KR20210060351A - 열처리 장치 - Google Patents

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KR20210060351A
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가부시키가이샤 스크린 홀딩스
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Abstract

[과제] 가스 링의 변색을 방지할 수 있는 열처리 장치를 제공한다.
[해결 수단] 챔버(6)의 측벽인 챔버 측부(61)의 상부에 가스 링(90)이 장착된다. 가스 링(90)은, 상부 링(91)과 하부 링(92)을 겹쳐 구성된다. 상부 링(91)과 하부 링(92) 사이의 간극이 처리 가스의 유로(97)가 된다. 유로(97)에는 래버린스 구조를 갖는 저항부가 형성된다. 내벽면(92a)을 갖는 하부 링(92)의 질량을 크게 하여 열용량을 크게 한다. 또, 하부 링(92)이 냉각된 챔버 측부(61)에 대해서 면 접촉으로 장착하여, 하부 링(92)으로부터 챔버 측부(61)로의 열 전도도를 큰 값으로 하고, 하부 링(92)에 축적되는 열량을 낮추고 있다. 이들에 의해, 열처리시에 하부 링(92)의 온도가 높아지는 것을 억제하여 가스 링(90)의 변색을 방지할 수 있다.

Description

열처리 장치{THERMAL PROCESSING APPARATUS}
본 발명은, 반도체 웨이퍼 등의 박판형상 정밀 전자 기판(이하, 단순히 「기판」으로 칭한다)에 광을 조사함으로써 당해 기판을 가열하는 열처리 장치에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 제조 프로세스에 있어서, 매우 단시간에 반도체 웨이퍼를 가열하는 플래시 램프 어닐링(FLA)이 주목받고 있다. 플래시 램프 어닐링은, 제논 플래시 램프(이하, 단순히 「플래시 램프」로 할 때에는 제논 플래시 램프를 의미한다)를 사용하여 반도체 웨이퍼의 표면에 플래시광을 조사함으로써, 반도체 웨이퍼의 표면만을 매우 단시간(수 밀리초 이하)에 승온시키는 열처리 기술이다.
제논 플래시 램프의 방사 분광 분포는 자외역으로부터 근적외역이며, 종래의 할로겐 램프보다 파장이 짧고, 실리콘의 반도체 웨이퍼의 기초 흡수대와 거의 일치하고 있다. 따라서, 제논 플래시 램프로부터 반도체 웨이퍼에 플래시광을 조사했을 때에는, 투과광이 적어 반도체 웨이퍼를 급속히 승온하는 것이 가능하다. 또, 수 밀리초 이하의 매우 단시간의 플래시광 조사라면, 반도체 웨이퍼의 표면 근방만을 선택적으로 승온할 수 있는 것도 판명되었다.
이러한 플래시 램프 어닐링은, 매우 단시간의 가열이 필요해지는 처리, 예를 들어 전형적으로는 반도체 웨이퍼에 주입된 불순물의 활성화에 이용된다. 이온 주입법에 따라 불순물이 주입된 반도체 웨이퍼의 표면에 플래시 램프로부터 플래시광을 조사하면, 당해 반도체 웨이퍼의 표면을 매우 단시간만에 활성화 온도로까지 승온할 수 있어, 불순물을 깊게 확산시키지 않고, 불순물 활성화만을 실행할 수 있는 것이다.
이러한 제논 플래시 램프를 사용한 열처리 장치로서, 특허문헌 1에는, 반도체 웨이퍼의 표면 측에 플래시 램프를 배치하고, 이면 측에 할로겐 램프 등의 연속 점등 램프를 배치하며, 그들의 조합에 의해서 원하는 열처리를 행하는 것이 개시되어 있다. 특허문헌 1에 개시된 열처리 장치에 있어서는, 할로겐 램프에 의해서 반도체 웨이퍼를 어느 정도의 온도까지 예비 가열하고, 그 후 플래시 램프로부터의 플래시광 조사에 의해서 웨이퍼 표면을 원하는 처리 온도로까지 승온하고 있다.
또, 특허문헌 1에는, 래버린스 구조를 갖는 유로를 설치한 가스 링을 열처리 장치에 구비하고, 당해 가스 링으로부터 대유량의 처리 가스를 챔버 내에 균일하게 공급하는 것이 개시되어 있다.
일본국 특허공개 2018-195686호 공보
플래시 램프 어닐링 장치에서는, 반도체 웨이퍼의 표면을 100℃ 이상으로 가열하기도 하기 때문에, 상기 가스 링 등의 챔버 내의 부품도 어느 정도 고온으로 가열된다. 할로겐 램프에 의한 예비 가열의 온도가 600℃~700℃ 정도이면, 부품의 온도 상승은 문제가 되지 않는다. 그러나, 최근, 보다 고온에서의 처리 요구도 많아, 예비 가열 온도가 800℃를 초과하는 경우도 있다. 예비 가열 온도가 800℃를 초과하면, 챔버 내의 가스 링도 고온으로 가열되어, 가스 링의 표면이 변색한다고 하는 문제가 발생한다. 가스 링의 표면이 변색하면, 그 표면의 반사율이 저하하기 때문에, 플래시광 조사시에 있어서의 반도체 웨이퍼로의 플래시광의 조도가 저하하여 웨이퍼 표면이 예정의 처리 온도에 도달하지 않게 될 우려가 있다.
본 발명은, 상기 과제를 감안하여 이루어진 것이며, 가스 링의 변색을 방지할 수 있는 열처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 청구항 1의 발명은, 기판에 광을 조사함으로써 당해 기판을 가열하는 열처리 장치로서, 원통 형상의 측벽을 갖는 챔버와, 상기 챔버 내에서 기판을 유지하는 유지부와, 상기 유지부에 유지된 상기 기판에 광을 조사하는 광조사부와, 상기 측벽에 장착되어, 상기 챔버의 외부로부터 공급된 처리 가스를 상기 챔버의 내부로 이끄는 원환 형상의 가스 링과, 상기 측벽을 냉각하는 냉각 기구를 구비하고, 상기 가스 링은, 원환 형상의 제1 링 및 원환 형상의 제2 링을 포함하며, 상기 제1 링과 상기 제2 링 사이의 간극이 상기 처리 가스의 유로가 되고, 상기 제2 링은, 상기 측벽의 직경보다 작은 직경을 갖는 원통형의 내벽면을 가지며, 적어도 상기 제2 링은 상기 측벽과 면 접촉하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 2의 발명은, 청구항 1의 발명에 따르는 열처리 장치에 있어서, 상기 제2 링은 중실재(中實材)인 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 3의 발명은, 청구항 1의 발명에 따르는 열처리 장치에 있어서, 상기 제1 링과 상기 제2 링 사이의 상기 유로에는, 상기 처리 가스의 유속을 저하시키는 래버린스 구조의 저항부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 4의 발명은, 청구항 3의 발명에 따르는 열처리 장치에 있어서, 상기 가스 링은, 상기 챔버의 외부로부터 가스 공급구를 거쳐 공급된 상기 처리 가스를 상기 저항부에 도입하는 복수의 도입 구멍을 구비하고, 상기 복수의 도입 구멍의 배치 간격은 상기 가스 공급구로부터의 거리가 길어질수록 넓어지는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 5의 발명은, 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 발명에 따르는 열처리 장치에 있어서, 상기 광조사부는, 상기 챔버의 하방으로부터 광을 조사하는 연속 점등 램프를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 6의 발명은, 청구항 5의 발명에 따르는 열처리 장치에 있어서, 상기 광조사부는, 상기 챔버의 상방으로부터 섬광을 조사하는 플래시 램프를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 7의 발명은, 기판에 광을 조사함으로써 당해 기판을 가열하는 열처리 장치로서, 원통 형상의 측벽을 갖는 챔버와, 상기 챔버 내에서 기판을 유지하는 유지부와, 상기 유지부에 유지된 상기 기판에 광을 조사하는 광조사부와, 상기 측벽에 장착되어, 상기 챔버의 외부로부터 공급된 처리 가스를 상기 챔버의 내부로 이끄는 원환 형상의 가스 링과, 상기 측벽을 냉각하는 냉각 기구를 구비하고, 상기 가스 링은, 원환 형상의 제1 링 및 원환 형상의 제2 링을 포함하며, 상기 제1 링과 상기 제2 링 사이의 간극이 상기 처리 가스의 유로가 되고, 상기 제2 링은, 상기 측벽의 직경보다 작은 직경을 갖는 원통형의 내벽면을 가지며, 상기 제2 링의 열용량 및 상기 제2 링으로부터 상기 측벽으로의 열 전도도는, 상기 광조사부로부터의 광조사에 의해서 상기 제2 링의 상기 내벽면이 변색하지 않는 값으로 되어 있는 것을 특징으로 한다.
청구항 1 내지 청구항 6의 발명에 의하면, 내벽면을 갖는 가스 링의 제2 링은 냉각된 챔버의 측벽과 면 접촉하기 때문에, 제2 링으로부터 측벽으로의 열 전도도는 높고, 제2 링이 효과적으로 냉각되어 제2 링의 온도 상승이 억제되고, 가스 링의 변색을 방지할 수 있다.
특히, 청구항 2의 발명에 의하면, 제2 링은 중실재이기 때문에, 제2 링의 질량은 크고, 제2 링의 열용량은 큰 값이 되어 제2 링의 온도 상승이 억제되고, 가스 링의 변색을 방지할 수 있다.
특히, 청구항 3의 발명에 의하면, 제1 링과 제2 링 사이의 유로에는, 처리 가스의 유속을 저하시키는 래버린스 구조의 저항부가 형성되기 때문에, 챔버에 처리 가스를 균일하게 공급할 수 있다.
특히, 청구항 4의 발명에 의하면, 복수의 도입 구멍의 배치 간격은 가스 공급구로부터의 거리가 길어질수록 넓어지기 때문에, 저항부에 처리 가스를 균일하게 도입할 수 있다.
청구항 7의 발명에 의하면, 내벽면을 갖는 가스 링의 제2 링의 열용량 및 제2 링으로부터 챔버의 측벽으로의 열 전도도는 광조사부로부터의 광조사에 의해서 제2 링의 내벽면이 변색하지 않는 값으로 되어 있기 때문에, 가스 링의 변색을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따르는 열처리 장치의 구성을 도시한 종단면도이다.
도 2는 유지부의 전체 외관을 도시한 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 도시한 평면도이다.
도 8은 가스 링의 일부를 도시한 사시도이다.
도 9는 상부 링의 외관을 도시한 사시도이다.
도 10은 하부 링의 외관을 도시한 사시도이다.
도 11은 챔버 측부에 장착된 가스 링의 단면도이다.
도 12는 가스 공급구와 도입 구멍의 배치 관계를 도시한 도면이다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시 형태에 대해 상세하게 설명한다.
도 1은, 본 발명에 따르는 열처리 장치(1)의 구성을 도시한 종단면도이다. 도 1의 열처리 장치(1)는, 기판으로서 원판 형상의 반도체 웨이퍼(W)에 대해서 플래시광 조사를 행함으로써 그 반도체 웨이퍼(W)를 가열하는 플래시 램프 어닐링 장치이다. 처리 대상이 되는 반도체 웨이퍼(W)의 사이즈는 특별히 한정되는 것은 아니나, 예를 들어 φ300mm나 φ450mm이다(본 실시 형태에서는 φ300mm). 열처리 장치(1)에 반입되기 전의 반도체 웨이퍼(W)에는 불순물이 주입되어 있고, 열처리 장치(1)에 의한 가열 처리에 의해서 주입된 불순물의 활성화 처리가 실행된다. 또한, 도 1 및 이후의 각 도면에 있어서는, 이해의 용이를 위해, 필요에 따라서 각 부의 치수나 수를 과장하거나 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 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 챔버창을 장착하여 구성되어 있다. 챔버 측부(61)는 상하가 개구된 개략 원통 형상을 갖고 있으며, 상측 개구에는 상측 챔버창(63)이 장착되어 폐색되고, 하측 개구에는 하측 챔버창(64)이 장착되어 폐색되고 있다. 챔버(6)의 천정부를 구성하는 상측 챔버창(63)은, 석영에 의해 형성된 원판 형상 부재이며, 플래시 가열부(5)로부터 출사된 플래시광을 챔버(6) 내에 투과하는 석영창으로서 기능한다. 또, 챔버(6)의 마루부를 구성하는 하측 챔버창(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 가스 링(90)이 장착되고, 하부에는 반사 링(69)이 장착되어 있다. 가스 링(90) 및 반사 링(69)은, 모두 원환형상으로 형성되어 있다. 챔버(6)의 내측 공간, 즉 상측 챔버창(63), 하측 챔버창(64), 챔버 측부(61), 반사 링(69) 및 가스 링(90)에 의해서 둘러싸이는 공간이 열처리 공간(65)으로서 규정된다.
챔버 측부(61)에 반사 링(69) 및 가스 링(90)이 장착됨으로써, 챔버(6)의 내벽면에 오목부(62)가 형성된다. 즉, 챔버 측부(61)의 내벽면 중 반사 링(69) 및 가스 링(90)이 장착되어 있지 않은 중앙 부분과, 반사 링(69)의 상단면과, 가스 링(90)의 하단면으로 둘러싸인 오목부(62)가 형성된다. 오목부(62)는, 챔버(6)의 내벽면에 수평 방향을 따라서 원환형상으로 형성되고, 반도체 웨이퍼(W)를 유지하는 유지부(7)를 위요한다.
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. 이로 인해, 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)이 뚫려 있다. 챔버 측부(61)의 외벽면의 관통 구멍(61a)이 설치되어 있는 부위에는 방사 온도계(20)가 장착되어 있다. 관통 구멍(61a)은, 후술하는 서셉터(74)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 하면으로부터 방사된 적외광을 방사 온도계(20)로 이끌기 위한 원통형상의 구멍이다. 관통 구멍(61a)은, 그 관통 방향의 축이 서셉터(74)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 주면과 교차하도록, 수평 방향에 대해서 경사져 설치되어 있다. 관통 구멍(61a)의 열처리 공간(65)에 면하는 측의 단부에는, 방사 온도계(20)가 측정 가능한 파장 영역의 적외광을 투과시키는 불화바륨 재료로 이루어지는 투명창(21)이 장착되어 있다.
또, 챔버(6)의 내벽 상부에 장착된 가스 링(90)에는 열처리 공간(65)에 처리 가스를 공급하는 가스 토출구(81)가 형성되어 있다. 가스 토출구(81)는, 가스 링(90)의 내부 공간을 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 가스 링(90)에 처리 가스가 송급되고, 가스 링(90)의 내부 공간을 통과한 처리 가스가 가스 토출구(81)로부터 열처리 공간(65)으로 토출된다. 처리 가스로는, 예를 들어 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). 또한, 가스 링(90)의 구성에 대해서는 추가로 후술한다.
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 원환형상으로 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, 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 통해 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 도시한 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 위해서 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 따라서 복수의 연결부(72)(본 실시 형태에서는 4개)가 세워 설치된다. 연결부(72)도 석영의 부재이며, 용접에 의해서 기대 링(71)에 고착된다.
서셉터(74)는 기대 링(71)에 설치된 4개의 연결부(72)에 의해서 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 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 들어, 반도체 웨이퍼(W)의 직경이 φ300mm인 경우, 가이드 링(76)의 내경은 φ320mm이다. 가이드 링(76)의 내주는, 유지 플레이트(75)로부터 상방을 향해서 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 의해서 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 의해서 설치하도록 해도 되고, 유지 플레이트(75)와 일체로 가공하도록 해도 된다.
도 2로 돌아와, 기대 링(71)에 세워 설치된 4개의 연결부(72)와 서셉터(74)의 유지 플레이트(75)의 주연부가 용접에 의해서 고착된다. 즉, 서셉터(74)와 기대 링(71)은 연결부(72)에 의해서 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) 위에 수평 자세로 재치되어 유지된다. 이때, 반도체 웨이퍼(W)는 유지 플레이트(75) 상에 세워 설치된 12개의 기판 지지핀(77)에 의해서 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 의해서 반도체 웨이퍼(W)를 수평 자세로 지지할 수 있다.
또, 반도체 웨이퍼(W)는 복수의 기판 지지핀(77)에 의해서 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 의해서 지지된 반도체 웨이퍼(W)의 수평 방향의 위치 어긋남은 가이드 링(76)에 의해서 방지된다.
또, 도 2 및 도 3에 도시한 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 위해서 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 위해서 관통하는 4개의 관통 구멍(79)이 뚫려 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 의해서 회동 가능하게 되어 있다. 수평 이동 기구(13)는, 한 쌍의 이재 아암(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 봤을 때 겹치지 않는 퇴피 위치(도 5의 이점쇄선 위치)의 사이에서 수평 이동시킨다. 수평 이동 기구(13)로는, 개별의 모터에 의해서 각 이재 아암(11)을 각각 회동시키는 것이어도 되고, 링크 기구를 이용하여 1개의 모터에 의해서 한 쌍의 이재 아암(11)을 연동시켜 회동시키는 것이어도 된다.
또, 한 쌍의 이재 아암(11)은, 승강 기구(14)에 의해서 수평 이동 기구(13)와 함께 승강 이동된다. 승강 기구(14)가 한 쌍의 이재 아암(11)을 이재 동작 위치로 상승시키면, 합계 4개의 리프트 핀(12)이 서셉터(74)에 뚫린 관통 구멍(79)(도 2, 3 참조)을 통과하여, 리프트 핀(12)의 상단이 서셉터(74)의 상면으로부터 튀어나온다. 한편, 승강 기구(14)가 한 쌍의 이재 아암(11)을 이재 동작 위치에서 하강시켜 리프트 핀(12)을 관통 구멍(79)으로부터 빼내어, 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 있으며, 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, 복수 개(본 실시 형태에서는 30개)의 제논 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 마루부를 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 통해 열처리 공간(65)에 플래시광을 조사한다.
복수의 플래시 램프(FL)는, 각각이 길이가 긴 원통 형상을 갖는 봉형 램프이며, 각각의 길이 방향이 유지부(7)에 유지되는 반도체 웨이퍼(W)의 주면을 따라서(즉 수평 방향을 따라서) 서로 평행이 되도록 평면형상으로 배열되어 있다. 따라서, 플래시 램프(FL)의 배열에 의해서 형성되는 평면도 수평면이다. 복수의 플래시 램프(FL)가 배열되는 영역은 반도체 웨이퍼(W)의 평면 사이즈보다 크다.
제논 플래시 램프(FL)는, 그 내부에 제논 가스가 봉입되고 그 양단부에 콘덴서에 접속된 양극 및 음극이 배치된 원통 형상의 유리관(방전관)과, 당해 유리 관의 외주면 상에 부설된 트리거 전극을 구비한다. 제논 가스는 전기적으로는 절연체이기 때문에, 콘덴서에 전하가 축적되어 있었다고 해도 통상의 상태에서는 유리관 내에 전기는 흐르지 않는다. 그러나, 트리거 전극에 고전압을 인가하여 절연을 파괴한 경우에는, 콘덴서에 축적되어 있던 전기가 유리관 내에 순간적으로 흘러, 그때의 제논의 원자 혹은 분자의 여기에 의해서 광이 방출된다. 이러한 제논 플래시 램프(FL)에 있어서는, 미리 콘덴서에 축적되어 있던 정전 에너지가 0.1밀리 세컨드 내지 100밀리세컨드와 같은 매우 짧은 광펄스로 변환되기 때문에, 할로겐 램프(HL)와 같은 연속 점등의 광원에 비해 매우 강한 광을 조사할 수 있다는 특징을 갖는다. 즉, 플래시 램프(FL)는, 1초 미만의 매우 짧은 시간에 순간적으로 발광하는 펄스 발광 램프이다. 또한, 플래시 램프(FL)의 발광 시간은, 플래시 램프(FL)에 전력 공급을 행하는 램프 전원의 코일 상수에 의해서 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, 하우징(41)의 내측에 복수 개(본 실시 형태에서는 40개)의 할로겐 램프(HL)를 내장하고 있다. 할로겐 가열부(4)는, 복수의 할로겐 램프(HL)에 의해서 챔버(6)의 하방으로부터 하측 챔버창(64)을 통해 열처리 공간(65)으로의 광 조사를 행하여 반도체 웨이퍼(W)를 가열하는 광조사부이다.
도 7은, 복수의 할로겐 램프(HL)의 배치를 도시한 평면도이다. 40개의 할로겐 램프(HL)는 상하 2단으로 나누어서 배치되어 있다. 유지부(7)에 가까운 상단에 20개의 할로겐 램프(HL)가 배치됨과 더불어, 상단보다 유지부(7)로부터 먼 하단에도 20개의 할로겐 램프(HL)가 배치되어 있다. 각 할로겐 램프(HL)는, 길이가 긴 원통 형상을 갖는 봉형 램프이다. 상단, 하단 모두 20개의 할로겐 램프(HL)는, 각각의 길이 방향이 유지부(7)에 유지되는 반도체 웨이퍼(W)의 주면을 따라서(즉 수평 방향을 따라서) 서로 평행이 되도록 배열되어 있다. 따라서, 상단, 하단 모두 할로겐 램프(HL)의 배열에 의해서 형성되는 평면은 수평면이다.
또, 도 7에 도시한 바와 같이, 상단, 하단 모두 유지부(7)에 유지되는 반도체 웨이퍼(W)의 중앙부에 대향하는 영역보다 주연부에 대향하는 영역에 있어서의 할로겐 램프(HL)의 배치 밀도가 높아지고 있다. 즉, 상하단 모두, 램프 배열의 중앙부보다 주연부가 할로겐 램프(HL)의 배치 피치가 짧다. 이로 인해, 할로겐 가열부(4)로부터의 광조사에 의한 가열시에 온도 저하가 생기기 쉬운 반도체 웨이퍼(W)의 주연부에 보다 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 배치되어 있다.
할로겐 램프(HL)는, 원통 형상의 유리관 내부에 배치된 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 있다고 하는 특성을 갖는다. 즉, 할로겐 램프(HL)는 적어도 1초 이상 연속하여 발광하는 연속 점등 램프이다. 또, 할로겐 램프(HL)는 봉형 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 측에 반사한다.
다음으로, 가스 링(90)의 구성에 대해 설명을 계속한다. 도 8은, 가스 링(90)의 일부를 도시한 사시도이다. 개략 원통 형상의 챔버 측부(61)의 내벽면 상부에 장착되는 가스 링(90)은 원환 형상을 갖는다. 가스 링(90)은, 그 중심이 챔버 측부(61)의 중심과 일치하도록 장착된다. 즉, 가스 링(90)의 직경 방향 및 둘레 방향과 챔버 측부(61)의 직경 방향 및 둘레 방향은 일치한다. 가스 링(90)은, 상부 링(제1 링)(91)과 하부 링(제2 링)(92)을 구비한다. 도 9는, 상부 링(91)의 외관을 도시한 사시도이다. 또, 도 10은, 하부 링(92)의 외관을 도시한 사시도이다. 상부 링(91) 및 하부 링(92)은 모두 원환 형상을 갖는다. 상부 링(91)과 하부 링(92)이 겹쳐 가스 링(90)이 형성된다.
도 11은, 챔버 측부(61)에 장착된 가스 링(90)의 단면도이다. 동 도면에 도시한 바와 같이, 가스 링(90)을 구성하는 상부 링(91) 및 하부 링(92)은 모두 챔버(6)의 측벽인 챔버 측부(61)에 대해서 면 접촉으로 장착되어 있다. 따라서, 상부 링(91) 및 하부 링(92)과 챔버 측부(61) 사이의 열 전도도는 큰 값이 된다. 챔버 측부(61)에는 수냉관(67)이 휘돌도록 배치되어 있다. 수냉관(67)에는 도시 생략된 냉각수 공급 기구로부터 냉각수가 공급된다. 즉, 챔버 측부(61)는 수냉벽이다. 수냉관(67)에 냉각수가 공급됨으로써, 챔버 측부(61)와 면 접촉으로 장착되어 있는 상부 링(91) 및 하부 링(92)도 냉각되게 된다.
또, 도 11에 도시한 바와 같이, 하부 링(92)에는 열처리 공간(65)에 면하는 내벽면(92a)이 형성되어 있다. 하부 링(92)의 내벽면(92a)은, 챔버 측부(61)의 직경보다 작은 직경을 갖는 원통형상으로 형성되어 있다. 즉, 하부 링(92)의 내벽면(92a)은 챔버 측부(61)보다 서셉터(74)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 근처까지 튀어나와 있다. 하부 링(92)의 내벽면(92a)의 직경은 예를 들어 φ390mm이다. 원통형상의 내벽면(92a)을 갖는 하부 링(92)은 내부에 공간이 존재하지 않는 중실재로 되어 있고, 상부 링(91)과 비교하여 질량이 크다.
원환 형상의 상부 링(91)과 하부 링(92)이 겹쳐친 구조에 있어서, 상부 링(91)과 하부 링(92) 사이에는 간극이 존재한다. 이 간극이 처리 가스를 이끄는 유로(97)가 된다. 유로(97)에는 래버린스 구조를 갖는 저항부가 형성되어 있다. 구체적으로는, 상부 링(91)에 하측을 향해서 튀어나오도록 형성된 복수의 동심원의 원통형상 벽과, 하부 링(92)에 상측을 향해서 튀어나오도록 형성된 복수의 동심원의 원통형상 벽이 소정의 간격을 두고 번갈아 조합됨으로써 저항부가 형성된다. 이러한 래버린스 구조의 저항부가 형성됨으로써, 유로(97)는 가스 링(90)의 직경 방향을 따라서 굴곡한 경로가 된다.
가스 공급관(83)을 거쳐 송급된 처리 가스는 가스 공급구(82)로부터 가스 링(90)의 유로(97)에 공급된다. 가스 공급구(82)로부터 유로(97)에 유입한 처리 가스는 복수의 도입 구멍(93)을 거쳐 유로(97)의 저항부에 도입된다. 유로(97)의 저항부를 통과한 처리 가스는, 유로(97)의 선단에 형성된 가스 토출구(81)로부터 챔버(6) 내의 열처리 공간(65)에 공급된다.
도 12는, 가스 공급구(82)와 도입 구멍(93)의 배치 관계를 도시한 도면이다. 원환 형상의 가스 링(90)에는, 180° 떨어진 서로 대향하는 위치에 2개의 가스 공급관(83)이 접속되어 있다. 즉, 가스 공급구(82)는 180° 간격으로 2개소 설치되어 있다. 가스 링(90)에는, 2개소의 가스 공급구(82)를 거쳐 공급된 처리 가스를 유로(97)의 저항부에 도입하는 복수의 도입 구멍(93)이 설치되어 있다. 도 12에 도시한 바와 같이, 복수의 도입 구멍(93)의 배치 간격은, 각 가스 공급구(82)로부터의 거리가 길어질수록 넓어진다. 복수의 도입 구멍(93)을 이와 같이 배치함으로써, 2개소의 가스 공급구(82)로부터 공급된 처리 가스를 균일하게 유로(97)로 이끌 수 있다.
도 1로 되돌아와, 제어부(3)는, 열처리 장치(1)에 설치된 상기의 여러 가지의 동작 기구를 제어한다. 제어부(3)의 하드웨어로서의 구성은 일반적인 컴퓨터와 같다. 즉, 제어부(3)는, 각종 연산 처리를 행하는 회로인 CPU, 기본 프로그램을 기억하는 읽어내기 전용의 메모리인 ROM, 각종 정보를 저장하는 읽고 쓰기 자유로운 메모리인 RAM 및 제어용 소프트웨어나 데이터 등을 저장해 두는 자기 디스크를 구비하고 있다. 제어부(3)의 CPU가 소정의 처리 프로그램을 실행함으로써 열처리 장치(1)에 있어서의 처리가 진행한다.
다음으로, 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 플래시광 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 진행한다.
우선, 급기를 위한 밸브(84)가 개방됨과 더불어, 배기용의 밸브(89, 192)가 개방되어 챔버(6) 내에 대한 급배기가 개시된다. 밸브(84)가 개방되면, 처리 가스 공급원(85)으로부터 가스 링(90)에 처리 가스로서의 질소 가스가 송급되고, 가스 링(90)의 내부 공간을 통과한 질소 가스가 가스 토출구(81)로부터 열처리 공간(65)으로 토출된다. 또, 밸브(89)가 개방되면, 가스 배기 구멍(86)으로부터 챔버(6) 내의 기체가 배기된다. 이로써, 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 의해서 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 있고, 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 통해 이온 주입 후의 반도체 웨이퍼(W)가 챔버(6) 내의 열처리 공간(65)에 반입된다. 이때에는, 반도체 웨이퍼(W)의 반입에 수반하여 장치 외부의 분위기를 유입시킬 우려가 있으나, 챔버(6)에는 질소 가스가 계속 공급되고 있기 때문에, 반송 개구부(66)로부터 질소 가스가 유출되어, 그러한 외부 분위기의 유입을 최소한으로 억제할 수 있다.
반송 로봇에 의해서 반입된 반도체 웨이퍼(W)는 유지부(7)의 바로 윗쪽 위치까지 진출하여 정지한다. 그리고, 이재 기구(10)의 한 쌍의 이재 아암(11)이 퇴피 위치로부터 이재 동작 위치에 수평 이동하여 상승함으로써, 리프트 핀(12)이 관통 구멍(79)을 지나 서셉터(74)의 유지 플레이트(75)의 상면으로부터 튀어나와 반도체 웨이퍼(W)를 수취한다. 이때, 리프트 핀(12)은 기판 지지핀(77)의 상단보다 상방으로까지 상승한다.
반도체 웨이퍼(W)가 리프트 핀(12)에 재치된 후, 반송 로봇이 열처리 공간(65)으로부터 퇴출하여, 게이트 밸브(185)에 의해서 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 의해서 지지되어 서셉터(74)에 유지된다. 또, 반도체 웨이퍼(W)는, 패턴 형성이 이루어져 불순물이 주입된 표면을 상면으로 하여 유지부(7)에 유지된다. 복수의 기판 지지핀(77)에 의해서 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 의해서 퇴피 위치, 즉 오목부(62)의 내측으로 퇴피한다.
반도체 웨이퍼(W)가 석영으로 형성된 유지부(7)의 서셉터(74)에 의해서 수평 자세로 하방으로부터 유지된 후, 할로겐 가열부(4)의 40개의 할로겐 램프(HL)가 일제히 점등하여 예비 가열(어시스트 가열)이 개시된다. 할로겐 램프(HL)로부터 출사된 할로겐광은, 석영으로 형성된 하측 챔버창(64) 및 서셉터(74)를 투과하여 반도체 웨이퍼(W)의 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(20)에 의해서 측정되고 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 중의 웨이퍼 온도를 측정한다. 측정된 반도체 웨이퍼(W)의 온도는 제어부(3)에 전달된다. 제어부(3)는, 할로겐 램프(HL)로부터의 광조사에 의해서 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 측정값에 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℃ 정도가 된다(본 실시 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)에 잠시 유지한다. 구체적으로는, 방사 온도계(20)에 의해서 측정되는 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 예비 가열 온도(T1)에 도달한 시점에서 제어부(3)가 할로겐 램프(HL)의 출력을 조정하여, 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 대체로 예비 가열 온도(T1)에 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 생기기 쉬운 반도체 웨이퍼(W)의 주연부의 온도가 중앙부보다 저하하는 경향이 있는데, 할로겐 가열부(4)에 있어서의 할로겐 램프(HL)의 배치 밀도는, 기판(W)의 중앙부에 대향하는 영역보다 주연부에 대향하는 영역이 높아지고 있다. 이로 인해, 방열이 생기기 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 플래시광 조사를 행한다. 이때, 플래시 램프(FL)로부터 방사되는 플래시광의 일부는 직접 챔버(6) 내로 향하며, 다른 일부는 일단 리플렉터(52)에 의해 반사되고 나서 챔버(6) 내로 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 매우 짧은 광펄스로 변환된, 조사 시간이 0.1밀리세컨드 이상 100밀리세컨드 이하 정도의 매우 짧고 강한 섬광이다. 그리고, 플래시 램프(FL)로부터의 플래시광 조사에 의해 플래시 가열되는 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도는, 순간적으로 1000℃ 이상의 처리 온도(T2)까지 상승하여, 반도체 웨이퍼(W)에 주입된 불순물이 활성화된 후, 표면 온도가 급속히 하강한다. 이와 같이, 열처리 장치(1)에서는, 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도를 매우 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 시간에 비해 매우 짧기 때문에, 0.1밀리세컨드 내지 100밀리세컨드 정도의 확산이 생기지 않는 단시간이어도 활성화는 완료한다.
플래시 가열 처리가 종료한 후, 소정 시간 경과 후에 할로겐 램프(HL)가 소등한다. 이로써, 반도체 웨이퍼(W)가 예비 가열 온도(T1)로부터 급속히 강온한다. 강온 중의 반도체 웨이퍼(W)의 온도는 방사 온도계(20)에 의해서 측정되고, 그 측정 결과는 제어부(3)에 전달된다. 제어부(3)는, 방사 온도계(20)의 측정 결과로부터 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 소정 온도까지 강온했는지의 여부를 감시한다. 그리고, 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 소정 이하까지 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 튀어나와 열처리 후의 반도체 웨이퍼(W)를 서셉터(74)로부터 수취한다. 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 완료한다.
본 실시 형태에 있어서는, 챔버 측부(61)의 상부에 장착된 가스 링(90)으로부터 챔버(6) 내에 질소 가스를 공급하도록 하고 있다. 처리 가스 공급원(85)으로부터 2개의 가스 공급관(83)을 거쳐 송급된 질소 가스는 가스 공급구(82)로부터 가스 링(90)의 유로(97)에 공급된다. 가스 공급구(82)로부터 유로(97)에 유입한 질소 가스는 복수의 도입 구멍(93)을 거쳐 유로(97)의 저항부에 도입된다. 가스 링(90)의 외부로부터 공급된 질소 가스는 래버린스 구조의 저항부로부터 저항을 받음으로써 유속이 저하함과 더불어, 가스 링(90)의 둘레 방향을 따라서 확산되면서 직경 방향을 따라서 외주 측으로부터 내주 측을 향해 흐르고, 슬릿형상의 가스 토출구(81)로부터 챔버(6) 내로 토출된다. 이로써, 가스 링(90)에 대유량의 질소 가스를 공급했다고 해도, 가스 토출구(81)로부터 챔버(6) 내로 균일하게 질소 가스가 토출된다.
또, 가스 링(90)의 하부 링(92)은, 서셉터(74)에 지지된 반도체 웨이퍼(W)에 근접하는 원통형상의 내벽면(92a)을 구비하고 있다. 따라서, 하부 링(92)의 내벽면(92a)은, 할로겐 램프(HL)에 의해서 가열되고 있는 반도체 웨이퍼(W) 등으로부터 복사열을 받게 된다. 여기서, 가스 링(90)의 하부 링(92)에 축적되는 열량(Q)은 다음의 식 (1)에 의해서 표시된다.
Figure pat00001
식 (1)에 있어서, Qh는 반도체 웨이퍼(W) 등의 주변 환경으로부터 하부 링(92)이 수취하는 열량이다. 또, Qt는 하부 링(92)으로부터 주변에 전해지는 전열량이며, Qc는 챔버(6) 내의 대류에 의해서 하부 링(92)으로부터 빼앗기는 열량이며, Qr은 하부 링(92)으로부터 방사되는 열량이다. 즉, 하부 링(92)이 수취하는 열량(Qh)으로부터 하부 링(92)이 방출하는 열량(Qt＋Qc＋Qr)을 뺀 값이 하부 링(92)에 축적되는 열량(Q)이다.
한편, 하부 링(92)에 축적되는 열량(Q)과 하부 링(92)의 온도 사이에는 다음의 식 (2)가 성립한다.
Figure pat00002
식 (2)에 있어서, C는 하부 링(92)의 열용량이고, T2는 하부 링(92)의 승온 후의 온도이며, T1은 하부 링(92)의 승온 전의 온도이다. 열용량(C)은, 하부 링(92)의 질량(m)과 비열(c)의 곱으로 표시된다. 여기서, 승온 전의 하부 링(92)의 온도(T1)를 23℃로 하면, 승온 후의 하부 링(92)의 온도(T2)는 다음의 식 (3)으로 표시된다.
Figure pat00003
이 승온 후의 하부 링(92)의 온도(T2)가 임계 온도(Td)를 초과하면, 하부 링(92)의 내벽면(92a)이 변색한다. 하부 링(92)의 내벽면(92a)이 변색하면, 그 내벽면(92a)의 반사율이 저하하여, 플래시 램프(FL)로부터 출사되고 내벽면(92a)에서 반사하는 플래시광의 광량이 저하한다. 그 결과, 플래시광 조사시에 있어서의 반도체 웨이퍼(W)로의 플래시광의 조도가 저하하여 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도가 예정된 처리 온도(T2)에 도달하지 않게 될 우려가 있다.
이로 인해, 반도체 웨이퍼(W) 등에 의해서 가열되는 하부 링(92)의 온도(T2)가 임계 온도(Td)를 초과하지 않도록 할 필요가 있다. 식 (3)으로부터 명백하듯이, 온도(T2)가 임계 온도(Td)를 초과하지 않도록 하기 위해서는, 하부 링(92)의 열용량(C)을 크게 하거나, 및/또는, 하부 링(92)에 축적되는 열량(Q)을 낮출 필요가 있다.
하부 링(92)의 열용량(C)은, 하부 링(92)의 질량(m)과 비열(c)의 곱이다. 비열(c)은, 하부 링(92)의 재질(본 실시 형태에서는 스테인리스 스틸)의 고유의 파라미터이기 때문에, 열용량(C)을 크게 하기 위해서는, 하부 링(92)의 질량(m)을 크게 할 필요가 있다. 본 실시 형태에 있어서는, 하부 링(92)은 내부에 공간이 존재하지 않는 중실재로 되어 있기 때문에(도 11), 하부 링(92)의 질량(m)은 상대적으로 크고, 열용량(C)을 큰 값으로 할 수 있다.
또, 식 (1)로 표시되는 파라미터 중, 하부 링(92)이 수취하는 열량(Qh), 대류에 의해 빼앗기는 열량(Qc), 및, 방사되는 열량(Qr)은 고정의 값이다. 따라서, 하부 링(92)에 축적되는 열량(Q)을 낮추기 위해서는, 하부 링(92)으로부터 주변으로 전해지는 전열량(Qt)을 크게 할 필요가 있다. 본 실시 형태에 있어서는, 하부 링(92)을 냉각된 챔버 측부(61)에 대해서 면 접촉으로 장착하고, 하부 링(92)으로부터 챔버 측부(61)로의 열 전도도를 큰 값으로 하여 하부 링(92)을 효과적으로 냉각하고 있다. 그 결과, 하부 링(92)으로부터 주변으로 전해지는 전열량(Qt)을 크게 하여 하부 링(92)에 축적되는 열량(Q)을 낮출 수 있다.
이와 같이, 본 실시 형태의 가스 링(90)에서는, 하부 링(92)의 열용량(C)을 크게 함과 더불어, 하부 링(92)에 축적되는 열량(Q)을 낮추어 승온 후의 하부 링(92)의 온도(T2)가 높아지는 것을 억제하고 있다. 이로써, 하부 링(92)의 온도(T2)가 변색의 임계 온도(Td)를 초과하지 않으며, 하부 링(92)의 내벽면(92a)의 변색을 방지할 수 있다. 환언하면, 하부 링(92)의 열용량(C) 및 하부 링(92)으로부터 챔버 측부(61)로의 열 전도도를 할로겐 램프(HL)로부터의 광조사시에 하부 링(92)의 내벽면(92a)이 변색하지 않는 값으로 하고 있다. 그 결과, 가스 링(90)의 변색을 방지할 수 있는 것이다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대해 설명했는데, 이 발명은 그 취지를 일탈하지 않는 한에 있어서 상기 서술한 것 이외에 여러 가지의 변경을 행하는 것이 가능하다. 예를 들어, 상기 실시 형태에 있어서는, 유로(97)의 저항부를 복수의 동심원의 원통형상 벽을 조합한 래버린스 구조로 하고 있었는데, 이것에 한정되는 것은 아니다. 유로(97)의 저항부는, 예를 들어 복수의 기둥형상 부재를 세워 설치하는 구조, 또는, 다수의 관통 구멍을 뚫은 판형상 부재를 설치하는 구조 등이어도 된다. 혹은, 유로(97)의 저항부에, 기체를 일시적으로 저류하는 공간인 버퍼를 포함하게 하도록 해도 된다. 요컨데, 유로(97)의 저항부는, 가스 공급관(83)을 거쳐 송급된 처리 가스를 균일하게 챔버(6) 내에 공급할 수 있는 구조이면 된다.
또, 상기 실시 형태에 있어서는, 플래시 가열부(5)에 30개의 플래시 램프(FL)를 구비도록 하고 있었는데, 이것에 한정되는 것이 아니며, 플래시 램프(FL)의 개수는 임의의 수로 할 수 있다. 또, 플래시 램프(FL)는 제논 플래시 램프에 한정되는 것이 아니며, 크립톤 플래시 램프여도 된다. 또, 할로겐 가열부(4)에 구비하는 할로겐 램프(HL)의 개수도 40개에 한정되는 것이 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 있었는데, 이것에 한정되는 것이 아니며, 할로겐 램프(HL)를 대신하여 방전형의 아크 램프(예를 들어, 제논 아크 램프)를 연속 점등 램프로서 이용하여 예비 가열을 행하도록 해도 된다.
또, 열처리 장치(1)에 의해서 처리 대상이 되는 기판은 반도체 웨이퍼에 한정되는 것이 아니며, 액정 표시 장치 등의 플랫 패널 디스플레이에 이용하는 유리 기판이나 태양 전지용의 기판이어도 된다.
1 열처리 장치
3 제어부
4 할로겐 가열부
5 플래시 가열부
6 챔버
7 유지부
10 이재 기구
20 방사 온도계
63 상측 챔버창
64 하측 챔버창
65 열처리 공간
67 수냉관
74 서셉터
81 가스 토출구
82 가스 공급구
83 가스 공급관
90 가스 링
91 상부 링
92 하부 링
92a 내벽면
93 도입 구멍
97 유로
FL 플래시 램프
HL 할로겐 램프
W 반도체 웨이퍼

Claims (7)

  1. 기판에 광을 조사함으로써 당해 기판을 가열하는 열처리 장치로서,
    원통 형상의 측벽을 갖는 챔버와,
    상기 챔버 내에서 기판을 유지하는 유지부와,
    상기 유지부에 유지된 상기 기판에 광을 조사하는 광조사부와,
    상기 측벽에 장착되어, 상기 챔버의 외부로부터 공급된 처리 가스를 상기 챔버의 내부로 이끄는 원환 형상의 가스 링과,
    상기 측벽을 냉각하는 냉각 기구
    를 구비하고,
    상기 가스 링은, 원환 형상의 제1 링 및 원환 형상의 제2 링을 포함하며,
    상기 제1 링과 상기 제2 링 사이의 간극이 상기 처리 가스의 유로가 되고,
    상기 제2 링은, 상기 측벽의 직경보다 작은 직경을 갖는 원통형의 내벽면을 가지며,
    적어도 상기 제2 링은 상기 측벽과 면 접촉하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 링은 중실재(中實材)인 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 링과 상기 제2 링 사이의 상기 유로에는, 상기 처리 가스의 유속을 저하시키는 래버린스 구조의 저항부가 형성되는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 가스 링은, 상기 챔버의 외부로부터 가스 공급구를 거쳐 공급된 상기 처리 가스를 상기 저항부에 도입하는 복수의 도입 구멍을 구비하고,
    상기 복수의 도입 구멍의 배치 간격은 상기 가스 공급구로부터의 거리가 길어질수록 넓어지는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광조사부는, 상기 챔버의 하방으로부터 광을 조사하는 연속 점등 램프를 포함하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 광조사부는, 상기 챔버의 상방으로부터 섬광을 조사하는 플래시 램프를 포함하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  7. 기판에 광을 조사함으로써 당해 기판을 가열하는 열처리 장치로서,
    원통 형상의 측벽을 갖는 챔버와,
    상기 챔버 내에서 기판을 유지하는 유지부와,
    상기 유지부에 유지된 상기 기판에 광을 조사하는 광조사부와,
    상기 측벽에 장착되어, 상기 챔버의 외부로부터 공급된 처리 가스를 상기 챔버의 내부로 이끄는 원환 형상의 가스 링과,
    상기 측벽을 냉각하는 냉각 기구
    를 구비하고,
    상기 가스 링은, 원환 형상의 제1 링 및 원환 형상의 제2 링을 포함하며,
    상기 제1 링과 상기 제2 링 사이의 간극이 상기 처리 가스의 유로가 되고,
    상기 제2 링은, 상기 측벽의 직경보다 작은 직경을 갖는 원통형의 내벽면을 가지며,
    상기 제2 링의 열용량 및 상기 제2 링으로부터 상기 측벽으로의 열 전도도는, 상기 광조사부로부터의 광조사에 의해서 상기 제2 링의 상기 내벽면이 변색하지 않는 값으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
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