TWI761848B - 熱處理方法 - Google Patents

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TWI761848B
TWI761848B TW109118398A TW109118398A TWI761848B TW I761848 B TWI761848 B TW I761848B TW 109118398 A TW109118398 A TW 109118398A TW 109118398 A TW109118398 A TW 109118398A TW I761848 B TWI761848 B TW I761848B
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野崎仁秀
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日商斯庫林集團股份有限公司
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Abstract

本發明提供一種能準確地測定基板之正面溫度之熱處理方法。 藉由鹵素燈對半導體晶圓進行預加熱後，再藉由來自閃光燈之閃光照射對其進行加熱。即將進行閃光照射之前之半導體晶圓之溫度由下部輻射溫度計測定。因下部輻射溫度計對半導體晶圓之接收角為60°以上89°以下，故無論成膜於半導體晶圓背面之膜之種類如何，下部輻射溫度計均能準確地測定半導體晶圓之背面之溫度。於閃光照射時，半導體晶圓之正面之上升溫度由上部輻射溫度計測定。將藉由下部輻射溫度計測定之半導體晶圓之背面溫度與藉由上部輻射溫度計測定之閃光照射時半導體晶圓之正面之上升溫度相加，而計算出半導體晶圓之正面溫度。

Description

熱處理方法
本發明係關於一種熱處理方法，其藉由對背面形成有膜之半導體晶圓等薄板狀精密電子基板(以下，簡稱「基板」)照射閃光，而對該基板進行加熱。
半導體元件之製造工藝中，於極短時間內對半導體晶圓進行加熱之閃光燈退火(FLA)受到矚目。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，簡稱「閃光燈」時即意指氙氣閃光燈)對半導體晶圓之正面照射閃光，而於極短時間內(幾毫秒以下)僅使半導體晶圓之正面升溫。
氙氣閃光燈之放射光譜分佈係紫外線區域至近紅外線區域，波長短於先前之鹵素燈，與矽之半導體晶圓之基礎吸收帶大體一致。藉此，於自氙氣閃光燈向半導體晶圓照射閃光時，透射光較少，從而能使半導體晶圓急速升溫。又，亦已判明：若閃光照射只有幾毫秒以下，時間極短，則能選擇性地僅使半導體晶圓之正面附近升溫。
此種閃光燈退火用於需要在極短時間內進行加熱之處理，例如，典型為注入半導體晶圓中之雜質之活化。若自閃光燈向藉由離子注入法被注入有雜質之半導體晶圓之正面照射閃光，則能於極短時間內使該半導體晶圓之正面升溫至活化溫度，能不使雜質深度擴散地僅執行雜質活化。
於半導體晶圓之熱處理中，不限於閃光燈退火，晶圓溫度之管理較為重要。於專利文獻1、2中，揭示有一種技術，其係於作為處理對象之半導體晶圓之斜上方及斜下方設置輻射溫度計，接收自半導體晶圓之主面放射之放射光，測定該主面之溫度。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2012-238779號公報 [專利文獻2]日本專利特開2012-238782號公報
[發明所欲解決之問題]
然而，於以極短之照射時間照射閃光時，半導體晶圓之正面溫度亦會以亞毫秒為單位急遽變化，因此難以準確地測定該正面溫度。又，隨著半導體製造工藝複雜化，對作為閃光燈退火對象之半導體晶圓進行成膜處理之情形亦增多。於藉由輻射溫度計對半導體晶圓之溫度進行測定時，必需測定對象之放射率，但若半導體晶圓上形成有膜，則放射率會根據晶圓基材而發生變動，因此溫度測定變得更加困難。
本發明係鑒於上述問題而完成，其目的在於，提供一種能準確地測定基板之正面溫度之熱處理方法。 [解決問題之技術手段]
為了解決上述問題，技術方案1之發明係一種熱處理方法，其特徵在於，其藉由對背面形成有膜之基板照射閃光，而對該基板進行加熱，且具備：預加熱步驟，其係藉由自連續點亮燈向上述基板照射光，而對上述基板進行預加熱；主加熱步驟，其係藉由自閃光燈向已進行預加熱之上述基板之正面照射閃光，而對上述基板進行閃光加熱；背面溫度測定步驟，其係於執行上述預加熱步驟及上述主加熱步驟時，藉由設置於上述基板之斜下方之第1輻射溫度計，對上述基板之背面之溫度持續進行測定；正面上升溫度測定步驟，其係於執行上述主加熱步驟時，藉由設置於上述基板之斜上方之第2輻射溫度計，對閃光照射時上述基板之正面之上升溫度進行測定；及正面溫度計算，其係將正被進行預加熱之上述基板達到一定溫度起至照射閃光為止之期間藉由上述第1輻射溫度計測定之上述基板之背面之溫度與藉由上述第2輻射溫度計測定之閃光照射時上述基板之正面之上升溫度相加，而計算出上述基板之正面溫度。
又，技術方案2之發明係根據技術方案1之發明上述之熱處理方法，其特徵在於，上述第1輻射溫度計對上述基板之接收角為60°以上89°以下。 [發明之效果]
根據技術方案1及技術方案2之發明，將閃光照射前藉由第1輻射溫度計測定之基板之背面之溫度與藉由第2輻射溫度計測定之閃光照射時基板之正面之上升溫度相加，而計算出基板之正面溫度，因此能準確地測定閃光照射時基板之正面溫度。
特別是，根據技術方案2之發明，第1輻射溫度計對基板之接收角為60°以上89°以下，因此無論背面之膜之種類如何，均能藉由第1輻射溫度計準確地測定基板之背面之溫度，從而能更準確地測定閃光照射時基板之正面溫度。
以下，參照圖式對本發明之實施方式進行詳細說明。
圖1係表示用以實施本發明之熱處理方法之熱處理裝置1的構成之縱剖視圖。圖1之熱處理裝置1係一種閃光燈退火裝置，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，而對該半導體晶圓W進行加熱。作為處理對象之半導體晶圓W之尺寸並未特別限定，例如為
Figure 02_image001
300 mm或
Figure 02_image001
450 mm(於本實施方式中為
Figure 02_image001
300 mm)。再者，於圖1及以後之各圖中，為了易於理解，繪製時視需要而誇大或簡化了各部之尺寸或數量。
熱處理裝置1具備收容半導體晶圓W之腔室6、內置複數個閃光燈FL之閃光加熱部5、及內置複數個鹵素燈HL之鹵素加熱部4。於腔室6之上側設置閃光加熱部5，並且於下側設置鹵素加熱部4。又，熱處理裝置1於腔室6之內部具備將半導體晶圓W保持為水平姿勢之保持部7、及於保持部7與裝置外部之間進行半導體晶圓W之交接之移載機構10。進而，熱處理裝置1具備控制部3，該控制部3對設置於鹵素加熱部4、閃光加熱部5及腔室6中之各動作機構進行控制，使其等執行半導體晶圓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具有上下開口之大致筒形狀，上側開口安裝有上側腔室窗63而被堵塞，下側開口安裝有下側腔室窗64而被堵塞。構成腔室6之頂壁之上側腔室窗63係由石英形成之圓板形狀構件，作為使自閃光加熱部5出射之閃光透射至腔室6內之石英窗發揮功能。又，構成腔室6之底板之下側腔室窗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之光透射至腔室6內之石英窗發揮功能。
又，於腔室側部61之內側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之下側嵌入並使用圖示省略之螺釘加以固定而安裝。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圍成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，於腔室6之內壁面形成有凹部62。即，形成有由腔室側部61之內壁面中未安裝反射環68、69之中央部分、反射環68之下端面、及反射環69之上端面圍成之凹部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由強度及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能藉由閘閥185開閉。搬送開口部66與凹部62之外周面連通連接。因此，於閘閥185打開搬送開口部66時，能自搬送開口部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關閉搬送開口部66，則腔室6內之熱處理空間65變成密閉空間。
進而，於腔室側部61穿設有貫通孔61a及貫通孔61b。貫通孔61a係圓筒狀之孔，用以將自保持於後述基座74之半導體晶圓W之上表面放射之紅外光傳導至上部輻射溫度計25(第2輻射溫度計)之紅外線感測器29。另一方面，貫通孔61b係圓筒狀之孔，用以將自半導體晶圓W之下表面放射之紅外光傳導至下部輻射溫度計20(第1輻射溫度計)之紅外線感測器24。貫通孔61a及貫通孔61b以其等之貫通方向之軸與保持於基座74之半導體晶圓W之主面相交之方式，相對於水平方向傾斜設置。於貫通孔61a之面對熱處理空間65之一側之端部安裝有透明窗26，該透明窗26由可透過上部輻射溫度計25所能測定之波長區域之紅外光之氟化鈣材料形成。又，於貫通孔61b之面對熱處理空間65之一側之端部安裝有透明窗21，該透明窗21由可透過下部輻射溫度計20所能測定之波長區域之紅外光之氟化鋇材料形成。
又，於腔室6之內壁上部形成設置有向熱處理空間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側壁內部之緩衝空間82與氣體供給管83連通連接。氣體供給管83與處理氣體供給源85連接。又，於氣體供給管83之路徑中途介插有閥84。若閥84打開，則處理氣體自處理氣體供給源85供送至緩衝空間82。流入緩衝空間82之處理氣體以於流體阻力小於氣體供給孔81之緩衝空間82內擴散之方式流動，而自氣體供給孔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、再或其等混合而成之混合氣體(於本實施方式中為氮氣)。
另一方面，於腔室6之內壁下部形成設置有將熱處理空間65內之氣體排出之氣體排出孔86。氣體排出孔86形成設置於較凹部62更靠下側位置，亦可設置於反射環69。氣體排出孔86經由呈圓環狀形成於腔室6側壁內部之緩衝空間87與氣體排出管88連通連接。氣體排出管88與排氣部190連接。又，於氣體排出管88之路徑中途介插有閥89。若閥89打開，則熱處理空間65之氣體自氣體排出孔86經由緩衝空間87向氣體排出管88排出。再者，氣體供給孔81及氣體排出孔86可沿著腔室6之圓周方向設置有複數個，亦可為狹縫狀。又，處理氣體供給源85及排氣部190可為設置於熱處理裝置1之機構，亦可為設置熱處理裝置1之工廠之公用實體。
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出管191。氣體排出管191經由閥192與排氣部190連接。藉由打開閥192，腔室6內之氣體經由搬送開口部66排出。
圖2係表示保持部7之整體外觀之立體圖。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整體由石英形成。
基台環71係圓環形狀缺失一部分而成之圓弧形狀之石英構件。該缺失部分係為了防止後述移載機構10之移載臂11與基台環71之干涉而設置。基台環71藉由載置於凹部62之底面，而支持於腔室6之壁面(參照圖1)。於基台環71之上表面，沿著其圓環形狀之圓周方向立設有複數個連結部72(於本實施方式中為4個)。連結部72亦為石英構件，藉由焊接固定連接於基台環71。
基座74由設置於基台環71之4個連結部72支持。圖3係基座74之俯視圖。又，圖4係基座74之剖視圖。基座74具備保持板75、導引環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之直徑大於半導體晶圓W之直徑。即，保持板75具有大於半導體晶圓W之平面尺寸。
於保持板75之上表面周緣部設置有導引環76。導引環76係圓環形狀之構件，具有大於半導體晶圓W之直徑之內徑。例如，於半導體晶圓W之直徑為
Figure 02_image001
300 mm之情形時，導引環76之內徑為
Figure 02_image001
320 mm。導引環76之內周為自保持板75向上方變寬之錐面。導引環76與保持板75相同，亦由石英形成。導引環76可熔接於保持板75之上表面，亦可藉由另行加工所得之銷等固定於保持板75。或者，亦可將保持板75與導引環76加工成一體之構件。
保持板75之上表面中較導引環76更靠內側之區域成為保持半導體晶圓W之平面狀之保持面75a。於保持板75之保持面75a立設有複數個基板支持銷77。於本實施方式中，沿著與保持面75a之外周圓(導引環76之內周圓)為同心圓之圓周，分別間隔30°地立設有總計12個基板支持銷77。配置有12個基板支持銷77之圓之直徑(相對向之基板支持銷77間之距離)小於半導體晶圓W之直徑，若半導體晶圓W之直徑為
Figure 02_image001
300 mm，則配置有12個基板支持銷77之圓之直徑為
Figure 02_image001
270 mm～
Figure 02_image001
280 mm(於本實施方式中為
Figure 02_image001
270 mm)。各基板支持銷77均由石英形成。複數個基板支持銷77可藉由焊接設置於保持板75之上表面，亦可與保持板75加工成一體。
返回圖2，立設於基台環71之4個連結部72與基座74之保持板75之周緣部藉由焊接固定連接。即，基座74與基台環71藉由連結部72固定連結。藉由如此地保持部7之基台環71支持於腔室6之壁面，保持部7安裝於腔室6。保持部7安裝於腔室6之狀態下，基座74之保持板75成為水平姿勢(法線與鉛直方向一致之姿勢)。即，保持板75之保持面75a成為水平面。
搬入腔室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之基座74上。此時，半導體晶圓W由立設於保持板75上之12個基板支持銷77支持並保持於基座74。更嚴謹而言，12個基板支持銷77之上端部與半導體晶圓W之下表面接觸而支持該半導體晶圓W。12個基板支持銷77之高度(基板支持銷77之上端至保持板75之保持面75a之距離)均一，因此能藉由12個基板支持銷77將半導體晶圓W支持為水平姿勢。
又，半導體晶圓W由複數個基板支持銷77與保持板75之保持面75a隔開特定間隔地支持。導引環76之厚度大於基板支持銷77之高度。因此，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藉由導引環76得到防止。
又，如圖2及圖3所示，於基座74之保持板75，上下貫通地形成有開口部78。開口部78係為了供下部輻射溫度計20接收自半導體晶圓W之下表面放射之放射光(紅外光)而設置。即，下部輻射溫度計20經由開口部78及安裝於腔室側部61之貫通孔61b之透明窗21接收自半導體晶圓W之下表面放射之光，測定該半導體晶圓W之溫度。進而，於基座74之保持板75，穿設有供後述移載機構10之頂起銷12為了交接半導體晶圓W而貫通之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為沿著大致圓環狀之凹部62之圓弧形狀。於各移載臂11立設有2根頂起銷12。移載臂11及頂起銷12由石英形成。各移載臂11能藉由水平移動機構13而轉動。水平移動機構13使一對移載臂11在相對於保持部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)與俯視時不和保持於保持部7之半導體晶圓W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，可為藉由不同之馬達使各移載臂11分別轉動之水平移動機構，亦可為使用連桿機構並藉由1個馬達使一對移載臂11聯動地轉動之水平移動機構。
又，一對移載臂11藉由升降機構14與水平移動機構13一同升降移動。若升降機構14使一對移載臂11於移載動作位置上升，則總計4根頂起銷12通過穿設於基座74之貫通孔79(參照圖2、3)，從而頂起銷12之上端自基座74之上表面突出。另一方面，若升降機構14使一對移載臂11於移載動作位置下降而使頂起銷12自貫通孔79拔出，且水平移動機構13以打開一對移載臂11之方式使一對移載臂11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)之部位附近，亦設置有圖示省略之排氣機構，從而構成為將移載機構10之驅動部周邊之氣體排出至腔室6之外部。
返回圖1，設置於腔室6上方之閃光加熱部5係於殼體51之內側具備包含多根(於本實施方式中為30根)氙氣閃光燈FL之光源、及以覆蓋該光源上方之方式設置之反射器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之底板之燈光放射窗53係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向熱處理空間65照射閃光。
複數個閃光燈FL係各自具有長條之圓筒形狀之棒狀燈，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具備內部封入有氙氣且兩端部配設有與電容器連接之陽極及陰極之棒狀之玻璃管(放電管)、及附設於該玻璃管外周面上之觸發電極。因氙氣係電性絕緣體，故即使於電容器中儲存有電荷，正常狀態下電流亦不會流至玻璃管內。然而，於對觸發電極施加高電壓而破壞了絕緣之情形時，儲存於電容器之電流會瞬時流至玻璃管內，藉由此時氙原子或氙分子之激發而發射光。此種氙氣閃光燈FL中，預先儲存於電容器之靜電能轉換為0.1毫秒至100毫秒之極短光脈衝，因此與如鹵素燈HL般連續點亮之光源相比，具有能照射極強光之特徵。即，閃光燈FL係在小於1秒之極短時間內瞬間發光之脈衝發光燈。再者，閃光燈FL之發光時間能藉由向閃光燈FL供給電力之燈電源之線圈常數進行調整。
又，反射器52以覆蓋複數個閃光燈FL全體之方式設置於複數個閃光燈FL之上方。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側。反射器52由鋁合金板形成，其正面(面對閃光燈FL之一側之面)被藉由噴砂處理實施了粗面化加工。
設置於腔室6下方之鹵素加熱部4於殼體41之內側內置有多根(於本實施方式中為40根)鹵素燈HL。鹵素加熱部4藉由複數個鹵素燈HL自腔室6之下方經由下側腔室窗64向熱處理空間65照射光而對半導體晶圓W進行加熱。
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分成上下2段配置。於接近保持部7之上段配設有20根鹵素燈HL，並且於與上段相比距離保持部7較遠之下段亦配設有20根鹵素燈HL。各鹵素燈HL係具有長條之圓筒形狀之棒狀燈。於上段、下段，20根鹵素燈HL均係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。藉此，於上段、下段，藉由鹵素燈HL之排列而形成之平面均為水平面。
又，如圖7所示，於上段、下段，相比與保持於保持部7之半導體晶圓W之中央部相對向之區域，與周緣部相對向之區域之鹵素燈HL之配設密度較高。即，於上段、下段，相比燈排列之中央部，周緣部之鹵素燈HL之配設間距較短。因此，於藉由來自鹵素加熱部4之光照射進行加熱時，能向溫度易於降低之半導體晶圓W之周緣部照射更多光量。
又，包含上段之鹵素燈HL之燈組與包含下段之鹵素燈HL之燈組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，配設有總計40根鹵素燈HL。
鹵素燈HL係燈絲方式之光源，其藉由對配設於玻璃管內部之燈絲進行通電，使燈絲白熾化而發光。於玻璃管之內部，封入有向氮氣或氬氣等惰性氣體中導入微量之鹵素元素(碘、溴等)所得之氣體。藉由導入鹵素元素，能抑制燈絲之折損，並且能將燈絲之溫度設定為高溫。因此，鹵素燈HL與普通之白熾燈相比，具有壽命較長且能連續照射強光之特性。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因係棒狀燈，故壽命長，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之放射效率優異。
又，鹵素加熱部4之殼體41內，同樣於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出射之光反射至熱處理空間65側。
如圖1所示，於腔室6中設置有2個輻射溫度計(於本實施方式中為高溫計)即上部輻射溫度計25及下部輻射溫度計20。上部輻射溫度計25設置於保持在基座74之半導體晶圓W之斜上方，並且下部輻射溫度計20設置於保持在基座74之半導體晶圓W之斜下方。圖8係表示下部輻射溫度計20與保持於基座74之半導體晶圓W之位置關係之圖。下部輻射溫度計20之紅外線感測器24對半導體晶圓W之接收角θ為60°以上89°以下。接收角θ係下部輻射溫度計20之紅外線感測器24之光軸與半導體晶圓W之法線(相對於主面垂直之線)所成之角度。又，同樣，上部輻射溫度計25之紅外線感測器29對半導體晶圓W之接收角亦為60°以上89°以下。
控制部3對設置於熱處理裝置1之上述各種動作機構進行控制。作為控制部3之硬體之構成與一般電腦相同。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)、記憶基本程式之讀取專用記憶體即ROM(read only memory，唯讀記憶體)、記憶各種資訊之自由讀寫記憶體即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，熱處理裝置1中之處理得以推進。
圖9係下部輻射溫度計20、上部輻射溫度計25及控制部3之功能方塊圖。設置於半導體晶圓W之斜下方對半導體晶圓W之下表面之溫度進行測定之下部輻射溫度計20具備紅外線感測器24及溫度測定單元22。紅外線感測器24接收自保持於基座74之半導體晶圓W之下表面經由開口部78放射之紅外光。紅外線感測器24與溫度測定單元22電性連接，將響應接收而產生之信號傳輸至溫度測定單元22。溫度測定單元22具備圖示省略之放大電路、A/D轉換器(Analog to Digital Converter，類比數位轉換器)、溫度轉換電路等，將表示自紅外線感測器24輸出之紅外光之強度之信號轉換成溫度。藉由溫度測定單元22求出之溫度係半導體晶圓W之下表面之溫度。
另一方面，設置於半導體晶圓W之斜上方對半導體晶圓W之上表面之溫度進行測定之上部輻射溫度計25具備紅外線感測器29及溫度測定單元27。紅外線感測器29接收自保持於基座74之半導體晶圓W之上表面放射之紅外光。紅外線感測器29為了能應對照射閃光之瞬間半導體晶圓W上表面之溫度急遽變化，而具備InSb(銻化銦)之光學元件。紅外線感測器29與溫度測定單元27電性連接，將響應接收而產生之信號傳輸至溫度測定單元27。溫度測定單元27將表示自紅外線感測器29輸出之紅外光之強度之信號轉換成溫度。藉由溫度測定單元27求出之溫度係半導體晶圓W之上表面之溫度。
下部輻射溫度計20及上部輻射溫度計25與作為熱處理裝置1整體之控制器之控制部3電性連接，將藉由下部輻射溫度計20及上部輻射溫度計25分別測定之半導體晶圓W之下表面及上表面之溫度傳輸至控制部3。控制部3具備溫度計算部31。溫度計算部31係藉由控制部3之CPU執行特定之處理程式而實現之功能處理部。關於溫度計算部31之處理內容，下文將進一步加以敍述。
又，於控制部3連接有顯示部33及輸入部34。控制部3使顯示部33顯示各種資訊。輸入部34係用以供熱處理裝置1之操作員向控制部3輸入各種指令或參數之機器。操作員亦能一邊對顯示部33之顯示內容進行確認，一邊經由輸入部34進行記載有半導體晶圓W之處理順序及處理條件之處理方案之條件設定。作為顯示部33及輸入部34，可使用兼具兩者功能之觸控面板，於本實施方式中，採用設置於熱處理裝置1外壁之液晶觸控面板。
除上述構成以外，熱處理裝置1為了防止半導體晶圓W之熱處理時產自鹵素燈HL及閃光燈FL之熱能導致鹵素加熱部4、閃光加熱部5及腔室6之溫度過度上升，進而具備各種冷卻用之構造。例如，於腔室6之壁體設置有水冷管(圖示省略)。又，鹵素加熱部4及閃光加熱部5為於內部形成氣流而進行排熱之空冷構造。又，向上側腔室窗63與燈光放射窗53之間隙亦供給空氣，而對閃光加熱部5及上側腔室窗63進行冷卻。
其次，對熱處理裝置1中之半導體晶圓W之處理順序進行說明。圖10係表示半導體晶圓W之處理順序之流程圖。以下說明之熱處理裝置1之處理順序藉由控制部3對熱處理裝置1之各動作機構進行控制而推進。
首先，將供氣用之閥84打開，並且將排氣用之閥89、192打開，開始對腔室6內供氣及排氣。若閥84打開，則氮氣自氣體供給孔81向熱處理空間65供給。又，若閥89打開，則腔室6內之氣體自氣體排出孔86排出。藉此，自腔室6內之熱處理空間65之上部供給之氮氣向下方流動，自熱處理空間65之下部排出。
又，藉由打開閥192，腔室6內之氣體亦自搬送開口部66排出。進而，移載機構10之驅動部周邊之氣體亦藉由圖示省略之排氣機構而排出。再者，於熱處理裝置1中之半導體晶圓W之熱處理時，氮氣向熱處理空間65持續供給，其供給量根據處理步驟而適當變更。
然後，打開閘閥185，將搬送開口部66打開，作為處理對象之半導體晶圓W藉由裝置外部之搬送機器人經由搬送開口部66搬入腔室6內之熱處理空間65(步驟S1)。此時，有隨著半導體晶圓W之搬入而捲入裝置外部之氣體之虞，但因向腔室6持續供給氮氣，故氮氣自搬送開口部66流出，能將此種外部氣體之捲入抑制於最小限度內。
藉由搬送機器人搬入之半導體晶圓W進出至保持部7之正上方位置並停止。然後，藉由移載機構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，頂起銷12藉由貫通孔79自基座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上升至較基板支持銷77之上端更靠上方。
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，搬送開口部66藉由閘閥185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交接至保持部7之基座74並以水平姿勢自下方受到保持。半導體晶圓W由立設於保持板75上之複數個基板支持銷77支持而保持於基座74。又，半導體晶圓W以作為被處理面之正面為上表面而保持於保持部7。於由複數個基板支持銷77支持之半導體晶圓W之背面(正面之相反側之主面)與保持板75之保持面75a之間，形成有特定間隔。下降至基座74下方之一對移載臂11藉由水平移動機構13退避至退避位置，即凹部62之內側。
圖11係表示半導體晶圓W之正面溫度之變化之圖。半導體晶圓W搬入腔室6內並保持於基座74後，於時刻t1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)(步驟S2)。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照射至半導體晶圓W之下表面。藉由接受來自鹵素燈HL之光照射，半導體晶圓W受到預加熱，從而溫度上升。再者，移載機構10之移載臂11因已退避至凹部62之內側，故不會妨礙利用鹵素燈HL進行加熱。
藉由來自鹵素燈HL之光照射而升溫之半導體晶圓W之溫度由下部輻射溫度計20測定。即，下部輻射溫度計20通過透明窗21接收自保持於基座74之半導體晶圓W之下表面(背面)經由開口部78放射之紅外光而測定半導體晶圓W之背面溫度(步驟S3)。再者，亦可自開始利用鹵素燈HL進行預加熱之前即開始利用下部輻射溫度計20進行溫度測定。
又，半導體晶圓W上根據處理目的而成膜有各種膜之情形較多。例如，存在光罩用之光阻膜、層間絕緣膜、或高介電常數膜等成膜於半導體晶圓W之情形。該等膜典型為成膜於半導體晶圓W之正面(被處理面)，但近年隨著半導體元件之製造工藝複雜化，亦會於半導體晶圓W之背面形成某種膜。並且，背面形成有膜之半導體晶圓W於熱處理裝置1中直接成為熱處理對象。
藉由下部輻射溫度計20非接觸地測定半導體晶圓W之背面之溫度時，需要於下部輻射溫度計20設定該背面之放射率。若於半導體晶圓W之背面未形成膜，則於下部輻射溫度計20設定作為晶圓基材之矽之放射率即可，然而，若於半導體晶圓W之背面亦形成有膜，則背面之放射率亦會根據膜而變動。
圖12係表示所形成之膜對放射率之影響之圖。於圖12中，例示有於半導體晶圓W之背面形成有膜厚1 μm之氮化矽(SiN)之膜之情形、於半導體晶圓W之背面形成有膜厚1 μm之二氧化矽(SiO2 )之膜之情形、及於半導體晶圓W之背面未形成任何膜而露出基材之矽之情形。又，圖12之橫軸表示輻射溫度計對半導體晶圓W之接收角，縱軸表示放射率。
如圖12所示，於接收角相對較小時，放射率根據成膜於半導體晶圓W背面之膜之種類而大不相同。即，放射率與膜之種類相關。另一方面，若接收角變大，則由成膜於半導體晶圓W背面之膜之種類所導致之放射率之差異變小。即，放射率對膜之種類之相關性降低。
於本實施方式中，使下部輻射溫度計20對半導體晶圓W之接收角θ相對較大至60°以上89°以下。藉此，半導體晶圓W之背面之放射率對膜之種類之相關性較低。因此，若於下部輻射溫度計20設定與接收角θ對應之矽之放射率，則無論成膜於半導體晶圓W背面之膜之種類如何，均能藉由下部輻射溫度計20準確地測定半導體晶圓W之背面之溫度。
藉由下部輻射溫度計20測定之半導體晶圓W之背面溫度傳輸至控制部3。控制部3一邊監測藉由來自鹵素燈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T1，一邊控制鹵素燈HL之輸出。即，控制部3基於利用下部輻射溫度計20所得之測定值，以半導體晶圓W之溫度成為預加熱溫度T1之方式對鹵素燈HL之輸出進行反饋控制。如此，下部輻射溫度計20亦為用以於預加熱階段控制鹵素燈HL之輸出之溫度感測器。再者，雖然下部輻射溫度計20係對半導體晶圓W之背面之溫度進行測定，但因於利用鹵素燈HL進行預加熱之階段半導體晶圓W之正面與背面不會產生溫度差，故藉由下部輻射溫度計20測定之背面溫度被視作半導體晶圓W整體之溫度。
於半導體晶圓W之溫度達到預加熱溫度T1後，控制部3將半導體晶圓W暫時維持於該預加熱溫度T1。具體而言，於藉由下部輻射溫度計20測定之半導體晶圓W之溫度達到預加熱溫度T1之時刻t2，控制部3對鹵素燈HL之輸出進行調整，將半導體晶圓W之溫度大致維持於預加熱溫度T1。
藉由如此地利用鹵素燈HL進行預加熱，而將半導體晶圓W整體均一升溫至預加熱溫度T1。於利用鹵素燈HL進行預加熱之階段，有更加易於散熱之半導體晶圓W之周緣部之溫度較中央部低之傾向，就鹵素加熱部4中之鹵素燈HL之配設密度而言，相比與基板W之中央部相對向之區域，與周緣部相對向之區域較高。因此，照射至易於散熱之半導體晶圓W之周緣部之光量變多，從而能使預加熱階段之半導體晶圓W之面內溫度分佈均一。
於半導體晶圓W之溫度達到預加熱溫度T1並經過特定時間後之時刻t3，閃光加熱部5之閃光燈FL對保持於基座74之半導體晶圓W之正面進行閃光照射(步驟S4)。此時，自閃光燈FL放射之閃光之一部分直接朝向腔室6內，其他部分經反射器52反射後朝向腔室6內，藉由該等閃光之照射進行半導體晶圓W之閃光加熱。
閃光加熱係藉由來自閃光燈FL之閃光(flash Light)照射而進行，因此能使半導體晶圓W之正面溫度於短時間內上升。即，自閃光燈FL照射之閃光係一種強閃光，其由預先儲存於電容器之靜電能轉換成極短之光脈衝，照射時間極短，為0.1毫秒以上100毫秒以下左右。並且，藉由來自閃光燈FL之閃光照射，半導體晶圓W之正面溫度於極短時間內急遽上升。
半導體晶圓W之正面溫度由上部輻射溫度計25監測。但上部輻射溫度計25並非測定半導體晶圓W之正面之絕對溫度，而是測定其正面之溫度變化。即，上部輻射溫度計25對閃光照射時半導體晶圓W之正面自預加熱溫度T1起之上升溫度(跳躍溫度)ΔT進行測定(步驟S5)。再者，閃光照射時亦藉由下部輻射溫度計20對半導體晶圓W之背面溫度進行測定，然而以極短之照射時間照射強度較強之閃光時，僅半導體晶圓W之正面附近急遽加熱，因此半導體晶圓W之正面與背面會產生溫度差，藉由下部輻射溫度計20無法測定半導體晶圓W之正面之溫度。又，與下部輻射溫度計20相同，上部輻射溫度計25對半導體晶圓W之接收角亦為60°以上89°以下，因此無論成膜於半導體晶圓W正面之膜之種類如何，均能藉由上部輻射溫度計25準確地測定半導體晶圓W之正面之上升溫度ΔT。
其次，控制部3之溫度計算部31計算閃光照射時半導體晶圓W之正面所達到之最高溫度(步驟S6)。半導體晶圓W之背面之溫度至少於預加熱時半導體晶圓W達到一定溫度之時刻t2起至被照射閃光之時刻t3為止之期間持續由下部輻射溫度計20測定。於閃光照射前之預加熱階段，半導體晶圓W之正面與背面不會產生溫度差，閃光照射前藉由下部輻射溫度計20測定之半導體晶圓W之背面溫度亦為正面溫度。溫度計算部31將即將照射閃光之前之時刻t2起至時刻t3為止之期間藉由下部輻射溫度計20測定之半導體晶圓W之背面之溫度(預加熱溫度T1)與藉由上部輻射溫度計25測定之閃光照射時半導體晶圓W之正面之上升溫度ΔT相加，而計算出該正面之最高達到溫度T2。溫度計算部31亦可使計算得到之最高達到溫度T2顯示於顯示部33。
下部輻射溫度計20對半導體晶圓W之接收角θ相對較大，為60°以上89°以下，無論成膜於半導體晶圓W背面之膜之種類如何，均能藉由下部輻射溫度計20準確地測定半導體晶圓W之背面之溫度。將藉由下部輻射溫度計20準確測定之半導體晶圓W之背面溫度(＝正面溫度)與藉由上部輻射溫度計25測定之半導體晶圓W之上表面之上升溫度ΔT相加，藉此能準確地計算出閃光照射時半導體晶圓W之正面之最高達到溫度T2。
於閃光照射結束後並經過特定時間後之時刻t4，鹵素燈HL熄滅。藉此，半導體晶圓W自預加熱溫度T1急速降溫。正降溫之半導體晶圓W之溫度由下部輻射溫度計20測定，其測定結果傳輸至控制部3。控制部3根據下部輻射溫度計20之測定結果監測半導體晶圓W之溫度是否降溫至特定溫度。然後，於半導體晶圓W之溫度降溫至特定溫度以下後，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。然後，之前藉由閘閥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自腔室6搬出，半導體晶圓W之加熱處理完成(步驟S7)。
於本實施方式中，將下部輻射溫度計20設置於保持在基座74之半導體晶圓W之斜下方，使下部輻射溫度計20對半導體晶圓W之接收角θ相對較大，為60°以上89°以下。藉此，半導體晶圓W之背面之放射率對膜之種類之相關性較低，無論成膜於半導體晶圓W背面之膜之種類如何，均能藉由下部輻射溫度計20準確地測定半導體晶圓W之背面之溫度。
又，將上部輻射溫度計25設置於保持在基座74之半導體晶圓W之斜上方，將上部輻射溫度計25對半導體晶圓W之接收角亦設為60°以上89°以下。藉此，無論成膜於半導體晶圓W正面之膜之種類如何，均能藉由上部輻射溫度計25準確地測定半導體晶圓W之正面之上升溫度ΔT。
於即將進行閃光照射之前之時刻t2起至時刻t3為止之期間，藉由下部輻射溫度計20對半導體晶圓W之背面溫度進行測定。於閃光照射時，藉由上部輻射溫度計25對半導體晶圓W之正面之上升溫度ΔT進行測定。將藉由下部輻射溫度計20準確測定之半導體晶圓W之背面溫度與藉由上部輻射溫度計25測定之半導體晶圓W之正面之上升溫度ΔT相加，藉此能準確地求出閃光照射時半導體晶圓W之正面溫度。
以上，對本發明之實施方式進行了說明，然而，本發明除上述以外，可於不脫離其主旨之範圍內進行各種變更。例如，於上述實施方式中，閃光加熱部5具備30根閃光燈FL，然而，並未限定於30根，閃光燈FL之根數可設為任意數量。又，閃光燈FL並未限定於氙氣閃光燈，亦可為氪氣閃光燈。又，鹵素加熱部4所具備之鹵素燈HL之根數亦並未限定於40根，可設為任意數量。
又，於上述實施方式中，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，然而，並未限定於鹵素燈HL，亦可使用放電型之電弧燈(例如，氙弧燈)代替鹵素燈HL作為連續點亮燈進行預加熱。
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 20:下部輻射溫度計 21:透明窗 22:溫度測定單元 24:紅外線感測器 25:上部輻射溫度計 26:透明窗 27:溫度測定單元 29:紅外線感測器 31:溫度計算部 33:顯示部 34:輸入部 41:殼體 43:反射器 51:殼體 52:反射器 53:燈光放射窗 61:腔室側部 61a:貫通孔 61b:貫通孔 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 75:保持板 75a保持面 76:導引環 77:基板支持銷 78:開口部 81:氣體供給孔 82:緩衝空間 83:氣體供給管 84:閥 85:處理氣體供給源 86:氣體排出孔 87:緩衝空間 88:氣體排出管 89:閥 185:閘閥 190:排氣部 191:氣體排出管 192:閥 FL:閃光燈 HL:鹵素燈 W:半導體晶圓 T1:預加熱溫度 T2:最高達到溫度 t1:時刻 t2:時刻 t3:時刻 t4:時刻 ΔT:上升溫度
圖1係表示用以實施本發明之熱處理方法之熱處理裝置的構成之縱剖視圖。 圖2係表示保持部之整體外觀之立體圖。 圖3係基座之俯視圖。 圖4係基座之剖視圖。 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係表示下部輻射溫度計與保持於基座之半導體晶圓之位置關係之圖。 圖9係下部輻射溫度計、上部輻射溫度計及控制部之功能方塊圖。 圖10係表示半導體晶圓之處理順序之流程圖。 圖11係表示半導體晶圓之正面溫度之變化之圖。 圖12係表示所形成之膜對放射率之影響之圖。
T1:預加熱溫度
T2:最高達到溫度
t1:時刻
t2:時刻
t3:時刻
t4:時刻
ΔT:上升溫度

Claims (1)

  1. 一種熱處理方法，其特徵在於：其藉由對背面形成有膜之基板照射閃光，而對該基板進行加熱，且具備：預加熱步驟，其係藉由自連續點亮燈向上述基板照射光，而對上述基板進行預加熱；主加熱步驟，其係藉由自閃光燈向已進行預加熱之上述基板之正面照射閃光，而對上述基板進行閃光加熱；背面溫度測定步驟，其係於執行上述預加熱步驟及上述主加熱步驟時，藉由設置於上述基板之斜下方之第1輻射溫度計，對上述基板之背面之溫度持續進行測定；正面上升溫度測定步驟，其係於執行上述主加熱步驟時，藉由設置於上述基板之斜上方之第2輻射溫度計，對閃光照射時上述基板之正面之上升溫度進行測定；及正面溫度計算，其係將正被進行預加熱之上述基板達到一定溫度起至照射閃光為止之期間藉由上述第1輻射溫度計測定之上述基板之背面之溫度與藉由上述第2輻射溫度計測定之閃光照射時上述基板之正面之上升溫度相加，而計算出上述基板之正面溫度；上述第1輻射溫度計對上述基板之接收角為60°以上89°以下，且上述第2輻射溫度計對上述基板之接收角為60°以上89°以下。
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