JP5606852B2 - 熱処理装置および熱処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウェハーや液晶表示装置用ガラス基板等の薄板状の精密電子基板（以下、単に「基板」と称する）に対してフラッシュ光を照射することによって該基板を加熱する熱処理装置および熱処理方法に関する。

半導体デバイスの製造プロセスにおいて、不純物導入は半導体ウェハー内にｐｎ接合を形成するための必須の工程である。現在、不純物導入は、イオン打ち込み法とその後のアニール法によってなされるのが一般的である。イオン打ち込み法は、ボロン（Ｂ）、ヒ素（Ａｓ）、リン（Ｐ）といった不純物の元素をイオン化させて高加速電圧で半導体ウェハーに衝突させて物理的に不純物注入を行う技術である。注入された不純物はアニール処理によって活性化される。この際に、アニール時間が数秒程度以上であると、打ち込まれた不純物が熱によって深く拡散し、その結果接合深さが要求よりも深くなり過ぎて良好なデバイス形成に支障が生じるおそれがある。

そこで、極めて短時間で半導体ウェハーを加熱するアニール技術として、近年フラッシュランプアニール（ＦＬＡ）が注目されている。フラッシュランプアニールは、キセノンフラッシュランプ（以下、単に「フラッシュランプ」とするときにはキセノンフラッシュランプを意味する）を使用して半導体ウェハーの表面にフラッシュ光を照射することにより、不純物が注入された半導体ウェハーの表面のみを極めて短時間（数ミリセカンド以下）に昇温させる熱処理技術である。

キセノンフラッシュランプの放射分光分布は紫外域から近赤外域であり、従来のハロゲンランプよりも波長が短く、シリコンの半導体ウェハーの基礎吸収帯とほぼ一致している。よって、キセノンフラッシュランプから半導体ウェハーにフラッシュ光を照射したときには、透過光が少なく半導体ウェハーを急速に昇温することが可能である。また、数ミリ秒以下の極めて短時間のフラッシュ光照射であれば、半導体ウェハーの表面近傍のみを選択的に昇温できることも判明している。このため、キセノンフラッシュランプによる極短時間の昇温であれば、不純物を深く拡散させることなく、不純物活性化のみを実行することができるのである。

また、特許文献１には、フラッシュランプアニール装置において、チャンバー本体の外部に配置されたカロリーメータ、チャンバー本体の内部に照射された光をカロリーメータへと導く光導出構造、および、カロリーメータからの出力に基づいて演算を行う演算部を備えた光測定部を設け、フラッシュランプからチャンバー本体内部に照射された光のエネルギーをカロリーメータを用いて測定する技術が開示されている。特許文献１には、カロリーメータにて測定したフラッシュ光のエネルギーに基づいて、基板の表面温度を演算によって求めることも開示されている。

また、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ；Insulated gate bipolar transistor）を用いてフラッシュランプに流れる電流をチョッパ制御し、単純にフラッシュランプを発光させるよりも長時間（概ね１０ミリ秒以上）かけてフラッシュランプを発光させる技術が特許文献２，３に提案されている。このような技術を用いることにより、半導体ウェハーの表面温度をやや緩やかに昇降温させることができ、より良好な不純物の活性化およびイオン注入時に不純物注入層よりも深い層に導入された欠陥の回復を実現することができる。なお、緩やかな昇降温とはいっても、単純にフラッシュランプを発光させるだけの超高速の昇降温に比較すればのことであり、従来のハロゲンランプアニール等に比較すれば非常に短時間での昇降温である。

特開２００５−９３７５０号公報 特開２００９−０７０９４８号公報 特開２００９−０９９７５８号公報

特許文献１に開示される技術は、１回のフラッシュ光照射の総エネルギー（熱量）を測定するものであった。フラッシュランプは、所定の電圧でコンデンサに充電された電荷をランプ電極間で放電させることによって発光する。従って、１回のフラッシュ光照射の総エネルギーは、コンデンサに蓄積された電荷が全て放電される条件であるならば、概ねコンデンサの容量とチャージ電圧とによって定まる。

ところが、特許文献２，３に開示されるような、ＩＧＢＴによってフラッシュランプに流れる電流をチョッパ制御する技術においては、フラッシュランプの発光強度の波形パターンを任意に調整することが可能である。例えば、強い光を短い時間（数ミリ秒）に放射させることもできるし、比較弱い光を長い時間（数１０ミリ秒）かけて放射させることもできる。フラッシュ光照射の総エネルギーが同じであったとしても、フラッシュ光の強度波形が異なると、半導体ウェハーの表面温度プロファイルも異なり、その結果最高到達温度も異なることとなる。このため、特許文献２，３に開示されるような光照射熱処理においては、特許文献１に開示される技術を用いてフラッシュ光のエネルギーから半導体ウェハーの表面温度を求めることはできなくなる。

また、ＩＧＢＴを用いたチョッパ制御を行わなかったとしても、フラッシュランプ間のバラツキ（例えば、電極間の距離、封入されているガス圧などの個体差）やフラッシュランプ自体の劣化によって、総エネルギーが同じであってもフラッシュランプから照射される光の強度波形は異なることがあった。このような場合にも、半導体ウェハーの表面到達温度が変動することとなり、フラッシュ光のエネルギーから正確な温度算出を行うことはできない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、発光強度の波形に関わらず、フラッシュ光が照射された基板の表面温度を求めることができる熱処理装置および熱処理方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、基板に対してフラッシュ光を照射することによって該基板を加熱する熱処理装置において、基板を収容するチャンバーと、前記チャンバー内にて基板を保持する保持手段と、ランプハウスに収容され、前記保持手段に保持された基板にフラッシュ光を照射するフラッシュランプと、前記フラッシュランプから照射されたフラッシュ光を受光するフォトダイオードと、前記フォトダイオードからの出力に基づいて、前記フラッシュランプからフラッシュ光が照射された基板の温度を算出する温度算出部と、を備え、前記フォトダイオードは、前記フラッシュランプから出射されて前記ランプハウスと前記チャンバーとの間から漏れるフラッシュ光の漏れ光を受光する位置に配置されることを特徴とする。

また、請求項２の発明は、請求項１の発明に係る熱処理装置において、前記温度算出部は、基板を厚さ方向に複数の領域に分割したときの当該複数の領域のそれぞれについて所定時間おきの温度を算出することを特徴とする。

また、請求項３の発明は、請求項２の発明に係る熱処理装置において、前記温度算出部は、前記複数の領域のそれぞれについて、第１の時刻における当該領域の温度および当該領域への熱の流出入に基づいて、第１の時刻から前記所定時間が経過した第２の時刻における当該領域の温度を算出することを特徴とする。

また、請求項４の発明は、請求項３の発明に係る熱処理装置において、前記温度算出部は、第１の時刻における各領域の温度での熱伝導率を用いて第２の時刻における当該領域の温度を算出することを特徴とする。

また、請求項５の発明は、請求項１から請求項４のいずれかの発明に係る熱処理装置において、前記フラッシュランプに流れる電流をチョッパ制御するスイッチング素子をさらに備えることを特徴とする。

また、請求項６の発明は、基板に対してフラッシュ光を照射することによって該基板を加熱する熱処理方法において、ランプハウスに収容されたフラッシュランプからチャンバー内の基板にフラッシュ光を照射する照射工程と、フラッシュランプから照射されたフラッシュ光をフォトダイオードにて受光し、前記フォトダイオードからの出力に基づいて、前記フラッシュランプからフラッシュ光が照射された基板の温度を算出する温度算出工程と、を備え、前記フォトダイオードは、前記フラッシュランプから出射されて前記ランプハウスと前記チャンバーとの間から漏れるフラッシュ光の漏れ光を受光する位置に配置されることを特徴とする。

また、請求項７の発明は、請求項６の発明に係る熱処理方法において、前記温度算出工程では、基板を厚さ方向に複数の領域に分割したときの当該複数の領域のそれぞれについて所定時間おきの温度を算出することを特徴とする。

また、請求項８の発明は、請求項７の発明に係る熱処理方法において、前記温度算出工程では、前記複数の領域のそれぞれについて、第１の時刻における当該領域の温度および当該領域への熱の流出入に基づいて、第１の時刻から前記所定時間が経過した第２の時刻における当該領域の温度を算出することを特徴とする。

また、請求項９の発明は、請求項８の発明に係る熱処理方法において、前記温度算出工程では、第１の時刻における各領域の温度での熱伝導率を用いて第２の時刻における当該領域の温度を算出することを特徴とする。

請求項１から請求項５の発明によれば、フラッシュランプから照射されたフラッシュ光を受光するフォトダイオードからの出力に基づいて、フラッシュ光が照射された基板の温度を算出するため、フォトダイオードの出力から得られたフラッシュ光強度に相当するデータを用いて基板の温度を算出することができ、発光強度の波形に関わらず、フラッシュ光が照射された基板の表面温度を求めることができる。

特に、請求項４の発明によれば、第１の時刻における各領域の温度での熱伝導率を用いて第２の時刻における当該領域の温度を算出するため、基板の表面温度をより正確に求めることができる。

また、請求項６から請求項９の発明によれば、フラッシュランプから照射されたフラッシュ光をフォトダイオードにて受光し、そのフォトダイオードからの出力に基づいて、フラッシュ光が照射された基板の温度を算出するため、フォトダイオードの出力から得られたフラッシュ光強度に相当するデータを用いて基板の温度を算出することができ、発光強度の波形に関わらず、フラッシュ光が照射された基板の表面温度を求めることができる。

特に、請求項９の発明によれば、第１の時刻における各領域の温度での熱伝導率を用いて第２の時刻における当該領域の温度を算出するため、基板の表面温度をより正確に求めることができる。

本発明に係る熱処理装置の構成を示す縦断面図である。 図１の熱処理装置のガス路を示す断面図である。 保持部の構成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。 図１の熱処理装置の構成を示す縦断面図である。 フラッシュランプの駆動回路を示す図である。 ランプハウスとチャンバーとの境界を拡大した図である。 温度算出部を含む周辺構成のブロック図である。 予備加熱が開始されてからの半導体ウェハーの表面温度の変化を示す図である。 パルス信号の波形の一例を示す図である。 フラッシュランプの発光強度の波形の一例を示す図である。 フラッシュ光照射による半導体ウェハーの温度変化を算出する手順を示すフローチャートである。 半導体ウェハーを複数の小領域に分割して各小領域の温度を算出する手法を説明するための図である。 半導体ウェハーの熱伝導率の温度依存性を示す図である。 半導体ウェハーの表面温度の時間プロファイルの一例を示す図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。

まず、本発明に係る熱処理装置の全体構成について概説する。図１は、本発明に係る熱処理装置１の構成を示す縦断面図である。熱処理装置１は基板として略円形の半導体ウェハーＷにフラッシュ光を照射してその半導体ウェハーＷを加熱するフラッシュランプアニール装置である。

熱処理装置１は、半導体ウェハーＷを収容する略円筒形状のチャンバー６と、複数のフラッシュランプＦＬを内蔵するランプハウス５と、を備える。また、熱処理装置１は、チャンバー６およびランプハウス５に設けられた各動作機構を制御して半導体ウェハーＷの熱処理を実行させる制御部３を備える。

チャンバー６は、ランプハウス５の下方に設けられており、略円筒状の内壁を有するチャンバー側部６３、および、チャンバー側部６３の下部を覆うチャンバー底部６２によって構成される。また、チャンバー側部６３およびチャンバー底部６２によって囲まれる空間が熱処理空間６５として規定される。熱処理空間６５の上方は上部開口６０とされており、上部開口６０にはチャンバー窓６１が装着されて閉塞されている。

チャンバー６の天井部を構成するチャンバー窓６１は、石英により形成された円板形状部材であり、ランプハウス５から出射された光を熱処理空間６５に透過する石英窓として機能する。チャンバー６の本体を構成するチャンバー底部６２およびチャンバー側部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、チャンバー側部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。

また、熱処理空間６５の気密性を維持するために、チャンバー窓６１とチャンバー側部６３とはＯリングによってシールされている。すなわち、チャンバー窓６１の下面周縁部とチャンバー側部６３との間にＯリングを挟み込むとともに、クランプリング９０をチャンバー窓６１の上面周縁部に当接させ、そのクランプリング９０をチャンバー側部６３にネジ止めすることによって、チャンバー窓６１をＯリングに押し付けている。

図７は、ランプハウス５とチャンバー６との境界を拡大した図である。ランプハウス５とチャンバー６との間には隙間が存在している。本実施形態においては、そのランプハウス５とチャンバー６との隙間に受光部２０を配置している。具体的には、チャンバー６の上側端部（クランプリング９０の上面）に受光部２０を設置している。

受光部２０はフォトダイオード２１（図８参照）を備えている。本実施形態においては、フラッシュランプＦＬから出射されるフラッシュ光の波長域と重なる測定波長域（概ね可視光域）のフォトダイオード２１を用いている。受光部２０には、フォトダイオード２１の測定波長域の光のみを透過するフィルタや集光のための光学レンズを設けるようにしても良い。

図７に示すように、受光部２０の設置位置にはフラッシュランプＦＬからの光が直接到達せず、フラッシュランプＦＬから出射されてランプハウス５とチャンバー６との間で矢印ＡＲ７に示す如く多重反射を繰り返した後の光が到達する。すなわち、フラッシュランプＦＬから出射されてランプハウス５からチャンバー６の内部に向かうフラッシュ光の漏れ光を受光する位置に受光部２０は配置されている。

図１に戻り、チャンバー底部６２には、保持部７を貫通して半導体ウェハーＷをその下面（ランプハウス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、チャンバー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。

チャンバー側部６３は、半導体ウェハーＷ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１８５により開閉可能とされる。チャンバー側部６３における搬送開口部６６とは反対側の部位には熱処理空間６５に処理ガス（例えば、窒素（Ｎ₂）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（Ｏ₂）ガス等）を導入する導入路８１が形成され、その一端は弁８２を介して図示省略の給気機構に接続され、他端はチャンバー側部６３の内部に形成されるガス導入バッファ８３に接続される。また、搬送開口部６６には熱処理空間６５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、チャンバー６をガス導入バッファ８３の位置にて水平面で切断した断面図である。図２に示すように、ガス導入バッファ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ー側部６３の内周の約１／３に亘って形成されており、導入路８１を介してガス導入バッファ８３に導かれた処理ガスは、複数のガス供給孔８４から熱処理空間６５内へと供給される。

また、熱処理装置１は、チャンバー６の内部において半導体ウェハーＷを水平姿勢にて保持しつつフラッシュ光照射前にその保持する半導体ウェハーＷの予備加熱を行う略円板状の保持部７と、保持部７をチャンバー６の底面であるチャンバー底部６２に対して昇降させる保持部昇降機構４と、を備える。図１に示す保持部昇降機構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、ボールネジ４５、ナット４６およびモータ４０を有する。チャンバー６の下部であるチャンバー底部６２には保持部７よりも小さい直径を有する略円形の下部開口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を挿通して、保持部７（厳密には保持部７のホットプレート７１）の下面に接続されて保持部７を支持する。

移動板４２にはボールネジ４５と螺合するナット４６が固定されている。また、移動板４２は、チャンバー底部６２に固定されて下方へと伸びるガイド部材４３により摺動自在に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を介してボールネジ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ネジ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に沿って鉛直方向に移動する。この結果、移動板４２に固定されたシャフト４１が鉛直方向に沿って移動し、シャフト４１に接続された保持部７が図１に示す半導体ウェハーＷの受渡位置と図５に示す半導体ウェハーＷの処理位置との間で滑らかに昇降する。

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がボールネジ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ようとしても、メカストッパ４５１の上端がボールネジ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がチャンバー窓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とチャンバー窓６１との衝突が防止される。

また、保持部昇降機構４は、チャンバー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ネジ４５を回転して保持部７の昇降を行うことができる。

チャンバー底部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ー底部６２の下面に接続される。一方、ベローズ４７の下端はベローズ下端板４７１に取り付けられている。べローズ下端板４７１は、鍔状部材４１１によってシャフト４１にネジ止めされて取り付けられている。保持部昇降機構４により保持部７がチャンバー底部６２に対して上昇する際にはベローズ４７が収縮され、下降する際にはべローズ４７が伸張される。そして、保持部７が昇降する際にも、ベローズ４７が伸縮することによって熱処理空間６５内の気密状態が維持される。

図３は、保持部７の構成を示す断面図である。保持部７は、半導体ウェハーＷを予備加熱（いわゆるアシスト加熱）するホットプレート（加熱プレート）７１、および、ホットプレート７１の上面（保持部７が半導体ウェハーＷを保持する側の面）に設置されるサセプタ７２を有する。保持部７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（あるいは、窒化アルミニウム（ＡＩＮ）等であってもよい）により形成され、その上面には半導体ウェハーＷ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、その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上に設置される。これにより、サセプタ７２は、ホットプレート７１からの熱エネルギーを拡散してサセプタ７２上面に載置された半導体ウェハーＷに伝達するとともに、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。

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にて構成される。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４は、ホットプレート７１を示す平面図である。図４に示すように、ホットプレート７１は、保持される半導体ウェハーＷと対向する領域の中央部に同心円状に配置される円板状のゾーン７１１および円環状のゾーン７１２、並びに、ゾーン７１２の周囲の略円環状の領域を周方向に４等分割した４つのゾーン７１３〜７１６を備え、各ゾーン間には若干の間隙が形成されている。また、ホットプレート７１には、支持ピン７０が挿通される３つの貫通孔７７が、ゾーン７１１とゾーン７１２との隙間の周上に１２０°毎に設けられる。

６つのゾーン７１１〜７１６のそれぞれには、相互に独立した抵抗加熱線７６が周回するように配設されてヒータが個別に形成されており、各ゾーンに内蔵されたヒータにより各ゾーンが個別に加熱される。保持部７に保持された半導体ウェハーＷは、６つのゾーン７１１〜７１６に内蔵されたヒータにより加熱される。また、ゾーン７１１〜７１６のそれぞれには、熱電対を用いて各ゾーンの温度を計測するセンサ７１０が設けられている。各センサ７１０は略円筒状のシャフト４１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６つのゾーン７１１〜７１６のそれぞれの温度が予め設定された所定の温度になるように、各ゾーンに配設された抵抗加熱線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による各ゾーンの温度制御はＰＩＤ(Proportional,Integral,Derivative)制御により行われる。ホットプレート７１では、半導体ウェハーＷの熱処理（複数の半導体ウェハーＷを連続的に処理する場合は、全ての半導体ウェハーＷの熱処理）が終了するまでゾーン７１１〜７１６のそれぞれの温度が継続的に計測され、各ゾーンに配設された抵抗加熱線７６への電力供給量が個別に制御されて、すなわち、各ゾーンに内蔵されたヒータの温度が個別に制御されて各ゾーンの温度が設定温度に維持される。なお、各ゾーンの設定温度は、基準となる温度から個別に設定されたオフセット値だけ変更することが可能とされる。

６つのゾーン７１１〜７１６にそれぞれ配設される抵抗加熱線７６は、シャフト４１の内部を通る電力線を介して電力供給源（図示省略）に接続されている。電力供給源から各ゾーンに至る経路途中において、電力供給源からの電力線は、マグネシア（マグネシウム酸化物）等の絶縁体を充填したステンレスチューブ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。

次に、ランプハウス５は、チャンバー６とは別体に設けられている。ランプハウス５は、筐体５１の内側に、複数本（本実施形態では３０本）のキセノンフラッシュランプＦＬからなる光源と、その光源の上方を覆うように設けられたリフレクタ５２と、を備えて構成される。また、ランプハウス５の筐体５１の底部にはランプ光放射窓５３が装着されている。ランプハウス５の床部を構成するランプ光放射窓５３は、石英により形成された板状部材である。ランプハウス５がチャンバー６の上方に設置されることにより、ランプ光放射窓５３がチャンバー窓６１と相対向することとなる。ランプハウス５は、チャンバー６内にて保持部７に保持される半導体ウェハーＷにランプ光放射窓５３およびチャンバー窓６１を介してフラッシュランプＦＬからフラッシュ光を照射することにより半導体ウェハーＷを加熱する。また、上述の通り、ランプハウス５とチャンバー６との隙間に受光部２０が設置されている。

複数のフラッシュランプＦＬ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が保持部７に保持される半導体ウェハーＷの主面に沿って（つまり水平方向に沿って）互いに平行となるように平面状に配列されている。よって、フラッシュランプＦＬの配列によって形成される平面も水平面である。

図６は、フラッシュランプＦＬの駆動回路を示す図である。同図に示すように、コンデンサ９３と、コイル９４と、フラッシュランプＦＬと、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）９６とが直列に接続されている。また、図６に示すように、制御部３は、パルス発生器３１およびパルス設定部３２を備えるとともに、入力部３３に接続されている。入力部３３としては、キーボード、マウス、タッチパネル等の種々の公知の入力機器を採用することができる。入力部３３からの入力内容に基づいてパルス設定部３２がパルス信号の波形を設定し、その波形に従ってパルス発生器３１がパルス信号を発生する。

フラッシュランプＦＬは、その内部にキセノンガスが封入されその両端部に陽極および陰極が配設された棒状のガラス管（放電管）９２と、該ガラス管９２の外周面上に付設されたトリガー電極９１とを備える。コンデンサ９３には、電源ユニット９５によって所定の電圧が印加され、その印加電圧に応じた電荷が充電される。また、トリガー電極９１にはトリガー回路９７から高電圧を印加することができる。トリガー回路９７がトリガー電極９１に電圧を印加するタイミングは制御部３によって制御される。

ＩＧＢＴ９６は、ゲート部にＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field effect transistor）を組み込んだバイポーラトランジスタであり、大電力を取り扱うのに適したスイッチング素子である。ＩＧＢＴ９６のゲートには制御部３のパルス発生器３１からパルス信号が印加される。ＩＧＢＴ９６のゲートに所定値以上の電圧（Hiの電圧）が印加されるとＩＧＢＴ９６がオン状態となり、所定値未満の電圧（Lowの電圧）が印加されるとＩＧＢＴ９６がオフ状態となる。このようにして、フラッシュランプＦＬを含む駆動回路はＩＧＢＴ９６によってオンオフされる。ＩＧＢＴ９６がオンオフすることによってフラッシュランプＦＬと対応するコンデンサ９３との接続が断続される。

コンデンサ９３が充電された状態でＩＧＢＴ９６がオン状態となってガラス管９２の両端電極に高電圧が印加されたとしても、キセノンガスは電気的には絶縁体であることから、通常の状態ではガラス管９２内に電気は流れない。しかしながら、トリガー回路９７がトリガー電極９１に高電圧を印加して絶縁を破壊した場合には両端電極間の放電によってガラス管９２内に電流が瞬時に流れ、そのときのキセノンの原子あるいは分子の励起によって光が放出される。

図１のリフレクタ５２は、複数のフラッシュランプＦＬの上方にそれら全体を覆うように設けられている。リフレクタ５２の基本的な機能は、複数のフラッシュランプＦＬから出射された光を保持部７の側に反射するというものである。リフレクタ５２はアルミニウム合金板にて形成されており、その表面（フラッシュランプＦＬに臨む側の面）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。このような粗面化加工を施しているのは、リフレクタ５２の表面が完全な鏡面であると、複数のフラッシュランプＦＬからの反射光の強度に規則パターンが生じて半導体ウェハーＷの表面温度分布の均一性が低下するためである。

制御部３は、熱処理装置１に設けられた上記の種々の動作機構を制御する。制御部３のハードウェアとしての構成は一般的なコンピュータと同様である。すなわち、制御部３は、各種演算処理を行うＣＰＵ、基本プログラムを記憶する読み出し専用のメモリであるＲＯＭ、各種情報を記憶する読み書き自在のメモリであるＲＡＭおよび制御用ソフトウェアやデータなどを記憶しておく磁気ディスクを備えて構成される。また、制御部３は、パルス発生器３１およびパルス設定部３２を備えるとともに、入力部３３に接続されている。上述のように、入力部３３からの入力内容に基づいて、パルス設定部３２がパルス信号の波形を設定し、それに従ってパルス発生器３１がＩＧＢＴ９６のゲートにパルス信号を出力する。

本実施形態の熱処理装置１には、制御部３とは別のコンピュータシステムによって温度算出部２４が構成されている。図８は、温度算出部２４を含む周辺構成のブロック図である。上述した受光部２０に備えられたフォトダイオード２１は、光起電力効果によって受光した光の強度に応じた光電流を発生する。フォトダイオード２１は応答時間が極めて短いという特性を有する。電流電圧変換回路２２は、フォトダイオード２１にて発生した微弱な電流を取り扱いの容易な電圧の信号に変換する回路である。電流電圧変換回路２２は、例えばオペアンプを用いて構成することができる。

増幅回路２３は、電流電圧変換回路２２から出力された電圧信号を増幅して温度算出部２４の高速Ａ／Ｄコンバータ２５に出力する。高速Ａ／Ｄコンバータ２５は、増幅回路２３によって増幅された電圧信号をデジタル信号に変換する。温度算出部２４のＣＰＵ２６は、予め設定された処理プログラムを実行することによって、高速Ａ／Ｄコンバータ２５から出力されたデジタル信号を所定間隔でサンプリングしてメモリ２７に順次格納するとともに、その格納したデータから半導体ウェハーＷの温度を算出する。この処理内容については、後にさらに詳述する。

温度算出部２４はワンチップマイコンにて構成するようにしても良い。ワンチップマイコンは、マイクロコンピュータの一種であり、一般的には１つのＩＣチップ上にＣＰＵ、メモリ、タイマなどを搭載した処理装置である。本実施形態の温度算出部２４をワンチップマイコンにて構成するのであれば、ＩＣチップにはＣＰＵ２６、メモリ２７の他に高速Ａ／Ｄコンバータ２５も内蔵される。ワンチップマイコンは、汎用処理を行うことはできないが、特定の処理を高速で行うことができる。このため、ワンチップマイコンにて構成された温度算出部２４は、汎用処理が可能な制御部３よりも顕著に短いサンプリング間隔にてフォトダイオード２１からの出力信号をサンプリングすることができる。

また、温度算出部２４は制御部３と通信回線を介して接続されるとともに、表示部２８とも接続されている。表示部２８は、例えば液晶ディスプレイ等を用いて構成されており、温度算出部２４による算出結果を表示する。なお、温度算出部２４と制御部３とを接続する通信回線は、シリアル通信であっても良いし、パラレル通信であっても良い。

上記の構成以外にも熱処理装置１は、半導体ウェハーＷの熱処理時にフラッシュランプＦＬ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ー６およびランプハウス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を備えている。例えば、チャンバー６のチャンバー側部６３およびチャンバー底部６２には水冷管（図示省略）が設けられている。また、ランプハウス５は、内部に気体流を形成して排熱するための気体供給管５５および排気管５６が設けられて空冷構造とされている（図１，５参照）。また、チャンバー窓６１とランプ光放射窓５３との間隙にも空気が供給され、ランプハウス５およびチャンバー窓６１を冷却する。

次に、上記の構成を有する熱処理装置１の動作について説明する。本明細書では、まず、半導体ウェハーＷに対するフラッシュ光照射加熱処理の全体の手順について簡単に説明した後、半導体ウェハーＷの温度算出処理について説明する。ここで処理対象となる半導体ウェハーＷはイオン注入法により不純物（イオン）が添加された半導体基板である。その不純物の活性化が熱処理装置１によるフラッシュ光照射加熱処理（アニール）により実行される。以下に説明する熱処理装置１の処理手順は、制御部３が熱処理装置１の各動作機構を制御することにより進行する。

まず、保持部７が図５に示す処理位置から図１に示す受渡位置に下降する。「処理位置」とは、フラッシュランプＦＬから半導体ウェハーＷに光照射が行われるときの保持部７の位置であり、図５に示す保持部７のチャンバー６内における位置である。また、「受渡位置」とは、チャンバー６に半導体ウェハーＷの搬出入が行われるときの保持部７の位置であり、図１に示す保持部７のチャンバー６内における位置である。熱処理装置１における保持部７の基準位置は処理位置であり、処理前にあっては保持部７は処理位置に位置しており、これが処理開始に際して受渡位置に下降するのである。図１に示すように、保持部７が受渡位置にまで下降するとチャンバー底部６２に近接し、支持ピン７０の先端が保持部７を貫通して保持部７の上方に突出する。

次に、保持部７が受渡位置に下降したときに、弁８２および弁８７が開かれてチャンバー６の熱処理空間６５内に常温の窒素ガスが導入される。続いて、ゲートバルブ１８５が開いて搬送開口部６６が開放され、装置外部の搬送ロボットにより搬送開口部６６を介して半導体ウェハーＷがチャンバー６内に搬入され、複数の支持ピン７０上に載置される。

半導体ウェハーＷの搬入時におけるチャンバー６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ー６内においてガス導入バッファ８３から図２中に示す矢印ＡＲ４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、チャンバー６に供給された窒素ガスの一部は、べローズ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、チャンバー６には常に窒素ガスが供給および排気され続けており、窒素ガスの供給量は半導体ウェハーＷの処理工程に合わせて様々に変更される。

半導体ウェハーＷがチャンバー６内に搬入されると、ゲートバルブ１８５により搬送開口部６６が閉鎖される。そして、保持部昇降機構４により保持部７が受渡位置からチャンバー窓６１に近接した処理位置にまで上昇する。保持部７が受渡位置から上昇する過程において、半導体ウェハーＷ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の上面に載置・保持される。保持部７が処理位置にまで上昇するとサセプタ７２に保持された半導体ウェハーＷも処理位置に保持されることとなる。

ホットプレート７１の６つのゾーン７１１〜７１６のそれぞれは、各ゾーンの内部（上部プレート７３と下部プレート７４との間）に個別に内蔵されたヒータ（抵抗加熱線７６）により所定の温度まで加熱されている。保持部７が処理位置まで上昇して半導体ウェハーＷが保持部７と接触することにより、その半導体ウェハーＷはホットプレート７１に内蔵されたヒータによって予備加熱されて温度が次第に上昇する。

図９は、予備加熱が開始されてからの半導体ウェハーＷの表面温度の変化を示す図である。処理位置にて時間ｔｐの予備加熱が行われ、半導体ウェハーＷの温度が予め設定された予備加熱温度Ｔ１まで上昇する。予備加熱温度Ｔ１は、半導体ウェハーＷ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８００℃程度、好ましくは３５０℃ないし６００℃程度とされる（本実施の形態では５００℃）。また、半導体ウェハーＷの予備加熱を行う時間ｔｐは、約３秒〜２００秒とされる（本実施の形態では６０秒）。なお、保持部７とチャンバー窓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。

時間ｔｐの予備加熱時間が経過した後、時刻Ａにて保持部７が処理位置に位置したままフラッシュランプＦＬによる半導体ウェハーＷのフラッシュ光照射加熱が開始される。フラッシュランプＦＬからの光照射を行うに際しては、予め電源ユニット９５によってコンデンサ９３に電荷を蓄積しておく。そして、コンデンサ９３に電荷が蓄積された状態にて、制御部３のパルス発生器３１からＩＧＢＴ９６にパルス信号を出力する。

図１０は、パルス信号の波形の一例を示す図である。パルス信号の波形は、パルス幅の時間（オン時間）とパルス間隔の時間（オフ時間）とをパラメータとして順次設定したレシピを入力部３３から入力することによって規定することができる。このようなパラメータを記述したレシピをオペレータが入力部３３から制御部３に入力すると、それに従って制御部３のパルス設定部３２は図１０に示すようなオンオフを繰り返すパルス波形を設定する。そして、パルス設定部３２によって設定されたパルス波形に従ってパルス発生器３１がパルス信号を出力する。その結果、ＩＧＢＴ９６のゲートには図１０のような波形のパルス信号が印加され、ＩＧＢＴ９６のオンオフ駆動が制御されることとなる。

また、パルス発生器３１から出力するパルス信号がオンになるタイミングと同期して制御部３がトリガー回路９７を制御してトリガー電極９１に高電圧を印加する。これにより、ＩＧＢＴ９６のゲートに入力されるパルス信号がオンのときにはガラス管９２内の両端電極間で必ず電流が流れ、そのときのキセノンの原子あるいは分子の励起によって光が放出される。制御部３からＩＧＢＴ９６のゲートに図１０の波形のパルス信号を出力するとともに、該パルス信号がオンになるタイミングと同期してトリガー電極９１にトリガー電圧を印加することにより、フラッシュランプＦＬを含む回路中にのこぎり波形の電流が流れる。すなわち、ＩＧＢＴ９６のゲートに入力されるパルス信号がオンのときにはフラッシュランプＦＬのガラス管９２内に流れる電流値が増加し、オフのときには電流値が減少する。なお、各パルスに対応する個々の電流波形はコイル９４の定数によって規定される。

フラッシュランプＦＬを含む回路中に電流が流れることによってフラッシュランプＦＬが発光する。フラッシュランプＦＬの発光強度は、フラッシュランプＦＬに流れる電流にほぼ比例する。その結果、フラッシュランプＦＬの発光強度の時間波形（時間プロファイル）は図１１に示すようなパターンとなる。図１１に示す如きフラッシュランプＦＬからの強度波形にて、処理位置の保持部７に保持された半導体ウェハーＷに光照射が行われる。

ここで、ＩＧＢＴ９６などのスイッチング素子を使用することなくフラッシュランプＦＬを発光させた場合には、コンデンサ９３に蓄積されていた電荷が１回の発光で瞬時に消費される。このため、フラッシュランプＦＬの発光強度の波形は急激に立ち上がって急激に降下する幅が０．１ミリ秒ないし１０ミリ秒程度のシングルパルスとなる。

これに対して、本実施の形態のように、回路中にＩＧＢＴ９６を接続してそのゲートに図１０のようなパルス信号を出力することにより、当該回路がＩＧＢＴ９６によって断続的にオンオフされ、コンデンサ９３からフラッシュランプＦＬに流れる電流がチョッパ制御される。その結果、いわばフラッシュランプＦＬの発光がチョッパ制御されることとなり、コンデンサ９３に蓄積された電荷はフラッシュランプＦＬにて断続的に放電されて分割して消費され、極めて短い時間の間にフラッシュランプＦＬが点滅を繰り返す。もっとも、フラッシュランプＦＬに流れる電流値が完全に”０”になる前に次のパルスがＩＧＢＴ９６のゲートに印加されて電流値が再度増加する。このため、フラッシュランプＦＬが点滅を繰り返している間も発光強度が完全に”０”になることはなく、細かな増減を繰り返しながらマクロにはフラッシュランプＦＬの発光強度は図１１に示すようなパターンを描く。

フラッシュランプＦＬの発光強度の時間プロファイルは、図１１のパターンに限定されるものではなく、ＩＧＢＴ９６のゲートに印加するパルス信号の波形を調整することによって適宜に変更することができる。発光強度の時間プロファイルは、フラッシュ加熱処理の目的（例えば、注入された不純物の活性化、不純物注入時に導入された結晶欠陥の回復処理など）に応じて決定すれば良い。但し、フラッシュランプＦＬの発光強度の時間プロファイルが如何なる形態であったとしても、１回の加熱処理におけるフラッシュランプＦＬの総発光時間は１秒以下である。なお、パルス信号の波形は、入力部３３から入力するパルス幅の時間およびパルス間隔の時間によって調整することができる。

図１１に示すような強度波形にてフラッシュランプＦＬからフラッシュ光照射を行うことによって、半導体ウェハーＷの表面温度が予備加熱温度Ｔ１から目標とする処理温度Ｔ２にまで緩やかに昇温してから緩やかに降温する。もっとも、半導体ウェハーＷの表面温度が緩やかに昇温してから緩やかに降温するとは言っても、それは従来のフラッシュランプアニールに比較すればのことであり、フラッシュランプＦＬの発光時間は１秒以下であるため、ハロゲンランプなどを用いた光照射加熱と比較すると著しく短時間での昇温・降温である。

フラッシュランプＦＬによるフラッシュ光照射加熱が終了した後、半導体ウェハーＷが処理位置において約１０秒間待機してから保持部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、半導体ウェハーＷ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１８５により閉鎖されていた搬送開口部６６が開放され、支持ピン７０上に載置された半導体ウェハーＷは装置外部の搬送ロボットにより搬出され、熱処理装置１における半導体ウェハーＷのフラッシュ光照射熱処理が完了する。

既述のように、熱処理装置１における半導体ウェハーＷの熱処理時には窒素ガスがチャンバー６に継続的に供給されており、その供給量は、保持部７が処理位置に位置するときには約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約４０リットル／分とされる。

続いて、上述のようなフラッシュ光照射加熱処理における、半導体ウェハーＷの温度算出処理について説明する。図１２は、フラッシュ光照射による半導体ウェハーＷの温度変化を算出する手順を示すフローチャートである。図１２に示す処理手順は、温度算出部２４のＣＰＵ２６が所定の処理プログラムを実行することによって進行するものである。

まず、上記のようにしてフラッシュランプＦＬが発光したときに、フラッシュ光の一部はランプハウス５とチャンバー６との間で多重反射を繰り返した後に受光部２０のフォトダイオード２１に入射する。すなわち、フォトダイオード２１は、フラッシュランプＦＬから出射されてランプハウス５からチャンバー６の内部に向かうフラッシュ光の漏れ光を受光する。なお、フラッシュランプＦＬの発光はＩＧＢＴ９６によってチョッパ制御されているため、その発光強度の波形は図１１に示したようなものとなり、漏れ光であっても同じ波形である。

フォトダイオード２１は、入射したフラッシュ光の強度に応じた光電流を発生する。フォトダイオード２１は応答時間が極めて短いため、短時間の間に強度が劇的に変化するフラッシュ光にも追随することができる。フォトダイオード２１にて発生した電流は電流電圧変換回路２２によって取り扱いの容易な電圧信号に変換される。電流電圧変換回路２２から出力された電圧信号は、増幅回路２３によって増幅された後、温度算出部２４の高速Ａ／Ｄコンバータ２５によってコンピュータが取り扱うのに適したデジタル信号に変換される。

ここで、温度算出部２４への入力電圧が所定の閾値以上となった時点で電圧データの測定が開始される（ステップＳ１）。フラッシュランプＦＬが発光していない状態であっても、フォトダイオード２１は極めて微弱な電流を発生させており、そのような電流に起因した電圧信号をデータとして取得するのを防ぐためにステップＳ１の閾値判定処理を行う。すなわち、フラッシュランプＦＬが発光を開始してフォトダイオード２１に入射する光の強度が急激に上昇し、温度算出部２４への入力電圧が所定の閾値以上となった時点からステップＳ２に進んで電圧データの格納が開始される。なお、本実施形態においては、フォトダイオード２１はフラッシュランプＦＬから出射されたフラッシュ光を直接受光せずに漏れ光を受光しているのであるが、フラッシュ光の強度は非常に大きいため、漏れ光であっても温度算出部２４への入力電圧は非照射時に比較して十分に大きなものとなる。また、ステップＳ１の判定は、例えば制御部３のパルス発生器３１からパルス信号を出力するタイミングと同期して測定を開始するようにしても良いし、トリガー回路９７がトリガー電極９１に電圧を印加するタイミングと同期して測定を開始するようにしても良い。

ステップＳ２においては、高速Ａ／Ｄコンバータ２５から出力されたデジタル信号のレベルを温度算出部２４のＣＰＵ２６が電圧データとしてメモリ２７に格納する。こうして１つのデータのサンプリングを行った後、ステップＳ３に進んで予め設定されている一定のサンプリングタイムが経過するまで待機する。ステップＳ３でのサンプリングタイムはサンプリングを行う間隔であり、温度算出部２４のハードウェアとして許容可能な範囲内で任意の時間を設定することができるが、短いほど後述の温度算出精度も高くなるため好ましい。本実施形態ではサンプリングタイムは５０マイクロ秒に設定されている。

次に、ステップＳ４に進んで、電圧データの測定を終了するか否かがＣＰＵ２６によって判定される。この判定は、予め設定されたデータ取得時間が測定開始時点から経過したか否かを判定することによって行えば良い。データ取得時間は、入力部３３から入力するパルス信号の波形に応じた適宜のものとすることができる。また、時間による判定に代えて、温度算出部２４への入力電圧が所定の閾値未満となったときに測定を終了するようにしても良い。もっとも、入力部３３から入力するパルス信号の波形によっては、一旦フラッシュ光の強度がゼロに近くなってから再度大きくなるようなパターンもあり得るため、予め設定されたデータ取得時間が経過したか否かによって判定する方が確実なサンプリングを行うことができる。

電圧データの測定を終了しない場合には、ステップＳ２に戻って再びその時点でのデジタル信号のレベルをメモリ２７に格納する。このようにして、ステップＳ２，Ｓ３の処理、すなわち一定サンプリングタイムごとのデータサンプリングを測定終了と判断されるまで繰り返す。温度算出部２４のＣＰＵ２６は、高速Ａ／Ｄコンバータ２５から出力されたデジタル信号のレベルを一定の間隔で所定時間サンプリングを繰り返して、そのサンプリングしたデータをサンプリング時刻とともに順次メモリ２７に記憶する。

このようにしてフォトダイオード２１の出力からフラッシュ光の強度（厳密には、フラッシュ光強度に対応する電圧データ）が測定されて取得される。一定時間間隔でサンプリングを繰り返して順次メモリ２７に記憶した電圧データはフラッシュ光の強度の時間波形と同様の波形を構成する。すなわち、メモリ２７に格納された電圧データをサンプリング時刻に沿って時系列にプロットすると、図１１に示したフラッシュ光の強度の時間波形（時間プロファイル）と同様の波形が描かれることとなる。

一方、フラッシュ光強度の測定を終了する場合には、続いて温度算出部２４のＣＰＵ２６がステップＳ５の温度算出処理を実行する。本実施形態において、フォトダイオード２１の出力から得られた電圧データに基づいて半導体ウェハーＷの温度を算出する際には、半導体ウェハーＷを厚さ方向（法線方向）に沿って複数の小領域（要素）に分割し、それら複数の小領域のそれぞれについて所定時間おきの温度を演算によって求めている（いわゆる有限要素解析）。

図１３は、半導体ウェハーＷを複数の小領域に分割して各小領域の温度を算出する手法を説明するための図である。本実施形態においては、半導体ウェハーＷの任意のエリアを厚さ方向に沿って１６個の小領域ＥＢ（１）〜ＥＢ（１６）に分割している。ここでは、半導体ウェハーＷの表面（フラッシュ光が照射される面）から裏面に向けて小領域ＥＢ（１），ＥＢ（２），ＥＢ（３）・・・ＥＢ（１４），ＥＢ（１５），ＥＢ（１６）の順に並んでいるものとする。シリコンの半導体ウェハーＷの厚さが約０．８ｍｍであるため、各小領域ＥＢの厚さは約５０μｍである。なお、複数に分割した小領域を特に区別しない場合には単に小領域ＥＢと表記する。また、小領域ＥＢの分割数が１６個に限定されるものでないことは勿論であり、複数の小領域ＥＢに分割する形態であれば良い。

フラッシュランプＦＬからフラッシュ光が照射される前に、半導体ウェハーＷはホットプレート７１によって予備加熱温度Ｔ１に加熱されている。予備加熱の段階では、半導体ウェハーＷの全体が均一に加熱されている。このため、フラッシュ光が照射される直前における１６個の小領域ＥＢ（１）〜ＥＢ（１６）の温度は全て予備加熱温度Ｔ１であり、これが初期値となる。

次に、ステップＳ１〜ステップＳ４にてサンプリングされた電圧データに基づいて、温度算出部２４が１６個の小領域ＥＢ（１）〜ＥＢ（１６）のそれぞれの温度をサンプリング時刻ごとに算出する。本実施形態では、１次元熱伝導方程式の差分近似式を用いて１６個の小領域ＥＢ（１）〜ＥＢ（１６）の温度をサンプリング時刻ごとに順次算出する。すなわち、１６個の小領域ＥＢ（１）〜ＥＢ（１６）のそれぞれについて、あるサンプリング時刻（第１の時刻）ｔ_mにおける当該小領域ＥＢの温度および当該小領域ＥＢへの熱の流出入に基づいて、次のサンプリング時刻（第２の時刻）ｔ_m+1における当該小領域ＥＢの温度を算出する。第２のサンプリング時刻ｔ_m+1は、第１のサンプリング時刻ｔ_mからサンプリングタイム（本実施形態では５０マイクロ秒）だけ経過した時刻である。

小領域ＥＢへの熱の流出入に関し、最も表面側の小領域ＥＢ（１）については、フラッシュ光照射によって発生した熱が流入するとともに、下側に隣接する小領域ＥＢ（２）に向けて熱が流れ出る。一方、最も裏面側の小領域ＥＢ（１６）については、上側に隣接する小領域ＥＢ（１５）から熱が流入する。それ以外の小領域ＥＢ（ｎ）については（但し、ｎは２から１５の整数）、上側に隣接するＥＢ（ｎ−１）から熱が流入するとともに、下側に隣接するＥＢ（ｎ＋１）に向けて熱が流出する。

フラッシュ光照射によって半導体ウェハーＷの表面に発生する熱量、つまり小領域ＥＢ（１）に流入する熱量は、ステップＳ１〜ステップＳ４にて取得した電圧データから求められる。隣接する小領域ＥＢ間で移動する熱量は、それらの小領域ＥＢ間に存在する温度勾配から求められる。この演算を行う際には、半導体ウェハーＷの密度、比熱、および、熱伝導率が必要となる。半導体ウェハーＷの密度および比熱については既知の定数を用いる。

一方、熱伝導率については、図１４に示すような温度依存性が存在している。すなわち、半導体ウェハーＷの温度が高くなるほど、熱伝導率は小さくなる。このため、本実施形態では半導体ウェハーＷの温度に応じた熱伝導率を用いている。具体的には、図１４に示すような相関関係をテーブルとしてメモリ２７に保持し、第１のサンプリング時刻ｔ_mにおける各小領域ＥＢの温度での熱伝導率をそのテーブルから求める。そして、求めた熱伝導率を用いて当該小領域ＥＢに隣接する小領域に流出入する熱量を算出し、第２のサンプリング時刻ｔ_m+1における当該小領域ＥＢの温度を算出する。

上記の演算処理において、半導体ウェハーＷの面方向については均一な温度であるため、見かけ上の熱の流出入は存在しない。このため、半導体ウェハーＷの面方向に沿った熱の移動は考慮しなくとも良い。また、上述の通り、１６個の小領域ＥＢ（１）〜ＥＢ（１６）の温度の初期値は予備加熱温度Ｔ１である。

以上のようにして、１６個の小領域ＥＢ（１）〜ＥＢ（１６）のそれぞれの温度がサンプリング時刻ごとに算出される。温度算出部２４のＣＰＵ２６は、算出した温度をメモリ２７に格納する。そして、温度算出部２４のＣＰＵ２６は、メモリ２７に格納されている温度データより最も表面側の小領域ＥＢ（１）についてのデータのみを抽出し、それらをサンプリング時刻に沿って時系列にプロットすることにより、半導体ウェハーＷの表面温度の時間プロファイルを作成する（ステップＳ６）。図１５に、このようして作成された半導体ウェハーＷの表面温度の時間プロファイルの一例を示す。温度算出部２４は、必要に応じて、作成した図１５の如き表面温度の時間プロファイルを表示部２８に表示する。

本実施形態においては、フラッシュ光照射加熱処理時にフラッシュランプＦＬから照射されたフラッシュ光を応答性に優れたフォトダイオード２１によって受光し、そのフォトダイオード２１の出力から得られた電圧データでもってフラッシュ光強度の時間波形を取得している。そして、その取得したデータを用いての熱伝導シミュレーションにより、フラッシュランプＦＬからフラッシュ光が照射された半導体ウェハーＷの温度を算出している。

このようにすれば、フラッシュ光照射の総エネルギーが同じでフラッシュ光強度の時間波形が異なるような場合であっても、フォトダイオード２１の出力から得られたフラッシュ光強度に相当するデータを用いて半導体ウェハーＷの温度を演算によって求めているため、フラッシュ光強度の時間波形に応じた温度算出を行うことができる。従って、フラッシュランプＦＬの発光強度の波形に関わらず、フラッシュ光が照射された半導体ウェハーＷの表面温度を求めることができる。

また、半導体ウェハーＷの温度を演算によって求めるに際し、半導体ウェハーＷを厚さ方向に沿って複数の小領域ＥＢに分割し、それら複数の小領域ＥＢのそれぞれについてサンプリングタイムおきの温度を算出している。すなわち、半導体ウェハーＷを厚さ方向に沿って有限要素で離散化し、時間方向については差分法を用いて演算処理を行っている。そして、この演算処理には、熱伝導率の温度依存性も考慮しているため、フラッシュ光が照射された半導体ウェハーＷの温度をより正確に算出することができる。

さらに、本実施形態においては、フォトダイオード２１を備えた受光部２０をランプハウス５からチャンバー６の内部に向かうフラッシュ光の漏れ光を受光する位置に設置している。このため、フラッシュランプＦＬから直接フラッシュ光がフォトダイオード２１に照射されることはなく、フォトダイオード２１および温度算出部２４を含む測定回路を保護することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、この発明はその趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記実施形態においては、ランプハウス５とチャンバー６との隙間に受光部２０を設置していたが、受光部２０の設置位置はこれに限定されるものではなく、フラッシュ光の漏れ光を受光できる位置であれば良い。例えば、受光部２０をランプハウス５およびチャンバー６の外部に設置するようにしても良いし、チャンバー６の内部であってもフラッシュ光が直接には到達しない位置に設けるようにしても良い。また、フラッシュランプＦＬから出射されたフラッシュ光の漏れ光を受光できる位置に石英部材（例えば、石英ロッド）を設置し、その石英部材に入射した光を光ファイバーなどによってフォトダイオード２１に導くようにしても良い。

また、上記実施形態においては、半導体ウェハーＷを厚さ方向に沿って有限要素で離散化し、時間方向については差分法を用いて温度算出処理を行うようにしていたが、温度算出のための演算処理はこれに限定されるものではなく、積分法などの他の手法を用いるようにしても良い。

また、上記実施形態においては、フラッシュランプＦＬの駆動回路にＩＧＢＴ９６を組み込んでフラッシュランプＦＬを流れる電流をチョッパ制御するようにしていたが、ＩＧＢＴ９６を組み込んでいない駆動回路であっても本発明に係る技術を適用することができる。すなわち、通電がチョッパ制御されていないフラッシュランプＦＬから照射されたフラッシュ光をフォトダイオード２１によって受光し、そのフォトダイオード２１の出力から得られた電圧データを用いて半導体ウェハーＷの温度を算出するようにしても良い。

また、上記実施形態においては、スイッチング素子としてＩＧＢＴ９６を用いていたが、これに代えてゲートに入力された信号レベルに応じて回路をオンオフできる他のトランジスタを用いるようにしても良い。もっとも、フラッシュランプＦＬの発光には相当に大きな電力が消費されるため、大電力の取り扱いに適したＩＧＢＴやＧＴＯ(Gate Turn Off)サイリスタを採用するのが好ましい。

また、上記実施形態においては、ランプハウス５に３０本のフラッシュランプＦＬを備えるようにしていたが、これに限定されるものではなく、フラッシュランプＦＬの本数は任意の数とすることができる（１本でも良い）。また、フラッシュランプＦＬはキセノンフラッシュランプに限定されるものではなく、クリプトンフラッシュランプであっても良い。さらに、加熱源となる光源はフラッシュランプに限らず、他の種類のランプであっても本発明に係る技術を適用して半導体ウェハーＷの温度を算定することができる。

また、ＩＧＢＴ９６のゲートに出力するパルス信号の波形の設定は、入力部３３から逐一パルス幅やパルス間隔等のパラメータを入力することに限定されるものではなく、例えば、オペレータが入力部３３から波形を直接グラフィカルに入力するようにしても良いし、以前に設定されて磁気ディスク等の記憶部に記憶されていた波形を読み出すようにしても良いし、或いは熱処理装置１の外部からダウンロードするようにしても良い。

また、上記実施形態においては、温度算出部２４がフォトダイオード２１からの出力をサンプリングするとともに半導体ウェハーＷの温度算出も行っていたが、温度算出の演算については事後的に行う処理であるため、制御部３によって行うようにしても良い。但し、サンプリングについては、高速処理が求められるため、温度算出部２４にて行う方が好ましい。

また、上記実施形態においては、ホットプレート７１に載置することによって半導体ウェハーＷを予備加熱するようにしていたが、予備加熱の手法はこれに限定されるものではなく、ハロゲンランプを設けて光照射によって半導体ウェハーＷを予備加熱温度Ｔ１にまで予備加熱するようにしても良い。但し、この場合、フラッシュ光照射時に、ハロゲンランプの光が外乱光とならないように、ハロゲンランプから受光部２０に至る光路を遮光しておくのが好ましい。

また、本発明に係る熱処理技術によって処理対象となる基板は半導体ウェハーに限定されるものではなく、液晶表示装置などに用いるガラス基板や太陽電池用の基板であっても良い。また、本発明に係る技術は、金属とシリコンとの接合、或いはポリシリコンの結晶化に適用するようにしても良い。

１ 熱処理装置
３ 制御部
４ 保持部昇降機構
５ ランプハウス
６ チャンバー
７ 保持部
２０ 受光部
２１ フォトダイオード
２２ 電流電圧変換回路
２３ 増幅回路
２４ 温度算出部
２５ 高速Ａ／Ｄコンバータ
２６ ＣＰＵ
２７ メモリ
２８ 表示部
３１ パルス発生器
３２ パルス設定部
３３ 入力部
６０ 上部開口
６１ チャンバー窓
６５ 熱処理空間
７０ 支持ピン
７１ ホットプレート
７２ サセプタ
９６ ＩＧＢＴ
ＥＢ 小領域
ＦＬ フラッシュランプ
Ｗ 半導体ウェハー

Claims (9)

1. 基板に対してフラッシュ光を照射することによって該基板を加熱する熱処理装置であって、
   基板を収容するチャンバーと、
   前記チャンバー内にて基板を保持する保持手段と、
   ランプハウスに収容され、前記保持手段に保持された基板にフラッシュ光を照射するフラッシュランプと、
   前記フラッシュランプから照射されたフラッシュ光を受光するフォトダイオードと、
   前記フォトダイオードからの出力に基づいて、前記フラッシュランプからフラッシュ光が照射された基板の温度を算出する温度算出部と、
   を備え、
   前記フォトダイオードは、前記フラッシュランプから出射されて前記ランプハウスと前記チャンバーとの間から漏れるフラッシュ光の漏れ光を受光する位置に配置されることを特徴とする熱処理装置。
2. 請求項１記載の熱処理装置において、
   前記温度算出部は、基板を厚さ方向に複数の領域に分割したときの当該複数の領域のそれぞれについて所定時間おきの温度を算出することを特徴とする熱処理装置。
3. 請求項２記載の熱処理装置において、
   前記温度算出部は、前記複数の領域のそれぞれについて、第１の時刻における当該領域の温度および当該領域への熱の流出入に基づいて、第１の時刻から前記所定時間が経過した第２の時刻における当該領域の温度を算出することを特徴とする熱処理装置。
4. 請求項３記載の熱処理装置において、
   前記温度算出部は、第１の時刻における各領域の温度での熱伝導率を用いて第２の時刻における当該領域の温度を算出することを特徴とする熱処理装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の熱処理装置において、
   前記フラッシュランプに流れる電流をチョッパ制御するスイッチング素子をさらに備えることを特徴とする熱処理装置。
6. 基板に対してフラッシュ光を照射することによって該基板を加熱する熱処理方法であって、
   ランプハウスに収容されたフラッシュランプからチャンバー内の基板にフラッシュ光を照射する照射工程と、
   フラッシュランプから照射されたフラッシュ光をフォトダイオードにて受光し、前記フォトダイオードからの出力に基づいて、前記フラッシュランプからフラッシュ光が照射された基板の温度を算出する温度算出工程と、
   を備え、
   前記フォトダイオードは、前記フラッシュランプから出射されて前記ランプハウスと前記チャンバーとの間から漏れるフラッシュ光の漏れ光を受光する位置に配置されることを特徴とする熱処理方法。
7. 請求項６記載の熱処理方法において、
   前記温度算出工程では、基板を厚さ方向に複数の領域に分割したときの当該複数の領域のそれぞれについて所定時間おきの温度を算出することを特徴とする熱処理方法。
8. 請求項７記載の熱処理方法において、
   前記温度算出工程では、前記複数の領域のそれぞれについて、第１の時刻における当該領域の温度および当該領域への熱の流出入に基づいて、第１の時刻から前記所定時間が経過した第２の時刻における当該領域の温度を算出することを特徴とする熱処理方法。
9. 請求項８記載の熱処理方法において、
   前記温度算出工程では、第１の時刻における各領域の温度での熱伝導率を用いて第２の時刻における当該領域の温度を算出することを特徴とする熱処理方法。

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