KR20180097447A - 열처리 방법 및 열처리 장치 - Google Patents

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Abstract

챔버 내에 비산하고 있는 파티클이 기판에 부착되는 것을 방지할 수 있는 열처리 방법 및 열처리 장치를 제공한다.
챔버 내에 수용한 반도체 웨이퍼에 플래시 램프로부터 플래시광을 조사한 후에, 챔버 내의 압력을 일단 플래시광 조사 시보다 낮게 감압하여 유지함으로써, 챔버 내에 있어서의 기체가 체류하기 쉬운 부분을 소멸시킨다. 그 후에, 챔버 내에 공급하는 질소 가스의 유량을 증가시켜 챔버 내를 배기함으로써, 플래시광 조사에 기인하여 챔버 내에 비산하고 있던 파티클을 원활하게 배출할 수 있다. 그 결과, 챔버 내에 비산하고 있는 파티클이 새로운 반도체 웨이퍼에 부착되는 것을 방지할 수 있다.

Description

열처리 방법 및 열처리 장치{HEAT TREATMENT METHOD AND HEAT TREATMENT APPARATUS}
본 발명은, 반도체 웨이퍼 등의 박판형상 정밀 전자 기판(이하, 간단히 「기판」이라고 칭한다)에 플래시광을 조사함으로써 그 기판을 가열하는 열처리 방법 및 열처리 장치에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 제조 프로세스에 있어서, 극히 단시간에 반도체 웨이퍼를 가열하는 플래시 램프 어닐(FLA)이 주목되고 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 표면 만을 극히 단시간(수밀리초 이하)에 승온시키는 열처리 기술이다.
크세논 플래시 램프의 방사 분광 분포는 자외역부터 근적외역이며, 종래의 할로겐 램프보다 파장이 짧고, 실리콘의 반도체 웨이퍼의 기초 흡수대와 거의 일치하고 있다. 따라서, 크세논 플래시 램프로부터 반도체 웨이퍼에 플래시광을 조사했을 때에는, 투과광이 적고 반도체 웨이퍼를 급속히 승온시키는 것이 가능하다. 또, 수밀리초 이하의 극히 단시간의 플래시광 조사이면, 반도체 웨이퍼의 표면 근방 만을 선택적으로 승온시킬 수 있는 것도 판명되어 있다.
이러한 플래시 램프 어닐은, 극단시간의 가열이 필요해지는 처리, 예를 들면 전형적으로는 반도체 웨이퍼에 주입된 불순물의 활성화에 이용된다. 이온 주입법에 따라 불순물이 주입된 반도체 웨이퍼의 표면에 플래시 램프로부터 플래시광을 조사하면, 당해 반도체 웨이퍼의 표면을 극단시간만 활성화 온도로까지 승온시킬 수 있어, 불순물을 깊게 확산시키지 않고, 불순물 활성화 만을 실행할 수 있는 것이다.
플래시 램프로부터 조사되는 플래시광은 조사 시간이 극히 짧고 강도가 강한 광펄스이기 때문에, 플래시광 조사 시에는 반도체 웨이퍼를 수용하고 있는 챔버 내의 구조물이나 기체가 급속히 가열되어, 순간적인 기체 팽창과 이어지는 수축이 생긴다. 그 결과, 챔버 내에는 파티클이 말려 올라가 비산하게 된다. 특허 문헌 1에는, 이러한 플래시광 조사 시의 현상을 이용하여, 반도체 웨이퍼를 수용하고 있지 않은 빈 챔버에 의도적으로 플래시광을 복수회 조사하여 챔버 내에 파티클을 비산시킴과 함께, 챔버 내에 질소 가스의 기류를 형성하여 파티클을 챔버 밖으로 배출하는 기술이 개시되어 있다.
일본국 특허공개 2005-72291호 공보
그러나, 플래시광 조사 시에 파티클이 말려 올라가 챔버 내에 비산하는 현상은, 처리 대상의 반도체 웨이퍼에 플래시 가열을 행할 때에도 생긴다. 그리고, 이러한 파티클이 반도체 웨이퍼의 표면에 부착되면 당해 반도체 웨이퍼가 오염된다는 문제가 생긴다.
본 발명은, 상기 과제를 감안하여 이루어진 것이며, 챔버 내에 비산하고 있는 파티클이 기판에 부착되는 것을 방지할 수 있는 열처리 방법 및 열처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 청구항 1의 발명은, 기판에 플래시광을 조사함으로써 그 기판을 가열하는 열처리 방법에 있어서, 챔버 내에 수용한 기판의 표면에 플래시 램프로부터 플래시광을 조사하는 조사 공정과, 상기 조사 공정 후에, 상기 챔버 내의 압력을 상기 조사 공정 시보다 낮게 유지하는 감압 공정과, 상기 감압 공정 후에, 상기 챔버 내에 공급하는 불활성 가스의 유량을 증가시킴과 함께, 상기 챔버 내의 기체를 배출하는 치환 공정을 구비하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 2의 발명은, 청구항 1의 발명에 관련된 열처리 방법에 있어서, 상기 감압 공정에서는, 상기 챔버 내의 압력을 상기 조사 공정 시보다 낮게 한 상태를 1초 이상 50초 이하 유지하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 3의 발명은, 청구항 1의 발명에 관련된 열처리 방법에 있어서, 상기 치환 공정에서는, 1분간 상기 챔버의 용적의 2배 이상의 유량으로 불활성 가스를 상기 챔버 내에 공급하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 4의 발명은, 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항의 발명에 관련된 열처리 방법에 있어서, 상기 치환 공정에서는, 상기 챔버 내의 압력을 대기압보다 큰 양압으로 하는 것 특징으로 한다.
또, 청구항 5의 발명은, 기판에 플래시광을 조사함으로써 그 기판을 가열하는 열처리 장치에 있어서, 기판을 수용하는 챔버와, 상기 챔버 내에서 상기 기판을 유지하는 유지부와, 상기 유지부에 유지된 상기 기판의 표면에 플래시광을 조사하는 플래시 램프와, 상기 챔버 내에 불활성 가스를 공급하는 가스 공급부와, 상기 챔버 내의 기체를 배출하는 배기부와, 상기 챔버와 상기 배기부 사이에 삽입되어 상기 챔버 내의 압력을 제어하는 압력 제어 밸브를 구비하고, 상기 플래시 램프로부터 상기 기판에 플래시광을 조사한 후에, 상기 압력 제어 밸브가 상기 챔버 내의 압력을 플래시광 조사 시보다 낮게 유지한 후에, 상기 가스 공급부가 상기 챔버 내에 공급하는 불활성 가스의 유량을 증가시킴과 함께, 상기 배기부가 상기 챔버 내의 기체를 배출하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 6의 발명은, 청구항 5의 발명에 관련된 열처리 장치에 있어서, 상기 압력 제어 밸브는, 상기 챔버 내의 압력을 플래시광 조사 시보다 낮게 한 상태를 1초 이상 50초 이하 유지하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 7의 발명은, 청구항 5의 발명에 관련된 열처리 장치에 있어서, 상기 가스 공급부는, 1분간 상기 챔버의 용적의 2배 이상의 유량으로 불활성 가스를 상기 챔버 내에 공급하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 8의 발명은, 청구항 5 내지 청구항 7 중 어느 한 항의 발명에 관련된 열처리 장치에 있어서, 상기 가스 공급부가 상기 챔버 내에 공급하는 불활성 가스의 유량을 증가시켜 상기 챔버 내의 압력을 대기압보다 큰 양압으로 하는 것 특징으로 한다.
청구항 1 내지 청구항 4의 발명에 의하면, 기판의 표면에 플래시 램프로부터 플래시광을 조사하는 조사 공정 후에 챔버 내의 압력을 조사 공정 시보다 낮게 유지하고, 또한 그 후 챔버 내에 공급하는 불활성 가스의 유량을 증가시킴과 함께, 챔버 내의 기체를 배출하기 때문에, 챔버 내에 있어서의 기체가 체류하기 쉬운 부분을 소멸시키고 나서 챔버 내에 공급하는 불활성 가스의 유량을 증가시키게 되어, 챔버 내에 비산하고 있는 파티클을 원활하게 배출하여 기판에 부착되는 것을 방지할 수 있다.
청구항 5 내지 청구항 8의 발명에 의하면, 플래시 램프로부터 기판에 플래시광을 조사한 후에, 챔버 내의 압력을 플래시광 조사 시보다 낮게 유지하고, 또한 그 후 챔버 내에 공급하는 불활성 가스의 유량을 증가시킴과 함께, 챔버 내의 기체를 배출하기 때문에, 챔버 내에 있어서의 기체가 체류하기 쉬운 부분을 소멸시키고 나서 챔버 내에 공급하는 불활성 가스의 유량을 증가시키게 되어, 챔버 내에 비산하고 있는 파티클을 원활하게 배출하여 기판에 부착되는 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(移栽) 기구의 평면도이다.
도 6은 이재 기구의 측면도이다.
도 7은 복수의 할로겐 램프의 배치를 나타내는 평면도이다.
도 8은 도 1의 열처리 장치에 있어서의 반도체 웨이퍼의 처리 순서를 나타내는 플로차트이다.
도 9는 제1 실시 형태에 있어서의 챔버에 대한 가스 공급 유량을 나타내는 도이다.
도 10은 제1 실시 형태에 있어서의 챔버 내의 압력 변화를 나타내는 도이다.
도 11은 제2 실시 형태에 있어서의 챔버에 대한 가스 공급 유량을 나타내는 도이다.
도 12는 제2 실시 형태에 있어서의 챔버 내의 압력 변화를 나타내는 도이다.
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. 본 실시 형태의 열처리 장치(1)는, 기판으로서 원판형상의 반도체 웨이퍼(W)에 대해 플래시광 조사를 행함으로써 그 반도체 웨이퍼(W)를 가열하는 플래시 램프 어닐 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 도에 있어서는, 이해 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 수도를 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 챔버창을 장착하여 구성되어 있다. 챔버 측부(61)는 상하가 개구된 개략 통형상을 가지고 있으며, 상측 개구에는 상측 챔버창(63)이 장착되어 폐색되고, 하측 개구에는 하측 챔버창(64)이 장착되어 폐색되어 있다. 챔버(6)의 천정부를 구성하는 상측 챔버창(63)은, 석영에 의해 형성된 원판형상 부재이며, 플래시 가열부(5)로부터 출사된 플래시광을 챔버(6) 내에 투과하는 석영창으로서 기능한다. 또, 챔버(6)의 바닥부를 구성하는 하측 챔버창(64)도, 석영에 의해 형성된 원판형상 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 도시를 생략한 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 챔버창(63), 하측 챔버창(64), 챔버 측부(61) 및 반사 링(68, 69)에 의해 둘러싸이는 공간이 열처리 공간(65)으로서 규정된다. 본 실시 형태에 있어서는, 챔버(6) 내의 열처리 공간(65)의 용적이 30리터로 되어 있다.
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 둘러싼다. 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(로구(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.
또, 챔버(6)의 내벽 상부에는 열처리 공간(65)에 처리 가스(본 실시 형태에서는 질소 가스(N2))를 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 가스 공급원(85)에 접속되어 있다. 또, 가스 공급관(83)의 경로 도중에는 밸브(84) 및 유량 조정 밸브(80)가 삽입되어 있다. 밸브(84)가 개방되면, 가스 공급원(85)으로부터 완충 공간(82)에 처리 가스가 송급된다. 가스 공급관(83)을 흐르는 처리 가스의 유량은 유량 조정 밸브(80)에 의해 조정된다. 완충 공간(82)에 유입된 처리 가스는, 가스 공급 구멍(81)보다 유체 저항이 작은 완충 공간(82) 내를 퍼지듯이 흘러, 가스 공급 구멍(81)으로부터 열처리 공간(65) 내로 공급된다. 가스 공급원(85), 가스 공급관(83), 밸브(84) 및 유량 조정 밸브(80)에 의해 가스 공급부가 구성된다. 또한, 처리 가스는 질소 가스에 한정되는 것이 아니며, 아르곤(Ar), 헬륨(He) 등의 불활성 가스, 또는, 산소(O2), 수소(H2), 염소(Cl2), 염화수소(HCl), 오존(O3), 암모니아(NH3) 등의 반응성 가스여도 된다.
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 압력 제어 밸브(89)가 삽입되어 있다. 압력 제어 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 둘레방향을 따라 복수 설치되어 있어도 되고, 슬릿형상의 것이어도 된다.
배기부(190)로서는, 진공 펌프나 열처리 장치(1)가 설치되는 공장의 배기 유틸리티를 이용할 수 있다. 배기부(190)로서 진공 펌프를 채용하여, 밸브(84)를 닫아 가스 공급 구멍(81)으로부터 어떠한 가스 공급을 행하지 않고 밀폐 공간인 열처리 공간(65)의 분위기를 배기하면, 챔버(6) 내를 진공 분위기로까지 감압할 수 있다. 또, 배기부(190)로서 진공 펌프를 이용하지 않은 경우라도, 가스 공급 구멍(81)으로부터 가스 공급을 행하지 않고 배기를 행함으로써, 챔버(6) 내를 대기압 미만의 기압으로 감압할 수 있다. 또, 챔버(6)와 배기부(190) 사이에 삽입된 압력 제어 밸브(89)는, 챔버(6) 내의 압력을 측정하는 압력 센서(도시 생략)의 측정치에 의거하여, 그 압력이 설정치가 되도록 배기 유량을 조정하여 챔버(6) 내의 압력을 제어할 수 있다.
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 원환형상으로부터 일부가 결락된 원호형상의 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 원환형상의 둘레방향을 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 지지핀(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 원환형상의 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)과 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 지지핀(77)이 세워 설치되어 있다. 본 실시 형태에 있어서는, 유지면(75a)의 외주원(가이드 링(76)의 내주원)과 동심원의 둘레 상을 따라서 30°마다 합계 12개의 기판 지지핀(77)이 세워 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 φ300mm이면 φ270mm~φ280mm(본 실시 형태에서는 φ270mm)이다. 각각의 기판 지지핀(77)은 석영으로 형성되어 있다. 복수의 기판 지지핀(77)은, 유지 플레이트(75)의 상면에 용접에 의해 설치되도록 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. 이러한 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 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 가이드 링(76)의 두께가 크다. 따라서, 복수의 기판 지지핀(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, 방사 온도계(120)(도 1 참조)가 서셉터(74)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 하면으로부터 방사되는 방사광(적외광)을 수광하기 위해 설치되어 있다. 즉, 방사 온도계(120)가 개구부(78)를 통하여 서셉터(74)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 하면으로부터 방사된 광을 수광하여, 별치의 디텍터에 의해 그 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 측정된다. 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 원호형상으로 되어 있다. 각각의 이재 아암(11)에는 2개의 리프트 핀(12)이 세워 설치되어 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 평면으로부터 봐서 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 돌출된다. 한편, 승강 기구(14)가 한 쌍의 이재 아암(11)을 이재 동작 위치에서 하강시켜 리프트 핀(12)을 관통 구멍(79)으로부터 빼내, 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.
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 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 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.
크세논 플래시 램프(FL)는, 그 내부에 크세논 가스가 봉입되고 그 양단부에 콘덴서에 접속된 양극 및 음극이 설치된 봉형상의 유리관(방전관)과, 그 유리관의 외주면 상에 부설된 트리거 전극을 구비한다. 크세논 가스는 전기적으로는 절연체이기 때문에, 콘덴서에 전하가 축적되어 있었다고 해도 통상 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. 이러한 크세논 플래시 램프(FL)에 있어서는, 미리 콘덴서에 축적되어 있던 정전 에너지가 0.1밀리 세컨드 내지 100밀리 세컨드와 같은 극히 짧은 광펄스로 변환되기 때문에, 할로겐 램프(HL)와 같은 연속 점등의 광원에 비해 극히 강한 광을 조사할 수 있다는 특징을 가진다. 즉, 플래시 램프(FL)는, 1초 미만의 극히 짧은 시간에 순간적으로 발광하는 펄스 발광 램프이다. 또한, 플래시 램프(FL)의 발광 시간은, 플래시 램프(FL)에 전력 공급을 행하는 램프 전원의 코일 상수에 의해 조정할 수 있다.
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 플래시광을 열처리 공간(65)의 측으로 반사한다는 것이다. 리플렉터(52)는 알루미늄 합금판으로 형성되어 있으며, 그 표면(플래시 램프(FL)에 면하는 측의 면)은 블래스트 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 챔버창(64)을 통하여 열처리 공간(65)으로의 광조사를 행하여 반도체 웨이퍼(W)를 가열하는 광조사부이다.
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 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 광조사에 의한 가열 시에 온도 저하가 생기기 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 백열 전구에 비해 수명이 길고 또한 강한 광을 연속적으로 조사할 수 있다는 특성을 가진다. 즉, 할로겐 램프(HL)는 적어도 1초 이상 연속해서 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 읽어내기 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.
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 챔버창(63)과 램프광 방사창(53)의 간극에도 공기가 공급되어, 플래시 가열부(5) 및 상측 챔버창(63)을 냉각한다.
다음에, 열처리 장치(1)에 있어서의 반도체 웨이퍼(W)의 처리 순서에 대해서 설명한다. 여기서 처리 대상이 되는 반도체 웨이퍼(W)는 이온 주입법에 의해 표면에 불순물(이온)이 첨가된 실리콘의 반도체 기판이다. 그 불순물의 활성화가 열처리 장치(1)에 의한 플래시광 조사 가열 처리(어닐)에 의해 실행된다. 도 8은, 열처리 장치(1)에 있어서의 반도체 웨이퍼(W)의 처리 순서를 나타내는 플로차트이다. 이하에 나타내는 반도체 웨이퍼(W)의 처리 순서는, 제어부(3)가 열처리 장치(1)의 각 동작 기구를 제어함으로써 진행된다.
우선, 급기를 위한 밸브(84)가 개방됨과 함께, 배기용의 압력 제어 밸브(89)가 개방되어 챔버(6) 내에 대한 급배기가 개시된다(단계 S1). 밸브(84)가 개방되면, 가스 공급 구멍(81)으로부터 열처리 공간(65)에 불활성 가스로서 질소 가스가 공급된다. 또, 압력 제어 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.
도 9는, 제1 실시 형태에 있어서의 챔버(6)에 대한 가스 공급 유량을 나타내는 도이다. 또, 도 10은, 제1 실시 형태에 있어서의 챔버(6) 내의 압력 변화를 나타내는 도이다. 챔버(6) 내에 대한 급배기가 개시된 후에, 게이트 밸브(185)가 열려 반송 개구부(66)가 개방되고, 시각 t0에 장치 외부의 반송 로봇에 의해 반송 개구부(66)를 통하여 불순물 주입 후의 반도체 웨이퍼(W)가 챔버(6) 내의 열처리 공간(65)에 반입된다(단계 S2). 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 유출되어, 그와 같은 외부 분위기의 유입을 최소한으로 억제할 수 있다.
반송 로봇에 의해 반입된 반도체 웨이퍼(W)는 유지부(7)의 바로 윗쪽 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 돌출되어 반도체 웨이퍼(W)를 받는다. 이 때, 리프트 핀(12)은 기판 지지핀(77)의 상단보다 상방으로까지 상승한다.
반도체 웨이퍼(W)가 리프트 핀(12)에 재치된 후에, 반송 로봇이 열처리 공간(65)으로부터 퇴출되고, 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 지지핀(77)에 의해 지지되어 서셉터(74)에 유지된다. 또, 반도체 웨이퍼(W)는, 불순물이 주입된 표면을 상면으로 하여 유지부(7)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 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 후에, 할로겐 가열부(4)의 40개의 할로겐 램프(HL)가 일제히 점등되어 예비 가열(어시스트 가열)이 개시된다(단계 S3). 할로겐 램프(HL)로부터 출사된 할로겐광은, 석영으로 형성된 하측 챔버창(64) 및 서셉터(74)를 투과하여 반도체 웨이퍼(W)의 하면에 조사된다. 할로겐 램프(HL)로부터의 광조사를 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 방사 온도계(120)에 의해 측정되어 있다. 즉, 서셉터(74)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 하면으로부터 개구부(78)를 통하여 방사된 적외광을 방사 온도계(120)가 수광하여 승온 중의 웨이퍼 온도를 측정한다. 측정된 반도체 웨이퍼(W)의 온도는 제어부(3)에 전달된다. 제어부(3)는, 할로겐 램프(HL)로부터의 광조사에 의해 승온되는 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 소정의 예비 가열 온도 T1에 도달했는지 여부를 감시하면서, 할로겐 램프(HL)의 출력을 제어한다. 즉, 제어부(3)는, 방사 온도계(120)에 의한 측정치에 의거하여, 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 예비 가열 온도 T1이 되도록 할로겐 램프(HL)의 출력을 피드백 제어한다. 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 후에, 제어부(3)는 반도체 웨이퍼(W)를 그 예비 가열 온도 T1로 잠시 유지한다. 구체적으로는, 방사 온도계(120)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.
이러한 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 생기기 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 생기기 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.
다음에, 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 예비 가열 온도 T1에 도달하고 소정 시간이 경과한 시각 t1에 플래시 램프(FL)로부터 반도체 웨이퍼(W)의 상면에 플래시광을 조사한다(단계 S4). 플래시 램프(FL)로부터 방사되는 플래시광의 일부는 직접 챔버(6) 내를 향하고, 다른 일부는 일단 리플렉터(52)에 의해 반사되고 나서 챔버(6) 내를 향하며, 이러한 플래시광의 조사에 의해 반도체 웨이퍼(W)의 플래시 가열이 행해진다.
플래시 가열은, 플래시 램프(FL)로부터의 플래시광(섬광) 조사에 의해 행해지기 때문에, 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도를 단시간에 상승시킬 수 있다. 즉, 플래시 램프(FL)로부터 조사되는 플래시광은, 미리 콘덴서에 축적되어 있던 정전 에너지가 극히 짧은 광펄스로 변환된, 조사 시간이 0.1밀리 세컨드 이상 100밀리 세컨드 이하 정도의 극히 짧고 강한 섬광이다. 그리고, 플래시 램프(FL)로부터의 플래시광 조사에 의해 플래시 가열되는 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도는, 순간적으로 1000℃ 이상의 처리 온도 T2까지 상승하고, 반도체 웨이퍼(W)에 주입된 불순물이 활성화된 후에, 표면 온도가 급속히 하강한다. 이와 같이, 열처리 장치(1)에서는, 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도를 극히 단시간에 승강시킬 수 있기 때문에, 반도체 웨이퍼(W)에 주입된 불순물의 열에 의한 확산을 억제하면서 불순물의 활성화를 행할 수 있다. 또한, 불순물의 활성화에 필요한 시간은 그 열확산에 필요한 시간과 비교해 극히 짧기 때문에, 0.1밀리 세컨드 내지 100밀리 세컨드 정도의 확산이 생기지 않는 단시간이어도 활성화는 완료된다.
플래시 램프(FL)로부터 조사되는 플래시광은 조사 시간이 극히 짧고 강도가 강한 광펄스이기 때문에, 챔버(6) 내의 구조물 및 기체가 급격하게 가열되어, 순간적인 기체 팽창과 이어지는 수축이 생긴다. 그 결과, 하측 챔버창(64) 등에 퇴적되어 있던 파티클이 말려 올라가 챔버(6) 내의 열처리 공간(65)에 비산하게 된다. 또, 플래시광 조사 시에는, 반도체 웨이퍼(W)도 급격하게 열팽창되어 서셉터(74)와 마찰되기 때문에, 이것에 의한 파티클도 발생하여 열처리 공간(65)에 비산한다. 또한, 시각 t0에 챔버(6) 내에 반도체 웨이퍼(W)가 반입되고 나서 시각 t1에 플래시광이 조사될 때까지 동안은, 챔버(6) 내에 30리터/분의 유량으로 질소 가스가 공급되고, 챔버(6) 내의 기압이 거의 대기압으로 되어 있지만, 주변의 대기압보다 미소하게 높은 양압이어도 된다.
계속해서, 플래시 램프(FL)에 의한 플래시광 조사의 직후의 시각 t2에 챔버(6) 내에 공급하는 불활성 가스로서의 질소 가스의 공급 유량을 감소시켜 챔버(6) 내를 감압한다(단계 S5). 구체적으로는, 플래시광 조사 시에는 챔버(6) 내에 30리터/분으로 질소 가스를 공급하고 있던 것을 시각 t2에 공급 유량을 10리터/분으로 감소시킨다. 챔버(6) 내로의 질소 가스의 공급 유량은 유량 조정 밸브(80)에 의해 조정된다. 또, 챔버(6)로부터의 배기는 계속해서 행해진다. 챔버(6) 내로의 질소 가스의 공급 유량을 감소시킴으로써, 시각 t3에는 챔버(6) 내의 압력이 대기압보다 0.4kPa 낮아진다. 플래시 램프(FL)로부터 플래시광을 조사할 때에는 챔버(6) 내가 거의 대기압이었기 때문에, 플래시광 조사 후에 챔버(6) 내의 압력이 플래시광 조사 시보다 낮게 감압되게 된다.
그 후에, 시각 t3부터 시각 t4까지의 동안에는, 챔버(6) 내의 압력이 대기압보다 0.4kPa 낮은 감압 상태로 유지된다(단계 S6). 즉, 챔버(6) 내의 압력이 플래시광 조사 시보다 낮게 유지된다. 시각 t3부터 시각 t4까지의 동안에도 챔버(6) 내에는 10리터/분의 공급 유량으로 질소 가스가 공급됨과 함께, 챔버(6) 내의 압력이 대기압보다 0.4kPa 낮은 감압 상태를 유지하도록 압력 제어 밸브(89)가 배기 유량을 조정한다. 시각 t3부터 시각 t4까지의 시간, 즉 챔버(6) 내의 압력을 플래시광 조사 시보다 낮게 유지하는 시간은 1초 이상 50초 이하이다.
시각 t3부터 시각 t4까지의 동안에, 챔버(6) 내의 압력을 플래시광 조사 시보다 낮게 유지함으로써, 챔버(6) 내에 존재하고 있던 입자가 챔버(6) 내에 체류하기 어려운 상태가 된다.
다음에, 시각 t4에 챔버(6) 내로의 질소 가스의 공급 유량을 증가시켜 챔버(6) 내의 압력을 주변의 대기압보다 높은 양압으로 한다(단계 S7). 구체적으로는, 시각 t4에 챔버(6) 내로의 질소 가스의 공급 유량을 10리터/분에서 60리터/분으로 증가시킨다. 챔버(6) 내의 용적이 30리터이기 때문에, 시각 t4에는 1분간 챔버(6)의 용적의 2배의 유량으로 질소 가스가 챔버(6) 내에 공급되게 된다. 또, 챔버(6)로부터의 배기는 계속해서 행해진다. 챔버(6) 내로의 질소 가스의 공급 유량을 급증시킴으로써, 시각 t4에 챔버(6) 내의 압력이 주변의 대기압보다 0.2kPa~0.6kPa 높은 양압이 된다. 그리고, 시각 t4 이후 챔버(6) 내의 압력이 양압을 유지하도록 압력 제어 밸브(89)가 배기 유량을 조정한다.
1분간 챔버(6)의 용적의 2배의 대유량으로 질소 가스가 챔버(6) 내에 공급됨으로써, 플래시광 조사에 기인하여 챔버(6) 내의 열처리 공간(65)에 비산하고 있던 파티클이 질소 가스류에 의해 챔버(6)의 외부로 신속하게 흘러보내진다. 그리고, 파티클이 챔버(6)의 외부로 배출됨으로써, 챔버(6) 내의 열처리 공간(65)이 청정한 질소 분위기로 치환되게 된다.
또, 플래시 램프(FL)가 플래시광을 조사하고 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 방사 온도계(120)에 의해 측정되고, 그 측정 결과는 제어부(3)에 전달된다. 제어부(3)는, 방사 온도계(120)의 측정 결과보다 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 소정 온도까지 강온되었는지 여부를 감시한다. 그리고, 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 소정 이하로까지 강온된 후에, 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 돌출되어 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 반출되어, 열처리 장치(1)에 있어서의 반도체 웨이퍼(W)의 가열 처리가 완료된다(단계 S8). 반송 개구부(66)가 개방되어 반도체 웨이퍼(W)가 챔버(6)로부터 반출될 때에는, 챔버(6) 내가 청정한 질소 분위기로 치환되어 있다.
그런데, 반도체 디바이스의 제조 프로세스에 있어서는, 동일 처리 조건에서 처리를 행하는 복수(예를 들면, 25장)의 반도체 웨이퍼(W)로 이루어지는 로트의 단위로 처리를 행하는 경우가 많다. 상기의 열처리 장치(1)에 있어서도 로트의 단위로 열처리를 행한다. 앞의 로트의 처리가 종료되고 나서 좀 지난 후에 다음의 로트의 최초의 반도체 웨이퍼(W)를 처리하는 단계에서는, 챔버(6) 내는, 질소 가스가 퍼지되어 파티클이 비산하고 있지 않는 청정한 상태이며, 챔버(6) 내의 분위기 온도도 상온이다. 단, 챔버(6)로부터 다 배출되지 않은 파티클이 챔버(6) 내의 구조물(특히, 하측 챔버창(64))에 퇴적되어 있다.
로트의 최초의 반도체 웨이퍼(W)에 플래시광을 조사했을 때에, 챔버(6) 내의 구조물 및 기체가 급격하게 가열되어, 순간적인 기체 팽창과 이어지는 수축에 의해 하측 챔버창(64) 등에 퇴적되어 있던 파티클이 말려 올라가 챔버(6) 내의 열처리 공간(65)에 비산한다. 단, 플래시 가열된 직후의 로트의 최초의 반도체 웨이퍼(W)의 온도는 챔버(6) 내의 분위기 온도보다 높기 때문에, 반도체 웨이퍼(W)의 표면으로부터 상방을 향하는 열대류가 발생하고 있어, 그 최초의 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 파티클이 부착되는 일은 없다.
그러나, 로트의 2장째의 반도체 웨이퍼(W)가 챔버(6)에 반입되면, 그 2장째의 반도체 웨이퍼(W)는 상온이기 때문에, 챔버(6) 내의 분위기로부터 반도체 웨이퍼(W)의 표면을 향하는 기류가 생겨, 챔버(6) 내에 비산하고 있던 파티클이 반도체 웨이퍼의 표면에 부착될 우려가 있다. 이러한 파티클 부착에 의한 오염은 로트의 3장째 이후의 반도체 웨이퍼(W)에 대해서도 동일하게 생기게 된다.
제1 실시 형태에 있어서는, 플래시 램프(FL)로부터의 플래시광 조사 후에 챔버(6) 내의 압력을 일단 플래시광 조사 시보다 낮게 감압하여 잠시 유지하고, 그 후 챔버(6) 내에 공급하는 질소 가스의 유량을 증가시켜 챔버(6) 내의 기체를 배출하고 있다. 이것에 의해, 플래시 가열 후의 반도체 웨이퍼(W)가 챔버(6)로부터 반출될 때에는 플래시광 조사에 기인하여 챔버(6) 내에 비산하고 있던 파티클은 챔버(6)로부터 배출되어 있다. 그리고, 이어지는 새로운 반도체 웨이퍼(W)가 챔버(6)에 반입될 때에는, 챔버(6) 내가 청정한 질소 분위기로 치환되어 있기 때문에, 챔버(6) 내에 비산하고 있던 파티클이 반도체 웨이퍼(W)에 부착되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 로트의 2장째 이후의 반도체 웨이퍼(W)에도 파티클이 부착되는 일은 없다.
여기서, 플래시광 조사 후에 즉시 챔버(6) 내에 공급하는 질소 가스의 유량을 증가시켜 챔버(6) 내에 비산하고 있는 파티클을 배출해도 동일한 효과가 얻어질 것이라고도 생각된다. 그러나, 챔버(6) 내에는 유지부(7)나 이재 기구(10) 등의 다양한 구조물이 배치되어 있어(도 1), 그와 같은 구조 상의 요인에 기인하여 챔버(6) 내에는 기체가 체류하기 쉬운 부분이 존재하고 있다. 플래시광 조사 후에 즉시 챔버(6) 내에 공급하는 질소 가스의 유량을 증가시키면, 그와 같은 챔버(6) 내의 기체가 체류하기 쉬운 부분은 새로운 질소 가스로 치환되기 어려워, 당해 부분에 존재하고 있던 파티클은 그대로 챔버(6) 내에 잔류하는 경우가 있다. 그렇게 되면, 챔버(6) 내에 잔류한 파티클이 새로운 반도체 웨이퍼(W)에 부착될 우려가 있다.
그래서, 본 실시 형태와 같이, 플래시광 조사 후에 챔버(6) 내의 압력을 일단 플래시광 조사 시보다 낮게 감압하여 유지함으로써, 챔버(6) 내에 존재하고 있던 입자가 챔버(6) 내에 체류하기 어려운 상태가 되어, 챔버(6) 내에 있어서의 기체가 체류하기 쉬운 부분을 소멸시킬 수 있다. 그 후에, 챔버(6) 내에 공급하는 질소 가스의 유량을 증가시킴으로써, 챔버(6) 내의 모든 부분의 기체를 원활하게 배출할 수 있어, 챔버(6) 내에 파티클이 잔류하는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 챔버(6) 내에 비산하고 있던 파티클이 로트의 2장째 이후의 새로운 반도체 웨이퍼(W)에 부착되는 것을 확실히 방지할 수 있다.
＜제2 실시 형태＞
다음에, 본 발명의 제2 실시 형태에 대해서 설명한다. 제2 실시 형태의 열처리 장치(1)의 구성은 제1 실시 형태와 동일하다. 또, 제2 실시 형태에 있어서의 반도체 웨이퍼(W)의 처리 순서에 대해서도 대체로 제1 실시 형태와 동일하다. 제2 실시 형태가 제1 실시 형태와 상이한 것은, 챔버(6) 내로의 가스 공급 유량 및 챔버(6) 내의 압력 변화이다.
도 11은, 제2 실시 형태에 있어서의 챔버(6)에 대한 가스 공급 유량을 나타내는 도이다. 또, 도 12는, 제2 실시 형태에 있어서의 챔버(6) 내의 압력 변화를 나타내는 도이다. 제1 실시 형태와 마찬가지로, 챔버(6) 내에 대한 급배기가 개시된 후에, 시각 t0에 반도체 웨이퍼(W)가 챔버(6) 내에 반입된다.
제2 실시 형태에 있어서는, 반도체 웨이퍼(W)가 챔버(6)에 반입되어 게이트 밸브(185)에 의해 반송 개구부(66)가 폐쇄된 후에, 챔버(6) 내로의 가스 공급 유량을 감소시켜 챔버(6) 내를 대기압 미만의 감압 분위기로 하고 있다. 그리고, 감압 분위기 하에서 반도체 웨이퍼(W)에는, 할로겐 램프(HL)에 의한 예비 가열이 행해져, 시각 t1에 플래시 램프(FL)로부터 플래시광이 조사된다. 제2 실시 형태에서는, 챔버(6) 내에 암모니아를 포함하는 처리 가스를 공급하여 암모니아의 감압 분위기 중에서 반도체 웨이퍼(W)를 플래시 가열하도록 해도 된다.
플래시광 조사 직후의 시각 t2에 챔버(6) 내에 대한 가스 공급을 완전하게 정지시켜 챔버(6) 내를 플래시광 조사 시보다 더 감압한다. 그리고, 시각 t3부터 시각 t4까지의 동안에는, 챔버(6) 내로의 가스 공급을 정지시켜 챔버(6) 내의 압력을 플래시광 조사 시보다 낮은 상태로 유지한다. 시각 t3부터 시각 t4까지의 시간은 1초 이상 50초 이하이다.
그 후에, 시각 t4에 챔버(6) 내로의 질소 가스의 공급을 개시하고, 그 공급 유량을 증가시켜 챔버(6) 내의 압력을 주변의 대기압보다 높은 양압으로 한다. 제2 실시 형태에 있어서도, 시각 t4에 챔버(6) 내로의 질소 가스의 공급 유량을 60리터/분으로 증가시킨다. 즉, 시각 t4에는 1분간 챔버(6)의 용적의 2배의 유량으로 질소 가스가 챔버(6) 내에 공급되게 된다. 챔버(6) 내로의 질소 가스의 공급 유량을 급증시킴으로써, 시각 t4에 챔버(6) 내의 압력이 주변의 대기압보다 0.2kPa~0.6kPa 높은 양압이 된다. 그리고, 시각 t4 이후 챔버(6) 내의 압력이 양압을 유지하도록 압력 제어 밸브(89)가 배기 유량을 조정한다.
1분간 챔버(6)의 용적의 2배의 대유량으로 질소 가스가 챔버(6) 내에 공급됨으로써, 플래시광 조사에 기인하여 챔버(6) 내의 열처리 공간(65)에 비산하고 있던 파티클이 질소 가스류에 의해 챔버(6)의 외부로 신속하게 흘러보내진다. 그리고, 파티클이 챔버(6)의 외부로 배출됨으로써, 챔버(6) 내의 열처리 공간(65)이 청정한 질소 분위기로 치환되게 된다.
제2 실시 형태에 있어서는, 플래시 램프(FL)로부터의 플래시광 조사 후에 챔버(6) 내의 압력을 일단 플래시광 조사 시보다 낮게 감압하여 잠시 유지하고, 그 후 챔버(6) 내에 공급하는 질소 가스의 유량을 증가시켜 챔버(6) 내의 기체를 배출하고 있다. 이것에 의해, 플래시 가열 후의 반도체 웨이퍼(W)가 챔버(6)로부터 반출될 때에는 플래시광 조사에 기인하여 챔버(6) 내에 비산하고 있던 파티클은 챔버(6)로부터 배출되어 있다. 그리고, 이어지는 새로운 반도체 웨이퍼(W)가 챔버(6)에 반입될 때에는, 챔버(6) 내가 청정한 질소 분위기로 치환되어 있기 때문에, 챔버(6) 내에 비산하고 있던 파티클이 반도체 웨이퍼(W)에 부착되는 것을 방지할 수 있다.
＜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, 제1 실시 형태에 있어서는, 플래시광 조사 후에 챔버(6) 내의 압력을 대기압보다 0.4kPa 낮게 감압하고 있었지만, 이것에 한정되는 것이 아니며, 대기압보다 적어도 0.4kPa 이상 낮게 감압하면 된다. 플래시광 조사 후의 챔버(6) 내의 압력이 낮아질수록, 챔버(6) 내에 존재하고 있던 입자가 챔버(6) 내에 체류하기 어려워지는 효과를 높일 수 있지만, 감압에 필요로 하는 시간은 길어진다.
또, 플래시광 조사 후에 챔버(6) 내의 압력을 플래시광 조사 시보다 낮게 유지하는 시각 t3부터 시각 t4까지의 동안에, 제1 실시 형태에서는 챔버(6) 내에 10리터/분의 유량으로 질소 가스를 공급하고, 제2 실시 형태에서는 가스 공급을 정지하고 있었지만, 이 기간의 질소 가스의 공급 유량은 0리터/분~10리터/분이면 된다.
또, 플래시광 조사 후 이후에 챔버(6) 내에 공급하는 처리 가스는 질소 가스에 한정되는 것이 아니며, 아르곤이나 헬륨이어도 된다. 즉, 플래시광 조사 후 이후에 챔버(6) 내에 공급하는 처리 가스는 불활성 가스이면 된다. 무엇보다, 프로세스의 비용의 관점에서는 염가의 질소 가스를 이용하는 것이 바람직하다.
또, 상기 각 실시 형태에 있어서는, 시각 t4에 1분간 챔버(6)의 용적의 2배의 유량으로 질소 가스를 챔버(6) 내에 공급하고 있었지만, 이 때에 1분간 챔버(6)의 용적의 2배 이상의 유량(상기의 예에서는 60리터/분 이상)으로 질소 가스를 챔버(6) 내에 공급하도록 해도 된다.
또, 상기 각 실시 형태에 있어서는, 할로겐 램프(HL)로부터의 광조사에 의해 반도체 웨이퍼(W)의 예비 가열을 행하도록 하고 있었지만, 이 대신에 반도체 웨이퍼(W)를 유지하는 서셉터를 핫 플레이트 상에 재치하고, 그 핫 플레이트로부터의 열전도에 의해 반도체 웨이퍼(W)를 예비 가열하도록 해도 된다.
또, 상기 각 실시 형태에 있어서는, 플래시 가열부(5)에 30개의 플래시 램프(FL)를 구비하도록 하고 있었지만, 이것에 한정되는 것이 아니며, 플래시 램프(FL)의 갯수는 임의의 수로 할 수 있다. 또, 플래시 램프(FL)는 크세논 플래시 램프에 한정되는 것이 아니며, 크립톤 플래시 램프여도 된다. 또, 할로겐 가열부(4)에 구비하는 할로겐 램프(HL)의 갯수도 40개에 한정되는 것이 아니며, 임의의 수로 할 수 있다.
또, 상기 각 실시 형태에 있어서는, 1초 이상 연속해서 발광하는 연속 점등 램프로서 필라멘트 방식의 할로겐 램프(HL)를 이용하여 반도체 웨이퍼(W)의 예비 가열을 행하고 있었지만, 이것에 한정되는 것이 아니며, 할로겐 램프(HL) 대신에 방전형의 크세논 아크 램프 등의 아크 램프를 연속 점등 램프로서 이용하여 반도체 웨이퍼(W)의 예비 가열을 행하도록 해도 된다.
또, 본 발명에 관련된 열처리 장치에 의해 처리 대상이 되는 기판은 반도체 웨이퍼에 한정되는 것이 아니며, 액정 표시 장치 등의 플랫 패널 디스플레이에 이용하는 유리 기판이나 태양전지용의 기판이어도 된다. 또, 본 발명에 관련된 기술은, 고유전율 게이트 절연막(High-k막)의 열처리, 금속과 실리콘의 접합, 혹은 폴리 실리콘의 결정화에 적용하도록 해도 된다.
1: 열처리 장치 3: 제어부
4: 할로겐 가열부 5: 플래시 가열부
6: 챔버 7: 유지부
65: 열처리 공간 74: 서셉터
75: 유지 플레이트 77: 기판 지지핀
80: 유량 조정 밸브 83: 가스 공급관
84: 밸브 85: 가스 공급원
88: 가스 배기관 89: 압력 제어 밸브
120: 방사 온도계 190: 배기부
FL: 플래시 램프 HL: 할로겐 램프
W: 반도체 웨이퍼

Claims (8)

  1. 기판에 플래시광을 조사함으로써 그 기판을 가열하는 열처리 방법으로서,
    챔버 내에 수용한 기판의 표면에 플래시 램프로부터 플래시광을 조사하는 조사 공정과,
    상기 조사 공정 후에, 상기 챔버 내의 압력을 상기 조사 공정 시보다 낮게 유지하는 감압 공정과,
    상기 감압 공정 후에, 상기 챔버 내에 공급하는 불활성 가스의 유량을 증가시킴과 함께, 상기 챔버 내의 기체를 배출하는 치환 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 감압 공정에서는, 상기 챔버 내의 압력을 상기 조사 공정 시보다 낮게 한 상태를 1초 이상 50초 이하 유지하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 치환 공정에서는, 1분간 상기 챔버의 용적의 2배 이상의 유량으로 불활성 가스를 상기 챔버 내에 공급하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 치환 공정에서는, 상기 챔버 내의 압력을 대기압보다 큰 양압으로 하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
  5. 기판에 플래시광을 조사함으로써 그 기판을 가열하는 열처리 장치로서,
    기판을 수용하는 챔버와,
    상기 챔버 내에서 상기 기판을 유지하는 유지부와,
    상기 유지부에 유지된 상기 기판의 표면에 플래시광을 조사하는 플래시 램프와,
    상기 챔버 내에 불활성 가스를 공급하는 가스 공급부와,
    상기 챔버 내의 기체를 배출하는 배기부와,
    상기 챔버와 상기 배기부 사이에 삽입되어 상기 챔버 내의 압력을 제어하는 압력 제어 밸브를 구비하고,
    상기 플래시 램프로부터 상기 기판에 플래시광을 조사한 후, 상기 압력 제어 밸브가 상기 챔버 내의 압력을 플래시광 조사 시보다 낮게 유지한 후, 상기 가스 공급부가 상기 챔버 내에 공급하는 불활성 가스의 유량을 증가시킴과 함께, 상기 배기부가 상기 챔버 내의 기체를 배출하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 압력 제어 밸브는, 상기 챔버 내의 압력을 플래시광 조사 시보다 낮게 한 상태를 1초 이상 50초 이하 유지하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 가스 공급부는, 1분간 상기 챔버의 용적의 2배 이상의 유량으로 불활성 가스를 상기 챔버 내에 공급하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  8. 청구항 5 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 공급부가 상기 챔버 내에 공급하는 불활성 가스의 유량을 증가시켜 상기 챔버 내의 압력을 대기압보다 큰 양압으로 하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
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