JP2006278802A - Heat treatment apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、半導体ウェハーやガラス基板等（以下、単に「基板」と称する）に閃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関する。 The present invention relates to a heat treatment apparatus for heat treating a substrate by irradiating a semiconductor wafer, a glass substrate or the like (hereinafter simply referred to as “substrate”) with flash light.
従来より、イオン注入後の半導体ウェ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ている。このような熱処理装置においては、半導体ウェハーを、例えば、１０００℃ないし１１００℃程度の温度に加熱（アニール）することにより、半導体ウェ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昇温する構成となっている。 Conventionally, in an ion activation process of a semiconductor wafer after ion implantation, a heat treatment apparatus such as a lamp annealing apparatus using a halogen lamp has been used. In such a heat treatment apparatus, the semiconductor wafer is ion-activated by heating (annealing) the semiconductor wafer to a temperature of about 1000 ° C. to 1100 ° C., for example. In such a heat treatment apparatus, the temperature of the substrate is raised at a rate of several hundred degrees per second by using the energy of light irradiated from the halogen lamp.
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ェハーを昇温する上記ランプアニール装置を使用して半導体ウェハーのイオン活性化を実行した場合においても、半導体ウェハー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。 On the other hand, in recent years, as semiconductor devices have been highly integrated, it is desired to reduce the junction depth as the gate length becomes shorter. However, even when ion activation of a semiconductor wafer is performed using the above-described lamp annealing apparatus that raises the temperature of the semiconductor wafer at a speed of several hundred degrees per second, ions such as boron and phosphorus implanted in the semiconductor wafer are heated. It was found that the phenomenon of deep diffusion occurs. When such a phenomenon occurs, there is a concern that the junction depth becomes deeper than required, which hinders good device formation.
このため、キセノンフラッシュランプ等を使用して半導体ウェ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ェハー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閃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。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。 For this reason, a technology has been proposed in which only the surface of the semiconductor wafer into which ions are implanted is heated in an extremely short time (a few milliseconds or less) by irradiating the surface of the semiconductor wafer with flash light using a xenon flash lamp or the like. Has been. The radiation spectral distribution of a xenon flash lamp ranges from the ultraviolet region to the near infrared region, has a shorter wavelength than the conventional halogen lamp, and almost coincides with the fundamental absorption band of a silicon semiconductor wafer. Therefore, when the semiconductor wafer is irradiated with flash light from the xenon flash lamp, the semiconductor wafer can be rapidly heated with little transmitted light. It has also been found that if the flash irradiation is performed for a very short time of several milliseconds or less, only the vicinity of the surface of the semiconductor wafer can be selectively heated. For this reason, if the temperature is raised for a very short time by a xenon flash lamp, only the ion activation can be performed without diffusing ions deeply.
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において、複数のキセノンフラッシュランプを列設した領域は、半導体ウェハーの面積よりもかなり大きいのであるが、それにもかかわらず半導体ウェハーの周縁部における照度はそれよりも内側部における照度と比較すると多少低下することとなっていた。特に、φ３００ｍｍの大径基板では、ウェハー周縁部における照度低下の程度が大きく、面内照度分布は良くなかった。 In such a heat treatment apparatus using a xenon flash lamp, the area where a plurality of xenon flash lamps are arranged is considerably larger than the area of the semiconductor wafer, but the illuminance at the peripheral edge of the semiconductor wafer is nevertheless Compared to the illuminance at the inner side, it was somewhat lowered. In particular, with a large-diameter substrate having a diameter of 300 mm, the degree of decrease in illuminance at the periphery of the wafer was large, and the in-plane illuminance distribution was not good.
このような問題を解決するため、キセノンフラッシュランプと半導体ウェハーとの間に設置されたディフューザのうち半導体ウェハーの周縁部を除く部分（内側部分）の上方の領域に擦りガラス状の幾何学模様を形成し、当該領域の光透過率を低下させて、フラッシュ加熱時の半導体ウェハーの内側部分の照度を低下させ、その結果均一な面内照度分布を得る熱処理装置が特許文献１に開示されている。
In order to solve such problems, a frosted glass-like geometric pattern is applied to the upper area of the diffuser installed between the xenon flash lamp and the semiconductor wafer except for the peripheral edge of the semiconductor wafer (inner part).
しかしながら、特許文献１に開示されているような処理、つまり確実に所定の透過率を有するように擦りガラス処理を行うことは相当に困難なことである。すなわち、擦りガラス処理によってある一定値に透過率を正確に調整することは非常に難しく、その結果ディフューザ間の透過率にバラツキが生じやすくなり、装置間で面内照度分布に不均一が生じるという問題が懸念される。
However, it is quite difficult to perform the processing as disclosed in
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、基板上の照度分布の面内均一性を容易に、しかも高い再現性にて向上させることができる熱処理装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a heat treatment apparatus that can easily improve the in-plane uniformity of the illuminance distribution on the substrate with high reproducibility. .
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、基板に対して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、複数のランプを平面状に配列した光源と、前記光源の下方に設けられ、基板を収容するチャンバーと、前記チャンバー内にて基板を保持する保持手段と、前記チャンバーの上部に設けられ、前記光源から出射された光を前記チャンバー内に導く透光窓と、前記透光窓上に載置された石英板と、を備え、前記石英板の中心が前記保持手段に保持された基板の中心の鉛直方向直上に位置するように前記石英板を前記透光窓上に載置している。 In order to solve the above-mentioned problems, a first aspect of the present invention is a heat treatment apparatus for heating a substrate by irradiating the substrate with a light source in which a plurality of lamps are arranged in a plane, and below the light source. A chamber for receiving the substrate, a holding means for holding the substrate in the chamber, a translucent window provided in the upper portion of the chamber for guiding the light emitted from the light source into the chamber, A quartz plate placed on the translucent window, and the quartz plate is placed on the translucent window so that the center of the quartz plate is located directly above the center of the substrate held by the holding means. It is mounted on.
また、請求項２の発明は、基板に対して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、複数のランプを平面状に配列した光源と、前記光源の下方に設けられ、基板を収容するチャンバーと、前記チャンバー内にて基板を保持する保持手段と、前記チャンバーの上部に設けられ、前記光源から出射された光を前記チャンバー内に導く透光窓と、前記透光窓上に重ねて載置された複数枚の石英板と、を備え、前記複数枚の石英板のそれぞれの中心が前記保持手段に保持された基板の中心の鉛直方向直上に位置するように前記複数枚の石英板を前記透光窓上に載置している。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a heat treatment apparatus for heating a substrate by irradiating the substrate with light, a light source having a plurality of lamps arranged in a planar shape, a light source provided below the light source, A chamber to be accommodated, a holding means for holding the substrate in the chamber, a translucent window provided on an upper portion of the chamber and guiding light emitted from the light source into the chamber, and on the translucent window A plurality of quartz plates placed on top of each other, and the center of each of the plurality of quartz plates is positioned directly above the center of the substrate held by the holding means. A quartz plate is placed on the translucent window.
また、請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明に係る熱処理装置において、前記複数のランプを基板に閃光を照射する複数のフラッシュランプとしている。 According to a third aspect of the present invention, in the heat treatment apparatus according to the first or second aspect of the present invention, the plurality of lamps are a plurality of flash lamps that irradiate a substrate with flash light.
請求項１の発明によれば、石英板の中心が保持手段に保持された基板の中心の鉛直方向直上に位置するように、石英板を透光窓上に載置しているため、石英板の表面および底面での反射によって基板の内側部分に到達する光量が低下し、結果として基板上の照度分布の面内均一性を容易に、しかも高い再現性にて向上させることができる。 According to the first aspect of the present invention, the quartz plate is placed on the translucent window so that the center of the quartz plate is positioned directly above the center of the substrate held by the holding means. The amount of light reaching the inner portion of the substrate is reduced by reflection on the surface and bottom surface of the substrate, and as a result, the in-plane uniformity of the illuminance distribution on the substrate can be easily improved with high reproducibility.
また、請求項２の発明によれば、複数枚の石英板のそれぞれの中心が保持手段に保持された基板の中心の鉛直方向直上に位置するように、複数枚の石英板を透光窓上に載置しているため、複数枚の石英板のそれぞれの表面および底面での反射によって基板の内側部分に到達する光量が低下し、結果として基板上の照度分布の面内均一性を容易に、しかも高い再現性にて向上させることができる。 According to the invention of claim 2, the plurality of quartz plates are placed on the light transmission window so that the centers of the plurality of quartz plates are positioned directly above the center of the substrate held by the holding means. Therefore, the amount of light reaching the inner part of the substrate is reduced due to reflection on the surface and bottom of each of the quartz plates, and as a result, the in-plane uniformity of the illuminance distribution on the substrate is easily achieved. Moreover, it can be improved with high reproducibility.
また、請求項３の発明によれば、複数のランプがフラッシュランプであるため、フラッシュランプによる基板上の照度分布の面内均一性が向上する。
According to the invention of
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
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。熱処理装置１は基板として半導体ウェハーＷに閃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。
FIG. 1 is a side sectional view showing a configuration of a
熱処理装置１は、半導体ウェハーＷを収容する略円筒形状のチャンバー６を備える。チャンバー６は、略円筒状の内壁を有するチャンバー側部６３、および、チャンバー側部６３の下部を覆うチャンバー底部６２によって構成される。また、チャンバー側部６３およびチャンバー底部６２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。熱処理空間６５の上方は上部開口６０とされている。
The
また、熱処理装置１は、上部開口６０に装着されて上部開口６０を閉塞する閉塞部材である透光板６１、チャンバー６の内部において半導体ウェハーＷを保持しつつ予備加熱を行う略円板状の保持部７、保持部７をチャンバー６の底面であるチャンバー底部６２に対して昇降させる保持部昇降機構４、保持部７に保持される半導体ウェハーＷに透光板６１を介して光を照射することにより半導体ウェハーＷを加熱する光照射部５、および、これらの構成を制御して熱処理を行う制御部３を備える。
In addition, the
チャンバー６は、光照射部５の下方に設けられている。チャンバー６の上部に設けられた透光板６１は、例えば、石英等により形成され、光照射部５から出射された光を透過して熱処理空間６５に導くチャンバー窓（透光窓）として機能する。チャンバー６の本体を構成するチャンバー底部６２およびチャンバー側部６３は、例えば、ステンレススチール等の強度と耐熱性に優れた金属材料にて形成されており、チャンバー側部６３の内側面の上部のリング６３１は、光照射による劣化に対してステンレススチールより優れた耐久性を有するアルミニウム（Ａｌ）合金等で形成されている。
The
チャンバー底部６２には、保持部７を貫通して半導体ウェハーＷをその下面（光照射部５からの光が照射される側とは反対側の面）から支持するための複数（本実施の形態では３本）の支持ピン７０が立設されている。支持ピン７０は、例えば石英により形成されており、チャンバー６の外部から固定されているため、容易に取り替えることができる。
The
チャンバー側部６３は、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６６を有し、搬送開口部６６は、軸６６２を中心に回動するゲートバルブ１８５により開閉可能とされる。チャンバー側部６３における搬送開口都６６とは反対側の部位には熱処理空間６５に処理ガス（例えば、窒素（Ｎ2）ガスやヘリウム（Ｈｅ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス等の不活性ガス、あるいは、酸素（０2）ガス等）を導入する導入路８１が形成され、その一端は弁８２を介して図示省略の給気機構に接続され、他端はチャンバー側部６３の内部に形成されるガス導入チャンネル８３に接続される。また、搬送開口部６６には熱処理空間６５内の気体を排出する排出路８６が形成され、弁８７を介して図示省略の排気機構に接続される。
The
図２は、チャンバー６をガス導入チャンネル８３の位置にて水平面で切断した断面図である。図２に示すように、ガス導入チャンネル８３は、図１に示す搬送開口部６６の反対側においてチャンバー側部６３の全周の約１／３に亘って形成されており、導入路８１を介してガス導入チャンネル８３に導かれた処理ガスは、複数のガス供給孔８４から熱処理空間６５内へと供給される。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the
図１に示す保持部昇降機構４は、略円筒状のシャフト４１、移動板４２、ガイド部材４３（本実施の形態ではシャフト４１の周りに３本配置される）、固定板４４、ボールネジ４５、ナット４６およびモータ４０を有する。チャンバー６の下部であるチャンバー底部６２には保持部７よりも小さい直径を有する略円形の下部開口６４が形成されており、ステンレススチール製のシャフト４１は、下部開口６４を挿通して、保持部７（厳密には保持部７のホットプレート７１）の下面に接続されて保持部７を支持する。
1 includes a substantially
移動板４２にはボールネジ４５と螺合するナット４６が固定されている。また、移動板４２は、チャンバー底部６２に固定されて下方へと伸びるガイド部材４３により摺動自在に案内されて上下方向に移動可能とされる。また、移動板４２は、シャフト４１を介して保持部７に連結される。
A
モータ４０は、ガイド部材４３の下端部に取り付けられる固定板４４に設置され、タイミングベルト４０１を介してボールネジ４５に接続される。保持部昇降機構４により保持部７が昇降する際には、駆動部であるモータ４０が制御部３の制御によりボールネジ４５を回転し、ナット４６が固定された移動板４２がガイド部材４３に沿って鉛直方向に移動する。この結果、移動板４２に固定されたシャフト４１が鉛直方向に沿って移動し、シャフト４１に接続された保持部７が図１に示す半導体ウェハーＷの受渡位置と図６に示す半導体ウェハーＷの熱処理位置との間で滑らかに昇降する。
The
移動板４２の上面には略半円筒状（円筒を長手方向に沿って半分に切断した形状）のメカストッパ４５１がボールネジ４５に沿うように立設されており、仮に何らかの異常により移動板４２が所定の上昇限界を超えて上昇しようとしても、メカストッパ４５１の上端がボールネジ４５の端部に設けられた端板４５２に突き当たることによって移動板４２の異常上昇が防止される。これにより、保持部７が透光板６１の下方の所定位置以上に上昇することはなく、保持部７と透光板６１との衝突が防止される。
On the upper surface of the moving
また、保持部昇降機構４は、チャンバー６の内部のメンテナンスを行う際に保持部７を手動にて昇降させる手動昇降部４９を有する。手動昇降部４９はハンドル４９１および回転軸４９２を有し、ハンドル４９１を介して回転軸４９２を回転することより、タイミングベルト４９５を介して回転軸４９２に接続されるボールネジ４５を回転して保持部７の昇降を行うことができる。
The holding unit lifting mechanism 4 has a
チャンバー底部６２の下側には、シャフト４１の周囲を囲み下方へと伸びる伸縮自在のベローズ４７が設けられ、その上端はチャンバー底部６２の下面に接続される。一方、ベローズ４７の下端はベローズ下端板４７１に取り付けられている。べローズ下端板４７１は、鍔状部材４１１によってシャフト４１にねじ止めされて取り付けられている。保持部昇降機構４により保持部７がチャンバー底部６２に対して上昇する際にはベローズ４７が収縮され、下降する際にはべローズ４７が伸張される。そして、保持部７が昇降する際にも、ベローズ４７が伸縮することによって熱処理空間６５内の気密状態が維持される。
A telescopic bellows 47 that surrounds the
保持部７は、半導体ウェハーＷを予備加熱（いわゆるアシスト加熱）するホットプレート（加熱プレート）７１、および、ホットプレート７１の上面（保持部７が半導体ウェハーＷを保持する側の面）に設置されるサセプタ７２を有する。保持部７の下面には、既述のように保持部７を昇降するシャフト４１が接続される。サセプタ７２は石英（あるいは、窒化アルミニウム（ＡＩＮ）等であってもよい）により形成され、その上面には半導体ウェハーＷの位置ずれを防止するピン７５が設けられる。サセプタ７２は、その下面をホットプレート７１の上面に面接触させてホットプレート７１上に設置される。これにより、サセプタ７２は、ホットプレート７１からの熱エネルギーを拡散してサセプタ７２上面に載置された半導体ウェハーＷに伝達するとともに、メンテナンス時にはホットプレート７１から取り外して洗浄可能とされる。
The holding
図３は、保持部７およびシャフト４１を示す断面図である。ホットプレート７１は、ステンレススチール製の上部プレート７３および下部プレート７４を有する。上部プレート７３と下部プレート７４との間には、ホットプレート７１を加熱するニクロム線等の抵抗加熱線７６が配設され、導電性のニッケル（Ｎｉ）ロウが充填されて封止されている。また、上部プレート７３および下部プレート７４の端部はロウ付けにより接着されている。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the holding
図４は、ホットプレート７１を示す平面図である。図４に示すように、ホットプレート７１は、保持される半導体ウェハーＷと対向する領域の中央部に同心円状に配置される円板状のゾーン７１１および円環状のゾーン７１２、並びに、ゾーン７１２の周囲の略円環状の領域を周方向に４等分割した４つのゾーン７１３〜７１６を備え、各ゾーン間には若干の間隙が形成されている。また、ホットプレート７１には、支持ピン７０が挿通される３つの貫通孔７７が、ゾーン７１１とゾーン７１２との隙間の周上に１２０°毎に設けられる。
FIG. 4 is a plan view showing the
６つのゾーン７１１〜７１６のそれぞれには、相互に独立した抵抗加熱線７６（図４では図示省略）が周回するように配設されてヒータが形成されており、各ゾーンに内蔵されたヒータにより各ゾーンが個別に加熱される。保持部７に保持された半導体ウェハーＷは、６つのゾーン７１１〜７１６に内蔵されたヒータにより加熱される。また、ゾーン７１１〜７１６のそれぞれには、熱電対を用いて各ゾーンの温度を計測するセンサ７１０が設けられている。各センサ７１０は略円筒状のシャフト４１（図３参照）の内部を通り制御都３に接続される。
In each of the six
ホットプレート７１が加熱される際には、センサ７１０により計測される６つのゾーン７１１〜７１６のそれぞれの温度が予め設定された所定の温度になるように、各ゾーンに配設された抵抗加熱線７６への電力供給量が制御部３により制御される。制御部３による各ゾーンの温度制御はＰＩＤ(Proportional,Integral,Differential)制御により行われる。ホットプレート７１では、半導体ウェハーＷの熱処理（複数の半導体ウェハーＷを連続的に処理する場合は、全ての半導体ウェハーＷの熱処理）が終了するまでゾーン７１１〜７１６のそれぞれの温度が継続的に計測され、各ゾーンに配設された抵抗加熱線７６への電力供給量が個別に制御されて、すなわち、各ゾーンに内蔵されたヒータの温度が個別に制御されて各ゾーンの温度が設定温度に維持される。なお、各ゾーンの設定温度は、基準となる温度から個別に設定されたオフセット値だけ変更することが可能とされる。
When the
６つのゾーン７１１〜７１６にそれぞれ配設される抵抗加熱線７６は、シャフト４１の内部を通る電力線を介して電力供給源（図示省略）に接続されている。電力供給源から各ゾーンに至る経路途中において、電力供給源からの２本の電力線７６１は、図５の断面図に示すように、マグネシア（マグネシウム酸化物）等の絶縁体７６２を充填したステンレスチューブ７６３の内部に互いに電気的に絶縁状態となるように配置される。なお、シャフト４１の内部は大気開放されている。
The
図１に示す光照射部５は、複数（本実施の形態においては３０本）のキセノンフラッシュランプ（以下、単に「フラッシュランプ」という）６９およびリフレクタ５２を有する光源である。複数のフラッシュランプ６９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の主面に沿って互いに平行となるように平面状に配列されている。リフレクタ５２は、複数のフラッシュランプ６９の上方にそれら全体を覆うように設けられ、その表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。また、熱処理装置１には、メンテナンス時に光照射部５をチャンバー６に対して相対的に上昇させて水平方向にスライド移動させる照射部移動機構５５がさらに設けられる。
The
また、本実施形態の熱処理装置１においては、光照射部５と保持部７に保持された半導体ウェハーＷとを仕切る透光板６１の上に１枚の照度調整板１０を載置している。照度調整板１０は、金属やアルカリイオンの含有量が極めて少ない高純度の半導体用途の石英板である。照度調整板１０の形状は円盤形状であって、その径は処理対象となる半導体ウェハーＷの直径よりも小さい。また、本実施形態の照度調整板１０の厚さは０．７ｍｍ〜１．２ｍｍであり、その平面度は０．４ｍｍ以下である。このような照度調整板１０の中心が保持部７に保持された半導体ウェハーＷの中心の鉛直方向直上に位置するように、照度調整板１０を透光板６１の上に載置する。なお、照度調整板１０の位置がずれないように、例えば照度調整板１０の底面に穴を形成するとともに透光板６１の上面にピンを形成し、そのピンを照度調整板１０の穴に嵌合させるようにしても良い。
Further, in the
キセノンフラッシュランプ６９の放射光分布は概ね紫外線域から近赤外線域までの範囲である。高純度の石英板であればこの波長域の光をほとんど吸収しない。従って、フラッシュランプ６９から出射されて照度調整板１０に入射した光が照度調整板１０によって吸収されることはない。このため、フラッシュランプ６９から強大なエネルギーの閃光が照射されたとしても、照度調整板１０はその閃光をほとんど吸収しないため、照度調整板１０の温度上昇およびそれに起因した割れを抑制することができる。
The distribution of the emitted light of the
また、フラッシュランプ６９から出射されて照度調整板１０に入射した光の一部は照度調整板１０の表面および底面で反射され、残りが照度調整板１０の底面から出射、つまり照度調整板１０を透過することとなる。高純度の石英板で構成される照度調整板１０の透過率（フラッシュランプ６９からの放射光に対する透過率）は９３％〜９５％である。なお、上述のように、照度調整板１０はフラッシュランプ６９の放射光をほとんど吸収しないため、照度調整板１０内部で吸収される光量は反射光および透過光と比較すると無視できる程度に小さい。よって、上記の透過率は照度調整板１０の厚さに依存しない。
A part of the light emitted from the
なお、本実施の形態の熱処理装置１は、半導体ウェハーＷの熱処理時にフラッシュランプ６９およびホットプレート７１から発生する熱エネルギーによるチャンバー６および光照射部５の過剰な温度上昇を防止するため、様々な冷却用の構造（図示省略）を備えている。例えば、チャンバー６のチャンバー側部６３およびチャンバー底部６２には水冷管が設けられており、光照射部５は内部に気体を供給する供給管とサイレンサ付きの排気管が設けられて空冷構造とされている。また、透光板６１と光照射部５との間隙には圧縮空気が供給され、光照射都５および透光板６１を冷却するとともに、間隙に存在する有機物等を排除して熱処理時における透光板６１への付着を抑制する。
The
次に、熱処理装置１における半導体ウェハーＷの処理手順について説明する。ここで処理対象となる半導体ウェハーＷはイオン注入法により不純物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による熱処理により行われる。
Next, a processing procedure for the semiconductor wafer W in the
まず、保持部７が図１に示すようにチャンバー底部６２に近接した位置に配置される。以下、図１における保持部７のチャンバー６内における位置を「受渡位置」という。保持部７が受渡位置にあるとき、支持ピン７０の先端は、保持部７を貫通して保持部７の上方に突出する。
First, the holding
次に、弁８２および弁８７が開かれてチャンバー６の熱処理空間６５内に常温の窒素ガスが導入される。続いて、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ェハーＷがチャンバー６内に搬入され、複数の支持ピン７０上に載置される。
Next, the
半導体ウェハーＷの搬入時におけるチャンバー６への窒素ガスのパージ量は約４０リットル／分とされ、供給された窒素ガスはチャンバー６内においてガス導入チャンネル８３から図２中に示す矢印ＡＲ４の方向へと流れ、図１に示す排出路８６および弁８７を介してユーティリティ排気により排気される。また、チャンバー６に供給された窒素ガスの一部は、べローズ４７の内側に設けられる排出口（図示省略）からも排出される。なお、以下で説明する各ステップにおいて、チャンバー６には常に窒素ガスが供給および排気され続けており、窒素ガスのパージ量は半導体ウェハーＷの処理工程に合わせて様々に変更される。
When the semiconductor wafer W is loaded, the purge amount of nitrogen gas into the
半導体ウェハーＷがチャンバー６内に搬入されると、ゲートバルブ１８５により搬送開口部６６が閉鎖される。そして、図６に示す如く、保持部昇降機構４により保持部７が透光板６１に近接した位置（以下、「処理位置」という）まで上昇される。このとき、半導体ウェハーＷは支持ピン７０から保持部７のサセプタ７２へと渡され、サセプタ７２の上面に載置・保持される。
When the semiconductor wafer W is loaded into the
ホットプレート７１の６つのゾーン７１１〜７１６のそれぞれは、各ゾーンの内部（上部プレート７３と下部プレート７４との間）に個別に配設された抵抗加熱線７６により所定の温度まで加熱されている。保持部７が処理位置まで上昇して半導体ウェハーＷが保持部７と接触することにより、その半導体ウェハーＷは予備加熱されて温度が次第に上昇する。
Each of the six
この処理位置にて約６０秒間の予備加熱が行われ、半導体ウェハーＷの温度が予め設定された予備加熱温度Ｔ１まで上昇する。予備加熱温度Ｔ１は、半導体ウェハーＷに添加された不純物が熱により拡散する恐れのない、２００℃ないし６００℃程度、好ましくは３５０℃ないし５５０℃程度とされる。また、保持部７と透光板６１との間の距離は、保持部昇降機構４のモータ４０の回転量を制御することにより任意に調整することが可能とされている。
Preheating for about 60 seconds is performed at this processing position, and the temperature of the semiconductor wafer W rises to a preset preheating temperature T1. The preheating temperature T1 is set to about 200 ° C. to 600 ° C., preferably about 350 ° C. to 550 ° C., in which impurities added to the semiconductor wafer W are not likely to diffuse due to heat. Further, the distance between the holding
約６０秒間の予備加熱時間が経過した後、保持部７が処理位置に位置したまま制御部３の制御により光照射部５から半導体ウェハーＷへ向けてフラッシュ光が照射される。このとき、光照射部５のフラッシュランプ６９から放射される光の一部は直接にチャンバー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チャンバー６内へと向かい、これらの閃光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。フラッシュ加熱は、フラッシュランプ６９からの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。
After the preheating time of about 60 seconds elapses, flash light is irradiated from the
すなわち、光照射部５のフラッシュランプ６９から照射される光は、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ミリ秒ないし１０ミリ秒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６９からの閃光照射によりフラッシュ加熱される半導体ウェハーＷの表面温度は、瞬間的に１０００℃ないし１１００℃程度の処理温度Ｔ２まで上昇し、半導体ウェハー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、半導体ウェハー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、半導体ウェハーＷに添加された不純物の熱による拡散（この拡散現象を、半導体ウェハーＷ中の不純物のプロファイルがなまる、ともいう）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。
That is, the light irradiated from the
また、フラッシュ加熱の前に保持部７により半導体ウェハーＷを予備加熱しておくことにより、フラッシュランプ６９からの閃光照射によって半導体ウェハー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。
Further, by preheating the semiconductor wafer W by the holding
ところで、本実施形態の熱処理装置１においては、照度調整板１０の中心が保持部７に保持された半導体ウェハーＷの中心の鉛直方向直上に位置するように、透光板６１の上に半導体ウェハーＷの直径よりも小さい径を有する照度調整板１０を載置している。このため、図７に示すように、光照射部５から出射された光の一部は照度調整板１０を透過して保持部７に保持された半導体ウェハーＷの中央部に到達し、他の一部は照度調整板１０の側方を通過して該半導体ウェハーＷの周縁部に到達する。より正確に表現すれば、保持部７に保持された半導体ウェハーＷの中央部に到達する光の大部分は光照射部５から出射されて照度調整板１０を透過したものであるのに対して、周縁部に到達する光のうち相当量は照度調整板１０の側方を通過したものである。
By the way, in the
光照射部５から出射された光が照度調整板１０を透過するときには、照度調整板１０の表面および底面にて一定比率で反射が生じるため、その分の光量が減少する。図８は、照度調整板１０を光が透過するときの光量減少の概念を説明する図である。光照射部５から出射された光が照度調整板１０に入射するときには、その表面１０ａにて一定比率で反射が生じる。このときに、入射光量から反射光Ｒ１の光量を減じた光量が照度調整板１０内に入射する。
When the light emitted from the
続いて、照度調整板１０内に入射した光が照度調整板１０の底面１０ｂから出射するときには、底面１０ｂでも一定比率で反射が生じる。このときに、反射光Ｒ２の光量がさらに減少することとなる。結局、光照射部５から出射された光量から反射光Ｒ１，Ｒ２の光量を減じた光量が照度調整板１０の底面１０ｂから半導体ウェハーＷへと向かうこととなる。その結果として、照度調整板１０の透過率は９３％〜９５％となるのである。なお、図８に示すように照度調整板１０に斜めに入射した光は実際には入射時、出射時に屈折するのであるが、図８は光量減少の原理を説明する図であるため図示の便宜上屈折は省略している。また、照度調整板１０内部で多重反射によって減少する光も存在するが、その減少光量は反射光Ｒ１，Ｒ２の光量に比較すると微量であるため、上述した吸収光量と同様に、ここでは考慮していない。
Subsequently, when the light incident on the
このようにして、光照射部５から出射された光のうち照度調整板１０を透過したものはその表面１０ａ、底面１０ｂでの反射によって光量が低下しており、照度調整板１０を透過していないものには当然光量低下が生じていない。その結果、保持部７に保持された半導体ウェハーＷの周縁部以外の部分（内側部分）に到達する光の光量が減少する一方で、該周縁部に到達する光の光量は減少していない。従って、従来照度調整板１０が存在しないときには半導体ウェハーＷの周縁部で照度不足が生じていた問題が解消され、半導体ウェハーＷ上の照度分布の面内均一性が向上する。なお、透光板６１によっても反射に起因した光量減少は生じるのであるが、これは保持部７に保持された半導体ウェハーＷに到達する光の全体に対して均一に生じるため、周縁部に到達する光量と内側部分に到達する光量との相対差には影響を与えない。
In this way, light emitted from the
以上のようにして、フラッシュ加熱が終了し、処理位置における約１０秒間の待機の後、保持部７が保持部昇降機構４により再び図１に示す受渡位置まで下降し、半導体ウェハーＷが保持部７から支持ピン７０へと渡される。続いて、ゲートバルブ１８５により閉鎖されていた搬送開口都６６が開放され、支持ピン７０上に載置された半導体ウェハーＷは装置外部の搬送ロボットにより搬出され、熱処理装置１における半導体ウェハーＷのフラッシュ加熱処理が完了する。
As described above, after the flash heating is completed, and after waiting for about 10 seconds at the processing position, the holding
既述のように、熱処理装置１における半導体ウェハーＷの熱処理時には窒素ガスがチャンバー６に継続的に供給されており、そのパージ量は、保持部７が処理位置に位置するときには約３０リットル／分とされ、保持部７が処理位置以外の位置に位置するときには約４０リットル／分とされる。
As described above, nitrogen gas is continuously supplied to the
熱処理装置１では、新たな半導体ウェハーＷに対して同じ内容の熱処理を行う場合には、半導体ウェハーＷをチャンバー６内に搬入して予備加熱および閃光照射を行った後にその半導体ウェハーＷをチャンバー６から搬出するという上記動作が繰り返される。また、新たな半導体ウェハーＷに対して異なる熱処理を行う場合には、新たな熱処理に合わせて各種設定（窒素ガスのパージ量等）を行う間、保持部７は処理位置まで上昇して待機する。
In the
本実施形態の熱処理装置１においては、照度調整板１０の中心が保持部７に保持された半導体ウェハーＷの中心の鉛直方向直上に位置するように、該半導体ウェハーＷの直径よりも小さい径を有する照度調整板１０を透光板６１の上に載置しているため、照度調整板１０の表面１０ａおよび底面１０ｂでの反射によって半導体ウェハーＷの内側部分に到達する光量が低下し、結果として半導体ウェハーＷ上の照度分布の面内均一性が向上する。
In the
また、照度調整板１０は半導体用途として汎用性を有する石英板であるため、比較的簡単に入手することができ、上述のようにその中心が半導体ウェハーＷの中心の鉛直方向直上に位置するように透光板６１の上に載置するだけで、半導体ウェハーＷ上の照度分布の面内均一性を容易に、しかも高い再現性にて向上させることができる。
Further, since the
以上、本発明の実施の形態について説明したが、この発明は上記の例に限定されるものではない。例えば、上記実施形態においては、透光板６１の上に１枚の照度調整板１０を載置するようにしていたが、これに限定されるものではなく、２枚以上の照度調整板１０を載置するようにしても良い。図９は、２枚の照度調整板１０を載置したときの光透過の様子を示す図である。図９においては、保持部７に保持された半導体ウェハーＷの直径よりも小さい径を有する２枚の照度調整板１０のそれぞれの中心が保持部７に保持された半導体ウェハーＷの中心の鉛直方向直上に位置するように、それら２枚の照度調整板１０を透光板６１の上に重ねて載置している。なお、同図においては、図示の便宜上２枚の照度調整板１０の間に隙間が存在しているが、実際には２枚の照度調整板１０が密着して重ねられていてそれらの間に隙間はない。
While the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above examples. For example, in the above embodiment, one
２枚重ねの照度調整板１０に光照射部５から出射された光が入射すると、上記実施形態と同様に、上側の照度調整板１０の表面１０ａにて反射が生じ、上側の照度調整板１０内に入射した光の一部が底面１０ｂにて反射する。さらに、上側の照度調整板１０を透過した光は続いて下側の照度調整板１０に入射する。このときに、下側の照度調整板１０の表面１０ａにて反射が生じ、下側の照度調整板１０内に入射した光の一部が底面１０ｂにて反射する。その結果、上側の照度調整板１０の表面１０ａおよび底面１０ｂ並びに下側の照度調整板１０の表面１０ａおよび底面１０ｂの計４ヶ所で反射された光量を光照射部５から出射された光量から減じた光量が下側の照度調整板１０の底面１０ｂから半導体ウェハーＷへと向かうこととなる。従って、上記実施形態よりも半導体ウェハーＷの内側部分に到達する光量がさらに減少することとなる。
When the light emitted from the
図９においては、２枚の照度調整板１０を重ねていたが、さらに枚数を増やしても良い。何枚の照度調整板１０を重ねるかは、半導体ウェハーＷの内側部分に到達する光量が周縁部に到達する光量とほぼ等しくなるような枚数に決定すればよい。
In FIG. 9, the two
また、上記実施形態においては、光照射部５に３０本のフラッシュランプ６９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６９の本数は任意の数とすることができる。
In the above embodiment, the
また、フラッシュランプ６９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良い。
The
また、光照射部５にフラッシュランプ６９に代えて他の種類のランプ（例えばハロゲンランプ）を備え、当該ランプからの光照射によって半導体ウェハーＷの加熱を行う熱処理装置であっても本発明に係る技術を適用することができる。この場合であっても、照度調整板１０の表面１０ａおよび底面１０ｂでの反射によって半導体ウェハーＷの内側部分に到達する光量が低下し、結果として半導体ウェハーＷ上の照度分布の面内均一性が向上する。
Further, even if the
また、上記各実施形態においては、アシスト加熱手段としてホットプレート７１を使用していたが、半導体ウェハーＷを保持する保持部７の下方に複数のランプ群（例えば複数のハロゲンランプ）を設け、それらからの光照射によってアシスト加熱を行うようにしても良い。
In each of the above embodiments, the
また、上記各実施形態においては、半導体ウェハー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ェハー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良い。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。 In each of the above embodiments, the semiconductor wafer is irradiated with light to perform the ion activation process. However, the substrate to be processed by the heat treatment apparatus according to the present invention is not limited to the semiconductor wafer. Absent. For example, the glass substrate on which various silicon films such as a silicon nitride film and a polycrystalline silicon film are formed may be processed by the heat treatment apparatus according to the present invention. As an example, an amorphous silicon film made amorphous by ion implantation of silicon into a polycrystalline silicon film formed on a glass substrate by a CVD method is formed, and a silicon oxide film serving as an antireflection film is further formed thereon. Form. In this state, the entire surface of the amorphous silicon film is irradiated with light by the heat treatment apparatus according to the present invention, so that a polycrystalline silicon film obtained by polycrystallizing the amorphous silicon film can be formed.
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。 Further, a heat treatment according to the present invention is applied to a TFT substrate having a structure in which a base silicon oxide film and a polysilicon film obtained by crystallizing amorphous silicon are formed on a glass substrate, and the polysilicon film is doped with impurities such as phosphorus and boron. It is also possible to activate the impurities implanted in the doping process by irradiating light with an apparatus.
１ 熱処理装置
４ 保持部昇降機構
５ 光照射部
６ チャンバー
７ 保持部
１０ 照度調整板
６１ 透光板
６５ 熱処理空間
６９ フラッシュランプ
７１ ホットプレート
７２ サセプタ
Ｗ 半導体ウェハー
DESCRIPTION OF
Claims (3)
複数のランプを平面状に配列した光源と、
前記光源の下方に設けられ、基板を収容するチャンバーと、
前記チャンバー内にて基板を保持する保持手段と、
前記チャンバーの上部に設けられ、前記光源から出射された光を前記チャンバー内に導く透光窓と、
前記透光窓上に載置された石英板と、
を備え、
前記石英板の中心が前記保持手段に保持された基板の中心の鉛直方向直上に位置するように前記石英板を前記透光窓上に載置することを特徴とする熱処理装置。 A heat treatment apparatus for heating a substrate by irradiating the substrate with light,
A light source having a plurality of lamps arranged in a plane;
A chamber provided below the light source and containing a substrate;
Holding means for holding the substrate in the chamber;
A translucent window provided at the top of the chamber for guiding the light emitted from the light source into the chamber;
A quartz plate placed on the translucent window;
With
A heat treatment apparatus, wherein the quartz plate is placed on the light transmitting window so that the center of the quartz plate is positioned directly above the center of the substrate held by the holding means.
複数のランプを平面状に配列した光源と、
前記光源の下方に設けられ、基板を収容するチャンバーと、
前記チャンバー内にて基板を保持する保持手段と、
前記チャンバーの上部に設けられ、前記光源から出射された光を前記チャンバー内に導く透光窓と、
前記透光窓上に重ねて載置された複数枚の石英板と、
を備え、
前記複数枚の石英板のそれぞれの中心が前記保持手段に保持された基板の中心の鉛直方向直上に位置するように前記複数枚の石英板を前記透光窓上に載置することを特徴とする熱処理装置。 A heat treatment apparatus for heating a substrate by irradiating the substrate with light,
A light source having a plurality of lamps arranged in a plane;
A chamber provided below the light source and containing a substrate;
Holding means for holding the substrate in the chamber;
A translucent window provided at the top of the chamber for guiding the light emitted from the light source into the chamber;
A plurality of quartz plates placed on top of the transparent window;
With
The plurality of quartz plates are placed on the light transmitting window such that the centers of the plurality of quartz plates are positioned directly above the center of the substrate held by the holding means. Heat treatment equipment.
前記複数のランプは基板に閃光を照射する複数のフラッシュランプであることを特徴とする熱処理装置。 In the heat treatment apparatus according to claim 1 or 2,
The heat treatment apparatus according to claim 1, wherein the plurality of lamps are a plurality of flash lamps that irradiate a substrate with flash light.
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