KR20080014036A - 열처리 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 기판을 수납하는 처리실과, 상기 처리실의 상방에 마련되어, 상기 기판을 각각 조사하는 복수의 광원과, 내면이 돔 형상의 반사면을 형성하고, 상기 각 광원으로부터 나온 빛의 일부를 반사하여 상기 기판으로 유도하는 제 1 리플렉터와, 상기 각 광원마다 각각 마련되어, 각 광원으로부터 나온 빛을 반사하고 집광하여 상기 기판으로 유도하는 복수의 제 2 리플렉터를 구비하고, 각 제 2 리플렉터의 반사면은, 각 광원이 배치되어 있는 위치에 제 1 초점을 형성함과 동시에 상기 기판이 배치되어 있는 측에 제 2 초점을 형성하도록, 해당 제 1 초점의 주위를 둘러싸는 회전　타원면 또는 이것에 근사한 곡면의 일부를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 열처리 장치이다.

Description

열처리 장치{HEAT TREATING DEVICE}
본 발명은, 실리콘 웨이퍼 등의 기판에 빛을 조사(照射)하는 것에 의해 해당 기판을 열처리하는 열처리 장치에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 제조 공정에 있어서는, 성막 처리, 패턴의 에칭 처리, 산화 확산 처리, 개질 처리, 어닐 처리 등의 각종의 열처리가 반복 실행된다. 실리콘 웨이퍼 등의 기판에 대하여 예컨대 400℃ 이상의 고온에서의 소정의 열처리를 최대한 단시간에 실시하는 열처리 장치로서는, 광원으로부터의 빛을 기판에 조사하는 것에 의해 해당 기판을 급속히 가열하도록 한 급속 가열 장치(램프 어닐)가 이용되고 있다(예컨대, 일본 특허 공개 제 2005-101237 호 공보, 일본 특허 공개 제 2001-237195 호 공보, 일본 등록 실용신안 공보 제 3017978호, 일본 특허 공개 제 평7-29843 호 공보).
일본 특허 공개 제 2005-101237 호 공보에 기재되어 있는 열처리 장치에서는, 피처리체인 웨이퍼를 고속 가열하는 가열 수단으로서, 다수의 광원이, 램프 하우스의 천장부의 하면에 그 대략 전체에 걸쳐 부착되어 있다. 천장부의 하면은, 평탄면 또는 원추면으로 이루어지는 반사면으로 형성되어 있고, 각 광원으로부터 나온 열선이, 하방의 웨이퍼를　향해서 반사되게 되어 있다. 또한, 램프 하우스의 중앙부에 위치하는 광원에　대해서는, 그 열선의 방사 방향이 바로 아래를 향하도록 부착되고, 램프 하우스의 주변부에 위치하는 광원에 대해서는, 그 열선의 방사 방향이 아래　방향　내측에 비스듬히 향하도록 부착되어 있다. 이에 의해, 그 열선의 방사 방향을 웨이퍼의 주변부에 집중시키도록 되어 있다.
일본 특허　공개 제 2001-237195 호　공보에 기재되어 있는 섬광　조사　가열 장치에서는, 직관으로 이루어지는 복수 라인의 섬광 방전　램프가, 워크(work)의 상방에 워크에 대하여 병행이 되도록 나란히　설치되어 있다. 섬광 방전　램프의 상방에는, 각 섬광 방전　램프로부터 나온 섬광을 하방으로 반사시키는 반사　미러가 마련되어　있다. 반사　미러는 평판　형상으로 형성되고, 그 양쪽 단부가 비스듬히 하방으로 소요　각도를 갖고 구부려져 있다.
일본 등록　실용신안　공보　제 3017978 호에 기재되어 있는 빔　히터에서는, 외주부에 다수의 방열 구멍을 갖는 램프 하우스내에, 내면이 반사면을 형성하는 반구　형상의 반사경이 배치되어 있다. 이 반사경의 내부에, 할로겐　램프가 배치되어,　이 할로겐　램프로부터 나온 빛이, 반사경의 반사면에서 반사되어, 하방에 배치된 워크상에 스폿　형상으로 집광되게　되어있다.
일본 특허　공개 제 평7-29843 호　공보에 기재되어 있는 열처리 장치에서는, 내면이 돔　형상(반구　형상)의 반사면으로 이루어지는 램프 하우스의 내부에 복수의 광원이 배치되고, 이들 광원으로부터 나온 빛이 상기 반사면에 의해서 하방 으로 반사되어 반도체 웨이퍼의 표면으로 유도되게 되어 있다. 광원으로서는, 직경이 다른 복수의 둥근　링　형상　할로겐　램프나, 점광원으로 이루어지는 복수의 전구형　램프가 이용되고 있다.
한편, 반도체 디바이스의 제조 공정에 있어서, 성막 처리, 패턴의 에칭 처리, 산화 확산 처리, 개질 처리, 어닐 처리 등의 각종의 열처리를 실행하는 경우, 기판 표면을 단시간에 소정의 온도로 가열해야 한다. 또한, 가열시에는, 기판의 각부에　있어서 온도　분포가 균일하게 되도록 가열해야 한다.
그러나, 상기한 일본 특허　공개　2005-101237호　공보에 기재되어 있는 열처리 장치 및 일본 특허　공개　2001-237195호　공보에 기재되어 있는 섬광　조사 장치는, 모두, 반사면이 평면 또는 원추면으로 이루어지는 리플렉터를 이용하고　있기 때문에, 각 광원으로부터 방사된 빛을 고밀도로 집광하여 기판의 소정　장소로 유도하는　것이　어렵고, 또한, 기판 전체를 균일히 가열하는 것이 어렵다. 특히, 대구경(300mm)의 기판에 대하여 적용하는 것은, 극히 어렵다.
한편,　반구　형상의 반사면을 갖춘 일본 등록　실용신안　공보　제 3017978 호에 기재되어 있는 빔　히터 및 일본 특허　공개 제 평7-29843 호　공보에 기재되어 있는 열처리 장치에 있어서는, 입체각　투사의 정리에 따라서, 반구　형상의 평탄면(저면)에 있어서의 조도　분포를 균일하게 할 수 있다. 이 때문에, 기판의 표면 전체의 온도　분포를 균일하게 할 수 있다. 그러나, 리플렉터의 초점　위치에 기판을 배치하면 조사　면적이 작아지기　때문에, 표면 전체를 조사하기 위해서는, 광원의 수를 늘릴 필요가 있다. 한편,　초점　위치로부터 기판을 어긋나게　하면 기판의 넓은 면적을 조사할 수 있기 때문에, 광원의 수를 삭감할 수 있는 반면, 빛의 강도가 약해져 가열　효율이 저하한다는 문제가 있다. 또한, 가열　효율을 높이기 위해서 광원의 필라멘트에 흘리는 전류치를 크게하여 광원으로부터 방사되는 빛의 강도를 크게　하면, 고속으로 승온시킬 수 있지만, 그 경우에는 광원의 내구성이 저하한다는 문제가 발생한다.
그래서, 본 발명자는, 빛의 집광에 대하여 검토하여, 여러가지의 실험을 실행하였다. 그 결과, 두 종류의 리플렉터로 이루어지는 복합형의 리플렉터를 이용하는 것에　의해, 광원으로부터 나온 빛을 효율적으로 기판으로　유도할　수　있어, 고온까지 단시간에 승온시킬 수 있는 것을 발견하였다.
본 발명은, 상기한 종래의 문제를 해결하기 위해서 행해진 것으로서, 그 목적으로 하는　것은, 광원으로부터 방사된 빛을 손실이　적게 고밀도로 집광할 수 있어, 기판을 고온까지 단시간에 승온시킬 수 있는 열처리 장치를 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은, 기판을 수납하는 처리실과, 상기 처리실의 상방에 마련되어, 상기 기판을 각각 조사하는 복수의 광원과, 내면이 돔　형상인 반사면을 형성하여, 상기 각 광원으로부터 나온 빛의 일부를 반사하여 상기 기판으로 유도하는 제 1　리플렉터와, 상기 각 광원마다 각각 마련되어, 각 광원으로부터 나온 빛을 반사하고 집광하여 상기 기판으로　유도하는 복수의 제 2　리플렉터를 구비하고, 각 제 2　리플렉터의 반사면은, 각 광원이 배치되어 있는 위치에 제 1 초점을 형성함과 함께 상기 기판이 배치되어 있는 측에 제 2 초점을 형성하도록, 해당 제 1 초점의 주위를 둘러싸는 회전　타원면 또는 이것에 근사한 곡면의 일부를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 열처리 장치이다.
본 발명에 의하면, 광원으로부터 나온 빛의 일부가 제 2　리플렉터의 반사면에 닿아 반사하고, 해당 반사광은 기판 표면을 조사하면서 제 2 초점에 집광된다. 한편, 광원으로부터 나와 제 2　리플렉터에 닿지　않은　직사광의 일부는, 기판 표면을 직접　조사하고,　그 또한 다른 일부는, 제 1　리플렉터의 반사면에 닿아 반사하고 나서 기판 표면을 조사한다. 이러한 형태로는, 빛의 손실이 적고, 가열　효율을 향상시킬 수 있어, 기판을 신속히 승온시킬 수 있다.
바람직하게는, 제 1　리플렉터의 반사면은, 반구　형상으로 형성되고, 상기 광원은, 해당 반사면의 외측에, 제 1　리플렉터의 대략 전체에　걸쳐서 배치된다. 이 경우, 광원은 반구　형상의 발열　광원을 구성하고, 입체각투사의 정리에 의해서 반구면　광원의 바닥면의 조도 분포가 균일해진다. 따라서, 온도분포가 균일한 가열을 실현할 수 있어, 대구경의 기판에의 적용도 가능해진다.
또한, 바람직하게는, 각 제 2　리플렉터는, 각 광원으로부터 출사되어 해당 리플렉터의 반사면에서 반사한 반사광이 서로 교차하는 일 없이 처리해야 하는 기판 표면의 다른 특정한 조사 영역을 각각 조사하도록, 상기 제 1 리플렉터의 광축에 대하여 조정된 경사 각도로 마련된다. 이 경우, 기판의 표면 전체를 보다 쉽게 균일히 가열할 수 있다.
도 1은, 본 발명에 따른 열처리 장치의 1 실시의 형태를 도시하는 개략 구성도이다.
도 2는, 도 1의 열처리 장치의 단면도이다.
도 3은, 기판과 광원과 제 2 리플렉터의 초점의 위치 관계를 도시하는 도면이다.
도 4는, 열전 변환 수단을 구성하는 펠티에 소자의 배열의 일례를 도시하는 도면이다.
이하, 본 발명을 실시의 형태에 근거하여 상세히 설명한다.
도 1은, 본 발명에 따른 열처리 장치의 1실시의 형태를 도시하는 개략 구성도이다. 도 2는, 도 1의 열처리 장치의 단면도이다. 도 3은, 기판과 광원과 제 2 리플렉터의 초점과의 위치 관계를 도시하는 도면이다. 도 4는, 열전 변환 수단을 구성하는 펠티에 소자 배열의 일례를 도시하는 도면이다.
도 1∼도 4에 도시하는 바와 같이 본 실시의 형태의 열처리 장치(1)는, 반도체 디바이스인 트랜지스터의 채널층에 불순물 원자를 이온 주입한 후에, 원자 구조를 안정화시킬 목적으로 램프 어닐을 실행하는 장치이다. 이러한 열처리 장치(1)는, 실리콘 웨이퍼(이하, 기판이라 함)(2)의 표면을 이온 활성화에 필요한 소정의 처리 온도(예컨대, 1000℃∼1100℃ 정도)까지 극히 단시간에 승온시킴과 동시에, 처리후는 동일하게 단시간에 본래의 온도까지 강온시킬 필요가 있다. 그 이유는, 가열 처리 시간이 길어지면 불순물 원자가 기판(2)의 깊숙히까지 확산하여 이면측으로 관통해버려, 불량품이 되어 버리기 때문이다.
열처리 장치(1)는, 열처리해야 할 기판(2)을 수납하는 챔버(처리용기)(3)와, 챔버(3)의 상방에 배치된 램프 하우징(4)을 구비하고 있다. 열처리 장치(1)는, 직경이 300mm인 기판(2)의 열처리가 가능하다.
챔버(3)는, 알루미늄 등에 의해서, 상방측 개구부(6a)와 하방측 개구부(6b)를 갖는 상자형으로 형성되어 있다. 상방측 개구부(6a)는, 투명 부재(7)와 O 링(8)에 의해서 기밀히 폐색되어 있다. 하방측 개구부(6b)는, 바닥판(5)과 O 링(9)에 의해서 동일하게 기밀히 폐색되어 있다. 투명 부재(7)의 재질은, 기판(2)의 열처리시에 가열 수단으로서 이용되는 광원(15)의 종류에 따라서 다를 수 있다. 예컨대 적외선 램프를 사용하는 경우는, 석영 등의 적외선 투과성을 갖는 투명 재료가 이용된다.
챔버(3)의 내부는, 기판(2)을 열처리하는 처리실(10)을 형성하고 있다. 이 처리실(10)의 내부에는, 기판(2)이 탑재되는 원판 형상의 탑재대(11)와, 이 탑재대(11)에 대하여 기판(2)을 승강시키는 승강 기구(도시생략)가 배치되어 있다.
탑재대(11)는, 바닥판(5)의 상면에 열전 변환 수단(12)을 거쳐서 배치되어 있다. 탑재대(11)의 재료로서는, 사용하는 광원(15)으로부터의 광선을 가장 흡수하기 쉬운 재료가 이용된다. 예컨대, 광원(15)이 적외선 램프인 경우는, 주로 적 외선을 흡수하기 쉬운 SiO2재, AlN재, SiC재 등에 의해서 제작된다. 광원(15)이 자외선 램프 또는 할로겐　램프인 경우는, 주로 자외선을 흡수하기 쉬운 Ge재, Si재, 금속재 등에 의해서 제작된다.
기판(2)의 승강 기구(도시생략)는, 예컨대, 탑재대(11)를 관통하여 기판(2)을 아래로부터 지지하는 복수 라인의 승강이 자유자재인 지지핀과, 이들 지지핀을 승강시키는 구동 장치 등에 의해서 구성될 수 있다.
또한, 챔버(3)의 측벽에는, 기판(2)의 처리실(10)내로의 반출입을 가능하게 하는 기판 출입구(16)와, 기판(2)의 열처리에 필요한 처리 가스를 처리실(10)내에 도입하는 가스 노즐(17)이 마련되어 있다. 처리 가스로서는, N2 가스나 Ar 가스 등의 화학적 반응성이 낮은 가스가 이용된다. 기판 출입구(16)는, 통상 게이트 밸브(18)에 의해서 기밀히 폐색되어 있다. 가스 노즐(17)은, 가스 공급원(도시하지 않음)에 접속되어 있다. 또한, 챔버(3)의 바닥부에는, 배기구(19)가 형성되어 있다. 이 배기구(19)는, 배기관(20)을 거쳐서, 도시하지 않는 배기 수단에 접속되어 있다. 기판(2)의 열처리시에는, 처리실(10)은, 배기 수단에 의해서 내부의 공기가 배기됨과 동시에, 가스 공급원으로부터 가스 노즐(17)을 거쳐서 처리 가스가 공급된다. 즉, 처리실(10)내의 공기가 처리 가스로 치환된다.
또한, 열전 변환 수단(12)으로서는, 복수개의 펠티에 소자(21)가 이용된다. 펠티에 소자(21)는, 다른 종류의 도체나 반도체를 전극을 거쳐서 직렬로 접속한 소자이며, 전류를 흘렸을 때에 접점사이에서 줄 열 이외의 발열 내지 흡열을 생기게 하는 소자이다. 구체적으로는, 펠티에 소자(21)는, 예컨대 200℃ 이하의 온도에서의 사용에 견딜 수 있는 Bi2Te3(비스무트 텔루르 화합물(Bismuth Telluride)) 소자, 보다 고온에서 사용할 수 있는 PbTe(납 텔루르 화합물) 소자, SiGe(실리콘 게르마늄) 소자, 등에 의해서 형성될 수 있다. 펠티에 소자(21)는, 리드선(23)을 거쳐서 펠티에 제어부(22)에 전기적으로 접속된다. 펠티에 제어부(22)는, 상기 기판(2)의 열처리시에, 펠티에 소자(21)에 공급되는 전류의 방향이나 크기를 제어한다.
도 4는, 펠티에 소자(21)의 배열의 일례를 도시하고 있다. 도 4의 예에서는, 직경이 300mm인 기판(2)에 대하여, 60개의 펠티에 소자(21)가, 탑재대(11)의 이면측에 대략 전면에 걸쳐 거의 간격없이 채워져 있다. 이와 같이 펠티에 소자(21)가 밀접하여 배치되면, 기판(2)과 탑재대(11)를 보다 한층 균일히 가열할 수 있다. 각 펠티에 소자(21)의 형상은, 사각 형태에 한하지 않고, 원형이나 육각형태이더라도 좋다. 여기서, 열전 변환이란, 열에너지를 전기 에너지로, 또는, 전기 에너지를 열에너지로 변환하는 것을 말한다.
바닥판(5)의 내부에는, 전열 매체 유로(26)가, 바닥판(5)의 평면 방향의 대략 전체에 걸쳐 형성되어 있다. 전열 매체 유로(26)는, 열전 변환 수단(12)의 하방에 위치하고 있어, 기판(2)의 강온시에 전열 매체로서의 냉매(물)가 공급된다. 이에 의해, 펠티에 소자(21)의 하면으로부터 온열을 빼앗아, 이것을 냉각하게 되어 있다. 또한, 기판(2)의 승온시에는, 필요에 따라서 온매(溫媒)가 공급된다. 이에 의해, 펠티에 소자(21)의 하면으로부터 냉열을 빼앗아, 그것을 가열하게 되어 있 다. 전열 매체 유로(26)는, 전열 매체를 송급(送給)하는 순환기(27)에, 전열 매체 도입관(28)과 전열 매체 배출관(29)을 거쳐서 접속되어 있다. 이에 의해, 순환기(27)가 전열 매체를 전열 매체 유로(26)에 순환 공급할 수 있도록 되어 있다.
램프 하우징(4)은, 각각 알루미늄 등에 의해서 하방으로 개방하는 반구　형상으로 형성된 외각체(31) 및 내각체(32)와, 이들 외각체(31) 및 내각체(32)의 하단을 유지하는 링 형상의 유지틀(33)을 구비하고 있다. 이 유지틀(33)은, 챔버(3)의 상면 후단부에, 힌지(34)를 거쳐서 전후 방향으로 회동이 자유롭도록 부착되어 있다. 이에 의해, 투명 부재(7)의 상방 공간이 기밀히 덮여져 있다.
내각체(32)는, 외각체(31)의 직경보다 약간 작고, 기판(2)의 직경보다 큰 직경을 갖는 반구　형상으로 형성되어 있다. 또한, 내각체(32)의 내면은, 반구　형상의 반사면(36)을 형성하고 있고, 리플렉터를 구성하고 있다(이하, 내각체(32)를 제 1 리플렉터라고 함). 반사면(36)은, 마무리 가공되어 금도금 등이 실시되는 것에 의해, 고반사율의 반사면을 형성하고 있다.
또한, 제 1 리플렉터(32)의 표면측의 대략 전체에 걸쳐, 복수개의 제 2 리플렉터(37)가 일체적으로 돌출 설치되어 있다. 각 리플렉터(37)내에, 상기 광원(15)이 각각 마련되어 있다.
제 2 리플렉터(37)는, 도 1 및 도 3에 도시하는 바와 같이 제 1 리플렉터(32)의 외측으로 돌출하는 2개의 초점(f1, f2)을 갖는 회전 타원체(또는 이것에 근사한 곡면)의 일부를 나타내고 있다. 바꾸어 말하면, 중공의 대략 포두형(砲頭 型) 형상(포탄의 두부(頭部) 형상과 닮은 형상)을 나타내고 있다. 제 2 리플렉터(37)의 두정(頭頂、꼭대기)부에, 광원(15)의 소켓(38)을 부착하기 위한 소켓용 구멍(39)이 형성되어 있다. 제 2 리플렉터(37)의 개방측은, 제 1 리플렉터(32)의 반사면(36)에 형성된 구멍(40)의 주연과 접합되어 있다. 이에 의해, 제 2 리플렉터(37)의 내부와 제 1 리플렉터(32)의 내부는, 서로 연통하고 있다.
또한, 제 2 리플렉터(37)의 내면은, 금도금 등이 실시되는 것에 의해, 고반사율로 이루어지는 반사면(41)을 형성되어 있다. 제 2 리플렉터(37)의 2개의 초점(f1, f2) 중 한쪽의 초점(f1)은, 제 2 리플렉터(37)의 내부에 위치하고 있고, 반사면(41)에 의해서 둘러싸여 있다. 또한, 이 제 1 초점(f1)에는, 광원(15)의 필라멘트(15a)가 위치 결정되어 있다. 한편, 제 2 초점(f2)은, 제 2 리플렉터(37)의 축선 상에 있지만, 챔버(3)의 처리실(10)내의 기판(2)의 하방에 위치하고 있다.
이러한 제 2 리플렉터(37)에 의해, 각 광원(15)으로부터 출사되어 반사면(41)에서 반사된 반사광이, 각각, 처리해야 할 기판(2)의 표면의 다른 특정한 조사 영역(S1)에 서로 교차하는 일 없이 도달하여 해당 조사 영역(S1)을 조사한다. 여기서, 전체적으로 기판(2)의 표면 온도가 균일해지도록, 제 1 리플렉터(32)의 광축에 대하여, 각 제 2 리플렉터(37)의 경사 각도가 각각 조정되어 있다.
여기서, 제 2 초점(f2)은 제 1 초점(f1)에 대하여 기판(2)측에 있으면 좋고, 도 3에서는, 기판(2)보다 하방측에 제 2 초점(f2)이 위치하는 예가 도시되어 있지 만, 이에 한하지 않고, 제 2 초점(f2)은 기판(2)보다 상방에 있어도 좋다. 예컨대, 제 2 초점(f2)이 제 1 리플렉터(32)의 구심과 일치하도록 제 2 리플렉터(37)를 형성해도 좋다.
열처리시에 기판(2)을 가열하는 광원(15)으로서는, 대략 점광원으로 이루어지는 전구형의 램프로서, 파장이 1.17μm 이하인 열선을 출력하는 램프를 이용하는 것이 바람직하다. 파장이 1.17μm 이하인 램프를 이용하는 이유는, 기판(2)이 실리콘 웨이퍼인 경우, 실리콘 웨이퍼의 열선의 흡수율이 열선의 파장과 웨이퍼자체의 온도에 의존하기 때문이다. 즉, 파장이 1.17μm 정도까지의 열선은, 실리콘 웨이퍼의 온도에 관계없이, 실리콘 웨이퍼는 0.5∼0.7정도의 높은 흡수율을 나타내지만, 파장이 1.17μm보다도 커지면, 흡수율은 실리콘 웨이퍼의 온도에 크게 의존하여, 온도가 낮아지면 흡수율도 작아져 버린다(투과율이 커진다). 예컨대 실리콘 웨이퍼가 270∼600℃의 범위에서 변화하면, 그것에 따라서, 흡수율은 0.1∼0.7의 범위에서 변화해 버린다. 따라서, 실리콘 웨이퍼로 이루어지는 기판(2)을 고속 승온시키기 위해서는, 광원(15)으로서는, 파장이 1.17μ m 이하의 열선을 방사하는 램프, 예컨대 주로 자외광선을 사출하는 자외선 방전　램프나, 주로 가시광선을 사출하는 할로겐　램프나, 주로 적외선을 사출하는 적외선 램프 등을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 본 명세서에 있어서, 열선이란, 상술한 바와 같이, 자외광선으로부터 원적외광선까지의 광선을 포함하는 넓은 개념이다.
광원(15)을 점광원이라고 간주하면, 광원(15)으로부터 방사된 빛(42) 중, 제 2 리플렉터(37)의 반사면(41)에서 반사한 반사광(42a)은 제 2 초점(f2)으로 집광한다. 단지, 실제로는 완전한 점광원이 아니므로, 광원(15)으로부터 나와 반사면(41)에서 반사한 반사광(42a)이더라도 그 일부는 제 2 초점(f2)으로 집광하지 않고 그 주위를 조사한다. 한편, 광원(15)으로부터 출사하여 반사면(41)에 닿지 않는 직사광(42b)의 일부는, 기판(2)의 표면을 직접 조사한다. 또한, 광원(15)으로부터 출사하여 반사면(41)에 닿지 않는 직사광(42b)의 다른 일부는, 제 1 리플렉터(32)의 반사면(36)에 닿아서 반사한 후에 기판(2)의 표면을 조사한다. 기판(2)을 조사하는 빛 중, 기판(2)에 흡수되는 량은, 최대로도 70% 정도이다. 나머지는 반사 또는 투과된다. 이 중, 기판(2)에서 반사된 빛은, 제 1 리플렉터(32)의 반사면(36)에서 또한 반사되는 것에 의해, 재차 기판(2)을 조사한다. 그리고, 직사광중 탑재대(11)나 바닥판(5)을 조사하는 빛이, 손실된다. 이 손실되는 광선의 량은, 제 2 리플렉터(37)의 크기, 기울기, 개구 직경 등을 바꾸는 것에 의해, 최대한 적게 할 수 있다.
광원(15)의 수는, 기판(2)의 크기, 광원 하나당 기판(2)의 조사 면적(S1), 기판(2)의 승온레이트의 설계 지표, 광원(15) 전체의 파워, 제 1 리플렉터(32)의 직경, 반사면(37)의 표면적 등에 의해서 결정된다.
제 1 리플렉터(32) 및 제 2 리플렉터(37)의 설계 순서에 대하여, 그 일례를 설명한다. 어떤 특정한 광원(15)을 이용한 경우에 있어서의 제 1 리플렉터(32)와 제 2 리플렉터(37)의 구성은, 이하의 순서로 설계할 수 있다.
우선, 프로세스 조건을 채우는 기판(2)의 승온레이트로부터, 필요로 하는 광원 전체의 파워를 구한다.
다음에, 구해진 광원 전체의 파워와 각 광원(15)의 개별 파워로부터, 필요로 하는 광원(15)의 수(n)를 구한다.
한편, 각 광원(15)의 크기로부터, 제 2 리플렉터(37)의 반지름(r)을 구한다. 이에 의해, 필요로 하는 제 1 리플렉터(32)의 표면적(S)이 (1)식에 의해서 구해진다.
S= nπr2+α ···(1)
여기서, α는 면적을 보정하는 정수이다.
그런데, 이 때의 제 1 리플렉터(32)의 반지름을 R이라고 하면, 제 1 리플렉터(32)의 표면적(S)은, (2)식으로도 나타낼 수 있다.
S= 2πR2 ···(2)
(2)식으로부터, 제 1 리플렉터(32)의 반지름(R)은, 하기의(3)식으로 표시된다.
Figure 112007089700184-PCT00001
···(3)
또한, 여기서는 광원(15)을 결정한 후에 각 조건을 구했으나, 다른 조건으로 부터 각 조건을 결정하는 것도 가능하다.
본 실시의 형태에 있어서는 300mm인 기판(2)에 대하여, 직경이 15mm인 적외선램프가 186개 이용되고 있다. 광원(15)에 의한 기판(2)의 조사 면적(S1)은 기판(2)를 상하동시켜 광원(15)까지의 거리를 바꾸는 것에 의해 쉽게 변경할 수 있다.
외각체(31)와 제 1 리플렉터(32)의 사이에는, 밀폐 공간(45)이 형성되어 있다. 이 밀폐 공간(45)에는, 수냉관(46)이 배치되어 있다. 이 수냉관(46)에 물(47)을 공급하는 것에 의해, 제 1, 제 2 리플렉터(32, 37)가 수냉되어, 광원(15)의 점등시에 있어서의 램프 하우징(4)의 온도 상승이 억제되게 되어 있다. 또한, 제 1 리플렉터(32)의 내부는, 공기(48)의 공급에 의해서 공랭되게 되어 있다.
다음에, 이러한 구조로 이루어지는 열처리 장치(1)에 의한 기판(2)의 열처리 동작을 설명한다.
우선, 챔버(3)의 측벽에 마련되어 있는 게이트밸브(18)를 열 수 있어, 처리해야 할 기판(2)이 기판 출입구(16)로부터 처리실(10)내로 삽입되고, 탑재대(11) 상에 탑재된다. 그 후, 게이트 밸브(18)가 닫혀져서 챔버(3)가 밀폐된다. 다음에, 배기 수단에 의해서 처리실(10)내의 공기가 진공 배기되고, 가스 공급원으로부터 공급되는 처리 가스로 치환되어, 소정의 프로세스 압력(예컨대, 100∼10000 Pa)으로 유지된다.
다음으로, 열전 변환 수단(12)의 각 펠티에 소자(21)에, 해당 펠티에 소 자(21)의 상면이 가열되는 방향으로 전류의 통전이 이루어져, 기판(2)이 예비 가열된다. 예비 가열 온도는, 500∼600℃ 정도이다. 이 예비 가열 온도에서는, 기판(2)에 주입된 이온이 확산되는 일은 없다.
기판(2)의 온도는, 온도 센서에 의해서 검출된다. 이 온도 센서가 소정의 예비 가열 온도가 된 것을 검출하면, 해당 검지 신호가 장치 전체를 제어하는 제어부(50)로 송신된다. 제어부(50)는, 온도 센서로부터의 해당 검지 신호를 받으면, 모든 광원(15)을 점등시켜, 그것들의 열선에 의해서 기판(2)의 표면을 소정의 처리 온도(예컨대, 1000℃)까지 순간에 승온시킨다. 이에 의해, 기판(2)의 플래시램프어닐(처리)이 실행된다.
상기 플래시램프어닐(처리)의 경우, 광원(15)을 연속하여 점등시켰을 때의 빛에 비해서, 보다 강한 빛을 조사할 수 있다. 이 때문에, 단 시간에 승온을 완료시킬 수 있다. 이에 의해, 기판(2)내의 이온의 활성화가 극히 단시간에 완료되기 때문에, 이온이 확산되는 일은 없다.
또한, 본 실시의 형태의 열처리 장치(1)에 있어서는, 반구　형상의 제 1 리플렉터(32)와, 회전 타원형의 제 2 리플렉터(37)로 이루어지는 복합형의 리플렉터를 이용하고 있다. 이 때문에, 상기한 종래 장치에 비해서, 기판(2)을 효율적으로 가열할 수 있다. 즉, 상기한 바와 같이, 광원(15)으로부터 방사되어 기판(2)을 조사하는 빛(제 1 리플렉터(32)에서 반사된 빛, 제 2 리플렉터(37)에서 반사된 빛, 광원(15)으로부터 직접 조사하는 빛) 중, 기판(2)에 흡수되는 것은 가장 효율이 좋은 경우라도 70% 정도이며, 나머지 30%는 반사 혹은 투과되어 버린다. 그 중, 기 판(2)에서 반사된 빛은, 제 1 리플렉터(32)의 반사면(36)에서 반사되는 것에 의해, 재차 기판(2)을 조사한다. 따라서, 빛의 손실이 적고, 광원(15)의 발광 출력을 크게하지 않더라도, 기판(2)을 단시간에 소정의 처리 온도로 가열할 수 있는, 즉, 가열　효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 기판(2)의 어닐 처리에 있어서는, 광원(15)의 발광 출력을, 기판(2)의 각부마다 제어하면, 예컨대 중앙 부분과 중간 부분과 외측 부분으로 그룹화되고 각 그룹마다 제어하면, 기판(2) 상에서의 광조도 분포가 균일하게 되어, 기판(2)의 표면 전체를 보다 높은 정밀도로 균일히 가열할 수 있다.
또한, 열전 변환 수단(12)의 펠티에 소자(21)에 대해서도, 기판(2)의 각부마다 온도 제어하면, 예컨대 중앙 부분과 중간 부분과 외측 부분으로 그룹화되고 각 그룹마다 온도 제어하면, 기판(2)의 전면을 보다 더 높은 정밀도로 균일히 가열할 수 있다.
기판(2)의 램프 어닐 처리가 종료하면, 기판(2)의 온도를 고속 강온시키기 위해서, 펠티에 소자(21)에 기판(2)을 가열할 때와는 반대 방향의 전류가 흘러 그 상면이 냉각된다. 이에 의해, 탑재대(11)가 냉각되고, 기판(2)이 급속하게 냉각된다. 펠티에 소자(21)는, 상면측이 냉각되면, 하면측에는 온열이 발생한다. 따라서, 이 때, 전열 매체 유로(26)에 냉각수가 공급되어, 펠티에 소자(21)의 하면이 냉각된다. 전열 매체 유로(26)로의 냉각수 공급은, 펠티에 소자(21)의 통전 방향의 전환과 대략 동시에 실행된다. 그리고, 기판(2)의 온도가 소정 온도까지 강온되면, 게이트 밸브(18)를 열 수 있어, 처리실(10)내에서 어닐 처리된 기판(2)이 챔 버(3)의 외부로 반출되어, 기판(2)의 열처리 공정이 종료한다.
이상과 같이, 본 실시의 형태의 열처리 장치(1)에 의하면, 종래 장치에 비해서 빛의 손실이 현저히 적고, 광원(15)으로부터 방사된 빛의 대부분을 기판(2)으로 유도할 수 있어, 기판(2)을 소정의 처리 온도까지 고속으로 가열할 수 있고, 즉, 가열　효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 가열　효율이 향상되는 것에 의해, 광원(15)의 필라멘트(15a)로 흐르게 하는 전류치를 크게할 필요가 없기 때문에, 광원(15)의 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 한 실시의 형태에 있어서는, 제 2 리플렉터(37)의 반사면(41)을 회전　타원면으로 하고 있으나, 이에 한하지 않고, 회전　타원면에 근사한 곡면(예컨대, 회전 포물면)이더라도 좋다.
또한, 기판(2)으로서는, 실리콘 웨이퍼에 한하지 않고, 예컨대 액정 표시 장치(LCD)용의 글라스판 등이더라도 좋다.
또한, 상기 한 실시의 형태는, 이온의 활성화를 위해 이용되는 열처리 장치이지만, 본 발명은 이것에 특정되는 것이 아니라, 성막 공정, 패턴의 에칭 처리 공정 등의 각종 공정에 이용되는 여러가지의 열처리 장치에 적용할 수 있다.

Claims (3)

  1. 기판을 수납하는 처리실과,
    상기 처리실의 상방에 마련되어, 상기 기판을 각각 조사하는 복수의 광원과,
    내면이 돔 형상인 반사면을 형성하고, 상기 각 광원으로부터 나온 빛의 일부를 반사하여 상기 기판으로 유도하는 제 1 리플렉터와,
    상기 각 광원마다 각각 마련되고, 각 광원으로부터 나온 빛을 반사하고 집광하여 상기 기판으로 유도하는 복수의 제 2 리플렉터를 구비하고,
    각 제 2 리플렉터의 반사면은, 각 광원이 배치되어 있는 위치에 제 1 초점을 형성함과 동시에 상기 기판이 배치되어 있는 측에 제 2 초점을 형성하도록, 해당 제 1 초점의 주위를 둘러싸는 회전　타원면 또는 이에 근사한 곡면의 일부를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제 1 리플렉터의 반사면은, 반구　형상으로 형성되고,
    상기 광원은, 해당 반사면의 외측에, 제 1 리플렉터의 대략 전체에 걸쳐 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    각 제 2 리플렉터는, 각 광원으로부터 출사되어 해당 리플렉터의 반사면에서 반사한 반사광이 서로 교차하는 일 없이 처리해야 할 기판 표면의 다른 특정한 조사 영역을 각각 조사하도록, 상기 제 1 리플렉터의 광축에 대하여 조정된 경사 각도로 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
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