JP4879003B2 - 熱処理装置 - Google Patents

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）に対してフラッシュ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を使用して半導体ウェハーの表面にフラッシュ光（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（例えば、特許文献１，２）。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、数ミリセカンド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、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。

上記のようなフラッシュ加熱を行う熱処理装置においては、キセノンフラッシュランプを冷却すべく、ランプを配置したランプハウスへのエアーの給排気を行っている。これにより、ランプハウス内の熱が排出されるとともに、キセノンフラッシュランプ自体もエアーによって冷却されることとなる。

特開２００４−５５８２１号公報 特開２００４−８８０５２号公報

ところで、フラッシュ加熱を行う熱処理装置には、フラッシュ光を照射する前に半導体ウェハーを予備加熱するホットプレートが設けられている場合が多い。これは、フラッシュ光照射のみによって１０００℃以上にまで半導体ウェハーの表面を加熱しようとすると、非常に大きなエネルギーのフラッシュ光を照射しなければならず、ウェハー表面のみが急激に加熱されて半導体ウェハーが割れるおそれがあるため、ホットプレートに半導体ウェハーを載置して５００℃程度にまで予備加熱した後にキセノンフラッシュランプからフラッシュ光を照射して所定のアニール温度に到達するようにしていることによるものである。

しかしながら、かかるホットプレートからはその温度に応じた比較的長波長の赤外線が放射されており、それによる輻射熱によってキセノンフラッシュランプの放電管（石英製）が外部から加熱されることとなる。５００℃以上の比較的高温のホットプレートからの輻射熱によってキセノンフラッシュランプが加熱された場合、上述したエアーの給排気のみでは十分にキセノンフラッシュランプを冷却することができず、放電管が変色してランプ寿命が低下したり、最悪の場合キセノンフラッシュランプの劣化が急速に進行して破裂するという問題が生じる。このため、従来においては、ホットプレートによる予備加熱温度の上限が制約されることとなり、半導体ウェハーのアニール処理の処理条件も限定されたものにならざるを得なかった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、フラッシュランプを効果的に冷却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、基板に対してフラッシュ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、基板を保持する保持部と、棒状の放電管から前記保持部に保持された基板に向けてフラッシュ光を出射するフラッシュランプと、バッファ空間を内蔵するとともに、前記バッファ空間に連通して前記フラッシュランプに向かう噴出孔を有する気体貯留部と、前記バッファ空間内の気圧が前記気体貯留部の周囲の気圧の略２倍以上となるように前記バッファ空間に気体を供給して前記噴出孔から前記フラッシュランプに向けて遷音速以上の流速の気体を吹き付けさせる気体供給手段と、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、前記噴出孔の径は０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であることを特徴とする。

また、請求項３の発明は、基板に対してフラッシュ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、基板を保持する保持部と、棒状の放電管から前記保持部に保持された基板に向けてフラッシュ光を出射する複数のフラッシュランプを配列して有する光源と、バッファ空間を内蔵するとともに、前記バッファ空間に連通して前記光源に向かう複数の噴出孔を有する気体貯留部と、前記バッファ空間内の気圧が前記気体貯留部の周囲の気圧の略２倍以上となるように前記バッファ空間に気体を供給して前記複数の噴出孔から前記光源に向けて遷音速以上の流速の気体を吹き付けさせる気体供給手段と、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３の発明に係る熱処理装置において、前記複数の噴出孔のそれぞれは前記複数のフラッシュランプのいずれかに向けて気体を噴出するように前記気体貯留部に形成されていることを特徴とする。

また、請求項５の発明は、請求項３の発明に係る熱処理装置において、前記複数の噴出孔のそれぞれは前記複数のフラッシュランプの配列におけるランプ間の隙間に向けて気体を噴出するように前記気体貯留部に形成されていることを特徴とする。

また、請求項６の発明は、請求項３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、前記複数の噴出孔のそれぞれの径は０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であることを特徴とする。

また、請求項７の発明は、請求項３から請求項６のいずれかの発明に係る熱処理装置において、前記保持部は、フラッシュ光照射の前に保持する基板を予備加熱する予備加熱機構を備えることを特徴とする。

また、請求項８の発明は、基板に対してフラッシュ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、基板を保持する保持部と、棒状の放電管から前記保持部に保持された基板に向けてフラッシュ光を出射するフラッシュランプと、前記フラッシュランプに向けて遷音速以上の流速の気体を吹き付ける気体噴出部と、を備えることを特徴とする。

請求項１および請求項２の発明によれば、バッファ空間内の気圧が気体貯留部の周囲の気圧の略２倍以上となるようにバッファ空間に気体を供給するため、噴出孔からフラッシュランプに向けて遷音速以上の流速の気体流が乱流として噴出されることとなり、フラッシュランプを効果的に冷却することができる。

また、請求項３から請求項７の発明によれば、バッファ空間内の気圧が気体貯留部の周囲の気圧の略２倍以上となるようにバッファ空間に気体を供給するため、噴出孔から光源に向けて遷音速以上の流速の気体流が乱流として噴出されることとなり、フラッシュランプを効果的に冷却することができる。

また、特に、請求項４の発明によれば、複数の噴出孔のそれぞれから複数のフラッシュランプのいずれかに向けて気体が噴出されるため、より効果的にフラッシュランプを冷却することができる。

また、特に、請求項５の発明によれば、複数の噴出孔のそれぞれから複数のフラッシュランプの配列におけるランプ間の隙間に向けて気体が噴出されるため、１つの噴出孔にて２本のフラッシュランプを冷却することができ、噴出孔の総数を少なくして容易に遷音速以上の流速の気体流を形成することができる。

また、請求項８の発明によれば、フラッシュランプに向けて遷音速以上の流速の気体を吹き付けるため、フラッシュランプの周囲に乱流が形成されることとなり、フラッシュランプを効果的に冷却することができる。

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６９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。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。

また、熱処理空間６５の気密性を維持するために、チャンバー窓６１とチャンバー側部６３とはＯリングによってシールされている。すなわち、チャンバー窓６１の下面周縁部とチャンバー側部６３との間にＯリングを挟み込むとともに、クランプリング９０をチャンバー窓６１の上面周縁部に当接させ、そのクランプリング９０をチャンバー側部６３にネジ止めすることによって、チャンバー窓６１をＯリングに押し付けている。

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を保持しつつフラッシュ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（厳密には保持部７のホットプレート７１）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４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。

保持部７は、半導体ウェハーＷを予備加熱（いわゆるアシスト加熱）するホットプレート（加熱プレート）７１、および、ホットプレート７１の上面（保持部７が半導体ウェハーＷを保持する側の面）に設置されるサセプタ７２を有する。保持部７の下面には、既述のように保持部７を昇降するシャフト４１が接続される。サセプタ７２は石英（あるいは、窒化アルミニウム（ＡＩＮ）等であってもよい）により形成され、その上面には半導体ウェハーＷの位置ずれを防止するピン７５が設けられる。サセプタ７２は、その下面をホットプレート７１の上面に面接触させてホットプレート７１上に設置される。これにより、サセプタ７２は、ホットプレート７１からの熱エネルギーを拡散してサセプタ７２上面に載置された半導体ウェハーＷに伝達するとともに、メンテナンス時にはホットプレート７１から取り外して洗浄可能とされる。

ホットプレート７１は、ステンレススチール製の上部プレート７３および下部プレート７４にて構成される。上部プレート７３と下部プレート７４との間には、ホットプレート７１を加熱するニクロム線等の抵抗加熱線が配設され、導電性のニッケル（Ｎｉ）ロウが充填されて封止されている。また、上部プレート７３および下部プレート７４の端部はロウ付けにより接着されている。

図３は、ホットプレート７１を示す平面図である。図３に示すように、ホットプレート７１は、保持される半導体ウェハーＷと対向する領域の中央部に同心円状に配置される円板状のゾーン７１１および円環状のゾーン７１２、並びに、ゾーン７１２の周囲の略円環状の領域を周方向に４等分割した４つのゾーン７１３〜７１６を備え、各ゾーン間には若干の間隙が形成されている。また、ホットプレート７１には、支持ピン７０が挿通される３つの貫通孔７７が、ゾーン７１１とゾーン７１２との隙間の周上に１２０°毎に設けられる。

６つのゾーン７１１〜７１６のそれぞれには、相互に独立した抵抗加熱線が周回するように配設されてヒータが形成されており、各ゾーンに内蔵されたヒータにより各ゾーンが個別に加熱される。保持部７に保持された半導体ウェハーＷは、６つのゾーン７１１〜７１６に内蔵されたヒータにより加熱される。また、ゾーン７１１〜７１６のそれぞれには、熱電対を用いて各ゾーンの温度を計測するセンサ７１０が設けられている。各センサ７１０は略円筒状のシャフト４１の内部を通り制御部３に接続される。

ホットプレート７１が加熱される際には、センサ７１０により計測される６つのゾーン７１１〜７１６のそれぞれの温度が予め設定された所定の温度になるように、各ゾーンに配設された抵抗加熱線への電力供給量が制御部３により制御される。制御部３による各ゾーンの温度制御はＰＩＤ(Proportional,Integral,Derivative)制御により行われる。ホットプレート７１では、半導体ウェハーＷの熱処理（複数の半導体ウェハーＷを連続的に処理する場合は、全ての半導体ウェハーＷの熱処理）が終了するまでゾーン７１１〜７１６のそれぞれの温度が継続的に計測され、各ゾーンに配設された抵抗加熱線への電力供給量が個別に制御されて、すなわち、各ゾーンに内蔵されたヒータの温度が個別に制御されて各ゾーンの温度が設定温度に維持される。なお、各ゾーンの設定温度は、基準となる温度から個別に設定されたオフセット値だけ変更することが可能とされる。

６つのゾーン７１１〜７１６にそれぞれ配設される抵抗加熱線は、シャフト４１の内部を通る電力線を介して電力供給源（図示省略）に接続されている。電力供給源から各ゾーンに至る経路途中において、電力供給源からの電力線は、マグネシア（マグネシウム酸化物）等の絶縁体を充填したステンレスチューブの内部に互いに電気的に絶縁状態となるように配置される。なお、シャフト４１の内部は大気開放されている。

次に、ランプハウス５について説明する。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（以下、単に「フラッシュランプ」という）６９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、リフレクタ５２の上側に配設された冷却ボックス２０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６９からフラッシュ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６９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（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。フラッシュランプ６９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巻回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、通常の状態では放電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放電管内に瞬時に流れ、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。このフラッシュランプ６９においては、予め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。なお、本実施形態の各フラッシュランプ６９の放電管の管径は約１３ｍｍであり、ランプ配列における隣接するフラッシュランプ６９の隙間は約２ｍｍである。

図５は、冷却ボックス２０の構成を模式的に示す図である。冷却ボックス２０は、内側にバッファ空間２１を内蔵する平面視矩形形状の箱状部材であり、フラッシュランプ６９の反射板たるリフレクタ５２の上面に面接触するように設置される。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６９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６９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６９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の表面温度分布均一性が低下するためである。なお、リフレクタ５２は冷却ボックス２０の底部外面に貼設しても良いし、リフレクタ５２と冷却ボックス２０とを一体として形成するようにしても良い。

冷却ボックス２０のバッファ空間２１にはガス供給部３０から所定の気体（本実施形態では窒素ガス）が供給される。ガス供給部３０は、ガス配管３７に手動弁３１、レギュレータ３２、空気作動弁３３、フローメータ３４およびフィルター３５を介挿して構成されている。また、ガス供給部３０は圧力計３６を備える。ガス配管３７の先端部はバッファ空間２１に連通接続されるとともに、その基端部は窒素ガス供給源９９に連通接続される。窒素ガス供給源９９としては、熱処理装置１が設置される工場のユーティリティを使用することができる。

手動弁３１は、手動によってガス配管３７を開閉するバルブである。レギュレータ３２は、ガス配管３７を通過する窒素ガスの整圧動作を行うものである。空気作動弁３３は、緊急時にガス配管３７を閉鎖するために設けられているものであり、熱処理装置１の通常の稼働時には開放されている。フローメータ３４はガス配管３７を通過する窒素ガスの流量を計測し、圧力計３６はその圧力を計測する。フィルター３５は、ガス配管３７を通過する窒素ガスから微粒子等を取り除いて浄化する。また、圧力計３６はフィルター３５よりも下流側のガス配管３７内の圧力を計測するものであり、その圧力はバッファ空間２１内の圧力と等しい。すなわち、圧力計３６によって計測される圧力はバッファ空間２１内の圧力である。

フローメータ３４、圧力計３６およびレギュレータ３２は制御部３と接続されており、手動弁３１および空気作動弁３３を開放した状態にて、フローメータ３４および圧力計３６の測定結果に基づいて制御部３がレギュレータ３２を制御することにより、窒素ガス供給源９９からガス配管３７を介してバッファ空間２１に供給する窒素ガスの流量を調整することができる。また、熱処理装置１のオペレータがフローメータ３４および圧力計３６を監視しつつレギュレータ３２の設定値を手動で調整してバッファ空間２１に供給する窒素ガスの流量を調整するようにしても良い。なお、フローメータ３４およびレギュレータ３２に代えて双方の機能を併せ持つマスフローメータを使用するようにしても良い。

また、冷却ボックス２０の低壁面およびリフレクタ５２を貫通して複数の噴出孔２２が穿設されている。各噴出孔２２は、径がφ０．５ｍｍ以上φ１．５ｍｍ以下の円筒形状の孔であり、その円筒軸心方向が鉛直方向に沿うように形成されている。それぞれの噴出孔２２の上端はバッファ空間２１に開口して連通している。一方、噴出孔２２の下端は複数のフラッシュランプ６９からなる光源に向けて開口している。

図６は、第１実施形態における噴出孔２２の配置を示す平面図である。第１実施形態においては、複数の噴出孔２２が格子状に配置されており、複数の噴出孔２２のそれぞれは複数のフラッシュランプ６９のいずれかの直上（厳密にはフラッシュランプ６９の放電管の直上）に位置するように設けられている。また、全てのフラッシュランプ６９の直上に噴出孔２２の列が形成されている。従って、バッファ空間２１に供給された窒素ガスは、複数の噴出孔２２のそれぞれからフラッシュランプ６９に向けて噴出される。

図１に戻り、ランプハウス５には給気ポート５５および排気ポート５６が設けられている。排気ポート５６は排気管５７を介して図示省略の排気機構に連通接続されている。排気管５７の経路途中には排気弁５８が介挿されている。排気弁５８を開放することによって排気ポート５６を介してランプハウス５内に負圧が作用し、その結果として給気ポート５５から外気（空気）が吸引される。給気ポート５５から吸引された空気は、リフレクタ５２とランプ光放射窓５３との間、つまり複数のフラッシュランプ６９の周囲を略水平方向に流れて排気ポート５６から排出されるように構成されている。なお、給気ポート５５に空気を供給する空気供給機構を付設するようにしても良い。

図１に示す制御部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いる。制御部３は、モータ４０、弁８２，８７、フラッシュランプ６９への給電回路およびガス供給部３０を制御する。

なお、第１実施形態の熱処理装置１は、半導体ウェハーＷの熱処理時にフラッシュランプ６９およびホットプレート７１から発生する熱エネルギーによるチャンバー６の過剰な温度上昇を防止するための冷却用の構造（図示省略）を備えている。具体的には、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には水冷管が設けられており、チャンバー６が受けた熱を排出するようにしている。

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による熱処理により行われる。

まず、保持部７が図４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６９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４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のサセプタ７２へと渡され、サセプタ７２の上面に載置・保持される。保持部７が処理位置にまで上昇するとサセプタ７２に載置された半導体ウェハーＷも処理位置に保持されることとなる。

ホットプレート７１の６つのゾーン７１１〜７１６のそれぞれは、各ゾーンの内部（上部プレート７３と下部プレート７４との間）に個別に配設された抵抗加熱線により所定の温度まで加熱されている。保持部７が処理位置まで上昇して半導体ウェハーＷが保持部７と接触することにより、その半導体ウェハーＷは予備加熱されて温度が次第に上昇する。

この処理位置にて約６０秒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６００℃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。

約６０秒間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６９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６９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６９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６９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６９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６９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。

既述のように、熱処理装置１における半導体ウェハーＷの熱処理時には窒素ガスがチャンバー６に継続的に供給されており、その供給量は、保持部７が処理位置に位置するときには約３０リットル／分とされ、保持部７が処理位置以外の位置に位置するときには約４０リットル／分とされる。

上述したような一連のフラッシュ加熱処理を繰り返して行うことにより、フラッシュランプ６９の放電管は徐々に蓄熱されてその温度が上昇する。これは、フラッシュランプ６９自身の瞬間的なパルス発光による影響よりも、むしろ保持部７のホットプレート７１からの輻射熱による影響が大きい。すなわち、ホットプレート７１は半導体ウェハーＷの予備加熱を行うために２００℃ないし６００℃程度にまで昇温しており、比較的波長の長い赤外線を放射している。長波長の赤外線は石英にも吸収される。このため、ホットプレート７１から放射された赤外線は、まずチャンバー６の石英製のチャンバー窓６１に吸収され、チャンバー窓６１が昇温する。特に、本実施形態の熱処理装置１においては、保持部７の基準位置がチャンバー窓６１に近接した処理位置であるため、半導体ウェハーＷの搬出入を行うとき以外はホットプレート７１がチャンバー窓６１に近接しており、ホットプレート７１からの輻射熱によってチャンバー窓６１が容易に昇温する。

チャンバー窓６１が昇温すると、そのチャンバー窓６１からも長波長の赤外線が放射され、それによってランプハウス５のランプ光放射窓５３（石英製）が昇温する。そして、昇温したランプ光放射窓５３からも長波長の赤外線が放射されることとなり、その赤外線がフラッシュランプ６９の放電管（石英製）によって吸収され、フラッシュランプ６９の温度が上昇するのである。このように、フラッシュランプ６９の放電管はホットプレート７１からの輻射熱によってチャンバー窓６１およびランプ光放射窓５３を介して間接的に加熱される。ホットプレート７１からは持続的に赤外線放射がなされているため、フラッシュランプ６９には徐々に蓄熱されてその温度が上昇する。また、予備加熱された半導体ウェハーＷからの輻射熱によってもフラッシュランプ６９は昇温する。

熱処理装置１においては、給気ポート５５および排気ポート５６によってリフレクタ５２とランプ光放射窓５３との間に気流を形成してランプハウス５内に蓄積された熱を排出するようにしているのであるが、ホットプレート７１および半導体ウェハーＷからの輻射熱によって昇温したフラッシュランプ６９を冷却するにはこれだけでは不十分であり、加熱によりフラッシュランプ６９の劣化が促進されて寿命が短くなったり破裂するおそれもある。

このため、本実施形態の熱処理装置１においては、冷却ボックス２０の噴出孔２２からフラッシュランプ６９に向けて窒素ガスを噴出するようにしている。このときに、バッファ空間２１内の気圧が冷却ボックス２０の周囲の気圧の略２倍以上となるようにガス供給部３０がバッファ空間２１に窒素ガスを供給する。具体的には、バッファ空間２１内の気圧を測定する圧力計３６の測定結果に基づいて制御部３がレギュレータ３２を制御してバッファ空間２１に供給する窒素ガスの流量を調整しても良いし、オペレータが圧力計３６を監視しつつレギュレータ３２を調整しても良い。通常、ランプハウス５内部の冷却ボックス２０の周囲の気圧は概ね大気圧（101325Pa）程度であるため、バッファ空間２１内の気圧が０．１９ＭＰａ以上、すなわちバッファ空間２１内の気圧が冷却ボックス２０周囲の気圧の略２倍以上となるようにガス供給部３０がバッファ空間２１に窒素ガスを供給する。

バッファ空間２１内の気圧が冷却ボックス２０の周囲の気圧の略２倍以上になると、複数の噴出孔２２のそれぞれからは遷音速以上の流速の窒素ガス流が噴出されることとなる。本明細書における「遷音速」とは、約マッハ０．７以上である。バッファ空間２１内の気圧が冷却ボックス２０の周囲の気圧の略２倍を超えて高くなるほど、より高速の窒素ガスが噴出孔２２から噴出されることとなる。

第１実施形態においては、複数の噴出孔２２のそれぞれから複数のフラッシュランプ６９のいずれかに向けて窒素ガスが噴出されるため、各フラッシュランプ６９には遷音速以上の流速の窒素ガス流が直接吹き付けられることとなる。また、フラッシュランプ６９は水平方向に沿って配設され、噴出孔２２が鉛直方向に沿って形設されているため、フラッシュランプ６９の放電管に対して垂直に遷音速以上の流速の窒素ガス流が吹き付けられる。さらに、ガス供給部３０から供給された窒素ガスが一旦バッファ空間２１に貯留されてから複数の噴出孔２２より噴出されるので、複数の噴出孔２２のそれぞれからフラッシュランプ６９に均一に窒素ガス流を噴出することができる。

給気ポート５５および排気ポート５６によってリフレクタ５２とランプ光放射窓５３との間に形成される気流は比較的流速が遅く層流となりやすい。層流がフラッシュランプ６９の放電管の周囲に流れると、気流の粘性と放電管の管壁の摩擦とによって該管壁と外気との界面に静止気体層が形成されるため、気体と放電管との熱交換が抑制されるのである。これに対して、噴出孔２２から噴出された遷音速以上の流速の窒素ガス流はレイノルズ数の高い乱流である。このため、放電管の管壁と窒素ガス流との界面に静止気体層が形成されにくく、窒素ガスと放電管との間の熱交換が活発に行われることなる。その結果、各フラッシュランプ６９が効果的に冷却されることとなり、各フラッシュランプ６９の温度上昇を抑制して劣化を防止し、放電管の寿命を延ばすことが可能となる。フラッシュランプ６９の温度上昇を抑制できれば、ランプの破裂を防止できるのは勿論である。また、フラッシュランプ６９を効果的に冷却することができれば、ホットプレート７１による半導体ウェハーＷの予備加熱温度を高く設定することができ、半導体ウェハーＷのアニール処理の処理条件をも幅広いものとすることができる。なお、冷却ボックス２０から噴出された窒素ガスは排気ポート５６から外部へと排気される。

＜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は概ね図１，４に示した第１実施形態の装置構成と同じであり、また第２実施形態の熱処理装置における半導体ウェハーＷの処理手順についても第１実施形態と同一である。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、冷却ボックス２０に設けられた複数の噴出孔２２の配置である。

図７は、第２実施形態における噴出孔２２の配置を示す平面図である。第２実施形態においては、複数の噴出孔２２が千鳥状に配置されており、複数の噴出孔２２のそれぞれは複数のフラッシュランプ６９の配列におけるランプ間の隙間の直上に位置するように設けられている。従って、バッファ空間２１に供給された窒素ガスは、複数の噴出孔２２のそれぞれから隣接するフラッシュランプ６９間の隙間に向けて噴出される。なお、各噴出孔２２の形状は第１実施形態と同じである。

第２実施形態においても、バッファ空間２１内の気圧が冷却ボックス２０の周囲の気圧の略２倍以上となるようにガス供給部３０がバッファ空間２１に窒素ガスを供給する。よって、複数の噴出孔２２のそれぞれからは遷音速以上の流速の窒素ガス流が噴出される。第２実施形態においては、複数の噴出孔２２のそれぞれから隣接するフラッシュランプ６９間の隙間に向けて窒素ガスが噴出されるため、各フラッシュランプ６９に直接には遷音速以上の流速の窒素ガス流が吹き付けられるものではない。しかしながら、噴出孔２２から噴出された遷音速以上の流速の窒素ガス流は乱流であり、当該噴出孔２２を挟んで配置された隣接するフラッシュランプ６９の双方の放電管の管壁側面に乱流の窒素ガス流が流れることとなる。

このため、第１実施形態と同様に、フラッシュランプ６９の放電管の管壁と窒素ガス流との界面に静止気体層が形成されることはなく、窒素ガスと放電管との間の熱交換が活発に行われることなる。その結果、各フラッシュランプ６９が効果的に冷却されることとなり、各フラッシュランプ６９の温度上昇を抑制して劣化を防止し、放電管の寿命を延ばすことが可能となる。また、第１実施形態と同様に、ホットプレート７１による半導体ウェハーＷの予備加熱温度を高く設定することができ、半導体ウェハーＷのアニール処理の処理条件を幅広いものとすることができる。しかも、第２実施形態においては、１つの噴出孔２２によって２本のフラッシュランプ６９を冷却することができるため、各フラッシュランプ６９の直上に噴出孔２２を形成するのに比較して冷却ボックス２０に設ける噴出孔２２の総数を少なくすることが可能である。よって、より少ない窒素ガス流量にてバッファ空間２１内の気圧を冷却ボックス２０の周囲の気圧の略２倍以上とすることができ、容易に遷音速以上の流速の窒素ガス流を噴出することができる。

＜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。例えば、第１実施形態において、複数の噴出孔２２を千鳥状に配置するとともに、複数の噴出孔２２のそれぞれを複数のフラッシュランプ６９のいずれかの直上に形設するようにしても良い。また、第２実施形態において、複数の噴出孔２２を格子状に配置するとともに、複数の噴出孔２２のそれぞれを複数のフラッシュランプ６９の配列におけるランプ間の隙間の直上に形設するようにしても良い。

複数の噴出孔２２を格子状に配置した方がより多量の窒素ガスを噴出することができ、窒素ガスの乱流とフラッシュランプ６９の放電管との接触面積を大きくして冷却効果を高めることができる。一方、複数の噴出孔２２を千鳥状に配置すれば、噴出孔２２の総数を少なくすることができ、冷却ボックス２０に供給する窒素ガスがより少量であっても容易に遷音速以上の流速の窒素ガス流を形成することができる。また、噴出孔２２をフラッシュランプ６９の直上に配置した方がより大きな冷却効果を得られるが、上述の如くフラッシュランプ６９間の隙間直上に配置した方が容易に遷音速以上の流速の窒素ガス流を形成することができる。

また、上記実施形態においては、遷音速以上の流速の窒素ガス流をフラッシュランプ６９に噴出するようにしていたが、フラッシュランプ６９に吹き付けるガス種は窒素ガスに限定されるものではなく、冷却能を有するガスであれば良く、例えば空気であっても良い。もっとも、遷音速以上の流速のガス流を形成するためには多量のガスを消費するため、コスト上昇を抑制する観点からは安価な空気または窒素ガスが好ましい。

また、上記各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６９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６９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６９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、上記各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。 ホットプレートを示す平面図である。 図１の熱処理装置の構成を示す側断面図である。 冷却ボックスの構成を模式的に示す図である。 噴出孔の配置の一例を示す平面図である。 噴出孔の配置の他の例を示す平面図である。

符号の説明

１ 熱処理装置
３ 制御部
４ 保持部昇降機構
５ ランプハウス
６ チャンバー
７ 保持部
２０ 冷却ボックス
２１ バッファ空間
２２ 噴出孔
３０ ガス供給部
５２ リフレクタ
５３ ランプ光放射窓
６１ チャンバー窓
６５ 熱処理空間
６９ フラッシュランプ
７１ ホットプレート
７２ サセプタ
Ｗ 半導体ウェハー

Claims (8)

1. 基板に対してフラッシュ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、
   基板を保持する保持部と、
   棒状の放電管から前記保持部に保持された基板に向けてフラッシュ光を出射するフラッシュランプと、
   バッファ空間を内蔵するとともに、前記バッファ空間に連通して前記フラッシュランプに向かう噴出孔を有する気体貯留部と、
   前記バッファ空間内の気圧が前記気体貯留部の周囲の気圧の２倍以上となるように前記バッファ空間に気体を供給して前記噴出孔から前記フラッシュランプに向けて遷音速以上の流速の気体を吹き付けさせる気体供給手段と、
   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、
   前記噴出孔の径は０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であることを特徴とする熱処理装置。
3. 基板に対してフラッシュ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、
   基板を保持する保持部と、
   棒状の放電管から前記保持部に保持された基板に向けてフラッシュ光を出射する複数のフラッシュランプを配列して有する光源と、
   バッファ空間を内蔵するとともに、前記バッファ空間に連通して前記光源に向かう複数の噴出孔を有する気体貯留部と、
   前記バッファ空間内の気圧が前記気体貯留部の周囲の気圧の２倍以上となるように前記バッファ空間に気体を供給して前記複数の噴出孔から前記光源に向けて遷音速以上の流速の気体を吹き付けさせる気体供給手段と、
   を備え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、
   前記複数の噴出孔のそれぞれは前記複数のフラッシュランプのいずれかに向けて気体を噴出するように前記気体貯留部に形成されていることを特徴とする熱処理装置。
5. 請求項３記載の熱処理装置において、
   前記複数の噴出孔のそれぞれは前記複数のフラッシュランプの配列におけるランプ間の隙間に向けて気体を噴出するように前記気体貯留部に形成されていることを特徴とする熱処理装置。
6. 請求項３から請求項５のいずれかに記載の熱処理装置において、
   前記複数の噴出孔のそれぞれの径は０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であることを特徴とする熱処理装置。
7. 請求項３から請求項６のいずれかに記載の熱処理装置において、
   前記保持部は、フラッシュ光照射の前に保持する基板を予備加熱する予備加熱機構を備えることを特徴とする熱処理装置。
8. 基板に対してフラッシュ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、
   基板を保持する保持部と、
   棒状の放電管から前記保持部に保持された基板に向けてフラッシュ光を出射するフラッシュランプと、
   前記フラッシュランプに向けて遷音速以上の流速の気体を吹き付ける気体噴出部と、
   を備えることを特徴とする熱処理装置。

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