KR20180117053A - 열처리 장치 - Google Patents

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Abstract

[과제]방사된 광을 불필요하게 소비하지 않고, 기판 상의 조도 분포의 면내 균일성을 향상시킬 수 있는 열처리 장치를 제공한다.
[해결 수단]복수의 오목 형상의 구면을 형성한 석영의 광확산판(90)을 반도체 웨이퍼(W)의 중앙부와 대향하도록 상측 챔버 창(63) 상에 올려놓는다. 플래시 램프(FL)로부터 방사된 플래시광 중 광확산판(90)의 측방을 통과한 광은 그대로 반도체 웨이퍼(W)의 주연부에 조사된다. 한편, 플래시 램프(FL)로부터 방사된 플래시광 중 광확산판(90)에 입사한 광은 오목 형상의 구면에 의해 발산되고, 입사광의 일부는 반도체 웨이퍼(W)의 주연부를 향해 확산된다. 그 결과, 반도체 웨이퍼(W)의 주연부에 조사되는 광의 광량이 증가하는 한편 중앙부에 조사되는 광의 광량은 감소하고, 반도체 웨이퍼(W) 상의 조도 분포의 면내 균일성을 향상시킬 수 있다.

Description

열처리 장치{HEAT TREATMENT APPARATUS}
본 발명은, 반도체 웨이퍼 등의 박판 형상 정밀 전자 기판(이하, 단지 「기판」이라고 한다)에 광을 조사함으로써 그 기판을 가열하는 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 고가속전압으로 반도체 웨이퍼에 충돌시켜 물리적으로 불순물 주입을 행하는 기술이다. 주입된 불순물은 어닐링 처리에 의해 활성화된다. 이때에, 어닐링 시간이 수 초 정도 이상이면, 주입된 불순물이 열에 의해 깊게 확산되고, 그 결과 접합 깊이가 요구보다 너무 깊어져 양호한 디바이스 형성에 지장이 생길 우려가 있다.
그래서, 상당히 단시간에 반도체 웨이퍼를 가열하는 어닐링 기술로서, 근래 플래시 램프 어닐링(FLA)이 주목받고 있다. 플래시 램프 어닐링은, 크세논 플래시 램프(이하, 단지 「플래시 램프」라고 할 때에는 크세논 플래시 램프를 의미한다)를 사용하여 반도체 웨이퍼의 표면에 플래시광을 조사함으로써, 불순물이 주입된 반도체 웨이퍼의 표면만을 상당히 단시간(수밀리초 이하)에 승온시키는 열처리 기술이다.
크세논 플래시 램프의 방사 분광 분포는 자외역으로부터 근적외역이며, 종래의 할로겐 램프보다 파장이 짧고, 실리콘의 반도체 웨이퍼의 기초 흡수대와 거의 일치되어 있다. 따라서, 크세논 플래시 램프로부터 반도체 웨이퍼에 플래시광을 조사했을 때에는, 투과광이 적고 반도체 웨이퍼를 급속히 승온하는 것이 가능하다. 또, 수밀리초 이하의 상당히 단시간의 플래시 광조사이면, 반도체 웨이퍼의 표면 근방만을 선택적으로 승온할 수 있는 것도 판명되어 있다. 이 때문에, 크세논 플래시 램프에 의한 극히 단시간의 승온이면, 불순물을 깊게 확산시키지 않고, 불순물 활성화만을 실행할 수 있는 것이다.
이러한 플래시 램프를 사용한 열처리 장치에 있어서는, 반도체 웨이퍼의 면적보다 상당히 큰 영역에 복수의 플래시 램프를 배치하고 있는 것이지만, 그럼에도 불구하고, 반도체 웨이퍼의 주연부의 조도가 중앙부의 조도보다 낮아지는 경향이 인정된다. 그 결과, 조도의 면내 분포가 불균일해져 온도 분포에도 편차가 생기게 된다.
이러한 조도 분포의 불균일을 해소하기 위해서, 복수의 플래시 램프의 파워 밸런스, 개개의 램프의 발광 밀도, 램프 레이아웃, 리플렉터 등을 연구함으로써, 반도체 웨이퍼의 면내에 있어서의 조도 분포를 가능한 한 균일해지도록 조정하고 있었다. 그러나, 이들 연구는 많은 부품이나 설정값을 조정할 필요가 있고, 요구 수준을 만족하는 조도 분포의 면내 균일성을 얻는 작업은 상당히 곤란했다. 또, 근래, 조도 분포의 균일성에 대한 요구 수준은 점점 높아져 오고 있고, 상술과 같은 연구에 의한 조정은 더 곤란한 것으로 되어 오고 있다.
비교적 간이하게 조도 분포의 면내 균일성을 향상시키는 방법으로서, 특허 문헌 1에는, 플래시 램프와 반도체 웨이퍼의 사이에 반도체 웨이퍼보다 작은 조도 조정판을 설치하는 것이 개시되어 있다. 조도 조정판에 의해 반도체 웨이퍼의 중앙부에 도달하는 광의 광량을 저하시킴으로써, 조도 분포의 면내 균일성을 향상시킬 수 있다.
일본국 특허공개 2006-278802호 공보
그러나, 특허 문헌 1에 개시되는 기술에서는, 조도 조정판에 의해 반도체 웨이퍼의 중앙부에 도달하는 광의 광량을 저하시키고 있기 때문에, 플래시 램프로부터 방사된 플래시광의 일부가 불필요하게 소비되게 되어 있었다. 그 때문에, 플래시광의 에너지 효율이 저하된다는 문제가 발생하고 있었다.
본 발명은, 상기 과제를 감안하여 이루어진 것이며, 방사된 광을 불필요하게 소비하지 않고, 기판 상의 조도 분포의 면내 균일성을 향상시킬 수 있는 열처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 청구항 1의 발명은, 기판에 광을 조사함으로써 그 기판을 가열하는 열처리 장치에 있어서, 기판을 수용하는 챔버와, 상기 챔버 내에서 상기 기판을 유지하는 유지부와, 상기 챔버의 한쪽 측에 설치되고, 상기 유지부에 유지된 상기 기판에 광을 조사하는 광조사부와, 상기 유지부와 상기 광조사부의 사이에 설치되고, 상기 기판보다 작은 평면 사이즈를 갖는 광확산판을 구비하고, 상기 광확산판은, 상기 광확산판의 중심축과 상기 유지부에 유지된 상기 기판의 중심축이 일치하도록 설치되고, 상기 광확산판에는, 복수의 오목 형상의 곡면이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 2의 발명은, 청구항 1의 발명에 따른 열처리 장치에 있어서, 상기 곡면은 구면인 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 3의 발명은, 청구항 2의 발명에 따른 열처리 장치에 있어서, 상기 구면의 곡률 반경은, 상기 광확산판의 중심으로부터 주연부를 향해 커지는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 4의 발명은, 기판에 광을 조사함으로써 그 기판을 가열하는 열처리 장치에 있어서, 기판을 수용하는 챔버와, 상기 챔버 내에서 상기 기판을 유지하는 유지부와, 상기 챔버의 한쪽 측에 설치되고, 상기 유지부에 유지된 상기 기판에 광을 조사하는 광조사부와, 상기 유지부와 상기 광조사부의 사이에 설치되고, 상기 기판보다 작은 평면 사이즈를 갖는 광확산판을 구비하고, 상기 광확산판은, 상기 광확산판의 중심축과 상기 유지부에 유지된 상기 기판의 중심축이 일치하도록 설치되고, 상기 광확산판에는, 복수의 볼록 형상의 곡면이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 5의 발명은, 청구항 4의 발명에 따른 열처리 장치에 있어서, 상기 곡면은 구면인 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 6의 발명은, 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 발명에 따른 열처리 장치에 있어서, 상기 광조사부는, 평면 형상으로 배열한 복수의 플래시 램프를 갖는 것을 특징으로 한다.
청구항 1 내지 청구항 6의 발명에 의하면, 복수의 오목 형상 또는 볼록 형상의 곡면이 형성된 기판보다 작은 광확산판을 중심축이 기판의 중심축과 일치하도록 유지부와 광조사부의 사이에 설치하기 때문에, 광확산판에 입사한 광의 일부는 기판의 주연부를 향해 확산되고, 광조사부로부터 방사된 광을 불필요하게 소비하지 않고, 기판 상의 조도 분포의 면내 균일성을 향상시킬 수 있다.
도 1은, 본 발명에 따른 열처리 장치의 구성을 나타내는 종단면도이다.
도 2는, 유지부의 전체 외관을 나타내는 사시도이다.
도 3은, 서셉터의 평면도이다.
도 4는, 서셉터의 단면도이다.
도 5는, 이재 기구의 평면도이다.
도 6은, 이재 기구의 측면도이다.
도 7은, 복수의 할로겐 램프의 배치를 나타내는 평면도이다.
도 8은, 제1 실시 형태의 광확산판의 전체 외관을 나타내는 사시도이다.
도 9는, 도 8의 광확산판의 부분 단면도이다.
도 10은, 플래시 램프로부터 방사된 광의 광로를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 11은, 제2 실시 형태의 광확산판의 전체 외관을 나타내는 사시도이다.
도 12는, 제3 실시 형태의 광확산판의 전체 외관을 나타내는 사시도이다.
도 13은, 제4 실시 형태의 광확산판의 전체 외관을 나타내는 사시도이다.
도 14는, 도 13의 광확산판의 부분 단면도이다.
도 15는, 제5 실시 형태의 광확산판의 전체 외관을 나타내는 사시도이다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시의 형태에 대해 상세하게 설명한다.
＜제1 실시 형태＞
도 1은, 본 발명에 따른 열처리 장치(1)의 구성을 나타내는 종단면도이다. 도 1의 열처리 장치(1)는, 기판으로서 원판형상의 반도체 웨이퍼(W)에 대해서 플래시 광조사를 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 φ300㎜나 φ450㎜이다(본 실시 형태에서는 φ300㎜). 열처리 장치(1)에 반입되기 전의 반도체 웨이퍼(W)에는 불순물이 주입되어 있고, 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 따라서 각부의 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 더불어, 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 외부의 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, 통형의 챔버 측부(61)의 상하에 석영제의 챔버 창을 장착하여 구성되어 있다. 챔버 측부(61)는 상하가 개구된 개략 통 형상을 갖고 있고, 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 플래시광을 챔버(6) 내에 투과하는 석영창으로서 기능한다. 또, 챔버(6)의 바닥부를 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 원환형으로 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 끼워넣고 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 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 원환형으로 형성되고, 반도체 웨이퍼(W)를 유지하는 유지부(7)을 둘러싼다. 챔버 측부(61) 및 반사 링(68, 69)은, 강도와 내열성이 뛰어난 금속재료(예를 들면, 스테인리스 스틸)로 형성되어 있다.
또, 챔버 측부(61)에는, 챔버(6)에 대해서 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 때는, 반송 개구부(66)로부터 오목부(62)를 통과하여 열처리 공간(65)에의 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 공간으로 된다.
또한, 챔버 측부(61)에는, 관통 구멍(61a)이 설치되어 있다. 챔버 측부(61)의 외벽면의 관통 구멍(61a)이 설치되어 있는 부위에는 방사 온도계(20)가 부착되어 있다. 관통 구멍(61a)은 후술하는 서셉터(74)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 하면으로부터 방사된 적외광을 방사 온도계(20)로 이끌기 위한 원통형의 구멍이다. 관통 구멍(61a)은, 그 관통 방향의 축이 서셉터(74)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 주면과 교차하도록, 수평 방향에 대해서 경사하여 설치되어 있다. 관통 구멍(61a)의 열처리 공간(65)에 면하는 측의 단부에는, 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 있고, 반사 링(68)에 설치되어 있어도 된다. 가스 공급 구멍(81)은 챔버(6)의 측벽 내부에 원환형으로 형성된 완충 공간(82)을 통해 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) 내에서 확산되도록 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 있고, 반사 링(69)에 설치되어 있어도 된다. 가스 배기 구멍(86)은 챔버(6)의 측벽 내부에 원환형으로 형성된 완충 공간(87)을 통해 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, 슬릿 형상의 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 개재하여 배기부(190)에 접속되어 있다. 밸브(192)를 개방함으로써, 반송 개구부(66)를 통해 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 형상에서 일부가 결락한 원호 형상의 석영 부재이다. 이 결락 부분은, 후술하는 이재 기구(10)의 이재 암(11)과 기대 링(71)의 간섭을 막기 위해 설치되어 있다. 기대 링(71)은 오목부(62)의 저면에 올려놓여짐으로써, 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 세워져 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 평판형 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 주연부에 가이드 링(76)이 설치되어 있다. 가이드 링(76)은, 반도체 웨이퍼(W)의 직경보다 큰 내경을 갖는 원환 형상의 부재이다. 예를 들면, 반도체 웨이퍼(W)의 직경이 Φ300㎜인 경우, 가이드 링(76)의 내경은 Φ320㎜이다. 가이드 링(76)의 내주는, 유지 플레이트(75)로부터 상방을 향해 넓어지는 테이퍼면으로 되어 있다. 가이드 링(76)은, 유지 플레이트(75)와 같은 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 부재로 하여 가공하도록 해도 된다.
유지 플레이트(75)의 상면 중 가이드 링(76)보다 내측의 영역이 반도체 웨이퍼(W)를 유지하는 평면 형상의 유지면(75a)이 된다. 유지 플레이트(75)의 유지면(75a)에는, 복수의 기판 지지 핀(77)이 세워져 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 세워져 설치되어 있다. 12개의 기판 지지 핀(77)을 배치한 원의 지름(대향하는 기판 지지 핀(77)간의 거리)은 반도체 웨이퍼(W)의 지름보다 작고, 반도체 웨이퍼(W)의 지름이 Φ300㎜이면 Φ270㎜~Φ280㎜(본 실시 형태에서는 Φ270㎜)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 돌아와, 기대 링(71)에 세워져 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 올려놓여져 유지된다. 이때, 반도체 웨이퍼(W)는 유지 플레이트(75) 상에 세워져 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 두고 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, 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 관통 구멍(61a)에 장착된 투명창(21)을 통해 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 설치되어 있다.
도 5는, 이재 기구(10)의 평면도이다. 또, 도 6은, 이재 기구(10)의 측면도이다. 이재 기구(10)는, 2개의 이재 암(11)을 구비한다. 이재 암(11)은, 대체로 원환형의 오목부(62)에 따르는 원호 형상으로 되어 있다. 각각의 이재 암(11)에는 2개의 리프트 핀(12)이 세워져 설치되어 있다. 이재 암(11) 및 리프트 핀(12)은 석영으로 형성되어 있다. 각 이재 암(11)은 수평 이동 기구(13)에 의해 회동 가능하게 되어 있다. 수평 이동 기구(13)는, 한 쌍의 이재 암(11)을 유지부(7)에 대해서 반도체 웨이퍼(W)의 이재를 행하는 이재 동작 위치(도 5의 실선 위치)와 유지부(7)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)와 평면에서 볼때 겹치지 않는 퇴피 위치(도 5의 2점 쇄선 위치)의 사이에서 수평 이동시킨다. 수평 이동 기구(13)로서는, 개별의 모터에 의해 각 이재 암(11)을 각각 회동시키는 것이어도 되고, 링크 기구를 이용하여 1개의 모터에 의해 한 쌍의 이재 암(11)을 연동시켜 회동시키는 것이어도 된다.
또, 한 쌍의 이재 암(11)은, 승강기구(14)에 의해 수평 이동 기구(13)와 함께 승강 이동된다. 승강기구(14)가 한 쌍의 이재 암(11)을 이재 동작 위치에서 상승시키면, 합계 4개의 리프트 핀(12)이 서셉터(74)에 설치된 관통 구멍(79)(도 2, 3 참조)을 통과하여, 리프트 핀(12)의 상단이 서셉터(74)의 상면으로부터 돌출된다. 한편, 승강기구(14)가 한 쌍의 이재 암(11)을 이재 동작 위치에서 하강시켜 리프트 핀(12)을 관통 구멍(79)으로부터 빼내고, 수평 이동 기구(13)가 한 쌍의 이재 암(11)을 열도록 이동시키면 각 이재 암(11)이 퇴피 위치로 이동한다. 한 쌍의 이재 암(11)의 퇴피 위치는, 유지부(7)의 기대 링(71)의 바로 위이다. 기대 링(71)은 오목부(62)의 저면에 올려놓여져 있기 때문에, 이재 암(11)의 퇴피 위치는 오목부(62)의 내측이 된다. 또한, 이재 기구(10)의 구동부(수평 이동 기구(13) 및 승강기구(14))가 설치되어 있는 부위의 근방에도 도시를 생략한 배기 기구가 설치되어 있고, 이재 기구(10)의 구동부 주변의 분위기가 챔버(6)의 외부에 배출되도록 구성되어 있다.
도 1로 돌아와, 챔버(6)의 상방에 설치된 플래시 가열부(5)는, 케이스(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 케이스(51)의 저부에는 램프광 방사창(53)이 장착되어 있다. 플래시 가열부(5)의 바닥부를 구성하는 램프광 방사창(53)은, 석영에 의해 형성된 판형의 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 통해 열처리 공간(65)에 플래시광을 조사한다.
복수의 플래시 램프(FL)는, 각각이 장척의 원통 형상을 갖는 막대형 램프이며, 각각의 길이 방향이 유지부(7)에 유지되는 반도체 웨이퍼(W)의 주면을 따라(즉 수평 방향을 따라) 서로 평행이 되도록 평면 형상으로 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 봉입되고 그 양단부에 콘덴서에 접속된 양극 및 음극이 설치된 막대형의 유리관(방전관)과, 그 유리관의 외주면 상에 부설된 트리거 전극을 구비한다. 크세논 가스는 전기적으로는 절연체이므로, 콘덴서에 전하가 축적되고 있었다고 해도 통상의 상태에서는 유리관 내에 전기는 흐르지 않는다. 그러나, 트리거 전극에 고전압을 인가하여 절연을 파괴한 경우에는, 콘덴서에 축적된 전기가 유리관 내에 순간적으로 흐르고, 그때의 크세논의 원자 혹은 분자의 여기에 의해 광이 방출된다. 이러한 크세논 플래시 램프(FL)에 있어서는, 미리 콘덴서에 축적되어 있던 정전 에너지가 0.1밀리초 내지 100밀리초와 같은 상당히 짧은 광펄스로 변환되므로, 할로겐 램프(HL)와 같은 연속 점등의 광원에 비해 상당히 강한 광을 조사할 수 있다는 특징을 갖는다. 즉, 플래시 램프(FL)는, 1초 미만의 상당히 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 측에 반사한다고 하는 것이다. 리플렉터(52)는 알루미늄 합금판으로 형성되어 있고, 그 표면(플래시 램프(FL)에 면하는 측의 면)은 블러스트 처리에 의해 조면화 가공이 실시되어 있다.
챔버(6)의 하방에 설치된 할로겐 가열부(4)는, 케이스(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 통해 열처리 공간(65)에 대한 광조사를 행하여 반도체 웨이퍼(W)를 가열한다.
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 더불어, 상단보다 유지부(7)로부터 먼 하단에도 20개의 할로겐 램프(HL)가 설치되어 있다. 각 할로겐 램프(HL)는, 장척의 원통 형상을 갖는 막대형 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 높게 되어 있다. 즉, 상하단 모두, 램프 배열의 중앙부보다 주연부의 쪽이 할로겐 램프(HL)의 설치 피치가 짧다. 이 때문에, 할로겐 가열부(4)로부터의 광조사에 의한 가열시에 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 격자형으로 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, 취소 등)을 미량 도입한 기체가 봉입되어 있다. 할로겐 원소를 도입함으로써, 필라멘트의 파손을 억제하면서 필라멘트의 온도를 고온으로 설정하는 것이 가능해진다. 따라서, 할로겐 램프(HL)는, 통상의 백열전구에 비해 수명이 길고 또한 강한 광을 연속적으로 조사할 수 있다는 특성을 갖는다. 즉, 할로겐 램프(HL)는 적어도 1초 이상 연속해서 발광하는 연속 점등 램프이다. 또, 할로겐 램프(HL)는 막대형 램프이기 때문에 수명이 길고, 할로겐 램프(HL)를 수평 방향에 따라 배치함으로써 상방의 반도체 웨이퍼(W)에 대한 방사 효율이 뛰어난 것이 된다.
또, 할로겐 가열부(4)의 케이스(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 측에 반사한다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 상측 챔버 창(63)의 상면에는 광확산판(90)이 설치되어 있다. 도 8은, 제1 실시 형태의 광확산판(90)의 전체 외관을 나타내는 사시도이다. 또, 도 9는, 광확산판(90)의 부분 단면도이다. 제1 실시 형태의 광확산판(90)은, 육각형의 석영판의 상면에 다수의 오목면(91)을 형성하여 구성된다. 즉, 광확산판(90)은 전체가 석영으로 형성되어 있다. 광확산판(90)의 전체 길이(대향하는 육각형의 정점간의 거리)는 처리 대상이 되는 반도체 웨이퍼(W)의 지름보다 짧다(본 실시 형태에서는 172㎜). 따라서, 광확산판(90)의 평면 사이즈는 반도체 웨이퍼(W)의 평면 사이즈보다 작다.
광확산판(90)의 상면에는 균등한 밀도로 복수의 오목면(91)이 형성되어 있다. 광확산판(90)에 형성되는 복수의 오목면(91)의 각각은 오목 형상의 구면이다. 제1 실시 형태의 각 오목면(91)의 직경은 예를 들면 12㎜이며, 곡률 반경은 예를 들면 13㎜이다. 또, 서로 이웃하는 오목면(91)의 중심간의 거리(즉, 복수의 오목면(91)의 설치 피치)는 예를 들면 13㎜이다. 석영의 광확산판(90)에 오목 형상의 곡면인 복수의 오목면(91)을 형성함으로써, 각 오목면(91)은 오목 렌즈로서 기능하게 된다.
광확산판(90)은, 그 중심축이 유지부(7)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 중심축과 일치하도록 상측 챔버 창(63) 상에 올려놓여진다. 광확산판(90)의 평면 사이즈는 반도체 웨이퍼(W)의 평면 사이즈보다 작기 때문에, 광확산판(90)은 반도체 웨이퍼(W)의 중앙부와 대향하도록 설치되게 된다.
제어부(3)는, 열처리 장치(1)에 설치된 상기의 여러 가지 동작 기구를 제어한다. 제어부(3)의 하드웨어로서의 구성은 일반적인 컴퓨터와 같다. 즉, 제어부(3)는, 각종 연산 처리를 행하는 회로인 CPU, 기본 프로그램을 기억하는 독출 전용의 메모리인 ROM, 각종 정보를 기억하는 읽고 쓰기 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 진행한다.
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 과잉의 온도 상승을 방지하기 위해, 여러가지 냉각용 구조를 구비하고 있다. 예를 들면, 챔버(6)의 벽체에는 수랭관(도시 생략)이 설치되어 있다. 또, 할로겐 가열부(4) 및 플래시 가열부(5)는, 내부에 기체류를 형성하여 배열하는 공냉 구조로 되어 있다. 또, 상측 챔버 창(63)과 램프광 방사창(53)의 간극에도 공기가 공급되고, 플래시 가열부(5) 및 상측 챔버 창(63)을 냉각한다.
다음에, 열처리 장치(1)에 있어서의 반도체 웨이퍼(W)의 처리 순서에 대해 설명한다. 여기서 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 광조사 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 진행한다.
우선, 급기를 위한 밸브(84)가 개방됨과 더불어, 배기용의 밸브(89, 192)가 개방되어 챔버(6) 내에 대한 급배기이 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. 이로 인해, 챔버(6) 내의 열처리 공간(65)의 상부로부터 공급된 질소 가스가 하방으로 흐르고, 열처리 공간(65)의 하부로부터 배기된다.
또, 밸브(192)가 개방됨으로써, 반송 개구부(66)로부터도 챔버(6) 내의 기체가 배기된다. 또한, 도시를 생략한 배기 기구에 의해 이재 기구(10)의 구동부 주변의 분위기도 배기된다. 또한, 열처리 장치(1)에 있어서의 반도체 웨이퍼(W)의 열처리시에는 질소 가스가 열처리 공간(65)에 계속적으로 공급되어 있고, 그 공급량은 처리 공정에 따라 적절히 변경된다.
계속해서, 게이트 밸브(185)가 열리고 반송 개구부(66)가 개방되고, 장치 외부의 반송 로봇에 의해 반송 개구부(66)를 통해 이온 주입 후의 반도체 웨이퍼(W)가 챔버(6) 내의 열처리 공간(65)에 반입된다. 반송 로봇에 의해 반입된 반도체 웨이퍼(W)는 유지부(7)의 바로 위 위치까지 진출하여 정지한다. 그리고, 이재 기구(10)의 한 쌍의 이재 암(11)이 퇴피 위치로부터 이재 동작 위치로 수평 이동하여 상승함으로써, 리프트 핀(12)이 관통 구멍(79)를 통해 서셉터(74)의 유지 플레이트(75)의 상면으로부터 돌출하여 반도체 웨이퍼(W)를 받는다. 이때, 리프트 핀(12)은 기판 지지 핀(77)의 상단보다 상방으로까지 상승한다.
반도체 웨이퍼(W)가 리프트 핀(12)에 올려놓여진 후, 반송 로봇이 열처리 공간(65)으로부터 퇴출하고, 게이트 밸브(185)에 의해 반송 개구부(66)가 폐쇄된다. 그리고, 한 쌍의 이재 암(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 세워져 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)의 사이에는 소정의 간격이 형성된다. 서셉터(74)의 하방으로까지 하강한 한 쌍의 이재 암(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 점등되어 예비 가열(어시스트 가열)이 개시된다. 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 광조사를 받음으로써 반도체 웨이퍼(W)가 예비 가열되어 온도가 상승한다. 또한, 이재 기구(10)의 이재 암(11)은 오목부(62)의 내측으로 퇴피되어 있기 때문에, 할로겐 램프(HL)에 의한 가열의 장해가 되지 않는다.
할로겐 램프(HL)에 의한 예비 가열을 행할할 때는, 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 통해 방사된 적외광을 투명창(21)을 통해 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 광조사에 의해 승온하는 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 소정의 예비 가열 온도(T1)에 도달했는지의 여부를 감시하면서, 할로겐 램프(HL)의 출력을 제어한다. 즉, 제어부(3)는, 방사 온도계(20)에 의한 측정치에 의거하여, 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 예비 가열 온도(T1)가 되도록 할로겐 램프(HL)의 출력을 피드백 제어한다. 예비 가열 온도(T1)는, 반도체 웨이퍼(W)에 첨가된 불순물이 열에 의해 확산될 우려가 없는, 200℃ 내지 800℃ 정도, 바람직하게는 350℃ 내지 600℃ 정도로 된다(본 실시의 형태에서는 600℃).
반도체 웨이퍼(W)의 온도가 예비 가열 온도(T1)에 도달한 후, 제어부(3)는 반도체 웨이퍼(W)를 그 예비 가열 온도(T1)로 잠시 유지한다. 구체적으로는, 방사 온도계(20)에 의해 측정되는 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 예비 가열 온도(T1)에 도달한 시점에서 제어부(3)가 할로겐 램프(HL)의 출력을 조정하고, 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 거의 예비 가열 온도(T1)로 유지하고 있다.
이러한 할로겐 램프(HL)에 의한 예비 가열을 행함으로써, 반도체 웨이퍼(W)의 전체를 예비 가열 온도(T1)에 균일하게 승온하고 있다. 할로겐 램프(HL)에 의한 예비 가열의 단계에 있어서는, 보다 방열이 발생하기 쉬운 반도체 웨이퍼(W)의 주연부의 온도가 중앙부보다 저하하는 경향이 있지만, 할로겐 가열부(4)에 있어서의 할로겐 램프(HL)의 설치 밀도는, 기판(W)의 중앙부에 대향하는 영역보다 주연부에 대향하는 영역의 쪽이 높게 되어 있다. 이 때문에, 방열이 발생하기 쉬운 반도체 웨이퍼(W)의 주연부에 조사되는 광량이 많아지고, 예비 가열 단계에 있어서의 반도체 웨이퍼(W)의 면내 온도 분포를 균일한 것으로 할 수 있다.
반도체 웨이퍼(W)의 온도가 예비 가열 온도(T1)에 도달하여 소정 시간이 경과한 시점에서 플래시 가열부(5)의 플래시 램프(FL)가 서셉터(74)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 플래시 광조사를 행한다. 이때, 플래시 램프(FL)로부터 방사되는 플래시광의 일부는 직접 챔버(6) 내를 향하고, 다른 일부는 일단 리플렉터(52)에 의해 반사되고 나서 챔버(6) 내를 향하고, 이들 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 상승할 수 있다. 즉, 플래시 램프(FL)로부터 조사되는 플래시광은, 미리 콘덴서에 축적되어 있던 정전 에너지가 상당히 짧은 광펄스로 변환된, 조사 시간이 0.1밀리초 이상 100밀리초 이하 정도의 상당히 짧고 강한 섬광이다. 그리고, 플래시 램프(FL)로부터의 플래시 광조사에 의해 플래시 가열되는 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도는, 순간적으로 1000℃ 이상의 처리 온도(T2)까지 상승하고, 반도체 웨이퍼(W)에 주입된 불순물이 활성화 된 후, 표면 온도가 급속히 하강한다. 이와 같이, 열처리 장치(1)에서는, 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도를 상당히 단시간에 승강할 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 비교하여 상당히 짧기 때문에, 0.1밀리초 내지 100밀리초 정도의 확산이 발생하지 않는 단시간이어도 활성화는 완료한다.
도 10은, 플래시 램프(FL)로부터 방사된 광의 광로를 모식적으로 나타내는 도면이다. 상측 챔버 창(63)의 상면에는, 그 중심축이 서셉터(74)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 중심축(CX)과 일치하도록 광확산판(90)이 올려놓여져 있다. 광확산판(90)의 평면 사이즈는 반도체 웨이퍼(W)의 평면 사이즈보다 작다. 광확산판(90)에는 복수의 오목면(91)이 형성되어 있다.
플래시 램프(FL)로부터 방사된 플래시광 중 광확산판(90)의 측방을 통과한 광은, 그대로 상측 챔버 창(63)을 투과하여 반도체 웨이퍼(W)의 주연부에 조사된다. 한편, 플래시 램프(FL)로부터 방사된 플래시광 중 광확산판(90)에 입사한 광은, 오목 렌즈로서 기능하는 오목면(91)에 의해 발산된다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 광확산판(90)에는 복수의 오목면(91)이 형성되어 있고, 각각의 오목면(91)에 의해 입사한 플래시광이 개별적으로 발산된다. 그 결과, 광확산판(90)의 전체적으로는 입사한 플래시광의 일부를 광확산판(90)보다 외측을 향해, 즉 반도체 웨이퍼(W)의 주연부를 향해 확산시키게 된다. 그리고, 광확산판(90)보다 외측을 향해 확산한 플래시광의 광량분만큼 반도체 웨이퍼(W)의 중앙부를 향하는 플래시광의 광량이 저하한다. 이 때문에, 광확산판(90)을 설치하지 않고 플래시광을 조사했을 때에는 상대적으로 조도가 높아지는 경향이 인정되는 반도체 웨이퍼(W)의 중앙부에 조사되는 광의 광량이 감소함과 더불어, 반대로 조도가 낮아지는 반도체 웨이퍼(W)의 주연부에 조사되는 광의 광량이 증가하고, 반도체 웨이퍼(W)의 면내 전체에 균일하게 플래시광이 조사되게 된다. 따라서, 반도체 웨이퍼(W) 상의 조도 분포의 면내 균일성이 향상하고, 표면의 면내 온도 분포도 균일하게 할 수 있다.
플래시 가열 처리가 종료한 후, 소정 시간 경과 후에 할로겐 램프(HL)가 소등된다. 이로 인해, 반도체 웨이퍼(W)가 예비 가열 온도(T1)로부터 급속히 강온 한다. 강온 중의 반도체 웨이퍼(W)의 온도는 방사 온도계(20)에 의해 측정되고, 그 측정 결과는 제어부(3)에 전달된다. 제어부(3)는, 방사 온도계(20)의 측정 결과보다 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 소정 온도까지 강온했는지의 여부를 감시한다. 그리고, 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 소정 이하로까지 강온 한 후, 이재 기구(10)의 한 쌍의 이재 암(11)이 다시 퇴피 위치로부터 이재 동작 위치로 수평 이동하여 상승함으로써, 리프트 핀(12)이 서셉터(74)의 상면으로부터 돌출하여 열처리 후의 반도체 웨이퍼(W)를 서셉터(74)로부터 받는다. 계속해서, 게이트 밸브(185)에 의해 폐쇄되어 있던 반송 개구부(66)가 개방되고, 리프트 핀(12) 상에 올려놓어진 반도체 웨이퍼(W)가 장치 외부의 반송 로봇에 의해 반출되고, 열처리 장치(1)에 있어서의 반도체 웨이퍼(W)의 가열 처리가 완료한다.
제1 실시 형태에 있어서는, 복수의 오목면(91)을 형성한 광확산판(90)을 플래시 램프(FL)와 반도체 웨이퍼(W)의 사이에 배치하고 있다. 반도체 웨이퍼(W)보다 작은 광확산판(90)은 반도체 웨이퍼(W)의 중앙부와 대향하도록 설치된다. 플래시 램프(FL)로부터 방사되어 광확산판(90)에 입사한 플래시광의 일부는 반도체 웨이퍼(W)의 주연부를 향해 확산되기 때문에, 반도체 웨이퍼(W)의 주연부에 조사되는 광의 광량이 증가하는 한편 중앙부에 조사되는 광의 광량은 감소한다. 그 결과, 반도체 웨이퍼(W) 상의 조도 분포의 면내 균일성을 향상시킬 수 있다.
또, 복수의 오목면(91)을 형성한 광확산판(90)에 의해 반도체 웨이퍼(W)의 중앙부를 향하는 광을 주연부로 확산시키고 있기 때문에, 플래시 램프(FL)로부터 방사된 플래시광이 불필요하게 소비되지 않고, 반도체 웨이퍼(W)의 전면에 유효하게 조사되게 된다.
＜제2 실시 형태＞
다음에, 본 발명의 제2 실시 형태에 대해 설명한다. 제2 실시 형태의 열처리 장치(1)의 전체 구성은 제1 실시 형태와 대체로 같다. 또, 제2 실시 형태의 열처리 장치(1)에 있어서의 반도체 웨이퍼(W)의 처리 순서도 제1 실시 형태와 같다. 제2 실시 형태가 제1 실시 형태와 상위한 것은, 광확산판의 형태이다.
도 11은, 제2 실시 형태의 광확산판(290)의 전체 외관을 나타내는 사시도이다. 제2 실시 형태의 광확산판(290)은, 원형의 석영판의 상면에 복수의 오목면(291)을 형성하여 구성된다. 원판 형상의 광확산판(290)의 지름은 반도체 웨이퍼(W)의 지름보다 짧다. 따라서, 광확산판(290)의 평면 사이즈는 반도체 웨이퍼(W)의 평면 사이즈보다 작다. 또, 광확산판(290)은, 그 중심축이 유지부(7)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 중심축과 일치하도록 상측 챔버 창(63)의 상면에 올려놓여진다.
광확산판(290)에 형성되는 복수의 오목면(291)의 각각은 제1 실시 형태와 같은 오목 형상의 구면이다. 제2 실시 형태에 있어서는, 복수의 오목면(291)이 복수의 동심원 상에 둘레 방향을 따라 균등하게 형성되어 있다.
제2 실시 형태에 있어서도, 플래시 램프(FL)로부터 방사된 플래시광 중 광확산판(290)의 측방을 통과한 광은, 그대로 상측 챔버 창(63)을 투과하여 반도체 웨이퍼(W)의 주연부에 조사된다. 한편, 플래시 램프(FL)로부터 방사된 플래시광 중 광확산판(290)에 입사한 광은 오목면(291)에 의해 발산되고, 입사광의 일부는 반도체 웨이퍼(W)의 주연부를 향해 확산된다. 그 결과, 반도체 웨이퍼(W)의 주연부에 조사되는 광의 광량이 증가하는 한편 중앙부에 조사되는 광의 광량은 감소하고, 반도체 웨이퍼(W) 상의 조도 분포의 면내 균일성을 향상시킬 수 있다.
또, 광확산판(290)에 의해 반도체 웨이퍼(W)의 중앙부를 향하는 광을 주연부로 확산시켜 조도 분포의 면내 균일성을 향상시키고 있기 때문에, 플래시 램프(FL)로부터 방사된 플래시광이 불필요하게 소비되는 것은 방지된다.
＜제3 실시 형태＞
다음에, 본 발명의 제3 실시 형태에 대해 설명한다. 제3 실시 형태의 열처리 장치(1)의 전체 구성은 제1 실시 형태와 대체로 같다. 또, 제3 실시 형태의 열처리 장치(1)에 있어서의 반도체 웨이퍼(W)의 처리 순서도 제1 실시 형태와 같다. 제3 실시 형태가 제1 실시 형태와 상위한 것은, 광확산판의 형태이다.
도 12는, 제3 실시 형태의 광확산판(390)의 전체 외관을 나타내는 사시도이다. 제3 실시 형태의 광확산판(390)은, 원형의 석영판의 상면에 복수의 오목면(391)을 형성하여 구성된다. 원판 형상의 광확산판(390)의 지름은 반도체 웨이퍼(W)의 지름보다 짧다. 따라서, 광확산판(390)의 평면 사이즈는 반도체 웨이퍼(W)의 평면 사이즈보다 작다. 또, 광확산판(390)은, 그 중심축이 유지부(7)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 중심축과 일치하도록 상측 챔버 창(63)의 상면에 올려놓여진다.
광확산판(390)에 형성되는 복수의 오목면(391)의 각각은 오목 형상의 구면이다. 제3 실시 형태에 있어서는, 원판 형상의 광확산판(390)의 중심에 형성된 오목면(391)으로부터 주연부에 형성된 오목면(391)을 향해 곡률 반경이 순차적으로 조금씩 크게 되어 있다. 즉, 광확산판(390)의 중심으로부터 주연부를 향해 오목면(391)의 곡률이 서서히 완만하게 되어 있는 것이다.
제3 실시 형태에 있어서도, 플래시 램프(FL)로부터 방사된 플래시광 중 광확산판(390)의 측방을 통과한 광은, 그대로 상측 챔버 창(63)을 투과하여 반도체 웨이퍼(W)의 주연부에 조사된다. 한편, 플래시 램프(FL)로부터 방사된 플래시광 중 광확산판(390)에 입사한 광은 오목면(391)에 의해 발산되고, 입사광의 일부는 반도체 웨이퍼(W)의 주연부를 향해 확산된다. 그 결과, 반도체 웨이퍼(W)의 주연부에 조사되는 광의 광량이 증가하는 한편 중앙부에 조사되는 광의 광량은 감소하고, 반도체 웨이퍼(W) 상의 조도 분포의 면내 균일성을 향상시킬 수 있다.
또, 제3 실시 형태에 있어서는, 광확산판(390)의 중심으로부터 주연부를 향해 오목면(391)의 곡률 반경이 서서히 커지기 때문에, 반도체 웨이퍼(W)의 중심을 향하는 광이 보다 강하게 확산되어 조도 분포의 면내 균일성을 더 향상시킬 수 있다.
또, 광확산판(390)에 의해 반도체 웨이퍼(W)의 중앙부로 향하는 광을 주연부로 확산시켜 조도 분포의 면내 균일성을 향상시키고 있기 때문에, 플래시 램프(FL)로부터 방사된 플래시광이 불필요하게 소비되는 것은 방지된다.
＜제4 실시 형태＞
다음에, 본 발명의 제4 실시 형태에 대해 설명한다. 제4 실시 형태의 열처리 장치(1)의 전체 구성은 제1 실시 형태와 대체로 같다. 또, 제4 실시 형태의 열처리 장치(1)에 있어서의 반도체 웨이퍼(W)의 처리 순서도 제1 실시 형태와 같다. 제4 실시 형태가 제1 실시 형태와 상위한 것은, 광확산판의 형태이다.
도 13은, 제4 실시 형태의 광확산판(490)의 전체 외관을 나타내는 사시도이다. 도 14는, 광확산판(490)의 부분 단면도이다. 제4 실시 형태의 광확산판(490)은, 육각형의 석영판의 상면에 복수의 볼록면(491)을 형성하여 구성된다. 광확산판(490)의 전체 길이는 반도체 웨이퍼(W)의 지름보다 짧다. 따라서, 광확산판(490)의 평면 사이즈는 반도체 웨이퍼(W)의 평면 사이즈보다 작다. 또, 광확산판(490)은, 그 중심축이 유지부(7)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 중심축과 일치하도록 상측 챔버 창(63)의 상면에 올려놓여진다.
광확산판(490)에 형성되는 복수의 볼록면(491)의 각각은 볼록 형상의 구면이다. 제4 실시 형태의 각 볼록면(491)의 직경은 예를 들면 12㎜이며, 곡률 반경은 예를 들면 13㎜이다. 석영의 광확산판(490)에 볼록 형상의 곡면인 복수의 볼록면(491)을 형성함으로써, 각 볼록면(491)은 볼록 렌즈로서 기능하게 된다.
제4 실시 형태에 있어서도, 플래시 램프(FL)로부터 방사된 플래시광 중 광확산판(490)의 측방을 통과한 광은, 그대로 상측 챔버 창(63)을 투과하여 반도체 웨이퍼(W)의 주연부에 조사된다. 한편, 플래시 램프(FL)로부터 방사된 플래시광 중 광확산판(490)에 입사한 광은 볼록면(491)에 의해서 발산된다. 볼록 렌즈로서 기능하는 볼록면(491)에 입사한 광은, 일단은 집속하는 것이지만, 초점보다 먼 쪽에서는 반대로 발산하게 된다. 이 때문에, 제1 실시 형태와 같이, 광확산판(490)의 전체적으로는 입사한 광의 일부를 반도체 웨이퍼(W)의 주연부를 향해 확산시킨다. 그 결과, 반도체 웨이퍼(W)의 주연부에 조사되는 광의 광량이 증가하는 한편 중앙부에 조사되는 광의 광량은 감소하고, 반도체 웨이퍼(W) 상의 조도 분포의 면내 균일성을 향상시킬 수 있다.
또, 광확산판(490)에 의해 반도체 웨이퍼(W)의 중앙부를 향하는 광을 주연부로 확산시켜 조도 분포의 면내 균일성을 향상시키고 있기 때문에, 플래시 램프(FL)로부터 방사된 플래시광이 불필요하게 소비되는 것은 방지된다.
＜제5 실시 형태＞
다음에, 본 발명의 제5 실시 형태에 대해 설명한다. 제5 실시 형태의 열처리 장치(1)의 전체 구성은 제1 실시 형태와 대체로 같다. 또, 제5 실시 형태의 열처리 장치(1)에 있어서의 반도체 웨이퍼(W)의 처리 순서도 제1 실시 형태와 같다. 제5 실시 형태가 제1 실시 형태와 상위한 것은, 광확산판의 형태이다.
도 15는, 제5 실시 형태의 광확산판(590)의 전체 외관을 나타내는 사시도이다. 제5 실시 형태의 광확산판(590)은, 팔각형의 석영판의 상면에 복수의 볼록면(591)을 형성하여 구성된다. 광확산판(590)의 전체 길이는 반도체 웨이퍼(W)의 지름보다 짧다. 따라서, 광확산판(590)의 평면 사이즈는 반도체 웨이퍼(W)의 평면 사이즈보다 작다. 또, 광확산판(590)은, 그 중심축이 유지부(7)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 중심축과 일치하도록 상측 챔버 창(63)의 상면에 올려놓여진다.
광확산판(590)에 형성되는 복수의 볼록면(591)의 각각은 볼록 형상의 곡면이다. 제5 실시 형태에 있어서는, 복수의 원호 형상의 절결부를 배열하여 설치한 절삭 공구를 이용하여 석영판에 대해서 수직인 2방향에서 절삭 가공을 행함으로써, 복수의 볼록면(591)을 형성하고 있다. 따라서, 서로 이웃하는 볼록면(591) 사이의 간극은 격자형으로 되지만, 각각의 볼록면(591) 자체는 볼록 형상의 곡면이 된다.
제5 실시 형태에 있어서도, 플래시 램프(FL)로부터 방사된 플래시광 중 광확산판(590)의 측방을 통과한 광은, 그대로 상측 챔버 창(63)을 투과하여 반도체 웨이퍼(W)의 주연부에 조사된다. 한편, 플래시 램프(FL)로부터 방사된 플래시광 중 광확산판(590)에 입사한 광은 볼록면(591)에 의해 발산되고, 입사광의 일부는 반도체 웨이퍼(W)의 주연부를 향해 확산된다. 그 결과, 반도체 웨이퍼(W)의 주연부에 조사되는 광의 광량이 증가하는 한편 중앙부에 조사되는 광의 광량은 감소하고, 반도체 웨이퍼(W) 상의 조도 분포의 면내 균일성을 향상시킬 수 있다.
또, 광확산판(590)에 의해 반도체 웨이퍼(W)의 중앙부를 향하는 광을 주연부로 확산시켜 조도 분포의 면내 균일성을 향상시키고 있기 때문에, 플래시 램프(FL)로부터 방사된 플래시광이 불필요하게 소비되는 것은 방지된다.
＜변형예＞
이상, 본 발명의 실시의 형태에 대해 설명했지만, 이 발명은 그 취지를 일탈하지 않는 한에 있어서 상술한 것 이외로 여러 가지의 변경을 행하는 것이 가능하다. 예를 들면, 광확산판에 형성하는 오목 형상 또는 볼록 형상의 곡면의 개수는, 특별히 한정되는 것이 아니라, 적절한 수로 할 수 있다. 단, 곡면이 1개뿐이면, 상기 각 실시 형태와 같은 광확산 효과를 얻기 위해서는, 광확산판 자체의 판두께를 상당히 두껍게 할 필요가 있고, 광확산판에 의해 광이 흡수되어 에너지 효율이 저하할 우려가 있다. 이 때문에, 광확산판에는 복수의 오목 형상 또는 볼록 형상의 곡면을 설치하도록 한다.
또, 제1 실시 형태로부터 제3 실시 형태에서는 광확산판에 오목 형상의 구면을 형성하고, 제4 실시 형태에서는 볼록 형상의 구면을 형성하고 있었지만, 구면으로 한정되는 것이 아니라, 예를 들면 타원체면 등의 오목 형상 또는 볼록 형상의 곡면을 광확산판에 형성하도록 하면 된다. 오목 형상 또는 볼록 형상의 복수의 곡면을 형성한 광확산판이면, 당해 광확산판에 입사한 광의 일부를 반도체 웨이퍼(W)의 주연부를 향해 확산시킬 수 있고, 상기 각 실시 형태와 같은 효과를 얻을 수 있다.
또, 상기 각 실시 형태에 있어서는, 광확산판의 상면에 오목 형상 또는 볼록 형상의 복수의 곡면을 형성하고 있었지만, 이것으로 한정되는 것이 아니라, 광확산판의 하면에 복수의 곡면을 형성하도록 해도 되고, 광확산판의 상하 양면에 복수의 곡면을 형성하도록 해도 된다.
또, 상기 각 실시 형태에 있어서는, 상측 챔버 창(63)의 상면에 광확산판을 올려놓도록 하고 있었지만, 챔버(6) 내의 유지부(7)의 상방에 광확산판을 설치하도록 해도 된다. 또한, 상측 챔버 창(63)의 상면 및 챔버(6) 내의 쌍방에 광확산판을 설치하도록 해도 된다. 요컨데, 유지부(7)와 플래시 램프(FL) 사이의 어느 한 위치에 광확산판을 설치하도록 하면 된다.
또, 상측 챔버 창(63) 또는 플래시 가열부(5)의 램프광 방사창(53)에 오목 형상 또는 볼록 형상의 복수의 곡면을 형성하도록 해도 된다. 이 경우, 복수의 곡면을 설치하는 면적은 반도체 웨이퍼(W)의 평면 사이즈보다 작고, 상기 각 실시 형태의 광확산판의 평면 사이즈와 같다. 즉, 상기 각 실시 형태의 광확산판을 상측 챔버 창(63) 또는 램프광 방사창(53)에 매설한 형태가 된다.
또, 유지부(7)와 할로겐 램프(HL) 사이(예를 들면, 하측 챔버 창(64)의 상면)에 상기 각 실시 형태와 같은 광확산판을 설치하도록 해도 된다. 이와 같이 하면, 할로겐 램프(HL)로부터 방사된 광의 일부를 반도체 웨이퍼(W)의 주연부를 향해 확산시키고, 예비 가열시에 있어서의 반도체 웨이퍼(W)의 조도 분포의 면내 균일성을 향상시킬 수 있다.
또, 상기 각 실시 형태에 있어서는, 플래시 가열부(5)에 30개의 플래시 램프(FL)를 구비하도록 하고 있었지만, 이것으로 한정되는 것이 아니라, 플래시 램프(FL)의 갯수는 임의의 수로 할 수 있다. 또, 플래시 램프(FL)는 크세논 플래시 램프로 한정되는 것이 아니라, 크립톤 플래시 램프여도 된다. 또, 할로겐 가열부(4)에 구비하는 할로겐 램프(HL)의 갯수도 40개로 한정되는 것이 아니라, 임의의 수라고 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, 이것으로 한정되는 것이 아니라, 할로겐 램프(HL) 대신에 방전형의 아크 램프(예를 들면, 크세논 아크 램프)를 연속 점등 램프로서 이용하여 예비 가열을 행하도록 해도 된다.
또, 본 발명에 따른 열처리 장치에 의해 처리 대상이 되는 기판은 반도체 웨이퍼로 한정되는 것이 아니라, 액정 표시 장치 등의 플랫 패널 디스플레이에 이용하는 유리 기판이나 태양전지용의 기판이어도 된다. 또, 본 발명에 따른 기술은, 고유전율 게이트 절연막(High-k막)의 열처리, 금속과 실리콘의 접합, 또는 폴리 실리콘의 결정화에 적용하도록 해도 된다.
또, 본 발명에 따른 열처리 기술은, 플래시 램프 어닐링 장치로 한정되는 것이 아니라, 할로겐 램프를 사용한 매엽식의 램프 어닐링 장치나 CVD 장치 등의 플래시 램프 이외의 열원의 장치에도 적용할 수 있다.
1:열처리 장치 3:제어부
4:할로겐 가열부 5:플래시 가열부
6:챔버 7:유지부
10:이재 기구 65:열처리 공간
74:서셉터 75:유지 플레이트
77:기판 지지 핀 90, 290, 390, 490, 590:광확산판
91, 291, 391:오목면 491, 591:볼록면
FL:플래시 램프 HL:할로겐 램프
W:반도체 웨이퍼

Claims (6)

  1. 기판에 광을 조사함으로써 그 기판을 가열하는 열처리 장치로서,
    기판을 수용하는 챔버와,
    상기 챔버 내에서 상기 기판을 유지하는 유지부와,
    상기 챔버의 한쪽 측에 설치되고, 상기 유지부에 유지된 상기 기판에 광을 조사하는 광조사부와,
    상기 유지부와 상기 광조사부의 사이에 설치되고, 상기 기판보다 작은 평면 사이즈를 갖는 광확산판을 구비하고,
    상기 광확산판은, 상기 광확산판의 중심축과 상기 유지부에 유지된 상기 기판의 중심축이 일치하도록 설치되고,
    상기 광확산판에는, 복수의 오목 형상의 곡면이 형성되는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 곡면은 구면인 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 구면의 곡률 반경은, 상기 광확산판의 중심으로부터 주연부를 향해 커지는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  4. 기판에 광을 조사함으로써 그 기판을 가열하는 열처리 장치로서,
    기판을 수용하는 챔버와,
    상기 챔버 내에서 상기 기판을 유지하는 유지부와,
    상기 챔버의 한쪽 측에 설치되고, 상기 유지부에 유지된 상기 기판에 광을 조사하는 광조사부와,
    상기 유지부와 상기 광조사부의 사이에 설치되고, 상기 기판보다 작은 평면 사이즈를 갖는 광확산판을 구비하고,
    상기 광확산판은, 상기 광확산판의 중심축과 상기 유지부에 유지된 상기 기판의 중심축이 일치하도록 설치되고,
    상기 광확산판에는, 복수의 볼록 형상의 곡면이 형성되는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 곡면은 구면인 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광조사부는, 평면 형상으로 배열한 복수의 플래시 램프를 갖는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
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