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。
<第1実施形態>
まず、本発明に係る熱処理装置の全体構成について概説する。図1は、本発明に係る熱処理装置1の構成を示す縦断面図である。熱処理装置1は基板として略円形の半導体ウェハーWに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を収容する略円筒形状のチャンバー6と、複数のフラッシュランプFLを内蔵するランプハウス5と、を備える。また、熱処理装置1は、チャンバー6およびランプハウス5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メインコントローラ3を備える。
チャンバー6は、ランプハウス5の下方に設けられており、略円筒状の内壁を有するチャンバー側部63、および、チャンバー側部63の下部を覆うチャンバー底部62によって構成される。また、チャンバー側部63およびチャンバー底部62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。熱処理空間65の上方は上部開口60とされており、上部開口60にはチャンバー窓61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チャンバー窓61は、石英により形成された円板形状部材であり、ランプハウス5から出射された光を熱処理空間65に透過する石英窓として機能する。チャンバー6の本体を構成するチャンバー底部62およびチャンバー側部63は、例えば、ステンレススチール等の強度と耐熱性に優れた金属材料にて形成されており、チャンバー側部63の内側面の上部のリング631は、光照射による劣化に対してステンレススチールより優れた耐久性を有するアルミニウム(Al)合金等で形成されている。
また、熱処理空間65の気密性を維持するために、チャンバー窓61とチャンバー側部63とはOリングによってシールされている。すなわち、チャンバー窓61の下面周縁部とチャンバー側部63との間にOリングを挟み込むとともに、クランプリング90をチャンバー窓61の上面周縁部に当接させ、そのクランプリング90をチャンバー側部63にネジ止めすることによって、チャンバー窓61をOリングに押し付けている。
チャンバー底部62には、保持部7を貫通して半導体ウェハーWをその下面(ランプハウス5からの光が照射される側とは反対側の面)から支持するための複数(本実施の形態では3本)の支持ピン70が立設されている。支持ピン70は、例えば石英により形成されており、チャンバー6の外部から固定されているため、容易に取り替えることができる。
チャンバー側部63は、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66を有し、搬送開口部66は、軸662を中心に回動するゲートバルブ185により開閉可能とされる。チャンバー側部63における搬送開口部66とは反対側の部位には熱処理空間65に処理ガス(例えば、窒素(N2)ガスやヘリウム(He)ガス、アルゴン(Ar)ガス等の不活性ガス、あるいは、酸素(O2)ガス等)を導入する導入路81が形成され、その一端は弁82を介して図示省略の給気機構に接続され、他端はチャンバー側部63の内部に形成されるガス導入バッファ83に接続される。また、搬送開口部66には熱処理空間65内の気体を排出する排出路86が形成され、弁87を介して図示省略の排気機構に接続される。
図2は、チャンバー6をガス導入バッファ83の位置にて水平面で切断した断面図である。図2に示すように、ガス導入バッファ83は、図1に示す搬送開口部66の反対側においてチャンバー側部63の内周の約1/3に亘って形成されており、導入路81を介してガス導入バッファ83に導かれた処理ガスは、複数のガス供給孔84から熱処理空間65内へと供給される。
また、熱処理装置1は、チャンバー6の内部において半導体ウェハーWを水平姿勢にて保持しつつフラッシュ光照射前にその保持する半導体ウェハーWの予備加熱を行う略円板状の保持部7と、保持部7をチャンバー6の底面であるチャンバー底部62に対して昇降させる保持部昇降機構4と、を備える。図1に示す保持部昇降機構4は、略円筒状のシャフト41、移動板42、ガイド部材43(本実施の形態ではシャフト41の周りに3本配置される)、固定板44、ボールネジ45、ナット46およびモータ40を有する。チャンバー6の下部であるチャンバー底部62には保持部7よりも小さい直径を有する略円形の下部開口64が形成されており、ステンレススチール製のシャフト41は、下部開口64を挿通して、保持部7(厳密には保持部7のホットプレート71)の下面に接続されて保持部7を支持する。
移動板42にはボールネジ45と螺合するナット46が固定されている。また、移動板42は、チャンバー底部62に固定されて下方へと伸びるガイド部材43により摺動自在に案内されて上下方向に移動可能とされる。また、移動板42は、シャフト41を介して保持部7に連結される。
モータ40は、ガイド部材43の下端部に取り付けられる固定板44に設置され、タイミングベルト401を介してボールネジ45に接続される。保持部昇降機構4により保持部7が昇降する際には、駆動部であるモータ40がメインコントローラ3の制御によりボールネジ45を回転し、ナット46が固定された移動板42がガイド部材43に沿って鉛直方向に移動する。この結果、移動板42に固定されたシャフト41が鉛直方向に沿って移動し、シャフト41に接続された保持部7が図1に示す半導体ウェハーWの受渡位置と図5に示す半導体ウェハーWの処理位置との間で滑らかに昇降する。
移動板42の上面には略半円筒状(円筒を長手方向に沿って半分に切断した形状)のメカストッパ451がボールネジ45に沿うように立設されており、仮に何らかの異常により移動板42が所定の上昇限界を超えて上昇しようとしても、メカストッパ451の上端がボールネジ45の端部に設けられた端板452に突き当たることによって移動板42の異常上昇が防止される。これにより、保持部7がチャンバー窓61の下方の所定位置以上に上昇することはなく、保持部7とチャンバー窓61との衝突が防止される。
また、保持部昇降機構4は、チャンバー6の内部のメンテナンスを行う際に保持部7を手動にて昇降させる手動昇降部49を有する。手動昇降部49はハンドル491および回転軸492を有し、ハンドル491を介して回転軸492を回転することより、タイミングベルト495を介して回転軸492に接続されるボールネジ45を回転して保持部7の昇降を行うことができる。
チャンバー底部62の下側には、シャフト41の周囲を囲み下方へと伸びる伸縮自在のベローズ47が設けられ、その上端はチャンバー底部62の下面に接続される。一方、ベローズ47の下端はベローズ下端板471に取り付けられている。べローズ下端板471は、鍔状部材411によってシャフト41にネジ止めされて取り付けられている。保持部昇降機構4により保持部7がチャンバー底部62に対して上昇する際にはベローズ47が収縮され、下降する際にはべローズ47が伸張される。そして、保持部7が昇降する際にも、ベローズ47が伸縮することによって熱処理空間65内の気密状態が維持される。
図3は、保持部7の構成を示す断面図である。保持部7は、半導体ウェハーWを予備加熱(いわゆるアシスト加熱)するホットプレート(加熱プレート)71、および、ホットプレート71の上面(保持部7が半導体ウェハーWを保持する側の面)に設置されるサセプタ72を有する。保持部7の下面には、既述のように保持部7を昇降するシャフト41が接続される。サセプタ72は石英(あるいは、窒化アルミニウム(AIN)等であってもよい)により形成され、その上面には半導体ウェハーWの位置ずれを防止するピン75が設けられる。サセプタ72は、その下面をホットプレート71の上面に面接触させてホットプレート71上に設置される。これにより、サセプタ72は、ホットプレート71からの熱エネルギーを拡散してサセプタ72上面に載置された半導体ウェハーWに伝達するとともに、メンテナンス時にはホットプレート71から取り外して洗浄可能とされる。
ホットプレート71は、ステンレススチール製の上部プレート73および下部プレート74にて構成される。上部プレート73と下部プレート74との間には、ホットプレート71を加熱するニクロム線等の抵抗加熱線76が配設され、導電性のニッケル(Ni)ロウが充填されて封止されている。また、上部プレート73および下部プレート74の端部はロウ付けにより接着されている。
図4は、ホットプレート71を示す平面図である。図4に示すように、ホットプレート71は、保持される半導体ウェハーWと対向する領域の中央部に同心円状に配置される円板状のゾーン711および円環状のゾーン712、並びに、ゾーン712の周囲の略円環状の領域を周方向に4等分割した4つのゾーン713〜716を備え、各ゾーン間には若干の間隙が形成されている。また、ホットプレート71には、支持ピン70が挿通される3つの貫通孔77が、ゾーン711とゾーン712との隙間の周上に120°毎に設けられる。
6つのゾーン711〜716のそれぞれには、相互に独立した抵抗加熱線76が周回するように配設されてヒータが個別に形成されており、各ゾーンに内蔵されたヒータにより各ゾーンが個別に加熱される。保持部7に保持された半導体ウェハーWは、6つのゾーン711〜716に内蔵されたヒータにより加熱される。また、ゾーン711〜716のそれぞれには、熱電対を用いて各ゾーンの温度を計測するセンサ710が設けられている。各センサ710は略円筒状のシャフト41の内部を通りメインコントローラ3に接続される。
ホットプレート71が加熱される際には、センサ710により計測される6つのゾーン711〜716のそれぞれの温度が予め設定された所定の温度になるように、各ゾーンに配設された抵抗加熱線76への電力供給量がメインコントローラ3により制御される。メインコントローラ3による各ゾーンの温度制御はPID(Proportional,Integral,Derivative)制御により行われる。ホットプレート71では、半導体ウェハーWの熱処理(複数の半導体ウェハーWを連続的に処理する場合は、全ての半導体ウェハーWの熱処理)が終了するまでゾーン711〜716のそれぞれの温度が継続的に計測され、各ゾーンに配設された抵抗加熱線76への電力供給量が個別に制御されて、すなわち、各ゾーンに内蔵されたヒータの温度が個別に制御されて各ゾーンの温度が設定温度に維持される。なお、各ゾーンの設定温度は、基準となる温度から個別に設定されたオフセット値だけ変更することが可能とされる。
6つのゾーン711〜716にそれぞれ配設される抵抗加熱線76は、シャフト41の内部を通る電力線を介して電力供給源(図示省略)に接続されている。電力供給源から各ゾーンに至る経路途中において、電力供給源からの電力線は、マグネシア(マグネシウム酸化物)等の絶縁体を充填したステンレスチューブの内部に互いに電気的に絶縁状態となるように配置される。なお、シャフト41の内部は大気開放されている。
次に、ランプハウス5は、チャンバー6内の保持部7の上方に設けられている。ランプハウス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、ランプハウス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。ランプハウス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部材である。ランプハウス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がチャンバー窓61と相対向することとなる。ランプハウス5は、チャンバー6内にて保持部7に保持される半導体ウェハーWにランプ光放射窓53およびチャンバー窓61を介してフラッシュランプFLからフラッシュ光を照射することにより半導体ウェハーWを加熱する。
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ガラス管内に電流として瞬時に流れ、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、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。このような粗面化加工を施しているのは、リフレクタ52の表面が完全な鏡面であると、複数のフラッシュランプFLからの反射光の強度に規則パターンが生じて半導体ウェハーWの表面温度分布の均一性が低下するためである。
また、メインコントローラ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。メインコントローラ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、メインコントローラ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。
図1、図5に示すように、熱処理装置1は、石英プローブ18および光検知器20を備える。石英プローブ18は、石英製の導光ロッドであり、チャンバー側部63およびリング631を貫通して設けられている。石英プローブ18は、その長手方向が水平方向に沿うように設けられている。図1に示すように、石英プローブ18が設置される高さ位置は、支持ピン70によって支持される半導体ウェハーWの高さ位置よりも上方であることが好ましい。また、石英プローブ18の先端はチャンバー6内の熱処理空間65に位置するとともに、基端はチャンバー側部63を貫通してチャンバー6の外部に面している。なお、石英プローブ18は、その先端が処理位置の半導体ウェハーWに向かうように傾斜して設けられていても良い。
また、図6に示すように、石英プローブ18の基端側には干渉フィルター19が設けられている。干渉フィルター19は、所定波長域の光だけを選択的に透過するフィルターである。干渉フィルター19が透過する波長域はフラッシュランプFLから照射されるフラッシュ光に含まれる波長域であり、かつ、フォトダイオード21の検出波長域に対応したものである。例えば、フォトダイオード21が可視光域の光を検出するものであれば、干渉フィルター19にも可視光域の光を選択的に透過するものを使用する。石英プローブ18の基端は干渉フィルター19を介して光ファイバー17によって光検知器20と連結されている。なお、干渉フィルター19の設置位置は石英プローブ18の基端側に限定されるものではなく、光検知器20に設けるようにしても良いし(但し、フォトダイオード21よりも前側)、石英プローブ18の先端側でも良いし、光ファイバー17の経路途中であっても良い。
図6は、光検知器20の構成を示すブロック図である。光検知器20は、フォトダイオード21、電流電圧変換回路22、増幅回路23、高速A/Dコンバータ24およびワンチップマイコン25を備える。フォトダイオード21は、光起電力効果によって受光した光の強度に応じた光電流を発生する。フォトダイオード21は応答時間が極めて短いという特性を有する。電流電圧変換回路22は、フォトダイオード21にて発生した微弱な電流を取り扱いの容易な電圧の信号に変換する回路である。電流電圧変換回路22は、例えばオペアンプを用いて構成することができる。
増幅回路23は、電流電圧変換回路22から出力された電圧信号を増幅して高速A/Dコンバータ24に出力する。高速A/Dコンバータ24は、増幅回路23によって増幅された電圧信号をデジタル信号に変換する。ワンチップマイコン25は、マイクロコンピュータの一種であり、1つのICチップ上にCPU、メモリ、タイマなどを搭載した処理装置である。ワンチップマイコン25は、汎用処理を行うことはできないが、特定の処理を高速で行うことができる。本実施形態のワンチップマイコン25は、高速A/Dコンバータ24から出力されたデジタル信号を所定間隔でサンプリングしてチップ内のメモリに順次格納する。ワンチップマイコン25のサンプリング間隔は適宜設定することが可能であるが、最短2マイクロセカンド(μ秒)とすることができる。
光検知器20のワンチップマイコン25はメインコントローラ3と通信回線を介して接続されている。メインコントローラ3は、上述の通り、一般的なコンピュータと同様の構成を備える。通常、メインコントローラ3は、汎用処理を行うことが可能であるものの、ワンチップマイコン25ほど短時間間隔でサンプリングを行うことはできない。ワンチップマイコン25は、高速A/Dコンバータ24から出力されたデジタル信号をサンプリングしたデジタルデータから所定の方式に従ってフォトダイオード21が受光した光の強度を求め、それを電気信号として通信回線を介してメインコントローラ3に伝達する。すなわち、光検知器20は、チャンバー6の側壁に設けられた導光部たる石英プローブ18に連結され、その石英プローブ18にて受光した光の強度を測定してメインコントローラ3に伝達する。なお、光の強度を求める所定の方式としては、例えばサンプリングしたデジタルデータから最高の強度(厳密には電圧値)を取得するようにしても良いし、所定の時間範囲にて強度の平均値を算定するようにしても良い。
また、メインコントローラ3は、反射率算定部32を備える。反射率算定部32は、メインコントローラ3のCPUが所定の処理用ソフトウェアを実行することによって実現される処理部であり、その処理内容についてはさらに後述する。なお、ワンチップマイコン25とメインコントローラ3とを接続する通信回線は、シリアル通信であっても良いし、パラレル通信であっても良い。
上記の構成以外にも熱処理装置1は、半導体ウェハーWの熱処理時にフラッシュランプFLおよびホットプレート71から発生する熱エネルギーによるチャンバー6およびランプハウス5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のチャンバー側部63およびチャンバー底部62には水冷管(図示省略)が設けられている。また、ランプハウス5は、内部に気体流を形成して排熱するための気体供給管55および排気管56が設けられて空冷構造とされている(図1参照)。また、チャンバー窓61とランプ光放射窓53との間隙にも空気が供給され、ランプハウス5およびチャンバー窓61を冷却する。
次に、上記の構成を有する熱処理装置1の動作について説明する。熱処理装置1において処理対象となる半導体ウェハーWは、パターン形成後にイオン注入法により不純物(イオン)が添加された半導体ウェハーである。その不純物の活性化がフラッシュ光照射加熱処理(アニール)により実行される。ここでは、熱処理装置1におけるフラッシュ加熱処理について説明した後、処理対象となる半導体ウェハーWの反射率測定について説明する。以下に説明する熱処理装置1の処理手順は、メインコントローラ3が熱処理装置1の各動作機構を制御することにより進行する。
まず、保持部7が図5に示す処理位置から図1に示す受渡位置に下降する。「処理位置」とは、フラッシュランプFLから半導体ウェハーWにフラッシュ光照射が行われるときの保持部7の位置であり、図5に示す保持部7のチャンバー6内における位置である。また、「受渡位置」とは、チャンバー6に半導体ウェハーWの搬出入が行われるときの保持部7の位置であり、図1に示す保持部7のチャンバー6内における位置である。熱処理装置1における保持部7の基準位置は処理位置であり、処理前にあっては保持部7は処理位置に位置しており、これが処理開始に際して受渡位置に下降するのである。図1に示すように、保持部7が受渡位置にまで下降するとチャンバー底部62に近接し、支持ピン70の先端が保持部7を貫通して保持部7の上方に突出する。
次に、保持部7が受渡位置に下降したときに、弁82および弁87が開かれてチャンバー6の熱処理空間65内に常温の窒素ガスが導入される。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を介して半導体ウェハーWがチャンバー6内に搬入され、3本の支持ピン70上に載置される。
半導体ウェハーWの搬入時におけるチャンバー6への窒素ガスのパージ量は約40リットル/分とされ、供給された窒素ガスはチャンバー6内においてガス導入バッファ83から図2中に示す矢印AR4の方向へと流れ、図1に示す排出路86および弁87を介してユーティリティ排気により排気される。また、チャンバー6に供給された窒素ガスの一部は、べローズ47の内側に設けられる排出口(図示省略)からも排出される。なお、以下で説明する各ステップにおいて、チャンバー6には常に窒素ガスが供給および排気され続けており、窒素ガスの供給量は半導体ウェハーWの処理工程に合わせて様々に変更される。
半導体ウェハーWがチャンバー6内に搬入されると、ゲートバルブ185により搬送開口部66が閉鎖される。そして、保持部昇降機構4により保持部7が受渡位置からチャンバー窓61に近接した処理位置にまで上昇する。保持部7が受渡位置から上昇する過程において、半導体ウェハーWは支持ピン70から保持部7のサセプタ72へと渡され、サセプタ72の上面に載置・保持される。保持部7が処理位置にまで上昇するとサセプタ72に保持された半導体ウェハーWも処理位置に保持されることとなる。
ホットプレート71の6つのゾーン711〜716のそれぞれは、各ゾーンの内部(上部プレート73と下部プレート74との間)に個別に内蔵されたヒータ(抵抗加熱線76)により所定の温度まで加熱されている。保持部7が処理位置まで上昇して半導体ウェハーWが保持部7と接触することにより、その半導体ウェハーWはホットプレート71に内蔵されたヒータによって予備加熱されて温度が次第に上昇する。
この処理位置にて半導体ウェハーWに約60秒間の予備加熱が行われる。半導体ウェハーWの予備加熱温度は、添加された不純物が熱により拡散する恐れのない、200℃ないし700℃程度、好ましくは350℃ないし600℃程度とされる(本実施の形態では500℃)。また、保持部7とチャンバー窓61との間の距離は、保持部昇降機構4のモータ40の回転量を制御することにより任意に調整することが可能とされている。
約60秒間の予備加熱時間が経過した後、保持部7が処理位置に位置したままメインコントローラ3の制御によりランプハウス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。このとき、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チャンバー6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チャンバー6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、ランプハウス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℃以上の処理温度まで上昇し、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、添加された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。
また、フラッシュ加熱の前に保持部7により半導体ウェハーWを予備加熱しておくことにより、フラッシュランプFLからのフラッシュ光照射によって半導体ウェハーWの表面温度を処理温度まで速やかに上昇させることができる。
フラッシュ加熱が終了し、半導体ウェハーWが処理位置において約10秒間待機してから保持部7が保持部昇降機構4により再び図1に示す受渡位置まで下降し、半導体ウェハーWが保持部7から支持ピン70へと渡される。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、支持ピン70上に載置された半導体ウェハーWは装置外部の搬送ロボットにより搬出され、熱処理装置1における半導体ウェハーWの光照射熱処理が完了する。
既述のように、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チャンバー6に継続的に供給されており、その供給量は、保持部7が処理位置に位置するときには約30リットル/分とされ、保持部7が処理位置以外の位置に位置するときには約40リットル/分とされる。
フラッシュランプFLからのフラッシュ光照射によって短時間のうちに昇降する半導体ウェハーWの表面温度を非接触にて測定するためには半導体ウェハーWの放射率を求めることが必須となる。放射率は、光の波長によって異なり、また半導体ウェハーWの温度にも依存する。このため、フラッシュ加熱時における半導体ウェハーWの放射率測定は、実際と同じ処理条件にてフラッシュランプFLからフラッシュ光を照射して行うのが好ましい。また、物体の放射率には反射率および透過率と強い相関が存在する。そこで、第1実施形態においては、以下のようにしてフラッシュ光照射を行ったときの半導体ウェハーWの反射率を測定している。
図7は、第1実施形態における半導体ウェハーWの反射率測定手順を示すフローチャートである。まず、フラッシュランプFLから反射率が既知の標準ウェハーにフラッシュ光を照射したときの反射光の強度である標準反射光強度を測定する(ステップS11)。第1実施形態においては、標準ウェハーとしてパターン形成のなされていない無地のベアウェハーを用いている。ベアウェハーであれば、反射率は既知である。このような反射率既知の標準ウェハーをチャンバー6内に搬入して支持ピン70上に載置する。このときには、保持部7は受渡位置に下降している。
標準ウェハーが支持ピン70に支持された後、搬送開口部66がゲートバルブ185によって閉鎖される。そして、保持部7が受渡位置に位置したまま、すなわち標準ウェハーが支持ピン70に支持された状態にてフラッシュランプFLから標準ウェハーに向けてフラッシュ光が照射される。このときに実際の処理対象となる半導体ウェハーWにフラッシュ光を照射するときと同様にチャンバー6に窒素ガスを供給するようにしても良い。また、フラッシュランプFLの発光条件(フラッシュランプFLに電力供給を行うコンデンサーへの充電電圧、発光波形等)は処理対象となる半導体ウェハーWをフラッシュ加熱するときと同じである。
支持ピン70に支持された標準ウェハーにフラッシュランプFLからフラッシュ光が照射されたときに、その一部は標準ウェハーの表面で反射されて反射光となる。反射光の一部は石英プローブ18に入射して基端側の干渉フィルター19へと導かれる。すなわち、石英プローブ18はチャンバー6の側壁に設けられて反射光を導く導光部として機能する。
干渉フィルター19は、石英プローブ18に入射した反射光のうちフォトダイオード21に対応した所定波長域の光だけを選択的に透過する。石英プローブ18に入射して干渉フィルター19を通過した標準ウェハーからの反射光は光ファイバー17によって光検知器20のフォトダイオード21へと導かれる。フォトダイオード21は、石英プローブ18に入射した反射光の強度に応じた光電流を発生する。フォトダイオード21は応答時間が極めて短いため、短時間の間に強度が劇的に変化するフラッシュ光の反射光にも追随することができる。フォトダイオード21にて発生した電流は電流電圧変換回路22によって取り扱いの容易な電圧信号に変換される。
電流電圧変換回路22から出力された電圧信号は、増幅回路23によって増幅された後、高速A/Dコンバータ24によってコンピュータが取り扱うのに適したデジタル信号に変換される。そして、高速A/Dコンバータ24から出力されるデジタル信号のレベルがワンチップマイコン25への入力電圧となる。ワンチップマイコン25は、高速A/Dコンバータ24から出力されたデジタル信号よりフォトダイオード21が受光した反射光の強度を求め、それをメインコントローラ3に伝達する。すなわち、ステップS11において、光検知器20は、フラッシュランプFLから反射率が既知の標準ウェハーにフラッシュ光を照射したときの反射光の強度である標準反射光強度を測定する。なお、標準ウェハーを用いての反射光強度の測定は、いずれかのタイミングにて一度行っておけば良く、例えば熱処理装置1のメンテナンス時にキャリブレーションとして行うようにすれば良い。
次に、標準ウェハーにフラッシュ光を照射して得られた標準反射光強度から、反射率が100%の理想鏡にフラッシュ光を照射したときの反射光の強度である理想反射光強度を算定する(ステップS12)。具体的には、メインコントローラ3の反射率算定部32が標準ウェハーの反射率Rstdおよび光検知器20によって上記のようにして測定された標準反射光強度RIstdに基づいて、次の式(1)から理想反射光強度RIideを算定する。なお、標準ウェハーの反射率Rstdは既知である。
この理想反射光強度RIideは、フラッシュランプFLから照射されたフラッシュ光がウェハー表面にて100%反射されたと仮定したときに光検知器20によって測定されるはずの反射光の強度である。
次に、フラッシュランプFLから処理対象となる半導体ウェハーWにフラッシュ光を照射したときの反射光の強度である処理対象基板反射光強度を測定する(ステップS13)。但し、この測定は、標準反射光強度を測定したときと同じ条件にて行う。すなわち、処理対象となる半導体ウェハーWをチャンバー6内に搬入して支持ピン70上に載置した後、搬送開口部66をゲートバルブ185によって閉鎖し、保持部7が処理位置に上昇することなく受渡位置に位置したままフラッシュランプFLからフラッシュ光を照射する。よって、処理対象となる半導体ウェハーWが支持ピン70に支持された状態にてフラッシュランプFLから半導体ウェハーWに向けてフラッシュ光が照射されることとなる。また、フラッシュランプFLの発光条件も標準反射光強度を測定したときと同じである。
支持ピン70に支持された処理対象半導体ウェハーWにフラッシュランプFLからフラッシュ光が照射されたときに、その一部は半導体ウェハーWの表面で反射されて反射光となる。反射光の一部は石英プローブ18に入射して基端側の干渉フィルター19へと導かれる。石英プローブ18に入射して干渉フィルター19を通過した半導体ウェハーWからの反射光は光ファイバー17によって光検知器20へと導かれ、上記と同様にしてその強度が光検知器20によって測定されてメインコントローラ3に伝達される。すなわち、ステップS13において、光検知器20は、フラッシュランプFLから処理対象となる半導体ウェハーWにフラッシュ光を照射したときの反射光の強度である処理対象基板反射光強度を測定する。なお、処理対象基板反射光強度の測定は、同じパターンが形成されて同じ条件にてイオン注入がなされた複数の半導体ウェハーWにて構成されるロットの最初の半導体ウェハーWを用いて行うようにすれば良い。
次に、ステップS13にて測定された処理対象基板反射光強度およびステップS12にて算定された理想反射光強度に基づいて、処理対象となる半導体ウェハーWの反射率を算定する(ステップS14)。具体的には、メインコントローラ3の反射率算定部32が処理対象基板反射光強度RIsampおよび理想反射光強度RIideに基づいて、次の式(2)から処理対象となる半導体ウェハーWの反射率Rsampを算定する。
このようにすれば、実際と同じ処理条件にてフラッシュランプFLからフラッシュ光照射を行ったときの処理対象半導体ウェハーWの反射率を測定することができる。反射率、透過率および放射率の合計は1になることが判明している。従って、フラッシュ加熱時の温度域ではシリコンの半導体ウェハーWを透過しない(つまり透過率がゼロとなる)波長域を用いて反射率の測定を行えば、その測定された反射率を1から減じることによってフラッシュ光照射を行ったときの処理対象半導体ウェハーWの放射率をも求めることができる。具体的には、そのような波長域を検出波長域とするフォトダイオード21を用いるとともに、その波長域の光を選択的に透過する干渉フィルター19を用いて上記の反射率測定を行えば良い。
<第2実施形態>
次に、本発明の第2実施形態について説明する。図8は、第2実施形態の熱処理装置の構成を示す縦断面図である。第1実施形態ではチャンバー6の側壁に石英プローブ18を設け、その石英プローブ18に光検知器20を連結するようにしていたが、第2実施形態においては、支持ピン70に光検知器20を連結している。支持ピン70は保持部7が受渡位置に下降したときにチャンバー6に対してウェハー搬出入を行うために半導体ウェハーWを載置するものであるが、石英にて形成された棒状の部材である支持ピン70は石英プローブとしても機能する。第2実施形態の熱処理装置1は、この支持ピン70を導光部として利用するものである。
石英の支持ピン70は、チャンバー6のチャンバー底部62に立設されている。保持部昇降機構4が保持部7を受渡位置に下降させたときには、図8に示すように、支持ピン70の先端が保持部7の貫通孔77を貫通して保持部7のサセプタ72よりも上方に突出し、チャンバー6内の熱処理空間65に位置する。また、保持部昇降機構4が保持部7を受渡位置よりも上方の処理位置に上昇させたときには、支持ピン70の先端が保持部7よりも下方となる。
一方、支持ピン70の基端側は、チャンバー6の外部に位置している。図9に示すように、支持ピン70の基端側には干渉フィルター19が設けられている。第1実施形態と同じく、干渉フィルター19は、所定波長域の光だけを選択的に透過するフィルターであり、その透過波長域はフラッシュランプFLから照射されるフラッシュ光に含まれる波長域であり、かつ、フォトダイオード21の検出波長域に対応したものである。支持ピン70の基端は干渉フィルター19を介して光ファイバー17によって光検知器20と連結されている。なお、干渉フィルター19の設置位置は、光検知器20に設けるようにしても良いし、光ファイバー17の経路途中であっても良い。
図9は、第2実施形態の光検知器20の構成を示すブロック図である。光検知器20の構成は第1実施形態と全く同じである。すなわち、光検知器20は、フォトダイオード21、電流電圧変換回路22、増幅回路23、高速A/Dコンバータ24およびワンチップマイコン25を備え、支持ピン70にて受光した光の強度を測定してメインコントローラ3に伝達する。
また、第2実施形態のメインコントローラ3は、透過率算定部34を備える。透過率算定部34は、メインコントローラ3のCPUが所定の処理用ソフトウェアを実行することによって実現される処理部であり、その処理内容については後述する。第2実施形態の熱処理装置1の残余の構成は第1実施形態と同様であり、同一の要素については同一の符号を付している。
第2実施形態の熱処理装置1におけるフラッシュ加熱処理の動作手順についても第1実施形態と同様である。既述したように、フラッシュランプFLからのフラッシュ光照射によって短時間のうちに昇降する半導体ウェハーWの表面温度を非接触にて測定するためには半導体ウェハーWの放射率を求めることが必須となる。また、物体の放射率には反射率および透過率と強い相関が存在する。そこで、第2実施形態においては、フラッシュ光照射を行ったときの半導体ウェハーWの透過率を測定している。
図10は、第2実施形態における半導体ウェハーWの放射率測定手順を示すフローチャートである。まず、チャンバー6内にいかなるウェハーも搬入することなく、フラッシュランプFLからフラッシュ光を照射したときの照射光の強度である照射光強度を測定する(ステップS21)。すなわち、支持ピン70にウェハーを支持していない状態でフラッシュランプFLからフラッシュ光を照射する。このときには、保持部7は受渡位置に下降しており、支持ピン70の先端は保持部7よりも上方に突出している。また、このときに、実際の処理対象となる半導体ウェハーWにフラッシュ光を照射するときと同様にチャンバー6に窒素ガスを供給するようにしても良い。さらに、フラッシュランプFLの発光条件(フラッシュランプFLに電力供給を行うコンデンサーへの充電電圧、発光波形等)は処理対象となる半導体ウェハーWをフラッシュ加熱するときと同じである。
支持ピン70にウェハーを支持していない状態でフラッシュランプFLからフラッシュ光を照射すると、チャンバー6の熱処理空間65に入射した照射光の一部は支持ピン70の先端から入射して基端側の干渉フィルター19へと導かれる。すなわち、支持ピン70はチャンバー6の底壁に設けられて照射光を導く導光部として機能する。
干渉フィルター19は、支持ピン70に入射した照射光のうちフォトダイオード21に対応した所定波長域の光だけを選択的に透過する。支持ピン70に入射して干渉フィルター19を通過したフラッシュランプFLの照射光は光ファイバー17によって光検知器20のフォトダイオード21へと導かれる。フォトダイオード21は、支持ピン70に入射した照射光の強度に応じた光電流を発生する。フォトダイオード21は応答時間が極めて短いため、短時間の間に強度が劇的に変化するフラッシュ光の照射光にも追随することができる。フォトダイオード21にて発生した電流は電流電圧変換回路22によって取り扱いの容易な電圧信号に変換される。
電流電圧変換回路22から出力された電圧信号は、増幅回路23によって増幅された後、高速A/Dコンバータ24によってコンピュータが取り扱うのに適したデジタル信号に変換される。そして、高速A/Dコンバータ24から出力されるデジタル信号のレベルがワンチップマイコン25への入力電圧となる。ワンチップマイコン25は、高速A/Dコンバータ24から出力されたデジタル信号よりフォトダイオード21が受光した照射光の強度を求め、それをメインコントローラ3に伝達する。すなわち、ステップS21において、光検知器20は、支持ピン70に基板を支持していない状態でフラッシュランプFLからフラッシュ光を照射したときの照射光の強度である照射光強度を測定する。なお、ウェハーが存在していない状態での照射光強度の測定は、いずれかのタイミングにて一度行っておけば良く、例えば熱処理装置1のメンテナンス時にキャリブレーションとして行うようにすれば良い。
次に、フラッシュランプFLから処理対象となる半導体ウェハーWにフラッシュ光を照射したときの透過光の強度である処理対象基板反射光強度を測定する(ステップS22)。但し、この測定は、照射光強度を測定したときと同じ条件にて行う。すなわち、処理対象となる半導体ウェハーWをチャンバー6内に搬入して支持ピン70上に載置した後、搬送開口部66をゲートバルブ185によって閉鎖し、保持部7が処理位置に上昇することなく受渡位置に位置したままフラッシュランプFLからフラッシュ光を照射する。よって、処理対象となる半導体ウェハーWが支持ピン70に支持された状態にてフラッシュランプFLから半導体ウェハーWに向けてフラッシュ光が照射されることとなる。また、フラッシュランプFLの発光条件も照射光強度を測定したときと同じである。
支持ピン70に支持された処理対象半導体ウェハーWにフラッシュランプFLからフラッシュ光が照射されたときに、その一部は半導体ウェハーWを透過して透過光となる。透過光の一部は支持ピン70に入射して基端側の干渉フィルター19へと導かれる。支持ピン70に入射して干渉フィルター19を通過した半導体ウェハーWの透過光は光ファイバー17によって光検知器20へと導かれ、上記と同様にしてその強度が光検知器20によって測定されてメインコントローラ3に伝達される。すなわち、ステップS22において、光検知器20は、フラッシュランプFLから処理対象となる半導体ウェハーWにフラッシュ光を照射したときの透過光の強度である処理対象基板透過光強度を測定する。なお、処理対象基板透過光強度の測定は、同じパターンが形成されて同じ条件にてイオン注入がなされた複数の半導体ウェハーWにて構成されるロットの最初の半導体ウェハーWを用いて行うようにすれば良い。
次に、ステップS22にて測定された処理対象基板透過光強度およびステップS21にて測定された照射光強度に基づいて、処理対象となる半導体ウェハーWの透過率を算定する(ステップS23)。具体的には、メインコントローラ3の透過率算定部34が処理対象基板透過光強度TIsampおよび照射光強度EIに基づいて、次の式(3)から処理対象となる半導体ウェハーWの透過率Tsampを算定する。
このようにすれば、実際と同じ処理条件にてフラッシュランプFLからフラッシュ光照射を行ったときの処理対象半導体ウェハーWの透過率を測定することができる。反射率、透過率および放射率の合計は1になることが判明している。従って、例えば第1実施形態のようにしてフラッシュ光照射を行ったときの処理対象半導体ウェハーWの反射率を求めておけば、フラッシュランプFLからフラッシュ光照射を行ったときの処理対象半導体ウェハーWの放射率をも求めることができる。なお、第2実施形態においては、照射光強度を測定する際に、フラッシュランプFLからのフラッシュ光を支持ピン70によって直接受光することとなるため、増幅回路23のゲインを低く設定しておくのが好ましい。増幅回路23のゲインが低ければ、処理対象基板透過光強度を測定するときにも半導体ウェハーW自体からの放射光の影響を少なくすることができる。
<第3実施形態>
次に、本発明の第3実施形態について説明する。図11は、第3実施形態の熱処理装置の構成を示す縦断面図である。第3実施形態においては、第1実施形態と同じくチャンバー6の側壁に石英プローブ18を設け、その石英プローブ18に光検知器20(第2光検知器)を連結するとともに、第2実施形態と同じく石英の支持ピン70にも光検知器20(第1光検知器)を連結している。すなわち、第1実施形態の構成と第2実施形態の構成とを組み合わせ、チャンバー6の側壁および底壁の双方に導光部を設けている。また、石英プローブ18および支持ピン70のそれぞれに連結されている光検知器20は第1実施形態および第2実施形態と同様であり、それぞれ石英プローブ18にて受光した光および支持ピン70にて受光した光の強度を測定してメインコントローラ3に伝達する。
また、第3実施形態のメインコントローラ3は、第1実施形態と同様の反射率算定部32備えるが、処理用ソフトウェアを実行した結果としての処理内容は後述の如く第1実施形態とは異なる。第3実施形態の熱処理装置1の残余の構成は第1実施形態と同様であり、同一の要素については同一の符号を付している。
第3実施形態の熱処理装置1におけるフラッシュ加熱処理の動作手順についても第1実施形態と同様である。第3実施形態においては、フラッシュ加熱時の処理対象半導体ウェハーWの放射率を求めるために、フラッシュ光照射を行ったときの半導体ウェハーWの反射率を測定している。
図12は、第3実施形態における半導体ウェハーWの反射率測定手順を示すフローチャートである。まず、チャンバー6内にいかなるウェハーも搬入することなく、フラッシュランプFLからフラッシュ光を照射したときの照射光の強度である照射光強度を測定する(ステップS31)。この照射光強度の測定は第2実施形態のステップS21と同じである。すなわち、支持ピン70にウェハーを支持していない状態でフラッシュランプFLからフラッシュ光を照射する。このときには、保持部7は受渡位置に下降しており、支持ピン70の先端は保持部7よりも上方に突出している。また、このときのフラッシュランプFLの発光条件は処理対象となる半導体ウェハーWをフラッシュ加熱するときと同じである。
支持ピン70にウェハーを支持していない状態でフラッシュランプFLからフラッシュ光を照射すると、チャンバー6の熱処理空間65に入射した照射光の一部は支持ピン70の先端から入射して基端側の干渉フィルター19へと導かれる。干渉フィルター19は、支持ピン70に入射した照射光のうちフォトダイオード21に対応した所定波長域の光だけを選択的に透過する。支持ピン70に入射して干渉フィルター19を通過したフラッシュランプFLの照射光は光ファイバー17によって光検知器20のフォトダイオード21へと導かれる。フォトダイオード21は、支持ピン70に入射した照射光の強度に応じた光電流を発生する。フォトダイオード21にて発生した電流は電流電圧変換回路22によって取り扱いの容易な電圧信号に変換される。
電流電圧変換回路22から出力された電圧信号は、増幅回路23によって増幅された後、高速A/Dコンバータ24によってコンピュータが取り扱うのに適したデジタル信号に変換される。そして、高速A/Dコンバータ24から出力されるデジタル信号のレベルがワンチップマイコン25への入力電圧となる。ワンチップマイコン25は、高速A/Dコンバータ24から出力されたデジタル信号よりフォトダイオード21が受光した照射光の強度を求め、それをメインコントローラ3に伝達する。すなわち、ステップS31において、光検知器20は、支持ピン70に基板を支持していない状態でフラッシュランプFLからフラッシュ光を照射したときの照射光の強度である照射光強度を測定する。
次に、フラッシュランプFLから処理対象となる半導体ウェハーWにフラッシュ光を照射したときの反射光の強度である処理対象基板反射光強度を測定する(ステップS32)。但し、この測定は、照射光強度を測定したときと同じ条件にて行う。すなわち、処理対象となる半導体ウェハーWをチャンバー6内に搬入して支持ピン70上に載置した後、搬送開口部66をゲートバルブ185によって閉鎖し、保持部7が処理位置に上昇することなく受渡位置に位置したままフラッシュランプFLからフラッシュ光を照射する。よって、処理対象となる半導体ウェハーWが支持ピン70に支持された状態にてフラッシュランプFLから半導体ウェハーWに向けてフラッシュ光が照射されることとなる。また、フラッシュランプFLの発光条件も標準反射光強度を測定したときと同じである。
支持ピン70に支持された処理対象半導体ウェハーWにフラッシュランプFLからフラッシュ光が照射されたときに、その一部は半導体ウェハーWの表面で反射されて反射光となる。反射光の一部はチャンバー6側壁の石英プローブ18に入射して基端側の干渉フィルター19へと導かれる。石英プローブ18に入射して干渉フィルター19を通過した半導体ウェハーWからの反射光は光ファイバー17によって光検知器20へと導かれ、上記と同様にしてその強度が光検知器20によって測定されてメインコントローラ3に伝達される。すなわち、ステップS32において、光検知器20は、フラッシュランプFLから処理対象となる半導体ウェハーWにフラッシュ光を照射したときの反射光の強度である処理対象基板反射光強度を測定する。
次に、ステップS32にて測定された処理対象基板反射光強度およびステップS31にて測定された照射光強度に基づいて、処理対象となる半導体ウェハーWの反射率を算定する(ステップS33)。具体的には、メインコントローラ3の反射率算定部32が処理対象基板反射光強度RIsampおよび照射光強度EIに基づいて、次の式(4)から処理対象となる半導体ウェハーWの反射率Rsampを算定する。
このようにすれば、実際と同じ処理条件にてフラッシュランプFLからフラッシュ光照射を行ったときの処理対象半導体ウェハーWの反射率を測定することができる。従って、第1実施形態と同様に、フラッシュ加熱時の温度域ではシリコンの半導体ウェハーWを透過しない波長域を用いて反射率の測定を行えば、その測定された反射率を1から減じることによってフラッシュ光照射を行ったときの処理対象半導体ウェハーWの放射率を求めることができる。なお、第3実施形態においては、反射率が既知のウェハーを用いて、式(4)の算定結果がその反射率となるように、石英プローブ18に連結された光検知器20のゲイン(正確には増幅回路23のゲイン)と支持ピン70に連結された光検知器20のゲインとを予め調整しておくことが好ましい。
<第4実施形態>
次に、本発明の第4実施形態について説明する。図13は、第4実施形態の熱処理装置の構成を示す縦断面図である。第4実施形態においては、第2実施形態と同じく、石英の支持ピン70に光検知器20(第1光検知器)を連結している。それに加えて、第4実施形態では支持ピン70とは異なる石英の導光ピン170をチャンバー6の底壁に設け、その導光ピン170にも光検知器20(第2光検知器)を連結している。支持ピン70に光検知器20を連結する構成は第2実施形態と全く同じである。
石英の導光ピン170は、チャンバー6の底壁であるチャンバー底部62に立設されている。導光ピン170をチャンバー底部62に設置する位置は、支持ピン70によって支持される半導体ウェハーWによってフラッシュランプFLからのフラッシュ光が遮光される領域以外の位置である。すなわち、支持ピン70に半導体ウェハーWが支持されている状態にてフラッシュランプFLからフラッシュ光が照射されたときにも、導光ピン170はそのフラッシュ光を直接受光する。また、導光ピン170の先端の高さ位置は、支持ピン70の先端高さ位置とほぼ同じである。
導光ピン170の基端側はチャンバー6の外部に位置している。そして、支持ピン70と同様に、導光ピン170も干渉フィルター19を介して光ファイバー17によって光検知器20と連結されている。導光ピン170に連結された光検知器20の構成は第1実施形態と全く同じであり、導光ピン170にて受光した光の強度を測定してメインコントローラ3に伝達する。
第4実施形態のメインコントローラ3は、第2実施形態と同様の透過率算定部34を備えるが、CPUが処理用ソフトウェアを実行した結果としての処理内容は後述の如く第2実施形態とは異なる。第4実施形態の熱処理装置1の残余の構成は第1実施形態と同様であり、同一の要素については同一の符号を付している。
第4実施形態の熱処理装置1におけるフラッシュ加熱処理の動作手順についても第1実施形態と同様である。第4実施形態においては、フラッシュ加熱時の処理対象半導体ウェハーWの放射率を求めるために、フラッシュ光照射を行ったときの半導体ウェハーWの透過率を測定している。
図14は、第4実施形態における半導体ウェハーWの透過率測定手順を示すフローチャートである。まず、透過率が既知のウェハーにフラッシュランプFLからフラッシュ光を照射する(ステップS41)。透過率が既知のウェハーとしては第1実施形態と同じくパターン形成のなされていない無地のベアウェハーを用いても良い。このような透過率が既知のウェハーをチャンバー6内に搬入して支持ピン70上に載置する。このときには、保持部7は受渡位置に下降している。
透過率既知のウェハーが支持ピン70に支持された後、搬送開口部66がゲートバルブ185によって閉鎖される。そして、保持部7が受渡位置に位置したまま、すなわち透過率既知のウェハーが支持ピン70に支持された状態にてフラッシュランプFLから当該ウェハーに向けてフラッシュ光が照射される。このときに実際の処理対象となる半導体ウェハーWにフラッシュ光を照射するときと同様にチャンバー6に窒素ガスを供給するようにしても良い。また、フラッシュランプFLの発光条件は処理対象となる半導体ウェハーWをフラッシュ加熱するときと同じである。
次に、フラッシュランプFLから照射されたフラッシュ光の照射光の強度および透過光の強度を測定する(ステップS42)。フラッシュランプFLからチャンバー6内に照射されたフラッシュ光の一部は導光ピン170に入射するとともに、別の一部は支持ピン70に支持された透過率既知のウェハーに照射される。第2,3実施形態にて支持ピン70に基板を支持していない状態でフラッシュランプFLからフラッシュ光を照射したときの照射光の強度を測定したのと同様にして、導光ピン170に直接入射した照射光の強度が光検知器20(導光ピン170に連結された光検知器20)によって測定されてメインコントローラ3に伝達される。
また、支持ピン70に支持された透過率既知のウェハーに照射されたフラッシュ光の一部はそのウェハーを透過して透過光となる。透過光の一部は支持ピン70に入射して光検知器20(支持ピン70に連結された光検知器20)へと導かれ、上記と同様にしてその強度が光検知器20によって測定されてメインコントローラ3に伝達される。
次に、上記ウェハーを透過して支持ピン70に入射した透過光の強度および導光ピン170に直接入射した照射光の強度に基づいて、導光ピン170に連結された光検知器20および支持ピン70に連結された光検知器20のゲイン(正確には増幅回路23のゲイン)を調整する(ステップS43)。具体的には、導光ピン170に連結された光検知器20からの出力に対する支持ピン70に連結された光検知器20の出力が既知である透過率となるように両光検知器20のゲインを調整する。例えば、透過率が50%のウェハーを使用した場合であれば、支持ピン70に連結された光検知器20の出力が導光ピン170に連結された光検知器20からの出力の半分となるように両光検知器20のゲインを調整する。
次に、処理対象となる半導体ウェハーWにフラッシュランプFLからフラッシュ光を照射する(ステップS44)。そして、フラッシュランプFLから照射されたフラッシュ光の照射光の強度および透過光の強度を測定する(ステップS45)。但し、この測定は、上記透過率が既知のウェハーにフラッシュ光を照射して照射光および透過光の強度を測定したときと同じ条件にて行う。すなわち、処理対象となる半導体ウェハーWをチャンバー6内に搬入して支持ピン70上に載置した後、搬送開口部66をゲートバルブ185によって閉鎖し、保持部7が処理位置に上昇することなく受渡位置に位置したままフラッシュランプFLからフラッシュ光を照射する。よって、処理対象となる半導体ウェハーWが支持ピン70に支持された状態にてフラッシュランプFLから半導体ウェハーWに向けてフラッシュ光が照射されることとなる。また、フラッシュランプFLの発光条件も上記と同じである。
フラッシュランプFLからチャンバー6内に照射されたフラッシュ光の一部は導光ピン170に入射するとともに、別の一部は支持ピン70に支持された半導体ウェハーWに照射される。そして、上記と同様に、導光ピン170に直接入射した照射光の強度が光検知器20(導光ピン170に連結された光検知器20)によって測定されてメインコントローラ3に伝達される。
また、支持ピン70に支持された処理対象となる半導体ウェハーWに照射されたフラッシュ光の一部は半導体ウェハーWを透過して透過光となる。透過光の一部は支持ピン70に入射して光検知器20(支持ピン70に連結された光検知器20)へと導かれ、上記と同様にしてその強度が光検知器20によって測定されてメインコントローラ3に伝達される。
次に、半導体ウェハーWを透過して支持ピン70に入射した透過光の強度および導光ピン170に直接入射した照射光の強度に基づいて、処理対象となる半導体ウェハーWの透過率を算定する(ステップS46)。具体的には、メインコントローラ3の透過率算定部34が支持ピン70に入射した透過光の強度TIsampおよび導光ピン170に直接入射した照射光の強度EIに基づいて、次の式(5)から処理対象となる半導体ウェハーWの透過率Tsampを算定する。
このようにすれば、実際と同じ処理条件にてフラッシュランプFLからフラッシュ光照射を行ったときの処理対象半導体ウェハーWの透過率を測定することができる。従って、例えば第1実施形態のようにしてフラッシュ光照射を行ったときの処理対象半導体ウェハーWの反射率を求めておけば、フラッシュランプFLからフラッシュ光照射を行ったときの処理対象半導体ウェハーWの放射率をも求めることができる。
<第5実施形態>
次に、本発明の第5実施形態について説明する。図15は、第5実施形態の熱処理装置の構成を示す縦断面図である。第5実施形態においては、第2実施形態と同じく、石英の支持ピン70に光検知器20(第2光検知器)を連結している。また、第5実施形態では、チャンバー6の側壁に投光部16および受光部118を設け、受光部118に光検知器20(第1光検知器)を連結している。さらに、第5実施形態においては、熱処理空間65の上部開口60を閉塞するチャンバー窓61に光学フィルターとしての機能を付与している。
第5実施形態のチャンバー窓61は、特定の波長域の光を遮光する光学ガラスにて形成されており、フラッシュランプFLからチャンバー6内に向けて照射されたフラッシュ光から特定波長域の光を遮光する。そのような光学ガラスとしては、例えばBK7(ホウケイ酸クラウン光学ガラス)を用いることができる。BK7は、可視光および近赤外線は透過するものの、波長3μm以上の赤外線に対しては不透明である。すなわち、BK7によって形成されたチャンバー窓61は、フラッシュランプFLからチャンバー6内に照射される光のうち波長3μm以上の光を遮光するフィルターとして機能する。従って、フラッシュランプFLから照射された光のうち熱処理空間65に入射するのは波長3μm未満の光である。
投光部16は、支持ピン70によって支持される半導体ウェハーWの高さ位置よりも上方のチャンバー側部63に設けられている。投光部16は、図示省略の光源を内蔵し、支持ピン70に支持された半導体ウェハーWに向けて測定用光を投光する。投光部16が投光する測定用光の波長はフィルターとしてのチャンバー窓61が遮光する上記特定波長域に含まれるものである。例えば、チャンバー窓61にBK7を用いて波長3μm以上の光を遮光する場合であれば、投光部16は波長3μm以上の測定用光を投光する。なお、投光部16の光源としては、測定用光の波長に応じて適宜のものを使用することができる。例えば、測定用光が可視光であればLEDを、近赤外線であればハロゲンランプを光源として用いることができる。また、投光部16の光源としてレーザやヒータを用いるようにしても良い。
受光部118は、投光部16から投光された測定用光が支持ピン70によって支持される半導体ウェハーWの表面にて反射された反射光を受光できる位置に設けられている。具体的には、支持ピン70によって支持される半導体ウェハーWの高さ位置よりも上方であって投光部16に対向する位置のチャンバー側部63に設けられている。受光部118は、第1実施形態の石英プローブ18と同様の石英製の導光ロッドであり、チャンバー6の側壁に設けられた導光部として機能するものである。また、受光部118には図示省略の干渉フィルターが設けられている。この干渉フィルターは測定用光を含む所定波長域の光のみを選択的に透過する。なお、投光部16にも干渉フィルターまたはグレーティングを設け、測定用光に不必要な光をカットするようにしても良い。
受光部118の基端は光ファイバー17によって光検知器20に連結されている。受光部118に連結された光検知器20の構成は第1実施形態と全く同じであり、受光部118にて受光した光の強度を測定してメインコントローラ3に伝達する。また、支持ピン70に光検知器20を連結する構成は第2実施形態と全く同じである。
第5実施形態のメインコントローラ3は、第1実施形態と同様の反射率算定部32および第2実施形態と同様の透過率算定部34を備えるが、CPUが処理用ソフトウェアを実行した結果としての処理内容は第1,第2実施形態とは異なる。第5実施形態の熱処理装置1の残余の構成は第1実施形態と同様であり、同一の要素については同一の符号を付している。
第5実施形態の熱処理装置1におけるフラッシュ加熱処理の動作手順についても第1実施形態と同様である。第5実施形態においては、フラッシュ加熱時の処理対象半導体ウェハーWの放射率を求めるために、フラッシュ光照射を行ったときの半導体ウェハーWの反射率および透過率の双方を測定している。
図16は、第5実施形態における半導体ウェハーWの反射率および透過率測定手順を示すフローチャートである。まず、チャンバー6内にいかなるウェハーも搬入することなく、フラッシュランプFLからフラッシュ光を照射しつつ、投光部16から測定用光を投光し、支持ピン70に入射した測定用光の強度をベース透過光強度として測定する(ステップS51)。すなわち、支持ピン70にウェハーを支持していない状態でフラッシュランプFLからチャンバー窓61を介してフラッシュ光を照射する。このときには、保持部7は受渡位置に下降しており、支持ピン70の先端は保持部7よりも上方に突出している。また、フラッシュランプFLの発光条件は処理対象となる半導体ウェハーWをフラッシュ加熱するときと同じである。
また、フラッシュランプFLからフラッシュ光を照射しつつ、投光部16から測定用光を投光する。投光された測定用光の一部は支持ピン70の先端から入射して基端側の干渉フィルター19へと導かれる。支持ピン70に入射して干渉フィルター19を通過した測定用光は光ファイバー17によって光検知器20(支持ピン70に連結された光検知器20)のフォトダイオード21へと導かれる。フォトダイオード21は、支持ピン70に入射した測定用光の強度に応じた光電流を発生する。フォトダイオード21にて発生した電流は電流電圧変換回路22によって取り扱いの容易な電圧信号に変換される。
電流電圧変換回路22から出力された電圧信号は、増幅回路23によって増幅された後、高速A/Dコンバータ24によってコンピュータが取り扱うのに適したデジタル信号に変換される。そして、高速A/Dコンバータ24から出力されるデジタル信号のレベルがワンチップマイコン25への入力電圧となる。ワンチップマイコン25は、高速A/Dコンバータ24から出力されたデジタル信号よりフォトダイオード21が受光した測定用光の強度を求め、それをベース透過光強度としてメインコントローラ3に伝達する。すなわち、ステップS51においては、フラッシュランプFLからフラッシュ光を照射する条件下にて、投光部16から投光されて支持ピン70に直接入射した測定用光の強度をベース透過光強度として測定しているのである。なお、フラッシュランプFLからチャンバー6内に向けて照射されたフラッシュ光からは特定波長域の光がチャンバー窓61によって遮光され、投光部16から投光される測定用光の波長はその特定波長域に含まれるため、支持ピン70に入射したフラッシュ光が直接的な外乱光となるのは抑制される。
次に、フラッシュランプFLから反射率が既知の標準ウェハーにフラッシュ光を照射しつつ、投光部16から測定用光を投光し、標準ウェハーにて反射された測定用光の強度をベース反射光強度として測定する(ステップS52)。標準ウェハーとしては、第1実施形態と同じく、パターン形成のなされていない無地のベアウェハーを用いれば良い。このような反射率既知の標準ウェハーをチャンバー6内に搬入して支持ピン70上に載置する。このときには、保持部7は受渡位置に下降している。
標準ウェハーが支持ピン70に支持された後、搬送開口部66がゲートバルブ185によって閉鎖される。そして、保持部7は受渡位置に位置したまま、すなわち標準ウェハーが支持ピン70に支持された状態にてフラッシュランプFLからチャンバー窓61を介して標準ウェハーに向けてフラッシュ光が照射される。このときのフラッシュランプFLの発光条件は処理対象となる半導体ウェハーWをフラッシュ加熱するときと同じである。
また、フラッシュランプFLからフラッシュ光を照射しつつ、投光部16から測定用光を投光する。投光された測定用光の一部は支持ピン70に支持された標準ウェハーの表面にて反射され、受光部118に入射する。受光部118に入射した測定用光は光ファイバー17によって光検知器20へと導かれ、上記と同様にしてその強度が光検知器20によって測定されてメインコントローラ3に伝達される。すなわち、ステップS52においては、フラッシュランプFLからフラッシュ光を照射する条件下にて、投光部16から投光されて標準ウェハーの表面で反射された測定用光の強度をベース反射光強度として測定しているのである。
次に、フラッシュランプFLから処理対象となる半導体ウェハーWにフラッシュ光を照射しつつ、投光部16から投光して透過光および反射光の強度を測定する(ステップS53)。この測定は、ステップS51およびステップS52と同じ条件にて行う。すなわち、処理対象となる半導体ウェハーWをチャンバー6内に搬入して支持ピン70上に載置した後、搬送開口部66をゲートバルブ185によって閉鎖し、保持部7が処理位置に上昇することなく受渡位置に位置したままフラッシュランプFLからチャンバー窓61を介してフラッシュ光を照射する。よって、処理対象となる半導体ウェハーWが支持ピン70に支持された状態にてフラッシュランプFLからチャンバー窓61を介して半導体ウェハーWに向けてフラッシュ光が照射されることとなる。また、フラッシュランプFLの発光条件もステップS51およびステップS52と同じである。
また、フラッシュランプFLからフラッシュ光を照射しつつ、投光部16から測定用光を投光する。投光された測定用光の一部は支持ピン70に支持された処理対象半導体ウェハーWの表面にて反射され、受光部118に入射する。受光部118に入射した測定用光は光ファイバー17によって光検知器20へと導かれ、上記と同様にしてその強度が光検知器20によって測定されて処理対象基板反射光強度としてメインコントローラ3に伝達される。すなわち、受光部118に連結された光検知器20は、フラッシュランプFLからフラッシュ光が照射される条件下にて、投光部16から投光されて処理対象となる半導体ウェハーWの表面で反射された測定用光の強度を処理対象基板反射光強度として測定している。
また、投光された測定用光の他の一部は支持ピン70に支持された処理対象半導体ウェハーWを透過して支持ピン70に入射する。支持ピン70に入射した測定用光は光ファイバー17によって光検知器20へと導かれ、上記と同様にしてその強度が光検知器20によって測定されて処理対象基板透過光強度としてメインコントローラ3に伝達される。すなわち、支持ピン70に連結された光検知器20は、フラッシュランプFLからフラッシュ光が照射される条件下にて、投光部16から投光されて処理対象となる半導体ウェハーWを透過した測定用光の強度を処理対象基板透過光強度として測定している。
次に、ステップS53にて測定された処理対象基板透過光強度およびステップS51にて測定されたベース透過光強度に基づいて、処理対象となる半導体ウェハーWの透過率を算定する(ステップS54)。具体的には、メインコントローラ3の透過率算定部34が処理対象基板透過光強度TIsampおよびベース透過光強度TIbaseに基づいて、次の式(6)から処理対象となる半導体ウェハーWの透過率Tsampを算定する。この式(6)の算定は、式(3)にて表される第2実施形態の透過率算定手法と同様の意味を有する。
また、ステップS53にて測定された処理対象基板反射光強度およびステップS52にて測定されたベース反射光強度に基づいて、処理対象となる半導体ウェハーWの反射率を算定する(ステップS55)。具体的には、メインコントローラ3の反射率算定部32が処理対象基板反射光強度RIsamp、標準ウェハーの反射率Rstdおよびベース反射光強度RIbaseに基づいて、次の式(7)から処理対象となる半導体ウェハーWの反射率Rsampを算定する。この式(7)の算定は、第1実施形態の式(1)および式(2)を合わせた反射率算定手法と同様の意味を有する。
このようにすれば、実際と同じ処理条件にてフラッシュランプFLからフラッシュ光照射を行ったときの処理対象半導体ウェハーWの反射率および透過率を測定することができる。従って、その測定された反射率および透過率を1から減じることによってフラッシュ光照射を行ったときの処理対象半導体ウェハーWの放射率をも求めることができる。
<変形例>
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、上記各実施形態においては、導光部(石英プローブ18、支持ピン70、導光ピン170、受光部118)と光検知器20とを光ファイバー17を介して接続していたが、導光部と光検知器20とを直接接続するようにしても良い。
また、第1および第5実施形態においては、標準ウェハーとしてパターン形成のなされていない無地のベアウェハーを用いていたが、これに代えて反射率が既知である他の種類のウェハーを用いるようにしても良い。例えば、標準ウェハーとしてベアウェハーにイオン注入法によって不純物を注入したブランケットウェハーを用いるようにしても良い。また、標準ウェハーとして反射率が100%の鏡を用いるようにしても良い。
また、第5実施形態においてはチャンバー窓61をBK7にて形成していたが、これに限定されるものではなく、例えば、LASF N9、SF11、Bak1、光学クラウンガラス、LEBG(低膨張ボロシリケートガラス)などの種々の光学ガラスにて形成するようにしても良い。これらの光学ガラスは、いずれもフラッシュランプFLから照射される光のうち特定波長域の光を遮光するため、チャンバー窓61がフィルターとして機能する。投光部16が投光する測定用光の波長はチャンバー窓61に使用する材質によって変更する必要がある。すなわち、投光部16が投光する測定用光の波長はフィルターとしてのチャンバー窓61が遮光する特定波長域に含まれる必要がある。
また、上記各実施形態においては、ランプハウス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、上記各実施形態においては、ホットプレート71に載置することによって半導体ウェハーWを予備加熱するようにしていたが、予備加熱の手法はこれに限定されるものではなく、ハロゲンランプを設けて光照射によって半導体ウェハーWを予備加熱するようにしても良い。
また、本発明に係る熱処理装置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、液晶表示装置などに用いるガラス基板や太陽電池用の基板であっても良い。また、本発明に係る技術は、金属とシリコンとの接合、或いはポリシリコンの結晶化に適用するようにしても良い。