JP2017005218A - 熱処理装置および熱処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】チャンバー内壁への汚染を防止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。
【解決手段】半導体ウェハーＷを収容するチャンバー６の上側にフラッシュランプＨＬを配置するとともに、下側にハロゲンランプＨＬを配置する。チャンバー６の内部には、チャンバー６の内壁を覆う石英のライナー９０を設け、そのライナー９０に付着した汚染を一対の投光器９５および受光器９６からなる光学式センサーによって検知する。半導体ウェハーＷの加熱処理時に生じた汚染物質はライナー９０に付着するため、チャンバー６の内壁への汚染を防止することができる。また、ライナー９０に一定量以上の汚染物質が付着したことが光学式センサーによって検知されたときには、半導体ウェハーＷに対する処理を中断する。
【選択図】図１

Description

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装置および熱処理方法に関する。

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。

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。

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。

このようなフラッシュランプアニールでは、極めて短時間で半導体ウェハーの表面を昇温するため、表面近傍のみに急激な熱膨張が生じて半導体ウェハーが割れることがある。このため、特許文献１には、半導体ウェハーを保持するサセプターの周囲にライナーを設け、半導体ウェハーが割れた場合であっても、外部への破片の飛散を防止して清掃を容易にすることが提案されている。

特開２００５−４４８８１号公報

また、フラッシュランプアニールの処理対象となる半導体ウェハーにはレジスト膜等の種々の膜が形成されていることもある。このような膜付きの半導体ウェハーを連続してフラッシュ加熱処理すると、半導体ウェハーを収容するチャンバーの内壁が徐々に汚染されるという問題が生じる。これは、半導体ウェハーに成膜されている各種膜がフラッシュ加熱により燃焼することによって、チャンバーの内壁面に炭素系の汚染物質が付着することが原因であると推定される。

チャンバーの内壁面が汚染されると、それ自体が後続の半導体ウェハーに対する汚染源となる。また、光照射時にはチャンバーの内壁面にて反射された光も半導体ウェハーに照射されるのであるが、チャンバーの内壁面が汚染されると、汚染箇所では反射率が低下するため、光照射時の半導体ウェハーの面内温度分布が不均一となる。そうすると、フラッシュ加熱処理の処理結果に影響を与えるとともに、半導体ウェハーに不均一な温度分布に起因した反りが生じるという問題も発生する。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、チャンバー内壁への汚染を防止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。

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サセプターと、前記サセプターに支持された基板に光を照射する光照射部と、前記チャンバーの内壁を覆う石英のライナーと、前記ライナーに付着した汚染を検知する光学式センサーと、を備え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、前記光学式センサーによって前記ライナーに汚染が検知されたときには基板に対する処理を中断する制御部をさらに備え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、前記光学式センサーは、前記ライナーの外方に配置され、光を投射する投光器と、前記ライナーの外方に前記ライナーを挟んで前記投光器と対向配置され、前記投光器から投射された光を受光する受光器と、を備えることを特徴とする。

また、請求項４の発明は、請求項１から請求項３のいずれかの発明に係る熱処理装置において、前記光照射部は、前記チャンバーの一方側から基板にフラッシュ光を照射するフラッシュランプを含むことを特徴とする。

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、前記光照射部は、前記チャンバーの他方側から基板に光を照射するハロゲンランプをさらに含むことを特徴とする。

また、請求項６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、チャンバー内にてサセプター上に支持した基板に光を照射して加熱する加熱工程と、前記チャンバーの内壁を覆う石英のライナーに付着した汚染を光学式センサーによって検知する汚染検知工程と、を備え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方法において、前記汚染検知工程にて前記ライナーに汚染が検知されたときには前記加熱工程の処理を中断することを特徴とする。

請求項１から請求項５の発明によれば、基板を収容するチャンバーの内壁を覆う石英のライナーを備え、ライナーに付着した汚染を光学式センサーによって検知するため、加熱処理時に基板から生じた汚染物質はライナーに付着し、チャンバーの内壁への汚染を防止することができる。

請求項６および請求項７の発明によれば、チャンバーの内壁を覆う石英のライナーに付着した汚染を光学式センサーによって検知するため、加熱処理時に基板から生じた汚染物質はライナーに付着し、チャンバーの内壁への汚染を防止することができる。

本発明に係る熱処理装置の要部構成を示す図である。 フラッシュランプおよびハロゲンランプの配置関係を示す斜視図である。 投光器および受光器の構成を示す図である。

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。

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。熱処理装置１に搬入される前の半導体ウェハーＷには不純物が注入されており、熱処理装置１による加熱処理によって注入された不純物の活性化処理が実行される。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。

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を支持するサセプター７と、サセプター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フラッシュ加熱部５と、チャンバー６の下側に設けられたハロゲン加熱部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。

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。

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、フラッシュ加熱部５から出射されたフラッシュ光を熱処理空間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、ハロゲン加熱部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。

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。

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。

サセプター７は、石英にて形成された円形のプレートであり、処理対象となる半導体ウェハーＷを載置して保持する。サセプター７は、図示を省略する適宜の部材によってチャンバー６内に設置される。サセプター７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、サセプター７は、半導体ウェハーＷよりも大きな平面サイズを有する。また、サセプター７の厚さは適宜のものとすることができるが、例えば２．５ｍｍである。

サセプター７の上面には、複数個の支持ピン（バンプピン）７５が立設されている。本実施形態においては、円形のサセプター７の外周円と同心円の周上に沿って３０°毎に計１２本の支持ピン７５が立設されている。１２本の支持ピン７５を配置した円の径（対向する支持ピン７５間の距離）は半導体ウェハーＷの径よりも小さい。それぞれの支持ピン７５は石英にて形成されている。複数の支持ピン７５は、例えばサセプター７の上面に穿設された凹部に嵌着して立設すれば良い。また、サセプター７の上面には、複数の支持ピン７５によって支持される半導体ウェハーＷの位置ずれを防止するためのガイドピンまたはガイドリングが設けられていても良い。

チャンバー６に搬入された半導体ウェハーＷは、サセプター７の上に水平姿勢（法線が鉛直方向と一致する姿勢）にて載置されて支持される。半導体ウェハーＷは、サセプター７の上面に立設された１２本の支持ピン７５によって点接触にて支持されてサセプター７に保持される。すなわち、半導体ウェハーＷは１２本の支持ピン７５によってサセプター７の上面から所定の間隔を隔てて支持されることとなる。

サセプター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はサセプター７よりも外側の待機位置に待機している。サセプター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が待機位置からサセプター７の直下の移載位置に水平移動した後、鉛直方向に沿って上昇する。これにより、移載部７９のピンの上端がサセプター７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。

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（Ｎ_２）、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）などの不活性ガス、または、酸素（Ｏ_２）、水素（Ｈ_２）、塩素（Ｃｌ_２）、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）、塩化水素（ＨＣｌ）、オゾン（Ｏ_３）、アンモニア（ＮＨ_３）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。

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。排気部２によってチャンバー６内の雰囲気を排気しつつ、ガス供給部８からチャンバー６内に処理ガスを供給することにより、チャンバー６内の熱処理空間６５を処理ガスの雰囲気に置換することができる。

熱処理装置１は、サセプター７に支持された半導体ウェハーＷに光照射を行う光照射部としてフラッシュ加熱部５およびハロゲン加熱部４の２種類の光照射部を備える。フラッシュ加熱部５は、チャンバー６の上方に設けられている。フラッシュ加熱部５は、複数本（本実施形態では３０本）のフラッシュランプＦＬを有するフラッシュ光源と、そのフラッシュ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。フラッシュ加熱部５は、チャンバー６の上側からサセプター７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。

一方、ハロゲン加熱部４は、チャンバー６の下方に設けられている。ハロゲン加熱部４は、複数本（本実施形態では４０本）のハロゲンランプＨＬを有するハロゲン光源と、そのハロゲン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。ハロゲン加熱部４は、チャンバー６の下側からサセプター７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を介してハロゲンランプＨＬから光を照射する。

図２は、フラッシュランプＦＬ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ー７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。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。

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。

一方、ハロゲン加熱部４には、上下２段に各２０本ずつのハロゲンランプＨＬが配設されている。各ハロゲンランプＨＬは、長尺の円筒形状を有する棒状ランプである。上段、下段ともに２０本のハロゲンランプＨＬは、それぞれの長手方向がサセプター７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配列されている。よって、上段、下段ともにハロゲンランプＨＬの配列によって形成される平面は水平面である。

また、図２に示すように、上段のハロゲンランプＨＬからなるランプ群と下段のハロゲンランプＨＬからなるランプ群とが格子状に交差するように配列されている。すなわち、上段の各ハロゲンランプＨＬの長手方向と下段の各ハロゲンランプＨＬの長手方向とが直交するように計４０本のハロゲンランプＨＬが配設されている。

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。また、ハロゲンランプＨＬは棒状ランプであるため長寿命であり、ハロゲンランプＨＬを水平方向に沿わせて配置することにより上方の半導体ウェハーＷへの放射効率が優れたものとなる。

また、リフレクタ４２は、複数のハロゲンランプ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は、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。

図１に戻り、熱処理装置１は、チャンバー６の内壁を覆う石英のライナー９０を備える。ライナー９０は、有底筒形状を有し、チャンバー６の内壁面に沿って着脱自在に取り付けられている。石英のライナー９０の肉厚は２ｍｍ〜３ｍｍである。なお、ライナー９０は、筒部と底部とに分割可能な分割体であっても良いし、一体成形されたものであっても良い。

本実施形態においては、ライナー９０は、金属製のチャンバー側部６３の内壁面のみならず、石英の上側チャンバー窓６１および下側チャンバー窓６４の内壁面をも覆う。但し、搬送開口部６６や給排気を行うポートに対向するライナー９０の部位には孔が形成され、半導体ウェハーＷの搬出入および熱処理空間６５に対する給排気の障害とならないようにされている。

また、熱処理装置１は、一対の投光器９５および受光器９６からなる光学式センサーを備える。図３は、投光器９５および受光器９６の構成を示す図である。投光器９５は、光源となる透光素子、当該透光素子を制御する回路、レンズ系等を内蔵し、検出媒体となる光を外部に向けて投射する。投光器９５は、チャンバー側部６３の外壁面に取り付けられている。すなわち、投光器９５は、ライナー９０の外方に配置され、チャンバー側部６３に設けられた導光路６８を介してライナー９０に向けて光を投射する。

受光器９６は、光を受光する受光素子、当該受光素子を制御する回路、レンズ系等を内蔵し、投光器９５から投射された光を受光して電気信号に変換する。受光器９６もチャンバー側部６３の外壁面に取り付けられている。受光器９６は、ライナー９０の外方にライナー９０を挟んで投光器９５と対向配置される。投光器９５と受光器９６とは、双方の光軸が完全に一致するように設けられる。受光器９６は、投光器９５から投射されてライナー９０を透過した光を導光路６８を介して受光する。

図１に戻り、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。また、制御部３には上記の投光器９５および受光器９６が電気的に接続されており、制御部３は投光器９５からの光の投射を制御するとともに、受光器９６から伝達された電気信号に基づいてライナー９０に付着した汚染を検知する。

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。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る。その不純物の活性化が熱処理装置１によるフラッシュ光照射加熱処理（アニール）により実行される。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。

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。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、サセプター７の直上にて停止する。続いて、移載部７９が待機位置からサセプター７の直下に水平移動した後、鉛直方向に沿って上昇し、移載部７９のピンがサセプター７の支持ピン７５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のピンからサセプター７に渡される。半導体ウェハーＷは、その中心軸がサセプター７の中心軸と一致するようにサセプター７に支持される。サセプター７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。

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サセプター７に支持される。半導体ウェハーＷは、サセプター７の上面に立設された１２本の支持ピン７５によって点接触にて支持される。よって、複数の支持ピン７５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）とサセプター７の上面との間には所定の間隔が形成され、半導体ウェハーＷはサセプター７の上面と平行に支持される。

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）が供給される。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が窒素ガス雰囲気に置換される。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。

半導体ウェハーＷがサセプター７に載置されて支持された後、制御部３の制御によってハロゲン加熱部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。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、ライナー９０、および、サセプター７を透過して半導体ウェハー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はサセプター７よりも外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。

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Ｔ１にまで昇温される。予備加熱温度Ｔ１は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℃）。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、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ー（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、当該温度センサー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Ｔ１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Ｔ１に到達するまでの時間および予備加熱温度Ｔ１に維持される時間はいずれも数秒程度である。

ハロゲンランプＨＬからの光照射によって半導体ウェハー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点にてフラッシュ加熱部５のフラッシュランプＦＬが半導体ウェハー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。

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。

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の温度も温度センサーによって測定され、その測定結果は制御部３に伝達される。そして、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が待機位置からサセプター７の直下に水平移動した後、鉛直方向に沿って上昇し、移載部７９のピンがサセプター７の上面から突き出て熱処理後の半導体ウェハーＷを持ち上げてサセプター７から離間させる。次いで、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。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。

ところで、処理対象となる半導体ウェハーＷの表面にはレジスト膜や絶縁膜等の種々の膜が形成されていることがある。このような膜形成のなされた半導体ウェハーＷにフラッシュ光を照射して加熱処理を行うと、膜の燃焼や残留溶媒成分の揮発等によってチャンバー６の内壁面に汚染物質が付着することがある。チャンバー６の内壁面に汚染物質が付着すると、それが汚染源となるのみならず、チャンバー６の内壁面の反射率が変化することによって光照射時における半導体ウェハーＷの照度分布が乱れて面内温度分布が不均一になるおそれがある。

そこで、本実施形態においては、チャンバー６の内壁を覆うライナー９０を設けている。ライナー９０を設けることによって、加熱処理時に半導体ウェハーＷから生じた汚染物質はチャンバー６の内壁面ではなく、ライナー９０に付着することとなる。これにより、チャンバー６の内壁面の汚染を防止することができる。

もっとも、ライナー９０に汚染物質が付着した場合であっても、それが熱処理空間６５における汚染源となり、チャンバー６の内壁面の反射率が変化することとなる。このため、本実施形態においては、投光器９５および受光器９６からなる光学式センサーを設けている。図３に示したように、投光器９５から投射された光は、チャンバー側部６３に設けられた導光路６８を通ってライナー９０を透過して熱処理空間６５に進入する。さらに、その光は、再びライナー９０を透過して導光路６８を通って受光器９６によって受光される。

制御部３は、受光器９６が受光した光を電気信号に変換した信号のレベルに基づいて、ライナー９０への汚染物質の付着を監視している。ライナー９０に汚染物質が付着して光の透過率が低下すると、受光器９６に到達する光の強度が低下し、それを電気信号に変換した信号のレベルも低下する。すなわち、ライナー９０に付着している汚染物質の量が多くなるにつれて、受光器９６に到達する光の強度が低くなり、信号のレベルも低下する。制御部３は、受光器９６が出力する信号のレベルに基づいて、ライナー９０の汚染の程度を監視しているのである。

そして、制御部３は、ライナー９０に付着した汚染物質の量が一定以上となったとき、つまり受光器９６から出力される信号のレベルが所定の閾値以下となった時点で熱処理装置１における半導体ウェハーＷに対する処理を中断する。なお、ライナー９０に付着した汚染物質の量が一定以上となったことが検知された場合であっても、既に仕掛かり中の半導体ウェハーＷについては処理を完了するようにしても良い。

ライナー９０に付着した汚染物質の量が一定以上となったことが検知されて半導体ウェハーＷに対する処理が中断された後、クリーニング（メンテナンス）作業を実行する。本実施形態では、チャンバー６の内壁面に汚染物質は付着しておらず、着脱自在のライナー９０に汚染物質が付着しているため、ライナー９０を交換するだけで簡便にクリーニング作業を行うことができる。

本実施形態においては、チャンバー６の内壁を覆う石英のライナー９０を設け、そのライナー９０に付着した汚染を一対の投光器９５および受光器９６からなる光学式センサーによって検知している。加熱処理時に生じた汚染物質はライナー９０に付着するため、チャンバー６の内壁への汚染を防止することができる。

また、ライナー９０に一定量以上の汚染物質が付着したことが検知されたときには、半導体ウェハーＷに対する処理を中断している。このため、ライナー９０に付着した汚染物質から後続の半導体ウェハーＷへの汚染を防止するとともに、チャンバー６の内壁面の反射率変化に起因した半導体ウェハーＷの面内温度分布の均一性低下を防止することができる。

さらに、ライナー９０に一定量以上の汚染物質が付着したことが検知されたときにも、ライナー９０を交換するだけで足りるため、クリーニング作業を簡便なものとすることができる。

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、光学式センサーを一対の投光器９５および受光器９６を備えた透過型センサーとしていたが、これに限定されるものではなく、光学式センサーとして例えば投射した光の反射光を検知する反射型センサーを用いるようにしても良い。

また、制御部３は、ライナー９０に一定量以上の汚染物質が付着したことを検知したときに、半導体ウェハーＷに対する処理を中断するのに代えて（または加えて）、汚染が規定値以上である旨の警告を発報するようにしても良い。

さらに、制御部３は、ライナー９０に付着している汚染物質の量を熱処理装置１の表示パネル等に定常的に表示するようにしても良い。この場合、熱処理装置１のオペレータが表示内容を確認してクリーニング作業を行うか否かを判断する。ライナー９０に上記一定量以上の汚染物質が付着する前にクリーニング作業を行うようにすれば、半導体ウェハーＷに対する処理を中断しなくとも足りる。

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。また、ハロゲン加熱部４に備えるハロゲンランプＨＬの本数も４０本に限定されるものではなく、上段および下段に複数する配置する形態であれば任意の数とすることができる。

また、本発明に係る熱処理装置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。また、本発明に係る技術は、高誘電率ゲート絶縁膜（High-k膜）の熱処理、金属とシリコンとの接合、或いはポリシリコンの結晶化に適用するようにしても良い。

１ 熱処理装置
２ 排気部
３ 制御部
４ ハロゲン加熱部
５ フラッシュ加熱部
６ チャンバー
７ サセプター
８ ガス供給部
６５ 熱処理空間
９０ ライナー
９５ 投光器
９６ 受光器
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

Claims (7)

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、
   前記チャンバー内にて基板を支持するサセプターと、
   前記サセプターに支持された基板に光を照射する光照射部と、
   前記チャンバーの内壁を覆う石英のライナーと、
   前記ライナーに付着した汚染を検知する光学式センサーと、
   を備え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、
   前記光学式センサーによって前記ライナーに汚染が検知されたときには基板に対する処理を中断する制御部をさらに備え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に記載の熱処理装置において、
   前記光学式センサーは、
   前記ライナーの外方に配置され、光を投射する投光器と、
   前記ライナーの外方に前記ライナーを挟んで前記投光器と対向配置され、前記投光器から投射された光を受光する受光器と、
   を備えることを特徴とする熱処理装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の熱処理装置において、
   前記光照射部は、前記チャンバーの一方側から基板にフラッシュ光を照射するフラッシュランプを含む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、
   前記光照射部は、前記チャンバーの他方側から基板に光を照射するハロゲンランプをさらに含むことを特徴とする熱処理装置。
6. 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、
   チャンバー内にてサセプター上に支持した基板に光を照射して加熱する加熱工程と、
   前記チャンバーの内壁を覆う石英のライナーに付着した汚染を光学式センサーによって検知する汚染検知工程と、
   を備えることを特徴とする熱処理方法。
7. 請求項６記載の熱処理方法において、
   前記汚染検知工程にて前記ライナーに汚染が検知されたときには前記加熱工程の処理を中断することを特徴とする熱処理方法。

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