TWI741226B - 熱處理方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種可加熱基板而不會於基板產生翹曲之熱處理方法。 因來自經加熱之半導體晶圓(W)之熱傳導及熱輻射，石英晶座(74)亦升溫。於處理過之半導體晶圓(W)被搬出之時間點，產生如與晶座(74)之端緣部相比中央部成為高溫之不均勻之溫度分佈。於在該晶座(74)保持有新的半導體晶圓(W)並開始來自鹵素燈(HL)之光照射之預加熱之初期階段，將自排列有複數個鹵素燈(HL)之光照射部(45)之中央部放射之光之強度相對於自端部放射之光之強度的比率即強度比設為未達100%。其後，提高自光照射部(45)之中央部放射之光之強度相對於自端部放射之光之強度的比率。

Description

熱處理方法
本發明係關於一種熱處理方法，其係自複數個連續點亮燈對保持於石英晶座之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，藉此將該基板加熱。
於半導體器件之製造製程中，於極短時間內將半導體晶圓加熱之閃光燈退火(FLA)備受關注。閃光燈退火係一種熱處理技術，其藉由使用氙氣閃光燈(以下，於簡稱為「閃光燈」時意指氙氣閃光燈)對半導體晶圓之表面照射閃光，僅使半導體晶圓之表面於極短時間內(數毫秒以下)升溫。
氙氣閃光燈之放射分光分佈係自紫外線區域至近紅外線區域，且波長較以往之鹵素燈短，與矽半導體晶圓之基礎吸收帶大致一致。因此，於自氙氣閃光燈對半導體晶圓照射閃光時，透過光較少，可使半導體晶圓急速地升溫。又，亦瞭解到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。
此種閃光燈退火被用於需要極短時間之加熱之處理、例如典型為注入至半導體晶圓中之雜質之活化。若自閃光燈對藉由離子注入法注入有雜質之半導體晶圓之表面照射閃光，則可使該半導體晶圓之表面以極短時間升溫至活化溫度為止，且可於不使雜質較深地擴散之情況下僅執行雜質活化。
於專利文獻1中揭示有一種裝置，其係於將半導體晶圓保持於石英晶座上，自鹵素燈對該半導體晶圓照射光並進行預加熱之後，自閃光燈照射閃光並執行閃光燈退火。於專利文獻1中所揭示之閃光燈退火裝置中，將鹵素燈配置於晶座之下方，自鹵素燈出射之光透過石英晶座照射至半導體晶圓之下表面。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2009-164451號公報
[發明所欲解決之問題]
如專利文獻1中所揭示般，當對保持於晶座上之半導體晶圓進行加熱處理時，因來自升溫之半導體晶圓之熱傳導及熱輻射，晶座亦被加熱。又，自鹵素燈放射之光之一部分亦被石英晶座吸收，藉此亦會將晶座加熱。其結果，晶座亦會某種程度上升溫。
閃光燈退火裝置中之一系列處理必定包含在閃光照射後使半導體晶圓降溫之步驟。於半導體晶圓降溫時，保持該半導體晶圓之晶座之溫度亦降低。此時，半導體晶圓及晶座之溫度均自端緣部開始下降，中央部之溫度降低得最晚。因此，於自裝置搬出加熱處理後之半導體晶圓之時間點，晶座中產生中央部為高溫且端緣部相對成為低溫之不均勻之溫度分佈。尤其是，於為了提高裝置之處理量而縮短降溫時間之情形時，半導體晶圓之搬出時間點之晶座會存在較大之溫度分佈之不均勻性。
當於此種具有不均勻之溫度分佈之晶座保持有新的常溫半導體晶圓時，會因來自晶座之熱輻射而將該半導體晶圓不均勻地加熱。即，與半導體晶圓之端緣部相比，中央部被較強地加熱，該半導體晶圓亦產生如中央部與端緣部相比成為高溫之不均勻之溫度分佈。而且，瞭解到當於該狀態下開始來自鹵素燈之光照射而將半導體晶圓加熱時，半導體晶圓產生翹曲。
本發明係鑒於上述問題而完成者，其目的在於提供一種可加熱基板而不會於基板產生翹曲之熱處理方法。 [解決問題之技術手段]
為了解決上述問題，技術方案1之發明之特徵在於：其係藉由自複數個連續點亮燈對保持於石英晶座之基板照射光而將該基板加熱之熱處理方法，且包括：第1照射步驟，其係於來自上述複數個連續點亮燈之光照射開始時，將自排列有上述複數個連續點亮燈之光照射部之中央部放射之光之強度相對於自上述光照射部之端部放射之光之強度的比率即強度比設為未達100%之第1比率，對上述基板進行光照射；以及第2照射步驟，其係於上述第1照射步驟之後，將上述強度比設為較上述第1比率高之第2比率而對上述基板進行光照射。
又，技術方案2之發明係如技術方案1之發明之熱處理方法，其特徵在於：於上述第2照射步驟中，使上述第2比率高於100%。
又，技術方案3之發明係如技術方案1之發明之熱處理方法，其特徵在於：上述第1比率為40%以上且70%以下。
又，技術方案4之發明係如技術方案1之發明之熱處理方法，其特徵在於：於上述第1照射步驟中，自上述複數個連續點亮燈進行5秒以上且15秒以下之光照射。
又，技術方案5之發明係如技術方案1至4中任一項發明之熱處理方法，其特徵在於：還包括第3照射步驟，該第3照射步驟係於上述第2照射步驟之後，將上述強度比設為未達100%之第3比率而對上述基板進行光照射。
又，技術方案6之發明係如技術方案1之發明之熱處理方法，其特徵在於：於上述基板被保持於上述晶座之時間點，上述晶座之中央部之溫度為250℃以上，且上述晶座之中央部與端緣部之溫度差為20℃以上。 [發明之效果]
根據技術方案1至技術方案6之發明，於來自複數個連續點亮燈之光照射開始時，將自排列有複數個連續點亮燈之光照射部之中央部放射之光之強度相對於自光照射部之端部放射之光之強度的比率即強度比設為未達100%之第1比率而對基板進行光照射之後，將該強度比設為較第1比率高之第2比率而對基板進行光照射，故而可加熱基板而不會於基板產生翹曲。
尤其是，根據技術方案5之發明，還包括第3照射步驟，該第3照射步驟係將強度比設為未達100%之第3比率而對基板進行光照射，故而可將基板均勻地加熱。
以下，一面參照圖式，一面對本發明之實施形態進行詳細說明。
首先，對用於實施本發明之熱處理方法之熱處理裝置進行說明。圖1係表示本發明之熱處理方法中所使用之熱處理裝置1之構成之縱剖視圖。圖1之熱處理裝置1係閃光燈退火裝置，其藉由對作為基板之圓板形狀之半導體晶圓W進行閃光照射而將半導體晶圓W加熱。成為處理對象之半導體晶圓W之大小並無特別限定，例如為
Figure 02_image001
300 mm或
Figure 02_image001
450 mm。再者，於圖1及之後之各圖中，為了易於理解，視需要誇張或簡化地描畫各部之尺寸或數量。
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；以及鹵素加熱部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具備：保持部7，其於腔室6之內部，將半導體晶圓W保持為水平姿勢；以及移載機構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。進而，熱處理裝置1具備控制部3，該控制部3係控制鹵素加熱部4、閃光加熱部5及腔室6中設置之各動作機構，使該等動作機構執行半導體晶圓W之熱處理。
腔室6係於筒狀之腔室側部61之上下安裝石英製腔室窗而構成。腔室側部61具有上下形成有開口之大致筒形狀，且於上側開口安裝上側腔室窗63而封閉，於下側開口安裝下側腔室窗64而封閉。構成腔室6之頂部之上側腔室窗63係由石英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亦為由石英形成之圓板形狀構件，作為使來自鹵素加熱部4之光透過腔室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。上側反射環68係藉由自腔室側部61之上側嵌入而安裝。另一方面，下側反射環69係藉由自腔室側部61之下側嵌入並利用省略圖示之螺釘固定而安裝。即，反射環68、69均裝卸自如地安裝於腔室側部61。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包圍之空間被規定為熱處理空間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，形成由腔室側部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之上端面包圍而成之凹部62。凹部62沿著水平方向呈圓環狀形成於腔室6之內壁面，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，於腔室側部61形成有用於對腔室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可藉由閘閥185而開啟及關閉。搬送開口部66與凹部62之外周面連通並連接。因此，於閘閥185將搬送開口部66打開時，可自搬送開口部66通過凹部62向熱處理空間65搬入半導體晶圓W及自熱處理空間65搬出半導體晶圓W。又，若閘閥185將搬送開口部66閉合，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形成於較凹部62更靠上側位置，亦可設置於反射環68。氣體供給孔81經由呈圓環狀形成於腔室6之側壁內部之緩衝空間82連通並連接於氣體供給管83。氣體供給管83連接於處理氣體供給源85。又，於氣體供給管83之路徑中途插入有閥門84。當打開閥門84時，自處理氣體供給源85對緩衝空間82進給處理氣體。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，自氣體供給孔81向熱處理空間65內供給。作為處理氣體，例如可使用氮氣(N2 )等惰性氣體、或氫氣(H2 )、氨氣(NH3 )等反應性氣體、或者將其等混合而成之混合氣體(本實施形態中為氮氣)。
另一方面，於腔室6之內壁下部形成有將熱處理空間65內之氣體排出之氣體排氣孔86。氣體排氣孔86形成於較凹部62更靠下側位置，亦可設置於反射環69。氣體排氣孔86經由呈圓環狀形成於腔室6之側壁內部之緩衝空間87連通並連接於氣體排氣管88。氣體排氣管88連接於排氣部190。又，於氣體排氣管88之路徑中途插入有閥門89。當打開閥門89時，熱處理空間65之氣體自氣體排氣孔86經過緩衝空間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可沿著腔室6之周向設置複數個，亦可為狹縫狀。
又，於搬送開口部66之前端亦連接有將熱處理空間65內之氣體排出之氣體排氣管191。氣體排氣管191經由閥門192連接於排氣部190。藉由將閥門192打開而經由搬送開口部66排出腔室6內之氣體。
圖2係表示保持部7之整體外觀之立體圖。保持部7具備基台環71、連結部72及晶座74而構成。基台環71、連結部72及晶座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係自圓環形狀缺損一部分後之圓弧形狀之石英構件。該缺損部分被設置成用於防止下述移載機構10之移載臂11與基台環71之干涉。基台環71載置於凹部62之底面，藉此支持於腔室6之壁面(參照圖1)。於基台環71之上表面，沿著其圓環形狀之周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亦為石英構件，藉由焊接而固接於基台環71。
晶座74由設置於基台環71之4個連結部72支持。圖3係晶座74之俯視圖。又，圖4係晶座74之剖視圖。晶座74具備保持板75、導環76及複數個基板支持銷77。保持板75係由石英形成之大致圓形之平板狀構件。保持板75之直徑較半導體晶圓W之直徑大。即，保持板75具有較半導體晶圓W大之平面尺寸。
於保持板75之上表面周緣部設置有導環76。導環76係具有較半導體晶圓W之直徑大之內徑之圓環形狀之構件。例如於半導體晶圓W之直徑為
Figure 02_image001
300 mm之情形時，導環76之內徑為
Figure 02_image001
320 mm。導環76之內周形成為如自保持板75朝向上方變寬之錐形面。導環76由與保持板75相同之石英形成。導環76可焊接於保持板75之上表面，亦可利用另行加工之銷等固定於保持板75。或者，亦可將保持板75與導環76設為一體構件進行加工。
保持板75之上表面中之較導環76更靠內側之區域被設為保持半導體晶圓W之平面狀之保持面75a。於保持板75之保持面75a，豎立設置有複數個基板支持銷77。於本實施形態中，沿著與保持面75a之外周圓(導環76之內周圓)為同心圓之圓周上每隔30°豎立設置有共計12個基板支持銷77。配置有12個基板支持銷77之圓之直徑(對向之基板支持銷77間之距離)較半導體晶圓W之直徑小，若半導體晶圓W之直徑為
Figure 02_image001
300 mm，則上述圓之直徑為
Figure 02_image001
270 mm～
Figure 02_image001
280 mm(本實施形態中為
Figure 02_image001
270 mm)。各基板支持銷77係由石英形成。複數個基板支持銷77可藉由焊接而設置於保持板75之上表面，亦可與保持板75一體地加工。
返回至圖2中，豎立設置於基台環71之4個連結部72與晶座74之保持板75之周緣部藉由焊接而固接。即，晶座74與基台環71由連結部72固定地連結。此種保持部7之基台環71支持於腔室6之壁面，藉此將保持部7安裝於腔室6。於保持部7安裝於腔室6之狀態下，晶座74之保持板75成為水平姿勢(法線與鉛垂方向一致之姿勢)。即，保持板75之保持面75a成為水平面。
搬入至腔室6之半導體晶圓W以水平姿勢載置並保持於安裝在腔室6之保持部7之晶座74之上。此時，半導體晶圓W由豎立設置於保持板75上之12個基板支持銷77支持並保持於晶座74。更嚴格而言，12個基板支持銷77之上端部與半導體晶圓W之下表面接觸並支持該半導體晶圓W。12個基板支持銷77之高度(自基板支持銷77之上端至保持板75之保持面75a為止之距離)均勻，故而可利用12個基板支持銷77將半導體晶圓W呈水平姿勢支持。
又，半導體晶圓W由複數個基板支持銷77以自保持板75之保持面75a隔開特定間隔之方式支持。導環76之厚度大於基板支持銷77之高度。因此，利用導環76防止由複數個基板支持銷77支持之半導體晶圓W之水平方向之位置偏移。
又，如圖2及圖3所示，於晶座74之保持板75，以上下貫通之方式形成有開口部78。開口部78被設置成用於供放射溫度計120(參照圖1)接收自半導體晶圓W之下表面放射之放射光(紅外光)。即，放射溫度計120經由開口部78接收自半導體晶圓W之下表面放射之光而測定半導體晶圓W之溫度。進而，於晶座74之保持板75貫穿設置有4個貫通孔79，該等貫通孔79供下述移載機構10之頂起銷12貫通，以進行半導體晶圓W之交接。
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。於各移載臂11豎立設置有2根頂起銷12。移載臂11及頂起銷12係由石英形成。各移載臂11形成為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於對保持部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俯視下不重疊之退避位置(圖5之兩點鏈線位置)之間水平移動。作為水平移動機構13，既可為利用個別馬達使各移載臂11分別旋動之機構，亦可為使用連桿機構並利用1個馬達使一對移載臂11連動地旋動之機構。
又，一對移載臂11利用升降機構14與水平移動機構13一起升降移動。當升降機構14使一對移載臂11於移載動作位置上升時，共計4根頂起銷12通過貫穿設置於晶座74之貫通孔79(參照圖2、3)，頂起銷12之上端自晶座74之上表面突出。另一方面，當升降機構14使一對移載臂11於移載動作位置下降並將頂起銷12自貫通孔79拔出，且水平移動機構13使一對移載臂11以打開之方式移動時，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，故而移載臂11之退避位置成為凹部62之內側。再者，構成為於移載機構10之設置有驅動部(水平移動機構13及升降機構14)之部位附近亦設置有省略圖示之排氣機構，移載機構10之驅動部周邊之氣體被排出至腔室6之外部。
如圖1所示，於熱處理裝置1設置有3個放射溫度計120、130、140。如上所述，放射溫度計120經由設置於晶座74之開口部78測定半導體晶圓W之溫度。放射溫度計130偵測自晶座74之中央部放射之紅外光並測定該中央部之溫度。另一方面，放射溫度計140偵測自晶座74之端緣部放射之紅外光並測定該端緣部之溫度。
設置於腔室6之上方之閃光加熱部5構成為於殼體51之內側具備：包含複數根(本實施形態中為30根)氙氣閃光燈FL之光源、及以覆蓋該光源之上方之方式設置之反射罩52。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係由石英形成之板狀之石英窗。閃光加熱部5設置於腔室6之上方，藉此，燈光放射窗53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。
複數個閃光燈FL分別為具有長條圓筒形狀之棒狀燈，且以各自之長度方向沿著保持於保持部7之半導體晶圓W之主面(即沿著水平方向)相互平行之方式呈平面狀排列。因此，藉由閃光燈FL之排列而形成之平面亦為水平面。
氙氣閃光燈FL具備：棒狀之玻璃管(放電管)，其於其內部封入有氙氣且於其兩端部配設有與電容器連接之陽極及陰極；以及觸發電極，其附設於該玻璃管之外周面上。由於氙氣為電性絕緣體，故而即便於電容器中儲存有電荷，通常狀態下玻璃管內亦不會通電。然而，於對觸發電極施加高電壓而破壞絕緣之情形時，電容器中儲存之電力瞬間流入至玻璃管內，藉由此時之氙原子或者分子之激發而發出光。此種氙氣閃光燈FL具有如下特徵：預先儲存於電容器中之靜電能量被轉換為0.1毫秒至100毫秒此種極短之光脈衝，故而與鹵素燈HL之類之連續點亮之光源相比可照射極強之光。即，閃光燈FL係於未達1秒之極短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之線圈常數進行調整。
又，反射器52係以覆蓋所有閃光燈FL之方式設置於複數個閃光燈FL之上方。反射罩52之基本功能係將自複數個閃光燈FL出射之閃光朝熱處理空間65側反射。反射器52由鋁合金板形成，其表面(面向閃光燈FL一側之面)係藉由噴砂處理而實施表面粗化加工。
設置於腔室6之下方之鹵素加熱部4具備於殼體41之內側排列有複數根(本實施形態中為40根)鹵素燈HL之光照射部45。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之光照射而將半導體晶圓W加熱。
圖7係表示複數個鹵素燈HL之配置之俯視圖。40根鹵素燈HL分為上下兩段配置。於靠近保持部7之上段配設有20根鹵素燈HL，並且於較上段距離保持部7遠之下段亦配設有20根鹵素燈HL。各鹵素燈HL係具有長條圓筒形狀之棒狀燈。上段、下段均為20根鹵素燈HL以各自之長度方向沿著保持於保持部7之半導體晶圓W之主面(即，沿著水平方向)相互平行之方式排列。因此，上段、下段均為由鹵素燈HL之排列形成之平面係水平面。
又，如圖7所示，上段、下段均為相較與保持於保持部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之配設密度高。即，上下段均為相較燈排列之中央部，周緣部之鹵素燈HL之配設間距較短。因此，可對在藉由來自鹵素加熱部4之光照射進行加熱時易發生溫度降低之半導體晶圓W之周緣部照射更多光量。
又，由上段之鹵素燈HL構成之燈群與由下段之鹵素燈HL構成之燈群以呈格子狀交叉之方式排列。即，以配置於上段之20根鹵素燈HL之長度方向與配置於下段之20根鹵素燈HL之長度方向相互正交之方式配設共計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並發光之燈絲方式之光源。於玻璃管之內部封入有對氮氣或氬氣等惰性氣體導入微量鹵素元素(碘、溴等)所得之氣體。藉由導入鹵素元素，可抑制燈絲折損且將燈絲溫度設定為高溫。因此，鹵素燈HL具有以下特性：與普通白熾燈泡相比壽命長且可連續地照射強光。即，鹵素燈HL係至少1秒以上連續地發光之連續點亮燈。又，鹵素燈HL由於為棒狀燈，故而壽命長，藉由將鹵素燈HL沿著水平方向配置，對上方之半導體晶圓W之放射效率變得優異。
又，可個別地控制鹵素加熱部4之40根鹵素燈HL之輸出並個別地調整自各個鹵素燈HL放射之光之強度。於本實施形態中，將40根鹵素燈HL區分為若干個燈群，針對每個燈群調整所放射之光之強度。具體而言，如圖7所示，將自上段之20根鹵素燈HL中之兩端起7根鹵素燈HL設為端部燈群45E，將中央之6根鹵素燈HL設為中央部燈群45C。同樣地，關於下段之20根鹵素燈HL，亦將自兩端起7根鹵素燈HL設為端部燈群45E，將中央之6根鹵素燈HL設為中央部燈群45C。而且，將自端部燈群45E及中央部燈群45C放射之光之強度分別個別地進行調整。即，將自排列有40根鹵素燈HL之光照射部45之端部放射之光之強度與自中央部放射之光之強度個別地進行調整。
又，於鹵素加熱部4之殼體41內，亦於2段鹵素燈HL之下側設置有反射器43(圖1)。反射器43將自複數個鹵素燈HL出射之光朝熱處理空間65側反射。
控制部3控制設置於熱處理裝置1之上述各種動作機構。控制部3之作為硬件之構成與普通電腦相同。即，控制部3具備：CPU(Central Processing Unit，中央處理單元)，其係進行各種運算處理之電路；ROM(Read Only Memory，唯讀記憶體)，其係記憶基本程式之唯讀記憶體；RAM(Random Access Memory，隨機存取記憶體)，其係記憶各種信息之讀寫自如之記憶體；以及磁碟，其預先記憶有控制用軟體或資料等。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。又，控制部3將自端部燈群45E及中央部燈群45C放射之光之強度分別個別地進行控制。
除上述構成以外，熱處理裝置1還具備各種冷卻用結構，以防止於半導體晶圓W之熱處理時由鹵素燈HL及閃光燈FL產生之熱能引起之鹵素加熱部4、閃光加熱部5及腔室6之溫度過度上升。例如，於腔室6之壁體設置有水冷管(省略圖示)。又，鹵素加熱部4及閃光加熱部5被製成為於內部形成氣流而進行排熱之空氣冷卻結構。又，對上側腔室窗63與燈光放射窗53之間隙亦供給空氣，將閃光加熱部5及上側腔室窗63冷卻。
其次，對熱處理裝置1中之處理動作進行說明。首先，說明針對成為處理對象之半導體晶圓W之典型之熱處理工序。此處成為處理對象之半導體晶圓W係藉由離子注入法而添加有雜質(離子)之半導體基板。該雜質之活化係藉由利用熱處理裝置1之閃光照射加熱處理(退火)而執行。以下所說明之半導體晶圓W之處理工序係藉由控制部3控制熱處理裝置1之各動作機構而進行。
首先，將用於供氣之閥門84打開，並且將排氣用閥門89、192打開而開始對腔室6內進行供氣排氣。當閥門84打開時，自氣體供給孔81對熱處理空間65供給氮氣。又，當閥門89打開時，自氣體排氣孔86排出腔室6內之氣體。藉此，自腔室6內之熱處理空間65之上部供給之氮氣朝下方流動，且自熱處理空間65之下部排出。
又，藉由將閥門192打開，亦自搬送開口部66排出腔室6內之氣體。進而，利用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，於熱處理裝置1中之半導體晶圓W之熱處理時，持續地對熱處理空間65供給氮氣，其供給量係根據處理步驟而適當變更。
繼而，閘閥185打開後搬送開口部66被打開，利用裝置外部之搬送機械手經由搬送開口部66將成為處理對象之半導體晶圓W搬入至腔室6內之熱處理空間65。此時，有伴隨半導體晶圓W之搬入而夾帶裝置外部之氣體之虞，但由於對腔室6持續供給氮氣，故而氮氣自搬送開口部66流出，可將此種外部氣體之夾帶限制為最小限度。
由搬送機械手搬入之半導體晶圓W進入至保持部7之正上方位置並停止。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並自晶座74之保持板75之上表面突出而接收半導體晶圓W。此時，頂起銷12亦上升至較基板支持銷77之上端更靠上方為止。
半導體晶圓W被載置至頂起銷12之後，搬送機械手自熱處理空間65退出，利用閘閥185將搬送開口部66閉合。然後，一對移載臂11下降，藉此，半導體晶圓W被自移載機構10交接至保持部7之晶座74並以水平姿勢自下方得到保持。半導體晶圓W由豎立設置於保持板75上之複數個基板支持銷77支持而保持於晶座74。又，半導體晶圓W以實施有圖案形成並注入有雜質之表面為上表面被保持於保持部7。於由複數個基板支持銷77支持之半導體晶圓W之背面(與正面為相反側之主面)與保持板75之保持面75a之間形成有特定間隔。下降至晶座74之下方為止之一對移載臂11係藉由水平移動機構13而退避至退避位置、即凹部62之內側。
半導體晶圓W被由石英形成之保持部7之晶座74以水平姿勢自下方保持之後，鹵素加熱部4之40根鹵素燈HL一齊點亮並開始預加熱(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及晶座74，照射至半導體晶圓W之下表面。藉由接收來自鹵素燈HL之光照射，半導體晶圓W被預加熱而溫度上升。再者，移載機構10之移載臂11退避至凹部62之內側，故而不會妨礙利用鹵素燈HL進行之加熱。
於進行利用鹵素燈HL之預加熱時，半導體晶圓W之溫度係利用放射溫度計120進行測定。即，放射溫度計120接收自保持於晶座74之半導體晶圓W之下表面經由開口部78放射之紅外光並測定升溫中之晶圓溫度。所測定出之半導體晶圓W之溫度被傳達至控制部3。控制部3一面監視藉由來自鹵素燈HL之光照射而升溫之半導體晶圓W之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基於放射溫度計120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係設為不存在添加至半導體晶圓W中之雜質因熱而擴散之虞之200℃至800℃左右、較佳為350℃至600℃左右(本實施形態中為600℃)。再者，關於預加熱時之鹵素燈HL之輸出控制之詳情將於下文進一步詳細敍述。
於半導體晶圓W之溫度達到預加熱溫度T1之後，控制部3將半導體晶圓W暫時維持於該預加熱溫度T1。具體而言，於由放射溫度計120測定之半導體晶圓W之溫度達到預加熱溫度T1之時間點，控制部3調整鹵素燈HL之輸出，將半導體晶圓W之溫度維持於大致預加熱溫度T1。
於半導體晶圓W之溫度達到預加熱溫度T1並經過特定時間之時間點，閃光加熱部5之閃光燈FL對保持於晶座74之半導體晶圓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照向腔室6內，另一部分暫時被反射器52反射後照向腔室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。
閃光加熱係藉由來自閃光燈FL之閃光(flashing light)照射而進行，故而可使半導體晶圓W之表面溫度於短時間內上升。即，自閃光燈FL照射之閃光係預先儲存於電容器中之靜電能量被轉換為極短之光脈衝之照射時間為0.1毫秒以上且100毫秒以下左右之極短之強閃光。而且，藉由來自閃光燈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為止，於注入至半導體晶圓W中之雜質活化之後，表面溫度急速下降。如此，就熱處理裝置1而言，可使半導體晶圓W之表面溫度於極短時間內升降，因此可一面抑制注入至半導體晶圓W中之雜質之因熱所致之擴散，一面進行雜質之活化。再者，雜質活化所需之時間與其熱擴散所需之時間相比極短，故而即便為0.1毫秒至100毫秒左右之未產生擴散之短時間，活化亦會完成。
於閃光加熱處理結束之後，經過特定時間後，鹵素燈HL熄滅。藉此，半導體晶圓W自預加熱溫度T1急速地降溫。降溫中之半導體晶圓W之溫度係利用放射溫度計120進行測定，其測定結果被傳達至控制部3。控制部3監視半導體晶圓W之溫度是否自放射溫度計120之測定結果降溫至特定溫度為止。而且，於半導體晶圓W之溫度降溫至特定以下為止之後，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自晶座74之上表面突出而自晶座74接收熱處理後之半導體晶圓W。繼而，將藉由閘閥185而閉合之搬送開口部66打開，利用裝置外部之搬送機械手將頂起銷12上所載置之半導體晶圓W搬出，而熱處理裝置1中之半導體晶圓W之加熱處理完成。
如上所述，成為處理對象之半導體晶圓W係於藉由來自鹵素燈HL之光照射而預加熱至預加熱溫度T1為止之後，被閃光加熱至處理溫度T2。然後，因來自升溫之半導體晶圓W之熱傳導及熱輻射，保持半導體晶圓W之晶座74亦被加熱並升溫。
於鹵素燈HL熄滅而半導體晶圓W降溫時，晶座74亦降溫。此時，半導體晶圓W及晶座74之溫度均自散熱程度大之端緣部開始下降，中央部之溫度降低得最晚。即，半導體晶圓W及晶座74產生如下溫度梯度：自中央部朝向端緣部，溫度下降。再者，所謂晶座74之端緣部，意指將半導體晶圓W保持於晶座74時與該半導體晶圓W對向之區域之端緣部。
另一方面，自縮短處理時間並提高處理量之觀點來看，可考慮縮短於鹵素燈HL熄滅後半導體晶圓W在腔室6內降溫所需之待機時間。於此情形時，半導體晶圓W未充分地降溫而以某種程度上溫度較高之狀態自腔室6搬出，晶座74亦未充分地降溫。而且，於將半導體晶圓W自腔室6搬出之時間點，產生如下不均勻之溫度分佈：晶座74之中央部溫度相對較高且端緣部相對成為低溫。
當於產生此種不均勻之溫度分佈之晶座74保持有新的常溫半導體晶圓W時，因來自溫度相對較高之晶座74之中央部之熱輻射，半導體晶圓W之中央部被較強地加熱，另一方面，半導體晶圓W之端緣部未被較強地加熱。於該狀態下，當自鹵素加熱部4之40根鹵素燈HL以均勻之強度進行光照射時，半導體晶圓W之中央部被過強地加熱，於預加熱階段，半導體晶圓W產生翹曲。
因此，於本實施形態中，以如下方式控制預加熱階段之鹵素燈HL之輸出。圖8係表示預加熱時來自鹵素燈HL之光照射之工序之流程圖。圖9係表示半導體晶圓W之表面溫度之變化之圖。
當將搬入至腔室6內之半導體晶圓W保持於晶座74之後，於時刻t1，40根鹵素燈HL點亮並開始預加熱。於自時刻t1至時刻t2為止之預加熱之初期階段，由鹵素燈HL執行“翹曲抑制照射(第1照射步驟)”(步驟S1)。於翹曲抑制照射中，將自排列有40根鹵素燈HL之光照射部45之中央部放射之光之強度相對於自端部放射之光之強度的比率即強度比設為未達100%。即，使自光照射部45之中央部放射之光之強度較自端部放射之光之強度弱。具體而言，將自中央部燈群45C放射之光之強度相對於自端部燈群45E放射之光之強度之比率設為40%以上且70%以下。又，自由複數個鹵素燈HL執行翹曲抑制照射之時刻t1至時刻t2為止之時間為5秒以上且15秒以下。
圖10係模式性地表示執行翹曲抑制照射時之狀態之圖。對保持於中央部與端緣部相比成為高溫之不均勻溫度分佈之晶座74之半導體晶圓W，自排列有複數個鹵素燈HL之光照射部45進行翹曲抑制照射。自具有不均勻之溫度分佈之晶座74，半導體晶圓W之中央部比端緣部更強地被加熱，但於預加熱之初期階段，使自光照射部45之中央部放射之光之強度較自端部放射之光之強度弱，故而半導體晶圓W之整個面大體上均勻地被加熱。其結果，可預加熱半導體晶圓W而不會於半導體晶圓W產生翹曲。
為了消除來自晶座74之不均勻之加熱並將半導體晶圓W之整個面大體上均勻地加熱，較佳為將自光照射部45之中央部放射之光之強度相對於自端部放射之光之強度之比率設為70%以下。另一方面，當使自光照射部45之中央部放射之光之強度與自端部放射之光之強度相比極端弱時，反而會導致半導體晶圓W之端緣部被過強地加熱而於半導體晶圓W產生翹曲。因此，必須將自光照射部45之中央部放射之光之強度相對於自端部放射之光之強度之比率設為40%以上。
又，較佳為於半導體晶圓W被保持於晶座74之時間點之晶座74之中央部之溫度為250℃以上，且晶座74之中央部與端緣部之溫度差為20℃以上之情形時執行翹曲抑制照射。即，於產生晶座74之中央部溫度相對較高且與中央部相比端緣部成為低溫之不均勻之溫度分佈之情形時，較佳為執行上述翹曲抑制照射。其原因在於，於晶座74之中央部並非太高溫且中央部與端緣部未產生不均勻之溫度分佈之情形時，亦不會有自晶座74將半導體晶圓W之中央部較強地加熱之情況，故而無需翹曲抑制照射，藉由執行翹曲抑制照射反而有半導體晶圓W之端緣部被過強地加熱而產生翹曲之虞。再者，當鹵素燈HL熄滅且加熱處理後之半導體晶圓W被自腔室6搬出之後，晶座74之中央部之溫度為250℃以上時，多數情況下，與晶座74之中央部相比，端緣部為20℃以上之低溫。
其次，於時刻t2自“翹曲抑制照射”切換為“升溫用照射”。自時刻t2至時刻t3為止，由鹵素燈HL執行“升溫用照射(第2照射步驟)”(步驟S2)。升溫用照射係使半導體晶圓W升溫至預加熱溫度T1附近為止之預加熱中心階段之照射。於升溫用照射中，使自光照射部45之中央部放射之光之強度相對於自端部放射之光之強度之比率高於翹曲抑制照射中之強度比。即，使自光照射部45之中央部放射之光之強度相對於自端部放射之光之強度之比率高於至少70%。升溫用照射中自光照射部45之中央部放射之光之強度相對於自端部放射之光之強度之比率若高於翹曲抑制照射時，則可為100%以下，亦可高於100%。於本實施形態中，使升溫用照射中自光照射部45之中央部放射之光之強度相對於自端部放射之光之強度之比率高於100%。具體而言，使自中央部燈群45C放射之光之強度相對於自端部燈群45E放射之光之強度之比率高於100%，使兩者之強度比與翹曲抑制照射時相反。
藉由使自光照射部45之中央部放射之光之強度相對於自端部放射之光之強度之比率高於100%，與翹曲抑制照射時相比，半導體晶圓W之中央部被較強地加熱。若於預加熱之初期階段預先藉由翹曲抑制照射而防止半導體晶圓W之翹曲，則即便之後以使自光照射部45之中央部放射之光之強度較自端部放射之光之強度強之方式將半導體晶圓W之中央部較強地加熱，亦不會於半導體晶圓W產生翹曲。而且，將半導體晶圓W之中央部較強地加熱之升溫用照射較佳為將半導體晶圓W急速地升溫至預加熱溫度T1附近為止。
其次，於時刻t3自“升溫用照射”切換為“均勻化照射”。自時刻t3至鹵素燈HL熄滅為止，由鹵素燈HL執行“均勻化照射(第3照射步驟)”(步驟S3)。均勻化照射係用於將半導體晶圓W之整體均勻地加熱至預加熱溫度T1之預加熱之最終照射。於均勻化照射中，將自光照射部45之中央部放射之光之強度相對於自端部放射之光之強度之比率再次設為未達100%。即，將自中央部燈群45C放射之光之強度相對於自端部燈群45E放射之光之強度之比率設為未達100%。
典型而言，雖然相較半導體晶圓W之中央部，來自端緣部之散熱較多，但由於在上述升溫用照射中將半導體晶圓W之中央部較強地加熱，故而有半導體晶圓W之面內溫度分佈變得不均勻之虞。因此，於預加熱之最終階段進行將自光照射部45之中央部放射之光之強度相對於自端部放射之光之強度之比率設為未達100%之均勻化照射。於均勻化照射中，使自光照射部45之端部放射之光之強度較自中央部放射之光之強度強，將容易產生散熱之半導體晶圓W之端緣部較強地加熱，故而可使半導體晶圓W之面內溫度分佈均勻。而且，於半導體晶圓W均勻地升溫至預加熱溫度T1之狀態下，於時刻t4自閃光燈FL對半導體晶圓W之表面照射閃光，藉此可將該表面均勻地加熱至處理溫度T2為止。
於本實施形態中，於開始來自複數個鹵素燈HL之光照射之預加熱之初期階段，將自光照射部45之中央部放射之光之強度相對於自端部放射之光之強度之比率即強度比設為未達100%。而且，其後提高自光照射部45之中央部放射之光之強度相對於自端部放射之光之強度之比率。藉由如此，可迅速地預加熱半導體晶圓W而不會產生因晶座74出現之不均勻溫度分佈引起之半導體晶圓W之翹曲。
其後，亦可藉由進而將自光照射部45之中央部放射之光之強度相對於自端部放射之光之強度之比率再次設為未達100%，而使半導體晶圓W之面內溫度分佈均勻。
以上，對本發明之實施形態進行了說明，但本發明可於不脫離其主旨之範圍內，進行除上述內容以外之各種變更。例如，於半導體晶圓W被保持於晶座74之時間點之晶座74之中央部的溫度未達250℃之情形時，亦可於圖9之時刻t1至時刻t2為止之期間，交替地反覆進行上述實施形態之翹曲抑制照射與升溫用照射。於晶座74之中央部之溫度未達250℃之情形時，亦無半導體晶圓W之中央部由晶座74較強地加熱之情況，故而藉由於預加熱之初期階段交替地進行翹曲抑制照射與升溫用照射，可高效率地使半導體晶圓W升溫而不會使半導體晶圓W產生翹曲。
又，亦可為利用放射溫度計130測定晶座74之中央部之溫度，並且利用放射溫度計140測定晶座74之端緣部之溫度，基於其等之測定結果，控制部3自動地切換預加熱之模式。具體而言，當半導體晶圓W被保持於晶座74之時間點之晶座74之中央部之溫度為250℃以上，且晶座74之中央部與端緣部之溫度差為20℃以上時，控制部3選擇上述實施形態之預加熱模式。另一方面，當半導體晶圓W被保持於晶座74之時間點之晶座74之中央部之溫度未達250℃或晶座74之中央部與端緣部之溫度差未達20℃時，控制部3選擇於預加熱之初期階段反覆交替地進行翹曲抑制照射與升溫用照射之預加熱模式。
又，於產生晶座74之端緣部溫度相對較高且中央部成為低溫之與上述實施形態相反之溫度分佈之情形時，亦可利用翹曲抑制照射使自光照射部45之端部放射之光之強度較自中央部放射之光之強度弱。即，只要以與晶座74出現之溫度分佈相反之強度分佈自光照射部45照射光即可。
又，於上述實施形態中，使閃光加熱部5具備30根閃光燈FL，但並不限定於此，閃光燈FL之根數可設為任意數量。又，閃光燈FL並不限定於氙氣閃光燈，亦可為氪氣閃光燈。又，鹵素加熱部4所具備之鹵素燈HL之根數亦不限定於40根，可設為任意數量。
又，於上述實施形態中，使用燈絲方式之鹵素燈HL作為連續發光1秒以上之連續點亮燈進行半導體晶圓W之預加熱，但並不限定於此，亦可使用連續點亮燈代替鹵素燈HL作為放電型電弧燈(例如氙氣電弧燈)進行預加熱。於此情形時，與上述實施形態同樣地調整自複數個電弧燈放射之光之強度。
又，成為熱處理裝置1之處理對象之基板並不限定於半導體晶圓，亦可為液晶顯示裝置等平板顯示器中所使用之玻璃基板或太陽電池用基板。
又，本發明之熱處理技術並不限定於閃光燈退火裝置，亦可應用於使用鹵素燈之單片式燈退火裝置或CVD(Chemical Vapor Deposition，化學氣相沈積)裝置等除閃光燈以外之熱源裝置。尤其是，本發明之技術可較佳為地應用於背面退火裝置，該背面退火裝置係於腔室之下方配置鹵素燈，自半導體晶圓之背面進行光照射而進行熱處理之裝置。
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 41‧‧‧殼體 43‧‧‧反射器 45‧‧‧光照射部 45C‧‧‧中央部燈群 45E‧‧‧端部燈群 51‧‧‧殼體 52‧‧‧反射罩 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‧‧‧晶座 75‧‧‧保持板 75a‧‧‧保持面 76‧‧‧導環 77‧‧‧基板支持銷 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‧‧‧閥門 85‧‧‧處理氣體供給源 86‧‧‧氣體排氣孔 87‧‧‧緩衝空間 88‧‧‧氣體排氣管 89‧‧‧(排氣用)閥門 120‧‧‧放射溫度計 130‧‧‧放射溫度計 140‧‧‧放射溫度計 185‧‧‧閘閥 190‧‧‧排氣部 191‧‧‧氣體排氣管 192‧‧‧閥門 FL‧‧‧閃光燈 HL‧‧‧鹵素燈 S1‧‧‧步驟 S2‧‧‧步驟 S3‧‧‧步驟 t1‧‧‧時刻 T1‧‧‧預加熱溫度 t2‧‧‧時刻 T2‧‧‧處理溫度 t3‧‧‧時刻 t4‧‧‧時刻 W‧‧‧半導體晶圓
圖1係表示本發明之熱處理方法中所使用之熱處理裝置之構成的縱剖視圖。 圖2係表示保持部之整體外觀之立體圖。 圖3係晶座之俯視圖。 圖4係晶座之剖視圖。 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。 圖8係表示預加熱時來自鹵素燈之光照射之工序之流程圖。 圖9係表示半導體晶圓之表面溫度之變化之圖。 圖10係模式性地表示執行翹曲抑制照射時之狀態之圖。
45‧‧‧光照射部
74‧‧‧晶座
HL‧‧‧鹵素燈
W‧‧‧半導體晶圓

Claims (6)

  1. 一種熱處理方法，其特徵在於：其係藉由自複數個連續點亮燈對保持於石英晶座之基板照射光而將該基板加熱，且包括：第1照射步驟，其係於來自上述複數個連續點亮燈之光照射開始時，將自排列有上述複數個連續點亮燈之光照射部之中央部放射之光之強度相對於自上述光照射部之端部放射之光之強度的比率即強度比設為未達100%之第1比率，對上述基板進行光照射；以及第2照射步驟，其係於上述第1照射步驟之後，於上述光照射的過程中，將上述強度比變更為較上述第1比率高之第2比率而對上述基板進行光照射。
  2. 如請求項1之熱處理方法，其中於上述第2照射步驟中，使上述第2比率高於100%。
  3. 如請求項1之熱處理方法，其中上述第1比率為40%以上且70%以下。
  4. 如請求項1之熱處理方法，其中於上述第1照射步驟中，自上述複數個連續點亮燈進行5秒以上且15秒以下之光照射。
  5. 如請求項1至4中任一項之熱處理方法，其還包括第3照射步驟， 該第3照射步驟係於上述第2照射步驟之後，將上述強度比設為未達100%之第3比率而對上述基板進行光照射。
  6. 如請求項1之熱處理方法，其中於上述基板被保持於上述晶座之時間點，上述晶座之中央部之溫度為250℃以上，且上述晶座之中央部與端緣部之溫度差為20℃以上。
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