KR102521782B1 - 열처리 방법 및 열처리 장치 - Google Patents

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가부시키가이샤 스크린 홀딩스
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Abstract

반도체 웨이퍼에는 예비 가열 온도에서 예비 가열된 후, 플래시 램프로부터 플래시 광이 조사된다. 플래시 광 조사에 의해 승온시키는 반도체 웨이퍼의 표면 온도를 상부 방사 온도계에 의해 측정한다. 상부 방사 온도계에 의해 측정되는 반도체 웨이퍼의 표면 온도가 목표 온도에 도달했을 때에, 플래시 램프로의 전류의 공급을 정지하여 반도체 웨이퍼의 표면 온도를 강온시킨다. 반도체 웨이퍼의 표면의 실측 온도가 목표 온도에 도달했을 때에 플래시 램프로의 전류의 공급을 정지하고 있기 때문에, 반도체 웨이퍼의 표면 상태나 반사율에 관계없이, 반도체 웨이퍼의 표면 온도를 정확하게 목표 온도로 승온시킬 수 있다.

Description

열처리 방법 및 열처리 장치
본 발명은, 반도체 웨이퍼 등의 박판형상 정밀 전자 기판(이하, 간단히 「기판」이라고 칭한다)에 플래시 광을 조사함으로써 그 기판을 가열하는 열처리 방법 및 열처리 장치에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 제조 프로세스에 있어서, 불순물 도입은 반도체 웨이퍼 내에 pn 접합을 형성하기 위한 필수의 공정이다. 현재, 불순물 도입은, 이온 주입법과 그 후의 어닐링법에 의해 이루어지는 것이 일반적이다. 이온 주입법은, 붕소(B), 비소(As), 인(P)과 같은 불순물의 원소를 이온화시켜 고가속 전압으로 반도체 웨이퍼에 충돌시켜 물리적으로 불순물 주입을 행하는 기술이다. 주입된 불순물은 어닐링 처리에 의해 활성화된다. 이 때에, 어닐링 시간이 수 초 정도 이상이면, 주입된 불순물이 열에 의해 깊게 확산되어, 그 결과 접합 깊이가 요구보다 과도하게 깊어져 양호한 디바이스 형성에 지장이 생길 우려가 있다.
그래서, 매우 단시간에 반도체 웨이퍼를 가열하는 어닐링 기술로서, 최근 플래시 램프 어닐링(FLA)이 주목받고 있다. 플래시 램프 어닐링은, 크세논 플래시 램프(이하, 간단히 「플래시 램프」라고 할 때에는 크세논 플래시 램프를 의미한다)를 사용하여 반도체 웨이퍼의 표면에 플래시 광을 조사함으로써, 불순물이 주입된 반도체 웨이퍼의 표면 만을 매우 단시간(수밀리초 이하)에 승온시키는 열처리 기술이다.
크세논 플래시 램프의 방사 분광 분포는 자외역부터 근적외역이며, 종래의 할로겐 램프보다 파장이 짧아, 실리콘의 반도체 웨이퍼의 기초 흡수대와 거의 일치하고 있다. 따라서, 크세논 플래시 램프로부터 반도체 웨이퍼에 플래시 광을 조사했을 때에는, 투과광이 적고 반도체 웨이퍼를 급속히 승온시키는 것이 가능하다. 또, 수밀리초 이하의 매우 단시간의 플래시 광 조사이면, 반도체 웨이퍼의 표면 근방 만을 선택적으로 승온시킬 수 있는 것도 판명되고 있다. 이 때문에, 크세논 플래시 램프에 의한 매우 단시간의 승온이면, 불순물을 깊게 확산시키지 않고, 불순물 활성화 만을 실행할 수 있는 것이다.
이와 같은 크세논 플래시 램프를 사용한 열처리 장치로서, 특허문헌 1에는, 플래시 램프의 발광 회로에 절연 게이트 바이폴러 트랜지스터(IGBT)를 접속하여, 플래시 램프의 발광을 제어하는 것이 개시되어 있다. 특허문헌 1에 개시된 장치에 있어서는, IGBT의 게이트에 소정의 펄스 신호를 입력함으로써 플래시 램프에 흐르는 전류의 파형을 규정하고 램프 발광을 제어하여, 반도체 웨이퍼의 표면 온도 프로파일을 자유롭게 조정할 수 있다.
일본 특허공개 2009-070948호 공보
특허문헌 1에 개시되는 장치에 있어서, 복수의 반도체 웨이퍼에 대해 플래시 가열을 행할 때에, IGBT의 게이트에 같은 패턴의 펄스 신호를 입력하면, 각 반도체 웨이퍼의 표면 가열 온도는 같아질 것이다. 그런데, 실제로는, 반도체 웨이퍼의 표면 상태의 상이에 의해, 같은 패턴의 펄스 신호를 IGBT의 게이트에 입력해도 반도체 웨이퍼의 표면 도달 온도(피크 온도)에는 불균일이 발생하고 있었다. 플래시 가열 시에 있어서의 반도체 웨이퍼의 표면 도달 온도는 디바이스 성능에 직접 기여하기 때문에, 당해 표면 도달 온도에 불균일이 있으면 균일한 디바이스 성능을 얻을 수 없게 된다는 문제가 발생한다.
본 발명은, 상기 과제를 감안하여 이루어진 것이며, 기판의 표면 온도를 정확하게 목표 온도로 승온시킬 수 있는 열처리 방법 및 열처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 이 발명의 제1의 양태는, 기판에 플래시 광을 조사함으로써 그 기판을 가열하는 열처리 방법에 있어서, 플래시 램프로부터 기판의 표면에 플래시 광을 조사하여 당해 표면을 승온시키는 플래시 광 조사 공정과, 승온시키는 상기 기판의 상기 표면의 온도를 방사 온도계에 의해 측정하는 온도 측정 공정과, 상기 방사 온도계에 의해 측정되는 상기 표면의 온도가 목표 온도에 도달했을 때에, 상기 플래시 램프로의 전류의 공급을 정지하여 상기 표면의 온도를 강온시키는 발광 정지 공정을 구비한다.
또, 제2의 양태는, 기판에 플래시 광을 조사함으로써 그 기판을 가열하는 열처리 방법에 있어서, 플래시 램프로부터 기판의 표면에 플래시 광을 조사하여 당해 표면을 승온시키는 플래시 광 조사 공정과, 승온시키는 상기 기판의 상기 표면의 온도를 방사 온도계에 의해 측정하는 온도 측정 공정과, 상기 방사 온도계에 의한 온도 측정 결과로부터 상기 표면의 온도가 목표 온도에 도달하는 도달 예정 시각을 예측하는 예측 공정과, 상기 예측 공정에서 예측된 상기 도달 예정 시각을 포함하는 소정 기간 내에 상기 플래시 램프로의 전류의 공급을 정지하여 상기 표면의 온도를 강온시키는 발광 정지 공정을 구비한다.
또, 제3의 양태는, 제2의 양태에 관련된 열처리 방법에 있어서, 상기 발광 정지 공정에서는, 상기 도달 예정 시각에 상기 플래시 램프로의 전류의 공급을 정지한다.
또, 제4의 양태는, 제2의 양태에 관련된 열처리 방법에 있어서, 상기 예측 공정에서는, 플래시 광 조사가 행해졌을 때에 취득 완료된 복수의 승온 패턴에 의거하여 상기 도달 예정 시각을 예측한다.
또, 제5의 양태는, 제1 내지 제4 중 어느 하나의 양태에 관련된 열처리 방법에 있어서, 상기 발광 정지 공정에서는, 상기 플래시 램프에 접속된 IGBT를 오프 상태로 하여 상기 플래시 램프로의 전류의 공급을 정지한다.
또, 제6의 양태는, 기판에 플래시 광을 조사함으로써 그 기판을 가열하는 열처리 장치에 있어서, 기판을 수용하는 챔버와, 상기 챔버 내에 수용된 상기 기판의 표면에 플래시 광을 조사하여 당해 표면을 승온시키는 플래시 램프와, 승온시키는 상기 기판의 상기 표면의 온도를 측정하는 방사 온도계와, 상기 방사 온도계에 의해 측정되는 상기 표면의 온도가 목표 온도에 도달했을 때에, 상기 플래시 램프로의 전류의 공급을 정지하여 상기 표면의 온도를 강온시키는 스위칭부를 구비한다.
또, 제7의 양태는, 기판에 플래시 광을 조사함으로써 그 기판을 가열하는 열처리 장치에 있어서, 기판을 수용하는 챔버와, 상기 챔버 내에 수용된 상기 기판의 표면에 플래시 광을 조사하여 당해 표면을 승온시키는 플래시 램프와, 승온시키는 상기 기판의 상기 표면의 온도를 측정하는 방사 온도계와, 상기 방사 온도계에 의한 온도 측정 결과로부터 상기 표면의 온도가 목표 온도에 도달하는 도달 예정 시각을 예측하는 예측부와, 상기 예측부가 예측한 상기 도달 예정 시각을 포함하는 소정 기간 내에 상기 플래시 램프로의 전류의 공급을 정지하여 상기 표면의 온도를 강온시키는 스위칭부를 구비한다.
또, 제8의 양태는, 제7의 양태에 관련된 열처리 장치에 있어서, 상기 스위칭부는, 상기 도달 예정 시각에 상기 플래시 램프로의 전류의 공급을 정지한다.
또, 제9의 양태는, 제7의 양태에 관련된 열처리 장치에 있어서, 플래시 광 조사가 행해졌을 때에 취득 완료된 복수의 승온 패턴을 저장하는 기억부를 추가로 구비하고, 상기 예측부는, 상기 복수의 승온 패턴에 의거하여 상기 도달 예정 시각을 예측한다.
또, 제10의 양태는, 제6 내지 제9 중 어느 하나의 발명에 관련된 열처리 장치에 있어서, 상기 스위칭부는, 상기 플래시 램프에 접속된 IGBT를 포함한다.
제1의 양태에 관련된 열처리 방법에 의하면, 방사 온도계에 의해 측정되는 기판의 표면의 온도가 목표 온도에 도달했을 때에, 플래시 램프로의 전류의 공급을 정지하여 기판의 표면의 온도를 강온시키기 때문에, 기판의 표면 상태에 관계없이, 기판의 표면 온도를 정확하게 목표 온도로 승온시킬 수 있다.
제2 내지 제5의 양태에 관련된 열처리 방법에 의하면, 방사 온도계에 의한 온도 측정 결과로부터 기판의 표면의 온도가 목표 온도에 도달하는 도달 예정 시각을 예측하고, 그 도달 예정 시각을 포함하는 소정 기간 내에 플래시 램프로의 전류의 공급을 정지하여 기판의 표면의 온도를 강온시키기 때문에, 기판의 표면 상태에 관계없이, 기판의 표면 온도를 정확하게 목표 온도로 승온시킬 수 있다.
제6의 양태에 관련된 열처리 장치에 의하면, 방사 온도계에 의해 측정되는 기판의 표면의 온도가 목표 온도에 도달했을 때에, 플래시 램프로의 전류의 공급을 정지하여 기판의 표면의 온도를 강온시키기 때문에, 기판의 표면 상태에 관계없이, 기판의 표면 온도를 정확하게 목표 온도로 승온시킬 수 있다.
제7 내지 제10의 양태에 관련된 열처리 장치에 의하면, 방사 온도계에 의한 온도 측정 결과로부터 기판의 표면의 온도가 목표 온도에 도달하는 도달 예정 시각을 예측하고, 그 도달 예정 시각을 포함하는 소정 기간 내에 플래시 램프로의 전류의 공급을 정지하여 기판의 표면의 온도를 강온시키기 때문에, 기판의 표면 상태에 관계없이, 기판의 표면 온도를 정확하게 목표 온도로 승온시킬 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 플래시 램프의 구동 회로를 나타내는 도면이다.
도 9는 상부 방사 온도계의 주요부를 포함하는 고속 방사 온도계 유닛의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 10은 제1 실시 형태에 있어서의 열처리 장치의 처리 순서를 나타내는 플로차트이다.
도 11은 상부 방사 온도계에 의해 측정되는 반도체 웨이퍼의 표면 온도의 변화를 나타내는 도면이다.
도 12는 펄스 신호의 파형의 일례를 나타내는 도면이다.
도 13은 플래시 램프에 흐르는 전류의 변화를 나타내는 도면이다.
도 14는 제2 실시 형태에 있어서의 열처리 장치의 처리 순서를 나타내는 플로차트이다.
도 15는 제2 실시 형태의 반도체 웨이퍼의 표면 온도의 변화를 나타내는 도면이다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시의 형태에 대해서 상세하게 설명한다.
＜제1 실시 형태＞
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 플래시 광 조사를 행함으로써 그 반도체 웨이퍼(W)를 가열하는 플래시 램프 어닐링 장치이다. 처리 대상이 되는 반도체 웨이퍼(W)의 사이즈는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 φ300mm나 φ450mm이다(본 실시 형태에서는 φ300mm). 열처리 장치(1)에 반입되기 전의 반도체 웨이퍼(W)에는 불순물이 주입되어 있어, 열처리 장치(1)에 의한 가열 처리에 의해 주입된 불순물의 활성화 처리가 실행된다. 또한, 도 1 및 이후의 각 도면에 있어서는, 이해의 용이를 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 설치됨과 함께, 하측에 할로겐 가열부(4)가 설치되어 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 수도(受渡)를 행하는 이재 기구(10)를 구비한다. 또한, 열처리 장치(1)는, 할로겐 가열부(4), 플래시 가열부(5) 및 챔버(6)에 설치된 각 동작 기구를 제어하여 반도체 웨이퍼(W)의 열처리를 실행시키는 제어부(3)를 구비한다.
챔버(6)는, 통형상의 챔버 측부(61)의 상하에 석영제의 챔버 창을 장착하여 구성되어 있다. 챔버 측부(61)는 상하가 개구된 개략 통형상을 가지고 있으며, 상측 개구에는 상측 챔버 창(63)이 장착되어 폐색되고, 하측 개구에는 하측 챔버 창(64)이 장착되어 폐색되어 있다. 챔버(6)의 천정부를 구성하는 상측 챔버 창(63)은, 석영에 의해 형성된 원판 형상 부재이며, 플래시 가열부(5)로부터 출사된 플래시 광을 챔버(6) 내에 투과하는 석영창으로서 기능한다. 또, 챔버(6)의 상부를 구성하는 하측 챔버 창(64)도, 석영에 의해 형성된 원판 형상 부재이며, 할로겐 가열부(4)로부터의 광을 챔버(6) 내에 투과하는 석영창으로서 기능한다.
또, 챔버 측부(61)의 내측의 벽면의 상부에는 반사 링(68)이 장착되고, 하부에는 반사 링(69)이 장착되어 있다. 반사 링(68, 69)은, 모두 원환형상으로 형성되어 있다. 상측의 반사 링(68)은, 챔버 측부(61)의 상측으로부터 끼워넣음으로써 장착된다. 한편, 하측의 반사 링(69)은, 챔버 측부(61)의 하측으로부터 끼워넣어 도시 생략된 나사로 고정함으로써 장착된다. 즉, 반사 링(68, 69)은, 모두 착탈 가능하게 챔버 측부(61)에 장착되는 것이다. 챔버(6)의 내측 공간, 즉 상측 챔버 창(63), 하측 챔버 창(64), 챔버 측부(61) 및 반사 링(68, 69)에 의해 둘러싸이는 공간이 열처리 공간(65)으로서 규정된다.
챔버 측부(61)에 반사 링(68, 69)이 장착됨으로써, 챔버(6)의 내벽면에 오목부(62)가 형성된다. 즉, 챔버 측부(61)의 내벽면 중 반사 링(68, 69)이 장착되어 있지 않은 중앙 부분과, 반사 링(68)의 하단면과, 반사 링(69)의 상단면으로 둘러싸인 오목부(62)가 형성된다. 오목부(62)는, 챔버(6)의 내벽면에 수평 방향을 따라 원환형상으로 형성되어, 반도체 웨이퍼(W)를 유지하는 유지부(7)를 위요한다. 챔버 측부(61) 및 반사 링(68, 69)은, 강도와 내열성이 우수한 금속 재료(예를 들면, 스테인리스 스틸)로 형성되어 있다.
또, 챔버 측부(61)에는, 챔버(6)에 대해 반도체 웨이퍼(W)의 반입 및 반출을 행하기 위한 반송 개구부(노구(爐口))(66)가 형성되어 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 행할 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, 관통 구멍(61a) 및 관통 구멍(61b)이 형성되어 있다. 관통 구멍(61a)은, 후술하는 서셉터(74)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 상면으로부터 방사된 적외광을 상부 방사 온도계(25)의 적외선 센서(29)로 이끌기 위한 원통형상의 구멍이다. 한편, 관통 구멍(61b)은, 반도체 웨이퍼(W)의 하면으로부터 방사된 적외광을 하부 방사 온도계(20)로 이끌기 위한 원통형상의 구멍이다. 관통 구멍(61a) 및 관통 구멍(61b)은, 그들 관통 방향의 축이 서셉터(74)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 주면과 교차하도록, 수평 방향에 대해 경사져 설치되어 있다. 관통 구멍(61a)의 열처리 공간(65)에 면하는 측의 단부에는, 상부 방사 온도계(25)가 측정 가능한 파장 영역의 적외광을 투과시키는 불화 칼슘 재료로 이루어지는 투명창(26)이 장착되어 있다. 또, 관통 구멍(61b)의 열처리 공간(65)에 면하는 측의 단부에는, 하부 방사 온도계(20)가 측정 가능한 파장 영역의 적외광을 투과시키는 불화 바륨 재료로 이루어지는 투명창(21)이 장착되어 있다.
또, 챔버(6)의 내벽 상부에는 열처리 공간(65)에 처리 가스를 공급하는 가스 공급 구멍(81)이 형성되어 있다. 가스 공급 구멍(81)은, 오목부(62)보다 상측 위치에 형성되어 있으며, 반사 링(68)에 설치되어 있어도 된다. 가스 공급 구멍(81)은 챔버(6)의 측벽 내부에 원환형상으로 형성된 완충 공간(82)을 통하여 가스 공급관(83)에 연통 접속되어 있다. 가스 공급관(83)은 처리 가스 공급원(85)에 접속되어 있다. 또, 가스 공급관(83)의 경로 도중에는 밸브(84)가 끼워져 있다. 밸브(84)가 개방되면, 처리 가스 공급원(85)으로부터 완충 공간(82)에 처리 가스가 송급된다. 완충 공간(82)에 유입된 처리 가스는, 가스 공급 구멍(81)보다 유체 저항이 작은 완충 공간(82) 내를 퍼지도록 흘러 가스 공급 구멍(81)으로부터 열처리 공간(65) 내로 공급된다. 처리 가스로서는, 예를 들면 질소(N2) 등의 불활성 가스, 또는, 수소(H2), 암모니아(NH3) 등의 반응성 가스, 혹은 그들을 혼합한 혼합 가스를 이용할 수 있다(본 실시 형태에서는 질소 가스).
한편, 챔버(6)의 내벽 하부에는 열처리 공간(65) 내의 기체를 배기하는 가스 배기 구멍(86)이 형성되어 있다. 가스 배기 구멍(86)은, 오목부(62)보다 하측 위치에 형성되어 있으며, 반사 링(69)에 설치되어 있어도 된다. 가스 배기 구멍(86)은 챔버(6)의 측벽 내부에 원환형상으로 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 끼워져 있다. 밸브(89)가 개방되면, 열처리 공간(65)의 기체가 가스 배기 구멍(86)으로부터 완충 공간(87)을 거쳐 가스 배기관(88)으로 배출된다. 또한, 가스 공급 구멍(81) 및 가스 배기 구멍(86)은, 챔버(6)의 둘레 방향을 따라 복수 설치되어 있어도 되고, 슬릿형상의 것이어도 된다. 또, 처리 가스 공급원(85) 및 배기부(190)는, 열처리 장치(1)에 설치된 기구여도 되고, 열처리 장치(1)가 설치되는 공장의 유틸리티여도 된다.
또, 반송 개구부(66)의 선단에도 열처리 공간(65) 내의 기체를 배출하는 가스 배기관(191)이 접속되어 있다. 가스 배기관(191)은 밸브(192)를 통하여 배기부(190)에 접속되어 있다. 밸브(192)를 개방함으로써, 반송 개구부(66)를 통하여 챔버(6) 내의 기체가 배기된다.
도 2는, 유지부(7)의 전체 외관을 나타내는 사시도이다. 유지부(7)는, 기대 링(71), 연결부(72) 및 서셉터(74)를 구비하여 구성된다. 기대 링(71), 연결부(72) 및 서셉터(74)는 모두 석영으로 형성되어 있다. 즉, 유지부(7)의 전체가 석영으로 형성되어 있다.
기대 링(71)은 원환 형상으로부터 일부가 결락된 원호 형상의 석영 부재이다. 이 결락 부분은, 후술하는 이재 기구(10)의 이재 아암(11)과 기대 링(71)의 간섭을 막기 위해 설치되어 있다. 기대 링(71)은 오목부(62)의 저면에 재치(載置)됨으로써, 챔버(6)의 벽면에 지지되게 된다(도 1 참조). 기대 링(71)의 상면에, 그 원환 형상의 둘레 방향을 따라 복수의 연결부(72)(본 실시 형태에서는 4개)가 세워 설치된다. 연결부(72)도 석영의 부재이며, 용접에 의해 기대 링(71)에 고착된다.
서셉터(74)는 기대 링(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), 가이드 링(76) 및 복수의 기판 지지 핀(77)을 구비한다. 유지 플레이트(75)는, 석영으로 형성된 대략 원형의 평판형상 부재이다. 유지 플레이트(75)의 직경은 반도체 웨이퍼(W)의 직경보다 크다. 즉, 유지 플레이트(75)는, 반도체 웨이퍼(W)보다 큰 평면 사이즈를 가진다.
유지 플레이트(75)의 상면 주연부에 가이드 링(76)이 설치되어 있다. 가이드 링(76)은, 반도체 웨이퍼(W)의 직경보다 큰 내경을 가지는 원환 형상의 부재이다. 예를 들면, 반도체 웨이퍼(W)의 직경이 φ300mm인 경우, 가이드 링(76)의 내경은 φ320mm이다. 가이드 링(76)의 내주는, 유지 플레이트(75)로부터 상방을 향해 넓어지는 테이퍼면으로 되어 있다. 가이드 링(76)은, 유지 플레이트(75)와 동일한 석영으로 형성된다. 가이드 링(76)은, 유지 플레이트(75)의 상면에 용착하도록 해도 되고, 별도 가공한 핀 등에 의해 유지 플레이트(75)에 고정하도록 해도 된다. 혹은, 유지 플레이트(75)와 가이드 링(76)을 일체의 부재로서 가공하도록 해도 된다.
유지 플레이트(75)의 상면 중 가이드 링(76)보다 내측의 영역이 반도체 웨이퍼(W)를 유지하는 평면형상의 유지면(75a)이 된다. 유지 플레이트(75)의 유지면(75a)에는, 복수의 기판 지지 핀(77)이 세워 설치되어 있다. 본 실시 형태에 있어서는, 유지면(75a)의 외주원(가이드 링(76)의 내주원)과 동심원의 둘레 상을 따라 30°마다 합계 12개의 기판 지지 핀(77)이 세워 설치되어 있다. 12개의 기판 지지 핀(77)을 배치한 원의 직경(대향하는 기판 지지 핀(77) 간의 거리)는 반도체 웨이퍼(W)의 직경보다 작고, 반도체 웨이퍼(W)의 직경이 φ300mm이면 φ270mm~φ280mm(본 실시 형태에서는 φ270mm)이다. 각각의 기판 지지 핀(77)은 석영으로 형성되어 있다. 복수의 기판 지지 핀(77)은, 유지 플레이트(75)의 상면에 용접에 의해 설치하도록 해도 되고, 유지 플레이트(75)와 일체로 가공하도록 해도 된다.
도 2로 되돌아와, 기대 링(71)에 세워 설치된 4개의 연결부(72)와 서셉터(74)의 유지 플레이트(75)의 주연부가 용접에 의해 고착된다. 즉, 서셉터(74)와 기대 링(71)은 연결부(72)에 의해 고정적으로 연결되어 있다. 이와 같은 유지부(7)의 기대 링(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 세워 설치된 12개의 기판 지지 핀(77)에 의해 지지되어 서셉터(74)에 유지된다. 보다 엄밀하게는, 12개의 기판 지지 핀(77)의 상단부가 반도체 웨이퍼(W)의 하면에 접촉하여 당해 반도체 웨이퍼(W)를 지지한다. 12개의 기판 지지 핀(77)의 높이(기판 지지 핀(77)의 상단으로부터 유지 플레이트(75)의 유지면(75a)까지의 거리)는 균일하기 때문에, 12개의 기판 지지 핀(77)에 의해 반도체 웨이퍼(W)를 수평 자세로 지지할 수 있다.
또, 반도체 웨이퍼(W)는 복수의 기판 지지 핀(77)에 의해 유지 플레이트(75)의 유지면(75a)으로부터 소정의 간격을 떼고 지지되게 된다. 기판 지지 핀(77)의 높이보다 가이드 링(76)의 두께가 크다. 따라서, 복수의 기판 지지 핀(77)에 의해 지지된 반도체 웨이퍼(W)의 수평 방향의 위치 어긋남은 가이드 링(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, 하부 방사 온도계(20)가 반도체 웨이퍼(W)의 하면으로부터 방사되는 방사광(적외광)을 수광하기 위해 설치되어 있다. 즉, 하부 방사 온도계(20)가 개구부(78) 및 챔버 측부(61)의 관통 구멍(61b)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 수도를 위해 관통하는 4개의 관통 구멍(79)이 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 원환형상의 오목부(62)를 따르는 원호 형상으로 되어 있다. 각각의 이재 아암(11)에는 2개의 리프트 핀(12)이 세워 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 가능하게 되어 있다. 수평 이동 기구(13)는, 한 쌍의 이재 아암(11)을 유지부(7)에 대해 반도체 웨이퍼(W)의 이재를 행하는 이재 동작 위치(도 5의 실선 위치)와 유지부(7)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)와 평면에서 보았을 때에 겹치지 않는 퇴피 위치(도 5의 2점 쇄선 위치) 사이에서 수평 이동시킨다. 수평 이동 기구(13)로서는, 개별의 모터에 의해 각 이재 아암(11)을 각각 회동시키는 것이어도 되고, 링크 기구를 이용하여 1개의 모터에 의해 한 쌍의 이재 아암(11)을 연동시켜 회동시키는 것이어도 된다.
또, 한 쌍의 이재 아암(11)은, 승강 기구(14)에 의해 수평 이동 기구(13)와 함께 승강 이동된다. 승강 기구(14)가 한 쌍의 이재 아암(11)을 이재 동작 위치에서 상승시키면, 합계 4개의 리프트 핀(12)이 서셉터(74)에 형성된 관통 구멍(79)(도 2, 3 참조)을 통과하여, 리프트 핀(12)의 상단이 서셉터(74)의 상면으로부터 튀어 나온다. 한편, 승강 기구(14)가 한 쌍의 이재 아암(11)을 이재 동작 위치에서 하강시켜 리프트 핀(12)을 관통 구멍(79)으로부터 빼내고, 수평 이동 기구(13)가 한 쌍의 이재 아암(11)을 열도록 이동시키면 각 이재 아암(11)이 퇴피 위치로 이동한다. 한 쌍의 이재 아암(11)의 퇴피 위치는, 유지부(7)의 기대 링(71)의 바로 윗쪽이다. 기대 링(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 설치되어 있는 부위의 근방에도 도시 생략된 배기 기구가 설치되어 있어, 이재 기구(10)의 구동부 주변의 분위기가 챔버(6)의 외부로 배출되도록 구성되어 있다.
도 1로 되돌아와, 챔버(6)의 상방에 설치된 플래시 가열부(5)는, 하우징(51)의 내측에, 복수개(본 실시 형태에서는 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 바닥부를 구성하는 램프광 방사창(53)은, 석영에 의해 형성된 판형상의 석영창이다. 플래시 가열부(5)가 챔버(6)의 상방에 설치됨으로써, 램프광 방사창(53)이 상측 챔버 창(63)과 서로 대향하게 된다. 플래시 램프(FL)는 챔버(6)의 상방으로부터 램프광 방사창(53) 및 상측 챔버 창(63)을 통하여 열처리 공간(65)에 플래시 광을 조사한다.
복수의 플래시 램프(FL)는, 각각이 장척의 원통형상을 가지는 봉형상 램프이며, 각각의 길이 방향이 유지부(7)에 유지되는 반도체 웨이퍼(W)의 주면을 따라(즉 수평 방향을 따라) 서로 평행이 되도록 평면형상으로 배열되어 있다. 따라서, 플래시 램프(FL)의 배열에 의해 형성되는 평면도 수평면이다.
도 8은, 플래시 램프(FL)의 구동 회로를 나타내는 도면이다. 이 도면에 나타내는 바와 같이, 콘덴서(93)와, 코일(94)과, 플래시 램프(FL)와, IGBT(절연 게이트 바이폴러 트랜지스터)(96)가 직렬로 접속되어 있다. 또, 도 8에 나타내는 바와 같이, 제어부(3)는, 펄스 발생기(31) 및 파형 설정부(32)를 구비함과 함께, 입력부(33)에 접속되어 있다. 입력부(33)로서는, 키보드, 마우스, 터치 패널 등의 다양한 공지의 입력 기기를 채용할 수 있다. 입력부(33)로부터의 입력 내용에 의거하여 파형 설정부(32)가 펄스 신호의 파형을 설정하고, 그 파형에 따라서 펄스 발생기(31)가 펄스 신호를 발생시킨다.
플래시 램프(FL)는, 그 내부에 크세논 가스가 봉입되고 그 양단부에 양극 및 음극이 설치된 봉형상의 유리관(방전관)(92)과, 그 유리관(92)의 외주면 상에 부설된 트리거 전극(91)을 구비한다. 콘덴서(93)에는, 전원 유닛(95)에 의해 소정의 전압이 인가되고, 그 인가 전압(충전 전압)에 따른 전하가 충전된다. 또, 트리거 전극(91)에는 트리거 회로(97)로부터 고전압을 인가할 수 있다. 트리거 회로(97)가 트리거 전극(91)에 전압을 인가하는 타이밍은 제어부(3)에 의해 제어된다.
IGBT(96)는, 게이트부에 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field effect transistor)를 장착한 바이폴러 트랜지스터이며, 대전력을 취급하는데 적합한 스위칭 소자이다. IGBT(96)의 게이트에는 제어부(3)의 펄스 발생기(31)로부터 펄스 신호가 인가된다. IGBT(96)의 게이트에 소정값 이상의 전압(High의 전압)이 인가되면 IGBT(96)가 온 상태가 되고, 소정값 미만의 전압(Low의 전압)이 인가되면 IGBT(96)가 오프 상태가 된다. 이와 같이 하여, 플래시 램프(FL)를 포함하는 구동 회로는 IGBT(96)에 의해 온 오프된다. IGBT(96)가 온 오프됨으로써 플래시 램프(FL)와 대응하는 콘덴서(93)의 접속이 단속되어, 플래시 램프(FL)에 흐르는 전류가 온 오프 제어된다.
콘덴서(93)가 충전된 상태에서 IGBT(96)가 온 상태가 되어 유리관(92)의 양단 전극에 고전압이 인가되었다고 해도, 크세논 가스는 전기적으로는 절연체이기 때문에, 통상의 상태에서는 유리관(92) 내에 전기는 흐르지 않는다. 그러나, 트리거 회로(97)가 트리거 전극(91)에 고전압을 인가하여 절연을 파괴한 경우에는 양단 전극 간의 방전에 의해 유리관(92) 내에 전류가 순간적으로 흐르고, 그 때의 크세논의 원자 혹은 분자의 여기에 의해 광이 방출된다.
도 8에 나타내는 구동 회로는, 플래시 가열부(5)에 설치된 복수의 플래시 램프(FL)의 각각에 개별적으로 설치되어 있다. 본 실시 형태에서는, 30개의 플래시 램프(FL)가 평면형상으로 배열되어 있기 때문에, 그들에 대응하여 도 8에 나타내는 바와 같이 구동 회로가 30개 설치되어 있다. 따라서, 30개의 플래시 램프(FL)의 각각에 흐르는 전류가 대응하는 IGBT(96)에 의해 개별적으로 온 오프 제어되게 된다.
또, 리플렉터(52)는, 복수의 플래시 램프(FL)의 상방에 그들 전체를 덮도록 설치되어 있다. 리플렉터(52)의 기본적인 기능은, 복수의 플래시 램프(FL)로부터 출사된 플래시 광을 열처리 공간(65)의 측으로 반사한다는 것이다. 리플렉터(52)는 알루미늄 합금판으로 형성되어 있으며, 그 표면(플래시 램프(FL)에 면하는 측의 면)은 블라스트 처리에 의해 조면화 가공이 실시되어 있다.
챔버(6)의 하방에 설치된 할로겐 가열부(4)는, 하우징(41)의 내측에 복수개(본 실시 형태에서는 40개)의 할로겐 램프(HL)를 내장하고 있다. 할로겐 가열부(4)는, 복수의 할로겐 램프(HL)에 의해 챔버(6)의 하방으로부터 하측 챔버 창(64)을 통하여 열처리 공간(65)으로의 광 조사를 행하여 반도체 웨이퍼(W)를 가열하는 광 조사부이다.
도 7은, 복수의 할로겐 램프(HL)의 배치를 나타내는 평면도이다. 40개의 할로겐 램프(HL)는 상하 2단으로 나누어 배치되어 있다. 유지부(7)에 가까운 상단에 20개의 할로겐 램프(HL)가 설치됨과 함께, 상단보다 유지부(7)로부터 먼 하단에도 20개의 할로겐 램프(HL)가 설치되어 있다. 각 할로겐 램프(HL)는, 장척의 원통형상을 가지는 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 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 주연부에 대향하는 영역에 있어서의 할로겐 램프(HL)의 설치 밀도가 높아져 있다. 즉, 상하단 모두, 램프 배열의 중앙부보다 주연부가 할로겐 램프(HL)의 설치 피치가 짧다. 이 때문에, 할로겐 가열부(4)로부터의 광 조사에 의한 가열 시에 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, 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 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(요오드, 브롬 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 가진다. 즉, 할로겐 램프(HL)는 적어도 1초 이상 연속하여 발광하는 연속 점등 램프이다. 또, 할로겐 램프(HL)는 봉형상 램프이기 때문에 장수명이며, 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)의 측으로 반사한다.
제어부(3)는, 열처리 장치(1)에 설치된 상기의 다양한 동작 기구를 제어한다. 제어부(3)의 하드웨어로서의 구성은 일반적인 컴퓨터와 동일하다. 즉, 제어부(3)는, 각종 연산 처리를 행하는 회로인 CPU, 기본 프로그램을 기억하는 독출 전용의 메모리인 ROM, 각종 정보를 기억하는 읽고쓰기 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, 펄스 발생기(31) 및 파형 설정부(32)를 구비하여(도 8), 입력부(33)로부터의 입력 내용에 의거하여, 파형 설정부(32)가 펄스 신호의 파형을 설정하고, 그에 따라서 펄스 발생기(31)가 IGBT(96)의 게이트에 펄스 신호를 출력한다.
또, 도 1에 나타내는 바와 같이 열처리 장치(1)는, 상부 방사 온도계(25) 및 하부 방사 온도계(20)를 구비한다. 상부 방사 온도계(25)는, 플래시 램프(FL)로부터 플래시 광이 조사되었을 때의 반도체 웨이퍼(W)의 상면의 급격한 온도 변화를 측정하기 위한 고속 방사 온도계이다.
도 9는, 상부 방사 온도계(25)의 주요부를 포함하는 고속 방사 온도계 유닛(101)의 구성을 나타내는 블럭도이다. 상부 방사 온도계(25)의 적외선 센서(29)는, 그 광축이 관통 구멍(61a)의 관통 방향의 축과 일치하도록, 챔버 측부(61)의 외벽면에 장착되어 있다. 적외선 센서(29)는, 서셉터(74)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 상면으로부터 방사된 적외광을 불화 칼슘의 투명창(26)을 통하여 수광한다. 적외선 센서(29)는, InSb(인듐안티몬)의 광학 소자를 구비하고 있으며, 그 측정 파장역은 5μm~6.5μm이다. 불화 칼슘의 투명창(26)은 적외선 센서(29)의 측정 파장역의 적외광을 선택적으로 투과한다. InSb 광학 소자는, 수광한 적외광의 강도에 따라 저항이 변화한다. InSb 광학 소자를 구비한 적외선 센서(29)는, 응답 시간이 매우 짧고 샘플링 간격이 현저하게 단시간(최단으로 약 20마이크로초)의 고속 측정이 가능하다. 적외선 센서(29)는 고속 방사 온도계 유닛(101)과 전기적으로 접속되어 있어, 수광에 응답하여 발생한 신호를 고속 방사 온도계 유닛(101)에 전달한다.
고속 방사 온도계 유닛(101)은, 신호 변환 회로(102), 증폭 회로(103), A/D 컨버터(104) 및 온도 변환부(105)를 구비한다. 신호 변환 회로(102)는, 적외선 센서(29)의 InSb 광학 소자에서 발생한 저항 변화를 전류 변화, 전압 변화 순서로 신호 변환을 행하여, 최종적으로 취급이 용이한 전압의 신호로 변환하여 출력하는 회로이다. 신호 변환 회로(102)는, 예를 들면 오피 앰프를 이용하여 구성된다. 증폭 회로(103)는, 신호 변환 회로(102)로부터 출력된 전압 신호를 증폭하여 A/D 컨버터(104)에 출력한다. A/D 컨버터(104)는, 증폭 회로(103)에 의해 증폭된 전압 신호를 디지털 신호로 변환한다.
온도 변환부(105)는, A/D 컨버터(104)로부터 출력된 신호, 즉 적외선 센서(29)가 수광한 적외광의 강도를 나타내는 신호에 소정의 연산 처리를 행하여 온도로 변환한다. 온도 변환부(105)에 의해 구해진 온도가 반도체 웨이퍼(W)의 상면의 온도이다. 또한, 적외선 센서(29), 신호 변환 회로(102), 증폭 회로(103), A/D 컨버터(104), 및, 온도 변환부(105)에 의해 상부 방사 온도계(25)가 구성된다. 하부 방사 온도계(20)도, 상부 방사 온도계(25)와 대체로 동일한 구성을 구비하는데, 고속 측정에 대응하고 있지 않아도 된다.
도 9에 나타내는 바와 같이, 고속 방사 온도계 유닛(101)은 열처리 장치(1) 전체의 콘트롤러인 제어부(3)와 전기적으로 접속되어 있다. 제어부(3)는, 펄스 발생기(31) 및 파형 설정부(32)(도 9에서는 도시 생략)에 더하여, 예측부(35)를 구비한다. 예측부(35)는, 제어부(3)의 CPU가 소정의 처리 프로그램을 실행함으로써 실현되는 기능 처리부이다. 예측부(35)의 처리 내용에 대해서는 추가로 후술한다.
또, 제어부(3)에는 표시부(34) 및 입력부(33)가 접속되어 있다. 제어부(3)는, 표시부(34)에 다양한 정보를 표시한다. 열처리 장치(1)의 오퍼레이터는, 표시부(34)에 표시된 정보를 확인하면서, 입력부(33)로부터 다양한 커멘드나 파라미터를 입력할 수 있다. 표시부(34) 및 입력부(33)로서는, 예를 들면, 열처리 장치(1)의 외벽에 설치된 액정의 터치 패널을 채용하도록 해도 된다. 또한, 제어부(3)에는 IGBT(96)가 접속되고, 제어부(3)로부터 IGBT(96)의 게이트에 펄스 신호를 인가함으로써, IGBT(96)를 온 오프한다. 또한, 도 9에 나타내는 기억부(36)는, 제어부(3)의 자기 디크스나 메모리 등의 기억 매체이다.
상기의 구성 이외에도 열처리 장치(1)는, 반도체 웨이퍼(W)의 열처리 시에 할로겐 램프(HL) 및 플래시 램프(FL)로부터 발생하는 열에너지에 의한 할로겐 가열부(4), 플래시 가열부(5) 및 챔버(6)의 과잉한 온도 상승을 방지하기 위해, 다양한 냉각용의 구조를 구비하고 있다. 예를 들면, 챔버(6)의 벽체에는 수냉관(도시 생략)이 설치되어 있다. 또, 할로겐 가열부(4) 및 플래시 가열부(5)는, 내부에 기체류를 형성하여 배열(排熱)하는 공냉 구조로 되어 있다. 또, 상측 챔버 창(63)과 램프광 방사창(53)의 간극에도 공기가 공급되어, 플래시 가열부(5) 및 상측 챔버 창(63)을 냉각한다.
다음에, 열처리 장치(1)에 있어서의 처리 동작에 대해서 설명한다. 도 10은, 제1 실시 형태에 있어서의 열처리 장치(1)의 처리 순서를 나타내는 플로차트이다. 처리 대상이 되는 반도체 웨이퍼(W)는 이온 주입법에 의해 불순물(이온)이 첨가된 반도체 기판이다. 그 불순물의 활성화가 열처리 장치(1)에 의한 플래시 광 조사 가열 처리(어닐링)에 의해 실행된다. 이하에 설명하는 열처리 장치(1)의 처리 순서는, 제어부(3)가 열처리 장치(1)의 각 동작 기구를 제어함으로써 진행된다.
우선, 급기를 위한 밸브(84)가 개방됨과 함께, 배기용의 밸브(89, 192)가 개방되어 챔버(6) 내에 대한 급배기가 개시된다. 밸브(84)가 개방되면, 가스 공급 구멍(81)으로부터 열처리 공간(65)에 질소 가스가 공급된다. 또, 밸브(89)가 개방되면, 가스 배기 구멍(86)으로부터 챔버(6) 내의 기체가 배기된다. 이것에 의해, 챔버(6) 내의 열처리 공간(65)의 상부로부터 공급된 질소 가스가 하방으로 흘러, 열처리 공간(65)의 하부로부터 배기된다.
또, 밸브(192)가 개방됨으로써, 반송 개구부(66)로부터도 챔버(6) 내의 기체가 배기된다. 또한, 도시 생략된 배기 기구에 의해 이재 기구(10)의 구동부 주변의 분위기도 배기된다. 또한, 열처리 장치(1)에 있어서의 반도체 웨이퍼(W)의 열처리 시에는 질소 가스가 열처리 공간(65)에 계속적으로 공급되고 있으며, 그 공급량은 처리 공정에 따라 적절히 변경된다.
계속해서, 게이트 밸브(185)가 열려 반송 개구부(66)가 개방되고, 장치 외부의 반송 로봇에 의해 반송 개구부(66)를 통하여 처리 대상이 되는 반도체 웨이퍼(W)가 챔버(6) 내의 열처리 공간(65)에 반입된다(단계 S11). 이 때에는, 반도체 웨이퍼(W)의 반입에 수반하여 장치 외부의 분위기를 유입시킬 우려가 있지만, 챔버(6)에는 질소 가스가 계속 공급되고 있기 때문에, 반송 개구부(66)로부터 질소 가스가 유출되고, 그와 같은 외부 분위기의 유입을 최소한으로 억제할 수 있다.
반송 로봇에 의해 반입된 반도체 웨이퍼(W)는 유지부(7)의 바로 상측 위치까지 진출하고 정지한다. 그리고, 이재 기구(10)의 한 쌍의 이재 아암(11)이 퇴피 위치로부터 이재 동작 위치로 수평 이동하여 상승함으로써, 리프트 핀(12)이 관통 구멍(79)을 통과하여 서셉터(74)의 유지 플레이트(75)의 상면으로부터 튀어 나와 반도체 웨이퍼(W)를 받는다. 이 때, 리프트 핀(12)은 기판 지지 핀(77)의 상단으로부터 상방으로까지 상승한다.
반도체 웨이퍼(W)가 리프트 핀(12)에 재치된 후, 반송 로봇이 열처리 공간(65)으로부터 퇴출하고, 게이트 밸브(185)에 의해 반송 개구부(66)가 폐쇄된다. 그리고, 한 쌍의 이재 아암(11)이 하강함으로써, 반도체 웨이퍼(W)는 이재 기구(10)로부터 유지부(7)의 서셉터(74)에 수도되어 수평 자세로 하방으로부터 유지된다. 반도체 웨이퍼(W)는, 유지 플레이트(75) 상에 세워 설치된 복수의 기판 지지 핀(77)에 의해 지지되어 서셉터(74)에 유지된다. 또, 반도체 웨이퍼(W)는, 패턴 형성이 이루어져 불순물이 주입된 표면을 상면으로 하여 유지부(7)에 유지된다. 복수의 기판 지지 핀(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 하방으로까지 하강한 한 쌍의 이재 아암(11)은 수평 이동 기구(13)에 의해 퇴피 위치, 즉 오목부(62)의 내측으로 퇴피한다.
반도체 웨이퍼(W)가 석영으로 형성된 유지부(7)의 서셉터(74)에 의해 수평 자세로 하방으로부터 유지된 후, 할로겐 가열부(4)의 40개의 할로겐 램프(HL)가 일제히 점등하여 예비 가열(어시스트 가열)이 개시된다(단계 S12). 할로겐 램프(HL)로부터 출사된 할로겐광은, 석영으로 형성된 하측 챔버 창(64) 및 서셉터(74)를 투과하여 반도체 웨이퍼(W)의 하면에 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 퇴피하고 있기 때문에, 할로겐 램프(HL)에 의한 가열의 장해가 되는 일은 없다.
할로겐 램프(HL)에 의한 예비 가열을 행할 때에는, 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 하부 방사 온도계(20)에 의해 측정되고 있다. 즉, 서셉터(74)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 하면으로부터 개구부(78)를 통하여 방사된 적외광을 투명창(21)을 통해 하부 방사 온도계(20)가 수광하여 승온 중의 웨이퍼 온도를 측정한다. 측정된 반도체 웨이퍼(W)의 온도는 제어부(3)에 전달된다. 제어부(3)는, 할로겐 램프(HL)로부터의 광 조사에 의해 승온시키는 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 소정의 예비 가열 온도 T1에 도달했는지 여부를 감시하면서, 할로겐 램프(HL)의 출력을 제어한다. 즉, 제어부(3)는, 하부 방사 온도계(20)에 의한 측정값에 의거하여, 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 예비 가열 온도 T1이 되도록 할로겐 램프(HL)의 출력을 피드백 제어한다. 이와 같이, 하부 방사 온도계(20)는, 예비 가열 시에 있어서의 반도체 웨이퍼(W)의 온도 제어를 위한 방사 온도계이다. 예비 가열 온도 T1은, 반도체 웨이퍼(W)에 첨가된 불순물이 열에 의해 확산될 우려가 없는, 200℃ 내지 800℃ 정도, 바람직하게는 350℃ 내지 600℃ 정도가 된다(본 실시의 형태에서는 600℃).
반도체 웨이퍼(W)의 온도가 예비 가열 온도 T1에 도달한 후, 제어부(3)는 반도체 웨이퍼(W)를 그 예비 가열 온도 T1로 잠시 유지시킨다. 구체적으로는, 하부 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 행함으로써, 반도체 웨이퍼(W)의 전체를 예비 가열 온도 T1로 균일하게 승온시키고 있다. 할로겐 램프(HL)에 의한 예비 가열의 단계에 있어서는, 보다 방열이 발생하기 쉬운 반도체 웨이퍼(W)의 주연부의 온도가 중앙부보다 저하되는 경향이 있지만, 할로겐 가열부(4)에 있어서의 할로겐 램프(HL)의 설치 밀도는, 반도체 웨이퍼(W)의 중앙부에 대향하는 영역보다 주연부에 대향하는 영역이 높아져 있다. 이 때문에, 방열이 발생하기 쉬운 반도체 웨이퍼(W)의 주연부에 조사되는 광량이 많아져, 예비 가열 단계에 있어서의 반도체 웨이퍼(W)의 면내 온도 분포를 균일한 것으로 할 수 있다.
또, 반도체 웨이퍼(W)의 예비 가열이 행해지고 있을 때부터, 상부 방사 온도계(25)에 의한 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도의 측정이 행해진다. 가열되는 반도체 웨이퍼(W)의 표면으로부터는 그 온도에 따른 강도의 적외광이 방사되고 있다. 반도체 웨이퍼(W)의 표면으로부터 방사된 적외광은 투명창(26)을 투과하여 상부 방사 온도계(25)의 적외선 센서(29)에 의해 수광된다.
적외선 센서(29)의 InSb 광학 소자에는, 수광한 적외광의 강도에 따른 저항 변화가 발생한다. 적외선 센서(29)의 InSb 광학 소자에 발생한 저항 변화는 신호 변환 회로(102)에 의해 전압 신호로 변환된다. 신호 변환 회로(102)로부터 출력된 전압 신호는, 증폭 회로(103)에 의해 증폭된 후, A/D 컨버터(104)에 의해 컴퓨터가 취급하는데 적합한 디지털 신호로 변환된다. 그리고, A/D 컨버터(104)로부터 출력된 신호에 온도 변환부(105)가 소정의 연산 처리를 실시하여 온도 데이터로 변환한다. 즉, 상부 방사 온도계(25)는, 가열되는 반도체 웨이퍼(W)의 표면으로부터 방사된 적외광을 수광하고, 그 적외광의 강도로부터 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도를 측정하는 것이다. 상부 방사 온도계(25)에 의해 측정된 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도는 제어부(3)에 전달된다.
도 11은, 상부 방사 온도계(25)에 의해 측정되는 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도의 변화를 나타내는 도면이다. 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 예비 가열 온도 T1에 도달하고 소정 시간이 경과한 시각 t1에, 플래시 가열부(5)의 플래시 램프(FL)가 서셉터(74)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 표면으로의 플래시 광 조사를 개시한다(단계 S13). 이 때, 플래시 램프(FL)로부터 방사되는 플래시 광의 일부는 직접 챔버(6) 내를 향하고, 다른 일부는 일단 리플렉터(52)에 의해 반사되고 나서 챔버(6) 내를 향하여, 이들 플래시 광의 조사에 의해 반도체 웨이퍼(W)의 플래시 가열이 행해진다.
플래시 램프(FL)가 플래시 광 조사를 행할 때에 있어서는, 미리 전원 유닛(95)에 의해 콘덴서(93)에 전하를 축적해 둔다. 그리고, 콘덴서(93)에 전하가 축적된 상태에서, 제어부(3)의 펄스 발생기(31)로부터 IGBT(96)에 펄스 신호를 출력하여 IGBT(96)를 온 오프 구동한다.
펄스 신호의 파형은, 펄스 폭의 시간(온 시간)과 펄스 간격의 시간(오프 시간)을 파라미터로서 순차 설정한 레시피를 입력부(33)로부터 입력함으로써 규정할 수 있다. 이와 같은 레시피를 오퍼레이터가 입력부(33)로부터 제어부(3)에 입력하면, 그에 따라서 제어부(3)의 파형 설정부(32)는 온 오프를 반복하는 펄스 파형을 설정한다. 그리고, 파형 설정부(32)에 의해 설정된 펄스 파형에 따라서 펄스 발생기(31)가 펄스 신호를 출력한다. 도 12는, 펄스 신호의 파형의 일례를 나타내는 도면이다. 도 12에 나타내는 예에서는, 복수의 펄스가 반복하여 설정되며, 펄스 폭의 시간(온 시간)이 펄스 간격의 시간(오프 시간)보다 길다. IGBT(96)의 게이트에는 도 12에 나타내는 바와 같은 파형의 펄스 신호가 인가되고, IGBT(96)의 온 오프 구동이 제어되게 된다. 구체적으로는, IGBT(96)의 게이트에 입력되는 펄스 신호가 온일 때에는 IGBT(96)가 온 상태가 되고, 펄스 신호가 오프일 때에는 IGBT(96)가 오프 상태가 된다.
또, 펄스 발생기(31)로부터 출력하는 펄스 신호가 온이 되는 타이밍과 동기하여 제어부(3)가 트리거 회로(97)를 제어하여 트리거 전극(91)에 고전압(트리거 전압)을 인가한다. 콘덴서(93)에 전하가 축적된 상태에서 IGBT(96)의 게이트에 펄스 신호가 입력되고, 또한, 그 펄스 신호가 온이 되는 타이밍과 동기하여 트리거 전극(91)에 고전압이 인가됨으로써, 펄스 신호가 온일 때에는 유리관(92) 내의 양단 전극 간에서 전류가 흐르고, 그 때의 크세논의 원자 혹은 분자의 여기에 의해 광이 방출된다.
이와 같이 하여 플래시 가열부(5)의 30개의 플래시 램프(FL)가 발광하고, 유지부(7)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 플래시 광이 조사된다. 여기서, IGBT(96)를 사용하지 않고 플래시 램프(FL)를 발광시킨 경우에는, 콘덴서(93)에 축적되어 있던 전하가 1회의 발광으로 소비되어, 플래시 램프(FL)로부터의 출력 파형은 폭이 0.1밀리초 내지 10밀리초 정도의 단순한 싱글 펄스가 된다. 이에 대해, 본 실시의 형태에서는, 회로 중에 스위칭 소자인 IGBT(96)를 접속하고 그 게이트에 펄스 신호를 출력함으로써, 콘덴서(93)로부터 플래시 램프(FL)로의 전하의 공급을 IGBT(96)에 의해 단속하여 플래시 램프(FL)에 흐르는 전류를 온 오프 제어하고 있다. 그 결과, 말하자면 플래시 램프(FL)의 발광이 초퍼 제어되게 되어, 콘덴서(93)에 축적된 전하가 분할되어 소비되고, 매우 짧은 시간 동안에 플래시 램프(FL)가 점멸을 반복한다. 또한, 회로를 흐르는 전류값이 완전하게 “0”이 되기 전에 다음의 펄스가 IGBT(96)의 게이트에 인가되어 전류값이 재차 증가하기 때문에, 플래시 램프(FL)가 점멸을 반복하고 있는 동안에도 발광 출력이 완전하게 “0”이 되는 것은 아니다.
IGBT(96)에 의해 플래시 램프(FL)에 흐르는 전류를 온 오프 제어함으로써, 플래시 램프(FL)의 발광 패턴(발광 출력의 시간 파형)을 자유롭게 규정할 수 있어, 발광 시간 및 발광 강도를 자유롭게 조정할 수 있다. IGBT(96)의 온 오프 구동의 패턴은, 입력부(33)로부터 입력하는 펄스 폭의 시간과 펄스 간격의 시간에 의해 규정된다. 즉, 플래시 램프(FL)의 구동 회로에 IGBT(96)를 장착함으로써, 입력부(33)로부터 입력하는 펄스 폭의 시간과 펄스 간격의 시간을 적당히 설정하는 것 만으로, 플래시 램프(FL)의 발광 패턴을 자유롭게 규정할 수 있는 것이다.
구체적으로는, 예를 들면, 입력부(33)로부터 입력하는 펄스 간격의 시간에 대한 펄스 폭의 시간의 비율을 크게 하면, 플래시 램프(FL)에 흐르는 전류가 증대하여 발광 강도가 강해진다. 반대로, 입력부(33)로부터 입력하는 펄스 간격의 시간에 대한 펄스 폭의 시간의 비율을 작게 하면, 플래시 램프(FL)에 흐르는 전류가 감소하여 발광 강도가 약해진다. 또, 입력부(33)로부터 입력하는 펄스 간격의 시간과 펄스 폭의 시간의 비율을 적절히 조정하면, 플래시 램프(FL)의 발광 강도가 일정하게 유지된다. 또한, 입력부(33)로부터 입력하는 펄스 폭의 시간과 펄스 간격의 시간 조합의 총 시간을 길게 함으로써, 플래시 램프(FL)에 비교적 장시간에 걸쳐 전류가 계속 흐르게 되어, 플래시 램프(FL)의 발광 시간이 길어진다. 플래시 램프(FL)의 발광 시간은 0.1밀리초~100밀리초의 사이에서 적당히 설정된다.
이와 같이 하여 플래시 램프(FL)로부터 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 플래시 광이 조사되어 당해 표면의 온도가 승온된다. 플래시 광 조사에 의한 승온 중의 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도도 상부 방사 온도계(25)에 의해 측정되고 있다. 플래시 램프(FL)의 발광 시간은 0.1밀리초~100밀리초의 단시간이지만, InSb 광학 소자를 구비한 상부 방사 온도계(25)의 샘플링 간격은 약 20마이크로초의 매우 단시간이다(즉 1밀리초의 사이에 50점의 측정이 가능). 이 때문에, 플래시 광 조사에 의해 급격하게 승온시키는 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도의 변화를 상부 방사 온도계(25)에 의해 측정할 수 있다(도 11).
제1 실시 형태에 있어서는, 상부 방사 온도계(25)에 의해 측정되는 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도가 목표 온도 T2에 도달했는지 여부가 제어부(3)에 의해 감시되고 있다(단계 S14). 목표 온도 T2는, 반도체 웨이퍼(W)의 가열 처리의 목적을 달성하기 위해 요구되는 온도이며, 본 실시 형태에서는 반도체 웨이퍼(W)에 주입된 불순물을 활성화할 수 있는 1000℃ 이상이다. 목표 온도 T2는, 미리 설정되어 기억부(36)에 기억되어 있다.
상부 방사 온도계(25)에 의해 측정되는 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도가 시각 t2에 목표 온도 T2에 도달하면, 단계 S14에서 단계 S15로 진행되어, 제어부(3)의 제어에 의해 플래시 램프(FL)로의 전류 공급을 정지한다. 구체적으로는, 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도가 목표 온도 T2에 도달한 시각 t2에 제어부(3)가 IGBT(96)의 게이트에 인가하는 펄스 신호를 오프로 한다.
도 13은, 플래시 램프(FL)에 흐르는 전류의 변화를 나타내는 도면이다. 시각 t1에 IGBT(96)의 게이트에 도 12에 나타내는 파형의 펄스 신호가 인가되어, 플래시 램프(FL)에 흐르는 전류가 증가하고 플래시 램프(FL)가 발광을 개시한다. 도 12에 나타내는 바와 같이, IGBT(96)의 게이트에 인가되는 펄스 신호는 온 오프를 반복하기 때문에, 그에 따라 플래시 램프(FL)에 흐르는 전류도 증감을 반복한다. 즉, IGBT(96)의 게이트에 인가되는 펄스 신호가 온일 때에는 플래시 램프(FL)에 흐르는 전류가 증가하고, 펄스 신호가 오프일 때에는 플래시 램프(FL)에 흐르는 전류가 감소한다. 도 12에 나타내는 예에서는, 펄스 신호가 온의 시간이 오프의 시간보다 길기 때문에, 도 13에 나타내는 바와 같이, 플래시 램프(FL)에 흐르는 전류는 증감을 반복하면서도 전체적으로는 증가한다. 플래시 램프(FL)에 흐르는 전류가 증가함에 따라서, 플래시 램프(FL)의 발광 출력도 증가한다.
다음에, 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도가 목표 온도 T2에 도달한 시각 t2에 제어부(3)가 IGBT(96)의 게이트에 인가하는 펄스 신호를 오프로 한다. 이 때에는, 파형 설정부(32)에 의해 설정된 펄스 신호의 파형에 관계없이, 제어부(3)가 IGBT(96)의 게이트에 인가하는 펄스 신호를 오프로 한다. 즉, 파형 설정부(32)에 의해 설정된 펄스 신호가 시각 t2에서 온이었다고 해도, 제어부(3)가 강제적으로 시각 t2에 펄스 신호를 오프로 하는 것이다. 이것에 의해, 시각 t2 이후는 IGBT(96)가 오프 상태가 되어, 플래시 램프(FL)로의 전류의 공급이 정지된다.
시각 t2에 플래시 램프(FL)로의 전류 공급이 정지되면, 플래시 램프(FL)의 발광도 정지하여, 반도체 웨이퍼(W)의 표면의 온도는 목표 온도 T2로부터 급속히 강온된다. 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도를 매우 단시간에 목표 온도 T2로까지 승온시키고 나서 강온시킴으로써, 반도체 웨이퍼(W)에 주입된 불순물의 열에 의한 확산을 억제하면서 불순물의 활성화를 행할 수 있다.
플래시 램프(FL)로의 전류 공급이 정지되고 나서 소정 시간 경과 후에 할로겐 램프(HL)가 소등된다. 이것에 의해, 반도체 웨이퍼(W)가 예비 가열 온도 T1로부터 급속히 강온된다. 강온 중의 반도체 웨이퍼(W)의 온도는 하부 방사 온도계(20)에 의해 측정되고, 그 측정 결과는 제어부(3)에 전달된다. 제어부(3)는, 하부 방사 온도계(20)의 측정 결과로부터 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 소정 온도까지 강온했는지 여부를 감시한다. 그리고, 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 소정 이하로까지 강온한 후, 이재 기구(10)의 한 쌍의 이재 아암(11)이 다시 퇴피 위치로부터 이재 동작 위치로 수평 이동하여 상승함으로써, 리프트 핀(12)이 서셉터(74)의 상면으로부터 튀어 나와 열처리 후의 반도체 웨이퍼(W)를 서셉터(74)로부터 받는다. 계속해서, 게이트 밸브(185)에 의해 폐쇄되어 있던 반송 개구부(66)가 개방되어, 리프트 핀(12) 상에 재치된 반도체 웨이퍼(W)가 장치 외부의 반송 로봇에 의해 반출되고, 열처리 장치(1)에 있어서의 반도체 웨이퍼(W)의 가열 처리가 완료된다(단계 S16).
제1 실시 형태에 있어서는, 플래시 램프(FL)로부터의 플래시 광 조사에 의해 승온시키는 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도를 상부 방사 온도계(25)에 의해 측정하고 있다. 그리고, 상부 방사 온도계(25)에 의해 측정되는 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도가 목표 온도 T2에 도달했을 때에, 플래시 램프(FL)로의 전류의 공급을 정지하여 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도를 강온시키고 있다. 반도체 웨이퍼(W)의 표면의 실측 온도가 목표 온도 T2에 도달했을 때에 플래시 램프(FL)로의 전류의 공급을 정지하고 있기 때문에, 반도체 웨이퍼(W)의 표면 상태나 반사율에 관계없이, 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도를 정확하게 목표 온도 T2로 승온시킬 수 있다. 그 결과, 복수의 반도체 웨이퍼(W)를 처리할 때에도 피크 온도는 일정해져, 디바이스 성능의 불균일을 억제하는 것이 가능해진다.
＜제2 실시 형태＞
다음에, 본 발명의 제2 실시 형태에 대해서 설명한다. 제2 실시 형태의 열처리 장치의 구성은 제1 실시 형태와 완전히 같다. 또, 제2 실시 형태에 있어서의 반도체 웨이퍼(W)의 처리 순서에 대해서도 대체로 제1 실시 형태와 같다. 제1 실시 형태에 있어서는, 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도의 실측값이 목표 온도 T2에 도달했을 때에 플래시 램프(FL)로의 전류 공급을 정지하고 있었지만, 제2 실시 형태에서는 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도가 목표 온도 T2에 도달하는 도달 예정 시각을 예측하고, 그 도달 예정 시각에 플래시 램프(FL)로의 전류 공급을 정지하도록 하고 있다.
도 14는, 제2 실시 형태에 있어서의 열처리 장치(1)의 처리 순서를 나타내는 플로차트이다. 도 14의 단계 S21~S23까지는 도 10의 단계 S11~S13까지와 같다. 즉, 처리 대상이 되는 반도체 웨이퍼(W)가 챔버(6) 내에 반입되어 서셉터(74)에 유지된다(단계 S21). 계속해서, 할로겐 램프(HL)가 점등하여 반도체 웨이퍼(W)의 예비 가열이 실행된다(단계 S22). 또, 예비 가열이 개시된 후, 상부 방사 온도계(25)에 의한 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도의 측정이 행해진다. 도 15는, 제2 실시 형태의 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도의 변화를 나타내는 도면이다. 제1 실시 형태와 마찬가지로, 예비 가열에 의해 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 예비 가열 온도 T1에 도달하고 소정 시간이 경과한 시각 t1에, 플래시 램프(FL)가 반도체 웨이퍼(W)의 표면으로의 플래시 광 조사를 개시한다(단계 S23). 제2 실시 형태에 있어서도, 도 12에 나타낸 바와 같은 파형의 펄스 신호가 IGBT(96)의 게이트에 인가되어 플래시 램프(FL)가 발광하고, 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 플래시 광이 조사되어 당해 표면의 온도가 승온된다.
제2 실시 형태에 있어서는, 플래시 광 조사가 개시된 후이며, 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도가 목표 온도 T2에 도달하기도 전인 시각 t3에, 제어부(3)의 예측부(35)(도 9)가 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도의 변화를 예측하고 있다. 보다 구체적으로는, 예측부(35)는, 시각 t1부터 시각 t3까지의 상부 방사 온도계(25)에 의한 온도 측정 결과로부터 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도가 목표 온도 T2에 도달하는 도달 예정 시각 t4를 예측한다(단계 S24).
도 9에 나타내는 바와 같이, 제어부(3)의 기억부(36)에는, 과거에 플래시 광 조사를 했을 때에 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도를 측정하여 취득한 복수의 승온 패턴(PT)(예를 들면, 1000장의 반도체 웨이퍼(W)에 대한 승온 패턴)이 저장되어 있다. 즉, 기억부(36)에는, 복수의 반도체 웨이퍼(W)에 대한 플래시 광 조사 시의 표면 온도의 변화를 나타내는 온도 프로파일이 취득되어 승온 패턴(PT)으로서 저장되어 있는 것이다. 예측부(35)는, 시각 t1부터 시각 t3까지의 상부 방사 온도계(25)에 의한 온도 측정 결과와 과거의 실적인 복수의 승온 패턴(PT)을 비교하여 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도가 목표 온도 T2에 도달하는 도달 예정 시각 t4를 예측한다. 예측부(35)는, 예를 들면, 패턴 매칭의 수법에 의해 복수의 승온 패턴(PT)으로부터 시각 t1부터 시각 t3까지의 상부 방사 온도계(25)에 의한 온도 측정 결과와 근사(近似)한 승온 패턴(PT)을 추출하고, 그 추출한 승온 패턴(PT)으로부터 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도가 목표 온도 T2에 도달하는 도달 예정 시각 t4를 예측한다.
제어부(3)는, 도시 생략된 타이머에 의해 시각이 도달 예정 시각 t4에 이르렀는지 여부를 감시하고 있다(단계 S25). 그리고, 시각이 도달 예정 시각 t4가 되면, 단계 S25에서 단계 S26으로 진행되어, 제어부(3)의 제어에 의해 플래시 램프(FL)로의 전류 공급을 정지한다. 구체적으로는, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 제어부(3)가 도달 예정 시각 t4에 IGBT(96)의 게이트에 인가하는 펄스 신호를 오프로 한다. 이 때에는, 파형 설정부(32)에 의해 설정된 펄스 신호의 파형에 관계없이, 제어부(3)가 IGBT(96)의 게이트에 인가하는 펄스 신호를 오프로 한다. 이것에 의해, 도달 예정 시각 t4 이후는 IGBT(96)가 오프 상태가 되고, 플래시 램프(FL)로의 전류의 공급이 정지된다.
도달 예정 시각 t4에 플래시 램프(FL)로의 전류 공급이 정지되면, 플래시 램프(FL)의 발광도 정지하여, 반도체 웨이퍼(W)의 표면의 온도는 목표 온도 T2로부터 급속히 강온된다. 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도를 매우 단시간에 목표 온도 T2로까지 승온시키고 나서 강온시킴으로써, 반도체 웨이퍼(W)에 주입된 불순물의 열에 의한 확산을 억제하면서 불순물의 활성화를 행할 수 있다.
플래시 램프(FL)로의 전류 공급이 정지되고 나서 소정 시간 경과 후에 할로겐 램프(HL)가 소등된다. 이것에 의해, 반도체 웨이퍼(W)가 예비 가열 온도 T1로부터 급속히 강온된다. 그리고, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 소정 이하로까지 강온한 후, 반도체 웨이퍼(W)가 챔버(6)로부터 반출되어 열처리 장치(1)에 있어서의 반도체 웨이퍼(W)의 가열 처리가 완료된다(단계 S27).
제2 실시 형태에 있어서는, 플래시 램프(FL)로부터의 플래시 광 조사에 의해 승온시키는 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도를 상부 방사 온도계(25)에 의해 측정하고, 그 온도 측정 결과로부터 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도가 목표 온도 T2에 도달하는 도달 예정 시각 t4를 예측하고 있다. 그리고, 도달 예정 시각 t4에 플래시 램프(FL)로의 전류의 공급을 정지하여 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도를 강온시키고 있다. 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도가 목표 온도 T2에 도달한다고 예측된 도달 예정 시각 t4에 플래시 램프(FL)로의 전류의 공급을 정지하고 있기 때문에, 반도체 웨이퍼(W)의 표면 상태나 반사율에 관계없이, 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도를 정확하게 목표 온도 T2로 승온시킬 수 있다. 그 결과, 복수의 반도체 웨이퍼(W)를 처리할 때에도 피크 온도는 일정해져, 디바이스 성능의 불균일을 억제하는 것이 가능해진다.
＜변형예＞
이상, 본 발명의 실시의 형태에 대해서 설명했지만, 이 발명은 그 취지를 일탈하지 않는 한에 있어서 상술한 것 이외에 다양한 변경을 행하는 것이 가능하다. 예를 들면, 제2 실시 형태에 있어서는, 도달 예정 시각 t4에 플래시 램프(FL)로의 전류 공급을 정지하고 있었지만, 이것에 한정되는 것이 아니며, 소정의 폭을 가지며 도달 예정 시각 t4의 전후에 플래시 램프(FL)로의 전류 공급을 정지하도록 해도 된다. 즉, 도달 예정 시각 t4를 포함하는 소정 기간 내에 플래시 램프(FL)로의 전류 공급을 정지하여 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도를 강온시키도록 해도 된다. 전류 공급을 정지하는 시각의 도달 예정 시각 t4로부터의 괴리 폭에 대해서는 미리 설정하여 기억부(36) 등에 기억시켜 두면 된다.
또, 상기 실시 형태에 있어서는, 도 12에 나타낸 바와 같은 복수의 펄스가 반복해서 설정된 파형의 펄스 신호를 출력하고 있었지만, 예를 들면 1개의 긴 펄스가 설정된 파형의 펄스 신호를 IGBT(96)의 게이트에 입력하도록 해도 된다. 이 경우여도, 반도체 웨이퍼(W)의 실측 표면 온도가 목표 온도 T2에 도달했을 때 또는 도달 예정 시각 t4에, 제어부(3)가 IGBT(96)의 게이트에 인가하는 펄스 신호를 오프로 함으로써, 플래시 램프(FL)로의 전류 공급을 정지하여 상기 실시 형태와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또, 상기 실시 형태에 있어서는, IGBT(96)를 오프 상태로 함으로써 플래시 램프(FL)로의 전류 공급을 정지하고 있었지만, 이것에 한정되는 것은 아니며, IGBT(96)와는 상이한 스위칭 소자에 의해 콘덴서(93)로부터 플래시 램프(FL)로의 전하의 공급을 차단하여 전류 공급을 정지하도록 해도 된다. 혹은, 플래시 가열부(5)에 메카니컬 셔터를 설치하여, 소정의 타이밍에 당해 메카니컬 셔터를 닫아 플래시 램프(FL)로부터 방사되는 플래시 광을 차광하도록 해도 된다.
또, 상기 실시 형태에 있어서는, 플래시 가열부(5)에 30개의 플래시 램프(FL)를 구비하도록 하고 있었지만, 이것에 한정되는 것은 아니며, 플래시 램프(FL)의 갯수는 임의의 수로 할 수 있다. 또, 플래시 램프(FL)는 크세논 플래시 램프에 한정되는 것은 아니며, 크립톤 플래시 램프여도 된다. 또, 할로겐 가열부(4)에 구비하는 할로겐 램프(HL)의 갯수도 40개로 한정되는 것은 아니며, 임의의 수로 할 수 있다.
또, 상기 실시 형태에 있어서는, 1초 이상 연속하여 발광하는 연속 점등 램프로서 필라멘트 방식의 할로겐 램프(HL)를 이용하여 반도체 웨이퍼(W)의 예비 가열을 행하고 있었지만, 이것에 한정되는 것은 아니며, 할로겐 램프(HL) 대신에 방전형의 아크 램프(예를 들면, 크세논 아크 램프)를 연속 점등 램프로서 이용하여 예비 가열을 행하도록 해도 된다.
또, 열처리 장치(1)에 의해 처리 대상이 되는 기판은 반도체 웨이퍼에 한정되는 것은 아니며, 액정 표시 장치 등의 플랫 패널 디스플레이에 이용하는 유리 기판이나 태양 전지용의 기판이어도 된다. 또, 열처리 장치(1)에서는, 고유전율 게이트 절연막(High-k막)의 열처리, 금속과 실리콘의 접합, 혹은 폴리 실리콘의 결정화를 행하도록 해도 된다.
1 열처리 장치 3 제어부
4 할로겐 가열부 5 플래시 가열부
6 챔버 7 유지부
10 이재 기구 20 하부 방사 온도계
25 상부 방사 온도계 29 적외선 센서
33 입력부 34 표시부
35 예측부 36 기억부
63 상측 챔버 창 64 하측 챔버 창
65 열처리 공간 74 서셉터
96 IGBT 101 고속 방사 온도계 유닛
105 온도 변환부 FL 플래시 램프
HL 할로겐 램프 W 반도체 웨이퍼

Claims (10)

  1. 기판에 플래시 광을 조사함으로써 그 기판을 가열하는 열처리 방법으로서,
    플래시 램프로부터 기판의 표면에 플래시 광을 조사하여 당해 표면을 승온시키는 플래시 광 조사 공정과,
    승온시키는 상기 기판의 상기 표면의 온도를 방사 온도계에 의해 측정하는 온도 측정 공정과,
    상기 방사 온도계에 의해 측정되는 상기 표면의 온도가 목표 온도에 도달했을 때에, 상기 플래시 램프로의 전류의 공급을 정지하여 상기 표면의 온도를 강온시키는 발광 정지 공정
    을 구비하고,
    상기 발광 정지 공정에서는, 상기 플래시 램프에 접속된 IGBT의 게이트에 인가하는 펄스 신호를 오프로 하여 상기 플래시 램프로의 전류의 공급을 정지하는, 열처리 방법.
  2. 기판에 플래시 광을 조사함으로써 그 기판을 가열하는 열처리 방법으로서,
    플래시 램프로부터 기판의 표면에 플래시 광을 조사하여 당해 표면을 승온시키는 플래시 광 조사 공정과,
    승온시키는 상기 기판의 상기 표면의 온도를 방사 온도계에 의해 측정하는 온도 측정 공정과,
    상기 방사 온도계에 의한 온도 측정 결과로부터 상기 표면의 온도가 목표 온도에 도달하는 도달 예정 시각을 예측하는 예측 공정과,
    상기 예측 공정에서 예측된 상기 도달 예정 시각을 포함하는 소정 기간 내에 상기 플래시 램프로의 전류의 공급을 정지하여 상기 표면의 온도를 강온시키는 발광 정지 공정
    을 구비하고,
    상기 발광 정지 공정에서는, 상기 플래시 램프에 접속된 IGBT의 게이트에 인가하는 펄스 신호를 오프로 하여 상기 플래시 램프로의 전류의 공급을 정지하는, 열처리 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 발광 정지 공정에서는, 상기 도달 예정 시각에 상기 플래시 램프로의 전류의 공급을 정지하는, 열처리 방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 예측 공정에서는, 플래시 광 조사가 행해졌을 때에 취득 완료된 복수의 승온 패턴에 의거하여 상기 도달 예정 시각을 예측하는, 열처리 방법.
  5. 삭제
  6. 기판에 플래시 광을 조사함으로써 그 기판을 가열하는 열처리 장치로서,
    기판을 수용하는 챔버와,
    상기 챔버 내에 수용된 상기 기판의 표면에 플래시 광을 조사하여 당해 표면을 승온시키는 플래시 램프와,
    승온시키는 상기 기판의 상기 표면의 온도를 측정하는 방사 온도계와,
    상기 방사 온도계에 의해 측정되는 상기 표면의 온도가 목표 온도에 도달했을 때에, 상기 플래시 램프로의 전류의 공급을 정지하여 상기 표면의 온도를 강온시키는 스위칭부
    를 구비하고,
    상기 스위칭부는, 상기 플래시 램프에 접속된 IGBT를 포함하고, 상기 IGBT의 게이트에 인가하는 펄스 신호를 오프로 하여 상기 플래시 램프로의 전류의 공급을 정지하는, 열처리 장치.
  7. 기판에 플래시 광을 조사함으로써 그 기판을 가열하는 열처리 장치로서,
    기판을 수용하는 챔버와,
    상기 챔버 내에 수용된 상기 기판의 표면에 플래시 광을 조사하여 당해 표면을 승온시키는 플래시 램프와,
    승온시키는 상기 기판의 상기 표면의 온도를 측정하는 방사 온도계와,
    상기 방사 온도계에 의한 온도 측정 결과로부터 상기 표면의 온도가 목표 온도에 도달하는 도달 예정 시각을 예측하는 예측부와,
    상기 예측부가 예측한 상기 도달 예정 시각을 포함하는 소정 기간 내에 상기 플래시 램프로의 전류의 공급을 정지하여 상기 표면의 온도를 강온시키는 스위칭부
    를 구비하고,
    상기 스위칭부는, 상기 플래시 램프에 접속된 IGBT를 포함하고, 상기 IGBT의 게이트에 인가하는 펄스 신호를 오프로 하여 상기 플래시 램프로의 전류의 공급을 정지하는, 열처리 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 스위칭부는, 상기 도달 예정 시각에 상기 플래시 램프로의 전류의 공급을 정지하는, 열처리 장치.
  9. 청구항 7에 있어서,
    플래시 광 조사가 행해졌을 때에 취득 완료된 복수의 승온 패턴을 저장하는 기억부를 추가로 구비하고,
    상기 예측부는, 상기 복수의 승온 패턴에 의거하여 상기 도달 예정 시각을 예측하는, 열처리 장치.
  10. 삭제
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