JP5349819B2 - Heat treatment equipment - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体ウェハーやガラス基板等(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装置に関する。 The present invention relates to a heat treatment apparatus for heating a substrate by irradiating light onto a semiconductor wafer, a glass substrate or the like (hereinafter simply referred to as “substrate”).
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。 Conventionally, a lamp annealing apparatus using a halogen lamp has been generally used in an ion activation process of a semiconductor wafer after ion implantation. In such a lamp annealing apparatus, ion activation of a semiconductor wafer is performed by heating (annealing) the semiconductor wafer to a temperature of about 1000 ° C. to 1100 ° C., for example. In such a heat treatment apparatus, the temperature of the substrate is raised at a rate of several hundred degrees per second by using the energy of light irradiated from the halogen lamp.
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。 On the other hand, in recent years, as semiconductor devices have been highly integrated, it is desired to reduce the junction depth as the gate length becomes shorter. However, even when ion activation of a semiconductor wafer is performed using the above-described lamp annealing apparatus that raises the temperature of the semiconductor wafer at a speed of several hundred degrees per second, ions such as boron and phosphorus implanted in the semiconductor wafer are heated. It was found that the phenomenon of deep diffusion occurs. When such a phenomenon occurs, there is a concern that the junction depth becomes deeper than required, which hinders good device formation.
このため、キセノンフラッシュランプ(以下、単に「フラッシュランプ」とするときにはキセノンフラッシュランプを意味する)を使用して半導体ウェハーの表面に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。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閃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閃光照射であれば、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。 For this reason, only the surface of the semiconductor wafer into which ions have been implanted by irradiating the surface of the semiconductor wafer with flash light using a xenon flash lamp (hereinafter simply referred to as “xenon flash lamp”). There has been proposed a technique for raising the temperature of the material in an extremely short time (several milliseconds or less). The radiation spectral distribution of a xenon flash lamp ranges from the ultraviolet region to the near infrared region, has a shorter wavelength than the 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. It has also been found that if the flash irradiation is performed for a very short time of several milliseconds or less, only the vicinity of the surface of the semiconductor wafer can be selectively heated. For this reason, if the temperature is raised for a very short time by a xenon flash lamp, only the ion activation can be performed without diffusing ions deeply.
このようなキセノンフラッシュランプを使用した熱処理装置として、特許文献1,2には、半導体ウェハーの表面側にフラッシュランプ等のパルス発光ランプを配置し、裏面側にハロゲンランプ等の連続点灯ランプを配置し、それらの組み合わせによって所望の熱処理を行うものが開示されている。特許文献1,2に開示の熱処理装置においては、ハロゲンランプ等によって半導体ウェハーをある程度の温度まで予備加熱し、その後フラッシュランプからのパルス加熱によって所望の処理温度にまで昇温している。また、特許文献3には、半導体ウェハーをホットプレートに載置して所定の温度まで予備加熱し、その後フラッシュランプからの閃光照射によって所望の処理温度にまで昇温する装置が開示されている。
As a heat treatment apparatus using such a xenon flash lamp, in
特許文献1〜3に開示の装置は、いずれも半導体ウェハーを所定温度まで予備加熱してからフラッシュランプによる閃光照射を行うものであり、フラッシュ発光のタイミングを決定するために半導体ウェハーの予備加熱温度を測定することが重要となる。特許文献3に開示の装置においては、ホットプレートの内部に熱電対を設け、ホットプレートによって半導体ウェハーを予備加熱するときには、その熱電対にて計測されたプレート温度をもってウェハー温度としている。すなわち、ホットプレートに載置された半導体ウェハーの温度はプレート温度とほぼ等しいとみなされるため、半導体ウェハーの温度を直接測定するのではなく、ホットプレートの温度を測定することによって間接的にウェハー温度を測定しているのである。
Each of the apparatuses disclosed in
一方、ハロゲンランプとフラッシュランプとの組み合わせによって熱処理を行う特許文献1,2に開示の装置においては、予備加熱にホットプレートを使用していないため、予備加熱時に半導体ウェハーの温度を直接測定しなければならない。特許文献1には、光高温計を設けて半導体ウェハーの温度を直接測定することが開示されている。
On the other hand, in the apparatuses disclosed in
しかしながら、特許文献1,2に開示の装置においてはハロゲンランプによって半導体ウェハーを加熱しており、半導体ウェハーからの放射光の強度を計測してウェハー温度を測定するタイプの温度測定機構では、ハロゲンランプからの強い外乱光の影響によって正確にウェハー温度を測定することが困難になるという問題が生じる。
However, in the apparatuses disclosed in
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、光照射によって加熱される基板の温度を直接かつ正確に測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 directly and accurately measuring the temperature of a substrate heated by light irradiation.
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装置において、基板を収容するチャンバーと、前記チャンバー内にて基板を水平姿勢に保持する保持手段と、前記チャンバーの上側に設けられ、前記保持手段に保持された基板にフラッシュ光を照射して加熱する第1光照射手段と、前記チャンバーの下側に設けられ、前記保持手段に保持された基板に光を照射して加熱する第2光照射手段と、前記第2光照射手段から照射された光を遮光するシャッター部材と、前記第2光照射手段と前記保持手段との間の遮光位置に前記シャッター部材を挿脱するシャッター駆動手段と、前記保持手段に保持された基板の斜め下方であって当該基板と平面視で重ならない位置に設けられ、前記保持手段に保持された基板から放射される赤外光の強度を測定して当該基板の温度を測定する第1放射温度計と、前記保持手段に保持された基板の直下であって前記遮光位置よりも下方に設けられ、前記保持手段に保持された基板から放射される赤外光の強度を測定して当該基板の温度を測定する第2放射温度計と、を備え、前記シャッター部材には、前記遮光位置に挿入されたときの前記第2放射温度計の直上部位に穴が形成され、前記第1放射温度計の高さ位置は前記遮光位置と前記保持手段との間であり、前記第1放射温度計が基板の温度を測定するときには、前記シャッター駆動手段が前記シャッター部材を前記遮光位置に挿入することを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems, a first aspect of the present invention is a heat treatment apparatus for heating a substrate by irradiating the substrate with light, a chamber for accommodating the substrate, and the substrate in a horizontal position in the chamber. A holding means for holding; a first light irradiation means for heating the substrate held by the holding means by irradiating flash light; and a holding means provided for the lower side of the chamber. A second light irradiating unit that irradiates and heats the substrate held on the substrate, a shutter member that blocks light emitted from the second light irradiating unit, and the second light irradiating unit and the holding unit. A shutter driving means for inserting / removing the shutter member at a light shielding position therebetween, and a position that is obliquely below the substrate held by the holding means and does not overlap the substrate in plan view. A first radiation thermometer for measuring the temperature of the substrate by measuring the intensity of infrared light emitted from the substrate held on the unit, from the blocking position a immediately below the substrate held by said holding means And a second radiation thermometer for measuring the temperature of the substrate by measuring the intensity of infrared light emitted from the substrate held by the holding means, and the shutter member, A hole is formed immediately above the second radiation thermometer when inserted into the light shielding position, and the height position of the first radiation thermometer is between the light shielding position and the holding means, When one radiation thermometer measures the temperature of the substrate, the shutter driving means inserts the shutter member into the light shielding position.
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、前記第2放射温度計は、基板からの赤外光を受光する石英ロッドを含み、前記遮光位置に挿入された前記シャッター部材と前記石英ロッドの先端との距離は3mm以下であることを特徴とする。
The invention according to
また、請求項3の発明は、請求項1または請求項2の発明に係る熱処理装置において、前記第1放射温度計および前記第2放射温度計によって温度測定される基板面内の位置は互いに異なることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the heat treatment apparatus according to the first or second aspect of the present invention, positions on the substrate surface where the temperature is measured by the first radiation thermometer and the second radiation thermometer are different from each other. It is characterized by that.
また、請求項4の発明は、請求項1から請求項3のいずれかの発明に係る熱処理装置において、前記保持手段に保持された基板に接触して当該基板の温度を測定する接触式温度計をさらに備えることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the heat treatment apparatus according to any one of the first to third aspects of the present invention, a contact-type thermometer that measures the temperature of the substrate in contact with the substrate held by the holding means. Is further provided.
また、請求項5の発明は、請求項1から請求項4のいずれかの発明に係る熱処理装置において、前記第2光照射手段からの光照射によって基板が所定温度以上に加熱された後、前記シャッター部材が前記遮光位置に挿入されて前記第1放射温度計によって測定された基板の温度が前記所定温度まで降温した時点で当該基板にフラッシュ光を照射するように前記第1光照射手段を制御する制御手段をさらに備えることを特徴とする。
The invention according to
また、請求項6の発明は、請求項5の発明に係る熱処理装置において、前記第1光照射手段はフラッシュランプを備え、前記第2光照射手段はハロゲンランプを備えることを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, in the heat treatment apparatus according to the fifth aspect of the invention, the first light irradiation means includes a flash lamp, and the second light irradiation means includes a halogen lamp.
本発明によれば、保持手段に保持された基板から放射される赤外光の強度を測定して当該基板の温度を測定する第1放射温度計が基板の温度を測定するときには、シャッター部材を第2光照射手段と保持手段との間の遮光位置に挿入するため、第2光照射手段から放射される外乱光の影響を排除して基板の温度を直接かつ正確に測定することができる。 According to the present invention, when the first radiation thermometer for measuring the temperature of the substrate by measuring the intensity of the infrared light emitted from the substrate held by the holding means measures the temperature of the substrate, the shutter member is Since it is inserted at the light shielding position between the second light irradiation means and the holding means, the influence of the disturbance light emitted from the second light irradiation means can be eliminated and the substrate temperature can be measured directly and accurately.
特に、請求項2の発明によれば、遮光位置に挿入されたシャッター部材と第2放射温度計の石英ロッドの先端との距離は3mm以下であるため、第2放射温度計も第2光照射手段から放射される外乱光の影響を抑制して基板の温度を直接かつ正確に測定することができる。
In particular, according to the invention of
特に、請求項3の発明によれば、第1放射温度計および第2放射温度計によって温度測定される基板面内の位置は互いに異なるため、基板の面内温度分布を計測することができる。 In particular, according to the invention of claim 3 , since the positions in the substrate surface where the temperature is measured by the first radiation thermometer and the second radiation thermometer are different from each other, the in-plane temperature distribution of the substrate can be measured.
特に、請求項4の発明によれば、保持手段に保持された基板に接触して当該基板の温度を測定する接触式温度計を備えるため、第2光照射手段からの放射光の影響を受けることなく基板の温度を直接計測することができる。
In particular, according to the invention of claim 4 , since the contact-type thermometer that measures the temperature of the substrate in contact with the substrate held by the holding means is provided, it is affected by the radiated light from the second light irradiation means. The substrate temperature can be directly measured without any problems.
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.
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。本実施形態の熱処理装置1は基板としてφ300mmの円板形状の半導体ウェハー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。
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を収容するチャンバー6と、複数のフラッシュランプFLを内蔵するフラッシュ加熱部5と、複数のハロゲンランプHLを内蔵するハロゲン加熱部4と、シャッター機構2と、を備える。チャンバー6の上側にフラッシュ加熱部5が設けられるとともに、下側にハロゲン加熱部4が設けられている。また、熱処理装置1は、チャンバー6の内部に、半導体ウェハーWを水平姿勢に保持する保持部7と、保持部7と装置外部との間で半導体ウェハーWの受け渡しを行う移載機構10と、を備える。さらに、熱処理装置1は、シャッター機構2、ハロゲン加熱部4、フラッシュ加熱部5およびチャンバー6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、筒状のチャンバー側部61の上下に石英製のチャンバー窓を装着して構成されている。チャンバー側部61は上下が開口された概略筒形状を有しており、上側開口には上側チャンバー窓63が装着されて閉塞され、下側開口には下側チャンバー窓64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上側チャンバー窓63は、石英により形成された円板形状部材であり、フラッシュ加熱部5から出射された光をチャンバー6内に透過する石英窓として機能する。また、チャンバー6の床部を構成する下側チャンバー窓64も、石英により形成された円板形状部材であり、ハロゲン加熱部4からの光をチャンバー6内に透過する石英窓として機能する。
The
また、チャンバー側部61の内側の壁面の上部には反射リング68が装着され、下部には反射リング69が装着されている。反射リング68,69は、ともに円環状に形成されている。上側の反射リング68は、チャンバー側部61の上側から嵌め込むことによって装着される。一方、下側の反射リング69は、チャンバー側部61の下側から嵌め込んで図示省略のビスで留めることによって装着される。すなわち、反射リング68,69は、ともに着脱自在にチャンバー側部61に装着されるものである。チャンバー6の内側空間、すなわち上側チャンバー窓63、下側チャンバー窓64、チャンバー側部61および反射リング68,69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。
A
図2は、チャンバー6の側部を拡大した部分断面図である。チャンバー側部61に反射リング68,69が装着されることによって、チャンバー6の内壁面に凹部62が形成される。すなわち、チャンバー側部61の内壁面のうち反射リング68,69が装着されていない中央部分と、反射リング68の下端面と、反射リング69の上端面とで囲まれた凹部62が形成される。凹部62は、チャンバー6の内壁面に水平方向に沿って円環状に形成され、半導体ウェハーWを保持する保持部7を囲繞する。
FIG. 2 is an enlarged partial cross-sectional view of the side portion of the
図2に示すように、凹部62を挟んで上下のそれぞれに装着された反射リング68,69の内周面はテーパ面とされている。上側の反射リング68のテーパ面は下側に向けて径が大きくなる。逆に、下側の反射リング69のテーパ面は上側に向けて径が大きくなる。一方、図1に示すように、半導体ウェハーWを保持する保持部7は凹部62の高さ位置に設けられている。従って、上側の反射リング68および下側の反射リング69ともに石英窓(上側チャンバー窓63および下側チャンバー窓64)の側から保持部7の側に向けて拡がるテーパ面が形成されていることとなる。
As shown in FIG. 2, the inner peripheral surfaces of the reflection rings 68 and 69 mounted on the upper and lower sides with the
チャンバー側部61および反射リング68,69は、強度と耐熱性に優れた金属材料(例えば、ステンレススチール)にて形成されている。また、反射リング68,69の内周面(つまりテーパ面)は電解ニッケルメッキによって鏡面とされている。
The
また、チャンバー側部61には、チャンバー6に対して半導体ウェハーWの搬入および搬出を行うための搬送開口部(炉口)66が形設されている。搬送開口部66は、ゲートバルブ185によって開閉可能とされている。搬送開口部66は凹部62の外周面に連通接続されている。このため、ゲートバルブ185が搬送開口部66を開放しているときには、搬送開口部66から凹部62を通過して熱処理空間65への半導体ウェハーWの搬入および熱処理空間65からの半導体ウェハーWの搬出を行うことができる。また、ゲートバルブ185が搬送開口部66を閉鎖するとチャンバー6内の熱処理空間65が密閉空間とされる。
The
また、チャンバー6においては、熱処理空間65の上部から処理ガス(本実施形態では窒素ガス(N2))を供給するとともに、下部から排気を行うように構成されている。図2に示すように、チャンバー6の上部において、チャンバー側部61に装着された反射リング68と上側チャンバー窓63とは密接しておらず、それらの間には隙間が形成されている。上側チャンバー窓63は円板状であり、反射リング68は円環状であるため、上側チャンバー窓63と反射リング68の上端面との間に形成される隙間も円環状のスリット81となる。また、チャンバー側部61と反射リング68との間に緩衝空間82が形成されている。緩衝空間82も円環状に形成されることとなる。緩衝空間82はスリット81と連通している。
Further, the
また、緩衝空間82にはガス配管83が連通接続されている。ガス配管83の基端部は窒素ガス供給源85に接続されている(図1)。ガス配管83の経路途中にはバルブ84が介挿されている。バルブ84が開放されると、窒素ガス供給源85から緩衝空間82に窒素ガスが送給される。緩衝空間82に流入した窒素ガスはスリット81を通過してチャンバー6内の熱処理空間65に供給される。
A
図3は、熱処理空間65への気体供給を示す平面図である。緩衝空間82からスリット81へと至る気体の通過経路において、気体の進行方向に対して垂直となる面の断面積が緩衝空間82の方がスリット81よりも大きい。すなわち、緩衝空間82の方がスリット81よりも流体抵抗が小さい。このため、図3に示すように、ガス配管83から緩衝空間82へ流入した窒素ガスの一部は直ちにスリット81に流れるものの、大部分はより抵抗の小さい緩衝空間82内を拡がるように流れる。そして、緩衝空間82内に満たされた窒素ガスがスリット81を通って熱処理空間65に供給される。従って、環状のスリット81の全周にわたって均一に窒素ガスが供給されることとなる。
FIG. 3 is a plan view showing gas supply to the
一方、チャンバー6の底部においても上部と同様に、反射リング69と下側チャンバー窓64とは密接しておらず、それらの間には隙間が形成されている。下側チャンバー窓64は円板状であり、反射リング69は円環状であるため、下側チャンバー窓64と反射リング69の下端面との間に形成される隙間も円環状のスリット86となる。また、チャンバー側部61に形成された円環状の緩衝空間87がスリット86と連通している。緩衝空間87にはガス配管88が連通接続されている。ガス配管88の基端部は排気部90に接続されている。ガス配管88の経路途中にはバルブ89が介挿されている。バルブ89が開放されると、熱処理空間65の気体がスリット86から緩衝空間87を経てガス配管88へと排出される。
On the other hand, at the bottom of the
スリット86から緩衝空間87へと至る気体の通過経路においても、気体の進行方向に対して垂直となる面の断面積が緩衝空間87の方がスリット86よりも大きい。すなわち、緩衝空間87の方がスリット86よりも流体抵抗が小さい。このため、環状のスリット86の全周にわたって均一に気体が排気される。なお、図示の便宜上、図1と図2とではガス配管83,88の位置が異なっているが、ガス配管83,88は円環状の緩衝空間82,87の任意の位置に接続して良く、両ガス配管83,88を図1のように接続しても図2のように接続しても良い。また、緩衝空間82,87に接続されるガス配管83,88は一本に限定されるものではなく、複数本であっても良い。複数本のガス配管83,88を緩衝空間82,87に均等に接続すれば、環状のスリット81,86からより均一な給排気を行うことができる。
Also in the gas passage route from the
このように、熱処理装置1は、チャンバー6内に保持された半導体ウェハーWを挟んで概ね上下対称に給排気機構を備えている。すなわち、バルブ84、ガス配管83および緩衝空間82を有する給気機構によって、上側チャンバー窓63とチャンバー6の内壁上端との間に環状に形成された隙間であるスリット81からチャンバー6内の熱処理空間65に処理ガス(窒素ガス)を供給する。それとともに、バルブ89、ガス配管88および緩衝空間87を有する排気機構によって、下側チャンバー窓64とチャンバー6の内壁下端との間に環状に形成された隙間であるスリット86からチャンバー6内の気体を排気する。なお、窒素ガス供給源85および排気部90は、熱処理装置1に設けられた機構であっても良いし、熱処理装置1が設置される工場のユーティリティであっても良い。
As described above, the
図4は、半導体ウェハーWの保持位置から見たチャンバー6の平面図である。保持部7は、サセプタ70および均熱リング75を備えて構成される。サセプタ70は、石英により形成され、円環形状のリング部71に複数の爪部72(本実施形態では4本)を立設して構成される。リング部71が凹部62の底面に載置されることによって、サセプタ70がチャンバー6に装着される。
FIG. 4 is a plan view of the
均熱リング75は、炭化ケイ素(SiC)によって形成されたリング状部材であり、サセプタ70の爪部72に設けられた支持ピンによって支持される。均熱リング75の内周には図示を省略する複数の爪が突設されており、それら複数の爪によって半導体ウェハーWの周縁部が支持されて半導体ウェハーWが水平姿勢にて保持される。なお、複数の爪に代えて均熱リング75の内周に沿って鍔を設け、それによって半導体ウェハーWを保持するようにしても良い。
The soaking
図5は、移載機構10の平面図である。また、図6は、移載機構10の側面図である。移載機構10は、2本の移載アーム11を備える。移載アーム11は、概ね円環状の凹部62に沿うような円弧形状とされている。それぞれの移載アーム11には2本のリフトピン12が立設されている。各移載アーム11は水平移動機構13によって回動可能とされている。水平移動機構13は、一対の移載アーム11を保持部7に対して半導体ウェハーWの移載を行う移載動作位置(図5の実線位置)と保持部7に保持された半導体ウェハーWと平面視で重ならない退避位置(図5の二点鎖線位置)との間で水平移動させる。水平移動機構13としては、個別のモータによって各移載アーム11をそれぞれ回動させるものであっても良いし、リンク機構を用いて1個のモータによって一対の移載アーム11を連動させて回動させるものであっても良い。
FIG. 5 is a plan view of the
また、一対の移載アーム11は、昇降機構14によって水平移動機構13とともに昇降移動される。昇降機構14が一対の移載アーム11を移載動作位置にて上昇させると、計4本のリフトピン12が均熱リング75の内側を通過し、リフトピン12の上端が均熱リング75の上側に突き出る。一方、昇降機構14が一対の移載アーム11を移載動作位置にて下降させ、水平移動機構13が一対の移載アーム11を開くように移動させると各移載アーム11が退避位置に移動する。
The pair of
一対の移載アーム11の退避位置は、サセプタ70のリング部71の直上である。リング部71は凹部62の底面に載置されているため、移載アーム11の退避位置は凹部62の内側となる。
The retracted position of the pair of
図4に示すように、チャンバー側部61のうち移載機構10の駆動部(水平移動機構13および昇降機構14)が設けられている部位には、排気管93が連通接続されている。排気管93は排気部90に接続されている。排気管93の経路途中にはバルブ94が介挿されている。バルブ94を開放することによって、移載機構10の駆動部周辺を介してチャンバー6内の気体が排気される。また、搬送開口部66の先端にも熱処理空間65内の気体を排出する排気管91が接続されている。排気管91はバルブ92を介して排気部90に接続されている。バルブ92を開放することによって、搬送開口部66を介してチャンバー6内の気体が排気される。なお、本実施形態では3系統の排気機構の排気部90を共通のものとしていたが、これを別個のものとしても良い。
As shown in FIG. 4, an
チャンバー6の上方に設けられたフラッシュ加熱部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、フラッシュ加熱部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。フラッシュ加熱部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の石英窓である。フラッシュ加熱部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が上側チャンバー窓63と相対向することとなる。フラッシュランプFLはチャンバー6の上方からランプ光放射窓53および上側チャンバー窓63を介して熱処理空間65に閃光を照射する。
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.
キセノンフラッシュランプFLは、その内部にキセノンガスが封入されその両端部にコンデンサーに接続された陽極および陰極が配設された棒状のガラス管(放電管)と、該ガラス管の外周面上に付設されたトリガー電極とを備える。キセノンガスは電気的には絶縁体であることから、コンデンサーに電荷が蓄積されていたとしても通常の状態ではガラス管内に電気は流れない。しかしながら、トリガー電極に高電圧を印加して絶縁を破壊した場合には、コンデンサーに蓄えられた電気がガラス管内に瞬時に流れ、そのときの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。このようなキセノンフラッシュランプFLにおいては、予めコンデンサーに蓄えられていた静電エネルギーが0.1ミリセカンドないし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、ハロゲンランプHLの如き連続点灯の光源に比べて極めて強い光を照射し得るという特徴を有する。 The xenon flash lamp FL has a rod-shaped glass tube (discharge tube) in which xenon gas is sealed and an anode and a cathode connected to a capacitor at both ends thereof, and an outer peripheral surface of the glass tube. And a triggered electrode. Since xenon gas is an electrical insulator, electricity does not flow into the glass tube under normal conditions even if electric charges are accumulated in the capacitor. However, if the insulation is broken by applying a high voltage to the trigger electrode, the electricity stored in the capacitor instantaneously flows into the glass tube, and the xenon gas is heated by Joule heat at that time, and light is emitted. . In such a xenon flash lamp FL, the electrostatic energy previously stored in the capacitor is converted into an extremely short light pulse of 0.1 to 10 milliseconds, so that the continuous lighting such as the halogen lamp HL is possible. It has the characteristic that it can irradiate extremely strong light compared with a light source.
また、リフレクタ52は、複数のフラッシュランプFLの上方にそれら全体を覆うように設けられている。リフレクタ52の基本的な機能は、複数のフラッシュランプFLから出射されたフラッシュ光を保持部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。
In addition, the
チャンバー6の下方に設けられたハロゲン加熱部4の内部には複数本(本実施形態では40本)のハロゲンランプHLが内蔵されている。複数のハロゲンランプHLはチャンバー6の下方から下側チャンバー窓64を介して熱処理空間65への光照射を行う。図7は、複数のハロゲンランプHLの配置を示す平面図である。本実施形態では、上下2段に各20本ずつのハロゲンランプHLが配設されている。各ハロゲンランプHLは、長尺の円筒形状を有する棒状ランプである。上段、下段ともに20本のハロゲンランプHLは、それぞれの長手方向が保持部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配列されている。よって、上段、下段ともにハロゲンランプHLの配列によって形成される平面は水平面である。
A plurality of halogen lamps HL (40 in this embodiment) are built in the halogen heating unit 4 provided below the
また、図7に示すように、上段、下段ともに保持部7に保持される半導体ウェハーWの中央部に対向する領域よりも周縁部に対向する領域におけるハロゲンランプHLの配設密度が高くなっている。すなわち、上下段ともに、ランプ配列の中央部よりも端部側の方がハロゲンランプHLの配設ピッチが短い。このため、ハロゲン加熱部4からの光照射による加熱時に温度低下が生じやすい半導体ウェハーWの周縁部により多い光量の照射を行うことができる。
Further, as shown in FIG. 7, the arrangement density of the halogen lamps HL in the region facing the peripheral portion is higher than the region facing the central portion of the semiconductor wafer W held by the holding
また、上段のハロゲンランプHLからなるランプ群と下段のハロゲンランプHLからなるランプ群とが格子状に交差するように配列されている。すなわち、上段の各ハロゲンランプHLの長手方向と下段の各ハロゲンランプHLの長手方向とが直交するように計40本のハロゲンランプHLが配設されている。 Further, the lamp group composed of the upper halogen lamp HL and the lamp group composed of the lower halogen lamp HL are arranged so as to intersect in a lattice pattern. That is, a total of 40 halogen lamps HL are arranged so that the longitudinal direction of the upper halogen lamps HL and the longitudinal direction of the lower halogen lamps HL are orthogonal to each other.
ハロゲンランプHLは、ガラス管内部に配設されたフィラメントに通電することでフィラメントを白熱化させて発光させるフィラメント方式の光源である。ガラス管の内部には、窒素やアルゴン等の不活性ガスにハロゲン元素(ヨウ素、臭素等)を微量導入した気体が封入されている。ハロゲン元素を導入することによって、フィラメントの折損を抑制しつつフィラメントの温度を高温に設定することが可能となる。したがって、ハロゲンランプHLは、通常の白熱電球に比べて寿命が長くかつ強い光を連続的に照射できるという特性を有する。また、ハロゲンランプHLは棒状ランプであるため長寿命であり、ハロゲンランプHLを水平方向に沿わせて配置することにより上方の半導体ウェハーWへの放射効率が優れたものとなる。 The halogen lamp HL is a filament-type light source that emits light by making the filament incandescent by energizing the filament disposed inside the glass tube. Inside the glass tube, a gas obtained by introducing a trace amount of a halogen element (iodine, bromine, etc.) into an inert gas such as nitrogen or argon is enclosed. By introducing a halogen element, it is possible to set the filament temperature to a high temperature while suppressing breakage of the filament. Therefore, the halogen lamp HL has a characteristic that it has a longer life than a normal incandescent bulb and can continuously radiate strong light. Further, since the halogen lamp HL is a rod-shaped lamp, it has a long life, and by arranging the halogen lamp HL along the horizontal direction, the radiation efficiency to the upper semiconductor wafer W becomes excellent.
また、熱処理装置1は、ハロゲン加熱部4およびチャンバー6の側方にシャッター機構2を備える。シャッター機構2は、シャッター板21およびスライド駆動機構22を備える。シャッター板21は、ハロゲン光に対して不透明な板であり、例えばチタン(Ti)にて形成されている。スライド駆動機構22は、シャッター板21を水平方向に沿ってスライド移動させ、ハロゲン加熱部4と保持部7との間の遮光位置にシャッター板21を挿脱する。スライド駆動機構22がシャッター板21を前進させると、チャンバー6とハロゲン加熱部4との間の遮光位置(図1の二点鎖線位置)にシャッター板21が挿入され、下側チャンバー窓64と複数のハロゲンランプHLとが遮断される。これによって、複数のハロゲンランプHLから熱処理空間65の保持部7へと向かう光は遮光される。逆に、スライド駆動機構22がシャッター板21を後退させると、チャンバー6とハロゲン加熱部4との間の遮光位置からシャッター板21が退出して下側チャンバー窓64の下方が開放される。
Further, the
図4に示すように、チャンバー6の内部には、半導体ウェハーWの温度を測定するための放射温度計(第1放射温度計)120および接触式温度計140が設けられている。また、図1に示すように、ハロゲン加熱部4にも半導体ウェハーWの温度を測定するための放射温度計(第2放射温度計)130が設けられている。図8は、熱処理装置1における半導体ウェハーWの温度測定機構を模式的に示す図である。
As shown in FIG. 4, a radiation thermometer (first radiation thermometer) 120 and a
放射温度計120は、保持部7の均熱リング75に保持された半導体ウェハーWの裏面から放射された放射光(赤外光)の強度(エネルギー量)を測定して当該半導体ウェハーWの温度を測定する。具体的には、放射温度計120は、図示を省略する集光レンズおよび赤外線センサを内蔵し、均熱リング75に保持された半導体ウェハーWの裏面から放射された赤外光を受光して電気信号として出力する。放射温度計120から出力された電気信号は検出器121によって温度を示す信号に変換されて制御部3に伝達される。
The
放射温度計120は、保持部7に保持された半導体ウェハーWの斜め下方であって当該半導体ウェハーWと平面視で重ならない位置に設けられている。具体的には、保持部7に保持された半導体ウェハーWよりも下方の凹部62に放射温度計120は設置されている。よって、放射温度計120の高さ位置はシャッター板21の遮光位置と保持部7との間である。なお、放射温度計120の一部または全部が凹部62を形成するチャンバー側部61に埋設されていても良い。
The
また、放射温度計120は、赤外線を集光する集光レンズの光軸122が水平面に対して所定角度傾斜するように設置されている。集光レンズの光軸122の水平面に対する傾斜角度は0°より大きく90°未満である。半導体ウェハーWからの赤外線を集光するためには水平面に対する光軸122の傾斜角度が大きい方が好ましいのであるが、放射温度計120が半導体ウェハーWと平面視で重ならないようにしつつ傾斜角度を大きくするためにはチャンバー6の高さ方向サイズを顕著に大きくせざるを得ない。このため、本実施形態においては、集光レンズの光軸122の水平面に対する傾斜角度が約14°となるように放射温度計120を設置している。
Moreover, the
放射温度計120は、保持部7に保持された半導体ウェハーWの面内のうち集光レンズの光軸122と交差する領域Aから放射される赤外光を受光して温度測定を行う。従って、厳密には、放射温度計120は保持部7に保持された半導体ウェハーWの領域Aの温度を測定する。
The
放射温度計130も保持部7の均熱リング75に保持された半導体ウェハーWの裏面から放射された放射光(赤外光)の強度を測定して当該半導体ウェハーWの温度を測定する。放射温度計130は、受光のための石英ロッド133および赤外線センサ(図示省略)を備えており、均熱リング75に保持された半導体ウェハーWの裏面から放射された赤外光を石英ロッド133で受光して電気信号として出力する。放射温度計130から出力された電気信号は検出器131によって温度を示す信号に変換されて制御部3に伝達される。
The
放射温度計130は、保持部7に保持された半導体ウェハーWの直下であってシャッター板21の遮光位置よりも下方に設けられている。具体的には、下側チャンバー窓64よりも下方のハロゲン加熱部4に放射温度計130は設置されている。放射温度計130は、保持部7に保持された半導体ウェハーWの直下から赤外線を受光することができるものの、半導体ウェハーWからの測定距離は放射温度計120よりも長くなる。
The
放射温度計130の石英ロッド133は石英製の棒状部材である。放射温度計130は、石英ロッド133の光軸132が鉛直方向に沿うように設けられている。放射温度計130は、保持部7に保持された半導体ウェハーWの面内のうち石英ロッド133の光軸132と交差する領域Bから放射される赤外光を受光して温度測定を行う。従って、厳密には、放射温度計130は保持部7に保持された半導体ウェハーWの領域Bの温度を測定する。
The quartz rod 133 of the
また、シャッター板21には小孔23が鉛直方向に貫通して穿設されている。シャッター板21が遮光位置に挿入されたときの石英ロッド133の直上部位に小孔23は形成されている。従って、シャッター板21が遮光位置に挿入されて下側チャンバー窓64と複数のハロゲンランプHLとを遮断しても、半導体ウェハーWからの放射光は小孔23を介して石英ロッド133によって受光されることとなり、放射温度計130による半導体ウェハーWの温度測定は可能である。シャッター板21が遮光位置に挿入されたとき、石英ロッド133の上端とシャッター板21との距離は3mm以下である。
Further, a
一方、接触式温度計140は、図示を省略する熱電対を内蔵しており、保持部7の均熱リング75に保持された半導体ウェハーWの裏面に接触して当該半導体ウェハーWの温度を測定する。接触式温度計140の先端が均熱リング75に保持された半導体ウェハーWの裏面に接触することによって熱電対に発生した起電力の電圧が検出器141によって温度を示す信号に変換されて制御部3に伝達される。なお、接触式温度計140は、チャンバー側部61から突設して設ければ良い。
On the other hand, the contact-
また、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いる。
Further, the control unit 3 controls the various operation mechanisms provided in 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の熱処理時にハロゲンランプHLおよびフラッシュランプFLから発生する熱エネルギーによるハロゲン加熱部4、フラッシュ加熱部5およびチャンバー6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の壁体には水冷管(図示省略)が設けられている。また、ハロゲン加熱部4およびフラッシュ加熱部5は、内部に気体流を形成して排熱する空冷構造とされている。また、上側チャンバー窓63とランプ光放射窓53との間隙にも空気が供給され、フラッシュ加熱部5および上側チャンバー窓63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(イオン)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によるフラッシュ加熱処理により実行される。図9は、熱処理時の半導体ウェハーWの温度プロファイルを示す図である。また、図10は、熱処理装置1における半導体ウェハーWの処理手順を示すフローチャートである。以下に示す半導体ウェハーWの処理手順は、制御部3が熱処理装置1の各動作機構を制御することによって実行される。
Next, a processing procedure of the semiconductor wafer W in the
まず、給気のためのバルブ84が開放されるとともに、排気用のバルブ89,92,94が開放されてチャンバー6内に対する給排気が開始される(ステップS1)。バルブ84が開放されると、上側チャンバー窓63とチャンバー6の内壁上端との間に形成された環状のスリット81の全周から均一に熱処理空間65に窒素ガスが供給される。また、バルブ89が開放されると、下側チャンバー窓64とチャンバー6の内壁下端との間に形成された環状のスリット86の全周から均一にチャンバー6内の気体が排気される。これにより、チャンバー6内の熱処理空間65の最上部から供給された窒素ガスが下方へと流れ、熱処理空間65の最下部から排気される。
First, the
また、バルブ92,94が開放されることによって、それぞれ搬送開口部66および移載機構10の駆動部周辺を介してチャンバー6内の気体が排気される。これにより、チャンバー6内の熱処理空間65の最上部から供給された窒素ガスが搬送開口部66および移載機構10の駆動部周辺を流れて排気される。なお、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熱処理空間65に継続的に供給されており、その供給量は図10の処理ステップに応じて適宜変更される。
Further, when the
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内の熱処理空間65に搬入される(ステップS2)。搬送ロボットによって搬入された半導体ウェハーWは保持部7の直上位置まで進出して停止する。そして、移載機構10の一対の移載アーム11が退避位置から移載動作位置に水平移動して上昇することにより、リフトピン12が均熱リング75の内側を通って上方に突き出て搬送ロボットから半導体ウェハーWを受け取る。
Subsequently, the
半導体ウェハーWがリフトピン12に載置された後、搬送ロボットが熱処理空間65から退出し、ゲートバルブ185によって搬送開口部66が閉鎖される。そして、一対の移載アーム11が下降することにより、半導体ウェハーWは移載機構10から保持部7の均熱リング75に受け渡されて水平姿勢に保持される。均熱リング75の下方にまで下降した一対の移載アーム11は水平移動機構13によって退避位置、すなわち凹部62の内側に退避する。なお、保持部7に半導体ウェハーWが保持された後も、熱処理空間65の最上部から供給された窒素ガスは半導体ウェハーWの側方(保持部7の爪部72の隙間)を通って下方へと流れる。
After the semiconductor wafer W is placed on the lift pins 12, the transfer robot leaves the
半導体ウェハーWが保持部7の均熱リング75に保持された後、40本のハロゲンランプHLが一斉に点灯して予備加熱(アシスト加熱)が開始される(ステップS3)。ハロゲンランプHLから出射されたハロゲン光は、石英にて形成された下側チャンバー窓64を透過して半導体ウェハーWの裏面から照射される。ハロゲンランプHLからの光照射を受けることによって半導体ウェハーWが予備加熱されて温度が上昇する。なお、放射温度計120は、保持部7に保持された半導体ウェハーWと平面視で重ならない位置に設けられているため、ハロゲンランプHLから半導体ウェハーWに照射された光が放射温度計120によって遮られることはない。
After the semiconductor wafer W is held by the soaking
予備加熱の段階においては、より放熱が生じやすい半導体ウェハーWの周縁部の温度が中央部よりも低下する傾向にあるが、均熱リング75によって周縁部の放熱が補償されるため、半導体ウェハーWの面内温度分布が均一に維持される。また、ハロゲン加熱部4におけるハロゲンランプHLの配設密度は、半導体ウェハーWの中央部に対向する領域よりも周縁部に対向する領域の方が高くなっているため、放熱が生じやすい半導体ウェハーWの周縁部に照射される光量が多くなり、予備加熱段階における半導体ウェハーWの面内温度分布をより均一なものとすることができる。 In the preheating stage, the temperature of the peripheral portion of the semiconductor wafer W, which is more likely to radiate heat, tends to be lower than that of the central portion. The in-plane temperature distribution is kept uniform. In addition, the arrangement density of the halogen lamps HL in the halogen heating unit 4 is higher in the region facing the peripheral portion than in the region facing the central portion of the semiconductor wafer W, so that the semiconductor wafer W is likely to generate heat. The amount of light irradiated on the peripheral edge of the semiconductor wafer increases, and the in-plane temperature distribution of the semiconductor wafer W in the preheating stage can be made more uniform.
さらに、チャンバー側部61に装着された反射リング69に保持部7の側に向けて拡がるテーパ面が形成され、そのテーパ面はニッケルメッキによって鏡面とされているため、この反射リング69のテーパ面によって半導体ウェハーWの周縁部に向けて反射する光量が多くなり、予備加熱段階における半導体ウェハーWの面内温度分布をより均一なものとすることができる。
Further, the reflecting
ハロゲンランプHLによる加熱を行うときには、半導体ウェハーWの温度が接触式温度計140によって測定されている。すなわち、熱電対を内蔵する接触式温度計140が保持部7に保持された半導体ウェハーWの裏面に接触して昇温中のウェハー温度を測定する。接触式温度計140によって測定された半導体ウェハーWの温度は検出器141から制御部3に伝達される。制御部3は、ハロゲンランプHLからの光照射によって昇温する半導体ウェハーWの温度が所定の予備加熱温度T1に到達したか否かを監視する(ステップS4)。なお、ハロゲンランプHLからの光照射によって半導体ウェハーWを昇温するときには、放射温度計120,130による温度測定は行わない。これは、ハロゲンランプHLから照射されるハロゲン光が放射温度計120,130に外乱光として入射し、正確な温度測定ができないためである。
When heating with the halogen lamp HL, the temperature of the semiconductor wafer W is measured by the
本実施の形態においては、予備加熱温度T1は830℃程度とされる。そして、半導体ウェハーWの温度が予備加熱温度T1に到達したことが接触式温度計140によって検知された後、ハロゲンランプHLの出力が調整されて半導体ウェハーWが予備加熱温度T1に維持され、所定時間の予備加熱が実行される(ステップS5)。温度T1での予備加熱時間は数秒程度である。
In the present embodiment, the preheating temperature T1 is about 830 ° C. After the
所定時間の予備加熱が終了した後、40本のハロゲンランプHLが一斉に消灯し、半導体ウェハーWの降温が開始される(ステップS6)。また、ハロゲンランプHLが消灯するのと同時に、シャッター機構2がシャッター板21をハロゲン加熱部4とチャンバー6との間の遮光位置に挿入する(ステップS7)。ハロゲンランプHLが消灯しても、すぐにフィラメントや管壁の温度が低下するものではなく、暫時高温のフィラメントおよび管壁から輻射熱が放射され続け、これが半導体ウェハーWの降温を妨げる。シャッター板21が挿入されることによって、消灯直後のハロゲンランプHLから熱処理空間65に放射される輻射熱が遮断されることとなり、半導体ウェハーWの降温速度を高めることができる。
After the preheating for a predetermined time is completed, the 40 halogen lamps HL are turned off all at once, and the temperature lowering of the semiconductor wafer W is started (step S6). At the same time that the halogen lamp HL is extinguished, the
また、シャッター板21が遮光位置に挿入された時点で放射温度計120,130による温度測定を開始する。すなわち、放射温度計120,130が保持部7に保持された半導体ウェハーWの裏面から放射された赤外光の強度を測定して降温中の半導体ウェハーWの温度を測定する。放射温度計120,130によって測定された半導体ウェハーWの温度はそれぞれ検出器121,131から制御部3に伝達される。
Moreover, temperature measurement by the
放射温度計130は遮光位置よりも下方に設けられており、遮光位置に挿入されたシャッター板21は半導体ウェハーWと放射温度計130とを遮断するのであるが、シャッター板21には小孔23が形成されており、シャッター板21が遮光位置に挿入されたときには石英ロッド133の直上部位に小孔23が位置する。このため、シャッター板21が遮光位置に挿入されて半導体ウェハーWと放射温度計130とを遮断しても、半導体ウェハーWからの赤外光は小孔23を介して石英ロッド133によって受光されることとなり、放射温度計130による半導体ウェハーWの温度測定は可能である。
The
また、消灯直後の高温のハロゲンランプHLからは多少の放射光が放射され続けるのであるが、ハロゲン加熱部4とチャンバー6との間の遮光位置にシャッター板21を挿入することによってチャンバー6内の熱処理空間65への放射は遮光される。従って、遮光位置と保持部7との間の高さ位置に設置された放射温度計120は、外乱光の影響を受けることなく、保持部7に保持された半導体ウェハーWの温度を正確に測定することができる。
In addition, although some radiated light continues to be emitted from the high-temperature halogen lamp HL immediately after the lamp is turned off, the
一方、放射温度計130は、遮光位置よりも下方のハロゲン加熱部4に設置されているのであるが、シャッター板21が遮光位置に挿入されたとき、石英ロッド133の先端とシャッター板21との距離は3mm以下である。このため、消灯直後のハロゲンランプHLからの放射光が石英ロッド133の先端に入射することは最小限に抑制され、放射温度計130は、外乱光の影響を極力排除して保持部7に保持された半導体ウェハーWの温度を正確に測定することができる。
On the other hand, the
制御部3は、放射温度計120,130によって測定される半導体ウェハーWの温度が所定温度T2まで降温したか否かを監視する(ステップS8)。そして、半導体ウェハーWの温度が所定温度T2まで降温したことが放射温度計120,130によって検知された時点でフラッシュ加熱部5のフラッシュランプFL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(ステップS9)。本実施形態におけるフラッシュ発光の温度T2は800℃である。フラッシュランプFLから放射されるフラッシュ光の一部は直接に熱処理空間65内の保持部7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熱処理空間65内へと向かい、これらのフラッシュ光の照射により半導体ウェハーWのフラッシュ加熱が行われる。フラッシュ加熱は、フラッシュランプFLからの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。
The controller 3 monitors whether or not the temperature of the semiconductor wafer W measured by the
すなわち、フラッシュ加熱部5のフラッシュランプFLから照射されるフラッシュ光は、予め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FL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T3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。
That is, the flash light irradiated from the flash lamp FL of the
本実施形態の熱処理装置1は、ハロゲンランプHLによって加熱された温度T2(800℃)の半導体ウェハーWにフラッシュランプFLから閃光を照射してフラッシュ加熱を行っている。このため、半導体ウェハーWの表面温度を処理温度T3(1000℃〜1100℃)まで速やかに上昇させることができる。また、フラッシュ発光の温度T2から処理温度T3までのフラッシュ加熱による昇温幅が比較的小さいため(200℃〜300℃)、フラッシュランプFLから照射する閃光のエネルギーを比較的小さくすることができ、その結果フラッシュ加熱時に半導体ウェハーWに与える熱的衝撃を緩和することができる。
The
フラッシュ加熱後も放射温度計120,130による半導体ウェハーWの温度測定は継続される。そして、半導体ウェハーWの温度が所定以下にまで降温した後、移載機構10の一対の移載アーム11が再び退避位置から移載動作位置に水平移動して上昇することにより、リフトピン12が均熱リング75の内側から突き出て熱処理後の半導体ウェハーWを保持部7から受け取る。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、リフトピン12上に載置された半導体ウェハーWが装置外部の搬送ロボットにより搬出され(ステップS10)、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。
Even after the flash heating, the temperature measurement of the semiconductor wafer W by the
本実施形態の熱処理装置1は、ハロゲンランプHLを消灯した後の半導体ウェハーWの温度を放射温度計120,130によって測定している。シャッター板21の遮光位置と保持部7との間の高さ位置に設置されている放射温度計120が半導体ウェハーWから放射される赤外光の強度を測定してウェハー温度の測定を行うときには、スライド駆動機構22がシャッター板21を遮光位置に挿入する。このため、放射温度計120は、消灯直後のハロゲンランプHLから放射される外乱光の影響をうけることなく、半導体ウェハーWの温度を直接かつ正確に測定することができる。
The
また、ハロゲン加熱部4に設けられた放射温度計130は、半導体ウェハーWから放射される赤外光を遮光位置に挿入されたシャッター板21の小孔23を介して受光してウェハー温度を測定する。放射温度計130の石英ロッド133の先端とシャッター板21との距離は3mm以下であるため、放射温度計130は、消灯直後のハロゲンランプHLから放射される外乱光の影響を最小限に抑制しつつ、半導体ウェハーWの温度を直接かつ正確に測定することができる。
The
ハロゲンランプHL消灯後の半導体ウェハーWの温度を放射温度計120,130によって正確に測定することにより、半導体ウェハーWが温度T2まで降温したときに再現良くフラッシュ発光を行うことができ、その結果フラッシュ加熱時の半導体ウェハーWの表面温度を安定して処理温度T3に昇温することができる。
By accurately measuring the temperature of the semiconductor wafer W after the halogen lamp HL is extinguished by the
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、ハロゲンランプHLを消灯した後の半導体ウェハーWの温度を放射温度計120,130によって測定していたが、これと併せて、接触式温度計140による測定を行うようにしても良い。もっとも、熱電対によって温度測定を行う接触式温度計140は、放射温度計120,130に比較して応答性が低く、フラッシュ発光のタイミング決定には放射温度計120,130による測定結果を用いる方が好ましい。その一方、接触式温度計140は、外乱光による影響を全く受けないため、ハロゲンランプHLを点灯しているときには放射温度計120,130よりも正確に半導体ウェハーWの温度を測定することができる。
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, the temperature of the semiconductor wafer W after the halogen lamp HL is turned off is measured by the
また、上記実施形態においては、異なる位置に2つの放射温度計120,130を設けていたが、正確に半導体ウェハーWの温度を測定できるのであればいずれか一方のみ設けるようにしても良い。放射温度計120については、測定対象である半導体ウェハーWからの距離が近く、しかもシャッター板21を遮光位置に挿入することによってハロゲンランプHLからの外乱光の影響をほぼ完全に無くすことができるという利点がある。また、シャッター板21に小孔を設ける必要もない。一方、放射温度計130については、測定対象である半導体ウェハーWの主面に対して垂直方向から赤外光を受光することができるという利点がある。もっとも、上記実施形態のように、2つの放射温度計120,130を設け、双方が半導体ウェハーWの面内の互いに異なる位置(領域Aおよび領域B)の温度を測定するようにすれば、半導体ウェハーWの面内温度分布を計測することも可能である。
In the above-described embodiment, the two
また、予備加熱温度T1、フラッシュ発光を行う温度T2および処理温度T3は上記の例に限定されるものではなく、任意の温度に設定することができる。例えば、予備加熱温度T1を950℃程度としても良い。 Further, the preheating temperature T1, the temperature T2 at which flash emission is performed, and the processing temperature T3 are not limited to the above example, and can be set to arbitrary temperatures. For example, the preheating temperature T1 may be about 950 ° C.
また、上記実施形態においては、熱処理空間65に供給する処理ガスを窒素ガス(N2)としていたが、これに限定されるものではなく、例えば、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)ガスや清浄エアであっても良い。もっとも、熱処理空間65にて加熱される半導体ウェハーWは数百℃から1000℃以上の高温に昇温されるため、処理ガスとしては、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスが好ましく、特にコスト面からは安価な窒素ガスが好ましい。
In the above embodiment, the processing gas supplied to the
また、上記実施形態においては、フラッシュ発光の温度T2よりも高温の予備加熱温度T1にまでハロゲンランプHLによって半導体ウェハーWを昇温した後、ハロゲンランプHLを消灯して半導体ウェハーWが温度T2まで降温した時点でフラッシュ加熱を行うようにしていたが、ハロゲンランプHLによって半導体ウェハーWが温度T2まで昇温したときに直ちにフラッシュランプFLのフラッシュ発光を行うようにしても良い。この場合、フラッシュ発光を行うのと同時にハロゲンランプHLを消灯するとともにシャッター板21を遮光位置に挿入し、放射温度計120,130によって降温中の半導体ウェハーWの温度を測定する。
In the above embodiment, the temperature of the semiconductor wafer W is increased by the halogen lamp HL to the preheating temperature T1 higher than the flash emission temperature T2, and then the halogen lamp HL is turned off and the semiconductor wafer W reaches the temperature T2. The flash heating is performed when the temperature is lowered. However, the flash lamp FL may be flashed immediately when the temperature of the semiconductor wafer W is increased to the temperature T2 by the halogen lamp HL. In this case, simultaneously with the flash emission, the halogen lamp HL is turned off and the
また、上記実施形態においては、フラッシュ加熱部5に30本のフラッシュランプFLを備えるようにしていたが、これに限定されるものではなく、フラッシュランプFLの本数は任意の数とすることができる。また、フラッシュランプFLはキセノンフラッシュランプに限定されるものではなく、クリプトンフラッシュランプであっても良い。また、ハロゲン加熱部4に備えるハロゲンランプHLの本数も40本に限定されるものではなく、任意の数とすることができる。
In the above embodiment, the
また、上記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。 In the above embodiment, the semiconductor wafer is irradiated with light to perform the ion activation process. However, the substrate to be processed by the heat treatment apparatus according to the present invention is not limited to the semiconductor wafer. . For example, the glass substrate on which various silicon films such as a silicon nitride film and a polycrystalline silicon film are formed may be processed by the heat treatment apparatus according to the present invention. As an example, an amorphous silicon film made amorphous by ion implantation of silicon into a polycrystalline silicon film formed on a glass substrate by a CVD method is formed, and a silicon oxide film serving as an antireflection film is further formed thereon. Form. In this state, the entire surface of the amorphous silicon film is irradiated with light by the heat treatment apparatus according to the present invention, so that a polycrystalline silicon film obtained by polycrystallizing the amorphous silicon film can be formed.
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。 Further, a heat treatment according to the present invention is applied to a TFT substrate having a structure in which a base silicon oxide film and a polysilicon film obtained by crystallizing amorphous silicon are formed on a glass substrate, and the polysilicon film is doped with impurities such as phosphorus and boron. It is also possible to activate the impurities implanted in the doping process by irradiating light with an apparatus.
1 熱処理装置
2 シャッター機構
3 制御部
4 ハロゲン加熱部
5 フラッシュ加熱部
6 チャンバー
7 保持部
10 移載機構
21 シャッター板
22 スライド駆動機構
23 小孔
61 チャンバー側部
62 凹部
63 上側チャンバー窓
64 下側チャンバー窓
65 熱処理空間
70 サセプタ
75 均熱リング
120,130 放射温度計
133 石英ロッド
140 接触式温度計
FL フラッシュランプ
HL ハロゲンランプ
W 半導体ウェハー
DESCRIPTION OF
Claims (6)
基板を収容するチャンバーと、
前記チャンバー内にて基板を水平姿勢に保持する保持手段と、
前記チャンバーの上側に設けられ、前記保持手段に保持された基板にフラッシュ光を照射して加熱する第1光照射手段と、
前記チャンバーの下側に設けられ、前記保持手段に保持された基板に光を照射して加熱する第2光照射手段と、
前記第2光照射手段から照射された光を遮光するシャッター部材と、
前記第2光照射手段と前記保持手段との間の遮光位置に前記シャッター部材を挿脱するシャッター駆動手段と、
前記保持手段に保持された基板の斜め下方であって当該基板と平面視で重ならない位置に設けられ、前記保持手段に保持された基板から放射される赤外光の強度を測定して当該基板の温度を測定する第1放射温度計と、
前記保持手段に保持された基板の直下であって前記遮光位置よりも下方に設けられ、前記保持手段に保持された基板から放射される赤外光の強度を測定して当該基板の温度を測定する第2放射温度計と、
を備え、
前記シャッター部材には、前記遮光位置に挿入されたときの前記第2放射温度計の直上部位に穴が形成され、
前記第1放射温度計の高さ位置は前記遮光位置と前記保持手段との間であり、
前記第1放射温度計が基板の温度を測定するときには、前記シャッター駆動手段が前記シャッター部材を前記遮光位置に挿入す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,
A chamber for housing the substrate;
Holding means for holding the substrate in a horizontal position in the chamber;
A first light irradiating means provided on the upper side of the chamber and irradiating the substrate held by the holding means with flash light;
A second light irradiating means provided on the lower side of the chamber and irradiating and heating the substrate held by the holding means;
A shutter member for shielding light emitted from the second light irradiation means;
Shutter driving means for inserting and removing the shutter member at a light shielding position between the second light irradiation means and the holding means;
The substrate is measured by measuring the intensity of infrared light that is provided obliquely below the substrate held by the holding means and does not overlap with the substrate in plan view and emitted from the substrate held by the holding means. A first radiation thermometer for measuring the temperature of
The temperature of the substrate is measured by measuring the intensity of infrared light that is provided directly below the substrate held by the holding unit and below the light shielding position and emitted from the substrate held by the holding unit. A second radiation thermometer,
With
In the shutter member, a hole is formed in a portion immediately above the second radiation thermometer when inserted into the light shielding position,
The height position of the first radiation thermometer is between the light shielding position and the holding means,
When the first radiation thermometer measures the temperature of the substrate, the shutter driving means inserts the shutter member into the light shielding position.
前記第2放射温度計は、基板からの赤外光を受光する石英ロッドを含み、
前記遮光位置に挿入された前記シャッター部材と前記石英ロッドの先端との距離は3mm以下であることを特徴とする熱処理装置。 The heat treatment apparatus according to claim 1, wherein
The second radiation thermometer includes a quartz rod that receives infrared light from the substrate,
A heat treatment apparatus , wherein a distance between the shutter member inserted at the light shielding position and a tip of the quartz rod is 3 mm or less .
前記第1放射温度計および前記第2放射温度計によって温度測定される基板面内の位置は互いに異なることを特徴とする熱処理装置。 In the heat treatment apparatus according to claim 1 or 2 ,
The heat treatment apparatus characterized in that positions on the substrate surface where temperatures are measured by the first radiation thermometer and the second radiation thermometer are different from each other .
前記保持手段に保持された基板に接触して当該基板の温度を測定する接触式温度計をさらに備えることを特徴とする熱処理装置。 In the heat processing apparatus in any one of Claims 1-3 ,
A heat treatment apparatus , further comprising a contact thermometer that contacts the substrate held by the holding means and measures the temperature of the substrate .
前記第2光照射手段からの光照射によって基板が所定温度以上に加熱された後、前記シャッター部材が前記遮光位置に挿入されて前記第1放射温度計によって測定された基板の温度が前記所定温度まで降温した時点で当該基板にフラッシュ光を照射するように前記第1光照射手段を制御する制御手段をさらに備えることを特徴とする熱処理装置。 In the heat processing apparatus in any one of Claims 1-4,
After the substrate is heated to a predetermined temperature or higher by light irradiation from the second light irradiation means, the temperature of the substrate measured by the first radiation thermometer after the shutter member is inserted into the light shielding position is the predetermined temperature. And a control means for controlling the first light irradiating means so as to irradiate the substrate with flash light when the temperature is lowered to a temperature .
前記第1光照射手段はフラッシュランプを備え、
前記第2光照射手段はハロゲンランプを備えることを特徴とする熱処理装置。 The heat treatment apparatus according to claim 5 , wherein
The first light irradiation means includes a flash lamp,
The heat treatment apparatus, wherein the second light irradiation means includes a halogen lamp .
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