特開 2022-166682 熱処理方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022166682

(43)【公開日】2022-11-02

(54)【発明の名称】熱処理方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/26 20060101AFI20221026BHJP

   H01L 21/265 20060101ALI20221026BHJP

【ＦＩ】

H01L21/26 G

H01L21/26 T

H01L21/265 602B

【審査請求】未請求

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021072063

(22)【出願日】2021-04-21

(71)【出願人】

【識別番号】000207551

【氏名又は名称】株式会社ＳＣＲＥＥＮホールディングス

(71)【出願人】

【識別番号】000102212

【氏名又は名称】ウシオ電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088672

【弁理士】

【氏名又は名称】吉竹 英俊

(74)【代理人】

【識別番号】100088845

【弁理士】

【氏名又は名称】有田 貴弘

(72)【発明者】

【氏名】谷村 英昭

(72)【発明者】

【氏名】古川 雅志

(72)【発明者】

【氏名】加藤 慎一

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 禎朗

(72)【発明者】

【氏名】井上 隆博

(72)【発明者】

【氏名】溝尻 貴文

(72)【発明者】

【氏名】中村 祥章

(72)【発明者】

【氏名】横森 岳彦

(57)【要約】

【課題】基板を効率良く加熱することができる熱処理方法を提供する。
【解決手段】半導体ウェハーＷを収容するチャンバー６の上方に複数のフラッシュランプＦＬが配置されるとともに、下方に複数のＬＥＤランプ４５が配置される。複数のＬＥＤランプ４５からの光照射によって予備加熱した半導体ウェハーＷの表面にフラッシュランプＦＬからフラッシュ光を照射する。ＬＥＤランプ４５から波長９００ｎｍ以下の光を照射して半導体ウェハーＷを３０℃／秒以上の昇温レートで予備加熱温度にまで昇温する。ＬＥＤランプ４５から放射された波長９００ｎｍ以下の光は、５００℃以下の低温域の半導体ウェハーＷにも良好に吸収されるため、半導体ウェハーＷを効率良く加熱することができる。また、フラッシュ光照射後にＬＥＤランプ４５を消灯して半導体ウェハーＷを１０℃／秒よりも大きな降温レートで降温させる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板に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であって、
チャンバー内にて保持部に保持された基板に対して前記チャンバーの一方側に設けられたＬＥＤランプから波長９００ｎｍ以下の光を照射して前記基板を３０℃／秒以上の昇温レートで所定の予備加熱温度にまで昇温する第１加熱工程と、
前記予備加熱温度に加熱された前記基板に対して前記チャンバーの他方側に設けられたフラッシュランプからフラッシュ光を照射して前記基板をさらに加熱する第２加熱工程と、
を備えることを特徴とする熱処理方法。

【請求項2】

請求項１記載の熱処理方法において、
前記第２加熱工程の後、前記ＬＥＤランプを消灯して前記基板を１０℃／秒よりも大きな降温レートで降温させる降温工程をさらに備えることを特徴とする熱処理方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体ウェハー等の薄板状精密電子基板（以下、単に「基板」と称する）に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関する。

【背景技術】

【0002】

半導体デバイスの製造プロセスにおいて、極めて短時間で半導体ウェハーを加熱する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、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。

【0003】

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。

【0004】

このようなフラッシュランプアニールは、極短時間の加熱が必要とされる処理、例えば典型的には半導体ウェハーに注入された不純物の活性化に利用される。イオン注入法によって不純物が注入された半導体ウェハーの表面にフラッシュランプからフラッシュ光を照射すれば、当該半導体ウェハーの表面を極短時間だけ活性化温度にまで昇温することができ、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。

【0005】

このようなフラッシュランプアニールを実行する装置として、典型的には半導体ウェハーを収容するチャンバーの上方にフラッシュランプを設けるとともに、下方にハロゲンランプを設けた熱処理装置が使用される（例えば、特許文献１）。特許文献１に開示の装置においては、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た後、その半導体ウェハーの表面にフラッシュランプからフラッシュ光を照射している。ハロゲンランプによって予備加熱を行うのは、フラッシュ光照射のみでは半導体ウェハーの表面が目標温度にまで到達しにくいためである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１１－１５９７１３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、ハロゲンランプは比較的波長の長い赤外光を主として放射する。シリコンの半導体ウェハーの分光吸収率においては、５００℃以下の低温域では１μｍ以上の長波長の赤外光の吸収率が低い。すなわち、５００℃以下の半導体ウェハーは、ハロゲンランプから照射された赤外光をあまり吸収しないため、ハロゲンランプによって予備加熱を行うと予備加熱の初期段階では非効率的な加熱が行われることとなる。

【0008】

また、ハロゲンランプから出射された光はチャンバーに設けられた石英窓を透過してから半導体ウェハーに照射される。石英の分光透過率においては、比較的長い波長域の光の透過率が低い。すなわち、ハロゲンランプの出射された光の一部は石英窓によって吸収されてしまうため、ハロゲンランプによる予備加熱の効率がさらに低下することとなっていた。

【0009】

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、基板を効率良く加熱することができる熱処理方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、基板に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、チャンバー内にて保持部に保持された基板に対して前記チャンバーの一方側に設けられたＬＥＤランプから波長９００ｎｍ以下の光を照射して前記基板を３０℃／秒以上の昇温レートで所定の予備加熱温度にまで昇温する第１加熱工程と、前記予備加熱温度に加熱された前記基板に対して前記チャンバーの他方側に設けられたフラッシュランプからフラッシュ光を照射して前記基板をさらに加熱する第２加熱工程と、を備えることを特徴とする。

【0011】

また、請求項２の発明は、請求項１の発明に係る熱処理方法において、前記第２加熱工程の後、前記ＬＥＤランプを消灯して前記基板を１０℃／秒よりも大きな降温レートで降温させる降温工程をさらに備えることを特徴とする。

【発明の効果】

【0012】

請求項１および請求項２の発明によれば、ＬＥＤランプから波長９００ｎｍ以下の光を照射して基板を３０℃／秒以上の昇温レートで所定の予備加熱温度にまで昇温しており、ＬＥＤランプから出射された光は低温域の基板にも良好に吸収され、基板を効率良く加熱することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明に係る熱処理方法を実行する熱処理装置の構成を示す縦断面図である。

【図2】保持部の全体外観を示す斜視図である。

【図3】サセプタの平面図である。

【図4】サセプタの断面図である。

【図5】移載機構の平面図である。

【図6】移載機構の側面図である。

【図7】円環状の基板上に配置された複数のＬＥＤランプを示す平面図である。

【図8】図１の熱処理装置における熱処理時の半導体ウェハーの表面温度の変化を示す図である。

【図9】半導体ウェハーの昇温時の温度変化を示す図である。

【図10】半導体ウェハーの降温時の温度変化を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

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。

【0015】

図１は、本発明に係る熱処理方法を実行する熱処理装置１の構成を示す縦断面図である。図１の熱処理装置１は、基板として円板形状の半導体ウェハーＷに対してフラッシュ光照射を行うことによってその半導体ウェハーＷを加熱するフラッシュランプアニール装置である。処理対象となる半導体ウェハーＷのサイズは特に限定されるものではないが、例えばφ３００ｍｍやφ４５０ｍｍ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。

【0016】

熱処理装置１は、半導体ウェハーＷを収容するチャンバー６と、複数のフラッシュランプＦＬを内蔵するフラッシュ加熱部５と、複数のＬＥＤ(Light Emitting Diode)ランプ４５を内蔵するＬＥＤ加熱部４と、を備える。チャンバー６の上側にフラッシュ加熱部５が設けられるとともに、下側にＬＥＤ加熱部４が設けられている。また、熱処理装置１は、チャンバー６の内部に、半導体ウェハーＷを水平姿勢に保持する保持部７と、保持部７と装置外部との間で半導体ウェハーＷの受け渡しを行う移載機構１０と、を備える。さらに、熱処理装置１は、ＬＥＤ加熱部４、フラッシュ加熱部５およびチャンバー６に設けられた各動作機構を制御して半導体ウェハーＷの熱処理を実行させる制御部３を備える。

【0017】

チャンバー６は、筒状のチャンバー側部６１の上下に石英製のチャンバー窓を装着して構成されている。チャンバー側部６１は上下が開口された概略筒形状を有しており、上側開口には上側チャンバー窓６３が装着されて閉塞され、下側開口には下側チャンバー窓６４が装着されて閉塞されている。チャンバー６の天井部を構成する上側チャンバー窓６３は、石英により形成された円板形状部材であり、フラッシュ加熱部５から出射されたフラッシュ光をチャンバー６内に透過する石英窓として機能する。また、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、ＬＥＤ加熱部４からの光をチャンバー６内に透過する石英窓として機能する。

【0018】

また、チャンバー側部６１の内側の壁面の上部には反射リング６８が装着され、下部には反射リング６９が装着されている。反射リング６８，６９は、ともに円環状に形成されている。上側の反射リング６８は、チャンバー側部６１の上側から嵌め込むことによって装着される。一方、下側の反射リング６９は、チャンバー側部６１の下側から嵌め込んで図示省略のビスで留めることによって装着される。すなわち、反射リング６８，６９は、ともに着脱自在にチャンバー側部６１に装着されるものである。チャンバー６の内側空間、すなわち上側チャンバー窓６３、下側チャンバー窓６４、チャンバー側部６１および反射リング６８，６９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。

【0019】

チャンバー側部６１に反射リング６８，６９が装着されることによって、チャンバー６の内壁面に凹部６２が形成される。すなわち、チャンバー側部６１の内壁面のうち反射リング６８，６９が装着されていない中央部分と、反射リング６８の下端面と、反射リング６９の上端面とで囲まれた凹部６２が形成される。凹部６２は、チャンバー６の内壁面に水平方向に沿って円環状に形成され、半導体ウェハーＷを保持する保持部７を囲繞する。チャンバー側部６１および反射リング６８，６９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）にて形成されている。

【0020】

また、チャンバー側部６１には、チャンバー６に対して半導体ウェハーＷの搬入および搬出を行うための搬送開口部（炉口）６６が形設されている。搬送開口部６６は、ゲートバルブ１８５によって開閉可能とされている。搬送開口部６６は凹部６２の外周面に連通接続されている。このため、ゲートバルブ１８５が搬送開口部６６を開放しているときには、搬送開口部６６から凹部６２を通過して熱処理空間６５への半導体ウェハーＷの搬入および熱処理空間６５からの半導体ウェハーＷの搬出を行うことができる。また、ゲートバルブ１８５が搬送開口部６６を閉鎖するとチャンバー６内の熱処理空間６５が密閉空間とされる。

【0021】

さらに、チャンバー側部６１には、貫通孔６１ａが穿設されている。チャンバー側部６１の外壁面の貫通孔６１ａが設けられている部位には放射温度計２０が取り付けられている。貫通孔６１ａは、後述するサセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの下面から放射された赤外光を放射温度計２０に導くための円筒状の孔である。貫通孔６１ａは、その貫通方向の軸がサセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの主面と交わるように、水平方向に対して傾斜して設けられている。よって、放射温度計２０はサセプタ７４の斜め下方に設けられることとなる。貫通孔６１ａの熱処理空間６５に臨む側の端部には、放射温度計２０が測定可能な波長領域の赤外光を透過させるフッ化バリウム材料からなる透明窓２１が装着されている。

【0022】

また、チャンバー６の内壁上部には熱処理空間６５に処理ガスを供給するガス供給孔８１が形設されている。ガス供給孔８１は、凹部６２よりも上側位置に形設されており、反射リング６８に設けられていても良い。ガス供給孔８１はチャンバー６の側壁内部に円環状に形成された緩衝空間８２を介してガス供給管８３に連通接続されている。ガス供給管８３は処理ガス供給源８５に接続されている。また、ガス供給管８３の経路途中にはバルブ８４が介挿されている。バルブ８４が開放されると、処理ガス供給源８５から緩衝空間８２に処理ガスが送給される。緩衝空間８２に流入した処理ガスは、ガス供給孔８１よりも流体抵抗の小さい緩衝空間８２内を拡がるように流れてガス供給孔８１から熱処理空間６５内へと供給される。処理ガスとしては、例えば窒素（Ｎ_２）等の不活性ガス、または、水素（Ｈ_２）、アンモニア（ＮＨ_３）等の反応性ガス、或いはそれらを混合した混合ガスを用いることができる（本実施形態では窒素ガス）。

【0023】

一方、チャンバー６の内壁下部には熱処理空間６５内の気体を排気するガス排気孔８６が形設されている。ガス排気孔８６は、凹部６２よりも下側位置に形設されており、反射リング６９に設けられていても良い。ガス排気孔８６はチャンバー６の側壁内部に円環状に形成された緩衝空間８７を介してガス排気管８８に連通接続されている。ガス排気管８８は排気部１９０に接続されている。また、ガス排気管８８の経路途中にはバルブ８９が介挿されている。バルブ８９が開放されると、熱処理空間６５の気体がガス排気孔８６から緩衝空間８７を経てガス排気管８８へと排出される。なお、ガス供給孔８１およびガス排気孔８６は、チャンバー６の周方向に沿って複数設けられていても良いし、スリット状のものであっても良い。また、処理ガス供給源８５および排気部１９０は、熱処理装置１に設けられた機構であっても良いし、熱処理装置１が設置される工場のユーティリティであっても良い。

【0024】

図２は、保持部７の全体外観を示す斜視図である。保持部７は、基台リング７１、連結部７２およびサセプタ７４を備えて構成される。基台リング７１、連結部７２およびサセプタ７４はいずれも石英にて形成されている。すなわち、保持部７の全体が石英にて形成されている。

【0025】

基台リング７１は円環形状から一部が欠落した円弧形状の石英部材である。この欠落部分は、後述する移載機構１０の移載アーム１１と基台リング７１との干渉を防ぐために設けられている。基台リング７１は凹部６２の底面に載置されることによって、チャンバー６の壁面に支持されることとなる（図１参照）。基台リング７１の上面に、その円環形状の周方向に沿って複数の連結部７２（本実施形態では４個）が立設される。連結部７２も石英の部材であり、溶接によって基台リング７１に固着される。

【0026】

サセプタ７４は基台リング７１に設けられた４個の連結部７２によって支持される。図３は、サセプタ７４の平面図である。また、図４は、サセプタ７４の断面図である。サセプタ７４は、保持プレート７５、ガイドリング７６および複数の基板支持ピン７７を備える。保持プレート７５は、石英にて形成された略円形の平板状部材である。保持プレート７５の直径は半導体ウェハーＷの直径よりも大きい。すなわち、保持プレート７５は、半導体ウェハーＷよりも大きな平面サイズを有する。

【0027】

保持プレート７５の上面周縁部にガイドリング７６が設置されている。ガイドリング７６は、半導体ウェハーＷの直径よりも大きな内径を有する円環形状の部材である。例えば、半導体ウェハーＷの直径がφ３００ｍｍの場合、ガイドリング７６の内径はφ３２０ｍｍである。ガイドリング７６の内周は、保持プレート７５から上方に向けて広くなるようなテーパ面とされている。ガイドリング７６は、保持プレート７５と同様の石英にて形成される。ガイドリング７６は、保持プレート７５の上面に溶着するようにしても良いし、別途加工したピンなどによって保持プレート７５に固定するようにしても良い。或いは、保持プレート７５とガイドリング７６とを一体の部材として加工するようにしても良い。

【0028】

保持プレート７５の上面のうちガイドリング７６よりも内側の領域が半導体ウェハーＷを保持する平面状の保持面７５ａとされる。保持プレート７５の保持面７５ａには、複数の基板支持ピン７７が立設されている。本実施形態においては、保持面７５ａの外周円（ガイドリング７６の内周円）と同心円の周上に沿って３０°毎に計１２個の基板支持ピン７７が立設されている。１２個の基板支持ピン７７を配置した円の径（対向する基板支持ピン７７間の距離）は半導体ウェハーＷの径よりも小さく、半導体ウェハーＷの径がφ３００ｍｍであればφ２７０ｍｍ～φ２８０ｍｍ（本実施形態ではφ２７０ｍｍ）である。それぞれの基板支持ピン７７は石英にて形成されている。複数の基板支持ピン７７は、保持プレート７５の上面に溶接によって設けるようにしても良いし、保持プレート７５と一体に加工するようにしても良い。

【0029】

図２に戻り、基台リング７１に立設された４個の連結部７２とサセプタ７４の保持プレート７５の周縁部とが溶接によって固着される。すなわち、サセプタ７４と基台リング７１とは連結部７２によって固定的に連結されている。このような保持部７の基台リング７１がチャンバー６の壁面に支持されることによって、保持部７がチャンバー６に装着される。保持部７がチャンバー６に装着された状態においては、サセプタ７４の保持プレート７５は水平姿勢（法線が鉛直方向と一致する姿勢）となる。すなわち、保持プレート７５の保持面７５ａは水平面となる。

【0030】

チャンバー６に搬入された半導体ウェハーＷは、チャンバー６に装着された保持部７のサセプタ７４の上に水平姿勢にて載置されて保持される。このとき、半導体ウェハーＷは保持プレート７５上に立設された１２個の基板支持ピン７７によって支持されてサセプタ７４に保持される。より厳密には、１２個の基板支持ピン７７の上端部が半導体ウェハーＷの下面に接触して当該半導体ウェハーＷを支持する。１２個の基板支持ピン７７の高さ（基板支持ピン７７の上端から保持プレート７５の保持面７５ａまでの距離）は均一であるため、１２個の基板支持ピン７７によって半導体ウェハーＷを水平姿勢に支持することができる。

【0031】

また、半導体ウェハーＷは複数の基板支持ピン７７によって保持プレート７５の保持面７５ａから所定の間隔を隔てて支持されることとなる。基板支持ピン７７の高さよりもガイドリング７６の厚さの方が大きい。従って、複数の基板支持ピン７７によって支持された半導体ウェハーＷの水平方向の位置ずれはガイドリング７６によって防止される。

【0032】

また、図２および図３に示すように、サセプタ７４の保持プレート７５には、上下に貫通して開口部７８が形成されている。開口部７８は、放射温度計２０が半導体ウェハーＷの下面から放射される放射光（赤外光）を受光するために設けられている。すなわち、放射温度計２０が開口部７８およびチャンバー側部６１の貫通孔６１ａに装着された透明窓２１を介して半導体ウェハーＷの下面から放射された光を受光して当該半導体ウェハーＷの温度を測定する。さらに、サセプタ７４の保持プレート７５には、後述する移載機構１０のリフトピン１２が半導体ウェハーＷの受け渡しのために貫通する４個の貫通孔７９が穿設されている。

【0033】

図５は、移載機構１０の平面図である。また、図６は、移載機構１０の側面図である。移載機構１０は、２本の移載アーム１１を備える。移載アーム１１は、概ね円環状の凹部６２に沿うような円弧形状とされている。それぞれの移載アーム１１には２本のリフトピン１２が立設されている。移載アーム１１およびリフトピン１２は石英にて形成されている。各移載アーム１１は水平移動機構１３によって回動可能とされている。水平移動機構１３は、一対の移載アーム１１を保持部７に対して半導体ウェハーＷの移載を行う移載動作位置（図５の実線位置）と保持部７に保持された半導体ウェハーＷと平面視で重ならない退避位置（図５の二点鎖線位置）との間で水平移動させる。水平移動機構１３としては、個別のモータによって各移載アーム１１をそれぞれ回動させるものであっても良いし、リンク機構を用いて１個のモータによって一対の移載アーム１１を連動させて回動させるものであっても良い。

【0034】

また、一対の移載アーム１１は、昇降機構１４によって水平移動機構１３とともに昇降移動される。昇降機構１４が一対の移載アーム１１を移載動作位置にて上昇させると、計４本のリフトピン１２がサセプタ７４に穿設された貫通孔７９（図２，３参照）を通過し、リフトピン１２の上端がサセプタ７４の上面から突き出る。一方、昇降機構１４が一対の移載アーム１１を移載動作位置にて下降させてリフトピン１２を貫通孔７９から抜き取り、水平移動機構１３が一対の移載アーム１１を開くように移動させると各移載アーム１１が退避位置に移動する。一対の移載アーム１１の退避位置は、保持部７の基台リング７１の直上である。基台リング７１は凹部６２の底面に載置されているため、移載アーム１１の退避位置は凹部６２の内側となる。なお、移載機構１０の駆動部（水平移動機構１３および昇降機構１４）が設けられている部位の近傍にも図示省略の排気機構が設けられており、移載機構１０の駆動部周辺の雰囲気がチャンバー６の外部に排出されるように構成されている。

【0035】

図１に戻り、チャンバー６の上方に設けられたフラッシュ加熱部５は、筐体５１の内側に、複数本（本実施形態では３０本）のキセノンフラッシュランプＦＬからなる光源と、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。また、フラッシュ加熱部５の筐体５１の底部にはランプ光放射窓５３が装着されている。フラッシュ加熱部５の床部を構成するランプ光放射窓５３は、石英により形成された板状の石英窓である。フラッシュ加熱部５がチャンバー６の上方に設置されることにより、ランプ光放射窓５３が上側チャンバー窓６３と相対向することとなる。フラッシュランプＦＬはチャンバー６の上方からランプ光放射窓５３および上側チャンバー窓６３を介して熱処理空間６５にフラッシュ光を照射する。

【0036】

複数のフラッシュランプＦＬは、それぞれが長尺の円筒形状を有する棒状ランプであり、それぞれの長手方向が保持部７に保持される半導体ウェハーＷの主面に沿って（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。よって、フラッシュランプＦＬの配列によって形成される平面も水平面である。複数のフラッシュランプＦＬが配列される領域は半導体ウェハーＷの平面サイズよりも大きい。

【0037】

キセノンフラッシュランプＦＬは、その内部にキセノンガスが封入されその両端部にコンデンサーに接続された陽極および陰極が配設された円筒形状のガラス管（放電管）と、該ガラス管の外周面上に付設されたトリガー電極とを備える。キセノンガスは電気的には絶縁体であることから、コンデンサーに電荷が蓄積されていたとしても通常の状態ではガラス管内に電気は流れない。しかしながら、トリガー電極に高電圧を印加して絶縁を破壊した場合には、コンデンサーに蓄えられた電気がガラス管内に瞬時に流れ、そのときの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。このようなキセノンフラッシュランプＦＬにおいては、予めコンデンサーに蓄えられていた静電エネルギーが０．１ミリセカンドないし１００ミリセカンドという極めて短い光パルスに変換されることから、ハロゲンランプの如き連続点灯の光源に比べて極めて強い光を照射し得るという特徴を有する。すなわち、フラッシュランプＦＬは、１秒未満の極めて短い時間で瞬間的に発光するパルス発光ランプである。なお、フラッシュランプＦＬの発光時間は、フラッシュランプＦＬに電力供給を行うランプ電源のコイル定数によって調整することができる。

【0038】

また、リフレクタ５２は、複数のフラッシュランプＦＬ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、複数のフラッシュランプＦＬ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。リフレクタ５２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いる。

【0039】

チャンバー６の下方に設けられたＬＥＤ加熱部４は、筐体４１の内側に複数個のＬＥＤランプ４５を内蔵している。ＬＥＤ加熱部４は、複数のＬＥＤランプ４５によってチャンバー６の下方から下側チャンバー窓６４を介して熱処理空間６５への光照射を行って半導体ウェハーＷを加熱する。

【0040】

図７は、円環状の基板４４上に配置された複数のＬＥＤランプ４５を示す平面図である。ＬＥＤ加熱部４には、数千個のＬＥＤランプ４５が配置されるのであるが、図７では図示の便宜上個数を簡略化して描いている。従来のハロゲンランプが棒状ランプであったのに対して、各ＬＥＤランプ４５は点光源ランプである。複数のＬＥＤランプ４５が配置されている円環状の基板４４は、保持部７に保持される半導体ウェハーＷの主面に沿って平行に（つまり水平方向に沿って）設置されている。よって、複数のＬＥＤランプ４５の配列によって形成される平面は水平面である。

【0041】

また、図７に示すように、複数のＬＥＤランプ４５は同心円状に配置される。より詳細には、保持部７に保持される半導体ウェハーＷの中心軸ＣＸと同軸の同心円状に複数のＬＥＤランプ４５は配置される。各同心円において、複数のＬＥＤランプ４５は均等な間隔で配置される。例えば、図７に示す例では、内側から二番目の同心円においては、８個のＬＥＤランプ４５が４５°間隔で均等に配置される。

【0042】

ＬＥＤランプ４５は、発光ダイオードを含んでいる。発光ダイオードは、ダイオードの一種であり、順方向に電圧を加えた際にエレクトロルミネセンス効果によって発光する。本実施形態のＬＥＤランプ４５は、波長９００ｎｍ以下の光を放射する。また、ＬＥＤランプ４５は、少なくとも１秒以上連続して発光する連続点灯ランプである。

【0043】

複数のＬＥＤランプ４５のそれぞれには電力供給部４９（図１）から電圧が印加されることによって、当該ＬＥＤランプ４５が発光する。電力供給部４９は、制御部３の制御に従って、複数のＬＥＤランプ４５のそれぞれに供給する電力を個別に調整する。すなわち、電力供給部４９は、ＬＥＤ加熱部４に配置された複数のＬＥＤランプ４５のそれぞれの発光強度および発光時間を個別に調整することができる。

【0044】

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回路である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いる。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。

【0045】

上記の構成以外にも熱処理装置１は、半導体ウェハーＷの熱処理時にＬＥＤランプ４５およびフラッシュランプＦＬから発生する熱エネルギーによるＬＥＤ加熱部４、フラッシュ加熱部５およびチャンバー６の過剰な温度上昇を防止するため、様々な冷却用の構造を備えている。例えば、チャンバー６の壁体には水冷管（図示省略）が設けられている。また、ＬＥＤ加熱部４およびフラッシュ加熱部５は、内部に気体流を形成して排熱する空冷構造とされている。また、上側チャンバー窓６３とランプ光放射窓５３との間隙にも空気が供給され、フラッシュ加熱部５および上側チャンバー窓６３を冷却する。

【0046】

次に、熱処理装置１における処理動作について説明する。処理対象となる半導体ウェハーＷは、前工程としてのイオン注入によって不純物が注入されたシリコン（Ｓｉ）の半導体基板である。その不純物の活性化が熱処理装置１によるアニール処理により実行される。以下に説明する半導体ウェハーＷ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。

【0047】

まず、半導体ウェハーＷの処理に先立って給気のためのバルブ８４が開放されるとともに、排気用のバルブ８９が開放されてチャンバー６内に対する給排気が開始される。バルブ８４が開放されると、ガス供給孔８１から熱処理空間６５に窒素ガスが供給される。また、バルブ８９が開放されると、ガス排気孔８６からチャンバー６内の気体が排気される。これにより、チャンバー６内の熱処理空間６５の上部から供給された窒素ガスが下方へと流れ、熱処理空間６５の下部から排気される。

【0048】

続いて、ゲートバルブ１８５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内の熱処理空間６５に搬入される。このときには、半導体ウェハーＷの搬入にともなって装置外部の雰囲気を巻き込むおそれがあるが、チャンバー６には窒素ガスが供給され続けているため、搬送開口部６６から窒素ガスが流出して、そのような外部雰囲気の巻き込みを最小限に抑制することができる。

【0049】

搬送ロボットによって搬入された半導体ウェハーＷは保持部７の直上位置まで進出して停止する。そして、移載機構１０の一対の移載アーム１１が退避位置から移載動作位置に水平移動して上昇することにより、リフトピン１２が貫通孔７９を通ってサセプタ７４の保持プレート７５の上面から突き出て半導体ウェハーＷを受け取る。このとき、リフトピン１２は基板支持ピン７７の上端よりも上方にまで上昇する。

【0050】

半導体ウェハーＷがリフトピン１２に載置された後、搬送ロボットが熱処理空間６５から退出し、ゲートバルブ１８５によって搬送開口部６６が閉鎖される。そして、一対の移載アーム１１が下降することにより、半導体ウェハーＷは移載機構１０から保持部７のサセプタ７４に受け渡されて水平姿勢にて下方より保持される。半導体ウェハーＷは、保持プレート７５上に立設された複数の基板支持ピン７７によって支持されてサセプタ７４に保持される。また、半導体ウェハーＷは、パターン形成がなされて不純物が注入された表面を上面として保持部７に保持される。複数の基板支持ピン７７によって支持された半導体ウェハーＷの裏面（表面とは反対側の主面）と保持プレート７５の保持面７５ａとの間には所定の間隔が形成される。サセプタ７４の下方にまで下降した一対の移載アーム１１は水平移動機構１３によって退避位置、すなわち凹部６２の内側に退避する。

【0051】

半導体ウェハーＷが石英にて形成された保持部７のサセプタ７４によって水平姿勢にて下方より保持された後、ＬＥＤ加熱部４の複数のＬＥＤランプ４５が点灯して予備加熱（アシスト加熱）が開始される。複数のＬＥＤランプ４５から出射された光は、石英にて形成された下側チャンバー窓６４およびサセプタ７４を透過して半導体ウェハーＷの下面に照射される。ＬＥＤランプ４５からの光照射を受けることによって半導体ウェハーＷが予備加熱されて温度が上昇する。なお、移載機構１０の移載アーム１１は凹部６２の内側に退避しているため、ＬＥＤランプ４５による加熱の障害となることは無い。

【0052】

図８は、熱処理装置１における熱処理時の半導体ウェハーＷの表面温度の変化を示す図である。時刻ｔ１に複数のＬＥＤランプ４５が点灯して半導体ウェハーＷが昇温を開始する。ＬＥＤランプ４５からの光照射によって昇温する半導体ウェハーＷの温度は放射温度計２０によって測定される。測定された半導体ウェハーＷの温度は制御部３に伝達される。制御部３は、ＬＥＤランプ４５からの光照射によって昇温する半導体ウェハーＷの温度が所定の予備加熱温度Ｔ１に到達したか否かを監視しつつ、電力供給部４９を制御してＬＥＤランプ４５の出力を調整する。すなわち、制御部３は、放射温度計２０による測定値に基づいて、半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１となるようにＬＥＤランプ４５の出力をフィードバック制御する。予備加熱温度Ｔ１は、半導体ウェハーＷに添加された不純物が熱により拡散する恐れのない、２００℃ないし８００℃程度、好ましくは３５０℃ないし６００℃程度とされる（本実施の形態では６００℃）。

【0053】

ＬＥＤランプ４５からの光照射によって昇温する半導体ウェハーＷの温度は時刻ｔ２に予備加熱温度Ｔ１に到達する。図９は、半導体ウェハーＷの昇温時の温度変化を示す図である。図９の実線にて示すのは、ＬＥＤランプ４５からの光照射によって昇温する本実施形態の半導体ウェハーＷの温度変化である。図９の点線にて比較例として示すのは、従来のハロゲンランプからの光照射によって昇温する半導体ウェハーの温度変化である。

【0054】

本実施形態においては、ＬＥＤランプ４５から波長９００ｎｍ以下の光を半導体ウェハーＷに照射する。シリコンの半導体ウェハーＷの分光吸収率においては、５００℃以下の低温域では波長１μｍ以上の赤外光の吸収率が低いものの、波長９００ｎｍ以下の光の吸収率は相対的に高い。すなわち、５００℃以下の低温域であっても、半導体ウェハーＷはＬＥＤランプ４５から照射された光を良好に吸収する。従って、予備加熱の初期段階に半導体ウェハーＷの温度が５００℃以下のときにも、ＬＥＤランプ４５によって半導体ウェハーＷを効率良く加熱することができる。

【0055】

一方、ハロゲンランプは主として波長１μｍ以上の赤外光を半導体ウェハーに照射する。従って、特に半導体ウェハーの温度が５００℃以下の比較的低温のときには、半導体ウェハーはハロゲンランプから照射された赤外光をほとんど吸収しないため、半導体ウェハーの加熱効率は低くなる。その結果、図９に示すように、ＬＥＤランプ４５から光照射される半導体ウェハーＷの昇温レートはハロゲンランプから光照射される半導体ウェハーの昇温レートに比較して顕著に高くなるのである。ハロゲンランプから光照射される半導体ウェハーの昇温レートが７℃／秒程度であるのに対して、ＬＥＤランプ４５からの光照射によって加熱される半導体ウェハーＷの昇温レートは３０℃／秒以上である。すなわち、本実施形態においては、半導体ウェハーＷにＬＥＤランプ４５から波長９００ｎｍ以下の光を照射することによって、半導体ウェハーＷを３０℃／秒以上の昇温レートで予備加熱温度Ｔ１にまで昇温しているのである。

【0056】

また、複数のＬＥＤランプ４５と保持部７との間には石英の下側チャンバー窓６４が存在している。よって、ＬＥＤランプ４５から放射された光は石英の下側チャンバー窓６４を透過してから半導体ウェハーＷに照射されることとなる。石英の分光透過率においては、比較的長い波長域の光の透過率が低いものの、波長９００ｎｍ以下の光の透過率は高い。従って、ＬＥＤランプ４５から放射された光は下側チャンバー窓６４によってはほとんど吸収されない。このため、ＬＥＤランプ４５によって半導体ウェハーＷをより効率良く加熱することができる。

【0057】

半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１に到達した後、制御部３は半導体ウェハーＷをその予備加熱温度Ｔ１に暫時維持する。具体的には、放射温度計２０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Ｔ１に到達した時刻ｔ２に制御部３がＬＥＤランプ４５の出力を調整し、半導体ウェハーＷの温度をほぼ予備加熱温度Ｔ１に維持している。

【0058】

半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１に到達して所定時間が経過した時刻ｔ３にフラッシュ加熱部５のフラッシュランプＦＬがサセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの表面にフラッシュ光照射を行う。このとき、フラッシュランプＦＬから放射されるフラッシュ光の一部は直接にチャンバー６内へと向かい、他の一部は一旦リフレクタ５２により反射されてからチャンバー６内へと向かい、これらのフラッシュ光の照射により半導体ウェハーＷのフラッシュ加熱が行われる。

【0059】

フラッシュ加熱は、フラッシュランプＦＬからのフラッシュ光（閃光）照射により行われるため、半導体ウェハーＷの表面温度を短時間で上昇することができる。すなわち、フラッシュランプＦＬから照射されるフラッシュ光は、予めコンデンサーに蓄えられていた静電エネルギーが極めて短い光パルスに変換された、照射時間が０．１ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下程度の極めて短く強い閃光である。そして、フラッシュランプＦＬからのフラッシュ光照射によりフラッシュ加熱される半導体ウェハーＷの表面温度は、瞬間的に１０００℃以上の処理温度Ｔ２まで上昇し、半導体ウェハーＷに注入された不純物が活性化された後、表面温度が急速に下降する。このように、熱処理装置１では、半導体ウェハーＷの表面温度を極めて短時間で昇降することができるため、半導体ウェハーＷに注入された不純物の熱による拡散を抑制しつつ不純物の活性化を行うことができる。なお、不純物の活性化に必要な時間はその熱拡散に必要な時間に比較して極めて短いため、０．１ミリセカンドないし１００ミリセカンド程度の拡散が生じない短時間であっても活性化は完了する。

【0060】

フラッシュ加熱処理が終了した後、所定時間経過後の時刻ｔ４にＬＥＤランプ４５が消灯する。これにより、半導体ウェハーＷが予備加熱温度Ｔ１から急速に降温する。降温中の半導体ウェハーＷの温度は放射温度計２０によって測定され、その測定結果は制御部３に伝達される。制御部３は、放射温度計２０の測定結果より半導体ウェハーＷの温度が所定温度まで降温したか否かを監視する。

【0061】

図１０は、時刻ｔ４以降の半導体ウェハーＷの降温時の温度変化を示す図である。図１０の実線にて示すのは、ＬＥＤランプ４５を消灯したときの本実施形態の半導体ウェハーＷの温度変化である。図１０の点線にて比較例として示すのは、従来のハロゲンランプを消灯したときの半導体ウェハーの温度変化である。

【0062】

ＬＥＤランプ４５は、従来のハロゲンランプに比較して出力の立ち上がりおよび立ち下がりが高速である。すなわち、ＬＥＤランプ４５は点灯するとほぼ同時に目標出力に到達するとともに、消灯した後は熱放射を一切行わない。このため、ＬＥＤランプ４５が消灯した後は半導体ウェハーＷには全く光が照射されず、半導体ウェハーＷの温度は急速に降温する。

【0063】

一方、ハロゲンランプは消灯してもフィラメントの温度が直ちに下がらないため、消灯後も暫時光を放出し続ける。従って、ハロゲンランプが消灯した後もしばらくは半導体ウェハーには幾らかの光が照射し続けられることとなり、半導体ウェハーの急速な降温が妨げられる。その結果、図１０に示すように、ＬＥＤランプ４５が消灯したときの半導体ウェハーＷの降温レートはハロゲンランプが消灯したときの半導体ウェハーの降温レートよりも大きくなる。ＬＥＤランプ４５が消灯したときの半導体ウェハーＷの降温レートは１０℃／秒よりも大きい。すなわち、本実施形態においては、時刻ｔ４にＬＥＤランプ４５が消灯した後、半導体ウェハーＷが１０℃／秒よりも大きな降温レートで降温するのである。

【0064】

半導体ウェハーＷの温度が所定以下にまで降温した後、移載機構１０の一対の移載アーム１１が再び退避位置から移載動作位置に水平移動して上昇することにより、リフトピン１２がサセプタ７４の上面から突き出て熱処理後の半導体ウェハーＷをサセプタ７４から受け取る。続いて、ゲートバルブ１８５により閉鎖されていた搬送開口部６６が開放され、リフトピン１２上に載置された半導体ウェハーＷが装置外部の搬送ロボットによりチャンバー６から搬出され、半導体ウェハーＷの加熱処理が完了する。

【0065】

本実施形態においては、ＬＥＤランプ４５からの光照射によって半導体ウェハーＷを予備加熱温度Ｔ１に予備加熱した後、フラッシュランプＦＬから半導体ウェハーＷの表面にフラッシュ光を照射して当該表面を処理温度Ｔ２にまで昇温している。ＬＥＤランプ４５によって半導体ウェハーＷを予備加熱するときの消費エネルギーは、従来のハロゲンランプによる予備加熱時の消費エネルギーの半分以下である。すなわち、ＬＥＤランプ４５によって半導体ウェハーＷの予備加熱を行えば、消費エネルギーを少なくして環境負荷を低減することが可能となる。

【0066】

また、ＬＥＤランプ４５によって半導体ウェハーＷの予備加熱を行うことにより、従来のハロゲンランプに比較して半導体ウェハーＷの昇温レートおよび降温レートの双方がともに高くなる。従って、半導体ウェハーＷの昇温時間および降温時間ともに短くなる。その結果、ＬＥＤランプ４５によって半導体ウェハーＷの処理時間を短くすることができ、スループットを向上させることができる。

【0067】

また、ＬＥＤランプ４５によって半導体ウェハーＷの予備加熱を行うことにより、半導体ウェハーＷの昇温レートが高くなれば、昇温時間が短くなって半導体ウェハーＷに注入された不純物の不要な拡散を抑制することができる。その結果、予備加熱に続いてフラッシュ加熱を行ったときに、不純物の拡散を抑制しつつ不純物の活性化を行うことができ、浅い接合を実現することが可能となる。

【0068】

さらに、本実施形態においては、フラッシュ光照射後にＬＥＤランプ４５を消灯したときの半導体ウェハーＷの降温レートも大きい。フラッシュ光照射後の半導体ウェハーＷの降温レートが小さい場合には、フラッシュ加熱によって活性化した不純物が不活性になるおそれがある（不活性化）。本実施形態においては、フラッシュ光照射後の半導体ウェハーＷの降温レートも大きいため、フラッシュ加熱によって活性化した不純物が不活性になるのを防止することができる。

【0069】

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、上記実施形態においては、複数のＬＥＤランプ４５を同心円状に配置していたが、これに限定されるものではない。例えば、複数のＬＥＤランプ４５を等間隔で格子状に配置するようにしても良い。

【0070】

また、上記実施形態においては、フラッシュ加熱部５に３０本のフラッシュランプＦＬを備えるようにしていたが、これに限定されるものではなく、フラッシュランプＦＬの本数は任意の数とすることができる。また、フラッシュランプＦＬはキセノンフラッシュランプに限定されるものではなく、クリプトンフラッシュランプであっても良い。

【0071】

また、熱処理装置１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、液晶表示装置などのフラットパネルディスプレイ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。

【符号の説明】

【0072】

１ 熱処理装置
３ 制御部
４ ＬＥＤ加熱部
５ フラッシュ加熱部
６ チャンバー
７ 保持部
２０ 放射温度計
４５ ＬＥＤランプ
４９ 電力供給部
６５ 熱処理空間
７４ サセプタ
７５ 保持プレート
７７ 基板支持ピン
ＦＬ フラッシュランプ
Ｗ 半導体ウェハー

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】