JP5238729B2 - Heat treatment method and heat treatment apparatus - Google Patents
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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および熱処理装置に関する。 The present invention relates to a heat treatment method and a heat treatment apparatus for heating a substrate by irradiating light onto a semiconductor wafer, a glass substrate for a liquid crystal display device or the like (hereinafter simply referred to as “substrate”).
従来より、短時間アニールが可能な装置として、ハロゲンランプより照射される光のエネルギーを利用して毎秒数百度程度の速度で半導体ウェハーを昇温する高速ランプアニール装置が使用されていた(例えば、特許文献1)。短時間アニールとは言っても、カンタルヒータ等を使用した抵抗加熱方式の熱処理装置と比較すればの話であり、そのアニール時間は概ね数秒程度であった。 Conventionally, as a device capable of short-time annealing, a high-speed lamp annealing device that uses a light energy irradiated from a halogen lamp to raise the temperature of a semiconductor wafer at a speed of about several hundred degrees per second has been used (for example, Patent Document 1). Even if it is short-time annealing, it is a story compared with a resistance heating type heat treatment apparatus using a cantal heater or the like, and the annealing time was about several seconds.
一方、より短時間のアニールが可能な装置として、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)を照射するフラッシュランプアニール装置が知られている(例えば、特許文献2)。キセノンフラッシュランプのフラッシュ光照射時間は10ミリ秒以下の極めて短時間である。また、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、10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、フラッシュランプアニール装置は、イオン注入後の半導体ウェハーのイオン活性化処理に好適であり、イオンの熱拡散を生じさせることなくイオン活性化のみを行って浅い接合を形成することができる。 On the other hand, a flash lamp annealing apparatus that uses a xenon flash lamp to irradiate the surface of a semiconductor wafer with flash light (flash light) is known as an apparatus that can perform annealing in a shorter time (for example, Patent Document 2). The flash light irradiation time of the xenon flash lamp is an extremely short time of 10 milliseconds or less. The xenon flash lamp has a radiation spectral distribution from the ultraviolet region to the near-infrared region, which has a shorter wavelength than that of a conventional halogen lamp, and almost coincides with the fundamental absorption band of a silicon semiconductor wafer. Therefore, when the semiconductor wafer is irradiated with flash light from the xenon flash lamp, the semiconductor wafer can be rapidly heated with little transmitted light. Further, it has been found that if the flash light irradiation is performed for an extremely short time of 10 milliseconds or less, only the vicinity of the surface of the semiconductor wafer can be selectively heated. For this reason, the flash lamp annealing apparatus is suitable for ion activation treatment of a semiconductor wafer after ion implantation, and can form a shallow junction by performing only ion activation without causing thermal diffusion of ions.
また、フラッシュランプアニール装置よりもさらに短時間のアニールが可能な装置としてはレーザアニール装置がある。レーザアニール装置は、数十ナノ秒のパルスレーザをX−Y両方向にスキャンさせてアニールする装置である。 As an apparatus capable of annealing in a shorter time than a flash lamp annealing apparatus, there is a laser annealing apparatus. The laser annealing apparatus is an apparatus that anneals by scanning a pulse laser of several tens of nanoseconds in both X and Y directions.
しかしながら、従来においては、ハロゲンランプを使用した高速ランプアニール装置とフラッシュランプアニール装置との中間域のアニール時間を実現できる技術が存在しなかった。すなわち、半導体ウェハーの主面各位置におけるアニール時間が10ミリ秒〜1秒程度となる熱処理装置が存在しなかった。近年、このような中間域のアニール時間での熱処理がトランジスタ製作における活性化処理や金属処理、また配線処理工程などの各種工程で必要とされつつある。 However, conventionally, there has been no technology that can realize an annealing time in an intermediate region between a high-speed lamp annealing apparatus using a halogen lamp and a flash lamp annealing apparatus. That is, there has been no heat treatment apparatus in which the annealing time at each position on the main surface of the semiconductor wafer is about 10 milliseconds to 1 second. In recent years, such heat treatment with an intermediate annealing time has been required in various processes such as activation processing, metal processing, and wiring processing in transistor fabrication.
ハロゲンランプによって上記中間域のアニール時間を実現しようとすれば、より大きな出力が必要なるためにフィラメントを太くしなければならず、そうすると熱量量が大きくなって却って昇温降温速度が遅くなるという問題が生じる。 If an intermediate annealing time is to be realized with a halogen lamp, the filament must be made thicker because a larger output is required. If this is done, the amount of heat increases and the temperature rise / fall rate slows down. Occurs.
また、レーザアニール装置においては、パルスレーザが半導体ウェハー上の各位置に留まる時間を長くすれば、理論上は上記中間域のアニール時間を達成することもできる。ところが、パルスレーザが特定位置に留まる時間が長くなると、露光されていない領域まで昇温されて、昇温の重ね合わせ部分に生じるスイッチングという現象が顕著となる。より大きな問題として、パルスレーザが各位置に留まる時間が長くなった結果、1枚の半導体ウェハーを処理するのに1時間程度を要することとなり、現実味のないスループットとなる。 In the laser annealing apparatus, the annealing time in the intermediate region can theoretically be achieved by increasing the time during which the pulse laser stays at each position on the semiconductor wafer. However, when the time during which the pulse laser stays at a specific position becomes long, the temperature rises to an unexposed area, and the phenomenon of switching that occurs in the overlapping portion of the temperature rise becomes significant. As a larger problem, as a result of the longer time that the pulse laser stays at each position, it takes about one hour to process one semiconductor wafer, resulting in an unrealistic throughput.
また、単に急速に昇温して急速に降温するだけでなく、アニール時の温度プロファイルを自由に変更したいという要望もある。 Further, there is a demand not only to rapidly raise the temperature and to rapidly lower the temperature, but also to freely change the temperature profile during annealing.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、アニール時のアニール時間および温度プロファイルを自由に設定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。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a heat treatment apparatus capable of freely setting an annealing time and a temperature profile during annealing.
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、フラッシュランプに接続された絶縁ゲートバイポーラトランジスタのゲートに複数パルスを含むパルス信号を出力し、前記パルス信号がオンになるタイミングと同期して前記フラッシュランプのトリガー電極にトリガー電圧を印加することによって前記フラッシュランプの発光をチョッパ制御して基板に複数回の光照射を行って基板表面を加熱することを特徴とする。
In order to solve the above problems, the invention of
また、請求項2の発明は、基板に対して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、フラッシュランプに接続された絶縁ゲートバイポーラトランジスタのゲートに複数パルスを含むパルス信号を出力し、前記フラッシュランプのトリガー電極に一定間隔でトリガー電圧を印加することによって前記フラッシュランプの発光をチョッパ制御して基板に複数回の光照射を行って基板表面を加熱することを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the heat treatment method for heating the substrate by irradiating the substrate with light, a pulse signal including a plurality of pulses is output to the gate of the insulated gate bipolar transistor connected to the flash lamp. The substrate surface is heated by chopper-controlling the light emission of the flash lamp by applying a trigger voltage to the trigger electrode of the flash lamp at regular intervals to irradiate the substrate with light several times .
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方法において、基板に複数回の光照射を行うことによって基板の表面温度が昇温と降温とを繰り返すことを特徴とする。
The invention according to
また、請求項4の発明は、基板に対して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手段と、前記保持手段に保持された基板に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、コンデンサおよびコイルと直列に接続された絶縁ゲートバイポーラトランジスタと、前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタのゲートに複数のパルスを含むパルス信号を出力することによって前記フラッシュランプの発光をチョッパ制御して基板に複数回の光照射を行わせる制御手段と、前記フラッシュランプに付設されたトリガー電極と、前記パルス信号がオンになるタイミングと同期して前記トリガー電極にトリガー電圧を印加するトリガー回路と、を備えることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in a heat treatment apparatus for heating a substrate by irradiating the substrate with light, a holding unit for holding the substrate and a flash for irradiating the substrate held by the holding unit with light. A lamp, an insulated gate bipolar transistor connected in series with the flash lamp, a capacitor and a coil, and a chopper control of light emission of the flash lamp by outputting a pulse signal including a plurality of pulses to the gate of the insulated gate bipolar transistor And a trigger circuit for applying a trigger voltage to the trigger electrode in synchronism with the timing when the pulse signal is turned on. And .
また、請求項5の発明は、基板に対して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手段と、前記保持手段に保持された基板に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、コンデンサおよびコイルと直列に接続された絶縁ゲートバイポーラトランジスタと、前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタのゲートに複数のパルスを含むパルス信号を出力することによって前記フラッシュランプの発光をチョッパ制御して基板に複数回の光照射を行わせる制御手段と、前記フラッシュランプに付設されたトリガー電極と、前記トリガー電極に一定間隔でトリガー電圧を印加するトリガー回路と、を備えることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in a heat treatment apparatus for heating a substrate by irradiating the substrate with light, a holding unit for holding the substrate, and a flash for irradiating the substrate held by the holding unit with light. A lamp, an insulated gate bipolar transistor connected in series with the flash lamp, a capacitor and a coil, and a chopper control of light emission of the flash lamp by outputting a pulse signal including a plurality of pulses to the gate of the insulated gate bipolar transistor and control means for causing the plurality of light radiated onto the substrate, and a trigger electrode which is attached to the flash lamp, and a trigger circuit for applying a trigger voltage at regular intervals to said trigger electrode, and wherein the obtaining Bei the To do.
請求項1から請求項3の発明によれば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタのゲートに複数パルスを含むパルス信号を出力することによってフラッシュランプの発光をチョッパ制御して基板に複数回の光照射を行って基板表面を加熱するため、アニール時のアニール時間および温度プロファイルを自由に設定することができる。 According to the first to third aspects of the present invention, a pulse signal including a plurality of pulses is output to the gate of the insulated gate bipolar transistor to control the light emission of the flash lamp to perform light irradiation on the substrate a plurality of times. Since the substrate surface is heated, the annealing time and temperature profile during annealing can be freely set.
また、請求項4および請求項5の発明によれば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタのゲートに複数のパルスを含むパルス信号を出力することによって前記フラッシュランプの発光をチョッパ制御して基板に複数回の光照射を行うため、アニール時のアニール時間および温度プロファイルを自由に設定することができる。
Further, according to the invention of
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
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に光を照射してその半導体ウェハーWを加熱するランプアニール装置である。
First, the overall configuration of the heat treatment apparatus according to the present invention will be outlined. FIG. 1 is a side sectional view showing a configuration of a
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。
The
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。
The
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。
The
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。
The
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(O2)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。
The
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。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the
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(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。
The
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。
A
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5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。
The
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。
On the upper surface of the moving
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。
The holding
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。
A telescopic bellows 47 that surrounds the
図3は、保持部7の構成を示す断面図である。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。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of the holding unit 7. The holding unit 7 is installed on a hot plate (heating plate) 71 that preheats the semiconductor wafer W (so-called assist heating), and an upper surface of the hot plate 71 (a surface on the side where the holding unit 7 holds the semiconductor wafer W). The
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76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。
The
図4は、ホットプレート71を示す平面図である。図4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。
FIG. 4 is a plan view showing the
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76が周回するように配設されてヒータが個別に形成されており、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。
In each of the six
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76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76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。
When the
6つのゾーン711〜716にそれぞれ配設される抵抗加熱線76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。
The
次に、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。
Next, the
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。 Each of the plurality of flash lamps FL is a rod-shaped lamp having a long cylindrical shape, and the longitudinal direction of each of the flash lamps FL is along the main surface of the semiconductor wafer W held by the holding unit 7 (that is, along the horizontal direction). They are arranged in a plane so as to be parallel to each other. Therefore, the plane formed by the arrangement of the flash lamps FL is also a horizontal plane.
図6は、フラッシュランプFLの駆動回路を示す図である。同図に示すように、コンデンサ93と、コイル94と、フラッシュランプFLと、スイッチング素子96とが直列に接続されている。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陽極および陰極が配設された棒状のガラス管(放電管)92と、該ガラス管92の外周面上に付設されたトリガー電極91とを備える。コンデンサ93には、電源ユニット95によって所定の電圧が印加され、その印加電圧に応じた電荷が充電される。また、トリガー電極91にはトリガー回路97から電圧を印加することができる。トリガー回路97がトリガー電極91に電圧を印加するタイミングは制御部3によって制御される。
FIG. 6 is a diagram showing a driving circuit for the flash lamp FL. As shown in the figure, a
本実施の形態では、スイッチング素子96として絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT;Insulated gate bipolar transistor)を用いている。IGBTは、ゲート部にMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field effect transistor)を組み込んだバイポーラトランジスタであり、大電力を取り扱うのに適したスイッチング素子である。スイッチング素子96のゲートには制御部3のパルス発生器31からパルス信号が印加される。
In the present embodiment, an insulated gate bipolar transistor (IGBT) is used as the switching
コンデンサ93が充電された状態でスイッチング素子96のゲートにパルスが出力されてガラス管92の両端電極に高電圧が印加されたとしても、キセノンガスは電気的には絶縁体であることから、通常の状態ではガラス管92内に電気は流れない。しかしながら、トリガー回路97がトリガー電極91に電圧を印加して絶縁を破壊した場合にはガラス管92内の両端電極間で電流が瞬時に流れ、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。
Even when a pulse is output to the gate of the switching
また、図1のリフレクタ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。
Further, the
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構成される。また、制御部3は、パルス発生器31および波形設定部32を備えるとともに、入力部33に接続されている。入力部33としては、キーボード、マウス、タッチパネル等の種々の公知の入力機器を採用することができる。入力部33からの入力内容に基づいて波形設定部32がパルス信号の波形を設定し、その波形に従ってパルス発生器31がパルス信号を発生する。
The
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1,5参照)。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。
In addition to the above configuration, the
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説明する。まず、保持部7が図5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に光照射が行われるときの保持部7の位置であり、図5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。
Next, a processing procedure for the semiconductor wafer W in the
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。
Next, when the holding unit 7 is lowered to the delivery position, the
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。
The purge amount of nitrogen gas into the
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に保持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。
When the semiconductor wafer W is loaded into the
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)に個別に内蔵されたヒータ(抵抗加熱線76)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はホットプレート71に内蔵されたヒータによって予備加熱されて温度が次第に上昇する。
Each of the six
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。
Preheating for about 60 seconds is performed at this processing position, and the temperature of the semiconductor wafer W rises to a preset preheating temperature T1. The preheating temperature T1 is set to about 200 ° C. to 800 ° C., preferably about 350 ° C. to 550 ° C., in which impurities added to the semiconductor wafer W are not likely to diffuse due to heat. Further, the distance between the holding unit 7 and the
約60秒間の予備加熱時間が経過した後、フラッシュランプFLによる半導体ウェハーWの光照射加熱(アニール)が開始される。フラッシュランプFLからの光照射を行うに際しては、予め電源ユニット95によってコンデンサ93に電荷を蓄積しておく。そして、コンデンサ93に電荷が蓄積された状態にて、制御部3のパルス発生器31からスイッチング素子96にパルス信号を出力する。
After the preheating time of about 60 seconds elapses, light irradiation heating (annealing) of the semiconductor wafer W by the flash lamp FL is started. When irradiating light from the flash lamp FL, charges are accumulated in the
図7は、パルス信号の波形と回路に流れる電流および半導体ウェハーWの表面温度との相関の一例を示す図である。ここでは、図7(a)に示すような波形のパルス信号がパルス発生器31から出力される。パルス信号の波形は、入力部33から次の表1に示すようなパラメータを入力することによって規定することができる。
FIG. 7 is a diagram showing an example of the correlation between the waveform of the pulse signal, the current flowing in the circuit, and the surface temperature of the semiconductor wafer W. Here, a pulse signal having a waveform as shown in FIG. 7A is output from the
表1において、Pn、Snはそれぞれパルス幅とスペース幅の長さであり、単位はマイクロ秒である。パルス幅とはパルスが立ち上がっている時間であり、スペース幅とはパルス間の時間である。表1に示すパルス幅、スペース幅およびパルス数の各パラメータをオペレータが入力部33から制御部3に入力すると、制御部3の波形設定部32は図7(a)に示すようなパルス幅の異なる6つのパルスからなるパルス波形を設定する。そして、波形設定部32によって設定されたパルス波形に従ってパルス発生器31がパルス信号を出力する。その結果、スイッチング素子96のゲートには図7(a)のような波形のパルス信号が印加され、スイッチング素子96の駆動が制御されることとなる。
In Table 1, Pn and Sn are the lengths of the pulse width and the space width, respectively, and the unit is microseconds. The pulse width is the time when the pulse rises, and the space width is the time between pulses. When the operator inputs the pulse width, space width, and pulse number parameters shown in Table 1 from the
また、パルス発生器31から出力するパルス信号がONになるタイミングと同期して制御部3がトリガー回路97を制御してトリガー電極91に電圧を印加する。これにより、スイッチング素子96のゲートに入力されるパルス信号がONのときにはガラス管92内の両端電極間で電流が流れ、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。制御部3からスイッチング素子96のゲートに図7(a)の波形のパルス信号を出力するとともに、該パルス信号がONになるタイミングと同期してトリガー電極91に電圧を印加することにより、フラッシュランプFLを含む回路中に図7(b)に示すような電流が流れる。すなわち、スイッチング素子96のゲートに入力されるパルス信号がONのときだけフラッシュランプFLのガラス管92内に電流が流れて発光することとなる。なお、各パルスに対応する個々の電流波形はコイル94の定数によって規定される。
Further, in synchronization with the timing when the pulse signal output from the
図7(b)のような電流が流れてフラッシュランプFLが発光することによって、処理位置の保持部7に保持された半導体ウェハーWの光照射加熱が行われ、その表面温度は図7(c)に示すように変化する。従来のように、スイッチング素子96を使用することなくフラッシュランプFLを発光させた場合には、その光が照射時間0.1ミリ秒ないし10ミリ秒程度の極めて短く強い閃光となり、半導体ウェハーWの表面温度も数ミリ秒程度で最高温度に到達することとなる。これに対して、本実施の形態のように、回路中にスイッチング素子96を接続してそのゲートに図7(a)のようなパルス信号を出力することにより、いわばフラッシュランプFLの発光がチョッパ制御されることとなり、半導体ウェハーWの表面温度が従来のフラッシュ加熱に比較すると長時間(10ミリ秒〜15ミリ秒)をかけて最高温度に到達することとなる。なお、半導体ウェハーWの表面温度が到達する最高温度は従来のフラッシュ加熱とほぼ同程度の1000℃ないし1100℃程度の処理温度T2である。
When the current as shown in FIG. 7B flows and the flash lamp FL emits light, the semiconductor wafer W held by the holding portion 7 at the processing position is heated by light irradiation, and the surface temperature thereof is as shown in FIG. ). When the flash lamp FL is caused to emit light without using the switching
光照射加熱が終了し、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の光照射アニール処理が完了する。
After the light irradiation heating is finished and the standby for about 10 seconds at the processing position, the holding unit 7 is lowered again to the delivery position shown in FIG. 1 by the holding
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。
As described above, nitrogen gas is continuously supplied to the
ところで、上記の例では、図7(a)のようなパルス信号をスイッチング素子96のゲートに出力することによって、フラッシュランプFLに図7(b)のような電流を流して発光させ、半導体ウェハーWの表面温度を比較的長時間をかけて昇温していた。フラッシュランプFLの発光タイミングは図7の例に限定されるものではなく、スイッチング素子96のゲートに出力するパルス信号の波形を変更することによって自在に制御することが可能である。そして、パルス信号の波形の変更は、入力部33から容易に行うことができる。
By the way, in the above example, by outputting a pulse signal as shown in FIG. 7A to the gate of the switching
例えば、入力部33から以下の表2に示すようなパラメータを入力すると、上記と同様に、制御部3の波形設定部32が図8(a)に示すようなパルス波形を設定する。そして、波形設定部32によって設定されたパルス波形に従ってパルス発生器31が図8(a)のパルス信号をスイッチング素子96のゲートに出力する。
For example, when parameters as shown in Table 2 below are input from the
また、予めコンデンサ93には電荷が蓄積されており、パルス発生器31から出力するパルス信号がONになるタイミングと同期して制御部3がトリガー回路97を制御してトリガー電極91に電圧を印加する。これにより、フラッシュランプFLに図8(b)に示すような電流が流れて発光し、保持部7に保持された半導体ウェハーWの光照射加熱が行われ、その表面温度は図8(c)に示すように変化する。図8(c)の温度プロファイルでは、比較的短時間のうちに半導体ウェハーWの表面温度が最高温度に到達し、その後一定時間の間その温度を維持している。すなわち、図8(a)のように、最初のパルスの幅を比較的長くし、その後比較的短い幅のパルスを繰り返す波形を設定し、その波形に従ったパルス信号をスイッチング素子96のゲートに出力することによって、半導体ウェハーWの表面温度が昇温後に一定温度を維持するような温度プロファイルを描くことができるのである。
In addition, electric charge is accumulated in the
また、入力部33から表3に示すようなパラメータを入力すると、上記と同様に、制御部3の波形設定部32が図9(a)に示すようなパルス波形を設定する。そして、波形設定部32によって設定されたパルス波形に従ってパルス発生器31が図9(a)のパルス信号をスイッチング素子96のゲートに出力する。
When parameters as shown in Table 3 are input from the
また、上記と同様に、予めコンデンサ93には電荷が蓄積されており、パルス発生器31から出力するパルス信号がONになるタイミングと同期して制御部3がトリガー回路97を制御してトリガー電極91に電圧を印加する。これにより、フラッシュランプFLに図9(b)に示すような電流が流れて発光し、保持部7に保持された半導体ウェハーWの光照射加熱が行われ、その表面温度は図9(c)に示すように変化する。図9(c)の温度プロファイルでは、半導体ウェハーWの表面温度が降温と昇温を繰り返す。
Similarly to the above, electric charge is accumulated in the
以上のように、本実施形態においては、フラッシュランプFLの駆動回路にIGBTのスイッチング素子96を直列に接続し、そのスイッチング素子96のゲートにパルス信号を出力することによってフラッシュランプFLの発光をチョッパ制御(オンオフ制御)している。スイッチング素子96のゲートに印加するパルス信号の波形は、入力部33からパルス幅、スペース幅およびパルス数を入力することによって自由に設定することが可能である。そして、スイッチング素子96のゲートに出力するパルス信号の波形を変更することによって、フラッシュランプFLに流れる電流の波形が変化して発光態様も変化する。その結果、半導体ウェハーWの表面温度が描く温度プロファイルも変化することとなる。すなわち、スイッチング素子96のゲートに出力するパルス信号の波形を変更することによって、フラッシュランプFLの光照射アニール時間および半導体ウェハーWの表面温度の温度プロファイルを自由に設定することができるのである。
As described above, in this embodiment, the switching
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、スイッチング素子96のゲートに出力するパルス信号の波形を3パターン例示していたが、パルス信号の波形は図7から図9の3パターンに限定されるものではなく、任意の波形とすることが可能である。具体的には、入力部33からパルス幅、スペース幅およびパルス数等のパラメータを入力し、それに基づいて波形設定部32がパルス信号の波形を設定する。従って、例えば、パルス数が1つだけのパルス信号をパルス発生器31から出力することも可能である。すなわち、スイッチング素子96のゲートに出力するパルス信号は1以上のパルスを含むものであれば任意の波形を設定することが可能である。
While the embodiments of the present invention have been described above, the present invention can be modified in various ways other than those described above without departing from the spirit of the present invention. For example, in the above-described embodiment, three patterns of the waveform of the pulse signal output to the gate of the switching
また、パルス信号の波形の設定は、入力部33から逐一パルス幅等のパラメータを入力することに限定されるものではなく、例えば、オペレータが入力部33から波形を直接グラフィカルに入力するようにしても良いし、以前に設定されて磁気ディスク等の記憶部に記憶されていた波形を読み出すようにしても良いし、或いは熱処理装置1の外部からダウンロードするようにしても良い。
The setting of the waveform of the pulse signal is not limited to inputting parameters such as the pulse width one by one from the
また、上記実施形態においては、スイッチング素子96としてIGBTを使用していたが、これに限定されるものではなく、IGBT以外の他のトランジスタであっても良いし、入力されたパルス信号の波形に応じて回路をオンオフできる素子であれば良い。もっとも、フラッシュランプFLの発光には相当に大きな電力が消費されるため、大電力の取り扱いに適したIGBTやGTO(Gate Turn Off)サイリスタをスイッチング素子96として採用するのが好ましい。
In the above-described embodiment, the IGBT is used as the switching
また、上記実施形態においては、パルス信号がONになるタイミングと同期してトリガー電極91に電圧を印加するようにしていたが、トリガー電圧を印加するタイミングはこれに限定されるものではなく、パルス信号の波形とは無関係に一定間隔で印加するようにしても良い。また、パルス信号のスペース幅が狭く、あるパルスによってフラッシュランプFLを流れた電流の電流値が所定値以上残っている状態で次のパルスによって通電を開始されるような場合であれば、そのままフラッシュランプFLに電流が流れ続けるため、パルス毎にトリガー電圧を印加する必要はない。上記実施形態の図8のように、パルス信号の全てのスペース幅が狭い場合には、最初のパルスが印加されたときのみにトリガー電圧を印加するようにしても良く、その後はトリガー電圧を印加せずともスイッチング素子96のゲートに図8(a)のパルス信号を出力するだけで図8(b)のような電流波形を形成することができる。つまり、パルス信号がONになるときに、フラッシュランプFLに電流が流れるタイミングであれば、トリガー電圧の印加タイミングは任意である。
In the above embodiment, the voltage is applied to the
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。
In the above embodiment, the
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、液晶表示装置などに用いるガラス基板であっても良い。 The substrate to be processed by the heat treatment apparatus according to the present invention is not limited to a semiconductor wafer, and may be a glass substrate used for a liquid crystal display device or the like.
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
31 パルス発生器
32 波形設定部
33 入力部
60 上部開口
61 チャンバー窓
65 熱処理空間
71 ホットプレート
72 サセプタ
91 トリガー電極
92 ガラス管
93 コンデンサ
94 コイル
96 スイッチング素子
97 トリガー回路
FL フラッシュランプ
W 半導体ウェハー
DESCRIPTION OF
Claims (5)
フラッシュランプに接続された絶縁ゲートバイポーラトランジスタのゲートに複数パルスを含むパルス信号を出力し、前記パルス信号がオンになるタイミングと同期して前記フラッシュランプのトリガー電極にトリガー電圧を印加することによって前記フラッシュランプの発光をチョッパ制御して基板に複数回の光照射を行って基板表面を加熱することを特徴とする熱処理方法。 A heat treatment method for heating a substrate by irradiating the substrate with light,
By outputting a pulse signal including a plurality of pulses to the gate of the insulated gate bipolar transistor connected to the flash lamp, and applying a trigger voltage to the trigger electrode of the flash lamp in synchronization with the timing when the pulse signal is turned on A heat treatment method comprising heating a substrate surface by performing light irradiation on the substrate a plurality of times by controlling the light emission of the flash lamp.
フラッシュランプに接続された絶縁ゲートバイポーラトランジスタのゲートに複数パルスを含むパルス信号を出力し、前記フラッシュランプのトリガー電極に一定間隔でトリガー電圧を印加することによって前記フラッシュランプの発光をチョッパ制御して基板に複数回の光照射を行って基板表面を加熱することを特徴とする熱処理方法。 A heat treatment method for heating a substrate by irradiating the substrate with light,
A pulse signal including a plurality of pulses is output to the gate of an insulated gate bipolar transistor connected to the flash lamp, and a trigger voltage is applied to the trigger electrode of the flash lamp at regular intervals to control the emission of the flash lamp by chopper control. A heat treatment method comprising heating a substrate surface by irradiating the substrate with a plurality of times of light irradiation .
基板に複数回の光照射を行うことによって基板の表面温度が昇温と降温とを繰り返すことを特徴とする熱処理方法。 In the heat processing method of Claim 1 or Claim 2 ,
A heat treatment method, wherein the surface temperature of the substrate is repeatedly raised and lowered by irradiating the substrate a plurality of times .
基板を保持する保持手段と、
前記保持手段に保持された基板に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、コンデンサおよびコイルと直列に接続された絶縁ゲートバイポーラトランジスタと、
前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタのゲートに複数のパルスを含むパルス信号を出力することによって前記フラッシュランプの発光をチョッパ制御して基板に複数回の光照射を行わせる制御手段と、
前記フラッシュランプに付設されたトリガー電極と、
前記パルス信号がオンになるタイミングと同期して前記トリガー電極にトリガー電圧を印加するトリガー回路と、
を備えることを特徴とする熱処理装置。 A heat treatment apparatus for heating a substrate by irradiating the substrate with light,
Holding means for holding the substrate;
A flash lamp for irradiating light onto the substrate held by the holding means;
An insulated gate bipolar transistor connected in series with the flash lamp, capacitor and coil;
Control means for performing chopper control of light emission of the flash lamp by outputting a pulse signal including a plurality of pulses to the gate of the insulated gate bipolar transistor to perform light irradiation on the substrate a plurality of times;
A trigger electrode attached to the flash lamp;
A trigger circuit that applies a trigger voltage to the trigger electrode in synchronization with the timing at which the pulse signal is turned on;
A heat treatment apparatus comprising:
基板を保持する保持手段と、
前記保持手段に保持された基板に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、コンデンサおよびコイルと直列に接続された絶縁ゲートバイポーラトランジスタと、
前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタのゲートに複数のパルスを含むパルス信号を出力することによって前記フラッシュランプの発光をチョッパ制御して基板に複数回の光照射を行わせる制御手段と、
前記フラッシュランプに付設されたトリガー電極と、
前記トリガー電極に一定間隔でトリガー電圧を印加するトリガー回路と、
を備えることを特徴とする熱処理装置。 A heat treatment apparatus for heating a substrate by irradiating the substrate with light,
Holding means for holding the substrate;
A flash lamp for irradiating light onto the substrate held by the holding means;
An insulated gate bipolar transistor connected in series with the flash lamp, capacitor and coil;
Control means for performing chopper control of light emission of the flash lamp by outputting a pulse signal including a plurality of pulses to the gate of the insulated gate bipolar transistor to perform light irradiation on the substrate a plurality of times;
A trigger electrode attached to the flash lamp;
A trigger circuit that applies a trigger voltage to the trigger electrode at regular intervals;
A heat treatment apparatus comprising:
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