JP5525174B2 - 熱処理装置 - Google Patents

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）に対してフラッシュ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、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（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、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。

特開２００５−７２２９１号公報 特開２００８−２８０９１号公報

従来より、フラッシュランプを使用して半導体ウェハーをフラッシュ加熱する場合、所定温度にまで半導体ウェハーを予備加熱した後にフラッシュランプからフラッシュ光を照射するようにしていた。これは、フラッシュ光の照射のみでは半導体ウェハーを目標の処理温度（多くの場合１０００℃以上）にまで昇温することが困難であるためである。例えば、特許文献１，２には、ヒータを内蔵するホットプレートにて半導体ウェハーを保持して予備加熱を行った後に、フラッシュ加熱を行うことが開示されている。

ホットプレートの材料としては、ステンレススチールやインコネル（登録商標）などの金属材料が用いられることが多い。この場合、高温の金属材料にシリコンの半導体ウェハーを直接接触させると金属汚染の原因となるため、金属のホットプレートの上に石英のサセプタを設置し、そのサセプタによって半導体ウェハーを保持するようにしている。一般に、石英のサセプタは、発塵防止の観点から表面が平滑にされており、フラッシュ光に対して透明である。従って、フラッシュランプからのフラッシュ光はサセプタを透過してホットプレートに到達することとなる。

特許文献１，２には、半導体ウェハーの存在していないチャンバー内に窒素ガスの気流を形成しつつフラッシュランプを発光させることにより、チャンバー内の気体を瞬間的に膨張、収縮させてパーティクルを飛散させ、その飛散したパーティクルを窒素ガスの気流とともに排出するクリーニング技術が開示されている。このようなクリーニング処理を行うときには、フラッシュランプからのフラッシュ光がサセプタを透過してホットプレートの上面全面に照射されることとなる。極めて高いエネルギーを有するフラッシュ光が瞬間的に金属のホットプレートに照射されると、プレート表面にダメージを与えることが知られている。また、半導体ウェハーの有無に関わらず、フラッシュランプを発光させるときにはチャンバー内を窒素ガス雰囲気としているのであるが、微量ながら酸素も残留しており、金属製のホットプレートにフラッシュ光が照射されたときには僅かに酸化する。

このようにしてフラッシュランプからのフラッシュ光照射を受けることによってホットプレートの劣化が徐々に進行すると、やがてパーティクルの発生源或いは金属汚染源に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、フラッシュ光照射に起因したホットプレートまたは保持プレートの劣化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、基板に対してフラッシュ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、基板を水平姿勢に保持して加熱する金属製のホットプレートと、前記ホットプレートの上方に設けられ、前記ホットプレートに保持された基板にフラッシュ光を照射するフラッシュ光源と、前記ホットプレートの少なくとも上面に密接して設けられ、少なくとも当該上面を前記フラッシュ光源から遮光する遮光部材と、を備え、少なくとも前記遮光部材の表面は、パイロリティックボロンナイトライド（ＰＢＮ）にて形成され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、前記遮光部材は、前記ホットプレートの上面に載置される遮光板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の発明に係る熱処理装置において、前記遮光部材は、前記ホットプレートの上面および側面を密接して覆うプレートカバーであることを特徴とする。

また、請求項４の発明は、請求項１の発明に係る熱処理装置において、前記遮光部材は、前記ホットプレートの上面、側面および下面の一部を密接して覆うプレートカバーであることを特徴とする。

また、請求項５の発明は、基板に対してフラッシュ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、基板を水平姿勢に保持する金属製の保持プレートと、前記保持プレートの上方に設けられ、前記保持プレートに保持された基板にフラッシュ光を照射するフラッシュ光源と、前記保持プレートの少なくとも上面を前記フラッシュ光源から遮光する遮光部材と、を備え、前記遮光部材は、カーボンの基材の表面にパイロリティックボロンナイトライド（ＰＢＮ）の膜を形設して形成され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装置において、前記保持プレートは、前記フラッシュ光源からフラッシュ光を照射する前に基板を予備加熱するヒータを備えることを特徴とする。

請求項１から請求項４の発明によれば、表面がパイロリティックボロンナイトライドにて形成された遮光部材によって少なくともホットプレートの上面がフラッシュ光源から遮光されるため、フラッシュ光照射に起因したホットプレートの劣化を防止することができる。

特に、請求項３の発明によれば、遮光部材がホットプレートの上面および側面を覆うため、フラッシュ光照射に起因したホットプレートの劣化をより確実に防止することができる。

特に、請求項４の発明によれば、遮光部材がホットプレートの上面、側面および下面の一部を覆うため、フラッシュ光照射に起因したホットプレートの劣化をより確実に防止することができる。

請求項５および請求項６の発明によれば、カーボンの基材の表面にパイロリティックボロンナイトライドの膜を形設した遮光部材によって少なくとも保持プレートの上面がフラッシュ光源から遮光されるため、フラッシュ光照射に起因した保持プレートの劣化を防止することができる。また、カーボンの基材の表面にパイロリティックボロンナイトライドの膜を形設して遮光部材を形成しているため、遮光部材の製作性を高いものとすることができる。

特に、請求項６の発明によれば、保持プレートがフラッシュ光源からフラッシュ光を照射する前に基板を予備加熱するヒータを備えており、耐熱性および熱伝導性に優れたパイロリティックボロンナイトライドを表面に形成した遮光部材は好適である。

本発明に係る熱処理装置の構成を示す縦断面図である。 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縦断面図である。 遮光板の断面構造を示す図である。 遮光部材の他の例を示す図である。 遮光部材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。

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の構成を示す縦断面図である。熱処理装置１は基板として略円形の半導体ウェハーＷにフラッシュ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と、複数のフラッシュランプＦＬを内蔵するランプハウス５と、を備える。また、熱処理装置１は、チャンバー６およびランプハウス５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、ランプハウス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、ランプハウス５から出射されたフラッシュ光を熱処理空間６５に透過する石英窓として機能する。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、フラッシュ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（ランプハウス５からのフラッシュ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フラッシュ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、フラッシュ光照射前に半導体ウェハーＷを水平姿勢に保持して予備加熱（いわゆるアシスト加熱）する金属製のホットプレート（保持プレート）７１および半導体ウェハーＷを直接保持する石英のサセプタ７２を有する。また、本実施形態の保持部７はホットプレート７１とサセプタ７２との間に遮光板７８を挟み込んでいる。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にて構成された円板形状の部材である。ホットプレート７１の直径は半導体ウェハーＷの直径よりも大きい（本実施形態のホットプレート７１の径はφ３４０ｍｍ）。すなわち、ホットプレート７１は半導体ウェハーＷの平面サイズよりも大きな平面サイズを有する。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。なお、上部プレート７３および下部プレート７４は、耐熱性に特に優れたインコネル（登録商標）等のニッケル基合金によって形成するようにしても良い。

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。

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。

ホットプレート７１の上面には遮光板７８が載置される。遮光板７８は、ホットプレート７１と等しい径を有する円板形状の薄板部材である（本実施形態ではφ３４０ｍｍ、厚さ２ｍｍ）。図６は、遮光板７８の断面構造を示す図である。遮光板７８は、カーボンの基材９１の表面にパイロリティックボロンナイトライド（ＰＢＮ）の膜９２を形設して形成されている。カーボンの基材９１としては、所望の形状に加工することが可能なグラファイトを用いれば良い。パイロリティックボロンナイトライドは正確には六方晶構造窒化硼素（Hexagonal Structure Pyrolytic Boron Nitride）と称される窒素と硼素との化合物のセラミックスである。パイロリティックボロンナイトライドは、窒素と硼素が交互に正六角形の頂点に位置して網目状に形成される面を多層に積層した構造を有する。そのような面を二層周期にて（つまり積層方向に沿って窒素と硼素が交互に位置するように）積層することによって六方晶系の窒化硼素、すなわち本実施形態のパイロリティックボロンナイトライドが形成される。積層面の面内の結合は共有結合であり、面間の結合はファンデルワールス結合である。

パイロリティックボロンナイトライドのヤング率は約２２ＧＰａである。鉄のヤング率が約２００ＧＰａ、アルミ合金のそれが約７０ＧＰａであるのと比較すると、パイロリティックボロンナイトライドはセラミックスであるにもかかわらず一般的な金属材料よりもたわみやすい素材であると言える。また、パイロリティックボロンナイトライドの熱伝導率は約２０〜１２０Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1である。アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）の熱伝導率が約２０Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1であり、一般的なガラスの熱伝導率が約１Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1であることを考慮すると、パイロリティックボロンナイトライドは比較的大きな熱伝導率を有すると言える。また、セラミックスであるパイロリティックボロンナイトライドは耐熱性も高い。さらには、パイロリティックボロンナイトライドはフラッシュランプＦＬからのフラッシュ光に対して不透明である。

本実施形態においては、グラファイトを円板形状に加工し、その表面にＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）によってパイロリティックボロンナイトライドの膜９２を形設している。グラファイトは比較的加工が容易であるため、かかる手法によれば、所望の形状の遮光板７８を容易に作製することができる。

遮光板７８の上面にはサセプタ７２が載置される。サセプタ７２は石英により形成された円板形状の部材である。サセプタ７２の径はホットプレート７１の径と等しい。サセプタ７２の上面には周縁をテーパ面とした凹部（ウェハーポケット）７９が形設されており、半導体ウェハーＷはその凹部７９内（凹部７９の底面）に載置される。また、サセプタ７２の上面であって凹部７９の外側には半導体ウェハーＷの位置ずれを防止するピン７５が立設されている。

以上のように、保持部７は、ホットプレート７１の上面に遮光板７８を載置し、さらにその上面にサセプタ７２を載置して構成されている。遮光板７８の上面および下面はそれぞれサセプタ７２およびホットプレート７１と面接触にて接している。すなわち、表面にパイロリティックボロンナイトライドの膜９２が形設された遮光板７８はサセプタ７２とホットプレート７１との間に密接して挟み込まれている。

次に、ランプハウス５は、チャンバー６内の保持部７の上方に設けられている。ランプハウス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からなるフラッシュ光源と、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、ランプハウス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。ランプハウス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部材である。ランプハウス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がチャンバー窓６１と相対向することとなる。ランプハウス５は、チャンバー６内にて保持部７に保持される半導体ウェハーＷにランプ光放射窓５３およびチャンバー窓６１を介してフラッシュランプＦＬからフラッシュ光を照射することにより半導体ウェハーＷを加熱する。

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。

キセノンフラッシュランプＦＬは、その内部にキセノンガスが封入されその両端部にコンデンサーに接続された陽極および陰極が配設された棒状のガラス管（放電管）と、該ガラス管の外周面上に付設されたトリガー電極とを備える。キセノンガスは電気的には絶縁体であることから、コンデンサーに電荷が蓄積されていたとしても通常の状態ではガラス管内に電気は流れない。しかしながら、トリガー電極に高電圧を印加して絶縁を破壊した場合には、コンデンサーに蓄えられた電気がガラス管内に瞬時に流れ、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。このようなキセノンフラッシュランプＦＬにおいては、予めコンデンサーに蓄えられていた静電エネルギーが０．１ミリセカンドないし１０ミリセカンドという極めて短い光パルスに変換されることから、連続点灯の光源に比べて極めて強い光を照射し得るという特徴を有する。

また、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から出射されたフラッシュ光を保持部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。このような粗面化加工を施しているのは、リフレクタ５２の表面が完全な鏡面であると、複数のフラッシュランプＦＬからの反射光の強度に規則パターンが生じて半導体ウェハーＷの表面温度分布の均一性が低下するためである。

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いる。

上記の構成以外にも熱処理装置１は、半導体ウェハーＷの熱処理時にフラッシュランプＦＬ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およびランプハウス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（図示省略）が設けられている。また、ランプハウス５は、内部に気体流を形成して排熱するための気体供給管５５および排気管５６が設けられて空冷構造とされている（図１参照）。また、チャンバー窓６１とランプ光放射窓５３との間隙にも空気が供給され、ランプハウス５およびチャンバー窓６１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り、添加された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、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、フラッシュランプＦＬ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の凹部７９に水平姿勢に載置・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。

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制御部３の制御によりランプハウス５のフラッシュランプＦＬ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。このとき、フラッシュランプＦＬから放射されるフラッシュ光の一部は直接にチャンバー６内の保持部７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チャンバー６内へと向かい、これらのフラッシュ光の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ＦＬ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、ランプハウス５のフラッシュランプＦＬから照射されるフラッシュ光は、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ＦＬ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ＦＬ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。

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。

ところで、熱処理装置１において、特許文献１，２に開示されているようなクリーニング処理を行う場合には、弁８２および弁８７を開放してチャンバー６内に窒素ガスの気流を形成しつつ、保持部７に半導体ウェハーＷを保持させることなくフラッシュランプＦＬを発光させることにより、チャンバー６内のパーティクルを飛散させて窒素ガス流とともに外部に排出する。石英にて形成されたサセプタ７２はフラッシュ光に対して透明であるため、保持部７上方のフラッシュランプＦＬから照射されたフラッシュ光をそのまま透過する。

本実施形態の熱処理装置１は、サセプタ７２とホットプレート７１との間に遮光板７８を挟み込んで設置している。遮光板７８の表面にはパイロリティックボロンナイトライドの膜９２が形設されている。パイロリティックボロンナイトライドはフラッシュランプＦＬからのフラッシュ光に対して不透明であり、フラッシュ光を透過しない。このため、フラッシュランプＦＬから照射されてサセプタ７２を透過したフラッシュ光は遮光板７８によって遮光され、ホットプレート７１の上面には到達しない。従って、ホットプレート７１がフラッシュ光に曝されることがないため、フラッシュ光照射に起因したホットプレート７１の劣化を防止することができ、その結果パーティクルの発生や金属汚染を抑制することができる。

また、パイロリティックボロンナイトライドは比較的良好な熱伝導率を有しているため、ホットプレート７１に内蔵されたヒータからの熱をサセプタ７２に速やかに伝達することができ、半導体ウェハーＷの予備加熱を阻害するおそれはない。

また、ホットプレート７１による予備加熱温度Ｔ１は、２００℃ないし８００℃程度の比較的高温なのであるが、パイロリティックボロンナイトライドは耐熱性にも優れているため、ホットプレート７１からの熱によってダメージを受けるおそれはない。

さらに、パイロリティックボロンナイトライドは比較的たわみやすい素材であって表面も平滑であるため、遮光板７８がサセプタ７２やホットプレート７１と面接触にて接したとしてもそれらに傷を付けるおそれはない。

すなわち、遮光板７８に求められる特性としては、単にフラッシュ光を遮光するというだけではなく、良好な耐熱性や熱伝導性などの特性も必要なのであるが、表面にパイロリティックボロンナイトライドの膜９２を形設した遮光板７８であればそれらの全てを満足することができる。さらに、グラファイトの表面にＣＶＤによってパイロリティックボロンナイトライドの膜９２を形設しているため、遮光板７８の製作も容易なものとなる。

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、上記各実施形態においては、カーボンの基材９１の表面にパイロリティックボロンナイトライドの膜９２を形設して遮光板７８を形成していたが、これに代えて遮光板７８をパイロリティックボロンナイトライドのみによって形成するようにしても良い。すなわち、少なくとも遮光板７８の表面をパイロリティックボロンナイトライドにて形成すれば、フラッシュ光を遮光してホットプレート７１の劣化を防止することができる。

また、上記実施形態においては、ホットプレート７１の上面に載置する遮光板７８を遮光部材としてフラッシュ光を遮光するようにしていたが、これに代えて図７，８に示すような遮光部材によってフラッシュ光を遮光するようにしても良い。図７に示す例においては、ホットプレート７１の上面だけではなく、ホットプレート７１の上面および側面を密接して覆うプレートカバー１７８を遮光部材としている。なお、図７において、上記実施形態と同一の要素については同一の符号を付している。プレートカバー１７８は、形状こそ異なるものの遮光板７８と同様に、カーボンの基材の表面にパイロリティックボロンナイトライドの膜を形設して形成される。具体的には、ホットプレート７１の上面および側面を密接して覆う円筒形状にグラファイトを加工し、その表面にＣＶＤによってパイロリティックボロンナイトライドの膜を形設する。

遮光部材としてホットプレート７１の上面および側面を密接して覆うプレートカバー１７８を用いれば、ホットプレート７１の上面および側面をフラッシュ光から遮光することができ、フラッシュ光照射に起因したホットプレート７１の劣化をより確実に防止することができる。また、ホットプレート７１の側面までをも覆うプレートカバー１７８のような形状とした方が平板状の遮光板７８よりも歪みの小さなものとすることができる。

図８に示す例においては、ホットプレート７１の上面、側面に加えて下面の一部を密接して覆うプレートカバー２７８を遮光部材としている。なお、図８においても、上記実施形態と同一の要素については同一の符号を付している。プレートカバー２７８も遮光板７８と同様に、カーボンの基材の表面にパイロリティックボロンナイトライドの膜を形設して形成される。具体的には、ホットプレート７１の上面、側面および下面のうちのシャフト４１の接続部分を除く領域を密接して覆う有底円筒形状にグラファイトを加工し、その表面にＣＶＤによってパイロリティックボロンナイトライドの膜を形設する。

遮光部材としてホットプレート７１の上面、側面および下面のうちのシャフト４１の接続部分を除く領域を密接して覆うプレートカバー２７８を用いれば、ホットプレート７１の上面、側面および下面をフラッシュ光から遮光することができ、フラッシュ光照射に起因したホットプレート７１の劣化をより確実に防止することができる。なお、図７のプレートカバー１７８および図８のプレートカバー２７８を一体成形に代えて、複数の板状部材を組み合わせて成形するようにしても良い。

また、上記実施形態においては、サセプタ７２をフラッシュ光に対して透明な石英としていたが、これをフラッシュ光に対して不透明な材質、例えばアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）やジルコニア（ＺｒＯ₂）にて形成するようにしても良い。この場合は、ホットプレート７１の側面および下面の一部に遮光部材を取り付けるようにすれば良い。

また、上記実施形態においては、遮光部材を少なくとも表面がパイロリティックボロンナイトライドにて形成されたものとしていたが、遮光部材をフラッシュ光に対して不透明な他の材質、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、ニッケル（Ｎｉ）、チタンナイトライド（ＴｉＮ）などによって形成するようにしても良い。もっとも、遮光部材としてはフラッシュ光を遮光するだけでなく良好な耐熱性や熱伝導性も必要なるため、この観点からはパイロリティックボロンナイトライドが好ましい。

また、上記実施形態においては、ホットプレート７１に予備加熱用のヒータとして抵抗加熱線７６を内蔵するようにしていたが、ハロゲンランプなどの他の予備加熱手段を設けている場合、或いは予備加熱が不要の場合には抵抗加熱線７６は必須ではない。このような場合、ホットプレート７１はフラッシュ加熱時に単に半導体ウェハーＷを水平姿勢にて保持する部材として機能する。

また、上記実施形態においては、ランプハウス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、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。

１ 熱処理装置
３ 制御部
４ 保持部昇降機構
５ ランプハウス
６ チャンバー
７ 保持部
６０ 上部開口
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
７６ 抵抗加熱線
７８ 遮光板
９１ カーボン基材
９２ ＰＢＮ膜
１７８，２７８ プレートカバー
ＦＬ フラッシュランプ
Ｗ 半導体ウェハー

Claims (6)

1. 基板に対してフラッシュ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、
   基板を水平姿勢に保持して加熱する金属製のホットプレートと、
   前記ホットプレートの上方に設けられ、前記ホットプレートに保持された基板にフラッシュ光を照射するフラッシュ光源と、
   前記ホットプレートの少なくとも上面に密接して設けられ、少なくとも当該上面を前記フラッシュ光源から遮光する遮光部材と、
   を備え、
   少なくとも前記遮光部材の表面は、パイロリティックボロンナイトライド（ＰＢＮ）にて形成されることを特徴とする熱処理装置。
2. 請求項１記載の熱処理装置において、
   前記遮光部材は、前記ホットプレートの上面に載置される遮光板であることを特徴とする熱処理装置。
3. 請求項１記載の熱処理装置において、
   前記遮光部材は、前記ホットプレートの上面および側面を密接して覆うプレートカバーであることを特徴とする熱処理装置。
4. 請求項１記載の熱処理装置において、
   前記遮光部材は、前記ホットプレートの上面、側面および下面の一部を密接して覆うプレートカバーであることを特徴とする熱処理装置。
5. 基板に対してフラッシュ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、
   基板を水平姿勢に保持する金属製の保持プレートと、
   前記保持プレートの上方に設けられ、前記保持プレートに保持された基板にフラッシュ光を照射するフラッシュ光源と、
   前記保持プレートの少なくとも上面を前記フラッシュ光源から遮光する遮光部材と、
   を備え、
   前記遮光部材は、カーボンの基材の表面にパイロリティックボロンナイトライド（ＰＢＮ）の膜を形設して形成されることを特徴とする熱処理装置。
6. 請求項５記載の熱処理装置において、
   前記保持プレートは、前記フラッシュ光源からフラッシュ光を照射する前に基板を予備加熱するヒータを備えることを特徴とする熱処理装置。

Images