JP4618705B2

JP4618705B2 - 熱処理装置

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Publication number: JP4618705B2
Application number: JP2003325636A
Authority: JP
Inventors: 達文楠田
Original assignee: Screen Holdings Co Ltd; Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Screen Holdings Co Ltd; Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2003-09-18
Filing date: 2003-09-18
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2023-09-18
Also published as: US20050063448A1; US7935913B2; JP2005093750A

Description

本発明は、基板に加熱を伴う処理を行う熱処理装置に関する。

従来より、半導体基板や表示装置用のガラス基板等（以下、単に「基板」という。）の製造の様々な段階において基板に対する熱処理が行われており、熱処理方法の１つとして急速加熱工程（ＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＰｒｏｃｅｓｓ、以下、「ＲＴＰ」という。）が利用されている。ＲＴＰでは、処理室内の基板をハロゲンランプ等で加熱して短時間で所定の温度まで昇温することにより、酸化膜等の絶縁膜の薄膜化、イオン注入法により添加した不純物の活性化工程における不純物の再拡散抑制等、従来の電気炉による長時間の熱処理では困難であった処理を実現することができる。

このような熱処理装置では、基板に対する処理の不均一性を抑制するために、熱処理時の基板の温度分布を均一化する技術が提案されている。また、複数のランプの経時変化等による劣化を検出して基板の処理不良を防止する技術も提案されている。例えば、特許文献１では、サイズが異なる半球状の反射ミラーにより構成される多層ミラー構造を有する光照射部に個別に制御される複数のランプを設け、さらに、各ランプの出射光量をモニタする光センサを各反射ミラー間に設けることにより、基板の熱分布の均一性を確保するとともに、ランプの劣化を早期に発見する技術が開示されている。

なお、特許文献２には、センサ内部の黒体にて吸収した光のエネルギーを電気信号に変換するカロリーメータであって、放射線の短いパルスに対応できる高速応答性を有するカロリーメータが開示されている。
特開平１１−１３５４４９号公報特開２００２−３５７６６０号公報

ところで、ランプを用いる熱処理装置では、ランプの劣化や光が入射する処理室の窓の汚損等により基板の表面に到達する光のエネルギーが減少する恐れがある。特に、近年、基板の加熱源としてフラッシュランプを用いてさらに短時間で基板を加熱する技術も提案されており、このようなフラッシュランプを用いる熱処理装置では、フラッシュランプからの閃光により空気中に浮遊する有機物等が炭化して処理室の窓の表面に付着することがある。

処理室の窓の汚損等に起因する処理室内への光エネルギーの減少は、ランプから出射される光エネルギーをランプ近傍でモニタする手法では把握することはできない。また、フラッシュランプの照射時間は極めて短く、一般的に使用される光センサを用いる方法や基板を透過した赤外線を観察する方法、基板の表面のスペクトル分布を求める方法等では光エネルギーを精度良く計測することができないため、フラッシュランプの経時変化等による劣化や故障を検出することも困難である。処理室内に照射される光のエネルギーが低下したまま基板の処理が行われた場合、基板の処理不良が発生する恐れが生じる。

一方、フラッシュランプを用いる熱処理装置では基板の加熱が極めて短時間で行われるため、熱処理時の基板の表面温度をリアルタイムに測定することが困難であるという問題がある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、熱処理時に基板に照射される光の処理室内におけるエネルギーを計測することを目的としている。さらに、熱処理時の基板の表面温度を求めることも目的としている。

請求項１に記載の発明は、基板に光を照射することにより前記基板を加熱する熱処理装置であって、基板が処理される空間を形成するチャンバ本体と、前記チャンバ本体の内部において基板を予備的に加熱するヒータと、フラッシュランプを有し、前記チャンバ本体の内部の基板に光を照射する光照射部と、前記チャンバ本体の内部において前記光照射部からの光が入射する入射部と、前記入射部に入射する光のエネルギーを計測する計測部と、前記計測部からの出力に基づいて、前記光照射部からの光が照射される基板の表面温度を求める演算部とを備え、前記フラッシュランプからのフラッシュ光の照射により基板が加熱され、前記計測部により熱処理時のフラッシュ光のエネルギーが計測され、前記演算部が、前記入射部に入射する光の第１エネルギー密度から基板の中央に照射される光の第２エネルギー密度を求める手段と、前記第２エネルギー密度および前記ヒータによる加熱温度に基づいて前記基板の表面温度を求める手段とを備える。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の熱処理装置であって、前記入射部に入射する光を前記チャンバ本体の内部から前記チャンバ本体の外部に配置された前記計測部へと導く光導出構造をさらに備え、前記入射部の入射面が前記光照射部に対向する。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の熱処理装置であって、前記光導出構造が、石英ロッドを備え、前記入射部が、前記石英ロッドの先端に形成されたプリズムである。

請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の熱処理装置であって、前記入射部が、前記チャンバ本体の内部において基板の側方に配置される。

請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の熱処理装置であって、前記計測部がカロリーメータである。

本発明では、基板の表面温度を短時間で昇降することが可能な熱処理装置において、熱処理時に光照射部から照射される光のチャンバ本体の内部におけるエネルギーを計測することができ、予備的に加熱された基板の光照射時の表面温度を正確に求めることができる。

請求項２の発明では、チャンバ本体の内部における光のエネルギーを安定して計測することができる。

請求項３の発明では、チャンバ本体の内部の光を簡単な構造で外部へと導き出すことができる。

請求項４の発明では、基板に照射される光のエネルギーをより正確に求めることができる。

請求項５の発明では、光のエネルギーを精度良く計測することができる。

図１は、本発明の一の実施の形態に係る熱処理装置１の構成を示す図であり、熱処理装置１は半導体基板９（以下、「基板９」という。）に光を照射して加熱を伴う処理を行う装置である。

熱処理装置１は、略円筒状の内壁を有するチャンバ側部６３、および、チャンバ側部６３の下部を覆うチャンバ底部６２を備え、これらにより基板９が熱処理される空間（以下、「チャンバ」という。）６５を形成するとともに上部に開口（以下、「上部開口」という。）６０が形成されたチャンバ本体６が構成される。

また、熱処理装置１は、上部開口６０に装着されて上部開口６０を閉塞する閉塞部材である透光板６１、チャンバ本体６の内部において基板９を保持するとともに予備的に加熱する略円板状の保持部７、保持部７をチャンバ本体６の底面であるチャンバ底部６２に対して昇降する保持部昇降機構４、チャンバ本体６の内部の保持部７に保持される基板９に透光板６１を介して光を照射することにより基板９を加熱する光照射部５、チャンバ本体６の内部の光のエネルギーを測定する光測定部２、および、これらの構成を制御して熱処理を行う制御部３を備える。

透光板６１は、例えば、石英等により形成され、光照射部５からの光を透過してチャンバ６５に導くチャンバ窓として機能する。チャンバ底部６２およびチャンバ側部６３は、例えば、ステンレススチール等の強度と耐熱性に優れた金属材料にて形成されており、チャンバ側部６３の内側面の上部のリング６３１は、光照射による劣化に対してステンレススチールより優れた耐久性を有するアルミニウム（Ａｌ）合金等で形成されている。

チャンバ底部６２には、保持部７を貫通して基板９をその下面（光照射部５からの光が照射される側とは反対側の面）から支持するための複数（本実施の形態では３本）の支持ピン７０が立設されている。支持ピン７０は、例えば石英により形成されており、チャンバ本体６の外部から固定されているため、容易に取り替えることができる。

チャンバ側部６３は、基板９の搬入および搬出を行うための搬送開口部６６を有し、搬送開口部６６は、軸６６２を中心に回動するゲートバルブ６６３により開閉可能とされる。チャンバ側部６３の搬送開口部６６とは反対側の部位にはチャンバ６５に処理ガス（例えば、窒素（Ｎ_２）ガスやヘリウム（Ｈｅ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス等の不活性ガス、あるいは、酸素（Ｏ_２）ガス等）を導入する導入路８１が形成され、片方の端は弁８２を介して図示省略の給気機構に接続され、もう一方の端はチャンバ側部６３の内部に形成されるガス導入チャンネル８３に接続される。また、搬送開口部６６にはチャンバ内の気体を排出する排出路８６が形成され、弁８７を介して図示省略の排気機構に接続される。

図２は、チャンバ本体６をガス導入チャンネル８３の位置でＺ方向に垂直な面で切断した断面図である。図２に示すように、ガス導入チャンネル８３は、図１に示す搬送開口部６６の反対側においてチャンバ側部６３の全周の約１／３に亘って形成されており、導入路８１を介してガス導入チャンネル８３に導かれた処理ガスは、複数のガス供給孔８４からチャンバ６５内へと供給される。

また、光測定部２は、図１に示すように、チャンバ側部６３の搬送開口部６６と反対側の部位に設けられ、光のエネルギーを計測する計測部であるカロリーメータ２４、チャンバ本体６の内部の光をチャンバ本体６の内部からチャンバ本体６の外部に配置されたカロリーメータ２４へと導く光導出構造２０、カロリーメータ２４からの出力に基づいて各種演算を行う演算部２５、および、演算部２５における各種演算に必要な情報を記憶する記憶部２６を備える。

光導出構造２０は、ガス導入チャンネル８３の上方（（＋Ｚ）側）にてチャンバ側部６３を貫通してチャンバ本体６に取り付けられる直径１０ｍｍの第１石英ロッド２１を備え、第１石英ロッド２１のチャンバ６５側の先端に形成されたプリズムは、チャンバ本体６の内部において光照射部５からの光が入射する入射部２１０となる。光導出構造２０は、第１石英ロッド２１に接着されるプリズム２２、および、プリズム２２に接着される直径１０ｍｍの第２石英ロッド２３をさらに備え、第２石英ロッド２３はカロリーメータ２４に接続される。

図３ないし図５は、第１石英ロッド２１のチャンバ６５（図１参照）側の先端部である入射部２１０を示す図であり、それぞれ（−Ｙ）側から見た正面図、（＋Ｚ）側から見た平面図、（＋Ｘ）側から見た右側面図である。図３ないし図５に示すように、入射部２１０は、Ｚ方向に垂直であって光照射部５（図１参照）に対向する入射面２１１、および、入射面２１１の下方（（−Ｚ）側）において入射面２１１に対して約４５°の傾斜を有する反射面２１２を備え、チャンバ本体６の内部において後述の処理位置（すなわち、基板９に光照射部５から光を照射して加熱を伴う処理を行う位置）に位置する保持部７上の基板９の側方に基板９と同じ高さ（すなわち、光照射部５から基板９と同じ距離）に配置される。

カロリーメータ２４は内部に光を吸収する黒体（図示省略）を有し、カロリーメータ２４では、入射した光が黒体により吸収されて熱エネルギーとして放出され、この熱エネルギーが電圧等の電気信号に変換されることにより入射した光のエネルギーが計測される。

演算部２５は、入射部２１０に入射する光照射部５からの光のエネルギー密度から、基板９の中央部に照射される光のエネルギー密度を求めるエネルギー密度算出部２５１、並びに、基板９の中央部に照射される光のエネルギー密度、および、保持部７による予備加熱温度に基づいて、基板９の中央部における表面温度を求める表面温度算出部２５２を備える。

保持部昇降機構４は、略円筒状のシャフト４１、移動板４２、ガイド部材４３（本実施の形態ではシャフト４１の周りに３本配置される。）、固定板４４、ボールねじ４５、ナット４６およびモータ４０を有する。チャンバ本体６の下部であるチャンバ底部６２には保持部７よりも小さい直径を有する略円形の開口（以下、「下部開口」という。）６４が形成されており、ステンレススチール製のシャフト４１は、下部開口６４に挿入され、保持部７の下面に接続されて保持部７を支持する。

移動板４２にはボールねじ４５が挿入されたナット４６が固定されており、移動板４２は、チャンバ底部６２に固定されて下方へと伸びるガイド部材４３により案内されて上下方向に移動可能とされる。また、移動板４２は、シャフト４１を介して保持部７に連結される。

モータ４０は、ガイド部材４３の下端部に取り付けられる固定板４４に設置され、タイミングベルト４０１を介してボールねじ４５に接続される。保持部昇降機構４により保持部７が昇降する際には、駆動部であるモータ４０が制御部３の制御によりボールねじ４５を回転し、ナット４６が固定された移動板４２がガイド部材４３に沿って移動する。この結果、シャフト４１が図１中のＺ方向に移動し、シャフト４１に接続された保持部７が、基板９の熱処理時にチャンバ本体６の内部にて滑らかに昇降する。

移動板４２の上面には略半円筒状（円筒を長手方向に沿って半分に切断した形状）のメカストッパ４５１がボールねじ４５に沿うように立設されており、仮に何らかの異常により移動板４２が所定の上昇限界を超えて上昇したとしても、メカストッパ４５１の上端がボールねじ４５の端部に設けられた端板４５２に突き当たることによって移動板４２の異常上昇が防止される。これにより、保持部７は透光板６１の下方の所定位置以上に上昇することはなく、保持部７と透光板６１との衝突が防止される。

また、保持部昇降機構４は、チャンバ本体６の内部のメンテナンスを行う際に保持部７を手動にて昇降させる手動昇降部４９を有する。手動昇降部４９はハンドル４９１および回転軸４９２を有し、ハンドル４９１を介して回転軸４９２を回転することより、タイミングベルト４９５を介して回転軸４９２に接続されるボールねじ４５を回転して保持部７の昇降が行われる。

チャンバ底部６２の下側には、シャフト４１の周囲を囲み下方へと伸びる伸縮自在のベローズ４７が設けられ、その上端はチャンバ底部６２の下面に接続される。ベローズ４７のもう一方の端にはベローズ下端板４７１が取り付けられ、ベローズ下端板４７１はシャフト４１に取り付けられる鍔状部材４１１にねじ止めされてチャンバ６５を気密状態に保つ。保持部昇降機構４により保持部７がチャンバ底部６２に対して上昇する際にはベローズ４７は収縮され、下降する際にはベローズ４７が伸張される。

保持部７は、基板９を予備加熱（いわゆる、アシスト加熱）するホットプレート７１、および、ホットプレート７１の上面（保持部７が基板９を保持する側の面）に設置されるサセプタ７２を有し、保持部７（ホットプレート７１）の下面には、既述のように保持部７を昇降するシャフト４１が接続される。サセプタ７２は石英（窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等であってもよい。）により形成され、上面には基板９の位置ずれを防止するピン７５が設けられる。サセプタ７２は、下面をホットプレート７１の上面に面接触させてホットプレート７１上に載置されることにより、ホットプレート７１からの熱エネルギーを拡散するとともに、メンテナンス時にはホットプレート７１から取り外して洗浄可能とされる。

図６は、保持部７およびシャフト４１を示す断面図である。ホットプレート７１は、ステンレススチール製の上部プレート７３および下部プレート７４を有し、上部プレート７３と下部プレート７４との間には、ホットプレート７１を加熱するニクロム線等の抵抗加熱線７６が配設され、導電性のニッケル（Ｎｉ）ロウが充填されて封止されている。また、上部プレート７３および下部プレート７４の端部はロウ付けにより接着されている。

図７は、ホットプレート７１を示す平面図である。図７に示すように、ホットプレート７１は同心円状の４つのゾーン７１１〜７１４に分割されており、それぞれのゾーン間には間隙が形成されている。ゾーン７１１〜７１４にはそれぞれ独立する抵抗加熱線７６が周回するように配設され、これらの抵抗加熱線７６により各ゾーンが個別に加熱される。

最も内側のゾーン７１１には、熱電対を用いてゾーン７１１の温度を計測するセンサ７１０が設けられ、センサ７１０は略円筒状のシャフト４１（図６参照）の内部を通り制御部３に接続される。ホットプレート７１が加熱される際には、センサ７１０により計測されるゾーン７１１の温度が所定の温度になるように、ゾーン７１１に配設される抵抗加熱線７６への電力供給量が制御部３により制御される。制御部３によるゾーン７１１の温度制御はＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ，Ｉｎｔｅｇｒａｌ，Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）制御により行われている。また、他のゾーン７１２〜７１４に配設される抵抗加熱線７６への電力供給量は、ゾーン７１１に対する電力供給量に基づき、予め求められている対応関係（ゾーン７１１に対する電力供給量と、他のゾーン７１２〜７１４をゾーン７１１と同じ温度にするために必要な電力供給量との対応関係）より決定される。ホットプレート７１では、基板９の熱処理（複数枚の基板９を連続的に処理する場合は、全ての基板９の熱処理）が終了するまでゾーン７１１の温度が継続的に計測され、ゾーン７１１〜７１４の温度が制御されて目標温度に維持される。

ゾーン７１１〜７１４にそれぞれ配設される抵抗加熱線７６は、シャフト４１の内部を通り電力供給源（図示省略）に接続され、電力供給源から各ゾーンまでの間、電力供給源からの２本の抵抗加熱線７６は、図８の断面図に示すように、マグネシア（マグネシウム酸化物）等の絶縁体７６２を充填したステンレスチューブ７６３の内部に互いに電気的に絶縁状態となるように配置される。なお、シャフト４１の内部は大気開放されている。

図１に示す光照射部５は、複数（本実施の形態においては３０本）のキセノンフラッシュランプ（以下、単に「フラッシュランプ」という。）５１、リフレクタ５２および光拡散板５３を有する。複数のフラッシュランプ５１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（図１中のＹ方向）が保持部７に保持される基板９の主面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。リフレクタ５２は、複数のフラッシュランプ５１の上方にそれら全体を覆うように設けられ、その表面はブラスト処理により粗面化加工が施されて梨地模様を呈する。また、光拡散板５３は、表面に光拡散加工を施した石英ガラスにより形成され、透光板６１との間に所定の間隙を設けて光照射部５の下面に設置される。熱処理装置１では、メンテナンス時に光照射部５をチャンバ本体６に対して相対的に上昇させて（＋Ｘ）方向へと移動する照射部移動機構５５がさらに設けられる。

熱処理装置１では、基板９の熱処理時にフラッシュランプ５１およびホットプレート７１から発生する熱エネルギーによるチャンバ本体６および光照射部５の過剰な温度上昇を防止するため、様々な冷却用の構造（図示省略）を備えている。例えば、チャンバ本体６のチャンバ側部６３およびチャンバ底部６２には水冷管が設けられており、光照射部５は内部に気体を供給する供給管とサイレンサ付きの排気管が設けられて空冷構造とされている。また、透光板６１と光照射部５（の光拡散板５３）との間隙には圧縮空気が供給され、光照射部５および透光板６１を冷却するとともに、間隙に存在する有機物等を排除して熱処理時における光拡散板５３および透光板６１への付着を抑制する。

図９は、基板９を熱処理する際の熱処理装置１の動作の流れを示す図である。本実施の形態では、基板９はイオン注入法により不純物が添加された半導体基板であり、熱処理装置１による熱処理により添加された不純物の活性化が行われる。以下、図９および他の図を適宜参照しながら基板９を熱処理する工程について説明し、その後、基板９の熱処理工程と並行して行われるチャンバ本体６の内部の光のエネルギーを計測して基板９の表面温度を求める工程について説明する。

熱処理装置１により基板９が熱処理される際には、まず、保持部７が図１に示すようにチャンバ底部６２に近接した位置に配置される。以下、図１における保持部７のチャンバ６５内における位置を「受渡位置」という。保持部７が受渡位置にあるとき、支持ピン７０の先端は、保持部７を貫通して保持部７の上方に位置する。次に、弁８２および８７が開かれてチャンバ６５内に常温の窒素ガスが導入される（ステップＳ１１）。続いて、搬送開口部６６が開放され、制御部３により制御される搬送ロボット（図示省略）により搬送開口部６６を介して基板９がチャンバ６５内に搬入され（ステップＳ１２）、複数の支持ピン７０上に載置される。

図１０は、図２に示すチャンバ本体６を抽象的に示す図である。基板９の搬入時におけるチャンバ６５への窒素ガスのパージ量は約４０リットル／分とされ、供給された窒素ガスはチャンバ６５内において図１０中に示す矢印８５の方向へと流れ、図１に示す排出路８６および弁８７を介してユーティリティ排気により排気される。また、チャンバ６５に供給された窒素ガスの一部は、ベローズ４７の内側に設けられる排出口（図示省略）からも排出される。なお、以下で説明する各ステップにおいて、チャンバ６５には常に窒素ガスが供給および排気され続けており、窒素ガスのパージ量は基板９の処理工程に合わせて様々に変更される。

基板９がチャンバ６５内に搬入されると、図１に示すゲートバルブ６６３により搬送開口部６６が閉鎖され（ステップＳ１３）、保持部昇降機構４により保持部７がチャンバ６５の上下方向（図１中のＺ方向）の中央部近傍の位置（以下、「中間位置」という。）まで上昇する（ステップＳ１４）。このとき、基板９は支持ピン７０から保持部７のサセプタ７２へと渡され、サセプタ７２に保持される。保持部７は、ホットプレート７１の内部（図６に示す上部プレート７３と下部プレート７４との間）に配設された抵抗加熱線７６により予め所定の温度に加熱されており、基板９は保持部７（サセプタ７２）と接触することにより予備加熱され（ステップＳ１５）、基板９の温度が次第に上昇する。保持部７では、サセプタ７２によりホットプレート７１からの熱エネルギーが拡散されるため、基板９は均一に予備加熱される。

中間位置において約１秒間の予備加熱が行われた後、図１１に示すように保持部７が透光板６１に近接した位置（以下、「処理位置」という。）まで保持部昇降機構４により上昇し（ステップＳ１６）、この位置でさらに約６０秒間の予備加熱が行われ、基板９の温度が設定された予備加熱温度まで上昇する（ステップＳ１７）。予備加熱温度は、基板９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６００℃程度、好ましくは３５０℃ないし５５０℃程度とされる。また、保持部７と透光板６１との間の距離は、保持部昇降機構４のモータ４０の回転量を制御することにより任意に調整することが可能とされている。

その後、保持部７が処理位置に位置したまま制御部３の制御により光照射部５から基板９へ向けてフラッシュ光が照射される（ステップＳ１８）。このとき、光照射部５のフラッシュランプ５１から放射される光の一部は光拡散板５３および透光板６１を透過して直接チャンバ６５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光拡散板５３および透光板６１を透過してチャンバ６５内へと向かい、これらの光の照射により基板９の加熱（以下、予備加熱と区別するため、基板９の表面温度を処理温度まで上昇させる加熱を「主加熱」という。）が行われる。主加熱が光の照射により行われることによって、基板９の表面温度を短時間で昇降することができる。

光照射部５、すなわち、フラッシュランプ５１から照射される光は、予め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ミリ秒ないし１０ミリ秒程度の極めて短く強い閃光であり、フラッシュランプ５１からの光により主加熱される基板９の表面温度は、瞬間的に１０００℃ないし１１００℃程度の処理温度まで上昇し、基板９に添加された不純物が活性化された後、急速に下降する。このように、熱処理装置１では、基板９の表面温度を極めて短時間で昇降することができるため、基板９に添加された不純物の熱による拡散（この拡散現象を、基板９中の不純物のプロファイルがなまる、ともいう。）を抑制しつつ不純物の活性化を行うことができる。

また、主加熱の前に保持部７により基板９を予備加熱しておくことにより、フラッシュランプ５１からの光の照射によって基板９の表面温度を処理温度まで速やかに上昇させることができる。

主加熱が終了し、処理位置における約１０秒間の待機の後、保持部７が保持部昇降機構４により再び図１に示す受渡位置まで下降し（ステップＳ１９）、基板９が保持部７から支持ピン７０へと渡される。続いて、ゲートバルブ６６３により閉鎖されていた搬送開口部６６が開放され（ステップＳ２０）、支持ピン７０上に載置された基板９は搬送ロボットにより搬出され（ステップＳ２１）、熱処理装置１による基板９に対する一連の熱処理動作が完了する。

既述のように、熱処理装置１による基板９の熱処理時には窒素ガスがチャンバ６５に継続的に供給されており、そのパージ量は、保持部７が処理位置に位置するとき（すなわち、中間位置での約１秒間の予備加熱後に処理位置に移動してから、光の照射後の約１０秒間の待機が終了するまでの間）には３０リットル／分とされ、保持部７が処理位置以外の位置に位置するときには４０リットル／分とされる。

熱処理装置１では、新たな基板９に対して同じ熱処理を行う場合には、基板９をチャンバ６５内に搬入して光の照射を行った後に基板９をチャンバ６５内から搬出する動作（ステップＳ１２〜Ｓ２１）が繰り返される。また、新たな基板９に対して異なる熱処理を行う場合には、新たな熱処理に合わせて各種設定（窒素ガスのパージ量等）を行う間、保持部７は処理位置まで上昇して待機する。このように、透光板６１の温度を熱処理が継続的に行われているときとほぼ同じ温度に維持することにより、新たな熱処理時においても基板９の処理品質を維持することができる。

次に、基板９の熱処理工程と並行して行われるチャンバ本体６の内部の光のエネルギーを計測して基板９の表面温度を求める工程について、図１２に示す光測定部２の動作の流れに沿って説明する。

熱処理装置１では、既述のように、図９に示すステップＳ１１〜Ｓ１７の動作が行われた後、図１１に示す処理位置に位置する保持部７上の基板９へ向けて光照射部５から光が照射される（ステップＳ１８）。このとき、光照射部５からの光はチャンバ６５内へと向かい、基板９を主加熱するとともに、光測定部２の入射部２１０の入射面２１１（図３参照）に入射する。

入射部２１０に入射した光は、反射面２１２（図３参照）により（−Ｘ）方向へと反射されて光導出構造２０の第１石英ロッド２１によりチャンバ本体６の外部へと導かれ、プリズム２２により（−Ｚ）方向へと反射されて第２石英ロッド２３によりカロリーメータ２４へと導かれる（ステップＳ３１）。

カロリーメータ２４にて受光された光はカロリーメータ２４の内部の黒体に吸収され、電気信号に変換されてエネルギーが計測される（ステップＳ３２）。計測された光のエネルギーは演算部２５へと送信され、演算部２５において入射面２１１の面積で除され、さらに所定の補正係数が掛け合わされて入射部２１０に入射する光のエネルギー密度（以下、「入射部エネルギー密度」という。）が求められる（ステップＳ３３）。

図１３は、予め別途行われた計測作業において、光測定部２にて計測される光のエネルギー（Ｊ）（以下、「入射部計測エネルギー」という。）と、処理位置における基板９の中央部に相当する位置にて計測される光のエネルギー（Ｊ）（以下、「中央部計測エネルギー」という。）との関係を示す図である。この計測作業では、熱処理装置１において、処理位置における基板９の中央部に相当する位置にカロリーメータ２４と同型のもう１つの補助カロリーメータが一時的に設置され（このとき、保持部７はチャンバ本体６から取り外されており、計測終了後に再度取り付けられる。）、光照射部５から光を照射してカロリーメータ２４および補助カロリーメータで光のエネルギーが計測され、計測により求められた入射部計測エネルギーと中央部計測エネルギーとの関係が記憶部２６に記憶される。

図１３中に直線１０１にて示すように、入射部計測エネルギーと中央部計測エネルギーとはおよそ比例関係にあるため、入射部２１０に入射する光のエネルギーを計測することにより、処理位置における基板９の中央部に照射される光のエネルギーを容易に求めることができる。熱処理装置１では、ステップＳ３３で求められた入射部エネルギー密度、および、記憶部２６に予め記憶されている直線１０１を示すデータから、演算部２５のエネルギー密度算出部２５１により基板９の中央部に照射される光のエネルギー密度（以下、「中央部エネルギー密度」という。）を求めることが可能とされている（ステップＳ３４）。

図１１に示す光測定部２では、入射面２１１（図３参照）が既述のように処理位置における基板９の主面と同じ高さに配置されている。具体的には、保持部７の側面とチャンバ側部６３との間において、光照射部５から入射面２１１までの距離（本実施の形態では、垂直方向（Ｚ方向）の距離）と、基板９の光が照射される側の主面までの距離とが等しくなるように入射部２１０が配置される。これにより、光照射部５から照射される光のエネルギーのうち、チャンバ６５内の乱反射光の影響の程度が入射部２１０と基板９とで同程度とされる。なお、処理位置において照度分布が平滑化されるようにリフレクタ５２の形状やフラッシュランプ５１の配置が調整されており、このような光照射部５の構造も、中央部エネルギー密度の精度に寄与している。

図１４は、光照射部５から基板９に照射される光のエネルギー密度（Ｊ／ｃｍ^２）と、光照射後の基板９の表面のシート抵抗（Ω／□）との関係を示す図であり、予め実験により求められたものである。図１４中の実線１０６は、基板９を保持部７により４００℃まで予備加熱した後に光を照射した場合のエネルギー密度とシート抵抗との関係を示し、破線１０７および細実線１０８はそれぞれ、予備加熱の温度が４５０℃および５００℃の場合のエネルギー密度とシート抵抗との関係を示す。線１０６〜１０８は、基板９を各予備加熱温度（４００℃，４５０℃，５００℃）まで加熱した後に、エネルギー密度を様々に変更した光を照射して表面のシート抵抗を計測（基板９の表面から１０ｎｍ（ナノメートル）ないし１５ｎｍの範囲のシート抵抗を計測）して求められたものである。なお、図１４に示す線１０６〜１０８は、ベア基板に対して求められたものである。

ところで、加熱時の基板９の表面温度が等しければ、得られるシート抵抗も等しくなることから、例えば、図１４中において一定のシート抵抗を示す線１０９に注目すると、線１０９と線１０６〜１０８とのそれぞれの交点１１６〜１１８における基板９の表面温度は等しいといえる。図１４に示すように、エネルギー密度が２３Ｊ／ｃｍ^２以上の範囲では、線１０６〜１０８は直線状であって互いにほぼ平行であり、さらに、交点１１６と１１７との間の距離、および、交点１１７と１１８との間の距離がほぼ等しく、約１．８９Ｊ／ｃｍ^２となっている。したがって、基板９を光の照射により所定の温度まで加熱する場合、予備加熱温度が５０℃低ければ、照射する光のエネルギー密度を約１．８９Ｊ／ｃｍ^２高くすればよいといえる。以上のことから、基板９の予備加熱温度をＴａ（℃）、基板９の中央部に照射される光のエネルギー密度をＥｃ（Ｊ／ｃｍ^２）とすると、光が照射される際の基板９の中央部における表面温度Ｔｃ（℃）を、数１のように表すことができる。

熱処理装置１では、数１に示す関係が予め記憶部２６に記憶されており、エネルギー密度算出部２５１にて求められた基板９の中央部に照射される光のエネルギー密度、および、保持部７による基板９の予備加熱温度から基板９の中央部における表面温度が表面温度算出部２５２により求められる（ステップＳ３５）。なお、熱処理装置１では、求められる基板９の表面温度が基板９の溶融温度に等しくなるようにフラッシュランプ５１の出力を設定して基板９に光を照射すると基板９の表面が溶融することが確認されている。処理対象となる基板はパターンが形成された基板でもよく、対象基板の種類毎に図１４および数１に示す関係が予め求められて記憶部２６に記憶される。

以上のように、光測定部２では、カロリーメータ２４からの出力に基づいて基板９の中央部エネルギー密度が求められ、光照射部５からの光が照射される基板９の中央部における表面温度が演算部２５により求められる。

以上、熱処理装置１の構成および動作について説明してきたが、熱処理装置１では、熱処理時に光照射部５から照射される光のチャンバ本体６の内部におけるエネルギーを光測定部２により計測することができ、この計測結果に基づいて基板９の中央部における表面温度を求めることができる。特に、保持部７により基板９が予備的に加熱される場合であっても、基板９の中央部における表面温度を正確に求めることができる。そして、光エネルギーや基板９の表面温度をモニタすることにより、フラッシュランプ５１の劣化や故障、透光板６１の汚損等に起因する基板９の表面温度の低下（すなわち、チャンバ本体６の内部における光照射部５からの光のエネルギーの低下）を検知して基板９の処理不良を防止することができ、歩留まりの向上による生産コストの低減を図ることができる。

また、光測定部２では、光のエネルギーを計測する計測部としてカロリーメータ２４が用いられているため、照射時間が極めて短く、かつ、エネルギー密度が高いフラッシュランプ５１からの光であっても、光のエネルギーを精度良く計測することができる。さらに、光導出構造２０によりカロリーメータ２４がチャンバ本体６の外部に配置されるため、チャンバ６５内の環境（高温、高密度電磁波等の処理の種類に応じた環境）の影響を受けることなく、チャンバ本体６の内部における光のエネルギーを安定して計測することができる。

光導出構造２０では、先端に入射部２１０が形成された第１石英ロッド２１を用いてチャンバ本体６の内部の光を廉価かつ簡単な構造で外部へと導き出すことができる。また、第１石英ロッド２１および第２石英ロッド２３が用いられることにより、入射部２１０に入射した光の全反射を利用し、減衰を抑制して確実にチャンバ本体６の外部へと導き出すことができる。さらに、入射部２１０が処理位置における基板９の側方に配置されるため、基板９に照射される光のエネルギーをより正確に求めることができる。

熱処理装置１では、光照射部５からの光の照射により基板９を加熱し、基板９の表面温度を短時間で昇降することができるため、酸化膜等の絶縁膜の薄膜化等、長時間の熱処理では困難な処理を実現することができる。また、光源としてフラッシュランプ５１が用いられており、基板９の表面温度を極めて短時間で昇降することができるため、イオン注入法により添加した不純物の活性化工程における不純物の再拡散抑制等、さらに短時間での熱処理が必要とされる処理を実現することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

例えば、光照射部５では、フラッシュランプ５１の数、配列または形状は上記実施の形態に示したものに限定されず、熱処理される基板９の大きさ等の諸条件に合わせて適宜変更が可能である。また、キセノンフラッシュランプに代えて、クリプトンフラッシュランプが用いられてもよい。

保持部７および保持部７を支持して昇降させるシャフト４１の構造は、基板９の周囲の閉塞空間の容積を小さくするという観点からはいわゆるＴ字型構造であることが好ましいが、これに限定されるわけではない。

入射部２１０は、第１石英ロッド２１と独立した別個のプリズムやミラーであってもよい。なお、半導体の基板９が赤外線を吸収しない性質であることを考慮すると、入射部２１０は赤外線を透過しにくい材料で形成されることが好ましいが、光照射部５から照射される光のスペクトル分布がほとんど赤外領域に存在しない場合には、赤外線に対する性質はあまり重要ではない。第１石英ロッド２１はチャンバ底部６２を貫通してチャンバ本体６に取り付けられてもよく、石英以外のガラスで形成されてもよい。光導出構造２０は、入射部２１０に入射した光の減衰を抑制して確実にカロリーメータ２４へと導くことができれば、必ずしも石英ロッドとプリズムとで構成される必要はなく、例えば、光ファイバ等が用いられたり、導光部材を用いずにミラー等によりチャンバ６５外へと導かれてもよい。

入射部２１０の入射面２１１は、必ずしも処理位置における基板９の主面と同じ高さとされる必要はなく、入射部２１０に入射する光のエネルギー密度と基板９の中央部における光のエネルギー密度との相関関係が予め精度良く求められるのであれば、入射部２１０は、チャンバ本体６の内部において基板９への熱処理の障害とならない任意の位置に配置されてもよい。

比較的低温において基板を処理する場合、例えば、ＬＣＤやレティクル等のガラス基板を処理する場合は、カロリーメータ２４はチャンバ本体６の内部に配置されてもよい。この場合、光導出構造２０は省略される。なお、カロリーメータ２４をチャンバ本体６の内部に配置する場合、カロリーメータ２４は基板９を処理する閉塞空間から隔離されることが好ましい。

熱処理装置１では、装置の正常稼働時におけるカロリーメータ２４からの出力（入射部２１０に入射する光のエネルギー）を基準値として記憶部２６に予め記憶しておき、基板９の中央部における表面温度に代えてカロリーメータ２４からの出力を基準値と比較することにより、フラッシュランプ５１の劣化や故障、透光板６１の汚損等に起因するチャンバ本体６の内部における光照射部５からの光のエネルギーの低下が検知されてもよい。

熱処理装置１では、基板９に対する不純物の活性化処理以外に、半導体基板、あるいは、液晶表示装置やプラズマ表示装置等のフラットパネル表示装置用のガラス基板に対して、酸化、アニール、ＣＶＤ等の様々な加熱を伴う処理が行われてよい。

一の実施の形態に係る熱処理装置の構成を示す図である。ガス路を示す断面図である。第１石英ロッドの入射部側の先端部を示す正面図である。第１石英ロッドの入射部側の先端部を示す平面図である。第１石英ロッドの入射部側の先端部を示す右側面図である。保持部およびシャフトを示す断面図である。ホットプレートを示す平面図である。抵抗加熱線を示す断面図である。処理時の熱処理装置の動作の流れを示す図である。ガスの流れを示す図である。熱処理装置の構成を示す図である。基板の表面温度を求める光測定部の動作の流れを示す図である。入射部計測エネルギーと中央部計測エネルギーとの関係を示す図である。基板に照射される光のエネルギー密度と基板のシート抵抗との関係を示す図である。

１熱処理装置
５光照射部
６チャンバ本体
７保持部
９基板
２０光導出構造
２１第１石英ロッド
２４カロリーメータ
２５演算部
５１フラッシュランプ
６５チャンバ
２１０入射部
２５１エネルギー密度算出部
２５２表面温度算出部
Ｓ１１〜Ｓ２１，Ｓ３１〜Ｓ３５ステップ

Claims

基板に光を照射することにより前記基板を加熱する熱処理装置であって、
基板が処理される空間を形成するチャンバ本体と、
前記チャンバ本体の内部において基板を予備的に加熱するヒータと、
フラッシュランプを有し、前記チャンバ本体の内部の基板に光を照射する光照射部と、
前記チャンバ本体の内部において前記光照射部からの光が入射する入射部と、
前記入射部に入射する光のエネルギーを計測する計測部と、
前記計測部からの出力に基づいて、前記光照射部からの光が照射される基板の表面温度を求める演算部と、
を備え、
前記フラッシュランプからのフラッシュ光の照射により基板が加熱され、前記計測部により熱処理時のフラッシュ光のエネルギーが計測され、
前記演算部が、
前記入射部に入射する光の第１エネルギー密度から基板の中央に照射される光の第２エネルギー密度を求める手段と、
前記第２エネルギー密度および前記ヒータによる加熱温度に基づいて前記基板の表面温度を求める手段と、
を備えることを特徴とする熱処理装置。
請求項１に記載の熱処理装置であって、
前記入射部に入射する光を前記チャンバ本体の内部から前記チャンバ本体の外部に配置された前記計測部へと導く光導出構造をさらに備え、
前記入射部の入射面が前記光照射部に対向することを特徴とする熱処理装置。
請求項２に記載の熱処理装置であって、
前記光導出構造が、石英ロッドを備え、
前記入射部が、前記石英ロッドの先端に形成されたプリズムであることを特徴とする熱処理装置。
請求項１ないし３のいずれかに記載の熱処理装置であって、
前記入射部が、前記チャンバ本体の内部において基板の側方に配置されることを特徴とする熱処理装置。
請求項１ないし４のいずれかに記載の熱処理装置であって、
前記計測部がカロリーメータであることを特徴とする熱処理装置。