特許 7487084 熱処理装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-05-10

(45)【発行日】2024-05-20

(54)【発明の名称】熱処理装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/31 20060101AFI20240513BHJP

   H01L 21/318 20060101ALI20240513BHJP

   H01L 21/316 20060101ALI20240513BHJP

【ＦＩ】

H01L21/31 B

H01L21/318 A

H01L21/316 S

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2020202772

(22)【出願日】2020-12-07

(65)【公開番号】P2022090390

(43)【公開日】2022-06-17

【審査請求日】2023-06-20

(73)【特許権者】

【識別番号】000207551

【氏名又は名称】株式会社ＳＣＲＥＥＮホールディングス

(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】近藤 泰章

(72)【発明者】

【氏名】大森 麻央

【審査官】河合 俊英

(56)【参考文献】

【文献】特開２００３－０３１５０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５５－０５９７２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－１４８３２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６３－１７２４３１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／３１

Ｈ０１Ｌ ２１／３１８

Ｈ０１Ｌ ２１／３１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板を加熱する熱処理装置であって、
基板を収容するチャンバーと、
前記チャンバーに収容された前記基板に加熱処理を行う加熱部と、
前記チャンバーに支燃性ガスを供給する支燃性ガスラインと、
前記チャンバーに可燃性ガスを供給する可燃性ガスラインと、
前記支燃性ガスラインに不活性ガスを送り込んで前記支燃性ガスライン内を不活性ガスに置換するとともに、前記可燃性ガスラインに不活性ガスを送り込んで前記可燃性ガスライン内を不活性ガスに置換する前記支燃性ガスラインおよび前記可燃性ガスラインに共通の不活性ガスラインと、
前記不活性ガスラインから分岐されて前記可燃性ガスラインに接続されるバイパスラインと、
を備え、
前記支燃性ガスラインの終端が前記不活性ガスラインに接続されるとともに、前記バイパスラインは前記可燃性ガスラインの経路途中に接続され、
前記可燃性ガスラインから前記チャンバーに前記可燃性ガスを供給するときに、前記不活性ガスラインから前記バイパスラインを経て前記可燃性ガスラインに前記不活性ガスを送り込むことを特徴とする熱処理装置。

【請求項2】

請求項１記載の熱処理装置において、
前記支燃性ガスラインには第１マスフローコントローラが設けられ、
前記可燃性ガスラインには第２マスフローコントローラおよびマスフローメータが設けられ、
前記不活性ガスラインには第３マスフローコントローラが設けられ、
前記バイパスラインは前記第２マスフローコントローラと前記マスフローメータとの間に接続されることを特徴とする熱処理装置。

【請求項3】

請求項２記載の熱処理装置において、
前記第２マスフローコントローラによって制御された前記可燃性ガスの流量および前記第３マスフローコントローラによって制御された前記不活性ガスの流量の合計値と前記マスフローメータによって得られた測定値とを比較する比較部と、
前記合計値と前記測定値とが一致しない場合は警報を発報する発報部と、
をさらに備えることを特徴とする熱処理装置。

【請求項4】

請求項２または請求項３記載の熱処理装置において、
前記第１マスフローコントローラを含む前記支燃性ガスラインに設けられた複数の機器は支燃性ガス供給ユニットとして集積され、
前記第２マスフローコントローラおよび前記マスフローメータを含む前記可燃性ガスラインに設けられた複数の機器は可燃性ガス供給ユニットとして集積され、
前記第３マスフローコントローラを含む前記不活性ガスラインに設けられた複数の機器は不活性ガス供給ユニットとして集積されることを特徴とする熱処理装置。

【請求項5】

請求項４記載の熱処理装置において、
少なくとも前記第２マスフローコントローラおよび前記マスフローメータは筐体内に収容され、
前記筐体内には窒素が供給されることを特徴とする熱処理装置。

【請求項6】

請求項１から請求項５のいずれかに記載の熱処理装置において、
前記可燃性ガスは、アンモニアまたは水素であり、
前記支燃性ガスは、酸素、オゾンまたは亜酸化窒素であることを特徴とする熱処理装置。

【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）を可燃性ガスまたは支燃性ガスの雰囲気中にて加熱する熱処理装置に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体デバイスを製造する装置として、半導体ウェハーに光を照射して当該半導体ウェハーを加熱する熱処理装置が広く使用されている。このような熱処理装置においては、様々なガス雰囲気中にて半導体ウェハーの加熱処理が行われる。例えば、高誘電率膜（High-k膜）を形成した半導体ウェハーにアンモニア雰囲気中にて光照射加熱を行って高誘電率膜を窒化することが行われている。また、シリコンの半導体ウェハーに酸素雰囲気中にて光照射加熱を行って酸化膜を形成することも行われている。さらには、酸素雰囲気中で酸化処理を行ってからアンモニア雰囲気中で窒化処理を連続して行う、或いはアンモニア雰囲気中で窒化処理を行ってから酸素雰囲気中で酸化処理を連続して行うこともある。

【0003】

ところが、アンモニアは可燃性ガスであり、酸素は支燃性ガス（助燃性ガス）である。よって、酸化処理と窒化処理とを連続して行う際に、装置内にて可燃性ガスであるアンモニアと支燃性ガスである酸素とが混合することは危険である。このため、例えば特許文献１には、可燃性ガスおよび支燃性ガスのそれぞれのガス供給ラインに２つのバルブを設け、それらの間に不活性ガスを供給する技術が開示されている。また、特許文献２には、装置内に残留する可燃性ガスと支燃性ガスとを個別に排気してそれらが混合して反応するのを防止する技術が開示されている。さらに、特許文献３には、排気配管内での可燃性ガスと支燃性ガスとの混合を避けるために、排気配管に不活性ガスを供給して希釈する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特許第５２７４５５７号公報

【文献】特開２００３－３１５０７号公報

【文献】特開平９－９０９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

可燃性ガスと支燃性ガスとの混合を避けるために、それぞれのガス供給ラインに不活性ガスを供給することは有効な手段である。しかし、可燃性ガス供給ユニットおよび支燃性ガス供給ユニットのそれぞれに個別に不活性ガス供給ラインを設けると、両ガス供給ユニットの設置スペースが大きくなり過ぎるという問題が生じる。

【0006】

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、ガス供給関連要素の設置スペースを小さくすることができる熱処理装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、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、前記チャンバーに収容された前記基板に加熱処理を行う加熱部と、前記チャンバーに支燃性ガスを供給する支燃性ガスラインと、前記チャンバーに可燃性ガスを供給する可燃性ガスラインと、前記支燃性ガスラインに不活性ガスを送り込んで前記支燃性ガスライン内を不活性ガスに置換するとともに、前記可燃性ガスラインに不活性ガスを送り込んで前記可燃性ガスライン内を不活性ガスに置換する前記支燃性ガスラインおよび前記可燃性ガスラインに共通の不活性ガスラインと、前記不活性ガスラインから分岐されて前記可燃性ガスラインに接続されるバイパスラインと、を備え、前記支燃性ガスラインの終端が前記不活性ガスラインに接続されるとともに、前記バイパスラインは前記可燃性ガスラインの経路途中に接続され、前記可燃性ガスラインから前記チャンバーに前記可燃性ガスを供給するときに、前記不活性ガスラインから前記バイパスラインを経て前記可燃性ガスラインに前記不活性ガスを送り込むことを特徴とする。

【0010】

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、前記支燃性ガスラインには第１マスフローコントローラが設けられ、前記可燃性ガスラインには第２マスフローコントローラおよびマスフローメータが設けられ、前記不活性ガスラインには第３マスフローコントローラが設けられ、前記バイパスラインは前記第２マスフローコントローラと前記マスフローメータとの間に接続されることを特徴とする。

【0011】

また、請求項３の発明は、請求項２の発明に係る熱処理装置において、前記第２マスフローコントローラによって制御された前記可燃性ガスの流量および前記第３マスフローコントローラによって制御された前記不活性ガスの流量の合計値と前記マスフローメータによって得られた測定値とを比較する比較部と、前記合計値と前記測定値とが一致しない場合は警報を発報する発報部と、をさらに備えることを特徴とする。

【0012】

また、請求項４の発明は、請求項２または請求項３の発明に係る熱処理装置において、前記第１マスフローコントローラを含む前記支燃性ガスラインに設けられた複数の機器は支燃性ガス供給ユニットとして集積され、前記第２マスフローコントローラおよび前記マスフローメータを含む前記可燃性ガスラインに設けられた複数の機器は可燃性ガス供給ユニットとして集積され、前記第３マスフローコントローラを含む前記不活性ガスラインに設けられた複数の機器は不活性ガス供給ユニットとして集積されることを特徴とする。

【0013】

また、請求項５の発明は、請求項４の発明に係る熱処理装置において、少なくとも前記第２マスフローコントローラおよび前記マスフローメータは筐体内に収容され、前記筐体内には窒素が供給されることを特徴とする。

【0014】

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、前記可燃性ガスは、アンモニアまたは水素であり、前記支燃性ガスは、酸素、オゾンまたは亜酸化窒素であることを特徴とする。

【発明の効果】

【0015】

請求項１から請求項６の発明によれば、支燃性ガスラインおよび可燃性ガスラインに共通の不活性ガスラインを備えるため、不活性ガスラインが最小限で足り、ガス供給関連要素の設置スペースを小さくすることができる。

【0016】

特に、請求項３の発明によれば、第２マスフローコントローラによって制御された可燃性ガスの流量および第３マスフローコントローラによって制御された不活性ガスの流量の合計値とマスフローメータによって得られた測定値とを比較し、それらが一致しない場合は警報を発報するため、マスフローコントローラの異常を適切に検知することができる。

【0017】

特に、請求項５の発明によれば、第２マスフローコントローラおよびマスフローメータは筐体内に収容され、その筐体内には窒素が供給されるため、電気式のマスフローコントローラおよびマスフローメータに起因した可燃性ガスの火災または爆発を未然に防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明に係る熱処理装置の要部構成を示す図である。

【図2】ガス供給部の構成を示す図である。

【図3】防爆構造を示す図である。

【図4】制御部の構成を示すブロック図である。

【図5】熱処理装置における処理動作の手順を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0019】

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。

【0020】

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。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。

【0021】

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１０と、チャンバー１０内の半導体ウェハーＷにフラッシュ光を照射するフラッシュ照射部６０と、半導体ウェハーＷにハロゲン光を照射するハロゲン照射部７０と、チャンバー１０内に処理ガスを供給するガス供給部２０と、チャンバー１０から排気を行う排気部８０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フラッシュ光照射を実行させる制御部９０を備える。

【0022】

チャンバー１０は処理対象となる半導体ウェハーＷを収容し、チャンバー１０内にて半導体ウェハーＷの熱処理が行われる。チャンバー１０の上部開口には上側チャンバー窓１１が装着されて閉塞されるとともに、チャンバー１０の下部開口には下側チャンバー窓１２が装着されて閉塞されている。チャンバー１０の側壁、上側チャンバー窓１１および下側チャンバー窓１２によって囲まれる空間が熱処理空間１５として規定される。チャンバー１０の天井部を構成する上側チャンバー窓１１は、石英により形成された板状部材であり、フラッシュ照射部６０から出射されたフラッシュ光を熱処理空間１５に透過する石英窓として機能する。また、チャンバー１０の床部を構成する下側チャンバー窓１２も、石英により形成された板状部材であり、ハロゲン照射部７０からの光を熱処理空間１５に透過する石英窓として機能する。

【0023】

チャンバー１０の側壁には、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１４が設けられている。搬送開口部１４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１４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１０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１４が閉鎖されると、熱処理空間１５が外部との通気が遮断された密閉空間となる。

【0024】

チャンバー１０の内部には、半導体ウェハーＷを保持するサセプタ１８が設けられている。サセプタ１８は、石英により形成された円板形状部材である。サセプタ１８の径は、半導体ウェハーＷの径よりも少し大きい。サセプタ１８によって半導体ウェハーＷはチャンバー１０内にて水平姿勢（主面の法線方向が鉛直方向と一致する姿勢）で保持される。

【0025】

フラッシュ照射部６０は、チャンバー１０の上方に設けられている。フラッシュ照射部６０は、複数本のフラッシュランプ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６２と、を備えて構成される。フラッシュ照射部６０は、チャンバー１０内にてサセプタ１８に保持される半導体ウェハーＷに石英の上側チャンバー窓１１を介してフラッシュランプＦＬからフラッシュ光を照射して当該半導体ウェハーＷの表面を加熱する。

【0026】

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サセプタ１８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。

【0027】

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ＨＬ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。

【0028】

リフレクタ６２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６２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１５の側に反射するというものである。リフレクタ６２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。

【0029】

ハロゲン照射部７０は、チャンバー１０の下方に設けられている。ハロゲン照射部７０は、複数本のハロゲンランプＨＬを内蔵する。ハロゲン照射部７０は、複数のハロゲンランプＨＬによってチャンバー１０の下方から下側チャンバー窓１２を介して熱処理空間１５への光照射を行って半導体ウェハーＷを加熱する。

【0030】

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サセプタ１８に保持される半導体ウェハーＷの主面に沿って互いに平行となるように平面状に配列されている。よって、ハロゲンランプＨＬの配列によって形成される平面も水平面である。なお、複数のハロゲンランプＨＬを上下２段に格子状に配列するようにしても良い。

【0031】

各ハロゲンランプ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。すなわち、ハロゲンランプＨＬ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。

【0032】

排気部８０は、真空ポンプ８１および排気バルブ８２を備えており、真空ポンプ８１を作動させつつ排気バルブ８２を開放することによってチャンバー１０内の雰囲気を排気する。ガス供給部２０から何らのガス供給を行うことなく密閉空間である熱処理空間１５の雰囲気を真空ポンプ８１によって排気すると、チャンバー１０内を真空雰囲気にまで減圧することができる。

【0033】

ガス供給部２０は、支燃性ガス供給ユニット３０、可燃性ガス供給ユニット４０および不活性ガス供給ユニット５０の３つのガス供給ユニットを備える。図２は、ガス供給部２０の構成を示す図である。

【0034】

チャンバー１０にはガス供給ライン２１が接続されている。ガス供給ライン２１の基端側は３つのガスラインに分岐されている。すなわち、ガス供給ライン２１には、支燃性ガスライン３１、可燃性ガスライン４１および不活性ガスライン５１の３本のガスラインが接続されている。支燃性ガスライン３１、可燃性ガスライン４１、不活性ガスライン５１およびガス供給ライン２１はいずれもガスを送給する配管である。

【0035】

支燃性ガスライン３１の先端はガス供給ライン２１に接続されるとともに基端は酸素供給源３２に接続される。本実施形態においては、支燃性ガスライン３１は支燃性ガスとして酸素（Ｏ_２）をチャンバー１０に供給する。支燃性ガスライン３１の経路途中には、第１マスフローコントローラ３３、バルブ３４およびバルブ３５が介挿されている。

【0036】

可燃性ガスライン４１の先端はガス供給ライン２１に接続されるとともに基端はアンモニア供給源４２に接続される。本実施形態においては、可燃性ガスライン４１は可燃性ガスとしてアンモニア（ＮＨ_３）をチャンバー１０に供給する。可燃性ガスライン４１の経路途中には、第２マスフローコントローラ４３、バルブ４４、マスフローメータ４５およびバルブ４６が介挿されている。

【0037】

不活性ガスライン５１の先端はガス供給ライン２１に接続されるとともに基端は窒素供給源５２に接続される。不活性ガスライン５１の先端は、可燃性ガスライン４１および支燃性ガスライン３１の終端にも接続されていることとなる。本実施形態においては、不活性ガスライン５１は不活性ガスとして窒素（Ｎ_２）を供給する。不活性ガスライン５１の経路途中には、第３マスフローコントローラ５３およびバルブ５４が介挿されている。

【0038】

また、不活性ガスライン５１の経路途中からはバイパスライン２５が分岐されて可燃性ガスライン４１の経路途中に接続されている。バイパスライン２５は、不活性ガスライン５１の経路における第３マスフローコントローラ５３よりも下流側の位置から分岐される。バイパスライン２５は、可燃性ガスライン４１の経路における第２マスフローコントローラ４３とマスフローメータ４５との間に接続される。バイパスライン２５の経路途中にはバルブ２６が介挿されている。

【0039】

支燃性ガス供給ユニット３０は、支燃性ガスライン３１に設けられた第１マスフローコントローラ３３およびバルブ３４を含んで構成される。可燃性ガス供給ユニット４０は、可燃性ガスライン４１に設けられた第２マスフローコントローラ４３、バルブ４４、マスフローメータ４５およびバルブ４６並びにバイパスライン２５に設けられたバルブ２６を含んで構成される。不活性ガス供給ユニット５０は、不活性ガスライン５１に設けられた第３マスフローコントローラ５３およびバルブ５４を含んで構成される。

【0040】

支燃性ガス供給ユニット３０、可燃性ガス供給ユニット４０および不活性ガス供給ユニット５０のそれぞれは、マスフローコントローラ等の複数の機器を板状部材に組み込んで集積化して構成されている。これにより、ガス供給関連要素の設置スペースを小さくすることができる。厳密には、例えば第２マスフローコントローラ４３とマスフローメータ４５との間は配管によって接続されているものではないが、実質的にはこれらは配管によって接続されているのと同等であるため、本実施形態においてはこれらは可燃性ガスライン４１に設けられているとして扱う。

【0041】

また、図３に示すように、少なくとも第２マスフローコントローラ４３およびマスフローメータ４５を含む機器は筐体４７の内部に収容されている。筐体４７内には窒素供給部４８から窒素が供給されて充填されている。第２マスフローコントローラ４３およびマスフローメータ４５は電気によって作動する機器であり、発火源となるおそれがある。すなわち、可燃性ガスライン４１の継ぎ手等から可燃性ガスであるアンモニアが漏出していた場合には、第２マスフローコントローラ４３またはマスフローメータ４５から発した火花によって火災または爆発が発生するおそれがある。これを防ぐために、少なくとも第２マスフローコントローラ４３およびマスフローメータ４５は筐体４７内に収容され、その筐体４７には窒素が充填されているのである。火災または爆発が発生するには、燃焼物である可燃性ガス自体の存在、発火源、および、支燃性ガスである酸素等の存在が必要とされている。第２マスフローコントローラ４３およびマスフローメータ４５を収容した筐体４７の内部を窒素で充填すれば、支燃性ガスの存在が欠けることとなるため、火災または爆発を防止することができる。なお、窒素供給部４８から供給する窒素は、防爆の目的であるため、窒素供給源５２から供給する窒素より純度が低くても良い。

【0042】

図１に戻り、制御部９０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。図４は、制御部９０の構成を示すブロック図である。制御部９０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９０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および制御用アプリケーションやデータなどを記憶しておく磁気ディスク等を備えて構成される。制御部９０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。

【0043】

図４に示すように、制御部９０は比較部９１および発報部９２を備える。比較部９１および発報部９２は、制御部９０のＣＰＵが所定の処理プログラムを実行することによって実現される機能処理部である。比較部９１および発報部９２の処理内容についてはさらに後述する。

【0044】

また、制御部９０には、第１マスフローコントローラ３３、第２マスフローコントローラ４３、第３マスフローコントローラ５３、マスフローメータ４５およびガス供給部２０に設けられたバルブ等が電気的に接続されている。制御部９０は、各マスフローコントローラにガス流量を所定の設定値に制御させるとともに、マスフローメータ４５の測定値を取得する。制御部９０は、各バルブの開閉を制御する。

【0045】

さらに、制御部９０には表示部９９および入力部９８が接続されている。制御部９０は、表示部９９に種々の情報を表示する。熱処理装置１のオペレータは、表示部９９に表示された情報を確認しつつ、入力部９８から種々のコマンドやパラメータを入力することができる。入力部９８としては、例えばキーボードやマウスを用いることができる。表示部９９としては、例えば液晶ディスプレイを用いることができる。本実施形態においては、表示部９９および入力部９８として、熱処理装置１の外壁に設けられた液晶のタッチパネルを採用して双方の機能を併せ持たせるようにしている。

【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。図５は、熱処理装置１における処理動作の手順を示すフローチャートである。ここでは、主に熱処理装置１のチャンバー１０に対するガス供給の手順について説明する。

【0047】

まず、チャンバー１０内に半導体ウェハーＷが搬入される（ステップＳ１）。処理対象となる半導体ウェハーＷはシリコンの半導体基板である。半導体ウェハーＷは図外の搬送ロボットによって搬送開口部１４からチャンバー１０内に搬入されてサセプタ１８に保持される。半導体ウェハーＷをサセプタ１８に渡した搬送ロボットがチャンバー１０から退出し、搬送開口部１４がゲートバルブによって閉じられることにより、チャンバー１０内の熱処理空間１５は密閉空間となる。

【0048】

チャンバー１０内に半導体ウェハーＷが搬入された後、チャンバー１０および支燃性ガスライン３１が真空排気される（ステップＳ２）。ステップＳ２では、バルブ３５を開放するとともにバルブ３４，４４，４６，５４，２６を閉止した状態で真空ポンプ８１によって排気を行うことにより、チャンバー１０および支燃性ガスライン３１のバルブ３４よりも下流側が真空排気される。支燃性ガスライン３１を真空排気することによって、支燃性ガスライン３１のバルブ３４とバルブ３５との間に残留していた酸素が排出される。

【0049】

次に、真空ポンプ８１による真空排気が停止され、支燃性ガスライン３１内が窒素に置換される（ステップＳ３）。ステップＳ３では、バルブ５４を開放することにより、不活性ガスライン５１からチャンバー１０に窒素を供給するとともに、不活性ガスライン５１から支燃性ガスライン３１にも窒素が送り込まれる。これにより、支燃性ガスライン３１のバルブ３４とバルブ３５との間に窒素が充填され、バルブ３４とバルブ３５との間に残留していた酸素が窒素に置換されることとなる。支燃性ガスライン３１を真空排気してから支燃性ガスライン３１内を窒素に置換するのは、続く工程でアンモニアを供給したときに可燃性ガスであるアンモニアと支燃性ガスである酸素とが混合するのを確実に防止するためである。

【0050】

支燃性ガスライン３１内が窒素に置換された後、バルブ３５およびバルブ５４を閉止し、真空ポンプ８１によってチャンバー１０内を再度真空排気する。その後、チャンバー１０にアンモニアを供給する（ステップＳ４）。ステップＳ４では、バルブ４４およびバルブ４６を開放することにより、可燃性ガスライン４１からチャンバー１０にアンモニアを供給する。アンモニア供給に先立って支燃性ガスライン３１を真空排気してから支燃性ガスライン３１内を窒素に置換しているため、供給されるアンモニアと支燃性ガスライン３１からの酸素とが混合することは確実に防止される。

【0051】

このときに、可燃性ガスであるアンモニアの火災または爆発を防ぐ観点からは、支燃性ガスライン３１からの酸素との混合の他に、チャンバー１０の構成部品の損傷等に起因したチャンバー１０内への大気流入を考慮しておく必要がある。本実施形態においては、チャンバー１０内に大気が流入したときにも爆発性混合気体が生成されるのを防止するために、アンモニア濃度が爆発限界未満となるようにアンモニアを窒素で希釈してチャンバー１０に供給している。具体的には、バルブ２６を開放してバイパスライン２５から可燃性ガスライン４１に窒素を送り込む。これにより、可燃性ガスライン４１を流れるアンモニアにバイパスライン２５から送り込まれた窒素が混合され、アンモニアが希釈されてチャンバー１０に供給される。

【0052】

アンモニアと窒素との混合気体がチャンバー１０に供給されるときに、当該混合気体におけるアンモニア濃度が爆発限界未満となるように、アンモニアおよび窒素の流量がそれぞれ第２マスフローコントローラ４３および第３マスフローコントローラ５３によって制御される。本実施形態においては、第２マスフローコントローラ４３または第３マスフローコントローラ５３の異常等によって混合比が異常となってアンモニア濃度が爆発限界以上となるのを確実に防止するために、可燃性ガスライン４１にマスフローメータ４５を設けて混合気体の流量を監視している。

【0053】

制御部９０の比較部９１は、第２マスフローコントローラ４３によって制御されたアンモニアの流量と第３マスフローコントローラ５３によって制御された窒素の流量との合計値を算出する。マスフローメータ４５は、アンモニアに窒素が混合された混合気体の流量を測定する。比較部９１は、当該合計値とマスフローメータ４５によって得られた測定値とを比較する。第２マスフローコントローラ４３および第３マスフローコントローラ５３が正常に動作していれば、上記の合計値とマスフローメータ４５によって得られた測定値とは一致するはずである。合計値と測定値とが一致しない場合は、第２マスフローコントローラ４３または第３マスフローコントローラ５３に異常が生じていると考えられる。このため、比較部９１による比較の結果、上記の合計値とマスフローメータ４５によって得られた測定値とが予め設定された閾値以上に乖離している場合には、制御部９０の発報部９２が警報を発報する。

【0054】

アンモニアと窒素との混合気体がチャンバー１０に供給されてチャンバー１０内にアンモニア雰囲気が形成された後、半導体ウェハーＷの熱処理が実行される（ステップＳ５）。半導体ウェハーＷの熱処理時には、まずハロゲン照射部７０のハロゲンランプＨＬが点灯して半導体ウェハーＷの予備加熱（アシスト加熱）が開始される。ハロゲンランプＨＬ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１２およびサセプタ１８を透過して半導体ウェハーＷの下面に照射される。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が予備加熱されて温度が上昇する。半導体ウェハーＷの温度が上昇して所定の予備加熱温度に到達した後、半導体ウェハーＷの温度は数秒程度その予備加熱温度に維持される。

【0055】

半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度に到達して所定時間が経過した時点でフラッシュ照射部６０のフラッシュランプＦＬがサセプタ１８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。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強い閃光である。フラッシュ光の照射時間は０．１ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下程度である。このような極めて照射時間が短く、かつ、強度の強いフラッシュ光が半導体ウェハーＷに照射されることにより、半導体ウェハーＷの表面温度は瞬間的に処理温度にまで上昇した後、急速に下降する。アンモニア雰囲気中にて半導体ウェハーＷが予備加熱およびフラッシュ加熱されることにより、半導体ウェハーＷの表面に窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）の薄膜が形成される。

【0056】

フラッシュ加熱処理が終了した後、所定時間経過後にハロゲンランプＨＬが消灯する。これにより、半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度からも降温する。続いて、チャンバー１０および可燃性ガスライン４１が真空排気される（ステップＳ６）。ステップＳ６では、バルブ４４およびバルブ２６を閉止して真空ポンプ８１によって排気を行うことにより、チャンバー１０および可燃性ガスライン４１のバルブ４４よりも下流側が真空排気される。可燃性ガスライン４１を真空排気することによって、可燃性ガスライン４１のバルブ４４よりも下流側に残留していたアンモニアが排出される。

【0057】

次に、真空ポンプ８１による真空排気が停止され、可燃性ガスライン４１内が窒素に置換される（ステップＳ７）。ステップＳ７では、バルブ２６を開放することにより、不活性ガスライン５１からバイパスライン２５を経て可燃性ガスライン４１に窒素を送り込むとともに、その可燃性ガスライン４１を経由してチャンバー１０に窒素が供給される。これにより、バルブ２６，４４とバルブ４６との間に窒素が充填され、可燃性ガスライン４１のバルブ４４とバルブ４６との間に残留していたアンモニアが窒素に置換されることとなる。可燃性ガスライン４１を真空排気してから可燃性ガスライン４１内を窒素に置換するのは、続く工程で酸素を供給したときに可燃性ガスであるアンモニアと支燃性ガスである酸素とが混合するのを確実に防止するためである。

【0058】

可燃性ガスライン４１内が窒素に置換された後、チャンバー１０に酸素を供給する（ステップＳ８）。ステップＳ８では、バルブ２６およびバルブ４６を閉止するとともに、バルブ３４およびバルブ３５を開放することにより、支燃性ガスライン３１からチャンバー１０に酸素を供給する。酸素供給に先立って可燃性ガスライン４１を真空排気してから可燃性ガスライン４１内を窒素に置換しているため、供給される酸素と可燃性ガスライン４１からのアンモニアとが混合することは確実に防止される。チャンバー１０に酸素を供給する際に、バルブ５４を開放して酸素と窒素との混合気体をチャンバー１０に供給するようにしても良い。

【0059】

酸素がチャンバー１０に供給されてチャンバー１０内に酸素雰囲気が形成された後、半導体ウェハーＷの２度目の熱処理が実行される（ステップＳ９）。ステップＳ９での半導体ウェハーＷの熱処理は、上述したステップＳ５での熱処理と概ね同じである。酸素雰囲気中にて半導体ウェハーＷが予備加熱およびフラッシュ加熱されることにより、先に形成された窒化シリコン膜の下地に酸化シリコン（ＳｉＯ_２）の薄膜が形成される。

【0060】

半導体ウェハーＷの２度目の熱処理が完了した後、ハロゲンランプＨＬも消灯して半導体ウェハーＷの温度が降温する。また、チャンバー１０内の酸素雰囲気は真空ポンプ８１によってチャンバー１０から排出されるとともに、バルブ３４，３５を閉止してバルブ５４を開放することにより、チャンバー１０内が窒素に置換される。半導体ウェハーＷの温度が所定以下にまで降温した後、搬送開口部１４から熱処理後の半導体ウェハーＷが搬出されて加熱処理が完了する（ステップＳ１０）。

【0061】

本実施形態においては、支燃性ガスライン３１に不活性ガスライン５１から窒素を送り込んで支燃性ガスライン３１内を窒素に置換するとともに、可燃性ガスライン４１にも同じ不活性ガスライン５１から窒素を送り込んで可燃性ガスライン４１内を窒素に置換している。すなわち、支燃性ガスライン３１および可燃性ガスライン４１のそれぞれに個別に不活性ガスラインを設けるのではなく、支燃性ガスライン３１および可燃性ガスライン４１に共通の１本の不活性ガスライン５１を設けているのである。このため、ガス供給関連要素の設置スペースを小さくすることができる。

【0062】

また、支燃性ガスライン３１、可燃性ガスライン４１および不活性ガスライン５１に設けられたマスフローコントローラ等のガス供給関連要素をユニットとして集積している。これによっても、ガス供給関連要素の設置スペースを小さくすることができる。

【0063】

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、可燃性ガスとしてアンモニアを用いていたが、これに限定されるものではなく、可燃性ガスは水素（Ｈ_２）等であっても良い。また、上記実施形態においては、支燃性ガスとして酸素を用いていたが、これに限定されるものではなく、支燃性ガスはオゾン（Ｏ_３）または亜酸化窒素（Ｎ_２Ｏ）等であっても良い。さらに、上記実施形態においては、不活性ガスとして窒素を用いていたが、これに限定されるものではなく、不活性ガスはアルゴン（Ａｒ）またはヘリウム（Ｈｅ）等であっても良い。

【0064】

また、上記実施形態においては、１秒以上連続して発光する連続点灯ランプとしてフィラメント方式のハロゲンランプＨＬを用いて半導体ウェハーＷの予備加熱を行っていたが、これに限定されるものではなく、ハロゲンランプＨＬに代えて放電型のアークランプ（例えば、キセノンアークランプ）を連続点灯ランプとして用いて予備加熱を行うようにしても良い。

【0065】

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。

【0066】

また、上記実施形態においては、チャンバー１０内にて半導体ウェハーＷにフラッシュ光を照射して加熱処理を行っていたが、これに限定されるものではなく、チャンバー１０内に収容した半導体ウェハーＷにハロゲンランプＨＬのみから光を照射して加熱処理を行うようにしても良い。

【符号の説明】

【0067】

１ 熱処理装置
１０ チャンバー
２５ バイパスライン
３０ 支燃性ガス供給ユニット
３１ 支燃性ガスライン
３３ 第１マスフローコントローラ
４０ 可燃性ガス供給ユニット
４１ 可燃性ガスライン
４３ 第２マスフローコントローラ
４５ マスフローメータ
４７ 筐体
４８ 窒素供給部
５０ 不活性ガス供給ユニット
５１ 不活性ガスライン
５３ 第３マスフローコントローラ
６０ フラッシュ照射部
７０ ハロゲン照射部
９０ 制御部
９１ 比較部
９２ 発報部
ＦＬ フラッシュランプ
ＨＬ ハロゲンランプ
Ｗ 半導体ウェハー

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】