JP7372066B2 - 熱処理方法および熱処理装置 - Google Patents

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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方法および熱処理装置に関する。
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。
このようなフラッシュランプを使用した熱処理装置においては、極めて高いエネルギーを有するフラッシュ光を瞬間的に半導体ウェハーの表面に照射するため、一瞬で半導体ウェハーの表面温度が急速に上昇する一方で裏面温度はそれ程には上昇しない。このため、半導体ウェハーの表面のみに急激な熱膨張が生じて半導体ウェハーが上面を凸として反るように変形する。そして、次の瞬間には反動で半導体ウェハーが下面を凸として反るように変形していた。
半導体ウェハーが上面を凸とするように変形したときには、ウェハーの端縁部がサセプタに衝突する。逆に、半導体ウェハーが下面を凸とするように変形したときには、ウェハーの中央部がサセプタに衝突することとなっていた。その結果、サセプタに衝突した衝撃によって半導体ウェハーが割れるという問題があった。
半導体ウェハーが割れた状態で大流量のガスを供給して冷却処理を行うと、パーティクルの増加および拡散が生じて他の半導体ウェハーを汚染するおそれがある。また、半導体ウェハーが割れた状態で雰囲気置換のためにチャンバー内を減圧すると、破片に由来するパーティクルを真空ポンプが巻き込んで故障することがある。
このため、フラッシュ加熱時にウェハー割れが生じたときには、その割れを迅速に検出して後続の半導体ウェハーの投入を停止するとともに、チャンバー内の清掃を行う必要がある。特に、パーティクルの拡散や真空ポンプ等の付帯設備の故障を確実に防止する観点からは、フラッシュ加熱後にガス供給や減圧のための排気を行う前にチャンバー内にて半導体ウェハーの割れを検出することが求められる。
そこで、例えば特許文献１には、フラッシュ加熱処理を行うチャンバーにマイクロフォンを設け、半導体ウェハーが割れたときの音を検知することによってウェハー割れを判定する技術が開示されている。また、特許文献２には、半導体ウェハーからの反射光を導光ロッドによって受光し、その反射光の強度からウェハー割れを検出する技術が開示されている。
特開２００９－２３１６９７号公報 特開２０１５－１３０４２３号公報
しかしながら、特許文献１に開示の技術では、半導体ウェハーが割れた音響のみを抽出するためのフィルタリングが困難であるという問題があった。また、特許文献２に開示の技術では、導光ロッドを回転させる工程がフラッシュ光照射の前後で２回必要となるため、スループットが悪化するという問題があった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、フラッシュ光照射時における基板の割れを簡易な構成にて迅速に検出することができる熱処理方法および熱処理装置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方法において、チャンバー内に基板を収容する収容工程と、連続点灯ランプから光を照射して前記基板を予備加熱温度に加熱する予備加熱工程と、フラッシュランプから前記基板の表面にフラッシュ光を照射して当該表面を加熱するフラッシュ光照射工程と、前記フラッシュ光の照射開始から前記基板に対する加熱を終了するまでの期間の前記基板の温度を測定する温度測定工程と、前記温度測定工程にて測定された前記基板の温度を積算して温度積算値を算定する算定工程と、前記温度積算値が予め設定された上限値および下限値の範囲から外れているときに前記基板が割れていると判定する判定工程と、を備え、前記温度測定工程では、前記基板の表面および裏面の温度を測定し、前記算定工程では、前記基板の表面および裏面の温度を積算し、前記判定工程では、前記基板の表面の温度を積算した表面温度積算値、または、前記基板の裏面の温度を積算した裏面温度積算値が予め設定された上限値および下限値の範囲から外れているときに前記基板が割れていると判定す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方法において、前記温度測定工程では、前記フラッシュ光の照射開始から前記連続点灯ランプによる前記基板の加熱を終了するまでの期間の前記基板の温度を測定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方法において、前記温度測定工程では、前記フラッシュ光の照射開始から前記フラッシュランプによる前記基板の加熱を終了するまでの期間の前記基板の温度を測定することを特徴とする。
また、請求項３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、チャンバー内に基板を収容する収容工程と、連続点灯ランプから光を照射して前記基板を予備加熱温度に加熱する予備加熱工程と、フラッシュランプから前記基板の表面にフラッシュ光を照射して当該表面を加熱するフラッシュ光照射工程と、前記フラッシュ光の照射開始から前記基板に対する加熱を終了するまでの期間の前記基板の温度を測定する温度測定工程と、前記温度測定工程にて測定された前記基板の温度を積算して温度積算値を算定する算定工程と、前記温度積算値が予め設定された上限値および下限値の範囲から外れているときに前記基板が割れていると判定する判定工程と、を備え、前記温度測定工程では、前記基板の表面および裏面の温度を測定し、前記算定工程では、前記基板の表面および裏面の温度を積算し、前記判定工程では、前記基板の表面の温度を積算した表面温度積算値、および、前記基板の裏面の温度を積算した裏面温度積算値が予め設定された上限値および下限値の範囲から外れているときに前記基板が割れていると判定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方法において、前記判定工程にて前記基板が割れていると判定されたときに、前記チャンバーに対する給気および排気を停止することを特徴とする。
また、請求項６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サセプタと、前記サセプタに保持された前記基板に光を照射して予備加熱温度に加熱する連続点灯ランプと、前記基板の表面にフラッシュ光を照射して当該表面を加熱するフラッシュランプと、前記基板の温度を測定する放射温度計と、前記フラッシュ光の照射開始から前記基板に対する加熱を終了するまでの期間に前記放射温度計によって測定された前記基板の温度を積算して温度積算値を算定する算定部と、前記温度積算値が予め設定された上限値および下限値の範囲から外れているときに前記基板が割れていると判定する判定部と、を備え、前記放射温度計は、前記基板の表面の温度を測定する表面放射温度計および前記基板の裏面の温度を測定する裏面放射温度計を含み、前記算定部は、前記基板の表面および裏面の温度を積算し、前記判定部は、前記基板の表面の温度を積算した表面温度積算値、または、前記基板の裏面の温度を積算した裏面温度積算値が予め設定された上限値および下限値の範囲から外れているときに前記基板が割れていると判定す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装置において、前記算定部は、前記フラッシュ光の照射開始から前記連続点灯ランプによる前記基板の加熱を終了するまでの期間に測定された前記基板の温度を積算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装置において、前記算定部は、前記フラッシュ光の照射開始から前記フラッシュランプによる前記基板の加熱を終了するまでの期間に測定された前記基板の温度を積算することを特徴とする。
また、請求項８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サセプタと、前記サセプタに保持された前記基板に光を照射して予備加熱温度に加熱する連続点灯ランプと、前記基板の表面にフラッシュ光を照射して当該表面を加熱するフラッシュランプと、前記基板の温度を測定する放射温度計と、前記フラッシュ光の照射開始から前記基板に対する加熱を終了するまでの期間に前記放射温度計によって測定された前記基板の温度を積算して温度積算値を算定する算定部と、前記温度積算値が予め設定された上限値および下限値の範囲から外れているときに前記基板が割れていると判定する判定部と、を備え、前記放射温度計は、前記基板の表面の温度を測定する表面放射温度計および前記基板の裏面の温度を測定する裏面放射温度計を含み、前記算定部は、前記基板の表面および裏面の温度を積算し、前記判定部は、前記基板の表面の温度を積算した表面温度積算値、および、前記基板の裏面の温度を積算した裏面温度積算値が予め設定された上限値および下限値の範囲から外れているときに前記基板が割れていると判定することを特徴とする。
また、請求項１０の発明は、請求項６から請求項９のいずれかの発明に係る熱処理装置において、前記判定部が前記基板が割れていると判定したときに、前記チャンバーに対する給気および排気を停止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、フラッシュ光の照射開始から基板に対する加熱を終了するまでの期間の基板の温度を積算した温度積算値が予め設定された上限値および下限値の範囲から外れているときに基板が割れていると判定するため、フラッシュ光照射時における基板の割れを簡易な構成にて迅速に検出することができる。
特に、請求項５の発明によれば、基板が割れていると判定されたときに、チャンバーに対する給気および排気を停止するため、基板が割れて生じたパーティクルを拡散させる二次被害を防止することができる。
請求項６から請求項１０の発明によれば、フラッシュ光の照射開始から基板に対する加熱を終了するまでの期間に測定された基板の温度を積算した温度積算値が予め設定された上限値および下限値の範囲から外れているときに基板が割れていると判定するため、フラッシュ光照射時における基板の割れを簡易な構成にて迅速に検出することができる。
特に、請求項１０の発明によれば、基板が割れていると判定したときに、チャンバーに対する給気および排気を停止するため、基板が割れて生じたパーティクルを拡散させる二次被害を防止することができる。
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。 サセプタの平面図である。 サセプタの断面図である。 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。 放射温度計および制御部の機能ブロック図である。 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。 放射温度計によって測定される半導体ウェハーの表面温度の変化を示す図である。
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。
＜第１実施形態＞
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。図１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（本実施形態ではφ３００ｍｍ）。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。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、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は処理ガス供給源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、処理ガス供給源８５から緩衝空間８２に処理ガスが送給される。緩衝空間８２に流入した処理ガスは、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。処理ガスとしては、例えば窒素（Ｎ２）等の不活性ガス、または、水素（Ｈ２）、アンモニア（ＮＨ３）等の反応性ガス、或いはそれらを混合した混合ガスを用いることができる（本実施形態では窒素ガス）。或いは、処理ガスとしてヘリウム（Ｈｅ）やアルゴン（Ａｒ）等の冷却ガスをガス供給孔８１からチャンバー６内に供給することもできる。
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。
排気部１９０は真空ポンプを含む。ガス供給孔８１から処理ガスを供給することなく、排気部１９０を作動させて熱処理空間６５の気体を排気することにより、チャンバー６内を大気圧未満に減圧することができる。また、排気部１９０の真空ポンプとガス排気管８８とは、例えば管径の異なる３本のバイパスラインによって接続されており、それらのいずれを開放するかによってチャンバー６からの排気流量および排気速度を変化させることができる。
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。
図２は、保持部７の全体外観を示す斜視図である。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は円環形状から一部が欠落した円弧形状の石英部材である。この欠落部分は、後述する移載機構１０の移載アーム１１と基台リング７１との干渉を防ぐために設けられている。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）。基台リング７１の上面に、その円環形状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。
サセプタ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。図３は、サセプタ７４の平面図である。また、図４は、サセプタ７４の断面図である。サセプタ７４は、保持プレート７５、ガイドリング７６および複数の基板支持ピン７７を備える。保持プレート７５は、石英にて形成された略円形の平板状部材である。保持プレート７５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、保持プレート７５は、半導体ウェハーＷよりも大きな平面サイズを有する。
保持プレート７５の上面周縁部にガイドリング７６が設置されている。ガイドリング７６は、半導体ウェハーＷの直径よりも大きな内径を有する円環形状の部材である。例えば、半導体ウェハーＷの直径がφ３００ｍｍの場合、ガイドリング７６の内径はφ３２０ｍｍである。ガイドリング７６の内周は、保持プレート７５から上方に向けて広くなるようなテーパ面とされている。ガイドリング７６は、保持プレート７５と同様の石英にて形成される。ガイドリング７６は、保持プレート７５の上面に溶着するようにしても良いし、別途加工したピンなどによって保持プレート７５に固定するようにしても良い。或いは、保持プレート７５とガイドリング７６とを一体の部材として加工するようにしても良い。
保持プレート７５の上面のうちガイドリング７６よりも内側の領域が半導体ウェハーＷを保持する平面状の保持面７５ａとされる。保持プレート７５の保持面７５ａには、複数の基板支持ピン７７が立設されている。本実施形態においては、保持面７５ａの外周円（ガイドリング７６の内周円）と同心円の周上に沿って３０°毎に計１２個の基板支持ピン７７が立設されている。１２個の基板支持ピン７７を配置した円の径（対向する基板支持ピン７７間の距離）は半導体ウェハーＷの径よりも小さく、半導体ウェハーＷの径がφ３００ｍｍであればφ２７０ｍｍ～φ２８０ｍｍ（本実施形態ではφ２７０ｍｍ）である。それぞれの基板支持ピン７７は石英にて形成されている。複数の基板支持ピン７７は、保持プレート７５の上面に溶接によって設けるようにしても良いし、保持プレート７５と一体に加工するようにしても良い。
図２に戻り、基台リング７１に立設された４個の連結部７２とサセプタ７４の保持プレート７５の周縁部とが溶接によって固着される。すなわち、サセプタ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いる。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、サセプタ７４の保持プレート７５は水平姿勢（法線が鉛直方向と一致する姿勢）となる。すなわち、保持プレート７５の保持面７５ａは水平面となる。
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７４の上に水平姿勢にて載置されて保持される。このとき、半導体ウェハーＷは保持プレート７５上に立設された１２個の基板支持ピン７７によって支持されてサセプタ７４に保持される。より厳密には、１２個の基板支持ピン７７の上端部が半導体ウェハーＷの下面に接触して当該半導体ウェハーＷを支持する。１２個の基板支持ピン７７の高さ（基板支持ピン７７の上端から保持プレート７５の保持面７５ａまでの距離）は均一であるため、１２個の基板支持ピン７７によって半導体ウェハーＷを水平姿勢に支持することができる。
また、半導体ウェハーＷは複数の基板支持ピン７７によって保持プレート７５の保持面７５ａから所定の間隔を隔てて支持されることとなる。基板支持ピン７７の高さよりもガイドリング７６の厚さの方が大きい。従って、複数の基板支持ピン７７によって支持された半導体ウェハーＷの水平方向の位置ずれはガイドリング７６によって防止される。
また、図２および図３に示すように、サセプタ７４の保持プレート７５には、上下に貫通して開口部７８が形成されている。開口部７８は、放射温度計１２０（図１参照）が半導体ウェハー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。すなわち、放射温度計１２０が開口部７８を介して半導体ウェハーＷの下面から放射された光を受光して半導体ウェハーＷの温度を測定する。さらに、サセプタ７４の保持プレート７５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。
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。移載アーム１１およびリフトピン１２は石英にて形成されている。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に示すように、熱処理装置１には３つの放射温度計１２０，１３０，１４０が設けられている。上述した通り、放射温度計１２０は、サセプタ７４に設けられた開口部７８を介して半導体ウェハーＷの下面の温度を測定する。放射温度計１３０は、サセプタ７４の中央部から放射された赤外光を検知して当該中央部の温度を測定する。一方、放射温度計１４０は、半導体ウェハーＷの上面から放射された赤外光を検知してウェハー上面の温度を測定する。放射温度計１４０としては、フラッシュランプＦＬからフラッシュ光が照射された瞬間の半導体ウェハーＷの上面の急激な温度変化に追随することが可能な高速放射温度計を採用するのが好ましい。また、熱処理装置１には温度センサー１５０も設けられている。温度センサー１５０は、チャンバー６内の熱処理空間６５の雰囲気温度を計測する。
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。
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。
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を備えている。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熱処理装置１における処理が進行する。
図８は、放射温度計１２０，１４０および制御部３の機能ブロック図である。半導体ウェハーＷの下面の温度を測定する放射温度計１２０は、赤外線センサー１２１および温度測定ユニット１２２を備える。赤外線センサー１２１は、サセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの下面から開口部７８を介して放射された赤外光を受光する。赤外線センサー１２１は、温度測定ユニット１２２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温度測定ユニット１２２に伝達する。温度測定ユニット１２２は、図示を省略する増幅回路、Ａ／Ｄコンバータ、温度変換回路等を備えており、赤外線センサー１２１から出力された赤外光の強度を示す信号を温度に変換する。温度測定ユニット１２２によって求められた温度が半導体ウェハーＷの下面の温度である。
一方、半導体ウェハーＷの上面の温度を測定する放射温度計１４０は、赤外線センサー１４１および温度測定ユニット１４２を備える。赤外線センサー１４１は、サセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの上面から放射された赤外光を受光する。赤外線センサー１４１は、フラッシュ光が照射された瞬間の半導体ウェハーＷの上面の急激な温度変化に対応できるように、ＩｎＳｂ（インジウムアンチモン）の光学素子を備えている。赤外線センサー１４１は、温度測定ユニット１４２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温度測定ユニット１４２に伝達する。温度測定ユニット１４２は、赤外線センサー１４１から出力された赤外光の強度を示す信号を温度に変換する。温度測定ユニット１４２によって求められた温度が半導体ウェハーＷの上面の温度である。なお、サセプタ７４の温度を測定する放射温度計１３０も概ね放射温度計１２０，１４０と同様の構成を備えている。
放射温度計１２０，１４０は、熱処理装置１全体のコントローラである制御部３と電気的に接続されており、放射温度計１２０，１４０によってそれぞれ測定された半導体ウェハーＷの下面および上面の温度は制御部３に伝達される。制御部３は、積算部３１および割れ判定部３２を備える。積算部３１および割れ判定部３２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る。積算部３１および割れ判定部３２の処理内容についてはさらに後述する。
また、制御部３には表示部３３および入力部３４が接続されている。制御部３は、表示部３３に種々の情報を表示する。入力部３４は、熱処理装置１のオペレータが制御部３に種々のコマンドやパラメータを入力するための機器である。オペレータは、表示部３３の表示内容を確認しつつ、入力部３４から半導体ウェハーＷの処理手順および処理条件を記述した処理レシピの条件設定を行うこともできる。表示部３３および入力部３４としては、双方の機能を兼ね備えたタッチパネルを用いることもでき、本実施形態では熱処理装置１の外壁に設けられた液晶のタッチパネルを採用している。
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。図９は、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。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、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Ｓ１）。このときには、半導体ウェハーＷの搬入にともなって装置外部の雰囲気を巻き込むおそれがあるが、チャンバー６には窒素ガスが供給され続けているため、搬送開口部６６から窒素ガスが流出して、そのような外部雰囲気の巻き込みを最小限に抑制することができる。
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７４の保持プレート７５の上面から突き出て半導体ウェハーＷを受け取る。このとき、リフトピン１２は基板支持ピン７７の上端よりも上方にまで上昇する。
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、保持プレート７５上に立設された複数の基板支持ピン７７によって支持されてサセプタ７４に保持される。また、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。複数の基板支持ピン７７によって支持された半導体ウェハーＷの裏面（表面とは反対側の主面）と保持プレート７５の保持面７５ａとの間には所定の間隔が形成される。サセプタ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。
半導体ウェハーＷが石英にて形成された保持部７のサセプタ７４によって水平姿勢にて下方より保持された時点で放射温度計１２０および放射温度計１４０による温度測定が開始される。すなわち、サセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの下面（裏面）から開口部７８を介して放射された赤外光を放射温度計１２０が受光して半導体ウェハーＷの裏面温度を測定する。また、サセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの上面（表面）から放射された赤外光を放射温度計１４０が受光して半導体ウェハーＷの表面温度を測定する。
図１０は、放射温度計１４０によって測定される半導体ウェハーＷの表面温度の変化を示す図である。半導体ウェハーＷがチャンバー６内に搬入されてサセプタ７４に保持された後、時刻ｔ１にハロゲン加熱部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Ｓ２）。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７４を透過して半導体ウェハーＷの下面に照射される。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の温度は放射温度計１２０によって測定される。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、放射温度計１２０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（本実施の形態では６００℃）。このように放射温度計１２０は、予備加熱段階においてハロゲンランプＨＬの出力を制御するための温度センサーでもある。なお、放射温度計１２０は半導体ウェハーＷの裏面の温度を測定しているが、ハロゲンランプＨＬによる予備加熱の段階では半導体ウェハーＷの表裏面に温度差が生じることはなく、放射温度計１２０によって測定される裏面温度は半導体ウェハーＷ全体の温度であるとみなせる。
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、放射温度計１２０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、ハロゲン加熱部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。
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刻ｔ２にフラッシュ加熱部５のフラッシュランプＦＬがサセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの表面にフラッシュ光照射を行う（ステップＳ３）。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、熱処理装置１では、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。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。
極めて照射時間の短いフラッシュ光を照射することによって半導体ウェハーＷの表面を急激に昇温するフラッシュ加熱では、半導体ウェハーＷの表裏面に温度差が生じる。すなわち、フラッシュ光が照射された半導体ウェハーＷの表面が先行して昇温し、その表面からの熱伝導によって裏面が遅れて昇温する。また、フラッシュ加熱時に半導体ウェハーＷの裏面が到達する最高温度は表面が到達する最高温度（処理温度Ｔ２）よりも低い。よって、フラッシュ光が照射された直後の放射温度計１２０の温度測定結果と放射温度計１４０の温度測定結果とは異なる。また、フラッシュ加熱時における半導体ウェハーＷの裏面の温度変化は表面の温度変化に比較すると緩やかなものとなる。
フラッシュ光の照射時間は０．１ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下の極めて短いものであり、フラッシュ光の照射が開始された時刻ｔ２からその照射時間が経過した時刻ｔ３にはフラッシュランプＦＬが消灯することとなる。フラッシュランプＦＬの発光が終了した後もハロゲンランプＨＬは暫時継続して点灯している。ハロゲンランプＨＬは時刻ｔ３よりも後の時刻ｔ４に消灯する。よって、時刻ｔ４にハロゲンランプＨＬによる半導体ウェハーＷの予備加熱が終了することとなる。なお、フラッシュランプＦＬの照射開始時刻ｔ２から照射終了時刻ｔ３までの時間は極めて短いため、図１０では図示の都合上、時刻ｔ２と時刻ｔ３とを重ねて記載している。
フラッシュ光照射が開始された時刻ｔ２以降も放射温度計１４０によって半導体ウェハーＷの表面の温度が測定されるとともに、放射温度計１２０によって半導体ウェハーＷの裏面の温度が測定されている。そして、積算部３１は、フラッシュ光の照射が開始された時刻ｔ２からハロゲンランプＨＬによる半導体ウェハーＷの予備加熱が終了する時刻ｔ４までの期間に放射温度計１４０によって測定された半導体ウェハーＷの表面温度を積算して表面温度積算値ＦＳを算定する（ステップＳ４）。具体的には、放射温度計１４０は所定のサンプリング間隔で半導体ウェハーＷの表面温度を測定しており、時刻ｔ２から時刻ｔ４までの期間に当該サンプリング間隔で測定された半導体ウェハーＷの表面温度の全てを順次加算することによって表面温度積算値ＦＳは算定される。また、積算部３１は、時刻ｔ２から時刻ｔ４までの期間に放射温度計１２０によって測定された半導体ウェハーＷの裏面温度を積算して裏面温度積算値ＢＳを算定する。具体的には、放射温度計１２０も所定のサンプリング間隔で半導体ウェハーＷの裏面温度を測定しており、時刻ｔ２から時刻ｔ４までの期間に当該サンプリング間隔で測定された半導体ウェハーＷの裏面温度の全てを順次加算することによって裏面温度積算値ＢＳは算定される。
続いて、割れ判定部３２が表面温度積算値ＦＳおよび裏面温度積算値ＢＳに基づいてフラッシュ光照射時の半導体ウェハーＷの割れを判定する（ステップＳ５）。フラッシュ光照射時に半導体ウェハーＷが割れたときには、放射温度計１２０，１４０による温度測定に支障をきたし、異常な温度測定値が得られることとなる。そして、そのような異常な温度測定値を積算して求められた表面温度積算値ＦＳ、裏面温度積算値ＢＳも異常な値となる。よって、表面温度積算値ＦＳ、裏面温度積算値ＢＳが適正な範囲内に収まっているか否かを判定することによって、半導体ウェハーＷの割れを判定することができる。
具体的には、割れ判定部３２は次の式（１）（２）によって半導体ウェハーＷの割れを判定する。式（１）におけるＦＬおよび式（２）におけるＢＬは割れ判定のための下限値である。また、式（１）におけるＦＵおよび式（２）におけるＢＵは割れ判定のための上限値である。
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Figure 0007372066000002
上限値ＦＵ，ＢＵおよび下限値ＦＬ，ＢＬはレシピパラメータとして設定される値である。レシピパラメータとは、半導体ウェハーＷの処理手順や処理条件を記述した処理レシピに設定されるパラメータである。処理レシピは処理対象となる半導体ウェハーＷ毎に制御部３に渡されるものであるため、レシピパラメータも半導体ウェハーＷ毎に設定することが可能である。例えば、熱処理装置１のオペレータは、半導体ウェハーＷの処理開始前に入力部３４からレシピパラメータとして上限値ＦＵ，ＢＵおよび下限値ＦＬ，ＢＬの数値を設定入力することができる。
第１実施形態においては、割れ判定部３２は、式（１）および式（２）の双方が満足されるときには、半導体ウェハーＷが割れていないと判定する。換言すれば、割れ判定部３２は、式（１）または式（２）の少なくとも一方が満たされないときには、半導体ウェハーＷが割れていると判定する。すなわち、割れ判定部３２は、表面温度積算値ＦＳが予め設定された上限値ＦＵと下限値ＦＬとの間の範囲から外れている、または、裏面温度積算値ＢＳが予め設定された上限値ＢＵと下限値ＢＬとの間の範囲から外れているときに、半導体ウェハーＷが割れていると判定するのである。
従って、上限値ＦＵおよび下限値ＦＬとしては、例えばウェハー割れが発生しなかったときの表面温度積算値を標準値とし、その標準値に所定のマージンを加算および減算した値を採用して設定するのが好ましい。同様に、上限値ＢＵおよび下限値ＢＬとしては、ウェハー割れが発生しなかったときの裏面温度積算値を標準値とし、その標準値に所定のマージンを加算および減算した値を採用して設定するのが好ましい。上限値ＦＵ，ＢＵと下限値ＦＬ，ＢＬとのそれぞれの間の範囲が狭くなるほど厳しい割れ判定がなされることとなる。
割れ判定部３２が半導体ウェハーＷが割れていないと判定したときには、ステップＳ６からステップＳ７に進み、半導体ウェハーＷの冷却処理が行われる。冷却処理は、半導体ウェハーＷに対する加熱処理（ハロゲンランプＨＬによる予備加熱およびフラッシュランプＦＬによるフラッシュ加熱の双方を含む）が全て終了した時刻ｔ４以降に開始される。冷却処理時には、ガス供給孔８１から熱処理空間６５に冷却ガス（ヘリウム、アルゴンまたは窒素）が供給される。加熱処理および冷却処理の双方にて窒素ガスが用いられる場合には、冷却処理時には窒素ガスの供給流量が増加されることとなる。供給された冷却ガスによって半導体ウェハーＷの熱が奪われることにより半導体ウェハーＷの冷却処理が進行する。
冷却処理が終了した後、半導体ウェハーＷの搬出処理が行われる（ステップＳ８）。具体的には、放射温度計１２０によって監視される半導体ウェハー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７４の上面から突き出て半導体ウェハーＷをサセプタ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。
一方、割れ判定部３２が半導体ウェハーＷが割れていると判定したときには、ステップＳ６からステップＳ９に進み、制御部３が熱処理装置１における処理を中断する。半導体ウェハーＷが割れたと判定されて処理が中断された場合には、冷却処理も行われず、チャンバー６内へのガス供給も停止される。また、チャンバー６に半導体ウェハーＷを搬出入する搬送系の動作も停止する。さらに、制御部３が表示部３３にウェハー割れ発生の警告を発報するようにしても良い。これにより、割れた半導体ウェハーＷの破片は、割れによって発生したパーティクルとともに、密閉空間であるチャンバー６内に閉じ込められることとなる。そして、半導体ウェハーＷの割れが発生したときには、チャンバー６内にパーティクルが発生しているため、チャンバー６を開放して清掃作業を行う。
第１実施形態においては、フラッシュ光の照射が開始された時刻ｔ２からハロゲンランプＨＬによる半導体ウェハーＷの予備加熱が終了する時刻ｔ４までの期間に測定された半導体ウェハーＷの表面温度および裏面温度をそれぞれ積算して表面温度積算値ＦＳおよび裏面温度積算値ＢＳを算定している。そして、それら表面温度積算値ＦＳおよび裏面温度積算値ＢＳに基づいて割れ判定部３２がフラッシュ光照射時の半導体ウェハーＷの割れを判定している。従って、時刻ｔ４以降に冷却処理が開始される前に、半導体ウェハーＷの割れが判定されることとなる。このため、フラッシュ光照射時に半導体ウェハーＷが割れている場合には、冷却処理が開始される前にウェハー割れが検出されることとなり、冷却処理前に処理が中断されて冷却処理は全く実行されない。その結果、半導体ウェハーＷが割れているにも関わらずチャンバー６内に冷却ガスを供給することによって生じるパーティクルの増加や拡散を防止することができ、他の半導体ウェハーＷの汚染を防ぐことができる。
また、熱処理装置１に放射温度計１２０，１４０を設けるという簡易な構成によって、フラッシュ光照射時の半導体ウェハーＷの割れを検出している。さらに、放射温度計１２０，１４０によって測定された温度に対して簡単な演算処理を行うことによって半導体ウェハーＷの割れを検出しているため、スループットを低下させる懸念も無い。すなわち、本実施形態の熱処理装置１は、フラッシュ光照射時における半導体ウェハーＷの割れを簡易な構成にて迅速に検出することができるのである。
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態の熱処理装置１の構成は第１実施形態と全く同じである。また、第２実施形態の熱処理装置１における半導体ウェハーＷの処理手順も第１実施形態と概ね同様である。但し、第２実施形態では、アンモニア等の反応性ガスの雰囲気中にて半導体ウェハーＷの加熱処理を行っている。第２実施形態が第１実施形態と実質的に相違するのは、温度測定値の積算期間と割れ検出の手法である。
第２実施形態においては、積算部３１は、フラッシュ光の照射が開始された時刻ｔ２からフラッシュランプＦＬによる半導体ウェハーＷのフラッシュ加熱が終了する時刻ｔ３までの期間に放射温度計１４０によって測定された半導体ウェハーＷの表面温度を積算して表面温度積算値ＦＳを算定する。同様に、積算部３１は、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間に放射温度計１２０によって測定された半導体ウェハーＷの裏面温度を積算して裏面温度積算値ＢＳを算定する。
そして、第２実施形態では、割れ判定部３２は、式（１）または式（２）のいずれかが満足されているときには、半導体ウェハーＷが割れていないと判定する。換言すれば、割れ判定部３２は、式（１）および式（２）の双方が満たされないときに、半導体ウェハーＷが割れていると判定する。すなわち、割れ判定部３２は、表面温度積算値ＦＳが予め設定された上限値ＦＵと下限値ＦＬとの間の範囲から外れている、および、裏面温度積算値ＢＳが予め設定された上限値ＢＵと下限値ＢＬとの間の範囲から外れているときに、半導体ウェハーＷが割れていると判定するのである。
第２実施形態では、割れ判定部３２が半導体ウェハーＷが割れていないと判定したとき、ハロゲンランプＨＬによる半導体ウェハーＷの予備加熱が終了する時刻ｔ４以降にチャンバー６内の雰囲気置換が行われる。具体的には、チャンバー６内から反応性ガスの雰囲気を排気してチャンバー６内を大気圧未満に減圧した後に、チャンバー６内に窒素ガスを供給して雰囲気置換を行う。そして、チャンバー６内の雰囲気置換を行った後に、半導体ウェハーＷの冷却処理および搬出処理を行う。
一方、割れ判定部３２が半導体ウェハーＷが割れていると判定したときには、制御部３が熱処理装置１における処理を中断する。半導体ウェハーＷが割れたと判定されて処理が中断された場合には、雰囲気置換も行われず、チャンバー６に対するガス供給および排気も停止される。また、チャンバー６に半導体ウェハーＷを搬出入する搬送系の動作も停止する。さらに、制御部３が表示部３３にウェハー割れ発生の警告を発報するようにしても良い。これにより、割れた半導体ウェハーＷの破片は、割れによって発生したパーティクルとともに、密閉空間であるチャンバー６内に閉じ込められる。
第２実施形態においては、フラッシュ光の照射が開始された時刻ｔ２からフラッシュランプＦＬによる半導体ウェハーＷのフラッシュ加熱が終了する時刻ｔ３までの期間に測定された半導体ウェハーＷの表面温度および裏面温度をそれぞれ積算して表面温度積算値ＦＳおよび裏面温度積算値ＢＳを算定している。そして、それら表面温度積算値ＦＳおよび裏面温度積算値ＢＳに基づいて割れ判定部３２がフラッシュ光照射時の半導体ウェハーＷの割れを判定している。従って、時刻ｔ４以降に雰囲気置換が開始される前に、半導体ウェハーＷの割れが判定されることとなる。このため、フラッシュ光照射時に半導体ウェハーＷが割れている場合には、雰囲気置換が開始される前にウェハー割れが検出されることとなり、雰囲気置換前に処理が中断されて雰囲気置換は実行されない。その結果、半導体ウェハーＷが割れて生じたパーティクルを排気部１９０の真空ポンプが巻き込んで故障することが防止される。なお、チャンバー６内がアンモニア等の反応性ガスの雰囲気のままチャンバー６を開放して清掃作業を行うことはできないため、チャンバー６から最も小さな排気流量にて排気を行って反応性ガスを排出した後に窒素ガスを供給して雰囲気置換を行うようにしても良い。
また、第１実施形態と同様に、熱処理装置１に放射温度計１２０，１４０を設けるという簡易な構成によって半導体ウェハーＷの温度を測定し、その測定温度に対して簡単な演算処理を行うことによって半導体ウェハーＷの割れを検出している。このため、熱処理装置１は、フラッシュ光照射時における半導体ウェハーＷの割れを簡易な構成にて迅速に検出することができる。
＜変形例＞
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。第１実施形態では、表面温度積算値ＦＳまたは裏面温度積算値ＢＳが上限値および下限値の範囲から外れているときに半導体ウェハーＷが割れていると判定した（つまり、表面温度積算値ＦＳと裏面温度積算値ＢＳとのＯＲ判定）。第２実施形態では、表面温度積算値ＦＳおよび裏面温度積算値ＢＳが上限値および下限値の範囲から外れているときに半導体ウェハーＷが割れていると判定した（つまり、表面温度積算値ＦＳと裏面温度積算値ＢＳとのＡＮＤ判定）。これらに代えて、例えば、表面温度積算値ＦＳのみに基づいて半導体ウェハーＷの割れを判定するようにしても良い。また、裏面温度積算値ＢＳのみに基づいて半導体ウェハーＷの割れを判定するようにしても良い。
また、放射温度計１３０によって測定されたサセプタ７４の温度を積算して得られた温度積算値に基づいてフラッシュ光照射時の半導体ウェハーＷの割れを判定するようにしても良い。或いは、温度センサー１５０によって測定されたチャンバー６内の雰囲気温度を積算した温度積算値に基づいて半導体ウェハーＷの割れを判定するようにしても良い。フラッシュ光照射時に半導体ウェハーＷが割れたときには、その影響によってサセプタ７４やチャンバー６内の雰囲気温度も異常な挙動を示すため、それらの温度の温度積算値に基づいて割れ判定を行うことは可能である。要するに、フラッシュ光照射時に半導体ウェハーＷが割れたときに、通常とは異なる異常な温度変化を示す要素の温度を積算した温度積算値に基づいて半導体ウェハーＷの割れ判定を行うようにすれば良い。
また、上記実施形態では、フラッシュ光の照射開始から半導体ウェハーＷに対する加熱を終了するまでの期間に測定された半導体ウェハーＷの温度を積算した温度積算値に基づいて半導体ウェハーＷの割れを判定していたが、これに限定されるものではない。例えば、上記期間に測定された半導体ウェハーＷの温度の平均値または標準偏差が所定の範囲から外れているか否かによって半導体ウェハーＷの割れを判定するようにしても良い。
また、熱処理装置１にて半導体ウェハーＷの割れが検出されたときには、当該半導体ウェハーＷと同じ処理レシピで処理されている他の熱処理装置においても半導体ウェハーＷが割れる可能性がある。このため、熱処理装置１にて半導体ウェハーＷの割れが検出されたときに、当該半導体ウェハーＷと同じ処理レシピで処理されている他の熱処理装置の処理を停止す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、１秒以上連続して発光する連続点灯ランプとしてフィラメント方式のハロゲンランプＨＬを用いて半導体ウェハーＷの予備加熱を行っていたが、これに限定されるものではなく、ハロゲンランプＨＬに代えて放電型のアークランプ（例えば、キセノンアークランプ）を連続点灯ランプとして用いて予備加熱を行うようにしても良い。
また、熱処理装置１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、液晶表示装置などのフラットパネルディスプレイ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、高誘電率ゲート絶縁膜（High-k膜）の熱処理、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 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
３１ 積算部
３２ 割れ判定部
３３ 表示部
３４ 入力部
６３ 上側チャンバー窓
６４ 下側チャンバー窓
６５ 熱処理空間
７４ サセプタ
７５ 保持プレート
７７ 基板支持ピン
１２０，１３０，１４０ 放射温度計
１５０ 温度センサー
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 (10)

  1. 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、
    チャンバー内に基板を収容する収容工程と、
    連続点灯ランプから光を照射して前記基板を予備加熱温度に加熱する予備加熱工程と、
    フラッシュランプから前記基板の表面にフラッシュ光を照射して当該表面を加熱するフラッシュ光照射工程と、
    前記フラッシュ光の照射開始から前記基板に対する加熱を終了するまでの期間の前記基板の温度を測定する温度測定工程と、
    前記温度測定工程にて測定された前記基板の温度を積算して温度積算値を算定する算定工程と、
    前記温度積算値が予め設定された上限値および下限値の範囲から外れているときに前記基板が割れていると判定する判定工程と、
    を備え、
    前記温度測定工程では、前記基板の表面および裏面の温度を測定し、
    前記算定工程では、前記基板の表面および裏面の温度を積算し、
    前記判定工程では、前記基板の表面の温度を積算した表面温度積算値、または、前記基板の裏面の温度を積算した裏面温度積算値が予め設定された上限値および下限値の範囲から外れているときに前記基板が割れていると判定することを特徴とする熱処理方法。
  2. 請求項１記載の熱処理方法において、
    前記温度測定工程では、前記フラッシュ光の照射開始から前記連続点灯ランプによる前記基板の加熱を終了するまでの期間の前記基板の温度を測定することを特徴とする熱処理方法。
  3. 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、
    チャンバー内に基板を収容する収容工程と、
    連続点灯ランプから光を照射して前記基板を予備加熱温度に加熱する予備加熱工程と、
    フラッシュランプから前記基板の表面にフラッシュ光を照射して当該表面を加熱するフラッシュ光照射工程と、
    前記フラッシュ光の照射開始から前記基板に対する加熱を終了するまでの期間の前記基板の温度を測定する温度測定工程と、
    前記温度測定工程にて測定された前記基板の温度を積算して温度積算値を算定する算定工程と、
    前記温度積算値が予め設定された上限値および下限値の範囲から外れているときに前記基板が割れていると判定する判定工程と、
    を備え、
    前記温度測定工程では、前記基板の表面および裏面の温度を測定し、
    前記算定工程では、前記基板の表面および裏面の温度を積算し、
    前記判定工程では、前記基板の表面の温度を積算した表面温度積算値、および、前記基板の裏面の温度を積算した裏面温度積算値が予め設定された上限値および下限値の範囲から外れているときに前記基板が割れていると判定することを特徴とする熱処理方法。
  4. 請求項３記載の熱処理方法において、
    前記温度測定工程では、前記フラッシュ光の照射開始から前記フラッシュランプによる前記基板の加熱を終了するまでの期間の前記基板の温度を測定することを特徴とする熱処理方法。
  5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の熱処理方法において、
    前記判定工程にて前記基板が割れていると判定されたときに、前記チャンバーに対する給気および排気を停止することを特徴とする熱処理方法。
  6. 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サセプタと、
    前記サセプタに保持された前記基板に光を照射して予備加熱温度に加熱する連続点灯ランプと、
    前記基板の表面にフラッシュ光を照射して当該表面を加熱するフラッシュランプと、
    前記基板の温度を測定する放射温度計と、
    前記フラッシュ光の照射開始から前記基板に対する加熱を終了するまでの期間に前記放射温度計によって測定された前記基板の温度を積算して温度積算値を算定する算定部と、
    前記温度積算値が予め設定された上限値および下限値の範囲から外れているときに前記基板が割れていると判定する判定部と、
    を備え、
    前記放射温度計は、前記基板の表面の温度を測定する表面放射温度計および前記基板の裏面の温度を測定する裏面放射温度計を含み、
    前記算定部は、前記基板の表面および裏面の温度を積算し、
    前記判定部は、前記基板の表面の温度を積算した表面温度積算値、または、前記基板の裏面の温度を積算した裏面温度積算値が予め設定された上限値および下限値の範囲から外れているときに前記基板が割れていると判定することを特徴とする熱処理装置。
  7. 請求項６記載の熱処理装置において、
    前記算定部は、前記フラッシュ光の照射開始から前記連続点灯ランプによる前記基板の加熱を終了するまでの期間に測定された前記基板の温度を積算することを特徴とする熱処理装置。
  8. 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サセプタと、
    前記サセプタに保持された前記基板に光を照射して予備加熱温度に加熱する連続点灯ランプと、
    前記基板の表面にフラッシュ光を照射して当該表面を加熱するフラッシュランプと、
    前記基板の温度を測定する放射温度計と、
    前記フラッシュ光の照射開始から前記基板に対する加熱を終了するまでの期間に前記放射温度計によって測定された前記基板の温度を積算して温度積算値を算定する算定部と、
    前記温度積算値が予め設定された上限値および下限値の範囲から外れているときに前記基板が割れていると判定する判定部と、
    を備え、
    前記放射温度計は、前記基板の表面の温度を測定する表面放射温度計および前記基板の裏面の温度を測定する裏面放射温度計を含み、
    前記算定部は、前記基板の表面および裏面の温度を積算し、
    前記判定部は、前記基板の表面の温度を積算した表面温度積算値、および、前記基板の裏面の温度を積算した裏面温度積算値が予め設定された上限値および下限値の範囲から外れているときに前記基板が割れていると判定することを特徴とする熱処理装置。
  9. 請求項８記載の熱処理装置において、
    前記算定部は、前記フラッシュ光の照射開始から前記フラッシュランプによる前記基板の加熱を終了するまでの期間に測定された前記基板の温度を積算することを特徴とする熱処理装置。
  10. 請求項６から請求項９のいずれかに記載の熱処理装置において、
    前記判定部が前記基板が割れていると判定したときに、前記チャンバーに対する給気および排気を停止することを特徴とする熱処理装置。
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