CN112349587B - 热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够准确地测定衬底的正面温度的热处理方法。对半导体晶圆，通过卤素灯进行预加热后，通过来自闪光灯的闪光照射进行加热。即将进行闪光照射之前的半导体晶圆的温度由下部放射温度计测定。因为下部放射温度计对半导体晶圆的接收角为60°以上89°以下，所以无论成膜在半导体晶圆背面的膜的种类如何，下部放射温度计都能够准确地测定半导体晶圆的背面的温度。在闪光照射时，半导体晶圆的正面的上升温度由上部放射温度计测定。将通过下部放射温度计测定的半导体晶圆的背面温度与通过上部放射温度计测定的闪光照射时的半导体晶圆的正面的上升温度相加，而计算出半导体晶圆的正面温度。

Description

热处理方法
技术领域
本发明涉及一种热处理方法，它是通过对背面形成有膜的半导体晶圆等薄板状精密电子衬底(以下，简称为“衬底”)照射闪光而对该衬底进行加热。
背景技术
半导体元件的制造工艺中，在极短时间内对半导体晶圆进行加热的闪光灯退火(FLA)受到瞩目。闪光灯退火是一种热处理技术，它是通过使用氙气闪光灯(以下，简称“闪光灯”时，意指氙气闪光灯)对半导体晶圆的正面照射闪光而在极短时间内(几毫秒以下)仅使半导体晶圆的正面升温。
氙气闪光灯的放射光谱分布是紫外线区域到近红外线区域，波长短于以往的卤素灯，与硅的半导体晶圆的基础吸收带大体一致。由此，在从氙气闪光灯向半导体晶圆照射闪光时，透射光较少，从而能够使半导体晶圆急速升温。另外，也已判明：如果是几毫秒以下的极短时间的闪光照射，那么能够选择性地仅使半导体晶圆的正面附近升温。
这种闪光灯退火用于需要在极短时间内进行加热的处理，例如，典型的有注入半导体晶圆中的杂质的活化。如果从闪光灯向通过离子注入法注入有杂质的半导体晶圆的正面照射闪光，那么能够在极短时间内使该半导体晶圆的正面升温到活化温度，能够不使杂质深度扩散而仅执行杂质活化。
在半导体晶圆的热处理中，除闪光灯退火以外，晶圆温度的管理也较重要。在专利文献1、2中，揭示有一种技术，它是在作为处理对象的半导体晶圆的斜上方及斜下方设置放射温度计，接收从半导体晶圆的主面放射的放射光而测定该主面的温度。
[先前技术文献]
[专利文献]
[专利文献1]日本专利特开2012-238779号公报
[专利文献2]日本专利特开2012-238782号公报
发明内容
[发明要解决的问题]
然而，在照射照射时间极短的闪光时，半导体晶圆的正面温度也以亚毫秒为单位急遽变化，因此难以准确地测定该正面温度。另外，随着半导体制造工艺变得复杂，对作为闪光灯退火对象的半导体晶圆进行成膜处理的情况也变多。在通过放射温度计对半导体晶圆的温度进行测定时，测定对象的放射率变得必要，但是，如果在半导体晶圆上形成有膜，那么放射率会根据晶圆基材而发生变动，因此温度测定变得更加困难。
本发明是鉴于所述问题而成，其目的在于，提供一种能够准确地测定衬底的正面温度的热处理方法。
[解决问题的技术手段]
为了解决所述问题，技术方案1的发明是一种热处理方法，其特征在于，它是通过对背面形成有膜的衬底照射闪光而对该衬底进行加热，具备：预加热步骤，通过从连续点亮灯向所述衬底照射光，而对所述衬底进行预加热；主加热步骤，通过从闪光灯向已进行预加热的所述衬底的正面照射闪光，而对所述衬底进行闪光加热；背面温度测定步骤，在执行所述预加热步骤及所述主加热步骤时，通过设置在所述衬底的斜下方的第1放射温度计，对所述衬底的背面的温度持续进行测定；正面上升温度测定步骤，在执行所述主加热步骤时，通过设置在所述衬底的斜上方的第2放射温度计，对闪光照射时所述衬底的正面的上升温度进行测定；及正面温度计算，将在正被进行预加热的所述衬底达到一定温度到照射闪光之间通过所述第1放射温度计测定的所述衬底的背面的温度与通过所述第2放射温度计测定的闪光照射时所述衬底的正面的上升温度相加，而计算出所述衬底的正面温度。
另外，技术方案2的发明是根据技术方案1的发明所述的热处理方法，其特征在于，所述第1放射温度计对所述衬底的接收角为60°以上89°以下。
[发明的效果]
根据技术方案1及技术方案2的发明，因为将闪光照射前通过第1放射温度计测定的衬底的背面的温度与通过第2放射温度计测定的闪光照射时的衬底的正面的上升温度相加，而计算出衬底的正面温度，所以能够准确地测定闪光照射时的衬底的正面温度。
特别是根据技术方案2的发明，因为第1放射温度计对衬底的接收角为60°以上89°以下，所以无论背面的膜的种类如何，都能够通过第1放射温度计准确地测定衬底的背面的温度，从而能够更准确地测定闪光照射时的衬底的正面温度。
附图说明
图1是表示用来实施本发明的热处理方法的热处理装置的构成的纵截面图。
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是表示下部放射温度计与保持在基座的半导体晶圆的位置关系的图。
图9是下部放射温度计、上部放射温度计及控制部的功能框图。
图10是表示半导体晶圆的处理顺序的流程图。
图11是表示半导体晶圆的正面温度的变化的图。
图12是表示所形成的膜对放射率的影响的图。
具体实施方式
以下，参照图式对本发明的实施方式进行详细说明。
图1是表示用来实施本发明的热处理方法的热处理装置1的构成的纵截面图。图1的热处理装置1是一种闪光灯退火装置，它是通过对作为衬底的圆板形状的半导体晶圆W进行闪光照射而对该半导体晶圆W进行加热。作为处理对象的半导体晶圆W的尺寸并未特别限定，例如为φ300mm或φ450mm(在本实施方式中为φ300mm)。再者，在图1及之后的各图中，为了便于理解，是根据需要夸大或简化了各部的尺寸或数量而绘制的。
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、及内置多个卤素灯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圆W保持为水平姿势的保持部7、及在保持部7与装置外部之间进行半导体晶圆W的交接的移载机构10。进而，热处理装置1具备控制部3，该控制部3对设置在卤素加热部4、闪光加热部5及腔室6中的各动作机构进行控制，使它们执行半导体晶圆W的热处理。
腔室6是在筒状的腔室侧部61的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，上侧开口安装有上侧腔室窗63而被堵塞，下侧开口安装有下侧腔室窗64而被堵塞。构成腔室6的顶壁的上侧腔室窗63是由石英形成的圆板形状部件，作为使从闪光加热部5出射的闪光透射到腔室6内的石英窗发挥功能。另外，构成腔室6的底板的下侧腔室窗64也是由石英形成的圆板形状部件，作为使来自卤素加热部4的光透射到腔室6内的石英窗发挥功能。
另外，在腔室侧部61的内侧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的下侧嵌入并使用图示省略的螺钉加以固定而安装。即，反射环68、69都是自由装卸地安装在腔室侧部61。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及反射环68、69围成的空间被规定为热处理空间65。
通过在腔室侧部61安装反射环68、69，在腔室6的内壁面形成有凹部62。即，形成有由腔室侧部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的上端面围成的凹部62。凹部62沿水平方向呈圆环状形成在腔室6的内壁面，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由强度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形成设置有用来相对于腔室6进行半导体晶圆W的搬入及搬出的搬送开口部(炉口)66。搬送开口部66能够通过闸阀185开闭。搬送开口部66与凹部62的外周面连通连接。因此，在闸阀185打开搬送开口部66时，能够从搬送开口部66通过凹部62向热处理空间65搬入半导体晶圆W及从热处理空间65搬出半导体晶圆W。另外，如果闸阀185关闭搬送开口部66，那么腔室6内的热处理空间65变成密闭空间。
进而，在腔室侧部61穿设有贯通孔61a及贯通孔61b。贯通孔61a是圆筒状的孔，它用来将从保持在后述基座74的半导体晶圆W的上表面放射的红外光传导到上部放射温度计25(第2放射温度计)的红外线传感器29。另一方面，贯通孔61b是圆筒状的孔，它用来将从半导体晶圆W的下表面放射的红外光传导到下部放射温度计20(第1放射温度计)的红外线传感器24。贯通孔61a及贯通孔61b以它们的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。在贯通孔61a的面对热处理空间65的一侧的端部安装有透明窗26，该透明窗26由可透过上部放射温度计25所能测定的波长区域的红外光的氟化钙材料形成。另外，在贯通孔61b的面对热处理空间65的一侧的端部安装有透明窗21，该透明窗21由可透过下部放射温度计20所能测定的波长区域的红外光的氟化钡材料形成。
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形成设置在较凹部62更上侧位置，也可设置在反射环68。气体供给孔81经由呈圆环状形成在腔室6的侧壁内部的缓冲空间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的路径中途介插有阀84。如果阀84打开，那么处理气体从处理气体供给源85送到缓冲空间82。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，例如，可使用氮气(N2)等惰性气体或氢气(H2)、氨气(NH3)等反应性气体，或者将它们混合而得到的混合气体(在本实施方式中为氮气)。
另一方面，在腔室6的内壁下部形成设置有对热处理空间65内的气体进行排气的气体排气孔86。气体排气孔86形成设置在较凹部62更下侧位置，也可设置在反射环69。气体排气孔86经由呈圆环状形成在腔室6的侧壁内部的缓冲空间87与气体排气管88连通连接。气体排气管88与排气部190连接。另外，在气体排气管88的路径中途介插有阀89。如果阀89打开，那么热处理空间65的气体从气体排气孔86经由缓冲空间87向气体排气管88排出。再者，气体供给孔81及气体排气孔86可沿腔室6的圆周方向设置有多个，也可为狭缝状。另外，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的工厂的公用实体。
另外，在搬送开口部66的前端也连接有排出热处理空间65内的气体的气体排气管191。气体排气管191经由阀192与排气部190连接。通过打开阀192，腔室6内的气体经由搬送开口部66排气。
图2是表示保持部7的整体外观的立体图。保持部7是具备基台环71、连结部72及基座74而构成。基台环71、连结部72及基座74都是由石英形成。即，保持部7整体由石英形成。
基台环71是圆环形状缺损一部分而成的圆弧形状的石英部件。该缺损部分是为了防止后述移载机构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(参照图1)。在基台环71的上表面，沿其圆环形状的圆周方向立设有多个连结部72(在本实施方式中为4个)。连结部72也是石英部件，通过焊接固定连接在基台环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。另外，图4是基座74的剖视图。基座74具备保持板75、导引环76及多个衬底支撑销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圆W的直径。即，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有导引环76。导引环76是圆环形状的部件，具有大于半导体晶圆W的直径的内径。例如，在半导体晶圆W的直径为φ300mm的情况下，导引环76的内径为φ320mm。导引环76的内周为从保持板75向上方变宽的锥面。导引环76与保持板75相同，也由石英形成。导引环76可熔接在保持板75的上表面，也可通过另外加工所得的销等固定在保持板75。或者，也可将保持板75与导引环76加工成一体的部件。
保持板75的上表面中较导引环76更内侧的区域成为保持半导体晶圆W的平面状的保持面75a。在保持板75的保持面75a，立设有多个衬底支撑销77。在本实施方式中，沿与保持面75a的外周圆(导引环76的内周圆)为同心圆的圆周上，每隔30°地立设有总计12个衬底支撑销77。配置有12个衬底支撑销77的圆的直径(相对向的衬底支撑销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，那么配置有12个衬底支撑销77的圆的直径为φ270mm～φ280mm(在本实施方式中为φ270mm)。各衬底支撑销77都是由石英形成。多个衬底支撑销77可通过焊接设置在保持板75的上表面，也可与保持板75加工成一体。
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的周缘部通过焊接固定连接。即，基座74与基台环71通过连结部72固定连结。通过这种保持部7的基台环71支撑在腔室6的壁面，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)。即，保持板75的保持面75a成为水平面。
搬入腔室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个衬底支撑销77支撑并保持在基座74。更严谨地说，12个衬底支撑销77的上端部与半导体晶圆W的下表面接触而支撑该半导体晶圆W。12个衬底支撑销77的高度(衬底支撑销77的上端到保持板75的保持面75a的距离)均一，因此能够通过12个衬底支撑销77将半导体晶圆W支撑为水平姿势。
另外，半导体晶圆W由多个衬底支撑销77从保持板75的保持面75a隔开指定间隔地支撑。导引环76的厚度大于衬底支撑销77的高度。因此，由多个衬底支撑销77支撑的半导体晶圆W的水平方向的位置偏移通过导引环76得到防止。
另外，如图2及图3所示，在基座74的保持板75，上下贯通地形成有开口部78。开口部78是为了供下部放射温度计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。即，下部放射温度计20经由开口部78及安装在腔室侧部61的贯通孔61b的透明窗21接收从半导体晶圆W的下表面放射的光，测定该半导体晶圆W的温度。进而，在基座74的保持板75，穿设有供后述移载机构10的顶起销12为了交接半导体晶圆W而贯通的4个贯通孔79。
图5是移载机构10的俯视图。另外，图6是移载机构10的侧视图。移载机构10具备2根移载臂11。移载臂11为沿大致圆环状的凹部62的圆弧形状。在各移载臂11，立设有2根顶起销12。移载臂11及顶起销12由石英形成。各移载臂11能够通过水平移动机构13而转动。水平移动机构13使一对移载臂11在相对于保持部7进行半导体晶圆W的移载的移载动作位置(图5的实线位置)与俯视时不和保持在保持部7的半导体晶圆W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，可为通过不同的马达使各移载臂11分别转动的水平移动机构，也可为使用连杆机构并通过1个马达使一对移载臂11连动地转动的水平移动机构。
另外，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在移载动作位置上升，那么总计4根顶起销12通过穿设在基座74的贯通孔79(参照图2、3)，顶起销12的上端从基座74的上表面突出。另一方面，如果升降机构14使一对移载臂11在移载动作位置下降，使顶起销12从贯通孔79拔出，且水平移动机构13以打开一对移载臂11的方式使一对移载臂11移动，那么各移载臂11移动到退避位置。一对移载臂11的退避位置为保持部7的基台环71的正上方。因为基台环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。再者，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，也设置有图示省略的排气机构，从而构成为将移载机构10的驱动部周边的气体排出到腔室6的外部。
回到图1，设置在腔室6上方的闪光加热部5是在壳体51的内侧具备包含多根(在本实施方式中为30根)氙气闪光灯FL的光源、及以覆盖该光源上方的方式设置的反射器52而构成。另外，在闪光加热部5的壳体51的底部安装有灯光放射窗53。构成闪光加热部5的底板的灯光放射窗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向热处理空间65照射闪光。
多个闪光灯FL是各自具有长条的圆筒形状的棒状灯，以各自的长度方向沿保持在保持部7的半导体晶圆W的主面(即沿水平方向)相互平行的方式呈平面状排列。由此，通过闪光灯FL的排列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配设有与电容器连接的阳极及阴极的棒状的玻璃管(放电管)、及附设在该玻璃管的外周面上的触发电极。因为氙气是电绝缘体，所以即使在电容器中储存有电荷，正常状态下电也不流到玻璃管内。然而，在对触发电极施加高电压而破坏了绝缘的情况下，储存在电容器中的电会瞬时流到玻璃管内，通过此时的氙原子或者氙分子的激发而发射光。在这种氙气闪光灯FL中，预先储存在电容器中的静电能转换为0.1毫秒至100毫秒的极短的光脉冲，因此与像卤素灯HL这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。再者，闪光灯FL的发光时间能够通过向闪光灯FL供给电力的灯电源的线圈常数进行调整。
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出射的闪光反射到热处理空间65侧。反射器52由铝合金板形成，其正面(面对闪光灯FL的一侧的面)被通过喷砂处理实施了粗面化加工。
设置在腔室6下方的卤素加热部4在壳体41的内侧内置多根(在本实施方式中为40根)卤素灯HL。卤素加热部4通过多个卤素灯HL从腔室6的下方经由下侧腔室窗64向热处理空间65照射光，而对半导体晶圆W进行加热。
图7是表示多个卤素灯HL的配置的俯视图。40根卤素灯HL分成上下2段配置。在接近保持部7的上段配设有20根卤素灯HL，并且在与上段相比距离保持部7较远的下段也配设有20根卤素灯HL。各卤素灯HL是具有长条的圆筒形状的棒状灯。在上段、下段，20根卤素灯HL都是以各自的长度方向沿保持在保持部7的半导体晶圆W的主面(即沿水平方向)相互平行的方式排列。由此，在上段、下段，通过卤素灯HL的排列而形成的平面都是水平面。
另外，如图7所示，在上段、下段，相比与保持在保持部7的半导体晶圆W的中央部相对向的区域，与周缘部相对向的区域中的卤素灯HL的配设密度较高。即，在上段、下段，相比灯排列的中央部，周缘部的卤素灯HL的配设间距较短。因此，在通过来自卤素加热部4的光照射进行加热时，能够向温度易于降低的半导体晶圆W的周缘部照射更多光量。
另外，包含上段的卤素灯HL的灯组与包含下段的卤素灯HL的灯组以呈格子状交叉的方式排列。即，以配置在上段的20根卤素灯HL的长度方向与配置在下段的20根卤素灯HL的长度方向相互正交的方式，配设有总计40根卤素灯HL。
卤素灯HL是灯丝方式的光源，它通过对配设在玻璃管内部的灯丝进行通电，使灯丝白热化而发光。在玻璃管的内部，封入有向氮气或氩气等惰性气体中导入微量的卤素元素(碘、溴等)而得到的气体。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与普通的白炽灯相比，具有寿命较长且能够连续照射强光的特性。即，卤素灯HL是连续发光至少1秒以上的连续点亮灯。另外，卤素灯HL由于是棒状灯，所以寿命长，通过将卤素灯HL沿水平方向配置，对上方的半导体晶圆W的放射效率优异。
另外，卤素加热部4的壳体41内，同样在2段卤素灯HL的下侧设置有反射器43(图1)。反射器43将从多个卤素灯HL出射的光反射到热处理空间65侧。
如图1所示，在腔室6中，设置有2个放射温度计(在本实施方式中为高温计)即上部放射温度计25及下部放射温度计20。上部放射温度计25设置在保持在基座74的半导体晶圆W的斜上方，并且下部放射温度计20设置在保持在基座74的半导体晶圆W的斜下方。图8是表示下部放射温度计20与保持在基座74的半导体晶圆W的位置关系的图。下部放射温度计20的红外线传感器24对半导体晶圆W的接收角θ为60°以上89°以下。接收角θ是下部放射温度计20的红外线传感器24的光轴与半导体晶圆W的法线(相对于主面垂直的线)所成的角度。另外，同样，上部放射温度计25的红外线传感器29对半导体晶圆W的接收角也为60°以上89°以下。
控制部3对设置在热处理装置1的所述各种动作机构进行控制。作为控制部3的硬件的构成与一般计算机相同。即，控制部3具备进行各种运算处理的电路即CPU(centralprocessing unit，中央处理单元)、存储基本程序的读取专用的存储器即ROM(read onlymemory，只读存储器)、存储各种信息的自由读写的存储器即RAM(random access memory，随机存取存储器)、及存储控制用软件或数据等的磁盘。通过控制部3的CPU执行指定的处理程序，热处理装置1中的处理得以进行。
图9是下部放射温度计20、上部放射温度计25及控制部3的功能框图。设置在半导体晶圆W的斜下方来对半导体晶圆W的下表面的温度进行测定的下部放射温度计20具备红外线传感器24及温度测定单元22。红外线传感器24接收从保持在基座74的半导体晶圆W的下表面经由开口部78放射的红外光。红外线传感器24与温度测定单元22电连接，将响应接收而产生的信号传输到温度测定单元22。温度测定单元22具备图示省略的放大电路、A/D转换器(Analog to Digital Converter，模拟数字转换器)、温度转换电路等，将表示从红外线传感器24输出的红外光的强度的信号转换成温度。通过温度测定单元22求出的温度是半导体晶圆W的下表面的温度。
另一方面，设置在半导体晶圆W的斜上方来对半导体晶圆W的上表面的温度进行测定的上部放射温度计25具备红外线传感器29及温度测定单元27。红外线传感器29接收从保持在基座74的半导体晶圆W的上表面放射的红外光。红外线传感器29为了能够应对照射闪光的瞬间半导体晶圆W的上表面的急遽的温度变化，而具备InSb(锑化铟)的光学元件。红外线传感器29与温度测定单元27电连接，将响应接收而产生的信号传输到温度测定单元27。温度测定单元27将表示从红外线传感器29输出的红外光的强度的信号转换成温度。通过温度测定单元27求出的温度是半导体晶圆W的上表面的温度。
下部放射温度计20及上部放射温度计25与作为热处理装置1整体的控制器的控制部3电连接，将通过下部放射温度计20及上部放射温度计25分别测定的半导体晶圆W的下表面及上表面的温度传输到控制部3。控制部3具备温度计算部31。温度计算部31是通过控制部3的CPU执行指定的处理程序而实现的功能处理部。关于温度计算部31的处理内容，之后将进一步加以叙述。
另外，在控制部3连接有显示部33及输入部34。控制部3使显示部33显示各种信息。输入部34是用来供热处理装置1的操作员向控制部3输入各种指令或参数的机器。操作员也能够一边对显示部33的显示内容进行确认，一边经由输入部34进行记载半导体晶圆W的处理顺序及处理条件的处理方案的条件设定。作为显示部33及输入部34，可使用兼具双方的功能的触控面板，在本实施方式中，采用设置在热处理装置1外壁的液晶的触控面板。
除所述构成以外，热处理装置1为了防止半导体晶圆W的热处理时产自卤素灯HL及闪光灯FL的热能导致卤素加热部4、闪光加热部5及腔室6过度地温度上升，还具备各种冷却用的构造。例如，在腔室6的壁体设置有水冷管(图示省略)。另外，卤素加热部4及闪光加热部5为在内部形成气流而进行排热的空冷构造。另外，也向上侧腔室窗63与灯光放射窗53的间隙供给空气，而对闪光加热部5及上侧腔室窗63进行冷却。
其次，对热处理装置1中的半导体晶圆W的处理顺序进行说明。图10是表示半导体晶圆W的处理顺序的流程图。以下说明的热处理装置1的处理顺序通过控制部3对热处理装置1的各动作机构进行控制而进行。
首先，将用来供气的阀84打开，并且将排气用的阀89、192打开，开始对腔室6内供气及排气。如果阀84打开，那么氮气从气体供给孔81向热处理空间65供给。另外，如果阀89打开，那么腔室6内的气体从气体排气孔86排气。从而，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的下部排气。
另外，通过打开阀192，腔室6内的气体也从搬送开口部66排气。进而，移载机构10的驱动部周边的气体也通过图示省略的排气机构而排气。再者，在热处理装置1中的半导体晶圆W的热处理时，氮气向热处理空间65持续供给，其供给量根据处理步骤而适当变更。
然后，将闸阀185打开，将搬送开口部66打开，作为处理对象的半导体晶圆W通过装置外部的搬送机器人经由搬送开口部66搬入腔室6内的热处理空间65(步骤S1)。此时，有随着半导体晶圆W的搬入而卷入装置外部的气体的风险，但因为氮气向腔室6持续供给，所以氮气从搬送开口部66流出，从而能够将这种外部气体的卷入抑制在最小限度内。
通过搬送机器人搬入的半导体晶圆W进出到保持部7的正上方位置并停止。然后，通过移载机构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，顶起销12通过贯通孔79从基座74的保持板75的上表面突出，而接收半导体晶圆W。此时，顶起销12上升到较衬底支撑销77的上端更上方。
半导体晶圆W载置在顶起销12后，搬送机器人从热处理空间65退出，搬送开口部66通过闸阀185关闭。然后，通过一对移载臂11下降，半导体晶圆W从移载机构10交接到保持部7的基座74，并以水平姿势从下方受到保持。半导体晶圆W由立设在保持板75上的多个衬底支撑销77支撑，而保持在基座74。另外，半导体晶圆W以作为被处理面的正面为上表面而保持在保持部7。在由多个衬底支撑销77支撑的半导体晶圆W的背面(正面的相反侧的主面)与保持板75的保持面75a之间，形成有指定间隔。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，即凹部62的内侧。
图11是表示半导体晶圆W的正面温度的变化的图。半导体晶圆W搬入腔室6内并保持在基座74后，在时刻t1卤素加热部4的40根卤素灯HL一齐点亮而开始预加热(辅助加热)(步骤S2)。从卤素灯HL出射的卤素光透过由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。通过接受来自卤素灯HL的光照射，半导体晶圆W受到预加热，从而温度上升。再者，移载机构10的移载臂11由于已退避到凹部62的内侧，所以不会妨碍利用卤素灯HL进行加热。
通过来自卤素灯HL的光照射而升温的半导体晶圆W的温度由下部放射温度计20测定。即，下部放射温度计20通过透明窗21接收从保持在基座74的半导体晶圆W的下表面(背面)经由开口部78放射的红外光，而测定半导体晶圆W的背面温度(步骤S3)。再者，也可从开始利用卤素灯HL进行预加热之前，即开始下部放射温度计20进行的温度测定。
另外，在半导体晶圆W上根据处理目的而成膜有各种膜的情况较多。例如，存在光罩用的抗蚀膜、层间绝缘膜、或高介电常数膜等成膜在半导体晶圆W的情况。这些膜典型的是成膜在半导体晶圆W的正面(被处理面)，但近年随着半导体元件的制造工艺变得复杂，也会在半导体晶圆W的背面形成某种膜。并且，背面形成有膜的半导体晶圆W在热处理装置1中成为热处理对象。
在通过下部放射温度计20非接触地测定半导体晶圆W的背面的温度时，需要在下部放射温度计20设定该背面的放射率。如果在半导体晶圆W的背面未形成膜，那么在下部放射温度计20设定作为晶圆基材的硅的放射率即可，然而，如果在半导体晶圆W的背面也形成有膜，那么背面的放射率也根据膜而变动。
图12是表示所形成的膜对放射率的影响的图。在图12中，例示有在半导体晶圆W的背面形成有膜厚1μm的氮化硅(SiN)的膜的情况、在半导体晶圆W的背面形成有膜厚1μm的二氧化硅(SiO2)的膜的情况、及在半导体晶圆W的背面未形成任何膜而露出基材的硅的情况。另外，图12的横轴表示放射温度计对半导体晶圆W的接收角，纵轴表示放射率。
如图12所示，在接收角相对较小时，放射率根据成膜在半导体晶圆W背面的膜的种类而大不相同。即，放射率相关于膜的种类。另一方面，如果接收角变大，那么由成膜在半导体晶圆W背面的膜的种类所导致的放射率的差异变小。即，放射率对膜的种类的相关性降低。
在本实施方式中，使下部放射温度计20对半导体晶圆W的接收角θ相对较大，为60°以上89°以下。由此，半导体晶圆W的背面的放射率对膜的种类的相关性较低。因此，如果在下部放射温度计20设定与接收角θ对应的硅的放射率，那么无论成膜在半导体晶圆W背面的膜的种类如何，都能够通过下部放射温度计20准确地测定半导体晶圆W的背面的温度。
通过下部放射温度计20测定的半导体晶圆W的背面温度传输到控制部3。控制部3一边监测通过来自卤素灯HL的光照射而升温的半导体晶圆W的温度是否达到指定的预加热温度T1，一边控制卤素灯HL的输出。即，控制部3基于利用下部放射温度计20而得到的测定值，以半导体晶圆W的温度成为预加热温度T1的方式对卤素灯HL的输出进行反馈控制。这样下部放射温度计20也是用来在预加热阶段中控制卤素灯HL的输出的温度传感器。再者，虽然下部放射温度计20是对半导体晶圆W的背面的温度进行测定，但是因为在利用卤素灯HL进行预加热的阶段中半导体晶圆W的正面与背面不会产生温度差，所以通过下部放射温度计20测定的背面温度视作半导体晶圆W整体的温度。
在半导体晶圆W的温度达到预加热温度T1后，控制部3将半导体晶圆W暂时维持在该预加热温度T1。具体来说，在通过下部放射温度计20测定的半导体晶圆W的温度达到预加热温度T1的时刻t2，控制部3对卤素灯HL的输出进行调整，将半导体晶圆W的温度大致维持在预加热温度T1。
通过这样利用卤素灯HL进行预加热，而将半导体晶圆W整体均一升温到预加热温度T1。在利用卤素灯HL进行预加热的阶段中，有更加易于散热的半导体晶圆W的周缘部的温度较中央部低的倾向，就卤素加热部4中的卤素灯HL的配设密度来说，相比与衬底W的中央部相对向的区域，与周缘部相对向的区域较高。因此，照射到易于散热的半导体晶圆W的周缘部的光量变多，从而能够使预加热阶段中的半导体晶圆W的面内温度分布均一。
在半导体晶圆W的温度达到预加热温度T1并经过指定时间后的时刻t3，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的正面进行闪光照射(步骤S4)。此时，从闪光灯FL放射的闪光的一部分直接朝向腔室6内，其他部分经反射器52反射后朝向腔室6内，通过这些闪光的照射进行半导体晶圆W的闪光加热。
闪光加热通过来自闪光灯FL的闪光(flash Light)照射进行，因此能够使半导体晶圆W的正面温度在短时间内上升。即，从闪光灯FL照射的闪光是一种强闪光，它由预先储存在电容器的静电能转换成极短的光脉冲，照射时间极短，为0.1毫秒以上100毫秒以下左右。并且，通过来自闪光灯FL的闪光照射，半导体晶圆W的正面温度在极短时间内急遽上升。
半导体晶圆W的正面温度由上部放射温度计25监测。但是，上部放射温度计25并不是测定半导体晶圆W的正面的绝对温度，而是测定其正面的温度变化。即，上部放射温度计25对闪光照射时半导体晶圆W的正面从预加热温度T1起的上升温度(跳跃温度)ΔT进行测定(步骤S5)。再者，在闪光照射时也对半导体晶圆W的背面温度通过下部放射温度计20进行测定，然而，在照射照射时间极短且强度较强的闪光时，仅半导体晶圆W的正面附近急遽加热，因此半导体晶圆W的正面与背面会产生温度差，通过下部放射温度计20并无法测定半导体晶圆W的正面的温度。另外，与下部放射温度计20相同，上部放射温度计25对半导体晶圆W的接收角也为60°以上89°以下，因此无论成膜在半导体晶圆W正面的膜的种类如何，都能够通过上部放射温度计25准确地测定半导体晶圆W的正面的上升温度ΔT。
其次，控制部3的温度计算部31计算闪光照射时半导体晶圆W的正面所达到的最高温度(步骤S6)。半导体晶圆W的背面的温度至少在预加热时的半导体晶圆W达到一定温度的时刻t2到被照射闪光的时刻t3之间，持续由下部放射温度计20测定。在闪光照射前的预加热阶段中，半导体晶圆W的正面与背面不会产生温度差，闪光照射前通过下部放射温度计20测定的半导体晶圆W的背面温度也是正面温度。温度计算部31将在即将照射闪光之前的时刻t2到时刻t3之间通过下部放射温度计20测定的半导体晶圆W的背面的温度(预加热温度T1)与通过上部放射温度计25测定的闪光照射时的半导体晶圆W的正面的上升温度ΔT相加，而计算出该正面的最高达到温度T2。温度计算部31也可使计算得到的最高达到温度T2显示在显示部33。
下部放射温度计20对半导体晶圆W的接收角θ相对较大，为60°以上89°以下，无论成膜在半导体晶圆W背面的膜的种类如何，都能够通过下部放射温度计20准确地测定半导体晶圆W的背面的温度。将通过下部放射温度计20准确测定的半导体晶圆W的背面温度(＝正面温度)与通过上部放射温度计25测定的半导体晶圆W的上表面的上升温度ΔT相加，由此能够准确地计算出闪光照射时半导体晶圆W的正面的最高达到温度T2。
闪光照射结束后，在经过指定时间后的时刻t4，卤素灯HL熄灭。从而，半导体晶圆W从预加热温度T1急速降温。降温中的半导体晶圆W的温度由下部放射温度计20测定，其测定结果传输到控制部3。控制部3根据下部放射温度计20的测定结果监测半导体晶圆W的温度是否已降温到指定温度。然后，在半导体晶圆W的温度降温到指定温度以下后，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，由此顶起销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。然后，通过闸阀185关闭的搬送开口部66打开，载置在顶起销12上的半导体晶圆W通过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(步骤S7)。
在本实施方式中，将下部放射温度计20设置在保持在基座74的半导体晶圆W的斜下方，使下部放射温度计20对半导体晶圆W的接收角θ相对较大，为60°以上89°以下。由此，半导体晶圆W的背面的放射率对膜的种类的相关性较低，无论成膜在半导体晶圆W背面的膜的种类如何，都能够通过下部放射温度计20准确地测定半导体晶圆W的背面的温度。
另外，将上部放射温度计25设置在保持在基座74的半导体晶圆W的斜上方，将上部放射温度计25对半导体晶圆W的接收角也设为60°以上89°以下。由此，无论成膜在半导体晶圆W正面的膜的种类如何，都能够通过上部放射温度计25准确地测定半导体晶圆W的正面的上升温度ΔT。
在即将进行闪光照射之前的时刻t2到时刻t3之间，通过下部放射温度计20对半导体晶圆W的背面温度进行测定。闪光照射时通过上部放射温度计25对半导体晶圆W的正面的上升温度ΔT进行测定。将通过下部放射温度计20准确测定的半导体晶圆W的背面温度与通过上部放射温度计25测定的半导体晶圆W的正面的上升温度ΔT相加，由此能够准确地求出闪光照射时的半导体晶圆W的正面温度。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，然而，本发明可在不脱离其主旨的范围内，除上述以外进行各种变更。例如，在所述实施方式中，闪光加热部5具备30根闪光灯FL，然而，并未限定于30根，闪光灯FL的根数可设为任意数量。另外，闪光灯FL并未限定于氙气闪光灯，也可为氪气闪光灯。另外，卤素加热部4所具备的卤素灯HL的根数也并未限定于40根，可设为任意数量。
另外，在所述实施方式中，使用灯丝方式的卤素灯HL作为连续发光1秒以上的连续点亮灯进行半导体晶圆W的预加热，然而，并未限定于卤素灯HL，也可使用放电型的电弧灯(例如，氙弧灯)代替卤素灯HL作为连续点亮灯进行预加热。
[符号的说明]
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 下部放射温度计
25 上部放射温度计
31 温度计算部
63 上侧腔室窗
64 下侧腔室窗
65 热处理空间
74 基座
FL 闪光灯
HL 卤素灯
W 半导体晶圆

Claims (1)

1.一种热处理方法，其特征在于，
它是通过对背面形成有膜的衬底照射闪光而对该衬底进行加热，具备：
预加热步骤，通过从连续点亮灯向所述衬底照射光，而对所述衬底进行预加热；
主加热步骤，通过从闪光灯向已进行预加热的所述衬底的正面照射闪光，而对所述衬底进行闪光加热；
背面温度测定步骤，在执行所述预加热步骤及所述主加热步骤时，通过设置在所述衬底的斜下方的第1放射温度计，对所述衬底的背面的温度持续进行测定；
正面上升温度测定步骤，在执行所述主加热步骤时，通过设置在所述衬底的斜上方的第2放射温度计，对闪光照射时所述衬底的正面的上升温度进行测定；及
正面温度计算，将在正被进行预加热的所述衬底达到一定温度到照射闪光之间通过所述第1放射温度计测定的所述衬底的背面的温度与通过所述第2放射温度计测定的闪光照射时所述衬底的正面的上升温度相加，而计算出所述衬底的正面温度，
所述第1放射温度计对所述衬底的接收角为60°以上89°以下，
所述第2放射温度计对所述衬底的接收角为60°以上89°以下。
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