JP6864564B2 - 熱処理方法 - Google Patents

熱処理方法 Download PDF

Info

Publication number
JP6864564B2
JP6864564B2 JP2017114254A JP2017114254A JP6864564B2 JP 6864564 B2 JP6864564 B2 JP 6864564B2 JP 2017114254 A JP2017114254 A JP 2017114254A JP 2017114254 A JP2017114254 A JP 2017114254A JP 6864564 B2 JP6864564 B2 JP 6864564B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
temperature
susceptor
semiconductor wafer
chamber
heat treatment
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2017114254A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2018207067A (ja
Inventor
行雄 小野
行雄 小野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Screen Holdings Co Ltd
Original Assignee
Screen Holdings Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Screen Holdings Co Ltd filed Critical Screen Holdings Co Ltd
Priority to JP2017114254A priority Critical patent/JP6864564B2/ja
Priority to TW107116412A priority patent/TWI712089B/zh
Priority to US16/001,525 priority patent/US10755948B2/en
Priority to KR1020180065939A priority patent/KR102126119B1/ko
Publication of JP2018207067A publication Critical patent/JP2018207067A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6864564B2 publication Critical patent/JP6864564B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/30Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
    • H01L21/324Thermal treatment for modifying the properties of semiconductor bodies, e.g. annealing, sintering
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/26Bombardment with radiation
    • H01L21/263Bombardment with radiation with high-energy radiation
    • H01L21/265Bombardment with radiation with high-energy radiation producing ion implantation
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/26Bombardment with radiation
    • H01L21/263Bombardment with radiation with high-energy radiation
    • H01L21/268Bombardment with radiation with high-energy radiation using electromagnetic radiation, e.g. laser radiation
    • H01L21/2686Bombardment with radiation with high-energy radiation using electromagnetic radiation, e.g. laser radiation using incoherent radiation
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/67Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67005Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67011Apparatus for manufacture or treatment
    • H01L21/67098Apparatus for thermal treatment
    • H01L21/67103Apparatus for thermal treatment mainly by conduction
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/67Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67005Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67011Apparatus for manufacture or treatment
    • H01L21/67098Apparatus for thermal treatment
    • H01L21/67115Apparatus for thermal treatment mainly by radiation
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/67Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67005Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67242Apparatus for monitoring, sorting or marking
    • H01L21/67248Temperature monitoring
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/67Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/683Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere for supporting or gripping
    • H01L21/687Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere for supporting or gripping using mechanical means, e.g. chucks, clamps or pinches
    • H01L21/68714Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere for supporting or gripping using mechanical means, e.g. chucks, clamps or pinches the wafers being placed on a susceptor, stage or support
    • H01L21/6875Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere for supporting or gripping using mechanical means, e.g. chucks, clamps or pinches the wafers being placed on a susceptor, stage or support characterised by a plurality of individual support members, e.g. support posts or protrusions
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/70Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components formed in or on a common substrate or of parts thereof; Manufacture of integrated circuit devices or of parts thereof
    • H01L21/71Manufacture of specific parts of devices defined in group H01L21/70
    • H01L21/76Making of isolation regions between components
    • H01L21/761PN junctions
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/67Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/683Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere for supporting or gripping
    • H01L21/687Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere for supporting or gripping using mechanical means, e.g. chucks, clamps or pinches
    • H01L21/68714Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere for supporting or gripping using mechanical means, e.g. chucks, clamps or pinches the wafers being placed on a susceptor, stage or support

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Container, Conveyance, Adherence, Positioning, Of Wafer (AREA)

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、例えば特許文献1には、半導体ウェハーの表面側にフラッシュランプを配置し、裏面側にハロゲンランプを配置し、それらの組み合わせによって所望の熱処理を行うものが開示されている。特許文献1に開示の熱処理装置においては、ハロゲンランプによって半導体ウェハーをある程度の温度まで予備加熱し、その後フラッシュランプからのフラッシュ光照射によって半導体ウェハーの表面を所望の処理温度にまで昇温している。
特開2010−225645号公報
一般に、熱処理に限らず半導体ウェハーの処理はロット(同一条件にて同一内容の処理を行う対象となる1組の半導体ウェハー)単位で行われる。枚葉式の基板処理装置では、ロットを構成する複数枚の半導体ウェハーに対して連続して順次に処理が行われる。フラッシュランプアニール装置においても、ロットを構成する複数の半導体ウェハーが1枚ずつチャンバーに搬入されて順次に熱処理が行われる。
稼働停止状態のフラッシュランプアニール装置がロットの処理を開始する場合、概ね室温のチャンバーにロットの最初の半導体ウェハーが搬入されて加熱処理が行われることとなる。加熱処理時には、チャンバー内にてサセプタに支持された半導体ウェハーが所定温度に予備加熱され、さらにフラッシュ加熱によってウェハー表面が処理温度にまで昇温される。その結果、昇温した半導体ウェハーからサセプタ等のチャンバー内構造物に熱伝導が生じ、そのサセプタ等の温度も上昇することとなる。このような、半導体ウェハーの加熱処理に伴うサセプタ等の温度上昇は、ロットの最初から数枚程度継続し、やがて約10枚の半導体ウェハーの加熱処理が行われたときにサセプタの温度は一定の安定温度に到達する。すなわち、ロットの最初の半導体ウェハーは室温のサセプタに保持されて処理されるのに対して、10枚目以降の半導体ウェハーは安定温度に昇温しているサセプタに保持されて処理されるのである。
従って、ロットを構成する複数の半導体ウェハーの温度履歴が不均一になるという問題が生じる。特に、ロットの最初から数枚程度の半導体ウェハーについては、比較的低温のサセプタに支持されて処理されるため、フラッシュ光照射時の表面到達温度が処理温度に届かないおそれもある。また、低温のサセプタに保持された半導体ウェハーにフラッシュ光を照射したときに、サセプタと半導体ウェハーとの温度差によってウェハー反りが生じることもあり、その結果として半導体ウェハーが破損するおそれもある。
このため、従来より、ロットの処理を開始する前に、処理対象ではないダミーウェハーをチャンバー内に搬入してサセプタに保持し、処理対象のロットと同一条件にて予備加熱およびフラッシュ加熱処理を行うことにより、事前にサセプタ等のチャンバー内構造物を昇温しておくことが行われていた(ダミーランニング)。約10枚程度のダミーウェハーについて予備加熱およびフラッシュ加熱処理を行うことにより、サセプタ等のチャンバー内構造物が安定温度に到達するので、その後処理対象となるロットの最初の半導体ウェハーの処理を開始する。このようにすれば、ロットを構成する複数の半導体ウェハーの温度履歴が均一になるとともに、サセプタと半導体ウェハーとの温度差に起因したウェハー反りを防止することもできる。
しかしながら、このようなダミーランニングは、処理とは無関係なダミーウェハーを消費するだけでなく、10枚程度のダミーウェハーにフラッシュ加熱処理を行うのに相当の時間を要するため、フラッシュランプアニール装置の効率的な運用が妨げられるという問題があった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、ダミーランニングを省略することができる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、チャンバー内に基板を搬入してサセプタに載置する搬入工程と、前記サセプタに載置された基板にハロゲンランプから光を照射する光照射工程と、ロットの最初の基板が前記チャンバー内に搬入される前に、前記サセプタに予熱用基板を載置し、前記ハロゲンランプからの光照射によって前記予熱用基板を加熱して前記サセプタを予熱する予熱工程と、を備え、前記サセプタを予熱することなく、ロットの複数の基板に連続して前記ハロゲンランプから光を照射して加熱することにより前記サセプタの温度が上昇して一定となったときの前記サセプタの温度を安定温度とし、前記予熱工程では、前記安定温度よりも高い温度に前記サセプタを予熱し、前記予熱工程の後、前記サセプタの温度を前記安定温度に所定時間維持する安定化工程をさらに備え、前記安定化工程の後、前記予熱用基板を前記チャンバーから搬出す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、前記予熱工程では、前記予熱用基板を前記安定温度よりも高い予熱温度に所定時間維持す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、前記安定化工程の後、前記ハロゲンランプからの光照射を停止して前記サセプタが所定温度にまで降温した時点で前記予熱用基板を前記チャンバーから搬出するとともに前記ロットの最初の基板を前記チャンバーに搬入して前記サセプタに載置す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、前記予熱用基板の放射率は前記ロットの基板の放射率よりも高いことを特徴とする。
請求項1から請求項4の発明によれば、ロットの最初の基板がチャンバー内に搬入される前に、サセプタに予熱用基板を載置し、ハロゲンランプからの光照射によって予熱用基板を加熱してサセプタを安定温度よりも高い温度に予熱するため、サセプタ以外のチャンバー内構造物をも基板の定常処理時の温度に短時間で予熱することができ、ダミーランニングを省略してもロットを構成する全ての基板について温度履歴を均一にすることができる。また、サセプタを安定温度よりも高い温度に予熱した後、サセプタの温度を安定温度に所定時間維持するため、サセプタを含むチャンバー内構造物の温度を基板の定常処理時の温度に安定化させることができる。
特に、請求項3の発明によれば、サセプタの温度を安定温度に所定時間維持した後、ハロゲンランプからの光照射を停止してサセプタが所定温度にまで降温した時点で予熱用基板をチャンバーから搬出するとともにロットの最初の基板をチャンバーに搬入してサセプタに載置するため、ロットを構成する基板の温度履歴をより均一にすることができる。
特に、請求項4の発明によれば、予熱用基板の放射率はロットの基板の放射率よりも高いため、予熱用基板はハロゲンランプから照射された光を効率良く吸収して急速に昇温する。
本発明に係る熱処理方法に使用す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。 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。 半導体ウェハーの処理枚数とサセプタの温度との相関を示す図である。 サセプタの温度変化を示す図である。
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方法を実施するための熱処理装置について説明する。図1は、本発明に係る熱処理方法に使用する熱処理装置1の構成を示す縦断面図である。図1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(本実施形態ではφ300mm)。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。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、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、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は処理ガス供給源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、処理ガス供給源85から緩衝空間82に処理ガスが送給される。緩衝空間82に流入した処理ガスは、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。処理ガスとしては、例えば窒素(N)等の不活性ガス、または、水素(H)、アンモニア(NH)等の反応性ガス、或いはそれらを混合した混合ガスを用いることができる(本実施形態では窒素ガス)。
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、処理ガス供給源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。保持部7は、基台リング71、連結部72およびサセプタ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は円環形状から一部が欠落した円弧形状の石英部材である。この欠落部分は、後述する移載機構10の移載アーム11と基台リング71との干渉を防ぐために設けられている。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)。基台リング71の上面に、その円環形状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。
サセプタ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。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φ270mm)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。
図2に戻り、基台リング71に立設された4個の連結部72とサセプタ74の保持プレート75の周縁部とが溶接によって固着される。すなわち、サセプタ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いる。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、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、チャンバー6に装着された保持部7のサセプタ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。
また、図2および図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を介して半導体ウェハーWの下面から放射された光を受光して当該半導体ウェハーWの温度を測定する。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。移載アーム11およびリフトピン12は石英にて形成されている。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に示すように、チャンバー6には放射温度計120,130および温度センサー140が設けられている。上述した通り、放射温度計120は、サセプタ74に設けられた開口部78を介して半導体ウェハーWの温度を測定する。放射温度計130は、サセプタ74から放射された赤外光を検知してサセプタ74の温度を測定する。一方、温度センサー140は、チャンバー6内の雰囲気温度を測定する。
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。
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熱処理空間65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を介して熱処理空間65への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。保持部7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、上段よりも保持部7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熱処理空間65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。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における処理動作について説明する。まず、処理対象となる半導体ウェハーWに対する通常の熱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)が添加されたシリコンの半導体基板である。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り進行する。
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。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、その供給量は処理工程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を介して処理対象となる半導体ウェハーWがチャンバー6内の熱処理空間65に搬入される。このときには、半導体ウェハーWの搬入にともなって装置外部の雰囲気を巻き込むおそれがあるが、チャンバー6には窒素ガスが供給され続けているため、搬送開口部66から窒素ガスが流出して、そのような外部雰囲気の巻き込みを最小限に抑制することができる。
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74の保持プレート75の上面から突き出て半導体ウェハー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に載置される。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保持部7に保持される。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、すなわち凹部62の内側に退避する。
半導体ウェハーWが石英にて形成された保持部7のサセプタ74によって水平姿勢にて載置された後、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の下面に照射される。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。
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の下面から開口部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、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。
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がサセプタ74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、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、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。
ところで、典型的には、半導体ウェハーWの処理はロット単位で行われる。ロットとは、同一条件にて同一内容の処理を行う対象となる1組の半導体ウェハーWである。本実施形態の熱処理装置1においても、ロットを構成する複数枚(例えば、25枚)の半導体ウェハーWが1枚ずつ順次にチャンバー6に搬入されて加熱処理が行われる。
ここで、しばらく処理を行っていなかった熱処理装置1にて事前にサセプタ74等の予熱を行うことなくロットの処理を開始する場合、概ね室温のチャンバー6にロットの最初の半導体ウェハーWが搬入されてフラッシュ加熱処理が行われることとなる。このような場合は、例えばメンテナンス後に熱処理装置1が起動されてから最初のロットを処理する場合や先のロットを処理した後に長時間が経過した場合などである。加熱処理時には、昇温した半導体ウェハーWからサセプタ74等のチャンバー内構造物に熱伝導が生じるため、初期には室温であったサセプタ74が半導体ウェハーWの処理枚数が増えるにつれて徐々に蓄熱により昇温することとなる。
図8は、半導体ウェハーWの処理枚数とサセプタ74の温度との相関を示す図である。処理開始前には室温であったサセプタ74が半導体ウェハーWの処理枚数が増えるにつれて徐々に半導体ウェハーWからの伝熱により昇温し、やがて約10枚の半導体ウェハーWの加熱処理が行われたときにサセプタ74の温度が一定の安定温度Tsに到達する。安定温度Tsに到達したサセプタ74では、半導体ウェハーWからサセプタ74への伝熱量とサセプタ74からの放熱量とが均衡する。サセプタ74の温度が安定温度Tsに到達するまでは、半導体ウェハーWからの伝熱量がサセプタ74からの放熱量よりも多いため、半導体ウェハーWの処理枚数が増えるにつれてサセプタ74の温度が徐々に蓄熱により上昇する。これに対して、サセプタ74の温度が安定温度Tsに到達した後は、半導体ウェハーWからの伝熱量とサセプタ74からの放熱量とが均衡するため、サセプタ74の温度は一定の安定温度Tsに維持されることとなる。
このように室温のチャンバー6にて処理を開始すると、ロットの初期の半導体ウェハーWと途中からの半導体ウェハーWとでサセプタ74等のチャンバー内構造物の温度が異なることに起因して温度履歴が不均一になるという問題があった。それに加えて、初期の半導体ウェハーWについては低温のサセプタ74に支持されてフラッシュ加熱処理が行われるためにウェハー反りが生じることもあった。このため、既述したように、従来では、ロットの処理を開始する前に、処理対象ではないダミーウェハーを10枚程度順次にチャンバー6内に搬入して処理対象の半導体ウェハーWと同様の予備加熱処理およびフラッシュ加熱処理を行ってサセプタ74等のチャンバー内構造物を安定温度Tsに昇温するダミーランニングが実施されていた。このようなダミーランニングは、処理とは無関係なダミーウェハーを消費するだけでなく、相当の時間(10枚のダミーウェハーを処理するのに約15分)を要するため、熱処理装置1の効率的な運用を阻害することも既述した通りである。
そこで、本実施形態においては、生産用のロットの最初の半導体ウェハーWがチャンバー6内に搬入される前に、予熱用基板を室温のチャンバー6に搬入してサセプタ74に載置し、ハロゲンランプHLからの光照射によって当該予熱用基板を加熱してサセプタ74を予熱している。予熱用基板は、上記の半導体ウェハーWと同様のサイズおよび形状を有する(本実施形態ではφ300mmの円板形状)。但し、予熱用基板の放射率はシリコンの半導体ウェハーWの放射率よりも高い。すなわち、予熱用基板は、シリコンよりも放射率の高い材料(例えば、シリコンカーバイド(SiC))にて形成されている。
予熱用基板のチャンバー6への搬入手順は、上述した半導体ウェハーWの搬入手順と同じである。すなわち、装置外部の搬送ロボットによって予熱用基板がチャンバー6内に搬入され、移載機構10のリフトピン12が予熱用基板を受け取る。そして、リフトピン12が下降することにより、予熱用基板がサセプタ74に載置される。
予熱用基板がサセプタ74に載置された後、ハロゲン加熱部4の40本のハロゲンランプHLから予熱用基板に光照射を行って当該予熱用基板を加熱する。ハロゲンランプHLからの光照射によって昇温した予熱用基板から石英のサセプタ74に熱伝導が生じてサセプタ74が予熱される。
図9は、サセプタ74の温度変化を示す図である。予熱用基板が室温のサセプタ74に載置された後、時刻t1にハロゲンランプHLからの光照射が開始される。ハロゲンランプHLからの光照射を受けることによって予熱用基板が加熱されて昇温する。そして、昇温した予熱用基板からの熱伝導によってサセプタ74が予熱されてその温度が室温から上昇する。サセプタ74の温度は放射温度計130によって測定されている。測定されたサセプタ74の温度は制御部3に伝達される。制御部3は、放射温度計130による測定値に基づいて、サセプタ74の温度が予熱温度Tv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。予熱温度Tvは上述した安定温度Tsよりも高い温度である。例えば、安定温度Tsが400℃であれば、予熱温度Tvは500℃とされる。
時刻t2にサセプタ74の温度が予熱温度Tvに到達した時点にて、制御部3がハロゲンランプHLの出力を調整してサセプタ74の温度をほぼ予熱温度Tvに維持する。換言すれば、サセプタ74の温度が予熱温度Tvを維持するように、制御部3がハロゲンランプHLの出力を制御する。サセプタ74が予熱温度Tvに昇温されると、そのサセプタ74からの熱放射や熱伝導によって、移載アーム11やチャンバー側部61等のサセプタ74以外のチャンバー内構造物も予熱されることとなる。
次に、サセプタ74の温度が予熱温度Tvに到達してから所定時間が経過した時刻t3に、制御部3がハロゲンランプHLの出力を低下させてサセプタ74を降温させる。そして、時刻t4にサセプタ74の温度が安定温度Tsにまで降温した時点にて、制御部3がハロゲンランプHLの出力を調整してサセプタ74の温度をほぼ安定温度Tsに維持する。すなわち、サセプタ74の温度が安定温度Tsを維持するように、制御部3がハロゲンランプHLの出力を制御する。
安定温度Tsは、サセプタ74を予熱することなく、チャンバー6内にてロットの複数の半導体ウェハーWに連続してハロゲンランプHLから光を照射して加熱処理を行うことにより、サセプタ74の温度が上昇して一定となったときの当該サセプタ74の温度である。安定温度Tsの値は、特に限定されるものではなく、ロットを構成する半導体ウェハーWの予備加熱温度T1に応じて異なる。このような安定温度Tsは、予め実験またはシミュレーション等によって求めて制御部3の記憶部に格納しておけば良い。
サセプタ74の温度が安定温度Tsに維持されることによって、移載アーム11等のサセプタ74以外のチャンバー内構造物も半導体ウェハーWの定常処理時の温度に安定化される。なお、予熱用基板が予熱温度Tvに維持される時間(時刻t2から時刻t3までの時間)は例えば約1分であり、予熱用基板が安定温度Tsに維持される時間(時刻t4から時刻t5までの時間)は例えば約4分である。
その後、サセプタ74の温度が安定温度Tsに到達してから所定時間が経過した時刻t5に、制御部3がハロゲンランプHLからの光照射を停止させる。ハロゲンランプHLが光照射を停止することによって、サセプタ74の温度が降温する。そして、時刻t6にサセプタ74の温度が入替温度Twにまで降温した時点で予熱用基板をチャンバー6から搬出するとともに、生産用のロットの最初の半導体ウェハーWをチャンバー6内に搬入してサセプタ74に載置する。具体的には、時刻t6に、移載機構10のリフトピン12が予熱用基板を突き上げて装置外部の搬送ロボットが当該予熱用基板を受け取って搬出する。続いて、装置外部の搬送ロボットによってチャンバー6内に搬入された生産用のロットの最初の半導体ウェハーWが移載機構10によってサセプタ74に載置される。その後、ロットの最初の半導体ウェハーWに対しては上述した手順に従って予備加熱処理およびフラッシュ加熱処理が行われる。
入替温度Twは、ロットを構成する半導体ウェハーWの定常処理時に、加熱処理後の半導体ウェハーWを未処理の半導体ウェハーWと入れ替えるためにチャンバー6から搬出するときのサセプタ74の温度である。上述した通り、半導体ウェハーWのフラッシュ加熱処理が終了した後にハロゲンランプHLが消灯してサセプタ74の温度も降温する。そして、その加熱処理後の半導体ウェハーWをチャンバー6から搬出するときのサセプタ74の温度が入替温度Twである。
本実施形態においては、生産用のロットの最初の半導体ウェハーWがチャンバー6内に搬入される前に、予熱用基板をサセプタ74に載置し、その予熱用基板をハロゲンランプHLからの光照射で加熱することによってサセプタ74を予熱している。そして、サセプタ74を安定温度Tsよりも高温の予熱温度Tvに昇温している。ここで、サセプタ74のみを予熱するのであれば、単純にサセプタ74を安定温度Tsにまで昇温すれば足りるようにも考えられる。しかし、目標温度を安定温度Tsとしてサセプタ74を予熱すると、サセプタ74を安定温度Tsに昇温させるまでに相応の時間を要することとなり、ダミーランニングに要していた時間から顕著に短縮することは難しい。また、単にサセプタ74を安定温度Tsに昇温しただけでは、移載アーム11やチャンバー側部61等のサセプタ74以外のチャンバー内構造物を半導体ウェハーWの定常処理時の温度にまで加熱するのにも長時間を要する。
このため、本実施形態のように、サセプタ74を安定温度Tsよりも高温の予熱温度Tvに予熱することによって、サセプタ74を短時間で安定温度Ts以上に昇温できるとともに、移載アーム11等のサセプタ74以外のチャンバー内構造物をもサセプタ74からの熱放射によって半導体ウェハーWの定常処理時の温度に短時間で予熱することができる。これにより、予熱後にロットの最初の半導体ウェハーWの処理を開始すれば、ロットを構成する全ての半導体ウェハーWにわたってサセプタ74等のチャンバー内構造物が概ね等しい温度となり、温度履歴を均一にすることができる。また、ロットの初期の半導体ウェハーWについても、安定温度Tsに昇温したサセプタ74によって支持されるため、サセプタ74と半導体ウェハーWとの温度差に起因したウェハー反りを防止することができる。すなわち、従来のような数枚のダミーウェハーに加熱処理を行うダミーランニングよりも短時間にてサセプタ74等のチャンバー内構造物を予熱して生産用のロットの処理を開始することができるのである。そして、ダミーランニングを省略してもロットを構成する全ての半導体ウェハーWについて温度履歴を均一にすることができ、基板処理装置1の効率的な運用が可能となる。
また、サセプタ74を安定温度Tsよりも高温の予熱温度Tvに昇温した後、サセプタ74の温度を安定温度Tsに維持しているため、サセプタ74を含むチャンバー内構造物の温度を半導体ウェハーWの定常処理時の温度に安定化させることができる。
また、サセプタ74の温度を安定温度Tsに維持した後、ハロゲンランプHLからの光照射を停止してサセプタ74が入替温度Twにまで降温した時点で予熱用基板をチャンバー6から搬出するとともにロットの最初の半導体ウェハーWをチャンバー6内に搬入している。このため、当該最初の半導体ウェハーWがチャンバー6内に搬入されたときのサセプタ74の温度は、半導体ウェハーWの定常処理時に未処理の半導体ウェハーWがチャンバー6内に搬入されるときのサセプタ74の温度と等しく、ロットを構成する半導体ウェハーWの温度履歴をより均一にすることができる。
さらに、本実施形態においては、予熱用基板の放射率がロットの半導体ウェハーWの放射率よりも高い。従って、予熱時に予熱用基板はハロゲンランプHLから照射された光を効率良く吸収して急速に昇温する。
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、予熱用基板をシリコンカーバイドにて形成していたが、これに限定されるものではなく、例えばシリコンの半導体基板の表面にシリコンナイトライド(Si)の膜を成膜して予熱用基板としても良い。表面にシリコンナイトライドを成膜した予熱用基板の放射率もシリコンの半導体ウェハーWの放射率より高い。また、シリコンの半導体基板の表面に高濃度の不純物(ドーパント)の膜を成膜したり、高濃度の不純物(ドーパント)を注入して予熱用基板としても良い。かかる予熱用基板の放射率も単なるシリコンの半導体ウェハーWの放射率より高い。さらに、シリコンの半導体基板を予熱用基板として用いるようにしても良い。もっとも、シリコンよりも放射率の高い予熱用基板を用いた方が予熱用基板を短時間で昇温させることができるため好適である。
また、上記実施形態においては、放射温度計130によるサセプタ74の温度測定値に基づいて、制御部3がハロゲンランプHLの出力を制御していたが、放射温度計120による予熱用基板の温度測定値または温度センサー140によるチャンバー6内の雰囲気温度の測定値に基づいて制御部3がハロゲンランプHLの出力を制御するようにしても良い。或いは、放射温度計120,放射温度計130および温度センサー140のうちの複数の温度測定値に基づいて制御部3がハロゲンランプHLの出力を制御するようにしても良い。
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、熱処理装置1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、高誘電率ゲート絶縁膜(High-k膜)の熱処理、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。特に、チャンバーの下方にハロゲンランプを配置し、半導体ウェハーの裏面から光照射を行って熱処理を行うバックサイドアニール装置に本発明に係る技術は好適に適用することができる。
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
7 保持部
10 移載機構
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
75 保持プレート
77 基板支持ピン
120,130 放射温度計
140 温度センサー
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 (4)

  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、
    チャンバー内に基板を搬入してサセプタに載置する搬入工程と、
    前記サセプタに載置された基板にハロゲンランプから光を照射する光照射工程と、
    ロットの最初の基板が前記チャンバー内に搬入される前に、前記サセプタに予熱用基板を載置し、前記ハロゲンランプからの光照射によって前記予熱用基板を加熱して前記サセプタを予熱する予熱工程と、
    を備え、
    前記サセプタを予熱することなく、ロットの複数の基板に連続して前記ハロゲンランプから光を照射して加熱することにより前記サセプタの温度が上昇して一定となったときの前記サセプタの温度を安定温度とし、
    前記予熱工程では、前記安定温度よりも高い温度に前記サセプタを予熱し、
    前記予熱工程の後、前記サセプタの温度を前記安定温度に所定時間維持する安定化工程をさらに備え、
    前記安定化工程の後、前記予熱用基板を前記チャンバーから搬出す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、
    前記予熱工程では、前記予熱用基板を前記安定温度よりも高い予熱温度に所定時間維持す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記載の熱処理方法において、
    前記安定化工程の後、前記ハロゲンランプからの光照射を停止して前記サセプタが所定温度にまで降温した時点で前記予熱用基板を前記チャンバーから搬出するとともに前記ロットの最初の基板を前記チャンバーに搬入して前記サセプタに載置す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、
    前記予熱用基板の放射率は前記ロットの基板の放射率よりも高いことを特徴とする熱処理方法。
JP2017114254A 2017-06-09 2017-06-09 熱処理方法 Active JP6864564B2 (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017114254A JP6864564B2 (ja) 2017-06-09 2017-06-09 熱処理方法
TW107116412A TWI712089B (zh) 2017-06-09 2018-05-15 熱處理方法
US16/001,525 US10755948B2 (en) 2017-06-09 2018-06-06 Heat treatment method by light irradiation
KR1020180065939A KR102126119B1 (ko) 2017-06-09 2018-06-08 열처리 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017114254A JP6864564B2 (ja) 2017-06-09 2017-06-09 熱処理方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2018207067A JP2018207067A (ja) 2018-12-27
JP6864564B2 true JP6864564B2 (ja) 2021-04-28

Family

ID=64564330

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2017114254A Active JP6864564B2 (ja) 2017-06-09 2017-06-09 熱処理方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US10755948B2 (ja)
JP (1) JP6864564B2 (ja)
KR (1) KR102126119B1 (ja)
TW (1) TWI712089B (ja)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6847610B2 (ja) * 2016-09-14 2021-03-24 株式会社Screenホールディングス 熱処理装置
JP7041594B2 (ja) * 2018-06-20 2022-03-24 株式会社Screenホールディングス 熱処理装置
JP7256034B2 (ja) * 2019-03-04 2023-04-11 株式会社Screenホールディングス 熱処理装置および熱処理方法
JP7312020B2 (ja) * 2019-05-30 2023-07-20 株式会社Screenホールディングス 熱処理方法および熱処理装置
JP7460394B2 (ja) * 2020-02-28 2024-04-02 株式会社Screenホールディングス 熱処理方法
US12020958B2 (en) 2020-02-28 2024-06-25 SCREEN Holdings Co., Ltd. Light irradiation type heat treatment method
JP7508303B2 (ja) 2020-07-31 2024-07-01 株式会社Screenホールディングス 熱処理方法

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4144057B2 (ja) * 1997-12-11 2008-09-03 旭硝子株式会社 半導体製造装置用部材
JP2001127057A (ja) * 1999-10-29 2001-05-11 Applied Materials Inc 半導体製造装置における基板加熱方法
US7231141B2 (en) * 2001-04-23 2007-06-12 Asm America, Inc. High temperature drop-off of a substrate
JP3982402B2 (ja) * 2002-02-28 2007-09-26 東京エレクトロン株式会社 処理装置及び処理方法
US20080220150A1 (en) * 2007-03-05 2008-09-11 Applied Materials, Inc. Microbatch deposition chamber with radiant heating
US8110435B2 (en) * 2008-12-18 2012-02-07 Jusung Engineering Co., Ltd. Method and apparatus for manufacturing semiconductor device
JP2010225645A (ja) 2009-03-19 2010-10-07 Dainippon Screen Mfg Co Ltd 熱処理装置
US9401271B2 (en) * 2012-04-19 2016-07-26 Sunedison Semiconductor Limited (Uen201334164H) Susceptor assemblies for supporting wafers in a reactor apparatus
JP6560550B2 (ja) 2015-07-06 2019-08-14 株式会社Screenホールディングス 熱処理方法および熱処理装置
JP6539568B2 (ja) 2015-11-04 2019-07-03 株式会社Screenホールディングス 熱処理方法および熱処理装置
CN108028213B (zh) * 2015-12-30 2021-12-21 玛特森技术公司 用于毫秒退火系统的预热方法

Also Published As

Publication number Publication date
US20180358234A1 (en) 2018-12-13
TWI712089B (zh) 2020-12-01
KR20180134769A (ko) 2018-12-19
JP2018207067A (ja) 2018-12-27
KR102126119B1 (ko) 2020-06-23
US10755948B2 (en) 2020-08-25
TW201903903A (zh) 2019-01-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6837871B2 (ja) 熱処理方法
JP6864564B2 (ja) 熱処理方法
JP6944347B2 (ja) 熱処理装置および熱処理方法
US20170140976A1 (en) Heat treatment apparatus for heating substrate by irradiation with flash light
JP6837911B2 (ja) 熱処理装置
JP6894256B2 (ja) 熱処理方法および熱処理装置
JP6845730B2 (ja) 熱処理装置
JP6960344B2 (ja) 熱処理方法および熱処理装置
JP2016225429A (ja) 熱処理装置
KR102093007B1 (ko) 열처리 장치
TW201740438A (zh) 熱處理用承載器及熱處理裝置
JP2021082684A (ja) 熱処理装置
JP2022026758A (ja) 熱処理方法
JP7032947B2 (ja) 熱処理方法
JP6982446B2 (ja) 熱処理装置
JP6814572B2 (ja) 熱処理装置
JP6539498B2 (ja) 熱処理装置
JP2021136376A (ja) 熱処理方法
JP2022106561A (ja) 熱処理装置および熱処理方法
JP2022045565A (ja) 熱処理装置
JP6899248B2 (ja) 熱処理装置
JP2020136307A (ja) 熱処理方法および熱処理装置
WO2021049283A1 (ja) 熱処理方法および熱処理装置
KR102303332B1 (ko) p형 질화갈륨계 반도체의 제조 방법 및 열처리 방법
JP6791693B2 (ja) 熱処理装置

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20191223

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20201113

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20201124

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20210120

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20210309

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20210402

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6864564

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250