CN117334601A - 热处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能效率良好地将衬底加热的热处理装置。在收容半导体晶圆(W)的腔室(6)的上侧，设置具备多个闪光灯(FL)的闪光加热部(5)，且在下侧，设置具备多个VCSEL(垂直谐振器型面发光激光器)(45)的辅助加热部(4)。通过来自VCSEL(45)的光照射将半导体晶圆(W)预备加热后，从闪光灯(FL)对半导体晶圆(W)的表面照射闪光，将所述表面瞬间升温。VCSEL(45)与LED相比，也能出射相对高强度的光。因此，如果能从多个VCSEL(45)进行光照射，那么照射到半导体晶圆(W)的光的强度也能提高，能效率良好地将半导体晶圆(W)加热。

Description

热处理装置

技术领域

本发明涉及一种通过对衬底照射光而将所述衬底加热的热处理装置。成为处理对象的衬底包含例如半导体晶圆、液晶显示装置用衬底、平板显示器(flat panel display(FPD))用衬底、光盘用衬底、磁盘用衬底或太阳能电池用衬底等。

背景技术

半导体器件的制造过程中，以极短时间将半导体晶圆加热的闪光灯退火(FLA：Flash Lamp Annealing)备受瞩目。闪光灯退火是使用氙闪光灯(以下，简称为“闪光灯”时，意指氙闪光灯)，对半导体晶圆的表面照射闪光，由此仅使半导体晶圆的表面在极短时间(数毫秒以下)升温的热处理技术。

氙闪光灯的放射分光分布从紫外区到近红外区，波长比以往的卤素灯短，与硅半导体晶圆的基础吸收带大体一致。因此，从氙闪光灯对半导体晶圆照射闪光时，透过光较少，能使半导体晶圆急速升温。此外也判明，如果是数毫秒以下的极短时间的闪光照射，那么能仅将半导体晶圆的表面附近选择性升温。

这种闪光灯退火使用于需要极短时间的加热的处理，例如典型来说，注入到半导体晶圆的杂质的活化。如果从闪光灯对通过离子注入法注入了杂质的半导体晶圆的表面照射闪光，那么能将所述半导体晶圆的表面以极短时间升温到活化温度，能不使杂质深度扩散而仅执行杂质活化。

作为执行这种闪光灯退火的装置，典型来说，使用在收容半导体晶圆的腔室上方设置着闪光灯，且在下方设置着卤素灯的热处理装置(例如专利文献1)。专利文献1所揭示的装置中，通过来自卤素灯的光照射预备加工半导体晶圆后，从闪光灯对所述半导体晶圆的表面照射闪光。通过卤素灯进行预备加热是因为仅闪光照射的话，半导体晶圆的表面不易达到目标温度。

[背景技术文献]

[专利文献]

[专利文献1]日本专利特开2011-159713号公报

发明内容

[发明要解决的问题]

然而，通过卤素灯进行预备加热的情况下，由于从卤素灯点亮到达到目标输出为止需要一定时间，另一方面，卤素灯熄灭后暂时热放射持续，所以有注入到半导体晶圆的杂质的扩散长度变得相对较长的问题。

此外，卤素灯主要放射波长相对较长的红外光。硅半导体晶圆的分光吸收率中，500℃以下的低温域中1μm以上的长波长的红外光的吸收率较低。也就是说，由于500℃以下的半导体晶圆不太吸收从卤素灯照射的红外光，所以在预备加热的初始阶段进行低效加热。

作为解决这些问题的方法，考虑使用多个LED灯进行半导体晶圆的预备加热。LED灯与卤素灯相比，输出的上升及下降较为高速。此外，LED灯主要放射可见光。由此，即使是500℃以下相对较低温的半导体晶圆，从LED灯照射的光的吸收率也较高，如果使用LED灯，那么在预备加热的初始阶段也能效率良好地进行加热处理。

然而，由于各LED灯本身的输出相对较微弱，所以照射到半导体晶圆的光的强度也相对较低。结果，使用LED灯的半导体晶圆的加热效率不够充分。此外，为了获得高照射强度，必须将相当多数量的LED灯配置在一定区域。

本发明是鉴于所述问题而完成的，目的在于提供一种能效率良好地将衬底加热的热处理装置。

[解决问题的技术手段]

为解决所述问题，技术方案1的发明是通过对衬底照射光而将所述衬底加热的热处理装置，其特征在于，具备：腔室，收容衬底；保持部，在所述腔室内保持所述衬底；辅助光源，设置在所述腔室的一侧，对保持在所述保持部的所述衬底照射光；及闪光灯，设置在所述腔室的另一侧，对保持在所述保持部的所述衬底照射闪光；且所述辅助光源具备多个垂直谐振器型面发光激光器。

此外，技术方案2的发明根据技术方案1的发明的热处理装置，其特征在于，所述辅助光源包含照射不同波长的光的垂直谐振器型面发光激光器。

此外，技术方案3的发明根据技术方案1或2的发明的热处理装置，其特征在于，在所述腔室与所述辅助光源之间，还具备将从所述多个垂直谐振器型面发光激光器中的每一个出射的光均一化的均质器。

此外，技术方案4的发明根据技术方案3的发明的热处理装置，其特征在于，所述均质器是将与所述多个垂直谐振器型面发光激光器一对一对应的光学元件捆束的板状。

此外，技术方案5的发明根据技术方案1到4的任一发明的热处理装置，其特征在于，所述辅助光源还包含多个LED灯，所述多个垂直谐振器型面发光激光器以包围所述多个LED灯周围的方式环状配置。

此外，技术方案6的发明根据技术方案5的发明的热处理装置，其特征在于，所述辅助光源包含照射不同波长光的垂直谐振器型面发光激光器及照射不同波长光的LED灯。

此外，技术方案7的发明根据技术方案5的发明的热处理装置，其特征在于，所述辅助光源还具有追加的垂直谐振器型面发光激光器，在环状配置的所述多个垂直谐振器型面发光激光器周围，以照射方向朝向保持在所述保持部的所述衬底的方式倾斜设置。

[发明的效果]

根据技术方案1到7的发明，由于辅助光源具备多个垂直谐振器型面发光激光器，所以能提高照射到衬底的光的强度，能效率良好地将衬底加热。

尤其，根据技术方案2的发明，由于辅助光源包含照射不同波长光的垂直谐振器型面发光激光器，所以即使衬底的一部分中存在对于特定波长光的吸收率较低的部分，也能将衬底的整面均一加热。

尤其，根据技术方案3的发明，由于还具备将从多个垂直谐振器型面发光激光器中的每一个出射的光均一化的均质器，所以能将衬底的被照射面的照度分布均一化，也能将衬底的面内温度分布均一化。

尤其，根据技术方案5的发明，辅助光源还包含多个LED灯，多个垂直谐振器型面发光激光器以包围多个LED灯周围的方式环状配置，所以能从垂直谐振器型面发光激光器对易产生温度降低的衬底的周缘部照射定向性较高的光，强列地将所述周缘部加热，能将衬底的面内温度分布均一化。

附图说明

图1是表示第1实施方式的热处理装置的构成的纵剖视图。

图2是表示保持部的全体外观的立体图。

图3是基座的俯视图。

图4是基座的剖视图。

图5是移载机构的俯视图。

图6是移载机构的侧视图。

图7是表示多个VCSEL的配置的俯视图。

图8是表示第2实施方式的热处理装置的构成的纵剖视图。

图9是示意性说明均质器的光分布的均一化的图。

图10是表示从VCSEL出射的光的强度分布的图。

图11是表示通过均质器的光的强度分布的图。

图12是表示第3实施方式的热处理装置的构成的纵剖视图。

图13是表示第3实施方式的辅助加热部中的多个VCSEL及多个LED灯的配置的俯视图。

图14是示意性说明LED灯及VCSEL的混合光源的半导体晶圆的加热的图。

图15是表示第4实施方式的辅助加热部的构成的侧视图。

图16是表示第4实施方式的辅助加热部中的多个VCSEL及多个LED灯的配置的俯视图。

图17是示意性表示第5实施方式的热处理装置的构成的图。

图18是表示通过图17的热处理装置进行热处理的半导体晶圆的温度变化的图。

具体实施方式

以下，参考附图且对本发明的实施方式详细说明。以下，表示相对或绝对的位置关系的表现(例如“在一个方向”、“沿一个方向”、“平行”、“正交”、“中心”、“同心”、“同轴”等)只要无特别限制，就不仅严格地表示所述位置关系，也表示在公差或能获得同程度的功能的范围内角度或距离相对移位的状态。此外，表示相等的状态的表现(例如“相同”、“相等”、“均质”等)只要无特别限制，就不仅定量严格地表示相等的状态，也表示公差或存在能获得同程度的功能的差量的状态。此外，表示形状的表现(例如“圆形状”、“四方形状”、“圆筒形状”等)只要无特别限制，就不仅几何上严格地表示所述形状，也表示能获得同程度的效果的范围的形状，例如也可具有凹凸或倒角等。此外，“配备”、“具有”、“具备”、“包含”、“含有”构成要件等各表现并非排除其它构成要件的存在的排他性表现。此外，“A、B及C中的至少一个”的表现包含“仅A”、“仅B”、“仅C”、“A、B及C中的任意2个”、“A、B及C的全部”。

＜第1实施方式＞

图1是表示本发明的热处理装置1的构成的纵剖视图。图1的热处理装置1是通过对作为衬底的圆板形状的半导体晶圆W进行闪光照射而将所述半导体晶圆W加热的闪光灯退火装置。成为处理对象的半导体晶圆W的尺寸未特别限定，例如为φ300mm或φ450mm。另外，图1及之后的各图中，为了容易理解，视需要夸大或简化描绘各部的尺寸或数量。

热处理装置1具备收容半导体晶圆W的腔室6、内置多个闪光灯FL的闪光加热部5、及具有多个VCSEL(垂直谐振器型面发光激光器：Vertical Cavity Surface EmittingLaser)45的辅助加热部4。在腔室6的上侧设置着闪光加热部5，且在下侧设置着辅助加热部4。此外，热处理装置1在腔室6的内部，具备将半导体晶圆W以水平姿势保持的保持部7、及在保持部7与装置外部间进行半导体晶圆W的交接的移载机构10。而且，热处理装置1具备控制部3，所述控制部3控制设置在辅助加热部4、闪光加热部5及腔室6的各动作机构，使之执行半导体晶圆W的热处理。

腔室6在筒状的腔室侧部61上下安装石英制的腔室窗而构成。腔室侧部61具有上下开口的大致筒形状，在上侧开口安装上侧腔室窗63并将其封闭，在下侧开口安装下侧腔室窗64并将其封闭。构成腔室6的顶部的上侧腔室窗63是由石英形成的圆板形状部件，作为使从闪光加热部5出射的闪光透过腔室6内的石英窗发挥功能。此外，构成腔室6的底板部的下侧腔室窗64也是由石英形成的圆板形状部件，作为使来自辅助加热部4的光透过腔室6内的石英窗发挥功能。

此外，在腔室侧部61内侧的壁面的上部安装着反射环68，在下部安装着反射环69。反射环68、69都形成为圆环状。上侧的反射环68通过从腔室侧部61的上侧嵌入而安装。另一方面，下侧的反射环69通过从腔室侧部61的下侧嵌入，以省略图示的螺丝固定而安装。也就是说，反射环68、69都是装卸自如地安装在腔室侧部61的反射环。腔室6的内侧空间，也就是由上侧腔室窗63、下侧腔室窗64、腔室侧部61及反射环68、69包围的空间规定为热处理空间65。

通过在腔室侧部61安装反射环68、69，在腔室6的内壁面形成凹部62。也就是说，形成由腔室侧部61的内壁面中未安装反射环68、69的中央部分、反射环68的下端面及反射环69的上端面包围的凹部62。凹部62在腔室6的内壁面沿水平方向圆环状形成，围绕保持半导体晶圆W的保持部7。腔室侧部61及反射环68、69以强度与耐热性优异的金属材料(例如不锈钢)形成。

此外，在腔室侧部61，形设着用来进行对腔室6搬入及搬出半导体晶圆W的搬送开口部(炉口)66。搬送开口部66能通过闸阀185来开闭。搬送开口部66连通连接在凹部62的外周面。因此，闸阀185打开搬送开口部66时，能进行从搬送开口部66通过凹部62到热处理空间65的半导体晶圆W的搬入，及来自热处理空间65的半导体晶圆W的搬出。此外，当闸阀185关闭搬送开口部66时，腔室6内的热处理空间65成为密闭空间。

而且，在腔室侧部61，穿设着贯通孔61a。在腔室侧部61的外壁面的设置着贯通孔61a的部位，安装着放射温度计20。贯通孔61a是用来将从保持在后述基座74的半导体晶圆W的下表面放射的红外光导光到放射温度计20的圆筒状的孔。贯通孔61a以其贯通方向的轴与保持在基座74的半导体晶圆W的主面相交的方式，相对于水平方向倾斜设置。因此，放射温度计20设置在基座74的斜下方。在贯通孔61a的面向热处理空间65侧的端部，安装着使放射温度计20能测定的波长区域的红外光通过的包含氟化钡材料的透明窗21。

此外，在腔室6的内壁上部，形设着对热处理空间65供给处理气体的气体供给孔81。气体供给孔81形设在比凹部62上侧位置，也可设置在反射环68。气体供给孔81经由在腔室6的侧壁内部圆环状形成的缓冲空间82，连通连接在气体供给管83。气体供给管83连接在处理气体供给源85。此外，在气体供给管83的路径中途，介插着阀84。当打开阀84时，从处理气体供给源85对缓冲空间82供给处理气体。流入到缓冲空间82的处理气体以在流体阻力小于气体供给孔81的缓冲空间82内扩散的方式流动，从气体供给孔81供给到热处理空间65内。作为处理气体，可使用例如氮气(N₂)等惰性气体、或氢气(H₂)、氨气(NH₃)等反应性气体、或将所述气体混合的混合气体(本实施方式中为氮气)。

另一方面，在腔室6的内壁下部，形设着将热处理空间65内的气体排出的气体排气孔86。气体排气孔86形设在比凹部62下侧位置，也可设置在反射环69。气体排气孔86经由在腔室6的侧壁内部圆环状形成的缓冲空间87，连通连接在气体排气管88。气体排气管88连接在排气部190。此外，在气体排气管88的路径中途，介插着阀89。当打开阀89时，热处理空间65的气体从气体排气孔86经过缓冲空间87排出到气体排气管88。另外，气体供给孔81及气体排气孔86也可沿腔室6的周向设置多个，也可为缝隙状。此外，处理气体供给源85及排气部190可为设置在热处理装置1的机构，也可为设置热处理装置1的工厂的设施。

图2是表示保持部7的全体外观的立体图。保持部7具备基台环71、连结部72及基座74而构成。基台环71、连结部72及基座74都是以石英形成。也就是说，保持部7全体以石英形成。

基台环71是从圆环形状缺失一部分的圆弧形状的石英部件。所述缺失部分为防止后述移载机构10的移载臂11与基台环71的干涉而设置。基台环71通过载置在凹部62的底面，而支撑在腔室6的壁面(参考图1)。在基台环71的上表面，沿其圆环形状的周向立设多个连结部72(本实施方式中为4个)。连结部72也是石英部件，通过焊接固定在基台环71。

基座74由设置在基台环71的4个连结部72支撑。图3是基座74的俯视图。此外，图4是基座74的剖视图。基座74具备保持板75、导环76及多根衬底支撑销77。保持板75是以石英形成的大致圆形的平板状部件。保持板75的直径大于半导体晶圆W的直径。也就是说，保持板75具有大于半导体晶圆W的平面尺寸。

在保持板75的上表面周缘部，设置着导环76。导环76是具有大于半导体晶圆W的直径的内径的圆环形状的部件。例如，半导体晶圆W的直径为φ300mm的情况下，导环76的内径为φ320mm。导环76的内周设为如从保持板75向上方扩大的锥面。导环76以与保持板75相同的石英形成。导环76可焊接在保持板75的上表面，也可通过另外加工的销等固定在保持板75。或者，也可将保持板75与导环76作为一体部件而加工。

保持板75的上表面中比导环76内侧的区域作为保持半导体晶圆W的平面状的保持面75a。在保持板75的保持面75a，立设着多根衬底支撑销77。本实施方式中，沿与保持面75a的外周圆(导环76的内周圆)为同心圆的圆周上，每隔30°立设着合计12根衬底支撑销77。配置着12根衬底支撑销77的圆的直径(对向的衬底支撑销77间的距离)小于半导体晶圆W的直径，如果半导体晶圆W的直径为φ300mm，那么为φ270mm～φ280mm(本实施方式中为φ270mm)。各衬底支撑销77以石英形成。多根衬底支撑销77可通过焊接设置在保持板75的上表面，也可与保持板75一体加工。

返回到图2，立设在基台环71的4个连结部72与基座74的保持板75的周缘部通过焊接而固定。也就是说，基座74与基台环71通过连结部72固定连结。通过将这种保持部7的基台环71支撑在腔室6的壁面，而将保持部7安装在腔室6。在保持部7安装在腔室6的状态下，基座74的保持板75成为水平姿势(法线与铅直方向一致的姿势)。也就是说，保持板75的保持面75a成为水平面。

搬入到腔室6的半导体晶圆W以水平姿势载置并保持在安装在腔室6的保持部7的基座74上。此时，半导体晶圆W由立设在保持板75上的12根衬底支撑销77支撑而保持在基座74。更严格来说，12根衬底支撑销77的上端部与半导体晶圆W的下表面接触而支撑所述半导体晶圆W。由于12根衬底支撑销77的高度(从衬底支撑销77的上端到保持板75的保持面75a的距离)均一，所以能通过12根衬底支撑销77，而将半导体晶圆W以水平姿势支撑。

此外，半导体晶圆W与保持板75的保持面75a隔出规定间隔由多根衬底支撑销77支撑。导环76的厚度大于衬底支撑销77的高度。因此，通过导环76，防止由多根衬底支撑销77支撑的半导体晶圆W在水平方向上的位置偏移。

此外，如图2及图3所示，在基座74的保持板75，上下贯通形成着开口部78。开口部78是为了放射温度计20接收从半导体晶圆W的下表面放射的放射光(红外光)而设置。也就是说，放射温度计20经由开口部78及安装在腔室侧部61的贯通孔61a的透明窗21，接收从半导体晶圆W的下表面放射的光，测定所述半导体晶圆W的温度。而且，在基座74的保持板75，穿设着为了后述移载机构10的提升销12交接半导体晶圆W而贯通的4个贯通孔79。

图5是移载机构10的俯视图。此外，图6是移载机构10的侧视图。移载机构10具备2条移载臂11。移载臂11设为如依循大致圆环状的凹部62的圆弧形状。在各移载臂11立设着2根提升销12。移载臂11及提升销12以石英形成。各移载臂11能通过水平移动机构13而旋动。水平移动机构13使一对移载臂11在进行对保持部7移载半导体晶圆W的移载动作位置(图5的实线位置)、及俯视下不与保持在保持部7的半导体晶圆W重合的退避位置(图5的二点划线位置)间水平移动。作为水平移动机构13，可为通过单独的马达使各移载臂11分别旋动的水平移动机构，也可为使用连杆机构通过1个马达使一对移载臂11连动地旋动的水平移动机构。

此外，一对移载臂11通过升降机构14与水平移动机构13一起升降移动。如果升降机构14使一对移载臂11上升到移载动作位置，那么合计4根提升销12通过穿设在基座74的贯通孔79(参考图2、3)，提升销12的上端从基座74的上表面突出。另一方面，升降机构14使一对移载臂11下降到移载动作位置，从贯通孔79抽出提升销12，如果水平移动机构13以打开一对移载臂11的方式移动，那么各移载臂11移动到退避位置。一对移载臂11的退避位置在保持部7的基台环71的正上方。由于基台环71载置在凹部62的底面，所以移载臂11的退避位置为凹部62的内侧。另外，也在设置着移载机构10的驱动部(水平移动机构13及升降机构14)的部位附近，设置着省略图示的排气机构，以将移载机构10的驱动部周边的氛围排出到腔室6外部的方式构成。

返回到图1，设置在腔室6上方的闪光加热部5构成为在外壳51的内侧，具备包含多条(本实施方式中为30条)氙闪光灯FL的光源、与以覆盖所述光源的上方的方式设置的反射器52。此外，在闪光加热部5的外壳51的底部，安装着灯光放射窗53。构成闪光加热部5的底板部的灯光放射窗53是由石英形成的板状的石英窗。通过将闪光加热部5设置在腔室6的上方，灯光放射窗53与上侧腔室窗63相对向。闪光灯FL从腔室6的上方经由灯光放射窗53及上侧腔室窗63对热处理空间65照射闪光。

多个闪光灯FL分别为具有长条圆筒形状的棒状灯，以各自的长边方向沿保持在保持部7的半导体晶圆W的主面(也就是沿水平方向)互相平行的方式平面状排列。由此，通过闪光灯FL的排列形成的平面也为水平面。排列多个闪光灯FL的区域大于半导体晶圆W的平面尺寸。

氙闪光灯FL具备：圆筒形状的玻璃管(放电管)，在其内部封入氙气，在其两端部配设着连接在电容器的阳极及阴极；及触发电极，附设在所述玻璃管的外周面上。由于氙气是电绝缘体，所以即使电容器中累积着电荷，通常状态下也不会在玻璃管内流动电。然而，对触发电极施加高电压而破坏绝缘的情况下，累积在电容器的电瞬间流动到玻璃管内，通过此时的氙原子或分子的激发而放出光。这种氙闪光灯FL中，预先累积在电容器的静电能转换为0.1毫秒到100毫秒的极短光脉冲，所以与如卤素灯那样连续点亮的光源相比，具有能照射极强光的特征。也就是说，闪光灯FL是以未达1秒的极短时间瞬间发光的脉冲发光灯。另外，闪光灯FL的发光时间能通过对闪光灯FL进行电力供给的灯电源的线圈常数而调整。

此外，反射器52以覆盖多个闪光灯FL全体的方式设置在其等的上方。反射器52的基本功能将从多个闪光灯FL出射的闪光反射到热处理空间65侧。反射器52以铝合金板形成，其表面(面向闪光灯FL侧的面)通过喷砂处理而实施粗面化加工。

设置在腔室6下方的辅助加热部4在外壳41的内侧内置着多个VCSEL45。辅助加热部4是通过多个VCSEL45，进行从腔室6的下方经由下侧腔室窗64对热处理空间65的光照射，而将半导体晶圆W加热的辅助光源。

图7是表示多个VCSEL45的配置的俯视图。在辅助加热部4配置着多个VCSEL45，但图7中为了方便图示而简化描绘个数。以往的卤素灯为棒状灯，相对于此，各VCSEL45为点光源。多个VCSEL45沿保持在保持部7的半导体晶圆W的主面(也就是沿水平方向)排列。因此，通过多个VCSEL45的排列形成的平面是水平面。

此外，如图7所示，多个VCSEL45同心圆状配置。更详细来说，以与保持在保持部7的半导体晶圆W的中心轴CX同轴的同心圆状配置多个VCSEL45。各同心圆中，多个VCSEL45以均等间隔配置。例如，图7所示的例中，从内侧起第2个同心圆中，以45°间隔均等配置8个VCSEL45。

VCSEL(垂直谐振器型面发光激光器)45是半导体激光器的一种，在相对于半导体衬底的表面垂直的垂直方向出射光。VCSEL45与LED相比能出射高强度的光，且出射定向性较高的光。第1实施方式的多个VCSEL45照射波长940nm的光。此外，VCSEL45是连续发光至少1秒以上的连续点亮灯。

通过从电力供给部49(图1)对多个VCSEL45的每一个供给电力，所述VCSEL45发光。电力供给部49依照控制部3的控制，单独调整供给到多个VCSEL45的每一个的电力。也就是说，电力供给部49能单独调整配置在辅助加热部4的多个VCSEL45的每一个的发光强度及发光时间。

控制部3控制设置在热处理装置1的所述各动作机构。作为控制部3的硬件的构成与一般的计算机相同。也就是说，控制部3具备进行各种运算处理的电路也就是CPU(Central Processing Unit：中央处理单元)、存储基本程序的读出专用存储器也就是ROM(Read Only Memory：只读存储器)、存储各种信息的读写自如的存储器也就是RAM(RandomAccess Memory：随机存取存储器)及预先存储控制用软件或数据等的磁盘。通过控制部3的CPU执行规定的处理程序而进行热处理装置1的处理。

除所述构成以外，为了防止在半导体晶圆W的热处理时，因从VCSEL45及闪光灯FL产生的热能引起的辅助加热部4、闪光加热部5及腔室6过度的温度上升，热处理装置1还具备各种冷却用构造。例如，在腔室6的壁体设置着水冷管(省略图示)。此外，辅助加热部4及闪光加热部5成为在内部形成气体流而进行排热的空冷构造。此外，也对上侧腔室窗63与灯光放射窗53的间隙供给空气，将闪光加热部5及上侧腔室窗63冷却。

接着，针对热处理装置1的处理动作进行说明。此处，针对对于成为制品的通常的半导体晶圆(产物晶圆)W的典型热处理动作进行说明。成为处理对象的半导体晶圆W是通过作为前步骤的离子注入注入了杂质的硅(Si)半导体衬底。所述杂质的活化通过热处理装置1的退火处理而执行。以下说明的半导体晶圆W的处理顺序通过由控制部3控制热处理装置1的各动作机构而进行。

首先，在半导体晶圆W的处理之前，将用来供气的阀84打开，且将排气用阀89打开，开始对于腔室6内的供排气。当打开阀84时，从气体供给孔81对热处理空间65供给氮气。此外，当打开阀89时，将腔室6内的气体从气体排气孔86排出。由此，从腔室6内的热处理空间65的上部供给的氮气流动到下方，并从热处理空间65的下部排出。

接着，闸阀185打开，打开搬送开口部66，通过装置外部的搬送机器人，经由搬送开口部66将成为处理对象的半导体晶圆W搬入到腔室6内的热处理空间65。此时，担心随着半导体晶圆W的搬入而卷入装置外部的氛围，但由于对腔室6持续供给氮气，所以氮气从搬送开口部66流出，能将这种外部氛围的卷入抑制在最小限度。

通过搬送机器人搬入的半导体晶圆W进入到保持部7的正上方位置为止并停止。并且，移载机构10的一对移载臂11从退避位置水平移动到移载动作位置并上升，由此，提升销12通过贯通孔79从基座74的保持板75的上表面突出，接收半导体晶圆W。此时，提升销12上升到比衬底支撑销77的上端更上方。

将半导体晶圆W载置在提升销12后，搬送机器人从热处理空间65退出，通过闸阀185将搬送开口部66关闭。并且，通过一对移载臂11下降，将半导体晶圆W从移载机构10交接给保持部7的基座74，以水平姿势从下方保持。半导体晶圆W由立设在保持板75上的多根衬底支撑销77支撑而保持在基座74。此外，半导体晶圆W将形成图案注入着杂质的正面作为上表面，保持在保持部7。在由多根衬底支撑销77支撑的半导体晶圆W的背面(与正面为相反侧的主面)与保持板75的保持面75a之间，形成规定的间隔。下降到基座74下方的一对移载臂11通过水平移动机构13退避到退避位置，也就是凹部62的内侧。

将半导体晶圆W通过以石英形成的保持部7的基座74以水平姿势从下方保持后，从辅助加热部4的多个VCSEL45照射光，开始预备加热(辅助加热)。从多个VCSEL45出射的光透过以石英形成的下侧腔室窗64及基座74，照射到半导体晶圆W的下表面。通过接收来自VCSEL45的光照射，将半导体晶圆W预备加热，温度上升。另外，由于移载机构10的移载臂11退避到凹部62的内侧，所以不会阻碍VCSEL45的加热。

通过来自VCSEL45的光照射而升温的半导体晶圆W的温度由放射温度计20测定。测定出的半导体晶圆W的温度传递到控制部3。控制部3一边监视通过来自VCSEL45的光照射而升温的半导体晶圆W的温度是否达到规定的预备加热温度T1，一边控制电力供给部49，调整VCSEL45的输出。也就是说，控制部3基于放射温度计20的测定值，以半导体晶圆W的温度成为预备加热温度T1的方式，反馈控制VCSEL45的输出。预备加热温度T1设为无需担心添加在半导体晶圆W的杂质因热而扩散的200℃到800℃左右，优选为350℃到600℃左右(本实施方式中为600℃)。

半导体晶圆W的温度达到预备加热温度T1后，控制部3将半导体晶圆W暂时维持所述预备加热温度T1。具体来说，在由放射温度计20测定出的半导体晶圆W的温度达到预备加热温度T1的时点，控制部3调整VCSEL45的输出，将半导体晶圆W的温度大致维持预备加热温度T1。

在半导体晶圆W的温度达到预备加热温度T1，并经过规定时间的时点，闪光加热部5的闪光灯FL对保持在基座74的半导体晶圆W的表面进行闪光照射。此时，从闪光灯FL放射的闪光的一部分直接朝向腔室6内，其它一部分暂时由反射器52反射后朝向腔室6内，通过所述闪光的照射进行半导体晶圆W的闪光加热。

由于闪光加热通过来自闪光灯FL的闪光(Flash)照射而进行，所以能使半导体晶圆W的表面温度短时间上升。也就是说，从闪光灯FL照射的闪光是预先累积在电容器的静电能转换成极短光脉冲的照射时间为0.1毫秒以上100毫秒以下左右的极短的强闪光。并且，通过来自闪光灯FL的闪光照射而被闪光加热的半导体晶圆W的表面温度瞬间上升到1000℃以上的处理温度T2，将注入到半导体晶圆W的杂质活化后，表面温度急速下降。如此，热处理装置1中，由于能使半导体晶圆W的表面温度极短时间升降，所以能抑制注入到半导体晶圆W的杂质的因热引起的扩散，且进行杂质的活化。另外，由于杂质的活化需要的时间与其热扩散需要的时间相比极短，所以即使是0.1毫秒到100毫秒左右的未产生热扩散的短时间，活化也完成。

闪光加热处理结束后，经过规定时间后，来自VCSEL45的光照射也停止。由此，半导体晶圆W从预备加热温度T1急速降温。由放射温度计20测定降温中的半导体晶圆W的温度，将其测定结果传递到控制部3。控制部3根据放射温度计20的测定结果，监视半导体晶圆W的温度是否降温到规定温度。并且，半导体晶圆W的温度降温到规定以下后，移载机构10的一对移载臂11再次从退避位置水平移动到移载动作位置并上升，由此，提升销12从基座74的上表面突出，从基座74接收热处理后的半导体晶圆W。接着，将由闸阀185关闭的搬送开口部66打开，将载置在提升销12上的半导体晶圆W由装置外部的搬送机器人从腔室6搬出，半导体晶圆W的加热处理完成。

第1实施方式中，通过来自VCSEL45的光照射将半导体晶圆W预备加热到预备加热温度T1后，从闪光灯FL对半导体晶圆W的表面照射闪光，使所述表面升温到处理温度T2。VCSEL45与LED相比，也能出射相对高强度的光。因此，如果能从多个VCSEL45进行光照射，那么预备加热时照射到半导体晶圆W的光的强度也能提高，能效率良好地加热半导体晶圆W。此外，由于VCSEL45出射相对较高强度的光，所以与以LED灯构成辅助加热部4的情况相比，能减少设置在辅助加热部4的VCSEL45的个数。

第1实施方式中，将从多个VCSEL45照射的光的波长设为940nm的单一波长，但也可取而代之，从多个VCSEL45照射不同波长的光。也就是说，也可在辅助加热部4设置出射光的波长不同的多种VCSEL45。如果从多个VCSEL45照射单一波长的光，那么如在半导体晶圆W的一部分形成着对于所述波长的光的吸收率较低的膜的情况下，仅所述一部分温度成为相对低温，担心会损害温度分布的面内均一性。如果从多个VCSEL45照射多波长的光，那么如在半导体晶圆W的一部分形成着对于特定波长的光的吸收率较低的膜的情况下，也能将半导体晶圆W的全面均一加热，提高温度分布的面内均一性。

<第2实施方式>

接着，针对本发明的第2实施方式进行说明。图8是表示第2实施方式的热处理装置1a的构成的纵剖视图。图8中，对与第1实施方式(图1)相同的要件标注相同符号。第2实施方式的热处理装置1a与第1实施方式的热处理装置1的不同点在于，设置着将从多个VCSEL45的每一个出射的光的分布均一化的均质器48。

均质器48是设置在多个VCSEL45与腔室6的下侧腔室窗64间的石英的板状部件。但是，均质器48虽是板状部件，但并非一块板，而是使多个衍射光学元件48a合束，结果具有板状形态的均质器。

图9是示意性说明通过均质器48的光分布的均一化的图。将平面状排列的多个衍射光学元件48a捆束形成板状的均质器48。各衍射光学元件元件48a是六面经研磨的石英的方形柱部件(石英杆)。构成均质器48的多个衍射光学元件48a与多个VCSEL45一对一对应设置。因此，从各VCSEL45出射的光入射到任一个衍射光学元件48a。

图10是表示从VCSEL45出射的光的强度分布的图。如上所述，由于VCSEL45出射定向性相对较高的光，所以所述出射光的光轴中心附近的强度最高，随着离开光轴，强度变低。因此，从VCSEL45出射的光的强度分布接近如图10所示的高斯分布。结果，从多个VCSEL45直接对半导体晶圆W照射光时，在半导体晶圆W的被照射面局部出现照度较高的区域与照度不高的区域，而担心会产生斑点状的照度不均。于是，预备加热时的半导体晶圆W的面内温度分布也不均一。

如图9所示，如果从各VCSEL45出射的光从对应的衍射光学元件48a的下表面入射，那么所述光在衍射光学元件48a内重复全反射，在衍射光学元件48a的上表面，光重合而均一化。图11是表示通过均质器48的光的强度分布的图。从VCSEL45出射的光虽定向性较高，但所述光通过衍射光学元件48a均一化，由此，通过均质器48的光的强度分布成为如图11所示的均一的强度分布。

从多个VCSEL45出射并通过均质器48的光照射到半导体晶圆W，由此，消除半导体晶圆W的被照射面中的照度不均，照度分布变得均一。结果，预备加热时的半导体晶圆W的面内温度分布也变得均一。

设置均质器48的点以外的第2实施方式的热处理装置1a的构成与第1实施方式的热处理装置1相同。此外，第2实施方式的热处理装置1a中的半导体晶圆W的处理顺序也与第1实施方式相同。

第2实施方式中，在腔室6与多个VCSEL45之间，设置着将从多个VCSEL45的每一个分别出射的光均一化的均质器48。由此，在均质器48的上表面，能获得均一的照度分布，半导体晶圆W的被照射面中的照度分布也变得均一，半导体晶圆W的面内温度分布也能均一化。

<第3实施方式>

接着，针对本发明的第3实施方式进行说明。图12是表示第3实施方式的热处理装置1b的构成的纵剖视图。图12中，对与第1实施方式(图1)相同的要件标注相同符号。第3实施方式的热处理装置1b与第1实施方式的热处理装置1的不同点在于，在辅助加热部4设置着VCSEL45及LED(Light Emitting Diode：发光二极管)灯47。

第3实施方式的辅助加热部4具备多个VCSEL45及多个LED灯47。LED灯47包含发光二极管。发光二极管是二极管的一种，在顺向施加电压时，通过电致发光效应而发光。

图13是表示辅助加热部4的多个VCSEL45及多个LED灯47的配置的俯视图。多个LED灯47在圆形区域以均一密度配置。在包围配置着所述多个LED灯47的圆形区域周围的圆环状区域，以均一密度配置着多个VCSEL45。也就是说，第3实施方式的辅助加热部4中，在中心部配置着多个LED灯47，且在周缘部配置着多个VCSEL45。

图14是示意性说明LED灯47及VCSEL45的混合光源对半导体晶圆W的加热的图。VCSEL45出射几乎不扩大的定向性较高的光，相对于此，从LED灯47出射的光显示出相对扩散的倾向。仅通过多个LED灯47进行半导体晶圆W的预备加热时，认识到与半导体晶圆W的中央部相比，周缘部的温度相对变低的倾向。

第3实施方式中，在辅助加热部4的中心部配置着多个LED灯47，且在周缘部配置着多个VCSEL45。也就是说，以与预备加热时温度易变低的半导体晶圆W的周缘部对向的方式，配置着多个VCSEL45，且以与半导体晶圆W的中央部对向的方式，配置着多个LED灯47。由此，能从VCSEL145对预备加热时温度易变低的半导体晶圆W的周缘部照射定向性较高的光，相对提高所述周缘部的照度。结果，能将温度易变低的半导体晶圆W的周缘部强烈加热，消除所述周缘部的温度降低，将预备加热时的半导体晶圆W的面内温度分布均一化。

在辅助加热部4设置VCSEL45及LED灯47的点以外的第3实施方式的热处理装置1b的构成与第1实施方式的热处理装置1相同。此外，第3实施方式的热处理装置1b中的半导体晶圆W的处理顺序也与第1实施方式相同。

第3实施方式中，在辅助光源也就是辅助加热部4，除VCSEL45外还设置LED灯47，以包围多个LED灯47周围的方式环状配置着多个VCSEL45。由此，能从VCSEL45对预备加热时易产生温度降低的半导体晶圆W的周缘部照射定向性较高的光，强烈地加热所述周缘部，能将预备加热时的半导体晶圆W的面内温度分布均一化。

一般来说，VCSEL45的单价比LED灯47的单价高，但通过仅对易产生温度降低的半导体晶圆W的周缘部设置VCSEL45，对其它部分设置低价的LED灯47，能抑制成本上升，且达成半导体晶圆W的面内温度分布的均一性。

也可多个VCSEL45及多个LED灯47中的至少一个照射不同波长的光。也就是说，也可在辅助加热部4设置出射光的波长不同的多种VCSEL45及/或出射光的波长不同的多种LED灯47。如果与第1实施方式同样，从多个VCSEL45及/或多个LED灯47照射多波长的光，那么如在半导体晶圆W的一部分形成相对于特定波长光的吸收率较低的膜的情况下，也能均一加热半导体晶圆W的整面，提高温度分布的面内均一性。

<第4实施方式>

接着，针对本发明的第4实施方式进行说明。图15是表示第4实施方式的辅助加热部4的构成的侧视图。此外，图16是表示第4实施方式的辅助加热部4的多个VCSEL45及多个LED灯47的配置的俯视图。

第4实施方式中，在第3实施方式的辅助加热部4周围还配置着追加的VCSEL45。追加的多个VCSEL45在比保持在保持部7的半导体晶圆W外侧的区域倾斜设置。更详细来说，与第3实施方式同样，多个LED灯47在圆形区域以均一密度配置。在包围配置着所述多个LED灯47的圆形区域周围的圆环状区域，以均一密度配置多个VCSEL45。而且，在配置着所述多个VCSEL45的圆环状区域周围，配置追加的多个VCSEL45。设置在比半导体晶圆W外侧的区域的追加的多个VCSEL45以其照射方向朝向半导体晶圆W的下表面周缘部的方式倾斜排列。设置追加的多个VCSEL45的点以外的第4实施方式的构成及处理顺序与第3实施方式相同。

第4实施方式中，与第3实施方式同样，能从VCSEL45对预备加热时易产生温度降低的半导体晶圆W的周缘部照射定向性较高的光，强烈地将所述周缘部加热，能将预备加热时的半导体晶圆W的面内温度分布均一化。而且，第4实施方式中，通过从追加的VCSEL45对半导体晶圆W的面内进行追加的光照射，能更效率良好地将半导体晶圆W加热。

<第5实施方式>

接着，针对本发明的第5实施方式进行说明。图17是示意性表示第5实施方式的热处理装置100的构成的图。第5实施方式的热处理装置100是不具备闪光灯，而具备多个VCSEL45的高速热处理装置(RTP装置：Rapid Thermal Processing：快速热处理)。

热处理装置100在收容半导体晶圆W的腔室110的上侧具备上部加热部150，且在腔室110的下侧具备下部加热部140。在腔室110内设置石英的基座170。在腔室110内，成为处理对象的半导体晶圆W由基座170支撑。此外，与第1实施方式同样，在腔室110的上下设置着透过光的石英窗(省略图示)。

下部加热部140与第1实施方式的辅助加热部4同样，具备多个VCSEL45。同样，上部加热部150也具备多个VCSEL45。热处理装置100通过多个VCSEL45从腔室110的上下进行光照射，将半导体晶圆W加热。

图18是表示通过热处理装置100进行热处理的半导体晶圆W的温度变化的图。通过多个VCSEL45，从上部加热部150及下部加热部140对腔室110内保持在基座170的半导体晶圆W照射光。半导体晶圆W从上下接收光照射而升温。

通过从上下进行使用多个VCSEL45的光照射，半导体晶圆W以100℃/秒～200℃/秒的升温速度升温。在开始来自多个VCSEL45的光照射起经过数秒的时点，半导体晶圆W的温度达到峰值温度T3。峰值温度T3例如为900℃～1000℃。在半导体晶圆W的温度达到峰值温度T3的时点，多个VCSEL45停止，半导体晶圆W的温度急速升温。也可取而代之，将半导体晶圆W的温度在一定时间(例如数秒左右)维持峰值温度T3。

第5实施方式中，出射与LED相比相对高强度的光，通过来自VCSEL45的光照射而将半导体晶圆W加热。因此，能效率良好地将半导体晶圆W加热。

＜变化例＞

以上，已针对本发明的实施方式进行说明，但本发明只要不脱离其主旨，就能除上述以外进行各种变更。第1实施方式中，将多个VCSEL45同心圆状配置，但并非限定于此，例如也可将多个VCSEL45以等间隔格子状配置。

此外，第3实施方式及第4实施方式中，也可在圆环状设置的多个VCSEL45的上方设置如第2实施方式的均质器。由此，能将半导体晶圆W的周缘部的照度分布更均一化。

此外，第3实施方式及第4实施方式中，在多个LED灯47周围圆环状配置着多个VCSEL45，但并非限定于此，只要与加热处理时易产生温度降低的半导体晶圆W的部分对向设置VCSEL45即可。

此外，第5实施方式中，也可仅在腔室110的上侧或下侧中的任一侧设置具备多个VCSEL45的加热部。此外，也可对第5实施方式的多个VCSEL45设置如第2实施方式的均质器。而且，第5实施方式中，也可如第3实施方式及第4实施方式那样，使用多个VCSEL45与多个LED灯进行半导体晶圆W的急速加热处理。

此外，所述实施方式中，闪光加热部5具备30根闪光灯FL，但并不限定于此，闪光灯FL的根数可设为任意数量。此外，闪光灯FL并不限定于氙闪光灯，也可为氪闪光灯。

[符号说明]

1、1a、1b、100 热处理装置

3 控制部

4 辅助加热部

5 闪光加热部

6、110 腔室

7 保持部

10 移载机构

20 放射温度计

45 VCSEL

47 LED灯

48 均质器

48a 衍射光学元件

49 电力供给部

65 热处理空间

74、170 基座

FL 闪光灯

W 半导体晶圆。

Claims (7)

1.一种热处理装置，其特征在于，是通过对衬底照射光而将所述衬底加热的热处理装置，且具备：

腔室，收容衬底；

保持部，在所述腔室内保持所述衬底；

辅助光源，设置在所述腔室的一侧，对保持在所述保持部的所述衬底照射光；及

闪光灯，设置在所述腔室的另一侧，对保持在所述保持部的所述衬底照射闪光；且

所述辅助光源具备多个垂直谐振器型面发光激光器。

2.根据权利要求1所述的热处理装置，其中

所述辅助光源包含照射不同波长的光的垂直谐振器型面发光激光器。

3.根据权利要求1所述的热处理装置，其中

在所述腔室与所述辅助光源之间，还具备将从所述多个垂直谐振器型面发光激光器中的每一个出射的光均一化的均质器。

4.根据权利要求3所述的热处理装置，其中

所述均质器是将与所述多个垂直谐振器型面发光激光器一对一对应的光学元件捆束的板状。

5.根据权利要求1所述的热处理装置，其中

所述辅助光源还包含多个LED灯，

所述多个垂直谐振器型面发光激光器以包围所述多个LED灯周围的方式环状配置。

6.根据权利要求5所述的热处理装置，其中

所述辅助光源包含照射不同波长的光的垂直谐振器型面发光激光器及照射不同波长的光的LED灯。

7.根据权利要求5所述的热处理装置，其中

所述辅助光源还具有追加的垂直谐振器型面发光激光器，在环状配置的所述多个垂直谐振器型面发光激光器周围，以照射方向朝向保持在所述保持部的所述衬底的方式倾斜设置。