KR101438311B1 - 열처리 장치 - Google Patents

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Abstract

(과제) 기판을 회전시키지 않고 전체면에 걸쳐서 온도 분포를 균일하게 할 수 있는 열처리 장치를 제공한다.
(해결 수단) 할로겐 램프(HL)로부터의 광조사 가열에 의해 반도체 웨이퍼(W)가 승온한다. 승온한 반도체 웨이퍼(W)로부터 방사된 적외선은 실리콘의 적외 투과창(63)을 투과하고, 적외선 카메라(81)에 의해 검출된다. 적외선 카메라(81)는, 반도체 웨이퍼(W)의 표면 전체면의 온도를 2차원적으로 검출한다. 그리고, 적외선 카메라(81)의 검출 결과에 의거해, 반도체 웨이퍼(W) 중 상대적으로 온도가 낮아져 있는 온도 저하 영역에 레이저광 출사부(25)로부터 레이저광을 조사한다. 이에 의해, 반도체 웨이퍼(W)를 회전시키지 않고, 반도체 웨이퍼(W)의 전체면에 걸쳐서 온도 분포를 고정밀도로 균일화할 수 있다.

Description

열처리 장치{HEAT TREATMENT APPARATUS}
본 발명은, 반도체 웨이퍼나 액정 표시 장치용 유리 기판 등의 박판 형상의 정밀 전자 기판(이하, 단순히 「기판」이라고 칭함)에 광을 조사함으로써 상기 기판을 가열하는 열처리 장치에 관한 것이다.
종래부터 반도체 디바이스 등의 제조 공정에 있어서는 반도체 웨이퍼 등의 기판에 대한 다양한 열처리를 행하고 있다. 반도체 웨이퍼에 대한 열처리 방법으로는 급속 가열 처리(RTP:Rapid Thermal Process)가 널리 이용되고 있다. 전형적인 RTP 장치에서는, 챔버 내에 유지한 반도체 웨이퍼에 할로겐 램프로부터 광을 조사해 몇 초 정도의 단시간에 반도체 웨이퍼를 소정의 처리 온도로까지 승온한다. 반도체 웨이퍼를 급속 승온함으로써, 예를 들면 이온 주입법에 따라 주입된 불순물의 확산을 억제하면서 그 활성화를 실행할 수 있다. 또, RTP 장치를 이용해, 반도체 웨이퍼를 처리 온도로 유지하지 않고, 급속 승온에 의해서 반도체 웨이퍼가 처리 온도에 도달함과 동시에 급속 강온을 개시하는 스파이크 어닐도 행해지고 있다.
이러한 RTP 장치에 있어서는, 예를 들면 특허 문헌 1에 개시된 바와 같이, 복수의 할로겐 램프를 복수의 존에 분할함과 더불어, 각 존에 대응하는 파이로미터(방사 온도계)를 설치하고, 그 파이로미터에 의해 측정된 웨이퍼 온도에 의거해 할로겐 램프의 출력을 존마다 제어하고 있다. 파이로미터는 반도체 웨이퍼의 일부 영역의 온도 밖에 측정할 수 없기 때문에, RTP 장치에서는 열처리중에 반도체 웨이퍼를 회전시킴으로써 동심원 형상의 존의 평균 온도를 산정하고, 이에 의거하여 할로겐 램프의 피드백 제어를 행하고 있다.
일본국 특허 공개 2003-86528호 공보
그러나, 종래의 RTP 장치에 있어서는, 반도체 웨이퍼를 회전시키기 위해서 챔버 내에 회전 기구를 설치해야 했다. 챔버 내에 웨이퍼 회전 기구를 설치하면, 장치 구성이 복잡해져 챔버도 대형화된다. 또, 회전 기구에서는 불가피적으로 파티클이 발생해 챔버 내에 비산한다는 문제도 발생한다.
또, 파이로미터에 대해 반도체 웨이퍼를 회전시키면서 온도 측정을 행하면, 동심원 형상의 평균 온도를 측정하게 되므로, 국소적인 온도 분포의 불균일을 검출할 수 없었다. 이 때문에, 국소적인 온도 저하 영역(냉점)이 출현한 경우에는, 콜드 스폿을 포함하는 동심원 형상의 영역 전체의 측정 온도가 저하하게 되어, 그 측정 결과에 의거해 할로겐 램프의 출력을 피드백 제어하면 동심원 형상의 온도 분포 불균일이 발생하는 경우가 있었다.
또, 근년, 광 흡수율의 패턴 의존성이 없는 반도체 웨이퍼의 이면으로부터 광조사를 행하는 백사이드 어닐이 주목되고 있다. RTP 장치에서 백사이드 어닐을 행하는 경우에는, 광이 조사되는 반도체 웨이퍼의 이면을 비워 둘 필요가 있어, 웨이퍼의 주연부를 지지해야 했다. 이 때문에, 특히 반도체 웨이퍼의 주연부에 온도 이상이 발생하기 쉬워, 웨이퍼에 휨이 생기기도 했다.
본 발명은, 상기 과제를 감안하여 이루어진 것이며, 기판을 회전시키지 않고 전체면에 걸쳐서 온도 분포를 균일하게 할 수 있는 열처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 청구항 1의 발명은, 기판에 광을 조사함으로써 상기 기판을 가열하는 열처리 장치에 있어서, 기판을 수용하는 챔버와, 상기 챔버 내에서 기판을 유지하는 유지 수단과, 상기 챔버의 일단에 배치된 석영창과, 상기 유지 수단에 유지된 기판의 일방면에 상기 석영창을 통해 광을 조사하는 할로겐 램프와, 상기 유지 수단에 유지된 기판의 타방면으로부터 방사된 적외선을 수광해 상기 타방면의 온도를 2차원적으로 검출하는 온도 검출 수단과, 상기 챔버의 타단에 배치되고, 상기 온도 검출 수단의 검출 파장역의 적외선을 투과하는 적외 투과창과, 상기 온도 검출 수단의 검출 결과에 의거해, 상기 유지 수단에 유지된 기판 중 상대적으로 온도가 낮은 온도 저하 영역을 가열하는 온도 보정 수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 2의 발명은, 청구항 1의 발명에 따른 열처리 장치에 있어서, 상기 적외 투과창은, 실리콘, 게르마늄, 또는, 사파이어로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 3의 발명은, 청구항 2의 발명에 따른 열처리 장치에 있어서, 상기 적외 투과창을 150℃ 이하로 냉각하는 창 냉각 수단을 더 구비하는것을 특징으로 한다.
또, 청구항 4의 발명은, 청구항 1의 발명에 따른 열처리 장치에 있어서, 상기 유지 수단에 유지된 기판과 상기 적외 투과창의 거리는 30cm 이상인 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 5의 발명은, 청구항 1의 발명에 따른 열처리 장치에 있어서, 상기 온도 보정 수단은, 상기 유지 수단에 유지된 기판의 상기 온도 저하 영역의 상기 일방면에 상기 석영창을 통해 레이저광을 조사하는 레이저광 조사 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 6의 발명은, 청구항 5의 발명에 따른 열처리 장치에 있어서, 상기 레이저광 조사 수단은, 상기 유지 수단에 유지된 기판의 중심축을 따르도록 설치되고, 상기 기판의 주연부를 향해 레이저광을 출사하는 레이저광 출사부와, 상기 레이저광 출사부를 상기 중심축을 회전 중심으로 하여 회전시키는 제1 회전부를 구비하는것을 특징으로 한다.
또, 청구항 7의 발명은, 청구항 6의 발명에 따른 열처리 장치에 있어서, 상기 레이저광 조사 수단은, 상기 회전부에 의해 회전되는 상기 레이저광 출사부를 상기 중심축을 따라 왕복 이동시키는 왕복 이동부를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 8의 발명은, 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 발명에 따른 열처리 장치에 있어서, 상기 온도 검출 수단은, 상기 유지 수단에 유지된 기판의 상기 타방면의 전체면을 촬상하는 적외선 카메라를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 9의 발명은, 청구항 6의 발명에 따른 열처리 장치에 있어서, 상기 온도 검출 수단은, 상기 레이저광 출사부로부터 레이저광이 조사된 부위의 상기 타방면으로부터 방사되는 적외선을 수광하는 레이저광 수광부와, 상기 레이저광 수광부를 상기 중심축을 회전 중심으로 하여 상기 레이저광 출사부에 동기시켜 회전시키는 제2 회전부를 더 구비하는것을 특징으로 한다.
청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 발명에 의하면, 유지 수단에 유지된 기판의 일방면에 석영창을 통해 할로겐 램프로부터 광을 조사하고, 그 기판의 타방면으로부터 방사된 적외선을 적외 투과창을 통해 수광해 상기 타방면의 온도를 2차원적으로 검출하고, 그 검출 결과에 의거해 기판 중 상대적으로 온도가 낮은 온도 저하 영역을 가열하기 때문에, 기판을 회전시키지 않고 기판의 전체면의 온도를 2차원적으로 검출해 그 전체면에 걸쳐서 온도 분포를 균일하게 할 수 있다.
특히, 청구항 2의 발명에 의하면, 적외 투과창이 실리콘, 게르마늄, 또는, 사파이어로 형성되므로, 온도 검출 수단의 검출 파장역의 적외선을 확실하게 투과할 수 있다.
특히, 청구항 3의 발명에 의하면, 적외 투과창을 150℃ 이하로 냉각하는 창 냉각 수단을 구비하므로, 기판으로부터의 복사열에 의해 적외 투과창이 가열되어 적외선에 대해 불투명하게 되는 것을 방지할 수 있다.
특히, 청구항 4의 발명에 의하면, 유지 수단에 유지된 기판과 적외 투과창의 거리는 30cm 이상이므로, 적외 투과창을 작게 할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 열처리 장치의 주요부 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 복수의 할로겐 램프의 배치를 나타내는 평면도이다.
도 3은 온도 보정부의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 레이저광 출사부의 종단면도이다.
도 5는 석영의 분광 투과율을 나타내는 도면이다.
도 6은 실리콘의 분광 투과율을 나타내는 도면이다.
도 7은 적외선 카메라의 검출 결과에 의거해 반도체 웨이퍼의 온도의 보정을 행하는 모습을 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 반도체 웨이퍼의 온도 맵의 일례를 나타내는 도면이다.
도 9는 레이저광 출력의 변조를 설명하는 도면이다.
도 10은 제2 실시형태의 열처리 장치에 있어서의 온도 보정의 양태를 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 11은 제3 실시형태의 열처리 장치의 주요부 구성을 나타내는 도면이다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시형태에 대해서 상세하게 설명한다.
<제1 실시형태>
도 1은, 본 발명에 따른 열처리 장치(1)의 주요부 구성을 나타내는 도면이다. 이 열처리 장치(1)는, 원형의 반도체 웨이퍼(W)의 이면에 광을 조사함으로써 반도체 웨이퍼(W)의 가열 처리(백사이드 어닐)를 행하는 램프 어닐 장치이다. 도 1 및 이후의 각 도면에서는, 용이한 이해를 위해, 필요에 따라 각 부의 치수나 수를 과장 또는 간략화하여 그리고 있다.
열처리 장치(1)는, 주된 구성으로서, 반도체 웨이퍼(W)를 수용하는 대략 원통 형상의 챔버(6)와, 챔버(6) 내에서 반도체 웨이퍼(W)를 유지하는 유지부(7)와,유지부(7)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)에 광을 조사하는 광조사부(4)와, 광조사되는 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 검출하는 온도 검출부(8)와, 반도체 웨이퍼(W)의 일부 영역의 온도를 보정하는 온도 보정부(2)를 구비하고 있다. 또, 열처리 장치(1)는, 이들 각 부를 제어해 반도체 웨이퍼(W)의 가열 처리를 실행시키는 제어부(3)를 구비한다.
챔버(6)는, 상하가 개구된 대략 원통 형상의 측벽을 갖고 있다. 챔버(6)는, 예를 들면, 스테인리스 스틸 등의 강도와 내열성이 뛰어난 금속재료로 형성되어 있다. 챔버(6)의 하측 개구에는 석영창(64)이 장착되어 폐색되어 있다. 챔버(6)의 하단에 배치된 석영창(64)은, 석영(SiO2)에 의해 형성된 원판 형상 부재이며, 광조사부(4)로부터 조사된 광을 챔버(6) 내에 투과한다.
또, 챔버(6)의 상측 개구에는 적외 투과창(63)이 장착되어 폐색돼 있다. 챔버(6)의 상단에 배치된 적외 투과창(63)은, 실리콘(Si)에 의해 형성된 원판 형상 부재이다. 제1 실시형태의 적외 투과창(63)의 직경은 반도체 웨이퍼(W)와 동일한 Φ300mm이다. 이러한 적외 투과창(63)으로는, 예를 들면 반도체 웨이퍼(W)를 절출하는 실리콘 단결정의 잉곳으로부터 소정 두께(본 실시형태에서는 3mm)의 원판을 절출한 것을 이용하도록 하면 저렴하게 제작할 수 있다. 뒤에서 상세하게 기술하는 바와 같이, 실리콘은 가시광에 대해서는 불투명(가시광을 투과하지 않음)하지만, 파장 1μm를 넘는 적외선을 투과하는 성질을 갖는다. 따라서, 광조사부(4)로부터의 광조사를 받아 승온한 반도체 웨이퍼(W)로부터 방사된 적외선은 챔버(6) 상단의 적외 투과창(63)을 투과해 챔버(6)의 상방으로 방출된다.
석영창(64), 적외 투과창(63) 및 챔버(6)의 측벽에 의해 둘러싸이는 공간이 열처리 공간(65)으로 규정된다. 열처리 공간(65)의 기밀성을 유지하기 위해, 석영창(64) 및 적외 투과창(63)과 챔버(6)는 도시 생략한 O링에 의해 각각 시일되어 있으며, 이들 간극으로부터 기체가 유출입되는 것을 방지한다. 구체적으로는, 석영창(64)의 상면 주연부와 챔버(6) 사이에 O링을 끼워넣고, 크램프 링(66)을 석영창(64)의 하면 주연부에 맞닿게 해, 그 크램프 링(66)을 챔버(6)에 나사 고정함으로써, 석영창(64)을 O링에 누르고 있다. 마찬가지로, 적외 투과창(63)의 하면 주연부와 챔버(6) 사이에 O링을 끼워넣고, 크램프 링(62)을 적외 투과창(63)의 상면 주연부에 맞닿게 해, 그 크램프 링(62)을 챔버(6)에 나사 고정함으로써, 적외 투과창(63)을 O링에 누르고 있다.
또, 챔버(6)의 측벽에는, 반도체 웨이퍼(W)의 반입 및 반출을 행하기 위한 반송 개구부(67)가 설치되어 있다. 반송 개구부(67)는, 도시를 생략한 게이트 밸브에 의해 개폐 가능하게 되어 있다. 반송 개구부(67)가 개방되면, 도면 밖의 반송 로봇에 의해 챔버(6)에 대한 반도체 웨이퍼(W)의 반입 및 반출이 가능해진다. 또, 반송 개구부(67)가 폐쇄되면, 열처리 공간(65)이 외부와의 통기가 차단된 밀폐 공간이 된다.
유지부(7)는, 챔버(6)의 내부에 고정 설치되어 있으며, 유지 플레이트(71) 및 지지 핀(72)을 구비한다. 유지 플레이트(71) 및 지지 핀(72)을 포함하는 유지부(7)의 전체는 석영으로 형성되어 있다. 유지 플레이트(71)는, 수평 자세가 되도록 챔버(6)의 내부에 고정 설치되어 있다. 유지 플레이트(71)의 상면에는, 복수(적어도 3개)의 지지 핀(72)이 원주 상을 따라 세워 설치되어 있다. 복수의 지지 핀(72)에 의해 형성되는 원의 직경은 반도체 웨이퍼(W)의 직경보다도 약간 작다. 따라서, 복수의 지지 핀(72)에 의해 반도체 웨이퍼(W)를 수평 자세(반도체 웨이퍼(W)의 법선이 연직 방향을 따르는 자세)로 올려놓고 지지할 수 있다. 또한, 복수의 지지 핀(72)을 대신해, 유지 플레이트(71)의 상면에 반도체 웨이퍼(W)의 직경보다 작은 석영의 링을 설치하도록 해도 된다.
또, 챔버(6)의 내부에는 이재 기구(5)가 설치되어 있다. 이재 기구(5)는, 한 쌍의 이재 암(51)과, 각 이재 암(51)의 상면에 설치된 리프트 핀(52)을 구비한다. 2개의 이재 암(51)의 각각에는, 예를 들면 2개의 리프트 핀(52)이 설치되어 있다. 2개의 이재 암(51) 및 4개의 리프트 핀(52)은 모두 석영으로 형성된다. 한 쌍의 이재 암(51)은, 도시 생략한 승강 구동부에 의해 연직 방향을 따라서 승강 이동된다. 한 쌍의 이재 암(51)이 상승하면, 합계 4개의 리프트 핀(52)이 유지 플레이트(71)에 형성된 관통 구멍을 통과하고, 그 상단이 유지 플레이트(71)의 상면으로부터 돌출해 지지 핀(72)보다도 상방으로까지 도달한다. 한편, 이재 암(51)이 하강하고 있을 때는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 리프트 핀(52)의 상단이 유지 플레이트(71)보다도 하방에 위치하고 있다. 또한, 이재 암(51)이 하강하고 있는 상태에 있어서, 개폐 기구에 의해 한 쌍의 이재 암(51)을 수평 방향을 따라서 개폐하도록 해도 된다.
광조사부(4)는, 챔버(6)의 하방에 설치되어 있다. 광조사부(4)는, 복수개의 할로겐 램프(HL) 및 리플렉터(43)를 구비한다. 본 실시형태에서는, 광조사부(4)에 40개의 할로겐 램프(HL)를 설치하고 있다. 복수의 할로겐 램프(HL)는, 챔버(6)의 하방으로부터 석영창(64)을 통해 열처리 공간(65)으로의 광조사를 행한다. 도 2는, 복수의 할로겐 램프(HL)의 배치를 나타내는 평면도이다. 본 실시형태에서는, 상하 2단으로 각 20개씩의 할로겐 램프(HL)가 설치되어 있다. 각 할로겐 램프(HL)는, 장척의 원통 형상을 갖는 봉형상 램프이다. 상단, 하단 모두 20개의 할로겐 램프(HL)는, 각각의 길이 방향이 유지부(7)에 유지되는 반도체 웨이퍼(W)의 주면을 따라(즉 수평 방향을 따라서) 서로 평행하게 되도록 배열되어 있다. 따라서, 상단, 하단 모두 할로겐 램프(HL)의 배열에 의해 형성되는 평면은 수평면이다.
또, 도 2에 나타낸 바와 같이, 상단, 하단 모두 유지부(7)에 유지되는 반도체 웨이퍼(W)의 중앙부에 대향하는 영역보다도 주연부에 대향하는 영역에 있어서의 할로겐 램프(HL)의 설치 밀도가 높게 되어 있다. 즉, 상하단 모두, 램프 배열의 중앙부보다도 단부측 할로겐 램프(HL)의 설치 피치가 짧다. 이로써, 광조사부(4)로부터의 광조사에 의한 가열시에 온도 저하가 발생하기 쉬운 반도체 웨이퍼(W)의 주연부에 의해 많은 광량의 조사를 행할 수 있다.
또, 상단의 할로겐 램프(HL)로 이루어지는 램프군과 하단의 할로겐 램프(HL)로 이루어지는 램프군이 격자형상으로 교차하도록 배열되어 있다. 즉, 상단의 각 할로겐 램프(HL)의 길이 방향과 하단의 각 할로겐 램프(HL)의 길이 방향이 직교하도록 합계 40개의 할로겐 램프(HL)가 설치되어 있다.
할로겐 램프(HL)는, 유리관 내부에 설치된 필라멘트에 통전함으로써 필라멘트를 백열화시켜 발광시키는 필라멘트 방식의 광원이다. 유리관의 내부에는, 질소나 아르곤 등의 불활성 가스에 할로겐 원소(옥소, 취소 등)를 미량 도입한 기체가 봉입되어 있다. 할로겐 원소를 도입함으로써, 필라멘트의 파손을 억제하면서 필라멘트의 온도를 고온으로 설정하는 것이 가능해진다. 따라서, 할로겐 램프(HL)는, 통상의 백열전구에 비해 수명이 길고 또한 강한 광을 연속적으로 조사할 수 있다는 특성을 갖는다. 또, 할로겐 램프(HL)는 봉형상 램프이므로 긴 수명이며, 할로겐 램프(HL)를 수평 방향을 따르게 해 배치함으로써 상방의 반도체 웨이퍼(W)로의 방사 효율이 뛰어난 것이 된다.
또, 리플렉터(43)는, 복수의 할로겐 램프(HL)의 하방에 그들 전체를 덮도록 설치되어 있다. 리플렉터(43)의 기본적인 기능은, 복수의 할로겐 램프(HL)로부터 출사된 광을 챔버(6) 내의 열처리 공간(65)에 반사하는 것이다. 리플렉터(43)는 예를 들면 알루미늄 합금판으로 형성되어 있으며, 그 표면(플래시 램프(FL)를 향하는 측의 면)은 블라스트 처리에 의해 조면화 가공이 실시되어 있다.
또, 챔버(6)의 하방에는 온도 보정부(2)도 설치되어 있다. 도 3은, 온도 보정부(2)의 구성을 나타내는 도면이다. 도 3에서는, 도시의 편의상, 광조사부(4) 및 챔버(6)의 구성을 간략화하여 그리고 있다. 온도 보정부(2)는, 레이저 유닛(21), 레이저광 출사부(25) 및 회전 모터(24)를 구비한다. 본 실시형태의 레이저 유닛(21)은, 출력이 500W의 매우 고출력의 반도체 레이저이며, 파장이 800nm~820nm의 가시광 레이저를 방출한다. 레이저 유닛(21)으로부터 방출된 레이저광은 광섬유(22)에 의해 콜리메이터 렌즈(23)로 도입된다. 콜리메이터 렌즈(23)로부터 출사된 평행한 레이저광은 레이저광 출사부(25)에 입사한다.
도 4는, 레이저광 출사부(25)의 종단면도이다. 레이저광 출사부(25)는, 석영에 의해 형성된 대략 봉형상의 광학 부재이다. 레이저광 출사부(25)는, 상단에 위치하는 투광부(25a)와, 그 하측에 연직 방향을 따라서 설치된 도광부(25b)를 구비하여 구성된다. 도광부(25b)는 원주 형상을 하고 있으며, 본 실시형태에서는 그 직경이 Φ15mm로 되어 있다. 투광부(25a)에는, 반사면(25c) 및 출사면(25d)이 형성되어 있다. 본 실시형태에서는, 출사면(25d)은 연직 방향을 따라서 형성되고, 반사면(25c)과 수평면이 이루는 각도는 예를 들면 56.7°로 되어 있다. 또한, 레이저광 출사부(25)는, 1개의 원주형상 석영 로드로부터 반사면(25c) 및 출사면(25d)을 절출하여 제작하도록 해도 되고, 투광부(25a)와 도광부(25b)를 별체의 석영 부재로서 접착하도록 해도 된다.
레이저광 출사부(25)는, 유지부(7)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 중심축(CX)을 따르도록 웨이퍼 중심의 바로 아래에 배치되어 있다. 구체적으로는, 유지부(7)가 수평 자세로 유지하는 반도체 웨이퍼(W)의 중심을 연직 방향으로 관통하는 중심축(CX)(도 3)과 원주 형상의 도광부(25b)의 중심축이 일치하도록 레이저광 출사부(25)가 설치되어 있다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 레이저광 출사부(25)는, 회전 모터(24)에 의해 도광부(25b)의 중심축(즉, 반도체 웨이퍼(W)의 중심축(CX))을 회전 중심으로 하여 회전 가능하게 되어 있다. 본 실시형태의 회전 모터(24)는, 모터축이 중공으로 되어 있는 중공 모터이며, 그 중공 부분에 도광부(25b)의 하단이 삽입 통과되어 있다. 그리고, 도광부(25b)의 하단면에 대향하는 위치에 콜리메이터 렌즈(23)가 배치되어 있다. 회전 모터(24)에는 인코더(24a)가 부설되어 있으며, 그 인코더(24a)에 의해 레이저광 출사부(25)의 회전 각도를 검출할 수 있다.
또, 레이저광 출사부(25)는, 슬라이드 구동부(26)에 의해 반도체 웨이퍼(W)의 중심축(CX)을 따라서 왕복 이동 가능하게 되어 있다. 슬라이드 구동부(26)로는, 예를 들면, 도광부(25b)에 연결된 부재에 나사식 결합된 볼 나사를 회전시키는 플러스모터를 이용할 수 있다. 슬라이드 구동부(26)에는 인코더(26a)가 부설되어 있으며, 그 인코더(26a)에 의해 레이저광 출사부(25)의 높이 위치를 검출할 수 있다.
도광부(25b)의 상단측은, 광조사부(4)의 리플렉터(43)를 관통하고 있다. 도광부(25b)가 리플렉터(43)를 관통하는 부위에는 베어링을 설치하도록 해도 된다. 도광부(25b)는, 또한 할로겐 램프(HL)의 배치의 간극을 빠져나와(도 2 참조), 그 상단이 적어도 상단의 할로겐 램프(HL)보다도 상측에 위치하도록 설치된다. 그리고, 도광부(25b)의 상단에 투광부(25a)가 연속 설치된다. 이로써, 레이저광 출사부(25)가 회전했을 때에도, 레이저광 출사부(25)와 할로겐 램프(HL)의 접촉이 방지된다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 레이저 유닛(21)으로부터 방출되어 콜리메이터 렌즈(23)로부터 레이저광 출사부(25)의 도광부(25b)의 하단면에 수직으로 입사한 레이저광은, 연직 방향을 따라서 설치된 도광부(25b)의 길이 방향을 따라서 직진한다. 즉, 입사한 레이저광은 도광부(25b)의 중심축과 평행하게 상방의 투광부(25a)를 향해 유도된다. 그리고, 도광부(25b) 내를 유도된 레이저광은 투광부(25a)의 반사면(25c)에서 출사면(25d)을 향해 전반사되고, 출사면(25d)으로부터 유지부(7)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 주연부를 향해서 출사된다. 레이저광은 석영의 투광부(25a)로부터 대기중에 출사될 때에 약간 굴절된다. 그 결과, 레이저광 출사부(25)로부터 출사된 레이저광과 수평면이 이루는 각도는 약 35°가 된다. 본 실시형태에서는 이 각도를 약 35°로 하고 있는데, 열처리 장치(1)의 배치 구성(레이저광 출사부(25)와 반도체 웨이퍼(W)의 위치 관계 등)에 따라 적절한 값으로 할 수 있고, 구체적으로는 반사면(25c)과 수평면이 이루는 각도에 의해 조정할 수 있다.
레이저광 출사부(25)로부터 출사된 레이저광은, 반도체 웨이퍼(W)의 이면 주연부의 일부 영역에 조사된다. 레이저광 출사부(25)로부터 레이저광을 출사하면서, 회전 모터(24)가 중심축(CX)을 회전 중심으로 하여 레이저광 출사부(25)를 회전시킴으로써, 레이저광의 조사 스팟이 반도체 웨이퍼(W)의 이면 주연부에서 선회하게 된다. 또, 슬라이드 구동부(26)가 레이저광 출사부(25)를 중심축(CX)을 따라서 승강시키면, 레이저광의 조사 스팟이 선회하는 직경이 확대 수축하게 된다. 또한, 온도 보정부(2)에 의한 반도체 웨이퍼(W)의 주연부로의 레이저광 조사에 대해서는 더 후술한다.
도 1로 돌아와서, 챔버(6)의 상방에는 온도 검출부(8)가 설치되어 있다. 제1 실시형태에서는, 온도 검출부(8)는 적외선 카메라(81)를 구비한다. 이 적외선 카메라(81)는, 파장 3.7μm~4.8μm의 소위 중적외선을 검출하여 촬상하는 것이다. 적외선 카메라(81)는, 챔버(6)의 상방에 촬상 렌즈를 적외 투과창(63)에 대향시켜서 배치되어 있다. 실리콘으로 형성된 적외 투과창(63)은 파장 1μm 이상의 적외선을 투과한다. 즉, 챔버(6) 내의 열처리 공간(65)으로부터 방사된 파장 3.7μm~4.8μm의 적외선은 적외 투과창(63)을 투과해 적외선 카메라(81)에 의해 검출되게 되어, 적외선 카메라(81)는 적외 투과창(63)보다도 하측의 열처리 공간(65)을 촬상할 수 있는 것이다.
적외선 카메라(81)는, 그 시야 내에 유지부(7)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 전체면을 포함하는 높이 위치에 설치된다. 따라서, 적외선 카메라(81)는, 유지부(7)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 표면의 전체면을 적외 투과창(63)을 통해 촬상할 수 있다. 또한, 적외선 카메라(81)와 적외 투과창(63)의 거리는, 적외선 카메라(81)가 적외 투과창(63)으로부터 방사되는 적외선을 검출하는 일이 없도록, 반도체 웨이퍼(W)를 피사체로 했을 때에 핀트가 맞는 범위인 피사계 심도의 반분 이하의 거리로 설정되어 있다. 예를 들면, 적외선 카메라(81)로서 피사계 심도의 최단 거리가 30cm인 것을 설치한 경우, 적외선 카메라(81)에서 적외 투과창(63)까지의 거리는, Ocm~15cm의 범위가 되도록 설정되고, 바람직하게는, 적외선 카메라(81)와 적외 투과창(63)의 거리는 가능한 한 짧은 게 좋다.
또, 열처리 장치(1)에는 적외 투과창(63)을 냉각하는 냉각부(69)가 설치되어 있다. 제1 실시형태에서는, 냉각부(69)로서 송풍기를 이용하고 있다. 냉각부(69)는, 챔버(6)의 외부에 설치되어 있고, 적외 투과창(63)의 상면을 향해 송풍함으로써 적외 투과창(63)을 공랭한다. 냉각부(69)는, 송풍되는 바람을 온조하기 위한 온조 기구를 구비하고 있어도 된다.
제어부(3)는, 열처리 장치(1)에 설치된 상기 여러 가지의 동작 기구를 제어한다. 제어부(3)의 하드웨어로서의 구성은 일반적인 컴퓨터와 동일하다. 즉, 제어부(3)는, 각종 연산 처리를 실시하는 CPU, 기본 프로그램을 기억하는 독출 전용 메모리인 ROM, 각종 정보를 기억하는 읽고 쓰기 가능한 메모리인 RAM 및 제어용 소프트웨어나 데이터 등을 기억해 두는 자기 디스크를 구비하여 구성된다. 제어부(3)의 CPU가 소정의 처리 프로그램을 실행함으로써 열처리 장치(1)에 있어서의 처리가 진행된다. 또, 제어부(3)에는 적외선 카메라(81)의 촬상 결과가 전달됨과 더불어, 광조사부(4) 및 온도 보정부(2)도 제어부(3)에 의해 제어된다.
상기한 구성 이외에도 열처리 장치(1)는, 열처리 공간(65)의 분위기 조정을 행하는 기구, 예를 들면 질소(N2), 산소(02), 수소(H2), 염화수소(HCl), 암모니아(NH3) 등의 처리 가스를 열처리 공간(65)에 공급하는 급기 기구 및 열처리 공간(65) 내의 분위기를 장치 밖으로 배기하는 배기 기구를 구비하고 있어도 된다. 또, 광조사부(4)로부터의 광조사에 의한 챔버(6)의 과잉의 온도 상승을 방지하기 위한 수랭관을 챔버(6)의 측벽에 설치하도록 해도 된다.
다음에, 열처리 장치(1)에 있어서의 반도체 웨이퍼(W)의 처리 순서에 대해서 설명한다. 이하에 설명하는 열처리 장치(1)의 처리 순서는, 제어부(3)가 열처리 장치(1)의 각 동작 기구를 제어함으로써 진행된다.
우선, 도시 생략한 게이트 밸브가 열려 반송 개구부(67)가 개방되고, 장치 외부의 반송 로봇에 의해 반송 개구부(67)를 통해 처리 대상이 되는 실리콘의 반도체 웨이퍼(W)가 챔버(6) 내에 반입된다. 반송 로봇에 의해 반입된 반도체 웨이퍼(W)는 유지부(7)의 바로 위 위치까지 진출하여 정지한다. 그리고, 이재 기구(5)의 한 쌍의 이재 암(51)이 상승함으로써, 합계 4개의 리프트 핀(52)이 유지 플레이트(71)의 관통 구멍을 통과해 지지 핀(72)보다도 상방으로 돌출해 반송 로봇으로부터 반도체 웨이퍼(W)를 수취한다.
반도체 웨이퍼(W)가 리프트 핀(52)에 올려놓아진 후, 반송 로봇이 열처리 공간(65)으로부터 퇴출해 반송 개구부(67)가 폐쇄됨으로써 열처리 공간(65)이 밀폐 공간으로 된다. 그리고, 한 쌍의 이재 암(51)이 하강함으로써, 반도체 웨이퍼(W)는 이재 기구(5)에서 유지부(7)로 수도(受渡)되고, 지지 핀(72)에 의해 하방으로부터 수평 자세로 유지된다. 반도체 웨이퍼(W)는, 패턴 형성이 이루어진 표면을 상면으로 하여 유지부(7)에 유지된다. 즉, 패턴 형성이 이루어져 있지 않은 이면이 하면이 된다.
반도체 웨이퍼(W)가 석영으로 형성된 유지부(7)에 의해 수평 자세로 하방으로부터 유지된 후, 광조사부(4)의 40개의 할로겐 램프(HL)가 일제히 점등해 광조사 가열(램프 어닐)이 개시된다. 할로겐 램프(HL)로부터 출사된 할로겐 광은, 석영으로 형성된 석영창(64) 및 유지 플레이트(71)를 투과하여 반도체 웨이퍼(W)의 이면으로부터 조사된다.
도 5는, 석영의 분광 투과율을 나타내는 도면이다. 동 도면에 나타낸 바와 같이, 석영은 파장 2.5μm 이하의 비교적 단파장의 광은 거의 투과시키는데 반해, 파장 2.5μm를 넘는 소위 중적외선보다도 장파장인 광에 대해서는 투과율이 큰 폭으로 저하한다. 그리고, 적외선 카메라(81)의 검출 파장역인 파장 3.7μm~4.8μm의 적외선은 거의 석영을 투과하지 않는다. 따라서, 적외선 카메라(81)는 적외 투과창(63)보다도 하측의 열처리 공간(65)을 촬상할 수 있지만, 석영창(64)보다도 하측의 할로겐 램프(HL)의 광을 검출할 수 없다. 이것은, 할로겐 램프(HL)로부터 출사된 광이 적외선 카메라(81)의 외란광으로는 되지 않음을 의미한다.
할로겐 램프(HL)로부터 출사되어 석영의 석영창(64) 및 유지 플레이트(71)를 투과한 광은 유지부(7)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 이면에 조사되고, 그에 따라 반도체 웨이퍼(W)가 가열되어 목표로 하는 처리 온도에까지 승온한다. 본 실시형태에서는, 패턴이 형성되어 있지 않은 반도체 웨이퍼(W)의 이면에 광이 조사되므로, 균일한 광조사 가열을 행할 수 있다(소위 백사이드 어닐). 즉, 패턴 형성이 되어 있지 않은 반도체 웨이퍼(W)의 이면에는 광 흡수율의 패턴 의존성이 존재하지 않으므로, 이면 전체면에 걸쳐서 광 흡수율은 균일하고, 그 결과 할로겐 램프(HL)의 광이 균일하게 흡수되는 것이다. 또한, 이재 기구(5)의 이재 암(51) 및 리프트 핀(52)도 석영으로 형성되어 있기 때문에, 할로겐 램프(HL)에 의한 광조사 가열의 장해가 되는 일은 없다.
할로겐 램프(HL)로부터의 광조사 가열에 의해 승온한 반도체 웨이퍼(W)로부터는, 그 온도에 따른 강도(에너지)의 적외선이 방사된다. 반도체 웨이퍼(W)로부터 방사되는 적외선의 강도는 온도(절대온도)의 4승에 비례하는 것이 알려져 있다(스테판-볼츠만의 법칙). 그리고, 승온한 반도체 웨이퍼(W)의 표면으로부터 방사된 적외선은 챔버(6)의 상단에 설치된 실리콘의 적외 투과창(63)을 투과한다.
도 6은, 두께 3mm의 실리콘의 분광 투과율을 나타내는 도면이다. 동 도면에 나타낸 바와 같이, 가시광을 포함하는 파장 1μm 이하의 광은 실리콘을 전혀 투과하지 않는데 반해, 파장 1μm를 넘는 적외선은 어느 정도 실리콘을 투과한다. 적외선 카메라(81)의 검출 파장역인 파장 3.7μm~4.8μm의 적외선도 실리콘을 투과한다. 따라서, 승온한 반도체 웨이퍼(W)의 표면으로부터 방사된 파장 3.7μm~4.8μm의 적외선은 실리콘의 적외 투과창(63)을 투과해 적외선 카메라(81)에 의해 검출되게 된다.
이 때, 반도체 웨이퍼(W)로부터 방사된 광의 일부는 적외 투과창(63)을 투과하지만, 잔부는 적외 투과창(63)에 흡수되어, 적외 투과창(63) 자체가 가열된다. 즉, 광조사 가열에 의해 승온한 반도체 웨이퍼(W)로부터의 복사열에 의해서, 반도체 웨이퍼(W)와 같은 재질(실리콘)의 적외 투과창(63)이 가열되는 것이다. 실리콘은, 상온일 때에는 도 6에 나타낸 바와 같은 분광 투과율 특성을 나타내지만, 가열되어 승온하면 거의 적외선을 투과하지 않게 되는 성질을 갖는다. 따라서, 반도체 웨이퍼(W)가 승온하고 나서의 경과 시간이 길어짐에 따라 적외 투과창(63)도 승온해, 반도체 웨이퍼(W)로부터 방사된 적외선이 적외 투과창(63)을 투과하기 어려워져 적외선 카메라(81)에 의한 검출이 곤란해진다.
이 때문에, 적외 투과창(63)을 냉각하기 위한 냉각부(69)가 설치되어 있다. 냉각부(69)는, 적어도 할로겐 램프(HL)가 점등되어 있는 동안에는 적외 투과창(63)의 상면을 향해 계속해서 송풍한다. 이에 의해, 할로겐 램프(HL)로부터의 광조사 가열에 의해 반도체 웨이퍼(W)가 승온해도, 적외 투과창(63)의 온도는 냉각부(69)에 의해 150℃ 이하로 유지되게 된다. 150℃ 이하이면 적외 투과창(63)은 파장 3.7μm~4.8μm의 적외선을 투과할 수 있다. 또한, 보다 확실하게 적외선을 투과하기 위해서는, 냉각부(69)에 의해 적외 투과창(63)을 100℃ 이하로 냉각해 두는 것이 바람직하다.
또, 가령 적외 투과창(63)이 반도체 웨이퍼(W)로부터의 복사열에 의해 다소 승온했다고 해도, 적외선 카메라(81)와 적외 투과창(63)의 거리가, 반도체 웨이퍼(W)를 피사체로 한 경우의 피사계 심도의 최단 거리의 반분 이하의 거리로 설정되어 있기 때문에, 적외선 카메라(81)는 적외 투과창(63)으로부터 방사되는 적외선을 검출하지 않고, 반도체 웨이퍼(W)의 표면으로부터 방사된 적외선을 확실하게 검출할 수 있다.
도 7은, 적외선 카메라(81)의 검출 결과에 의거해 반도체 웨이퍼(W)의 온도의 보정을 행하는 모습을 개념적으로 나타낸 도면이다. 상술한 바와 같이, 할로겐 램프(HL)로부터 출사된 광은 석영창(64) 및 석영의 유지 플레이트(71)(도 7에서는 생략)를 투과해 반도체 웨이퍼(W)의 이면에 조사되고, 그에 따라 반도체 웨이퍼(W)가 가열되어 처리 온도에까지 승온한다. 승온한 반도체 웨이퍼(W)로부터는 그 온도에 따른 강도의 적외선이 방사된다. 반도체 웨이퍼(W)의 표면으로부터 방사된 적외선의 일부는 실리콘의 적외 투과창(63)을 투과한다. 그리고, 적외 투과창(63)을 투과한 적외선 중 파장 3.7μm~4.8μm의 것이 적외선 카메라(81)에 의해 소정의 사이클로 검출된다. 적외선 카메라(81)가 검출한 적외선의 강도로부터 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 측정할 수 있다.
적외선 카메라(81)는, 유지부(7)에 유지된, 반도체 웨이퍼(W)의 표면의 전체면을 적외 투과창(63)을 통해 촬상할 수 있는 높이 위치에 설치되어 있기 때문에, 할로겐 램프(HL)에 의해 광조사 가열되는 반도체 웨이퍼(W)의 표면 전체면의 온도를 2차원적으로 검출할 수 있다. 그리고, 적외선 카메라(81)에 의해 검출된 반도체 웨이퍼(W)의 표면 전체면의 온도는 제어부(3)에 전달된다. 제어부(3)는, 적외선 카메라(81)의 검출 결과로부터 반도체 웨이퍼(W)의 온도 맵을 작성한다. 이 때, 필요에 따라서 쉐이딩 보정 등을 행하도록 해도 된다.
도 8은, 적외선 카메라(81)의 검출 결과에 의거해 작성된 반도체 웨이퍼(W)의 온도 맵의 일례를 나타내는 도면이다. 여기의 예에서는, 동 도면에 나타낸 바와 같이, 반도체 웨이퍼(W)의 주연부의 일부에 다른 영역보다도 상대적으로 온도가 낮은 국소적인 온도 저하 영역(냉점)(CP)이 출현하고 있다. 이러한 냉점(CP)은, 반도체 웨이퍼(W)와 지지 핀(72)과의 접촉이나 챔버(6) 내에 형성되는 기류 등에 의해 생긴다. 냉점(CP)은 반도체 웨이퍼(W)의 다른 영역에 비해 온도가 낮기 때문에 방사하는 적외선의 강도가 낮고, 그 강도차가 적외선 카메라(81)에 의해 검출되는 것이다.
제어부(3)는, 적외선 카메라(81)의 검출 결과(도 8에 나타낸 바와 같이 온도 맵)에 의거해, 냉점(CP)을 선택적으로 가열하도록 온도 보정부(2)를 제어한다. 온도 보정부(2)에 있어서는, 레이저 유닛(21)으로부터 방출된 레이저광이 콜리메이터 렌즈(23)로부터 레이저광 출사부(25)의 도광부(25b)에 입사된다. 입사된 레이저광은 레이저광 출사부(25)의 투광부(25a)로부터 석영창(64)을 통해 유지부(7)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 이면 주연부에 조사된다. 이 때에는, 회전 모터(24)가 반도체 웨이퍼(W)의 중심축(CX)을 회전 중심으로 하여 레이저광 출사부(25)를 회전시킨다. 이에 의해, 레이저광 출사부(25)로부터 출사된 레이저광의 조사 스팟은 반도체 웨이퍼(W)의 이면 주연부를 따라서 선회한다. 또, 슬라이드 구동부(26)가 레이저광 출사부(25)를 중심축(CX)를 따라서 승강시키도록 해도 된다. 이와 같이 하면, 레이저광의 조사 스팟이 사행하면서 선회하게 되어, 반도체 웨이퍼(W)의 이면 주연부에 있어서의 레이저광의 조사폭이 확대된다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 반도체 웨이퍼(W)의 주연부의 일부에 냉점(CP)이 출현한 경우에는, 적외선 카메라(81)의 검출 결과에 의거한 제어부(3)의 제어 하에서 레이저 유닛(21)이 레이저광 출력의 변조를 행한다. 도 9는, 레이저광 출력의 변조를 설명하는 도면이다. 동 도면에서는, 레이저광 출사부(25)의 회전 각도를 횡축에 나타내고, "2π", "4π"로 표기한 것은, 각각 레이저광 출사부(25)가 1회전, 2회전했을 때의 회전 각도이다. 레이저광 출사부(25)의 회전 각도는, 인코더(24a)에 의해 측정되어 제어부(3)로 전달된다. 또, 도 9의 종축에는 레이저 유닛(21)의 레이저광 출력을 나타내고 있다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 레이저광 출사부(25)의 회전 각도가 레이저광의 조사 스팟이 냉점(CP)에 위치하는 각도로 되어 있을 때는, 제어부(3)의 제어에 의해 레이저 유닛(21)의 레이저광 출력을 높인다. 또, 레이저광의 조사 스팟이 냉점(CP)으로부터 벗어나 있을 때에는, 레이저 유닛(21)의 레이저광 출력을 낮게 한다. 또한, 레이저 유닛(21)은, 레이저광 출력을 0%~100%의 범위에서 고속으로 제어할 수 있다.
이와 같이 하면, 할로겐 램프(HL)에 의한 광조사 가열의 결과로서 반도체 웨이퍼(W)의 주연부에 출현한 상대적으로 온도가 낮은 냉점(CP)에만 레이저광 출사부(25)로부터 강한 레이저광을 조사해 가열할 수 있다. 그 결과, 냉점(CP)을 해소해 반도체 웨이퍼(W)의 전체면을 균일하게 처리 온도로 가열할 수 있다.
광조사 가열이 종료된 후, 할로겐 램프(HL)가 소등하여 반도체 웨이퍼(W)의 강온이 개시된다. 이 때에는, 온도 보정부(2)에 의한 반도체 웨이퍼(W)의 이면 주연부로의 레이저광 조사에 대해서는 계속해서 행하도록 해도 된다. 통상, 할로겐 램프(HL)가 소등한 후의 반도체 웨이퍼(W)의 강온시에는, 주연부의 온도가 먼저 저하해 온도 분포의 불균일이 발생하는 경향이 있다. 온도 보정부(2)에 의해 반도체 웨이퍼(W)의 이면 주연부로의 레이저광 조사를 반도체 웨이퍼(W)의 강온시에도 행하도록 하면, 선행하여 온도가 저하하는 주연부를 선택적으로 가열할 수 있기 때문에, 강온시에도 면 내 온도 분포의 균일성을 유지할 수 있다.
할로겐 램프(HL)가 소등하여 소정 시간이 경과해, 반도체 웨이퍼(W)가 충분히 강온한 후, 이재 기구(5)의 한 쌍의 이재 암(51)이 상승해, 리프트 핀(52)이 유지 플레이트(71)에 유지되어 있던 반도체 웨이퍼(W)를 밀어 올려 지지 핀(72)으로부터 이격시킨다. 그 후, 반송 개구부(67)가 다시 개방되어, 장치 외부의 반송 로봇의 핸드가 반송 개구부(67)로부터 챔버(6) 내에 진입해 반도체 웨이퍼(W)의 바로 아래에서 정지한다. 계속해서, 이재 암(51)이 하강함으로써 반도체 웨이퍼(W)가 리프트 핀(52)으로부터 반송 로봇으로 건네진다. 그리고, 반도체 웨이퍼(W)를 받은 반송 로봇의 핸드가 챔버(6)로부터 퇴출함으로써, 반도체 웨이퍼(W)가 챔버(6)로부터 반출되고, 열처리 장치(1)에 있어서의 광조사 가열 처리가 완료된다.
제1 실시형태에 있어서는, 할로겐 램프(HL)로부터의 광조사 가열에 의해 발생한 반도체 웨이퍼(W)의 면 내 온도 분포의 불균일을 적외선 카메라(81)에 의해 검출하고 있다. 적외선 카메라(81)의 검출 파장역은 3.7μm~4.8μm이며, 할로겐 램프(HL)로부터 출사된 광 중 이 파장역은 챔버(6)의 하단에 배치된 석영창(64)에 의해서 거의 컷된다. 따라서, 할로겐 램프(HL)로부터 출사된 광이 적외선 카메라(81)에 도달하지 않고, 온도 검출의 외란광이 될 우려는 없다. 그 한편, 챔버(6)의 상단에 배치된 실리콘의 적외 투과창(63)은, 승온한 반도체 웨이퍼(W)로부터 방사된 광 중 적외선 카메라(81)의 검출 파장역 3.7μm~4.8μm의 적외선을 투과한다. 따라서, 적외선 카메라(81)는 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 확실하게 검출할 수 있다. 또, 적외선 카메라(81)는, 유지부(7)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 표면 전체면의 온도를 2차원적으로 검출할 수 있다.
그리고, 적외선 카메라(81)의 검출 결과에 의거해, 반도체 웨이퍼(W) 중 상대적으로 온도가 낮은 냉점(CP)을 가열하도록 제어부(3)가 온도 보정부(2)를 제어하고 있다. 구체적으로는, 레이저 변조에 의해, 온도 보정부(2)의 레이저광 출사부(25)로부터 냉점(CP)에 조사되는 레이저광의 출력을 높이고 있다. 이에 의해, 반도체 웨이퍼(W)의 전체면에 걸쳐서 온도 분포를 균일하게 할 수 있다.
이와 같이 하면, 반도체 웨이퍼(W)를 회전시키지 않고, 반도체 웨이퍼(W)의 전체면의 온도를 2차원적으로 검출하고, 그 검출 결과에 의거해 온도의 보정을 행함으로써, 반도체 웨이퍼(W)의 전체면에 걸쳐서 온도 분포를 균일하게 할 수 있다. 반도체 웨이퍼(W)를 회전시킬 필요가 없으면, 챔버(6) 내부에 회전 기구도 불필요해지므로 열처리 장치(1)의 구성이 단순한 것이 되어 챔버(6)의 용량을 작게 할 수 있다. 또, 챔버(6) 내에 회전 기구가 없으면, 회전 기구로부터 파티클이 발생해 열처리 공간(65)을 오염시키는 것도 방지된다.
또, 반도체 웨이퍼(W)를 회전시킬 필요가 없기 때문에, 챔버(6) 내에 반도체 웨이퍼(W)를 반입한 후, 즉시 할로겐 램프(HL)에 의한 광조사 가열을 개시할 수 있다. 이로써, 열처리 장치(1)에 있어서의 스루풋을 높일 수 있다.
또, 반도체 웨이퍼(W)의 전체면의 온도를 2차원적으로 검출해 온도 맵을 작성하기 때문에, 국소적인 온도 분포의 불균일도 검출하여, 그 개소의 온도 보정을 행하는 것이 가능해진다. 따라서, 반도체 웨이퍼(W)의 전체면의 온도 분포를 고정밀도로 균일화하는 것이 가능해진다.
또한, 레이저광 출사부(25)를 회전시켜 반도체 웨이퍼(W)의 이면 주연부를 따라서 레이저광 조사 스팟을 선회시키는 온도 보정 방식에서는, 슬라이드 구동부(26)에 의해 레이저광 출사부(25)를 승강시켰다고 해도, 반도체 웨이퍼(W)의 중심부 근방의 온도 보정을 행할 수 없다. 단, 본 실시형태와 같이 유지 플레이트(71) 상의 지지 핀(72)에 반도체 웨이퍼(W)를 올려놓고 할로겐 램프(HL)로부터 광조사 가열을 행하는 경우에는, 통상, 반도체 웨이퍼(W)의 중심부 근방의 온도 균일성은 비교적 양호하게 유지되어, 상대적으로 온도가 낮은 냉점(CP)은 대부분의 경우 반도체 웨이퍼(W)의 주연부에 출현한다. 이 때문에, 레이저광 출사부(25)를 회전시켜 반도체 웨이퍼(W)의 반경의 반분보다도 주연부측의 온도 보정을 행할 수 있으면, 반도체 웨이퍼(W)의 전체면의 온도 분포를 균일하게 할 수 있다.
또, 본 실시형태와 같이 반도체 웨이퍼(W)의 이면으로부터 광조사를 행하는 백사이드 어닐을 실시하는 경우라도, 석영의 유지 플레이트(71) 상에 지지 핀(72)을 설치하기만 한 간단한 구성의 유지부(7)에 의해 반도체 웨이퍼(W)를 유지할 수 있다. 반도체 웨이퍼(W)와 지지 핀(72)과의 접촉 개소가 열전도에 의해 상대적으로 저온이 되기도 하지만, 그러한 개소도 적외선 카메라(81)에 의해 적확하게 검출되어, 온도 보정부(2)로부터의 레이저광 조사에 의해 용이하게 해소된다.
또, 본 실시형태의 열처리 장치(1)에서는, 반도체 웨이퍼(W)를 지지 핀(72)에 올려놓고 광조사 가열을 행하고 있었는데, 이를 대신해 이재 기구(5)의 리프트 핀(52)에 반도체 웨이퍼(W)를 유지한 채로 광조사 가열을 행해도 된다. 이 경우라면, 광조사 가열 종료시에 한 쌍의 이재 암(51)을 하강시켜 반도체 웨이퍼(W)를 유지 플레이트(71)에 착지시킴으로써, 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 급속하게 내릴 수 있다(급랭). 이와 같이 하면, 종래의 헬륨 가스(He) 등을 사용한 급랭에 비해 장치 운용의 비용을 큰 폭으로 낮출 수 있다.
<제2 실시형태>
다음에, 본 발명의 제2 실시형태에 대해서 설명한다. 도 10은, 제2 실시형태의 열처리 장치(1a)에 있어서의 온도 보정의 양태를 개념적으로 나타낸 도면이다. 동 도면에서, 제1 실시형태와 동일한 요소에 대해서는 동일한 부호를 달았다. 제2 실시형태의 열처리 장치(1a)는, 온도 검출부(8)의 구성을 제외하고는 제1 실시형태의 열처리 장치(1)와 동일한 구성을 구비한다.
제2 실시형태의 온도 검출부(8)는, 레이저광 수광부(85) 및 수광 유닛(86)을 구비한다. 레이저광 수광부(85)는, 레이저광 출사부(25)와 완전히 동일한 석영제의 봉형상 광학 부재이며 , 레이저광 출사부(25)를 상하 반전하여 설치한 것이다. 또, 레이저광 출사부(25)에 부설되어 있는 회전 모터(24)와 동일한 회전 모터(87)가 레이저광 수광부(85)에도 부설되어 있다. 또한, 레이저광 출사부(25)에 부설되어 있는 슬라이드 구동부(26)와 동일한 슬라이드 구동부(88)가 레이저광 수광부(85)에도 부설되어 있다. 또, 도 10에서는 도시를 생략하고 있으나, 인코더(24a, 26a)와 동일한 요소도 설치되어 있다. 요컨데, 온도 보정부(2)의 레이저광 출사부(25)와 그에 부수되는 요소를 상하 반전하여 챔버(6)의 상방에 설치한 것이 레이저광 수광부(85)이다.
수광 유닛(86)은, 레이저광 수광부(85)에 의해서 수광된 적외선의 강도를 측정하고, 그것을 전기 신호로서 제어부(3)에 전달한다. 즉, 레이저광 수광부(85)에 의해 수광된 적외선은 온도 보정부(2)와 동일한 콜리메이터 렌즈 및 광섬유를 통해 수광 유닛(86)으로 유도된다. 수광 유닛(86)은, 포토 다이오드 등의 수광 소자를 내장하고 있으며, 레이저광 수광부(85)로부터 유도된 적외선의 강도를 전기 신호로 변환하여 제어부(3)에 전달한다.
제2 실시형태의 열처리 장치(1a)에 있어서도, 할로겐 램프(HL)로부터 출사된 광은 석영창(64) 및 석영의 유지 플레이트(71)를 투과하여 반도체 웨이퍼(W)의 이면에 조사되고, 그에 따라 반도체 웨이퍼(W)가 가열되어 목표로 하는 처리 온도에까지 승온한다. 그리고, 승온한 반도체 웨이퍼(W)로부터는 그 온도에 따른 강도의 적외선이 방사된다. 반도체 웨이퍼(W)의 표면으로부터 방사된 적외선의 일부는 실리콘의 적외 투과창(63)을 투과한다.
제2 실시형태에서는, 반도체 웨이퍼(W)의 표면 중 특정 개소로부터 방사된 적외선이 레이저광 수광부(85)에 의해 수광된다. 구체적으로는, 온도 보정부(2)의 레이저광 출사부(25)로부터 출사된 레이저광의 조사 위치의 표면으로부터 방사된 적외선을 수광하는 위치에 레이저광 수광부(85)가 설치되어 있다. 또, 레이저광 출사부(25)의 회전에 완전하게 동기하도록, 반도체 웨이퍼(W)의 중심축(CX)을 회전 중심으로 하여 레이저광 수광부(85)도 회전 모터(87)에 의해 회전된다. 또한, 레이저광 출사부(25)가 상승할 때에는 슬라이드 구동부(88)에 의해 레이저광 수광부(85)가 하강하고, 레이저광 출사부(25)가 하강할 때에는 레이저광 수광부(85)가 상승한다.
이와 같이 하면, 레이저광 출사부(25)로부터 출사된 레이저광이 반도체 웨이퍼(W)의 이면에 도달하는 위치의 표면으로부터 방사된 적외선이 항상 레이저광 수광부(85)에 의해 수광되게 된다. 그리고, 레이저광 출사부(25)로부터 출사된 레이저광의 조사 위치의 온도가 온도 검출부(8)에 의해 검출된다. 레이저광 출사부(25)는 회전 모터(24)에 의해 상시 회전되고 있기 때문에, 레이저광 수광부(85)도 그것과 동기하여 회전 모터(87)에 의해 회전되고 있다. 따라서, 제2 실시형태의 온도 검출부(8)는, 유지부(7)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 표면의 온도를 2차원적으로 검출하고 있게 된다.
제2 실시형태에서는, 레이저광 수광부(85)에 의해 수광한 적외선을 수광 유닛(86)에 의해 검출한 결과에 의거해, 반도체 웨이퍼(W) 중 상대적으로 온도가 낮은 냉점(CP)을 가열하도록 제어부(3)가 온도 보정부(2)를 제어하고 있다. 구체적으로는, 레이저 변조에 의해, 온도 보정부(2)의 레이저광 출사부(25)로부터 냉점(CP)에 조사되는 레이저광의 출력을 높이고 있다. 이에 의해, 반도체 웨이퍼(W)의 전체면에 걸쳐서 온도 분포를 균일하게 할 수 있다.
제2 실시형태와 같이 해도, 반도체 웨이퍼(W)를 회전시키지 않고, 반도체 웨이퍼(W)의 전체면의 온도를 2차원적으로 검출하고, 그 검출 결과에 의거해 온도의 보정을 행함으로써, 반도체 웨이퍼(W)의 전체면에 걸쳐서 온도 분포를 균일하게 할 수 있다. 그 결과, 제1 실시형태와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
<제3 실시형태>
다음에, 본 발명의 제3 실시형태에 대해서 설명한다. 도 11은, 제3 실시형태의 열처리 장치(1b)의 주요부 구성을 나타내는 도면이다. 동 도면에 있어서, 제1 실시형태와 동일한 요소에 대해서는 동일한 부호를 달았다. 제3 실시형태의 열처리 장치(1b)에 있어서는, 적외 투과창(163)을 제1 실시형태보다도 반도체 웨이퍼(W)로부터 거리를 두고 고위치에 설치하고 있다.
제3 실시형태에 있어서는, 챔버(6)의 측벽 상단부에 원추 사다리꼴 형상의 상벽(166)이 설치되어 있다. 상벽(166)은, 예를 들면 내열성이 뛰어난 스테인리스 스틸로 형성되어 있으며, 도시 생략한 수랭 기구에 의해 냉각되고 있다. 그리고, 상벽(166)의 상단부에 적외 투과창(163)이 장착되어 있다. 제3 실시형태의 적외 투과창(163)의 직경은 제1 실시형태보다 작고, Φ50mm~Φ75mm이다.
상벽(166)에 의해 적외 투과창(163)을 고위치에 설치함으로써, 유지부(7)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)와 적외 투과창(163)의 거리는 30cm 이상 80cm 이하가 된다. 또, 온도 검출부(8)의 적외선 카메라(81)와 적외 투과창(163)의 거리는, 상술한 본 발명의 제1 실시형태의 경우와 같고, 반도체 웨이퍼(W)를 피사체로 했을 때에 핀트가 맞는 범위인 피사계 심도의 최단 거리의 반분 이하의 거리로 설정된다.
또, 상벽(166)에는 냉각관(169)이 설치되어 있다. 냉각관(169)은, 예를 들면 질소 가스 등의 냉각용 가스를 적외 투과창(163)의 하면으로 향해서 내뿜는다. 제1 실시형태와 동일하게, 적어도 할로겐 램프(HL)가 점등하고 있는 동안에는 냉각관(169)으로부터 냉각용 가스를 내뿜음으로써 적외 투과창(163)의 온도를 적외선이 투과하는 150℃ 이하(바람직하게는 100℃ 이하)로 하고 있다.
상술한 이외의 잔여 구성에 대해서는, 제3 실시형태의 열처리 장치(1b)는 제1 실시형태와 같다. 또, 제3 실시형태의 열처리 장치(1b)에 있어서의 반도체 웨이퍼(W)의 처리 순서에 대해서도 제1 실시형태와 동일하다.
제3 실시형태에 있어서는, 상벽(166)에 의해 적외 투과창(163)을 고위치에 설치함으로써, 적외 투과창(163)을 반도체 웨이퍼(W)로부터 멀리둠과 더불어 적외선 카메라(81)에 근접시켜 설치할 수 있다. 이로써, 적외 투과창(163)의 사이즈를 제1 실시형태보다 작게 해도 적외선 카메라(81)의 시야 내에 유지부(7)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 전체면을 넣을 수 있다. 따라서, 적외 투과창(163)을 보다 간이하고 또한 저렴하게 제조할 수 있다.
또, 적외 투과창(163)이 반도체 웨이퍼(W)로부터 떨어져 설치되어 있기 때문에, 승온한 반도체 웨이퍼(W)로부터의 복사열에 의해 적외 투과창(163)이 가열되는 정도는 작다. 따라서, 냉각관(169)에 의한 냉각의 부하를 경감할 수 있다. 그 밖에, 제1 실시형태와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
<변형예>
이상, 본 발명의 실시형태에 대해서 설명했는데, 이 발명은 그 취지를 일탈하지 않는 한에서 상술한 것 이외에 여러 가지 변경을 행하는 것이 가능하다. 예를 들면, 상기 각 실시형태에 있어서는, 적외 투과창(63)(또는 163)을 실리콘으로 형성하고 있었는데, 이에 한정되는 것이 아니라 적외선 카메라(81)의 검출 파장역의 적외선을 투과하는 소재이면 되고, 예를 들면 게르마늄(Ge) 또는 사파이어(A12O3)로 형성하도록 해도 된다. 무엇보다도, 실리콘의 원판은 비교적 용이하게 구할 수 있기 때문에, 제조 비용의 관점에서는 실리콘을 이용하는 것이 바람직하다.
또, 적외 투과창(63)(또는 163)을 공랭하는 것 대신에, 수랭에 의해 냉각하도록 해도 된다. 수랭에 의해 적외 투과창(63)을 냉각하는 경우에도, 반도체 웨이퍼(W)로부터 방사된 적외선이 투과하는 150℃ 이하로 냉각한다.
또, 상기 각 실시형태에 있어서는, 챔버(6)의 상단 및 하단에 각각 적외 투과창(63) 및 석영창(64)을 배치함과 더불어, 챔버(6)의 상측 및 하측에 각각 적외선 카메라(81) 및 할로겐 램프(HL)를 배치하고 있었는데, 이것을 반대로 하도록 해도 된다. 즉, 챔버(6)의 상단에 석영창(64)를 배치함과 더불어, 상측에 광조사부(4)의 할로겐 램프(HL)를 배치한다. 또, 온도 보정부(2)의 레이저광 출사부(25)도 챔버(6)의 상측에 배치한다. 한편, 챔버(6)의 하단에 적외 투과창(63)을 배치함과 더불어, 하측에 온도 검출부(8)의 적외선 카메라(81)를 배치한다. 할로겐 램프(HL)로부터 출사된 광은 패턴이 형성된 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 조사된다. 그리고, 승온한 반도체 웨이퍼(W)의 이면으로부터 방사된 적외선이 적외 투과창(63)을 투과하여 적외선 카메라(81)에 의해 검출된다. 이와 같이 해도, 상기 각 실시형태와 동일하게, 반도체 웨이퍼(W)를 회전시키지 않고 반도체 웨이퍼(W)의 전체면의 온도를 2차원적으로 검출하고, 그 검출 결과에 의거해 온도의 보정을 행함으로써, 반도체 웨이퍼(W)의 전체면에 걸쳐서 온도 분포를 균일하게 할 수 있다.
또, 상기 각 실시형태에 있어서는, 온도 보정부(2)로부터의 레이저광 조사에 의해 온도 저하 영역을 가열하고 있었는데, 온도 저하의 정도에 따라서는 광조사부(4) 및 온도 보정부(2)의 쌍방에 의해 온도 저하 영역을 가열하도록 해도 된다. 레이저 유닛(21)에 500W의 고출력의 반도체 레이저를 이용했다고 해도, 레이저광 출사부(25)로부터의 레이저광 조사에 의해 보정할 수 있는 온도는 수 10℃ 정도이다. 따라서, 온도 저하 영역이 다른 영역보다도 100℃ 이상이나 저온인 경우는, 우선 그 온도 저하 영역의 바로 아래에 위치하는 할로겐 램프(HL)의 출력을 높인다. 그리고, 그런데도 여전히 잔존하고 있는 온도 저하 영역에서는, 상기 각 실시형태와 동일하게, 온도 보정부(2)로부터의 레이저광 조사에 의한 가열에 의해 해소하도록 해도 된다.
또, 봉형상의 광학 부재인 레이저광 출사부(25)를 회전시키는 대신에, 레이저광을 2차원면 내에서(XY방향으로) 주사시키는 기구를 이용하도록 해도 된다. 이러한 기구로는, 예를 들면 갈바노 미러를 이용할 수 있다. 갈바노 미러를 이용하면, 반도체 웨이퍼(W)의 전체면의 임의의 개소에 대해서 온도 보정을 행할 수 있다. 무엇보다도, 상기 각 실시형태의 레이저광 출사부(25)는, 할로겐 램프(HL)의 배열의 간극을 관통하도록 설치되고, 상단의 할로겐 램프(HL)보다 상방으로부터 레이저광을 출사하기 때문에 할로겐 램프(HL)와 간섭할 우려가 없다.
또, 제2 실시형태에 있어서는, 레이저광 수광부(85)를 석영으로 형성하고 있었는데, 이를 대신하여, 레이저광 수광부(85)를 게르마늄 또는 사파이어로 형성하도록 해도 된다.
또, 온도 검출부(8)가 구비하는 적외선 카메라(81)의 대수는 1대로 한정되는 것이 아니라 복수여도 된다. 복수의 적외선 카메라(81)를 설치한 경우에는, 이들 촬상 결과를 합성함으로써 반도체 웨이퍼(W)의 전체면의 온도 맵을 작성하도록 하면 된다.
또, 본 발명에 따른 열처리 장치에 의해 처리 대상이 되는 기판은 반도체 웨이퍼로 한정되는 것이 아니라 액정 표시 장치 등의 플랫 패널 디스플레이에 이용하는 유리 기판이나 태양 전지용 기판이어도 된다.
1, 1a, 1b:열처리 장치
2:온도 보정부
3:제어부
4:광 조사부
5:이재 기구
6:챔버
7:유지부
8:온도 검출부
21:레이저 유닛
24:회전 모터
25:레이저광 출사부
26:슬라이드 구동부
63, 163:적외 투과창
64:석영창
65:열처리 공간
69:냉각부
71:유지 플레이트
72:지지 핀
81:적외선 카메라
85:레이저광 수광부
86:수광 유닛
169:냉각관
CP:냉점
CX:중심축
HL:할로겐 램프
W:반도체 웨이퍼

Claims (9)

  1. 기판에 광을 조사함으로써 상기 기판을 가열하는 열처리 장치로서,
    기판을 수용하는 챔버와,
    상기 챔버 내에서 기판을 유지하는 유지 수단과,
    상기 챔버의 일단에 배치된 석영창과,
    상기 유지 수단에 유지된 기판의 일방면에 상기 석영창을 통해 광을 조사하는 할로겐 램프와,
    상기 유지 수단에 유지된 기판의 타방면으로부터 방사된 적외선을 수광해 상기 타방면의 온도를 2차원적으로 검출하는 온도 검출 수단과,
    상기 챔버의 타단에 배치되고, 상기 온도 검출 수단의 검출 파장역의 적외선을 투과하는 적외 투과창과,
    상기 온도 검출 수단의 검출 결과에 의거해, 상기 유지 수단에 유지된 기판의 온도 저하 영역을 가열하는 온도 보정 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 적외 투과창은, 실리콘, 게르마늄 또는 사파이어로 형성되는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 적외 투과창을 150℃ 이하로 냉각하는 창 냉각 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 유지 수단에 유지된 기판과 상기 적외 투과창의 거리는 30cm 이상인 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 온도 보정 수단은, 상기 유지 수단에 유지된 기판의 상기 온도 저하 영역의 상기 일방면에 상기 석영창을 통해 레이저광을 조사하는 레이저광 조사 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 레이저광 조사 수단은,
    상기 유지 수단에 유지된 기판의 중심축을 따르도록 설치되고, 상기 기판의 주연부를 향해 레이저광을 출사하는 레이저광 출사부와,
    상기 레이저광 출사부를 상기 중심축을 회전 중심으로 하여 회전시키는 제1 회전부를 구비하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 레이저광 조사 수단은, 상기 회전부에 의해 회전되는 상기 레이저광 출사부를 상기 중심축을 따라 왕복 이동시키는 왕복 이동부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 검출 수단은, 상기 유지 수단에 유지된 기판의 상기 타방면의 전체면을 촬상하는 적외선 카메라를 포함하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 온도 검출 수단은, 상기 레이저광 출사부로부터 레이저광이 조사된 부위의 상기 타방면으로부터 방사되는 적외선을 수광하는 레이저광 수광부와,
    상기 레이저광 수광부를 상기 중심축을 회전 중심으로 하여 상기 레이저광 출사부에 동기시켜 회전시키는 제2 회전부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
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