JP2019168307A - 放射温度計の校正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】放射温度計の設置状態にかかわらず、放射温度計を正確に校正することができる放射温度計の校正方法を提供する。【解決手段】ハロゲンランプによって予備加熱したシリコンの半導体ウェハーにフラッシュランプからフラッシュ光を照射する。フラッシュ光照射によって急激に加熱される半導体ウェハーの上面の温度を測定して温度プロファイルを取得し、その温度プロファイルの微分係数の時間変化を求める。温度プロファイルの微分係数が最高値から減少して一旦負の数となった後に増加に転じて再び正の数となった場合には、フラッシュ加熱時に半導体ウェハーの上面が融解したと判定する。半導体ウェハーの上面が融解したと判定された場合には、そのときの放射温度計の出力をシリコンの融点とするように放射温度計を校正する。【選択図】図８

Description

本発明は、シリコン等の半導体基板の温度を測定する放射温度計の校正方法に関する。

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。

フラッシュ加熱に限らず熱処理では半導体ウェハーの温度を適切に管理することが重要であり、そのためには熱処理中の半導体ウェハーの温度を正確に測定する必要がある。典型的には、半導体ウェハーの熱処理では非接触の放射温度計によって温度測定が行われる。特許文献１には、処理対象となる半導体ウェハーの斜め上方に放射温度計を設けてフラッシュ加熱時における半導体ウェハーの表面温度を測定する技術が開示されている。温度測定の精度の観点からは、半導体ウェハーに対して垂直な方向に放射温度計を設けるのが最適なのであるが、特許文献１に開示の技術においては半導体ウェハーの斜め上方に傾斜して放射温度計を設けている。このようにしている理由は、半導体ウェハーの直上にはフラッシュランプが存在するため、半導体ウェハーに対して垂直な方向に放射温度計を設けることが困難なためである。

特開２０１７−９４５０号公報

しかしながら、半導体ウェハーに対して斜め方向に放射温度計を設置した場合、ウェハー上における放射温度計の視野が楕円状に広がるとともに、半導体ウェハーの見かけの放射率も変動することとなる。その結果、温度測定の誤差が生じやすくなる。このため、放射温度計の傾斜角度に応じて半導体ウェハーの放射率を補正して放射温度計に設定しているのであるが、温度測定の精度をより向上させるために、放射温度計を実際に使用する状態（実際にチャンバーに取り付けた状態）で校正することが強く望まれている。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、放射温度計の設置状態にかかわらず、放射温度計を正確に校正することができる放射温度計の校正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、半導体基板の温度を測定する放射温度計の校正方法において、半導体基板を加熱して昇温する加熱工程と、前記半導体基板が昇温して融点に到達したときに、前記半導体基板の温度を測定する放射温度計の出力を当該融点とするように前記放射温度計を校正する校正工程と、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の発明に係る放射温度計の校正方法において、前記加熱工程にて前記半導体基板を昇温しているときに前記放射温度計が前記半導体基板の温度を測定することによって取得された温度プロファイルの微分係数が一旦減少して負の数となった後に増加に転じて正の数となった場合に、前記半導体基板が融点に到達したと判定することを特徴とする。

また、請求項３の発明は、請求項１の発明に係る放射温度計の校正方法において、前記加熱工程にて前記半導体基板を昇温したときに前記半導体基板の反射率が低下した場合に、前記半導体基板が融点に到達したと判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放射温度計の校正方法において、前記半導体基板はシリコン基板であることを特徴とする。

また、請求項５の発明は、請求項１から請求項４のいずれかの発明に係る放射温度計の校正方法において、前記加熱工程では、連続点灯ランプおよびフラッシュランプからの光照射によって前記半導体基板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、半導体基板が昇温して融点に到達したときに、当該半導体基板の温度を測定する放射温度計の出力を当該融点とするため、絶対的に信頼できる物性値である融点を基準温度として校正することとなり、放射温度計の設置状態にかかわらず、放射温度計を正確に校正することができる。

本発明に係る放射温度計の校正方法によって校正対象となる放射温度計を搭載した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。 第１実施形態における上部放射温度計の校正方法の手順を示すフローチャートである。 半導体ウェハーの上面温度の温度プロファイルの一例を示す図である。 図９の温度プロファイルの微分係数の時間変化を示す図である。 半導体ウェハーの上面温度の温度プロファイルの他の例を示す図である。 図１１の温度プロファイルの微分係数の時間変化を示す図である。 第２実施形態における上部放射温度計の校正方法の手順を示すフローチャートである。 半導体ウェハーの上面の反射率の変化を示す図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明に係る放射温度計の校正方法によって校正対象となる放射温度計を搭載した熱処理装置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、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および貫通孔６１ｂが穿設されている。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の上面から放射された赤外光を上部放射温度計２５に導くための円筒状の孔である。一方、貫通孔６１ｂは、半導体ウェハーＷの下面から放射された赤外光を下部放射温度計２０に導くための円筒状の孔である。貫通孔６１ａおよび貫通孔６１ｂは、それら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、上部放射温度計２５が測定可能な波長領域の赤外光を透過させるフッ化カルシウム材料からなる透明窓２６が装着されている。上部放射温度計２５は、半導体ウェハーＷの上面から放射された赤外光を透明窓２６を介して受光し、その赤外光の強度から半導体ウェハーＷの上面の温度を測定する。また、貫通孔６１ｂの熱処理空間６５に臨む側の端部には、下部放射温度計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。下部放射温度計２０は、半導体ウェハーＷの下面から放射された赤外光を透明窓２１を介して受光し、その赤外光の強度から半導体ウェハーＷの下面の温度を測定する。

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。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、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。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。処理ガスとしては、例えば窒素（Ｎ_２）等の不活性ガス、または、水素（Ｈ_２）、アンモニア（ＮＨ_３）等の反応性ガス、或いはそれらを混合した混合ガスを用いることができる（本実施形態では窒素ガス）。

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。バルブ８４を閉止して熱処理空間６５に処理ガスを供給することなくバルブ８９を開放して熱処理空間６５からの排気のみを行うと、チャンバー６内の熱処理空間６５が大気圧未満にまで減圧されることとなる。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、処理ガス供給源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。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支持される。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、下部放射温度計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、下部放射温度計２０が開口部７８およびチャンバー側部６１の貫通孔６１ｂ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。

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を加熱する光照射部である。

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１に示すように熱処理装置１は、上部放射温度計２５および下部放射温度計２０を備える。上部放射温度計２５は、応答時間の極めて短いＩｎＳｂ（インジウムアンチモン）の光学素子を備えており、フラッシュランプＦＬからフラッシュ光が照射された瞬間の半導体ウェハーＷの上面の急激な温度変化を測定するための高速放射温度計である。上部放射温度計２５は、その光軸が貫通孔６１ａの貫通方向の軸と一致するように、チャンバー側部６１の外壁面に斜めに傾斜して装着されている。すなわち、上部放射温度計２５は、保持部７に保持された半導体ウェハーＷの斜め上方に設けられることとなる。上部放射温度計２５は、サセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの上面から放射された赤外光をフッ化カルシウムの透明窓２６を介して受光する。ＩｎＳｂの光学素子を備えた上部放射温度計２５の測定波長域は５μｍ〜６．５μｍである。フッ化カルシウムの透明窓２６は上部放射温度計２５の測定波長域の赤外光を選択的に透過する。

一方、下部放射温度計２０は、後述する予備加熱時に半導体ウェハーＷの温度を制御するための温度計である。下部放射温度計２０は応答時間の極めて短い高速放射温度計でなくても良い。下部放射温度計２０は、その光軸が貫通孔６１ｂの貫通方向の軸と一致するように、チャンバー側部６１の外壁面に斜めに傾斜して装着されている。すなわち、下部放射温度計２０は、保持部７に保持された半導体ウェハーＷの斜め下方に設けられることとなる。下部放射温度計２０は、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フッ化バリウムの透明窓２１を介して受光する。

さらに、熱処理装置１は、チャンバー６に反射率測定部９５を備える。反射率測定部９５は、反射率測定のためにフラッシュランプＦＬが弱い強度にて発光したときに、フラッシュランプＦＬから放射されて保持部７に保持された半導体ウェハーＷの上面で反射された反射光を受光し、その受光した光の強度から半導体ウェハーＷの上面の反射率を測定する。

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における処理動作について説明する。まず、処理対象となる半導体ウェハーＷに対する典型的な熱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。以下に説明する半導体ウェハーＷ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、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を介して処理対象となる半導体ウェハーＷがチャンバー６内の熱処理空間６５に搬入される。このときには、半導体ウェハーＷの搬入にともなって装置外部の雰囲気を巻き込むおそれがあるが、チャンバー６には窒素ガスが供給され続けているため、搬送開口部６６から窒素ガスが流出して、そのような外部雰囲気の巻き込みを最小限に抑制することができる。

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、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保持部７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が石英にて形成された保持部７のサセプタ７４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７４を透過して半導体ウェハーＷの下面に照射される。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の温度が下部放射温度計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を通して下部放射温度計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、下部放射温度計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、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℃）。

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、下部放射温度計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。

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、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。フラッシュ加熱時における半導体ウェハーＷの表面温度を上部放射温度計２５によって測定するようにしても良い。上部放射温度計２５は、応答時間の極めて短い高速放射温度計であるため、フラッシュ光照射時に急激に変化する半導体ウェハーＷの表面温度に追随することができる。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。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の温度は下部放射温度計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、下部放射温度計２０の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。

次に、熱処理装置１において上部放射温度計２５を校正する方法について説明する。上部放射温度計２５は、保持部７に保持された半導体ウェハーＷの斜め上方に設けられている。温度測定の精度を高める観点からは、半導体ウェハーＷの直上に上部放射温度計２５を設けるのが最適なのではあるが、半導体ウェハーＷの直上には複数のフラッシュランプＦＬが配列されているため、半導体ウェハーＷの斜め上方に上部放射温度計２５を設置しているのである。ところが、既述したように、上部放射温度計２５を半導体ウェハーＷの斜め上方に設けると、温度測定の誤差が生じやすくなる。そこで、第１実施形態では、以下のようにして半導体ウェハーＷの斜め上方に設置された上部放射温度計２５を校正している。

図８は、第１実施形態における上部放射温度計２５の校正方法の手順を示すフローチャートである。上部放射温度計２５の校正にはシリコン（Ｓｉ）の半導体ウェハーＷを用いる。校正に用いる半導体ウェハーＷとしては、パターン形成や成膜のなされていない、単結晶のシリコンインゴットから切り出したままのシリコン基板（いわゆるベアウェハー）が好ましい。そのような超高純度シリコンの半導体ウェハーＷを熱処理装置１のチャンバー６内に搬入する。このときの搬入動作は、上述した処理対象となる半導体ウェハーＷの搬入と同じである。

シリコンの半導体ウェハーＷがチャンバー６内に搬入された後、ハロゲンランプＨＬによる予備加熱を行う（ステップＳ１１）。この予備加熱も、上述した処理対象となる半導体ウェハーＷに対する予備加熱とほぼ同じであり、４０本のハロゲンランプＨＬから出射された光がサセプタ７４に保持されたシリコンの半導体ウェハーＷの下面に照射され、当該半導体ウェハーＷが昇温する。但し、上部放射温度計２５の校正時には、ハロゲンランプＨＬの予備加熱によって半導体ウェハーＷを約９００℃の比較的高温に昇温して暫時維持する。

次に、フラッシュランプＦＬからフラッシュ光を照射し、９００℃に予備加熱された半導体ウェハーＷに対するフラッシュ加熱を行う（ステップＳ１２）。フラッシュ加熱を行うときには、半導体ウェハーＷの上面温度を上部放射温度計２５によって測定する。応答時間の極めて短い上部放射温度計２５は、顕著に短いサンプリング間隔（例えば、約４０マイクロセカンド）で半導体ウェハーＷの上面温度を測定する。このため、フラッシュ光照射時に半導体ウェハーＷの上面温度が急激に変化しても、その変化を上部放射温度計２５は的確に捉えることができる。

上部放射温度計２５が一定のサンプリング間隔で測定した半導体ウェハーＷの上面温度を例えば制御部３の記憶部に順次に蓄積することによって、半導体ウェハーＷの上面温度の時間変化を示す温度プロファイルが取得される（ステップＳ１３）。図９は、半導体ウェハーＷの上面温度の温度プロファイルの一例を示す図である。図９に示す例では、フラッシュ光照射時に半導体ウェハーＷの上面が到達する最高温度がシリコンの融点（１４１４℃）Ｔｍには到達していない。従って、フラッシュ加熱時に半導体ウェハーＷが融解することはない。フラッシュ加熱時に半導体ウェハーＷが融解しない場合、上面温度の温度プロファイルは図９に示すように、予備加熱温度から単純に増加して最高温度に到達した後、単純に減少するという比較的単調なものとなる。

次に、取得された温度プロファイルの微分係数を制御部３が算定する（ステップＳ１４）。図１０は、図９の温度プロファイルの微分係数の時間変化を示す図である。予備加熱段階で半導体ウェハーＷが一定の予備加熱温度に維持されている間は微分係数は０である。その後、フラッシュ光照射によって半導体ウェハーＷの上面温度が急激に上昇して微分係数も０から上昇し、上面温度が温度プロファイルの温度上昇時における変曲点に到達した時点で微分係数が最高値に到達する。その後、温度プロファイルの微分係数は減少に転じ、半導体ウェハーＷの上面温度が最高温度に到達した時点で微分係数は０に戻る。続いて、半導体ウェハーＷの上面温度が最高温度から降温するときには微分係数が０からさらに減少して負の数となる。フラッシュ加熱時に半導体ウェハーＷが融解せず、温度プロファイルが図９に示すような比較的単調な場合は、一旦負の数となった微分係数が再び正の数まで増加することはない。

制御部３は、温度プロファイルの微分係数から半導体ウェハーＷの融解判定を行う（ステップＳ１５）。具体的には、制御部３は、温度プロファイルの微分係数が最高値から減少して一旦負の数となった後に再び正の数にまで増加するか否かによって半導体ウェハーＷの融解の有無を判定している。図１０に示すように、温度プロファイルの微分係数が最高値から減少して一旦負の数となった後に再び正の数にまで増加しない場合には、制御部３はフラッシュ加熱時に半導体ウェハーＷが融解していないと判定する。

半導体ウェハーＷが融解していないと判定された場合には、ステップＳ１６からステップＳ１７に進み、フラッシュランプＦＬに電力供給するためのコンデンサーの充電電圧を上昇させる。そして、当該コンデンサーへの充電が完了した後、再びステップＳ１２に戻って半導体ウェハーＷに対するフラッシュ加熱を行う。このときには、前回のフラッシュ光照射時よりも高い放電電圧にてフラッシュランプＦＬが発光する。ステップＳ１７における充電電圧の上昇分は適宜の値とすることができる（例えば、１００Ｖ）。なお、コンデンサーを再充電して再びフラッシュ光照射を行えるようになるまでに約１分を要する。また、フラッシュ加熱の前後もハロゲンランプＨＬからの光照射は継続されており、コンデンサーを再充電している間に、半導体ウェハーＷの上面温度は予備加熱温度にまで降温して戻っている。

ステップＳ１２からステップＳ１７までのループを繰り返し、コンデンサーの充電電圧（つまり、フラッシュランプＦＬの放電電圧）を段階的に上昇させていくと、やがてフラッシュ光照射時に半導体ウェハーＷの上面が到達する最高温度がシリコンの融点Ｔｍに到達する。図１１は、半導体ウェハーＷの上面温度の温度プロファイルの他の例を示す図である。図１１に示す例では、フラッシュ光照射時に半導体ウェハーＷの上面が到達する最高温度がシリコンの融点Ｔｍに到達している。半導体ウェハーＷの上面温度がシリコンの融点Ｔｍに到達すると、その半導体ウェハーＷの上面が融解する。なお、極めて照射時間の短いフラッシュ光照射の場合、シリコンの融点Ｔｍに到達するのは半導体ウェハーＷの上面近傍に限られており、半導体ウェハーＷの全体が融解するようなことはない。

フラッシュ加熱時に半導体ウェハーＷの上面が融解すると、上面温度の温度プロファイルは図１１に示すように波形が崩れて単調なものではなくなる。図１２は、図１１の温度プロファイルの微分係数の時間変化を示す図である。図１０と同じく、予備加熱段階で半導体ウェハーＷが一定の予備加熱温度に維持されている間は微分係数は０である。その後、フラッシュ光照射によって半導体ウェハーＷの上面温度が急激に上昇して微分係数も０から上昇し、上面温度が温度プロファイルの温度上昇時における変曲点に到達した時点で微分係数が最高値に到達する。その後、温度プロファイルの微分係数は減少に転じ、半導体ウェハーＷの上面温度が最初のピーク温度に到達した時点で微分係数は０に戻る。続いて、半導体ウェハーＷの上面温度が最初のピーク温度から降温するときには微分係数が０からさらに減少して負の数となる。そして、図１１に示すような温度プロファイルの場合、一旦負の数となった微分係数が増加に転じ、半導体ウェハーＷの上面温度が再上昇したときには微分係数が正の数をとるようになる。その後、温度プロファイルの微分係数は再び減少に転じ、半導体ウェハーＷの上面温度が二回目のピーク温度に到達した時点で微分係数は０に戻る。続いて、半導体ウェハーＷの上面温度が二回目のピーク温度から降温するときには微分係数が０からさらに減少して負の数となる。

図１２に示すように、フラッシュ加熱時に半導体ウェハーＷの上面が融解した場合には、温度プロファイルの微分係数が最高値から減少して一旦負の数となった後に増加に転じて再び正の数をとることとなる。制御部３は、温度プロファイルの微分係数がこのような挙動を示した場合には、フラッシュ加熱時に半導体ウェハーＷの上面が融解したと判定する。

半導体ウェハーＷの上面が融解したと判定された場合には、ステップＳ１６からステップＳ１８に進み、シリコンの融点Ｔｍでもって上部放射温度計２５の校正を行う。具体的には、半導体ウェハーＷの上面が融解したと判定されたときの上部放射温度計２５の出力をシリコンの融点Ｔｍとするように上部放射温度計２５を校正する。半導体ウェハーＷを構成するシリコンの純度は極めて高く、半導体ウェハーＷの融点は純シリコンの融点（１４１４℃）Ｔｍとみなせる。絶対的に信頼できる物性値であるシリコンの融点Ｔｍを基準温度として上部放射温度計２５の校正を行うことにより、半導体ウェハーＷの斜め上方に設置された上部放射温度計２５を正確に校正することができる。

第１実施形態においては、半導体ウェハーＷの上面が昇温してシリコンの融点Ｔｍに到達したときの上部放射温度計２５の出力をシリコンの融点Ｔｍとするように上部放射温度計２５を校正している。絶対的に信頼できるシリコンの融点Ｔｍを基準温度として上部放射温度計２５の校正を行っているため、上部放射温度計２５の設置状態にかかわらず、上部放射温度計２５を正確に校正することができる。その結果、上部放射温度計２５によってより正確な温度測定を行うことができる。

また、第１実施形態においては、半導体ウェハーＷの上面の温度プロファイルの微分係数が最高値から減少して一旦負の数となった後に増加に転じて再び正の数となった場合に、フラッシュ加熱時に半導体ウェハーＷの上面が融解したと判定している。これにより、半導体ウェハーＷの上面がシリコンの融点Ｔｍに到達したことを正確に検知することができる。なお、第１実施形態では、校正の対象となる上部放射温度計２５でもって融解判定のための温度測定を行っていることになるが、半導体ウェハーＷの正確な温度が測定できてなくても、微分係数の増減を認識するための半導体ウェハーＷの昇降温が測定できれば足りるため、校正前の上部放射温度計２５であっても十分である。

＜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、半導体ウェハーＷの融解判定方法である。

図１３は、第２実施形態における上部放射温度計２５の校正方法の手順を示すフローチャートである。第１実施形態と同様に、上部放射温度計２５の校正にはシリコンの半導体ウェハー（ベアウェハー）Ｗを用いる。そのようなシリコンの半導体ウェハーＷを熱処理装置１のチャンバー６内に搬入する。

第１実施形態と同じく、シリコンの半導体ウェハーＷがチャンバー６内に搬入された後、ハロゲンランプＨＬによる予備加熱を行う（ステップＳ２１）。次に、フラッシュランプＦＬからフラッシュ光を照射し、９００℃に予備加熱された半導体ウェハーＷに対するフラッシュ加熱を行う（ステップＳ２２）。そして、第２実施形態においては、フラッシュ加熱後に半導体ウェハーＷの上面の反射率を反射率測定部９５によって測定する（ステップＳ２３）。

図１４は、半導体ウェハーＷの上面の反射率の変化を示す図である。フラッシュ光照射前のシリコンの半導体ウェハーＷの上面はほぼ鏡面であり、その反射率は比較的高い。図１４には、フラッシュ光照射前の半導体ウェハーＷの上面の反射率に対する相対反射率を示している。フラッシュ加熱時に半導体ウェハーＷの上面が到達する最高温度がシリコンの融点Ｔｍに到達せず、当該上面が融解しなかった場合には、半導体ウェハーＷの上面の状態もほとんど変化しない。このため、半導体ウェハーＷの上面の反射率も低下せず、その相対反射率は１００％を維持する。一方、フラッシュ加熱時に半導体ウェハーＷの上面がシリコンの融点Ｔｍに到達して融解した場合には、フラッシュ加熱後に融解部分が凝固して半導体ウェハーＷの上面が白濁する。その結果、半導体ウェハーＷの上面の反射率が大きく低下することとなる。

第２実施形態においては、制御部３は、半導体ウェハーＷの上面の反射率に基づいて半導体ウェハーＷの融解判定を行う（ステップＳ２４）。具体的には、制御部３は、フラッシュ加熱後の半導体ウェハーＷの上面の反射率が所定の閾値以下となっているか否かによって半導体ウェハーＷの融解の有無を判定している。フラッシュ加熱後の半導体ウェハーＷの上面の反射率が低下することなく所定の閾値より大きい場合には、制御部３はフラッシュ加熱時に半導体ウェハーＷが融解していないと判定する。この場合、ステップＳ２５からステップＳ２６に進み、フラッシュランプＦＬに電力供給するためのコンデンサーの充電電圧を上昇させる。そして、当該コンデンサーへの充電が完了した後、再びステップＳ２２に戻って半導体ウェハーＷに対するフラッシュ加熱を行う。

ステップＳ２２からステップＳ２６までのループを繰り返し、コンデンサーの充電電圧を段階的に上昇させていくと、やがてフラッシュ光照射時に半導体ウェハーＷの上面が到達する最高温度がシリコンの融点Ｔｍに到達して当該上面が融解する。その結果、半導体ウェハーＷの上面が白濁して反射率が低下する。制御部３は、フラッシュ加熱後の半導体ウェハーＷの上面の反射率が低下して所定の閾値以下となっている場合には、フラッシュ加熱時に半導体ウェハーＷの上面が融解したと判定する。

半導体ウェハーＷの上面が融解したと判定された場合には、ステップＳ２５からステップＳ２７に進み、シリコンの融点Ｔｍでもって上部放射温度計２５の校正を行う。具体的には、半導体ウェハーＷの上面が融解したと判定されたときの上部放射温度計２５の出力をシリコンの融点Ｔｍとするように上部放射温度計２５を校正する。

第２実施形態においても、半導体ウェハーＷの上面が昇温してシリコンの融点Ｔｍに到達したときの上部放射温度計２５の出力をシリコンの融点Ｔｍとするように上部放射温度計２５を校正している。絶対的に信頼できるシリコンの融点Ｔｍを基準温度として上部放射温度計２５の校正を行っているため、上部放射温度計２５の設置状態にかかわらず、上部放射温度計２５を正確に校正することができる。

また、第２実施形態においては、フラッシュ加熱後の半導体ウェハーＷの上面の反射率が所定の閾値以下となっている場合に、フラッシュ加熱時に半導体ウェハーＷの上面が融解したと判定している。これにより、半導体ウェハーＷの上面がシリコンの融点Ｔｍに到達したことを正確に検知することができる。

＜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、上記実施形態においては、シリコンの半導体ウェハーＷを用いて上部放射温度計２５の校正を行っていたが、これに限定されるものではなく、他の素材の半導体ウェハーＷを用いて上部放射温度計２５の校正を行うようにしても良い。例えば、ゲルマニウム（Ｇｅ）の半導体ウェハーＷを用いて上部放射温度計２５の校正を行うようにしても良い。上部放射温度計２５の校正方法は第１実施形態または第２実施形態と同様である。ゲルマニウムの半導体ウェハーＷを用いた場合、ゲルマニウムの融点（９３８℃）でもって上部放射温度計２５の校正を行うこととなる。すなわち、ゲルマニウムの半導体ウェハーＷの上面が融解したと判定されたときの上部放射温度計２５の出力をゲルマニウムの融点とするように上部放射温度計２５を校正する。このようにしても、絶対的に信頼できるゲルマニウムの融点を基準温度として上部放射温度計２５の校正を行っているため、上部放射温度計２５の設置状態にかかわらず、上部放射温度計２５を正確に校正することができる。ゲルマニウムの半導体ウェハーＷは、シリコンの基材上にゲルマニウムの層を堆積させたものであっても良い。

また、例えば、シリコンにゲルマニウムを添加したシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）の半導体ウェハーＷを用いて上部放射温度計２５の校正を行うようにしても良い。この場合、ゲルマニウムの混合比率に応じたシリコンゲルマニウムの融点を基準温度として上部放射温度計２５の校正を行うこととなる。異なる複数の融点を基準温度として上部放射温度計２５の校正を行うようにすれば、校正の信頼性をより高めることが可能となる。

要するに、融点が明確に判明している半導体ウェハーＷを用いて上部放射温度計２５の校正を行うようにすれば、上記実施形態と同様に、上部放射温度計２５の設置状態にかかわらず、上部放射温度計２５を正確に校正することができるのである。

また、上記実施形態においては、上部放射温度計２５の校正を行っていたが、これに代えて下部放射温度計２０の校正を行うようにしても良い。下部放射温度計２０も半導体ウェハーＷの直下ではなく斜め下方に設けられているため、温度測定の誤差が生じやすい。このため、第１実施形態または第２実施形態と同様にして下部放射温度計２０を校正することにより、下部放射温度計２０の設置状態にかかわらず、下部放射温度計２０を正確に校正することができる。

また、上記実施形態においては、半導体ウェハーＷの上面が融解していなかったときに、フラッシュランプＦＬの放電電圧（つまり、フラッシュ光の照射エネルギー）を上昇させるようにしていたが、これに代えて、フラッシュ光の照射エネルギーを一定としつつ、ハロゲンランプＨＬによる予備加熱温度を上昇させることによって、半導体ウェハーＷの上面到達温度を昇温させるようにしても良い。

また、第２実施形態においては、熱処理装置１のチャンバー６に反射率測定部９５を設けていたが、これに代えて、チャンバー６とは異なる別途の処理部に反射率測定部を設け、それによってフラッシュ加熱後の半導体ウェハーＷの上面の反射率を測定するようにしても良い。例えば、チャンバー６に半導体ウェハーＷを搬入する前に当該半導体ウェハーＷの向きを調整するアライメントチャンバーに反射率測定機構を設け、フラッシュ加熱後の半導体ウェハーＷをそのアライメントチャンバーに搬送して上面の反射率を測定するようにしても良い。もっとも、第２実施形態のように、チャンバー６に反射率測定部９５を設け、チャンバー６内にてフラッシュ加熱後の半導体ウェハーＷの上面の反射率を測定するようにした方が放射温度計の校正に要する時間を短くすることができる。

また、チャンバー６に反射率測定用の専用光源を設け、その光源から出射されて半導体ウェハーＷの上面で反射された反射光の強度を測定することによって半導体ウェハーＷの上面の反射率を測定するようにしても良い。

また、第１および第２実施形態において、フラッシュ光照射後に半導体ウェハーＷが融解していなかった場合には、その都度新しい半導体ウェハーＷをチャンバー６内に搬入して加熱処理を行うようにしても良い。

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、１秒以上連続して発光する連続点灯ランプとしてフィラメント方式のハロゲンランプＨＬを用いて半導体ウェハーＷの予備加熱を行っていたが、これに限定されるものではなく、ハロゲンランプＨＬに代えて放電型のアークランプ（例えば、キセノンアークランプ）を連続点灯ランプとして用いて予備加熱を行うようにしても良い。この場合、放射温度計の校正時にもアークランプを点灯して半導体ウェハーＷを予備加熱する。

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、熱処理装置１による加熱処理は、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
２０ 下部放射温度計
２５ 上部放射温度計
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
７５ 保持プレート
７７ 基板支持ピン
９５ 反射率測定部
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 (5)

1. 半導体基板の温度を測定する放射温度計の校正方法であって、
   半導体基板を加熱して昇温する加熱工程と、
   前記半導体基板が昇温して融点に到達したときに、前記半導体基板の温度を測定する放射温度計の出力を当該融点とするように前記放射温度計を校正する校正工程と、
   を備えることを特徴とする放射温度計の校正方法。
2. 請求項１記載の放射温度計の校正方法において、
   前記加熱工程にて前記半導体基板を昇温しているときに前記放射温度計が前記半導体基板の温度を測定することによって取得された温度プロファイルの微分係数が一旦減少して負の数となった後に増加に転じて正の数となった場合に、前記半導体基板が融点に到達したと判定することを特徴とする放射温度計の校正方法。
3. 請求項１記載の放射温度計の校正方法において、
   前記加熱工程にて前記半導体基板を昇温したときに前記半導体基板の反射率が低下した場合に、前記半導体基板が融点に到達したと判定することを特徴とする放射温度計の校正方法。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の放射温度計の校正方法において、
   前記半導体基板はシリコン基板であることを特徴とする放射温度計の校正方法。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の放射温度計の校正方法において、
   前記加熱工程では、連続点灯ランプおよびフラッシュランプからの光照射によって前記半導体基板を加熱することを特徴とする放射温度計の校正方法。

Images