JP2020155463A - 熱処理方法および熱処理装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】基板の表面温度を正確に目標温度に昇温させ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】半導体ウェハーには予備加熱温度Ｔ１にて予備加熱された後、フラッシュランプからフラッシュ光が照射される。フラッシュ光照射によって昇温する半導体ウェハーの表面温度を上部放射温度計によって測定する。上部放射温度計によって測定される半導体ウェハーの表面温度が目標温度Ｔ２に到達したときに、フラッシュランプへの電流の供給を停止して半導体ウェハーの表面温度を降温させる。半導体ウェハーの表面の実測温度が目標温度Ｔ２に到達したときにフラッシュランプへの電流の供給を停止しているため、半導体ウェハーの表面状態や反射率にかかわらず、半導体ウェハーの表面温度を正確に目標温度Ｔ２に昇温させることができる。【選択図】図１１

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には、フラッシュランプの発光回路に絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を接続し、フラッシュランプの発光を制御するものが開示されている。特許文献１に開示の装置においては、ＩＧＢＴのゲートに所定のパルス信号を入力することによってフラッシュランプに流れる電流の波形を規定してランプ発光を制御し、半導体ウェハーの表面温度プロファイルを自在に調整することができる。
特開２００９−０７０９４８号公報
特許文献１に開示される装置において、複数の半導体ウェハーに対してフラッシュ加熱を行うときに、ＩＧＢＴのゲートに同じパターンのパルス信号を入力すれば、各半導体ウェハーの表面加熱温度は同じになるはずである。ところが、実際には、半導体ウェハーの表面状態の相違により、同じパターンのパルス信号をＩＧＢＴのゲートに入力しても半導体ウェハーの表面到達温度（ピーク温度）にはばらつきが生じていた。フラッシュ加熱時における半導体ウェハーの表面到達温度はデバイス性能に直接寄与するため、当該表面到達温度にばらつきがあると均一なデバイス性能が得られなくなるという問題が生じる。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、基板の表面温度を正確に目標温度に昇温させ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、フラッシュランプから基板の表面にフラッシュ光を照射して当該表面を昇温するフラッシュ光照射工程と、昇温する前記基板の前記表面の温度を放射温度計によって測定する温度測定工程と、前記放射温度計によって測定される前記表面の温度が目標温度に到達したときに、前記フラッシュランプへの電流の供給を停止して前記表面の温度を降温させる発光停止工程と、を備えることを特徴とする。
また、請求項２の発明は、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、フラッシュランプから基板の表面にフラッシュ光を照射して当該表面を昇温するフラッシュ光照射工程と、昇温する前記基板の前記表面の温度を放射温度計によって測定する温度測定工程と、前記放射温度計による温度測定結果から前記表面の温度が目標温度に到達する到達予定時刻を予測する予測工程と、前記予測工程にて予測された前記到達予定時刻を含む所定期間内に前記フラッシュランプへの電流の供給を停止して前記表面の温度を降温させる発光停止工程と、を備えることを特徴とする。
また、請求項３の発明は、請求項２の発明に係る熱処理方法において、前記発光停止工程では、前記到達予定時刻に前記フラッシュランプへの電流の供給を停止することを特徴とする。
また、請求項４の発明は、請求項２または請求項３の発明に係る熱処理方法において、前記予測工程では、フラッシュ光照射が行われたときに取得済みの複数の昇温パターンに基づいて前記到達予定時刻を予測す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熱処理方法において、前記発光停止工程では、前記フラッシュランプに接続されたＩＧＢＴをオフ状態として前記フラッシュランプへの電流の供給を停止することを特徴とする。
また、請求項６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収容された前記基板の表面にフラッシュ光を照射して当該表面を昇温するフラッシュランプと、昇温する前記基板の前記表面の温度を測定する放射温度計と、前記放射温度計によって測定される前記表面の温度が目標温度に到達したときに、前記フラッシュランプへの電流の供給を停止して前記表面の温度を降温させるスイッチング部と、を備えることを特徴とする。
また、請求項７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収容された前記基板の表面にフラッシュ光を照射して当該表面を昇温するフラッシュランプと、昇温する前記基板の前記表面の温度を測定する放射温度計と、前記放射温度計による温度測定結果から前記表面の温度が目標温度に到達する到達予定時刻を予測する予測部と、前記予測部が予測した前記到達予定時刻を含む所定期間内に前記フラッシュランプへの電流の供給を停止して前記表面の温度を降温させるスイッチング部と、を備えることを特徴とする。
また、請求項８の発明は、請求項７の発明に係る熱処理装置において、前記スイッチング部は、前記到達予定時刻に前記フラッシュランプへの電流の供給を停止することを特徴とする。
また、請求項９の発明は、請求項７または請求項８の発明に係る熱処理装置において、フラッシュ光照射が行われたときに取得済みの複数の昇温パターンを格納する記憶部をさらに備え、前記予測部は、前記複数の昇温パターンに基づいて前記到達予定時刻を予測することを特徴とする。
また、請求項１０の発明は、請求項６から請求項９のいずれかの発明に係る熱処理装置において、前記スイッチング部は、前記フラッシュランプに接続されたＩＧＢＴを含むことを特徴とする。
請求項１の発明によれば、放射温度計によって測定される基板の表面の温度が目標温度に到達したときに、フラッシュランプへの電流の供給を停止して基板の表面の温度を降温させるため、基板の表面状態にかかわらず、基板の表面温度を正確に目標温度に昇温させることができる。
請求項２から請求項５の発明によれば、放射温度計による温度測定結果から基板の表面の温度が目標温度に到達する到達予定時刻を予測し、その到達予定時刻を含む所定期間内にフラッシュランプへの電流の供給を停止して基板の表面の温度を降温させるため、基板の表面状態にかかわらず、基板の表面温度を正確に目標温度に昇温させることができる。
請求項６の発明によれば、放射温度計によって測定される基板の表面の温度が目標温度に到達したときに、フラッシュランプへの電流の供給を停止して基板の表面の温度を降温させるため、基板の表面状態にかかわらず、基板の表面温度を正確に目標温度に昇温させることができる。
請求項７から請求項１０の発明によれば、放射温度計による温度測定結果から基板の表面の温度が目標温度に到達する到達予定時刻を予測し、その到達予定時刻を含む所定期間内にフラッシュランプへの電流の供給を停止して基板の表面の温度を降温させるため、基板の表面状態にかかわらず、基板の表面温度を正確に目標温度に昇温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。 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。 フラッシュランプの駆動回路を示す図である。 上部放射温度計の主要部を含む高速放射温度計ユニットの構成を示すブロック図である。 第１実施形態における熱処理装置の処理手順を示すフローチャートである。 上部放射温度計によって測定される半導体ウェハーの表面温度の変化を示す図である。 パルス信号の波形の一例を示す図である。 フラッシュランプに流れる電流の変化を示す図である。 第２実施形態における熱処理装置の処理手順を示すフローチャートである。 第２実施形態の半導体ウェハーの表面温度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の赤外線センサ２９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。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。
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（Ｎ２）等の不活性ガス、または、水素（Ｈ２）、アンモニア（ＮＨ３）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。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、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。
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。よって、３０本のフラッシュランプＦＬのそれぞれに流れる電流が対応するＩＧＢＴ９６によって個別にオンオフ制御されることとなる。
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、制御部３は、パルス発生器３１および波形設定部３２を備え（図８）、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。
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、フラッシュランプＦＬからフラッシュ光が照射されたときの半導体ウェハー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。
図９は、上部放射温度計２５の主要部を含む高速放射温度計ユニット１０１の構成を示すブロック図である。上部放射温度計２５の赤外線センサ２９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の外壁面に装着されている。赤外線センサ２９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。赤外線センサ２９は、ＩｎＳｂ（インジウムアンチモン）の光学素子を備えており、その測定波長域は５μｍ〜６．５μｍである。フッ化カルシウムの透明窓２６は赤外線センサ２９の測定波長域の赤外光を選択的に透過する。ＩｎＳｂ光学素子は、受光した赤外光の強度に応じて抵抗が変化する。ＩｎＳｂ光学素子を備えた赤外線センサ２９は、応答時間が極めて短くサンプリング間隔が顕著に短時間（最短で約２０マイクロ秒）の高速測定が可能である。赤外線センサ２９は高速放射温度計ユニット１０１と電気的に接続されており、受光に応答して生じた信号を高速放射温度計ユニット１０１に伝達する。
高速放射温度計ユニット１０１は、信号変換回路１０２、増幅回路１０３、Ａ／Ｄコンバータ１０４および温度変換部１０５を備える。信号変換回路１０２は、赤外線センサ２９のＩｎＳｂ光学素子にて発生した抵抗変化を電流変化、電圧変化の順に信号変換を行い、最終的に取り扱いの容易な電圧の信号に変換して出力する回路である。信号変換回路１０２は、例えばオペアンプを用いて構成される。増幅回路１０３は、信号変換回路１０２から出力された電圧信号を増幅してＡ／Ｄコンバータ１０４に出力する。Ａ／Ｄコンバータ１０４は、増幅回路１０３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。
温度変換部１０５は、Ａ／Ｄコンバータ１０４から出力された信号、つまり赤外線センサ２９が受光した赤外光の強度を示す信号に所定の演算処理を行って温度に変換する。温度変換部１０５によって求められた温度が半導体ウェハーＷの上面の温度である。なお、赤外線センサ２９、信号変換回路１０２、増幅回路１０３、Ａ／Ｄコンバータ１０４、および、温度変換部１０５によって上部放射温度計２５が構成される。下部放射温度計２０も、上部放射温度計２５と概ね同様の構成を備えるが、高速測定に対応していなくても良い。
図９に示すように、高速放射温度計ユニット１０１は熱処理装置１全体のコントローラである制御部３と電気的に接続されている。制御部３は、パルス発生器３１および波形設定部３２（図９では図示省略）に加えて、予測部３５を備える。予測部３５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。予測部３５の処理内容についてはさらに後述する。
また、制御部３には表示部３４および入力部３３が接続されている。制御部３は、表示部３４に種々の情報を表示する。熱処理装置１のオペレータは、表示部３４に表示された情報を確認しつつ、入力部３３から種々のコマンドやパラメータを入力することができる。表示部３４および入力部３３としては、例えば、熱処理装置１の外壁に設けられた液晶のタッチパネルを採用するようにしても良い。さらに、制御部３にはＩＧＢＴ９６が接続され、制御部３からＩＧＢＴ９６のゲートにパルス信号を印加することによって、ＩＧＢＴ９６をオンオフする。なお、図９に示す記憶部３６は、制御部３の磁気ディクスやメモリ等の記憶媒体である。
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。図１０は、第１実施形態における熱処理装置１の処理手順を示すフローチャートである。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、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（ステップＳ１１）。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（ステップＳ１２）。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。このように、下部放射温度計２０は、予備加熱時における半導体ウェハーＷの温度制御のための放射温度計である。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。
このようなハロゲンランプＨＬによる予備加熱を行うことによって、半導体ウェハーＷの全体を予備加熱温度Ｔ１に均一に昇温している。ハロゲンランプＨＬによる予備加熱の段階においては、より放熱が生じやすい半導体ウェハーＷの周縁部の温度が中央部よりも低下する傾向にあるが、ハロゲン加熱部４におけるハロゲンランプＨＬの配設密度は、半導体ウェハーＷの中央部に対向する領域よりも周縁部に対向する領域の方が高くなっている。このため、放熱が生じやすい半導体ウェハーＷの周縁部に照射される光量が多くなり、予備加熱段階における半導体ウェハーＷの面内温度分布を均一なものとすることができる。
また、半導体ウェハーＷの予備加熱が行われているときから、上部放射温度計２５による半導体ウェハーＷの表面温度の測定が行われる。加熱される半導体ウェハーＷの表面からはその温度に応じた強度の赤外光が放射されている。半導体ウェハーＷの表面から放射された赤外光は透明窓２６を透過して上部放射温度計２５の赤外線センサ２９によって受光される。
赤外線センサ２９のＩｎＳｂ光学素子には、受光した赤外光の強度に応じた抵抗変化が発生する。赤外線センサ２９のＩｎＳｂ光学素子に生じた抵抗変化は信号変換回路１０２によって電圧信号に変換される。信号変換回路１０２から出力された電圧信号は、増幅回路１０３によって増幅された後、Ａ／Ｄコンバータ１０４によってコンピュータが取り扱うのに適したデジタル信号に変換される。そして、Ａ／Ｄコンバータ１０４から出力された信号に温度変換部１０５が所定の演算処理を施して温度データに変換する。すなわち、上部放射温度計２５は、加熱される半導体ウェハーＷの表面から放射された赤外光を受光し、その赤外光の強度から半導体ウェハーＷの表面温度を測定するのである。上部放射温度計２５によって測定された半導体ウェハーＷの表面温度は制御部３に伝達される。
図１１は、上部放射温度計２５によって測定される半導体ウェハーＷの表面温度の変化を示す図である。半導体ウェハーＷ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ｔ１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の表面へのフラッシュ光照射を開始する（ステップＳ１３）。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。図１２は、パルス信号の波形の一例を示す図である。図１２に示す例では、複数のパルスが繰り返して設定され、パルス幅の時間（オン時間）の方がパルス間隔の時間（オフ時間）よりも長い。ＩＧＢＴ９６のゲートには図１２に示す如き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、保持部７に保持された半導体ウェハーＷの表面にフラッシュ光が照射される。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ミリ秒ないし１０ミリ秒程度の単純な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。
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（発光出力の時間波形）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。ＩＧＢＴ９６のオンオフ駆動のパターンは、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によって規定される。すなわち、フラッシュランプＦＬの駆動回路にＩＧＢＴ９６を組み込むことによって、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を適宜に設定するだけで、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るのである。
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。フラッシュランプＦＬの発光時間は０．１ミリ秒〜１００ミリ秒の間で適宜に設定される。
このようにしてフラッシュランプＦＬから半導体ウェハーＷの表面にフラッシュ光が照射されて当該表面の温度が昇温する。フラッシュ光照射による昇温中の半導体ウェハーＷの表面温度も上部放射温度計２５によって測定されている。フラッシュランプＦＬの発光時間は０．１ミリ秒〜１００ミリ秒の短時間ではあるものの、ＩｎＳｂ光学素子を備えた上部放射温度計２５のサンプリング間隔は約２０マイクロ秒の極めて短時間である（つまり１ミリ秒の間に５０点の測定が可能）。このため、フラッシュ光照射により急激に昇温する半導体ウェハーＷの表面温度の変化を上部放射温度計２５によって測定することができる（図１１）。
第１実施形態においては、上部放射温度計２５によって測定される半導体ウェハーＷの表面温度が目標温度Ｔ２に到達したか否かが制御部３によって監視されている（ステップＳ１４）。目標温度Ｔ２は、半導体ウェハーＷの加熱処理の目的を達成するために要求される温度であり、本実施形態では半導体ウェハーＷに注入された不純物を活性化できる１０００℃以上である。目標温度Ｔ２は、予め設定されて記憶部３６に記憶されている。
上部放射温度計２５によって測定される半導体ウェハーＷの表面温度が時刻ｔ２に目標温度Ｔ２に到達すると、ステップＳ１４からステップＳ１５に進み、制御部３の制御によりフラッシュランプＦＬへの電流供給を停止する。具体的には、半導体ウェハーＷの表面温度が目標温度Ｔ２に到達した時刻ｔ２に制御部３がＩＧＢＴ９６のゲートに印加するパルス信号をオフにする。
図１３は、フラッシュランプＦＬに流れる電流の変化を示す図である。時刻ｔ１にＩＧＢＴ９６のゲートに図１２に示すような波形のパルス信号が印加され、フラッシュランプＦＬに流れる電流が増加してフラッシュランプＦＬが発光を開始する。図１２に示すように、ＩＧＢＴ９６のゲートに印加されるパルス信号はオンオフを繰り返すため、それに応じてフラッシュランプＦＬに流れる電流も増減を繰り返す。すなわち、ＩＧＢＴ９６のゲートに印加されるパルス信号がオンのときにはフラッシュランプＦＬに流れる電流が増加し、パルス信号がオフのときにはフラッシュランプＦＬに流れる電流が減少する。図１２に示す例では、パルス信号がオンの時間がオフの時間よりも長いため、図１３に示すように、フラッシュランプＦＬに流れる電流は増減を繰り返しつつも全体的には増加する。フラッシュランプＦＬに流れる電流が増加するにつれて、フラッシュランプＦＬの発光出力も増加する。
次に、半導体ウェハーＷの表面温度が目標温度Ｔ２に到達した時刻ｔ２に制御部３がＩＧＢＴ９６のゲートに印加するパルス信号をオフにする。このときには、波形設定部３２によって設定されたパルス信号の波形にかかわらず、制御部３がＩＧＢＴ９６のゲートに印加するパルス信号をオフにする。すなわち、波形設定部３２によって設定されたパルス信号が時刻ｔ２でオンであったとしても、制御部３が強制的に時刻ｔ２にパルス信号をオフにするのである。これにより、時刻ｔ２以降はＩＧＢＴ９６がオフ状態となり、フラッシュランプＦＬへの電流の供給が停止される。
時刻ｔ２にフラッシュランプＦＬへの電流供給が停止されると、フラッシュランプＦＬの発光も停止し、半導体ウェハーＷの表面の温度は目標温度Ｔ２から急速に降温する。半導体ウェハーＷの表面温度を極めて短時間で目標温度Ｔ２にまで昇温してから降温することにより、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。
フラッシュランプＦＬへの電流供給が停止されてから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（ステップＳ１６）。
第１実施形態においては、フラッシュランプＦＬからのフラッシュ光照射によって昇温する半導体ウェハーＷの表面温度を上部放射温度計２５によって測定している。そして、上部放射温度計２５によって測定される半導体ウェハーＷの表面温度が目標温度Ｔ２に到達したときに、フラッシュランプＦＬへの電流の供給を停止して半導体ウェハーＷの表面温度を降温させている。半導体ウェハーＷの表面の実測温度が目標温度Ｔ２に到達したときにフラッシュランプＦＬへの電流の供給を停止しているため、半導体ウェハーＷの表面状態や反射率にかかわらず、半導体ウェハーＷの表面温度を正確に目標温度Ｔ２に昇温させることができる。その結果、複数の半導体ウェハーＷを処理するときにもピーク温度は一定となり、デバイス性能のばらつきを抑制することが可能となる。
＜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実施形態における半導体ウェハーＷの処理手順についても概ね第１実施形態と同じである。第１実施形態においては、半導体ウェハーＷの表面温度の実測値が目標温度Ｔ２に到達したときにフラッシュランプＦＬへの電流供給を停止していたが、第２実施形態では半導体ウェハーＷの表面温度が目標温度Ｔ２に到達する到達予定時刻を予測し、その到達予定時刻にフラッシュランプＦＬへの電流供給を停止するようにしている。
図１４は、第２実施形態における熱処理装置１の処理手順を示すフローチャートである。図１４のステップＳ２１〜Ｓ２３までは図１０のステップＳ１１〜Ｓ１３までと同じである。すなわち、処理対象となる半導体ウェハーＷがチャンバー６内に搬入されてサセプタ７４に保持される（ステップＳ２１）。続いて、ハロゲンランプＨＬが点灯して半導体ウェハーＷの予備加熱が実行される（ステップＳ２２）。また、予備加熱が開始された後、上部放射温度計２５による半導体ウェハーＷの表面温度の測定が行われる。図１５は、第２実施形態の半導体ウェハーＷの表面温度の変化を示す図である。第１実施形態と同様に、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刻ｔ１に、フラッシュランプＦＬが半導体ウェハーＷの表面へのフラッシュ光照射を開始する（ステップＳ２３）。第２実施形態においても、図１２に示したような波形のパルス信号がＩＧＢＴ９６のゲートに印加されてフラッシュランプＦＬが発光し、半導体ウェハーＷの表面にフラッシュ光が照射されて当該表面の温度が昇温する。
第２実施形態においては、フラッシュ光照射が開始された後であって、半導体ウェハーＷの表面温度が目標温度Ｔ２に到達するよりも前の時刻ｔ３に、制御部３の予測部３５（図９）が半導体ウェハーＷの表面温度の変化を予測している。より具体的には、予測部３５は、時刻ｔ１から時刻ｔ３までの上部放射温度計２５による温度測定結果から半導体ウェハーＷの表面温度が目標温度Ｔ２に到達する到達予定時刻ｔ４を予測する（ステップＳ２４）。
図９に示すように、制御部３の記憶部３６には、過去にフラッシュ光照射が行われたときに半導体ウェハーＷの表面温度を測定して取得した複数の昇温パターンＰＴ（例えば、１０００枚の半導体ウェハーＷについての昇温パターン）が格納されている。すなわち、記憶部３６には、複数の半導体ウェハーＷについてのフラッシュ光照射時の表面温度の変化を示す温度プロファイルが取得されて昇温パターンＰＴとして格納されているのである。予測部３５は、時刻ｔ１から時刻ｔ３までの上部放射温度計２５による温度測定結果と過去の実績である複数の昇温パターンＰＴとを比較して半導体ウェハーＷの表面温度が目標温度Ｔ２に到達する到達予定時刻ｔ４を予測する。予測部３５は、例えば、パターンマッチングの手法によって複数の昇温パターンＰＴから時刻ｔ１から時刻ｔ３までの上部放射温度計２５による温度測定結果と近似する昇温パターンＰＴを抽出し、その抽出した昇温パターンＰＴから半導体ウェハーＷの表面温度が目標温度Ｔ２に到達する到達予定時刻ｔ４を予測する。
制御部３は、図示省略のタイマによって時刻が到達予定時刻ｔ４に達したか否かを監視している（ステップＳ２５）。そして、時刻が到達予定時刻ｔ４になると、ステップＳ２５からステップＳ２６に進み、制御部３の制御によりフラッシュランプＦＬへの電流供給を停止する。具体的には、第１実施形態と同様に、制御部３が到達予定時刻ｔ４にＩＧＢＴ９６のゲートに印加するパルス信号をオフにする。このときには、波形設定部３２によって設定されたパルス信号の波形にかかわらず、制御部３がＩＧＢＴ９６のゲートに印加するパルス信号をオフにする。これにより、到達予定時刻ｔ４以降はＩＧＢＴ９６がオフ状態となり、フラッシュランプＦＬへの電流の供給が停止される。
到達予定時刻ｔ４にフラッシュランプＦＬへの電流供給が停止されると、フラッシュランプＦＬの発光も停止し、半導体ウェハーＷの表面の温度は目標温度Ｔ２から急速に降温する。半導体ウェハーＷの表面温度を極めて短時間で目標温度Ｔ２にまで昇温してから降温することにより、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。
フラッシュランプＦＬへの電流供給が停止されてから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。そして、第１実施形態と同様に、半導体ウェハーＷの温度が所定以下にまで降温した後、半導体ウェハーＷがチャンバー６から搬出されて熱処理装置１における半導体ウェハーＷの加熱処理が完了する（ステップＳ２７）。
第２実施形態においては、フラッシュランプＦＬからのフラッシュ光照射によって昇温する半導体ウェハーＷの表面温度を上部放射温度計２５によって測定し、その温度測定結果から半導体ウェハーＷの表面温度が目標温度Ｔ２に到達する到達予定時刻ｔ４を予測している。そして、到達予定時刻ｔ４にフラッシュランプＦＬへの電流の供給を停止して半導体ウェハーＷの表面温度を降温させている。半導体ウェハーＷの表面温度が目標温度Ｔ２に到達すると予測された到達予定時刻ｔ４にフラッシュランプＦＬへの電流の供給を停止しているため、半導体ウェハーＷの表面状態や反射率にかかわらず、半導体ウェハーＷの表面温度を正確に目標温度Ｔ２に昇温させることができる。その結果、複数の半導体ウェハーＷを処理するときにもピーク温度は一定となり、デバイス性能のばらつきを抑制することが可能となる。
＜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、第２実施形態においては、到達予定時刻ｔ４にフラッシュランプＦＬへの電流供給を停止していたが、これに限定されるものではなく、所定の幅を持って到達予定時刻ｔ４の前後にフラッシュランプＦＬへの電流供給を停止するようにしても良い。すなわち、到達予定時刻ｔ４を含む所定期間内にフラッシュランプＦＬへの電流供給を停止して半導体ウェハーＷの表面温度を降温させるようにしても良い。電流供給を停止する時刻の到達予定時刻ｔ４からの乖離幅については予め設定して記憶部３６等に記憶させておけば良い。
また、上記実施形態においては、図１２に示したような複数のパルスが繰り返し設定された波形のパルス信号を出力していたが、例えば１つの長いパルスが設定された波形のパルス信号をＩＧＢＴ９６のゲートに入力するようにしても良い。この場合であっても、半導体ウェハーＷの実測表面温度が目標温度Ｔ２に到達したときまたは到達予定時刻ｔ４に、制御部３がＩＧＢＴ９６のゲートに印加するパルス信号をオフにすることにより、フラッシュランプＦＬへの電流供給を停止して上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
また、上記実施形態においては、ＩＧＢＴ９６をオフ状態とすることによってフラッシュランプＦＬへの電流供給を停止していたが、これに限定されるものではなく、ＩＧＢＴ９６とは異なるスイッチング素子によってコンデンサ９３からフラッシュランプＦＬへの電荷の供給を遮断して電流供給を停止するようにしても良い。或いは、フラッシュ加熱部５にメカニカルシャッターを設け、所定のタイミングで当該メカニカルシャッターを閉じてフラッシュランプＦＬから放射されるフラッシュ光を遮光するようにしても良い。
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。
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では、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を行うようにしても良い。
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
２９ 赤外線センサ
３３ 入力部
３４ 表示部
３５ 予測部
３６ 記憶部
６３ 上側チャンバー窓
６４ 下側チャンバー窓
６５ 熱処理空間
７４ サセプタ
９６ ＩＧＢＴ
１０１ 高速放射温度計ユニット
１０５ 温度変換部
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 (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方法であって、
    フラッシュランプから基板の表面にフラッシュ光を照射して当該表面を昇温するフラッシュ光照射工程と、
    昇温する前記基板の前記表面の温度を放射温度計によって測定する温度測定工程と、
    前記放射温度計によって測定される前記表面の温度が目標温度に到達したときに、前記フラッシュランプへの電流の供給を停止して前記表面の温度を降温させる発光停止工程と、
    を備えることを特徴とする熱処理方法。
  2. 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、
    フラッシュランプから基板の表面にフラッシュ光を照射して当該表面を昇温するフラッシュ光照射工程と、
    昇温する前記基板の前記表面の温度を放射温度計によって測定する温度測定工程と、
    前記放射温度計による温度測定結果から前記表面の温度が目標温度に到達する到達予定時刻を予測する予測工程と、
    前記予測工程にて予測された前記到達予定時刻を含む所定期間内に前記フラッシュランプへの電流の供給を停止して前記表面の温度を降温させる発光停止工程と、
    を備えることを特徴とする熱処理方法。
  3. 請求項２記載の熱処理方法において、
    前記発光停止工程では、前記到達予定時刻に前記フラッシュランプへの電流の供給を停止することを特徴とする熱処理方法。
  4. 請求項２または請求項３記載の熱処理方法において、
    前記予測工程では、フラッシュ光照射が行われたときに取得済みの複数の昇温パターンに基づいて前記到達予定時刻を予測することを特徴とする熱処理方法。
  5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の熱処理方法において、
    前記発光停止工程では、前記フラッシュランプに接続されたＩＧＢＴをオフ状態として前記フラッシュランプへの電流の供給を停止することを特徴とする熱処理方法。
  6. 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収容された前記基板の表面にフラッシュ光を照射して当該表面を昇温するフラッシュランプと、
    昇温する前記基板の前記表面の温度を測定する放射温度計と、
    前記放射温度計によって測定される前記表面の温度が目標温度に到達したときに、前記フラッシュランプへの電流の供給を停止して前記表面の温度を降温させるスイッチング部と、
    を備えることを特徴とする熱処理装置。
  7. 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収容された前記基板の表面にフラッシュ光を照射して当該表面を昇温するフラッシュランプと、
    昇温する前記基板の前記表面の温度を測定する放射温度計と、
    前記放射温度計による温度測定結果から前記表面の温度が目標温度に到達する到達予定時刻を予測する予測部と、
    前記予測部が予測した前記到達予定時刻を含む所定期間内に前記フラッシュランプへの電流の供給を停止して前記表面の温度を降温させるスイッチング部と、
    を備えることを特徴とする熱処理装置。
  8. 請求項７記載の熱処理装置において、
    前記スイッチング部は、前記到達予定時刻に前記フラッシュランプへの電流の供給を停止することを特徴とする熱処理装置。
  9. 請求項７または請求項８記載の熱処理装置において、
    フラッシュ光照射が行われたときに取得済みの複数の昇温パターンを格納する記憶部をさらに備え、
    前記予測部は、前記複数の昇温パターンに基づいて前記到達予定時刻を予測することを特徴とする熱処理装置。
  10. 請求項６から請求項９のいずれかに記載の熱処理装置において、
    前記スイッチング部は、前記フラッシュランプに接続されたＩＧＢＴを含むことを特徴とする熱処理装置。
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