JP2009170497A - 熱処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フラッシュランプからの閃光照射時の基板の割れを防止することができる熱処理装置を提供する。
【解決手段】フラッシュランプから閃光を照射してフラッシュ加熱を行うときに半導体ウェハーＷを保持する保持部７は、窒化アルミニウムのプレート７１の上面周縁部に石英製のガイド７２を設けて構成される。ガイド７２によって囲まれるプレート７１の保持面７５には８ｃｍ²当たりに１個の噴出口７４が全面にわたって均等に配設されている。複数の噴出口７４は、気体通路７７を介してガス供給源９９と連通接続されている。保持部７によって半導体ウェハーＷを保持して閃光照射を行うときには、ガス供給源９９から供給された気体が各噴出口７４から鉛直方向上方に向けて噴出しており、半導体ウェハーＷが保持面７５から浮上している。
【選択図】図５

Description

本発明は、半導体ウェハーや液晶表示装置用ガラス基板等（以下、単に「基板」と称する）に対して閃光を照射することによって該基板を加熱する熱処理装置に関する。

従来より、イオン注入後の半導体ウェハーのイオン活性化工程においては、ハロゲンランプを使用したランプアニール装置が一般的に使用されていた。このようなランプアニール装置においては、半導体ウェハーを、例えば、１０００℃ないし１１００℃程度の温度に加熱（アニール）することにより、半導体ウェハーのイオン活性化を実行している。そして、このような熱処理装置においては、ハロゲンランプより照射される光のエネルギーを利用することにより、毎秒数百度程度の速度で基板を昇温する構成となっている。

一方、近年、半導体デバイスの高集積化が進展し、ゲート長が短くなるにつれて接合深さも浅くすることが望まれている。しかしながら、毎秒数百度程度の速度で半導体ウェハーを昇温する上記ランプアニール装置を使用して半導体ウェハーのイオン活性化を実行した場合においても、半導体ウェハーに打ち込まれたボロンやリン等のイオンが熱によって深く拡散するという現象が生ずることが判明した。このような現象が発生した場合においては、接合深さが要求よりも深くなり過ぎ、良好なデバイス形成に支障が生じることが懸念される。

このため、キセノンフラッシュランプ（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閃光を照射することにより、イオンが注入された半導体ウェハーの表面のみを極めて短時間（数ミリセカンド以下）に昇温させる技術が提案されている。キセノンフラッシュランプの放射分光分布は紫外域から近赤外域であり、従来のハロゲンランプよりも波長が短く、シリコンの半導体ウェハーの基礎吸収帯とほぼ一致している。よって、キセノンフラッシュランプから半導体ウェハーに閃光を照射したときには、透過光が少なく半導体ウェハーを急速に昇温することが可能である。また、数ミリセカンド以下の極めて短時間の閃光照射であれば、半導体ウェハーの表面近傍のみを選択的に昇温できることも判明している。このため、フラッシュランプによる極短時間の昇温であれば、イオンを深く拡散させることなく、イオン活性化のみを実行することができるのである。

フラッシュランプを使用した熱処理装置においては、極めて高いエネルギーを有するフラッシュ光を瞬間的に半導体ウェハーに照射するため、一瞬で半導体ウェハーの表面温度が急速に上昇する。このウェハー表面近傍での急速な昇温と、その後の急速な降温とにより、半導体ウェハーに極めて大きな熱応力が作用し、半導体ウェハーの急激な変形が生じる。このような半導体ウェハーの急激な変形はその後の工程における不具合の原因となり、さらに大きな熱応力が作用すると半導体ウェハーが割れることもあった。このようなフラッシュランプを使用した熱処理特有の割れを解決するために、例えば特許文献１，２には半導体ウェハーを保持するサセプタのウェハポケットの周縁部にテーパを形成する技術が開示されている。また、特許文献３には、サセプタの上面と半導体ウェハーの下面との間に空気層を挟み込んで半導体ウェハーを浮遊させた状態でフラッシュランプからの閃光照射を行うことにより割れを防止する技術が開示されている。

特開２００４−１７９５１０号公報 特開２００４−２４７３３９号公報 特開２００４−１８６５４２号公報

特許文献１〜３に開示されているような技術を用いることによって、フラッシュランプを使用した場合における半導体ウェハーの割れをある程度は防止できるようになったものの、半導体ウェハーの種類や熱処理条件（予備加熱温度、照射エネルギー）によっては依然として相当な頻度で割れが生じていた。特に、特許文献３に開示されている技術では、半導体ウェハーが完全に浮遊せずに一部がサセプタに接触した状態にて閃光照射を行うと、その接触部分からの反力を受けることによって強い応力が作用する結果となっていた。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、フラッシュランプからの閃光照射時の基板の割れを防止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。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、基板に対して閃光を照射することによって該基板を加熱する熱処理装置において、基板に閃光を照射するフラッシュランプと、前記フラッシュランプの下方に設けられ、前記フラッシュランプから出射された閃光を透過するチャンバー窓を上部に備えるチャンバーと、上面に複数の噴出口を形設し、前記チャンバー内にて基板を水平姿勢にて保持する保持手段と、前記複数の噴出口に気体を供給する気体供給手段と、を備え、前記複数の噴出口は、前記保持手段の上面のうち基板を保持する保持面の５０ｃｍ²当たりに少なくとも１個以上の噴出口を設けて形成されることを特徴とする。

また、請求項２の発明は、請求項１の発明に係る熱処理装置において、前記複数の噴出口のそれぞれは、φ０．３ｍｍ以上φ１．５ｍｍ以下の穴径を有する円筒状穴を含み、前記気体供給手段は２リットル毎分以上１５リットル毎分以下の流量にて前記複数の噴出口に気体を供給することを特徴とする。

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、前記保持手段は、基板を予備加熱するヒータを内蔵するとともに、前記複数の噴出口と前記気体供給手段とを連通する気体通路および前記複数の噴出口を形設した窒化アルミニウム製部材を有することを特徴とする。

また、請求項４の発明は、請求項３の発明に係る熱処理装置において、前記保持手段は、前記窒化アルミニウム製部材の上面に付設されて前記保持面を環囲する石英製のガイド部材を備えることを特徴とする。

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、前記保持面に対する前記ガイド部材の内周面の勾配は４５°以上９０°未満であることを特徴とする。

また、請求項６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、前記保持手段は、基板を予備加熱するヒータを内蔵した金属製のプレートと、前記プレート上に設置され、前記複数の噴出口が穿設された前記保持面を有する石英製のサセプタと、を備え、前記プレートの上面には前記複数の噴出口に連通して前記気体供給手段から供給された気体が通過する溝が刻設されることを特徴とする。

また、請求項７の発明は、請求項６の発明に係る熱処理装置において、前記サセプタは、前記保持面を環囲する石英製のガイド部材を備え、前記保持面に対する前記ガイド部材の内周面の勾配は４５°以上９０°未満であることを特徴とする。

本発明によれば、保持手段の上面のうち基板を保持する保持面の５０ｃｍ²当たりに少なくとも１個以上の噴出口を設けて複数の噴出口を形成し、それら複数の噴出口に気体を供給するため、基板の全体を確実に保持面から浮上させた状態で閃光を照射することができ、フラッシュランプからの閃光照射時の基板の割れを防止することができる。

特に、請求項３の発明によれば、保持手段を熱伝導性の良好な窒化アルミニウムにて形成しているため、複数の噴出口から気体を噴出しても基板を均一に予備加熱することができる。

特に、請求項４の発明によれば、保持面を環囲する石英製のガイド部材を備えるため、浮上している基板がガイド部材に接触したとしても、基板の汚染を防止することができる。

特に、請求項５の発明によれば、保持面に対するガイド部材の内周面の勾配を４５°以上９０°未満としているため、閃光照射時に基板が急激に変形してガイド部材に接触したとしても、ガイド部材から基板が受ける応力を緩和することができ、基板の割れをより確実に防止することができる。

特に、請求項６の発明によれば、保持手段に噴出口が穿設された保持面を有する石英製のサセプタを備えるため、基板の汚染を確実に防止することができる。

特に、請求項７の発明によれば、保持面に対するガイド部材の内周面の勾配は４５°以上９０°未満としているため、閃光照射時に基板が急激に変形してガイド部材に接触したとしても、ガイド部材から基板が受ける応力を緩和することができ、基板の割れをより確実に防止することができる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。

＜１．第１実施形態＞
まず、本発明に係る熱処理装置の全体構成について概説する。図１は、本発明に係る熱処理装置１の構成を示す側断面図である。熱処理装置１は基板として略円形の半導体ウェハーＷに閃光（フラッシュ光）を照射してその半導体ウェハーＷを加熱するフラッシュランプアニール装置である。

熱処理装置１は、半導体ウェハーＷを収容する略円筒形状のチャンバー６と、複数のフラッシュランプＦＬを内蔵するランプハウス５と、を備える。また、熱処理装置１は、チャンバー６およびランプハウス５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。

チャンバー６は、ランプハウス５の下方に設けられており、略円筒状の内壁を有するチャンバー側部６３、および、チャンバー側部６３の下部を覆うチャンバー底部６２によって構成される。また、チャンバー側部６３およびチャンバー底部６２によって囲まれる空間が熱処理空間６５として規定される。熱処理空間６５の上方は上部開口６０とされており、上部開口６０にはチャンバー窓６１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、ランプハウス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。チャンバー６の本体を構成するチャンバー底部６２およびチャンバー側部６３は、例えば、ステンレススチール等の強度と耐熱性に優れた金属材料にて形成されており、チャンバー側部６３の内側面の上部のリング６３１は、光照射による劣化に対してステンレススチールより優れた耐久性を有するアルミニウム（Ａｌ）合金等で形成されている。

チャンバー底部６２には、保持部７を貫通して半導体ウェハーＷをその下面（ランプハウス５からの光が照射される側とは反対側の面）から支持するための複数（本実施の形態では３本）の支持ピン７０が立設されている。支持ピン７０は、例えば石英により形成されており、チャンバー６の外部から固定されているため、容易に取り替えることができる。

チャンバー側部６３は、半導体ウェハーＷの搬入および搬出を行うための搬送開口部６６を有し、搬送開口部６６は、軸６６２を中心に回動するゲートバルブ１８５により開閉可能とされる。チャンバー側部６３における搬送開口部６６とは反対側の部位には熱処理空間６５に処理ガス（例えば、窒素（Ｎ₂）ガスやヘリウム（Ｈｅ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス等の不活性ガス、あるいは、酸素（０₂）ガス等）を導入する導入路８１が形成され、その一端は弁８２を介して図示省略の給気機構に接続され、他端はチャンバー側部６３の内部に形成されるガス導入バッファ８３に接続される。また、搬送開口部６６には熱処理空間６５内の気体を排出する排出路８６が形成され、弁８７を介して図示省略の排気機構に接続される。

図２は、チャンバー６をガス導入バッファ８３の位置にて水平面で切断した断面図である。図２に示すように、ガス導入バッファ８３は、図１に示す搬送開口部６６の反対側においてチャンバー側部６３の内周の約１／３に亘って形成されており、導入路８１を介してガス導入バッファ８３に導かれた処理ガスは、複数のガス供給孔８４から熱処理空間６５内へと供給される。

また、熱処理装置１は、チャンバー６の内部において半導体ウェハーＷを水平姿勢にて保持しつつ光照射前にその保持する半導体ウェハーＷの予備加熱を行う略円板状の保持部７と、保持部７をチャンバー６の底面であるチャンバー底部６２に対して昇降させる保持部昇降機構４と、を備える。図１に示す保持部昇降機構４は、略円筒状のシャフト４１、移動板４２、ガイド部材４３（本実施の形態ではシャフト４１の周りに３本配置される）、固定板４４、ボールネジ４５、ナット４６およびモータ４０を有する。チャンバー６の下部であるチャンバー底部６２には保持部７よりも小さい直径を有する略円形の下部開口６４が形成されており、ステンレススチール製のシャフト４１は、下部開口６４を挿通して、保持部７の下面に接続されて保持部７を支持する。

移動板４２にはボールネジ４５と螺合するナット４６が固定されている。また、移動板４２は、チャンバー底部６２に固定されて下方へと伸びるガイド部材４３により摺動自在に案内されて上下方向に移動可能とされる。また、移動板４２は、シャフト４１を介して保持部７に連結される。

モータ４０は、ガイド部材４３の下端部に取り付けられる固定板４４に設置され、タイミングベルト４０１を介してボールネジ４５に接続される。保持部昇降機構４により保持部７が昇降する際には、駆動部であるモータ４０が制御部３の制御によりボールネジ４５を回転し、ナット４６が固定された移動板４２がガイド部材４３に沿って鉛直方向に移動する。この結果、移動板４２に固定されたシャフト４１が鉛直方向に沿って移動し、シャフト４１に接続された保持部７が図１に示す半導体ウェハーＷの受渡位置と図３に示す半導体ウェハーＷの処理位置との間で滑らかに昇降する。

移動板４２の上面には略半円筒状（円筒を長手方向に沿って半分に切断した形状）のメカストッパ４５１がボールネジ４５に沿うように立設されており、仮に何らかの異常により移動板４２が所定の上昇限界を超えて上昇しようとしても、メカストッパ４５１の上端がボールネジ４５の端部に設けられた端板４５２に突き当たることによって移動板４２の異常上昇が防止される。これにより、保持部７がチャンバー窓６１の下方の所定位置以上に上昇することはなく、保持部７とチャンバー窓６１との衝突が防止される。

また、保持部昇降機構４は、チャンバー６の内部のメンテナンスを行う際に保持部７を手動にて昇降させる手動昇降部４９を有する。手動昇降部４９はハンドル４９１および回転軸４９２を有し、ハンドル４９１を介して回転軸４９２を回転することより、タイミングベルト４９５を介して回転軸４９２に接続されるボールネジ４５を回転して保持部７の昇降を行うことができる。

チャンバー底部６２の下側には、シャフト４１の周囲を囲み下方へと伸びる伸縮自在のベローズ４７が設けられ、その上端はチャンバー底部６２の下面に接続される。一方、ベローズ４７の下端はベローズ下端板４７１に取り付けられている。べローズ下端板４７１は、鍔状部材４１１によってシャフト４１にネジ止めされて取り付けられている。保持部昇降機構４により保持部７がチャンバー底部６２に対して上昇する際にはベローズ４７が収縮され、下降する際にはべローズ４７が伸張される。そして、保持部７が昇降する際にも、ベローズ４７が伸縮することによって熱処理空間６５内の気密状態が維持される。

図４は、保持部７の斜視図である。また、図５は、保持部７の断面図である。第１実施形態の保持部７は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）にて形成された円板状のプレート７１の上面に石英製の円環状のガイド７２を付設して構成される。円板状のプレート７１の径は半導体ウェハーＷの径（例えばφ３００ｍｍ）よりも大きい。円板状のプレート７１の上面周縁部に円環状のガイド７２が付設されている。円板状のプレート７１の上面のうちガイド７２によって環囲される領域、すなわち外部に露出している面が半導体ウェハーＷを保持する保持面７５となる。保持面７５は円形の水平面であり、その径は半導体ウェハーＷの径よりも若干大きい。

プレート７１の内部にはヒータ７３が内蔵される。ヒータ７３としては、例えばニクロム線や抵抗金属箔などの抵抗発熱体を用いることができる。ヒータ７３は、保持面７５の全面の下方に均等に配置される。

また、保持部７の上面のうち半導体ウェハーＷを保持する保持面７５には多数の噴出口７４が形成される。図６は、噴出口７４の配置例を示す図である。同図に示すように、保持面７５には複数の噴出口７４が二次元正方格子状に配置されている。本実施形態においては、対角に配置された噴出口７４間の距離Ｌが４０ｍｍとされている。すなわち、最近接の噴出口７４間の距離（正方格子の格子定数）は約２８ｍｍである。よって、保持部７の保持面７５には８ｃｍ²当たりに１個の噴出口７４が全面にわたって均等に配設されていることとなる。

各噴出口７４は、鉛直方向に沿って穿設された円筒状穴であり、その穴径はφ０．３ｍｍ以上φ１．５ｍｍ以下である。また、プレート７１の内部には気体通路７７が形設されている。保持部７に設けられた全ての噴出口７４は気体通路７７に連通接続されている。気体通路７７は保持部７の下面中央部近傍に開口しており、その開口部分には気体供給管９２が接続されている。気体供給管９２の一端は気体通路７７に接続されるとともに、他端は流量調整弁９７および弁９８を介してガス供給源９９に接続されている。すなわち、複数の噴出口７４の全ては気体通路７７を介して相互に連通されるとともに、気体通路７７および気体供給管９２を介してガス供給源９９とも連通接続されている。弁９８を開放することによってガス供給源９９から気体供給管９２および気体通路７７を介して複数の噴出口７４に所定の気体が供給され、その流量は流量調整弁９７によって規定される。なお、気体供給管９２はシャフト４１の内側を通ってガス供給源９９に接続されている。また、本実施形態では、ガス供給源９９から複数の噴出口７４に窒素ガスが供給される。

プレート７１は、ヒータ７３を内蔵するとともに、複数の噴出口７４および気体通路７７を形設して窒化アルミニウムの焼結によって一体形成される。そして、窒化アルミニウムの焼結体であるプレート７１の上面周縁部に石英製のガイド７２を設けて保持部７は構成される。

石英製のガイド７２の内周面７２ａは上方に向けて拡がるテーパ面とされている。ガイド７２がプレート７１に装着された状態においては、内周面７２ａの下端はプレート７１の保持面７５に当接し、内周面７２ａの保持面７５に対する勾配αは４５°以上９０°未満（本実施形態では６０°）とされている。

上述した構成以外にも保持部７には、支持ピン７０が挿通される貫通孔７９が同一円周上に沿って１２０°毎に３箇所穿設されている。貫通孔７９は鉛直方向に沿ってプレート７１の表裏を貫いて設けられている。また、保持部７には、保持面７５近傍の温度を測定する温度センサやヒータ７３に電力を供給する電力ケーブルが設けられている（いずれも図示省略）。なお、温度センサの信号線やヒータ７３の電力ゲーブルはシャフト４１の内側を通って保持部７に接続される。

次に、図１に戻って、ランプハウス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、ランプハウス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。ランプハウス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部材である。ランプハウス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がチャンバー窓６１と相対向することとなる。ランプハウス５は、チャンバー６内にて保持部７に保持される半導体ウェハーＷにランプ光放射窓５３およびチャンバー窓６１を介してフラッシュランプＦＬから光を照射することにより半導体ウェハーＷを加熱する。

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。

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棒状のガラス管（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、そのときのジュール熱でキセノンガスが加熱されて光が放出される。この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１０ミリセカンドという極めて短い光パルスに変換されることから、連続点灯の光源に比べて極めて強い光を照射し得るという特徴を有する。

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保持部７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梨地模様を呈する。このような粗面化加工を施しているのは、リフレクタ５２の表面が完全な鏡面であると、複数のフラッシュランプＦＬからの反射光の強度に規則パターンが生じて半導体ウェハーＷの表面温度分布の均一性が低下するためである。

また、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いる。保持部７に窒素ガスを供給するための流量調整弁９７および弁９８の動作も制御部３によって制御されている。

上記の構成以外にも熱処理装置１は、半導体ウェハーＷの熱処理時にフラッシュランプＦＬおよびヒータ７３から発生する熱エネルギーによるチャンバー６およびランプハウス５の過剰な温度上昇を防止するため、様々な冷却用の構造を備えている。例えば、チャンバー６のチャンバー側部６３およびチャンバー底部６２には水冷管（図示省略）が設けられている。また、ランプハウス５は、内部に気体流を形成して排熱するための気体供給管５５および排気管５６が設けられて空冷構造とされている（図１参照）。また、チャンバー窓６１とランプ光放射窓５３との間隙にも空気が供給され、ランプハウス５およびチャンバー窓６１を冷却する。

次に、熱処理装置１における半導体ウェハーＷの処理手順について簡単に説明する。ここで処理対象となる半導体ウェハーＷはイオン注入法により不純物（イオン）が添加された半導体基板であり、添加された不純物の活性化が熱処理装置１によるフラッシュ加熱処理により実行される。以下に示す半導体ウェハー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って実行される。

まず、保持部７が図３に示す処理位置から図１に示す受渡位置に下降する。「処理位置」とは、フラッシュランプＦＬから半導体ウェハーＷに閃光照射が行われるときの保持部７の位置であり、図３に示す保持部７のチャンバー６内における位置である。また、「受渡位置」とは、チャンバー６に半導体ウェハーＷの搬出入が行われるときの保持部７の位置であり、図１に示す保持部７のチャンバー６内における位置である。熱処理装置１における保持部７の基準位置は処理位置であり、処理前にあっては保持部７は処理位置に位置しており、これが処理開始に際して受渡位置に下降するのである。図１に示すように、保持部７が受渡位置にまで下降するとチャンバー底部６２に近接し、支持ピン７０の先端が保持部７を貫通して保持部７の上方に突出する。

次に、保持部７が受渡位置に下降したときに、弁８２および弁８７が開かれてチャンバー６の熱処理空間６５内に常温の窒素ガスが導入される。続いて、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を介してイオン注入後の半導体ウェハーＷがチャンバー６内に搬入され、複数の支持ピン７０上に載置される。

半導体ウェハーＷの搬入時におけるチャンバー６への窒素ガスのパージ量は約４０リットル／分とされ、供給された窒素ガスはチャンバー６内においてガス導入バッファ８３から図２中に示す矢印ＡＲ４の方向へと流れ、図１に示す排出路８６および弁８７を介してユーティリティ排気により排気される。また、チャンバー６に供給された窒素ガスの一部は、べローズ４７の内側に設けられる排出口（図示省略）からも排出される。なお、以下で説明する各ステップにおいて、チャンバー６には常に窒素ガスが供給および排気され続けており、窒素ガスの供給量は半導体ウェハーＷの処理工程に合わせて様々に変更される。

半導体ウェハーＷがチャンバー６内に搬入されると、ゲートバルブ１８５により搬送開口部６６が閉鎖される。そして、保持部昇降機構４により保持部７が受渡位置からチャンバー窓６１に近接した処理位置にまで上昇する。保持部７が受渡位置から上昇する過程において、半導体ウェハーＷは支持ピン７０から保持部７の保持面７５へと受け渡される。このときに支持ピン７０上に載置されている半導体ウェハーＷが多少位置ずれしていたとしても、半導体ウェハーＷの端部がガイド７２によって案内されることにより、保持面７５に半導体ウェハーＷは保持されることとなる。

保持部７が受渡位置から上昇を開始する時点においては、ガス供給源９９から複数の噴出口７４に窒素ガスが供給され、各噴出口７４から鉛直方向上方に向けて気体が噴出している。ガス供給源９９から複数の噴出口７４への気体供給流量は流量調整弁９７によって２リットル毎分以上１５リットル毎分以下（本実施形態では１０リットル毎分）とされている。上述のように、保持部７の保持面７５には８ｃｍ²当たりに１個の噴出口７４が全面にわたって均等に配設されている。よって、保持面７５の全面から均等に気体が噴き出す。その結果、支持ピン７０から保持面７５に半導体ウェハーＷが渡されたときには、半導体ウェハーＷが噴出する気流で押し上げられ、当該半導体ウェハーＷは保持面７５から若干浮上した状態の水平姿勢にて保持されることとなる。

図７は、複数の噴出口７４への気体供給流量と半導体ウェハーＷの浮上量との相関を示す図である。本実施形態のように、複数の噴出口７４に１０リットル毎分の流量にて気体を供給すると、半導体ウェハーＷは保持面７５から０．３ｍｍ〜０．４ｍｍ浮上する。なお、半導体ウェハーＷが気体噴出によって浮上すると水平方向にスライド移動する可能性があるが、ガイド７２によって半導体ウェハーＷの水平方向移動は規制されており、半導体ウェハーＷが保持部７から飛び出すおそれはない。

また、保持部７のプレート７１はヒータ７３によって所定の温度まで加熱されている。保持面７５に半導体ウェハーＷが渡されることによって、半導体ウェハーＷは保持面７５から熱を受けてその温度が次第に上昇する。

保持部７が処理位置まで上昇したときには、半導体ウェハーＷは保持面７５によって若干浮上されて保持されるとともに、ヒータ７３の熱を保持面７５から受けて予備加熱される。この処理位置にて所定時間の予備加熱が行われ、半導体ウェハーＷの温度が予め設定された予備加熱温度Ｔ１まで上昇する。予備加熱温度Ｔ１は、半導体ウェハーＷに添加された不純物が熱により拡散する恐れのない、２００℃ないし８００℃程度、好ましくは３５０℃ないし５５０℃程度とされる。また、保持部７とチャンバー窓６１との間の距離は、保持部昇降機構４のモータ４０の回転量を制御することにより任意に調整することが可能とされている。

所定の予備加熱時間が経過した後、保持部７が処理位置に位置したまま制御部３の制御によりランプハウス５のフラッシュランプＦＬから半導体ウェハーＷへ向けてフラッシュ光が照射される。このとき、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内の保持部７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。フラッシュ加熱は、フラッシュランプＦＬからの閃光照射により行われるため、半導体ウェハーＷの表面温度を短時間で上昇することができる。

すなわち、ランプハウス５のフラッシュランプＦＬから照射されるフラッシュ光は、予め蓄えられていた静電エネルギーが極めて短い光パルスに変換された、照射時間が０．１ミリ秒ないし１０ミリ秒程度の極めて短く強い閃光である。そして、フラッシュランプＦＬからの閃光照射によりフラッシュ加熱される半導体ウェハーＷの表面温度は、瞬間的に１０００℃ないし１１００℃程度の処理温度Ｔ２まで上昇し、半導体ウェハーＷに添加された不純物が活性化された後、表面温度が急速に下降する。このように、熱処理装置１では、半導体ウェハーＷの表面温度を極めて短時間で昇降することができるため、半導体ウェハーＷに添加された不純物の熱による拡散（この拡散現象を、半導体ウェハーＷ中の不純物のプロファイルがなまる、ともいう）を抑制しつつ不純物の活性化を行うことができる。なお、添加不純物の活性化に必要な時間はその熱拡散に必要な時間に比較して極めて短いため、０．１ミリセカンドないし１０ミリセカンド程度の拡散が生じない短時間であっても活性化は完了する。

また、フラッシュ加熱の前に保持部７により半導体ウェハーＷを予備加熱しておくことにより、フラッシュランプＦＬからの閃光照射によって半導体ウェハーＷの表面温度を処理温度Ｔ２まで速やかに上昇させることができる。

フラッシュ加熱が終了し、処理位置における約１０秒間の待機の後、保持部７が保持部昇降機構４により再び図１に示す受渡位置まで下降し、半導体ウェハーＷが保持部７から支持ピン７０へと渡される。続いて、ゲートバルブ１８５により閉鎖されていた搬送開口部６６が開放され、支持ピン７０上に載置された半導体ウェハーＷは装置外部の搬送ロボットにより搬出され、熱処理装置１における半導体ウェハーＷのフラッシュ加熱処理が完了する。なお、保持部７が受渡位置まで下降した時点で複数の噴出口７４への気体供給は停止される。

本実施形態においては、フラッシュランプＦＬから閃光照射を行うときに、半導体ウェハーＷが保持面７５から浮上した状態にて保持されている。既述したように、極めて高いエネルギーを有するフラッシュ光を瞬間的に照射すると、一瞬で半導体ウェハーＷの表面温度が急速に昇温し、表面の急激な熱膨張によって半導体ウェハーＷに変形が生じる。このときに、半導体ウェハーＷの特定箇所が拘束されていると、その特定箇所に応力集中が生じ、ウェハー割れが発生することがある。

本実施形態のように、半導体ウェハーＷが浮上した状態にて保持されていると、閃光照射時に半導体ウェハーＷが急激に変形したとしても特定箇所に応力集中が生じることはなく、ウェハー全体に熱応力が分散することとなり、割れを防止することができる。特に、本実施形態では、保持面７５の８ｃｍ²当たりに１個の噴出口７４を全面にわたって均等に配設しており、保持面７５の全面から均等に気体を噴出することができ、半導体ウェハーＷの全体を安定して確実に保持面７５から浮上させることができるため、半導体ウェハーＷと保持部７との接触箇所は皆無であり、応力集中を確実に防止することができる。

また、半導体ウェハーＷの全体を保持面７５から浮上させて保持しているため、半導体ウェハーＷとプレート７１とが接触することによるパーティクルの発生を抑制することができる。

また、従来であれば、高温のプレートと常温の半導体ウェハーＷとを急速に接触させることによる不具合（急激な温度変化による半導体ウェハーＷの変形等）を防止するため、保持部７を受渡位置から徐々に上昇させて支持ピン７０から半導体ウェハーＷを受け取る必要があり、スループットを低下させる要因となっていた。本実施形態のようにすれば、半導体ウェハーＷは気体層を介して保持面７５から熱を受けるため、急激な温度変化を緩和することができる。さらには、複数の噴出口７４からの気体噴出によって、半導体ウェハーＷが自重により撓むことなく水平姿勢で保持されるため、半導体ウェハーＷと保持面７５との距離が均一になり、半導体ウェハーＷの温度変化も均一になる。その結果、半導体ウェハーＷに動的な変形が生じなくなるため、保持部７を受渡位置から処理位置まで高速に上昇させて支持ピン７０から半導体ウェハーＷを受け取ることができ、スループットを向上させることができる。

また、本実施形態においては、ガス供給源９９から複数の噴出口７４への気体供給流量を１０リットル毎分としているため、半導体ウェハーＷを確実に浮上させることができるとともに、半導体ウェハーＷの温度低下を防止することができる。すなわち、保持部７は、半導体ウェハーＷを浮上させた状態で水平姿勢に保持するとともに、予備加熱温度Ｔ１に予備加熱するものである。ガス供給源９９から複数の噴出口７４への気体供給流量が２リットル毎分未満であると、図７にも示すように、半導体ウェハーＷの保持面７５からの浮上量が０．１ｍｍ未満となり、半導体ウェハーＷの一部が保持面７５に接触するおそれがある。一方、気体供給流量が１５リットル毎分より多いと、気体流によって半導体ウェハーＷが強く冷却されることとなり、半導体ウェハーＷを安定して予備加熱することが困難となる。このため、ガス供給源９９から複数の噴出口７４への気体供給流量は２リットル毎分以上１５リットル毎分以下としている。

また、各噴出口７４の穴径をφ０．３ｍｍ以上φ１．５ｍｍ以下としているのは、以下のような理由による。すなわち、穴径がφ１．５ｍｍより大きいと、気体流の流速が遅くなって半導体ウェハーＷを保持面７５から確実に浮上させることが困難となる。一方、噴出口７４の穴径がφ０．３ｍｍ未満の場合、穴の加工が難しく均一な穴径を得ることが困難となる。

また、第１実施形態においては、保持部７のプレート７１を窒化アルミニウムにて形成し、そのプレート７１の内部にヒータ７３を内蔵するとともに、複数の噴出口７４および気体通路７７を形設している。窒化アルミニウムは石英に比較して良好な熱伝導性を有しており、複数の噴出口７４から気体を噴出したとしても、半導体ウェハーＷを均一に予備加熱することができる。もっとも、窒化アルミニウムからは半導体ウェハーＷへの金属汚染（アルミニウムの汚染）も懸念されるが、本実施形態のように半導体ウェハーＷをプレート７１から浮上させて保持するのであれば、窒化アルミニウムと半導体ウェハーＷとは非接触であるため、金属汚染を防止することができる。

また、プレート７１の上面周縁部には石英製のガイド７２を設け、その内周面７２ａの保持面７５に対する勾配αを４５°以上９０°未満としている。噴出口７４からの気体噴出によって浮上している半導体ウェハーＷの端部はガイド７２に接触することもあるが、ガイド７２は石英製であるため半導体ウェハーＷが汚染されるおそれは無い。また、ガイド７２の内周面７２ａの勾配αを４５°以上９０°未満としているため、閃光照射時に半導体ウェハーＷが急激に変形してガイド７２に接触したとしても、ガイド７２から半導体ウェハーＷが受ける応力を緩和することができ、半導体ウェハーＷの割れをより確実に防止することができる。

＜２．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。第２実施形態の熱処理装置の全体構成および半導体ウェハーＷの処理手順は第１実施形態と同様である。第２実施形態の熱処理装置が第１実施形態と相違するのは保持部の構成である。

図８は、第２実施形態の熱処理装置の保持部７ａの構成を示す図である。第２実施形態の保持部７ａは、プレート１７１の上側にサセプタ１７６を設置して構成されている。プレート１７１は、金属製（例えば、ステンレススチール）の円板状部材である。プレート１７１の内部には図示省略のヒータが内蔵されている。このヒータは第１実施形態のヒータ７３と同様のものである。また、プレート１７１の上面には、通気溝１７７が格子状に刻設されている。通気溝１７７は、第１実施形態の気体通路７７と同様に、気体供給管９２を介してガス供給源９９と連通接続されており、気体供給管９２には流量調整弁９７および弁９８が介挿されている（図５参照）。なお、通気溝１７７は、プレート１７１の周縁部には形成されていない。

一方、サセプタ１７６は、石英により形成された円板状部材である。サセプタ１７６の径はプレート１７１の径と等しく、半導体ウェハーＷの径よりも大きい。サセプタ１７６の上面周縁部には円環状のガイド１７２が形設される。サセプタ１７６の上面のうちガイド１７２によって環囲される領域、すなわち外部に露出している面が半導体ウェハーＷを保持する保持面１７５となる。保持面１７５は円形の水平面であり、その径は半導体ウェハーＷの径よりも若干大きい。

また、サセプタ１７６の保持面１７５には複数の噴出口１７４が穿設されている。複数の噴出口１７４の配置および形状は第１実施形態の噴出口７４と同様である。すなわち、サセプタ１７６の保持面１７５には８ｃｍ²当たりに１個の噴出口１７４が全面にわたって均等に配設されており、各噴出口１７４はサセプタ１７２の表裏を貫通して穿設された穴径φ０．３ｍｍ以上φ１．５ｍｍ以下の円筒状穴である。

サセプタ１７６の上面周縁部に形設された円環状のガイド１７２の内周面１７２ａは上方に向けて拡がるテーパ面とされている。内周面１７２ａの保持面１７５に対する勾配は４５°以上９０°未満とされている。

サセプタ１７６の中心がプレート１７１の中心と重なるように、サセプタ１７６をプレート１７１の上面に装着すると、保持部７ａは概ね第１実施形態の保持部７（図５）と同様の構成を備えるものとなる。すなわち、各噴出口１７４の下端が通気溝１７７の交点に開口し、複数の噴出口１７４の全ては通気溝１７７を介して相互に連通されるとともに、通気溝１７７および気体供給管９２を介してガス供給源９９とも連通接続される。弁９８を開放することによってガス供給源９９から気体供給管９２および通気溝１７７を介して複数の噴出口１７４に所定の気体が供給され、その流量は流量調整弁９７によって規定される。

また、サセプタ１７６およびプレート１７１には、支持ピン７０が挿通される貫通孔が穿設されている。さらに、保持部７ａには、第１実施形態と同様に、プレート表面近傍の温度を測定する温度センサやヒータに電力を供給する電力ケーブルも設けられている。

第２実施形態の残余の構成は第１実施形態と同じであり、第１実施形態と同様にして半導体ウェハーＷのフラッシュ加熱処理が実行される。第２実施形態においても、フラッシュランプＦＬから閃光照射を行うときに、半導体ウェハーＷがサセプタ１７６の保持面１７５から浮上した状態にて保持されることとなり、半導体ウェハーＷが急激に変形したとしても特定箇所に応力集中が生じることはなく、ウェハー割れを防止することができる。

また、第２実施形態においては、保持面１７５およびガイド１７２を石英製のサセプタ１７６の一部として構成している。石英は窒化アルミニウムよりも清浄度が高く、熱処理の過程にて半導体ウェハーＷの一部がサセプタ１７６に接触したとしても、それに起因した半導体ウェハーＷの汚染を確実に防止することができる。もっとも、石英は窒化アルミニウムよりも熱伝導性が低いため、複数の噴出口１７４への気体供給流量が多いと予備加熱時における半導体ウェハーＷの昇温を阻害する可能性があり、またサセプタ１７６とプレート１７１との接合部からの気体漏れも懸念されるため、これらの観点からは第１実施形態のように窒化アルミニウムにて一体形成した方が好ましい。

＜３．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。上記各実施形態においては、複数の噴出口７４（１７４）を二次元正方格子状に配置し、対角に配置された噴出口７４間の距離を４０ｍｍとすることによって、保持面７５（１７５）の８ｃｍ²当たりに１個の噴出口７４を均等に配設していたが、噴出口の配置はこれに限定されるものではない。複数の噴出口の配置は保持面に均等に配置する形態であれば良く、例えば複数の噴出口を二次元三角格子状に配置しても良い。また、保持面の５０ｃｍ²当たりに１個の噴出口を均等に配置していれば、複数の噴出口からの気体噴出によって半導体ウェハーＷの全体を安定して浮上させることが可能であり、半導体ウェハーＷを保持する保持面の５０ｃｍ²当たりに少なくとも１個以上の噴出口を設けておけば良い。

また、ガス供給源９９から複数の噴出口７４に供給する気体は窒素ガスに限定されるものではなく、アルゴンや空気などの他の種類のガスであっても良い。もっとも、気体の消費コストおよび半導体ウェハーＷとの反応性を考慮すると、安価で安定な窒素ガスを使用するのが好ましい。

また、第１実施形態においては、窒化アルミニウムのプレート７１の上面周縁部に石英製のガイド７２を設けて保持部７を構成していたが、ガイドまでをも含めて窒化アルミニウムにて一体形成するようにしても良い。

また、上記実施形態においては、ランプハウス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。

また、上記実施形態においては、半導体ウェハーに光を照射してイオン活性化処理を行うようにしていたが、本発明にかかる熱処理装置による処理対象となる基板は半導体ウェハーに限定されるものではない。例えば、窒化シリコン膜や多結晶シリコン膜等の種々のシリコン膜が形成されたガラス基板に対して本発明にかかる熱処理装置による処理を行っても良い。一例として、ＣＶＤ法によりガラス基板上に形成した多結晶シリコン膜にシリコンをイオン注入して非晶質化した非晶質シリコン膜を形成し、さらにその上に反射防止膜となる酸化シリコン膜を形成する。この状態で、本発明にかかる熱処理装置により非晶質のシリコン膜の全面に光照射を行い、非晶質のシリコン膜が多結晶化した多結晶シリコン膜を形成することもできる。

また、ガラス基板上に下地酸化シリコン膜、アモルファスシリコンを結晶化したポリシリコン膜を形成し、そのポリシリコン膜にリンやボロン等の不純物をドーピングした構造のＴＦＴ基板に対して本発明にかかる熱処理装置により光照射を行い、ドーピング工程で打ち込まれた不純物の活性化を行うこともできる。

本発明に係る熱処理装置の構成を示す側断面図である。 図１の熱処理装置のガス路を示す断面図である。 図１の熱処理装置の構成を示す側断面図である。 第１実施形態の保持部の斜視図である。 第１実施形態の保持部の断面図である。 噴出口の配置例を示す図である。 気体供給流量と半導体ウェハーの浮上量との相関を示す図である。 第２実施形態の熱処理装置の保持部の構成を示す図である。

符号の説明

１ 熱処理装置
４ 保持部昇降機構
５ ランプハウス
６ チャンバー
７，７ａ 保持部
６１ チャンバー窓
６５ 熱処理空間
７１，１７１ プレート
７２，１７２ ガイド
７２ａ，１７２ａ 内周面
７３ ヒータ
７４，１７４ 噴出口
７５，１７５ 保持面
７７ 気体通路
９７ 流量調整弁
９８ 弁
９９ ガス供給源
１７６ サセプタ
１７７ 通気溝
ＦＬ フラッシュランプ
Ｗ 半導体ウェハー

Claims (7)

1. 基板に対して閃光を照射することによって該基板を加熱する熱処理装置であって、
   基板に閃光を照射するフラッシュランプと、
   前記フラッシュランプの下方に設けられ、前記フラッシュランプから出射された閃光を透過するチャンバー窓を上部に備えるチャンバーと、
   上面に複数の噴出口を形設し、前記チャンバー内にて基板を水平姿勢にて保持する保持手段と、
   前記複数の噴出口に気体を供給する気体供給手段と、
   を備え、
   前記複数の噴出口は、前記保持手段の上面のうち基板を保持する保持面の５０ｃｍ²当たりに少なくとも１個以上の噴出口を設けて形成されることを特徴とする熱処理装置。
2. 請求項１記載の熱処理装置において、
   前記複数の噴出口のそれぞれは、φ０．３ｍｍ以上φ１．５ｍｍ以下の穴径を有する円筒状穴を含み、
   前記気体供給手段は２リットル毎分以上１５リットル毎分以下の流量にて前記複数の噴出口に気体を供給することを特徴とする熱処理装置。
3. 請求項１または請求項２記載の熱処理装置において、
   前記保持手段は、基板を予備加熱するヒータを内蔵するとともに、前記複数の噴出口と前記気体供給手段とを連通する気体通路および前記複数の噴出口を形設した窒化アルミニウム製部材を有することを特徴とする熱処理装置。
4. 請求項３記載の熱処理装置において、
   前記保持手段は、前記窒化アルミニウム製部材の上面に付設されて前記保持面を環囲する石英製のガイド部材を備えることを特徴とする熱処理装置。
5. 請求項４記載の熱処理装置において、
   前記保持面に対する前記ガイド部材の内周面の勾配は４５°以上９０°未満であることを特徴とする熱処理装置。
6. 請求項１または請求項２記載の熱処理装置において、
   前記保持手段は、
   基板を予備加熱するヒータを内蔵した金属製のプレートと、
   前記プレート上に設置され、前記複数の噴出口が穿設された前記保持面を有する石英製のサセプタと、
   を備え、
   前記プレートの上面には前記複数の噴出口に連通して前記気体供給手段から供給された気体が通過する溝が刻設されることを特徴とする熱処理装置。
7. 請求項６記載の熱処理装置において、
   前記サセプタは、前記保持面を環囲する石英製のガイド部材を備え、
   前記保持面に対する前記ガイド部材の内周面の勾配は４５°以上９０°未満であることを特徴とする熱処理装置。

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