下降するときにはベローズ９３が伸長することによって熱処理空間６５内の気密状態が維持される。

図１に示す光照射部５は、複数（本実施の形態においては３０本）のキセノンフラッシュランプ（以下、単に「フラッシュランプ」という）６９、リフレクタ５２および光拡散板５３を有する。複数のフラッシュランプ６９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の主面に沿って互いに平行となるように平面状に配列されている。リフレクタ５２は、複数のフラッシュランプ６９の上方にそれら全体を覆うように設けられ、その表面はブラスト処理により粗面化加工が施されて梨地模様を呈する。また、光拡散板５３は、表面に光拡散加工を施した石英ガラスにより形成され、透光板６１との間に所定の間隙を設けて光照射部５の下面側に設置される。熱処理装置１には、メンテナンス時に光照射部５をチャンバー６に対して相対的に上昇させて水平方向にスライド移動させる照射部移動機構５５がさらに設けられる。

なお、本実施形態の熱処理装置１は、半導体ウェハーＷの熱処理時にフラッシュランプ６９およびホットプレート７１から発生する熱エネルギーによるチャンバー６および光照射部５の過剰な温度上昇を防止するため、様々な冷却用の構造（図示省略）を備えている。例えば、チャンバー６のチャンバー側部６３およびチャンバー底部６２には水冷管が設けられており、光照射部５は内部に気体を供給する供給管とサイレンサ付きの排気管が設けられて空冷構造とされている。また、透光板６１と光照射部５（の光拡散板５３）との間隙には圧縮空気が供給され、光照射都５および透光板６１を冷却するとともに、間隙に存在する有機物等を排除して熱処理時における光拡散板５３および透光板６１への付着を抑制する。

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図７から図９を適宜参照しつつ説明する。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が添加された半導体基板であり、添加された不純物の活性化が熱処理装置１による熱処理により行われる。なお、図７から図９は、半導体ウェハーＷの処理途中における保持部７を示す図である。

まず、保持部７が図１に示すようにチャンバー底部６２に近接した位置に配置される。保持部７が受渡位置に下降するとともに、サセプタ７２１は保持部７から突出して浮上位置にまで上昇する。以下、図１における保持部７のチャンバー６内における位置を「受渡位置」と称し、サセプタ７２１の保持部７に対する位置を「浮上位置」という。

次に、弁８２および弁８７が開かれてチャンバー６の熱処理空間６５内に常温の窒素ガスが導入される。続いて、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内に搬入され、浮上位置にまで上昇しているサセプタ７２１上に載置される。このときには、サセプタ７２１の中心と半導体ウェハーＷの中心とが一致するように半導体ウェハーＷがサセプタ７２１上に載置され、サセプタ７２１の全面が半導体ウェハーＷによって覆われる（図５，図６参照）。

半導体ウェハーＷの搬入時におけるチャンバー６への窒素ガスのパージ量は約４０リットル／分とされ、供給された窒素ガスはチャンバー６内においてガス導入チャンネル８３から図２中に示す矢印ＡＲ４の方向へと流れ、図１に示す排出路８６および弁８７を介してユーティリティ排気により排気される。また、チャンバー６に供給された窒素ガスの一部は、べローズ４７の内側に設けられる排出口（図示省略）からも排出される。なお、以下で説明する各ステップにおいて、チャンバー６には常に窒素ガスが供給および排気され続けており、窒素ガスのパージ量は半導体ウェハーＷの処理工程に合わせて様々に変更される。

半導体ウェハーＷがチャンバー６内に搬入されると、ゲートバルブ１８５により搬送開口部６６が閉鎖される。そして、図４に示す如く、保持部昇降機構４により保持部７が透光板６１に近接した位置（以下、「処理位置」という）まで上昇されるとともに、サセプタ昇降機構９によりサセプタ７２１がホットプレート７１に面接触する位置（以下、「接触位置」という）まで保持部７に対して相対下降する。その結果、半導体ウェハーＷがウェハステージ７２２に面接触し、図７に示すように、サセプタ７２１およびウェハステージ７２２の双方によって半導体ウェハーＷが保持される。すなわち、半導体ウェハーＷの中央部はサセプタ７２１によって保持され、周縁部はウェハステージ７２２によって保持される。

ホットプレート７１の６つのゾーン７１１〜７１６のそれぞれは、各ゾーンの内部（上部プレート７３と下部プレート７４との間）に個別に配設された抵抗加熱線により所定の温度まで加熱されている。半導体ウェハーＷがウェハステージ７２２および接触位置のサセプタ７２１の双方と面接触することにより、その半導体ウェハーＷはウェハステージ７２２およびサセプタ７２１を介してホットプレート７１により予備加熱されて温度が次第に上昇する。

この状態にて約６０秒間の予備加熱が行われ、半導体ウェハーＷの温度が予め設定された予備加熱温度Ｔ１まで上昇する。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６００℃程度、好ましくは３５０℃ないし５５０℃程度とされる。また、保持部７と透光板６１との間の距離は、保持部昇降機構４のモータ４０の回転量を制御することにより任意に調整することが可能とされている。

約６０秒間の予備加熱時間が経過した後、保持部７が処理位置に位置したままサセプタ７２１が浮上位置にまで上昇する。その結果、図８に示すように、半導体ウェハーＷの周縁部がウェハステージ７２２から上方へ離間し、サセプタ７２１のみによって半導体ウェハーＷが水平姿勢にて保持されることとなる。

その後、直ぐに（数秒以内に）制御部３の制御により光照射部５から半導体ウェハーＷへ向けてフラッシュ光が照射される。すなわち、半導体ウェハーＷがサセプタ７２１のみによって保持された状態にてフラッシュ加熱が実行される。なお、サセプタ７２１が浮上位置に上昇してからフラッシュ光照射までの時間間隔があまりに長くなると、ホットプレート７１からの熱エネルギー供給を絶たれた半導体ウェハーＷの温度が大きく低下することとなるため、サセプタ７２１が上昇してからなるべく迅速にフラッシュ光照射を行う方が好ましい。このとき、光照射部５のフラッシュランプ６９から放射される光の一部は直接に光拡散板５３および透光板６１を透過してチャンバー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光拡散板５３および透光板６１を透過してチャンバー６内へと向かい、これらの閃光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６９からの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、光照射部５のフラッシュランプ６９から照射される光は、予め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ミリ秒ないし１０ミリ秒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６９からの閃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℃ないし１１００℃程度の処理温度Ｔ２まで上昇し、半導体ウェハーＷに添加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に添加された不純物の熱による拡散（この拡散現象を、半導体ウェハーＷ中の不純物のプロファイルがなまる、ともいう）を抑制しつつ不純物の活性化を行うことができる。なお、添加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１０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。

また、フラッシュ加熱の前に保持部７により半導体ウェハーＷを予備加熱しておくことにより、フラッシュランプ６９からの閃光照射によって半導体ウェハーＷの表面温度を処理温度Ｔ２まで速やかに上昇させることができる。

ところで、フラッシュランプ６９を点灯して半導体ウェハーＷを加熱する際には、一瞬の閃光照射によってウェハー表面が急激に熱膨張して半導体ウェハーＷが凸状に反ろうとする。そして、このときに、半導体ウェハーＷの端部が何らかの部材に接触していると瞬間的な熱膨張時にそこから受ける応力によって半導体ウェハーＷが割れるおそれのあることは既述した通りである。

本実施形態においては、光照射部５からフラッシュ光を照射する直前にサセプタ７２１を浮上位置にまで上昇させ、半導体ウェハーＷをそれよりも直径の小さいサセプタ７２１のみによって保持するようにしている。従って、フラッシュ加熱時においては半導体ウェハーＷの端縁部が自由空間に解放されており、強いエネルギーのフラッシュ光照射によって半導体ウェハーＷが大きく凸状に湾曲したとしても、図９に示す如く、その端縁部がウェハステージ７２２等の部材に接触するおそれは皆無である。その結果、フラッシュ加熱時に半導体ウェハーＷが大きく凸状に反ったとしても、その湾曲によって半導体ウェハーＷ全体の内部に発生するストレスが軽減され、ウェハ割れを防止することができる。

また、本実施形態においては、サセプタ７２１の上面周縁部にアールがつけられて丸められているため、フラッシュ加熱時に半導体ウェハーＷが大きく湾曲しても、その裏面がサセプタ７２１の上面周縁部によって傷付くことが防止される。

また、サセプタ７２１の中心部には、サセプタ７２１の上面側と下面側とを連通する貫通孔７２３が穿設されている。このため、半導体ウェハーＷが凸状に湾曲したときに形成されるサセプタ７２１の上面と半導体ウェハーＷの裏面との間の空間ＳＰは、貫通孔７２３を介して熱処理空間６５と連通されることとなる。従って、上記の空間ＳＰと熱処理空間６５とは常に等圧であり、半導体ウェハーＷに気圧に起因したストレスがかかることが防止される。

さらに、本実施形態においては、浮上位置にまで上昇したサセプタ７２１の側方に、そのサセプタ７２１に保持された半導体ウェハーＷの周囲を取り囲むように位置ずれ防止ピン７５が立設されている。このため、フラッシュ光照射時に半導体ウェハーＷが湾曲して横方向に移動したとしても、サセプタ７２１から滑落することは防止される。

以上のようにして、フラッシュ加熱が終了し、処理位置における約１０秒間の待機の後、保持部７が保持部昇降機構４により再び図１に示す受渡位置まで下降する。なお、フラッシュ加熱終了後、サセプタ７２１は浮上位置に上昇したままである。従って、保持部７が受渡位置まで下降したときにもサセプタ７２１は浮上位置に上昇しており、図１に示す如く、半導体ウェハーＷはサセプタ７２１のみによって保持されている。続いて、ゲートバルブ１８５により閉鎖されていた搬送開口都６６が開放され、支持ピン７０上に載置された半導体ウェハーＷは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のフラッシュ加熱処理が完了する。

既述のように、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チャンバー６に継続的に供給されており、そのパージ量は、保持部７が処理位置に位置するときには約３０リットル／分とされ、保持部７が処理位置以外の位置に位置するときには約４０リットル／分とされる。

熱処理装置１では、新たな半導体ウェハーＷに対して同じ内容の熱処理を行う場合には、その新たな半導体ウェハーＷをチャンバー６内に搬入して予備加熱および閃光照射を行った後に該半導体ウェハーＷをチャンバー６から搬出するという上記動作が繰り返される。また、新たな半導体ウェハーＷに対して異なる熱処理を行う場合には、新たな熱処理に合わせて各種設定（窒素ガスのパージ量等）を行う間、保持部７は処理位置まで上昇して待機する。

以上のように、本実施形態においては、光照射部５からフラッシュ光を照射するときに、処理対象となる半導体ウェハーＷをそれよりも直径の小さいサセプタ７２１、つまり該半導体ウェハーＷよりも平面サイズの小さいサセプタ７２１のみによって保持するようにしている。これにより、半導体ウェハーＷの端縁部が自由空間に解放され、強いエネルギーのフラッシュ光照射によって半導体ウェハーＷが大きく凸状に湾曲したとしてもその湾曲によって半導体ウェハーＷの内部に発生するストレスが軽減され、ウェハ割れを防止することができる。換言すれば、処理対象となる半導体ウェハーＷをそれよりも平面サイズの小さいサセプタ７２１のみによって保持することにより、フラッシュ加熱時に半導体ウェハーＷがストレスフリーで自由に湾曲できるようにしているのである。そして、フラッシュ加熱時に半導体ウェハーＷがより自由に湾曲できるようにするために、サセプタ７２１の上面周縁部にアールをつけるとともに中心部に貫通孔７２３を穿設しているのである。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、この発明は上記の例に限定されるものではない。例えば、上記実施形態においては、サセプタ７２１の直径ＤＳを処理対象となる半導体ウェハーＷの直径の７０％としていたが、これに限定されるものではなく、サセプタ７２１の直径ＤＳは処理対象となる半導体ウェハーＷの直径の４０％以上８０％以下であれば良い。サセプタ７２１の直径ＤＳが処理対象となる半導体ウェハーＷの直径の４０％未満であると、サセプタ７２１による半導体ウェハーＷの保持の安定性が損なわれ、フラッシュ加熱時に半導体ウェハーＷが急激に反ったときにサセプタ７２１から滑り落ちるおそれがある。一方、サセプタ７２１の直径ＤＳが処理対象となる半導体ウェハーＷの直径の８０％より大きいと、フラッシュ加熱時に半導体ウェハーＷが湾曲できる自由度が低下し、その結果半導体ウェハーＷ内部に大きなストレスが生じて割れるおそれがある。よって、サセプタ７２１の直径ＤＳを処理対象となる半導体ウェハーＷの直径の４０％以上８０％以下とすることにより、フラッシュ加熱時に半導体ウェハーＷが自由に湾曲できるようにしつつもその半導体ウェハーＷを安定して保持できるようにしている。

また、サセプタ７２１の上面周縁部には精密なアールをつける必要は必ずしも無く、面取り加工程度を施しておけばよい。

また、貫通孔７２３はサセプタ７２１の中心部に穿設することに限定されるものではなく、サセプタ７２１の面内の任意の位置に設けることが可能である。

また、上記実施形態においては、熱処理時にチャンバー６に窒素ガスを継続して供給するようにしていたが、サセプタ７２１が浮上位置に上昇したときの半導体ウェハーＷの温度低下を軽減するため、熱処理時にはチャンバー６内を減圧雰囲気にするようにしてもよい。具体的には、排出路８６を真空ポンプ等に接続し、半導体ウェハーＷが搬入されて搬送開口部６６が閉鎖された後に該真空ポンプを作動させてチャンバー６内を減圧雰囲気とする。

また、上記実施形態においては、光照射部５に３０本のフラッシュランプ６９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６９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６９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、上記各実施形態においては、アシスト加熱手段としてホットプレート７１を使用していたが、半導体ウェハーＷを保持する保持部７の下方に複数のランプ群（例えば複数のハロゲンランプ）を設け、それらからの光照射によってアシスト加熱を行うようにしても良い。

また、上記各実施形態においては、半導体ウェハーに光を照射してイオン活性化処理を行うようにしていたが、本発明にかかる熱処理装置による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い。例えば、窒化シリコン膜や多結晶シリコン膜等の種々のシリコン膜が形成されたガラス基板に対して本発明にかかる熱処理装置による処理を行っても良い。一例として、ＣＶＤ法によりガラス基板上に形成した多結晶シリコン膜にシリコンをイオン注入して非晶質化した非晶質シリコン膜を形成し、さらにその上に反射防止膜となる酸化シリコン膜を形成する。この状態で、本発明にかかる熱処理装置により非晶質のシリコン膜の全面に光照射を行い、非晶質のシリコン膜が多結晶化した多結晶シリコン膜を形成することもできる。

また、ガラス基板上に下地酸化シリコン膜、アモルファスシリコンを結晶化したポリシリコン膜を形成し、そのポリシリコン膜にリンやボロン等の不純物をドーピングした構造のＴＦＴ基板に対して本発明にかかる熱処理装置により光照射を行い、ドーピング工程で打ち込まれた不純物の活性化を行うこともできる。

本発明に係る熱処理装置の構成を示す側断面図である。図１の熱処理装置のガス路を示す断面図である。図１の熱処理装置のホットプレートを示す平面図である。図１の熱処理装置の構成を示す側断面図である。図１の熱処理装置のサセプタの側断面図である。図５のサセプタの平面図である。半導体ウェハーの処理途中における保持部を示す図である。半導体ウェハーの処理途中における保持部を示す図である。半導体ウェハーの処理途中における保持部を示す図である。従来のサセプタ上にて閃光照射により半導体ウェハーが凸状に反った状態を示す図である。

符号の説明

１熱処理装置
４保持部昇降機構
５光照射部
６チャンバー
７保持部
９サセプタ昇降機構
６１透光板
６５熱処理空間
６９フラッシュランプ
７０支持ピン
７１ホットプレート
７５位置ずれ防止ピン
７２１サセプタ
７２２ウェハステージ
７２３貫通孔
Ｗ半導体ウェハー

Claims

基板に対して閃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、
フラッシュランプを有する光源と、
前記光源の下方に設けられたチャンバーと、
前記光源から閃光を照射する前に基板を予備加熱するホットプレートと、
前記ホットプレートの上面に固定されたウェハステージと、
前記ホットプレートに対して相対昇降が可能に設けられ、前記光源から閃光を照射するときに、前記チャンバー内にて基板を略水平姿勢にて保持するサセプタと、
前記予備加熱を行うときには、前記サセプタの上面が前記ウェハステージの上面と面一となる接触位置にまで前記サセプタを前記ホットプレートに対して相対的に下降させるとともに、前記光源から閃光を照射するときには、前記接触位置よりも上方の浮上位置にまで前記サセプタを前記ホットプレートに対して相対的に上昇させるサセプタ昇降手段と、
を備え、
前記サセプタの平面サイズは、処理対象となる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。
請求項１記載の熱処理装置において、
処理対象となる基板および前記サセプタは実質的に円形であり、
前記サセプタの直径は処理対象となる基板の直径の４０％以上８０％以下であることを特徴とする熱処理装置。
請求項１または請求項２に記載の熱処理装置において、
前記サセプタの上面周縁部は面取り加工されていることを特徴とする熱処理装置。
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、
前記サセプタに、上面側と下面側とを連通する貫通孔を穿設することを特徴とする熱処理装置。
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、
前記サセプタの側方に、熱処理時の基板の位置ずれを防止する位置ずれ防止ピンを立設することを特徴とする熱処理装置。