(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に光を照射することにより基板を熱処理する熱処理装置において、
基板を収納する熱処理室と、
基板を予備加熱するアシスト加熱手段と、
基板に対して閃光を照射することにより、前記アシスト加熱手段で予備加熱された基板を処理温度まで昇温させるフラッシュ加熱手段と、
前記フラッシュ加熱手段による基板の昇温時に前記熱処理室内を減圧する減圧手段と、
を備え、
前記アシスト加熱手段は、前記熱処理室に搬入された基板より下方に離隔した搬入・搬出位置と、基板の下面に当接して基板を支持する前記搬入・搬出位置より上方の熱処理位置との間を昇降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、
前記アシスト加熱手段は基板を摂氏２００度乃至摂氏６００度の温度に予備加熱する熱処理装置。
【請求項３】
請求項１に記載の熱処理装置において、
前記フラッシュ加熱手段は基板を摂氏１０００度乃至摂氏１１００度まで昇温させる熱処理装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３いずれかに記載の熱処理装置において、
前記フラッシュ加熱手段は、０．１ミリセカンド乃至１０ミリセカンドの間に基板を処理温度まで昇温させる熱処理装置。
【請求項５】
請求項１に記載の熱処理装置において、
前記減圧手段は前記熱処理室内を１／１０気圧乃至１／１０００気圧まで減圧する熱処理装置。
【請求項６】
基板に光を照射することにより基板を熱処理する熱処理方法において、
基板を熱処理室内に搬入する基板搬入工程と、
前記熱処理室内に搬入された基板と熱源とを接触させて予備加熱する予備加熱工程と、
前記予備加熱工程と並行して前記熱処理室内を減圧する減圧工程と、
前記熱処理室内の基板があらかじめ設定した予備加熱温度まで昇温した後に、基板に対して閃光を照射することにより、予備加熱された基板を処理温度まで昇温させるフラッシュ加熱工程と、
前記熱処理室内を大気解放する大気解放工程と、
前記熱処理室内から基板を搬出する基板搬出工程と、
を備えたことを特徴とする熱処理方法。
【請求項７】
請求項６に記載の熱処理方法において、
前記フラッシュ加熱工程においては、前記熱処理室内の基板があらかじめ設定した予備加熱温度まで昇温した直後に、基板に対して閃光を照射することにより、予備加熱された基板を処理温度まで昇温させる熱処理方法。
【請求項８】
請求項７に記載の熱処理方法において、
前記予備加熱工程においては、基板を摂氏２００度乃至摂氏６００度の温度に予備加熱する熱処理方法。
【請求項９】
請求項７に記載の熱処理方法において、
前記フラッシュ加熱工程においては、基板を摂氏１０００度乃至摂氏１１００度まで昇温させる熱処理方法。
【請求項１０】
請求項７乃至請求項９いずれかに記載の熱処理方法において、
前記フラッシュ加熱工程においては、０．１ミリセカンド乃至１０ミリセカンドの間に基板を処理温度まで昇温させる熱処理方法。
【請求項１１】
請求項６または請求項７に記載の熱処理方法において、
前記減圧工程においては、前記熱処理室内を１／１０気圧乃至１／１０００気圧まで減圧する熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体ウエハー等の基板に光を照射することにより基板を熱処理する熱処理装置および熱処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
イオン注入後の半導体ウエハー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等の熱処理装置が使用される。このような熱処理装置においては、半導体ウエハーを、例えば、摂氏１０００度乃至摂氏１１００度程度の温度に加熱することにより、半導体ウエハー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基板を降温する構成となっている。
【０００３】
しかしながら、毎秒数百度程度の速度で基板を昇温する熱処理装置を使用して半導体ウエハーのイオン活性化を実行した場合においても、半導体ウエハーに打ち込まれたイオンのプロファイルがなまる、すなわち、イオンが拡散してしまう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、半導体ウエハーの表面にイオンを高濃度で注入しても、注入後のイオンが拡散してしまうことから、イオンを必要以上に注入する必要が生ずるという問題が生ずる。
【０００４】
上述した問題を解決するするため、キセノンフラッシュランプ等を使用して半導体ウエハー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ーの表面のみを極めて短時間に昇温させることが考えられる。しかしながら、キセノンフラッシュランプを使用して半導体ウエハーの表面を昇温させる構成を採用した場合、半導体ウエハーの表面を極めて短時間に昇温させることが可能ではあるが、その昇温温度は５００度程度であり、半導体ウエハーをイオン活性化に必要な摂氏１０００度乃至摂氏１１００度程度の温度まで加熱することは不可能である。
【０００５】
一方、特開２００１−２３７１９５号においては、このような問題に対応するため、キセノンフラッシュランプにより基板を加熱するに先立って、予備加熱手段により基板を予備加熱する熱処理装置が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような熱処理装置においては、キセノンフラッシュランプにより閃光を照射した際に、半導体ウエハーを収納した熱処理室内の気体が反応を起こす場合がある。例えば、気体中に酸素が存在した場合、この酸素から瞬間的にオゾンが生成され、一瞬にして熱処理室内の圧力が低下する。このような急激な圧力の低下が生じた場合には、比較的大きな音、すなわち、振動が発生する。そして、このような振動が発生した場合には、この振動により熱処理室内のパーティクルが拡散することになり、このパーティクルが熱処理中の半導体ウエハーに付着するという問題が生ずる。また、極端な場合には、この振動が半導体ウエハーを移動させる場合もある。
【０００７】
また、熱処理室中に気体が存在した場合には、熱処理室内で対流が発生する。このため、予備加熱手段による予備加熱時およびキセノンフラッシュランプによるフラッシュ加熱時に、半導体ウエハーの全面を均一に加熱することが困難となっている。
【０００８】
さらに、上述した熱処理装置においては、熱処理室を密閉し、あるいは高温に保つために数多くの材料を使用するが、熱処理室内に酸素が存在した場合には、キセノンフラッシュランプによるフラッシュ加熱時にこれらの材料が酸化し、熱処理室の寿命を短縮するという問題を生ずる。また、熱処理室内の気体に有機物が含まれていた場合には、それが黒化して熱処理室を構成する透光板に付着することにより、熱処理装置の寿命を低下させるという問題も発生する。
【０００９】
この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、半導体ウエハーを均一に、かつ、清浄に処理することができ、また、装置の寿命を低下させることのない熱処理装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、基板に光を照射することにより基板を熱処理する熱処理装置において、基板を収納する熱処理室と、基板を予備加熱するアシスト加熱手段と、基板に対して閃光を照射することにより、前記アシスト加熱手段で予備加熱された基板を処理温度まで昇温させるフラッシュ加熱手段と、前記フラッシュ加熱手段による基板の昇温時に前記熱処理室内を減圧する減圧手段と、を備え、前記アシスト加熱手段は、前記熱処理室に搬入された基板より下方に離隔した搬入・搬出位置と、基板の下面に当接して基板を支持する前記搬入・搬出位置より上方の熱処理位置との間を昇降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に記載の発明において、前記アシスト加熱手段は基板を摂氏２００度乃至摂氏６００度の温度に予備加熱する。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記フラッシュ加熱手段は基板を摂氏１０００度乃至摂氏１１００度まで昇温させる。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至請求項３いずれかに記載の発明において、前記フラッシュ加熱手段は、０．１ミリセカンド乃至１０ミリセカンドの間に基板を処理温度まで昇温させる。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記減圧手段は前記熱処理室内を１／１０気圧乃至１／１０００気圧まで減圧する。
【００１５】
請求項６に記載の発明は、基板に光を照射することにより基板を熱処理する熱処理方法において、基板を熱処理室内に搬入する基板搬入工程と、前記熱処理室内に搬入された基板と熱源とを接触させて予備加熱する予備加熱工程と、前記予備加熱工程と並行して前記熱処理室内を減圧する減圧工程と、前記熱処理室内の基板があらかじめ設定した予備加熱温度まで昇温した後に、基板に対して閃光を照射することにより、予備加熱された基板を処理温度まで昇温させるフラッシュ加熱工程と、前記熱処理室内を大気解放する大気解放工程と、前記熱処理室内から基板を搬出する基板搬出工程とを備えたことを特徴とする。
【００１６】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、前記フラッシュ加熱工程においては、前記熱処理室内の基板があらかじめ設定した予備加熱温度まで昇温した直後に、基板に対して閃光を照射することにより、予備加熱された基板を処理温度まで昇温させる。
【００１７】
請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の発明において、前記予備加熱工程においては、基板を摂氏２００度乃至摂氏６００度の温度に予備加熱する。
【００１８】
請求項９に記載の発明は、請求項７に記載の発明において、前記フラッシュ加熱工程においては、基板を摂氏１０００度乃至摂氏１１００度まで昇温させる。
【００１９】
請求項１０に記載の発明は、請求項７乃至請求項９いずれかに記載の発明において、前記フラッシュ加熱工程においては、０．１ミリセカンド乃至１０ミリセカンドの間に基板を処理温度まで昇温させる。
【００２０】
請求項１１に記載の発明は、請求項６または請求項７に記載の発明において、前記減圧工程においては、前記熱処理室内を１／１０気圧乃至１／１０００気圧まで減圧する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１および図２はこの発明に係る熱処理装置の側断面図であり、図３はその平面概要図である。
【００２２】
この熱処理装置は、透光板６１、底板６２および一対の側板６３、６４からなり、その内部に半導体ウエハーＷを収納して熱処理するための熱処理室６５を備える。熱処理室６５を構成する透光板６１は、例えば、石英等の赤外線透過性を有する材料から構成されている。また、熱処理室６５を構成する底板６２には、後述する熱拡散板７３および加熱プレート７４を貫通して半導体ウエハーＷをその下面から支持するための支持ピン７０が立設されている。
【００２３】
また、熱処理室６５を構成する側板６４には、半導体ウエハーＷの搬入および搬出を行うための開口部６６が形成されている。開口部６６は、軸６７を中心に回動するゲートバルブ６８により開閉可能となっている。半導体ウエハＷは、開口部６６が解放された状態で、図示しない搬送ロボットにより熱処理室６５内に搬入される。
【００２４】
熱処理室６５の上方には、棒状のキセノンフラッシュランプ６９が互いに平行に複数個（この実施形態においては２１個）列設されている。また、キセノンフラッシュランプ６９の上方には、リフレクタ７１が配設されている。
【００２５】
このキセノンフラッシュランプ６９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ガラス管と、このガラス管の外周部に巻回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、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加え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。このキセノンフラッシュランプ６９においては、予め蓄えられていた静電エネルギーが０．１ミリセカンド乃至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、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。
【００２６】
キセノンフラッシュランプ６９と透光板６１との間には、光拡散板７２が配設されている。この光拡散板７２は、赤外線透過材料としての石英ガラスの表面に光拡散加工を施したものが使用される。
【００２７】
熱処理室６５内には、熱拡散板７３と加熱プレート７４とがこの順で配設されている。また、熱拡散板７３の表面には、半導体ウエハーＷの位置ずれ防止ピン７５が付設されている。
【００２８】
加熱プレート７４は、半導体ウエハーＷを予備加熱するためのものである。この加熱プレート７４は、窒化アルミニウムから構成され、その内部にヒータとこのヒータを制御するためのセンサとを収納した構成を有する。一方、熱拡散板７３は、加熱プレート７４からの熱エネルギーを拡散して半導体ウエハーＷを均一に加熱するためのものである。この熱拡散板７３の材質としては、サファイヤ（酸化アルミニュウム）や石英等の比較的熱伝導率が小さいものが採用される。
【００２９】
熱拡散板７３および加熱プレート７４は、エアシリンダ７６の駆動により、図１に示す半導体ウエハーＷの搬入・搬出位置と図２に示す半導体ウエハーＷの熱処理位置との間を昇降する構成となっている。
【００３０】
図１に示す半導体ウエハーＷの搬入・搬出位置は、図示しない搬送ロボットを使用して開口部６６から搬入した半導体ウエハーＷを支持ピン７０上に載置し、あるいは、支持ピン７０上に載置された半導体ウエハーＷを開口部から搬出するため、熱拡散板７３および加熱プレート７４が下降した位置である。この状態においては、支持ピン７０の上端は、熱拡散板７３および加熱プレート７４に形成された貫通孔を通過し、熱拡散板７３の表面より上方に配置される。なお、図１においては、説明の便宜上、本来側面図では図示されない熱拡散板７３および加熱プレート７４の貫通孔を図示している。
【００３１】
図２に示す半導体ウエハーＷの熱処理位置は、半導体ウエハーＷに対して熱処理を行うため、熱拡散板７３および加熱プレート７４が支持ピン７０の上端より上方に上昇した位置である。この状態においては、半導体ウエハーＷはその下面を熱拡散板７３の表面に支持されて上昇し、透光板６１に近接した位置に配置される。
【００３２】
なお、加熱プレート７４を支持する支持部材８０と熱処理室６５の底板６２との間には、熱拡散板７３および加熱プレート７４が半導体ウエハーＷの搬入・搬出位置と熱処理位置との間を昇降する際に発生するパーティクルが半導体ウエハーＷに付着することを防止するための蛇腹７７が配設されている。
【００３３】
熱処理室６５における開口部６６と逆側の側板６３には、導入路７８が形成されている。この導入路７８は、後述する大気解放時に空気を導入するためのものである。なお、空気を導入する代わりに、窒素ガス等を導入するようにしてもよい。
【００３４】
一方、熱処理室６５における底板６２には、排出路７９が形成されている。この排出路７９は、開閉弁８１を介して真空ポンプ等の減圧機構と接続されている。この排出路７９、開閉弁８１および図示しない減圧機構は、この発明に係る減圧手段を構成する。
【００３５】
次に、この発明に係る熱処理装置による半導体ウエハーＷの熱処理動作について説明する。図４はこの発明に係る熱処理装置による半導体ウエハーＷの熱処理動作を示すフローチャートであり、図５はそのときの半導体ウエハーＷの温度の推移等を示すグラフである。
【００３６】
この熱処理装置においては、熱拡散板７３および加熱プレート７４が図１に示す半導体ウエハーＷの搬入・搬出位置に配置された状態で、図示しない搬送ロボットにより開口部６６を介して半導体ウエハーＷが搬入され、支持ピン７０上に載置される。半導体ウエハーＷの搬入が完了すれば、開口部６６がゲートバルブ６８により閉鎖される（ステップＳ１）。しかる後、熱拡散板７３および加熱プレート７４がエアシリンダ７６の駆動により図２に示す半導体ウエハーＷの熱処理位置まで上昇する。
【００３７】
熱拡散板７３および加熱プレート７４は、加熱プレート７４に内蔵されたヒータの作用により、予め加熱されている。このため、熱拡散板７３および加熱プレート７４が図２に示す半導体ウエハーＷの熱処理位置まで上昇した状態においては、半導体ウエハーＷが加熱状態にある熱拡散板７３と接触することにより予備加熱され、図５に示すように、半導体ウエハーＷの温度が順次上昇する（ステップＳ２）。
【００３８】
この予備加熱工程と並行して、熱処理室６５内を減圧する（ステップＳ３）。すなわち、開閉弁８１を解放して導入路７８を図示しない減圧機構と接続することにより、熱処理室６５内を排気して減圧する。このときには、後述する諸効果を効果的に奏せしめるため、熱処理室６５内を１／１０気圧乃至１／１０００気圧まで減圧することが好ましい。
【００３９】
この状態においては、半導体ウエハーＷは熱拡散板７３を介して継続して加熱される。そして、半導体ウエハーＷの温度上昇時には、図示しない温度センサにより、半導体ウエハーＷの表面温度が予備加熱温度Ｔ１に到達したか否かを常に監視する（ステップＳ４）。
【００４０】
なお、この予備加熱温度Ｔ１は、摂氏２００度乃至摂氏６００度程度の温度である。半導体ウエハーＷをこの程度の予備加熱温度Ｔ１まで加熱したとしても、半導体ウエハーＷに打ち込まれたイオンに変化はなく、イオンが拡散してしまうことはない。
【００４１】
そして、半導体ウエハーＷの表面温度が図５に示す予備加熱温度Ｔ１となった直後に、キセノンフラッシュランプ６９を点灯してフラッシュ加熱を行う（ステップＳ５）。このフラッシュ加熱工程におけるキセノンフラッシュランプ６９の点灯時間は、０．１ミリセカンド乃至１０ミリセカンド程度の時間である。このように、キセノンフラッシュランプ６９においては、予め蓄えられていた静電エネルギーがこのように極めて短い光パルスに変換されることから、極めて強い閃光が照射されることになる。
【００４２】
この状態においては、半導体ウエハーＷの表面温度は、図５に示す温度Ｔ２となる。この温度Ｔ２は、摂氏１０００度乃至摂氏１１００度程度の半導体ウエハーＷの処理に必要な温度である。半導体ウエハーＷの表面がこのような処理温度Ｔ２にまで昇温された場合においては、半導体ウエハーＷ中のイオンが活性化される。
【００４３】
このとき、半導体ウエハーＷの表面温度が０．１ミリセカンド乃至１０ミリセカンド程度の極めて短い時間で処理温度Ｔ２まで昇温されることから、半導体ウエハーＷ中のイオンの活性化は短時間で完了する。従って、半導体ウエハーＷに打ち込まれたイオンが拡散することはなく、半導体ウエハーＷに打ち込まれたイオンのプロファイルがなまるという現象の発生を防止することが可能となる。
【００４４】
また、キセノンフラッシュランプ６９を点灯して半導体ウエハーＷを加熱する前に、加熱プレート７４を使用して半導体ウエハーＷの表面温度を摂氏２００度乃至摂氏６００度程度の予備加熱温度Ｔ１まで加熱していることから、キセノンフラッシュランプ６９により半導体ウエハーＷを摂氏１０００度乃至摂氏１１００度程度の処理温度Ｔ２まで速やかに昇温させることが可能となる。
【００４５】
また、上述したフラッシュ加熱工程は、減圧下で実行される。このため、従来のように熱処理室６５内で気体が反応してパーティクルを拡散させたり半導体ウエハーＷを移動させたりすることはない。
【００４６】
同様に、熱処理室６５を減圧することにより、熱処理室２５内で対流が発生することはなく、予備加熱工程およびフラッシュ加熱工程において、半導体ウエハーＷの全面を均一に加熱することが可能となる。
【００４７】
さらには、熱処理室６５内を減圧することにより、熱処理室６５内から酸素や有機物を排除することが可能となる。このため、熱処理室６５を構成する材料の酸化や有機物の黒化に起因する熱処理装置の寿命の低下を防止することが可能となる。
【００４８】
フラッシュ加熱工程が終了すれば、開閉弁８１を閉止するとともに導入路７８から空気を導入することにより、熱処理室６５を大気解放する（ステップＳ６）。また、加熱プレート７４を利用しての半導体ウエハーＷの加熱を停止する（ステップＳ７）。
【００４９】
なお、半導体ウエハーＷの表面温度が予備加熱温度Ｔ１となった直後にフラッシュ加熱を行うとともに、フラッシュ加熱工程完了後に熱処理室６５内を大気解放するのは、次のような理由による。
【００５０】
すなわち、この発明に係る熱処理装置においては、加熱プレート７４を減圧された熱処理室６５内に設置していることから、加熱プレート７４を降温することが困難となり、加熱プレート７４を所望の温度に維持することが難しくなる。このような問題に対応するため、ペルチェ素子等の降温手段を使用した場合には、半導体ウエハーＷに対する温度の均一性が低下する。
【００５１】
このため、この発明に係る熱処理装置においては、半導体ウエハーＷの表面温度が予備加熱温度Ｔ１となった直後にフラッシュ加熱を行うことにより、フラッシュ加熱が、半導体ウエハーＷが予備加熱温度Ｔ１より高い温度となった時点で実行されることを防止するとともに、フラッシュ加熱工程完了後に熱処理室６５内を大気解放することにより熱処理室６５内を降温している。これにより、図５に示すように、半導体ウエハーＷの温度は、予備加熱温度Ｔ１に対して若干のオーバーシュートＨを生じた後、速やかに低下する。
【００５２】
熱処理室６５の大気解放が完了すれば、熱拡散板７３および加熱プレート７４がエアシリンダ７６の駆動により図１に示す半導体ウエハーＷの熱処理位置まで下降するとともに、ゲートバルブ６８により閉鎖されていた開口部６６が解放される。そして、支持ピン７０上に載置された半導体ウエハーＷが図示しない搬送ロボットにより搬出される（ステップＳ８）。
【００５３】
なお、上述した実施形態においては、予備加熱手段として加熱プレート７４を使用しているが、予備加熱手段としてハロゲンランプ等のランプを使用してもよい。
【００５４】
【発明の効果】
請求項１乃至請求項１１に記載の発明によれば、熱処理室内を減圧した状態でフラッシュ加熱を行うことから、熱処理室内で気体が反応してパーティクルを拡散させたり半導体ウエハーを移動させたりすることはない。また、熱処理室を減圧することにより、熱処理室内で対流が発生することはなく、半導体ウエハーの全面を均一に加熱することが可能となる。さらには、熱処理室内を減圧することにより、熱処理室を構成する材料の酸化や有機物の黒化に起因する熱処理装置の寿命の低下を防止することが可能となる。
【００５５】
また、特に、請求項７に記載の発明によれば、熱処理室内の基板があらかじめ設定した予備加熱温度まで昇温した直後にフラッシュ加熱を行うことから、熱処理室を減圧した状態においても、予備加熱温度となった状態でフラッシュ加熱行程を実行することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る熱処理装置の側断面図である。
【図２】この発明に係る熱処理装置の側断面図である。
【図３】この発明に係る熱処理装置の平面概要図である。
【図４】この発明に係る熱処理装置による半導体ウエハーＷの熱処理動作を示すフローチャートである。
【図５】半導体ウエハーＷの温度の推移等を示すグラフである。
【符号の説明】
６１      透光板
６２      底板
６３      側板
６４      側板
６５      熱処理室
６６      開口部
６８      ゲートバルブ
６９      キセノンフラッシュランプ
７０      支持ピン
７２      光拡散板
７３      熱拡散板
７４      加熱プレート
７５      位置ずれ防止ピン
７６      エアシリンダ
７７      蛇腹
７８      導入路
８０      排出路
８１      開閉弁
Ｈ        オーバーシュート
Ｔ１      予備加熱温度
Ｔ２      処理温度
Ｗ        半導体ウエハー
【図１】
0003798674.tif 000002
【図２】
0003798674.tif 000003
【図３】
0003798674.tif 000004
【図４】
0003798674.tif 000005
【図５】
0003798674.tif 000006