JP6438326B2 - 熱処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、円板形状の半導体ウェハー等の薄板状精密電子基板（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。

半導体デバイスの製造プロセスにおいて、不純物導入は半導体ウェハー内にｐｎ接合を形成するための必須の工程である。現在、不純物導入は、イオン打ち込み法とその後のアニール法によってなされるのが一般的である。イオン打ち込み法は、ボロン（Ｂ）、ヒ素（Ａｓ）、リン（Ｐ）といった不純物の元素をイオン化させて高加速電圧で半導体ウェハーに衝突させて物理的に不純物注入を行う技術である。注入された不純物はアニール処理によって活性化される。この際に、アニール時間が数秒程度以上であると、打ち込まれた不純物が熱によって深く拡散し、その結果接合深さが要求よりも深くなり過ぎて良好なデバイス形成に支障が生じるおそれがある。

そこで、極めて短時間で半導体ウェハーを加熱するアニール技術として、近年フラッシュランプアニール（ＦＬＡ）が注目されている。フラッシュランプアニールは、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フラッシュ光を照射することにより、不純物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（数ミリ秒以下）に昇温させる熱処理技術である。

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フラッシュ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、数ミリ秒以下の極めて短時間のフラッシュ光照射であれば、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、不純物を深く拡散させることなく、不純物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予備加熱し、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。

特許文献１，２に開示されるようなハロゲンランプにて予備加熱を行う場合には、比較的高い予備加熱温度にまで半導体ウェハーを短時間で昇温することができるというプロセス上のメリットが得られるものの、ウェハー周縁部の温度が中心部よりも低くなる問題が生じやすい。このような温度分布の不均一が生じる原因としては、半導体ウェハーの周縁部からの熱放射、或いは半導体ウェハーの周縁部から比較的低温の石英サセプターへの熱伝導などが考えられる。そこで、このような問題を解決するために、特許文献３には、半透明な素材にて形成された円筒形状のルーバーをハロゲンランプと半導体ウェハーとの間に設置して予備加熱時の面内温度分布を均一にすることが提案されている。

特開昭６０−２５８９２８号公報 特表２００５−５２７９７２号公報 特開２０１２−１７４８７９号公報

しかしながら、特許文献３に提案されるようなルーバーを設けた場合、半導体ウェハーの周縁部の温度低下に改善は認められたものの、依然として半導体ウェハーの中心部よりも周縁部の温度が低くなる傾向は存在し、面内温度分布の均一性は十分なレベルではなかった。さらに、特許文献３に提案されるようなルーバーを設けると、半導体ウェハーの周縁部よりも若干内側の領域が逆に高温になるという新たな問題が生じることも判明した。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、基板の面内温度分布を均一にす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、円板形状の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、基板を収容するチャンバーと、前記チャンバー内にて基板を保持する保持部と、前記保持部に保持された基板の主面よりも広く当該主面に対向する領域に複数の棒状ランプを配置した光照射部と、前記光照射部と前記保持部との間にて中心軸が前記基板の中心を通るように設けられ、前記光照射部から出射された光に対して不透明な円筒形状の第１ルーバーと、前記光照射部と前記保持部との間にて中心軸が前記基板の中心を通るように設けられ、前記光照射部から出射された光に対して不透明な円筒形状の第２ルーバーと、を備え、前記第１ルーバーおよび前記第２ルーバーの高さは等しく、前記第１ルーバーの内径は前記第２ルーバーの外径よりも大きく、前記第２ルーバーは前記第１ルーバーの内側に設置され、前記前記第１ルーバーの内壁面と前記第２ルーバーの外壁面との間の間隔が前記基板の周縁部に対向するように、前記第１ルーバーおよび前記第２ルーバーを設け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、前記第１ルーバーの内壁面と前記第２ルーバーの外壁面との間の間隔は１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下であ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、前記第１ルーバーおよび前記第２ルーバーは金属にて形成され、前記第１ルーバーの内壁面および前記第２ルーバーの外壁面は鏡面とさ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、前記第１ルーバーおよび前記第２ルーバーは前記チャンバーの外部に設置されることを特徴とする。

請求項１から請求項４の発明によれば、不透明な円筒形状の第２ルーバーが不透明な円筒形状の第１ルーバーの内側に設置されるため、第１ルーバーと第２ルーバーとの間に円筒形状の隙間が形成され、光照射部から出射されて当該隙間に進入した光の指向性が強まって基板の面内温度分布を均一にすることができる。特に、第１ルーバーの内壁面と第２ルーバーの外壁面との間の間隔が基板の周縁部に対向するため、温度低下の生じ易い基板周縁部に向かう光の指向性を強めて基板の面内温度分布を均一にすることができる。

本発明に係る熱処理装置の構成を示す縦断面図である。 保持部の全体外観を示す斜視図である。 保持部を上面から見た平面図である。 保持部を側方から見た側面図である。 移載機構の平面図である。 移載機構の側面図である。 複数のハロゲンランプの配置を示す平面図である。 外側ルーバーおよび内側ルーバーの斜視図である。 外側ルーバーおよび内側ルーバーによる光路調整を示す図である。

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。

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ェハーＷに対してフラッシュ光照射を行うことによっ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に搬入される前の半導体ウェハー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。なお、図１および以降の各図においては、理解容易のため、必要に応じて各部の寸法や数を誇張または簡略化して描いている。

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、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。ハロゲン加熱部４とチャンバー６との間には外側ルーバー２１および内側ルーバー２３が設けられている（図８，９参照）。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、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から出射されたフラッシュ光をチャンバー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、半導体ウェハー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。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への半導体ウェハーＷの搬入および熱処理空間６５からの半導体ウェハー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（Ｎ_２））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、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を介してチャンバー６内の気体が排気される。

図２は、保持部７の全体外観を示す斜視図である。また、図３は保持部７を上面から見た平面図であり、図４は保持部７を側方から見た側面図である。保持部７は、基台リング７１、連結部７２およびサセプター７４を備えて構成される。基台リング７１、連結部７２およびサセプター７４はいずれも石英にて形成されている。すなわち、保持部７の全体が石英にて形成されている。

基台リング７１は円環形状の石英部材である。基台リング７１は凹部６２の底面に載置されることによって、チャンバー６の壁面に支持されることとなる（図１参照）。円環形状を有する基台リング７１の上面に、その周方向に沿って複数の連結部７２（本実施形態では４個）が立設される。連結部７２も石英の部材であり、溶接によって基台リング７１に固着される。なお、基台リング７１の形状は、円環形状から一部が欠落した円弧状であっても良い。

平板状のサセプター７４は基台リング７１に設けられた４個の連結部７２によって支持される。サセプター７４は石英にて形成された略円形の平板状部材である。サセプター７４の直径は半導体ウェハーＷの直径よりも大きい。すなわち、サセプター７４は、半導体ウェハーＷよりも大きな平面サイズを有する。サセプター７４の上面には複数個（本実施形態では５個）のガイドピン７６が立設されている。５個のガイドピン７６はサセプター７４の外周円と同心円の周上に沿って設けられている。５個のガイドピン７６を配置した円の径は半導体ウェハーＷの径よりも若干大きい。各ガイドピン７６も石英にて形成されている。なお、ガイドピン７６は、サセプター７４と一体に石英のインゴットから加工するようにしても良いし、別途に加工したものをサセプター７４に溶接等によって取り付けるようにしても良い。

基台リング７１に立設された４個の連結部７２とサセプター７４の周縁部の下面とが溶接によって固着される。すなわち、サセプター７４と基台リング７１とは連結部７２によって固定的に連結されており、保持部７は石英の一体成形部材となる。このような保持部７の基台リング７１がチャンバー６の壁面に支持されることによって、保持部７がチャンバー６に装着される。保持部７がチャンバー６に装着された状態においては、略円板形状のサセプター７４は水平姿勢（法線が鉛直方向と一致する姿勢）となる。チャンバー６に搬入された半導体ウェハーＷは、チャンバー６に装着された保持部７のサセプター７４の上に水平姿勢にて載置されて保持される。半導体ウェハーＷは、５個のガイドピン７６によって形成される円の内側に載置されることにより、水平方向の位置ずれが防止される。なお、ガイドピン７６の個数は５個に限定されるものではなく、半導体ウェハーＷの位置ずれを防止できる数であれば良い。

また、図２および図３に示すように、サセプター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がサセプター７４に保持された半導体ウェハー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。さらに、サセプター７４には、後述する移載機構１０のリフトピン１２が半導体ウェハーＷの受け渡しのために貫通する４個の貫通孔７９が穿設されている。

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に対して半導体ウェハー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ェハー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がサセプター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の上端がサセプター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、保持部７の基台リング７１の直上である。基台リング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。

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、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。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１００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熱処理空間６５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いる。

チャンバー６の下方に設けられたハロゲン加熱部４は、筐体４１の内側に複数本（本実施形態では４０本）のハロゲンランプＨＬを内蔵している。ハロゲン加熱部４は、複数のハロゲンランプＨＬによってチャンバー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への光照射を行って半導体ウェハーＷを加熱する光照射部である。

図７は、複数のハロゲンランプＨＬの配置を示す平面図である。保持部７に保持された円板形状の半導体ウェハーＷの主面（つまり、直径３００ｍｍの円）よりも広い領域に複数のハロゲンランプＨＬが配置されている。また、当該半導体ウェハーＷの主面のうち下面と対向する領域に複数のハロゲンランプＨＬが配置されている。

図１および図７に示すように、４０本のハロゲンランプＨＬが上下２段に分けて配置されている。保持部７に近い上段に２０本のハロゲンランプＨＬが配設されるとともに、上段よりも保持部７から遠い下段にも２０本のハロゲンランプＨＬが配設されている。各ハロゲンランプ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。よって、上段、下段ともにハロゲンランプＨＬの配列によって形成される平面は水平面である。

また、図７に示すように、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。すなわち、上下段ともに、ランプ配列の中央部よりも周縁部の方がハロゲンランプＨＬの配設ピッチが短い。このため、ハロゲン加熱部４からの光照射による加熱時に温度低下が生じやすい半導体ウェハーＷの周縁部により多い光量の照射を行うことができる。

また、上段のハロゲンランプＨＬからなるランプ群と下段のハロゲンランプＨＬからなるランプ群とが格子状に交差するように配列されている。すなわち、上段に配置された２０本のハロゲンランプＨＬの長手方向と下段に配置された２０本のハロゲンランプＨＬの長手方向とが互いに直交するように計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。すなわち、ハロゲンランプＨＬは少なくとも１秒以上連続して発光する連続点灯ランプである。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ェハーＷへの放射効率が優れたものとなる。

また、ハロゲン加熱部４の筐体４１内にも、２段のハロゲンランプＨＬの下側にリフレクタ４３が設けられている（図１）。リフレクタ４３は、複数のハロゲンランプＨＬから出射された光を熱処理空間６５の側に反射する。

ハロゲン加熱部４と保持部７との間に外側ルーバー２１および内側ルーバー２３の２つのルーバーが設けられている。図８は、外側ルーバー２１および内側ルーバー２３の斜視図である。外側ルーバー２１および内側ルーバー２３は、ともに上下に開放端を有する円筒形状（無底円筒形状）の部材である。外側ルーバー２１および内側ルーバー２３は、ハロゲン加熱部４のハロゲンランプＨＬから出射される光に対して不透明な材質にて形成されており、例えば石英ガラスに微細な気泡を多数内包させた不透明石英にて形成されている。

図１に示すように、ハロゲン加熱部４の筐体４１の上端にはルーバーステージ２２が設けられている。ルーバーステージ２２は、ハロゲンランプＨＬから出射される光に対して透明な石英ガラスにて形成された平板状部材である。このルーバーステージ２２の上面に外側ルーバー２１および内側ルーバー２３が設置される。すなわち、外側ルーバー２１および内側ルーバー２３は下側チャンバー窓６４よりも下方のチャンバー６の外部に設置されることとなる。

また、外側ルーバー２１および内側ルーバー２３は、ともにその円筒の中心軸ＣＸが保持部７に保持された半導体ウェハーＷの中心を通るように設けられる。すなわち、外側ルーバー２１と内側ルーバー２３とが平面視で同心円となるようにルーバーステージ２２上に配置される。ハロゲン加熱部４の複数のハロゲンランプＨＬは、保持部７に保持された半導体ウェハーＷの下面と対向する領域に配列されている。よって、外側ルーバー２１および内側ルーバー２３の中心軸ＣＸは、複数のハロゲンランプＨＬの配列の中心をも通ることとなる。

外側ルーバー２１の円筒の径は半導体ウェハーＷの径よりも大きく、例えば本実施形態では外側ルーバー２１の外径が３２３ｍｍであり、内径が３１７ｍｍである。すなわち、外側ルーバー２１の円筒壁の板厚中央部の直径は３２０ｍｍである。

一方、内側ルーバー２３の円筒の径は半導体ウェハーＷの径よりも小さく、例えば本実施形態では内側ルーバー２３の外径が２８３ｍｍであり、内径が２７７ｍｍである。すなわち、内側ルーバー２３の円筒壁の板厚中央部の直径は２８０ｍｍである。

このように、外側ルーバー２１の内径は内側ルーバー２３の外径よりも大きい。従って、図８に示すように、ルーバーステージ２２の上面において内側ルーバー２３は外側ルーバー２１の内側に設置されることとなる。また、外側ルーバー２１の高さと内側ルーバー２３の高さとは等しく、例えば１５ｍｍ〜２５ｍｍ（本実施形態では２３ｍｍ）である。

外側ルーバー２１の内側に内側ルーバー２３が配置された状態においては、外側ルーバー２１の内壁面と内側ルーバー２３の外壁面との間に円筒形状の隙間が生じることとなる。その円筒形状の隙間の外径（つまり、外側ルーバー２１の内径）は３１７ｍｍであり、当該隙間の内径（つまり、内側ルーバー２３の外径）は２８３ｍｍである。すなわち、外側ルーバー２１の内壁面と内側ルーバー２３の外壁面との間に存在する円筒形状の隙間の間隔は１７ｍｍであり、その円筒形状の隙間の径方向に沿った中央部の径は半導体ウェハーＷの直径と同じ３００ｍｍとなる。換言すれば、保持部７に保持された半導体ウェハーＷの端縁部の直下に外側ルーバー２１の内壁面と内側ルーバー２３の外壁面との間の隙間の中央部が位置し、その隙間は保持部７に保持された半導体ウェハーＷの周縁部に対向することとなる。

図１に戻り、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。制御部３のＣＰＵが所定の処理プログラムを実行することによって熱処理装置１における処理が進行する。

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る。その不純物の活性化が熱処理装置１によるフラッシュ光照射加熱処理（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。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が貫通孔７９を通ってサセプター７４の上面から突き出て半導体ウェハー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のサセプター７４に受け渡されて水平姿勢にて下方より保持される。半導体ウェハーＷは、パターン形成がなされて不純物が注入された表面を上面として保持部７に保持される。また、半導体ウェハーＷは、サセプター７４の上面にて５個のガイドピン７６の内側に保持される。サセプター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。

半導体ウェハーＷが石英にて形成された保持部７によって水平姿勢にて下方より保持された後、ハロゲン加熱部４の４０本のハロゲンランプＨＬが一斉に点灯して予備加熱（アシスト加熱）が開始される。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ルーバーステージ２２、下側チャンバー窓６４およびサセプター７４を透過して半導体ウェハーＷの裏面（表面とは反対側の主面）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。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。

ハロゲンランプＨＬによ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１３０によって測定されている。すなわち、熱電対を内蔵する接触式温度計１３０が保持部７に保持された半導体ウェハーＷの下面にサセプター７４の切り欠き部７７を介して接触して昇温中のウェハー温度を測定する。測定された半導体ウェハーＷの温度は制御部３に伝達される。制御部３は、ハロゲンランプＨＬからの光照射によって昇温する半導体ウェハーＷの温度が所定の予備加熱温度Ｔ１に到達したか否かを監視する。予備加熱温度Ｔ１は、半導体ウェハーＷに添加された不純物が熱により拡散する恐れのない、２００℃ないし８００℃程度、好ましくは３５０℃ないし６００℃程度とされる（本実施の形態では６００℃）。なお、ハロゲンランプＨＬからの光照射によって半導体ウェハーＷを昇温するときには、放射温度計１２０による温度測定は行わない。これは、ハロゲンランプＨＬから照射されるハロゲン光が放射温度計１２０に外乱光として入射し、正確な温度測定ができないためである。

また、本実施形態においては、ハロゲン加熱部４とチャンバー６との間に不透明な円筒形状の外側ルーバー２１および内側ルーバー２３を設け、ハロゲン加熱部４から保持部７に保持された半導体ウェハーＷへと向かう光の光路を調整している。図９は、外側ルーバー２１および内側ルーバー２３による光路調整を示す図である。

外側ルーバー２１と内側ルーバー２３とは平面視で同心円となるようにルーバーステージ２２上に配置され、外側ルーバー２１の内径は内側ルーバー２３の外径よりも大きい。よって、図９に示すように、外側ルーバー２１の内壁面と内側ルーバー２３の外壁面との間には円筒形状の隙間が存在する。上述したように、本実施形態においては、外径３１７ｍｍ、内径２８３ｍｍ、高さ２３ｍｍの円筒形状の隙間が生じる。外側ルーバー２１の内壁面と内側ルーバー２３の外壁面との間の間隔は１７ｍｍである。

また、外側ルーバー２１の内壁面と内側ルーバー２３の外壁面との間に生じる円筒形状の隙間は、チャンバー６内にて保持部７に保持された半導体ウェハーＷの周縁部の直下に位置して当該周縁部に対向する。従って、図９に示すように、ハロゲン加熱部４のハロゲンランプＨＬから出射されて外側ルーバー２１の内壁面と内側ルーバー２３の外壁面との間に生じる円筒形状の隙間に進入した光は、外側ルーバー２１の内壁面および内側ルーバー２３の外壁面にて繰り返し反射されて上方への指向性を強めて保持部７に保持された半導体ウェハーＷの周縁部に到達する。その結果、半導体ウェハーＷの内側の領域よりも周縁部の照度が相対的に高くなり、ハロゲンランプＨＬによる予備加熱時に温度低下の生じ易い当該周縁部が強く加熱されることとなる。

また、特許文献３に提案されるように、単に１個のルーバーのみをハロゲン加熱部４の上方に設置しただけでは、複数のハロゲンランプＨＬによる光照射加熱時に半導体ウェハーＷの周縁部よりも若干内側の領域が逆に高温になることが判明している。本実施形態のように、外側ルーバー２１および内側ルーバー２３によって円筒形状の隙間を形成すれば、その隙間に進入した光は半導体ウェハーＷの周縁部へと向かう指向性を強められるため、当該周縁部よりも若干内側の領域に到達することは抑制される。これにより、半導体ウェハーＷの周縁部よりも若干内側の領域が強く加熱されることは防止される。

このようにして、外側ルーバー２１および内側ルーバー２３の間に円筒形状の隙間を形成することにより、ハロゲンランプＨＬから出射されて半導体ウェハーＷの周縁部へと向かう光の指向性を強めて当該周縁部の照度を相対的に高めている。その結果、温度低下の生じ易い半導体ウェハーＷの周縁部が相対的に強く加熱されることとなり、予備加熱時における半導体ウェハーＷの面内温度分布の不均一を効果的に解消することができる。

半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１に到達して所定時間が経過した時点にてフラッシュ加熱部５のフラッシュランプＦＬが半導体ウェハーＷの表面にフラッシュ光照射を行う。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チャンバー６内へと向かい、他の一部は一旦リフレクタ５２により反射されてからチャンバー６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からのフラッシュ光（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、フラッシュランプＦＬから照射されるフラッシュ光は、予めコンデンサーに蓄えられていた静電エネルギーが極めて短い光パルスに変換された、照射時間が０．１ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下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からのフラッシュ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℃以上の処理温度Ｔ２まで上昇し、半導体ウェハーＷに注入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に注入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、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１００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。

本実施形態では、外側ルーバー２１および内側ルーバー２３の組み合わせによってハロゲン加熱部４から半導体ウェハーＷの周縁部に向かう光の指向性を高めて予備加熱段階での半導体ウェハーＷの面内温度分布を均一にしているため、フラッシュ光照射時における半導体ウェハーＷ表面の面内温度分布も均一にすることができる。

フラッシュ加熱処理が終了した後、所定時間経過後にハロゲンランプＨＬが消灯する。これにより、半導体ウェハーＷが予備加熱温度Ｔ１から急速に降温する。降温中の半導体ウェハーＷの温度は接触式温度計１３０または放射温度計１２０によって測定され、その測定結果は制御部３に伝達される。制御部３は、測定結果より半導体ウェハーＷの温度が所定温度まで降温したか否かを監視する。そして、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がサセプター７４の上面から突き出て熱処理後の半導体ウェハーＷをサセプター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ェハー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における半導体ウェハーＷの加熱処理が完了する。

本実施形態においては、ハロゲン加熱部４とチャンバー６との間に不透明な円筒形状の外側ルーバー２１および内側ルーバー２３を設け、ハロゲン加熱部４から保持部７に保持された半導体ウェハーＷの周縁部へと向かう光の指向性を強めている。ハロゲン加熱部４による予備加熱時には半導体ウェハーの中心部よりも周縁部の温度が低くなる傾向が認められるのであるが、当該周縁部へと向かう光の指向性を強めて照度を相対的に高めることにより、予備加熱時における半導体ウェハーＷの面内温度分布を均一にすることができる。その結果、フラッシュ加熱時における半導体ウェハーＷ表面の面内温度分布も均一にすることができる。

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、外側ルーバー２１および内側ルーバー２３が石英ガラスに微細な気泡を多数内包させた不透明石英にて形成されていたが、外側ルーバー２１および内側ルーバー２３の材質は不透明石英に限定されるものではない。例えば、外側ルーバー２１および内側ルーバー２３は、セラミックスや金属等、ハロゲン加熱部４のハロゲンランプＨＬから出射される光に対して不透明な材質にて形成されていれば良い。外側ルーバー２１および内側ルーバー２３を金属に形成する場合には、ステンレススチールやアルミニウムを用いることができる。

外側ルーバー２１および内側ルーバー２３が金属材料にて形成されている場合には、外側ルーバー２１の内壁面および内側ルーバー２３の外壁面が鏡面研磨されていても良い。外側ルーバー２１の内壁面および内側ルーバー２３の外壁面が鏡面であれば、それらの反射率が高くなり、外側ルーバー２１の内壁面と内側ルーバー２３の外壁面との間に形成される円筒形状の隙間に進入した光をより効果的に反射してその指向性を高めることができる。

また、上記実施形態においては、外側ルーバー２１の内壁面と内側ルーバー２３の外壁面との間の間隔を１７ｍｍとしていたが、これに限定されるものではなく、当該間隔は１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下であれば良い。外側ルーバー２１の内壁面と内側ルーバー２３の外壁面との間の間隔が１０ｍｍ未満であると、外側ルーバー２１と内側ルーバー２３との隙間に進入する光の光量自体が少なくなり、光の指向性を強めたとしても半導体ウェハーＷの周縁部の照度を十分に高めることができない。一方、外側ルーバー２１の内壁面と内側ルーバー２３の外壁面との間の間隔が３０ｍｍを超えると、ハロゲンランプＨＬによる光照射加熱時に半導体ウェハーＷの周縁部よりも若干内側の領域に向かう光の光量が多くなり、当該領域の照度が相対的に高くなって温度分布の均一性が却って低下するおそれがある。このため、外側ルーバー２１の内壁面と内側ルーバー２３の外壁面との間の間隔は１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下としている。

また、上記実施形態においては、外側ルーバー２１および内側ルーバー２３の２つのルーバーを設けるようにしていたが、これに限定されるものではなく、ルーバーの個数は３個以上であっても良い。３個以上のルーバーは、いずれもハロゲンランプＨＬから出射される光に対して不透明な材質（例えば、不透明石英）にて形成された円筒形状の部材である。３個以上のルーバーは、ハロゲン加熱部４と保持部７との間、具体的には上記実施形態と同様にルーバーステージ２２の上面に設置される。

３個以上のルーバーを設ける場合には、それぞれの中心軸が保持部７に保持された半導体ウェハーＷの中心を通るように、つまり複数のルーバーが平面視で同心円となるように設置される。複数のルーバーの径は互いに異なっており、外径の大きなものから小さなものへと順次に内側に設置される。また、複数のルーバーの高さは等しい。３個以上のルーバーを設けた場合には、ルーバー間の円筒形状の隙間も複数存在することとなる。従って、ハロゲン加熱部４から出射された光の指向性を強めて照度を相対的に高くしたい領域が半導体ウェハーＷの周縁部以外にも存在している場合には、このように３個以上のルーバーを設けて複数領域の照度を高めるのが好ましい。

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、上段および下段に複数する配置する形態であれば任意の数とすることができる。

また、本発明に係る熱処理装置によって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く、液晶表示装置などのフラットパネルディスプレイに用いるガラス基板や太陽電池用の基板であっても良い。また、本発明に係る技術は、高誘電率ゲート絶縁膜（High-k膜）の熱処理、金属とシリコンとの接合、或いはポリシリコンの結晶化に適用するようにしても良い。

また、本発明に係る熱処理技術は、フラッシュランプアニール装置に限定されるものではなく、ハロゲンランプを使用した枚葉式のランプアニール装置やＣＶＤ装置などのフラッシュランプ以外の熱源の装置にも適用することができる。特に、チャンバーの下方にハロゲンランプを配置し、半導体ウェハーの裏面から光照射を行って熱処理を行うバックサイドアニール装置に本発明に係る技術は好適に適用することができる。

１ 熱処理装置
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
２１ 外側ルーバー
２２ ルーバーステージ
２３ 内側ルーバー
６４ 下側チャンバー窓
６５ 熱処理空間
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 (4)

1. 円板形状の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、
   基板を収容するチャンバーと、
   前記チャンバー内にて基板を保持する保持部と、
   前記保持部に保持された基板の主面よりも広く当該主面に対向する領域に複数の棒状ランプを配置した光照射部と、
   前記光照射部と前記保持部との間にて中心軸が前記基板の中心を通るように設けられ、前記光照射部から出射された光に対して不透明な円筒形状の第１ルーバーと、
   前記光照射部と前記保持部との間にて中心軸が前記基板の中心を通るように設けられ、前記光照射部から出射された光に対して不透明な円筒形状の第２ルーバーと、
   を備え、
   前記第１ルーバーおよび前記第２ルーバーの高さは等しく、
   前記第１ルーバーの内径は前記第２ルーバーの外径よりも大きく、
   前記第２ルーバーは前記第１ルーバーの内側に設置され、
   前記前記第１ルーバーの内壁面と前記第２ルーバーの外壁面との間の間隔が前記基板の周縁部に対向するように、前記第１ルーバーおよび前記第２ルーバーを設けることを特徴とする熱処理装置。
2. 請求項１記載の熱処理装置において、
   前記第１ルーバーの内壁面と前記第２ルーバーの外壁面との間の間隔は１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下であることを特徴とする熱処理装置。
3. 請求項１または請求項２記載の熱処理装置において、
   前記第１ルーバーおよび前記第２ルーバーは金属にて形成され、
   前記第１ルーバーの内壁面および前記第２ルーバーの外壁面は鏡面とされていることを特徴とする熱処理装置。
4. 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、
   前記第１ルーバーおよび前記第２ルーバーは前記チャンバーの外部に設置されることを特徴とする熱処理装置。

Images