CN109817550A - 热处理方法及热处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供能够通过简单结构迅速掌握闪光照射后的基板的动作的热处理方法以及热处理装置。向半导体晶片的表面照射来自闪光灯的闪光从而瞬间加热。通过上部辐射温度计(25)以及高速辐射温度计单元(90)测量照射闪光后的半导体晶片的表面的温度，将该温度数据依次存储，获取温度曲线。分析部(31)从该温度曲线中确定闪光照射后的半导体晶片的最高测量温度，并基于该最高测量温度计算半导体晶片从基座跳跃的跳跃量。在计算出的跳跃量超过规定的阈值的情况下，半导体晶片的位置发生较大偏移的可能性较高，因此停止搬出该半导体晶片。

Description

热处理方法及热处理装置
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”)照射闪光从而加热该基板的热处理方法以及热处理装置。
背景技术
在半导体设备的制造过程中，杂质导入是用于在半导体晶片内形成pn结的必要工序。当前，通常通过离子注入法以及此后的退火法来进行杂质导入。离子注入法是使硼(B)、砷(As)、磷(P)等杂质元素电离、并通过高加速电压与半导体晶片碰撞从而以物理方式进行杂质注入的技术。注入的杂质通过退火处理激活。此时，如果退火时间为几秒以上，则注入的杂质有时会由于热量而深度扩散，其结果，结合深度比所要求的深得多，可能难以形成良好的设备。
因此，作为在极短时间内加热半导体晶片的退火技术，近年来，闪光灯退火(FLA)受到关注。闪光灯退火是使用氙气闪光灯(下面，简称为“闪光灯”时指的是氙气闪光灯)向半导体晶片的表面照射闪光从而仅使注入有杂质的半导体晶片的表面在极短时间内(几毫秒以下)升温的热处理技术。
氙气闪光灯的辐射光谱分布从紫外区到近红外区，比现有卤素灯的波长短，与硅半导体晶片的基础吸收带大体一致。由此，当从氙气闪光灯向半导体晶片照射闪光时，能够以较少的透射光使半导体晶片急速升温。另外，还发现如果是几毫秒以下的极短时间的闪光照射，则能够选择性地仅使半导体晶片的表面附近升温。因此，如果使用氙气闪光灯进行极短时间的升温，则能够使杂质不深度扩散而仅将杂质激活。
在使用氙气闪光灯的热处理装置中，向半导体晶片的表面瞬间照射具有极高能量的闪光，因此，半导体晶片的表面温度会在一瞬间急速上升，而背面温度不会这样上升，从表面到背面产生温度梯度。因此，仅在半导体晶片的表面附近发生急剧热膨胀，半导体晶片以上表面弯曲成凸面的方式急剧变形。其结果，确认到下述现象：半导体晶片在支承该半导体晶片的基座上振动，从该基座上跳跃(例如，专利文献1、2)。
专利文献1：日本特开2013-168462号公报
专利文献2：日本特开2014-120497号公报
当半导体晶片激烈振动，从基座上以较大幅度跳跃并落下时，存在该半导体晶片发生破损的问题。另外，即使晶片不发生破损，一旦跳跃的半导体晶片落在基座上，半导体晶片也可能会相对于初始设定位置移动(偏离)。在半导体晶片较大地偏离初始设定位置的情况下会造成搬运事故，根据情况的不同，有时不仅会造成半导体晶片的破损，还会使传送机器人发生故障。
为了解决这些问题，需要一种监视闪光照射后的半导体晶片的动作的方法。例如，考虑下述方案：在收纳半导体晶片的腔室设置高速相机，拍摄观察闪光照射后的半导体晶片的动作。
但是，存在下述问题：这种高速相机需要高额费用，会导致装置成本上升，并且，对拍摄的图像进行分析是较为复杂的处理。另外，还需要在腔室中确保用于设置高速相机的空间。
发明内容
本发明就是鉴于上述问题提出的，其目的在于提供能够通过简单结构迅速掌握闪光照射后的基板的动作的热处理方法以及热处理装置。为了解决上述课题，技术方案1的发明是一种向基板照射闪光从而加热该基板的热处理方法，其特征在于，所述热处理方法包括：照射工序，在腔室内，从闪光灯向基座支承的基板的表面照射闪光；温度测量工序，至少测量在照射所述闪光后的所述基板的表面温度，获取温度曲线；以及分析工序，基于由所述温度测量工序获取的所述温度曲线，分析所述基板的动作。
另外，根据技术方案1的发明所述的热处理方法，技术方案2的发明的特征在于，在所述分析工序中，将当所述腔室内为基准压力时测量到的表面温度作为基准测量温度，基于测量作为处理对象的所述基板得到的表面温度与所述基准测量温度的差，分析所述基板的动作。
另外，根据技术方案1或2的发明所述的热处理方法，技术方案3的发明的特征在于，在所述分析工序中，计算所述基板从所述基座跳跃的跳跃量。
另外，根据技术方案3的发明所述的热处理方法，技术方案4的发明的特征在于，在由所述分析工序计算出的所述基板的跳跃量超过规定的阈值的情况下，停止从所述腔室搬运所述基板。
另外，技术方案5的发明是向基板照射闪光从而加热该基板的热处理装置，其特征在于，所述热处理装置具备：腔室，用于收纳基板；基座，在所述腔室内载置并支承所述基板；闪光灯，向所述基座支承的所述基板照射闪光；温度测量部，测量所述基板的表面温度；以及分析部，至少基于根据在照射所述闪光后由所述温度测量部测量到的所述基板的表面温度获取的温度曲线来分析所述基板的动作。
另外，根据技术方案5的发明所述的热处理装置，技术方案6的发明的特征在于，所述分析部将当所述腔室内为基准压力时测量到的表面温度作为基准测量温度，基于测量作为处理对象的所述基板得到的表面温度与所述基准测量温度的差来分析所述基板的动作。
另外，根据技术方案5或6的发明所述的热处理装置，技术方案7的发明的特征在于，所述分析部计算所述基板从所述基座跳跃的跳跃量。
另外，根据技术方案7的发明所述的热处理装置，技术方案8的发明的特征在于，所述热处理装置还具备控制部，所述控制部在所述分析部计算出的所述基板的跳跃量超过规定的阈值的情况下，停止从所述腔室搬运所述基板。
根据技术方案1至4的发明，至少基于测量照射闪光后的基板的表面温度获取的温度曲线来分析基板的动作，因此，无需使用昂贵的拍摄机构等，能够通过简单的结构迅速掌握闪光照射后的基板的动作。
特别是，根据技术方案4的发明，在计算出的基板的跳跃量超过规定的阈值的情况下停止从腔室搬运基板，因此，能够事先防止基板错位引起的搬运事故。
根据技术方案5至8的发明，至少基于根据在照射闪光后由温度测量部测量到的基板的表面温度获取的温度曲线来分析基板的动作，因此，无需使用昂贵的拍摄机构等，能够通过简单的结构迅速掌握闪光照射后的基板的动作。
特别是，根据技术方案8的发明，在分析部计算出的基板的跳跃量超过规定的阈值的情况下停止从腔室搬运基板，因此，能够事先防止基板错位导致的搬运事故。
附图说明
图1是表示本发明所涉及的热处理装置的结构的纵剖视图。
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是表示多个卤素灯的配置的俯视图。
图8是表示包含上部辐射温度计的温度测量机构的结构的框图。
图9是表示半导体晶片的处理顺序的流程图。
图10是表示闪光照射时半导体晶片的表面温度的温度曲线的一个例子的图。
图11是表示闪光照射后的半导体晶片的最高测量温度与跳跃量的相互关系的图。
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 腔室
7 保持部
10 移载机构
20 下部辐射温度计
25 上部辐射温度计
31 分析部
63 上侧腔室窗
64 下侧腔室窗
65 热处理空间
74 基座
75 保持板
77 基板支承销
90 高速辐射温度计单元
FL 闪光灯
HL 卤素灯
TR 搬送机器人
W 半导体晶片
具体实施方式
下面，参照附图，对本发明的实施方式进行详细说明。
图1是表示本发明所涉及的热处理装置1的结构的纵剖视图。图1的热处理装置1是对作为基板的圆板形状的半导体晶片W进行闪光照射从而加热该半导体晶片W的闪光灯退火装置。不特别限定作为处理对象的半导体晶片W的尺寸，但是，例如可以是(本实施方式中是)。搬入热处理装置1之前的半导体晶片W已注入杂质，通过由热处理装置1进行的加热处理，对注入的杂质执行激活处理。此外，对于图1以及此后的各图，为了易于理解，可以根据需要夸张或者简化各部分的尺寸、数量。
热处理装置1具备收纳半导体晶片W的腔室6、内置有多个闪光灯FL的闪光加热部5、以及内置有多个卤素灯HL的卤素加热部4。在腔室6的上侧设置有闪光加热部5，并且，在下侧设置有卤素加热部4。另外，热处理装置1在腔室6的内部具备将半导体晶片W保持为水平姿态的保持部7、以及在保持部7与装置外部之间传递半导体晶片W的移载机构10。并且，热处理装置1还具备控制部3，控制设置于卤素加热部4、闪光加热部5以及腔室6的各动作机构从而使其执行半导体晶片W的热处理。
腔室6构成为在筒状的腔室侧部61的上下安装有石英制成的腔室窗。腔室侧部61具有上下开口的大致筒状，在上侧开口安装上侧腔室窗63进行密封，在下侧开口安装下侧腔室窗64进行密封。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的部件，作为使从闪光加热部5射出的闪光透射到腔室6内的石英窗发挥作用。另外，构成腔室6的底部的下侧腔室窗64也是由石英形成的圆板形状的部件，作为使来自卤素加热部4的光透射到腔室6内的石英窗发挥作用。
另外，在腔室侧部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均形成为圆环状。上侧的反射环68从腔室侧部61的上侧嵌入安装。另一方面，下侧的反射环69从腔室侧部61的下侧嵌入并通过未图示的螺钉固定安装。即，反射环68、69均为可自由装卸地安装于腔室侧部61的部件。腔室6的内侧空间，即由上侧腔室窗63、下侧腔室窗64、腔室侧部61以及反射环68、69围成的空间被规定为热处理空间65。
由于在腔室侧部61安装有反射环68、69，因此在腔室6的内壁面形成凹部62。即，形成由腔室侧部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、以及反射环69的上端面围成的凹部62。凹部62在腔室6的内壁面沿水平方向形成为圆环状，围绕保持半导体晶片W的保持部7。腔室侧部61以及反射环68、69由强度以及耐热性优异的金属材料(例如，不锈钢)形成。
另外，在腔室侧部61中形成设置有用于将半导体晶片W相对于腔室6进行搬入以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开闭。搬运开口部66与凹部62的外周面连通连接。因此，当闸阀185开放搬运开口部66时，能够从搬运开口部66通过凹部62向热处理空间65搬入半导体晶片W以及从热处理空间65搬出半导体晶片W。另外，当闸阀185关闭搬运开口部66时，腔室6内的热处理空间65形成密闭空间。
并且，在腔室侧部61上贯穿设置有通孔61a以及通孔61b。通孔61a是用于将从后面所述的基座74保持的半导体晶片W的上表面辐射的红外线向上部辐射温度计25引导的圆筒状的孔。另一方面，通孔61b是用于将从半导体晶片W的下表面辐射的红外线向下部辐射温度计20引导的圆筒状的孔。通孔61a以及通孔61b相对于水平方向倾斜设置，使得其贯穿方向的轴与基座74保持的半导体晶片W的主面相交。在通孔61a的面向热处理空间65的一侧的端部安装有可透射上部辐射温度计25能够测量到的波长范围的红外线的、由氟化钙材料构成的透明窗26。上部辐射温度计25经由透明窗26接收从半导体晶片W的上表面辐射的红外线，根据该红外线的强度测量半导体晶片W的上表面的温度。另外，通孔61b的面向热处理空间65的一侧的端部安装有可透射下部辐射温度计20能够测量到的波长范围的红外线的、由氟化钡材料构成的透明窗21。下部辐射温度计20经由透明窗21接收从半导体晶片W的下表面辐射的红外线，根据该红外线的强度测量半导体晶片W的下表面的温度。
另外，在腔室6的内壁上部形成设置有向热处理空间65供给处理气体的气体供给孔81。气体供给孔81形成设置在比凹部62更靠近上侧的位置，可以设置于反射环68上。气体供给孔81经由在腔室6的侧壁内部形成为圆环状的缓冲空间82与气体供给管83连通连接。气体供给管83与处理气体供给源85连接。另外，在气体供给管83的路径中途安装有阀84。当开放阀84时，从处理气体供给源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向热处理空间65内供给。作为处理气体，可以使用例如氮气(N2)等非活性气体，或者氢气(H2)、氨气(NH3)等反应性气体，或者混合有上述气体的混合气体(本实施方式中是氮气)。
另一方面，在腔室6的内壁下部形成设置有将热处理空间65内的气体排出的气体排出孔86。气体排出孔86形成设置在比凹部62更靠近下侧的位置，可以设置于反射环69上。气体排出孔86经由在腔室6的侧壁内部形成为圆环状的缓冲空间87与气体排出管88连通连接。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。当开放阀89时，将热处理空间65的气体从气体排出孔86经过缓冲空间87向气体排出管88排出。如果关闭阀84停止向热处理空间65供给处理气体而开放阀89仅从热处理空间65排气，则腔室6内的热处理空间65可减压至小于大气压。此外，气体供给孔81以及气体排出孔86可以沿腔室6的周向设置多个，也可以呈狭缝状。另外，处理气体供给源85以及排气部190可以是设置于热处理装置1内的机构，也可以是设置有热处理装置1的工场的设备。
另外，在搬运开口部66的前端也连接有用于排出热处理空间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。通过开放阀192可经由搬运开口部66排出腔室6内的气体。
图2是表示保持部7的整体外观的立体图。保持部7构成为具备基座环71、连结部72以及基座74。基座环71、连结部72以及基座74均由石英形成。即，保持部7整体由石英形成。
基座环71是缺失圆环形状的一部分而形成为圆弧形状的石英部件。该缺失部分设置为用于防止后面所述的移载机构10的移载臂11与基座环71相互干扰。基座环71通过载置在凹部62的底面从而被支承在腔室6的壁面(参照图1)。在基座环71的上表面，沿其圆环形状的周向立设有多个连结部72(本实施方式中是4个)。连结部72也是石英部件，通过熔接固定于基座环71。
基座74被设置于基座环71的4个连结部72支承。图3是基座74的俯视图。另外，图4是基座74的剖视图。基座74具备保持板75、引导环76以及多个基板支承销77。保持板75是由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是具有比半导体晶片W的直径大的内径的圆环形状的部件。例如，在半导体晶片W的直径为的情况下，引导环76的内径为引导环76的内周形成为从保持板75向上方变宽的锥面。引导环76与保持板75同样地由石英形成。引导环76可以与保持板75的上表面熔接，也可以使用另行加工的销等固定于保持板75。或者，也可以将保持板75以及引导环76作为一体部件加工。
保持板75的上表面中的比引导环76更靠近内侧的区域形成有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上立设有多个基板支承销77。在本实施方式中，沿保持面75a的外周圆(引导环76的内周圆)的同心圆的圆周每30°立设有总计12个基板支承销77。配置有12个基板支承销77的圆周的直径(相对的基板支承销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的直径为则该圆周的直径为(本实施方式中是)。各个基板支承销77均由石英形成。多个基板支承销77可以通过与保持板75的上表面熔接的方式设置，也可以与保持板75一体加工而成。
回到图2，直立设置于基座环71的4个连结部72与基座74的保持板75的周缘部通过熔接而固定。即，基座74与基座环71通过连结部72固定连结。这样，将保持部7的基座环71被腔室6的壁面支承，从而保持部7安装于腔室6。在保持部7安装于腔室6的状态下，基座74的保持板75为水平姿态(法线与铅直方向一致的姿态)。即，保持板75的保持面75a为水平面。
将搬入腔室6的半导体晶片W以水平姿态被载置支承于在腔室6中安装的保持部7的基座74上。此时，半导体晶片W被在保持板75上立设的12个基板支承销77支承从而保持于基座74。更严格地讲，12个基板支承销77的上端部与半导体晶片W的下表面接触，支承该半导体晶片W。由于12个基板支承销77的高度(从基板支承销77的上端到保持板75的保持面75a的距离)相同，因此，能够通过12个基板支承销77将半导体晶片W保持为水平姿态。
另外，半导体晶片W被多个基板支承销77以与保持板75的保持面75a隔开规定的间隔的方式支承。与基板支承销77的高度相比，引导环76的厚度较大。由此，可通过引导环76来防止被多个基板支承销77支承的半导体晶片W在水平方向上错位。
另外，如图2以及图3所示，在基座74的保持板75上形成有上下贯穿的开口部78。开口部78设置为用于使下部辐射温度计20接收从半导体晶片W的下表面辐射的辐射光(红外线)。即，下部辐射温度计20经由开口部78以及安装于腔室侧部61的通孔61b的透明窗21接收从半导体晶片W的下表面辐射的光从而测量该半导体晶片W的温度。并且，在基座74的保持板75上贯穿设置有用于使后面所述的移载机构10的升降销12传递半导体晶片W的贯通的4个通孔79。
图5是移载机构10的俯视图。另外，图6是移载机构10的侧视图。移载机构10具备2个移载臂11。移载臂11沿大致圆环状的凹部62形成为圆弧形状。在各个移载臂11上立设有2个升降销12。移载臂11以及升降销12由石英形成。各移载臂11可由水平移动机构13转动。水平移动机构13使一对移载臂11在相对于保持部7移载半导体晶片W的移动动作位置(图5的实线位置)与俯视时不与保持部7保持的半导体晶片W重叠的退避位置(图5的双点划线位置)之间水平移动。水平移动机构13可以通过独立的电动机分别使各移载臂11转动，也可以使用连杆机构通过1个电动机使一对移载臂11连动转动。
另外，一对移载臂11还可以通过升降机构14与水平移动机构13一起升降移动。当升降机构14使一对移载臂11在移动动作位置上升时，总计4个升降销12通过贯穿设置于基座74的通孔79(参照图2、3)，升降销12的上端从基座74的上表面突出。另一方面，当升降机构14使一对移载臂11在移动动作位置下降，使升降销12从通孔79拔出，并且水平移动机构13使一对移载臂11以张开的方式移动时，各移载臂11移动至退避位置。一对移载臂11的退避位置位于保持部7的基座环71的正上方。由于基座环71载置在凹部62的底面，因此，移载臂11的退避位置位于凹部62的内侧。此外，在移载机构10的设置有驱动部(水平移动机构13以及升降机构14)的部位的附近，还设置有未图示的排气机构，构成为将移载机构10的驱动部周边的环境气体向腔室6的外部排出。
回到图1，设置在腔室6的上方的闪光加热部5构成为在框体51内侧具备由多个(本实施方式中是30个)氙气闪光灯FL构成的光源、以及以覆盖该光源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。闪光加热部5设置在腔室6的上方，因此，灯光辐射窗53与上侧腔室窗63彼此相对。闪光灯FL从腔室6的上方经由灯光辐射窗53以及上侧腔室窗63向热处理空间65照射闪光。
多个闪光灯FL分别是呈长条圆筒形状的棒状灯，以各自的长边方向沿保持部7所保持的半导体晶片W的主面(即，沿水平方向)彼此平行的方式排列为平面状。因此，通过排列闪光灯FL而形成的平面也是水平面。
氙气闪光灯FL具备内部封入有氙气且两端部设置有与电容器连接的阳极以及阴极的棒状的玻璃管(放电管)、以及增设在该玻璃管的外周面上的触发电极。氙气是电绝缘体，因此，即使在电容器上积累电荷，通常状态下玻璃管内也不会通电。但是，在对触发电极施加高电压而破坏绝缘的情况下，积累在电容器中的电力在玻璃管内瞬时流动，通过此时的氙原子或者分子的激励，进行放光。对于这种氙气闪光灯FL，预先积累在电容器中的静电能量被转换成0.1毫秒至100毫秒这种极短的光脉冲，因此，与卤素灯HL这种持续点亮的光源相比，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，可以根据为闪光灯FL供给电力的灯电源的线圈常数来调整闪光灯FL的发光时间。
另外，反射器52设置为整体覆盖多个闪光灯FL的上方。反射器52的基本功能是将从多个闪光灯FL射出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的一侧的表面)经过喷砂处理进行了粗糙化加工。
设置于腔室6的下方的卤素加热部4在框体41的内侧内置有多个(本实施方式中是40个)卤素灯HL。卤素加热部4作为光照射部，由多个卤素灯HL从腔室6的下方经由下侧腔室窗64向热处理空间65进行光照射从而加热半导体晶片W。
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。在距离保持部7较近的上层配置有20个卤素灯HL，并且，在相对于上层而距离保持部7较远的下层也配置有20个卤素灯HL。各卤素灯HL是呈长条圆筒形状的棒状灯。上下层的20个卤素灯HL均以各自的长边方向沿保持部7所保持的半导体晶片W的主面(即，沿水平方向)彼此平行的方式排列。由此，通过在上下层排列卤素灯HL而形成的平面也是水平面。
另外，如图7所示，在上下层中，与保持部7保持的半导体晶片W的周缘部相对的区域的卤素灯HL的配置密度比与中央部相对的区域高。即，上下层中，与排列有灯的中央部相比，排列有灯的周缘部的卤素灯HL的配置间距较短。因此，在通过来自卤素加热部4的光照射进行加热时，能够向温度容易降低的半导体晶片W的周缘部照射更多的光量。
另外，由上层的卤素灯HL构成的灯组与由下层的卤素灯HL构成的灯组以交叉为格子状的方式排列。即，以配置在上层的20个卤素灯HL的长边方向与配置在下层的20个卤素灯HL的长边方向彼此正交的方式配置有共计40个卤素灯HL。
卤素灯HL是通过对配置于玻璃管内部的灯丝通电使灯丝白热化从而发光的灯丝式光源。在玻璃管的内部封入有对氮气、氩气等非活性气体微量导入有卤素元素(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将灯丝的温度设定为高温。由此，与通常的白炽灯泡相比，卤素灯HL具有寿命较长且能够持续照射强光的特性。即，卤素灯HL是至少可持续发光1秒以上的持续点亮灯。另外，由于卤素灯HL是棒状灯，因此具有较长寿命，通过将卤素灯HL沿水平方向配置，可使针对上方的半导体晶片W的辐射效率优异。
另外，在卤素加热部4的框体41内，在两层卤素灯HL的下侧还设置有反射器43(图1)。反射器43将从多个卤素灯HL射出的光向热处理空间65侧反射。
控制部3控制设置于热处理装置1的上述各种动作机构。作为控制部3的硬件结构，可以与通常的计算机相同。即，控制部3具备进行各种运算处理的电路即CPU、存储基本程序的只读存储器即ROM、存储各种信息的可读写存储器即RAM、以及预先存储控制用软件、数据等的磁盘34(图8)。控制部3的CPU执行规定的处理程序从而进行热处理装置1的处理。
另外，如图1所示，热处理装置1具备上部辐射温度计25以及下部辐射温度计20。上部辐射温度计25是用于测量在闪光灯FL照射闪光的瞬间半导体晶片W的上表面的急剧温度变化的高速辐射温度计。
图8是表示包含上部辐射温度计25的温度测量机构的结构的框图。上部辐射温度计25以其光轴与通孔61a的贯穿方向的轴一致的方式沿斜向倾斜安装于腔室侧部61的外壁面。上部辐射温度计25经由氟化钙的透明窗26接收从基座74所保持的半导体晶片W的上表面辐射的红外线。上部辐射温度计25具备InSb(锑化铟)光学元件，其可测量波长范围是5μm～6.5μm。氟化钙的透明窗26选择性透射上部辐射温度计25的可测量波长范围的红外线。InSb光学元件可根据接收的红外线的强度来改变电阻。具备InSb光学元件的上部辐射温度计25响应时间极短，能够进行采样间隔非常短(例如，大约40微秒)的高速测量。上部辐射温度计25与高速辐射温度计单元90电连接，向高速辐射温度计单元90传输通过响应受光而生成的信号。
高速辐射温度计单元90具备放大电路、A/D转换器等(均未图示)，对从上部辐射温度计25传输来的信号进行规定的运算处理从而转换为温度。通过高速辐射温度计单元90求出的温度是半导体晶片W的上表面的温度。在本实施方式中，通过上部辐射温度计25以及高速辐射温度计单元90来构成用于测量半导体晶片W的表面温度的温度测量部。此外，下部辐射温度计20也具备与上部辐射温度计25大致相同的结构，但是，可以不对应高速测量。
如图8所示，高速辐射温度计单元90与作为热处理装置1的整体控制器的控制部3电连接。通过高速辐射温度计单元90求出的半导体晶片W的上表面的温度向控制部3传输。控制部3将从高速辐射温度计单元90传输来的温度数据存储至磁盘34。控制部3将上部辐射温度计25以及高速辐射温度计单元90以规定间隔采样得到的温度数据依次存储在磁盘34，从而可获得表示半导体晶片W的上表面的温度随时间变化的温度曲线。
另外，控制部3具备分析部31。分析部31是通过控制部3的CPU执行规定的处理程序而实现的功能处理部。后面说明该分析部31的处理内容。
另外，控制部3连接有显示部35。显示部35是设置于例如热处理装置1的外壁的液晶显示器等显示面板。控制部3在显示部35显示各种信息。并且，控制部3控制相对于腔室6进行半导体晶片W的搬入以及搬出的搬送机器人TR。
除了上述结构以外，热处理装置1还具备各种用于冷却的构造，用于防止在进行半导体晶片W的热处理时由从卤素灯HL以及闪光灯FL产生的热能使卤素加热部4、闪光加热部5以及腔室6的温度过度上升。例如，在腔室6的壁体上设置有水冷管(未图示)。另外，卤素加热部4以及闪光加热部5构成为在内部形成气体流来排热的空气冷却构造。另外，还可以向上侧腔室窗63与灯光辐射窗53之间的间隙供给空气，冷却闪光加热部5以及上侧腔室窗63。
下面，说明热处理装置1的半导体晶片W的处理步骤。图9是表示半导体晶片W的处理顺序的流程图。其中，作为处理对象的半导体晶片W是通过离子注入法添加有杂质(离子)的半导体基板。通过热处理装置1的闪光照射加热处理(退火)来实施其杂质的激活。通过控制部3控制热处理装置1的各个动作机构来进行下面说明的热处理装置1的处理顺序。
首先，开放用于供气的阀84，并且，开放用于排气的阀89、192，开始对腔室6内进行供气、排气。当开放阀84时，从气体供给孔81向热处理空间65供给氮气。另外，当开放阀89时，则从气体排出孔86排出腔室6内的气体。由此，从腔室6内的热处理空间65的上部供给的氮气向下方流动，从热处理空间65的下部排出。
另外，通过开放阀192，从搬运开口部66排出腔室6内的气体。并且，还可以通过未图示的排气机构排出移载机构10的驱动部周边的环境气体。此外，在进行热处理装置1的半导体晶片W的热处理时，氮气持续向热处理空间65供给，可以根据处理工序适当变更其供给量。
然后，打开闸阀185开放搬运开口部66，由搬送机器人TR(参照图8)经由搬运开口部66将作为处理对象的半导体晶片W搬入腔室6内的热处理空间65(步骤S1)。此时，随着搬入半导体晶片W，可能卷入装置外部的环境气体，但是，由于腔室6中持续供给氮气，因此从搬运开口部66流出氮气，能够将这种外部环境气体的卷入抑制为最低程度。
由搬送机器人TR搬入的半导体晶片W到达保持部7的正上方位置后停止。然后，移载机构10的一对移载臂11从退避位置向移动动作位置沿水平方向移动并上升，升降销12通过通孔79从基座74的保持板75的上表面突出，获取半导体晶片W。此时，升降销12上升到比基板支承销77的上端更靠近上方的位置。
将半导体晶片W载置到升降销12后，搬送机器人TR从热处理空间65退出，通过闸阀185关闭搬运开口部66。然后，一对移载臂11下降，半导体晶片W从移载机构10被传递至保持部7的基座74，从下方被保持为水平姿态。半导体晶片W通过立设在保持板75上的多个基板支承销77支承从而被基座74保持。另外，半导体晶片W将进行图案形成、注入杂质的表面作为上表面而保持在保持部7。在通过多个基板支承销77支承的半导体晶片W的背面(与表面相反一侧的主面)与保持板75的保持面75a之间形成规定的间隔。下降至基座74的下方的一对移载臂11通过水平移动机构13退避到退避位置，即凹部62的内侧。
在通过石英形成的保持部7的基座74从下方将半导体晶片W支承为水平姿态后，卤素加热部4的40个卤素灯HL同时点亮开始预热(辅助加热)(步骤S2)。从卤素灯HL射出的卤素光透射由石英形成的下侧腔室窗64以及基座74而向半导体晶片W的下表面照射。通过接受来自卤素灯HL的光照射可以使半导体晶片W预热，温度上升。此外，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进行加热。
在卤素灯HL进行预热时，通过下部辐射温度计20测量半导体晶片W的温度。即，下部辐射温度计20通过透明窗21接收从基座74所保持的半导体晶片W的下表面经由开口部78辐射的红外线，测量升温中的晶片温度。将测量到的半导体晶片W的温度传输给控制部3。控制部3监视通过来自卤素灯HL的光照射而升温的半导体晶片W的温度是否达到规定的预热温度T1，并且，控制卤素灯HL的输出。即，控制部3基于下部辐射温度计20的测量值，以半导体晶片W的温度成为预热温度T1的方式对卤素灯HL的输出进行反馈控制。如上所述，下部辐射温度计20是用于控制预热时的半导体晶片W的温度的辐射温度计。可将预热温度T1设置为半导体晶片W中添加的杂质不会因热量扩散的200℃至800℃左右，优选350℃至600℃左右(本实施方式中是600℃)。
在半导体晶片W的温度达到预热温度T1后，控制部3将半导体晶片W暂时维持在该预热温度T1。具体来讲，在通过下部辐射温度计20测量的半导体晶片W的温度达到预热温度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。
通过这种卤素灯HL的预热，半导体晶片W整体均匀升温至预热温度T1。在卤素灯HL的预热阶段，存在易于散热的半导体晶片W的周缘部的温度低于中央部的倾向，但是，对于卤素加热部4中的卤素灯HL的配置密度，与半导体晶片W的中央部相对的区域相比，与周缘部相对的区域的密度较高。因此，向易于散热的半导体晶片W的周缘部照射的光量较多，使得预热阶段的半导体晶片W的面内温度分布均匀。
在半导体晶片W的温度达到预热温度T1后，在进行来自闪光灯FL的闪光照射前(例如，数十微秒前)，通过上部辐射温度计25开始测量半导体晶片W的表面温度(步骤S3)。从被加热的半导体晶片W的表面辐射与该温度对应的强度的红外线。通过上部辐射温度计25接收从半导体晶片W的表面辐射并透射透明窗26的红外线。
上部辐射温度计25接收从被加热的半导体晶片W的表面辐射的红外线，高速辐射温度计单元90根据该红外线的强度测量半导体晶片W的表面温度。上部辐射温度计25是使用InSb光学元件的高速辐射温度计，高速辐射温度计单元90以40微秒的极短采样间隔测量半导体晶片W的表面温度。然后，高速辐射温度计单元90将以规定间隔测量到的半导体晶片W的表面温度的数据依次传输给控制部3。
另外，在半导体晶片W的温度达到预热温度T1后经过规定时间的时刻，闪光加热部5的闪光灯FL向基座74支承的半导体晶片W的表面进行闪光照射(步骤S4)。此时，从闪光灯FL辐射的闪光的一部分直接照向腔室6内，另一部分则通过反射器52反射后照向腔室6内，通过这些闪光的照射来进行半导体晶片W的闪光加热。
通过来自闪光灯FL的闪光(flash light)照射进行闪光加热，因此，能够使半导体晶片W的表面温度在短时间内上升。即，从闪光灯FL照射的闪光是使预先累积在电容器中的静电能量转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。因此，通过来自闪光灯FL的闪光照射，闪光加热的半导体晶片W的表面温度瞬间上升至1000℃以上的处理温度T2，在注入到半导体晶片W中的杂质被激活后，表面温度急速下降。如上所述，由于热处理装置1能够使半导体晶片W的表面温度在极短时间内升降，因此，能够抑制注入到半导体晶片W中的杂质由于热量而扩散，并且能够进行杂质的激活。此外，由于杂质激活所需的时间与其热扩散所需的时间相比极短，因此，能够在0.1毫秒至100毫秒左右未发生扩散的短时间内完成激活。
在通过闪光加热使半导体晶片W的表面温度急速上升、下降时，也可以通过上部辐射温度计25以及高速辐射温度计单元90测量其表面温度。由于上部辐射温度计25以及高速辐射温度计单元90以40微秒的极短的采样间隔测量半导体晶片W的表面温度，因此，即使闪光照射时半导体晶片W的表面温度急剧变化，也能够追踪其变化。例如，即使半导体晶片W的表面温度在4毫秒内升温、降温，高速辐射温度计单元90也能够在该期间获取100个点的温度数据。上部辐射温度计25以及高速辐射温度计单元90在闪光灯FL照射闪光后的预设的规定期间(例如，120毫秒)，测量半导体晶片W的表面温度并将温度数据传输给控制部3。并且，通过将从高速辐射温度计单元90传输来的温度数据依次存储在磁盘34中，获取表示遍及闪光照射前后的半导体晶片W的表面的温度随时间变化的温度曲线(步骤S5)。
图10是表示闪光照射时半导体晶片W的表面温度的温度曲线的一个例子的图。在时刻t0闪光灯FL发光，向半导体晶片W的表面照射闪光，半导体晶片W的表面温度瞬间从预热温度T1上升至处理温度T2，此后急速下降。然后，如图10所示，半导体晶片W的表面的测量温度以微小振幅变动。认为发生这种测量温度的微小变动是由于在闪光照射后基座74上的半导体晶片W振动或者跳跃所引起的。即，由于在进行闪光照射时，使照射时间极短、具有较高能量的闪光向半导体晶片W的表面照射，因此，半导体晶片W的表面的温度瞬间上升至1000℃以上的处理温度T2，另一方面，在该瞬间，背面的温度并未从预热温度T1上升如此之多。由此，由于仅在半导体晶片W的表面发生急剧的热膨胀，而背面几乎没有发生热膨胀，因此，半导体晶片W以表面凸出的方式瞬间弯曲。然后，在下一个瞬间，半导体晶片W以该弯曲进行复原的方式变形，重复这种动作导致半导体晶片W在基座74上振动。另外，当振动较大时，半导体晶片W有时也会从基座74上跳跃。
由于上部辐射温度计25设置在半导体晶片W的斜上方(参照图1)，因此，当半导体晶片W振动或者跳跃时，从上部辐射温度计25检测到的晶片表面的表象的辐射率发生变动，其结果，上部辐射温度计25的测量温度微小变动。需要说明的是，是由半导体晶片W的振动或者跳跃引起上部辐射温度计25的测量温度变动，但是，半导体晶片W的实际的表面温度并未发生变动。
在获得图10的温度曲线后，控制部3的分析部31基于该温度曲线分析闪光照射后的半导体晶片W的动作。具体来讲，首先，分析部31从温度曲线中确定闪光照射后的最高测量温度Tm(步骤S6)。温度曲线整体中的最高测量温度是通过闪光照射使半导体晶片W的表面达到的处理温度T2，但是，分析部31确定温度曲线中的从闪光灯FL发光的时刻t0经过规定时间的时刻t1之后的最高测量温度Tm。从时刻t0到时刻t1的上述规定时间例如设定为20毫秒。分析部31将从闪光灯FL发光的时刻t0到20毫秒间的分析范围除外，从温度曲线的时刻t1以后的范围中确定最高测量温度Tm。闪光灯FL发光后经过20毫秒的期间中，半导体晶片W的表面温度瞬间升温至处理温度T2，然后降温至预热温度T1附近。即，分析部31将闪光照射引起的半导体晶片W的表面的实质性的升温除外，在闪光照射后的半导体晶片W的表面降温至预热温度T1附近后的发生变动的范围内确定最高测量温度Tm。
定性地讲，如果卤素灯HL与闪光灯FL的发光条件相同，并且预热温度T1与处理温度T2相同，则最高测量温度Tm越高，半导体晶片W越是激烈地振动、跳跃。图11是表示闪光照射后的半导体晶片W的最高测量温度Tm与跳跃量(跃起量)的相互关系的图。图11所示内容的前提是卤素灯HL与闪光灯FL的发光条件相同，并且预热温度T1与处理温度T2相同。
如图11所示，闪光照射后的时刻t1之后的最高测量温度Tm越高，半导体晶片W从基座74跳跃的跳跃量就越大。此外，无论卤素灯HL与闪光灯FL的发光条件是否相同，典型地，半导体晶片W的跳跃量产生差异是由腔室6内的压力不同引起的。即使卤素灯HL与闪光灯FL的发光条件相同，腔室6内的压力越低，半导体晶片W的跳跃量就越大，最高测量温度Tm也越高。认为发生这种情况是由于腔室6内的压力越低，抑制半导体晶片W的跳跃的力就越弱。
如果将腔室6内为基准压力(例如，大致为常压100000Pa)时的半导体晶片W的最高测量温度Tm作为基准测量温度Ts，则作为处理对象的半导体晶片W的最高测量温度Tm与基准测量温度Ts的差ΔT与该半导体晶片W的跳跃量具有线性相关关系。因此，在本实施方式中，分析部31在确定作为处理对象的半导体晶片W的最高测量温度Tm后，计算该最高测量温度Tm与基准测量温度Ts的差ΔT(步骤S7)。然后，分析部31基于该差ΔT计算半导体晶片W从基座74跳跃的跳跃量(步骤S8)。具体来讲，生成表示根据例如图11所示的相关关系导出的差ΔT与半导体晶片W的跳跃量的相互关系的表格，存储到控制部3的存储部(例如，磁盘34)内，控制部3根据该表格求出半导体晶片W的跳跃量。
然后，进入步骤S9，判定分析部31计算出的半导体晶片W的跳跃量是否超过规定的阈值。在半导体晶片W的跳跃量为规定的阈值以下的情况下，进入步骤S10，进行半导体晶片W的搬出处理。具体来讲，结束闪光加热处理后，在经过规定时间后，将卤素灯HL熄灭。由此，半导体晶片W从预热温度T1急速降温。通过下部辐射温度计20测量降温中的半导体晶片W的温度，并将其测量结果传输给控制部3。控制部3根据下部辐射温度计20的测量结果，监视半导体晶片W的温度是否降温至规定温度。然后，在半导体晶片W的温度下降至规定温度以下后，移载机构10的一对移载臂11再次从退避位置向移动动作位置水平移动并上升，由此，升降销12从基座74的上表面突出，从基座74获取热处理后的半导体晶片W。然后，通过闸阀185将关闭的搬运开口部66开放，通过搬送机器人TR搬出载置在升降销12上的半导体晶片W，完成热处理装置1的半导体晶片W的加热处理。
另一方面，在半导体晶片W的跳跃量超过规定的阈值的情况下，进入步骤S11，控制部3停止从腔室6搬出半导体晶片W。闪光照射后，半导体晶片W跳跃并落到基座74时，半导体晶片W的位置大多偏离原本的设定位置(半导体晶片W被搬入腔室6内支承在基座74时的初始位置)。对于该偏移量，半导体晶片W的跳跃量越大，偏移量越多。在半导体晶片W偏离原本的设定位置例如15mm以上的情况下，搬送机器人TR无法正确保持并搬出半导体晶片W，根据情况，有时会使搬送机器人TR自身发生故障。因此，在半导体晶片W的跳跃量超过规定的阈值的情况下，控制部3停止半导体晶片W的搬出处理，由此，可以防止搬运事故于未然，防止半导体晶片W以及搬送机器人TR发生损伤。另外，在半导体晶片W的跳跃量超过规定的阈值的情况下，控制部3也可以使显示部35等发出警报。此外，如果半导体晶片W的跳跃量为规定的阈值以下，则半导体晶片W的偏移量也较少，位于搬送机器人TR的容许范围内，因此可以进行如上所述的步骤S10的搬出处理。
在本实施方式中，测量照射闪光后的半导体晶片W的表面的温度，获取温度曲线，从该温度曲线中确定闪光照射后的半导体晶片W的最高测量温度Tm。并且，基于当腔室6内为基准压力时的基准测量温度Ts与最高测量温度Tm的差ΔT来计算半导体晶片W的跳跃量。
用于测量半导体晶片W的表面的温度的上部辐射温度计25以及高速辐射温度计单元90最初是为了测量闪光照射时的半导体晶片W的表面达到温度(本实施方式中的处理温度T2)而设置的。即，可利用用于测量半导体晶片W的表面达到温度的机构来计算半导体晶片W的跳跃量。由此，无需在热处理装置1中确保用于另行设置上部辐射温度计25以及高速辐射温度计单元90的新的空间，并且，与高速相机等相比，辐射温度计是廉价的测量机器。并且，分析上述温度曲线与分析高速相机的图像数据相比，显然比较简单，能够在短时间内进行。因此，根据本发明所涉及的技术，能够通过简单的结构迅速掌握闪光照射后的半导体晶片W的动作。
上面说明了本发明的实施方式，但是，本发明能够在不脱离其主旨的范围内进行上述内容以外的各种变更。例如，在上述实施方式中，计算跳跃量作为半导体晶片W的动作，但不限于此，分析部31也可以根据温度曲线计算其他指标。在闪光照射后半导体晶片W没有倾斜而仍然以大致水平姿态从基座74跳跃的情况下，半导体晶片W的振动的周期以及振幅与温度曲线上的测量温度的变动的周期以及振幅连动。因此，在该情况下，分析部31也可以根据温度曲线中出现的测量温度的变动的周期以及振幅来求出半导体晶片W的振动的周期以及振幅。
另外，在上述实施方式中，在进行来自闪光灯FL的闪光照射前，通过上部辐射温度计25开始测量半导体晶片W的表面温度，但是，也可以在卤素灯HL开始预热之前通过上部辐射温度计25开始测量，还可以在闪光灯FL的发光的同时通过上部辐射温度计25开始测量。总而言之，只要通过上部辐射温度计25至少测量从闪光灯FL照射闪光后的半导体晶片W的温度并获取温度曲线即可。
另外，在上述实施方式，闪光加热部5具备30个闪光灯FL，但不限于此，闪光灯FL的个数可以是任意数量。另外，闪光灯FL不限于氙气闪光灯，也可以是氪闪光灯。另外，卤素加热部4具备的卤素灯HL的个数也不限于40个，可以是任意数量。
另外，在上述实施方式中，使用灯丝式的卤素灯HL作为持续发光1秒以上的持续点亮灯来进行半导体晶片W的预热，但不限于此，也可以取代卤素灯HL而使用放电型的弧光灯作为持续点亮灯进行预热。或者，还可以将保持半导体晶片W的基座载置在加热板上，通过来自该加热板的热传导将半导体晶片W预热。
另外，作为热处理装置1的处理对象的基板不限于半导体晶片，也可以是用于液晶显示装置等平板显示器的玻璃基板、太阳能电池用基板。另外，本发明的技术也可用于高介电常数栅极绝缘膜(High-k膜)的热处理、金属与硅的接合、或者多晶硅的结晶。

Claims (8)

1.一种热处理方法，通过向基板照射闪光来加热该基板，其特征在于，所述热处理方法包括：
照射工序，从闪光灯向在腔室内被基座支承的基板的表面照射闪光；
温度测量工序，测量至少在被照射所述闪光后的所述基板的表面温度并获取温度曲线；以及
分析工序，基于通过所述温度测量工序获取的所述温度曲线，分析所述基板的动作。
2.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，
在所述分析工序中，将在所述腔室内为基准压力时测量到的表面温度作为基准测量温度，基于测量作为处理对象的所述基板得到的表面温度与所述基准测量温度之差来分析所述基板的动作。
3.根据权利要求1或2所述的热处理方法，其特征在于，
在所述分析工序中，计算所述基板从所述基座跳跃的跳跃量。
4.根据权利要求3所述的热处理方法，其特征在于，
在由所述分析工序计算出的所述基板的跳跃量超过规定的阈值的情况下，停止从所述腔室搬运所述基板。
5.一种热处理装置，通过向基板照射闪光来加热该基板，其特征在于，所述热处理装置具备：
腔室，用于收纳基板；
基座，在所述腔室内载置并支承所述基板；
闪光灯，向被所述基座支承的所述基板照射闪光；
温度测量部，测量所述基板的表面温度；以及
分析部，基于温度曲线来分析所述基板的动作，所述温度曲线是根据至少在被照射所述闪光后由所述温度测量部测量到的所述基板的表面温度获取的曲线。
6.根据权利要求5所述的热处理装置，其特征在于，
所述分析部将在所述腔室内为基准压力时测量到的表面温度作为基准测量温度，基于测量作为处理对象的所述基板得到的表面温度与所述基准测量温度之差来分析所述基板的动作。
7.根据权利要求5或6所述的热处理装置，其特征在于，
所述分析部计算所述基板从所述基座跳跃的跳跃量。
8.根据权利要求7所述的热处理装置，其特征在于，
所述热处理装置还具备控制部，
所述控制部在所述分析部计算出的所述基板的跳跃量超过规定的阈值的情况下，停止从所述腔室搬运所述基板。
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