JP5931477B2 - Heat treatment apparatus and heat treatment method - Google Patents
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Description
本発明は、表面にパターンが形成された半導体ウェハーや液晶表示装置用ガラス基板等の薄板状の精密電子基板（以下、単に「基板」と称する）にフラッシュ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および熱処理方法に関する。 The present invention heats a substrate by irradiating a thin plate-like precision electronic substrate (hereinafter simply referred to as “substrate”) such as a semiconductor wafer having a pattern formed on the surface or a glass substrate for a liquid crystal display device with flash light. The present invention relates to a heat treatment apparatus and a heat treatment method.
半導体デバイスの製造プロセスにおいて、不純物導入は半導体ウェハー内にｐｎ接合を形成するための必須の工程である。現在、不純物導入は、イオン打ち込み法とその後のアニール法によってなされるのが一般的である。イオン打ち込み法は、ボロン（Ｂ）、ヒ素（Ａｓ）、リン（Ｐ）といった不純物の元素をイオン化させて高加速電圧で半導体ウェハーに衝突させて物理的に不純物注入を行う技術である。注入された不純物はアニール処理によって活性化される。この際に、アニール時間が数秒程度以上であると、打ち込まれた不純物が熱によって深く拡散し、その結果接合深さが要求よりも深くなり過ぎて良好なデバイス形成に支障が生じるおそれがある。 In the semiconductor device manufacturing process, impurity introduction is an indispensable step for forming a pn junction in a semiconductor wafer. Currently, impurities are generally introduced by ion implantation and subsequent annealing. The ion implantation method is a technique in which impurity elements such as boron (B), arsenic (As), and phosphorus (P) are ionized and collided with a semiconductor wafer at a high acceleration voltage to physically perform impurity implantation. The implanted impurities are activated by annealing. At this time, if the annealing time is about several seconds or more, the implanted impurities are deeply diffused by heat, and as a result, the junction depth becomes deeper than required, and there is a possibility that good device formation may be hindered.
そこで、極めて短時間で半導体ウェハーを加熱するアニール技術として、近年フラッシュランプアニール（ＦＬＡ）が注目されている。フラッシュランプアニールは、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ェハーの表面にフラッシュ光を照射することにより、不純物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（数ミリ秒以下）に昇温させる熱処理技術である。 Therefore, in recent years, flash lamp annealing (FLA) has attracted attention as an annealing technique for heating a semiconductor wafer in an extremely short time. Flash lamp annealing is a semiconductor wafer in which impurities are implanted by irradiating the surface of the semiconductor wafer with flash light using a xenon flash lamp (hereinafter, simply referred to as “flash lamp” means xenon flash lamp). Is a heat treatment technique for raising the temperature of only the surface of the material in a very short time (several milliseconds or less).
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フラッシュ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、数ミリ秒以下の極めて短時間のフラッシュ光照射であれば、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、不純物を深く拡散させることなく、不純物活性化のみを実行することができるのである。 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. Further, it has been found that if the flash light 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 the xenon flash lamp, only the impurity activation can be performed without deeply diffusing the impurities.
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には、半導体ウェハーをホットプレートに載置して所定の温度まで予備加熱し、その後フラッシュランプからのフラッシュ光照射によって表面温度を所望の処理温度にまで昇温する装置が開示されている。また、特許文献２には、半導体ウェハーの上側にフラッシュランプを配置するとともに、下側にハロゲンランプを配置し、ハロゲンランプからの光照射によって半導体ウェハーを予備加熱し、その後フラッシュランプからウェハー表面にフラッシュ光照射を行う装置が開示されている。いずれにおいても、注入された不純物の拡散が生じない温度まで予備加熱し、その後半導体ウェハーの表面にフラッシュ光照射を行って表面を急速に処理温度にまで加熱して不純物活性化を実行している。
As a heat treatment apparatus using such a xenon flash lamp, in
しかしながら、通常、半導体ウェハーの表面にはデバイスパターンが形成されており、パターンによって光の吸収率が異なるため、表面面内における吸収率は均一ではない。このため、半導体ウェハーの表面にフラッシュ光が照射されたときに、相対的に吸収率の高いパターンが形成されている領域の温度がその周辺領域の温度よりも高くなるという温度分布のバラツキが生じていた。すなわち、半導体ウェハーの表面に光吸収率のパターン依存性が存在するために、フラッシュ光照射時にウェハー面内温度分布が不均一になるという問題が生じていた。このような面内温度分布の不均一は、照射されるフラッシュ光の強度が強くなるほど顕著となり、不純物の活性化の程度にバラツキを生じさせることとなる（温度の高い領域ほど活性化が進んでシート抵抗値が低下する）。 However, normally, a device pattern is formed on the surface of the semiconductor wafer, and the light absorptance varies depending on the pattern. Therefore, the absorptance in the surface is not uniform. For this reason, when flash light is irradiated on the surface of the semiconductor wafer, the temperature distribution in the region where the pattern having a relatively high absorption rate is formed becomes higher than the temperature in the peripheral region. It was. That is, since the pattern dependency of the light absorption rate exists on the surface of the semiconductor wafer, there has been a problem that the temperature distribution in the wafer surface becomes non-uniform at the time of flash light irradiation. Such non-uniform in-plane temperature distribution becomes more pronounced as the intensity of the irradiated flash light becomes stronger, causing variations in the degree of activation of impurities (the higher the temperature, the more active the activation). Sheet resistance decreases).
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、フラッシュ光照射時における基板表面の光吸収率のパターン依存性を軽減することができる熱処理装置および熱処理方法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 of the present invention is to provide a heat treatment apparatus and a heat treatment method that can reduce the pattern dependency of the light absorption rate of the substrate surface during flash light irradiation.
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、表面にパターンが形成された基板にフラッシュ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、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支持する支持部材と、前記支持部材に支持された基板の裏面にフラッシュ光を照射して前記基板を補助加熱する第１フラッシュランプと、補助加熱された前記基板の表面にフラッシュ光を照射して当該表面を所定の目標温度に加熱する第２フラッシュランプと、を備え、前記第１フラッシュランプからのフラッシュ光照射による前記裏面の昇温速度は毎秒１０００℃以上であることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a first aspect of the present invention is a heat treatment apparatus for heating a substrate having a pattern formed on the surface by irradiating flash light, and a chamber for accommodating the substrate, A supporting member for supporting the substrate, a first flash lamp for assisting heating of the substrate by irradiating flash light on a back surface of the substrate supported by the supporting member, and flash light on the surface of the assisting substrate. A second flash lamp that irradiates and heats the front surface to a predetermined target temperature, and a rate of temperature rise of the back surface by flash light irradiation from the first flash lamp is 1000 ° C. or more per second To do.
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、前記第１フラッシュランプのフラッシュ光照射時間は、前記裏面から前記表面への熱伝導に要する熱伝導時間よりも長時間、かつ、１秒以下であることを特徴とする。
The invention of
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、前記第１フラッシュランプによる補助加熱が終了してから前記第２フラッシュランプのフラッシュ光照射が開始されるまでの時間は、前記裏面から前記表面への熱伝導に要する熱伝導時間よりも長時間であることを特徴とする。 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 flash light irradiation of the second flash lamp is started after the auxiliary heating by the first flash lamp is completed. The time until is longer than the heat conduction time required for heat conduction from the back surface to the front surface.
また、請求項４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、前記第１フラッシュランプによる補助加熱が終了した後、前記表面と前記裏面との温度差が１０℃以下となった後に前記第２フラッシュランプのフラッシュ光照射を開始することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the heat treatment apparatus according to the first or second aspect of the present invention, after the auxiliary heating by the first flash lamp is completed, the temperature difference between the front surface and the rear surface is 10 ° C. or less. Then, the flash light irradiation of the second flash lamp is started.
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、前記第１フラッシュランプの発光出力は、ピーク到達後に補助加熱の終了時点に向けてゼロに漸近することを特徴とする。
The invention according to
また、請求項６の発明は、請求項１から請求項５のいずれかの発明に係る熱処理装置において、前記第１フラッシュランプおよび前記第２フラッシュランプは棒状ランプであり、前記第１フラッシュランプと前記第２フラッシュランプとは互いに直交するように配置されることを特徴とする。
The invention of
また、請求項７の発明は、請求項１から請求項６のいずれかの発明に係る熱処理装置において、前記支持部材の周囲に前記第１フラッシュランプと前記第２フラッシュランプとの間を遮光する遮光部材を設けることを特徴とする。 According to a seventh aspect of the present invention, in the heat treatment apparatus according to any one of the first to sixth aspects of the present invention, light shielding is provided between the first flash lamp and the second flash lamp around the support member. A light shielding member is provided.
また、請求項８の発明は、請求項１から請求項７のいずれかの発明に係る熱処理装置において、前記第１フラッシュランプによる補助加熱が開始されるよりも前に前記裏面に光照射を行って前記基板を予備加熱するハロゲンランプをさらに備えることを特徴とする。
The invention of
また、請求項９の発明は、請求項８の発明に係る熱処理装置において、前記第１フラッシュランプは前記ハロゲンランプよりも前記支持部材に近い位置に配置されることを特徴とする。 According to a ninth aspect of the present invention, in the heat treatment apparatus according to the eighth aspect of the present invention, the first flash lamp is disposed closer to the support member than the halogen lamp.
また、請求項１０の発明は、請求項１から請求項７のいずれかの発明に係る熱処理装置において、前記支持部材は、石英にて形成され、ベルヌーイ効果によって前記基板を非接触で保持するベルヌーイチャックを含むことを特徴とする。 According to a tenth aspect of the present invention, in the heat treatment apparatus according to any one of the first to seventh aspects of the present invention, the support member is made of quartz and holds the substrate in a non-contact manner by a Bernoulli effect. A chuck is included.
また、請求項１１の発明は、表面にパターンが形成された基板にフラッシュ光を照射することによって該基板を加熱する熱処理方法において、チャンバー内にて支持部材に支持された基板の裏面にフラッシュ光を照射して前記基板を補助加熱する裏面フラッシュ加熱工程と、補助加熱された前記基板の表面にフラッシュ光を照射して当該表面を所定の目標温度に加熱する表面フラッシュ加熱工程と、を備え、前記裏面フラッシュ加熱工程でのフラッシュ光照射による前記裏面の昇温速度は毎秒１０００℃以上であることを特徴とする。 According to an eleventh aspect of the present invention, in a heat treatment method for heating a substrate having a pattern formed on the surface thereof by irradiating the flash light, the flash light is applied to the back surface of the substrate supported by the support member in the chamber. A backside flash heating step for auxiliary heating of the substrate by irradiating the substrate, and a surface flash heating step for irradiating the surface of the auxiliary heated substrate with flash light to heat the surface to a predetermined target temperature , The heating rate of the back surface by flash light irradiation in the back flash heating step is 1000 ° C. or more per second .
また、請求項１２の発明は、請求項１１の発明に係る熱処理方法において、前記裏面フラッシュ加熱工程でのフラッシュ光照射時間は、前記裏面から前記表面への熱伝導に要する熱伝導時間よりも長時間、かつ、１秒以下であることを特徴とする。
The invention of
また、請求項１３の発明は、請求項１１または請求項１２の発明に係る熱処理方法において、前記裏面フラッシュ加熱工程での補助加熱が終了してから前記表面フラッシュ加熱工程でのフラッシュ光照射が開始されるまでの時間は、前記裏面から前記表面への熱伝導に要する熱伝導時間よりも長時間であることを特徴とする。 The invention of claim 13 is the heat treatment method according to claim 11 or claim 12 , wherein the flash light irradiation in the front surface flash heating step is started after the auxiliary heating in the back surface flash heating step is completed. The time until the heat treatment is performed is longer than the heat conduction time required for heat conduction from the back surface to the front surface.
また、請求項１４の発明は、請求項１１または請求項１２の発明に係る熱処理方法において、前記裏面フラッシュ加熱工程での補助加熱が終了した後、前記表面と前記裏面との温度差が１０℃以下となった後に前記表面フラッシュ加熱工程でのフラッシュ光照射を開始することを特徴とする。 The invention according to claim 14 is the heat treatment method according to claim 11 or claim 12 , wherein after the auxiliary heating in the back flash heating step is completed, the temperature difference between the front surface and the back surface is 10 ° C. After the following, flash light irradiation in the surface flash heating step is started.
また、請求項１５の発明は、請求項１１から請求項１４のいずれかの発明に係る熱処理方法において、前記裏面フラッシュ加熱工程でのフラッシュ光の発光出力は、ピーク到達後に補助加熱の終了時点に向けてゼロに漸近することを特徴とする。 The invention of claim 15 is the heat treatment method according to any one of claims 11 to 14 , wherein the light emission output of the flash light in the back surface flash heating step is at the end of the auxiliary heating after reaching the peak. It is characterized by asymptotically approaching zero.
また、請求項１６の発明は、請求項１１から請求項１５のいずれかの発明に係る熱処理方法において、前記裏面フラッシュ加熱工程の前にハロゲンランプから前記裏面に光照射を行って前記基板を予備加熱する予備加熱工程をさらに備えることを特徴とする。 Further, the invention of claim 16 is the heat treatment method according to any one of claims 11 to 15 , wherein the substrate is preliminarily prepared by irradiating the back surface with light from a halogen lamp before the back surface flash heating step. It further comprises a preheating step for heating.
請求項１から請求項１０の発明によれば、基板の裏面にフラッシュ光を照射して基板を補助加熱し、その補助加熱された基板の表面にフラッシュ光を照射して当該表面を所定の目標温度に加熱するため、フラッシュ光照射の一部を光吸収率の面内分布が均一な基板裏面に対して行うこととなり、フラッシュ光照射時における基板表面の光吸収率のパターン依存性を軽減することができる。 According to the first to tenth aspects of the present invention, the substrate is auxiliary heated by irradiating the back surface of the substrate with flash light, and the surface of the auxiliary heated substrate is irradiated with flash light so that the surface has a predetermined target. In order to heat to the temperature, part of the flash light irradiation is performed on the back surface of the substrate where the in-plane distribution of the light absorption rate is uniform, reducing the pattern dependency of the light absorption rate on the substrate surface during flash light irradiation. be able to.
特に、請求項２の発明によれば、第１フラッシュランプのフラッシュ光照射時間は、基板の裏面から表面への熱伝導に要する熱伝導時間よりも長時間、かつ、１秒以下であるため、裏面へのフラッシュ光照射によって表面をも加熱することができる。
In particular, according to the invention of
特に、請求項３の発明によれば、第１フラッシュランプによる補助加熱が終了してから第２フラッシュランプのフラッシュ光照射が開始されるまでの時間は、基板の裏面から表面への熱伝導に要する熱伝導時間よりも長時間であるため、裏面に照射されたフラッシュ光の全てを無駄なく表面の加熱に寄与させることができる。
In particular, according to the invention of
特に、請求項５の発明によれば、第１フラッシュランプの発光出力は、ピーク到達後に補助加熱の終了時点に向けてゼロに漸近するため、基板の表裏面の温度差が補助加熱の終了時点に向けて徐々に小さくなるようにすることができる。
In particular, according to the invention of
特に、請求項６の発明によれば、第１フラッシュランプおよび第２フラッシュランプは棒状ランプであり、第１フラッシュランプと第２フラッシュランプとは互いに直交するように配置されるため、棒状ランプからのフラッシュ光照射に起因した照度ムラを第１フラッシュランプおよび第２フラッシュランプが相互に解消して基板の面内温度分布を均一にすることができる。
In particular, according to the invention of
特に、請求項７の発明によれば、支持部材の周囲に第１フラッシュランプと第２フラッシュランプとの間を遮光する遮光部材を設けるため、各フラッシュランプからのフラッシュ光が基板の端縁部を回り込むのを防止することができる。 In particular, according to the seventh aspect of the present invention, since the light shielding member for shielding light between the first flash lamp and the second flash lamp is provided around the support member, the flash light from each flash lamp is transmitted to the edge portion of the substrate. Can be prevented.
特に、請求項１０の発明によれば、支持部材は、石英にて形成され、ベルヌーイ効果によって基板を非接触で保持するベルヌーイチャックを含むため、フラッシュ光照射時に基板の変形を拘束する応力が作用せず、基板の割れを防止することができる。 In particular, according to the invention of claim 10 , the support member is made of quartz and includes a Bernoulli chuck that holds the substrate in a non-contact manner by the Bernoulli effect, so that a stress that restrains deformation of the substrate acts upon flash light irradiation. Without cracking the substrate.
また、請求項１１から請求項１６の発明によれば、基板の裏面にフラッシュ光を照射して基板を補助加熱し、その補助加熱された基板の表面にフラッシュ光を照射して当該表面を所定の目標温度に加熱するため、フラッシュ光照射の一部を光吸収率の面内分布が均一な基板裏面に対して行うこととなり、フラッシュ光照射時における基板表面の光吸収率のパターン依存性を軽減することができる。 According to the invention of claims 11 to 16 , the back surface of the substrate is irradiated with flash light to assist the substrate, and the surface of the auxiliary heated substrate is irradiated with flash light so that the surface is predetermined. In order to heat to the target temperature, part of the flash light irradiation is performed on the back side of the substrate where the in-plane distribution of the light absorption rate is uniform, and the pattern dependency of the light absorption rate on the substrate surface during flash light irradiation is reduced. Can be reduced.
特に、請求項１２の発明によれば、裏面フラッシュ加熱工程でのフラッシュ光照射時間は、基板の裏面から表面への熱伝導に要する熱伝導時間よりも長時間、かつ、１秒以下であるため、裏面へのフラッシュ光照射によって表面をも加熱することができる。 In particular, according to the twelfth aspect of the present invention, the flash light irradiation time in the back surface flash heating step is longer than the heat conduction time required for heat conduction from the back surface to the surface of the substrate and is 1 second or less. The front surface can also be heated by flash light irradiation on the back surface.
特に、請求項１３の発明によれば、裏面フラッシュ加熱工程での補助加熱が終了してから表面フラッシュ加熱工程でのフラッシュ光照射が開始されるまでの時間は、基板の裏面から表面への熱伝導に要する熱伝導時間よりも長時間であるため、裏面に照射されたフラッシュ光の全てを無駄なく表面の加熱に寄与させることができる。 In particular, according to the invention of claim 13 , the time from the end of the auxiliary heating in the back surface flash heating process to the start of flash light irradiation in the surface flash heating process is the heat from the back surface of the substrate to the surface. Since it is longer than the heat conduction time required for conduction, all of the flash light irradiated on the back surface can be contributed to the heating of the surface without waste.
特に、請求項１５の発明によれば、裏面フラッシュ加熱工程でのフラッシュ光の発光出力は、ピーク到達後に補助加熱の終了時点に向けてゼロに漸近するため、基板の表裏面の温度差が補助加熱の終了時点に向けて徐々に小さくなるようにすることができる。 In particular, according to the invention of claim 15 , since the light emission output of the flash light in the back surface flash heating step gradually approaches zero toward the end of the auxiliary heating after reaching the peak, the temperature difference between the front and back surfaces of the substrate is supplemented. It can be made gradually smaller toward the end of heating.
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.
＜第１実施形態＞
図１は、本発明に係る熱処理装置１の要部構成を示す図である。この熱処理装置１は、基板としての略円形の半導体ウェハーＷにフラッシュ光を照射して加熱処理を行うフラッシュランプアニール装置である。なお、図１および以降の各図においては、理解容易のため、必要に応じて各部の寸法や数を誇張または簡略化して描いている。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a diagram showing a main configuration of a
熱処理装置１は、主たる構成として、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と、チャンバー６内にて半導体ウェハーＷを保持する保持部７と、保持部７に対して半導体ウェハーＷの受け渡しを行う移載部７９と、チャンバー６の上側に設けられた上側加熱部５と、チャンバー６の下側に設けられた下側加熱部４と、チャンバー６内に処理ガスを供給するガス供給部８と、チャンバー６から排気を行う排気部２と、を備えている。また、熱処理装置１は、これらの各部を制御して半導体ウェハーＷの加熱処理を実行させる制御部３を備える。
The
チャンバー６は、上下両端が開放された略円筒状の内壁を有するチャンバー側部６３を備える。チャンバー側部６３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等）にて形成される。チャンバー６の上部開口および下部開口には上側チャンバー窓６１および下側チャンバー窓６４がそれぞれ装着されて閉塞されている。チャンバー側部６３、上側チャンバー窓６１および下側チャンバー窓６４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。
The
チャンバー６の天井部を構成する上側チャンバー窓６１は、石英により形成された円板形状部材であり、上側加熱部５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。同様に、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部材であり、下側加熱部４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。
The
また、熱処理空間６５の気密性を維持するために、上側チャンバー窓６１および下側チャンバー窓６４とチャンバー側部６３とは図示省略のＯリングによってシールされている。具体的には、上側チャンバー窓６１の下面周縁部および下側チャンバー窓６４の上面周縁部とチャンバー側部６３との間にそれぞれＯリングを挟み込み、これらの隙間から気体が流出入するのを防いでいる。
In order to maintain the airtightness of the
チャンバー側部６３には、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が設けられている。搬送開口部６６は、図示を省略するゲートバルブによって開閉可能とされている。搬送開口部６６が開放されると、図外の搬送ロボットによってチャンバー６に対する半導体ウェハーＷの搬入および搬出が可能となる。また、搬送開口部６６が閉鎖されると、熱処理空間６５が外部との通気が遮断された密閉空間となる。
The
チャンバー６内に設けられた保持部７は、支持リング７２および遮光部材７１を備える。遮光部材７１は、チャンバー側部６３の内側壁面に固設されている。遮光部材７１は、フラッシュランプＦＬおよびハロゲンランプＨＬからの光に対して不透明な材質、例えば炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ホウ素（ＢＮ）などのセラミックによって形成すれば良い。遮光部材７１は、略円筒形状のチャンバー側部６３の内壁から突出するように円環形状に設けられている。遮光部材７１の上面内周部に支持リング７２が載置されている。すなわち、支持リング７２の周囲に遮光部材７１が設けられている。
The holding
支持リング７２は円環形状（リング状）の板状部材である。支持リング７２は、例えば炭化ケイ素にて形成される。円環形状の支持リング７２の外径は半導体ウェハーＷの直径（本実施形態ではφ３００ｍｍ）よりも大きい。また、支持リング７２の内径は半導体ウェハーＷの直径よりも若干小さい。このため、支持リング７２は、その内周部分にて半導体ウェハーＷの周縁部を支持することができる。
The
チャンバー６内に搬入された半導体ウェハーＷは、支持リング７２によってチャンバー６内にて水平姿勢（主面の法線が鉛直方向に向く姿勢）で支持される。本実施形態では、支持リング７２および遮光部材７１がいずれもフラッシュランプＦＬおよびハロゲンランプＨＬからの光に対して不透明な材質にて形成されているため、支持リング７２に支持された半導体ウェハーＷの周囲において上側加熱部５と下側加熱部４とが光学的に遮断されている。すなわち、上側加熱部５からの光が半導体ウェハーＷの周縁部外方を回り込んで下面周縁部に到達することはなく、逆に下側加熱部４からの光が上面周縁部に到達することも防がれる。
The semiconductor wafer W carried into the
保持部７の下方には移載部７９が設けられている。移載部７９は、図示省略の駆動機構によって水平方向の移動と鉛直方向の移動とが可能に構成されている。移載動作を行わないときには、移載部７９は遮光部材７１の下側の待機位置に待機している。保持部７に対して半導体ウェハーＷの移載を行う際には、移載部７９が待機位置から支持リング７２の内周よりも内側に水平移動した後、鉛直方向に沿って上昇する。これにより、移載部７９のピンの上端が支持リング７２の上面から突き出る。移載動作が終了すると、移載部７９は再び待機位置に戻る。
A
ガス供給部８は、チャンバー６内の熱処理空間６５に処理ガスを供給する。ガス供給部８は、処理ガス供給源８１とバルブ８２とを備えており、バルブ８２を開放することによって熱処理空間６５に処理ガスを供給する。ガス供給部８が供給する処理ガスとしては、窒素（Ｎ２）、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）などの不活性ガス、または、酸素（Ｏ２）、水素（Ｈ２）、塩素（Ｃｌ２）、水蒸気（Ｈ２Ｏ）、塩化水素（ＨＣｌ）、オゾン（Ｏ３）、アンモニア（ＮＨ３）などの反応性ガスを用いることができる。なお、処理ガス供給源８１としては、熱処理装置１内に設けられた気体タンクと送給ポンプとで構成するようにしても良いし、熱処理装置１が設置される工場の用力を用いるにようにしても良い。
The
排気部２は、排気装置２１およびバルブ２２を備えており、バルブ２２を開放することによってチャンバー６内の雰囲気を排気する。排気装置２１としては、真空ポンプや熱処理装置１が設置される工場の排気ユーティリティを用いることができる。排気装置２１として真空ポンプを採用し、ガス供給部８から処理ガスを供給することなく密閉空間である熱処理空間６５の雰囲気を排気すると、チャンバー６内を真空雰囲気にまで減圧することができる。また、排気装置２１として真空ポンプを用いていない場合であっても、ガス供給部８から処理ガスを供給することなく排気を行うことにより、チャンバー６内を大気圧よりも低い気圧に減圧することができる。
The
本実施形態においては、保持部７に半導体ウェハーＷが保持されているときには、遮光部材７１、支持リング７２および半導体ウェハーＷによって熱処理空間６５が上下に雰囲気分離される。このため、図１に示すように、熱処理空間６５の保持部７よりも上側と下側のそれぞれにガス供給部８が処理ガスを供給するとともに、それぞれから排気部２が排気を行うようにするのが好ましい。
In the present embodiment, when the semiconductor wafer W is held by the holding
上側加熱部５は、チャンバー６の上方に設けられている。上側加熱部５は、複数本のフラッシュランプＦＬを有する光源と、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。上側加熱部５は、チャンバー６内にて支持リング７２に支持される半導体ウェハーＷの上面に石英の上側チャンバー窓６１を介してフラッシュランプＦＬからフラッシュ光を照射する。
The
一方、下側加熱部４は、チャンバー６の下方に設けられている。下側加熱部４は、複数本のフラッシュランプＦＬおよび複数本のハロゲンランプＨＬを有する光源と、その光源の下方を覆うように設けられたリフレクタ４２と、を備えて構成される。下側加熱部４は、チャンバー６内にて支持リング７２に支持される半導体ウェハーＷの下面に石英の下側チャンバー窓６４を介してフラッシュランプＦＬまたはハロゲンランプＨＬから光を照射する。なお、上側加熱部５のフラッシュランプＦＬと下側加熱部４のフラッシュランプＦＬとを特に区別するときには、上側加熱部５のフラッシュランプＦＬを上側フラッシュランプ（第２フラッシュランプ）ＵＦＬと称し、下側加熱部４のフラッシュランプＦＬを下側フラッシュランプ（第１フラッシュランプ）ＬＦＬと称する。上側フラッシュランプＵＦＬと下側フラッシュランプＬＦＬとは配置位置が異なるものの同一の棒状のキセノンフラッシュランプであり、それらの区別を要しないときには単にフラッシュランプＦＬとする。
On the other hand, the lower heating unit 4 is provided below the
図２は、上側フラッシュランプＵＦＬ、下側フラッシュランプＬＦＬおよびハロゲンランプＨＬの配置関係を示す斜視図である。複数の上側フラッシュランプＵＦＬ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支持リング７２に支持される半導体ウェハー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。同様に、複数の下側フラッシュランプＬＦＬも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支持リング７２に支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。
FIG. 2 is a perspective view showing an arrangement relationship of the upper flash lamp UFL, the lower flash lamp LFL, and the halogen lamp HL. Each of the plurality of upper flash lamps UFL is a rod-shaped lamp having a long cylindrical shape, and the longitudinal direction of each of the upper flash lamps UFL is along the main surface of the semiconductor wafer W supported by the support ring 72 (that is, along the horizontal direction). ) They are arranged in a plane so as to be parallel to each other. Similarly, the plurality of lower flash lamps LFL are also rod-shaped lamps each having a long cylindrical shape, and the respective longitudinal directions thereof are parallel to each other along the main surface of the semiconductor wafer W supported by the
図２に示すように、上側加熱部５の上側フラッシュランプＵＦＬと下側加熱部４の下側フラッシュランプＬＦＬとは互いに直交するように配置されている。すなわち、上側加熱部５の上方から見ると、上側フラッシュランプＵＦＬの配列と下側フラッシュランプＬＦＬの配列とが井桁状に交差するように配置されている。
As shown in FIG. 2, the upper flash lamp UFL of the
図３は、フラッシュランプＦＬの駆動回路を示す図である。同図に示すように、コンデンサ９３と、コイル９４と、フラッシュランプＦＬと、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）９６とが直列に接続されている。また、図３に示すように、制御部３は、パルス発生器３１および波形設定部３２を備えるとともに、入力部３３に接続されている。入力部３３としては、キーボード、マウス、タッチパネル等の種々の公知の入力機器を採用することができる。入力部３３からの入力内容に基づいて波形設定部３２がパルス信号の波形を設定し、その波形に従ってパルス発生器３１がパルス信号を発生する。
FIG. 3 is a diagram showing a driving circuit for the flash lamp FL. As shown in the figure, a
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陽極および陰極が配設された棒状のガラス管（放電管）９２と、該ガラス管９２の外周面上に付設されたトリガー電極９１とを備える。コンデンサ９３には、電源ユニット９５によって所定の電圧が印加され、その印加電圧（充電電圧）に応じた電荷が充電される。また、トリガー電極９１にはトリガー回路９７から高電圧を印加することができる。トリガー回路９７がトリガー電極９１に電圧を印加するタイミングは制御部３によって制御される。
The flash lamp FL includes a rod-shaped glass tube (discharge tube) 92 in which xenon gas is sealed and an anode and a cathode are disposed at both ends thereof, and a trigger electrode provided on the outer peripheral surface of the
ＩＧＢＴ９６は、ゲート部にＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field effect transistor）を組み込んだバイポーラトランジスタであり、大電力を取り扱うのに適したスイッチング素子である。ＩＧＢＴ９６のゲートには制御部３のパルス発生器３１からパルス信号が印加される。ＩＧＢＴ９６のゲートに所定値以上の電圧（Highの電圧）が印加されるとＩＧＢＴ９６がオン状態となり、所定値未満の電圧（Lowの電圧）が印加されるとＩＧＢＴ９６がオフ状態となる。このようにして、フラッシュランプＦＬを含む駆動回路はＩＧＢＴ９６によってオンオフされる。ＩＧＢＴ９６がオンオフすることによってフラッシュランプＦＬと対応するコンデンサ９３との接続が断続される。
The
コンデンサ９３が充電された状態でＩＧＢＴ９６がオン状態となってガラス管９２の両端電極に高電圧が印加されたとしても、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９２内に電気は流れない。しかしながら、トリガー回路９７がトリガー電極９１に高電圧を印加して絶縁を破壊した場合には両端電極間の放電によってガラス管９２内に電流が瞬時に流れ、そのときのキセノンの原子あるいは分子の励起によって光が放出される。
Even if the
図３に示すような駆動回路は、上側加熱部５の複数の上側フラッシュランプＵＦＬおよび下側加熱部４の複数の下側フラッシュランプＬＦＬのそれぞれに個別に設けられている。従って、上側フラッシュランプＵＦＬと下側フラッシュランプＬＦＬとでは互いに異なる制御態様とすることができる。
A drive circuit as shown in FIG. 3 is individually provided for each of the plurality of upper flash lamps UFL of the
図２に戻り、下側加熱部４の複数のハロゲンランプＨＬ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支持リング７２に支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。図２に示すように、下側フラッシュランプＬＦＬとハロゲンランプＨＬとは互いに直交するように配置されている。よって、上側フラッシュランプＵＦＬとハロゲンランプＨＬとは結果的に互いに平行となる。
Returning to FIG. 2, the plurality of halogen lamps HL of the lower heating unit 4 are rod-shaped lamps each having a long cylindrical shape, and the main surface of the semiconductor wafer W whose longitudinal direction is supported by the
また、下側加熱部４において、下側フラッシュランプＬＦＬの配列面はハロゲンランプＨＬの配列面よりも上側となる。すなわち、下側フラッシュランプＬＦＬはハロゲンランプＨＬよりもチャンバー６内の支持リング７２に近い位置に配置されている。従って、ハロゲンランプＨＬから出射された光の一部はフラッシュランプＦＬを透過してチャンバー６内に入射することとなる。
In the lower heating unit 4, the arrangement surface of the lower flash lamp LFL is located above the arrangement surface of the halogen lamp HL. That is, the lower flash lamp LFL is disposed closer to the
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。 The halogen lamp HL is a filament-type light source that emits light by making the filament incandescent by energizing the filament disposed inside the glass tube. Inside the glass tube, a gas obtained by introducing a trace amount of a halogen element (iodine, bromine, etc.) into an inert gas such as nitrogen or argon is enclosed. By introducing a halogen element, it is possible to set the filament temperature to a high temperature while suppressing breakage of the filament. Therefore, the halogen lamp HL has a characteristic that it has a longer life than a normal incandescent bulb and can continuously radiate strong light.
図１に戻り、上側加熱部５のリフレクタ５２は、複数の上側フラッシュランプＵＦＬ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、複数の上側フラッシュランプＵＦＬから出射されたフラッシュ光を熱処理空間６５の側に反射するというものである。一方、下側加熱部４のリフレクタ４２は、複数の下側フラッシュランプＬＦＬおよびハロゲンランプＨＬの下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４２の基本的な機能は、複数の下側フラッシュランプＬＦＬおよび複数のハロゲンランプＨＬから出射された光を熱処理空間６５の側に反射するというものである。リフレクタ５２およびリフレクタ４２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。
Returning to FIG. 1, the
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構成される。制御部３のＣＰＵが所定の処理プログラムを実行することによって熱処理装置１における処理が進行する。また、図３に示したように、制御部３は、パルス発生器３１および波形設定部３２を備える。上述のように、入力部３３からの入力内容に基づいて、波形設定部３２がパルス信号の波形を設定し、それに従ってパルス発生器３１がＩＧＢＴ９６のゲートにパルス信号を出力する。
The
次に、上記構成を有する熱処理装置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。図４は、熱処理装置１における半導体ウェハーＷの処理手順を示すフローチャートである。以下に説明する熱処理装置１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り進行する。
Next, a processing procedure of the semiconductor wafer W in the
まず、図示省略のゲートバルブ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を介して処理対象となる半導体ウェハーＷがチャンバー６内に搬入される（ステップＳ１１）。第１実施形態において、処理対象となる半導体ウェハーＷは、表面にパターン形成がなされて不純物が注入されたシリコンの半導体基板である。なお、パターン形成および不純物注入は、例えば、熱処理装置１とは別に設置されたフォトリソグラフィ装置およびイオン注入装置によってそれぞれ行うようにすれば良い。
First, a gate valve (not shown) is opened to open the
このような半導体ウェハーＷを保持した搬送ロボットのハンドが搬送開口部６６からチャンバー６内に進入し、保持部７の直上（正確には、半導体ウェハーＷの中心軸と支持リング７２の中心軸とが一致する位置）にて停止する。続いて、移載部７９が遮光部材７１の下側の待機位置から支持リング７２の内周よりも内側に水平移動した後、鉛直方向に沿って上昇し、移載部７９のピンが支持リング７２よりも上側に突き出て搬送ロボットのハンドから半導体ウェハーＷを受け取る。その後、搬送ロボットのハンドがチャンバー６から退出するとともに、搬送開口部６６が閉鎖されることによりチャンバー６内の熱処理空間６５が密閉空間とされる。そして、半導体ウェハーＷを受け取った移載部７９が下降することにより、半導体ウェハーＷは移載部７９のピンから支持リング７２に渡される（ステップＳ１２）。半導体ウェハーＷは、その中心軸が支持リング７２の中心軸と一致するように支持される。よって、支持リング７２は、半導体ウェハーＷの全周にわたって周縁部下面を支持する。支持リング７２に半導体ウェハーＷを渡した移載部７９は待機位置に戻る。
The hand of the transfer robot holding the semiconductor wafer W enters the
ここで、半導体ウェハーＷの表面とはデバイスが形成される主面であり、上述のように表面にはパターン形成がなされて不純物が注入されている。半導体ウェハーＷの表面においては、パターンによって光の吸収率が異なるために吸収率の面内分布が均一ではない。一方、半導体ウェハーＷの裏面とは、表面とは反対側の主面である。半導体ウェハーＷの裏面には、通常は膜形成もパターン形成もなされない。但し、表面に膜形成がなされた結果として不可避的に裏面にも、例えば酸化膜、窒化膜、ポリシリコンなどの薄膜が形成されることはあるが、このような場合には均一な膜形成がなされる。いずれにしても、半導体ウェハーＷの裏面においては、光の吸収率の面内分布は均一である。 Here, the surface of the semiconductor wafer W is a main surface on which a device is formed. As described above, a pattern is formed on the surface and impurities are implanted. On the surface of the semiconductor wafer W, the in-plane distribution of the absorptance is not uniform because the absorptance of light varies depending on the pattern. On the other hand, the back surface of the semiconductor wafer W is a main surface opposite to the front surface. Normally, neither film formation nor pattern formation is performed on the back surface of the semiconductor wafer W. However, as a result of film formation on the front surface, a thin film such as an oxide film, a nitride film, or polysilicon may be inevitably formed on the back surface. Made. In any case, on the back surface of the semiconductor wafer W, the in-plane distribution of the light absorptance is uniform.
第１実施形態では、半導体ウェハーＷの表面が上面を向いた状態でチャンバー６内に搬入されて支持リング７２に支持される。なお、半導体ウェハーＷの上面とは鉛直方向の上側を向いている主面であり、下面とは下側を向いている面である。よって、半導体ウェハーＷの表面が上面を向いていることもあり、下面を向いていることもある。
In the first embodiment, the semiconductor wafer W is loaded into the
また、搬送開口部６６が閉鎖されて熱処理空間６５が密閉空間とされた後、バルブ８２が開放されてガス供給部８から熱処理空間６５に処理ガス（本実施形態では窒素ガス）を供給する。これとともに、バルブ２２が開放されて排気部２が熱処理空間６５から排気を行う。これにより、チャンバー６内の熱処理空間６５に窒素ガスの気流が形成され、保持部７に保持された半導体ウェハーＷの周辺は窒素雰囲気とされる。なお、チャンバー６内の雰囲気置換効率を高める観点からは、処理ガスを供給することなく排気部２が熱処理空間６５の排気を行って一旦大気圧よりも低い減圧雰囲気とした後に、ガス供給部８から処理ガスを供給するのが好ましい。
In addition, after the
半導体ウェハーＷが保持部７の支持リング７２に載置されて支持された後、制御部３の制御によって下側加熱部４の複数のハロゲンランプＨＬが一斉に点灯して予備加熱が開始される（ステップＳ１３）。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を透過して支持リング７２に支持された半導体ウェハー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ェハーＷの温度が上昇する。なお、移載部７９は遮光部材７１の下側の待機位置に退避しているため、ハロゲンランプＨＬによる予備加熱の障害となることは無い。また、ハロゲンランプＨＬから出射された光の一部はフラッシュランプＦＬを透過して半導体ウェハーＷの裏面に照射されることとなるが、フラッシュランプＦＬはフィラメントを備えていないため、これも予備加熱の障害となることは無い。
After the semiconductor wafer W is placed on and supported by the
半導体ウェハーＷは、ハロゲンランプＨＬからの光照射によって予め設定された予備加熱温度にまで昇温される。予備加熱温度は３００℃以上８００℃以下であり、第１実施形態では５００℃としている。半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度に到達した後、半導体ウェハーＷをその予備加熱温度に暫時維持するように制御部３がハロゲンランプＨＬの出力を維持する。具体的には、半導体ウェハーＷの温度は図示省略の温度センサ（接触式温度計または放射温度計）によって計測されており、当該温度センサによって測定される半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度に到達した時点にて制御部３がハロゲンランプＨＬの出力を制御して半導体ウェハーＷの温度をほぼ予備加熱温度に維持する。なお、半導体ウェハーＷの温度が室温から予備加熱温度に到達するまでの時間および予備加熱温度に維持される時間はいずれも数秒程度である。
The semiconductor wafer W is heated to a preset preheating temperature by light irradiation from the halogen lamp HL. The preheating temperature is 300 ° C. or higher and 800 ° C. or lower, and is 500 ° C. in the first embodiment. After the temperature of the semiconductor wafer W reaches the preheating temperature, the
次に、半導体ウェハーＷの温度を予備加熱温度に所定時間維持した後、下側加熱部４の複数のフラッシュランプＦＬ（下側フラッシュランプＬＦＬ）から半導体ウェハーＷの裏面にフラッシュ光を照射して補助加熱を行う（ステップＳ１４）。図５は、半導体ウェハーＷの表面および裏面の温度変化を示す図である。同図において、半導体ウェハーＷの表面温度を実線にて示し、裏面温度を点線にて示している。 Next, after maintaining the temperature of the semiconductor wafer W at the preheating temperature for a predetermined time, flash light is irradiated on the back surface of the semiconductor wafer W from the plurality of flash lamps FL (lower flash lamp LFL) of the lower heating unit 4. Auxiliary heating is performed (step S14). FIG. 5 is a view showing temperature changes on the front surface and the back surface of the semiconductor wafer W. FIG. In the figure, the surface temperature of the semiconductor wafer W is indicated by a solid line, and the back surface temperature is indicated by a dotted line.
半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度（本実施形態では５００℃）に到達して所定時間が経過した時刻ｔ１１に、制御部３の制御によって下側加熱部４の複数のフラッシュランプＦＬからフラッシュ光を出射する。フラッシュランプＦＬがフラッシュ光照射を行うに際しては、予め電源ユニット９５によってコンデンサ９３に電荷を蓄積しておく。そして、コンデンサ９３に電荷が蓄積された状態にて、制御部３のパルス発生器３１からＩＧＢＴ９６にパルス信号を出力してＩＧＢＴ９６をオンオフ駆動する。
At time t11 when a predetermined time has elapsed since the temperature of the semiconductor wafer W reached the preheating temperature (500 ° C. in this embodiment), the flash light from the plurality of flash lamps FL of the lower heating unit 4 is controlled by the
パルス信号の波形は、パルス幅の時間（オン時間）とパルス間隔の時間（オフ時間）とをパラメータとして順次設定したレシピを入力部３３から入力することによって規定することができる。このようなレシピをオペレータが入力部３３から制御部３に入力すると、それに従って制御部３の波形設定部３２はオンオフを繰り返すパルス波形を設定する。そして、波形設定部３２によって設定されたパルス波形に従ってパルス発生器３１がパルス信号を出力する。その結果、ＩＧＢＴ９６のゲートにはオンオフを繰り返すパルス信号が印加され、ＩＧＢＴ９６のオンオフ駆動が制御されることとなる。具体的には、ＩＧＢＴ９６のゲートに入力されるパルス信号がオンのときにはＩＧＢＴ９６がオン状態となってコンデンサ９３およびフラッシュランプＦＬを含む回路が閉じることとなり、パルス信号がオフのときにはＩＧＢＴ９６がオフ状態となって当該回路が開くこととなる。
The waveform of the pulse signal can be defined by inputting from the input unit 33 a recipe in which the pulse width time (on time) and the pulse interval time (off time) are sequentially set as parameters. When the operator inputs such a recipe from the input unit 33 to the
また、パルス発生器３１から出力するパルス信号がオンになるタイミングと同期して制御部３がトリガー回路９７を制御してトリガー電極９１に高電圧（トリガー電圧）を印加する。コンデンサ９３に電荷が蓄積された状態にてＩＧＢＴ９６のゲートにパルス信号が入力され、かつ、そのパルス信号がオンになるタイミングと同期してトリガー電極９１に高電圧が印加されることにより、パルス信号がオンのときにはガラス管９２内の両端電極間で必ず電流が流れ、そのときのキセノンの原子あるいは分子の励起によって光が放出される。
Further, in synchronization with the timing when the pulse signal output from the
制御部３からＩＧＢＴ９６のゲートにオンオフを繰り返すパルス信号を出力するとともに、該パルス信号がオンになるタイミングと同期してトリガー電極９１に高電圧を印加することにより、フラッシュランプＦＬを含む回路中に断続的に電流が流れる。このように、回路中にスイッチング素子たるＩＧＢＴ９６を接続してそのゲートにオンオフを繰り返すパルス信号を出力することにより、コンデンサ９３からフラッシュランプＦＬへの電荷の供給をＩＧＢＴ９６によって断続してフラッシュランプＦＬに流れる電流を制御しているのである。すなわち、ＩＧＢＴ９６のゲートに入力されるパルス信号がオンのときにはフラッシュランプＦＬのガラス管９２内に流れる電流値が増加し、オフのときには電流値が減少するようなノコギリ波形の電流がフラッシュランプＦＬに流れる。なお、各パルスに対応する個々の電流波形はコイル９４の定数によって規定される。
A pulse signal that repeatedly turns on and off is output from the
このようなノコギリ波形の電流が流れてフラッシュランプＦＬが発光する。ＩＧＢＴ９６によってコンデンサ９３からフラッシュランプＦＬへの電荷の供給を断続してフラッシュランプＦＬに流れる電流の波形をノコギリ波形とすることにより、いわばフラッシュランプＦＬの発光がチョッパ制御されることとなる。すなわち、コンデンサ９３に蓄積された電荷が分割して消費され、極めて短い時間の間にフラッシュランプＦＬが点滅を繰り返す。但し、フラッシュランプＦＬに流れる電流値が完全に”０”になる前に次のパルスがＩＧＢＴ９６のゲートに印加されて電流値が再度増加するため、フラッシュランプＦＬが点滅を繰り返している間も発光出力が完全に”０”になるものではない。従って、比較的間隔の短いパルス信号がＩＧＢＴ９６に出力されているときには、その間フラッシュランプＦＬが連続して発光していることとなる。
Such a sawtooth current flows, and the flash lamp FL emits light. By intermittently supplying the charge from the
パルス信号の波形は、パルス幅の時間およびパルス間隔の時間を規定することによって任意に設定することができる。このため、ＩＧＢＴ９６のオンオフ駆動も任意に制御することができ、比較的パルス間隔の短いパルスを多数設定することにより、フラッシュランプＦＬの発光時間を１０ミリ秒〜１０００ミリ秒に適宜に設定することができる。
The waveform of the pulse signal can be arbitrarily set by defining the time of the pulse width and the time of the pulse interval. For this reason, the on / off drive of the
図６は、下側フラッシュランプＬＦＬの発光出力の出力波形（プロファイル）を示す図である。第１実施形態においては、下側フラッシュランプＬＦＬの発光時間を時刻ｔ１１から時刻ｔ１２までの４０ミリ秒としている。具体的には、時刻ｔ１１から時刻ｔ１２までの４０ミリ秒にわたって比較的パルス間隔の短いパルスを多数設定したパルス信号を下側フラッシュランプＬＦＬに対応するＩＧＢＴ９６に出力することにより、下側フラッシュランプＬＦＬを時刻ｔ１１から時刻ｔ１２までの４０ミリ秒間発光させている。
FIG. 6 is a diagram showing an output waveform (profile) of the light emission output of the lower flash lamp LFL. In the first embodiment, the light emission time of the lower flash lamp LFL is 40 milliseconds from time t11 to time t12. Specifically, the lower flash lamp LFL is output by outputting to the
支持リング７２に支持された半導体ウェハーＷの裏面に下側フラッシュランプＬＦＬから４０ミリ秒にわたってフラッシュ光を照射することにより、半導体ウェハーＷが補助加熱される。このときには、図５に示すように、下側フラッシュランプＬＦＬから直接にフラッシュ光が照射される半導体ウェハーＷの裏面は時刻ｔ１１から時刻ｔ１２にかけて急速に昇温する。補助加熱段階における下側フラッシュランプＬＦＬからのフラッシュ光照射による半導体ウェハーＷの裏面の昇温速度は毎秒１０００℃以上、毎秒４００００℃以下となるようにしている。この昇温速度は、ＩＧＢＴ９６のゲートに印加するパルス信号のパルス幅およびパルス間隔の時間を調整することによって設定することができる。裏面の昇温速度が毎秒４００００℃を超えると、裏面の急激な熱膨張によって半導体ウェハーＷが割れるおそれがある。一方、昇温速度が毎秒１０００℃未満であると、注入された不純物の拡散が懸念される。また、半導体ウェハーＷの表面に形成した高誘電率膜（High-k膜）のアニール処理を行う場合であれば、昇温速度が毎秒１０００℃未満であるとシリコンの基材と高誘電率膜との間の酸化膜が成長する懸念がある。
By irradiating the rear surface of the semiconductor wafer W supported by the
また、補助加熱段階における下側フラッシュランプＬＦＬのフラッシュ光照射時間は、半導体ウェハーＷの裏面から表面への熱伝導に要する熱伝導時間よりも長時間、かつ、１秒以下となるようにしている。ここで、「熱伝導時間」とは、フラッシュ光照射によって半導体ウェハーＷの裏面に発生した熱が表面に伝導するのに要する時間である。熱伝導時間は、半導体ウェハーＷの材質および外寸によって規定されるものであり、本実施形態の如きφ３００ｍｍのシリコンウェハー（規格により厚さは０．７７５ｍｍに標準化されている）であれば約１５ミリ秒である。下側フラッシュランプＬＦＬのフラッシュ光照射時間もＩＧＢＴ９６のゲートに印加するパルス信号のパルス幅およびパルス間隔の時間を調整することによって適宜に設定することができる。第１実施形態においては、補助加熱段階における下側フラッシュランプＬＦＬのフラッシュ光照射時間を時刻ｔ１１から時刻ｔ１２までの４０ミリ秒とし、熱伝導時間である１５ミリ秒よりも長時間、かつ、１秒以下としている。
In addition, the flash light irradiation time of the lower flash lamp LFL in the auxiliary heating stage is longer than the heat conduction time required for heat conduction from the back surface to the surface of the semiconductor wafer W, and is 1 second or less. . Here, the “heat conduction time” is the time required for the heat generated on the back surface of the semiconductor wafer W by the flash light irradiation to be conducted to the surface. The heat conduction time is defined by the material and outer dimensions of the semiconductor wafer W, and about 15 for a φ300 mm silicon wafer (thickness is standardized to 0.775 mm by the standard) as in this embodiment. Milliseconds. The flash light irradiation time of the lower flash lamp LFL can also be set as appropriate by adjusting the pulse width of the pulse signal applied to the gate of the
半導体ウェハーＷの裏面に下側フラッシュランプＬＦＬから熱伝導時間よりも長時間のフラッシュ光照射を行うことにより、補助加熱段階の途中で裏面から表面への熱伝導が生じ、図５に示すように半導体ウェハーＷの裏面に遅れて表面も所定の中間温度（第１実施形態では約８００℃）にまで昇温する。このようにして、パターン形成がなされて不純物が注入された半導体ウェハーＷの表面が加熱される。なお、補助加熱段階における下側フラッシュランプＬＦＬのフラッシュ光照射時間を１秒以下としているのは、サーマルバジェットを小さくするためである。 By performing flash light irradiation on the back surface of the semiconductor wafer W from the lower flash lamp LFL for a time longer than the heat conduction time, heat conduction from the back surface to the surface occurs during the auxiliary heating stage, as shown in FIG. The surface of the semiconductor wafer W is also heated to a predetermined intermediate temperature (about 800 ° C. in the first embodiment) behind the back surface of the semiconductor wafer W. In this way, the surface of the semiconductor wafer W on which the pattern is formed and the impurities are implanted is heated. The reason why the flash light irradiation time of the lower flash lamp LFL in the auxiliary heating stage is set to 1 second or less is to reduce the thermal budget.
既述したように、半導体ウェハーＷの裏面には膜形成もパターン形成もなされていないか、或いは意図しない膜形成がなされることはあるが、このような膜形成は裏面全面にわたって均一になされるものである。よって、半導体ウェハーＷの裏面においては、光の吸収率の面内分布は均一であり、補助加熱段階にて半導体ウェハーＷの裏面にフラッシュ光照射を行うときには、表面のパターンに関わりなく、裏面全面を均一に加熱することができる。 As described above, no film formation or pattern formation is performed on the back surface of the semiconductor wafer W, or an unintended film formation may be performed, but such film formation is performed uniformly over the entire back surface. Is. Therefore, the in-plane distribution of the light absorptance is uniform on the back surface of the semiconductor wafer W, and when the back surface of the semiconductor wafer W is irradiated with flash light in the auxiliary heating stage, the entire back surface regardless of the surface pattern. Can be heated uniformly.
時刻ｔ１１から４０ミリ秒が経過した時刻ｔ１２にて下側フラッシュランプＬＦＬの発光が停止する。下側フラッシュランプＬＦＬからフラッシュ光照射が停止することによって、半導体ウェハーＷの裏面温度は若干降温する（図５参照）。一方、半導体ウェハーＷの表面においては、下側フラッシュランプＬＦＬの発光が停止する時刻ｔ１２の時点では裏面からの熱伝導が継続しているため、引き続き昇温を続けている。 The light emission of the lower flash lamp LFL stops at time t12 when 40 milliseconds have elapsed from time t11. When the flash light irradiation from the lower flash lamp LFL is stopped, the back surface temperature of the semiconductor wafer W is slightly lowered (see FIG. 5). On the other hand, on the surface of the semiconductor wafer W, since the heat conduction from the back surface continues at time t12 when the light emission of the lower flash lamp LFL stops, the temperature continues to increase.
時刻ｔ１２にて下側フラッシュランプＬＦＬの発光が停止した後、時刻ｔ１３までの一定時間待機する（ステップＳ１５）。この待機時間の間は、上側加熱部５の上側フラッシュランプＵＦＬおよび下側加熱部４の下側フラッシュランプＬＦＬのいずれも発光を行わないが、ハロゲンランプＨＬによる光照射は継続して行うようにしても良い。そして、所定時間待機した時刻ｔ１３に、制御部３の制御によって上側加熱部５の複数のフラッシュランプＦＬからフラッシュ光を出射して半導体ウェハーＷの表面から加熱する（ステップＳ１６）。
After the light emission of the lower flash lamp LFL is stopped at time t12, it waits for a certain time until time t13 (step S15). During this waiting time, neither the upper flash lamp UFL of the
下側フラッシュランプＬＦＬによる補助加熱が終了した時刻ｔ１２から上側フラッシュランプＵＦＬのフラッシュ光照射が開始される時刻ｔ１３までの待機時間は、半導体ウェハーＷの裏面から表面への熱伝導に要する熱伝導時間よりも長時間である。第１実施形態においては、時刻ｔ１２から時刻ｔ１３までの待機時間を２０ミリ秒とし、熱伝導時間である１５ミリ秒よりも長時間としている。このように時刻ｔ１２から時刻ｔ１３までの待機時間を熱伝導時間よりも長時間とすることにより、補助加熱段階の最終時点である時刻ｔ１２に下側フラッシュランプＬＦＬから照射されたフラッシュ光によって半導体ウェハーＷの裏面に発生した熱も上側フラッシュランプＵＦＬからのフラッシュ光照射前に表面に伝導することとなり、下側フラッシュランプＬＦＬから照射されたフラッシュ光を無駄なく利用することができる。 The standby time from the time t12 when the auxiliary heating by the lower flash lamp LFL is completed to the time t13 when the flash light irradiation of the upper flash lamp UFL is started is the heat conduction time required for heat conduction from the back surface to the surface of the semiconductor wafer W. Is longer than. In the first embodiment, the standby time from time t12 to time t13 is 20 milliseconds, which is longer than 15 milliseconds, which is the heat conduction time. Thus, by setting the standby time from time t12 to time t13 to be longer than the heat conduction time, the semiconductor wafer is irradiated by the flash light irradiated from the lower flash lamp LFL at time t12 which is the final time point of the auxiliary heating stage. The heat generated on the back surface of W is also conducted to the surface before the flash light irradiation from the upper flash lamp UFL, and the flash light irradiated from the lower flash lamp LFL can be used without waste.
また、図５に示すように、時刻ｔ１２から時刻ｔ１３までの待機時間の間に熱伝導によって半導体ウェハーＷの表面温度と裏面温度とが等しくなる。すなわち、下側フラッシュランプＬＦＬによる補助加熱が終了した後、半導体ウェハーＷの表面と裏面との温度差が１０℃以下となった後に上側フラッシュランプＵＦＬのフラッシュ光照射を開始している。なお、半導体ウェハーＷの表面温度と裏面温度とが等しくなった後、上側フラッシュランプＵＦＬのフラッシュ光照射が開始される時刻ｔ１３までの間は表裏面間の熱伝導は生じない。 Further, as shown in FIG. 5, the surface temperature and the back surface temperature of the semiconductor wafer W are equalized by heat conduction during the standby time from time t12 to time t13. That is, after the auxiliary heating by the lower flash lamp LFL is completed, the flash light irradiation of the upper flash lamp UFL is started after the temperature difference between the front surface and the back surface of the semiconductor wafer W becomes 10 ° C. or less. Note that heat conduction between the front and back surfaces does not occur until the time t13 when the flash light irradiation of the upper flash lamp UFL is started after the surface temperature and the back surface temperature of the semiconductor wafer W become equal.
上側加熱部５の上側フラッシュランプＵＦＬの発光制御は、広義には上述した下側フラッシュランプＬＦＬについての発光制御と同様である。すなわち、制御部３からＩＧＢＴ９６のゲートにパルス信号を出力することによってコンデンサ９３から上側フラッシュランプＵＦＬへの電荷の供給を断続し、上側フラッシュランプＵＦＬの発光を制御している。但し、第１実施形態では、上側フラッシュランプＵＦＬに対応するＩＧＢＴ９６のゲートに所定時間幅の単一のパルス信号を出力し、上側フラッシュランプＵＦＬの発光時間を下側フラッシュランプＬＦＬに比較して顕著に短くしている。
The light emission control of the upper flash lamp UFL of the
図７は、上側フラッシュランプＵＦＬの発光出力の出力波形を示す図である。第１実施形態においては、上側フラッシュランプＵＦＬを時刻ｔ１３に瞬間的に発光させて、その発光時間を数ミリ秒程度としている。具体的には、数ミリ秒のパルス幅の単一のパルス信号を設定して上側フラッシュランプＵＦＬに対応するＩＧＢＴ９６に時刻ｔ１３に出力することにより、上側フラッシュランプＵＦＬを時刻ｔ１３に瞬間的に発光させている。上側フラッシュランプＵＦＬの発光時間は下側フラッシュランプＬＦＬよりも顕著に短いが、上側フラッシュランプＵＦＬの発光出力は下側フラッシュランプＬＦＬの平均値よりも大きい。
FIG. 7 is a diagram showing an output waveform of the light emission output of the upper flash lamp UFL. In the first embodiment, the upper flash lamp UFL is caused to emit light instantaneously at time t13, and the light emission time is set to several milliseconds. Specifically, a single pulse signal having a pulse width of several milliseconds is set and output to the
下側フラッシュランプＬＦＬによって補助加熱された半導体ウェハーＷの表面に上側フラッシュランプＵＦＬからフラッシュ光を照射することにより、半導体ウェハーＷの表面がフラッシュ加熱される。このときには、上側フラッシュランプＵＦＬから比較的大きな発光出力のフラッシュ光が瞬間的に照射されるため、図５に示すように、半導体ウェハーＷの表面温度が時刻ｔ１３に急激に上昇して不純物の活性化が達成される１０００℃以上（本実施形態では約１１００℃）に到達する。但し、上側フラッシュランプＵＦＬのフラッシュ光照射時間は熱伝導時間よりも短時間であるため、半導体ウェハーＷ自体がヒートシンクとして作用し、１０００℃以上に到達した半導体ウェハーＷの表面温度は急速に低下する。従って、半導体ウェハーＷの表面温度が１０００℃以上となっているのは極めて短時間であり、不純物の活性化を達成しつつも不純物の拡散は防止することができる。一方、半導体ウェハーＷの表面から裏面への熱伝導によって裏面温度も若干上昇して表面温度と裏面温度とが等しくなる。 The surface of the semiconductor wafer W is flash-heated by irradiating the surface of the semiconductor wafer W supplementarily heated by the lower flash lamp LFL with flash light from the upper flash lamp UFL. At this time, since flash light having a relatively large light emission output is instantaneously emitted from the upper flash lamp UFL, as shown in FIG. 5, the surface temperature of the semiconductor wafer W rapidly increases at time t13, and the activity of impurities is increased. It reaches 1000 ° C. or higher (in this embodiment, about 1100 ° C.) at which the conversion is achieved. However, since the flash light irradiation time of the upper flash lamp UFL is shorter than the heat conduction time, the semiconductor wafer W itself acts as a heat sink, and the surface temperature of the semiconductor wafer W that has reached 1000 ° C. or higher rapidly decreases. . Accordingly, the surface temperature of the semiconductor wafer W is 1000 ° C. or higher for a very short time, and diffusion of impurities can be prevented while achieving activation of impurities. On the other hand, the back surface temperature slightly rises due to heat conduction from the front surface to the back surface of the semiconductor wafer W, and the front surface temperature and the back surface temperature become equal.
上側フラッシュランプＵＦＬによるフラッシュ光照射が終了すると、上側フラッシュランプＵＦＬおよび下側フラッシュランプＬＦＬの双方の発光が完了して半導体ウェハーＷの温度が急速に降温する。その後、所定時間（数秒）が経過した時点で下側加熱部４のハロゲンランプＨＬも消灯する。これにより、半導体ウェハーＷは予備加熱温度よりも低い温度にまで降温する。 When the flash light irradiation by the upper flash lamp UFL is completed, the light emission of both the upper flash lamp UFL and the lower flash lamp LFL is completed, and the temperature of the semiconductor wafer W rapidly decreases. Thereafter, when a predetermined time (several seconds) has elapsed, the halogen lamp HL of the lower heating unit 4 is also turned off. Thereby, the temperature of the semiconductor wafer W is lowered to a temperature lower than the preheating temperature.
半導体ウェハーＷの温度が所定以下にまで降温した後、移載部７９が待機位置から支持リング７２の内周よりも内側に水平移動した後、鉛直方向に沿って上昇し、移載部７９のピンが処理後の半導体ウェハーＷを持ち上げて支持リング７２から離間させる。そして、搬送開口部６６が開放されて搬送ロボットのハンドがチャンバー６内に進入し、半導体ウェハーＷの直下にて停止する。続いて、移載部７９が下降して搬送ロボットのハンドに処理後の半導体ウェハーＷを渡す。その後、半導体ウェハーＷを受け取った搬送ロボットのハンドがチャンバー６から退出することにより半導体ウェハーＷが搬出され、熱処理装置１におけるフラッシュ加熱処理が完了する（ステップＳ１７）。なお、搬送開口部６６を開放する前に、チャンバー６内の熱処理空間６５を大気雰囲気に置換するようにしても良い。
After the temperature of the semiconductor wafer W has dropped to a predetermined value or less, the
第１実施形態においては、ハロゲンランプＨＬによって予備加熱温度にまで昇温した半導体ウェハーＷの裏面に下側フラッシュランプＬＦＬからフラッシュ光を照射して補助加熱を行い、その後に半導体ウェハーＷの表面に上側フラッシュランプＵＦＬからフラッシュ光を照射して表面を目標温度に到達させている。すなわち、フラッシュ光照射による加熱を半導体ウェハーＷの裏面からのフラッシュ光照射によって中間温度にまで昇温させる補助加熱と表面からのフラッシュ光照射による主加熱との二段階に分担させている。 In the first embodiment, the back surface of the semiconductor wafer W heated up to the preheating temperature by the halogen lamp HL is irradiated with flash light from the lower flash lamp LFL to perform auxiliary heating, and then the surface of the semiconductor wafer W is applied. Flash light is irradiated from the upper flash lamp UFL so that the surface reaches the target temperature. That is, the heating by the flash light irradiation is divided into two stages of the auxiliary heating for raising the temperature to the intermediate temperature by the flash light irradiation from the back surface of the semiconductor wafer W and the main heating by the flash light irradiation from the front surface.
半導体ウェハーＷの裏面における光吸収率の面内分布は均一であるため、裏面へのフラッシュ光照射は表面に形成されたパターンの影響を受けることなく、裏面全面を均一に加熱することができる。表面へのフラッシュ光照射はパターンの影響を受けるものの、フラッシュ加熱の一部を裏面からフラッシュ光照射を行う補助加熱に分担させるよって熱処理装置１における全加熱工程としては、フラッシュ光照射時における半導体ウェハーＷの表面の光吸収率のパターン依存性を軽減することができる。その結果、半導体ウェハーＷの表面をより均一に加熱して面内温度分布を均一にすることができる。 Since the in-plane distribution of the light absorptance on the back surface of the semiconductor wafer W is uniform, the entire back surface can be uniformly heated without being affected by the pattern formed on the surface when the flash light is irradiated on the back surface. Although the flash light irradiation on the front surface is affected by the pattern, a part of the flash heating is shared with the auxiliary heating that performs the flash light irradiation from the back surface. The pattern dependency of the light absorption rate on the surface of W can be reduced. As a result, the surface of the semiconductor wafer W can be more uniformly heated to make the in-plane temperature distribution uniform.
また、半導体ウェハーＷの裏面にフラッシュ光照射を行うときには、下側フラッシュランプＬＦＬのフラッシュ光照射時間を半導体ウェハーＷの裏面から表面への熱伝導に要する熱伝導時間よりも長時間としているため、裏面からのフラッシュ光照射によって表面をも加熱することができる。さらに、下側フラッシュランプＬＦＬによる補助加熱が終了してから上側フラッシュランプＵＦＬのフラッシュ光照射が開始されるまでの待機時間を熱伝導時間よりも長時間としているため、裏面に照射されたフラッシュ光の全てを無駄なく表面の加熱に寄与させることができる。 Further, when flash light irradiation is performed on the back surface of the semiconductor wafer W, the flash light irradiation time of the lower flash lamp LFL is longer than the heat conduction time required for heat conduction from the back surface to the surface of the semiconductor wafer W. The front surface can also be heated by flash light irradiation from the back surface. Further, since the standby time from the end of the auxiliary heating by the lower flash lamp LFL to the start of the flash light irradiation of the upper flash lamp UFL is longer than the heat conduction time, the flash light irradiated to the back surface All of this can contribute to the heating of the surface without waste.
また、第１実施形態においては、上側加熱部５の上側フラッシュランプＵＦＬと下側加熱部４の下側フラッシュランプＬＦＬとが互いに直交するように配置されているため、上側フラッシュランプＵＦＬおよび下側フラッシュランプＬＦＬにおける棒状ランプの配列に起因した照度ムラを互いに解消して半導体ウェハーＷの面内温度分布をより均一にすることができる。
In the first embodiment, the upper flash lamp UFL of the
また、下側フラッシュランプＬＦＬがハロゲンランプＨＬよりもチャンバー６内の支持リング７２に近い位置に配置されているため、ハロゲンランプＨＬから出射された光の一部はフラッシュランプＦＬを透過してチャンバー６内に入射することとなる。これとは逆にハロゲンランプＨＬが下側フラッシュランプＬＦＬよりも支持リング７２に近い位置に配置されていると、ハロゲンランプＨＬのフィラメントが下側フラッシュランプＬＦＬからのフラッシュ光照射の障害となるおそれがある。第１実施形態では、フィラメントを有さない下側フラッシュランプＬＦＬがハロゲンランプＨＬよりも上側に配置されているため、下側フラッシュランプＬＦＬがハロゲンランプＨＬからの光照射の障害となることは無い。
Further, since the lower flash lamp LFL is disposed at a position closer to the
さらに、支持リング７２および遮光部材７１がいずれもフラッシュランプＦＬおよびハロゲンランプＨＬからの光に対して不透明な材質にて形成されているため、上側加熱部５からの光が半導体ウェハーＷの周縁部外方を回り込んで下面周縁部に到達してその周縁部を加熱することは防がれる。同様に、下側加熱部４からの光が半導体ウェハーＷの周縁部外方を回り込んで上面周縁部に到達し、周縁部を加熱することも防止される。よって、半導体ウェハーＷの面内温度分布をより均一にすることができる。
Further, since both the
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図８は、第２実施形態の熱処理装置１ａの要部構成を示す図である。図８において、第１実施形態の図１と同一の要素については同一の符号を付している。第２実施形態が第１実施形態と相違するのは、保持部７がベルヌーイチャック１７０を備える点、および、下側加熱部４が光源としてフラッシュランプＦＬのみを備える点である。
Second Embodiment
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 8 is a diagram showing a main configuration of the
第２実施形態の保持部７は、ベルヌーイチャック１７０および遮光部材７１を備える。遮光部材７１は、第１実施形態と同様に、フラッシュランプＦＬからの光に対して不透明な材質にて形成された円環形状の部材であり、略円筒形状のチャンバー側部６３の内壁から突出するように設けられている。遮光部材７１の上面内周部にベルヌーイチャック１７０が載置されている。
The holding
図９は、ベルヌーイチャック１７０の一例を示す図である。ベルヌーイチャック１７０は、フラッシュランプＦＬからのフラッシュ光を透過する石英にて形成されている。ベルヌーイチャック１７０は、石英の壁面の内部に中空部１７３を設けて構成される。ベルヌーイチャック１７０の天井部の石英壁面は、半導体ウェハーＷを載置する円形の載置面１７１とされている。載置面１７１の径は、半導体ウェハーＷの径よりも小さい。また、載置面１７１の周囲を取り囲むように円環形状の凹部１７２が設けられている。さらに、その凹部１７２を取り囲む円環状にガイド部１７５が設けられている。
FIG. 9 is a diagram illustrating an example of
また、載置面１７１には、気体の噴出孔１７４が形成されている。図９に示すように、噴出孔１７４はベルヌーイチャック１７０の中心側から斜め上方に向けて形成されている。噴出孔１７４は、円形の載置面１７１と同心円上に沿って設けられた複数の円形の孔であっても良いし、複数のスリット状の孔であっても良い。但し、噴出孔１７４は、その出口がベルヌーイチャック１７０に保持される半導体ウェハーＷの端縁部よりも内側となるように形成されている。また、ベルヌーイチャック１７０には移載部７９のピンが貫通するための貫通孔（図示省略）が形成されており、その貫通孔の内側と中空部１７３とは雰囲気分離されている。
Further, a
ベルヌーイチャック１７０の中空部１７３にはチャック用ガス供給部１８０から窒素ガスが供給される。図８に示すように、チャック用ガス供給部１８０は、給気配管１８４、ガス供給源１８１、バルブ１８２および流量調整バルブ１８３を備える。給気配管１８４の一端はベルヌーイチャック１７０の中空部１７３に連通接続されるとともに、他端はガス供給源１８１に接続される。また、給気配管１８４の経路途中には、バルブ１８２および流量調整バルブ１８３が介挿されている。バルブ１８２を開放することによって、ガス供給源１８１からベルヌーイチャック１７０の中空部１７３にチャック用ガス（第２実施形態では窒素）が供給される。チャック用ガス供給部１８０がベルヌーイチャック１７０に供給する窒素の流量は流量調整バルブ１８３によって調整される。
Nitrogen gas is supplied from the chuck
バルブ１８２を開放してチャック用ガス供給部１８０が中空部１７３に窒素を供給すると、中空部１７３の内圧が上昇して窒素が噴出孔１７４から噴出される。ベルヌーイチャック１７０の載置面１７１に半導体ウェハーＷが載置されているときにチャック用ガス供給部１８０が中空部１７３に窒素を供給すると、噴出孔１７４から半導体ウェハーＷの下面周縁部に向けて窒素が噴出される。噴出孔１７４は斜め上方に向けて形成されているため、図９に示すように、噴出された窒素は半導体ウェハーＷを載置面１７１から若干浮上させ、半導体ウェハーＷの下面周縁部と載置面１７１との間にできた隙間を凹部１７２に向けて（つまり、半導体ウェハーＷの中心側から端縁部に向けて）流れる。
When the
ところで、窒素の如き流体が流れるときには、流体が外界に及ぼす圧力である静圧は低下する（ベルヌーイ効果）。窒素の流速が早くなるほど、静圧の低下も大きくなる。従って、窒素の流れが形成されている半導体ウェハーＷの下面と載置面１７１との間の隙間の圧力は大気圧よりも小さくなり、その結果半導体ウェハーＷには周辺雰囲気から載置面１７１に向けて押し付けるような圧力が作用する。すなわち、噴出孔１７４から斜め上方に向けて窒素を噴出することにより、窒素の噴出圧力によって半導体ウェハーＷを載置面１７１から若干浮上させるとともに、浮上により形成された半導体ウェハーＷと載置面１７１との隙間を窒素が流れて半導体ウェハーＷに載置面１７１に押し付けるような圧力を作用させているのである。このような窒素の噴出圧力と窒素流のベルヌーイ効果とによってベルヌーイチャック１７０は半導体ウェハーＷを非接触で吸着保持する。
By the way, when a fluid such as nitrogen flows, the static pressure, which is the pressure exerted by the fluid on the outside, decreases (Bernoulli effect). The faster the nitrogen flow rate, the greater the drop in static pressure. Accordingly, the pressure in the gap between the lower surface of the semiconductor wafer W on which the nitrogen flow is formed and the mounting
半導体ウェハーＷが非接触でベルヌーイチャック１７０に保持された状態において、半導体ウェハーＷの端縁部と凹部１７２との間隔（凹部１７２から端縁部までの高さ）は３ｍｍ以上とするのが好ましい。これは、フラッシュ光照射時に半導体ウェハーＷが変形したときに、端縁部が凹部１７２に接触するのを防ぐためである。
In a state where the semiconductor wafer W is held by the
ベルヌーイ効果によって非接触で保持される半導体ウェハーＷは水平方向に横滑りするおそれがある。このため、凹部１７２の周囲にガイド部１７５を設けている。ガイド部１７５の上端は、窒素の噴出によって非接触で保持される半導体ウェハーＷの高さ位置よりも高い。また、その高さ位置において、ガイド部１７５の内径は半導体ウェハーＷの直径よりも若干大きい。このため、非接触で保持される半導体ウェハーＷの水平方向位置はガイド部１７５によって規制される。また、フラッシュ光照射時に半導体ウェハーＷがガイド部１７５に接触して割れるのを防止するために、ガイド部１７５の内側壁面をテーパ面としておくのが好ましい。
The semiconductor wafer W held in a non-contact manner by the Bernoulli effect may be slid in the horizontal direction. For this reason, a
また、第２実施形態においては、下側加熱部４が光源としての複数本のフラッシュランプＦＬとリフレクタ４２とを備えるものの、ハロゲンランプを備えていない。すなわち、第２実施形態の熱処理装置１ａは、フラッシュランプＦＬのみを熱源として備えている。第１実施形態と同様に、上側加熱部５の上側フラッシュランプＵＦＬと下側加熱部４の下側フラッシュランプＬＦＬとは互いに直交するように配置されている。
In the second embodiment, the lower heating unit 4 includes a plurality of flash lamps FL and
第２実施形態の熱処理装置１ａにおいて、保持部７がベルヌーイチャック１７０を備える点、および、下側加熱部４がハロゲンランプを備えていない点以外の残余の構成は第１実施形態の熱処理装置１と同じである。
In the
図１０は、第２実施形態の熱処理装置１ａにおける半導体ウェハーＷの処理手順を示すフローチャートである。まず、搬送開口部６６が開放されて、装置外部の搬送ロボットにより処理対象となる半導体ウェハーＷがチャンバー６内に搬入される（ステップＳ２１）。第２実施形態においても、処理対象となる半導体ウェハーＷは、表面にパターン形成がなされて不純物が注入されたシリコンの半導体基板である。
FIG. 10 is a flowchart showing a processing procedure for the semiconductor wafer W in the
半導体ウェハーＷを保持した搬送ロボットのハンドが搬送開口部６６からチャンバー６内に進入し、保持部７の直上にて停止する。続いて、移載部７９が遮光部材７１の下側の待機位置からベルヌーイチャック１７０の下側に水平移動した後、鉛直方向に沿って上昇し、移載部７９のピンがベルヌーイチャック１７０の貫通孔を通って載置面１７１よりも上側に突き出て搬送ロボットのハンドから半導体ウェハーＷを受け取る。その後、搬送ロボットのハンドがチャンバー６から退出するとともに、搬送開口部６６が閉鎖されることによりチャンバー６内の熱処理空間６５が密閉空間とされる。そして、半導体ウェハーＷを受け取った移載部７９が下降することにより、半導体ウェハーＷは移載部７９のピンからベルヌーイチャック１７０に渡されて載置面１７１に載置される（ステップＳ２２）。ベルヌーイチャック１７０に半導体ウェハーＷを渡した移載部７９は待機位置に戻る。第２実施形態においても、パターン形成がなされて不純物が注入された表面が上面を向いた状態で半導体ウェハーＷがチャンバー６内に搬入されてベルヌーイチャック１７０に載置される。
The hand of the transfer robot holding the semiconductor wafer W enters the
次に、搬送開口部６６が閉鎖されて熱処理空間６５が密閉空間とされた後、バルブ８２が開放されてガス供給部８から熱処理空間６５に処理ガス（第２実施形態では窒素ガス）を供給し、バルブ２２が開放されて排気部２が熱処理空間６５から排気を行う。これとともに、バルブ１８２が開放されてチャック用ガス供給部１８０からベルヌーイチャック１７０の中空部１７３に窒素を供給する。中空部１７３に供給された窒素が噴出孔１７４から斜め上方に向けて噴出されることにより、窒素の噴出圧力と窒素流のベルヌーイ効果とによって半導体ウェハーＷがベルヌーイチャック１７０に非接触で吸着保持される（ステップＳ２３）。
Next, after the
半導体ウェハーＷがベルヌーイチャック１７０に非接触で保持された後、下側加熱部４の複数のフラッシュランプＦＬ（下側フラッシュランプＬＦＬ）から半導体ウェハーＷの裏面にフラッシュ光を照射して補助加熱を行う（ステップＳ２４）。すなわち、第２実施形態においては、ハロゲンランプによる予備加熱を行うことなく、室温の半導体ウェハーＷの裏面に下側フラッシュランプＬＦＬからフラッシュ光を照射して補助加熱を行っているのである。図１１は、第２実施形態における半導体ウェハーＷの表面および裏面の温度変化を示す図である。図５と同様に、図１１においても、半導体ウェハーＷの表面温度を実線にて示し、裏面温度を点線にて示している。
After the semiconductor wafer W is held on the
所定の時刻ｔ２１に、制御部３の制御によって下側加熱部４の複数のフラッシュランプＦＬからフラッシュ光を出射する。このときの下側フラッシュランプＬＦＬの発光制御は、概ね第１実施形態と同様である。すなわち、制御部３からＩＧＢＴ９６のゲートにパルス信号を出力することによってコンデンサ９３から下側フラッシュランプＬＦＬへの電荷の供給を断続し、下側フラッシュランプＬＦＬの発光をチョッパ制御している。
At a predetermined time t21, flash light is emitted from the plurality of flash lamps FL of the lower heating unit 4 under the control of the
図１２は、第２実施形態における下側フラッシュランプＬＦＬの発光出力の出力波形（プロファイル）を示す図である。第２実施形態においては、下側フラッシュランプＬＦＬの発光時間を時刻ｔ２１から時刻ｔ２２までの８０ミリ秒としている。また、下側フラッシュランプＬＦＬの発光出力がピーク到達後に補助加熱の終了時点（時刻ｔ２２）に向けて徐々に小さくなってゼロに漸近するようにしている。具体的には、時刻ｔ２１から時刻ｔ２２にかけてパルス幅が徐々に短くなるとともにパルス間隔が徐々に長くなる複数のパルスを設定したパルス信号を下側フラッシュランプＬＦＬに対応するＩＧＢＴ９６に出力する。これにより、下側フラッシュランプＬＦＬは、時刻ｔ２１から時刻ｔ２２までの８０ミリ秒間発光し、その発光出力はピーク到達後に時刻ｔ２２に向けて徐々に小さくなってゼロに漸近する。
FIG. 12 is a diagram showing an output waveform (profile) of the light emission output of the lower flash lamp LFL in the second embodiment. In the second embodiment, the light emission time of the lower flash lamp LFL is 80 milliseconds from time t21 to time t22. Further, the light emission output of the lower flash lamp LFL gradually decreases toward the end point of auxiliary heating (time t22) after reaching the peak and gradually approaches zero. Specifically, a pulse signal in which a plurality of pulses whose pulse width gradually decreases and the pulse interval gradually increases from time t21 to time t22 is output to the
下側フラッシュランプＬＦＬから出射されたフラッシュ光は、石英のベルヌーイチャック１７０を透過し、ベルヌーイチャック１７０に非接触で保持された半導体ウェハーＷの裏面に照射される。図１２に示すようなプロファイルの発光出力にて半導体ウェハーＷの裏面に下側フラッシュランプＬＦＬからフラッシュ光を照射することにより、半導体ウェハーＷが補助加熱される。補助加熱段階における下側フラッシュランプＬＦＬからのフラッシュ光照射による半導体ウェハーＷの裏面の昇温速度は毎秒１０００℃以上、毎秒４００００℃以下である。また、補助加熱段階における下側フラッシュランプＬＦＬのフラッシュ光照射時間（第２実施形態では８０ミリ秒）は、半導体ウェハーＷの裏面から表面への熱伝導に要する熱伝導時間よりも長時間、かつ、１秒以下である。この補助加熱により、図１１に示すように、半導体ウェハーＷの裏面は時刻ｔ２１から時刻ｔ２２にかけて昇温し、表面もそれに遅れて所定の中間温度（第２実施形態では約５００℃）にまで昇温する。第２実施形態における裏面フラッシュ光照射による補助加熱の技術的意義は、第１実施形態におけるハロゲンランプＨＬよる予備加熱を含むものである。
The flash light emitted from the lower flash lamp LFL passes through the
さらに、第２実施形態においては、下側フラッシュランプＬＦＬの発光出力がピーク到達後に補助加熱の終了時点に向けて徐々に小さくなってゼロに漸近するようにしている。これにより、補助加熱段階において、半導体ウェハーＷの裏面が過度に昇温するのを防ぐとともに、表裏面の温度差が補助加熱の終了時点に向けて徐々に滑らかに小さくなるようにすることができる。その結果、表裏面の温度差に起因して半導体ウェハーＷに生じる熱応力を緩和することができる。 Further, in the second embodiment, the light emission output of the lower flash lamp LFL gradually decreases toward the end point of the auxiliary heating after reaching the peak and gradually approaches zero. Thereby, in the auxiliary heating stage, it is possible to prevent the back surface of the semiconductor wafer W from being excessively heated, and to gradually and smoothly reduce the temperature difference between the front and back surfaces toward the end point of the auxiliary heating. . As a result, the thermal stress generated in the semiconductor wafer W due to the temperature difference between the front and back surfaces can be relaxed.
時刻ｔ２１から８０ミリ秒が経過した時刻ｔ２２にて下側フラッシュランプＬＦＬの発光が停止する。第２実施形態においては、補助加熱の終了時点に向けて半導体ウェハーＷの表裏面の温度差が徐々に小さくなるため、下側フラッシュランプＬＦＬの発光が停止する時刻ｔ２２の時点で表面温度と裏面温度とがほぼ等しく中間温度となっている。 The light emission of the lower flash lamp LFL stops at time t22 when 80 milliseconds have elapsed from time t21. In the second embodiment, since the temperature difference between the front and back surfaces of the semiconductor wafer W gradually decreases toward the end of the auxiliary heating, the surface temperature and the back surface at the time t22 when the light emission of the lower flash lamp LFL stops. The temperature is almost equal to the intermediate temperature.
時刻ｔ２２にて下側フラッシュランプＬＦＬの発光が停止した後、時刻ｔ２３までの一定時間待機する（ステップＳ２５）。この待機時間の間は、上側加熱部５の上側フラッシュランプＵＦＬおよび下側加熱部４の下側フラッシュランプＬＦＬのいずれも発光を行わない。そして、所定時間待機した時刻ｔ２３に、制御部３の制御によって上側加熱部５の複数のフラッシュランプＦＬからフラッシュ光を出射して半導体ウェハーＷの表面から加熱する（ステップＳ２６）。
After the light emission of the lower flash lamp LFL stops at time t22, it waits for a certain time until time t23 (step S25). During this standby time, neither the upper flash lamp UFL of the
下側フラッシュランプＬＦＬによる補助加熱が終了した時刻ｔ２２から上側フラッシュランプＵＦＬのフラッシュ光照射が開始される時刻ｔ２３までの待機時間は、半導体ウェハーＷの裏面から表面への熱伝導に要する熱伝導時間よりも長時間である。第２実施形態においては、時刻ｔ２２から時刻ｔ２３までの待機時間を２０ミリ秒とし、熱伝導時間である１５ミリ秒よりも長時間としている。 The waiting time from the time t22 when the auxiliary heating by the lower flash lamp LFL is completed to the time t23 when the flash light irradiation of the upper flash lamp UFL is started is a heat conduction time required for heat conduction from the back surface to the surface of the semiconductor wafer W. Is longer than. In the second embodiment, the waiting time from time t22 to time t23 is 20 milliseconds, which is longer than 15 milliseconds, which is the heat conduction time.
上側加熱部５の上側フラッシュランプＵＦＬの発光制御は、第１実施形態と同様である。すなわち、上側フラッシュランプＵＦＬに対応するＩＧＢＴ９６のゲートに所定時間幅の単一のパルス信号を出力し、上側フラッシュランプＵＦＬの発光時間を下側フラッシュランプＬＦＬに比較して顕著に短くしている。
The light emission control of the upper flash lamp UFL of the
図１３は、第２実施形態における上側フラッシュランプＵＦＬの発光出力の出力波形を示す図である。第２実施形態においても、上側フラッシュランプＵＦＬを時刻ｔ２３に瞬間的に発光させて、その発光時間を数ミリ秒程度としている。具体的には、数ミリ秒のパルス幅の単一のパルス信号を設定して上側フラッシュランプＵＦＬに対応するＩＧＢＴ９６に時刻ｔ２３に出力することにより、上側フラッシュランプＵＦＬを時刻ｔ２３に瞬間的に発光させている。
FIG. 13 is a diagram showing an output waveform of the light emission output of the upper flash lamp UFL in the second embodiment. Also in the second embodiment, the upper flash lamp UFL is caused to emit light instantaneously at time t23, and the light emission time is set to several milliseconds. Specifically, a single pulse signal having a pulse width of several milliseconds is set and output to the
下側フラッシュランプＬＦＬによって補助加熱された半導体ウェハーＷの表面に上側フラッシュランプＵＦＬからフラッシュ光を照射することにより、半導体ウェハーＷの表面がフラッシュ加熱される。このときには、上側フラッシュランプＵＦＬから比較的大きな発光出力のフラッシュ光が瞬間的に照射されるため、図１１に示すように、半導体ウェハーＷの表面温度が時刻ｔ２３に急激に上昇して不純物の活性化が達成される１０００℃以上（本実施形態では約１１００℃）に到達する。但し、上側フラッシュランプＵＦＬのフラッシュ光照射時間は熱伝導時間よりも短時間であるため、半導体ウェハーＷ自体がヒートシンクとして作用し、１０００℃以上に到達した半導体ウェハーＷの表面温度は急速に低下する。従って、半導体ウェハーＷの表面温度が１０００℃以上となっているのは極めて短時間であり、不純物の活性化を達成しつつも不純物の拡散は防止することができる。一方、半導体ウェハーＷの表面から裏面への熱伝導によって裏面温度も若干上昇して表面温度と裏面温度とが等しくなる。 The surface of the semiconductor wafer W is flash-heated by irradiating the surface of the semiconductor wafer W supplementarily heated by the lower flash lamp LFL with flash light from the upper flash lamp UFL. At this time, since flash light having a relatively large light emission output is instantaneously emitted from the upper flash lamp UFL, as shown in FIG. 11, the surface temperature of the semiconductor wafer W rapidly rises at time t23, and the activity of impurities is increased. It reaches 1000 ° C. or higher (in this embodiment, about 1100 ° C.) at which the conversion is achieved. However, since the flash light irradiation time of the upper flash lamp UFL is shorter than the heat conduction time, the semiconductor wafer W itself acts as a heat sink, and the surface temperature of the semiconductor wafer W that has reached 1000 ° C. or higher rapidly decreases. . Accordingly, the surface temperature of the semiconductor wafer W is 1000 ° C. or higher for a very short time, and diffusion of impurities can be prevented while achieving activation of impurities. On the other hand, the back surface temperature slightly rises due to heat conduction from the front surface to the back surface of the semiconductor wafer W, and the front surface temperature and the back surface temperature become equal.
上側フラッシュランプＵＦＬによるフラッシュ光照射が終了すると、上側フラッシュランプＵＦＬおよび下側フラッシュランプＬＦＬの双方の発光が完了して半導体ウェハーＷの温度が急速に降温する。半導体ウェハーＷの温度が所定以下にまで降温した後、移載部７９が待機位置からベルヌーイチャック１７０の下側に水平移動した後、鉛直方向に沿って上昇し、移載部７９のピンが処理後の半導体ウェハーＷを持ち上げてベルヌーイチャック１７０から離間させる。そして、搬送開口部６６が開放されて搬送ロボットのハンドがチャンバー６内に進入し、半導体ウェハーＷの直下にて停止する。続いて、移載部７９が下降して搬送ロボットのハンドに半導体ウェハーＷを渡す。その後、半導体ウェハーＷを受け取った搬送ロボットのハンドがチャンバー６から退出することにより半導体ウェハーＷが搬出され、熱処理装置１ａにおけるフラッシュ加熱処理が完了する（ステップＳ２７）。
When the flash light irradiation by the upper flash lamp UFL is completed, the light emission of both the upper flash lamp UFL and the lower flash lamp LFL is completed, and the temperature of the semiconductor wafer W rapidly decreases. After the temperature of the semiconductor wafer W is lowered to a predetermined level or lower, the
第２実施形態においては、室温の半導体ウェハーＷの裏面に下側フラッシュランプＬＦＬからフラッシュ光を照射して裏面から加熱する補助加熱を行い、その後に半導体ウェハーＷの表面に上側フラッシュランプＵＦＬからフラッシュ光を照射して表面を目標温度に到達させている。第２実施形態の補助加熱は、従来のホットプレートやハロゲンランプによる予備加熱の技術的意義を含むものである。すなわち、半導体ウェハーＷの表面にフラッシュ光を照射して室温から急激に１０００℃以上にまで昇温させるとウェハー割れが生じるおそれのあるところ、フラッシュ光照射による加熱を半導体ウェハーＷの裏面からのフラッシュ光照射によって中間温度にまで昇温させる補助加熱と表面からのフラッシュ光照射による主加熱との二段階に分担させているのである。 In the second embodiment, the back surface of the semiconductor wafer W at room temperature is irradiated with flash light from the lower flash lamp LFL to heat from the back surface, and then the front surface of the semiconductor wafer W is flashed from the upper flash lamp UFL. Light is irradiated to bring the surface to the target temperature. The auxiliary heating of the second embodiment includes the technical significance of preheating with a conventional hot plate or halogen lamp. That is, if the surface of the semiconductor wafer W is irradiated with flash light and the temperature is rapidly raised from room temperature to 1000 ° C. or higher, there is a possibility that wafer cracking occurs. This is divided into two stages: auxiliary heating for raising the temperature to an intermediate temperature by light irradiation and main heating by flash light irradiation from the surface.
半導体ウェハーＷの裏面における光吸収率の面内分布は均一であるため、裏面へのフラッシュ光照射は表面に形成されたパターンの影響を受けることなく、裏面全面を均一に加熱することができる。表面へのフラッシュ光照射はパターンの影響を受けるものの、フラッシュ加熱の一部を裏面からフラッシュ光照射を行う補助加熱に分担させるよって熱処理装置１ａにおける全加熱工程としては、フラッシュ光照射時における半導体ウェハーＷの表面の光吸収率のパターン依存性を軽減することができる。その結果、半導体ウェハーＷの表面をより均一に加熱して面内温度分布を均一にすることができる。 Since the in-plane distribution of the light absorptance on the back surface of the semiconductor wafer W is uniform, the entire back surface can be uniformly heated without being affected by the pattern formed on the surface when the flash light is irradiated on the back surface. Although the flash light irradiation on the surface is affected by the pattern, a part of the flash heating is shared with the auxiliary heating that performs the flash light irradiation from the back surface. The pattern dependency of the light absorption rate on the surface of W can be reduced. As a result, the surface of the semiconductor wafer W can be more uniformly heated to make the in-plane temperature distribution uniform.
また、第２実施形態においては、ハロゲンランプによる予備加熱を行うことなく、下側フラッシュランプＬＦＬおよび上側フラッシュランプＵＦＬからのフラッシュ光照射のみによって半導体ウェハーＷを室温から１０００℃以上の目標温度にまで到達させている。従来、特許文献１に開示されるようなホットプレートによって予備加熱を行う場合には１分程度の予備加熱時間が必要となり、ハロゲンランプによって予備加熱を行う場合であっても数秒程度の時間を必要としていたところ、フラッシュ光照射のみによって半導体ウェハーＷを目標温度まで加熱すれば１秒以内に全ての熱処理を完了させることができる（第２実施形態では約０．１秒）。従って、熱処理装置１ａにおける処理時間を顕著に短時間とすることができ、スループットを大幅に高めることができる。また、処理時間が短時間となれば、チャンバー側部６３などの部材の不要な温度上昇を抑制することもでき、フラッシュ光照射後の半導体ウェハーＷの降温速度を高速にすることができる。
In the second embodiment, the semiconductor wafer W is brought from room temperature to a target temperature of 1000 ° C. or higher only by flash light irradiation from the lower flash lamp LFL and upper flash lamp UFL without preheating with a halogen lamp. Is reaching. Conventionally, when preheating is performed using a hot plate as disclosed in
また、第２実施形態においては、透明なベルヌーイチャック１７０がベルヌーイ効果によって半導体ウェハーＷを非接触で保持しているため、昇温した半導体ウェハーＷからベルヌーイチャック１７０への熱伝導はほとんど生じない。半導体ウェハーＷがチャックに接触して保持されていると、その接触部位近傍のみで熱伝導が生じて温度が低下し、面内温度分布が不均一となることがある。第２実施形態では、半導体ウェハーＷからベルヌーイチャック１７０への熱伝導がほとんど生じないため、そのような部分的な温度低下も生じず、半導体ウェハーＷの面内温度分布をより均一にすることができる。
Further, in the second embodiment, since the
もっとも、ベルヌーイチャック１７０は、噴出孔１７４から半導体ウェハーＷの下面周縁部に窒素を噴出してベルヌーイ効果を生じさせているため、その気流によって半導体ウェハーＷの周縁部の温度が低下することはある。しかし、第２実施形態ではフラッシュ光照射のみによって１秒以内に全ての熱処理を完了させているため、その極めて短い時間では噴出気流による温度低下の影響はほとんど生じない。
However, since the
また、半導体ウェハーＷはベルヌーイチャック１７０から浮上して非接触保持されているため、フラッシュ光照射時に急激な温度変化によって半導体ウェハーＷが変形したとしても、その変形を拘束するような応力は作用しない。このため、フラッシュ光照射時の半導体ウェハーＷの割れを防止することもできる。
In addition, since the semiconductor wafer W floats from the
また、第１実施形態と同様に、上側加熱部５の上側フラッシュランプＵＦＬと下側加熱部４の下側フラッシュランプＬＦＬとが互いに直交するように配置されているため、上側フラッシュランプＵＦＬおよび下側フラッシュランプＬＦＬにおける棒状ランプの配列に起因した照度ムラを互いに解消して半導体ウェハーＷの面内温度分布をより均一にすることができる。
Similarly to the first embodiment, the upper flash lamp UFL of the
＜変形例＞
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、第２実施形態のベルヌーイチャックを図１４に示すようなものとしても良い。図１４において、図９と同一の要素については同一の符号を付している。図９のベルヌーイチャック１７０が面一の載置面１７１を備えていたのに対して、図１４のベルヌーイチャック１７０ａは円環状の載置部１７７を備えている。円環状の載置部１７７の径は、半導体ウェハーＷの径よりも小さい。その載置部１７７の周囲を取り囲むように円環形状の凹部１７２が設けられている。
<Modification>
While the embodiments of the present invention have been described above, the present invention can be modified in various ways other than those described above without departing from the spirit of the present invention. For example, the Bernoulli chuck of the second embodiment may be as shown in FIG. 14, the same elements as those in FIG. 9 are denoted by the same reference numerals. The
載置部１７７の側面はテーパ面とされている。そして、ベルヌーイチャック１７０ａの天井部の石英壁面には、載置部１７７の内周側テーパ面の傾斜に沿うように噴出孔１７４が形成されている。よって、噴出孔１７４から斜め上方に向けて噴出された窒素ガスは、そのまま載置部１７７の内周側テーパ面に沿って流れる。ベルヌーイチャック１７０ａの残余の構成については図９のベルヌーイチャック１７０と同じである。
The side surface of the mounting
ベルヌーイチャック１７０ａの載置部１７７に半導体ウェハーＷが載置されているときにチャック用ガス供給部１８０が中空部１７３に窒素を供給すると、噴出孔１７４から半導体ウェハーＷの下面周縁部に向けて窒素が噴出される。図１４に示すように、噴出された窒素は載置部１７７の内周側テーパ面に沿って斜め上方に流れ、載置部１７７の頂上部に載置された半導体ウェハーＷを載置部１７７から若干浮上させる。そして、半導体ウェハーＷの下面周縁部と載置部１７７との間にできた隙間に、半導体ウェハーＷの中心側から端縁部に向かう窒素ガス流が形成される。半導体ウェハーＷと載置部１７７との間にできた隙間に窒素の気体流が形成されることにより、ベルヌーイ効果によって半導体ウェハーＷには周辺雰囲気から載置部１７７に向けて押し付けるような圧力が作用する。よって、第２実施形態と同様に、窒素の噴出圧力と窒素流のベルヌーイ効果とによってベルヌーイチャック１７０ａは半導体ウェハーＷを非接触で吸着保持することができる。
When the chuck
また、上記各実施形態においては、補助加熱が終了してから上側フラッシュランプＵＦＬのフラッシュ光照射が開始されるまでの待機時間を熱伝導時間以上としていたが、これに限定されるものではなく、下側フラッシュランプＬＦＬによる補助加熱が終了した後、半導体ウェハーＷの表面と裏面との温度差が１０℃以下となった後に上側フラッシュランプＵＦＬのフラッシュ光照射を開始するようにしても良い。例えば、第２実施形態のように、補助加熱の終了時点において半導体ウェハーＷの表面温度と裏面温度とがほぼ等しくなっている場合には、熱伝導時間以上待機することなく、補助加熱終了後に直ちに上側フラッシュランプＵＦＬからフラッシュ光照射を行うようにしても良い。これにより、熱処理時間をさらに短時間とすることができる。 Further, in each of the above embodiments, the standby time from the end of the auxiliary heating to the start of flash light irradiation of the upper flash lamp UFL is set to the heat conduction time or more, but is not limited to this. After the auxiliary heating by the lower flash lamp LFL is completed, the flash light irradiation of the upper flash lamp UFL may be started after the temperature difference between the front surface and the back surface of the semiconductor wafer W becomes 10 ° C. or less. For example, as in the second embodiment, when the surface temperature and the back surface temperature of the semiconductor wafer W are substantially equal at the end of the auxiliary heating, immediately after the end of the auxiliary heating without waiting for the heat conduction time or longer. You may make it perform flash light irradiation from the upper side flash lamp UFL. Thereby, the heat treatment time can be further shortened.
また、上側フラッシュランプＵＦＬおよび下側フラッシュランプＬＦＬのフラッシュ光照射期間は上記各実施形態の例に限定されるものではなく、ＩＧＢＴ９６に出力するパルス信号の波形によって適宜に設定することができる。もっとも、上側フラッシュランプＵＦＬおよび下側フラッシュランプＬＦＬのフラッシュ光照射期間の総時間は１秒以下である。
Further, the flash light irradiation period of the upper flash lamp UFL and the lower flash lamp LFL is not limited to the examples of the above embodiments, and can be set as appropriate according to the waveform of the pulse signal output to the
また、遮光部材７１の材質は、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素などのセラミックに限定されるものではなく、フラッシュランプＦＬおよびハロゲンランプＨＬからの光に対して不透明な材質であれば良く、例えば不透明石英などであっても良い。不透明石英は、例えば、石英に微小な気泡を含有させて遮光機能を有するようにしたものである。また、遮光部材７１は、金属製（例えば、ステンレススチール製）であっても良い。遮光部材７１を金属製とする場合には、フラッシュ光照射に耐えられるように遮光部材７１を水冷するとともに、遮光部材７１の表面を鏡面とするのが好ましい。ステンレススチール製のチャンバー側部６３の一部でもって遮光部材７１を形成するようにしても良い。
The material of the
また、ベルヌーイチャック１７０のうちの保持する半導体ウェハーＷよりも外側の領域を不透明石英にて形成するようにしても良い。このようにすれば、上側加熱部５からの光が半導体ウェハーＷの周縁部外方を回り込んで下面周縁部に到達してその周縁部を加熱することが防がれる。同様に、下側加熱部４からの光が半導体ウェハーＷの周縁部外方を回り込んで上面周縁部に到達し、周縁部を加熱することも防止される。
Further, an area outside the semiconductor wafer W held in the
また、半導体ウェハーＷの裏面に意図しない膜形成がなされている場合には、そのような膜を剥離してから半導体ウェハーＷをチャンバー６内に搬入するようにしても良い。また、半導体ウェハーＷの裏面の光吸収率を測定し、その測定結果に基づいて下側フラッシュランプＬＦＬから照射するフラッシュ光の発光出力を調整するようにしても良い。或いは、半導体ウェハーＷの裏面に形成されている膜種・膜厚が予め判明しているのであれば、それに基づいて下側フラッシュランプＬＦＬの発光出力を調整するようにしても良い。
Further, when an unintended film is formed on the back surface of the semiconductor wafer W, the semiconductor wafer W may be carried into the
また、第２実施形態においては、下側フラッシュランプＬＦＬからのフラッシュ光照射によって半導体ウェハーＷの表面を約５００℃にまで昇温していたが、これに限定されるものではなく、第１実施形態と同程度の約８００℃としても良い。半導体ウェハーＷの表面温度が８００℃以上になると、注入された不純物の拡散が懸念されるのであるが、補助加熱段階のフラッシュ光照射時間およびその後の待機時間は極めて短いため（第２実施形態の例では１００ミリ秒）、ほとんど拡散は生じない。また、半導体ウェハーＷの裏面からのフラッシュ光照射の割合を多くすると、その分だけ表面に照射するフラッシュ光の強度を小さくすることができるため、パターン依存性をより軽減することができる。 In the second embodiment, the surface of the semiconductor wafer W is heated to about 500 ° C. by flash light irradiation from the lower flash lamp LFL. However, the present invention is not limited to this. It is good also as about 800 degreeC comparable as a form. When the surface temperature of the semiconductor wafer W reaches 800 ° C. or more, there is a concern about the diffusion of the implanted impurities, but the flash light irradiation time in the auxiliary heating stage and the standby time thereafter are extremely short (in the second embodiment). In the example 100 milliseconds), almost no diffusion occurs. Further, when the flash light irradiation rate from the back surface of the semiconductor wafer W is increased, the intensity of the flash light applied to the front surface can be reduced accordingly, so that the pattern dependency can be further reduced.
また、半導体ウェハーの表面にニッケル膜を成膜し、本発明に係る熱処理装置によってフラッシュ加熱処理を施してニッケルシリサイドを形成するようにしても良い（シリサイド化）。さらに、半導体ウェハーの表面にハフニウムなどを含む高誘電率膜（High-k膜）を形成し、本発明に係る熱処理装置によってフラッシュ加熱処理を施して高誘電率膜の結晶化を促進するようにしても良い（ＰＤＡ：Post Deposition Anneal）。 Alternatively, a nickel film may be formed on the surface of the semiconductor wafer, and flash heat treatment may be performed by a heat treatment apparatus according to the present invention to form nickel silicide (silicidation). Further, a high dielectric constant film (High-k film) containing hafnium or the like is formed on the surface of the semiconductor wafer, and flash heat treatment is performed by the heat treatment apparatus according to the present invention to promote crystallization of the high dielectric constant film. (PDA: Post Deposition Anneal).
また、本発明に係る熱処理技術によって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く、液晶表示装置などに用いるガラス基板や太陽電池用の基板であっても良い。 The substrate to be processed by the heat treatment technique according to the present invention is not limited to a semiconductor wafer, and may be a glass substrate or a solar cell substrate used for a liquid crystal display device or the like.
１，１ａ 熱処理装置
２ 排気部
３ 制御部
４ 下側加熱部
５ 上側加熱部
６ チャンバー
７ 保持部
８ ガス供給部
６５ 熱処理空間
７１ 遮光部材
７２ 支持リング
７９ 移載部
９６ ＩＧＢＴ
１７０，１７０ａ ベルヌーイチャック
ＦＬ フラッシュランプ
ＨＬ ハロゲンランプ
ＬＦＬ 下側フラッシュランプ
ＵＦＬ 上側フラッシュランプ
Ｗ 半導体ウェハー
DESCRIPTION OF
170, 170a Bernoulli chuck FL Flash lamp HL Halogen lamp LFL Lower flash lamp UFL Upper flash lamp W Semiconductor wafer
Claims (16)
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支持する支持部材と、
前記支持部材に支持された基板の裏面にフラッシュ光を照射して前記基板を補助加熱する第１フラッシュランプと、
補助加熱された前記基板の表面にフラッシュ光を照射して当該表面を所定の目標温度に加熱する第２フラッシュランプと、
を備え、
前記第１フラッシュランプからのフラッシュ光照射による前記裏面の昇温速度は毎秒１０００℃以上であることを特徴とする熱処理装置。 A heat treatment apparatus for heating a substrate by irradiating flash light onto the substrate having a pattern formed on the surface,
A chamber for housing the substrate;
A support member for supporting the substrate in the chamber;
A first flash lamp for assisting heating of the substrate by irradiating flash light on the back surface of the substrate supported by the support member;
A second flash lamp that irradiates the surface of the substrate that has been auxiliary heated with flash light to heat the surface to a predetermined target temperature;
Equipped with a,
A heat treatment apparatus, wherein a rate of temperature rise of the back surface by flash light irradiation from the first flash lamp is 1000 ° C. or more per second .
前記第１フラッシュランプのフラッシュ光照射時間は、前記裏面から前記表面への熱伝導に要する熱伝導時間よりも長時間、かつ、１秒以下であることを特徴とする熱処理装置。 The heat treatment apparatus according to claim 1, wherein
The heat treatment apparatus characterized in that the flash light irradiation time of the first flash lamp is longer than the heat conduction time required for heat conduction from the back surface to the surface, and is 1 second or less.
前記第１フラッシュランプによる補助加熱が終了してから前記第２フラッシュランプのフラッシュ光照射が開始されるまでの時間は、前記裏面から前記表面への熱伝導に要する熱伝導時間よりも長時間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 time from the end of the auxiliary heating by the first flash lamp to the start of flash light irradiation of the second flash lamp is longer than the heat conduction time required for heat conduction from the back surface to the surface. thermal processing apparatus characterized by some.
前記第１フラッシュランプによる補助加熱が終了した後、前記表面と前記裏面との温度差が１０℃以下となった後に前記第２フラッシュランプのフラッシュ光照射を開始す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 ,
After the auxiliary heating by the first flash lamp is completed , the heat treatment apparatus starts flash light irradiation of the second flash lamp after the temperature difference between the front surface and the back surface becomes 10 ° C. or less .
前記第１フラッシュランプの発光出力は、ピーク到達後に補助加熱の終了時点に向けてゼロに漸近することを特徴とする熱処理装置。 In the heat processing apparatus in any one of Claims 1-4 ,
The light emission output of the first flash lamp gradually approaches zero toward the end of auxiliary heating after reaching the peak .
前記第１フラッシュランプおよび前記第２フラッシュランプは棒状ランプであり、
前記第１フラッシュランプと前記第２フラッシュランプとは互いに直交するように配置されることを特徴とする熱処理装置。 In the heat processing apparatus in any one of Claims 1-5,
The first flash lamp and the second flash lamp are bar lamps;
The heat treatment apparatus, wherein the first flash lamp and the second flash lamp are arranged to be orthogonal to each other .
前記支持部材の周囲に前記第１フラッシュランプと前記第２フラッシュランプとの間を遮光する遮光部材を設けることを特徴とする熱処理装置。 In the heat processing apparatus in any one of Claims 1-6,
A heat treatment apparatus , comprising: a light shielding member that shields light between the first flash lamp and the second flash lamp around the support member .
前記第１フラッシュランプによる補助加熱が開始されるよりも前に前記裏面に光照射を行って前記基板を予備加熱するハロゲンランプをさらに備えることを特徴とする熱処理装置。 In the heat treatment apparatus according to any one of claims 1 to 7,
A heat treatment apparatus , further comprising: a halogen lamp that pre-heats the substrate by irradiating the back surface with light before the auxiliary heating by the first flash lamp is started .
前記第１フラッシュランプは前記ハロゲンランプよりも前記支持部材に近い位置に配置されることを特徴とする熱処理装置。 The heat treatment apparatus according to claim 8 , wherein
The heat treatment apparatus, wherein the first flash lamp is disposed closer to the support member than the halogen lamp .
前記支持部材は、石英にて形成され、ベルヌーイ効果によって前記基板を非接触で保持するベルヌーイチャックを含むことを特徴とする熱処理装置。 In the heat treatment apparatus according to any one of claims 1 to 7 ,
The heat treatment apparatus , wherein the support member is made of quartz and includes a Bernoulli chuck that holds the substrate in a non-contact manner by a Bernoulli effect .
チャンバー内にて支持部材に支持された基板の裏面にフラッシュ光を照射して前記基板を補助加熱する裏面フラッシュ加熱工程と、
補助加熱された前記基板の表面にフラッシュ光を照射して当該表面を所定の目標温度に加熱する表面フラッシュ加熱工程と、
を備え、
前記裏面フラッシュ加熱工程でのフラッシュ光照射による前記裏面の昇温速度は毎秒１０００℃以上であることを特徴とする熱処理方法。 A heat treatment method for heating a substrate by irradiating flash light onto the substrate having a pattern formed on the surface,
A backside flash heating step of assisting heating of the substrate by irradiating flashlight on the backside of the substrate supported by the support member in the chamber;
A surface flash heating step of irradiating flash light on the surface of the auxiliary heated substrate to heat the surface to a predetermined target temperature;
With
A heat treatment method, wherein a rate of temperature rise of the back surface by flash light irradiation in the back surface flash heating step is 1000 ° C. or more per second .
前記裏面フラッシュ加熱工程でのフラッシュ光照射時間は、前記裏面から前記表面への熱伝導に要する熱伝導時間よりも長時間、かつ、１秒以下であることを特徴とする熱処理方法。 The heat treatment method according to claim 11,
The heat treatment method characterized in that the flash light irradiation time in the back surface flash heating step is longer than the heat conduction time required for heat conduction from the back surface to the surface and not more than 1 second .
前記裏面フラッシュ加熱工程での補助加熱が終了してから前記表面フラッシュ加熱工程でのフラッシュ光照射が開始されるまでの時間は、前記裏面から前記表面への熱伝導に要する熱伝導時間よりも長時間であることを特徴とする熱処理方法。 In the heat processing method of Claim 11 or Claim 12,
The time from the end of the auxiliary heating in the back surface flash heating step to the start of flash light irradiation in the surface flash heating step is longer than the heat conduction time required for heat conduction from the back surface to the surface. A heat treatment method characterized by being time .
前記裏面フラッシュ加熱工程での補助加熱が終了した後、前記表面と前記裏面との温度差が１０℃以下となった後に前記表面フラッシュ加熱工程でのフラッシュ光照射を開始することを特徴とする熱処理方法。 In the heat processing method of Claim 11 or Claim 12 ,
After the auxiliary heating in the back surface flash heating step is finished, the flash light irradiation in the front surface flash heating step is started after the temperature difference between the front surface and the back surface becomes 10 ° C. or less. Method.
前記裏面フラッシュ加熱工程でのフラッシュ光の発光出力は、ピーク到達後に補助加熱の終了時点に向けてゼロに漸近することを特徴とする熱処理方法。 In the heat treatment method according to claim 11 to claim 14,
The light-emitting output of flash light in the backside flash heating step gradually approaches zero toward the end of auxiliary heating after reaching the peak .
前記裏面フラッシュ加熱工程の前にハロゲンランプから前記裏面に光照射を行って前記基板を予備加熱する予備加熱工程をさらに備えることを特徴とする熱処理方法。 In the heat processing method in any one of Claims 11-15 ,
A heat treatment method , further comprising a preheating step of preheating the substrate by irradiating light onto the back surface from a halogen lamp before the back surface flash heating step .
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