(57)【要約】【課題】  チャンバー内へ供給されるガスの流速分布を改善し、基板の温度分布の乱れを抑制できる熱処理装置を提供する。【解決手段】  第１緩衝空間８１には、ガス配管８３が接続されている側とは反対側に、ガス配管８５が連通接続されている。ガス配管８５の基端部は窒素ガス供給源８７に接続されている。ガス配管８５の経路途中にはバルブ８６が介挿されている。バルブ８６が開放されると、窒素ガス供給源８５からガス配管８５を介して第１緩衝空間８１に窒素ガスが送給される。第１緩衝空間８１に流入した窒素ガスは、ガス配管８３を介して、第２緩衝空間８２に供給される。第２緩衝空間８２に流入した窒素ガスはスリット状の噴出口８４を通過してチャンバー６内の熱処理空間６に供給される。【選択図】        図２
2011077143.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に対して光を照射することによって基板を加熱する熱処理装置において、
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おいて基板を水平姿勢に保持する保持手段と、
前記保持手段に保持された基板に光を照射する光照射手段と、
前記チャンバー側部の内壁面に装着されている内側側壁とを備え、
前記内側側壁は、
ガス供給源から供給されたガスを整流する第１緩衝空間と、
前記第１緩衝空間よりも内側に形成された第２緩衝空間と、
前記第１緩衝空間と前記第２緩衝空間との間に連通接続されたガス配管と、
前記第２緩衝空間の前記ガス配管が接続されている側とは反対側に接続され、前記チャンバー内にガスを供給する噴出口と、
を有することを特徴とする熱処理装置。
【請求項２】
請求項１に記載の熱処理装置において、
前記内側側壁は、円筒形状であり、
前記噴出口は、全周にわたって前記内側側壁に、スリット状に形成されていることを特徴とする熱処理装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の熱処理装置において、
前記光照射手段は、フラッシュランプを備え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】
この発明は、半導体ウエハやガラス基板等の基板（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基板を加熱する熱処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、イオン注入後の半導体ウエハ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、半導体ウエハを、例えば、摂氏１０００度ないし１１００度程度の温度に加熱（アニール）することにより、半導体ウエハ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、ハロゲンランプに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半導体ウエハを昇温させている。
【０００３】
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エハを昇温するランプアニール装置を使用して、半導体ウエハのイオン活性化を実行した場合においても、半導体ウエハ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。
【０００４】
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エハ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エハ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エハ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エハに閃光を照射したときには、透過光が少なく半導体ウエハ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、半導体ウエハ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。
【０００５】
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１，２，３には、半導体ウエハ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１，２，３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エハ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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−４４１０号公報
【特許文献２】特開２００９−４４２７号公報
【特許文献３】特開２００９−７０９４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
これら従来の熱処理装置では、チャンバー内へのガス（窒素ガス）の導入は、半導体ウエハの周囲に形成された複数の噴出口から噴出する方式が採用されている。この方式では、半導体ウエハの周囲に１６箇所の噴出口を設け、この噴出口から半導体ウエハ表面の全体にガスを供給している。
【０００８】
しかしながら、従来の熱処理装置で実施されてきた方式では、噴出口近傍のガスの流速が速くなり、逆に噴出口のない場所では、ガスは当然噴かないので、半導体ウエハの円周方向のガスの速度分布が大きく異なってくる。このガスの速度分布の違いにより、チャンバー内にあるホットプレート、特にホットプレートの外周部の温度分布が、半導体ウエハの円周方向に大きく乱れるという問題が発生する。特に、ホットプレートが同心円のゾーンに分割されている場合、従来の熱処理装置では、円周方向の温度分布をコントロールできないため、この乱れが顕著になってしまう。そのため、半導体ウエハの外周部に冷却される部分が発生し、結果的に半導体ウエハの温度分布の悪化に繋がる。
【０００９】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、チャンバー内へ供給されるガスの流速分布を改善し、基板の温度分布の乱れを抑制できる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】
【００１０】
上述した課題を解決するために、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基板を加熱する熱処理装置において、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おいて基板を水平姿勢に保持する保持手段と、前記保持手段に保持された基板に光を照射する光照射手段と、前記チャンバー側部の内壁面に装着されている内側側壁とを備え、前記内側側壁が、ガス供給源から供給されたガスを整流する第１緩衝空間と、前記第１緩衝空間よりも内側に形成された第２緩衝空間と、前記第１緩衝空間と前記第２緩衝空間との間に連通接続されたガス配管と、前記第２緩衝空間の前記ガス配管が接続されている側とは反対側に接続され、前記チャンバー内にガスを供給する噴出口と、
を有することを特徴とする。
【００１１】
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、前記内側側壁が、円筒形状であり、前記噴出口が、全周にわたって前記内側側壁に、スリット状に形成されていることを特徴とする。
【００１２】
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、前記光照射手段は、フラッシュランプを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、内側側壁が有している第１緩衝空間及び第２緩衝空間という２つ緩衝空間により、ガスがチャンバー内へ供給される前に２重に整流されるので、基板の円周方向におけるガスの流速分布を向上でき、基板の温度分布の乱れを抑制できるという顕著な効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る熱処理装置の構成を示す断面図である。
【図２】チャンバー６の上部端縁近傍を拡大した図である。
【図３】熱処理装置１への気体供給を示す平面図である。
【図４】窒素ガス供給源８７からの窒素ガス流量と噴出口での流速との関係を示すグラフである。
【図５】窒素ガス供給源８７からの窒素ガス流量と噴出口での流速との関係を示すグラフである。
【図６】半導体ウエハＷの保持位置から見たチャンバー６の平面図である。
【図７】移載機構１０の平面図である。
【図８】移載機構１０の側面図である。
【図９】図１に示す熱処理装置１における半導体ウエハの処理手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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。
【００１６】
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エハＷの表面に閃光（フラッシュ光）を照射し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。
【００１７】
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、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、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エハＷの熱処理を実行させる制御部３を備える。
【００１８】
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。また、チャンバー側部６１の内壁面の一部には内側側壁６２が装着されている。内側側壁６２の内壁面は円筒形状である。すなわち、チャンバー６は上下が開口された円筒状の内壁面を有しており、上下の開口のそれぞれに上側チャンバー窓６３および下側チャンバー窓６４が装着されている。チャンバー６内部において、上側チャンバー窓６３、下側チャンバー窓６４およびチャンバー側部６１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。
【００１９】
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の部材であり、フラッシュ加熱部５の複数のフラッシュランプＦＬから出射された光を熱処理空間６５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の部材であり、ハロゲン加熱部４の複数のハロゲンランプＨＬからの光を熱処理空間６５に透過する石英窓として機能する。
【００２０】
チャンバー側部６１および内側側壁６２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。チャンバー６の内壁のうち内側側壁６２が装着されていない部分はチャンバー側部６１が熱処理空間６５に対して露出して凹部を形成する。半導体ウエハＷは、その凹部の高さ位置に対向して保持される。また、内側側壁６２の内壁面にはニッケルメッキが施されて反射率が高められている。
【００２１】
チャンバー側部６１には、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が形成されている。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、図示しない搬送機構が半導体ウエハＷを保持しつつ搬送開口部６６を介して装置内に、半導体ウエハＷを搬入および搬出する。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が密閉空間になる。なお、搬送開口部６６が形成される部位は、チャンバー側部６１の凹部と同じ高さ位置であり、内側側壁６２は装着されていない。
【００２２】
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は、チャンバー６の上部端縁近傍を拡大した図である。チャンバー６の上部において、チャンバー側部６１及び内側側壁６２との上側には上側チャンバー窓６３が密接して配置されている。なお、上側チャンバー窓６３は円板状であり、内側側壁６２も円環状である。
【００２３】
チャンバー側部６１と内側側壁６２との間に第１緩衝空間８１が形成されており、この第１緩衝空間８１は円環状の空間である。内側側壁６２には、この第１緩衝空間８２よりもさらに内側の位置に、第２緩衝空間８２が形成されており、この第２緩衝空間８２も円環状の空間である。第１緩衝空間８１と第２緩衝空間８２との間には、ガス配管８３が連通接続されており、第１緩衝空間８１からガス配管８３を介して第２緩衝空間８２へ処理ガスが供給される。
【００２４】
第２緩衝空間８２には、ガス配管８３が接続されている側とは反対側に、スリット状の噴出口８４が接続されている。この噴出口８４は、チャンバー側部６１と内側側壁６２の下側との間に円環状に形成されている。
【００２５】
また、第１緩衝空間８１には、ガス配管８３が接続されている側とは反対側に、ガス配管８５が連通接続されている。ガス配管８５の基端部は窒素ガス供給源８７に接続されている（図１参照）。ガス配管８５の経路途中にはバルブ８６が介挿されている。バルブ８６が開放されると、窒素ガス供給源８７からガス配管８５を介して第１緩衝空間８１に窒素ガスが送給される。第１緩衝空間８１に流入した窒素ガスは、ガス配管８３を介して、第２緩衝空間８２に供給される。第２緩衝空間８２に流入した窒素ガスはスリット状の噴出口８４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。
【００２６】
図３は、熱処理空間６５への気体供給を示す平面図である。第１緩衝空間８１からガス配管８３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第１緩衝空間８１の方がガス配管８３よりも大きい。すなわち、第１緩衝空間８１の方がガス配管８３よりも流体抵抗が小さい。このため、図３に示すように、ガス配管８５から第１緩衝空間８１へ流入した窒素ガスの一部は直ちにガス配管８３に流れるものの、大部分はより抵抗の小さい第１緩衝空間８１内を拡がるように流れる。そして、第１緩衝空間８１内に満たされた窒素ガスがガス配管８３を通って第２緩衝空間８２に供給される。
【００２７】
さらに、第２緩衝空間８２からスリット状の噴出口８４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第２緩衝空間８２の方が噴出口８４よりも大きい。すなわち、第２緩衝空間８２の方が噴出口８４よりも流体抵抗が小さい。このため、図３に示すように、ガス配管８３から第２緩衝空間８２へ流入した窒素ガスの一部は直ちに噴出口８４に流れるものの、大部分はより抵抗の小さい第２緩衝空間８２内を拡がるように流れる。そして、第２緩衝空間８２内に満たされた窒素ガスが噴出口８４を通って熱処理空間６５に供給される。このように、第１緩衝空間８１及び第２緩衝空間８２で２重に窒素ガスを整流しているので、スリット状の噴出口８４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。
【００２８】
図４および図５は、窒素ガス供給源８７からの窒素ガス流量と噴出口８４における流速との関係を、本発明と従来技術とを対比して示すグラフである。図４は、窒素ガス流量が２０Ｌ／分の場合、図５は、窒素ガス流量が４０Ｌ／分の場合を示している。
【００２９】
図４及び図５のグラフにおける横軸の数字は、図３に示す１〜１６の測定位置を示し、この１〜１６の測定位置では、噴出口からの窒素ガスの流量値（ｍ／秒）を測定している。図４及び図５に示すように、黒三角で示す従来技術に比べて、黒丸で示す本発明の方が明らかに、噴出口８４の全周から緩やかに均一な流量の窒素ガスが供給されている。その結果、半導体ウエハの円周方向におけるガスの流速分布を向上でき、半導体ウエハの温度分布の乱れを抑制できるという効果がある。
【００３０】
一方、図１に示すように、チャンバー６の底部においては、下側チャンバー窓６４と内側側壁６２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と内側側壁６２の下端面との間に形成される隙間は円環状でかつスリット状の噴出口８８となる。また、チャンバー側部６１と内側側壁６２との間に形成された円環状の緩衝空間８９が噴出口８８と連通している。緩衝空間８９にはガス配管９０が連通接続されている。ガス配管９０の基端部は排気部９２に接続されている。ガス配管９０の経路途中にはバルブ９１が介挿されている。バルブ９１が開放されると、熱処理空間６５の気体が噴出口８８から緩衝空間８９を経てガス配管９０へと排出される。
【００３１】
噴出口８８から緩衝空間８９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８９の方が噴出口８８よりも大きい。すなわち、緩衝空間８９の方が噴出口８８よりも流体抵抗が小さい。このため、円環状の噴出口８８の全周にわたって均一に気体が排気される。なお、第１緩衝空間８１に接続されるガス配管８５及び緩衝空間８９に接続されるガス配管９０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８５，９０を各緩衝空間８１，８９に均等に接続すれば、円環状の噴出口８４，８８からより均一な給排気を行うことができる。
【００３２】
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エハ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８６、ガス配管８５、第１緩衝空間８１、第２緩衝空間８２、ガス配管８３、及びスリット状の噴出口８４を有する給気機構によって、噴出口８４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９１、ガス配管９０および緩衝空間８９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状の噴出口８８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８７および排気部９２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。
【００３３】
また、チャンバー６には、熱処理空間６５の内部において半導体ウエハ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とが設けられている。図６は、半導体ウエハ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を備えている。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がチャンバー側部６１および内側側壁６２によって形成された円環形状の棚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。
【００３４】
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エハＷの周縁部が支持されて半導体ウエハ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エハＷを保持するようにしても良い。
【００３５】
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、概ね半導体ウエハＷの外周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は開閉機構１３によって回動可能とされている。一対の移載アーム１１は開閉機構１３によって図７の実線で示す位置と二点鎖線で示す位置との間で開閉する。
【００３６】
また、一対の移載アーム１１は、昇降機構１４によって開閉機構１３とともに昇降移動される。一対の移載アーム１１が閉じて上昇すると、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、一対の移載アーム１１が下降して開くと、サセプタ７０のリング部７１の直上に待避する。移載アーム１１の待避位置はチャンバー６の内壁凹部の内側となる。
【００３７】
図６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（開閉機構１３および昇降機構１４）が設けられている部位には、排気管９５が連通接続されている。排気管９５は排気部９２に接続されている。排気管９５の経路途中にはバルブ９６が介挿されている。バルブ９６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９３が接続されている。排気管９３はバルブ９４を介して排気部９０に接続されている。バルブ９４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。
【００３８】
以上のように、本実施形態の熱処理装置１は、チャンバー６内に処理ガスを供給する１系統の給気機構に対してチャンバー６内の気体を排気する３系統の排気機構を備えている。なお、本実施形態では３系統の排気機構の排気部９２を共通のものとしていたが、これを別個のものとしてもよい。
【００３９】
また、図６に示すように、熱処理装置１は、半導体ウエハ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エハＷの裏面に接触し、別置のディテクタによって半導体ウエハ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エハ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エハ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の内壁凹部に設置されている。
【００４０】
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エハ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エハ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エハＷの斜め下方から放射光を受光してウエハ温度を測温するのに対して、プローブ４９は半導体ウエハＷの直下から放射光を受光して測温する。但し、半導体ウエハ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を備えて半導体ウエハＷの温度を確実に測温する。
【００４１】
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。
【００４２】
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エハ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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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エハ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エハ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配設密度が高くなっている。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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による半導体ウエハＷの測温は可能とされている。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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簡単に説明する。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９は、熱処理装置１における半導体ウエハ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エハ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。
【００５３】
まず、給気のためのバルブ８６が開放されるとともに、排気用のバルブ９１，９４，９６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８６が開放されると、円環状かつスリット状の噴出口８４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９１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円環状の噴出口８８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、図１の矢印ＡＲ１にて示すように、チャンバー６内へ供給された窒素ガスが保持部７に保持された半導体ウエハ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、半導体ウエハ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。
【００５４】
また、バルブ９４，９６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へ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、その供給量は図９の処理ステップに応じて適宜変更される。
【００５５】
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（ステップＳ２）。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が図７の実線で示すように閉じた状態で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半導体ウエハＷを受け取る。
【００５６】
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は図７の二点鎖線で示すように開いて、チャンバー６の内壁凹部に待避する。
【００５７】
半導体ウエハ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が予備加熱されて温度が上昇する。
【００５８】
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エハ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、半導体ウエハ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、半導体ウエハ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エハ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エハ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、移載機構１０の移載アーム１１は、チャンバー６の内壁凹部に待避しているため、ハロゲンランプＨＬによる均一な予備加熱の障害となることは無い。
【００５９】
予備加熱を行うときには、半導体ウエハ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が半導体ウエハ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が半導体ウエハ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によって半導体ウエハ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）。
【００６０】
本実施の形態においては、予備加熱温度Ｔ１は摂氏８００度とされる。そして、半導体ウエハ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から半導体ウエハ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エハ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、半導体ウエハＷの表面温度を短時間で上昇することができる。
【００６１】
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ミリセカンドないし１０ミリセカンド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エハＷの表面温度は、瞬間的に摂氏１０００度ないし１１００度程度の処理温度Ｔ２まで上昇し、半導体ウエハ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、半導体ウエハ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、半導体ウエハ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。
【００６２】
また、本実施形態の熱処理装置１は、ハロゲンランプＨＬによって半導体ウエハＷを予備加熱温度Ｔ１（摂氏８００度）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。半導体ウエハＷの温度が摂氏６００度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エハＷを摂氏８００度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、半導体ウエハ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、半導体ウエハ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エハＷに与える熱的衝撃を緩和することができる。
【００６３】
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、半導体ウエハ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、これが半導体ウエハ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、半導体ウエハＷの降温速度を高めることができる。
【００６４】
半導体ウエハＷの降温段階においても、３つのプローブ４９，７８，７９によって半導体ウエハ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。
【００６５】
その後、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が再び閉じた状態で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エハ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エハ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における半導体ウエハＷのフラッシュ加熱処理が完了する。
【００６６】
本実施形態の熱処理装置１は、チャンバー６の上方にフラッシュ加熱部５を配置するとともに、下方にハロゲン加熱部４を配置し、半導体ウエハＷの両面から光照射による加熱を行う構造を有している。このため、チャンバー６は、保持部７に保持される半導体ウエハＷの上面側に光を透過する上側チャンバー窓６３を設けるとともに、下面側に下側チャンバー窓６４を設けており、半導体ウエハＷの上下に空間が形成されている。
【００６７】
本実施形態の熱処理装置１は、円環状かつスリット状の噴出口８４の全周から熱処理空間６５に窒素ガスを供給するとともに、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噴出口８８の全周からチャンバー６内の気体を排気している。このため、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流れて熱処理空間６５の最下部から排気されるような気流が形成される。その結果、熱処理空間６５の全体に窒素ガスの気流が流れることとなり、チャンバー６内の滞留部が解消されてパーティクルが確実かつ速やかに排出されることとなる。従って、チャンバー６内に残留するパーティクルはほとんど無く、処理対象となっている半導体ウエハＷへのパーティクル付着を防止することができる。また、例えば、チャンバー６内のメンテナンスを行った場合にも、メンテナンス後にチャンバー６内に窒素ガスをパージすることによって迅速にパーティクル数を低下させることができる。
【００６８】
特に、熱処理装置１は、流体抵抗の小さな第２緩衝空間８２を介してスリット状の噴出口８４から窒素ガスを供給するとともに、緩衝空間８９を介してスリット状の噴出口８８からチャンバー６内の気体を排気している。このため、環状のスリット状の噴出口８４の全周から均一に窒素ガスを供給してスリット状の噴出口８８の全周から均一に排気を行うことができ、より確実にチャンバー６内の滞留部を解消することができる。
【００６９】
また、チャンバー６の形状の特性上、搬送開口部６６は滞留部となりやすく、かつゲートバルブ１８５が開いているときには外部からパーティクルが進入しやすい。このため、熱処理装置１は、搬送開口部６６に専用の排気機構を設けており、搬送開口部６６が滞留部となるのを防止するとともに、外部から進入したパーティクルをも確実に排出するようにしている。
【００７０】
さらに、移載機構１０の駆動部（開閉機構１３および昇降機構１４）はパーティクルの発生源となる可能性があるが、熱処理装置１は移載機構１０の駆動部に専用の排気機構を設けている。よって、移載機構１０の駆動部からパーティクルが発生したとしても、それを確実にチャンバー６から排出することができる。
【００７１】
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、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エハＷは摂氏数百度から１０００度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。
【００７２】
また、上記実施形態においては、半導体ウエハ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、半導体ウエハ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エハ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よい。
【００７３】
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よい。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。
【００７４】
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エハ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。
【００７５】
また、上記実施形態においては、半導体ウエハ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エハ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よい。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。
【００７６】
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。
【００７７】
さらに、上記実施形態においては、複数のハロゲンランプＨＬによりチャンバー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たが。半導体ウエハＷの下面にホットプレートを配置して、半導体ウエハＷを加熱するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００７８】
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  開閉機構
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  内側側壁
６５  熱処理空間
７０  サセプタ
７５  均熱リング
８１  第１緩衝空間
８２  第２緩衝空間
８３  ガス配管
８４  噴出口
８６  バルブ
ＦＬ  フラッシュランプ
Ｗ  半導体ウエハ
【図１】
2011077143.tif 000003
【図２】
2011077143.tif 000004
【図３】
2011077143.tif 000005
【図４】
2011077143.tif 000006
【図５】
2011077143.tif 000007
【図６】
2011077143.tif 000008
【図７】
2011077143.tif 000009
【図８】
2011077143.tif 000010
【図９】
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