JP5291965B2

JP5291965B2 - 熱処理装置

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Publication number: JP5291965B2
Application number: JP2008077130A
Authority: JP
Inventors: 敏博中島
Original assignee: Screen Holdings Co Ltd; Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Screen Holdings Co Ltd; Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2008-03-25
Filing date: 2008-03-25
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2028-03-25
Also published as: US20090245761A1; JP2009231661A; US8238731B2

Description

本発明は、半導体ウェハーやガラス基板等（以下、単に「基板」と称する）に対して光を照射することによって該基板を加熱する熱処理装置に関する。

従来より、イオン注入後の半導体ウェハーのイオン活性化工程においては、ハロゲンランプを使用したランプアニール装置が一般的に使用されていた。このようなランプアニール装置においては、半導体ウェハーを、例えば、１０００℃ないし１１００℃程度の温度に加熱（アニール）することにより、半導体ウェハーのイオン活性化を実行している。そして、このような熱処理装置においては、ハロゲンランプより照射される光のエネルギーを利用することにより、毎秒数百度程度の速度で基板を昇温する構成となっている。

一方、近年、半導体デバイスの高集積化が進展し、ゲート長が短くなるにつれて接合深さも浅くすることが望まれている。しかしながら、毎秒数百度程度の速度で半導体ウェハーを昇温する上記ランプアニール装置を使用して半導体ウェハーのイオン活性化を実行した場合においても、半導体ウェハーに打ち込まれたボロンやリン等のイオンが熱によって深く拡散するという現象が生ずることが判明した。このような現象が発生した場合においては、接合深さが要求よりも深くなり過ぎ、良好なデバイス形成に支障が生じることが懸念される。

このため、キセノンフラッシュランプ（以下、単に「フラッシュランプ」とするときにはキセノンフラッシュランプを意味する）を使用して半導体ウェハーの表面に閃光を照射することにより、イオンが注入された半導体ウェハーの表面のみを極めて短時間（数ミリセカンド以下）に昇温させる技術が提案されている。キセノンフラッシュランプの放射分光分布は紫外域から近赤外域であり、従来のハロゲンランプよりも波長が短く、シリコンの半導体ウェハーの基礎吸収帯とほぼ一致している。よって、キセノンフラッシュランプから半導体ウェハーに閃光を照射したときには、透過光が少なく半導体ウェハーを急速に昇温することが可能である。また、数ミリセカンド以下の極めて短時間の閃光照射であれば、半導体ウェハーの表面近傍のみを選択的に昇温できることも判明している。このため、キセノンフラッシュランプによる極短時間の昇温であれば、イオンを深く拡散させることなく、イオン活性化のみを実行することができるのである。

このようなキセノンフラッシュランプを使用した熱処理装置として、特許文献１，２には、半導体ウェハーの表面側にフラッシュランプ等のパルス発光ランプを配置し、裏面側にハロゲンランプ等の連続点灯ランプを配置し、それらの組み合わせによって所望の熱処理を行うものが開示されている。特許文献１，２に開示の熱処理装置においては、ハロゲンランプ等によって半導体ウェハーをある程度の温度まで昇温し、その後フラッシュランプからのパルス加熱によって所望の処理温度にまで昇温している。

特開昭６０−２５８９２８号公報特表２００５−５２７９７２号公報

半導体ウェハーの両面から光照射による加熱を行う構造においては、半導体ウェハーを収容するチャンバーの内壁形状が温度均一性に大きく影響する。すなわち、ハロゲンランプから出射された光もフラッシュランプから出射された光も平行光ではないため、一部はチャンバーの内壁で反射してから半導体ウェハーに入射する。従って、チャンバーの内壁面を半導体ウェハーの周方向に沿って均一なものとしなければ、半導体ウェハーに入射する反射光が不均一なものとなり、その結果ウェハー面内の温度分布も不均一となる。

しかしながら、チャンバーには半導体ウェハーを搬入出するための搬入出口が必須であり、搬入出口の設置位置においてはチャンバー内壁面が不均一となる。すなわち、搬入出口は半導体ウェハーの周方向に沿って環状に設けられるものではなく、一部に設けられるものである。よって、壁面が存在しない搬入出口に対向する半導体ウェハーの部位では入射光が少なくなって他の領域より温度が低くなり、半導体ウェハーの面内温度分布が不均一になるという問題が生じる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、熱処理時における基板の面内温度分布の均一性を向上させることができる熱処理装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、基板に対して光を照射することによって該基板を加熱する熱処理装置において、上下が開口された筒状の内壁面を有するチャンバーと、前記チャンバー内にて基板を水平姿勢に保持する保持手段と、前記チャンバーの上側に設けられ、前記保持手段に保持された基板に光を照射する第１光照射手段と、前記チャンバーの下側に設けられ、前記保持手段に保持された基板に光を照射する第２光照射手段と、前記チャンバーの上側開口を閉塞し、前記第１光照射手段から照射された光をチャンバー内に透過する第１チャンバー窓と、前記チャンバーの下側開口を閉塞し、前記第２光照射手段から照射された光をチャンバー内に透過する第２チャンバー窓と、前記チャンバーの側壁に形成され、前記チャンバーに対して基板の搬入出を行う搬送開口部と、を備え、前記チャンバーの内壁面に前記保持手段の側方を囲繞する環状の凹部が水平方向に沿って形成され、前記凹部の鉛直方向幅は前記搬送開口部の鉛直方向幅よりも大きく、前記搬送開口部は前記凹部の外周面に連通接続され、前記チャンバーの側壁内側に、内周面が鏡面とされた環状の反射壁板を前記凹部を挟んで上下のそれぞれに着脱自在に装着することを特徴とする。

また、請求項２の発明は、請求項１の発明に係る熱処理装置において、前記凹部の上下に装着された前記反射壁板のうち少なくとも一方の内周面に前記保持手段の側に向けて拡がるテーパ面を形成することを特徴とする。

また、請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明に係る熱処理装置において、支持ピンを立設した一対の移載アーム、前記一対の移載アームを前記保持手段に対して基板の移載を行う移載動作位置と前記保持手段に保持された基板と平面視で重ならない退避位置との間で水平移動させる水平移動手段、および、前記一対の移載アームを前記移載動作位置にて鉛直方向に沿って昇降させて前記保持手段に対する基板の移載を行う昇降手段を有する移載手段をさらに備え、前記退避位置は前記凹部の内側に設けられていることを特徴とする。

また、請求項４の発明は、請求項１から請求項３のいずれかの発明に係る熱処理装置において、前記保持手段に保持された基板の温度を測定する温度測定手段を前記凹部の内側に設けることを特徴とする。

また、請求項５の発明は、請求項１から請求項４のいずれかの発明に係る熱処理装置において、前記第１光照射手段はフラッシュランプを備え、前記第２光照射手段はハロゲンランプを備えることを特徴とする。

本発明によれば、チャンバーの内壁面に保持手段の側方を囲繞する環状の凹部が水平方向に沿って形成され、凹部の鉛直方向幅は搬送開口部の鉛直方向幅よりも大きく、搬送開口部は凹部の外周面に連通接続されるため、保持手段の側方周囲の全周にわたって反射の生じる壁面が存在せず、チャンバーの内壁面による不均一な反射光が基板に入射することが防止され、熱処理時における基板の面内温度分布の均一性を向上させることができる。また、チャンバーの側壁内側に、内周面が鏡面とされた環状の反射壁板を凹部を挟んで上下のそれぞれに着脱自在に装着しているため、メンテナンス時には反射壁板を取り外してチャンバー内に対する作業を容易なものとすることができる。

特に、請求項２の発明によれば、凹部の上下に装着された反射壁板のうち少なくとも一方の内周面に保持手段の側に向けて拡がるテーパ面を形成しているため、第１光照射手段および第２光照射手段から出射された光は放熱による温度低下が生じやすい基板の周縁部により多く入射することとなり、熱処理時における基板の面内温度分布の均一性をより向上させることができる。

特に、請求項３の発明によれば、移載手段の移載アームの退避位置を凹部の内側に設けているため、移載アームが光照射の障害となることはなく、熱処理時における基板の面内温度分布の均一性をより向上させることができる。

特に、請求項４の発明によれば、温度測定手段を凹部の内側に設けているため、温度測定手段が光照射の障害となることはなく、熱処理時における基板の面内温度分布の均一性をより向上させることができる。また、温度測定手段が光照射によってダメージを受けることも防止される。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明に係る熱処理装置１の構成を示す側断面図である。本実施形態の熱処理装置１は基板としてφ３００ｍｍの円板形状の半導体ウェハーＷに閃光（フラッシュ光）を照射してその半導体ウェハーＷを加熱するフラッシュランプアニール装置である。

熱処理装置１は、半導体ウェハーＷを収容するチャンバー６と、複数のフラッシュランプＦＬを内蔵するフラッシュ加熱部５と、複数のハロゲンランプＨＬを内蔵するハロゲン加熱部４と、シャッター機構２と、を備える。チャンバー６の上側にフラッシュ加熱部５が設けられるとともに、下側にハロゲン加熱部４が設けられている。また、熱処理装置１は、チャンバー６の内部に、半導体ウェハーＷを水平姿勢に保持する保持部７と、保持部７と装置外部との間で半導体ウェハーＷの受け渡しを行う移載機構１０と、を備える。さらに、熱処理装置１は、シャッター機構２、ハロゲン加熱部４、フラッシュ加熱部５およびチャンバー６に設けられた各動作機構を制御して半導体ウェハーＷの熱処理を実行させる制御部３を備える。

チャンバー６は、筒状のチャンバー側部６１の上下に石英製のチャンバー窓を装着して構成されている。チャンバー側部６１は上下が開口された概略筒形状を有しており、上側開口には上側チャンバー窓６３が装着されて閉塞され、下側開口には下側チャンバー窓６４が装着されて閉塞されている。チャンバー６の天井部を構成する上側チャンバー窓６３は、石英により形成された円板形状部材であり、フラッシュ加熱部５から出射された光をチャンバー６内に透過する石英窓として機能する。また、チャンバー６の床部を構成する下側チャンバー窓６４も、石英により形成された円板形状部材であり、ハロゲン加熱部４からの光をチャンバー６内に透過する石英窓として機能する。

また、チャンバー側部６１の内側の壁面の上部には反射リング６８が装着され、下部には反射リング６９が装着されている。反射リング（反射壁板）６８，６９は、ともに円環状に形成されている。上側の反射リング６８は、チャンバー側部６１の上側から嵌め込むことによって装着される。一方、下側の反射リング６９は、チャンバー側部６１の下側から嵌め込んで図示省略のビスで留めることによって装着される。すなわち、反射リング６８，６９は、ともに着脱自在にチャンバー側部６１に装着されるものである。チャンバー６の内側空間、すなわち上側チャンバー窓６３、下側チャンバー窓６４、チャンバー側部６１および反射リング６８，６９によって囲まれる空間が熱処理空間６５として規定される。

図２は、チャンバー６の側部を拡大した部分断面図である。チャンバー側部６１に反射リング６８，６９が装着されることによって、チャンバー６の内壁面に凹部６２が形成される。すなわち、チャンバー側部６１の内壁面のうち反射リング６８，６９が装着されていない中央部分と、反射リング６８の下端面と、反射リング６９の上端面とで囲まれた凹部６２が形成される。凹部６２は、チャンバー６の内壁面に水平方向に沿って円環状に形成され、半導体ウェハーＷを保持する保持部７を囲繞する。

図２に示すように、凹部６２を挟んで上下のそれぞれに装着された反射リング６８，６９の内周面はテーパ面とされている。上側の反射リング６８のテーパ面は下側に向けて径が大きくなる。逆に、下側の反射リング６９のテーパ面は上側に向けて径が大きくなる。一方、図１に示すように、半導体ウェハーＷを保持する保持部７は凹部６２の高さ位置に設けられている。従って、上側の反射リング６８および下側の反射リング６９ともに石英窓（上側チャンバー窓６３および下側チャンバー窓６４）の側から保持部７の側に向けて拡がるテーパ面が形成されていることとなる。

チャンバー側部６１および反射リング６８，６９は、強度と耐熱性に優れた金属材料（例えば、ステンレススチール）にて形成されている。また、反射リング６８，６９の内周面（つまりテーパ面）は電解ニッケルメッキによって鏡面とされている。

また、チャンバー側部６１には、チャンバー６に対して半導体ウェハーＷの搬入および搬出を行うための搬送開口部（炉口）６６が形設されている。搬送開口部６６は、ゲートバルブ１８５によって開閉可能とされている。ゲートバルブ１８５が搬送開口部６６を開放した状態にて半導体ウェハーＷが搬送開口部６６を介して装置内に搬入および搬出される。また、ゲートバルブ１８５が搬送開口部６６を閉鎖するとチャンバー６内の熱処理空間６５が密閉空間とされる。

図３は、搬送開口部６６と凹部６２との位置関係を示す斜視図である。凹部６２の鉛直方向の幅Ｈ１（反射リング６８の下端面と反射リング６９の上端面との間隔）は搬送開口部６６の鉛直方向の幅Ｈ２（搬送開口部６６の内側の高さ）よりも大きい。そして、搬送開口部６６は凹部６２の外周面に連通接続されている。このため、ゲートバルブ１８５が開いているときには、搬送開口部６６から凹部６２を通過して熱処理空間６５への半導体ウェハーＷの搬入および熱処理空間６５からの搬出を行うことができる。なお、凹部６２の鉛直方向の幅Ｈ１は２０ｍｍ以上１００ｍｍ以下とされる。

また、チャンバー６においては、熱処理空間６５の上部から処理ガス（本実施形態では窒素ガス（Ｎ₂））を供給するとともに、下部から排気を行うように構成されている。図２に示すように、チャンバー６の上部において、チャンバー側部６１に装着された反射リング６８と上側チャンバー窓６３とは密接しておらず、それらの間には隙間が形成されている。上側チャンバー窓６３は円板状であり、反射リング６８は円環状であるため、上側チャンバー窓６３と反射リング６８の上端面との間に形成される隙間も円環状のスリット８１となる。また、チャンバー側部６１と反射リング６８との間に緩衝空間８２が形成されている。緩衝空間８２も円環状に形成されることとなる。緩衝空間８２はスリット８１と連通している。

また、緩衝空間８２にはガス配管８３が連通接続されている。ガス配管８３の基端部は窒素ガス供給源８５に接続されている（図１）。ガス配管８３の経路途中にはバルブ８４が介挿されている。バルブ８４が開放されると、窒素ガス供給源８５から緩衝空間８２に窒素ガスが送給される。緩衝空間８２に流入した窒素ガスはスリット８１を通過してチャンバー６内の熱処理空間６５に供給される。

図４は、熱処理空間６５への気体供給を示す平面図である。緩衝空間８２からスリット８１へと至る気体の通過経路において、気体の進行方向に対して垂直となる面の断面積が緩衝空間８２の方がスリット８１よりも大きい。すなわち、緩衝空間８２の方がスリット８１よりも流体抵抗が小さい。このため、図４に示すように、ガス配管８３から緩衝空間８２へ流入した窒素ガスの一部は直ちにスリット８１に流れるものの、大部分はより抵抗の小さい緩衝空間８２内を拡がるように流れる。そして、緩衝空間８２内に満たされた窒素ガスがスリット８１を通って熱処理空間６５に供給される。従って、環状のスリット８１の全周にわたって均一に窒素ガスが供給されることとなる。

一方、チャンバー６の底部においても上部と同様に、反射リング６９と下側チャンバー窓６４とは密接しておらず、それらの間には隙間が形成されている。下側チャンバー窓６４は円板状であり、反射リング６９は円環状であるため、下側チャンバー窓６４と反射リング６９の下端面との間に形成される隙間も円環状のスリット８６となる。また、チャンバー側部６１に形成された円環状の緩衝空間８７がスリット８６と連通している。緩衝空間８７にはガス配管８８が連通接続されている。ガス配管８８の基端部は排気部９０に接続されている。ガス配管８８の経路途中にはバルブ８９が介挿されている。バルブ８９が開放されると、熱処理空間６５の気体がスリット８６から緩衝空間８７を経てガス配管８８へと排出される。

スリット８６から緩衝空間８７へと至る気体の通過経路においても、気体の進行方向に対して垂直となる面の断面積が緩衝空間８７の方がスリット８６よりも大きい。すなわち、緩衝空間８７の方がスリット８６よりも流体抵抗が小さい。このため、環状のスリット８６の全周にわたって均一に気体が排気される。なお、図示の便宜上、図１と図２とではガス配管８３，８８の位置が異なっているが、ガス配管８３，８８は円環状の緩衝空間８２，８７の任意の位置に接続して良く、両ガス配管８３，８８を図１のように接続しても図２のように接続しても良い。また、緩衝空間８２，８７に接続されるガス配管８３，８８は一本に限定されるものではなく、複数本であっても良い。複数本のガス配管８３，８８を緩衝空間８２，８７に均等に接続すれば、環状のスリット８１，８６からより均一な給排気を行うことができる。

このように、熱処理装置１は、チャンバー６内に保持された半導体ウェハーＷを挟んで概ね上下対称に給排気機構を備えている。すなわち、バルブ８４、ガス配管８３および緩衝空間８２を有する給気機構によって、上側チャンバー窓６３とチャンバー６の内壁上端との間に環状に形成された隙間であるスリット８１からチャンバー６内の熱処理空間６５に処理ガス（窒素ガス）を供給する。それとともに、バルブ８９、ガス配管８８および緩衝空間８７を有する排気機構によって、下側チャンバー窓６４とチャンバー６の内壁下端との間に環状に形成された隙間であるスリット８６からチャンバー６内の気体を排気する。なお、窒素ガス供給源８５および排気部９０は、熱処理装置１に設けられた機構であっても良いし、熱処理装置１が設置される工場のユーティリティであっても良い。

図５は、半導体ウェハーＷの保持位置から見たチャンバー６の平面図である。保持部７は、サセプタ７０および均熱リング７５を備えて構成される。サセプタ７０は、石英により形成され、円環形状のリング部７１に複数の爪部７２（本実施形態では４本）を立設して構成される。リング部７１が凹部６２の底面に載置されることによって、サセプタ７０がチャンバー６に装着される。

均熱リング７５は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）によって形成されたリング状部材であり、サセプタ７０の爪部７２に設けられた支持ピンによって支持される。均熱リング７５の内周には図示を省略する複数の爪が突設されており、それら複数の爪によって半導体ウェハーＷの周縁部が支持されて半導体ウェハーＷが水平姿勢にて保持される。なお、複数の爪に代えて均熱リング７５の内周に沿って鍔を設け、それによって半導体ウェハーＷを保持するようにしても良い。

図６は、移載機構１０の平面図である。また、図７は、移載機構１０の側面図である。移載機構１０は、２本の移載アーム１１を備える。移載アーム１１は、概ね円環状の凹部６２に沿うような円弧形状とされている。それぞれの移載アーム１１には２本のリフトピン１２が立設されている。各移載アーム１１は水平移動機構１３によって回動可能とされている。水平移動機構１３は、一対の移載アーム１１を保持部７に対して半導体ウェハーＷの移載を行う移載動作位置（図６の実線位置）と保持部７に保持された半導体ウェハーＷと平面視で重ならない退避位置（図６の二点鎖線位置）との間で水平移動させる。水平移動機構１３としては、個別のモータによって各移載アーム１１をそれぞれ回動させるものであっても良いし、リンク機構を用いて１個のモータによって一対の移載アーム１１を連動させて回動させるものであっても良い。

また、一対の移載アーム１１は、昇降機構１４によって水平移動機構１３とともに昇降移動される。昇降機構１４が一対の移載アーム１１を移載動作位置にて上昇させると、計４本のリフトピン１２が均熱リング７５の内側を通過し、リフトピン１２の上端が均熱リング７５の上側に突き出る。一方、昇降機構１４が一対の移載アーム１１を移載動作位置にて下降させ、水平移動機構１３が一対の移載アーム１１を開くように移動させると各移載アーム１１が退避位置に移動する。

一対の移載アーム１１の退避位置は、サセプタ７０のリング部７１の直上である。リング部７１は凹部６２の底面に載置されているため、移載アーム１１の退避位置は凹部６２の内側となる。

図５に示すように、チャンバー側部６１のうち移載機構１０の駆動部（水平移動機構１３および昇降機構１４）が設けられている部位には、排気管９３が連通接続されている。排気管９３は排気部９０に接続されている。排気管９３の経路途中にはバルブ９４が介挿されている。バルブ９４を開放することによって、移載機構１０の駆動部周辺を介してチャンバー６内の気体が排気される。また、搬送開口部６６の先端にも熱処理空間６５内の気体を排出する排気管９１が接続されている。排気管９１はバルブ９２を介して排気部９０に接続されている。バルブ９２を開放することによって、搬送開口部６６を介してチャンバー６内の気体が排気される。なお、本実施形態では３系統の排気機構の排気部９０を共通のものとしていたが、これを別個のものとしても良い。

また、図５に示すように、熱処理装置１は、半導体ウェハーＷの温度を測定するためのプローブ７８，７９を備えている。熱電対を使用した接触式温度計のプローブ７８は均熱リング７５に保持された半導体ウェハーＷの裏面に接触し、別置のディテクタによって半導体ウェハーＷの温度を測定する。一方、放射温度計のプローブ７９は均熱リング７５に保持された半導体ウェハーＷの裏面から放射された放射光（赤外線）を受光し、別置のディテクタによって半導体ウェハーＷの温度を測定する。接触式温度計のプローブ７８および放射温度計のプローブ７９は、いずれもチャンバー６の凹部６２に設置されている。

さらに、図１に示すように、熱処理装置１は、ハロゲン加熱部４に放射温度計のプローブ４９を備える。プローブ４９は、プローブ７９と同様に、均熱リング７５に保持された半導体ウェハーＷの裏面から放射された放射光を受光し、別置のディテクタによって半導体ウェハーＷの温度を測定する。プローブ７９が保持部７に保持された半導体ウェハーＷの斜め下方から放射光を受光してウェハー温度を測温するのに対して、プローブ４９は半導体ウェハーＷの直下から放射光を受光して測温する。但し、半導体ウェハーＷからの距離は直下のプローブ４９の方が長い。このように、熱処理装置１は、３つのプローブ７８，７９，４９を備えて半導体ウェハーＷの温度を確実に測温する。

チャンバー６の上方に設けられたフラッシュ加熱部５は、筐体５１の内側に、複数本（本実施形態では３０本）のキセノンフラッシュランプＦＬからなる光源と、その光源の上方を覆うように設けられたリフレクタ５２と、を備えて構成される。また、フラッシュ加熱部５の筐体５１の底部にはランプ光放射窓５３が装着されている。フラッシュ加熱部５の床部を構成するランプ光放射窓５３は、石英により形成された板状部材である。フラッシュ加熱部５がチャンバー６の上方に設置されることにより、ランプ光放射窓５３が上側チャンバー窓６３と相対向することとなる。フラッシュランプＦＬはチャンバー６の上方からランプ光放射窓５３および上側チャンバー窓６３を介して熱処理空間６５に閃光を照射する。

複数のフラッシュランプＦＬは、それぞれが長尺の円筒形状を有する棒状ランプであり、それぞれの長手方向が保持部７に保持される半導体ウェハーＷの主面に沿って（つまり水平方向に沿って）互いに平行となるように平面状に配列されている。よって、フラッシュランプＦＬの配列によって形成される平面も水平面である。

キセノンフラッシュランプＦＬは、その内部にキセノンガスが封入されその両端部にコンデンサーに接続された陽極および陰極が配設された棒状のガラス管（放電管）と、該ガラス管の外周面上に付設されたトリガー電極とを備える。キセノンガスは電気的には絶縁体であることから、コンデンサーに電荷が蓄積されていたとしても通常の状態ではガラス管内に電気は流れない。しかしながら、トリガー電極に高電圧を印加して絶縁を破壊した場合には、コンデンサーに蓄えられた電気がガラス管内に瞬時に流れ、そのときのジュール熱でキセノンガスが加熱されて光が放出される。このようなキセノンフラッシュランプＦＬにおいては、予めコンデンサーに蓄えられていた静電エネルギーが０．１ミリセカンドないし１０ミリセカンドという極めて短い光パルスに変換されることから、ハロゲンランプＨＬの如き連続点灯の光源に比べて極めて強い光を照射し得るという特徴を有する。

また、リフレクタ５２は、複数のフラッシュランプＦＬの上方にそれら全体を覆うように設けられている。リフレクタ５２の基本的な機能は、複数のフラッシュランプＦＬから出射されたフラッシュ光を保持部７の側に反射するというものである。リフレクタ５２はアルミニウム合金板にて形成されており、その表面（フラッシュランプＦＬに臨む側の面）はブラスト処理により粗面化加工が施されて梨地模様を呈する。

チャンバー６の下方に設けられたハロゲン加熱部４の内部には複数本（本実施形態では４０本）のハロゲンランプＨＬが内蔵されている。複数のハロゲンランプＨＬはチャンバー６の下方から下側チャンバー窓６４を介して熱処理空間６５への光照射を行う。本実施形態では、上下２段に各２０本ずつのハロゲンランプＨＬが配設されている。ハロゲンランプＨＬは、長尺の円筒形状を有する棒状ランプである。上段、下段ともに２０本のハロゲンランプＨＬは、それぞれの長手方向が保持部７に保持される半導体ウェハーＷの主面に沿って（つまり水平方向に沿って）互いに平行となるように配列されている。また、上段、下段ともに保持部７に保持される半導体ウェハーＷの中央部に対向する領域よりも周縁部に対向する領域におけるハロゲンランプＨＬの配設密度が高くなっている。

さらに、上段のハロゲンランプＨＬと下段のハロゲンランプＨＬとが井桁状に交差するように構成されている。すなわち、上段のハロゲンランプＨＬの長手方向と下段のハロゲンランプＨＬの長手方向とが直交するように計４０本のハロゲンランプＨＬが配設されている。

ハロゲンランプＨＬは、ガラス管内部に配設されたフィラメントに通電することでフィラメントを白熱化させて発光させるフィラメント方式の光源である。ガラス管の内部には、窒素やアルゴン等の不活性ガスにハロゲン元素（ヨウ素、臭素等）を微量導入した気体が封入されている。ハロゲン元素を導入することによって、フィラメントの折損を抑制しつつフィラメントの温度を高温に設定することが可能となる。したがって、ハロゲンランプＨＬは、通常の白熱電球に比べて寿命が長くかつ強い光を連続的に照射できるという特性を有する。

また、熱処理装置１は、ハロゲン加熱部４およびチャンバー６の側方にシャッター機構２を備える。シャッター機構２は、シャッター板２１およびスライド駆動機構２２を備える。スライド駆動機構２２は、シャッター板２１を水平方向に沿ってスライド移動させる。スライド駆動機構２２がシャッター板２１を前進させると、チャンバー６とハロゲン加熱部４との間の間隙にシャッター板２１が挿入されて下側チャンバー窓６４と複数のハロゲンランプＨＬとを遮断する。これによって、複数のハロゲンランプＨＬから熱処理空間６５へと向かう光は遮光される。逆に、スライド駆動機構２２がシャッター板２１を後退させると、チャンバー６とハロゲン加熱部４との間からシャッター板２１が退出して下側チャンバー窓６４の下方が開放される。

シャッター板２１には、図示を省略する小孔が貫通して穿設されている。シャッター板２１が前進して下側チャンバー窓６４の全体を覆ったときに、当該小孔がプローブ４９の直上に位置する。従って、シャッター板２１が下側チャンバー窓６４と複数のハロゲンランプＨＬとを遮断しても、プローブ４９による半導体ウェハーＷの測温は可能とされている。

また、制御部３は、熱処理装置１に設けられた上記の種々の動作機構を制御する。制御部３のハードウェアとしての構成は一般的なコンピュータと同様である。すなわち、制御部３は、各種演算処理を行うＣＰＵ、基本プログラムを記憶する読み出し専用のメモリであるＲＯＭ、各種情報を記憶する読み書き自在のメモリであるＲＡＭおよび制御用ソフトウェアやデータなどを記憶しておく磁気ディスクを備えている。

上記の構成以外にも熱処理装置１は、半導体ウェハーＷの熱処理時にハロゲンランプＨＬおよびフラッシュランプＦＬから発生する熱エネルギーによるハロゲン加熱部４、フラッシュ加熱部５およびチャンバー６の過剰な温度上昇を防止するため、様々な冷却用の構造を備えている。例えば、チャンバー６の壁体には水冷管（図示省略）が設けられている。また、ハロゲン加熱部４およびフラッシュ加熱部５は、内部に気体流を形成して排熱する空冷構造とされている。また、上側チャンバー窓６３とランプ光放射窓５３との間隙にも空気が供給され、フラッシュ加熱部５および上側チャンバー窓６３を冷却する。

次に、熱処理装置１における半導体ウェハーＷの処理手順について簡単に説明する。ここで処理対象となる半導体ウェハーＷはイオン注入法により不純物（イオン）が添加された半導体基板であり、添加された不純物の活性化が熱処理装置１によるフラッシュ加熱処理により実行される。図８は、熱処理装置１における半導体ウェハーＷの処理手順を示すフローチャートである。以下に示す半導体ウェハーＷの処理手順は、制御部３が熱処理装置１の各動作機構を制御することによって実行される。

まず、給気のためのバルブ８４が開放されるとともに、排気用のバルブ８９，９２，９４が開放されてチャンバー６内に対する給排気が開始される（ステップＳ１）。バルブ８４が開放されると、上側チャンバー窓６３とチャンバー６の内壁上端との間に形成された環状のスリット８１の全周から均一に熱処理空間６５に窒素ガスが供給される。また、バルブ８９が開放されると、下側チャンバー窓６４とチャンバー６の内壁下端との間に形成された環状のスリット８６の全周から均一にチャンバー６内の気体が排気される。これにより、チャンバー６内の熱処理空間６５の最上部から供給された窒素ガスが保持部７に保持された半導体ウェハーＷの側方を通って下方へ流れ、熱処理空間６５の最下部から排気される。なお、半導体ウェハーＷの側方においては、爪部７２の隙間が大きく開放されており、そこから下方へと窒素ガスが流れる。

また、バルブ９２，９４が開放されることによって、それぞれ搬送開口部６６および移載機構１０の駆動部周辺を介してチャンバー６内の気体が排気される。これにより、チャンバー６内の熱処理空間６５の最上部から供給された窒素ガスが搬送開口部６６および移載機構１０の駆動部周辺を流れて排気される。なお、熱処理装置１における半導体ウェハーＷの熱処理時には窒素ガスが熱処理空間６５に継続的に供給されており、その供給量は図８の処理ステップに応じて適宜変更される。

続いて、ゲートバルブ１８５が開いて搬送開口部６６が開放され、装置外部の搬送ロボットにより搬送開口部６６を介してイオン注入後の半導体ウェハーＷがチャンバー６内の熱処理空間６５に搬入される（ステップＳ２）。搬送ロボットによって搬入された半導体ウェハーＷは保持部７の直上位置まで進出して停止する。そして、移載機構１０の一対の移載アーム１１が退避位置から移載動作位置に水平移動して上昇することにより、リフトピン１２が均熱リング７５の内側を通って上方に突き出て搬送ロボットから半導体ウェハーＷを受け取る。

半導体ウェハーＷがリフトピン１２に載置された後、搬送ロボットが熱処理空間６５から退出し、ゲートバルブ１８５によって搬送開口部６６が閉鎖される。そして、一対の移載アーム１１が下降することにより、半導体ウェハーＷは移載機構１０から保持部７の均熱リング７５に受け渡されて水平姿勢に保持される。均熱リング７５の下方にまで下降した一対の移載アーム１１は水平移動機構１３によって退避位置、すなわち凹部６２の内側に退避する。

半導体ウェハーＷが保持部７の均熱リング７５に保持された後、４０本のハロゲンランプＨＬが一斉に点灯して予備加熱（アシスト加熱）が開始される（ステップＳ３）。ハロゲンランプＨＬから出射されたハロゲン光は、石英にて形成された下側チャンバー窓６４を透過して半導体ウェハーＷの裏面から照射される。ハロゲンランプＨＬからの光照射を受けることによって半導体ウェハーＷが予備加熱されて温度が上昇する。

予備加熱の段階においては、より放熱が生じやすい半導体ウェハーＷの周縁部の温度が中央部よりも低下する傾向にあるが、均熱リング７５によって周縁部の放熱が補償されるため、半導体ウェハーＷの面内温度分布が均一に維持される。また、ハロゲン加熱部４におけるハロゲンランプＨＬの配設密度は、半導体ウェハーＷの中央部に対向する領域よりも周縁部に対向する領域の方が高くなっているため、放熱が生じやすい半導体ウェハーＷの周縁部に照射される光量が多くなり、予備加熱段階における半導体ウェハーＷの面内温度分布をより均一なものとすることができる。

さらに、チャンバー側部６１に装着された反射リング６９に保持部７の側に向けて拡がるテーパ面が形成され、そのテーパ面はニッケルメッキによって鏡面とされているため、この反射リング６９のテーパ面によって半導体ウェハーＷの周縁部に向けて反射する光量が多くなり、予備加熱段階における半導体ウェハーＷの面内温度分布をより均一なものとすることができる。

予備加熱を行うときには、半導体ウェハーＷの温度が接触式温度計および放射温度計によって計測されている。すなわち、接触式温度計のプローブ７８が半導体ウェハーＷの裏面に接触するとともに、放射温度計のプローブ４９，７９が半導体ウェハーＷの裏面から放射される光を受光している。これら３つのプローブ４９，７８，７９によって半導体ウェハーＷが所定の予備加熱温度Ｔ１に到達したか否かが監視される（ステップＳ４）。

本実施の形態においては、予備加熱温度Ｔ１は８００℃とされる。そして、半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１に到達したことが検知されたら直ちにフラッシュ加熱部５のフラッシュランプＦＬから半導体ウェハーＷへ向けてフラッシュ光が照射される（ステップＳ５）。このとき、フラッシュランプＦＬから放射されるフラッシュ光の一部は直接に熱処理空間６５内の保持部７へと向かい、他の一部は一旦リフレクタ５２により反射されてから熱処理空間６５内へと向かい、これらのフラッシュ光の照射により半導体ウェハーＷのフラッシュ加熱が行われる。フラッシュ加熱は、フラッシュランプＦＬからの閃光照射により行われるため、半導体ウェハーＷの表面温度を短時間で上昇することができる。

すなわち、フラッシュ加熱部５のフラッシュランプＦＬから照射されるフラッシュ光は、予め蓄えられていた静電エネルギーが極めて短い光パルスに変換された、照射時間が０．１ミリ秒ないし１０ミリ秒程度の極めて短く強い閃光である。そして、フラッシュランプＦＬからの閃光照射によりフラッシュ加熱される半導体ウェハーＷの表面温度は、瞬間的に１０００℃ないし１１００℃程度の処理温度Ｔ２まで上昇し、半導体ウェハーＷに添加された不純物が活性化された後、表面温度が急速に下降する。このように、熱処理装置１では、半導体ウェハーＷの表面温度を極めて短時間で昇降することができるため、半導体ウェハーＷに添加された不純物の熱による拡散を抑制しつつ不純物の活性化を行うことができる。なお、添加不純物の活性化に必要な時間はその熱拡散に必要な時間に比較して極めて短いため、０．１ミリセカンドないし１０ミリセカンド程度の拡散が生じない短時間であっても活性化は完了する。

また、本実施形態の熱処理装置１は、ハロゲンランプＨＬによって半導体ウェハーＷを予備加熱温度Ｔ１（８００℃）にまで予備加熱してからフラッシュランプＦＬからの閃光照射によってフラッシュ加熱を行っている。半導体ウェハーＷの温度が６００℃以上になると添加された不純物の熱拡散が生じる可能性があるが、ハロゲンランプＨＬは比較的急速に半導体ウェハーＷを８００℃まで昇温することができるため、添加不純物の拡散を最小限に抑制することができる。また、半導体ウェハーＷを予備加熱温度Ｔ１にまで昇温してからフラッシュランプＦＬからの閃光照射を行うことにより、半導体ウェハーＷの表面温度を処理温度Ｔ２まで速やかに上昇させることができる。さらに、予備加熱温度Ｔ１から処理温度Ｔ２までのフラッシュ加熱による昇温幅が比較的小さいため、フラッシュランプＦＬから照射する閃光のエネルギーを比較的小さくすることができ、その結果フラッシュ加熱時に半導体ウェハーＷに与える熱的衝撃を緩和することができる。

フラッシュ加熱が終了した後に、複数のハロゲンランプＨＬが一斉に消灯して、半導体ウェハーＷの温度が急速に降温する（ステップＳ６）。また、ハロゲンランプＨＬが消灯するのと同時に、シャッター機構２がシャッター板２１をハロゲン加熱部４とチャンバー６との間に挿入する（ステップＳ７）。ハロゲンランプＨＬが消灯しても、すぐにフィラメントや管壁の温度が低下するものではなく、暫時高温のフィラメントおよび管壁から輻射熱が放射され続け、これが半導体ウェハーＷの降温を妨げる。シャッター板２１が挿入されることによって、消灯直後のハロゲンランプＨＬから熱処理空間６５に放射される輻射熱が遮断されることとなり、半導体ウェハーＷの降温速度を高めることができる。

半導体ウェハーＷの降温段階においても、３つのプローブ４９，７８，７９によって半導体ウェハーＷの温度が計測されている。なお、上述のように、シャッター板２１には小孔が形成されているため、シャッター板２１が挿入された状態においてもプローブ４９による温度計測は可能である。また、シャッター板２１が挿入されることによって、消灯直後のハロゲンランプＨＬから放射される輻射熱が遮断されるため、放射温度計のプローブ７９が受ける外乱が少なくなり、温度計測の精度を高めることができる。

その後、半導体ウェハーＷの温度が所定以下にまで降温した後、移載機構１０の一対の移載アーム１１が再び退避位置から移載動作位置に水平移動して上昇することにより、リフトピン１２が均熱リング７５の内側から突き出て熱処理後の半導体ウェハーＷを保持部７から受け取る。続いて、ゲートバルブ１８５により閉鎖されていた搬送開口部６６が開放され、リフトピン１２上に載置された半導体ウェハーＷが装置外部の搬送ロボットにより搬出され（ステップＳ８）、熱処理装置１における半導体ウェハーＷのフラッシュ加熱処理が完了する。

本実施形態の熱処理装置１は、チャンバー６の内壁面に保持部７の側方を囲繞する環状の凹部６２を水平方向に沿って形成して中グリ構造としている。そして、凹部６２の鉛直方向の幅Ｈ１は搬送開口部６６の鉛直方向の幅Ｈ２よりも大きく、搬送開口部６６は凹部６２の外周面に連通接続されている。このような凹部６２が形成されていることによって、保持部７の周囲においては一様にチャンバー内壁による反射が生じない。すなわち、凹部６２が形成されていなければ、搬送開口部６６においてのみ壁面が存在せずに反射が生じないのであるが、凹部６２が形成されることによって保持部７の全周にわたって反射の生じる壁面が存在しないこととなる。従って、ハロゲンランプＨＬおよびフラッシュランプＦＬから出射された光がチャンバー６の内壁面によって不均一に反射されて半導体ウェハーＷに入射することが防止され、熱処理時における半導体ウェハーＷの面内温度分布の均一性を向上させることができる。

また、熱処理装置１は、チャンバー側部６１の内側壁面の上下に反射リング６８および反射リング６９を着脱自在に装着している。反射リング６８，６９にはともに保持部７の側に向けて拡がるテーパ面が形成され、そのテーパ面はニッケルメッキによって鏡面とされている。このため、ハロゲンランプＨＬおよびフラッシュランプＦＬから出射された光は反射リング６８，６９のテーパ面で反射されることによって、予備加熱段階にて温度低下が生じやすい半導体ウェハーＷの周縁部により多く入射する。その結果、熱処理時における半導体ウェハーＷの面内温度分布の均一性をより向上させることができる。

また、反射リング６８，６９は着脱自在にチャンバー側部６１に装着されているため、チャンバー６のメンテナンス時にはこれらを容易に取り外すことができ、保持部７の設置や移載機構１０などに対する作業を容易にすることができる。

また、熱処理時には、移載機構１０の一対の移載アーム１１はチャンバー６の凹部６２に退避している。凹部６２にはサセプタ７０が設置されるとともに、温度測定のためのプローブ７８，７９も設けられている。すなわち、種々の構造物を可能な限り凹部６２の内側に収納しているのである。このため、移載アーム１１やプローブ７８，７９がハロゲンランプＨＬおよびフラッシュランプＦＬからの光照射の障害となることは最小限に抑制され、熱処理時における半導体ウェハーＷの面内温度分布をより均一なものとすることができる。また、凹部６２の内側へはハロゲンランプＨＬおよびフラッシュランプＦＬからの光が直接には届かないため、フラッシュランプＦＬからの強烈な閃光照射によって移載アーム１１やプローブ７８，７９がダメージを受けることも防止される。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、この発明はその趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記実施形態においては、上側の反射リング６８および下側の反射リング６９の双方にテーパ面を形成していたが、いずれか一方のみにテーパ面を形成するようにしても良い。いずれか一方にテーパ面を形成する場合には、下側の反射リング６９にテーパ面を形成するのが好ましい。これにより、予備加熱段階において温度低下が生じやすい半導体ウェハーＷの周縁部にハロゲンランプＨＬからの光をより多く入射させて、予備加熱時における半導体ウェハーＷの面内温度分布の均一性を向上させることができる。

また、上記実施形態においては、熱処理空間６５に供給する処理ガスを窒素ガス（Ｎ₂）としていたが、これに限定されるものではなく、例えば、ヘリウム（Ｈｅ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス等の不活性ガス、あるいは、酸素（０₂）ガスや清浄エアであっても良い。もっとも、熱処理空間６５にて加熱される半導体ウェハーＷは数百℃から１０００℃以上の高温に昇温されるため、処理ガスとしては、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスが好ましく、特にコスト面からは安価な窒素ガスが好ましい。

また、上記実施形態においては、半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１に到達した時点でハロゲンランプＨＬを点灯したままフラッシュランプＦＬからの閃光照射を行うようにしていたが、フラッシュ加熱のタイミングはこれに限定されるものではない。例えば、ハロゲンランプＨＬによって半導体ウェハーＷを予備加熱温度Ｔ１を超えて昇温した後、ハロゲンランプＨＬを消灯するとともにシャッター板２１を挿入して半導体ウェハーＷが予備加熱温度Ｔ１にまで降温した時点で閃光照射を行うようにしても良い。

また、上記実施形態においては、フラッシュ加熱部５に３０本のフラッシュランプＦＬを備えるようにしていたが、これに限定されるものではなく、フラッシュランプＦＬの本数は任意の数とすることができる。また、フラッシュランプＦＬはキセノンフラッシュランプに限定されるものではなく、クリプトンフラッシュランプであっても良い。また、ハロゲン加熱部４に備えるハロゲンランプＨＬの本数も４０本に限定されるものではなく、任意の数とすることができる。

また、上記実施形態においては、チャンバー６の上方にフラッシュランプＦＬを配置し、下方にハロゲンランプＨＬを配置していたが、本発明はチャンバーの上下にチャンバー窓を備え半導体ウェハーＷの両面から光照射を行う装置であれば適用することが可能である。例えば、チャンバー６の上下双方にハロゲンランプＨＬを配置した熱処理装置であっても本発明を適用することができる。

また、上記実施形態においては、半導体ウェハーに光を照射してイオン活性化処理を行うようにしていたが、本発明にかかる熱処理装置による処理対象となる基板は半導体ウェハーに限定されるものではない。例えば、窒化シリコン膜や多結晶シリコン膜等の種々のシリコン膜が形成されたガラス基板に対して本発明にかかる熱処理装置による処理を行っても良い。一例として、ＣＶＤ法によりガラス基板上に形成した多結晶シリコン膜にシリコンをイオン注入して非晶質化した非晶質シリコン膜を形成し、さらにその上に反射防止膜となる酸化シリコン膜を形成する。この状態で、本発明にかかる熱処理装置により非晶質のシリコン膜の全面に光照射を行い、非晶質のシリコン膜が多結晶化した多結晶シリコン膜を形成することもできる。

また、ガラス基板上に下地酸化シリコン膜、アモルファスシリコンを結晶化したポリシリコン膜を形成し、そのポリシリコン膜にリンやボロン等の不純物をドーピングした構造のＴＦＴ基板に対して本発明にかかる熱処理装置により光照射を行い、ドーピング工程で打ち込まれた不純物の活性化を行うこともできる。

本発明に係る熱処理装置の構成を示す側断面図である。チャンバーの側部を拡大した部分断面図である。搬送開口部と凹部との位置関係を示す斜視図である。熱処理空間への気体供給を示す平面図である。半導体ウェハーの保持位置から見たチャンバーの平面図である。移載機構の平面図である。移載機構の側面図である。図１の熱処理装置における半導体ウェハーの処理手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１熱処理装置
２シャッター機構
３制御部
４ハロゲン加熱部
５フラッシュ加熱部
６チャンバー
７保持部
１０移載機構
１１移載アーム
１３水平移動機構
１４昇降機構
２１シャッター板
２２スライド駆動機構
４９，７８，７９プローブ
６１チャンバー側部
６２凹部
６３上側チャンバー窓
６４下側チャンバー窓
６５熱処理空間
６６搬送開口部
６８，６９反射リング
７０サセプタ
７５均熱リング
８１，８６スリット
８２，８７緩衝空間
８３，８８ガス配管
９１，９３排気管
８４，８９，９２，９４バルブ
ＦＬフラッシュランプ
ＨＬハロゲンランプ
Ｗ半導体ウェハー

Claims

基板に対して光を照射することによって該基板を加熱する熱処理装置であって、
上下が開口された筒状の内壁面を有するチャンバーと、
前記チャンバー内にて基板を水平姿勢に保持する保持手段と、
前記チャンバーの上側に設けられ、前記保持手段に保持された基板に光を照射する第１光照射手段と、
前記チャンバーの下側に設けられ、前記保持手段に保持された基板に光を照射する第２光照射手段と、
前記チャンバーの上側開口を閉塞し、前記第１光照射手段から照射された光をチャンバー内に透過する第１チャンバー窓と、
前記チャンバーの下側開口を閉塞し、前記第２光照射手段から照射された光をチャンバー内に透過する第２チャンバー窓と、
前記チャンバーの側壁に形成され、前記チャンバーに対して基板の搬入出を行う搬送開口部と、
を備え、
前記チャンバーの内壁面に前記保持手段の側方を囲繞する環状の凹部が水平方向に沿って形成され、前記凹部の鉛直方向幅は前記搬送開口部の鉛直方向幅よりも大きく、前記搬送開口部は前記凹部の外周面に連通接続され、
前記チャンバーの側壁内側に、内周面が鏡面とされた環状の反射壁板を前記凹部を挟んで上下のそれぞれに着脱自在に装着することを特徴とする熱処理装置。
請求項１記載の熱処理装置において、
前記凹部の上下に装着された前記反射壁板のうち少なくとも一方の内周面に前記保持手段の側に向けて拡がるテーパ面を形成することを特徴とする熱処理装置。
請求項１または請求項２に記載の熱処理装置において、
支持ピンを立設した一対の移載アーム、前記一対の移載アームを前記保持手段に対して基板の移載を行う移載動作位置と前記保持手段に保持された基板と平面視で重ならない退避位置との間で水平移動させる水平移動手段、および、前記一対の移載アームを前記移載動作位置にて鉛直方向に沿って昇降させて前記保持手段に対する基板の移載を行う昇降手段を有する移載手段をさらに備え、
前記退避位置は前記凹部の内側に設けられていることを特徴とする熱処理装置。
請求項１から請求項３のいずれかに記載の熱処理装置において、
前記保持手段に保持された基板の温度を測定する温度測定手段を前記凹部の内側に設けることを特徴とする熱処理装置。
請求項１から請求項４のいずれかに記載の熱処理装置において、
前記第１光照射手段はフラッシュランプを備え、
前記第２光照射手段はハロゲンランプを備えることを特徴とする熱処理装置。