JP4558411B2 - 急速熱処理装置及び方法 - Google Patents
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図3の温度推移では、処理チェンバに半導体基板を投入して4秒後にランプ強度(ランプパワー)を上げると同時に、半導体基板の温度が急激に上昇しているように見える。これは、半導体基板を透過した光が温度センサに到達したために、見かけ上温度が高く見えているだけであり、半導体基板の真の温度(図3の点線)を反映していない。
また、7秒後から12秒後の間、ランプ照射しているにも関わらず、温度があまり上昇していないのは、ランプ照射することにより半導体基板の温度が上がり、半導体基板から輻射される光強度が上昇した分と、半導体基板の温度が上がったことにより半導体基板中のキャリア濃度が上昇し、近赤外領域の遮光性が改善され透過光の強度が低下した分が打ち消し合い、温度センサが受光する光強度の変化が比較的小さくなったためである。
このように、半導体基板の遮光性が不十分な場合には、加熱用ランプの光が基板を透過し、半導体基板からの輻射光を受光するための温度センサに到達してしまうため、半導体基板を透過した透過光と半導体基板からの輻射光を分離しなければ、半導体基板の正確な温度を測定し、また正確に半導体基板の温度を制御することは困難である。
また、特許文献1の手法では、透過率を加熱用ランプの照射強度の最大値と最小値の差分とそれに連動して変動する透過光(反射光)の最大値と最小値の差分の比より求めるために、透過率の相対誤差は、加熱用ランプの照射強度センサの相対誤差と、透過光強度センサの相対誤差との和の2倍となる(図9参照)。さらに、このように算出した透過率に基づいて、透過光と輻射光を分離するために、温度測定の誤差はさらに大きくなってしまう。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、遮光性の低い半導体基板の温度が低い状態においても正確な基板温度の測定及び半導体基板の高い精度の加熱を可能とする急速熱処理装置及び方法を提供することを目的とする。
基板支持部3は、チェンバ底部4にベアリング部7を介して回転自在に配設された円筒形シリンダ31と、この円筒形シリンダ31の上端に取り付けられたリングプレート32とを備えており、リングプレート32の内周縁部には、半導体基板1のエッジ部を支持するための段差が形成されている。
半導体基板1が基板支持部3のリングプレート32に支持された状態において、チェンバ底部4の最上部に半導体基板1の裏面と対向するように配設された反射板8と、基板支持部3と、半導体基板1とで囲まれる光学的閉空間12が形成される。この光学的閉空間12は、輻射光の温度センサによる半導体基板1の温度検出のために設けられた、光学的に閉じられた空間である。
また、チェンバ底部4には、半導体基板1からの輻射光を受光する複数の温度センサ(61a、61b、61c、61d、61e)を含む温度センサ群61が配設されている。温度センサ群61の各温度センサは、それぞれ半導体基板1の異なる半径位置に対応した位置に配置されており、各温度センサの測定結果(センサ出力信号)を温度算出部9に出力する。
次に、図2を用いて本発明の急速熱処理装置の動作原理を説明する。
図2は、本発明の急速熱処理装置においてランプ点灯時と消灯時に温度センサが受光する光を説明するための図である。
図2において、111は半導体基板1からの輻射光、112は半導体基板1を透過して半導体基板裏面側の光学的閉空間12に到達した透過光、113は半導体基板1の表面で反射された反射光、121は半導体基板加熱用ランプ群51の照射光をそれぞれ示す。
図2の(a)は急速熱処理装置のランプ点灯(ON)時に温度センサ61が受光する光を示し、図2の(b)は急速熱処理装置のランプ消灯(OFF)時に温度センサ61が受光する光を示す。
図4及び図5は、近赤外領域の遮光性が低い半導体基板に対し、基板温度が低い状態で、本実施形態の急速熱処理装置の間欠照射モードを試験的に実行し、加熱ランプの点灯と消灯を繰り返した場合に、各温度センサが検出した温度の平均値の時間的推移、及び各温度センサが個々に検出した温度の時間的推移を示す。
図4の例には、半導体基板の裏面側に配設された5個の温度センサが検出した温度の平均値の時間推移が示されている。加熱用ランプの照射強度を5%に落としても、すぐには透過光が消えていないのは、加熱用ランプとしてタングステン−ハロゲンランプを使用しており、加熱用ランプに印加する電圧を下げてもフィラメントの温度が下がり照射強度が十分に下がるまでに、ある程度時間がかかるためである。従って、加熱用ランプを間欠的に点灯する時の消灯時間は、加熱用ランプに印加する電圧を下げてから、実際の照射強度が十分に低下するまでにかかる時間よりも長くすることが必要である。
図5の例には、半導体基板裏面側に配設された5個の温度センサが検出した温度値を個別に示す(T1、T2、T3、T4、T5)。図5に示したように、加熱用ランプが点灯している時の見かけ上の温度では、半導体基板の面内の異なる5点の温度差が30℃以内であるように見えるが、加熱用ランプの消灯時の温度では、面内温度差が60℃以上にも達している。透過光を分離して算出した基板温度を取得し、その基板温度に応じて加熱用ランプの照射強度を制御することにより、始めて、半導体基板の面内温度分布の制御も可能になることを示している。
図6は、ランプ消灯時から処理チェンバ内で自然冷却した時の半導体基板の温度的推移を説明するための図である。
図6の(a)は、図5の間欠照射モードの実行開始から25秒間に各温度センサが個々に検出した温度の時間的推移を示し、図6の(b)は、330℃〜340℃の半導体基板を処理チェンバ内で、加熱用ランプの照射強度を5%に設定した状態で25秒間冷却した時の各温度センサが個々に検出した温度の時間的推移を示す。
上述した図7の制御手順のステップS6で用いたしきい値は、図6(b)の例のように、急速熱処理装置を用いて半導体基板を処理チェンバ内で加熱用ランプの照射強度を十分に下げた、若しくは完全に消灯した状態で基板温度の時間推移を実験的に求め、その結果を基に、加熱用ランプを消灯してから半導体基板を透過した光が温度センサに到達しなくなるまでの時間(dt)での半導体基板の温度の低下速度を基板温度の関数として求め、上記のしきい値として設定しておけばよい。
(付記4)基板支持部に支持された半導体基板の表面側を光照射して加熱するランプ部と、前記基板の裏面側に配設され前記基板からの輻射光を受光する温度センサと、前記温度センサの出力結果に応じて前記基板の温度を算出する温度算出部と、前記温度算出部により算出された基板温度に基づいて前記ランプ部の照射強度を制御する制御部とを備える急速熱処理装置を用いて半導体基板を加熱する急速熱処理方法であって、前記ランプ部を間欠的に点灯する間欠照射手順と、前記ランプ部を点灯している時の前記温度センサの出力結果に応じて算出される第1の基板温度を取得する第1温度取得手順と、前記ランプ部を点灯していない時の前記温度センサの出力結果に応じて算出される第2の基板温度を取得する第2温度取得手順と、前記第1の基板温度と前記第2の基板温度との差が所定のしきい値より大きい場合に、前記第2の基板温度に応じて、前記ランプ部の照射強度を制御する照射強度制御手順とを含むことを特徴とする急速熱処理方法。
2 処理チャンバ
3 基板支持部
4 チャンバ底部
51 ランプ群
61 温度センサ群
7 ベアリング部
8 反射板
9 温度算出部
10 ランプパワー制御部
12 光学的閉空間
31 円筒形シリンダ
32 リングプレート
Claims (7)
- 半導体基板を加熱する処理チェンバと、前記処理チェンバ内に配設され前記基板を支持する基板支持部と、前記基板支持部に支持された前記基板の表面側を光照射して加熱するランプ部と、前記基板の裏面側に配設され前記基板からの輻射光を受光する温度センサと、前記温度センサの出力結果に応じて前記基板の温度を算出する温度算出部と、前記温度算出部により算出された前記基板の温度に応じて前記ランプ部の照射強度を制御する制御部とを備える急速熱処理装置であって、
前記制御部が、前記ランプ部を間欠的に点灯すると共に、前記ランプ部を点灯している時の前記温度センサの出力結果に応じて算出される第1の基板温度を取得し、前記ランプ部を点灯していない時の前記温度センサの出力結果に応じて算出される第2の基板温度を取得し、かつ、前記第1の基板温度と前記第2の基板温度との差が所定のしきい値より大きい場合に、前記第2の基板温度に応じて、前記ランプ部の照射強度を制御することを特徴とする急速熱処理装置。 - 前記制御部は、前記ランプ部の照射強度を制御する際に、前記ランプ部の点灯時に前記温度センサの受光した輻射光に基づき算出される基板温度を無視することを特徴とする請求項1記載の急速熱処理装置。
- 前記制御部は、前記ランプ部を点灯している時に前記温度センサの受光した輻射光から算出した基板温度と、前記ランプ部を点灯していない時に前記温度センサの受光した輻射光から算出した基板温度との差が、所定のしきい値以下になった場合に、前記ランプ部の間欠照射を終了し、連続照射に切り換え、前記連続照射において、前記制御部が前記ランプ部の点灯時に前記温度センサから求めた基板温度に応じて前記ランプの照射強度を制御することを特徴とする請求項1又は2記載の急速熱処理装置。
- 基板支持部に支持された半導体基板の表面側を光照射して加熱するランプ部と、前記基板の裏面側に配設され前記基板からの輻射光を受光する温度センサと、前記温度センサの出力結果に応じて前記基板の温度を算出する温度算出部と、前記温度算出部により算出された基板温度に基づいて前記ランプ部の照射強度を制御する制御部とを備える急速熱処理装置を用いて半導体基板を加熱する急速熱処理方法であって、
前記ランプ部を間欠的に点灯する間欠照射手順と、
前記ランプ部を点灯している時の前記温度センサの出力結果に応じて算出される第1の基板温度を取得する第1温度取得手順と、
前記ランプ部を点灯していない時の前記温度センサの出力結果に応じて算出される第2の基板温度を取得する第2温度取得手順と、
前記第1の基板温度と前記第2の基板温度との差が所定のしきい値より大きい場合に、前記第2の基板温度に応じて、前記ランプ部の照射強度を制御する照射強度制御手順と
を含むことを特徴とする急速熱処理方法。 - 前記第1の基板温度と前記第2の基板温度との差が前記しきい値以下になるまで、前記間欠照射手順、前記第1温度取得手順及び前記第2温度取得手順を繰り返し実行することを特徴とする請求項4記載の急速熱処理方法。
- 前記第1の基板温度と前記第2の基板温度との差が前記しきい値以下になった場合に、前記間欠照射手順を終了して、前記ランプ部を連続的に点灯する連続照射手順をさらに含み、前記連続照射手順において、前記ランプ部の点灯時に前記温度センサから求めた基板温度に応じて前記ランプ部の照射強度を制御することを特徴とする請求項4又は5記載の急速熱処理方法。
- 半導体基板を加熱する処理チェンバと、前記処理チェンバ内に配設され前記基板を支持する基板支持部と、前記基板支持部に支持された前記基板の表面側を光照射して加熱するランプ部と、前記基板の裏面側に配設され前記基板からの輻射光を受光する温度センサと、前記温度センサの出力結果に応じて前記基板の温度を算出する温度算出部と、前記温度算出部により算出された前記基板の温度に応じて前記ランプ部の照射強度を制御する制御部とを備える急速熱処理装置であって、
前記制御部が、前記ランプ部の点灯と消灯を間欠的に繰り返して前記ランプ部の発光出力を減衰させると共に、前記ランプ部を点灯している時の前記温度センサの出力結果に応じて算出される第1の基板温度を取得し、前記ランプ部を消灯して前記ランプ部の発光出力を減衰させた時の前記温度センサの出力結果に応じて算出される第2の基板温度を取得し、かつ、前記第1の基板温度と前記第2の基板温度との差が所定のしきい値より大きい場合に、前記第2の基板温度に応じて、前記ランプ部の照射強度を制御することを特徴とする急速熱処理装置。
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