JP4866020B2

JP4866020B2 - 熱処理装置

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Publication number: JP4866020B2
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Inventors: 禎朗伊藤
Original assignee: Screen Holdings Co Ltd; Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Screen Holdings Co Ltd; Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
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Filing date: 2005-05-02
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Description

この発明は、半導体ウェハーや液晶表示装置用ガラス基板等（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。

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。

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。

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。

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。

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。

特開２００４−１４０３１８号公報

しかしながら、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は、半導体ウェハーの径方向に沿った温度分布の不均一のみならず、同一半径の周方向に沿った温度分布の不均一も存在することが判明した。具体的には、半導体ウェハーの周縁部の一部のみが温度が低くなることがあった。このような温度分布の不均一を解消するために、キセノンフラッシュランプの光源を調整することは不可能であり、また、フラッシュ加熱前に半導体ウェハーを予備加熱するホットプレートによっても同一半径の周方向に沿った温度分布の不均一を解消することは困難である。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、熱処理時における基板上の温度分布の面内均一性、特に基板周縁部の温度分布均一性を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。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、基板に対して閃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、複数のフラッシュ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閃光を前記チャンバー内に導く透光板と、前記透光板のうちの実際に光が透過する領域である光学窓を規定する光学窓形成部材と、を備え、前記光学窓形成部材によって規定される前記光学窓の平面形状を、当該平面形状を円形にして前記光源から閃光照射を行ったときに相対的に温度の低くなる基板周縁部を臨む側の端縁部までの前記光学窓の中心からの距離が他の部分までの距離よりも短いものとしている。

また、請求項２の発明は、請求項１の発明に係る熱処理装置において、前記光学窓形成部材によって規定される前記光学窓の平面形状を楕円形としている。

また、請求項３の発明は、請求項２の発明に係る熱処理装置において、前記光学窓の短径方向端縁部を平面視で前記チャンバーの内壁面よりも内側かつ前記保持手段に保持された基板の周端部よりも外側に位置するようにしている。

また、請求項４の発明は、請求項１の発明に係る熱処理装置において、前記光学窓形成部材によって規定される前記光学窓の平面形状を長穴形状としている。

また、請求項５の発明は、請求項１から請求項４のいずれかの発明に係る熱処理装置において、前記光学窓形成部材を、前記透光板を前記チャンバーに押さえつけるとともに、前記透光板の周縁部上面を覆うことによって前記光学窓を形成する枠体としている。

請求項１の発明によれば、光学窓の平面形状を円形にして閃光照射を行ったときに相対的に温度の低くなる基板周縁部を臨む側の光学窓端縁部までの光学窓中心からの距離を他の部分までの距離よりも短くしているため、当該温度の低い基板周縁部の温度を上昇させることができ、熱処理時における基板上の温度分布の面内均一性、特に基板周縁部の温度分布均一性を向上させることができる。

また、請求項２の発明によれば、光学窓形成部材によって規定される光学窓の平面形状を楕円形としているため、光学窓の形成が容易となる。

また、請求項３の発明によれば、光学窓の短径方向端縁部を平面視でチャンバーの内壁面よりも内側かつ保持手段に保持された基板の周端部よりも外側に位置するようにしているため、閃光照射時にその短径方向端縁部に近い側の基板周縁部の温度を確実に上昇させることができる。

また、請求項４の発明によれば、光学窓形成部材によって規定される光学窓の平面形状を長穴形状としているため、光学窓の形成が容易となる。

また、請求項５の発明によれば、光学窓形成部材を、透光板をチャンバーに押さえつけるとともに、透光板の周縁部上面を覆うことによって光学窓を形成する枠体としているため、該枠体によって光学窓形成と透光板の装着とを行うことができる。

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。

まず、本発明に係る熱処理装置の全体構成について概説する。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。

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。

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。

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た円板形状部材であり、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。

また、熱処理空間６５の気密性を維持するために、透光板６１とチャンバー側部６３とはＯリング６３２（図７，８参照）によってシールされている。すなわち、略円筒状のチャンバー側部６３の上端に円環状の溝を刻設し、その溝にＯリング６３２を嵌め込んで透光板６１によって押さえつけている。そして、透光板６１の下面周縁部とチャンバー側部６３との間にＯリング６３２を挟み込んで密着させるために、クランプリング９０を透光板６１の上面周縁部に当接させるとともに、そのクランプリング９０をチャンバー側部６３にネジ止めすることによって、透光板６１をＯリング６３２に押し付けている。

図５は、クランプリング９０を示す平面図である。クランプリング９０は、閃光照射による劣化に対して優れた耐性を有するアルミニウムまたはアルミニウム合金によって形成されている。クランプリング９０は環状の枠体であって、平面視楕円形の開口部９１を有する。また、クランプリング９０の周縁部にはチャンバー側部６３にネジ止めするためのネジ穴９２が４５°毎に等間隔で８ヶ所設けられている。クランプリング９０をチャンバー側部６３にネジ止めして透光板６１をチャンバー６に装着することにより、クランプリング９０の開口部９１によって透光板６１のうちの実際に光が透過する光学窓が規定される。本実施形態では、開口部９１が楕円形であるため、クランプリング９０によって規定される光学窓の平面形状も楕円形となる。

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。

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における搬送開口部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。

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。

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。

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。

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４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。

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。

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。

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にネジ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。

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。

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にて構成される。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。

図３は、ホットプレート７１を示す平面図である。図３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。

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の内部を通り制御部３に接続される。

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。

６つのゾーン７１１〜７１６にそれぞれ配設される抵抗加熱線は、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、電力供給源からの電力線は、マグネシア（マグネシウム酸化物）等の絶縁体を充填したステンレスチューブ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。

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、光拡散板５３（ディフューザ）は、表面に光拡散加工を施した石英ガラスにより形成され、透光板６１との間に所定の間隙を設けて光照射部５の下面側に設置される。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。

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、該ガラス管の外周面上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、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。

なお、本実施形態の熱処理装置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（の光拡散板５３）との間隙には圧縮空気が供給され、光照射部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光拡散板５３および透光板６１への付着を抑制する。

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簡単に説明する。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。

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。

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。

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。

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４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。

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。

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。

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。

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。

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。

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部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。

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。

ところで、本実施形態の熱処理装置１においては、クランプリング９０の開口部９１を楕円形とし、それによって透光板６１の光学窓の平面形状を楕円形としている。このことの技術的意義について説明を続ける。図６は、クランプリング９０を取り付けたチャンバー６の平面図である。また、図７は図６のＡ−Ａ線に沿って見た断面図（つまり開口部９１の短径に沿って切断した断面図）であり、図８は図６のＢ−Ｂ線に沿って見た断面図（つまり開口部９１の長径に沿って切断した断面図）である。

図６から図８に示すように、本実施形態の熱処理装置１においては、開口部９１の楕円形状の長径が光照射部５のフラッシュランプ６９の長手方向に沿うようにクランプリング９０がチャンバー６に装着されている。また、図６の紙面上においてチャンバー６の右側に搬送開口部６６が形成されており、半導体ウェハーＷは搬送ロボットにより矢印ＡＲ６の方向に沿ってチャンバー６に搬出入される。そして、半導体ウェハーＷの搬出入方向（矢印ＡＲ６の方向）は開口部９１の楕円形状の短径方向と一致する。

図６および図７に示すように、クランプリング９０の開口部９１によって規定される楕円形光学窓の短径方向端部は、平面視でチャンバー６の内壁面（チャンバー側部６３の内壁面）よりも内側であって、かつ保持部７に保持された半導体ウェハーＷの周端部よりも外側に位置している。一方、図６および図８に示すように、楕円形光学窓の長径方向端部は、平面視でチャンバー６の内壁面とほぼ同じ位置である。光学窓の残余の端部位置は短径方向端部と長径方向端部との間となる。なお、楕円形光学窓の長径方向端部は、平面視でチャンバー６の内壁面より若干内側であっても良いし、該内壁面より外側であっても良い。

従来においては、クランプリング９０の開口部９１の平面形状を円形としていた。よって、クランプリング９０によって規定される光学窓の平面形状も円形となる。このような円形の光学窓を介して光照射部５のフラッシュランプ６９から閃光照射を行うと、図９（ａ）に示すように、半導体ウェハーＷの周縁部の一部に他の部分よりも温度が相対的に低い低温領域ＣＳ（図中斜線部の領域）が生じることが判明している。このような低温領域ＣＳはコールドスポットと称されており、処理不良の原因となる。低温領域ＣＳの如き温度不均一領域が発生する要因としては、チャンバー６の形状が略円筒形状ではあるものの搬送開口部６６およびガス導入チャンネル８３等の存在によって真正な円筒ではないことや光照射部５のフラッシュランプ６９が点光源ではなく棒状ランプであることによるものと考えられる。すなわち、チャンバー６自体の形状やフラッシュランプ６９の形状および配置といった装置固有の幾何学的な構成要因によって半導体ウェハーＷ上の特定箇所に低温領域ＣＳが現出するものと考えられる。本実施形態の熱処理装置１においては、半導体ウェハーＷの周縁部のうち、半導体ウェハーＷの搬出入方向（つまりフラッシュランプ６９の長手方向とは垂直な方向）に沿った両端部に低温領域ＣＳが現出する。なお、ホットプレート７１の温度調整によって半導体ウェハーＷの周縁部の一部に生じる低温領域ＣＳを解消することはできない。

そこで、図６に示す如く、クランプリング９０の開口部９１の平面形状を楕円形とし、その短径方向が半導体ウェハーＷの搬出入方向と一致するようにクランプリング９０をチャンバー６に固定すると、クランプリング９０によって規定される光学窓の平面形状も楕円形となり、その短径方向が半導体ウェハーＷの搬出入方向と一致する。すなわち、光学窓の平面形状を円形にしてフラッシュランプ６９から閃光照射を行ったときに相対的に温度の低い半導体ウェハーＷの周縁部を臨む側の光学窓端縁部を光学窓中心部側に延ばして、光学窓中心部から当該端縁部までの距離が他の端縁部までの距離よりも短くなるようにしている。

そして、このような楕円形状の光学窓を介してフラッシュランプ６９から閃光照射を行うと、図９（ｂ）に示すように、低温領域ＣＳが現出せず、フラッシュ加熱時における半導体ウェハーＷ上の温度分布の面内均一性、特にウェハー周縁部の温度分布均一性を向上させることができる。このようになる理由は、光学窓の短径方向端部、つまりクランプリング９０が光学窓中心側に延びている部位においては、フラッシュランプ６９から照射されて半導体ウェハーＷ上で反射した閃光の多重反射が生じ、その多重反射を経た反射光が再び半導体ウェハーＷに入射することによるものと考えられる。多重反射を経た反射光のほとんどは光学窓中心側に延びているクランプリング９０の部位に最も近い側の半導体ウェハーＷ周端部、すなわち半導体ウェハーＷの搬出入方向に沿った両端部に再入射する。その結果、低温領域ＣＳに入射する光量が増加して温度が相対的に上昇し、ウェハー周縁部の温度分布均一性が向上したものと考えられる。

以上のように、本実施形態においては、光学窓の平面形状を円形にしてフラッシュランプ６９から閃光照射を行ったときに相対的に温度の低くなる低温領域ＣＳの現出形態に合わせて、開口部９１を楕円形としたクランプリング９０によって光学窓の平面形状も楕円形とし、その楕円の短径方向端部を低温領域ＣＳに対応させることにより、低温領域ＣＳの温度を上昇させてフラッシュ加熱時における半導体ウェハーＷ上の温度分布の面内均一性を向上させているのである。フラッシュ加熱時における半導体ウェハーＷ上の温度分布の面内均一性が向上することにより、半導体ウェハーＷの割れを防止することもできる。

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、クランプリング９０の開口部９１の形状を楕円形としていたが、これを図１０のように長穴形状としても良い。図１０のクランプリング９０を使用すると、開口部９１が長穴形状であるため、クランプリング９０によって規定される光学窓の平面形状も長穴形状となる。そして、光学窓の長穴の直線部分の伸びる方向が半導体ウェハーＷの搬出入方向と垂直となるようにクランプリング９０をチャンバー６に固定する。このようにしても、光学窓の中心から低温領域ＣＳを臨む側の光学窓端縁部までの距離が他の端縁部までの距離よりも短くなり、フラッシュ加熱時に低温領域ＣＳの温度を上昇させて半導体ウェハーＷ上の温度分布の面内均一性を向上させることができる。

換言すれば、光学窓の中心から低温領域ＣＳを臨む側の光学窓端縁部までの距離を他の端縁部までの距離よりも短くするようにクランプリング９０の開口部９１を形成すれば上記実施形態と同様の効果を得ることができる。よって、クランプリング９０の開口部９１の形状は図１１に示すようなものであっても良い。図１１に示すクランプリング９０においては、円形の開口の一部に弦部を設けて開口部９１を形成している。そして、光学窓の直線部分（弦）の伸びる方向が半導体ウェハーＷの搬出入方向と垂直となるようにクランプリング９０をチャンバー６に固定する。このようにしても、上記と同様の効果を得ることができる。もっとも、開口部９１を楕円形や長穴形状とした方がクランプリング９０の加工性は優れたものとなる。

また、チャンバー６の構成やフラッシュランプ６９の形状および配置が異なると、光学窓の平面形状を円形にしてフラッシュ加熱を行ったときに低温領域ＣＳが現出する領域が上記実施形態の熱処理装置１と異なる場合もある。このような場合には、光学窓の中心からその低温領域ＣＳを臨む側の光学窓端縁部までの距離を他の端縁部までの距離よりも短くするようにクランプリング９０の開口部９１を形成すればよい。従って、例えば図１２に示すように、光学窓の中心部側に延びる領域が一箇所となる開口部９１を有するクランプリング９０であっても良い。

また、上記実施形態においては、クランプリング９０の開口部９１によって光学窓の形状を規定していたが、これに代えて透光板６１の周縁部上面または下面に反射材を付設することによって光学窓を形成するようにしても良い。

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。

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。

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、光学窓の中心から低温領域ＣＳを臨む側の光学窓端縁部までの距離を他の端縁部までの距離よりも短くするようにすれば、光照射熱処理時の半導体ウェハーＷ上の温度分布の面内均一性を向上させることができる。

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。

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。

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。

本発明に係る熱処理装置の構成を示す側断面図である。図１の熱処理装置のガス路を示す断面図である。図１の熱処理装置のホットプレートを示す平面図である。図１の熱処理装置の構成を示す側断面図である。図１の熱処理装置のクランプリングを示す平面図である。クランプリングを取り付けたチャンバーの平面図である。図６のＡ−Ａ線に沿って見た断面図である。図６のＢ−Ｂ線に沿って見た断面図である。光学窓の形状による半導体ウェハー上の温度分布変化を示す図である。クランプリングの他の例を示す平面図である。クランプリングの他の例を示す平面図である。クランプリングの他の例を示す平面図である。

符号の説明

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
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
９０クランプリング
９１開口部
Ｗ半導体ウェハー

Claims

基板に対して閃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、
複数のフラッシュ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閃光を前記チャンバー内に導く透光板と、
前記透光板のうちの実際に光が透過する領域である光学窓を規定する光学窓形成部材と、
を備え、
前記光学窓形成部材によって規定される前記光学窓の平面形状は、当該平面形状を円形にして前記光源から閃光照射を行ったときに相対的に温度の低くなる基板周縁部を臨む側の端縁部までの前記光学窓の中心からの距離が他の部分までの距離よりも短いことを特徴とする熱処理装置。
請求項１記載の熱処理装置において、
前記光学窓形成部材によって規定される前記光学窓の平面形状が楕円形であることを特徴とする熱処理装置。
請求項２記載の熱処理装置において、
前記光学窓の短径方向端縁部は平面視で前記チャンバーの内壁面よりも内側かつ前記保持手段に保持された基板の周端部よりも外側に位置することを特徴とする熱処理装置。
請求項１記載の熱処理装置において、
前記光学窓形成部材によって規定される前記光学窓の平面形状が長穴形状であることを特徴とする熱処理装置。
請求項１から請求項４のいずれかに記載の熱処理装置において、
前記光学窓形成部材は、前記透光板を前記チャンバーに押さえつけるとともに、前記透光板の周縁部上面を覆うことによって前記光学窓を形成する枠体であることを特徴とする熱処理装置。