JP2012174879A

JP2012174879A - 熱処理装置

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Publication number: JP2012174879A
Application number: JP2011035349A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Aotani; 俊明青谷
Original assignee: Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2011-02-22
Filing date: 2011-02-22
Publication date: 2012-09-10
Anticipated expiration: 2031-02-22
Also published as: JP5731230B2

Abstract

【課題】本発明は、製造が簡単でコストが安く、また全体的な照度を低下させることなく温度分布の均一性を改善できる熱処理装置を提供する。
【解決手段】ハロゲンランプＨＬのうち、両端側は密に、中央部側は、中央部に向って徐々に間隔が広くなるように配列される。ハロゲンランプＨＬと下側チャンバー窓６４との間にルーバー１００が配置される。ルーバー１００は、厚さ３ｍｍ、高さ２０ｍｍで、外径が半導体ウエハＷと同じ３００ｍｍの無底円筒形状であって、透明な石英ガラスに微細な気泡を形成して入射した光をその気泡で散乱させ、約３０％程度の光を透過させるように半透明になした素材により形成される。

【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウエハや液晶表示装置用ガラス基板等の薄板状の精密電子基板（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エハの不純物（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。また近年では、キセノンなどを用いたフラッシュランプを使用して半導体ウエハの表面にフラッシュ光を照射することにより、イオンが注入された半導体ウエハの表面のみを極めて短時間（数ミリセカンド以下）に１１００℃程度にまで昇温させる技術が提案されている。またさらに、キセノンフラッシュランプとハロゲンランプを併用し、半導体ウエハをキセノンフラッシュランプでフラッシュ加熱する前に、ハロゲンランプで所定温度まで予備加熱する技術も提案されている。

ところで、このようなハロゲンランプによる加熱機構において、棒状のハロゲンランプを例えば等間隔に配列配置したような構成では、半導体ウエハの中央部よりも周縁部のほうが照度が低くなってしまう傾向があり、処理の温度均一性に問題があった。そのため、特許文献１に示されるように半導体ウエハの周縁部に対応する領域にハロゲンランプを高密度に配置したり、あるいは、半導体ウエハの周縁部に対応する領域のハロゲンランプをより高出力になるように電力供給を制御するなどの対応により、半導体ウエハの周縁部に対して光量をより多く照射するようにした構成も提案されている。

しかしながら、このように半導体ウエハの周縁部への光量をより多く照射する構成をとると、基板全体の温度の均一性としては改善されることにはなるが、今度は半導体ウエハの周縁部側に温度が高くなるピークが現れる場合があり、さらに改善を求められていた。

特開２００９−２６００６１号公報特開２００２−１１０５８０号公報特開２００３−３１５１７号公報

特許文献２に記載されているように、光源と半導体ウエハとの間を仕切るように全体にわたって光拡散板を設ければ、照度分布は改善されるが、全体にわたって照度も低下してしまい、加熱効率が低下し、温度が低くなったり加熱に長時間を要するようになってしまう。また特許文献３に記載のように、光源と半導体ウエハとの間に集光度が異なる複数のレンズを二次元に配列したレンズ群を配置する構成では、集光度が異なる複数のレンズを適切にレイアウトして配置固定しなければならず、製造が難しくコストが高い。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、製造が簡単でコストが安く、また全体的な照度を低下させることなく照度分布の均一性を改善する熱処理装置を提供することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、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であって、基板を支持する支持手段と、前記基板よりも大きい形状の発光領域面を有し、該発光領域面を前記支持手段に支持された基板に対向させて光照射を行う光源構成体と、筒形をなし、前記支持手段に支持された基板と前記光源構成体との間に配置されて入射した光の一部を透過し一部を散乱させるよう構成された半透明の光散乱部材とを備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の熱処理装置において、光源構成体が、その発光領域面の中央部よりも周縁部のほうが、単位面積あたりの発光光量が多くなるように構成されたことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の熱処理装置において、前記基板が半導体ウエハであり、前記光散乱部材が前記半導体ウエハと同軸位置に配置された無底の円筒形であることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の熱処理装置において、前記光散乱部材の円筒形が、前記半導体ウエハの直径と略同じ直径であることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の熱処理装置において、前記光散乱部材が、光散乱用の微細構造を形成したガラス材よりなることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の熱処理装置において、前記光源構成体が、平行に配置された複数の棒状の光源からなる光源群を備えることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、基板より大きい形状の発光領域面を有する光源構成体から照射される光のうちの一部が、基板と光源構成体との間に配置された筒形の光散乱部材によって散乱されるので、製造が簡単でコストが安く、また全体的な照度を低下させることなく照度分布の均一性を改善できる。

請求項２の発明によれば、光源構成体の周縁部から単位面積あたりの発光光量が多い光が照射されるが、光源構成体の周縁部に近い光散乱部材による散乱で基板周縁部の照度のピークが低くなり、照度分布の均一性を改善できる。

請求項３および請求項４の発明によれば、無底の円筒形の光散乱部材によって、その中央部を通過する光は透過されるので散乱されず、周縁部を通過する光の一部が散乱されて、基板周縁部の光のピークが低くなり、照度分布の均一性を改善できる。
の取付角度を容易にそろえることができて製造が容易で、高効率で均一性も良好な照明装置と検査装置が得られる。

請求項５の発明によれば、光散乱部材を、光散乱用の微細構造を形成したガラス材により簡単に製造できる。

請求項６の発明によれば、光源構成体を、平行に配置された複数の棒状の光源からなる光源群により簡単に製造できる。

本発明に係る熱処理装置の構成を示す縦断面図である。保持部の斜視図である。保持プレートの平面図である。保持プレートに半導体ウエハが載置されたときのバンプ近傍を拡大した図である。移載機構の平面図である。移載機構の側面図である。複数のハロゲンランプの配置を示す平面図である。半導体ウエハ、ハロゲンランプ、ルーバーの位置関係を示す模式図である。ルーバーと支持体を示す図である。ハロゲンランプ、ルーバーの位置関係を示す模式図である。フラッシュランプの駆動回路を示す図である。半導体ウエハ上での照度分布を示す図である。

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。

＜１．全体構成＞

図１は、本発明に係る熱処理装置１の構成を示す縦断面図である。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エハＷに対して光照射を行うことによってその半導体ウエハ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に搬入される前の半導体ウエハＷには不純物が注入されており、熱処理装置１による加熱処理によって注入された不純物の活性化処理が実行される。

熱処理装置１は、半導体ウエハ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、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、半導体ウエハ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エハ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、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エハ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。

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、半導体ウエハＷを保持する保持部７を囲繞する。

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に対して半導体ウエハ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はチャンバー６の外側からチャンバー側部６１を貫通して凹部６２まで連通している。また搬送開口部６６は、ゲートバルブ１８５によって開閉可能とされている。このため、ゲートバルブ１８５が搬送開口部６６を開放しているときには、搬送開口部６６から凹部６２を通過して熱処理空間６５への半導体ウエハＷの搬入および熱処理空間６５からの半導体ウエハＷの搬出を行うことができる。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。

また、チャンバー６の内壁上部には熱処理空間６５に処理ガス（本実施形態では窒素ガス（Ｎ₂））を供給するガス供給孔８１が形設されている。ガス供給孔８１は、凹部６２よりも上側位置に形設されており、反射リング６８に設けられていても良い。ガス供給孔８１はチャンバー６の側壁内部に円環状に形成された緩衝空間８２を介してガス供給管８３に連通接続されている。ガス供給管８３は窒素ガス供給源８５に接続されている。また、ガス供給管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、ガス供給孔８１よりも流体抵抗の小さい緩衝空間８２内を拡がるように流れてガス供給孔８１から熱処理空間６５内へと供給される。

一方、チャンバー６の内壁下部には熱処理空間６５内の気体を排気するガス排気孔８６が形設されている。ガス排気孔８６は、凹部６２よりも下側位置に形設されており、反射リング６９に設けられていても良い。ガス排気孔８６はチャンバー６の側壁内部に円環状に形成された緩衝空間８７を介してガス排気管８８に連通接続されている。ガス排気管８８は排気部１９０に接続されている。また、ガス排気管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、チャンバー６の熱処理空間６５の気体がガス排気孔８６から緩衝空間８７を経てガス排気管８８へと排出される。なお、ガス供給孔８１およびガス排気孔８６は、チャンバー６の周方向に沿って複数設けられていても良いし、スリット状のものであっても良い。また、窒素ガス供給源８５および排気部１９０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。

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ガス排気管１９１が接続されている。ガス排気管１９１はバルブ１９２を介して排気部１９０に接続されている。バルブ１９２を開放することによって、搬送開口部６６を介してもチャンバー６の熱処理空間６５内の気体が排気される。

＜２．保持部７と移載機構１０＞

図２は、保持部７の斜視図である。保持部７は、サセプタ７０および保持プレート７４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。図３は、保持プレート７４の平面図である。保持プレート７４は石英にて形成された円形の平板状部材であって、サセプタ７０の上方に後述する爪部７２および支持棒７３により支持される。保持プレート７４の直径は半導体ウエハＷの直径よりも大きい。すなわち、保持プレート７４は、半導体ウエハＷよりも大きな平面サイズを有する。保持プレート７４の上面には複数個のバンプ７５が立設されている。本実施形態においては、保持プレート７４の外周円と同心円の周上に沿って６０°毎に計６本のバンプ７５が立設されている。６本のバンプ７５を配置した円の径（対向するバンプ７５間の距離）は半導体ウエハＷの径よりも小さく、本実施形態ではφ２８０ｍｍである。それぞれのバンプ７５は石英にて形成された支持ピンである。なお、バンプ７５の個数は６本に限定されるものではなく、半導体ウエハＷを安定して支持可能な３本以上であれば良い。

また、保持プレート７４の上面には、６本のバンプ７５と同心円状に複数個（本実施形態では５個）のガイドピン７６（図２では図示省略）が立設されている。５個のガイドピン７６を配置した円の径は半導体ウエハＷの径よりも若干大きい。各ガイドピン７６は石英にて形成されている。

リング部７１が凹部６２の底面に載置されることによって、保持部７のサセプタ７０がチャンバー６の熱処理空間６５内に装着される。そして、保持プレート７４はチャンバー６に装着されたサセプタ７０の爪部７２に装着保持される。チャンバー６に搬入された半導体ウエハＷはサセプタ７０に保持された保持プレート７４の上に水平姿勢にて載置される。

図４は、保持プレート７４に半導体ウエハＷが載置されたときのバンプ７５近傍を拡大した図である。サセプタ７０の各爪部７２には支持棒７３が立設されている。支持棒７３の上端部が保持プレート７４の下面に穿設された凹部に嵌合することによって、保持プレート７４が位置ずれすることなくサセプタ７０に保持される。

また、バンプ７５およびガイドピン７６も保持プレート７４の上面に穿設された凹部に嵌着されて立設されている。保持プレート７４の上面に立設されたバンプ７５およびガイドピン７６の上端は当該上面から突出する。半導体ウエハＷは保持プレート７４に立設された複数のバンプ７５によって点接触にて支持されて保持プレート７４上に載置される。バンプ７５の上端の高さ位置から保持プレート７４の上面までの距離は０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下（本実施形態では１ｍｍ）である。従って、半導体ウエハＷは複数のバンプ７５によって保持プレート７４の上面から０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下の間隔を隔てて支持されることとなる。また、ガイドピン７６の上端の高さ位置はバンプ７５の上端よりも高く、複数のガイドピン７６によって半導体ウエハＷの水平方向の位置ずれが防止される。なお、バンプ７５およびガイドピン７６を保持プレート７４と一体に石英にて加工するようにしても良い。また、これら複数個のガイドピン７６に代えて上側に向けて拡がるように水平面と所定の角度をなすテーパ面が形成された円環状部材を設けるようにして、半導体ウエハＷの水平方向の位置ずれを防止するようにしても良い。

そして、保持プレート７４の上面のうち少なくとも複数のバンプ７５に支持された半導体ウエハＷに対向する領域は平面となる。この場合、半導体ウエハＷは複数のバンプ７５によって保持プレート７４の当該平面から０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下の間隔を隔てて支持されることとなる。

また、図２および図３に示すように、保持プレート７４には、上下に貫通して開口部７８および切り欠き部７７が形成されている。切り欠き部７７は、熱電対を使用した接触式温度計１３０のプローブ先端部を通すために設けられている。一方、開口部７８は、放射温度計１２０が保持プレート７４に保持された半導体ウエハＷの下面から放射される放射光（赤外光）を受光するために設けられている。

図５は、移載機構１０の平面図である。また、図６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に対して半導体ウエハＷの移載を行う移載動作位置（図５の実線位置）と保持部７に保持された半導体ウエハＷと平面視で重ならない退避位置（図５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が保持プレート７４に穿設された貫通孔７９（図２，３参照）を通過し、リフトピン１２の上端が保持プレート７４の上面から突き出る。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てリフトピン１２を貫通孔７９から抜き取り、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。なお、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の近傍にも図示省略の排気機構が設けられており、移載機構１０の駆動部周辺の雰囲気がチャンバー６の外部に排出されるように構成されている。

＜３．フラッシュ加熱部５＞

図１に戻り、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の石英窓である。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にフラッシュ光を照射する。

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、保持部７に保持される半導体ウエハＷの真上の位置にその主面に沿って（つまり水平方向に沿って）それぞれの長手方向が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。

図１０は、フラッシュランプＦＬの駆動回路を示す図である。同図に示すように、コンデンサ９３と、コイル９４と、フラッシュランプＦＬと、スイッチング素子９６とが直列に接続されている。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陽極および陰極が配設された棒状のガラス管（放電管）９２と、該ガラス管９２の外周面上に付設されたトリガー電極９１とを備える。コンデンサ９３には、電源ユニット９５によって所定の電圧が印加され、その印加電圧に応じた電荷が充電される。また、トリガー電極９１にはトリガー回路９７から電圧を印加することができる。トリガー回路９７がトリガー電極９１に電圧を印加するタイミングは制御部３によって制御される。

本実施の形態では、スイッチング素子９６として絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ；Insulated gate bipolar transistor）を用いている。ＩＧＢＴは、ゲート部にＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field effect transistor）を組み込んだバイポーラトランジスタであり、大電力を取り扱うのに適したスイッチング素子である。スイッチング素子９６のゲートには制御部３のパルス発生器３１からパルス信号が印加される。

コンデンサ９３が充電された状態でスイッチング素子９６のゲートにパルスが出力されてガラス管９２の両端電極に高電圧が印加されたとしても、キセノンガスは電気的には絶縁体であることから、通常の状態ではガラス管９２内に電気は流れない。しかしながら、トリガー回路９７がトリガー電極９１に電圧を印加して絶縁を破壊した場合には両端電極間の放電によってガラス管９２内に電流が瞬時に流れ、そのときのキセノンの原子あるいは分子の励起によって光が放出される。

また、図１のリフレクタ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。

＜４．ハロゲン加熱部４＞

チャンバー６の下方に設けられたハロゲン加熱部４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への光照射を行うものであって、筐体１０１の内部に、保持部７に保持される半導体ウエハＷの真下の位置に複数本（本実施形態では４０本）のハロゲンランプＨＬを配列して構成された光源構成体ＬＳと、その光源構成体ＬＳと半導体ウエハＷとの間に配置されたルーバー１００とを備える。

図７は、光源構成体ＬＳの複数のハロゲンランプＨＬの配置を示す平面図、図８は半導体ウエハＷとハロゲンランプＨＬ等の配置を示す模式図、図９はルーバー１００の取り付け状態を示す平面図および断面図、図１０はルーバー４とハロゲンランプＨＬの位置関係をしめす模式図である。光源構成体ＬＳは、２０本のハロゲンランプＨＬを平行に配列した上側ランプ列ＵＨＬと、その直下位置にて同じく２０本のハロゲンランプＨＬを平行に配列した下側ランプ列ＬＨＬとからなる。それらを構成するハロゲンランプＨＬは、すべて同一の特性を有する長さ約５０ｃｍの円筒形状を有する棒状ランプである。上側ランプ列ＵＨＬと下側ランプ列ＬＨＬのそれぞれは、水平面内の４０ｃｍ×５０ｃｍの領域に２０本のハロゲンランプＨＬを後述の如く平行に配列して構成される。

上側ランプ列ＵＨＬを構成するハロゲンランプＨＬと下側ランプ列ＬＨＬを構成するハロゲンランプＨＬとは、互いに直交する方向でかつそれぞれの中央部分が平面視で重なるように配列されており、このようにそれらを直交する方向に配列することで、ランプ配列に起因する照度むらを防止または低減するようにしている。上側ランプ列ＵＨＬと下側ランプ列ＬＨＬとが平面視で重なる４０ｃｍ四方の領域を、以下ではランプ配置領域ＬＡと称する。このランプ配置領域ＬＡは、処理対象であるφ３００ｍｍの円板形状の半導体ウエハＷよりも大きく、ランプ配置領域ＬＡの中心が、保持部７に保持されている半導体ウエハＷの中心の直下に位置するように配置されている。そしてこのランプ配置領域ＬＡの上面が、半導体ウエハＷの加熱に寄与する発光領域面である。

また、図７に示すように、上側ランプ列ＵＨＬ、下側ランプ列ＬＨＬのそれぞれは、それぞれを構成する２０本のハロゲンランプＨＬのうち、両端側の６本づつが密に配列され、残りの８本は、中央部に向って徐々に間隔が広くなるように配列されていて、略正方形のランプ配置領域ＬＡの中心が最もハロゲンランプＨＬの間隔が大きくハロゲンランプＨＬの密度が疎らとなっている。これは、一般に光照射による加熱時においては半導体ウエハＷの周縁部において温度低下が生じやすいため、熱処理装置１ではそれを補償すべく半導体ウエハＷの周縁部により多い光量の照射を行うことができるものである。

なお、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、ハロゲンランプＨＬは棒状ランプであるため長寿命であり、ハロゲンランプＨＬを水平方向に沿わせて配置することにより上方の半導体ウエハＷへの放射効率が優れたものとなる。

ルーバー１００は、厚さ３ｍｍ、高さ２０ｍｍで、外径は処理しようとする半導体ウエハＷと略同じ３００ｍｍの無底円筒形状であって、透明な石英ガラスに微細な気泡を形成して入射した光をその気泡で散乱させ、約３０％程度の光を透過させるように半透明になした素材により形成されている。そしてルーバー１００は、図８に示すように、透明な石英ガラスにより形成された支持体１０２により筐体１０１の内壁に取り付け支持されて、光源構成体ＬＳの上方であって保持部７に保持されている半導体ウエハＷとの間、さらに詳しくは、光源構成体ＬＳと下側チャンバー窓６４との間のハロゲン加熱部４内に配置されている。

ルーバー１００の取り付け位置は、半導体ウエハＷに近すぎると、半導体ウエハＷに対する影響が局所的になり、極端な場合は半導体ウエハＷにルーバー１００の影ができて照度分布が悪化するおそれがある。逆に半導体ウエハＷから遠すぎると半導体ウエハＷへの照度均一化の効果が薄れる。本実施形態では、ルーバー１００の取り付け位置は、光源構成体ＬＳの上側ランプ列ＵＨＬのハロゲンランプＨＬと保持部７に保持されている半導体ウエハＷとのちょうど中間よりも、ハロゲンランプＨＬ寄りである。具体的には、ルーバー１００の下端と上側ランプ列ＵＨＬを構成するハロゲンランプＨＬの上端との距離が１５ｍｍ、ルーバー１００の上端と半導体ウエハＷとの距離が７０ｍｍとなるように配置した。

かかる配置によって、ルーバー１００は、図８および図１０に示すように、半導体ウエハＷの端縁の直下に位置し、かつ上側ランプ列ＵＨＬ、下側ランプ列ＬＨＬのそれぞれのハロゲンランプＨＬのうち、半導体ウエハＷの周縁部における温度低下を補償すべく密に配置された両端側の６本づつの近傍に位置することになる。これにより、それら密に配置されたハロゲンランプＨＬからの光をルーバー１００が適度に散乱させて、半導体ウエハＷの周縁部への直接的な照射の集中を軽減し、後述の如く照度分布のピークを低くし、照度分布のばらつきを少なくして温度分布を均一化することができたものと考えられる。

＜５．制御部３＞

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構成される。また、図９に示すように、制御部３は、パルス発生器３１および波形設定部３２を備えるとともに、入力部３３に接続されている。入力部３３としては、キーボード、マウス、タッチパネル等の種々の公知の入力機器を採用することができる。入力部３３からの入力内容に基づいて波形設定部３２がパルス信号の波形を設定し、その波形に従ってパルス発生器３１がパルス信号を発生する。この制御部３と、トリガー回路９７と、スイッチング素子９６とによってフラッシュランプＦＬの発光を制御する発光制御手段が構成される。また、制御部３は、ハロゲンランプＨＬの発光も制御する。

上記の構成以外にも熱処理装置１は、半導体ウエハ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（図示せず）とされている。ルーバー１００はハロゲン加熱部４の気体流を妨げないように扁平で無底の円筒形状とされ、また支持体１０２の中心部に開口１０３が、またルーバー１００の内側位置には４つの開口１０４が形成され、また、支持体１０２はハロゲン加熱部４の四隅に対応する部分を切り欠いた形状とされている。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。

＜６．熱処理装置１の動作とルーバー１００の効果＞

次に、熱処理装置１における半導体ウエハＷの処理手順について説明する。ここで処理対象となる半導体ウエハ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る。図１２は、熱処理装置１での処理対象となる半導体ウエハＷに形成された素子の構造を示す図である。シリコン基板１１１にはソース・ドレイン領域１１２とエクステンション領域１１３とが形成されるとともに、その上面にはゲート電極１１５が設けられる。エクステンション領域１１３はソース・ドレイン領域１１２とチャネルとの電気的接続部である。金属のゲート電極１１５はゲート絶縁膜１１４を介してシリコン基板１１１上に設けられており、その測方にはセラミックスのサイドウォール１１６が形成される。ソース・ドレイン領域１１２およびエクステンション領域１１３にはイオン注入法によって不純物が導入されており、その不純物の活性化が熱処理装置１による光照射加熱処理（アニール）により実行される。以下に説明する熱処理装置１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り進行する。

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８９，１９２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。バルブ８４が開放されると、ガス供給孔８１から熱処理空間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、ガス排気孔８６からチャンバー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の上部から供給された窒素ガスが下方へと流れ、熱処理空間６５の下部から排気される。

また、バルブ１９２が開放されることによって、搬送開口部６６からもチャンバー６内の気体が排気される。さらに、図示省略の排気機構によって移載機構１０の駆動部周辺の雰囲気も排気される。なお、熱処理装置１における半導体ウエハ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、その供給量は処理工程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エハＷがチャンバー６内の熱処理空間６５に搬入される。搬送ロボットによって搬入された半導体ウエハ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が貫通孔７９を通って保持プレート７４の上面から突き出て半導体ウエハＷを受け取る。

半導体ウエハ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、半導体ウエハＷは移載機構１０から保持部７の保持プレート７４に受け渡されて水平姿勢に保持される。半導体ウエハＷは図８に示すように６本のバンプ７５によって点接触にて支持され、保持プレート７４の上面から０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下の間隔（本実施形態では１ｍｍ）を隔てて保持される。これにより、半導体ウエハＷの下面と保持プレート７４の上面との間には厚さ１ｍｍの気体層が挟み込まれることとなる。保持プレート７４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。

半導体ウエハＷが保持部７の保持プレート７４に載置されて保持された後、ハロゲン
加熱部４の４０本のハロゲンランプＨＬが一斉に点灯する。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および保持プレート７４を透過して半導体ウエハ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エハＷの温度が上昇する。なお、移載機構１０の移載アーム１１は凹部６２の内側に退避しているため、ハロゲンランプＨＬによる加熱の障害となることは無い。

図１１は、このハロゲンランプＨＬによる加熱時の半導体ウエハＷの照度分布のシミュレーションの結果を示す図である。ルーバー１００を設置しない比較例では、半導体ウエハＷの両端縁から内側５ｃｍ程度の位置に照度のピークが高くなっており、半導体ウエハＷの周縁部を必要以上に加熱した結果、温度分布にもむらが生じていたことが考えられる。それに対し、ルーバー１００を設置した本発明では、比較例と比べて、半導体ウエハＷの両端縁から内側５ｃｍ程度の位置に生じていたピーク部分の山が低くなってほぼフラットになっている一方、また半導体ウエハＷの中央部では照度の低下は見られるもののそれはごくわずかにとどまる。総じて、全体としては照度のピークが低くなり照度の最大と最小との差が少なくなり、また中央部における照度の低下はごくわずかである。これは、密に配置されたハロゲンランプＨＬからの光をその前に配置されたルーバー１００が適度に散乱させて、半導体ウエハＷの周縁部への直接的な照射の集中を軽減し、他方、ルーバー１００は無底形状であり、半導体ウエハＷの中央部に照射される光はほとんど散乱されることがないためであると考えられる。なお、図１１において各グラフに細かな凹凸があるのは、シミュレーションに用いているモンテカルロ法の乱数計算のためであり、実際の照度とは異なっている。

なお、このルーバー１００に代えて、半透明なガラス製のドーナツ状の円盤を用いることも考えられるが、その場合、半導体ウエハＷから遠い位置では半導体ウエハＷ前面の照度が低下してしまい、効率が悪くなり、また半導体ウエハＷに近い位置ではドーナツ状の円盤の影が半導体ウエハＷ表面にできてしまって均一性が悪化する。本発明の無底の円筒型のルーバー１００は、半導体ウエハＷの表面方向の厚みが薄いため半導体ウエハＷ表面に影ができにくく、また無底であるため中央部は完全に光を透過するので、半導体ウエハＷの中央部における照度の低下はわずかであるので、効率の悪化もわずかですむ。このような効果を得られるルーバーの形状は、発明者の実験によれば、直径３００ｍｍの半導体ウエハＷ用としては、高さ１０ｍｍ〜３０ｍｍでは良好な結果が得られた。これは半導体ウエハＷの直径の３０分の１〜１０分の１に相当する。また、厚みは５ｍｍ以下であればよい。また直径は上記実施形態では半導体ウエハＷと略同じ３００ｍｍであったが、２５０ｍｍ〜３３０ｍｍの範囲で効果がみられる。

ハロゲンランプＨＬによって加熱される半導体ウエハＷの温度は接触式温度計１３０および放射温度計１２０によって測定されている。これらによって測定された半導体ウエハＷの温度は制御部３に伝達される。本実施形態においては、ハロゲンランプＨＬからの光照射によって半導体ウエハＷを一旦６５０℃以下の予備加熱温度（本実施形態では５００℃）にまで昇温して保持している。そして、予備加熱温度に維持されている半導体ウエハＷに対してフラッシュランプＦＬからフラッシュ光を照射してフラッシュ加熱が実行される。フラッシュ加熱においては、ハロゲンランプＨＬによって予備加熱温度（５００℃）にまで加熱した半導体ウエハＷにフラッシュランプＦＬからフラッシュ光照射を行うことによって、半導体ウエハＷの表面温度を１０００℃以上に到達させている（本実施形態では１１００℃）。このようなフラッシュ加熱によって、イオン注入後の半導体ウエハの不純物（イオン）活性化工程がなされる。

フラッシュ加熱が終了した後、半導体ウエハＷの表面温度が予備加熱温度近傍にまで降温する程度の時間が経過すると、ハロゲンランプＨＬが消灯する。これにより、半導体ウエハＷが予備加熱温度からの降温を開始する。なお、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、これが半導体ウエハＷの降温を妨げとなることがある。その場合には、ハロゲンランプＨＬが消灯するのと同時に、ハロゲン加熱部４とチャンバー６との間の遮光位置に挿入するシャッター機構（図示せず）を設けて放射熱を遮断すれば、半導体ウエハＷの降温速度を高めることができる。

そして、半導体ウエハ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が保持プレート７４の上面から突き出て熱処理後の半導体ウエハＷを保持プレート７４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エハＷが装置外部の搬送ロボットにより搬出され、熱処理装置１における半導体ウエハＷの加熱処理が完了する。

本実施形態においては、ハロゲンランプＨＬからの光照射によって６５０℃以下の予備加熱温度に加熱した半導体ウエハＷにフラッシュランプＦＬからフラッシュ光を照射して半導体ウエハＷの表面到達温度を１０００℃以上とするフラッシュ加熱を行うことによって、注入された不純物の拡散を抑制しつつも不純物注入時に導入された欠陥の回復を促進でき、しかも不純物の良好な活性化を行うことができる。

＜７．変形例＞

上記実施形態では、上側ランプ列ＵＨＬを構成するハロゲンランプＨＬと下側ランプ列ＬＨＬを構成するハロゲンランプＨＬとを互いに直交する方向に配列して、ランプ配列に起因する照度むらを防止または低減するようにしているが、これ以外のたとえば一方向のみの配列であってもよい。

また、上記実施形態では、上側ランプ列ＵＨＬ、下側ランプ列ＬＨＬのそれぞれは、両端側の６本づつを密に、中央部の８本は、中央部に向って徐々に間隔が広くなるように配列されていて、略正方形のランプ配置領域ＬＡの中心が最もハロゲンランプＨＬの間隔が大きくハロゲンランプＨＬの密度が疎らとすることで、そのランプ配置領域ＬＡの発光領域面の中央部よりも周縁部のほうが、単位面積あたりの発光光量が多くなるように構成しているが、これに限らず、例えばハロゲンランプの配置は等間隔であっても、発光領域面の中央部に位置するハロゲンランプは５０Ｗ、周縁部のハロゲンランプは１００Ｗにする、といったように、発光領域面の中央部に位置するハロゲンランプよりも周縁部のハロゲンランプのほうが定格容量が大きなものを用いるようにしてもよい。

また、ルーバー１００は、上記のように透明な石英ガラスに微細な気泡を形成したものに限らず、当初から半透明な素材、または透明な素材の表面を粗面にして半透明にしたものでもよい。ルーバー１００の取り付け位置は、光源構成体ＬＳの上側ランプ列ＵＨＬのハロゲンランプＨＬと保持部７に保持されている半導体ウエハＷとのちょうど中間よりも、ハロゲンランプＨＬ寄りであればよい。

１熱処理装置
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
１００ルーバー
１０２支持体
Ｗ半導体ウエハ
ＨＬハロゲンランプ
ＦＬフラッシュランプ
ＬＳ光源構成体
ＬＡランプ配置領域

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、
基板を支持する支持手段と、
前記基板よりも大きい形状の発光領域面を有し、該発光領域面を前記支持手段に支持された基板に対向させて光照射を行う光源構成体と、
筒形をなし、前記支持手段に支持された基板と前記光源構成体との間に配置されて入射した光の一部を透過し一部を散乱させるよう構成された半透明の光散乱部材と
を備えたことを特徴とする熱処理装置。
請求項１に記載の熱処理装置において、
前記光源構成体は、その発光領域面の中央部よりも周縁部のほうが、単位面積あたりの発光光量が多くなるように構成された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、
前記基板が半導体ウエハであり、前記光散乱部材は前記半導体ウエハと同軸位置に配置された無底の円筒形であることを特徴とする熱処理装置。
請求項３に記載の熱処理装置において、
前記光散乱部材の円筒形は、前記半導体ウエハの直径と略同じ直径であることを特徴とする熱処理装置。
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の熱処理装置において、
前記光散乱部材が、光散乱用の微細構造を形成したガラス材よりなることを特徴とする熱処理装置。
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の熱処理装置において、
前記光源構成体が、平行に配置された複数の棒状の光源からなる光源群を備えることを特徴とする熱処理装置。