JP2006229168A - 加熱方法および加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被処理部材の構成によらず、目的とする熱処理を効率よく行う加熱方法およびこの加熱方法を行う加熱装置を提供すること。
【解決手段】加熱装置１は、チャンバー６と、チャンバー６内の上部に設けられた光源２と、チャンバー６内の下部に設けられ、被処理部材３を載置するステージ（設置部）５と、光源２とステージ５との間に設けられた光熱変換手段４とを有している。そして、光熱変換手段４が、光源２から照射される光を吸収して発熱することにより、被処理部材３を加熱することができる。また、装置各部の条件設定を変化させることにより、被処理部材３に与える熱量を調整し、熱処理を精度よく制御することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、加熱方法および加熱装置に関するものである。

半導体基板およびディスプレイ基板等の製造工程では、各基板の表層に機能領域を形成するため、不純物イオンを注入することが行われている。そして、フラッシュランプから放出される短い発光時間の光（短パルス光）を基板に照射し、熱処理（アニール）を行うことにより、表層の浅い領域の不純物イオンを、効率よく活性化および拡散させている。
しかし、フラッシュランプから放出される光エネルギー（照度）には空間的な偏りがあるため、各基板の大型化に伴い、熱処理が不均一になるおそれがある。

そこで、フラッシュランプと各基板との間にフィルタを介在させ、光エネルギーの偏りを平均化させることで、熱処理を均一化させる方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
ところが、特許文献１の方法では、例えば導電パターンが形成された透明なガラス基板を熱処理する場合、透明な基板部分周辺と不透明なパターン部分周辺とでは、それぞれの光吸収率の違いによって各部分間の温度差が大きくなり、熱処理の程度にバラツキが生じ易いという問題がある。

また、近年、各基板上に形成される配線の微細化や素子特性の向上に伴い、より短い発光時間の光を照射したり、発光パターンを微妙に制御することにより、不純物イオンの活性化および拡散を精度よく制御することが必要とされている。
しかしながら、発光時間が短くなるとともに、基板各部の材質や形状等に起因する光吸収率の違いによって、熱処理のバラツキがより顕在化する問題が生じている。
また、フラッシュランプは、その構造上、発光時間を容易に変えることができないため、熱処理の細かい制御は困難である。

特開２００３−５９８５４号公報

本発明の目的は、被処理部材の構成によらず、目的とする熱処理を効率よく行う加熱方法およびこの加熱方法を行う加熱装置を提供することにある。

このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の加熱方法は、光熱変換手段に対して、光源と反対側に被処理部材を配置し、
前記光源から照射された光を、前記光熱変換手段により熱に変換し、この熱により前記被処理部材を加熱することを特徴とする。
これにより、被処理部材の構成によらず、目的とする熱処理を効率よく行うことができる。

本発明の加熱方法では、前記光熱変換手段は、前記光の少なくとも一部を吸収して発熱する光吸収体を有することが好ましい。
これにより、光吸収体から発生する輻射熱を被処理部材に与え、被処理部材を加熱することができる。
本発明の加熱方法では、前記光吸収体は、シリコンを含有する材料を主材料として構成されていることが好ましい。
これにより、材料の耐熱性が向上するため、強度の強い光に対しても光吸収体の劣化をより確実に防止または抑制することができる。

本発明の加熱方法では、前記光吸収体は、膜状または層状をなしていることが好ましい。
これにより、光吸収体の光源側の面から、被処理部材側の面への熱伝導が向上し、光熱変換に要する時間、すなわち、光吸収体が光を受けてから発熱するまでの所要時間を短縮することができる。

本発明の加熱方法では、前記光吸収体は、その平均厚さが１０ｎｍ〜１００μｍであることが好ましい。
これにより、光吸収体は、被処理部材を加熱するのに必要な光を十分に吸収することができ、光熱変換に要する時間もより短縮することができる。また、光吸収体の各部における発熱量のバラツキを低減する効果も得られる。

本発明の加熱方法では、前記光熱変換手段は、前記光吸収体を補強する補強体を有することが好ましい。
これにより、光吸収体を補強することができる。
本発明の加熱方法では、前記補強体は、前記光を透過し得るものであり、前記光吸収体の前記被処理部材と反対側に設けられていることが好ましい。
これにより、光源から照射された光は、補強体を透過し、より確実に光吸収体に照射される。

本発明の加熱方法では、前記補強体は、透光性セラミックス材料を主材料として構成されていることが好ましい。
透光性セラミックス材料は、透光性および耐熱性に優れるため、光源から放出される光をより確実に光吸収体に照射するとともに、光吸収体で生じる熱によって補強体が劣化するのをより確実に防止することができる。

本発明の加熱方法では、前記補強体は、板状をなしていることが好ましい。
これにより、光源から照射された光をより確実に透過させるとともに、光熱変換手段全体の機械的強度にバラツキが生じるのを防止することができる。
本発明の加熱方法では、前記光熱変換手段は、波長１μｍの光の吸収率が５０〜９９％であることが好ましい。
これにより、光熱変換の効率を高め、被処理部材に与える熱量をより増大させることができる。

本発明の加熱方法では、前記光源は、前記光熱変換手段の受光面における照度が１０００ルクス以上となる光を放出するものであることが好ましい。
これにより、光熱変換手段に対して、より高いエネルギーを与え、被処理部材を短時間で効率よく加熱することができる。
本発明の加熱方法では、前記光のエネルギー、発光パターン、前記光源と前記光熱変換手段との離間距離、前記光熱変換手段と前記被処理部材との離間距離および前記被処理部材が置かれた空間の雰囲気のうちの少なくとも１つの条件を設定することにより、前記被処理部材に与える熱量を調整することが好ましい。
これにより、被処理部材に与える熱量、すなわち、被処理部材の熱処理の程度等を調整することができる。

本発明の加熱方法では、前記被処理部材に与える前記熱量を周期的に変化させるように、前記条件を設定することが好ましい。
これにより、例えば、不純物イオンの活性化および拡散を、目的とする範囲内に精度よく制御することができる。
本発明の加熱方法では、前記被処理部材は、半導体基板またはガラス基板であることが好ましい。
これにより、半導体基板およびガラス基板の各部に対して、ムラなく熱処理を施すことができる。

本発明の加熱装置は、本発明の方法により、被処理部材を加熱するように構成されていることを特徴とする。
かかる加熱装置は、被処理部材の構成によらず、目的とする熱処理を効率よく行うことができる。
本発明の加熱装置は、光源と、
被処理部材を設置する設置部と、
前記光源と前記設置部との間に設けられ、前記光源から照射された光を熱に変換し、前記被処理部材を加熱する光熱変換手段とを有することを特徴とする。
かかる加熱装置は、被処理部材の構成によらず、目的とする熱処理を効率よく行うことができる。

本発明の加熱装置では、前記光源から照射する光のエネルギーおよび／または発光パターンを調整する電源部を有することが好ましい。
かかる加熱装置は、被処理部材が受ける熱量を調整して熱処理を精度よく制御することができる。
本発明の加熱装置では、前記光源および／または前記光熱変換手段を、前記設置部に対して相対的に移動する移動手段を有することが好ましい。
かかる加熱装置は、被処理部材が受ける熱量を調整して熱処理を精度よく制御することができる。
本発明の加熱装置では、前記被処理部材が置かれた空間の雰囲気の圧力および／または組成を調整する雰囲気調整手段を有することが好ましい。
かかる加熱装置は、被処理部材が受ける熱量を調整して熱処理を精度よく制御することができる。

以下、本発明の加熱方法および加熱装置について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は、本発明の加熱装置の実施形態を示す縦断面図である。なお、以下の説明では、図１中の上側を「上」、下側を「下」と言う。また、図１では、図が煩雑となるのを避けるため、一部の部材を省略している。

図１に示す加熱装置１は、チャンバー６と、チャンバー６内の上部に設けられた光源２と、チャンバー６内の下部に設けられ、被処理部材３を載置するステージ（設置部）５と、光源２とステージ５との間に設けられた光熱変換手段４とを有している。
この加熱装置１は、被処理部材３を加熱し、熱処理を施すものである。
この加熱装置１により熱処理に供される被処理部材３には、図２に示すような半導体素子１００を多数形成した半導体基板の他、フラットディスプレイパネルに用いられるガラス基板等が挙げられる。そして、各基板の表層に機能領域を形成するため、イオン注入を施したこれらの基板に、そのイオンの活性化および拡散等を目的とする熱処理を行う場合に、本発明の加熱方法が特に好適に用いられる。これにより、半導体基板およびガラス基板等の各部に対して、ムラなく熱処理を施すことができる。

チャンバー６は、ステンレス鋼のような金属材料、石英ガラスのようなガラス材料、アクリル樹脂のような樹脂材料等で構成された真空容器であり、必要に応じて内部の気密を保持することができる。
チャンバー６内には、その上部に光源２が設けられている。光源２は、光を放出し、その光を光熱変換手段４に照射する。

この光源２としては、例えば、フラッシュランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプのような放電灯、ハロゲンランプ、タングステンランプのような発熱灯、レーザ等のうちの少なくとも１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。これらの光源は、光強度（光束）が高く、光熱変換手段４に対して、高いエネルギーを与えるものであることから好ましい。

このような光源２が照射する光は、後述する光熱変換手段４の受光面における照度が１０００ルクス以上となるものが好ましく、２０００ルクス以上となるものがより好ましい。これにより、光熱変換手段４に対して、より高いエネルギーを与え、被処理部材３を短時間で効率よく加熱することができる。
また、光源２としては、上記のような光源の中でも特に、フラッシュランプおよびレーザのうちの少なくとも一方であるのが好ましい。

フラッシュランプは、短時間で非常に強度の高い光を、繰り返し広範囲に照射することができるため、被処理部材３の面積に関わらず、効率よく加熱することができる。また、発光の間隔を変えることにより、被処理部材３に対する加熱の制御も可能である。また、フラッシュランプは、寿命が長く、発光待機時の消費電力が低いため、ランニングコストを低く抑えることもできる。
フラッシュランプの種類は、特に限定されないが、例えば、キセノンフラッシュランプやクリプトンフラッシュランプ等を用いることができる。

一方、レーザは、照射する光の指向性が高いため、被処理部材３の所定の部位を選択的に熱処理することができる。また、極短時間に非常に強度の高い光を照射することができるため、効率よく被処理部材３を加熱することができる。
レーザの種類は、後述する光熱変換手段４の波長に対する光吸収率に応じて適宜選択され、特に限定されないが、ヘリウムネオンレーザ、アルゴンイオンレーザ、炭酸ガスレーザ、エキシマーレーザ、窒素レーザのようなガスレーザ、ルビーレーザ、ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）レーザ、ガラスレーザ、ネオジウムレーザのような固体レーザ、ヘリウムカドミウムレーザ、銅蒸気レーザ、金蒸気レーザのような金属レーザ、半導体レーザ等を用いることができる。これらのレーザは、比較的出力が高く、短時間で効率よく被処理部材３を加熱することができる。

また、光源２には、電源部１３が接続されている。この電源部１３は、その発光（作動）に要する電力を供給するとともに、光源２が所望の光のエネルギーおよび／または発光パターンの光を放出し得るように調整する。
このような電源部１３は、その内部に、必要に応じて、コンデンサ、トリガ回路（いずれも図示せず）等、光源２の発光を制御するために必要な回路を有している。

例えば、光源２としてキセノンフラッシュランプを用いた場合、電源部１３には短時間に高電流を発生させる機構が必要となる。この場合、充放電時間が短く、放電時の電流密度が高い充電手段であるコンデンサとともに、放電を誘発するトリガ回路を備えているのが好ましい。
また、光源２は、後述する駆動装置（移動手段）５０により、チャンバー６内において、上下方向への移動可能となっている。

チャンバー６内には、その下部（底部）に、光源２と対向してステージ５が設けられている。このステージ５上には、被処理部材３が載置される。
ステージ５は、熱伝導率の高い材料を主材料とするのが好ましい。ステージ５の熱伝導率が高いと、被処理部材３内に残留する加熱後の余熱を速やかに放散させることができるので、被処理部材３に対して、温度変化が急峻な加熱を行うことができる。これにより、例えば、被処理部材３の上面（光熱変換手段４側の面）付近を選択的に加熱することが可能となる。

なお、ステージ５には、被処理部材３を固定する機構が設けられていてもよい。この機構としては、例えば、電磁的な吸着または減圧による密着等の各種機構を用いることができる。
チャンバー６内の光源２とステージ５との間には、光熱変換手段４が設けられている。
光熱変換手段４は、光源２から照射された光を熱に変換し、この熱を被処理部材３に与えるものであり、この熱により被処理部材３が加熱される。
このような光熱変換手段４としては、例えば、光を吸収して輻射熱として放出するもの、光を太陽電池発電等の光電変換手段で電力に変換し、この電力をヒータ等の電熱変換手段で熱に変換するもの等が挙げられる。

本実施形態の光熱変換手段４には、前者が採用されている。
図１に示す光熱変換手段４は、光吸収膜（光吸収体）４１と、これを補強する補強板（補強体）４２とを有している。
光吸収膜４１は、光源２から照射される光の少なくとも一部を吸収して発熱することにより、その輻射熱を被処理部材３に与えるものである。

光源２から放出された光は、その一部がチャンバー６内の雰囲気や補強板４２の上面において吸収および反射されるが、その多くは補強板４２を透過し、光吸収膜４１の上面に照射される。そして、光吸収膜４１の上面がこの光を吸収する。吸収された光により、光吸収膜４１の上面付近では熱が発生し、この熱は光吸収膜４１の下面側に伝導される。そして、光吸収膜４１の下面に伝導した熱は、輻射熱として被処理部材３に向かって放出される。

この輻射熱は、その一部がチャンバー６内の雰囲気に吸収されるが、その多くは被処理部材３に到達し、被処理部材３の上面付近を加熱する。その後、被処理部材３の上面付近に与えられた熱は、経時的に、被処理部材３内を下方に向かって伝導する。これにより、被処理部材３に対して熱処理が行われる。
また、光吸収膜４１が膜状（または層状）をなすことにより、光吸収膜４１の光源２側の面（上面）から、被処理部材３側の面（下面）への熱伝導が向上し、光熱変換に要する時間、すなわち、光吸収膜４１が光を受けてから発熱するまでの所要時間を短縮することができる。

かかる観点から、光吸収膜４１の平均厚さは、特に限定されないが、１０ｎｍ〜１００μｍ程度であるのが好ましく、１００ｎｍ〜８０μｍ程度であるのがより好ましい。これにより、光吸収膜４１は、被処理部材３を加熱するのに必要な光を十分に吸収することができるとともに、前記効果をより顕著なものとすることができる。また、光吸収膜４１の各部における発熱量のバラツキを低減する効果も得られる。

光吸収膜４１の構成材料としては、例えば、シリコン、窒化ケイ素、炭化ケイ素、サイアロン、タングステンシリサイドのようなシリコン系化合物、ダイヤモンドライクカーボン、グラファイト、カーボンナノチューブのような炭素系化合物、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム等のようなセラミックス材料、タングステン、タンタルのような金属材料等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。これらの材料は、光源２として用いられる一般的な光源から照射される可視光から遠赤外線の波長領域の光に対する吸収率が特に高く、光源２から照射された光をより効率よく吸収して発熱することができる。
このうち、光吸収膜４１は、シリコン系化合物（シリコンを含有する材料）を主材料として構成されているのが好ましい。これにより、材料の耐熱性が向上するため、強度の高い光に対しても光吸収膜４１の劣化をより確実に防止または抑制することができる。

また、シリコン系化合物は、熱伝導率が優れているため、光吸収膜４１の光源２側の面に与えられた熱は、光吸収膜４１内をより少ない所要時間で反対側の面（被処理部材３側の面）に伝達され、輻射熱として被処理部材３に放出することができる。これにより、例えば、光源２としてフラッシュランプを用い、短い発光パターンの光を用いて熱処理を行う場合にも、発光パターンに対してより確実に同期させることが可能となり、被処理部材３に与える熱量を精度よく制御することができる。

さらに、シリコン系化合物は、加熱時の脱ガス性が低いため、放出ガスによる被処理部材３の汚染を避けることもできる。
このような光吸収膜４１は、例えば、プラズマＣＶＤ、熱ＣＶＤ、レーザＣＶＤのような化学蒸着法（ＣＶＤ）、真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティング等の乾式メッキ法、溶射法、ゾル・ゲル法、ＭＯＤ法等により形成することができる。

補強板４２は、光源２から照射された光を透過し得るものであり、光吸収膜４１の上面（被処理部材３と反対側の面）に接触して設けられる。
また、補強板４２は、板状をなしていることにより、光源２から照射された光をより確実に透過させるとともに、光熱変換手段４全体の機械的強度にバラツキが生じるのを防止することができる。
補強板４２の構成材料としては、主として透光性セラミックス材料を用いるのが好ましい。透光性セラミックス材料は、透光性および耐熱性に優れるため、光源２から放出される光をより確実に光吸収膜４１に照射するとともに、光吸収膜４１で生じる熱によって補強板４２が劣化するのをより確実に防止することができる。

透光性セラミックス材料としては、特に限定されないが、例えば、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）、ＴＡＧ（Terbium Aluminum Garnet）、酸化錫、酸化インジウム、ＰＴ、ＰＬＴ、ＰＺＴ、ＰＬＺＴのようなＰＬＺＴ（Ｐｂ−Ｌａ−Ｚｒ−Ｔｉ）系材料、石英ガラス、ソーダガラス、鉛ガラス、硼珪酸ガラス等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。これらの材料は、透光性および耐熱性に特に優れることから好ましい。

また、透光性セラミックス材料は、加熱時の脱ガス性が低いため、放出ガスによる光源２の汚染を避けることができる。
これらの中でも透光性セラミックス材料としては、酸化ケイ素を主成分とするものを用いるのが好ましい。酸化ケイ素は、広範囲の波長の光に対して透過率が高いため、補強板４２を酸化ケイ素を主材料として構成することにより、前記のような効果をより顕著なものとすることができる。
このような光熱変換手段４（本実施形態では主に光吸収膜４１）は、波長１μｍの光の吸収率が、５０〜９９％程度であるのが好ましく、７０〜９９％程度であるのがより好ましい。これにより、光熱変換の効率を高め、被処理部材３に与える熱量をより増大させることができる。

また、光熱変換手段４は、後述する駆動装置（移動手段）６０により、上下方向に移動可能となっている。
光熱変換手段４の外周部には、Ｏリング等の封止部材６４が設けられており、封止部材６４が光熱変換手段４とチャンバー６の内周面に密着している。これにより、チャンバー６内の空間は、被処理部材３側の空間７と光源２側の空間８とに仕切られている。

また、光熱変換手段４を操作する際には、封止部材６４がチャンバー６の内周面に摺接することにより、空間７と空間８との気密性がそれぞれ保持される。
チャンバー６の空間７に対応する部分には、ガス貯留部１０が配管２０により接続されている。ガス貯留部１０には、空間７内に導入するためのガスが貯留されており、このガスを配管２０を通じて、空間７内に充填したり、空間７内の圧力を所定の圧力に上昇させることができる。

また、配管２０には、その流路を開閉し得るバルブ３０が設けられ、このバルブ３０の開度を調節することにより、配管２０を通過するガスの流量を調整することができる。
なお、チャンバー６の外周面には、空間７内の圧力を測定する圧力ゲージ３４が設けられ、空間７内の圧力を確認することができる。
一方、チャンバー６の空間８に対応する部分には、ガス貯留部１２が配管２２により接続されている。ガス貯留部１２には、空間８内に導入するためのガスが貯留されており、このガスを配管２２を通じて、空間８内に充填したり、空間８内の圧力を所定の圧力に上昇させることができる。

また、配管２２には、流路を開閉し得るバルブ３２が設けられ、配管２２を通過するガスの流速を調整することができる。
なお、チャンバー６の外周面には、空間８内の圧力を測定する圧力ゲージ３５が設けられ、空間８内の圧力を確認することができる。
また、各ガス貯留部１０、１２は、それぞれ、例えば、ガスボンベ、ガス発生装置等で構成することができる。

なお、ガス貯留部１２は、ガス貯留部１０や、大気を導入するバルブで代用してもよい。
また、被処理部材３の加熱に際して、空間７と空間８の雰囲気の条件は異なっていてもよく、同一であってもよい。
また、チャンバー６の空間７および空間８に対応する部分には、それぞれ、真空ポンプ１１が配管２１、２３により接続されている。真空ポンプ１１は、空間７、８内のガスを排出し、これにより、空間７、８内を所定の圧力に減圧することができる。

また、配管２１、２３には、それぞれ、流路を開閉し得るバルブ３１、３３が設けられ、このバルブ３１、３３の開度を調節することにより、配管２１、２３を通過するガスの流量、すなわち、空間７、８を減圧する速度を調整することができる。
真空ポンプ１１は、例えば、ロータリーポンプ、ドライポンプ、ターボ分子ポンプ等で構成することができる。

本実施形態では、主に、ガス貯留部１０、ポンプ１１、バルブ３０、３１により、空間７（被処理部材３が置かれた空間）の雰囲気の圧力および／または組成を調整する雰囲気調整手段が構成されている。
この雰囲気調整手段により、空間７の雰囲気の圧力および／または組成を変化させることにより、光熱変換手段４が発する輻射熱の吸収率を調整することができる。これにより、被処理部材３に与える熱量、すなわち、熱処理の程度を調整することができる。

一方、主に、ガス貯留部１２、ポンプ１１、バルブ３１、３２により、空間８の雰囲気の圧力および／または組成を調整する雰囲気調整手段（第２の雰囲気調整手段）が構成されている。
この第２の雰囲気調整手段により、空間８の雰囲気の圧力および／または組成を変化させることにより、雰囲気の光吸収率を調整することができる。これにより、被処理部材３に与える熱量、すなわち、熱処理の程度を調整することが可能となる。
具体的には、雰囲気の圧力を上げることにより、雰囲気中の分子数が増加するため、雰囲気における光の吸収率が向上し、被処理部材３に与える熱量を減少させることができる。

また、雰囲気中の分子を構成する原子数が少ない気体を供給することにより、分子の自由度が小さくなるため、雰囲気による光吸収率を低減させるとともに、被処理部材３に与える熱量を増大させることができる。
このような雰囲気の組成としては、例えば、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅのような希ガス等が挙げられる。希ガスは、単原子分子気体であり、分子の自由度は３と少ない。一方、窒素、酸素のような２原子分子、二酸化炭素やメタンのような化合物は、分子の自由度が５以上であり、単原子分子気体に比べて、その光吸収率は大きな値となる。
前述したように、光源２は、駆動装置５０により、光熱変換手段４は、駆動装置６０により、それぞれ移動可能となっている。

まず、駆動装置５０について説明する。
チャンバー６の上面には上方に突出して細管５２が形成されている。この細管５２内には、吊り下げ棒５４が挿入され、その下端には、光源２が接続され、その上端部には、磁性体５５が固定されている。
また、細管５２の外周部には、細管５２に沿って移動可能にリング状の磁石５３が設けられている。

そして、この磁石５３の磁力で磁性体５５が固定されることにより、この磁性体５５に吊り下げ棒５４を介して接続された光源２が落下することなく支持されている。また、磁石５３を細管５２に沿って上下に移動させると、これに追従して、磁性体５５、吊り下げ棒５４および光源２が移動する。これにより、光源２をステージ５に対して相対的に移動させることができる。

本実施形態では、これらの細管５２、磁石５３、吊り下げ棒５４および磁性体５５により、駆動装置５０が構成されている。
また、このような構成の駆動装置５０は、これを構成する各部にチャンバー６を貫通するものが存在しないので、チャンバー６内の気密性を確実に維持することができるという利点を有している。

次に、駆動装置６０について説明する。
光熱変換手段４の外周部には、磁性体６５が設けられている。
また、チャンバー６の外周部には、チャンバー６に沿って移動可能にリング状の磁石６３が設けられている。
そして、磁石６３の磁力で磁性体６５が固定されることにより、光熱変換手段４は落下することなく支持されている。また、磁石６３をチャンバー６に沿って上下に移動させると、これに追従して、磁性体６５および光熱変換手段４が移動する。これにより、光熱変換手段４をステージ５に対して相対的に移動させることができる。
本実施形態では、これらの磁石６３および磁性体６５により、駆動装置６０が構成されている。

また、このような構成の駆動装置６０は、前記駆動装置５０と同様に、これを構成する各部にチャンバー６を貫通するものが存在しないので、チャンバー６内の気密性を確実に維持することができるという利点を有している。
これらの駆動装置５０、６０の駆動により、光源２と光熱変換手段４との離間距離および／または光熱変換手段４と被処理部材３との離間距離のうちの少なくとも一方を変化させることができる。また、離間距離を変化させる際の速度も所望の値に設定することができる。

具体的には、光源２と光熱変換手段４との離間距離を変えることにより、光源２から光熱変換手段４の表面上に照射される光の照度を変えることが可能となる。例えば、前記離間距離を小さくすることにより、前記照度を大きくすることができる。これにより、光吸収膜４１が放出する熱量が増加し、被処理部材３をより急速かつ高温で加熱することができる。

また、光熱変換手段４と被処理部材３との離間距離を変えることにより、被処理部材３に与えられる熱量を変えることが可能となる。例えば、前記離間距離を小さくすることにより、前記熱量を大きくすることができる。これにより、被処理部材３をより急速かつ高温で加熱することができる。
また、これらの駆動装置５０、６０、前述した電源部１３およびバルブ３０〜３３は、それぞれ制御部１４と電気的に接続され、この制御部１４は、各部１３、５０、６０、３０〜３３の作動を制御する。

以下、加熱装置１の作用（使用方法）の一例、すなわち、被処理部材３の加熱方法の一例について説明するが、被処理部材３として図２に示す半導体素子１００を代表に説明する。
ここで、図２には、前述したように、本発明の加熱方法を適用する前の被処理部材の一例である半導体素子を示す。また、図３には、図２に示す半導体素子１００に本発明の加熱方法を適用し、熱処理を施した後の半導体素子１００ａを示す。すなわち、半導体素子１００にイオンを注入し、本発明の加熱方法を用いて熱処理を行うことにより、熱処理後の半導体素子１００ａを得ることができる。なお、以下の説明では、図２および図３中の、上側を「上」、下側を「下」と言う。

図２に示す半導体素子１００は、素子分離構造１２４と、チャネル領域１２１とソース領域１２２とドレイン領域１２３とを備える半導体基板（基材）１０２と、半導体基板１０２に接触して設けられたゲート絶縁膜１０３と、ゲート絶縁膜１０３を介してチャネル領域１２１に対向して設けられたゲート電極１０５とを有するものである。また、ソース領域１２２とゲート電極１０５との間、および、ドレイン領域１２３とゲート電極１０５との間の半導体基板１０２中の極浅い領域には、不純物イオンＢ^＋が注入されている。

また、図３に示す半導体素子１００ａは、半導体素子１００の各構造に加え、半導体基板１０２中にソース延長領域１２２ａとドレイン延長領域１２３ａとを有するものである。
このソース延長領域１２２ａとドレイン延長領域１２３ａは、図２に示す半導体素子１００に熱処理を施し、予め注入した不純物イオンＢ^＋を活性化させるとともに拡散させたものである。この各延長領域１２２ａ、１２３ａを、例えば、半導体基板１０２の上面から深さ５０ｎｍ程度以下の領域に制御することで、半導体素子１００ａの性能をより向上させることができる。

以下、半導体素子１００を加熱する加熱装置１の使用方法（作用）の一例について説明する。
［１］ まず、チャンバー６を開放し、ステージ５上に半導体素子１００（被処理部材３）を載置する。載置後、チャンバー６を閉塞するとともに、バルブ３０〜３３を閉じる。

［２］ 次に、真空ポンプ１１を作動させるとともに、バルブ３１、３３を開く。これにより、空間７、８を減圧する。
空間７、８が所定の圧力に減圧したことを圧力ゲージ３４、３５で確認した後、バルブ３１、３３を閉じる。
次いで、バルブ３０を開き、空間７内にガス貯留部１０に貯留されたガスを充填する。

また、同様にして、バルブ３２を開き、空間８内にガス貯留部１２に貯留されたガスを充填する。
そして、空間７、８内の圧力が、それぞれ所定の圧力に達したことを確認した後、バルブ３０、３２を閉じる。これにより、空間７、８の雰囲気の圧力や組成を所定の条件に設定する。

なお、このとき、空間７と空間８の各圧力は、ほぼ等しくなるように設定するのが好ましい。これにより、空間７と空間８との圧力差がほぼ０となるので、光熱変換手段４に対して圧力差に起因した負荷を抑制することができ、光熱変換手段４の移動をより容易かつ確実に行うことができる。
また、本手順は、必要に応じて行えばよく、省略することもできる。すなわち、空間７、８内の当初の雰囲気の条件で、半導体素子１００に熱処理を施してもよい。

［３］ 次に、駆動装置５０により光源２を、また、駆動装置６０により光熱変換手段４をそれぞれ駆動し、所定の位置に移動させる。これにより、光源２と光熱変換手段４との離間距離および光熱変換手段４と半導体素子１００との離間距離をそれぞれ所定の距離に設定する。
また、本手順は、必要に応じて行えばよく、省略することもできる。すなわち、前記離間距離は変更せずに次手順に移行してもよい。

［４］ 次に、電源部１３から光源２に電力を供給して、光源２から光熱変換手段４の上面に向かって光を放出させる。
ここで、光の放出に先立って、光源２の種類および電源部１３から光源２に電圧を印加する条件を設定する。これにより、前記光のエネルギーおよび／または発光パターンは、目的とする加熱に応じた所定の条件に設定される。

ここで、半導体素子１００を加熱する際に、前記工程［２］の雰囲気、前記工程［３］の離間距離および前記工程［４］の光のうちの１つまたは任意の２つ以上の条件を設定および変化させることにより、半導体素子１００に与える熱量、すなわち、半導体素子１００の熱処理の程度等を調整することができる。
ここで、例えば、半導体素子１００を加熱して熱処理を施し、不純物イオンＢ^＋を活性化させるとともに拡散させて半導体素子１００ａを得る場合、半導体素子１００に与える熱量のパターンとしては、図４（ａ）および図５（ａ）に示すパターン等が挙げられる。このように、短い時間の加熱を１回または２回以上周期的に行う熱処理を施すことにより、不純物イオンＢ^＋の活性化および拡散を、目的とする範囲内に精度よく制御することができる。
図４（ａ）および図５（ａ）は、それぞれ、半導体素子１００が受ける熱量の時間推移を示す。なお、縦軸は半導体素子１００が受ける熱量、横軸は時間を示す。また、グラフの単位はいずれも任意とする。

まず、図４（ａ）に示すパターンで半導体素子１００に熱量を与える場合において、ここでは、光源２と光熱変換手段４との離間距離を設定する一例として、図４（ｂ）に示すように、光熱変換手段４を固定し、光源２を移動させて、光源２と光熱変換手段４との離間距離を変化させる場合を代表に説明する。
また、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示すパターンで半導体素子１００に熱量を与える場合における光源２の位置の時間推移を示すグラフである。なお、縦軸は光熱変換手段４の位置を基準とする光源２の位置、横軸は時間を示す。

光源２の条件および空間７、８の雰囲気の条件がそれぞれ一定に維持されるとすると、光源２を図４（ｂ）に示すように、一定時間Ｔごとに位置Ａと位置Ｂを往復するように移動させることにより、半導体素子１００が受ける熱量を、図４（ａ）に示すパターンで変化させることができる。
すなわち、半導体素子１００が受ける熱量を増大させるには、光源２を位置Ａから位置Ｂへと光熱変換手段４に近づけることにより、光熱変換手段４に照射される光のエネルギーを増大させればよい。

一方、半導体素子１００が受ける熱量を減少させるには、光源２を位置Ｂから位置Ａへと光熱変換手段４から遠ざけることにより、光熱変換手段４に照射される光のエネルギーを減少させればよい。
また、半導体素子１００が受ける熱量の最大値、最小値および熱量の変化の周期を調整するには、図４（ｂ）の位置Ａ、Ｂおよび／または時間Ｔを変更すればよい。

以上、光源２を移動させて、光源２と光熱変換手段４との離間距離を変化させる場合について説明したが、光熱変換手段４や光熱変換手段４と光源２の双方を移動するようにしてもよい。
また、光源２を発光させた直後に、光熱変換手段４を半導体素子１００から遠ざけることにより、余熱が半導体素子１００に影響を及ぼすのを防止し、半導体素子１００の冷却速度をより向上させることができる。これにより、より急峻な温度変化となり、例えば、イオンが拡散する深さを精度よく制御することができる。

次に、図５（ａ）に示すパターンで半導体素子１００に熱量を与える場合において、光源２から照射する光のエネルギーおよび発光パターンを変化させる場合を代表に説明する。
また、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示すパターンで半導体素子１００に熱量を与える場合における光源２から照射する光のエネルギーの時間推移を示すグラフである。なお、縦軸は光のエネルギー、横軸は時間を示す。

空間７、８の雰囲気の条件および光源２と光熱変換手段４の位置がそれぞれ一定に維持されるとすると、光源２から光熱変換手段４に照射される光のエネルギーおよび発光パターンを、図５（ｂ）に示すように設定することにより、半導体素子１００が受ける熱量を、図５（ａ）に示すパターンで変化させることができる。
すなわち、半導体素子１００が受ける熱量は、光源２から光熱変換手段４に照射される光のエネルギーに応じて変化する。また、半導体素子１００が受ける熱量の最大値、最小値および変化の周期を調整するには、図５（ｂ）の光のエネルギーＥ、発光時間Ｔ’および／または発光間隔Ｄを変更すればよい。

以上のような各方法で、半導体素子１００に与える熱量を調整して熱処理を精度よく制御することにより、予め注入していた不純物イオンＢ^＋を活性化および拡散させ、ソース延長領域１２２ａとドレイン延長領域１２３ａの平均厚さを目的の値に精度よく制御することができる。
また、従来、フラッシュランプを用いた熱処理では、フラッシュランプの構造上、発光時間を変えることはできないため、被処理部材が加熱される時間の最大値および最小値は、フラッシュランプの種類により必然的に決まっていた。

しかしながら、本発明の加熱方法を用いることにより、半導体素子１００が加熱される時間を、前記最小値より短縮したり、前記最大値より延長することができる。これにより、半導体素子１００に与える熱量をより精度よく調整することができる。
以上のようにして、被処理部材の構成によらず、目的とする熱処理を効率よく行う加熱方法およびこの加熱方法を行う加熱装置を得ることができる。

以上、本発明の加熱方法および加熱装置を、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、各構成は、同様の機能を発揮し得る任意のものと置換することができ、あるいは、任意の構成のものを付加することもできる。
例えば、本実施形態の本発明の加熱装置では、光源２、光熱変換手段４およびステージ５をチャンバー６内に設ける構成について説明したが、空間７、８の雰囲気の条件を設定する必要がなければ、チャンバー６を用いる必要はない。すなわち、大気雰囲気下で本発明の加熱方法を行ってもよい。

次に、本発明の具体的実施例について説明する。
１．半導体素子の作製
（実施例１）
まず、素子分離構造、チャネル領域、ソース領域、ドレイン領域、ゲート絶縁膜およびゲート電極で構成された半導体素子を８インチのシリコン基板上に多数形成した。次いで、イオン注入装置を用いて、ゲート絶縁膜とソース領域との間およびゲート絶縁膜とドレイン領域との間に、それぞれＢ^＋イオンを注入した。
次に、図１に示す構成の加熱装置を用意し、ステージ５上にＢ^＋イオンを注入したシリコン基板を設置した。
そして、光源２から光を照射し、シリコン基板の加熱を行った。
以下に、装置の仕様および加熱の条件を示す。

・チャンバー
構成材料 ：ステンレス鋼
内部容積 ：０．１ｍ^３
・光源
種類 ：キセノンフラッシュランプ
基板上照度：３００００ルクス
発光時間 ：１００ミリ秒／回
発光回数 ：２回
移動 ：なし（固定）
・ステージ
構成材料 ：窒化アルミニウム
・基板設置雰囲気
圧力 ：０．０１Ｐａ
組成 ：真空（減圧雰囲気）
・光源設置雰囲気
圧力 ：０．０１Ｐａ
組成 ：真空（減圧雰囲気）
・光熱変換手段
光吸収率 ：９９％（波長１μｍにおいて）
移動 ：なし（固定）
・光吸収膜
構成材料 ：シリコン
平均厚さ ：５０μｍ
・補強板
構成材料 ：酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）

（実施例２）
光源２の種類を変更し、光源２と光熱変換手段４との離間距離を変化させつつ、光源２から光を照射するように変更した以外は、前記実施例１と同様にしてシリコン基板の加熱を行った。
以下に、装置の仕様および加熱の条件を示す。

・光源
種類 ：ハロゲンランプ
基板上照度：３００００ルクス
発光時間 ：１秒／回
発光回数 ：１回
移動 ：あり
（比較例）
光熱変換手段４の使用を省略した以外は、前記実施例１と同様にして、Ｂ^＋イオンを注入したシリコン基板を加熱した。

２．Ｂ原子濃度の測定
各実施例および比較例で加熱した各シリコン基板の中央部と周辺部について、加熱によるＢ^＋イオンの拡散の状態を評価するため、Ｂ^＋イオンを注入した領域について、基板表面からのＢ原子濃度の深さ方向の分布を測定した。
なお、Ｂ原子濃度の測定は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）を用いて行った。結果を図６に示す。

図６（ａ）は、シリコン基板の中央部の半導体素子中におけるＢ原子濃度の分布、図６（ｂ）は、シリコン基板の周辺部の半導体素子中におけるＢ原子濃度の分布を示す。
実施例１のシリコン基板では、Ｂ原子の拡散を基板表面から４５ｎｍ程度の深さ以下に制御することができた。また、中央部と周辺部とのバラツキはほとんど見られなかった。
実施例２のシリコン基板では、Ｂ原子の拡散を基板表面から３０ｎｍ程度の深さ以下に制御することができた。また、中央部と周辺部とのバラツキはほとんど見られなかった。

一方、比較例のシリコン基板では、Ｂ原子は基板表面から５５〜８０ｎｍ程度にまで深く拡散しており、また、中央部と周辺部においてＢ原子の拡散にバラツキがあった。
この結果、実施例では、シリコン基板に与える熱量を調整して、熱処理を精度よく制御できることが明らかとなった。また、その結果、Ｂ原子濃度の分布の変化は比較的急峻で良好な分布を示した。

本発明の加熱装置の実施形態を示す縦断面図である。 本発明の加熱方法を適用する前の被処理部材の一例である半導体素子である。 図２に示す半導体素子に本発明の加熱方法を適用し、熱処理を施した後の半導体素子である。 半導体素子に熱量を与える場合における光源と光熱変換手段との離間距離設定の一例である。 半導体素子に熱量を与える場合における光源の条件設定の一例である。 シリコン基板の半導体素子中におけるＢ原子濃度の分布である。

符号の説明

１……加熱装置 ２……光源 ３……被処理部材 ４……光熱変換手段 ４１……光吸収膜 ４２……補強板 ５……ステージ ６……チャンバー ７、８……空間 １０、１２……ガス貯留部 １１……真空ポンプ １３……電源部 １４……制御部 ２０、２１、２２、２３……配管 ３０、３１、３２、３３……バルブ ３４、３５……圧力ゲージ ５０……駆動装置 ５２……細管 ５３……リング状の磁石 ５４……吊り下げ棒 ５５……磁性体 ６０……駆動装置 ６３……リング状の磁石 ６４……封止部材 ６５……磁性体 １００、１００ａ……半導体素子 １０２……半導体基板 １０３……ゲート絶縁膜 １０５……ゲート電極 １２１……チャネル領域 １２２……ソース領域 １２２ａ……ソース延長領域 １２３……ドレイン領域 １２３ａ……ドレイン延長領域 １２４……素子分離構造

Claims (19)

1. 光熱変換手段に対して、光源と反対側に被処理部材を配置し、
   前記光源から照射された光を、前記光熱変換手段により熱に変換し、この熱により前記被処理部材を加熱することを特徴とする加熱方法。
2. 前記光熱変換手段は、前記光の少なくとも一部を吸収して発熱する光吸収体を有する請求項１に記載の加熱方法。
3. 前記光吸収体は、シリコンを含有する材料を主材料として構成されている請求項２に記載の加熱方法。
4. 前記光吸収体は、膜状または層状をなしている請求項２または３に記載の加熱方法。
5. 前記光吸収体は、その平均厚さが１０ｎｍ〜１００μｍである請求項４に記載の加熱方法。
6. 前記光熱変換手段は、前記光吸収体を補強する補強体を有する請求項４または５に記載の加熱方法。
7. 前記補強体は、前記光を透過し得るものであり、前記光吸収体の前記被処理部材と反対側に設けられている請求項６に記載の加熱方法。
8. 前記補強体は、透光性セラミックス材料を主材料として構成されている請求項６または７に記載の加熱方法。
9. 前記補強体は、板状をなしている請求項６ないし８のいずれかに記載の加熱方法。
10. 前記光熱変換手段は、波長１μｍの光の吸収率が５０〜９９％である請求項１ないし９のいずれかに記載の加熱方法。
11. 前記光源は、前記光熱変換手段の受光面における照度が１０００ルクス以上となる光を放出するものである請求項１ないし１０のいずれかに記載の加熱方法。
12. 前記光のエネルギー、発光パターン、前記光源と前記光熱変換手段との離間距離、前記光熱変換手段と前記被処理部材との離間距離および前記被処理部材が置かれた空間の雰囲気のうちの少なくとも１つの条件を設定することにより、前記被処理部材に与える熱量を調整する請求項１ないし１１のいずれかに記載の加熱方法。
13. 前記被処理部材に与える前記熱量を周期的に変化させるように、前記条件を設定する請求項１２に記載の加熱方法。
14. 前記被処理部材は、半導体基板またはガラス基板である請求項１ないし１３のいずれかに記載の加熱方法。
15. 請求項１ないし１４のいずれかに記載の方法により、被処理部材を加熱するように構成されていることを特徴とする加熱装置。
16. 光源と、
    被処理部材を設置する設置部と、
    前記光源と前記設置部との間に設けられ、前記光源から照射された光を熱に変換し、前記被処理部材を加熱する光熱変換手段とを有することを特徴とする加熱装置。
17. 前記光源から照射する光のエネルギーおよび／または発光パターンを調整する電源部を有する請求項１６に記載の加熱装置。
18. 前記光源および／または前記光熱変換手段を、前記設置部に対して相対的に移動する移動手段を有する請求項１６または１７に記載の加熱装置。
19. 前記被処理部材が置かれた空間の雰囲気の圧力および／または組成を調整する雰囲気調整手段を有する請求項１６ないし１８のいずれかに記載の加熱装置。
    

Images