JP2019046847A - 熱処理装置および熱処理方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】簡易な構成にてチャンバーのリークの有無を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】半導体ウェハーを収容したチャンバー６内が大気圧未満に減圧され、減圧雰囲気下にて半導体ウェハーにフラッシュ光が照射されて熱処理が行われる。リーク判定部３１は、チャンバー６内の減圧を開始してからの経過時間が予め設定された閾値を超えてもチャンバー６内の圧力が目標圧力に到達していない場合にはチャンバー６にリークが発生していると判定する。チャンバー６内の減圧を開始してからの経過時間を監視してチャンバー６のリークを検出しており、新たなハードウェア構成を搭載することなく、簡易な構成にてチャンバー６のリークの有無を検出することができる。
【選択図】図８

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、極めて短時間で半導体ウェハーを加熱する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、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。
このようなフラッシュランプアニールは、極短時間の加熱が必要とされる処理、例えば典型的には半導体ウェハーに注入された不純物の活性化に利用される。イオン注入法によって不純物が注入された半導体ウェハーの表面にフラッシュランプからフラッシュ光を照射すれば、当該半導体ウェハーの表面を極短時間だけ活性化温度にまで昇温することができ、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。
一方、フラッシュランプアニールをアンモニア等の反応性ガスの雰囲気中にて行うことも試みられている。例えば、特許文献１には、高誘電率ゲート絶縁膜(high-k膜)を形成した半導体ウェハーを収容したチャンバー内を減圧状態に維持しつつアンモニア雰囲気を形成し、当該半導体ウェハーに対してフラッシュ光を照射して加熱することにより、高誘電率ゲート絶縁膜の成膜後熱処理を行うことが開示されている。高誘電率ゲート絶縁膜は、ゲート絶縁膜の薄膜化の進展にともなってリーク電流が増大する問題を解決するために、ゲート電極に金属を用いたメタルゲート電極とともに新たな電界効果トランジスタのスタック構造として開発が進められているものである。
特開２０１７−０４５９８２号公報
特許文献１に開示されるフラッシュランプアニール装置では、チャンバー内に反応性ガスを供給する前にチャンバー内の雰囲気を排気して約１００Ｐａにまで減圧している。また、フラッシュ加熱処理が終了した後も、チャンバー内を減圧して反応性ガスを排出するようにしている。このようなチャンバー内を大気圧未満にまで減圧する装置では、チャンバーにリークが発生していると減圧できなくなるという問題が生じる。特に、特許文献１に開示される装置のように、アンモニア等の反応性ガスを扱う場合には、チャンバーにリークが発生していると危険な反応性ガスがチャンバー外に漏出するという問題も生じる。
このため、チャンバーにおけるリークの有無を検出することが重要となる。フラッシュランプアニール装置のチャンバーにリークが発生する原因としては、チャンバーに設けられた石英窓の破損やチャンバーに給排気を行う配管の不具合等が挙げられる。リークの有無を検出する手法として、例えば石英窓に割れ検出のためのセンサー等のハードウェア構成を搭載することも考えられるが、フラッシュ光照射に支障が生じるおそれがある。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、簡易な構成にてチャンバーのリークの有無を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、石英窓を有し、前記基板を収容するチャンバーと、前記チャンバー内に収容された前記基板に前記石英窓を介して光を照射する光照射部と、前記チャンバー内の雰囲気を排気する排気部と、前記チャンバーに所定の処理ガスを供給するガス供給部と、前記チャンバー内の圧力を測定する圧力計と、前記排気部によって前記チャンバー内の減圧を開始してからの経過時間が予め設定された閾値を超えても前記圧力計の測定値が目標圧力に到達していない場合には前記チャンバーにリークが発生していると判定するリーク判定部と、を備えることを特徴とする。
また、請求項２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、石英窓を有し、前記基板を収容するチャンバーと、前記チャンバー内に収容された前記基板に前記石英窓を介して光を照射する光照射部と、前記チャンバー内の雰囲気を排気する排気部と、前記チャンバーに所定の処理ガスを供給するガス供給部と、前記チャンバー内の圧力を測定する圧力計と、前記圧力計の測定値に基づいて前記チャンバー内の圧力を設定値に調整する圧力調整バルブと、前記チャンバー内が処理圧力にまで減圧された後、前記圧力計の測定値と前記設定値との差分が一定以上となる時間が予め設定された閾値を超えた場合には前記チャンバーにリークが発生していると判定するリーク判定部と、を備えることを特徴とする。
また、請求項３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、石英窓を有し、前記基板を収容するチャンバーと、前記チャンバー内に収容された前記基板に前記石英窓を介して光を照射する光照射部と、前記チャンバー内の雰囲気を排気する排気部と、前記チャンバーに所定の処理ガスを供給するガス供給部と、前記チャンバー内の圧力を測定する圧力計と、所定圧力に減圧されている前記チャンバーに前記ガス供給部から不活性ガスの供給を開始してから前記圧力計の測定値が大気圧となるまでに要する時間が予め設定された閾値未満である場合には前記チャンバーにリークが発生していると判定するリーク判定部と、を備え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、前記光照射部は、前記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５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、石英窓を有するチャンバー内に前記基板を収容する収容工程と、前記チャンバー内を大気圧未満にまで減圧する減圧工程と、前記チャンバー内に収容された前記基板に光照射部から前記石英窓を介して光を照射する光照射工程と、を備え、前記チャンバー内の減圧を開始してからの経過時間が予め設定された閾値を超えても前記チャンバー内の圧力が目標圧力に到達していない場合には前記チャンバーにリークが発生していると判定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方法において、石英窓を有するチャンバー内に前記基板を収容する収容工程と、前記チャンバー内を大気圧未満にまで減圧する減圧工程と、前記チャンバー内の圧力を圧力計によって測定した測定値に基づいて前記チャンバー内の圧力を圧力調整バルブによって設定値に調整する圧力調整工程と、前記チャンバー内に収容された前記基板に光照射部から前記石英窓を介して光を照射する光照射工程と、を備え、前記チャンバー内が処理圧力にまで減圧された後、前記圧力計の測定値と前記設定値との差分が一定以上となる時間が予め設定された閾値を超えた場合には前記チャンバーにリークが発生していると判定することを特徴とする。
また、請求項７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、石英窓を有するチャンバー内に前記基板を収容する収容工程と、前記チャンバー内を大気圧未満にまで減圧する減圧工程と、前記チャンバー内に収容された前記基板に光照射部から前記石英窓を介して光を照射する光照射工程と、を備え、所定圧力に減圧されている前記チャンバーに不活性ガスの供給を開始してから前記チャンバー内の圧力が大気圧となるまでに要する時間が予め設定された閾値未満である場合には前記チャンバーにリークが発生していると判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、前記基板にフラッシュランプからフラッシュ光を照射することを特徴とする。
請求項１，４の発明によれば、排気部によってチャンバー内の減圧を開始してからの経過時間が予め設定された閾値を超えても圧力計の測定値が目標圧力に到達していない場合にはチャンバーにリークが発生していると判定するため、減圧開始からの経過時間を監視してリーク発生を判定しており、簡易な構成にてチャンバーのリークの有無を検出することができる。
請求項２，４の発明によれば、チャンバー内が処理圧力にまで減圧された後、圧力計の測定値と設定値との差分が一定以上となる時間が予め設定された閾値を超えた場合にはチャンバーにリークが発生していると判定するため、減圧処理中の圧力偏差を監視してリーク発生を判定しており、簡易な構成にてチャンバーのリークの有無を検出することができる。
請求項３，４の発明によれば、所定圧力に減圧されているチャンバーにガス供給部から不活性ガスの供給を開始してから圧力計の測定値が大気圧となるまでに要する時間が予め設定された閾値未満である場合にはチャンバーにリークが発生していると判定するため、大気圧までの復圧時間を監視してリーク発生を判定しており、簡易な構成にてチャンバーのリークの有無を検出することができる。
請求項５，８の発明によれば、チャンバー内の減圧を開始してからの経過時間が予め設定された閾値を超えてもチャンバー内の圧力が目標圧力に到達していない場合にはチャンバーにリークが発生していると判定するため、減圧開始からの経過時間を監視してリーク発生を判定しており、簡易な構成にてチャンバーのリークの有無を検出することができる。
請求項６，８の発明によれば、チャンバー内が処理圧力にまで減圧された後、圧力計の測定値と設定値との差分が一定以上となる時間が予め設定された閾値を超えた場合にはチャンバーにリークが発生していると判定するため、減圧処理中の圧力偏差を監視してリーク発生を判定しており、簡易な構成にてチャンバーのリークの有無を検出することができる。
請求項７，８の発明によれば、所定圧力に減圧されているチャンバーに不活性ガスの供給を開始してからチャンバー内の圧力が大気圧となるまでに要する時間が予め設定された閾値未満である場合にはチャンバーにリークが発生していると判定するため、大気圧までの復圧時間を監視してリーク発生を判定しており、簡易な構成にてチャンバーのリークの有無を検出することができる。
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。 サセプタの平面図である。 サセプタの断面図である。 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。 チャンバーに対する給排気機構を示す図である。 チャンバー内の圧力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。
＜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。図１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（本実施形態ではφ３００ｍｍ）。熱処理装置１に搬入される前の半導体ウェハーＷにはゲート絶縁膜として高誘電率膜(high-k膜)が形成されており、熱処理装置１による加熱処理によって高誘電率膜の成膜後熱処理(PDA:Post Deposition Anneal)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、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。
さらに、チャンバー側部６１には、貫通孔６１ａが穿設されている。チャンバー側部６１の外壁面の貫通孔６１ａが設けられている部位には放射温度計２０が取り付けられている。貫通孔６１ａは、後述するサセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの下面から放射された赤外光を放射温度計２０に導くための円筒状の孔である。貫通孔６１ａは、その貫通方向の軸がサセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの主面と交わるように、水平方向に対して傾斜して設けられている。貫通孔６１ａの熱処理空間６５に臨む側の端部には、放射温度計２０が測定可能な波長領域の赤外光を透過させるフッ化バリウム材料からなる透明窓２１が装着されている。
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）およびアンモニア（ＮＨ３））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は処理ガス供給源８５に接続されている。処理ガス供給源８５は、制御部３の制御下にて、窒素ガス、または、アンモニアと窒素ガスとの混合ガスを処理ガスとしてガス供給管８３に送給する。また、ガス供給管８３の経路途中には供給バルブ８４および流量調整バルブ９０が介挿されている。供給バルブ８４が開放されると、処理ガス供給源８５から緩衝空間８２に処理ガスが送給される。ガス供給管８３を流れて緩衝空間８２に送給される処理ガスの流量は流量調整バルブ９０によって調整される。流量調整バルブ９０が規定する処理ガスの流量は制御部３の制御によって可変とされる。緩衝空間８２に流入した処理ガスは、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。処理ガス供給源８５、供給バルブ８４および流量調整バルブ９０によってチャンバー６内に所定の処理ガスを供給するガス供給部１８０が構成される。なお、処理ガスは窒素ガス、アンモニア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）、一酸化窒素（ＮＯ）、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）、二酸化窒素（ＮＯ２）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。
図８は、チャンバー６に対する給排気機構を示す図である。排気部１９０は、自動調整バルブ圧力計９１、真空圧力計９２、排気バルブ９３、圧力自動調整バルブ９４および真空ポンプ９５を備える。図８に示すように、チャンバー６には搬送開口部６６の側およびその反対側の２箇所にガス排気管８８が接続され（図１では１本のみ図示）、それら２本のガス排気管８８が合流して真空ポンプ９５に接続される。ガス排気管８８の経路途中に自動調整バルブ圧力計９１、真空圧力計９２、排気バルブ９３および圧力自動調整バルブ９４が設けられる。
真空ポンプ９５は、ガス排気管８８を介してチャンバー６内を少なくとも１００Ｐａ以下にまで減圧することが可能なポンプである。排気バルブ９３は、例えば電磁弁等のガス排気管８８の経路を開閉するためのバルブである。真空ポンプ９５を作動させつつ排気バルブ９３が開放されると、チャンバー６内の雰囲気がガス排気孔８６から吸引されて緩衝空間８７を経てガス排気管８８へと排気される。真空圧力計９２は、ガス排気管８８の圧力を測定することによって、チャンバー６内の圧力を測定する。
自動調整バルブ圧力計９１と圧力自動調整バルブ９４とは協働してチャンバー６内の圧力を所定値に維持する。自動調整バルブ圧力計９１も、ガス排気管８８の圧力を測定することによって、チャンバー６内の圧力を測定する。圧力自動調整バルブ９４には制御部３からチャンバー６内の圧力の設定値（指示値）が与えられる。真空ポンプ９５を作動させつつ排気バルブ９３が開放された状態にて、自動調整バルブ圧力計９１がチャンバー６内の圧力を測定し、その測定値に基づいて圧力自動調整バルブ９４が開度を制御してチャンバー６内の圧力を上記設定値に調整する。すなわち、自動調整バルブ圧力計９１がチャンバー６内の圧力を測定した測定結果に基づいて、チャンバー６内の圧力が上記設定値となるように圧力自動調整バルブ９４がその開度をフィードバック制御するのである。
図２は、保持部７の全体外観を示す斜視図である。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は円環形状から一部が欠落した円弧形状の石英部材である。この欠落部分は、後述する移載機構１０の移載アーム１１と基台リング７１との干渉を防ぐために設けられている。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）。基台リング７１の上面に、その円環形状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。
サセプタ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。図３は、サセプタ７４の平面図である。また、図４は、サセプタ７４の断面図である。サセプタ７４は、保持プレート７５、ガイドリング７６および複数の基板支持ピン７７を備える。保持プレート７５は、石英にて形成された略円形の平板状部材である。保持プレート７５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、保持プレート７５は、半導体ウェハーＷよりも大きな平面サイズを有する。
保持プレート７５の上面周縁部にガイドリング７６が設置されている。ガイドリング７６は、半導体ウェハーＷの直径よりも大きな内径を有する円環形状の部材である。例えば、半導体ウェハーＷの直径がφ３００ｍｍの場合、ガイドリング７６の内径はφ３２０ｍｍである。ガイドリング７６の内周は、保持プレート７５から上方に向けて広くなるようなテーパ面とされている。ガイドリング７６は、保持プレート７５と同様の石英にて形成される。ガイドリング７６は、保持プレート７５の上面に溶着するようにしても良いし、別途加工したピンなどによって保持プレート７５に固定するようにしても良い。或いは、保持プレート７５とガイドリング７６とを一体の部材として加工するようにしても良い。
保持プレート７５の上面のうちガイドリング７６よりも内側の領域が半導体ウェハーＷを保持する平面状の保持面７５ａとされる。保持プレート７５の保持面７５ａには、複数の基板支持ピン７７が立設されている。本実施形態においては、保持面７５ａの外周円（ガイドリング７６の内周円）と同心円の周上に沿って３０°毎に計１２個の基板支持ピン７７が立設されている。１２個の基板支持ピン７７を配置した円の径（対向する基板支持ピン７７間の距離）は半導体ウェハーＷの径よりも小さく、半導体ウェハーＷの径がφ３００ｍｍであればφ２７０ｍｍ〜φ２８０ｍｍ（本実施形態ではφ２７０ｍｍ）である。それぞれの基板支持ピン７７は石英にて形成されている。複数の基板支持ピン７７は、保持プレート７５の上面に溶接によって設けるようにしても良いし、保持プレート７５と一体に加工するようにしても良い。
図２に戻り、基台リング７１に立設された４個の連結部７２とサセプタ７４の保持プレート７５の周縁部とが溶接によって固着される。すなわち、サセプタ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いる。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、サセプタ７４の保持プレート７５は水平姿勢（法線が鉛直方向と一致する姿勢）となる。すなわち、保持プレート７５の保持面７５ａは水平面となる。
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７４の上に水平姿勢にて載置されて保持される。このとき、半導体ウェハーＷは保持プレート７５上に立設された１２個の基板支持ピン７７によって支持されてサセプタ７４に保持される。より厳密には、１２個の基板支持ピン７７の上端部が半導体ウェハーＷの下面に接触して当該半導体ウェハーＷを支持する。１２個の基板支持ピン７７の高さ（基板支持ピン７７の上端から保持プレート７５の保持面７５ａまでの距離）は均一であるため、１２個の基板支持ピン７７によって半導体ウェハーＷを水平姿勢に支持することができる。
また、半導体ウェハーＷは複数の基板支持ピン７７によって保持プレート７５の保持面７５ａから所定の間隔を隔てて支持されることとなる。基板支持ピン７７の高さよりもガイドリング７６の厚さの方が大きい。従って、複数の基板支持ピン７７によって支持された半導体ウェハーＷの水平方向の位置ずれはガイドリング７６によって防止される。
また、図２および図３に示すように、サセプタ７４の保持プレート７５には、上下に貫通して開口部７８が形成されている。開口部７８は、放射温度計２０が半導体ウェハー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。すなわち、放射温度計２０が開口部７８およびチャンバー側部６１の貫通孔６１ａに装着された透明窓２１を介して半導体ウェハーＷの下面から放射された光を受光して当該半導体ウェハーＷの温度を測定する。さらに、サセプタ７４の保持プレート７５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。移載アーム１１およびリフトピン１２は石英にて形成されている。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。複数のフラッシュランプＦＬが配列される領域は半導体ウェハーＷの平面サイズよりも大きい。
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。
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、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。また、図８に示すように、制御部３はリーク判定部３１およびタイマー３２を備える。リーク判定部３１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る。タイマー３２は計時機能を有する。なお、リーク判定部３１の処理内容についてはさらに後述する。
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、ゲート絶縁膜として高誘電率膜が形成されたシリコンの半導体基板である。高誘電率膜は、例えばＡＬＤ(Atomic Layer Deposition)やＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)等の手法によって半導体ウェハーＷの表面に堆積されて成膜されている。その半導体ウェハーＷに対して熱処理装置１がアンモニア雰囲気中にてフラッシュ光を照射して成膜後熱処理（ＰＤＡ）を行うことにより、成膜後の高誘電率膜中の欠陥を消滅させる。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、高誘電率膜が形成された半導体ウェハーＷが熱処理装置１のチャンバー６に搬入される。半導体ウェハーＷの搬入時には、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を介して高誘電率膜が形成された半導体ウェハーＷがチャンバー６内の熱処理空間６５に搬入される。この際に、チャンバー６の内外はともに大気圧であるため、半導体ウェハーＷの搬入にともなってチャンバー６内の熱処理空間６５に装置外雰囲気が巻き込まれる。そこで、供給バルブ８４を開放して処理ガス供給源８５からチャンバー６内に窒素ガスを供給し続けることによって搬送開口部６６から窒素ガス流を流出させ、装置外部の雰囲気がチャンバー６内の流入するのを最小限に抑制するようにしても良い。さらに、ゲートバルブ１８５の開放時には、排気バルブ９３を閉止してチャンバー６からの排気を停止するのが好ましい。これにより、チャンバー６内に供給された窒素ガスは搬送開口部６６のみから流出することとなるため、外部雰囲気の流入をより効果的に防ぐことができる。
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７４の保持プレート７５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は基板支持ピン７７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から保持部７のサセプタ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、保持プレート７５上に立設された複数の基板支持ピン７７によって支持されてサセプタ７４に保持される。また、半導体ウェハーＷは、高誘電率膜が成膜された表面を上面としてサセプタ７４に保持される。複数の基板支持ピン７７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）と保持プレート７５の保持面７５ａとの間には所定の間隔が形成される。サセプタ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がチャンバー６に収容され、ゲートバルブ１８５によって搬送開口部６６が閉鎖された後、チャンバー６内を大気圧よりも低い気圧に減圧する。図９は、チャンバー６内の圧力変化を示す図である。時刻ｔ１に半導体ウェハーＷが大気圧Ｐｓ（＝約101325Pa）のチャンバー６内に搬入された後、ゲートバルブ１８５によって搬送開口部６６が閉鎖されることによって、チャンバー６内の熱処理空間６５が密閉空間となる。この状態にて、時刻ｔ２に制御部３が真空ポンプ９５を作動させるとともに、排気バルブ９３を開放することによって、チャンバー６内の雰囲気がガス排気孔８６から吸引されてガス排気管８８へと排気される。また、制御部３は給気のための供給バルブ８４を閉止する。これにより、チャンバー６内に対してはガス供給が行われることなく排気が行われることとなり、チャンバー６内の熱処理空間６５が減圧される。
また、制御部３は、圧力自動調整バルブ９４を制御して時刻ｔ２から時刻ｔ３までは比較的小さな排気流量にて気圧Ｐ１（例えば約２００００Ｐａ）まで排気を行った後、時刻ｔ３に排気流量を増大させる。すなわち、減圧の初期段階では小さな排気流量で排気を行った後に、それよりも大きな排気流量に切り換えて排気を行っているのである。減圧の開始時から大きな排気流量にて急速に排気を行うと、チャンバー６内に大きな気流変化が生じてチャンバー６の構造物（例えば、下側チャンバー窓６４）に付着していたパーティクルが巻き上げられて半導体ウェハーＷに再付着して汚染するおそれがある。減圧の初期段階では小さな排気流量で静かに排気を行った後に、大きな排気流量に切り換えて排気を行うようにすれば、そのようなチャンバー６内のパーティクルの巻き上げを防止することができる。
やがて時刻ｔ４にチャンバー６の圧力（真空度）が気圧Ｐ２に到達する。気圧Ｐ２は、例えば約１００Ｐａである。チャンバー６内の圧力が気圧Ｐ２に到達した時刻ｔ４に、給気のための供給バルブ８４を開放し、処理ガス供給源８５からチャンバー６内の熱処理空間６５にアンモニアと希釈ガスとしての窒素ガスとの混合ガスを供給する。その結果、チャンバー６内にて保持部７に保持された半導体ウェハーＷの周辺にはアンモニア雰囲気が形成される。アンモニア雰囲気中におけるアンモニアの濃度（つまり、アンモニアと窒素ガスとの混合比）は、特に限定されるものではなく適宜の値とすることができるが、例えば１０vol.％以下であれば良い（本実施形態では約２．５vol.％）。
チャンバー６内に混合ガスが供給されることによって、チャンバー６内の圧力が気圧Ｐ２から上昇して時刻ｔ５に気圧Ｐ３にまで復圧している。半導体ウェハーＷの処理圧力である気圧Ｐ３は、気圧Ｐ２より高く、かつ、大気圧Ｐｓよりも低く、例えば約５０００Ｐａである。チャンバー６内を一旦気圧Ｐ２にまで減圧してから気圧Ｐ３に復圧しているため、復圧後のチャンバー６内のアンモニア雰囲気中における酸素濃度を約２００ｐｐｂ以下とすることができる。
チャンバー６内の圧力が気圧Ｐ３に復圧した時刻ｔ５以降は、チャンバー６に対するアンモニア・窒素混合ガスの供給流量とチャンバー６からの排気流量とを概ね等しくしてチャンバー６内の圧力を気圧Ｐ３に維持する。また、チャンバー６内の圧力を大気圧未満の気圧Ｐ３に維持するとき（時刻ｔ５〜時刻ｔ７）には、圧力自動調整バルブ９４に制御部３からチャンバー６内の圧力の設定値（指示値）として気圧Ｐ３が与えられる。圧力自動調整バルブ９４は、自動調整バルブ圧力計９１がチャンバー６内の圧力を測定した測定結果に基づいて、チャンバー６内の圧力が上記設定値（気圧Ｐ３）となるように開度をフィードバック制御する。
また、チャンバー６内の圧力が気圧Ｐ３に復圧した時刻ｔ５以降にハロゲン加熱部４の４０本のハロゲンランプＨＬが一斉に点灯して半導体ウェハーＷの予備加熱（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７４を透過して半導体ウェハーＷの裏面に照射される。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。
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の温度が放射温度計２０によって測定されている。すなわち、サセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの下面から開口部７８を介して放射された赤外光を透明窓２１を通して放射温度計２０が受光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、放射温度計２０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３００℃以上６００℃以下であり、本実施形態では４５０℃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、放射温度計２０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、基板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。なお、予備加熱時のチャンバー６内の圧力は気圧Ｐ３に維持されている。
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ｔ６にフラッシュ加熱部５のフラッシュランプＦＬがサセプタ７４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を行う。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、高誘電率膜が成膜された半導体ウェハーＷの表面にフラッシュランプＦＬからフラッシュ光を照射することによって、高誘電率膜を含む半導体ウェハーＷの表面は瞬間的に処理温度Ｔ２にまで昇温して成膜後熱処理が実行される。フラッシュ光照射によって半導体ウェハーＷの表面が到達する最高温度（ピーク温度）である処理温度Ｔ２は６００℃以上１２００℃以下であり、本実施形態では１０００℃である。
アンモニア雰囲気中にて半導体ウェハーＷの表面が処理温度Ｔ２にまで昇温して成膜後熱処理が実行されると、高誘電率膜の窒化が促進されるとともに、高誘電率膜中に存在していた点欠陥等の欠陥が消滅する。なお、フラッシュランプＦＬからの照射時間は０．１ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下程度の短時間であるため、半導体ウェハーＷの表面温度が予備加熱温度Ｔ１から処理温度Ｔ２にまで昇温するのに要する時間も１秒未満の極めて短時間である。フラッシュ光照射後の半導体ウェハーＷの表面温度は処理温度Ｔ２からただちに急速に下降する。
フラッシュ加熱処理が終了して所定時間が経過した時刻ｔ７に、制御部３が供給バルブ８４を閉止してチャンバー６内を再び気圧Ｐ２にまで減圧する。これにより、チャンバー６内の熱処理空間６５から有害なアンモニアを排出することができる。続いて、チャンバー６内が気圧Ｐ２にまで到達した時刻ｔ８に、制御部３が排気バルブ９３を閉止して供給バルブ８４を開放し、処理ガス供給源８５からチャンバー６内に不活性ガスである窒素ガスを供給して大気圧Ｐｓにまで復圧する。また、ハロゲンランプＨＬも消灯し、これによって半導体ウェハーＷが予備加熱温度Ｔ１からも降温する。降温中の半導体ウェハーＷの温度は放射温度計２０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、チャンバー６が窒素雰囲気に置換されて大気圧Ｐｓにまで復圧し、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、本実施形態の熱処理装置１においては、雰囲気置換のためにチャンバー６内を気圧Ｐ２（約１００Ｐａ）にまで減圧するとともに、半導体ウェハーＷの加熱処理も気圧Ｐ３（約５０００Ｐａ）の減圧雰囲気にて実行している。また、チャンバー６内には反応性ガスであるアンモニアが供給される。このため、チャンバー６にリークが発生していると、チャンバー６内が所定気圧にまで減圧できなくなるのみならず、有害なアンモニアが漏出するおそれがある。そこで、チャンバー６におけるリークの有無を検出することが重要となる。
第１実施形態においては、チャンバー６内の減圧を開始してからの経過時間を監視してリークの有無を検出している。具体的には、リーク判定部３１は、チャンバー６内の減圧を開始してからの経過時間が予め設定された閾値を超えてもチャンバー６内の圧力が目標圧力に到達していない場合にはチャンバー６にリークが発生していると判定する。チャンバー６内の減圧を開始してからの経過時間はタイマー３２によって計時される。リーク判定のための閾値は、予め制御部３に設定されている（例えば、第１実施形態では５０秒）。また、チャンバー６内の圧力は真空圧力計９２によって測定される。
例えば、上記の例では、時刻ｔ２にチャンバー６内の減圧を開始し、リークが無ければ約１８秒後の時刻ｔ３に最初の目標圧力である気圧Ｐ１に到達する。しかし、チャンバー６にリークが発生している場合には、チャンバー６内の減圧を開始してから目標圧力に到達するまでに長時間を要することとなる。或いは、排気流量よりもリーク量の方が多い場合にはそもそもチャンバー６内の圧力が目標圧力に到達しないこともある。そこで、リーク判定部３１は、チャンバー６内の減圧を開始する時刻ｔ２からの経過時間が予め設定された閾値（例えば５０秒）を超えてもなお真空圧力計９２によって測定されるチャンバー６内の圧力が目標圧力である気圧Ｐ１に到達していない場合にはチャンバー６にリークが発生していると判定する。
また、上記の例では排気流量を切り換えて２段階で減圧を行っており、時刻ｔ３に第２段階のチャンバー６内の減圧を開始し、リークが無ければ約１４秒後の時刻ｔ４に最終の目標圧力である気圧Ｐ２に到達する。リーク判定部３１は、上記と同様に、チャンバー６内の減圧を開始する時刻ｔ３からの経過時間が予め設定された閾値（例えば５０秒）を超えても真空圧力計９２によって測定されるチャンバー６内の圧力が目標圧力である気圧Ｐ２に到達していない場合にはチャンバー６にリークが発生していると判定する。
チャンバー６にリークが発生する原因としては、例えば上側チャンバー窓６３および／または下側チャンバー窓６４の破損（例えば、クラックやひび）、上側チャンバー窓６３および／または下側チャンバー窓６４とチャンバー側部６１とのシール部分の劣化、チャンバー６に接続された給排気配管の継ぎ手の緩み等が考えられる。リーク判定部３１によってチャンバー６にリークが発生していると判定された場合には、制御部３が熱処理装置１における半導体ウェハーＷの処理を停止させる。そして、熱処理装置１のメンテナンスを行って、リーク原因を解消する。
第１実施形態においては、チャンバー６内の減圧を開始してからの経過時間が予め設定された閾値を超えてもチャンバー６内の圧力が目標圧力に到達していない場合にはチャンバー６にリークが発生していると判定している。すなわち、チャンバー６内の減圧を開始してからの経過時間を監視してチャンバー６のリークを検出しており、新たなハードウェア構成を搭載することなく、簡易な構成にてチャンバー６のリークの有無を検出することができる。
＜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１の構成は第１実施形態と全く同じである。また、第２実施形態の熱処理装置１における半導体ウェハーＷの処理手順も第１実施形態と概ね同様である。第２実施形態が第１実施形態と相違するのは、チャンバー６におけるリークの有無の検出手法である。
第２実施形態においては、半導体ウェハーＷの減圧処理中の圧力偏差を監視してリークの有無を検出している。具体的には、リーク判定部３１は、チャンバー６内が処理圧力にまで減圧された後、自動調整バルブ圧力計９１の測定値と圧力自動調整バルブ９４への設定値との差分が一定以上となる時間が予め設定された閾値を超えた場合にはチャンバー６にリークが発生していると判定する。
図９において、時刻ｔ５から時刻ｔ７までは、ガス供給部１８０からチャンバー６にアンモニア・窒素混合ガスを供給するとともに、排気部１９０によってチャンバー６内の雰囲気を排気することにより、チャンバー６内の圧力を半導体ウェハーＷの処理圧力である気圧Ｐ３に維持している。チャンバー６内が処理圧力（気圧Ｐ３）にまで減圧された後（つまり時刻ｔ５以降）は、チャンバー６に対する処理ガスの供給流量とチャンバー６からの排気流量とを概ね等しくするとともに、圧力自動調整バルブ９４には制御部３からチャンバー６内の圧力の設定値（指示値）として気圧Ｐ３が与えられる。圧力自動調整バルブ９４は、自動調整バルブ圧力計９１がチャンバー６内の圧力を測定した測定結果に基づいて、チャンバー６内の圧力が上記設定値（気圧Ｐ３）となるように開度をフィードバック制御する。
第２実施形態では、時刻ｔ５以降はリーク判定部３１が自動調整バルブ圧力計９１によって得られた測定値Ｐｘと圧力自動調整バルブ９４に対する設定値Ｐｃとの差分を圧力偏差Ｐｄとして取得している。厳密には圧力偏差Ｐｄは、次の式（１）によって表されるように、自動調整バルブ圧力計９１の測定値Ｐｘから圧力自動調整バルブ９４への設定値Ｐｃを減算した値である。
Figure 2019046847
チャンバー６にリークが無ければ、圧力偏差Ｐｄはほぼ０となるべき値である。例えば、上記の例では圧力自動調整バルブ９４に対する設定値Ｐｃが５０００Ｐａであり、チャンバー６にリークが無ければ、自動調整バルブ圧力計９１の測定値Ｐｘは５０００Ｐａに近づいて圧力偏差Ｐｄはほぼ０となるはずである。しかし、チャンバー６にリークが発生している場合には、自動調整バルブ圧力計９１の測定値Ｐｘが絶えず設定値Ｐｃよりも大きくなって圧力偏差Ｐｄが０にはならない。例えば、自動調整バルブ圧力計９１によって得られた測定値Ｐｘが７０００Ｐａであったとすると、リーク判定部３１は圧力偏差Ｐｄを２０００Ｐａと算定することとなる。
続いて、リーク判定部３１は次の式（２）を継続して満たす時間が予め設定された閾値を超えた場合にはチャンバー６にリークが発生していると判定する。式（２）において、”ａ”はリーク検出のための判定係数であり、予め制御部３に設定されている。この判定係数ａが小さいほど、厳しい判定がなされることとなる。式（２）を継続して満たす時間はタイマー３２によって計時される。また、リーク判定のための閾値は、予め制御部３に設定されている（例えば、第２実施形態では５秒）。
Figure 2019046847
式（２）は、自動調整バルブ圧力計９１の測定値Ｐｘと圧力自動調整バルブ９４への設定値Ｐｃとの圧力偏差Ｐｄが一定以上であることを意味している。すなわち、リーク判定部３１は、自動調整バルブ圧力計９１の測定値Ｐｘと圧力自動調整バルブ９４への設定値Ｐｃとの圧力偏差Ｐｄが一定以上となる時間が予め設定された閾値を超えた場合にはチャンバー６にリークが発生していると判定するのである。
例えば、判定係数ａが０．２に設定されていたとすると、圧力自動調整バルブ９４に対する設定値Ｐｃが５０００Ｐａであるため、リーク判定部３１は圧力偏差Ｐｄが継続して１０００Ｐａ以上となる時間が予め設定された閾値（例えば５秒）を超えた場合にはチャンバー６にリークが発生していると判定する。例えば、自動調整バルブ圧力計９１によって得られた測定値Ｐｘが５秒を超えて７０００Ｐａを継続して示した場合には、チャンバー６にリークが発生していると判定されるのである。
第２実施形態においては、チャンバー６内が処理圧力にまで減圧された後、自動調整バルブ圧力計９１の測定値と圧力自動調整バルブ９４への設定値との差分が一定以上となる時間が予め設定された閾値を超えた場合にはチャンバー６にリークが発生していると判定している。すなわち、半導体ウェハーＷの減圧処理中の圧力偏差を監視してチャンバー６のリークを検出しており、新たなハードウェア構成を搭載することなく、簡易な構成にてチャンバー６のリークの有無を検出することができる。
＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態について説明する。第３実施形態の熱処理装置１の構成は第１実施形態と全く同じである。また、第３実施形態の熱処理装置１における半導体ウェハーＷの処理手順も第１実施形態と概ね同様である。第３実施形態が第１実施形態と相違するのは、チャンバー６におけるリークの有無の検出手法である。
第３実施形態においては、チャンバー６内の大気圧までの復圧時間を監視してリークの有無を検出している。具体的には、リーク判定部３１は、所定圧力に減圧されているチャンバー６に不活性ガスの供給を開始してからチャンバー６内の圧力が大気圧Ｐｓとなるまでに要する時間が予め設定された閾値未満である場合にはチャンバー６にリークが発生していると判定する。減圧状態のチャンバー６に不活性ガスの供給を開始してからチャンバー６内の圧力が大気圧Ｐｓとなるまでに要する時間はタイマー３２によって計時される。リーク判定のための閾値は、予め制御部３に設定されている（例えば、第３実施形態では３秒）。また、チャンバー６内の圧力は真空圧力計９２によって測定される。
例えば、図８に示す例では、気圧Ｐ２にまで減圧されているチャンバー６に対して時刻ｔ８にガス供給部１８０が一定流量（例えば９５リットル／分）にて不活性ガスとしての窒素ガスの供給を開始し、リークが無ければ約１３．５秒後にチャンバー６内の圧力が大気圧Ｐｓに復圧する。しかし、チャンバー６にリークが発生している場合には、極めて急速にチャンバー６内が大気圧Ｐｓに戻ることとなる。リーク判定部３１は、チャンバー６に対して不活性ガスの供給を開始する時刻ｔ８からチャンバー６内の圧力が大気圧Ｐｓとなるまでに要する時間が予め設定された閾値（例えば３秒）未満である場合にはチャンバー６にリークが発生していると判定する。
第３実施形態においては、所定圧力に減圧されているチャンバー６に不活性ガスの供給を開始してからチャンバー６内の圧力が大気圧Ｐｓとなるまでに要する時間が予め設定された閾値未満である場合にはチャンバー６にリークが発生していると判定している。すなわち、チャンバー６内の大気圧までの復圧時間を監視してチャンバー６のリークを検出しており、新たなハードウェア構成を搭載することなく、簡易な構成にてチャンバー６のリークの有無を検出することができる。
＜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リーク判定のために設定されている各閾値は装置の構成や仕様に応じた適宜の値とすることができる。
また、上記各実施形態においては、チャンバー６内にアンモニア雰囲気を形成していたが、チャンバー６内にアンモニア等の反応性ガスの雰囲気を形成しない場合（例えば、チャンバー６内が窒素雰囲気とされている場合）であっても、本発明に係る技術を適用することは可能である。もっとも、漏出すると有害な反応性ガスの雰囲気をチャンバー６内に形成する場合の方が本発明に係る技術を好適に適用することができる。
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、熱処理装置１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、フラッシュランプアニール装置のみならず、チャンバー内を減圧する装置であれば、ハロゲンランプを使用した枚葉式のランプアニール装置やレーザアニール装置などの他の光源を用いた熱処理装置に適用することも可能である。また、本発明に係る技術は、チャンバー内を減圧する装置であれば、ホットプレートを用いて熱処理を行う装置等光照射以外の熱源を用いた熱処理装置に適用することも可能である。さらに、本発明に係る技術は、熱処理装置に限らず、チャンバー内を減圧して半導体ウェハーＷの処理を行う装置に広く適用することが可能である。
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
３１ リーク判定部
３２ タイマー
６５ 熱処理空間
７４ サセプタ
７５ 保持プレート
７７ 基板支持ピン
８４ 供給バルブ
８５ 処理ガス供給源
８８ ガス排気管
９１ 自動調整バルブ圧力計
９２ 真空圧力計
９３ 排気バルブ
９４ 圧力自動調整バルブ
９５ 真空ポンプ
１８０ ガス供給部
１９０ 排気部
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、
    石英窓を有し、前記基板を収容するチャンバーと、
    前記チャンバー内に収容された前記基板に前記石英窓を介して光を照射する光照射部と、
    前記チャンバー内の雰囲気を排気する排気部と、
    前記チャンバーに所定の処理ガスを供給するガス供給部と、
    前記チャンバー内の圧力を測定する圧力計と、
    前記排気部によって前記チャンバー内の減圧を開始してからの経過時間が予め設定された閾値を超えても前記圧力計の測定値が目標圧力に到達していない場合には前記チャンバーにリークが発生していると判定するリーク判定部と、
    を備えることを特徴とする熱処理装置。
  2. 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、
    石英窓を有し、前記基板を収容するチャンバーと、
    前記チャンバー内に収容された前記基板に前記石英窓を介して光を照射する光照射部と、
    前記チャンバー内の雰囲気を排気する排気部と、
    前記チャンバーに所定の処理ガスを供給するガス供給部と、
    前記チャンバー内の圧力を測定する圧力計と、
    前記圧力計の測定値に基づいて前記チャンバー内の圧力を設定値に調整する圧力調整バルブと、
    前記チャンバー内が処理圧力にまで減圧された後、前記圧力計の測定値と前記設定値との差分が一定以上となる時間が予め設定された閾値を超えた場合には前記チャンバーにリークが発生していると判定するリーク判定部と、
    を備えることを特徴とする熱処理装置。
  3. 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、
    石英窓を有し、前記基板を収容するチャンバーと、
    前記チャンバー内に収容された前記基板に前記石英窓を介して光を照射する光照射部と、
    前記チャンバー内の雰囲気を排気する排気部と、
    前記チャンバーに所定の処理ガスを供給するガス供給部と、
    前記チャンバー内の圧力を測定する圧力計と、
    所定圧力に減圧されている前記チャンバーに前記ガス供給部から不活性ガスの供給を開始してから前記圧力計の測定値が大気圧となるまでに要する時間が予め設定された閾値未満である場合には前記チャンバーにリークが発生していると判定するリーク判定部と、
    を備え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、
    前記光照射部は、前記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。
  5. 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、
    石英窓を有するチャンバー内に前記基板を収容する収容工程と、
    前記チャンバー内を大気圧未満にまで減圧する減圧工程と、
    前記チャンバー内に収容された前記基板に光照射部から前記石英窓を介して光を照射する光照射工程と、
    を備え、
    前記チャンバー内の減圧を開始してからの経過時間が予め設定された閾値を超えても前記チャンバー内の圧力が目標圧力に到達していない場合には前記チャンバーにリークが発生していると判定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方法であって、
    石英窓を有するチャンバー内に前記基板を収容する収容工程と、
    前記チャンバー内を大気圧未満にまで減圧する減圧工程と、
    前記チャンバー内の圧力を圧力計によって測定した測定値に基づいて前記チャンバー内の圧力を圧力調整バルブによって設定値に調整する圧力調整工程と、
    前記チャンバー内に収容された前記基板に光照射部から前記石英窓を介して光を照射する光照射工程と、
    を備え、
    前記チャンバー内が処理圧力にまで減圧された後、前記圧力計の測定値と前記設定値との差分が一定以上となる時間が予め設定された閾値を超えた場合には前記チャンバーにリークが発生していると判定することを特徴とする熱処理方法。
  7. 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、
    石英窓を有するチャンバー内に前記基板を収容する収容工程と、
    前記チャンバー内を大気圧未満にまで減圧する減圧工程と、
    前記チャンバー内に収容された前記基板に光照射部から前記石英窓を介して光を照射する光照射工程と、
    を備え、
    所定圧力に減圧されている前記チャンバーに不活性ガスの供給を開始してから前記チャンバー内の圧力が大気圧となるまでに要する時間が予め設定された閾値未満である場合には前記チャンバーにリークが発生していると判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、前記基板にフラッシュランプから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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