KR102165402B1 - 열처리 장치 및 열처리 방법 - Google Patents

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아키쓰구 우에다
마오 오모리
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Abstract

(과제) 산소 농도의 측정을 중단했을 때에도, 저산소 농도역에서의 측정 정밀도를 유지할 수 있는 열처리 장치 및 열처리 방법을 제공한다.
(해결 수단) 챔버(6) 내의 압력이 대기압이 되고, 또한 챔버(6) 내가 불활성 가스의 분위기로 되어 있을 때에는, 챔버(6) 내의 분위기가 샘플링 라인(92)을 거쳐 산소 농도계(91)에 흡인되고, 챔버(6) 내의 산소 농도가 산소 농도계(91)에 의해 측정된다. 챔버(6) 내가 대기압 미만으로 감압되면, 챔버(6) 내의 산소 농도의 측정을 중단함과 동시에, 불활성 가스 공급 라인(94)으로부터 산소 농도계(91)로 질소 가스를 공급한다. 챔버(6) 내의 산소 농도의 측정을 중단했을 때에도, 가스 배기관(88)으로부터 산소 농도계(91)로의 역류를 방지할 수 있고, 산소 농도계(91)가 챔버(6)로부터의 배기에 노출되는 것을 방지하여 산소 농도계(91)의 저산소 농도역에서의 측정 정밀도를 유지할 수 있다.

Description

열처리 장치 및 열처리 방법{HEAT TREATMENT APPARATUS AND HEAT TREATMENT METHOD}
본 발명은, 반도체 웨이퍼 등의 박판상 정밀 전자 기판(이하, 간단히 「기판」이라고 칭한다)에 플래시광을 조사함으로써 그 기판을 가열하는 열처리 장치 및 열처리 방법에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 제조 프로세스에 있어서, 매우 단시간에 반도체 웨이퍼를 가열하는 플래시 램프 어닐(FLA)이 주목받고 있다. 플래시 램프 어닐은, 크세논 플래시 램프(이하, 간단히 「플래시 램프」라고 할 때에는 크세논 플래시 램프를 의미한다)를 사용하여 반도체 웨이퍼의 표면에 플래시광을 조사함으로써, 반도체 웨이퍼의 표면만을 매우 단시간(수 밀리초 이하)에 승온시키는 열처리 기술이다.
크세논 플래시 램프의 방사 분광 분포는 자외역 내지 근적외역이고, 종래의 할로겐 램프보다 파장이 짧고, 실리콘의 반도체 웨이퍼의 기초 흡수대와 거의 일치하고 있다. 따라서, 크세논 플래시 램프로부터 반도체 웨이퍼에 플래시광을 조사했을 때에는, 투과광이 적어 반도체 웨이퍼를 급속하게 승온시키는 것이 가능하다. 또, 수 밀리초 이하의 매우 단시간의 플래시광 조사이면, 반도체 웨이퍼의 표면 근방만을 선택적으로 승온시킬 수 있는 것도 판명되어 있다.
이와 같은 플래시 램프 어닐은, 극단시간(極短時間)의 가열이 필요하게 되는 처리, 예를 들어 전형적으로는 반도체 웨이퍼에 주입된 불순물의 활성화에 이용된다. 이온 주입법에 의해 불순물이 주입된 반도체 웨이퍼의 표면에 플래시 램프로부터 플래시광을 조사하면, 당해 반도체 웨이퍼의 표면을 극단시간만 활성화 온도까지 승온시킬 수 있어, 불순물을 깊게 확산시키는 일 없이, 불순물 활성화만을 실행할 수 있는 것이다.
플래시 램프 어닐에 한정되지 않고, 반도체 웨이퍼를 가열하는 열처리에서는 산화의 문제가 생기기 때문에, 반도체 웨이퍼를 수용하는 챔버 내의 산소 농도의 관리가 중요해진다. 특허문헌 1에는, 플래시 램프를 사용한 열처리 장치의 챔버에 산소 농도계를 설치하여, 처리 중의 산소 농도를 측정하는 것이 기재되어 있다. 일반적으로는, 가열 처리시의 산화 방지를 위해서는, 챔버 내의 산소 농도는 낮을수록 바람직하다.
일본 공개특허공보 2006-269596호
전형적으로는, 산소 농도계는 챔버 내의 분위기를 샘플링하고, 그 샘플링한 기체 중의 산소 농도를 측정한다. 그리고, 측정에 사용한 기체는, 예를 들어 챔버 내의 분위기를 배기하기 위한 배기 라인에 배출된다.
그런데, 산소 농도계는 항상 챔버 내의 산소 농도를 측정하고 있는 것은 아니다. 예를 들어, 챔버 내를 감압했을 때에는, 챔버 내의 분위기의 샘플링이 곤란해지기 때문에, 산소 농도계에 의한 산소 농도의 측정을 중단한다. 또, 챔버 내에 반응성 가스(예를 들어, 암모니아)를 공급할 때에도 산소 농도계에 의한 산소 농도의 측정을 중단한다.
한편, 플래시 램프 어닐의 처리 목적에 따라서는, 반도체 웨이퍼를 수용하는 챔버 내를 보다 저산소 환경으로 하는 것이 요구되고 있다. 예를 들어, 전계 효과 트랜지스터(FET)의 게이트 절연막으로서, 이산화규소(SiO2)보다 유전율이 높은 재료(고유전율 재료)를 사용한 고유전율막(high-k막)을 형성한 반도체 웨이퍼의 열처리를 플래시 램프 어닐에 의해 실시하는 경우에는, 산화막 두께의 증대를 억제하기 위해 종래보다 더 저산소 농도 환경(1ppm 이하)이 요구되고 있다. 따라서, 산소 농도계에 의한 챔버 내의 산소 농도 측정에 대해서는, 1ppm 이하의 저산소 농도역에서의 측정 정밀도를 높일 필요도 있다.
그러나, 산소 농도계가 산소 농도의 측정을 중단했을 때에는, 챔버로부터의 기체의 샘플링도 정지되기 때문에, 산소 농도계의 배기측으로부터 기체가 역류하는 경우가 있다. 그러면, 산소 농도계의 센서가 고산소 농도의 기체와 접촉하게 되어, 당해 산소 농도계가 저산소 농도역에서의 측정 기능을 상실한다. 그 결과, 산소 농도의 측정을 재개했을 때, 산소 농도계에 의한 저산소 농도역에서의 측정이 불가능하게 되어 있을 우려가 있다.
본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 산소 농도의 측정을 중단했을 때에도, 저산소 농도역에서의 측정 정밀도를 유지할 수 있는 열처리 장치 및 열처리 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 청구항 1의 발명은, 기판에 광 조사함으로써 그 기판을 가열하는 열처리 장치에 있어서, 기판을 수용하는 챔버와, 상기 챔버에 수용된 상기 기판에 광 조사하는 램프와, 상기 챔버 내의 분위기를 흡인하여 상기 챔버 내의 산소 농도를 측정하는 산소 농도계와, 상기 챔버와 상기 산소 농도계를 연통 접속하여, 상기 챔버 내의 분위기를 상기 산소 농도계로 유도하는 샘플링 라인과, 상기 산소 농도계에 불활성 가스를 공급하는 불활성 가스 공급 라인과, 상기 챔버 내의 분위기를 배기하는 배기 라인을 구비하고, 상기 산소 농도계는, 상기 챔버로부터 흡인하여 산소 농도의 측정에 사용한 기체를 상기 배기 라인에 배출하고, 상기 샘플링 라인을 폐지(閉止)하여 상기 챔버 내의 산소 농도의 측정을 중단했을 때, 상기 불활성 가스 공급 라인으로부터 상기 산소 농도계에 불활성 가스를 공급하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 2의 발명은, 청구항 1의 발명에 관련된 열처리 장치에 있어서, 상기 불활성 가스 공급 라인으로부터 공급하는 불활성 가스의 산소 농도는 상기 챔버 내의 산소 농도보다 낮은 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 3의 발명은, 청구항 1의 발명에 관련된 열처리 장치에 있어서, 상기 불활성 가스 공급 라인으로부터 상기 산소 농도계로 공급하는 불활성 가스의 유량을 상기 챔버로부터 상기 산소 농도계로 유도되는 기체의 유량과 동일하게 하는 유량 조정 기구를 상기 불활성 가스 공급 라인에 설치하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 4의 발명은, 청구항 1의 발명에 관련된 열처리 장치에 있어서, 상기 샘플링 라인은 스테인리스 스틸로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 5의 발명은, 청구항 1의 발명에 관련된 열처리 장치에 있어서, 상기 챔버 내를 대기압 미만으로 감압할 때, 또는 상기 챔버 내에 반응성 가스를 공급할 때, 상기 샘플링 라인을 폐지하여 상기 챔버 내의 산소 농도의 측정을 중단하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 6의 발명은, 청구항 5의 발명에 관련된 열처리 장치에 있어서, 상기 챔버 내에 반응성 가스를 공급할 때에는, 상기 반응성 가스의 공급을 정지하고 나서 소정의 설정 시간 동안은 상기 샘플링 라인의 폐지를 계속하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 7의 발명은, 기판에 광 조사함으로써 그 기판을 가열하는 열처리 방법에 있어서, 챔버 내에 수용한 기판에 램프로부터 광 조사하는 조사 공정과, 상기 챔버 내의 분위기를 배기 라인에 배기하는 배기 공정과, 상기 챔버 내의 분위기를 샘플링 라인을 경유하여 산소 농도계로 유도하여 상기 챔버 내의 산소 농도를 측정하고, 산소 농도의 측정에 사용한 기체를 상기 배기 라인에 배출하는 측정 공정과, 상기 측정 공정을 중단했을 때, 상기 산소 농도계에 불활성 가스를 공급하는 불활성 가스 공급 공정을 구비하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 8의 발명은, 청구항 7의 발명에 관련된 열처리 방법에 있어서, 상기 불활성 가스 공급 공정에서 상기 산소 농도계에 공급하는 불활성 가스의 산소 농도는 상기 챔버 내의 산소 농도보다 낮은 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 9의 발명은, 청구항 7의 발명에 관련된 열처리 방법에 있어서, 상기 불활성 가스 공급 공정에서 상기 산소 농도계에 공급하는 불활성 가스의 유량을 상기 측정 공정에서 상기 챔버로부터 상기 산소 농도계로 유도되는 기체의 유량과 동일하게 하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 10의 발명은, 청구항 7의 발명에 관련된 열처리 방법에 있어서, 상기 샘플링 라인은 스테인리스 스틸로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 11의 발명은, 청구항 7의 발명에 관련된 열처리 방법에 있어서, 상기 챔버 내를 대기압 미만으로 감압할 때, 또는 상기 챔버 내에 반응성 가스를 공급할 때, 상기 측정 공정을 중단하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 12의 발명은, 청구항 11의 발명에 관련된 열처리 방법에 있어서, 상기 챔버 내에 반응성 가스를 공급할 때에는, 상기 반응성 가스의 공급을 정지하고 나서 소정의 설정 시간 동안은 상기 측정 공정의 중단을 계속하는 것을 특징으로 한다.
청구항 1 내지 청구항 6의 발명에 의하면, 샘플링 라인을 폐지하여 챔버 내의 산소 농도의 측정을 중단했을 때, 불활성 가스 공급 라인으로부터 산소 농도계로 불활성 가스를 공급하기 때문에, 배기 라인으로부터 산소 농도계로의 역류를 방지하여 저산소 농도역에서의 측정 정밀도를 유지할 수 있다.
특히, 청구항 2의 발명에 의하면, 불활성 가스 공급 라인으로부터 공급하는 불활성 가스의 산소 농도는 챔버 내의 산소 농도보다 낮기 때문에, 적어도 챔버 내의 산소 농도에서의 산소 농도계의 측정 기능을 유지할 수 있다.
특히, 청구항 3의 발명에 의하면, 불활성 가스 공급 라인으로부터 산소 농도계로 공급하는 불활성 가스의 유량을 챔버로부터 산소 농도계로 유도되는 기체의 유량과 동일하게 하는 유량 조정 기구를 불활성 가스 공급 라인에 설치하기 때문에, 산소 농도계에 유입되는 기체의 유량의 변동을 억제하여 산소 농도계의 측정 정밀도를 유지할 수 있다.
특히, 청구항 4의 발명에 의하면, 샘플링 라인은 스테인리스 스틸로 형성되기 때문에, 배관으로부터의 산소의 침투를 완전히 차단하여 저산소 농도역에서의 산소 농도계의 측정 정밀도를 유지할 수 있다.
특히, 청구항 6의 발명에 의하면, 챔버 내에 반응성 가스를 공급할 때에는, 반응성 가스의 공급을 정지하고 나서 소정의 설정 시간 동안은 샘플링 라인의 폐지를 계속하기 때문에, 챔버 내에 잔류하는 반응성 가스가 산소 농도계에 흡인되는 것을 방지할 수 있다.
청구항 7 내지 청구항 12의 발명에 의하면, 챔버 내의 분위기를 샘플링 라인을 경유하여 산소 농도계로 유도하여 상기 챔버 내의 산소 농도를 측정하는 측정 공정을 중단했을 때, 산소 농도계에 불활성 가스를 공급하기 때문에, 배기 라인으로부터 산소 농도계로의 역류를 방지하여 저산소 농도역에서의 측정 정밀도를 유지할 수 있다.
특히, 청구항 8의 발명에 의하면, 불활성 가스 공급 공정에서 산소 농도계에 공급하는 불활성 가스의 산소 농도는 챔버 내의 산소 농도보다 낮기 때문에, 적어도 챔버 내의 산소 농도에서의 산소 농도계의 측정 기능을 유지할 수 있다.
특히, 청구항 9의 발명에 의하면, 불활성 가스 공급 공정에서 산소 농도계에 공급하는 불활성 가스의 유량을 측정 공정에서 챔버로부터 산소 농도계로 유도되는 기체의 유량과 동일하게 하기 때문에, 산소 농도계에 유입되는 기체의 유량의 변동을 억제하여 산소 농도계의 측정 정밀도를 유지할 수 있다.
특히, 청구항 10의 발명에 의하면, 샘플링 라인은 스테인리스 스틸로 형성되기 때문에, 배관으로부터의 산소의 침투를 완전히 차단하여 저산소 농도역에서의 산소 농도계의 측정 정밀도를 유지할 수 있다.
특히, 청구항 12의 발명에 의하면, 챔버 내에 반응성 가스를 공급할 때에는, 반응성 가스의 공급을 정지하고 나서 소정의 설정 시간 동안은 측정 공정의 중단을 계속하기 때문에, 챔버 내에 잔류하는 반응성 가스가 산소 농도계에 흡인되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은, 본 발명에 관련된 열처리 장치의 구성을 나타내는 종단면도이다.
도 2는, 유지부의 전체 외관을 나타내는 사시도이다.
도 3은, 서셉터의 평면도이다.
도 4는, 서셉터의 단면도이다.
도 5는, 이재(移載) 기구의 평면도이다.
도 6은, 이재 기구의 측면도이다.
도 7은, 복수의 할로겐 램프의 배치를 나타내는 평면도이다.
도 8은, 산소 농도계의 주변 구성을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 9는, 챔버 내의 압력 변화를 나타내는 도면이다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시형태에 대해 상세하게 설명한다.
도 1은, 본 발명에 관련된 열처리 장치(1)의 구성을 나타내는 종단면도이다. 도 1의 열처리 장치(1)는, 기판으로서 원판 형상의 반도체 웨이퍼(W)에 대해 플래시광 조사를 실시함으로써 그 반도체 웨이퍼(W)를 가열하는 플래시 램프 어닐 장치이다. 처리 대상이 되는 반도체 웨이퍼(W)의 사이즈는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 φ300㎜나 φ450㎜이다(본 실시형태에서는 φ300㎜). 열처리 장치(1)에 반입되기 전의 반도체 웨이퍼(W)에는 게이트 절연막으로서 고유전율막(high-k막)이 형성되어 있고, 열처리 장치(1)에 의한 가열 처리에 의해 고유전율막의 성막 후 열처리(PDA:Post Deposition Anneal)가 실행된다. 또한, 도 1 및 이후의 각 도면에 있어서는, 이해를 용이하기 하기 위해, 필요에 따라 각 부의 치수나 수를 과장 또는 간략화하여 그리고 있다.
열처리 장치(1)는, 반도체 웨이퍼(W)를 수용하는 챔버(6)와, 복수의 플래시 램프(FL)를 내장하는 플래시 가열부(5)와, 복수의 할로겐 램프(HL)를 내장하는 할로겐 가열부(4)를 구비한다. 챔버(6)의 상측에 플래시 가열부(5)가 형성됨과 함께, 하측에 할로겐 가열부(4)가 형성되어 있다. 또, 열처리 장치(1)는, 챔버(6)의 내부에, 반도체 웨이퍼(W)를 수평 자세로 유지하는 유지부(7)와, 유지부(7)와 장치 외부 사이에서 반도체 웨이퍼(W)의 수수를 실시하는 이재 기구(10)를 구비한다. 또, 열처리 장치(1)는, 챔버(6) 내의 산소 농도를 측정하는 산소 농도계(91)를 구비한다. 또한 열처리 장치(1)는, 할로겐 가열부(4), 플래시 가열부(5) 및 챔버(6)에 형성된 각 동작 기구를 제어하여 반도체 웨이퍼(W)의 열처리를 실행시키는 제어부(3)를 구비한다.
챔버(6)는, 통상의 챔버 측부(61)의 상하에 석영제의 챔버창을 장착하여 구성되어 있다. 챔버 측부(61)는 상하가 개구된 개략 통형상을 가지고 있고, 상측 개구에는 상측 챔버창(63)이 장착되어 폐색되고, 하측 개구에는 하측 챔버창(64)이 장착되어 폐색되어 있다. 챔버(6)의 천장부를 구성하는 상측 챔버창(63)은, 석영에 의해 형성된 원판 형상 부재이고, 플래시 가열부(5)로부터 출사된 플래시광을 챔버(6) 내에 투과하는 석영창으로서 기능한다. 또, 챔버(6)의 플로어부를 구성하는 하측 챔버창(64)도, 석영에 의해 형성된 원판 형상 부재이고, 할로겐 가열부(4)로부터의 광을 챔버(6) 내에 투과하는 석영창으로서 기능한다.
또, 챔버 측부(61)의 내측의 벽면의 상부에는 반사링(68)이 장착되고, 하부에는 반사링(69)이 장착되어 있다. 반사링(68, 69)은, 모두 원환상으로 형성되어 있다. 상측의 반사링(68)은, 챔버 측부(61)의 상측으로부터 끼워넣음으로써 장착된다. 한편, 하측의 반사링(69)은, 챔버 측부(61)의 하측으로부터 끼워넣고 도시 생략된 나사로 고정시킴으로써 장착된다. 즉, 반사링(68, 69)은, 모두 자유롭게 착탈할 수 있게 챔버 측부(61)에 장착되는 것이다. 챔버(6)의 내측 공간, 즉 상측 챔버창(63), 하측 챔버창(64), 챔버 측부(61) 및 반사링(68, 69)에 의해 둘러싸이는 공간이 열처리 공간(65)으로서 규정된다.
챔버 측부(61)에 반사링(68, 69)이 장착됨으로써, 챔버(6)의 내벽면에 오목부(62)가 형성된다. 즉, 챔버 측부(61)의 내벽면 중 반사링(68, 69)이 장착되어 있지 않은 중앙 부분과, 반사링(68)의 하단면과, 반사링(69)의 상단면으로 둘러싸인 오목부(62)가 형성된다. 오목부(62)는, 챔버(6)의 내벽면에 수평 방향을 따라 원환상으로 형성되고, 반도체 웨이퍼(W)를 유지하는 유지부(7)를 둘러싼다. 챔버 측부(61) 및 반사링(68, 69)은, 강도와 내열성이 우수한 금속 재료(예를 들어, 스테인리스 스틸)로 형성되어 있다.
또, 챔버 측부(61)에는, 챔버(6)에 대해 반도체 웨이퍼(W)의 반입 및 반출을 실시하기 위한 반송 개구부(노구(爐口))(66)가 형성 설치되어 있다. 반송 개구부(66)는, 게이트 밸브(185)에 의해 개폐 가능하게 되어 있다. 반송 개구부(66)는 오목부(62)의 외주면에 연통 접속되어 있다. 이 때문에, 게이트 밸브(185)가 반송 개구부(66)를 개방하고 있을 때에는, 반송 개구부(66)로부터 오목부(62)를 통과하여 열처리 공간(65)으로의 반도체 웨이퍼(W)의 반입 및 열처리 공간(65)으로부터의 반도체 웨이퍼(W)의 반출을 실시할 수 있다. 또, 게이트 밸브(185)가 반송 개구부(66)를 폐쇄하면 챔버(6) 내의 열처리 공간(65)이 밀폐 공간이 된다.
또한 챔버 측부(61)에는, 관통공(61a)어 뚫어 형성되어 있다. 챔버 측부(61)의 외벽면의 관통공(61a)이 형성되어 있는 부위에는 방사 온도계(20)가 장착되어 있다. 관통공(61a)은, 후술하는 서셉터(74)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 하면으로부터 방사된 적외광을 방사 온도계(20)로 유도하기 위한 원통상의 구멍이다. 관통공(61a)은, 그 관통 방향의 축이 서셉터(74)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 주면과 교차하도록, 수평 방향에 대해 경사져서 형성되어 있다. 관통공(61a)의 열처리 공간(65)에 면하는 측의 단부에는, 방사 온도계(20)가 측정 가능한 파장 영역의 적외광을 투과시키는 불화바륨 재료로 이루어지는 투명창(21)이 장착되어 있다. 방사 온도계(20)는, 반도체 웨이퍼(W)의 하면으로부터 방사된 적외광을 투명창(21)을 통하여 수광하고, 그 적외광의 강도로부터 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 측정한다.
또, 챔버(6)의 내벽 상부에는 열처리 공간(65)에 처리 가스(본 실시형태에서는 질소 가스(N2) 및 암모니아(NH3))를 공급하는 가스 공급공(81)이 형성 설치되어 있다. 가스 공급공(81)은, 오목부(62)보다 상측 위치에 형성 설치되어 있고, 반사링(68)에 설치되어 있어도 된다. 가스 공급공(81)은 챔버(6)의 측벽 내부에 원환상으로 형성된 완충 공간(82)을 통하여 가스 공급관(83)에 연통 접속되어 있다. 가스 공급관(83)은 처리 가스 공급원(85)에 접속되어 있다. 처리 가스 공급원(85)은, 제어부(3)의 제어하에서, 질소 가스, 또는 암모니아와 질소 가스의 혼합 가스를 처리 가스로서 가스 공급관(83)에 송급한다. 또, 가스 공급관(83)의 경로 도중에는 밸브(84) 및 유량 조정 밸브(90)가 개재 삽입되어 있다. 밸브(84)가 개방되면, 처리 가스 공급원(85)으로부터 완충 공간(82)으로 처리 가스가 송급된다. 가스 공급관(83)을 흘러 완충 공간(82)에 송급되는 처리 가스의 유량은 유량 조정 밸브(90)에 의해 조정된다. 유량 조정 밸브(90)가 규정하는 처리 가스의 유량은 제어부(3)의 제어에 의해 가변이 된다. 완충 공간(82)에 유입된 처리 가스는, 가스 공급공(81)보다 유체 저항이 작은 완충 공간(82) 내를 퍼지도록 흘러 가스 공급공(81)으로부터 열처리 공간(65) 내로 공급된다. 또한, 처리 가스는 질소 가스, 암모니아에 한정되는 것은 아니며, 아르곤(Ar), 헬륨(He) 등의 불활성 가스, 또는 산소(O2), 수소(H2), 염소(Cl2), 염화수소(HCl), 오존(O3), 일산화질소(NO), 아산화질소(N2O), 이산화질소(NO2) 등의 반응성 가스이어도 된다.
한편, 챔버(6)의 내벽 하부에는 열처리 공간(65) 내의 기체를 배기하는 가스 배기공(86)이 형성 설치되어 있다. 가스 배기공(86)은, 오목부(62)보다 하측 위치에 형성 설치되어 있고, 반사링(69)에 형성되어 있어도 된다. 가스 배기공(86)은 챔버(6)의 측벽 내부에 원환상으로 형성된 완충 공간(87)을 통하여 가스 배기관(88)에 연통 접속되어 있다. 가스 배기관(88)은 배기부(190)에 접속되어 있다. 또, 가스 배기관(88)의 경로 도중에는 밸브(89)가 개재 삽입되어 있다. 밸브(89)가 개방되면, 열처리 공간(65)의 기체가 가스 배기공(86)으로부터 완충 공간(87)을 거쳐 가스 배기관(88)으로 배출된다. 밸브(84)를 폐지하여 열처리 공간(65)에 처리 가스를 공급하는 일 없이 밸브(89)를 개방하여 열처리 공간(65)으로부터의 배기만을 실시하면, 챔버(6) 내의 열처리 공간(65)이 대기압 미만까지 감압되게 된다. 배기부(190)는, 도시 생략된 배기 유량 조정 기구(예를 들어, 유량 조정 밸브)를 구비하고 있다. 또, 챔버(6) 내에는 열처리 공간(65)의 압력을 측정하는 압력계(180)가 형성되어 있다. 또한, 가스 공급공(81) 및 가스 배기공(86)은, 챔버(6)의 둘레 방향을 따라 복수 형성되어 있어도 되고, 슬릿상의 것이어도 된다. 또, 처리 가스 공급원(85) 및 배기부(190)는, 열처리 장치(1)에 형성된 기구이어도 되고, 열처리 장치(1)가 설치되는 공장의 유틸리티이어도 된다.
도 2는, 유지부(7)의 전체 외관을 나타내는 사시도이다. 유지부(7)는, 기대(基臺)링(71), 연결부(72) 및 서셉터(74)를 구비하여 구성된다. 기대링(71), 연결부(72) 및 서셉터(74)는 모두 석영으로 형성되어 있다. 즉, 유지부(7)의 전체가 석영으로 형성되어 있다.
기대링(71)은 원환 형상에서 일부가 결락한 원호 형상의 석영 부재이다. 이 결락 부분은, 후술하는 이재 기구(10)의 이재 아암(11)과 기대링(71)의 간섭을 방지하기 위해 형성되어 있다. 기대링(71)은 오목부(62)의 저면에 재치(載置)됨으로써, 챔버(6)의 벽면에 지지되게 된다(도 1 참조). 기대링(71)의 상면에, 그 원환 형상의 둘레 방향을 따라 복수의 연결부(72)(본 실시형태에서는 4개)가 수직 설치된다. 연결부(72)도 석영의 부재이고, 용접에 의해 기대링(71)에 고착된다.
서셉터(74)는 기대링(71)에 설치된 4개의 연결부(72)에 의해 지지된다. 도 3은, 서셉터(74)의 평면도이다. 또, 도 4는, 서셉터(74)의 단면도이다. 서셉터(74)는, 유지 플레이트(75), 가이드링(76) 및 복수의 기판 지지핀(77)을 구비한다. 유지 플레이트(75)는, 석영으로 형성된 대략 원형의 평판상 부재이다. 유지 플레이트(75)의 직경은 반도체 웨이퍼(W)의 직경보다 크다. 즉, 유지 플레이트(75)는, 반도체 웨이퍼(W)보다 큰 평면 사이즈를 갖는다.
유지 플레이트(75)의 상면 둘레 가장자리부에 가이드링(76)이 설치되어 있다. 가이드링(76)은, 반도체 웨이퍼(W)의 직경보다 큰 내경을 갖는 원환 형상의 부재이다. 예를 들어, 반도체 웨이퍼(W)의 직경이 φ300㎜인 경우, 가이드링(76)의 내경은 φ320㎜이다. 가이드링(76)의 내주는, 유지 플레이트(75)에서 상방을 향하여 넓어지는 테이퍼면으로 되어 있다. 가이드링(76)은, 유지 플레이트(75)와 동일한 석영으로 형성된다. 가이드링(76)은, 유지 플레이트(75)의 상면에 용착되도록 해도 되고, 별도로 가공한 핀 등에 의해 유지 플레이트(75)에 고정되도록 해도 된다. 혹은, 유지 플레이트(75)와 가이드링(76)을 일체의 부재로서 가공하도록 해도 된다.
유지 플레이트(75)의 상면 중 가이드링(76)보다 내측의 영역이 반도체 웨이퍼(W)를 유지하는 평면상의 유지면(75a)이 된다. 유지 플레이트(75)의 유지면(75a)에는, 복수의 기판 지지핀(77)이 수직 설치되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 유지면(75a)의 외주원(가이드링(76)의 내주원)과 동심원의 둘레 상을 따라 30°마다 합계 12개의 기판 지지핀(77)이 수직 설치되어 있다. 12개의 기판 지지핀(77)을 배치한 원의 직경(대향하는 기판 지지핀(77)간의 거리)은 반도체 웨이퍼(W)의 직경보다 작고, 반도체 웨이퍼(W)의 직경이 φ300㎜이면 φ270㎜∼φ280㎜(본 실시형태에서는 φ270㎜)이다. 각각의 기판 지지핀(77)은 석영으로 형성되어 있다. 복수의 기판 지지핀(77)은, 유지 플레이트(75)의 상면에 용접에 의해 설치하도록 해도 되고, 유지 플레이트(75)와 일체로 가공하도록 해도 된다.
도 2로 되돌아와, 기대링(71)에 수직 설치된 4개의 연결부(72)와 서셉터(74)의 유지 플레이트(75)의 둘레 가장자리부가 용접에 의해 고착된다. 즉, 서셉터(74)와 기대링(71)은 연결부(72)에 의해 고정적으로 연결되어 있다. 이와 같은 유지부(7)의 기대링(71)이 챔버(6)의 벽면에 지지됨으로써, 유지부(7)가 챔버(6)에 장착된다. 유지부(7)가 챔버(6)에 장착된 상태에 있어서는, 서셉터(74)의 유지 플레이트(75)는 수평 자세(법선이 연직 방향과 일치하는 자세)가 된다. 즉, 유지 플레이트(75)의 유지면(75a)은 수평면이 된다.
챔버(6)에 반입된 반도체 웨이퍼(W)는, 챔버(6)에 장착된 유지부(7)의 서셉터(74) 상에 수평 자세로 재치되어 유지된다. 이 때, 반도체 웨이퍼(W)는 유지 플레이트(75) 상에 수직 설치된 12개의 기판 지지핀(77)에 의해 지지되어 서셉터(74)에 유지된다. 보다 엄밀하게는, 12개의 기판 지지핀(77)의 상단부가 반도체 웨이퍼(W)의 하면에 접촉하여 당해 반도체 웨이퍼(W)를 지지한다. 12개의 기판 지지핀(77)의 높이(기판 지지핀(77)의 상단으로부터 유지 플레이트(75)의 유지면(75a)까지의 거리)는 균일하기 때문에, 12개의 기판 지지핀(77)에 의해 반도체 웨이퍼(W)를 수평 자세로 지지할 수 있다.
또, 반도체 웨이퍼(W)는 복수의 기판 지지핀(77)에 의해 유지 플레이트(75)의 유지면(75a)으로부터 소정의 간격을 두고 지지되게 된다. 기판 지지핀(77)의 높이보다 가이드링(76)의 두께쪽이 크다. 따라서, 복수의 기판 지지핀(77)에 의해 지지된 반도체 웨이퍼(W)의 수평 방향의 위치 어긋남은 가이드링(76)에 의해 방지된다.
또, 도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 서셉터(74)의 유지 플레이트(75)에는, 상하로 관통하여 개구부(78)가 형성되어 있다. 개구부(78)는, 방사 온도계(20)가 반도체 웨이퍼(W)의 하면으로부터 방사되는 방사광(적외광)을 수광하기 위해 설치되어 있다. 즉, 방사 온도계(20)가 개구부(78) 및 챔버 측부(61)의 관통공(61a)에 장착된 투명창(21)을 통하여 반도체 웨이퍼(W)의 하면으로부터 방사된 광을 수광하여 당해 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 측정한다. 또한 서셉터(74)의 유지 플레이트(75)에는, 후술하는 이재 기구(10)의 리프트 핀(12)이 반도체 웨이퍼(W)의 수수를 위해서 관통하는 4개의 관통공(79)이 뚫어 형성되어 있다.
도 5는, 이재 기구(10)의 평면도이다. 또, 도 6은, 이재 기구(10)의 측면도이다. 이재 기구(10)는, 2개의 이재 아암(11)을 구비한다. 이재 아암(11)은, 대체로 원환상의 오목부(62)를 따르는 원호 형상으로 되어 있다. 각각의 이재 아암(11)에는 2개의 리프트 핀(12)이 수직 설치되어 있다. 이재 아암(11) 및 리프트 핀(12)은 석영으로 형성되어 있다. 각 이재 아암(11)은 수평 이동 기구(13)에 의해 회동(回動) 가능하게 되어 있다. 수평 이동 기구(13)는, 1쌍의 이재 아암(11)을 유지부(7)에 대해 반도체 웨이퍼(W)의 이재를 실시하는 이재 동작 위치(도 5의 실선 위치)와 유지부(7)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)와 평면에서 보았을 때 겹치지 않는 퇴피 위치(도 5의 2점 쇄선 위치) 사이에서 수평 이동시킨다. 수평 이동 기구(13)로는, 개별 모터에 의해 각 이재 아암(11)을 각각 회동시키는 것이어도 되고, 링크 기구를 사용하여 1개의 모터에 의해 1쌍의 이재 아암(11)을 연동시켜 회동시키는 것이어도 된다.
또, 1쌍의 이재 아암(11)은, 승강 기구(14)에 의해 수평 이동 기구(13)와 함께 승강 이동된다. 승강 기구(14)가 1쌍의 이재 아암(11)을 이재 동작 위치에서 상승시키면, 합계 4개의 리프트 핀(12)이 서셉터(74)에 뚫어 형성된 관통공(79)(도 2, 3 참조)을 통과하여, 리프트 핀(12)의 상단이 서셉터(74)의 상면으로부터 돌출된다. 한편, 승강 기구(14)가 1쌍의 이재 아암(11)을 이재 동작 위치에서 하강시켜 리프트 핀(12)을 관통공(79)으로부터 빼내고, 수평 이동 기구(13)가 1쌍의 이재 아암(11)을 개방하도록 이동시키면 각 이재 아암(11)이 퇴피 위치로 이동한다. 1쌍의 이재 아암(11)의 퇴피 위치는, 유지부(7)의 기대링(71)의 바로 위이다. 기대링(71)은 오목부(62)의 저면에 재치되어 있기 때문에, 이재 아암(11)의 퇴피 위치는 오목부(62)의 내측이 된다. 또한, 이재 기구(10)의 구동부(수평 이동 기구(13) 및 승강 기구(14))가 형성되어 있는 부위의 근방에도 도시 생략된 배기 기구가 형성되어 있고, 이재 기구(10)의 구동부 주변의 분위기가 챔버(6)의 외부에 배출되도록 구성되어 있다.
또, 열처리 장치(1)는, 챔버(6) 내의 산소 농도를 측정하는 산소 농도계(91)를 구비하고 있다. 도 8은, 산소 농도계(91)의 주변 구성을 모식적으로 나타내는 도면이다. 산소 농도계(91)와 챔버(6)는 샘플링 라인(92)에 의해 연통 접속되어 있다. 즉, 샘플링 라인(92)의 선단은 챔버(6)의 챔버 측부(61)의 내측에 접속되고, 기단은 산소 농도계(91)에 접속된다. 샘플링 라인(92)은, 챔버(6) 내의 분위기를 산소 농도계(91)로 유도하는 배관이다. 샘플링 라인(92)의 경로 도중에는 밸브(93)가 설치되어 있다. 밸브(93)가 개방되면, 챔버(6) 내의 열처리 공간(65)과 산소 농도계(91)가 연통 상태가 된다.
또, 샘플링 라인(92)의 경로 도중 (밸브(93)보다 산소 농도계(91)측)에는 불활성 가스 공급 라인(94)이 접속되어 있다. 불활성 가스 공급 라인(94)은, 샘플링 라인(92)의 일부를 경유하여 산소 농도계(91)에 불활성 가스를 공급하는 배관이다. 불활성 가스 공급 라인(94)의 선단은 샘플링 라인(92)의 경로 도중에 접속되고, 기단은 불활성 가스 공급원(98)에 접속되어 있다. 불활성 가스 공급 라인(94)의 경로 도중에는, 밸브(95), 오리피스(96), 감압 밸브(97)이 개재 삽입되어 있다.
밸브(95)가 개방되면, 불활성 가스 공급원(98)으로부터 산소 농도계(91)로 불활성 가스(본 실시형태에서는 질소 가스)가 송급된다. 감압 밸브(97)는, 불활성 가스 공급원(98)으로부터 송급되는 질소 가스의 압력을 감소시키는 밸브이다. 오리피스(96)는, 예를 들어 φ0.1㎜의 개구를 갖고, 불활성 가스 공급 라인(94)의 컨덕턴스를 조정한다. 구체적으로는, 오리피스(96)는, 불활성 가스 공급 라인(94)의 컨덕턴스를 샘플링 라인(92)의 컨덕턴스(보다 엄밀하게는, 샘플링 라인(92)의 선단으로부터 불활성 가스 공급 라인(94)이 합류하는 부위까지의 컨덕턴스)와 동일해지도록 조정한다. 감압 밸브(97)에 의해 질소 가스의 공급 압력을 감소함과 함께, 오리피스(96)에 의해 불활성 가스 공급 라인(94)의 컨덕턴스를 샘플링 라인(92)의 컨덕턴스와 동등하게 조정함으로써, 불활성 가스 공급원(98)으로부터 불활성 가스 공급 라인(94)을 거쳐 산소 농도계(91)로 공급하는 불활성 가스의 유량을 챔버(6)로부터 샘플링 라인(92)을 거쳐 산소 농도계(91)로 유도되는 기체의 유량과 동일하게 할 수 있다.
샘플링 라인(92) 및 불활성 가스 공급 라인(94)은, 스테인리스 스틸(예를 들어, 일본 공업 규격의 SUS316 또는 SUS304 등)로 형성되어 있다. 샘플링 라인(92) 및 불활성 가스 공급 라인(94)은, 챔버(6)와 동일한 소재로 형성하는 것이 바람직하다.
산소 농도계(91)는, 도시를 생략하는 농도 센서와 흡인 펌프를 갖는다. 산소 농도계(91)의 흡인 펌프는, 밸브(93)가 개방되어 있을 때, 샘플링 라인(92)을 경유하여 챔버(6) 내의 분위기를 흡인한다. 농도 센서는, 예를 들어 안정화 지르코니아를 사용한 지르코니아식 산소 농도 센서이다. 안정화 지르코니아는, 지르코니아(ZrO2)에 안정화제로서의 이트리아(Y2O3)를 첨가한 것이고, 이온 전도성이 우수하고, 고온에서는 고체 전해질이 된다. 고온(예를 들어, 약 700℃)의 지르코니아 고체 전해질의 양측에서 산소 농도에 차가 있으면, 고산소 농도측에서는 환원 반응에 의해 산소 이온(O2-)이 생성되고, 그 산소 이온이 지르코니아 고체 전해질 내를 이동하여 저산소 농도측에서 산화 반응에 의해 산소(O2)가 된다. 지르코니아 고체 전해질의 양측에서 생기는 산화·환원 반응에서의 전자의 수수에 의해 기전력이 발생하고, 그 기전력의 크기는 산소 농도차에 의해 규정된다. 따라서, 고온의 지르코니아 고체 전해질의 편측에 산소 농도가 이미 알려진 참조 가스를 접촉시키면서, 그 반대측에 측정 대상이 되는 가스를 접촉시켰을 때의 기전력을 측정함으로써, 당해 측정 대상이 되는 가스 중의 산소 농도를 측정할 수 있다. 산소 농도계(91)는, 챔버(6)로부터 흡인한 기체 중의 산소 농도를 이러한 원리를 사용하여 측정함으로써, 챔버(6) 내의 산소 농도를 측정하고 있다.
산소 농도계(91)는, 챔버(6) 내의 분위기를 배기하는 배기 라인인 가스 배기관(88)과 배출관(99)을 통하여 접속되어 있다. 산소 농도계(91)는, 챔버(6)로부터 흡인하여 산소 농도의 측정에 사용한 기체를 배출관(99)으로부터 가스 배기관(88)으로 배출한다.
도 1으로 되돌아와, 챔버(6)의 상방에 설치된 플래시 가열부(5)는, 하우징(51)의 내측에, 복수개(본 실시형태에서는 30개)의 크세논 플래시 램프(FL)로 이루어지는 광원과, 그 광원의 상방을 덮도록 설치된 리플렉터(52)를 구비하여 구성된다. 또, 플래시 가열부(5)의 하우징(51)의 저부에는 램프광 방사창(53)이 장착되어 있다. 플래시 가열부(5)의 플로어부를 구성하는 램프광 방사창(53)은, 석영에 의해 형성된 판상의 석영창이다. 플래시 가열부(5)가 챔버(6)의 상방에 설치됨으로써, 램프광 방사창(53)이 상측 챔버창(63)과 서로 대향하게 된다. 플래시 램프(FL)는 챔버(6)의 상방으로부터 램프광 방사창(53) 및 상측 챔버창(63)을 통하여 열처리 공간(65)에 플래시광을 조사한다.
복수의 플래시 램프(FL)는, 각각이 장척의 원통 형상을 갖는 봉상 램프이고, 각각의 길이 방향이 유지부(7)에 유지되는 반도체 웨이퍼(W)의 주면을 따라(요컨대 수평 방향을 따라) 서로 평행이 되도록 평면상으로 배열되어 있다. 따라서, 플래시 램프(FL)의 배열에 의해 형성되는 평면도 수평면이다. 복수의 플래시 램프(FL)가 배열되는 영역은 반도체 웨이퍼(W)의 평면 사이즈보다 크다.
크세논 플래시 램프(FL)는, 그 내부에 크세논 가스가 봉입(封入)되고 그 양단부에 콘덴서에 접속된 양극 및 음극이 배치 설치된 봉상의 유리관(방전관)과, 그 유리관의 외주면 상에 부설된 트리거 전극을 구비한다. 크세논 가스는 전기적으로는 절연체이므로, 콘덴서에 전하가 축적되어 있다고 해도 통상적인 상태에서는 유리관 내에 전기는 흐르지 않는다. 그러나, 트리거 전극에 고전압을 인가하여 절연을 파괴한 경우에는, 콘덴서에 축적된 전기가 유리관 내에 순간적으로 흘러, 그 때의 크세논의 원자 혹은 분자의 여기에 의해 광이 방출된다. 이와 같은 크세논 플래시 램프(FL)에 있어서는, 미리 콘덴서에 축적되어 있던 정전 에너지가 0.1밀리세컨드 내지 100밀리세컨드라는 매우 짧은 광 펄스로 변환되므로, 할로겐 램프(HL)와 같은 연속 점등의 광원에 비해 매우 강한 광을 조사할 수 있다는 특징을 갖는다. 즉, 플래시 램프(FL)는, 1초 미만의 매우 짧은 시간에 순간적으로 발광하는 펄스 발광 램프이다. 또한, 플래시 램프(FL)의 발광 시간은, 플래시 램프(FL)에 전력 공급을 실시하는 램프 전원의 코일 정수(定數)에 의해 조정할 수 있다.
또, 리플렉터(52)는, 복수의 플래시 램프(FL)의 상방에 그것들 전체를 덮도록 설치되어 있다. 리플렉터(52)의 기본적인 기능은, 복수의 플래시 램프(FL)로부터 출사된 플래시광을 열처리 공간(65)측으로 반사한다는 것이다. 리플렉터(52)는 알루미늄 합금판으로 형성되어 있고, 그 표면(플래시 램프(FL)에 면하는 측의 면)은 블라스트 처리에 의해 조면화(粗面化) 가공이 실시되어 있다.
챔버(6)의 하방에 설치된 할로겐 가열부(4)는, 하우징(41)의 내측에 복수개(본 실시형태에서는 40개)의 할로겐 램프(HL)를 내장하고 있다. 할로겐 가열부(4)는, 복수의 할로겐 램프(HL)에 의해 챔버(6)의 하방으로부터 하측 챔버창(64)을 통하여 열처리 공간(65)으로의 광 조사를 실시하여 반도체 웨이퍼(W)를 가열한다.
도 7은, 복수의 할로겐 램프(HL)의 배치를 나타내는 평면도이다. 40개의 할로겐 램프(HL)는 상하 2단으로 나누어서 배치되어 있다. 유지부(7)에 가까운 상단에 20개의 할로겐 램프(HL)가 배치 설치됨과 함께, 상단보다 유지부(7)로부터 먼 하단에도 20개의 할로겐 램프(HL)가 배치 설치되어 있다. 각 할로겐 램프(HL)는, 장척의 원통 형상을 갖는 봉상 램프이다. 상단, 하단 모두 20개의 할로겐 램프(HL)는, 각각의 길이 방향이 유지부(7)에 유지되는 반도체 웨이퍼(W)의 주면을 따라(요컨대 수평 방향을 따라) 서로 평행이 되도록 배열되어 있다. 따라서, 상단, 하단 모두 할로겐 램프(HL)의 배열에 의해 형성되는 평면은 수평면이다.
또, 도 7에 나타내는 바와 같이, 상단, 하단 모두 유지부(7)에 유지되는 반도체 웨이퍼(W)의 중앙부에 대향하는 영역보다 둘레 가장자리부에 대향하는 영역에 있어서의 할로겐 램프(HL)의 배치 설치 밀도가 높게 되어 있다. 즉, 상하단 모두, 램프 배열의 중앙부보다 둘레 가장자리부쪽이 할로겐 램프(HL)의 배치 설치 피치가 짧다. 이 때문에, 할로겐 가열부(4)로부터의 광 조사에 의한 가열시에 온도 저하가 생기기 쉬운 반도체 웨이퍼(W)의 둘레 가장자리부에 보다 많은 광량의 조사를 실시할 수 있다.
또, 상단의 할로겐 램프(HL)로 이루어지는 램프군과 하단의 할로겐 램프(HL)로 이루어지는 램프군이 격자상으로 교차하도록 배열되어 있다. 즉, 상단에 배치된 20개의 할로겐 램프(HL)의 길이 방향과 하단에 배치된 20개의 할로겐 램프(HL)의 길이 방향이 서로 직교하도록 합계 40개의 할로겐 램프(HL)가 배치 설치되어 있다.
할로겐 램프(HL)는, 유리관 내부에 배치 설치된 필라멘트에 통전함으로써 필라멘트를 백열화시켜 발광시키는 필라멘트 방식의 광원이다. 유리관의 내부에는, 질소나 아르곤 등의 불활성 가스에 할로겐 원소(요오드, 브롬 등)를 미량 도입한 기체가 봉입되어 있다. 할로겐 원소를 도입함으로써, 필라멘트의 절손(折損)을 억제하면서 필라멘트의 온도를 고온으로 설정하는 것이 가능해진다. 따라서, 할로겐 램프(HL)는, 통상적인 백열 전구에 비해 수명이 길고 또한 강한 광을 연속적으로 조사할 수 있다는 특성을 갖는다. 즉, 할로겐 램프(HL)는 적어도 1초 이상 연속해서 발광하는 연속 점등 램프이다. 또, 할로겐 램프(HL)는 봉상 램프이기 때문에 장수명이고, 할로겐 램프(HL)를 수평 방향을 따르게 하여 배치함으로써 상방의 반도체 웨이퍼(W)로의 방사 효율이 우수한 것이 된다.
또, 할로겐 가열부(4)의 하우징(41) 내에도, 2단의 할로겐 램프(HL)의 하측에 리플렉터(43)가 설치되어 있다(도 1). 리플렉터(43)는, 복수의 할로겐 램프(HL)로부터 출사된 광을 열처리 공간(65)측에 반사한다.
제어부(3)는, 열처리 장치(1)에 설치된 상기의 여러 가지 동작 기구를 제어한다. 제어부(3)의 하드웨어로서의 구성은 일반적인 컴퓨터와 동일하다. 즉, 제어부(3)는, 각종 연산 처리를 실시하는 회로인 CPU, 기본 프로그램을 기억하는 판독 출력 전용의 메모리인 ROM, 각종 정보를 기억하는 자유롭게 판독 기록 가능한 메모리인 RAM 및 제어용 소프트웨어나 데이터 등을 기억해 두는 자기 디스크를 구비하고 있다. 제어부(3)의 CPU가 소정의 처리 프로그램을 실행함으로써 열처리 장치(1)에 있어서의 처리가 진행된다. 또, 제어부(3)는, 샘플링 라인(92)의 밸브(93) 및 불활성 가스 공급 라인(94)의 밸브(95)의 개폐를 제어한다. 또한 제어부(3)는 계시 기능을 갖는 타이머(31)를 구비하고 있다(도 8).
상기의 구성 이외에도 열처리 장치(1)는, 반도체 웨이퍼(W)의 열처리시에 할로겐 램프(HL) 및 플래시 램프(FL)로부터 발생하는 열에너지에 의한 할로겐 가열부(4), 플래시 가열부(5) 및 챔버(6)의 과잉인 온도 상승을 방지하기 위해, 여러 가지 냉각용의 구조를 구비하고 있다. 예를 들어, 챔버(6)의 벽체에는 수랭관(도시 생략)이 설치되어 있다. 또, 할로겐 가열부(4) 및 플래시 가열부(5)는, 내부에 기체류를 형성하여 배열하는 공랭 구조로 되어 있다. 또, 상측 챔버창(63)과 램프광 방사창(53)의 간극에도 공기가 공급되어, 플래시 가열부(5) 및 상측 챔버창(63)을 냉각시킨다.
다음으로, 열처리 장치(1)에 있어서의 처리 순서에 대해 설명한다. 여기서 처리 대상이 되는 반도체 웨이퍼(W)는, 게이트 절연막으로서 고유전율막이 형성된 실리콘의 반도체 기판이다. 고유전율막은, 예를 들어 ALD(Atomic Layer Deposition)나 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 등의 수법에 의해 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 퇴적되어 성막되어 있다. 그 반도체 웨이퍼(W)에 대해 열처리 장치(1)가 암모니아 분위기 중에서 플래시광을 조사하여 성막 후 열처리(PDA)를 실시함으로써, 성막 후의 고유전율막 중의 결함을 소멸시킨다. 이하에 설명하는 열처리 장치(1)의 처리 순서는, 제어부(3)가 열처리 장치(1)의 각 동작 기구를 제어함으로써 진행된다.
먼저, 고유전율막이 형성된 반도체 웨이퍼(W)가 열처리 장치(1)의 챔버(6)에 반입된다. 반도체 웨이퍼(W)의 반입시에는, 게이트 밸브(185)가 개방되고 반송 개구부(66)가 개방되어, 장치 외부의 반송 로봇에 의해 반송 개구부(66)를 통하여 고유전율막이 형성된 반도체 웨이퍼(W)가 챔버(6) 내의 열처리 공간(65)에 반입된다. 이 때, 챔버(6)의 내외는 모두 대기압이기 때문에, 반도체 웨이퍼(W)의 반입에 따라 챔버(6) 내의 열처리 공간(65)에 장치 외 분위기가 휩쓸려 들어간다. 그래서, 밸브(84)를 개방하고 처리 가스 공급원(85)으로부터 챔버(6) 내로 질소 가스를 계속 공급함으로써 반송 개구부(66)로부터 질소 가스류를 유출시켜, 장치 외부의 분위기가 챔버(6) 내로 유입되는 것을 최소한으로 억제하도록 해도 된다.
반송 로봇에 의해 반입된 반도체 웨이퍼(W)는 유지부(7)의 바로 위 위치까지 진출하여 정지한다. 그리고, 이재 기구(10)의 1쌍의 이재 아암(11)이 퇴피 위치로부터 이재 동작 위치로 수평 이동하여 상승함으로써, 리프트 핀(12)이 관통공(79)을 지나 서셉터(74)의 유지 플레이트(75)의 상면으로부터 돌출되어 반도체 웨이퍼(W)를 수취한다. 이 때, 리프트 핀(12)은 기판 지지핀(77)의 상단보다 상방까지 상승한다.
반도체 웨이퍼(W)가 리프트 핀(12)에 재치된 후, 반송 로봇이 열처리 공간(65)으로부터 퇴출되어, 게이트 밸브(185)에 의해 반송 개구부(66)가 폐쇄된다. 그리고, 1쌍의 이재 아암(11)이 하강함으로써, 반도체 웨이퍼(W)는 이재 기구(10)로부터 유지부(7)의 서셉터(74)에 수수되어 수평 자세로 하방으로부터 유지된다. 반도체 웨이퍼(W)는, 유지 플레이트(75) 상에 수직 설치된 복수의 기판 지지핀(77)에 의해 지지되어 서셉터(74)에 유지된다. 또, 반도체 웨이퍼(W)는, 고유전율막이 성막된 표면을 상면으로 하여 서셉터(74)에 유지된다. 복수의 기판 지지핀(77)에 의해 지지된 반도체 웨이퍼(W)의 이면(표면과는 반대측의 주면)과 유지 플레이트(75)의 유지면(75a) 사이에는 소정의 간격이 형성된다. 서셉터(74)의 하방까지 하강한 1쌍의 이재 아암(11)은 수평 이동 기구(13)에 의해 퇴피 위치, 즉 오목부(62)의 내측으로 퇴피한다.
반도체 웨이퍼(W)가 챔버(6)에 수용되고, 게이트 밸브(185)에 의해 반송 개구부(66)가 폐쇄된 시점에서는, 챔버(6) 내는 상압(=대기압)이고, 가스 공급공(81)으로부터 질소 가스가 공급됨과 함께 가스 배기공(86)으로부터 열처리 공간(65)의 기체가 배기됨으로써 챔버(6) 내는 질소 분위기가 된다. 챔버(6) 내가 상압, 또한 챔버(6) 내가 질소 가스 등의 불활성 가스의 분위기로 되어 있을 때에는, 제어부(3)로부터의 동작 지령에 따라 샘플링 라인(92)의 밸브(93)가 개방됨과 함께, 불활성 가스 공급 라인(94)의 밸브(95)가 폐지된다. 이로써, 챔버(6) 내의 분위기가 샘플링 라인(92)을 거쳐 산소 농도계(91)에 흡인되고, 챔버(6) 내의 산소 농도가 산소 농도계(91)에 의해 측정된다. 챔버(6)로부터 흡인하여 산소 농도의 측정에 사용한 기체는 산소 농도계(91)로부터 가스 배기관(88)으로 배출된다.
또, 반도체 웨이퍼(W)가 챔버(6)에 수용되고, 게이트 밸브(185)에 의해 반송 개구부(66)가 폐쇄된 후, 챔버(6) 내를 대기압보다 낮은 기압으로 감압한다. 도 9는, 챔버(6) 내의 압력 변화를 나타내는 도면이다. 시각 t1에 반도체 웨이퍼(W)가 대기압 Ps(=약 101325㎩)의 챔버(6) 내에 반입된 후, 게이트 밸브(185)에 의해 반송 개구부(66)가 폐쇄됨으로써, 챔버(6) 내의 열처리 공간(65)이 밀폐 공간이 된다. 이 때에는, 밸브(84) 및 밸브(89)의 쌍방이 개방되고, 챔버(6) 내에는 질소 가스가 공급됨과 함께 챔버(6) 내의 분위기도 배기되어 챔버(6) 내가 질소 분위기가 된다. 이 상태에서, 시각 t2에 제어부(3)로부터의 동작 지령에 따라 밸브(89)를 개방하면서 밸브(84)를 폐지함으로써, 챔버(6) 내에 대해서는 가스 공급이 실시되는 일 없이 배기가 실시되게 되어, 챔버(6) 내의 열처리 공간(65)이 대기압 미만으로 감압된다.
또, 제어부(3)는, 배기부(190)를 제어하여 시각 t2 내지 시각 t3까지는 비교적 작은 배기 유량으로 기압 P1(예를 들어 약 20000㎩)까지 배기를 실시한 후, 시각 t3에 배기 유량을 증대시킨다. 즉, 감압의 초기 단계에서는 작은 배기 유량으로 배기를 실시한 후에, 그것보다 큰 배기 유량으로 전환하여 배기를 실시하고 있는 것이다. 감압의 개시시에서 큰 배기 유량으로 급속하게 배기를 실시하면, 챔버(6) 내에 큰 기류 변화가 생겨 챔버(6)의 구조물(예를 들어, 하측 챔버창(64))에 부착되어 있던 파티클이 휩쓸려 올라가 반도체 웨이퍼(W)에 재부착하여 오염될 우려가 있다. 감압의 초기 단계에서는 작은 배기 유량으로 천천히 배기를 실시한 후에, 큰 배기 유량으로 전환하여 배기를 실시하도록 하면, 그러한 챔버(6) 내의 파티클의 휩쓸려 올라감을 방지할 수 있다.
얼마 안 있어 시각 t4에 챔버(6)의 압력(진공도)이 기압 P2에 도달한다. 기압 P2는, 예를 들어 약 100㎩이다. 챔버(6) 내의 압력이 기압 P2에 도달한 시각 t4에, 급기를 위한 밸브(84)를 개방하고, 처리 가스 공급원(85)으로부터 챔버(6) 내의 열처리 공간(65)에 암모니아와 희석 가스로서의 질소 가스의 혼합 가스를 공급한다. 그 결과, 챔버(6) 내에서 유지부(7)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 주변에는 암모니아 분위기가 형성된다. 암모니아 분위기 중에 있어서의 암모니아의 농도(요컨대, 암모니아와 질소 가스의 혼합비)는, 특별히 한정되는 것은 아니며 적절한 값으로 할 수 있지만, 예를 들어 10vol.％ 이하이면 된다(본 실시형태에서는 약 2.5vol.％).
챔버(6) 내에 혼합 가스가 공급됨으로써, 챔버(6) 내의 압력이 기압 P2로부터 상승하여 시각 t5에 기압 P3까지 복압되어 있다. 반도체 웨이퍼(W)의 처리 압력인 기압 P3은, 기압 P2보다 높고, 또한 대기압 Ps보다 낮고, 예를 들어 약 5000㎩이다. 챔버(6) 내의 압력이 기압 P3으로 복압된 시각 t5 이후는, 챔버(6)에 대한 암모니아·질소 혼합 가스의 공급 유량과 챔버(6)로부터의 배기 유량을 대체로 동일하게 하여 챔버(6) 내의 압력을 기압 P3으로 유지한다.
챔버(6) 내가 대기압으로 되어 있는 시각 t1 내지 시각 t2까지의 동안은, 상기 서술한 바와 같이, 샘플링 라인(92)의 밸브(93)가 개방됨과 함께, 불활성 가스 공급 라인(94)의 밸브(95)가 폐지되고, 산소 농도계(91)에 의해 챔버(6) 내의 산소 농도가 측정되어 있다. 한편, 챔버(6) 내가 대기압 미만으로 감압되는 시각 t2 이후는, 제어부(3)로부터의 동작 지령에 따라 샘플링 라인(92)의 밸브(93)가 폐지된다. 이로써, 챔버(6)로부터의 분위기의 흡인이 정지되어 챔버(6) 내의 산소 농도의 측정이 중단되게 된다. 또, 샘플링 라인(92)의 밸브(93)가 폐지됨과 동시에, 불활성 가스 공급 라인(94)의 밸브(95)가 개방된다. 이로써, 챔버(6)로부터의 분위기의 흡인이 정지됨과 동시에, 불활성 가스 공급 라인(94)으로부터 산소 농도계(91)로 불활성 가스로서의 질소 가스가 공급된다. 불활성 가스 공급 라인(94)으로부터의 질소 가스 공급시에는, 감압 밸브(97)에 의해 질소 가스의 공급압을 감소시킴과 함께, 오리피스(96)에 의해 불활성 가스 공급 라인(94)의 컨덕턴스를 샘플링 라인(92)의 컨덕턴스와 동등하게 조정하고 있다. 이 때문에, 불활성 가스 공급 라인(94)으로부터 산소 농도계(91)로 공급하는 질소 가스의 유량은, 챔버(6) 내의 산소 농도 측정시에 챔버(6)로부터 샘플링 라인(92)을 거쳐 산소 농도계(91)로 유도되는 기체의 유량과 동일해진다.
또, 불활성 가스 공급 라인(94)으로부터 산소 농도계(91)로 공급하는 질소 가스 중의 산소 농도는 산소 농도 측정시의 챔버(6) 내의 산소 농도보다 낮게 되어 있다. 대기압으로 되어 있을 때에도 챔버(6) 내의 산소 농도는 약 0.1ppm으로 되어 있고, 불활성 가스 공급 라인(94)으로부터 산소 농도계(91)로 공급하는 질소 가스 중의 산소 농도는 0.1ppm 미만이다.
챔버(6) 내의 압력이 기압 P3으로 복압된 시각 t5 이후에 할로겐 가열부(4)의 40개의 할로겐 램프(HL)가 일제히 점등하여 반도체 웨이퍼(W)의 예비 가열(어시스트 가열)이 개시된다. 할로겐 램프(HL)로부터 출사된 할로겐광은, 석영으로 형성된 하측 챔버창(64) 및 서셉터(74)를 투과하여 반도체 웨이퍼(W)의 이면에 조사된다. 할로겐 램프(HL)로부터의 광 조사를 받음으로써 반도체 웨이퍼(W)가 예비 가열되어 온도가 상승한다. 또한, 이재 기구(10)의 이재 아암(11)은 오목부(62)의 내측으로 퇴피되어 있기 때문에, 할로겐 램프(HL)에 의한 가열의 장해가 되는 일은 없다.
할로겐 램프(HL)에 의한 예비 가열을 실시할 때에는, 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 방사 온도계(20)에 의해 측정되어 있다. 즉, 서셉터(74)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 하면으로부터 개구부(78)를 통하여 방사된 적외광을 투명창(21)을 통하여 방사 온도계(20)가 수광하여 승온 중인 웨이퍼 온도를 측정한다. 측정된 반도체 웨이퍼(W)의 온도는 제어부(3)에 전달된다. 제어부(3)는, 할로겐 램프(HL)로부터의 광 조사에 의해 승온되는 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 소정의 예비 가열 온도 T1에 도달했는지의 여부를 감시하면서, 할로겐 램프(HL)의 출력을 제어한다. 즉, 제어부(3)는, 방사 온도계(20)에 의한 측정값에 기초하여, 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 예비 가열 온도 T1이 되도록 할로겐 램프(HL)의 출력을 피드백 제어한다. 예비 가열 온도 T1은 300℃ 이상 600℃ 이하이고, 본 실시형태에서는 450℃이다.
반도체 웨이퍼(W)의 온도가 예비 가열 온도 T1에 도달한 후, 제어부(3)는 반도체 웨이퍼(W)를 그 예비 가열 온도 T1에 잠시 유지한다. 구체적으로는, 방사 온도계(20)에 의해 측정되는 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 예비 가열 온도 T1에 도달한 시점에서 제어부(3)가 할로겐 램프(HL)의 출력을 조정하여, 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 거의 예비 가열 온도 T1로 유지하고 있다.
이와 같은 할로겐 램프(HL)에 의한 예비 가열을 실시함으로써, 반도체 웨이퍼(W)의 전체를 예비 가열 온도 T1로 균일하게 승온시키고 있다. 할로겐 램프(HL)에 의한 예비 가열의 단계에 있어서는, 보다 방열이 생기기 쉬운 반도체 웨이퍼(W)의 둘레 가장자리부의 온도가 중앙부보다 저하되는 경향이 있지만, 할로겐 가열부(4)에 있어서의 할로겐 램프(HL)의 배치 설치 밀도는, 반도체 웨이퍼(W)의 중앙부에 대향하는 영역보다 둘레 가장자리부에 대향하는 영역쪽이 높게 되어 있다. 이 때문에, 방열이 생기기 쉬운 반도체 웨이퍼(W)의 둘레 가장자리부에 조사되는 광량이 많아져, 예비 가열 단계에 있어서의 반도체 웨이퍼(W)의 면내 온도 분포를 균일한 것으로 할 수 있다. 또한, 예비 가열시의 챔버(6) 내의 압력은 기압 P3으로 유지되어 있다.
다음으로, 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 예비 가열 온도 T1에 도달하고 소정 시간이 경과한 시각 t6에 플래시 가열부(5)의 플래시 램프(FL)가 서셉터(74)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 플래시광 조사를 실시한다. 이 때, 플래시 램프(FL)로부터 방사되는 플래시광의 일부는 직접 챔버(6) 내로 향하고, 다른 일부는 일단 리플렉터(52)에 의해 반사되고 나서 챔버(6) 내로 향하고, 이들 플래시광의 조사에 의해 반도체 웨이퍼(W)의 플래시 가열이 실시된다.
플래시 가열은, 플래시 램프(FL)로부터의 플래시광(섬광) 조사에 의해 실시되기 때문에, 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도를 단시간에 상승시킬 수 있다. 즉, 플래시 램프(FL)로부터 조사되는 플래시광은, 미리 콘덴서에 축적되어 있던 정전 에너지가 매우 짧은 광 펄스로 변환된, 조사 시간이 0.1밀리세컨드 이상 100밀리세컨드 이하 정도의 매우 짧고 강한 섬광이다. 그리고, 고유전율막이 성막된 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 플래시 램프(FL)로부터 플래시광을 조사함으로써, 고유전율막을 포함하는 반도체 웨이퍼(W)의 표면은 순간적으로 처리 온도 T2까지 승온되어 성막 후 열처리가 실행된다. 플래시광 조사에 의해 반도체 웨이퍼(W)의 표면이 도달하는 최고 온도(피크 온도)인 처리 온도 T2는 600℃ 이상 1200℃ 이하이고, 본 실시형태에서는 1000℃이다.
암모니아 분위기 중에서 반도체 웨이퍼(W)의 표면이 처리 온도 T2까지 승온되어 성막 후 열처리가 실행되면, 고유전율막의 질화가 촉진됨과 함께, 고유전율막 중에 존재하고 있던 점결함 등의 결함이 소멸된다. 또한, 플래시 램프(FL)로부터의 조사 시간은 0.1밀리세컨드 이상 100밀리세컨드 이하 정도의 단시간이기 때문에, 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도가 예비 가열 온도 T1에서 처리 온도 T2까지 승온되는 데에 필요로 하는 시간도 1초 미만의 매우 단시간이다. 플래시광 조사 후의 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도는 처리 온도 T2로부터 즉시 급속하게 하강한다.
플래시 가열 처리가 종료하고 소정 시간이 경과한 시각 t7에, 제어부(3)가 밸브(84)를 폐지하여 챔버(6) 내를 다시 기압 P2까지 감압한다. 이로써, 챔버(6) 내의 열처리 공간(65)으로부터 유해한 암모니아를 배출할 수 있다. 계속해서, 챔버(6) 내가 기압 P2까지 도달한 시각 t8에, 제어부(3)가 밸브(89)를 폐지하고 밸브(84)를 개방하여, 처리 가스 공급원(85)으로부터 챔버(6) 내로 불활성 가스인 질소 가스를 공급하여 대기압 Ps까지 복압한다. 또, 할로겐 램프(HL)도 소등하고, 이로써 반도체 웨이퍼(W)가 예비 가열 온도 T1로부터도 강온한다. 강온 중의 반도체 웨이퍼(W)의 온도는 방사 온도계(20)에 의해 측정되고, 그 측정 결과는 제어부(3)에 전달된다. 제어부(3)는, 측정 결과로부터 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 소정 온도까지 강온했는지의 여부를 감시한다. 그리고, 챔버(6)가 질소 분위기로 치환되어 대기압 Ps까지 복압되고, 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 소정 이하까지 강온한 후, 이재 기구(10)의 1쌍의 이재 아암(11)이 다시 퇴피 위치로부터 이재 동작 위치로 수평 이동하여 상승함으로써, 리프트 핀(12)이 서셉터(74)의 상면으로부터 돌출되어 열처리 후의 반도체 웨이퍼(W)를 서셉터(74)로부터 수취한다. 계속해서, 게이트 밸브(185)에 의해 폐쇄되어 있던 반송 개구부(66)가 개방되고, 리프트 핀(12) 상에 재치된 반도체 웨이퍼(W)가 장치 외부의 반송 로봇에 의해 반출되어, 열처리 장치(1)에 있어서의 반도체 웨이퍼(W)의 가열 처리가 완료한다.
본 실시형태의 열처리 장치(1)에 있어서는, 챔버(6) 내의 압력이 대기압이 되고, 또한 챔버(6) 내가 불활성 가스의 분위기로 되어 있는 시각 t1 내지 시각 t2 사이는, 챔버(6) 내의 분위기가 산소 농도계(91)에 흡인되어, 챔버(6) 내의 산소 농도가 산소 농도계(91)에 의해 측정된다. 그리고, 챔버(6) 내가 대기압 미만으로 감압되고, 나아가서는 챔버(6) 내에 반응성 가스인 암모니아가 공급되는 시각 t2 이후는, 샘플링 라인(92)의 밸브(93)를 폐지하여 챔버(6) 내의 산소 농도의 측정을 중단하고 있다. 이와 같이 하고 있는 것은, 챔버(6) 내가 대기압 미만으로 감압되어 있으면 챔버(6) 내의 분위기의 흡인이 곤란해지고, 또 챔버(6) 내에 반응성 가스가 공급되어 있으면 산소 농도계(91)의 농도 센서에 악영향을 미치기 때문이다.
여기서, 단순히 밸브(93)를 폐지하여 챔버(6) 내의 산소 농도의 측정을 중단한 것만으로는, 산소 농도계(91)의 흡인 펌프가 동작을 계속하고 있기 때문에, 챔버(6)의 배기 라인인 가스 배기관(88)으로부터 배출관(99)을 거쳐 산소 농도계(91)로 가스 배기관(88) 중의 비교적 산소 농도가 높은 기체가 역류하는 경우가 있다. 그러면, 산소 농도계(91)의 농도 센서가 챔버(6)로부터의 배기에 노출되어, 산소 농도의 측정에 지장을 초래할 우려가 있다. 특히, 1ppm 이하의 저산소 농도역에서의 측정 정밀도가 저해될 우려가 있다.
그래서, 본 실시형태에 있어서는, 밸브(93)를 폐지하여 챔버(6) 내의 산소 농도의 측정을 중단함과 동시에, 밸브(95)를 개방하여 불활성 가스 공급 라인(94)으로부터 산소 농도계(91)로 불활성 가스로서 질소 가스를 공급하고 있다. 산소 농도계(91)에 공급된 질소 가스는, 배출관(99)으로부터 가스 배기관(88)으로 배출된다. 이로써, 챔버(6) 내의 산소 농도의 측정을 중단했을 때에도, 가스 배기관(88)으로부터 산소 농도계(91)로의 역류를 방지할 수 있고, 산소 농도계(91)가 챔버(6)로부터의 배기에 노출되는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 산소 농도계(91)의 기능을 유지할 수 있고, 특히 본 실시형태의 챔버(6) 내의 산소 농도 측정시에 중요한 저산소 농도역에서의 측정 정밀도를 유지할 수 있다.
또, 불활성 가스 공급 라인(94)으로부터 산소 농도계(91)로 공급하는 질소 가스 중의 산소 농도를 산소 농도 측정시의 챔버(6) 내의 산소 농도보다 낮게 하고 있다. 챔버(6) 내의 산소 농도의 측정을 중단했을 때, 산소 농도계(91)가 높은 산소 농도의 기체에 노출되면, 산소 농도계(91)로부터 완전히 산소가 배제될 때까지 상응하는 시간을 필요로 하고, 그 동안은 산소 농도계(91)가 저산소 농도역에서의 측정 기능을 상실한다. 본 실시형태에서는, 불활성 가스 공급 라인(94)으로부터 산소 농도계(91)로 공급하는 질소 가스 중의 산소 농도를 챔버(6) 내의 산소 농도보다 낮게 하고 있기 때문에, 적어도 챔버(6) 내의 산소 농도에서의 산소 농도계(91)의 측정 기능은 유지된다.
또, 본 실시형태에 있어서는, 감압 밸브(97) 및 오리피스(96)에 의해 불활성 가스 공급원(98)으로부터 불활성 가스 공급 라인(94)을 거쳐 산소 농도계(91)로 공급하는 불활성 가스의 유량을 챔버(6)로부터 샘플링 라인(92)을 거쳐 산소 농도계(91)로 유도되는 기체의 유량과 동일하게 하고 있다. 지르코니아 고체 전해질을 사용한 산소 농도계(91)의 농도 센서는 700℃ 정도의 고온으로 가열되어 있고, 산소 농도계(91)에 유입되는 기체의 유량이 변동되면 농도 센서의 온도가 흔들려, 산소 농도계(91)가 정확한 농도 측정을 할 수 없게 될 우려가 있다. 불활성 가스 공급 라인(94)으로부터 산소 농도계(91)로 공급하는 불활성 가스의 유량을 챔버(6)로부터 산소 농도계(91)로 유도되는 기체의 유량과 동일하게 함으로써, 산소 농도계(91)로 유입되는 기체의 유량의 변동을 억제하여, 산소 농도계(91)의 측정 정밀도를 유지할 수 있다.
또, 본 실시형태에서는, 샘플링 라인(92) 및 불활성 가스 공급 라인(94)이 스테인리스 스틸로 형성되어 있다. 샘플링 라인(92) 및 불활성 가스 공급 라인(94)이 수지로 형성되어 있으면, 그 수지 배관으로부터 극미량으로 산소가 침투하여 산소 농도계(91)에 유입될 우려가 있다. 샘플링 라인(92) 및 불활성 가스 공급 라인(94)을 스테인리스 스틸로 형성하면, 배관으로부터의 산소의 침투를 완전히 차단할 수 있고, 산소 농도계(91)가 침투해 온 산소에 노출되는 것을 막아 저산소 농도역에서의 산소 농도계(91)의 측정 정밀도를 유지할 수 있다.
또, 본 실시형태에 있어서는, 시각 t4에서 챔버(6) 내로의 암모니아의 공급을 개시하고, 시각 t7에 암모니아의 공급을 정지하고 있다. 암모니아의 공급을 정지하는 시각 t7에서 타이머(31)에 의한 계시를 개시하고, 제어부(3)는 타이머(31)에 의한 계시 시간이 미리 설정된 설정 시간(예를 들어, 2분)에 도달할 때까지는 샘플링 라인(92)의 밸브(93)의 개방을 금지하고 있다. 즉, 챔버(6) 내에 반응성 가스를 공급할 때에는, 반응성 가스의 공급을 정지하고 나서 소정의 설정 시간 동안은 샘플링 라인(92)의 폐지를 계속하고 있는 것이다. 챔버(6) 내로의 암모니아 등의 반응성 가스의 공급을 정지하고 나서도 당분간은 챔버(6) 내에 반응성 가스가 잔류하는 것이지만, 반응성 가스의 공급을 정지하고 나서 소정의 설정 시간 동안은 샘플링 라인(92)의 폐지를 계속함으로써, 챔버(6) 내에 잔류하는 반응성 가스가 산소 농도계(91)에 흡인되는 것을 방지할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대해 설명했지만, 이 발명은 그 취지를 일탈하지 않는 한 상기 서술한 것 이외에 여러 가지 변경을 실시하는 것이 가능하다. 예를 들어, 상기 실시형태에 있어서는, 불활성 가스 공급 라인(94)에 오리피스(96)를 형성하고 있었지만, 오리피스(96) 대신에 불활성 가스 공급 라인(94)의 컨덕턴스를 조정하는 컨덕턴스 조정 밸브를 설치하도록 해도 된다. 이 경우에도, 컨덕턴스 조정 밸브는, 불활성 가스 공급 라인(94)의 컨덕턴스를 샘플링 라인(92)의 컨덕턴스와 동일해지도록 조정한다. 이와 같이 하면, 불활성 가스 공급원(98)으로부터 불활성 가스 공급 라인(94)을 거쳐 산소 농도계(91)로 공급하는 불활성 가스의 유량을 챔버(6)로부터 샘플링 라인(92)을 거쳐 산소 농도계(91)로 유도되는 기체의 유량과 동일하게 하여 상기 실시형태와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또, 상기 실시형태에 있어서는, 불활성 가스 공급 라인(94)으로부터 산소 농도계(91)로 불활성 가스로서 질소 가스를 공급하고 있었지만, 공급하는 불활성 가스는 질소 가스에 한정되는 것은 아니며, 아르곤(Ar)이나 헬륨(He)이어도 된다. 무엇보다, 비용의 상승을 억제하는 관점에서는, 상기 실시형태와 같이 질소 가스를 사용하는 것이 바람직하다.
또, 챔버(6) 내의 압력이 대기압으로 되어 있어도 챔버(6) 내에 반응성 가스가 공급될 때에는, 샘플링 라인(92)의 밸브(93)를 폐지하여 챔버(6) 내의 산소 농도의 측정을 중단하고, 불활성 가스 공급 라인(94)으로부터 산소 농도계(91)로 불활성 가스를 공급한다. 이것은, 산소 농도계(91)에 반응성 가스가 유입되면, 고온으로 가열된 농도 센서의 전극이 반응성 가스에 의해 부식될 우려가 있기 때문이다. 즉, 챔버(6) 내를 대기압 미만으로 감압할 때, 또는 챔버(6) 내에 반응성 가스를 공급할 때, 샘플링 라인(92)을 폐지하여 챔버(6) 내의 산소 농도의 측정을 중단하는 것이다.
또, 상기 실시형태에 있어서는, 플래시 가열부(5)에 30개의 플래시 램프(FL)를 구비하도록 하고 있었지만, 이것에 한정되는 것은 아니며, 플래시 램프(FL)의 개수는 임의의 수로 할 수 있다. 또, 플래시 램프(FL)는 크세논 플래시 램프에 한정되는 것은 아니며, 크립톤 플래시 램프이어도 된다. 또, 할로겐 가열부(4)에 구비하는 할로겐 램프(HL)의 개수도 40개에 한정되는 것은 아니며, 임의의 수로 할 수 있다.
또, 상기 실시형태에 있어서는 기판에 광 조사하여 기판을 가열하는 램프로서 플래시 램프(FL)와 할로겐 램프(HL)를 구비하는 구성으로 하고 있었지만, 플래시 램프와 연속 점등용의 램프로서의 아크 램프를 구비하는 구성으로 해도 되고, 나아가서는 할로겐 램프 또는 아크 램프만을 구비하여 RTP(래피드 서멀 프로세스) 처리를 실시하는 구성으로 해도 된다.
또, 열처리 장치(1)에 의해 처리 대상이 되는 기판은 반도체 웨이퍼에 한정되는 것은 아니며, 액정 표시 장치 등의 플랫 패널 디스플레이에 사용하는 유리 기판이나 태양 전지용의 기판이어도 된다.
1 열처리 장치
3 제어부
4 할로겐 가열부
5 플래시 가열부
6 챔버
7 유지부
10 이재 기구
31 타이머
65 열처리 공간
74 서셉터
75 유지 플레이트
77 기판 지지핀
88 가스 배기관
91 산소 농도계
92 샘플링 라인
94 불활성 가스 공급 라인
96 오리피스
190 배기부
FL 플래시 램프
HL 할로겐 램프
W 반도체 웨이퍼

Claims (12)

  1. 기판에 광 조사함으로써 그 기판을 가열하는 열처리 장치로서,
    기판을 수용하는 챔버와,
    상기 챔버에 수용된 상기 기판에 광 조사하는 램프와,
    상기 챔버 내의 분위기를 흡인하여 상기 챔버 내의 산소 농도를 측정하는 산소 농도계와,
    상기 챔버와 상기 산소 농도계를 연통 접속하여, 상기 챔버 내의 분위기를 상기 산소 농도계로 유도하는 샘플링 라인과,
    상기 산소 농도계에 불활성 가스를 공급하는 불활성 가스 공급 라인과,
    상기 챔버 내의 분위기를 배기하는 배기 라인을 구비하고,
    상기 샘플링 라인은 상기 챔버 내의 분위기를 상기 배기 라인을 경유하지 않고 상기 산소 농도계로 유도하며,
    상기 산소 농도계는, 상기 챔버로부터 흡인하여 산소 농도의 측정에 사용한 기체를 상기 배기 라인에 배출하고,
    상기 샘플링 라인을 폐지(閉止)하여 상기 챔버 내의 산소 농도의 측정을 중단했을 때, 상기 불활성 가스 공급 라인으로부터 상기 산소 농도계로 불활성 가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 불활성 가스 공급 라인으로부터 공급하는 불활성 가스의 산소 농도는 상기 챔버 내의 산소 농도보다 낮은 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 불활성 가스 공급 라인으로부터 상기 산소 농도계로 공급하는 불활성 가스의 유량을 상기 챔버로부터 상기 산소 농도계로 유도되는 기체의 유량과 동일하게 하는 유량 조정 기구를 상기 불활성 가스 공급 라인에 설치하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 샘플링 라인은 스테인리스 스틸로 형성되는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 챔버 내를 대기압 미만으로 감압할 때, 또는 상기 챔버 내에 반응성 가스를 공급할 때, 상기 샘플링 라인을 폐지하여 상기 챔버 내의 산소 농도의 측정을 중단하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 챔버 내에 반응성 가스를 공급할 때에는, 상기 반응성 가스의 공급을 정지하고 나서 소정의 설정 시간 동안은 상기 샘플링 라인의 폐지를 계속하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  7. 기판에 광 조사함으로써 그 기판을 가열하는 열처리 방법으로서,
    챔버 내에 수용한 기판에 램프로부터 광 조사하는 조사 공정과,
    상기 챔버 내의 분위기를 배기 라인에 배기하는 배기 공정과,
    상기 챔버 내의 분위기를 상기 배기 라인을 경유하지 않고 샘플링 라인을 경유하여 산소 농도계로 유도하여 상기 챔버 내의 산소 농도를 측정하고, 산소 농도의 측정에 사용한 기체를 상기 배기 라인에 배출하는 측정 공정과,
    상기 측정 공정을 중단했을 때, 상기 산소 농도계에 불활성 가스를 공급하는 불활성 가스 공급 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 불활성 가스 공급 공정에서 상기 산소 농도계에 공급하는 불활성 가스의 산소 농도는 상기 챔버 내의 산소 농도보다 낮은 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 불활성 가스 공급 공정에서 상기 산소 농도계에 공급하는 불활성 가스의 유량을 상기 측정 공정에서 상기 챔버로부터 상기 산소 농도계로 유도되는 기체의 유량과 동일하게 하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 샘플링 라인은 스테인리스 스틸로 형성되는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 챔버 내를 대기압 미만으로 감압할 때, 또는 상기 챔버 내에 반응성 가스를 공급할 때, 상기 측정 공정을 중단하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 챔버 내에 반응성 가스를 공급할 때에는, 상기 반응성 가스의 공급을 정지하고 나서 소정의 설정 시간 동안은 상기 측정 공정의 중단을 계속하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
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