KR102182796B1 - 열처리 장치 및 열처리 방법 - Google Patents

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Abstract

[과제] 기판의 온도를 정확하게 측정할 수 있는 열처리 장치 및 열처리 방법을 제공한다.
[해결 수단] 챔버(6) 내에서 서셉터(74)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)에 상측 챔버창(63) 및 하측 챔버창(64)을 통하여 광을 조사하여 반도체 웨이퍼(W)를 가열한다. 서셉터(74)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 온도는 방사 온도계(120)에 의해서 측정된다. 온도 보정부(31)는, 방사 온도계(130)에 의한 상측 챔버창(63)의 온도 측정값, 방사 온도계(140)에 의한 하측 챔버창(64)의 온도 측정값 및 방사 온도계(150)에 의한 서셉터(74)의 온도 측정값에 의거하여 방사 온도계(120)에 의한 반도체 웨이퍼(W)의 온도 측정을 보정한다. 이것에 의해, 서셉터(74) 등의 챔버 내 구조물의 온도에 상관없이, 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 정확하게 측정할 수 있다.

Description

열처리 장치 및 열처리 방법{HEAT TREATMENT APPARATUS AND HEAT TREATMENT METHOD}
본 발명은, 반도체 웨이퍼 등의 박판형 정밀 전자 기판(이하, 간단히 「기판」이라고 칭한다)에 광을 조사함으로써 그 기판을 가열하는 열처리 장치 및 열처리 방법에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 제조 프로세스에 있어서, 불순물 도입은 반도체 웨이퍼 내에 pn 접합을 형성하기 위한 필수 공정이다. 현재, 불순물 도입은, 이온 주입법과 그 후의 어닐링법에 따라서 이루어지는 것이 일반적이다. 이온 주입법은, 붕소(B), 비소(As), 인(P) 등의 불순물의 원소를 이온화시켜서 고가속 전압으로 반도체 웨이퍼에 충돌시켜 물리적으로 불순물 주입을 실시하는 기술이다. 주입된 불순물은 어닐링 처리에 의해서 활성화된다. 이 때, 어닐링 시간이 몇 초 정도 이상이면, 주입된 불순물이 열에 의해서 깊게 확산되고, 그 결과, 접합 깊이가 요구보다 너무 깊어지게 되어, 양호한 디바이스 형성에 지장이 생길 우려가 있다.
거기서, 극히 단시간에 반도체 웨이퍼를 가열하는 어닐링 기술로서, 최근 플래시 램프 어닐링(FLA)이 주목받고 있다. 플래시 램프 어닐링은, 크세논 플래시 램프(이하, 간단히 「플래시 램프」라고 할 경우에는 크세논 플래시 램프를 의미한다)를 사용하여 반도체 웨이퍼의 표면에 플래시광을 조사함으로써, 불순물이 주입된 반도체 웨이퍼의 표면만을 극히 단시간(수밀리초 이하)에 승온시키는 열처리 기술이다.
크세논 플래시 램프의 방사 분광 분포는 자외역으로부터 근적외역이며, 종래의 할로겐 램프보다 파장이 짧고, 규소의 반도체 웨이퍼의 기초 흡수대와 거의 일치하고 있다. 따라서, 크세논 플래시 램프로부터 반도체 웨이퍼에 플래시광을 조사했을 때에는, 투과광이 적고 반도체 웨이퍼를 급속히 승온하는 것이 가능하다. 또한, 수밀리초 이하의 극히 단시간의 플래시광 조사이면, 반도체 웨이퍼의 표면 근방만을 선택적으로 승온시킬 수 있는 것도 판명되어 있다. 이 때문에, 크세논 플래시 램프에 의한 극히 단시간의 승온이면, 불순물을 깊게 확산시키지 않고, 불순물 활성화만을 실행할 수 있는 것이다.
이러한 크세논 플래시 램프를 사용한 열처리 장치로서, 예를 들면, 특허 문헌 1에는, 반도체 웨이퍼의 표면측에 플래시 램프를 배치하고, 이면측에 할로겐 램프를 배치하여, 그들의 조합에 의해서 원하는 열처리를 실시하는 것이 개시되어 있다. 특허 문헌 1에 개시된 열처리 장치에 있어서는, 할로겐 램프에 의해서 반도체 웨이퍼를 어느 정도의 온도까지 예비 가열하고, 그 후 플래시 램프로부터의 플래시광 조사에 의해서 반도체 웨이퍼의 표면을 원하는 처리 온도로까지 승온시키고 있다.
일본 특개 2010－225645호 공보
일반적으로, 열처리에 한정하지 않고 반도체 웨이퍼의 처리는 로트(동일 조건에서 동일 내용의 처리를 실시하는 대상이 되는 1조의 반도체 웨이퍼) 단위로 행해진다. 매엽식의 기판 처리 장치에서는, 로트를 구성하는 복수매의 반도체 웨이퍼에 대해서 연속하여 순서대로 처리가 행해진다. 플래시 램프 어닐링 장치에 있어서도, 로트를 구성하는 복수의 반도체 웨이퍼가 1매씩 챔버에 반입되어 순서대로 열처리가 행해진다.
가동 정지 상태의 플래시 램프 어닐링 장치가 로트의 처리를 개시하는 경우, 대체로 실온의 챔버에 로트의 최초의 반도체 웨이퍼가 반입되어 가열 처리가 행해지게 된다. 가열 처리 시에는, 챔버 내에서 서셉터에 지지된 반도체 웨이퍼가 소정 온도로 예비 가열되어, 더욱 플래시 가열에 의해서 웨이퍼 표면이 처리 온도로까지 승온된다. 그 결과, 승온한 반도체 웨이퍼로부터 서셉터 등의 챔버 내 구조물에 열전도가 발생하고, 그 서셉터 등의 온도도 상승하게 된다. 이러한, 반도체 웨이퍼의 가열 처리에 수반되는 서셉터 등의 온도 상승은, 로트의 최초부터 수매 정도 계속되고, 이윽고 약 10매의 반도체 웨이퍼의 가열 처리가 행해졌을 때에 서셉터의 온도는 일정한 안정 온도에 도달한다. 즉, 로트의 최초의 반도체 웨이퍼는 실온의 서셉터에 유지되어 처리되는 것에 대하여, 10매째 이후의 반도체 웨이퍼는 안정 온도에 승온하고 있는 서셉터에 유지되어 처리되는 것이다.
따라서, 로트를 구성하는 복수의 반도체 웨이퍼의 온도 이력이 불균일하게 된다는 문제가 발생한다. 특히, 로트의 최초부터 수매 정도의 반도체 웨이퍼에 대해서는, 비교적 저온의 서셉터에 지지되어 처리되기 때문에, 플래시광 조사 시의 표면 도달 온도가 목표 온도에 도달하지 않을 우려도 있다.
이 때문에, 종래부터, 로트의 처리를 개시하기 전에, 처리 대상이 아닌 더미 웨이퍼를 챔버 내에 반입하여 서셉터에 유지하고, 처리 대상의 로트와 동일 조건에서 예비 가열 및 플래시 가열 처리를 실시함으로써, 사전에 서셉터 등의 챔버 내 구조물을 승온시켜 두는 것이 실시되고 있었다(더미 런닝). 약 10매 정도의 더미 웨이퍼에 대해 예비 가열 및 플래시 가열 처리를 실시함으로써, 서셉터 등이 안정 온도에 도달하므로, 그 후처리 대상이 되는 로트의 최초의 반도체 웨이퍼의 처리를 개시한다. 이와 같이 하면, 로트를 구성하는 복수의 반도체 웨이퍼의 온도 이력을 균일하게 할 수 있다.
그러나, 이러한 더미 런닝은, 처리와는 무관계한 더미 웨이퍼를 소비할 뿐만 아니라, 10매 정도의 더미 웨이퍼에 플래시 가열 처리를 실시하는데 상당한 시간을 필요로 하기 때문에, 플래시 램프 어닐링 장치의 효율적인 운용을 방해한다는 문제가 있었다.
이러한 더미 런닝을 실시하지 않으면 안되는 이유는, 상술과 같이, 저온의 서셉터에 지지된 반도체 웨이퍼의 도달 온도가 낮아져 로트를 구성하는 복수의 반도체 웨이퍼의 온도 이력이 불균일하게 되기 때문이다. 따라서, 반도체 웨이퍼가 저온의 서셉터에 지지되고 있었다 하더라도, 그 웨이퍼 온도를 정확하게 측정하여 목표 온도에 도달시킬 수 있으면, 더미 런닝을 실시하지 않아도 로트를 구성하는 복수의 반도체 웨이퍼의 온도 이력을 균일하게 할 수 있다.
본 발명은, 상기 과제를 감안하여 이루어진 것이며, 기판의 온도를 정확하게 측정할 수 있는 열처리 장치 및 열처리 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 청구항 1의 발명은, 기판에 광을 조사함으로써 그 기판을 가열하는 열처리 장치에 있어서, 기판을 수용하는 챔버와, 상기 챔버 내에 수용된 상기 기판에 광을 조사하는 광조사부와, 상기 기판으로부터 방사된 적외광을 수광하여 상기 기판의 온도를 측정하는 기판 온도 측정부와, 상기 챔버에 설치된 구조물의 온도를 측정하는 구조물 온도 측정부와, 상기 구조물 온도 측정부에 의해서 측정된 상기 구조물의 온도에 의거하여 상기 기판 온도 측정부의 온도 측정을 보정하는 온도 보정부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 2의 발명은, 청구항 1의 발명과 관련되는 열처리 장치에 있어서, 상기 구조물 온도 측정부는, 상기 챔버에 설치된 석영의 구조물의 온도를 측정하고, 상기 온도 보정부는, 상기 석영의 구조물의 온도에 의거하여 상기 기판 온도 측정부의 온도 측정을 보정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 3의 발명은, 청구항 2의 발명과 관련되는 열처리 장치에 있어서, 상기 챔버에는, 상기 광조사부로부터 출사된 광을 상기 챔버 내에 투과하는 석영창, 및, 상기 기판을 재치(載置)하여 지지하는 석영의 서셉터가 설치되고, 상기 구조물 온도 측정부는, 상기 석영창 및 상기 서셉터의 온도를 측정하며, 상기 온도 보정부는, 상기 석영창 및 상기 서셉터의 온도에 의거하여 상기 기판 온도 측정부의 온도 측정을 보정하는 것을 특징으로 한다.
청구항 4의 발명은, 청구항 3의 발명과 관련되는 열처리 장치에 있어서, 상기 광조사부는, 상기 챔버의 한쪽으로부터 상기 기판에 플래시광을 조사하는 플래시 램프, 및, 상기 챔버의 다른 쪽으로부터 상기 기판에 광을 조사하는 연속 점등 램프를 포함하고, 상기 석영창은, 상기 플래시 램프로부터 출사된 플래시광을 상기 챔버 내에 투과하는 제1 석영창, 및, 상기 연속 점등 램프로부터 출사된 광을 상기 챔버 내에 투과하는 제2 석영창을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 5의 발명은, 기판에 광을 조사함으로써 그 기판을 가열하는 열처리 방법에 있어서, 챔버 내에 수용한 기판에 광조사부로부터 광을 조사하는 조사 공정과, 상기 기판으로부터 방사된 적외광을 기판 온도 측정부에 의해서 수광하여 상기 기판의 온도를 측정하는 온도 측정 공정을 구비하고, 상기 온도 측정 공정에서는, 상기 챔버에 설치된 구조물의 온도에 의거하여 상기 기판 온도 측정부의 온도 측정을 보정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 6의 발명은, 청구항 5의 발명과 관련되는 열처리 방법에 있어서, 상기 온도 측정 공정에서는, 상기 챔버에 설치된 석영의 구조물의 온도에 의거하여 상기 기판 온도 측정부의 온도 측정을 보정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 7의 발명은, 청구항 6의 발명과 관련되는 열처리 방법에 있어서, 상기 챔버에는, 상기 광조사로부터 출사된 광을 상기 챔버 내에 투과하는 석영창, 및, 상기 기판을 재치하여 지지하는 석영의 서셉터가 설치되고, 상기 온도 측정 공정에서는, 상기 석영창 및 상기 서셉터의 온도에 의거하여 상기 기판 온도 측정부의 온도 측정을 보정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 8의 발명은, 청구항 7의 발명과 관련되는 열처리 방법에 있어서, 상기 광조사부는, 상기 챔버의 한쪽으로부터 상기 기판에 플래시광을 조사하는 플래시 램프, 및, 상기 챔버의 다른 쪽으로부터 상기 기판에 광을 조사하는 연속 점등 램프를 포함하고, 상기 석영창은, 상기 플래시 램프로부터 출사된 플래시광을 상기 챔버 내에 투과하는 제1 석영창, 및, 상기 연속 점등 램프로부터 출사된 광을 상기 챔버 내에 투과하는 제2 석영창을 포함하는 것을 특징으로 한다.
청구항 1부터 청구항 4의 발명에 의하면, 챔버에 설치된 구조물의 온도에 의거하여 기판 온도 측정부의 온도 측정을 보정하기 때문에, 당해 구조물의 온도에 관계없이, 기판의 온도를 정확하게 측정할 수 있다.
청구항 5부터 청구항 8의 발명에 의하면, 챔버에 설치된 구조물의 온도에 의거하여 기판 온도 측정부의 온도 측정을 보정하기 때문에, 당해 구조물의 온도에 관계없이, 기판의 온도를 정확하게 측정할 수 있다.
도 1은, 본 발명과 관련되는 열처리 장치의 구성을 나타내는 종단면도이다.
도 2는, 유지부의 전체 외관을 나타내는 사시도이다.
도 3은, 서셉터의 평면도이다.
도 4는, 서셉터의 단면도이다.
도 5는, 이재 기구의 평면도이다.
도 6은, 이재 기구의 측면도이다.
도 7은, 복수의 할로겐 램프의 배치를 도시한 평면도이다.
도 8은, 석영 구조물의 온도에 의거하는 방사 온도계의 온도 측정의 보정을 설명하기 위한 모식도이다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시의 형태에 대해 상세하게 설명한다.
도 1은, 본 발명과 관련되는 열처리 장치(1)의 구성을 도시한 종단면도이다. 본 실시 형태의 열처리 장치(1)는, 기판으로서 원판 형상의 반도체 웨이퍼(W)에 대해서 플래시광 조사를 실시함으로써 그 반도체 웨이퍼(W)를 가열하는 플래시 램프 어닐링 장치이다. 처리 대상이 되는 반도체 웨이퍼(W)의 사이즈는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면, φ300mm나 φ450mm이다. 열처리 장치(1)에 반입되기 전의 반도체 웨이퍼(W)에는 불순물이 주입되어 있고, 열처리 장치(1)에 의한 가열 처리에 의해서 주입된 불순물의 활성화 처리가 실행된다. 또한, 도 1 및 이후의 각 도면에 있어서는, 이해의 용이를 위해, 필요에 따라서 각 부의 치수나 수를 과장하거나 또는 간략화하여 그리고 있다.
열처리 장치(1)는, 반도체 웨이퍼(W)를 수용하는 챔버(6)와, 복수의 플래시 램프(FL)를 내장하는 플래시 가열부(5)와, 복수의 할로겐 램프(HL)를 내장하는 할로겐 가열부(4)를 구비한다. 챔버(6)의 상측에 플래시 가열부(5)가 설치됨과 더불어, 하측에 할로겐 가열부(4)가 설치되어 있다. 또한, 열처리 장치(1)는, 챔버(6)의 내부에, 반도체 웨이퍼(W)를 수평 자세로 유지하는 유지부(7)와, 유지부(7)와 장치 외부 사이에서 반도체 웨이퍼(W)의 수도(受渡)를 실시하는 이재 기구(10)를 구비한다. 또한, 열처리 장치(1)는, 할로겐 가열부(4), 플래시 가열부(5) 및 챔버(6)에 설치된 각 동작 기구를 제어하여 반도체 웨이퍼(W)의 열처리를 실행시키는 제어부(3)를 구비한다.
챔버(6)는, 통형의 챔버 측부(61)의 상하에 석영제의 챔버창을 장착하여 구성되어 있다. 챔버 측부(61)는 상하가 개구된 개략 통 형상을 가지고 있으며, 상측 개구에는 상측 챔버창(63)이 장착되어 폐색되고, 하측 개구에는 하측 챔버창(64)이 장착되어 폐색되어 있다. 챔버(6)의 천정부를 구성하는 상측 챔버창(63)은, 석영에 의해 형성된 원판 형상 부재이며, 플래시 가열부(5)로부터 출사된 플래시광을 챔버(6) 내에 투과하는 석영창(제1 석영창)으로서 기능한다. 또한, 챔버(6)의 바닥부를 구성하는 하측 챔버창(64)도, 석영에 의해 형성된 원판 형상 부재이며, 할로겐 가열부(4)로부터의 광을 챔버(6) 내에 투과하는 석영창(제2 석영창)으로서 기능한다.
또한, 챔버 측부(61)의 내측 벽면의 상부에는 반사링(68)이 장착되고, 하부에는 반사링(69)이 장착되어 있다. 반사링(68, 69)은, 모두 원환형으로 형성되어 있다. 상측의 반사링(68)은, 챔버 측부(61)의 상측으로부터 끼워 넣음으로써 장착된다. 한편, 하측의 반사링(69)는, 챔버 측부(61)의 하측으로부터 끼워 넣고 도시 생략한 나사로 고정시킴으로써 장착된다. 즉, 반사링(68, 69)은, 모두 착탈 가능하게 챔버 측부(61)에 장착되는 것이다. 챔버(6)의 내측 공간, 즉 상측 챔버창(63), 하측 챔버창(64), 챔버 측부(61) 및 반사링(68, 69)에 의해서 둘러싸이는 공간이 열처리 공간(65)으로서 규정된다.
챔버 측부(61)에 반사링(68, 69)이 장착됨으로써, 챔버(6)의 내벽면에 오목부(62)가 형성된다. 즉, 챔버 측부(61)의 내벽면 중 반사링(68, 69)이 장착되어 있지 않은 중앙 부분과, 반사링(68)의 하단면과, 반사링(69)의 상단면으로 둘러싸인 오목부(62)가 형성된다. 오목부(62)는, 챔버(6)의 내벽면에 수평 방향을 따라서 원환형으로 형성되고, 반도체 웨이퍼(W)를 유지하는 유지부(7)를 위요한다. 챔버 측부(61) 및 반사링(68, 69)은, 강도와 내열성이 뛰어난 금속 재료(예를 들면, 스테인리스 스틸)로 형성되어 있다.
또한, 챔버 측부(61)에는, 챔버(6)에 대해서 반도체 웨이퍼(W)의 반입 및 반출을 행하기 위한 반송 개구부(노구(爐口))(66)가 형성되어 있다. 반송 개구부(66)는, 게이트 밸브(185)에 의해서 개폐 가능하게 되어 있다. 반송 개구부(66)는 오목부(62)의 외주면에 연통 접속되어 있다. 이 때문에, 게이트 밸브(185)가 반송 개구부(66)를 개방하고 있을 때에는, 반송 개구부(66)로부터 오목부(62)를 통과하여 열처리 공간(65)으로의 반도체 웨이퍼(W)의 반입 및 열처리 공간(65)으로부터의 반도체 웨이퍼(W)의 반출을 실시할 수 있다. 또한, 게이트 밸브(185)가 반송 개구부(66)를 폐쇄하면 챔버(6) 내의 열처리 공간(65)이 밀폐 공간으로 된다.
또한, 챔버(6)의 내벽 상부에는 열처리 공간(65)에 처리 가스를 공급하는 가스 공급 구멍(81)이 형성되어 있다. 가스 공급 구멍(81)은, 오목부(62)보다 상측 위치에 형성되어 있으며, 반사링(68)에 설치되어 있어도 된다. 가스 공급 구멍(81)은 챔버(6)의 측벽 내부에 원환형으로 형성된 완충 공간(82)을 통하여 가스 공급관(83)에 연통 접속되어 있다. 가스 공급관(83)은 처리 가스 공급원(85)에 접속되어 있다. 또한, 가스 공급관(83)의 경로 도중에는 밸브(84)가 끼워져 있다. 밸브(84)가 개방되면, 처리 가스 공급원(85)으로부터 완충 공간(82)에 처리 가스가 송급된다. 완충 공간(82)에 유입된 처리 가스는, 가스 공급 구멍(81)보다 유체 저항이 작은 완충 공간(82) 내를 퍼지듯이 흘러서 가스 공급 구멍(81)으로부터 열처리 공간(65) 내로 공급된다. 처리 가스로서는, 예를 들면, 질소(N2) 등의 불활성 가스, 또는, 수소(H2), 암모니아(NH3) 등의 반응성 가스, 혹은 그들을 혼합한 혼합 가스를 이용할 수 있다(본 실시 형태에서는 질소 가스).
한편, 챔버(6)의 내벽 하부에는 열처리 공간(65) 내의 기체를 배기하는 가스 배기 구멍(86)이 형성되어 있다. 가스 배기 구멍(86)은, 오목부(62)보다 하측 위치에 형성되어 있으며, 반사링(69)에 설치되어 있어도 된다. 가스 배기 구멍(86)은 챔버(6)의 측벽 내부에 원환형으로 형성된 완충 공간(87)을 통하여 가스 배기관(88)에 연통 접속되어 있다. 가스 배기관(88)은 배기부(190)에 접속되어 있다. 또한, 가스 배기관(88)의 경로 도중에는 밸브(89)가 끼워져 있다. 밸브(89)가 개방되면, 열처리 공간(65)의 기체가 가스 배기 구멍(86)으로부터 완충 공간(87)을 거쳐 가스 배기관(88)으로 배출된다. 또한, 가스 공급 구멍(81) 및 가스 배기 구멍(86)은, 챔버(6)의 둘레 방향을 따라서 복수 설치되어 있어도 되고, 슬릿형의 것이어도 된다. 또한, 처리 가스 공급원(85) 및 배기부(190)는, 열처리 장치(1)에 설치된 기구여도 되고, 열처리 장치(1)가 설치되는 공장의 유틸리티여도 된다.
또한, 반송 개구부(66)의 선단에도 열처리 공간(65) 내의 기체를 배출하는 가스 배기관(191)이 접속되어 있다. 가스 배기관(191)은 밸브(192)를 통하여 배기부(190)에 접속되어 있다. 밸브(192)를 개방함으로써, 반송 개구부(66)를 통하여 챔버(6) 내의 기체가 배기된다.
도 2는, 유지부(7)의 전체 외관을 도시한 사시도이다. 유지부(7)는, 기대링(71), 연결부(72) 및 서셉터(74)를 구비하여 구성된다. 기대링(71), 연결부(72) 및 서셉터(74)는 모두 석영으로 형성되어 있다. 즉, 유지부(7)의 전체가 석영으로 형성되어 있다.
기대링(71)은 원환 형상으로부터 일부가 결락된 원호 형상의 석영 부재이다. 이 결락 부분은, 후술하는 이재 기구(10)의 이재 아암(11)과 기대링(71)의 간섭을 막기 위해서 설치되어 있다. 기대링(71)은 오목부(62)의 저면에 재치됨으로써, 챔버(6)의 벽면에 지지되게 된다(도 1 참조). 기대링(71)의 상면에, 그 원환 형상의 둘레 방향을 따라서 복수의 연결부(72)(본 실시 형태에서는 4개)가 세워져 설치된다. 연결부(72)도 석영의 부재이며, 용접에 의해서 기대링(71)에 고착된다.
서셉터(74)는 기대링(71)에 설치된 4개의 연결부(72)에 의해서 지지된다. 도 3은, 서셉터(74)의 평면도이다. 또한, 도 4는, 서셉터(74)의 단면도이다. 서셉터(74)는, 유지 플레이트(75), 가이드링(76) 및 복수의 기판 지지핀(77)을 구비한다. 유지 플레이트(75)는, 석영으로 형성된 대략 원형의 평판형 부재이다. 유지 플레이트(75)의 직경은 반도체 웨이퍼(W)의 직경보다 크다. 즉, 유지 플레이트(75)는, 반도체 웨이퍼(W)보다 큰 평면 사이즈를 갖는다.
유지 플레이트(75)의 상면 주연부에 가이드링(76)이 설치되어 있다. 가이드링(76)은, 반도체 웨이퍼(W)의 직경보다 큰 내경을 가지는 원환 형상의 부재이다. 예를 들면, 반도체 웨이퍼(W)의 직경이 φ300mm인 경우, 가이드링(76)의 내경은 φ320mm이다. 가이드링(76)의 내주는, 유지 플레이트(75)로부터 상방을 향해서 넓어지는 테이퍼면으로 되어 있다. 가이드링(76)은, 유지 플레이트(75)와 동일한 석영으로 형성된다. 가이드링(76)은, 유지 플레이트(75)의 상면에 용착하도록 해도 되고, 별도 가공한 핀 등에 의해서 유지 플레이트(75)에 고정하도록 해도 된다. 혹은, 유지 플레이트(75)와 가이드링(76)을 일체의 부재로서 가공하도록 해도 된다.
유지 플레이트(75)의 상면 중 가이드링(76)보다 내측의 영역이 반도체 웨이퍼(W)를 유지하는 평면형의 유지면(75a)이 된다. 유지 플레이트(75)의 유지면(75a)에는, 복수의 기판 지지핀(77)이 세워져 설치되어 있다. 본 실시 형태에 있어서는, 유지면(75a)의 외주원(가이드링(76)의 내주원)과 동심원의 둘레 상을 따라서 30°마다 합계 12개의 기판 지지핀(77)이 세워져 설치되어 있다. 12개의 기판 지지핀(77)을 배치한 원의 지름(대향하는 기판 지지핀(77)간의 거리)은 반도체 웨이퍼(W)의 지름보다 작고, 반도체 웨이퍼(W)의 지름이 φ300mm이면 φ270mm~φ280mm(본 실시 형태에서는 φ270mm)이다. 각각의 기판 지지핀(77)은 석영으로 형성되어 있다. 복수의 기판 지지핀(77)은, 유지 플레이트(75)의 상면에 용접에 의해서 설치하도록 해도 되고, 유지 플레이트(75)와 일체로 가공하도록 해도 된다.
도 2로 돌아와, 기대링(71)에 세워져 설치된 4개의 연결부(72)와 서셉터(74)의 유지 플레이트(75)의 주연부가 용접에 의해서 고착된다. 즉, 서셉터(74)와 기대링(71)은 연결부(72)에 의해서 고정적으로 연결되어 있다. 이러한 유지부(7)의 기대링(71)이 챔버(6)의 벽면에 지지됨으로써, 유지부(7)가 챔버(6)에 장착된다. 유지부(7)가 챔버(6)에 장착된 상태에 있어서는, 서셉터(74)의 유지 플레이트(75)는 수평 자세(법선이 연직 방향과 일치하는 자세)가 된다. 즉, 유지 플레이트(75)의 유지면(75a)은 수평면이 된다.
챔버(6)에 반입된 반도체 웨이퍼(W)는, 챔버(6)에 장착된 유지부(7)의 서셉터(74) 위에 수평 자세로 재치되어 지지된다. 이 때, 반도체 웨이퍼(W)는 유지 플레이트(75) 위에 세워져 설치된 12개의 기판 지지핀(77)에 의해서 지지되어 서셉터(74)에 유지된다. 보다 엄밀하게는, 12개의 기판 지지핀(77)의 상단부가 반도체 웨이퍼(W)의 하면에 접촉하여 당해 반도체 웨이퍼(W)를 지지한다. 12개의 기판 지지핀(77)의 높이(기판 지지핀(77)의 상단으로부터 유지 플레이트(75)의 유지면(75a)까지의 거리)는 균일하기 때문에, 12개의 기판 지지핀(77)에 의해서 반도체 웨이퍼(W)를 수평 자세로 지지할 수 있다.
또한, 반도체 웨이퍼(W)는 복수의 기판 지지핀(77)에 의해서 유지 플레이트(75)의 유지면(75a)으로부터 소정의 간격을 두고 지지되게 된다. 기판 지지핀(77)의 높이보다 가이드링(76)의 두께 쪽이 크다. 따라서, 복수의 기판 지지핀(77)에 의해서 지지된 반도체 웨이퍼(W)의 수평 방향의 위치 어긋남은 가이드링(76)에 의해서 방지된다.
또한, 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 서셉터(74)의 유지 플레이트(75)에는, 상하로 관통하여 개구부(78)가 형성되어 있다. 개구부(78)는, 방사 온도계(120)(도 1 참조)가 반도체 웨이퍼(W)의 하면으로부터 방사되는 방사광(적외광)을 수광하기 위해서 설치되어 있다. 즉, 방사 온도계(120)가 개구부(78)를 통하여 반도체 웨이퍼(W)의 하면으로부터 방사된 광을 수광하고, 별치된 디텍터에 의해서 그 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 측정된다. 또한, 서셉터(74)의 유지 플레이트(75)에는, 후술하는 이재 기구(10)의 리프트핀(12)이 반도체 웨이퍼(W)의 수도를 위해서 관통하는 4개의 관통 구멍(79)이 뚫려 있다.
도 5는, 이재 기구(10)의 평면도이다. 또한, 도 6은, 이재 기구(10)의 측면도이다. 이재 기구(10)는, 2개의 이재 아암(11)을 구비한다. 이재 아암(11)은, 대체로 원환형의 오목부(62)를 따르는 원호 형상으로 되어 있다. 각각의 이재 아암(11)에는 2개의 리프트핀(12)이 세워져 설치되어 있다. 이재 아암(11) 및 리프트핀(12)은 석영으로 형성되어 있다. 각 이재 아암(11)은 수평 이동 기구(13)에 의해서 회동 가능하게 되어 있다. 수평 이동 기구(13)는, 한 쌍의 이재 아암(11)을 유지부(7)에 대해서 반도체 웨이퍼(W)의 이재를 실시하는 이재 동작 위치(도 5의 실선 위치)와 유지부(7)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)와 평면에서 봤을 때 겹치지 않는 퇴피 위치(도 5의 이점쇄선위치) 사이에서 수평 이동시킨다. 수평 이동 기구(13)로서는, 개별의 모터에 의해서 각 이재 아암(11)을 각각 회동시키는 것이어도 되고, 링크 기구를 이용하여 1개의 모터에 의해서 한 쌍의 이재 아암(11)을 연동시켜 회동시키는 것이어도 된다.
또한, 한 쌍의 이재 아암(11)은, 승강 기구(14)에 의해서 수평 이동 기구(13)와 함께 승강 이동된다. 승강 기구(14)가 한 쌍의 이재 아암(11)을 이재 동작 위치에서 상승시키면, 합계 4개의 리프트핀(12)이 서셉터(74)에 뚫린 관통 구멍(79)(도 2, 3 참조)을 통과하고, 리프트핀(12)의 상단이 서셉터(74)의 상면으로부터 뚫고 나온다. 한편, 승강 기구(14)가 한 쌍의 이재 아암(11)을 이재 동작 위치에서 하강시켜 리프트핀(12)을 관통 구멍(79)으로부터 빼내어, 수평 이동 기구(13)가 한 쌍의 이재 아암(11)을 열도록 이동시키면 각 이재 아암(11)이 퇴피 위치로 이동한다. 한 쌍의 이재 아암(11)의 퇴피 위치는, 유지부(7)의 기대링(71)의 바로 위쪽이다. 기대링(71)은 오목부(62)의 저면에 재치되어 있기 때문에, 이재 아암(11)의 퇴피 위치는 오목부(62)의 내측이 된다. 또한, 이재 기구(10)의 구동부(수평 이동 기구(13) 및 승강 기구(14))가 설치되어 있는 부위의 근방에도 도시 생략된 배기 기구가 설치되어 있으며, 이재 기구(10)의 구동부 주변의 분위기가 챔버(6)의 외부로 배출되도록 구성되어 있다.
도 1로 돌아와, 챔버(6)에는 4개의 방사 온도계(120, 130, 140, 150)가 설치되어 있다. 상술한 바와 같이, 방사 온도계(120)는, 서셉터(74)에 설치된 개구부(78)를 통하여 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 측정한다. 방사 온도계(130)는, 상측 챔버창(63)으로부터 방사된 적외광을 검지하여 상측 챔버창(63)의 온도를 측정한다. 한편, 방사 온도계(140)는, 하측 챔버창(64)으로부터 방사된 적외광을 검지하여 하측 챔버창(64)의 온도를 측정한다. 또한, 방사 온도계(150)는, 서셉터(74) 자체로부터 방사된 적외광을 검지하여 서셉터(74)의 온도를 측정한다. 또한, 도 1에서는 도시의 편의상, 4개의 방사 온도계(120, 130, 140, 150)가 챔버(6)의 내부에 그려져 있는데, 이들은 모두 챔버(6)의 외벽면에 장착되고, 챔버 측부(61)에 형성된 관통 구멍을 통하여 온도 측정 대상 요소로부터의 적외광을 수광한다(도 8).
챔버(6)의 상방에 설치된 플래시 가열부(5)는, 하우징(51)의 내측에, 복수개의 (본 실시 형태에서는 30개)의 크세논 플래시 램프(FL)로 이루어지는 광원과, 그 광원의 상방을 덮도록 설치된 리플렉터(52)를 구비하여 구성된다. 또한, 플래시 가열부(5)의 하우징(51)의 저부에는 램프광 방사창(53)이 장착되어 있다. 플래시 가열부(5)의 바닥부를 구성하는 램프광 방사창(53)은, 석영에 의해 형성된 판형의 석영창이다. 플래시 가열부(5)가 챔버(6)의 상방에 설치됨으로써, 램프광 방사창(53)이 상측 챔버창(63)과 대향하게 된다. 플래시 램프(FL)는 챔버(6)의 상방으로부터 램프광 방사창(53) 및 상측 챔버창(63)을 통하여 열처리 공간(65)에 플래시광을 조사한다.
복수의 플래시 램프(FL)는, 각각이 길이가 긴 원통 형상을 가지는 봉형 램프이며, 각각의 길이 방향이 유지부(7)에 유지되는 반도체 웨이퍼(W)의 주면을 따라서(즉, 수평 방향을 따라서) 서로 평행이 되도록 평면형으로 배열되어 있다. 따라서, 플래시 램프(FL)의 배열에 의해서 형성되는 평면도 수평면이다.
크세논 플래시 램프(FL)는, 그 내부에 크세논 가스가 봉입되며 그 양단부에 콘덴서에 접속된 양극 및 음극이 배치된 봉형의 유리관(방전관)과, 그 유리관의 외주면 상에 부설된 트리거 전극을 구비한다. 크세논 가스는 전기적으로는 절연체이므로, 콘덴서에 전하가 축적되어 있었다고 해도 통상의 상태에서는 유리관 내에 전기는 흐르지 않는다. 그러나, 트리거 전극에 고전압을 인가하여 절연을 파괴했을 경우에는, 콘덴서에 비축된 전기가 유리관 내에 순간적으로 흘러, 그 때의 크세논 원자 혹은 분자의 여기에 의해서 광이 방출된다. 이러한 크세논 플래시 램프(FL)에 있어서는, 미리 콘덴서에 비축되어 있던 정전 에너지가 0.1밀리세컨드 내지 100밀리세컨드라고 하는 극히 짧은 광펄스로 변환되는 점에서, 할로겐 램프(HL)와 같은 연속 점등의 광원에 비해 극히 강한 광을 조사할 수 있다고 하는 특징을 갖는다. 즉, 플래시 램프(FL)는, 1초 미만의 극히 짧은 시간에 순간적으로 발광하는 펄스 발광 램프이다. 또한, 플래시 램프(FL)의 발광 시간은, 플래시 램프(FL)에 전력 공급을 실시하는 램프 전원의 코일 상수에 의해서 조정할 수 있다.
또한, 리플렉터(52)는, 복수의 플래시 램프(FL)의 상방에 그들 전체를 덮도록 설치되어 있다. 리플렉터(52)의 기본적인 기능은, 복수의 플래시 램프(FL)로부터 출사된 플래시광을 열처리 공간(65)측에 반사한다고 하는 것이다. 리플렉터(52)는 알루미늄 합금판으로 형성되어 있고, 그 표면(플래시 램프(FL)를 향하는 측의 면)은 블라스트 처리에 의해 조면화 가공이 실시되어 있다.
챔버(6)의 하방에 설치된 할로겐 가열부(4)는, 하우징(41)의 내측에 복수개(본 실시 형태에서는 40개)의 할로겐 램프(HL)를 내장하고 있다. 할로겐 가열부(4)는, 복수의 할로겐 램프(HL)에 의해서 챔버(6)의 하방으로부터 하측 챔버창(64)을 통하여 열처리 공간(65)으로의 광조사를 실시하여 반도체 웨이퍼(W)를 가열하는 광조사부이다.
도 7은, 복수의 할로겐 램프(HL)의 배치를 도시한 평면도이다. 40개의 할로겐 램프(HL)는 상하 2단으로 나누어 배치되어 있다. 유지부(7)에 가까운 상단에 20개의 할로겐 램프(HL)가 배치됨과 더불어, 상단보다 유지부(7)로부터 먼 하단에도 20개의 할로겐 램프(HL)가 배치되어 있다. 각 할로겐 램프(HL)는, 길이가 긴 원통 형상을 갖는 봉형 램프이다. 상단, 하단 모두 20개의 할로겐 램프(HL)는, 각각의 길이 방향이 유지부(7)에 유지되는 반도체 웨이퍼(W)의 주면을 따라서(즉, 수평 방향을 따라서) 서로 평행이 되도록 배열되어 있다. 따라서, 상단, 하단 모두 할로겐 램프(HL)의 배열에 의해서 형성되는 평면은 수평면이다.
또한, 도 7에 도시한 바와 같이, 상단, 하단 모두 유지부(7)에 유지되는 반도체 웨이퍼(W)의 중앙부에 대향하는 영역보다 주연부에 대향하는 영역에 있어서의 할로겐 램프(HL)의 배치 밀도가 높아지고 있다. 즉, 상하단 모두, 램프 배열의 중앙부보다 주연부가 할로겐 램프(HL)의 배치 피치가 짧다. 이로 인하여, 할로겐 가열부(4)로부터의 광조사에 의한 가열 시에 온도 저하가 생기기 쉬운 반도체 웨이퍼(W)의 주연부에 의해 많은 광량의 조사를 실시할 수 있다.
또한, 상단의 할로겐 램프(HL)로 이루어지는 램프군과 하단의 할로겐 램프(HL)로 이루어지는 램프군이 격자형으로 교차하도록 배열되어 있다. 즉, 상단에 배치된 20개의 할로겐 램프(HL)의 길이 방향과 하단에 배치된 20개의 할로겐 램프(HL)의 길이 방향이 서로 직교하도록 합계 40개의 할로겐 램프(HL)가 배치되어 있다.
할로겐 램프(HL)는, 유리관 내부에 배치된 필라멘트에 통전함으로써 필라멘트를 백열화시켜 발광시키는 필라멘트 방식의 광원이다. 유리관의 내부에는, 질소나 아르곤 등의 불활성 가스에 할로겐 원소(요오드, 브롬 등)를 미량 도입한 기체가 봉입되어 있다. 할로겐 원소를 도입함으로써, 필라멘트의 파손을 억제하면서 필라멘트의 온도를 고온으로 설정하는 것이 가능해진다. 따라서, 할로겐 램프(HL)는, 통상의 백열 전구에 비해 수명이 길고 또한 강한 광을 연속적으로 조사할 수 있다고 하는 특성을 갖는다. 즉, 할로겐 램프(HL)는 적어도 1초 이상 연속하여 발광하는 연속 점등 램프이다. 또한, 할로겐 램프(HL)는 봉형 램프이므로 장수명이며, 할로겐 램프(HL)를 수평 방향을 따르게 하여 배치함으로써 상방의 반도체 웨이퍼(W)로의 방사 효율이 뛰어난 것이 된다.
또한, 할로겐 가열부(4)의 하우징(41) 내에도, 2단의 할로겐 램프(HL)의 하측에 리플렉터(43)가 설치되어 있다(도 1). 리플렉터(43)는, 복수의 할로겐 램프(HL)로부터 출사된 광을 열처리 공간(65)측에 반사한다.
제어부(3)는, 열처리 장치(1)에 설치된 상기의 여러 가지의 동작 기구를 제어한다. 제어부(3)의 하드웨어로서의 구성은 일반적인 컴퓨터와 동일하다. 즉, 제어부(3)는, 각종 연산 처리를 실시하는 회로인 CPU, 기본 프로그램을 기억하는 읽기 전용의 메모리인 ROM, 각종 정보를 기억하는 읽고 쓰기가 가능한 메모리인 RAM 및 제어용 소프트웨어나 데이터 등을 기억해 두는 자기 디스크를 구비하고 있다. 제어부(3)의 CPU가 소정의 처리 프로그램을 실행함으로써 열처리 장치(1)에 있어서의 처리가 진행된다.
상기의 구성 이외에도 열처리 장치(1)는, 반도체 웨이퍼(W)의 열처리 시에 할로겐 램프(HL) 및 플래시 램프(FL)로부터 발생하는 열에너지에 의한 할로겐 가열부(4), 플래시 가열부(5) 및 챔버(6)의 과잉된 온도 상승을 방지하기 위해, 다양한 냉각용의 구조를 구비하고 있다. 예를 들면, 챔버(6)의 벽체에는 수냉관(도시 생략)이 설치되어 있다. 또한, 할로겐 가열부(4) 및 플래시 가열부(5)는, 내부에 기체류를 형성하여 배열하는 공랭 구조로 되어 있다.
다음으로, 열처리 장치(1)에 있어서의 처리 동작에 대해 설명한다. 우선, 처리 대상이 되는 반도체 웨이퍼(W)에 대한 통상의 열처리 순서에 대해 설명한다. 여기서 처리 대상이 되는 반도체 웨이퍼(W)는, 이온 주입법에 의해 불순물(이온)이 첨가된 규소의 반도체 기판이다. 그 불순물의 활성화가 열처리 장치(1)에 의한 플래시광 조사 가열 처리(어닐링)에 의해 실행된다. 이하에 설명하는 반도체 웨이퍼(W)의 처리 순서는, 제어부(3)가 열처리 장치(1)의 각 동작 기구를 제어함으로써 진행된다.
우선, 급기를 위한 밸브(84)가 개방됨과 더불어, 배기용의 밸브(89, 192)가 개방되어 챔버(6) 내에 대한 급배기가 개시된다. 밸브(84)가 개방되면, 가스 공급 구멍(81)으로부터 열처리 공간(65)에 질소 가스가 공급된다. 또한, 밸브(89)가 개방되면, 가스 배기 구멍(86)으로부터 챔버(6) 내의 기체가 배기된다. 이것에 의해, 챔버(6) 내의 열처리 공간(65)의 상부로부터 공급된 질소 가스가 하방으로 흘러, 열처리 공간(65)의 하부로부터 배기된다.
또한, 밸브(192)가 개방됨으로써, 반송 개구부(66)로부터도 챔버(6) 내의 기체가 배기된다. 또한, 도시 생략된 배기 기구에 의해서 이재 기구(10)의 구동부 주변의 분위기도 배기된다. 또한, 열처리 장치(1)에 있어서의 반도체 웨이퍼(W)의 열처리 시에는 질소 가스가 열처리 공간(65)에 계속적으로 공급되고 있고, 그 공급량은 처리 공정에 따라 적절히 변경된다.
계속하여, 게이트 밸브(185)가 열려 반송 개구부(66)가 개방되고, 장치 외부의 반송 로봇에 의해 반송 개구부(66)를 통하여 처리 대상이 되는 반도체 웨이퍼(W)가 챔버(6) 내의 열처리 공간(65)에 반입된다. 이 때에는, 반도체 웨이퍼(W)의 반입에 따라 장치 외부의 분위기를 말려들게 할 우려가 있지만, 챔버(6)에는 질소 가스가 계속 공급되고 있기 때문에, 반송 개구부(66)로부터 질소 가스가 유출되고, 그러한 외부 분위기의 말려듦을 최소한으로 억제할 수 있다.
반송 로봇에 의해서 반입된 반도체 웨이퍼(W)는 유지부(7)의 바로 위쪽 위치까지 진출하여 정지한다. 그리고, 이재 기구(10)의 한 쌍의 이재 아암(11)이 퇴피 위치로부터 이재 동작 위치에 수평 이동하여 상승함으로써, 리프트핀(12)이 관통 구멍(79)를 지나 서셉터(74)의 유지 플레이트(75)의 상면으로부터 뚫고 나와 반도체 웨이퍼(W)를 수취한다. 이 때, 리프트핀(12)은 기판 지지핀(77)의 상단보다도 상방까지 상승한다.
반도체 웨이퍼(W)가 리프트핀(12)에 재치된 후, 반송 로봇이 열처리 공간(65)으로부터 퇴출하고, 게이트 밸브(185)에 의해서 반송 개구부(66)가 폐쇄된다. 그리고, 한 쌍의 이재 아암(11)이 하강함으로써, 반도체 웨이퍼(W)는 이재 기구(10)로부터 유지부(7)의 서셉터(74)에 수도되고 수평 자세로 하방으로부터 유지된다. 반도체 웨이퍼(W)는, 유지 플레이트(75) 상에 세워져 설치된 복수의 기판 지지핀(77)에 의해서 지지되고 서셉터(74)에 재치된다. 또한, 반도체 웨이퍼(W)는, 패턴 형성이 이루어지고 불순물이 주입된 표면을 상면으로서 유지부(7)에 유지된다. 복수의 기판 지지핀(77)에 의해서 지지된 반도체 웨이퍼(W)의 이면(표면과는 반대측의 주면)과 유지 플레이트(75)의 유지면(75a)의 사이에는 소정의 간격이 형성된다. 서셉터(74)의 하방으로까지 하강한 한 쌍의 이재 아암(11)은 수평 이동 기구(13)에 의해서 퇴피 위치, 즉 오목부(62)의 내측에 퇴피한다.
반도체 웨이퍼(W)가 석영으로 형성된 유지부(7)의 서셉터(74)에 의해서 수평 자세로 지지된 후, 할로겐 가열부(4)의 40개의 할로겐 램프(HL)가 일제히 점등하여 예비 가열(어시스트 가열)이 개시된다. 할로겐 램프(HL)로부터 출사된 할로겐광은, 석영으로 형성된 하측 챔버창(64) 및 서셉터(74)를 투과하여 반도체 웨이퍼(W)의 하면에 조사된다. 할로겐 램프(HL)로부터의 광조사를 받음으로써 반도체 웨이퍼(W)가 예비 가열되어 온도가 상승한다. 또한, 이재 기구(10)의 이재 아암(11)은 오목부(62)의 내측에 퇴피하고 있기 때문에, 할로겐 램프(HL)에 의한 가열의 장해가 될 일은 없다.
할로겐 램프(HL)에 의한 예비 가열을 실시할 때에는, 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 방사 온도계(120)에 의해서 측정되어 있다. 즉, 서셉터(74)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 하면으로부터 개구부(78)를 통하여 방사된 적외광을 방사 온도계(120)가 수광하여 승온 중의 웨이퍼 온도를 측정한다. 측정된 반도체 웨이퍼(W)의 온도는 제어부(3)에 전달된다. 제어부(3)는, 할로겐 램프(HL)로부터의 광조사에 의해서 승온시키는 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 소정의 예비 가열 온도(T1)에 도달했는지의 여부를 감시하면서, 할로겐 램프(HL)의 출력을 제어한다. 즉, 제어부(3)는, 방사 온도계(120)에 의한 측정값에 의거하여, 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 예비 가열 온도(T1)가 되도록 할로겐 램프(HL)의 출력을 피드백 제어한다. 예비 가열 온도(T1)는, 반도체 웨이퍼(W)에 첨가된 불순물이 열에 의해 확산될 우려가 없는, 200℃~800℃ 정도, 바람직하게는 350℃~600℃ 정도로 된다(본 실시의 형태에서는 600℃).
반도체 웨이퍼(W)의 온도가 예비 가열 온도(T1)에 도달한 후, 제어부(3)는 반도체 웨이퍼(W)를 그 예비 가열 온도(T1)로 잠시 유지한다. 구체적으로는, 방사 온도계(120)에 의해서 측정되는 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 예비 가열 온도(T1)에 도달한 시점에서 제어부(3)가 할로겐 램프(HL)의 출력을 조정하여, 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 거의 예비 가열 온도(T1)로 유지하고 있다.
반도체 웨이퍼(W)의 온도가 예비 가열 온도(T1)에 도달하여 소정 시간이 경과한 시점에서 플래시 가열부(5)의 플래시 램프(FL)가 서셉터(74)에 지지된 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 플래시광 조사를 실시한다. 이 때, 플래시 램프(FL)로부터 방사되는 플래시광의 일부는 직접 챔버(6) 내로 향하고, 다른 일부는 일단 리플렉터(52)에 의해 반사되고 나서 챔버(6) 내로 향하며, 이들 플래시광의 조사에 의해 반도체 웨이퍼(W)의 플래시 가열이 행해진다.
플래시 가열은, 플래시 램프(FL)로부터의 플래시광(섬광) 조사에 의해 행해지므로, 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도를 단시간에 상승시킬 수 있다. 즉, 플래시 램프(FL)로부터 조사되는 플래시광은, 미리 콘덴서에 비축되어 있던 정전 에너지가 극히 짧은 광펄스로 변환된, 조사 시간이 0.1밀리세컨드 이상 100밀리세컨드 이하 정도의 극히 짧고 강한 섬광이다. 그리고, 플래시 램프(FL)로부터의 플래시광 조사에 의해 플래시 가열되는 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도는, 순간적으로 1000℃ 이상의 처리 온도(T2)까지 상승하고, 반도체 웨이퍼(W)에 주입된 불순물이 활성화 된 후, 표면 온도가 급속히 하강한다. 이와 같이, 열처리 장치(1)에서는, 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도를 극히 단시간에 승강시킬 수 있으므로, 반도체 웨이퍼(W)에 주입된 불순물의 열에 의한 확산을 억제하면서 불순물의 활성화를 실시할 수 있다. 또한, 불순물의 활성화에 필요한 시간은 그 열확산에 필요한 시간과 비교하여 극히 짧기 때문에, 0.1밀리세컨드~100밀리세컨드 정도의 확산이 생기지 않는 단시간이어도 활성화는 완료된다.
플래시 가열 처리가 종료한 후, 소정 시간 경과 후에 할로겐 램프(HL)가 소등한다. 이것에 의해, 반도체 웨이퍼(W)가 예비 가열 온도(T1)로부터 급속히 강온(降溫)한다. 강온 중의 반도체 웨이퍼(W)의 온도는 방사 온도계(120)에 의해서 측정되며, 그 측정 결과는 제어부(3)에 전달된다. 제어부(3)는, 방사 온도계(120)의 측정 결과보다 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 소정 온도까지 강온했는지의 여부를 감시한다. 그리고, 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 소정 이하로까지 강온한 후, 이재 기구(10)의 한 쌍의 이재 아암(11)이 다시 퇴피 위치로부터 이재 동작 위치로 수평 이동하여 상승함으로써, 리프트핀(12)이 서셉터(74)의 상면으로부터 뚫고 나와 열처리 후의 반도체 웨이퍼(W)를 서셉터(74)로부터 수취한다. 계속하여, 게이트 밸브(185)에 의해 폐쇄되어 있던 반송 개구부(66)가 개방되고, 리프트핀(12) 상에 재치된 반도체 웨이퍼(W)가 장치 외부의 반송 로봇에 의해 반출되며, 열처리 장치(1)에 있어서의 반도체 웨이퍼(W)의 가열 처리가 완료된다.
그런데, 전형적으로는, 반도체 웨이퍼(W)의 처리는 로트 단위로 행해진다. 로트란, 동일 조건에서 동일 내용의 처리를 실시하는 대상이 되는 1조의 반도체 웨이퍼(W)이다. 본 실시 형태의 열처리 장치(1)에 있어서도, 로트를 구성하는 복수매(예를 들면, 25매)의 반도체 웨이퍼(W)가 1매씩 순서대로 챔버(6)에 반입되어 가열 처리가 행해진다.
여기서, 당분간 처리를 실시하지 않았던 열처리 장치(1)에서 로트의 처리를 개시하는 경우, 대체로 실온의 챔버(6)에 로트의 최초의 반도체 웨이퍼(W)가 반입되어 플래시 가열 처리가 행해지게 된다. 이러한 경우는, 예를 들면, 메인테넌스 후에 열처리 장치(1)가 기동되고 나서 최초의 로트를 처리하는 경우나 앞의 로트를 처리한 후에 장시간이 경과했을 경우 등이다. 가열 처리 시에는, 승온한 반도체 웨이퍼(W)로부터 서셉터(74) 등의 챔버 내 구조물에 열전도가 발생하기 때문에, 초기에는 실온이었던 서셉터(74)가 반도체 웨이퍼(W)의 처리 매수가 증가함에 따라 서서히 축열에 의해 승온하게 된다. 또한, 할로겐 램프(HL)로부터 출사된 광의 일부는 하측 챔버창(64) 등의 챔버 내 구조물에 흡수되기 때문에, 반도체 웨이퍼(W)의 처리 매수가 증가함에 따라 하측 챔버창(64) 등의 온도도 서서히 승온하게 된다.
그리고, 약 10매의 반도체 웨이퍼(W)의 가열 처리가 행해졌을 때 서셉터(74) 등의 챔버(6) 내의 구조물의 온도가 일정한 안정 온도에 도달한다. 안정 온도에 도달한 서셉터(74)에서는, 반도체 웨이퍼(W)로부터 서셉터(74)로의 전열량과 서셉터(74)로부터의 방열량이 균형된다. 서셉터(74)의 온도가 안정 온도에 도달할 때까지는, 반도체 웨이퍼(W)로부터의 전열량이 서셉터(74)로부터의 방열량보다 많기 때문에, 반도체 웨이퍼(W)의 처리 매수가 증가함에 따라서 서셉터(74)의 온도가 서서히 축열에 의해 상승한다. 이것에 대해서, 서셉터(74)의 온도가 안정 온도에 도달한 후에는, 반도체 웨이퍼(W)로부터의 전열량과 서셉터(74)로부터의 방열량이 균형되기 때문에, 서셉터(74)의 온도는 일정한 안정 온도로 유지되게 된다.
이와 같이 실온의 챔버(6)에서 처리를 개시하면, 로트의 초기의 반도체 웨이퍼(W)와 도중부터의 반도체 웨이퍼(W)에서 서셉터(74) 등의 챔버 내 구조물의 온도가 다른 것에 기인하여 온도 이력이 불균일하게 된다고 하는 문제가 있었다. 즉, 로트의 초기의 반도체 웨이퍼(W)의 처리 시에는, 서셉터(74) 등의 챔버 내 구조물이 비교적 저온이기 때문에, 웨이퍼 온도가 설정된 목표 온도(예비 가열 온도(T1) 및 처리 온도(T2))로까지 도달하지 않는 경우가 있다. 한편, 로트의 도중부터의 반도체 웨이퍼(W)의 처리 시에는, 서셉터(74) 등이 안정 온도로까지 도달하고 있기 때문에, 웨이퍼 온도가 목표 온도로까지 승온한다.
이 때문에, 기술한 바와 같이, 종래에서는, 로트의 처리를 개시하기 전에, 처리 대상이 아닌 더미 웨이퍼를 10매 정도 순서대로 챔버(6) 내에 반입하고 처리 대상의 반도체 웨이퍼(W)와 동일한 예비 가열 처리 및 플래시 가열 처리를 실시하여 서셉터(74) 등의 챔버 내 구조물을 안정 온도에 승온시키는 더미 런닝이 실시되고 있었다. 더미 런닝에 의해, 로트의 최초의 반도체 웨이퍼(W)의 처리 시부터 서셉터(74) 등의 챔버 내 구조물이 안정 온도에 도달하고 있으면, 로트를 구성하는 모든 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 목표 온도로까지 승온시킬 수 있고, 온도 이력을 균일하게 할 수 있다. 그러나, 이러한 더미 런닝은, 처리와는 무관계한 더미 웨이퍼를 소비할 뿐만 아니라, 상당한 시간(10매의 더미 웨이퍼를 처리하는데 약 15분)을 필요로 하기 때문에, 열처리 장치(1)의 효율적인 운용을 저해하는 것도 기술한 바와 같다.
여기서, 비교적 저온의 서셉터(74)에 지지되는 로트의 초기의 반도체 웨이퍼(W)에 대해서도, 그 웨이퍼 온도를 정확하게 측정할 수 있으면, 할로겐 램프(HL)(및 플래시 램프(FL))의 발광 출력을 적정하게 제어하여 로트의 도중부터의 반도체 웨이퍼(W)와 동일하게, 웨이퍼 온도를 미리 설정된 목표 온도로까지 승온시킬 수 있다. 그렇게 하면, 더미 런닝을 생략해도, 로트를 구성하는 모든 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 목표 온도로까지 승온시켜 온도 이력을 균일하게 할 수 있다.
그런데, 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 측정하는 방사 온도계(120)에는, 서셉터(74)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)로부터 방사된 적외광뿐만 아니라, 승온한 서셉터(74) 등의 챔버 내 구조물로부터 방사된 적외광도 외란광으로서 입사한다. 이 때문에, 방사 온도계(120)는, 서셉터(74) 등의 챔버 내 구조물로부터 입사하는 적외광을 고려하여 교정되어 있다. 구체적으로는, 방사 온도계(120)는, 서셉터(74) 등의 챔버 내 구조물이 안정 온도에 도달하고 있는 상태에서 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 정확하게 측정할 수 있도록 교정되어 있다. 그렇게 하면, 서셉터(74) 등이 안정 온도에 도달하고 있지 않은 비교적 저온일 때에는, 서셉터(74) 등의 챔버 내 구조물로부터 방사 온도계(120)에 입사하는 적외광의 광량이 교정 시보다 적게 되어, 방사 온도계(120)는 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 정확하게 측정할 수 없게 되는 것이다. 챔버 내 구조물 중 금속제의 챔버 측부(61) 등은 수냉되어 있기 때문에, 방사 온도계(120)에 입사하는 외란광은 주로 상측 챔버창(63), 하측 챔버창(64) 및 서셉터(74)의 석영 구조물로부터 방사된 적외광이다.
거기서, 본 발명과 관련되는 열처리 기술에 있어서는, 상측 챔버창(63), 하측 챔버창(64) 및 서셉터(74)의 석영 구조물의 온도에 의거하여 방사 온도계(120)에 의한 반도체 웨이퍼(W)의 온도 측정을 보정하고 있다. 도 8은, 석영 구조물의 온도에 의거하는 방사 온도계(120)의 온도 측정의 보정을 설명하기 위한 모식도이다. 온도 보정부(31)는, 제어부(3)의 CPU가 소정의 처리 프로그램을 실행함으로써 제어부(3) 내에 실현되는 기능 처리부이다. 이 온도 보정부(31)는 방사 온도계(130)에 의한 상측 챔버창(63)의 온도 측정값, 방사 온도계(140)에 의한 하측 챔버창(64)의 온도 측정값 및 방사 온도계(150)에 의한 서셉터(74)의 온도 측정값에 의거하여 방사 온도계(120)에 의한 반도체 웨이퍼(W)의 온도 측정을 보정한다. 구체적으로는, 예를 들면, 상측 챔버창(63), 하측 챔버창(64) 및 서셉터(74)의 온도에 의한 오프셋값을 등록한 온도 변환 테이블을 제어부(3)의 기억부 내로 유지하고, 온도 보정부(31)는 그 온도 변환 테이블에서 구한 오프셋값을 방사 온도계(120)의 온도 측정값에 더하여 보정을 실시하도록 하면 된다.
온도 보정부(31)가 상측 챔버창(63), 하측 챔버창(64) 및 서셉터(74)의 온도에 의거하여 방사 온도계(120)의 온도 측정을 보정함으로써, 서셉터(74) 등의 온도에 상관없이 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 정확하게 측정하는 것이 가능해진다. 그 결과, 로트의 초기의 반도체 웨이퍼(W)를 처리할 경우에, 서셉터(74) 등이 비교적 저온이었다고 하더라도, 그 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 정확하게 측정하여 할로겐 램프(HL)(및 플래시 램프(FL))의 발광 출력을 적정하게 제어하여, 웨이퍼 온도를 목표 온도에 도달시킬 수 있다. 이것에 의해, 복수매의 더미 웨이퍼를 소비한 더미 런닝을 생략해도 로트를 구성하는 모든 반도체 웨이퍼(W)를 정확하게 목표 온도에 승온시킬 수 있고, 온도 이력을 균일하게 할 수 있음과 더불어, 열처리 장치(1)의 효율적인 운용이 가능해진다.
이상, 본 발명의 실시의 형태에 대해 설명하였는데, 이 발명은 그 취지를 일탈하지 않는 한에 있어서 상술한 것 이외에 여러 가지의 변경을 실시하는 것이 가능하다. 예를 들면, 상기 실시 형태에 있어서는, 상측 챔버창(63), 하측 챔버창(64) 및 서셉터(74)의 온도에 의거하여 방사 온도계(120)의 온도 측정을 보정하고 있었는데, 이들에 더하여 다른 석영의 구조물(예를 들면, 이재 아암(11))의 온도에 의거하여 방사 온도계(120)에 의한 반도체 웨이퍼(W)의 온도 측정을 보정하도록 해도 된다.
또한, 서셉터(74) 등의 석영 구조물에 더하여(또는 대신하여) 챔버 측부(61) 등의 석영 이외의 구조물의 온도에 의거하여 방사 온도계(120)에 의한 반도체 웨이퍼(W)의 온도 측정을 보정하도록 해도 된다. 상기 실시 형태에서는 챔버 측부(61)가 수냉되어 있었지만, 챔버 측부(61)가 냉각되어 있지 않은 경우(또는 적극적으로 가온되어 있는 경우)에는, 챔버 측부(61)로부터 방사된 적외광도 외란광으로서 방사 온도계(120)에 입사할 우려가 있다. 이 때문에, 온도 보정부(31)가 챔버 측부(61) 등을 포함하는 챔버(6)에 설치된 구조물의 온도에 의거하여 방사 온도계(120)의 온도 측정을 보정함으로써, 그들 챔버 내 구조물의 온도에 상관없이, 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 정확하게 측정할 수 있다.
또한, 상기 실시 형태에 있어서는, 플래시 가열부(5)에 30개의 플래시 램프(FL)를 구비하도록 하고 있었는데, 이것에 한정되는 것은 아니며, 플래시 램프(FL)의 개수는 임의의 수라고 할 수 있다. 또한, 플래시 램프(FL)는 크세논 플래시 램프로 한정되는 것은 아니며, 크립톤 플래시 램프여도 된다. 또한, 할로겐 가열부(4)에 구비하는 할로겐 램프(HL)의 개수도 40개로 한정되는 것은 아니며, 임의의 수라고 할 수 있다.
또한, 상기 실시 형태에 있어서는, 1초 이상 연속하여 발광하는 연속 점등 램프로서 필라멘트 방식의 할로겐 램프(HL)를 이용하여 반도체 웨이퍼(W)의 예비 가열을 실시하고 있었는데, 이것에 한정되는 것은 아니며, 할로겐 램프(HL)를 대신하여 방전형의 아크 램프를 연속 점등 램프로서 이용하도록 해도 된다.
또한, 열처리 장치(1)에 의해서 처리 대상이 되는 기판은 반도체 웨이퍼로 한정되는 것은 아니며, 액정 표시 장치 등의 플랫 패널 디스플레이에 이용하는 유리 기판이나 태양 전지용의 기판이어도 된다. 또한, 본 발명과 관련되는 기술은, 고유전율 게이트 절연막(High-k막)의 열처리, 금속과 규소의 접합, 혹은 폴리실리콘의 결정화에 적용하도록 해도 된다.
또한, 본 발명과 관련되는 열처리 기술은, 플래시 램프 어닐링 장치로 한정되는 것은 아니며, 연속 점등 램프를 사용한 매엽식의 램프 어닐링 장치나 CVD 장치 등의 플래시 램프 이외의 열원 장치에도 적용할 수 있다. 예를 들면, 챔버의 하방에 연속 점등 램프를 배치하고, 반도체 웨이퍼의 이면으로부터 광조사를 실시하여 열처리를 실시하는 백 사이드 어닐링 장치에도 본 발명과 관련되는 기술을 적합하게 적용할 수 있다.
1: 열처리 장치 3: 제어부
4: 할로겐 가열부 5: 플래시 가열부
6: 챔버 7: 유지부
10: 이재 기구 31: 온도 보정부
61: 챔버 측부 63: 상측 챔버창
64: 하측 챔버창 65: 열처리 공간
74: 서셉터 75: 유지 플레이트
77: 기판 지지핀 120, 130, 140, 150: 방사 온도계
FL: 플래시 램프 HL: 할로겐 램프
W: 반도체 웨이퍼

Claims (8)

  1. 기판에 광을 조사함으로써 그 기판을 가열하는 열처리 장치로서,
    기판을 수용하는 챔버와,
    상기 챔버 내에 수용된 상기 기판에 광을 조사하는 광조사부와,
    상기 기판으로부터 방사된 적외광을 수광하여 상기 기판의 온도를 측정하는 기판 온도 측정부와,
    상기 챔버에 설치된 구조물의 온도를 측정하는 구조물 온도 측정부와,
    상기 구조물의 온도에 의한 오프셋값을 등록한 온도 변환 테이블을 기억하는 기억부와,
    상기 구조물 온도 측정부에 의해서 측정된 상기 구조물의 온도에 의거하여 상기 기판 온도 측정부의 온도 측정을 보정하는 온도 보정부를 구비하고,
    상기 온도 보정부는, 상기 구조물의 온도에 의거하여 상기 온도 변환 테이블에서 구한 오프셋값을 상기 기판 온도 측정부의 온도 측정값에 가산하여 보정을 행하며,
    상기 챔버에는, 상기 광조사부로부터 출사된 광을 상기 챔버 내에 투과하는 석영창, 및, 상기 기판을 재치(載置)하여 지지하는 석영의 서셉터가 설치되고,
    상기 구조물 온도 측정부는, 상기 석영창 및 상기 서셉터의 온도를 측정하며,
    상기 온도 보정부는, 상기 석영창 및 상기 서셉터의 온도에 의거하여 상기 기판 온도 측정부의 온도 측정을 보정하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 광조사부는, 상기 챔버의 한쪽으로부터 상기 기판에 플래시광을 조사하는 플래시 램프, 및, 상기 챔버의 다른 쪽으로부터 상기 기판에 광을 조사하는 연속 점등 램프를 포함하고,
    상기 석영창은, 상기 플래시 램프로부터 출사된 플래시광을 상기 챔버 내에 투과하는 제1 석영창, 및, 상기 연속 점등 램프로부터 출사된 광을 상기 챔버 내에 투과하는 제2 석영창을 포함하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  5. 기판에 광을 조사함으로써 그 기판을 가열하는 열처리 방법으로서,
    챔버 내에 수용한 기판에 광조사부로부터 광을 조사하는 조사 공정과,
    상기 기판으로부터 방사된 적외광을 기판 온도 측정부에 의해서 수광하여 상기 기판의 온도를 측정하는 기판 온도 측정 공정과,
    상기 챔버에 설치된 구조물의 온도를 측정하는 구조물 온도 측정 공정과,
    상기 구조물의 온도에 의한 오프셋값을 등록한 온도 변환 테이블을 기억하는 기억 공정과,
    상기 구조물 온도 측정 공정에서 측정된 상기 구조물의 온도에 의거하여 상기 기판 온도 측정부의 온도 측정을 보정하는 보정 공정을 구비하고,
    상기 보정 공정에서는, 상기 구조물의 온도에 의거하여 상기 온도 변환 테이블에서 구한 오프셋값을 상기 기판 온도 측정부의 온도 측정값에 가산하여 보정을 행하며,
    상기 챔버에는, 상기 광조사부로부터 출사된 광을 상기 챔버 내에 투과하는 석영창, 및, 상기 기판을 재치하여 지지하는 석영의 서셉터가 설치되고,
    상기 보정 공정에서는, 상기 석영창 및 상기 서셉터의 온도에 의거하여 상기 기판 온도 측정부의 온도 측정을 보정하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 광조사부는, 상기 챔버의 한쪽으로부터 상기 기판에 플래시광을 조사하는 플래시 램프, 및, 상기 챔버의 다른 쪽으로부터 상기 기판에 광을 조사하는 연속 점등 램프를 포함하고,
    상기 석영창은, 상기 플래시 램프로부터 출사된 플래시광을 상기 챔버 내에 투과하는 제1 석영창, 및, 상기 연속 점등 램프로부터 출사된 광을 상기 챔버 내에 투과하는 제2 석영창을 포함하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
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