JP7501177B2 - 光加熱装置及び加熱処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、光加熱装置及び加熱処理方法に関する。

半導体製造プロセスでは、イオン注入法と称されるＳｉ結晶にイオン注入によって不純物を導入する方法が一般的に用いられている。当該方法では、イオン注入時に発生する結晶欠陥を回復させるため、半導体基板を１０００℃以上に加熱する処理が行われる。

そして、近年では、微細化や高集積化と共に、不純物拡散層を薄く形成することが求められており、短時間でムラなく加熱処理ができる加熱装置が求められている。そこで、微細プロセスの半導体基板の加熱処理には、例えば、下記特許文献１に記載されているような、フラッシュランプを用いた光加熱装置が採用されている。

特表２００６－３２４３８９号公報

半導体基板は、瞬間的に室温と１０００℃以上の間で昇降温させると、急激な温度変化によって膨張や収縮が発生し、反りや割れが生じてしまうことがある。そこで、上記特許文献１に記載されている光加熱装置は、フラッシュランプでの加熱の昇降温の温度差を小さくして半導体基板の反りや割れを抑制するために、ハロゲンランプを用いて半導体基板全体が不純物の熱拡散が問題にならない温度まで半導体基板を予め加熱する構成が採用されている。ここで、本明細書において、フラッシュランプによる加熱処理の前に、別の光源を用いて予め所定の温度にまで半導体基板を加熱することを「予備加熱」と称する。予備加熱は、上述した理由の他に、半導体基板の厚み方向の温度勾配を小さくするという目的のためにも実施される。

ここで、本発明者らは、従来の光加熱装置の更なる改善、改良について鋭意検討を行い、従来の光加熱装置に関して、以下のような課題があることを見出した。以下、図面を参照しながら詳細を説明する。

図１３は、従来のフラッシュランプ１０２とハロゲンランプ１０３を備える光加熱装置１００の構成を模式的に示す図面である。図１３に示すように、従来の光加熱装置１００は、チャンバ１０１と、フラッシュランプ１０２と、ハロゲンランプ１０３を備える。

また、チャンバ１０１は、フラッシュランプ１０２とハロゲンランプ１０３から出射される光を内側に取り込むための透光窓１０４と、チャンバ１０１内で加熱対象となる半導体基板Ｗ１を支持するための支持台１０５を備える。なお、チャンバ１０１内を真空にする場合、透光窓１０４をＯリング等によって気密封止するが、図１３においては、このような構造は図示を省略している。

ハロゲンランプ１０３は、フラッシュランプ１０２による加熱が実行される前に点灯され、支持台１０５と伝熱部１０６を介して、チャンバ１０１内に収容された半導体基板Ｗ１を所定の温度で安定するまで予備加熱を行う。

ここで、ハロゲンランプ１０３による予備加熱において、半導体基板Ｗ１の主面Ｗ１ａの温度がどのように変化して安定するのかを説明する。図１４は、従来のハロゲンランプ１０３を予備加熱源として用いた場合の、半導体基板Ｗ１の主面Ｗ１ａの温度の時間変化の一例を示すグラフである。図１４に示すように、半導体基板Ｗ１は、ハロゲンランプ１０３に供給する電力を調整することによって主面Ｗ１ａの温度が目標温度（図１４の例では６００℃）で安定するように予備加熱が実行される。

ハロゲンランプ１０３は、入力電力の変化に対する光出力の追従性が遅い。すなわち、ハロゲンランプ１０３は、電力の供給が停止された後も、しばらくは高い強度の光の出射が継続する。このため、図１４に示すように、半導体基板Ｗ１の温度を目標温度よりもさらに高い温度まで上昇させてしまう、いわゆるオーバーシュートが生じる。

このオーバーシュートが生じるため、ハロゲンランプ１０３による予備加熱は、図１４に示すように、目標温度を何度も通過しながら（図１３では６００℃の前後を変動しながら）、徐々に半導体基板Ｗ１の主面Ｗ１ａの温度を目標温度に向かって収束させる制御が行われる。

予備加熱による温度が安定しない状態でフラッシュランプ１０２による加熱処理を実行する場合について説明する。温度が安定していない状態において、フラッシュランプ１０２による半導体基板の加熱処理が行われると、半導体基板が受ける温度変化の履歴である熱履歴（「サーマルバジェット」とも称される）にバラつきが発生する。

熱履歴は、半導体基板内で発生する熱拡散に影響し、特に、微細プロセスにおいては、不純物拡散層の形成に寄与する。つまり、熱履歴のバラつきが大きいと、不純物拡散層が一様に形成されず、半導体基板毎に基板上に形成された素子の特性が大きく異なってしまう。したがって、予備加熱による温度が安定しない状態でフラッシュランプ１０２による加熱処理を実行する場合は、半導体基板毎に出来栄えが異なってしまう。

このため、ハロゲンランプ１０３による予備加熱が行われる場合、フラッシュランプ１０２による加熱処理は、半導体基板Ｗ１の主面Ｗ１ａの温度が目標温度で安定したところで行う必要がある。

また、上記のオーバーシュートは、目標温度に到達する前にハロゲンランプ１０３への電力供給を減らすなどして抑えることも可能である。さらに、高性能な電力制御器を用いてハロゲンランプ１０３の入力電力を制御することで、ハロゲンランプ１０３の入力電力の変化に対する光出力の追従性を速くすることもできる。

図１５は、高性能な電力制御器を用いてハロゲンランプ１０３の入力電力を制御した場合の、半導体基板Ｗ１の主面Ｗ１ａの温度の時間変化の一例を示すグラフである。図１５に示すように、上述のような制御をした場合でもオーバーシュートは生じるため、点灯を 開始してから温度が安定するまでには時間Ｔ２を要する。図１５は、比較のために、図１４に示すグラフが破線で併記されている。

しかしながら、最近の半導体製造業においては、一つの製造拠点において年間で数十万から数百万枚もの半導体基板が製造されており、一枚ごとの処理にかかる時間が一秒でも短い製造装置や処理装置が期待されている。

本発明は、上記課題に鑑み、より短い時間で半導体基板の加熱処理ができる光加熱装置及び加熱処理方法を提供することを目的とする。

本発明の光加熱装置は、
基板を加熱するための光加熱装置であって、
前記基板を収容するチャンバと、
前記チャンバ内において、前記基板を支持する支持部材と、
前記支持部材に支持された前記基板に向かって光を出射する複数のＬＥＤ素子と、
前記支持部材に支持された前記基板に向かって光を出射するフラッシュランプと、
前記ＬＥＤ素子を点灯させた後、所定の時間経過後に前記フラッシュランプを点灯させる制御を行う第一点灯制御部とを備えることを特徴とする。

ＬＥＤ素子は、ハロゲンランプと比較して、発光原理的に入力電力の変化に対する光出力の追従性が極めて速い。すなわち、ＬＥＤ素子は、電流の供給を低減、又は停止させる制御を行うと、すぐに輝度を低下、又は光の出射を停止させることができる。したがって、基板の予備加熱をＬＥＤ素子で行うと共に、目標温度に達するのに要すると想定された時間の経過後に、ＬＥＤ素子から光出力を低下、又は停止させるように制御することで、目標温度を超えて温度が上昇することを抑制することができる。そして、目標温度に到達後、すぐにフラッシュランプによる加熱処理が可能となる。

つまり、上記構成とすることで、予備加熱での温度の安定待ち時間を要することなく、基板の加熱処理を実行することができ、従来よりも短い時間で加熱処理を完了させることができる。

上記光加熱装置において、
前記チャンバは、内側に加熱用の光を取り込むための透光窓を壁面に有し、
前記支持部材は、前記基板の主面と前記透光窓が対向するように、前記基板を支持し、
前記複数のＬＥＤ素子と前記フラッシュランプは、前記チャンバの外側から、前記透光窓を介して、前記支持部材に支持された前記基板の主面に向かって光を出射するように配置されていても構わない。

上記構成とすることで、チャンバ内を真空や処理ガスを充満させた状態としても、ＬＥＤ素子やフラッシュランプがチャンバの外側に配置されているので、動作中に光源が破損してしまうこと等を防止することができる。また、チャンバ内に配置される部材が少なくなるため、加熱対象である基板を汚損してしまう塵やパーティクル等の発生源が少なくなり、よりクリーンな加熱処理が実現される。

上記光加熱装置において、
前記複数のＬＥＤ素子は、前記支持部材に支持された前記基板の一方の主面に向かって光を出射し、
前記フラッシュランプは、前記支持部材に支持された前記基板の他方の主面に向かって光を出射することを特徴とする請求項１に記載の光加熱装置。

さらに、上記光加熱装置において、
前記チャンバは、内側に加熱用の光を取り込むための、相互に対向する一対の透光窓を有し、
前記支持部材は、前記基板の各主面と前記一対の透光窓がそれぞれ対向するように、前記基板を支持し、
前記複数のＬＥＤ素子と前記フラッシュランプは、前記チャンバの外側から、前記透光窓を介して、前記支持部材に支持された前記基板の各主面に向かって光を出射するように配置されていても構わない。

上記構成とすることで、チャンバ内に収容された基板の一方の主面には、フラッシュランプによる閃光が照射され、他方の主面には、ＬＥＤ素子から出射される光が照射される。これにより、フラッシュランプから出射される高い強度の光がＬＥＤ素子に直接照射されることを抑制することができる。

さらに、透光窓を備える構成の説明で上述したように、チャンバ内を真空や処理ガスを充満させた状態としても、ＬＥＤ素子やフラッシュランプがチャンバの外側に配置されているので、動作中に光源が破損してしまうこと等を防止することができる。また、チャンバ内に配置される部材が少なくなるため、加熱対象である基板を汚損してしまう塵やパーティクル等の発生源が少なくなり、よりクリーンな加熱処理が実現される。

上記光加熱装置は、
前記基板の主面の温度を計測する放射温度計を備え、
前記第一点灯制御部は、前記ＬＥＤ素子を点灯させてから、前記放射温度計が測定する前記基板の主面の温度が所定の温度に到達したことを検知した前記所定の時間経過後に、前記フラッシュランプを点灯するように制御するものであっても構わない。

上記構成とすることで、フラッシュランプによる加熱処理は、基板の主面の温度が確実に目標温度に到達したところで実行される。

さらに、上記光加熱装置は、
前記放射温度計が測定した温度に基づいて、前記ＬＥＤ素子に供給する電流を制御する第二点灯制御部を備え、
前記第二点灯制御部は、それぞれの前記ＬＥＤ素子に対して同一の電流を供給して前記ＬＥＤ素子の点灯を開始させ、前記ＬＥＤ素子の点灯後、前記放射温度計が測定した前記基板の主面の温度分布において、最も高い温度を示す領域に光を照射する前記ＬＥＤ素子に供給する電流を減少、又は最も低い温度を示す領域に光を照射する前記ＬＥＤ素子に供給する電流を増加させるように制御するものであっても構わない。

例えば、予備加熱によって基板を加熱する場合、その外周部は中央部に比べて温度が下がりやすい。このため、複数のＬＥＤ素子を用いて行う予備加熱では、全てのＬＥＤ素子に全く同じ電流を供給した場合、基板全体において温度分布にバラつきが生じる。そうすると、フラッシュランプによる加熱処理において、処理ムラが発生してしまい、基板に反りや割れを発生させたり、同一の基板上に形成された素子の特性に大きなバラつきを生じさせたりしてしまう。

そこで、第二点灯制御部が上記のように、例えば、数千個並べたＬＥＤ素子の内、ゾーン分けしたゾーンごとのＬＥＤ素子（百個程度）について電流を制御することで、基板に予備加熱における温度分布において、最も温度が高い部分と最も温度が低い部分との差が小さくなるように加熱することができ、基板における加熱処理のムラや、反りや割れの発生を抑制することができる。

上記光加熱装置は、
前記基板が半導体基板、又はガラス基板であっても構わない。

また、上記光加熱装置において、
前記複数のＬＥＤ素子が出射する光の主たる発光波長は、３００ｎｍ～１０５０ｎｍの範囲内に含まれていても構わない。

本明細書における「主たる発光波長」とは、出射される光の強度が最も高い波長を指す。

特に、シリコン（Ｓｉ）からなる半導体基板は、紫外光から可視光の波長帯域の光に対して吸収率が高く透過率が低いが、波長が１１００ｎｍよりも長くなると急激に吸収率が低くなり、透過率が高くなるという特徴がある。「発明を実施するための形態」の説明において参照される図５に示すように、波長が１１００ｎｍ以上の光が半導体基板に照射されると、約５０％の光が半導体基板を透過してしまう。

シリコンからなる半導体基板の場合、波長１１００ｎｍ以上の光は、処理対象となる主面とは反対側の面に照射されると、一部が半導体基板を透過して、処理対象の主面にまで到達してしまう。そうすると、処理対象となる主面に形成されている配線等がこの光を吸収してしまい、温度分布にバラつきが生じ、半導体基板に反りや割れが生じるおそれがある。このため、ＬＥＤ素子から出射させる光の主たる発光波長は、吸収率が５０％以上であって、透過率が２０％以下である、１０５０ｎｍ以下であることが好ましい。

また、シリコンからなる半導体基板は、波長３００ｎｍ未満の光に対して、吸収率が最も低いところで約１０％程度まで低下してしまう。このため、少なくとも２５％以上の吸収率を確保するためには、ＬＥＤ素子から出射される光の主たる発光波長は、３００ｎｍ以上であることが好ましい。

上記構成とすることで、ＬＥＤ素子から出射された光は、半導体基板を透過して処理対象となる主面にはほとんど到達しない。このため、処理対象となる主面は、フラッシュランプから出射される光によって一様に昇温され全体が均一に加熱処理される。

なお、「発明を実施するための形態」の説明において参照される図４に示すように、ＬＥＤ素子は、ハロゲンランプと比較して、狭小なスペクトルを有するため、半導体基板の予備加熱用の光として好ましい波長範囲内でのみ高い強度を示す光を出射する光源を構成することができる。

本発明の加熱処理方法は、
基板の加熱処理方法であって、
前記基板を、チャンバ内に収容する工程（Ａ）と、
前記チャンバ内に収容された前記基板に向かって光を出射する複数のＬＥＤ素子を点灯させる工程（Ｂ）と、
前記工程（Ｂ）の後、所定の時間経過後に、前記チャンバ内に収容された前記基板に向かって光を出射するフラッシュランプを点灯させる工程（Ｃ）とを含むことを特徴とする。

また、上記加熱処理方法において、
前記工程（Ｃ）は、前記工程（Ｂ）が開始してから、放射温度計によって前記基板の主面の温度が所定の温度に到達したことが検知された前記所定の時間経過後に、前記フラッシュランプを点灯させる工程であっても構わない。

上述したように、ＬＥＤ素子から出射される光によって予備加熱が行われる場合は、目標温度到達直後にフラッシュランプを点灯させて加熱処理することができる。つまり、上記方法とすることで、予備加熱での温度の安定待ち時間を要することなく、基板の加熱処理を実行することができ、従来よりも短い時間で加熱処理を完了させることができる。

また、上記加熱処理方法において、各工程は、人が手作業でスイッチやボタンを操作して行うものであっても構わない。

本発明によれば、より短い時間で基板の加熱処理ができる光加熱装置及び加熱処理方法が実現される。

光加熱装置の一実施形態の構成を模式的に示す側面断面図である。 リフレクタを除いた状態で図１の光加熱装置を＋Ｚ側から見たときの図面である。 ＬＥＤ素子が配置されているＬＥＤ基板を＋Ｚ側から見たときの図面である。 フラッシュランプとＬＥＤ素子が出射する光のスペクトルを示すグラフである。 シリコンからなる半導体基板の光に対する吸収率と透過率のスペクトルを示すグラフである。 光加熱装置による加熱処理工程の順序を示すフローチャートである。 光加熱装置による加熱処理での半導体基板の主面の温度変化を示すグラフである。 半導体基板の領域とＬＥＤ素子の関連付けの一例を示す、図１の光加熱装置のＬＥＤ基板周辺の拡大図である。 ＬＥＤ基板をいくつかの領域に区分けした例を示す図面である。 光加熱装置の一実施形態の構成を模式的なに示す面断面図である。 図９の光加熱装置を－Ｚ側から見たときの図面である。 光加熱装置の別実施形態の構成を模式的に示す側面断面図である。 光加熱装置の別実施形態の構成を模式的に示す側面断面図である。 従来のフラッシュランプとハロゲンランプを備える光加熱装置の構成を模式的に示す図面である。 従来のハロゲンランプを予備加熱源として用いた場合の、半導体基板の主面の温度の時間変化の一例を示すグラフである。 高性能な電力制御器を用いてハロゲンランプの入力電力を制御した場合の、半導体基板の主面の温度の時間変化の一例を示すグラフである。

以下、本発明の光加熱装置及び加熱処理方法について、図面を参照して説明する。なお、光加熱装置に関する以下の各図面は、いずれも模式的に図示されたものであり、図面上の寸法比や個数は、実際の寸法比や個数と必ずしも一致していない。

［第一実施形態］
図１は、光加熱装置１の一実施形態の構成を模式的に示す側面断面図であり、図２は、後述のリフレクタ１７を除いた状態で図１の光加熱装置１を＋Ｚ側から見たときの図面である。図１に示すように、第一実施形態の光加熱装置１は、半導体基板Ｗ１が収容されるチャンバ１０と、複数のフラッシュランプ１１と、複数のＬＥＤ素子１２と、制御部１３と、放射温度計１４とを備える。

以下の説明においては、図１及び図２に示すように、複数のフラッシュランプ１１が配列されている方向をＸ方向、フラッシュランプ１１が延伸する方向をＹ方向、Ｘ方向及びＹ方向と直交する方向をＺ方向とする。そして、方向を表現する際に、正負の向きを区別する場合には、「＋Ｚ方向」、「－Ｚ方向」のように、正負の符号を付して記載され、正負の向きを区別せずに方向を表現する場合には、単に「Ｚ方向」と記載される。

図１に示すように、チャンバ１０は、内側に半導体基板Ｗ１を支持する支持部材１６を備える。支持部材１６は、半導体基板Ｗ１の主面（Ｗ１ａ，Ｗ１ｂ）がＸＹ平面上に配置されるように、半導体基板Ｗ１を支持する。なお、支持部材１６による半導体基板Ｗ１の支持は、その主面（Ｗ１ａ，Ｗ１ｂ）がＸＹ平面上に配置されるようなものであればよく、例えば支持部材１６がピン状の突起を複数備え、その突起により半導体基板Ｗ１を点で支持するものであっても構わない。ここで、主面Ｗ１ａは、回路素子や配線等が形成され、フラッシュランプ１１から出射される光が照射される面であり、主面Ｗ１ｂは、予備加熱のためにＬＥＤ素子１２から出射される光が照射される面である。

また、チャンバ１０は、Ｚ方向において相互に対向するように設けられた一対の透光窓１５を備える。一対の透光窓１５は、それぞれ、フラッシュランプ１１から出射された光と、ＬＥＤ素子１２から出射された光をチャンバ１０内に取り込むために設けられている。図１及び図２に示すように、チャンバ１０は、直方体形状を呈しているが、例えば、Ｚ方向から見たときに円形状である円筒状等、直方体形状以外の形状を呈していても構わない。

図１に示すように、一対の透光窓１５のそれぞれは、支持部材１６で支持される半導体基板Ｗ１の各主面（Ｗ１ａ，Ｗ１ｂ）と対向するように構成されている。つまり、フラッシュランプ１１から出射された光は、＋Ｚ側の透光窓１５を介して半導体基板Ｗ１の主面Ｗ１ａに照射され、ＬＥＤ素子１２から出射された光は、－Ｚ側の透光窓１５を介して半導体基板Ｗ１の主面Ｗ１ｂに照射される。

さらに、光加熱装置１は、放射温度計１４を備えており、放射温度計１４によって半導体基板Ｗ１の主面Ｗ１ａの温度を観測するための観測用窓１０ａがチャンバ１０の－Ｘ側の壁面に設けられている。観測用窓１０ａが設けられていることにより、図１において破線の矢印で模式的に示すように、放射温度計１４は、観測用窓１０ａを介して半導体基板Ｗ１の主面Ｗ１ａの温度を観測する。

フラッシュランプ１１は、制御部１３によって点灯制御が行われると、半導体基板Ｗ１の主面Ｗ１ａに向けて、閃光を出射する。フラッシュランプ１１から出射された閃光が、チャンバ１０の＋Ｚ側の透光窓１５を介して半導体基板Ｗ１の主面Ｗ１ａに照射されることで、半導体基板Ｗ１が１０００℃以上まで瞬間的に加熱される。

フラッシュランプ１１の＋Ｚ側には、チャンバ１０とは反対側（＋Ｚ側）に向かって進行する光を、チャンバ１０側（－Ｚ側）に向かうように反射させるリフレクタ１７が備えられている。これにより、フラッシュランプ１１から出射される光は、無駄なく半導体基板Ｗ１の主面Ｗ１ａに照射される。

なお、第一実施形態においては、フラッシュランプ１１は複数配置されているが、出射する光の強度が十分高ければ、一本だけで構成されていてもよく、リフレクタ１７が配置されていなくても構わない。

図３は、ＬＥＤ素子１２が配置されているＬＥＤ基板１２ａを＋Ｚ側から見たときの図面である。図３に示すように、ＬＥＤ基板１２ａは、載置されている複数のＬＥＤ素子１２がＸＹ平面上に配列されており、ＬＥＤ素子１２から出射される光が、－Ｚ側の透光窓１５に向かうように配置されている。

第一実施形態の光加熱装置１は、図１及び図３に示すように、一つのＬＥＤ基板１２ａに複数のＬＥＤ素子１２が同一平面上に配置されているが、ＬＥＤ基板１２ａが曲面を構成し、ＬＥＤ素子１２は、当該曲面上に配置されていてもよい。また、ＬＥＤ基板１２ａが複数備えられていても構わない。

ここで、フラッシュランプ１１と、ＬＥＤ素子１２から出射される光のスペクトルについて説明する。図４は、フラッシュランプ１１とＬＥＤ素子１２が出射する光のスペクトルを示すグラフであり、図５は、シリコンからなる半導体基板Ｗ１の光に対する吸収率と透過率のスペクトルを示すグラフである。図４に示すグラフは、ピーク波長の光強度を１とした相対強度で示すグラフである。図５に示すグラフは、素子や配線が形成されていないシリコン基板における吸収率と透過率のグラフである。また、図４は、従来構成との比較のために、ハロゲンランプ１０３のスペクトルが破線で併記されている。

図４に示すように、第一実施形態におけるＬＥＤ素子１２から出射される光は、主たる発光波長が４００ｎｍであって、光強度のピーク値に対する相対強度が５０％以上となる波長帯域の幅が１００ｎｍ以下の発光スペクトルを示し、フラッシュランプ１１から出射される光は、発光波長帯域の幅が１０００ｎｍ以上のブロードな発光スペクトルを示す。

図５に示すように、シリコンからなる半導体基板Ｗ１は、１１００ｎｍ以下の波長帯域の光に対しては、吸収率が透過率を上回っており、１１００ｎｍ以上の波長帯域の光に対しては、透過率が吸収率を上回っている。したがって、効率よく半導体基板Ｗ１を加熱するためには、予備加熱に用いるＬＥＤ素子１２の主たる発光波長が、シリコンからなる半導体基板Ｗ１において、吸収率が５０％以上であって、透過率が２０％以下である、１０５０ｎｍ以下であることが好ましい。

また、シリコンからなる半導体基板Ｗ１は、３００ｎｍ未満の波長帯域の光に対して吸収率が著しく低くなってしまう。このため、ＬＥＤ素子１２の主たる発光波長は、３００ｎｍ以上であることが好ましい。

図４に示すように、ハロゲンランプ１０３から出射される光は、フラッシュランプ１１と同様に、発光波長帯域の幅が１０００ｎｍ以上のブロードな発光スペクトルである。したがって、従来のハロゲンランプ１０３による予備加熱では、半導体基板Ｗ１を透過する１１００ｎｍ以上の波長帯域の光が、高い強度で半導体基板Ｗ１の主面Ｗ１ｂに照射されてしまう。

制御部１３は、フラッシュランプ１１の点灯制御を行う第一点灯制御部１３ａと、ＬＥＤ素子１２の点灯制御を行う第二点灯制御部１３ｂと、ＬＥＤ素子１２の点灯を開始した直後からの経過時間を計測するタイマ１３ｃを備える。第一点灯制御部１３ａは、タイマ１３ｃがＬＥＤ素子１２の点灯開始から所定の時間が経過したことを検知すると、フラッシュランプ１１を点灯させる制御を行う。第二点灯制御部１３ｂによる好ましい制御内容については後述される。なお、タイマ１３ｃは、光加熱装置１とは別に設けられていても構わない。

以下、第一実施形態の光加熱装置１によって行われる、半導体基板Ｗ１の加熱処理の各工程について説明する。図６は、光加熱装置１による加熱処理工程の順序を示すフローチャートであり、図７は、光加熱装置１による加熱処理での半導体基板Ｗ１の主面Ｗ１ａの温度変化を示すグラフである。また、図７は、従来の構成との比較のために、図１３及び図１４に示す、従来の光加熱装置１００による加熱処理での半導体基板Ｗ１の主面Ｗ１ａの温度変化を示すグラフが破線で併記されている。

図６に示すように、まず、チャンバ１０内に半導体基板Ｗ１が収容される（ステップＳ１）。このステップＳ１が、工程（Ａ）に対応する。

ステップＳ１の実行後、第二点灯制御部１３ｂが、ＬＥＤ素子１２に電流の供給を開始するように制御し、ＬＥＤ素子１２を点灯させて予備加熱を開始する（ステップＳ２）。このステップＳ２が、工程（Ｂ）に対応する。

ステップＳ２の実行後、タイマ１３ｃが経過時間の計測を開始し、図７に示すように、半導体基板Ｗ１が目標温度に到達するまでの時間Ｔ１が経過するまで待機する（ステップＳ３）。この時間Ｔ１は、半導体基板Ｗ１の大きさや厚さ等に応じて、適宜決定される時間であり、図７に示す設定は、単なる一例であるが、高性能な電力制御器を用いてハロゲンランプの入力電力を制御する場合の安定待ち時間Ｔ２より短く設定することができる。

タイマ１３ｃが所定の時間が経過したことを検知すると、第一点灯制御部１３ａがフラッシュランプ１１を点灯させる制御を行う（ステップＳ４）。このステップＳ４が、工程（Ｃ）に対応する。このとき、第二点灯制御部１３ｂは、ＬＥＤ素子１２の温度上昇を抑制するために、ＬＥＤ素子１２に供給する電流を低下させるように制御しても構わない。

ステップＳ４の実行後、第二点灯制御部１３ｂがＬＥＤ素子１２を消灯させるために電流の供給を停止させる（ステップＳ５）。

なお、ＬＥＤ素子１２は、半導体基板Ｗ１の予備加熱を行うための光源であって、フラッシュランプ１１の点灯時に、必ずしも点灯している必要はない。すなわち、本実施形態において、ステップＳ５は、ステップＳ４の実行後に行われているが、ステップＳ５は、ステップＳ４のフラッシュランプ１１の点灯制御と同時、又はステップＳ４の直前に行われても構わない。

ステップＳ５の実行後、半導体基板Ｗ１の温度が、チャンバ１０内から取り出せる温度に下がったところで、半導体基板Ｗ１を取り出す（ステップＳ６）。

このとき、チャンバ１０内の温度が半導体基板Ｗ１を取り出せる温度まで低下しているかどうかは、放射温度計１４によって判断してもよく、タイマ１３ｃで所定の時間が経過したかどうかで判断しても構わない。半導体基板Ｗ１をチャンバ１０から取り出す温度は、装置構成等に応じて任意に設定されるものであって、図７において二点破線で取り出す温度を示しているが、この設定は、単なる一例である。

上記構成とすることで、図７に示すように、予備加熱での温度の安定待ち時間を要することなく、フラッシュランプ１１による光照射を実行することができ、従来よりも加熱処理時間を数ｓｅｃ～数十ｓｅｃ短縮させることができる。

また、制御部１３によって、予備加熱での温度ムラが小さくなるようにＬＥＤ素子１２の点灯制御が行われる。このため、半導体基板Ｗ１の温度分布のバラつきが抑えられ、加熱処理のムラや、反りや割れの発生が抑制される。

さらに、第一実施形態においては、ＬＥＤ素子１２の主たる発光波長が４００ｎｍであるため、上述した理由により、ＬＥＤ素子１２から出射される光は、半導体基板Ｗ１の主面Ｗ１ａにほとんど到達しない。このため、回路素子や配線の光吸収による温度分布のバラつきを抑えることができる。

なお、ステップＳ２において、第二点灯制御部１３ｂは、複数のＬＥＤ素子１２のうち、特定のＬＥＤ素子１２に対して供給する電力を減少、又は増加させることで、素子毎に輝度を異ならせるように制御を行うものとしても構わない。

具体的には、第二点灯制御部１３ｂは、同一の電流を供給させてＬＥＤ素子１２の点灯が開始させた後、放射温度計１４が測定した半導体基板Ｗ１の主面Ｗ１ａの温度分布において、最も温度が高いことを示す領域に光を照射するＬＥＤ素子１２に、供給する電流を減少させるように制御する。また、第二点灯制御部１３ｂは、最も温度が低いことを示す領域に光を照射するＬＥＤ素子１２に供給する電流を増加させるように制御しても構わない。

図８Ａは、半導体基板Ｗ１の領域（Ｗ１ｐ，Ｗ１ｑ）とＬＥＤ素子１２の関連付けの一例を示す、図１の光加熱装置１のＬＥＤ基板１２ａ周辺の拡大図である。図８Ａに示すように、上記制御は、半導体基板Ｗ１の主面Ｗ１ａの各領域（Ｗ１ｐ，Ｗ１ｑ）と、主面Ｗ１ａ上の各領域（Ｗ１ｐ，Ｗ１ｑ）に光を照射するＬＥＤ素子（１２ｐ，１２ｑ）とを関連付けておき、第二点灯制御部１３ｂが、それぞれの領域（Ｗ１ｐ，Ｗ１ｑ）の温度に応じて、各ＬＥＤ素子（１２ｐ，１２ｑ）に供給する電流を制御する。図８Ａは、説明の便宜のために、Ｘ方向に関してのみ図示しているが、半導体基板Ｗ１のＸＹ平面における各領域が、ＬＥＤ基板１２ａ上に配置されたいずれかのＬＥＤ素子１２に関連付けされている。

図８Ｂは、ＬＥＤ基板１２ａをいくつかの領域（Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３）に区分けした例を示す図面である。図８Ａを参照して説明した制御方法とは別の制御方法としては、例えば、図８Ｂに示すように、ＬＥＤ基板１２ａをいくつかの領域（Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３）に区分けし、第二点灯制御部１３ｂが、領域（Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３）毎にＬＥＤ素子１２群に供給する電流を制御する方法がある。この方法の場合、第二点灯制御部１３ｂは、放射温度計１４が測定した半導体基板Ｗ１の主面Ｗ１ａの温度分布において、最も温度が高いことを示す領域に光を照射するＬＥＤ素子１２群に、供給する電流を減少させるように制御する。

この制御方法の場合においても、それぞれのＬＥＤ素子１２を個別に見れば、第二点灯制御部１３ｂは、放射温度計１４が測定した半導体基板Ｗ１の主面Ｗ１ａの温度分布において、最も温度が高いことを示す領域に光を照射するＬＥＤ素子１２に、供給する電流を減少させるように制御している。なお、当該制御方法においても、第二点灯制御部１３ｂは、放射温度計１４が測定した半導体基板Ｗ１の主面Ｗ１ａの温度分布において、最も温度が低いことを示す領域に光を照射するＬＥＤ素子１２群に、供給する電流を増加させるように制御しても構わない。

光加熱装置１は、第二点灯制御部１３ｂが、ＬＥＤ素子１２を一括して点灯制御するように構成され、放射温度計１４が備えられていなくても構わない。また、第一実施形態の光加熱装置１は、図１に示すように、放射温度計１４が、チャンバ１０の外側に配置され、観測用窓１０ａを介して半導体基板Ｗ１の主面Ｗ１ａの温度測定を行うように構成されているが、放射温度計１４は、チャンバ１０内に設けられていても構わない。

上述の説明では、加熱処理の対象がシリコンからなる半導体基板Ｗ１で説明されているが、光加熱装置１は、シリコンからなる半導体基板Ｗ１以外の加熱、さらには、半導体基板以外の基板材料の加熱に用いることができる。一例としては、ディスプレイの製造工程におけるガラス基板の加熱処理に使用することができる。

なお、光加熱装置１に搭載するＬＥＤ素子１２は、上述したように、光強度のピーク値に対する相対強度が５０％以上となる波長帯域の幅が１００ｎｍ以下と狭いため、加熱効率の観点等から、加熱対象物の吸収スペクトルに応じて、出射する光の主たる発光波長を適切に設定することが好ましい。

［第二実施形態］
本発明の光加熱装置１の第二実施形態の構成につき、第一実施形態と異なる箇所を中心に説明する。

図９は、光加熱装置１の一実施形態の構成を模式的に示す側面断面図である。図１０は、図９の光加熱装置１を－Ｚ側から見たときの模式的な図面である。図１０に示すように、光加熱装置１の第二実施形態は、Ｚ方向に見たときに、ＬＥＤ基板１２ａが円環状に形成されている。

第二実施形態の光加熱装置１は、第一実施形態と同様に制御部１３を備えるが、煩雑な図示を避けるため、図９において制御部１３は図示していない。

また、ＬＥＤ基板１２ａのＬＥＤ素子１２を載置する平面は、ＸＹ平面に対して傾斜しており、ＬＥＤ素子１２から出射される光は、Ｚ方向とは非平行の方向から半導体基板Ｗ１の主面Ｗ１ｂに照射される。

上記構成とすることで、光加熱装置１は、ＬＥＤ基板１２ａの内側を通して、－Ｚ側の透光窓１５からチャンバ１０内の様子を観察することができ、チャンバ１０内に収容された半導体基板Ｗ１が、支持部材１６から外れていないか等、チャンバ１０内の様子を確認することができる。また、図９及び図１０に示すように、チャンバ１０の－Ｚ側に放射温度計１４を設けることで、半導体基板Ｗ１の主面Ｗ１ｂの温度が測定することができる。

ＬＥＤ素子１２から出射される光が照射される主面Ｗ１ｂの温度が観測できることで、第二点灯制御部１３ｂは、各主面（Ｗ１ａ、Ｗ１ｂ）の温度分布に基づいて、半導体基板Ｗ１全体の温度ムラがより小さくなるように、ＬＥＤ素子１２に供給する電流を制御することができる。

［別実施形態］
以下、別実施形態につき説明する。

〈１〉 上記実施形態では、フラッシュランプ１１とＬＥＤ素子１２が、半導体基板Ｗ１から見て反対側に配置されている構成で説明したが、光加熱装置１は、フラッシュランプ１１とＬＥＤ素子１２が、半導体基板Ｗ１から見て同じ側に配置されていても構わない。また、上記実施形態では、フラッシュランプ１１やＬＥＤ素子１２は、チャンバ１０の外側に配置され、チャンバ１０の透光窓１５を介して半導体基板Ｗ１に向かって光を出射しているが、フラッシュランプ１１やＬＥＤ素子１２がチャンバ１０内に配置され、チャンバ１０が透光窓１５を備えない構成としても構わない。

図１１及び図１２は、光加熱装置１の別実施形態を模式的に示す側面断面図である。図１１に示すように、光加熱装置１は、半導体基板Ｗ１から見て同じ側に配置されていても構わない。さらに、図１２に示すように、光加熱装置１は、フラッシュランプ１１やＬＥＤ素子１２がチャンバ１０内に配置され、チャンバ１０に透光窓１５が構成されていなくても構わない。

〈２〉 上記実施形態では、ステップＳ２の実行からの経過時間をタイマ１３ｃが計測し、この経過時間が所定の時間Ｔ１に達した後に、ステップＳ４が実行されるものとして説明した。しかし、この制御内容に代替して、第一点灯制御部１３ａは、ステップＳ２の実行後、放射温度計１４が測定する半導体基板Ｗ１の主面Ｗ１ａの温度が所定の温度まで上昇したことを検知したところで、フラッシュランプ１１を点灯させる制御を行うように構成されていても構わない。この場合、ステップＳ２が実行されてから半導体基板Ｗ１の主面Ｗ１ａの温度が所定の温度に達するまでに要した時間が、「所定の時間」に対応する。なお、ここでいう「所定の温度」とは、半導体基板Ｗ１の目標温度であるものとして構わない。

〈３〉 光加熱装置１は、ＬＥＤ素子１２から出射された光が、半導体基板Ｗ１の主面Ｗ１ｂ全体にムラなく照射されるために、例えば、レンズ、プリズム、拡散板やインテグレータ光学系等の光学系が備えられていても構わない。

〈４〉 上述した光加熱装置１が備える構成は、あくまで一例であり、本発明は、図示された各構成に限定されない。

１ ： 光加熱装置
１０ ： チャンバ
１０ａ ： 観測用窓
１１ ： フラッシュランプ
１２ ： ＬＥＤ素子
１２ａ ： ＬＥＤ基板
１３ ： 制御部
１３ａ ： 第一点灯制御部
１３ｂ ： 第二点灯制御部
１３ｃ ： タイマ
１４ ： 放射温度計
１５ ： 透光窓
１６ ： 支持部材
１７ ： リフレクタ
１００ ： 光加熱装置
１０１ ： チャンバ
１０２ ： フラッシュランプ
１０３ ： ハロゲンランプ
１０４ ： 透光窓
１０５ ： 支持台
１０６ ： 伝熱部
Ｗ１ ： 半導体基板
Ｗ１ａ，Ｗ１ｂ ：主面

Claims (10)

1. 基板を加熱するための光加熱装置であって、
   前記基板を収容するチャンバと、
   前記チャンバ内において、前記基板を支持する支持部材と、
   前記支持部材に支持された前記基板に向かって光を出射する複数のＬＥＤ素子と、
   前記支持部材に支持された前記基板に向かって光を出射するフラッシュランプと、
   前記ＬＥＤ素子を点灯させた後、所定の時間経過後に前記フラッシュランプを点灯させる制御を行う第一点灯制御部と、
   前記第一点灯制御部が前記フラッシュランプを点灯させる制御を行う前に、前記ＬＥＤ素子に供給する電力を低下させる第二点灯制御部とを備えることを特徴とする光加熱装置。
2. 前記チャンバは、内側に加熱用の光を取り込むための透光窓を壁面に有し、
   前記支持部材は、前記基板の主面と前記透光窓が対向するように、前記基板を支持し、
   前記複数のＬＥＤ素子と前記フラッシュランプは、前記チャンバの外側から、前記透光窓を介して、前記支持部材に支持された前記基板の主面に向かって光を出射するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光加熱装置。
3. 前記複数のＬＥＤ素子は、前記支持部材に支持された前記基板の一方の主面に向かって光を出射し、
   前記フラッシュランプは、前記支持部材に支持された前記基板の他方の主面に向かって光を出射することを特徴とする請求項１に記載の光加熱装置。
4. 前記チャンバは、内側に加熱用の光を取り込むための、相互に対向する一対の透光窓を有し、
   前記支持部材は、前記基板の各主面と前記一対の透光窓がそれぞれ対向するように、前記基板を支持し、
   前記複数のＬＥＤ素子と前記フラッシュランプは、前記チャンバの外側から、前記透光窓を介して、前記支持部材に支持された前記基板の各主面に向かって光を出射するように配置されていることを特徴とする請求項３に記載の光加熱装置。
5. 前記基板の主面の温度を計測する放射温度計を備え、
   前記第一点灯制御部は、前記ＬＥＤ素子を点灯させてから、前記放射温度計が測定する前記基板の主面の温度が所定の温度に到達したことを検知した前記所定の時間経過後に、前記フラッシュランプを点灯させる制御を行うことを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の光加熱装置。
6. 前記第二点灯制御部は、前記放射温度計が測定した温度に基づいて、前記ＬＥＤ素子に供給する電流を制御するとともに、それぞれの前記ＬＥＤ素子に対して同一の電流を供給して前記ＬＥＤ素子の点灯を開始させ、前記ＬＥＤ素子の点灯後、前記放射温度計が測定した前記基板の主面の温度分布において、最も高い温度を示す領域に光を照射する前記ＬＥＤ素子に供給する電流を減少、又は最も低い温度を示す領域に光を照射する前記ＬＥＤ素子に供給する電流を増加させるように制御し、前記第一点灯制御部が前記フラッシュランプを点灯させる制御を行う前に、前記ＬＥＤ素子に供給する電力を低下させることを特徴とする請求項５に記載の光加熱装置。
7. 前記基板が半導体基板、又はガラス基板であることを特徴とする請求項１～６のいずれか一項に記載の光加熱装置。
8. 前記複数のＬＥＤ素子が出射する光の主たる発光波長は、３００ｎｍ～１０５０ｎｍの範囲内に含まれていることを特徴とする請求項１～７のいずれか一項に記載の光加熱装置。
9. 基板の加熱処理方法であって、
   前記基板を、チャンバ内に収容する工程（Ａ）と、
   前記チャンバ内に収容された前記基板に向かって光を出射する複数のＬＥＤ素子を点灯させる工程（Ｂ）と、
   前記工程（Ｂ）の後、所定の時間経過後、ＬＥＤ素子に供給する電流を低下させた後に前記チャンバ内に収容された前記基板に向かって光を出射するフラッシュランプを点灯させる工程（Ｃ）とを含むことを特徴とする加熱処理方法。
10. 前記工程（Ｃ）は、前記工程（Ｂ）を開始してから、放射温度計によって前記基板の主面の温度が所定の温度に到達したことが検知された前記所定の時間経過後、ＬＥＤ素子に供給する電流を低下させた後に前記フラッシュランプを点灯させることを特徴とする請求項９に記載の加熱処理方法。