JP2022187213A - 熱処理方法および熱処理装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】簡易な構成でフラッシュ光照射時の基板の温度を測定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】温度測定の対象となる半導体ウェハーの斜め上方に上部放射温度計２５が設けられる。上部放射温度計２５は、光を受光したときに起電力を発生させる光起電力素子２８を備える。光起電力素子２８は、高速応答性と低周波域における良好なノイズ特性とを併せ持つ。光起電力素子２８は冷却することなく常温でも十分な感度を得ることができるため、上部放射温度計２５には冷却のための機構が不要である。上部放射温度計２５には、光チョッパを設ける必要がなく、微分回路を設ける必要もないため、上部放射温度計２５は、簡易な構成でハロゲンランプによる予備加熱時およびフラッシュ光照射時の双方において半導体ウェハーの表面温度を測定することができる。【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、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。
フラッシュランプアニールに限らず、半導体ウェハーの熱処理においては、ウェハー温度の管理が重要であり、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。特に、フラッシュランプアニールでは、フラッシュ光照射時に急激に変化する半導体ウェハーの表面温度を正確に測定することが重要となる。特許文献１には、フラッシュ光照射時の半導体ウェハーの表面温度を放射温度計によって測定する技術が開示されている。
特開２０１２－２３８７７９号公報
サーモパイルのような熱型検出素子では、フラッシュ光照射時に急激に昇降する半導体ウェハーの表面温度の温度変化に追従できないため、従来よりフラッシュ光が照射される半導体ウェハーの表面温度を測定する放射温度計は量子型検出素子である光導電型素子を備えている。しかし、光導電型素子は、低周波域のＳＮ比が悪く、かつ、高感度を得るために氷点下（例えば、－２５℃）に冷却することが必要である。光導電型素子を氷点下にまで冷却しても素子を収容する温度計筐体は室温であるため、放射温度計全体としての熱バランスは悪くなる。このため、温度計筐体からの背景光と測定光とを分離するための光チョッパを設ける必要があるが、そうすると温度測定システムが大型化および複雑化することとなる。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、簡易な構成でフラッシュ光照射時の基板の温度を測定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、チャンバー内に基板を収容する収容工程と、連続点灯ランプからの光照射によって前記基板を予備加熱する予備加熱工程と、前記基板の表面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加熱工程と、を備え、光起電力素子を備えた第１放射温度計によって前記基板の温度を測定す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、前記予備加熱工程の実行中に、前記基板の表面の温度を前記第１放射温度計によって測定するとともに前記基板の裏面の温度を放射率校正済みの第２放射温度計によって測定し、前記第２放射温度計によって測定された前記基板の温度に基づいて前記第１放射温度計に設定された放射率を校正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、前記第１放射温度計は、第１のサンプリング間隔にてデータ取得を行う第１測定モードと、前記第１のサンプリング間隔よりも短い第２のサンプリング間隔にてデータ取得を行う第２測定モードと、を並列して実行して前記基板の温度を測定することを特徴とする。
また、請求項４の発明は、請求項３の発明に係る熱処理方法において、前記第２測定モードにて取得されたデータのうち、データの値が所定の閾値に到達した時点の前後にわたる一定期間に取得されたデータを温度変換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、前記第１測定モードにて取得された全てのデータを温度変換することを特徴とする。
また、請求項６の発明は、請求項５の発明に係る熱処理方法において、前記第１測定モードにて取得されたデータを温度変換した温度値に前記第２測定モードにて取得されたデータを温度変換した温度値を補間して表示部に表示することを特徴とする。
また、請求項７の発明は、請求項１から請求項６のいずれかの発明に係る熱処理方法において、前記光起電力素子から出力された信号に対してデジタルフィルタを用いた処理を行うことを特徴とする。
また、請求項８の発明は、請求項７の発明に係る熱処理方法において、前記予備加熱工程と前記フラッシュ加熱工程とでは異なるデジタルフィルタを用いることを特徴とする。
また、請求項９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置装置において、基板を収容するチャンバーと、前記基板に光を照射して前記基板を予備加熱する連続点灯ランプと、前記基板の表面にフラッシュ光を照射して前記基板をフラッシュ加熱するフラッシュランプと、光起電力素子を備えて前記基板の温度を測定する第１放射温度計と、を備えることを特徴とする。
また、請求項１０の発明は、請求項９の発明に係る熱処理装置において、前記基板の温度を測定する第２放射温度計をさらに備え、前記予備加熱の実行中に、前記第１放射温度計が前記基板の表面の温度を測定するとともに放射率校正済みの前記第２放射温度計が前記基板の裏面の温度を測定し、前記第２放射温度計によって測定された前記基板の温度に基づいて前記第１放射温度計に設定された放射率を校正することを特徴とする。
また、請求項１１の発明は、請求項９または請求項１０の発明に係る熱処理装置において、前記第１放射温度計は、第１のサンプリング間隔にてデータ取得を行う第１測定モードと、前記第１のサンプリング間隔よりも短い第２のサンプリング間隔にてデータ取得を行う第２測定モードと、を並列して実行して前記基板の温度を測定することを特徴とする。
また、請求項１２の発明は、請求項１１の発明に係る熱処理装置において、前記第２測定モードにて取得されたデータのうち、データの値が所定の閾値に到達した時点の前後にわたる一定期間に取得されたデータを温度変換する温度変換部をさらに備えることを特徴とする。
また、請求項１３の発明は、請求項１２の発明に係る熱処理装置において、前記温度変換部は、前記第１測定モードにて取得された全てのデータを温度変換することを特徴とする。
また、請求項１４の発明は、請求項１３の発明に係る熱処理装置において、前記第１測定モードにて取得されたデータを温度変換した温度値に前記第２測定モードにて取得されたデータを温度変換した温度値を補間して表示する表示部をさらに備えることを特徴とする。
また、請求項１５の発明は、請求項９から請求項１４のいずれかの発明に係る熱処理装置において、前記光起電力素子から出力された信号に対してデジタルフィルタを用いた処理を行うことを特徴とする。
また、請求項１６の発明は、請求項１５の発明に係る熱処理装置において、前記予備加熱と前記フラッシュ加熱とでは異なるデジタルフィルタを用いることを特徴とする。
請求項１から請求項８の発明によれば、光起電力素子を備えた第１放射温度計によって基板の温度を測定するため、光起電力素子には光チョッパを設ける必要がなく、簡易な構成でフラッシュ光照射時の基板の温度を測定することができる。
特に、請求項３の発明によれば、第１放射温度計は、第１のサンプリング間隔および第２のサンプリング間隔にてデータ取得を行うため、予備加熱工程およびフラッシュ加熱工程の双方にて適切にデータ取得を行うことができる。
特に、請求項６の発明によれば、第１測定モードにて取得されたデータを温度変換した温度値に第２測定モードにて取得されたデータを温度変換した温度値を補間して表示部に表示するため、予備加熱工程からフラッシュ加熱工程にかけての基板の温度変化を高精度に描くことができる。
特に、請求項７の発明によれば、光起電力素子から出力された信号に対してデジタルフィルタを用いた処理を行うため、予備加熱工程およびフラッシュ加熱工程の双方で共通のハードウェアによって信号処理を行うことができる。
請求項９から請求項１６の発明によれば、光起電力素子を備えて基板の温度を測定する第１放射温度計を備えるため、光起電力素子には光チョッパを設ける必要がなく、簡易な構成でフラッシュ光照射時の基板の温度を測定することができる。
特に、請求項１１の発明によれば、第１放射温度計は、第１のサンプリング間隔および第２のサンプリング間隔にてデータ取得を行うため、予備加熱およびフラッシュ加熱の双方にて適切にデータ取得を行うことができる。
特に、請求項１４の発明によれば、第１測定モードにて取得されたデータを温度変換した温度値に第２測定モードにて取得されたデータを温度変換した温度値を補間して表示する表示部を備えるため、予備加熱からフラッシュ加熱にかけての基板の温度変化を高精度に描くことができる。
特に、請求項１５の発明によれば、光起電力素子から出力された信号に対してデジタルフィルタを用いた処理を行うため、予備加熱およびフラッシュ加熱の双方で共通のハードウェアによって信号処理を行うことができる。
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。 上部放射温度計および下部放射温度計の機能ブロック図である。 図１の熱処理装置における処理動作の手順を示すフローチャートである。 短周期モードにて取得されたデータからの一部抽出を説明するための図である。 表示部に表示された温度プロファイルを示す図である。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明に係る熱処理装置１の構成を示す縦断面図である。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）。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の赤外線センサー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の赤外線センサー２４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。
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。
図１に示すように、チャンバー６には、上部放射温度計（第１放射温度計）２５および下部放射温度計（第２放射温度計）２０の２つの放射温度計が設けられている。図８は、上部放射温度計２５および下部放射温度計２０の機能ブロック図である。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の斜め上方に設置され、当該半導体ウェハーＷの上面の温度を測定する。上部放射温度計２５は、赤外線センサー２９および温度測定ユニット２７を備える。赤外線センサー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受光する。上部放射温度計２５の赤外線センサー２９は、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に対応できるように、光起電力素子２８を内蔵している。光起電力素子２８は、光を受光したときに光電効果によって起電力を発生させる素子であり、例えばＩｎＳｂ（インジウムアンチモン）にて形成されている。光起電力素子２８は、受光する赤外光の発光体の温度が高くなるほど高い起電力を発生させる。
従来の光導電型素子では特に低周波域でのＳＮ比が悪かったのに対して、光起電力素子２８は低周波域でも良好な雑音特性を示す。すなわち、光起電力素子２８を採用した上部放射温度計２５は、高速応答性と低周波域における良好なノイズ特性とを併せ持つ。また、光導電型素子は高感度を得るために氷点下への冷却を必要としていたが、赤外線センサー２９が（図１に示すように）チャンバー側部６１に設けられることから、光導電型素子の周辺の温度が熱処理を実行させることで上昇し、光導電型素子の冷却が不十分な場合があった。光導電型素子の冷却が不十分だと、上部放射温度計２５が半導体ウェハーＷの上面の温度を測定できなくなり、熱処理装置１が稼働できなくなる場合もあった。これに対し、光起電力素子２８には冷却することなく常温（１０～６０℃）でも十分な感度を得ることができる素子がある。このため、常温でも駆動する光起電力素子２８を備えた上部放射温度計２５においては全体が概ね常温で良好な熱バランスを維持しており、従来の光導電型素子に比較してゼロ点ドリフトを最小限に抑制することができ、光チョッパを設ける必要がなくなる。また、常温駆動する光起電力素子２８は、冷却のためのペルチェ素子や冷却にともなう結露を防止するための機構が不要であるため、チップ化して小型化することが可能である。その結果、光起電力素子２８を採用した上部放射温度計２５の大型化および複雑化を抑制することができる。このことは、設置空間に制限の多いフラッシュランプアニール装置に上部放射温度計２５を搭載するのに有利となる。
温度測定ユニット２７は、増幅回路１０１、Ａ／Ｄコンバータ１０２、温度変換部１０３、プロファイル作成部１０５および記憶部１０７を備える。赤外線センサー２９が半導体ウェハーＷから放射された赤外光を受光することによって光起電力素子２８に生じた起電力の信号は増幅回路１０１に出力される。増幅回路１０１は、赤外線センサー２９から出力された起電力信号を増幅してＡ／Ｄコンバータ１０２に伝達する。Ａ／Ｄコンバータ１０２は、増幅回路１０１によって増幅された起電力信号をデジタル信号に変換する。
温度変換部１０３およびプロファイル作成部１０５は、温度測定ユニット２７に搭載されたＣＰＵ（図示省略）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。温度変換部１０３は、Ａ／Ｄコンバータ１０２から出力された信号、つまり赤外線センサー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１０３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。
また、プロファイル作成部１０５は、温度変換部１０３によって取得された温度データを順次に記憶部１０７に蓄積することによって、半導体ウェハーＷの上面の温度の時間変化を示す温度プロファイル１０８を作成する。記憶部１０７としては、磁気ディスクやメモリ等の公知の記憶媒体を用いることができる。なお、温度プロファイルの作成については後にさらに詳述する。
一方、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の斜め下方に設けられ、当該半導体ウェハーＷの下面の温度を測定する。下部放射温度計２０は、赤外線センサー２４および温度測定ユニット２２を備える。赤外線センサー２４は、サセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの下面から開口部７８を介して放射された赤外光を受光する。下部放射温度計２０の赤外線センサー２４は、上部放射温度計２５のような高速測定に対応していなくても良いため、受光素子として例えばサーモパイルを備える。赤外線センサー２４は、受光に応答して生じた信号を温度測定ユニット２２に出力する。温度測定ユニット２２は、図示を省略するＡ／Ｄコンバータおよび温度変換回路等を備えており、赤外線センサー２４から出力された赤外光の強度を示す信号を温度に変換する。温度測定ユニット２２によって求められた温度が半導体ウェハーＷの下面の温度である。
下部放射温度計２０および上部放射温度計２５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おり、下部放射温度計２０および上部放射温度計２５によってそれぞれ測定された半導体ウェハーＷの下面および上面の温度は制御部３に伝達される。制御部３は、熱処理装置１に設けられた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。入力部３３としては、例えばキーボードやマウスを用いることができる。表示部３４としては、例えば液晶ディスプレイを用いることができる。本実施形態においては、表示部３４および入力部３３として、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して双方の機能を併せ持たせるようにしている。
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９は、熱処理装置１における処理動作の手順を示すフローチャートである。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、半導体ウェハーＷの処理に先立って給気のためのバルブ８４が開放されるとともに、排気用のバルブ８９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Ｓ１）。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、被処理面である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Ｓ２）。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の温度は下部放射温度計２０によって測定される。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。下部放射温度計２０は、半導体ウェハーＷの予備加熱時にハロゲンランプＨＬの出力を制御するための制御用温度センサーとしての役割を有する。
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、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。
予備加熱が実行されて半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１に維持されている間に、上部放射温度計２５の放射率校正が実行される（ステップＳ３）。上部放射温度計２５の放射率校正は下部放射温度計２０の温度測定値に基づいて実行される。予め、下部放射温度計２０の放射率は正確に校正されている。下部放射温度計２０の放射率校正は例えば熱電対付きウェハーを用いて行われる。具体的には、熱電対付きウェハーをハロゲンランプＨＬからの光照射によって一定温度に加熱しつつ、その熱電対付きウェハーの表面温度を熱電対によって測定するとともに裏面の温度を下部放射温度計２０によって測定する。そして、下部放射温度計２０によって測定された温度が熱電対によって測定された温度と一致するように、下部放射温度計２０の放射率が校正される。このようにして正確に校正された放射率が下部放射温度計２０に設定される。
予備加熱中に半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１に維持されているときに、半導体ウェハーＷの表面の温度を上部放射温度計２５によって測定するとともに、半導体ウェハーＷの裏面の温度を下部放射温度計２０によって測定する。予備加熱段階では、半導体ウェハーＷの表裏面に温度差が生じることはなく、表面温度と裏面温度とは一致している。従って、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の表面温度が下部放射温度計２０によって測定された裏面温度と一致するように、上部放射温度計２５の放射率が校正される。そして、校正された放射率が上部放射温度計２５に設定される。これにより、処理対象となっている半導体ウェハーＷの表面の放射率が上部放射温度計２５に設定されることとなり、上部放射温度計２５に設定された放射率を正確に校正することができる。
上部放射温度計２５の放射率校正が完了した後、上部放射温度計２５による温度測定が開始される（ステップＳ４）。上部放射温度計２５は、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、当該表面の温度を測定する。本実施形態の上部放射温度計２５は、長周期モード（第１測定モード）および短周期モード（第２測定モード）の２つのサンプリングレート（サンプリング間隔）のモードにてデータ取得を行う。データ取得とは、上部放射温度計２５の赤外線センサー２９が光起電力素子２８に生じた起電力の信号を取得することである。長周期モードでは、例えば５０ミリセカンド（２０Ｈｚ）のサンプリングレートにてデータ取得を行う。一方、短周期モードでは、長周期モードでのサンプリングレートよりも短いサンプリングレート、例えば０．０４ミリセカンド（２５ｋＨｚ）のサンプリングレートにてデータ取得を行う。上部放射温度計２５は、これら長周期モードと短周期モードとを並列して実行する。すなわち、上部放射温度計２５は、０．０４ミリセカンドのサンプリングレートでデータ取得を行いつつ、５０ミリセカンドのサンプリングレートでもデータ取得を行うのである。
２つのモードのうち、長周期モードにて５０ミリセカンドのサンプリングレートで取得されたデータ（起電力の信号）については全て温度変換部１０３にて温度値に逐次変換される。一方、短周期モードにて０．０４ミリセカンドのサンプリングレートで取得されたデータについては、サンプリングレートが極めて短いため、全てを温度変換部１０３にて温度値に逐次変換することは処理が追いつかない。このため、短周期モードにて取得されたデータについては一旦温度測定ユニット２７の記憶部１０７等に格納し、それらの一部を抽出して温度変換部１０３が温度値に変換するのであるが、これについてはさらに後述する。
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でフラッシュ加熱部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（ステップＳ５）。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まで上昇した後、急速に下降する。
予備加熱からフラッシュ加熱にかけて継続して上部放射温度計２５による半導体ウェハーＷの表面温度の測定が行われている。予備加熱段階では、ハロゲンランプＨＬによる半導体ウェハーＷの昇温レートはフラッシュ加熱の昇温レートに比較して顕著に小さく、半導体ウェハーＷの表面温度の変化も緩やかであるため、長周期モードによる温度測定が好適である。これに対して、フラッシュ加熱時には、半導体ウェハーＷの表面温度が瞬間的に急激に上昇するため、長周期モードでは表面温度の最高到達温度を捉えられない可能性もあり、短周期モードによる温度測定が好適である。
上述したように、上部放射温度計２５は、長周期モードと短周期モードとを並列して実行している。これらのうち長周期モードにて取得された全てのデータは温度変換部１０３によって温度値に変換される。これにより、予備加熱時の半導体ウェハーＷの表面温度が上部放射温度計２５によって測定されることとなる。
一方、短周期モードにて取得されたデータについては、全てが温度値に変換されず、一部が温度変換部１０３によって温度値に変換される。短周期モードはフラッシュ加熱時以外では不要であるため、短周期モードにて取得されたデータからフラッシュ加熱前後の一部データを抽出する必要がある。図１０は、短周期モードにて取得されたデータからの一部抽出を説明するための図である。図１０には、短周期モードにて取得されて記憶部１０７等に蓄積されている起電力のデータを取得された時刻に沿って時系列に描いている。上部放射温度計２５の光起電力素子２８に生じる起電力は、測定対象である半導体ウェハーＷの表面温度が高くなるほど高くなる。すなわち、フラッシュ加熱時に半導体ウェハーＷの表面温度が急激に高くなると上部放射温度計２５によって取得される起電力のデータの値も高くなる。
本実施形態においては、起電力のデータに抽出のトリガーとなる閾値Ｖｔを設定している。閾値Ｖｔは、例えばフラッシュ光照射前の予備加熱時における予備加熱温度Ｔ１に対応する起電力値に所定のマージンを加算した値とすれば良い。予備加熱温度Ｔ１は、処理レシピより既知であるため、その予備加熱温度Ｔ１から起電力値に換算することは可能である。図１０の例では、時刻ｔ１に取得された起電力のデータが閾値Ｖｔに到達している。短周期モードにて取得されたデータのうち、データの値が閾値Ｖｔに到達した時刻ｔ１よりも２０ミリセカンド前から１００ミリセカンド後までの１２０ミリセカンドの期間のデータが抽出される。短周期モードのサンプリングレートは０．０４ミリセカンドであるため、３０００点のデータが抽出されることとなる。そして、温度変換部１０３は、短周期モードにて取得されたデータから抽出された１２０ミリセカンドの期間の３０００点のデータを温度値に変換する。このように、短周期モードにて取得されたデータのうち、データの値が所定の閾値Ｖｔに到達した時刻ｔ１の前後にわたる一定期間に取得されたデータのみを温度変換することにより、フラッシュ加熱時の半導体ウェハーＷの表面温度の変化が上部放射温度計２５によって的確に測定されることとなる。
続いて、プロファイル作成部１０５が予備加熱からフラッシュ加熱にかけての半導体ウェハーＷの表面温度の時間変化を示す温度プロファイル１０８を作成する（ステップＳ６）。半導体ウェハーＷの表面温度は上部放射温度計２５によって測定されている。上部放射温度計２５は、長周期モードおよび短周期モードの２つのモードにて半導体ウェハーＷの表面温度を測定している。長周期モードのサンプリングレートは５０ミリセカンドであるため、長周期モードはハロゲンランプＨＬからの光照射による半導体ウェハーＷの予備加熱時の温度変化に追従するには十分であるとともに、半導体ウェハーＷの温度変化の全体像を捉えるには好適である。しかし、長周期モードのみでは、照射時間が０．１ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下のフラッシュ光照射による半導体ウェハーＷのフラッシュ加熱時の瞬間的な温度変化には追従できない。すなわち、長周期モードで取得されたデータを温度変換した温度値のみで温度プロファイル作成しても、特にフラッシュ加熱時の半導体ウェハーＷの温度変化を精密に描くことはできない。このため、フラッシュ加熱時の半導体ウェハーＷの表面温度はサンプリングレートが０．０４ミリセカンドの短周期モードによって測定している。
プロファイル作成部１０５は、長周期モードにて取得されたデータを温度変換した温度値をベースとし、それに短周期モードにて取得されたデータを温度変換した温度値を補間（合成）して温度プロファイル１０８を作成している。これにより、温度プロファイル１０８においては、フラッシュ加熱時の半導体ウェハーＷの表面温度の温度変化も精密に描くことができ、予備加熱からフラッシュ加熱にかけての半導体ウェハーＷの温度変化を高精度に描くことができる。
次に、制御部３が作成された温度プロファイル１０８を表示部３４に表示する（ステップＳ７）。図１１は、表示部３４に表示された温度プロファイル１０８を示す図である。温度プロファイル１０８は、１つの上部放射温度計２５によって予備加熱からフラッシュ加熱にかけての半導体ウェハーＷの表面温度の温度変化を測定して得られたものである。また、温度プロファイル１０８は、長周期モードにて取得されたデータを温度変換した温度値に短周期モードにて取得されたデータを温度変換した温度値を補間して得られたものであり、フラッシュ加熱時の半導体ウェハーＷの表面温度の急激な温度変化も適切に描いている。
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チャンバー６から搬出され、半導体ウェハーＷの加熱処理が完了する（ステップＳ８）。
本実施形態においては、光起電力素子２８を内蔵した上部放射温度計２５によって半導体ウェハーＷの表面温度を測定している。既述したように、従来のウェハー表面温度を測定する放射温度計に設けられた光導電型素子では低周波域でのＳＮ比が悪いことに加えて氷点下への冷却が必要であったため、光チョッパを設ける必要があった。ところが、マイクロセカンドオーダーの高速チョッピングを実現するには大型ブレードを高速回転させる必要があり、実用的でないばかりでなく、温度測定システムが著しく大型化することとなる。このため、実際には光チョッパを設ける代わりに微分回路を設けてフラッシュ光照射時の急峻な温度変化を検出していた。微分回路を設けると、ハロゲンランプＨＬからの光照射によって緩やかな温度変化を示す予備加熱時の温度測定を行うことはできなかった。
光起電力素子２８を備えた上部放射温度計２５であれば、低周波域においても良好なＳＮ比を得ることができ、かつ常温で使用することができる。このため、上部放射温度計２５には、光チョッパを設ける必要がなくなるとともに、微分回路を設ける必要もない。微分回路が無ければ、温度変化の緩やかな予備加熱時の半導体ウェハーＷの温度測定を行うことも可能となる。従って、光起電力素子２８を備えた上部放射温度計２５を用いることにより、簡易な構成でハロゲンランプＨＬからの光照射による予備加熱時およびフラッシュランプＦＬからのフラッシュ光照射時の双方において半導体ウェハーＷの表面温度を測定することができる。
また、本実施形態においては、フラッシュ光照射前の予備加熱時に下部放射温度計２０を用いて上部放射温度計２５の放射率校正を行っている。フラッシュ光照射時には半導体ウェハーＷの表面の急激な温度上昇に起因して半導体ウェハーＷに反りや振動が生じて正確な測定が行えなくおそれがある。フラッシュ光照射前に上部放射温度計２５の放射率校正を行うようにすれば、ウェハー反りや振動の影響を受けることなく、下部放射温度計２０および上部放射温度計２５によって半導体ウェハーＷの温度測定を行って上部放射温度計２５の放射率を適切に校正することが可能となる。
また、本実施形態においては、上部放射温度計２５が長周期モードおよび短周期モードの２つのサンプリングレートにてデータ取得を行っている。長周期モードは、温度変化の緩やかなハロゲンランプＨＬによる半導体ウェハーＷの予備加熱時に好適である。一方、短周期モードは、温度変化の急峻なフラッシュランプＦＬによる半導体ウェハーＷのフラッシュ加熱時に好適である。すなわち、上部放射温度計２５が長周期モードおよび短周期モードを実行してデータ取得を行うことにより、予備加熱時およびフラッシュ加熱時の双方に適切に対応した半導体ウェハーＷの温度測定を行うことが可能となる。
また、上部放射温度計２５は、共通のハードウェアを用いて予備加熱時およびフラッシュ加熱時の双方にて半導体ウェハーＷの温度測定を行っている。予備加熱時とフラッシュ加熱時とでは赤外線センサー２９から出力される信号の周波数帯域や信号強度が全く異なるため、本来はそれぞれに対してハードウェアを最適化して良好なＳＮ比を得る必要がある。本実施形態では予備加熱時およびフラッシュ加熱時の双方にて赤外線センサー２９から出力される信号を共通のハードウェアによって処理するために、温度変換部１０３にデジタルフィルタ１０４を組み込んでいる（図８）。すなわち、光起電力素子２８を内蔵する赤外線センサー２９から出力された起電力の信号をＡ／Ｄコンバータ１０２によって変換したデジタル信号に対してデジタルフィルタ１０４を用いた処理を行っている。アナログフィルタの場合、フィルタ特性を変更するためにはハードウェア全体を変更する必要があるが、デジタルフィルタであれば同じハードウェアに組み込むソフトウェアを変更することによって異なるフィルタ特性を得ることができる。本実施形態では、共通のハードウェアに組み込むソフトウェアを変更することによって、予備加熱時とフラッシュ加熱時とで異なる特性のデジタルフィルタ１０４で処理してそれぞれにて良好なＳＮ比を得ることができる。具体的には、例えば、ハロゲンランプＨＬを用いた予備加熱時にはデジタルフィルタ１０４としてＩＩＲ(Infinite Impulse Response)フィルタを用いるとともに、フラッシュランプＦＬを用いたフラッシュ加熱時にはデジタルフィルタ１０４としてＦＩＲ(Finite Impulse Response)フィルタを採用している。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、この発明はその趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記実施形態においては、上部放射温度計２５に光起電力素子２８を備えていたが、下部放射温度計２０に光起電力素子２８を備えるようにしても良い。光起電力素子２８は予備加熱時およびフラッシュ加熱時の双方で測定が可能であるため、光起電力素子２８を備えた下部放射温度計２０を用いてハロゲンランプＨＬによる予備加熱時に半導体ウェハーＷの裏面の温度測定を行うようにしても良い。
また、上記実施形態においては、長周期モードのサンプリングレートが５０ミリセカンドで短周期モードのサンプリングレートが０．０４ミリセカンドであったが、これに限定されるものではなく、それぞれのサンプリングレートは適宜の値とすることができる。長周期モードおよび短周期モードのそれぞれのサンプリングレートは、ハロゲンランプＨＬからの光照射による半導体ウェハーＷの昇温速度およびフラッシュ光の照射時間等の処理条件に応じて適宜に設定すれば良い。
また、上記実施形態においては、短周期モードでのデータ抽出のトリガーとなる閾値Ｖｔを予備加熱温度Ｔ１に対応する起電力値に所定のマージンを加算した値としていたが、これに限定されるものではない。例えば、図１０に示すような時系列に描いた起電力のデータにおいて、現在時（任意の時点）よりもｘ秒（ｘは任意の値であり、例えば５０ミリセカンド）だけ前の起電力値に所定のマージンを加算した値を閾値Ｖｔとしても良い。このことは、起電力値の傾きが所定値を超えることをデータ抽出のトリガーとすることと同義である。予備加熱温度Ｔ１に対応する起電力値に所定のマージンを加算した値を閾値Ｖｔとした場合には、例えば予備加熱時の温調のオーバーシュート等によってトリガーを誤検知するおそれがあるが、現在時よりもｘ秒だけ前の起電力値に所定のマージンを加算した値を閾値Ｖｔとすればそのような誤検知を防止することができる。或いは、フラッシュランプＦＬが発光する数秒前に制御部３がフラッシュ光照射を実行するための信号を発するのであるが、その信号が発せられた時点での起電力値に所定のマージンを加算した値を閾値Ｖｔとしても良い。さらには、当該フラッシュ光照射を実行するための信号が発せられた時点から所定時間のデータを温度変換するようにしても良い。
また、上記実施形態においては、デジタルフィルタ１０４として予備加熱時にはＩＩＲフィルタを用い、フラッシュ加熱時にはＦＩＲフィルタを用いていたが、これに限定されるものではなく、例えば状態空間フィルタなどを採用するようにしても良い。
また、サセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの上方に複数の上部放射温度計２５を設けるようにしても良い。複数の上部放射温度計２５の測定位置は互いに異なる。複数の上部放射温度計２５のそれぞれは光起電力素子２８を備える。この場合、複数の上部放射温度計２５のうちの１つについて上記実施形態と同様に下部放射温度計２０の温度測定値に基づいて放射率校正を行い、その校正された放射率を他の上部放射温度計２５に反映させるようにしても良い。放射率校正の対象となる上部放射温度計２５による半導体ウェハーＷの表面の温度測定位置と下部放射温度計２０による半導体ウェハーＷの裏面の温度測定位置とは半導体ウェハーＷを挟んで対称な位置とするのが好ましい。このようにすれば、半導体ウェハーＷの面内温度分布に起因した放射率校正の誤差を最小限に抑制することができる。また、全ての上部放射温度計２５について、視野面積や角度等の測定条件は一致させることが好ましい。複数の上部放射温度計２５を設けることにより、半導体ウェハーＷの表面の複数点の温度を測定して多点制御が可能となる。
また、上記実施形態においては、光起電力素子２８をＩｎＳｂにて形成していたが、これに限定されるものではなく、光起電力素子２８をＩｎＡｓＳｂ（インジウムヒ素アンチモン）またはＩｎＡｓ（インジウムヒ素）を用いて形成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を用いて基板を所定温度に維持する加熱処理を行っていたが、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）またはＬＥＤランプを連続点灯ランプとして用いて加熱処理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
２７ 温度測定ユニット
２８ 光起電力素子
３３ 入力部
３４ 表示部
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
１０１ 増幅回路
１０２ Ａ／Ｄコンバータ
１０３ 温度変換部
１０４ デジタルフィルタ
１０５ プロファイル作成部
１０７ 記憶部
１０８ 温度プロファイル
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 (16)

  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、
    チャンバー内に基板を収容する収容工程と、
    連続点灯ランプからの光照射によって前記基板を予備加熱する予備加熱工程と、
    前記基板の表面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加熱工程と、
    を備え、
    光起電力素子を備えた第１放射温度計によって前記基板の温度を測定す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、
    前記予備加熱工程の実行中に、前記基板の表面の温度を前記第１放射温度計によって測定するとともに前記基板の裏面の温度を放射率校正済みの第２放射温度計によって測定し、前記第２放射温度計によって測定された前記基板の温度に基づいて前記第１放射温度計に設定された放射率を校正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、
    前記第１放射温度計は、
    第１のサンプリング間隔にてデータ取得を行う第１測定モードと、
    前記第１のサンプリング間隔よりも短い第２のサンプリング間隔にてデータ取得を行う第２測定モードと、
    を並列して実行して前記基板の温度を測定することを特徴とする熱処理方法。
  4. 請求項３記載の熱処理方法において、
    前記第２測定モードにて取得されたデータのうち、データの値が所定の閾値に到達した時点の前後にわたる一定期間に取得されたデータを温度変換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、
    前記第１測定モードにて取得された全てのデータを温度変換することを特徴とする熱処理方法。
  6. 請求項５記載の熱処理方法において、
    前記第１測定モードにて取得されたデータを温度変換した温度値に前記第２測定モードにて取得されたデータを温度変換した温度値を補間して表示部に表示することを特徴とする熱処理方法。
  7. 請求項１から請求項６のいずれかに記載の熱処理方法において、
    前記光起電力素子から出力された信号に対してデジタルフィルタを用いた処理を行うことを特徴とする熱処理方法。
  8. 請求項７記載の熱処理方法において、
    前記予備加熱工程と前記フラッシュ加熱工程とでは異なるデジタルフィルタを用いることを特徴とする熱処理方法。
  9. 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置装置であって、
    基板を収容するチャンバーと、
    前記基板に光を照射して前記基板を予備加熱する連続点灯ランプと、
    前記基板の表面にフラッシュ光を照射して前記基板をフラッシュ加熱するフラッシュランプと、
    光起電力素子を備えて前記基板の温度を測定する第１放射温度計と、
    を備える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、
    前記基板の温度を測定する第２放射温度計をさらに備え、
    前記予備加熱の実行中に、前記第１放射温度計が前記基板の表面の温度を測定するとともに放射率校正済みの前記第２放射温度計が前記基板の裏面の温度を測定し、前記第２放射温度計によって測定された前記基板の温度に基づいて前記第１放射温度計に設定された放射率を校正することを特徴とする熱処理装置。
  11. 請求項９または請求項１０記載の熱処理装置において、
    前記第１放射温度計は、
    第１のサンプリング間隔にてデータ取得を行う第１測定モードと、
    前記第１のサンプリング間隔よりも短い第２のサンプリング間隔にてデータ取得を行う第２測定モードと、
    を並列して実行して前記基板の温度を測定することを特徴とする熱処理装置。
  12. 請求項１１記載の熱処理装置において、
    前記第２測定モードにて取得されたデータのうち、データの値が所定の閾値に到達した時点の前後にわたる一定期間に取得されたデータを温度変換する温度変換部をさらに備えることを特徴とする熱処理装置。
  13. 請求項１２記載の熱処理装置において、
    前記温度変換部は、前記第１測定モードにて取得された全てのデータを温度変換することを特徴とする熱処理装置。
  14. 請求項１３記載の熱処理装置において、
    前記第１測定モードにて取得されたデータを温度変換した温度値に前記第２測定モードにて取得されたデータを温度変換した温度値を補間して表示する表示部をさらに備えることを特徴とする熱処理装置。
  15. 請求項９から請求項１４のいずれかに記載の熱処理装置において、
    前記光起電力素子から出力された信号に対してデジタルフィルタを用いた処理を行うことを特徴とする熱処理装置。
  16. 請求項１５記載の熱処理装置において、
    前記予備加熱と前記フラッシュ加熱とでは異なるデジタルフィルタを用いることを特徴とする熱処理装置。
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