JP2012238782A - 熱処理装置および熱処理方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】極短時間に強い光照射を行う場合であっても、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】半導体ウェハーの表面から放射される放射光を受光する光検出素子は、フラッシュランプの発光中（発光開始時刻ｔonから発行停止時刻ｔoffまでの間）は受光強度が検出限界を超えるために、検出機能を喪失する。この間は測定を行わず、時刻ｔoffにフラッシュランプの発光が停止して光検出素子が検出機能を回復した後に、半導体ウェハーの表面から放射される放射光の強度を測定する。そして、測定された放射光強度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。このため、フラッシュ光照射のように極短時間に強い光照射を行う場合であっても、それが外乱光となることはなく、半導体ウェハーの表面温度を求めることができる。
【選択図】図１２

Description

本発明は、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、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が異なるために到達する表面温度も異なる。一般に、半導体ウェハーＷの表面には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、フラッシュ光照射時に半導体ウェハーの表面から放射される放射光を測定することによって表面温度をより直接的に計測することも考えられる。しかしながら、フラッシュランプから照射されるフラッシュ光自体の強度が非常に強力であるため、フラッシュランプ発光中はバックグラウンドの強度が大きすぎて半導体ウェハーからの放射光の強度を測定することが不可能であった。すなわち、フラッシュランプのように極短時間に強い強度の光を発光する光源を用いて光照射加熱を行う場合、半導体ウェハーからの放射光の強度を測定して表面温度を算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、極短時間に強い光照射を行う場合であっても、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、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、前記保持手段に保持された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停止し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、前記温度算定手段は、前記光照射手段による光照射を停止した後に前記放射光強度測定手段によって時系列的に測定された複数の放射光強度に基づいて前記基板の表面の温度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、前記温度算定手段は、前記複数の放射光強度から放射光強度の時間変化を示すの近似式を求め、当該近似式より前記基板の表面の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、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方法において、基板に光を照射する光照射工程と、前記光照射工程での光照射を停止した後に前記基板の表面から放射される放射光の強度を測定する放射光強度測定工程と、前記放射光強度測定工程にて測定された前記基板の表面からの放射光の強度に基づいて前記光照射工程にて加熱された前記基板の表面の温度を算定する温度算定工程と、を備え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方法において、前記放射光強度測定工程では、前記光照射工程での光照射を停止した後に前記基板の表面から放射される放射光の強度を時系列的に測定し、前記温度算定工程では、前記放射光強度測定工程にて時系列的に測定された複数の放射光強度に基づいて前記基板の表面の温度を算定す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、前記温度算定工程では、前記複数の放射光強度から放射光強度の時間変化を示すの近似式を求め、当該近似式より前記基板の表面の温度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５から請求項７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４の発明によれば、光照射手段による光照射を停止し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、極短時間に光照射手段から強い光照射を行う場合であっても、それに影響されることなく、基板の表面温度を求めることができる。
また、請求項５から請求項８の発明によれば、光照射を停止した後に基板の表面から放射される放射光の強度を測定し、その測定された基板の表面からの放射光の強度に基づいて光照射工程にて加熱された基板の表面の温度を算定するため、極短時間に光照射手段から強い光照射を行う場合であっても、それに影響されることなく、基板の表面温度を求めることができる。
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。 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。 図１の熱処理装置における処理手順を示すフローチャートである。 半導体ウェハーの表面温度の変化を示す図である。 光検出素子からサンプリング部に出力される信号のレベル変化を示す図である。 フラッシュ光照射による半導体ウェハーの表面温度の推移を示す図である。 フラッシュ光照射による半導体ウェハーの表面温度の推移を示す図である。
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。
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。
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素子１５０が設けられている。図１に示すように、光検出素子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、光検出素子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。本実施形態においては、光検出素子１５０として高速で測定可能なＩｎＳｂ（インジウム・アンチモン）放射温度計を採用しているが、これに限定されるものではなく、例えばＣＣＤ、フォトダイオードなどの応答速度の速い素子を用いるようにしても良い。
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の下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。さらに、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、光検出素子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９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。光検出素子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。なお、光検出素子１５０に所定波長域の光のみを選択的に透過するフィルターを設けるようにしても良い。
光検出素子１５０は、受光した光の強度に応じた抵抗変化を発生する。ＩｎＳｂ放射温度計を用いた光検出素子１５０は、応答時間が極めて短く高速測定が可能である。光検出素子１５０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、光検出素子１５０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、光検出素子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、光検出素子１５０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を光検出素子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。
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を備える。温度算定部３２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、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る。その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。
図１０は、熱処理装置１における処理手順を示すフローチャートである。まず、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、その供給量は図１０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、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（ステップＳ１）。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の下面に切り欠き部７７を介して接触して昇温中の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、ハロゲンランプＨＬからの光照射によって半導体ウェハーＷを昇温するときには、放射温度計１２０による温度測定は行わない。これは、ハロゲンランプＨＬから照射されるハロゲン光が放射温度計１２０に外乱光として入射し、正確な温度測定ができないためである。
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（ステップＳ２）。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（ステップＳ３）、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。
また、シャッター板２１が遮光位置に挿入された時点で放射温度計１２０による温度測定を開始する。すなわち、保持部７に保持された半導体ウェハーＷの下面からサセプター７４の開口部７８を介して放射された赤外光の強度を放射温度計１２０が測定して降温中の半導体ウェハーＷの温度を測定する。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。
消灯直後の高温のハロゲンランプＨＬからは多少の放射光が放射され続けるのであるが、放射温度計１２０はシャッター板２１が遮光位置に挿入されているときに半導体ウェハーＷの温度測定を行うため、ハロゲンランプＨＬからチャンバー６内の熱処理空間６５へと向かう放射光は遮光される。従って、放射温度計１２０は外乱光の影響を受けることなく、サセプター７４に保持された半導体ウェハーＷの温度を正確に測定することができる。
制御部３は、放射温度計１２０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。
図１２は、光検出素子１５０からサンプリング部１６０に出力される信号のレベル変化を示す図である。図１２において、時刻ｔonはステップＳ２にフラッシュランプＦＬが発光を開始する時刻であり、時刻ｔoffはステップＳ３にフラッシュランプＦＬが発光を停止する時刻である。なお、図１２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１２の時刻スケールはミリ秒であるため、図１２のｔonおよびｔoffはいずれも図１１ではｔ２に重ねて表示されるものである。
フラッシュランプＦＬが発光を開始する時刻ｔonよりも前は、予備加熱を行うハロゲンランプＨＬからの反射光などが光検出素子１５０に入射しており、光検出素子１５０は概ね一定の低レベルの信号を出力している。時刻ｔonにてフラッシュランプＦＬが発光したときには、そのフラッシュ光が直接にまたは半導体ウェハーＷの表面やチャンバー６の壁面で反射してから光検出素子１５０に入射する。フラッシュランプＦＬから照射されるフラッシュ光の強度は非常に大きいため、光検出素子１５０の検出限界を超える。このため、フラッシュ光を受光した光検出素子１５０から出力される信号は発光が開始された時刻ｔonに瞬間的に飽和レベルＶSに到達する。そして、フラッシュランプＦＬが発光を続けている間、つまり発光開始時刻ｔonから発行停止時刻ｔoffまでの間は、光検出素子１５０がフラッシュ光を受光し続けることとなり、光検出素子１５０から出力される信号は飽和レベルＶSに達したままである。
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、時刻ｔonにて発光を開始したフラッシュランプ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素子１５０に受光されるのであるが、フラッシュランプＦＬが発光を続けている間はフラッシュ光が強すぎて検出限界を超えてしまうために、光検出素子１５０は半導体ウェハーＷから受光した放射光の強度を示す信号を出力することはできない。すなわち、バックグラウンドとなるフラッシュ光の強度が大きすぎるために、光検出素子１５０は検出機能を喪失し、半導体ウェハーＷの表面から放射される放射光を検出することができないのである。
時刻ｔoffにフラッシュランプＦＬの発光が停止すると、フラッシュ光の影響が無くなるため、光検出素子１５０から出力される信号が飽和レベルＶSよりも低くなる。つまり、光検出素子１５０が検出機能を回復する。その結果、光検出素子１５０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してその強度をサンプリング部１６０に出力することができる。なお、厳密には、時刻ｔoffにフラッシュランプＦＬの発光が停止した後に、光検出素子１５０には半導体ウェハーＷの表面から放射される放射光の他にも点灯を続けるハロゲンランプＨＬからのハロゲン光も入射する。しかし、光検出素子１５０は保持部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のに対して、ハロゲンランプＨＬは半導体ウェハーＷの裏面側に設けられているため、ハロゲン光が直接に光検出素子１５０に入射することはない。また、若干入射したハロゲン光の反射光による影響は概ね一定レベルであるため、サンプリング部１６０の微分回路１６２によって取り除かれることとなる。
時刻ｔoffにフラッシュランプＦＬの発光が停止して光検出素子１５０が検出機能を回復した後に、光検出素子１５０から出力される信号に基づ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がサンプリング部１６０によって測定される（ステップＳ４）。サンプリング部１６０による測定開始は、光検出素子１５０から出力される信号のレベルが飽和レベルＶSよりも低くなったことを検知した時点を起点としても良いし、フラッシュランプＦＬの発光が停止する時刻ｔoff（制御部３に入力するレシピから予め認識可能）を起点とするようにしても良い。
光検出素子１５０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。このときに、ハロゲンランプＨＬからのハロゲン光による影響もカットされる。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、これが光検出素子１５０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が取得した信号のレベルは、光検出素子１５０によって受光された放射光の強度を示すものであり、その信号レベルデータが制御部３に伝達される。制御部３は、伝達された光検出素子１５０の出力信号レベルを磁気ディスク３１などの記憶部に格納する。
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複数回繰り返される（ステップＳ４，Ｓ５）。これにより、フラッシュランプＦＬの発光が停止した後にサンプリング部１６０によって半導体ウェハーＷ表面からの複数の放射光強度が時系列的に取得されることとなる。なお、サンプリングを行う所定時間としては、例えばフラッシュランプＦＬの発光が停止してから半導体ウェハーＷの表面の温度が予備加熱温度Ｔ１近傍にまで低下する時間とすれば良い。
時刻ｔoffにフラッシュランプＦＬの発光が停止した後、半導体ウェハーＷの表面温度は急速に降温するために放射光強度も急速に低下するのであるが、ＩｎＳｂ放射温度計を用いた光検出素子１５０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半導体ウェハーＷからの放射光にも追随することができる。その結果、サンプリング部１６０による放射光強度のサンプリング間隔を数１０マイクロ秒とすることができ、フラッシュランプＦＬの発光が停止してから半導体ウェハーＷの表面の温度が予備加熱温度Ｔ１近傍にまで低下するまでの間に複数の放射光強度を時系列的に測定することが可能となる。
本実施形態では、図１２に示すように、時刻ｔ２１，ｔ２２，ｔ２３，・・・，ｔｎにサンプリング部１６０によって半導体ウェハーＷの表面からの放射光の強度、すなわち光検出素子１５０からの出力信号のレベルがｎ回（ｎは２以上の整数）測定される。これにより、時刻ｔ２１，ｔ２２，ｔ２３，・・・，ｔｎにおけるそれぞれの光検出素子１５０からの出力信号レベルＶ1，Ｖ2，Ｖ3，・・・，Ｖnがサンプリング部１６０によって時系列的に取得される。こうして時系列的に取得された光検出素子１５０からの出力信号レベルＶ1，Ｖ2，Ｖ3，・・・，Ｖnはサンプリング部１６０から制御部３に伝達され、磁気ディスク３１などの記憶部に測定時刻と対応付けて格納される。
次に、上記のようにして取得された半導体ウェハーＷの表面からの放射光の強度に基づいて、制御部３の温度算定部３２が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の表面温度を算定する。まず、温度算定部３２は、時系列的に測定された複数の放射光強度から放射光強度の時間変化を示す近似式を求める（ステップＳ６）。制御部３の磁気ディスク３１には測定時刻ｔ２１，ｔ２２，ｔ２３，・・・，ｔｎと光検出素子１５０の出力信号レベルＶ1，Ｖ2，Ｖ3，・・・，Ｖnとが１対１で対応付けられて格納されている。温度算定部３２は、これら実測データから放射光強度の時間変化を示す近似式を求めるのである。
近似式を求める手法としては、適当な関数を想定し、その関数が実測データに対して最も良好な近似となるように最小二乗法を用いるのが好ましい。具体的には、出力信号レベルの実測値が図１２に示すような減少曲線を描くため、この減少曲線から想定される関数として次の式（１）に示すような指数関数を想定する。
Figure 2012238782
式（１）において変数ｔは時刻である。最小二乗法では、測定時刻ｔ２１，ｔ２２，ｔ２３，・・・，ｔｎのそれぞれにおける出力信号レベルＶ1，Ｖ2，Ｖ3，・・・，Ｖnとｆ（ｔ−ａ）との差の二乗和が最小となるような係数ａ，ｂ，ｃを決定する。このようにして、温度算定部３２は、半導体ウェハーＷ表面からの放射光強度の時間変化を示す近似式を実測データから求める。
続いて、温度算定部３２は、上記のようにして求めた近似式に適当な時刻ｔを代入することによって、その時刻ｔにおける放射光強度を求め、その値から時刻ｔにおける半導体ウェハーＷの表面温度を算定する（ステップＳ７）。半導体ウェハーＷの表面の放射光強度から表面温度を求めるのには、黒体輻射についてのプランクの法則或いはそれから導かれるステファン・ボルツマンの法則を利用した公知の演算手法用いることができる。また、フラッシュ光照射後に測定される半導体ウェハーＷのシート抵抗値から求められる到達温度と放射光強度（光検出素子１５０の出力信号レベル）とを予め対応付けたテーブルを作成して磁気ディスク３１などに格納しておき、そのテーブルに基づいて放射光強度から表面温度を求め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の表面温度を表示部３５に表示するようにしても良い。
但し、表面温度算定の基礎となる上記の近似式は、フラッシュランプＦＬによる光照射が停止して半導体ウェハーＷの表面温度が急速に降温する段階での実測データから近似されたものである。このため、近似式に代入する時刻ｔは、少なくとも半導体ウェハーＷの表面温度が降温を開始した時刻以降である必要があり、望ましくはフラッシュランプＦＬの発光が停止する時刻ｔoff以降である方が算定精度が高くなる。
図１３および図１４は、フラッシュ光照射による半導体ウェハーＷの表面温度の推移を示す図である。図１３，１４において、フラッシュランプＦＬの発光が停止する時刻ｔoff以降の表面温度を実線にて示しており、この実線で示す表面温度であれば本実施形態の手法によって高精度に求めることが可能である。
半導体ウェハーＷの表面温度が降温を開始する時刻は、フラッシュ光照射時にフラッシュランプＦＬに流れる電流の波形に依存する。フラッシュランプＦＬに流れる電流が概ね一定値を所定時間維持するような波形の場合、図１３に示すように、フラッシュランプＦＬの発光が停止する時刻ｔoffに半導体ウェハーＷの表面温度が最高温度（処理温度Ｔ２）に到達し、そこから降温を開始する。このような場合であれば、温度算定部３２は、上記の近似式にフラッシュランプＦＬの発光が停止する時刻ｔoffを代入することによって、半導体ウェハーＷの表面が到達した最高温度を算定することができる。なお、フラッシュランプＦＬに流れる電流の波形は、ＩＧＢＴ９６のゲートに印加するパルス信号の波形によって調整することができる。
一方、フラッシュ光照射時にフラッシュランプＦＬに比較的弱い電流が長時間にわたって流れるような波形の場合、図１４に示すように、フラッシュランプＦＬの発光が停止する時刻ｔoffよりも前に半導体ウェハーＷの表面温度が最高温度に到達する。この場合、温度算定部３２は、上記の近似式にフラッシュランプＦＬの発光が停止する時刻ｔoffを代入することによってその時刻ｔoffにおける半導体ウェハーＷの表面温度を算定することができる。もっとも、フラッシュランプＦＬに流れる電流の波形が同じであれば、半導体ウェハーＷの表面温度の変化パターンも同じとなり、時刻ｔoffにおける半導体ウェハーＷの表面温度と最高到達温度との差分もほぼ一定となる。従って、その差分を予め求めておけば、上記の近似式から算定した時刻ｔoffにおける半導体ウェハーＷの表面温度に当該差分を加算することによって半導体ウェハーＷの表面が到達した最高温度を算定することができる。
本実施形態においては、光検出素子１５０が検出機能を喪失しているフラッシュランプＦＬの発光中（発光開始時刻ｔonから発行停止時刻ｔoffまでの間）は測定を行わず、時刻ｔoffにフラッシュランプＦＬのフラッシュ光照射が停止して光検出素子１５０が検出機能を回復した後に、サンプリング部１６０が半導体ウェハーＷの表面から放射される放射光の強度を測定している。そして、フラッシュランプＦＬによるフラッシュ光照射を停止し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に基づいて温度算定部３２が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している。
このため、フラッシュランプＦＬから照射するフラッシュ光の強度がいかに大きかったとしても、そのフラッシュ光が外乱となることはなく、フラッシュ光の影響を排除して半導体ウェハーＷの表面から放射される放射光の強度を正確に測定することができる。その結果、フラッシュランプＦＬのように極短時間に強い光照射を行う場合であっても、半導体ウェハーＷの表面温度を求めることができる。
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、近似式として想定する関数を指数関数としていたが、これに限定されるものではなく、実測データに応じて累乗、線形、多項式などを想定するようにしても良い。
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、本発明に係る技術は、フラッシュランプＦＬからのフラッシュ光照射への適用に限定されるものではなく、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を加熱する場合にも適用することが可能である。フラッシュ光照射およびレーザ光照射はいずれも極短時間に強い光照射を行うために照射中は光検出素子１５０が検出機能を喪失するのであるが、照射停止後に光検出素子１５０が検出機能を回復してから半導体ウェハーＷの表面から放射される放射光の強度を測定することにより、上記実施形態と同様にして表面温度を算定することができる。さらに、加熱処理中にセンサが検出機能を喪失するような場合であれば、本発明に係る技術を適用することができ、例えば高周波加熱では高周波のノイズによって温度センサが検出機能を喪失することもあり、このような場合に本発明に係る技術を用いて処理対象基板の温度を算定することができる。
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
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
１５０ 光検出素子
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 (8)

  1. 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、
    前記保持手段に保持された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停止し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、
    前記温度算定手段は、前記光照射手段による光照射を停止した後に前記放射光強度測定手段によって時系列的に測定された複数の放射光強度に基づいて前記基板の表面の温度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、
    前記温度算定手段は、前記複数の放射光強度から放射光強度の時間変化を示すの近似式を求め、当該近似式より前記基板の表面の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. 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方法であって、
    基板に光を照射する光照射工程と、
    前記光照射工程での光照射を停止した後に前記基板の表面から放射される放射光の強度を測定する放射光強度測定工程と、
    前記放射光強度測定工程にて測定された前記基板の表面からの放射光の強度に基づいて前記光照射工程にて加熱された前記基板の表面の温度を算定する温度算定工程と、
    を備えることを特徴とする熱処理方法。
  6. 請求項５記載の熱処理方法において、
    前記放射光強度測定工程では、前記光照射工程での光照射を停止した後に前記基板の表面から放射される放射光の強度を時系列的に測定し、
    前記温度算定工程では、前記放射光強度測定工程にて時系列的に測定された複数の放射光強度に基づいて前記基板の表面の温度を算定す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、
    前記温度算定工程では、前記複数の放射光強度から放射光強度の時間変化を示すの近似式を求め、当該近似式より前記基板の表面の温度を算定することを特徴とする熱処理方法。
  8. 請求項５から請求項７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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