JP5951241B2 - 熱処理方法および熱処理装置 - Google Patents

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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の薄板状の精密電子基板（以下、単に「基板」と称する）に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。
半導体デバイスの製造プロセスにおいて、不純物導入は半導体ウェハー内にｐｎ接合を形成するための必須の工程である。現在、不純物導入は、イオン打ち込み法とその後のアニール法によってなされるのが一般的である。イオン打ち込み法は、ボロン（Ｂ）、ヒ素（Ａｓ）、リン（Ｐ）といった不純物の元素をイオン化させて高加速電圧で半導体ウェハーに衝突させて物理的に不純物注入を行う技術である。注入された不純物はアニール処理によって活性化される。この際に、アニール時間が数秒程度以上であると、打ち込まれた不純物が熱によって深く拡散し、その結果接合深さが要求よりも深くなり過ぎて良好なデバイス形成に支障が生じるおそれがある。
そこで、極めて短時間で半導体ウェハーを加熱するアニール技術として、近年フラッシュランプアニール（ＦＬＡ）が注目されている。フラッシュランプアニールは、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、不純物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（数ミリ秒以下）に昇温させる熱処理技術である。
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、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。
ところで、イオン打ち込み法によって高エネルギーのイオンを打ち込んだ結果、半導体ウェハーのシリコン結晶には多数の欠陥が導入される。このような欠陥は、イオン注入層よりもやや深い位置に導入される傾向がある。イオン注入後のアニール処理を行う際には、不純物の活性化とともに導入された欠陥の回復をも併せて行うことが望ましい。このような欠陥回復のためには、アニール処理の時間を長くすれば良いのであるが、そうすると上述の如き打ち込まれた不純物が要求よりも深く拡散するという問題が発生する。
そこで、特許文献１には、発光出力のピークが過ぎた後に比較的弱い発光出力にて追加の光照射を行うフラッシュランプアニール技術が開示されている。特許文献１に開示の技術によれば、半導体ウェハーの表面を処理温度にまで昇温した後、追加の光照射によってその表面温度を処理温度に数ミリ秒程度以上維持しているため、表面よりもやや深い位置をもある程度加熱することができ、不純物の活性化のみならず、導入された結晶欠陥の回復をも行うことができる。
特開２００９−２６００１８号公報
しかしながら、フラッシュランプアニールにおいて、半導体ウェハーの表面を処理温度にまで昇温した後、その処理温度に維持するとウェハー割れの頻度が高まるおそれがある。これは、極めて短時間の表面照射にて加熱を行うフラッシュランプアニールにおいては、半導体ウェハーの表裏に不可避的に温度差が生じるのであるが、ウェハー表面温度を処理温度に維持すると、表裏面に大きな温度差が生じている時間も長くなり、ウェハー裏面に表裏の熱膨張差に起因した応力が集中することによるものと考えられる。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、基板の割れを防止しつつ、基板にフラッシュ光を照射して必要な温度にまで加熱する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、基板に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、基板を所定の予備加熱温度にて加熱する予備加熱工程と、前記基板の一方面にフラッシュランプからフラッシュ光を照射し、前記一方面を目標温度に加熱するフラッシュ加熱工程と、を備え、前記フラッシュ加熱工程におけるフラッシュ光の照射時間は前記一方面から前記一方面とは反対側の面である他方面への熱伝導に要する熱伝導時間よりも長時間であり、前記フラッシュ加熱工程における前記一方面と前記他方面との温度差は、前記予備加熱温度から前記目標温度までの昇温温度の半分以下であ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、前記フラッシュ加熱工程における前記一方面の昇温速度は１０００℃／秒以上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、前記基板はシリコンの半導体ウェハ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、前記フラッシュ加熱工程では、コンデンサから前記フラッシュランプへの電荷の供給をスイッチング素子によって断続することにより前記フラッシュランプの発光出力を制御することを特徴とする。
また、請求項５の発明は、基板に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、基板を収容するチャンバーと、前記チャンバー内にて基板を保持する保持手段と、前記保持手段に保持された基板を所定の予備加熱温度に加熱する予備加熱手段と、前記保持手段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ランプと、前記フラッシュランプの発光出力を制御する発光制御手段と、を備え、前記発光制御手段は、前記保持手段に保持された基板の一方面に、前記一方面から前記一方面とは反対側の面である他方面への熱伝導に要する熱伝導時間よりも長時間にわたってフラッシュ光を照射して前記一方面を目標温度に加熱し、前記一方面と前記他方面との温度差が前記予備加熱温度から前記目標温度までの昇温温度の半分以下となるように前記フラッシュランプの発光出力を制御す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、前記発光制御手段は、前記一方面の温度が１０００℃／秒以上の昇温速度にて前記予備加熱温度から前記目標温度にまで昇温するように前記フラッシュランプの発光出力を制御することを特徴とする。
また、請求項７の発明は、請求項５または請求項６の発明に係る熱処理装置において、前記基板はシリコンの半導体ウェハーであることを特徴とする。
また、請求項８の発明は、請求項５から請求項７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、コンデンサから前記フラッシュランプへの電荷の供給を断続することにより前記フラッシュランプの発光出力を制御するスイッチング素子を含むことを特徴とする。
請求項１から請求項４の発明によれば、基板の一方面にフラッシュランプからフラッシュ光を照射して目標温度に加熱するフラッシュ加熱工程におけるフラッシュ光の照射時間は、基板の一方面からその一方面とは反対側の面である他方面への熱伝導に要する熱伝導時間よりも長時間であり、フラッシュ加熱工程における一方面と他方面との温度差は、予備加熱温度から目標温度までの昇温温度の半分以下であるため、基板の表裏面の温度差が過大となることが抑制され、表裏面の熱膨張差に起因した応力集中を緩和することができ、基板の割れを防止しつつ、基板にフラッシュ光を照射して必要な温度にまで加熱することができる。
また、請求項５から請求項８の発明によれば、保持手段に保持された基板の一方面に、その一方面から一方面とは反対側の面である他方面への熱伝導に要する熱伝導時間よりも長時間にわたってフラッシュ光を照射して当該一方面を目標温度に加熱し、一方面と他方面との温度差が予備加熱温度から目標温度までの昇温温度の半分以下となるようにフラッシュランプの発光出力を制御するため、基板の表裏面の温度差が過大となることが抑制され、表裏面の熱膨張差に起因した応力集中を緩和することができ、基板の割れを防止しつつ、基板にフラッシュ光を照射して必要な温度にまで加熱することができる。
本発明に係る熱処理装置の構成を示す縦断面図である。 保持部の全体外観を示す斜視図である。 保持部を上面から見た平面図である。 保持部を側方から見た側面図である。 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。 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。 図１の熱処理装置における半導体ウェハーの処理手順を示すフローチャートである。 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フラッシュランプ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プロファイルの一例を示す図である。 半導体ウェハーの表面および裏面の温度プロファイルの一例を示す図である。
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の円板形状のシリコン半導体ウェハーＷに対してフラッシュ光照射を行う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から出射されたフラッシュ光をチャンバー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の全体外観を示す斜視図である。また、図３は保持部７を上面から見た平面図であり、図４は保持部７を側方から見た側面図である。保持部７は、基台リング７１、連結部７２およびサセプター７４を備えて構成される。基台リング７１、連結部７２およびサセプター７４はいずれも石英にて形成されている。すなわち、保持部７の全体が石英にて形成されている。
基台リング７１は円環形状の石英部材である。基台リング７１は凹部６２の底面に載置されることによって、チャンバー６の壁面に支持されることとなる（図１参照）。円環形状を有する基台リング７１の上面に、その周方向に沿って複数の連結部７２（本実施形態では４個）が立設される。連結部７２も石英の部材であり、溶接によって基台リング７１に固着される。なお、基台リング７１の形状は、円環形状から一部が欠落した円弧状であっても良い。
平板状のサセプター７４は基台リング７１に設けられた４個の連結部７２によって支持される。サセプター７４は石英にて形成された略円形の平板状部材である。サセプター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、サセプター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。サセプター７４の上面には複数個（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はサセプター７４の外周円と同心円の周上に沿って設けられている。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も石英にて形成されている。なお、ガイドピン７６は、サセプター７４と一体に石英のインゴットから加工するようにしても良いし、別途に加工したものをサセプター７４に溶接等によって取り付けるようにしても良い。
基台リング７１に立設された４個の連結部７２とサセプター７４の周縁部の下面とが溶接によって固着される。すなわち、サセプター７４と基台リング７１とは連結部７２によって固定的に連結されており、保持部７は石英の一体成形部材となる。このような保持部７の基台リング７１がチャンバー６の壁面に支持されることによって、保持部７がチャンバー６に装着される。保持部７がチャンバー６に装着された状態においては、略円板形状のサセプター７４は水平姿勢（法線が鉛直方向と一致する姿勢）となる。チャンバー６に搬入された半導体ウェハーＷは、チャンバー６に装着された保持部７のサセプター７４の上に水平姿勢にて載置されて保持される。半導体ウェハーＷは、５個のガイドピン７６によって形成される円の内側に載置されることにより、水平方向の位置ずれが防止される。なお、ガイドピン７６の個数は５個に限定されるものではなく、半導体ウェハーＷの位置ずれを防止できる数であれば良い。
また、図２および図３に示すように、サセプター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がサセプター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。さらに、サセプター７４には、後述する移載機構１０のリフトピン１２が半導体ウェハーＷの受け渡しのために貫通する４個の貫通孔７９が穿設されている。
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がサセプター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の上端がサセプター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、保持部７の基台リング７１の直上である。基台リング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８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、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）９６とが直列に接続されている。また、図８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。
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（充電電圧）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から高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。
ＩＧＢＴ９６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。ＩＧＢＴ９６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。ＩＧＢＴ９６のゲートに所定値以上の電圧（Highの電圧）が印加されるとＩＧＢＴ９６がオン状態となり、所定値未満の電圧（Lowの電圧）が印加されるとＩＧＢＴ９６がオフ状態となる。このようにして、フラッシュランプＦＬを含む駆動回路はＩＧＢＴ９６によってオンオフされる。ＩＧＢＴ９６がオンオフすることによってフラッシュランプＦＬと対応するコンデンサ９３との接続が断続される。
コンデンサ９３が充電された状態でＩＧＢＴ９６がオン状態となってガラス管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に高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周縁部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。制御部３のＣＰＵが所定の処理プログラムを実行することによって熱処理装置１における処理が進行する。また、図８に示したように、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。上述のように、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、それに従ってパルス発生器３１がＩＧＢＴ９６のゲートにパルス信号を出力する。この制御部３およびＩＧＢＴ９６によってフラッシュランプＦＬの発光出力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。本実施形態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９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ＳｉＮ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。
図１０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。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（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、その供給量は図１０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を介して不純物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を通ってサセプター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のサセプター７４に受け渡されて水平姿勢に保持される。半導体ウェハーＷは、パターン形成がなされて不純物が注入された表面を上面としてサセプター７４に保持される。また、半導体ウェハーＷは、サセプター７４の上面にて５個のガイドピン７６の内側に保持される。サセプター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のサセプター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およびサセプター７４を透過して半導体ウェハーＷの裏面（表面とは反対側の主面）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が搬入されてサセプター７４に載置された後、制御部３が時刻ｔ０に４０本のハロゲンランプＨＬを点灯させてハロゲン光照射によって半導体ウェハーＷを予備加熱温度Ｔ１にまで昇温している。予備加熱温度Ｔ１は３００℃以上８００℃以下であり、本実施形態では５００℃としている。
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がサセプター７４に保持された半導体ウェハーＷの下面に切り欠き部７７を介して接触して昇温中のウェハー温度を測定する。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。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しつつ、ハロゲンランプＨＬの出力を制御する。すなわち、制御部３は、接触式温度計１３０による測定値に基づいて、半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１となるようにハロゲンランプＨＬの出力をフィードバック制御している。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。
半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１に到達した後、制御部３は半導体ウェハーＷをその予備加熱温度Ｔ１に暫時維持する。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の温度が予備加熱温度Ｔ１に到達した時刻ｔ１にて制御部３がハロゲンランプＨＬの出力を制御して半導体ウェハーＷの温度をほぼ予備加熱温度Ｔ１に維持している。
このようなハロゲンランプＨＬによる予備加熱を行うことによって、半導体ウェハーＷの全体を予備加熱温度Ｔ１に均一に昇温している。ハロゲンランプＨＬによる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。
次に、半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１に到達して所定時間が経過した時刻ｔ２にフラッシュランプＦＬからフラッシュ光を照射することによる加熱処理を実行する（ステップＳ４）。なお、半導体ウェハーＷの温度が室温から予備加熱温度Ｔ１に到達するまでの時間（時刻ｔ０から時刻ｔ１までの時間）および予備加熱温度Ｔ１に到達してからフラッシュランプＦＬが発光するまでの時間（時刻ｔ１から時刻ｔ２までの時間）はいずれも数秒程度である。フラッシュランプＦＬがフラッシュ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ＩＧＢＴ９６にパルス信号を出力してＩＧＢＴ９６をオンオフ駆動する。
図１２は、パルス信号の波形とフラッシュランプＦＬに流れる電流との相関の一例を示す図である。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）とをパラメータとして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、それに従って制御部３の波形設定部３２は図１２（ａ）に示すようなオンオフを繰り返す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、前段に比較的パルス幅が長くて間隔が短い複数のパルスＰＡが設定され、後段に比較的パルス幅が短くて間隔が長い複数のパルス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、ＩＧＢＴ９６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、ＩＧＢＴ９６のオンオフ駆動が制御されることとなる。具体的には、ＩＧＢＴ９６のゲートに入力されるパルス信号がオンのときにはＩＧＢＴ９６がオン状態となり、パルス信号がオフのときにはＩＧＢＴ９６がオフ状態となる。
また、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に高電圧（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ＩＧＢＴ９６のゲートにパルス信号が入力され、かつ、その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に高電圧が印加されることにより、パルス信号がオンのときにはガラス管９２内の両端電極間で必ず電流が流れ、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。
制御部３からＩＧＢＴ９６のゲートに図１２（ａ）の波形のパルス信号を出力するとともに、該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に高電圧を印加することにより、フラッシュランプＦＬを含む回路中に図１２（ｂ）に示すような波形の電流が流れる。すなわち、ＩＧＢＴ９６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する。なお、各パルスに対応する個々の電流波形はコイル９４の定数によって規定される。
図１２（ｂ）に示すような波形の電流が流れてフラッシュランプＦＬが発光する。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に示すようなパターンとなる。図１３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に保持された半導体ウェハーＷの表面にフラッシュ光照射が行われる。
ＩＧＢＴ９６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、本実施の形態では、回路中にスイッチング素子たるＩＧＢＴ９６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、コンデンサ９３からフラッシュランプＦＬへの電荷の供給をＩＧＢＴ９６によって断続してフラッシュランプＦＬに流れる電流を制御している。その結果、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分割して消費され、極めて短い時間の間にフラッシュランプＦＬが点滅を繰り返す。なお、図１２に示すように、電流値が完全に”０”になる前に次のパルスがＩＧＢＴ９６のゲートに印加されて電流値が再度増加するため、フラッシュランプＦＬが点滅を繰り返している間も発光出力が完全に”０”になるものではない。
図１３に示す光の出力波形は、２段階の光照射を行っているものとみなすことができる。すなわち、フラッシュランプＦＬが発光を開始した時刻ｔ２１から発光出力が最大となる時刻ｔ２２までの第１照射と、時刻２２から時刻ｔ２３にかけて発光出力が徐々に低下する第２照射と、によって構成される２段照射を行っている。
より詳細に述べれば、まずパルス発生器３１がＩＧＢＴ９６のゲートに比較的パルス幅が長くて間隔が短い複数のパルスＰＡを断続的に印加することによって、ＩＧＢＴ９６がオンオフを繰り返してフラッシュランプＦＬを含む回路に電流が流れる。この段階では、パルス幅が長くて間隔が短い複数のパルスＰＡがＩＧＢＴ９６のゲートに印加されるため、ＩＧＢＴ９６のオン時間がオフ時間よりも長くなり、フラッシュランプＦＬに流れる電流は全体概観としては増大するようなのこぎり波形となる（図１２（ｂ）の前段）。このような波形の電流が流れてフラッシュランプＦＬは、時刻ｔ２１から時刻ｔ２２に向けて発光出力が増大する第１照射を行う。
次に、パルス発生器３１がＩＧＢＴ９６のゲートにパルス幅が短くて間隔が長い複数のパルスＰＢを断続的に印加する。この段階では、パルス幅が短くて間隔が長い複数のパルスＰＢがＩＧＢＴ９６のゲートに印加されるため、上記とは逆にＩＧＢＴ９６のオン時間がオフ時間よりも短くなり、フラッシュランプＦＬに流れる電流は全体概観としては徐々に減少するようなのこぎり波形となる（図１２（ｂ）の後段）。このような波形の電流が流れてフラッシュランプＦＬは、時刻ｔ２２から時刻ｔ２３に向けて発光出力が徐々に低下するような第２照射を行う。
図１３に示すような２段階のフラッシュ光照射を半導体ウェハーＷの表面に対して行うことによって、半導体ウェハーＷの表面温度は予備加熱温度Ｔ１から目標温度Ｔ２にまで昇温し、当該表面の加熱処理が行われる。図１４は、半導体ウェハーＷの表面および裏面の温度プロファイルの一例を示す図である。同図においては、表面および裏面の温度プロファイルを実線にて示し、表裏面の温度差のプロファイルを点線にて示している。
まず、時刻ｔ２１から時刻ｔ２２までの第１照射によって半導体ウェハーＷの表面温度が予備加熱温度Ｔ１から目標温度Ｔ２にまで昇温する。目標温度Ｔ２は注入された不純物の活性化が達成される１０００℃以上１４００℃以下であり、本実施形態では１１００℃としている。時刻ｔ２１から時刻ｔ２２までの第１照射によって半導体ウェハーＷの表面温度が目標温度Ｔ２にまで昇温するときの昇温速度（表面の昇温速度）は１０００℃／秒以上である。次に、時刻ｔ２２から時刻ｔ２３までの第２照射によって半導体ウェハーＷの表面温度が目標温度Ｔ２から±２５℃以内の範囲内に所定時間維持される。
ステップＳ４のフラッシュ加熱工程におけるフラッシュ光の照射時間、つまりフラッシュ光照射を開始する時刻ｔ２１から終了する時刻ｔ２３までの時間は、半導体ウェハーＷの表面から裏面への熱伝導時間よりも長時間である。ここで、「熱伝導時間」とは、フラッシュ光照射によって半導体ウェハーＷの表面に発生した熱が裏面に伝導するのに要する時間である。熱伝導時間は、半導体ウェハーＷの材質および外寸によって規定されるものであり、本実施形態の如きφ３００ｍｍのシリコンウェハー（規格により厚さは０．７７５ｍｍに標準化されている）であれば約１５ミリ秒である。すなわち、ステップＳ４のフラッシュ加熱工程においては、半導体ウェハーＷの表面から裏面への熱伝導に要する熱伝導時間よりも長時間である１５ミリ秒以上にわたってフラッシュ光を照射して半導体ウェハーＷの表面を目標温度Ｔ２にフラッシュ加熱している。
フラッシュ光照射によって半導体ウェハーＷの表面に発生した熱は裏面へと伝わり、裏面の温度も次第に上昇する。但し、半導体ウェハーＷの表面温度を１０００℃／秒以上で急激に昇温するフラッシュ加熱では、表面が先行して昇温した後に表面からの熱伝導によって裏面が遅れて昇温するため、表裏に温度差が生じる。ステップＳ４のフラッシュ加熱工程における半導体ウェハーＷの表面と裏面との温度差は、予備加熱温度Ｔ１から目標温度Ｔ２までの昇温温度（ジャンプ温度）の半分以下となるようにしている。半導体ウェハーＷの表面と裏面との温度差は、フラッシュ加熱工程の全体にわたって、すなわちフラッシュ光が照射されている時刻ｔ２１から時刻ｔ２３の間は常に昇温温度の半分以下となるようにしている。本実施形態においては、予備加熱温度Ｔ１＝５００℃から目標温度Ｔ２＝１１００℃までの昇温温度が６００℃であるため、フラッシュ加熱工程における半導体ウェハーＷの表面と裏面との温度差が３００℃以下となるようにしている。
具体的には、ＩＧＢＴ９６は、半導体ウェハーＷの表面から裏面への熱伝導に要する熱伝導時間よりも長時間にわたって半導体ウェハーＷの表面にフラッシュ光を照射して当該ウェハー表面を目標温度Ｔ２に加熱するようにフラッシュランプＦＬへの通電を制御する。また、ＩＧＢＴ９６は、半導体ウェハーＷの表面温度が１０００℃／秒以上の昇温速度にて予備加熱温度Ｔ１から目標温度Ｔ２にまで昇温するようにフラッシュランプＦＬへの通電を制御する。さらに、ＩＧＢＴ９６は、フラッシュランプＦＬがフラッシュ光を照射している期間の全体にわたって常に半導体ウェハーＷの表面と裏面との温度差が予備加熱温度Ｔ１から目標温度Ｔ２までの昇温温度の半分以下となるようにフラッシュランプＦＬへの通電を制御する。なお、図１１の時刻スケールは秒であるのに対して、図１４の時刻スケールはミリ秒であるため、図１４のｔ２１からｔ２３はいずれも図１１ではｔ２に重ねて表示されるものである。
フラッシュランプＦＬによる第２照射が終了すると、ＩＧＢＴ９６がオフ状態となってフラッシュランプＦＬの発光が停止し（ステップＳ５）、半導体ウェハーＷの表面温度は目標温度Ｔ２から降温する。このときに、半導体ウェハーＷの表面温度と裏面温度とが等しくなる。図１１に戻り、第２照射が終了した後、所定時間が経過した時刻ｔ３にハロゲンランプＨＬが消灯する（ステップＳ６）。これにより、半導体ウェハーＷが予備加熱温度Ｔ１からの降温を開始する。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（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、保持部７に保持された半導体ウェハーＷの下面からサセプター７４の開口部７８を介して放射された赤外光の強度を放射温度計１２０が測定して降温中の半導体ウェハーＷの温度を測定する。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。
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、放射温度計１２０は外乱光の影響を受けることなく、サセプター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。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がサセプター７４の上面から突き出て熱処理後の半導体ウェハーＷをサセプター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Ｓ８）、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、ＩＧＢＴ９６のゲートにパルス幅が長くて間隔が短い複数のパルスＰＡを断続的に印加することにより、フラッシュランプＦＬの発光出力をゼロから最大値にまで到達させる第１照射を行っている。そして、このような第１照射によって半導体ウェハーＷの表面温度を予備加熱温度Ｔ１から目標温度Ｔ２にまで昇温している。このときの半導体ウェハーＷの表面の昇温速度は１０００℃／秒以上である。
続いて、ＩＧＢＴ９６のゲートにパルス幅が短くて間隔が長い複数のパルスＰＢを断続的に印加することにより、フラッシュランプＦＬの発光出力を最大値から徐々に低下させる第２照射を行っている。そして、このような第２照射によって半導体ウェハーＷの表面温度を目標温度Ｔ２から±２５℃以内の範囲内に所定時間維持している。
注入された不純物の活性化に要する時間は極めて短く、フラッシュ加熱により半導体ウェハーＷの表面温度が目標温度Ｔ２まで昇温されることによって不純物の活性化は瞬時に達成される。また、半導体ウェハーＷの表面温度が目標温度Ｔ２の近傍に所定時間以上維持されることによって、不純物注入時に半導体ウェハーＷに導入された点欠陥が回復される。
また、本実施形態においては、フラッシュ加熱工程におけるフラッシュ光の照射時間を半導体ウェハーＷの表面から裏面への熱伝導に要する熱伝導時間よりも長時間とし、さらにフラッシュ光を照射している間は常に半導体ウェハーＷの表面と裏面との温度差を予備加熱温度Ｔ１から目標温度Ｔ２までの昇温温度の半分以下としている。このため、フラッシュ加熱工程にて半導体ウェハーＷの表裏面の温度差が過大となることが抑制され、表裏面の熱膨張差に起因したウェハー裏面への応力集中を緩和することができる。そして、その結果、フラッシュ加熱時における半導体ウェハーＷの割れを防止することができる。
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、２段階のフラッシュ光照射によって半導体ウェハーＷの表面温度を目標温度Ｔ２まで昇温してからその目標温度Ｔ２の近傍に所定時間維持しているが、表面温度の温度プロファイルはこのようなパターンに限定されるものではない。例えば、熱伝導時間よりも長時間をかけて半導体ウェハーＷの表面温度を予備加熱温度Ｔ１から目標温度Ｔ２にまで昇温し、目標温度Ｔ２に到達すると同時にフラッシュランプＦＬの発光を停止して表面を降温するようにしても良い。また、熱伝導時間よりも短時間で半導体ウェハーＷの表面温度を目標温度Ｔ２にまで昇温し、その後も引き続きフラッシュ光照射を継続して半導体ウェハーＷの表面加熱処理を行うようにしても良い。
すなわち、本発明は、フラッシュ加熱工程全体におけるフラッシュ光の照射時間を半導体ウェハーＷの表面から裏面への熱伝導に要する熱伝導時間よりも長時間とし、さらにフラッシュ光を照射している間は常に半導体ウェハーＷの表面と裏面との温度差を予備加熱温度Ｔ１から目標温度Ｔ２までの昇温温度の半分以下とするものであれば、半導体ウェハーＷの表面温度のプロファイルについては任意のもの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Ｗの表面にフラッシュ光を照射して熱処理を行うようにしていたが、半導体ウェハーＷの裏面にフラッシュ光を照射するようにしても良い。具体的には、半導体ウェハーＷの表裏を反転させて保持部７に保持（つまり、表面を下面として保持）させて上記実施形態と同様の処理を行うようにすれば良い。また、熱処理装置の構成をチャンバー６の上側にハロゲン加熱部４を配置するとともに、下側にフラッシュ加熱部５を配置し、その熱処理装置にてフラッシュ加熱処理を行うようにしても良い。半導体ウェハーＷの裏面からフラッシュ光照射を行うようにしても、フラッシュ加熱工程全体におけるフラッシュ光の照射時間を熱伝導時間よりも長時間とし、さらにフラッシュ光を照射している間は常に半導体ウェハーＷの表面と裏面との温度差を予備加熱温度Ｔ１から目標温度Ｔ２までの昇温温度の半分以下とする形態であれば良い。これにより、フラッシュ加熱時の表裏面の温度差が過大になるのを抑制し、表裏面の熱膨張差に起因したウェハー表面への応力集中を緩和することができ、半導体ウェハーＷの割れを防止することができる。
要するに、半導体ウェハーＷの一方面にフラッシュランプＦＬからフラッシュ光を照射し、そのフラッシュ光の照射時間を半導体ウェハーＷの一方面から当該一方面とは反対側の主面である他方面への熱伝導に要する熱伝導時間よりも長時間とし、さらにフラッシュ光を照射している間は常に半導体ウェハーＷの一方面と他方面との温度差を予備加熱温度Ｔ１から目標温度Ｔ２までの昇温温度の半分以下とする形態であれば良い。このようにすれば、フラッシュ加熱時の半導体ウェハーＷの表裏面の温度差が過大となるのが抑制され、表裏面の熱膨張差に起因したウェハー一方面（または他方面）への応力集中を緩和することができ、半導体ウェハーＷの割れを防止することができる。
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、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これに限定されるものではなく、パルス信号の波形とは無関係に一定間隔で印加するようにしても良い。また、パルス信号の間隔が短く、あるパルスによってフラッシュランプＦＬを流れた電流の電流値が所定値以上残っている状態で次のパルスによって通電を開始されるような場合であれば、そのままフラッシュランプＦＬに電流が流れ続けるため、パルス毎にトリガー電圧を印加する必要はない。上記実施形態の図１２（ａ）のように、パルス信号の全てのパルス間隔が所定値より短い場合には、最初のパルスが印加されたときのみにトリガー電圧を印加するようにしても良く、その後はトリガー電圧を印加せずともＩＧＢＴ９６のゲートに図１２（ａ）のパルス信号を出力するだけで図１２（ｂ）のような電流波形を形成することができる。つまり、パルス信号がオンになるときに、フラッシュランプＦＬに電流が流れるタイミングであれば、トリガー電圧の印加タイミングは任意である。
また、上記実施形態においては、スイッチング素子としてＩＧＢＴ９６を用いていたが、これに代えてゲートに入力された信号レベルに応じて回路をオンオフできる他のトランジスタを用いるようにしても良い。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として採用するのが好ましい。
また、フラッシュランプＦＬからの多段階の光照射を行うことができれば、図８とは異なる回路構成であっても良い。例えば、コイル定数の異なる複数の電力供給回路を１つのフラッシュランプＦＬに接続するようにしても良い。さらに、多段階の光照射を行うことができれば、光源としてはフラッシュランプＦＬに限定されるものではなく、照射時間が１秒以下の光照射が可能なものであれば良く、例えばレーザであっても良い。
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、上記実施形態においては、ハロゲンランプＨＬからのハロゲン光照射によって半導体ウェハーＷを予備加熱するようにしていたが、予備加熱の手法はこれに限定されるものではなく、ホットプレートに載置することによって半導体ウェハーＷを予備加熱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φ３００ｍｍのシリコンの半導体ウェハーに限定されるものではなく、例えばφ２００ｍｍまたはφ４５０ｍｍの半導体ウェハーであっても良い。半導体ウェハーの径が異なると規格に基づく厚さも異なるため、一方面から他方面への熱伝導に要する熱伝導時間が異なる。この場合であっても、フラッシュ光の照射時間を一方面から他方面への熱伝導に要する熱伝導時間よりも長時間とし、フラッシュ光を照射している間は常に半導体ウェハーの一方面と他方面との温度差を予備加熱温度Ｔ１から目標温度Ｔ２までの昇温温度の半分以下とすれば、表裏面の熱膨張差に起因したウェハー一方面（または他方面）への応力集中を緩和して半導体ウェハーの割れを防止することができる。
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、シリコンの半導体ウェハーの表面に所定の膜を形成したものであっても良い。例えば、半導体ウェハーの表面にレジスト膜を形成した場合には、フラッシュ光照射によって露光後ベーク処理(PEB:Post Exposure Bake)や塗布後ベーク処理(PAB:Post Applied Bake)を行うことができる。これらの熱処理に必要な目標温度は比較的低い（１００℃〜２００℃）ため、レジスト膜を形成した半導体ウェハーに対しては裏面からフラッシュ光照射を行うのが好適である。
また、半導体ウェハーの表面にニッケル膜を成膜し、本発明に係る熱処理装置によってフラッシュ加熱処理を施してニッケルシリサイドを形成するようにしても良い（シリサイド化）。さらに、半導体ウェハーの表面にハフニウムなどを含む高誘電率膜（High-k膜）を形成し、本発明に係る熱処理装置によってフラッシュ加熱処理を施して高誘電率膜の結晶化を促進するようにしても良い。これらの熱処理には、不純物の活性化よりは長時間が必要であり、フラッシュ加熱工程全体におけるフラッシュ光の照射時間を熱伝導時間よりも長時間とすることにより、半導体ウェハーＷの表面を必要な温度に必要な時間加熱して所望の処理を行うことができる。そして、フラッシュ光を照射している間は常に半導体ウェハーの表面と裏面との温度差を予備加熱温度Ｔ１から目標温度Ｔ２までの昇温温度の半分以下とすることにより、表裏面の温度差が過大となるのを抑制し、表裏面の熱膨張差に起因した応力集中を緩和して半導体ウェハーの割れを防止することができる。
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、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や太陽電池用の基板であっても良い。また、本発明に係る技術は、金属とシリコンとの接合、或いはポリシリコンの結晶化に適用するようにしても良い。
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
２１ シャッター板
２２ スライド駆動機構
３１ パルス発生器
３２ 波形設定部
３３ 入力部
６１ チャンバー側部
６２ 凹部
６３ 上側チャンバー窓
６４ 下側チャンバー窓
６５ 熱処理空間
７４ サセプター
９１ トリガー電極
９２ ガラス管
９３ コンデンサ
９４ コイル
９６ ＩＧＢＴ
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 (8)

  1. 基板に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、
    基板を所定の予備加熱温度にて加熱する予備加熱工程と、
    前記基板の一方面にフラッシュランプからフラッシュ光を照射し、前記一方面を目標温度に加熱するフラッシュ加熱工程と、
    を備え、
    前記フラッシュ加熱工程におけるフラッシュ光の照射時間は前記一方面から前記一方面とは反対側の面である他方面への熱伝導に要する熱伝導時間よりも長時間であり、
    前記フラッシュ加熱工程における前記一方面と前記他方面との温度差は、前記予備加熱温度から前記目標温度までの昇温温度の半分以下であ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、
    前記フラッシュ加熱工程における前記一方面の昇温速度は１０００℃／秒以上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に記載の熱処理方法において、
    前記基板はシリコンの半導体ウェハーであ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、
    前記フラッシュ加熱工程では、コンデンサから前記フラッシュランプへの電荷の供給をスイッチング素子によって断続することにより前記フラッシュランプの発光出力を制御することを特徴とする熱処理方法。
  5. 基板に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、
    基板を収容するチャンバーと、
    前記チャンバー内にて基板を保持する保持手段と、
    前記保持手段に保持された基板を所定の予備加熱温度に加熱する予備加熱手段と、
    前記保持手段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ランプと、
    前記フラッシュランプの発光出力を制御する発光制御手段と、
    を備え、
    前記発光制御手段は、前記保持手段に保持された基板の一方面に、前記一方面から前記一方面とは反対側の面である他方面への熱伝導に要する熱伝導時間よりも長時間にわたってフラッシュ光を照射して前記一方面を目標温度に加熱し、前記一方面と前記他方面との温度差が前記予備加熱温度から前記目標温度までの昇温温度の半分以下となるように前記フラッシュランプの発光出力を制御す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、
    前記発光制御手段は、前記一方面の温度が１０００℃／秒以上の昇温速度にて前記予備加熱温度から前記目標温度にまで昇温するように前記フラッシュランプの発光出力を制御することを特徴とする熱処理装置。
  7. 請求項５または請求項６に記載の熱処理装置において、
    前記基板はシリコンの半導体ウェハーであることを特徴とする熱処理装置。
  8. 請求項５から請求項７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、コンデンサから前記フラッシュランプへの電荷の供給を断続することにより前記フラッシュランプの発光出力を制御するスイッチング素子を含むことを特徴とする熱処理装置。
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