JP2015130423A - 熱処理装置および熱処理方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】フラッシュ光照射時における基板の割れをチャンバー内にて確実に検出す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】ハロゲンランプＨＬから出射されて半導体ウェハーＷの下面周縁部で反射された反射光を導光ロッド４５で受光してフォトダイオード４１に導く。導光ロッド４５が１回転しつつ、フォトダイオード４１で受光した反射光の強度を検出部２０が測定することによって半導体ウェハーＷの周縁部全周にわたって反射光強度を取得できる。このような反射光強度の測定をフラッシュ光照射の前後にそれぞれ行い、得られた反射光強度の差分からフラッシュ光照射における半導体ウェハーＷの割れを検出する。半導体ウェハーＷが割れるときには必ず周縁部に欠損が生じるため、周縁部からの反射光の強度を測定することによって確実にウェハー割れを検出することができる。
【選択図】図１３

Description

本発明は、半導体ウェハー等の薄板状精密電子基板（以下、単に「基板」と称する）にフラッシュ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（数ミリ秒以下）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。
このようなフラッシュランプを使用した熱処理装置においては、極めて高いエネルギーを有するフラッシュ光を瞬間的に半導体ウェハーの表面に照射するため、一瞬で半導体ウェハーの表面温度が急速に上昇する一方で裏面温度はそれ程には上昇しない。このため、半導体ウェハーの表面のみに急激な熱膨張が生じて半導体ウェハーが上面を凸として反るように変形する。そして、次の瞬間には反動で半導体ウェハーが下面を凸として反るように変形していた。
半導体ウェハーが上面を凸とするように変形したときには、ウェハーの端縁部がサセプターの衝突する。逆に、半導体ウェハーが下面を凸とするように変形したときには、ウェハーの中央部がサセプターの衝突することとなっていた。その結果、サセプターに衝突した衝撃によって半導体ウェハーが割れるという問題があった。
フラッシュ加熱時にウェハー割れが生じたときには、その割れを迅速に検出して後続の半導体ウェハーの投入を停止するとともに、チャンバー内の清掃を行う必要がある。また、ウェハー割れによって発生したパーティクルがチャンバー外に飛散して後続の半導体ウェハーに付着する等の弊害を防止する観点からも、フラッシュ加熱直後のチャンバーの搬出入口を開放する前にチャンバー内にて半導体ウェハーの割れを検出するのが好ましい。
このため、例えば特許文献１には、半導体ウェハーを支持する支持ピンに投光部および受光部を接続し、投光部から支持ピンに入射した光の反射光を受光部で受光し、その強度を判定することによって半導体ウェハーの割れを検出する熱処理装置が開示されている。フラッシュ加熱時に半導体ウェハーが割れた場合には、支持ピンに入射した光が半導体ウェハーの下面で反射しないため、受光部で受光する光の強度が大きく低下することを利用してウェハー割れを検出しているのである。
特開２００９−２７８０６９号公報
しかしながら、特許文献１に開示される装置においては、半導体ウェハーの一部に光を当ててその反射光を測定している。このため、半導体ウェハーが大きく割れている場合には検出可能であるが、半導体ウェハーの周縁部の一部のみが小さく割れているような場合には、その割れを検出できないこともあった。
このような半導体ウェハーの周縁部の一部のみの欠損をも検出するためには、撮像カメラを設けて半導体ウェハーの全体を撮像し、その画像データを解析することが考えられる。しかし、半導体ウェハーの全体を視野に収めることができる位置にはランプが高密度で配置されているため、撮像カメラを設置することは困難であった。また、無理に撮像カメラを設置したとしても、撮像カメラ自体がフラッシュ光に曝されることとなり、撮像カメラにダメージを与えるという問題も生じる。さらに、予備加熱にハロゲンランプを用いている場合には、ハロゲンランプからの光も撮像カメラに入射することとなり、撮像した画像が著しく劣化するおそれもあった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、フラッシュ光照射時における基板の割れをチャンバー内にて確実に検出す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、基板にフラッシュ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にフラッシュ光を照射するフラッシュランプと、前記基板に光を照射する照明手段と、前記照明手段から出射されて前記基板の周縁部にて反射された光を受光する受光手段と、前記受光手段によって受光された光に基づいて前記基板の割れを検出する検出手段と、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、前記検出手段は、前記フラッシュランプからフラッシュ光を照射する前に前記受光手段によって受光した反射光とフラッシュ光の照射後に前記受光手段によって受光した反射光との比較から前記基板の割れを検出することを特徴とする。
また、請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明に係る熱処理装置において、前記受光手段は、前記保持手段に保持された基板の中心直下に配置され、当該基板の周縁部のうちの所定位置からの反射光を受光して導く導光部と、前記導光部を前記基板の中心線を回転中心として回転させる回転部と、を含むことを特徴とする。
また、請求項４の発明は、請求項３の発明に係る熱処理装置において、前記受光手段は、前記導光部によって導かれた反射光を受光して電気信号に変換して前記検出手段に伝達するフォトダイオードをさらに含むことを特徴とする。
また、請求項５の発明は、請求項４の発明に係る熱処理装置において、前記導光部にレーザ光を入射して前記保持手段に保持された基板の周縁部に向けてレーザ光を出射させるレーザ光照射部と、前記基板の周縁部からの反射光を前記導光部から前記フォトダイオードに到達させる受光モードと前記レーザ光照射部から出射された光を前記導光部に入射させる照射モードとのいずれかに切り替える切替手段と、をさらに備えることを特徴とする。
また、請求項６の発明は、請求項４の発明に係る熱処理装置において、前記導光部にレーザ光を入射して前記保持手段に保持された基板の周縁部に向けてレーザ光を出射させるレーザ光照射部と、前記基板の周縁部からの反射光を前記導光部から前記フォトダイオードに到達させるとともに、前記レーザ光照射部から出射された光を前記導光部に入射させる分岐ファイバーと、をさらに備えることを特徴とする。
また、請求項７の発明は、請求項１から請求項６のいずれかの発明に係る熱処理装置において、前記照明手段は、フラッシュ光照射前に前記基板を予備加熱するハロゲンランプであることを特徴とする。
また、請求項８の発明は、基板にフラッシュ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、フラッシュ光照射前に照明手段から出射されて基板の周縁部にて反射された光を受光する第１受光工程と、フラッシュランプから前記基板にフラッシュ光を照射するフラッシュ加熱工程と、フラッシュ光照射後に前記照明手段から出射されて前記基板の周縁部にて反射された光を受光する第２受光工程と、前記第１受光工程にて受光された反射光と前記第２受光工程にて受光された反射光との比較から前記基板の割れを検出する検出工程と、を備えることを特徴とする。
また、請求項９の発明は、請求項８の発明に係る熱処理方法において、前記第１受光工程および前記第２受光工程では、前記基板の中心直下に配置されて当該基板の周縁部のうちの所定位置からの反射光を受光して導く導光部を回転させることを特徴とする。
また、請求項１０の発明は、請求項９の発明に係る熱処理方法において、前記導光部にレーザ光を入射して前記基板の周縁部に向けてレーザ光を出射させる工程をさらに備えることを特徴とする。
請求項１から請求項７の発明によれば、照明手段から出射されて基板の周縁部にて反射された光を受光し、その受光した光に基づいて基板の割れを検出する。基板が割れるときには必ず周縁部に欠損が生じるため、基板の周縁部の反射光に基づいて割れを検出すれば、フラッシュ光照射時における基板の割れをチャンバー内にて確実に検出することができる。
特に、請求項２の発明によれば、フラッシュランプからフラッシュ光を照射する前に受光した反射光とフラッシュ光の照射後に受光した反射光との比較から基板の割れを検出するため、反射光測定時のバックグラウンドの影響を排除して基板の割れを正確に検出することができる。
特に、請求項３の発明によれば、基板の中心直下に配置され、当該基板の周縁部のうちの所定位置からの反射光を受光して導く導光部を基板の中心線を回転中心として回転させるため、簡易な構成にて基板の周縁部の全周にわたって反射光を受光することができる。
特に、請求項５および請求項６の発明によれば、導光部にレーザ光を入射して基板の周縁部に向けてレーザ光を出射させるレーザ光照射部を備えるため、基板の面内温度分布の均一性を向上させることができる。
請求項８から請求項１０の発明によれば、フラッシュ光照射前に照明手段から出射されて基板の周縁部にて反射された光を受光するとともに、フラッシュ光照射後に照明手段から出射されて基板の周縁部にて反射された光を受光し、それらの反射光の比較から基板の割れを検出する。基板が割れるときには必ず周縁部に欠損が生じるため、基板の周縁部の反射光に基づいて割れを検出すれば、フラッシュ光照射時における基板の割れをチャンバー内にて確実に検出することができる。また、フラッシュ光照射の前後での反射光を比較しているため、反射光測定時のバックグラウンドの影響を排除して基板の割れを正確に検出することができる。
特に、請求項９の発明によれば、基板の中心直下に配置されて当該基板の周縁部のうちの所定位置からの反射光を受光して導く導光部を回転させるため、簡易な構成にて基板の周縁部の全周にわたって反射光を受光することができる。
特に、請求項１０の発明によれば、導光部にレーザ光を入射して基板の周縁部に向けてレーザ光を出射させる工程をさらに備えるため、基板の面内温度分布の均一性を向上させることができる。
本発明に係る熱処理装置の構成を示す縦断面図である。 保持部の斜視図である。 サセプターの平面図である。 サセプターに半導体ウェハーが載置されたときの支持ピン近傍を拡大した図である。 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。 受光部の構成を示す図である。 導光ロッドの縦断面図である。 検出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。 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。 受光モードが選択されて半導体ウェハーからの反射光の強度を測定する様子を示す図である。 照射モードが選択されて半導体ウェハーの周縁部にレーザ光を照射する様子を示す図である。 フラッシュ光照射前の反射光強度の一例を示す図である。 フラッシュ光照射後の反射光強度の一例を示す図である。 差分データの一例を示す図である。 分岐ファイバーを用いた場合の構成例を示す図である。
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。処理対象となる半導体ウェハーＷのサイズは特に限定されるものではないが、例えばφ３００ｍｍやφ４５０ｍｍ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。なお、図１および以降の各図においては、理解容易のため、必要に応じて各部の寸法や数を誇張または簡略化して描いている。
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、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、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、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。なお、処理ガスは窒素ガスに限定されるものではなく、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）などの不活性ガス、または、酸素（Ｏ２）、水素（Ｈ２）、塩素（Ｃｌ２）、塩化水素（ＨＣｌ）、オゾン（Ｏ３）、アンモニア（ＮＨ３）などの反応性ガスであっても良い。
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、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。
図２は、保持部７の斜視図である。保持部７は、基台リング７０およびサセプター７４を備えて構成される。基台リング７０は、石英により形成され、円環形状のリング部７１に複数の爪部７２（本実施形態では４本）を立設して構成される。図３は、サセプター７４の平面図である。サセプター７４は石英にて形成された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の上面には複数個の支持ピン７５が立設されている。本実施形態においては、サセプター７４の外周円と同心円の周上に沿って６０°毎に計６本の支持ピン７５が立設されている。６本の支持ピン７５を配置した円の径（対向する支持ピン７５間の距離）は半導体ウェハーＷの径よりも小さい。それぞれの支持ピン７５は石英にて形成されている。なお、支持ピン７５の個数は６本に限定されるものではなく、半導体ウェハーＷを安定して支持可能な３本以上であれば良い。
また、サセプター７４の上面には、６本の支持ピン７５と同心円状に複数個（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は石英にて形成されている。なお、これら複数個のガイドピン７６に代えて上側に向けて拡がるように水平面と所定の角度をなすテーパ面が形成された円環状部材を設けるようにしても良い。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。
リング部７１が凹部６２の底面に載置されることによって、基台リング７０がチャンバー６に装着される。そして、サセプター７４はチャンバー６に装着された基台リング７０の爪部７２に載置される。チャンバー６に搬入された半導体ウェハーＷは基台リング７０に保持されたサセプター７４の上に水平姿勢にて載置される。
図４は、サセプター７４に半導体ウェハーＷが載置されたときの支持ピン７５近傍を拡大した図である。基台リング７０の各爪部７２には支持棒７３が立設されている。支持棒７３の上端部がサセプター７４の下面に穿設された凹部に嵌合することによって、サセプター７４が位置ずれすることなく基台リング７０に保持される。
また、支持ピン７５およびガイドピン７６もサセプター７４の上面に穿設された凹部に嵌着されて立設されている。サセプター７４の上面に立設された支持ピン７５およびガイドピン７６の上端は当該上面から突出する。半導体ウェハーＷはサセプター７４に立設された複数の支持ピン７５によって点接触にて支持されてサセプター７４上に載置される。半導体ウェハーＷは複数の支持ピン７５によってサセプター７４の上面から所定間隔を隔てて支持されることとなる。また、ガイドピン７６の上端の高さ位置は支持ピン７５の上端よりも高く、複数のガイドピン７６によって半導体ウェハーＷの水平方向の位置ずれが防止される。なお、支持ピン７５およびガイドピン７６をサセプター７４と一体に石英にて加工するようにしても良い。
また、ガイドピン７６に代えて上記テーパ面が形成された円環状部材を設けた場合には、当該円環状部材によって半導体ウェハーＷの水平方向の位置ずれが防止される。そして、サセプター７４の上面のうち少なくとも複数の支持ピン７５に支持された半導体ウェハーＷに対向する領域は平面となる。
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が保持プレート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。
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、基台リング７０のリング部７１の直上である。リング部７１は凹部６２の底面に載置されているため、移載アーム１１の退避位置は凹部６２の内側となる。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サセプター７に支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１００ミリセカンドという極めて短い光パルスに変換されることから、ハロゲンランプＨＬの如き連続点灯の光源に比べて極めて強い光を照射し得るという特徴を有する。すなわち、フラッシュランプＦＬは、１秒未満の極めて短い時間で瞬間的に発光するパルス発光ランプである。なお、フラッシュランプＦＬの発光時間は、フラッシュランプＦＬに電力供給を行うランプ電源のコイル定数によって調整することができる。
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熱処理空間６５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いる。
チャンバー６の下方に設けられたハロゲン加熱部４の内部には複数本（本実施形態では４０本）のハロゲンランプＨＬが内蔵されている。複数のハロゲンランプＨＬはチャンバー６の下方から下側チャンバー窓６４を介して熱処理空間６５への光照射を行う。図７は、複数のハロゲンランプＨＬの配置を示す平面図である。本実施形態では、上下２段に各２０本ずつのハロゲンランプＨＬが配設されている。各ハロゲンランプＨＬは、長尺の円筒形状を有する棒状ランプである。上段、下段ともに２０本のハロゲンランプＨＬは、それぞれの長手方向が保持部７に保持される半導体ウェハーＷの主面に沿って（つまり水平方向に沿って）互いに平行となるように配列されている。よって、上段、下段ともにハロゲンランプＨＬの配列によって形成される平面は水平面である。
また、図７に示すように、上段、下段ともに保持部７に保持される半導体ウェハーＷの中央部に対向する領域よりも周縁部に対向する領域におけるハロゲンランプＨＬの配設密度が高くなっている。すなわち、上下段ともに、ランプ配列の中央部よりも端部側の方がハロゲンランプＨＬの配設ピッチが短い。このため、ハロゲン加熱部４からの光照射による加熱時に温度低下が生じやすい半導体ウェハーＷの周縁部により多い光量の照射を行うことができる。
また、上段のハロゲンランプＨＬからなるランプ群と下段のハロゲンランプＨＬからなるランプ群とが格子状に交差するように配列されている。すなわち、上段の各ハロゲンランプＨＬの長手方向と下段の各ハロゲンランプＨＬの長手方向とが直交するように計４０本のハロゲンランプＨＬが配設されている。
ハロゲンランプＨＬは、ガラス管内部に配設されたフィラメントに通電することでフィラメントを白熱化させて発光させるフィラメント方式の光源である。ガラス管の内部には、窒素やアルゴン等の不活性ガスにハロゲン元素（ヨウ素、臭素等）を微量導入した気体が封入されている。ハロゲン元素を導入することによって、フィラメントの折損を抑制しつつフィラメントの温度を高温に設定することが可能となる。したがって、ハロゲンランプＨＬは、通常の白熱電球に比べて寿命が長くかつ強い光を連続的に照射できるという特性を有する。すなわち、ハロゲンランプＨＬは少なくとも１秒以上連続して発光する連続点灯ランプである。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、本実施形態においては、保持部７よりも下方に受光部４０が設けられている。図８は、受光部４０の構成を示す図である。図８においては、図示の便宜上、ハロゲン加熱部４およびチャンバー６の構成を簡略化して描いている。受光部４０は、導光ロッド４５、回転モータ４４およびフォトダイオード４１を備える。また、受光部４０に付随してレンズ４３、切替ミラー４６およびレーザユニット４８が設けられている。受光部４０は、保持部７に保持された半導体ウェハーＷの下面周縁部からの光を導光ロッド４５の上端で受光してフォトダイオード４１へと導く。
図９は、導光ロッド４５の縦断面図である。導光ロッド４５は、石英によって形成された略棒状の光学部材である。導光ロッド４５は、上端に位置する受光ヘッド部４５ａと、その下側に鉛直方向に沿って設けられた導光部４５ｂと、を備えて構成される。導光部４５ｂは円柱形状を有しており、本実施形態ではその径がφ１５ｍｍとされている。受光ヘッド部４５ａには、反射面４５ｃおよび入射面４５ｄが形成されている。本実施形態においては、入射面４５ｄは鉛直方向に沿って形成され、反射面４５ｃと水平面とのなす角度αは５６．７°とされている。なお、導光ロッド４５は、１本の円柱状石英ロッドから反射面４５ｃおよび入射面４５ｄを切り出して作製するようにしても良いし、受光ヘッド部４５ａと導光部４５ｂとを別体の石英部材として接着するようにしても良い。
導光ロッド４５は、保持部７に保持された半導体ウェハーＷの中心直下に配置されている。具体的には、保持部７が水平姿勢にて保持する半導体ウェハーＷの中心を鉛直方向に貫く中心線ＣＸ（図８）と円柱形状の導光部４５ｂの中心軸とが一致するように導光ロッド４５が設けられている。
図８に示すように、導光ロッド４５は、ハロゲン加熱部４の下方に設けられた回転モータ４４によって導光部４５ｂの中心軸（つまり、半導体ウェハーＷの中心線ＣＸ）を回転中心として回転可能とされている。本実施形態の回転モータ４４は、モータ軸が中空となっている中空モータであり、その中空部分に導光部４５ｂの下端が挿通されている。そして、導光部４５ｂの下端面に対向する位置にレンズ４３が配置され、さらにレンズ４３の下側に切替ミラー４６が配置されている。切替ミラー４６は姿勢制御モータ４７によって姿勢変更される。フォトダイオード４１は切替ミラー４６の側方に設けられている。
導光ロッド４５の導光部４５ｂの上端側は、ハロゲン加熱部４の底壁、および、図示を省略するハロゲンランプＨＬ用のリフレクタを貫通している。導光部４５ｂがハロゲン加熱部４の底壁を貫通する部位にはベアリングを設けるようにしても良い。導光部４５ｂは、さらにハロゲンランプＨＬの配置の隙間を通り抜け（図７参照）、その上端が少なくとも上段のハロゲンランプＨＬよりも上側に位置するように設けられる。そして、導光部４５ｂの上端に受光ヘッド部４５ａが連設される。このため、導光ロッド４５が回転したときにも、導光ロッド４５とハロゲンランプＨＬとの接触が防止される。
ハロゲン加熱部４のハロゲンランプＨＬが非常に弱い出力（例えば１％程度の出力）で点灯している場合には、それらハロゲンランプＨＬが照明手段として機能し、保持部７に保持された半導体ウェハーＷの下面を照らすこととなる。なお、保持部７のサセプター７４および支持ピン７５は石英にて形成されているため、ハロゲンランプＨＬからの光を透過する。
ハロゲンランプＨＬから出射されて半導体ウェハーＷの下面周縁部にて反射された光の一部は、図９に示すように、導光ロッド４５の入射面４５ｄに入射する。半導体ウェハーＷの周縁部からの反射光は、入射面４５ｄに入射する際に若干屈折されて反射面４５ｃへと導かれる。そして、その光は反射面４５ｃで全反射されて導光部４５ｂへと向かう。本実施形態では、反射面４５ｃと水平面とのなす角度αが５６．７°とされており、この場合、半導体ウェハーＷの下面周縁部からの光のうち水平面とのなす角度βが約３５°となる光が入射面４５ｄに入射すると、その光は反射面４５ｃで全反射されて鉛直方向下方へと向かう。なお、この角度βは熱処理装置１の配置構成（導光ロッド４５と半導体ウェハーＷとの位置関係等）に応じて適宜の値とすることができ、具体的には反射面４５ｃと水平面とのなす角度αによって調整することができる。
受光ヘッド部４５ａから鉛直方向下方に向かって進む光は、鉛直方向に沿って設けられた導光部４５ｂの内部をその長手方向に沿って、すなわち導光部４５ｂの中心軸と平行に直進する。そして、導光部４５ｂ内を導かれた光は導光部４５ｂの下端面から出射される。鉛直方向下方に進む光の導光部４５ｂ下端面に対する入射角は０°であるため、当該下端面から出射されるときに屈折は生じない。従って、導光ロッド４５の下端から出射した光は、そのまま鉛直方向下方へと進行する。
導光ロッド４５の下端面から出射された光はレンズ４３を透過して切替ミラー４６に到達する。受光部４０が半導体ウェハーＷの下面周縁部からの反射光を受光するときには、切替ミラー４６の法線が水平面から４５°をなす姿勢とされている。よって、導光ロッド４５の下端面から鉛直方向下方に向けて出射された光は切替ミラー４６で反射されて水平方向に進み、フォトダイオード４１に到達する（図１３参照）。
ハロゲンランプＨＬから微弱な出力にて半導体ウェハーＷの下面に光を照射しつつ、回転モータ４４が中心線ＣＸを回転中心として導光ロッド４５を回転させることにより、受光部４０は半導体ウェハーＷの下面周縁部の全周にわたって反射光を受光することができる。
また、受光部４０に付随して設けられているレーザユニット４８は、例えば出力が８０Ｗ〜１２０Ｗの非常に高出力の半導体レーザであり、波長が８００ｎｍ〜８２０ｎｍの可視光レーザを放出する。レーザユニット４８から放出されたレーザ光は光ファイバー４９によって受光部４０へと導かれる。
切替ミラー４６は光ファイバー４９の出射端とレンズ４３との間に設けられている。姿勢制御モータ４７は、切替ミラー４６を法線が水平方向に沿う姿勢と水平面から４５°をなす姿勢とに姿勢変更することができる。上述したように、受光部４０が半導体ウェハーＷの下面周縁部からの反射光を受光するときには、切替ミラー４６の法線が水平面から４５°をなす姿勢とされてその反射光を導光ロッド４５からフォトダイオード４１に到達させる。一方、切替ミラー４６を法線が水平方向に沿う姿勢のときには、光ファイバー４９の出射端から出射されたレーザ光はレンズ４３に入射する（図１４参照）。レンズ４３を透過したレーザ光は、導光ロッド４５の下端に入射し、上述したのとは逆の光路を通って半導体ウェハーＷの下面周縁部へと導かれるのである。すなわち、切替ミラー４６は、半導体ウェハーＷの周縁部からの反射光を導光ロッド４５からフォトダイオード４１に到達させて受光部４０で受光する受光モードと、レーザユニット４８から出射されたレーザ光を導光ロッド４５に入射させる照射モードとのいずれかに切り替える。
受光モードにて半導体ウェハーＷの周縁部からの反射光を受光したフォトダイオード４１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し、当該反射光を電気信号に変換する。フォトダイオード４１は応答時間が極めて短いという特性を有する。図８に示すように、フォトダイオード４１は検出部２０と電気的に接続されており、受光に応答して生じた電気信号を検出部２０に伝達する。
図１０は、検出部２０の構成を示すブロック図である。検出部２０は、電流電圧変換回路２１、増幅回路２２、高速Ａ／Ｄコンバータ２３および判定部２４を備える。電流電圧変換回路２１は、フォトダイオード４１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２１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２２は、電流電圧変換回路２１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２３に出力する。高速Ａ／Ｄコンバータ２３は、増幅回路２２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。判定部２４は、ＣＰＵやメモリなどを備えたマイクロコンピュータにて構成されている。判定部２４は、予め設定された処理プログラムを実行することによって、高速Ａ／Ｄコンバータ２５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フォトダイオード４１が受光した反射光の強度データを集積する。そして、判定部２４は、フラッシュ光照射前後の反射光の強度を比較することによって半導体ウェハーＷの割れを検出するのであるが、この処理についてはさらに後述する。
検出部２０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を備えている。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熱処理装置１における処理が進行する。
上記の構成以外にも熱処理装置１は、半導体ウェハーＷの熱処理時にハロゲンランプＨＬおよびフラッシュランプＦＬから発生する熱エネルギーによるハロゲン加熱部４、フラッシュ加熱部５およびチャンバー６の過剰な温度上昇を防止するため、様々な冷却用の構造を備えている。例えば、チャンバー６の壁体には水冷管（図示省略）が設けられている。また、ハロゲン加熱部４およびフラッシュ加熱部５は、内部に気体流を形成して排熱する空冷構造とされている。また、上側チャンバー窓６３とランプ光放射窓５３との間隙にも空気が供給され、フラッシュ加熱部５および上側チャンバー窓６３を冷却する。
次に、熱処理装置１における半導体ウェハーＷの処理手順について説明する。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。図１１および図１２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。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、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、その供給量は処理工程に応じて適宜変更される。
続いて、ゲートバルブ１８５が開いて搬送開口部６６が開放され、装置外部の搬送ロボットにより搬送開口部６６を介してイオン注入後の半導体ウェハーＷがチャンバー６内の熱処理空間６５に搬入される（ステップＳ１）。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のサセプター７４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。このとき、リフトピン１２はサセプター７４の支持ピン７５の上端よりも上方にまで上昇する。
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からサセプター７４に載置されて水平姿勢にて下方より支持される（ステップＳ２）。
半導体ウェハーＷは、サセプター７４の上面に立設された６本の支持ピン７５によって点接触にて支持されて保持部７に載置される。半導体ウェハーＷは、その中心が円形のサセプター７４の中心軸と一致するように（つまり、サセプター７４の上面の中央に）、６本の支持ピン７５によって支持される。また、半導体ウェハーＷは、パターン形成がなされて不純物が注入された表面を上面としてサセプター７４に支持される。複数の支持ピン７５によって支持された半導体ウェハーＷの裏面（表面とは反対側の主面）とサセプター７４の上面との間には所定の間隔が形成され、半導体ウェハーＷはサセプター７４の上面と平行に支持される。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によって退避位置に退避する。
半導体ウェハーＷが保持部７によって水平姿勢にて下方より支持された後、ハロゲン加熱部４の４０本のハロゲンランプＨＬが点灯する（ステップＳ３）。このときには、制御部３の制御によってハロゲンランプＨＬは微弱な出力（例えば１％程度の出力）にて点灯する。この程度の微弱な出力であってもハロゲンランプＨＬは照明手段としては十分な照度で発光しており、ハロゲンランプＨＬからの光によってサセプター７４に支持された半導体ウェハーＷの下面が照らされる。そして、ハロゲンランプＨＬから出射されて半導体ウェハーＷの下面周縁部にて反射された光の一部は受光部４０の導光ロッド４５に入射する。その反射光は導光ロッド４５によってフォトダイオード４１に導かれ、検出部２０が当該反射光の強度を測定してフラッシュ前データとして取得する（ステップＳ４）。このときには、導光ロッド４５からフォトダイオード４１に光を到達させる受光モードが選択されている。
図１３は、受光モードが選択されて半導体ウェハーＷからの反射光の強度を測定する様子を示す図である。半導体ウェハーＷの下面周縁部からの反射光のうち所定の入射角で導光ロッド４５の入射面４５ｄに入射した光（図９の角度βが約３５°となる光）は反射面４５ｃで全反射されて鉛直方向下方へと向かう。受光モードが選択されているときには、導光ロッド４５の下端から出射された反射光はレンズ４３を透過して切替ミラー４６で反射されてフォトダイオード４１に到達する。なお、レンズ４３は、導光ロッド４５から出射された光がフォトダイオード４１に集光する位置に配置されている。
導光ロッド４５によって導かれた半導体ウェハーＷからの反射光を受光したフォトダイオード４１は光電流を発生して検出部２０に電気信号を出力する。フォトダイオード４１から伝達された電気信号は、電流電圧変換回路２１によって取り扱いの容易な電圧信号に変換され、増幅回路２２によって増幅された後、高速Ａ／Ｄコンバータ２３によってデジタル信号に変換される。そして、高速Ａ／Ｄコンバータ２３から出力されたデジタル信号が判定部２４によってサンプリングされることにより、当該デジタル信号のレベルが半導体ウェハーＷの下面周縁部の反射光の強度として取得される。
また、半導体ウェハーＷの下面周縁部の反射光強度を測定するときには、回転モータ４４が導光ロッド４５を回転させる。回転モータ４４は、半導体ウェハーＷの中心線ＣＸを回転中心として導光ロッド４５を１回転させる。導光ロッド４５が一定速度で１回転しつつ、検出部２０の判定部２４が所定間隔で高速Ａ／Ｄコンバータ２３から出力されたデジタル信号をサンプリングすることによって、半導体ウェハーＷの下面周縁部の全周にわたって反射光強度を測定することができる。すなわち、導光ロッド４５の入射面４５ｄに入射した光のうちフォトダイオード４１に到達するのは、半導体ウェハーＷの下面周縁部の特定領域からの反射光であり、導光ロッド４５が１回転することによって測定領域が半導体ウェハーＷの下面周縁部に沿って周回し、その下面周縁部の全周にわたって反射光強度を測定することができるのである（ステップＳ５）。取得された半導体ウェハーＷの下面周縁部の全周にわたる反射光強度はフラッシュ前データ２７として判定部２４のメモリ等の記憶部に格納される（図１０参照）。
図１５は、上述のようにして測定されたフラッシュ光照射前の反射光強度（つまり、フラッシュ前データ２７）の一例を示す図である。図１５の縦軸には検出部２０の判定部２４によって測定された反射光強度を示し、横軸には導光ロッド４５の回転角度を示している。導光ロッド４５の入射面４５ｄに所定角度で入射する光には半導体ウェハーＷの下面周縁部以外で反射された光（例えば、チャンバー６の壁面や石英のサセプター７４で反射された光）も含まれている。また、多くの場合、半導体ウェハーＷの下面周縁部で反射された光は保持部７のサセプター７４を透過して導光ロッド４５に入射する。このため、検出部２０によって実測される反射光強度には種々の外乱要素がバックグラウンドとして含まれているのである。図１５に示すのは、そのようなバックグラウンドを含んだデータである。反射光強度が大きくなっている箇所は、サセプター７４の切り欠き部７７を通過した反射光の測定値であり、石英のサセプター７４を透過していないために見かけの反射光強度が大きくなっているのである。
半導体ウェハーＷの下面周縁部の全周にわたって反射光強度が測定された後、４０本のハロゲンランプＨＬの出力が大きく増大して予備加熱（アシスト加熱）が開始される（ステップＳ６）。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の下面から照射される。ハロゲンランプＨＬからの光照射を受けることによって半導体ウェハーＷが予備加熱されて温度が上昇する。なお、移載機構１０の移載アーム１１は凹部６２内側の退避位置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。
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が保持部７に保持された半導体ウェハーＷの下面にサセプター７４の切り欠き部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する。予備加熱温度Ｔ１は、半導体ウェハーＷに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８００℃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６００℃）。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、温度センサー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に到達した時点にて制御部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に所定時間維持している。
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（図７参照）。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。
それでもなお半導体ウェハーＷの周縁部の温度が中央部よりも低い場合には、レーザユニット４８および導光ロッド４５によって半導体ウェハーＷの周縁部にレーザ光を照射して予備加熱を補助する。このときには、レーザユニット４８から出射されたレーザ光を導光ロッド４５に入射させる照射モードが選択される。
図１４は、照射モードが選択されて半導体ウェハーＷの周縁部にレーザ光を照射する様子を示す図である。レーザユニット４８は、波長８００ｎｍ〜８２０ｎｍの可視光レーザを出力８０Ｗ〜１２０Ｗにて放出する。照射モードが選択されているときには、レーザユニット４８から放出されて光ファイバー４９によって導かれたレーザ光は切替ミラー４６に当たることなくレンズ４３に入射される。レンズ４３を透過したレーザ光は、導光ロッド４５の下端に入射される。レンズ４３からは鉛直方向上方に向けてレーザ光が出射され、そのレーザ光がそのまま導光ロッド４５の下端面に入射される。
導光ロッド４５の導光部４５ｂの下端面に垂直に入射したレーザ光は上側の受光ヘッド部４５ａへと導かれ、反射面４５ｃにて反射された後に入射面４５ｄから保持部７に保持された半導体ウェハーＷの周縁部に向けて（斜め上方に向けて）出射される。導光ロッド４５の受光ヘッド部４５ａから出射されたレーザ光は、半導体ウェハーＷの下面周縁部に到達して吸収され、その照射領域の温度を上昇させる。
また、導光ロッド４５から半導体ウェハーＷの下面周縁部に向けてレーザ光を出射しつつ、回転モータ４４が導光ロッド４５を回転させる。回転モータ４４は、半導体ウェハーＷの中心線ＣＸを回転中心として導光ロッド４５を１回転させる。その結果、導光ロッド４５から出射されたレーザ光の照射領域が半導体ウェハーＷの下面周縁部に沿って円形軌道を描くように旋回する。これにより、相対的な温度低下が生じていた半導体ウェハーＷの周縁部にレーザ光を照射し、その周縁部を昇温して面内温度分布の均一性をより向上させることができる。
予備加熱によって半導体ウェハー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点にてフラッシュ加熱部５のフラッシュランプＦＬが半導体ウェハーＷの表面にフラッシュ光照射を行う（ステップＳ７）。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からのフラッシュ光（閃光）照射により行われるため、半導体ウェハーＷの表面温度を短時間で上昇することができる。すなわち、フラッシュランプＦＬから照射されるフラッシュ光は、予めコンデンサーに蓄えられていた静電エネルギーが極めて短い光パルスに変換された、照射時間が０．１ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下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Ｔ２まで上昇し、半導体ウェハーＷに注入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に注入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、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１００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。
フラッシュ加熱処理が終了した後、所定時間経過後にハロゲンランプＨＬが消灯する。また、レーザユニット４８から半導体ウェハーＷの周縁部にレーザ光照射を行っていた場合には、そのレーザ光照射も停止する。これにより、半導体ウェハーＷが予備加熱温度Ｔ１から急速に降温する。そして、半導体ウェハーＷの冷却中に再びハロゲンランプＨＬが微弱な出力にて点灯する（ステップＳ８）。このときのハロゲンランプＨＬの出力はフラッシュ光照射前の反射光強度測定時におけるハロゲンランプＨＬの出力（ステップＳ３での出力）と全く同じである。なお、ハロゲンランプＨＬを一旦消灯するのに代えて、ハロゲンランプＨＬの出力を予備加熱時の出力（ステップＳ６の値）からフラッシュ光照射前の反射光強度測定時におけるハロゲンランプＨＬの出力に減少させるようにしても良い。４０本のハロゲンランプＨＬは、１％程度の微弱な出力であれば、照明手段としては機能しても加熱手段としてはほとんど機能しないため、半導体ウェハーＷの温度は予備加熱温度Ｔ１から降温する。
フラッシュ光照射前と同様に、ハロゲンランプＨＬから出射されて半導体ウェハーＷの下面周縁部にて反射された光の一部は受光部４０の導光ロッド４５に入射する。そして、その反射光は導光ロッド４５によってフォトダイオード４１に導かれ、検出部２０が当該反射光の強度を測定してフラッシュ後データとして取得する（ステップＳ９）。このときには、導光ロッド４５からフォトダイオード４１に光を到達させる受光モードが選択されている。
上述と同様に、半導体ウェハーＷの下面周縁部からの反射光の一部は反射面４５ｃで全反射されて鉛直方向下方へと向かう。受光モードが選択されているときには、導光ロッド４５の下端から出射された反射光はレンズ４３を透過して切替ミラー４６で反射されてフォトダイオード４１に到達する。半導体ウェハーＷからの反射光を受光したフォトダイオード４１は光電流を発生して検出部２０に電気信号を出力する。フォトダイオード４１から伝達された電気信号は、電流電圧変換回路２１によって取り扱いの容易な電圧信号に変換され、増幅回路２２によって増幅された後、高速Ａ／Ｄコンバータ２３によってデジタル信号に変換される。そして、高速Ａ／Ｄコンバータ２３から出力されたデジタル信号が判定部２４によってサンプリングされることにより、当該デジタル信号のレベルが半導体ウェハーＷの下面周縁部の反射光の強度として取得される。
また、フラッシュ光照射後に反射光強度を測定するときにも、回転モータ４４が導光ロッド４５を回転させる。回転モータ４４は、半導体ウェハーＷの中心線ＣＸを回転中心として導光ロッド４５を１回転させる。導光ロッド４５が一定速度で１回転しつつ、検出部２０の判定部２４が所定間隔で高速Ａ／Ｄコンバータ２３から出力されたデジタル信号をサンプリングすることによって、半導体ウェハーＷの下面周縁部の全周にわたって反射光強度を測定することができる（ステップＳ１０）。取得された半導体ウェハーＷの下面周縁部の全周にわたる反射光強度はフラッシュ後データ２８として判定部２４のメモリ等の記憶部に格納される（図１０参照）。
図１６は、測定されたフラッシュ光照射後の反射光強度（つまり、フラッシュ後データ２８）の一例を示す図である。図１５と同様に、図１６の縦軸には検出部２０の判定部２４によって測定された反射光強度を示し、横軸には導光ロッド４５の回転角度を示している。フラッシュ光照射前の測定と同じく、フラッシュ光照射後に検出部２０によって実測される反射光強度にも種々の外乱要素がバックグラウンドとして含まれている。但し、チャンバー６の壁面での反射やサセプター７４の形状等の因子はフラッシュ光照射の前後で同じであるため、バックグラウンドのデータに変化は無い。
フラッシュ光照射後に半導体ウェハーＷの下面周縁部の全周にわたって反射光強度が測定された後、４０本のハロゲンランプＨＬが完全に消灯する（ステップＳ１１）。保持部７に保持されたフラッシュ加熱後の半導体ウェハーＷは継続して降温する。
次に、検出部２０の判定部２４がフラッシュ光照射前後の反射光強度データの比較を行う（ステップＳ１２）。具体的には、判定部２４は、図１６に示すようなフラッシュ後データ２８から図１５に示すようなフラッシュ前データ２７を減算して差分データ２９を取得する（図１０参照）。
図１７は、差分データ２９の一例を示す図である。上述したように、実測される反射光強度にはバックグラウンドのデータが含まれているのであるが、そのバックグラウンドのデータについてはフラッシュ光照射の前後で変化が無い。従って、フラッシュ前データ２７とフラッシュ後データ２８との差分を取得することにより、バックグラウンドの影響を排除することができる。すなわち、差分データ２９は、フラッシュ光照射の前後における純粋な半導体ウェハーＷの反射光強度の変化である。
判定部２４は、差分データ２９に含まれる反射光強度の絶対値が所定の閾値を超えているか否かを判定することによって半導体ウェハーＷの割れを検出する（ステップＳ１３）。図１７に示すように、差分データ２９に含まれる反射光強度の絶対値が大きな値を示している場合には、フラッシュ光照射の前後で半導体ウェハーＷの周縁部に大きな異常が生じたことを意味している。具体的には、フラッシュ光照射によって半導体ウェハーＷの周縁部に割れが生じたことが想定される。
このため、判定部２４は、差分データ２９に含まれる反射光強度の絶対値が所定の閾値を超えている場合には、フラッシュ光照射時に半導体ウェハーＷに割れが生じたと判定する。この場合には、ステップＳ１４に進み、異常対応処理が行われる。異常対応処理としては、例えば、検出部２０からウェハー割れ検出信号を伝達された制御部３が警告を発報したり、或いは熱処理装置１の動作を停止させたりする。
一方、判定部２４は、差分データ２９に含まれる反射光強度の絶対値が所定の閾値以下である場合には、半導体ウェハーＷに割れは生じておらず、正常にフラッシュ光照射が行われたと判定する。この場合には、ステップＳ１５に進み、半導体ウェハーＷの搬出処理が行われる。搬出処理に際しては、放射温度計１２０および／または接触式温度計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の一連の加熱処理が完了する。
本実施形態においては、半導体ウェハーＷの周縁部における反射光を受光してその強度を測定し、その測定結果に基づいてフラッシュ光照射時における半導体ウェハーＷの割れを検出している。周知のように、半導体ウェハーＷは単結晶シリコンであり、フラッシュ光照射時に割れるときには特定の結晶方位に沿って割れる。従って、単結晶シリコンの半導体ウェハーＷが割れるときには、中央部分のみが抜けるように割れるというようなことはあり得ず、必ずいずれかの周縁部領域を含むように割れる。但し、半導体ウェハーＷの周縁部の一部のみが割れることはあり得るが、この場合も周縁部領域のいずれかに欠損が生じることとなる。これらのことは、半導体ウェハーＷの全面を検査しなくても、周縁部における反射光強度の異常を検知することによって半導体ウェハーＷの割れを確実に検出できることを意味している。
そこで、本実施形態の熱処理装置１では、半導体ウェハーＷの周縁部からの反射光の強度を測定することによってフラッシュ光照射時における半導体ウェハーＷの割れを確実に検出するようにしているのである。半導体ウェハーＷが中心近傍から大きく２分するように割れた場合であっても、周縁の一部のみが小さく割れた場合であっても、周縁部のいずれかに欠損が生じて反射光強度に異常が生じるため、如何なる形態の割れであっても確実に検出することができる。
また、半導体ウェハーＷの全面を検査する必要がないため、撮像カメラ等は不要であり、簡易な構成の受光部４０によって半導体ウェハーＷの周縁部からの反射光を受光して割れを検出することができる。導光ロッド４５を主たる要素とする受光部４０は高密度でハロゲンランプＨＬが配置されたハロゲン加熱部４に付設することが可能であり、フラッシュ光照射時に半導体ウェハーＷに割れが生じたとしても、その割れをチャンバー６内にて検出することができる。フラッシュ光照射後にゲートバルブ１８５を開く前にチャンバー６内にてウェハー割れを検出することができれば、搬送開口部６６からウェハー割れにともなうパーティクルが飛散するのを防止することができる。
また、本実施形態では、フラッシュ光照射の前後それぞれにて半導体ウェハーＷの下面周縁部からの反射光強度を測定してフラッシュ前データ２７およびフラッシュ後データ２８として取得し、それらの差分を求めることによって反射光強度の異常を検知している。このように、フラッシュ光照射前後の反射光強度の差分を取ることによって、反射光強度の測定時に不可避的に含まれるバックグラウンドの影響を排除して反射光強度の異常を確実に検知することができる。
また、受光部４０の導光ロッド４５を１回転させることによって、半導体ウェハーＷの下面周縁部の全周にわたって反射光を受光してその強度を測定している。このような簡易な構成で半導体ウェハーＷの周縁部の全周にわたって反射光強度を測定することができるため、高密度でハロゲンランプＨＬが配置されたハロゲン加熱部４に受光部４０を付設することができる。
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、切替ミラー４６によって受光モードと照射モードとのいずれかに切り替えるようにしていたが、これ代えて分岐ファイバーを用いて両モードを並行して行えるようにしても良い。図１８は、分岐ファイバーを用いた場合の構成例を示す図である。上記実施形態（図８）の切替ミラー４６に代えて分岐ファイバー１４９を設けている。図１８において、上記実施形態と同一の要素については同一の符号を付している。
分岐ファイバー１４９の先端側はレンズ４３に対向するように設けられている。分岐ファイバー１４９の基端側は二叉に分岐されて一方がレーザユニット４８に接続されるとともに、他方はフォトダイオード４１に対向するように設けられている。分岐ファイバー１４９は、複数の光ファイバー素線を束ねたものであり、基端側においてはそれらのうちの一群がレーザユニット４８に接続され、残りがフォトダイオード４１に対向される。分岐ファイバー１４９の先端側では、レーザユニット４８に接続された一群の光ファイバー素線とフォトダイオード４１に対向する光ファイバー素線とが混合されて束ねられている。
このような分岐ファイバー１４９は、導光ロッド４５の下端から出射された半導体ウェハーＷの周縁部の反射光を導いて分岐された一方からフォトダイオード４１に到達させることができる。また、分岐ファイバー１４９は、レーザユニット４８から出射されたレーザ光を分岐された他方から導いて導光ロッド４５に入射されることもできる。すなわち、分岐ファイバー１４９は、半導体ウェハーＷの周縁部からの反射光を導光ロッド４５からフォトダイオード４１に到達させて受光部４０で受光させるとともに、レーザユニット４８から出射されたレーザ光を導光ロッド４５に入射させることができるのである。このような分岐ファイバー１４９を用いたとしても上記実施形態と同様の処理を行うことができる。
なお、予備加熱時にレーザ光照射による補助を行わない場合には、レーザユニット４８は必ずしも必須ではない。この場合は、切替ミラー４６または分岐ファイバー１４９を設ける必要は無い。レーザユニット４８を設けた場合には、半導体ウェハーＷからの反射光を受光する導光ロッド４５をレーザ光の出射部としても使用することができ好適である。
また、上記実施形態においては、反射光強度の測定を行う際に予備加熱のためのハロゲンランプＨＬによって半導体ウェハーＷの下面を照らすようにしていたが、これに代えて専用の照明手段を設け、それによって半導体ウェハーＷの下面周縁部を照らすようにしても良い。
また、上記実施形態においては、判定部２４が差分データ２９を取得して半導体ウェハーＷの割れを検出するようにしていたが、フラッシュ前データ２７およびフラッシュ後データ２８に基づいて制御部３がウェハー割れを検出するようにしても良い。このときに制御部３が実行する演算処理の内容は上記実施形態の判定部２４と同じである。
また、上記実施形態においては、フラッシュ加熱部５に３０本のフラッシュランプＦＬを備えるようにしていたが、これに限定されるものではなく、フラッシュランプＦＬの本数は任意の数とすることができる。また、フラッシュランプＦＬはキセノンフラッシュランプに限定されるものではなく、クリプトンフラッシュランプであっても良い。また、ハロゲン加熱部４に備えるハロゲンランプＨＬの本数も４０本に限定されるものではなく、任意の数とすることができる。
また、本発明に係る熱処理装置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
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
２０ 検出部
２４ 判定部
２７ フラッシュ前データ
２８ フラッシュ後データ
２９ 差分データ
４０ 受光部
４１ フォトダイオード
４４ 回転モータ
４５ 導光ロッド
４６ 切替ミラー
４８ レーザユニット
６５ 熱処理空間
７４ サセプター
７５ 支持ピン
１４９ 分岐ファイバー
ＨＬ ハロゲンランプ
ＦＬ フラッシュランプ
Ｗ 半導体ウェハー

Claims (10)

  1. 基板にフラッシュ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にフラッシュ光を照射するフラッシュランプと、
    前記基板に光を照射する照明手段と、
    前記照明手段から出射されて前記基板の周縁部にて反射された光を受光する受光手段と、
    前記受光手段によって受光された光に基づいて前記基板の割れを検出する検出手段と、
    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、
    前記検出手段は、前記フラッシュランプからフラッシュ光を照射する前に前記受光手段によって受光した反射光とフラッシュ光の照射後に前記受光手段によって受光した反射光との比較から前記基板の割れを検出することを特徴とする熱処理装置。
  3. 請求項１または請求項２に記載の熱処理装置において、
    前記受光手段は、
    前記保持手段に保持された基板の中心直下に配置され、当該基板の周縁部のうちの所定位置からの反射光を受光して導く導光部と、
    前記導光部を前記基板の中心線を回転中心として回転させる回転部と、
    を含むことを特徴とする熱処理装置。
  4. 請求項３記載の熱処理装置において、
    前記受光手段は、前記導光部によって導かれた反射光を受光して電気信号に変換して前記検出手段に伝達するフォトダイオードをさらに含むことを特徴とする熱処理装置。
  5. 請求項４記載の熱処理装置において、
    前記導光部にレーザ光を入射して前記保持手段に保持された基板の周縁部に向けてレーザ光を出射させるレーザ光照射部と、
    前記基板の周縁部からの反射光を前記導光部から前記フォトダイオードに到達させる受光モードと前記レーザ光照射部から出射された光を前記導光部に入射させる照射モードとのいずれかに切り替える切替手段と、
    をさらに備えることを特徴とする熱処理装置。
  6. 請求項４記載の熱処理装置において、
    前記導光部にレーザ光を入射して前記保持手段に保持された基板の周縁部に向けてレーザ光を出射させるレーザ光照射部と、
    前記基板の周縁部からの反射光を前記導光部から前記フォトダイオードに到達させるとともに、前記レーザ光照射部から出射された光を前記導光部に入射させる分岐ファイバーと、
    をさらに備えることを特徴とする熱処理装置。
  7. 請求項１から請求項６のいずれかに記載の熱処理装置において、
    前記照明手段は、フラッシュ光照射前に前記基板を予備加熱するハロゲンランプであることを特徴とする熱処理装置。
  8. 基板にフラッシュ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、
    フラッシュ光照射前に照明手段から出射されて基板の周縁部にて反射された光を受光する第１受光工程と、
    フラッシュランプから前記基板にフラッシュ光を照射するフラッシュ加熱工程と、
    フラッシュ光照射後に前記照明手段から出射されて前記基板の周縁部にて反射された光を受光する第２受光工程と、
    前記第１受光工程にて受光された反射光と前記第２受光工程にて受光された反射光との比較から前記基板の割れを検出する検出工程と、
    を備えることを特徴とする熱処理方法。
  9. 請求項８記載の熱処理方法において、
    前記第１受光工程および前記第２受光工程では、前記基板の中心直下に配置されて当該基板の周縁部のうちの所定位置からの反射光を受光して導く導光部を回転させることを特徴とする熱処理方法。
  10. 請求項９記載の熱処理方法において、
    前記導光部にレーザ光を入射して前記基板の周縁部に向けてレーザ光を出射させる工程をさらに備えることを特徴とする熱処理方法。
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