JP5209237B2

JP5209237B2 - 熱処理装置

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Publication number: JP5209237B2
Application number: JP2007161046A
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: 2007-06-19
Filing date: 2007-06-19
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2027-06-19
Also published as: JP2009004410A

Description

本発明は、半導体ウェハーや液晶表示装置用ガラス基板等（以下、単に「基板」と称する）に対して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関する。

従来より、短時間アニールが可能な装置として、ハロゲンランプより照射される光のエネルギーを利用して毎秒数百度程度の速度で半導体ウェハーを昇温する高速ランプアニール装置が使用されていた（例えば、特許文献１）。短時間アニールとは言っても、カンタルヒータ等を使用した抵抗加熱方式の熱処理装置と比較すればの話であり、そのアニール時間は概ね数秒程度であった。

一方、より短時間のアニールが可能な装置として、キセノンフラッシュランプを使用して半導体ウェハーの表面にフラッシュ光（閃光）を照射するフラッシュランプアニール装置が知られている（例えば、特許文献２）。キセノンフラッシュランプのフラッシュ光照射時間は１０ミリ秒以下の極めて短時間である。また、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、１０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。このため、フラッシュランプアニール装置は、イオン注入後の半導体ウェハーのイオン活性化処理に好適であり、イオンの熱拡散を生じさせることなくイオン活性化のみを行って浅い接合を形成することができる。

また、フラッシュランプアニール装置よりもさらに短時間のアニールが可能な装置としてはレーザアニール装置がある。レーザアニール装置は、数十ナノ秒のパルスレーザをＸ−Ｙ両方向にスキャンさせてアニールする装置である。

特開２０００−１９９６８８号公報特開２００４−０５５８２１号公報

しかしながら、従来においては、ハロゲンランプを使用した高速ランプアニール装置とフラッシュランプアニール装置との中間域のアニール時間を実現できる技術が存在しなかった。すなわち、半導体ウェハーの主面各位置におけるアニール時間が１０ミリ秒〜１秒程度となる熱処理装置が存在しなかった。近年、このような中間域のアニール時間での熱処理がトランジスタ製作における活性化処理や金属処理、また配線処理工程などの各種工程で必要とされつつある。

ハロゲンランプによって上記中間域のアニール時間を実現しようとすれば、より大きな出力が必要なるためにフィラメントを太くしなければならず、そうすると熱量量が大きくなって却って昇温降温速度が遅くなるという問題が生じる。

また、フラッシュランプアニール装置においては、十分な大容量のコンデンサを使用してＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの大電力用のスイッチング素子で制御すれば上記中間域のアニール時間を実現することも理論上は可能である。ところが、実際には照射時間５ミリ秒程度のシステムであっても２トン以上のコンデンサが必要であり、これを１秒程度にまで伸ばすことは到底現実的ではない。

さらに、レーザアニール装置においては、パルスレーザが半導体ウェハー上の各位置に留まる時間を長くすれば、理論上は上記中間域のアニール時間を達成することもできる。ところが、パルスレーザが特定位置に留まる時間が長くなると、露光されていない領域まで昇温されて、昇温の重ね合わせ部分に生じるスイッチングという現象が顕著となる。より大きな問題として、パルスレーザが各位置に留まる時間が長くなった結果、１枚の半導体ウェハーを処理するのに１時間程度を要することとなり、現実味のないスループットとなる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、簡易な構成にてアニール時間を容易に調整することが可能な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、棒状のランプを有する光源と、前記ランプと平行に延びるスリットを有するスリット部材と、基板を保持する保持手段と、前記光源を前記保持手段に保持された基板と平行に移動させる光源走査手段と、前記スリット部材を前記保持手段に保持された基板と平行に移動させるスリット走査手段と、基板の加熱処理を行うときには、前記ランプから光を出射しつつ、前記光源および前記スリット部材が等速で移動して前記スリット部材が前記保持手段に保持された基板と前記光源との間に常に位置するように前記光源走査手段および前記スリット走査手段を制御する制御手段と、を備え、前記スリット部材は石英にて形成され、前記スリット部材の前記スリットを挟む両側はプリズムとされてい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装置において、前記制御手段は、前記保持手段に保持された基板の主面の各位置における前記ランプからの照射時間が１０ミリ秒〜１０００ミリ秒となる移動速度にて前記光源および前記スリット部材が移動するように前記光源走査手段および前記スリット走査手段を制御す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装置において、前記光源は三相電源に接続された３本のハロゲンランプを備えることを特徴とする。

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、前記光源から出射されて前記プリズムにて全反射された光の光量を測定する光量測定手段と、前記光源を前記保持手段に保持された基板と垂直に移動させる光源位置調整手段と、を備え、前記制御手段は、前記光量測定手段の測定結果に基づいて前記光源位置調整手段を制御し、前記光源と前記保持手段に保持された基板との距離を調整することを特徴とする。

本発明によれば、ランプから光を出射しつつ、光源およびスリット部材が等速で移動してスリット部材が保持手段に保持された基板と光源との間に常に位置するため、ランプからの出射光がスリット部材で絞られて形成された帯状の照射エリアが基板上を走査して加熱することとなり、光源およびスリット部材の移動速度を調整するだけでアニール時間を容易に変化させることができる。また、スリット部材が石英にて形成されるため、ランプの光を吸収することはなく、特段の冷却機構を設けずともスリット部材の温度上昇を抑制することができる。さらに、スリット部材のスリットを挟む両側はプリズムとされているため、スリットの周辺に入射した光は全反射されて基板側に透過することが防がれる。

また、請求項２の発明によれば、保持手段に保持された基板の主面の各位置におけるランプからの照射時間が１０ミリ秒〜１０００ミリ秒となる移動速度にて光源およびスリット部材が移動するため、従来のハロゲンランプを使用した高速ランプアニール装置やフラッシュランプアニール装置では実現が難しかった中間域の照射時間を実現することができる。

また、請求項３の発明によれば、光源は三相電源に接続された３本のハロゲンランプを備えるため、光源からの光出力特性はフラットになり、照射時間が比較的短時間であったとしても、基板上の位置によらずほぼ一定の強度にて光照射を行うことができる。

また、請求項４の発明によれば、光量測定手段の測定結果に基づいて光源位置調整手段を制御し、光源と保持手段に保持された基板との距離を調整するため、基板の主面における照射時間だけでなく照度をも調整することができる。

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。

まず、本発明に係る熱処理装置の全体構成について概説する。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は基板として略円形の半導体ウェハーＷに光を照射してその半導体ウェハーＷを加熱する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と、３本のハロゲンランプＨＬを備えた光源部５と、光源部５からの光を絞るスリット部材９１と、を備える。また、熱処理装置１は、装置が備える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、光源部５の下方に設けられており、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とされており、上部開口６０にはチャンバー窓６１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チャンバー窓６１は、石英により形成された円板形状部材であり、光源部５から下方に向けて出射された光を熱処理空間６５に透過する。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。

また、熱処理空間６５の気密性を維持するために、チャンバー窓６１とチャンバー側部６３とはＯリングによってシールされている。すなわち、チャンバー窓６１の下面周縁部とチャンバー側部６３との間にＯリングを挟み込むとともに、クランプリング９０をチャンバー窓６１の上面周縁部に当接させ、そのクランプリング９０をチャンバー側部６３にネジ止めすることによって、チャンバー窓６１をＯリングに押し付けている。

チャンバー底部６２には、保持部７を貫通して半導体ウェハーＷをその下面（光源部５からの光が照射される側とは反対側の面）から支持するための複数（本実施の形態では３本）の支持ピン７０が立設されている。支持ピン７０は、例えば石英により形成されており、チャンバー６の外部から固定されているため、容易に取り替えることができる。

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バッファ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をガス導入バッファ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、ガス導入バッファ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の内周の約１／３に亘って形成されており、導入路８１を介してガス導入バッファ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。

また、熱処理装置１は、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光照射前にその保持する半導体ウェハーＷの予備加熱を行う略円板状の保持部７と、保持部７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と、を備える。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５に示す半導体ウェハーＷの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がチャンバー窓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とチャンバー窓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にネジ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。

図３は、保持部７の構成を示す断面図である。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、および、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）に設置されるサセプタ７２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。サセプタ７２は石英（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、その上面には半導体ウェハーＷの位置ずれを防止するピン７５が設けられる。サセプタ７２は、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。これにより、サセプタ７２は、ホットプレート７１からの熱エネルギーを拡散してサセプタ７２上面に載置された半導体ウェハーＷに伝達するとともに、メンテナンス時にはホットプレート７１から取り外して洗浄可能とされる。

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にて構成される。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７６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４は、ホットプレート７１を示す平面図である。図４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７６が周回するように配設されてヒータが個別に形成されており、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７６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,Derivative)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７６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７６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。

次に、光源部５は、筐体５１の内側に、３本のハロゲンランプＨＬ、それらハロゲンランプＨＬを覆うように設けられたリフレクタ５２およびシリンドリカルレンズ５３を備えて構成される。また、光源部５の筐体５１の底部にはランプ光放射窓５４が装着されている。光源部５の床部を構成するランプ光放射窓５４は、石英により形成された板状部材である。

ハロゲンランプＨＬは、フィラメントを配設した円筒形状のガラス管の内部にハロゲンガスを封入した棒状ランプである。３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筐体５１内に配置されている。リフレクタ５２は、３本のハロゲンランプＨＬから出射された光を下方に向けて反射する。また、シリンドリカルレンズ５３は、ハロゲンランプＨＬからの直接の出射光およびリフレクタ５２による反射光を集光する。シリンドリカルレンズ５３を通過した光は光源部５からの出射光としてランプ光放射窓５４から下方に向けて放射される。なお、リフレクタ５２およびシリンドリカルレンズ５３はハロゲンランプＨＬの長手方向長さ以上の長さを有する長尺状部材である。

電源５５は、３本のハロゲンランプＨＬに電力供給を行う。本実施形態においては、電源５５として三相交流電源を使用している。電源５５の三相各相は３本のハロゲンランプＨＬのいずれかに接続されている。このため、光源部５全体からの光出力特性（出力の波形）はフラットなものとなる。

光源部５は、光源スキャン機構５６によって水平方向にスライド移動されるとともに、光源昇降機構５７によって鉛直方向に昇降移動される。光源スキャン機構５６および光源昇降機構５７としては、公知の種々の駆動機構を採用することが可能であり、例えば、ボールネジを利用したネジ送り機構、プーリとタイミングベルトとを利用したベルト駆動機構、或いはエアシリンダを利用した機構などを使用することができる。但し、本発明は、光源部５を水平方向に等速で移動させることが重要であるため、光源スキャン機構５６にはなるべく高精度なものを使用する方が好ましい。

また、光源部５の直下には光を絞るスリット部材９１が設けられている。本実施形態においては、スリット部材９１をハロゲンランプＨＬからの光を透過する石英にて形成している。すなわち、長尺の石英板にハロゲンランプＨＬと平行に延びる隙間であるスリット９２を形成してスリット部材９１を構成している。そして、スリット部材９１の幅方向（ハロゲンランプＨＬの長手方向と垂直方向）において、スリット９２を挟む両側にはプリズム９３が形成されている。プリズム９３の形状としては、光源部５から出射されてスリット９２の幅方向両側近傍に入射した光が全反射するものであれば良い。その結果、スリット９２の周辺近傍に入射した光が下方に透過することはなく、スリット部材９１は光源部５から出射された光を絞る絞り部材として機能する。

スリット部材９１は、スリットスキャン機構９５によって水平方向にスライド移動される。スリットスキャン機構９５としては、上述したのと同様の公知の種々の駆動機構を採用することができる。なお、光源部５およびスリット部材９１を一体として共通の水平スキャン機構によって移動させるようにしても良い。

さらに、図６に示すように、スリット部材９１には、光量を測定するパワーモニタ９９が付設されている。パワーモニタ９９は、光源部５から出射されてプリズム９３によって全反射された光の光量を測定する。

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。

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。まず、保持部７が図５に示す処理位置から図１に示す受渡位置に下降する。「処理位置」とは、光源部５から半導体ウェハーＷに光照射が行われるときの保持部７の位置であり、図５に示す保持部７のチャンバー６内における位置である。また、「受渡位置」とは、チャンバー６に半導体ウェハーＷの搬出入が行われるときの保持部７の位置であり、図１に示す保持部７のチャンバー６内における位置である。熱処理装置１における保持部７の基準位置は処理位置であり、処理前にあっては保持部７は処理位置に位置しており、これが処理開始に際して受渡位置に下降するのである。図１に示すように、保持部７が受渡位置にまで下降するとチャンバー底部６２に近接し、支持ピン７０の先端が保持部７を貫通して保持部７の上方に突出する。

次に、保持部７が受渡位置に下降したときに、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、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を介して半導体ウェハーＷがチャンバー６内に搬入され、複数の支持ピン７０上に載置される。

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バッファ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、窒素ガスの供給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、保持部昇降機構４により保持部７が受渡位置からチャンバー窓６１に近接した処理位置にまで上昇する。保持部７が受渡位置から上昇する過程において、半導体ウェハーＷは支持ピン７０から保持部７のサセプタ７２へと渡され、サセプタ７２の上面に載置・保持される。保持部７が処理位置にまで上昇するとサセプタ７２に保持された半導体ウェハーＷも処理位置に保持されることとなる。

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）に個別に内蔵されたヒータ（抵抗加熱線７６）により所定の温度まで加熱されている。保持部７が処理位置まで上昇して半導体ウェハーＷが保持部７と接触することにより、その半導体ウェハーＷはホットプレート７１に内蔵されたヒータによって予備加熱されて温度が次第に上昇する。

この処理位置にて約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８００℃程度、好ましくは３５０℃ないし５５０℃程度とされる。また、保持部７とチャンバー窓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、光源部５による半導体ウェハーＷの光照射加熱（アニール）が開始される。図６は、光源部５による半導体ウェハーＷの光照射加熱処理を模式的に示す図である。上記予備加熱の時点においては、保持部７に保持された半導体ウェハーＷの直上よりも外方（図６の紙面左端）に光源部５およびスリット部材９１が待機している。そして、予備加熱時間が経過した時点で、制御部３の制御により、電源５５から３本のハロゲンランプＨＬへの電力供給が開始されるとともに、光源スキャン機構５６およびスリットスキャン機構９５による光源部５およびスリット部材９１の水平移動が開始される。このときに、光源部５およびスリット部材９１が全く同一の速度にて等速スライド移動するように制御部３が光源スキャン機構５６およびスリットスキャン機構９５を制御するため、スリット部材９１は常に光源部５の直下に位置する（つまり、スリット部材９１は保持部７に保持された半導体ウェハーＷと光源部５との間に位置する）。

光源部５から出射された光はスリット部材９１のスリット９２によって絞られ、保持部７に保持された半導体ウェハーＷに照射される。スリット部材９１はハロゲンランプＨＬの光を透過する石英にて形成されているものの、スリット９２の周辺はプリズム９３とされているため、当該周辺に入射した光は全反射されて下方へは透過しない。このため、スリット９２を通過した光のみが半導体ウェハーＷに到達する。その結果、保持部７に保持された半導体ウェハーＷの主面上には細い帯状の照射エリアが形成され、当該照射エリアの温度が上昇することとなる。

そして、光源部５およびスリット部材９１はともに水平方向に（つまり、保持部７に保持された半導体ウェハーＷと平行に）同一速度で移動しているため、半導体ウェハーＷの主面上では帯状の照射エリアが走査される。また、光源部５およびスリット部材９１はともに等速でスライド移動しているため、上記照射エリアは一定速度にて走査される。これにより、半導体ウェハーＷに対してハロゲンランプＨＬを使用したスキャニングアニールが実行されることとなる。

このようなスキャニングアニール処理における照射時間（露光時間）は、帯状の照射エリアの幅方向長さ（走査方向の長さ）と走査速度とによって決まる。照射エリアの幅方向長さはスリット９２の幅によって規定される。また、照射エリアの走査速度は光源部５およびスリット部材９１の水平移動速度と同じである。例えば、帯状の照射エリアの幅方向長さが２０ｍｍであって、走査速度が２００ｍｍ／秒であったとすると、半導体ウェハーＷの主面の各位置における照射時間は１００ミリ秒となる。また、照射エリアの走査速度が１００ｍｍ／秒であったとすると、半導体ウェハーＷの主面の各位置における照射時間は２００ミリ秒となる。

本実施形態においては、保持部７に保持された半導体ウェハーＷの主面の各位置における照射時間が１０ミリ秒〜１０００ミリ秒となる移動速度にて光源部５およびスリット部材９１が移動するように制御部３が光源スキャン機構５６およびスリットスキャン機構９５を制御する。この照射時間は、従来のハロゲンランプを使用した高速ランプアニール装置とフラッシュランプアニール装置との中間域のアニール時間に相当する時間レンジである。

半導体ウェハーＷは予備加熱によって予め予備加熱温度Ｔ１まで昇温されており、照射時間が１０ミリ秒〜１０００ミリ秒となるスキャニングアニールによって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まで上昇する。

やがて、保持部７に保持された半導体ウェハーＷの直上よりも外方（図６の紙面右端）に光源部５およびスリット部材９１が到達した時点でスキャニングアニール処理が完了する。そして、その状態にて約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し、半導体ウェハーＷが保持部７から支持ピン７０へと渡される。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、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のアニール処理が完了する。

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、その供給量は、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。

以上のように、本実施形態においては、光源部５から出射された光をスリット部材９１によって絞り、帯状の光束として照射する。そして、光源部５から光を出射しつつ、光源部５およびスリット部材９１を水平方向に同一速度で移動させることにより、帯状の照射エリアが半導体ウェハーＷの主面上を走査して加熱するスキャニングアニールが実行される。かかるスキャニングアニール処理においては、半導体ウェハーＷの主面の各位置における照射時間が帯状の照射エリアの走査方向長さと走査速度とによって決まるため、光源部５およびスリット部材９１の移動速度を調整するだけで照射時間（アニール時間）を容易に変化させることができる。

このため、従来のハロゲンランプを使用した高速ランプアニール装置やフラッシュランプアニール装置では実現が難しかった１０ミリ秒〜１０００ミリ秒のアニール時間での熱処理をも容易に行うことが可能となる。しかも、半導体ウェハーＷの径がφ３００ｍｍであったとしても、光源部５およびスリット部材９１の走査速度が２００ｍｍ／秒であれば、走査時間は１．５秒となるため、半導体ウェハーＷの１枚当たりの処理時間も妥当なものとなる。

また、光源部５の３本のハロゲンランプＨＬは三相交流電源たる電源５５の各相に接続されている。仮に、光源部５に単相の交流電源に接続されたハロゲンランプを備えていたとすると、光源部５からの光出力特性が正弦波を描くため、１０ミリ秒〜１０００ミリ秒という比較的短時間の照射時間であると、半導体ウェハーＷの主面上の位置によって照射強度にバラツキが生じる。本実施形態のように、光源部５に三相交流電源に接続された３本のハロゲンランプＨＬを備えれば、光源部５全体からの光出力特性はフラットなものとなり、スキャニングアニールにおける照射時間が１０ミリ秒〜１０００ミリ秒という比較的短時間であったとしても、半導体ウェハーＷの主面上の位置によらずほぼ一定の強度にて光照射を行うことができる。すなわち、照射強度の面内均一性を高めることができる。

また、スリット部材９１は石英製であるため、光源部５からの光を吸収することはなく、特段の冷却機構を設けずともスリット部材９１の温度上昇を抑制することができる。さらに、スリット９２の周辺はプリズム９３とされ、光源部５からスリット９２の周辺に入射した光は全反射される。そして、プリズム９３にて全反射された光の光量がパワーモニタ９９によって測定される。制御部３は、パワーモニタ９９の測定結果に基づいて光源昇降機構５７を制御し、光源部５と保持部７に保持された半導体ウェハーＷとの距離を調整する。すなわち、パワーモニタ９９による光量測定結果が所定の設定値よりも小さいときは、制御部３が光量不足と判断して光源部５を下降させて半導体ウェハーＷに近づける。逆に、パワーモニタ９９による光量測定結果が所定の設定値よりも大きいときは、制御部３が光量過剰と判断して光源部５を上昇させて半導体ウェハーＷから遠ざける。このようにすれば、半導体ウェハーＷの主面における照射時間だけでなく照度をも調整することができる。

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、光源部５およびスリット部材９１をともに同一速度で移動させる構成としていたが、これを図７に示すように光源部を固定する構成としても良い。図７に示す熱処理装置においては、ハロゲンランプＨＬ、リフレクタ５２およびシリンドリカルレンズ１５３を備える光源部は固定されている。そして、光源部からは水平方向に（保持部７に保持された半導体ウェハーＷと平行に）光が出射される。

また、図７に示す熱処理装置は、ミラー１２１を有する反射部１２０と、スリット部材１１１およびミラー１１２を有する絞り部１１０と、を備える。ミラー１２１およびミラー１１２は全反射鏡である。スリット部材１１１は、上記実施形態のスリット部材９１と同様の石英製スリットである。光源部から水平方向に出射された光はミラー１２１によって反射された後、絞り部１１０に入射する。そして、ミラー１１２によって下方へと向けて反射された後、スリット部材１１１によって絞られ、保持部７に保持された半導体ウェハーＷに照射される。

反射部１２０はミラー駆動機構１２５によって水平方向に移動される。絞り部１１０もスリットスキャン機構１１５によって水平方向に移動される。ミラー駆動機構１２５およびスリットスキャン機構１１５としては、上述したのと同様の公知の種々の駆動機構を採用することができる。ここで、反射部１２０および絞り部１１０は同じ向き（図７の紙面では右向き）に移動するものの、反射部１２０の移動速度は絞り部１１０の移動速度の半分である。このため、光源部から半導体ウェハーＷまでの光路長は反射部１２０および絞り部１１０の位置によらず常に一定である。

残余の構成は上記実施形態と同様であり、図７のようにしても、帯状の照射エリアが半導体ウェハーＷの主面上を走査して加熱するスキャニングアニールが実行される。そして、半導体ウェハーＷの主面の各位置における照射時間は帯状の照射エリアの走査方向長さと走査速度とによって決まるため、絞り部１１０および反射部１２０の移動速度を調整するだけで照射時間を容易に変化させることができる。もっとも、図７の構成とすれば光源部を移動させる必要がないものの、光学系の設定は上記実施形態のように構成した方が容易である。

また、上記実施形態においては、三相交流電源たる電源５５に接続された３本のハロゲンランプＨＬを光源部５に備えていたが、これに代えて、高出力の直流電源に接続された１本のキセノンアークランプを光源部５に備えるようにしても良い。また、直流電源に代えて高周波電源（１０ｋＨｚ以上）を使用するようにしても良い。要するに、本発明はスキャニングアニールを行うものであるため、１０ミリ秒〜１０００ミリ秒という比較的短時間の照射時間であったとしても、半導体ウェハーＷの主面上の位置によらずほぼ一定の強度にて光照射を行うことができる程度に光出力特性がフラットとなる構成であれば良い。もっとも、高出力の直流電源は非常に大容量のコンデンサを必要とし、高周波電源はエネルギー損失が大きいため、三相交流電源に３本のランプを接続する上記実施形態の構成がコストの観点からは最も好ましい。なお、照射時間が数１００ミリ秒に及ぶ場合は、単相の交流電源を使用しても、照射強度の面内均一性を概ね維持することができる。

また、上記実施形態においては、スリット部材９１を石英にて形成していたが、これを例えばアルミニウム（Ａｌ）等の金属にて形成するようにしても良い。金属であれば光源部５からの光を透過しないため、スリット９２の周辺にプリズムを形成する必要は無い。但し、光源部５からの光を吸収して著しく温度上昇するため、適切な冷却機構を設ける必要がある。

また、スリット幅を可変に調整できる機構を設けるようにしても良い。スリット幅によって照射エリアの走査方向長さが規定されるため、スリット幅を調整することによっても半導体ウェハーＷの主面の各位置における照射時間を変化させることができる。

また、通常スリット９２の中央部分の露光量は端部よりも大きいため、その中央部分に石英などの光減衰部材を挿入して微調整するようにしても良い。

また、本発明に係る熱処理装置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、液晶表示装置などに用いるガラス基板であっても良い。

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。保持部の構成を示す断面図である。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。光源部による半導体ウェハーの光照射加熱処理の一例を模式的に示す図である。光源部による半導体ウェハーの光照射加熱処理の他の例を模式的に示す図である。

符号の説明

１熱処理装置
３制御部
４保持部昇降機構
５光源部
６チャンバー
７保持部
５２リフレクタ
５３シリンドリカルレンズ
５５電源
５６光源スキャン機構
５７光源昇降機構
６１チャンバー窓
６５熱処理空間
７１ホットプレート
７２サセプタ
９１スリット部材
９２スリット
９３プリズム
９５スリットスキャン機構
９９パワーモニタ
ＨＬハロゲンランプ
Ｗ半導体ウェハー

Claims

基板に対して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、
棒状のランプを有する光源と、
前記ランプと平行に延びるスリットを有するスリット部材と、
基板を保持する保持手段と、
前記光源を前記保持手段に保持された基板と平行に移動させる光源走査手段と、
前記スリット部材を前記保持手段に保持された基板と平行に移動させるスリット走査手段と、
基板の加熱処理を行うときには、前記ランプから光を出射しつつ、前記光源および前記スリット部材が等速で移動して前記スリット部材が前記保持手段に保持された基板と前記光源との間に常に位置するように前記光源走査手段および前記スリット走査手段を制御する制御手段と、
を備え、
前記スリット部材は石英にて形成され、前記スリット部材の前記スリットを挟む両側はプリズムとされている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、
前記制御手段は、前記保持手段に保持された基板の主面の各位置における前記ランプからの照射時間が１０ミリ秒〜１０００ミリ秒となる移動速度にて前記光源および前記スリット部材が移動するように前記光源走査手段および前記スリット走査手段を制御す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、
前記光源は三相電源に接続された３本のハロゲンランプを備え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、
前記光源から出射されて前記プリズムにて全反射された光の光量を測定する光量測定手段と、
前記光源を前記保持手段に保持された基板と垂直に移動させる光源位置調整手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記光量測定手段の測定結果に基づいて前記光源位置調整手段を制御し、前記光源と前記保持手段に保持された基板との距離を調整することを特徴とする熱処理装置。