WO2006137439A1 - 熱処理装置 - Google Patents

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Definitions

  • the focal position force substrate is shifted, it is possible to irradiate a wide area of the substrate, so that the number of light sources can be reduced.
  • the heating efficiency is lowered due to weak light intensity.
  • the current can be increased rapidly by increasing the value of the current flowing through the filament of the light source and increasing the intensity of the emitted light. In that case, the durability of the light source Problem arises.
  • the present inventor studied light collection and conducted various experiments. As a result, it was found that by using a composite reflector that also has two types of reflectors, light emitted from the light source can be efficiently guided to the substrate, and the temperature can be raised to a high temperature in a short time.
  • the present invention has been made in order to solve the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to condense light emitted from a light source cover with high loss and high density. Another object of the present invention is to provide a heat treatment apparatus that can raise the temperature of a substrate to a high temperature in a short time.
  • part of the light emitted from the light source strikes the reflection surface of the second reflector and is reflected, and the reflected light is collected at the second focal point while irradiating the substrate surface.
  • a part of the direct light that is generated by the light source force and hits the second reflector directly irradiates the substrate surface, and the other part hits the reflecting surface of the first reflector and reflects. Irradiate the surface.
  • the heating efficiency with little light loss can be improved, and the temperature of the substrate can be raised quickly.
  • the reflection surface of the first reflector is formed in a hemispherical shape, and the light source is disposed on the outer side of the reflection surface over substantially the entire first reflector.
  • the light source constitutes a hemispherical heat source, and the illuminance at the bottom of the hemispherical light source is determined by the solid angle projection theorem. Distribution is uniform. Accordingly, heating with a uniform temperature distribution can be realized, and application to a large-diameter substrate is also possible.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of a heat treatment apparatus according to the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram showing a positional relationship among a substrate, a light source, and a focal point of a second reflector.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of a heat treatment apparatus according to the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the heat treatment apparatus of FIG.
  • FIG. 3 is a diagram showing the positional relationship between the substrate, the light source, and the focal point of the second reflector.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of the arrangement of Peltier elements constituting the thermoelectric conversion means.
  • the heat treatment apparatus 1 of the present embodiment is for the purpose of stabilizing the atomic structure after ion implantation of impurity atoms into the channel layer of the transistor, which is a semiconductor device.
  • This is an apparatus for performing lamp annealing.
  • Such a heat treatment apparatus 1 raises the surface of a silicon wafer (hereinafter referred to as a substrate) 2 to a predetermined processing temperature (for example, about 1000 ° C. to 1100 ° C.) necessary for ion activation in a very short time.
  • a predetermined processing temperature for example, about 1000 ° C. to 1100 ° C.
  • the temperature must be lowered to the original temperature in a short time after treatment. The reason is that as the heat treatment time becomes longer, impurity atoms diffuse deep into the substrate 2 and penetrate through to the back side, resulting in a defective product.
  • the heat treatment apparatus 1 includes a chamber 1 (processing vessel) 3 for storing a substrate 2 to be heat-treated, and a lamp housing 4 disposed above the chamber 3. Heat treatment equipment 1 Heat treatment of the substrate 2 having a diameter of 300 mm is possible.
  • the light source 15 is an ultraviolet lamp or a halogen lamp, it is mainly made of a Ge material, Si material, metal material or the like that easily absorbs ultraviolet rays.
  • the lifting mechanism (not shown) for the substrate 2 includes, for example, a plurality of liftable support pins that pass through the mounting table 11 and also support the substrate 2 with a lower force, and a drive device that lifts and lowers these support pins. Can be configured.
  • a substrate inlet / outlet 16 that allows the substrate 2 to be carried in and out of the processing chamber 10 and a processing gas necessary for the heat treatment of the substrate 2 are introduced into the processing chamber 10.
  • Gas nozzle 17 is provided. Chemical reactivity such as N gas and Ar gas as processing gas
  • the substrate inlet / outlet port 16 is normally hermetically closed by a gate valve 18.
  • the gas nozzle 17 is connected to a gas supply source (not shown).
  • an exhaust port 19 is formed at the bottom of the chamber 13.
  • the exhaust port 19 is connected to an exhaust means (not shown) through an exhaust pipe 20.
  • the Bercher element 21 is an element in which different kinds of conductors and semiconductors are connected in series via electrodes, and is an element that generates heat or heat absorption other than Joule heat between contacts when a current is passed.
  • the Peltier element 21 has a Bi T that can withstand use at a temperature of 200 ° C or lower, for example.
  • a heat medium flow path 26 is formed over substantially the entire planar direction of the bottom plate 5.
  • the heat medium flow path 26 is located below the thermoelectric conversion means 12 and is supplied with a refrigerant (water) as a heat medium when the temperature of the substrate 2 is lowered.
  • a refrigerant water
  • the heat medium flow path 26 is connected to a circulator 27 that supplies the heat medium via a heat medium introduction pipe 28 and a heat medium discharge pipe 29. As a result, the circulator 27 can circulate and supply the heat medium to the heat medium flow path 26! /.
  • the inner surface of the inner shell 32 forms a hemispherical reflecting surface 36 and constitutes a reflector (hereinafter, the inner shell 32 is referred to as a first reflector).
  • the reflecting surface 36 is finished and gold-plated to form a reflecting surface with high reflectivity.
  • a plurality of second reflectors 37 are provided so as to protrude substantially over the entire surface of the first reflector 32.
  • Each light source 15 is provided in each reflector 37.
  • the second reflector 37 is a spheroid (or a curved surface approximating it) having two focal points f 1 and f protruding outside the first reflector 32.
  • a socket hole 39 for attaching the socket 38 of the light source 15 is formed in the top of the second reflector 37.
  • the open side of the second reflector 37 is joined to the periphery of the hole 40 formed in the reflecting surface 36 of the first reflector 32. Thereby, the inside of the second reflector 37 and the inside of the first reflector 32 are communicated with each other.
  • the light source 15 for heating the substrate 2 during the heat treatment it is preferable to use a light bulb type lamp which is substantially a point light source, and which outputs heat rays having a wavelength of 1.17 m or less.
  • the reason for using a lamp with a wavelength of 1.17 / z m or less is that when the substrate 2 is a silicon wafer, the heat ray absorption rate of the silicon wafer depends on the wavelength of the heat ray and the temperature of the wafer itself. In other words, heat rays with a wavelength up to about 1.17 / zm show a high absorption rate of about 0.5 to 0.7 regardless of the temperature of the silicon wafer, but when the wavelength becomes larger than 1.
  • the light source 15 is regarded as a point light source, among the light emitted from the light source 15, the reflected light 42a reflected by the reflecting surface 41 of the second reflector 37 is condensed at the second focal point f.
  • the reflected light 42a reflected by the reflecting surface 41 of the second reflector 37 is condensed at the second focal point f.
  • the number of light sources 15 is the size of the substrate 2, the irradiation area S of the substrate 2 per light source, the design index of the heating rate of the substrate 2, the power of the entire light source 15, the diameter of the first reflector 32 , Reflective surface 3
  • the required overall light source size is obtained from the temperature rise rate of the substrate 2 that satisfies the process conditions.
  • the surface area S of the first reflector 32 can also be expressed by equation (2).
  • the radius R of the first reflector 32 is represented by the following equation (3).
  • each condition is obtained after the light source 15 is determined, but it is also possible to determine each condition from other conditions.
  • 15 infrared lamps having a diameter of 15 mm are used for a substrate 2 of 300 mm.
  • the irradiation area S of the substrate 2 by the light source 15 can be easily changed by changing the distance to the light source 15 by moving the substrate 2 up and down.
  • the gate valve 18 provided on the side wall of the chamber 13 is opened, and the substrate 2 to be processed is inserted into the processing chamber 10 through the substrate inlet / outlet 16 and mounted on the mounting table 11. . Thereafter, the gate valve 18 is closed and the chamber 13 is sealed. Next, the air in the processing chamber 10 is evacuated by the evacuation means, replaced with the processing gas supplied from the gas supply source, and maintained at a predetermined process pressure (for example, 100 to 10,000 Pa).
  • a predetermined process pressure for example, 100 to 10,000 Pa.
  • thermoelectric conversion means 12 a current is applied to each Peltier element 21 of the thermoelectric conversion means 12 in a direction in which the upper surface of the Peltier element 21 is heated, and the substrate 2 is preheated.
  • the preheating temperature is about 500 to 600 ° C. At this preheating temperature, ions implanted into the substrate 2 do not diffuse.
  • the temperature of the substrate 2 is detected by a temperature sensor.
  • the detection signal is transmitted to the control unit 50 that controls the entire apparatus.
  • the controller 50 Upon receiving the detection signal from the temperature sensor, the controller 50 turns on all the light sources 15 and instantaneously raises the surface of the substrate 2 to a predetermined processing temperature (for example, 1 000 ° C) by the heat rays. Let warm. Thereby, the flash lamp annealing (treatment) of the substrate 2 is performed.
  • a hemispherical first reflector 32, a rotating ellipsoidal second reflector 37, and a composite reflector having a force are used.
  • substrate 2 can be heated efficiently compared with the above-mentioned conventional apparatus. That is, as described above, light emitted from the light source 15 and irradiating the substrate 2 (reflected by the first reflector 32). Of the reflected light, the light reflected by the second reflector 37, and the light directly radiated from the light source 15) is absorbed by the board 2 even if it is the most efficient, and the remaining 30%. % Is reflected or transmitted.
  • the light reflected by the substrate 2 is reflected by the reflecting surface 36 of the first reflector 32 and irradiates the substrate 2 again. Therefore, the substrate 2 can be heated to a predetermined processing temperature in a short time without increasing the light emission output of the light source 15 with little light loss, that is, the heating efficiency can be improved.
  • the annealing process of the substrate 2 if the light emission output of the light source 15 is controlled for each part of the substrate 2, for example, the central part, the intermediate part, and the outer part are grouped and controlled for each group. For example, the light illuminance distribution on the substrate 2 becomes uniform, and the entire surface of the substrate 2 can be uniformly heated with higher accuracy.
  • the temperature of the Peltier element 21 of the thermoelectric conversion means 12 is controlled for each part of the substrate 2, for example, the temperature is controlled for each group by grouping into a central part, an intermediate part and an outer part.
  • the entire surface of the substrate 2 can be uniformly heated with higher accuracy.
  • the heat treatment apparatus 1 of the present embodiment most of the light emitted from the light source 15 with significantly less light loss than the conventional apparatus can be guided to the substrate 2.
  • the substrate 2 can be heated to a predetermined processing temperature at a high speed, that is, the heating efficiency can be improved. Further, since the heating efficiency is improved, it is not necessary to increase the value of the current flowing through the filament 15a of the light source 15, so that the durability of the light source 15 can be improved. wear.
  • the reflecting surface 41 of the second reflector 37 is a rotational ellipsoidal surface.
  • the present invention is not limited to this, and a curved surface (for example, a paraboloid of revolution) ).
  • the substrate 2 is not limited to a silicon wafer, and may be a glass plate for a liquid crystal display (LCD), for example.
  • LCD liquid crystal display
  • the above-described embodiment is a heat treatment apparatus used for the activation of ions
  • the present invention is not limited to this, and a film formation process, a pattern etching process, etc. It can be applied to various heat treatment apparatuses used in various processes.

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Abstract

　本発明は、基板を収納する処理室と、前記処理室の上方に設けられ、前記基板をそれぞれ照射する複数の光源と、内面がドーム状の反射面を形成し、前記各光源から出た光の一部を反射して前記基板に導く第１のリフレクタと、前記各光源毎にそれぞれ設けられ、各光源から出た光を反射して集光して前記基板に導く複数の第２のリフレクタと、を備え、各第２のリフレクタの反射面は、各光源が配設されている位置に第１の焦点を形成すると共に前記基板が配設されている側に第２の焦点を形成するべく、当該第１の焦点の周囲を取り囲む回転楕円面またはこれに近似した曲面の一部を有している、ことを特徴とする熱処理装置である。

Description

明 細 書
熱処理装置
技術分野
[0001] 本発明は、シリコンウェハ等の基板に光を照射することによって当該基板を熱処理 する熱処理装置に関するものである。
背景技術
[0002] 半導体デバイスの製造工程にお!/、ては、成膜処理、パターンのエッチング処理、酸 化拡散処理、改質処理、ァニール処理等の各種の熱処理が繰り返し行われる。シリ コンウェハ等の基板に対して例えば 400°C以上の高温での所定の熱処理を極力短 時間に施す熱処理装置としては、光源力 の光を基板に照射することによって当該 基板を急速に加熱するようにした急速加熱装置 (ランプアニール）が用いられている（ 例えば、特開 2005— 101237号公報、特開 2001— 237195号公報、登録実用新 案公報第 3017978号、特開平 7— 29843号公報)。
[0003] 特開 2005— 101237号公報に記載されている熱処理装置では、被処理体である ウェハを高速加熱する加熱手段として、多数の光源が、ランプハウスの天井部の下 面にその略全体にわたって取付けられている。天井部の下面は、平坦面または円錐 面からなる反射面に形成されており、各光源から出た熱線力 下方のウェハに向けて 反射されるようになっている。また、ランプハウスの中央部に位置する光源について は、その熱線の放射方向が真下を向くように取付けられ、ランプハウスの周辺部に位 置する光源については、その熱線の放射方向が下方向内側に斜めに向くように取り 付けられている。これにより、その熱線の放射方向をウェハの周辺部に集中させるよ うにしている。
[0004] 特開 2001— 237195号公報に記載されている閃光照射加熱装置では、直管から なる複数本の閃光放電ランプ力 ワークの上方にワークに対して並行になるように並 設されている。閃光放電ランプの上方には、各閃光放電ランプ力も出た閃光を下方 に反射させる反射ミラーが設けられている。反射ミラーは、平板状に形成され、その 両端部が斜め下方に所要角度をもって折り曲げられている。 [0005] 登録実用新案公報第 3017978号に記載されているビームヒータでは、外周部に 多数の放熱孔を有するランプハウス内に、内面が反射面を形成する半球状の反射鏡 が配設されている。この反射鏡の内部に、ハロゲンランプが配置され、このハロゲンラ ンプから出た光が、反射鏡の反射面で反射されて、下方に配置されたワーク上にス ポット状に集光されるようになって 、る。
[0006] 特開平 7— 29843号公報に記載されている熱処理装置では、内面がドーム状（半 球状)の反射面力 なるランプハウスの内部に複数の光源が配設され、これらの光源 力 出た光が前記反射面によって下方に反射されて半導体ウェハの表面に導かれ るようになっている。光源としては、直径が異なる複数の円環状ハロゲンランプや、点 光源からなる複数の電球型ランプが用いられて!/、る。
[0007] さて、半導体デバイスの製造工程にお 、て、成膜処理、パターンのエッチング処理 、酸化拡散処理、改質処理、ァニール処理等の各種の熱処理を行う場合、基板表面 を短時間で所定の温度に加熱する必要がある。また、加熱に際しては、基板の各部 において温度分布が均一になるように加熱する必要がある。
[0008] し力しながら、上記した特開 2005— 101237号公報に記載されている熱処理装置 および特開 2001— 237195号公報に記載されている閃光照射装置は、いずれも、 反射面が平面または円錐面力 なるリフレクタを用いているため、各光源力 放射さ れた光を高密度に集光して基板の所定箇所に導くことが難しぐまた、基板全体を均 一に加熱することが難しい。特に、大口径（300mm)の基板に対して適用することは 、極めて難しい。
[0009] 一方、半球状の反射面を備えた登録実用新案公報第 3017978号に記載されてい るビームヒータおよび特開平 7— 29843号公報に記載されている熱処理装置におい ては、立体角投射の定理にしたがって、半球形状の平坦面 (底面）における照度分 布を均一にすることができる。このため、基板の表面全体の温度分布を均一にするこ とができる。しかしながら、リフレクタの焦点位置に基板を配置すると照射面積が小さ くなるため、表面全体を照射するためには、光源の数を増やす必要がある。一方、焦 点位置力 基板をずらすと基板の広 、面積を照射できるため、光源の数を削減する ことができる反面、光の強度が弱くなつて加熱効率が低下するという問題がある。また 、加熱効率を高めるために光源のフィラメントに流す電流値を大きくして光源力 放 射される光の強度を大きくすれば、高速に昇温させることができるが、その場合には 光源の耐久性が低下するという問題が生じる。
発明の要旨
[0010] そこで、本発明者は、光の集光について検討し、種々の実験を行った。その結果、 2種類のリフレタタカもなる複合型のリフレクタを用いることにより、光源から出た光を 効率よく基板に導くことができ、高温まで短時間に昇温させることができることを見出 した。
[0011] 本発明は、上記した従来の問題を解決するためになされたものであり、その目的と するところは、光源カゝら放射された光を損失少なく高密度に集光することができ、基 板を高温まで短時間に昇温させることができる熱処理装置を提供することにある。
[0012] 上記目的を達成するために、本発明は、基板を収納する処理室と、前記処理室の 上方に設けられ、前記基板をそれぞれ照射する複数の光源と、内面がドーム状の反 射面を形成し、前記各光源から出た光の一部を反射して前記基板に導く第 1のリフレ クタと、前記各光源毎にそれぞれ設けられ、各光源カゝら出た光を反射して集光して前 記基板に導く複数の第 2のリフレクタと、を備え、各第 2のリフレクタの反射面は、各光 源が配設されている位置に第 1の焦点を形成すると共に前記基板が配設されている 側に第 2の焦点を形成するべぐ当該第 1の焦点の周囲を取り囲む回転楕円面また はこれに近似した曲面の一部を有している、ことを特徴とする熱処理装置である。
[0013] 本発明によれば、光源から出た光の一部が第 2のリフレクタの反射面に当たって反 射し、当該反射光は基板表面を照射しながら第 2の焦点に集光される。一方、光源 力も出て第 2のリフレクタに当たらな力つた直射光の一部は、基板表面を直接照射し 、その更に他の一部は、第 1のリフレクタの反射面に当たって反射して力 基板表面 を照射する。このような態様では、光の損失が少なぐ加熱効率を向上させることがで き、基板を迅速に昇温させることができる。
[0014] 好ましくは、第 1のリフレクタの反射面は、半球状に形成され、前記光源は、当該反 射面の外側に、第 1のリフレクタの略全体にわたって配設される。この場合、光源は 半球状の発熱光源を構成し、立体角投射の定理によって半球面光源の底面の照度 分布が均一となる。したがって、温度分布が均一な加熱を実現でき、大口径の基板 への適用も可能となる。
[0015] また、好ましくは、各第 2のリフレクタは、各光源から出射され当該リフレクタの反射 面で反射した反射光が互いに交差することなく処理すべき基板の表面の異なった特 定の照射領域をそれぞれ照射するというように、前記第 1のリフレクタの光軸に対して 調整された傾斜角度で設けられる。この場合、基板の表面全体を、より容易に均一に カロ熱することがでさる。
図面の簡単な説明
[0016] [図 1]図 1は、本発明に係る熱処理装置の一実施の形態を示す概略構成図である。
[図 2]図 2は、図 1の熱処理装置の断面図である。
[図 3]図 3は、基板と光源と第 2のリフレクタの焦点との位置関係を示す図である。
[図 4]図 4は、熱電変換手段を構成するペルチェ素子の配列の一例を示す図である。 発明を実施するための最良の形態
[0017] 以下、本発明を実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図 1は、本発明に係る熱処理装置の一実施の形態を示す概略構成図である。図 2 は、図 1の熱処理装置の断面図である。図 3は、基板と光源と第 2のリフレクタの焦点 との位置関係を示す図である。図 4は、熱電変換手段を構成するペルチェ素子の配 列の一例を示す図である。
[0018] 図 1〜図 4に示すように、本実施の形態の熱処理装置 1は、半導体デバイスであるト ランジスタのチャンネル層に不純物原子をイオン注入した後に、原子構造を安定化さ せる目的でランプアニールを行う装置である。このような熱処理装置 1は、シリコンゥ ェハ（以下、基板という） 2の表面をイオン活性ィ匕に必要な所定の処理温度 (例えば、 1000°C〜1100°C程度）まできわめて短時間に昇温させると共に、処理後は同じく 短時間に元の温度まで降温させる必要がある。その理由は、加熱処理時間が長くな ると不純物原子が基板 2の奥深く拡散して裏面側に突き抜けてしまい、不良品となつ てしまうからである。
[0019] 熱処理装置 1は、熱処理すべき基板 2を収納するチャンバ一（処理容器） 3と、チヤ ンバー 3の上方に配設されたランプハウジング 4と、を備えている。熱処理装置 1は、 直径が 300mmの基板 2の熱処理が可能である。
[0020] チャンバ一 3は、アルミニウム等によって、上方側開口部 6aと下方側開口部 6bとを 有する箱型に形成されている。上方側開口部 6aは、透明部材 7と Oリング 8とによって 気密に閉塞されている。下方側開口部 6bは、底板 5と Oリング 9とによって同じく気密 に閉塞されている。透明部材 7の材質は、基板 2の熱処理時に加熱手段として用いら れる光源 15の種類によって異なり得る。例えば赤外線ランプを使用する場合は、石 英等の赤外線透過性を有する透明材料が用いられる。
[0021] チャンバ一 3の内部は、基板 2を熱処理する処理室 10を形成している。この処理室 10の内部には、基板 2が載置される円板状の載置台 11と、この載置台 11に対して 基板 2を昇降させる昇降機構 (図示省略)と、が配設されている。
[0022] 載置台 11は、底板 5の上面に熱電変換手段 12を介して配設されている。載置台 1 1の材料としては、使用する光源 15からの光線を最も吸収し易い材料が用いられる。 例えば、光源 15が赤外線ランプの場合は、主に赤外線を吸収し易い SiO 材、 A1N
2 材、 SiC材等によって製作される。光源 15が紫外線ランプまたはハロゲンランプの場 合は、主に紫外線を吸収し易い Ge材、 Si材、金属材等によって製作される。
[0023] 基板 2の昇降機構（図示省略）は、例えば、載置台 11を貫通して基板 2を下力も支 持する複数本の昇降自在な支持ピンと、これらの支持ピンを昇降させる駆動装置等 によって構成され得る。
[0024] また、チャンバ一 3の側壁には、基板 2の処理室 10内への搬出入を可能にする基 板出入口 16と、基板 2の熱処理に必要な処理ガスを処理室 10内に導入するガスノズ ル 17と、が設けられている。処理ガスとしては、 N ガスや Arガス等の化学的反応性
2
の低いガスが用いられる。基板出入口 16は、通常ゲートバルブ 18によって気密に閉 塞されている。ガスノズル 17は、ガス供給源（図示せず）に接続されている。さら〖こ、 チャンバ一 3の底部には、排気口 19が形成されている。この排気口 19は、排気管 20 を介して、図示しない排気手段に接続されている。基板 2の熱処理時には、処理室 1 0は、排気手段によって内部の空気が排気されると共に、ガス供給源よりガスノズル 1 7を介して処理ガスが供給される。すなわち、処理室 10内の空気が処理ガスに置換 される。 [0025] また、熱電変換手段 12としては、複数個のペルチェ素子 21が用いられる。ベルチ ェ素子 21は、異種の導体や半導体を電極を介して直列に接続した素子であり、電流 を流した時に接点間でジュール熱以外の発熱乃至吸熱を生じさせる素子である。具 体的には、ペルチェ素子 21は、例えば 200°C以下の温度での使用に耐え得る Bi T
2 e (ビスマス ·テルル）素子、より高温で使用できる PbTe (鉛 ·テルル）素子、 SiGe (シ
3
リコン 'ゲルマニウム）素子、等によって形成され得る。ペルチヱ素子 21は、リード線 2 3を介してペルチヱ制御部 22に電気的に接続される。ペルチヱ制御部 22は、前記基 板 2の熱処理時に、ペルチ 素子 21に供給される電流の方向や大きさを制御する。
[0026] 図 4は、ペルチェ素子 21の配列の一例を示している。図 4の例では、直径が 300m mの基板 2に対して、 60個のペルチェ素子 21が、載置台 11の裏面側に略全面にわ たって殆ど隙間なく敷き詰められている。このようにペルチェ素子 21が密接して配置 されると、基板 2と載置台 11とをより一層均一に加熱することができる。各ペルチェ素 子 21の形状は、四角形に限らず、円形や六角形であってもよい。ここで、熱電変換と は、熱エネノレギーを電気エネノレギ一に、または、電気エネノレギーを熱エネノレギ一に 変換することを言う。
[0027] 底板 5の内部には、熱媒体流路 26が、底板 5の平面方向の略全体に亘つて形成さ れている。熱媒体流路 26は、熱電変換手段 12の下方に位置しており、基板 2の降温 時に熱媒体としての冷媒 (水）が供給される。これにより、ペルチェ素子 21の下面から 温熱を奪って、これを冷却するようになっている。また、基板 2の昇温時には、必要に 応じて温媒が供給される。これにより、ペルチェ素子 21の下面力も冷熱を奪って、こ れを加熱するようになっている。熱媒体流路 26は、熱媒体を送給する循環器 27に、 熱媒体導入管 28と熱媒体排出管 29とを介して接続されている。これにより、循環器 2 7が熱媒体を熱媒体流路 26に循環供給できるようになって!/、る。
[0028] ランプノヽウジング 4は、それぞれアルミニウム等によって下方に開放する半球状に 形成された外殻体 31および内殻体 32と、これら外殻体 31および内殻体 32の下端を 保持するリング状の保持枠 33と、を備えている。この保持枠 33は、チャンバ一 3の上 面後端部に、ヒンジ 34を介して前後方向に回動自在に取付けられている。これにより 、透明部材 7の上方空間が気密に覆われている。 [0029] 内殻体 32は、外殻体 31の直径より若干小さぐ基板 2の直径より大きい直径を有す る半球状に形成されている。また、内殻体 32の内面は、半球状の反射面 36を形成し ており、リフレクタを構成している（以下、内殻体 32を第 1のリフレクタという）。反射面 36は、仕上げ加工されて金メッキ等が施されることにより、高反射率の反射面を形成 している。
[0030] また、第 1のリフレクタ 32の表面側の略全体にわたって、複数個の第 2のリフレクタ 3 7がー体的に突設されている。各リフレクタ 37内に、前記光源 15がそれぞれ設けられ ている。
[0031] 第 2のリフレクタ 37は、図 1および図 3に示すように、第 1のリフレクタ 32の外側に突 出する 2つの焦点 f , f を有する回転楕円体 (またはこれに近似した曲面）の一部を
1 2
呈している。換言すれば、中空の略砲頭型形状 (砲弾の頭部形状に似た形状)を呈 している。第 2のリフレクタ 37の頭頂部に、光源 15のソケット 38を取付けるためのソケ ット用孔 39が形成されている。第 2のリフレクタ 37の開放側は、第 1のリフレクタ 32の 反射面 36に形成された孔 40の周縁と接合されている。これにより、第 2のリフレクタ 3 7の内部と第 1のリフレクタ 32の内部とは、互いに連通している。
[0032] また、第 2のリフレクタ 37の内面は、金めつき等が施されることによって、高反射率か らなる反射面 41を形成している。第 2のリフレクタ 37の 2つの焦点 f , f のうち一方
1 2
の焦点 f は、第 2のリフレクタ 37の内部に位置しており、反射面 41によって取り囲ま れている。また、この第 1の焦点 f には、光源 15のフィラメント 15aが位置決めされて いる。一方、第 2の焦点 f は、第 2のリフレクタ 37の軸線上にある力 チャンバ
2 一 3の 処理室 10内の基板 2の下方に位置している。
[0033] このような第 2のリフレクタ 37により、各光源 15から出射され反射面 41で反射された 反射光が、それぞれ、処理すべき基板 2の表面の異なった特定の照射領域 S1に互 いに交差することなく到達して当該照射領域 S1を照射する。ここで、全体として基板 2の表面温度が均一になるように、第 1のリフレクタ 32の光軸に対して、各第 2のリフレ クタ 37の傾斜角度がそれぞれ調整されている。
[0034] ここで、第 2の焦点 f は第 1の焦点 f に対して基板 2側にあれば良ぐ図 3では、基
2 1
板 2より下方側に第 2の焦点 f が位置する例が示されているが、これに限らず、第 2 の焦点 f は基板 2より上方にあってもよい。例えば、第 2の焦点 f が第 1のリフレクタ
2 2
32の球心と一致するように第 2のリフレクタ 37を形成してもよ 、。
[0035] 熱処理時に基板 2を加熱する光源 15としては、略点光源カゝらなる電球型のランプ であって、波長が 1. 17 m以下の熱線を出力するランプを用いることが好ましい。 波長が 1. 17 /z m以下のランプを用いる理由は、基板 2がシリコンウェハの場合、シリ コンウェハの熱線の吸収率が熱線の波長とウェハ自体の温度とに依存する力 であ る。すなわち、波長が 1. 17 /z m程度までの熱線は、シリコンウェハの温度に関係なく 、シリコンウェハは 0. 5〜0. 7程度の高い吸収率を示すが、波長が 1. よりも 大きくなると、吸収率はシリコンウェハの温度に大きく依存し、温度が低くなると吸収 率も小さくなつてしまう（透過率が大きくなる）。例えばシリコンウェハが 270〜600°C の範囲で変化すると、それに応じて、吸収率は 0. 1〜0. 7の範囲で変化してしまう。 したがって、シリコンウエノ、からなる基板 2を高速昇温させるには、光源 15としては、 波長が 1. 17 m以下の熱線を放射するランプ、例えば主として紫外光線を射出す る紫外線放電ランプや、主として可視光線を射出するハロゲンランプや、主として赤 外線を射出する赤外線ランプ等を用いることが好ましい。なお、本明細書において、 熱線とは、前述したように、紫外光線から遠赤外光線までの光線を含む広い概念で ある。
[0036] 光源 15を点光源とみなすと、光源 15から放射された光 42のうち、第 2のリフレクタ 3 7の反射面 41で反射した反射光 42aは第 2の焦点 f に集光する。ただし、実際には
2
完全な点光源ではないので、光源 15から出て反射面 41で反射した反射光 42aであ つてもその一部は第 2の焦点 f に集光せずその周りを照射する。一方、光源 15から
2
出射して反射面 41に当たらない直射光 42bの一部は、基板 2の表面を直接照射す る。更に、光源 15から出射して反射面 41に当たらない直射光 42bの他の一部は、第 1のリフレクタ 32の反射面 36に当たって反射した後に基板 2の表面を照射する。基板 2を照射する光のうち、基板 2に吸収される量は、最大でも 70%程度である。のこりは 反射または透過される。このうち、基板 2で反射された光は、第 1のリフレクタ 32の反 射面 36で更に反射されることにより、再度基板 2を照射する。そして、直射光のうち載 置台 11や底板 5を照射する光が、損失となる。この損失となる光線の量は、第 2のリフ レクタ 37の大きさ、傾き、開口径等を変えることにより、極力少なくすることができる。
[0037] 光源 15の数は、基板 2の大きさ、光源 1つ当たりの基板 2の照射面積 S 、基板 2の 昇温レートの設計指標、光源 15全体のパワー、第 1のリフレクタ 32の直径、反射面 3
7の表面積、等によって決定される。
[0038] 第 1のリフレクタ 32および第 2のリフレクタ 37の設計手順について、その一例を説明 する。ある特定の光源 15を用いた場合における第 1のリフレクタ 32と第 2のリフレクタ
37の構成は、以下の手順で設計することができる。
[0039] 先ず、プロセス条件を満たす基板 2の昇温レートから、必要とされる光源全体のパヮ 一を求める。
[0040] 次に、求められた光源全体のパワーと各光源 15の個別のパワーとから、必要とされ る光源 15の数 nを求める。
[0041] 一方、各光源 15の大きさから、第 2のリフレクタ 37の半径 rを求める。これにより、必 要とされる第 1のリフレクタ 32の表面積 Sが（1)式によって求められる。
8 = η π Γ + … (1)
ここで、 aは面積をネ ΐ正する定数である。
[0042] さて、このときの第 1のリフレクタ 32の半径を Rとすると、第 1のリフレクタ 32の表面積 Sは、（2)式でも表すことができる。
S = 2 R2 · · · (2)
[0043] (2)式から、第 1のリフレクタ 32の半径 Rは、下記の（3)式で表される。
[数 1]
Figure imgf000011_0001
なお、ここでは、光源 15を決定した後で各条件を求めたが、他の条件から各条件を 決定することも可能である。
[0044] 本実施の形態においては、 300mmの基板 2に対して、直径が 15mmの赤外線ラ ンプカ 個用いられている。光源 15による基板 2の照射面積 S は、基板 2を上下 動させて光源 15までの距離を変えることにより、容易に変更することができる。
[0045] 外殻体 31と第 1のリフレクタ 32との間には、密閉空間 45が形成されている。この密 閉空間 45には、水冷管 46が配設されている。この水冷管 46に水 47を供給すること によって、第 1、第 2のリフレクタ 32, 37が水冷されて、光源 15の点灯時におけるラン プハウジング 4の温度上昇が抑えられるようになつている。さらに、第 1のリフレクタ 32 の内部は、空気 48の供給によって空冷されるようになって 、る。
[0046] 次に、このような構造からなる熱処理装置 1による基板 2の熱処理動作を説明する。
[0047] 先ず、チャンバ一 3の側壁に設けられているゲートバルブ 18が開けられ、処理すベ き基板 2が基板出入口 16より処理室 10内に挿入され、載置台 11上に載置される。こ の後、ゲートバルブ 18が閉じられてチャンバ一 3が密閉される。次に、排気手段によ つて処理室 10内の空気が真空排気され、ガス供給源より供給される処理ガスに置換 されて、所定のプロセス圧力（例えば、 100〜10000Pa)に維持される。
[0048] 次に、熱電変換手段 12の各ペルチヱ素子 21に、当該ペルチヱ素子 21の上面が加 熱される方向に電流の通電がなされて、基板 2が予備加熱される。予備加熱温度は 、 500〜600°C程度である。この予備加熱温度では、基板 2に打ち込まれたイオンが 拡散することはない。
[0049] 基板 2の温度は、温度センサによって検出される。この温度センサが所定の予備カロ 熱温度になったことを検出すると、当該検知信号が装置全体を制御する制御部 50に 送信される。制御部 50は、温度センサからの当該検知信号を受け取ると、全ての光 源 15を点灯させ、それらの熱線によって基板 2の表面を所定の処理温度 (例えば、 1 000°C)まで瞬時に昇温させる。これにより、基板 2のフラッシュランプアニール (処理 )が行われる。
[0050] 前記フラッシュランプアニール (処理)の場合、光源 15を連続して点灯させたときの 光に比べて、より強い光を照射することができる。このため、短時間に昇温を完了させ ることができる。これにより、基板 2内のイオンの活性化がきわめて短時間で完了する ため、イオンが拡散することはない。
[0051] また、本実施の形態の熱処理装置 1においては、半球状の第 1のリフレクタ 32と、回 転楕円形の第 2のリフレクタ 37と、力もなる複合型のリフレクタを用いている。このため 、上記した従来装置に比べて、基板 2を効率よく加熱することができる。すなわち、上 記した通り、光源 15から放射されて基板 2を照射する光 (第 1のリフレクタ 32で反射さ れた光、第 2のリフレクタ 37で反射された光、光源 15から直接照射する光)のうち、基 板 2に吸収されるのは最も効率が良い場合でも 70%位であり、残りの 30%は反射も しくは透過されてしまう。このうち、基板 2で反射された光は、第 1のリフレクタ 32の反 射面 36で反射されることにより、再度基板 2を照射する。したがって、光の損失が少 なぐ光源 15の発光出力を大きくしなくても、基板 2を短時間に所定の処理温度に加 熱することができる、すなわち、加熱効率を向上させることができる。
[0052] また、基板 2のァニール処理に際しては、光源 15の発光出力を、基板 2の各部毎に 制御すれば、例えば中央部分と中間部分と外側部分とにグループィヒして各グループ 毎に制御すれば、基板 2上での光照度分布が均一になって、基板 2の表面全体をよ り高い精度で均一に加熱することができる。
[0053] さらに、熱電変換手段 12のペルチヱ素子 21についても、基板 2の各部毎に温度制 御すれば、例えば中央部分と中間部分と外側部分とにグループィヒして各グループ毎 に温度制御すれば、基板 2の全面をより一層高い精度で均一に加熱することができ る。
[0054] 基板 2のランプアニール処理が終了すると、基板 2の温度を高速降温させるために 、ペルチェ素子 21に基板 2の加熱時とは反対方向の電流が流されてその上面が冷 却される。これにより、載置台 11が冷却されて、基板 2が急速に冷却される。ペルチェ 素子 21は、上面側が冷却されると、下面側には温熱が発生する。従って、この時、熱 媒体流路 26に冷却水が供給されて、ペルチェ素子 21の下面が冷却される。熱媒体 流路 26への冷却水の供給は、ペルチ 素子 21の通電方向の切替えと略同時に行 われる。そして、基板 2の温度が所定温度まで降温されると、ゲートバルブ 18が開け られて、処理室 10内でァニール処理された基板 2がチャンバ一 3の外部に取出され て、基板 2の熱処理工程が終了する。
[0055] 以上のように、本実施の形態の熱処理装置 1によれば、従来装置に比べて光の損 失が著しく少なぐ光源 15から放射された光の大部分を基板 2に導くことができ、基 板 2を所定の処理温度まで高速に加熱することができ、すなわち、加熱効率を向上さ せることができる。また、加熱効率が向上することによって、光源 15のフィラメント 15a に流す電流値を大きくする必要がないため、光源 15の耐久性を向上させることがで きる。
[0056] なお、上記した実施の形態においては、第 2のリフレクタ 37の反射面 41を回転楕 円面としているが、これに限らず、回転楕円面に近似した曲面 (例えば、回転放物面 )であってもよい。
[0057] また、基板 2としては、シリコンウェハに限らず、例えば液晶表示装置 (LCD)用の ガラス板等であってもよい。
[0058] さらに、上記した実施の形態は、イオンの活性ィ匕のために用いられる熱処理装置で あるが、本発明はこれに特定されるものではなぐ成膜工程、パターンのエッチング処 理工程等の各種工程に用いられる種々の熱処理装置に適用できる。

Claims

請求の範囲
[1] 基板を収納する処理室と、
前記処理室の上方に設けられ、前記基板をそれぞれ照射する複数の光源と、 内面がドーム状の反射面を形成し、前記各光源から出た光の一部を反射して前記 基板に導く第 1のリフレクタと、
前記各光源毎にそれぞれ設けられ、各光源カゝら出た光を反射して集光して前記基 板に導く複数の第 2のリフレクタと、
を備え、
各第 2のリフレクタの反射面は、各光源が配設されている位置に第 1の焦点を形成 すると共に前記基板が配設されている側に第 2の焦点を形成するべぐ当該第 1の焦 点の周囲を取り囲む回転楕円面またはこれに近似した曲面の一部を有している、 ことを特徴とする熱処理装置。
[2] 第 1のリフレクタの反射面は、半球状に形成され、
前記光源は、当該反射面の外側に、第 1のリフレクタの略全体にわたって配設され ている
ことを特徴とする請求項 1に記載の熱処理装置。
[3] 各第 2のリフレクタは、各光源から出射され当該リフレクタの反射面で反射した反射 光が互いに交差することなく処理すべき基板の表面の異なった特定の照射領域をそ れぞれ照射するというように、前記第 1のリフレクタの光軸に対して調整された傾斜角 度で設けられている
ことを特徴とする請求項 1または 2に記載の熱処理装置。
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