(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも上部の炉壁が光透過性材料で形成され、内部に基板が搬入されて保持される熱処理炉と、
この熱処理炉内に保持された基板の少なくとも上面に対向して配設され、前記光透過性材料で形成された炉壁を通して基板に光を照射して加熱する加熱手段と、
を備えた基板の熱処理装置において、
前記熱処理炉内に保持された基板と接触または近接する冷却位置と前記熱処理炉の下部炉壁と接触または近接する待機位置との間で往復移動可能に支持された可動冷却板と、
この可動冷却板を往復移動させる駆動手段と、
前記待機位置において前記可動冷却板と前記熱処理炉の下部炉壁との間に気体を導入する気体導入手段と、
前記駆動手段を制御するとともに、その駆動手段により前記可動冷却板を待機位置から冷却位置へ移動させる際に前記気体導入手段を作動させるように制御する制御手段と、
をさらに備えたことを特徴とする基板の熱処理装置。
【請求項２】
前記可動冷却板が石英ガラスで形成された請求項１記載の基板の熱処理装置。
【請求項３】
前記可動冷却板が５０℃以下の温度に冷却される請求項１または請求項２記載の基板の熱処理装置。
【請求項４】
前記熱処理炉の下部炉壁が水冷され、その水冷された下部炉壁に前記可動冷却板が接触または近接して可動冷却板が冷却される請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の基板の熱処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、熱処理炉内へ半導体ウエハ、液晶表示装置用ガラス基板、フォトマスク用ガラス基板、光ディスク用基板等（以下、「基板」と称す）の基板を１枚ずつ搬入し光照射により基板を加熱して熱処理する基板の熱処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造工程においては、ランプアニール装置やＣＶＤ装置などのように、熱処理炉内へ基板、例えば半導体ウエハを１枚ずつ搬入し基板に光を照射するなどしてウエハを加熱し熱処理する枚葉式の熱処理装置が、各種の工程で広く使用されている。
【０００３】
ところで、半導体デバイスの高集積化を図るためには、デバイスの微細化と共に高速動作化は重要な因子である。例えばダイオードの高速動作化には、ＰＮ接合の深さを浅くする必要があるので、ウエハに注入されたＢ、Ａｓ、Ｐ等のイオンを、それが拡散しない状態で電気的に活性化させる必要がある。そのためには、ウエハをイオンの活性化温度まで高速で昇温（例えば１５０℃／秒）させ、昇温後に、イオンが拡散しない温度までウエハを急速に冷却させる装置が必要になる。
【０００４】
ランプアニール装置は、上記のような必要性から開発されたものであるが、このランプアニール装置におけるウエハの冷却には、従来、加熱源であるランプを消灯させて自然冷却する方法が採られていた。また、熱処理が終わったウエハを内部に保持した熱処理炉の外壁面に向かって圧縮空気や窒素等をガス噴射装置のノズルから吹き出させ、熱処理炉の炉壁を冷却させて炉内のウエハを間接的に冷却する方法も行われていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ウエハを自然冷却させる方法では、ウエハを急速に冷却させることは難しい。また、熱処理炉の炉壁を冷却させて炉内のウエハを間接的に冷却する方法は、ウエハを炉内からの取出し温度（例えば３００℃〜５００℃）まで速やかに冷却させることによってスループットを向上させることを主な目的としたものであり、この方法では、イオンの拡散が抑制される程度にウエハを急速冷却させることは困難である。すなわち、ウエハ上で浅いＰＮ接合を形成するためには、低電圧イオン注入機を使用して必要量のイオンをウエハに浅く注入し、続いて行われる熱処理においてウエハをイオンの活性化温度（例えば１０００℃）まで高速で昇温させた後、イオンの拡散が極力抑えられる温度（約７００℃程度）まで短時間でウエハを冷却させる必要がある。ところが、ウエハを間接的に冷却させる従来の方法では、主として低温側における冷却速度を大きくし、取出し温度までウエハを冷却させる時間を短縮することはできるが、高温側においては、イオンの拡散が極力抑えられる温度までウエハを冷却させる時間を短くすることができない。
【０００６】
この発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものであり、基板を高温側において急速に冷却させることができる基板の熱処理装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、少なくとも上部の炉壁が光透過性材料で形成され、内部に基板が搬入されて保持される熱処理炉と、この熱処理炉内に保持された基板の少なくとも上面に対向して配設され、前記光透過性材料で形成された炉壁を通して基板に光を照射して加熱する加熱手段と、を備えた基板の熱処理装置において、前記熱処理炉内に保持された基板と接触または近接する冷却位置と前記熱処理炉の下部炉壁と接触または近接する待機位置との間で往復移動可能に支持された可動冷却板と、この可動冷却板を往復移動させる駆動手段と、前記待機位置において前記可動冷却板と前記熱処理炉の下部炉壁との間に気体を導入する気体導入手段と、前記駆動手段により前記可動冷却板を待機位置から冷却位置へ移動させる際に前記気体導入手段を作動させるように制御する制御手段と、をさらに備えたことを特徴とする。
【０００８】
請求項２に係る発明は、請求項１記載の熱処理装置において、前記可動冷却板が石英ガラスで形成されたことを特徴とする。
【０００９】
請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２記載の熱処理装置において、前記可動冷却板が５０℃以下の温度に冷却されることを特徴とする。
【００１０】
請求項４に係る発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の熱処理装置において、前記熱処理炉の下部炉壁が水冷され、その水冷された下部炉壁に前記可動冷却板が接触または近接して可動冷却板が冷却されることを特徴とする。
【００１１】
請求項１に係る発明の熱処理装置においては、加熱手段により、熱処理炉内に保持された基板に光が照射されて加熱され、基板が熱処理される。それ以前からこの熱処理が行われている間まで、可動冷却板は、熱処理炉の下部炉壁と接触または近接する待機位置に停止して冷却されている。そして、熱処理が終了すると直ちに、加熱手段による基板の加熱が止められるとともに、制御手段により駆動手段および気体導入手段がそれぞれ作動させられ、気体導入手段により、待機位置にある可動冷却板と熱処理炉の下部炉壁との間に気体が導入され、駆動手段により、可動冷却板が待機位置から冷却位置の方へ移動させられる。このように、可動冷却板を待機位置から冷却位置へ移動させる際に可動冷却板と熱処理炉の下部炉壁との間に気体が導入されることにより、可動冷却板の移動に伴って可動冷却板と熱処理炉の下部炉壁との間に形成される真空状態により可動冷却板が熱処理炉の下部炉壁に密着したままとなりあるいは可動冷却板の移動が抑制される、といったことが起こらない。そして、可動冷却板は、迅速に待機位置から冷却位置へ移動して基板と接触または近接し、基板の熱量を急激に奪って、基板を高温側において急速に冷却させる。
【００１２】
請求項２に係る発明の熱処理装置では、可動冷却板が石英ガラスで形成されているので、基板と熱処理炉の下部炉壁との間に可動冷却板が介在していても、熱処理炉の下部炉壁面で行われる放射温度計等による基板や基板支持部材の温度計測に支障を生じない。
【００１３】
請求項３に係る発明の熱処理装置では、可動冷却板が５０℃以下の温度に冷却されることにより、可動冷却板による基板の冷却効果が確実に得られる。
【００１４】
請求項４に係る発明の熱処理装置では、可動冷却板は待機位置において、水冷された下部炉壁に接触または近接することにより確実に冷却される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００１６】
図１は、この発明の実施形態の１例を示し、半導体ウエハ等の基板の熱処理装置の１つであるランプアニール装置の概略構成を切断端面で示す図である。
【００１７】
このランプアニール装置は、半導体ウエハＷの搬入および搬出を行なうための開口１２を有する熱処理炉１０を備えている。熱処理炉１０の開口１２は、シャッタ１４によって開閉自在に閉塞される。熱処理炉１０の少なくとも上部の炉壁は、光入射窓１６となっている。熱処理炉１０の反応室１８と加熱源であるランプハウス２０（詳細は図示せず）との間の隔壁である光入射窓１６は、赤外線透過性を有する材料、例えば石英ガラスによって形成され、ランプハウス２０のランプから照射された輻射光を効率良く透過させる。この光入射窓１６は、取り外すことができるように石英ガラス製の窓ホルダ２２に組み込まれ、Ｏ−リング２４によりシールされて反応室１８の上部に配設される。
【００１８】
また、図示していないが、熱処理炉１０の開口１２と対向する面側には、ウエハＷを水平姿勢で支持する支持アームを有し熱処理前のウエハＷをアライメントユニットから熱処理炉１０内へ搬入し熱処理後のウエハＷを熱処理炉１０内から搬出するウエハ搬出入装置が配設されている。
【００１９】
熱処理炉１０の内部には、炭化珪素（ＳｉＣ）などによって形成されたウエハ支持リング２６が配設され、ウエハ支持リング２６は、石英ガラスで形成されたウエハ支持円筒ホルダ２８の上端部に水平姿勢で固着されている。ウエハ支持円筒ホルダ２８は、ウエハＷの水平状態を調節するためのアジャスタ３０を介してウエハ回転機構３２上に保持されている。そして、ウエハＷは、ウエハ支持リング２６上に支持され、ウエハ回転機構３２によって回転させられるようになっている。また、ウエハＷの下面に当接してウエハＷを支持する複数本、例えば３本の支持ピン３４を有しそれら支持ピン３４を上下方向へ往復移動させるウエハ押し上げ機構３６が設けられている。
【００２０】
熱処理前のウエハＷは、ウエハ搬出入装置の支持アームに支持されて熱処理炉１０内へ搬入され、ウエハ押し上げ機構３６の上昇した支持ピン３４上へ移し替えられた後、支持ピン３４が下降することにより、ウエハ支持リング２６上に載置され水平姿勢で支持される。また、熱処理後のウエハＷは、ウエハ押し上げ機構３６の支持ピン３４が上昇することにより、ウエハ支持リング２６上から浮上させられた後、支持ピン３４上からウエハ搬出入装置の支持アーム上へ移し替えられ、ウエハ搬出入装置により熱処理炉１０内から搬出される。
【００２１】
また、熱処理炉１０の内部には、ウエハ支持リング２６上に支持されたウエハＷの上面に対向して、赤外線透過性を有する材料、例えば石英ガラスによって形成され複数個のガス吹出し孔が穿設されたシャワープレート３８が配設されている。このシャワープレート３８と光入射窓１６との間は、反応ガスが導入されるガス導入室４０となっており、ガス導入室４０は、ガス導入路４２を通して反応ガス供給源に流路接続されている。そして、反応ガス供給源から供給されガス導入室４０内に導入された反応ガスは、シャワープレート３８の複数個のガス吹出し孔を通ってウエハ支持リング２６上のウエハＷの上面全体へ均等に吹き出すようになっている。
【００２２】
熱処理炉１０の下部炉壁は、反射板４４によって構成されている。反射板４４は、ステンレス鋼で形成されており、ウエハＷと対向する面は、高反射率を得るために鏡面に研磨されている。反射板４４には、内部に冷却水の通路４６が形設されており、反射板４４は、通路４６内に冷却水が流されることにより冷却されるようになっている。この反射板４４には、２種類の放射温度計、すなわち、支持リング温度検出用放射温度計４８とウエハ温度検出用放射温度計５０とが取着されている。支持リング温度検出用放射温度計４８は、ウエハ支持リング２６上のウエハＷの外周縁から５ｍｍ程度外方側の位置に焦点が当たるように設置されている。ウエハ温度検出用放射温度計５０は、複数位置、例えばウエハＷのほぼ中央に相当する位置、ウエハＷの半径に相当する位置およびウエハＷの外周に相当する位置にそれぞれ取り付けられている。
【００２３】
反射板４４の、ウエハＷに対向する面側には、可動冷却板５２が配設されている。可動冷却板５２は、例えば石英ガラスによって形成されている。この可動冷却板５２は、冷却板上下機構５４に保持されており、冷却板上下機構５４のエアーシリンダ等の駆動装置によって上下方向に高速で移動させられ、ウエハ支持リング２６上のウエハＷと接触または近接する上部の冷却位置と反射板４４と接触または近接する待機位置との間を往復移動する。また、反射板４４の中央位置には、気体、例えば窒素ガスを反射板４４と可動冷却板５２との間に供給するためのガス導入路５６が設けられており、ガス導入路５６は、図示しない窒素ガス供給装置に接続されている。そして、冷却板上下機構５４および窒素ガス供給装置を制御するコントローラ（図示せず）が設けられており、ウエハＷの熱処理が終了してランプハウス２０のランプが消灯させられると同時あるいはその少し前に、コントローラからの制御信号により冷却板上下機構５４および窒素ガス供給装置が作動させられ、可動冷却板５２が待機位置から冷却位置へ高速で移動させられるようになっている。
【００２４】
これらの反射板４４ならびに可動冷却板５２および冷却板上下機構５４の他、ウエハ回転機構３２、アジャスタ３０、ウエハ支持円筒ホルダ２８、ウエハ支持リング２６などは、一体的に金属ベローズ５８に連結されており、反射板等上下機構６０によって駆動され、これにより、反応室１８の容積が変化させられる構造となっている。この容積の変化は、ウエハＷの位置によってウエハ上段位置Ａ、ウエハ中段位置Ｂおよびウエハ下段位置Ｃの３段階がある。ウエハ上段位置Ａは、ウエハＷの熱処理時の位置であり、ウエハ中段位置Ｂは、ウエハＷと可動冷却板５２との間に溜まっているガスをパージする位置であり、ウエハ下段位置Ｃは、熱処理炉１０内にウエハＷを出し入れする位置である。
【００２５】
熱処理炉１０の上部には、ウエハＷの熱処理時の排気を行うための上段排気口６２が形設されている。そして、ウエハＷの熱処理中には、反応ガスは、ガス導入路４２を通ってガス導入室４０内に導入され、シャワープレート３８の複数個のガス吹出し孔からウエハ支持リング２６上のウエハＷの上面全体へ吹き出した後、ウエハＷの外周からウエハ支持リング２６の上面を通り、上段排気口６２から熱処理炉１０外へ排出される。
【００２６】
また、上段排気口６２の下側に、ウエハ中段位置ＢにおいてウエハＷと可動冷却板５２との間に溜まっているガスをパージするために、反応ガスを熱処理１０内へ導入するパージガス導入口６４が形設されている。さらに、パージガス導入口６４の下側に中段排気口６６が形設されている。中段排気口６６は、反応室１８とウエハ回転機構３２周りとをガスの流れで分離するために設けている。すなわち、反応室１８内のガス（時には腐食性ガスの場合もある）がウエハ回転機構３２周りに流れ込まないように、またウエハ回転機構３２周りのガス（粒子状ゴミも含む）が反応室１８内へ舞い上がらないように、中段排気によって調節しながらガスを排気している。
【００２７】
また、ウエハ回転機構３２や金属ベローズ５８などから排出される可能性のある粒子状ゴミを速やかに熱処理炉１０外へ排気するために、ガスパージ口６８および下段排気口７０が形設されている。ガスパージ口６８からは通常窒素ガスが導入され、反射板４４の上下移動に伴って反応室１８の空間容積が増減することにより、反応室１８内のガスがウエハ回転機構３２周りに流れたり、また逆にウエハ回転機構３２周りのガスが反応室１８内へ流れ込むのを防止するように、反応室１８の空間容積の増減に合わせて導入ガス流量を調節している。
さらに、シャッタ１４の開閉に伴うウエハ搬出入用の開口１２から反応室１８への大気の巻き込みを防止するため、パージガス導入口６４から熱処理炉１０内へ導入された窒素ガス等のパージガスが炉口方向へ流れるようにする炉口排気口７２が設けられている。
【００２８】
図１中の符号７４は、反射板等上下機構６０によって上下方向へ移動させられるウエハＷがウエハ上段位置Ｃを超えてさらに上昇しないようにするためのストッパである。また、符号７６は、ウエハＷがウエハ上段位置Ｃで熱処理されている時に放射温度計４８、５０にランプハウス２０からのランプ光が回り込まないようにランプの迷光を遮断するための遮光リングであり、この遮光リング７６は、ＳｉＣ等で環状に形成されている。
【００２９】
上記した構成を有するランプアニール装置において、ウエハＷの熱処理は、ランプハウス２０のランプからウエハＷに光が照射されてウエハＷが加熱され、通常通り行われる。この熱処理の以前から熱処理中を通して、図２に部分拡大断面図を示すように、可動冷却板５２は、実線で示すように反射板４４と接触または近接する待機位置に停止している。そして、可動冷却板５２は、水冷された反射板４４とほぼ同じ温度、例えば３０℃〜５０℃の温度に冷却されている。
【００３０】
ウエハＷの熱処理が終了してランプハウス２０のランプが消灯させられると、それと同時またはそれより少し前に、コントローラにより冷却板上下機構５４および窒素ガス供給装置がそれぞれ作動させられ、ガス導入路５６を通して可動冷却板５２と反射板４４との間に窒素ガスが導入されるとともに、可動冷却板５２が待機位置から上方に向かって移動させられる。そして、可動冷却板５２と反射板４４との間に窒素ガスが導入されることにより、可動冷却板５２は反射板４４から容易に離脱し、冷却板上下機構５４のエアーシリンダによって素早く上昇させられ、二点鎖線で示すように冷却位置に迅速に移動して停止する。このようにしてウエハ支持リング２６上のウエハＷに低温の可動冷却板５２が接触または近接することにより、可動冷却板５２がウエハＷの熱量を急激に奪って、ウエハＷは高温側において急速に冷却させられる。
【００３１】
図３は、熱処理直後のウエハＷに可動冷却板５２を近接させてウエハＷを急速に冷却させたときとウエハＷを自然冷却させたときとで、それぞれのウエハＷの温度降下の様子を比較した図である。実線ａが、ウエハＷを可動冷却板５２によって冷却させたときのものであり、破線ｂが、ウエハＷを自然冷却させたときのものである。実線ａで示したように、ウエハＷを可動冷却板５２によって冷却させると、高温側（７００℃〜１０００℃）において冷却速度が大きくなり、イオンの拡散が極力抑えられる温度である７００℃程度の温度まで短時間で冷却される。
【００３２】
なお、約５００℃以下の低温側では、ウエハＷを可動冷却板５２によって冷却させた方が自然冷却させた場合よりも冷却が遅くなる。これは、高温側において可動冷却板５２がウエハＷからの輻射熱によって温度上昇し、その後、低温側においては、ウエハＷと可動冷却板５２とが一緒に自然冷却されていくためである。この結果、ウエハＷを炉内からの取出し温度まで冷却させるのに要する時間が長くなるが、この発明の装置の目的は、高温側における冷却速度を大きくすることであるので、差し支えない。また、ウエハＷの温度を５００℃〜７００℃程度まで降下させた時点で、可動冷却板５２を下方へ移動させて元の待機位置に戻すようにしてもよい。
【００３３】
【発明の効果】
請求項１に係る発明の基板の熱処理装置を使用すると、基板を高温側において急速に冷却させることができ、例えばダイオードの製造プロセスにおいて、ウエハをイオンの活性化温度まで高速で昇温させた後に、イオンが拡散しない温度までウエハを急速に冷却させることが可能になる。
【００３４】
請求項２に係る発明の熱処理装置では、基板と熱処理炉の下部炉壁との間に可動冷却板が介在しても、熱処理炉の下部炉壁面で行われる放射温度計等による基板や基板支持部材の温度計測に支障を生じることがない。
【００３５】
請求項３に係る発明の熱処理装置では、基板を高温側において確実に急速冷却させることができる。
【００３６】
請求項４に係る発明の熱処理装置では、可動冷却板が所望温度に確実に冷却される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態の１例を示し、基板の熱処理装置の１つであるランプアニール装置の概略構成を切断端面で示す図である。
【図２】図１に示した装置の一部を拡大した縦断面図である。
【図３】この発明に係る装置を使用して熱処理直後のウエハを急速に冷却させたときとウエハを自然冷却させたときとで、それぞれのウエハの温度降下の様子を比較した図である。
【符号の説明】
Ｗ  半導体ウエハ
１０  熱処理炉
１２  ウエハ搬出入用の開口
１４  シャッタ
１６  光入射窓
１８  反応室
２０  ランプハウス
２６  ウエハ支持リング
２８  ウエハ支持円筒ホルダ
３０  アジャスタ
３２  ウエハ回転機構
３６  ウエハ押し上げ機構
３８  シャワープレート
４０  ガス導入室
４２、５６  ガス導入路
４４  熱処理炉の下部炉壁をなす反射板
４６  冷却水の通路
４８、５０  放射温度計
５２  可動冷却板
５４  冷却板上下機構
５８  金属ベローズ
６０  反射板等上下機構
６２、６６、７０  排気口
６４  パージガス導入口
６８  ガスパージ口
７２  炉口排気口
【図１】
0003660254.tif 000002
【図２】
0003660254.tif 000003
【図３】
0003660254.tif 000004