CN107818925B - 热处理装置 - Google Patents

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Abstract

一种热处理装置，即使在吸收红外光的处理气体的环境中，也能够准确地测量基板温度。在对半导体晶片进行热处理的室内形成氨气环境，该氨气吸收与辐射温度计(120)的测量波长区域重叠的波长区域的红外光。通过在辐射温度计(120)的光学透镜系统(21)和检测器(23)之间设置滤光片(22)来排除氨气吸收红外光带来的影响，该滤光片(22)有选择地使不与氨气吸收的波长区域重叠的波长的红外光透过。此外，从表示向辐射温度计(120)入射的红外光的能量和黑体的温度之间的相关关系的多个变换表(26)中，选择与设置的滤光片(22)对应的变换表(26)供辐射温度计(120)使用。由此，不管是否处于氨气环境，都能准确地测量半导体晶片(W)的温度。

Description

热处理装置
技术领域
本发明涉及向半导体晶片等薄板状精密电子基板(下面，简称为“基板”)照射光来加热该基板的热处理装置。
背景技术
在半导体器件的制造工艺中，以极短时间加热半导体晶片的闪光灯退火(FLA)引人注目。闪光灯退火是这样的热处理技术：通过用氙气闪光灯(下面，简称为“闪光灯”时，是指氙气闪光灯)向半导体晶片的表面照射闪光，在极短时间内(几毫秒以下)仅使半导体晶片的表面升温。
氙气闪光灯的辐射光谱分布是从紫外区域到近红外区域，波长比以往的卤素灯的波长短，并与硅的半导体晶片的基本吸收带几乎一致。由此，从氙气闪光灯向半导体晶片照射闪光时，透射光少，能够使半导体晶片快速地升温。若在几毫秒以下的极短时间内照射闪光，则能够有选择地仅使半导体晶片的表面附近升温。
这样的闪光灯退火利用于需要极短时间的加热的处理，例如，典型地利用于注入半导体晶片的杂质的活化。若从闪光灯向通过离子注入法注入了杂质的半导体晶片的表面照射闪光，就能够在极短时间内将该半导体晶片的表面升温到活化温度，并且无需使杂质扩散得深，能够仅执行杂质活化。
不限于闪光灯退火，在热处理中适当地管理半导体晶片的温度是重要的。一般来讲，在半导体晶片的热处理中，由非接触式辐射温度计测量温度，例如在专利文献1中公开了在闪光照射前利用卤素灯进行预热时，由辐射温度计测量半导体晶片的温度。
专利文献1：日本特开2010-225613号公报
另外，还研究作为半导体晶片的热处理使用闪光退火，上述半导体晶片形成有介电常数比二氧化硅(SiO2)的介电常数高的材料(高介电常数材料)的高介电常数膜(High-k膜)，该高介电常数膜被用作场效应晶体管(FET)的栅极绝缘膜。高介电常数膜为了解决伴随栅极绝缘膜变薄的趋势漏电流增大的问题，与将金属应用于栅极电极的金属栅极电极一起构成新的堆叠结构，这样的开发正在被推进。在利用闪光灯退火进行这样的高介电常数栅极绝缘膜的热处理的情况下，尝试在氨气环境中进行高介电常数栅极绝缘膜的氮化处理。
但是，在氨气环境中进行半导体晶片的热处理的情况下，存在氨气阻碍辐射温度计测量温度的问题。由于氨气吸收辐射温度计的测量中所需的红外线，因此辐射温度计接收的红外线的强度变小，结果，辐射温度计输出的测量值低于实际的晶片温度值。典型地，闪光灯退火中在闪光照射前由卤素灯预热半导体，但是由于基于辐射温度计的测量结果闭环控制卤素灯的输出，因此，如果测量结果低于实际的晶片温度，则因灯的输出过大而导致半导体晶片被加热到高于目标温度的高温。
发明内容
本发明是鉴于上述问题而提出的，其目的在于，提供一种即使在吸收红外光的处理气体的环境中，也能够准确地测量基板温度的热处理装置。
为了解决上述问题，第一方面发明提供热处理装置，其特征在于，该热处理装置通过向基板照射光来加热该基板，包括：室，其容纳基板；光照射部，其向容纳于上述室的上述基板照射光；气体供给部，其向上述室供给规定的处理气体而在上述基板的周边形成该处理气体环境；辐射温度计，其接收从上述基板辐射的红外光来测量上述基板温度；存储部，其保存多个表示向上述辐射温度计入射的红外光的能量和黑体的温度之间的相关关系的变换表；以及控制部，其根据利用上述气体供给部形成于上述室内的处理气体环境，从多个上述变换表中选择上述辐射温度计使用的变换表。
另外，第二方面发明的特征在于，在第一方面发明的热处理装置中，还包括透过的波长区域不同的多个滤光片；上述控制部根据利用上述气体供给部形成于上述室内的处理气体环境，从多个上述滤光片中选择上述辐射温度计使用的滤光片。
根据第一方面及第二方面的发明，从多个变换表选择辐射温度计所使用的变换表，因此，即使在吸收红外光的处理气体的环境中，也能够准确地测量基板温度，多个上述变换表表示根据形成于室内的处理气体环境向辐射温度计入射的红外光的能量和黑体的温度之间的相关关系。
附图说明
图1是表示本发明的热处理装置的结构的纵向剖面图。
图2是表示保持部的整体外观的立体图。
图3是基座的俯视图。
图4是基座的剖面图。
图5是移载机构的俯视图。
图6是移载机构的侧视图。
图7是表示多个卤素灯的配置的俯视图。
图8是示意性表示辐射温度计的结构的图。
图9是表示半导体晶片的处理顺序的流程图。
图10是表示变换表的一例的图。
其中，附图标记说明如下：
1：热处理装置
3：控制部
4：卤素加热部
5：闪光加热部
6：室
7：保持部
21：光学透镜系统
22：滤光片
23：检测器
24：运算部
25：存储部
26：变换表
65：热处理空间
74：基座
85：处理气体供给源
120：辐射温度计
FL：闪光灯
HL：卤素灯
W：半导体晶片
具体实施方式
下面，一边参照附图一边详细地说明本发明的实施方式。
图1是表示本发明的热处理装置1的结构的纵向剖面图。热处理装置1是闪光灯退火装置，其通过向作为基板的圆板形状的半导体晶片W照射闪光来对该半导体晶片W进行加热。作为处理对象的半导体晶片W的尺寸例如为φ300mm或φ450mm，对该尺寸不做特别限定。此外，在图1及之后的各图中，为了便于理解，根据需要，放大或简化各部分的尺寸、数量。
热处理装置1具有容纳半导体晶片W的室6、内置多个闪光灯FL的闪光加热部5及内置多个卤素灯HL的卤素加热部4。在室6的上侧设置有闪光加热部5，并且在室6的下侧设置有卤素加热部4。另外，热处理装置1在室6的内部具有将半导体晶片W保持为水平姿势的保持部7及在保持部7与装置外部之间交接半导体晶片W的移载机构10。此外，热处理装置1具有控制部3，该控制部3控制设置在卤素加热部4、闪光加热部5及室6的各个动作机构来对半导体晶片W进行热处理。
室6是在筒状的室侧部61的上下安装由石英制成的室窗而构成的。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室窗63而堵塞该上侧开口，在下侧开口安装下侧室窗64而堵塞该下侧开口。构成室6的顶部的上侧室窗63是由石英形成的圆板形状构件，作为使从闪光加热部5出射的闪光透过到室6内的石英窗发挥作用。另外，构成室6的底部的下侧室窗64也是由石英形成的圆板形状构件，作为使来自卤素加热部4的光透过到室6内的石英窗发挥作用。
另外，在室侧部61的内侧的壁面的上部安装有反射环68，在下部安装有反射环69。反射环68、69都形成为圆环状。上侧的反射环68通过从室侧部61的上侧嵌入来安装。另一方面，下侧的反射环69通过从室侧部61的下侧嵌入并用省略图示的螺钉固定来安装。即，反射环68、69都能装卸自如地安装于室侧部61。室6的内侧空间，即由上侧室窗63、下侧室窗64、室侧部61及反射环68、69包围的空间被规定为热处理空间65。
通过在室侧部61安装反射环68、69而在室6的内壁面上形成凹部62。即，形成由室侧部61的内壁面中的未安装反射环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沿着水平方向呈圆环状形成于室6的内壁面，并围绕保持半导体晶片W的保持部7。室侧部61及反射环68、69由强度和耐热性优异的金属材料(例如不锈钢)形成。
另外，在室侧部61设置有用于针对室6进行半导体晶片W的搬入及搬出的搬运开口部(炉口)66。搬运开口部66能够通过闸阀185来开闭。搬运开口部66与凹部62的外周面连通地连接。因此，在闸阀185打开搬运开口部66时，能够将半导体晶片W从搬运开口部66通过凹部62搬入热处理空间65，并且从热处理空间65搬出半导体晶片W。另外，若闸阀185关闭搬运开口部66，则室6内的热处理空间65变为密闭空间。
另外，在室6的内壁上部设置有向热处理空间65供给处理气体(在本实施方式中，该处理气体为氮气(N2)和氨气(NH3)的混合气体)的气体供给孔81。气体供给孔81设置在比凹部62更靠上侧的位置，也可以设置在反射环68上。气体供给孔81经由在室6的侧壁内部呈圆环状形成的缓冲空间82与气体供给管83连通地连接。气体供给管83与气体供给源85连接。另外，在气体供给管83的路径中途安装有阀84。在打开阀84时，从气体供给源85向缓冲空间82输送处理气体。流入缓冲空间82的处理气体以在流体阻力比气体供给孔81小的缓冲空间82内扩散的方式流动，从气体供给孔81向热处理空间65内供给。另外，作为处理气体并不限定于氮气和氩气的混合气体，也可以是一氧化二氮(N2O)、硫化氢(H2S)、一氧化氮(NO)、氟气(F2)等反应性气体。
另一方面，在室6的内壁下部设置有用于排出热处理空间65内的气体的气体排出孔86。气体排出孔86设置在比凹部62靠下侧的位置，也可以设置在反射环69上。气体排出孔86经由在室6的侧壁内部呈圆环状形成的缓冲空间87与气体排出管88连通地连接。气体排出管88与排气部190连接。另外，在气体排出管88的路径中途安装有阀89。在打开阀89时，热处理空间65的气体从气体排出孔86经由缓冲空间87向气体排出管88排出。此外，气体供给孔81及气体排出孔86可以沿着室6的周向设置有多个，也可以是狭缝状。另外，处理气体供给源85及排气部190可以是设置在热处理装置1上的机构，也可以是设置有热处理装置1的工厂的公用(Utility)机构。
另外，在搬运开口部66的前端也连接有排出热处理空间65内的气体的气体排出管191。气体排出管191经由阀192与排气部190连接。通过打开阀192来将室6内的气体经由搬运开口部66排出。
图2是表示保持部7的整体外观的立体图。保持部7具有底座环71、连接部72及基座74。底座环71、连接部72及基座74全都由石英形成。即，保持部7的整体由石英形成。
底座环71是圆环形状缺一部分的圆弧状的石英构件。该缺口部分用于防止下述的移载机构10的移载臂11和底座环71相互干渉。通过底座环71载置在凹部62的底面而被室6的壁面支撑(参照图1)。在底座环71的上表面沿着底座环71的圆环形状的周向立设有多个连接部72(在本实施方式中，立设有4个)。连接部72也是石英构件，通过熔接固定在底座环71上。
基座74被设置在底座环71上的4个连接部72支撑。图3是基座74的俯视图。图4是基座74的剖视图。基座74具备保持板75、引导环76及多根基板支撑销77。保持板75是由石英形成的大致圆形的平板状构件。保持板75的直径大于半导体晶片W的直径。即，保持板75具有大于半导体晶片W的平面尺寸。
在保持板75的上表面周缘部设置有引导环76。引导环76是内径大于半导体晶片W的直径的圆环形状的构件。例如，在半导体晶片W的直径为φ300mm的情况下，引导环76的内径为φ320mm。引导环76的内周面形成为从保持板75向上方扩展的锥形面。引导环76与保持板75同样由石英形成。引导环76可以熔接在保持板75的上表面，也可以用另行加工而成的销等固定在保持板75上。或者，也可以将保持板75和引导环76作为一体的构件进行加工。
保持板75的上表面中的比引导环76靠近内侧的区域为用于保持半导体晶片W的平面状的保持面75a。在保持板75的保持面75a上立设有多根基板支撑销77。在本实施方式中，沿着与保持面75a的外周圆(引导环76的内周圆)同心的圆周每隔30°立设有共计12根基板支撑销77。配置有12根基板支撑销77的圆的直径(相向的基板支撑销77之间的距离)小于半导体晶片W的直径，如果半导体晶片W的直径为φ300mm，则基板支撑销77的圆的直径为φ270mm～φ280mm(在本实施方式中的直径为φ280mm)。各个基板支撑销77由石英形成。多根基板支撑销77可以通过熔接设置在保持板75上，也可以与保持板75一体加工。
返回图2，立设在底座环71上的4个连接部72与基座74的保持板75的周缘部通过熔接固定。即，基座74和底座环71通过连接部72固定连接。通过这样的保持部7的底座环71被室6的壁面支撑，保持部7被安装在室6内。在保持部7安装在室6内的状态下，基座74的保持板75处于水平姿势(法线与铅垂方向一致的姿势)。即，保持板75的保持面75a成为水平面。
搬入到室6的半导体晶片W载置于安装在室6内的保持部7的基座74上并保持为水平姿势。此时，半导体晶片W被立设在保持板75上的12根基板支撑销77支撑而保持在基座74上。更严密地讲，12根基板支撑销77的上端部与半导体晶片W的下表面接触而支撑该半导体晶片W。12根基板支撑销77的高度(从基板支撑销77的上端到保持板75的保持面75a的距离)是均匀的，因此能够由12根基板支撑销77将半导体晶片W支撑为水平姿势。
另外，半导体晶片W被多根基板支撑销77支撑为与保持板75的保持面75a隔开规定的间隔。引导环76的厚度大于基板支撑销77的高度。因此，用引导环76来防止由多根基板支撑销77支撑的半导体晶片W的水平方向的错位。
另外，如图2及图3所示，在基座74的保持板75上，形成有上下贯通的开口部78。开口部78是为了使从由基座74保持的基板W的下表面辐射的辐射光(红外光)照射辐射温度计120(参照图1)而设置的。即，从由基座74保持的基板W的下表面辐射的光经由开口部78照射辐射温度计120，由另行设置的检测器来测量该基板W的温度。而且，在基座74的保持板75上贯穿设置有4个贯通孔79，所述贯通孔79供后述的移载机构10的升降销12贯穿以进行半导体晶片W的交接。在后面进一步详述由辐射温度计120进行的温度测量。
图5是移载机构10的俯视图。图6是移载机构10的侧视图。移载机构10具有两条移载臂11。移载臂11大致具有沿着圆环状的凹部62的圆弧形状。在各个移载臂11上立设有两根升降销12。各个移载臂11利用水平移动机构13能够转动。水平移动机构13能够使一对移载臂11在对保持部7移载半导体晶片W的移载动作位置(图5的实线位置)和与由保持部7保持的半导体晶片W在俯视时不重叠的退避位置(图5的双点划线位置)之间水平移动。作为水平移动机构13，可以利用各个马达分别转动各个移载臂11，也可以使用连杆机构并利用1个马达使一对移载臂11联动地转动。
另外，一对移载臂11利用升降机构14与水平移动机构13一起升降移动。升降机构14使一对移载臂11在移载动作位置上升时，共计四根升降销12通过贯穿设置在基座74上的贯通孔79(参照图2、图3)，并且升降销12的上端从基座74的上表面凸出。另一方面，升降机构14使一对移载臂11在移载动作位置下降，使升降销12从贯通孔79抽出，并且水平移动机构13使一对移载臂11以打开的方式移动时，各个移载臂11移动到退避位置。一对移载臂11的退避位置在保持部7的底座环71的正上方。由于底座环71载置于凹部62的底面，因此，移载臂11的退避位置在凹部62的内侧。另外，在设置有移载机构10的驱动部(水平移动机构13及升降机构14)的部位附近也设置有省略图示的排气机构，该排气机构使移载机构10的驱动部周边的环境气体向室6的外部排出。
返回到图1，设置在室6的上方的闪光加热部5在框体51的内侧具有由多根(在本实施方式为30根)氙气闪光灯FL构成的光源和以覆盖该光源的上方的方式设置的反射器52。另外，在闪光加热部5的框体51的底部安装有灯光辐射窗53。构成闪光加热部5的底部的灯光辐射窗53是由石英形成的板状的石英窗。通过将闪光加热部5设置在室6的上方，使得灯光辐射窗53与上侧室窗63相对。闪光灯FL从室6的上方经由灯光辐射窗53及上侧室窗63向热处理空间65照射闪光。
多个闪光灯FL都是具有长的圆筒形状的棒状灯，以各自的长度方向沿着由保持部7保持的半导体晶片W的主面(即沿着水平方向)相互平行的方式呈平面状地排列。由此，闪光灯FL排列所形成的平面也是水平面。
氙气闪光灯FL具有在内部封入氙气且在两端部配置有与电容器连接的阳极和阴极的棒状玻璃管(放电管)和在该玻璃管的外周面上附加设置的触发电极。由于氙气是电绝缘体，因此，即使在电容器内蓄积有电荷，在通常的状态下，在玻璃管内也不流通电流。然而，在向触发电极施加高电压而破坏绝缘的情况下，蓄积在电容器内的电流在玻璃管内瞬间地流通，因此时的氙气的原子或分子的激发而放出光。在这样的氙气闪光灯FL中，预先在电容器蓄积的静电能量变换为0.1毫秒到100毫秒这样极短的光脉冲，因此，与如卤素灯HL那样连续点亮的光源相比，具有能够照射极强的光的特征。即，闪光灯FL是在小于1秒的极短时间内瞬间发光的脉冲发光灯。此外，闪光灯FL的发光时间能够根据向闪光灯FL供给电力的灯电源的线圈常数来调整。
另外，反射器52以覆盖多个闪光灯FL整体的方式设置在多个闪光灯FL的上方。反射器52的基本功能是，将从多个闪光灯FL出射的闪光向热处理空间65侧反射。反射器52由铝合金板形成，其表面(面向闪光灯FL一侧的面)通过喷砂处理而被实施粗面化加工。
设置在室6的下方的卤素加热部4在框体41的内侧内置有多个(在本实施方式中内置有40个)卤素灯HL。卤素加热部4是多个卤素灯HL从室6的下方经由下侧室窗64向热处理空间65照射光来对半导体晶片W进行加热的光照射部。
图7是表示多个卤素灯HL的配置的俯视图。40个卤素灯HL分上下两层配置。在接近保持部7的上层配置有20个卤素灯HL，并且，在比上层远离保持部7的下层也配置有20个卤素灯HL。各个卤素灯HL都是具有长的圆筒形状的棒状灯。在上层和下层，20个卤素灯HL都以各个长度方向沿着由保持部7保持的半导体晶片W的主面(即沿着水平方向)相互平行的方式排列。由此，在上层和下层，卤素灯HL排列所形成的平面都成为水平面。
另外，如图7所示，在上层和下层，相比与由保持部7保持的半导体晶片W的中央部相向的区域，与周缘部相向的区域中的卤素灯HL的配置密度高。即，在上层和下层，相比灯排列的中央部，周缘部的卤素灯HL的配置间距短。因此，在由卤素加热部4照射的光进行加热时，能够向容易产生温度下降的半导体晶片W的周缘部照射更多的光量。
另外，上层的卤素灯HL的灯组和下层的卤素灯HL的灯组呈格子状交叉排列。即，以在上层配置的20个卤素灯HL的长度方向和在下层配置的20个卤素灯HL的长度方向相互正交的方式，配置共计40个卤素灯HL。
卤素灯HL是通过对配置在玻璃管内部的灯丝进行通电来使灯丝白炽化并使其发光的灯丝式光源。在玻璃管的内部封入有氮气或氩气等非活性气体中导入了微量的卤素元素(碘、溴等)的气体。通过导入卤素元素，能够抑制灯丝的折损，并且能够将灯丝的温度设定为高温。因此，卤素灯HL与通常的白炽灯相比，具有寿命长且能够连续照射强光的特性。即，卤素灯HL是至少1秒以上连续发光的连续点亮灯。另外，卤素灯HL因是棒状灯而寿命长，通过使卤素灯HL沿水平方向配置，向上方的半导体晶片W辐射的效率优异。
另外，在卤素加热部4的框体41内，两层卤素灯HL的下侧也设置有反射器43(图1)。反射器43将从多个卤素灯HL出射的光向热处理空间65侧反射。
如图1所示，在室6内设置有辐射温度计120，上述辐射温度计120接收从半导体晶片W辐射的红外光测量该半导体晶片W的温度。图8是示意性表示辐射温度计120的结构的图。辐射温度计120具有光学透镜系统21、滤光片22、检测器23、运算部24及存储部25。光学透镜系统21向检测器23聚光从外部入射到辐射温度计120的光。如果检测器23接收红外光，则产生与该红外光的能量相应的输出信号。作为检测器23，可以使用例如热电堆(thermopile)。
滤光片22是有选择地使具有规定的波长区域的光透过的光学滤光装置。在本实施方式中，设置有透过的波长区域互不相同的3个滤光片22a、22b、22c。从3个滤光片22a、22b、22c中选择任一滤光片，并将该选择的滤光片设置于光学透镜系统21和检测器23之间(在图8的例子中，选择滤光片22c并将其设置于光学透镜系统21和检测器23之间)。将滤光片22在光学透镜系统21和检测器23之间的规定位置的设置，可以通过作业人员手工操作来进行，也可以利用进退驱动机构自动进行。另外，也可以选择3个滤光片22a、22b、22c中的2个或3个滤光片，并将其设置于光学透镜系统21和检测器23之间。或者，也可以将3个滤光片22a、22b、22c全都设置于光学透镜系统21和检测器23之间。另外，在没必要特别区分3个滤光片22a、22b、22c时，统称为滤光片22。
运算部24基于检测器23的输出信号计算被测量物(在本实施方式中，测量物为半导体晶片W)的温度。辐射温度计的基本的测量原理利用表示温度和辐射能量之间的关系的斯忒藩-波尔兹曼(Stefan-Boltzman)定律及普朗克(Planck)定律，典型地，很多时候使用实际测量来自成为基准的黑体炉的辐射能量来制作的变换表。本实施方式的辐射温度计120也使用变换表26计算温度。即，在辐射温度计120接收到从设定成规定温度的黑体炉辐射的红外光时，存储来自检测器23的输出信号。通过将黑体炉的设定温度变化为几个级别，存储对应各个设定温度的来自检测器23的输出信号的电平来制作变换表26。
图10是表示变换表26的一例的图。变换表26直接表示检测器23的输出信号的电平和黑体的温度之间的相关关系。由于检测器23的输出信号的电平依赖向辐射温度计120入射的红外光的能量，因此可以说变换表26表示向辐射温度计120入射的红外光的能量和黑体的温度之间的相关关系。
由于实际的半导体晶片W不是黑体(辐射率ε＝1的完全辐射体)，因此辐射温度计120的运算部24基于半导体晶片W的辐射率和变换表26计算半导体晶片W的温度。
另外，在辐射温度计120中，根据检测器23的元件种类，规定有成为基准的测量波长区域。如本实施方式那样，将热电堆用作检测器23的情况下，测量波长区域为6μm～20μm。即，辐射温度计120基于入射光中波长为6μm～20μm的红外光的能量，计算半导体晶片W的温度。
另一方面，在本实施方式的辐射温度计120中设置有滤光片22。滤光片22有选择地使规定的波长区域的光透过，例如滤光片22c有选择地使波长为7μm～8μm的红外光透过(即，滤光片22c截止波长小于7μm且大于8μm的光)。使用在未设置滤光片22的状态，即测量波长区域为6μm～20μm的状态下制作的变换表26，用辐射温度计120在设置有滤光片22c的状态下测量温度时，因检测器23接收的红外光的波长区域变窄而产生测量误差。因此，在本实施方式中制作有多个变换表26。具体地，制作将各个滤光片22a、22b、22c分别设置于光学透镜系统21和检测器23之间的情况下的变换表26。例如，在设置滤光片22c来制作变换表26的情况下，制作测量波长区域为7μm～8μm的情况的变换表26。另外，还制作滤光片22a、22b、22c全都未设置于光学透镜系统21和检测器23之间的状态下的变换表26。制作的多个变换表26存储于辐射温度计120的存储部25。
另外，辐射温度计120与热处理装置1的控制部3电连接。控制部3控制设置在热处理装置1中的各种动作机构。作为控制部3的硬件的结构，与一般的计算机相同。即，控制部3具有进行各种运算处理的电路即CPU、存储基本程序的读取专用的存储器即ROM、存储各种信息的可自由读写的存储器即RAM以及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，来进行热处理装置1中的处理。
另外，控制部3与输入部32及显示部33连接。作为输入部32，可以采用键盘、鼠标等各种公知的输入设备。显示部33是例如设置于热处理装置1的外壁的液晶显示屏等显示面板。作为输入部32及显示部33，也可以采用具有输入和显示双功能的触摸屏。
除了上述结构以外，热处理装置1还具有各种冷却用结构，以防止在对半导体晶片W进行热处理时，因由卤素灯HL及闪光灯FL产生的热能导致卤素加热部4、闪光加热部5及室6的温度过度上升。例如，在室6的壁体上设置有水冷管(省略图示)。另外，卤素加热部4及闪光加热部5构成为在内部形成气流来进行排热的空冷结构。另外，还向上侧室窗63和灯光辐射窗53的间隙供给空气，冷却闪光加热部5及上侧室窗63。
接着，说明对半导体晶片W的处理顺序。图9是表示半导体晶片W的处理顺序的流程图。此处，成为处理对象的半导体晶片W是，作为栅极绝缘膜形成有高介电常数膜基板。热处理装置1向该半导体晶片W照射闪光来进行成膜后热处理(PDA：Post DepositionAnnealing)。以下说明的热处理装置1的处理顺序是控制部3控制热处理装置1的各个动作机构来进行的。
首先，向热处理装置1的室6搬入成为处理对象的半导体晶片W(步骤S1)。搬入半导体晶片W时，打开闸阀185使搬运开口部66开放，利用装置外部的搬运机械手经由搬运开口部66向室6内的热处理空间65搬入半导体晶片W。此时，也可以通过打开阀84向室6内持续供给氮气而从搬运开口部66流出氮气流，由此将装置外部的环境气体向流入室6内的流入抑制为最小。利用搬运机械手搬入的半导体晶片W进入到保持部7的正上方位置并停止。然后，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，升降销12穿过贯通孔79从基座74的上表面凸出，接受半导体晶片W。此时，升降销12上升到比基板支撑销77的上端位于上方的位置。
半导体晶片W载置在升降销12上后，搬运机械手从热处理空间65退出，并由闸阀185关闭搬运开口部66。然后，通过使一对移载臂11下降，半导体晶片W从移载机构10被交到保持部7的基座74上并从下方保持水平姿势。半导体晶片W由立设在保持板75上的多根基板支撑销77支撑并保持在基座74上。另外，半导体晶片W以其形成有高介电常膜的表面作为上表面的状态保持在保持部7上。在由多根基板支撑销77支撑的半导体晶片W的背面(与表面相反一侧的主面)和保持板75的保持面75a之间形成规定的间隔。下降到基座74的下方的一对移载臂11利用水平移动机构13退避到退避位置即凹部62的内侧。
另外，半导体晶片W容纳于室6内，由闸阀185封闭搬运开口部66而使热处理空间65成为密闭空间后，向室6内供给处理气体而在热处理空间62形成氨气环境(步骤S2)。具体地，打开阀84，从气体供给孔81向热处理空间65供给处理气体，并且打开阀89，从气体排出孔86排出室6内的气体。在本实施方式中，将氨气和氮气的混合气体作为处理气体供给到室6内的热处理空间65。从室6内的热处理空间65的上部供给的处理气体流向下方并从热处理空间65的下部排出，在室6内由保持部7保持的半导体晶片W的周边形成氨气环境。氨气环境中的氨气浓度(即，氨气和氮气的混合比)例如为10vol.％以下，在本实施方式中，氨气环境中的氨气浓度为约3.5vol.％。另外，形成于室6内的氨气环境并不限定于作为处理气体供给氨气和氮气的混合气体来形成，也可以根据处理内容将氨气的浓度设为100vol.％。另外，通过打开阀192，还从搬运开口部66排出室6内的气体。而且，利用省略图示的排气机构，还排出运载机构10的驱动部周边的环境气体。
如上所述，本实施方式的辐射温度计120将热电堆用作检测器23，其测量波长区域为6μm～20μm。另外，已知氨气吸收5μm～7μm和8μm～14μm波长区域的红外线。即，辐射温度计120的测量波长区域和氨气吸收波长区域一部分重叠，因此存在室6内的氨气阻碍辐射温度计120测量温度的问题。
因此，在本实施方式中，设置滤光片22来截止氨气吸收的波长区域的红外光。具体地，从多个滤光片22a、22b、22c中选择有选择地使波长7μm～8μm的红外光透过的滤光片22c，并将该滤光片22c设置于光学透镜系统21和检测器23之间(步骤S3)。波长7μm～8μm是氨气的吸收率极低的波长区域。即，通过设置滤光片22c，能够排除氨气吸收红外光带来的影响，由辐射温度计120测量半导体晶片W的温度。
但是，由于设置滤光片22c而辐射温度计120的测量波长区域变更为7μm～8μm，因此，如果不使用适合该测量波长区域的变换表26，则不能准确地测量温度。因此，检测到设置有滤光片22c的控制部3从多个变换表26中选择与滤光片22c对应的变换表26供辐射温度计120的运算部24(步骤S4)使用。与滤光片22c对应的变换表26是，将滤光片22c设置于光学透镜系统21和检测器23之间而制作的变换表。另外，控制部3向辐射温度计120的运算部24传送半导体晶片W的辐射率。控制部3能够从处理规程(描述有成为处理对象的半导体晶片W的处理顺序和条件)等中获取半导体晶片W的辐射率。
接着，将卤素加热部4的40个卤素灯HL一齐点亮，开始进行半导体晶片W的预热(辅助加热)(步骤S5)。从卤素灯HL出射的卤素光透过由石英形成的下侧室窗64和基座74，从半导体晶片W的背面照射。通过接受来自卤素灯HL的光照射，半导体晶片W被预热而温度上升。需要说明的是，由于移载机构10的移载臂11退避到凹部62的内侧，因此，不会妨碍卤素灯HL的加热。
在利用卤素灯HL进行预热时，由辐射温度计120测量半导体晶片W的温度(步骤S6)。即，辐射温度计120接收从由基座74保持的半导体晶片W的背面经由开口部78辐射的红外光来测量升温中的晶片温度。此时，从半导体晶片W辐射的红外光中的5μm～7μm和8μm～14μm波长区域的光被环境气体的氨气吸收，但是由于在光学透镜系统21和检测器23之间设置有有选择地使波长7μm～8μm的红外光透过的滤光片22c，因此辐射温度计120能够在不受氨气吸收带来的影响下，测量半导体晶片W的温度。另外，辐射温度计120的运算部24将半导体晶片W的辐射率适用到与滤光片22c对应的变换表26，从检测器23的输出信号求出半导体晶片W的温度，因此能够准确地测量半导体晶片W的温度。
由辐射温度计120测量出的半导体晶片W的温度被传送到控制部3。控制部3一边监控因来自卤素灯HL的光照射而升温的半导体晶片W的温度是否已达到规定的预热温度T1，一边控制卤素灯HL的输出。即，控制部3基于辐射温度计120的测量结果，反馈控制卤素灯HL的输出，以使半导体晶片W的温度达到预热温度T1(步骤S6、步骤S7)。由于辐射温度计120即使在吸收红外光的环境气体中也能够准确地测量半导体晶片W的温度，因此控制部3能够适当地控制卤素灯HL的输出。预热温度T1为300℃以上600℃以下，在本实施方式中，预热温度设为450℃。
在半导体晶片W的温度达到了预热温度T1后，控制部3将半导体晶片W暂时维持在该预热温度T1。具体地说，在由辐射温度计120测量的半导体晶片W的温度达到了预热温度T1的时刻，控制部3调整卤素灯HL的输出，将半导体晶片W的温度大致维持在预热温度T1。
通过利用这样的卤素灯HL进行预热，将包含高介电常数膜的半导体晶片W的整体均匀地升温到预热温度T1。在利用卤素灯HL进行预热的阶段，具有更容易散热的半导体晶片W的周缘部的温度比中央部温度低的趋势，但是，就卤素加热部4中的卤素灯HL的配置密度而言，相比于与半导体晶片W的中央部相对的区域，与周缘部相对的区域的配置密度更高，因此，向容易散热的半导体晶片W的周缘部照射的光量更多，从而能够使预热阶段的半导体晶片W的面内温度分布变得均匀。
接着，在半导体晶片W的温度达到预热温度T1后经过了规定时间的时刻，从闪光加热部5的闪光灯FL向半导体晶片W的表面照射闪光，由此执行闪光加热处理(步骤S8)。此时，从闪光灯FL辐射的闪光的一部分直接向室6内照射，其他部分一旦被反射器52反射后向室6内照射，通过上述的闪光的照射，进行半导体晶片W的闪光加热。
由于闪光加热是利用来自闪光灯FL的闪光照射来进行的，因此，能够以短时间使半导体晶片W的表面温度上升。即，从闪光灯FL照射的闪光是预先蓄积在电容器中的静电能量变换为极短的光脉冲的、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。然后，通过来自闪光灯FL的闪光照射进行闪光加热的半导体晶片W的表面温度瞬间上升到处理温度T2，从而进行形成于半导体晶片W的表面的高介电常数的成膜后热处理。因闪光照射而半导体晶片W的表面达到的最高温度(峰值温度)即处理温度T2为600℃以上1200℃以下，在本实施方式中该处理温度为1000℃。
当闪光灯FL的闪光照射结束时，半导体晶片W的表面温度从目标温度T2快速降温。然后，在闪光加热处理结束并经过了规定时间后熄灭卤素灯HL，由此半导体晶片W也从预热温度T1降温。在半导体晶片W的加热处理结束后，从处理气体供给源85仅供给氮气而使室6内置换成氮气环境。
降温中的半导体晶片W的温度由辐射温度计120测量，并将该测量结果传送到控制部3。此时，优选的是，卸下滤光片22c，并且使用滤光片22a、22b、22c全都不设置情况下的变换表26(即，测量波长区域为6μm～20μm时的变换表26)。控制部3基于辐射温度计120的测量结果，监控半导体晶片W的温度是否已降温到规定温度。然后，半导体晶片W的温度降温到规定温度以下后，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，升降销12从基座74的上表面凸出，从基座74接受热处理后的半导体晶片W。接着，打开被闸阀185关闭的搬运开口部66，载置在升降销12上的半导体晶片W被装置外部的搬运机械手搬出(步骤S9)，从而完成半导体晶片W在热处理装置1中的加热处理。
在本实施方式中，由于在室6内形成有吸收红外光的氨气环境，因此在光学透镜系统21和检测器23之间设置滤光片22c来排除氨气吸收红外光带来的影响，上述滤光片22c有选择地使不与氨气吸收的波长区域重叠的波长的红外光透过。然后，控制部3从多个变换表26选择与滤光片22c对应的变换表26，供辐射温度计120的运算部24使用。由此，辐射温度计120不管是否处于氨气环境，都能准确地测量半导体晶片W的温度，结果，能够适当地控制预热时的卤素灯HL的输出。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，需要说明的是，本发明只要不脱离其宗旨，除了上述的构成以外，能够进行各种变更。例如，在上述实施方式中，虽然在室6内形成有氨气环境，但是在形成有其他处理气体环境的情况下也能够适用本发明的技术，其他处理气体是指具有吸收至少与辐射温度计120的测量波长区域(6μm～20μm)的一部分重叠的波长区域的红外光的特性的气体。例如，即使在室6内作为环境气体形成一氧化二氮、硫化氢、一氧化氮的情况下，也能够适用本发明的技术。在使用这些处理气体的情况下，选择滤光片22并将其设置在光学透镜系统21和检测器23之间，该滤光片22有选择地使不与各个处理气体吸收的波长区域重叠且与辐射温度计120的测量波长区域的一部分重叠的波长区域的红外光透过。另外，关于对应各个处理气体的滤光片22，预先制作变换表26并存储于存储部25。然后，在室6内形成各个处理气体环境，并且将对应该处理气体的滤光片22设置在光学透镜系统21和检测器23之间时，控制部3从多个变换表26选择对应该滤光片22的变换表26供辐射温度计120的运算部24使用。由此，与上述实施方式同样地，即使在吸收红外光的处理气体环境中，辐射温度计120也能够准确地测量半导体晶片W的温度。
另外，在上述实施方式中设置了有选择地使不与氨气的吸收波长区域重叠的波长的红外光透过的滤光片22c，但是只要应用本发明的技术，就不用设置滤光片22也能够准确地测量半导体晶片W的温度。具体地，在使用黑体炉制作变换表26时，在与半导体晶片W的热处理时相同的氨气浓度(上述实施方式中氨气浓度为3.5vol.％)的氨气环境中，使黑体炉的设定温度变化并存储来自检测器23的输出信号的电平。这样，由于能够制作考虑了氨气吸收红外光的变换表26，因此不管是否处于氨气环境，即使在光学透镜系统21和检测器23之间不设置滤光片22的情况下，也能够准确地测量半导体晶片W的温度。
总之，不管是否设置滤光片22，只要根据形成于室6内的处理气体环境，从多个变换表26选择辐射温度计120所使用的变换表26即可。这样，即使在吸收红外光的处理气体环境中，也能够准确地测量半导体晶片W的温度。
另外，在上述各实施方式中闪光加热部5具有30个闪光灯FL，但并不限定于此，闪光灯FL的个数也可以是任意的数量。另外，闪光灯FL并不限定于氙气闪光灯，也可以是氪气闪光灯。另外，卤素加热部4所具有的卤素灯HL的个数也并不限定于40个，也可以是任意的数量。
另外，在上述实施方式中，在由卤素灯HL进行预热后从闪光灯FL向半导体晶片W照射闪光的热处理装置1中预热时的温度的测量中使用了本发明的技术，但是本发明的技术也可以适用于仅由卤素灯加热半导体晶片W的装置(例如，尖峰退火(Spike Anneal)装置、CVD装置等)、激光退火装置。

Claims (1)

1.一种热处理装置，其特征在于，通过向基板照射光来加热该基板，包括：
室，容纳基板；
光照射部，向容纳于上述室的上述基板照射光；
气体供给部，向上述室供给规定的处理气体而在上述基板的周边形成该处理气体环境；
辐射温度计，接收从上述基板辐射的红外光来测量上述基板的温度；
存储部，保存多个表示向上述辐射温度计入射的红外光的能量和黑体的温度之间的相关关系的变换表；
控制部，根据利用上述气体供给部形成于上述室内的处理气体环境，从多个上述变换表中选择上述辐射温度计所使用的变换表；以及
透过的波长区域不同的多个滤光片，
上述控制部根据利用上述气体供给部形成于上述室内的处理气体环境，从多个上述滤光片中选择上述辐射温度计所使用的滤光片。
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