JP5169046B2 - 光照射式加熱処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えばフィラメントランプからの光を被処理体に照射して加熱処理する光照射式加熱処理装置に関し、特に、半導体基板を比較的低い加熱処理温度で急速熱処理するための光照射式加熱処理装置に関する。

現在、半導体製造工程における、例えばシリコン酸化膜形成（成膜）、不純物拡散などの様々なプロセスを行うに際しては、光源からの光照射によって被処理体を例えば９００〜１２００℃の高温で加熱する加熱処理が利用されており、特に、例えば半導体ウエハなどの被処理体の温度を急速に上昇させたり下降させたりする急速熱処理（以下、「ＲＴＰ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）」ともいう。）は、歩留まりや品質を向上させることができることから、好ましく利用されている。
このようなＲＴＰを行う光照射式加熱処理装置においては、例えば発光管の内部にタングステンからなるフィラメントが配設されてなるフィラメントランプが熱源として使用されている。

近年では、例えば、ＭＯＳトランジスタの動作電圧（閾値電圧）を引き下げる目的で半導体素子のゲート電極に使用される、ＮｉＳｉ（ニッケルシリサイド）膜の形成、ＰｄＳｉ（パラジウムシリサイド）膜の形成等のプロセスにおいては、上記シリコン酸化膜形成、不純物拡散等のプロセスよりも低温、例えば１００〜５００℃程度の温度で被処理体である半導体基板を加熱処理することが必要とされている。

従来においては、金属シリサイド膜を形成する方法として、例えば、Ｓｉ（シリコン）基板の表面にＮｉやＰｄのような金属をスパッタリング法によって成膜した後、電気炉を使用してＳｉ基板を加熱処理することによりＳｉと金属とを反応させて金属シリサイド化合物を生成する方法が一般的に利用されている。
ところが、金属シリサイド膜を形成するに際して、電気炉を使用して加熱処理を行う場合には、Ｓｉ基板が電気炉内で長時間の間にわたって高温に晒されることとなるため、ＭＯＳチャネルにおける拡散層が劣化し、半導体素子が損傷するおそれがある、という問題があった。

上記のような加熱処理による半導体素子の損傷を回避するための手段として、熱源としてフィラメントランプを使用してＳｉ基板に対して急速熱処理（ＲＴＰ）を行うことが考えられる。

また、例えばＳｉ基板などの被処理体の表面温度が不均一であると、得られる半導体素子が要求される所望の性能を有さないものとなるため、上記のようなプロセスを行うに際しては、Ｓｉ基板を、局所的なバラツキを生じることなく、均一な温度分布で加熱することが必要とされる。

しかしながら、実際に、フィラメントランプを搭載した光照射式加熱処理装置を用いて、Ｓｉ基板の表面温度が１００〜５００℃程度となる温度条件で加熱処理を行ったところ、局所的にＳｉ基板の温度が高い部分や低い部分が形成されるなどバラツキが生じ、Ｓｉ基板の温度分布が均一な状態となるよう加熱することができない、という不具合が生じることが判明した。この理由は、次のように考えられる。

フィラメントランプを用いた急速熱処理においては、通常、被処理体の表面温度を数秒間という短時間の間に所望の加熱処理温度まで加熱する昇温加熱処理を行い、その後、被処理体の温度が当該加熱処理温度に維持される状態で当該被処理体を所定時間の間加熱する定温加熱処理を行っている（図３（イ）参照）。
このような急速熱処理において、例えば、被処理体がφ３００ｍｍのＳｉ基板である場合を考えると、昇温加熱処理において、Ｓｉ基板の表面温度を例えば１００℃／秒程度の昇温速度で急速に上昇させるためには、定格電力が例えば９０ｋＷ程度の大電力が投入可能に構成された光照射式加熱処理装置を用いることが必要とされ、このような光照射式加熱処理装置に設けられたフィラメントランプによって定温加熱処理を行うに際しては、Ｓｉ基板の表面温度を所望の温度状態に維持するために、フィラメントランプに投入する電力量を例えば５ｋＷ程度の低電力に抑えた状態で、フィラメントランプが点灯駆動される。

しかしながら、定温加熱処理を行うに際して、定格電力が９０ｋＷに構成された光照射式加熱処理装置のフィラメントランプを５ｋＷ程度の低い投入電力で点灯させると、図５に示すように、フィラメントランプから放射される発光波長が長波長側にシフトし、長波長側の放射強度が大きくなること、すなわち、投入される電力が低くなるに従って、フィラメントランプから放射される発光波長が長波長側にシフトする傾向にあることが判明した。この理由は、定格電力が例えば９０ｋＷに構成された光照射式加熱処理装置のフィラメントランプにおいては、大電力が投入されてもフィラメントが溶断されることのないよう、単位長さあたりのフィラメントの質量と表面積とが大きく設計されているために、投入される電力が小さい場合には、フィラメントの温度が定格点灯時よりも著しく低下するためであると考えられる。

一方、Ｓｉ基板は、図６（イ）に示すような光透過特性、すなわち、波長が長くなるに従って透過率が高くなる（吸光度が低くなる）傾向にあることが知られている。また、Ｓｉに限らず、例えばＧａＡｓ（図６（ロ））やＧｅ（図６（ハ））などについても、同様の傾向が見られる。
従って、定格電力に比して十分に低い投入電力で点灯駆動されることによりフィラメントの温度が定格点灯時より低下することに伴って、発光波長が長波長側、例えば１．１μｍ以上にシフトされた、フィラメントランプから放射される光の大部分は、Ｓｉ基板に吸収されることなくＳｉ基板を透過することとなる。

以上のように、フィラメントランプを用いたＳｉ基板の急速熱処理において、フィラメントランプを定格電力よりも十分に低い電力で点灯させて定温加熱処理が行われることによって、フィラメントランプから放射される光がＳｉ基板を主として透過する長波長側にシフトされ、図７に示すように、フィラメントランプ６０が収容された光照射式加熱処理装置の内部において、当該長波長側の光が被処理体ＷであるＳｉ基板を一部が吸収される状態で透過しながら、Ｓｉ基板に対してフィラメントランプ６０の反対側に位置されるリフレクタ６１およびＳｉ基板が配置されるチャンバ６５の内面との間で繰り返し反射されることになり、Ｓｉ基板の温度が局所的に高くなったり低くなったりして、Ｓｉ基板の温度分布が均一にならないものと考えられる。なお、図７における符号６２は、窓部材である。

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、加熱処理温度が比較的低い温度に設定される急速熱処理において、被処理体の温度分布が均一となるよう加熱処理することのできる光照射式加熱処理装置を提供することを目的とする。

本発明の光照射式加熱処理装置は、互いに定格電力密度が異なる２種類のフィラメントランプによって面状光源が構成されてなり、当該フィラメントランプからの光照射により、半導体基板を所定の加熱処理温度まで急速に上昇させる昇温加熱工程と、当該昇温加熱工程に連続して行われる、当該加熱処理温度を維持した状態で前記半導体基板を、表面温度が１００〜５００℃となる温度条件で加熱する定温加熱工程とから成る加熱処理を行う光照射式加熱処理装置であって、
前記２種類のフィラメントランプは、いずれも、定格点灯時におけるフィラメントの色温度が２１００Ｋ（ケルビン）以上であるものであり、
昇温加熱工程においては、少なくとも、定格電力密度が相対的に高いフィラメントランプが点灯されると共に、定温加熱工程においては、定格電力密度が相対的に低いフィラメントランプのみが点灯されるよう、フィラメントランプの点灯状態を制御する制御手段を備えることを特徴とする。
ここに、「定格電力密度」とは、フィラメントの単位長さ当たりの定格電力〔Ｗ／ｃｍ〕の大きさをいう。

本発明の光照射式加熱処理装置においては、前記半導体基板がシリコンウエハである場合に、極めて有用なものとなる。

また、本発明の光照射式加熱処理装置においては、定格電力密度が相対的に低いフィラメントランプの複数が、各々のランプ中心軸が同一の平面上において互いに平行に伸びるよう並列配置されてなる第１のランプ群と、定格電力密度が相対的に高いフィラメントランプの複数が、各々の管軸が同一の平面上において互いに平行に伸び、かつ、前記第１のランプ群のフィラメントランプのランプ中心軸と直交するよう、並列配置されてなる第２のランプ群とを有し、第１のランプ群に係るランプ中心軸配置面および第２のランプ群に係るランプ中心軸配置面が互いに平行であって、第１のランプ群が被処理体側に位置されるよう構成されたランプユニットを備えた構成とすることができる。

本発明の光照射式加熱処理装置によれば、昇温加熱工程においては、少なくとも、定格電力密度が相対的に高いフィラメントランプが点灯されると共に、定温加熱工程においては、定格電力密度が相対的に低いフィラメントランプのみが点灯されるよう、フィラメントランプの点灯状態を制御する制御手段を備えることにより、定温加熱処理に必要な十分に低い電力を投入することができると同時に、フィラメントの色温度を高い状態とすることができるので、フィラメントの温度低下に伴って発光波長が長波長側にシフトする現象が生ずることなく、被処理体の加熱に寄与する（被処理体に吸収される）波長光について、必要十分かつ過多とならない光出力を得ることができると共に、被処理体を透過する長波長側の光の増加を抑えることができるので、当該長波長の光に起因する被処理体の温度分布のバラツキが発生することを確実に防止することができ、従って、被処理体の温度分布が均一となる状態で所望の加熱処理を行うことができる。

図１は、本発明の光照射式加熱処理装置の一構成例を概略的に示す正面断面図である。 この光照射式加熱処理装置３０は、内部空間が例えば石英よりなる板状の窓部材３２によって上下に分割されてランプユニット収容空間Ｓ１と加熱処理空間Ｓ２とが形成された、例えばステンレス鋼などの金属材料からなるチャンバ３１を備えており、ランプユニット収容空間Ｓ１には、複数本のフィラメントランプ１０により構成されたランプユニット４０が配置されていると共に、このランプユニット４０の上方に、当該ランプユニット４０から上方に向けて放射された光を被処理体Ｗ側へ反射する反射鏡４１が配置されており、これにより、ランプユニット４０の各フィラメントランプ１０から放射される光は、直接的にあるいは反射鏡４１により反射され、加熱処理空間Ｓ２に設置される被処理体Ｗに対して、窓部材３２を介して照射される。

ランプユニット４０は、後述するように、例えば３１本のフィラメントランプ１０が、各々、ランプ中心軸が互いに同一平面レベルに位置された状態で、例えば所定の間隔で離間して並設されて構成されており、これにより、面状光源が構成されている。
各フィラメントランプ１０は、両端に封止部が形成された、例えばガラス材料よりなる発光管を備えており、発光管の内部空間には、例えばハロゲンガスが封入されるとともに、例えばタングステン素線がコイル状に巻回されて形成されたコイル状のフィラメント２０が、発光管の管軸に沿って伸びるよう配置されている。

反射鏡４１は、例えば無酸素銅からなる母材に金がコートされてなるものであり、反射断面が、例えば円の一部、楕円の一部、放物線の一部または平板状などから選ばれる形状を有する。

ランプユニット４０の各フィラメントランプ１０は、一対の固定台４２Ａ，４２Ｂにより支持されている。
固定台４２Ａ，４２Ｂは導電性部材からなる導電台４３と、セラミックス等の絶縁部材からなる保持台４４とにより構成されており、保持台４４は、チャンバ３１の内壁に設けられており、導電台４３を保持している。

チャンバ３１には、電源部３５の給電装置からの給電線が接続される一対の電源供給ポート３６Ａ，３６Ｂが設けられており、この一対の電源供給ポート３６Ａ，３６Ｂの組数は、フィラメントランプ１０の個数等に応じて設定される。
電源供給ポート３６Ａは、一方の固定台４２Ａの導電台４３と電気的に接続されており、この固定台４２Ａの導電台４３は、一のフィラメントランプ１０におけるフィラメント２０の一端側の外部リードと電気的に接続されている。また、電源供給ポート３６Ｂは、他方の固定台４２Ｂの導電台４３と電気的に接続されており、この固定台４２Ｂの導電台４３は、フィラメントの他端側の外部リードと電気的に接続されている。なお、ランプユニット４０を構成するフィラメントランプ１０と電源部３５を構成する給電装置との具体的な電気的接続状態については、後述する。
このような構成とされていることにより、ランプユニット４０における各フィラメントランプ１０に対して電源部３５における各給電装置により給電することが可能となり、被処理体Ｗ上の放射照度分布を任意に、かつ、高精度に設定することができる。

この光照射式加熱処理装置３０においては、被処理体Ｗの加熱処理を行うに際して各フィラメントランプ１０を冷却する冷却機構が設けられている。
具体的には、チャンバ３１の外部に設けられた冷却風ユニット４５からの冷却風がチャンバ３１に設けられた冷却風供給ノズル４６の吹出し口４６Ａを介してランプユニット収容空間Ｓ１に導入され、当該冷却風がランプユニット４０における各フィラメントランプ１０に吹き付けられることにより、各フィラメントランプ１０における発光管が冷却され、その後、熱交換により高温になった冷却風がチャンバ３１に形成された冷却風排出口４７から外部に排出される。
このような冷却機構は、各フィラメントランプ１０の封止部は他の箇所に比して耐熱性が低いため、冷却風供給ノズル４６の吹出し口４６Ａが、各フィラメントランプ１０の封止部に対向するよう形成され、各フィラメントランプ１０の封止部が優先的に冷却されるように構成されていることが望ましい。

なお、ランプユニット収容空間Ｓ１に導入される冷却風の流れは、熱交換されて高温になった冷却風が逆に各フィラメントランプ１０を加熱しないよう、また、反射鏡４１も同時に冷却するよう、設定されている。また、反射鏡４１が図示を省略した水冷機構により水冷される構成のものである場合には、必ずしも反射鏡４１も同時に冷却されるように冷却風の流れが設定されていなくともよい。

また、この光照射式加熱装置３０においては、冷却風供給ノズル４６の吹出し口４６Ａが窓部材３２の近傍の位置にも形成されており、冷却風ユニット４５からの冷却風によって窓部材３２が冷却される構成とされている。これにより、加熱される被処理体Ｗからの輻射熱によって蓄熱される窓部材３２から２次的に放射される熱線によって、被処理体Ｗが不所望な加熱作用を受けることによる被処理体Ｗの温度制御性の冗長化（例えば、設定温度より被処理物の温度が高温になるようなオーバーシュート）や、蓄熱される窓部材３２自体の温度ばらつきに起因した被処理体Ｗにおける温度均一性の低下、あるいは被処理体Ｗの降温速度の低下、などの不具合が発生することを確実に防止することができる。

一方、チャンバ３１における加熱処理空間Ｓ２には、被処理体Ｗが固定される処理台３３が設けられている。
処理台３３は、例えば被処理体Ｗが半導体ウエハである場合には、モリブデンやタングステン、タンタルのような高融点金属材料やシリコンカーバイド（ＳｉＣ）などのセラミック材料、または石英、シリコン（Ｓｉ）からなる薄板の環状体であって、その円形開口部の内周部に半導体ウエハを支持する段差部が形成されてなるガードリング構造のものにより構成されていることが好ましい。このような構成の処理台３３においては、被処理体Ｗが円形開口部に嵌め込まれ、段差部によって下面より支持された状態で配置される。
処理台３３は、処理台３３それ自体も光照射によって高温とされるので、対面する半導体ウエハの外周縁が補助的に放射加熱され、これにより、半導体ウエハの外周縁からの熱放射などに起因する半導体ウエハの周縁部の温度低下が補償される。

処理台３３に設置される被処理体Ｗの裏面側には、被処理体Ｗの温度分布をモニタするための、例えば熱電対や放射温度計よりなる温度測定部５１の複数が被処理体Ｗに当接或いは近接して設けられている。ここに、温度測定部５１の個数および配置位置は、特に限定されるものではなく、被処理体Ｗの寸法に応じて設定することができる。
各温度測定部５１は温度計５０に接続されており、所定のタイミング（例えば１秒間毎に５０回など）でモニタリングされた温度情報を温度計５０に送信する。

温度計５０は、各温度測定部５１によりモニタされた温度情報に基づいて、各温度測定部５１の測定地点における温度を算出するとともに、算出された温度情報を温度制御部５２を介して主制御部５５に送出する機能を有する。

主制御部５５は、温度計により得られた、被処理体Ｗ上の各測定地点における温度情報に基づいて、被処理体Ｗ上の温度が所定の温度で均一な分布状態となるように指令を温度制御部５２に送出する機能を有する。
また、主制御部５５は、ランプユニット４０におけるフィラメントランプ１０の点灯時において、冷却風ユニット４５に指令を送出し、冷却風ユニット４５は、この指令に基づいて、発光管および反射鏡４１、窓部材３２が高温状態とならないよう冷却風を供給する。

温度制御部５２は、主制御部５５からの指令に基づいて、電源部３５から各フィラメントランプ１０のフィラメント２０に供給される電力の大きさを制御する機能を有する。
また、温度制御部５２には、例えば被処理体Ｗの種類、目的とする処理等に応じた到達目標となる温度情報を予め設定しておくことができる。

上記光照射式加熱処理装置３０は、被処理体Ｗの温度を目的とする加熱処理温度まで急速に上昇させる昇温加熱工程と、当該昇温加熱工程に連続して行われる、当該加熱処理温度を維持した状態で被処理体Ｗを加熱する定温加熱工程とから成る急速熱処理が、目的とする加熱処理温度が比較的低い温度、例えば１００〜５００℃に設定された状態で行われるものであり、ランプユニット４０が、昇温加熱工程において用いられる定格電力密度が相対的に高いフィラメントランプ（以下、「昇温加熱用ランプ」という。）と、主として、定温加熱処理工程において用いられる、定格電力密度が相対的に低いフィラメントランプ（以下、「定温加熱用ランプ」という。）との２種類のフィラメントランプにより構成されている。
この実施例のランプユニット４０においては、図２に示すように、１５本の昇温加熱用ランプ１０Ｂと、１６本の定温加熱用ランプ１０Ａとが交互に並んで同一平面上に配置されている。ここに、互いに隣接する昇温加熱用ランプ１０Ｂと定温加熱用ランプ１０Ａとの間の離間距離は、例えば１５ｍｍである。

昇温加熱用ランプ１０Ｂ及び定温加熱用ランプ１０Ａは、いずれのものも、定格点灯時（定格電力を投入して点灯させたとき）のフィラメントの色温度が２１００Ｋ以上であるものであることが好ましく、より好ましくは２１００〜３２００Ｋであり、温度調整時の制御性やランプ寿命を考慮すると、２３００〜３０００Ｋであるものであることが特に好ましい。フィラメントの色温度が２１００Ｋ未満である場合には、フィラメントの温度が低すぎる状態となるため、フィラメントランプから放射される光のうち、例えばシリコンウエハを透過する、１．１μｍ以上の長波長領域における光出力が大きくなり、シリコンウエハ上の温度分布が不均一になる、という不具合が生じる。

定温加熱用ランプ１０Ａと昇温加熱用ランプ１０Ｂとの出力比は、例えば（定温加熱用ランプ１０Ａ）／（昇温加熱用ランプ１０Ｂ）≦１／４であることが好ましい。この理由は、１種類のフィラメントランプで上記好ましい色温度の範囲に収めることができる電力調整（絞り）の許容範囲が１／１〜１／４であり、これより小さい比率に設定しないと、２種類のフィラメントランプを用意する効果（メリット）が得られないためである。
昇温加熱用ランプ１０Ｂは、被処理体Ｗの温度を例えば１０℃／ｓｅｃ以上の昇温速度で上昇させることのできるよう、フィラメントに対して大電力が投入可能とされた定格電力密度を有するものであることが好ましい。

上記光照射式加熱処理装置３０において、被処理体Ｗを加熱処理するに際しては、被処理体Ｗを例えば３つのゾーンＺ１〜Ｚ３に分割し、各ゾーンＺ１〜Ｚ３毎に、被処理体Ｗの物理特性等に応じた温度分布が得られるよう、各フィラメントランプの点灯制御が行われる。
このような被処理体Ｗ上の温度分布制御を行うために、ランプユニット４０を構成する昇温加熱用ランプ１０Ｂおよび定温加熱用ランプ１０Ａは、それぞれ、被処理体Ｗの各ゾーンＺ１〜Ｚ３に対応して複数本毎にグループ化されており、グループ毎に別個の給電装置に接続されている。

具体的には、例えば、ランプユニット４０を構成する昇温加熱用ランプ１０Ｂの３本が一単位としてグループ化されて、合計５つのランプグループ（１Ａ〜１Ｅ）が構成されており、各ランプグループ（１Ａ〜１Ｅ）がそれぞれ別個の給電装置Ｓ１〜Ｓ５に電気的に接続されている。
また、ランプユニット４０を構成する定温加熱用ランプ１０Ａについては、中央に位置される４本の定温加熱用ランプ１０Ａがグループ化されてランプグループ２Ａが構成され、このランプグループ２Ａの両側に並ぶ定温加熱用ランプが３本を一単位としてグループ化されてランプグループ２Ｂ〜２Ｅが構成されており、各ランプグループ（２Ａ〜２Ｅ）がそれぞれ別個の給電装置Ｒ１〜Ｒ５に電気的に接続されている。
そして、このランプユニット４０においては、中央に位置される３つのランプグループ（１Ａ〜１Ｃおよび２Ａ〜２Ｃ）が、被処理体Ｗの各ゾーンＺ１〜Ｚ３に対応しており、ランプユニット４０の両側に位置されるランプグループ（１Ｄ，１Ｅおよび２Ｄ，２Ｅ）が、被処理体Ｗの周縁部領域（Ｚ４，Ｚ５）の温度低下を補償するものとして機能する。

上記ランプユニット４０を構成する定温加熱用ランプ１０Ａおよび昇温加熱用ランプ１０Ｂの構成例を示すと、例えば、被処理体Ｗがφ３００ｍｍのシリコンウエハであり、昇温加熱処理を昇温加熱用ランプ１０Ｂのみにより行い、シリコンウエハの昇温速度を１００℃／秒、加熱処理温度を４００℃に設定して、加熱処理する場合を考えると、昇温加熱処理においては、ランプユニット４０全体で例えば９０ｋＷ程度の電力（総電力）が必要とされる一方、定温加熱処理において必要とされる電力は５ｋＷ程度の低電力であり、従って、昇温加熱用ランプ１０Ｂは、例えば、フィラメントの長さが４０ｃｍ、定格電力密度が１５０Ｗ／ｃｍ、定格電力が６ｋＷ、定格電圧が２００Ｖ、定格点灯時のフィラメントの色温度が３０００Ｋであり、定温加熱用ランプ１０Ａは、例えば、フィラメントの長さが４０ｃｍ、定格電力密度が８Ｗ／ｃｍ、定格電力が３２０Ｗ、定格電圧が２００Ｖ、定格電力を投入して点灯させた際のフィラメントの色温度が３０００Ｋである。なお、定格電力密度は、通常、基本電力に制御マージンを考慮して設計される。

上述したように、この光照射式加熱処理装置においては、図３（イ）に示すように、例えば、被処理体Ｗの温度Ｔ１を目的とする加熱処理温度Ｔ２まで、数秒間程度の短時間で急速に上昇させる昇温加熱処理が行われた後、被処理体Ｗの温度を加熱処理温度Ｔ２で所定時間の間（Δｔ）維持することにより被処理体Ｗを加熱する定温加熱処理が行われる。

被処理体Ｗの加熱処理が行われるに際しては、先ず、温度制御部５２において、被処理体Ｗに対して行われるべき処理に応じた加熱処理温度Ｔ２、すなわち定温加熱処理時の温度（到達温度）が設定されるとともに、温度制御部５２に内蔵されたカウンタによってカウントされる所定のカウント数、すなわち定温加熱処理する時間Δｔが設定される。
そして、給電開始信号が温度制御部５２から主制御部５５に送信されると、主制御部５５によって、温度制御部５２を介して各給電装置Ｓ１〜Ｓ５，Ｒ１〜Ｒ５に対して給電開始信号が送信され、例えば図３（ロ）に示すように、各昇温加熱用ランプ１０Ｂおよび各定温加熱用ランプ１０Ａに対して適正な大きさに制御された電力（定格電力）が投入されて各昇温加熱用ランプ１０Ｂおよび各定温加熱用ランプ１０Ａが点灯される。
各昇温加熱用ランプ１０Ｂおよび各定温加熱用ランプ１０Ａによる光照射によって昇温加熱処理が開始されると、温度制御部５２によって、予め設定された加熱処理温度Ｔ２と温度計５０により取得される実際の被処理体Ｗの表面温度に関する温度情報とが比較判断され、被処理体Ｗの実測温度が加熱処理温度Ｔ２よりも低いことが確認された場合には、昇温加熱用ランプ１０Ｂおよび定温加熱用ランプ１０Ａに対する給電が継続して行われる。
また、被処理体Ｗの温度を加熱処理温度Ｔ２まで上昇させる過程において、温度制御部５２によって、被処理体Ｗの温度分布状態が監視される。すなわち、被処理体Ｗの３つに分割された各ゾーンＺ１〜Ｚ３の温度が均一となるよう、各温度計５０により検出される被処理体Ｗの各ゾーンＺ１〜Ｚ３の温度情報に基づいて、ランプグループ１Ａ〜１Ｅ，２Ａ〜２Ｅ毎に供給する電力量が調整される。

次いで、温度制御部５２によって、予め設定された加熱処理温度Ｔ２と温度計５０により検出される実際の被処理体Ｗの表面温度（実測値）に関する温度情報とが比較演算されることにより、被処理体Ｗの温度が加熱処理温度Ｔ２に達したことが確認されると、温度制御部５２によって、各昇温加熱用ランプ１０Ｂに対する給電のみが停止されるよう主制御部５５に対して給電停止信号が送信され、主制御部５５によって、温度制御部５２を介して昇温加熱用ランプ１０Ｂについての各ランプグループ１Ａ〜１Ｅに係る各給電装置Ｓ１〜Ｓ５に対して給電停止信号が送信されて昇温加熱用ランプ１０Ｂが消灯されると共に、給電停止信号と同期してカウンタに対してカウント開始信号が送信され、これにより、被処理体Ｗに対する定温加熱処理が昇温加熱処理に連続して行われる。

定温加熱処理においては、一定の加熱処理温度Ｔ２に維持された状態において、被処理体Ｗの温度分布が均一となるよう、被処理体Ｗの３つに分割された各ゾーンＺ１〜Ｚ３の温度が監視される。
すなわち、温度制御部５２によって、予め設定された加熱処理温度Ｔ２と温度計５０から送信された実際の被処理体Ｗの表面温度に関する温度情報とが比較判断され、被処理体Ｗの実測温度が加熱処理温度Ｔ２より高いことが確認されると、各定温加熱用ランプ１０Ａに対する給電量を低減するよう主制御部５５に対して給電量低減信号が送信され、主制御部５５によって、温度制御部５２を介して給電装置Ｒ１〜Ｒ５に対して給電量低減信号が送信され各定温加熱用ランプ１０Ａに対する給電量が低減される。
一方、被処理体Ｗの実測温度が加熱処理温度Ｔ２より低いことが確認されると、各定温加熱用ランプ１０Ａに対する給電量を増加するよう主制御部５５に対して給電量増加信号が送信され、主制御部５５によって、温度制御部５２を介して給電装置Ｒ１〜Ｒ５に対して給電量増加信号が送信され各定温加熱用ランプ１０Ａに対する給電量が増加される。
このような定温加熱用ランプ１０Ａに対する給電量調整が行われることにより、被処理体Ｗの温度が一定の加熱処理温度Ｔ２に維持される。
被処理体Ｗの温度を加熱処理温度Ｔ２で一定に維持させる過程において、被処理体の３つに分割された各ゾーンＺ１〜Ｚ３の温度が均一となるよう、各温度計５０により検出される被処理体Ｗの各ゾーンＺ１〜Ｚ３の温度情報に基づいて、ランプグループ２Ａ〜２Ｅ毎に供給する電力量が調整される。

そして、カウンタによりカウントされるカウント数が予め設定されたカウント数と一致したこと、すなわち、所定の定温加熱処理時間Δｔが経過したことが温度制御部５２によって確認されることにより、各定温加熱用ランプ１０Ａに対する給電が停止されるよう主制御部５５に対して給電停止信号が送信され、主制御部５５によって、温度制御部５２を介して給電装置Ｒ１〜Ｒ５に対して給電停止信号が送信されることにより、各定温加熱用ランプ１０Ａに対する給電が停止されて各定温加熱用ランプ１０Ａが消灯される。

以上のような急速熱処理における加熱処理条件を示すと、例えば、加熱処理温度（到達温度）Ｔ２が１００〜５００℃であり、昇温加熱処理における被処理体Ｗの昇温速度が１０〜１５０℃／ｓｅｃ、定温加熱処理時間Δｔが１〜６００秒間である。
また、図３（ハ）に示すように、昇温加熱用ランプ１０Ｂのみが点灯されることにより昇温加熱処理が行われるよう制御されてもよく、被処理体Ｗに対して行われるべきプロセス、加熱処理温度等の目的に応じて適宜に設定することができる。

以上のように、上記構成の光照射式加熱処理装置３０によれば、昇温加熱工程においては、少なくとも、定格電力密度が相対的に高い昇温加熱用ランプ１０Ｂが点灯されると共に、定温加熱工程においては、定格電力密度が相対的に低い定温加熱用ランプ１０Ａのみが点灯されるよう、昇温加熱用ランプ１０Ｂおよび定温加熱用ランプ１０Ａの点灯状態が制御されることにより、定温加熱処理を行うに際して、定温加熱処理に必要な十分に低い電力を投入することができると同時にフィラメントの色温度を高い状態とすることができるので、フィラメントの温度低下に伴って発光波長が長波長側にシフトする現象が生ずることなく、被処理体Ｗの加熱に寄与する（被処理体に吸収される）波長光について、必要十分なかつ過多とならない光出力を得ることができると共に、被処理体Ｗを透過する長波長側の光の増加を抑えることができるので、長波長側の光に起因する被処理体Ｗの温度分布のバラツキが発生することを確実に防止することができる。従って、被処理体Ｗの温度分布が均一となる状態で所望の加熱処理を行うことができる。

また、昇温加熱用ランプ１０Ｂおよび定温加熱用ランプ１０Ａが、定格点灯時におけるフィラメントの色温度が２１００Ｋ（ケルビン）以上のものであることにより、被処理体Ｗの加熱に寄与する波長光、例えば被処理体Ｗがシリコンウエハである場合には、波長１．１μｍ以下の光について十分に高い光出力を確実に得ることができ、所望の加熱処理を確実に行うことができる。

本発明の光照射式加熱処理装置は、加熱処理温度が比較的低い温度に設定される急速熱処理を行うことが必要とされるプロセスを行う場合に、極めて有用である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
本発明の光照射式加熱処理装置においては、ランプユニットを構成するフィラメントランプの個数および配列方法は、上記実施例のものに限定されず、目的に応じて適宜に設計変更することができる。
ランプユニット４０は、例えば図４に示すように、複数本の定温加熱用ランプ１０Ａが、各々のランプ中心軸が同一平面上において互いに平行に伸びるよう所定の間隔で離間して並列配置されてなる第１のランプ群と、複数本の昇温加熱用ランプ１０Ｂが、各々の管軸が同一の平面上において互いに平行に伸び、かつ、前記第１のランプ群のフィラメントランプのランプ中心軸と直交するよう、所定の間隔で離間して並列配置されてなる第２のランプ群とを有し、第１のランプ群に係るランプ中心軸配置面および第２のランプ群に係るランプ中心軸配置面が互いに平行となるよう構成されており、定温加熱用ランプ１０Ａよりなる第１のランプ群が被処理体Ｗ側に位置される。

このランプユニット４０についても、被処理体Ｗ上の温度分布制御（ゾーン制御）を行うために、昇温加熱用ランプ１０Ｂおよび定温加熱用ランプ１０Ａは、複数本毎にグループ化されており、グループ毎に別個の給電装置に接続されている。
具体的には、例えば、昇温加熱用ランプ１０Ｂの３本が一単位としてグループ化されて、合計５つのランプグループ（１Ａ〜１Ｅ）が構成されており、各ランプグループ（１Ａ〜１Ｅ）がそれぞれ別個の給電装置Ｓ１〜Ｓ５に電気的に接続されている。
また、ランプユニット４０を構成する定温加熱用ランプ１０Ａについては、中央に位置される４本の定温加熱用ランプ１０Ａがグループ化されてランプグループ２Ａが構成され、このランプグループ２Ａの両側に並ぶ定温加熱用ランプが３本を一単位としてグループ化されてランプグループ２Ｂ〜２Ｅが構成されており、各ランプグループ（２Ａ〜２Ｅ）がそれぞれ別個の電源装置Ｒ１〜Ｒ５に電気的に接続されている。

本発明の光照射式加熱処理装置の一構成例を概略的に示す正面断面図である。 図１に示す光照射式加熱処理装置におけるランプユニットを構成するフィラメントランプの配列例を被処理体と共に示す平面図である。 本発明の光照射式加熱処理装置において行われる急速熱処理方法を説明するための図であって、（イ）温度プロファイル、（ロ）フィラメントランプの点灯状態の制御方法の一例を示すタイミングチャート、（ハ）フィラメントランプの点灯状態の制御方法の他の例を示すタイミングチャートである。 本発明の光照射式加熱処理装置におけるランプユニットの他の構成例を示す説明図であって、（イ）フィラメントランプの配列例を被処理体と共に示す平面図、（ロ）昇温加熱用処理用のフィラメントランプの管軸に直交する平面による正面断面図である。 総放射エネルギー（ランプ電力密度）を同じにした場合における放射スペクトルを示すグラフである。 Ｓｉ（イ），ＧａＡｓ（ロ）およびＧｅ（ハ）の光透過特性を示すグラフである。 フィラメントランプを備えた光照射式加熱処理装置において、フィラメントランプを投入電力を低く抑えて点灯させた状態を概略的に示す正面断面図である。

符号の説明

１０ フィラメントランプ
１０Ａ 定温加熱処理用のフィラメントランプ
１０Ｂ 昇温加熱処理用のフィラメントランプ
２０ フィラメント
３０ 光照射式加熱処理装置
３１ チャンバ
３２ 窓部材
３３ 処理台
３５ 電源部
３６Ａ，３６Ｂ 電源供給ポート
４０ ランプユニット
４１ 反射鏡
４２Ａ，４２Ｂ 固定台
４３ 導電台
４４ 保持台
４５ 冷却風ユニット
４６ 冷却風供給ノズル
４６Ａ 吹出し口
４７ 冷却風排出口
５０ 温度計
５１ 温度測定部
５２ 温度制御部
５５ 主制御部
６０ フィラメントランプ
６１ リフレクタ
６２ 窓部材
６５ チャンバ
Ｓ１ ランプユニット収容空間
Ｓ２ 加熱処理空間

Claims (3)

1. 互いに定格電力密度が異なる２種類のフィラメントランプによって面状光源が構成されてなり、当該フィラメントランプからの光照射により、半導体基板を所定の加熱処理温度まで急速に上昇させる昇温加熱工程と、当該昇温加熱工程に連続して行われる、当該加熱処理温度を維持した状態で前記半導体基板を、表面温度が１００〜５００℃となる温度条件で加熱する定温加熱工程とから成る加熱処理を行う光照射式加熱処理装置であって、
   前記２種類のフィラメントランプは、いずれも、定格点灯時におけるフィラメントの色温度が２１００Ｋ（ケルビン）以上であるものであり、
   昇温加熱工程においては、少なくとも、定格電力密度が相対的に高いフィラメントランプが点灯されると共に、定温加熱工程においては、定格電力密度が相対的に低いフィラメントランプのみが点灯されるよう、フィラメントランプの点灯状態を制御する制御手段を備えることを特徴とする光照射式加熱処理装置。
2. 前記半導体基板がシリコンウエハであることを特徴とする請求項１に記載の光照射式加熱処理装置。
3. 定格電力密度が相対的に低いフィラメントランプの複数が、各々のランプ中心軸が同一の平面上において互いに平行に伸びるよう並列配置されてなる第１のランプ群と、定格電力密度が相対的に高いフィラメントランプの複数が、各々の管軸が同一の平面上において互いに平行に伸び、かつ、前記第１のランプ群のフィラメントランプのランプ中心軸と直交するよう、並列配置されてなる第２のランプ群とを有し、第１のランプ群に係るランプ中心軸配置面および第２のランプ群に係るランプ中心軸配置面が互いに平行であって、第１のランプ群が半導体基板側に位置されるよう構成されたランプユニットを備えてなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光照射式加熱処理装置。
   

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