JP5507227B2 - 熱処理方法および熱処理装置 - Google Patents

熱処理方法および熱処理装置 Download PDF

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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の薄板状の精密電子基板（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方法および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不純物（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が一般的に使用されていた。このようなランプアニール装置においては、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、半導体ウェハーの不純物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半導体ウェハー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不純物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不純物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（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、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１１００℃程度にまで昇温させる技術が提案されている（例えば、特許文献１，２）。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、数ミリセカンド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、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、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。
特開２００４−５５８２１号公報 特開２００４−８８０５２号公報
しかしながら、フラッシュ光照射によるアニール処理は、極短時間で半導体ウェハーの表面を１１００℃以上の高温にまで昇温することができるため、注入された不純物の拡散を抑制すること、および、不純物の活性化には有効であるが、不純物注入時に導入されたシリコンの結晶欠陥の回復には適さなかった。結晶欠陥を十分に回復させないままＦＥＴ（Field Effect Transistor）などの半導体デバイスを作製すると、リーク電流が大きくなるという問題が発生する。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、不純物注入時に導入された欠陥の回復を促進しつつ、不純物の良好な活性化を行う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、不純物が注入された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方法において、フラッシュランプから第１のフラッシュ光照射を行って基板の表面を予備加熱するフラッシュ予備加熱工程と、前記フラッシュ予備加熱工程の後、フラッシュランプから第２のフラッシュ光照射を行って基板の表面をさらに昇温するフラッシュ主加熱工程と、を備え、第１のフラッシュ光照射が開始されてから第２のフラッシュ光照射が開始されるまでの間隔は１０ミリ秒以上６００ミリ秒以下であり、前記フラッシュ予備加熱工程での基板の表面温度は８５０℃以上１０００℃以下であって、第２のフラッシュ光照射が開始されるまで当該温度範囲に維持され、前記フラッシュ主加熱工程での第２のフラッシュ光照射時間は１ミリ秒以上５ミリ秒以下であり、基板の表面の到達温度は１１００℃以上１３５０℃以下であり、第１のフラッシュ光照射が終了してから第２のフラッシュ光照射が開始されるまでの間はフラッシュランプが消灯し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方法において、前記フラッシュ予備加熱工程での第１のフラッシュ光照射時間は０．１ミリ秒以上２０ミリ秒以下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、基板は３本以上のバンプによって点接触にて支持され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方法において、第１のフラッシュ光照射および第２のフラッシュ光照射のそれぞれの開始時にフラッシュランプのトリガー電極にトリガー電圧を印加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、前記フラッシュ予備加熱工程の前に、ハロゲンランプからの光照射によって基板を７５０℃以上８００℃以下に１秒以上１０秒以下保持する補助加熱工程をさらに備えることを特徴とする。
また、請求項６の発明は、請求項５の発明に係る熱処理方法において、前記補助加熱工程の前に、ハロゲンランプからの光照射によって基板を３００℃以上６００℃以下に１秒以上４秒以下保持する温度均一化工程をさらに備えることを特徴とする。
また、請求項７の発明は、不純物が注入された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、基板を点接触にて支持する支持手段と、前記支持手段に支持された基板にフラッシュ光を照射するフラッシュランプと、前記フラッシュランプの発光を制御する発光制御手段と、を備え、前記発光制御手段は、第１のフラッシュ光照射を行って基板の表面を予備加熱した後、第２のフラッシュ光照射を行って基板の表面をさらに昇温するように前記フラッシュランプの発光を制御するとともに、第１のフラッシュ光照射を開始してから第２のフラッシュ光照射を開始するまでの間隔を１０ミリ秒以上６００ミリ秒以下とし、前記フラッシュランプから第１のフラッシュ光照射を行って基板の表面を８５０℃以上１０００℃以下に昇温して第２のフラッシュ光照射を開始するまで当該温度範囲に維持し、前記フラッシュランプから１ミリ秒以上５ミリ秒以下の第２のフラッシュ光照射を行って基板の表面を１１００℃以上１３５０℃以下に到達させ、第１のフラッシュ光照射が終了してから第２のフラッシュ光照射が開始されるまでの間は前記フラッシュランプを消灯することを特徴とする。
また、請求項８の発明は、請求項７の発明に係る熱処理装置において、前記発光制御手段は、前記フラッシュランプから０．１ミリ秒以上２０ミリ秒以下の第１のフラッシュ光照射を行うことを特徴とする。
また、請求項９の発明は、請求項７または請求項８の発明に係る熱処理装置において、前記支持手段は、３本以上のバンプを含むことを特徴とする。
また、請求項１０の発明は、請求項７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、前記発光制御手段は、フラッシュランプのトリガー電極にトリガー電圧を印加するトリガー回路を含み、第１のフラッシュ光照射および第２のフラッシュ光照射のそれぞれの開始時に前記トリガー電極にトリガー電圧を印加するように前記トリガー回路を制御することを特徴とする。
また、請求項１１の発明は、請求項７から請求項１０のいずれかの発明に係る熱処理装置において、前記支持手段に支持された基板に光を照射するハロゲンランプをさらに備え、前記フラッシュランプから第１のフラッシュ光照射を行う前に、前記ハロゲンランプは光照射によって基板を７５０℃以上８００℃以下に１秒以上１０秒以下保持する補助加熱を行うことを特徴とする。
また、請求項１２の発明は、請求項１１の発明に係る熱処理装置において、前記ハロゲンランプは、前記補助加熱を行う前に、光照射によって基板を３００℃以上６００℃以下に１秒以上４秒以下保持することを特徴とする。
また、請求項１３の発明は、請求項７から請求項１２のいずれかの発明に係る熱処理装置において、前記発光制御手段は、前記フラッシュランプ、コンデンサおよびコイルと直列に接続された絶縁ゲートバイポーラトランジスタを備えることを特徴とする。
また、請求項１４の発明は、不純物が注入された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方法において、フラッシュランプから第１のフラッシュ光照射を行って基板の表面を予備加熱するフラッシュ予備加熱工程と、前記フラッシュ予備加熱工程の後、フラッシュランプから第２のフラッシュ光照射を行って基板の表面をさらに昇温するフラッシュ主加熱工程と、前記フラッシュ予備加熱工程の前に、ハロゲンランプからの光照射によって基板を７５０℃以上８００℃以下に１秒以上１０秒以下保持する補助加熱工程と、前記補助加熱工程の前に、ハロゲンランプからの光照射によって基板を３００℃以上６００℃以下に１秒以上４秒以下保持する温度均一化工程と、を備え、第１のフラッシュ光照射が開始されてから第２のフラッシュ光照射が開始されるまでの間隔は１０ミリ秒以上６００ミリ秒以下であり、前記フラッシュ予備加熱工程での基板の表面温度は８５０℃以上１０００℃以下であり、前記フラッシュ主加熱工程での第２のフラッシュ光照射時間は１ミリ秒以上５ミリ秒以下であり、基板の表面の到達温度は１１００℃以上１３５０℃以下であることを特徴とする。
また、請求項１５の発明は、不純物が注入された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、基板を点接触にて支持する支持手段と、前記支持手段に支持された基板にフラッシュ光を照射するフラッシュランプと、前記支持手段に支持された基板に光を照射するハロゲンランプと、前記フラッシュランプの発光を制御する発光制御手段と、を備え、前記発光制御手段は、第１のフラッシュ光照射を行って基板の表面を予備加熱した後、第２のフラッシュ光照射を行って基板の表面をさらに昇温するように前記フラッシュランプの発光を制御するとともに、第１のフラッシュ光照射を開始してから第２のフラッシュ光照射を開始するまでの間隔を１０ミリ秒以上６００ミリ秒以下とし、前記フラッシュランプから第１のフラッシュ光照射を行って基板の表面を８５０℃以上１０００℃以下に昇温し、前記フラッシュランプから１ミリ秒以上５ミリ秒以下の第２のフラッシュ光照射を行って基板の表面を１１００℃以上１３５０℃以下に到達させ、前記フラッシュランプから第１のフラッシュ光照射を行う前に、前記ハロゲンランプは光照射によって基板を７５０℃以上８００℃以下に１秒以上１０秒以下保持する補助加熱を行うとともに、前記補助加熱を行う前に、光照射によって基板を３００℃以上６００℃以下に１秒以上４秒以下保持することを特徴とする。
請求項１から請求項６および請求項１４の発明によれば、フラッシュランプから第１のフラッシュ光照射を行って基板の表面を予備加熱するフラッシュ予備加熱工程と、フラッシュ予備加熱工程の後、フラッシュランプから第２のフラッシュ光照射を行って基板の表面をさらに昇温するフラッシュ主加熱工程と、を備え、第１のフラッシュ光照射が開始されてから第２のフラッシュ光照射が開始されるまでの間隔は１０ミリ秒以上６００ミリ秒以下であるため、第１のフラッシュ光照射よって不純物注入時に導入された欠陥の回復を促進しつつ、第２のフラッシュ光照射によって不純物の良好な活性化を行うことができる。また、フラッシュ予備加熱工程での基板の表面温度は８５０℃以上１０００℃以下であるため、欠陥を十分に回復することができる。また、フラッシュ主加熱工程での第２のフラッシュ光照射時間は１ミリ秒以上５ミリ秒以下であり、基板の表面の到達温度は１１００℃以上１３５０℃以下であるため、不純物の良好な活性化を行うことができる。
特に、請求項４の発明によれば、第１のフラッシュ光照射および第２のフラッシュ光照射のそれぞれの開始時にフラッシュランプのトリガー電極にトリガー電圧を印加するため、第１のフラッシュ光照射および第２のフラッシュ光照射を確実に発光することができる。
特に、請求項５の発明によれば、フラッシュ予備加熱工程の前に、ハロゲンランプからの光照射によって基板を７５０℃以上８００℃以下に１秒以上１０秒以下保持する補助加熱工程をさらに備えるため、フラッシュ予備加熱の前にある程度欠陥回復を行うことができる。
特に、請求項６および請求項１４の発明によれば、補助加熱工程の前に、ハロゲンランプからの光照射によって基板を３００℃以上６００℃以下に１秒以上４秒以下保持する温度均一化工程をさらに備えるため、基板の面内温度分布の均一性を向上させることができる。
また、請求項７から請求項１３および請求項１５の発明によれば、第１のフラッシュ光照射を行って基板の表面を予備加熱した後、第２のフラッシュ光照射を行って基板の表面をさらに昇温するようにフラッシュランプの発光を制御するとともに、第１のフラッシュ光照射を開始してから第２のフラッシュ光照射を開始するまでの間隔を１０ミリ秒以上６００ミリ秒以下とするため、第１のフラッシュ光照射よって不純物注入時に導入された欠陥の回復を促進しつつ、第２のフラッシュ光照射によって不純物の良好な活性化を行うことができる。また、フラッシュランプから第１のフラッシュ光照射を行って基板の表面を８５０℃以上１０００℃以下に昇温するため、欠陥を十分に回復することができる。また、フラッシュランプから１ミリ秒以上５ミリ秒以下の第２のフラッシュ光照射を行って基板の表面を１１００℃以上１３５０℃以下に到達させるため、不純物の良好な活性化を行うことができる。
特に、請求項１０の発明によれば、第１のフラッシュ光照射および第２のフラッシュ光照射のそれぞれの開始時にトリガー電極にトリガー電圧を印加するため、第１のフラッシュ光照射および第２のフラッシュ光照射を確実に発光することができる。
特に、請求項１１の発明によれば、フラッシュランプから第１のフラッシュ光照射を行う前に、ハロゲンランプは光照射によって基板を７５０℃以上８００℃以下に１秒以上１０秒以下保持する補助加熱を行うため、予備加熱の前にある程度欠陥回復を行うことができる。
特に、請求項１２および請求項１５の発明によれば、ハロゲンランプは、補助加熱を行う前に、光照射によって基板を３００℃以上６００℃以下に１秒以上４秒以下保持するため、基板の面内温度分布の均一性を向上させることができる。
本発明に係る熱処理装置の構成を示す縦断面図である。 保持部の斜視図である。 保持プレートの平面図である。 保持プレートに半導体ウェハーが載置されたときのバンプ近傍を拡大した図である。 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。 半導体ウェハーを保持した保持プレートを示す図である。 フラッシュランプの駆動回路を示す図である。 図１の熱処理装置での処理対象となる半導体ウェハーに形成された素子の構造を示す図である。 半導体ウェハーの表面温度の変化を示す図である。 パルス信号の波形と回路に流れる電流との相関の一例を示す図である。 フラッシュランプの発光出力と半導体ウェハーの表面温度との相関の一例を示す図である。 トリガー電圧の印加タイミングの他の例を示す図である。 パルス信号の波形と回路に流れる電流との相関の他の例を示す図である。
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。本実施形態の熱処理装置１は、基板としてφ３００ｍｍの円板形状の半導体ウェハーＷに対して閃光（フラッシュ光）を照射する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。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。
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、シャッター部２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、シャッター部２、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反射リング６８が装着され、下部には反射リング６９が装着されている。反射リング６８，６９は、ともに円環状に形成されている。上側の反射リング６８は、チャンバー側部６１の上側から嵌め込むことによって装着される。一方、下側の反射リング６９は、チャンバー側部６１の下側から嵌め込んで図示省略のビスで留めることによって装着される。すなわち、反射リング６８，６９は、ともに着脱自在にチャンバー側部６１に装着されるものである。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および反射リング６８，６９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６８，６９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６８，６９が装着されていない中央部分と、反射リング６８の下端面と、反射リング６９の上端面とで囲まれた凹部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。
チャンバー側部６１および反射リング６８，６９は、強度と耐熱性に優れた金属材料（例えば、ステンレススチール）にて形成されている。また、反射リング６８，６９の内周面は電解ニッケルメッキによって鏡面とされている。
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。
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（本実施形態では窒素ガス（Ｎ2））を供給するガス供給孔８１が形設されている。ガス供給孔８１は、凹部６２よりも上側位置に形設されており、反射リング６８に設けられていても良い。ガス供給孔８１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８２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は窒素ガス供給源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、窒素ガス供給源８５から緩衝空間８２に窒素ガスが送給される。緩衝空間８２に流入した窒素ガスは、ガス供給孔８１よりも流体抵抗の小さい緩衝空間８２内を拡がるように流れてガス供給孔８１から熱処理空間６５内へと供給される。
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、ガス供給孔８１およびガス排気孔８６は、チャンバー６の周方向に沿って複数設けられていても良いし、スリット状のものであっても良い。また、窒素ガス供給源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の斜視図である。保持部７は、サセプタ７０および保持プレート７４を備えて構成される。サセプタ７０は、石英により形成され、円環形状のリング部７１に複数の爪部７２（本実施形態では４本）を立設して構成される。図３は、保持プレート７４の平面図である。保持プレート７４は石英にて形成された円形の平板状部材である。保持プレート７４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７４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７４の上面には複数個のバンプ７５が立設されている。本実施形態においては、保持プレート７４の外周円と同心円の周上に沿って６０°毎に計６本のバンプ７５が立設されている。６本のバンプ７５を配置した円の径（対向するバンプ７５間の距離）は半導体ウェハーＷの径よりも小さく、本実施形態ではφ２８０ｍｍである。それぞれのバンプ７５は石英にて形成された支持ピンである。なお、バンプ７５の個数は６本に限定されるものではなく、半導体ウェハーＷを安定して支持可能な３本以上であれば良い。
また、保持プレート７４の上面には、６本のバンプ７５と同心円状に複数個（本実施形態では５個）のガイドピン７６が立設されている。５個のガイドピン７６を配置した円の径は半導体ウェハーＷの径よりも若干大きい。各ガイドピン７６は石英にて形成されている。なお、これら複数個のガイドピン７６に代えて上側に向けて拡がるように水平面と所定の角度をなすテーパ面が形成された円環状部材を設けるようにしても良い。
リング部７１が凹部６２の底面に載置されることによって、サセプタ７０がチャンバー６に装着される。そして、保持プレート７４はチャンバー６に装着されたサセプタ７０の爪部７２に載置される。チャンバー６に搬入された半導体ウェハーＷはサセプタ７０に保持された保持プレート７４の上に水平姿勢にて載置される。
図４は、保持プレート７４に半導体ウェハーＷが載置されたときのバンプ７５近傍を拡大した図である。サセプタ７０の各爪部７２には支持棒７３が立設されている。支持棒７３の上端部が保持プレート７４の下面に穿設された凹部に嵌合することによって、保持プレート７４が位置ずれすることなくサセプタ７０に保持される。
また、バンプ７５およびガイドピン７６も保持プレート７４の上面に穿設された凹部に嵌着されて立設されている。保持プレート７４の上面に立設されたバンプ７５およびガイドピン７６の上端は当該上面から突出する。半導体ウェハーＷは保持プレート７４に立設された複数のバンプ７５によって点接触にて支持されて保持プレート７４上に載置される。バンプ７５の上端の高さ位置から保持プレート７４の上面までの距離は０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下（本実施形態では１ｍｍ）である。従って、半導体ウェハーＷは複数のバンプ７５によって保持プレート７４の上面から０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下の間隔を隔てて支持されることとなる。また、ガイドピン７６の上端の高さ位置はバンプ７５の上端よりも高く、複数のガイドピン７６によって半導体ウェハーＷの水平方向の位置ずれが防止される。なお、バンプ７５およびガイドピン７６を保持プレート７４と一体に石英にて加工するようにしても良い。
また、ガイドピン７６に代えて上記テーパ面が形成された円環状部材を設けた場合には、当該円環状部材によって半導体ウェハーＷの水平方向の位置ずれが防止される。そして、保持プレート７４の上面のうち少なくとも複数のバンプ７５に支持された半導体ウェハーＷに対向する領域は平面となる。この場合、半導体ウェハーＷは複数のバンプ７５によって保持プレート７４の当該平面から０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下の間隔を隔てて支持されることとなる。
また、図２および図３に示すように、保持プレート７４には、上下に貫通して開口部７８および切り欠き部７７が形成されている。切り欠き部７７は、熱電対を使用した接触式温度計１３０のプローブ先端部を通すために設けられている。一方、開口部７８は、放射温度計１２０が保持プレート７４に保持された半導体ウェハー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。
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。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が保持プレート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の上端が保持プレート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、サセプタ７０のリング部７１の直上である。リング部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。
図９は、フラッシュランプＦＬの駆動回路を示す図である。同図に示すように、コンデンサ９３と、コイル９４と、フラッシュランプＦＬと、スイッチング素子９６とが直列に接続されている。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陽極および陰極が配設された棒状のガラス管（放電管）９２と、該ガラス管９２の外周面上に付設されたトリガー電極９１とを備える。コンデンサ９３には、電源ユニット９５によって所定の電圧が印加され、その印加電圧に応じた電荷が充電される。また、トリガー電極９１にはトリガー回路９７から電圧を印加することができる。トリガー回路９７がトリガー電極９１に電圧を印加するタイミングは制御部３によって制御される。
本実施の形態では、スイッチング素子９６として絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ；Insulated gate bipolar transistor）を用いている。ＩＧＢＴは、ゲート部にＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field effect transistor）を組み込んだバイポーラトランジスタであり、大電力を取り扱うのに適したスイッチング素子である。スイッチング素子９６のゲートには制御部３のパルス発生器３１からパルス信号が印加される。
コンデンサ９３が充電された状態でスイッチング素子９６のゲートにパルスが出力されてガラス管９２の両端電極に高電圧が印加されたとしても、キセノンガスは電気的には絶縁体であることから、通常の状態ではガラス管９２内に電気は流れない。しかしながら、トリガー回路９７がトリガー電極９１に電圧を印加して絶縁を破壊した場合には両端電極間の放電によってガラス管９２内に電流が瞬時に流れ、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。
また、図１のリフレクタ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から出射された光を保持部７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梨地模様を呈する。
チャンバー６の下方に設けられたハロゲン加熱部４の内部には複数本（本実施形態では４０本）のハロゲンランプＨＬが内蔵されている。複数のハロゲンランプＨＬはチャンバー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への光照射を行う。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。本実施形態では、上下２段に各２０本ずつのハロゲンランプ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端部側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、上段の各ハロゲンランプＨＬの長手方向と下段の各ハロゲンランプＨＬの長手方向とが直交するように計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、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。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、図１に示すように、熱処理装置１は、ハロゲン加熱部４およびチャンバー６の側方にシャッター機構２を備える。シャッター機構２は、シャッター板２１およびスライド駆動機構２２を備える。シャッター板２１は、ハロゲン光に対して不透明な板であり、例えばチタン（Ｔｉ）にて形成されている。スライド駆動機構２２は、シャッター板２１を水平方向に沿ってスライド移動させ、ハロゲン加熱部４と保持部７との間の遮光位置にシャッター板２１を挿脱する。スライド駆動機構２２がシャッター板２１を前進させると、チャンバー６とハロゲン加熱部４との間の遮光位置（図１の二点鎖線位置）にシャッター板２１が挿入され、下側チャンバー窓６４と複数のハロゲンランプＨＬとが遮断される。これによって、複数のハロゲンランプＨＬから熱処理空間６５の保持部７へと向かう光は遮光される。逆に、スライド駆動機構２２がシャッター板２１を後退させると、チャンバー６とハロゲン加熱部４との間の遮光位置からシャッター板２１が退出して下側チャンバー窓６４の下方が開放される。
また、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構成される。また、図９に示すように、制御部３は、パルス発生器３１および波形設定部３２を備えるとともに、入力部３３に接続されている。入力部３３としては、キーボード、マウス、タッチパネル等の種々の公知の入力機器を採用することができる。入力部３３からの入力内容に基づいて波形設定部３２がパルス信号の波形を設定し、その波形に従ってパルス発生器３１がパルス信号を発生する。この制御部３と、トリガー回路９７と、スイッチング素子９６とによってフラッシュランプＦＬの発光を制御する発光制御手段が構成される。
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。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。図１０は、熱処理装置１での処理対象となる半導体ウェハーＷに形成された素子の構造を示す図である。シリコン基板１１１にはソース・ドレイン領域１１２とエクステンション領域１１３とが形成されるとともに、その上面にはゲート電極１１５が設けられる。エクステンション領域１１３はソース・ドレイン領域１１２とチャネルとの電気的接続部である。金属のゲート電極１１５はゲート絶縁膜１１４を介してシリコン基板１１１上に設けられており、その測方にはセラミックスのサイドウォール１１６が形成される。ソース・ドレイン領域１１２およびエクステンション領域１１３にはイオン注入法によって不純物が導入されており、その不純物の活性化が熱処理装置１による光照射加熱処理（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、ガス供給孔８１から熱処理空間６５に窒素ガスが供給される。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。なお、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熱処理空間６５に継続的に供給されており、その供給量は処理工程に応じて適宜変更される。
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。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を通って保持プレート７４の上面から突き出て半導体ウェハーＷを受け取る。
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の保持プレート７４に受け渡されて水平姿勢に保持される。図８は、半導体ウェハーＷを保持した保持プレート７４を示す図である。半導体ウェハーＷは６本のバンプ７５によって点接触にて支持され、保持プレート７４の上面から０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下の間隔（本実施形態では１ｍｍ）を隔てて保持される。これにより、半導体ウェハーＷの下面と保持プレート７４の上面との間には厚さ１ｍｍの気体層が挟み込まれることとなる。保持プレート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。
半導体ウェハーＷが保持部７の保持プレート７４に載置されて保持された後、ハロゲン加熱部４の４０本のハロゲンランプＨＬが一斉に点灯する。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および保持プレート７４を透過して半導体ウェハーＷの裏面から照射される。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の温度が上昇する。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。
図１１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が搬入されて保持プレート７４に載置された後、時刻ｔ０にて４０本のハロゲンランプＨＬが点灯して半導体ウェハーＷの温度が上昇する。半導体ウェハーＷの温度は接触式温度計１３０および放射温度計１２０によって測定されている。これらによって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。
但し、半導体ウェハーＷから放射される赤外光を受光して温度測定を行う放射温度計１２０は、半導体ウェハーＷの温度があまりに低温（３００℃未満）であるときには測定不能である。このため、後述の補助加熱を行う前に、ハロゲンランプＨＬからの光照射によって半導体ウェハーＷを３００℃以上６００以下に１秒以上４秒以下保持するようにしている。具体的には、接触式温度計１３０によって測定される半導体ウェハーＷの温度が３００℃以上６００以下の設定温度（本実施形態では３００℃）に到達した時刻ｔ１にて制御部３が一旦ハロゲンランプＨＬの出力を低下させて半導体ウェハーＷの温度を１秒以上４秒以下ほぼ一定に維持する。これにより、放射温度計１２０による半導体ウェハーＷの温度測定を確実なものとすることができる。また、半導体ウェハーＷの温度を一定に維持している間に、半導体ウェハーＷの全体が上記設定温度に均一に昇温されることとなるため、半導体ウェハーＷを一気に補助加熱温度に昇温するのに比較して面内温度分布の均一性を向上させることができる。なお、３００℃以上６００℃以下の比較的低い温度域では不純物の拡散や活性化といった現象は全く生じない。
半導体ウェハーＷを３００℃以上６００℃以下の設定温度に１秒以上４秒以下維持した時刻ｔ２にて、制御部３がハロゲンランプＨＬの出力を再度上昇させて半導体ウェハーＷをさらに昇温して補助加熱（アシスト加熱）を実行する。この補助加熱工程においては、ハロゲンランプＨＬからの光照射によって半導体ウェハーＷを７５０℃以上８００℃以下に１秒以上１０秒以下保持する。具体的には、放射温度計１２０および接触式温度計１３０によって測定される半導体ウェハーＷの温度が７５０℃以上８００℃以下の設定温度（本実施形態では７５０℃）に到達した時刻ｔ３にて制御部３が半導体ウェハーＷの温度を１秒以上１０秒以下（本実施形態では４秒）ほぼ一定に維持するようにハロゲンランプＨＬの出力を制御する。この補助加熱を行うことによって、不純物注入時に半導体ウェハーＷのシリコン基板１１１に導入された結晶欠陥の回復が進行する。
ところが、補助加熱を行う７５０℃以上８００℃以下の温度域では、欠陥回復が進行するとともに、注入した不純物の拡散が生じるおそれもある。特に、温度が高くなるに従って拡散が生じるのに要する時間は指数関数的に短くなり、８００℃を超えると１０秒以下で不純物の拡散が生じるおそれがある。一方、７５０℃未満の温度域では、不純物の拡散に数十秒以上の長時間を要するものの、結晶欠陥の回復もほとんど進行しない。このため、補助加熱工程は、半導体ウェハーＷを７５０℃以上８００℃以下に１秒以上１０秒以下維持することによって行う。
補助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、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、補助加熱段階における半導体ウェハーＷの面内温度分布をより均一なものとすることができる。
さらに、チャンバー側部６１に装着された反射リング６９の内周面は鏡面とされているため、この反射リング６９の内周面によって半導体ウェハーＷの周縁部に向けて反射する光量が多くなり、補助加熱段階における半導体ウェハーＷの面内温度分布をより均一なものとすることができる。
予め設定された補助加熱時間が経過した後、時刻ｔ４にてフラッシュランプＦＬによる半導体ウェハーＷの光照射加熱が開始される。フラッシュランプＦＬからの光照射を行うに際しては、予め電源ユニット９５によってコンデンサ９３に電荷を蓄積しておく。そして、コンデンサ９３に電荷が蓄積された状態にて、制御部３のパルス発生器３１からスイッチング素子９６にパルス信号を出力する。
図１２は、パルス信号の波形と回路に流れる電流との相関の一例を示す図である。図１２（ａ）はパルス発生器３１から出力されるパルス信号の波形を示し、図１２（ｂ）はトリガー電極９１に電圧を印加するタイミングを示し、図１２（ｃ）はフラッシュランプＦＬを含む回路に流れる電流の波形を示す。ここでは、図１２（ａ）に示すような波形のパルス信号がパルス発生器３１から出力される。パルス信号の波形は、パルス幅の時間（オン時間）とパルス間隔の時間（オフ時間）とを順次設定したレシピを入力部３３から入力することによって規定することができる。このようなレシピをオペレータが入力部３３から制御部３に入力すると、そのレシピに基づいて制御部３の波形設定部３２が図１２（ａ）に示すようなパルス波形を設定する。図１２（ａ）に示すパルス波形においては、まず最初に比較的短い単一のパルスＰＡが設定されるとともに、後段に比較的長い単一のパルスＰＢが設定されている。そして、波形設定部３２によって設定されたパルス波形に従ってパルス発生器３１がパルス信号を出力する。その結果、スイッチング素子９６のゲートには図１２（ａ）のような波形のパルス信号が印加され、スイッチング素子９６のオンオフ駆動が制御されることとなる。具体的には、スイッチング素子９６のゲートに入力されるパルス信号がオンのときにはスイッチング素子９６がオン状態となり、パルス信号がオフのときにはスイッチング素子９６がオフ状態となる。
また、図１２（ｂ）に示すように、パルス発生器３１から出力するパルス信号がオンになるタイミングと同期して制御部３がトリガー回路９７を制御してトリガー電極９１にトリガー電圧を印加する。コンデンサ９３に電荷が蓄積された状態にてスイッチング素子９６のゲートに最初のパルスＰＡが入力され、かつ、それと同期してトリガー電極９１に高電圧が印加されると、フラッシュランプＦＬのガラス管９２内の両端電極間で電流が流れ始め、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。そして、パルスＰＡがオフになると、フラッシュランプＦＬのガラス管９２内に流れる電流値が減少し、一旦フラッシュランプＦＬが完全に消灯する。次に、スイッチング素子９６のゲートに後段のパルスＰＢが入力され、かつ、それと同期してトリガー電極９１に高電圧が印加されると、ガラス管９２内の両端電極間で再び電流が流れ始め、フラッシュランプＦＬが発光する。その結果、フラッシュランプＦＬには図１２（ｃ）に示すような波形の電流が流れ、フラッシュランプＦＬは２回発光する。
フラッシュランプＦＬの発光出力は、フラッシュランプＦＬに流れる電流にほぼ比例する。従って、フラッシュランプＦＬの発光出力の出力波形（プロファイル）は図１３（ａ）に示すようなパターンとなる。図１３（ａ）に示す如きフラッシュランプＦＬからの出力波形にて、保持部７の保持プレート７４に載置された半導体ウェハーＷに光照射が行われる。この２段階のフラッシュ光照射によって半導体ウェハーＷの表面が描く温度プロファイルは図１３（ｂ）に示すようなものとなる。
従来のように、スイッチング素子９６を使用することなくフラッシュランプＦＬを発光させた場合には、コンデンサ９３に蓄積されていた電荷が１回の発光で消費され、フラッシュランプＦＬからの出力波形は幅が０．１ミリセカンドないし１０ミリセカンド程度のシングルパルスとなる。これに対して、本実施の形態のように、回路中にスイッチング素子９６を接続してそのゲートに図１２（ａ）のようなパルス信号を出力することにより、いわばフラッシュランプＦＬの発光がチョッパ制御されることとなり、コンデンサ９３に蓄積された電荷が２分割されて消費され、短い時間の間にフラッシュランプＦＬが２回発光することとなる。
図１３（ａ）に示すフラッシュランプＦＬの発光出力波形は２つの発光ピークＥＰ１，ＥＰ２を有している。すなわち、最高到達出力がＬ１となる第１の発光ピークＥＰ１を有する出力波形にて半導体ウェハーＷに第１のフラッシュ光照射を行った後、最高到達出力がＬ２となる第２の発光ピークＥＰ２を有する出力波形にて半導体ウェハーＷに第２のフラッシュ光照射を行っている。
より詳細に述べれば、まずパルス発生器３１がスイッチング素子９６のゲートに前段のパルスＰＡを出力するとともに、トリガー電極９１にトリガー電圧を印加することによって、フラッシュランプＦＬを含む回路に図１２（ｃ）の前段に示す波形の電流が流れる。その結果、図１３（ａ）の前段に示すように、時刻ｔ４にフラッシュランプＦＬが第１のフラッシュ光照射を開始する。第１のフラッシュ光照射は、フラッシュランプＦＬが最高到達出力がＬ１となる第１の発光ピークＥＰ１を有する出力波形にて発光することにより行われる。そして、フラッシュランプＦＬから第１のフラッシュ光照射を受けた半導体ウェハーＷの表面温度は、図１３（ｂ）に示す如く、８５０℃以上にまで昇温される。なお、第１のフラッシュ光照射の光照射時間は０．１ミリ秒〜２０ミリ秒程度である。
ここで、本実施形態においては、半導体ウェハーＷが保持プレート７４の６本のバンプ７５によって点接触にて支持され、半導体ウェハーＷの下面と保持プレート７４の上面との間に厚さ１ｍｍ程度の気体層が挟み込まれている。このため、半導体ウェハーＷの下面から保持プレート７４への熱伝導はほとんど生じず、第１のフラッシュ光照射によって８５０℃以上にまで昇温された半導体ウェハーＷの表面温度の低下も比較的緩やかなものとなる。そして、半導体ウェハーＷの表面温度が８５０℃に到達した時刻ｔ５から第２のフラッシュ光照射が開始される時刻ｔ６までの間にウェハー表面の予備加熱が実行される。
すなわち、半導体ウェハーＷの表面の予備加熱は、第１のフラッシュ光照射によってウェハー表面が昇温され、その表面温度の低下が半導体ウェハーＷが点接触されているが故に緩やかであることによって実現されるものである。この予備加熱工程においては、半導体ウェハーＷの表面温度は８５０℃以上１０００℃以下となっている。このフラッシュランプＦＬによる予備加熱を行うことによって、上述の補助加熱だけでは不十分であった結晶欠陥の回復がさらに進行する。
次に、パルス発生器３１がスイッチング素子９６のゲートに後段のパルスＰＢを出力するとともに、トリガー電極９１にトリガー電圧を印加することによって、フラッシュランプＦＬを含む回路に図１２（ｃ）の後段に示す波形の電流が流れる。その結果、図１３（ａ）の後段に示すように、時刻ｔ６にフラッシュランプＦＬが第２のフラッシュ光照射を開始する。第２のフラッシュ光照射は、フラッシュランプＦＬが最高到達出力がＬ２（本実施形態ではＬ１＜Ｌ２）となる第２の発光ピークＥＰ２を有する出力波形にて発光することにより行われる。そして、フラッシュランプＦＬから第２のフラッシュ光照射を受けた半導体ウェハーＷの表面温度は、図１３（ｂ）に示す如く、１１００℃以上にまで昇温される。第２のフラッシュ光照射の光照射時間は１ミリ秒以上５ミリ秒以下である。
この第２のフラッシュ光照射によって半導体ウェハーＷの表面を予備加熱工程よりもさらに昇温するフラッシュ主加熱工程が実行される。フラッシュ主加熱工程においては、半導体ウェハーＷの表面の到達温度は１１００℃以上１３５０℃以下となる。このようなフラッシュランプＦＬによるフラッシュ主加熱工程を行うことによって、半導体ウェハーＷに注入された不純物の良好な活性化を行うことができる。
また、第１のフラッシュ光照射が開始されてから第２のフラッシュ光照射が開始されるまでの間隔、つまり時刻ｔ４から時刻ｔ６までの間隔は１０ミリ秒以上６００ミリ秒以下である。予備加熱工程の時間は、その間隔以下となる。予備加熱工程では、半導体ウェハーＷの表面温度が補助加熱時よりも高温の８５０℃以上１０００℃以下となり、この温度域では不純物の拡散がさらに生じやすくなるのであるが、６００ミリ秒以下の短時間であれば不純物拡散を抑制することができる。
フラッシュ主加熱工程が終了した後、所定時間経過後（例えば、半導体ウェハーＷの表面温度が補助加熱温度近傍に低下するまでの時間経過後）にハロゲンランプＨＬが消灯する。これにより、半導体ウェハーＷの降温速度が高まる。また、ハロゲンランプＨＬが消灯するのと同時に、シャッター機構２がシャッター板２１をハロゲン加熱部４とチャンバー６との間の遮光位置に挿入する。ハロゲンランプＨＬが消灯しても、すぐにフィラメントや管壁の温度が低下するものではなく、暫時高温のフィラメントおよび管壁から輻射熱が放射され続け、これが半導体ウェハーＷの降温を妨げる。シャッター板２１が挿入されることによって、消灯直後のハロゲンランプＨＬから熱処理空間６５に放射される輻射熱が遮断されることとなり、半導体ウェハーＷの降温速度を高めることができる。
そして、半導体ウェハーＷの温度が所定以下にまで降温した後、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が保持プレート７４の上面から突き出て熱処理後の半導体ウェハーＷを保持プレート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の加熱処理が完了する。
本実施形態においては、フラッシュランプＦＬから第１のフラッシュ光照射を行って半導体ウェハーＷの表面を予備加熱するフラッシュ予備加熱を実行し、その後、フラッシュランプＦＬから第２のフラッシュ光照射を行って半導体ウェハーＷの表面をさらに昇温するフラッシュ主加熱を実行している。そして、第１のフラッシュ光照射が開始されてから第２のフラッシュ光照射が開始されるまでの間隔は１０ミリ秒以上６００ミリ秒以下である。従って、フラッシュ予備加熱工程の時間は、その間隔以下の短時間である。フラッシュランプＦＬからフラッシュ光照射によって半導体ウェハーＷの表面は８５０℃以上１０００℃以下の比較的高温に予備加熱されることとなるが、その予備加熱時間は最大でも６００ミリ秒以下の短時間であるため、不純物注入時に導入された欠陥の回復を促進しつつもその不純物の拡散を最小限に抑制することができる。そして、続くフラッシュ主加熱工程によって注入された不純物の良好な活性化を行うことができる。
また、第１のフラッシュ光照射と第２のフラッシュ光照射との間はフラッシュランプＦＬが完全に消灯しているため、その間に半導体ウェハーＷの表面温度が１０００℃を超えて上昇することは防がれる。その結果、不純物の拡散が過度に進むことが防止される。
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、パルス発生器３１から出力するパルス信号がオンになる時点のみにトリガー電極９１にトリガー電圧を印加するようにしていたが、トリガー電圧を印加するタイミングは図１４のようなものであっても良い。図１２と同様に、図１４（ａ）はパルス発生器３１から出力されるパルス信号の波形を示し、図１４（ｂ）はトリガー電極９１に電圧を印加するタイミングを示す。図１４に示す例では、制御部３がトリガー回路９７を制御してトリガー電極９１に一定間隔でトリガー電圧を印加している。その結果として、パルス発生器３１が出力するパルス信号がオンになるタイミングと同期してトリガー電極９１にトリガー電圧が印加されることとなる。このようにしても、上記実施形態と同様に、パルス信号がオンになるタイミングにてガラス管９２内の両端電極間の絶縁が破壊されて電流が流れ始め、フラッシュランプＦＬには図１２（ｃ）に示すのと同様の波形の電流が流れる。すなわち、第１のフラッシュ光照射および第２のフラッシュ光照射のそれぞれの開始時にトリガー電極９１にトリガー電圧を印加することができれば、トリガー電圧の印加タイミングは任意に設定することができる。
また、上記実施形態においては、スイッチング素子９６のゲートに２つの単一のパルスを入力するようにしていたが、複数のパルスを断続的に入力してフラッシュランプＦＬに第１のフラッシュ光照射および／または第２のフラッシュ光照射を行わせるようにしても良い。図１５は、パルス信号の波形と回路に流れる電流との相関の他の例を示す図である。図１２と同様に、図１５（ａ）はパルス発生器３１から出力されるパルス信号の波形を示し、図１５（ｂ）はトリガー電極９１に電圧を印加するタイミングを示し、図１５（ｃ）はフラッシュランプＦＬを含む回路に流れる電流の波形を示す。この例では、図１５（ａ）に示すように、スイッチング素子９６のゲートに複数のパルスＰＣが断続的に入力され、その後単一のパルスＰＤが入力される。
より詳細には、まずパルス発生器３１がスイッチング素子９６のゲートに複数のパルスＰＣを断続的に出力するとともに、それらの最初のパルスがオンになるタイミングと同期してトリガー電極９１にトリガー電圧を印加する。これにより、フラッシュランプＦＬを含む回路に図１５（ｃ）の前段に示すノコギリ波形の電流が流れ、フラッシュランプＦＬが第１のフラッシュ光照射を行う。
ここの例では、図１５（ｂ）に示すように、複数のパルスＰＣの全てについてトリガー電極９１にトリガー電圧を印加していない。しかし、一旦、フラッシュランプＦＬの通電が開始され、その電流値が所定値以上残っている状態で次のパルスＰＣが断続的にスイッチング素子９６のゲートに入力されることにより、その後はトリガー電極９１に高電圧を印加しなくてもフラッシュランプＦＬに電流が流れ続ける。すなわち、複数のパルスＰＣの最初のパルスがスイッチング素子９６のゲートに入力されるときのみトリガー電極９１に高電圧を印加すれば、その後はトリガー電圧を印加せずともフラッシュランプＦＬに電流が継続して流れる。スイッチング素子９６のゲートに入力されるパルス信号がオンのときにはフラッシュランプＦＬのガラス管９２内に流れる電流値が増加し、オフのときには電流値が減少し、その結果フラッシュランプＦＬには図１５（ｃ）の前段に示すようなノコギリ波形の電流が流れる。なお、複数のパルスＰＣの全てが入力されるタイミングにてトリガー電圧を印加しても良いことは勿論である。
図１５（ｃ）に示すようなノコギリ波形の電流が流れたとしても、発光出力の出力波形こそ図１３（ａ）とは異なるものの、連続してフラッシュランプＦＬが発光して第１のフラッシュ光照射が実行される。これにより、上記実施形態と同様に、フラッシュランプＦＬによる予備加熱が行われ、結晶欠陥の回復が十分に進行する。
次に、パルス発生器３１がスイッチング素子９６のゲートに後段のパルスＰＤを出力するとともに、トリガー電極９１にトリガー電圧を印加することによって、フラッシュランプＦＬを含む回路に図１５（ｃ）の後段に示す波形の電流が流れる。その結果、フラッシュランプＦＬが第２のフラッシュ光照射を行う。この第２のフラッシュ光照射については上記実施形態と同様であり、フラッシュランプＦＬによるフラッシュ主加熱工程が行われて不純物の良好な活性化を行うことができる。
図１５の例では、スイッチング素子９６のゲートに複数のパルスＰＣを断続的に出力することによって第１のフラッシュ光照射を実行するようにしていたが、これに代えてまたはこれに加えて、複数のパルスを断続的に出力することによって第２のフラッシュ光照射を実行するようにしても良い。すなわち、本明細書の第１のフラッシュ光照射および第２のフラッシュ光照射はいずれも、フラッシュランプＦＬが発光を開始してから消灯するまでの一連の発光によって実行されるものであり、スイッチング素子９６のゲートに入力されるパルスは複数であっても単数であっても良い。
また、上記実施形態においては、半導体ウェハーＷの表面温度が８５０℃に到達した時刻ｔ５から第２のフラッシュ光照射が開始される時刻ｔ６までの間が予備加熱工程であったが、第２のフラッシュ光照射が開始される前に半導体ウェハーＷの表面温度が一旦８５０℃未満にまで低下しても良い。この場合、第１のフラッシュ光照射によって半導体ウェハーＷの表面温度が８５０℃に到達した時点から８５０℃未満となる時点までが予備加熱工程となる。
また、第１のフラッシュ光照射および第２のフラッシュ光照射におけるフラッシュランプＦＬの発光波形は図１３（ａ）の例に限定されるものではなく、第１のフラッシュ光照射における最高到達出力Ｌ１が第２のフラッシュ光照射における最高到達出力Ｌ２よりも大きくても良い。
また、上記実施形態においては、半導体ウェハーＷをバンプ７５によって点接触にて支持するようにしていたが、第１のフラッシュ光照射によって加熱された後の半導体ウェハーＷからの熱伝導を十分抑制することができれば、他の手段によって半導体ウェハーＷを支持するようにしても良い。例えば、熱伝導率が十分に小さい部材であれば半導体ウェハーＷを面接触にて支持するようにしても良い。また、いわゆるベルヌーイチャックなどによって半導体ウェハーＷを非接触で支持するようにしても良い。
また、上記実施形態においては、熱処理空間６５に供給する処理ガスを窒素ガス（Ｎ2）としていたが、これに限定されるものではなく、例えば、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）ガスや清浄エアであっても良い。もっとも、熱処理空間６５にて加熱される半導体ウェハーＷは数百℃から１０００℃以上の高温に昇温されるため、処理ガスとしては、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスが好ましく、特にコスト面からは安価な窒素ガスが好ましい。
また、パルス信号の波形の設定は、入力部３３から逐一パルス幅等のパラメータを入力することに限定されるものではなく、例えば、オペレータが入力部３３から波形を直接グラフィカルに入力するようにしても良いし、以前に設定されて磁気ディスク等の記憶部に記憶されていた波形を読み出すようにしても良いし、或いは熱処理装置１の外部からダウンロードするようにしても良い。
また、上記実施形態においては、スイッチング素子９６としてＩＧＢＴを使用していたが、これに限定されるものではなく、ＩＧＢＴ以外の他のトランジスタであっても良いし、入力されたパルス信号の波形に応じて回路をオンオフできる素子であれば良い。もっとも、フラッシュランプＦＬの発光には相当に大きな電力が消費されるため、大電力の取り扱いに適したＩＧＢＴやＧＴＯ(Gate Turn Off)サイリスタをスイッチング素子９６として採用するのが好ましい。
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、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、液晶表示装置などのフラットパネルディスプレイに用いるガラス基板であっても良い。
１ 熱処理装置
２ シャッター機構
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
３１ パルス発生器
３２ 波形設定部
３３ 入力部
６３ 上側チャンバー窓
６４ 下側チャンバー窓
６５ 熱処理空間
７０ サセプタ
７４ 保持プレート
７５ バンプ
９１ トリガー電極
９２ ガラス管
９３ コンデンサ
９４ コイル
９６ スイッチング素子
９７ トリガー回路
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 (15)

  1. 不純物が注入された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方法であって、
    フラッシュランプから第１のフラッシュ光照射を行って基板の表面を予備加熱するフラッシュ予備加熱工程と、
    前記フラッシュ予備加熱工程の後、フラッシュランプから第２のフラッシュ光照射を行って基板の表面をさらに昇温するフラッシュ主加熱工程と、
    を備え、
    第１のフラッシュ光照射が開始されてから第２のフラッシュ光照射が開始されるまでの間隔は１０ミリ秒以上６００ミリ秒以下であり、
    前記フラッシュ予備加熱工程での基板の表面温度は８５０℃以上１０００℃以下であって、第２のフラッシュ光照射が開始されるまで当該温度範囲に維持され、
    前記フラッシュ主加熱工程での第２のフラッシュ光照射時間は１ミリ秒以上５ミリ秒以下であり、基板の表面の到達温度は１１００℃以上１３５０℃以下であり、
    第１のフラッシュ光照射が終了してから第２のフラッシュ光照射が開始されるまでの間はフラッシュランプが消灯してい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、
    前記フラッシュ予備加熱工程での第１のフラッシュ光照射時間は０．１ミリ秒以上２０ミリ秒以下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、
    基板は３本以上のバンプによって点接触にて支持されることを特徴とする熱処理方法。
  4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の熱処理方法において、
    第１のフラッシュ光照射および第２のフラッシュ光照射のそれぞれの開始時にフラッシュランプのトリガー電極にトリガー電圧を印加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、
    前記フラッシュ予備加熱工程の前に、ハロゲンランプからの光照射によって基板を７５０℃以上８００℃以下に１秒以上１０秒以下保持する補助加熱工程をさらに備えることを特徴とする熱処理方法。
  6. 請求項５記載の熱処理方法において、
    前記補助加熱工程の前に、ハロゲンランプからの光照射によって基板を３００℃以上６００℃以下に１秒以上４秒以下保持する温度均一化工程をさらに備えることを特徴とする熱処理方法。
  7. 不純物が注入された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、
    基板を点接触にて支持する支持手段と、
    前記支持手段に支持された基板にフラッシュ光を照射するフラッシュランプと、
    前記フラッシュランプの発光を制御する発光制御手段と、
    を備え、
    前記発光制御手段は、第１のフラッシュ光照射を行って基板の表面を予備加熱した後、第２のフラッシュ光照射を行って基板の表面をさらに昇温するように前記フラッシュランプの発光を制御するとともに、第１のフラッシュ光照射を開始してから第２のフラッシュ光照射を開始するまでの間隔を１０ミリ秒以上６００ミリ秒以下とし、前記フラッシュランプから第１のフラッシュ光照射を行って基板の表面を８５０℃以上１０００℃以下に昇温して第２のフラッシュ光照射を開始するまで当該温度範囲に維持し、前記フラッシュランプから１ミリ秒以上５ミリ秒以下の第２のフラッシュ光照射を行って基板の表面を１１００℃以上１３５０℃以下に到達させ、第１のフラッシュ光照射が終了してから第２のフラッシュ光照射が開始されるまでの間は前記フラッシュランプを消灯することを特徴とする熱処理装置。
  8. 請求項７記載の熱処理装置において、
    前記発光制御手段は、前記フラッシュランプから０．１ミリ秒以上２０ミリ秒以下の第１のフラッシュ光照射を行うことを特徴とする熱処理装置。
  9. 請求項７または請求項８記載の熱処理装置において、
    前記支持手段は、３本以上のバンプを含むことを特徴とする熱処理装置。
  10. 請求項７から請求項９のいずれかに記載の熱処理装置において、
    前記発光制御手段は、フラッシュランプのトリガー電極にトリガー電圧を印加するトリガー回路を含み、第１のフラッシュ光照射および第２のフラッシュ光照射のそれぞれの開始時に前記トリガー電極にトリガー電圧を印加するように前記トリガー回路を制御することを特徴とする熱処理装置。
  11. 請求項７から請求項１０のいずれかに記載の熱処理装置において、
    前記支持手段に支持された基板に光を照射するハロゲンランプをさらに備え、
    前記フラッシュランプから第１のフラッシュ光照射を行う前に、前記ハロゲンランプは光照射によって基板を７５０℃以上８００℃以下に１秒以上１０秒以下保持する補助加熱を行うことを特徴とする熱処理装置。
  12. 請求項１１記載の熱処理装置において、
    前記ハロゲンランプは、前記補助加熱を行う前に、光照射によって基板を３００℃以上６００℃以下に１秒以上４秒以下保持することを特徴とする熱処理装置。
  13. 請求項７から請求項１２のいずれかに記載の熱処理装置において、
    前記発光制御手段は、前記フラッシュランプ、コンデンサおよびコイルと直列に接続された絶縁ゲートバイポーラトランジスタを備えることを特徴とする熱処理装置。
  14. 不純物が注入された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方法であって、
    フラッシュランプから第１のフラッシュ光照射を行って基板の表面を予備加熱するフラッシュ予備加熱工程と、
    前記フラッシュ予備加熱工程の後、フラッシュランプから第２のフラッシュ光照射を行って基板の表面をさらに昇温するフラッシュ主加熱工程と、
    前記フラッシュ予備加熱工程の前に、ハロゲンランプからの光照射によって基板を７５０℃以上８００℃以下に１秒以上１０秒以下保持する補助加熱工程と、
    前記補助加熱工程の前に、ハロゲンランプからの光照射によって基板を３００℃以上６００℃以下に１秒以上４秒以下保持する温度均一化工程と、
    を備え、
    第１のフラッシュ光照射が開始されてから第２のフラッシュ光照射が開始されるまでの間隔は１０ミリ秒以上６００ミリ秒以下であり、
    前記フラッシュ予備加熱工程での基板の表面温度は８５０℃以上１０００℃以下であり、
    前記フラッシュ主加熱工程での第２のフラッシュ光照射時間は１ミリ秒以上５ミリ秒以下であり、基板の表面の到達温度は１１００℃以上１３５０℃以下であることを特徴とする熱処理方法。
  15. 不純物が注入された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、
    基板を点接触にて支持する支持手段と、
    前記支持手段に支持された基板にフラッシュ光を照射するフラッシュランプと、
    前記支持手段に支持された基板に光を照射するハロゲンランプと、
    前記フラッシュランプの発光を制御する発光制御手段と、
    を備え、
    前記発光制御手段は、第１のフラッシュ光照射を行って基板の表面を予備加熱した後、第２のフラッシュ光照射を行って基板の表面をさらに昇温するように前記フラッシュランプの発光を制御するとともに、第１のフラッシュ光照射を開始してから第２のフラッシュ光照射を開始するまでの間隔を１０ミリ秒以上６００ミリ秒以下とし、前記フラッシュランプから第１のフラッシュ光照射を行って基板の表面を８５０℃以上１０００℃以下に昇温し、前記フラッシュランプから１ミリ秒以上５ミリ秒以下の第２のフラッシュ光照射を行って基板の表面を１１００℃以上１３５０℃以下に到達させ、
    前記フラッシュランプから第１のフラッシュ光照射を行う前に、前記ハロゲンランプは光照射によって基板を７５０℃以上８００℃以下に１秒以上１０秒以下保持する補助加熱を行うとともに、前記補助加熱を行う前に、光照射によって基板を３００℃以上６００℃以下に１秒以上４秒以下保持することを特徴とする熱処理装置。
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