JP5186764B2

JP5186764B2 - 閃光放射装置

Info

Publication number: JP5186764B2
Application number: JP2006335267A
Authority: JP
Inventors: 哲哉鳥飼; 貴文溝尻
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2006-12-13
Filing date: 2006-12-13
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2026-12-13
Also published as: CN101202210A; US20080143268A1; JP2008147533A

Description

本発明は、例えば半導体ウエハなどの被処理物を熱処理するための加熱源として好適に用いられる閃光放射装置に関する。

近年、例えば被処理物として半導体ウエハを熱処理するための光加熱装置としては、半導体ウエハの表層部分を極めて短時間に所定の温度に加熱することが必要とされている。閃光放電ランプを加熱源として備えた閃光放射装置を用いることが検討されている。

被処理物となる半導体ウエハは、口径が１００〜３００ｍｍのものが主として用いられている。このような大きな被処理面を有する被処理物を、１本の閃光放電ランプによって短時間で所定の温度に高い均一性で昇温させることは極めて困難である。そのため、被処理物の大きさに応じて多数の閃光放電ランプを等間隔で平行に配列し、これらの閃光放電ランプに共通のリフレクタを備えた閃光放射装置が用いられている。

図１６は、従来の閃光放射装置を有する光加熱装置として特開２００２−１９８３２２号公報に開示された光加熱装置の構成を示す図である。
光加熱装置は、被処理物２を熱処理するためのものであり、雰囲気ガス導入口４１を有するチャンバー４と、閃光放射装置１と、予備加熱手段３を備える。チャンバー４内は、不図示の支持台に被処理物２が置かれ、石英窓４３から光が照射されて被処理物２を熱処理する。閃光放射装置１は、等間隔で平行に配列された複数の棒状の閃光放電ランプ１０と、これらの閃光放電ランプ１０に共通のリフレクタ１１とを備える。予備加熱手段３は、等間隔で平行に配列された複数の棒状のハロゲンランプ３１と、これらのハロゲンランプ３１に共通のリフレクタ３２とを備える。
このような光加熱装置は、予め、予備加熱手段３に対応するハロゲンランプ３１を点灯し、被処理物２を導入されている不純物の熱拡散が生じない温度にまで予備加熱をする。その後、閃光放射装置１を作動させ、被処理物２に閃光を放射して熱処理が行われる。
特開２００２−１９８３２２号公報

現在、被処理物２の熱処理には、１ｍｓｅｃ程度のパルス電流の時間幅を有する閃光放電ランプ１０が使用されている。しかし、さらなる微細化が要求される半導体集積回路の製造工程に対応するために、パルス電流の時間幅がより短い閃光放電ランプ１０を用いて、被処理物２に閃光を照射することが望まれている。しかしながら、閃光放電ランプ１０のパルス電流の時間幅を短くして被処理物２を所定の処理温度まで加熱するためには、パルス電流のピーク値を上昇させざるを得ない。閃光放電ランプ１０に過大な負荷がかかり、閃光放電ランプ１０の寿命が著しく短くなる。
一方、予備加熱温度から処理温度までの温度差を小さくして、閃光放射装置１から照射する閃光の不足分を補えるように、予備加熱手段３により被処理物２を従来よりも高温に予備加熱することも考えられる。しかし、被処理物２が従来よりも高い温度で維持されると、被処理物２に導入されている不純物の熱拡散が生じてしまう。したがって、可能な予備加熱温度の範囲内で、閃光放電ランプ１０のパルス電流の時間幅をより短くして、被処理物２を熱処理することができなかった。

本発明は、閃光放電ランプのパルス電流の時間幅をより短くして、被処理物の表面を熱処理できる閃光放射装置を提供することを目的とする。

本願第１の発明は、複数の閃光放電ランプから放射される閃光を被処理物に照射する閃光放射装置において、
前記閃光照射装置は、第１の閃光放電ランプと、第２の閃光放電ランプとを有し、第２の閃光放電ランプの電流は、時間幅が第１の閃光放電ランプの電流の時間幅より小さく、第１の閃光放電ランプの電流がピーク値から減少して０となるまでの間に入力されること特徴とする。

また、本願第２の発明は、第１の発明において、前記第１の閃光放電ランプは平面状に複数配置され、前記第２の閃光放電ランプは前記第１の閃光放電ランプと前記被処理物の間に平面状に複数配置されることを特徴とする。

本発明に係る閃光放射装置によれば、第１の閃光放電ランプと、第２の閃光放電ランプとを有し、第２の閃光放電ランプの電流は、時間幅が第１の閃光放電ランプの電流の時間幅の半分以下であり、第１の閃光放電ランプの電流がピーク値から減少して０となるまでの間に入力されることによって、短時間だけ処理温度以上に被処理物の表面を熱処理することができる。

発明者らは、微細な回路を露光するために、パルス電流の時間幅がより短い閃光放電ランプ１０を用いて、被処理物２に閃光を照射することにした。図１は、光加熱装置の構成を示す説明用断面図である。
光加熱装置は、被処理物２を熱処理するためのものである。被処理物２は、例えば不純物イオンを導入した半導体ウエハであり、極表面のみを加熱して熱処理されるものである。特に、被照射物２の裏面に耐熱性の低い材料で作られた回路や配線が形成されている場合の熱処理に有効である。具体的には、裏面に回路や配線が形成されているパワー半導体デバイスの熱処理、特にＩＧＢＴの熱処理がある。
光加熱装置は、雰囲気ガス導入口４１と、被処理物出入口４２とを有するチャンバー４と、チャンバー４４内に配置される被処理物２を支持するための支持用台４４とを備える。また、チャンバー４の天井面には、石英の平板よりなる第１石英窓４３ａが設けられ、また、チャンバー４の底面には、石英の平板よりなる第２石英窓４３ｂが設けられる。そして、第２石英窓４３ｂの下方には、予備加熱手段３が設けられ、第１石英窓４３ａの上方には、閃光放射装置１が加熱源として設けられている。ここでは、予備加熱手段３は、第２石英窓４３ｂに沿って等間隔で平行に配列された複数の棒状のハロゲンランプ３１と、これらのハロゲンランプ３１に共通のリフレクタ３２とを備え、各ハロゲンランプ３１の動作を制御するためのハロゲンランプ点灯回路３３を有している。また、閃光放射装置１は、第１石英窓４３ａに沿って等間隔で平行に配列された複数の棒状の閃光放電ランプ１０と、これらの閃光放電ランプ１０に共通のリフレクタ１１とを備え、各閃光放電ランプ１０の動作を制御するための閃光放電ランプ点灯回路１２を有している。
このような光加熱装置では、予め、予備加熱手段３に対応するハロゲンランプ３１のすべてを一斉に点灯状態とすることにより、被処理物２を、導入された不純物の熱拡散が生じない予備加熱温度にまで予備加熱した後、閃光放射装置１を動作させることによって閃光を放射し、これにより、熱処理が行われる。
このように予備加熱をすることによって、被処理物２の表面と裏面との温度差を小さくすることができ、被処理物２にかかる熱応力を緩和し、被処理物２の割れを防ぐことができる。具体的にいうと、被処理物２の表面が瞬間的に１０００℃に達する場合、予備加熱をしなければ、被処理物２の裏面は室温（３０℃）であり、被処理物２の表面と裏面との温度差は９７０℃となるが、予備加熱をして、例えば被処理物２を予め３００℃に加熱すると、被処理物２の表面と裏面との温度差は７００℃に抑えることができる。なお、予備加熱をせずに被処理物２を熱処理することもできる。

図２は、本発明の閃光放電ランプ１０の構成を示す説明図である。
閃光放電ランプ１０は、例えば、キセノンガスが封入され、両端が封止され、内部に放電空間を有する直管型の石英ガラスまたはサファイア製の放電容器１３と、放電空間内において対向配置された電極１４を備えるものである。
また、始動性改善のため放電容器１３の外面に沿って管軸方向に伸びるよう配設されたトリガー線１６が設けられている。トリガー線１６は、外径が1mmのニッケルなどの金属線からなり、発光管の外壁に沿って、一方の電極１４の近傍から他方の電極１４の近傍にかけて軸線方向に配置され、トリガーバンド１７により固定される。そして、このトリガー線１６に例えば十数KVの高圧を印加すると、発光管の内壁に沿って軸線方向の電界が誘起され、これが引き金となって両電極間で放電して閃光発光する。なお、トリガー線１６を設けず、閃光放電ランプ１０の電極間に絶縁破壊電圧以上の高電圧を印加して、放電を開始させることもできる。

図３は、本発明の閃光放電ランプＦＬの点灯回路を示す説明図である。図３（ａ）は、各閃光放電ランプＦＬに対する点灯回路、図３（ｂ）は、複数の閃光放電ランプＦＬに対する点灯回路である。
閃光放電ランプＦＬには、瞬間的に放電させるためのエネルギー源として、時間幅の短いパルス電流が入力される。図３（ａ）に示すように、閃光放電ランプＦＬの点灯回路は、コンデンサ、コイル、トリガー発生回路、昇圧トランスより構成される。パルス電流の時間幅とエネルギー量は、コンデンサの容量Ｃ、コイルのインダクタンスＬ、充電電圧Ｖの値により調整することができる。一般に、パルス電流の時間幅はコンデンサの容量ＣとコイルのインダクタンスＬの値（ＬＣ）に依存し、パルス電流のエネルギー量はコンデンサの容量Ｃと充電電圧Ｖの値（ＣＶ^２）に依存する。例えば、コイルのインダクタンスＬと充電電圧Ｖを大きくすると、パルス電流の時間幅が長く、エネルギー量が大きい波形となり、コンデンサの容量Ｃを小さくすると、パルス電流の時間幅が短く、エネルギー量が小さい波形となる。パルス電流の波形は、配線長さ（抵抗）、閃光放電ランプＦＬの大きさや放射エネルギー（インピーダンス）にも左右される。状況に応じて、コンデンサの容量Ｃ、コイルのインダクタンスＬ、充電電圧Ｖを調整してパルス電流の波形を決める。また、放電回路の途中に半導体スイッチを入れて、点灯開始および点灯終了のタイミングを制御することもできる。任意の時間にスイッチにより、強制的に放電を終了させて、パルス電流の時間幅を調整する。
図３（ｂ）に示すような複数の閃光放電ランプＦＬに対しては、それぞれの閃光放電ランプＦＬに図３（ａ）に示す点灯回路が接続され、充電電圧Ｖとして共通する充電器５３が接続される。制御部５１が充電器５３と点灯信号発生部５４を操作し、点灯信号発生部５４により、共通の駆動信号が入力される。

図４は、横軸に時間（ｍｓｅｃ）、縦軸に電流（Ａ）をとり、１本の閃光放電ランプ１０に入力される時間幅が０．１ｍｓｅｃのパルス電流Ａの波形を示した図である。
微細化が要求される半導体集積回路の製造工程に対応するために、パルス電流Ａの時間幅が１ｍｓeｃ以下、好ましくは０．０００１〜０．３ｍｓｅｃの閃光放電ランプ１０を用いて、被処理物２に閃光を照射することが望まれている。一般に、パルス電流の時間幅が短い閃光放電ランプ１０の方が、被処理物２を瞬時に加熱し、被処理物２の熱拡散が生じにくいため、パルス電流による入力エネルギー量が減少しても、被処理物２の表面を所定温度まで加熱できる。しかしながら、閃光放電ランプ１０の時間幅を１ｍｓｅｃ以下に短くしたパルス電流Ａでは、被処理物２を所定温度まで加熱するエネルギー量を確保するためには、パルス電流Ａのピーク値を極めて高くしなければならない。パルス電流Ａのようにピーク値が高くなると、閃光放電ランプ１０の放電容器１３の内表面に熱負荷がかかり、数１００回点灯させると、熱負荷に耐えられなくなり、放電容器１３が劣化してしまう不具合が発生する。なお、パルス電流の時間幅とは、パルス電流のピーク値の半値以上の電流が加えられている時間の区間をいう。

図５は、横軸に時間（ｍｓｅｃ）、右縦軸に電流（Ａ）をとり、１本の閃光放電ランプ１０に入力される時間幅が１．０ｍｓｅｃのパルス電流の波形Ｂを示し、左縦軸に温度（℃）をとり、パルス電流Ｂが入力された閃光放電ランプ１０の閃光により加熱された被処理物２の表面温度Ｔ_１を示した図である。
時間幅の長いパルス電流Ｂは、被処理物２を所定の処理温度まで加熱できる入力エネルギー量を確保してもピーク値が大きくなりすぎないため、時間幅の長いパルス電流Ｂが入力された閃光放電ランプ１０は放電容器１３に対する熱負荷が比較的小さい。また、パルス電流Ｂの時間幅は予備加熱手段３に比べて短いものなので、被処理物２を予備加熱温度以上に加熱しても、被処理物２に導入された不純物の熱拡散は生じない。
また、被処理物２の表面温度Ｔ_１は、パルス電流の波形Ｂに即応するものではなく、予備加熱手段３によって維持される予備加熱温度４５０℃から、パルス電流の波形Ｂにわずかに遅れて加熱されることがわかる。パルス電流Ｂのピーク値から減少して０となるまでの間が、被処理物２の表面温度Ｔ_１が高いことがわかる。
そこで、上記したような、パルス電流の時間幅がより短い閃光放電ランプ１０を用いて被処理物２を照射する問題点を解決するために、本発明では、時間幅の短いパルス電流Ａが入力された閃光放電ランプ１０による被処理物２の加熱不足分を、時間幅の長いパルス電流Ｂが入力された閃光放電ランプ１０を点灯させて補うことが考えられる。つまり、時間幅の長いパルス電流Ｂが入力された第１の閃光放電ランプ１０ｂにより、被処理物２の表面を処理温度近くまで上げ、時間幅の短いパルス電流Ａが入力された第２の閃光放電ランプ１０ａにより、処理温度までに足りない分だけを短時間加熱をする。短時間だけ処理温度以上に被処理物２の表面を加熱できるとともに、時間幅の短いパルス電流Ａの入力エネルギー量は小さくて済むので、時間幅の短いパルス電流Ａのピーク値を下げ、放電容器１３に対する熱負荷を抑えられ、閃光放電ランプ１０の寿命を延ばすことができる。

図６は、横軸に時間、右縦軸に電流値をとり、１本の閃光放電ランプ１０に入力される時間幅が０．１ｍｓｅｃのパルス電流の波形Ａと、１本の閃光放電ランプ１０に入力される時間幅が１．０ｍｓｅｃのパルス電流の波形Ｂとを示し、左縦軸に温度をとり、パルス電流Ａが入力された第２の閃光放電ランプ１０ａ、３０本と、パルス電流Ｂが入力された第１の閃光放電ランプ１０ｂ、２９本との、両方の閃光により加熱された被処理物２の表面温度Ｔ_２を示した図である。
時間幅の長いパルス電流Ｂが入力された第１の閃光放電ランプ１０ｂにより、被処理物２の表面温度Ｔ_２を処理温度Ｔ_３近くまで上げ、時間幅の短いパルス電流Ａが入力された第２の閃光放電ランプ１０ａにより、処理温度Ｔ_３に足りない分だけ短時間加熱している。このように、被処理物２に閃光を２段階に分けて照射しても、短時間だけ処理温度Ｔ_３以上に被処理物２を加熱するので、パルス電流Ａだけで被処理物２を処理温度Ｔ_３まで加熱できるエネルギー量が入力された閃光放電ランプ１０により加熱される場合と同様に、短時間だけ処理温度Ｔ_３以上に被処理物２の表面を加熱することができる。すなわち、０．２ｍｓｅｃだけ被処理物３を処理温度Ｔ_３（１１００℃）以上に加熱でき、従来の処理時間である１ｍｓｅｃを大幅に短時間化している。また、時間幅の長いパルス電流Ｂが入力された第１の閃光放電ランプ１０ｂにより、被処理物２の表面温度Ｔ_２を予め処理温度Ｔ_３近くまで上げた状態から、被処理物２をさらに短時間加熱しているので、被処理物２の表面と裏面との温度差を緩和し、被処理物に発生する小さくすることができるので、被処理物２が割れることを防止することができる。

時間幅の短いパルス電流Ａが入力された閃光放電ランプ１０は、パルス電流Ａの時間幅が短い方が、より短時間だけ処理温度以上に被処理物２の表面を加熱することができる。逆に、パルス電流Aの時間幅と、時間幅の長いパルス電流Bの時間幅がほとんど同じになると、タイミングをずらして重畳照射する効果がほとんど期待できず、パルス電流Bの時間幅の閃光放電ランプ１０のみで照射した場合とほとんど変わらない。むしろ、点灯のタイミングを制御する回路が複雑になるのでコストが上がり不利益である。したがって、時間幅の短いパルス電流Aの時間幅は、時間幅の長いパルス電流Bの時間幅の半分以下が好ましい。
また、パルス電流Aの時間幅は、１ｍｓeｃ以下であり、特に０．３ｍｓeｃ以下にすると、従来技術に係る閃光放射装置では処理できなかった微細な回路を露光することができる。一方、閃光放電ランプ１０が点灯を開始し、放電を発生させるには、少なくとも０．０００１ｍｓｅｃ以上の時間が必要である。
以上より、時間幅の短いパルス電流Ａの時間幅は、時間幅の長いパルス電流Bの時間幅の半分以下であり、０．０００１ｍｓｅｃ以上で、１ｍｓeｃ以下、好ましくは０．３ｍｓeｃ以下としなければならない。

時間幅の長いパルス電流Ｂが入力された閃光放電ランプ１０は、被処理物２を予備加熱温度より高い温度に加熱する。５００ｍｓｅｃ以上の間、被処理物２を予備加熱温度より高い温度で維持すると、被処理物２に導入されたイオンの拡散が生じてしまう。そのため、パルス電流Ｂの時間幅は５００ｍｓｅｃ以下としなければならない。また、１ｍｓｅｃより短い時間幅のパルス電流を入力した閃光放電ランプ１０で、被処理物２を加熱処理すると、所定温度まで加熱できる入力エネルギー量を確保するために、パルス電流Ｂのピーク値を極めて高く上昇させなければならない。パルス電流Ｂのピーク値が高くなると、閃光放電ランプ１０の放電容器１３が、内表面にかかる熱負荷に耐えられなくなり劣化する。特に、パルス電流Ｂの時間幅が０．３ｍｓｅｃ以下になると、閃光放電ランプ１０の本数を増やすなどの工夫をしても、被処理物２の表面を処理温度Ｔ_３近くまで加熱するエネルギー量を確保すると、放電容器１３の熱負荷が大きくなり、閃光放電ランプ１０の寿命が極めて短くなり、実用的に使用できない。
以上より、時間幅の長いパルス電流Ｂの時間幅は、０．３ｍｓｅｃ以上、好ましくは１ｍｓｅｃ以上で、５００ｍｓｅｃ以下としなければならない。

時間幅の長いパルス電流Ｂが入力された第１の閃光放電ランプ１０ｂと、時間幅の短いパルス電流Ａが入力された第２の閃光放電ランプ１０ａとの点灯のタイミングも非常に重要となる。時間幅の長いパルス電流Ｂが入力された第１の閃光放電ランプ１０ｂが被処理物２の表面を処理温度近くまで上げていないときに、時間幅の短いパルス電流Ａが入力された第２の閃光放電ランプ１０ａを点灯させても、被処理物２の表面を処理温度まで上げられないからである。そのため、図５に示すように、被処理物２の表面温度Ｔ_２が上昇している区間となる、第１の閃光放電ランプ１０ｂのパルス電流Ｂのピーク値から減少して０となるまでの間に、時間幅の短いパルス電流Ａが入力された第２の閃光放電ランプ１０ａを点灯させる必要がある。
なお、第２の閃光放電ランプ１０ａにより被処理物２の表面温度Ｔ_２を急激に上昇させるため、第２の閃光放電ランプ１０ａに入力されるパルス電流Ａのピーク値は、第２の閃光放電ランプ１０ｂに入力されるパルス電流Ｂのピーク値より大きいことが好ましい。

ただし、時間幅の長いパルス電流Ｂがスイッチなどにより強制的に遮断されるときは、パルス電流Ｂの波形と被処理物２の温度との関係が異なるので、時間幅の長いパルス電流Ｂが入力された第１の閃光放電ランプ１０ｂと、時間幅の短いパルス電流Ａが入力された第２の閃光放電ランプ１０ａとの点灯のタイミングも異なる。
図７は、パルス電流Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３と、スイッチなどにより強制的に遮断されるパルス電流Ｂと、パルス電流Ｂが入力された閃光放電ランプ１０により加熱された被処理物２の表面温度Ｔ_１を示した図である。
パルス電流Ｂはピーク値に至る前に強制的に遮断されて０となるため、被処理物２の表面温度Ｔ_１は、順調に加熱されてパルス電流Ｂがピーク値の時に最大温度となり、その後、急激に冷えていく。パルス電流Ｂの遮断時を境にして、被処理物２の表面温度Ｔ_１は略対称の関係となる。そのため、被処理物２の表面温度Ｔ_１が上昇している区間は、第１の閃光放電ランプ１０ｂのパルス電流Ｂのピーク値近傍となり、その間に時間幅の短いパルス電流Ａが入力された第２の閃光放電ランプ１０ａを点灯させて重畳させることが好ましい。パルス電流Ａ_１は、パルス電流Ｂの遮断時より十分前から入力が開始されるので、パルス電流Ｂが遮断される前にパルス電流Ａ_１のピーク値が存在する。パルス電流Ａ_２は、パルス電流Ｂの遮断時の近傍で入力が開始されるので、パルス電流Ｂのピーク値とパルス電流Ａ_２のピーク値のタイミングが一致する。パルス電流Ａ_３は、パルス電流Ｂの遮断時の直前から入力が開始されるので、パルス電流Ｂが遮断された後にパルス電流Ａ_３のピーク値が存在する。すなわち、第２の閃光放電ランプ１０ａのパルス電流Ａは第１の閃光放電ランプ１０ｂのパルス電流Ｂが０となる前に入力が開始されれば、被処理物２の表面温度が高いうちに第２の閃光放電ランプ１０ａを重畳させて、被処理物２の表面を処理温度まで上げることができる。本発明の閃光放射装置を使用すれば、被処理物２の裏面に形成されたゲート、エミッタ回路や配線に熱ダメージを与えること無く、表面を熱処理して、例えばコレクタ側に形成されたＰＮ接合部の活性化処理が可能である。

図８は、時間幅の長いパルス電流Ｂが入力された第１の閃光放電ランプ１０ｂを複数並行に配置し、その被処理物２側に、時間幅の短いパルス電流Ａが入力された第２の閃光放電ランプ１０ａを複数並行に配置した場合の照射エネルギー分布を示した図である。
第１の閃光放電ランプ１０ｂは石英ガラス製の放電容器１３より構成され、第２の閃光放電ランプ１０ａはサファイア製の放電容器１３より構成される。石英ガラスは熱衝撃に強いという特徴があり、サファイアは耐熱性が高いという特徴があるからである。時間幅の長いパルス電流Ｂのように、閃光放電ランプ１０への入力エネルギー量が大きい場合は、放電容器１３に発生する熱衝撃が大きくなるため、石英ガラス製の放電容器１３を用いることが好ましい。一方、時間幅の短いパルス電流Ａのように、閃光放電ランプ１０に入力されるパルス電流のピーク値が高い場合は、放電容器１３の温度が高くなるので、サファイア製の放電容器１３を用いることが好ましい。

時間幅の長いパルス電流Ｂが入力された第１の閃光放電ランプ１０ｂは、被処理物２と平行に平面状に複数配置され、被処理物２に均一に閃光放射し、被処理物２の表面を処理温度近くまで上げる。続いて、時間幅の短いパルス電流Ａが入力された第２の閃光放電ランプ１０ａが点灯し、被処理物２の処理温度に足りない分だけ短時間加熱をする。第２の閃光放電ランプ１０ａも、被処理物２と平行に平面状に複数配置されているので、被処理物２に均一に閃光放射し、被処理物２の表面を処理温度まで上げることができる。また、第２の閃光放電ランプ１０ａは、第１の閃光放電ランプ１０ｂより被処理物２側に配置されているので、第２の閃光放電ランプ１０ａからの閃光が遮られることがなく、効率良く、均一に照射することができる。第１の閃光放電ランプ１０ｂは被処理物２と平行に平面状に複数配置し、第１の閃光放電ランプ１０ｂの被処理物２側に、第２の閃光放電ランプ１０ａは被処理物２と平行に平面状に複数配置すると、リップルが少ない照射エネルギー分布となる。

図９は、時間幅の長いパルス電流Ｂが入力された第１の閃光放電ランプ１０ｂと、時間幅の短いパルス電流Ａが入力された第２の閃光放電ランプ１０ａとを、交互に複数並行に配置した場合の照射エネルギー分布を示した図である。
図６に示される時間幅の長いパルス電流Ｂが入力された第１の閃光放電ランプ１０ｂは、被処理物２と平行に平面状に複数配置され、被処理物２に均一に閃光放射し、被処理物２の表面を処理温度近くまで上げる。続いて、時間幅の短いパルス電流Ａが入力された第２の閃光放電ランプ１０ａが、第１の閃光放電ランプ１０ｂのパルス電流Ｂがピーク値から減少して０となるまでの間に点灯し、被処理物２の処理温度に足りない分だけ短時間加熱をする。第２の閃光放電ランプ１０ａは、閃光放電ランプ１本分離間して平行に平面状に複数配置されているので、被処理物２に対する照射エネルギーに斑が生じやすい。図９に示すように、第１の閃光放電ランプ１０ｂと第２の閃光放電ランプ１０ａとを、交互に複数並行に配置した場合は、図８に示すような第１の閃光放電ランプ１０ｂは被処理物２と平行に平面状に複数配置し、第１の閃光放電ランプ１０ｂの被処理物２側に、第２の閃光放電ランプ１０ａは被処理物２と平行に平面状に複数配置した場合と比較すると、リップルが生じる照射エネルギー分布となる。
なお、以上の説明は、第１の閃光放電ランプ１０ｂと第２の閃光放電ランプ１０ａにそれぞれ複数の閃光放電ランプ１０を配置した場合を示すが、それぞれ一本ずつでも被処理物２を十分加熱できるときには、１本で第１の閃光放電ランプ１０ｂを形成し、１本で第２の閃光放電ランプ１０ａを形成し、合計２本の閃光放電ランプ１０で閃光放射装置１を構成することもできる。

図１０は、第１の閃光放電ランプＦＬ_Ｂと、第２の閃光放電ランプＦＬ_Ａとに分けて点灯する点灯回路を示した図であり、図１１は、図１０に示す点灯回路のタイミングチャートを示した図である。
第１の閃光放電ランプＦＬ_Ｂは、時間幅の長いパルス電流Ｂを発生するパルス電流Ｂ発生回路５２ｂにより点灯され、第２の閃光放電ランプＦＬ_Ａは、時間幅の短いパルス電流Ａを発生するパルス電流Ａ発生回路５２ａにより点灯される。コンデンサの容量Ｃ_Ａ、Ｃ_Ｂ、コイルのインダクタンスＬ_Ａ、Ｌ_Ｂ、充電器５３の充電電圧Ｖ_Ａ、Ｖ_Ｂ等を調整して、パルス電流Ａとパルス電流Ｂの波形を決める。パルス電流Ａは、時間幅０．００１〜１ｍｓｅｃ、ピーク値の電流密度１２００〜５１００Ａ/ｃｍ^２とし、パルス電流Ｂは、時間幅０．３〜５００ｍｓｅｃ、ピーク値の電流密度６００〜５１００Ａ/ｃｍ^２とすることが好ましい。ただし、ピーク値の電流密度とは、電流波形のピーク値を、放電方向と略垂直に放電容器１３を切った放電容器１３内部の断面積で割った値である。

続いて、図１１を用いて、図１０に示す点灯回路の動作を説明する。制御部５１により点灯信号発生部５４に点灯指令信号を送られ、点灯信号発生部５４は、この信号を受け、パルス電流Ｂ発生回路５２ｂに接続されたトリガー線１６のそれぞれにトリガー発生信号５６ｂを送り、第１の閃光放電ランプＦＬ_Ｂを点灯させる。すなわち、パルス電流Ｂ発生回路５２ｂは、トリガー発生信号５６ｂを受け取ると、トリガー電圧を発生し、昇圧トランスで昇圧した後、トリガー線１６に高圧電圧を印加する。これより、第１の閃光放電ランプＦＬ_Ｂの電極間にトリガー放電を発生させ、第１の閃光放電ランプＦＬ_Ｂが放電を開始する。
また、点灯信号発生部５４は、パルス電流Ａ発生回路５２ａに接続されたトリガー線１６にトリガー発生信号５６ｂを送ると同時に、タイマー回路を始動させる。タイマー回路により、点灯遅れ時間Ｔ_ＡＢ遅れて、パルス電流Ａ発生回路５２ａに接続されたトリガー線１６のそれぞれにトリガー発生信号５６ａを送り、第２の閃光放電ランプＦＬ_Ａを点灯させる。これにより、第１の閃光放電ランプＦＬ_Ｂと第２の閃光放電ランプＦＬ_Ａとに分けて点灯し、短時間だけ処理温度以上に被処理物２の表面を加熱することができる。なお、第２の閃光放電ランプＦＬ_Ａの点灯遅れ時間Ｔ_ＡＢは、パルス電流Ａとパルス電流Ｂの波形から予め求めておき、その遅れ時間Ｔ_ＡＢを実現するようにタイマー回路を調整する。
第１の閃光放電ランプＦＬ_Ｂと第２の閃光放電ランプＦＬ_Ａの消灯後、制御部５１により充電器Ａ５３ａ、充電器Ｂ５３ｂに充電開始の信号が送られ、十分に充電された後、制御部５１が充電の終了の信号を送る。充電器Ａ５３ａ、充電器Ｂ５３ｂの充電完了後、制御部５１は点灯信号発生部５４に再び点灯指令信号を送ることによって、第１の閃光放電ランプＦＬ_Ｂと第２の閃光放電ランプＦＬ_Ａを再度点灯することができる。

図１２は、第１の閃光放電ランプＦＬ_Ｂと、第２の閃光放電ランプＦＬ_Ａとをスイッチによりパルス波形を制御して点灯する点灯回路を示した図であり、図１３は、図１２に示す点灯回路のタイミングチャートを示した図である。
第１の閃光放電ランプＦＬ_Ｂは、時間幅の長いパルス電流Ｂを発生するパルス電流Ｂ発生回路５２ｂにより点灯され、第２の閃光放電ランプＦＬ_Ａは、時間幅の短いパルス電流Ａを発生するパルス電流Ａ発生回路５２ａにより点灯される。ここでは、パルス電流の時間幅を、スイッチのＯＮ／ＯＦＦにより制御している。コイルＬ_Ａ、Ｌ_Ｂと閃光放電ランプＦＬ_Ａ、ＦＬ_Ｂの間に、スイッチ素子Ｓ_Ａ、Ｓ_Ｂをいれている。閃光放電ランプが点灯して所定時間経過後、スイッチ素子Ｓ_Ａ、Ｓ_ＢをＯＦＦにし、強制的に閃光放電ランプの放電を停止させ、パルス電流の時間幅を操作することができる。ここでは、パルス電流Ｂはピーク値に至る前に強制的に遮断されている。

続いて、図１３を用いて、図１２に示す点灯回路の動作を説明する。制御部５１により点灯信号発生部５４に点灯指令信号を送られ、点灯信号発生部５４は、この信号を受け、パルス電流Ｂ発生回路５２ｂに接続されたトリガー線１６のそれぞれにトリガー発生信号５６ｂを送り、第１の閃光放電ランプＦＬ_Ｂを点灯させる。また、点灯信号発生部５４は、トリガー発信信号５６ｂを送ると同時に放電制御部Ｂ５５ｂに信号を送り、放電制御部Ｂ５５ｂのタイマー回路を始動させる。放電制御部Ｂ５５ｂのタイマー回路は、第１の閃光放電ランプＦＬ_Ｂの点灯から消灯までの点灯時間Ｔ_ＢＥを測定する。放電制御部Ｂ５５ｂは、点灯時間Ｔ_ＢＥ経過後、スイッチ素子Ｓ_ＢをＯＦＦにし、強制的に第１の閃光放電ランプＦＬ_Ｂの放電を停止させ、パルス電流Ｂを所定の時間幅とする。
また、点灯信号発生部５４は、パルス電流Ｂ発生回路５２ｂに接続されたトリガー線１６にトリガー発生信号５６ｂを送ると同時に、点灯信号発生部５４の内部のタイマー回路を始動させる。さらに、放電制御部Ａ５５ａに信号を送り、放電制御部Ａ５５ａのタイマー回路を始動させる。放電制御部Ａ５５ａのタイマー回路は、第２の閃光放電ランプＦＬ_Ａの点灯遅れ時間Ｔ_ＡＢと第２の閃光放電ランプＦＬ_Ａの点灯から消灯までの時間Ｔ_ＡＥを合わせた時間Ｔ_ＡＢ＋Ｔ_ＡＥを測定する。点灯信号発生部５４のタイマー回路により、Ｔ_ＡＢ時間遅れて、パルス電流Ａ発生回路５２ａに接続されたトリガー線１６のそれぞれにトリガー発生信号５６ａを送り、第２の閃光放電ランプＦＬ_Ａを点灯させる。そして、放電制御部Ａ５５ａにより、点灯時間Ｔ_ＡＥ経過後、スイッチ素子Ｓ_ＡをＯＦＦにし、強制的に第２の閃光放電ランプＦＬ_Ａの放電を停止させ、パルス電流Ａを所定の時間幅とする。
これにより、第１の閃光放電ランプＦＬ_Ｂと第２の閃光放電ランプＦＬ_Ａとに分けて点灯し、短時間だけ処理温度以上に被処理物２の表面を加熱することができる。

図１４は、第１の閃光放電ランプＦＬ_Ｂと、第２の閃光放電ランプＦＬ_Ａとをシマー放電方式で点灯する点灯回路を示した図であり、図１５は、図１４に示す点灯回路のタイミングチャートを示した図である。
第１の閃光放電ランプＦＬ_Ｂは、時間幅の長いパルス電流Ｂを発生するパルス電流Ｂ発生回路５２ｂにより点灯され、第２の閃光放電ランプＦＬ_Ａは、時間幅の短いパルス電流Ａを発生するパルス電流Ａ発生回路５２ａにより点灯される。シマー放電方式とは、非点灯時にも微弱な電流を流し、高速に点灯させることを可能にするものである。また、シマー放電方式では、スイッチ素子Ｓ_Ａ、Ｓ_Ｂで放電の開始と終了のタイミングを制御できる。
図１２に示す点灯回路をシマー放電方式とするために、点灯信号発生部５４からシマー回路ＳＩ_Ａ、ＳＩ_Ｂを介して、スイッチ素子Ｓ_Ａ、Ｓ_Ｂに接続する回路を増設している。制御部５１から点灯信号発生部５４が点灯指令信号を受けると、シマー回路ＳＩ_Ａ、ＳＩ_Ｂにシマー放電点灯信号を送る。シマー放電点灯信号を受けたシマー回路は、シマー放電を開始する。シマー放電開始後、スイッチ素子Ｓ_Ａ、Ｓ_ＢをＯＮ状態にして主放電を開始し、ＯＦＦ状態にして放電を終了させることができる。シマー放電は主放電中も継続され、スイッチ素子Ｓ_Ａ、Ｓ_ＢをＯＦＦ状態にしたとき、シマー放電も終了する。なお、シマー放電を切らずに再度主放電を開始することもできる。

続いて、図１５を用いて、図１４に示す点灯回路の動作を説明する。制御部５１により点灯信号発生部５４に点灯指令信号を送られると、パルス電流Ｂ発生回路５２ｂのシマー回路ＳＩ_Ｂにシマー放電点灯信号５７ｂが送られる。シマー放電点灯信号５７ｂを受けたシマー回路ＳＩ_Ｂは、シマー放電を開始する。シマー放電開始後、点灯信号発生部５４から放電制御部Ｂ５５ｂに主放電点灯信号５８ｂが送られ、放電制御部Ｂ５５ｂは、スイッチ素子Ｓ_ＢをＯＮ状態にして、第１の閃光放電ランプＦＬ_Ｂを点灯させる。放電制御部Ｂ５５ｂは、スイッチ素子Ｓ_ＢをＯＮ状態にしたと同時にタイマー回路を始動させ、第１の閃光放電ランプＦＬ_Ｂの点灯から消灯までの点灯時間Ｔ_ＢＥを測定する。放電制御部Ｂ５５ｂは、点灯時間Ｔ_ＢＥ経過後、スイッチ素子Ｓ_ＢをＯＦＦにし、強制的に第１の閃光放電ランプＦＬ_Ｂの放電を停止させ、パルス電流Ｂを所定の時間幅とする。
また、点灯信号発生部５４は、パルス電流Ｂ発生回路５２ｂの放電制御部Ｂ５５ｂに主放電点灯信号５８ｂを送ると同時に、点灯信号発生部５４の内部のタイマー回路を始動させる。第２の閃光放電ランプＦＬ_Ａの点灯遅れ時間Ｔ_ＡＢ経過前に、シマー回路ＳＩ_Ｂにシマー放電点灯信号５７ｂが送られ、シマー放電を開始する。そして、第２の閃光放電ランプＦＬ_Ａの点灯遅れ時間Ｔ_ＡＢ後に、点灯信号発生部５４から放電制御部Ａ５５ａに主放電点灯信号５８ａが送られ、放電制御部Ａ５５ａは、スイッチ素子Ｓ_ＡをＯＮ状態にして、第２の閃光放電ランプＦＬ_Ａを点灯させる。放電制御部Ａ５５ａは、スイッチ素子Ｓ_ＡをＯＮ状態にしたと同時にタイマー回路を始動させ、第２の閃光放電ランプＦＬ_Ａの点灯から消灯までの点灯時間Ｔ_ＡＥを測定する。放電制御部Ａ５５ａは、点灯時間Ｔ_ＡＥ経過後、スイッチ素子Ｓ_ＡをＯＦＦにし、強制的に第２の閃光放電ランプＦＬ_Ａの放電を停止させ、パルス電流Ａを所定の時間幅とする。
これにより、第１の閃光放電ランプＦＬ_Ｂと第２の閃光放電ランプＦＬ_Ａとに分けて点灯し、短時間だけ処理温度以上に被処理物２を加熱して、微細な回路を露光することができる。

続いて、実施例について説明する。
〔実施例１〕
被処理物として、シリコンウエハを用いた場合を示す。
この閃光放射装置の構成を以下に示す。
（第１の閃光放電ランプ）放電容器：内径１０ｍｍ、発光長５００ｍｍ、２９本
（第２の閃光放電ランプ）放電容器：内径１０ｍｍ、発光長５００ｍｍ、３０本
第１の閃光放電ランプ２９本を並行に配置し、その被処理物側に、第２の閃光放電ランプ３０本を並行に配置した。被処理物を予備加熱手段により表面温度が５００℃となるように予め加熱し、第１の閃光放電ランプのパルス電流の時間幅を０．７ｍｓｅｃとし、第２の閃光放電ランプのパルス電流の時間幅を０．１ｍｓｅｃとした。
このとき、第２の閃光放電ランプをどのようなタイミングで点灯開始させれば、パルス電流の時間幅が０．１ｍｓｅｃの閃光放電ランプを５９本配置して被処理物を活性化する場合よりも、ピーク値の小さいパルス電流で被処理物を活性化できるか確認した。ただし、被処理物が４００Ω／□以下になることを活性化達成条件とした。これは、シリコン中に不純物を加速電圧４０ｋｅＶで５×１０^１５ｃｍ^−２の量を導入した１２インチのシリコンウエハの活性化条件である。また、照射エネルギーは、カロリーメーターを用いて測定した。
この結果、第１の閃光放電ランプのパルス電流Ｂがピーク値から減少して０となるまでの間に、時間幅の短いパルス電流Ａが入力された第２の閃光放電ランプを点灯させると、パルス電流の時間幅が０．１ｍｓｅｃの閃光放電ランプのみで被処理物を活性化する場合よりも、ピーク値の小さいパルス電流で被処理物を活性化できた。第１の閃光放電ランプが被処理物の表面を処理温度近くまで上げ、第２の閃光放電ランプを点灯させて、被処理物の表面を処理温度まで上げるからである。特に、第１の閃光放電ランプのパルス電流Ｂのピーク値から減少し、ピーク値の６０％になるまでに、すなわち電流入力から０．６〜０．９ｍｓeｃの間に、第２の閃光放電ランプを点灯させると、処理達成条件を満たすように数万回以上点灯させても、放電容器の劣化が生じず、閃光放電ランプの寿命を延ばすことができることが分かった。

〔実施例２〕
実施例１の比較例として、単一のパルス電流が入力された閃光放電ランプにより被処理物を加熱した場合を示す。
この閃光放射装置の構成を以下に示す。
（閃光放電ランプ）放電容器：内径１０ｍｍ、発光長５００ｍｍ、５９本
閃光放電ランプを、時間幅が０．０５、０．１、０．３、０．５、０．７、１．０、５．０、５０ｍｓｅｃの単一のパルス電流で同時点灯させた。その結果、パルス電流の時間幅が０．３ｍｓｅｃ以下で、処理達成条件を満たすように点灯させた場合、数百〜数千回点灯すると閃光放電ランプの放電容器の表面が著しく劣化し、照度が著しく低下した。単一のパルス電流が被処理物を所定温度まで加熱できるエネルギー量を確保すると、電流の時間幅が０．３ｍｓｅｃのときは、パルス電流のピーク値の電流密度が５１００Ａ／ｃｍ^２となり、パルス電流の時間幅が０．２ｍｓｅｃのときは、パルス電流のピーク値の電流密度が５７００Ａ／ｃｍ^２となり、パルス電流の時間幅が０．０５ｍｓｅｃのときは、パルス電流のピーク値の電流密度が８９００Ａ／ｃｍ^２となる。パルス電流のピーク値の電流密度が５１００Ａ／ｃｍ^２以上となるので、放電容器の温度が高くなりすぎて、耐熱温度を越えてしまい、表面が著しく劣化するからである。

〔実施例３〕
実施例１と同じ閃光放射装置を使用し、第１の閃光放電ランプに１、１．５、２、３、５、１０、２０ｍｓｅｃと異なる時間幅のパルス電流を入力し、第２の閃光放電ランプに１ｍｓｅｃの時間幅のパルス電流を入力させた。第１の閃光放電ランプのパルス電流Ｂのピーク値から減少し、ピーク値の８０％となるとき、入力からそれぞれ０．２、０．８、１．４、２．６、５，１１，２３ｍｓeｃ後に、第２の閃光放電ランプのパルス電流Ａがピーク値となるように点灯させた。この条件で１００枚の被処理物を加熱し、被処理物が割れるかどうかを確認した。この実験結果を表１に示す。

これより、時間幅が１ｍｓｅｃのパルス電流を入力した第１の閃光放電ランプを、時間幅が１ｍｓｅｃパルス電流を入力した第２の閃光放電ランプに重畳させて点灯すると、従来の閃光放射装置と同様に、被処理物２を１ｍｓｅｃ程度処理温度まで加熱するが、被処理物が割れる頻度が減った。第２の閃光放電ランプのパルス電流の時間幅を第１の閃光放電ランプの２倍以上、すなわち、パルス電流の時間幅を２ｍｓｅｃ以上にすると、被処理物が割れる頻度を従来の閃光放射装置の１０分の１にできることが確かめられた。
なお、第１の閃光放電ランプに１ｍｓｅｃの時間幅のパルス電流を入力し、第２の閃光放電ランプに１ｍｓｅｃ以下の時間幅のパルス電流を入力した場合、第１の閃光放電ランプと第２の閃光放電ランプの両方に時間幅が１ｍｓｅｃパルス電流を入力したときと同程度、被処理物が割れる。従来の閃光放射装置と同程度の被処理物の割れ頻度であり、実用可能な閃光放射装置であることが確かめられた。

光加熱装置の構成を示す説明用断面図閃光放電ランプの構成を示す説明図閃光放電ランプの点灯回路を示す説明図時間幅が０．２ｍｓｅｃのパルス電流の波形Ａを示した図時間幅が１．０ｍｓｅｃのパルス電流の波形Ｂと、被処理物の表面温度Ｔ１を示した図パルス電流Ａと、パルス電流Ｂと、被処理物の表面温度Ｔ２を示した図強制的に遮断されるパルス電流の波形Ｂと、被処理物の表面温度Ｔ１を示した図照射エネルギー分布を示した図照射エネルギー分布を示した図点灯回路を示した図点灯回路のタイミングチャートを示した図点灯回路を示した図点灯回路のタイミングチャートを示した図点灯回路を示した図点灯回路のタイミングチャートを示した図光加熱装置の構成を示す図

符号の説明

１閃光放射装置
２被処理物
３予備加熱手段
４チャンバー
１０閃光放電ランプ
１３放電容器
５１制御器

Claims

複数の閃光放電ランプから放射される閃光を被処理物に照射する閃光放射装置において、
前記閃光照射装置は、第１の閃光放電ランプと第２の閃光放電ランプとを有し、第２の閃光放電ランプの電流は、時間幅が第１の閃光放電ランプの電流の時間幅より小さく、第１の閃光放電ランプの電流がピーク値から減少して０となるまでの間に入力されることを特徴とする閃光放射装置。
前記第１の閃光放電ランプは平面状に複数配置され、前記第２の閃光放電ランプは前記第１の閃光放電ランプと前記被処理物の間に平面状に複数配置されることを特徴とする請求項１に記載の閃光放射装置。