JP2006100549A - 急速熱処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 急速熱処理装置において、短時間に高速に昇降温するスパイクアニール処理を行う場合に、異なる反射率の半導体基板に対しても、半導体基板の基板支持部との接触箇所周辺とそれ以外の箇所の温度差を抑制する。
【解決手段】 急速熱処理装置は、処理チェンバと、半導体基板を支持する基板支持部と、半導体基板の表面側を光照射して加熱する第１のランプ部と、基板からの輻射光を受光する第１の輻射光センサと、基板支持部を光照射して加熱する第２のランプ部と、基板支持部からの輻射光を受光する第２の輻射光センサと、第１の輻射光センサの出力結果に応じて基板の温度を算出し、第２の輻射光センサの出力結果に応じて基板支持部の温度を算出する温度算出部とを備える。制御部は、基板の算出温度に基づいて第１のランプ部の照射強度を制御し、基板支持部の算出温度に基づいて第２のランプ部の照射強度を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体基板を急速加熱するための急速熱処理装置に関する。

半導体製造装置の１つとして、半導体基板の加熱処理を行う急速熱処理装置が知られている。急速熱処理装置は、例えば、処理チェンバと、この処理チェンバ内に配設されて半導体基板を支持する基板支持部と、この基板支持部に支持された半導体基板の表面側に光を照射して加熱するランプ部と、半導体基板裏面側に配設されて半導体基板からの輻射光を反射する反射板と、半導体基板裏面側に配設され半導体基板裏面と前記反射板で多重反射した半導体基板裏面からの輻射光を受光する輻射光センサと、半導体基板裏面から放射された輻射光を直接検出する輻射率センサと、前記輻射光センサの出力と前記輻射率センサの出力より前記基板裏面の輻射率（もしくは反射率）を算出する輻射率算出部とを備えている。基板支持部としては、処理チェンバの反射板上方に取り付けられた円筒形部材と、この円筒形部材の上端に配設されたリング状部材で構成されたものがある。

このような熱処理装置においては、基板支持部の支持用リング部材に半導体基板が支持された時には、半導体基板の裏面側に、反射板と基板支持部と半導体基板とで囲まれ、輻射光センサによる半導体基板の温度検出のために光学的に閉じられた閉空間が形成されるようになっている。上記熱処理装置により半導体基板の熱処理を行う場合は、半導体基板を基板支持部で支持した後、輻射光センサにより半導体基板の温度を監視しながら、加熱用ランプにより半導体基板を所望の温度まで加熱する。

従来技術として、特許文献１には、多数の加熱用ランプをその照射領域が重なるように配列し、あらかじめ設定した加熱シーケンスに従って基板を加熱する方法が提案されている。

また、特許文献２には、半導体基板が基板支持部に支持された状態において、半導体基板の裏面側に、チェンバ底部の最上部に半導体基板裏面と対向するように配設された反射板と、基板支持部と、半導体基板裏面とで囲まれる光学的閉空間が形成され、前記光学的閉空間内に設置された半導体基板の裏面からの輻射光を受光する輻射光センサによって半導体基板の温度を測定する方法及び、測定した温度を基に加熱用ランプの照射強度を制御し半導体基板を所望の温度に加熱する方法が提案されている。
米国特許第５１５５３３６号明細書 米国特許第５６６０４７２号明細書

しかしながら、従来の急速熱処理装置を用いて、短時間に高速に昇降温するスパイクアニール処理を行う場合、半導体基板とそれを保持する基板支持部とはランプ光に対する反射率や熱容量が異なるために、同じ強度のランプ光を照射しても半導体基板と基板支持部は等しい温度にはならない。
一般的に、基板支持部はＳｉＣなどで形成され、熱容量が半導体基板よりも大きいため、同じ照射強度のランプ光に対して基板支持部の温度は半導体基板の温度より低くなり、その結果、半導体基板の基板支持部との接触箇所周辺の温度は、それ以外の箇所の温度よりも低くなってしまう。
そこで、基板支持部へのランプ光の照射強度を半導体基板より大きくすることにより、基板支持部と半導体基板を等しい温度にして、半導体基板の基板支持部との接触箇所周辺と、それ以外の箇所との温度差を抑制する方法が考えられる。
しかし、半導体装置の製造工程において、半導体基板表面にはさまざまな膜が成膜され、パターンが形成されるため、製造工程の過程で、基板表面の反射率は大きく変化する。
ある反射率の半導体基板に対し、半導体基板と基板支持部の温度が等しくなるように、半導体基板に対する基板支持部の相対的なランプの照射強度を最適化しても、それ以外の反射率の半導体基板を加熱しようとすると、その半導体基板に対しては基板支持部の相対的なランプの照射強度が最適でないために、半導体基板と基板支持部との温度には差が生じ、その結果、半導体基板の基板支持部との接触箇所周辺と、それ以外の箇所との間に温度差が生じてしまう。

図３は、従来の急速熱処理装置の構成を示す断面図であり、図４は、図３の従来の急速熱処理装置の基板支持部付近を示す拡大断面図である。図４において、参照符号１１１は半導体基板１裏面からの輻射光、１２１ｄは基板加熱用ランプ群５１ｄの照射光、１２１ｅは基板加熱用ランプ群５１ｅの照射光をそれぞれ示す。
図３及び図４に示したように、従来の急速加熱処理装置には、基板支持部３からの輻射光を検出する輻射光センサや、基板支持部３だけを加熱するためのランプ群が設置されていない。このため、基板支持部３には、基板支持部３に最も近い位置に設置された、半導体基板の裏面からの輻射光を受光する輻射光センサ６１ｅからの測定値に基づいて、半導体基板１の温度が指定された温度と一致するような照射強度に調整された、基板及び基板支持部加熱用のランプ群５１ｄ及び５１ｅのランプ光が照射される。
図５は、従来の急速熱処理装置での半導体基板面内の温度分布の測定結果を示す。図５の（ａ）には、半導体基板のランプ照射側表面に異なる膜を成膜して異なる反射率をもたし、ランプ照射側と反対側の面にｐ型のドーパントをイオン注入した２種類のｎ型半導体基板（低反射率基板、シリコン基板）のそれぞれを、従来の急速熱処理装置でスパイクアニール処理を行った後のｐ型拡散層のシート抵抗を、シート抵抗値とスパイクアニール処理の温度の関係より換算した、半導体基板の面内平均温度との温度差の直径方向の分布を示し、図５の（ｂ）には２種類の半導体基板（低反射率基板、シリコン基板）の表面反射率Ｒの一例を示す。

図５（ａ）に示したように、まず、基板表面の全面にシリコンが露出した半導体基板（シリコン基板）を加熱処理する場合に、半導体基板と基板支持部の温度が等しくなるように、基板支持部近傍のランプ群の照射強度のバランスを最適化する。この状態で、次に、ランプ光を照射する側に適当な厚みの窒化膜を成膜して、反射率がシリコン基板の場合よりも小さい低反射率基板を加熱処理すると、基板支持部が半導体基板よりも相対的に温度が低くなり、上述したように、半導体基板が基板支持部と接触している箇所付近（すなわち、基板の外周端部周辺）では大きな温度差が生じてしまう。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、急速熱処理装置において、短時間に高速に昇降温するスパイクアニール処理を行う場合に、異なる反射率の半導体基板に対しても、半導体基板の基板支持部との接触箇所周辺とそれ以外の箇所の温度差を抑制することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の急速熱処理装置は、半導体基板を加熱する処理チェンバと、前記処理チェンバ内に配設され前記基板を支持する基板支持部と、前記基板支持部に支持された前記基板の表面側を光照射して加熱する第１のランプ部と、前記基板の裏面側に配設され前記基板からの輻射光を受光する第１の輻射光センサと、前記輻射光センサの出力結果に応じて前記基板の温度を算出する温度算出部と、前記温度算出部により算出された前記基板の温度に応じて前記ランプ部の照射強度を制御する制御部とを備える急速熱処理装置であって、前記基板支持部を光照射して加熱する第２のランプ部と、前記基板支持部の裏面側に配設され前記基板支持部からの輻射光を受光する第２の輻射光センサとを備え、前記制御部が、前記基板の算出温度に基づいて前記第１のランプ部の照射強度を制御すると共に、前記基板支持部の算出温度に基づいて前記第２のランプ部の照射強度を制御することを特徴とする。

上記の課題を解決するため、本発明の急速熱処理装置は、半導体基板を加熱する処理チェンバと、前記処理チェンバ内に配設され前記基板を支持する基板支持部と、前記基板支持部に支持された前記基板の表面側を光照射して加熱する基板用ランプ部と、前記基板支持部に光照射して加熱する支持部用ランプ部と、前記基板の裏面側に配設され前記基板裏面からの輻射光を反射する反射板と、前記基板の裏面側に配設され前記基板裏面と前記反射板で多重反射した前記基板裏面からの輻射光を受光する基板用輻射光センサと、前記基板支持部からの輻射光を直接受光する支持部用輻射光センサと、前記基板用輻射光センサの出力結果に応じて前記基板の温度を算出し、前記支持部用輻射光センサの出力結果に応じて前記基板支持部の温度を算出する温度算出部と、前記温度算出部により算出された温度に応じて前記基板用ランプ部及び前記支持部用ランプ部の照射強度を制御する制御部とを備え、前記基板支持部に前記基板が支持された状態において前記基板の裏面側に光学的に閉じられた閉空間が形成される急速熱処理装置であって、前記制御部が、前記温度算出部により算出された前記基板の温度に基づいて前記基板用ランプ部の照射強度を制御すると共に、前記温度算出部により算出された前記基板支持部の温度に基づいて前記支持部用ランプ部の照射強度を制御することを特徴とする。

上述のごとく本発明によれば、半導体基板の温度を測定して、その基板温度に基づいて半導体基板を加熱するための基板加熱用ランプ部の照射強度を制御すると共に、基板支持部の温度を測定して、その温度に基づいて基板支持部を加熱するための支持部加熱用ランプ部の照射強度を制御することにより、異なる反射率の半導体基板を加熱処理する場合に、半導体基板と基板支持部の温度を等しく保ち、半導体基板の基板支持部との接触箇所周辺とそれ以外の箇所の温度差を抑制できる。従って、あらゆる反射率の半導体基板を加熱処理する場合に、精度の高い温度制御を行うことが可能である。

本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る急速熱処理装置の構成を示す断面図である。

図１の急速熱処理装置は、半導体基板１を温度制御しながら熱処理を行う半導体製造装置である。この急速熱処理装置は、処理チェンバ２を備え、この処理チェンバ２内に、半導体基板１を支持する基板支持部３が配設されている。
基板支持部３は、チェンバ底部４にベアリング部７を介して回転自在に配設された円筒形シリンダ３１と、この円筒形シリンダ３１の上端に取り付けられたリングプレート３２とを備えており、リングプレート３２の内周縁部には、半導体基板１のエッジ部を支持するための段差が形成されている。
半導体基板１が基板支持部３のリングプレート３２に支持された状態において、チェンバ底部４の最上部に半導体基板１の裏面と対向するように配設された反射板８と、基板支持部３と、半導体基板１とで囲まれる光学的閉空間１２が形成される。この光学的閉空間１２は、輻射光センサによる半導体基板１の温度検出のために設けられた、光学的に閉じられた空間である。

処理チェンバ２の上方には、基板支持部３に支持された半導体基板１を加熱するための複数の加熱用ランプ（５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄ、５１ｅ）を含むランプ群５１と、基板支持部３を加熱するための複数のランプからなる支持部加熱用ランプ群５２とが配設されている。
また、チェンバ底部４には、半導体基板１の裏面からの輻射光を受光する複数の輻射光センサ（６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、６１ｄ、６１ｅ）を含む輻射光センサ群６１と、基板支持部３からの輻射光を受光する支持部用輻射光センサ６２とが配設されている。輻射光センサ群６１及び支持部用輻射光センサ６２の各輻射光センサは、それぞれ半導体基板１の異なる半径位置に対応した位置に配置されており、各輻射光センサの測定結果（センサ出力信号）を温度算出部９に出力する。

温度算出部９は、輻射光センサ群６１及び支持部用輻射光センサ６２の各輻射光センサからの出力信号をモニターして、各輻射光センサ（６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、６１ｄ、６１ｅ）が検出した半導体基板１の裏面からの輻射光に基づき、半導体基板１の温度を算出すると共に、支持部用輻射光センサ６２が検出した基板支持部３からの輻射光に基づき、基板支持部３の温度を算出する。

ランプパワー制御部１０は、温度算出部９により算出された半導体基板温度に基づいて、半導体基板１の上方に配置されたランプ群５１の各ランプの照射強度を制御すると共に、温度算出部９により算出された基板支持部３の温度に基づいて、基板支持部３を加熱するためのランプ群５２の各ランプの照射強度を制御する。
次に、図２を用いて、反射率の異なる半導体基板を照射した時の本発明の急速熱処理装置の動作原理を説明する。
図２は、図１の急速熱処理装置における基板支持部付近を示す拡大断面図である。図２において、参照符号１１１は半導体基板１の裏面からの輻射光、１１２は基板支持部３からの輻射光、１２１ｄは基板加熱用ランプ群５１ｄの照射光、１２１ｅは基板加熱用ランプ群５１ｅの照射光、１２２は基板支持部加熱用ランプ群５２の照射光をそれぞれ示す。
図２の急速熱処理装置において、ランプ群５１ｄの光は半導体基板１のみに照射され、ランプ群５１ｅの光は半導体基板１と基板支持部３の双方に照射され、ランプ群５２の光は基板支持部３のみに照射されるように、複数の加熱ランプが配置されている。
ランプパワー制御部１０の機能により、ランプ群５１ｄは輻射光センサ６１ｄの測定結果に基づいて各ランプの照射強度が制御され、ランプ群５１ｅは輻射光センサ６１ｅの測定結果に基づいて各ランプの照射強度が制御される。支持部加熱用ランプ群５２は支持部用輻射光センサ６２の測定結果に基づいて各ランプの照射強度が制御される。
本実施形態では、基板加熱用ランプ群５１及び支持部加熱用ランプ群５２の制御を、１つの輻射光センサの測定結果に基づいて行う例を挙げているが、１つのランプ群の照射光が複数の輻射光センサに影響を与える場合には、その影響を受ける全ての輻射光センサの測定結果に基づいてそのランプ群の照射強度を制御するように構成してもよい。
すなわち、ランプ群５１ｅの光は半導体基板１と基板支持部３の双方に照射されており、ランプ群５１ｅの照射強度の制御に、直近の輻射光モニター６１ｅの測定結果だけではなく、支持部用輻射光モニター６２の測定結果もフィードバックすることにより、より精度の高い温度制御が可能となる。また、ランプ群５２の照射強度の制御に、直近の支持部用輻射光モニター６２の測定結果だけでなく、その隣の輻射光センサー６１ｅの測定結果もフィードバックすることにより、基板支持部３に光を照射しているランプ群５１ｅの照射強度の変動をランプ群５２の制御に反映することができ、より精度の高い温度制御が可能となる。

ここで、ある反射率を有する第１の半導体基板を所望の設定温度まで加熱処理した場合に、半導体基板１と基板支持部３の温度が等しかったとする。第１の半導体基板より反射率の低い第２の半導体基板を加熱処理する場合には、半導体基板の表面で反射されて失われる照射光（エネルギー）が減るため、同じ照射強度では半導体基板の輻射光センサ６１ｅ及び６１ｄの測定温度が設定温度より高くなってしまうため、ランプパワー制御部１０は、基板加熱用ランプ群５１ｄ及び５１ｅの各ランプの照射強度を下げる。ランプ群５１ｅの照射強度が下がると、基板支持部３の支持部用輻射光センサ６２の測定温度が下がるので、ランプパワー制御部１０は、支持部加熱用ランプ群５２の照射強度を上げて基板支持部３の温度を半導体基板１と等しくなるように制御する。
また、支持部加熱用ランプ群５２は半導体基板１自体を光照射しないので、ランプ群５２の照射強度を上げることにより半導体基板１の温度が上昇することはない。ランプ群５１ｅは基板支持部３も光照射するため、半導体基板１の輻射光センサ６１ｅの測定温度が設定温度より高くなる結果、ランプパワー制御部１０は、基板加熱用ランプ群５１ｅの照射強度を下げることは明らかであり、それによる基板支持部３の温度低下が生じる前に支持部加熱用ランプ群５２の照射強度を補正することにより、基板支持部３の温度を精度良く制御することが可能になる。
次に、第１の半導体基板より反射率の高い第３の半導体基板を所望の設定温度まで加熱処理する場合には、半導体基板１の表面で反射されて失われる照射光（エネルギー）が増えるため、同じ照射強度では半導体基板の輻射光センサ６１ｅ及び６１ｄの測定温度が設定温度より低くなってしまうため、ランプパワー制御部１０は、基板加熱用ランプ群５１ｄ及び５１ｅの各ランプの照射強度を上げる。ランプ群５１ｅの照射強度が上がると、基板支持部３の支持部用輻射光センサ６２の測定温度が上がるので、ランプパワー制御部１０は、支持部加熱用ランプ群５２の照射強度を下げて、基板支持部３の温度を半導体基板１と等しくなるように制御する。
支持部加熱用ランプ群５２は半導体基板１自体を光照射しないので、ランプ群５２の照射強度を下げることにより半導体基板１の温度が下降することはない。ランプ群５１ｅは基板支持部３も光照射するため、半導体基板１の輻射光センサ６１ｅの測定温度が設定温度より低くなる結果、ランプパワー制御部１０は、基板加熱用ランプ群５１ｅの照射強度を上げることは明らかであり、それによる基板支持部３の温度上昇を生じる前に支持部加熱用ランプ群５２の照射強度を補正することにより、基板支持部３の温度を精度良く制御することが可能になる。
ここで、図６を用いて従来の急速熱処理装置の問題点を説明する。

図６は、従来の急速熱処理装置の制御手順を説明するためのフロー図である。図６の制御手順は、例えば、図３の急速熱処理装置においてランプパワー制御部１０によって実行される。上述したように、図３の急速熱処理装置には、基板支持部３の温度を直接測定する輻射光センサや、基板支持部３だけを加熱するためのランプ群が設置されていない。このため、基板支持部３には、基板支持部３に最も近い位置に設定された、半導体基板からの輻射光を受光する輻射光センサ６１ｅからの測定値に基づいて、半導体基板１の温度が指定された温度と一致するような照射強度に調整された、基板及び基板支持部加熱用のランプ群５１ｄ及び５１ｅのランプ光が照射される。
図６の制御手順では、まず、温度算出部９は、輻射光センサ６１ｅにより検出された半導体基板からの輻射光より基板周辺部の温度（Ｔｅ）を算出（モニター）する（Ｓ１）。

次に、ランプパワー制御部１０は、温度算出部９の算出した基板周辺部の温度Ｔｅと、所定の設定温度Ｔｓｅｔとの差分に応じて、基板周辺部及び基板支持部３を加熱するランプ群５１ｄ及び５１ｅのランプパワー（照射強度）を算出する（Ｓ２）。

次に、ランプパワー制御部１０は、算出されたランプパワーに応じて、基板周辺部及び基板支持部３を加熱するランプ群５１ｄ及び５１ｅのランプパワーを制御する（Ｓ３）。

そして、ステップＳ３を終了すると、ステップＳ１に戻る。すなわち、リアルタイムで輻射光センサにより半導体基板１の基板周辺部の温度を監視しながら、周知のＰＩＤ制御に準じて加熱用ランプパワーへのフィードバック制御を実行し、ランプ群５１ｄ及び５１ｅにより半導体基板を所望の目標温度（Ｔｓｅｔ）まで加熱する。

ここで、ＰＩＤ制御は周知の温度制御技術であり、Ｐ（比例）、Ｉ（積分）、Ｄ（微分）の３つの基本演算を用いて目標値と測定値との差分を制御量（ここでは、ランプに印加する電圧）に変換する方式である。

従来の急速熱処理装置において、反射率の異なる半導体基板を短時間に高速に昇降温する、いわゆるスパイクアニール処理を行う場合、半導体基板の反射率が異なると、ランプパワー（照射強度）に対する半導体基板の温度の応答性が変化するために、ある一定のＰＩＤパラメーターをもつランプパワー制御部で、半導体基板の温度をフィードバックしてランプパワーを制御するだけでは、半導体基板の温度が所望の目標温度から外れてしまう。

また，半導体基板を保持する基板支持部は半導体基板よりも耐熱性のある材質で作成されており、反射率や熱容量(比熱、膜厚)が半導体基板とは異なるので、半導体基板と基板支持部を同じランプパワーでランプ光を照射しても同じ温度にはならない。

一般的に、基板支持部はＳｉＣなどで形成され、熱容量が半導体基板よりも大きいため、同じランプパワーで半導体基板と基板支持部にランプ光を照射しても基板支持部の温度は半導体基板より低くなる。そこで基板支持部へのランプの照射強度を半導体基板への照射強度よりも強めることにより基板支持部の温度を半導体基板の温度に近づけている。
しかし、半導体製造工程においては半導体基板表面にはさまざまな膜が成膜され、パターンが形成されるため、基板表面の反射率は半導体製造工程の中で大きく変化する。ある反射率の半導体基板で半導体基板と基板支持部の温度が等しくなるように半導体基板加熱用ランプと基板支持部加熱用ランプの照射強度のバランスを最適化しても、最適化した時とは異なる反射率の半導体基板をスパイクアニール処理しようとした場合、ランプパワーに対する半導体基板の温度の応答性が最適化時とは異なるために、半導体基板と基板支持部の温度差が大きくなり、その結果、基板支持部と接触している半導体基板の周辺部と、それ以外の箇所との間に温度差が生じてしまう。

上記の問題点を解消するために、本実施形態の急速熱処理装置においては、基板支持部３を光照射して加熱するランプ群５２と、基板支持部３の裏面側に配設され基板支持部３からの輻射光を受光する支持部用輻射光センサ６２とを備え、ランプパワー制御部１０は、半導体基板１の算出温度に基づいてランプ群５１の照射強度を制御すると共に、基板支持部３の算出温度に基づいてランプ群５２の照射強度を制御する。

図７は、本発明の一実施形態に係る急速熱処理装置の制御手順を説明するためのフロー図である。図７の制御手順は、例えば、図１の急速熱処理装置においてランプパワー制御部１０によって実行される。

図７の制御手順では、まず、温度算出部９は、輻射光センサ６１ｅ及び６１ｄにより検出された半導体基板からの輻射光より基板周辺部の温度（Ｔｅ）を算出（モニター）する（Ｓ３１）。

次に、ランプパワー制御部１０は、温度算出部９の算出した基板周辺部の温度Ｔｅと、所定の設定温度Ｔｓｅｔとの差分に応じて、基板周辺部を加熱するランプ群５１ｅ及び５１ｄのランプパワー（照射強度）を算出する（Ｓ３２）。

次に、ランプパワー制御部１０は、算出されたランプパワーに応じて、基板周辺部を加熱するランプ群５１ｄ及び５１ｅのランプパワーを制御する（Ｓ３３）。

そして、ステップＳ３３を終了すると、ステップＳ３１に戻る。すなわち、リアルタイムで輻射光センサにより半導体基板の温度を監視しながら、周知のＰＩＤ制御に準じて加熱用ランプパワーへのフィードバック制御を実行し、加熱用ランプにより半導体基板を所望の目標温度（Ｔｓｅｔ）まで加熱する。

上記の制御手順と並行して、温度算出部９は、支持部用輻射光センサ６２により検出された基板支持部からの輻射光より基板支持部３の温度（Ｔｓ）を算出する（モニター）する（Ｓ３４）。

次に、ランプパワー制御部１０は、温度算出部９の算出した基板支持部３の温度（Ｔｓ）と、所定の設定温度（Ｔｓｅｔ）との差分に応じて、基板支持部３を加熱するランプ群５２及び５１ｅのランプパワー（照射強度）を算出する（Ｓ３５）。

次に、ランプパワー制御部１０は、算出されたランプパワーに応じて、基板周辺部及び基板支持部３を加熱するランプ群５２及び５１ｅのランプパワーを制御する（Ｓ３６）。

そして、ステップＳ３６を終了すると、ステップＳ３４に戻る。すなわち、リアルタイムで支持部用輻射光センサ６２により半導体基板の温度を監視しながら、周知のＰＩＤ制御に準じて加熱用ランプパワーへのフィードバック制御を実行し、支持部加熱用ランプ群５２及び基板加熱用ランプ群５１ｅにより基板支持部を所望の目標温度（Ｔｓｅｔ）まで加熱する。

上記の実施形態において、ステップＳ３２では、基板周辺部を加熱するランプ群５１ｅ及び５１ｄのランプパワーを制御するために、基板周辺部の温度Ｔｅだけではなく、基板支持部３の温度Ｔｓ（ステップＳ３４で取得された温度値）もフィードバックしてもよい。また、ステップＳ３５では、基板支持部３を加熱するランプ群５２及び５１ｅのランプパワーを制御するために、基板支持部３の温度Ｔｓだけではなく、基板周辺部の温度Ｔｅ（ステップＳ３１で取得された温度値）もフィードバックしてもよい。
図８は、シリコン基板を加熱処理する場合の従来の急速熱処理装置の制御手順を説明するためのフロー図である。図８の制御手順は、例えば、図３の急速熱処理装置においてランプパワー制御部１０によって実行される。

ここで、図５（ｂ）に示したように、シリコン基板の表面反射率Ｒは略０．３０に等しく、図８の制御手順はシリコン基板を加熱処理する場合を想定している。

図８の制御手順では、まず、従来の急速熱処理装置のランプパワー制御部１０は、シリコン基板に対して基板周辺部と基板支持部の温度差が小さくなるような、基板周辺部を加熱するランプ群５１ｄ及び基板周辺部と基板支持部を加熱するランプ群５１ｅのランプパワーを算出するように最適化されている（Ｓ１１）。

次に、温度算出部９は、輻射光センサ６１ｄ及び６１ｅにより検出された半導体基板からの輻射光より基板周辺部の温度Ｔｅを算出（モニター）する（Ｓ１２）。

次に、ランプパワー制御部１０は、温度算出部９の算出した基板周辺部の温度Ｔｅと、所定の設定温度Ｔｓｅｔとの差分に応じて、基板周辺部を加熱するランプ群５１ｄと基板周辺部及び基板支持部３を加熱するランプ群５１ｅのランプパワー（照射強度）を算出する（Ｓ１３）。

次に、ランプパワー制御部１０は、算出されたランプパワーに応じて、基板周辺部を加熱するランプ群５１ｄと基板周辺部及び基板支持部３を加熱するランプ群５１ｅのランプパワーを制御する（Ｓ１４）。ランプパワー制御部１０は、シリコン基板に対して、基板周辺部と基板支持部３の温度差を小さくするようなランプ群５１ｄ及び５１ｅのランプパワーを算出できるように事前に最適化されているので、基板支持部の温度は半導体基板の温度に近づく。
そして、ステップＳ１４を終了すると、ステップＳ１１に戻る。すなわち、リアルタイムで輻射光センサ６１ｅ及び６１ｄにより半導体基板の温度を監視しながら、周知のＰＩＤ制御に準じて加熱用ランプパワーへのフィードバック制御を実行し、基板周辺部を加熱するランプ群５１ｄと基板周辺部及び基板支持部３を加熱するランプ群５１ｅにより基板支持部を所望の目標温度（Ｔｓｅｔ）まで加熱する。

図９は、低反射率半導体基板（例えば、ランプ照射側表面に適当な厚みの窒化膜を成膜した半導体基板）をスパイクアニール処理する場合の従来の急速熱処理装置の制御手順を説明するためのフロー図である。図９の制御手順は、例えば、図３の急速熱処理装置においてランプパワー制御部１０によって実行される。

ここで、図５（ｂ）に示したように、低反射率基板の表面反射率Ｒは略０．１０に等しく、シリコン基板より低い反射率である。図９の制御手順は、図３の急速熱処理装置においてランプパワー制御部１０がシリコン基板のスパイクアニール処理に対して最適化されている場合を想定している。

図９の制御手順では、まず、従来の急速熱処理装置のランプパワー制御部１０は、シリコン基板に対して基板周辺部と基板支持部の温度差が小さくなるような、基板周辺部を加熱するランプ群５１ｄ及び基板周辺部と基板支持部を加熱するランプ群５１ｅのランプパワーを算出するように最適化されている（Ｓ２１）。

次に、温度算出部９は、輻射光センサ６１ｄ、６１ｅにより検出された半導体基板からの輻射光より基板周辺部の温度Ｔｅを算出（モニター）する（Ｓ２２）。

次に、ランプパワー制御部１０は、温度算出部９の算出した基板周辺部の温度Ｔｅと、所定の設定温度Ｔｓｅｔとの差分に応じて、基板周辺部を加熱するランプ群５１ｄと基板周辺部及び基板支持部３を加熱するランプ群５１ｅのランプパワー（照射強度）を算出する。ここで、低反射率基板はシリコン基板に比べて光の吸収率が高いので、ランプパワー制御部１０は、基板周辺部を加熱するランプ群５１ｄ及び基板周辺部と基板支持部３を加熱するランプ５１ｅのランプパワー（照射強度）を、シリコン基板の場合よりも下げることにより、基板周辺部の温度を設定温度Ｔｓｅｔに近づける（Ｓ２３）。

次に、ランプパワー制御部１０は、算出されたランプパワーに応じて、基板周辺部を加熱するランプ群５１ｄ及び基板周辺部と基板支持部３を加熱するランプ群５１ｅのランプパワーを制御する。ここで、基板支持部３の光の吸収率は一定なので、基板周辺部及び基板支持部を加熱するランプ群５１ｅのランプパワー（照射強度）が下がった分だけ、基板支持部３の温度は、設定温度Ｔｓｅｔよりも低くなる。基板周辺部の温度は設定温度Ｔｓｅｔに近づいているので、結果的に基板周辺部と基板支持部の温度に差が生じてしまう（Ｓ２４）。

そして、ステップＳ２４を終了すると、ステップＳ２１に戻る。すなわち、リアルタイムで輻射光センサ５１ｅ及び５１ｄにより半導体基板の温度を監視しながら、周知のＰＩＤ制御に準じて加熱用ランプパワーへのフィードバック制御を実行し、基板周辺部を加熱するランプ群５１ｄと基板周辺部及び基板支持部３を加熱するランプ群５１ｅにより基板支持部を所望の目標温度（Ｔｓｅｔ）まで加熱する。

図１０は、低反射率半導体基板（例えば、ランプ照射側表面に適当な厚みの窒化膜を成膜した半導体基板）をスパイクアニール処理する場合の本発明の一実施形態に係る急速熱処理装置の制御手順を説明するためのフロー図である。図１０の制御手順は、例えば、図１の急速熱処理装置においてランプパワー制御部１０によって実行される。

図１０の制御手順では、まず、温度算出部９は、輻射光センサ６１ｅ及び６１ｄにより検出された半導体基板からの輻射光より基板周辺部の温度Ｔｅを算出（モニター）する（Ｓ４１）。

次に、ランプパワー制御部１０は、温度算出部９の算出した基板周辺部の温度Ｔｅと、所定の設定温度Ｔｓｅｔとの差分に応じて、基板周辺部を加熱するランプ群５１ｄ及び基板周辺部と基板支持部を加熱するランプ群５１ｅのランプパワー（照射強度）を算出する（Ｓ４２）。ここで、低反射率基板はシリコン基板に比べて光の吸収率が高いので、ランプパワー制御部１０は、基板周辺部を加熱するランプ群５１ｄ及び基板周辺部及び基板支持部３を加熱するランプ群５１ｅランプパワー（照射強度）を、シリコン基板の場合よりも下げることにより、基板周辺部の温度を設定温度Ｔｓｅｔに近づけようとする。

次に、ランプパワー制御部１０は、算出されたランプパワーに応じて、基板周辺部を加熱するランプ群５１ｄ及び基板周辺部と基板支持部を加熱するランプ群５１ｅのランプパワーを制御する（Ｓ４３）。

そして、ステップＳ４３を終了すると、ステップＳ４１に戻る。すなわち、リアルタイムで輻射光センサ５１ｅ及び５１ｄにより半導体基板の温度を監視しながら、周知のＰＩＤ制御に準じて加熱用ランプパワーへのフィードバック制御を実行し、基板周辺部を加熱するランプ群５１ｄと基板周辺部及び基板支持部３を加熱するランプ群５１ｅにより基板周辺部及び基板支持部を所望の目標温度（Ｔｓｅｔ）まで加熱する。

上記の制御手順と並行して、温度算出部９は、支持部用輻射光センサ６２により検出された基板支持部からの輻射光より基板支持部３の温度Ｔｓを算出（モニター）する（Ｓ４４）。

次に、ランプパワー制御部１０は、温度算出部９の算出した基板支持部３の温度Ｔｓと、所定の設定温度Ｔｓｅｔとの差分に応じて、基板支持部３を加熱するランプ群５２及び５１ｅのランプパワー（照射強度）を算出する。ここで、低反射率基板はシリコン基板に比べて光の吸収率が高いので、ランプパワー制御部１０は、基板周辺部及び基板支持部３を加熱するランプ群５１ｄ、５１ｅ及び５２のランプパワー（照射強度）を、シリコン基板の場合よりも下げることにより、基板周辺部温度を設定温度Ｔｓｅｔに近づけようとしている。基板支持部の反射率は一定なので、基板周辺部と基板支持部を加熱するランプ群５１ｅのランプパワーの低下による基板支持部３の温度の低下を支持部用輻射光センサ６２により検出し、基板支持部３を加熱するランプ群５２のランプパワー（照射強度）を、シリコン基板の場合よりも上げることにより、基板支持部３の温度を設定温度Ｔｓｅｔに近づけようとする（Ｓ４５）。

次に、ランプパワー制御部１０は、算出されたランプパワーに応じて、基板支持部３を加熱するランプ群５２のランプパワーを制御する（Ｓ４６）。

そして、ステップＳ４６を終了すると、ステップＳ４４に戻る。すなわち、リアルタイムで輻射光センサ５２により半導体基板支持部の温度を監視しながら、周知のＰＩＤ制御に準じて加熱用ランプパワーへのフィードバック制御を実行し、基板支持部３を加熱するランプ群５２により基板支持部を所望の目標温度（Ｔｓｅｔ）まで加熱する。

以上の実施例では、いずれも半導体基板の温度と基板支持部の温度を等しく保つことにより、半導体基板の基板支持部との接触箇所周辺とそれ以外の箇所の温度差を抑制しようとしているが、基板支持部の半導体基板との接触箇所と温度をモニターしている箇所で温度差が生じるような場合は、前記支持部内の温度差に応じて、半導体基板の設定温度に対して基板支持部の設定温度を補正することにより、半導体基板の基板支持部との接触箇所周辺とそれ以外の箇所の温度差を小さくすることが可能となる。

以上説明したように、本発明の急速熱処理装置によれば、半導体基板の温度を測定して、その基板温度に基づいて基板表面を加熱するための基板加熱用ランプ部の照射強度を制御すると共に、基板支持部の温度を測定して、その温度に基づいて基板支持部を加熱するための支持部加熱用ランプ部の照射強度を制御することにより、異なる反射率の半導体基板を加熱処理する場合であっても、半導体基板と基板支持部の温度を等しく保ち、半導体基板の基板支持部との接触箇所周辺とそれ以外の箇所の温度差を抑制できる。従って、あらゆる反射率の半導体基板を加熱処理する場合に、精度の高い温度制御を行うことが可能である。

（付記１）半導体基板を加熱する処理チェンバと、前記処理チェンバ内に配設され前記基板を支持する基板支持部と、前記基板支持部に支持された前記基板の表面側を光照射して加熱する第１のランプ部と、前記基板の裏面側に配設され前記基板からの輻射光を受光する第１の輻射光センサと、前記輻射光センサの出力結果に応じて前記基板の温度を算出する温度算出部と、前記温度算出部により算出された前記基板の温度に応じて前記ランプ部の照射強度を制御する制御部とを備える急速熱処理装置であって、前記基板支持部を光照射して加熱する第２のランプ部と、前記基板支持部の裏面側に配設され前記基板支持部からの輻射光を受光する第２の輻射光センサとをさらに備え、前記制御部が、前記基板の算出温度に基づいて前記第１のランプ部の照射強度を制御すると共に、前記基板支持部の算出温度に基づいて前記第２のランプ部の照射強度を制御することを特徴とする急速熱処理装置。

（付記２）半導体基板を加熱する処理チェンバと、前記処理チェンバ内に配設され前記基板を支持する基板支持部と、前記基板支持部に支持された前記基板の表面側を光照射して加熱する基板用ランプ部と、前記基板支持部に光照射して加熱する支持部用ランプ部と、前記基板の裏面側に配設され前記基板裏面からの輻射光を反射する反射板と、前記基板の裏面側に配設され前記基板裏面と前記反射板で多重反射した前記基板裏面からの輻射光を受光する基板用輻射光センサと、前記基板支持部からの輻射光を直接受光する支持部用輻射光センサと、前記基板用輻射光センサの出力結果に応じて前記基板の温度を算出し、前記支持部用輻射光センサの出力結果に応じて前記基板支持部の温度を算出する温度算出部と、前記温度算出部により算出された温度に応じて前記基板用ランプ部及び前記支持部用ランプ部の照射強度を制御する制御部とを備え、前記基板支持部に前記基板が支持された状態において前記基板の裏面側に光学的に閉じられた閉空間が形成される急速熱処理装置であって、前記制御部が、前記温度算出部により算出された前記基板の温度に基づいて前記基板用ランプ部の照射強度を制御すると共に、前記温度算出部により算出された前記基板支持部の温度に基づいて前記支持部用ランプ部の照射強度を制御することを特徴とする急速熱処理装置。

（付記３）前記第１のランプ部は前記基板と前記基板支持部の双方を光照射し、前記第２のランプ部は前記基板支持部のみを光照射することを特徴とする付記１記載の急速熱処理装置。

（付記４）前記基板用ランプ部は前記基板と前記基板支持部の双方を光照射し、前記支持部用ランプ部は前記基板支持部のみを光照射することを特徴とする付記２記載の急速熱処理装置。

（付記５）前記制御部は、前記第１の輻射光センサの出力結果と前記第２の輻射光センサの出力結果の双方に基づいて、前記第２のランプ部の照射強度を制御することを特徴とする付記３記載の急速熱処理装置。

（付記６）前記制御部は、前記基板用輻射光センサの出力結果と前記支持部用輻射光センサの出力結果の双方に基づいて、前記支持部用ランプ部の照射強度を制御することを特徴とする付記４記載の急速熱処理装置。

（付記７）前記制御部は、前記第１の輻射光センサの出力結果と前記第２の輻射光センサの出力結果の双方に基づいて、前記第１のランプ部の照射強度を制御することを特徴とする付記３記載の急速熱処理装置。

（付記８）前記制御部は、前記基板用輻射光センサの出力結果と前記支持部用輻射光センサの出力結果の双方に基づいて、前記基板用ランプ部の照射強度を制御することを特徴とする付記４記載の急速熱処理装置。

（付記９）前記制御部は、前記第１の輻射光センサの出力結果と前記第２の輻射光センサの出力結果の双方に基づいて、前記第１のランプ部及び前記第２のランプ部の照射強度を制御することを特徴とする付記３記載の急速熱処理装置。

（付記１０）前記制御部は、前記基板用輻射光センサの出力結果と前記支持部用輻射光センサの出力結果の双方に基づいて、前記基板用ランプ部及び前記支持部用ランプ部の照射強度を制御することを特徴とする付記４記載の急速熱処理装置。

（付記１１）前記第１のランプ部は前記基板を光照射して加熱する複数の加熱用ランプからなり、前記第２のランプ部は前記基板支持部を光照射して加熱する複数の加熱用ランプからなることを特徴とする付記５記載の急速熱処理装置。

（付記１２）前記基板用ランプ部は前記基板を光照射して加熱する複数の加熱用ランプからなり、前記支持部用ランプ部は前記基板支持部を光照射して加熱する複数の加熱用ランプからなることを特徴とする付記６記載の急速熱処理装置。

（付記１３）前記制御部は、前記基板の算出温度及び前記基板支持部の算出温度と所定の設定温度との差に応じて、前記第１及び第２のランプ部の照射強度をそれぞれ制御することを特徴とする付記１記載の急速熱処理装置。

（付記１４）前記制御部は、前記基板の算出温度及び前記基板支持部の算出温度と所定の設定温度との差に応じて、前記基板用ランプ部及び前記支持部用ランプ部の照射強度をそれぞれ制御することを特徴とする付記２記載の急速熱処理装置。

本発明の一実施形態に係る急速熱処理装置の構成を示す断面図である。 図１の急速熱処理装置の基板支持部付近を示す拡大断面図である。 従来の急速熱処理装置の構成を示す断面図である。 図３の従来の急速熱処理装置の基板支持部付近を示す拡大断面図である。 従来の急速熱処理装置での半導体基板面内の温度分布の測定結果を示す図である。 従来の急速熱処理装置の制御手順を説明するためのフロー図である。 本発明の一実施形態に係る急速熱処理装置の制御手順を説明するためのフロー図である。 シリコン基板を加熱処理する場合の従来の急速熱処理装置の制御手順を説明するためのフロー図である。 低反射率基板を加熱処理する場合の従来の急速熱処理装置の制御手順を説明するためのフロー図である。 低反射率基板を加熱処理する場合の本発明の一実施形態に係る急速熱処理装置の制御手順を説明するためのフロー図である。

符号の説明

１ 半導体基板
２ 処理チャンバ
３ 基板支持部
３１ 円筒形シリンダ
３２ リングプレート
４ チャンバ底部
５１ 基板加熱用ランプ群
５２ 基板支持部加熱用ランプ群
６１ 基板用輻射光センサ群
６２ 支持部用輻射光センサ
７ ベアリング部
８ 反射板
９ 温度算出部
１０ ランプパワー制御部

Claims (12)

1. 半導体基板を加熱する処理チェンバと、前記処理チェンバ内に配設され前記基板を支持する基板支持部と、前記基板支持部に支持された前記基板の表面側を光照射して加熱する第１のランプ部と、前記基板の裏面側に配設され前記基板からの輻射光を受光する第１の輻射光センサと、前記輻射光センサの出力結果に応じて前記基板の温度を算出する温度算出部と、前記温度算出部により算出された前記基板の温度に応じて前記ランプ部の照射強度を制御する制御部とを備える急速熱処理装置であって、
   前記基板支持部を光照射して加熱する第２のランプ部と、前記基板支持部の裏面側に配設され前記基板支持部からの輻射光を受光する第２の輻射光センサとを備え、前記制御部が、前記基板の算出温度に基づいて前記第１のランプ部の照射強度を制御すると共に、前記基板支持部の算出温度に基づいて前記第２のランプ部の照射強度を制御することを特徴とする急速熱処理装置。
2. 半導体基板を加熱する処理チェンバと、前記処理チェンバ内に配設され前記基板を支持する基板支持部と、前記基板支持部に支持された前記基板の表面側を光照射して加熱する基板用ランプ部と、前記基板支持部に光照射して加熱する支持部用ランプ部と、前記基板の裏面側に配設され前記基板裏面からの輻射光を反射する反射板と、前記基板の裏面側に配設され前記基板裏面と前記反射板で多重反射した前記基板裏面からの輻射光を受光する基板用輻射光センサと、前記基板支持部からの輻射光を直接受光する支持部用輻射光センサと、前記基板用輻射光センサの出力結果に応じて前記基板の温度を算出し、前記支持部用輻射光センサの出力結果に応じて前記基板支持部の温度を算出する温度算出部と、前記温度算出部により算出された温度に応じて前記基板用ランプ部及び前記支持部用ランプ部の照射強度を制御する制御部とを備え、前記基板支持部に前記基板が支持された状態において前記基板の裏面側に光学的に閉じられた閉空間が形成される急速熱処理装置であって、
   前記制御部が、前記温度算出部により算出された前記基板の温度に基づいて前記基板用ランプ部の照射強度を制御すると共に、前記温度算出部により算出された前記基板支持部の温度に基づいて前記支持部用ランプ部の照射強度を制御することを特徴とする急速熱処理装置。
3. 前記第１のランプ部は前記基板と前記基板支持部の双方を光照射し、前記第２のランプ部は前記基板支持部のみを光照射することを特徴とする請求項１記載の急速熱処理装置。
4. 前記基板用ランプ部は前記基板と前記基板支持部の双方を光照射し、前記支持部用ランプ部は前記基板支持部のみを光照射することを特徴とする請求項２記載の急速熱処理装置。
5. 前記制御部は、前記第１の輻射光センサの出力結果と前記第２の輻射光センサの出力結果の双方に基づいて、前記第２のランプ部の照射強度を制御することを特徴とする請求項３記載の急速熱処理装置。
6. 前記制御部は、前記基板用輻射光センサの出力結果と前記支持部用輻射光センサの出力結果の双方に基づいて、前記支持部用ランプ部の照射強度を制御することを特徴とする請求項４記載の急速熱処理装置。
7. 前記制御部は、前記第１の輻射光センサの出力結果と前記第２の輻射光センサの出力結果の双方に基づいて、前記第１のランプ部の照射強度を制御することを特徴とする請求項３記載の急速熱処理装置。
8. 前記制御部は、前記基板用輻射光センサの出力結果と前記支持部用輻射光センサの出力結果の双方に基づいて、前記基板用ランプ部の照射強度を制御することを特徴とする請求項４記載の急速熱処理装置。
9. 前記制御部は、前記第１の輻射光センサの出力結果と前記第２の輻射光センサの出力結果の双方に基づいて、前記第１のランプ部及び前記第２のランプ部の照射強度を制御することを特徴とする請求項３記載の急速熱処理装置。
10. 前記制御部は、前記基板用輻射光センサの出力結果と前記支持部用輻射光センサの出力結果の双方に基づいて、前記基板用ランプ部及び前記支持部用ランプ部の照射強度を制御することを特徴とする請求項４記載の急速熱処理装置。
11. 前記第１のランプ部は前記基板を光照射して加熱する複数の加熱用ランプからなり、前記第２のランプ部は前記基板支持部を光照射して加熱する複数の加熱用ランプからなることを特徴とする請求項５記載の急速熱処理装置。
12. 前記基板用ランプ部は前記基板を光照射して加熱する複数の加熱用ランプからなり、前記支持部用ランプ部は前記基板支持部を光照射して加熱する複数の加熱用ランプからなることを特徴とする請求項６記載の急速熱処理装置。
    
    

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