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KR102126119B1 - 열처리 방법 - Google Patents

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KR102126119B1
KR102126119B1 KR1020180065939A KR20180065939A KR102126119B1 KR 102126119 B1 KR102126119 B1 KR 102126119B1 KR 1020180065939 A KR1020180065939 A KR 1020180065939A KR 20180065939 A KR20180065939 A KR 20180065939A KR 102126119 B1 KR102126119 B1 KR 102126119B1
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유키오 오노
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가부시키가이샤 스크린 홀딩스
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Abstract

더미 러닝을 생략할 수 있는 열처리 방법을 제공한다.
처리 대상이 되는 반도체 웨이퍼는 챔버 내에 설치된 석영의 서셉터에 재치되며, 할로겐 램프로부터의 광 조사에 의해 가열된다. 생산용 로트의 최초의 반도체 웨이퍼가 챔버 내로 반입되기 전에, 예열용 기판이 서셉터에 재치되고, 그 예열용 기판이 할로겐 램프로부터의 광 조사로 가열됨으로써 서셉터가 예열된다. 서셉터는, 생산용 로트의 반도체 웨이퍼를 연속적으로 처리하고 있을 때의 안정 온도(Ts)보다 고온의 예열 온도(Tv)까지 승온된다. 이로 인해, 서셉터 이외의 챔버 내 구조물도 반도체 웨이퍼의 정상(定常) 처리시의 온도로 단시간에 예열할 수 있으며, 복수매의 더미 웨이퍼에 가열 처리를 행하여 챔버 내 구조물을 가열하는 더미 러닝을 생략할 수 있다.

Description

열처리 방법{HEAT TREATMENT METHOD}
본 발명은, 반도체 웨이퍼 등의 박판 형상 정밀 전자 기판(이하, 간단히 「기판」이라고 칭함)에 광을 조사함으로써 그 기판을 가열하는 열처리 방법에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 제조 프로세스에 있어서, 불순물 도입은 반도체 웨이퍼 내에 pn 접합을 형성하기 위한 필수 공정이다. 현재, 불순물 도입은, 이온 타입(打入)법과 그 후의 어닐법에 의해 이루어지는 것이 일반적이다. 이온 타입법은, 붕소(B), 비소(As), 인(P)과 같은 불순물의 원소를 이온화시켜 고가속 전압으로 반도체 웨이퍼에 충돌시켜 물리적으로 불순물 주입을 행하는 기술이다. 주입된 불순물은 어닐 처리에 의해 활성화된다. 이 때에, 어닐 시간이 수 초 정도 이상이면, 타입된 불순물이 열에 의해 깊이 확산되고, 그 결과 접합 깊이가 요구보다 지나치게 깊어져서 양호한 디바이스 형성에 지장이 생길 우려가 있다.
이에, 극히 단시간에 반도체 웨이퍼를 가열하는 어닐 기술로서, 최근 플래시 램프 어닐(FLA)이 주목을 받고 있다. 플래시 램프 어닐은, 크세논 플래시 램프(이하, 간단히 「플래시 램프」라고 할 때에는 크세논 플래시 램프를 의미함)를 사용하여 반도체 웨이퍼의 표면에 플래시 광을 조사함으로써, 불순물이 주입된 반도체 웨이퍼의 표면만을 극히 단시간(수 밀리초 이하)에 승온시키는 열처리 기술이다.
크세논 플래시 램프의 방사 분광 분포는 자외역부터 근적외역이며, 종래의 할로겐 램프보다 파장이 짧고, 실리콘의 반도체 웨이퍼의 기초 흡수대와 거의 일치하고 있다. 따라서, 크세논 플래시 램프로부터 반도체 웨이퍼에 플래시 광을 조사하였을 때에는, 투과광이 적고 반도체 웨이퍼를 급속히 승온시키는 것이 가능하다. 또한, 수 밀리초 이하의 극히 단시간의 플래시 광 조사이면, 반도체 웨이퍼의 표면 근방만을 선택적으로 승온시킬 수 있는 것도 판명되어 있다. 이 때문에, 크세논 플래시 램프에 의한 극히 단시간의 승온이면, 불순물을 깊이 확산시키지 않고, 불순물 활성화만을 실행할 수 있는 것이다.
이러한 크세논 플래시 램프를 사용한 열처리 장치로서, 예를 들어 특허 문헌 1에는, 반도체 웨이퍼의 표면측에 플래시 램프를 배치하고, 이면측에 할로겐 램프를 배치하며, 그들의 조합에 의해 원하는 열처리를 행하는 것이 개시되어 있다. 특허 문헌 1에 개시된 열처리 장치에서는, 할로겐 램프에 의해 반도체 웨이퍼를 어느 정도의 온도까지 예비 가열하고, 그 후 플래시 램프로부터의 플래시 광 조사에 의해 반도체 웨이퍼의 표면을 원하는 처리 온도까지 승온시키고 있다.
일본국 특허공개 2010-225645호 공보
일반적으로, 열처리뿐만 아니라 반도체 웨이퍼의 처리는 로트(동일 조건에서 동일 내용의 처리를 행하는 대상이 되는 1세트의 반도체 웨이퍼) 단위로 행해진다. 매엽식의 기판 처리 장치에서는, 로트를 구성하는 복수매의 반도체 웨이퍼에 대하여 연속하여 순차적으로 처리가 행해진다. 플래시 램프 어닐 장치에 있어서도, 로트를 구성하는 복수의 반도체 웨이퍼가 1장씩 챔버로 반입되어 순차적으로 열처리가 행해진다.
가동 정지 상태의 플래시 램프 어닐 장치가 로트의 처리를 개시하는 경우, 대체로 실온의 챔버로 로트의 최초의 반도체 웨이퍼가 반입되어 가열 처리가 행해지게 된다. 가열 처리시에는, 챔버 내에서 서셉터에 지지된 반도체 웨이퍼가 소정 온도로 예비 가열되고, 또한 플래시 가열에 의해 웨이퍼 표면이 처리 온도까지 승온된다. 그 결과, 승온한 반도체 웨이퍼로부터 서셉터 등의 챔버 내 구조물에 열전도가 발생하고, 그 서셉터 등의 온도도 상승하게 된다. 이와 같은, 반도체 웨이퍼의 가열 처리에 수반하는 서셉터 등의 온도 상승은, 로트의 최초부터 수 장 정도 계속되고, 이윽고 약 10장의 반도체 웨이퍼의 가열 처리가 행해졌을 때에 서셉터의 온도는 일정한 안정 온도에 도달한다. 즉, 로트의 최초의 반도체 웨이퍼는 실온의 서셉터에 유지되어 처리되는데 반해, 10장째 이후의 반도체 웨이퍼는 안정 온도로 승온해 있는 서셉터에 유지되어 처리되는 것이다.
따라서, 로트를 구성하는 복수의 반도체 웨이퍼의 온도 이력이 불균일해진다는 문제가 발생한다. 특히, 로트의 최초부터 수 장 정도의 반도체 웨이퍼에 대해서는, 비교적 저온의 서셉터에 지지되어 처리되기 때문에, 플래시 광 조사시의 표면 도달 온도가 처리 온도에 이르지 못할 우려도 있다. 또한, 저온의 서셉터에 유지된 반도체 웨이퍼에 플래시 광을 조사했을 시에, 서셉터와 반도체 웨이퍼의 온도 차에 의해 웨이퍼 휨이 발생할 수도 있고, 그 결과로 반도체 웨이퍼가 파손될 우려도 있다.
이 때문에, 종래부터, 로트의 처리를 개시하기 전에, 처리 대상이 아닌 더미 웨이퍼를 챔버 내로 반입하여 서셉터에 유지하고, 처리 대상인 로트와 동일 조건에서 예비 가열 및 플래시 가열 처리를 행함으로써, 사전에 서셉터 등의 챔버 내 구조물을 승온시켜 두는 것이 행해지고 있었다(더미 러닝). 약 10장 정도의 더미 웨이퍼에 대해서 예비 가열 및 플래시 가열 처리를 행함으로써, 서셉터 등의 챔버 내 구조물이 안정 온도에 도달하므로, 그 후 처리 대상이 되는 로트의 최초의 반도체 웨이퍼의 처리를 개시한다. 이와 같이 하면, 로트를 구성하는 복수의 반도체 웨이퍼의 온도 이력이 균일해짐과 함께, 서셉터와 반도체 웨이퍼의 온도 차에 기인한 웨이퍼 휨을 방지할 수도 있다.
그러나, 이와 같은 더미 러닝은, 처리와는 관계없는 더미 웨이퍼를 소비할 뿐만 아니라, 10장 정도의 더미 웨이퍼에 플래시 가열 처리를 행하는데 상당한 시간을 필요로 하기 때문에, 플래시 램프 어닐 장치의 효율적인 운용을 방해할 수 있다는 문제가 있었다.
본 발명은, 상기 과제를 감안하여 이루어진 것이며, 더미 러닝을 생략할 수 있는 열처리 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 청구항 1의 발명은, 기판에 광을 조사함으로써 그 기판을 가열하는 열처리 방법에 있어서, 챔버 내로 기판을 반입하여 서셉터에 재치(載置)하는 반입 공정과, 상기 서셉터에 재치된 기판에 연속 점등 램프로부터 광을 조사하는 광 조사 공정과, 로트의 최초의 기판이 상기 챔버 내로 반입되기 전에, 상기 서셉터에 예열용 기판을 재치하고, 상기 연속 점등 램프로부터의 광 조사에 의해 상기 예열용 기판을 가열하여 상기 서셉터를 예열하는 예열 공정을 구비하고, 상기 서셉터를 예열하지 않고, 로트의 복수의 기판에 연속적으로 상기 연속 점등 램프로부터 광을 조사하여 가열함으로써 상기 서셉터의 온도가 상승하여 일정해졌을 때의 상기 서셉터의 온도를 안정 온도로 하고, 상기 예열 공정에서는, 상기 안정 온도보다 높은 온도로 상기 서셉터를 예열하는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 2의 발명은, 청구항 1의 발명에 관련된 열처리 방법에 있어서, 상기 예열 공정 후, 상기 서셉터의 온도를 상기 안정 온도로 소정 시간 유지하는 안정화 공정을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 3의 발명은, 청구항 2의 발명에 관련된 열처리 방법에 있어서, 상기 안정화 공정 후, 상기 연속 점등 램프로부터의 광 조사를 정지하여 상기 서셉터가 소정 온도까지 강온한 시점에 상기 예열용 기판을 상기 챔버로부터 반출함과 더불어 상기 로트의 최초의 기판을 상기 챔버로 반입하여 상기 서셉터에 재치하는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 4의 발명은, 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 하나의 발명에 관련된 열처리 방법에 있어서, 상기 예열용 기판의 방사율은 상기 로트의 기판의 방사율보다 높은 것을 특징으로 한다.
청구항 1 내지 청구항 4의 발명에 의하면, 로트의 최초의 기판이 챔버 내로 반입되기 전에, 서셉터에 예열용 기판을 재치하고, 연속 점등 램프로부터의 광 조사에 의해 예열용 기판을 가열하여 서셉터를 안정 온도보다 높은 온도로 예열하기 때문에, 서셉터 이외의 챔버 내 구조물도 기판의 정상(定常) 처리시의 온도로 단시간에 예열할 수 있고, 더미 러닝을 생략해도 로트를 구성하는 모든 기판에 대해서 온도 이력을 균일하게 할 수 있다.
특히, 청구항 2의 발명에 의하면, 서셉터를 안정 온도보다 높은 온도로 예열한 후, 서셉터의 온도를 안정 온도로 소정 시간 유지하기 때문에, 서셉터를 포함한 챔버 내 구조물의 온도를 기판의 정상 처리시의 온도로 안정화시킬 수 있다.
특히, 청구항 3의 발명에 의하면, 서셉터의 온도를 안정 온도로 소정 시간 유지한 후, 연속 점등 램프로부터의 광 조사를 정지하여 서셉터가 소정 온도까지 강온한 시점에 예열용 기판을 챔버로부터 반출함과 더불어 로트의 최초의 기판을 챔버로 반입하여 서셉터에 재치하기 때문에, 로트를 구성하는 기판의 온도 이력을 보다 균일하게 할 수 있다.
특히, 청구항 4의 발명에 의하면, 예열용 기판의 방사율은 로트의 기판의 방사율보다 높기 때문에, 예열용 기판은 연속 점등 램프로부터 조사된 광을 효율적으로 흡수하여 급속히 승온한다.
도 1은 본 발명에 관련된 열처리 방법에 사용하는 열처리 장치의 구성을 나타내는 종단면도이다.
도 2는 유지부의 전체 외관을 나타내는 사시도이다.
도 3은 서셉터의 평면도이다.
도 4는 서셉터의 단면도이다.
도 5는 이재(移載) 기구의 평면도이다.
도 6은 이재 기구의 측면도이다.
도 7은 복수의 할로겐 램프의 배치를 나타내는 평면도이다.
도 8은 반도체 웨이퍼의 처리 매수와 서셉터의 온도와의 상관을 나타내는 도이다.
도 9는 서셉터의 온도 변화를 나타내는 도이다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시 형태에 대해서 상세하게 설명한다.
먼저, 본 발명에 관련된 열처리 방법을 실시하기 위한 열처리 장치에 대해서 설명한다. 도 1은, 본 발명에 관련된 열처리 방법에 사용하는 열처리 장치(1)의 구성을 나타내는 종단면도이다. 도 1의 열처리 장치(1)는, 기판으로서 원판 형상의 반도체 웨이퍼(W)에 대하여 플래시 광 조사를 행함으로써 그 반도체 웨이퍼(W)를 가열하는 플래시 램프 어닐 장치이다. 처리 대상이 되는 반도체 웨이퍼(W)의 사이즈는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 φ300mm나 φ450mm이다(본 실시 형태에서는 φ300mm). 열처리 장치(1)에 반입되기 전의 반도체 웨이퍼(W)에는 불순물이 주입되어 있으며, 열처리 장치(1)에 의한 가열 처리에 의해 주입된 불순물의 활성화 처리가 실행된다. 또한, 도 1 및 이후의 각 도면에서는, 이해의 용이를 위해, 필요에 따라 각 부의 치수나 수를 과장 또는 간략화하여 도시하고 있다.
열처리 장치(1)는, 반도체 웨이퍼(W)를 수용하는 챔버(6)와, 복수의 플래시 램프(FL)를 내장하는 플래시 가열부(5)와, 복수의 할로겐 램프(HL)를 내장하는 할로겐 가열부(4)를 구비한다. 챔버(6)의 상측에 플래시 가열부(5)가 설치됨과 함께, 하측에 할로겐 가열부(4)가 설치되어 있다. 또한, 열처리 장치(1)는, 챔버(6)의 내부에, 반도체 웨이퍼(W)를 수평 자세로 유지하는 유지부(7)와, 유지부(7)와 장치 외부의 사이에서 반도체 웨이퍼(W)의 수도(受渡)를 행하는 이재 기구(10)를 구비한다. 또한, 열처리 장치(1)는, 할로겐 가열부(4), 플래시 가열부(5) 및 챔버(6)에 설치된 각 동작 기구를 제어하여 반도체 웨이퍼(W)의 열처리를 실행시키는 제어부(3)를 구비한다.
챔버(6)는, 통형상의 챔버 측부(61)의 상하에 석영제의 챔버창을 장착하여 구성되어 있다. 챔버 측부(61)는 상하가 개구된 대략 통형상을 가지고 있고, 상측 개구에는 상측 챔버창(63)이 장착되어 폐색되며, 하측 개구에는 하측 챔버창(64)이 장착되어 폐색되어 있다. 챔버(6)의 천장부를 구성하는 상측 챔버창(63)은, 석영에 의해 형성된 원판형상 부재이며, 플래시 가열부(5)로부터 출사된 플래시 광을 챔버(6) 내에 투과하는 석영창으로서 기능한다. 또한, 챔버(6)의 바닥부를 구성하는 하측 챔버창(64)도, 석영에 의해 형성된 원판형상 부재이며, 할로겐 가열부(4)로부터의 광을 챔버(6) 내에 투과하는 석영창으로서 기능한다.
또한, 챔버 측부(61)의 내측의 벽면의 상부에는 반사 링(68)이 장착되고, 하부에는 반사 링(69)이 장착되어 있다. 반사 링(68, 69)은, 모두 원환형상으로 형성되어 있다. 상측의 반사 링(68)은, 챔버 측부(61)의 상측으로부터 끼워 넣음으로써 장착된다. 한편, 하측의 반사 링(69)은, 챔버 측부(61)의 하측으로부터 끼워 넣어 도시를 생략한 나사로 고정시킴으로써 장착된다. 즉, 반사 링(68, 69)은, 모두 착탈 가능하게 챔버 측부(61)에 장착되는 것이다. 챔버(6)의 내측 공간, 즉 상측 챔버창(63), 하측 챔버창(64), 챔버 측부(61) 및 반사 링(68, 69)에 의해 둘러싸이는 공간이 열처리 공간(65)으로서 규정된다.
챔버 측부(61)에 반사 링(68, 69)이 장착됨으로써, 챔버(6)의 내벽면에 오목부(62)가 형성된다. 즉, 챔버 측부(61)의 내벽면 중 반사 링(68, 69)이 장착되어 있지 않은 중앙 부분과, 반사 링(68)의 하단면과, 반사 링(69)의 상단면으로 둘러싸인 오목부(62)가 형성된다. 오목부(62)는, 챔버(6)의 내벽면에 수평 방향을 따라 원환형상으로 형성되어, 반도체 웨이퍼(W)를 유지하는 유지부(7)를 둘러싼다. 챔버 측부(61) 및 반사 링(68, 69)은, 강도와 내열성이 우수한 금속재료(예를 들어, 스테인레스 스틸)로 형성되어 있다.
또한, 챔버 측부(61)에는, 챔버(6)에 대하여 반도체 웨이퍼(W)의 반입 및 반출을 행하기 위한 반송 개구부(노구(爐口))(66)가 형설(形設)되어 있다. 반송 개구부(66)는, 게이트 밸브(185)에 의해 개폐 가능하게 되어 있다. 반송 개구부(66)는 오목부(62)의 외주면에 연통 접속되어 있다. 이 때문에, 게이트 밸브(185)가 반송 개구부(66)를 개방하고 있을 때에는, 반송 개구부(66)로부터 오목부(62)를 통과하여 열처리 공간(65)으로의 반도체 웨이퍼(W)의 반입 및 열처리 공간(65)으로부터의 반도체 웨이퍼(W)의 반출을 행할 수 있다. 또한, 게이트 밸브(185)가 반송 개구부(66)를 폐쇄하면 챔버(6) 내의 열처리 공간(65)이 밀폐 공간이 된다.
또한, 챔버(6)의 내벽 상부에는 열처리 공간(65)에 처리 가스를 공급하는 가스 공급 구멍(81)이 형설되어 있다. 가스 공급 구멍(81)은, 오목부(62)보다 상측 위치에 형설되어 있으며, 반사 링(68)에 형성되어 있어도 된다. 가스 공급 구멍(81)은 챔버(6)의 측벽 내부에 원환형상으로 형성된 완충 공간(82)을 통해 가스 공급관(83)에 연통 접속되어 있다. 가스 공급관(83)은 처리 가스 공급원(85)에 접속되어 있다. 또한, 가스 공급관(83)의 경로 도중에는 밸브(84)가 개재 삽입되어 있다. 밸브(84)가 개방되면, 처리 가스 공급원(85)으로부터 완충 공간(82)에 처리 가스가 송급(送給)된다. 완충 공간(82)에 유입된 처리 가스는, 가스 공급 구멍(81)보다 유체 저항이 작은 완충 공간(82) 내를 퍼지도록 흘러 가스 공급 구멍(81)으로부터 열처리 공간(65) 내로 공급된다. 처리 가스로서는, 예를 들어 질소(N2) 등의 불활성 가스, 또는, 수소(H2), 암모니아(NH3) 등의 반응성 가스, 혹은 그들을 혼합한 혼합 가스를 이용할 수 있다(본 실시 형태에서는 질소 가스).
한편, 챔버(6)의 내벽 하부에는 열처리 공간(65) 내의 기체를 배기하는 가스 배기 구멍(86)이 형설되어 있다. 가스 배기 구멍(86)은, 오목부(62)보다 하측 위치에 형설되어 있으며, 반사 링(69)에 설치되어 있어도 된다. 가스 배기 구멍(86)은 챔버(6)의 측벽 내부에 원환형상으로 형성된 완충 공간(87)을 통해 가스 배기관(88)에 연통 접속되어 있다. 가스 배기관(88)은 배기부(190)에 접속되어 있다. 또한, 가스 배기관(88)의 경로 도중에는 밸브(89)가 개재 삽입되어 있다. 밸브(89)가 개방되면, 열처리 공간(65)의 기체가 가스 배기 구멍(86)으로부터 완충 공간(87)을 거쳐 가스 배기관(88)으로 배출된다. 또한, 가스 공급 구멍(81) 및 가스 배기 구멍(86)은, 챔버(6)의 둘레방향을 따라 복수 설치되어 있어도 되고, 슬릿형상의 것이어도 된다. 또한, 처리 가스 공급원(85) 및 배기부(190)는, 열처리 장치(1)에 설치된 기구여도 되고, 열처리 장치(1)가 설치되는 공장의 유틸리티여도 된다.
또한, 반송 개구부(66)의 선단에도 열처리 공간(65) 내의 기체를 배출하는 가스 배기관(191)이 접속되어 있다. 가스 배기관(191)은 밸브(192)를 통해 배기부(190)에 접속되어 있다. 밸브(192)를 개방함으로써, 반송 개구부(66)를 통해 챔버(6) 내의 기체가 배기된다.
도 2는 유지부(7)의 전체 외관을 나타내는 사시도이다. 유지부(7)는, 기대(基臺) 링(71), 연결부(72) 및 서셉터(74)를 구비하여 구성된다. 기대 링(71), 연결부(72) 및 서셉터(74)는 모두 석영으로 형성되어 있다. 즉, 유지부(7) 전체가 석영으로 형성되어 있다.
기대 링(71)은 원환형상에서 일부가 결락(欠落)된 원호형상의 석영 부재이다. 이 결락 부분은, 후술하는 이재 기구(10)의 이재 아암(11)과 기대 링(71)과의 간섭을 방지하기 위해 설치되어 있다. 기대 링(71)은 오목부(62)의 저면에 재치됨으로써, 챔버(6)의 벽면에 지지되게 된다(도 1 참조). 기대 링(71)의 상면에, 그 원환형상의 둘레방향을 따라 복수의 연결부(72)(본 실시 형태에서는 4개)가 세워 설치된다. 연결부(72)도 석영의 부재이며, 용접에 의해 기대 링(71)에 고착된다.
서셉터(74)는 기대 링(71)에 설치된 4개의 연결부(72)에 의해 지지된다. 도 3은 서셉터(74)의 평면도이다. 또한, 도 4는 서셉터(74)의 단면도이다. 서셉터(74)는, 유지 플레이트(75), 가이드 링(76) 및 복수의 기판 지지 핀(77)을 구비한다. 유지 플레이트(75)는, 석영으로 형성된 대략 원형의 평판형상 부재이다. 유지 플레이트(75)의 직경은 반도체 웨이퍼(W)의 직경보다 크다. 즉, 유지 플레이트(75)는, 반도체 웨이퍼(W)보다 큰 평면 사이즈를 갖는다.
유지 플레이트(75)의 상면 주연부에 가이드 링(76)이 설치되어 있다. 가이드 링(76)은, 반도체 웨이퍼(W)의 직경보다 큰 내경을 갖는 원환형상의 부재이다. 예를 들어, 반도체 웨이퍼(W)의 직경이 φ300mm인 경우, 가이드 링(76)의 내경은 φ320mm이다. 가이드 링(76)의 내주는, 유지 플레이트(75)로부터 상방을 향해 넓어지는 테이퍼면으로 되어 있다. 가이드 링(76)은, 유지 플레이트(75)와 동일한 석영으로 형성된다. 가이드 링(76)은, 유지 플레이트(75)의 상면에 용착하도록 해도 되고, 별도 가공한 핀 등에 의해 유지 플레이트(75)에 고정하도록 해도 된다. 혹은, 유지 플레이트(75)와 가이드 링(76)을 일체의 부재로서 가공하도록 해도 된다.
유지 플레이트(75)의 상면 중 가이드 링(76)보다 내측의 영역이 반도체 웨이퍼(W)를 유지하는 평면 형상의 유지면(75a)이 된다. 유지 플레이트(75)의 유지면(75a)에는, 복수의 기판 지지 핀(77)이 세워 설치되어 있다. 본 실시 형태에서는, 유지면(75a)의 외주원(가이드 링(76)의 내주원)과 동심원의 둘레 상을 따라 30° 마다 총 12개의 기판 지지 핀(77)이 세워 설치되어 있다. 12개의 기판 지지 핀(77)을 배치한 원의 직경(대향하는 기판 지지 핀(77)간의 거리)은 반도체 웨이퍼(W)의 직경보다 작으며, 반도체 웨이퍼(W)의 직경이 φ300mm이면 φ270mm~φ280mm(본 실시 형태에서는 φ270mm)이다. 각각의 기판 지지 핀(77)은 석영으로 형성되어 있다. 복수의 기판 지지 핀(77)은, 유지 플레이트(75)의 상면에 용접에 의해 설치하도록 해도 되고, 유지 플레이트(75)와 일체로 가공하도록 해도 된다.
도 2로 되돌아와, 기대 링(71)에 세워 설치된 4개의 연결부(72)와 서셉터(74)의 유지 플레이트(75)의 주연부가 용접에 의해 고착된다. 즉, 서셉터(74)와 기대 링(71)은 연결부(72)에 의해 고정적으로 연결되어 있다. 이러한 유지부(7)의 기대 링(71)이 챔버(6)의 벽면에 지지됨으로써, 유지부(7)가 챔버(6)에 장착된다. 유지부(7)가 챔버(6)에 장착된 상태에서는, 서셉터(74)의 유지 플레이트(75)는 수평 자세(법선이 연직 방향과 일치하는 자세)가 된다. 즉, 유지 플레이트(75)의 유지면(75a)은 수평면이 된다.
챔버(6)로 반입된 반도체 웨이퍼(W)는, 챔버(6)에 장착된 유지부(7)의 서셉터(74) 상에 수평 자세로 재치되어 유지된다. 이 때, 반도체 웨이퍼(W)는 유지 플레이트(75) 상에 세워 설치된 12개의 기판 지지 핀(77)에 의해 지지되어 서셉터(74)에 유지된다. 보다 엄밀하게는, 12개의 기판 지지 핀(77)의 상단부가 반도체 웨이퍼(W)의 하면에 접촉하여 당해 반도체 웨이퍼(W)를 지지한다. 12개의 기판 지지 핀(77)의 높이(기판 지지 핀(77)의 상단으로부터 유지 플레이트(75)의 유지면(75a)까지의 거리)는 균일하기 때문에, 12개의 기판 지지 핀(77)에 의해 반도체 웨이퍼(W)를 수평 자세로 지지할 수 있다.
또한, 반도체 웨이퍼(W)는 복수의 기판 지지 핀(77)에 의해 유지 플레이트(75)의 유지면(75a)으로부터 소정의 간격을 두고 지지되게 된다. 기판 지지 핀(77)의 높이보다 가이드 링(76)의 두께가 크다. 따라서, 복수의 기판 지지 핀(77)에 의해 지지된 반도체 웨이퍼(W)의 수평 방향의 위치 어긋남은 가이드 링(76)에 의해 방지된다.
또한, 도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 서셉터(74)의 유지 플레이트(75)에는, 상하로 관통하여 개구부(78)가 형성되어 있다. 개구부(78)는, 방사 온도계(120)(도 1 참조)가 반도체 웨이퍼(W)의 하면으로부터 방사되는 방사광(적외광)을 수광하기 위해 설치되어 있다. 즉, 방사 온도계(120)가 개구부(78)를 통해 반도체 웨이퍼(W)의 하면으로부터 방사된 광을 수광하여 당해 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 측정한다. 또한, 서셉터(74)의 유지 플레이트(75)에는, 후술하는 이재 기구(10)의 리프트 핀(12)이 반도체 웨이퍼(W)의 수도를 위해 관통하는 4개의 관통 구멍(79)이 형성되어 있다.
도 5는 이재 기구(10)의 평면도이다. 또한, 도 6은 이재 기구(10)의 측면도이다. 이재 기구(10)는, 2개의 이재 아암(11)을 구비한다. 이재 아암(11)은, 대체로 원환형상의 오목부(62)를 따르는 원호형상으로 되어 있다. 각각의 이재 아암(11)에는 2개의 리프트 핀(12)이 세워 설치되어 있다. 이재 아암(11) 및 리프트 핀(12)은 석영으로 형성되어 있다. 각 이재 아암(11)은 수평 이동 기구(13)에 의해 회동 가능하게 되어 있다. 수평 이동 기구(13)는, 한 쌍의 이재 아암(11)을 유지부(7)에 대하여 반도체 웨이퍼(W)의 이재를 행하는 이재 동작 위치(도 5의 실선 위치)와 유지부(7)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)와 평면에서 보아 겹치지 않는 퇴피 위치(도 5의 이점 쇄선 위치)의 사이에서 수평 이동시킨다. 수평 이동 기구(13)로서는, 개별의 모터에 의해 각 이재 아암(11)을 각각 회동시키는 것이어도 되고, 링크 기구를 이용하여 1개의 모터에 의해 한 쌍의 이재 아암(11)을 연동시켜 회동시키는 것이어도 된다.
또한, 한 쌍의 이재 아암(11)은, 승강 기구(14)에 의해 수평 이동 기구(13)와 함께 승강 이동된다. 승강 기구(14)가 한 쌍의 이재 아암(11)을 이재 동작 위치에서 상승시키면, 총 4개의 리프트 핀(12)이 서셉터(74)에 형성된 관통 구멍(79)(도 2, 3 참조)을 통과하여, 리프트 핀(12)의 상단이 서셉터(74)의 상면으로부터 돌출한다. 한편, 승강 기구(14)가 한 쌍의 이재 아암(11)을 이재 동작 위치에서 하강시켜 리프트 핀(12)을 관통 구멍(79)으로부터 빼내고, 수평 이동 기구(13)가 한 쌍의 이재 아암(11)을 벌어지도록 이동시키면 각 이재 아암(11)이 퇴피 위치로 이동한다. 한 쌍의 이재 아암(11)의 퇴피 위치는, 유지부(7)의 기대 링(71)의 바로 위이다. 기대 링(71)은 오목부(62)의 저면에 재치되어 있기 때문에, 이재 아암(11)의 퇴피 위치는 오목부(62)의 내측이 된다. 또한, 이재 기구(10)의 구동부(수평 이동 기구(13) 및 승강 기구(14))가 설치되어 있는 부위의 근방에도 도시를 생략한 배기 기구가 설치되어 있으며, 이재 기구(10)의 구동부 주변의 분위기가 챔버(6)의 외부로 배출되도록 구성되어 있다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 챔버(6)에는 방사 온도계(120, 130) 및 온도센서(140)가 설치되어 있다. 상술한 바와 같이, 방사 온도계(120)는, 서셉터(74)에 설치된 개구부(78)를 통해 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 측정한다. 방사 온도계(130)는, 서셉터(74)로부터 방사된 적외광을 검지하여 서셉터(74)의 온도를 측정한다. 한편, 온도센서(140)는, 챔버(6) 내의 분위기 온도를 측정한다.
챔버(6)의 상방에 설치된 플래시 가열부(5)는, 하우징(51)의 내측에, 복수개(본 실시 형태에서는 30개)의 크세논 플래시 램프(FL)로 이루어지는 광원과, 그 광원의 상방을 덮도록 설치된 리플렉터(52)를 구비하여 구성된다. 또한, 플래시 가열부(5)의 하우징(51)의 저부에는 램프광 방사창(53)이 장착되어 있다. 플래시 가열부(5)의 바닥부를 구성하는 램프광 방사창(53)은, 석영에 의해 형성된 판형상의 석영창이다. 플래시 가열부(5)가 챔버(6)의 상방에 설치됨으로써, 램프광 방사창(53)이 상측 챔버창(63)과 서로 대향하게 된다. 플래시 램프(FL)는 챔버(6)의 상방으로부터 램프광 방사창(53) 및 상측 챔버창(63)을 통하여 열처리 공간(65)에 플래시 광을 조사한다.
복수의 플래시 램프(FL)는, 각각이 장척의 원통형상을 갖는 봉형상 램프이며, 각각의 길이 방향이 유지부(7)에 유지되는 반도체 웨이퍼(W)의 주면(主面)을 따라(즉 수평 방향을 따라) 서로 평행이 되도록 평면 형상으로 배열되어 있다. 따라서, 플래시 램프(FL)의 배열에 의해 형성되는 평면도 수평면이다.
크세논 플래시 램프(FL)는, 그 내부에 크세논 가스가 봉입되고 그 양단부에 콘덴서에 접속된 양극 및 음극이 배설(配設)된 봉형상의 유리관(방전관)과, 그 유리관의 외주면 상에 부설(付設)된 트리거 전극을 구비한다. 크세논 가스는 전기적으로는 절연체이기 때문에, 콘덴서에 전하가 축적되어 있었다고 해도 통상의 상태에서는 유리관 내에 전기는 흐르지 않는다. 그러나, 트리거 전극에 고전압을 인가하여 절연을 파괴한 경우에는, 콘덴서에 저장된 전기가 유리관 내에 순식간에 흐르고, 그 때의 크세논의 원자 혹은 분자의 여기에 의해 광이 방출된다. 이러한 크세논 플래시 램프(FL)에 있어서는, 미리 콘덴서에 저장되어 있던 정전 에너지가 0.1 밀리초 내지 100 밀리초의 극히 짧은 광펄스로 변환되기 때문에, 할로겐 램프(HL)와 같은 연속 점등의 광원에 비해 매우 강한 광을 조사할 수 있다는 특징을 갖는다. 즉, 플래시 램프(FL)는, 1초 미만의 극히 짧은 시간에 순간적으로 발광하는 펄스 발광 램프이다. 또한, 플래시 램프(FL)의 발광 시간은, 플래시 램프(FL)에 전력 공급을 행하는 램프 전원의 코일 상수에 의해 조정할 수 있다.
또한, 리플렉터(52)는, 복수의 플래시 램프(FL)의 상방에 그들 전체를 덮도록 설치되어 있다. 리플렉터(52)의 기본적인 기능은, 복수의 플래시 램프(FL)로부터 출사된 플래시 광을 열처리 공간(65)측으로 반사한다는 것이다. 리플렉터(52)는 알루미늄 합금판으로 형성되어 있고, 그 표면(플래시 램프(FL)에 면하는 측의 면)은 블라스트 처리에 의해 조면화 가공이 실시되어 있다.
챔버(6)의 하방에 설치된 할로겐 가열부(4)는, 하우징(41)의 내측에 복수개(본 실시 형태에서는 40개)의 할로겐 램프(HL)를 내장하고 있다. 할로겐 가열부(4)는, 복수의 할로겐 램프(HL)에 의해 챔버(6)의 하방으로부터 하측 챔버창(64)을 통하여 열처리 공간(65)으로의 광 조사를 행하여 반도체 웨이퍼(W)를 가열하는 광 조사부이다.
도 7은 복수의 할로겐 램프(HL)의 배치를 나타내는 평면도이다. 40개의 할로겐 램프(HL)는 상하 2단으로 나누어 배치되어 있다. 유지부(7)에 가까운 상단에 20개의 할로겐 램프(HL)가 배설됨과 함께, 상단보다 유지부(7)로부터 먼 하단에도 20개의 할로겐 램프(HL)가 배설되어 있다. 각 할로겐 램프(HL)는, 장척의 원통 형상을 갖는 봉형상 램프이다. 상단, 하단 모두 20개의 할로겐 램프(HL)는, 각각의 길이 방향이 유지부(7)에 유지되는 반도체 웨이퍼(W)의 주면을 따라(즉 수평 방향을 따라) 서로 평행이 되도록 배열되어 있다. 따라서, 상단, 하단 모두 할로겐 램프(HL)의 배열에 의해 형성되는 평면은 수평면이다.
또한, 도 7에 나타내는 바와 같이, 상단, 하단 모두 유지부(7)에 유지되는 반도체 웨이퍼(W)의 중앙부에 대향하는 영역보다 주연부에 대향하는 영역에서의 할로겐 램프(HL)의 배설 밀도가 높게 되어 있다. 즉, 상하단 모두, 램프 배열의 중앙부보다 주연부가 할로겐 램프(HL)의 배설 피치가 짧다. 이 때문에, 할로겐 가열부(4)로부터의 광 조사에 의한 가열시에 온도 저하가 생기기 쉬운 반도체 웨이퍼(W)의 주연부에 보다 많은 광량의 조사를 행할 수 있다.
또한, 상단의 할로겐 램프(HL)로 이루어지는 램프군과 하단의 할로겐 램프(HL)로 이루어지는 램프군이 격자 형상으로 교차하도록 배열되어 있다. 즉, 상단에 배치된 20개의 할로겐 램프(HL)의 길이 방향과 하단에 배치된 20개의 할로겐 램프(HL)의 길이 방향이 서로 직교하도록 합계 40개의 할로겐 램프(HL)가 배설되어 있다.
할로겐 램프(HL)는, 유리관 내부에 배설된 필라멘트에 통전함으로써 필라멘트를 백열화시켜 발광시키는 필라멘트 방식의 광원이다. 유리관의 내부에는, 질소나 아르곤 등의 불활성 가스에 할로겐 원소(옥소, 취소 등)를 미량 도입한 기체가 봉입되어 있다. 할로겐 원소를 도입함으로써, 필라멘트의 파손을 억제하면서 필라멘트의 온도를 고온으로 설정하는 것이 가능해진다. 따라서, 할로겐 램프(HL)는, 통상의 백열전구에 비해 수명이 길고 또한 강한 광을 연속적으로 조사할 수 있다는 특성을 갖는다. 즉, 할로겐 램프(HL)는 적어도 1초 이상 연속하여 발광하는 연속 점등 램프이다. 또한, 할로겐 램프(HL)는 봉형상 램프이기 때문에 장수명이며, 할로겐 램프(HL)를 수평 방향을 따르게 하여 배치함으로써 상방의 반도체 웨이퍼(W)로의 방사 효율이 우수한 것이 된다.
또한, 할로겐 가열부(4)의 하우징(41) 내에도, 2단의 할로겐 램프(HL)의 하측에 리플렉터(43)가 설치되어 있다(도 1). 리플렉터(43)는, 복수의 할로겐 램프(HL)로부터 출사된 광을 열처리 공간(65)측으로 반사한다.
제어부(3)는, 열처리 장치(1)에 설치된 상기의 여러 가지 동작 기구를 제어한다. 제어부(3)의 하드웨어로서의 구성은 일반적인 컴퓨터와 동일하다. 즉, 제어부(3)는, 각종 연산 처리를 행하는 회로인 CPU, 기본 프로그램을 기억하는 읽어내기 전용의 메모리인 ROM, 각종 정보를 기억하는 읽고 쓰기 가능한 메모리인 RAM 및 제어용 소프트웨어나 데이터 등을 기억해 두는 자기 디스크를 구비하고 있다. 제어부(3)의 CPU가 소정의 처리 프로그램을 실행함으로써 열처리 장치(1)에 있어서의 처리가 진행된다.
상기의 구성 이외에도 열처리 장치(1)는, 반도체 웨이퍼(W)의 열처리 시에 할로겐 램프(HL) 및 플래시 램프(FL)로부터 발생하는 열에너지에 의한 할로겐 가열부(4), 플래시 가열부(5) 및 챔버(6)의 과잉의 온도 상승을 방지하기 위해, 다양한 냉각용 구조를 구비하고 있다. 예를 들어, 챔버(6)의 벽체에는 수냉관(도시 생략)이 설치되어 있다. 또한, 할로겐 가열부(4) 및 플래시 가열부(5)는, 내부에 기체류를 형성하여 배열(排熱)하는 공냉 구조로 되어 있다. 또한, 상측 챔버창(63)과 램프광 방사창(53)의 간극에도 공기가 공급되어, 플래시 가열부(5) 및 상측 챔버창(63)을 냉각한다.
다음에, 열처리 장치(1)에서의 처리 동작에 대해서 설명한다. 먼저, 처리 대상이 되는 반도체 웨이퍼(W)에 대한 통상의 열처리 순서에 대해서 설명한다. 여기서 처리 대상이 되는 반도체 웨이퍼(W)는 이온 주입법에 의해 불순물(이온)이 첨가된 실리콘의 반도체 기판이다. 그 불순물의 활성화가 열처리 장치(1)에 의한 플래시 광 조사 가열 처리(어닐)에 의해 실행된다. 이하에 설명하는 반도체 웨이퍼(W)의 처리 순서는, 제어부(3)가 열처리 장치(1)의 각 동작 기구를 제어함으로써 진행된다.
먼저, 급기를 위한 밸브(84)가 개방됨과 함께, 배기용 밸브(89, 192)가 개방되어 챔버(6) 내에 대한 급배기(給排氣)가 개시된다. 밸브(84)가 개방되면, 가스 공급 구멍(81)으로부터 열처리 공간(65)에 질소 가스가 공급된다. 또한, 밸브(89)가 개방되면, 가스 배기 구멍(86)으로부터 챔버(6) 내의 기체가 배기된다. 이로 인해, 챔버(6) 내의 열처리 공간(65)의 상부로부터 공급된 질소 가스가 하방으로 흘러, 열처리 공간(65)의 하부로부터 배기된다.
또한, 밸브(192)가 개방됨으로써, 반송 개구부(66)로부터도 챔버(6) 내의 기체가 배기된다. 또한, 도시를 생략한 배기 기구에 의해 이재 기구(10)의 구동부 주변의 분위기도 배기된다. 또한, 열처리 장치(1)에서의 반도체 웨이퍼(W)의 열처리 시에는 질소 가스가 열처리 공간(65)에 계속적으로 공급되고 있으며, 그 공급량은 처리 공정에 따라 적절히 변경된다.
계속해서, 게이트 밸브(185)가 열려 반송 개구부(66)가 개방되고, 장치 외부의 반송 로봇에 의해 반송 개구부(66)를 통하여 처리 대상이 되는 반도체 웨이퍼(W)가 챔버(6) 내의 열처리 공간(65)으로 반입된다. 이 때에는, 반도체 웨이퍼(W)의 반입에 수반하여 장치 외부의 분위기를 끌어들일 우려가 있으나, 챔버(6)에는 질소 가스가 계속 공급되고 있기 때문에, 반송 개구부(66)로부터 질소 가스가 유출되어, 그러한 외부 분위기의 끌어들임을 최소한으로 억제할 수 있다.
반송 로봇에 의해 반입된 반도체 웨이퍼(W)는 유지부(7)의 바로 위 위치까지 진출하여 정지한다. 그리고, 이재 기구(10)의 한 쌍의 이재 아암(11)이 퇴피 위치로부터 이재 동작 위치로 수평 이동하여 상승함으로써, 리프트 핀(12)이 관통 구멍(79)을 통과하여 서셉터(74)의 유지 플레이트(75)의 상면으로부터 돌출하여 반도체 웨이퍼(W)를 받는다. 이 때, 리프트 핀(12)은 기판 지지 핀(77)의 상단보다 상방까지 상승한다.
반도체 웨이퍼(W)가 리프트 핀(12)에 재치된 후, 반송 로봇이 열처리 공간(65)으로부터 퇴출하고, 게이트 밸브(185)에 의해 반송 개구부(66)가 폐쇄된다. 그리고, 한 쌍의 이재 아암(11)이 하강함으로써, 반도체 웨이퍼(W)는 이재 기구(10)로부터 유지부(7)의 서셉터(74)에 수도되어 수평 자세로 하방으로부터 유지된다. 반도체 웨이퍼(W)는, 유지 플레이트(75) 상에 세워 설치된 복수의 기판 지지 핀(77)에 의해 지지되어 서셉터(74)에 재치된다. 또한, 반도체 웨이퍼(W)는, 패턴 형성이 이루어져 불순물이 주입된 표면을 상면으로 하여 유지부(7)에 유지된다. 복수의 기판 지지 핀(77)에 의해 지지된 반도체 웨이퍼(W)의 이면(표면과는 반대측의 주면(主面))과 유지 플레이트(75)의 유지면(75a)의 사이에는 소정의 간격이 형성된다. 서셉터(74)의 하방에까지 하강한 한 쌍의 이재 아암(11)은 수평 이동 기구(13)에 의해 퇴피 위치, 즉 오목부(62)의 내측으로 퇴피한다.
반도체 웨이퍼(W)가 석영으로 형성된 유지부(7)의 서셉터(74)에 의해 수평 자세로 재치된 후, 할로겐 가열부(4)의 40개의 할로겐 램프(HL)가 일제히 점등하여 예비 가열(어시스트 가열)이 개시된다. 할로겐 램프(HL)로부터 출사된 할로겐 광은, 석영으로 형성된 하측 챔버창(64) 및 서셉터(74)를 투과하여 반도체 웨이퍼(W)의 하면에 조사된다. 할로겐 램프(HL)로부터의 광 조사를 받음으로써 반도체 웨이퍼(W)가 예비 가열되어 온도가 상승한다. 또한, 이재 기구(10)의 이재 아암(11)은 오목부(62)의 내측으로 퇴피해 있기 때문에, 할로겐 램프(HL)에 의한 가열의 장해가 되는 일은 없다.
할로겐 램프(HL)에 의한 예비 가열을 행할 때에는, 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 방사 온도계(120)에 의해 측정되고 있다. 즉, 서셉터(74)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 하면으로부터 개구부(78)를 통하여 방사된 적외광을 방사 온도계(120)가 수광하여 승온 중의 웨이퍼 온도를 측정한다. 측정된 반도체 웨이퍼(W)의 온도는 제어부(3)에 전달된다. 제어부(3)는, 할로겐 램프(HL)로부터의 광 조사에 의해 승온하는 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 소정의 예비 가열 온도 T1에 도달했는지 여부를 감시하면서, 할로겐 램프(HL)의 출력을 제어한다. 즉, 제어부(3)는, 방사 온도계(120)에 의한 측정치에 기초하여, 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 예비 가열 온도 T1이 되도록 할로겐 램프(HL)의 출력을 피드백 제어한다. 예비 가열 온도 T1은, 반도체 웨이퍼(W)에 첨가된 불순물이 열에 의해 확산될 우려가 없는, 200℃ 내지 800℃ 정도, 바람직하게는 350℃ 내지 600℃ 정도가 된다(본 실시의 형태에서는 600℃).
반도체 웨이퍼(W)의 온도가 예비 가열 온도 T1에 도달한 후, 제어부(3)는 반도체 웨이퍼(W)를 그 예비 가열 온도 T1로 잠시 유지한다. 구체적으로는, 방사 온도계(120)에 의해 측정되는 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 예비 가열 온도 T1에 도달한 시점에 제어부(3)가 할로겐 램프(HL)의 출력을 조정하여, 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 거의 예비 가열 온도 T1로 유지하고 있다.
반도체 웨이퍼(W)의 온도가 예비 가열 온도 T1에 도달하여 소정 시간이 경과한 시점에 플래시 가열부(5)의 플래시 램프(FL)가 서셉터(74)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 플래시 광 조사를 행한다. 이 때, 플래시 램프(FL)로부터 방사되는 플래시 광의 일부는 직접 챔버(6) 내로 향하고, 다른 일부는 일단 리플렉터(52)에 의해 반사되고 나서 챔버(6) 내로 향하며, 이들 플래시 광의 조사에 의해 반도체 웨이퍼(W)의 플래시 가열이 행해진다.
플래시 가열은, 플래시 램프(FL)로부터의 플래시 광(섬광) 조사에 의해 행해지기 때문에, 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도를 단시간에 상승시킬 수 있다. 즉, 플래시 램프(FL)로부터 조사되는 플래시 광은, 미리 콘덴서에 저장되어 있던 정전 에너지가 극히 짧은 광펄스로 변환된, 조사 시간이 0.1 밀리초 이상 100 밀리초 이하 정도의 극히 짧고 강한 섬광이다. 그리고, 플래시 램프(FL)로부터의 플래시 광 조사에 의해 플래시 가열되는 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도는, 순간적으로 1000℃ 이상의 처리 온도 T2까지 상승하고, 반도체 웨이퍼(W)에 주입된 불순물이 활성화된 후, 표면 온도가 급속히 하강한다. 이와 같이, 열처리 장치(1)에서는, 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도를 극히 단시간에 승강시킬 수 있기 때문에, 반도체 웨이퍼(W)에 주입된 불순물의 열에 의한 확산을 억제하면서 불순물의 활성화를 행할 수 있다. 또한, 불순물의 활성화에 필요한 시간은 그 열확산에 필요한 시간과 비교하여 매우 짧기 때문에, 0.1 밀리초 내지 100 밀리초 정도의 확산이 발생하지 않는 단시간이어도 활성화는 완료된다.
플래시 가열 처리가 종료된 후, 소정 시간 경과 후에 할로겐 램프(HL)가 소등된다. 이로 인해, 반도체 웨이퍼(W)가 예비 가열 온도 T1로부터 급속히 강온한다. 강온 중의 반도체 웨이퍼(W)의 온도는 방사 온도계(120)에 의해 측정되고, 그 측정 결과는 제어부(3)에 전달된다. 제어부(3)는, 방사 온도계(120)의 측정 결과로부터 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 소정 온도까지 강온했는지 여부를 감시한다. 그리고, 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 소정 이하까지 강온한 후, 이재 기구(10)의 한 쌍의 이재 아암(11)이 다시 퇴피 위치로부터 이재 동작 위치로 수평 이동하여 상승함으로써, 리프트 핀(12)이 서셉터(74)의 상면으로부터 돌출하여 열처리 후의 반도체 웨이퍼(W)를 서셉터(74)로부터 받는다. 이어서, 게이트 밸브(185)에 의해 폐쇄되어 있던 반송 개구부(66)가 개방되어, 리프트 핀(12) 상에 재치된 반도체 웨이퍼(W)가 장치 외부의 반송 로봇에 의해 반출되고, 열처리 장치(1)에서의 반도체 웨이퍼(W)의 가열 처리가 완료된다.
그런데, 전형적으로는, 반도체 웨이퍼(W)의 처리는 로트 단위로 행해진다. 로트란, 동일 조건에서 동일 내용의 처리를 행하는 대상이 되는 1세트의 반도체 웨이퍼(W)이다. 본 실시 형태의 열처리 장치(1)에 있어서도, 로트를 구성하는 복수매(예를 들어, 25장)의 반도체 웨이퍼(W)가 1장씩 순차적으로 챔버(6)로 반입되어 가열 처리가 행해진다.
여기서, 잠시 처리를 행하고 있지 않던 열처리 장치(1)에서 사전에 서셉터(74) 등의 예열을 행하지 않고 로트의 처리를 개시하는 경우, 대체로 실온의 챔버(6)로 로트의 최초의 반도체 웨이퍼(W)가 반입되어 플래시 가열 처리가 행해지게 된다. 이와 같은 경우는, 예를 들어 메인터넌스 후에 열처리 장치(1)가 기동되고 나서 최초의 로트를 처리하는 경우나 앞의 로트를 처리한 후에 장시간이 경과한 경우 등이다. 가열 처리시에는, 승온한 반도체 웨이퍼(W)로부터 서셉터(74) 등의 챔버 내 구조물에 열전도가 발생하기 때문에, 초기에는 실온이었던 서셉터(74)가 반도체 웨이퍼(W)의 처리 매수가 증가함에 따라 서서히 축열에 의해 승온하게 된다.
도 8은, 반도체 웨이퍼(W)의 처리 매수와 서셉터(74)의 온도와의 상관을 나타내는 도면이다. 처리 개시 전에는 실온이었던 서셉터(74)가 반도체 웨이퍼(W)의 처리 매수가 증가함에 따라 서서히 반도체 웨이퍼(W)로부터의 전열(傳熱)에 의해 승온하고, 이윽고 약 10장의 반도체 웨이퍼(W)의 가열 처리가 행해졌을 때에 서셉터(74)의 온도가 일정한 안정 온도(Ts)에 도달한다. 안정 온도(Ts)에 도달한 서셉터(74)에서는, 반도체 웨이퍼(W)로부터 서셉터(74)로의 전열량과 서셉터(74)로부터의 방열량이 균형을 이룬다. 서셉터(74)의 온도가 안정 온도(Ts)에 도달할 때까지는, 반도체 웨이퍼(W)로부터의 전열량이 서셉터(74)로부터의 방열량보다 많기 때문에, 반도체 웨이퍼(W)의 처리 매수가 증가함에 따라 서셉터(74)의 온도가 서서히 축열에 의해 상승한다. 이에 대하여, 서셉터(74)의 온도가 안정 온도(Ts)에 도달한 후에는, 반도체 웨이퍼(W)로부터의 전열량과 서셉터(74)로부터의 방열량이 균형을 이루기 때문에, 서셉터(74)의 온도는 일정한 안정 온도(Ts)로 유지되게 된다.
이와 같이 실온의 챔버(6)에서 처리를 개시하면, 로트의 초기의 반도체 웨이퍼(W)와 도중부터의 반도체 웨이퍼(W)에서 서셉터(74) 등의 챔버 내 구조물의 온도가 다름에 기인하여 온도 이력이 불균일해진다는 문제가 있었다. 그에 더하여, 초기의 반도체 웨이퍼(W)에 대해서는 저온의 서셉터(74)에 지지되어 플래시 가열 처리가 행해지기 때문에 웨이퍼 휨이 발생하는 일도 있었다. 이 때문에, 이미 서술한 바와 같이, 종래에는, 로트의 처리를 개시하기 전에, 처리 대상이 아닌 더미 웨이퍼를 10장 정도 순차적으로 챔버(6) 내로 반입하여 처리 대상인 반도체 웨이퍼(W)와 동일한 예비 가열 처리 및 플래시 가열 처리를 행하여 서셉터(74) 등의 챔버 내 구조물을 안정 온도(Ts)로 승온시키는 더미 러닝이 실시되고 있었다. 이러한 더미 러닝은, 처리와는 관계없는 더미 웨이퍼를 소비할 뿐만 아니라, 상당한 시간(10장의 더미 웨이퍼를 처리하는데 약 15분)을 필요로 하기 때문에, 열처리 장치(1)의 효율적인 운용을 저해하는 것도 이미 서술한 바와 같다.
이에, 본 실시 형태에서는, 생산용의 로트의 최초의 반도체 웨이퍼(W)가 챔버(6) 내로 반입되기 전에, 예열용 기판을 실온의 챔버(6)로 반입하여 서셉터(74)에 재치하고, 할로겐 램프(HL)로부터의 광 조사에 의해 당해 예열용 기판을 가열하여 서셉터(74)를 예열하고 있다. 예열용 기판은, 상기의 반도체 웨이퍼(W)와 동일한 사이즈 및 형상을 갖는다(본 실시 형태에서는 φ300mm의 원판 형상). 단, 예열용 기판의 방사율은 실리콘의 반도체 웨이퍼(W)의 방사율보다 높다. 즉, 예열용 기판은, 실리콘보다 방사율이 높은 재료(예를 들어, 실리콘 카바이드(SiC))로 형성되어 있다.
예열용 기판의 챔버(6)로의 반입 순서는, 상술한 반도체 웨이퍼(W)의 반입 순서와 동일하다. 즉, 장치 외부의 반송 로봇에 의해 예열용 기판이 챔버(6) 내로 반입되고, 이재 기구(10)의 리프트 핀(12)이 예열용 기판을 받는다. 그리고, 리프트 핀(12)이 하강함으로써, 예열용 기판이 서셉터(74)에 재치된다.
예열용 기판이 서셉터(74)에 재치된 후, 할로겐 가열부(4)의 40개의 할로겐 램프(HL)로부터 예열용 기판에 광 조사를 행하여 당해 예열용 기판을 가열한다. 할로겐 램프(HL)로부터의 광 조사에 의해 승온한 예열용 기판으로부터 석영의 서셉터(74)에 열전도가 발생하여 서셉터(74)가 예열된다.
도 9는 서셉터(74)의 온도 변화를 나타내는 도면이다. 예열용 기판이 실온의 서셉터(74)에 재치된 후, 시각 t1에 할로겐 램프(HL)로부터의 광 조사가 개시된다. 할로겐 램프(HL)로부터의 광 조사를 받음으로써 예열용 기판이 가열되어 승온한다. 그리고, 승온한 예열용 기판으로부터의 열전도에 의해 서셉터(74)가 예열되어 그 온도가 실온으로부터 상승한다. 서셉터(74)의 온도는 방사 온도계(130)에 의해 측정되고 있다. 측정된 서셉터(74)의 온도는 제어부(3)에 전달된다. 제어부(3)는, 방사 온도계(130)에 의한 측정치에 기초하여, 서셉터(74)의 온도가 예열 온도(Tv)가 되도록 할로겐 램프(HL)의 출력을 피드백 제어한다. 예열 온도(Tv)는 상술한 안정 온도(Ts)보다 높은 온도이다. 예를 들어, 안정 온도(Ts)가 400℃ 이면, 예열 온도(Tv)는 500℃가 된다.
시각 t2에 서셉터(74)의 온도가 예열 온도(Tv)에 도달한 시점에서, 제어부(3)가 할로겐 램프(HL)의 출력을 조정하여 서셉터(74)의 온도를 거의 예열 온도(Tv)로 유지한다. 바꿔 말하면, 서셉터(74)의 온도가 예열 온도(Tv)를 유지하도록, 제어부(3)가 할로겐 램프(HL)의 출력을 제어한다. 서셉터(74)가 예열 온도(Tv)로 승온되면, 그 서셉터(74)로부터의 열방사나 열전도에 의해, 이재 아암(11)이나 챔버 측부(61) 등의 서셉터(74) 이외의 챔버 내 구조물도 예열되게 된다.
다음에, 서셉터(74)의 온도가 예열 온도(Tv)에 도달하고 나서 소정 시간이 경과한 시각 t3에, 제어부(3)가 할로겐 램프(HL)의 출력을 저하시켜 서셉터(74)를 강온시킨다. 그리고, 시각 t4에 서셉터(74)의 온도가 안정 온도(Ts)까지 강온한 시점에서, 제어부(3)가 할로겐 램프(HL)의 출력을 조정하여 서셉터(74)의 온도를 거의 안정 온도(Ts)로 유지한다. 즉, 서셉터(74)의 온도가 안정 온도(Ts)를 유지하도록, 제어부(3)가 할로겐 램프(HL)의 출력을 제어한다.
안정 온도(Ts)는, 서셉터(74)를 예열하지 않고, 챔버(6) 내에서 로트의 복수의 반도체 웨이퍼(W)에 연속적으로 할로겐 램프(HL)로부터 광을 조사하여 가열 처리를 행함으로써, 서셉터(74)의 온도가 상승하여 일정해졌을 때의 당해 서셉터(74)의 온도이다. 안정 온도(Ts)의 값은, 특별히 한정되는 것은 아니며, 로트를 구성하는 반도체 웨이퍼(W)의 예비 가열 온도 T1에 따라 다르다. 이러한 안정 온도(Ts)는, 미리 실험 또는 시뮬레이션 등에 의해 구하여 제어부(3)의 기억부에 저장해두면 좋다.
서셉터(74)의 온도가 안정 온도(Ts)로 유지됨으로써, 이재 아암(11) 등의 서셉터(74) 이외의 챔버 내 구조물도 반도체 웨이퍼(W)의 정상 처리시의 온도로 안정화된다. 또한, 예열용 기판이 예열 온도(Tv)로 유지되는 시간(시각 t2부터 시각 t3까지의 시간)은 예를 들어 약 1분이며, 예열용 기판이 안정 온도(Ts)로 유지되는 시간(시각 t4부터 시각 t5까지의 시간)은 예를 들어 약 4분이다.
그 후, 서셉터(74)의 온도가 안정 온도(Ts)에 도달하고 나서 소정 시간이 경과한 시각 t5에, 제어부(3)가 할로겐 램프(HL)로부터의 광 조사를 정지시킨다. 할로겐 램프(HL)가 광 조사를 정지함으로써, 서셉터(74)의 온도가 강온한다. 그리고, 시각 t6에 서셉터(74)의 온도가 교체 온도(Tw)까지 강온한 시점에서 예열용 기판을 챔버(6)로부터 반출함과 더불어, 생산용의 로트의 최초의 반도체 웨이퍼(W)를 챔버(6) 내로 반입하여 서셉터(74)에 재치한다. 구체적으로는, 시각 t6에, 이재 기구(10)의 리프트 핀(12)이 예열용 기판을 밀어 올려 장치 외부의 반송 로봇이 당해 예열용 기판을 받아 반출한다. 이어서, 장치 외부의 반송 로봇에 의해 챔버(6) 내로 반입된 생산용의 로트의 최초의 반도체 웨이퍼(W)가 이재 기구(10)에 의해 서셉터(74)에 재치된다. 그 후, 로트의 최초의 반도체 웨이퍼(W)에 대해서는 상술한 순서에 따라 예비 가열 처리 및 플래시 가열 처리가 행해진다.
교체 온도(Tw)는, 로트를 구성하는 반도체 웨이퍼(W)의 정상 처리시에, 가열 처리 후의 반도체 웨이퍼(W)를 미처리의 반도체 웨이퍼(W)와 교체하기 위해 챔버(6)로부터 반출할 때의 서셉터(74)의 온도이다. 상술한 바와 같이, 반도체 웨이퍼(W)의 플래시 가열 처리가 종료된 후에 할로겐 램프(HL)가 소등되어 서셉터(74)의 온도도 강온한다. 그리고, 그 가열 처리 후의 반도체 웨이퍼(W)를 챔버(6)로부터 반출할 때의 서셉터(74)의 온도가 교체 온도(Tw)이다.
본 실시 형태에서는, 생산용의 로트의 최초의 반도체 웨이퍼(W)가 챔버(6) 내로 반입되기 전에, 예열용 기판을 서셉터(74)에 재치하고, 그 예열용 기판을 할로겐 램프(HL)로부터의 광 조사로 가열함으로써 서셉터(74)를 예열하고 있다. 그리고, 서셉터(74)를 안정 온도(Ts)보다 고온의 예열 온도(Tv)로 승온하고 있다. 여기서, 서셉터(74)만을 예열하는 것이라면, 단순히 서셉터(74)를 안정 온도(Ts)까지 승온하면 충분할 것처럼도 생각된다. 그러나, 목표 온도를 안정 온도(Ts)로 하여 서셉터(74)를 예열하면, 서셉터(74)를 안정 온도(Ts)로 승온시킬 때까지 상응하는 시간을 필요로 하게 되어, 더미 러닝에 필요로 했던 시간에서 현저하게 단축하는 것은 어렵다. 또한, 단지 서셉터(74)를 안정 온도(Ts)로 승온한 것 만으로는, 이재 아암(11)이나 챔버 측부(61) 등의 서셉터(74) 이외의 챔버 내 구조물을 반도체 웨이퍼(W)의 정상 처리시의 온도까지 가열하는데에도 장시간을 필요로 한다.
이 때문에, 본 실시 형태와 같이, 서셉터(74)를 안정 온도(Ts)보다 고온의 예열 온도(Tv)로 예열함으로써, 서셉터(74)를 단시간에 안정 온도(Ts) 이상으로 승온할 수 있음과 함께, 이재 아암(11) 등의 서셉터(74) 이외의 챔버 내 구조물도 서셉터(74)로부터의 열방사에 의해 반도체 웨이퍼(W)의 정상 처리시의 온도로 단시간에 예열할 수 있다. 이로써, 예열 후에 로트의 최초의 반도체 웨이퍼(W)의 처리를 개시하면, 로트를 구성하는 모든 반도체 웨이퍼(W)에 걸쳐 서셉터(74) 등의 챔버 내 구조물이 대체로 동일한 온도가 되어, 온도 이력을 균일하게 할 수 있다. 또한, 로트의 초기의 반도체 웨이퍼(W)에 대해서도, 안정 온도(Ts)로 승온한 서셉터(74)에 의해 지지되기 때문에, 서셉터(74)와 반도체 웨이퍼(W)의 온도 차에 기인한 웨이퍼 휨을 방지할 수 있다. 즉, 종래와 같은 수 장의 더미 웨이퍼에 가열 처리를 행하는 더미 러닝보다 단시간에 서셉터(74) 등의 챔버 내 구조물을 예열하여 생산용의 로트의 처리를 개시할 수 있는 것이다. 그리고, 더미 러닝을 생략해도 로트를 구성하는 모든 반도체 웨이퍼(W)에 대해서 온도 이력을 균일하게 할 수 있어, 기판 처리 장치(1)의 효율적인 운용이 가능해진다.
또한, 서셉터(74)를 안정 온도(Ts)보다 고온의 예열 온도(Tv)로 승온한 후, 서셉터(74)의 온도를 안정 온도(Ts)로 유지하고 있기 때문에, 서셉터(74)를 포함한 챔버 내 구조물의 온도를 반도체 웨이퍼(W)의 정상 처리시의 온도로 안정화시킬 수 있다.
또한, 서셉터(74)의 온도를 안정 온도(Ts)로 유지한 후, 할로겐 램프(HL)로부터의 광 조사를 정지하여 서셉터(74)가 교체 온도(Tw)까지 강온한 시점에 예열용 기판을 챔버(6)로부터 반출함과 더불어 로트의 최초의 반도체 웨이퍼(W)를 챔버(6) 내로 반입하고 있다. 이 때문에, 당해 최초의 반도체 웨이퍼(W)가 챔버(6) 내로 반입되었을 때의 서셉터(74)의 온도는, 반도체 웨이퍼(W)의 정상 처리시에 미처리의 반도체 웨이퍼(W)가 챔버(6) 내로 반입될 때의 서셉터(74)의 온도와 동일하며, 로트를 구성하는 반도체 웨이퍼(W)의 온도 이력을 보다 균일하게 할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 예열용 기판의 방사율이 로트의 반도체 웨이퍼(W)의 방사율보다 높다. 따라서, 예열시에 예열용 기판은 할로겐 램프(HL)로부터 조사된 광을 효율적으로 흡수하여 급속하게 승온한다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 그 취지를 벗어나지 않는 한에서 상술한 것 이외에 다양한 변경을 행하는 것이 가능하다. 예를 들어, 상기 실시 형태에 있어서는, 예열용 기판을 실리콘 카바이드로 형성하고 있었지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 실리콘의 반도체 기판의 표면에 실리콘 나이트라이드(Si3N4)의 막을 성막하여 예열용 기판으로 해도 된다. 표면에 실리콘 나이트라이드를 성막한 예열용 기판의 방사율도 실리콘의 반도체 웨이퍼(W)의 방사율보다 높다. 또한, 실리콘의 반도체 기판의 표면에 고농도의 불순물(도펀트)의 막을 성막하거나, 고농도의 불순물(도펀트)을 주입하여 예열용 기판으로 해도 된다. 이러한 예열용 기판의 방사율도 단순한 실리콘의 반도체 웨이퍼(W)의 방사율보다 높다. 또한, 실리콘의 반도체 기판을 예열용 기판으로서 이용하도록 해도 된다. 무엇보다, 실리콘보다 방사율이 높은 예열용 기판을 이용한 것이 예열용 기판을 단시간에 승온시킬 수 있기 때문에 적합하다.
또한, 상기 실시 형태에 있어서는, 방사 온도계(130)에 의한 서셉터(74)의 온도 측정치에 기초하여, 제어부(3)가 할로겐 램프(HL)의 출력을 제어하고 있었지만, 방사 온도계(120)에 의한 예열용 기판의 온도 측정치 또는 온도센서(140)에 의한 챔버(6) 내의 분위기 온도의 측정치에 기초하여 제어부(3)가 할로겐 램프(HL)의 출력을 제어하도록 해도 된다. 혹은, 방사 온도계(120), 방사 온도계(130) 및 온도센서(140) 중의 복수의 온도 측정치에 기초하여 제어부(3)가 할로겐 램프(HL)의 출력을 제어하도록 해도 된다.
또한, 상기 실시 형태에 있어서는, 플래시 가열부(5)에 30개의 플래시 램프(FL)를 구비하도록 하고 있었지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 플래시 램프(FL)의 개수는 임의의 수로 할 수 있다. 또한, 플래시 램프(FL)는 크세논 플래시 램프에 한정되는 것은 아니며, 크립톤 플래시 램프여도 된다. 또한, 할로겐 가열부(4)에 구비하는 할로겐 램프(HL)의 개수도 40개에 한정되는 것은 아니며, 임의의 수로 할 수 있다.
또한, 상기 실시 형태에 있어서는, 1초 이상 연속적으로 발광하는 연속 점등 램프로서 필라멘트 방식의 할로겐 램프(HL)를 이용하여 반도체 웨이퍼(W)의 예비 가열을 행하고 있었지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 할로겐 램프(HL) 대신에 방전형의 아크 램프(예를 들어, 크세논 아크 램프)를 연속 점등 램프로서 이용하여 예비 가열을 행하도록 해도 된다.
또한, 열처리 장치(1)에 의해 처리 대상이 되는 기판은 반도체 웨이퍼에 한정되는 것은 아니며, 액정 표시 장치 등의 플랫 패널 디스플레이에 이용하는 유리 기판이나 태양전지용의 기판이어도 된다. 또한, 본 발명에 관련된 기술은, 고유전율 게이트 절연막(High-k막)의 열처리, 금속과 실리콘의 접합, 혹은 폴리 실리콘의 결정화에 적용하도록 해도 된다.
또한, 본 발명에 관련된 열처리 기술은, 플래시 램프 어닐 장치에 한정되는 것은 아니며, 할로겐 램프를 사용한 매엽식의 램프 어닐 장치나 CVD 장치 등의 플래시 램프 이외의 열원의 장치에도 적용할 수 있다. 특히, 챔버의 하방에 할로겐 램프를 배치하고, 반도체 웨이퍼의 이면으로부터 광 조사를 행하여 열처리를 행하는 백사이드 어닐 장치에 본 발명에 관련된 기술은 적합하게 적용할 수 있다.
1: 열처리 장치 3: 제어부
4: 할로겐 가열부 5: 플래시 가열부
6: 챔버 7: 유지부
10: 이재 기구 63: 상측 챔버창
64: 하측 챔버창 65: 열처리 공간
74: 서셉터 75: 유지 플레이트
77: 기판 지지 핀 120, 130: 방사 온도계
140: 온도센서 FL: 플래시 램프
HL: 할로겐 램프 W: 반도체 웨이퍼

Claims (4)

  1. 기판에 광을 조사함으로써 그 기판을 가열하는 열처리 방법으로서,
    챔버 내로 기판을 반입하여 서셉터에 재치(載置)하는 반입 공정과,
    상기 서셉터에 재치된 기판에 연속 점등 램프로부터 광을 조사하는 광 조사 공정과,
    로트의 최초의 기판이 상기 챔버 내로 반입되기 전에, 상기 서셉터에 예열용 기판을 재치하고, 상기 연속 점등 램프로부터의 광 조사에 의해 상기 예열용 기판을 가열하여 상기 예열용 기판으로부터의 열전도에 의해 상기 서셉터를 예열하는 예열 공정을 구비하고,
    상기 서셉터를 예열하지 않고, 로트의 복수의 기판에 연속적으로 상기 연속 점등 램프로부터 광을 조사하여 가열함으로써 상기 서셉터의 온도가 상승하여 일정해졌을 때의 상기 서셉터의 온도를 안정 온도로 하고,
    상기 예열 공정에서는, 상기 안정 온도보다 높은 온도로 상기 서셉터를 예열하며,
    상기 예열 공정 후, 상기 연속 점등 램프의 출력을 저하시켜 상기 서셉터를 강온시킨 후, 상기 연속 점등 램프의 출력을 조정함으로써 상기 서셉터의 온도를 상기 안정 온도로 소정 시간 유지하는 안정화 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 안정화 공정 후, 상기 연속 점등 램프로부터의 광 조사를 정지하여 상기 서셉터가 소정 온도까지 강온한 시점에 상기 예열용 기판을 상기 챔버로부터 반출함과 더불어 상기 로트의 최초의 기판을 상기 챔버로 반입하여 상기 서셉터에 재치하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 예열용 기판의 방사율은 상기 로트의 기판의 방사율보다 높은 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
  4. 삭제
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