JP2017092102A - 熱処理方法および熱処理装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ダミーランニングを省略することができる熱処理方法および熱処理装置を提供する。
【解決手段】処理対象となるロットの最初の半導体ウェハーＷがチャンバー６に搬入される前に、ハロゲンランプＨＬからの光照射によってサセプター７４を予熱する。サセプター７４の温度は放射温度計２７によって測定される。制御部３は、放射温度計２７がサセプター７４の温度を測定した測定結果に基づいて、サセプター７４の温度が安定温度に到達するようにハロゲンランプＨＬの出力を制御する。サセプター７４の安定温度とは、サセプター７４を加熱することなく、チャンバー６内にて複数の半導体ウェハーＷに連続して光照射加熱を行うことによりサセプター７４の温度が上昇して一定となったときの当該サセプター７４の温度である。
【選択図】図１

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および熱処理装置に関する。
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。
このようなキセノンフラッシュランプを使用した熱処理装置として、特許文献１，２には、半導体ウェハーの表面側にフラッシュランプ等のパルス発光ランプを配置し、裏面側にハロゲンランプ等の連続点灯ランプを配置し、それらの組み合わせによって所望の熱処理を行うものが開示されている。特許文献１，２に開示の熱処理装置においては、ハロゲンランプ等によって半導体ウェハーをある程度の温度まで予備加熱し、その後フラッシュランプからのパルス加熱によって所望の処理温度にまで昇温している。
特開昭６０−２５８９２８号公報 特表２００５−５２７９７２号公報
一般に、熱処理に限らず半導体ウェハーの処理はロット（同一条件にて同一内容の処理を行う対象となる１組の半導体ウェハー）単位で行われる。枚葉式の基板処理装置では、ロットを構成する複数枚の半導体ウェハーに対して連続して順次に処理が行われる。フラッシュランプアニール装置においても、ロットを構成する複数の半導体ウェハーが１枚ずつチャンバーに搬入されて順次に熱処理が行われる。
稼働停止状態のフラッシュランプアニール装置がロットの処理を開始する場合、概ね室温のチャンバーにロットの最初の半導体ウェハーが搬入されて加熱処理が行われることとなる。加熱処理時には、チャンバー内にてサセプターに支持された半導体ウェハーが所定温度に予備加熱され、さらにフラッシュ加熱によってウェハー表面が処理温度にまで昇温される。その結果、昇温した半導体ウェハーからサセプター等のチャンバー内構造物に熱伝導が生じ、そのサセプター等の温度も上昇することとなる。このような、半導体ウェハーの加熱処理に伴うサセプタ等ーの温度上昇は、ロットの最初から数枚程度継続し、やがて約１０枚の半導体ウェハーの加熱処理が行われたときにサセプターの温度は一定の安定温度に到達する。すなわち、ロットの最初の半導体ウェハーは室温のサセプターに支持されて処理されるのに対して、１０枚目以降の半導体ウェハーは安定温度に昇温しているサセプターに支持されて処理されるのである。
従って、ロットを構成する複数の半導体ウェハーの温度履歴が不均一になるという問題が生じる。特に、ロットの最初から数枚程度の半導体ウェハーについては、比較的低温のサセプターに支持されて処理されるため、フラッシュ光照射時の表面到達温度が処理温度に届かないおそれもある。また、低温のサセプターに支持された半導体ウェハーにフラッシュ光を照射したときに、サセプターと半導体ウェハーとの温度差によってウェハー反りが生じることもあり、その結果として半導体ウェハーが破損するおそれもある。
このため、従来より、ロットの処理を開始する前に、処理対象ではないダミーウェハーをチャンバー内に搬入してサセプターに支持し、処理対象のロットと同一条件にてフラッシュ加熱処理を行うことにより、事前にサセプター等のチャンバー内構造物を昇温しておくことが行われていた（ダミーランニング）。約１０枚程度のダミーウェハーについてフラッシュ加熱処理を行うことにより、サセプター等が安定温度に到達するので、その後処理対象となるロットの最初の半導体ウェハーの処理を開始する。このようにすれば、ロットを構成する複数の半導体ウェハーの温度履歴が均一になるとともに、サセプターと半導体ウェハーとの温度差に起因したウェハー反りを防止することもできる。
しかしながら、このようなダミーランニングは、処理とは無関係なダミーウェハーを消費するだけでなく、１０枚程度のダミーウェハーにフラッシュ加熱処理を行うのに相当の時間を要するため、フラッシュランプアニール装置の効率的な運用が妨げられるという問題がある。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、ダミーランニングを省略することができる熱処理方法および熱処理装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、基板に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、チャンバー内に基板を搬入してサセプターに載置する搬入工程と、前記サセプターに載置された基板に光を照射する光照射工程と、ロットの最初の基板がチャンバー内に搬入される前に、前記サセプターの温度を測定する温度測定工程と、前記温度測定工程での測定結果に基づいて、前記サセプターを加熱する加熱工程と、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方法において、前記サセプターを加熱することなく、ロットの複数の基板に連続して光を照射して加熱することにより前記サセプターの温度が上昇して一定となったときの前記サセプターの温度を安定温度とし、前記加熱工程では、前記サセプターの温度が前記安定温度に到達するように前記サセプターを加熱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方法において、前記温度測定工程では、前記サセプターの複数箇所の温度を測定し、前記加熱工程では、前記複数箇所のそれぞれを含む領域毎に加熱制御を行うことを特徴とする。
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方法において、前記光照射工程では、前記チャンバーの一方側からフラッシュランプによって基板にフラッシュ光を照射することを特徴とする。
また、請求項５の発明は、請求項４の発明に係る熱処理方法において、前記光照射工程では、さらに前記チャンバーの他方側からハロゲンランプによって基板に光を照射し、前記加熱工程では、前記ハロゲンランプからの光照射によって前記サセプターを加熱することを特徴とする。
また、請求項６の発明は、基板に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設けられ、基板を載置して支持するサセプターと、前記サセプターに載置された基板に光を照射する光照射部と、前記サセプターの温度を測定する温度測定部と、ロットの最初の基板が前記チャンバーに搬入される前に、前記温度測定部が前記サセプターの温度を測定した測定結果に基づいて、前記光照射部からの光照射によって前記サセプターを加熱するように前記光照射部を制御する制御部と、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装置において、前記サセプターを加熱することなく、ロットの複数の基板に前記光照射部から連続して光を照射して加熱することにより前記サセプターの温度が上昇して一定となったときの前記サセプターの温度を安定温度とし、前記制御部は、前記サセプターの温度が前記安定温度に到達するように前記光照射部を制御することを特徴とする。
また、請求項８の発明は、請求項６または請求項７の発明に係る熱処理装置において、前記温度測定部は、前記サセプターの複数箇所の温度を測定する複数の温度センサーを含み、前記制御部は、前記複数箇所のそれぞれを含む領域毎に前記光照射部からの光照射を制御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装置において、前記光照射部は、前記チャンバーの一方側から基板に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１０の発明は、請求項９の発明に係る熱処理装置において、前記光照射部は、前記チャンバーの他方側から基板に光を照射するハロゲンランプをさらに含み、前記ハロゲンランプからの光照射によって前記サセプターを加熱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、ロットの最初の基板がチャンバー内に搬入される前に、サセプターの温度を測定し、その測定結果に基づいてサセプターを加熱するため、ダミーランニングを省略してもロットを構成する全ての基板について温度履歴を均一にすることができる。
特に、請求項３の発明によれば、サセプターの複数箇所の温度を測定し、それら複数箇所のそれぞれを含む領域毎に加熱制御を行うため、サセプターの加熱精度を向上させることができる。
請求項６から請求項１０の発明によれば、ロットの最初の基板がチャンバーに搬入される前に、温度測定部がサセプターの温度を測定した測定結果に基づいて、光照射部からの光照射によってサセプターを加熱するため、ダミーランニングを省略してもロットを構成する全ての基板について温度履歴を均一にすることができる。
特に、請求項８の発明によれば、サセプターの複数箇所の温度を測定してそれら複数箇所のそれぞれを含む領域毎に光照射部からの光照射を制御するため、サセプターの加熱精度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。 半導体ウェハーの処理枚数とサセプターの温度との相関を示す図である。 サセプター温度のゾーン制御の一例を示す図である。
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。
＜第１実施形態＞
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。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、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。
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。なお、放射温度計１２０および接触式温度計１３０は、いずれも半導体ウェハーＷの温度を測定する温度計であって、サセプター７４を含む保持部７の温度を測定するものではない。
図５は、移載機構１０の平面図である。また、図６は、移載機構１０の側面図である。移載機構１０は、２本の移載アーム１１を備える。移載アーム１１は、概ね円環状の凹部６２に沿うような円弧形状とされている。それぞれの移載アーム１１には２本のリフトピン１２が立設されている。各移載アーム１１は水平移動機構１３によって回動可能とされている。水平移動機構１３は、一対の移載アーム１１を保持部７に対して半導体ウェハーＷの移載を行う移載動作位置（図５の実線位置）と保持部７に保持された半導体ウェハーＷと平面視で重ならない退避位置（図５の二点鎖線位置）との間で水平移動させる。水平移動機構１３としては、個別のモータによって各移載アーム１１をそれぞれ回動させるものであっても良いし、リンク機構を用いて１個のモータによって一対の移載アーム１１を連動させて回動させるものであっても良い。
また、一対の移載アーム１１は、昇降機構１４によって水平移動機構１３とともに昇降移動される。昇降機構１４が一対の移載アーム１１を移載動作位置にて上昇させると、計４本のリフトピン１２がサセプター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および図２に戻り、チャンバー６の内部には放射温度計２７が設けられている。放射温度計２７は、保持部７のサセプター７４から放射された赤外光を検知してサセプター７４の温度を測定する温度センサーである。第１実施形態においては、放射温度計２７は、サセプター７４の中心部の温度を測定することができる位置に設置されている。
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して半導体ウェハーＷをフラッシュ加熱する。
複数のフラッシュランプＦＬは、それぞれが長尺の円筒形状を有する棒状ランプであり、それぞれの長手方向が保持部７に保持される半導体ウェハーＷの主面に沿って（つまり水平方向に沿って）互いに平行となるように平面状に配列されている。よって、フラッシュランプＦＬの配列によって形成される平面も水平面である。
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。また、図８に示すように、制御部３は、パルス発生器３１および波形設定部３２を備えるとともに、入力部３３に接続されている。入力部３３としては、キーボード、マウス、タッチパネル等の種々の公知の入力機器を採用することができる。入力部３３からの入力内容に基づいて波形設定部３２がパルス信号の波形を設定し、その波形に従ってパルス発生器３１がパルス信号を発生する。
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のゲートには制御部３のパルス発生器３１からパルス信号が印加される。ＩＧＢＴ９６のゲートに所定値以上の電圧（Highの電圧）が印加されるとＩＧＢＴ９６がオン状態となり、所定値未満の電圧（Lowの電圧）が印加されると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を含む駆動回路は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フラッシュランプＦＬと対応するコンデンサ９３との接続が断続され、フラッシュランプＦＬに流れる電流がオンオフ制御される。
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。
図８に示すような駆動回路は、フラッシュ加熱部５に設けられた複数のフラッシュランプＦＬのそれぞれに個別に設けられている。本実施形態では、３０本のフラッシュランプＦＬが平面状に配列されているため、それらに対応して図８に示す如き駆動回路が３０個設けられている。
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は、筐体４１の内側に複数本（本実施形態では４０本）のハロゲンランプＨＬを内蔵している。ハロゲン加熱部４は、複数のハロゲンランプＨＬによってチャンバー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への光照射を行って半導体ウェハーＷを加熱する光照射部である。ハロゲン加熱部４は、サセプター７４に支持された半導体ウェハーＷの下面に石英のサセプター７４を透過してハロゲン光を照射する。
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。４０本のハロゲンランプＨＬは上下２段に分けて配置されている。保持部７に近い上段に２０本のハロゲンランプＨＬが配設されるとともに、上段よりも保持部７から遠い下段にも２０本のハロゲンランプ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、上段に配置された２０本のハロゲンランプＨＬの長手方向と下段に配置された２０本のハロゲンランプＨＬの長手方向とが互いに直交するように計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、４０本のハロゲンランプＨＬの出力は制御部３によって個別に調整可能とされている。
また、ハロゲン加熱部４の筐体４１内にも、２段のハロゲンランプＨＬの下側にリフレクタ４３が設けられている（図１）。リフレクタ４３は、複数のハロゲンランプＨＬから出射された光を熱処理空間６５の側に反射する。
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回路である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構成される。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。また、図８に示したように、制御部３は、パルス発生器３１および波形設定部３２を備える。上述のように、入力部３３からの入力内容に基づいて、波形設定部３２がパルス信号の波形を設定し、それに従ってパルス発生器３１がＩＧＢＴ９６のゲートにパルス信号を出力する。
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。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、処理対象となる半導体ウェハーＷに対する加熱処理に先立って、ハロゲン加熱部４の４０本のハロゲンランプＨＬによってサセプター７４を予熱しておく。すなわち、ロットを構成する最初の半導体ウェハーＷがチャンバー６に搬入される前に、制御部３の制御によりハロゲン加熱部４の４０本のハロゲンランプＨＬが点灯して保持部７のサセプター７４を加熱する。ハロゲンランプＨＬから熱処理空間６５に向けて照射された光の一部は石英のサセプター７４によっても吸収され、それによりサセプター７４が昇温するのである。
昇温するサセプター７４の温度は放射温度計２７によって測定される。但し、サセプター７４に半導体ウェハーＷが載置されているときには、半導体ウェハーＷの下面から放射される放射光がサセプター７４を透過して外乱光となるため放射温度計２７がサセプター７４の温度を測定することが困難となる。処理対象となる半導体ウェハーＷがチャンバー６に搬入される前であれば、サセプター７４に半導体ウェハーＷが載置されていないため、放射温度計２７はサセプター７４の温度を測定することができる。
放射温度計２７によって測定されたサセプター７４の温度は制御部３に伝達される。制御部３は、放射温度計２７がサセプター７４の温度を測定した測定結果に基づいて、サセプター７４の温度が所定温度となるようにハロゲンランプＨＬの出力をフィードバック制御する。ハロゲンランプＨＬによってサセプター７４は２００℃〜３００℃に加熱されるが、その加熱温度の詳細についてはさらに後述する。また、制御部３は、サセプター７４の温度が上記の所定温度に到達するまで処理対象となる半導体ウェハーＷの処理開始を待機させる。サセプター７４の温度が所定温度にまで到達した時点でハロゲンランプＨＬは一旦消灯する。
また、サセプター７４の予熱と並行して、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。
さらに、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とともに、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。
制御部３は、放射温度計２７によって測定されるサセプター７４の温度が所定温度にまで昇温した後、熱処理装置１におけるロットの最初の半導体ウェハーＷの熱処理を開始させる。処理開始時には、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。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て下方より保持される。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に載置される。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の内側に載置される。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が石英にて形成された保持部７によって水平姿勢にて下方より保持された後、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（表面とは反対側の主面）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。
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、半導体ウェハーＷの温度測定は、接触式温度計１３０に代えてまたは加えて放射温度計１２０によって行うようにしても良い。
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に到達した時点にて制御部３がハロゲンランプＨＬの出力を調整し、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（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。
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。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のパルス発生器３１からＩＧＢＴ９６にパルス信号を出力してＩＧＢＴ９６をオンオフ駆動する。
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入力部３３から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部３３から制御部３に入力すると、それに従って制御部３の波形設定部３２はオンオフを繰り返すパルス波形を設定する。そして、波形設定部３２によって設定されたパルス波形に従ってパルス発生器３１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、パルス発生器３１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る。
このようにしてフラッシュ加熱部５の３０本のフラッシュランプＦＬが発光し、サセプター７４に載置された半導体ウェハーＷの表面にフラッシュ光が照射される。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からの出力波形は幅が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に流れる電流をオンオフ制御している。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、回路を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出力が完全に”０”になるものではない。
その結果、ＩＧＢＴ９６によってフラッシュランプＦＬに流れる電流をオンオフ制御することにより、フラッシュランプＦＬの発光パターンを自在に規定することができ、発光時間および発光強度を自由に調整することができる。具体的には、例えば、入力部３３から入力するパルス間隔の時間に対するパルス幅の時間の比率を大きくすると、フラッシュランプＦＬに流れる電流が増大して発光強度が強くなる。逆に、入力部３３から入力するパルス間隔の時間に対するパルス幅の時間の比率を小さくすると、フラッシュランプＦＬに流れる電流が減少して発光強度が弱くなる。また、入力部３３から入力するパルス間隔の時間とパルス幅の時間の比率を適切に調整すれば、フラッシュランプＦＬの発光強度が一定に維持される。さらに、入力部３３から入力するパルス幅の時間とパルス間隔の時間との組み合わせの総時間を長くすることによって、フラッシュランプＦＬに比較的長時間にわたって電流が流れ続けることとなり、フラッシュランプＦＬの発光時間が長くなる。なお、フラッシュランプＦＬの発光時間は長くても１秒以下である。
３０本のフラッシュランプＦＬから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がフラッシュ加熱される。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。フラッシュランプＦＬが発光する前後にわたってハロゲンランプＨＬによる光照射は継続されているため、半導体ウェハーＷの表面温度は予備加熱温度Ｔ１の近傍まで降温する。
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も消灯する。これにより、半導体ウェハーＷが予備加熱温度Ｔ１から急速に降温する。降温中の半導体ウェハーＷの温度は接触式温度計１３０または放射温度計１２０によって測定され、その測定結果は制御部３に伝達される。制御部３は、測定結果より半導体ウェハー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。
ところで、典型的には、半導体ウェハーＷの処理はロット単位で行われる。ロットとは、同一条件にて同一内容の処理を行う対象となる１組の半導体ウェハーＷである。本実施形態の熱処理装置１においても、ロットを構成する複数枚の半導体ウェハーＷが１枚ずつ順次にチャンバー６に搬入されて加熱処理が行われる。
ここで、しばらく処理を行っていなかった熱処理装置１にて上述のようなサセプター７４の予熱を行うことなくロットの処理を開始する場合、概ね室温のチャンバー６にロットの最初の半導体ウェハーＷが搬入されてフラッシュ加熱処理が行われることとなる。このよう場合は、例えばメンテナンス後に熱処理装置１が起動されてから最初のロットを処理する場合や先のロットを処理した後に長時間が経過した場合などである。加熱処理時には、昇温した半導体ウェハーＷからサセプター７４等のチャンバー内構造物に熱伝導が生じるため、初期には室温であったサセプター７４が半導体ウェハーＷの処理枚数が増えるにつれて徐々に蓄熱により昇温することとなる。
図９は、半導体ウェハーＷの処理枚数とサセプター７４の温度との相関を示す図である。処理開始前には室温であったサセプター７４が半導体ウェハーＷの処理枚数が増えるにつれて徐々に半導体ウェハーＷからの伝熱により昇温し、やがて約１０枚の半導体ウェハーＷの加熱処理が行われたときにサセプター７４の温度が一定の安定温度Ｔｓに到達する。安定温度Ｔｓに到達したサセプター７４では、半導体ウェハーＷからサセプター７４への伝熱量とサセプター７４からの放熱量とが均衡する。サセプター７４の温度が安定温度Ｔｓに到達するまでは、半導体ウェハーＷからの伝熱量がサセプター７４からの放熱量よりも多いため、半導体ウェハーＷの処理枚数が増えるにつれてサセプター７４の温度が徐々に蓄熱により上昇する。これに対して、サセプター７４の温度が安定温度Ｔｓに到達した後は、半導体ウェハーＷからの伝熱量とサセプター７４からの放熱量とが均衡するため、サセプター７４の温度は一定の安定温度Ｔｓに維持されることとなる。
このように室温のチャンバー６にて処理を開始すると、ロットの初期の半導体ウェハーＷと途中からの半導体ウェハーＷとで異なる温度のサセプター７４に支持されることによって温度履歴が不均一になることに加えて、初期の半導体ウェハーＷについては低温のサセプター７４に支持されてフラッシュ加熱処理が行われるためにウェハー反りが生じることもあった。このため、既述したように、従来では、ロットの処理を開始する前に、処理対象ではないダミーウェハーをチャンバー６内に搬入して処理対象の半導体ウェハーＷと同様のフラッシュ加熱処理を行ってサセプター７４等のチャンバー内構造物を安定温度Ｔｓに昇温するダミーランニングが実施されていた。
本実施形態においては、ロットの最初の半導体ウェハーＷがチャンバー６に搬入される前に、ハロゲンランプＨＬからの光照射によってサセプター７４を予熱している。このときに、制御部３は、放射温度計２７がサセプター７４の温度を測定した測定結果に基づいて、サセプター７４の温度が上記の安定温度Ｔｓに到達するようにハロゲンランプＨＬの出力を制御している。具体的には、予め実験またはシミュレーション等によって安定温度Ｔｓを求めて制御部３の記憶部に格納しておく。そして、放射温度計２７によって測定されるサセプター７４の温度が安定温度Ｔｓに到達するように、制御部３がハロゲンランプＨＬの出力を制御してサセプター７４に対する光照射加熱を行っている。
安定温度Ｔｓは、サセプター７４を予熱することなく、チャンバー６内にてロットの複数の半導体ウェハーＷに連続して光照射加熱を行うことによりサセプター７４の温度が上昇して一定となったときの当該サセプター７４の温度である。安定温度Ｔｓは、ロットを構成する半導体ウェハーＷの予備加熱温度Ｔ１によって異なるが２００℃〜３００℃である。そして、サセプター７４の温度が安定温度Ｔｓに昇温した後に、ロットの最初の半導体ウェハーＷに対する熱処理を開始している。
ロットの最初の半導体ウェハーＷに対する熱処理を開始する前に、ハロゲンランプＨＬからの光照射によってサセプター７４を安定温度Ｔｓに昇温しておくことにより、ロットを構成する全ての半導体ウェハーＷにわたって同じ温度のサセプター７４に支持されることとなり、温度履歴を均一にすることができる。また、ロットの初期の半導体ウェハーＷについても、安定温度Ｔｓに昇温したサセプター７４によって支持されるため、サセプター７４と半導体ウェハーＷとの温度差に起因したウェハー反りを防止することができる。その結果、従来のような数枚のダミーウェハーに加熱処理を行うダミーランニングを省略することができるため、基板処理装置１の効率的な運用が可能となる。
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態の熱処理装置の全体概略構成および半導体ウェハーＷの処理手順は概ね第１実施形態と同様であるが、サセプター７４の温度を測定する放射温度計の個数が異なる。第１実施形態ではサセプター７４の中心部の温度を測定する放射温度計２７を１個設けていたのに対し、第２実施形態においてはサセプター７４の複数箇所の温度を測定する複数の放射温度計を設けている。
具体的には、第２実施形態では、サセプター７４の中心部の温度を測定する放射温度計、サセプター７４の周縁部の温度を測定する放射温度計、および、サセプター７４の中心部の周縁部との間の中間部の温度を測定する放射温度計の計３個の放射温度計を設置してる。そして、第２実施形態においては、サセプター７４の複数の温度測定箇所のそれぞれを含む領域毎にハロゲン加熱部４からの光照射を制御する。すなわち、サセプター７４の温度をゾーン制御するのである。
図１０は、サセプター７４の温度のゾーン制御の一例を示す図である。略円形のサセプター７４が同心円状に中心ゾーンＣＺ、中間ゾーンＭＺおよび周縁ゾーンＥＺの３つの領域に分割されている。上記３個の放射温度計は、それぞれ中心ゾーンＣＺ、中間ゾーンＭＺおよび周縁ゾーンＥＺの温度を測定する。そして、制御部３は、３個の放射温度計が中心ゾーンＣＺ、中間ゾーンＭＺおよび周縁ゾーンＥＺの温度を測定した測定結果に基づいて、中心ゾーンＣＺ、中間ゾーンＭＺおよび周縁ゾーンＥＺのそれぞれの温度が安定温度Ｔｓに到達するようにハロゲンランプＨＬの出力を制御する。４０本のハロゲンランプＨＬの出力は個別に調整可能であるため、制御部３は中心ゾーンＣＺ、中間ゾーンＭＺおよび周縁ゾーンＥＺのそれぞれに対応するハロゲンランプＨＬのみの出力を調整することができる。例えば、サセプター７４の周縁ゾーンＥＺの温度が中心ゾーンＣＺおよび中間ゾーンＭＺの温度よりも低い場合には、周縁ゾーンＥＺに対応するハロゲンランプＨＬ（周縁ゾーンＥＺの下方に位置するハロゲンランプＨＬ）の出力を増大して周縁ゾーンＥＺに照射される光の光量を増やす。これにより、サセプター７４の周縁ゾーンＥＺが強く加熱されて中心ゾーンＣＺおよび中間ゾーンＭＺと同じ温度となり、サセプター７４の全体が均一に安定温度Ｔｓに加熱されることとなる。
複数の放射温度計を設けてサセプター７４の温度をゾーン制御する点を除く第２実施形態の残余の構成は第１実施形態と同様である。第２実施形態においても、ロットの最初の半導体ウェハーＷに対する熱処理を開始する前に、ハロゲンランプＨＬからの光照射によってサセプター７４を安定温度Ｔｓに昇温しておくことにより、ロットを構成する全ての半導体ウェハーＷにわたって同じ温度のサセプター７４に支持されることとなり、温度履歴を均一にすることができる。また、ロットの初期の半導体ウェハーＷについても、安定温度Ｔｓに昇温したサセプター７４によって支持されるため、サセプター７４と半導体ウェハーＷとの温度差に起因したウェハー反りを防止することができる。その結果、従来のような数枚のダミーウェハーに加熱処理を行うダミーランニングを省略することができるため、基板処理装置１の効率的な運用が可能となる。さらに、第２実施形態においては、複数の放射温度計を設けてサセプター７４の温度をゾーン制御しているため、サセプター７４の温度を精度良く均一に昇温することができる。
＜変形例＞
以上、本発明の実施の形態について説明したが、この発明はその趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記各実施形態においては、半導体ウェハーＷを予備加熱するためのハロゲンランプＨＬによってサセプター７４を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、抵抗加熱式のヒータなど専用の加熱機構によって石英のサセプター７４を加熱するようにしても良い。
また、上記各実施形態においては、放射温度計によってサセプター７４の温度を測定するようにしていたが、熱電対を組み込んだ接触式温度計によってサセプターの温度を測定するようにしても良い。
また、放射温度計２７によって石英のサセプター７４の温度を正確に測定することは容易ではないこともあり、サセプター７４の温度を正確に測定する必要性は必ずしもない。すなわち、サセプター７４の温度が安定温度Ｔｓに到達すれば必要十分であるため、放射温度計２７によって測定されるサセプター７４の温度と安定温度Ｔｓとの相対比較において温度差がゼロとなるように制御部３がハロゲンランプＨＬの出力を制御すれば良い。但し、この場合は、予め実験によって安定温度Ｔｓを同じ放射温度計２７によって測定しておく必要はある。さらに、制御部３は、安定温度Ｔｓを測定したときの放射温度計２７からの出力と予熱されるサセプター７４の温度を測定したときの放射温度計２７からの出力とが一致するようにハロゲンランプＨＬの出力を制御するようにしても良い。
また、第２実施形態においては、３個の放射温度計を設けてサセプター７４を３つのゾーンに分割してゾーン制御を行っていたが、これに限定されるものではなく、２個以上の複数の温度センサーを設け、複数の温度測定箇所のそれぞれを含む領域毎に加熱制御すれば良い。
また、第２実施形態においては、サセプター７４の全てのゾーンが同じ温度となるような制御を行っていたが、処理の必要に応じてサセプター７４のゾーン毎に異なる温度となるように加熱制御を行って良い。例えば、予備加熱時における半導体ウェハーＷの周縁部の相対的な温度低下を防止するために、サセプター７４の周縁ゾーンＥＺが中心ゾーンＣＺおよび中間ゾーンＭＺよりも高温となるようにハロゲンランプＨＬの出力を制御するようにしても良い。
また、上記各実施形態においては、ＩＧＢＴ９６によってフラッシュランプＦＬの発光を制御するようにしていたが、ＩＧＢＴ９６は必ずしも必須の要素ではない。ＩＧＢＴ９６を用いることなく、単純にフラッシュランプＦＬを発光させた場合であっても、ロットの最初の半導体ウェハーＷに対する熱処理を開始する前に、サセプター７４を安定温度Ｔｓに昇温しておくことにより、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
また、上記各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、上段および下段に複数する配置する形態であれば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、高誘電率ゲート絶縁膜（High-k膜）の熱処理、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
２７ 放射温度計
６５ 熱処理空間
７４ サセプター
ＣＺ 中心ゾーン
ＥＺ 周縁ゾーン
ＭＺ 中間ゾーン
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、
    チャンバー内に基板を搬入してサセプターに載置する搬入工程と、
    前記サセプターに載置された基板に光を照射する光照射工程と、
    ロットの最初の基板がチャンバー内に搬入される前に、前記サセプターの温度を測定する温度測定工程と、
    前記温度測定工程での測定結果に基づいて、前記サセプターを加熱する加熱工程と、
    を備えることを特徴とする熱処理方法。
  2. 請求項１記載の熱処理方法において、
    前記サセプターを加熱することなく、ロットの複数の基板に連続して光を照射して加熱することにより前記サセプターの温度が上昇して一定となったときの前記サセプターの温度を安定温度とし、
    前記加熱工程では、前記サセプターの温度が前記安定温度に到達するように前記サセプターを加熱することを特徴とする熱処理方法。
  3. 請求項１または請求項２記載の熱処理方法において、
    前記温度測定工程では、前記サセプターの複数箇所の温度を測定し、
    前記加熱工程では、前記複数箇所のそれぞれを含む領域毎に加熱制御を行うことを特徴とする熱処理方法。
  4. 請求項１から請求項３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、前記チャンバーの一方側からフラッシュランプによって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。
  5. 請求項４記載の熱処理方法において、
    前記光照射工程では、さらに前記チャンバーの他方側からハロゲンランプによって基板に光を照射し、
    前記加熱工程では、前記ハロゲンランプからの光照射によって前記サセプターを加熱することを特徴とする熱処理方法。
  6. 基板に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設けられ、基板を載置して支持するサセプターと、
    前記サセプターに載置された基板に光を照射する光照射部と、
    前記サセプターの温度を測定する温度測定部と、
    ロットの最初の基板が前記チャンバーに搬入される前に、前記温度測定部が前記サセプターの温度を測定した測定結果に基づいて、前記光照射部からの光照射によって前記サセプターを加熱するように前記光照射部を制御する制御部と、
    を備えることを特徴とする熱処理装置。
  7. 請求項６記載の熱処理装置において、
    前記サセプターを加熱することなく、ロットの複数の基板に前記光照射部から連続して光を照射して加熱することにより前記サセプターの温度が上昇して一定となったときの前記サセプターの温度を安定温度とし、
    前記制御部は、前記サセプターの温度が前記安定温度に到達するように前記光照射部を制御することを特徴とする熱処理装置。
  8. 請求項６または請求項７記載の熱処理装置において、
    前記温度測定部は、前記サセプターの複数箇所の温度を測定する複数の温度センサーを含み、
    前記制御部は、前記複数箇所のそれぞれを含む領域毎に前記光照射部からの光照射を制御することを特徴とする熱処理装置。
  9. 請求項６から請求項８のいずれかに記載の熱処理装置において、
    前記光照射部は、前記チャンバーの一方側から基板に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。
  10. 請求項９記載の熱処理装置において、
    前記光照射部は、前記チャンバーの他方側から基板に光を照射するハロゲンランプをさらに含み、
    前記ハロゲンランプからの光照射によって前記サセプターを加熱することを特徴とする熱処理装置。
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