KR100608214B1 - 반도체 웨이퍼의 열처리 방법 - Google Patents

반도체 웨이퍼의 열처리 방법 Download PDF

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Abstract

피처리물인 반도체 웨이퍼를 파손하지 않고 열처리를 할 수 있는 반도체 웨이퍼의 열처리 방법을 제공하는 것에 있다.
반도체 웨이퍼의 열처리 방법은, 반도체 웨이퍼를 예비 가열 수단에 의해 소정 온도로 예비 가열한 후에, 섬광 방전 램프에 의해 구성된 섬광 방사 수단에 의한 가열에 의해 처리하는 반도체 웨이퍼의 열처리 방법에 있어서,
섬광 방전 수단에 의해 가열한 때의 반도체 웨이퍼의 최대 인장 응력이 반도체 웨이퍼 자체의 인장 한계 강도 미만이 되도록 제어된 예비 가열 온도에 따라 예비 가열 수단에 의한 가열을 행하는 것을 특징으로 한다.
반도체 웨이퍼, 열처리 장치.

Description

반도체 웨이퍼의 열처리 방법{HEAT TREATMENT METHOD OF SEMICONDUCTOR WAFER}
도 1은 본 발명의 반도체 웨이퍼의 열처리 방법에서 적절하게 이용할 수 있는 열처리 장치의 일예를 도시한 설명도,
도 2는 도 1의 섬광 방사 수단을 구성하는 섬광 방전 램프의 구성을 도시한 설명도,
도 3은 섬광 방전 램프의 점등용 회로의 구체적인 예를 도시한 설명도,
도 4는 섬광 방전 램프의 다른 점등용 회로의 하나의 섬광 방전 램프에 관한 충방전 회로부분을 상세하게 도시한 설명도,
도 5는 트리거 회로를 도시한 설명도,
도 6은 인장 한계 강도 곡선을 도시한 설명도,
도 7은 실험예 1에 관한 섬광 방사 수단에서 반도체 웨이퍼에 대해 조사된 섬광의 조사파형을 도시한 설명도,
도 8은 실험예 1에 관한 표면 온도가 피크 온도가 된 반도체 웨이퍼의 두께 방향에서의 온도 분포를 도시한 설명도,
도 9는 실험예 1에 관한 열처리 중의 반도체 웨이퍼의 표면 온도의 변화를 도시한 설명도,
도 10은 실험예 1에 관한 표면 온도가 피크 온도가 된 반도체 웨이퍼의 두께 방향에서의 응력 분포를 도시한 설명도,
도 11은 실험예 2에 관한 섬광 방사 수단에서 반도체 웨이퍼에 대해 조사된 섬광의 조사파형을 도시한 설명도,
도 12는 실험예 2에 관한 표면 온도가 피크 온도가 된 반도체 웨이퍼의 두께 방향에서의 온도 분포를 도시한 설명도,
도 13은 실험예 2에 관한 표면 온도가 피크 온도가 된 반도체 웨이퍼의 두께 방향에서의 응력 분포를 도시한 설명도,
도 14는 반도체 웨이퍼에 형성된 트랜지스터 소자의 구조를 강조해 도시한 설명용 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 열처리장치 11: 챔버
11A: 분위기 가스 도입구 11B: 반도체 웨이퍼 출입구
12: 지지용대 13: 제1 석영창
14: 제2 석영창 20: 섬광 방사 수단
23: 리플렉터 25: 섬광 방전 램프 점등용 회로
28: 트리거 회로 30: 예비 가열 수단
32: 할로겐 램프 33: 리플렉터
35: 할로겐 램프 점등용 회로 41: 트리거 회로
41A: 충전 회로 41B: 방전 회로
42: 스위치 43: 사이리스터
44: 트랜스 44A: 이차측 코일
44B: 일차측 코일 45: 트리거용 콘덴서
47, 47a, 47b, 47c: 주 콘덴서
48, 48a, 48b, 48c: 파형정형용 코일
49: 충전기 50: 섬광 방전 램프
51: 방전용기 55: 양극
56: 음극 61: P형 실리콘 기판
62: 산화 실리콘막 63: 게이트 산화막층
64: 다결정 실리콘층 65: 텅스텐층
66: 게이트 전극 67: 측벽 스페이서
68: 전극 W: 반도체 웨이퍼
본 발명은 반도체 웨이퍼의 열처리 방법에 관한 것이다.
반도체 장치의 제조 프로세스에서는, 예를 들면, 반도체 웨이퍼의 표층 부분의 Si결정에, 이온 주입에 의해 불순물을 도입하고, 이 상태의 반도체 웨이퍼에, 예를 들면 1000℃ 이상으로 열처리를 실시해 이 불순물을 활성화시킴으로써 이 반도체 웨이퍼의 표층 부분에 불순물 확산층을 형성하는 공정이 포함되어 있다.
도 14는 반도체 웨이퍼에 형성된 트랜지스터 소자의 구조를 강조해 나타내는 설명용 단면도이다. 이 반도체 웨이퍼는, 예를 들면 P형 실리콘 기판(61)에 소자 분리 영역을 형성하도록, 산화 실리콘막(SiO2)(62,62)이 매립되어 있고, 이 실리콘 기판(61) 위에는, 게이트 산화막층(63), 및 그 위에, 다결정 실리콘층(64)을 개재하여 텅스텐층(65)이 적층되어 게이트 전극(66)이 형성되어 있다. 게이트 전극(66)의 양측에는, 이른바 질화 실리콘막의 내벽 스페이서(67, 67)가 형성되어 있다. 68, 68은 이온 주입 영역이며, 어느 한쪽은 소스이며, 다른 쪽은 드레인이 되는 전극이다.
불순물 확산층을 형성하는 공정에서는, 불순물이 도입된 상태의 반도체 웨이퍼가 장시간 동안 고온에 노출되면, 이 반도체 웨이퍼의 불순물 확산층을 형성해야 하는 부분보다 깊은 부분까지 불순물이 확산되고, 불순물 확산층의 깊이(두께)가 커지게 되므로, 반도체 웨이퍼가 필요 이상으로 가열되지 않도록 해서 불순물의 열확산을 억제하는 것이 필요하다.
반도체 웨이퍼의 열처리를 행하기 위한 방법으로는, 램프를 가열원으로 이용해, 이 가열원으로부터 방사되는 광을 조사함으로써 피처리물인 반도체 웨이퍼를 급속하게 가열하고, 그 후, 급속하게 냉각할 수 있는 RTP(Rapid Thermal Process) 장치를 이용하는 방법이 알려져 있다. 이런 RTP 장치의 가열원으로서는, 할로겐 램프가 널리 이용되고 있다.
그러나, 최근, 반도체 집적회로의 고집적화·미세화가 점점 요구되고 있기 때문에, 예를 들면 20nm 이하로 불순물 확산층을 보다 한층 얇게 형성하는 것이 필요해 짐에 따라, 할로겐 램프를 가열원으로 한 RTP 장치를 이용한 열처리 방법에 의해서는, 이런 요청에 충분히 대응할 수 없다.
극도로 얕은 불순물 확산층을 형성하기 위한 방법으로는, 크세논클로라이드 레이저를 이용해, 이 크세논클로라이드 레이저에 의해 수 밀리미터의 조사 폭으로 반도체 웨이퍼를 스캔해 열처리를 행하는 장치를 이용하는 방법이 알려져 있다. 이런 장치는, 현재 매우 정교한 레벨의 반도체 장치 제조 프로세스에 도입되고 있지만, 매우 고가이고, 게다가 반도체 웨이퍼의 표면 위를 작은 스폿 직경의 레이저 빔으로 스캔하면서 열처리를 실시하기 때문에, 스루풋이 느리다는 결점이 있다.
그래서, RTP 장치의 가열원으로서, 피처리물을 매우 단시간에 가열하는 것이 가능한 섬광 방전 램프를 이용하는 것이 검토되고 있다. 섬광 방전 램프를 가열원으로 하는 RTP 장치를 이용한 열처리 방법에 의하면, 피처리물인 반도체 웨이퍼에 대한 섬광 방전 램프에 의한 섬광 조사가 극히 단시간에 종료하기 때문에, 이 반도체 웨이퍼의 내부에까지 열이 전달되지 않고, 표층부분에만 열이 전달되는 상태로 가열할 수 있으므로, 불순물의 열확산을 억제할 수 있다.
한편, RTP 장치에서는, 예를 들면 반도체 웨이퍼를 미리 소정 온도로 예비 가열하는 예비 가열 수단이 설치되어 있고, 이 예비 가열 수단에 의해, 반도체 웨이퍼를 예비 가열한 후에, 가열원에 의한 가열을 행하는 열처리 방법이 널리 채용되고 있다.
반도체 웨이퍼를 예비 가열함에 따라, 반도체 웨이퍼의 표층 부분을 소기의 온도로 가열하기 위해 가열원에 요구되는 에너지양이 작아지므로, 가열원을 구성하는 램프의 부하를 줄일 수 있고, 이것에 의해, 사용 수명을 길게 할 수 있다.
예비 가열 수단에 의한 예비 가열 온도는, 반도체 웨이퍼의 온도가 700℃ 이상이 되면 불순물의 열확산성이 커지기 때문에, 550℃ 이하로 된다. 실제에서는, 섬광 방전 램프의 부하를 줄일 목적에서, 예비 가열 온도는 450℃ 이상으로 높게 설정되어 있고, 이 때문에 450∼550℃의 범위에서 사용하는 경우가 많았다.
하지만, 실제로는 예비 가열을 한 후에, 섬광 방전 램프로부터 방사되는 섬광을 조사함으로써 가열 처리를 행한 반도체 웨이퍼의 대부분은, 파손되어 가루가 되어버리는 문제가 있어, 섬광 방전 램프를 가열원으로 한 가열 처리 장치를 이용한 열처리 방법에 의해서는, 반도체 장치의 제조를 양산화할 수 없기 때문에, 이 열처리 방법을 실용화하는 것이 곤란했다.
본 발명자들은, 섬광 방전 램프를 가열원으로 하는 열처리 장치를 이용한 열처리 방법을 실용화 하기 위해 연구를 거듭한 결과, 반도체 웨이퍼는 가열됨으로써, 섬광 방전 램프로부터의 섬광이 조사되는 표면을 포함한 표면층과, 반도체 웨이퍼의 이면을 포함한 이면층에 있어서는, 압축 응력이 발생하지만, 이 표면층과 이면층과의 사이에 위치하는 중간층에서는 인장 응력이 발생하며, 게다가 반도체 웨이퍼가 압축응력에 비해 인장 응력에 대한 내성이 낮은 특성을 가진 것이기 때문에, 반도체 웨이퍼가 중간층에서 발생하는 인장 응력에 기인해 파손하는 것을 발견했다.
본 발명은, 이상과 같은 사정에 근거한 것이며, 그 목적은 피처리물인 반도체 웨이퍼를 파손하지 않고 열처리를 할 수 있는 반도체 웨이퍼의 열처리 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 반도체 웨이퍼의 열처리 방법은, 반도체 웨이퍼를 예비 가열 수단에 의해 소정 온도로 예비 가열한 후에, 섬광 방전 램프에 의해 구성된 섬광 방사 수단에 의한 가열에 의해 처리하는 반도체 웨이퍼의 열처리 방법에서, 섬광 방사 수단에 의해 가열된 때의 반도체 웨이퍼의 최대 인장 응력이 반도체 웨이퍼 자체의 인장 한계 강도 미만이 되도록 제어된 예비 가열 온도에 의해, 예비 가열 수단에 의한 가열을 행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 반도체 웨이퍼의 열처리 방법으로는, 섬광 방사 수단에서 반도체 웨이퍼에 대해 조사되는 섬광이, 그 조사 파형의 입상 속도가 2.0×105J/㎟·s2 이상이며, 피크 에너지가 200J/㎟·s 이하로 설정되는 것이 바람직하다. 또한, 예비 가열 수단에 의한 예비 가열 온도는 450℃ 이하로 설정되는 것이 바람직하다.
본 발명의 반도체 웨이퍼의 열처리 방법은, 반도체 웨이퍼를 예비 가열 수단에 의해 소정 온도로 예비 가열한 후에, 섬광 방전 램프에 의해 구성되는 섬광 방사 수단에 의한 가열에 의해 처리하는 반도체 웨이퍼의 열처리 방법에서, 섬광 방사 수단에 의해 가열한 때에, 이 섬광 방사 수단으로부터의 섬광이 조사되는 반도체 웨이퍼의 표면으로부터 0.18∼0.28mm 의 범위에서 생기는 인장 응력의 최대치가 반도체 웨이퍼 자체의 인장 한계 강도 미만이 되도록 제어된 예비 가열 온도에 의 해, 예비 가열 수단에 의한 가열을 행하는 것이어도 된다.
(작용)
본 발명의 반도체 웨이퍼의 열처리 방법에 의하면, 반도체 웨이퍼를 예비 가열 수단에 의해 소정 온도로 예비 가열한 후에, 섬광 램프에 의해 구성되는 섬광 방사 수단에 의한 가열에 의해 이 반도체 웨이퍼를 가열할 때, 열팽창에 의해 생기는 반도체 웨이퍼의 최대 인장 응력이 반도체 웨이퍼 자체의 인장 한계 강도 미만이 되도록 예비 가열 온도를 제어한 예비 가열 수단에 의해 가열을 행함으로써, 열처리중에, 반도체 웨이퍼의 내부에 생긴 인장 응력에 기인해 이 반도체 웨이퍼가 파손되는 것이 방지된다. 따라서, 피처리물인 반도체 웨이퍼를 파손하지 않고 열처리를 할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해 상세하게 설명한다.
도 1은, 본 발명의 반도체 웨이퍼의 열처리 방법에서 적절하게 이용할 수 있는 열처리 장치의 일예를 나타낸 설명도이다. 이 열처리 장치(10)는, 반도체 웨이퍼(도 1에서는 W로 나타낸다)를 피처리물로 하는 것이며, 분위기 가스 도입구(11A)와, 반도체 웨이퍼 출입구(11B)를 가지는 석영 유리제의 챔버(11)와, 이 챔버(11) 내에 배치된, 반도체 웨이퍼를 지지하기 위한 지지용 대(12, 12)를 구비하며, 챔버(11)의 천정면(도 11에서 윗면)에는, 석영 평판으로 이루어진 제1 석영창(13)이 설치되고, 또한, 이 챔버(11)의 바닥(도 1의 하면)에는, 석영 평판으로 이루어진 제2 석영창(14)이 설치되어 있다.
그리고, 챔버(11)의 제2 석영창(14)의 아랫쪽(도 1에서 아랫쪽)에는, 예비 가열 수단(30)이 설치되어 있고, 또한, 이 챔버(11)의 제1 석영창(13)의 윗쪽(도 1의 윗쪽)에는 후술하는 섬광 방사 수단(20)이 가열원으로서 설치되어 있다.
이 예에서는, 예비 가열 수단(30)은 제2 석영창(14)을 따라 등간격으로 평행하게 배열된 복수의 봉 형상의 할로겐 램프(32)와, 이 할로겐 램프들에 공통의 리플렉터(33)를 갖추고, 각 할로겐 램프(32)의 동작을 제어하는 할로겐 램프 점등용 회로(35)를 가지고 이루어진다.
이런 열처리 장치(10)에 의하면, 불순물이 도입된 상태의 반도체 웨이퍼가 챔버(11) 내에 반입되면, 예를 들면, 미리 예비 가열 수단(30)에 관련된 할로겐 램프(32) 모두를 일제히 점등 상태로 함으로써, 이 반도체 웨이퍼를 예를 들면 도입된 불순물의 열확산이 문제 되지 않는 소정 온도까지 예비 가열한 후, 섬광 방사 수단(20)을 동작시킴으로써 섬광을 방사하고, 이것에 의해 열처리가 행해진다.
그리고, 이렇게 해서 급속하게 표층 부분이 고온이 되도록 가열한 후, 급냉으로 냉각시킴에 따라 불순물 확산층이 형성된 반도체 웨이퍼는, 열처리 장치(10)에서 챔버(11)로부터 반출된다.
섬광 방사 수단(20)은, 제1 석영창(13)을 따라 등간격으로 평행하게 배열된 복수의 봉 형상의 섬광 방전 램프(50)와, 이 섬광 방전 램프들(50)에 공통의 리플렉터(23)를 갖추고, 각 섬광 방전 램프(50)의 동작을 제어하기 위한 섬광 방전 램프 점등용 회로(25)를 가지고 이루어진다.
섬광 방전 램프(50)는, 도 2에 도시한 것처럼, 예를 들면 크세논 가스가 투 입되어 이루어진 것으로, 양단이 봉해지고, 내부에 방전 공간을 구획하는 직관(直管)형의 석영 유리제 방전 용기(51)와, 이 방전 공간 내에서 대향 배치된 양극(55) 및 음극(56)을 구비한 것이며, 방전 용기(51)의 외면을 따라 관축 방향으로 확장하도록 배치된 트리거 전극(28)이 설치되어 있다.
이 예에서는, 각 섬광 방전 램프(50)에서 트리거 전극(28)은, 공통의 트리거 회로(41)(도 3 참조)에 접속되어 있다.
도 3은, 섬광 방전 램프의 점등용 회로의 구체적인 예를 나타낸 설명도이며, 도 4는 섬광 방전 램프의 다른 점등용 회로에서 하나의 섬광 방전 램프에 관련된 충방전 회로 부분을 상세하게 나타낸 설명도이다.
점등용 회로는 공통의 충전기(49)에 접속된 복수의 섬광 방전 램프(50)의 각각에 대해 설치된 충방전회로부분에 의해 구성되어 있다.
또한, 도 3에 도시한 것처럼, 소요의 파형으로 조정하는 수단으로는 주 콘덴서(47)에 축적된 전압, 주 콘덴서(47)의 용량, 파형정형용 코일(48)의 인덕턴스를 조정하는 것 외에, 도 4에 도시한 것과 같은 주 콘덴서(47a, 47b, 47c) 및 파형정형용 코일(48a, 48b, 48c)을 다단으로 접속한 충방전 회로에 의해서도 행할 수 있다.
어떤 충방전 회로부분(도 4에서 점선으로 둘러싸여 있는 부분)은, 발광 에너지를 공급하기 위해 병렬로 접속된 3개의 주 콘덴서(47a, 47b, 47c)와, 이 주 콘덴서(47a, 47b, 47c)에 관련된 파형정형용 코일(48a, 48b, 48c)에 의해 구성되어 있다. 3개의 파형정형용 코일은, 각각 회로 구성부분에 관련된 섬광 방전 램프(50) 와 제1 주 콘덴서(47a)의 사이, 및 각 주 콘덴서 사이에 접속되어 있다.
그리고, 회로 구성 부분에서는, 제1 주 콘덴서(47a)의 일단과, 제1 파형정형용 코일(48a)의 일단이 섬광 방전 램프(50)와 접속되어 있고, 또한 제3 주 콘덴서(47c)의 일단과, 제3 파형정형용 코일(48c)의 일단이 각 주 콘덴서에 전력을 공급하기 위한 공통의 충전기(49)에 접속되어 있다. 이런 구성을 가지는 회로는, PFN(Pulse forming network)회로로 불리고 있고, 예를 들면 카메라 스트로브용 점등 회로 등에 사용되고 있다.
이상과 같은 회로 구성 부분에서는, 제1 주 콘덴서(47a)의 전하는, 제1 파형정형용 코일(48a)을 통해 방전하지만, 제2 주 콘덴서(47b)의 전하는, 제1 파형정형용 코일(48a) 및 제2 파형정형용 코일(48b)을 통해 방전하기 때문에, 제1 주 콘덴서(47a)에 비해 방전에 요구되는 시간이 길어지고, 또한 제3 주 콘덴서(47c)의 전하는 제1 파형정형용 코일(48a), 제2 파형정형용 코일(48b) 및 제3 파형정형용 코일(48c)을 통해 방전하기 때문에, 제2 주 콘덴서(47b)에 비해 방전에 요구되는 시간이 커지는 것을 이용해, 섬광 방사 수단(20)에서 조사 파형을 조정할 수 있다.
구체적으로는, 입상 속도가 빠르고, 피크 에너지가 억제된 상태로 보존된 조사파형(예를 들면, 도 11의 곡선(b)에 표시된 조사파형)으로 할 수 있다.
이 예에서는, PFN회로는 3단이지만, 이 단수를 증감함에 따라 자유로운 조사파형의 입상과, 피크의 유지 시간을 구성할 수 있다.
여기에서, '조사파형'이라는 것은, 섬광 방사 수단으로부터 반도체 웨이퍼에 대해 조사된 섬광의 에너지 강도의 시간 함수이다.
실측에서는, 어떤 흑체(黑體)의 온도 상승을 파이로미터 등으로 관측하는 방식의 펄스 레이저 파워 미터 등을 이용해, 전체의 적분된 에너지를 계산함과 동시에, 광 센서에 의해 조사 파형을 관측하고, 상술한 에너지에 관련된 적분값으로 각 미소 시간마다의 출력값을 나눈 것이다.
트리거 회로(41)는, 도 5에 도시한 것처럼 섬광 방전 램프(50)의 트리거 전극(28)에 접속된 2차측 코일(44A)과, 트리거용 콘덴서(45)를 통해 충전 회로(41A) 및 방전 회로(41B)에 접속된 일차측 코일(44B)에 의해 구성되는 트랜스(44)를 갖추고 있고, 또한 조사 명령 신호에 근거해 동작되며, 구동 신호 발생기로서 기능하는 스위치(42)를 가지고 있다.
또한 도 5에서는, 회로 구성 부분에 관련된 3개의 주 콘덴서 및 3개의 파형정형용 코일을 각각 1개의 기호로 나타내고 있다.
이런 구성의 섬광 방사 수단(20)에서는, 조사 명령 신호를 수신하면, 스위치(42)가 닫혀 도통한 결과, 구동 신호가 발신되어, 미리 트리거용 콘덴서(45)에 축적되어 있던 전하가 사이리스터(43)를 통해 방전됨에 따라 트랜스(44)의 이차측 코일(44A)에 트리거용 고전압이 발생하고, 이 트리거용 고전압이 트리거 전극(28)에 인가되어 섬광 방전 램프(50)의 각각이 구동된다.
이렇게 해서, 구동 신호 발생기로부터 발신된 구동 신호에 근거해 복수의 섬광 방전 램프(50)가 동시에 구동되어 일제히 점등 상태가 된다.
이상과 같은 예비 가열 수단(30)과 섬광 방사 수단(20)을 가지는 구성의 열처리 장치(10)에서는, 불순물이 도입된 상태의 반도체 웨이퍼는, 예비 가열 수단(30) 및 섬광 방사 수단(20)에 의한 열처리 중에 표면 온도의 최고치(이하, '피크 온도'라고 함)가 1000℃ 이상, 바람직하게는 1000∼1300℃가 되도록 열처리 된다.
반도체 웨이퍼의 피크 온도를 1000℃ 이상으로 함으로써, 이 반도체 웨이퍼의 표층 부분에 확실하게 불순물 확산층을 형성할 수 있다.
그리고, 반도체 웨이퍼는 가열됨에 따라 하기(1)∼(3)에 나타난 것처럼, 부위에 따라 다른 응력이 생기기 때문에, 열처리 장치(10)에 의한 열처리 방법에서는, 예비 가열 수단(30)에 의해 예비 가열된 후에, 섬광 방사 수단(20)에 의해 가열한 때의 반도체 웨이퍼의 최대 인장 응력이, 반도체 웨이퍼 자체의 인장 한계 강도 미만이 되도록 예비 가열 수단(30)에 의한 예비 가열 온도가 결정된다.
또한, 결정된 예비 가열 온도에 근거해, 반도체 웨이퍼의 피크 온도가 소기의 온도가 되도록 섬광 방사 수단(20)이 반도체 웨이퍼에 대해 조사하는 섬광의 특성이 결정된다.
(1) 섬광 방사 수단으로부터의 섬광이 조사되는 표면을 포함하는 표면층은, 온도가 상승하여 이 반도체 웨이퍼의 재료, 예를 들면 실리콘(Si)의 물성에 근거해 팽창하기 때문에, 압축응력이 생긴다.
(2) 표면층에 이어서, 예를 들면 반도체 웨이퍼의 표면에서 200㎛ 정도의 깊이에 위치하는 중간층은, 표면층에 비해 온도 상승이 작고 팽창하는 비율도 작기 때문에, 표면층의 팽창에 기인해 인장 응력이 생긴다.
(3) 중간층에 이어서, 반도체 웨이퍼의 이면을 포함하는 이면층에서는, 표면 의 팽창에 기인해 반도체 웨이퍼에 휘어짐이 생기기 때문에, 압축 응력이 발생한다.
'반도체 웨이퍼의 최대 인장 응력'이라는 것은, 예비 가열 수단 및 섬광 방사 수단에 의해 가열됨에 따라 반도체 웨이퍼의 표면 온도가 피크 온도가 된 때의 반도체 웨이퍼에 생기는 인장 응력의 최대치이다.
'반도체 웨이퍼의 인장 한계 강도'는 반도체 웨이퍼의 온도에 의존하는 것이며, 실리콘으로 이루어진 반도체 웨이퍼에서는, 하기 식(1)에 나타나는, 도 6에 도시된 것과 같은 곡선(이하, '인장 한계 강도 곡선'이라고 함)을 말하는 것이다.
Figure 112002041429365-pat00001
[이하, Y는 인장 한계 강도(MPa)를 표시하고, T는 온도(℃)를 나타낸다.]
여기서, 수학식 1은 실리콘으로 된 반도체 웨이퍼에 대해서, 반도체 웨이퍼의 내부에 생기는 인장 응력에 기인해 이 반도체 웨이퍼가 파손하는 이 응력의 크기와, 이 반도체 웨이퍼의 내부에서의 온도를 실험에 의해 구하고, 이 실험에 의해 얻어진 표 1에 나타난 결과에서, 이 표 1의 3점을 통하는 인장 한계 강도와, 반도체 웨이퍼의 온도와의 관계를 나타내는 근사 곡선을 구함에 따라 얻어지는 것으로 한다.
반도체 웨이퍼의 온도 인장 한계 강도
600℃ 59.7MPa
400℃ 110.7MPa
200℃ 169.7MPa
도 6에 도시한 바와 같이, 반도체 웨이퍼의 인장 한계 강도는, 온도가 높아짐에 따라 점차 작아지는 것이다. 따라서, 반도체 웨이퍼의 최대 인장 응력과, 반도체 웨이퍼의 인장 한계 강도의 대비는, 예를 들면 이하의 방법에 의해 행해진다.
(a) 반도체 웨이퍼의 표면 온도가 피크 온도가 된 때에 이 반도체 웨이퍼의 두께 방향에서의 응력 분포를 조사해, 최대 인장 응력값 및 최대 인장 응력이 발생하는 위치(이하, '최대 인장 응력 발생 위치'라고 함)를 확인한다.
(b) 반도체 웨이퍼의 표면 온도가 피크 온도가 된 때에 반도체 웨이퍼의 두께 방향에서의 온도 분포를 조사해, 최대 인장 응력 발생 위치의 온도를 확인한다.
(c) (b)에서 얻은 최대 인장 응력 발생 위치의 온도에서 반도체 웨이퍼 자체의 인장 한계 강도값과, (a)에서 얻은 최대 인장 응력값을 대비한다.
이 열처리 방법에서는, 열처리 중에 생기는 최대 인장 응력을, 인장 한계 강도 보다 작게 하는 만큼, 예비 가열 수단(30) 및 섬광 방사 수단(20)에 관련된 가열 조건의 자유도가 커진다.
예비 가열 수단에 의한 예비 가열 온도는, 구체적으로는 450℃ 이하인 것이 바람직하다.
예비 가열 온도를 450℃ 이하로 함에 따라, 반도체 웨이퍼에서 최대 인장 응력 발생 위치의 온도가 낮아지고, 최대 인장 응력 발생 위치에서 인장 한계 강도가 커지게 되므로, 반도체 웨이퍼가 파손하는 것을 확실하게 막을 수 있다.
따라서, 예비 가열 온도가 450℃를 넘는 경우에는, 섬광 방사 수단에 의한 섬광 조사를 극히 단시간에 종료해도, 예비 가열에 의해 최대 인장 응력 발생 위치 의 온도가 높아지고, 이것에 따라 이 최대 인장 응력 발생 위치에서 인장 한계 강도가 작아지기 때문에, 반도체 웨이퍼가 파손할 염려가 있다.
예비 가열 온도는 450℃ 이하이고, 적절하게는 200∼430℃가 적절하고, 보다 적절하게는 300∼430℃가 바람직하다.
섬광 방사 수단으로부터 반도체 웨이퍼에 대해 조사되는 섬광으로서는, 통상 예비 가열 온도가 비교적 낮은 경우에는, 섬광의 조사파형에 관련된 피크 에너지가 크고, 입상 속도가 큰 특성을 가지는 것이 선택되지만, 한편 예비 가열 온도가 비교적 높은 경우에는 섬광의 조사파형에 관련된 피크 에너지가 작고, 입상 속도가 작은 특성을 가지는 것을 선택할 수 있다.
구체적으로는, 섬광 방사 수단으로부터의 섬광은, 그 조사 파형의 입상 속도가 2.0×105J/㎟·s2 이상이고, 피크 에너지가 200 J/mm2ㆍs 이하인 특성을 가지는 것이 바람직하다.
또한, 입상 속도에 대해서는 특히 2.0×105∼1.65×106J/㎟·s2인 것이 바람직하다.
입상 속도가 2.0×105J/㎟·s2 미만인 경우에는, 반도체 웨이퍼의 표면 온도가 피크 온도에 달할 때까지 시간을 요하기 때문에, 결국 섬광 방사 수단에 의한 섬광 조사 시간이 길어지고, 반도체 웨이퍼가 고온에 노출되는 시간이 커지게 되므로, 섬광 방사 수단에 의한 가열에 의해 반도체 웨이퍼의 최대 인장 응력 발생 위치의 온도가 높아지고, 이것에 의해 최대 인장 응력 발생 위치에서 인장 한계 강도 가 작아지기 때문에, 반도체 웨이퍼가 파손될 우려가 있다.
입상 속도가 1.65×106J/㎟·s2를 초과할 경우에는, 섬광 방사 수단의 구성에 관련된 자유도가 작아지기 때문에 실용적이 아니고, 또한 섬광 방사 수단을 구성하는 섬광 방전 램프에 큰 부하가 걸려, 사용 수명이 짧아지는 등의 폐해가 발생한다.
한편, 피크 에너지에 대해서는 200J/㎟·s 이상으로 하는 것은 가능하지만, 섬광 방사 수단을 구성하는 부재가 많아져, 예를 들면 그 구성이 복잡한 것이 되고, 게다가 높은 메인터넌스성을 얻을 수 없고, 혹은 비용이 높아지는 등의 각종의 문제가 있다.
본 발명의 반도체 웨이퍼의 열처리 방법에서는, 예비 가열 수단 및 섬광 방사 수단에 관련된 가열 조건으로서는, 예를 들면 하기 (1)∼(3)에 나타난 조건을 들 수 있지만, (3)의 조건이 바람직하다.
(1) 조사파형의 입상 속도를 1.65×106J/㎟·s2 로 하고 피크 에너지를 340J/㎟·s 로 함과 동시에, 예비 가열 온도를 300℃로 한다.
(2) 조사파형의 입상 속도를 1.0×106J/㎟·s2 으로 하고, 피크 에너지를 250J/㎟·s 로 함과 동시에, 예비 가열 온도를 300℃로 한다.
(3) 조사파형의 입상 속도를 2.0×105J/㎟·s2 로 하고, 피크 에너지를 200J/㎟·s 로 함과 동시에, 예비 가열 온도를 300℃로 한다.
이상과 같은 구성의 열처리 장치(10)에 의한 반도체 웨이퍼의 열처리 방법에 의하면, 예비 가열 수단(30)에 의한 예비 가열 온도를 제어함에 따라, 피처리물인 반도체 웨이퍼의 표층 부분을 포함한 표면층을 예비 가열 수단(30)에 의해 가열한 후에, 섬광 방사 수단(20)에 의해 섬광 가열함으로써, 소기의 온도까지 온도를 올린 경우에도, 이 표면층의 아랫쪽의 중간층에서의 최대 인장 응력 발생 위치의 온도 상승이 억제되는 상태가 되고, 이것에 의해 이 최대 인장 응력 발생 위치에 생기는 반도체 웨이퍼의 최대 인장 응력을, 반도체 웨이퍼 자체의 인장 한계 강도 미만으로 할 수 있기 때문에, 열처리 중에 반도체 웨이퍼의 내부에 생기는 인장 응력에 기인해 반도체 웨이퍼가 파손되는 것을 방지할 수 있다.
따라서, 피처리물인 반도체 웨이퍼를 파손하지 않고 열처리를 할 수 있다.
또한, 가열원으로서 섬광 방전 램프(50)에 의해 구성된 섬광 방사 수단(20)이 이용되기 때문에, 반도체 웨이퍼의 표면을 소기의 온도로 가열할 때까지 요구되는 시간이 극히 짧은 시간이 되므로, 불순물의 열확산을 억제할 수 있다. 따라서, 형성해야 하는 불순물 확산층이, 예를 들면 10∼20nm으로 극히 얕은 것이더라도, 피처리물인 반도체 웨이퍼를 파손하지 않고 열처리를 할 수 있다.
이 반도체 웨이퍼의 열처리 방법에서는, 가열 조건을 섬광 방사 수단(20)에서 조사파형의 입상 속도를 2.0×105J/㎟·s2 이상으로 하고 피크 에너지를 200J/㎟·s 이하로 하고 있다. 또한, 예비 가열 수단(30)에서 예비 가열 온도를 450℃ 이하로 함에 따라, 확실하게 피처리물인 반도체 웨이퍼를 파손하지 않고 열처리를 할 수 있으며, 게다가 폐해를 동반하지 않고 실용화 할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대해서 구체적으로 설명했지만, 본 발명은 상기 예에 한정되는 것이 아니라, 여러가지 변경을 더할 수 있다.
예를 들면, 반도체 웨이퍼의 열처리 방법에서는, 두께가 0.5∼0.8mm의 반도체 웨이퍼에서는, 최대 인장 응력이 통상, 반도체 웨이퍼의 표면으로부터 0.18∼0.28mm인 범위에서 생기기 때문에, 이 범위에서 생기는 인장 응력의 최대치가 이 반도체 웨이퍼 자체의 인장 한계 강도 미만이 되도록 제어된 예비 가열 온도에 의해, 예비 가열 수단에 의한 가열을 행할 수도 있다. 이 경우에도, 피처리물인 반도체 웨이퍼를 파손하지 않고 열처리를 할 수 있는 작용 효과를 얻을 수 있다.
이상에서는 본 발명의 반도체 웨이퍼의 열처리 방법으로, 섬광 방사 수단과 예비 가열 수단을 갖춘 열처리 장치를 이용해 설명했지만, 반도체 웨이퍼의 열처리 방법은, 이것에 한정되는 것은 아니다.
이하, 본 발명의 작용 효과를 확인하기 위해 행한 실험에 대해서 설명한다.
<실험예 1>
도 1에 도시한 구성의 형식에 따라, 공통의 트리거 회로에 접속된 21개의 봉 형상의 섬광 방전 램프를 구비한 섬광 방사 수단을 가열원으로 하고, 소비 전력 1.7㎾의 봉 형상의 할로겐 램프 17개를 구비한 예비 가열 수단을 가지는 실험용 열처리 장치를 만든다.
이런 실험용 열처리 장치에서, 구경이 200mm, 두께가 0.6mm인 실리콘으로 된 반도체 웨이퍼를 피처리물로 하고, 이 반도체 웨이퍼를 예비 가열 수단에 의해, 각각 200℃, 300℃, 400℃, 450℃, 500℃로 예비 가열한 후에, 섬광 방사 수단에 의해, 각각 표 2에 나타난 것처럼, 반도체 웨이퍼에서 피크 온도가 1100℃이 되도록 조정한, 도 7에 도시한 조사파형의 섬광을 조사하고, 반도체 웨이퍼의 표면 온도가 피크 온도가 된 때에 이 반도체 웨이퍼의 두께 방향에서의 온도 분포를 측정했다. 결과를 도 8에 도시한다.
도 8의 온도 분포도의 가로축에는, 0의 값이 반도체 웨이퍼의 표면을 나타내고, 0.6의 값이 반도체 웨이퍼의 이면을 나타낸다. 도 8에서는 예비 가열 온도 450℃는 생략하고 있다.
또한, 반도체 웨이퍼의 열처리중의 표면 온도를 경시적으로 확인한 때, 반도체 웨이퍼의 표면 온도의 피크 온도는 1100℃였다. 결과를 도 9에 도시한다.
예비가열온도(℃) 200 300 400 450 500
섬광의 조사파형의 종류 (1) (2) (3) (5) (4)
조사파형의 피크 에너지 (J/㎟·S) 230 200 170 150 140
또한, 반도체 웨이퍼의 두께 방향의 온도 분포와 함께 확인한, 예비 가열 온도가 200℃ 및 500℃인 경우의 반도체 웨이퍼의 표면 온도가 피크 온도였던 때의 이 반도체 웨이퍼의 두께 방향에서의 응력 분포를 측정했다. 결과를 도 10에 도시한다.
도 10의 응력 분포도의 세로축에서는, 플러스 값이 인장 응력의 크기를 나타내는 것이고, 한편 마이너스 값이 압축 응력의 크기를 나타낸다. 또한, 가로축에 서는 0의 값이 반도체 웨이퍼의 표면을 나타내고, 0.6의 값이 반도체 웨이퍼의 이면을 나타낸다.
그리고, 도 10에 의해 최대 인장 응력값 및 최대 인장 응력 발생 위치를 특정하고, 더욱이 도 8에 의해 최대 인장 응력 발생 위치의 온도를 특정하며, 실리콘(Si)의 인장 강도 곡선을 나타낸 도 6 상에서 최대 인장 응력과, 인장 한계 강도를 비교한다.
도 6에서는, 예비 가열 온도가 200℃인 경우에 관한 플롯점을 P(1)로 나타내고, 예비 가열 온도가 500℃인 경우에 관한 플롯점을 P(4)로 나타내며, 또한 예비 가열 온도가 450℃인 경우에 관한 플롯점을 P(5)로 나타낸다.
이상의 결과로부터, 예비 가열 온도를 낮게함으로써, 반도체 웨이퍼의 피크 온도를 소기의 온도로 하기 위해 요구되는 섬광 방사에 관한 에너지 양이 커지고, 발생하는 최대 인장 응력이 커지지만, 반도체 웨이퍼에서는, 최대 인장 응력 발생 위치의 온도가 낮아지기 때문에, 이 최대 인장 응력 발생 위치에서의 인장 한계 강도가 커지는 것이 확인된다.
그리고, 예비 가열 온도가 500℃인 경우에는, 최대 인장 응력이, 인장 한계 강도 보다도 커지고, 반도체 웨이퍼가 파손할 우려가 커지는 것이 확인된다.
<실험예 2>
실험예 1에서 이용된 것과 마찬가지의 구성을 가지는 실험용 열처리 장치를 이용해, 이 실험용 열처리 장치에서, 구경이 200mm, 두께가 0.6mm인 실리콘으로 이루어진 반도체 웨이퍼를 피처리물로 하고, 이 반도체 웨이퍼를 예비 가열 수단에 의해 300℃로 예비가열한 후에, 섬광 방사 수단에 의해, 도 11에 도시한 조사파형의 섬광을 조사하고, 반도체 웨이퍼의 표면 온도가 피크 온도가 된 때에 이 반도체 웨이퍼의 두께 방향에서의 온도 분포 및 응력 분포를 측정했다. 결과를 도 12 및 도 13에 도시한다.
도 12의 온도 분포도 및 도 13의 응력 분포도의 가로축에서는, 0의 값이 반도체 웨이퍼의 표면을 나타내고, 0.6의 값이 반도체 웨이퍼의 이면을 나타낸다. 또한, 도 13의 응력 분포도의 세로축에서는, 플러스 값이 인장 응력의 크기를 나타내는 것이며, 한편 마이너스값이 압축응력의 크기를 나타낸다.
그리고, 도 13에 의해, 최대 인장 응력값 및 최대 인장 응력 발생 위치를 특정하고, 더욱이 도 12에 의해 최대 인장 응력 발생 위치에서의 온도를 특정하고, 실리콘(Si)의 인장 강도 곡선을 나타낸 도 6 상에 최대 인장 응력과, 인장 한계 강도를 대비했다. 특정한 각각의 값을 하기 표 3에 나타낸다.
도 6에서는, 조사 파형이 도 11의 곡선 (a)에 나타난 경우에 관한 플롯점을 P(a)로 나타내고, 조사파형이 도 11의 곡선 (b)로 나타난 경우에 관한 플롯점을 P(b)로 나타내며, 조사파형이 도 11의 곡선 (c)로 나타난 경우에 관한 플롯점을 P(c)로 나타낸다.
최대 인장 응력 발생 위치 최대 인장 응력 최대 인장 응력 발생 위치의 온도 조사 파형의 종류
0.18mm 95.4MPa 358℃ (a)
0.2mm 93MPa 373℃ (b)
0.23mm 77MPa 427℃ (c)
표 3에서, '최대 인장 응력 발생 위치'는, 반도체 웨이퍼에서 표면으로부터 의 위치를 나타낸다.
또한, 두께가 0.8mm인 실리콘으로 이루어지는 반도체 웨이퍼를 피처리물로 하고, 상기 방법과 마찬가지로 해서 최대 인장 응력값, 최대 인장 응력 발생 위치 및 최대 인장 응력 발생 위치의 온도를 특정했다. 특정한 각각의 값을 하기 표 4에 나타낸다.
특정한 최대 인장 응력값 각각을, 도 6에 도시되어 있는 실리콘(Si)의 인장 강도 곡선을 이용해 인장 한계 강도값과 비교한 결과, 이 최대 인장 응력값은, 각각 인장 한계 강도값 보다도 작은 것이었다.
최대 인장응력 발생 위치 최대 인장응력 최대 인장인력 발생 위치의 온도 조사파형의 종류
0.23mm 86.3MPa 328℃ (a)
0.26mm 88.3MPa 342℃ (b)
0.28mm 91.1MPa 388℃ (c)
표 4에서, '최대 인장응력 발생 위치'는, 반도체 웨이퍼에서 표면으로부터의 위치를 나타낸다.
이상의 결과에서, 입상 속도가 작아짐에 따라, 최대 인장 응력 발생 위치의 온도가 높아지고, 이 최대 인장응력 발생 위치에서 인장 한계 강도가 작아지는 경향이 있지만, 실시예 2에 관한 어떤 가열 조건에서도, 반도체 웨이퍼가 파손하는 일이 충분히 방지되는 것이 확인되었다.
또한, 실시예 2에 관한 어떤 가열 조건에서도 극히 얕은 불순물 확산층을 형성할 수 있는 것이 확인되었다. 게다가, 최대 인장응력은, 반도체 웨이퍼에서 표면으로부터 0.18∼0.28mm의 범위에서 생기는 것이 확인되었다.
본 발명의 반도체 웨이퍼의 열처리 방법에 의하면, 반도체 웨이퍼를 예비 가열 수단에 의해 소정 온도로 예비가열한 후에, 섬광 방전 램프에 의해 구성된 섬광 방사 수단에 의한 가열에 의해 이 반도체 웨이퍼를 가열할 때, 열팽창에 의해 생기는 반도체 웨이퍼의 최대 인장응력이 반도체 웨이퍼 자체의 인장 한계 강도 미만이 되도록 예비 가열 온도를 제어한 예비 가열 수단에 의해 가열을 행함으로써, 열처리중에, 반도체 웨이퍼의 내부에 발생하는 인장 응력에 기인해 이 반도체 웨이퍼가 파손하는 것이 방지된다. 따라서, 피처리물인 반도체 웨이퍼를 파손하지 않고 열처리할 수 있다.
또한, 가열원으로써 섬광 방전 램프에 의해 구성되는 섬광 방사 수단이 이용되고 있기 때문에, 반도체 웨이퍼의 표면을 소기의 온도로 가열할 때까지 필요한 시간이 극히 짧은 시간이기 때문에, 불순물의 열확산을 억제할 수 있다.

Claims (4)

  1. 반도체 웨이퍼를, 예비 가열 수단에 의해 소정 온도로 예비 가열한 후에, 섬광 방전 램프에 의해 구성된 섬광 방사 수단에 의한 가열에 의해 처리하는 반도체 웨이퍼의 열처리 방법에 있어서,
    섬광 방사 수단에 의해 가열된 때의 반도체 웨이퍼의 최대 인장 응력이 반도체 웨이퍼 자체의 인장 한계 강도 미만이 되도록 제어된 예비 가열 온도에 의해, 예비 가열 수단에 의한 가열을 행하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼의 열처리 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 섬광 방사 수단으로부터 반도체 웨이퍼에 대해 조사된 섬광이, 그 조사파형의 입상 속도가 2.0×105J/㎟·s2이상이며, 피크 에너지가 200J/㎟·s 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼의 열처리 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 예비 가열 수단에 의한 예비 가열 온도는 450℃ 이하로 설정되는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 열처리 방법.
  4. 반도체 웨이퍼를, 예비 가열 수단에 의해 소정의 온도로 예비 가열한 후에, 섬광 방전 램프에 의해 구성되는 섬광 방사 수단에 의한 가열에 의해 처리하는 반 도체 웨이퍼의 열처리 방법에 있어서,
    섬광 방사 수단에 의해 가열될 때에, 이 섬광 방사 수단으로부터의 섬광이 조사되는 반도체 웨이퍼의 표면으로부터 0.18∼0.28mm의 범위에서 발생하는 인장 응력의 최대값이 반도체 웨이퍼 자체의 인장 한계 강도 미만이 되도록 제어된 예비 가열 온도에 의해, 예비 가열 수단에 의한 가열을 행하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼의 열처리 방법.
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