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JP-2026077779-A - 熱処理装置および熱処理方法

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Abstract

【課題】加熱処理後の基板の降温速度を速める熱処理装置および熱処理方法を提供する。 【解決手段】熱処理装置２は、半導体ウェハーＷに光を照射することによって半導体ウェハーＷを加熱する。熱処理装置２は、半導体ウェハーＷにフラッシュ光を照射して常温の半導体ウェハーＷの表面を予備加熱温度に昇温する第１フラッシュ光照射部と、予備加熱温度に昇温された半導体ウェハーＷにフラッシュ光を照射して半導体ウェハーＷの表面を予備加熱温度よりも高い処理温度に昇温する第２フラッシュ光照射部とを備える。予備加熱温度への昇温および処理温度への昇温の双方をフラッシュ光照射により行うため、半導体ウェハーＷの裏面の温度はほとんど上昇せず、フラッシュ光照射後に半導体ウェハーＷの表面から裏面への向けての急激な熱伝導が生じ、加熱処理後の半導体ウェハーＷの降温速度を速めることができる。 【選択図】図１６

Inventors

  • 谷村 英昭
  • 竹原 弘耕
  • 布施 和彦

Assignees

  • 株式会社ＳＣＲＥＥＮホールディングス

Dates

Publication Date
20260513
Application Date
20260216

Claims (6)

  1. 基板に光を照射することによって当該基板を加熱する熱処理装置であって、 前記基板を収容するチャンバーと、 前記チャンバー内において、前記基板を保持する保持部と、 前記保持部に保持された前記基板にフラッシュ光を照射して常温の前記基板を予備加熱温度に昇温する第１フラッシュ光照射部と、 前記予備加熱温度に昇温された前記基板にフラッシュ光を照射して前記予備加熱温度よりも高い処理温度に前記基板を昇温する第２フラッシュ光照射部と、 を備えることを特徴とする熱処理装置。
  2. 請求項１に記載の熱処理装置において、 前記第１フラッシュ光照射部および前記第２フラッシュ光照射部のフラッシュ光照射時間は０．１ミリ秒以上１００ミリ秒以下であることを特徴とする熱処理装置。
  3. 請求項１または請求項２に記載の熱処理装置において、 前記第１フラッシュ光照射部が発光してから前記第２フラッシュ光照射部が発光するまでの間隔は１秒以内であることを特徴とする熱処理装置。
  4. 基板に光を照射することによって当該基板を加熱する熱処理方法であって、 前記基板を収容するチャンバー内において、保持部により保持された前記基板に対して第１のフラッシュ光を照射して常温の前記基板を予備加熱温度に昇温する第１フラッシュ光照射工程と、 前記予備加熱温度に昇温された前記基板に対して第２のフラッシュ光を照射して前記予備加熱温度よりも高い処理温度に前記基板を昇温する第２フラッシュ光照射工程と、 を備えることを特徴とする熱処理方法。
  5. 請求項４に記載の熱処理方法において、 前記第１フラッシュ光照射工程および前記第２フラッシュ光照射工程でのフラッシュ光照射時間は０．１ミリ秒以上１００ミリ秒以下であることを特徴とする熱処理方法。
  6. 請求項４または請求項５に記載の熱処理方法において、 前記第１フラッシュ光照射工程の終了後、前記第２フラッシュ光照射工程の開始までの間は１秒以内であることを特徴とする熱処理方法。

Description

本発明は、半導体ウェハー等の薄板状精密電子基板（以下、単に「基板」と称する）に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および熱処理方法に関する。 半導体デバイスの製造プロセスにおいて、極めて短時間で半導体ウェハーを加熱するフラッシュランプアニール（ＦＬＡ）が注目されている。フラッシュランプアニールは、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フラッシュ光を照射することにより、半導体ウェハーの表面のみを極めて短時間（数ミリ秒以下）に昇温させる熱処理技術である。 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フラッシュ光を照射したときには、透過光が少なく半導体ウェハーを急速に昇温することが可能である。また、数ミリ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。 このようなフラッシュランプアニールは、極短時間の加熱が必要とされる処理、例えば典型的には半導体ウェハーに注入された不純物の活性化に利用される。イオン注入法によって不純物が注入された半導体ウェハーの表面にフラッシュランプからフラッシュ光を照射すれば、当該半導体ウェハーの表面を極短時間だけ活性化温度にまで昇温することができ、不純物を深く拡散させることなく、不純物活性化のみを実行することができる。 フラッシュランプアニールを利用した装置としては、典型的には半導体ウェハーの裏面にハロゲンランプから光を照射してある程度の温度にまで予備加熱し、その後半導体ウェハーの表面にフラッシュ光を照射して所望の処理温度にまで昇温して不純物を活性化している。 このようなフラッシュランプアニールを利用する装置に関して、特許文献１には、フラッシュ加熱処理が終了した後、チャンバー内に冷却ガスが供給される装置が開示されている。この特許文献１に開示される装置によれば、チャンバー内への冷却ガスの供給によって、フラッシュ加熱直後の比較的高温の半導体ウェハーが冷却される。 また、フラッシュランプアニールを利用する他の装置に関して、特許文献２には、半導体ウェハーとサセプタとの距離を可変することができる装置が開示されている。この特許文献２に開示される装置は、支持部に支持された基板の昇温過程では基板と板状部材との距離が第１間隔とし、基板が目標温度に保持される保温過程では基板と板状部材との距離が第２間隔となるように制御している。この特許文献２に記載の装置によれば、光照射加熱時における基板の温度の制御性が向上する。 特開２０２１－０４４３７２号公報特開２０１４－１７５６３０号公報 本発明に係る熱処理装置の構成を示す縦断面図である。保持部の全体外観を示す斜視図である。サセプタの平面図である。石英板を示す斜視図である。石英板の部分的な断面を示す部分断面図である。移載機構の平面図である。移載機構の側面図である。図１の熱処理装置における処理動作を示すフロー図である。サセプタを半導体ウェハー、石英板、リフトピンと共に示す側面図である。サセプタを半導体ウェハー、石英板、リフトピンと共に示す側面図である。サセプタを半導体ウェハー、石英板、リフトピンと共に示す側面図である。本実施形態の熱処理装置による半導体ウェハーの経時的な温度変化を示すグラフである。第１実施形態の変形例１のサセプタを半導体ウェハー、石英板、リフトピンと共に示す側面図である。第１実施形態の変形例２のサセプタを半導体ウェハー、石英板、リフトピンと共に示す側面図である。第１実施形態の変形例３のサセプタを半導体ウェハー、石英板、リフトピンと共に示す側面図である。本発明に係る熱処理方法を実施する熱処理装置の構成を示す縦断面図である。第２実施形態の熱処理装置による半導体ウェハーの熱処理の流れを示すフロー図である。 以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。 ＜第１実施形態＞ 図１は、本発明に係る熱処理装置１の構成を示す縦断面図である。図１の熱処理装置１は、基板として円板形状の半導体ウェハーＷに対してフラッシュ光照射を行うことによっ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。処理対象となる半導体ウェハーＷのサイズは特に限定されるものではないが、例えばφ３００ｍｍやφ４５０ｍｍである（本実施形態ではφ３００ｍｍ）。なお、図１および以降の各図においては、理解容易のため、必要に応じて各部の寸法や数を誇張または簡略化して描いている。 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光照射部としてのフラッシュ加熱部５と、複数のハロゲンランプＨＬを内蔵するハロゲン光照射部としてのハロゲン加熱部４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、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。 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）のフラッシュランプＦＬ（例えば、キセノンフラッシュランプ）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にフラッシュ光を照射する。 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。 フラッシュランプＦＬは、例えば、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、そのときのキセノンの原子あるいは分子の励起によって光が放出される。このようなフラッシュランプ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１００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。すなわち、フラッシュランプＦＬは、１秒未満の極めて短い時間で瞬間的に発光するパルス発光ランプである。なお、フラッシュランプＦＬの発光時間は、フラッシュランプＦＬに電力供給を行うランプ電源のコイル定数によって調整することができる。 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熱処理空間６５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いる。 チャンバー６の下方に設けられたハロゲン加熱部４は、筐体４１の内側に複数本（本実施形態では４０本）のハロゲンランプＨＬを内蔵している。ハロゲン加熱部４は、複数のハロゲンランプＨＬによってチャンバー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への光照射を行って半導体ウェハーＷを加熱する。 ハロゲン加熱部４を構成するハロゲンランプＨＬは、例えば、上下２段に分けて４０本配置されている（図１参照）。保持部７に近い上段に２０本のハロゲンランプＨＬが配設されるとともに、上段よりも保持部７から遠い下段にも２０本のハロゲンランプ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。 また、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周縁部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。 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、上段に配置された２０本のハロゲンランプＨＬの長手方向と下段に配置された２０本のハロゲンランプＨＬの長手方向とが互いに直交するように計４０本のハロゲンランプＨＬが配設されている。 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。すなわち、ハロゲンランプＨＬは少なくとも１秒以上連続して発光する連続点灯ランプである。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。 また、ハロゲン加熱部４の筐体４１内にも、２段のハロゲンランプＨＬの下側にリフレクタ４３が設けられている（図１参照）。リフレクタ４３は、複数のハロゲンランプＨＬから出射された光を熱処理空間６５の側に反射する。 図１に示すように、チャンバー６には、上部放射温度計２５および下部放射温度計２０の２つの放射温度計（本実施形態ではパイロメーター）が設けられている。上部放射温度計２５は、サセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの斜め上方に設置され、その半導体ウェハーＷの上面から放射された赤外光を受光して上面の温度を測定する。上部放射温度計２５の赤外線センサー２９は、フラッシュ光が照射