JP6574344B2

JP6574344B2 - 熱処理装置および熱処理方法

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Inventors: 橋本　和幸; 和幸橋本
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Description

本発明は、半導体ウェハー等の薄板状精密電子基板（以下、単に「基板」と称する）に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（数ミリ秒以下）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。

フラッシュ加熱に限らず熱処理では半導体ウェハーの温度を適切に管理することが重要であり、そのためには熱処理中の半導体ウェハーの温度を正確に測定する必要がある。典型的には、半導体ウェハーの熱処理では非接触の放射温度計によって温度測定が行われる。放射温度計で正確に温度測定を行うためには、被測定物体の放射率を知る必要がある。ところが、半導体ウェハーの放射率は、表面に形成されているパターンや膜によって大きく異なることが知られている。このため、従来では、処理対象となる半導体ウェハーの種類毎に放射率を設定した放射率テーブルを装置のコントローラに保存しておき、処理の都度適切な放射率を選択するようにしていた。

処理毎に放射率を選択することは煩雑である。特許文献１には、熱処理を実行する前のアライメント部にて半導体ウェハーの反射率を測定し、その反射率から放射率を求めてフラッシュ加熱時の半導体ウェハーの表面温度を算定することが開示されている。特許文献１に開示される技術によれば、半導体ウェハーの放射率が自動で算定されるため、処理毎に放射率を選択する必要は無い。

特開２００５−２０７９９７号公報

しかしながら、特許文献１に開示される技術では、常温（室温）のアライメント部にて半導体ウェハーの反射率を測定し、その測定値から放射率を求めている。シリコンの半導体ウェハーの放射率には温度依存性があることが知られており、常温で測定された反射率から算定された放射率を用いて温度測定を行うと誤差が生じるおそれがある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、熱処理時の基板の温度を正確に測定す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部と、前記保持部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フラッシュ光を照射する前に前記基板に光を照射して前記基板を予備加熱する連続点灯ランプと、前記基板の表面から到達する光を受光する光検出素子と、前記光検出素子によって受光された光の強度を測定する光強度測定部と、前記基板の表面にパルス光を照射する参照光源と、前記保持部に保持された反射率が既知の基準基板を前記連続点灯ランプによって当該基準基板の透過率がゼロとなる所定温度に加熱しつつ、前記参照光源から前記基準基板にパルス光を照射したときに前記基準基板の表面で反射されて前記光検出素子によって受光された反射光の強度と、前記保持部に保持された処理対象基板を前記連続点灯ランプによって前記所定温度に加熱しつつ、前記参照光源から前記処理対象基板にパルス光を照射したときに前記処理対象基板の表面で反射されて前記光検出素子によって受光された反射光の強度と、の比較により得られた前記処理対象基板の反射率から前記処理対象基板の放射率を算定する放射率算定部と、前記フラッシュランプから前記処理対象基板にフラッシュ光を照射したときに前記処理対象基板の表面から放射されて前記光検出素子によって受光された放射光の強度と、前記放射率算定部によって算定された前記処理対象基板の放射率とに基づいて前記処理対象基板の表面の温度を算定する温度算定部と、を備え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、前記温度算定部は、前記フラッシュランプによるフラッシュ光照射が開始された後に前記光強度測定部によって時系列的に測定された前記処理対象基板の表面からの放射光の強度に基づいて前記基板の表面温度履歴を求めることを特徴とする。

また、請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明に係る熱処理装置において、前記光検出素子はＩｎＳｂ光導電素子を含み、前記チャンバーには、前記フラッシュランプから出射されたフラッシュ光を透過する石英窓を設けることを特徴とする。

また、請求項４の発明は、基板に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、反射率が既知の基準基板を連続点灯ランプからの光照射によって当該基準基板の透過率がゼロとなる所定温度に加熱しつつ、前記基準基板にパルス光を照射したときに前記基準基板の表面で反射された反射光の強度を測定する第１反射強度測定工程と、処理対象基板を前記連続点灯ランプからの光照射によって前記所定温度に加熱しつつ、前記処理対象基板にパルス光を照射したときに前記処理対象基板の表面で反射された反射光の強度を測定する第２反射強度測定工程と、第１反射強度測定工程および第２反射強度測定工程にて得られた反射光の強度の比較により得られた前記処理対象基板の反射率から前記処理対象基板の放射率を算定する放射率算定工程と、前記処理対象基板にフラッシュ光を照射したときに前記処理対象基板の表面から放射された放射光の強度と、前記放射率算定工程にて算定された前記処理対象基板の放射率とに基づいて前記処理対象基板の表面の温度を算定する温度算定工程と、を備えることを特徴とする。

また、請求項５の発明は、請求項４の発明に係る熱処理方法において、前記温度算定工程では、フラッシュ光照射が開始された後に時系列的に測定された前記処理対象基板の表面からの放射光の強度に基づいて前記基板の表面温度履歴を求めることを特徴とする。

請求項１から請求項３の発明によれば、透過率がゼロとなる温度で処理対象基板の反射率を求め、その反射率から放射率を求めているため、正確に放射率を求めることができ、その結果熱処理時の基板の温度を正確に測定することができる。

特に、請求項３の発明によれば、光検出素子はＩｎＳｂ光導電素子を含み、チャンバーには、フラッシュランプから出射されたフラッシュ光を透過する石英窓を設けるため、フラッシュ光に含まれる光検出素子の測定波長域の成分は石英窓によってカットされ、フラッシュ光による測定への影響を排除することができる。

請求項４および請求項５の発明によれば、透過率がゼロとなる温度で処理対象基板の反射率を求め、その反射率から放射率を求めているため、正確に放射率を求めることができ、その結果熱処理時の基板の温度を正確に測定することができる。

本発明に係る熱処理装置の構成を示す縦断面図である。保持部の全体外観を示す斜視図である。保持部を上面から見た平面図である。保持部を側方から見た側面図である。移載機構の平面図である。移載機構の側面図である。複数のハロゲンランプの配置を示す平面図である。光強度測定部および制御部の構成を示すブロック図である。ベアウェハーの反射強度を測定する手順を示すフローチャートである。参照光源から出力されるパルス光の波形を示す図である。ベアウェハーについての光の強度プロファイルを示す図である。処理対象となる半導体ウェハーの処理手順を示すフローチャートである。処理対象となる半導体ウェハーの処理手順を示すフローチャートである。処理対象となる半導体ウェハーについての光の強度プロファイルを示す図である。反射率と反射光の強度との相関を示す図である。黒体温度テーブルおよび変換テーブルの一例を示す図である。処理対象となる半導体ウェハーの表面の温度プロファイルを示す図である。

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。

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。本実施形態の熱処理装置１は、基板として円板形状の半導体ウェハーＷに対してフラッシュ光照射を行うことによっ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。処理対象となる半導体ウェハーＷのサイズは特に限定されるものではないが、例えばφ３００ｍｍやφ４５０ｍｍである。熱処理装置１に搬入される前の半導体ウェハーＷには不純物が注入されており、熱処理装置１による加熱処理によって注入された不純物の活性化処理が実行される。なお、図１および以降の各図においては、理解容易のため、必要に応じて各部の寸法や数を誇張または簡略化して描いている。

熱処理装置１は、半導体ウェハーＷを収容するチャンバー６と、複数のフラッシュランプＦＬを内蔵するフラッシュ加熱部５と、複数のハロゲンランプＨＬを内蔵するハロゲン加熱部４と、を備える。チャンバー６の上側にフラッシュ加熱部５が設けられるとともに、下側にハロゲン加熱部４が設けられている。また、熱処理装置１は、チャンバー６の内部に、半導体ウェハーＷを水平姿勢に保持する保持部７と、保持部７と装置外部との間で半導体ウェハーＷの受け渡しを行う移載機構１０と、を備える。また、熱処理装置１は、熱処理中の半導体ウェハーＷの温度を非接触で測定するための光検出素子１５０および参照光源１７０を備える。さらに、熱処理装置１は、ハロゲン加熱部４、フラッシュ加熱部５およびチャンバー６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、筒状のチャンバー側部６１の上下に石英製のチャンバー窓を装着して構成されている。チャンバー側部６１は上下が開口された概略筒形状を有しており、上側開口には上側チャンバー窓６３が装着されて閉塞され、下側開口には下側チャンバー窓６４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上側チャンバー窓６３は、石英により形成された円板形状部材であり、フラッシュ加熱部５から出射されたフラッシュ光をチャンバー６内に透過する石英窓として機能する。また、チャンバー６の床部を構成する下側チャンバー窓６４も、石英により形成された円板形状部材であり、ハロゲン加熱部４からの光をチャンバー６内に透過する石英窓として機能する。

また、チャンバー側部６１の内側の壁面の上部には反射リング６８が装着され、下部には反射リング６９が装着されている。反射リング６８，６９は、ともに円環状に形成されている。上側の反射リング６８は、チャンバー側部６１の上側から嵌め込むことによって装着される。一方、下側の反射リング６９は、チャンバー側部６１の下側から嵌め込んで図示省略のビスで留めることによって装着される。すなわち、反射リング６８，６９は、ともに着脱自在にチャンバー側部６１に装着されるものである。チャンバー６の内側空間、すなわち上側チャンバー窓６３、下側チャンバー窓６４、チャンバー側部６１および反射リング６８，６９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。

チャンバー側部６１に反射リング６８，６９が装着されることによって、チャンバー６の内壁面に凹部６２が形成される。すなわち、チャンバー側部６１の内壁面のうち反射リング６８，６９が装着されていない中央部分と、反射リング６８の下端面と、反射リング６９の上端面とで囲まれた凹部６２が形成される。凹部６２は、チャンバー６の内壁面に水平方向に沿って円環状に形成され、半導体ウェハーＷを保持する保持部７を囲繞する。

チャンバー側部６１および反射リング６８，６９は、強度と耐熱性に優れた金属材料（例えば、ステンレススチール）にて形成されている。また、反射リング６８，６９の内周面は電解ニッケルメッキによって鏡面とされている。

また、チャンバー側部６１には、チャンバー６に対して半導体ウェハーＷの搬入および搬出を行うための搬送開口部（炉口）６６が形設されている。搬送開口部６６は、ゲートバルブ１８５によって開閉可能とされている。搬送開口部６６は凹部６２の外周面に連通接続されている。このため、ゲートバルブ１８５が搬送開口部６６を開放しているときには、搬送開口部６６から凹部６２を通過して熱処理空間６５への半導体ウェハーＷの搬入および熱処理空間６５からの半導体ウェハーＷの搬出を行うことができる。また、ゲートバルブ１８５が搬送開口部６６を閉鎖するとチャンバー６内の熱処理空間６５が密閉空間とされる。

また、チャンバー６の内壁上部には熱処理空間６５に処理ガス（本実施形態では窒素ガス（Ｎ_２））を供給するガス供給孔８１が形設されている。ガス供給孔８１は、凹部６２よりも上側位置に形設されており、反射リング６８に設けられていても良い。ガス供給孔８１はチャンバー６の側壁内部に円環状に形成された緩衝空間８２を介してガス供給管８３に連通接続されている。ガス供給管８３は窒素ガス供給源８５に接続されている。また、ガス供給管８３の経路途中にはバルブ８４が介挿されている。バルブ８４が開放されると、窒素ガス供給源８５から緩衝空間８２に窒素ガスが送給される。緩衝空間８２に流入した窒素ガスは、ガス供給孔８１よりも流体抵抗の小さい緩衝空間８２内を拡がるように流れてガス供給孔８１から熱処理空間６５内へと供給される。なお、処理ガスは窒素ガスに限定されるものではなく、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）などの不活性ガス、または、酸素（Ｏ_２）、水素（Ｈ_２）、塩素（Ｃｌ_２）、塩化水素（ＨＣｌ）、オゾン（Ｏ_３）、アンモニア（ＮＨ_３）などの反応性ガスであっても良い。

一方、チャンバー６の内壁下部には熱処理空間６５内の気体を排気するガス排気孔８６が形設されている。ガス排気孔８６は、凹部６２よりも下側位置に形設されており、反射リング６９に設けられていても良い。ガス排気孔８６はチャンバー６の側壁内部に円環状に形成された緩衝空間８７を介してガス排気管８８に連通接続されている。ガス排気管８８は排気部１９０に接続されている。また、ガス排気管８８の経路途中にはバルブ８９が介挿されている。バルブ８９が開放されると、熱処理空間６５の気体がガス排気孔８６から緩衝空間８７を経てガス排気管８８へと排出される。なお、ガス供給孔８１およびガス排気孔８６は、チャンバー６の周方向に沿って複数設けられていても良いし、スリット状のものであっても良い。また、窒素ガス供給源８５および排気部１９０は、熱処理装置１に設けられた機構であっても良いし、熱処理装置１が設置される工場のユーティリティであっても良い。

また、搬送開口部６６の先端にも熱処理空間６５内の気体を排出するガス排気管１９１が接続されている。ガス排気管１９１はバルブ１９２を介して排気部１９０に接続されている。バルブ１９２を開放することによって、搬送開口部６６を介してチャンバー６内の気体が排気される。

さらに、チャンバー６の内壁上部には、半導体ウェハーＷの表面から到達する光を受光する光検出素子１５０、および、半導体ウェハーＷの表面にパルス光を照射する参照光源１７０が設けられている。図１に示すように、光検出素子１５０および参照光源１７０は、保持部７よりも上側、つまり保持部７に保持された半導体ウェハーＷの表面側に設けられている。また、光検出素子１５０および参照光源１７０は、ともに先端が保持部７に保持された半導体ウェハーＷの表面に向かうように水平面から傾斜してチャンバー６の内壁に設けられている。光検出素子１５０および参照光源１７０の水平面に対する傾斜角度は等しく（本実施形態では８°）、参照光源１７０から半導体ウェハーＷの表面に投射された光の反射光が光検出素子１５０によって受光されるように光検出素子１５０および参照光源１７０は対向配置されている。

本実施形態においては、光検出素子１５０として高速で測定可能なＩｎＳｂ（インジウム・アンチモン）放射温度計を採用しているが、これに限定されるものではなく、例えばＣＣＤ、フォトダイオードなどの応答速度の速い素子を用いるようにしても良い。また、参照光源１７０としてはパルス発振によってパルス光を投射可能なレーザー光源を採用しているが、これに限定されるものではなく、例えば連続点灯のフィラメント光源に光を断続的に遮光するチョッパー機構を組み合わせてパルス光を投射する機構を用いるようにしても良い。

図２は、保持部７の全体外観を示す斜視図である。また、図３は保持部７を上面から見た平面図であり、図４は保持部７を側方から見た側面図である。保持部７は、基台リング７１、連結部７２およびサセプター７４を備えて構成される。基台リング７１、連結部７２およびサセプター７４はいずれも石英にて形成されている。すなわち、保持部７の全体が石英にて形成されている。

基台リング７１は円環形状の石英部材である。基台リング７１は凹部６２の底面に載置されることによって、チャンバー６の壁面に支持されることとなる（図１参照）。円環形状を有する基台リング７１の上面に、その周方向に沿って複数の連結部７２（本実施形態では４個）が立設される。連結部７２も石英の部材であり、溶接によって基台リング７１に固着される。なお、基台リング７１の形状は、円環形状から一部が欠落した円弧状であっても良い。

平板状のサセプター７４は基台リング７１に設けられた４個の連結部７２によって支持される。サセプター７４は石英にて形成された略円形の平板状部材である。サセプター７４の直径は半導体ウェハーＷの直径よりも大きい。すなわち、サセプター７４は、半導体ウェハーＷよりも大きな平面サイズを有する。サセプター７４の上面には複数個（本実施形態では５個）のガイドピン７６が立設されている。５個のガイドピン７６はサセプター７４の外周円と同心円の周上に沿って設けられている。５個のガイドピン７６を配置した円の径は半導体ウェハーＷの径よりも若干大きい。各ガイドピン７６も石英にて形成されている。なお、ガイドピン７６は、サセプター７４と一体に石英のインゴットから加工するようにしても良いし、別途に加工したものをサセプター７４に溶接等によって取り付けるようにしても良い。

基台リング７１に立設された４個の連結部７２とサセプター７４の周縁部の下面とが溶接によって固着される。すなわち、サセプター７４と基台リング７１とは連結部７２によって固定的に連結されており、保持部７は石英の一体成形部材となる。このような保持部７の基台リング７１がチャンバー６の壁面に支持されることによって、保持部７がチャンバー６に装着される。保持部７がチャンバー６に装着された状態においては、略円板形状のサセプター７４は水平姿勢（法線が鉛直方向と一致する姿勢）となる。チャンバー６に搬入された半導体ウェハーＷは、チャンバー６に装着された保持部７のサセプター７４の上に水平姿勢にて載置されて保持される。半導体ウェハーＷは、５個のガイドピン７６によって形成される円の内側に載置されることにより、水平方向の位置ずれが防止される。なお、ガイドピン７６の個数は５個に限定されるものではなく、半導体ウェハーＷの位置ずれを防止できる数であれば良い。

また、図２および図３に示すように、サセプター７４には、上下に貫通して開口部７８および切り欠き部７７が形成されている。切り欠き部７７は、熱電対を使用した接触式温度計１３０のプローブ先端部を通すために設けられている。一方、開口部７８は、放射温度計１２０がサセプター７４に保持された半導体ウェハーＷの下面から放射される放射光（赤外光）を受光するために設けられている。さらに、サセプター７４には、後述する移載機構１０のリフトピン１２が半導体ウェハーＷの受け渡しのために貫通する４個の貫通孔７９が穿設されている。なお、放射温度計１２０および接触式温度計１３０は、予備加熱時等に半導体ウェハーＷの全体の温度を計測するものであって、フラッシュ加熱時における半導体ウェハーＷの表面温度を計測するものではない。

図５は、移載機構１０の平面図である。また、図６は、移載機構１０の側面図である。移載機構１０は、２本の移載アーム１１を備える。移載アーム１１は、概ね円環状の凹部６２に沿うような円弧形状とされている。それぞれの移載アーム１１には２本のリフトピン１２が立設されている。各移載アーム１１は水平移動機構１３によって回動可能とされている。水平移動機構１３は、一対の移載アーム１１を保持部７に対して半導体ウェハーＷの移載を行う移載動作位置（図５の実線位置）と保持部７に保持された半導体ウェハーＷと平面視で重ならない退避位置（図５の二点鎖線位置）との間で水平移動させる。水平移動機構１３としては、個別のモータによって各移載アーム１１をそれぞれ回動させるものであっても良いし、リンク機構を用いて１個のモータによって一対の移載アーム１１を連動させて回動させるものであっても良い。

また、一対の移載アーム１１は、昇降機構１４によって水平移動機構１３とともに昇降移動される。昇降機構１４が一対の移載アーム１１を移載動作位置にて上昇させると、計４本のリフトピン１２がサセプター７４に穿設された貫通孔７９（図２，３参照）を通過し、リフトピン１２の上端がサセプター７４の上面から突き出る。一方、昇降機構１４が一対の移載アーム１１を移載動作位置にて下降させてリフトピン１２を貫通孔７９から抜き取り、水平移動機構１３が一対の移載アーム１１を開くように移動させると各移載アーム１１が退避位置に移動する。一対の移載アーム１１の退避位置は、保持部７の基台リング７１の直上である。基台リング７１は凹部６２の底面に載置されているため、移載アーム１１の退避位置は凹部６２の内側となる。なお、移載機構１０の駆動部（水平移動機構１３および昇降機構１４）が設けられている部位の近傍にも図示省略の排気機構が設けられており、移載機構１０の駆動部周辺の雰囲気がチャンバー６の外部に排出されるように構成されている。

図１に戻り、チャンバー６の上方に設けられたフラッシュ加熱部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、フラッシュ加熱部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。フラッシュ加熱部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の石英窓である。フラッシュ加熱部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が上側チャンバー窓６３と相対向することとなる。フラッシュランプＦＬはチャンバー６の上方からランプ光放射窓５３および上側チャンバー窓６３を介して熱処理空間６５にフラッシュ光を照射する。

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。

キセノンフラッシュランプＦＬは、その内部にキセノンガスが封入されその両端部にコンデンサーに接続された陽極および陰極が配設された棒状のガラス管（放電管）と、該ガラス管の外周面上に付設されたトリガー電極とを備える。キセノンガスは電気的には絶縁体であることから、コンデンサーに電荷が蓄積されていたとしても通常の状態ではガラス管内に電気は流れない。しかしながら、トリガー電極に高電圧を印加して絶縁を破壊した場合には、コンデンサーに蓄えられた電気がガラス管内に瞬時に流れ、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。このようなキセノンフラッシュランプＦＬにおいては、予めコンデンサーに蓄えられていた静電エネルギーが０．１ミリセカンドないし１００ミリセカンドという極めて短い光パルスに変換されることから、ハロゲンランプＨＬの如き連続点灯の光源に比べて極めて強い光を照射し得るという特徴を有する。すなわち、フラッシュランプＦＬは、１秒未満の極めて短い時間で瞬間的に発光するパルス発光ランプである。なお、フラッシュランプＦＬの発光時間は、フラッシュランプＦＬに電力供給を行うランプ電源のコイル定数によって調整することができる。

また、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から出射されたフラッシュ光を熱処理空間６５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いる。

チャンバー６の下方に設けられたハロゲン加熱部４は、筐体４１の内側に複数本（本実施形態では４０本）のハロゲンランプＨＬを内蔵している。ハロゲン加熱部４は、複数のハロゲンランプＨＬによってチャンバー６の下方から下側チャンバー窓６４を介して熱処理空間６５への光照射を行って半導体ウェハーＷを加熱する光照射部である。

図７は、複数のハロゲンランプＨＬの配置を示す平面図である。４０本のハロゲンランプＨＬは上下２段に分けて配置されている。保持部７に近い上段に２０本のハロゲンランプＨＬが配設されるとともに、上段よりも保持部７から遠い下段にも２０本のハロゲンランプＨＬが配設されている。各ハロゲンランプＨＬは、長尺の円筒形状を有する棒状ランプである。上段、下段ともに２０本のハロゲンランプＨＬは、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配列されている。よって、上段、下段ともにハロゲンランプＨＬの配列によって形成される平面は水平面である。

また、図７に示すように、上段、下段ともに保持部７に保持される半導体ウェハーＷの中央部に対向する領域よりも周縁部に対向する領域におけるハロゲンランプＨＬの配設密度が高くなっている。すなわち、上下段ともに、ランプ配列の中央部よりも周縁部の方がハロゲンランプＨＬの配設ピッチが短い。このため、ハロゲン加熱部４からの光照射による加熱時に温度低下が生じやすい半導体ウェハーＷの周縁部により多い光量の照射を行うことができる。

また、上段のハロゲンランプＨＬからなるランプ群と下段のハロゲンランプＨＬからなるランプ群とが格子状に交差するように配列されている。すなわち、上段に配置された２０本のハロゲンランプＨＬの長手方向と下段に配置された２０本のハロゲンランプＨＬの長手方向とが互いに直交するように計４０本のハロゲンランプＨＬが配設されている。

ハロゲンランプＨＬは、ガラス管内部に配設されたフィラメントに通電することでフィラメントを白熱化させて発光させるフィラメント方式の光源である。ガラス管の内部には、窒素やアルゴン等の不活性ガスにハロゲン元素（ヨウ素、臭素等）を微量導入した気体が封入されている。ハロゲン元素を導入することによって、フィラメントの折損を抑制しつつフィラメントの温度を高温に設定することが可能となる。したがって、ハロゲンランプＨＬは、通常の白熱電球に比べて寿命が長くかつ強い光を連続的に照射できるという特性を有する。すなわち、ハロゲンランプＨＬは少なくとも１秒以上連続して発光する連続点灯ランプである。また、ハロゲンランプＨＬは棒状ランプであるため長寿命であり、ハロゲンランプＨＬを水平方向に沿わせて配置することにより上方の半導体ウェハーＷへの放射効率が優れたものとなる。

また、ハロゲン加熱部４の筐体４１内にも、２段のハロゲンランプＨＬの下側にリフレクタ４３が設けられている（図１）。リフレクタ４３は、複数のハロゲンランプＨＬから出射された光を熱処理空間６５の側に反射する。

図８は、光検出素子１５０によって受光された光の強度を測定する光強度測定部１６０および制御部３の構成を示すブロック図である。光検出素子１５０は、チャンバー６の内壁上部に設置されており、保持部７に保持された半導体ウェハーＷの表面から到達する光を受光する。本実施形態では、光検出素子１５０にＩｎＳｂ放射温度計を用いており、その測定波長域は５μｍ以上である。なお、光検出素子１５０に所定波長域（例えば、光検出素子１５０の測定波長域である５μｍ以上）の赤外光のみを選択的に透過するフィルターを設けるようにしても良い。

光検出素子１５０は、受光した光の強度に応じた抵抗変化を発生する。ＩｎＳｂ放射温度計を用いた光検出素子１５０は、応答時間が極めて短く高速測定が可能である。光検出素子１５０は光強度測定部１６０と電気的に接続されており、受光に応答して生じた信号を光強度測定部１６０に伝達する。

光強度測定部１６０は、信号変換回路１６１、増幅回路１６２、高速Ａ／Ｄコンバータ１６３およびＣＰＵ１６４を備える。信号変換回路１６１は、光検出素子１５０にて発生した抵抗変化を電流変化、電圧変化の順に信号変換を行い、最終的に取り扱いの容易な電圧の信号に変換する回路である。信号変換回路１６１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１６２は、信号変換回路１６１から出力された電圧信号を増幅して高速Ａ／Ｄコンバータ１６３に出力する。高速Ａ／Ｄコンバータ１６３は、増幅回路１６２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。ＣＰＵ１６４は、演算処理を行う回路であり、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１６３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図示省略の記憶部（例えば、メモリ）に順次格納する。すなわち、光強度測定部１６０は、光検出素子１５０から伝達された信号のレベルを時系列的に測定して複数の信号レベルデータを取得する。光強度測定部１６０のＣＰＵ１６４を光検出素子１５０からの信号のサンプリング処理に特化したものとすることにより、サンプリング間隔を数マイクロ秒程度とすることができる。なお、ＣＰＵ１６４、高速Ａ／Ｄコンバータ１６３、メモリなどを１つのワンチップマイコンに組み込んでも良い。

光強度測定部１６０のＣＰＵ１６４は制御部３と通信回線を介して接続されている。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回路である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３１を備えて構成される。また、制御部３は参照光源１７０および表示部３５と接続されており、参照光源１７０の動作を制御するとともに、表示部３５に演算結果等を表示することができる。表示部３５は、例えば液晶ディスプレイ等を用いて構成すれば良い。

制御部３は、汎用処理を行うことが可能であるものの、光強度測定部１６０のＣＰＵ１６４ほど短時間間隔でサンプリングを行うことはできない。ＣＰＵ１６４によってメモリに格納された信号レベルデータは制御部３に転送されて磁気ディスク３１に記憶される。また、制御部３は、放射率算定部３３および温度算定部３４を備える。放射率算定部３３および温度算定部３４は、制御部３のＣＰＵが所定の処理プログラムを実行することによって実現される機能処理部であり、その処理内容についてはさらに後述する。なお、光強度測定部１６０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の熱処理時にハロゲンランプＨＬおよびフラッシュランプＦＬから発生する熱エネルギーによるハロゲン加熱部４、フラッシュ加熱部５およびチャンバー６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の壁体には水冷管（図示省略）が設けられている。また、ハロゲン加熱部４およびフラッシュ加熱部５は、内部に気体流を形成して排熱する空冷構造とされている。また、上側チャンバー窓６３とランプ光放射窓５３との間隙にも空気が供給され、フラッシュ加熱部５および上側チャンバー窓６３を冷却する。

次に、熱処理装置１における半導体ウェハーＷの処理手順について説明する。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）が添加されたシリコンの半導体基板である。その添加された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、処理対象となる半導体ウェハーＷの処理に先立って、放射率算定の基礎となるベアウェハーの反射強度を測定しておく。図９は、ベアウェハーの反射強度を測定する手順を示すフローチャートである。この測定は、処理対象となる半導体ウェハーＷのロットの処理を開始する前（例えば、メンテナンス時等）に一度行っておけば足りる。

装置外部の搬送ロボットまたは手動によりベアウェハーがチャンバー６内の熱処理空間６５に搬入される（ステップＳ１１）。ベアウェハーとは、処理対象となる半導体ウェハーＷと同じシリコンのウェハーであるが、パターン形成も成膜処理も行われていないウェハーである。このような如何なる処理も施されていないベアウェハーについては、反射率や放射率等の種々の物性値が既知である。チャンバー６内に搬入されたベアウェハーは、保持部７のサセプター７４に載置されて保持される。

次に、ハロゲン加熱部４の４０本のハロゲンランプＨＬが点灯してサセプター７４に保持されたベアウェハーが加熱される（ステップＳ１２）。ハロゲンランプＨＬから出射されたハロゲン光は、石英にて形成された下側チャンバー窓６４およびサセプター７４を透過してベアウェハーに照射される。ハロゲンランプＨＬからの光照射を受けることによってベアウェハーの温度が上昇する。

ベアウェハーの温度は接触式温度計１３０によって測定されている。すなわち、熱電対を内蔵する接触式温度計１３０が保持部７に保持されたベアウェハーの下面にサセプター７４の切り欠き部７７を介して接触して昇温中のウェハー温度を測定する。測定されたベアウェハーの温度は制御部３に伝達される。制御部３は、接触式温度計１３０による接触結果に基づいて、ベアウェハーの温度が後述する予備加熱温度Ｔ１となるようにハロゲンランプＨＬの出力を制御する。本実施形態においては、予備加熱温度Ｔ１は６００℃である。

続いて、参照光源１７０がベアウェハーの表面にパルス光を照射する（ステップＳ１３）。図１０は、参照光源１７０から出力されるパルス光の波形を示す図である。同図において、横軸には時刻を示し、縦軸には光の強度を示す。図１０に示すように、参照光源１７０は、矩形波のパルス光を出射する。すなわち、参照光源１７０は、一定強度の光をパルス幅に相当する時間だけ出射した後、光の出射をパルス間隔に相当する時間だけ停止することを繰り返す。パルス幅に相当する時間およびパルス間隔に相当する時間はいずれも１ミリ秒未満である。また、参照光源１７０が出射するパルス光の波長は、光検出素子１５０の測定波長域に対応する５μｍ以上である（本実施形態では５μｍ）。

参照光源１７０は、予備加熱温度Ｔ１に加熱されているベアウェハーの表面にパルス光を照射する。参照光源１７０から照射されたパルス光はベアウェハーの表面で反射し、その反射光は光検出素子１５０へと向かい、光検出素子１５０によって受光される。また、予備加熱温度Ｔ１に加熱されているベアウェハー自体からも、その表面温度に応じた強度の放射光が放射されており、光検出素子１５０はそのようなベアウェハーからの放射光も受光することとなる。そして、光検出素子１５０が受光した光の強度が光強度測定部１６０によって測定される。

より詳細には、光検出素子１５０は、受光した光の強度に応じた抵抗変化を発生する。光検出素子１５０にて発生した抵抗変化は信号変換回路１６１によって電流変化、電圧変化の順に信号変換が行われ、最終的に取り扱いの容易な電圧信号に変換される。信号変換回路１６１から出力された電圧信号は、増幅回路１６２によって増幅された後、高速Ａ／Ｄコンバータ１６３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。そして、高速Ａ／Ｄコンバータ１６３から出力されるデジタル信号のレベルがＣＰＵ１６４への入力電圧となり、これが光検出素子１５０の出力として取得される。光強度測定部１６０のＣＰＵ１６４が取得した信号のレベルは、光検出素子１５０が受光した光の強度を示すものであり、その信号レベルのデータが制御部３に伝達される。制御部３は、伝達された光検出素子１５０の出力信号レベルを磁気ディスク３１などの記憶部に格納する。

このようにして光強度測定部１６０による光強度の測定が１回実行される。そして、予め定められた所定時間が経過するまでの間、光強度測定部１６０による光強度の測定が複数回繰り返される。すなわち、光検出素子１５０が受光した光の強度が時系列的にサンプリングされることとなる。なお、サンプリングを行う所定時間としては、ベアウェハーの温度が予備加熱温度Ｔ１に維持されている期間内の適宜の時間とすれば良い。

光強度測定部１６０が光強度を時系列的にサンプリングすることによって、光検出素子１５０が受光した光の強度プロファイルを取得することができる。図１１は、ベアウェハーについて光検出素子１５０が受光した光の強度プロファイルを示す図である。ここで、光検出素子１５０が受光する光には、参照光源１７０から照射されてベアウェハーの表面で反射された反射光と、予備加熱温度Ｔ１に昇温しているベアウェハー自体から放射された放射光とが含まれる。すなわち、光強度測定部１６０が測定する光の強度は、ベアウェハーによる反射光の強度と、ベアウェハーから放射された放射光の強度との合計となる。

ベアウェハーの温度は一定の予備加熱温度Ｔ１に維持されているため、そのベアウェハーの表面から放射される放射光の強度も一定である。これに対して、参照光源１７０から照射されてベアウェハーの表面で反射された反射光の強度はゼロと所定値との間で周期的に変動する。すなわち、図１１に示す光強度プロファイルにおける強度の変動は、全てベアウェハーの表面で反射された反射光の強度変動によるものである。従って、図１１の光強度プロファイルにおける強度の変動の大きさであるパルス高さＰｂは、予備加熱温度Ｔ１に昇温されているベアウェハーによるパルス光の反射光の強度を示すものである。

制御部３は、光強度測定部１６０が光強度を時系列的にサンプリングすることによって取得された図１１に示す如き光強度プロファイルからパルス高さＰｂを計測し（ステップＳ１４）、その計測したパルス高さＰｂを磁気ディスク３１などの記憶部に保存する（ステップＳ１５）。このようして、パルス高さＰｂの計測、つまり予備加熱温度Ｔ１のベアウェハーの反射強度の計測が終了した後、ハロゲン加熱部４のハロゲンランプＨＬが消灯し、ベアウェハーの温度が降温する。そして、ベアウェハーが所定温度にまで降温した後、チャンバー６からベアウェハーが搬出される（ステップＳ１６）。

次に、処理対象となる半導体ウェハーＷの処理手順について説明する。図１２および図１３は、処理対象となる半導体ウェハーＷの処理手順を示すフローチャートである。まず処理の準備として、給気のためのバルブ８４が開放されるとともに、排気用のバルブ８９，１９２が開放されてチャンバー６内に対する給排気が開始される。バルブ８４が開放されると、ガス供給孔８１から熱処理空間６５に窒素ガスが供給される。また、バルブ８９が開放されると、ガス排気孔８６からチャンバー６内の気体が排気される。これにより、チャンバー６内の熱処理空間６５の上部から供給された窒素ガスが下方へと流れ、熱処理空間６５の下部から排気される。

また、バルブ１９２が開放されることによって、搬送開口部６６からもチャンバー６内の気体が排気される。さらに、図示省略の排気機構によって移載機構１０の駆動部周辺の雰囲気も排気される。なお、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熱処理空間６５に継続的に供給されており、その供給量は処理工程に応じて適宜変更される。

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を介して処理対象となる半導体ウェハーＷがチャンバー６内の熱処理空間６５に搬入される（ステップＳ２１）。搬送ロボットによって搬入された半導体ウェハーＷは保持部７の直上位置まで進出して停止する。そして、移載機構１０の一対の移載アーム１１が退避位置から移載動作位置に水平移動して上昇することにより、リフトピン１２が貫通孔７９を通ってサセプター７４の上面から突き出て半導体ウェハーＷを受け取る。

半導体ウェハーＷがリフトピン１２に載置された後、搬送ロボットが熱処理空間６５から退出し、ゲートバルブ１８５によって搬送開口部６６が閉鎖される。そして、一対の移載アーム１１が下降することにより、半導体ウェハーＷは移載機構１０から保持部７のサセプター７４に受け渡されて水平姿勢にて下方より保持される。半導体ウェハーＷは、パターン形成がなされて不純物が注入された表面を上面として保持部７に保持される。また、半導体ウェハーＷは、サセプター７４の上面にて５個のガイドピン７６の内側に保持される。サセプター７４の下方にまで下降した一対の移載アーム１１は水平移動機構１３によって退避位置、すなわち凹部６２の内側に退避する。

処理対象の半導体ウェハーＷが石英にて形成された保持部７によって水平姿勢にて下方より保持された後、ハロゲン加熱部４の４０本のハロゲンランプＨＬが一斉に点灯して予備加熱（アシスト加熱）が開始される（ステップＳ２２）。ハロゲンランプＨＬから出射されたハロゲン光は、石英にて形成された下側チャンバー窓６４およびサセプター７４を透過して半導体ウェハーＷの裏面（表面とは反対側の主面）から照射される。ハロゲンランプＨＬからの光照射を受けることによって半導体ウェハーＷが予備加熱されて温度が上昇する。なお、移載機構１０の移載アーム１１は凹部６２の内側に退避しているため、ハロゲンランプＨＬによる加熱の障害となることは無い。

ハロゲンランプＨＬによる予備加熱を行うときには、半導体ウェハーＷの温度が接触式温度計１３０によって測定されている。すなわち、熱電対を内蔵する接触式温度計１３０が保持部７に保持された半導体ウェハーＷの下面にサセプター７４の切り欠き部７７を介して接触して昇温中のウェハー温度を測定する。測定された半導体ウェハーＷの温度は制御部３に伝達される。制御部３は、ハロゲンランプＨＬからの光照射によって昇温する半導体ウェハーＷの温度が所定の予備加熱温度Ｔ１に到達したか否かを監視しつつ、ハロゲンランプＨＬの出力を制御する。すなわち、制御部３は、接触式温度計１３０による測定値に基づいて、半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１となるようにハロゲンランプＨＬの出力をフィードバック制御する。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。但し、本発明に係る技術においては、予備加熱温度Ｔ１をシリコンの透過率がゼロとなる温度以上（６００℃以上）とする必要があり、本実施形態では予備加熱温度Ｔ１は６００℃とされる。なお、ハロゲンランプＨＬからの光照射によって半導体ウェハーＷを昇温するときには、放射温度計１２０による温度測定は行わない。これは、ハロゲンランプＨＬから照射されるハロゲン光が放射温度計１２０に外乱光として入射し、正確な温度測定ができないためである。

半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１に到達した後、制御部３は半導体ウェハーＷをその予備加熱温度Ｔ１に暫時維持する。具体的には、接触式温度計１３０によって測定される半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１に到達した時点にて制御部３がハロゲンランプＨＬの出力を調整し、半導体ウェハーＷの温度をほぼ予備加熱温度Ｔ１に維持している。

このようなハロゲンランプＨＬによる予備加熱を行うことによって、半導体ウェハーＷの全体を予備加熱温度Ｔ１に均一に昇温している。ハロゲンランプＨＬによる予備加熱の段階においては、より放熱が生じやすい半導体ウェハーＷの周縁部の温度が中央部よりも低下する傾向にあるが、ハロゲンランプハウス４におけるハロゲンランプＨＬの配設密度は、半導体ウェハーＷの中央部に対向する領域よりも周縁部に対向する領域の方が高くなっている。このため、放熱が生じやすい半導体ウェハーＷの周縁部に照射される光量が多くなり、予備加熱段階における半導体ウェハーＷの面内温度分布を均一なものとすることができる。さらに、チャンバー側部６１に装着された反射リング６９の内周面は鏡面とされているため、この反射リング６９の内周面によって半導体ウェハーＷの周縁部に向けて反射する光量が多くなり、予備加熱段階における半導体ウェハーＷの面内温度分布をより均一なものとすることができる。

また、予備加熱を行うのと並行して参照光源１７０から処理対象となる半導体ウェハーＷの表面にパルス光を照射する（ステップＳ２３）。このときに照射されるパルス光の波形、強度、波長はステップＳ１３にてベアウェハーに照射されたパルス光の波形、強度、波長と全く同じである（図１０参照）。なお、参照光源１７０からのパルス光照射を開始するタイミングは、遅くとも半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１に維持されている期間内であれば良く、予備加熱により昇温中であっても良いし、予備加熱より前であっても良い。

半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１に到達して所定時間が経過した時点にてフラッシュランプＦＬが半導体ウェハーＷの上面にフラッシュ光照射を行う（ステップＳ２４）。このとき、フラッシュランプＦＬから放射されるフラッシュ光の一部は直接にチャンバー６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チャンバー６内へと向かい、これらのフラッシュ光の照射により半導体ウェハーＷのフラッシュ加熱が行われる。

フラッシュ加熱は、フラッシュランプＦＬからのフラッシュ光（閃光）照射により行われるため、半導体ウェハーＷの表面温度を短時間で上昇することができる。すなわち、フラッシュランプＦＬから照射されるフラッシュ光は、予めコンデンサーに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ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下程度の極めて短く強い閃光である。そして、フラッシュランプＦＬからのフラッシュ光照射によりフラッシュ加熱される半導体ウェハーＷの表面温度は、瞬間的に１０００℃以上の処理温度Ｔ２まで上昇し、半導体ウェハーＷに注入された不純物が活性化された後、表面温度が急速に下降する。このように、半導体ウェハーＷ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、半導体ウェハーＷに注入された不純物の熱による拡散を抑制しつつ不純物の活性化を行うことができる。また、フラッシュランプＦＬからフラッシュ光を照射する前にハロゲンランプＨＬによって半導体ウェハーＷを予備加熱温度Ｔ１に予備加熱しているため、極めて短時間のフラッシュ光照射によって半導体ウェハーＷの表面を１０００℃以上の処理温度Ｔ２にまで昇温することができる。なお、不純物の活性化に必要な時間はその熱拡散に必要な時間に比較して極めて短いため、０．１ミリセカンドないし１００ミリセカンド程度の拡散が生じない短時間であっても活性化は完了する。

フラッシュランプＦＬからフラッシュ光を照射するときにも、参照光源１７０から半導体ウェハーＷの表面にパルス光を照射している。参照光源１７０は、加熱されて昇温している処理対象の半導体ウェハーＷの表面にパルス光を照射することとなる。参照光源１７０から照射されたパルス光は半導体ウェハーＷの表面で反射し、その反射光は光検出素子１５０へと向かい、光検出素子１５０によって受光される。また、予備加熱およびフラッシュ加熱によって昇温している半導体ウェハーＷ自体からも、その表面温度に応じた強度の放射光が放射されており、光検出素子１５０はそのような半導体ウェハーＷからの放射光も受光することとなる。そして、光検出素子１５０が受光した光の強度が光強度測定部１６０によって測定される。

光強度測定部１６０による光強度の測定は、上述したベアウェハーについての測定と同様である。すなわち、光検出素子１５０は、受光した光の強度に応じた抵抗変化を発生する。光検出素子１５０にて発生した抵抗変化は信号変換回路１６１によって電流変化、電圧変化の順に信号変換が行われ、最終的に取り扱いの容易な電圧信号に変換される。信号変換回路１６１から出力された電圧信号は、増幅回路１６２によって増幅された後、高速Ａ／Ｄコンバータ１６３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。そして、高速Ａ／Ｄコンバータ１６３から出力されるデジタル信号のレベルがＣＰＵ１６４への入力電圧となり、これが光検出素子１５０の出力として取得される。光強度測定部１６０のＣＰＵ１６４が取得した信号のレベルは、光検出素子１５０が受光した光の強度を示すものであり、その信号レベルのデータが制御部３に伝達される。制御部３は、伝達された光検出素子１５０の出力信号レベルを磁気ディスク３１などの記憶部に格納する。

このようにして光強度測定部１６０による光強度の測定が１回実行される。そして、予め定められた所定時間が経過するまでの間、光強度測定部１６０による光強度の測定が複数回繰り返される。すなわち、光検出素子１５０が受光した光の強度が時系列的にサンプリングされることとなる。本実施形態においては、参照光源１７０からのパルス光照射を開始してから、フラッシュランプＦＬによるフラッシュ光照射を開始してそのフラッシュ加熱が終了するまで、光検出素子１５０が受光した光の強度が時系列的に測定されてサンプリングされる。

制御部３は、光強度測定部１６０によって時系列的に測定された光の強度に基づいて、処理対象となる半導体ウェハーＷの熱処理中に光検出素子１５０が受光した光の強度プロファイルを取得する（ステップＳ２５）。図１４は、処理対象となる半導体ウェハーＷについて光検出素子１５０が受光した光の強度プロファイルを示す図である。同図の横軸には時刻を示し、縦軸にはＣＰＵ１６４に入力される信号のレベルを示す。上述のように、当該信号レベルは、光検出素子１５０が受光した光の強度を示す。

ベアウェハーについての測定時と同様に、光検出素子１５０が受光する光には、参照光源１７０から照射されて半導体ウェハーＷの表面で反射された反射光と、加熱処理によって昇温している半導体ウェハーＷ自体から放射された放射光とが含まれる。すなわち、光強度測定部１６０が測定する光の強度は、半導体ウェハーＷによる反射光の強度と、半導体ウェハーＷ自体から放射された放射光の強度との合計となる。よって、図１４に示す光の強度プロファイルは、半導体ウェハーＷによる反射光の強度プロファイルと、半導体ウェハーＷ自体から放射された放射光の強度プロファイルとが重ね合わされたものである。なお、ＩｎＳｂ放射温度計を用いた光検出素子１５０の測定波長域は５μｍ以上であり、フラッシュランプＦＬおよびハロゲンランプＨＬから熱処理空間６５内に入射される光からはそれぞれ石英の上側チャンバー窓６３および下側チャンバー窓６４によって５μｍ以上の波長域の成分がカットされている。従って、フラッシュランプＦＬおよびハロゲンランプＨＬから出射された光が外乱光として光検出素子１５０によって検知されるおそれはなく、上記の測定結果には影響を与えない。

フラッシュ光照射前の予備加熱段階では、半導体ウェハーＷの温度が一定の予備加熱温度Ｔ１に維持されている。従って、予備加熱段階では、半導体ウェハーＷの表面から放射される放射光の強度も一定である。これに対して、参照光源１７０から照射されて半導体ウェハーＷの表面で反射された反射光の強度はゼロと所定値との間で周期的に変動する。よって、図１４に示す光強度プロファイルのうち、ハロゲンランプＨＬによる予備加熱によって半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１に到達してからフラッシュランプＦＬによるフラッシュ光照射が行われるまでの間（図１４の時刻ｔ０から時刻ｔ１の間）の期間における強度の変動は全て反射光強度の変動によるものである。そして、参照光源１７０から照射されるパルス光の強度はゼロと一定強度とを繰り返すため、その反射光の強度もゼロと所定値の間で周期的に変動する。すなわち、当該期間における光強度プロファイルの強度の変動の大きさであるパルス高さＰｄは、予備加熱温度Ｔ１に昇温されている処理対象の半導体ウェハーＷによるパルス光の反射光の強度を示すものである。制御部３は、図１４に示すような光強度プロファイルからパルス高さＰｄを計測し（ステップＳ２６）、その計測したパルス高さＰｄを磁気ディスク３１などの記憶部に保存する。

次に、制御部３の放射率算定部３３は、ステップＳ１４で計測したパルス高さＰｂおよびステップＳ２６で計測したパルス高さＰｄに基づいて処理対象となる半導体ウェハーＷの反射率を算定する（ステップＳ２７）。ステップＳ１４で計測したパルス高さＰｂは、予備加熱温度Ｔ１に昇温されているベアウェハーによるパルス光の反射光の強度を示すものである。一方、ステップＳ２６で計測したパルス高さＰｄは、予備加熱温度Ｔ１に昇温されている処理対象の半導体ウェハーＷによるパルス光の反射光の強度を示すものである。また、如何なる処理も施されていないベアウェハーについては、反射率が既知である。例えば、本実施形態における測定条件（測定波長、ウェハー温度、光検出素子１５０および参照光源１７０の設置角度）では、ベアウェハーの反射率Ｒｂ＝０．４２４である。

図１５は、反射率と反射光の強度との相関を示す図である。参照光源１７０から照射される入射光の強度が同じであれば、反射光の強度は被照射物体の反射率に比例する。よって、図１５に示すように、反射光の強度を示す指標であるパルス高さとウェハー表面の反射率とには比例関係が成立する。これに基づき、放射率算定部３３は、次の式（１）より処理対象となる半導体ウェハーＷの反射率Ｒを算定する。すなわち、予備加熱温度Ｔ１に昇温されているベアウェハーによる反射光の強度と、同じく予備加熱温度Ｔ１に昇温されている処理対象の半導体ウェハーＷによる反射光の強度との比較により半導体ウェハーＷの反射率Ｒを算定する。なお、式（１）において、Ｒｂはベアウェハーの反射率である。

次に、制御部３の放射率算定部３３は、処理対象となる半導体ウェハーＷの放射率を算定する（ステップＳ２８）。物体の反射率、放射率および透過率には、それらの合計が１．０になるという関係が存在している。ここで、シリコンのウェハーの場合、６００℃以上であれば波長５μｍ以上の赤外光の透過率がゼロとなる。シリコンウェハーは、常温であれば波長５μｍ以上の赤外光をある程度透過するのであるが、６００℃以上に昇温された状態では波長５μｍ以上の赤外光を全く透過しなくなるのである。よって、６００℃以上に昇温されたシリコンウェハーについては、反射率と放射率との合計が１．０になるという関係が成立する。これに基づき、放射率算定部３３は、次の式（２）より処理対象となる半導体ウェハーＷの放射率Ｅを算定する。

続いて、制御部３の温度算定部３４は、処理対象となる半導体ウェハーＷから加熱処理時に放射される放射光の強度と、上記のようにして算定した放射率Ｅとに基づいて処理中の半導体ウェハーＷの表面の温度を算定する（ステップＳ２９）。具体的には、本実施形態では、制御部３が黒体温度テーブルと放射率Ｅとから処理対象となる半導体ウェハーＷについての温度変換テーブルを求める。

図１６は、黒体温度テーブルおよび変換テーブルの一例を示す図である。同図の横軸には温度を示し、縦軸には放射強度を示す。また、図１６の実線にて示すのが黒体温度テーブルであり、点線にて示すのが半導体ウェハーＷについての温度変換テーブルである。黒体温度テーブルは、完全放射体（放射率１．０）とみなされる黒体についての放射強度と温度との相関を示すテーブルである。黒体については、放射強度と温度との相関がプランクの法則より理論的に求められる。黒体温度テーブルは、その理論的に求められる相関をテーブルとしたものであり、予め制御部３の磁気ディスク３１に格納されている（図８参照）。なお、図１６に示す黒体温度テーブルは波長５μｍでの黒体の放射強度と温度との相関を示すテーブルである。

制御部３は、この黒体温度テーブルと式（２）より算定した半導体ウェハーＷの放射率Ｅとから半導体ウェハーＷについての温度変換テーブルを求める。具体的には、制御部３は、次の式（３）に従って処理対象となる半導体ウェハーＷの温度Ｔでの放射強度Ｆｗ（Ｔ）を算出する。式（３）において、Ｆｂ（Ｔ）は、温度Ｔの黒体の放射強度である。式（３）より各温度Ｔについて放射強度Ｆｗ（Ｔ）を算出することにより、図１６の点線で示すような処理対象となる半導体ウェハーＷについての温度変換テーブルが求められる。

図１６に点線で示す温度変換テーブルに基づいて、半導体ウェハーＷの放射光の強度から半導体ウェハーＷの表面温度を求めることができる。上述のように、フラッシュ加熱処理中に半導体ウェハーＷの表面から放射された放射光の強度は、光強度測定部１６０によって測定されてその光強度プロファイルも取得されている（図１４，ステップＳ２５参照）。但し、図１４に示した光強度プロファイルは、半導体ウェハーＷによるパルス光の反射光の強度プロファイルと、加熱された半導体ウェハーＷ自体から放射された放射光の強度プロファイルとが重ね合わされたものである。このため、制御部３は、図１４に示した光の強度プロファイルにデジタル信号処理を施してパルス光の反射光の成分を除去している。具体的には、参照光源１７０から照射されるパルス光の周波数については既知であり、パルス光の反射光の振幅についてはパルス高さＰｄとして求められているため、これらの値に基づいてパルス光の反射光の成分を図１４の光強度プロファイルから演算処理によって除去することができる。

図１４の光の強度プロファイルからパルス光の反射光成分を除去したものは、加熱処理中に半導体ウェハーＷから放射された放射光の強度プロファイルである。なお、光検出素子１５０の測定波長域においては、フラッシュランプＦＬおよびハロゲンランプＨＬから出射された光は石英の上側チャンバー窓６３および下側チャンバー窓６４によってカットされているため、図１４の光強度プロファイルに含まれていない。

制御部３の温度算定部３４は、図１６に点線で示す温度変換テーブルに基づいて、図１４の光強度プロファイルからパルス光の反射光成分を除去したもの、つまり加熱処理中に半導体ウェハーＷから放射された放射光の強度プロファイルから半導体ウェハーＷの表面の温度を時系列的に算定して温度プロファイルを作成する（ステップＳ３０）。図１７は、処理対象となる半導体ウェハーＷの表面の温度プロファイルを示す図である。同図の横軸には時刻を示し、縦軸には求められた半導体ウェハーＷの表面温度を示す。この温度プロファイルは、フラッシュランプＦＬによるフラッシュ光照射が開始された後の半導体ウェハーＷの表面温度履歴である。制御部３は、作成した図１７に示す如き半導体ウェハーＷの温度プロファイルを表示部３５に表示する。また、制御部３は、フラッシュ加熱時における半導体ウェハーＷの表面の最高到達温度を表示部３５に出力するようにしても良い。

フラッシュ加熱処理が終了した後、所定時間経過後にハロゲンランプＨＬも消灯する。これにより、半導体ウェハーＷが予備加熱温度Ｔ１から急速に降温する。降温中の半導体ウェハーＷの温度は接触式温度計１３０または放射温度計１２０によって測定され、その測定結果は制御部３に伝達される。制御部３は、測定結果より半導体ウェハーＷの温度が所定温度まで降温したか否かを監視する。そして、半導体ウェハーＷの温度が所定以下にまで降温した後、移載機構１０の一対の移載アーム１１が再び退避位置から移載動作位置に水平移動して上昇することにより、リフトピン１２がサセプター７４の上面から突き出て熱処理後の半導体ウェハーＷをサセプター７４から受け取る。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、リフトピン１２上に載置された半導体ウェハーＷが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の加熱処理が完了する。

本実施形態においては、６００℃以上に加熱されたシリコンでは波長５μｍ以上の赤外光の透過率がゼロになるという特性を利用し、６００℃以上に加熱された半導体ウェハーＷの反射率Ｒを測定し、その反射率Ｒから放射率Ｅを算定してフラッシュ加熱処理時の半導体ウェハーＷの表面温度を求めている。６００℃以上に加熱されたシリコンの半導体ウェハーＷでは波長５μｍ以上の赤外光の透過率がゼロになるため、６００℃以上で半導体ウェハーＷの反射率Ｒを測定すれば温度依存性を有する放射率Ｅを正確に求めることができ、その結果熱処理時の半導体ウェハーＷの温度を正確に測定することができる。また、処理対象となる半導体ウェハーＷの放射率Ｅが自動で算定されるため、処理毎に放射率を設定する作業は不要となる。

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、半導体ウェハーＷの予備加熱温度Ｔ１を６００℃としていたが、これに限定されるものではなく、予備加熱温度Ｔ１はシリコンの半導体ウェハーＷで波長５μｍ以上の赤外光の透過率がゼロになる温度であれば良い。ベアウェハーの反射強度を測定するときにも当該ベアウェハーを予備加熱温度Ｔ１と同じ温度に加熱する。シリコンの半導体ウェハーＷおよびベアウェハーにて波長５μｍ以上の赤外光の透過率がゼロになる温度で処理対象となる半導体ウェハーＷの反射率を測定することにより、半導体ウェハーＷの放射率を正確に算定することができる。

また、上記実施形態においては、光検出素子１５０としてＩｎＳｂ放射温度計を採用していたが、これに限定されるものではなく、例えばＣＣＤ、フォトダイオードなどの応答速度の速い素子を用いるようにしても良い。但し、フラッシュランプＦＬおよびハロゲンランプＨＬから出射された光の影響を排除するためには、それらの光が石英窓によってカットされる４．５μｍ以上を測定波長域とする素子を用いることが好ましい。

また、上記実施形態においては、図１４の光強度プロファイルからデジタル信号処理によってパルス光の反射光成分を除去したものから半導体ウェハーＷの表面の温度を算定していたが、これに代えて、図１４の光強度プロファイルから温度を求め、それにデジタル信号処理を施してパルス光の反射光による影響を除去するようにしても良い。或いは、フラッシュランプＦＬからフラッシュ光照射を開始する時点で参照光源１７０からのパルス光照射を停止するようにしても良い。このようにすれば、デジタル信号処理によるパルス光の反射光成分の除去は不要となる。

また、上記実施形態においては、フラッシュ加熱部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。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。また、ハロゲン加熱部４に備えるハロゲンランプＨＬの本数も４０本に限定されるものではなく、任意の数とすることができる。

また、上記実施形態においては、ハロゲンランプＨＬからのハロゲン光照射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、ホットプレート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も良い。

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シリコンの半導体ウェハーに限定されるものではなく、所定温度以上に加熱されると赤外光の透過率がゼロとなる性質を有する基板であれば良い。このような基板としては、例えば加熱温度を上昇させると赤外光の透過率が減少する特性を有するＳｉＣ（シリコンカーバイド）の半導体ウェハーが例示される。

１熱処理装置
３制御部
４ハロゲン加熱部
５フラッシュ加熱部
６チャンバー
７保持部
１０移載機構
３３放射率算定部
３４温度算定部
３５表示部
６５熱処理空間
７４サセプター
１５０光検出素子
１６０光強度測定部
１７０参照光源
ＦＬフラッシュランプ
ＨＬハロゲンランプ
Ｗ半導体ウェハー

Claims

基板に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部と、
前記保持部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フラッシュ光を照射する前に前記基板に光を照射して前記基板を予備加熱する連続点灯ランプと、
前記基板の表面から到達する光を受光する光検出素子と、
前記光検出素子によって受光された光の強度を測定する光強度測定部と、
前記基板の表面にパルス光を照射する参照光源と、
前記保持部に保持された反射率が既知の基準基板を前記連続点灯ランプによって当該基準基板の透過率がゼロとなる所定温度に加熱しつつ、前記参照光源から前記基準基板にパルス光を照射したときに前記基準基板の表面で反射されて前記光検出素子によって受光された反射光の強度と、前記保持部に保持された処理対象基板を前記連続点灯ランプによって前記所定温度に加熱しつつ、前記参照光源から前記処理対象基板にパルス光を照射したときに前記処理対象基板の表面で反射されて前記光検出素子によって受光された反射光の強度と、の比較により得られた前記処理対象基板の反射率から前記処理対象基板の放射率を算定する放射率算定部と、
前記フラッシュランプから前記処理対象基板にフラッシュ光を照射したときに前記処理対象基板の表面から放射されて前記光検出素子によって受光された放射光の強度と、前記放射率算定部によって算定された前記処理対象基板の放射率とに基づいて前記処理対象基板の表面の温度を算定する温度算定部と、
を備えることを特徴とする熱処理装置。
請求項１記載の熱処理装置において、
前記温度算定部は、前記フラッシュランプによるフラッシュ光照射が開始された後に前記光強度測定部によって時系列的に測定された前記処理対象基板の表面からの放射光の強度に基づいて前記基板の表面温度履歴を求めることを特徴とする熱処理装置。
請求項１または請求項２記載の熱処理装置において、
前記光検出素子はＩｎＳｂ光導電素子を含み、
前記チャンバーには、前記フラッシュランプから出射されたフラッシュ光を透過する石英窓を設けることを特徴とする熱処理装置。
基板に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、
反射率が既知の基準基板を連続点灯ランプからの光照射によって当該基準基板の透過率がゼロとなる所定温度に加熱しつつ、前記基準基板にパルス光を照射したときに前記基準基板の表面で反射された反射光の強度を測定する第１反射強度測定工程と、
処理対象基板を前記連続点灯ランプからの光照射によって前記所定温度に加熱しつつ、前記処理対象基板にパルス光を照射したときに前記処理対象基板の表面で反射された反射光の強度を測定する第２反射強度測定工程と、
第１反射強度測定工程および第２反射強度測定工程にて得られた反射光の強度の比較により得られた前記処理対象基板の反射率から前記処理対象基板の放射率を算定する放射率算定工程と、
前記処理対象基板にフラッシュ光を照射したときに前記処理対象基板の表面から放射された放射光の強度と、前記放射率算定工程にて算定された前記処理対象基板の放射率とに基づいて前記処理対象基板の表面の温度を算定する温度算定工程と、
を備えることを特徴とする熱処理方法。
請求項４記載の熱処理方法において、
前記温度算定工程では、フラッシュ光照射が開始された後に時系列的に測定された前記処理対象基板の表面からの放射光の強度に基づいて前記基板の表面温度履歴を求めることを特徴とする熱処理方法。