TWI887660B

TWI887660B - 熱處理裝置

Info

Publication number: TWI887660B
Application number: TW112119249A
Authority: TW
Inventors: 山田隆泰; 繁桝翔伍
Original assignee: 日商斯庫林集團股份有限公司
Priority date: 2022-07-01
Filing date: 2023-05-24
Publication date: 2025-06-21
Also published as: JP2024006279A; KR20240003725A; KR102887649B1; US20240006197A1; TW202403885A; CN117334601A

Abstract

本發明提供一種可效率良好地將基板加熱之熱處理裝置。於收容半導體晶圓W之腔室6之上側，設置具備複數個閃光燈FL之閃光加熱部5，且於下側設置具備複數個VCSEL(垂直諧振器型面發光雷射)45之輔助加熱部4。藉由來自VCSEL45之光照射將半導體晶圓W預加熱後，自閃光燈FL對半導體晶圓W之表面照射閃光，將該表面瞬間升溫。VCSEL45與LED相比，可出射相對高強度之光。因此，若可自複數個VCSEL45進行光照射，則照射至半導體晶圓W之光之強度亦可提高，可效率良好地將半導體晶圓W加熱。

Description

熱處理裝置

本發明係關於一種藉由對基板照射光而將該基板加熱之熱處理裝置。成為處理對象之基板包含例如半導體晶圓、液晶顯示裝置用基板、平板顯示器(flat panel display(FPD))用基板、光碟用基板、磁碟用基板或太陽能電池用基板等。

半導體器件之製造製程中，以極短時間將半導體晶圓加熱之閃光燈退火(FLA：Flash Lamp Annealing)備受矚目。閃光燈退火為使用氙閃光燈(以下，簡稱為「閃光燈」時，意指氙閃光燈)，對半導體晶圓之表面照射閃光，藉此，僅使半導體晶圓之表面於極短時間(數毫秒以下)升溫之熱處理技術。

氙閃光燈之放射分光分佈自紫外區至近紅外區，波長較先前之鹵素燈短，與矽半導體晶圓之基礎吸收帶大體一致。因此，自氙閃光燈對半導體晶圓照射閃光時，透過光較少，可使半導體晶圓急速升溫。又，亦判明，若為數毫秒以下之極短時間之閃光照射，則可僅將半導體晶圓之表面附近選擇性升溫。

此種閃光燈退火使用於需要極短時間之加熱之處理，例如典型而言，注入至半導體晶圓之雜質之活性化。若自閃光燈對藉由離子注入法注入有雜質之半導體晶圓之表面照射閃光，則可將該半導體晶圓之表面以極短時間升溫至活性化溫度，可不使雜質深度擴散而僅執行雜質活性化。

作為執行此種閃光燈退火之裝置，典型而言，使用於收容半導體晶圓之腔室上方設置有閃光燈，且於下方設置有鹵素燈之熱處理裝置(例如專利文獻1)。專利文獻1所揭示之裝置中，藉由來自鹵素燈之光照射將半導體晶圓預加熱後，自閃光燈對該半導體晶圓之表面照射閃光。藉由鹵素燈進行預加熱之原因在於，若僅閃光照射，則半導體晶圓之表面不易達到目標溫度。 [先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利特開2011-159713號公報

[發明所欲解決之問題]

然而，藉由鹵素燈進行預加熱之情形時，由於自鹵素燈點亮至達到目標輸出為止需要一定時間，另一方面，鹵素燈熄滅後暫時熱放射持續，故有注入至半導體晶圓之雜質之擴散長度變得相對較長之問題。

又，鹵素燈主要放射波長相對較長之紅外光。矽半導體晶圓之分光吸收率中，500°C以下之低溫域中1 μm以上之長波長之紅外光之吸收率較低。即，由於500°C以下之半導體晶圓不太吸收自鹵素燈照射之紅外光，故於預加熱之初始階段進行低效加熱。

作為解決該等問題之方法，考慮使用複數個LED燈進行半導體晶圓之預加熱。LED燈與鹵素燈相比，輸出之上升及下降較為高速。又，LED燈主要放射可見光。藉此，即使為500°C以下相對較低溫之半導體晶圓，自LED燈照射之光之吸收率亦較高，若使用LED燈，則於預加熱之初始階段亦可效率良好地進行加熱處理。

然而，由於各LED燈本身之輸出相對較微弱，故照射至半導體晶圓之光之強度亦相對較低。其結果，使用LED燈之半導體晶圓之加熱效率不夠充分。又，為了獲得高照射強度，必須將相當多之LED燈配置於一定區域。

本發明係鑑於上述問題而完成者，其目的在於提供一種可效率良好地將基板加熱之熱處理裝置。 [解決問題之技術手段]

為解決上述問題，技術方案1之發明係一種藉由對基板照射光而將該基板加熱之熱處理裝置，其特徵在於，具備：腔室，其收容基板；保持部，其於上述腔室內保持上述基板；輔助光源，其設置於上述腔室之一側，對保持於上述保持部之上述基板照射光；及閃光燈，其設置於上述腔室之另一側，對保持於上述保持部之上述基板照射閃光；且上述輔助光源具備複數個垂直諧振器型面發光雷射。

又，技術方案2之發明如技術方案1之發明之熱處理裝置，其中上述輔助光源包含照射不同波長之光之垂直諧振器型面發光雷射。

又，技術方案3之發明如技術方案1或2之發明之熱處理裝置，其中於上述腔室與上述輔助光源之間，進而具備將自上述複數個垂直諧振器型面發光雷射各者出射之光均一化之均質器。

又，技術方案4之發明如技術方案3之發明之熱處理裝置，其中上述均質器係將與上述複數個垂直諧振器型面發光雷射一對一對應之光學元件捆束之板狀。

又，技術方案5之發明如技術方案1至4中任一發明之熱處理裝置，其中上述輔助光源進而包含複數個LED燈，上述複數個垂直諧振器型面發光雷射以包圍上述複數個LED燈周圍之方式環狀配置。

又，技術方案6之發明如技術方案5之發明之熱處理裝置，其中上述輔助光源包含照射不同波長光之垂直諧振器型面發光雷射及照射不同波長光之LED燈。

又，技術方案7之發明如技術方案5之發明之熱處理裝置，其中上述輔助光源進而具有追加之垂直諧振器型面發光雷射，其於環狀配置之上述複數個垂直諧振器型面發光雷射周圍，以照射方向朝向保持於上述保持部之上述基板之方式傾斜設置。 [發明之效果]

根據技術方案1至7之發明，由於輔助光源具備複數個垂直諧振器型面發光雷射，故可提高照射至基板之光之強度，可效率良好地將基板加熱。

尤其，根據技術方案2之發明，由於輔助光源包含照射不同波長光之垂直諧振器型面發光雷射，故即使基板之一部分中存在對於特定波長光之吸收率較低之部分，亦可將基板之全面均一加熱。

尤其，根據技術方案3之發明，由於進而具備將自複數個垂直諧振器型面發光雷射各者出射之光均一化之均質器，故可將基板之被照射面之照度分佈均一化，亦可將基板之面內溫度分佈均一化。

尤其，根據技術方案5之發明，輔助光源進而包含複數個LED燈，複數個垂直諧振器型面發光雷射以包圍複數個LED燈周圍之方式環狀配置，故可自垂直諧振器型面發光雷射對易產生溫度降低之基板之周緣部照射指向性較高之光，將該周緣部強列地加熱，可將基板之面內溫度分佈均一化。

以下，一面參照圖式一面對本發明之實施形態詳細說明。以下，表示相對或絕對之位置關係之表現(例如「於一方向」、「沿一方向」、「平行」、「正交」、「中心」、「同心」、「同軸」等)只要無特別限制，則不僅嚴格地表示其位置關係，亦表示於公差或可獲得同程度之功能之範圍內角度或距離相對移位之狀態。又，表示相等之狀態之表現(例如「相同」、「相等」、「均質」等)只要無特別限制，則不僅定量嚴格地表示相等之狀態，亦表示公差或可獲得同程度之功能之差量存在之狀態。又，表示形狀之表現(例如「圓形狀」、「四方形狀」、「圓筒形狀」等)只要無特別限制，則不僅幾何上嚴格地表示其形狀，亦表示可獲得同程度之效果之範圍之形狀，例如亦可具有凹凸或倒角等。又，「配備」、「具有」、「具備」、「包含」、「含有」構成要件等各表現並非排除存在其他構成要件之排他性表現。又，「A、B及C中之至少一者」之表現包含「僅A」、「僅B」、「僅C」、「A、B及C中之任意2者」、「A、B及C之全部」。

＜第1實施形態＞圖1係顯示本發明之熱處理裝置1之構成之縱剖視圖。圖1之熱處理裝置1係藉由對作為基板之圓板形狀之半導體晶圓W進行閃光照射而將該半導體晶圓W加熱之閃光燈退火裝置。成為處理對象之半導體晶圓W之尺寸未特別限定，例如為ϕ300 mm或ϕ450 mm。另，圖1及之後之各圖中，為容易理解，視需要誇大或簡化描繪各部之尺寸或數量。

熱處理裝置1具備收容半導體晶圓W之腔室6、內置複數個閃光燈FL之閃光加熱部5、及具有複數個VCSEL(垂直諧振器型面發光雷射：Vertical Cavity Surface Emitting Laser)45之輔助加熱部4。於腔室6之上側設置有閃光加熱部5，且於下側設置有輔助加熱部4。又，熱處理裝置1於腔室6之內部，具備將半導體晶圓W以水平姿勢保持之保持部7、及於保持部7與裝置外部間進行半導體晶圓W之交接之移載機構10。再者，熱處理裝置1具備控制部3，其控制設置於輔助加熱部4、閃光加熱部5及腔室6之各動作機構，使之執行半導體晶圓W之熱處理。

腔室6於筒狀之腔室側部61上下安裝石英製之腔室窗而構成。腔室側部61具有上下開口之大致筒形狀，於上側開口安裝上側腔室窗63並將其封閉，於下側開口安裝下側腔室窗64並將其封閉。構成腔室6之頂部之上側腔室窗63為由石英形成之圓板形狀構件，作為使自閃光加熱部5出射之閃光透過腔室6內之石英窗發揮功能。又，構成腔室6之底板部之下側腔室窗64亦為由石英形成之圓板形狀構件，作為使來自輔助加熱部4之光透過腔室6內之石英窗發揮功能。

又，於腔室側部61內側之壁面之上部安裝有反射環68，於下部安裝有反射環69。反射環68、69皆形成為圓環狀。上側之反射環68藉由自腔室側部61之上側嵌入而安裝。另一方面，下側之反射環69藉由自腔室側部61之下側嵌入，並以省略圖示之螺絲固定而安裝。即，反射環68、69皆為裝卸自如地安裝於腔室側部61之反射環者。腔室6之內側空間，即由上側腔室窗63、下側腔室窗64、腔室側部61及反射環68、69包圍之空間規定為熱處理空間65。

藉由於腔室側部61安裝反射環68、69，於腔室6之內壁面形成凹部62。即，形成由腔室側部61之內壁面中未安裝反射環68、69之中央部分、反射環68之下端面及反射環69之上端面包圍之凹部62。凹部62於腔室6之內壁面沿水平方向圓環狀形成，圍繞保持半導體晶圓W之保持部7。腔室側部61及反射環68、69以強度與耐熱性優異之金屬材料(例如不銹鋼)形成。

又，於腔室側部61，形設有用以進行對腔室6搬入及搬出半導體晶圓W之搬送開口部(爐口)66。搬送開口部66可藉由閘閥185開閉。搬送開口部66連通連接於凹部62之外周面。因此，閘閥185將搬送開口部66開放時，可進行自搬送開口部66通過凹部62向熱處理空間65之半導體晶圓W之搬入，及自熱處理空間65之半導體晶圓W之搬出。又，當閘閥185將搬送開口部66閉鎖時，腔室6內之熱處理空間65成為密閉空間。

再者，於腔室側部61，穿設有貫通孔61a。於腔室側部61之外壁面之設有貫通孔61a之部位，安裝有放射溫度計20。貫通孔61a為用以將自保持於後述之基座74之半導體晶圓W之下表面放射之紅外光導光至放射溫度計20之圓筒狀之孔。貫通孔61a以其貫通方向之軸與保持於基座74之半導體晶圓W之主面相交之方式，相對於水平方向傾斜設置。因此，放射溫度計20設置於基座74之斜下方。於貫通孔61a之面向熱處理空間65側之端部，安裝有使放射溫度計20可測定之波長區域之紅外光通過之包含氟化鋇材料之透明窗21。

又，於腔室6之內壁上部，形設有對熱處理空間65供給處理氣體之氣體供給孔81。氣體供給孔81形設於較凹部62上側位置，亦可設置於反射環68。氣體供給孔81經由於腔室6之側壁內部圓環狀形成之緩衝空間82，連通連接於氣體供給管83。氣體供給管83連接於處理氣體供給源85。又，於氣體供給管83之路徑中途，介插有閥84。當將閥84開放時，自處理氣體供給源85對緩衝空間82供給處理氣體。流入至緩衝空間82之處理氣體以於流體阻力小於氣體供給孔81之緩衝空間82內擴散之方式流動，自氣體供給孔81供給至熱處理空間65內。作為處理氣體，可使用例如氮氣(N ₂)等惰性氣體、或氫氣(H ₂)、氨氣(NH ₃)等反應性氣體、或將上述氣體混合之混合氣體(本實施形態中為氮氣)。

另一方面，於腔室6之內壁下部，形設有將熱處理空間65內之氣體排出之氣體排氣孔86。氣體排氣孔86形設於較凹部62下側位置，亦可設置於反射環69。氣體排氣孔86經由於腔室6之側壁內部圓環狀形成之緩衝空間87，連通連接於氣體排氣管88。氣體排氣管88連接於排氣部190。又，於氣體排氣管88之路徑中途，介插有閥89。當將閥89開放時，熱處理空間65之氣體自氣體排氣孔86經過緩衝空間87排出至氣體排氣管88。另，氣體供給孔81及氣體排氣孔86亦可沿腔室6之周向設置複數個，亦可為縫隙狀者。又，處理氣體供給源85及排氣部190可為設置於熱處理裝置1之機構，亦可為設置熱處理裝置1之工廠之設施。

圖2係顯示保持部7之全體外觀之立體圖。保持部7具備基台環71、連結部72及基座74而構成。基台環71、連結部72及基座74皆以石英形成。即，保持部7全體以石英形成。

基台環71為自圓環形狀缺失一部分之圓弧形狀之石英構件。該缺失部分為防止後述之移載機構10之移載臂11與基台環71之干涉而設置。基台環71藉由載置於凹部62之底面，而支持於腔室6之壁面(參照圖1)。於基台環71之上表面，沿其圓環形狀之周向立設複數個連結部72(本實施形態中為4個)。連結部72亦為石英構件，藉由焊接固定於基台環71。

基座74由設置於基台環71之4個連結部72支持。圖3係基座74之俯視圖。又，圖4係基座74之剖視圖。基座74具備保持板75、導環76及複數根基板支持銷77。保持板75為以石英形成之大致圓形之平板狀構件。保持板75之直徑大於半導體晶圓W之直徑。即，保持板75具有大於半導體晶圓W之平面尺寸。

於保持板75之上表面周緣部，設置有導環76。導環76為具有大於半導體晶圓W之直徑的內徑之圓環形狀之構件。例如，半導體晶圓W之直徑為ϕ300 mm之情形時，導環76之內徑為ϕ320 mm。導環76之內周設為如自保持板75向上方擴大之錐面。導環76以與保持板75相同之石英形成。導環76可焊接於保持板75之上表面，亦可藉由另外加工之銷等固定於保持板75。或者，亦可將保持板75與導環76作為一體構件而加工。

保持板75之上表面中較導環76內側之區域作為保持半導體晶圓W之平面狀之保持面75a。於保持板75之保持面75a，立設有複數根基板支持銷77。本實施形態中，沿與保持面75a之外周圓(導環76之內周圓)為同心圓之圓周上，每隔30°立設有合計12根基板支持銷77。配置有12根基板支持銷77之圓之直徑(對向之基板支持銷77間之距離)小於半導體晶圓W之直徑，若半導體晶圓W之直徑為ϕ300 mm，則為ϕ270 mm～ϕ280 mm(本實施形態中為ϕ270 mm)。各基板支持銷77以石英形成。複數根基板支持銷77可藉由焊接設置於保持板75之上表面，亦可與保持板75一體加工。

返回至圖2，立設於基台環71之4個連結部72與基座74之保持板75之周緣部藉由焊接而固定。即，基座74與基台環71藉由連結部72固定連結。藉由將此種保持部7之基台環71支持於腔室6之壁面，而將保持部7安裝於腔室6。於保持部7安裝於腔室6之狀態下，基座74之保持板75成為水平姿勢(法線與鉛直方向一致之姿勢)。即，保持板75之保持面75a成為水平面。

被搬入至腔室6之半導體晶圓W以水平姿勢載置並保持於安裝於腔室6之保持部7之基座74之上。此時，半導體晶圓W由立設於保持板75上之12根基板支持銷77支持而被保持於基座74。更嚴格而言，12根基板支持銷77之上端部與半導體晶圓W之下表面接觸而支持該半導體晶圓W。由於12根基板支持銷77之高度(自基板支持銷77之上端至保持板75之保持面75a之距離)均一，故可藉由12根基板支持銷77將半導體晶圓W以水平姿勢支持。

又，半導體晶圓W與保持板75之保持面75a隔出規定間隔地由複數根基板支持銷77支持。導環76之厚度大於基板支持銷77之高度。因此，藉由導環76，防止由複數根基板支持銷77支持之半導體晶圓W之水平方向之位置偏移。

又，如圖2及圖3所示，於基座74之保持板75，上下貫通形成有開口部78。開口部78係為了由放射溫度計20接收自半導體晶圓W之下表面放射之放射光(紅外光)而設置。即，放射溫度計20經由開口部78及安裝於腔室側部61之貫通孔61a之透明窗21，接收自半導體晶圓W之下表面放射之光而測定該半導體晶圓W之溫度。再者，於基座74之保持板75，穿設有為了由後述之移載機構10之提升銷12交接半導體晶圓W而貫通之4個貫通孔79。

圖5係移載機構10之俯視圖。又，圖6係移載機構10之側視圖。移載機構10具備2條移載臂11。移載臂11設為如沿著大致圓環狀之凹部62般之圓弧形狀。於各移載臂11立設有2根提升銷12。移載臂11及提升銷12以石英形成。各移載臂11可藉由水平移動機構13而旋動。水平移動機構13使一對移載臂11於進行對保持部7移載半導體晶圓W之移載動作位置(圖5之實線位置)、及俯視下不與保持於保持部7之半導體晶圓W重合之退避位置(圖5之二點劃線位置)間水平移動。作為水平移動機構13，可為藉由個別之馬達使各移載臂11分別旋動者，亦可為使用連桿機構藉由1個馬達使一對移載臂11連動地旋動者。

又，一對移載臂11藉由升降機構14與水平移動機構13一起升降移動。若升降機構14使一對移載臂11在移載動作位置上升，則合計4根提升銷12通過穿設於基座74之貫通孔79(參照圖2、3)，且提升銷12之上端自基座74之上表面突出。另一方面，升降機構14使一對移載臂11在移載動作位置下降，自貫通孔79退出提升銷12，若水平移動機構13以打開一對移載臂11之方式移動，則各移載臂11移動至退避位置。一對移載臂11之退避位置為保持部7之基台環71之正上方。由於基台環71載置於凹部62之底面，故移載臂11之退避位置為凹部62之內側。另，於設置有移載機構10之驅動部(水平移動機構13及升降機構14)之部位附近，亦設置有省略圖示之排氣機構，以將移載機構10之驅動部周邊之氛圍排出至腔室6外部之方式構成。

返回至圖1，設置於腔室6上方之閃光加熱部5構成為於外殼51之內側，具備包含複數條(本實施形態中為30條)氙閃光燈FL之光源、與以覆蓋該光源之上方之方式設置之反射器52。又，於閃光加熱部5之外殼51之底部，安裝有燈光放射窗53。構成閃光加熱部5之底板部之燈光放射窗53為由石英形成之板狀之石英窗。藉由將閃光加熱部5設置於腔室6之上方，燈光放射窗53與上側腔室窗63相對向。閃光燈FL自腔室6之上方經由燈光放射窗53及上側腔室窗63對熱處理空間65照射閃光。

複數個閃光燈FL分別為具有長條圓筒形狀之棒狀燈，以各者之長邊方向沿保持於保持部7之半導體晶圓W之主面(即沿水平方向)互相平行之方式平面狀排列。因此，藉由閃光燈FL之排列形成之平面亦為水平面。排列複數個閃光燈FL之區域大於半導體晶圓W之平面尺寸。

氙閃光燈FL具備：圓筒形狀之玻璃管(放電管)，其於其內部封入氙氣，於其兩端部配設有連接於電容器之陽極及陰極；及觸發電極，其附設於該玻璃管之外周面上。由於氙氣為電性絕緣體，故即使電容器中累積有電荷，通常狀態下亦不會於玻璃管內流動電。然而，對觸發電極施加高電壓而破壞絕緣之情形時，累積於電容器之電瞬間流動至玻璃管內，藉由此時之氙原子或分子之激發而放出光。此種氙閃光燈FL中，因預先累積於電容器之靜電轉換為0.1毫秒至100毫秒之極短光脈衝，故與如鹵素燈般連續點亮之光源相比，具有可照射極強光之特徵。即，閃光燈FL係以未達1秒之極短時間瞬間發光之脈衝發光燈。另，閃光燈FL之發光時間可藉由對閃光燈FL進行電力供給之燈電源之線圈常數而調整。

又，反射器52以覆蓋複數個閃光燈FL全體之方式設置於該等之上方。反射器52之基本功能係將自複數個閃光燈FL出射之閃光反射至熱處理空間65側。反射器52以鋁合金板形成，其表面(面向閃光燈FL側之面)藉由噴砂處理而實施粗面化加工。

設置於腔室6下方之輔助加熱部4於外殼41之內側內置有複數個VCSEL45。輔助加熱部4為藉由複數個VCSEL45，進行自腔室6之下方經由下側腔室窗64對熱處理空間65之光照射，而將半導體晶圓W加熱之輔助光源。

圖7係顯示複數個VCSEL45之配置之俯視圖。於輔助加熱部4配置多個VCSEL45，但圖7中為了方便圖示而簡化描繪個數。先前之鹵素燈為棒狀燈，相對於此，各VCSEL45為點光源。複數個VCSEL45沿保持於保持部7之半導體晶圓W之主面(即沿水平方向)排列。因此，藉由複數個VCSEL45之排列形成之平面為水平面。

又，如圖7所示，複數個VCSEL45同心圓狀配置。更詳細而言，以與保持於保持部7之半導體晶圓W之中心軸CX同軸之同心圓狀配置複數個VCSEL45。各同心圓中，複數個VCSEL45以均等間隔配置。例如，圖7所示之例中，自內側起第2個同心圓中，以45°間隔均等配置8個VCSEL45。

VCSEL(垂直諧振器型面發光雷射)45為半導體雷射之一種，於相對於半導體基板之表面垂直之垂直方向出射光。VCSEL45與LED相比可出射高強度之光，且出射指向性較高之光。第1實施形態之複數個VCSEL45照射波長940 nm之光。又，VCSEL45為連續發光至少1秒以上之連續點亮燈。

藉由自電力供給部49(圖1)對複數個VCSEL45各者供給電力，該VCSEL45發光。電力供給部49依照控制部3之控制，單獨調整供給至複數個VCSEL45各者之電力。即，電力供給部49可單獨調整配置於輔助加熱部4之複數個VCSEL45各者之發光強度及發光時間。

控制部3控制設置於熱處理裝置1之上述各動作機構。作為控制部3之硬體之構成與一般之電腦相同。即，控制部3具備進行各種運算處理之電路即CPU(Central Processing Unit：中央處理單元)、記憶基本程式之讀出專用記憶體即ROM(Read Only Memory：唯讀記憶體)、記憶各種資訊之讀寫自如之記憶體即RAM(Random Access Memory：隨機存取記憶體)及預先記憶控制用軟體或資料等之磁碟。藉由控制部3之CPU執行規定之處理程式而進行熱處理裝置1之處理。

除上述構成以外，為了防止於半導體晶圓W之熱處理時，因自VCSEL45及閃光燈FL產生之熱引起之輔助加熱部4、閃光加熱部5及腔室6過度之溫度上升，熱處理裝置1進而具備各種冷卻用構造。例如，於腔室6之壁體設置有水冷管(省略圖示)。又，輔助加熱部4及閃光加熱部5成為於內部形成氣體流而進行排熱之空冷構造。又，亦對上側腔室窗63與燈光放射窗53之間隙供給空氣，將閃光加熱部5及上側腔室窗63冷卻。

接著，對熱處理裝置1之處理動作進行說明。此處，針對對於成為製品之通常之半導體晶圓(產品晶圓)W之典型熱處理動作進行說明。成為處理對象之半導體晶圓W係藉由作為前步驟之離子注入而注入有雜質之矽(Si)半導體基板。該雜質之活性化藉由熱處理裝置1之退火處理而執行。以下說明之半導體晶圓W之處理順序藉由由控制部3控制熱處理裝置1之各動作機構而進行。

首先，於半導體晶圓W之處理之前，將用以供氣之閥84開放，且將排氣用閥89開放，開始對腔室6內之供排氣。當將閥84開放時，自氣體供給孔81將氮氣供給至熱處理空間65。又，當將閥89開放時，將腔室6內之氣體自氣體排氣孔86排出。藉此，自腔室6內之熱處理空間65之上部供給之氮氣流動至下方，並自熱處理空間65之下部排出。

接著，閘閥185打開，將搬送開口部66開放，藉由裝置外部之搬送機器人，經由搬送開口部66將成為處理對象之半導體晶圓W搬入至腔室6內之熱處理空間65。此時，有隨著半導體晶圓W之搬入而捲入裝置外部之氛圍之虞，但由於對腔室6持續供給氮氣，故氮氣自搬送開口部66流出，可將此種外部氛圍之捲入抑制為最小限度。

藉由搬送機器人搬入之半導體晶圓W進入至保持部7之正上方位置為止並停止。且，移載機構10之一對移載臂11自退避位置水平移動至移載動作位置並上升，藉此，提升銷12通過貫通孔79自基座74之保持板75之上表面突出，接收半導體晶圓W。此時，提升銷12上升至較基板支持銷77之上端上方。

將半導體晶圓W載置於提升銷12後，搬送機器人自熱處理空間65退出，藉由閘閥185將搬送開口部66閉鎖。且，藉由一對移載臂11下降，將半導體晶圓W自移載機構10交接給保持部7之基座74，以水平姿勢自下方保持。半導體晶圓W由立設於保持板75上之複數根基板支持銷77支持而保持於基座74。又，半導體晶圓W將形成圖案注入有雜質之正面作為上表面，保持於保持部7。於由複數根基板支持銷77支持之半導體晶圓W之背面(與正面為相反側之主面)與保持板75之保持面75a之間，形成規定之間隔。下降至基座74下方之一對移載臂11藉由水平移動機構13退避至退避位置，即凹部62之內側。

將半導體晶圓W藉由以石英形成之保持部7之基座74以水平姿勢自下方保持後，自輔助加熱部4之複數個VCSEL45照射光，開始預加熱(輔助加熱)。自複數個VCSEL45出射之光透過以石英形成之下側腔室窗64及基座74，照射至半導體晶圓W之下表面。藉由接收來自VCSEL45之光照射，將半導體晶圓W預加熱，溫度上升。另，由於移載機構10之移載臂11退避至凹部62之內側，故不會阻礙VCSEL45之加熱。

藉由來自VCSEL45之光照射而升溫之半導體晶圓W之溫度由放射溫度計20測定。測定出之半導體晶圓W之溫度傳遞至控制部3。控制部3監視藉由來自VCSEL45之光照射而升溫之半導體晶圓W之溫度是否達到規定之預加熱溫度T1，且控制電力供給部49，調整VCSEL45之輸出。即，控制部3基於放射溫度計20之測定值，以半導體晶圓W之溫度成為預加熱溫度T1之方式，反饋控制VCSEL45之輸出。預加熱溫度T1設為無添加於半導體晶圓W之雜質因熱而擴散之虞的200°C至800°C左右，較佳為350°C至600°C左右(本實施形態中為600°C)。

半導體晶圓W之溫度達到預加熱溫度T1後，控制部3將半導體晶圓W暫時維持其之預加熱溫度T1。具體而言，於由放射溫度計20測定出之半導體晶圓W之溫度達到預加熱溫度T1之時點，控制部3調整VCSEL45之輸出，將半導體晶圓W之溫度維持大致預加熱溫度T1。

於半導體晶圓W之溫度達到預加熱溫度T1，並經過規定時間之時點，閃光加熱部5之閃光燈FL對保持於基座74之半導體晶圓W之表面進行閃光照射。此時，自閃光燈FL放射之閃光之一部分直接朝向腔室6內，其他一部分暫時由反射器52反射後朝向腔室6內，藉由上述閃光之照射進行半導體晶圓W之閃光加熱。

由於閃光加熱藉由來自閃光燈FL之閃光(Flash)照射而進行，故可使半導體晶圓W之表面溫度短時間上升。即，自閃光燈FL照射之閃光係預先累積於電容器之靜電可轉換成極短光脈衝之照射時間為0.1毫秒以上100毫秒以下左右之極短之強閃光。且，藉由來自閃光燈FL之閃光照射而被閃光加熱之半導體晶圓W之表面溫度瞬間上升至1000°C以上之處理溫度T2，將注入至半導體晶圓W之雜質活性化後，表面溫度急速下降。如此，熱處理裝置1中，由於可使半導體晶圓W之表面溫度極短時間升降，故可抑制注入至半導體晶圓W之雜質之因熱引起之擴散，且進行雜質之活性化。另，由於雜質之活性化需要之時間與其熱擴散需要之時間相比極短，故即使為0.1毫秒至100毫秒左右之未產生熱擴散之短時間，活性化亦完成。

閃光加熱處理結束後，經過規定時間後，來自VCSEL45之光照射亦停止。藉此，半導體晶圓W自預加熱溫度T1急速降溫。由放射溫度計20測定降溫中之半導體晶圓W之溫度，將其測定結果傳遞至控制部3。控制部3根據放射溫度計20之測定結果，監視半導體晶圓W之溫度是否降溫至規定溫度。且，半導體晶圓W之溫度降溫至規定以下後，移載機構10之一對移載臂11再次自退避位置水平移動至移載動作位置並上升，藉此，提升銷12自基座74之上表面突出，自基座74接收熱處理後之半導體晶圓W。接著，將由閘閥185閉鎖之搬送開口部66開放，將載置於提升銷12上之半導體晶圓W由裝置外部之搬送機器人自腔室6搬出，半導體晶圓W之加熱處理完成。

第1實施形態中，藉由來自VCSEL45之光照射將半導體晶圓W預加熱至預加熱溫度T1後，自閃光燈FL對半導體晶圓W之表面照射閃光，使該表面升溫至處理溫度T2。VCSEL45與LED相比，亦可出射相對高強度之光。因此，若可自複數個VCSEL45進行光照射，則預加熱時照射至半導體晶圓W之光之強度亦可提高，可效率良好地加熱半導體晶圓W。又，由於VCSEL45出射相對較高強度之光，故與以LED燈構成輔助加熱部4之情形相比，可減少設置於輔助加熱部4之VCSEL45之個數。

第1實施形態中，將自複數個VCSEL45照射之光之波長設為940 nm之單一波長，但亦可取而代之，自複數個VCSEL45照射不同波長之光。即，亦可於輔助加熱部4設置出射光之波長不同之複數種VCSEL45。若自複數個VCSEL45照射單一波長之光，則如於半導體晶圓W之一部分形成有對於其波長之光的吸收率較低之膜之情形時，僅該一部分溫度成為相對低溫，有損害溫度分佈之面內均一性之虞。若自複數個VCSEL45照射複數波長之光，則如於半導體晶圓W之一部分形成有對於特定波長之光的吸收率較低之膜之情形時，亦可將半導體晶圓W之整面均一加熱，提高溫度分佈之面內均一性。

＜第2實施形態＞接著，對本發明之第2實施形態進行說明。圖8係顯示第2實施形態之熱處理裝置1a之構成之縱剖視圖。圖8中，對與第1實施形態(圖1)相同之要件標注相同符號。第2實施形態之熱處理裝置1a與第1實施形態之熱處理裝置1之不同點在於，設置有將自複數個VCSEL45各者出射之光之分佈均一化之均質器48。

均質器48為設置於複數個VCSEL45與腔室6之下側腔室窗64間之石英之板狀構件。但，均質器48雖為板狀構件，但並非一塊板，而為使複數個衍射光學元件48a合束，結果具有板狀形態之均質器。

圖9係模式性說明利用均質器48之光分佈之均一化之圖。將平面狀排列之複數個衍射光學元件48a捆束而形成板狀之均質器48。各個衍射光學元件元件48a為六面經研磨之石英之方形柱構件(石英桿)。構成均質器48之複數個衍射光學元件48a與複數個VCSEL45一對一對應設置。因此，自各VCSEL45出射之光入射至任一個衍射光學元件48a。

圖10係顯示自VCSEL45出射之光之強度分佈之圖。如上所述，由於VCSEL45出射指向性相對較高之光，故該出射光之光軸中心附近之強度最高，隨著離開光軸，強度變低。因此，自VCSEL45出射之光之強度分佈接近如圖10所示之高斯分佈。其結果，自複數個VCSEL45直接對半導體晶圓W照射光時，於半導體晶圓W之被照射面局部出現照度較高之區域與照度不高之區域，而有產生斑點狀之照度不均之虞。於，預加熱時之半導體晶圓W之面內溫度分佈亦不均一。

如圖9所示，若自各VCSEL45出射之光自對應之衍射光學元件48a之下表面入射，則該光於衍射光學元件48a內重複全反射，於衍射光學元件48a之上表面，光重合而均一化。圖11係顯示通過均質器48之光之強度分佈之圖。自VCSEL45出射之光雖指向性較高，但該光由衍射光學元件48a均一化，藉此，通過均質器48之光之強度分佈成為如圖11所示之均一之強度分佈。

自複數個VCSEL45出射並通過均質器48之光照射至半導體晶圓W，藉此，消除半導體晶圓W之被照射面中之照度不均，照度分佈變得均一。其結果，預加熱時之半導體晶圓W之面內溫度分佈亦變得均一。

設置均質器48之點以外之第2實施形態之熱處理裝置1a之構成與第1實施形態之熱處理裝置1相同。又，第2實施形態之熱處理裝置1a中之半導體晶圓W之處理順序亦與第1實施形態相同。

第2實施形態中，於腔室6與複數個VCSEL45之間，設置有將自複數個VCSEL45各者出射之光均一化之均質器48。藉此，於均質器48之上表面，可獲得均一之照度分佈，半導體晶圓W之被照射面中之照度分佈亦變得均一，半導體晶圓W之面內溫度分佈亦可均一化。

＜第3實施形態＞接著，對本發明之第3實施形態進行說明。圖12係顯示第3實施形態之熱處理裝置1b之構成之縱剖視圖。圖12中，對與第1實施形態(圖1)相同之要件標注相同符號。第3實施形態之熱處理裝置1b與第1實施形態之熱處理裝置1之不同點在於，於輔助加熱部4設置有VCSEL45及LED(Light Emitting Diode：發光二極體)燈47。

第3實施形態之輔助加熱部4具備複數個VCSEL45及複數個LED燈47。LED燈47包含發光二極體。發光二極體為二極體之一種，於順向施加電壓時，藉由電致發光效應而發光。

圖13係顯示輔助加熱部4之複數個VCSEL45及複數個LED燈47之配置之俯視圖。複數個LED燈47於圓形區域以均一密度配置。於包圍配置有該複數個LED燈47之圓形區域周圍之圓環狀區域，以均一密度配置有複數個VCSEL45。即，第3實施形態之輔助加熱部4中，於中心部配置有複數個LED燈47，且於周緣部配置有複數個VCSEL45。

圖14係模式性說明LED燈47及VCSEL45之混合光源對半導體晶圓W之加熱之圖。VCSEL45出射幾乎不擴散之指向性較高之光，相對於此，自LED燈47出射之光顯示出相對擴散之傾向。僅藉由複數個LED燈47進行半導體晶圓W之預加熱時，認識到與半導體晶圓W之中央部相比，周緣部之溫度相對變低之傾向。

第3實施形態中，於輔助加熱部4之中心部配置有複數個LED燈47，且於周緣部配置有複數個VCSEL45。即，以與預加熱時溫度易變低之半導體晶圓W之周緣部對向之方式，配置有複數個VCSEL45，且以與半導體晶圓W之中央部對向之方式，配置有複數個LED燈47。藉此，可自VCSEL145對預加熱時溫度易變低之半導體晶圓W之周緣部照射指向性較高之光，相對提高該周緣部之照度。其結果，可將溫度易變低之半導體晶圓W之周緣部強烈加熱，消除該周緣部之溫度降低，將預加熱時之半導體晶圓W之面內溫度分佈均一化。

於輔助加熱部4設置VCSEL45及LED燈47之點以外之第3實施形態之熱處理裝置1b之構成與第1實施形態之熱處理裝置1相同。又，第3實施形態之熱處理裝置1b中之半導體晶圓W之處理順序亦與第1實施形態相同。

第3實施形態中，於輔助光源即輔助加熱部4，除VCSEL45外還設置LED燈47，且以包圍複數個LED燈47周圍之方式環狀配置有複數個VCSEL45。藉此，可自VCSEL45對預加熱時易產生溫度降低之半導體晶圓W之周緣部照射指向性較高之光，強烈地加熱該周緣部，可將預加熱時之半導體晶圓W之面內溫度分佈均一化。

一般而言，VCSEL45之單價較LED燈47之單價高，但藉由僅對易產生溫度降低之半導體晶圓W之周緣部設置VCSEL45，對其他部分設置低價之LED燈47，可抑制成本上升，且達成半導體晶圓W之面內溫度分佈之均一性。

亦可為複數個VCSEL45及複數個LED燈47中之至少一者照射不同之複數種波長之光。即，亦可於輔助加熱部4設置出射光之波長不同之複數種VCSEL45及/或出射光之波長不同之複數種LED燈47。若與第1實施形態同樣，自複數個VCSEL45及/或複數個LED燈47照射複數種波長之光，則即使於半導體晶圓W之一部分形成相對於特定波長光之吸收率較低之膜，亦可均一地加熱半導體晶圓W之整面，提高溫度分佈之面內均一性。

＜第4實施形態＞接著，對本發明之第4實施形態進行說明。圖15係顯示第4實施形態之輔助加熱部4之構成之側視圖。又，圖16係顯示第4實施形態之輔助加熱部4之複數個VCSEL45及複數個LED燈47之配置之俯視圖。

第4實施形態中，於第3實施形態之輔助加熱部4周圍進而配置有追加之VCSEL45。追加之複數個VCSEL45於較保持於保持部7之半導體晶圓W更外側之區域傾斜設置。更詳細而言，與第3實施形態同樣，複數個LED燈47於圓形區域以均一密度配置。於包圍配置有該複數個LED燈47之圓形區域周圍之圓環狀區域，以均一密度配置複數個VCSEL45。再者，於配置有該複數個VCSEL45之圓環狀區域周圍，配置追加之複數個VCSEL45。將設置於較半導體晶圓W更外側之區域之追加之複數個VCSEL45，以其照射方向朝向半導體晶圓W之下表面周緣部之方式傾斜排列。設置追加之複數個VCSEL45之點以外之第4實施形態之構成及處理順序與第3實施形態相同。

第4實施形態中，與第3實施形態同樣，可自VCSEL45對預加熱時易產生溫度降低之半導體晶圓W之周緣部照射指向性較高之光，強烈地將該周緣部加熱，可將預加熱時之半導體晶圓W之面內溫度分佈均一化。再者，第4實施形態中，藉由自追加之VCSEL45對半導體晶圓W之面內進行追加之光照射，可效率更好地將半導體晶圓W加熱。

＜第5實施形態＞接著，對本發明之第5實施形態進行說明。圖17係模式性顯示第5實施形態之熱處理裝置100之構成之圖。第5實施形態之熱處理裝置100為不具備閃光燈而具備複數個VCSEL45之高速熱處理裝置(RTP裝置：Rapid Thermal Processing：快速熱處理)。

熱處理裝置100於收容半導體晶圓W之腔室110之上側具備上部加熱部150，且於腔室110之下側具備下部加熱部140。於腔室110內設置石英之基座170。於腔室110內，成為處理對象之半導體晶圓W由基座170支持。又，與第1實施形態同樣，於腔室110之上下設置有透過光之石英窗(省略圖示)。

下部加熱部140與第1實施形態之輔助加熱部4同樣，具備複數個VCSEL45。同樣，上部加熱部150亦具備複數個VCSEL45。熱處理裝置100藉由複數個VCSEL45自腔室110之上下進行光照射，將半導體晶圓W加熱。

圖18係顯示藉由熱處理裝置100進行熱處理之半導體晶圓W之溫度變化之圖。藉由複數個VCSEL45，自上部加熱部150及下部加熱部140對腔室110內保持於基座170之半導體晶圓W照射光。半導體晶圓W自上下接收光照射而升溫。

藉由自上下進行使用複數個VCSEL45之光照射，半導體晶圓W以100°C/秒～200°C/秒之升溫速度升溫。於開始來自複數個VCSEL45之光照射起經過數秒之時點，半導體晶圓W之溫度達到峰值溫度T3。峰值溫度T3例如為900°C～1000°C。於半導體晶圓W之溫度達到峰值溫度T3之時點，複數個VCSEL45停止，半導體晶圓W之溫度急速升溫。亦可取而代之，將半導體晶圓W之溫度於恆定時間(例如數秒左右)維持峰值溫度T3。

第5實施形態中，出射與LED相比相對高強度之光，藉由來自VCSEL45之光照射而將半導體晶圓W加熱。因此，可效率良好地將半導體晶圓W加熱。

＜變化例＞以上，已對本發明之實施形態進行說明，但本發明只要不脫離其主旨，則可除上述以外進行各種變更。第1實施形態中，將複數個VCSEL45同心圓狀配置，但並非限定於此，例如亦可將複數個VCSEL45以等間隔格柵狀配置。

又，第3實施形態及第4實施形態中，亦可於圓環狀設置之複數個VCSEL45之上方設置如第2實施形態之均質器。藉此，可將半導體晶圓W之周緣部之照度分佈更均一化。

又，第3實施形態及第4實施形態中，於複數個LED燈47周圍圓環狀配置有複數個VCSEL45，但並非限定於此，只要與加熱處理時易產生溫度降低之半導體晶圓W之部分對向而設置VCSEL45即可。

又，第5實施形態中，亦可僅於腔室110之上側或下側之任一者設置具備複數個VCSEL45之加熱部。又，亦可對第5實施形態之複數個VCSEL45設置如第2實施形態之均質器。再者，第5實施形態中，亦可如第3實施形態及第4實施形態般，使用複數個VCSEL45與複數個LED燈進行半導體晶圓W之急速加熱處理。

又，上述實施形態中，閃光加熱部5具備30根閃光燈FL，但並非限定於此，閃光燈FL之根數可設為任意數量。又，閃光燈FL並非限定於氙閃光燈，亦可為氪閃光燈。

1:熱處理裝置 1a:熱處理裝置 1b:熱處理裝置 3:控制部 4:輔助加熱部 5:閃光加熱部 6:腔室 7:保持部 10:移載機構 11:移載臂 12:提升銷 13:水平移動機構 14:升降機構 20:放射溫度計 21:透明窗 41:外殼 45:VCSEL 47:LED燈 48:均質器 48a:衍射光學元件 49:電力供給部 51:外殼 52:反射器 53:燈光放射窗 61:腔室側部 61a:貫通孔 62:凹部 63:上側腔室窗 64:下側腔室窗 65:熱處理空間 66:搬送開口部 68:反射環 69:反射環 71:基台環 72:連結部 74:基座 75:保持板 75a:保持面 76:導環 77:基板支持銷 78:開口部 79:貫通孔 81:氣體供給孔 82:緩衝空間 83:氣體供給管 84:閥 85:處理氣體供給源 86:氣體排氣孔 87:緩衝空間 88:氣體排氣管 89:閥 100:熱處理裝置 110:腔室 140:下部加熱部 150:上部加熱部 170:基座 185:閘閥 190:排氣部 CX:中心軸 FL:閃光燈 W:半導體晶圓

圖1係顯示第1實施形態之熱處理裝置之構成之縱剖視圖。圖2係顯示保持部之全體外觀之立體圖。圖3係基座之俯視圖。圖4係基座之剖視圖。圖5係移載機構之俯視圖。圖6係移載機構之側視圖。圖7係顯示複數個VCSEL之配置之俯視圖。圖8係顯示第2實施形態之熱處理裝置之構成之縱剖視圖。圖9係模式性說明均質器之光分佈之均一化之圖。圖10係顯示自VCSEL出射之光之強度分佈之圖。圖11係顯示通過均質器之光之強度分佈之圖。圖12係顯示第3實施形態之熱處理裝置之構成之縱剖視圖。圖13係顯示第3實施形態之輔助加熱部中之複數個VCSEL及複數個LED燈之配置之俯視圖。圖14係模式性說明LED燈及VCSEL之混合光源之半導體晶圓之加熱之圖。圖15係顯示第4實施形態之輔助加熱部之構成之側視圖。圖16係顯示第4實施形態之輔助加熱部中之複數個VCSEL及複數個LED燈之配置之俯視圖。圖17係模式性顯示第5實施形態之熱處理裝置之構成之圖。圖18係顯示藉由圖17之熱處理裝置進行熱處理之半導體晶圓之溫度變化之圖。

1:熱處理裝置

3:控制部

4:輔助加熱部

5:閃光加熱部

6:腔室

7:保持部

10:移載機構

20:放射溫度計

21:透明窗

41:外殼

45:VCSEL

49:電力供給部

51:外殼

52:反射器

53:燈光放射窗

61:腔室側部

61a:貫通孔

62:凹部

63:上側腔室窗

64:下側腔室窗

65:熱處理空間

66:搬送開口部

68:反射環

69:反射環

74:基座

81:氣體供給孔

82:緩衝空間

83:氣體供給管

84:閥

85:處理氣體供給源

86:氣體排氣孔

87:緩衝空間

88:氣體排氣管

89:閥

185:閘閥

190:排氣部

FL:閃光燈

W:半導體晶圓

Claims

一種熱處理裝置，其特徵在於，其係藉由對基板照射光而將該基板加熱者，且具備：腔室，其收容基板；保持部，其在上述腔室內保持上述基板；輔助光源，其設置於上述腔室之一側，對保持於上述保持部之上述基板照射光；及閃光燈，其設置於上述腔室之另一側，對保持於上述保持部之上述基板照射閃光；且上述輔助光源具備複數個垂直諧振器型面發光雷射，上述輔助光源包含照射不同波長之光之垂直諧振器型面發光雷射。
一種熱處理裝置，其特徵在於，其係藉由對基板照射光而將該基板加熱者，且具備：腔室，其收容基板；保持部，其在上述腔室內保持上述基板；輔助光源，其設置於上述腔室之一側，對保持於上述保持部之上述基板照射光；及閃光燈，其設置於上述腔室之另一側，對保持於上述保持部之上述基板照射閃光；且上述輔助光源具備複數個垂直諧振器型面發光雷射，於上述腔室與上述輔助光源之間，進而具備將自上述複數個垂直諧振器型面發光雷射各者出射之光均一化之均質器，上述均質器係將與上述複數個垂直諧振器型面發光雷射一對一對應之光學元件捆束之板狀。
一種熱處理裝置，其特徵在於，其係藉由對基板照射光而將該基板加熱者，且具備：腔室，其收容基板；保持部，其在上述腔室內保持上述基板；輔助光源，其設置於上述腔室之一側，對保持於上述保持部之上述基板照射光；及閃光燈，其設置於上述腔室之另一側，對保持於上述保持部之上述基板照射閃光；且上述輔助光源具備複數個垂直諧振器型面發光雷射，上述輔助光源進而包含複數個LED燈，上述複數個垂直諧振器型面發光雷射以包圍上述複數個LED燈周圍之方式環狀配置，上述輔助光源包含照射不同波長之光之垂直諧振器型面發光雷射及照射不同波長之光之LED燈。
一種熱處理裝置，其特徵在於，其係藉由對基板照射光而將該基板加熱者，且具備：腔室，其收容基板；保持部，其在上述腔室內保持上述基板；輔助光源，其設置於上述腔室之一側，對保持於上述保持部之上述基板照射光；及閃光燈，其設置於上述腔室之另一側，對保持於上述保持部之上述基板照射閃光；且上述輔助光源具備複數個垂直諧振器型面發光雷射，上述輔助光源進而包含複數個LED燈，上述複數個垂直諧振器型面發光雷射以包圍上述複數個LED燈周圍之方式環狀配置，上述輔助光源進而具有追加之垂直諧振器型面發光雷射，其於環狀配置之上述複數個垂直諧振器型面發光雷射周圍，以照射方向朝向保持於上述保持部之上述基板之方式傾斜設置。