TW201709336A - 熱處理裝置及熱處理方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種可減少腔室內之污染之熱處理裝置及熱處理方法。 自鹵素燈HL對在腔室6內由基座74保持之半導體晶圓W之下表面進行光照射而預加熱之後，自閃光燈FL對上表面照射閃光而進行閃光加熱。將自氣體供給源85送給之處理氣體藉由加熱器22加熱並供給至腔室6內。又，藉由流量調整閥21增加供給至腔室6內之處理氣體之流量。藉由向腔室6內大流量地供給高溫之處理氣體而形成該氣流，可將於加熱處理時自半導體晶圓W之膜擴散之污染物質排出至腔室6外而減少腔室6內之污染。

Description

熱處理裝置及熱處理方法
本發明係關於一種藉由對半導體晶圓等薄板狀精密電子基板(以下簡稱為「基板」)照射光而加熱該基板之熱處理裝置及熱處理方法。
於半導體元件之製造製程中，雜質導入係用以於半導體晶圓內形成pn接面所必需之步驟。當前，雜質導入一般係藉由離子注入法與其後之退火法而進行。離子注入法係使硼(B)、砷(As)、磷(P)等雜質之元素離子化並利用高加速電壓使其碰撞至半導體晶圓而物理性地進行雜質注入之技術。所注入之雜質藉由退火處理而活化。此時，若退火時間為數秒程度以上，則所注入之雜質因熱而深入擴散，其結果有接合深度較要求過深而對良好之元件形成造成妨礙之虞。
因此，作為於極短時間內加熱半導體晶圓之退火技術，近年來閃光燈退火(FLA)受到關注。閃光燈退火係藉由使用氙閃光燈(以下，於簡稱為「閃光燈」時係指氙閃光燈)對半導體晶圓之表面照射閃光，而僅使注入有雜質之半導體晶圓之表面於極短時間內(數毫秒以下)升溫之熱處理技術。
氙閃光燈之放射分光分佈為紫外線區至近紅外線區，相較於先前之鹵素燈，波長較短，與矽之半導體晶圓之基礎吸收帶大致一致。因此，於自氙閃光燈對半導體晶圓照射閃光時，透過光較少而可使半 導體晶圓急速地升溫。又，亦判明，若為數毫秒以下之極短時間之閃光照射，則可選擇性地僅使半導體晶圓之表面附近升溫。因此，若為利用氙閃光燈所進行之極短時間之升溫，則可不使雜質深入擴散，而僅執行雜質活化。
作為使用此種氙閃光燈之熱處理裝置，於專利文獻1、2中，揭示有如下裝置：於半導體晶圓之正面側配置閃光燈等脈衝發光燈，於背面側配置鹵素燈等連續點亮燈，藉由該等之組合而進行所需之熱處理。於專利文獻1、2中所揭示之熱處理裝置中，藉由鹵素燈等將半導體晶圓預加熱至某種程度之溫度，其後藉由來自閃光燈之脈衝加熱而升溫至所需之處理溫度。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開昭60-258928號公報
[專利文獻2]日本專利特表2005-527972號公報
於成為閃光燈退火之處理對象之半導體晶圓，有時亦形成有光阻膜等各種膜。若對此種附帶膜之半導體晶圓照射閃光而進行加熱處理，則有時會污染收容半導體晶圓之腔室之內壁或基座等腔室內的構造物。推定其原因為，由於成膜於半導體晶圓之各種膜因閃光加熱而燃燒，故而碳系之污染物質附著於腔室內之構造物。
若腔室內構造物被污染，則其本身成為對後續之半導體晶圓之污染源。又，雖在光照射時於腔室之內壁面反射之光亦會照射至半導體晶圓，但若腔室之內壁面被污染，則因污染部位反射率降低，故光照射時之半導體晶圓之面內溫度分佈變得不均勻。如此一來，亦會產生如下問題：對閃光加熱處理之處理結果產生影響，並且，於半導體 晶圓產生因不均勻之溫度分佈而引起之翹曲。進而，如專利文獻1、2中所揭示般，於在半導體晶圓之兩面配置有燈之情形時，若基座被污染，則亦會產生光之透過率降低之問題。
本發明係鑒於上述問題而完成者，其目的在於提供一種可減少腔室內之污染之熱處理裝置及熱處理方法。
為解決上述問題，技術方案1之發明係藉由對基板照射光而加熱該基板之熱處理裝置，其特徵在於包含：腔室，其收容基板；基座，其於上述腔室內支持基板；光照射部，其對支持於上述基座之基板照射光；氣體供給部，其上述腔室內供給處理氣體；及氣體加熱部，其對自上述氣體供給部供給至上述腔室之上述處理氣體進行加熱。
又，技術方案2之發明係如技術方案1之發明之熱處理裝置，其特徵在於：上述氣體加熱部以供給至上述腔室內之上述處理氣體成為100℃以上之方式加熱上述處理氣體。
又，技術方案3之發明係如技術方案1之發明之熱處理裝置，其特徵在於：上述處理氣體為氮氣、氧氣或氬氣。
又，技術方案4之發明係如技術方案1之發明之熱處理裝置，其特徵在於：進而具備流量增加部，該流量增加部增加自上述氣體供給部供給至上述腔室之上述處理氣體之流量。
又，技術方案5之發明係如技術方案1至4中任一項之發明之熱處理裝置，其特徵在於：上述光照射部包含自上述腔室之一側對基板照射閃光之閃光燈。
又，技術方案6之發明係如技術方案5之發明之熱處理裝置，其特徵在於：上述光照射部進而包含自上述腔室之另一側對基板照射光之鹵素燈。
又，技術方案7之發明係藉由對基板照射光而加熱該基板之熱處 理方法，其特徵在於包括：支持步驟，其係利用腔室內之基座支持基板；氣體供給步驟，其係對上述腔室內供給處理氣體；及光照射步驟，其係對支持於上述基座之基板照射光；且上述氣體供給步驟包括氣體加熱步驟，該氣體加熱步驟係對供給至上述腔室之上述處理氣體進行加熱。
又，技術方案8之發明係如技術方案7之發明之熱處理方法，其特徵在於：於上述氣體加熱步驟中，以供給至上述腔室內之上述處理氣體成為100℃以上之方式加熱上述處理氣體。
又，技術方案9之發明係如技術方案7之發明之熱處理方法，其特徵在於：上述處理氣體為氮氣、氧氣或氬氣。
又，技術方案10之發明係如技術方案7之發明之熱處理方法，其特徵在於：上述氣體供給步驟包括流量增加步驟，該流量增加步驟係增加供給至上述腔室之上述處理氣體之流量。
又，技術方案11之發明係如技術方案7至10中任一項之發明之熱處理方法，其特徵在於：於上述光照射步驟中，自上述腔室之一側藉由閃光燈對基板照射閃光。
又，技術方案12之發明係如技術方案11之發明之熱處理方法，其特徵在於：於上述光照射步驟中，進而自上述腔室之另一側藉由鹵素燈對基板照射光。
根據技術方案1至技術方案6之發明，因對供給至腔室之處理氣體進行加熱，故可於腔室內形成高溫之處理氣流，而將於加熱處理時自基板擴散之污染物質排出至腔室外而減少腔室內之污染。
特別是，根據技術方案4之發明，因增加供給至腔室之處理氣體之流量，故可將污染物質更有效地排出至腔室外。
根據技術方案7至技術方案12之發明，因對供給至腔室之處理氣 體進行加熱，故可於腔室內形成高溫之處理氣流，而將於加熱處理時自基板擴散之污染物質排出至腔室外而減少腔室內之污染。
特別是，根據技術方案10之發明，因增加供給至腔室之處理氣體之流量，故可將污染物質更有效地排出至腔室外。
1‧‧‧熱處理裝置
3‧‧‧控制部
4‧‧‧鹵素加熱部
5‧‧‧閃光加熱部
6‧‧‧腔室
7‧‧‧保持部
10‧‧‧移載機構
11‧‧‧移載臂
12‧‧‧頂起銷
13‧‧‧水平移動機構
14‧‧‧升降機構
21‧‧‧流量調整閥
22‧‧‧加熱器
51‧‧‧殼體
52‧‧‧反射器
53‧‧‧燈光放射窗
61‧‧‧腔室側部
62‧‧‧凹部
63‧‧‧上側腔室窗
64‧‧‧下側腔室窗
65‧‧‧熱處理空間
66‧‧‧搬送開口部
68‧‧‧反射環
69‧‧‧反射環
71‧‧‧基台環
72‧‧‧連結部
74‧‧‧基座
76‧‧‧導銷
77‧‧‧切口部
78‧‧‧開口部
79‧‧‧貫通孔
81‧‧‧氣體供給孔
82‧‧‧緩衝空間
83‧‧‧氣體供給管
84‧‧‧閥
85‧‧‧氣體供給源
86‧‧‧氣體排氣孔
87‧‧‧緩衝空間
88‧‧‧氣體排氣管
89‧‧‧閥
120‧‧‧放射溫度計
130‧‧‧接觸式溫度計
185‧‧‧閘閥
190‧‧‧排氣部
191‧‧‧氣體排氣管
192‧‧‧閥
FL‧‧‧閃光燈
HL‧‧‧鹵素燈
W‧‧‧半導體晶圓
圖1係表示本發明之熱處理裝置之構成的縱截面圖。
圖2係表示保持部之整體外觀之立體圖。
圖3係自上面觀察保持部之俯視圖。
圖4係自側方觀察保持部之側視圖。
圖5係移載機構之俯視圖。
圖6係移載機構之側視圖。
圖7係表示複數個鹵素燈之配置之俯視圖。
以下，一面參照圖式，一面詳細地說明本發明之實施形態。
圖1係表示本發明之熱處理裝置1之構成的縱截面圖。本實施形態之熱處理裝置1係藉由對作為基板之圓板形狀之半導體晶圓W進行閃光照射而加熱該半導體晶圓W之閃光燈退火裝置。成為處理對象之半導體晶圓W之尺寸並無特別限定，例如為Φ300mm或Φ450mm。於被搬入至熱處理裝置1之前之半導體晶圓W中注入有雜質，藉由利用熱處理裝置1所進行之加熱處理而執行雜質之活化處理。再者，於圖1及以下各圖中，為容易理解，視需要誇張或簡化地描繪出各部之尺寸或數量。
熱處理裝置1具備：腔室6，其收容半導體晶圓W；閃光加熱部5，其內置複數個閃光燈FL；及鹵素加熱部4，其內置複數個鹵素燈HL。於腔室6之上側設置有閃光加熱部5，並且於下側設置有鹵素加熱部4。又，熱處理裝置1於腔室6之內部具備：保持部7，其將半導體 晶圓W保持為水平姿勢；及移載機構10，其於保持部7與裝置外部之間進行半導體晶圓W之交接。又，熱處理裝置1具備腔室6內供給被加熱之處理氣體之機構。進而，加熱處理裝置1具備控制部3，該控制部3控制鹵素加熱部4、閃光加熱部5及設置於腔室6之各動作機構而執行半導體晶圓W之熱處理。
腔室6係於筒狀之腔室側部61之上下安裝石英製之腔室窗而構成。腔室側部61具有上下開口之概略筒形狀，於上側開口安裝有上側腔室窗63而封閉，於下側開口安裝有下側腔室窗64而封閉。構成腔室6之頂壁之上側腔室窗63係藉由石英所形成之圓板形狀構件，作為使自閃光加熱部5出射之閃光透過至腔室6內之石英窗發揮功能。又，構成腔室6之底部之下側腔室窗64亦係藉由石英所形成之圓板形狀構件，作為使自鹵素加熱部4之光透過至腔室6內之石英窗發揮功能。
又，於腔室側部61之內側之壁面之上部安裝有反射環68，於下部安裝有反射環69。反射環68、69均形成為圓環狀。上側之反射環68藉由自腔室側部61之上側嵌入而安裝。另一方面，下側之反射環69藉由自腔室側部61之下側嵌入且利用省略圖示之螺釘固定而安裝。即，反射環68、69均係裝卸自如地安裝於腔室側部61者。將腔室6之內側空間，即由上側腔室窗63、下側腔室窗64、腔室側部61及反射環68、69包圍之空間規定為熱處理空間65。
藉由於腔室側部61安裝反射環68、69，而於腔室6之內壁面形成凹部62。即，形成由腔室內側61之內壁面中之未安裝反射環68、69之中央部分、反射環68之下端面、及反射環69之上端面所包圍之凹部62。凹部62於腔室6之內壁面沿水平方向形成圓環狀，圍繞保持半導體晶圓W之保持部7。
腔室側部61及反射環68、69係由強度與耐熱性優異之金屬材料(例如不鏽鋼)形成。又，反射環68、69之內周面藉由電解鍍鎳而製成 鏡面。
又，於腔室側部61，形成設置有用以相對於腔室6進行半導體晶圓W之搬入及搬出之搬送開口部(爐口)66。搬送開口部66藉由閘閥185而可開閉。搬送開口部66連通連接於凹部62之外周面。因此，於閘閥185將搬送開口部66打開時，可進行自搬送開口部66通過凹部62向熱處理空間65之半導體晶圓W之搬入及自熱處理空間65之半導體晶圓W之搬出。又，若閘閥185將搬送開口部66關閉，則腔室6內之熱處理空間65成為密閉空間。
又，於腔室6之內壁上部形成設置有對熱處理空間65供給處理氣體之氣體供給孔81。氣體供給孔81形成設置於較凹部62更上側位置，亦可設置於反射環68。氣體供給孔81經由於腔室6之側壁內部形成為圓環狀之緩衝空間82連通連接於氣體供給管83。氣體供給管83連接於氣體供給源85。又，於氣體供給管83之路徑中途介插有閥84、流量調整閥21及加熱器22。氣體供給源85所供給之處理氣體之種類並無特別限定，其係根據處理目的而適當選擇者，例如可使用氮氣(N2)、氬氣(Ar)、氦氣(He)等惰性氣體、或者氧氣(O2)、氫氣(H2)、氯氣(Cl2)、氯化氫氣體(HCl)、臭氧(O3)、氨氣(NH3)等反應性氣體。
若閥84打開，則處理氣體自氣體供給源85被供給至緩衝空間82。流入至緩衝空間82之處理氣體以於流體阻力較氣體供給孔81小之緩衝空間82內擴散之方式流動，而自氣體供給孔81被供給至熱處理空間65內。流經氣體供給管83而被供給至熱處理空間65之處理氣體之流量由流量調整閥21規定。即，氣體供給源85及閥84相當於將處理氣體供給至腔室6內之氣體供給部，流量調整閥21相當於增加供給至腔室6之處理氣體之流量的流量增加部。再者，作為流量增加部，亦可代替流量調整閥21而使用質量流量控制器。
加熱器22對流動於氣體供給管83之處理氣體進行加熱。利用加 熱器22加熱後之處理氣體自氣體供給孔81供給至熱處理空間65。即，加熱器22相當於對供給至腔室6之處理氣體進行加熱之氣體加熱部。
另一方面，於腔室6之內壁下部形成設置有排出熱處理空間65內之氣體的氣體排氣孔86。氣體排氣孔86形成設置於較凹部62更下側位置，亦可設置於反射環69。氣體排氣孔86經由於腔室6之側壁內部形成為圓環狀之緩衝空間87連通連接於氣體排氣管88。氣體排氣管88連接於排氣部190。又，於氣體排氣管88之路徑中途介插有閥89。若閥89打開，則熱處理空間65之氣體自氣體排氣孔86經由緩衝空間87向氣體排氣管88排出。再者，氣體供給孔81及氣體排氣孔86可沿腔室6之圓周方向設置複數個，亦可為狹縫狀者。又，氣體供給源85及排氣部190可為設置於熱處理裝置1之機構，亦可為設置有熱處理裝置1之工廠之設施。
又，於搬送開口部66之前端亦連接有排出熱處理空間65內之氣體的氣體排氣管191。氣體排氣管191經由閥192連接於排氣部190。藉由將閥192打開，腔室6內之氣體經由搬送開口部66被排出。
圖2係表示保持部7之整體外觀之立體圖。又，圖3係自上面觀察保持部7之俯視圖，圖4係自側方觀察保持部7之側視圖。保持部7係具備基台環71、連結部72及基座74而構成。基台環71、連結部72及基座74均由石英形成。即，保持部7之整體係由石英形成。
基台環71為圓環形狀之石英構件。基台環71藉由載置於凹部62之底面而由腔室6之壁面支持(參照圖1)。於具有圓環形狀之基台環71之上表面，沿其圓周方向豎立設置有複數個連結部72(本實施形態中為4個)。連結部72亦為石英之構件，藉由焊接而固著於基台環71。再者，基台環71之形狀可為自圓環形狀缺損一部分之圓弧狀。
平板狀之基座74由設置於基台環71之4個連結部72支持。基座74為由石英形成之大致圓形之平板狀構件。基座74之直徑大於半導體晶 圓W之直徑。即，基座74具有大於半導體晶圓W之平面尺寸。於基座74之上表面，豎立設置有複數個(本實施形態中為5個)導銷76。5個導銷76沿著與基座74之外周圓為同心圓之圓周上而設置。配置有5個導銷76之圓之直徑略大於半導體晶圓W之直徑。各導銷76亦由石英形成。再者，導銷76可與基座74一體地自石英之鑄錠進行加工，亦可將另外加工而成者藉由焊接等而安裝於基座74。
豎立設置於基台環71之4個連結部72與基座74之周緣部之下表面藉由焊接而固著。即，基座74與基台環71藉由連結部72而固定地連結，保持部7成為石英之一體成形構件。藉由此種保持部7之基台環71由腔室6之壁面支持而將保持部7安裝於腔室6。於保持部7安裝於腔室6之狀態下，大致圓板形狀之基座74成為水平姿勢(法線與鉛垂方向一致之姿勢)。搬入至腔室6之半導體晶圓W在安裝於腔室6之保持部7之基座74之上以水平姿勢載置並保持。半導體晶圓W載置於藉由5個導銷76所形成之圓之內側，藉此防止水平方向之位置偏移。再者，導銷76之個數並非限定為5個，只要為可防止半導體晶圓W之位置偏移之數量即可。
又，如圖2及圖3所示，於基座74，上下貫通而形成有開口部78及切口部77。切口部77係為了供使用熱電偶之接觸式溫度計130之探針前端部通過而設置。另一方面，開口部78係為了供放射溫度計120接收自保持於基座74之半導體晶圓W之下表面放射的放射光(紅外光)而設置。進而，於基座74，貫穿設置有供下述移載機構10之頂起銷12貫通以用於半導體晶圓W之交接之4個貫通孔79。
圖5係移載機構10之俯視圖。又，圖6係移載機構10之側視圖。移載機構10具備2根移載臂11。移載臂11形成為如沿著大致圓環狀之凹部62之圓弧形狀。於各個移載臂11豎立設置有2根頂起銷12。各移載臂11可藉由水平移動機構13而旋動。水平移動機構13使一對移載臂 11於相對於保持部7進行半導體晶圓W之移載之移載動作位置(圖5之實線位置)與和保持於保持部7之半導體晶圓W俯視時不重疊之退避位置(圖5之二點鏈線位置)之間水平移動。作為水平移動機構13，可為藉由個別之馬達使各移載臂11分別旋動者，亦可為使用連桿機構藉由1個馬達使一對移載臂11連動旋動者。
又，一對移載臂11藉由升降機構14而與水平移動機構13一起升降移動。若升降機構14使一對移載臂11於移載動作位置上升，則合計4根頂起銷12通過貫穿設置於基座74之貫通孔79(參照圖2、3)，頂起銷12之上端自基座74之上表面突出。另一方面，升降機構14使一對移載臂11於移載動作位置下降，將頂起銷12自貫通孔79拔出，若水平移動機構13使一對移載臂11以打開之方式移動，則各移載臂11移動至退避位置。一對移載臂11之退避位置為保持部7之基台環71之正上方。因基台環71載置於凹部62之底面，故移載臂11之退避位置為凹部62之內側。再者，於設置有移載機構10之驅動部(水平移動機構13及升降機構14)之部位之附近亦設置有省略圖示之排氣機構，以將移載機構10之驅動部周邊之氣體排出至腔室6之外部的方式構成。
返回圖1，設置於腔室6之上方之閃光加熱部5係於殼體51之內側具備包含複數根(本實施形態中為30根)氙閃光燈FL之光源、及以覆蓋該光源之上方之方式設置的反射器52而構成。又，於閃光加熱部5之殼體51之底部安裝有燈光放射窗53。構成閃光加熱部5之底部之燈光放射窗53為由石英形成之板狀之石英窗。藉由將閃光加熱部5設置於腔室6之上方，燈光放射窗53會與上側腔室窗63相對向。閃光燈FL自腔室6之上方經由燈光放射窗53及上側腔室窗63對熱處理空間65照射閃光而閃光加熱半導體晶圓W。
複數個閃光燈FL分別為具有長條之圓筒形狀之棒狀燈，且以各者之長度方向沿著保持於保持部7之半導體晶圓W之主面(亦即沿水平 方向)相互平行之方式排列成平面狀。因此，藉由閃光燈FL之排列所形成之平面亦為水平面。
氙閃光燈FL具備：棒狀之玻璃管(放電管)，其內部封入有氙氣，於其兩端部配設有連接於電容器之陽極及陰極；及觸發電極，其附設於該玻璃管之外周面上。因氙氣為電性絕緣體，故即便於電容器蓄積有電荷，通常狀態下亦不會於玻璃管內流動有電。然而，於對觸發電極施加高電壓而破壞絕緣之情形時，蓄積於電容器之電於玻璃管內瞬時流動，藉由此時之氙之原子或分子之激發而放出光。於此種氙閃光燈FL中，預先蓄積於電容器之靜電能量被轉換為0.1毫秒至100毫秒之極短之光脈衝，因此具有與如鹵素燈HL般連續點亮之光源相比可照射極強之光之特徵。即，閃光燈FL為於未達1秒之極短之時間內瞬間發光之脈衝發光燈。再者，閃光燈FL之發光時間可根據對閃光燈FL進行電力供給之燈電源的線圈常數而調整。
又，反射器52於複數個閃光燈FL之上方以覆蓋其等整體之方式設置。反射器52之基本功能係將自複數個閃光燈FL出射之閃光反射至熱處理空間65之側的功能。反射器52由鋁合金板形成，其表面(面向閃光燈FL之側之面)藉由噴砂處理而被實施粗面化加工。
於設置於腔室6之下方之鹵素加熱部4之內部內置有複數個(本實施形態中40根)鹵素燈HL。鹵素加熱部4係藉由複數個鹵素燈HL自腔室6之下方經由下側腔室窗64進行對熱處理空間65之光照射而加熱半導體晶圓W之光照射部。鹵素加熱部4透過石英之基座74而對支持於基座74之半導體晶圓W之下表面照射鹵素光。
圖7係表示複數個鹵素燈HL之配置之俯視圖。本實施形態中，於上下2段分別配設有各20根鹵素燈HL。各鹵素燈HL為具有長條之圓筒形狀之棒狀燈。上段、下段均係20根鹵素燈HL以各者之長度方向沿著保持於保持部7之半導體晶圓W之主面(亦即沿水平方向)相互平行之 方式排列。因此，上段、下段均係藉由鹵素燈HL之排列所形成之平面為水平面。
又，如圖7所示，上段、下段均係相較於與保持於保持部7之半導體晶圓W之中央部對向之區域，與周緣部對向之區域中之鹵素燈HL之配設密度更高。即，上下段均係相較於燈排列之中央部，周緣部之鹵素燈HL之配設間距較短。因此，可於藉由自鹵素加熱部4之光照射進行之加熱時對易產生溫度降低之半導體晶圓W之周緣部進行更多光量之照射。
又，包含上段之鹵素燈HL之燈群與包含下段之鹵素燈HL之燈群以呈格子狀交叉之方式排列。即，以上段之各鹵素燈HL之長度方向與下段之各鹵素燈HL之長度方向正交之方式配設有合計40根鹵素燈HL。
鹵素燈HL係藉由對配設於玻璃管內部之燈絲通電而使燈絲白熾化而發光之燈絲方式之光源。於玻璃管之內部，封入有於氮氣或氬氣等惰性氣體中微量導入鹵族元素(碘、溴等)而成之氣體。藉由導入鹵族元素，可抑制燈絲之破損並且將燈絲之溫度設定為高溫。因此，鹵素燈HL具有與通常之白熾燈泡相比壽命較長且可連續照射較強之光之特性。即，鹵素燈HL係連續發光至少1秒以上之連續點亮燈。又，鹵素燈HL由於為棒狀燈故壽命長，藉由將鹵素燈HL沿著水平方向配置而成為對上方之半導體晶圓W之放射效率優異者。
又，控制部3控制設置於熱處理裝置1之上述各種動作機構。作為控制部3之硬體之構成與一般之電腦相同。即，控制部3具備進行各種運算處理之電路即CPU(Central Processing Unit，中央處理單元)、記憶基本程式之讀出專用之記憶體即ROM(Read Only Memory，唯讀記憶體)、記憶各種資訊之讀寫自如之記憶體即RAM(Random Access Memory，隨機存取記憶體)及記憶控制用軟體或資料等之磁碟。藉由 控制部3之CPU執行特定之處理程式而進行熱處理裝置1中之處理。
繼而，對熱處理裝置1中之半導體晶圓W之處理順序進行說明。此處成為處理對象之半導體晶圓W係利用離子注入法添加有雜質(離子)之半導體基板。該雜質之活化藉由利用熱處理裝置1進行之閃光照射加熱處理(退火)而執行。以下說明之熱處理裝置1之處理順序藉由控制部3控制熱處理裝置1之各動作機構而進行。
首先，將用於供氣之閥84打開，並且將排氣用之閥89、192打開，開始對腔室6內之供氣/排氣。若閥84打開，則自氣體供給孔81對熱處理空間65供給處理氣體。於本實施形態中，作為處理氣體之氮氣自氣體供給源85供給至腔室6內。供給至腔室6內之氮氣之流量藉由流量調整閥21規定，本實施形態中設為50L/分鐘~60L/分鐘。
又，加熱器22對通過氣體供給管83之氮氣進行加熱。於本實施形態中，加熱器22將通過氣體供給管83之氮氣加熱至350℃。但是，350℃為於設置有加熱器22之部位之氮氣的溫度。於藉由加熱器22加熱至350℃之氮氣自氣體供給孔81供給至腔室6內之時點，成為約200℃。其原因為藉由氣體供給管83等氣體通過路徑而自氮氣奪取熱。
又，若與供氣同時打開閥89，則自氣體排氣孔86排出腔室6內之氣體。藉由一面自氣體供給孔81進行供氣，一面自氣體排氣孔86進行排氣，自腔室6內之熱處理空間65之上部供給之高溫之氮氣向下方流動，自熱處理空間65之下部排出。以如此之方式，於腔室6內之熱處理空間65形成高溫之氮氣流。
又，藉由打開閥192，自搬送開口部66亦排出腔室6內之氣體。進而，藉由省略圖示之排氣機構，移載機構10之驅動部周邊之氣體亦被排出。再者，向腔室6內之熱處理空間65之高溫氮氣之供給係自開始對批次(成為於相同條件下進行相同內容之處理之對象的1組半導體晶圓W)之最初之半導體晶圓W之處理之前執行。又，於熱處理裝置1 中之半導體晶圓W之熱處理時，對熱處理空間65連續地供給高溫之氮氣，其供給量根據處理步驟而適當變更。
繼而，打開閘閥185而將搬送開口部66打開，藉由裝置外部之搬送機器人經由搬送開口部66將離子注入後之半導體晶圓W搬入至腔室6內之熱處理空間65。藉由搬送機器人而搬入之半導體晶圓W進入至保持部7之正上方位置而停止。然後，移載機構10之一對移載臂11自退避位置水平移動至移載動作位置並上升，藉此，頂起銷12通過貫通孔79自基座74之上表面突出而接收半導體晶圓W。
半導體晶圓W載置於頂起銷12後，搬送機器人自熱處理空間65退出，藉由閘閥185而將搬送開口部66關閉。然後，藉由一對移載臂11下降，半導體晶圓W自移載機構10被交付至保持部7之基座74並以水平姿勢自下方被保持。半導體晶圓W將形成有圖案且注入有雜質之表面作為上表面而保持於保持部7。又，半導體晶圓W於基座74之上表面保持於5個導銷76之內側。下降至基座74之下方之一對移載臂11藉由水平移動機構13而退避至退避位置，即凹部62之內側。
於半導體晶圓W藉由以石英形成之保持部7以水平姿勢自下方被保持後，鹵素加熱部4之40根鹵素燈HL一齊點亮而開始預加熱(輔助加熱)。自鹵素燈HL出射之鹵素光透過由石英形成之下側腔室窗64及基座74而自半導體晶圓W之背面(所謂正面係指相反側之主面)照射。藉由接受自鹵素燈HL之光照射，半導體晶圓W被預加熱而溫度上升。再者，因移載機構10之移載臂11退避至凹部62之內側，故不會成為利用鹵素燈HL進行之加熱之障礙。
於利用鹵素燈HL進行預加熱時，利用接觸式溫度計130測定半導體晶圓W之溫度。即，內置熱電偶之接觸式溫度計130經由基座74之切口部77而與保持於保持部7之半導體晶圓W之下表面接觸而測定升溫中之晶圓溫度。測定出之半導體晶圓W之溫度被傳送至控制部3。 控制部3一面監視藉由自鹵素燈HL之光照射而升溫之半導體晶圓W的溫度是否達到特定之預加熱溫度T1，一面控制鹵素燈HL之輸出。即，控制部3基於利用接觸式溫度計130所得之測定值，以半導體晶圓W之溫度成為預加熱溫度T1之方式反饋控制鹵素燈HL之輸出。預加熱溫度T1係設定無添加於半導體晶圓W中之雜質因熱而擴散之虞的200℃至800℃程度、較佳為350℃至600℃程度(本實施形態中為600℃)。再者，於藉由自鹵素燈HL之光照射使半導體晶圓W升溫時，不進行利用放射溫度計120之溫度測定。其原因為，自鹵素燈HL照射之鹵素光作為環境光入射至放射溫度計120，無法進行準確之溫度測定。
半導體晶圓W之溫度達到預加熱溫度T1後，控制部3將半導體晶圓W暫時維持為該預加熱溫度T1。具體而言，於藉由接觸式溫度計130測定之半導體晶圓W之溫度達到預加熱溫度T1之時點，控制部3調整鹵素燈HL之輸出，將半導體晶圓W之溫度維持為大致預加熱溫度T1。
藉由進行此種利用鹵素燈HL之預加熱，使半導體晶圓W之整體均勻地升溫至預加熱溫度T1。於利用鹵素燈HL所進行之預加熱之階段，有更容易產生散熱之半導體晶圓W之周緣部之溫度較中央部更降低之傾向，但鹵素加熱部4中之鹵素燈HL之配設密度係相較於與半導體晶圓W之中央部對向之區域，與周緣部對向之區域較高(參照圖7)。因此，照射至容易產生散熱之半導體晶圓W之周緣部之光量變多，可使預加熱階段中之半導體晶圓W之面內溫度分佈均勻。進而，由於安裝於腔室側部61之反射環69之內周面被製成鏡面，故藉由該反射環69之內周面而朝向半導體晶圓W之周緣部反射之光量變多，可使預加熱階段中之半導體晶圓W之面內溫度分佈更均勻。
於藉由自鹵素燈HL之光照射而使半導體晶圓W之溫度達到預加 熱溫度T1後經過特定時間的時點，閃光加熱部5之閃光燈FL對半導體晶圓W之表面進行閃光照射。此時，自閃光燈FL放射之閃光之一部分直接射向腔室6內，另一部分暫時由反射器52反射後射向腔室6內，藉由該等閃光之照射而進行半導體晶圓W之閃光加熱。
閃光加熱由於係藉由自閃光燈FL之閃光(閃光)照射而進行，故可使半導體晶圓W之表面溫度於短時間內上升。即，自閃光燈FL照射之閃光係將預先蓄積於電容器之靜電能量轉換為極短之光脈衝且照射時間為0.1毫秒以上100毫秒以下程度之極短且強之閃光。而且，藉由自閃光燈FL之閃光照射而被閃光加熱之半導體晶圓W之表面溫度瞬間上升至1000℃以上之處理溫度T2，活化被注入至半導體晶圓W之雜質後，表面溫度急速下降。如此，於熱處理裝置1中，可於極短時間內升降半導體晶圓W之表面溫度，故可一面抑制注入至半導體晶圓W之雜質因熱所進行之擴散，一面進行雜質之活化。再者，由於雜質之活化所必需之時間與其熱擴散所必需之時間相比極短，故即便為不會產生0.1毫秒至100毫秒程度之擴散之短時間，亦可完成活化。
閃光加熱處理結束後，經過特定時間後鹵素燈HL亦熄滅。藉此，半導體晶圓W自預加熱溫度T1急速降溫。降溫中之半導體晶圓W之溫度藉由接觸式溫度計130或放射溫度計120測定，其測定結果傳送至控制部3。控制部3根據測定結果而監視半導體晶圓W之溫度是否降溫至特定溫度。而且，於半導體晶圓W之溫度降溫至特定程度以下之後，移載機構10之一對移載臂11再次自退避位置水平移動至移載動作位置並上升，藉此，頂起銷12自基座74之上表面突出而自基座74接收熱處理後之半導體晶圓W。繼而，由閘閥185關閉之搬送開口部66打開，載置於頂起銷12上之半導體晶圓W藉由裝置外部之搬送機器人而被搬出，熱處理裝置1中之半導體晶圓W之加熱處理完成。
且說，有時於成為處理對象之半導體晶圓W之表面形成光阻膜或 絕緣膜等各種膜。若對此種形成有膜之半導體晶圓W照射閃光而進行加熱處理，則有時會因膜之燃燒或殘留溶劑成分之揮發等而使碳系之污染物質擴散至腔室6內之熱處理空間65。若擴散至熱處理空間65之污染物質附著於腔室6之內壁面或基座74等腔室內構造物，則該附著部位被污染。此種污染不僅成為對後續之半導體晶圓W之污染源，亦成為光照射加熱時半導體晶圓W之照度分佈混亂之原因。
因此，於本實施形態中，將藉由加熱器22加熱後之高溫之處理氣體供給至腔室6內之熱處理空間65而形成氣流。藉由使高溫之處理氣體流動於腔室6內，可將於加熱處理時自半導體晶圓W之膜擴散之污染物質排出至腔室6外，而減少腔室6內之污染。其結果，可抑制腔室6之內壁面或基座74等腔室內構造物之污染。
為了獲得藉由供給高溫之處理氣體而抑制污染物質附著於腔室內構造物之效果，需要以於供給至腔室6內之時點之處理氣體的溫度成為100℃以上之方式，由加熱器22對通過氣體供給管83之處理氣體進行加熱。處理氣體之溫度越高，則污染之抑制效果亦越佳，但若過度地供給高溫之處理氣體，則會影響半導體晶圓W之熱處理。因此，必須以於供給至腔室6內之時點之處理氣體的溫度成為未達半導體晶圓W之設定處理溫度之方式，由加熱器22對通過氣體供給管83之處理氣體進行加熱。於對半導體晶圓W之處理溫度設定為多階段之情形時，以供給至腔室6內之處理氣體之溫度成為未達該等之中之最低設定處理溫度之方式，由加熱器22加熱處理氣體。於本實施形態中，以於供給至腔室6內之時點之氮氣之溫度成為未達預加熱溫度T1之方式，由加熱器22對通過氣體供給管83之氮氣進行加熱。
又，藉由將高溫處理氣體供給至腔室6內，亦可獲得去除已經附著於腔室6之內壁面或基座74等腔室內構造物之污染物質之清潔效果。
又，供給至腔室6內之處理氣體之流量越多，則越提高將污染物質排出至腔室6外之效果，從而可抑制污染物質附著於腔室內構造物。於本實施形態中，通常為20L/分鐘~30L/分鐘，而流量調整閥21將氮氣之流量增加至50L/分鐘~60L/分鐘之大流量而供給至腔室6內。藉此，可將污染物質於附著於腔室內構造物之前排出至腔室6外，而更有效地減少腔室6內之污染。
作為供給至腔室6內之處理氣體之流量，於將腔室6內之容積設定為D時，設為0.5D/分鐘~5D/分鐘即可。藉由以此種大流量將處理氣體供給至腔室6內，可提高將污染物質排出至腔室6外之效果，而可更有效地減少腔室6內之污染。
以上，對本發明之實施形態進行了說明，但本發明只要不脫離其主旨，便可在上述者以外進行各種變更。例如，於上述實施形態中係將高溫之氮氣供給至腔室6內，但處理氣體之種類並非限定於氮氣，亦可為氧氣或氬氣等。特別是，藉由將如氧氣之富有反應性之處理氣體加熱並供給至腔室6內，可更提高去除已經附著於腔室內構造物之污染物質之清潔效果。
又，於上述實施形態中，於閃光加熱部5具備30根閃光燈FL，但並非限定於此，閃光燈FL之根數可為任意數。又，閃光燈FL並非限定於氙閃光燈，亦可為氪氣閃光燈。又，鹵素加熱部4所具備之鹵素燈HL之根數亦非限定於40根，只要為於上段及下段配置複數個之形態，則可設定為任意數。
又，作為對半導體晶圓W照射光而加熱之光照射部，並非限定於閃光燈FL或鹵素燈HL，亦可為雷射光源。
又，藉由本發明之熱處理裝置成為處理對象之基板並非限定於半導體晶圓，亦可為用於液晶顯示裝置等平板顯示器之玻璃基板或太陽電池用之基板。又，本發明之技術亦可應用於高介電常數閘極絕緣 膜(High-k膜)之熱處理、金屬與矽之接合、或多晶矽之結晶化。
1‧‧‧熱處理裝置
3‧‧‧控制部
4‧‧‧鹵素加熱部
5‧‧‧閃光加熱部
6‧‧‧腔室
7‧‧‧保持部
10‧‧‧移載機構
21‧‧‧流量調整閥
22‧‧‧加熱器
51‧‧‧殼體
52‧‧‧反射器
53‧‧‧燈光放射窗
61‧‧‧腔室側部
62‧‧‧凹部
63‧‧‧上側腔室窗
64‧‧‧下側腔室窗
65‧‧‧熱處理空間
66‧‧‧搬送開口部
68‧‧‧反射環
69‧‧‧反射環
74‧‧‧基座
81‧‧‧氣體供給孔
82‧‧‧緩衝空間
83‧‧‧氣體供給管
84‧‧‧閥
85‧‧‧氣體供給源
86‧‧‧氣體排氣孔
87‧‧‧緩衝空間
88‧‧‧氣體排氣管
89‧‧‧閥
185‧‧‧閘閥
190‧‧‧排氣部
191‧‧‧氣體排氣管
192‧‧‧閥
FL‧‧‧閃光燈
HL‧‧‧鹵素燈
W‧‧‧半導體晶圓

Claims (12)

  1. 一種熱處理裝置，其特徵在於：其係藉由對基板照射光而加熱該基板者；且具備：腔室，其收容基板；基座，其於上述腔室內支持基板；光照射部，其對支持於上述基座之基板照射光；氣體供給部，其向上述腔室內供給處理氣體；及氣體加熱部，其對自上述氣體供給部供給至上述腔室之上述處理氣體進行加熱。
  2. 如請求項1之熱處理裝置，其中上述氣體加熱部以供給至上述腔室內之上述處理氣體成為100℃以上之方式加熱上述處理氣體。
  3. 如請求項1之熱處理裝置，其中上述處理氣體為氮氣、氧氣或氬氣。
  4. 如請求項1之熱處理裝置，其進而具備流量增加部，該流量增加部係增加自上述氣體供給部供給至上述腔室之上述處理氣體之流量。
  5. 如請求項1至4中任一項之熱處理裝置，其中上述光照射部包含自上述腔室之一側對基板照射閃光之閃光燈。
  6. 如請求項5之熱處理裝置，其中上述光照射部進而包含自上述腔室之另一側對基板照射光之鹵素燈。
  7. 一種熱處理方法，其特徵在於：其係藉由對基板照射光而加熱該基板者；且具備： 支持步驟，其係利用腔室內之基座支持基板；氣體供給步驟，其係對上述腔室內供給處理氣體；及光照射步驟，其係對支持於上述基座之基板照射光；且上述氣體供給步驟包括氣體加熱步驟，該氣體加熱步驟係對供給至上述腔室之上述處理氣體進行加熱。
  8. 如請求項7之熱處理方法，其中於上述氣體加熱步驟中，以供給至上述腔室內之上述處理氣體成為100℃以上之方式加熱上述處理氣體。
  9. 如請求項7之熱處理方法，其中上述處理氣體為氮氣、氧氣或氬氣。
  10. 如請求項7之熱處理方法，其中上述氣體供給步驟包括流量增加步驟，該流量增加步驟係增加供給至上述腔室之上述處理氣體之流量。
  11. 如請求項7至10中任一項之熱處理方法，其中於上述光照射步驟中，自上述腔室之一側藉由閃光燈對基板照射閃光。
  12. 如請求項11之熱處理方法，其中於上述光照射步驟中，進而自上述腔室之另一側藉由鹵素燈對基板照射光。
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