CN106158605A - 热处理方法以及热处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够防止基板的周缘部的相对的温度下降的热处理方法以及热处理装置。向半导体晶片照射闪光的多个闪光灯(FL)呈平面状排列。将多个闪光灯(FL)的排列分割成包含与成为处理对象的半导体晶片的中央部相向的区域的中央区(Z1)和位于中央区(Z1)的外侧的周缘区(Z2)这2个区。在闪光照射时，相比属于中央区(Z1)的闪光灯(FL)的发光时间，属于周缘区Z2的闪光灯FL的发光时间长。由此，向容易产生相对的温度下降的半导体晶片(W)的周缘部照射的闪光的光量比中央部多，能够防止在闪光加热时的半导体晶片的周缘部的相对的温度下降。

Description

热处理方法以及热处理装置
技术领域
本发明涉及通过向半导体晶片等的薄板状精密电子基板(以下仅称为“基板”)照射闪光来对该基板进行加热的热处理方法以及热处理装置。
背景技术
在半导体器件的制造工艺中，导入杂质是用于在半导体晶片内形成pn结的必需的工序。当前，导入杂质一般通过离子注入法和之后的退火法来实现。离子注入法是如下技术，使硼(B)、砷(As)、磷(P)这样的杂质元素离子化，并利用高加速电压使离子与半导体晶片碰撞来在物理上进行杂质注入。所注入的杂质通过退火处理实现活性化。此时，当退火时间在数秒左右以上时，所注入的杂质因热而扩散得深，其结果，接合深度与要求的深度相比过深，可能对形成良好的器件造成障碍。
因此，作为在极短时间内对半导体晶片进行加热的退火技术，近年来，闪光灯退火(FLA)引人关注。闪光灯退火是如下的热处理技术，即，使用氙气闪光灯(以下在仅记为“闪光灯”时，是指氙气闪光灯)向半导体晶片的表面照射闪光，由此在极短时间内(几毫秒以下)仅使注入了杂质的半导体晶片的表面升温。
氙气闪光灯的辐射光谱分布从紫外区域至近红外区域，波长比以往的卤素灯的波长短，并与硅的半导体晶片的基本吸收带几乎一致。因而，在从氙气闪光灯向半导体晶片照射了闪光时，透射光至少能够使半导体晶片急速升温。另外还可知，如果在数毫秒以下的极短的时间内照射闪光，则能够有选择地仅使半导体晶片表面附近升温。因此，如果利用氙气闪光灯在极短时间内升温，则能够在不使杂质扩散得深的情况下，仅执行杂质活性化。
作为使用这样的氙气闪光灯的热处理装置，在专利文献1、2中公开了如下热处理装置，即，在半导体晶片的表面侧配置闪光灯等脉冲发光灯，在背面侧配置卤素灯等连续点亮灯，通过它们的组合来进行所希望的热处理。在专利文献1、2公开的热处理装置中，通过卤素灯等将半导体晶片预备加热至某种程度的温度，之后利用来自闪光灯的脉冲加热使半导体晶片升温到所希望的处理温度。
专利文献1：日本特开昭60-258928号公报
专利文献2：日本特表2005-527972号公报
在利用专利文献1、2公开的卤素灯进行预备加热的情况下，虽然能够得到在短时间内使半导体晶片升温到比较高的预备加热温度这样的工艺上的优点，但是容易产生晶片周缘部的温度比中心部相对于低的问题。作为产生这样的温度分布不均匀的原因，考虑有来自半导体晶片的周缘部的热辐射、或从半导体晶片的周缘部向温度比较低的石英基座的热传导等。
当在预备加热阶段的半导体晶片的面内温度分布不均匀的状态下，从闪光灯照射闪光时，在照射闪光时的半导体晶片的表面到达温度的面内温度分布也变得不均匀。其结果，在杂质的活性化的程度上也产生偏差，薄层电阻值也变得不均匀。
发明内容
本发明是鉴于上述问题而提出的，其目的在于提供一种能够防止基板的周缘部的相对的温度下降的热处理方法以及热处理装置。
为了解决上述问题，技术方案1为一种热处理方法，通过从呈平面状排列的多个闪光灯向基板照射闪光来对该基板进行加热，其特征在于，
包括：
预备加热工序，从卤素灯向所述基板照射光来进行预备加热，
闪光加热工序，从所述多个闪光灯向所述基板照射闪光；
在所述闪光加热工序中，相比所述多个闪光灯的排列中的第一区的闪光照射时间，位于所述第一区的外侧的第二区的闪光照射时间长，该第一区包含与在腔室内保持的基板的中央部相向的区域。
另外，技术方案2的发明在技术方案1的发明的热处理方法的基础上，其特征在于，所述第一区的闪光照射和所述第二区的闪光照射同时开始。
另外，技术方案3的发明在技术方案1的发明的热处理方法的基础上，其特征在于，所述第一区的闪光照射和所述第二区的闪光照射同时结束。
另外，技术方案4的发明在技术方案1至3中任一发明的热处理方法的基础上，其特征在于，属于所述第二区的闪光灯的放电电压，高于属于所述第一区的闪光灯的放电电压。
另外，技术方案5的发明在技术方案1至4中任一发明的热处理方法的基础上，其特征在于，通过利用IGBT对在所述多个闪光灯分别流经的电流进行通断控制，来规定所述第一区以及所述第二区的闪光照射时间。
另外，技术方案6为一种热处理装置，通过向基板照射闪光来对该基板进行加热，其特征在于，
具有：
腔室，容纳基板，
保持部，在所述腔室内保持基板，
多个闪光灯，呈平面状排列，
照射时间控制部，规定所述多个闪光灯的闪光照射时间；
所述照射时间控制部以如下方式规定所述多个闪光灯各自的闪光照射时间，即，相比所述多个闪光灯的排列中的第一区的闪光照射时间，位于所述第一区的外侧的第二区的闪光照射时间长，该第一区包含与在所述腔室内保持的基板的中央部相向的区域。
另外，技术方案7的发明在技术方案6的发明的热处理装置的基础上，其特征在于，所述照射时间控制部使所述第一区的闪光照射和所述第二区的闪光照射同时开始。
另外，技术方案8的发明在技术方案6的发明的热处理装置的基础上，其特征在于，所述照射时间控制部使所述第一区的闪光照射和所述第二区的闪光照射同时结束。
另外，技术方案9的发明在技术方案6至8中任一发明的热处理装置的基础上，其特征在于，向属于所述第二区的闪光灯供给电荷的电容的充电电压，高于向属于所述第一区的闪光灯供给电荷的电容的充电电压。
另外，技术方案10的发明在技术方案6至9中任一发明的热处理装置的基础上，其特征在于，所述照射时间控制部包括对在所述多个闪光灯分别流经的电流进行通断控制的IGBT。
根据技术方案1至5的发明，由于相比多个闪光灯的排列中的包含与在腔室内保持的基板的中央部相向的区域的第一区的闪光照射时间，位于第一区的外侧的第二区的闪光照射时间长，因此，向容易产生相对温度下降的基板的周缘部照射的闪光的光量比中央部多，能够防止基板的周缘部的相对的温度下降。
特别是，根据技术方案2的发明，由于第一区的闪光照射和第二区的闪光照射同时开始，在向基板的中央部的闪光照射结束后，还继续向周缘部进行闪光照射，能够抑制由向容易产生散热的基板的周缘部的传热引起的中央部的温度下降。
特别是，根据技术方案3的发明，由于第一区的闪光照射和第二区的闪光照射同时结束，所以能够在基板整个面以均匀的冷却速度降温。
特别是，根据技术方案4的发明，由于属于第二区的闪光灯的放电电压高于属于第一区的闪光灯的放电电压，因此，向基板的周缘部照射的闪光的强度比向中央部照射的闪光的强度更强，能够更可靠地防止基板的周缘部的相对的温度下降。
根据技术方案6至10的发明，以相比多个闪光灯的排列中的包含与在腔室内保持的基板的中央部相向的区域的第一区的闪光照射时间，位于第一区的外侧的第二区的闪光照射时间长的方式，规定多个闪光灯各自的闪光照射时间，因此，向容易产生相对温度下降的基板的周缘部照射的闪光的光量比中央部多，能够防止基板的周缘部的相对的温度下降。
特别是，根据技术方案7的发明，由于第一区的闪光照射和第二区的闪光照射同时开始，所以在向基板的中央部的闪光照射结束后，还继续向周缘部进行闪光照射，能够抑制由向容易产生散热的基板的周缘部的传热引起的中央部的温度下降。
特别是，根据技术方案8的发明，由于使第一区的闪光照射和第二区的闪光照射同时结束，所以能够在基板整个面以均匀的冷却速度降温。
特别是，根据技术方案9的发明，由于向属于第二区的闪光灯供给电荷的电容的充电电压，高于向属于第一区的闪光灯供给电荷的电容的充电电压，因此，向基板的周缘部照射的闪光的强度比向中央部照射的闪光的强度更强，能够更可靠地防止基板的周缘部的相对的温度下降。
附图说明
图1是表示本发明的热处理装置的结构的纵剖视图。
图2是表示保持部的整体外观的立体图。
图3是从上面观察保持部的俯视图。
图4是从侧方观察保持部的侧视图。
图5是移载机构的俯视图。
图6是移载机构的侧视图。
图7是表示多个卤素灯的配置的俯视图。
图8是表示闪光灯的驱动电路的图。
图9是表示多个闪光灯的排列的图。
图10是表示第一实施方式中的闪光灯的发光强度曲线的图。
图11是表示第二实施方式中的闪光灯的发光强度曲线的图。
其中，附图标记说明如下：
1 热处理装置
3 控制部
4 卤素加热部
5 闪光加热部
6 腔室
7 保持部
10 移载机构
33 输入部
65 热处理空间
93 电容
95 电源单元
96 IGBT
FL 闪光灯
HL 卤素灯
W 半导体晶片
Z1 中央区
Z2 周缘区
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。
<第一实施方式>
图1是表示本发明的热处理装置1的结构的纵剖视图。本实施方式的热处理装置1是闪光灯退火装置，通过向作为基板的圆板形状的半导体晶片W照射闪光来对该半导体晶片W进行加热。成为处理对象的半导体晶片W的尺寸并不特别限定，但例如为或向搬入热处理装置1之前的半导体晶片W注入杂质，利用热处理装置1的加热处理执行对所注入的杂质的活性化处理。此外，在图1以及之后的各图中，为了便于理解，根据需要放大或简化各部的尺寸、数量。
热处理装置1具有容纳半导体晶片W的腔室6、内置多个闪光灯FL的闪光加热部5、内置多个卤素灯HL的卤素加热部4。在腔室6的上侧设置有闪光加热部5，并且在下侧设置有卤素加热部4。另外，热处理装置1在腔室6的内部具有用于将半导体晶片W保持为水平姿势的保持部7、在保持部7和装置外部之间交接半导体晶片W的移载机构10。进而，热处理装置1具有控制部3，该控制部3对卤素加热部4、闪光加热部5以及在腔室6设置的各动作机构进行控制来执行半导体晶片W的热处理。
腔室6是在筒状的腔室侧部61的上下安装石英制的腔室窗而构成的。腔室侧部61具有上下开口的大致筒形状，在上侧开口安装上侧腔室窗63而堵塞上侧开口，在下侧开口安装下侧腔室窗64而堵塞下侧开口。构成腔室6的顶部的上侧腔室窗63是由石英形成的圆板形状构件，作为使从闪光加热部5出射的闪光透过到腔室6内的石英窗发挥功能。另外，构成腔室6的底部的下侧腔室窗64也是由石英形成的圆板形状构件，作为使来自卤素加热部4的光透过到腔室6内的石英窗发挥功能。
另外，在腔室侧部61的内侧的壁面的上部安装有反射环68，在下部安装有反射环69。反射环68、69都形成为圆环状。上侧的反射环68通过从腔室侧部61的上侧嵌入来安装。另一方面，下侧的反射环69通过从腔室侧部61的下侧嵌入并用省略图示的螺钉固定来安装。即，反射环68、69都能自由装卸地安装在腔室侧部61。腔室6的内侧空间、即由上侧腔室窗63、下侧腔室窗64、腔室侧部61以及反射环68、69包围的空间被规定为热处理空间65。
通过在腔室侧部61安装反射环68、69，在腔室6的内壁面形成有凹部62。即，形成有由腔室侧部61的内壁面中的未安装反射环68、69的中央部分、反射环68的下端面、反射环69的上端面包围的凹部62。凹部62沿着水平方向呈圆环状形成于腔室6的内壁面，并围绕保持半导体晶片W的保持部7。
腔室侧部61以及反射环68、69由强度和耐热性优良的金属材料(例如不锈钢)形成。另外，反射环68、69的内周面通过电解镀镍而为镜面。
另外，在腔室侧部61设置有用于相对于腔室6进行半导体晶片W的搬入以及搬出的搬送开口部(炉口)66。搬送开口部66通过闸阀185来开闭。搬送开口部66与凹部62的外周面连通连接。因此，在闸阀185打开搬送开口部66时，从搬送开口部66通过凹部62向热处理空间65搬入半导体晶片W以及从热处理空间65搬出半导体晶片W。另外，当闸阀185关闭搬送开口部66时，腔室6内的热处理空间65为密闭空间。
另外，在腔室6的内壁上部设置有向热处理空间65供给处理气体(在本实施方式中为氮气(N2))的气体供给孔81。气体供给孔81比凹部62更靠上侧位置，也可以设置在反射环68上。气体供给孔81经由在腔室6的侧壁内部呈圆环状形成的缓冲空间82与气体供给管83连通连接。气体供给管83与氮气供给源85连接。另外，在气体供给管83的路径途中安装有阀84。当打开阀84时，从氮气供给源85向缓冲空间82输送氮气。流入缓冲空间82的氮气以在流体阻力比气体供给孔81小的缓冲空间82内扩展的方式流动，并从气体供给孔81向热处理空间65内供给。此外，处理气体并不限于氮气，也可以是氩(Ar)、氦(He)等非活性气体、或氧气(O2)、氢气(H2)、氯气(Cl2)、氯化氢(HCl)、臭氧(O3)、氨(NH3)等反应性气体。
另一方面，在腔室6的内壁下部设置有用于排出热处理空间65内的气体的气体排出孔86。气体排出孔86比凹部62靠下侧位置，也可以设置在反射环69上。气体排出孔86经由在腔室6的侧壁内部呈圆环状形成的缓冲空间87与气体排出管88连通连接。气体排出管88与排气部190连接。另外，在气体排出管88的路径途中安装有阀89。当打开阀89时，热处理空间65的气体从气体排出孔86经由缓冲空间87向气体排出管88排出。此外，气体供给孔81以及气体排出孔86既可以沿着腔室6的周向设置有多个，也可以为狭缝状。另外，氮气供给源85以及排气部190既可以是在热处理装置1设置的机构，也可以是设置有热处理装置1的工厂的设备。
另外，在搬送开口部66的顶端也连接有用于排出热处理空间65内的气体的气体排出管191。气体排出管191经由阀192与排气部190连接。通过打开阀192，经由搬送开口部66排出腔室6内的气体。
图2是表示保持部7的整体外观的立体图。另外，图3是从上面观察保持部7的俯视图，图4是从侧方观察保持部7的侧视图。保持部7具有底座环71、连接部72以及基座74。底座环71、连接部72以及基座74均由石英形成。即，保持部7整体由石英形成。
底座环71是圆环形状的石英构件。底座环71通过载置在凹部62的底面而被腔室6的壁面支撑(参照图1)。在具有圆环形状的底座环71的上表面沿着周向立设有多个连接部72(在本实施方式中为4个)。连接部72也是石英的构件，通过焊接固定在底座环71上。此外，底座环71的形状也可以是从圆环形状切去一部分的圆弧状。
平板状的基座74被在底座环71上设置的4个连接部72支撑。基座74是由石英形成的大致圆形的平板状构件。基座74的直径大于半导体晶片W的直径。即，基座74具有比半导体晶片W大的平面尺寸。在基座74的上表面立设有多个(在本实施方式为5个)引导销76。5个引导销76沿着与基座74的外周圆同心的圆周设置。配置有5个引导销76的圆的直径大于半导体晶片W的直径。各引导销76也由石英形成。此外，引导销76既可以与基座74一体地从石英块加工出来，可以将另外单独加工成的构件通过焊接等安装在基座74上。
在底座环71上立设的4个连接部72与基座74的周缘部的下表面通过焊接固定。即，基座74和底座环71通过连接部72固定连接，保持部7为石英的一体成形构件。这样的保持部7的底座环71被腔室6的壁面支撑，由此保持部7安装在腔室6内。在保持部7安装在腔室6内的状态下，大致圆板形状的基座74处于水平姿势(法线与铅垂方向一致的姿势)。搬入腔室6内的半导体晶片W以水平姿势载置保持于在腔室6内安装的保持部7的基座74上。半导体晶片W通过载置于由5个引导销76形成的圆的内侧，能够防止在水平方向上的位置偏移。此外，引导销76的个数并不限于5个，只要是能够防止半导体晶片W的位置偏移的数量即可。
另外，如图2以及图3所示，在基座74上，上下贯通地形成有开口部78以及切口部77。切口部77为了使使用了热电偶的接触式温度计130的探针顶端部通过而设置。另一方面，开口部78为了辐射温度计120接收从由基座74保持的半导体晶片W的下表面辐射的辐射光(红外光)而设置。进而，在基座74上贯穿设置有4个贯通孔79，贯通孔79用于后述的移载机构10的升降销12贯通以进行半导体晶片W的交接。
图5是移载机构10的俯视图。另外，图6是移载机构10的侧视图。移载机构10具有2条移载臂11。移载臂11大致为沿着圆环状的凹部62那样的圆弧形状。在各移载臂11上立设有2根升降销12。各移载臂11能够通过水平移动机构13转动。水平移动机构13能够使一对移载臂11在相对于保持部7移载半导体晶片W的移载动作位置(图5的实线位置)和与由保持部7保持的半导体晶片W在俯视下不重叠的退避位置(图5的双点划线位置)之间水平移动。作为水平移动机构13，既可以通过不同的马达使各移载臂11分别转动，也可以使用连杆机构并利用1个马达使一对移载臂11连动地转动。
另外，一对移载臂11通过升降机构14与水平移动机构13一起升降移动。当升降机构14使一对移载臂11在移载动作位置上升时，共计4根升降销12通过在基座74上贯穿设置的贯通孔79(参照图2、3)，并且升降销12的上端从基座74的上表面突出。另一方面，当升降机构14使一对移载臂11在移载动作位置下降，使升降销12从贯通孔79抽出，并且水平移动机构13使一对移载臂11打开移动时，各移载臂11移动到退避位置。一对移载臂11的退避位置在保持部7的底座环71的正上方。由于底座环71载置在凹部62的底面，所以移载臂11的退避位置处于凹部62的内侧。此外，在移载机构10的设置有驱动部(水平移动机构13以及升降机构14)的部位的附近也设置有省略图示的排气机构，移载机构10的驱动部周边的气体排出到腔室6的外部。
返回到图1，在腔室6的上方设置的闪光加热部5在框体51的内侧具有由多根(在本实施方式为30根)氙气闪光灯FL构成的光源和以覆盖该光源的上方的方式设置的反射器52。另外，在闪光加热部5的框体51的底部安装有灯光辐射窗53。构成闪光加热部5的底部的灯光辐射窗53是由石英形成的板状的石英窗。通过将闪光加热部5设置在腔室6的上方，灯光辐射窗53与上侧腔室窗63相对。闪光灯FL从腔室6的上方经由灯光辐射窗53以及上侧腔室窗63向热处理空间65照射闪光。
多个闪光灯FL是分别具有长的圆筒形状的棒状灯，以各自的长度方向沿着由保持部7保持的半导体晶片W的主面(即沿着水平方向)相互平行的方式呈平面状排列。因此，通过闪光灯FL的排列形成的平面也是水平面。
图8是表示闪光灯FL的驱动电路的图。如图所示，电容93、线圈94、闪光灯FL、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)96串联连接。另外，如图8所示，控制部3具有脉冲发生器31以及波形设定部32，并且与输入部33连接。作为输入部33，能够采用键盘、鼠标、触摸面板等各种公知的输入设备。基于来自输入部33的输入内容，波形设定部32设定脉冲信号的波形，根据该波形，脉冲发生器31产生脉冲信号。
闪光灯FL具有在内部封入氙气气体并且在两端部配置有阳极以及阴极的棒状的玻璃管(放电管)92和在该玻璃管92的外周面上附加设置的触发电极91。通过电源单元95对电容93施加规定的电压，向电容93充有与施加电压(充电电压)相应的电荷。另外，能够从触发电路97向触发电极91施加高电压。触发电路97向触发电极91施加电压的时机由控制部3控制。
IGBT96是在栅极部组入MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Fieldeffect transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)而成的双极型晶体管，并是适于应对大功率的开关元件。从控制部3的脉冲发生器31向IGBT96的栅极施加脉冲信号。当向IGBT96的栅极施加规定值以上的电压(高电压)时，IGBT96处于导通状态，当向IGBT96的栅极施加小于规定值的电压(低电压)时，IGBT96处于截止状态。这样，包含闪光灯FL的驱动电路由IGBT96连接/断开。通过使IGBT96导通/截止，闪光灯FL和对应的电容93连接/断开，在闪光灯FL流经的电流被通断控制。
在电容93被充电的状态下，即使IGBT96处于导通状态，对玻璃管92的两端电极施加高电压，由于氙气气体在电气上是绝缘体，所以在通常的状态下在玻璃管92内也不流经电流。但是，在触发电路97向触发电极91施加高电压而破坏绝缘的情况下，因两端电极间的放电而在玻璃管92内瞬时流经电流，利用此时的氙气的原子或分子的激发而放出光。
图8所示那样的驱动电路针对在闪光加热部5设置的多个闪光灯FL分别单独设置。在本实施方式中，由于30根闪光灯FL呈平面状排列，所以，与它们对应地设置30个如图8所示的驱动电路。因此，在30根闪光灯FL分别流经的电流由对应的IGBT96单独进行通断控制。
图9是表示多个闪光灯FL的排列的图。在本实施方式中，30根闪光灯FL的平面状排列被分割成由从该排列中的两端起算的各4根共计8根闪光灯FL构成的周缘区(第二区)Z2和由除了从两端起算的各4根闪光灯FL外的共计22根闪光灯FL构成的中央区(第一区)Z1这2个区域。中央区Z1包括与在腔室6内由保持部7保持的半导体晶片W的中央部相对的区域。周缘区Z2在闪光灯FL的平面状排列中位于中央区Z1的外侧。并且，30根闪光灯FL的闪光照射时间由包含IGBT96的驱动电路按照各区来控制，关于详细内容在后面叙述。
返回到图1，反射器52以覆盖多个闪光灯FL整体的方式设置在多个闪光灯FL的上方。反射器52的基本的功能是，将从多个闪光灯FL出射的闪光向热处理空间65侧反射。反射器52由铝合金板形成，其表面(面向闪光灯FL一侧的面)通过喷砂处理而被实施粗面化加工。
在腔室6的下方设置的卤素加热部4在框体41的内侧内置有多根(在本实施方式中为40根)卤素灯HL。卤素加热部4是通过多个卤素灯HL从腔室6的下方经由下侧腔室窗64向热处理空间65照射光来对半导体晶片W进行加热的光照射部。
图7是表示多个卤素灯HL的配置的俯视图。40根卤素灯HL分为上下2层配置。在接近保持部7的上层配置有20根卤素灯HL，并且，在与上层相比距保持部7远的下层也配置有20根卤素灯HL。各卤素灯HL是具有长圆筒形状的棒状灯。在上层、下层，20根卤素灯HL都排列为，各自的长度方向沿着由保持部7保持的半导体晶片W的主面(即沿着水平方向)相互平行。因而在上层、下层，通过卤素灯HL的排列形成的平面都为水平面。
另外，如图7所示，在上层、下层，相比与由保持部7保持的半导体晶片W的中央部相向的区域，与周缘部相向的区域中的卤素灯HL的配设密度高。即，在上层、下层，相比灯排列的中央部，周缘部的卤素灯HL的配设间距短。因此，在通过卤素加热部4照射光进行加热时，能够向容易产生温度下降的半导体晶片W的周缘部照射更多的光量。
另外，由上层的卤素灯HL构成的灯组和由下层的卤素灯HL构成的灯组呈格子状交叉排列。即，以在上层配置的20根卤素灯HL的长度方向和在下层配置的20根卤素灯HL的长度方向相互垂直的方式，配设共计40根卤素灯HL。
卤素灯HL是通过对在玻璃管内部配设的灯丝进行通电来使灯丝白热化并使其发光的灯丝方式的光源。在玻璃管的内部封入有在氮气或氩气等非活性气体中导入微量的卤素元素(碘、溴等)而成的气体。通过导入卤素元素，能够抑制灯丝的折损并能够将灯丝的温度设定为高温。因此，卤素灯HL与通常的白炽灯相比具有寿命变长且能够连续照射強的光的特性。即，卤素灯HL是连续发光至少1秒以上的连续点亮灯。另外，卤素灯HL由于是棒状灯，所以寿命长，通过使卤素灯HL沿水平方向配置，向上方的半导体晶片W辐射的效率优良。
另外，在卤素加热部4的框体41内，在2层卤素灯HL的下侧也设置有反射器43(图1)。反射器43将从多个卤素灯HL出射的光向热处理空间65侧反射。
控制部3对在热处理装置1设置的上述的各种动作机构进行控制。作为控制部3的硬件结构，与一般的计算机相同。即，控制部3具有进行各种运算处理的电路即使CPU、存储基本程序的读取专用的存储器ROM、存储各种信息的可自由读写的存储器RAM以及存储控制用软件和数据等的磁盘。控制部3的CPU执行规定的处理程序来进行热处理装置1中的处理。另外，如图8所示，控制部3具有脉冲发生器31以及波形设定部32。如上述那样，波形设定部32基于来自输入部33的输入内容设定脉冲信号的波形，脉冲发生器31据此向IGBT96的栅极输出脉冲信号。
除了上述结构以外，热处理装置1还具有各种冷却用的结构，以防止在对半导体晶片W进行热处理时，因由卤素灯HL以及闪光灯FL产生的热能导致卤素加热部4、闪光加热部5以及腔室6的温度过度上升。例如在腔室6的壁体设置有水冷管(省略图示)。另外，卤素加热部4以及闪光加热部5为在内部形成气体流来进行排热的空冷结构。另外，还向上侧腔室窗63和灯光辐射窗53的间隙供给空气，对闪光加热部5以及上侧腔室窗63进行冷却。
接着，对热处理装置1中的半导体晶片W的处理顺序进行说明。在此，成为处理对象的半导体晶片W是通过离子注入法而添加了杂质(离子)的半导体基板。该杂质的活性化通过由热处理装置1照射闪光进行加热处理(退火)来执行。以下说明的热处理装置1的处理顺序由控制部3对热处理装置1的各动作机构进行控制来进行。
首先，打开供气用的阀84并且打开排气用的阀89、192，开始对腔室6内进行供排气。当打开阀84时，从气体供给孔81向热处理空间65供给氮气。另外，当打开阀89时。从气体排出孔86排出腔室6内的气体。由此，从腔室6内的热处理空间65的上部供给的氮气向下方流动，并从热处理空间65的下部排出。
另外，通过打开阀192，也从搬送开口部66排出腔室6内的气体。进而，还通过省略图示的排气结构对移载机构10的驱动部周边的环境进行排气。此外，在热处理装置1中对半导体晶片W进行热处理时，持续向热处理空间65供给氮气，氮气的供给量根据处理工序适当变更。
接着，打开闸阀185来打开搬送开口部66，通过装置外部的搬送机械手经由搬送开口部66向腔室6内的热处理空间65搬入离子注入后的半导体晶片W。通过搬送机械手搬入的半导体晶片W进入到保持部7的正上方位置并停止。并且，移载机构10的一对移载臂11从退避位置水平移动到移载动作位置并上升，由此升降销12通过贯通孔79从基座74的上表面突出，接受半导体晶片W。
在半导体晶片W载置在升降销12上后，搬送机械手从热处理空间65退出，由闸阀185关闭搬送开口部66。并且，通过使一对移载臂11下降，半导体晶片W从移载机构10交到保持部7的基座74上，被从下方保持为水平姿势。半导体晶片W将形成图案并注入了杂质的表面作为上表面而被保持部7保持。另外，半导体晶片W在基座74的上表面保持在5个引导销76的内侧。下降到基座74的下方的一对移载臂11通过水平移动机构13退避到退避位置、即凹部62的内侧。
在半导体晶片W被由石英形成的保持部7从下方保持为水平姿势后，卤素加热部4的40根卤素灯HL一齐点亮来开始预备加热(辅助加热)。从卤素灯HL出射的卤素光通过由石英形成的下侧腔室窗64以及基座74从半导体晶片W的背面(与表面相反一侧的主面)照射。通过接受来自卤素灯HL的光照射，半导体晶片W被预备加热，温度上升。此外，由于移载机构10的移载臂11退避到凹部62的内侧，所以不会妨碍卤素灯HL的加热。
在利用卤素灯HL进行预备加热时，半导体晶片W的温度由接触式温度计130测定。即，内置有热电偶的接触式温度计130经由基座74的切口部77与由保持部7保持的半导体晶片W的下表面接触，测定升温中的晶片温度。所测定的半导体晶片W的温度传递至控制部3。控制部3监视因来自卤素灯HL的光照射而升温的半导体晶片W的温度是否到达规定的预备加热温度T1，并且控制卤素灯HL的输出。即，控制部3基于接触式温度计130的测定值，以半导体晶片W的温度为预备加热温度T1的方式对卤素灯HL的输出进行反馈控制。预备加热温度T1为在半导体晶片W添加的杂质不会因热而扩散的200℃至800℃左右，优选为350℃至600℃左右(在本实施方式中为600℃)。此外，在利用来自卤素灯HL的光照射使半导体晶片W升温时，不利用辐射温度计120测定温度。其原因在于，从卤素灯HL照射的卤素光作为干扰光入射至辐射温度计120，无法进行准确的温度测定。
在半导体晶片W的温度到达预备加热温度T1后，控制部3将半导体晶片W暂时维持在该预备加热温度T1。具体地说，在由接触式温度计130测定的半导体晶片W的温度到达预备加热温度T1的时间点，控制部3调整卤素灯HL的输出，将半导体晶片W的温度大致维持在预备加热温度T1。
通过利用这样的卤素灯HL进行预备加热，将半导体晶片W的表面以及背面升温至预备加热温度T1。在卤素灯HL的预备加热的阶段有如下趋势，即，更容易产生散热的半导体晶片W的周缘部的温度比中央部低，面内温度分布变得不均匀。因此，就卤素加热部4中的卤素灯HL的配设密度而言，和与半导体晶片W的中央部相向的区域相比，与周缘部相向的区域更高(图7)。由此，向容易产生散热的半导体晶片W的周缘部照射的光量变多，能够某种程度缓和在卤素灯HL的预备加热阶段的半导体晶片W的面内温度分布的不均匀，但是难以完全消除这样的面内温度分布。
在半导体晶片W的温度到达预备加热温度T1并经过了规定时间的时间点，在残留着半导体晶片W的周缘部的温度比中央部相对低的面内温度分布的不均匀的状态下，闪光加热部5的闪光灯FL向半导体晶片W的表面照射闪光。在闪光灯FL照射闪光时，预先通过电源单元95向电容93蓄积电荷。然后，在电容93蓄积有电荷的状态下，从控制部3的脉冲发生器31向IGBT96输出脉冲信号，驱动IGBT96导通/截止驱动。
脉冲信号的波形能够通过从输入部33输入将脉冲宽度的时间(有效时间)和脉冲间隔的时间(无效时间)作为参数依次设定的处理方案来规定。操作者从输入部33向控制部3输入这样的处理方案时，控制部3的波形设定部32据此设定反复有无的脉冲波形。并且，根据由波形设定部32设定的脉冲波形，脉冲发生器31输出脉冲信号。其结果，向IGBT96的栅极施加所设定的波形的脉冲信号，对驱动IGBT96的导通/截止进行控制。具体地说，向IGBT96的栅极输入的脉冲信号为有效时，IGBT96处于导通状态，在脉冲信号为无效时，IGBT96处于截止状态。
另外，与从脉冲发生器31输出的脉冲信号有效的时机同步地，控制部3控制触发电路97，向触发电极91施加高电压(触发电压)。在电容93蓄积有电荷的状态下，向IGBT96的栅极输入脉冲信号且与该脉冲信号有效的时机同步地，向触发电极91施加高电压，由此，在脉冲信号有效时，在玻璃管92内的两端电极间必定流经电流，利用此时的氙气的原子或分子的激发放出光。
这样一来，闪光加热部5的30根闪光灯FL发光，向由保持部7保持的半导体晶片W的表面照射闪光。在此，在不使用IGBT96来使闪光灯FL发光的情况下，在电容93蓄积的电荷通过1次发光被消耗，来自闪光灯FL的输出波形变成宽度为0.1毫秒至10毫秒左右的单脉冲。相对于此，在本实施方式中，在电路中连接作为开关元件的IGBT96，并向其栅极输出脉冲信号，由此，通过IGBT96断续地从电容93向闪光灯FL供给电荷，对在闪光灯FL流经的电流进行通断控制。其结果，闪光灯FL的发光被断续控制，在电容93蓄积的电荷被分开消耗，在极短的时间内，闪光灯FL反复进行点亮熄灭。此外，在电路流经的电流值完全变为“0”之前，下一个脉冲施加到IGBT96的栅极，电流值再次增加，因此，闪光灯FL反复点亮熄灭期间，发光输出也并不完全变为“0”。
其结果，通过IGBT96对在闪光灯FL流经的电流进行通断控制，由此，能够自由规定闪光灯FL的发光图案，自由调整发光时间以及发光强度。具体地说，例如，从输入部33输入的脉冲宽度的时间与脉冲间隔的时间的比率变大时，在闪光灯FL流经的电流增大，发光强度变强。另外，通过使从输入部33输入的脉冲宽度的时间和脉冲间隔的时间的组合的总时间变长，在比较长的时间内电流持续流经在闪光灯FL，闪光灯FL的发光时间变长。此外，闪光灯FL的发光时间即使长也在1秒以下。
另外，在30根闪光灯FL分别流经的电流由对应的IGBT96单独控制，在本实施方式中，针对30根闪光灯FL的平面状排列的各区分别规定闪光灯FL的发光时间。即，图9的中央区Z1的闪光照射时间与周缘区Z2的闪光照射时间不同。
图10是表示第一实施方式中的闪光灯FL的发光强度曲线的图。该图的纵轴表示闪光灯FL的发光强度，横轴表示从闪光灯FL开始发光起的照射时间。在图10中，实线表示的是属于周缘区Z2的闪光灯FL的发光强度曲线，虚线表示的是属于中央区Z1的闪光灯FL的发光强度曲线。
在第一实施方式中，属于周缘区Z2的8根闪光灯FL和属于中央区Z1的22根闪光灯FL同时开始发光。另外，属于周缘区Z2的8根闪光灯FL的发光时间比属于中央区Z1的22根闪光灯FL的发光时间长。即，在第一实施方式中，周缘区Z2的闪光照射和中央区Z1的闪光照射同时开始，且相比中央区Z1的闪光照射时间，周缘区Z2的闪光照射时间长。
由此，相比半导体晶片W的中央部，向周缘部照射的闪光的光量变多，消除了在预备加热阶段产生的半导体晶片W的周缘部的温度比中央部相对低的面内温度分布的不均匀，在闪光加热阶段的半导体晶片W的表面到达温度在周缘部和中央部大致相同，能够使面内温度分布变得均匀。杂质的活性化的程度取决于半导体晶片W的表面到达温度，即使在预备加热阶段产生面内温度分布的不均匀，如果在闪光加热阶段的最终的半导体晶片W的表面到达温度的面内温度分布均匀，则杂质的活性化的程度也变得均匀。
由于闪光照射时间在周缘区Z2也是1秒以下的极短的时间，因此被闪光加热的半导体晶片W的表面温度瞬间上升到1000℃以上的处理温度T2，注入到半导体晶片W内的杂质被活性化后，表面温度急剧下降。在闪光灯FL发光前后，利用卤素灯HL继续进行光照射，因此，半导体晶片W的表面温度下降到预备加热温度T1附近。
在闪光加热处理结束后，经过规定时间后也熄灭卤素灯HL。由此，半导体晶片W从预备加热温度T1急剧降温。降温中的半导体晶片W的温度由接触式温度计130或辐射温度计120测定，其测定结果传送至控制部3。控制部3根据测定结果监视半导体晶片W的温度是否下降到规定温度。并且，在半导体晶片W的温度下降到规定以下后，移载机构10的一对移载臂11再次从退避位置水平移动至移载动作位置并上升，由此，升降销12从基座74的上表面突出而从基座74接受热处理后的半导体晶片W。接着，打开由闸阀185关闭的搬送开口部66，载置在升降销12上的半导体晶片W由装置外部的搬送机械手搬出，完成在热处理装置1中的半导体晶片W的加热处理。
在第一实施方式中，将30根闪光灯FL的平面状排列分割成包含与半导体晶片W的中央部相向的区域的中央区Z1和位于中央区Z1的外侧的周缘区Z2这两个区。并且，周缘区Z2的闪光照射和中央区Z1的闪光照射同时开始，且相比中央区Z1的闪光照射时间，周缘区Z2的闪光照射时间长。由此，向在卤素灯HL的预备加热时容易产生相对的温度下降的半导体晶片W的周缘部照射的闪光的光量比中央部多，能够防止在闪光加热时的半导体晶片W的周缘部的相对的温度下降，能够使表面到达温度的面内温度分布变均匀。
另外，在第一实施方式中，在结束中央区Z1的闪光照射后，还进行周缘区Z2的闪光照射。因而，在结束向半导体晶片W的中央部的闪光照射后还继续进行向周缘部的闪光照射，能够抑制因向容易产生散热的半导体晶片W的周缘部的传热引起的中央部的温度下降。
<第二实施方式>
接着，对本发明的第二实施方式进行说明。第二实施方式的热处理装置1的结构与第一实施方式完全相同。另外，第二实施方式的热处理装置1的半导体晶片W的处理顺序也与第一实施方式大致相同。第二实施方式与第一实施方式不同之处在于，中央区Z1以及周缘区Z2的发光图案。
图11是表示第二实施方式的闪光灯FL的发光强度曲线的图。与图10同样，实线表示的是属于周缘区Z2的闪光灯FL的发光强度曲线，虚线表示的属于中央区Z1的闪光灯FL的发光强度曲线。
在第二实施方式中，属于中央区Z1的22根闪光灯FL晚于属于周缘区Z2的8根闪光灯FL开始发光。并且，在第二实施方式中，属于周缘区Z2的8根闪光灯FL和属于中央区Z1的22根闪光灯FL同时结束发光。因此，与第一实施方式同样，属于周缘区Z2的8根闪光灯FL的发光时间比属于中央区Z1的22根闪光灯FL的发光时间长。即，在第二实施方式中，周缘区Z2的闪光照射和中央区Z1的闪光照射同时结束，且相比中央区Z1的闪光照射时间，周缘区Z2的闪光照射时间长。
由此，与第一实施方式同样，相比半导体晶片W的中央部，向周缘部照射的闪光的光量变多，消除了在预备加热阶段产生的半导体晶片W的周缘部的温度比中央部相对低的面内温度分布的不均匀，在闪光加热阶段的半导体晶片W的表面到达温度在周缘部和中央部大致相同，能够使面内温度分布变得均匀。杂质的活性化的程度取决于半导体晶片W的表面到达温度，即使在预备加热阶段产生面内温度分布的不均匀，如果在闪光加热阶段的最终的半导体晶片W的表面到达温度的面内温度分布均匀，则杂质的活性化的程度也变得均匀。
除了中央区Z1以及周缘区Z2的发光图案之外的第二实施方式的剩余事项与第一实施方式相同。
在第二实施方式中，将30根闪光灯FL的平面状排列分割成包含与半导体晶片W的中央部相向的区域的中央区Z1和位于中央区Z1的外侧的周缘区Z2这2个区。并且，周缘区Z2的闪光照射和中央区Z1的闪光照射同时结束，且相比中央区Z1的闪光照射时间，周缘区Z2的闪光照射时间长。由此，向在卤素灯HL的预备加热时容易产生相对的温度下降的半导体晶片W的周缘部照射的闪光的光量比中央部多，能够防止在闪光加热时的半导体晶片W的周缘部的相对的温度下降，能够使表面到达温度的面内温度分布变均匀。
另外，在第二实施方式中，由于周缘区Z2的闪光照射和中央区Z1的闪光照射同时结束，所以在半导体晶片W整个面以均匀的冷却速度进行降温。
<变形例>
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但是本发明只要不脱离其宗旨，除了上述以外，能够进行各种变更。例如在第一实施方式中，同时开始周缘区Z2的闪光照射和中央区Z1的闪光照射，在第二实施方式中，同时结束周缘区Z2的闪光照射和中央区Z1的闪光照射，但是两区的照射实际可以是除此以外的方式。
例如，可以使周缘区Z2的闪光照射比中央区Z1的闪光照射先开始，且在之后结束。另外，也可以使周缘区Z2的闪光照射比中央区Z1的闪光照射先开始，且先结束。反之，也可以使周缘区Z2的闪光照射在中央区Z1的闪光照射之后开始，且在之后结束。无论哪个图案，只要周缘区Z2的闪光照射时间比中央区Z1的闪光照射时间长，就能够使向在预备加热时容易产生相对的温度下降的半导体晶片W的周缘部照射的闪光的光量比中央部多，能够防止在闪光加热时的半导体晶片W的周缘部的相对的温度下降。另外，优选中央区Z1的闪光照射期间和周缘区Z2的闪光照射期间至少一部分重叠。
另外，除了使周缘区Z2的闪光照射时间比中央区Z1的闪光照射时间长外，还可以使向属于周缘区Z2的8根闪光灯FL供给电荷的电容93的充电电压比向属于中央区Z1的22根闪光灯FL供给电荷的电容93的充电电压高。这样一来，在闪光照射时，相比属于中央区Z1的22根闪光灯FL的放电电压，属于周缘区Z2的8根闪光灯FL的放电电压高，向半导体晶片W的周缘部照射的闪光的强度比向中央部照射的闪光的强度更强，能够确实地防止在闪光加热时的半导体晶片W的周缘部的相对的温度下降。
另外，在上述各实施方式中，闪光加热部5具有30根闪光灯FL，但并不限于此，闪光灯FL的根数能够为任意的数量。另外，属于中央区Z1以及周缘区Z2的闪光灯FL的根数也并不限于22根、8根，可以为适当的数量。
另外，闪光灯FL并不限于氙气闪光灯，也可以是氪气闪光灯。另外，在卤素加热部4配置的卤素灯HL的根数也并不限于40根，只要是在上层以及下层配置多个的方式，可以为任意的数量。
另外，根据本发明的热处理装置，成为处理对象的基板并不限于半导体晶片，也可以是在液晶显示装置等的平板显示器使用的玻璃基板或太阳电池用的基板。另外，本发明的技术也可以应用于高介电常数栅极绝缘膜(High-k膜)的热处理、金属和硅的接合、或多晶硅的结晶化。

Claims (10)

1.一种热处理方法，通过从呈平面状排列的多个闪光灯向基板照射闪光来对该基板进行加热，其特征在于，
包括：
预备加热工序，从卤素灯向所述基板照射光来进行预备加热，
闪光加热工序，从所述多个闪光灯向所述基板照射闪光；
在所述闪光加热工序中，相比所述多个闪光灯的排列中的第一区的闪光照射时间，位于所述第一区的外侧的第二区的闪光照射时间长，该第一区包含与在腔室内保持的基板的中央部相向的区域。
2.如权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，
所述第一区的闪光照射和所述第二区的闪光照射同时开始。
3.如权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，
所述第一区的闪光照射和所述第二区的闪光照射同时结束。
4.如权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，
属于所述第二区的闪光灯的放电电压高于属于所述第一区的闪光灯的放电电压。
5.如权利要求1至4中任一项所述的热处理方法，其特征在于，
通过利用IGBT对在所述多个闪光灯分别流经的电流进行通断控制，来规定所述第一区以及所述第二区的闪光照射时间。
6.一种热处理装置，通过向基板照射闪光来对该基板进行加热，其特征在于，
具有：
腔室，容纳基板，
保持部，在所述腔室内保持基板，
多个闪光灯，呈平面状排列，
照射时间控制部，规定所述多个闪光灯的闪光照射时间；
所述照射时间控制部以如下方式规定所述多个闪光灯各自的闪光照射时间，即，相比所述多个闪光灯的排列中的第一区的闪光照射时间，位于所述第一区的外侧的第二区的闪光照射时间长，该第一区包含与在所述腔室内保持的基板的中央部相向的区域。
7.如权利要求6所述的热处理装置，其特征在于，
所述照射时间控制部使所述第一区的闪光照射和所述第二区的闪光照射同时开始。
8.如权利要求6所述的热处理装置，其特征在于，
所述照射时间控制部使所述第一区的闪光照射和所述第二区的闪光照射同时结束。
9.如权利要求6所述的热处理装置，其特征在于，
向属于所述第二区的闪光灯供给电荷的电容的充电电压，高于向属于所述第一区的闪光灯供给电荷的电容的充电电压。
10.如权利要求6至9中任一项所述的热处理装置，其特征在于，
所述照射时间控制部包括对在所述多个闪光灯分别流经的电流进行通断控制的IGBT。
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