JP4925571B2 - 基板の熱的性質判定方法及び熱処理条件の決定方法 - Google Patents

基板の熱的性質判定方法及び熱処理条件の決定方法 Download PDF

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Description

本発明は、基板の熱的性質判定方法及び熱処理条件の決定方法に関する。
従来、半導体デバイス等の製造に用いられる熱処理方法として、急速熱処理（ＲＴＰ：Rapid Thermal Process)が知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。ＲＴＰに用いられる急速熱処理装置は、例えば、基板を加熱するためのランプと、ランプに対向配置された温度センサ（例えば、パイロメータ等）と、ランプと温度センサとの間に基板を保持するためのエッジリングとを備えている。ランプと温度センサとの間に基板を挿入し、ランプを用いて基板に赤外線を照射すると、基板の温度は急速に上昇する。温度センサは、基板からの輻射熱を検知する。
特許第２７１１２３９号公報 特表２００２−５１０１５３号公報
ところで、ＲＴＰでは、オープンループ制御によって基板を昇温させるオープンループステップと、クローズドループ制御によって基板の温度を上昇させ、維持するクローズドループステップとを順に行うことができる。
オープンループステップでは、例えば、ランプを用いて基板に約３０秒間赤外線を照射することによって、基板が２５０℃から４００℃に昇温される。このとき、熱応力に起因する基板の反りや割れを防止しながら基板の温度を均一且つ急速に上昇させるために、ランプパワー（ランプに印加される電力）は予め最適化された一定値に維持されている。かかる基板の反りや割れは、２００ｍｍφのシリコンウェハに比べて３００ｍｍφのシリコンウェハにおいて顕著となる。
一方、クローズドループステップでは、温度センサから逐次出力される温度データと、予め決められた設定温度とを比較して、その比較結果を用いてランプパワーを自動調整する。
ここで、オープンループステップにおけるランプパワーの最適値は、基板の熱的性質（例えば、赤外吸収特性、赤外透過特性等）に依存する。しかしながら、基板の熱的性質を判定することは困難であり、ランプパワーの最適値は、通常、トライアンドエラーにより決定される。
そこで、本発明は、短時間で基板の熱的性質を判定できる方法及びオープンループステップの熱処理条件を決定できる方法を提供することを目的とする。
上述の課題を解決するため、本発明の基板の熱的性質判定方法は、基板を加熱するためのランプとランプに対向配置された温度センサとを備えた急速熱処理装置内で、ランプと温度センサとの間に配置された基板にランプを用いてパルス加熱を施しながら、温度センサから逐次出力される温度データを得る工程と、温度データを用いて基板の熱的性質を判定する工程とを含む。ここで、「パルス加熱」とは、例えば、エネルギー量がパルス状に繰り返し変化するエネルギー線による加熱をいう。以下、同じ。
ランプから出射されたエネルギー線が基板に吸収されると、当該基板は加熱される。温度センサは、加熱された基板からの輻射熱を検知して、温度データを逐次出力する。また、エネルギー線の一部が基板を透過する場合、温度センサは基板を透過したエネルギー線も検知する。本発明の基板の熱的性質判定方法では、得られる温度データが基板の熱的性質に関する情報を含んでいるので、基板の熱的性質を短時間で判定することができる。さらに、パルス加熱を用いるので、基板の反りや割れ等を十分に抑制しながら短時間で加熱することができる。
また、パルス加熱におけるパルス幅は、１秒以上であると好ましい。この場合、パルス加熱により基板を短時間で加熱することができる。ここで、「パルス幅」とは、例えば、パルスの前縁での半値点から後縁での半値点までの時間をいう。以下、同じ。
また、パルス加熱におけるパルス幅は、１０秒以下であると好ましい。この場合、基板の急激な温度上昇を抑制することができるので、基板の反りや割れを抑制することができる。
本発明の熱処理条件の決定方法は、基板を加熱するためのランプとランプに対向配置された温度センサとを備えた急速熱処理装置内で、ランプと温度センサとの間に配置された基板をオープンループ制御により昇温させるオープンループステップの熱処理条件を決定する方法であって、急速熱処理装置内で、ランプを用いて基板にパルス加熱を施しながら、温度センサから逐次出力される温度データを得る工程と、温度データを用いてオープンループステップの熱処理条件を決定する工程とを含む。
ランプから出射されたエネルギー線が基板に吸収されると、当該基板は加熱される。温度センサは、加熱された基板からの輻射熱を検知して、温度データを逐次出力する。また、エネルギー線の一部が基板を透過する場合、温度センサは基板を透過したエネルギー線も検知する。本発明の熱処理条件の決定方法では、得られる温度データが基板の熱的性質に関する情報を含んでいるので、基板の熱的性質に依存する最適なオープンループステップの熱処理条件を短時間で決定することができる。さらに、パルス加熱を用いるので、基板の反りや割れ等を十分に抑制しながら短時間で加熱することができる。
また、パルス加熱におけるパルス幅は、１秒以上であると好ましい。この場合、パルス加熱により基板を短時間で加熱することができる。
また、パルス加熱におけるパルス幅は、１０秒以下であると好ましい。この場合、基板の急激な温度上昇を抑制することができるので、基板の反りや割れを抑制することができる。
また、オープンループステップの熱処理条件を決定する工程では、温度データの測定期間における温度データの最大値及び最小値を用いてオープンループステップの熱処理条件を決定すると好ましい。かかる最大値及び最小値に着目することにより、オープンループステップの熱処理条件を容易に決定できる。
また、オープンループステップの熱処理条件には、基板の中央部を含む第１領域を昇温させるための第１熱処理条件と、基板の中央部を取り囲み第１領域とは異なる熱的性質を有する基板の第２領域を昇温させるための第２熱処理条件とが含まれており、オープンループステップの熱処理条件を決定する工程は、温度データを用いて第１熱処理条件を決定する工程と、温度データを用いて第２熱処理条件と第１熱処理条件との比率を算出する工程と、第１熱処理条件と比率とを用いて第２熱処理条件を決定する工程とを含む。
この熱処理条件の決定方法では、基板の第１領域と第２領域とを同一の熱処理条件で加熱する場合に比べて、基板の面内温度差を小さくすることができる。
また、第１熱処理条件を決定する工程では、温度データの測定期間における温度データの最大値及び最小値を用いて第１熱処理条件を決定し、比率を算出する工程では、温度データの測定期間における温度データの最大値及び最小値を用いて比率を算出すると好ましい。かかる最大値及び最小値に着目することにより、第１熱処理条件を容易に決定できる。
本発明によれば、短時間で基板の熱的性質を判定できる方法及びオープンループステップの熱処理条件を決定できる方法を提供することができる。
以下、図面とともに本発明の好適な実施形態について説明する。なお、図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。
［第１実施形態］
(急速熱処理装置)
まず、図１〜図５を参照して急速熱処理装置（ＲＴＰ装置）について説明する。図１は、急速熱処理装置の一例を示す斜視図（一部断面図）であり、図２は、図１の急速熱処理装置の部分拡大断面図である。急速熱処理装置１は、例えば、シリコンウェハ等のウェハＷ（基板）を温度制御しながら熱処理を行うための枚葉式急速熱処理装置である。急速熱処理装置１は、例えばＬＳＩ等の半導体デバイスの製造に用いられる。急速熱処理装置１はベース部２ａ、側壁部２ｂ及び蓋部２ｃから構成されるチャンバ２を備える。
チャンバ２内には、ウェハＷを支持するサセプタ等の基板支持部３が設置されている。基板支持部３は、ベース部２ａにベアリング４又は磁気浮上式回転機構を介して回転自在に取り付けられた円筒フレーム５と、円筒フレーム５の上端に設けられたエッジリング６とから成る。エッジリング６の内側縁部には、ウェハＷのエッジ部を支持するための支持用段部６ａが設けられている。
ここで、ウェハＷが基板支持部３に支持された状態（図２参照）では、ウェハＷの裏面側に、ベース部２ａと基板支持部３とウェハＷとで囲まれた閉空間Ｓａが形成される。なお、エッジリング６の支持用段部６ａにウェハＷのエッジ部が載ったときには、装置の構造上、ウェハＷとエッジリング６との間に若干の間隙が生じることがある。
ベース部２ａの下部には、搬送ロボット（図示せず）によりチャンバ２内に搬送されたウェハＷを基板支持部３に支持させるためのリフト機構７が設けられている。このリフト機構７は、ベース部２ａを貫通してウェハＷを持ち上げる複数本（例えば３本）の支持ピン８を有している。
チャンバ２の側壁部２ｂには、ガス供給口１２とガス排出口１３とが対向して設けられている。ガス供給口１２には、チャンバ２内における閉空間Ｓａの外部、すなわちウェハＷの表面側の空間ＳｂにプロセスガスとしてのＮ２ガスＧｐを供給するためのガス供給系（図示せず）が接続されている。プロセスガスとしては、Ｎ２ガスの他に、Ｏ２ガス、ＮＨ３ガス、ＮＯガス、Ｎ２Ｏガス、Ｈ２ガス等が挙げられる。一方、ガス排出口１３には、空間Ｓｂ内のガスをチャンバ２の外部に排出するためのガス排出系（図示せず）が接続されている。
チャンバ２の蓋部２ｃの上方には、基板支持部３に支持されたウェハＷを加熱するための複数のランプ９から成るランプ群９Ｇが配置されている。ランプ９としては、例えばハロゲンランプが好適に用いられる。蓋部２ｃには円形のランプ用窓部Ｌｗが設けられており、ランプ９から出射される赤外線等のエネルギー線（光）は、このランプ用窓部Ｌｗを透過してウェハＷに到達する。エネルギー線がウェハＷに吸収されると、ウェハＷの温度が上昇する。ベース部２ａには、ウェハＷからの輻射熱又はウェハＷを透過したエネルギー線を光学的に検出するためのパイロメータ等といった温度センサＴ１〜Ｔ７が設けられている。したがって、急速熱処理装置１内でランプ群９Ｇと温度センサＴ１〜Ｔ７とは互いに対向配置されており、ランプ群９Ｇと温度センサＴ１〜Ｔ７との間にはウェハＷが配置されている。
温度センサＴ１〜Ｔ７は、ベース部２ａにおける基板支持部３に囲まれた円形プレート１１において、その中心と周縁の一部を含み且つ所定の角度（例えば９０度）を有する略扇形のセンサ設置領域内に組み込まれている。温度センサＴ１〜Ｔ７は、例えば、円形プレート１１の中心から周縁に向けて順に配列されている。なお、上述した閉空間Ｓａは光学的には完全な閉空間とされており、光学式の温度センサＴ１〜Ｔ７による閉空間Ｓａを利用した温度検出が支障なく実現される。
図２に示されるように、温度センサＴ１〜Ｔ７には、温度センサＴ１〜Ｔ７からそれぞれ逐次出力される温度データを収集する温度コントローラ２０が光学的に接続されている。温度コントローラ２０には、ランプ群９Ｇを駆動するランプドライバ２２が接続されている。温度センサＴ１〜Ｔ７から得られる温度データは、ウェハＷの温度の指標とされる。かかる温度データを用いて、温度コントローラ２０ではランプ９に印加される電力（以下、ランプパワーとする）の最適値が決定される。その後、温度コントローラ２０からランプドライバ２２に信号が出力される。その結果、ランプ９からウェハＷに向けて、所望のエネルギー量を有するエネルギー線が出射される。このようにクローズドループ制御を行うことにより、ウェハＷの温度が所望の設定値に調整される。
図３は、ランプ群９Ｇの位置から見たウェハＷの平面図であり、図４は、図３に示されるIV−IV矢印に沿った断面図である。なお、図３では、エッジリング６の支持用段部６ａの一部を表示させるために便宜上ウェハＷの一部を表示していない。エッジリング６の外径ｄ２は、ウェハＷの直径ｄ１より大きい。ウェハＷは、支持用段部６ａによって支持されている。ウェハＷは、中央部ｂ１（第１領域）と中央部ｂ１を取り囲む周縁部ｂ２（第２領域）とを有している。ウェハＷの周縁部ｂ２はエッジリング６の支持用段部６ａに接触しているので、周縁部ｂ２の熱的性質は、ウェハＷの熱的性質に加えてエッジリング６の熱的性質にも依存する。したがって、中央部ｂ１と周縁部ｂ２とでは熱的性質が異なっている。
図５は、ウェハＷの位置から見たランプ群９Ｇの平面図である。ランプ群９Ｇを構成するランプ９は、ハニカム状に配置されている。ランプ群９Ｇの中央領域ａ１内のランプ９は、ウェハＷの中央部ｂ１（図３参照）に対向配置され、中央部ｂ１を加熱する。ランプ群９Ｇの中央領域ａ１を取り囲む領域ａ２内のランプ９は、ウェハＷの周縁部ｂ２（図３参照）に対向配置され、周縁部ｂ２を加熱する。領域ａ２の周囲には周縁領域ａ３が設けられている。
次に、図６を参照して急速熱処理装置１により実施される急速熱処理について説明する。図６は、上述の急速熱処理装置１内でウェハＷに急速熱処理を施したときに、温度センサＴ１〜Ｔ７から逐次出力される温度データの一例を示すグラフである。図６中、グラフの縦軸は温度センサＴ１〜Ｔ７から出力される温度データ（℃）を示し、グラフの横軸は経過時間（秒）を示す。グラフ中、波形Ｕ１〜Ｕ７はそれぞれ温度センサＴ１〜Ｔ７から逐次出力される温度データを表している。
図６に示されるように、急速熱処理装置１内で実施される急速熱処理では、オープンループ制御を行うオープンループステップＬ１と、クローズドループ制御を行うクローズドループステップＬ２とが実施される。例えば、シリコン（Ｓｉ）を基材とするウェハ（特にベアシリコンウェハ）は、その温度が４００℃未満であるとエネルギー線を透過しやすい。このため、ウェハＷの温度が４００℃未満の場合、温度センサＴ１〜Ｔ７はウェハＷを透過したエネルギー線も検出してしまう。よって、温度センサＴ１〜Ｔ７から逐次出力される温度データは、必ずしもウェハＷの温度を反映していない。そこで、まず、オープンループステップＬ１においてウェハＷは４００℃程度まで昇温される。その後、クローズドループステップＬ２においてウェハＷは１０００℃程度まで昇温される。図６に示される例では、急速熱処理の条件は、圧力：７６０×１３３．３２２Ｐａ（７６０Ｔｏｒｒ）、Ｏ２ガス流量：２０ｓｌｍ、昇温時間：６０秒である。ここで、「ｓｌｍ」とは、０℃、１ａｔｍにおける１分間あたりの流量（リットル）を示す。これは、引き続く説明においても同じである。図６のグラフを参照すると、オープンループステップＬ１では波形Ｕ１〜Ｕ７間に差が見られるが、クローズドループステップＬ２では波形Ｕ１〜Ｕ７間に差がほとんど見られない。
本実施形態では、オープンループステップＬ１において、図５に示される中央領域ａ１内の各ランプ９のランプパワーを中央ランプパワーＧ１、領域ａ２内の各ランプ９のランプパワーを周縁ランプパワーＧ２とする。中央領域ａ１内のランプ９と領域ａ２内のランプ９とでランプパワーを変えることにより、オープンループステップＬ１からクローズドループステップＬ２に切り替えるときにおけるウェハＷの面内温度差ΔＴ（以下、単に面内温度差ΔＴとする）を小さくすることができる。面内温度差ΔＴは、例えば、温度センサＴ１から得られる温度データと温度センサＴ７から得られる温度データとの差分により表される。また、中央ランプパワーＧ１と周縁ランプパワーＧ２との関係をウェハの種類に応じて最適化することにより、面内温度差ΔＴを更に小さくできる。図６に示される例では、オープンループステップＬ１における中央ランプパワーＧ１がフルパワーの２４％、周縁ランプパワーＧ２がフルパワーの３３％である。
図５に示されるランプ群９Ｇの周縁領域ａ３内のランプ９は、温度センサＴ１〜Ｔ７から得られる温度データが５００℃以下の場合、ウェハＷの昇温にほとんど寄与しない。周縁領域ａ３内の各ランプ９のランプパワーをランプパワーＧ３とすると、図６に示される例では、オープンループステップＬ１におけるランプパワーＧ３はフルパワーの５％に固定されている。
（基板の熱的性質判定方法及び熱処理条件の決定方法）
次に、第１実施形態に係る基板の熱的性質判定方法及び熱処理条件の決定方法について説明する。本実施形態に係る基板の熱的性質判定方法は、急速熱処理装置１を用いて好適に実施される。また、本実施形態に係る熱処理条件の決定方法は、上述のオープンループステップＬ１及びクローズドループステップＬ２を含む急速熱処理に先立って、急速熱処理装置１を用いて好適に実施される。
まず、急速熱処理装置１内でランプ群９Ｇと温度センサＴ１〜Ｔ７との間にウェハＷを配置させる。続いて、ランプ群９Ｇのランプ９を用いてウェハＷにパルス加熱を施しながら、温度センサＴ１〜Ｔ７から逐次出力される温度データを得る。ウェハＷにパルス加熱を施すと、ランプ９から出射されたエネルギー線は、ウェハＷに吸収される。温度センサＴ１〜Ｔ７は、加熱されたウェハＷからの輻射熱を検知して、温度データを温度コントローラ２０に逐次出力する。エネルギー線の一部がウェハＷを透過する場合、温度センサＴ１〜Ｔ７はウェハＷを透過したエネルギー線も検知する。
図７は、互いに異なる熱的性質を有するウェハＷＡ，ＷＨにそれぞれパルス加熱を施したときに温度センサＴ１から逐次出力される温度データの一例を示すグラフである。ウェハＷＡ，ＷＨは、上述のウェハＷの具体例である。図７中、グラフの一方の縦軸は温度センサＴ１から逐次出力される温度データ（℃）を示し、他方の縦軸はランプ９のフルパワーを１００％とした場合のランプパワー（％）を示す。グラフの横軸は経過時間（秒）を示す。
グラフ中の波形ＵＡ，ＵＨは、それぞれウェハＷＡ，ＷＨを用いた場合に得られる温度データを示す。グラフ中の波形ＲＰは、ランプパワーの経時変化を示し、複数のパルスが繰り返される波形を描いている。波形ＲＰでは、複数の加熱期間ＨＳ及び複数の冷却期間ＣＳが交互に繰り返され、１つの加熱期間ＨＳに１つのパルスが位置している。この冷却期間ＣＳによって、ウェハＷＡ，ＷＨの反りや割れ等が十分に防止される。
図７に示される例では、加熱期間ＨＳ及び冷却期間ＣＳの時間はそれぞれ４秒間である。加熱期間ＨＳ及び冷却期間ＣＳの時間は同じでもよいし、互いに異なっていてもよい。加熱期間ＨＳでは、図５に示されるランプ群９Ｇの中央領域ａ１及び領域ａ２内のランプ９のランプパワーは、例えばいずれもフルパワーの１９％であり、周縁領域ａ３内のランプ９のランプパワーは、例えばいずれもフルパワーの５％である。冷却期間ＣＳでは、中央領域ａ１、領域ａ２及び周縁領域ａ３内のランプ９のランプパワーは、例えばいずれもフルパワーの５％である。また、パルス加熱時のその他の条件は、例えば圧力：７４０×１３３．３２２Ｐａ（７４０Ｔｏｒｒ）、Ｎ２ガス流量：１０ｓｌｍである。
上記波形ＵＡ，ＵＨで表される温度データは、それぞれウェハＷＡ，ＷＨの熱的性質に関する情報を含んでいる。このため、波形ＵＡ，ＵＨで表される温度データを用いると、ウェハＷＡ，ＷＨの熱的性質を例えば以下のように短時間で簡便に判定できる。また、パルス加熱の場合、ウェハＷＡ，ＷＨの反りや割れ等を十分に抑制することができる。なお、図７には波形ＵＡ，ＵＨで表される温度データの測定期間の一部（経過時間：７５０〜７７０秒）が示されている。測定期間では、図７に示されるように、温度データの極大値及び極小値が飽和している。例えば、「測定期間」とは、隣り合う温度データの極小値間の差が±０．２℃以内となる期間を意味する。
図７に示される例では、波形ＵＡ，ＵＨで表される温度データの測定期間における温度データの最大値Ｔ１ｍａｘは約３９０℃であり、最小値Ｔ１ｍｉｎは約３７０℃である。この場合、最大値Ｔ１ｍａｘと最小値Ｔ１ｍｉｎとの差ΔＴ１（ΔＴ１＝Ｔ１ｍａｘ−Ｔ１ｍｉｎ）は、約２０℃である。最大値Ｔ１ｍａｘ及び最小値Ｔ１ｍｉｎが大きいと、エネルギー線を吸収することにより温まりやすいウェハであることが分かる。また、差ΔＴ１が大きいと、エネルギー線が透過しやすいウェハであることが分かる。
また、図７に示される例では、加熱期間ＨＳにおける波形ＵＡの温度データが直線的に上昇しており、冷却期間ＣＳにおける波形ＵＡの温度データが直線的に下降している。一方、加熱期間ＨＳにおける波形ＵＨの温度データは上に凸となるように上昇しており、冷却期間ＣＳにおける波形ＵＨの温度データは下に凸となるように下降している。これらのことから、ウェハＷＨはウェハＷＡに比べてエネルギー線を透過させやすいことが分かる。
また、未知の熱的性質を有するウェハに対しても同様に、上記パルス加熱を施して得られる温度データを用いて当該ウェハの熱的性質を短時間で簡便に判定することができる。また、パルス加熱の場合、ウェハの反りや割れ等を十分に抑制することができる。
続いて、ランプ群９Ｇのランプ９を用いてウェハＷにパルス加熱を施すときに温度センサＴ１〜Ｔ７から逐次出力される温度データを用いて、図６に示されるオープンループステップＬ１におけるランプ９のランプパワー（熱処理条件）を決定する。このランプパワーとしては、上述の中央ランプパワーＧ１（第１熱処理条件Ｇ１）及び周縁ランプパワーＧ２（第２熱処理条件Ｇ２）が挙げられる。この場合、上記パルス加熱により得られる温度データを用いると、後述するように、短時間で簡便にオープンループステップＬ１におけるランプ９の中央ランプパワーＧ１及び周縁ランプパワーＧ２を決定することができる。また、パルス加熱の場合、ウェハＷの反りや割れ等を十分に抑制することができる。
例えば、ウェハＷとしてウェハＷＡ，ＷＨを用いると、図７に示されるように、パルス加熱により波形ＵＡ，ＵＨで表される温度データが得られる。この温度データの測定期間における温度データの最大値Ｔｍａｘ及び最小値Ｔｍｉｎを用いると、容易に中央ランプパワーＧ１及び周縁ランプパワーＧ２を決定することができる。以下、詳細に説明する。
（中央ランプパワーＧ１の決定）
まず、上記波形ＵＡ，ＵＨで表される温度データの最大値Ｔ１ｍａｘ、及び、最大値Ｔ１ｍａｘと最小値Ｔ１ｍｉｎとの差ΔＴ１を用いて、下記式（１）で表される吸収補正係数Ｋａｂを定義する。
Ｋａｂ＝１−（ΔＴ１／Ｔ１ｍａｘ） … （１）
この吸収補正係数Ｋａｂに最小値Ｔ１ｍｉｎを乗じると、（Ｋａｂ）・（Ｔ１ｍｉｎ）が得られる。この（Ｋａｂ）・（Ｔ１ｍｉｎ）と、下記式（２）で表される一次関数式とを用いて中央ランプパワーＧ１を決定する。式中、ｐ及びｑは所定の定数を示す。
Ｇ１＝ｐ×（Ｋａｂ）・（Ｔ１ｍｉｎ）＋ｑ … （２）
図８は、（Ｋａｂ）・（Ｔ１ｍｉｎ）と中央ランプパワーＧ１との関係を示すグラフである。図８中、グラフの縦軸は中央ランプパワーＧ１（％）を示し、グラフの横軸は（Ｋａｂ）・（Ｔ１ｍｉｎ）（Ｋ）を示す。グラフ中の近似直線Ｌ１０，Ｌ１５，Ｌ２０，Ｌ２５，Ｌ３０，Ｌ３５，Ｌ４０は、上記式（２）で表される一次関数式の具体例である。近似直線Ｌ１０，Ｌ１５，Ｌ２０，Ｌ２５，Ｌ３０，Ｌ３５，Ｌ４０は、それぞれ、オープンループステップにおいて温度センサＴ１から出力される温度データを２５０℃から４００℃まで上昇させるのに必要な時間（以下、温度上昇時間とする）が１０秒、１５秒、２５秒、３０秒、３５秒、４０秒の場合に対応する。
近似直線Ｌ１０，Ｌ１５，Ｌ２０，Ｌ２５，Ｌ３０，Ｌ３５，Ｌ４０は次にように得られる。まず、互いに異なる熱的性質を有するウェハＷＡ〜ＷＨ，ＷＪにそれぞれパルス加熱を施したときに温度センサＴ１から逐次出力される温度データから吸収補正係数Ｋａｂ及び最小値Ｔ１ｍｉｎを算出する。一方、各ウェハＷＡ〜ＷＨ，ＷＪに対して、温度上昇時間が１０秒、１５秒、２５秒、３０秒、３５秒、４０秒となる中央ランプパワーＧ１をそれぞれ実験的に求める。そして、（Ｋａｂ）・（Ｔ１ｍｉｎ）に対して中央ランプパワーＧ１をプロットすると図８のグラフが得られる。
また、未知の熱的性質を有するウェハに対しても同様に、パルス加熱により得られる温度データから（Ｋａｂ）・（Ｔ１ｍｉｎ）を算出できる。さらに、所望の温度上昇時間を設定して、当該温度上昇時間に対応する近似直線Ｌ１０，Ｌ１５，Ｌ２０，Ｌ２５，Ｌ３０，Ｌ３５，Ｌ４０を用いることによって短時間で簡便に中央ランプパワーＧ１を決定できる。例えば、温度上昇時間を３０秒とした場合、ウェハにパルス加熱を施して得られる温度データから算出される（Ｋａｂ）・（Ｔ１ｍｉｎ）と、近似直線Ｌ３０とを用いることにより、中央ランプパワーＧ１が決定される。
図９は、温度上昇時間と面内温度差ΔＴとの関係を示すグラフである。図９中、グラフの縦軸は面内温度差ΔＴ（℃）を示し、グラフの横軸は温度上昇時間（秒）を示す。グラフ中の実線Ｌ５０〜Ｌ６０は、互いに異なる熱的性質を有するウェハＷＡ〜ＷＫに対してそれぞれ急速熱処理を施したときの温度上昇時間及び面内温度差ΔＴを示す。グラフより、温度上昇時間の最適値は、約２５秒〜約３０秒（領域ＲＴ内）であることが分かる。温度上昇時間が３０秒を超える場合（領域ＢＤ）、オープンループステップの時間が長くなるので、急速熱処理のスループットが低下する傾向にある。一方、温度上昇時間が２５秒未満の場合（領域ＨＴ）、ウェハＷＡ〜ＷＫが急速に加熱されるため、面内温度差ΔＴが大きくなる傾向にある。したがって、図８では近似直線Ｌ２５，Ｌ３０のいずれか一方を用いて最適な中央ランプパワーＧ１を決定することが好ましい。
（比率Ｇ２／Ｇ１の算出）
一方、中央ランプパワーＧ１の決定とは別に、面内温度差ΔＴを最小にする比率Ｇ２／Ｇ１の算出を行う。まず、比率Ｇ２／Ｇ１について図１０(Ａ)及び図１０(Ｂ)を用いて説明する。
図１０(Ａ)及び図１０(Ｂ)は、オープンループステップにおける中央ランプパワーＧ１（％）と周縁ランプパワーＧ２（％）との関係を示す図である。図１０(Ａ)及び図１０(Ｂ)に示される例では、オープンループステップにおける熱処理の条件は、例えば圧力：７４０×１３３．３２２Ｐａ（７４０Ｔｏｒｒ）、Ｎ２ガス流量：１０ｓｌｍである。
図１０(Ａ)は、互いに異なる熱的性質を有するウェハＷＡ〜ＷＫについて、中央ランプパワーＧ１をフルパワーの１８〜３０％の範囲内において変化させ、それぞれの中央ランプパワーＧ１に対して面内温度差ΔＴが最小となる周縁ランプパワーＧ２を実験的に求めた結果を示す。
図１０(Ｂ)は、図１０(Ａ)の実験結果から得られた比率Ｇ２／Ｇ１を示す。図１０(Ｂ)に示されるように、中央ランプパワーＧ１が変化しても比率Ｇ２／Ｇ１は略一定値であることから、比率Ｇ２／Ｇ１はウェハの固有値であることが確認される。比率Ｇ２／Ｇ１の値としては、例えば平均値を用いることができる。比率Ｇ２／Ｇ１を用いれば、ウェハを熱的性質ごとに分類することができる。具体的には、例えば、比率Ｇ２／Ｇ１が大きいと温まりやすいウェハであることが分かる。一方、比率Ｇ２／Ｇ１が小さいと温まり難いウェハであることが分かる。
次に、比率Ｇ２／Ｇ１の算出方法について図１１(Ａ)及び図１１(Ｂ)のグラフを用いて説明する。図１１(Ａ)及び図１１(Ｂ)は、いずれも（Ｋａｂ）・（Ｔ１ｍｉｎ）と比率Ｇ２／Ｇ１との関係を示すグラフである。図１１(Ａ)及び図１１(Ｂ)中、グラフの縦軸はいずれも比率Ｇ２／Ｇ１を示し、グラフの横軸はいずれも（Ｋａｂ）・（Ｔ１ｍｉｎ）（Ｋ）を示す。
図１１(Ａ)中、実線ＬＥは、ランプ９のランプパワーをフルパワーの１９％（低パワー）としてパルス加熱を行ったときの結果を示している。一実施例では、図５に示されるランプ群９Ｇの中央領域ａ１及び領域ａ２内のランプ９のランプパワーは、例えばいずれもフルパワーの１９％であり、周縁領域ａ３内のランプ９のランプパワーは、例えばいずれもフルパワーの５％である。また、パルス加熱時のその他の条件は、例えば圧力：７４０×１３３．３２２Ｐａ（７４０Ｔｏｒｒ）、Ｎ２ガス流量：１０ｓｌｍである。低パワーでパルス加熱を行うと、例えば、図７の波形ＵＡ，ＵＨで表される温度データが得られる。この温度データを用いて算出された（Ｋａｂ）・（Ｔ１ｍｉｎ）を、図１１(Ａ)中の実線ＬＥで表される関数式に代入すると、比率Ｇ２／Ｇ１が算出される。
一方、図１１(Ｂ)中、実線ＨＥは、ランプ９のランプパワーをフルパワーの２３％（高パワー）としてパルス加熱を行ったときの結果を示している。一実施例では、図５に示されるランプ群９Ｇの中央領域ａ１及び領域ａ２内のランプ９のランプパワーは、例えばいずれもフルパワーの２３％であり、周縁領域ａ３内のランプ９のランプパワーは、例えばいずれもフルパワーの５％である。また、パルス加熱時のその他の条件は、例えば圧力：７４０×１３３．３２２Ｐａ（７４０Ｔｏｒｒ）、Ｎ２ガス流量：１０ｓｌｍである。高パワーでパルス加熱を行うと、温度センサＴ１〜Ｔ７から逐次出力される温度データが得られる。この温度データを用いて算出された（Ｋａｂ）・（Ｔ１ｍｉｎ）を、図１１(Ｂ)中の実線ＨＥで表される関数式に代入すると、比率Ｇ２／Ｇ１が算出される。
また、未知の熱的性質を有するウェハに対しても同様に、低パワー又は高パワーでパルス加熱を施したときに得られる温度データから（Ｋａｂ）・（Ｔ１ｍｉｎ）を算出できる。この（Ｋａｂ）・（Ｔ１ｍｉｎ）を、図１１(Ａ)中の実線ＬＥ又は図１１(Ｂ)中の実線ＨＥで表される関数式に代入すると、比率Ｇ２／Ｇ１を算出することができる。
（周縁ランプパワーＧ２の決定）
上述のようにして得られた中央ランプパワーＧ１及び比率Ｇ２／Ｇ１を用いて周縁ランプパワーＧ２を決定する。
図１２は、本実施形態に係る熱処理条件の決定方法の一例を示すフローチャートである。まず、急速熱処理装置１内でランプ９のランプパワーを、例えばフルパワーの１９％（低パワー）としてウェハにパルス加熱を施す（工程Ｓ１）。このとき、温度センサＴ１から逐次出力された温度データから吸収補正係数Ｋａｂ及び最小値Ｔ１ｍｉｎの値を算出する（工程Ｓ２）。最小値Ｔ１ｍｉｎが温度センサＴ１の検出限界値、例えば２５０℃を超えていない場合には、ランプ９のランプパワーを、例えばフルパワーの２３％（高パワー）としてウェハにパルス加熱を施す（工程Ｓ３）。このとき得られる温度データから吸収補正係数Ｋａｂ及び最小値Ｔ１ｍｉｎの値を算出する（工程Ｓ４）。
続いて、得られた（Ｋａｂ）・（Ｔ１ｍｉｎ）と、例えば図８のグラフに示される近似直線Ｌ１０，Ｌ１５，Ｌ２０，Ｌ２５，Ｌ３０，Ｌ３５，Ｌ４０とを用いて、中央ランプパワーＧ１を決定する（工程Ｓ５ａ）。一方、得られた（Ｋａｂ）・（Ｔ１ｍｉｎ）と、図１１(Ａ)中の実線ＬＥ又は図１１(Ｂ)中の実線ＨＥとを用いて比率Ｇ２／Ｇ１を算出する（工程Ｓ５ｂ）。その後、中央ランプパワーＧ１と比率Ｇ２／Ｇ１とを用いて周縁ランプパワーＧ２を決定する（工程Ｓ６）。
また、パルス加熱におけるパルス幅は、１秒以上であると好ましい。この場合、パルス加熱によりウェハを短時間で加熱することができる。このため、短時間で簡便にウェハの熱的性質を判定することができると共に、オープンループステップＬ１のランプパワーを決定することができる。また、パルス幅は１０秒以下であると好ましい。この場合、ウェハの急激な温度上昇を抑制することができるので、ウェハの反りや割れを抑制することができる。一実施例では、パルス幅を例えば４秒とすることができる。パルス幅は、図７の加熱期間ＨＳに対応する。
［第２実施形態］
次に、第２実施形態に係る基板の熱的性質判定方法及び熱処理条件の決定方法について説明する。本実施形態に係る基板の熱的性質判定方法は、急速熱処理装置１を用いて好適に実施される。また、本実施形態に係る熱処理条件の決定方法は、上述のオープンループステップＬ１及びクローズドループステップＬ２を含む急速熱処理に先立って、急速熱処理装置１を用いて好適に実施される。
図１３は、互いに異なる熱的性質を有するウェハＷ１〜Ｗ４にパルス加熱を施したときに温度センサＴ１から逐次出力される温度データの一例を示すグラフである。図１３中、グラフの一方の縦軸は温度センサＴ１から逐次出力される温度データ（℃）を示し、他方の縦軸はランプ９のフルパワーを１００％とした場合のランプパワー（％）を示す。グラフの横軸は経過時間（秒）を示す。図１３に示される例では、図５に示されるランプ群９Ｇの中央領域ａ１及び領域ａ２内のランプ９のランプパワーは、例えばいずれもフルパワーの２４％であり、周縁領域ａ３内のランプ９のランプパワーは、例えばいずれもフルパワーの５％である。また、パルス幅は例えば４秒である。パルス加熱時のその他の条件は、圧力：１０×１３３．３２２Ｐａ（１０Ｔｏｒｒ）、Ｎ２ガス流量：１０ｓｌｍである。
グラフ中の波形Ｕ１〜Ｕ４は、ウェハＷ１〜Ｗ４を用いた場合の温度データをそれぞれ示す。ウェハＷ１は厚さ９ｎｍのＳｉＯ２膜が設けられたＳｉウェハであり、輻射率Ｅは０．６０である。ウェハＷ２は厚さ１７０ｎｍのＳｉＯ２膜が設けられたＳｉウェハであり、輻射率Ｅは０．９０である。ウェハＷ３は厚さ２４０ｎｍのＳｉ３Ｎ４膜が設けられたＳｉウェハであり、輻射率Ｅは０．６６である。ウェハＷ４は厚さ１２０ｎｍのＳｉ３Ｎ４膜が設けられたＳｉウェハであり、輻射率Ｅは０．９８である。グラフ中の波形ＲＰは、ランプパワーの経時変化を示し、複数のパルスが繰り返される波形を描いている。
図１３に示されるグラフより、ウェハＷ１，Ｗ２は温まり難く、ウェハＷ３，Ｗ４は温まりやすいことが分かる。また、同じ材料からなる膜が設けられたＳｉウェハにおいては、輻射率Ｅが高いほど温まりやすいことが分かる。さらに、ＳｉＯ２膜が設けられたＳｉウェハよりもＳｉ３Ｎ４膜が設けられたＳｉウェハの方が温まりやすいことが分かる。
図１４は、ベアシリコンウェハにパルス加熱を施したときに温度センサＴ１から逐次出力される温度データの一例を示すグラフである。温度データが３００℃以下では、温度データが３００℃を超える場合に比べて、隣り合う温度データの極大値と極小値との差ΔＴ２が大きい。これは、温度データが３００℃以下の場合にウェハを透過するエネルギー線の影響が大きいことを示している。
図１３及び図１４に示される温度データを用いると、ウェハの熱的性質を短時間で簡便に判定することができる。また、第１実施形態と同様に、オープンループステップにおけるランプパワーを短時間で簡便に決定することができる。このランプパワーは、例えば、図５に示されるランプ群９Ｇの中央領域ａ１及び領域ａ２内のランプ９のランプパワーを示す。中央領域ａ１内のランプ９のランプパワーと領域ａ２内のランプ９のランプパワーとは同じでもよいし、互いに異なっていてもよい。さらに、パルス加熱を用いるのでウェハの反りや割れ等を十分に抑制しながら短時間で加熱することができる。
図１５(Ａ)は、互いに異なる熱的性質を有するウェハＷ５〜Ｗ９について中央ランプパワーＧ１と周縁ランプパワーＧ２との関係を示す図である。図１５(Ａ)には、各々の中央ランプパワーＧ１について、面内温度差ΔＴが最小となるような周縁ランプパワーＧ２が表示されている。図１５(Ｂ)は、ウェハＷ５〜Ｗ９について比率Ｇ２／Ｇ１を示す図である。図１５(Ａ)及び図１５(Ｂ)より、比率Ｇ２／Ｇ１がウェハの固有値であることが確認される。
図１６(Ａ)は、ウェハＷ５〜Ｗ９に連続加熱を施したときに温度センサＴ１から得られる温度データを２５０℃から３８０℃に上昇させるのに必要な時間（秒）と、比率Ｇ２／Ｇ１との関係を示すグラフである。この連続加熱では、図５に示されるランプ群９Ｇの中央領域ａ１及び領域ａ２内のランプ９のランプパワーはフルパワーの２０％に設定されている。図１６(Ａ)を用いると、ウェハに連続加熱を施したときに温度センサＴ１から得られる温度データを２５０℃から３８０℃に上昇させるのに必要な時間から、当該ウェハの比率Ｇ２／Ｇ１を算出できる。
図１６(Ｂ)は、ウェハＷ５〜Ｗ９にパルス加熱を施したときに温度センサＴ１から得られる温度データが所定の温度に到達するのに必要なパルスのサイクル（回）と、比率Ｇ２／Ｇ１との関係を示すグラフである。このパルス加熱処理の加熱期間では、図５に示されるランプ群９Ｇの中央領域ａ１及び領域ａ２内のランプ９のランプパワーはフルパワーの２０％に設定されている。図１６(Ｂ)を用いると、ウェハにパルス加熱を施したときに温度センサＴ１から得られる温度データが所定の温度に到達するのに必要なパルスのサイクルから、当該ウェハの比率Ｇ２／Ｇ１を算出できる。
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されない。
例えば、中央ランプパワーＧ１を決定する前に比率Ｇ２／Ｇ１を算出するとしてもよいし、中央ランプパワーＧ１を決定した後に比率Ｇ２／Ｇ１を算出するとしてもよい。また、中央ランプパワーＧ１の決定と、比率Ｇ２／Ｇ１の算出とを同時に行ってもよい。
急速熱処理装置（ＲＴＰ装置）の一例を示す斜視図である。 図１の急速熱処理装置の部分拡大断面図である。 ランプ群の位置から見たウェハの平面図である。 図３に示されるIV−IV矢印に沿った断面図である。 ウェハの位置から見たランプ群の平面図である。 急速熱処理装置を用いてウェハに急速熱処理を施したときに、温度センサから逐次出力される温度データの一例を示すグラフである。 互いに異なる熱的性質を有するウェハにパルス加熱を施したときに温度センサから逐次出力される温度データの一例を示すグラフである。 （Ｋａｂ）・（Ｔ１ｍｉｎ）と中央ランプパワーＧ１との関係を示すグラフである。 温度上昇時間と面内温度差ΔＴとの関係を示すグラフである。 中央ランプパワーＧ１（％）と周縁ランプパワーＧ２（％）との関係を示す図である。 （Ｋａｂ）・（Ｔ１ｍｉｎ）と比率Ｇ２／Ｇ１との関係を示すグラフである。 本実施形態に係る熱処理条件の決定方法の一例を示すフローチャートである。 互いに異なる熱的性質を有するウェハにパルス加熱を施したときに温度センサから逐次出力される温度データの一例を示すグラフである。 ベアシリコンウェハにパルス加熱を施したときに温度センサから逐次出力される温度データの一例を示すグラフである。 中央ランプパワーＧ１（％）と周縁ランプパワーＧ２（％）との関係を示す図である。 図１６(Ａ)は、ウェハに連続加熱を施したときに温度センサから得られる温度データを２５０℃から３８０℃に上昇させるのに必要な時間と比率Ｇ２／Ｇ１との関係を示すグラフであり、図１６(Ｂ)は、ウェハにパルス加熱を施したときに温度センサから得られる温度データが所定の温度に到達するのに必要なパルスのサイクルと、比率Ｇ２／Ｇ１との関係を示すグラフである。
符号の説明
９…ランプ、Ｔ１〜Ｔ７…温度センサ、１…急速熱処理装置、Ｗ…ウェハ（基板）、Ｌ１…オープンループステップ、Ｔ１ｍａｘ…温度データの最大値、Ｔ１ｍｉｎ…温度データの最小値、ｂ１…基板の中央部（基板の第１領域）、ｂ２…基板の周縁部（基板の第２領域）。

Claims (6)

  1. 基板を加熱するためのランプと、前記ランプに対向配置された温度センサとを備え、前記基板は、前記ランプと前記温度センサとの間に配置され、前記ランプからの放射エネルギーによって基板が加熱されるとき、前記温度センサには、前記基板における、前記ランプからの放射エネルギーの吸収に係り、前記基板の裏面から輻射されるエネルギー（吸収成分）とともに前記ランプから前記基板を透過した放射透過エネルギー（透過成分）が入射される、急速熱処理装置に適用される基板の熱的性質判定方法であって、
    前記ランプを用いてパルス加熱を施しながら、前記温度センサから逐次出力される温度データを得る工程と、ここに、前記パルス加熱は、前記基板に温度の低下がもたらされる冷却期間と前記基板に温度の上昇がもたらされる加熱期間とが交互に繰り返される加熱方式であること、
    前記温度データを用いて前記基板の熱的性質を判定する工程と、
    を含む基板の熱的性質判定方法。
  2. 前記パルス加熱におけるパルス幅は、１秒以上である請求項１に記載の基板の熱的性質
    判定方法。
  3. 前記パルス加熱におけるパルス幅は、１０秒以下である請求項１又は２に記載の基板の
    熱的性質判定方法。
  4. 前記基板の熱的性質を判定する工程が、
    前記逐次出力される温度データから、前記基板の温度の最大値及び最小値を判定するス
    テップと、
    前記パルス加熱によって前記基板がどのくらい温まりやすいのかを、前記温度の最大値
    及び最小値により判定するステップと、
    を含む、請求項１又は２に記載の基板の熱的性質判定方法。
  5. 前記基板の熱的性質を判定する工程が、
    前記逐次出力される温度データから、前記基板の温度の最大値及び最小値を判定するス
    テップと、
    前記基板がどのくらいエネルギー線を透過しやすいのかを、前記温度の最大値と最小値
    との差により判定するステップと、
    を含む、請求項１又は２に記載の基板の熱的性質判定方法。
  6. 前記基板の熱的性質を判定する工程が、
    前記逐次出力される温度データから、前記基板の温度の波形を記録するステップと、
    前記基板がどのくらいエネルギー線を透過しやすいのかを、前記波形の形により判定するステップと、
    を含む、請求項１又は２に記載の基板の熱的性質判定方法。
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