JP2010225613A

JP2010225613A - 熱処理装置

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Publication number: JP2010225613A
Application number: JP2009067918A
Authority: JP
Inventors: Kimihide Nozaki; 仁秀野崎
Original assignee: Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2009-03-19
Filing date: 2009-03-19
Publication date: 2010-10-07
Anticipated expiration: 2029-03-19
Also published as: JP5507102B2

Abstract

【課題】光照射によって加熱される基板の温度を直接かつ正確に測定することができる熱処理装置を提供する。
【解決手段】半導体ウェハーＷはハロゲンランプＨＬからの光照射によって所定温度にまで予備加熱された後、フラッシュランプＦＬによってフラッシュ加熱される。半導体ウェハーＷの温度は長波長放射温度計１２０および短波長放射温度計１３０によって測定される。サーモパイルを有する長波長放射温度計１２０は、石英の下側チャンバー窓６４を透過しない波長域にて測定するため、ハロゲンランプＨＬの光が外乱光とならずに温度測定を行うことができる。シリコンのフォトダイオードを有する短波長放射温度計１３０は、ハロゲンランプＨＬからの放射光をシャッターによって遮光しているときには、長波長放射温度計１２０よりも高い測定精度および応答速度にて温度測定を行うことができる。
【選択図】図８

Description

本発明は、半導体ウェハーやガラス基板等（以下、単に「基板」と称する）に対して光を照射することによって該基板を加熱する熱処理装置に関する。

従来より、イオン注入後の半導体ウェハーのイオン活性化工程においては、ハロゲンランプを使用したランプアニール装置が一般的に使用されていた。このようなランプアニール装置においては、半導体ウェハーを、例えば、１０００℃ないし１１００℃程度の温度に加熱（アニール）することにより、半導体ウェハーのイオン活性化を実行している。そして、このような熱処理装置においては、ハロゲンランプより照射される光のエネルギーを利用することにより、毎秒数百度程度の速度で基板を昇温する構成となっている。

一方、近年、半導体デバイスの高集積化が進展し、ゲート長が短くなるにつれて接合深さも浅くすることが望まれている。しかしながら、毎秒数百度程度の速度で半導体ウェハーを昇温する上記ランプアニール装置を使用して半導体ウェハーのイオン活性化を実行した場合においても、半導体ウェハーに打ち込まれたボロンやリン等のイオンが熱によって深く拡散するという現象が生ずることが判明した。このような現象が発生した場合においては、接合深さが要求よりも深くなり過ぎ、良好なデバイス形成に支障が生じることが懸念される。

このため、キセノンフラッシュランプ（以下、単に「フラッシュランプ」とするときにはキセノンフラッシュランプを意味する）を使用して半導体ウェハーの表面に閃光を照射することにより、イオンが注入された半導体ウェハーの表面のみを極めて短時間（数ミリセカンド以下）に昇温させる技術が提案されている。キセノンフラッシュランプの放射分光分布は紫外域から近赤外域であり、従来のハロゲンランプよりも波長が短く、シリコンの半導体ウェハーの基礎吸収帯とほぼ一致している。よって、キセノンフラッシュランプから半導体ウェハーに閃光を照射したときには、透過光が少なく半導体ウェハーを急速に昇温することが可能である。また、数ミリセカンド以下の極めて短時間の閃光照射であれば、半導体ウェハーの表面近傍のみを選択的に昇温できることも判明している。このため、キセノンフラッシュランプによる極短時間の昇温であれば、イオンを深く拡散させることなく、イオン活性化のみを実行することができるのである。

このようなキセノンフラッシュランプを使用した熱処理装置として、特許文献１，２には、半導体ウェハーの表面側にフラッシュランプ等のパルス発光ランプを配置し、裏面側にハロゲンランプ等の連続点灯ランプを配置し、それらの組み合わせによって所望の熱処理を行うものが開示されている。特許文献１，２に開示の熱処理装置においては、ハロゲンランプ等によって半導体ウェハーをある程度の温度まで予備加熱し、その後フラッシュランプからのパルス加熱によって所望の処理温度にまで昇温している。また、特許文献３には、半導体ウェハーをホットプレートに載置して所定の温度まで予備加熱し、その後フラッシュランプからの閃光照射によって所望の処理温度にまで昇温する装置が開示されている。

特開昭６０−２５８９２８号公報特表２００５−５２７９７２号公報特開２００７−５５３２号公報

特許文献１〜３に開示の装置は、いずれも半導体ウェハーを所定温度まで予備加熱してからフラッシュランプによる閃光照射を行うものであり、フラッシュ発光のタイミングを決定するために半導体ウェハーの予備加熱温度を測定することが重要となる。特許文献３に開示の装置においては、ホットプレートの内部に熱電対を設け、ホットプレートによって半導体ウェハーを予備加熱するときには、その熱電対にて計測されたプレート温度をもってウェハー温度としている。すなわち、ホットプレートに載置された半導体ウェハーの温度はプレート温度とほぼ等しいとみなされるため、半導体ウェハーの温度を直接測定するのではなく、ホットプレートの温度を測定することによって間接的にウェハー温度を測定しているのである。

一方、ハロゲンランプとフラッシュランプとの組み合わせによって熱処理を行う特許文献１，２に開示の装置においては、予備加熱にホットプレートを使用していないため、予備加熱時に半導体ウェハーの温度を直接測定しなければならない。特許文献１には、光高温計を設けて半導体ウェハーの温度を直接測定することが開示されている。

しかしながら、特許文献１，２に開示の装置においてはハロゲンランプによって半導体ウェハーを加熱しており、半導体ウェハーからの放射光の強度を計測してウェハー温度を測定するタイプの温度測定機構では、ハロゲンランプからの強い外乱光の影響によって正確にウェハー温度を測定することが困難になるという問題が生じる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、光照射によって加熱される基板の温度を直接かつ正確に測定することができる熱処理装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、基板に対して光を照射することによって該基板を加熱する熱処理装置において、基板を収容するチャンバーと、前記チャンバー内にて基板を保持する保持手段と、前記保持手段の一方側に設けられ、前記保持手段に保持された基板に光を照射して加熱する光照射手段と、前記保持手段と前記光照射手段との間に設けられ、前記光照射手段から出射された光を透過する石英窓と、前記保持手段と前記石英窓との間の位置に設けられ、前記保持部材に保持された基板の前記一方側から放射される第１の波長域の赤外線を受光して当該基板の温度を測定する第１放射温度計と、を備え、前記第１の波長域は石英を透過しない波長域であることを特徴とする。

また、請求項２の発明は、請求項１の発明に係る熱処理装置において、前記保持手段と前記石英窓との間の位置に設けられ、前記保持部材に保持された基板の前記一方側から放射される第２の波長域の赤外線を受光して当該基板の温度を測定する第２放射温度計をさらに備え、前記第１の波長域は５μｍ以上であり、前記第２の波長域は５μｍ未満であることを特徴とする。

また、請求項３の発明は、請求項２の発明に係る熱処理装置において、前記第１の波長域は５μｍ以上１４μｍ以下であることを特徴とする。

また、請求項４の発明は、請求項３の発明に係る熱処理装置において、前記保持手段に保持される基板はシリコンの半導体ウェハーであり、前記第２の波長域は０．９μｍ以上１μｍ以下であることを特徴とする。

また、請求項５の発明は、請求項４の発明に係る熱処理装置において、前記第１放射温度計はサーモパイルを有することを特徴とする。

また、請求項６の発明は、請求項５の発明に係る熱処理装置において、前記第２放射温度計はシリコンのフォトダイオードを有することを特徴とする。

また、請求項７の発明は、請求項１から請求項６のいずれかの発明に係る熱処理装置において、前記保持手段の他方側に設けられ、前記保持手段に保持された基板にフラッシュ光を照射して加熱するフラッシュランプをさらに備え、前記光照射手段はハロゲンランプを備えることを特徴とする。

また、請求項８の発明は、請求項７の発明に係る熱処理装置において、前記ハロゲンランプからの光照射によって加熱される基板の温度を前記第１放射温度計に測定させ、その測定結果が所定温度を超えた後に前記ハロゲンランプを消灯し、降温する基板の温度を前記第２放射温度計に測定させ、その測定結果が前記所定温度に到達した時点で当該基板に前記フラッシュランプからフラッシュ光を照射するように制御する制御手段をさらに備えることを特徴とする。

請求項１から請求項８の発明によれば、第１放射温度計は石英を透過しない波長域の赤外線を受光して基板の温度を測定するため、石英窓を透過した光照射手段の光は第１放射温度計の外乱光とならず、第１放射温度計は外乱光の影響を受けることなく光照射によって加熱される基板の温度を直接かつ正確に測定することができる。

特に、請求項２の発明によれば、第１放射温度計よりも短波長側の赤外線を受光して基板の温度を測定する第２放射温度計を備えるため、第１放射温度計および第２放射温度計の組み合わせによって基板の温度をより正確に測定することができる。

特に、請求項３の発明によれば、第１放射温度計の測定波長域が５μｍ以上１４μｍ以下であるため、石英窓を透過しない波長域において基板の温度をより正確に測定することができる。

特に、請求項４の発明によれば、第２放射温度計の測定波長域が０．９μｍ以上１μｍ以下であるため、第２放射温度計は半導体ウェハーの放射率の温度依存性の影響を受けることなく正確な温度測定を行うことができる。

特に、請求項５の発明によれば、第１放射温度計はサーモパイルを有するため、第１放射温度計の測定波長域を５μｍ以上１４μｍ以下と広く設定するのに好適である。

特に、請求項６の発明によれば、第２放射温度計はシリコンのフォトダイオードを有するため、第１放射温度計よりも測定精度および応答速度が高い。

特に、請求項８の発明によれば、ハロゲンランプからの光照射によって加熱される基板の温度を第１放射温度計が測定し、その測定結果が所定温度を超えた後にハロゲンランプを消灯し、降温する基板の温度を第２放射温度計が測定し、その測定結果が前記所定温度に到達した時点で当該基板にフラッシュランプからフラッシュ光を照射するため、ハロゲンランプ点灯中は第１放射温度計によって外乱光の影響を排除して温度測定を行い、ハロゲンランプ消灯後の外乱光の無い状態では第２放射温度計によって温度測定を行うこととなり、光照射によって加熱される基板の温度を直接かつ正確に測定することができる。

本発明に係る熱処理装置の構成を示す縦断面図である。チャンバーの側部を拡大した部分断面図である。熱処理空間への気体供給を示す平面図である。半導体ウェハーの保持位置から見たチャンバーの平面図である。移載機構の平面図である。移載機構の側面図である。複数のハロゲンランプの配置を示す平面図である。熱処理装置における半導体ウェハーの温度測定機構を模式的に示す図である。図１の熱処理装置における半導体ウェハーの処理手順を示すフローチャートである。熱処理時の半導体ウェハーの表面温度プロファイルを示す図である。石英の分光透過率を示す図である。シリコンの分光放射率の温度依存性を示す図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明に係る熱処理装置１の構成を示す側断面図である。本実施形態の熱処理装置１は基板としてφ３００ｍｍの円板形状のシリコンの半導体ウェハーＷに閃光（フラッシュ光）を照射してその半導体ウェハーＷを加熱するフラッシュランプアニール装置である。

熱処理装置１は、半導体ウェハーＷを収容するチャンバー６と、複数のフラッシュランプＦＬを内蔵するフラッシュ加熱部５と、複数のハロゲンランプＨＬを内蔵するハロゲン加熱部４と、シャッター機構２と、を備える。チャンバー６の上側にフラッシュ加熱部５が設けられるとともに、下側にハロゲン加熱部４が設けられている。また、熱処理装置１は、チャンバー６の内部に、半導体ウェハーＷを水平姿勢に保持する保持部７と、保持部７と装置外部との間で半導体ウェハーＷの受け渡しを行う移載機構１０と、を備える。さらに、熱処理装置１は、シャッター機構２、ハロゲン加熱部４、フラッシュ加熱部５およびチャンバー６に設けられた各動作機構を制御して半導体ウェハーＷの熱処理を実行させる制御部３を備える。

チャンバー６は、筒状のチャンバー側部６１の上下に石英製のチャンバー窓を装着して構成されている。チャンバー側部６１は上下が開口された概略筒形状を有しており、上側開口には上側チャンバー窓６３が装着されて閉塞され、下側開口には下側チャンバー窓６４が装着されて閉塞されている。チャンバー６の天井部を構成する上側チャンバー窓６３は、石英により形成された円板形状部材であり、フラッシュ加熱部５から出射された光をチャンバー６内に透過する石英窓として機能する。また、チャンバー６の床部を構成する下側チャンバー窓６４も、石英により形成された円板形状部材であり、ハロゲン加熱部４からの光をチャンバー６内に透過する石英窓として機能する。

また、チャンバー側部６１の内側の壁面の上部には反射リング６８が装着され、下部には反射リング６９が装着されている。反射リング６８，６９は、ともに円環状に形成されている。上側の反射リング６８は、チャンバー側部６１の上側から嵌め込むことによって装着される。一方、下側の反射リング６９は、チャンバー側部６１の下側から嵌め込んで図示省略のビスで留めることによって装着される。すなわち、反射リング６８，６９は、ともに着脱自在にチャンバー側部６１に装着されるものである。チャンバー６の内側空間、すなわち上側チャンバー窓６３、下側チャンバー窓６４、チャンバー側部６１および反射リング６８，６９によって囲まれる空間が熱処理空間６５として規定される。

図２は、チャンバー６の側部を拡大した部分断面図である。チャンバー側部６１に反射リング６８，６９が装着されることによって、チャンバー６の内壁面に凹部６２が形成される。すなわち、チャンバー側部６１の内壁面のうち反射リング６８，６９が装着されていない中央部分と、反射リング６８の下端面と、反射リング６９の上端面とで囲まれた凹部６２が形成される。凹部６２は、チャンバー６の内壁面に水平方向に沿って円環状に形成され、半導体ウェハーＷを保持する保持部７を囲繞する。

図２に示すように、凹部６２を挟んで上下のそれぞれに装着された反射リング６８，６９の内周面はテーパ面とされている。上側の反射リング６８のテーパ面は下側に向けて径が大きくなる。逆に、下側の反射リング６９のテーパ面は上側に向けて径が大きくなる。一方、図１に示すように、半導体ウェハーＷを保持する保持部７は凹部６２の高さ位置に設けられている。従って、上側の反射リング６８および下側の反射リング６９ともに石英窓（上側チャンバー窓６３および下側チャンバー窓６４）の側から保持部７の側に向けて拡がるテーパ面が形成されていることとなる。

チャンバー側部６１および反射リング６８，６９は、強度と耐熱性に優れた金属材料（例えば、ステンレススチール）にて形成されている。また、反射リング６８，６９の内周面（つまりテーパ面）は電解ニッケルメッキによって鏡面とされている。

また、チャンバー側部６１には、チャンバー６に対して半導体ウェハーＷの搬入および搬出を行うための搬送開口部（炉口）６６が形設されている。搬送開口部６６は、ゲートバルブ１８５によって開閉可能とされている。搬送開口部６６は凹部６２の外周面に連通接続されている。このため、ゲートバルブ１８５が搬送開口部６６を開放しているときには、搬送開口部６６から凹部６２を通過して熱処理空間６５への半導体ウェハーＷの搬入および熱処理空間６５からの半導体ウェハーＷの搬出を行うことができる。また、ゲートバルブ１８５が搬送開口部６６を閉鎖するとチャンバー６内の熱処理空間６５が密閉空間とされる。

また、チャンバー６においては、熱処理空間６５の上部から処理ガス（本実施形態では窒素ガス（Ｎ₂））を供給するとともに、下部から排気を行うように構成されている。図２に示すように、チャンバー６の上部において、チャンバー側部６１に装着された反射リング６８と上側チャンバー窓６３とは密接しておらず、それらの間には隙間が形成されている。上側チャンバー窓６３は円板状であり、反射リング６８は円環状であるため、上側チャンバー窓６３と反射リング６８の上端面との間に形成される隙間も円環状のスリット８１となる。また、チャンバー側部６１と反射リング６８との間に緩衝空間８２が形成されている。緩衝空間８２も円環状に形成されることとなる。緩衝空間８２はスリット８１と連通している。

また、緩衝空間８２にはガス配管８３が連通接続されている。ガス配管８３の基端部は窒素ガス供給源８５に接続されている（図１）。ガス配管８３の経路途中にはバルブ８４が介挿されている。バルブ８４が開放されると、窒素ガス供給源８５から緩衝空間８２に窒素ガスが送給される。緩衝空間８２に流入した窒素ガスはスリット８１を通過してチャンバー６内の熱処理空間６５に供給される。

図３は、熱処理空間６５への気体供給を示す平面図である。緩衝空間８２からスリット８１へと至る気体の通過経路において、気体の進行方向に対して垂直となる面の断面積が緩衝空間８２の方がスリット８１よりも大きい。すなわち、緩衝空間８２の方がスリット８１よりも流体抵抗が小さい。このため、図３に示すように、ガス配管８３から緩衝空間８２へ流入した窒素ガスの一部は直ちにスリット８１に流れるものの、大部分はより抵抗の小さい緩衝空間８２内を拡がるように流れる。そして、緩衝空間８２内に満たされた窒素ガスがスリット８１を通って熱処理空間６５に供給される。従って、環状のスリット８１の全周にわたって均一に窒素ガスが供給されることとなる。

一方、チャンバー６の底部においても上部と同様に、反射リング６９と下側チャンバー窓６４とは密接しておらず、それらの間には隙間が形成されている。下側チャンバー窓６４は円板状であり、反射リング６９は円環状であるため、下側チャンバー窓６４と反射リング６９の下端面との間に形成される隙間も円環状のスリット８６となる。また、チャンバー側部６１に形成された円環状の緩衝空間８７がスリット８６と連通している。緩衝空間８７にはガス配管８８が連通接続されている。ガス配管８８の基端部は排気部９０に接続されている。ガス配管８８の経路途中にはバルブ８９が介挿されている。バルブ８９が開放されると、熱処理空間６５の気体がスリット８６から緩衝空間８７を経てガス配管８８へと排出される。

スリット８６から緩衝空間８７へと至る気体の通過経路においても、気体の進行方向に対して垂直となる面の断面積が緩衝空間８７の方がスリット８６よりも大きい。すなわち、緩衝空間８７の方がスリット８６よりも流体抵抗が小さい。このため、環状のスリット８６の全周にわたって均一に気体が排気される。なお、図示の便宜上、図１と図２とではガス配管８３，８８の位置が異なっているが、ガス配管８３，８８は円環状の緩衝空間８２，８７の任意の位置に接続して良く、両ガス配管８３，８８を図１のように接続しても図２のように接続しても良い。また、緩衝空間８２，８７に接続されるガス配管８３，８８は一本に限定されるものではなく、複数本であっても良い。複数本のガス配管８３，８８を緩衝空間８２，８７に均等に接続すれば、環状のスリット８１，８６からより均一な給排気を行うことができる。

このように、熱処理装置１は、チャンバー６内に保持された半導体ウェハーＷを挟んで概ね上下対称に給排気機構を備えている。すなわち、バルブ８４、ガス配管８３および緩衝空間８２を有する給気機構によって、上側チャンバー窓６３とチャンバー６の内壁上端との間に環状に形成された隙間であるスリット８１からチャンバー６内の熱処理空間６５に処理ガス（窒素ガス）を供給する。それとともに、バルブ８９、ガス配管８８および緩衝空間８７を有する排気機構によって、下側チャンバー窓６４とチャンバー６の内壁下端との間に環状に形成された隙間であるスリット８６からチャンバー６内の気体を排気する。なお、窒素ガス供給源８５および排気部９０は、熱処理装置１に設けられた機構であっても良いし、熱処理装置１が設置される工場のユーティリティであっても良い。

図４は、半導体ウェハーＷの保持位置から見たチャンバー６の平面図である。保持部７は、サセプタ７０および均熱リング７５を備えて構成され、チャンバー６内にて半導体ウェハーＷを水平姿勢に保持する。サセプタ７０は、石英により形成され、円環形状のリング部７１に複数の爪部７２（本実施形態では４本）を立設して構成される。リング部７１が凹部６２の底面に載置されることによって、サセプタ７０がチャンバー６に装着される。

均熱リング７５は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）によって形成されたリング状部材であり、サセプタ７０の爪部７２に設けられた支持ピンによって支持される。均熱リング７５の内周には図示を省略する複数の爪が突設されており、それら複数の爪によって半導体ウェハーＷの周縁部が支持されて半導体ウェハーＷが水平姿勢にて保持される。なお、複数の爪に代えて均熱リング７５の内周に沿って鍔を設け、それによって半導体ウェハーＷを保持するようにしても良い。

図５は、移載機構１０の平面図である。また、図６は、移載機構１０の側面図である。移載機構１０は、２本の移載アーム１１を備える。移載アーム１１は、概ね円環状の凹部６２に沿うような円弧形状とされている。それぞれの移載アーム１１には２本のリフトピン１２が立設されている。各移載アーム１１は水平移動機構１３によって回動可能とされている。水平移動機構１３は、一対の移載アーム１１を保持部７に対して半導体ウェハーＷの移載を行う移載動作位置（図５の実線位置）と保持部７に保持された半導体ウェハーＷと平面視で重ならない退避位置（図５の二点鎖線位置）との間で水平移動させる。水平移動機構１３としては、個別のモータによって各移載アーム１１をそれぞれ回動させるものであっても良いし、リンク機構を用いて１個のモータによって一対の移載アーム１１を連動させて回動させるものであっても良い。

また、一対の移載アーム１１は、昇降機構１４によって水平移動機構１３とともに昇降移動される。昇降機構１４が一対の移載アーム１１を移載動作位置にて上昇させると、計４本のリフトピン１２が均熱リング７５の内側を通過し、リフトピン１２の上端が均熱リング７５の上側に突き出る。一方、昇降機構１４が一対の移載アーム１１を移載動作位置にて下降させ、水平移動機構１３が一対の移載アーム１１を開くように移動させると各移載アーム１１が退避位置に移動する。

一対の移載アーム１１の退避位置は、サセプタ７０のリング部７１の直上である。リング部７１は凹部６２の底面に載置されているため、移載アーム１１の退避位置は凹部６２の内側となる。

図４に示すように、チャンバー側部６１のうち移載機構１０の駆動部（水平移動機構１３および昇降機構１４）が設けられている部位には、排気管９３が連通接続されている。排気管９３は排気部９０に接続されている。排気管９３の経路途中にはバルブ９４が介挿されている。バルブ９４を開放することによって、移載機構１０の駆動部周辺を介してチャンバー６内の気体が排気される。また、搬送開口部６６の先端にも熱処理空間６５内の気体を排出する排気管９１が接続されている。排気管９１はバルブ９２を介して排気部９０に接続されている。バルブ９２を開放することによって、搬送開口部６６を介してチャンバー６内の気体が排気される。なお、本実施形態では３系統の排気機構の排気部９０を共通のものとしていたが、これを別個のものとしても良い。

チャンバー６の上方に設けられたフラッシュ加熱部５は、筐体５１の内側に、複数本（本実施形態では３０本）のキセノンフラッシュランプＦＬからなる光源と、その光源の上方を覆うように設けられたリフレクタ５２と、を備えて構成される。また、フラッシュ加熱部５の筐体５１の底部にはランプ光放射窓５３が装着されている。フラッシュ加熱部５の床部を構成するランプ光放射窓５３は、石英により形成された板状の石英窓である。フラッシュ加熱部５がチャンバー６の上方に設置されることにより、ランプ光放射窓５３が上側チャンバー窓６３と相対向することとなる。フラッシュランプＦＬはチャンバー６の上方からランプ光放射窓５３および上側チャンバー窓６３を介して熱処理空間６５に閃光を照射する。

複数のフラッシュランプＦＬは、それぞれが長尺の円筒形状を有する棒状ランプであり、それぞれの長手方向が保持部７に保持される半導体ウェハーＷの主面に沿って（つまり水平方向に沿って）互いに平行となるように平面状に配列されている。よって、フラッシュランプＦＬの配列によって形成される平面も水平面である。

キセノンフラッシュランプＦＬは、その内部にキセノンガスが封入されその両端部にコンデンサーに接続された陽極および陰極が配設された棒状のガラス管（放電管）と、該ガラス管の外周面上に付設されたトリガー電極とを備える。キセノンガスは電気的には絶縁体であることから、コンデンサーに電荷が蓄積されていたとしても通常の状態ではガラス管内に電気は流れない。しかしながら、トリガー電極に高電圧を印加して絶縁を破壊した場合には、コンデンサーに蓄えられた電気が両端電極間の放電によってガラス管内に瞬時に流れ、そのときのキセノンの原子あるいは分子の励起によって光が放出される。このようなキセノンフラッシュランプＦＬにおいては、予めコンデンサーに蓄えられていた静電エネルギーが０．１ミリセカンドないし１０ミリセカンドという極めて短い光パルスに変換されることから、ハロゲンランプＨＬの如き連続点灯の光源に比べて極めて強い光を照射し得るという特徴を有する。

また、リフレクタ５２は、複数のフラッシュランプＦＬの上方にそれら全体を覆うように設けられている。リフレクタ５２の基本的な機能は、複数のフラッシュランプＦＬから出射されたフラッシュ光を保持部７の側に反射するというものである。リフレクタ５２はアルミニウム合金板にて形成されており、その表面（フラッシュランプＦＬに臨む側の面）はブラスト処理により粗面化加工が施されて梨地模様を呈する。

チャンバー６の下方に設けられたハロゲン加熱部４の内部には複数本（本実施形態では４０本）のハロゲンランプＨＬが内蔵されている。複数のハロゲンランプＨＬはチャンバー６の下方から下側チャンバー窓６４を介して熱処理空間６５への光照射を行う。図７は、複数のハロゲンランプＨＬの配置を示す平面図である。本実施形態では、上下２段に各２０本ずつのハロゲンランプＨＬが配設されている。各ハロゲンランプＨＬは、長尺の円筒形状を有する棒状ランプである。上段、下段ともに２０本のハロゲンランプＨＬは、それぞれの長手方向が保持部７に保持される半導体ウェハーＷの主面に沿って（つまり水平方向に沿って）互いに平行となるように配列されている。よって、上段、下段ともにハロゲンランプＨＬの配列によって形成される平面は水平面である。

また、図７に示すように、上段、下段ともに保持部７に保持される半導体ウェハーＷの中央部に対向する領域よりも周縁部に対向する領域におけるハロゲンランプＨＬの配設密度が高くなっている。すなわち、上下段ともに、ランプ配列の中央部よりも端部側の方がハロゲンランプＨＬの配設ピッチが短い。このため、ハロゲン加熱部４からの光照射による加熱時に温度低下が生じやすい半導体ウェハーＷの周縁部により多い光量の照射を行うことができる。

また、上段のハロゲンランプＨＬからなるランプ群と下段のハロゲンランプＨＬからなるランプ群とが格子状に交差するように配列されている。すなわち、上段の各ハロゲンランプＨＬの長手方向と下段の各ハロゲンランプＨＬの長手方向とが直交するように計４０本のハロゲンランプＨＬが配設されている。

ハロゲンランプＨＬは、ガラス管内部に配設されたフィラメントに通電することでフィラメントを白熱化させて発光させるフィラメント方式の光源である。ガラス管の内部には、窒素やアルゴン等の不活性ガスにハロゲン元素（ヨウ素、臭素等）を微量導入した気体が封入されている。ハロゲン元素を導入することによって、フィラメントの折損を抑制しつつフィラメントの温度を高温に設定することが可能となる。したがって、ハロゲンランプＨＬは、通常の白熱電球に比べて寿命が長くかつ強い光を連続的に照射できるという特性を有する。また、ハロゲンランプＨＬは棒状ランプであるため長寿命であり、ハロゲンランプＨＬを水平方向に沿わせて配置することにより上方の半導体ウェハーＷへの放射効率が優れたものとなる。

また、熱処理装置１は、ハロゲン加熱部４およびチャンバー６の側方にシャッター機構２を備える。シャッター機構２は、シャッター板２１およびスライド駆動機構２２を備える。シャッター板２１は、ハロゲン光に対して不透明な板であり、例えばチタン（Ｔｉ）にて形成されている。スライド駆動機構２２は、シャッター板２１を水平方向に沿ってスライド移動させ、ハロゲン加熱部４と保持部７との間の遮光位置にシャッター板２１を挿脱する。スライド駆動機構２２がシャッター板２１を前進させると、チャンバー６とハロゲン加熱部４との間の遮光位置（図１の二点鎖線位置）にシャッター板２１が挿入され、下側チャンバー窓６４と複数のハロゲンランプＨＬとが遮断される。これによって、複数のハロゲンランプＨＬから熱処理空間６５の保持部７へと向かう光は遮光される。逆に、スライド駆動機構２２がシャッター板２１を後退させると、チャンバー６とハロゲン加熱部４との間の遮光位置からシャッター板２１が退出して下側チャンバー窓６４の下方が開放される。

図４に示すように、チャンバー６の内部には、半導体ウェハーＷの温度を測定するための２つの放射温度計が設けられている。２つの放射温度計の一方は長波長放射温度計１２０（第１放射温度計）であり、他方は短波長放射温度計１３０（第２放射温度計）である。２つの放射温度計１２０，１３０はいずれも、保持部７の均熱リング７５に保持された半導体ウェハーＷの下面から放射された放射光（赤外線）の強度を測定して当該半導体ウェハーＷの温度を測定する。図８は、熱処理装置１における半導体ウェハーＷの温度測定機構を模式的に示す図である。

長波長放射温度計１２０は、サーモパイルを内蔵する。サーモパイルは多数の熱電対を直列に接続して出力電圧を高くした赤外線センサである。長波長放射温度計１２０は、均熱リング７５に保持された半導体ウェハーＷの下面から放射された赤外線をサーモパイルによって受光し、そのエネルギー量に応じた熱起電力を発生させて電気信号として出力する。長波長放射温度計１２０から出力された電気信号は検出器１２１によって温度を示す信号に変換されて制御部３に伝達される。

長波長放射温度計１２０は、保持部７に保持された半導体ウェハーＷの斜め下方であって当該半導体ウェハーＷと平面視で重ならない位置に設けられている。具体的には、保持部７に保持された半導体ウェハーＷよりも下方の凹部６２に長波長放射温度計１２０は設置されている。よって、長波長放射温度計１２０が設置される高さ位置は、チャンバー６の床部を構成する下側チャンバー窓６４と保持部７との間である。なお、長波長放射温度計１２０の一部または全部が凹部６２を形成するチャンバー側部６１に埋設されていても良い。

また、長波長放射温度計１２０は、サーモパイルの受光方向が水平面に対して所定角度傾斜するように設置されている。サーモパイルの受光方向の水平面に対する傾斜角度は０°より大きく９０°未満である。半導体ウェハーＷからの赤外線を効率良く受光するためには水平面に対するサーモパイルの傾斜角度が大きい方が好ましいのであるが、長波長放射温度計１２０が半導体ウェハーＷと平面視で重ならないようにしつつ傾斜角度を大きくするためにはチャンバー６の高さ方向サイズを顕著に大きくせざるを得ない。このため、チャンバー６の高さ方向サイズの範囲内にて水平面に対するサーモパイルの傾斜角度がなるべく大きくなる位置に長波長放射温度計１２０を設けるのが好ましい。

一方、短波長放射温度計１３０は、シリコンのフォトダイオードを内蔵する。フォトダイオードは、光起電力効果を利用して光エネルギーを電気エネルギーに変換する半導体素子である。短波長放射温度計１３０は、均熱リング７５に保持された半導体ウェハーＷの下面から放射された赤外線をシリコンのフォトダイオードによって受光し、その光量に比例した電流（光電流）を発生させて電気信号として出力する。短波長放射温度計１３０から出力された電気信号は検出器１３１によって温度を示す信号に変換されて制御部３に伝達される。

短波長放射温度計１３０は、保持部７に保持された半導体ウェハーＷの斜め下方であって当該半導体ウェハーＷと平面視で重ならない位置に設けられている。すなわち、上記の長波長放射温度計１２０と同様に、保持部７に保持された半導体ウェハーＷよりも下方の凹部６２に短波長放射温度計１３０は設置されている。よって、短波長放射温度計１３０が設置される高さ位置もチャンバー６の床部を構成する下側チャンバー窓６４と保持部７との間である。保持部７に保持された半導体ウェハーＷの周方向における長波長放射温度計１２０および短波長放射温度計１３０の設置位置は図４の例に限定されるものではなく、任意の位置とすることができる。例えば、長波長放射温度計１２０と短波長放射温度計１３０とは隣接して設けられていても良いし、半導体ウェハーＷの中心を挟んで対向して設けられていても良い。なお、短波長放射温度計１３０の一部または全部が凹部６２を形成するチャンバー側部６１に埋設されていても良い。

また、短波長放射温度計１３０は、長波長放射温度計１２０と同様に、フォトダイオードの受光方向が水平面に対して所定角度傾斜するように設置されている。フォトダイオードの受光方向の水平面に対する傾斜角度は０°より大きく９０°未満である。

以上のように、本実施形態の熱処理装置１は、長波長放射温度計１２０および短波長放射温度計１３０の２種類の放射温度計を備えている。長波長放射温度計１２０および短波長放射温度計１３０はいずれも半導体ウェハーＷから放射される赤外線を受光してその半導体ウェハーＷの温度を測定する赤外線センサなのであるが、両者の動作原理は全く異なり、温度測定に利用する赤外線の波長域も異なる。

長波長放射温度計１２０が有するサーモパイルは、熱起電力効果を利用して温度測定を行う熱型赤外線センサである。一般に、熱型赤外線センサは、感度や応答速度は低いものの、測定に利用できる波長帯域が広く使いやすい。本実施形態においては、長波長放射温度計１２０は５μｍ以上１４μｍ以下の波長域の赤外線を受光して半導体ウェハーＷの温度測定を行う。

一方、短波長放射温度計１３０が有するフォトダイオードは、光起電力効果を利用して温度測定を行う量子型赤外線センサである。一般に、量子型赤外線センサは熱型赤外線センサと比較して、検出感度が高く、応答速度も速いものの、測定に利用できる波長帯域が狭い。本実施形態においては、短波長放射温度計１３０は０．９μｍ以上１μｍ以下の波長域の赤外線を受光して半導体ウェハーＷの温度を測定する。すなわち、長波長放射温度計１２０は短波長放射温度計１３０よりも長波長側の波長域の赤外線を受光して半導体ウェハーＷの温度測定を行う。

また、制御部３は、熱処理装置１に設けられた上記の種々の動作機構を制御する。制御部３のハードウェアとしての構成は一般的なコンピュータと同様である。すなわち、制御部３は、各種演算処理を行うＣＰＵ、基本プログラムを記憶する読み出し専用のメモリであるＲＯＭ、各種情報を記憶する読み書き自在のメモリであるＲＡＭおよび制御用ソフトウェアやデータなどを記憶しておく磁気ディスクを備えている。

上記の構成以外にも熱処理装置１は、半導体ウェハーＷの熱処理時にハロゲンランプＨＬおよびフラッシュランプＦＬから発生する熱エネルギーによるハロゲン加熱部４、フラッシュ加熱部５およびチャンバー６の過剰な温度上昇を防止するため、様々な冷却用の構造を備えている。例えば、チャンバー６の壁体には水冷管（図示省略）が設けられている。また、ハロゲン加熱部４およびフラッシュ加熱部５は、内部に気体流を形成して排熱する空冷構造とされている。また、上側チャンバー窓６３とランプ光放射窓５３との間隙にも空気が供給され、フラッシュ加熱部５および上側チャンバー窓６３を冷却する。

次に、熱処理装置１における半導体ウェハーＷの処理手順について簡単に説明する。ここで処理対象となる半導体ウェハーＷはイオン注入法により不純物（イオン）が添加された半導体基板であり、添加された不純物の活性化が熱処理装置１によるフラッシュ加熱処理により実行される。図９は、熱処理装置１における半導体ウェハーＷの処理手順を示すフローチャートである。また、図１０は、熱処理時の半導体ウェハーＷの表面温度プロファイルを示す図である。以下に示す半導体ウェハーＷの処理手順は、制御部３が熱処理装置１の各動作機構を制御することによって実行される。

まず、給気のためのバルブ８４が開放されるとともに、排気用のバルブ８９，９２，９４が開放されてチャンバー６内に対する給排気が開始される（ステップＳ１）。バルブ８４が開放されると、上側チャンバー窓６３とチャンバー６の内壁上端との間に形成された環状のスリット８１の全周から均一に熱処理空間６５に窒素ガスが供給される。また、バルブ８９が開放されると、下側チャンバー窓６４とチャンバー６の内壁下端との間に形成された環状のスリット８６の全周から均一にチャンバー６内の気体が排気される。これにより、チャンバー６内の熱処理空間６５の最上部から供給された窒素ガスが下方へと流れ、熱処理空間６５の最下部から排気される。

また、バルブ９２，９４が開放されることによって、それぞれ搬送開口部６６および移載機構１０の駆動部周辺を介してチャンバー６内の気体が排気される。これにより、チャンバー６内の熱処理空間６５の最上部から供給された窒素ガスが搬送開口部６６および移載機構１０の駆動部周辺を流れて排気される。なお、熱処理装置１における半導体ウェハーＷの熱処理時には窒素ガスが熱処理空間６５に継続的に供給されており、その供給量は図９の処理ステップに応じて適宜変更される。

続いて、ゲートバルブ１８５が開いて搬送開口部６６が開放され、装置外部の搬送ロボットにより搬送開口部６６を介してイオン注入後の半導体ウェハーＷがチャンバー６内の熱処理空間６５に搬入される（ステップＳ２）。搬送ロボットによって搬入された半導体ウェハーＷは保持部７の直上位置まで進出して停止する。そして、移載機構１０の一対の移載アーム１１が退避位置から移載動作位置に水平移動して上昇することにより、リフトピン１２が均熱リング７５の内側を通って上方に突き出て搬送ロボットから半導体ウェハーＷを受け取る。

半導体ウェハーＷがリフトピン１２に載置された後、搬送ロボットが熱処理空間６５から退出し、ゲートバルブ１８５によって搬送開口部６６が閉鎖される。そして、一対の移載アーム１１が下降することにより、半導体ウェハーＷは移載機構１０から保持部７の均熱リング７５に受け渡されて水平姿勢に保持される。均熱リング７５の下方にまで下降した一対の移載アーム１１は水平移動機構１３によって退避位置、すなわち凹部６２の内側に退避する。なお、保持部７に半導体ウェハーＷが保持された後も、熱処理空間６５の最上部から供給された窒素ガスは半導体ウェハーＷの側方（保持部７の爪部７２の隙間）を通って下方へと流れる。

半導体ウェハーＷが保持部７の均熱リング７５に保持された後、４０本のハロゲンランプＨＬが一斉に点灯して予備加熱（アシスト加熱）が開始される（ステップＳ３）。ハロゲンランプＨＬから出射されたハロゲン光は、石英にて形成された下側チャンバー窓６４を透過して半導体ウェハーＷの下面から照射される。ハロゲンランプＨＬからの光照射を受けることによって半導体ウェハーＷが予備加熱されて温度が上昇する。なお、長波長放射温度計１２０および短波長放射温度計１３０は、保持部７に保持された半導体ウェハーＷと平面視で重ならない位置に設けられているため、ハロゲンランプＨＬから半導体ウェハーＷに照射された光がそれらの放射温度計１２０，１３０によって遮られることはない。

予備加熱の段階においては、より放熱が生じやすい半導体ウェハーＷの周縁部の温度が中央部よりも低下する傾向にあるが、均熱リング７５によって周縁部の放熱が補償されるため、半導体ウェハーＷの面内温度分布が均一に維持される。また、ハロゲン加熱部４におけるハロゲンランプＨＬの配設密度は、半導体ウェハーＷの中央部に対向する領域よりも周縁部に対向する領域の方が高くなっているため、放熱が生じやすい半導体ウェハーＷの周縁部に照射される光量が多くなり、予備加熱段階における半導体ウェハーＷの面内温度分布をより均一なものとすることができる。

さらに、チャンバー側部６１に装着された反射リング６９に保持部７の側に向けて拡がるテーパ面が形成され、そのテーパ面はニッケルメッキによって鏡面とされているため、この反射リング６９のテーパ面によって半導体ウェハーＷの周縁部に向けて反射する光量が多くなり、予備加熱段階における半導体ウェハーＷの面内温度分布をより均一なものとすることができる。

ハロゲンランプＨＬによる予備加熱を行うときには、半導体ウェハーＷの温度が長波長放射温度計１２０によって測定されている（ステップＳ４）。上述したように、長波長放射温度計１２０は半導体ウェハーＷの下面から放射される５μｍ以上１４μｍ以下の波長域の赤外線を受光して当該半導体ウェハーＷの温度を測定する。保持部７とハロゲン加熱部４との間には、ハロゲンランプＨＬから出射されたハロゲン光を透過する石英窓として機能する下側チャンバー窓６４が設けられている。下側チャンバー窓６４はチャンバー６の底部を閉塞しており、チャンバー６内の熱処理空間６５に入射するハロゲン光は全て石英の下側チャンバー窓６４を透過した光である。また、長波長放射温度計１２０は石英窓たる下側チャンバー窓６４と保持部７との間の位置に設けられており、長波長放射温度計１２０に入射するハロゲン光も全て石英の下側チャンバー窓６４を透過した光である。

図１１は、石英の分光透過率を示す図である。同図において実線が石英の透過率を示し、点線が放射率を示し、一点鎖線が反射率を示している。図１１に示されるように、波長５μｍ以上の赤外線は石英を透過せずに反射または吸収される。このことは、ハロゲンランプＨＬから出射されたハロゲン光のうち波長５μｍ以上の赤外線は石英の下側チャンバー窓６４を透過しないことを示している。従って、下側チャンバー窓６４を透過して熱処理空間６５に入射したハロゲン光には波長５μｍ以上の赤外線は含まれていない。このため、測定波長域５μｍ以上１４μｍ以下の長波長放射温度計１２０には熱処理空間６５に入射したハロゲンランプＨＬのハロゲン光は外乱光とならならず、その結果、長波長放射温度計１２０はハロゲン光によって加熱される半導体ウェハーＷの温度を外乱光の影響を受けることなく測定することができる。なお、ハロゲン光による加熱中におけるステップＳ４の温度測定に短波長放射温度計１３０は使用しない。これは、短波長放射温度計１３０の測定波長域が０．９μｍ以上１μｍ以下であり、熱処理空間６５に入射したハロゲン光が外乱光となって正確な温度測定が難しいためである。

長波長放射温度計１２０によって測定された半導体ウェハーＷの温度は検出器１２１から制御部３に伝達される。制御部３は、ハロゲンランプＨＬからの光照射によって昇温する半導体ウェハーＷの温度が所定の予備加熱温度Ｔ１に到達したか否かを監視する（ステップＳ５）。また、制御部３は、長波長放射温度計１２０の測定結果に基づいて、半導体ウェハーＷの昇温レートが所定の値となるように、ハロゲンランプＨＬの出力をフィードバック制御するようにしても良い。

本実施の形態においては、予備加熱温度Ｔ１は８３０℃〜８５０℃程度とされる。そして、半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１に到達したことが長波長放射温度計１２０によって検知された後、ハロゲンランプＨＬの出力が調整されて半導体ウェハーＷが予備加熱温度Ｔ１に維持され、所定時間の予備加熱が実行される（ステップＳ６）。なお、予備加熱はハロゲンランプＨＬを点灯してから消灯するまでの間の工程であり、そのうち温度Ｔ１での予備加熱時間は数秒程度である。

所定時間の予備加熱が終了した後、４０本のハロゲンランプＨＬが一斉に消灯し、半導体ウェハーＷの降温が開始される（ステップＳ７）。また、ハロゲンランプＨＬが消灯するのと同時に、シャッター機構２がシャッター板２１をハロゲン加熱部４とチャンバー６との間の遮光位置に挿入する（ステップＳ８）。ハロゲンランプＨＬが消灯しても、すぐにフィラメントやランプ管壁の温度が低下するものではなく、暫時高温のフィラメントおよびランプ管壁から赤外線が放射され続け、これが半導体ウェハーＷの降温を妨げる。シャッター板２１が挿入されることによって、消灯直後のハロゲンランプＨＬから熱処理空間６５に放射される赤外線は遮断されることとなり、半導体ウェハーＷの降温速度を高めることができる。

また、シャッター板２１が遮光位置に挿入された時点で短波長放射温度計１３０による半導体ウェハーＷの温度測定を開始する（ステップＳ９）。短波長放射温度計１３０は半導体ウェハーＷの下面から放射される０．９μｍ以上１μｍ以下の波長域の赤外線を受光して当該半導体ウェハーＷの温度を測定する。短波長放射温度計１３０は石英窓たる下側チャンバー窓６４と保持部７との間の位置に設けられている。シャッター板２１による遮光位置は下側チャンバー窓６４とハロゲンランプＨＬとの間であるため、消灯直後のハロゲンランプＨＬから放射された赤外線は波長によらず短波長放射温度計１３０に対して完全に遮断される。その結果、シャッター板２１が遮光位置に挿入された後は、短波長放射温度計１３０は半導体ウェハーＷの温度を外乱光の影響を受けることなく正確に測定することができる。短波長放射温度計１３０によって測定された半導体ウェハーＷの温度は検出器１３１から制御部３に伝達される。

制御部３は、短波長放射温度計１３０によって測定される半導体ウェハーＷの温度が所定温度Ｔ２まで降温したか否かを監視する（ステップＳ１０）。そして、半導体ウェハーＷの温度が所定温度Ｔ２まで降温したことが短波長放射温度計１３０によって検知された時点でフラッシュ加熱部５のフラッシュランプＦＬから半導体ウェハーＷへ向けてフラッシュ光が照射される（ステップＳ１１）。本実施形態におけるフラッシュ発光の温度Ｔ２は８００℃である。フラッシュランプＦＬから放射されるフラッシュ光の一部は直接に熱処理空間６５内の保持部７へと向かい、他の一部は一旦リフレクタ５２により反射されてから熱処理空間６５内へと向かい、これらのフラッシュ光の照射により半導体ウェハーＷのフラッシュ加熱が行われる。フラッシュ加熱は、フラッシュランプＦＬからの閃光照射により行われるため、半導体ウェハーＷの表面温度を短時間で上昇することができる。

すなわち、フラッシュ加熱部５のフラッシュランプＦＬから照射されるフラッシュ光は、予め蓄えられていた静電エネルギーが極めて短い光パルスに変換された、照射時間が０．１ミリ秒ないし１０ミリ秒程度の極めて短く強い閃光である。そして、フラッシュランプＦＬからのフラッシュ光照射によりフラッシュ加熱される半導体ウェハーＷの表面温度は、瞬間的に１０００℃ないし１１００℃程度の処理温度Ｔ３まで上昇し、半導体ウェハーＷに添加された不純物が活性化された後、表面温度が急速に下降する。このように、熱処理装置１では、半導体ウェハーＷの表面温度を極めて短時間で昇降することができるため、半導体ウェハーＷに添加された不純物の熱による拡散を抑制しつつ不純物の活性化を行うことができる。なお、添加不純物の活性化に必要な時間はその熱拡散に必要な時間に比較して極めて短いため、０．１ミリセカンドないし１０ミリセカンド程度の拡散が生じない短時間であっても活性化は完了する。

本実施形態の熱処理装置１は、ハロゲンランプＨＬによって加熱された温度Ｔ２（８００℃）の半導体ウェハーＷにフラッシュランプＦＬからフラッシュ光を照射してフラッシュ加熱を行っている。このため、半導体ウェハーＷの表面温度を処理温度Ｔ３（１０００℃〜１１００℃）まで速やかに上昇させることができる。また、フラッシュ発光の温度Ｔ２から処理温度Ｔ３までのフラッシュ加熱による昇温幅が比較的小さいため（２００℃〜３００℃）、フラッシュランプＦＬから照射するフラッシュ光のエネルギーを比較的小さくすることができ、その結果フラッシュ加熱時に半導体ウェハーＷに与える熱的衝撃を緩和することができる。

フラッシュ加熱後も短波長放射温度計１３０による半導体ウェハーＷの温度測定は継続される。そして、半導体ウェハーＷの温度が所定以下にまで降温した後、移載機構１０の一対の移載アーム１１が再び退避位置から移載動作位置に水平移動して上昇することにより、リフトピン１２が均熱リング７５の内側から突き出て熱処理後の半導体ウェハーＷを保持部７から受け取る。続いて、ゲートバルブ１８５により閉鎖されていた搬送開口部６６が開放され、リフトピン１２上に載置された半導体ウェハーＷが装置外部の搬送ロボットにより搬出され（ステップＳ１２）、熱処理装置１における半導体ウェハーＷのフラッシュ加熱処理が完了する。

本実施形態の熱処理装置１は、長波長放射温度計１２０および短波長放射温度計１３０の２種類の放射温度計を備えている。いずれの放射温度計１２０，１３０も半導体ウェハーＷから放射される赤外線を受光して温度測定を行う非接触式の温度計であり、接触式の温度計に比較すると正確かつ高速に半導体ウェハーＷの温度を測定することができる。また、接触式の温度計であれば半導体ウェハーＷとの接触度合によって測定結果に顕著な差が生じるのであるが、非接触式の放射温度計１２０，１３０であればそのような接触度合の問題はそもそも生じないため信頼性が高い。

長波長放射温度計１２０は、石英を透過しない波長域５μｍ以上１４μｍ以下の赤外線を受光して半導体ウェハーＷの温度測定を行う。ハロゲンランプＨＬが点灯しているときであっても、石英の下側チャンバー窓６４を透過して熱処理空間６５に入射したハロゲン光には波長５μｍ以上の赤外線は含まれておらず、長波長放射温度計１２０にとってはハロゲンランプＨＬのハロゲン光は外乱光とならない。このため、長波長放射温度計１２０は、ハロゲンランプＨＬが点灯して熱処理空間６５にハロゲン光が入射しているときであっても、下側チャンバー窓６４がいわばフィルターとして作用し、外乱光の影響を受けることなく半導体ウェハーＷの温度を測定することができる。

長波長放射温度計１２０の測定波長域を５μｍ以上としているのは、石英を透過しない波長域が概ね５μｍ以上だからである。すなわち、長波長放射温度計１２０の測定波長域に５μｍ未満を含めると、石英の下側チャンバー窓６４を透過したハロゲン光が外乱光となって長波長放射温度計１２０が正確な温度測定を行えなくなる。このため、長波長放射温度計１２０の測定波長域を５μｍ以上としている。なお、長波長放射温度計１２０の測定波長域を１４μｍ以下としているのは、赤外線のセンシングとして有用な波長域が１４μｍ以下だからである。

一方の短波長放射温度計１３０は、波長域０．９μｍ以上１μｍ以下の赤外線を受光して半導体ウェハーＷの温度測定を行う。短波長放射温度計１３０の測定波長域である０．９μｍ以上１μｍ以下の赤外線は石英を透過するため、ハロゲンランプＨＬが点灯しているときには下側チャンバー窓６４を透過したハロゲン光が外乱光となって短波長放射温度計１３０による半導体ウェハーＷの正確な温度測定は困難となる。しかし、短波長放射温度計１３０が有するフォトダイオードは長波長放射温度計１２０が有するサーモパイルに比較して、特に高温での温度測定精度に優れるとともに、応答速度も早い。このため、ハロゲンランプＨＬからの赤外線放射の影響を遮断することさえできれば、短波長放射温度計１３０の方が長波長放射温度計１２０よりも正確かつ高速に半導体ウェハーＷの温度測定を行うことができる。

要するに、長波長放射温度計１２０はハロゲンランプＨＬが点灯中であっても外乱光の影響を受けることなく半導体ウェハーＷの温度を測定することが可能であり、短波長放射温度計１３０はハロゲンランプＨＬからの赤外線放射を遮断したという条件の下であれば長波長放射温度計１２０よりも正確かつ高速に半導体ウェハーＷの温度測定を行うことができる。本実施形態においては、これら長波長放射温度計１２０および短波長放射温度計１３０の特徴を利用して双方の使い分けを行っている。

具体的には、まず、ハロゲンランプＨＬを点灯して半導体ウェハーＷの予備加熱を行っている段階においては、長波長放射温度計１２０によって半導体ウェハーＷの温度を測定している（図９のステップＳ４）。長波長放射温度計１２０であればハロゲンランプＨＬからの光照射によって加熱される半導体ウェハーＷの温度を外乱光の影響を受けることなく測定することができる。この段階においては、半導体ウェハーＷの温度がフラッシュ発光温度Ｔ２（８００℃）を超えて予備加熱温度Ｔ１（８３０℃〜８５０℃）に到達したことが検知できれば十分であり、長波長放射温度計１２０の測定結果が多少の誤差を含んでいたとしても許容される範囲内である。

次に、長波長放射温度計１２０による測定結果がフラッシュ発光温度Ｔ２を超えて所定時間の予備加熱が終了した後にハロゲンランプＨＬを消灯するとともに、シャッター板２１を遮光位置に挿入することにより、半導体ウェハーＷの温度が降温する。この段階においては、降温する半導体ウェハーＷの温度を短波長放射温度計１３０によって測定している（図９のステップＳ９）。ハロゲンランプＨＬを消灯してシャッター板２１を遮光位置に挿入すれば、ハロゲンランプＨＬから熱処理空間６５に入射する赤外線をほぼ完全に遮断することができ、短波長放射温度計１３０はより正確に半導体ウェハーＷの温度測定を行うことができる。

そして、短波長放射温度計１３０による測定結果がフラッシュ発光温度Ｔ２に到達した時点で半導体ウェハーＷにフラッシュランプＦＬからフラッシュ光を照射している。すなわち、ハロゲンランプＨＬを消灯してシャッター板２１を遮光位置に挿入した後は、半導体ウェハーＷの温度測定を行うことによってフラッシュ発光のタイミングを計っているのであり、半導体ウェハーＷの温度がフラッシュ発光温度Ｔ２に到達したことを正確に検知して迅速に制御部３に伝達することが求められる。シリコンのフォトダイオードを有する短波長放射温度計１３０であれば、ハロゲンランプＨＬからの赤外線放射が遮断されていればサーモパイルを有する長波長放射温度計１２０よりも正確かつ高速に半導体ウェハーＷの温度測定を行うことができ、フラッシュ発光のタイミングを正確に検知して制御部３に迅速に伝達することができる。その結果、半導体ウェハーＷが温度Ｔ２まで降温したときに再現良くフラッシュ発光を行うことができ、フラッシュ加熱時の半導体ウェハーＷの表面温度を安定して処理温度Ｔ３に昇温することができる。

また、フラッシュランプＦＬからのフラッシュ光照射を行った直後の温度、つまり図１０においてフラッシュ光照射時のピークを過ぎて元の降温線に戻った時点での温度を測定することによって、フラッシュ光照射時の半導体ウェハーＷの表面到達温度を逆算することができる。フラッシュ加熱後も短波長放射温度計１３０によって半導体ウェハーＷの温度を正確に測定すれば、フラッシュ光照射時の半導体ウェハーＷの表面到達温度もより正確に算定して処理温度Ｔ３との乖離を検証することができる。

このように、本実施形態においては、長波長放射温度計１２０および短波長放射温度計１３０をそれぞれの特徴を利用するように組み合わせることによって熱処理時の半導体ウェハーＷの温度を直接かつ正確に測定することができる。

ところで、短波長放射温度計１３０の測定波長域を０．９μｍ以上１μｍ以下としているのは次のような理由による。図１２は、シリコンの分光放射率の温度依存性を示す図である。同図において、放射率の低い部分は概ね透過率が高いと考えられる。図１２に示すように、１μｍを超える波長域においては、シリコンの放射率の温度依存性が高く、低温のときには放射率が非常に低くほぼ透明体であるが、温度が高くなるにつれて放射率も高くなる。従って、短波長放射温度計１３０の測定波長域を１μｍを超えるものとすれば、測定対象であるシリコンの半導体ウェハーＷの放射率そのものが温度によって大きく異なることとなり、正確な温度測定の障害となる。このため、短波長放射温度計１３０の測定波長域を温度依存性の無い１μｍ以下であってなるべくシリコンの放射率が高い０．９μｍ以上１μｍ以下とすることにより、正確な温度測定が行えるようにしている。なお、フォトダイオードを有する短波長放射温度計１３０の測定波長域はサーモパイルを有する長波長放射温度計１２０のそれよりも本質的に狭い。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、この発明はその趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記実施形態においては、長波長放射温度計１２０にサーモパイルを備えていたが、サーモパイルに限定されるものではなく、長波長放射温度計１２０に他の赤外線センサを備えるようにしても良い。但し、長波長放射温度計１２０に備える赤外線センサは、測定波長域が石英を透過しない５μｍ以上のものとする必要がある。長波長放射温度計１２０に備える他の赤外線センサとしては、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などの焦電素子を用いることができる。焦電素子は、焦電効果（パイロ電子効果）を利用して赤外線のエネルギーを検出する熱型赤外線センサである。焦電素子は、波長依存性が低く、測定波長域を自由に選択することができる。よって、測定波長域を５μｍ以上とすれば長波長放射温度計１２０に備える赤外線センサとして焦電素子を用いることができる。但し、焦電素子は微分型のセンサであるため、素子に入射する光をオンオフするチョッパが必須となる。また、焦電素子の応答速度はフォトダイオードと比較すると遅い。

また、上記実施形態においては、短波長放射温度計１３０にはシリコンのフォトダイオードを備えていたが、これに限定されるものではなく、他の赤外線センサを備えるようにしても良い。但し、短波長放射温度計１３０に備える赤外線センサは、測定波長域が５μｍ未満であって測定精度および応答速度に優れたものである方が好ましい。短波長放射温度計１３０に備える他の赤外線センサとしては、例えばインジウム・ガリウム・ヒ素のフォトダイオードを用いるようにしても良い。素材は異なるもののインジウム・ガリウム・ヒ素のフォトダイオードもシリコンのフォトダイオードと同じく、光起電力効果を利用して光エネルギーを電気エネルギーに変換する半導体素子であり、測定精度および応答速度に優れた量子型赤外線センサである。但し、インジウム・ガリウム・ヒ素のフォトダイオードは、シリコンのフォトダイオードに比較すると測定波長域が長めであり、半導体ウェハーＷの放射率に温度依存性が現出するため、高温での測定に使用を限定するのが好ましい。もっとも、インジウム・ガリウム・ヒ素のフォトダイオードの測定波長域も５μｍ未満ではある。

また、長波長放射温度計１２０の測定精度および応答速度がプロセス上の要求を満足するのであれば、短波長放射温度計１３０は必須ではない。この場合、温度測定の観点からはシャッター機構２も不要である。チャンバー６の外部から熱処理空間６５に入射する光からは５μｍ以上の波長が石英の下側チャンバー窓６４によってカットされるため、シャッター機構２がなくても、またハロゲンランプＨＬの点灯の有無にかかわらず、長波長放射温度計１２０は外乱光の影響を受けることなく半導体ウェハーＷの温度を要求されている精度を満足しつつ測定することができる。

また、予備加熱温度Ｔ１、フラッシュ発光を行う温度Ｔ２および処理温度Ｔ３は上記の例に限定されるものではなく、任意の温度に設定することができる。例えば、予備加熱温度Ｔ１を９５０℃程度としても良い。

また、上記実施形態においては、熱処理空間６５に供給する処理ガスを窒素ガス（Ｎ₂）としていたが、これに限定されるものではなく、例えば、ヘリウム（Ｈｅ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス等の不活性ガス、あるいは、酸素（０₂）ガスや清浄エアであっても良い。もっとも、熱処理空間６５にて加熱される半導体ウェハーＷは数百℃から１０００℃以上の高温に昇温されるため、処理ガスとしては、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスが好ましく、特にコスト面からは安価な窒素ガスが好ましい。

また、上記実施形態においては、フラッシュ発光の温度Ｔ２よりも高温の予備加熱温度Ｔ１にまでハロゲンランプＨＬによって半導体ウェハーＷを昇温した後、ハロゲンランプＨＬを消灯して半導体ウェハーＷが温度Ｔ２まで降温した時点でフラッシュ加熱を行うようにしていたが、ハロゲンランプＨＬによって半導体ウェハーＷが温度Ｔ２まで昇温したときに直ちにフラッシュランプＦＬのフラッシュ発光を行うようにしても良い。この場合、半導体ウェハーＷが温度Ｔ２まで昇温したことは長波長放射温度計１２０によって検知する。そして、フラッシュランプＦＬのフラッシュ発光を行うと同時にハロゲンランプＨＬを消灯するとともにシャッター板２１を遮光位置に挿入し、短波長放射温度計１３０によって降温中の半導体ウェハーＷの温度を測定する。

また、上記実施形態においては、フラッシュ加熱部５に３０本のフラッシュランプＦＬを備えるようにしていたが、これに限定されるものではなく、フラッシュランプＦＬの本数は任意の数とすることができる。また、フラッシュランプＦＬはキセノンフラッシュランプに限定されるものではなく、クリプトンフラッシュランプであっても良い。また、ハロゲン加熱部４に備えるハロゲンランプＨＬの本数も４０本に限定されるものではなく、任意の数とすることができる。

また、本発明に係る熱処理装置１によって処理対象となる基板は半導体ウェハーに限定されるものではなく、表面にシリコン膜が形成されたガラス基板であっても良い。

１熱処理装置
２シャッター機構
３制御部
４ハロゲン加熱部
５フラッシュ加熱部
６チャンバー
７保持部
１０移載機構
２１シャッター板
２２スライド駆動機構
６１チャンバー側部
６２凹部
６３上側チャンバー窓
６４下側チャンバー窓
６５熱処理空間
７０サセプタ
７５均熱リング
１２０長波長放射温度計
１３０短波長放射温度計
ＦＬフラッシュランプ
ＨＬハロゲンランプ
Ｗ半導体ウェハー

Claims

基板に対して光を照射することによって該基板を加熱する熱処理装置であって、
基板を収容するチャンバーと、
前記チャンバー内にて基板を保持する保持手段と、
前記保持手段の一方側に設けられ、前記保持手段に保持された基板に光を照射して加熱する光照射手段と、
前記保持手段と前記光照射手段との間に設けられ、前記光照射手段から出射された光を透過する石英窓と、
前記保持手段と前記石英窓との間の位置に設けられ、前記保持部材に保持された基板の前記一方側から放射される第１の波長域の赤外線を受光して当該基板の温度を測定する第１放射温度計と、
を備え、
前記第１の波長域は石英を透過しない波長域であることを特徴とする熱処理装置。
請求項１記載の熱処理装置において、
前記保持手段と前記石英窓との間の位置に設けられ、前記保持部材に保持された基板の前記一方側から放射される第２の波長域の赤外線を受光して当該基板の温度を測定する第２放射温度計をさらに備え、
前記第１の波長域は５μｍ以上であり、
前記第２の波長域は５μｍ未満であることを特徴とする熱処理装置。
請求項２記載の熱処理装置において、
前記第１の波長域は５μｍ以上１４μｍ以下であることを特徴とする熱処理装置。
請求項３記載の熱処理装置において、
前記保持手段に保持される基板はシリコンの半導体ウェハーであり、
前記第２の波長域は０．９μｍ以上１μｍ以下であることを特徴とする熱処理装置。
請求項４記載の熱処理装置において、
前記第１放射温度計はサーモパイルを有することを特徴とする熱処理装置。
請求項５記載の熱処理装置において、
前記第２放射温度計はシリコンのフォトダイオードを有することを特徴とする熱処理装置。
請求項２から請求項６のいずれかに記載の熱処理装置において、
前記保持手段の他方側に設けられ、前記保持手段に保持された基板にフラッシュ光を照射して加熱するフラッシュランプをさらに備え、
前記光照射手段はハロゲンランプを備えることを特徴とする熱処理装置。
請求項７記載の熱処理装置において、
前記ハロゲンランプからの光照射によって加熱される基板の温度を前記第１放射温度計に測定させ、その測定結果が所定温度を超えた後に前記ハロゲンランプを消灯し、降温する基板の温度を前記第２放射温度計に測定させ、その測定結果が前記所定温度に到達した時点で当該基板に前記フラッシュランプからフラッシュ光を照射するように制御する制御手段をさらに備えることを特徴とする熱処理装置。