JP7208100B2 - 熱処理装置および熱処理方法 - Google Patents

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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、極めて短時間で半導体ウェハーを加熱する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、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。
このようなフラッシュランプアニールは、極短時間の加熱が必要とされる処理、例えば典型的には半導体ウェハーに注入された不純物の活性化に利用される。イオン注入法によって不純物が注入された半導体ウェハーの表面にフラッシュランプからフラッシュ光を照射すれば、当該半導体ウェハーの表面を極短時間だけ活性化温度にまで昇温することができ、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。
フラッシュランプから照射されるフラッシュ光は照射時間が極めて短く強度の強い光パルスであるため、フラッシュ光照射時には半導体ウェハーを収容しているチャンバー内の構造物や気体が急速に加熱され、瞬間的な気体膨張と続く収縮とが生じる。その結果、チャンバー内にはパーティクルが巻き上がって飛散することとなる。特許文献１には、このようなフラッシュ光照射時の現象を利用し、半導体ウェハーを収容していない空のチャンバーに意図的にフラッシュ光を複数回照射してチャンバー内にパーティクルを飛散させるとともに、チャンバー内に窒素ガスの気流を形成してパーティクルをチャンバー外に排出する技術が開示されている。
特開２００５－７２２９１号公報
しかしながら、フラッシュ光照射時にパーティクルが巻き上がってチャンバー内に飛散する現象は、処理対象の半導体ウェハーにフラッシュ加熱を行うときにも生じる。そして、このような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に処理チャンバー内に飛散したパーティクルが基板に付着するのを防止する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、基板を収容して当該基板に加熱処理を行う処理チャンバーと、前記処理チャンバー内にて基板を保持する保持部と、前記処理チャンバーに収容されている基板にフラッシュ光を照射するフラッシュランプと、前記処理チャンバーに処理ガスを供給するガス供給部と、前記処理チャンバーの開口部から前記処理チャンバーに対して基板の搬入および搬出を行う搬送ロボットを収容する搬送チャンバーと、前記保持部を挟んで前記開口部と対向する前記処理チャンバーの壁面に設けられた排気口から前記処理チャンバー内の雰囲気を排気する排気部と、を備え、前記開口部と前記保持部に保持された基板の上方と前記排気口とが一列に並ぶとともに、前記処理チャンバーに収容されている基板にフラッシュ光が照射されてから当該基板と後続の基板との交換が完了するまでの間の照射後期間では、前記搬送チャンバー内の圧力を前記処理チャンバー内の圧力よりも高く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装置において、前記照射後期間では、前記搬送チャンバー内の圧力は大気圧よりも高く、前記処理チャンバー内の圧力は大気圧よりも低いことを特徴とする。
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装置において、前記処理チャンバーに収容されている基板にフラッシュ光が照射される前よりも当該フラッシュ光が照射された後の方が前記ガス供給部が前記処理チャンバーに供給する処理ガスの流量が大きいことを特徴とする。
また、請求項４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方法において、搬送チャンバーに収容された搬送ロボットが処理チャンバーの開口部から前記処理チャンバーに第１基板を搬入する搬入工程と、前記処理チャンバー内にて保持部に保持された第１基板にフラッシュランプからフラッシュ光を照射する照射工程と、前記搬送ロボットが前記処理チャンバーの前記開口部から第１基板を搬出するとともに、前記開口部から前記処理チャンバーに第２基板を搬入する交換工程と、を備え、前記開口部と前記保持部に保持された第１基板の上方と前記処理チャンバー内の雰囲気を排気する排気口とが一列に並ぶとともに、前記処理チャンバーに収容されている第１基板にフラッシュ光が照射されてから第１基板と第２基板との交換が完了するまでの間の照射後期間では、前記搬送チャンバー内の圧力を前記処理チャンバー内の圧力よりも高くすることを特徴とする。
また、請求項５の発明は、請求項４の発明に係る熱処理方法において、前記照射後期間では、前記搬送チャンバー内の圧力は大気圧よりも高く、前記処理チャンバー内の圧力は大気圧よりも低いことを特徴とする。
また、請求項６の発明は、請求項４または請求項５の発明に係る熱処理方法において、前記処理チャンバーに収容されている第１基板にフラッシュ光が照射される前よりも当該フラッシュ光が照射された後の方が前記処理チャンバーに供給される処理ガスの流量が大きいことを特徴とする。
請求項１から請求項３の発明によれば、処理チャンバーの開口部と保持部に保持された基板の上方と排気口とが一列に並ぶとともに、基板にフラッシュ光が照射されてから当該基板と後続の基板との交換が完了するまでの間の照射後期間では、搬送チャンバー内の圧力を処理チャンバー内の圧力よりも高くするため、開口部が開放されたときには、開口部から基板の上方を経て排気口へと向かう一方向の気流が形成され、フラッシュ光照射時に処理チャンバー内に飛散したパーティクルが押し流されて当該パーティクルが基板に付着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、基板にフラッシュ光が照射される前よりも当該フラッシュ光が照射された後の方が処理チャンバーに供給する処理ガスの流量が大きいため、開口部が開放されたときには、より効率良く処理チャンバー内に飛散したパーティクルを押し流すことができる。
請求項４から請求項６の発明によれば、処理チャンバーの開口部と保持部に保持された第１基板の上方と排気口とが一列に並ぶとともに、第１基板にフラッシュ光が照射されてから第１基板と第２基板との交換が完了するまでの間の照射後期間では、搬送チャンバー内の圧力を処理チャンバー内の圧力よりも高くするため、開口部が開放されたときには、開口部から基板の上方を経て排気口へと向かう一方向の気流が形成され、フラッシュ光照射時に処理チャンバー内に飛散したパーティクルが押し流されて当該パーティクルが基板に付着するのを防止することができる。
特に、請求項６の発明によれば、第１基板にフラッシュ光が照射される前よりも当該フラッシュ光が照射された後の方が処理チャンバーに供給される処理ガスの流量が大きいため、開口部が開放されたときには、より効率良く処理チャンバー内に飛散したパーティクルを押し流すことができる。
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。 熱処理部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。 半導体ウェハーの温度変化並びにチャンバー内の圧力および流量変化を示す図である。 搬送チャンバーから処理チャンバーへと向かう気流を説明する図である。
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装置の全体構成について説明する。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。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。熱処理装置１００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１００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。また、図１～図３の各図においては、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２３０、加熱処理後の半導体ウェハーＷの冷却を行う２つの冷却部１３０，１４０、半導体ウェハーＷにフラッシュ加熱処理を施す熱処理部１６０並びに冷却部１３０，１４０および熱処理部１６０に対して半導体ウェハーＷの受け渡し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、図１の矢印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２３０および２つの冷却部１３０，１４０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２３０または冷却部１３０，１４０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２３０は、Ｙ軸方向に沿ったインデクサ部１０１の側方に接続されて設けられている。アライメント部２３０は、半導体ウェハーＷを水平面内で回転させて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２３０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２３１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。
アライメント部２３０への半導体ウェハーＷの受け渡しは受渡ロボット１２０によって行われる。受渡ロボット１２０からアライメントチャンバー２３１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２３０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半導体ウェハーＷを回転させ、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の向きを調整する。向き調整の終了した半導体ウェハーＷは受渡ロボット１２０によってアライメントチャンバー２３１から取り出される。
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が設けられている。その搬送チャンバー１７０の三方に熱処理部１６０の処理チャンバー６、冷却部１３０の第１クールチャンバー１３１および冷却部１４０の第２クールチャンバー１４１が連通接続されている。
熱処理装置１００の主要部である熱処理部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基板処理部である。この熱処理部１６０の構成についてはさらに後述する。
２つの冷却部１３０，１４０は、概ね同様の構成を備える。冷却部１３０，１４０はそれぞれ、アルミニウム合金製の筐体である第１クールチャンバー１３１，第２クールチャンバー１４１の内部に、金属製の冷却プレートと、その上面に載置された石英板とを備える（いずれも図示省略）。当該冷却プレートは、ペルチェ素子または恒温水循環によって常温（約２３℃）に温調されている。熱処理部１６０にてフラッシュ加熱処理が施された半導体ウェハーＷは、第１クールチャンバー１３１または第２クールチャンバー１４１に搬入されて当該石英板に載置されて冷却される。
第１クールチャンバー１３１および第２クールチャンバー１４１はともに、インデクサ部１０１と搬送チャンバー１７０との間にて、それらの双方に接続されている。第１クールチャンバー１３１および第２クールチャンバー１４１には、半導体ウェハーＷを搬入出するための２つの開口が形設されている。第１クールチャンバー１３１の２つの開口のうちインデクサ部１０１に接続される開口はゲートバルブ１８１によって開閉可能とされている。一方、第１クールチャンバー１３１の搬送チャンバー１７０に接続される開口はゲートバルブ１８３によって開閉可能とされている。すなわち、第１クールチャンバー１３１とインデクサ部１０１とはゲートバルブ１８１を介して接続され、第１クールチャンバー１３１と搬送チャンバー１７０とはゲートバルブ１８３を介して接続されている。
インデクサ部１０１と第１クールチャンバー１３１との間で半導体ウェハーＷの受け渡しを行う際には、ゲートバルブ１８１が開放される。また、第１クールチャンバー１３１と搬送チャンバー１７０との間で半導体ウェハーＷの受け渡しを行う際には、ゲートバルブ１８３が開放される。ゲートバルブ１８１およびゲートバルブ１８３が閉鎖されているときには、第１クールチャンバー１３１の内部が密閉空間となる。
また、第２クールチャンバー１４１の２つの開口のうちインデクサ部１０１に接続される開口はゲートバルブ１８２によって開閉可能とされている。一方、第２クールチャンバー１４１の搬送チャンバー１７０に接続される開口はゲートバルブ１８４によって開閉可能とされている。すなわち、第２クールチャンバー１４１とインデクサ部１０１とはゲートバルブ１８２を介して接続され、第２クールチャンバー１４１と搬送チャンバー１７０とはゲートバルブ１８４を介して接続されている。
インデクサ部１０１と第２クールチャンバー１４１との間で半導体ウェハーＷの受け渡しを行う際には、ゲートバルブ１８２が開放される。また、第２クールチャンバー１４１と搬送チャンバー１７０との間で半導体ウェハーＷの受け渡しを行う際には、ゲートバルブ１８４が開放される。ゲートバルブ１８２およびゲートバルブ１８４が閉鎖されているときには、第２クールチャンバー１４１の内部が密閉空間となる。
処理チャンバー６に隣接して設置された搬送チャンバー１７０に設けられた搬送ロボット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。搬送ロボット１５０は、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を保持する搬送ハンド１５１ａ，１５１ｂが設けられている。これらの搬送ハンド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つの搬送ハンド１５１ａ，１５１ｂを昇降移動させる。
搬送ロボット１５０が第１クールチャンバー１３１、第２クールチャンバー１４１または熱処理部１６０の処理チャンバー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、両搬送ハンド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ハンド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、搬送ハンド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。
搬送ロボット１５０と受渡ロボット１２０との半導体ウェハーＷの受け渡しは冷却部１３０，１４０を介して行うことができる。すなわち、冷却部１３０の第１クールチャンバー１３１および冷却部１４０の第２クールチャンバー１４１は、搬送ロボット１５０と受渡ロボット１２０との間で半導体ウェハーＷを受け渡すためのパスとしても機能するものである。具体的には、搬送ロボット１５０または受渡ロボット１２０のうちの一方が第１クールチャンバー１３１または第２クールチャンバー１４１に渡した半導体ウェハーＷを他方が受け取ることによって半導体ウェハーＷの受け渡しが行われる。搬送ロボット１５０および受渡ロボット１２０によって半導体ウェハーＷをキャリアＣから熱処理部１６０にまで搬送する搬送機構が構成される。
上述したように、第１クールチャンバー１３１および第２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と第１クールチャンバー１３１および第２クールチャンバー１４１との間にはそれぞれゲートバルブ１８３，１８４が設けられている。さらに、搬送チャンバー１７０と熱処理部１６０の処理チャンバー６との間にはゲートバルブ１８５が設けられている。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。
次に、熱処理部１６０の構成について説明する。図３は、熱処理部１６０の構成を示す縦断面図である。熱処理部１６０は、半導体ウェハーＷを収容して加熱処理を行う処理チャンバー６と、複数のフラッシュランプＦＬを内蔵するフラッシュランプハウス５と、複数のハロゲンランプＨＬを内蔵するハロゲンランプハウス４と、を備える。処理チャンバー６の上側にフラッシュランプハウス５が設けられるとともに、下側にハロゲンランプハウス４が設けられている。また、熱処理部１６０は、処理チャンバー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と搬送ロボット１５０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。
処理チャンバー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。処理チャンバー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、フラッシュランプＦＬから出射されたフラッシュ光を処理チャンバー６内に透過する石英窓として機能する。また、処理チャンバー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、ハロゲンランプＨＬからの光を処理チャンバー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。処理チャンバー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、処理チャンバー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、処理チャンバー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、処理チャンバー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、搬送ロボット１５０が搬送開口部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を閉鎖すると処理チャンバー６内の熱処理空間６５が密閉空間とされる。
また、処理チャンバー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は処理チャンバー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の経路途中には給気バルブ８４および流量調整バルブ８６が介挿されている。給気バルブ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。ガス供給管８３を流れる処理ガスの流量は流量調整バルブ８６によって調整される。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、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（本実施形態では窒素）。
一方、処理チャンバー６のチャンバー側部６１には熱処理空間６５内の気体を排気するガス排気口８７が形設されている。ガス排気口８７は、搬送開口部６６から見て処理チャンバー６の後方に形設されている。すなわち、半導体ウェハーＷを保持する保持部７を挟んで搬送開口部６６と対向する処理チャンバー６の壁面にガス排気口８７は設けられている。また、ガス排気口８７は、保持部７に保持された半導体ウェハーＷの上方の側方を含む高さ位置であって凹部６２の奥に設けられる。従って、処理チャンバー６の搬送開口部６６と保持部７に保持された半導体ウェハーＷの上方とガス排気口８７とは一列に並ぶこととなる。
ガス排気口８７はガス排気管８８に連通接続されている。ガス排気管８８は排気部１９０に接続される。ガス排気管８８の経路途中には排気バルブ８９および圧力制御バルブ９０が介挿されている。排気バルブ８９が開放されると、処理チャンバー６内の雰囲気がガス排気口８７からガス排気管８８へと排気される。圧力制御バルブ９０は、処理チャンバー６内の熱処理空間６５が設定圧力となるようにガス排気管８８を流れる排気流量を調整する。なお、処理ガス供給源８５および排気部１９０は、熱処理装置１００に設けられた機構であっても良いし、熱処理装置１００が設置される工場のユーティリティであっても良い。
図４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、処理チャンバー６の壁面に支持されることとなる（図３参照）。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５は、サセプタ７４の平面図である。また、図６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４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が処理チャンバー６の壁面に支持されることによって、保持部７が処理チャンバー６に装着される。保持部７が処理チャンバー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。
処理チャンバー６に搬入された半導体ウェハーＷは、処理チャンバー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４および図５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２０（図３参照）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２０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光を受光してその半導体ウェハー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７は、移載機構１０の平面図である。また、図８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７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７の二点鎖線位置）との間で水平移動させる。移載動作位置はサセプタ７４の下方であり、退避位置はサセプタ７４よりも外方である。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４，５参照）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処理チャンバー６の外部に排出されるように構成されている。
図３に戻り、処理チャンバー６の上方に設けられたフラッシュランプハウス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、フラッシュランプハウス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。フラッシュランプハウス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の石英窓である。フラッシュランプハウス５が処理チャンバー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は処理チャンバー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。
処理チャンバー６の下方に設けられたハロゲンランプハウス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。複数のハロゲンランプＨＬは処理チャンバー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９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、矩形の光源領域に上下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９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、ハロゲンランプＨＬ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。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、ハロゲンランプハウス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３）。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。
上記の構成以外にも熱処理部１６０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ランプハウス４、フラッシュランプハウス５および処理チャンバー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、処理チャンバー６の壁体には水冷管（図示省略）が設けられている。また、ハロゲンランプハウス４およびフラッシュランプハウス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、フラッシュランプハウス５および上側チャンバー窓６３を冷却する。
制御部３は、熱処理装置１００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１００における処理が進行する。なお、図１においては、インデクサ部１０１内に制御部３を示しているが、これに限定されるものではなく、制御部３は熱処理装置１００内の任意の位置に配置することができる。
次に、熱処理装置１００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１００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。
まず、不純物が注入された未処理の半導体ウェハー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から未処理の半導体ウェハーＷを１枚ずつ取り出し、アライメント部２３０のアライメントチャンバー２３１に搬入する。アライメントチャンバー２３１では、半導体ウェハーＷをその中心部を回転中心として水平面内に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の向きを調整する。
次に、インデクサ部１０１の受渡ロボット１２０がアライメントチャンバー２３１から向きの調整された半導体ウェハーＷを取り出し、冷却部１３０の第１クールチャンバー１３１または冷却部１４０の第２クールチャンバー１４１に搬入する。第１クールチャンバー１３１または第２クールチャンバー１４１に搬入された未処理の半導体ウェハーＷは搬送ロボット１５０によって搬送チャンバー１７０に搬出される。未処理の半導体ウェハーＷがインデクサ部１０１から第１クールチャンバー１３１または第２クールチャンバー１４１を経て搬送チャンバー１７０に移送される際には、第１クールチャンバー１３１および第２クールチャンバー１４１は半導体ウェハーＷの受け渡しのためのパスとして機能するのである。
半導体ウェハーＷを取り出した搬送ロボット１５０は熱処理部１６０を向くように旋回する。続いて、ゲートバルブ１８５が処理チャンバー６と搬送チャンバー１７０との間を開放し、搬送ロボット１５０が未処理の半導体ウェハーＷを処理チャンバー６に搬入する。このときに、先行する加熱処理済みの半導体ウェハーＷが処理チャンバー６に存在している場合には、搬送ハンド１５１ａ，１５１ｂの一方によって加熱処理後の半導体ウェハーＷを取り出してから未処理の半導体ウェハーＷを処理チャンバー６に搬入してウェハー入れ替えを行う。その後、ゲートバルブ１８５が処理チャンバー６と搬送チャンバー１７０との間を閉鎖する。
処理チャンバー６に搬入された半導体ウェハーＷには、ハロゲンランプＨＬによって予備加熱が行われた後、フラッシュランプＦＬからのフラッシュ光照射によってフラッシュ加熱処理が行われる。このフラッシュ加熱処理により半導体ウェハーＷに注入された不純物の活性化が行われる。処理チャンバー６における半導体ウェハーＷの処理内容についてはさらに後述する。
フラッシュ加熱処理が終了した後、ゲートバルブ１８５が処理チャンバー６と搬送チャンバー１７０との間を再び開放し、搬送ロボット１５０が処理チャンバー６からフラッシュ加熱処理後の半導体ウェハーＷを搬送チャンバー１７０に搬出する。半導体ウェハーＷを取り出した搬送ロボット１５０は、処理チャンバー６から第１クールチャンバー１３１または第２クールチャンバー１４１に向くように旋回する。また、ゲートバルブ１８５が処理チャンバー６と搬送チャンバー１７０との間を閉鎖する。
その後、搬送ロボット１５０が加熱処理後の半導体ウェハーＷを冷却部１３０の第１クールチャンバー１３１または冷却部１４０の第２クールチャンバー１４１に搬入する。このとき、当該半導体ウェハーＷが加熱処理前に第１クールチャンバー１３１を通ってきている場合には加熱処理後にも第１クールチャンバー１３１に搬入され、加熱処理前に第２クールチャンバー１４１を通ってきている場合には加熱処理後にも第２クールチャンバー１４１に搬入される。第１クールチャンバー１３１または第２クールチャンバー１４１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。熱処理部１６０の処理チャンバー６から搬出された時点での半導体ウェハーＷ全体の温度は比較的高温であるため、これを第１クールチャンバー１３１または第２クールチャンバー１４１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、受渡ロボット１２０が冷却後の半導体ウェハーＷを第１クールチャンバー１３１または第２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。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。
熱処理部１６０における加熱処理について説明を続ける。処理チャンバー６への半導体ウェハーＷの搬入に先立って、給気バルブ８４が開放されるとともに、排気バルブ８９が開放されて処理チャンバー６内に対する給排気が開始される。給気バルブ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、排気バルブ８９が開放されると、ガス排気口８７から処理チャンバー６内の気体が排気される。これにより、処理チャンバー６内に窒素ガスの流れが形成され、処理チャンバー６内が窒素雰囲気とされる。
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、搬送ロボット１５０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が処理チャンバー６内の熱処理空間６５に搬入される。搬送ロボット１５０は、未処理の半導体ウェハーＷを保持する搬送ハンド１５１ａ（または搬送ハンド１５１ｂ）を保持部７の直上位置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。
未処理の半導体ウェハーＷがリフトピン１２に載置された後、搬送ロボット１５０が搬送ハンド１５１ａを熱処理空間６５から退出させ、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が保持部７のサセプタ７４によって水平姿勢にて下方より保持された後、４０本のハロゲンランプＨＬが一斉に点灯して予備加熱（アシスト加熱）が開始される。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２０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２０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２０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、６００℃ないし８００℃程度とされる（本実施の形態では７００℃）。
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２０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。
図１０は、半導体ウェハーＷの温度変化並びに処理チャンバー６内の圧力および流量変化を示す図である。時刻ｔ１にハロゲンランプＨＬが点灯して半導体ウェハーＷの予備加熱が開始され、時刻ｔ２に半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１に到達する。半導体ウェハーＷの温度は時刻ｔ２から時刻ｔ３まで予備加熱温度Ｔ１に維持される。
図１０に示すように、半導体ウェハーＷの予備加熱が実行されている時刻ｔ３までは、処理チャンバー６内の圧力は大気圧ＰＳよりも高い気圧Ｐ１とされている。すなわち、処理チャンバー６内は陽圧とされている。具体的には、圧力制御バルブ９０が処理チャンバー６の圧力が気圧Ｐ１となるように処理チャンバー６からの排気流量を調整する。気圧Ｐ１は、例えば大気圧ＰＳよりも０．６ｋＰａ高い。
また、半導体ウェハーＷの予備加熱が実行されている時刻ｔ３までは、ガス供給孔８１から処理チャンバー６内に供給される窒素ガスの流量が小流量Ｆ２とされている。具体的には、流量調整バルブ８６が処理チャンバー６内に供給する窒素ガスの流量を小流量Ｆ２としている。小流量Ｆ２は、例えば１０リットル／分以上３０リットル／分以下である。
半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１に到達して所定時間が経過した時刻ｔ３にフラッシュランプ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処理チャンバー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処理チャンバー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、フラッシュ加熱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。
続いて、フラッシュ加熱処理が終了した後の時刻ｔ４にはハロゲンランプＨＬも消灯する。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２０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２０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上に載置された処理後の半導体ウェハーＷが搬送開口部６６から搬送ロボット１５０の搬送ハンド１５１ｂ（または搬送ハンド１５１ａ）により搬出される。搬送ロボット１５０は、搬送ハンド１５１ｂをリフトピン１２によって突き上げられた半導体ウェハーＷの直下位置にまで進出させて停止させる。そして、一対の移載アーム１１が下降することにより、フラッシュ加熱後の半導体ウェハーＷが搬送ハンド１５１ｂに渡されて載置される。その後、搬送ロボット１５０が搬送ハンド１５１ｂを処理チャンバー６から退出させて処理後の半導体ウェハーＷを搬出する。
搬送ロボット１５０が処理チャンバー６の搬送開口部６６から先行する処理済みの半導体ウェハーＷを搬出するのに続いて後続の未処理の半導体ウェハーＷを時刻ｔ５に搬送開口部６６から処理チャンバー６内に搬入する。すなわち、時刻ｔ５に処理済みの先行する半導体ウェハーＷと未処理の後続の半導体ウェハーＷとの交換が完了するのである。
図１０に示すように、半導体ウェハーＷにフラッシュ光が照射された時刻ｔ３から半導体ウェハーＷの交換が完了する時刻ｔ５までの間の照射後期間では、処理チャンバー６内の圧力は大気圧ＰＳよりも低い気圧Ｐ２とされている。すなわち、処理チャンバー６内は負圧とされている。具体的には、圧力制御バルブ９０が処理チャンバー６の圧力が気圧Ｐ２となるように処理チャンバー６からの排気流量を調整する。気圧Ｐ２は、例えば大気圧ＰＳよりも０．５ｋＰａ低い。
また、時刻ｔ３から時刻ｔ５までの照射後期間では、ガス供給孔８１から処理チャンバー６内に供給される窒素ガスの流量が大流量Ｆ１とされている。具体的には、流量調整バルブ８６が処理チャンバー６内に供給する窒素ガスの流量を大流量Ｆ１としている。大流量Ｆ１は、例えば５０リットル／分以上１００リットル／分以下である。
さらに、時刻ｔ３から時刻ｔ５までの照射後期間では、搬送チャンバー１７０内の圧力が処理チャンバー６内の圧力よりも高くなるように設定されている。上述のように、照射後期間における処理チャンバー６内の圧力は大気圧ＰＳよりも０．５ｋＰａ低い負圧（気圧Ｐ２）とされている。これに対して、照射後期間における搬送チャンバー１７０内の圧力は大気圧ＰＳよりも例えば１．３ｋＰａ高い陽圧となるように設定されている。搬送チャンバー１７０の圧力は、搬送チャンバー１７０からの排気ラインに設けられた圧力制御バルブによって制御される。
搬送チャンバー１７０内の圧力を処理チャンバー６内の圧力よりも高くするために、時刻ｔ３の直前に搬送チャンバー１７０に供給する窒素ガスの流量を増量している。時刻ｔ３から時刻ｔ５までの照射後期間においては、搬送チャンバー１７０に供給される窒素ガスの流量は処理チャンバー６内に供給される窒素ガスの流量よりも大きい。
ところで、半導体デバイスの製造プロセスにおいては、同じ処理条件にて処理を行う複数（例えば、２５枚）の半導体ウェハーＷからなるロットの単位で処理を行うことが多い。上記の熱処理装置１００においてもロットの単位で熱処理を行う。先のロットの処理が終了してからしばらく後に次のロットの最初の半導体ウェハーＷを処理する段階では、処理チャンバー６内は、窒素ガスがパージされてパーティクルの飛散していない清浄な状態であり、処理チャンバー６内の雰囲気温度も常温である。但し、処理チャンバー６から排出しきれていないパーティクルが処理チャンバー６内の構造物（特に、下側チャンバー窓６４）に堆積している。
ロットの最初の半導体ウェハーＷにフラッシュ光を照射したときに、処理チャンバー６内の構造物および気体が急激に加熱され、瞬間的な気体膨張と続く収縮によって下側チャンバー窓６４等に堆積していたパーティクルが巻き上がって処理チャンバー６内の熱処理空間６５に飛散する。但し、フラッシュ加熱された直後のロットの最初の半導体ウェハーＷの温度は処理チャンバー６内の雰囲気温度よりも高いため、半導体ウェハーＷの表面から上方へと向かう熱対流が発生しており、その最初の半導体ウェハーＷの表面にパーティクルが付着することはない。
しかし、ロットの２枚目の半導体ウェハーＷが処理チャンバー６に搬入されると、その２枚目の半導体ウェハーＷは常温であるため、処理チャンバー６内の雰囲気から半導体ウェハーＷの表面へと向かうような気流が生じて、処理チャンバー６内に飛散していたパーティクルが半導体ウェハーの表面に付着するおそれがある。このようなパーティクル付着による汚染はロットの３枚目以降の半導体ウェハーＷについても同様に生じることとなる。
フラッシュ光照射後に十分な時間をかけて処理チャンバー６に対して大量の窒素ガスを供給するとともに処理チャンバー６から排気を行えば、フラッシュ光照射によって処理チャンバー６内に巻き上がったパーティクルを排出することはできる。ところが、熱処理装置１００におけるスループットを向上させるために、フラッシュ光照射からウェハー交換までの時間を短くした場合には処理チャンバー６内に巻き上がったパーティクルを十分に排出することができず、その結果後続の半導体ウェハーＷにパーティクルが付着することとなる。
本実施形態においては、フラッシュ光が照射された時刻ｔ３から半導体ウェハーＷの交換が完了する時刻ｔ５までの照射後期間では、搬送チャンバー１７０内の圧力が処理チャンバー６内の圧力よりも高くなるようにしている。そして、処理チャンバー６の搬送開口部６６と保持部７に保持された半導体ウェハーＷの上方とガス排気口８７とは一列に並んでいる。これにより、時刻ｔ３から時刻ｔ５までの照射後期間の途中でゲートバルブ１８５によって搬送開口部６６が開放されたときには、搬送チャンバー１７０から搬送開口部６６を経て処理チャンバー６内と向かうような気流が発生することとなる。
図１１は、搬送チャンバー１７０から処理チャンバー６へと向かう気流を説明する図である。時刻ｔ３から時刻ｔ５までの照射後期間においては、搬送チャンバー１７０内の圧力が処理チャンバー６内の圧力よりも高い。また、搬送チャンバー１７０に供給される窒素ガスの流量は処理チャンバー６内に供給される窒素ガスの流量よりも大きい。よって、ゲートバルブ１８５によって搬送開口部６６が開放されたときには、搬送チャンバー１７０内から処理チャンバー６内へと向かうような窒素ガスの気流が生じる。そして、処理チャンバー６の搬送開口部６６と保持部７に保持された半導体ウェハーＷの上方とガス排気口８７とが一列に並んでいるため、図１１の矢印ＡＲ１１に示すような搬送開口部６６から保持部７に保持された半導体ウェハーＷの上方を経てガス排気口８７へと向かう一方向の気流が形成される。時刻ｔ３のフラッシュ光照射によって半導体ウェハーＷの上方に巻き上がったパーティクルは、矢印ＡＲ１１にて示す気流によって押し流されてガス排気口８７から排出される。
本実施形態においては、フラッシュ光照射によって半導体ウェハーＷの上方に巻き上がったパーティクルが一方向の気流によって効率良く処理チャンバー６から排出されるため、フラッシュ光照射時に飛散したパーティクルが後続の半導体ウェハーＷに付着するのを防止することができる。これにより、パーティクルの付着に起因した半導体ウェハーＷの汚染を防止することができる。
また、フラッシュ光照射によって半導体ウェハーＷの上方に巻き上がったパーティクルが一方向の気流によって効率良く押し流されるため、ゲートバルブ１８５によって搬送開口部６６が開放された後短時間で処理チャンバー６内からパーティクルを排出することができる。このため、フラッシュ光照射からウェハー交換までの時間を短くしても（時刻ｔ３から時刻ｔ５までを短くする）、処理チャンバー６内に巻き上がったパーティクルを十分な程度にまで排出することができる。その結果、フラッシュ光照射からウェハー交換までの時間を短縮して熱処理装置１００のスループットを向上させることが可能となる。すなわち、本実施形態のようにすれば、半導体ウェハーＷへのパーティクル付着防止とスループットの向上とを両立させることができるのである。
また、本実施形態においては、フラッシュ光が照射される時刻ｔ３までは処理チャンバー６内に供給される窒素ガスの流量が小流量Ｆ２とされているのに対して、フラッシュ光が照射された時刻ｔ３より後では処理チャンバー６内に供給される窒素ガスの流量が大流量Ｆ１とされる（図１０）。すなわち、半導体ウェハーＷにフラッシュ光が照射される前よりもフラッシュ光が照射された後の方が処理チャンバー６に供給する窒素ガスの流量が大きい。これにより、時刻ｔ３から時刻ｔ５までの照射後期間の途中でゲートバルブ１８５によって搬送開口部６６が開放されたときには、より効率良くパーティクルを処理チャンバー６から排出することができる。
また、フラッシュ光が照射される時刻ｔ３までは処理チャンバー６内の圧力が大気圧ＰＳよりも高い陽圧（気圧Ｐ１）とされているのに対して、フラッシュ光が照射された時刻ｔ３より後では処理チャンバー６内の圧力が大気圧ＰＳよりも低い負圧（気圧Ｐ２）とされている。フラッシュ光が照射された時刻ｔ３から時刻ｔ５までの照射後期間では処理チャンバー６内を負圧とすることにより、処理チャンバー６内における気体が滞留しやすい部分が消滅し、搬送開口部６６が開放されたときにはより効率良くパーティクルを処理チャンバー６から排出することができる。さらに、フラッシュ光が照射される時刻ｔ３まで処理チャンバー６内を陽圧とすることにより、半導体ウェハーＷのフラッシュ加熱前に処理チャンバー６内に外部雰囲気が流入するのを防止することができる。特に、処理チャンバー６内の雰囲気が反応性ガス（例えば、アンモニア）である場合には、反応性ガスの分圧を高めて処理効率を向上させることができる。
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、時刻ｔ３までは処理チャンバー６内の圧力を陽圧とし、時刻ｔ３より後では処理チャンバー６内を負圧としていたが、処理チャンバー６内の圧力は常に大気圧ＰＳよりも低い負圧とするようにしても良い。
また、搬送チャンバー１７０に供給される窒素ガスの流量は常に処理チャンバー６内に供給される窒素ガスの流量よりも大きくても良い。要するに、フラッシュ光が照射された時刻ｔ３から半導体ウェハーＷの交換が完了する時刻ｔ５までの照射後期間において、搬送チャンバー１７０内の圧力が処理チャンバー６内の圧力よりも高ければ良い。これにより、搬送開口部６６が開放されたときには、搬送チャンバー１７０から搬送開口部６６を経て処理チャンバー６内と向かうような気流が発生して処理チャンバー６内に飛散しているパーティクルを押し流すことができる。
また、上記実施形態においては、フラッシュランプハウス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、ハロゲンランプハウス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、１秒以上連続して発光する連続点灯ランプとしてフィラメント方式のハロゲンランプＨＬを用いて半導体ウェハーＷの予備加熱を行っていたが、これに限定されるものではなく、ハロゲンランプＨＬに代えて放電型のアークランプ（例えば、キセノンアークランプ）を連続点灯ランプとして用いて予備加熱を行うようにしても良い。
また、熱処理装置１００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。
３ 制御部
４ ハロゲンランプハウス
５ フラッシュランプハウス
６ 処理チャンバー
７ 保持部
１０ 移載機構
６５ 熱処理空間
６６ 搬送開口部
７４ サセプタ
８１ ガス供給孔
８６ 流量調整バルブ
８７ ガス排気口
９０ 圧力制御バルブ
１００ 熱処理装置
１０１ インデクサ部
１２０ 受渡ロボット
１３０，１４０ 冷却部
１３１ 第１クールチャンバー
１４１ 第２クールチャンバー
１５０ 搬送ロボット
１５１ａ，１５１ｂ 搬送ハンド
１６０ 熱処理部
１７０ 搬送チャンバー
１９０ 排気部
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 (6)

  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、
    基板を収容して当該基板に加熱処理を行う処理チャンバーと、
    前記処理チャンバー内にて基板を保持する保持部と、
    前記処理チャンバーに収容されている基板にフラッシュ光を照射するフラッシュランプと、
    前記処理チャンバーに処理ガスを供給するガス供給部と、
    前記処理チャンバーの開口部から前記処理チャンバーに対して基板の搬入および搬出を行う搬送ロボットを収容する搬送チャンバーと、
    前記保持部を挟んで前記開口部と対向する前記処理チャンバーの壁面に設けられた排気口から前記処理チャンバー内の雰囲気を排気する排気部と、
    を備え、
    前記開口部と前記保持部に保持された基板の上方と前記排気口とが一列に並ぶとともに、
    前記処理チャンバーに収容されている基板にフラッシュ光が照射されてから当該基板と後続の基板との交換が完了するまでの間の照射後期間では、前記搬送チャンバー内の圧力を前記処理チャンバー内の圧力よりも高くす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、
    前記照射後期間では、前記搬送チャンバー内の圧力は大気圧よりも高く、前記処理チャンバー内の圧力は大気圧よりも低いことを特徴とする熱処理装置。
  3. 請求項１または請求項２記載の熱処理装置において、
    前記処理チャンバーに収容されている基板にフラッシュ光が照射される前よりも当該フラッシュ光が照射された後の方が前記ガス供給部が前記処理チャンバーに供給する処理ガスの流量が大きいことを特徴とする熱処理装置。
  4. 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方法であって、
    搬送チャンバーに収容された搬送ロボットが処理チャンバーの開口部から前記処理チャンバーに第１基板を搬入する搬入工程と、
    前記処理チャンバー内にて保持部に保持された第１基板にフラッシュランプからフラッシュ光を照射する照射工程と、
    前記搬送ロボットが前記処理チャンバーの前記開口部から第１基板を搬出するとともに、前記開口部から前記処理チャンバーに第２基板を搬入する交換工程と、
    を備え、
    前記開口部と前記保持部に保持された第１基板の上方と前記処理チャンバー内の雰囲気を排気する排気口とが一列に並ぶとともに、
    前記処理チャンバーに収容されている第１基板にフラッシュ光が照射されてから第１基板と第２基板との交換が完了するまでの間の照射後期間では、前記搬送チャンバー内の圧力を前記処理チャンバー内の圧力よりも高くすることを特徴とする熱処理方法。
  5. 請求項４記載の熱処理方法において、
    前記照射後期間では、前記搬送チャンバー内の圧力は大気圧よりも高く、前記処理チャンバー内の圧力は大気圧よりも低いことを特徴とする熱処理方法。
  6. 請求項４または請求項５記載の熱処理方法において、
    前記処理チャンバーに収容されている第１基板にフラッシュ光が照射される前よりも当該フラッシュ光が照射された後の方が前記処理チャンバーに供給される処理ガスの流量が大きいことを特徴とする熱処理方法。
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