(57)【要約】【課題】スループットの低下を抑制することができる熱処理方法および熱処理装置を提供する。【解決手段】熱処理装置１００に第１クールチャンバー１３１および第２クールチャンバー１４１の２つのクールチャンバーを設ける。未処理の半導体ウェハーＷは交互に第１クールチャンバー１３１または第２クールチャンバー１４１に搬入され、窒素パージを行った後に搬送ロボット１５０によって熱処理部１６０に搬送される。熱処理部１６０にて加熱処理の終了した半導体ウェハーＷは交互に第１クールチャンバー１３１または第２クールチャンバー１４１に搬送されて冷却される。個別の半導体ウェハーＷについては十分な冷却時間を確保しつつも、熱処理装置１００全体としてのスループットの低下は抑制することができる。【選択図】図１
2018006513.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板にフラッシュ光を照射することによって該基板を加熱する熱処理方法であって、
未処理の第１基板を第１冷却チャンバーに搬入し、前記第１冷却チャンバーに窒素ガスを供給して窒素雰囲気に置換する第１パージ工程と、
前記第１冷却チャンバーに接続された搬送チャンバーに設けられた搬送ロボットによって前記第１冷却チャンバーから前記第１基板を取り出し、前記搬送チャンバーに接続された処理チャンバーに搬入する第１搬入工程と、
前記処理チャンバー内の前記第１基板にフラッシュ光を照射して加熱する第１フラッシュ加熱工程と、
前記搬送ロボットによって前記処理チャンバーから加熱処理後の前記第１基板を搬出して前記第１冷却チャンバーに渡す第１搬出工程と、
前記第１冷却チャンバーにて前記第１基板を冷却し、冷却後の前記第１基板を前記第１冷却チャンバーから搬出する第１冷却工程と、
未処理の第２基板を前記搬送チャンバーに接続された第２冷却チャンバーに搬入し、前記第２冷却チャンバーに窒素ガスを供給して窒素雰囲気に置換する第２パージ工程と、
前記搬送ロボットによって前記第２冷却チャンバーから前記第２基板を取り出し、前記処理チャンバーに搬入する第２搬入工程と、
前記処理チャンバー内の前記第２基板にフラッシュ光を照射して加熱する第２フラッシュ加熱工程と、
前記搬送ロボットによって前記処理チャンバーから加熱処理後の前記第２基板を搬出して前記第２冷却チャンバーに渡す第２搬出工程と、
前記第２冷却チャンバーにて前記第２基板を冷却し、冷却後の前記第２基板を前記第２冷却チャンバーから搬出する第２冷却工程と、
を備え、
前記第１パージ工程から前記第１冷却工程までの工程と、前記第２パージ工程から前記第２冷却工程までの工程とを交互に繰り返すことを特徴とする熱処理方法。
【請求項２】
請求項１記載の熱処理方法において、
前記第１パージ工程の前に、前記第１基板の向きを調整する第１アライメント工程と、
前記第２パージ工程の前に、前記第２基板の向きを調整する第２アライメント工程と、
を備えることを特徴とする熱処理方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の熱処理方法において、
前記第１フラッシュ加熱工程は、前記第１基板を収容した前記処理チャンバー内を大気圧よりも低い第１の圧力に減圧する第１減圧工程と、前記処理チャンバー内を第１の圧力に維持しつつ、前記第１基板の表面にフラッシュランプからフラッシュ光を照射する第１照射工程と、を備え、
前記第２フラッシュ加熱工程は、前記第２基板を収容した前記処理チャンバー内を前記第１の圧力に減圧する第２減圧工程と、前記処理チャンバー内を第１の圧力に維持しつつ、前記第２基板の表面に前記フラッシュランプからフラッシュ光を照射する第２照射工程と、を備えることを特徴とする熱処理方法。
【請求項４】
基板にフラッシュ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、
搬送ロボットを有する搬送チャンバーと、
前記搬送チャンバーに接続された複数の冷却チャンバーと、
前記搬送チャンバーに接続された処理チャンバーと、
前記処理チャンバーに収容された基板にフラッシュ光を照射して加熱するフラッシュランプと、
前記複数の冷却チャンバーのそれぞれに窒素ガスを供給して窒素雰囲気に置換する雰囲気置換部と、
未処理の基板が順次に前記複数の冷却チャンバーのいずれかに搬入されたときに、当該冷却チャンバーに窒素ガスを供給して窒素雰囲気に置換した後に当該冷却チャンバーから基板を取り出して前記処理チャンバーに搬入するとともに、加熱処理後の基板を前記処理チャンバーから搬出して当該冷却チャンバーに渡すように前記搬送ロボットおよび前記雰囲気置換部を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする熱処理装置。
【請求項５】
請求項４記載の熱処理装置において、
前記複数の冷却チャンバーのいずれかに搬入される前に未処理の基板の向きを調整するアライメントチャンバーをさらに備えることを特徴とする熱処理装置。
【請求項６】
請求項４または請求項５記載の熱処理装置において、
前記処理チャンバー内の雰囲気を排気する排気部をさらに備え、
前記制御部は、前記処理チャンバー内を大気圧よりも低い第１の圧力に減圧した後に、第１の圧力に維持しつつ前記基板の表面に前記フラッシュランプからフラッシュ光が照射されるように前記排気部を制御することを特徴とする熱処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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）にフラッシュ光を照射することによって該基板を加熱する熱処理方法および熱処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの製造プロセスにおいて、極めて短時間で半導体ウェハーを加熱する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、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。
【０００３】
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。
【０００４】
このようなフラッシュランプアニールは、極短時間の加熱が必要とされる処理、例えば典型的には半導体ウェハーに注入された不純物の活性化に利用される。イオン注入法によって不純物が注入された半導体ウェハーの表面にフラッシュランプからフラッシュ光を照射すれば、当該半導体ウェハーの表面を極短時間だけ活性化温度にまで昇温することができ、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。
【０００５】
フラッシュランプアニールを行う熱処理装置として、例えば特許文献１に開示される構成のものが使用されている。特許文献１に開示されるフラッシュランプアニール装置においては、アニール処理を行う処理チャンバーに加えて半導体ウェハーの冷却処理を行うクールチャンバーを設けている。典型的には、フラッシュランプアニールに際しては、数１００℃に予備加熱された半導体ウェハーにフラッシュ光を照射してウェハー表面を瞬間的に１０００℃以上にまで昇温している。このように高温に加熱された半導体ウェハーＷをそのまま装置外に搬出することはできないため、加熱処理後の半導体ウェハーをクールチャンバーに搬入して冷却処理を行っているのである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１４−１５７９６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、瞬間的ではあるもののフラッシュ光照射によって半導体ウェハーの表面は１０００℃以上の高温に加熱されることもあり、そのような高温の半導体ウェハーの冷却には相当な長時間を要する。このため、フラッシュ加熱自体が短時間で完了したとしても、その後の冷却処理に長時間を要することとなり、冷却時間が律速要因となって装置全体のスループットは低くなるという問題が生じていた。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、スループットの低下を抑制することができる熱処理方法および熱処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、基板にフラッシュ光を照射することによって該基板を加熱する熱処理方法において、未処理の第１基板を第１冷却チャンバーに搬入し、前記第１冷却チャンバーに窒素ガスを供給して窒素雰囲気に置換する第１パージ工程と、前記第１冷却チャンバーに接続された搬送チャンバーに設けられた搬送ロボットによって前記第１冷却チャンバーから前記第１基板を取り出し、前記搬送チャンバーに接続された処理チャンバーに搬入する第１搬入工程と、前記処理チャンバー内の前記第１基板にフラッシュ光を照射して加熱する第１フラッシュ加熱工程と、前記搬送ロボットによって前記処理チャンバーから加熱処理後の前記第１基板を搬出して前記第１冷却チャンバーに渡す第１搬出工程と、前記第１冷却チャンバーにて前記第１基板を冷却し、冷却後の前記第１基板を前記第１冷却チャンバーから搬出する第１冷却工程と、未処理の第２基板を前記搬送チャンバーに接続された第２冷却チャンバーに搬入し、前記第２冷却チャンバーに窒素ガスを供給して窒素雰囲気に置換する第２パージ工程と、前記搬送ロボットによって前記第２冷却チャンバーから前記第２基板を取り出し、前記処理チャンバーに搬入する第２搬入工程と、前記処理チャンバー内の前記第２基板にフラッシュ光を照射して加熱する第２フラッシュ加熱工程と、前記搬送ロボットによって前記処理チャンバーから加熱処理後の前記第２基板を搬出して前記第２冷却チャンバーに渡す第２搬出工程と、前記第２冷却チャンバーにて前記第２基板を冷却し、冷却後の前記第２基板を前記第２冷却チャンバーから搬出する第２冷却工程と、を備え、前記第１パージ工程から前記第１冷却工程までの工程と、前記第２パージ工程から前記第２冷却工程までの工程とを交互に繰り返すことを特徴とする。
【００１０】
また、請求項２の発明は、請求項１の発明に係る熱処理方法において、前記第１パージ工程の前に、前記第１基板の向きを調整する第１アライメント工程と、前記第２パージ工程の前に、前記第２基板の向きを調整する第２アライメント工程と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項３の発明は、請求項１または請求項２記載の熱処理方法において、前記第１フラッシュ加熱工程は、前記第１基板を収容した前記処理チャンバー内を大気圧よりも低い第１の圧力に減圧する第１減圧工程と、前記処理チャンバー内を第１の圧力に維持しつつ、前記第１基板の表面にフラッシュランプからフラッシュ光を照射する第１照射工程と、を備え、前記第２フラッシュ加熱工程は、前記第２基板を収容した前記処理チャンバー内を前記第１の圧力に減圧する第２減圧工程と、前記処理チャンバー内を第１の圧力に維持しつつ、前記第２基板の表面に前記フラッシュランプからフラッシュ光を照射する第２照射工程と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項４の発明は、基板にフラッシュ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、搬送ロボットを有する搬送チャンバーと、前記搬送チャンバーに接続された複数の冷却チャンバーと、前記搬送チャンバーに接続された処理チャンバーと、前記処理チャンバーに収容された基板にフラッシュ光を照射して加熱するフラッシュランプと、前記複数の冷却チャンバーのそれぞれに窒素ガスを供給して窒素雰囲気に置換する雰囲気置換部と、未処理の基板が順次に前記複数の冷却チャンバーのいずれかに搬入されたときに、当該冷却チャンバーに窒素ガスを供給して窒素雰囲気に置換した後に当該冷却チャンバーから基板を取り出して前記処理チャンバーに搬入するとともに、加熱処理後の基板を前記処理チャンバーから搬出して当該冷却チャンバーに渡すように前記搬送ロボットおよび前記雰囲気置換部を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項５の発明は、請求項４の発明に係る熱処理装置において、前記複数の冷却チャンバーのいずれかに搬入される前に未処理の基板の向きを調整するアライメントチャンバーをさらに備えることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項６の発明は、請求項４または請求項５の発明に係る熱処理装置において、前記処理チャンバー内の雰囲気を排気する排気部をさらに備え、前記制御部は、前記処理チャンバー内を大気圧よりも低い第１の圧力に減圧した後に、第１の圧力に維持しつつ前記基板の表面に前記フラッシュランプからフラッシュ光が照射されるように前記排気部を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１から請求項３の発明によれば、加熱処理後の基板を交互に第１冷却チャンバーまたは第２冷却チャンバーに搬送して冷却しているため、個別の基板については十分な冷却時間を確保しつつも、熱処理装置全体としてはスループットの低下を抑制することができる。また、未処理の基板を交互に第１冷却チャンバーまたは第２冷却チャンバーに搬送して窒素雰囲気に置換しているため、十分な窒素パージ時間を確保して処理チャンバー内の酸素濃度上昇を抑制することができる。
【００１６】
特に、請求項３の発明によれば、処理チャンバー内を大気圧よりも低い第１の圧力に減圧するため、処理チャンバー内の酸素濃度をさらに低下させることができる。
【００１７】
請求項４から請求項６の発明によれば、加熱処理後の基板を処理チャンバーから搬出して複数の冷却チャンバーのいずれかに渡して冷却するため、個別の基板については十分な冷却時間を確保しつつも、熱処理装置全体としてはスループットの低下を抑制することができる。また、未処理の基板を順次に複数の冷却チャンバーのいずれかに搬入して当該冷却チャンバーを窒素雰囲気に置換しているため、十分な窒素パージ時間を確保して処理チャンバー内の酸素濃度上昇を抑制することができる。
【００１８】
特に、請求項６の発明によれば、処理チャンバー内を大気圧よりも低い第１の圧力に減圧するため、処理チャンバー内の酸素濃度をさらに低下させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る熱処理装置を示す平面図である。
【図２】図１の熱処理装置の正面図である。
【図３】熱処理部の構成を示す縦断面図である。
【図４】保持部の全体外観を示す斜視図である。
【図５】保持部を上面から見た平面図である。
【図６】保持部を側方から見た側面図である。
【図７】移載機構の平面図である。
【図８】移載機構の側面図である。
【図９】複数のハロゲンランプの配置を示す平面図である。
【図１０】排気部の構成を示す図である。
【図１１】半導体ウェハーに高誘電率膜が成膜されたスタック構造を示す図である。
【図１２】半導体ウェハーの搬送順序を示す図である。
【図１３】搬送サイクル毎の各半導体ウェハーの動きを示した図である。
【図１４】処理チャンバー内の圧力変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【００２１】
まず、本発明に係る熱処理装置１００の全体概略構成について説明する。図１は、本発明に係る熱処理装置１００を示す平面図であり、図２はその正面図である。熱処理装置１００は基板として円板形状の半導体ウェハーＷに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。処理対象となる半導体ウェハーＷのサイズは特に限定されるものではないが、例えばφ３００ｍｍやφ４５０ｍｍである。熱処理装置１００に搬入される前の半導体ウェハーＷには高誘電率膜が形成されており、熱処理装置１００による加熱処理によって高誘電率膜の成膜後熱処理(PDA:Post Deposition Annealing)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。また、図１および図２においては、それらの方向関係を明確にするためＺ軸方向を鉛直方向とし、ＸＹ平面を水平面とするＸＹＺ直交座標系を付している。
【００２２】
図１および図２に示すように、熱処理装置１００は、未処理の半導体ウェハーＷを外部から装置内に搬入するとともに処理済みの半導体ウェハーＷを装置外に搬出するためのインデクサ部１０１、未処理の半導体ウェハーＷの位置決めを行うアライメント部２３０、加熱処理後の半導体ウェハーＷの冷却を行う２つの冷却部１３０，１４０、半導体ウェハーＷにフラッシュ加熱処理を施す熱処理部１６０並びに冷却部１３０，１４０および熱処理部１６０に対して半導体ウェハーＷの受け渡しを行う搬送ロボット１５０を備える。また、熱処理装置１００は、上記の各処理部に設けられた動作機構および搬送ロボット１５０を制御して半導体ウェハーＷのフラッシュ加熱処理を進行させる制御部３を備える。
【００２３】
インデクサ部１０１は、複数のキャリアＣ（本実施形態では２個）を並べて載置するロードポート１１０と、各キャリアＣから未処理の半導体ウェハーＷを取り出すとともに、各キャリアＣに処理済みの半導体ウェハーＷを収納する受渡ロボット１２０とを備えている。未処理の半導体ウェハーＷを収容したキャリアＣは無人搬送車（ＡＧＶ、ＯＨＴ）等によって搬送されてロードポート１１０に載置されるともに、処理済みの半導体ウェハーＷを収容したキャリアＣは無人搬送車によってロードポート１１０から持ち去られる。
【００２４】
また、ロードポート１１０においては、受渡ロボット１２０がキャリアＣに対して任意の半導体ウェハーＷの出し入れを行うことができるように、キャリアＣが図２の矢印ＣＵにて示す如く昇降移動可能に構成されている。なお、キャリアＣの形態としては、半導体ウェハーＷを密閉空間に収納するＦＯＵＰ(front opening unified pod)の他に、ＳＭＩＦ(Standard Mechanical Inter Face)ポッドや収納した半導体ウェハーＷを外気に曝すＯＣ(open cassette)であっても良い。
【００２５】
また、受渡ロボット１２０は、図１の矢印１２０Ｓにて示すようなスライド移動、矢印１２０Ｒにて示すような旋回動作および昇降動作が可能とされている。これにより、受渡ロボット１２０は、２つのキャリアＣに対して半導体ウェハーＷの出し入れを行うとともに、アライメント部２３０および２つの冷却部１３０，１４０に対して半導体ウェハーＷの受け渡しを行う。受渡ロボット１２０によるキャリアＣに対する半導体ウェハーＷの出し入れは、ハンド１２１のスライド移動、および、キャリアＣの昇降移動により行われる。また、受渡ロボット１２０とアライメント部２３０または冷却部１３０，１４０との半導体ウェハーＷの受け渡しは、ハンド１２１のスライド移動、および、受渡ロボット１２０の昇降動作によって行われる。
【００２６】
アライメント部２３０は、Ｙ軸方向に沿ったインデクサ部１０１の側方に設けられている。アライメント部２３０は、半導体ウェハーＷを水平面内で回転させてフラッシュ加熱に適切な向きに向ける処理部である。アライメント部２３０は、アルミニウム合金製の筐体であるアライメントチャンバー２３１の内部に、半導体ウェハーＷを水平姿勢に支持して回転させる機構、および、半導体ウェハーＷの周縁部に形成されたノッチやオリフラ等を光学的に検出する機構などを設けて構成される。
【００２７】
アライメント部２３０への半導体ウェハーＷの受け渡しは受渡ロボット１２０によって行われる。受渡ロボット１２０からアライメントチャンバー２３１へはウェハー中心が所定の位置に位置するように半導体ウェハーＷが渡される。アライメント部２３０では、インデクサ部１０１から受け取った半導体ウェハーＷの中心部を回転中心として鉛直方向軸まわりで回転させ、ノッチ等を光学的に検出することによって半導体ウェハーＷの向きを調整する。向き調整の終了した半導体ウェハーＷは受渡ロボット１２０によってアライメントチャンバー２３１から取り出される。
【００２８】
搬送ロボット１５０による半導体ウェハーＷの搬送空間として搬送ロボット１５０を収容する搬送チャンバー１７０が設けられている。その搬送チャンバー１７０の三方に熱処理部１６０の処理チャンバー６、冷却部１３０の第１クールチャンバー１３１および冷却部１４０の第２クールチャンバー１４１が連通接続されている。
【００２９】
熱処理装置１００の主要部である熱処理部１６０は、予備加熱を行った半導体ウェハーＷにキセノンフラッシュランプＦＬからの閃光（フラッシュ光）を照射してフラッシュ加熱処理を行う基板処理部である。熱処理部１６０の構成については後にさらに詳述する。
【００３０】
２つの冷却部１３０，１４０は、概ね同様の構成を備える。冷却部１３０は、アルミニウム合金製の筐体である第１クールチャンバー１３１の内部に、金属製の冷却プレートの上面に石英板を載置して構成される。同様に、冷却部１４０は、アルミニウム合金製の筐体である第２クールチャンバー１４１の内部に、金属製の冷却プレートの上面に石英板を載置して構成される。冷却プレートは、ペルチェ素子または恒温水循環によって常温（約２３℃）に温調されている。熱処理部１６０にてフラッシュ加熱処理が施された直後の半導体ウェハーＷは温度が高いため、冷却部１３０，１４０にて上記石英板上に載置されて冷却される。
【００３１】
また、第１クールチャンバー１３１には、窒素供給部１３５から窒素ガスが供給される。第２クールチャンバー１３１には、窒素供給部１４５から窒素ガスが供給される。第１クールチャンバー１３１および第２クールチャンバー１４１に供給された余剰の窒素ガスは適宜排気管から排気される。窒素供給部１３５，１４５から窒素ガスを供給することによって、第１クールチャンバー１３１および第２クールチャンバー１４１内を窒素雰囲気に置換することができる。
【００３２】
搬送チャンバー１７０に設けられた搬送ロボット１５０は、鉛直方向に沿った軸を中心に矢印１５０Ｒにて示すように旋回可能とされる。搬送ロボット１５０は、複数のアームセグメントからなる２つのリンク機構を有し、それら２つのリンク機構の先端にはそれぞれ半導体ウェハーＷを保持する搬送ハンド１５１ａ，１５１ｂが設けられている。これらの搬送ハンド１５１ａ，１５１ｂは上下に所定のピッチだけ隔てて配置され、リンク機構によりそれぞれ独立して同一水平方向に直線的にスライド移動可能とされている。また、搬送ロボット１５０は、２つのリンク機構が設けられるベースを昇降移動することにより、所定のピッチだけ離れた状態のまま２つの搬送ハンド１５１ａ，１５１ｂを昇降移動させる。
【００３３】
搬送ロボット１５０が第１クールチャンバー１３１、第２クールチャンバー１４１または熱処理部１６０の処理チャンバー６を受け渡し相手として半導体ウェハーＷの受け渡し（出し入れ）を行う際には、まず、両搬送ハンド１５１ａ，１５１ｂが受け渡し相手と対向するように旋回し、その後（または旋回している間に）昇降移動していずれかの搬送ハンドが受け渡し相手と半導体ウェハーＷを受け渡しする高さに位置する。そして、搬送ハンド１５１ａ（１５１ｂ）を水平方向に直線的にスライド移動させて受け渡し相手と半導体ウェハーＷの受け渡しを行う。
【００３４】
搬送ロボット１５０と受渡ロボット１２０との半導体ウェハーＷの受け渡しは冷却部１３０，１４０を介して行われる。すなわち、２つの冷却部１３０，１４０は、搬送ロボット１５０と受渡ロボット１２０との間で半導体ウェハーＷを受け渡すためのパスとしても機能するものである。具体的には、第１クールチャンバー１３１および第２クールチャンバー１４１には２箇所の搬出入口が設けられており、そのうちの一方から搬送ロボット１５０が搬送ハンド１５１ａ，１５１ｂを挿入し、他方から受渡ロボット１２０がハンド１２１を挿入する。そして、搬送ロボット１５０または受渡ロボット１２０のうちの一方が第１クールチャンバー１３１または第２クールチャンバー１４１に渡した半導体ウェハーＷを他方が受け取ることによって半導体ウェハーＷの受け渡しが行われる。
【００３５】
第１クールチャンバー１３１および第２クールチャンバー１４１とインデクサ部１０１との間にはそれぞれゲートバルブ１８１，１８２が設けられている。また、搬送チャンバー１７０と第１クールチャンバー１３１および第２クールチャンバー１４１との間にはそれぞれゲートバルブ１８３，１８４が設けられている。さらに、搬送チャンバー１７０と熱処理部１６０の処理チャンバー６との間にはゲートバルブ１８５が設けられている。熱処理装置１００内にて半導体ウェハーＷが搬送される際には、適宜これらのゲートバルブが開閉される。
【００３６】
また、第１クールチャンバー１３１および第２クールチャンバー１４１と同様に、搬送チャンバー１７０およびアライメントチャンバー２３１にも図示省略の窒素供給部から高純度の窒素ガスが供給されて内部が清浄な雰囲気に維持される。
【００３７】
次に、熱処理部１６０の構成について説明する。図３は、熱処理部１６０の構成を示す縦断面図である。熱処理部１６０は、半導体ウェハーＷを収容する処理チャンバー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。処理チャンバー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、熱処理部１６０は、処理チャンバー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。
【００３８】
処理チャンバー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。処理チャンバー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処理チャンバー６内に透過する石英窓として機能する。また、処理チャンバー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からの光を処理チャンバー６内に透過する石英窓として機能する。上側チャンバー窓６３および下側チャンバー窓６４の厚さは例えば約３５ｍｍである。
【００３９】
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。処理チャンバー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。
【００４０】
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、処理チャンバー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、処理チャンバー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。
【００４１】
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。
【００４２】
また、チャンバー側部６１には、処理チャンバー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を閉鎖すると処理チャンバー６内の熱処理空間６５が密閉空間とされる。
【００４３】
また、処理チャンバー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は処理チャンバー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はガス供給源８５に接続されている。ガス供給源８５は、制御部３の制御下にて、窒素ガスを処理ガスとしてガス供給管８３に送給する。また、ガス供給管８３の経路途中にはバルブ８４および流量調整バルブ９０が介挿されている。バルブ８４が開放されると、ガス供給源８５から緩衝空間８２に処理ガスが送給される。ガス供給管８３を流れて緩衝空間８２に送給される処理ガスの流量は流量調整バルブ９０によって調整される。流量調整バルブ９０が規定する処理ガスの流量は制御部３の制御によって可変とされる。緩衝空間８２に流入した処理ガスは、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。なお、処理ガスは窒素ガスに限定されるものではなく、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）などの不活性ガス、または、酸素（Ｏ２）、水素（Ｈ２）、アンモニア（ＮＨ３）、塩素（Ｃｌ２）、塩化水素（ＨＣｌ）、オゾン（Ｏ３）、一酸化窒素（ＮＯ）、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）、二酸化窒素（ＮＯ２）などの反応性ガスであっても良い。
【００４４】
一方、処理チャンバー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は処理チャンバー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、処理チャンバー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。
【００４５】
図１０は、排気部１９０の構成を示す図である。排気部１９０は、排気ポンプ１９１、流量調整バルブ１９６、３本のバイパスライン１９７，１９８，１９９、および、３つの排気バルブ１９２，１９３，１９４を備える。処理チャンバー６からの排気を導くガス排気管８８と排気ポンプ１９１とは、３本のバイパスライン１９７，１９８，１９９によって接続されている。３本のバイパスライン１９７，１９８，１９９は並列に設けられている。３本のバイパスライン１９７，１９８，１９９は、その配管径が互いに異なる。バイパスライン１９７の径が最も小さく、バイパスライン１９９の径が最も大きく、バイパスライン１９８の径はそれらの間である。よって、通過可能な気体の流量はバイパスライン１９７，１９８，１９９の順に大きくなる。
【００４６】
３つの排気バルブ１９２，１９３，１９４は、それぞれ３本のバイパスライン１９７，１９８，１９９に設けられる。すなわち、バイパスライン１９７には排気バルブ１９２が介挿され、バイパスライン１９８には排気バルブ１９３が介挿され、バイパスライン１９９には排気バルブ１９４が介挿される。排気ポンプ１９１を作動させつつ、３つの排気バルブ１９２，１９３，１９４を開放すると、ガス排気管８８によって導かれた処理チャンバー６からの排気が対応するバイパスライン１９７，１９８，１９９を通過して排気ポンプ１９１に吸引される。
【００４７】
３本のバイパスライン１９７，１９８，１９９は配管径が異なるため、排気能力が異なる。配管径が大きいほど排気能力も大きくなり、バイパスライン１９７，１９８，１９９の順に排気能力は大きくなる。従って、３つの排気バルブ１９２，１９３，１９４のうちのいずれを開閉するかによって処理チャンバー６からの排気流量を制御することができる。３つの排気バルブ１９２，１９３，１９４のいずれか１つのみを開放しても良いし、２つまたは３つを開放しても良い。例えば、排気バルブ１９３，１９４を閉止して排気バルブ１９２のみを開放した場合には、最も小さな排気流量での排気が行われる。また、３つの排気バルブ１９２，１９３，１９４の全てを開放した場合には、最も大きな排気流量での排気が行われる。
【００４８】
また、３本のバイパスライン１９７，１９８，１９９の合流部分と排気ポンプ１９１との間に流量調整バルブ１９６が介挿されている。ガス排気管８８の排気流量は流量調整バルブ１９６によっても調整可能である。流量調整バルブ１９６が規定する排気流量は制御部３の制御によって可変とされる。３本のバイパスライン１９７，１９８，１９９が不連続かつ多段に排気流量を調整する機構であるのに対して、流量調整バルブ１９６は連続的に無段階で排気流量を調整する機構である。
【００４９】
ガス供給管８３、ガス排気管８８、および、３本のバイパスライン１９７，１９８，１９９は強度と耐食性に優れたステンレススチールによって構成されている。また、処理チャンバー６内には熱処理空間６５の圧力を測定する圧力計１８０が設けられている。圧力計１８０としては、約５Ｐａ〜０．２ＭＰａを測定範囲とするものが好ましい。
【００５０】
図４は、保持部７の全体外観を示す斜視図である。また、図５は保持部７を上面から見た平面図であり、図６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。
【００５１】
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、処理チャンバー６の壁面に支持されることとなる（図３参照）。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。
【００５２】
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。
【００５３】
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が処理チャンバー６の壁面に支持されることによって、保持部７が処理チャンバー６に装着される。保持部７が処理チャンバー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。処理チャンバー６に搬入された半導体ウェハーＷは、処理チャンバー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。
【００５４】
また、図４および図５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３３０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３２０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。
【００５５】
図７は、移載機構１０の平面図である。また、図８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７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７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。
【００５６】
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４，５参照）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。
【００５７】
図３に戻り、処理チャンバー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が処理チャンバー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は処理チャンバー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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。すなわち、フラッシュランプＦＬは、１秒未満の極めて短い時間で瞬間的に発光するパルス発光ランプである。なお、フラッシュランプＦＬの発光時間は、フラッシュランプＦＬに電力供給を行うランプ電源のコイル定数によって調整することができる。
【００６０】
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。
【００６１】
処理チャンバー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によって処理チャンバー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。
【００６２】
図９は、複数のハロゲンランプＨＬの配置を示す平面図である。４０本のハロゲンランプＨＬは上下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。
【００６３】
また、図９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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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３）。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。
【００６７】
制御部３は、熱処理装置１００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回路である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１００における処理が進行する。また、制御部３は、バルブ８４、バルブ８９、流量調整バルブ９０、流量調整バルブ１９６、排気ポンプ１９１、および、３つの排気バルブ１９２，１９３，１９４を制御して処理チャンバー６内の熱処理空間６５の圧力、給気流量および排気レートを調整する。
【００６８】
上記の構成以外にも熱処理部１６０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および処理チャンバー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、処理チャンバー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。
【００６９】
次に、本発明に係る熱処理装置１００による半導体ウェハーＷの処理動作について説明する。ここで処理対象となる半導体ウェハーＷは、ゲート絶縁膜として高誘電率膜が形成された半導体基板である。その半導体ウェハーＷに対して熱処理装置１がフラッシュ光を照射して成膜後熱処理（ＰＤＡ）を行うことにより、高誘電率膜中の欠陥を消滅させる。
【００７０】
図１１は、半導体ウェハーＷに高誘電率膜が成膜されたスタック構造を示す図である。半導体ウェハーＷのシリコンの基材１０５上にシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）１０２が形成されている。シリコン酸化膜１０２はシリコンの基材１０５と高誘電率膜１０３との間の界面層膜として必要な層である。シリコン酸化膜１０２の膜厚は極めて薄く、例えば約１ｎｍである。シリコン酸化膜１０２の形成手法としては、例えば熱酸化法などの公知の種々の方法を採用することが可能である。
【００７１】
そして、シリコン酸化膜１０２の上にゲート絶縁膜としての高誘電率膜１０３が形成されている。高誘電率膜１０３としては、例えばＨｆＯ２，ＺｒＯ２，Ａｌ２Ｏ３，Ｌａ２Ｏ３等の高誘電率材料を用いることができる（本実施形態では、ＨｆＯ２）。高誘電率膜１０３は、例えばＡＬＤ(Atomic Layer Deposition)によって高誘電率材料をシリコン酸化膜１０２の上に堆積させることにより成膜される。シリコン酸化膜１０２上に堆積される高誘電率膜１０３の膜厚は数ｎｍであるが、そのシリコン酸化膜換算膜厚（EOT:Equivalent oxide thickness）は１ｎｍ程度である。高誘電率膜１０３の形成手法はＡＬＤに限定されるものではなく、例えばＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)等の公知の手法を採用することができる。いずれの手法であっても、堆積されたまま特段の処理を受けていない高誘電率膜１０３中には多数の点欠陥等の欠陥が存在している。なお、図１１に示す構造では、高誘電率膜１０３の両側方にＳｉＮのサイドウォール１０４が形成されているが、このサイドウォール１０４は、例えばゲートラストプロセスでは高誘電率膜１０３よりも先に形成されている。また、熱処理装置１００による加熱処理の終了後に、高誘電率膜１０３の上にチタン（Ｔｉ）或いはチタンの窒化物（ＴｉＮ）がメタルゲートして堆積される。
【００７２】
図１１に示すようなシリコンの基材１０５上にシリコン酸化膜１０２を挟み込んで高誘電率膜１０３が成膜された半導体ウェハーＷに対する熱処理が熱処理装置１００によって行われる。以下、熱処理装置１００における動作手順について説明する。熱処理装置１００での動作手順は、制御部３が熱処理装置１００の各動作機構を制御することにより進行する。
【００７３】
図１２は、半導体ウェハーＷの搬送順序を示す図である。本実施形態の熱処理装置１００においては、２通りの搬送経路が設定されている。２通りの搬送経路の相違は、第１クールチャンバー１３１または第２クールチャンバー１４１のいずれを使用するかであり、残余の通過チャンバーについては同じである。
【００７４】
まず、高誘電率膜１０３が形成された半導体ウェハーＷがキャリアＣに複数枚収容された状態でインデクサ部１０１のロードポート１１０に載置される。そして、受渡ロボット１２０がキャリアＣから半導体ウェハーＷを１枚ずつ取り出し、アライメント部２３０のアライメントチャンバー２３１に搬入する。アライメントチャンバー２３１では、半導体ウェハーＷをその中心部を回転中心として水平面内にて鉛直方向軸まわりで回転させ、ノッチ等を光学的に検出することによって半導体ウェハーＷの向きを調整する。
【００７５】
次に、第１の搬送経路（図１２の上段）では、受渡ロボット１２０がアライメントチャンバー２３１から向きの調整された半導体ウェハーＷを取り出し、冷却部１３０の第１クールチャンバー１３１に搬入する。第１クールチャンバー１３１に半導体ウェハーＷが搬入された時点で、ゲートバルブ１８１が第１クールチャンバー１３１とインデクサ部１０１との間を閉鎖する。また、第１クールチャンバー１３１と搬送チャンバー１７０との間もゲートバルブ１８３によって閉鎖されている。よって、第１クールチャンバー１３１の内部は密閉空間となっている。
【００７６】
第１クールチャンバー１３１は、本来は半導体ウェハーＷを冷却するものであるが、半導体ウェハーＷを熱処理部１６０の処理チャンバー６に搬入するまでの往路においては、受渡ロボット１２０から搬送ロボット１５０に半導体ウェハーＷを受け渡すためのパスとして機能する。但し、第１クールチャンバー１３１に半導体ウェハーＷが搬入される際に、大気雰囲気が大量に第１クールチャンバー１３１に混入しているため、そのままゲートバルブ１８３を開くと、搬送チャンバー１７０、さらには処理チャンバー６内の酸素濃度上昇の要因となる。
【００７７】
このため、ゲートバルブ１８３を開く前に、窒素供給部１３５から第１クールチャンバー１３１に窒素ガスを供給して第１クールチャンバー１３１内を窒素雰囲気に置換している。窒素供給部１３５から第１クールチャンバー１３１に窒素ガスを供給し続けることによって、余剰の気体は第１クールチャンバーから排出され、第１クールチャンバー１３１内が徐々に窒素雰囲気に置換される窒素パージが進行する。それにともなって、第１クールチャンバー１３１内の雰囲気中の酸素濃度も徐々に低下する。窒素パージの時間が長くなるほど、第１クールチャンバー１３１内の雰囲気中の酸素濃度も低下する。
【００７８】
所定時間の窒素パージが終了した後、ゲートバルブ１８３が第１クールチャンバー１３１と搬送チャンバー１７０との間を開放し、搬送ロボット１５０が第１クールチャンバー１３１から半導体ウェハーＷを搬出する。搬送チャンバー１７０には常時窒素ガスが供給され続けており、内部は窒素雰囲気とされている。半導体ウェハーＷを取り出した搬送ロボット１５０は熱処理部１６０を向くように旋回する。また、半導体ウェハーＷの搬出後に、ゲートバルブ１８３が第１クールチャンバー１３１と搬送チャンバー１７０との間を閉鎖する。
【００７９】
続いて、ゲートバルブ１８５が処理チャンバー６と搬送チャンバー１７０との間を開放し、搬送ロボット１５０が半導体ウェハーＷを処理チャンバー６に搬入する。このときに、先行する加熱処理済みの半導体ウェハーＷが処理チャンバー６に存在している場合には、搬送ハンド１５１ａ，１５１ｂのうちの一方によって当該加熱処理済みの半導体ウェハーＷを取り出してから他方によって未処理の半導体ウェハーＷを処理チャンバー６に搬入してウェハー入れ替えを行う。半導体ウェハーＷの搬入後、ゲートバルブ１８５が処理チャンバー６と搬送チャンバー１７０との間を閉鎖する。
【００８０】
一方、第２の搬送経路（図１２の下段）では、受渡ロボット１２０がアライメントチャンバー２３１から取り出した半導体ウェハーＷを冷却部１４０の第２クールチャンバー１４１に搬入する。冷却部１３０および冷却部１４０は同一の機能を有するものであり、第２クールチャンバー１４１では上述の第１クールチャンバー１３１におけるのと同様の窒素パージが行われる。すなわち、第２クールチャンバー１４１に半導体ウェハーＷが搬入された時点で、ゲートバルブ１８２が第２クールチャンバー１４１とインデクサ部１０１との間を閉鎖する。第２クールチャンバー１４１と搬送チャンバー１７０との間はゲートバルブ１８４によって閉鎖されている。これにより、第２クールチャンバー１４１の内部は密閉空間となっている。
【００８１】
この状態で、ゲートバルブ１８４を開く前に、窒素供給部１４５から第２クールチャンバー１４１に窒素ガスを供給して第２クールチャンバー１４１内を窒素雰囲気に置換する窒素パージを行う。この窒素パージにともなって、第２クールチャンバー１４１内の雰囲気中の酸素濃度も徐々に低下し、窒素パージの時間が長くなるほど、第２クールチャンバー１４１内の雰囲気中の酸素濃度も低下する。
【００８２】
所定時間の窒素パージが終了した後、ゲートバルブ１８４が第２クールチャンバー１４１と搬送チャンバー１７０との間を開放し、搬送ロボット１５０が第２クールチャンバー１４１から半導体ウェハーＷを搬出する。半導体ウェハーＷを取り出した搬送ロボット１５０は熱処理部１６０を向くように旋回する。また、半導体ウェハーＷの搬出後に、ゲートバルブ１８４が第２クールチャンバー１４１と搬送チャンバー１７０との間を閉鎖する。続いて、ゲートバルブ１８５が処理チャンバー６と搬送チャンバー１７０との間を開放し、搬送ロボット１５０が半導体ウェハーＷを処理チャンバー６に搬入する。半導体ウェハーＷの搬入後、ゲートバルブ１８５が処理チャンバー６と搬送チャンバー１７０との間を閉鎖する。
【００８３】
以上のように、第１の搬送経路と第２の搬送経路とにはプロセス内容に関する相違があるわけではなく、第１クールチャンバー１３１または第２クールチャンバー１４１のいずれを使用するかの相違のみ存在する。換言すれば、第１クールチャンバー１３１と第２クールチャンバー１４１とは並行処理部であり、熱処理装置１００には同一内容の処理を行う２つの搬送経路が存在するのである。
【００８４】
処理対象となる半導体ウェハーＷを第１の搬送経路または第２の搬送経路のいずれにて搬送するかは任意である。例えば、ロットを構成する複数の半導体ウェハーＷを交互に第１の搬送経路または第２の搬送経路にて搬送するようにすれば良い。つまり、ロットを構成する複数の半導体ウェハーＷの奇数番ウェハーを第１の搬送経路にて搬送し、偶数番ウェハーを第２の搬送経路にて搬送するようにすれば良い。
【００８５】
熱処理部１６０の処理チャンバー６に搬入された半導体ウェハーＷには、ハロゲンランプＨＬによって予備加熱が行われた後、フラッシュランプＦＬからのフラッシュ光照射によってフラッシュ加熱処理が行われる。熱処理部１６０における半導体ウェハーＷの熱処理についてはさらに後述する。
【００８６】
フラッシュ加熱処理が終了した後、ゲートバルブ１８５が開いて搬送ロボット１５０が処理チャンバー６からフラッシュ加熱後の半導体ウェハーＷを搬出する。第１の搬送経路にて搬送されている半導体ウェハーＷを取り出した搬送ロボット１５０は、処理チャンバー６から冷却部１３０の第１クールチャンバー１３１に向くように旋回する。また、ゲートバルブ１８５が処理チャンバー６と搬送チャンバー１７０との間を閉鎖するとともに、ゲートバルブ１８３が第１クールチャンバー１３１と搬送チャンバー１７０との間を開放する。続いて、搬送ロボット１５０がフラッシュ加熱直後の半導体ウェハーＷを第１クールチャンバー１３１に搬入する。第１クールチャンバー１３１にフラッシュ加熱後の半導体ウェハーＷが搬入された後、ゲートバルブ１８３が第１クールチャンバー１３１と搬送チャンバー１７０との間を閉鎖する。第１クールチャンバー１３１では、フラッシュ加熱処理後の半導体ウェハーＷの冷却処理が行われる。熱処理部１６０の処理チャンバー６から搬出された時点での半導体ウェハーＷ全体の温度は比較的高温であるため、これを第１クールチャンバー１３１にて常温近傍にまで冷却するのである。所定の冷却処理時間が経過した後、ゲートバルブ１８１が第１クールチャンバー１３１とインデクサ部１０１との間を開放し、受渡ロボット１２０が冷却後の半導体ウェハーＷを第１クールチャンバー１３１から搬出し、キャリアＣへと返却する。
【００８７】
一方、第２の搬送経路にて搬送されている半導体ウェハーＷを処理チャンバー６から取り出した搬送ロボット１５０は、処理チャンバー６から冷却部１４０の第２クールチャンバー１４１に向くように旋回する。また、ゲートバルブ１８５が処理チャンバー６と搬送チャンバー１７０との間を閉鎖するとともに、ゲートバルブ１８４が第２クールチャンバー１４１と搬送チャンバー１７０との間を開放する。続いて、搬送ロボット１５０がフラッシュ加熱直後の半導体ウェハーＷを第２クールチャンバー１４１に搬入する。第２クールチャンバー１４１にフラッシュ加熱後の半導体ウェハーＷが搬入された後、ゲートバルブ１８４が第２クールチャンバー１４１と搬送チャンバー１７０との間を閉鎖する。第２クールチャンバー１４１では、フラッシュ加熱処理後の半導体ウェハーＷの冷却処理が行われる。所定の冷却処理時間が経過した後、ゲートバルブ１８２が第２クールチャンバー１４１とインデクサ部１０１との間を開放し、受渡ロボット１２０が冷却後の半導体ウェハーＷを第２クールチャンバー１４１から搬出し、キャリアＣへと返却する。
【００８８】
このように処理チャンバー６からの復路においても、第１の搬送経路と第２の搬送経路とにプロセス内容に関する相違は無く、第１クールチャンバー１３１または第２クールチャンバー１４１のいずれにて半導体ウェハーＷを冷却するかのみが異なる。そして、キャリアＣに所定枚数の処理済み半導体ウェハーＷが収容されると、そのキャリアＣはインデクサ部１０１のロードポート１１０から搬出される。
【００８９】
ここで、１つのロットを構成する２５枚の半導体ウェハーＷを具体的に順次各チャンバーに搬送を行っていく過程について図１３に基づき説明する。図１３には、１つのロットを構成する２５枚の半導体ウェハーＷ１〜Ｗ２５についての各搬送サイクル毎の動き示しており、それぞれ奇数番ウェハーを第１搬送経路にて搬送し、偶数番ウェハーを第２搬送経路にて搬送する例を示している。ここに搬送サイクルとは、受渡ロボット１２０の搬送動作又はかかる受渡ロボット１２０と搬送ロボット１５０との協働による搬送動作によりなされる１回の循環搬送動作を意味する。
【００９０】
図１３において、まず搬送サイクル１において受渡ロボット１２０は、奇数番ウェハーである半導体ウェハーＷ１をキャリアＣから取り出しアライメントチャンバー２３１に搬入する。
【００９１】
搬送サイクル２においては、受渡ロボット１２０は、向きの調整された半導体ウェハーＷ１をアライメントチャンバーから取り出し第１クールチャンバー１３１に搬入するとともに、偶数番目のウェハーである半導体ウェハーＷ２をキャリアＣから取り出しアライメントチャンバー２３１に搬入する。
【００９２】
搬送サイクル３においては、搬送ロボット１５０は、第１クールチャンバー１３１から半導体ウェハーＷ１を取り出し搬送チャンバー１７０内で半導体ウェハーＷ１を保持する。一方、受渡ロボット１２０は、向きの調整された半導体ウェハーＷ２をアライメントチャンバーから取り出し第２クールチャンバー１４１に搬入するとともに、奇数番目のウェハーである半導体ウェハーＷ３をキャリアＣから取り出してアライメントチャンバー２３１に搬入する。
【００９３】
搬送サイクル４においては、搬送ロボット１５０は、搬送チャンバー１７０内で保持していた半導体ウェハーＷ１を処理チャンバー６に搬入するとともに、搬送ハンド１５１ａ，１５１ｂのうちのいずれか一方のハンド（ここでは、搬送ハンド１５１ａとする）によって第２クールチャンバー１４１から半導体ウェハーＷ２を取り出して搬送チャンバー１７０内で保持する。一方、この搬送サイクル４において、受渡ロボット１２０は、向きの調整された半導体ウェハーＷ３をアライメントチャンバー２３１から取り出し第１クールチャンバー１３１に搬入するとともに、偶数番目のウェハーである半導体ウェハーＷ４をキャリアＣから取り出しアライメントチャンバー２３１に搬入する。
【００９４】
搬送サイクル５においては、搬送ロボット１５０は、半導体ウェハーＷを保持していない他方の空の搬送ハンド１５１ｂによって加熱処理済みの半導体ウェハーＷ１を取り出し、搬送ハンド１５１ａに保持していた半導体ウェハーＷ２を処理チャンバー６に搬入してウェハーの入替を行う。さらに搬送ロボット１５０は、第１クールチャンバー１３１に向きを変え、半導体ウェハーを保持していない空の搬送ハンド１５１ａによって第１クールチャンバー１３１から半導体ウェハーＷ３を取り出す一方、搬送ハンド１５１ｂに保持していた加熱処理済の半導体ウェハーＷ１を第１クールチャンバー１３１に搬入してウェハーの入替を行う。一方、この搬送サイクル５において、受渡ロボット１２０は、向きの調整された半導体ウェハーＷ４をアライメントチャンバー２３１から取り出し第２クールチャンバー１４１に搬入するとともに、奇数番目のウェハーである半導体ウェハーＷ５をキャリアＣから取り出しアライメントチャンバー２３１に搬入する。
【００９５】
次に、搬送サイクル６においては、搬送ロボット１５０は、空の搬送ハンド１５１ｂによって加熱処理後の半導体ウェハーＷ２を処理チャンバー６から取り出し、搬送ハンド１５１ａに保持していた半導体ウェハーＷ３を処理チャンバー６に搬入してウェハーの入替を行う。さらに搬送ロボット１５０は、第２クールチャンバー１４１に向かい空の搬送ハンド１５１ａによって第２クールチャンバー１４１から半導体ウェハーＷ４を取り出し、搬送ハンド１５１ｂに保持していた加熱処理済の半導体ウェハーＷ２を第２クールチャンバー１４１に搬入してウェハーの入替を行う。一方、この搬送サイクル６において、受渡ロボット１２０は、冷却処理の行われた半導体ウェハーＷ１を第１クールチャンバー１３１から取り出し、キャリアＣ内の元の位置に半導体ウェハーＷ１を収納する。また、受渡ロボット１２０は、向きの調整された半導体ウェハーＷ５をアライメントチャンバー２３１から取り出し第１クールチャンバー１３１に搬入するとともに、偶数番目のウェハーである半導体ウェハーＷ６をキャリアＣから取り出しアライメントチャンバー２３１に搬入する。
【００９６】
さらに、搬送サイクル７においては、搬送ロボット１５０は、空の搬送ハンド１５１ｂによって加熱処理後の半導体ウェハーＷ３を処理チャンバー６から取り出し、搬送ハンド１５１ａに保持していた半導体ウェハーＷ４を処理チャンバー６に搬入してウェハーの入替を行う。さらに搬送ロボット１５０は、第１クールチャンバー１３１に向かい空の搬送ハンド１５１ａによって第１クールチャンバー１３１から半導体ウェハーＷ５を取り出し、搬送ハンド１５１ｂに保持していた加熱処理済の半導体ウェハーＷ３を第１クールチャンバー１３１に搬入してウェハーの入替を行う。一方、この搬送サイクル７において、受渡ロボット１２０は、冷却処理の行われた半導体ウェハーＷ２を第２クールチャンバー１４１から取り出し、キャリアＣ内の元の位置に半導体ウェハーＷ２を収納する。また、受渡ロボット１２０は、向きの調整された半導体ウェハーＷ６をアライメントチャンバー２３１から取り出し第２クールチャンバー１４１に搬入するとともに、奇数番目のウェハーである半導体ウェハーＷ７をキャリアＣから取り出しアライメントチャンバー２３１に搬入する。
【００９７】
このような搬送サイクルを図１３に示すようにロットの最終ウェハーである半導体ウェハーＷ２５まで繰り返す（搬送サイクル３０まで繰り返す）ことにより、第１クールチャンバー１３１と第２クールチャンバー１４１とを無駄なくフル活用して半導体ウェハーＷの処理と搬送を効率的に行うことができる。
【００９８】
次に、熱処理部１６０におけるフラッシュ加熱処理について説明を続ける。ゲートバルブ１８５が開いて搬送開口部６６が開放された状態で、搬送ロボット１５０が熱処理部１６０の処理チャンバー６に半導体ウェハーＷを搬入する。この際に、バルブ８４を開放してガス供給源８５から処理チャンバー６内に窒素ガスを供給し続けることによって搬送開口部６６から窒素ガス流を流出させ、搬送チャンバー１７０の雰囲気が処理チャンバー６内の流入するのを最小限に抑制するようにしても良い。
【００９９】
搬送ロボット１５０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。
【０１００】
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１５０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保持される。半導体ウェハーＷは、高誘電率膜１０３が形成された表面を上面としてサセプター７４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。
【０１０１】
半導体ウェハーＷが処理チャンバー６に収容され、ゲートバルブ１８５によって搬送開口部６６が閉鎖された後、処理チャンバー６内を大気圧よりも低い気圧に減圧する。具体的には、搬送開口部６６が閉鎖されることによって、処理チャンバー６内の熱処理空間６５が密閉空間となる。この状態にて、給気のためのバルブ８４を閉止しつつ、排気のためのバルブ８９を開放する。また、制御部３は、排気ポンプ１９１を作動させつつ、３本のバイパスライン１９７，１９８，１９９のうち最も配管径が小さいバイパスライン１９７に設けられた排気バルブ１９２を開放する。他の排気バルブ１９３，１９４は閉止されている。これにより、処理チャンバー６内に対してはガス供給が行われることなく排気が行われることとなり、処理チャンバー６内の熱処理空間６５が減圧される。
【０１０２】
図１４は、処理チャンバー６内の圧力変化を示す図である。同図の横軸には時刻を示し、縦軸には処理チャンバー６内の圧力を示す。半導体ウェハーＷが処理チャンバー６に収容されて搬送開口部６６が閉鎖された時点では、処理チャンバー６内の圧力は常圧Ｐｓ（＝大気圧＝約101325Pa）である。そして、時刻ｔ１に処理チャンバー６内の減圧が開始される。減圧の初期段階では、３本のバイパスライン１９７，１９８，１９９のうち最も配管径が小さいバイパスライン１９７のみを使用しているため、排気流量が小さく排気速度も比較的遅い。
【０１０３】
次に、時刻ｔ２に制御部３が３つの排気バルブ１９２，１９３，１９４の全てを開放する。これにより、処理チャンバー６からの排気流量が増大し、排気速度も速くなる。そして、時刻ｔ３に処理チャンバー６の圧力（真空度）が気圧Ｐ１に到達する。気圧Ｐ１は、例えば約１００Ｐａである。すなわち、減圧の初期段階では小さな排気流量で排気を行った後に、それよりも大きな排気流量に切り換えて排気を行っているのである。
【０１０４】
減圧の開始時から大きな排気流量にて急速に排気を行うと、処理チャンバー６内に大きな気流変化が生じて処理チャンバー６の構造物（例えば、下側チャンバー窓６４）に付着していたパーティクルが巻き上げられて半導体ウェハーＷに再付着して汚染するおそれがある。減圧の初期段階では小さな排気流量で静かに排気を行った後に、大きな排気流量に切り換えて排気を行うようにすれば、そのような処理チャンバー６内のパーティクルの巻き上げを防止することができる。
【０１０５】
処理チャンバー６内の圧力が気圧Ｐ１に到達した時刻ｔ３に、排気のためのバルブ８９を閉止する。そして、処理チャンバー６内に処理ガスを導入することなく、処理チャンバー６内の圧力を気圧Ｐ１に維持するのである。なお、処理チャンバー６内の圧力を気圧Ｐ１に維持するために、バルブ８９を開放して排気を継続するようにしても良い。
【０１０６】
続いて、処理チャンバー６内の圧力を気圧Ｐ１に維持しつつ、ハロゲン加熱部４の４０本のハロゲンランプＨＬを一斉に点灯させて半導体ウェハーＷの予備加熱（アシスト加熱）を開始する。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およびサセプター７４を透過して半導体ウェハーＷの裏面から照射される。半導体ウェハーＷの裏面とは、高誘電率膜１０３が形成された表面とは反対側の主面である。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。
【０１０７】
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３３０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３３０がサセプター７４に保持された半導体ウェハーＷの下面に切り欠き部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しつつ、ハロゲンランプＨＬの出力を制御する。すなわち、制御部３は、接触式温度計３３０による測定値に基づいて、半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１となるようにハロゲンランプＨＬの出力をフィードバック制御する。予備加熱温度Ｔ１は３００℃以上６００℃以下であり、本実施形態では４５０℃である。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３２０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３２０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。
【０１０８】
半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１に到達した後、制御部３は半導体ウェハーＷをその予備加熱温度Ｔ１に暫時維持する。具体的には、接触式温度計３３０によって測定される半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１に到達した時点にて制御部３がハロゲンランプＨＬの出力を調整し、半導体ウェハーＷの温度をほぼ予備加熱温度Ｔ１に維持している。
【０１０９】
このようなハロゲンランプＨＬによる予備加熱を行うことによって、高誘電率膜１０３を含む半導体ウェハーＷの全体を予備加熱温度Ｔ１に均一に昇温している。ハロゲンランプＨＬによ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、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。このため、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の内周面は鏡面とされているため、この反射リング６９の内周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。なお、予備加熱時の処理チャンバー６内の圧力は気圧Ｐ１に維持されている。
【０１１０】
次に、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刻ｔ４にフラッシュランプＦＬから閃光を照射することによるフラッシュ加熱処理を実行する。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処理チャンバー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処理チャンバー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。
【０１１１】
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。基材１０５上にシリコン酸化膜１０２を挟み込んで高誘電率膜１０３が成膜された半導体ウェハーＷの表面にフラッシュランプＦＬからフラッシュ光を照射することによって、高誘電率膜１０３を含む半導体ウェハーＷの表面は瞬間的に処理温度Ｔ２にまで昇温して成膜後熱処理が実行される。フラッシュ光照射によって半導体ウェハーＷの表面が到達する最高温度（ピーク温度）である処理温度Ｔ２は６００℃以上１２００℃以下であり、本実施形態では１０００℃である。
【０１１２】
半導体ウェハーＷの表面が処理温度Ｔ２にまで昇温して成膜後熱処理が実行されると、高誘電率膜１０３中に存在していた点欠陥等の欠陥が消滅する。なお、フラッシュランプＦＬからの照射時間は０．１ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下程度の短時間であるため、半導体ウェハーＷの表面温度が予備加熱温度Ｔ１から処理温度Ｔ２にまで昇温するのに要する時間も１秒未満の極めて短時間である。フラッシュ光照射後の半導体ウェハーＷの表面温度は処理温度Ｔ２からただちに急速に下降する。
【０１１３】
フラッシュ加熱処理の終了後、所定時間経過後に給気のためのバルブ８４を開放し、ガス供給源８５から処理チャンバー６内に窒素ガスを供給して常圧Ｐｓにまで復圧する。また、ハロゲンランプＨＬも消灯し、これによって半導体ウェハーＷが予備加熱温度Ｔ１からも降温する。降温中の半導体ウェハーＷの温度は接触式温度計３３０または放射温度計３２０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が搬送ロボット１５０により搬出され、熱処理部１６０における半導体ウェハーＷの加熱処理が完了する。
【０１１４】
本実施形態においては、熱処理装置１００に第１クールチャンバー１３１および第２クールチャンバー１４１の２つのクールチャンバーを設け、熱処理部１６０にて加熱処理の終了した半導体ウェハーＷを交互に第１クールチャンバー１３１または第２クールチャンバー１４１に搬送して冷却している。上述した通り、フラッシュランプＦＬによるフラッシュ加熱処理自体は１秒未満の極めて短時間であるものの、加熱処理後の半導体ウェハーＷを外部に搬出可能な温度にまで冷却するのには相当な長時間（概ね数１０秒）を要する。本実施形態では、加熱処理後の半導体ウェハーＷを交互に第１クールチャンバー１３１または第２クールチャンバー１４１に搬送して冷却しているため、個別の半導体ウェハーＷについては十分な冷却時間を確保しつつも、熱処理装置１００全体としてのスループットの低下は抑制することができる。
【０１１５】
また、加熱処理前においても、未処理の半導体ウェハーＷを交互に第１クールチャンバー１３１または第２クールチャンバー１４１に搬送して窒素パージを行っている。このため、冷却時間と同様に、第１クールチャンバー１３１および第２クールチャンバー１４１のそれぞれにおける窒素パージ時間も十分に確保することができる。第１クールチャンバー１３１および第２クールチャンバー１４１の窒素パージ時間が十分に長ければ、それらの雰囲気中の酸素濃度も十分に低下させることができる。その結果、ゲートバルブ１８３，１８４を開放したときの搬送チャンバー１７０の酸素濃度上昇を抑制して最大でも５０ｐｐｍ程度とすることができる。そして、ゲートバルブ１８５を開放して搬送チャンバー１７０から処理チャンバー６に半導体ウェハーＷを搬入するときの気体混入による処理チャンバー６内の酸素濃度上昇を抑制することも可能となり、最大でも１０ｐｐｍ程度とすることができる。
【０１１６】
それに加えて、本実施形態においては、加熱処理時に処理チャンバー６内を大気圧よりも低い気圧Ｐ１に減圧した後にそのまま気圧Ｐ１に維持しているため、高誘電率膜１０３の成膜後熱処理を実行するときの処理チャンバー６内の熱処理空間６５の酸素濃度をさらに低下させて約１００ｐｐｂ以下とすることができる。本実施形態のように、約１００ｋＰａから気圧Ｐ１＝１００Ｐａにまで減圧すれば、加熱処理を実行するときの処理チャンバー６内の酸素濃度を１０ｐｐｂにすることができる。
【０１１７】
既述したように、堆積されたまま特段の処理を受けていない高誘電率膜１０３中には多数の点欠陥等の欠陥が存在しているため、成膜後熱処理によってそのような欠陥を消滅させる必要がある。成膜後熱処理を実行するときに酸素が存在していると、その酸素を取り込んで高誘電率膜１０３の下地のシリコン酸化膜１０２が成長して膜厚が増大し、高い誘電率が得られなくなる。このような膜厚増大の原因として特に問題となるのが処理チャンバー６内に残留している酸素である。このため、高誘電率膜１０３の成膜後熱処理を実行するときの雰囲気中の酸素濃度は可能な限り低減するのが好ましい。
【０１１８】
本実施形態においては、２つのクールチャンバー１３１，１４１を設けて半導体ウェハーＷの搬入時における窒素パージ時間を十分に確保するとともに、処理チャンバー６内を大気圧よりも低い気圧Ｐ１に減圧した後にそのまま気圧Ｐ１に維持し、高誘電率膜１０３の成膜後熱処理を実行するときの処理チャンバー６内の熱処理空間６５の酸素濃度を約１００ｐｐｂ以下にまで低減している。従って、成膜後熱処理中に熱処理空間６５から酸素を取り込んで高誘電率膜１０３の下地のシリコン酸化膜１０２の膜厚が増大するのを抑制することができる。
【０１１９】
むしろ、フラッシュ光照射によって高誘電率膜１０３の成膜後熱処理を実行したときには、焼き締めによって欠陥が消滅して高誘電率膜１０３の膜厚が僅かに減少する傾向も認められる。そして、高誘電率膜１０３の膜厚減少の程度も本実施形態のように低酸素濃度とした方が大きい。一例として、本実施形態の如き技術を用いること無く、処理チャンバー６内を常圧に維持したまま単に大気雰囲気から窒素雰囲気に置換しただけの場合には高誘電率膜１０３の膜厚が０．１３１ｎｍ減少するのに対して、処理チャンバー６内を大気圧よりも低い気圧Ｐ１に減圧した場合には高誘電率膜１０３の膜厚が０．１３５ｎｍ減少する。
【０１２０】
また、第１クールチャンバー１３１および第２クールチャンバー１４１を設けて互いに等価の２通りの搬送経路を設定しているため、いずれか一方の搬送経路のメンテナンス作業が必要となった場合であっても、他方の搬送経路を利用して半導体ウェハーＷの処理を継続することが可能である。
【０１２１】
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、処理チャンバー６内を大気圧よりも低い気圧Ｐ１に減圧してからそのまま気圧Ｐ１に維持していたが、処理チャンバー６内を一旦大気圧よりも低い気圧Ｐ１に減圧した後に処理チャンバー６に窒素ガスを供給して気圧Ｐ１よりも高い圧力に復圧するようにしても良い。復圧後の気圧は大気圧であっても良い。復圧の有無にかかわらず、処理チャンバー６内を一旦大気圧よりも低い気圧Ｐ１に減圧することにより、フラッシュ加熱時の処理チャンバー６内の熱処理空間６５の酸素濃度を上記実施形態と同程度に低減することができる。
【０１２２】
処理チャンバー６内を一旦気圧Ｐ１に減圧した後に窒素ガスを供給して大気圧に復圧してから半導体ウェハーＷのフラッシュ加熱処理を行う場合には、フラッシュランプＦＬからのフラッシュ光照射直後の２秒間窒素ガスを１００リットル／分の流量にて処理チャンバー６内に流すようにしても良い。このようにすれば、フラッシュ光照射により半導体ウェハーＷがサセプター７４上で振動することによって発生したパーティクルを押し流して半導体ウェハーＷに付着するのを防止することができる。
【０１２３】
また、一旦大気圧よりも低い気圧Ｐ１に減圧した処理チャンバー６内を復圧するときに供給する処理ガスは窒素ガスに限定されるものではなく、アンモニアまたは水素ガス等を含む処理ガスであっても良い。この場合、アンモニアまたは水素ガス等を含む雰囲気中にて半導体ウェハーＷのフラッシュ加熱処理が実行されることとなる。
【０１２４】
また、処理チャンバー６内を大気圧よりも低い気圧Ｐ１に減圧することは必ずしも必須の工程ではない。上記実施形態のように、２つのクールチャンバー１３１，１４１に半導体ウェハーＷを交互に搬入して窒素パージ時間を十分に確保するだけでも、加熱処理を実行するときの処理チャンバー６内の酸素濃度を２００ｐｐｂ以下にすることが可能である。なお、搬送チャンバー１７０および処理チャンバー６には常時窒素ガスが供給され続けている。
【０１２５】
また、上記実施形態においては、搬送チャンバー１７０の２つのクールチャンバー１３１，１４１を接続していたが、これに限定されるものではなく、搬送チャンバー１７０に３つ以上のクールチャンバーを接続して設けるようにしても良い。それら３つ以上のクールチャンバーは同一の機能を具備する並行処理部であり、熱処理装置１００には等価な３つ以上の搬送経路が設定されることとなる。ロットを構成する複数の半導体ウェハーＷのそれぞれをいずれの搬送経路にて搬送するかは任意である。例えば、３つ以上のクールチャンバーに対して複数の半導体ウェハーＷを順次に繰り返し搬入するようにすれば良い。未処理の半導体ウェハーＷがいずれかのクールチャンバーに搬入されたときには、上記実施形態と同様に、当該クールチャンバーに窒素ガスを供給し続けて窒素雰囲気に置換する窒素パージを行う。また、その半導体ウェハーＷに対するフラッシュ加熱処理が終了した後には、当該クールチャンバーにその半導体ウェハーＷを搬入して冷却処理を行う。
【０１２６】
このようにしても、上記実施形態と同様に、個別の半導体ウェハーＷについては十分な冷却時間を確保しつつも、熱処理装置１００全体としてのスループットの低下は抑制することができる。また、未処理の半導体ウェハーＷを搬入する際にも、十分な窒素パージ時間を確保して処理チャンバー６内の酸素濃度上昇を抑制することができる。設置するクールチャンバーの数が多いほど冷却時間および窒素パージ時間を長く確保することができるものの、設置チャンバー数が増えて熱処理装置１００のフットプリントも大きくなることとなる。このため、必要な冷却時間および窒素パージ時間とフットプリントとのバランスによって設置するクールチャンバー数を設定するのが好ましい。
【０１２７】
また、上記実施形態においては、３本のバイパスライン１９７，１９８，１９９によって処理チャンバー６からの排気流量を２段階に切り換えていたが、これに代えて、流量調整バルブ１９６によって排気流量を連続的に無段階で調整するようにしても良い。
【０１２８】
また、熱処理装置１００にて処理対象となる半導体ウェハーＷはシリコン酸化膜１０２の上にゲート絶縁膜としての高誘電率膜１０３が形成された半導体ウェハーＷに限定されるものではなく、高誘電率膜１０３の上にさらにメタルゲートを堆積した半導体ウェハーＷであっても良い。メタルゲートの素材としては例えばチタンナイトライド（ＴｉＮ）、チタンアルミ（ＴｉＡｌ）、タングステン（Ｗ）等を用いることができる。或いは、処理対象となる半導体ウェハーＷは、金属膜を成膜してフラッシュ加熱処理によってシリサイドまたはゲルマナイドを形成するものであっても良い。さらには、処理対象となる半導体ウェハーＷは、注入された不純物をフラッシュ加熱処理によって活性化するものであっても良い。
【符号の説明】
【０１２９】
３  制御部
４  ハロゲン加熱部
５  フラッシュ加熱部
６  処理チャンバー
７  保持部
１０  移載機構
６１  チャンバー側部
６３  上側チャンバー窓
６４  下側チャンバー窓
６５  熱処理空間
７４  サセプター
８５  ガス供給源
９０，１９６  流量調整バルブ
１００  熱処理装置
１０１  インデクサ部
１２０  受渡ロボット
１３０，１４０  冷却部
１３１  第１クールチャンバー
１３５，１４５  窒素供給部
１４１  第２クールチャンバー
１５０  搬送ロボット
１６０  熱処理部
１７０  搬送チャンバー
１９０  排気部
１９１  排気ポンプ
１９２，１９３，１９４  排気バルブ
１９７，１９８，１９９  バイパスライン
２３０  アライメント部
２３１  アライメントチャンバー
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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