JP4540796B2 - 石英ウインドウ、リフレクタ及び熱処理装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単結晶基板、ガラス基板などの被処理体を加熱処理する熱処理装置と、当該熱処理装置に使用される石英ウインドウ及びリフレクタに関する。本発明は、例えば、メモリやＩＣなどの半導体装置の製造に適した急速熱処理（ＲＴＰ：Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）装置に好適である。ここで、ＲＴＰは、急速熱アニーリング（ＲＴＡ）、急速クリーニング（ＲＴＣ）、急速熱化学気相成長（ＲＴＣＶＤ）、急速熱酸化（ＲＴＯ）、及び急速熱窒化（ＲＴＮ）などを含む技術である。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、半導体集積回路を製造するためには、半導体ウェハ等のシリコン基板に対して成膜処理、アニール処理、酸化拡散処理、スパッタ処理、エッチング処理、窒化処理等の各種の熱処理が複数回に亘って繰り返される。
【０００３】
半導体製造処理の歩留まりと品質を向上させるため等の目的から急速に被処理体の温度を上昇及び下降させるＲＴＰ技術が注目されている。従来のＲＴＰ装置は、典型的に、被処理体（例えば、半導体ウェハ、フォトマスク用ガラス基板、液晶表示用ガラス基板、光ディスク用基板）を収納する枚葉式チャンバ（処理室）と、処理室に配置された石英ウインドウと、石英ウインドウの外部上部又は上下部に配置された加熱用ランプ（例えば、ハロゲンランプ）と、ランプの被処理体とは反対側に配置されたリフレクタ（反射板）とを有している。
【０００４】
石英ウインドウは、板状に構成されたり、被処理体を内部に収納可能な管状に構成されたりする。処理室が真空ポンプにより排気されて内部が減圧環境に維持される場合には、石英ウインドウは数１０ｍｍ（例えば、３０乃至４０ｍｍ）の肉厚を有して減圧と大気との差圧を維持する。石英ウインドウは、温度が上昇すると熱応力により処理空間に向かって湾曲する傾向があるので予め処理空間から離れるように湾曲状に加工される場合もある。
【０００５】
ハロゲンランプは、被処理体を均一に加熱するために複数個配列され、リフレクタによって、ハロゲンランプからの赤外線を一様に被処理体に向かって放射する。処理室は、典型的に、その側壁において被処理体を導出入するゲートバルブに接続され、また、その側壁又はその石英管において熱処理に使用される処理ガスを導入するガス供給ノズルと接続される。
【０００６】
被処理体の温度は処理の品質（例えば、成膜処理における膜厚など）に影響を与えるために正確に把握される必要があり、高速昇温及び高速冷却を達成するために被処理体の温度を測定する温度測定装置が処理室に設けられる。温度測定装置は熱電対によって構成されてもよいが、被処理体と接触させねばいけないことから被処理体が熱電対を構成する金属によって汚染されるおそれがある。そこで、被処理体の裏面から放射される赤外線強度を検出し、その放射強度を以下の数式１に示す式に則って被処理体の放射率εを求めて温度換算することによって被処理体の温度を算出するパイロメータが温度測定装置として従来から提案されている。パイロメータは、例えば、特許公開公報平成１１年２５８０５１号に開示されている。
【０００７】
【数１】
【０００８】
ここで、ＥBB（Ｔ）は温度Ｔの黒体からの放射強度、Ｅm（Ｔ）は温度Ｔの被処理体から測定された放射強度、εは被処理体の放射率である。
【０００９】
動作においては、被処理体はゲートバルブから処理室に導入されて、ホルダーにその周辺が支持される。熱処理時には、ガス供給ノズルより、窒素ガスや酸素ガス等の処理ガスが導入される。一方、ハロゲンランプから照射される赤外線は被処理体に吸収されて被処理体の温度は上昇する。ハロゲンランプの出力は温度測定装置の測定結果に基づいてフィードバック制御される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の石英ウインドウは厚さが数１０ｍｍと厚いことから以下のような問題を有する。即ち、第１に、ランプ光が石英に吸収されて被処理体への照射効率を低下させる。第２に、ランプ面とその反対側の面で温度差が生じて、ＲＴＰのような急速昇温時には表裏面での熱応力差から石英ウインドウが破壊し易い。第３に、石英ウインドウと同様にランプを湾曲させれば被処理体とランプとの距離が離れてランプの指向性を悪化させる。第４に、石英ウインドウの温度が上昇し、特に、成膜処理の場合には、その表面に堆積膜や反応副生成物が付着してしまい温度再現性を確保できないと共に処理室１１０のクリーニングの頻度が増加する。一方、厚さを薄くすると石英ウインドウはランプ光の吸収を減少することができるが、処理室内の減圧環境と大気圧との差圧に耐えられずに容易に破壊してしまい、減圧環境の処理室には適用できないという問題を生じる。
【００１１】
そこで、このような課題を解決する新規かつ有用な石英ウインドウ、リフレクタ及び熱処理装置を提供することを本発明の概括的目的とする。
【００１２】
より特定的には、被処理体に減圧環境下で熱処理を施す熱処理装置の減圧環境と大気圧との差圧を維持することができ、かつ、熱源からの熱の吸収が比較的少ない石英ウインドウ、リフレクタ及び熱処理装置を提供することを本発明の例示的目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の例示的一態様としての石英ウインドウは、被処理体に熱源を用いて所定の熱処理を行う熱処理装置の前記被処理体と前記熱源の間に配置可能な石英ウインドウであって、石英製プレートと、当該プレートに固定されて当該プレートの強度を高める梁とを有する。かかる石英ウインドウは梁がプレートの強度を高めているのでプレートを薄くすることができ、この結果、プレートによる熱源からの熱の吸収を低減することができる。かかる石英ウインドウを有する熱処理装置も同様の作用を奏することができる。
【００１４】
本発明の例示的一態様としてのリフレクタは、被処理体に所定の熱処理を施すために前記被処理体を加熱する熱源からの熱を反射し前記被処理体に照射するリフレクタであって、前記被処理体と前記熱源との間に、石英製プレートと、当該プレートに固定されて当該プレートの強度を高める梁とを有する石英ウインドウが配置され、前記リフレクタは、前記熱源を収納可能な収納部と、前記石英ウインドウの前記梁と係合可能な係合部とを有する。かかるリフレクタは、梁と係合することによって石英ウインドウの強度を更に高めることができる。かかるリフレクタ及び石英ウインドウを有する熱処理装置も同様の作用を奏することができる。
【００１５】
本発明の他の目的及び更なる特徴は以下添付図面を参照して説明される好ましい実施例によって明らかにされるであろう。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の例示的な熱処理装置１００について説明する。なお、各図において同一の参照符号は同一部材を表している。ここで、図１は、本発明の例示的一態様としての熱処理装置１００の概略断面図である。図１に示すように、熱処理装置１００は、処理室（プロセスチャンバー）１１０と、石英ウインドウ１２０と、加熱用ランプ１３０と、リフレクタ１４０と、サポートリング１５０と、ベアリング１６０と、永久磁石１７０と、ガス導入部１８０と、排気部１９０と、放射温度計２００と、制御部３００とを有する。
【００１７】
処理室１１０は、例えば、ステンレススチールやアルミニウム等により成形され、石英ウインドウ１２０と接続している。処理室１１０は、その円筒形の側壁１１２と石英ウインドウ１２０とにより被処理体Ｗに熱処理を施すための処理空間を画定している。処理空間には、半導体ウェハなどの被処理体Ｗを載置するサポートリング１５０と、サポートリング１５０に接続された支持部１５２が配置されている。これらの部材は被処理体Ｗの回転機構において説明する。また、側壁１１２には、ガス導入部１８０及び排気部１９０が接続されている。処理空間は排気部１９０によって所定の減圧環境に維持される。被処理体Ｗを導入及び導出するためのゲートバルブは図１においては省略されている。
【００１８】
処理室１１０の底部１１４は冷却管１１６ａ及び１１６ｂ（以下、単に「１１６」という。）に接続されており冷却プレートとして機能する。必要があれば、冷却プレート１１４は温度制御機能を有してもよい。温度制御機構は、例えば、制御部３００と、温度センサと、ヒータとを有し、水道などの水源から冷却水を供給される。冷却水の代わりに他の種類の冷媒（アルコール、ガルデン、フロン等）を使用してもよい。温度センサは、ＰＴＣサーミスタ、赤外線センサ、熱電対など周知のセンサを使用することができる。ヒータは、例えば、冷却管１１６の周りに巻かれたヒータ線などとしてから構成される。ヒータ線に流れる電流の大きさを制御することによって冷却管１１６を流れる水温を調節することができる。
【００１９】
石英ウインドウ１２０は処理室１１０に気密的に取り付けられて、処理室１１０内の減圧環境と大気との差圧を維持すると共にランプ１３０からの熱放射光を透過する。図２及び図３に示すように、半径約４００ｍｍ、厚さ約２乃至６ｍｍの円筒形石英プレート１２１と梁１２２とを有する。ここで、図２は石英ウインドウ１２０の平面図である。図３は図１に示す石英ウインドウ１２０、ランプ１３０及びリフレクタ１４０の一部拡大断面図である。
【００２０】
梁１２２は、石英ウインドウ１２０の円周方向の強度を高める梁部分１２４と、石英ウインドウ１２０の半径方向の強度を高める梁部分１２６と、石英ウインドウ１２０とランプ１３０の封止部１３６を冷却するための空気の流路１２８とを有する。梁１２２の各部分１２４及び１２６は厚さは１０ｍｍ以下、好ましくは約２乃至６ｍｍであり、高さ約１０ｍｍ以上を有する。梁１２２は本実施例ではランプ１３０に対向しているが、本発明は被処理体Ｗに梁１２２が対向している配置や、梁１２２がプレート１２１の上下に配置されている構造も含むものである。後者の場合には、上述の各部分１２４及び１２６の寸法は異なる場合があることはいうまでもない。
【００２１】
石英プレート１２１は梁１２２によって熱変形に対する強度が向上しているために、従来のように、処理室１１０から離れる方向に湾曲する必要がなく、平面形状を有する。この結果、石英プレート１２１は従来よりも加工が容易である。本実施例は石英プレート１２１と梁１２２は溶接によって接合しているが、一体的に形成する方法を排除するものではない。
【００２２】
また、上述したように、石英ウインドウ１２０のプレート１２１と梁１２２の厚さは１０ｍｍ以下、好ましくは約２乃至６ｍｍであり、従来の石英ウインドウの厚さである数１０ｍｍ（例えば、３０乃至４０ｍｍ）に比べて小さい。この結果、本実施例の石英ウインドウ１２０は、従来の石英ウインドウよりもランプ１３０からの光の吸収量が小さい。この結果、石英ウインドウ１２０は以下の長所を有する。即ち、第１に、ランプ１３０からの被処理体Ｗへの照射効率を従来よりも向上することができるので高速昇温を低消費電力で達成することができる。第２に、プレート１２１の表裏面での温度差（即ち、熱応力差）を従来よりも低く維持することができるために破壊しにくい。これは梁１２２についても同様である。第３に、石英ウインドウ１２０の温度上昇は従来の石英ウインドウよりも低いために成膜処理の場合にその表面に堆積膜や反応副生成物が付着することを防止することができ、温度再現性を確保することができると共に処理室１１０のクリーニングの頻度を減少することができる。
【００２３】
ランプ１３０は、本実施例ではダブルエンド型であるが後述するようにシングルエンド型でもよく、また、電熱線ヒータ等その他の熱源を使用してもよい。ここで、ダブルエンド型とは、図４に示すランプ１３０のように、２つの電極部１３２を有する種類のランプをいう。シングルエンド型とは、電球のように一の端部のみを有するランプをいう。ランプ１３０は被処理体Ｗを加熱する熱源として機能し、本実施例ではハロゲンランプであるがこれに限定されるものではない。ランプ１３０の出力はランプドライバ３１０によって決定されるが、ランプドライバ３１０は後述するように制御部３００により制御され、それに応じた電力をランプ１３０に供給する。
【００２４】
図４に示すように、ランプ１３０は２つの電極部１３２とランプハウス１３４とを含み、ランプハウス１３４は２つの電極部１３２を接続するフィラメント１３５を有する。ここで、図４はランプ１３０の概略斜視図である。電極部１３２へ供給される電力はランプドライバ３１０によって決定され、ランプドライバ３１０は制御部３００によって制御される。電極部１３２とランプドライバ３１０との間は後述する封止部１３６によって封止されている。
【００２５】
図４に示すように、ランプハウス１３４は垂直部１３４ａと垂直部１３４ａから９０度曲げられた円弧状の水平部１３４ｂとを有する。水平部１３４ｂの長さは図２における隣接する同心円弧を形成する梁部分１２６（例えば、１２６ａと１２６ｂなど）の間に配置される。もっとも、ランプ１３０は、必ずしも、隣接する梁部分１２６の間を完全に埋める必要はなく、所定の開き角で配置されてもよい。例えば、図２において、梁部分１２６ａと１２６ｂとの間と梁部分１２６ｃと１２６ｄとの間にはランプ１３０が配置されるが、梁部分１２６ｂと１２６ｃとの間と梁部分１２６ｄと１２６ａとの間にはランプ１３０を配置しない等である。
【００２６】
このように、本実施例では、ランプ１３０は、ほぼ円形の被処理体Ｗに対応させてほぼ同心円状に配置されている。各ランプ１３０は、石英ウインドウ１２０の中心から周方向に沿って見れば同一の屈曲半径を有する複数の円弧形状の筒型ランプと、石英ウインドウ１２０の中心から半径方向に沿って見れば屈曲半径が異なる複数の円弧形状の筒型ランプとを有している。
【００２７】
本発明は熱源に直線筒状のダブルエンド型ランプの使用されることを排除するものではない。その場合には梁１２２の形状はかかるランプを収納できるように変更されるであろう。但し、本実施例のランプ１３０はかかる直線筒状ランプよりも優れている。なぜなら、直線筒状ランプは一のランプがカバーするウェハ面積が広く、かつ、被処理体Ｗを横切るように配置されることから一般に指向性が悪く、被処理体Ｗの領域毎の温度制御が困難である。これに対して、本実施例のランプ１３０はほぼ同心円状に配置されているので被処理体Ｗの領域毎の温度制御が容易であり、放射熱の指向性が大きく、被処理体Ｗへの直接放射を効率的に行うことができる。
【００２８】
リフレクタ１４０はランプ１３０の熱放射光を反射する機能を有する。リフレクタ１４０は略円筒形状を有して概略的にはその断面は図１に示すように直方体形状を有するが、より詳細には、図３に示すように、ランプ１３０の垂直部１３２が配置される複数の垂直貫通孔１４２と、ランプ１３０の水平部１３４ｂが配置される図３に示す同心円状の複数の水平溝１４４とを有する。リフレクタ１４０の上部には、その内部又は外部に冷却管が配設されているが図１においては図示が省略されている。また、図３に示すように、リフレクタ１４０は、隣接する水平溝１４４の間に梁１２２に対向する水平部１４５を有する。
【００２９】
リフレクタ１４０は、水平部１４５に梁１２２を収納するスリット１４６を有する図６に示すリフレクタ１４０Ａに置換されてもよい。ここで、図６はリフレクタ１４０Ａの構造を説明するための概略部分拡大断面図である。図３に示すリフレクタ１４０の形状では図５に示すようにプレート１２１を透過する光路１よりも梁１２２を透過する光路２の方が長いことから梁１２２におけるランプ１３０からの光の吸収量がプレート１２１のそれよりも大きくなる。ここで、図５は、図３に示すリフレクタ１４０の形状で石英ウインドウ１２０にランプ１３０から入射する光の影響を説明するための概略断面図である。この結果、石英プレート１２１と梁１２２との間での温度差が生じて熱応力から梁１２２とプレート１２１との接合部１２３でクラックが発生する可能性がある。かかる欠点は梁１２２の厚さを調節するなどして解決することができるが、代替的に図６に示すリフレクタ１４０Ａを使用して解決してもよい。
【００３０】
図６に示すように、リフレクタ１４０Ａは、溝１４４よりも高い溝１４４Ａと、水平部１４５に梁１２２を収納するスリット１４６とを有する点でリフレクタ１４０と相違する。リフレクタ１４０Ａによれば、スリット１４６内に石英ウインドウ１２０の梁１２２を挿入することによってランプ１３０からの光が梁１２２に直接照射されることを回避することができる。また、本構造は熱応力及び処理室１１０内の減圧環境と大気圧との差圧によって発生する面圧を、図７に示すように、石英ウインドウ１２０が受けて撓んで降伏応力により破壊すること防ぐ効果も有する。ここで、図７は、リフレクタ１４０Ａの効果を説明する概略部分拡大断面図である。なお、本発明はリフレクタが梁１２２と係合する突出部を有して石英ウインドウ１２０の強度を高める場合も含むものである。
【００３１】
図８及び図９を参照して、石英ウインドウ１２０の流路１２８と封止部１３６との関係について説明する。ここで、図８は、リフレクタ１４０Ａに梁１２２が挿入された石英ウインドウ１２０の流路１２８と封止部１３６との関係を説明するための概略平面図であり、図９はその部分拡大断面図である。冷却エアは図８及び図９に示すように流路１２８を流れる。図８において丸部は封止部１３６の位置を表している。ランプ１３０への給電はリフレクタ１４０Ａの貫通穴１４２に配置された電極１３２とランプハウス１３４の垂直部１３４ａの封止部１３６を介して行われる。冷却エアは、貫通穴１４２を通過して封止部１３６を効果的に冷却する。なお、冷却エア導入手段は図１においては省略されている。
【００３２】
図１０及び図１１は、ダブルエンド型のランプ１３０がシングルエンド型ランプ１３０Ａに置換されてリフレクタ１４０Ａに配置された場合の概略部分拡大断面図と概略上面図である。シングルエンド型ランプ１３０Ａは良好な熱放射光の指向性及び制御性を有している。
【００３３】
次に、図１２及び図１３を参照して放射温度計２００を説明する。ここで、図１２は放射温度計２００及びその近傍の処理室１１０の概略拡大断面図である。図１３は、放射温度計２００のチョッパ２３０の概略平面図である。放射温度計２００は被処理体Ｗに関してランプ１３０と反対側に設けられている。本発明は放射温度計２００がランプ１３０と同一の側に設けられる構造を排除するものではないが、ランプ１３０の放射光が放射温度計２００に入射することを防止することが好ましい。
【００３４】
放射温度計２００は処理室１１０の底部１１４に取り付けられている。底部１１４の処理室１１０内部を向く面１１４ａは金メッキなどが施されて反射板（高反射率面）として機能する。これは、面１１４ａを黒色などの低反射率面とすると被処理体Ｗの熱を吸収してランプ１３０の照射出力を不経済にも上げなければならなくなるためである。底部１１４は円筒形状の貫通孔１１５を有する。放射温度計２００は、石英又はサファイア製のロッド２１０と、ケーシング２２０と、チョッパ(又はセクタ)２３０と、モータ２４０と、レンズ２５０と、光ファイバ２６０と、放射検出器２７０とを有する。
【００３５】
本実施例のロッド２１０は石英又はサファイア製ロッドから構成される。石英やサファイア製は良好な耐熱性と後述するように良好な光学的特性を有するために使用されているが、ロッド２１０の材料がこれらに限定されないことはいうまでもない。ロッド２１０が良好な耐熱性を有するためにロッド２１０を冷却する機構は不要になり、装置１００の小型化に資する。
【００３６】
必要があれば、ロッド２１０は処理室１１０内部に所定距離突出してもよい。ロッド２１０は、処理室１１０の底部１１４に設けられた貫通孔１１５に挿通されてオーリング１９０によりシールされている。これにより、処理室１１０は貫通孔１１５に拘らずその内部の減圧環境を維持することができる。
【００３７】
ロッド２１０は、その内部に一旦入射した熱放射光を殆ど外に出さずに、かつ、殆ど減衰することなくケーシング２２０に案内することができるので集光効率に優れている。また、ロッド２１０はチョッパ２３０（の高反射率面２３２）と被処理体Ｗとの間で放射光の多重反射を可能にする。ロッド２１０を被処理体Ｗに近づけることにより被処理体Ｗの温度を正確に測定することができる。
【００３８】
ロッド２１０は、被処理体Ｗからケーシング２２０を離間させることを可能にする。このため、ロッド２１０は、ケーシング２２０を冷却する冷却機構を不要にすると共に装置１００の小型化に資する。代替的に、ケーシング２２０の冷却機構が設けられる場合であっても、ロッド２１０は冷却機構の冷却用電力を最小限することができる。
【００３９】
本実施例のロッド２１０は、石英又はサファイア製ロッドと多芯光ファイバから構成されてもよく、この場合、多芯光ファイバは石英ロッドとチョッパ２３０との間に配置される。これにより、ロッド２１０の導光路に可撓性を持たせることができ、放射温度計の配置の自由度を増加させることができる。また、放射温度計２００の本体又はケーシング２２０を被処理体Ｗからより離間させることができるので被処理体Ｗからの温度の影響を受けて放射温度計２００の各部が変形する等の弊害を防止してより高い測定精度を維持することができる。
【００４０】
ケーシング２２０は貫通孔１１５の下方に設けられてほぼ円筒形状を有する。
【００４１】
チョッパ２３０は、ケーシング２２０の内部において貫通孔１１５の下方にその一部が位置するように略水平に配置されて円盤形状を有する。チョッパ２３０はモータ２４０（のモータ軸に取り付けられた回転軸）とその中心で接続され、モータ２４０により回転駆動される。チョッパ２３０は、図１３に示すように、その表面が４等分されて２つの高反射率面２３２と２つの低反射率面２３４とを有する。面２３２及び２３４は交互に配置されて、それぞれスリット２３１を有する。高反射率面２３２は、例えば、アルミニウムや金メッキにより形成され、低反射率面２３４は、例えば、黒色塗装によって形成される。高反射率面２３２はそのスリット２３１における測定部２３２ａとスリット２３１以外の部分における測定部２３２ｂとを有する。同様に、低反射率面２３４はそのスリット２３１における測定部２３４ａとスリット２３１以外の部分における測定部２３４ｂとを有する。
【００４２】
もっとも図１３に示すチョッパ２３０の構造は単なる例示であり、本発明の開示から当業者が想到し得る構造も含む。例えば、チョッパは、スリット２３１を備えた半円状高反射率面から構成されたり、円板を４等分又は６等分にしてスリット２３１を備えた高反射率面と切り欠き部とを交互に設けることによって構成されたり、スリット２３１を高反射率面にのみ設けることによって構成されたりしてもよい。
【００４３】
モータ２４０によりチョッパ２３０が回転すると、ロッド２１０の下には高反射率面２３２と低反射率面２３４とが交互に現れるようになる。面２３２がロッド２１０の下にあるとロッド２１０を伝播してきた光の大部分は反射して再びロッド２１０内を伝播して被処理体Ｗの表面に投光される。一方、面２３４がロッド２１０の下にあるとロッド２１０を伝播してきた光の大部分は吸収されてそこからの反射光はごく微量である。スリット２３１は被処理体Ｗからの放射光又は多重反射された光を検出器２７０に案内する。
【００４４】
検出器２７０は、図示しない結像レンズ、Ｓｉホトセル、増幅回路を備え、結像レンズに入射した放射光を電圧、即ち、後述の放射強度Ｅ1（Ｔ）、Ｅ2（Ｔ）を表す電気信号に変換して制御部３００に送る。制御部３００はＣＰＵ及びメモリを備えており、後述する放射強度Ｅ1（Ｔ）、Ｅ2（Ｔ）を基に被処理体Ｗの放射率ε及び基板温度Ｔを算出する。なお、この演算は放射温度計２００内の図示しない演算部が行ってもよい。
【００４５】
より詳細には、スリット２３１を通過した光はレンズ２５０により集光され、光ファイバ２６０により検出器２７０に伝達される。高反射率面２３２と低反射率面２３４における放射強度（又は輝度）はそれぞれ以下の数式２及び4で示される。
【００４６】
【数２】
【００４７】
ここで、Ｅ1（Ｔ）は検出器２７０によって求められた温度Ｔにおける高反射率面２３２の放射強度、Ｒは高反射率面２３２の実効反射率、εは被処理体Ｗの放射率、ＥBB（Ｔ）は温度Ｔにおける黒体の放射強度である。数式２は、以下の数式３より導かれる。ここで、被処理体Ｗにおける熱放射の透過がないとしている。
【００４８】
【数３】
【００４９】
【数４】
【００５０】
ここで、Ｅ2（Ｔ）は検出器２７０によって求められた温度Ｔにおける低反射率面２３４の測定された放射強度である。数式４はプランクの式から導かれる。数式２及び４から、放射率εは以下の数式５で表される。
【００５１】
【数５】
【００５２】
一般に、黒体から放射される電磁波の放射発散度の分光密度はプランクの式で与えられ、放射温度計２００が黒体を計測する場合には計測される特定波長領域の黒体の温度Ｔと計測される放射強度ＥBB（Ｔ）との関係は放射温度計２００の光学系等によって決まる予め求められている定数Ａ、Ｂ、Ｃを用いて次式で表示することができる。
【００５３】
【数６】
【００５４】
【数７】
【００５５】
ここで、Ｃ2は、放射の第２定数である。
【００５６】
検出器２７０又は制御部３００は、上述の数式５と数式２又は４によって放射強度ＥBB（Ｔ）を求めることができるのでこれを数式７に代入して温度Ｔを求めることができる。いずれにしろ制御部３００は被処理体Ｗの温度Ｔを得ることができる。
【００５７】
しかし実際には、数式７によって求まる温度は、図１４及び図１５に示すように、実際の被処理体Ｗの温度と比較して約２０〜４０℃の誤差を含み、高品質の熱処理を行いにくい。ここで、図１４は、被処理体Ｗの温度と数式１を適用して被処理体Ｗの中央を測定した放射温度計２００の温度との関係を示すグラフである。図１５は、被処理体Ｗの温度と数式１を適用して被処理体Ｗの端部を測定した放射温度計２００の温度との関係を示すグラフである。
【００５８】
本発明者らは、この原因を鋭意検討した結果、上述の数式１を実際の被処理体Ｗの温度測定に適用する場合には幾つかの誤差を考慮しなければならないことを発見した。また、図１６に示すように、誤差は、（１）被処理体Ｗからの放射光が面１１４ａで多重反射した光Ｊ、（２）ランプ１３０からの放射光Ｋ、（３）放射光の２１０の端面部で反射が起こることによる伝送損失Ｌ、（４）放射光の２１０の吸収損失Ｍを含む。光Ｊ及びＫは迷光と呼ばれる場合もあるが、特に、熱効率を高めるため処理室１１０内の内面及び被処理体Ｗ周辺の部材の反射率を大きくしている枚葉式処理室１１０では迷光による測定誤差の影響が大きい。ここで、図１６は、数式１を実際の被処理体Ｗの温度測定に適用する場合に含まれる誤差を説明するための概略断面図である。
【００５９】
そこで、本発明者らは、数式１を以下の数式８のように修正した。
【００６０】
【数８】
【００６１】
数式８は、（１）の多重反射分をε/｛１−α（１−ε）｝により補正し、（２）のランプ１３０からの漏れ分をＳにより補正し、（３）のロッドやファイバの端面における反射損失をβにより補正し、（４）の吸収に対する重み付け補正をＧ（ゲイン）により補正している。もちろんこれらの一又は複数が省略されても数式１よりは実際の被処理体Ｗの温度に近似する温度を得ることができる。また、これらの数式８又はその補正の一部を表す式を含む温度測定演算プログラムは、フロッピーディスクその他のコンピュータ可読媒体に格納され、及び／又は、インターネットその他の通信ネットワークを利用してオンライン配信されて独立の取引対象となり得る。
【００６２】
図１７及び図１８に、数式８を用いて測定された温度と実際の被処理体Ｗの温度とを比較したグラフを示す。より詳細には、図１７は、被処理体Ｗの温度と数式８を適用して被処理体Ｗの中央を測定した放射温度計２００の温度との関係を示すグラフである。図１８は、被処理体Ｗの温度と数式８を適用して被処理体Ｗの端部を測定した放射温度計２００の温度との関係を示すグラフである。図１７及び図１８に示すように、数式８を適用することによって被処理体Ｗの温度の測定値と実際の値との差は±３℃未満に維持することができることが理解されるであろう。
【００６３】
制御部３００は内部にＣＰＵ及びメモリを備え、被処理体Ｗの温度Ｔを認識してランプドライバ３１０を制御することによってランプ１３０の出力をフィードバック制御する。また、制御部３００は、後述するように、モータドライバ３２０に所定のタイミングで駆動信号を送って被処理体Ｗの回転速度を制御する。
【００６４】
ガス導入部１８０は、例えば、図示しないガス源、流量調節バルブ、マスフローコントローラ、ガス供給ノズル及びこれらを接続するガス供給路を含み、熱処理に使用されるガスを処理室１１０に導入する。なお、本実施例ではガス導入部１８０は処理室１１０の側壁１１２に設けられて処理室１１０の側部から導入されているが、その位置は限定されず、例えば、シャワーヘッドとして構成されて処理室１１０の上部から処理ガスを導入してもよい。
【００６５】
アニールであればガス源はＮ2、Ａｒなど、酸化処理であればＯ2、Ｈ2、Ｈ2Ｏ、ＮＯ2、窒化処理であればＮ2、ＮＨ3など、成膜処理であればＮＨ3、ＳｉＨ2Ｃｌ2やＳｉＨ4などを使用するが、処理ガスはこれらに限定されないことはいうまでもない。マスフローコントローラはガスの流量を制御し、例えば、ブリッジ回路、増幅回路、コンパレータ制御回路、流量調節バルブ等を有し、ガスの流れに伴う上流から下流への熱移動を検出することによって流量測定して流量調節バルブを制御する。ガス供給路は、例えば、シームレスパイプを使用したり、接続部に食い込み継ぎ手やメタルガスケット継ぎ手を使用したりして供給ガスへの配管からの不純物の混入が防止している。また、配管内部の汚れや腐食に起因するダストパーティクルを防止するために配管は耐食性材料から構成されるか、配管内部がＰＴＦＥ（テフロン）、ＰＦＡ、ポリイミド、ＰＢＩその他の絶縁材料により絶縁加工されたり、電解研磨処理がなされたり、更には、ダストパーティクル捕捉フィルタを備えたりしている。
【００６６】
排気部１９０は、本実施例ではガス導入部１８０と略水平に設けられているが、その位置及び数は限定されない。排気部１９０には所望の排気ポンプ（ターボ分子ポンプ、スパッターイオンポンプ、ゲッターポンプ、ソープションポンプ、クライオポンプなど）が圧力調整バルブと共に接続される。なお、本実施例では処理室１１０は減圧環境に維持されるが、本発明は減圧環境を必ずしも必須の構成要素とするものではなく、例えば、１３３Ｐａ乃至大気圧の範囲で適用可能である。排気部１９０は、図２０乃至図２４を参照して後述されるヘリウムガスを次の熱処理前までに排気する機能も有する。
【００６７】
図１９は、被処理体Ｗの冷却速度に関するシミュレーションの結果を示すグラフである。図１９において、ギャップは被処理体Ｗと底部１１４との間隔を意味する。図１９に示すグラフから（１）ギャップが小さくなる程冷却速度が上がる、（２）被処理体Ｗと底部１１４との間に熱伝導率の高いヘリウムガスを流すことで飛躍的に冷却速度が上がる、ことが理解されるであろう。
【００６８】
図１に示すＲＴＰ装置１００の構成は、被処理体Ｗの上面をランプ１３０により加熱して被処理体Ｗの裏面に冷却プレートとしての底部１１４を設けている。このため、図１に示す構造は冷却速度は比較的速いが、放熱量が多くなるために急速昇温には比較的大きな電力が必要となる。これに対して冷却管１１６の冷却水の導入を加熱時に停止する方法も考えられるが歩留まりが下がるために好ましくはない。
【００６９】
そこで、図２０乃至図２２に示すように、冷却プレートしての底部１１４は被処理体Ｗに対して可動に構成された底部１１４Ａに置換されてもよい。より好ましくは、放熱効率を高めるために、冷却時に熱伝導率の高いヘリウムガスを被処理体Ｗと底部１１４Ａとの間に流される。ここで、図２０は、被処理体Ｗに対して可動に構成された冷却プレートしての底部１１４Ａを説明するための概略断面図である。図２１は、図２０の構造において被処理体Ｗを加熱する際の被処理体Ｗと底部１１４Ａとの位置関係を説明するための概略断面図である。図２２は、図２０の構造において被処理体Ｗを冷却する際の被処理体Ｗと底部１１４Ａとの位置関係を説明するための概略断面図である。なお、図２０乃至図２２においては放射温度計２００や冷却管１１６は省略されている。
【００７０】
図２０に示すように、処理室１１０内の減圧環境を維持するベローズなどを有して制御部３００により動作制御される昇降機構１１７により底部１１４Ａは被処理体Ｗに対して昇降することができる。昇降機構１１７には当業界で周知のいかなる構造をも適用することができるので、ここでは詳しい説明は省略する。なお、本実施例と異なり、被処理体Ｗ又はサポートリング１５０を可動に構成してもよい。被処理体Ｗを加熱する際には、図２１に示すように、底部１１４Ａを被処理体Ｗから離間するように下降させると共にヘリウムガスの供給を停止する。このとき、被処理体Ｗと底部１１４との距離は、例えば、１０ｍｍである。底部１１４Ａと被処理体Ｗとの間隔が大きいので被処理体Ｗは底部１１４Ａの影響をあまり受けずに高速昇温が可能となる。図２１に示す底部１１４Ａの位置が、例えば、ホームポジションに設定される。
【００７１】
被処理体Ｗを冷却する際には、図２２に示すように、底部１１４Ａを被処理体Ｗに近接するように上昇させると共にヘリウムガスの供給を開始する。底部１１４Ａと被処理体Ｗとの間隔が狭いので被処理体Ｗは底部１１４Ａの影響を高速冷却が可能となる。このとき、被処理体Ｗと底部１１４との距離は、例えば、１ｍｍである。図２２のヘリウムガスの導入例を図２３に示す。ここで、図２３は、図２２の実線領域Ｖの概略拡大断面図である。同図に示すように、底部１１４には無数の小さな孔１１５ａが設けられてヘリウムガスを案内する。ヘリウムガス供給管に接続されたバルブ４００を有するケース４１０が底部１１４に接続されている。
【００７２】
本実施例は冷却プレート１１４Ａと被処理体Ｗとの相対的移動について説明したが、本発明は被処理体Ｗとランプ１３０との相対的移動にも適用することができる。
【００７３】
以下、被処理体Ｗの回転機構について図１を参照して説明する。集積回路の各素子の電気的特性や製品の歩留まり等を高く維持するためには被処理体Ｗの表面全体に亘ってより均一に熱処理が行われることが要求される。被処理体Ｗ上の温度分布が不均一であれば、例えば、成膜処理における膜厚が不均一になったり、熱応力によりシリコン結晶中に滑りを発生したりするなど、ＲＴＰ装置１００は高品質の熱処理を提供することができない。被処理体Ｗ上の不均一な温度分布はランプ１３０の不均一な照度分布に起因する場合もあるし、ガス導入部１８０付近において導入される処理ガスが被処理体Ｗの表面から熱を奪うことに起因する場合もある。回転機構はウェハを回転させて被処理体Ｗがランプ１３０により均一に加熱されることを可能にする。
【００７４】
被処理体Ｗの回転機構は、サポートリング１５０と、リング状の永久磁石１７０と、リング状のＳＵＳなどの磁性体１７２と、モータドライバ３２０と、モータ３３０とを有する。
【００７５】
サポートリング１５０は、耐熱性に優れたセラミックス、例えば、ＳｉＣなどから構成された円形リング形状を有する。サポートリング１５０は被処理体Ｗの載置台として機能し、中空円部において断面Ｌ字状に周方向に沿ってリング状の切り欠きを有する。かかる切り欠き半径は被処理体Ｗの半径よりも小さく設計されているのでサポートリング１５０は切り欠きにおいて被処理体Ｗ（の裏面周縁部）を保持することができる。必要があれば、サポートリング１５０は被処理体Ｗを固定する静電チャックやクランプ機構などを有してもよい。サポートリング１５０は、被処理体Ｗの端部からの放熱による均熱の悪化を防止する。
【００７６】
サポートリング１５０は、その端部において支持部１５２に接続されている。必要があれば、サポートリング１５０と支持部１５２との間には石英ガラスなどの断熱部材が挿入されて、後述する磁性体１７２などを熱的に保護する。本実施例の支持部１５２は中空円筒形状の不透明な石英リング部材として構成されている。ベアリング１６０は支持部１５２及び処理室１１０の内壁１１２に固定されており、処理室１１０内の減圧環境を維持したまま支持部１５２の回転を可能にする。支持部１５２の先端には磁性体１７２が設けられている。
【００７７】
同心円的に配置されたリング状の永久磁石１７０と磁性体１７２は磁気結合されており、永久磁石１７０はモータ３３０により回転駆動される。モータ３３０はモータドライバ３２０により駆動され、モータドライバ３２０は制御部３００によって制御される。
【００７８】
この結果、永久磁石１７０が回転すると磁気結合された磁性体１７２が支持部１５２と共に回転し、サポートリング１５０と被処理体Ｗが回転する。回転速度は、本実施例では例示的に９０ＲＰＭであるが、実際には、被処理体Ｗに均一な温度分布をもたらすように、かつ、処理室１１０内でのガスの乱流や被処理体Ｗ周辺の風切り効果をもたらさないように、被処理体Ｗの材質や大きさ、処理ガスの種類や温度などに応じて決定されることになるであろう。磁石１７０と磁性体１７２は磁気結合されていれば逆でもよいし両方とも磁石でもよい。
【００７９】
次に、ＲＴＰ装置１００の動作について説明する。図示しないクラスターツールなどの搬送アームが被処理体Ｗを図示しないゲートバルブを介して処理室１１０に搬入する。被処理体Ｗを支持した搬送アームがサポートリング１５０の上部に到着すると、図示しないリフタピン昇降系がサポートリング１５０から（例えば、３本の）図示しないリフタピンを突出させて被処理体Ｗを支持する。この結果、被処理体Ｗの支持は、搬送アームからリフタピンに移行するので、搬送アームはゲートバルブより帰還させる。その後、ゲートバルブは閉口される。搬送アームはその後図示しないホームポジションに移動してもよい。
【００８０】
一方、リフタピン昇降系は、その後、図示しないリフタピンをサポートリング１５０の中に戻し、これによって被処理体Ｗをサポートリング１５０の所定の位置に配置する。リフタピン昇降系は図示しないベローズを使用することができ、これにより昇降動作中に処理室１１０の減圧環境を維持すると共に処理室１０２内の雰囲気が外部に流出するのを防止する。
【００８１】
その後、制御部３００はランプドライバ３１０を制御し、ランプ１３０を駆動するように命令する。これに応答して、ランプドライバ３１０はランプ３００を駆動し、ランプ１３０は被処理体Ｗを、例えば、約８００℃まで加熱する。ランプ１３０から放射された熱線は石英ウインドウ１２０を介して処理空間にある被処理体Ｗの上面に照射されて被処理体Ｗを、例えば、８００℃へ２００ーＣ／ｓの加熱速度で高速昇温する。一般に被処理体Ｗの周辺部はその中心側と比較して放熱量が多くなる傾向があるが、本実施例のランプ１３０は同心円状に配置して領域毎の電力制御も可能であるので高い指向性と温度制御能力を提供する。装置１００が図２０に示す構造を使用すれば底部１１４Ａは、この時、図２１に示すようにホームポジションに配置される。特に、図２１に示す構造は被処理体Ｗが冷却プレートである底部１１４Ａから離間してその影響を受けにくいので効率的な高速昇温が可能である。加熱と同時又はその前後に、排気部１９０が処理室１１０の圧力を減圧環境に維持する。
【００８２】
同時に、制御部３００はモータドライバ３２０を制御し、モータ３３０を駆動するように命令する。これに応答して、モータドライバ３２０はモータ３３０を駆動し、モータ３３０はリング状磁石１７０を回転させる。この結果、支持部１５２（又は１５２Ａ）が回転し、被処理体Ｗがサポートリング１５０と共に回転する。被処理体Ｗが回転するのでその面内の温度は熱処理期間中に均一に維持される。
【００８３】
加熱中は、石英ウインドウ１２０はプレート１２１の厚さが比較的薄いので幾つかの長所を有する。これらの長所は、（１）ランプ１３０からの光をあまり吸収しないので被処理体Ｗへの照射効率を低下しない、（２）プレート１２１の表裏面で温度差が小さいので熱応力破壊が発生しにくい、（３）成膜処理の場合でもプレート１２１の温度上昇が少ないためにその表面に堆積膜や反応副生成物が付着しにくい、（４）梁１２２が石英ウインドウ１２０の強度を高めているのでプレート１２０が薄くても処理室１１０内の減圧環境と大気圧との差圧を維持することができる、を含む。また、図６に示すように石英ウインドウ１２０の梁１２２がリフレクタ１４０Ａの溝１４６に挿入されると、（５）梁１２２の温度上昇が少なくプレート１２１と梁１２２との熱応力破壊を防止できる、（６）処理室１１０内の減圧環境と大気圧との差圧に対する耐性が更に向上するなどの付加的な効果が得られる。
【００８４】
被処理体Ｗの温度は放射温度計２００により測定されて、制御部３００はその測定結果に基づいてランプドライバ３１０をフィードバック制御する。被処理体Ｗは回転しているためにその表面の温度分布は均一であることが期待されるが、必要があれば、放射温度計２００は、被処理体Ｗの温度を複数箇所（例えば、その中央と端部）測定することができ、放射温度計２００が被処理体Ｗ上の温度分布が不均一であると測定すれば、制御部３００は被処理体Ｗ上の特定の領域のランプ１３０の出力を変更するようにランプドライバ３１０に命令することもできる。
【００８５】
放射温度計２００はロッド２１０を有してチョッパ２３０と被処理体Ｗとの距離を離間させているので放射温度計２００本体が被処理体Ｗからの放射熱の影響を受けにくく、温度測定精度が高い。また、放射温度計２００本体の冷却機構は不要であるか最小限にすることができるので装置１００の小型化と経済性向上に資する。被処理体Ｗは、熱処理においては高温環境下に長時間置かれると不純物が拡散して集積回路の電気的特性が悪化するため、高速昇温と高速冷却が必要でありそのために被処理体Ｗの温度管理が不可欠であるが放射温度計２００はかかる要請に応えるものである。特に、放射温度計２００又は制御部３００が数式８を利用して被処理体Ｗの温度を計算すればその誤差は±３℃に維持されるためにＲＴＰ装置１００は高品質の熱処理を提供することができる。
【００８６】
次いで、図示しないガス導入部から流量制御された処理ガスが処理室１１０に導入される。所定の熱処理（例えば、１０秒間）が終了すると制御部３００はランプドライバ３１０を制御してランプ１３０の加熱を停止するように命令する。これに応答して、ランプドライバ３１０はランプ１３０の駆動を停止する。装置１００が図２０に示す構造を使用すれば制御部３００は昇降機構１１７を制御して、底部１１４Ａを図２２に示す冷却位置に移動する。また、好ましくは、熱伝導性の高いヘリウムガスが図２３に示すように被処理体Ｗと底部１１４Ａとの間に導入される。これにより、被処理体Ｗの冷却効率は高くなり比較的低消費電力で高速冷却を行うことができる。冷却速度は、例えば、２００ーＣ／ｓである。
【００８７】
熱処理後に被処理体Ｗは上述したのと逆の手順によりゲートバルブから処理室１１０の外へクラスターツールの搬送アームにより導出される。次いで、必要があれば、搬送アームは被処理体Ｗを次段の装置（成膜装置など）に搬送する。
【００８８】
以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はその要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【００８９】
【発明の効果】
本発明の例示的一態様である石英ウインドウ及び熱処理装置によれば、石英ウインドウの梁がプレートの強度を高めて薄型化を促進するのでプレートが熱源からの熱放射光を吸収する量が少なくなる。この結果、被処理体への照射効率の向上やプレートの熱破壊の防止などを達成することができる。本発明の例示的一態様であるリフレクタ及び熱処理装置によれば、リフレクタが石英ウインドウの強度を更に高めているので、例えば、減圧環境と大気圧との差圧により石英ウインドウが破壊することを更に確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の例示的一態様としての熱処理装置の概略断面図である。
【図２】 図１に示す熱処理装置に適用可能な石英ウインドウの概略平面図である。
【図３】 図１に示す熱処理装置に適用可能な石英ウインドウ、ランプ及びリフレクタの一部拡大断面図である。
【図４】 図１に示す熱処理装置に適用可能なランプの概略斜視図である。
【図５】 図３に示すリフレクタの形状で石英ウインドウにランプから入射する光の影響を説明するための概略断面図である。
【図６】 図３に示すリフレクタの変形例を説明するための概略部分拡大断面図である。
【図７】 図６に示すリフレクタの効果を説明する概略部分拡大断面図である。
【図８】 図６に示すリフレクタと結合した石英ウインドウの流路とランプ封止部との関係を説明するための概略平面図である。
【図９】 図６に示すリフレクタと結合した石英ウインドウの流路とランプ封止部との関係を説明するための概略部分拡大断面図である。
【図１０】 図６に示すランプがシングルエンド型ランプに置換された場合の概略部分拡大断面図である。
【図１１】 図６に示すランプがシングルエンド型ランプに置換された場合の概略上面図である。
【図１２】 図１に示す熱処理装置に適用可能な放射温度計及びその近傍の処理室の概略拡大断面図である。
【図１３】 図１２に示す放射温度計のチョッパの概略平面図である。
【図１４】 被処理体の温度と従来の温度換算式を適用して被処理体の中央を測定した図１２に示す放射温度計の温度との関係を示すグラフである。
【図１５】 被処理体の温度と従来の温度換算式を適用して被処理体の端部を測定した図１２に示す放射温度計の温度との関係を示すグラフである。
【図１６】 従来の温度換算式を実際の被処理体の温度測定に適用する場合に含まれる誤差を説明するための概略断面図である。
【図１７】 被処理体の温度と本発明により補正された温度換算式を適用して被処理体の中央を測定した図１２に示す放射温度計の温度との関係を示すグラフである。
【図１８】 被処理体の温度と本発明により補正された温度換算式を適用して被処理体の端部を測定した図１２に示す放射温度計の温度との関係を示すグラフである。
【図１９】 被処理体の冷却速度に関するシミュレーションの結果を示すグラフである。
【図２０】 図１に示す熱処理装置の冷却プレートしての底部の変形例を説明するための概略断面図である。
【図２１】 図２０に示す構造において被処理体を加熱する際の被処理体と底部との位置関係を説明するための概略断面図である。
【図２２】 図２０に示す構造において被処理体を冷却する際の被処理体と底部との位置関係を説明するための概略断面図である。
【図２３】 図２２に示す実線領域Ｖの概略拡大断面図である。
【符号の説明】
１００ 熱処理装置
１１０ 処理室
１１４ 底部（冷却プレート）
１１４Ａ 底部（冷却プレート）
１２０ 石英ウインドウ
１２２ 梁
１２４ （円周方向）梁部分
１２６ （半径方向）梁部分
１２８ 流路
１３０ ランプ
１４０ リフレクタ
１４４ 溝
１４５ 水平部
１４６ スリット
１５０ サポートリング
１６０ ベアリング
１７０ 磁石
１８０ ガス導入部
１９０ 排気部
２００ 放射温度計
２１０ ロッド
２３０ チョッパ
３００ 制御部
３１０ ランプドライバ
【発明の属する技術分野】
本発明は、単結晶基板、ガラス基板などの被処理体を加熱処理する熱処理装置と、当該熱処理装置に使用される石英ウインドウ及びリフレクタに関する。本発明は、例えば、メモリやＩＣなどの半導体装置の製造に適した急速熱処理（ＲＴＰ：Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）装置に好適である。ここで、ＲＴＰは、急速熱アニーリング（ＲＴＡ）、急速クリーニング（ＲＴＣ）、急速熱化学気相成長（ＲＴＣＶＤ）、急速熱酸化（ＲＴＯ）、及び急速熱窒化（ＲＴＮ）などを含む技術である。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、半導体集積回路を製造するためには、半導体ウェハ等のシリコン基板に対して成膜処理、アニール処理、酸化拡散処理、スパッタ処理、エッチング処理、窒化処理等の各種の熱処理が複数回に亘って繰り返される。
【０００３】
半導体製造処理の歩留まりと品質を向上させるため等の目的から急速に被処理体の温度を上昇及び下降させるＲＴＰ技術が注目されている。従来のＲＴＰ装置は、典型的に、被処理体（例えば、半導体ウェハ、フォトマスク用ガラス基板、液晶表示用ガラス基板、光ディスク用基板）を収納する枚葉式チャンバ（処理室）と、処理室に配置された石英ウインドウと、石英ウインドウの外部上部又は上下部に配置された加熱用ランプ（例えば、ハロゲンランプ）と、ランプの被処理体とは反対側に配置されたリフレクタ（反射板）とを有している。
【０００４】
石英ウインドウは、板状に構成されたり、被処理体を内部に収納可能な管状に構成されたりする。処理室が真空ポンプにより排気されて内部が減圧環境に維持される場合には、石英ウインドウは数１０ｍｍ（例えば、３０乃至４０ｍｍ）の肉厚を有して減圧と大気との差圧を維持する。石英ウインドウは、温度が上昇すると熱応力により処理空間に向かって湾曲する傾向があるので予め処理空間から離れるように湾曲状に加工される場合もある。
【０００５】
ハロゲンランプは、被処理体を均一に加熱するために複数個配列され、リフレクタによって、ハロゲンランプからの赤外線を一様に被処理体に向かって放射する。処理室は、典型的に、その側壁において被処理体を導出入するゲートバルブに接続され、また、その側壁又はその石英管において熱処理に使用される処理ガスを導入するガス供給ノズルと接続される。
【０００６】
被処理体の温度は処理の品質（例えば、成膜処理における膜厚など）に影響を与えるために正確に把握される必要があり、高速昇温及び高速冷却を達成するために被処理体の温度を測定する温度測定装置が処理室に設けられる。温度測定装置は熱電対によって構成されてもよいが、被処理体と接触させねばいけないことから被処理体が熱電対を構成する金属によって汚染されるおそれがある。そこで、被処理体の裏面から放射される赤外線強度を検出し、その放射強度を以下の数式１に示す式に則って被処理体の放射率εを求めて温度換算することによって被処理体の温度を算出するパイロメータが温度測定装置として従来から提案されている。パイロメータは、例えば、特許公開公報平成１１年２５８０５１号に開示されている。
【０００７】
【数１】
ここで、ＥBB（Ｔ）は温度Ｔの黒体からの放射強度、Ｅm（Ｔ）は温度Ｔの被処理体から測定された放射強度、εは被処理体の放射率である。
【０００９】
動作においては、被処理体はゲートバルブから処理室に導入されて、ホルダーにその周辺が支持される。熱処理時には、ガス供給ノズルより、窒素ガスや酸素ガス等の処理ガスが導入される。一方、ハロゲンランプから照射される赤外線は被処理体に吸収されて被処理体の温度は上昇する。ハロゲンランプの出力は温度測定装置の測定結果に基づいてフィードバック制御される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の石英ウインドウは厚さが数１０ｍｍと厚いことから以下のような問題を有する。即ち、第１に、ランプ光が石英に吸収されて被処理体への照射効率を低下させる。第２に、ランプ面とその反対側の面で温度差が生じて、ＲＴＰのような急速昇温時には表裏面での熱応力差から石英ウインドウが破壊し易い。第３に、石英ウインドウと同様にランプを湾曲させれば被処理体とランプとの距離が離れてランプの指向性を悪化させる。第４に、石英ウインドウの温度が上昇し、特に、成膜処理の場合には、その表面に堆積膜や反応副生成物が付着してしまい温度再現性を確保できないと共に処理室１１０のクリーニングの頻度が増加する。一方、厚さを薄くすると石英ウインドウはランプ光の吸収を減少することができるが、処理室内の減圧環境と大気圧との差圧に耐えられずに容易に破壊してしまい、減圧環境の処理室には適用できないという問題を生じる。
【００１１】
そこで、このような課題を解決する新規かつ有用な石英ウインドウ、リフレクタ及び熱処理装置を提供することを本発明の概括的目的とする。
【００１２】
より特定的には、被処理体に減圧環境下で熱処理を施す熱処理装置の減圧環境と大気圧との差圧を維持することができ、かつ、熱源からの熱の吸収が比較的少ない石英ウインドウ、リフレクタ及び熱処理装置を提供することを本発明の例示的目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の例示的一態様としての石英ウインドウは、被処理体に熱源を用いて所定の熱処理を行う熱処理装置の前記被処理体と前記熱源の間に配置可能な石英ウインドウであって、石英製プレートと、当該プレートに固定されて当該プレートの強度を高める梁とを有する。かかる石英ウインドウは梁がプレートの強度を高めているのでプレートを薄くすることができ、この結果、プレートによる熱源からの熱の吸収を低減することができる。かかる石英ウインドウを有する熱処理装置も同様の作用を奏することができる。
【００１４】
本発明の例示的一態様としてのリフレクタは、被処理体に所定の熱処理を施すために前記被処理体を加熱する熱源からの熱を反射し前記被処理体に照射するリフレクタであって、前記被処理体と前記熱源との間に、石英製プレートと、当該プレートに固定されて当該プレートの強度を高める梁とを有する石英ウインドウが配置され、前記リフレクタは、前記熱源を収納可能な収納部と、前記石英ウインドウの前記梁と係合可能な係合部とを有する。かかるリフレクタは、梁と係合することによって石英ウインドウの強度を更に高めることができる。かかるリフレクタ及び石英ウインドウを有する熱処理装置も同様の作用を奏することができる。
【００１５】
本発明の他の目的及び更なる特徴は以下添付図面を参照して説明される好ましい実施例によって明らかにされるであろう。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の例示的な熱処理装置１００について説明する。なお、各図において同一の参照符号は同一部材を表している。ここで、図１は、本発明の例示的一態様としての熱処理装置１００の概略断面図である。図１に示すように、熱処理装置１００は、処理室（プロセスチャンバー）１１０と、石英ウインドウ１２０と、加熱用ランプ１３０と、リフレクタ１４０と、サポートリング１５０と、ベアリング１６０と、永久磁石１７０と、ガス導入部１８０と、排気部１９０と、放射温度計２００と、制御部３００とを有する。
【００１７】
処理室１１０は、例えば、ステンレススチールやアルミニウム等により成形され、石英ウインドウ１２０と接続している。処理室１１０は、その円筒形の側壁１１２と石英ウインドウ１２０とにより被処理体Ｗに熱処理を施すための処理空間を画定している。処理空間には、半導体ウェハなどの被処理体Ｗを載置するサポートリング１５０と、サポートリング１５０に接続された支持部１５２が配置されている。これらの部材は被処理体Ｗの回転機構において説明する。また、側壁１１２には、ガス導入部１８０及び排気部１９０が接続されている。処理空間は排気部１９０によって所定の減圧環境に維持される。被処理体Ｗを導入及び導出するためのゲートバルブは図１においては省略されている。
【００１８】
処理室１１０の底部１１４は冷却管１１６ａ及び１１６ｂ（以下、単に「１１６」という。）に接続されており冷却プレートとして機能する。必要があれば、冷却プレート１１４は温度制御機能を有してもよい。温度制御機構は、例えば、制御部３００と、温度センサと、ヒータとを有し、水道などの水源から冷却水を供給される。冷却水の代わりに他の種類の冷媒（アルコール、ガルデン、フロン等）を使用してもよい。温度センサは、ＰＴＣサーミスタ、赤外線センサ、熱電対など周知のセンサを使用することができる。ヒータは、例えば、冷却管１１６の周りに巻かれたヒータ線などとしてから構成される。ヒータ線に流れる電流の大きさを制御することによって冷却管１１６を流れる水温を調節することができる。
【００１９】
石英ウインドウ１２０は処理室１１０に気密的に取り付けられて、処理室１１０内の減圧環境と大気との差圧を維持すると共にランプ１３０からの熱放射光を透過する。図２及び図３に示すように、半径約４００ｍｍ、厚さ約２乃至６ｍｍの円筒形石英プレート１２１と梁１２２とを有する。ここで、図２は石英ウインドウ１２０の平面図である。図３は図１に示す石英ウインドウ１２０、ランプ１３０及びリフレクタ１４０の一部拡大断面図である。
【００２０】
梁１２２は、石英ウインドウ１２０の円周方向の強度を高める梁部分１２４と、石英ウインドウ１２０の半径方向の強度を高める梁部分１２６と、石英ウインドウ１２０とランプ１３０の封止部１３６を冷却するための空気の流路１２８とを有する。梁１２２の各部分１２４及び１２６は厚さは１０ｍｍ以下、好ましくは約２乃至６ｍｍであり、高さ約１０ｍｍ以上を有する。梁１２２は本実施例ではランプ１３０に対向しているが、本発明は被処理体Ｗに梁１２２が対向している配置や、梁１２２がプレート１２１の上下に配置されている構造も含むものである。後者の場合には、上述の各部分１２４及び１２６の寸法は異なる場合があることはいうまでもない。
【００２１】
石英プレート１２１は梁１２２によって熱変形に対する強度が向上しているために、従来のように、処理室１１０から離れる方向に湾曲する必要がなく、平面形状を有する。この結果、石英プレート１２１は従来よりも加工が容易である。本実施例は石英プレート１２１と梁１２２は溶接によって接合しているが、一体的に形成する方法を排除するものではない。
【００２２】
また、上述したように、石英ウインドウ１２０のプレート１２１と梁１２２の厚さは１０ｍｍ以下、好ましくは約２乃至６ｍｍであり、従来の石英ウインドウの厚さである数１０ｍｍ（例えば、３０乃至４０ｍｍ）に比べて小さい。この結果、本実施例の石英ウインドウ１２０は、従来の石英ウインドウよりもランプ１３０からの光の吸収量が小さい。この結果、石英ウインドウ１２０は以下の長所を有する。即ち、第１に、ランプ１３０からの被処理体Ｗへの照射効率を従来よりも向上することができるので高速昇温を低消費電力で達成することができる。第２に、プレート１２１の表裏面での温度差（即ち、熱応力差）を従来よりも低く維持することができるために破壊しにくい。これは梁１２２についても同様である。第３に、石英ウインドウ１２０の温度上昇は従来の石英ウインドウよりも低いために成膜処理の場合にその表面に堆積膜や反応副生成物が付着することを防止することができ、温度再現性を確保することができると共に処理室１１０のクリーニングの頻度を減少することができる。
【００２３】
ランプ１３０は、本実施例ではダブルエンド型であるが後述するようにシングルエンド型でもよく、また、電熱線ヒータ等その他の熱源を使用してもよい。ここで、ダブルエンド型とは、図４に示すランプ１３０のように、２つの電極部１３２を有する種類のランプをいう。シングルエンド型とは、電球のように一の端部のみを有するランプをいう。ランプ１３０は被処理体Ｗを加熱する熱源として機能し、本実施例ではハロゲンランプであるがこれに限定されるものではない。ランプ１３０の出力はランプドライバ３１０によって決定されるが、ランプドライバ３１０は後述するように制御部３００により制御され、それに応じた電力をランプ１３０に供給する。
【００２４】
図４に示すように、ランプ１３０は２つの電極部１３２とランプハウス１３４とを含み、ランプハウス１３４は２つの電極部１３２を接続するフィラメント１３５を有する。ここで、図４はランプ１３０の概略斜視図である。電極部１３２へ供給される電力はランプドライバ３１０によって決定され、ランプドライバ３１０は制御部３００によって制御される。電極部１３２とランプドライバ３１０との間は後述する封止部１３６によって封止されている。
【００２５】
図４に示すように、ランプハウス１３４は垂直部１３４ａと垂直部１３４ａから９０度曲げられた円弧状の水平部１３４ｂとを有する。水平部１３４ｂの長さは図２における隣接する同心円弧を形成する梁部分１２６（例えば、１２６ａと１２６ｂなど）の間に配置される。もっとも、ランプ１３０は、必ずしも、隣接する梁部分１２６の間を完全に埋める必要はなく、所定の開き角で配置されてもよい。例えば、図２において、梁部分１２６ａと１２６ｂとの間と梁部分１２６ｃと１２６ｄとの間にはランプ１３０が配置されるが、梁部分１２６ｂと１２６ｃとの間と梁部分１２６ｄと１２６ａとの間にはランプ１３０を配置しない等である。
【００２６】
このように、本実施例では、ランプ１３０は、ほぼ円形の被処理体Ｗに対応させてほぼ同心円状に配置されている。各ランプ１３０は、石英ウインドウ１２０の中心から周方向に沿って見れば同一の屈曲半径を有する複数の円弧形状の筒型ランプと、石英ウインドウ１２０の中心から半径方向に沿って見れば屈曲半径が異なる複数の円弧形状の筒型ランプとを有している。
【００２７】
本発明は熱源に直線筒状のダブルエンド型ランプの使用されることを排除するものではない。その場合には梁１２２の形状はかかるランプを収納できるように変更されるであろう。但し、本実施例のランプ１３０はかかる直線筒状ランプよりも優れている。なぜなら、直線筒状ランプは一のランプがカバーするウェハ面積が広く、かつ、被処理体Ｗを横切るように配置されることから一般に指向性が悪く、被処理体Ｗの領域毎の温度制御が困難である。これに対して、本実施例のランプ１３０はほぼ同心円状に配置されているので被処理体Ｗの領域毎の温度制御が容易であり、放射熱の指向性が大きく、被処理体Ｗへの直接放射を効率的に行うことができる。
【００２８】
リフレクタ１４０はランプ１３０の熱放射光を反射する機能を有する。リフレクタ１４０は略円筒形状を有して概略的にはその断面は図１に示すように直方体形状を有するが、より詳細には、図３に示すように、ランプ１３０の垂直部１３２が配置される複数の垂直貫通孔１４２と、ランプ１３０の水平部１３４ｂが配置される図３に示す同心円状の複数の水平溝１４４とを有する。リフレクタ１４０の上部には、その内部又は外部に冷却管が配設されているが図１においては図示が省略されている。また、図３に示すように、リフレクタ１４０は、隣接する水平溝１４４の間に梁１２２に対向する水平部１４５を有する。
【００２９】
リフレクタ１４０は、水平部１４５に梁１２２を収納するスリット１４６を有する図６に示すリフレクタ１４０Ａに置換されてもよい。ここで、図６はリフレクタ１４０Ａの構造を説明するための概略部分拡大断面図である。図３に示すリフレクタ１４０の形状では図５に示すようにプレート１２１を透過する光路１よりも梁１２２を透過する光路２の方が長いことから梁１２２におけるランプ１３０からの光の吸収量がプレート１２１のそれよりも大きくなる。ここで、図５は、図３に示すリフレクタ１４０の形状で石英ウインドウ１２０にランプ１３０から入射する光の影響を説明するための概略断面図である。この結果、石英プレート１２１と梁１２２との間での温度差が生じて熱応力から梁１２２とプレート１２１との接合部１２３でクラックが発生する可能性がある。かかる欠点は梁１２２の厚さを調節するなどして解決することができるが、代替的に図６に示すリフレクタ１４０Ａを使用して解決してもよい。
【００３０】
図６に示すように、リフレクタ１４０Ａは、溝１４４よりも高い溝１４４Ａと、水平部１４５に梁１２２を収納するスリット１４６とを有する点でリフレクタ１４０と相違する。リフレクタ１４０Ａによれば、スリット１４６内に石英ウインドウ１２０の梁１２２を挿入することによってランプ１３０からの光が梁１２２に直接照射されることを回避することができる。また、本構造は熱応力及び処理室１１０内の減圧環境と大気圧との差圧によって発生する面圧を、図７に示すように、石英ウインドウ１２０が受けて撓んで降伏応力により破壊すること防ぐ効果も有する。ここで、図７は、リフレクタ１４０Ａの効果を説明する概略部分拡大断面図である。なお、本発明はリフレクタが梁１２２と係合する突出部を有して石英ウインドウ１２０の強度を高める場合も含むものである。
【００３１】
図８及び図９を参照して、石英ウインドウ１２０の流路１２８と封止部１３６との関係について説明する。ここで、図８は、リフレクタ１４０Ａに梁１２２が挿入された石英ウインドウ１２０の流路１２８と封止部１３６との関係を説明するための概略平面図であり、図９はその部分拡大断面図である。冷却エアは図８及び図９に示すように流路１２８を流れる。図８において丸部は封止部１３６の位置を表している。ランプ１３０への給電はリフレクタ１４０Ａの貫通穴１４２に配置された電極１３２とランプハウス１３４の垂直部１３４ａの封止部１３６を介して行われる。冷却エアは、貫通穴１４２を通過して封止部１３６を効果的に冷却する。なお、冷却エア導入手段は図１においては省略されている。
【００３２】
図１０及び図１１は、ダブルエンド型のランプ１３０がシングルエンド型ランプ１３０Ａに置換されてリフレクタ１４０Ａに配置された場合の概略部分拡大断面図と概略上面図である。シングルエンド型ランプ１３０Ａは良好な熱放射光の指向性及び制御性を有している。
【００３３】
次に、図１２及び図１３を参照して放射温度計２００を説明する。ここで、図１２は放射温度計２００及びその近傍の処理室１１０の概略拡大断面図である。図１３は、放射温度計２００のチョッパ２３０の概略平面図である。放射温度計２００は被処理体Ｗに関してランプ１３０と反対側に設けられている。本発明は放射温度計２００がランプ１３０と同一の側に設けられる構造を排除するものではないが、ランプ１３０の放射光が放射温度計２００に入射することを防止することが好ましい。
【００３４】
放射温度計２００は処理室１１０の底部１１４に取り付けられている。底部１１４の処理室１１０内部を向く面１１４ａは金メッキなどが施されて反射板（高反射率面）として機能する。これは、面１１４ａを黒色などの低反射率面とすると被処理体Ｗの熱を吸収してランプ１３０の照射出力を不経済にも上げなければならなくなるためである。底部１１４は円筒形状の貫通孔１１５を有する。放射温度計２００は、石英又はサファイア製のロッド２１０と、ケーシング２２０と、チョッパ(又はセクタ)２３０と、モータ２４０と、レンズ２５０と、光ファイバ２６０と、放射検出器２７０とを有する。
【００３５】
本実施例のロッド２１０は石英又はサファイア製ロッドから構成される。石英やサファイア製は良好な耐熱性と後述するように良好な光学的特性を有するために使用されているが、ロッド２１０の材料がこれらに限定されないことはいうまでもない。ロッド２１０が良好な耐熱性を有するためにロッド２１０を冷却する機構は不要になり、装置１００の小型化に資する。
【００３６】
必要があれば、ロッド２１０は処理室１１０内部に所定距離突出してもよい。ロッド２１０は、処理室１１０の底部１１４に設けられた貫通孔１１５に挿通されてオーリング１９０によりシールされている。これにより、処理室１１０は貫通孔１１５に拘らずその内部の減圧環境を維持することができる。
【００３７】
ロッド２１０は、その内部に一旦入射した熱放射光を殆ど外に出さずに、かつ、殆ど減衰することなくケーシング２２０に案内することができるので集光効率に優れている。また、ロッド２１０はチョッパ２３０（の高反射率面２３２）と被処理体Ｗとの間で放射光の多重反射を可能にする。ロッド２１０を被処理体Ｗに近づけることにより被処理体Ｗの温度を正確に測定することができる。
【００３８】
ロッド２１０は、被処理体Ｗからケーシング２２０を離間させることを可能にする。このため、ロッド２１０は、ケーシング２２０を冷却する冷却機構を不要にすると共に装置１００の小型化に資する。代替的に、ケーシング２２０の冷却機構が設けられる場合であっても、ロッド２１０は冷却機構の冷却用電力を最小限することができる。
【００３９】
本実施例のロッド２１０は、石英又はサファイア製ロッドと多芯光ファイバから構成されてもよく、この場合、多芯光ファイバは石英ロッドとチョッパ２３０との間に配置される。これにより、ロッド２１０の導光路に可撓性を持たせることができ、放射温度計の配置の自由度を増加させることができる。また、放射温度計２００の本体又はケーシング２２０を被処理体Ｗからより離間させることができるので被処理体Ｗからの温度の影響を受けて放射温度計２００の各部が変形する等の弊害を防止してより高い測定精度を維持することができる。
【００４０】
ケーシング２２０は貫通孔１１５の下方に設けられてほぼ円筒形状を有する。
【００４１】
チョッパ２３０は、ケーシング２２０の内部において貫通孔１１５の下方にその一部が位置するように略水平に配置されて円盤形状を有する。チョッパ２３０はモータ２４０（のモータ軸に取り付けられた回転軸）とその中心で接続され、モータ２４０により回転駆動される。チョッパ２３０は、図１３に示すように、その表面が４等分されて２つの高反射率面２３２と２つの低反射率面２３４とを有する。面２３２及び２３４は交互に配置されて、それぞれスリット２３１を有する。高反射率面２３２は、例えば、アルミニウムや金メッキにより形成され、低反射率面２３４は、例えば、黒色塗装によって形成される。高反射率面２３２はそのスリット２３１における測定部２３２ａとスリット２３１以外の部分における測定部２３２ｂとを有する。同様に、低反射率面２３４はそのスリット２３１における測定部２３４ａとスリット２３１以外の部分における測定部２３４ｂとを有する。
【００４２】
もっとも図１３に示すチョッパ２３０の構造は単なる例示であり、本発明の開示から当業者が想到し得る構造も含む。例えば、チョッパは、スリット２３１を備えた半円状高反射率面から構成されたり、円板を４等分又は６等分にしてスリット２３１を備えた高反射率面と切り欠き部とを交互に設けることによって構成されたり、スリット２３１を高反射率面にのみ設けることによって構成されたりしてもよい。
【００４３】
モータ２４０によりチョッパ２３０が回転すると、ロッド２１０の下には高反射率面２３２と低反射率面２３４とが交互に現れるようになる。面２３２がロッド２１０の下にあるとロッド２１０を伝播してきた光の大部分は反射して再びロッド２１０内を伝播して被処理体Ｗの表面に投光される。一方、面２３４がロッド２１０の下にあるとロッド２１０を伝播してきた光の大部分は吸収されてそこからの反射光はごく微量である。スリット２３１は被処理体Ｗからの放射光又は多重反射された光を検出器２７０に案内する。
【００４４】
検出器２７０は、図示しない結像レンズ、Ｓｉホトセル、増幅回路を備え、結像レンズに入射した放射光を電圧、即ち、後述の放射強度Ｅ1（Ｔ）、Ｅ2（Ｔ）を表す電気信号に変換して制御部３００に送る。制御部３００はＣＰＵ及びメモリを備えており、後述する放射強度Ｅ1（Ｔ）、Ｅ2（Ｔ）を基に被処理体Ｗの放射率ε及び基板温度Ｔを算出する。なお、この演算は放射温度計２００内の図示しない演算部が行ってもよい。
【００４５】
より詳細には、スリット２３１を通過した光はレンズ２５０により集光され、光ファイバ２６０により検出器２７０に伝達される。高反射率面２３２と低反射率面２３４における放射強度（又は輝度）はそれぞれ以下の数式２及び4で示される。
【００４６】
【数２】
ここで、Ｅ1（Ｔ）は検出器２７０によって求められた温度Ｔにおける高反射率面２３２の放射強度、Ｒは高反射率面２３２の実効反射率、εは被処理体Ｗの放射率、ＥBB（Ｔ）は温度Ｔにおける黒体の放射強度である。数式２は、以下の数式３より導かれる。ここで、被処理体Ｗにおける熱放射の透過がないとしている。
【００４８】
【数３】
【数４】
ここで、Ｅ2（Ｔ）は検出器２７０によって求められた温度Ｔにおける低反射率面２３４の測定された放射強度である。数式４はプランクの式から導かれる。数式２及び４から、放射率εは以下の数式５で表される。
【００５１】
【数５】
一般に、黒体から放射される電磁波の放射発散度の分光密度はプランクの式で与えられ、放射温度計２００が黒体を計測する場合には計測される特定波長領域の黒体の温度Ｔと計測される放射強度ＥBB（Ｔ）との関係は放射温度計２００の光学系等によって決まる予め求められている定数Ａ、Ｂ、Ｃを用いて次式で表示することができる。
【００５３】
【数６】
【数７】
ここで、Ｃ2は、放射の第２定数である。
【００５６】
検出器２７０又は制御部３００は、上述の数式５と数式２又は４によって放射強度ＥBB（Ｔ）を求めることができるのでこれを数式７に代入して温度Ｔを求めることができる。いずれにしろ制御部３００は被処理体Ｗの温度Ｔを得ることができる。
【００５７】
しかし実際には、数式７によって求まる温度は、図１４及び図１５に示すように、実際の被処理体Ｗの温度と比較して約２０〜４０℃の誤差を含み、高品質の熱処理を行いにくい。ここで、図１４は、被処理体Ｗの温度と数式１を適用して被処理体Ｗの中央を測定した放射温度計２００の温度との関係を示すグラフである。図１５は、被処理体Ｗの温度と数式１を適用して被処理体Ｗの端部を測定した放射温度計２００の温度との関係を示すグラフである。
【００５８】
本発明者らは、この原因を鋭意検討した結果、上述の数式１を実際の被処理体Ｗの温度測定に適用する場合には幾つかの誤差を考慮しなければならないことを発見した。また、図１６に示すように、誤差は、（１）被処理体Ｗからの放射光が面１１４ａで多重反射した光Ｊ、（２）ランプ１３０からの放射光Ｋ、（３）放射光の２１０の端面部で反射が起こることによる伝送損失Ｌ、（４）放射光の２１０の吸収損失Ｍを含む。光Ｊ及びＫは迷光と呼ばれる場合もあるが、特に、熱効率を高めるため処理室１１０内の内面及び被処理体Ｗ周辺の部材の反射率を大きくしている枚葉式処理室１１０では迷光による測定誤差の影響が大きい。ここで、図１６は、数式１を実際の被処理体Ｗの温度測定に適用する場合に含まれる誤差を説明するための概略断面図である。
【００５９】
そこで、本発明者らは、数式１を以下の数式８のように修正した。
【００６０】
【数８】
数式８は、（１）の多重反射分をε/｛１−α（１−ε）｝により補正し、（２）のランプ１３０からの漏れ分をＳにより補正し、（３）のロッドやファイバの端面における反射損失をβにより補正し、（４）の吸収に対する重み付け補正をＧ（ゲイン）により補正している。もちろんこれらの一又は複数が省略されても数式１よりは実際の被処理体Ｗの温度に近似する温度を得ることができる。また、これらの数式８又はその補正の一部を表す式を含む温度測定演算プログラムは、フロッピーディスクその他のコンピュータ可読媒体に格納され、及び／又は、インターネットその他の通信ネットワークを利用してオンライン配信されて独立の取引対象となり得る。
【００６２】
図１７及び図１８に、数式８を用いて測定された温度と実際の被処理体Ｗの温度とを比較したグラフを示す。より詳細には、図１７は、被処理体Ｗの温度と数式８を適用して被処理体Ｗの中央を測定した放射温度計２００の温度との関係を示すグラフである。図１８は、被処理体Ｗの温度と数式８を適用して被処理体Ｗの端部を測定した放射温度計２００の温度との関係を示すグラフである。図１７及び図１８に示すように、数式８を適用することによって被処理体Ｗの温度の測定値と実際の値との差は±３℃未満に維持することができることが理解されるであろう。
【００６３】
制御部３００は内部にＣＰＵ及びメモリを備え、被処理体Ｗの温度Ｔを認識してランプドライバ３１０を制御することによってランプ１３０の出力をフィードバック制御する。また、制御部３００は、後述するように、モータドライバ３２０に所定のタイミングで駆動信号を送って被処理体Ｗの回転速度を制御する。
【００６４】
ガス導入部１８０は、例えば、図示しないガス源、流量調節バルブ、マスフローコントローラ、ガス供給ノズル及びこれらを接続するガス供給路を含み、熱処理に使用されるガスを処理室１１０に導入する。なお、本実施例ではガス導入部１８０は処理室１１０の側壁１１２に設けられて処理室１１０の側部から導入されているが、その位置は限定されず、例えば、シャワーヘッドとして構成されて処理室１１０の上部から処理ガスを導入してもよい。
【００６５】
アニールであればガス源はＮ2、Ａｒなど、酸化処理であればＯ2、Ｈ2、Ｈ2Ｏ、ＮＯ2、窒化処理であればＮ2、ＮＨ3など、成膜処理であればＮＨ3、ＳｉＨ2Ｃｌ2やＳｉＨ4などを使用するが、処理ガスはこれらに限定されないことはいうまでもない。マスフローコントローラはガスの流量を制御し、例えば、ブリッジ回路、増幅回路、コンパレータ制御回路、流量調節バルブ等を有し、ガスの流れに伴う上流から下流への熱移動を検出することによって流量測定して流量調節バルブを制御する。ガス供給路は、例えば、シームレスパイプを使用したり、接続部に食い込み継ぎ手やメタルガスケット継ぎ手を使用したりして供給ガスへの配管からの不純物の混入が防止している。また、配管内部の汚れや腐食に起因するダストパーティクルを防止するために配管は耐食性材料から構成されるか、配管内部がＰＴＦＥ（テフロン）、ＰＦＡ、ポリイミド、ＰＢＩその他の絶縁材料により絶縁加工されたり、電解研磨処理がなされたり、更には、ダストパーティクル捕捉フィルタを備えたりしている。
【００６６】
排気部１９０は、本実施例ではガス導入部１８０と略水平に設けられているが、その位置及び数は限定されない。排気部１９０には所望の排気ポンプ（ターボ分子ポンプ、スパッターイオンポンプ、ゲッターポンプ、ソープションポンプ、クライオポンプなど）が圧力調整バルブと共に接続される。なお、本実施例では処理室１１０は減圧環境に維持されるが、本発明は減圧環境を必ずしも必須の構成要素とするものではなく、例えば、１３３Ｐａ乃至大気圧の範囲で適用可能である。排気部１９０は、図２０乃至図２４を参照して後述されるヘリウムガスを次の熱処理前までに排気する機能も有する。
【００６７】
図１９は、被処理体Ｗの冷却速度に関するシミュレーションの結果を示すグラフである。図１９において、ギャップは被処理体Ｗと底部１１４との間隔を意味する。図１９に示すグラフから（１）ギャップが小さくなる程冷却速度が上がる、（２）被処理体Ｗと底部１１４との間に熱伝導率の高いヘリウムガスを流すことで飛躍的に冷却速度が上がる、ことが理解されるであろう。
【００６８】
図１に示すＲＴＰ装置１００の構成は、被処理体Ｗの上面をランプ１３０により加熱して被処理体Ｗの裏面に冷却プレートとしての底部１１４を設けている。このため、図１に示す構造は冷却速度は比較的速いが、放熱量が多くなるために急速昇温には比較的大きな電力が必要となる。これに対して冷却管１１６の冷却水の導入を加熱時に停止する方法も考えられるが歩留まりが下がるために好ましくはない。
【００６９】
そこで、図２０乃至図２２に示すように、冷却プレートしての底部１１４は被処理体Ｗに対して可動に構成された底部１１４Ａに置換されてもよい。より好ましくは、放熱効率を高めるために、冷却時に熱伝導率の高いヘリウムガスを被処理体Ｗと底部１１４Ａとの間に流される。ここで、図２０は、被処理体Ｗに対して可動に構成された冷却プレートしての底部１１４Ａを説明するための概略断面図である。図２１は、図２０の構造において被処理体Ｗを加熱する際の被処理体Ｗと底部１１４Ａとの位置関係を説明するための概略断面図である。図２２は、図２０の構造において被処理体Ｗを冷却する際の被処理体Ｗと底部１１４Ａとの位置関係を説明するための概略断面図である。なお、図２０乃至図２２においては放射温度計２００や冷却管１１６は省略されている。
【００７０】
図２０に示すように、処理室１１０内の減圧環境を維持するベローズなどを有して制御部３００により動作制御される昇降機構１１７により底部１１４Ａは被処理体Ｗに対して昇降することができる。昇降機構１１７には当業界で周知のいかなる構造をも適用することができるので、ここでは詳しい説明は省略する。なお、本実施例と異なり、被処理体Ｗ又はサポートリング１５０を可動に構成してもよい。被処理体Ｗを加熱する際には、図２１に示すように、底部１１４Ａを被処理体Ｗから離間するように下降させると共にヘリウムガスの供給を停止する。このとき、被処理体Ｗと底部１１４との距離は、例えば、１０ｍｍである。底部１１４Ａと被処理体Ｗとの間隔が大きいので被処理体Ｗは底部１１４Ａの影響をあまり受けずに高速昇温が可能となる。図２１に示す底部１１４Ａの位置が、例えば、ホームポジションに設定される。
【００７１】
被処理体Ｗを冷却する際には、図２２に示すように、底部１１４Ａを被処理体Ｗに近接するように上昇させると共にヘリウムガスの供給を開始する。底部１１４Ａと被処理体Ｗとの間隔が狭いので被処理体Ｗは底部１１４Ａの影響を高速冷却が可能となる。このとき、被処理体Ｗと底部１１４との距離は、例えば、１ｍｍである。図２２のヘリウムガスの導入例を図２３に示す。ここで、図２３は、図２２の実線領域Ｖの概略拡大断面図である。同図に示すように、底部１１４には無数の小さな孔１１５ａが設けられてヘリウムガスを案内する。ヘリウムガス供給管に接続されたバルブ４００を有するケース４１０が底部１１４に接続されている。
【００７２】
本実施例は冷却プレート１１４Ａと被処理体Ｗとの相対的移動について説明したが、本発明は被処理体Ｗとランプ１３０との相対的移動にも適用することができる。
【００７３】
以下、被処理体Ｗの回転機構について図１を参照して説明する。集積回路の各素子の電気的特性や製品の歩留まり等を高く維持するためには被処理体Ｗの表面全体に亘ってより均一に熱処理が行われることが要求される。被処理体Ｗ上の温度分布が不均一であれば、例えば、成膜処理における膜厚が不均一になったり、熱応力によりシリコン結晶中に滑りを発生したりするなど、ＲＴＰ装置１００は高品質の熱処理を提供することができない。被処理体Ｗ上の不均一な温度分布はランプ１３０の不均一な照度分布に起因する場合もあるし、ガス導入部１８０付近において導入される処理ガスが被処理体Ｗの表面から熱を奪うことに起因する場合もある。回転機構はウェハを回転させて被処理体Ｗがランプ１３０により均一に加熱されることを可能にする。
【００７４】
被処理体Ｗの回転機構は、サポートリング１５０と、リング状の永久磁石１７０と、リング状のＳＵＳなどの磁性体１７２と、モータドライバ３２０と、モータ３３０とを有する。
【００７５】
サポートリング１５０は、耐熱性に優れたセラミックス、例えば、ＳｉＣなどから構成された円形リング形状を有する。サポートリング１５０は被処理体Ｗの載置台として機能し、中空円部において断面Ｌ字状に周方向に沿ってリング状の切り欠きを有する。かかる切り欠き半径は被処理体Ｗの半径よりも小さく設計されているのでサポートリング１５０は切り欠きにおいて被処理体Ｗ（の裏面周縁部）を保持することができる。必要があれば、サポートリング１５０は被処理体Ｗを固定する静電チャックやクランプ機構などを有してもよい。サポートリング１５０は、被処理体Ｗの端部からの放熱による均熱の悪化を防止する。
【００７６】
サポートリング１５０は、その端部において支持部１５２に接続されている。必要があれば、サポートリング１５０と支持部１５２との間には石英ガラスなどの断熱部材が挿入されて、後述する磁性体１７２などを熱的に保護する。本実施例の支持部１５２は中空円筒形状の不透明な石英リング部材として構成されている。ベアリング１６０は支持部１５２及び処理室１１０の内壁１１２に固定されており、処理室１１０内の減圧環境を維持したまま支持部１５２の回転を可能にする。支持部１５２の先端には磁性体１７２が設けられている。
【００７７】
同心円的に配置されたリング状の永久磁石１７０と磁性体１７２は磁気結合されており、永久磁石１７０はモータ３３０により回転駆動される。モータ３３０はモータドライバ３２０により駆動され、モータドライバ３２０は制御部３００によって制御される。
【００７８】
この結果、永久磁石１７０が回転すると磁気結合された磁性体１７２が支持部１５２と共に回転し、サポートリング１５０と被処理体Ｗが回転する。回転速度は、本実施例では例示的に９０ＲＰＭであるが、実際には、被処理体Ｗに均一な温度分布をもたらすように、かつ、処理室１１０内でのガスの乱流や被処理体Ｗ周辺の風切り効果をもたらさないように、被処理体Ｗの材質や大きさ、処理ガスの種類や温度などに応じて決定されることになるであろう。磁石１７０と磁性体１７２は磁気結合されていれば逆でもよいし両方とも磁石でもよい。
【００７９】
次に、ＲＴＰ装置１００の動作について説明する。図示しないクラスターツールなどの搬送アームが被処理体Ｗを図示しないゲートバルブを介して処理室１１０に搬入する。被処理体Ｗを支持した搬送アームがサポートリング１５０の上部に到着すると、図示しないリフタピン昇降系がサポートリング１５０から（例えば、３本の）図示しないリフタピンを突出させて被処理体Ｗを支持する。この結果、被処理体Ｗの支持は、搬送アームからリフタピンに移行するので、搬送アームはゲートバルブより帰還させる。その後、ゲートバルブは閉口される。搬送アームはその後図示しないホームポジションに移動してもよい。
【００８０】
一方、リフタピン昇降系は、その後、図示しないリフタピンをサポートリング１５０の中に戻し、これによって被処理体Ｗをサポートリング１５０の所定の位置に配置する。リフタピン昇降系は図示しないベローズを使用することができ、これにより昇降動作中に処理室１１０の減圧環境を維持すると共に処理室１０２内の雰囲気が外部に流出するのを防止する。
【００８１】
その後、制御部３００はランプドライバ３１０を制御し、ランプ１３０を駆動するように命令する。これに応答して、ランプドライバ３１０はランプ３００を駆動し、ランプ１３０は被処理体Ｗを、例えば、約８００℃まで加熱する。ランプ１３０から放射された熱線は石英ウインドウ１２０を介して処理空間にある被処理体Ｗの上面に照射されて被処理体Ｗを、例えば、８００℃へ２００ーＣ／ｓの加熱速度で高速昇温する。一般に被処理体Ｗの周辺部はその中心側と比較して放熱量が多くなる傾向があるが、本実施例のランプ１３０は同心円状に配置して領域毎の電力制御も可能であるので高い指向性と温度制御能力を提供する。装置１００が図２０に示す構造を使用すれば底部１１４Ａは、この時、図２１に示すようにホームポジションに配置される。特に、図２１に示す構造は被処理体Ｗが冷却プレートである底部１１４Ａから離間してその影響を受けにくいので効率的な高速昇温が可能である。加熱と同時又はその前後に、排気部１９０が処理室１１０の圧力を減圧環境に維持する。
【００８２】
同時に、制御部３００はモータドライバ３２０を制御し、モータ３３０を駆動するように命令する。これに応答して、モータドライバ３２０はモータ３３０を駆動し、モータ３３０はリング状磁石１７０を回転させる。この結果、支持部１５２（又は１５２Ａ）が回転し、被処理体Ｗがサポートリング１５０と共に回転する。被処理体Ｗが回転するのでその面内の温度は熱処理期間中に均一に維持される。
【００８３】
加熱中は、石英ウインドウ１２０はプレート１２１の厚さが比較的薄いので幾つかの長所を有する。これらの長所は、（１）ランプ１３０からの光をあまり吸収しないので被処理体Ｗへの照射効率を低下しない、（２）プレート１２１の表裏面で温度差が小さいので熱応力破壊が発生しにくい、（３）成膜処理の場合でもプレート１２１の温度上昇が少ないためにその表面に堆積膜や反応副生成物が付着しにくい、（４）梁１２２が石英ウインドウ１２０の強度を高めているのでプレート１２０が薄くても処理室１１０内の減圧環境と大気圧との差圧を維持することができる、を含む。また、図６に示すように石英ウインドウ１２０の梁１２２がリフレクタ１４０Ａの溝１４６に挿入されると、（５）梁１２２の温度上昇が少なくプレート１２１と梁１２２との熱応力破壊を防止できる、（６）処理室１１０内の減圧環境と大気圧との差圧に対する耐性が更に向上するなどの付加的な効果が得られる。
【００８４】
被処理体Ｗの温度は放射温度計２００により測定されて、制御部３００はその測定結果に基づいてランプドライバ３１０をフィードバック制御する。被処理体Ｗは回転しているためにその表面の温度分布は均一であることが期待されるが、必要があれば、放射温度計２００は、被処理体Ｗの温度を複数箇所（例えば、その中央と端部）測定することができ、放射温度計２００が被処理体Ｗ上の温度分布が不均一であると測定すれば、制御部３００は被処理体Ｗ上の特定の領域のランプ１３０の出力を変更するようにランプドライバ３１０に命令することもできる。
【００８５】
放射温度計２００はロッド２１０を有してチョッパ２３０と被処理体Ｗとの距離を離間させているので放射温度計２００本体が被処理体Ｗからの放射熱の影響を受けにくく、温度測定精度が高い。また、放射温度計２００本体の冷却機構は不要であるか最小限にすることができるので装置１００の小型化と経済性向上に資する。被処理体Ｗは、熱処理においては高温環境下に長時間置かれると不純物が拡散して集積回路の電気的特性が悪化するため、高速昇温と高速冷却が必要でありそのために被処理体Ｗの温度管理が不可欠であるが放射温度計２００はかかる要請に応えるものである。特に、放射温度計２００又は制御部３００が数式８を利用して被処理体Ｗの温度を計算すればその誤差は±３℃に維持されるためにＲＴＰ装置１００は高品質の熱処理を提供することができる。
【００８６】
次いで、図示しないガス導入部から流量制御された処理ガスが処理室１１０に導入される。所定の熱処理（例えば、１０秒間）が終了すると制御部３００はランプドライバ３１０を制御してランプ１３０の加熱を停止するように命令する。これに応答して、ランプドライバ３１０はランプ１３０の駆動を停止する。装置１００が図２０に示す構造を使用すれば制御部３００は昇降機構１１７を制御して、底部１１４Ａを図２２に示す冷却位置に移動する。また、好ましくは、熱伝導性の高いヘリウムガスが図２３に示すように被処理体Ｗと底部１１４Ａとの間に導入される。これにより、被処理体Ｗの冷却効率は高くなり比較的低消費電力で高速冷却を行うことができる。冷却速度は、例えば、２００ーＣ／ｓである。
【００８７】
熱処理後に被処理体Ｗは上述したのと逆の手順によりゲートバルブから処理室１１０の外へクラスターツールの搬送アームにより導出される。次いで、必要があれば、搬送アームは被処理体Ｗを次段の装置（成膜装置など）に搬送する。
【００８８】
以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はその要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【００８９】
【発明の効果】
本発明の例示的一態様である石英ウインドウ及び熱処理装置によれば、石英ウインドウの梁がプレートの強度を高めて薄型化を促進するのでプレートが熱源からの熱放射光を吸収する量が少なくなる。この結果、被処理体への照射効率の向上やプレートの熱破壊の防止などを達成することができる。本発明の例示的一態様であるリフレクタ及び熱処理装置によれば、リフレクタが石英ウインドウの強度を更に高めているので、例えば、減圧環境と大気圧との差圧により石英ウインドウが破壊することを更に確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の例示的一態様としての熱処理装置の概略断面図である。
【図２】 図１に示す熱処理装置に適用可能な石英ウインドウの概略平面図である。
【図３】 図１に示す熱処理装置に適用可能な石英ウインドウ、ランプ及びリフレクタの一部拡大断面図である。
【図４】 図１に示す熱処理装置に適用可能なランプの概略斜視図である。
【図５】 図３に示すリフレクタの形状で石英ウインドウにランプから入射する光の影響を説明するための概略断面図である。
【図６】 図３に示すリフレクタの変形例を説明するための概略部分拡大断面図である。
【図７】 図６に示すリフレクタの効果を説明する概略部分拡大断面図である。
【図８】 図６に示すリフレクタと結合した石英ウインドウの流路とランプ封止部との関係を説明するための概略平面図である。
【図９】 図６に示すリフレクタと結合した石英ウインドウの流路とランプ封止部との関係を説明するための概略部分拡大断面図である。
【図１０】 図６に示すランプがシングルエンド型ランプに置換された場合の概略部分拡大断面図である。
【図１１】 図６に示すランプがシングルエンド型ランプに置換された場合の概略上面図である。
【図１２】 図１に示す熱処理装置に適用可能な放射温度計及びその近傍の処理室の概略拡大断面図である。
【図１３】 図１２に示す放射温度計のチョッパの概略平面図である。
【図１４】 被処理体の温度と従来の温度換算式を適用して被処理体の中央を測定した図１２に示す放射温度計の温度との関係を示すグラフである。
【図１５】 被処理体の温度と従来の温度換算式を適用して被処理体の端部を測定した図１２に示す放射温度計の温度との関係を示すグラフである。
【図１６】 従来の温度換算式を実際の被処理体の温度測定に適用する場合に含まれる誤差を説明するための概略断面図である。
【図１７】 被処理体の温度と本発明により補正された温度換算式を適用して被処理体の中央を測定した図１２に示す放射温度計の温度との関係を示すグラフである。
【図１８】 被処理体の温度と本発明により補正された温度換算式を適用して被処理体の端部を測定した図１２に示す放射温度計の温度との関係を示すグラフである。
【図１９】 被処理体の冷却速度に関するシミュレーションの結果を示すグラフである。
【図２０】 図１に示す熱処理装置の冷却プレートしての底部の変形例を説明するための概略断面図である。
【図２１】 図２０に示す構造において被処理体を加熱する際の被処理体と底部との位置関係を説明するための概略断面図である。
【図２２】 図２０に示す構造において被処理体を冷却する際の被処理体と底部との位置関係を説明するための概略断面図である。
【図２３】 図２２に示す実線領域Ｖの概略拡大断面図である。
【符号の説明】
１００ 熱処理装置
１１０ 処理室
１１４ 底部（冷却プレート）
１１４Ａ 底部（冷却プレート）
１２０ 石英ウインドウ
１２２ 梁
１２４ （円周方向）梁部分
１２６ （半径方向）梁部分
１２８ 流路
１３０ ランプ
１４０ リフレクタ
１４４ 溝
１４５ 水平部
１４６ スリット
１５０ サポートリング
１６０ ベアリング
１７０ 磁石
１８０ ガス導入部
１９０ 排気部
２００ 放射温度計
２１０ ロッド
２３０ チョッパ
３００ 制御部
３１０ ランプドライバ
Claims (12)
- 被処理体に熱源を用いて所定の熱処理を行う熱処理装置の前記被処理体と前記熱源の間に配置可能な石英ウインドウであって、
石英製プレートと、
当該プレートに固定されて当該プレートの強度を高める梁とを有する石英ウインドウ。 - 前記プレートは円筒形で、前記梁は前記プレートの半径方向の強度を高める第１の部分を有する請求項１記載の石英ウインドウ。
- 前記プレートは円筒形で、前記梁は前記プレートの円周方向の強度を高める第２の部分を有する請求項１記載の石英ウインドウ。
- 前記第２の部分は前記プレートに同心円状に複数設けられている請求項３記載の石英ウインドウ。
- 前記プレートの厚さは１０ｍｍ以下である請求項１記載の石英ウインドウ。
- 前記梁の厚さは１０ｍｍ以下である請求項１記載の石英ウインドウ。
- 前記石英ウインドウの前記梁は、前記石英ウインドウが前記被処理体と前記熱源との間に配置された場合に前記石英ウインドウを冷却する冷却用エアの流通を確保する流路を形成する請求項１記載の石英ウインドウ。
- 被処理体に所定の熱処理を行う処理室と、
前記処理室に接続されて当該処理室内を減圧状態に維持することができる排気手段と、
前記被処理体を加熱する熱源と、
前記被処理体と前記熱源との間に配置された石英ウインドウとを有する熱処理装置であって、
当該石英ウインドウは、
石英製プレートと、
当該プレートに固定されて当該プレートの強度を高める梁とを有する熱処理装置。 - 被処理体に所定の熱処理を施すために前記被処理体を加熱する熱源からの熱を反射し前記被処理体に照射するリフレクタであって、
前記被処理体と前記熱源との間に、石英製プレートと、当該プレートに固定されて当該プレートの強度を高める梁とを有する石英ウインドウが配置され、
前記リフレクタは、
前記熱源を収納可能な収納部と、
前記石英ウインドウの前記梁と係合可能な係合部とを有するリフレクタ。 - 前記熱源は複数のランプを有し、前記収納部は前記複数のランプに対応して複数設けられ、前記係合部は、前記複数の収納部の間に設けられる請求項９記載のリフレクタ。
- 前記係合部は、前記熱源から前記梁への熱放射光を遮断するように前記梁を収納することができる請求項９記載のリフレクタ。
- 被処理体に所定の熱処理を行う処理室と、
前記処理室に接続されて当該処理室内を減圧状態に維持することができる排気手段と、
前記被処理体を加熱する熱源と、
前記被処理体と前記熱源との間に配置された石英ウインドウと、
前記熱源からの熱を反射し前記被処理体に照射するリフレクタとを有する熱処理装置であって、
前記石英ウインドウは、
石英製プレートと、
当該プレートに固定されて当該プレートの強度を高める梁とを有し、
前記リフレクタは、
前記熱源を収納可能な収納部と、
前記石英ウインドウの前記梁と係合可能な係合部とを有する熱処理装置。
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