JP6847610B2 - 熱処理装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体ウェハー等の薄板状精密電子基板（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。
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、特許文献１には、石英製のサセプタ上に支持した半導体ウェハーにフラッシュ加熱を行う技術が開示されている。特許文献１に開示の装置では、サセプタ上に載置した半導体ウェハーの下面からハロゲンランプが光照射を行って予備加熱した後、ウェハー表面にフラッシュランプからフラッシュ光を照射してフラッシュ加熱を行う。また、特許文献１に開示の装置においては、半導体ウェハーを収容するチャンバーに支持された基台とサセプタとを複数の連結部によって連結してサセプタを設置している。
特開２０１２−１９１１１０号公報
特許文献１に開示されるような熱処理装置においては、密閉されたチャンバー内に半導体ウェハーを収容して加熱処理を行っており、そのチャンバーの床部分を構成する下側チャンバー窓にパーティクルが堆積しやすい。フラッシュランプは大きなエネルギーを有するフラッシュ光を瞬間的に照射するため、照射時にチャンバーにも衝撃を与えて下側チャンバー窓に堆積されたパーティクルを巻き上げることがある。フラッシュ光照射によって巻き上げられたパーティクルが半導体ウェハーの表面に付着すると当該半導体ウェハーが汚染されるという問題が生じる。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、フラッシュ光照射時の基板の汚染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、基板を収容するチャンバーと、前記チャンバーの内壁面に取り付けられたリング状の支持部材と、前記支持部材に支持された板状の石英のサセプタと、前記サセプタ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、前記サセプタおよび前記支持部材によって仕切られた前記チャンバー内の上部空間にアンモニアを供給する第１ガス供給機構と、前記サセプタおよび前記支持部材によって仕切られた前記チャンバー内の下部空間に窒素を供給する第２ガス供給機構と、を備え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、前記支持部材は、前記チャンバーの内壁面の上部を覆うように着脱自在に取り付けられることを特徴とする。
また、請求項３の発明は、請求項２の発明に係る熱処理装置において、前記支持部材の内周面は鏡面と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装置において、前記支持部材は、アルミニウムまたはステンレススチールにて形成され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装置において、前記サセプタに支持された基板に前記フラッシュランプとは反対側から光を照射するハロゲンランプをさらに備えることを特徴とする。
請求項１から請求項５の発明によれば、基板を収容するチャンバーの内壁面に取り付けられたリング状の支持部材に板状のサセプタを支持しているため、チャンバー内が上下２つの空間に分離され、フラッシュ光照射時に下部空間に巻き上げられたパーティクルが基板の表面に付着して当該基板を汚染するのを防止することができる。
特に、請求項３の発明によれば、支持部材の内周面が鏡面とされているため、フラッシュランプから出射されたフラッシュ光が支持部材の内周面で反射されて基板の表面に到達することとなり、基板の表面温度をさらに昇温することができる。
本発明に係る熱処理装置の構成を示す縦断面図である。 支持部の斜視図である。 サセプタの平面図である。 サセプタの断面図である。 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。 支持部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、基板として円板形状の半導体ウェハー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。処理対象となる半導体ウェハーＷのサイズは特に限定されるものではないが、例えばφ３００ｍｍやφ４５０ｍｍである。なお、図１および以降の各図においては、理解容易のため、必要に応じて各部の寸法や数を誇張または簡略化して描いている。
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、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サセプタ７４と、サセプタ７４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、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。上側チャンバー窓６３の下面周縁部とチャンバー側部６１との間にＯリングを挟み込むとともに、クランプリング６２を上側チャンバー窓６３の上面周縁部に当接させ、そのクランプリング６２をチャンバー側部６１にネジ止めすることによって、上側チャンバー窓６３をチャンバー６に装着している。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の内壁面にはリング状の支持部６８が取り付けられている。図２は、支持部６８の斜視図である。支持部６８は円環形状に形成されている。図２には、支持部６８の断面形状の理解のため、支持部６８の一部の斜視図を示している。支持部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。すなわち、支持部６８は着脱自在にチャンバー６の内壁面に取り付けられている。図１に示すように、支持部６８をチャンバー６に装着することによって、チャンバー６の内壁面の上部がリング状の支持部６８によって覆われることとなる。
支持部６８は、アルミニウムまたはステンレススチールにて形成される。また、支持部６８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、支持部６８には、周方向に沿って一部にスリット６９が設けられている。
図１に示すように、支持部６８の内周下端に突設された鍔部によってサセプタ７４の周縁部が支持される。すなわち、サセプタ７４は支持部６８によって吊り下げられるように支持される。図３は、サセプタ７４の平面図である。また、図４は、サセプタ７４の断面図である。サセプタ７４は、保持プレート７５、ガイドリング７６および複数の基板支持ピン７７を備える。保持プレート７５は、石英にて形成された略円形の平板状部材である。保持プレート７５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７５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７５の上面周縁部にガイドリング７６が設置されている。ガイドリング７６は、半導体ウェハーＷの直径よりも大きな内径を有する円環形状の部材である。例えば、半導体ウェハーＷの直径がφ３００ｍｍの場合、ガイドリング７６の内径はφ３２０ｍｍである。ガイドリング７６の内周は、保持プレート７５から上方に向けて広くなるようなテーパ面とされている。ガイドリング７６は、保持プレート７５と同様の石英にて形成される。ガイドリング７６は、保持プレート７５の上面に溶着するようにしても良いし、別途加工したピンなどによって保持プレート７５に固定するようにしても良い。或いは、保持プレート７５とガイドリング７６とを一体の部材として加工するようにしても良い。
保持プレート７５の上面のうちガイドリング７６よりも内側の領域が半導体ウェハーＷを保持する平面状の保持面７５ａとされる。保持プレート７５の保持面７５ａには、複数の基板支持ピン７７が立設されている。本実施形態においては、保持面７５ａの外周円（ガイドリング７６の内周円）と同心円の周上に沿って３０°毎に計１２個の基板支持ピン７７が立設されている。１２個の基板支持ピン７７を配置した円の径（対向する基板支持ピン７７間の距離）は半導体ウェハーＷの径よりも小さく、半導体ウェハーＷの径がφ３００ｍｍであればφ２７０ｍｍ〜φ２８０ｍｍ（本実施形態ではφ２８０ｍｍ）である。それぞれの基板支持ピン７７は石英にて形成されている。複数の基板支持ピン７７は、保持プレート７５の上面に溶接によって設けるようにしても良いし、保持プレート７５と一体に加工するようにしても良い。
このような略平板状のサセプタ７４がチャンバー６に装着された支持部６８に支持されることによって、サセプタ７４の保持プレート７５は水平姿勢（法線が鉛直方向と一致する姿勢）となる。すなわち、保持プレート７５の保持面７５ａは水平面となる。
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７４の上に水平姿勢にて載置されて保持される。このとき、半導体ウェハーＷは保持プレート７５上に立設された１２個の基板支持ピン７７によって支持されてサセプタ７４に保持される。より厳密には、１２個の基板支持ピン７７の上端部が半導体ウェハーＷの下面に接触して当該半導体ウェハーＷを支持する。１２個の基板支持ピン７７の高さ（基板支持ピン７７の上端から保持プレート７５の保持面７５ａまでの距離）は均一であるため、１２個の基板支持ピン７７によって半導体ウェハーＷを水平姿勢に支持することができる。
また、半導体ウェハーＷは複数の基板支持ピン７７によって保持プレート７５の保持面７５ａから所定の間隔を隔てて支持されることとなる。基板支持ピン７７の高さよりもガイドリング７６の厚さの方が大きい。従って、複数の基板支持ピン７７によって支持された半導体ウェハーＷの水平方向の位置ずれはガイドリング７６によって防止される。
本実施形態では、リング状の支持部６８に支持された円板形状のサセプタ７４によって半導体ウェハーＷが支持されるため、半導体ウェハーＷの周囲はウェハー中心を軸として対称的な形状の構造となる。
また、図１に示すように、サセプタ７４がチャンバー６の内壁面に取り付けられた支持部６８に支持されることによって、チャンバー６の空間が上下に二分される。上側チャンバー窓６３、サセプタ７４および支持部６８によって囲まれる空間が上部空間６５として規定される。一方、下側チャンバー窓６４、サセプタ７４およびチャンバー側部６１によって囲まれる空間が下部空間６７として規定される。
また、図３に示すように、サセプタ７４の保持プレート７５には、上下に貫通して開口部７８が形成されている。開口部７８は、放射温度計１２０（図１参照）がサセプタ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。すなわち、放射温度計１２０が開口部７８を介してサセプタ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、別置のディテクタによってその半導体ウェハーＷの温度が測定される。さらに、サセプタ７４の保持プレート７５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１に戻り、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。上述した支持部６８のスリット６９は搬送開口部６６に臨む位置に設けられている。換言すれば、スリット６９が搬送開口部６６に対向するように支持部６８はチャンバー６の内壁面に取り付けられる。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から支持部６８のスリット６９を通過して上部空間６５への半導体ウェハーＷの搬入を行うことができる。また、スリット６９から搬送開口部６６を通過して上部空間６５からの半導体ウェハーＷの搬出を行うことができる。一方、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内の上部空間６５および下部空間６７が密閉空間とされる。
また、熱処理装置１は、上部空間６５および下部空間６７のそれぞれに処理ガスを供給する第１ガス供給機構８１および第２ガス供給機構８５を備える。第１ガス供給機構８１は、ガス供給管８２、バルブ８３および第１処理ガス供給源８４を備える。ガス供給管８２の先端は支持部６８の上端と上側チャンバー窓６３との間の隙間を介して上部空間６５に連通接続され、ガス供給管８２の基端は第１処理ガス供給源８４に接続されている。ガス供給管８２の経路途中にはバルブ８３が介挿されている。バルブ８３が開放されると、第１処理ガス供給源８４からガス供給管８２を介して上部空間６５に処理ガスが供給される。
一方、第２ガス供給機構８５は、ガス供給管８６、バルブ８７および第２処理ガス供給源８８を備える。ガス供給管８６の先端は支持部６８の下方にて下部空間６７に連通接続され、ガス供給管８６の基端は第２処理ガス供給源８８に接続されている。ガス供給管８６の経路途中にはバルブ８７が介挿されている。バルブ８７が開放されると、第２処理ガス供給源８８からガス供給管８６を介して下部空間６７に処理ガスが供給される。第１ガス供給機構８１および第２ガス供給機構８５が供給する処理ガスとしては、窒素（Ｎ２）等の不活性ガス、または、水素（Ｈ２）、アンモニア（ＮＨ３）等の反応性ガスを用いることができる。
熱処理装置１は、上部空間６５および下部空間６７から気体を排気する排気機構９０を備える。排気機構９０は、排気管９１、バルブ９２および排気部９３を備える。排気管９１の先端は搬送開口部６６に連通接続され、排気管９１の基端は排気部９３に接続されている。排気管９１の経路途中にはバルブ９２が介挿されている。排気部９３としては排気ポンプ等を用いることができる。排気部９３を作動させつつバルブ９２を開放すると、上部空間６５の気体は支持部６８のスリット６９を通って搬送開口部６６から排気管９１へと排出される。また、下部空間６７の気体も搬送開口部６６から排気管９１へと排出される。すなわち、第１ガス供給機構８１および第２ガス供給機構８５はそれぞれ上部空間６５および下部空間６７に専用の給気機構であるのに対して、排気機構９０は第１ガス供給機構８１および第２ガス供給機構８５に共用される機構である。
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、概ね円環状のチャンバー側部６１の内壁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をサセプタ７４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）とサセプタ７４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７４に穿設された貫通孔７９（図３参照）を通過し、リフトピン１２の上端がサセプタ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、支持部６８の下方である。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。フラッシュランプＦＬから出射されたフラッシュ光は上側チャンバー窓６３を透過して上部空間６５に照射される。
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サセプタ７４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、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。すなわち、フラッシュランプＦＬは、１秒未満の極めて短い時間で瞬間的に発光するパルス発光ランプである。なお、フラッシュランプＦＬの発光時間は、フラッシュランプＦＬに電力供給を行うランプ電源のコイル定数によって調整することができる。
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チャンバー６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。
チャンバー６の下方に設けられたハロゲン加熱部４は、筐体４１の内側に複数本（本実施形態では４０本）のハロゲンランプＨＬを内蔵している。ハロゲン加熱部４は、複数のハロゲンランプＨＬによってチャンバー６の下方から下側チャンバー窓６４を介して光照射を行って半導体ウェハーＷを加熱する光照射部である。
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。４０本のハロゲンランプＨＬは上下２段に分けて配置されている。チャンバー６に近い上段に２０本のハロゲンランプＨＬが配設されるとともに、上段よりもチャンバー６から遠い下段にも２０本のハロゲンランプ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サセプタ７４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、下段ともにサセプタ７４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、上段に配置された２０本のハロゲンランプＨＬの長手方向と下段に配置された２０本のハロゲンランプＨＬの長手方向とが互いに直交するように計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。すなわち、ハロゲンランプＨＬは少なくとも１秒以上連続して発光する連続点灯ランプである。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、ハロゲン加熱部４の筐体４１内にも、２段のハロゲンランプＨＬの下側にリフレクタ４３が設けられている（図１）。リフレクタ４３は、複数のハロゲンランプＨＬから出射された光をチャンバー６の側に反射する。
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回路である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１における処理が進行する。
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。
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。その不純物の活性化が熱処理装置１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、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内に搬入される。当該搬送ロボットは半導体ウェハーＷを保持する搬送アームを搬送開口部６６から支持部６８のスリット６９を通して上部空間６５に挿入する。搬送ロボットは搬送アームをサセプタ７４の直上位置にまで進出させて停止させる。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７４の保持プレート７５の上面から突き出て搬送アームから半導体ウェハーＷを受け取る。このとき、リフトピン１２は基板支持ピン７７の上端よりも上方にまで上昇する。
半導体ウェハーＷがリフトピン１２に載置された後、搬送ロボットが空になった搬送アームを上部空間６５からスリット６９および搬送開口部６６を通して退出させ、その後ゲートバルブ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からサセプタ７４に受け渡されて水平姿勢にて下方より保持される。半導体ウェハーＷは、保持プレート７５上に立設された複数の基板支持ピン７７によって支持されてサセプタ７４に保持される。また、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７４に支持される。複数の基板支持ピン７７によって支持された半導体ウェハーＷの裏面（表面とは反対側の主面）と保持プレート７５の保持面７５ａとの間には所定の間隔が形成される。サセプタ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によって退避位置に退避する。
また、ゲートバルブ１８５によって搬送開口部６６が閉鎖されて熱処理空間６５が密閉空間とされた後、チャンバー６内の雰囲気調整が行われる。具体的には、バルブ８３が開放されて第１ガス供給機構８１から上部空間６５に処理ガスを供給するとともに、バルブ８７が開放されて第２ガス供給機構８５から下部空間６７に処理ガスを供給する。本実施形態では、第１ガス供給機構８１および第２ガス供給機構８５ともに処理ガスとして窒素をそれぞれ上部空間６５および下部空間６７に供給する。
また、バルブ９２が開放されて上部空間６５および下部空間６７内の気体が排気される。これにより、上部空間６５および下部空間６７が窒素雰囲気に置換される。また、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。
上部空間６５および下部空間６７内が窒素雰囲気に置換され、半導体ウェハーＷがサセプタ７４によって水平姿勢にて下方より支持された後、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。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、移載機構１０の移載アーム１１は退避位置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。
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の温度が放射温度計１２０によって測定されている。すなわち、サセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの裏面から開口部７８を介して放射された赤外光を放射温度計１２０が受光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、放射温度計１２０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する。予備加熱温度Ｔ１は、２００℃ないし８００℃程度、好ましくは３５０℃ないし６００℃程度とされる（本実施の形態では６００℃）。
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、放射温度計１２０によって測定される半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１に到達した時点にて制御部３がハロゲンランプＨＬの出力を調整し、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。
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点にてフラッシュ加熱部５のフラッシュランプＦＬが半導体ウェハーＷの表面にフラッシュ光照射を行う。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からのフラッシュ光（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、フラッシュランプＦＬから照射されるフラッシュ光は、予めコンデンサーに蓄えられていた静電エネルギーが極めて短い光パルスに変換された、照射時間が０．１ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下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℃以上の処理温度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。
フラッシュ加熱処理が終了した後、所定時間経過後にハロゲンランプＨＬが消灯する。これにより、半導体ウェハーＷが予備加熱温度Ｔ１から急速に降温する。降温中の半導体ウェハーＷの温度は放射温度計１２０によって測定され、その測定結果は制御部３に伝達される。制御部３は、放射温度計１２０の測定結果より半導体ウェハー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、装置外部の搬送ロボットが搬送アームを搬送開口部６６から支持部６８のスリット６９を通してリフトピン１２上に載置された半導体ウェハーＷの下方にまで進出させる。この状態で一対の移載アーム１１が下降することにより、半導体ウェハーＷはリフトピン１２から搬送ロボットの搬送アームに受け渡される。そして、搬送ロボットが半導体ウェハーＷを保持した搬送アームを上部空間６５から退出させることにより、半導体ウェハーＷが熱処理装置１から搬出されて熱処理装置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、チャンバー６の内壁面にリング状の支持部６８を取り付け、その支持部６８によってサセプタ７４を支持している。サセプタ７４に半導体ウェハーＷが載置されると、開口部７８および貫通孔７９等の孔は半導体ウェハーＷによって覆われる。従って、サセプタ７４に半導体ウェハーＷが支持された状態では、上部空間６５と下部空間６７とが概ね分離されることとなる。
ところで、チャンバー６内においては、移載機構１０の駆動部等から若干のパーティクルが発生することがある。チャンバー６内にて発生したパーティクルは、特にチャンバー６の床部である下側チャンバー窓６４上に堆積しやすい。また、フラッシュランプＦＬは、大きなエネルギーを有するフラッシュ光を０．１ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下程度の極めて照射時間で瞬間的に照射するため、フラッシュ光照射時にはチャンバー６にも衝撃を与える。フラッシュ加熱時にチャンバー６に衝撃が与えられると、下側チャンバー窓６４に堆積したパーティクルがチャンバー６内の下部空間６７に巻き上がるのであるが、上部空間６５と下部空間６７とは分離されているため、下部空間６７に巻き上がったパーティクルが上部空間６５に流れ込むことは防止される。その結果、フラッシュ光照射時に巻き上げられたパーティクルが半導体ウェハーＷの表面に付着して当該半導体ウェハーＷを汚染するのを防止することができる。
また、支持部６８の内周面は、ニッケルメッキによって鏡面とされている。これにより、フラッシュ光照射時にはフラッシュランプＦＬから出射されて支持部６８に到達したフラッシュ光が支持部６８の内周面によって反射されて半導体ウェハーＷの表面に照射されることとなる。その結果、フラッシュ光照射時に半導体ウェハーＷの表面に到達するフラッシュ光の光量が増加することとなり、半導体ウェハーＷの表面温度の上昇をさらに大きくすることができる。
また、本実施形態においては、チャンバー６の内壁面に取り付けた支持部６８に平板状のサセプタ７４を支持するだけの簡素な構造としている。このため、サセプタ７４の製造工程では、低コストおよび短納期とすることができる。
また、本実施形態では、チャンバー６の内壁面に取り付けられたリング状の支持部６８に支持された円板形状のサセプタ７４によって半導体ウェハーＷが支持されている。このため、半導体ウェハーＷの周囲は対称的な形状の構造となっている。その結果、フラッシュ光照射時の半導体ウェハーＷの表面におけるフラッシュ光の照度分布の面内均一性が向上し、温度分布の面内均一性も良好なものとすることができる。また、半導体ウェハーＷの周囲が対称的な形状の構造であれば、上部空間６５における処理ガスの流れも対称的となり、これによっても半導体ウェハーＷの面内温度分布の均一性が向上する。
さらに、支持部６８は着脱自在にチャンバー６の内壁面に取り付けられている。このため、昇温した半導体ウェハーＷから放出された物質が付着して支持部６８が変色して汚染された場合であっても、容易に支持部６８を交換して対処することができる。
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、リング状の支持部６８によってチャンバー６の内壁面の上部が覆われてサセプタ７４が支持部６８に吊り下げられるように支持されていたが、サセプタ７４は必ずしも吊り下げられていなくても良い。図８は、支持部の他の例を示す図である。図８において、図１と同一の要素については同一の符合を付している。図８に示す構成が図１と相違するのは支持部の形状である。
図８に示す構成においては、リング状の支持部１６８がチャンバー６の内壁面から突出するように設けられている。支持部１６８は、着脱自在にチャンバー６の内壁面に取り付けられているものの、チャンバー６の内壁面の上部は支持部１６８によって覆われていない。よって、サセプタ７４は吊り下げられるように支持されるのではなく、支持部６８の上面に載せられようにしてサセプタ７４の周縁部が支持されている。
図８のような構成においても、サセプタ７４に半導体ウェハーＷが支持された状態では、上部空間６５と下部空間６７とが概ね分離されることとなる。このため、上記実施形態と同様に、フラッシュ光照射時に巻き上げられたパーティクルが上部空間６５に流れ込んで半導体ウェハーＷの表面に付着して当該半導体ウェハーＷを汚染するのを防止することができる。要するに、チャンバー６の内壁面に取り付けられたリング状の支持部材によって板状のサセプタ７４を支持する形態であれば良い。
また、上記実施形態においては、上部空間６５および下部空間６７ともに窒素が供給されていたが、上部空間６５と下部空間６７とに異なる種類の処理ガスを供給するようにしても良い。例えば、処理対象となる半導体ウェハーＷが高誘電率膜（High-k膜）を形成した半導体基板等である場合には、第１ガス供給機構８１が上部空間６５にアンモニアを供給するとともに、第２ガス供給機構８５が下部空間６７に窒素を供給するようにしても良い。このようにすると、上部空間６５がアンモニア雰囲気とされるとともに、下部空間６７が窒素雰囲気となるのであるが、上部空間６５と下部空間６７とが概ね分離されているため、両空間の雰囲気の混合は最小限に抑制される。
図１，８に示す構成では、熱処理中の半導体ウェハーＷの温度を測定する放射温度計１２０は下部空間６７に設置されている。典型的には、放射温度計１２０は窒素雰囲気で使用するように校正されているのであるが、アンモニアは放射温度計１２０が測定に使用する波長域の一部の赤外線を吸収するため、アンモニア雰囲気にて放射温度計１２０を使用する場合には校正しなおす必要がある。上述のように、半導体ウェハーＷが収容される上部空間６５はアンモニア雰囲気とされているものの、下部空間６７が窒素雰囲気であれば放射温度計１２０の再校正を行うことなくアンモニア雰囲気で処理される半導体ウェハーＷの温度を正確に測定することができる。また、アンモニア雰囲気とされるのは上部空間６５のみであるため、アンモニアの消費量を少なくすることができる。
また、放射温度計１２０を上部空間６５に設けて半導体ウェハーＷの表面の温度を測定するようにしても良い。本実施形態では、チャンバー６の内壁面に取り付けられたリング状の支持部６８によって板状のサセプタ７４を支持している。支持部６８は、アルミニウムまたはステンレススチールにて形成されており、ハロゲンランプＨＬから出射された光に対して不透明である。従って、サセプタ７４に半導体ウェハーＷが支持された状態では、ハロゲンランプＨＬから出射された光は支持部６８および半導体ウェハーＷによって遮光され、その光が上部空間６５に漏れることが抑制される。その結果、上部空間６５に設けられた放射温度計１２０はハロゲンランプＨＬからの光の影響を受けることなく半導体ウェハーＷの温度を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、ハロゲンランプＨＬによる予備加熱後に半導体ウェハーＷにフラッシュランプＦＬからフラッシュ光を照射する熱処理装置１に本発明に係る技術を適用していたが、本発明に係る技術はハロゲンランプのみによって半導体ウェハーＷを加熱する装置（例えば、スパイクアニール装置、ＣＶＤ装置等）やレーザーアニール装置に適用しても良い。
１ 熱処理装置
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
６１ チャンバー側部
６３ 上側チャンバー窓
６４ 下側チャンバー窓
６５ 上部空間
６７ 下部空間
６８，１６８ 支持部
６９ スリット
７４ サセプタ
７５ 保持プレート
７７ 基板支持ピン
８１ 第１ガス供給機構
８５ 第２ガス供給機構
９０ 排気機構
１２０ 放射温度計
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 (5)

  1. 基板に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、
    基板を収容するチャンバーと、
    前記チャンバーの内壁面に取り付けられたリング状の支持部材と、
    前記支持部材に支持された板状の石英のサセプタと、
    前記サセプタ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、
    前記サセプタおよび前記支持部材によって仕切られた前記チャンバー内の上部空間にアンモニアを供給する第１ガス供給機構と、
    前記サセプタおよび前記支持部材によって仕切られた前記チャンバー内の下部空間に窒素を供給する第２ガス供給機構と、
    を備え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、
    前記支持部材は、前記チャンバーの内壁面の上部を覆うように着脱自在に取り付けられることを特徴とする熱処理装置。
  3. 請求項２記載の熱処理装置において、
    前記支持部材の内周面は鏡面とされることを特徴とする熱処理装置。
  4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の熱処理装置において、
    前記支持部材は、アルミニウムまたはステンレススチールにて形成されることを特徴とする熱処理装置。
  5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の熱処理装置において、
    前記サセプタに支持された基板に前記フラッシュランプとは反対側から光を照射するハロゲンランプをさらに備えることを特徴とする熱処理装置。
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