JP2012238779A - 熱処理装置および熱処理方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】表面に形成されたデバイスパターンにかかわらず、基板の表面温度を求めることができる熱処理装置および熱処理方法を提供する。
【解決手段】時刻ｔａにフラッシュ光照射を開始してから半導体ウェハーの表面温度と裏面温度とが等しくなった時刻ｔｃよりも後に、放射率が既知である半導体ウェハーの裏面温度を放射温度計によって測定する。その裏面温度と等温の黒体から放射される放射光の強度と、半導体ウェハーの表面から実際に放射される放射光の強度と、に基づいて半導体ウェハーの表面の放射率を算定する。そして、算定された放射率と、フラッシュ光照射が開始された後に測定された半導体ウェハーの表面からの放射光の強度と、に基づいてフラッシュ光照射によって加熱された半導体ウェハーの表面の温度を算定する。
【選択図】図１４

Description

本発明は、裏面の放射率が既知である半導体ウェハーや液晶表示装置用ガラス基板等の薄板状の精密電子基板（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および熱処理方法に関する。
半導体デバイスの製造プロセスにおいて、不純物導入は半導体ウェハー内にｐｎ接合を形成するための必須の工程である。現在、不純物導入は、イオン打ち込み法とその後のアニール法によってなされるのが一般的である。イオン打ち込み法は、ボロン（Ｂ）、ヒ素（Ａｓ）、リン（Ｐ）といった不純物の元素をイオン化させて高加速電圧で半導体ウェハーに衝突させて物理的に不純物注入を行う技術である。注入された不純物はアニール処理によって活性化される。この際に、アニール時間が数秒程度以上であると、打ち込まれた不純物が熱によって深く拡散し、その結果接合深さが要求よりも深くなり過ぎて良好なデバイス形成に支障が生じるおそれがある。
そこで、極めて短時間で半導体ウェハーを加熱するアニール技術として、近年フラッシュランプアニール（ＦＬＡ）が注目されている。フラッシュランプアニールは、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フラッシュ光を照射することにより、不純物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）に昇温させる熱処理技術である。
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フラッシュ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、数ミリ秒以下の極めて短時間のフラッシュ光照射であれば、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、不純物を深く拡散させることなく、不純物活性化のみを実行することができるのである。
また、特許文献１には、フラッシュランプアニール装置において、チャンバー本体の外部に配置されたカロリーメータ、チャンバー本体の内部に照射された光をカロリーメータへと導く光導出構造、および、カロリーメータからの出力に基づいて演算を行う演算部を備えた光測定部を設け、フラッシュランプからチャンバー本体内部に照射された光のエネルギーをカロリーメータを用いて測定する技術が開示されている。特許文献１には、カロリーメータにて測定したフラッシュ光のエネルギーに基づいて、基板の表面温度を演算によって求めることも開示されている。
特開２００５−９３７５０号公報
特許文献１に開示される技術は、１回のフラッシュ光照射の総エネルギー（熱量）を測定し、その総エネルギーから基板表面の最高到達温度を求めるものであった。しかしながら、フラッシュ光照射の総エネルギーが一定であったとしても、半導体ウェハーの表面の放射率が異なると吸収される光エネルギーも異なるために到達する表面温度も異なる。一般に、フラッシュランプアニールは半導体ウェハーの表面に形成されたソース・ドレインに注入された不純物の活性化のために行われるものである。すなわち、フラッシュランプアニールが行われる半導体ウェハーの表面にはソース・ドレイン領域を含む微細なデバイスパターンが形成されており、そのパターンによって放射率も異なることが多い。このため、実際の処理に供される不純物が注入された半導体ウェハーの表面温度を測定することは極めて困難であった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、表面に形成されたデバイスパターンにかかわらず、基板の表面温度を求めることができる熱処理装置および熱処理方法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、裏面の放射率が既知である基板の表面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、前記保持手段に保持された基板の表面に光を照射する光照射手段と、前記チャンバーに設けられ、前記光照射手段から出射された光から所定波長域の光を除去する石英窓と、前記基板の表面側に設けられ、当該表面から放射される放射光を受光する光検出素子と、前記基板の表面から前記光検出素子へと向かう放射光のうち前記所定波長域に含まれる選択波長域の光を選択的に透過するフィルタと、前記基板の裏面側に設けられ、当該裏面の温度を測定する裏面温度測定手段と、前記光検出素子によって受光された放射光の強度を測定する放射光強度測定手段と、前記光照射手段による光照射を開始してから前記基板の表面温度と裏面温度とが等しくなった後に、前記裏面温度測定手段によって測定された前記基板の裏面温度と、前記放射光強度測定手段によって測定された前記基板の表面からの放射光の強度と、に基づいて前記基板の表面の放射率を算定する放射率算定手段と、前記放射率算定手段によって算定された前記基板の表面の放射率と、前記光照射が開始された後に前記放射光強度測定手段によって測定された前記基板の表面からの放射光の強度とに基づいて前記光照射によって加熱された前記基板の表面の温度を算定する表面温度算定手段と、を備え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、前記放射光強度測定手段は、前記光照射が開始された後の前記基板の表面からの放射光の強度を時系列的に測定して放射光強度履歴を取得するとともに、前記表面温度算定手段は、前記放射光強度履歴に基づいて前記光照射によって加熱された前記基板の表面温度履歴を算定す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、前記表面温度算定手段は、前記表面温度履歴より前記基板の表面が到達した最高温度を算定することを特徴とする。
また、請求項４の発明は、請求項１から請求項３のいずれかの発明に係る熱処理装置において、前記光照射手段は基板に対してフラッシュ光を照射するフラッシュランプを含むことを特徴とする。
また、請求項５の発明は、請求項１から請求項４のいずれかの発明に係る熱処理装置において、前記光検出素子はＩｎＳｂ光導電素子を含むことを特徴とする。
また、請求項６の発明は、裏面の放射率が既知である基板の表面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方法において、光照射手段から出射された光から所定波長域の光を除去して基板に照射する光照射工程と、前記基板の表面から放射される放射光のうち前記所定波長域に含まれる選択波長域の光を選択的に透過して光検出素子によって受光する受光工程と、前記光照射工程での光照射を開始してから前記基板の表面温度と裏面温度とが等しくなった後に測定された前記基板の裏面温度と、前記光検出素子によって受光された前記基板の表面からの放射光の強度と、に基づいて前記基板の表面の放射率を算定する放射率算定工程と、前記放射率算定工程にて算定された前記基板の表面の放射率と、前記光照射が開始された後に前記光検出素子によって受光された前記基板の表面からの放射光の強度とに基づいて前記光照射によって加熱された前記基板の表面の温度を算定する表面温度算定工程と、を備えることを特徴とする。
また、請求項７の発明は、請求項６の発明に係る熱処理方法において、前記表面温度算定工程では、前記光照射が開始された後の前記基板の表面からの放射光の強度を時系列的に測定して放射光強度履歴を取得し、前記放射光強度履歴に基づいて前記光照射によって加熱された前記基板の表面温度履歴を算定す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方法において、前記表面温度算定工程では、前記表面温度履歴より前記基板の表面が到達した最高温度を算定することを特徴とする。
また、請求項９の発明は、請求項６から請求項８のいずれかの発明に係る熱処理方法において、前記光照射工程では、フラッシュランプから基板にフラッシュ光を照射することを特徴とする。
請求項１から請求項５の発明によれば、光照射手段による光照射を開始してから基板の表面温度と裏面温度とが等しくなった後に測定された基板の裏面温度と、放射光強度測定手段によって測定された基板の表面からの放射光の強度と、に基づいて基板の表面の放射率を算定し、その算定された基板の表面の放射率と、光照射が開始された後に放射光強度測定手段によって測定された基板の表面からの放射光の強度とに基づいて光照射によって加熱された基板の表面の温度を算定するため、表面温度と同じ裏面温度を基準にして表面からの放射光強度に基づいて表面温度を算定することとなり、表面に形成されたデバイスパターンにかかわらず、基板の表面温度を求めることができる。また、光照射手段から出射された光から所定波長域の光を除去する石英窓と、その所定波長域に含まれる選択波長域の光を選択的に透過するフィルタと、を備えるため、光照射手段から出射された光の影響を受けることなく、基板の表面から放射される放射光の強度を測定することができる。
また、請求項６から請求項９の発明によれば、光照射工程での光照射を開始してから基板の表面温度と裏面温度とが等しくなった後に測定された基板の裏面温度と、光検出素子によって受光された基板の表面からの放射光の強度と、に基づいて基板の表面の放射率を算定し、その算定された基板の表面の放射率と、光照射が開始された後に光検出素子によって受光された基板の表面からの放射光の強度とに基づいて光照射によって加熱された基板の表面の温度を算定するため、表面温度と同じ裏面温度を基準にして表面からの放射光強度に基づいて表面温度を算定することとなり、表面に形成されたデバイスパターンにかかわらず、基板の表面温度を求めることができる。また、光照射手段から出射された光から所定波長域の光を除去して基板に照射するとともに、基板の表面から放射される放射光のうち所定波長域に含まれる選択波長域の光を選択的に透過して光検出素子によって受光するため、光照射手段から出射された光の影響を受けることなく、基板の表面から放射される放射光の強度を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。 保持部の全体外観を示す斜視図である。 保持部を上面から見た平面図である。 保持部を側方から見た側面図である。 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。 フラッシュランプの駆動回路を示す図である。 光検出部の構成を示す図である。 サンプリング部および制御部の構成を示すブロック図である。 半導体ウェハーの表面温度の変化を示す図である。 黒体の温度とＩｎＳｂ光伝導素子からの出力との相関を示す図である。 フラッシュ光照射時におけるＩｎＳｂ光伝導素子からの出力信号レベルの変化を示す図である。 フラッシュ光照射における半導体ウェハーの温度の変化を示す図である。
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の構成を示す縦断面図である。本実施形態の熱処理装置１は、基板としてφ３００ｍｍの円板形状の半導体ウェハーＷに対してフラッシュ光照射を行うことによっ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に搬入される前の半導体ウェハーＷには不純物が注入されており、熱処理装置１による加熱処理によって注入された不純物の活性化処理が実行される。
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から出射されたフラッシュ光をチャンバー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。
石英（ＳｉＯ2）は、可視光から比較的波長の短い赤外線（近赤外線）にかけての波長域の光はほとんど透過させるが、４μｍ以上の波長の長い赤外線はほとんど透過させない。すなわち、石英窓としての上側チャンバー窓６３は、フラッシュ加熱部５から出射されたフラッシュ光から４μｍ以上の波長域の光を除去するフィルタとして機能する。
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。
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。
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の内壁上部には熱処理空間６５に処理ガス（本実施形態では窒素ガス（Ｎ2））を供給するガス供給孔８１が形設されている。ガス供給孔８１は、凹部６２よりも上側位置に形設されており、反射リング６８に設けられていても良い。ガス供給孔８１はチャンバー６の側壁内部に円環状に形成された緩衝空間８２を介してガス供給管８３に連通接続されている。ガス供給管８３は窒素ガス供給源８５に接続されている。また、ガス供給管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、ガス供給孔８１よりも流体抵抗の小さい緩衝空間８２内を拡がるように流れてガス供給孔８１から熱処理空間６５内へと供給される。
一方、チャンバー６の内壁下部には熱処理空間６５内の気体を排気するガス排気孔８６が形設されている。ガス排気孔８６は、凹部６２よりも下側位置に形設されており、反射リング６９に設けられていても良い。ガス排気孔８６はチャンバー６の側壁内部に円環状に形成された緩衝空間８７を介してガス排気管８８に連通接続されている。ガス排気管８８は排気部１９０に接続されている。また、ガス排気管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の気体がガス排気孔８６から緩衝空間８７を経てガス排気管８８へと排出される。なお、ガス供給孔８１およびガス排気孔８６は、チャンバー６の周方向に沿って複数設けられていても良いし、スリット状のものであっても良い。また、窒素ガス供給源８５および排気部１９０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。
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ガス排気管１９１が接続されている。ガス排気管１９１はバルブ１９２を介して排気部１９０に接続されている。バルブ１９２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。
さらに、チャンバー６の内壁上部には、半導体ウェハーＷの表面から放射される放射光を受光する光検出部１５０が設けられている。図１に示すように、光検出部１５０は、保持部７よりも上側、つまり保持部７に保持された半導体ウェハーＷの表面側に設けられている。また、光検出部１５０は、その先端が保持部７に保持された半導体ウェハーＷの表面に向かうように傾斜してチャンバー６の内壁に設けられており、反射リング６８に設けられていても良い。
図９は、光検出部１５０の構成を示す図である。光検出部１５０は、ケーシング内に集光レンズ１５１、ロングウェイブパスフィルタ１５２およびＩｎＳｂ光伝導素子１５３を備える。集光レンズ１５１は、ゲルマニウム（Ｇｅ）にて形成されたレンズであり、光検出部１５０に入射した光をＩｎＳｂ光伝導素子１５３に集光する。ゲルマニウムは波長２μｍ以下の比較的短波長の光はほとんど透過させないが、それよりも長い波長の光はある程度透過させる。ロングウェイブパスフィルタ１５２は、５μｍ未満の波長の光をカットするとともに、５μｍ以上の長波長の光を透過させる。ＩｎＳｂ光伝導素子１５３は、受光した光の強度に応じた光電流を発生する光検出素子である。
光検出部１５０において、集光レンズ１５１から入射した光は、ロングウェイブパスフィルタ１５２を透過してＩｎＳｂ光伝導素子１５３によって受光される。ＩｎＳｂ光伝導素子１５３の受光感度は６．５μｍ以下の波長域において良好である。一方、ロングウェイブパスフィルタ１５２は波長５μｍ以上の光を選択的に透過させる。結果として、ＩｎＳｂ光伝導素子１５３を用いた本実施形態の光検出部１５０の検出波長域は５μｍ〜６．５μｍとなる。
図２は、保持部７の全体外観を示す斜視図である。また、図３は保持部７を上面から見た平面図であり、図４は保持部７を側方から見た側面図である。保持部７は、基台リング７１、連結部７２およびサセプター７４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を保持する。基台リング７１、連結部７２およびサセプター７４はいずれも石英にて形成されている。すなわち、保持部７の全体が石英にて形成されている。
基台リング７１は円環形状の石英部材である。基台リング７１は凹部６２の底面に載置されることによって、チャンバー６の壁面に支持されることとなる（図１参照）。円環形状を有する基台リング７１の上面に、その周方向に沿って複数の連結部７２（本実施形態では４個）が立設される。連結部７２も石英の部材であり、溶接によって基台リング７１に固着される。なお、基台リング７１の形状は、円環形状から一部が欠落した円弧状であっても良い。
平板状のサセプター７４は基台リング７１に設けられた４個の連結部７２によって支持される。サセプター７４は石英にて形成された略円形の平板状部材である。サセプター７４の直径は半導体ウェハーＷの直径よりも大きい。すなわち、サセプター７４は、半導体ウェハーＷよりも大きな平面サイズを有する。サセプター７４の上面には複数個（本実施形態では５個）のガイドピン７６が立設されている。５個のガイドピン７６はサセプター７４の外周円と同心円の周上に沿って設けられている。５個のガイドピン７６を配置した円の径は半導体ウェハーＷの径よりも若干大きい。各ガイドピン７６も石英にて形成されている。なお、ガイドピン７６は、サセプター７４と一体に石英のインゴットから加工するようにしても良いし、別途に加工したものをサセプター７４に溶接等によって取り付けるようにしても良い。
基台リング７１に立設された４個の連結部７２とサセプター７４の周縁部の下面とが溶接によって固着される。すなわち、サセプター７４と基台リング７１とは連結部７２によって固定的に連結されており、保持部７は石英の一体成形部材となる。このような保持部７の基台リング７１がチャンバー６の壁面に支持されることによって、保持部７がチャンバー６に装着される。保持部７がチャンバー６に装着された状態においては、略円板形状のサセプター７４は水平姿勢（法線が鉛直方向と一致する姿勢）となる。チャンバー６に搬入された半導体ウェハーＷは、チャンバー６に装着された保持部７のサセプター７４の上に水平姿勢にて載置されて保持される。半導体ウェハーＷは、５個のガイドピン７６によって形成される円の内側に載置されることにより、水平方向の位置ずれが防止される。なお、ガイドピン７６の個数は５個に限定されるものではなく、半導体ウェハーＷの位置ずれを防止できる数であれば良い。
また、図２および図３に示すように、サセプター７４には、上下に貫通して開口部７８および切り欠き部７７が形成されている。切り欠き部７７は、熱電対を使用した接触式温度計１３０のプローブ先端部を通すために設けられている。一方、開口部７８は、放射温度計１２０がサセプター７４に保持された半導体ウェハーＷの裏面から放射される放射光（赤外光）を受光するために設けられている。放射温度計１２０および接触式温度計１３０はいずれも保持部７に保持された半導体ウェハーＷの裏面側に設けられている。放射温度計１２０は、例えばパイロメータを用いて構成されており、半導体ウェハーＷの裏面から放射される放射光を受光して当該裏面の温度を測定する。また、サセプター７４には、後述する移載機構１０のリフトピン１２が半導体ウェハーＷの受け渡しのために貫通する４個の貫通孔７９が穿設されている。
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がサセプター７４に穿設された貫通孔７９（図２，３参照）を通過し、リフトピン１２の上端がサセプター７４の上面から突き出る。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てリフトピン１２を貫通孔７９から抜き取り、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、保持部７の基台リング７１の直上である。基台リング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。なお、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の近傍にも図示省略の排気機構が設けられており、移載機構１０の駆動部周辺の雰囲気がチャンバー６の外部に排出されるように構成されている。
図１に戻り、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にフラッシュ光を照射する。
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。
図８は、フラッシュランプＦＬの駆動回路を示す図である。同図に示すように、コンデンサ９３と、コイル９４と、フラッシュランプＦＬと、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）９６とが直列に接続されている。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陽極および陰極が配設された棒状のガラス管（放電管）９２と、該ガラス管９２の外周面上に付設されたトリガー電極９１とを備える。コンデンサ９３には、電源ユニット９５によって所定の電圧が印加され、その印加電圧（充電電圧）に応じた電荷が充電される。また、トリガー電極９１にはトリガー回路９７から高電圧を印加することができる。トリガー回路９７がトリガー電極９１に電圧を印加するタイミングは制御部３によって制御される。
ＩＧＢＴ９６は、ゲート部にＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field effect transistor）を組み込んだバイポーラトランジスタであり、大電力を取り扱うのに適したスイッチング素子である。ＩＧＢＴ９６のゲートにはＩＧＢＴ制御部９８が接続されている。ＩＧＢＴ制御部９８は、ＩＧＢＴ９６のゲートに信号を印加してＩＧＢＴ９６を駆動する回路である。具体的には、ＩＧＢＴ制御部９８がＩＧＢＴ９６のゲートに所定値以上の電圧（Hiの電圧）を印加するとＩＧＢＴ９６がオン状態となり、所定値未満の電圧（Lowの電圧）を印加するとＩＧＢＴ９６がオフ状態となる。このようにして、フラッシュランプＦＬを含む回路はＩＧＢＴ９６によってオンオフされる。ＩＧＢＴ９６がオンオフすることによって、コンデンサ９３からフラッシュランプＦＬに流れる電流が断続される。ＩＧＢＴ制御部９８は、制御部３の制御によってＩＧＢＴ９６のオンオフを切り替える。
コンデンサ９３が充電された状態でＩＧＢＴ９６がオン状態となってガラス管９２の両端電極に高電圧が印加されたとしても、キセノンガスは電気的には絶縁体であることから、通常の状態ではガラス管９２内に電気は流れない。しかしながら、トリガー回路９７がトリガー電極９１に高電圧を印加して絶縁を破壊した場合には両端電極間の放電によってガラス管９２内に電流が瞬時に流れ、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。
また、図１のリフレクタ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周縁部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、図１に示すように、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８に示すように、本実施形態の熱処理装置１は、光検出部１５０からの出力信号をサンプリングして制御部３に伝達するサンプリング部１６０を備える。図１０は、サンプリング部１６０および制御部３の構成を示すブロック図である。光検出部１５０は、チャンバー６の内壁上部に設置されており、保持部７に保持された半導体ウェハーＷの表面から放射される放射光を受光する。半導体ウェハーＷの表面から放射されて光検出部１５０に入射した放射光のうちロングウェイブパスフィルタ１５２によって５μｍの光が選択的に透過されてＩｎＳｂ光伝導素子１５３に到達する。
ＩｎＳｂ光伝導素子１５３は、受光した光の強度に応じた抵抗変化を発生する。ＩｎＳｂ光伝導素子１５３は、応答時間が極めて短く高速測定が可能である。光検出部１５０のＩｎＳｂ光伝導素子１５３はサンプリング部１６０と電気的に接続されており、受光に応答して生じた信号をサンプリング部１６０に伝達する。
サンプリング部１６０は、ローパスフィルタ１６１、微分回路１６２、増幅アンプ１６３、Ａ／Ｄコンバータ１６４およびＣＰＵ１６５を備え、光検出部１５０のＩｎＳｂ光伝導素子１５３によって受光された放射光の強度を測定する。ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１６１は、光検出部１５０から送信されてきた信号から高周波のノイズを除去する。微分回路１６２は、ローパスフィルタ１６１を通過した信号から直流成分をカットして信号の変化量を抽出する。微分回路１６２は、例えばＡＣカップリングを用いて構成することができる。
増幅アンプ１６３は、微分回路１６２から出力された信号を増幅してＡ／Ｄコンバータ１６４に伝達する。Ａ／Ｄコンバータ１６４は、増幅アンプ１６３によって増幅された信号をデジタル信号に変換する。ＣＰＵ１６５は、所定の処理プログラムを実行することによって、Ａ／Ｄコンバータ１６４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別途設けられたメモリ（図示省略）に順次格納する。すなわち、サンプリング部１６０は、光検出部１５０のＩｎＳｂ光伝導素子１５３から伝達された信号のレベルを時系列的に測定して複数の信号レベルデータを取得する。サンプリング部１６０のＣＰＵ１６５を光検出部１５０からの信号のサンプリング処理に特化したものとすることにより、サンプリング間隔を数マイクロ秒程度とすることができる。なお、ＣＰＵ１６５、Ａ／Ｄコンバータ１６４、メモリなどを１つのワンチップマイコンに組み込んでも良い。
サンプリング部１６０のＣＰＵ１６５は制御部３と通信回線を介して接続されている。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３１を備えて構成される。また、制御部３はＩＧＢＴ制御部９８および表示部３５と接続されており、ＩＧＢＴ制御部９８の動作を制御するとともに、表示部３５に演算結果等を表示することができる。表示部３５は、例えば液晶ディスプレイ等を用いて構成すれば良い。さらに、制御部３は半導体ウェハーＷの裏面側に設けられた放射温度計１２０とも接続されており、放射温度計１２０の測定結果が制御部３に伝達される。なお、図１０では図示を省略しているが、熱電対を使用した接触式温度計１３０も制御部３に接続されている。
制御部３は、汎用処理を行うことが可能であるものの、サンプリング部１６０のＣＰＵ１６５ほど短時間間隔でサンプリングを行うことはできない。ＣＰＵ１６５によってメモリに格納された信号レベルデータは制御部３に転送されて磁気ディスク３１に記憶される。また、制御部３は、温度算定部３２および放射率算定部３３を備える。これらの温度算定部３２および放射率算定部３３は、制御部３のＣＰＵが所定の処理プログラムを実行することによって実現される機能処理部であり、その処理内容についてはさらに後述する。なお、サンプリング部１６０と制御部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、上記の構成を有する熱処理装置１における半導体ウェハーＷの処理手順について説明する。ここでは、まず熱処理装置１における半導体ウェハーＷの加熱処理の手順について簡単に説明した後、処理中の半導体ウェハーＷの表面温度算定手順について説明する。
熱処理装置１での処理対象となる半導体ウェハーＷの表面にはゲートやソース・ドレインなどのデバイスパターンが形成されている。このため、半導体ウェハーＷの表面には微細な凹凸が存在しており、そのような凹凸によって放射率が規定される。よって、デバイスパターンが異なると半導体ウェハーＷの表面の放射率も異なることとなる。一方、半導体ウェハーＷの裏面にはデバイスパターンが形成されていない。このため、半導体ウェハーＷの裏面の放射率は表面のデバイスパターンにかかわらず一定であり、その値は既知である。
半導体ウェハーＷの表面に形成されたソース・ドレイン領域にはイオン注入法により不純物（イオン）が注入されている。その注入された不純物の活性化が熱処理装置１による光照射加熱処理（アニール）により実行される。以下に説明する熱処理装置１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り進行する。
まず、加熱処理に先立って、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８９，１９２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。バルブ８４が開放されると、ガス供給孔８１から熱処理空間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、ガス排気孔８６からチャンバー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の下部から排気される。
また、バルブ１９２が開放されることによって、搬送開口部６６からもチャンバー６内の気体が排気される。さらに、図示省略の排気機構によって移載機構１０の駆動部周辺の雰囲気も排気される。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を介して不純物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。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が貫通孔７９を通ってサセプター７４の上面から突き出て半導体ウェハー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のサセプター７４に受け渡されて水平姿勢に保持される。半導体ウェハーＷは、デバイスパターンが形成されて不純物注入がなされた表面を上面としてサセプター７４に保持される。また、半導体ウェハーＷは、サセプター７４の上面にて５個のガイドピン７６の内側に保持される。サセプター７４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。
半導体ウェハーＷが保持部７のサセプター７４に載置されて保持された後、ハロゲン加熱部４の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。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およびサセプター７４を透過して半導体ウェハーＷの裏面から照射される。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の温度が上昇する。なお、移載機構１０の移載アーム１１は凹部６２の内側に退避しているため、ハロゲンランプＨＬによる加熱の障害となることは無い。
図１１は、半導体ウェハーＷの表面温度の変化を示す図である。半導体ウェハーＷが搬入されてサセプター７４に載置された後、制御部３が時刻ｔ０に４０本のハロゲンランプＨＬを点灯させてハロゲン光照射によって半導体ウェハーＷを予備加熱温度Ｔ１にまで昇温している。予備加熱温度Ｔ１は３００℃以上８００℃以下である。
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の温度が接触式温度計１３０によって測定されている。すなわち、熱電対を内蔵する接触式温度計１３０がサセプター７４に保持された半導体ウェハーＷの裏面に切り欠き部７７を介して接触してウェハー温度を測定する。測定された半導体ウェハーＷの温度は制御部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しつつ、ハロゲンランプＨＬの出力を制御する。すなわち、制御部３は、接触式温度計１３０による測定値に基づいて、半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１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している。なお、予備加熱の段階においては、半導体ウェハーＷの表裏に温度差が生じることはなく、接触式温度計１３０によって測定された半導体ウェハーＷの裏面温度は表面温度と同じである。
半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１に到達した後、制御部３は半導体ウェハーＷをその予備加熱温度Ｔ１に暫時維持する。具体的には、接触式温度計１３０によって測定される半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１に到達した時刻ｔ１にて制御部３がハロゲンランプＨＬの出力を制御して半導体ウェハーＷの温度をほぼ予備加熱温度Ｔ１に維持している。
このようなハロゲンランプＨＬによる予備加熱を行うことによって、半導体ウェハーＷの全体を予備加熱温度Ｔ１に均一に昇温している。ハロゲンランプＨＬによる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、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。このため、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の内周面は鏡面とされているため、この反射リング６９の内周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。
次に、半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１に到達して所定時間が経過した時刻ｔ２にフラッシュランプＦＬの発光を開始する。なお、半導体ウェハーＷの温度が室温から予備加熱温度Ｔ１に到達するまでの時間（時刻ｔ０から時刻ｔ１までの時間）および予備加熱温度Ｔ１に到達してからフラッシュランプＦＬが発光するまでの時間（時刻ｔ１から時刻ｔ２までの時間）はいずれも数秒程度である。フラッシュランプＦＬがフラッシュ光照射を行うに際しては、予め電源ユニット９５によってコンデンサ９３に電荷を蓄積しておく。そして、コンデンサ９３に電荷が蓄積された状態にて、制御部３の制御によってＩＧＢＴ制御部９８からＩＧＢＴ９６のゲートにパルス信号を出力してＩＧＢＴ９６をオンオフ駆動する。
ＩＧＢＴ制御部９８が出力するパルス信号の波形は、パルス幅の時間（オン時間）とパルス間隔の時間（オフ時間）とをパラメータとして順次設定したレシピを制御部３に入力することによって規定することができる。このようなレシピをオペレータが入力すると、それに従って制御部３はオンオフを繰り返すパルス波形を設定する。そして、そのパルス波形に従ってＩＧＢＴ制御部９８がパルス信号を出力する。その結果、ＩＧＢＴ９６のゲートには設定された波形のパルス信号が印加され、ＩＧＢＴ９６のオンオフ駆動が制御されることとなる。具体的には、ＩＧＢＴ９６のゲートに入力されるパルス信号がオンのときにはＩＧＢＴ９６がオン状態となり、パルス信号がオフのときにはＩＧＢＴ９６がオフ状態となる。
また、ＩＧＢＴ制御部９８から出力するパルス信号がオンになるタイミングと同期して制御部３がトリガー回路９７を制御してトリガー電極９１に高電圧（トリガー電圧）を印加する。コンデンサ９３に電荷が蓄積された状態にてＩＧＢＴ９６のゲートにパルス信号が入力され、かつ、そのパルス信号がオンになるタイミングと同期してトリガー電極９１に高電圧が印加されることにより、パルス信号がオンのときにはガラス管９２内の両端電極間で必ず電流が流れ、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、フラッシュランプＦＬが発光する。
フラッシュランプＦＬの発光時にガラス管９２内に流れる電流の波形は、ＩＧＢＴ９６のゲートに入力されるパルス信号の波形に依存する。すなわち、ＩＧＢＴ９６のゲートに入力されるパルス信号がオンのときにはフラッシュランプＦＬのガラス管９２内に流れる電流値が増加し、オフのときには電流値が減少することにより、のこぎり波形の電流波形が規定される。なお、各パルスに対応する個々の電流波形はコイル９４の定数によって規定される。
フラッシュランプＦＬの発光強度は、フラッシュランプＦＬに流れる電流にほぼ比例する。従って、フラッシュランプＦＬの発光強度の強度波形（プロファイル）は、フラッシュランプＦＬに流れる電流の波形と概ね同じになる。このようにしてフラッシュランプＦＬが発光して保持部７に保持された半導体ウェハーＷの表面にフラッシュ光照射が行われる。
ここで、ＩＧＢＴ９６を使用することなくフラッシュランプＦＬを発光させた場合には、コンデンサ９３に蓄積されていた電荷が１回の発光で消費され、フラッシュランプＦＬからの強度波形は幅が０．１ミリセカンドないし１０ミリセカンド程度のシングルパルスとなる。これに対して、本実施の形態では、回路中にスイッチング素子たるＩＧＢＴ９６を接続してそのゲートにパルス信号を出力することにより、コンデンサ９３からフラッシュランプＦＬへの電荷の供給をＩＧＢＴ９６によって断続してフラッシュランプＦＬに流れる電流を制御している。その結果、いわばフラッシュランプＦＬの発光がチョッパ制御されることとなり、コンデンサ９３に蓄積された電荷が分割して消費され、極めて短い時間の間にフラッシュランプＦＬが点滅を繰り返す。なお、フラッシュランプＦＬに流れる電流値が完全に”０”になる前に次のパルスがＩＧＢＴ９６のゲートに印加されて電流値が再度増加するため、フラッシュランプＦＬが点滅を繰り返している間も発光強度が完全に”０”になるものではない。
このようなフラッシュランプＦＬからのフラッシュ光照射を半導体ウェハーＷに対して行うことによって、半導体ウェハーＷの表面温度は予備加熱温度Ｔ１から処理温度Ｔ２にまで昇温し、注入された不純物の活性化が行われる。処理温度Ｔ２は、注入された不純物の活性化が達成される１０００℃以上１４００℃以下である。なお、フラッシュランプＦＬの発光強度の時間波形は、ＩＧＢＴ９６のゲートに印加するパルス信号の波形を調整することによって適宜に変更することができる。発光強度の時間波形は、加熱処理の目的（例えば、注入された不純物の活性化、不純物注入時に導入された結晶欠陥の回復処理など）に応じて決定すれば良い。但し、フラッシュランプＦＬの発光強度の時間波形が如何なる形態であったとしても、１回の加熱処理におけるフラッシュランプＦＬの総発光時間は１秒以下である。ＩＧＢＴ９６のゲートに印加するパルス信号の波形は、制御部３に入力するパルス幅の時間およびパルス間隔の時間によって調整することができる。
フラッシュランプＦＬによるフラッシュ光照射が終了すると、ＩＧＢＴ９６がオフ状態となってフラッシュランプＦＬの発光が停止し、半導体ウェハーＷの表面温度は処理温度Ｔ２から急速に降温する。そして、フラッシュランプＦＬの発光が停止してから所定時間が経過した時刻ｔ３にハロゲンランプＨＬが消灯する。これにより、半導体ウェハーＷが予備加熱温度Ｔ１からの降温を開始する。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。ハロゲンランプＨＬが消灯しても、すぐにフィラメントや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管壁から輻射熱が放射され続け、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に放射される輻射熱が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。
制御部３は、接触式温度計１３０によって測定される半導体ウェハーＷの温度が所定温度まで降温したか否かを監視する。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がサセプター７４の上面から突き出て熱処理後の半導体ウェハーＷをサセプター７４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、熱処理装置１における半導体ウェハーＷの加熱処理が完了する。
次に、上記のようなフラッシュ光照射によって加熱された半導体ウェハーＷの表面温度の算定手順について説明する。本実施形態における半導体ウェハーＷの表面温度算定は、光検出部１５０および放射温度計１２０を用いて行う。温度算定に先立って、予め光検出部１５０のＩｎＳｂ光伝導素子１５３が受光する放射光の強度とそれから出力される信号のレベル（電圧）との相関を求めておく。この相関は例えば黒体炉などを用いた黒体試験によって求める。
図１２は、黒体の温度とＩｎＳｂ光伝導素子１５３からの出力との相関を示す図である。黒体は完全放射体（放射率１．０）とみなされるものであり、黒体放射のプランクの法則によると、温度Ｔ（Ｋ）の黒体からの波長λ（ｍ）の放射光の強度Ｉ’(λ，Ｔ)は次の式（１）のように表される。式（１）において、定数ｃは光速３×１０8（ｍ／ｓ）、ｋはボルツマン定数１．３８０７×１０-23（Ｊ／Ｋ）、ｈはプランク定数６．６２６×１０-34（Ｊ・ｓ）である。
Figure 2012238779
本実施形態では、ＩｎＳｂ光伝導素子１５３が実際に測定する波長域を考慮して次の式（２）で表される強度ＩをＩｎＳｂ光伝導素子１５３によって測定される放射光の強度とする。式（２）は式（１）によって求められる黒体の放射光強度Ｉ’(λ，Ｔ)をＩｎＳｂ光伝導素子１５３が実際に測定する波長範囲λ1〜λ2で積分するものである。上述したように、ＩｎＳｂ光伝導素子１５３の受光可能波長域は６．５μｍ以下であるとともに、ロングウェイブパスフィルタ１５２は波長５μｍ以上の光を透過させるため、ＩｎＳｂ光伝導素子１５３が実際に測定する波長範囲は５μｍ〜６．５μｍとなる（λ1＝５μｍ、λ2＝６．５μｍ）。
Figure 2012238779
波長範囲λ1〜λ2で積分することにより、式（２）の強度Ｉは温度の関数となる。よって、式（２）より例えば、４００℃、６００℃、８００℃、１０００℃の黒体から放射される放射光の強度Ｉ1，Ｉ2，Ｉ3，Ｉ4がそれぞれ求められる。式（２）より求められる黒体の放射光強度はプランクの法則に基づいて算定された理論値である。
一方、黒体炉などを用いて４００℃、６００℃、８００℃、１０００℃の黒体から放射される放射光を光検出部１５０にて受光することにより、ＩｎＳｂ光伝導素子１５３から出力される信号レベルＶ1，Ｖ2，Ｖ3，Ｖ4を得ることができる（図１２）。これらの信号レベルは、光検出部１５０およびサンプリング部１６０による実測値である。なお、これらＩｎＳｂ光伝導素子１５３の出力信号レベルは、厳密にはサンプリング部１６０のＣＰＵ１６５が測定可能なＡ／Ｄコンバータ１６４から出力される信号のレベルである。
黒体から放射される放射光の強度の理論値と光検出部１５０によって受光した実測値とより、ＩｎＳｂ光伝導素子１５３が受光する放射光の強度Ｉとそれから出力される信号のレベルＶとの相関関係を示す近似式を求める。具体的には、最小二乗法を用い、次の式（３）で与えられる二乗和が最小となるような係数αを決定する。式（３）において、上記の例では、４点で測定を行っているためｎ＝４である。
Figure 2012238779
このようにしてαが決定されることにより、ＩｎＳｂ光伝導素子１５３の出力信号レベルＶを放射光の強度Ｉに変換する式（４）が定まる。なお、上記の例では、放射光強度Ｉと信号レベルＶとの相関関係を求めるのに４点での近似を行っていたが、４点に限定されるものではなく、複数点であれば良いが、測定点が多い方が近似の精度が高まる。
Figure 2012238779
以上のようにして求められた式（４）および係数αは制御部３の磁気ディスク３１などの記憶部に格納される。制御部３が式（４）を予め保持した状態にて、上述のようなフラッシュ光照射が行われる。フラッシュ光照射が行われるときに、半導体ウェハーＷの表面から放射される放射光の強度が光検出部１５０およびサンプリング部１６０によって測定される。
図１３は、フラッシュ光照射時におけるＩｎＳｂ光伝導素子１５３からの出力信号レベルの変化を示す図である。また、図１４は、フラッシュ光照射における半導体ウェハーＷの温度の変化を示す図である。フラッシュランプＦＬが発光したときに、チャンバー６内の熱処理空間６５に到達するフラッシュ光はガラス管９２の管壁、ランプ光放射窓５３および上側チャンバー窓６３を透過した光である。これらはいずれも波長４μｍ以上の光をほとんど透過しない石英で構成されているため、熱処理空間６５に到達するフラッシュ光からは４μｍ以上の波長域の光が除去されている。また、ハロゲンランプＨＬから石英の下側チャンバー窓６４を透過して熱処理空間６５に照射されるハロゲン光からも４μｍ以上の波長域の光は除去されている。
チャンバー６内の熱処理空間６５に到達した光の一部は光検出部１５０にも入射する。しかし、熱処理空間６５に到達して光検出部１５０に入射する光の波長は４μｍ未満である一方、光検出部１５０のロングウェイブパスフィルタ１５２は波長５μｍ未満の光をカットする。すなわち、ロングウェイブパスフィルタ１５２は、石英窓である上側チャンバー窓６３が除去する波長域（４μｍ以上）に含まれる選択波長域（５μｍ以上）の光のみを透過するのである。このため、熱処理空間６５から光検出部１５０に入射したフラッシュ光は、全てロングウェイブパスフィルタ１５２によって遮光されることとなり、ＩｎＳｂ光伝導素子１５３にまでは到達しない。同様に、熱処理空間６５から光検出部１５０に入射したハロゲン光もＩｎＳｂ光伝導素子１５３に到達しない。その結果、ＩｎＳｂ光伝導素子１５３は、非常に強いフラッシュ光およびハロゲン光の影響を受けることなく、半導体ウェハーＷの表面から放射された放射光を受光することができる。
一方、ハロゲンランプＨＬによる予備加熱によって半導体ウェハーＷは予備加熱温度Ｔ１にまで昇温されており、フラッシュランプＦＬからのフラッシュ光照射によってその表面は予備加熱温度Ｔ１からさらに昇温される。昇温された半導体ウェハーＷの表面からは、その温度に応じた強度の放射光が放射されている。半導体ウェハーＷの表面から放射される放射光も光検出部１５０に入射する。そして、光検出部１５０に入射した放射光のうちロングウェイブパスフィルタ１５２を透過した波長５μｍ以上の光がＩｎＳｂ光伝導素子１５３に到達する。ＩｎＳｂ光伝導素子１５３の受光可能波長域は６．５μｍ以下であるため、実際にＩｎＳｂ光伝導素子１５３が測定する波長範囲は５μｍ〜６．５μｍとなる。
ＩｎＳｂ光伝導素子１５３は、受光した放射光の強度に応じた抵抗変化を発生して出力する。このときに、フラッシュ光は全ての波長域について上側チャンバー窓６３およびロングウェイブパスフィルタ１５２によってカットされ、またハロゲン光も下側チャンバー窓６４およびロングウェイブパスフィルタ１５２によってカットされているため、ＩｎＳｂ光伝導素子１５３が受光する光は純粋に半導体ウェハーＷの表面から放射した放射光である。ＩｎＳｂ光伝導素子１５３から出力された信号がローパスフィルタ１６１を通過することによってノイズが除去され、続いて微分回路１６２に入力されて直流成分がカットされる。そして、微分回路１６２から出力された信号は増幅アンプ１６３によって増幅された後、Ａ／Ｄコンバータ１６４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、Ａ／Ｄコンバータ１６４から出力されるデジタル信号のレベルがＣＰＵ１６５への入力電圧となり、これがＩｎＳｂ光伝導素子１５３から出力された信号のレベルとして取得される。
サンプリング部１６０のＣＰＵ１６５が取得したＩｎＳｂ光伝導素子１５３からの出力信号のレベルデータは制御部３に伝達されて磁気ディスク３１などの記憶部に格納される。制御部３は、ＩｎＳｂ光伝導素子１５３からの出力信号のレベルＶと磁気ディスク３１などの記憶部に予め格納されている式（４）とに基づいて放射光の強度Ｉを算出し、その値も測定時刻と対応付けて磁気ディスク３１に格納する。
このようにしてサンプリング部１６０による半導体ウェハーＷ表面の放射光強度のサンプリングが１回実行される。そして、予め定められた所定時間が経過するまでの間、サンプリング部１６０による放射光強度の測定が一定間隔で複数回繰り返される。これにより、フラッシュランプＦＬによる光照射が開始された後の半導体ウェハーＷの表面からの放射光の強度がサンプリング部１６０によって時系列的に測定される。そして、時系列的に測定された放射光の強度が順次に制御部３の磁気ディスク３１に格納されることによって、半導体ウェハーＷの表面の放射光強度履歴が取得されることとなる。なお、サンプリングを行う期間としては、少なくともフラッシュランプＦＬが発光を開始する時刻ｔａから後述する放射温度計１２０による裏面温度の測定時刻ｔｄまでとする。
ところで、図１４においては、フラッシュ光照射における半導体ウェハーＷの表面の温度を実線にて示し、裏面の温度を点線にて示している。時刻ｔａにてフラッシュランプＦＬが発光を開始し、極めて短い時間に強力なフラッシュ光が照射されることによって、半導体ウェハーＷの表面温度が急速に昇温する一方、裏面の温度は予備加熱温度Ｔ１からさほどには上昇しない。その後、フラッシュランプＦＬの発光が停止して半導体ウェハーＷの表面側は急速に降温するとともに、表面から裏面への熱伝導によって裏面の温度が若干上昇し、やがて時刻ｔｃに表面温度と裏面温度とが一致する。なお、図１３，１４に示す時刻は全て図１１の時刻ｔ２近傍のものであり、図１１の時刻スケールは秒であるのに対して図１３，１４の時刻スケールはミリ秒であるため、図１３，１４の時刻ｔａ〜時刻ｔｄはいずれもいずれも図１１では時刻ｔ２に重ねて表示されるものである。
本実施形態においては、フラッシュランプＦＬによるフラッシュ光照射を開始してから半導体ウェハーＷの表面温度と裏面温度とが等しくなった後の時刻ｔｄに、放射温度計１２０によって半導体ウェハーＷの裏面温度を測定する。フラッシュランプＦＬが発光を開始する時刻ｔａから半導体ウェハーＷの表面温度と裏面温度とが等しくなる時刻ｔｃまでの時間はφ３００ｍｍのウェハーであれば約２０ミリ秒である。このため、放射温度計１２０によって裏面温度の測定を開始する時刻ｔｄを時刻ｔａから約５０ミリ秒後としている。フラッシュランプＦＬが発光を開始する時刻ｔａから５０ミリ秒が経過していれば、処理温度Ｔ２の高低に関わらず確実に表面温度と裏面温度とが一致している。
放射温度計１２０は、半導体ウェハーＷの裏面からサセプター７４の開口部７８を介して放射された赤外光の強度を測定して裏面温度を求める。パイロメータを用いた放射温度計１２０の応答速度はＩｎＳｂ光伝導素子１５３やフォトダイオードなどに比較すると低速である。しかしながら、半導体ウェハーＷの表面温度と裏面温度とが等しくなった後の時刻ｔｄ以降においては、急激な温度変化は生じないため、パイロメータを用いた放射温度計１２０であっても十分に測定可能である。
また、放射温度計１２０によって裏面の温度測定を行う際にも、半導体ウェハーＷの裏面の放射率が必要となる。既述したように、半導体ウェハーＷの裏面にはデバイスパターンが形成されていないため、裏面の放射率はウェハーによらず一定であり、その値は既知である（いわゆるベアーウェハーの放射率）。このため、放射温度計１２０によって半導体ウェハーＷの裏面温度を正確に測定することができる。
放射温度計１２０によって測定された半導体ウェハーＷの裏面温度は制御部３に伝達される。半導体ウェハーＷの表面温度と裏面温度とが等しくなった時刻ｔｃよりも後の時刻ｔｄに測定された裏面温度はそのまま半導体ウェハーＷの表面の温度でもある。すなわち、時刻ｔｃよりも後に半導体ウェハーＷの裏面温度を測定することは、表面温度を測定するのと同じである。
制御部３の放射率算定部３３は、放射温度計１２０によって測定された半導体ウェハーＷの裏面温度（＝表面温度）から半導体ウェハーＷの表面が黒体であると仮定したときの（つまり、表面の放射率を１としたときの）当該表面から放射される放射光の強度を算定する。この算定にはプランクの法則から導かれる式（２）を用いれば良い。放射率算定部３３は、時刻ｔｄに測定された裏面温度Ｔｄを式（２）に適用し、半導体ウェハーＷの表面が黒体であると仮定したときの温度Ｔｄの当該表面から放射される放射光の強度Ｉ（Ｔｄ）を算定する。
この放射光強度Ｉ（Ｔｄ）は、半導体ウェハーＷの表面を黒体と仮定し、実測された表面温度Ｔｄの黒体から放射される放射光の強度である。しかし、実際の半導体ウェハーＷの表面は黒体ではなく、デバイスパターンに依存する１よりも小さい放射率を有する。従って、表面温度Ｔｄの半導体ウェハーＷの表面から実際に放射される放射光の強度はＩ（Ｔｄ）よりも小さくなる。そして、半導体ウェハーＷの表面から実際に放射される放射光の強度は光検出部１５０およびサンプリング部１６０によって測定されている。
図１３に示すように、放射温度計１２０によって半導体ウェハーＷの裏面温度を測定する時刻ｔｄに、半導体ウェハーＷの表面から放射される放射光を受光したＩｎＳｂ光伝導素子１５３からレベルＶｄの信号が出力されている。この信号レベルＶｄは測定時刻ｔｄと対応付けられて磁気ディスク３１に格納されている。時刻ｔｄにＩｎＳｂ光伝導素子１５３から出力された信号レベルＶｄを式（４）に従ってαで除した強度Ｉ（ｔｄ）が表面温度Ｔｄの半導体ウェハーＷの表面から実際に放射される放射光の強度である。
温度Ｔｄの黒体から放射される放射光の強度Ｉ（Ｔｄ）と表面温度Ｔｄの半導体ウェハーＷの表面から実際に放射される放射光の強度Ｉ（ｔｄ）との間には次の式（５）が成立する。式（５）において、εは半導体ウェハーＷの表面の放射率である。
Figure 2012238779
放射率算定部３３は、式（５）より半導体ウェハーＷの表面の放射率εを算定する。すなわち、放射率算定部３３は、表裏の温度が等しくなった後に放射温度計１２０によって測定された裏面温度Ｔｄと等温の黒体から放射される放射光の強度Ｉ（Ｔｄ）と、光検出部１５０およびサンプリング部１６０によって測定された表面温度Ｔｄの半導体ウェハーＷの表面から実際に放射される放射光の強度Ｉ（ｔｄ）と、に基づいて半導体ウェハーＷの表面の放射率εを算定する。算定された放射率εは磁気ディスク３１に格納される。
次に、上記のようにして算定された放射率εを用いて制御部３の温度算定部３２が半導体ウェハーＷの表面温度を算定する。温度算定部３２は、半導体ウェハーＷの表面の放射率εと、光検出部１５０およびサンプリング部１６０によって測定された半導体ウェハーＷの表面から放射される放射光の強度と、に基づいてフラッシュ光照射によって加熱された半導体ウェハーＷの表面の温度を算定する。
半導体ウェハーＷの表面から放射される放射光の強度は、放射光強度履歴として時系列的に取得されて磁気ディスク３１に格納されている。従って、温度算定部３２は、フラッシュランプＦＬが発光を開始する時刻ｔａから放射温度計１２０が裏面温度を測定する時刻ｔｄまでの任意の時点での実測放射光強度に基づいて半導体ウェハーＷの表面温度を算定することができる。
例えば、図１３に示すように、ＩｎＳｂ光伝導素子１５３からの出力信号のレベルが時刻ｔｂに最高値Ｖｂに到達している。よって、時刻ｔｂには半導体ウェハーＷの表面温度が最高値（つまり、処理温度Ｔ２）に到達していたものと考えられる。この信号レベルＶｂを式（４）に従ってαで除した強度Ｉ（ｔｂ）が時刻ｔｂに半導体ウェハーＷの表面から放射されていた放射光の強度である。そして、時刻ｔｂにおける半導体ウェハーＷの表面の放射光強度Ｉ（ｔｂ）を表面放射率εで除した強度Ｉ（Ｔ２）が到達最高温度である処理温度Ｔ２の黒体から放射される放射光の強度である。黒体から放射される放射光の強度Ｉ（Ｔ２）が求まれば、プランクの法則から導かれる式（２）などを用いてその黒体の温度Ｔ２を求めることができる。温度算定部３２は、このようにして半導体ウェハーＷの表面の放射光強度履歴から当該表面が到達した最高温度（処理温度Ｔ２）を算定する。
ここでは、時刻ｔｂに半導体ウェハーＷの表面が到達する最高温度を算定する例について説明したが、他の時刻に半導体ウェハーＷの表面が到達する温度についても同様の手法によって算定することができる。また、半導体ウェハーＷの表面から放射される放射光の強度を時系列的に取得した放射光強度履歴の全体について上記と同様の手法を適用し、フラッシュ光照射によって加熱された半導体ウェハーＷの表面温度履歴を算定するようにしても良い。また、温度算定部３２は、半導体ウェハーＷの表面温度履歴を求めた後に、その表面温度履歴より半導体ウェハーＷの表面が到達する最高温度を算定するようにしても良い。制御部３は、このようにして算定した半導体ウェハーＷの表面温度または表面温度履歴を表示部３５に表示するようにしても良い。
本実施形態においては、フラッシュランプＦＬから出射されたフラッシュ光から上側チャンバー窓６３などの石英窓によって波長４μｍ以上の光を除去して半導体ウェハーＷに照射している。このため、チャンバー６内の熱処理空間６５から光検出部１５０に入射するフラッシュ光の波長は４μｍ未満となる。一方、光検出部１５０のロングウェイブパスフィルタ１５２は波長５μｍ未満の光をカットする。その結果、フラッシュランプＦＬが発光している間であっても、光検出部１５０のＩｎＳｂ光伝導素子１５３にまで到達するフラッシュ光はなく、外乱光の影響を受けることなく半導体ウェハーＷの表面から放射された放射光を受光することができる。
予備加熱およびフラッシュ加熱によって昇温した半導体ウェハーＷの表面から放射された放射光の一部は光検出部１５０に入射してＩｎＳｂ光伝導素子１５３に集光される。半導体ウェハーＷの表面からＩｎＳｂ光伝導素子１５３に向かう放射光のうち石英窓によって除去される波長域（４μｍ以上）に含まれる選択波長域（５μｍ以上）の光がロングウェイブパスフィルタ１５２によって選択的に透過される。そして、ＩｎＳｂ光伝導素子１５３によって受光された放射光の強度がサンプリング部１６０によって測定される。半導体ウェハーＷの表面からの放射光の強度は時系列的に測定されて放射光強度履歴として取得される。
放射率算定部３３は、フラッシュランプＦＬによるフラッシュ光照射を開始してから半導体ウェハーＷの表面温度と裏面温度とが等しくなった後に、放射温度計１２０によって測定された裏面温度と等温の黒体から放射される放射光の強度と、サンプリング部１６０によって測定された半導体ウェハーＷの表面から実際に放射される放射光の強度と、に基づいて半導体ウェハーＷの表面の放射率εを算定する。すなわち、半導体ウェハーＷの裏面の放射率は既知であり、その温度が放射温度計１２０によって正確に測定できることを利用して、半導体ウェハーＷの表裏面の温度が等しくなった後に裏面温度測定を行うことにより、実質的に表面の温度を取得している。そして、その表面温度の黒体から放射される放射光の強度と、半導体ウェハーＷの表面から実際に放射される放射光の強度と、に基づいて放射率εを算定している。
また、温度算定部３２は、放射率算定部３３によって算定された放射率εと、フラッシュランプＦＬによるフラッシュ光照射が開始された後にサンプリング部１６０によって測定された半導体ウェハーＷの表面からの放射光の強度と、に基づいてフラッシュ光照射によって加熱された半導体ウェハーＷの表面の温度を算定する。半導体ウェハーＷの表面の放射率εが求まれば、その放射率εと半導体ウェハーＷの表面の放射光強度とに基づいてプランクの法則から導かれる式（２）などを用いて表面温度を算定することができる。
以上の内容を集約すると、本発明に係る技術は、放射温度計１２０によって半導体ウェハーＷの裏面温度を正確に測定できることを利用し、フラッシュ光照射後に半導体ウェハーＷの表裏面の温度が等しくなった後に測定された裏面温度を用いて、半導体ウェハーＷの表面から放射される放射光の強度を黒体の放射光強度に正規化することにより表面温度を算定しているのである。これにより、表面に形成されたデバイスパターンにかかわらず、半導体ウェハーＷの表面温度を求めることが可能となる。
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、フラッシュランプＦＬから半導体ウェハーＷにフラッシュ光を照射して加熱するようにしていたが、これに限定されるものではなく、他の光照射によって半導体ウェハーＷを加熱する場合であっても本発明に係る技術を好適に適用することができる。例えば、レーザ光照射などの極短時間に強い光照射を行って半導体ウェハーＷの表面を加熱する場合に本発明に係る技術を好適に適用することが可能である。また、ハロゲンランプなどによって半導体ウェハーＷを数秒程度かけて加熱するＲＴＰ（Rapid Thermal Process）装置に本発明に係る技術を好適に適用することもできる。これら他の光照射によって半導体ウェハーＷを加熱する場合にも、光照射を開始してから半導体ウェハーＷの表裏面の温度が等しくなった後に測定された裏面温度を用いて、半導体ウェハーＷの表面から放射される放射光の強度を黒体の放射光強度に正規化することにより表面温度を算定できる。
また、パルス信号の波形の設定は、制御部３に逐一パルス幅等のパラメータを入力することに限定されるものではなく、例えば、オペレータが制御部３に波形を直接グラフィカルに入力するようにしても良いし、以前に設定されて磁気ディスク等の記憶部に記憶されていた波形を読み出すようにしても良いし、或いは熱処理装置１の外部からダウンロードするようにしても良い。
また、上記実施形態においては、パルス信号がオンになるタイミングと同期してトリガー電極９１にトリガー電圧を印加するようにしていたが、トリガー電圧を印加するタイミングはこれに限定されるものではなく、パルス信号の波形とは無関係に一定間隔で印加するようにしても良い。また、パルス信号の間隔が短く、あるパルスによってフラッシュランプＦＬを流れた電流の電流値が所定値以上残っている状態で次のパルスによって通電を開始されるような場合であれば、そのままフラッシュランプＦＬに電流が流れ続けるため、パルス毎にトリガー電圧を印加する必要はなく、例えば最初のパルスが印加されたときのみにトリガー電圧を印加するようにしても良い。つまり、パルス信号がオンになるときに、フラッシュランプＦＬに電流が流れるタイミングであれば、トリガー電圧の印加タイミングは任意である。
また、上記実施形態においては、スイッチング素子としてＩＧＢＴ９６を用いていたが、これに代えてゲートに入力された信号レベルに応じて回路をオンオフできる他のトランジスタを用いるようにしても良い。もっとも、フラッシュランプＦＬの発光には相当に大きな電力が消費されるため、大電力の取り扱いに適したＩＧＢＴやＧＴＯ(Gate Turn Off)サイリスタをスイッチング素子として採用するのが好ましい。
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、上記実施形態においては、ハロゲンランプＨＬからのハロゲン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、ホットプレート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も良い。
また、本発明に係る熱処理技術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、液晶表示装置などのフラットパネルディスプレイ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。
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
３２ 温度算定部
３３ 放射率算定部
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
７４ サセプター
９１ トリガー電極
９２ ガラス管
９３ コンデンサ
９４ コイル
９６ ＩＧＢＴ
９７ トリガー回路
９８ ＩＧＢＴ制御部
１２０ 放射温度計
１５０ 光検出部
１５２ ロングウェイブパスフィルタ
１５３ ＩｎＳｂ光伝導素子
１６０ サンプリング部
１６１ ローパスフィルタ
１６２ 微分回路
１６３ 増幅アンプ
１６４ Ａ／Ｄコンバータ
１６５ ＣＰＵ
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 (9)

  1. 裏面の放射率が既知である基板の表面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、
    前記保持手段に保持された基板の表面に光を照射する光照射手段と、
    前記チャンバーに設けられ、前記光照射手段から出射された光から所定波長域の光を除去する石英窓と、
    前記基板の表面側に設けられ、当該表面から放射される放射光を受光する光検出素子と、
    前記基板の表面から前記光検出素子へと向かう放射光のうち前記所定波長域に含まれる選択波長域の光を選択的に透過するフィルタと、
    前記基板の裏面側に設けられ、当該裏面の温度を測定する裏面温度測定手段と、
    前記光検出素子によって受光された放射光の強度を測定する放射光強度測定手段と、
    前記光照射手段による光照射を開始してから前記基板の表面温度と裏面温度とが等しくなった後に、前記裏面温度測定手段によって測定された前記基板の裏面温度と、前記放射光強度測定手段によって測定された前記基板の表面からの放射光の強度と、に基づいて前記基板の表面の放射率を算定する放射率算定手段と、
    前記放射率算定手段によって算定された前記基板の表面の放射率と、前記光照射が開始された後に前記放射光強度測定手段によって測定された前記基板の表面からの放射光の強度とに基づいて前記光照射によって加熱された前記基板の表面の温度を算定する表面温度算定手段と、
    を備えることを特徴とする熱処理装置。
  2. 請求項１記載の熱処理装置において、
    前記放射光強度測定手段は、前記光照射が開始された後の前記基板の表面からの放射光の強度を時系列的に測定して放射光強度履歴を取得するとともに、
    前記表面温度算定手段は、前記放射光強度履歴に基づいて前記光照射によって加熱された前記基板の表面温度履歴を算定することを特徴とする熱処理装置。
  3. 請求項２記載の熱処理装置において、
    前記表面温度算定手段は、前記表面温度履歴より前記基板の表面が到達した最高温度を算定することを特徴とする熱処理装置。
  4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の熱処理装置において、
    前記光照射手段は基板に対してフラッシュ光を照射するフラッシュランプを含むことを特徴とする熱処理装置。
  5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の熱処理装置において、
    前記光検出素子はＩｎＳｂ光導電素子を含むことを特徴とする熱処理装置。
  6. 裏面の放射率が既知である基板の表面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方法であって、
    光照射手段から出射された光から所定波長域の光を除去して基板に照射する光照射工程と、
    前記基板の表面から放射される放射光のうち前記所定波長域に含まれる選択波長域の光を選択的に透過して光検出素子によって受光する受光工程と、
    前記光照射工程での光照射を開始してから前記基板の表面温度と裏面温度とが等しくなった後に測定された前記基板の裏面温度と、前記光検出素子によって受光された前記基板の表面からの放射光の強度と、に基づいて前記基板の表面の放射率を算定する放射率算定工程と、
    前記放射率算定工程にて算定された前記基板の表面の放射率と、前記光照射が開始された後に前記光検出素子によって受光された前記基板の表面からの放射光の強度とに基づいて前記光照射によって加熱された前記基板の表面の温度を算定する表面温度算定工程と、
    を備えることを特徴とする熱処理方法。
  7. 請求項６記載の熱処理方法において、
    前記表面温度算定工程では、前記光照射が開始された後の前記基板の表面からの放射光の強度を時系列的に測定して放射光強度履歴を取得し、前記放射光強度履歴に基づいて前記光照射によって加熱された前記基板の表面温度履歴を算定することを特徴とする熱処理方法。
  8. 請求項７記載の熱処理方法において、
    前記表面温度算定工程では、前記表面温度履歴より前記基板の表面が到達した最高温度を算定することを特徴とする熱処理方法。
  9. 請求項６から請求項８のいずれかに記載の熱処理方法において、
    前記光照射工程では、フラッシュランプから基板にフラッシュ光を照射することを特徴とする熱処理方法。
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