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。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に閃光(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、シャッター機構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、シャッター機構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90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90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91が接続されている。ガス排気管91はバルブ92を介して排気部90に接続されている。バルブ92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。
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。放射温度計120および接触式温度計130による半導体ウェハーWの温度測定についてはさらに後述する。
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に閃光を照射する。
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。
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、ハロゲンランプHLの如き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。
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、上述のように、チャンバー6の内部には、保持プレート74に保持された半導体ウェハーWの温度を測定するための放射温度計120および接触式温度計130が設けられている。図8は、熱処理装置1における半導体ウェハーWの温度測定機構を模式的に示す図である。
放射温度計120は、保持部7の保持プレート74に保持された半導体ウェハーWの下面から放射された放射光(赤外光)の強度(エネルギー量)を測定して当該半導体ウェハーWの温度を測定する。具体的には、放射温度計120は、図示を省略する集光レンズおよび赤外線センサを内蔵し、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た赤外光を受光して電気信号として出力する。放射温度計120から出力された電気信号は検出器121によって温度を示す信号に変換されて制御部3に伝達される。
放射温度計120は、保持部7に保持された半導体ウェハーWの斜め下方であって当該半導体ウェハーWと平面視で重ならない位置に設けられている。具体的には、保持部7に保持された半導体ウェハーWよりも下方の凹部62に放射温度計120は設置されている。よって、放射温度計120の高さ位置はシャッター板21の遮光位置と保持部7との間である。なお、放射温度計120の一部または全部が凹部62を形成するチャンバー側部61に埋設されていても良い。
また、放射温度計120は、赤外線を集光する集光レンズの光軸122が水平面に対して所定角度傾斜するように設置されている。集光レンズの光軸122の水平面に対する傾斜角度は0°より大きく90°未満である。半導体ウェハーWからの赤外線を効率良く集光するためには水平面に対する光軸122の傾斜角度が大きい方が好ましいのであるが、放射温度計120が半導体ウェハーWと平面視で重ならないようにしつつ傾斜角度を大きくするためにはチャンバー6の高さ方向サイズを顕著に大きくせざるを得ない。このため、チャンバー6の高さ方向サイズの範囲内にて水平面に対する光軸122の傾斜角度がなるべく大きくなる位置に放射温度計120を設けるのが好ましい。
また、放射温度計120の光軸122は保持プレート74の開口部78を通って半導体ウェハーWと交差する。すなわち、放射温度計120は、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赤外光を保持プレート74の開口部78を介して受光して温度測定を行う。このため、開口部78の形状は、放射温度計120の集光レンズの視野を覆うものが好ましく、本実施形態では放射温度計120を保持プレート74の斜め下方に設けているため、図2,3に示すような長穴形状としている。
一方、接触式温度計130は、図示を省略する熱電対を内蔵しており、保持部7の保持プレート74に保持された半導体ウェハーWの下面周縁部に接触して当該半導体ウェハーWの温度を測定する。接触式温度計130の先端は保持プレート74の切り欠き部77を通って保持プレート74に保持された半導体ウェハーWの下面に接触する。これによって接触式温度計130の熱電対に発生した起電力の電圧が検出器131によって温度を示す信号に変換されて制御部3に伝達される。なお、接触式温度計130は、チャンバー側部61から突設して設ければ良い。
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簡単に説明する。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によるフラッシュ加熱処理により実行される。図9は、熱処理装置1における半導体ウェハーWの処理手順を示すフローチャートである。以下に示す半導体ウェハーW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って実行される。
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89,92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(ステップS1)。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92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とともに、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、その供給量は図9の処理ステップ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(ステップS2)。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。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。
図10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tを隔てて保持される。本実施形態の間隔tは1mmである。また、複数のバンプ75のそれぞれは半導体ウェハーWのデバイス形成領域PAよりも端縁部側にて半導体ウェハーWを支持する。すなわち、デバイスパターンは半導体ウェハーWの全面に形成されるものではなく、端縁部近傍には形成されない。保持プレート74の複数のバンプ75は、そのようなデバイスパターンが形成されていない領域に接触して半導体ウェハーWを保持するのである。
図9に戻り、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、40本のハロゲンランプHLが一斉に点灯して予備加熱(アシスト加熱)が開始される(ステップS3)。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が予備加熱されて温度が上昇する。なお、放射温度計120は、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位置に設けられているため、ハロゲンランプHLから半導体ウェハーWに照射された光が放射温度計120によって遮られることはない。また、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による予備加熱の障害となることは無い。
予備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、予備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、予備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。
ハロゲンランプHLによる予備加熱を行うときには、半導体ウェハーWの温度が接触式温度計130によって測定されている。すなわち、熱電対を内蔵する接触式温度計130が保持部7に保持された半導体ウェハーWの下面に保持プレート74の切り欠き部77を介して接触して昇温中のウェハー温度を測定する。接触式温度計130によって測定された半導体ウェハーWの温度は検出器131から制御部3に伝達される。制御部3は、ハロゲンランプHLからの光照射によって昇温する半導体ウェハーWの温度が所定の予備加熱温度T1に到達したか否かを監視する(ステップS4)。なお、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を昇温するときには、放射温度計120による温度測定は行わない。これは、ハロゲンランプHLから照射されるハロゲン光が放射温度計120に外乱光として入射し、正確な温度測定ができないためである。
本実施の形態においては、予備加熱温度T1は800℃とされる。そして、半導体ウェハーWの温度が予備加熱温度T1に到達したことが接触式温度計130によって検知されたら直ちにステップS5に進んでフラッシュ加熱部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熱処理空間65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熱処理空間65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、フラッシュ加熱部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、本実施形態の熱処理装置1は、ハロゲンランプHLによって半導体ウェハーWを予備加熱温度T1(800℃)にまで予備加熱してからフラッシュランプFLからの閃光照射によってフラッシュ加熱を行っている。半導体ウェハーWの温度が600℃以上になると添加された不純物の熱拡散が生じる可能性があるが、ハロゲンランプHLは比較的急速に半導体ウェハーWを800℃まで昇温することができるため、添加不純物の拡散を最小限に抑制することができる。また、半導体ウェハーWを予備加熱温度T1にまで昇温してからフラッシュランプFLからの閃光照射を行うことにより、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。さらに、予備加熱温度T1から処理温度T2までのフラッシュ加熱による昇温幅が比較的小さいため、フラッシュランプFLから照射する閃光のエネルギーを比較的小さくすることができ、その結果フラッシュ加熱時に半導体ウェハーWに与える熱的衝撃を緩和することができる。
フラッシュ加熱が終了した後、所定時間経過後にハロゲンランプHLが消灯し、半導体ウェハーWの降温が開始される(ステップS6)。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(ステップS7)。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。
また、シャッター板21が遮光位置に挿入された時点で放射温度計120による温度測定を開始する。すなわち、放射温度計120が保持部7に保持された半導体ウェハーWの下面から保持プレート74の開口部78を介して放射された赤外光の強度を測定して降温中の半導体ウェハーWの温度を測定する。放射温度計120によって測定された半導体ウェハーWの温度は検出器121から制御部3に伝達される。
消灯直後の高温のハロゲンランプHLからは多少の放射光が放射され続けるのであるが、放射温度計120はシャッター板21が遮光位置に挿入されているときに半導体ウェハーWの温度測定を行うため、ハロゲンランプHLからチャンバー6内の熱処理空間65へと向かう放射光は遮光される。従って、遮光位置と保持部7との間の高さ位置に設置された放射温度計120は、外乱光の影響を受けることなく、保持プレート74に保持された半導体ウェハーWの温度を正確に測定することができる。
また、放射温度計120は、半導体ウェハーWから放射される赤外光を保持プレート74の開口部78を介して受光している。すなわち、放射温度計120の視野からは石英が除かれており、放射温度計120は半導体ウェハーWの下面を直接測定することができる。このため、放射温度計120は、保持プレート74に保持された半導体ウェハーWの温度を正確に測定することができる。
制御部3は、放射温度計120によって測定される半導体ウェハーWの温度が所定温度まで降温したか否かを監視する(ステップS8)。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(ステップS9)、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。
ところで、上記の熱処理工程において、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まで上昇する一方、その瞬間の裏面温度は予備加熱温度T1からさほどには上昇しない。このため、ウェハー表面側のみに急激な熱膨張が生じ、半導体ウェハーWに上面を凸面とするように反ろうとする応力が作用する。次に瞬間には、半導体ウェハーWの表面温度が急速に下降する一方、表面から裏面への熱伝導により裏面温度も若干上昇するため、半導体ウェハーWには上記とは逆向きに反ろうとする応力が作用する。その結果、半導体ウェハーWが保持プレート74の上で激しく動こうとする。
本実施形態においては、φ300mmの半導体ウェハーWが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1mmの間隔t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の上面との間には薄い気体層が挟み込まれることとなる。このような薄い気体層はフラッシュ加熱時に半導体ウェハーWが急激に反ろうとする動きの抵抗として作用する。すなわち、半導体ウェハーWの下面と保持プレート74の上面との間の薄い気体層へは気体の出入りが困難であるため、容積変化が生じにくく、これが半導体ウェハーWが急激に反ろうとする動きの抵抗となるのである。その結果、フラッシュランプFLからの閃光照射がなされたときにも、半導体ウェハーWは6本のバンプ75に支持されたままほとんど動かず、半導体ウェハーWの割れを防止することができる。
その一方、保持プレート74は半導体ウェハーWの下面の全面を覆う石英部材である。仮に、保持プレート74に開口部78が形成されていなければ、半導体ウェハーWから放射される赤外光が保持プレート74の石英によってある程度吸収されるだけでなく、保持プレート74からの放射光をも放射温度計120が受光することとなり、半導体ウェハーWの温度を正確に測定することはできない。本実施形態では、保持プレート74に開口部78を形成することによって、放射温度計120が半導体ウェハーWの下面から放射される赤外光を直接受光することができるため、保持プレート74に保持された半導体ウェハーWの温度を正確に測定することができる。
また、本実施形態においては、シャッター板21がハロゲン加熱部4とチャンバー6との間の遮光位置に挿入されているときに、放射温度計120によって保持プレート74に保持された半導体ウェハーWの温度を測定している。このため、放射温度計120は、ハロゲンランプHLからの外乱光の影響を受けることなく、保持プレート74に保持された半導体ウェハーWの温度を正確に測定することができる。放射温度計120による温度測定によって、シャッター板21を遮光位置に挿入した後の半導体ウェハーWの降温挙動を計測することにより、フラッシュ加熱時の半導体ウェハーWの表面到達温度を推定することもできる。
また、本実施形態においては、複数のバンプ75が半導体ウェハーWのデバイス形成領域PAよりも端縁部側にて半導体ウェハーWを支持している。バンプ75は石英製であるため、ハロゲンランプHLからの光を透過し、予備加熱時にもその温度がほとんど昇温しない。このため、比較的低温のバンプ75が半導体ウェハーWに接触している部分は他の領域よりも温度が低くなるものと考えられる。保持プレート74の複数のバンプ75がデバイス形成領域PAよりも端縁部側に接触して半導体ウェハーWを保持するようにすれば、少なくともデバイス形成領域PAの温度が低下して処理不良となることは防止される。
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、保持プレート74に立設された6本のバンプ75によって半導体ウェハーWを支持するようにしていたが、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、複数のバンプ75に代えて保持プレート74の上面にリング状の突起を形成し、それ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。さらには、保持プレート74の上面に突起を設けずに、保持プレート74が半導体ウェハーWを上面に密着して支持するようにしても良い。いずれの場合であっても、保持プレート74に開口部78を設けることにより、放射温度計120は開口部78を介して半導体ウェハーWの下面から放射される赤外光を直接受光することができ、半導体ウェハーWの温度を正確に測定することができる。
また、開口部78の形状は、図2,3に示すような長穴形状に限定されるものではなく、放射温度計120の視野に石英が入らなければ、放射温度計120の位置に応じて任意の形状・サイズとすることができる。また、開口部78は、穴に限定されるものではなく、保持プレート74の端部と繋がる切り欠きであっても良い(例えば、切り欠き部77と同様の形状であっても良い)。
また、上記実施形態においては、半導体ウェハーWの温度が予備加熱温度T1に到達した時点でハロゲンランプHLを点灯したままフラッシュランプFLからの閃光照射を行うようにしていたが、半導体ウェハーWの温度が予備加熱温度T1に到達すると同時にハロゲンランプHLを消灯するとともにシャッター板21を遮光位置に挿入してフラッシュランプFLからの閃光照射を行うようにしても良い。また、ハロゲンランプHLによって半導体ウェハーWを予備加熱温度T1を超えて昇温した後、ハロゲンランプHLを消灯するとともにシャッター板21を遮光位置に挿入して半導体ウェハーWが予備加熱温度T1にまで降温した時点で閃光照射を行うようにしても良い。この場合は、放射温度計120によって降温中の半導体ウェハーWの温度を測定し、測定温度が予備加熱温度T1にまで降温した時点でフラッシュランプFLからの閃光照射を行う。
また、上記実施形態においては、保持プレート74を石英にて形成していたが、これを炭化ケイ素(SiC)にて形成するようにしても良い。SiCの保持プレートの形状は図2,図3で示した上記実施形態と同様のものとする。SiCはハロゲンランプHLからの照射光を透過しないため、予備加熱時には保持プレート自体が昇温し、その昇温した保持プレートから加熱されることによって半導体ウェハーWの予備加熱が行われる。SiCの保持プレートを使用した場合であっても、保持プレートに開口部78を設けることにより、放射温度計120は開口部78を介して半導体ウェハーWの下面から放射される赤外光を直接受光することができ、半導体ウェハーWの温度を正確に測定することができる。
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、上記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。