JP6005966B2

JP6005966B2 - 熱処理装置および熱処理方法

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Publication number: JP6005966B2
Application number: JP2012075971A
Authority: JP
Inventors: 英夫西原
Original assignee: Screen Holdings Co Ltd
Current assignee: Screen Holdings Co Ltd
Priority date: 2012-03-29
Filing date: 2012-03-29
Publication date: 2016-10-12
Anticipated expiration: 2032-03-29
Also published as: JP2013207152A

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）にフラッシュ加熱処理などの熱処理を行う熱処理装置および熱処理方法に関する。

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。

このようなキセノンフラッシュランプを使用した熱処理装置としては、例えば特許文献１に開示されるようなものがある。特許文献１に開示される装置においては、インデクサ部から払い出された半導体ウェハーをアライメントチャンバーを経由して熱処理チャンバーに搬送し、フラッシュランプから半導体ウェハーの表面にフラッシュ光を照射して加熱処理を行う。そして、加熱処理が終了した半導体ウェハーは、熱処理チャンバーからクールチャンバーを経由して再びインデクサ部に戻される。

特開２０１０−７３７８７号公報

特許文献１に開示される装置においては、内部の清浄度を維持するためにアライメントチャンバー、搬送チャンバー、クールチャンバーに高純度の窒素ガスを供給している。また、フラッシュ加熱処理を実行する熱処理チャンバーにも窒素ガスが供給される。このため、熱処理チャンバー内の酸素濃度は極力低く抑制されているものの、装置外部との間のウェハー搬送に伴って熱処理チャンバーに不可避的に流入する酸素を完全に無くすことは出来ず、フラッシュ加熱処理時にも１０ｐｐｍ程度の酸素が残留することとなっていた。

一方、近年、フラッシュ加熱処理によってニッケルシリサイドなどのシリサイド形成や高誘電率材料を使用した高誘電率膜（High-k膜）の焼き締めも試みられている。これらの処理目的のフラッシュ加熱処理を行うときには、１０ｐｐｍ程度の酸素濃度であっても十分ではなく、より低い酸素濃度での処理が求められている。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、熱処理チャンバー内を極低酸素濃度にして基板の加熱処理を行うことができる熱処理装置および熱処理方法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、基板の加熱処理を行う熱処理装置において、基板を収容する常圧仕様の熱処理チャンバーと、前記熱処理チャンバー内にて基板にフラッシュ光を照射して該基板を加熱するフラッシュランプと、未処理の基板を外部から搬入するとともに、処理済みの基板を外部に搬出する搬入搬出部と、前記搬入搬出部と前記熱処理チャンバーとの間の基板の搬送経路の一部領域を真空排気する真空排気手段と、真空排気された前記一部領域に不活性ガスを供給して復圧する復圧手段と、を備え、前記搬送経路には、加熱処理前に基板の向きを調整するアライメントチャンバー、および、加熱処理後の基板を冷却するクールチャンバーが設けられ、前記真空排気手段は、基板の向き調整と並行して前記アライメントチャンバーを真空排気するとともに、冷却された基板が前記クールチャンバーから搬出された後に前記クールチャンバーを真空排気し、前記復圧手段は、前記真空排気手段によって真空排気された前記アライメントチャンバーおよび前記クールチャンバーに不活性ガスを供給して大気圧にまで復圧することを特徴とする。

また、請求項２の発明は、基板の加熱処理を行う熱処理方法において、搬入搬出部に搬入された基板を常圧仕様の熱処理チャンバーに搬送する往路搬送工程と、前記熱処理チャンバー内にてフラッシュランプから基板にフラッシュ光を照射して該基板を加熱する加熱工程と、加熱処理後の基板を前記熱処理チャンバーから前記搬入搬出部に搬送する復路搬送工程と、前記搬入搬出部と前記熱処理チャンバーとの間の基板の搬送経路の一部領域を真空排気する真空排気工程と、真空排気された前記一部領域に不活性ガスを供給して復圧する復圧工程と、を備え、前記往路搬送工程では、基板の向きを調整するアライメントチャンバーを経由して基板が搬送され、前記復路搬送工程では、加熱処理後の基板を冷却するクールチャンバーを経由して基板が搬送され、前記真空排気工程は、基板が前記アライメントチャンバーに搬入されたときに基板の向き調整と並行して前記アライメントチャンバーを真空排気するとともに、冷却された基板が前記クールチャンバーから搬出された後に前記クールチャンバーを真空排気し、前記復圧工程は、前記真空排気工程にて真空排気された前記アライメントチャンバーおよび前記クールチャンバーに不活性ガスを供給して大気圧にまで復圧することを特徴とする。

請求項１の発明によれば、搬入搬出部と熱処理チャンバーとの間の基板の搬送経路の一部領域を真空排気し、真空排気されたその一部領域に不活性ガスを供給して復圧するため、熱処理チャンバーへの酸素流入源となる当該一部領域の酸素濃度を低下させ、熱処理チャンバー内を極低酸素濃度にして基板の加熱処理を行うことができる。

また、請求項２の発明によれば、搬入搬出部と熱処理チャンバーとの間の基板の搬送経路の一部領域を真空排気し、真空排気された一部領域に不活性ガスを供給して復圧するため、熱処理チャンバーへの酸素流入源となる当該一部領域の酸素濃度を低下させ、熱処理チャンバー内を極低酸素濃度にして基板の加熱処理を行うことができる。

本発明に係る熱処理装置を示す平面図である。図１の熱処理装置の正面図である。フラッシュ加熱部の構成を示す縦断面図である。フラッシュ加熱部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３のフラッシュ加熱部の構成を示す縦断面図である。図１の熱処理装置における半導体ウェハーの搬送経路を模式的に示す図である。図１の熱処理装置における処理手順を示すフローチャートである。

＜１．熱処理装置の構成＞
＜１−１．全体構成＞
まず、本発明に係る熱処理装置１００の全体概略構成について簡単に説明する。図１は、本発明に係る熱処理装置１００を示す平面図であり、図２はその正面図である。熱処理装置１００は基板として略円板形状の半導体ウェハー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。なお、図１および図２においては適宜部分的に断面図としており、細部については適宜簡略化している。また、図１および図２には、それらの方向関係を明確にするためＺ軸方向を鉛直方向とし、ＸＹ平面を水平面とするＸＹＺ直交座標系を付している。

図１および図２に示すように、熱処理装置１００は、未処理の半導体ウェハーＷを外部から装置内に搬入するとともに処理済みの半導体ウェハーＷを装置外に搬出するためのインデクサ部１０１、未処理の半導体ウェハーＷの位置決めを行うアライメント部１３０、加熱処理後の半導体ウェハーＷの冷却を行う冷却部１４０、半導体ウェハーＷにフラッシュ加熱処理を施すフラッシュ加熱部１６０並びにアライメント部１３０、冷却部１４０およびフラッシュ加熱部１６０に対して半導体ウェハーＷの搬送を行う搬送ロボット１５０を備える。また、熱処理装置１００は、上記の各処理部に設けられた動作機構および搬送ロボット１５０を制御して半導体ウェハーＷのフラッシュ加熱処理を進行させる制御部３を備える。

インデクサ部１０１は、複数のキャリアＣ（本実施形態では２個）を並べて載置するロードポート１１０と、各キャリアＣから未処理の半導体ウェハーＷを取り出すとともに、各キャリアＣに処理済みの半導体ウェハーＷを収納する受渡ロボット１２０とを備えている。未処理の半導体ウェハーＷを収容したキャリアＣは無人搬送車（ＡＧＶ、ＯＨＴ）等によって搬送されてロードポート１１０に載置されるともに、処理済みの半導体ウェハーＷを収容したキャリアＣは無人搬送車によってロードポート１１０から持ち去られる。また、ロードポート１１０においては、受渡ロボット１２０がキャリアＣに対して任意の半導体ウェハーＷの出し入れを行うことができるように、キャリアＣが図２の矢印ＣＵにて示す如く昇降移動可能に構成されている。なお、キャリアＣの形態としては、半導体ウェハーＷを密閉空間に収納するＦＯＵＰ(front opening unified pod)の他に、ＳＭＩＦ(Standard Mechanical Inter Face)ポッドや収納した半導体ウェハーＷを外気に曝すＯＣ(open cassette)であっても良い。

また、受渡ロボット１２０は、矢印１２０Ｓにて示すようなスライド移動、矢印１２０Ｒにて示すような旋回動作および昇降動作が可能とされている。これにより、受渡ロボット１２０は、２つのキャリアＣに対して半導体ウェハーＷの出し入れを行うとともに、アライメント部１３０および冷却部１４０に対して半導体ウェハーＷの受け渡しを行う。受渡ロボット１２０によるキャリアＣに対する半導体ウェハーＷの出し入れは、ハンド１２１のスライド移動、および、キャリアＣの昇降移動により行われる。また、受渡ロボット１２０とアライメント部１３０または冷却部１４０との半導体ウェハーＷの受け渡しは、ハンド１２１のスライド移動、および、受渡ロボット１２０の昇降動作によって行われる。

アライメント部１３０は、半導体ウェハーＷを回転させて続くフラッシュ加熱に適切な向きに向ける処理部である。アライメント部１３０は、アルミニウム合金製の筐体であるアライメントチャンバー１３１の内部に、半導体ウェハーＷを水平姿勢に支持して回転させる機構、および、半導体ウェハーＷの周縁部に形成されたノッチやオリフラ等を光学的に検出する機構などを設けて構成される。受渡ロボット１２０からアライメントチャンバー１３１へはウェハー中心が所定の位置に位置するように半導体ウェハーＷが渡される。アライメント部１３０では、インデクサ部１０１から受け取った半導体ウェハーＷの中心部を回転中心として鉛直方向軸まわりで回転させノッチ等を光学的に検出することによって半導体ウェハーＷの位置決めを行う。

熱処理装置１００の主要部であるフラッシュ加熱部１６０は、予備加熱を行った半導体ウェハーＷにキセノンフラッシュランプＦＬからの閃光（フラッシュ光）を照射してフラッシュ加熱処理を行う処理部である。フラッシュ加熱部１６０の構成については後に詳述する。

冷却部１４０は、アルミニウム合金製の筐体であるクールチャンバー１４１の内部に、金属製の冷却プレートの上面に石英板を載置して構成されている。フラッシュ加熱部１６０にてフラッシュ加熱処理が施された直後の半導体ウェハーＷは温度が高いため、冷却部１４０にて上記石英板上に載置されて冷却される。

アライメント部１３０のアライメントチャンバー１３１および冷却部１４０のクールチャンバー１４１はともに、耐圧密閉構造とされており、チャンバー内を真空排気することが可能とされている。アライメントチャンバー１３１およびクールチャンバー１４１には、チャンバー内を真空排気するドライポンプ１９０と、チャンバー内に窒素ガスを供給する窒素供給機構１９５が接続されているが、これらについてもさらに後述する。

搬送ロボット１５０は、鉛直方向に沿った軸を中心に矢印１５０Ｒにて示すように旋回可能とされるとともに、複数のアームセグメントからなる２つのリンク機構を有し、それら２つのリンク機構の先端にはそれぞれ半導体ウェハーＷを保持する搬送アーム１５１ａ，１５１ｂが設けられる。これらの搬送アーム１５１ａ，１５１ｂは上下に所定のピッチだけ隔てて配置され、リンク機構によりそれぞれ独立して同一水平方向に直線的にスライド移動可能とされている。また、搬送ロボット１５０は、２つのリンク機構が設けられるベースを昇降移動することにより、所定のピッチだけ離れた状態のまま２つの搬送アーム１５１ａ，１５１ｂを昇降移動させる。

また、搬送ロボット１５０による半導体ウェハーＷの搬送空間として搬送ロボット１５０を収容する搬送チャンバー１７０が設けられており、第１実施形態においてはアライメントチャンバー１３１、クールチャンバー１４１およびフラッシュ加熱部１６０の熱処理チャンバー６が搬送チャンバー１７０に連結されて配置されている。搬送ロボット１５０がアライメントチャンバー１３１、クールチャンバー１４１またはフラッシュ加熱部１６０の熱処理チャンバー６を受け渡し相手として半導体ウェハーＷの受け渡し（出し入れ）を行う際には、まず、両搬送アーム１５１ａ，１５１ｂが受け渡し相手と対向するように旋回し、その後（または旋回している間に）昇降移動していずれかの搬送アームが受け渡し相手と半導体ウェハーＷを受け渡しする高さに位置する。そして、搬送アーム１５１ａ（１５１ｂ）を水平方向に直線的にスライド移動させて受け渡し相手と半導体ウェハーＷの受け渡しを行う。

アライメント部１３０のアライメントチャンバー１３１および冷却部１４０のクールチャンバー１４１とインデクサ部１０１との間にはそれぞれゲートバルブ１８１，１８２が設けられている。また、搬送チャンバー１７０とアライメントチャンバー１３１、クールチャンバー１４１およびフラッシュ加熱部１６０の熱処理チャンバー６との間にはそれぞれゲートバルブ１８３，１８４，１８５が設けられる。熱処理装置１００内にて半導体ウェハーＷが搬送される際には、適宜これらのゲートバルブが開閉される。

また、制御部３は、熱処理装置１００に設けられた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。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１００における処理が進行する。

＜１−２．フラッシュ加熱部の構成＞
次に、フラッシュ加熱部１６０の構成について詳細に説明する。図３は、フラッシュ加熱部１６０の構成を示す縦断面図である。フラッシュ加熱部１６０は、半導体ウェハーＷを収容する略円筒形状の熱処理チャンバー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。

熱処理チャンバー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。

熱処理チャンバー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、フラッシュランプＦＬ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。熱処理チャンバー６の本体を構成するチャンバー底部６２およびチャンバー側部６３は、例えば、ステンレススチール等の強度と耐熱性に優れた金属材料にて形成されており、チャンバー側部６３の内側面の上部のリング６３１は、光照射による劣化に対してステンレススチールより優れた耐久性を有するアルミニウム（Ａｌ）合金等で形成されている。

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

チャンバー底部６２には、保持部７を貫通して半導体ウェハーＷをその下面（フラッシュランプＦＬから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、熱処理チャンバー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（本実施形態では、窒素ガス（Ｎ_２））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４は、熱処理チャンバー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４に示すように、ガス導入バッファ８３は、図３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。

図３に戻り、フラッシュ加熱部１６０は、熱処理チャンバー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を熱処理チャンバー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３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。熱処理チャンバー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３に示す半導体ウェハーＷの受渡位置と図７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、熱処理チャンバー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５は、保持部７の構成を示す断面図である。保持部７は、半導体ウェハーＷを予備加熱（いわゆるアシスト加熱）するホットプレート（加熱プレート）７１、および、ホットプレート７１の上面（保持部７が半導体ウェハーＷを保持する側の面）に設置されるサセプタ７２を有する。保持部７の下面には、既述のように保持部７を昇降するシャフト４１が接続される。サセプタ７２は石英（あるいは、窒化アルミニウム（ＡＩＮ）等であってもよい）により形成され、その上面には半導体ウェハーＷの位置ずれを防止するピン７５が設けられる。サセプタ７２は、その下面をホットプレート７１の上面に面接触させてホットプレート７１上に設置される。これにより、サセプタ７２は、ホットプレート７１からの熱エネルギーを拡散してサセプタ７２上面に載置された半導体ウェハーＷに伝達するとともに、メンテナンス時にはホットプレート７１から取り外して洗浄可能とされる。

ホットプレート７１は、ステンレススチール製の上部プレート７３および下部プレート７４にて構成される。上部プレート７３と下部プレート７４との間には、ホットプレート７１を加熱するニクロム線等の抵抗加熱線７６が配設され、導電性のニッケル（Ｎｉ）ロウが充填されて封止されている。また、上部プレート７３および下部プレート７４の端部はロウ付けにより接着されている。

図６は、ホットプレート７１を示す平面図である。図６に示すように、ホットプレート７１は、保持される半導体ウェハーＷと対向する領域の中央部に同心円状に配置される円板状のゾーン７１１および円環状のゾーン７１２、並びに、ゾーン７１２の周囲の略円環状の領域を周方向に４等分割した４つのゾーン７１３〜７１６を備え、各ゾーン間には若干の間隙が形成されている。また、ホットプレート７１には、支持ピン７０が挿通される３つの貫通孔７７が、ゾーン７１１とゾーン７１２との隙間の周上に１２０°毎に設けられる。

６つのゾーン７１１〜７１６のそれぞれには、相互に独立した抵抗加熱線７６が周回するように配設されてヒータが個別に形成されており、各ゾーンに内蔵されたヒータにより各ゾーンが個別に加熱される。保持部７に保持された半導体ウェハーＷは、６つのゾーン７１１〜７１６に内蔵されたヒータにより加熱される。また、ゾーン７１１〜７１６のそれぞれには、熱電対を用いて各ゾーンの温度を計測するセンサ７１０が設けられている。各センサ７１０は略円筒状のシャフト４１の内部を通り制御部３に接続される。

ホットプレート７１が加熱される際には、センサ７１０により計測される６つのゾーン７１１〜７１６のそれぞれの温度が予め設定された所定の温度になるように、各ゾーンに配設された抵抗加熱線７６への電力供給量が制御部３により制御される。制御部３による各ゾーンの温度制御はＰＩＤ(Proportional,Integral,Derivative)制御により行われる。ホットプレート７１では、半導体ウェハーＷの熱処理（複数の半導体ウェハーＷを連続的に処理する場合は、全ての半導体ウェハーＷの熱処理）が終了するまでゾーン７１１〜７１６のそれぞれの温度が継続的に計測され、各ゾーンに配設された抵抗加熱線７６への電力供給量が個別に制御されて、すなわち、各ゾーンに内蔵されたヒータの温度が個別に制御されて各ゾーンの温度が設定温度に維持される。なお、各ゾーンの設定温度は、基準となる温度から個別に設定されたオフセット値だけ変更することが可能とされる。

６つのゾーン７１１〜７１６にそれぞれ配設される抵抗加熱線７６は、シャフト４１の内部を通る電力線を介して電力供給源（図示省略）に接続されている。電力供給源から各ゾーンに至る経路途中において、電力供給源からの電力線は、マグネシア（マグネシウム酸化物）等の絶縁体を充填したステンレスチューブの内部に互いに電気的に絶縁状態となるように配置される。なお、シャフト４１の内部は大気開放されている。

次に、ランプハウス５は、熱処理チャンバー６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が熱処理チャンバー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、熱処理チャンバー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１００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いる。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。

上記の構成以外にもフラッシュ加熱部１６０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熱処理チャンバー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、熱処理チャンバー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３，７参照）。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。

＜１−３．半導体ウェハーの搬送経路＞
次に、熱処理装置１００における半導体ウェハーＷの搬送経路について説明する。図８は、熱処理装置１００における半導体ウェハーＷの搬送経路を模式的に示す図である。半導体ウェハーＷの搬送経路は、インデクサ部１０１からアライメントチャンバー１３１、搬送チャンバー１７０を経て熱処理チャンバー６に至る往路ＴＰ１と、熱処理チャンバー６から搬送チャンバー１７０、クールチャンバー１４１を経てインデクサ部１０１に至る復路ＴＰ２と、に二分される。フラッシュ加熱処理前の半導体ウェハーＷは往路ＴＰ１に沿って搬送され、フラッシュ加熱処理後の半導体ウェハーＷは復路ＴＰ２に沿って搬送される。

アライメント部１３０のアライメントチャンバー１３１は、往路ＴＰ１のうちのインデクサ部１０１と搬送チャンバー１７０との間に位置する。一方、冷却部１４０のクールチャンバー１４１は、復路ＴＰ２のうちの搬送チャンバー１７０とインデクサ部１０１との間に位置する。アライメントチャンバー１３１には、半導体ウェハーＷの位置決めを行うために半導体ウェハーＷが一時的に滞留する。また、クールチャンバー１４１には、加熱処理後の半導体ウェハーＷを冷却するために半導体ウェハーＷが一時的に滞留する。

図１から明らかなように、往路ＴＰ１のうち、アライメントチャンバー１３１から熱処理チャンバー６に至る経路は３つの密閉チャンバー（アライメントチャンバー１３１、搬送チャンバー１７０、熱処理チャンバー６）をゲートバルブを介して接続して構成されるため、熱処理装置１００の外部雰囲気からは遮断された気密の経路となっている。同様に、復路ＴＰ２のうち、熱処理チャンバー６からクールチャンバー１４１に至る経路は３つの密閉チャンバー（熱処理チャンバー６、搬送チャンバー１７０、クールチャンバー１４１）をゲートバルブを介して接続して構成されるため、熱処理装置１００の外部雰囲気からは遮断された気密の経路となっている。その一方、インデクサ部１０１は、熱処理装置１００の外部雰囲気に曝されている。

アライメントチャンバー１３１およびクールチャンバー１４１には、ドライポンプ１９０が接続されている。アライメントチャンバー１３１とドライポンプ１９０とを接続する配管にはバルブ１９１が介挿され、クールチャンバー１４１とドライポンプ１９０とを接続する配管にはバルブ１９２が介挿されている。ドライポンプ１９０は、油や液体を使用しない真空ポンプであり、半導体製造装置に好適である。ドライポンプ１９０を作動させつつ、バルブ１９１を開放すると、アライメントチャンバー１３１が真空排気される。また、ドライポンプ１９０を作動させつつ、バルブ１９２を開放すると、クールチャンバー１４１が真空排気される。

また、アライメントチャンバー１３１およびクールチャンバー１４１には、半導体工場内の用力の１つとして各種半導体製造装置に窒素を供給する窒素供給機構１９５が接続されている。アライメントチャンバー１３１と窒素供給機構１９５とを接続する配管にはバルブ１９６が介挿され、クールチャンバー１４１と窒素供給機構１９５とを接続する配管にはバルブ１９７が介挿されている。窒素供給機構１９５は、窒素供給源と送給ポンプとを備えており、不活性ガスとしての窒素ガス（Ｎ_２）を送給する。窒素供給機構１９５を作動させつつ、バルブ１９６を開放すると、アライメントチャンバー１３１に窒素ガスが供給される。また、窒素供給機構１９５を作動させつつ、バルブ１９７を開放すると、クールチャンバー１４１に窒素ガスが供給される。

以上のように、インデクサ部１０１と熱処理チャンバー６との間の半導体ウェハーＷの搬送経路において、往路ＴＰ１のうち熱処理チャンバー６と気密に連通接続されるアライメントチャンバー１３１および復路ＴＰ２のうち熱処理チャンバー６と気密に連通接続されるクールチャンバー１４１をドライポンプ１９０によって真空排気することができる。また、それらアライメントチャンバー１３１およびクールチャンバー１４１に対して窒素供給機構１９５から窒素ガスを供給することもできる。

＜２．熱処理装置の処理動作＞
次に、本発明に係る熱処理装置１００による半導体ウェハーＷの処理動作について説明する。この熱処理装置１００において処理対象となる半導体ウェハーＷは、パターン形成後にイオン注入法により不純物（イオン）が添加された半導体ウェハーである。その不純物の活性化がフラッシュ加熱部１６０によるフラッシュ光照射加熱処理（アニール）により実行される。以下に説明する熱処理装置１００の処理手順は、制御部３が熱処理装置１００の各動作機構を制御することにより進行する。

図９は、熱処理装置１００における処理手順を示すフローチャートである。熱処理装置１００では、まず、不純物注入後の半導体ウェハーＷがキャリアＣに複数枚収容された状態でインデクサ部１０１のロードポート１１０に載置される。そして、受渡ロボット１２０がキャリアＣから半導体ウェハーＷを１枚ずつ取り出し、アライメント部１３０のアライメントチャンバー１３１に搬入する（ステップＳ１）。アライメントチャンバー１３１に半導体ウェハーＷが搬入された時点で、ゲートバルブ１８１がアライメントチャンバー１３１とインデクサ部１０１との間を閉鎖する。また、アライメントチャンバー１３１と搬送チャンバー１７０との間はゲートバルブ１８３によって閉鎖されている。これにより、半導体ウェハーＷが搬入されたアライメントチャンバー１３１の内部は密閉空間となる。

アライメント部１３０では、半導体ウェハーＷをその中心部を回転中心として鉛直方向軸まわりで回転させ、ノッチ等を光学的に検出することによって半導体ウェハーＷの位置決めを行う。また、このような半導体ウェハーＷの位置決め動作と並行して、アライメントチャンバー１３１の真空排気を行う（ステップＳ２）。すなわち、ゲートバルブ１８１およびゲートバルブ１８３によってアライメントチャンバー１３１の内部が密閉空間とされた状態において、ドライポンプ１９０を作動させつつバルブ１９１を開放する。これにより、アライメントチャンバー１３１の内部空間が真空排気される。本実施形態では、ドライポンプ１９０によって、アライメントチャンバー１３１の内部空間が０．１３Ｐａ（１×１０^−３Ｔｏｒｒ）にまで真空排気される。

続いて、アライメントチャンバー１３１の内部空間が目標真空度（０．１３Ｐａ）にまで真空排気された後、バルブ１９１を閉止し、窒素供給機構１９５を作動させつつ、バルブ１９６を開放する。これにより、真空排気されたアライメントチャンバー１３１の内部空間に窒素供給機構１９５から窒素ガスが供給され、アライメントチャンバー１３１が大気圧にまで復圧される（ステップＳ３）。ステップＳ２の真空排気およびステップＳ３の復圧が完了する時点では、半導体ウェハーＷの位置決めも終了している。

次に、ゲートバルブ１８３がアライメントチャンバー１３１と搬送チャンバー１７０との間を開放し、搬送ロボット１５０が上側の搬送アーム１５１ａ（または下側の搬送アーム１５１ｂ）によってアライメントチャンバー１３１から位置決めが行われた半導体ウェハーＷを搬送チャンバー１７０へと搬出する。半導体ウェハーＷを取り出した搬送ロボット１５０はフラッシュ加熱部１６０を向くように旋回する。また、半導体ウェハーＷの搬出後に、ゲートバルブ１８３がアライメントチャンバー１３１と搬送チャンバー１７０との間を再び閉鎖する。

続いて、ゲートバルブ１８５が熱処理チャンバー６と搬送チャンバー１７０との間を開放し、搬送ロボット１５０が半導体ウェハーＷを熱処理チャンバー６に搬入する（ステップＳ４）。このときに、先行する加熱処理済みの半導体ウェハーＷが熱処理チャンバー６に存在している場合には、搬送アーム１５１ａ，１５１ｂによってウェハー入れ替えを行う。

熱処理チャンバー６に搬送された半導体ウェハーＷにはフラッシュ加熱処理が行われる（ステップＳ５）。以下、フラッシュ加熱部１６０におけるフラッシュ加熱処理について説明する。フラッシュ加熱部１６０においては、半導体ウェハーＷが搬入されるのに先立って保持部７が図７に示す処理位置から図３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にフラッシュ光照射が行われるときの保持部７の位置であり、図７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３に示す保持部７のチャンバー６内における位置である。フラッシュ加熱部１６０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３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。

この状態でゲートバルブ１８５が開いて搬送開口部６６が開放され、搬送ロボット１５０が未処理の半導体ウェハーＷを搬送開口部６６からチャンバー６内に進入させる。搬送ロボット１５０は、３本の支持ピン７０の上方にまで半導体ウェハーＷを保持する搬送アーム１５１ａ（または搬送アーム１５１ｂ）を進出させた後、搬送アーム１５１ａを若干下降させる。このときに、搬送アーム１５１ａに保持されていた半導体ウェハーＷは３本の支持ピン７０に受け渡される。

半導体ウェハーＷがチャンバー６内に搬入されて３本の支持ピン７０に載置されると、搬送ロボット１５０が搬送アーム１５１ａをチャンバー６から退出させる。そして、ゲートバルブ１８５により搬送開口部６６が閉鎖された後、保持部昇降機構４により保持部７が受渡位置からチャンバー窓６１に近接した処理位置にまで上昇する。保持部７が受渡位置から上昇する過程において、半導体ウェハーＷは支持ピン７０から保持部７のサセプタ７２へと渡され、サセプタ７２の上面に載置・保持される。保持部７が処理位置にまで上昇するとサセプタ７２に保持された半導体ウェハーＷも処理位置に保持されることとなる。

ホットプレート７１の６つのゾーン７１１〜７１６のそれぞれは、各ゾーンの内部（上部プレート７３と下部プレート７４との間）に個別に内蔵されたヒータ（抵抗加熱線７６）により所定の温度まで加熱されている。保持部７が処理位置まで上昇して半導体ウェハーＷが保持部７と接触することにより、その半導体ウェハーＷはホットプレート７１に内蔵されたヒータによって予備加熱されて温度が次第に上昇する。

この処理位置にて約６０秒間の予備加熱が行われ、半導体ウェハーＷの温度が予め設定された予備加熱温度Ｔ１まで上昇する。予備加熱温度Ｔ１は、半導体ウェハーＷに添加された不純物が熱により拡散する恐れのない、２００℃ないし８００℃程度、好ましくは３５０℃ないし５５０℃程度とされる。

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１００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からのフラッシュ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に注入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１００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に注入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、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１００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３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、搬送ロボット１５０が搬送アーム１５１ａ（または１５１ｂ）を搬送開口部６６からチャンバー６内に進入させる。搬送ロボット１５０は、３本の支持ピン７０によって支持される半導体ウェハーＷの下方にまで搬送アーム１５１ａを進出させた後、搬送アーム１５１ａを上昇させる。これにより、支持ピン７０に載置されていた半導体ウェハーＷは搬送アーム１５１ａに受け渡される。その後、搬送ロボット１５０は、フラッシュ加熱処理後の半導体ウェハーＷを支持した搬送アーム１５１ａをチャンバー６から退出させて半導体ウェハーＷを搬出する。

その後、搬送ロボット１５０は冷却部１４０に向くように旋回し、ゲートバルブ１８５は熱処理チャンバー６と搬送チャンバー１７０との間を閉鎖する。また、ゲートバルブ１８４がクールチャンバー１４１と搬送チャンバー１７０との間を開放し、搬送ロボット１５０が加熱処理直後の半導体ウェハーＷをクールチャンバー１４１に搬入する（ステップＳ６）。クールチャンバー１４１に半導体ウェハーＷが搬入された時点で、ゲートバルブ１８４がクールチャンバー１４１と搬送チャンバー１７０との間を閉鎖する。また、クールチャンバー１４１とインデクサ部１０１との間はゲートバルブ１８２によって閉鎖されている。これにより、半導体ウェハーＷが搬入されたクールチャンバー１４１の内部は密閉空間となる。

冷却部１４０では、フラッシュ加熱処理後の半導体ウェハーＷの冷却処理が行われる。熱処理チャンバー６から搬出された時点での半導体ウェハーＷ全体の温度は概ね予備加熱温度Ｔ１程度の比較的高温であるため、これを冷却部１４０にて常温近傍にまで冷却するのである。所定の冷却処理時間が経過した後、ゲートバルブ１８２がクールチャンバー１４１とインデクサ部１０１との間を開放し、受渡ロボット１２０が冷却後の半導体ウェハーＷをクールチャンバー１４１から搬出し、キャリアＣへと返却する（ステップＳ７）。キャリアＣに所定枚数の処理済み半導体ウェハーＷが収容されると、そのキャリアＣはインデクサ部１０１のロードポート１１０から搬出される。

また、クールチャンバー１４１から半導体ウェハーＷが搬出された時点で、ゲートバルブ１８２がクールチャンバー１４１とインデクサ部１０１との間を閉鎖する。これにより、半導体ウェハーＷが搬出されたクールチャンバー１４１の内部は再び密閉空間となる。ゲートバルブ１８２およびゲートバルブ１８４によってクールチャンバー１４１の内部が密閉空間とされた状態において、ドライポンプ１９０を作動させつつバルブ１９２を開放する。これにより、クールチャンバー１４１の内部空間が真空排気される（ステップＳ８）。本実施形態では、ドライポンプ１９０によって、クールチャンバー１４１の内部空間が０．１３Ｐａ（１×１０^−３Ｔｏｒｒ）にまで真空排気される。

続いて、クールチャンバー１４１の内部空間が目標真空度（０．１３Ｐａ）にまで真空排気された後、バルブ１９２を閉止し、窒素供給機構１９５を作動させつつ、バルブ１９７を開放する。これにより、真空排気されたクールチャンバー１４１の内部空間に窒素供給機構１９５から窒素ガスが供給され、クールチャンバー１４１が大気圧にまで復圧される（ステップＳ９）。なお、上述の一連の動作を行っている間、アライメントチャンバー１３１およびクールチャンバー１４１以外の搬送チャンバー１７０および熱処理チャンバー６には常時窒素ガスが継続して供給されている。

＜３．熱処理装置における雰囲気管理＞
上述のように、本発明に係る熱処理装置１００においては、インデクサ部１０１から熱処理チャンバー６に至る往路ＴＰ１に設けられたアライメントチャンバー１３１、および、熱処理チャンバー６からインデクサ部１０１に至る復路ＴＰ２に設けられたクールチャンバー１４１に対して真空排気後に窒素ガスで復圧する処理を行っている。アライメントチャンバー１３１では、インデクサ部１０１から未処理の半導体ウェハーＷが搬入されたときに位置決め動作と並行して真空排気・復圧を行う。また、クールチャンバー１４１では、処理済みの半導体ウェハーＷがインデクサ部１０１に搬出された後に真空排気・復圧を行う。

常時窒素ガスが供給されている熱処理チャンバー６内にて酸素濃度が上昇する主たる要因は、半導体ウェハーＷの搬入・搬出時にゲートバルブ１８５が開いたときの搬送チャンバー１７０から雰囲気流入である。搬送チャンバー１７０にも常時窒素ガスが供給されているのであるが、アライメントチャンバー１３１およびクールチャンバー１４１からの雰囲気流入によって酸素が混入する。そのアライメントチャンバー１３１およびクールチャンバー１４１へは大気雰囲気（厳密には、熱処理装置１００が設置されたクリーンルームの雰囲気）に曝されたインデクサ部１０１から大量に酸素が流入するのである。

より具体的に説明すると、インデクサ部１０１からアライメントチャンバー１３１に半導体ウェハーＷを搬入するときに、ゲートバルブ１８１がアライメントチャンバー１３１とインデクサ部１０１との間を開放するため、大気雰囲気のインデクサ部１０１から大量の酸素がアライメントチャンバー１３１内に流入する。ゲートバルブ１８１が開く前にアライメントチャンバー１３１が窒素雰囲気とされていたとしても、半導体ウェハーＷの搬入動作によってアライメントチャンバー１３１内の酸素濃度はウェハー搬入直後に約５％にまで上昇する。

ここで、真空排気を行わずに、搬送チャンバー１７０や熱処理チャンバー６と同様にアライメントチャンバー１３１に窒素ガス供給のみを行うと、半導体ウェハーＷの搬入後約１分でアライメントチャンバー１３１内の酸素濃度は約１２００ｐｐｍまで低下する。この残留酸素は、位置決め後にアライメントチャンバー１３１から搬送チャンバー１７０に半導体ウェハーＷを搬送するときに、搬送チャンバー１７０に流入する。搬送チャンバー１７０にも常時窒素ガスが供給されているため、搬送チャンバー１７０から熱処理チャンバー６に半導体ウェハーＷを搬送する直前には搬送チャンバー１７０内の酸素濃度は約３００ｐｐｍにまで低下する。そして、酸素濃度約３００ｐｐｍの搬送チャンバー１７０から熱処理チャンバー６に半導体ウェハーＷが搬入された時点では、熱処理チャンバー６内の酸素濃度は一時的に約１００ｐｐｍにまで上昇する。よって、半導体ウェハーＷは約１００ｐｐｍの酸素雰囲気に曝されながらホットプレート７１によって予備加熱されることとなる。

その後、半導体ウェハーＷが熱処理チャンバー６に搬入されてから約１分で熱処理チャンバー６内の酸素濃度は約１０ｐｐｍにまで低下する。そして、約１０ｐｐｍの酸素雰囲気にてフラッシュランプＦＬからフラッシュ光が照射されて半導体ウェハーＷのフラッシュ加熱が行われる。なお、クールチャンバー１４１についても、アライメントチャンバー１３１と同様に、ゲートバルブ１８２が開いて半導体ウェハーＷがインデクサ部１０１に搬出されるときに、酸素濃度が約５％にまで上昇し、その後の窒素ガス供給によって約１２００ｐｐｍにまで低下する。よって、クールチャンバー１４１が熱処理チャンバー６の酸素濃度に与える影響はアライメントチャンバー１３１と同程度である。

本実施形態においては、未処理の半導体ウェハーＷがアライメントチャンバー１３１に搬入され、ゲートバルブ１８１およびゲートバルブ１８３が閉じられてアライメントチャンバー１３１の内部が密閉空間とされたときに、アライメントチャンバー１３１を０．１３Ｐａ（１×１０^−３Ｔｏｒｒ）にまで真空排気している。半導体ウェハーＷが搬入された直後のアライメントチャンバー１３１内の酸素濃度は約５％であるが、そのアライメントチャンバー１３１を一旦真空排気した後、窒素ガスを供給して大気圧にまで復圧することにより、アライメントチャンバー１３１内の酸素濃度を約０．０６５ｐｐｍにまで大きく低下させることができる。

従来のように真空排気を行わずにアライメントチャンバー１３１に窒素ガス供給のみを行った場合には、アライメントチャンバー１３１内の酸素濃度を約１２００ｐｐｍにまでしか低下できなかったのに対して、一旦真空排気した後に窒素ガスを供給して復圧することにより、その２万分の１程度の約０．０６５ｐｐｍにまで低下させることができるのである。

同様に、本実施形態においては、処理済みの半導体ウェハーＷがクールチャンバー１４１から搬出され、ゲートバルブ１８２およびゲートバルブ１８４が閉じられてクールチャンバー１４１の内部が密閉空間とされたときに、クールチャンバー１４１を０．１３Ｐａにまで真空排気している。半導体ウェハーＷが搬出された直後のクールチャンバー１４１内の酸素濃度は約５％であるが、そのクールチャンバー１４１を一旦真空排気した後、窒素ガスを供給して大気圧にまで復圧することにより、クールチャンバー１４１内の酸素濃度を約０．０６５ｐｐｍにまで低下させることができる。

搬送チャンバー１７０および熱処理チャンバー６への酸素の流入源であるアライメントチャンバー１３１およびクールチャンバー１４１の酸素濃度を従来の２万分の１程度である約０．０６５ｐｐｍにまで低下させることにより、搬送チャンバー１７０および熱処理チャンバー６の酸素濃度も約２万分の１にまで低下させることができるものと考えられる。すなわち、熱処理チャンバー６に半導体ウェハーＷを搬送する直前における搬送チャンバー１７０内の酸素濃度は約０．０１５ｐｐｍにまで低下し、半導体ウェハーＷが搬入された後の熱処理チャンバー６内の酸素濃度は０．００５ｐｐｍ以下にまで低下させることができる。

このようにすれば、熱処理チャンバー６内を０．００５ｐｐｍ以下という極低酸素濃度にして半導体ウェハーＷのフラッシュ加熱処理を行うことができる。０．００５ｐｐｍ以下の極低酸素濃度の雰囲気であれば、ニッケルシリサイドなどのシリサイド形成や高誘電率材料を使用した高誘電率膜（High-k膜）の焼き締めにフラッシュ加熱処理を用いる場合であっても、要求されている酸素濃度条件を十分に満たすことができ、良好な処理結果を得ることができる。

ところで、熱処理チャンバー６内を極低酸素濃度とするためには、熱処理チャンバー６自体を真空排気した後に窒素ガスで復圧した方がより直接的であるように考えられる。しかしながら、通常、フラッシュ加熱処理を行う熱処理チャンバー６は常圧仕様であって真空排気が可能な構造とはされていない。熱処理チャンバー６を真空排気可能とするためには、例えば石英のチャンバー窓６１をさらに厚くして耐圧構造とするとともに、チャンバー窓６１とチャンバー側部６３とのシールなども真空仕様とすることが必要となる。また、チャンバー窓６１を厚くすると蓄熱も増加するため、チャンバー窓６１の冷却機能を強化する必要もある。このように、熱処理チャンバー６を真空仕様とするためには、熱処理チャンバー６の設計を大きく変更しなければならない。

これに対して、アライメントチャンバー１３１およびクールチャンバー１４１は、特段の設計変更無く、或いは僅かな設計変更にて真空排気可能である。このため、熱処理チャンバー６自体を真空排気可能とするための設計変更に比較して、低いコストで本実施形態の技術を実現することができる。

また、本発明に係る技術がスループットに与える影響に関して、熱処理装置１００においてはフラッシュ加熱部１６０でのフラッシュ加熱処理が律速工程となっている。フラッシュ光照射の時間自体は極めて短いのであるが、予備加熱時間と半導体ウェハーＷの搬入・搬出に要する時間が必要なため、フラッシュ加熱部１６０での半導体ウェハーＷの処理時間は例えばウェハー１枚あたり２分である。フラッシュ加熱部１６０以外の各部での処理時間はフラッシュ加熱部１６０に整合される。従って、上記の例では、アライメントチャンバー１３１に半導体ウェハーＷが搬入されてから搬出されるまでの時間も２分となる。アライメントチャンバー１３１を真空排気した後に窒素ガスによって復圧するのに要する時間は２分以内であり、半導体ウェハーＷの通常の処理時間内で完了する。このため、ロットの最初の半導体ウェハーＷがインデクサ部１０１から熱処理チャンバー６に到達するのに従来より若干時間を要する点を除いては、熱処理装置１００のスループットを低下させることなく本発明に係る技術を実施することができる。

＜４．変形例＞
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、アライメントチャンバー１３１およびクールチャンバー１４１を真空排気・復圧するようにしていたが、これに代えて搬送チャンバー１７０を真空排気した後に窒素ガスを供給して復圧するようにしても良い。このようにしても、熱処理チャンバー６への酸素流入源である搬送チャンバー１７０の酸素濃度を低下させることができ、その結果として熱処理チャンバー６内を極低酸素濃度にすることができる。

要するに、インデクサ部１０１と熱処理チャンバー６との間の半導体ウェハーＷの搬送経路（往路ＴＰ１および復路ＴＰ２を含む）のいずれか一部領域を真空排気した後に窒素ガスを供給して復圧すれば良い。これにより、熱処理チャンバー６への酸素流入源である当該一部領域の酸素濃度を低下させて熱処理チャンバー６内を極低酸素濃度とすることができる。もっとも、上記実施形態の熱処理装置１００においては、搬送チャンバー１７０の容積よりもアライメントチャンバー１３１およびクールチャンバー１４１の容積の方が小さいため、これらを真空排気した後に窒素ガスを供給して復圧する方が容易である。

また、上記実施形態においては、往路ＴＰ１と復路ＴＰ２とが一部異なる経路となっていたが（往路ＴＰ１がアライメントチャンバー１３１を含み、復路ＴＰ２がクールチャンバー１４１を含む）、これらは完全に同一であっても良い。この場合であっても、インデクサ部１０１と熱処理チャンバー６との間の半導体ウェハーＷの搬送経路の一部領域を真空排気した後に窒素ガスを供給して復圧することにより、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、アライメントチャンバー１３１およびクールチャンバー１４１を真空排気した後に復圧するために供給するガスは、窒素ガスに限定されるものではなく、例えばアルゴンガス（Ａｒ）やヘリウムガス（Ｈｅ）などのその他の不活性ガスであっても良い。もっとも、上記実施形態のように、窒素ガスを供給する方がコストを低く抑制することができる。

また、上記実施形態においては、ドライポンプ１９０をアライメントチャンバー１３１およびクールチャンバー１４１に共通のものとしていたが、それぞれのチャンバーに専用のドライポンプを設けるようにしても良い。同様に、アライメントチャンバー１３１およびクールチャンバー１４１のそれぞれに専用の窒素供給機構を設けるようにしても良い。

また、上記実施形態においては、ホットプレート７１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、ハロゲンランプを設けて光照射によって半導体ウェハーＷを予備加熱温度Ｔ１にまで予備加熱するようにしても良い。

また、搬送ロボット１５０の上側の搬送アーム１５１ａを未処理の半導体ウェハーＷを保持する専用のアームとして設計し、下側の搬送アーム１５１ｂを処理済の半導体ウェハーＷを保持する専用のアームとして設計することにより、搬送ロボット１５０の小型化、および搬送の信頼性の向上を図ることができる。

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。

また、本発明に係る熱処理技術は、フラッシュランプアニール装置に限定されるものではなく、ハロゲンランプを使用した枚葉式のランプアニール装置やＣＶＤ装置などのフラッシュランプ以外の熱源の装置にも適用することができる。但し、本発明に係る熱処理技術は、フラッシュランプアニール装置と同様に熱処理チャンバーが常圧仕様となっている装置（常圧ＣＶＤ装置など）に好適に適用されるものである。

３制御部
４保持部昇降機構
５ランプハウス
６熱処理チャンバー
７保持部
１００熱処理装置
１０１インデクサ部
１３０アライメント部
１３１アライメントチャンバー
１４０冷却部
１４１クールチャンバー
１５０搬送ロボット
１６０フラッシュ加熱部
１７０搬送チャンバー
１９０ドライポンプ
１９５窒素供給機構
ＦＬフラッシュランプ
ＴＰ１往路
ＴＰ２復路
Ｗ半導体ウェハー

Claims

基板の加熱処理を行う熱処理装置であって、
基板を収容する常圧仕様の熱処理チャンバーと、
前記熱処理チャンバー内にて基板にフラッシュ光を照射して該基板を加熱するフラッシュランプと、
未処理の基板を外部から搬入するとともに、処理済みの基板を外部に搬出する搬入搬出部と、
前記搬入搬出部と前記熱処理チャンバーとの間の基板の搬送経路の一部領域を真空排気する真空排気手段と、
真空排気された前記一部領域に不活性ガスを供給して復圧する復圧手段と、
を備え、
前記搬送経路には、加熱処理前に基板の向きを調整するアライメントチャンバー、および、加熱処理後の基板を冷却するクールチャンバーが設けられ、
前記真空排気手段は、基板の向き調整と並行して前記アライメントチャンバーを真空排気するとともに、冷却された基板が前記クールチャンバーから搬出された後に前記クールチャンバーを真空排気し、
前記復圧手段は、前記真空排気手段によって真空排気された前記アライメントチャンバーおよび前記クールチャンバーに不活性ガスを供給して大気圧にまで復圧することを特徴とする熱処理装置。
基板の加熱処理を行う熱処理方法であって、
搬入搬出部に搬入された基板を常圧仕様の熱処理チャンバーに搬送する往路搬送工程と、
前記熱処理チャンバー内にてフラッシュランプから基板にフラッシュ光を照射して該基板を加熱する加熱工程と、
加熱処理後の基板を前記熱処理チャンバーから前記搬入搬出部に搬送する復路搬送工程と、
前記搬入搬出部と前記熱処理チャンバーとの間の基板の搬送経路の一部領域を真空排気する真空排気工程と、
真空排気された前記一部領域に不活性ガスを供給して復圧する復圧工程と、
を備え、
前記往路搬送工程では、基板の向きを調整するアライメントチャンバーを経由して基板が搬送され、
前記復路搬送工程では、加熱処理後の基板を冷却するクールチャンバーを経由して基板が搬送され、
前記真空排気工程は、基板が前記アライメントチャンバーに搬入されたときに基板の向き調整と並行して前記アライメントチャンバーを真空排気するとともに、冷却された基板が前記クールチャンバーから搬出された後に前記クールチャンバーを真空排気し、
前記復圧工程は、前記真空排気工程にて真空排気された前記アライメントチャンバーおよび前記クールチャンバーに不活性ガスを供給して大気圧にまで復圧することを特徴とする熱処理方法。