KR100512345B1 - 온도 측정 방법, 열처리 장치 및 방법, 그리고 온도 측정을 실행하는 컴퓨터 프로그램을 저장한 기억 매체 - Google Patents

온도 측정 방법, 열처리 장치 및 방법, 그리고 온도 측정을 실행하는 컴퓨터 프로그램을 저장한 기억 매체 Download PDF

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Abstract

다중 반사 환경에서 열원으로부터 가열되는 피측정체의 온도를 상기 피측정체로부터 떨어져 있는 측정부에 마련된 2개의 방사 온도계를 이용하여 측정하는 온도 측정 방법으로서, 상기 2개의 방사 온도계는 상기 측정부에 매립되어 상기 피측정체로부터의 방사광을 수광할 수 있는 로드와, 이 로드에 접속된 광 파이버를 각각 구비하며, 개구수가 상이하고, 상기 측정부의 상기 피측정체와 대항하는 면과 상기 피측정체와의 사이에 상기 다중 반사 환경이 형성되고, 상기 방사 온도계의 로드의 지름을 D1, 개구수를 NA, 상기 피측정체와 상기 측정부의 면까지의 거리를 D2, 상기 측정부의 면의 반사율을 r, 형상 계수를 F, 다중 반사 계수를 α, 상기 피측정체의 방사율을 ε, 상기 피측정체의 실효 방사율을 εeff, N1 및 N2를 파라미터라고 하면, 상기 ε을 상기 2개의 방사 온도계의 측정 결과를 이용하여 산출하는 동시에 상기 피측정체의 온도를 이하의 식을 이용하여 산출한다.

Description

온도 측정 방법, 열처리 장치 및 방법, 그리고 온도 측정을 실행하는 컴퓨터 프로그램을 저장한 기억 매체 {TEMPERATURE MEASURING METHOD, HEAT TREATING DEVICE AND METHOD, COMPUTER PROGRAM, AND RADIATION THERMOMETER}
본 발명은 단결정 기판, 유리 기판 등의 피처리체를 가열 처리하는 열처리 장치 및 방법, 그 피처리체의 온도를 측정하는 방법, 온도 측정 프로그램, 그리고 방사 온도계에 관한 것이다. 본 발명은, 예컨대 메모리나 IC 등의 반도체 장치의 제조에 알맞은 급속 열처리(RTP: Rapid Thermal Processing) 장치에 적합하다. 여기서, RTP는 급속 열 어닐링(RTA), 급속 클리닝(RTC), 급속 열화학 기상 성장(RTCVD), 급속 열 산화(RTO) 및 급속 열 질화(RTN) 등을 포함하는 기술이다.
일반적으로, 반도체 집적 회로를 제조하기 위해서는 반도체 웨이퍼 등의 실리콘 기판에 성막 처리, 어닐링 처리, 산화 확산 처리, 스퍼터링 처리, 에칭 처리, 질화 처리 등의 각종 열처리를 복수 회에 걸쳐 반복한다.
반도체 제조 처리의 수율과 품질을 향상시키기 위한 목적 등을 위해서 피처리체의 온도를 급속히 상승 및 하강시키는 RTP 기술이 주목받고 있다. 종래의 RTP 장치는 전형적으로 피처리체(예컨대, 반도체 웨이퍼, 포토마스크용 유리 기판, 액정 표시용 유리 기판, 광 디스크용 기판)를 수납하는 매엽식(枚葉式) 챔버(처리실)와, 이 처리실에 배치된 석영 윈도우와, 이 석영 윈도우의 외부 상부 또는 상하부에 배치된 가열용 램프(예컨대, 할로겐 램프)와, 이 램프의 피처리체와 반대측에 배치된 리플렉터(반사판)를 구비하고 있다.
리플렉터는, 예컨대 알루미늄제이며, 그 반사부에는 전형적으로 금 도금이 마련되어 있다. 리플렉터에는 리플렉터의 램프에 의한 온도 파손(예컨대, 고온에 의한 금 도금 박리)과 냉각 시에 리플렉터가 냉각을 방해하지 않도록 하기 위한 냉각 기구(냉각관 등)가 마련되어 있다. RTP 기술에서 요구되는 급속 온도 상승은 램프의 파워 밀도와 램프로부터 피처리체로의 광 조사의 지향성에 의존한다. 지향성 및 램프의 에너지 효율은, 예컨대 벌브와 같이 전극부(3)를 하나만 갖는 싱글엔드 램프(2)의 경우, 도 1에 도시한 바와 같이 리플렉터(4)의 경사 각도(α)를 45°로 한 경우에 아래쪽에 배치된 피처리체에 대해 최대가 된다. 여기서, 도 1은 싱글엔드 램프(2)에 의해서 아래쪽의 피처리체를 방사광으로 가열하는 경우에 지향성과 에너지 효율이 가장 좋아지는 경우의 리플렉터(4)의 경사 각도를 설명하기 위한 단면도이다.
석영 윈도우는 판형으로 구성되거나 피처리체를 내부에 수납할 수 있는 관 형상으로 구성된다. 처리실이 진공 펌프에 의해 배기되어 내부가 감압 환경으로 유지되는 경우에는, 석영 윈도우는 수 10 mm(예컨대, 30 내지 40 mm)의 두께를 갖고 감압과 대기와의 차압을 유지한다. 석영 윈도우는, 온도 상승으로 발생하는 각종 온도차에 의한 열응력을 막기 위해서, 두께가 얇고 내압 가능한 만곡형으로 가공되는 경우도 있다.
할로겐 램프는 피처리체를 균일하게 가열하기 위해 복수 개 배치되어, 리플렉터에 의해서 할로겐 램프로부터의 적외선을 한결같이 피처리체를 향해 방사한다. 처리실은 전형적으로 그 측벽에서 피처리체를 도출 및 도입하는 게이트 밸브에 접속되며, 또한, 그 측벽에서 열처리에 사용되는 처리 가스를 도입하는 가스 공급 노즐과 접속된다.
피처리체의 온도는 처리 품질(예컨대, 성막 처리에서의 막 두께 등)에 영향을 주기 때문에 정확하게 파악할 필요가 있으며, 고속 온도 상승 및 고속 냉각을 달성하기 위해서 피처리체의 온도를 측정하는 온도 측정 장치가 처리실에 마련된다. 온도 측정 장치는 열전대에 의해서 구성되어도 좋지만, 피처리체와 접촉시켜야 하기 때문에 피처리체가 열전대를 구성하는 금속에 의해 오염될 우려가 있다. 따라서, 피처리체의 이면으로부터 방사되는 적외선 강도를 검출하여, 그 방사 강도를 이하에 기재한 수학식 1에 따라 피처리체의 방사율(ε)을 구하여 온도 환산함으로써 피처리체의 온도를 산출하는 파이로미터(pyrometer)가 온도 측정 장치로서 종래부터 제안되어 있다.
여기서, EBB(T)는 온도(T)의 흑체로부터의 방사 강도, EM(T)은 온도(T)의 피처리체로부터 측정된 방사 강도, ε은 피처리체의 방사율이다.
동작에 있어서, 피처리체는 게이트 밸브로부터 처리실로 도입되어, 홀더에 그 주변이 지지된다. 열처리 시에는, 가스 공급 노즐로부터 질소 가스나 산소 가스 등의 처리 가스가 도입된다. 한편, 할로겐 램프로부터 조사되는 적외선은 피처리체에 흡수되어 피처리체의 온도가 상승한다.
그러나, 수학식 1에 의해서 구해지는 종래의 피처리체의 온도 측정 방법은, 실제의 피처리체의 온도와 비교할 때 약 20∼40℃의 오차를 포함하여, 고품질의 열처리를 행할 수 없다고 하는 문제가 있었다. 본 발명자는 이 원인을 예의 검토한 결과, 수학식 1을 실제의 피처리체의 온도 측정에 적용하는 경우에는 몇 가지의 오차를 고려해야 하며, 이들 오차에는 피처리체로부터의 방사광이 피처리체와 대향하는 면에서 다중 반사된 빛이 포함되는 것을 발견했다. 특히, 열효율을 높이기 위해서 피처리체 주변 부재의 반사율을 크게 하고 있는 매엽식 처리실에서는 다중 반사에 의한 측정 오차의 영향이 크다.
따라서, 이러한 과제를 해결하는 신규의 유용한 온도 측정 방법, 열처리 장치 및 방법, 컴퓨터 프로그램, 그리고 방사 온도계를 제공하는 것을 본 발명의 개괄적 목적으로 한다.
보다 특정적으로는, 피처리체의 온도를 높은 정밀도로 측정할 수 있는 온도 측정 방법, 열처리 장치 및 방법, 컴퓨터 프로그램, 그리고 방사 온도계를 제공하는 것을 본 발명의 예시적 목적으로 한다.
도 1은 싱글엔드 램프에 의해서 아래쪽의 피처리체를 방사광으로 가열하는 경우에 지향성이 가장 좋아지는 경우의 리플렉터의 경사 각도를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 한 가지 실시 형태로서의 열처리 장치의 개략적인 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시한 열처리 장치에 적용할 수 있는 석영 윈도우의 개략적인 평면도이다.
도 4는 도 3에 도시한 석영 윈도우의 A-A 단면도이다.
도 5는 도 3에 도시한 석영 윈도우의 B-B 단면도이다.
도 6은 도 5에 도시한 석영 윈도우의 점선 영역(C)의 확대도이다.
도 7은 도 3에 도시한 석영 윈도우에 사용되는 렌즈 조립체의 일부 확대 사시도이다.
도 8은 도 3에 도시한 석영 윈도우의 변형예로, 도 3에 대응하는 석영 윈도우의 일부 확대 단면도이다.
도 9는 도 3에 도시한 석영 윈도우의 또 다른 변형예로, 도 3에 대응하는 석영 윈도우의 일부 확대 단면도이다.
도 10은 도 9에 도시한 석영 윈도우를 사용한 경우에, 피처리체의 중심을 (0,0)으로 하여 도 3에 도시한 X 및 Y 방향에 대한 거리와, 피처리체에 조사되는 방사광의 조도와의 관계를 3차원적으로 도시한 도면이다.
도 11은 도 10을 위에서 본 도면이다.
도 12는 도 3에 도시한 석영 윈도우의 또 다른 변형예로, 도 4에 대응하는 석영 윈도우의 일부 확대 단면도이다.
도 13은 도 12에 도시한 석영 윈도우를 사용한 경우에, 피처리체의 중심을 (0,0)으로 해서 도 3에 도시한 X 및 Y 방향에 대한 거리와, 피처리체에 조사되는 방사광의 조도와의 관계를 3차원적으로 도시한 도면이다.
도 14는 도 13을 위에서 본 도면이다.
도 15는 도 2에 도시한 열처리 장치의 가열부의 보다 상세한 구조를 도시한 확대 저면도이다.
도 16은 도 15에 도시한 가열부의 부분 단면 측면도이다.
도 17은 도 16에 도시한 가열부의 램프로부터 도금부를 제거한 정면도이다.
도 18은 도 17에 도시한 램프의 측면도이다.
도 19는 도 15의 변형예로서의 가열부의 확대 저면도이다.
도 20은 도 19에 도시한 가열부의 부분 단면 측면도이다.
도 21은 도 15에 도시한 가열부의 X 방향으로 정렬되는 램프의 냉각 기구를 설명하기 위한 단면도이다.
도 22는 도 21에 도시한 램프의 측면도이다.
도 23은 도 21에 도시한 램프의 평면도이다.
도 24는 도금부로서의 금 도금막을 갖는 램프를 사용한 경우에, 피처리체의 중심을 (0,0)으로 하여 도 18에 도시한 X 및 Y 방향에 대한 거리와, 피처리체에 조사되는 방사광의 조도와의 관계를 3차원적으로 도시한 도면이다.
도 25는 도 24를 위에서 본 도면이다.
도 26은 도 2에 도시한 열처리 장치의 가열부의 변형예를 설명하기 위한 도면으로, 가열부에 적용되는 램프로부터 도금부를 제거한 사시도이다.
도 27은 도 2에 도시한 열처리 장치의 가열부의 또 다른 변형예를 설명하기 위한 도면으로, 가열부에 적용되는 램프로부터 도금부를 제거한 사시도이다.
도 28은 도 26 및 도 27에 나타내는 각각의 램프의 도금부에 의한 피복을 설명하기 위한 단면도이다.
도 29는 도 26에 도시한 램프를 갖는 가열부의 도 15에 도시한 X 방향에 따른 종단면도이다.
도 30은 도 29에 도시한 가열부의 도 15에 도시한 Y 방향을 따른 횡단면도이다.
도 31은 도 27에 도시한 램프(130B)를 적용한 열처리 장치의 가열부의 단면도이다.
도 32는 도 2에 도시한 열처리 장치에 적용할 수 있는 2종류의 방사 온도계 및 그 근방의 개략적인 확대 단면도이다.
도 33은 도 2에 도시한 열처리 장치에 적용할 수 있는 2개의 동종의 방사 온도계 및 그 근방의 개략적인 확대 단면도이다.
도 34는 본 발명의 실효 방사율 산출 방법을 설명하기 위해 사용되는 그래프이다.
도 35는 본 발명의 실효 방사율 산출 방법을 설명하기 위해서 사용되는 그래프이다.
도 36은 본 발명의 실효 방사율 산출 방법을 설명하기 위해서 사용되는 그래프이다.
도 37은 본 발명의 실효 방사율 산출 방법에 사용되는 파라미터를 정의하는 단면도이다.
도 38은 도 2에 도시한 방사 온도계의 변형예로서, 본 발명의 다른 측면이기도 한 방사 온도계 및 그 근방의 개략적인 확대 단면도이다.
도 39는 도 38에 도시한 방사 온도계에 적용할 수 있는 광 파이버로서, 도 38에 도시한 선 AA에서의 광 파이버의 개략적인 단면도이다.
도 40은 도 38에 도시한 선 BB에서의 광 파이버의 개략적인 단면도이다.
도 41은 석영 및 플라스틱제의 광 파이버의 조합에 있어서의 방사율(ε)에 대한 실효 방사율(εeff)을 도시한 도면이다.
도 42는 석영 및 유리제의 광 파이버의 조합에 있어서의 방사율(ε)에 대한 실효 방사율(εeff)을 도시한 도면이다.
도 43은 석영제의 광 파이버의 조합에 있어서의 방사율(ε)에 대한 실효 방사율(εeff)을 도시한 도면이다.
도 44는 피처리체의 냉각 속도에 관한 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프이다.
도 45는 도 2에 도시한 열처리 장치의 냉각 플레이트로서의 바닥부의 변형예를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 46은 도 45에 도시한 구조에서 피처리체를 가열할 때의 피처리체와 바닥부와의 위치 관계를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 47은 도 45에 도시한 구조에서 피처리체를 냉각할 때의 피처리체와 바닥부와의 위치 관계를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 48은 도 46에 도시한 실선 영역(V)의 개략적인 확대 단면도이다.
도 49는 도 6에 대비되는 원통 석영 윈도우를 통과한 빛의 지향성을 설명하기 위한 단면도이다.
도 50은 종래의 싱글엔드 램프를 사용한 경우에, 피처리체의 중심을 (0,0)으로 하여 도 18에 도시한 X 및 Y 방향에 대한 거리와, 피처리체에 조사되는 방사광의 조도와의 관계를 3차원적으로 도시한, 도 24에 대비되는 도면이다.
도 51은 도 50을 위에서 본 도면이다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 한 측면으로서의 온도 측정 방법은, 다중 반사 환경에서 열원으로부터 가열되는 피측정체의 온도를 상기 피처리체로부터 떨어져 있는 측정부에 마련된 2개의 방사 온도계를 이용하여 측정하는 온도 측정 방법으로서, 상기 2개의 방사 온도계는 상기 측정부에 매립되어 상기 피측정체로부터의 방사광을 수광할 수 있는 로드와, 이 로드에 접속된 광 파이버를 각각 구비하고, 개구수 또는 상기 방사 온도계의 로드의 지름과 상기 피측정체와 측정부의 면까지의 거리의 비에 있어서 상이하며, 상기 측정부의 상기 피측정체와 대향하는 면과 상기 피측정체와의 사이에서 상기 다중 반사 환경이 형성되고, 상기 방사 온도계의 로드의 지름을 D1, 개구 수를 NA, 상기 피측정체와 상기 측정부의 면까지의 거리를 D2, 상기 측정부의 면의 반사율을 r, 형상 계수(view factor)를 F, 다중 반사 계수를 α, 상기 피측정체의 방사율을 ε, 상기 피측정체의 실효 방사율을 εeff, N1 및 N2를 파라미터라고 하면, 상기 ε을 상기 2개의 방사 온도계의 측정 결과를 이용하여 산출하는 동시에 상기 피측정체의 온도를, α=1-(1-NA·N1)N2/(D1/D2), εeff=(1-α)·ε+α·ε/{1-F·r·(1-ε)}을 이용하여 산출한다. 이러한 온도 측정 방법은 수학식 1을 α, F, r에 의해 보정하기 때문에 피측정체의 온도를 보다 높은 정밀도로 측정할 수 있다. 이러한 온도 측정 방법을 실행하는 온도 측정 프로그램과, 이 프로그램의 일부로서 저장되어 있는 컴퓨터 판독 가능한 매체도 독립된 취급 대상이다.
또한, 본 발명의 다른 측면으로서의 열처리 장치는 피처리체에 소정의 열처리를 행하는 처리실과, 상기 피처리체를 가열하는 열원과, 상기 처리실의 측정부에 접속되어 상기 피처리체의 온도를 측정하는 방사 온도계와, 이 방사 온도계에 의해 측정된 상기 피처리체의 온도로부터 상기 열원의 가열력을 제어하는 제어부를 구비하고, 이 제어부는 전술한 식을 전술한 조건에서 이용한다. 또한, 본 발명의 또 다른 측면으로서의 열처리 방법도 전술한 식을 전술한 조건에서 이용한다. 이러한 열처리 장치 및 방법도 전술한 온도 측정 방법과 마찬가지의 작용을 발휘할 수 있다.
또한, 본 발명이 다른 측면으로서의 온도 측정 방법은, 다중 반사 환경에서 열원으로부터 가열되는 피측정체의 온도를 상기 피측정체로부터 떨어져 있는 측정부에 마련된 방사 온도계를 이용하여 측정하는 온도 측정 방법으로서, 상기 방사 온도계는 상기 측정부에 매립되어 상기 피측정체로부터의 방사광을 수광할 수 있는 로드와, 이 로드에 접속된 제1 광 파이버와, 이 제1 광 파이버와는 개구 수가 상이하고 상기 로드에 접속된 제2 광 파이버와, 상기 제1 광 파이버를 통과하는 상기 방사광을 검출하는 제1 검출기와, 상기 제2 광 파이버를 통과하는 방사광을 검출하는 제2 검출기를 구비하며, 전술한 식을 전술한 조건에서 이용한다. 이러한 온도 측정 방법은 전술한 온도 측정 방법보다 방사 온도계의 로드의 수를 절반으로 할 수 있다. 이러한 온도 측정 방법을 실행하는 온도 측정 프로그램도 독립된 취급 대상이 된다. 또한, 본 발명의 또 다른 측면으로서의 열처리 장치 및 방법도 전술한 식을 전술한 조건에서 이용한다. 이러한 열처리 장치 및 방법도 전술한 온도 측정 방법과 마찬가지의 작용을 발휘할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면으로서의 방사 온도계는, 피측정체로부터 떨어져 있는 측정부에 마련되어 상기 피측정체로부터의 방사광을 수광할 수 있는 로드와, 이 로드에 접속된 제1 광 파이버와, 이 제1 광 파이버와는 개구 수가 상이하고 상기 로드에 접속된 제2 광 파이버와, 상기 제1 광 파이버를 통과하는 방사광을 검출하는 제1 검출기와, 상기 제2 광 파이버를 통과하는 방사광을 검출하는 제2 검출기를 구비한다. 이러한 방사 온도계는 개구 수가 다른 2 종류의 광 파이버가 하나의 로드를 공유하며, 전술한 온도 측정 방법에 적합하다. 또한, 방사 온도계는 제1 및 제2 광 파이버가 중심부와 외주부로 각각 분리되어 편입된 번들 파이버이어도 좋고, 제1 및 제2 광 파이버는 랜덤하게 편입된 번들 파이버이어도 좋다. 제1 및 제2 광 파이버에 적용할 수 있는 재료는 석영, 플라스틱 및 유리이다. 그러나, 광 파이버가 랜덤하게 편입된 번들 파이버인 경우, 제1 및 제2 광 파이버는 석영과 석영, 또는 석영과 유리의 조합인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 목적 및 또 다른 특징은 이하에 첨부된 도면을 참조로 설명되는 바람직한 실시예에 의해 명확해질 것이다.
이하, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 예시적인 열처리 장치(100)에 대해 설명한다. 각 도면에서 동일한 참조 부호는 동일 부재를 나타낸다. 동일한 참조 부호에 대문자 알파벳을 붙인 것은 알파벳이 없는 참조 번호의 변형예이며, 특별한 이유가 없는 한 알파벳이 없는 참조 번호는 대문자 알파벳을 붙인 참조 번호를 총괄하는 것으로 한다. 도 2는 본 발명의 예시적인 한 가지 실시 형태로서의 열처리 장치(100)의 개략적인 단면도이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 열처리 장치(100)는 처리실(프로세스 챔버)(110)과, 석영 윈도우(120)와, 가열부(140)와, 서포트 링(150)과, 베어링(160)과, 영구 자석(170)과, 가스 도입부(180)와, 배기부(190)와, 방사 온도계(200)와, 제어부(300)를 구비한다.
처리실(110)은, 예컨대 스테인레스강이나 알루미늄 등에 의해 성형되며, 석영 윈도우(120)와 접속되어 있다. 처리실(110)은 그 원통형의 측벽(112)과 석영 윈도우(120)에 의해 피처리체(W)에 열처리를 하기 위한 처리 공간을 획정하고 있다. 이 처리 공간에는 반도체 웨이퍼 등의 피처리체(W)를 얹어 놓는 서포트 링(150)과, 이 서포트 링(150)에 접속된 지지부(152)가 배치되어 있다. 이들 부재는 피처리체(W)의 회전 기구에서 설명한다. 측벽(112)에는 가스 도입부(180) 및 배기부(190)가 접속되어 있다. 처리 공간은 배기부(190)에 의해 소정의 감압 환경으로 유지된다. 피처리체(W)를 도입 및 도출하기 위한 게이트 밸브는 도 2에서는 생략되어 있다.
처리실(110)의 바닥부(114)는 냉각관(116a 및 116b)(이하, 간단히 「116」이라 함)에 접속되어 있어 냉각 플레이트로서 기능한다. 필요하다면, 냉각 플레이트(114)는 온도 제어 기능을 갖추어도 좋다. 온도 제어 기구는, 예컨대 제어부(300)와 온도 센서 및 히터를 구비하며, 수도 등의 수원으로부터 냉각수를 공급받는다. 냉각수 대신에 다른 종류의 냉매(알콜, 갈덴, 프레온 등)를 사용하여도 좋다. 온도 센서는 PTC 서미스터, 적외선 센서, 열전대 등의 공지된 센서를 사용할 수 있다. 히터는, 예컨대 냉각관(116) 주위에 감긴 히터선 등으로서 구성된다. 히터선에 흐르는 전류의 크기를 제어함으로써 냉각관(116)을 흐르는 수온을 조절할 수 있다.
석영 윈도우(120)는 처리실(110)에 기밀 상태로 부착되고, 처리실(110) 내의 감압 환경과 대기와의 차압을 유지하는 동시에 후술하는 램프(130)로부터의 열방사광을 투과한다. 도 3 내지 도 6에 도시한 바와 같이, 석영 윈도우(120)는 반경 약 400 mm, 두께 약 33 mm의 원통형 석영 플레이트(121)와, 복수 개의 렌즈 소자(123)로 이루어지는 복수 개의 석영 렌즈 조립체(122)를 구비한다. 여기서, 도 3은 석영 윈도우(120)의 평면도이다. 도 4는 도 3에 도시한 석영 윈도우(120)의 A-A 단면도이다. 도 5는 도 3에 도시한 석영 윈도우(120)의 B-B 단면도이다. 도 6은 도 5에 도시한 석영 윈도우(120)의 점선 영역(C)의 확대도이다. 도 7은 도 3에 도시한 석영 윈도우(120)에 사용되는 렌즈 조립체(122)의 일부 확대 사시도이다.
렌즈 조립체(122)는 석영 윈도우(120)의 강도를 높이는 동시에 후술하는 램프(130)로부터의 방사광의 지향성을 높이는 작용을 한다. 도 3에 도시한 바와 같이, 각 렌즈 조립체(122)는 집광 작용을 갖는 복수 개의 렌즈 소자(123)를 갖고 있어, X 방향으로 평행하게 정렬되어 있는데, 이것은 후술하는 램프(130)가 X 방향으로 평행하게 정렬되어 있기 때문이며, 렌즈 조립체(122)의 정렬 방향은 램프(130)의 정렬 방향에 의존한다. 도시되어 있는 렌즈 소자(123)의 배향은 예시적이며, 예컨대 본 실시예에서 렌즈 소자(123)는 도 3에 도시한 X 방향으로만 만곡되어 있지만, Y 방향 또는 X 및 Y 방향으로 만곡되어도 좋다. 본 실시예에서는 렌즈 조립체(122)[의 렌즈 소자(133) 및 후술하는 램프(130)]는 거의 원형인 피처리체(W)를 균일하게 가열하도록 배치되어 있다.
렌즈 조립체(122)는 렌즈 조립체(122)와 석영 윈도우(120) 및 후술하는 램프(130)를 냉각하기 위한 공기 유로(AF)(도 21 및 도 23 참조)로서 기능한다. 또한, 2개의 렌즈 조립체(122) 사이는 석영 플레이트(121)를 열전도에 의해 수냉하는 후술하는 격벽(144)과의 접촉부(128)로서 기능한다.
본 실시예에서는, 전술한 바와 같이 석영 플레이트(121)의 두께가 약 30 내지 40 mm 이하, 예컨대 약 30 mm로 설정되어 있다. 본 발명은 석영 플레이트(121)의 두께를 종래와 같이 30 내지 40 mm로 하여 렌즈 조립체(122)의 집광 작용만을 사용하는 데에 지장을 주는 것은 아니지만, 본 실시예와 같이 얇은 석영 플레이트(121)를 사용하면 후술하는 것과 같은 효과를 갖는다. 또한, 본 실시예의 렌즈 조립체(122)의 높이는 약 3 mm, 도 4에서는 폭 21 mm 이하이고, 렌즈 소자(123)는 도 5에서는 길이 약 18 mm, 곡률 반경은 10 mm이지만, 이것에 한정되는 것은 아니다.
본 실시예에서 윈도우 렌즈 조립체(122)는 석영 플레이트(121)의 후술하는 램프(130)에 대향하는 한쪽에만 설치되어 있지만, 석영 플레이트(121)의 양측에 설치하여도 좋고, 석영 플레이트(121)의 후술하는 램프(130)에 대향하지 않는 한 쪽에만 설치하여도 좋다.
석영 플레이트(121)는 렌즈 조립체(122)에 의해 열 변형에 대한 강도가 향상되어 있기 때문에, 종래와 같이 처리실(110)에서 멀어지는 방향으로 만곡되는 돔형으로 형성될 필요가 없고, 평면 형상을 갖는다. 돔형으로 형성되는 석영 윈도우는 피처리체를 램프로부터 떨어지게 하는 거리를 증가시키 때문에 램프의 지향성을 악화시킨다는 문제가 있었지만, 본 실시예는 이러한 문제를 해결하였다. 본 실시예에서는 석영 플레이트(121)와 렌즈 조립체(122)가 용접에 의해서 접합되지만, 일체적으로 형성하는 방법을 배제하는 것은 아니다.
본 실시예의 석영 플레이트(121)의 두께는 30 내지 40 mm 이하, 예컨대 약 30 mm이며, 종래의 석영 윈도우의 두께인 30 내지 40 mm보다 작다. 그 결과, 본 실시예의 석영 윈도우(120)는 종래의 석영 윈도우보다 후술하는 램프(130)로부터의 빛의 흡수량이 적다. 그 결과, 석영 윈도우(120)는 이하의 장점을 갖는다. 첫째로, 램프(130)로부터의 피처리체(W)로의 조사 효율을 종래보다 향상시킬 수 있기 때문에 고속 온도 상승을 낮은 소비 전력으로 달성할 수 있다. 즉, 종래에는 램프광이 석영 윈도우에 흡수되어 피처리체(W)로의 조사 효율을 저하시키는 문제가 있었지만, 본 실시예는 그것을 해결하였다. 둘째로, 플레이트(121)의 표면과 이면에서의 온도차(즉, 열응력차)를 종래보다 낮게 유지할 수 있으므로 잘 파괴되지 않는다. 즉, 종래에는 석영 윈도우의 램프에 대향하는 면과 그 반대쪽 면에서 온도차가 생겨, RTP와 같은 급속 온도 상승 시에는 표면과 이면에서의 열응력차로부터 석영 윈도우가 쉽게 파괴되는 문제가 있었지만, 본 실시예는 그것을 해결하였다. 셋째로, 석영 윈도우(120)의 온도 상승은 종래의 석영 윈도우보다도 낮기 때문에, 성막 처리의 경우에 그 표면에 퇴적막이나 반응 부생성물이 부착되는 것을 방지할 수 있어, 온도 재현성을 확보할 수 있는 동시에 처리실(110)의 클리닝 빈도를 감소시킬 수 있다. 즉, 종래에는 석영 윈도우의 온도가 상승하여, 특히 성막 처리인 경우에는 그 표면에 퇴적막이나 반응 부생성물이 부착되어 버려 온도 재현성을 확보할 수 없는 동시에 처리실의 클리닝 빈도가 증가하는 문제가 있었지만, 본 실시예는 그것을 해결하였다.
또한, 렌즈 조립체(122)를 사용하지 않는 석영 플레이트(121)만으로 이루어지는 석영 윈도우(120)는, 석영 플레이트(121)의 두께가 본 실시예와 같이 작으면 램프광의 흡수를 감소시킬 수 있지만, 강도적으로 처리실 내의 감압 환경과 대기압과의 차압에 견디지 못하고 쉽게 파괴되어 버릴 가능성이 있어, 감압 환경의 처리실에는 적용할 수 없다고 하는 문제가 생기지만, 렌즈 조립체(122)는 이러한 문제를 해소하였다.
다음으로, 도 6, 도 7 및 도 49를 참조하여, 석영 윈도우(120)의 렌즈 조립체(122)의 집광 작용에 대해 설명한다. 도 49를 참조하면, 렌즈 조립체를 구비하지 않은 직사각형 단면의 석영 윈도우(6)를 통과하는, 도시하지 않는 석영 윈도우(6) 위쪽에 위치하는 싱글엔드 램프로부터의 빛은 확산되기 때문에, 석영 윈도우(6) 아래쪽에 있는 피처리체로의 지향성이 나쁘다. 여기서, 도 49는 도 6에 대비되는 원통 석영 윈도우를 통과한 빛의 지향성을 설명하기 위한 단면도이다. 이에 반하여, 도 6 및 도 7에 도시한 바와 같이, 본 실시예의 석영 윈도우(120)는 볼록형 렌즈 소자(123)를 갖는 렌즈 조립체(122)에 의해, 램프(130)로부터의 빛을 콜리메이트하여 지향성 좋게 피처리체(W)에 조사한다. 본 발명의 렌즈 소자(123)의 형상이나 곡률은 반드시 램프(130)로부터의 빛을 콜리메이트하는 것에 반드시 한정되지 않으며, 적어도 종래의 지향성과 동등하거나 또는 그것을 개선하면 족하다. 도 49에 도시한 지향성과 동등하더라도 렌즈 조립체(122)는 전술한 보강 기구를 갖기 때문이다.
이하, 도 8을 참조하면서 본 실시예의 석영 윈도우(120)의 변형예로서의 석영 윈도우(120A)를 설명한다. 여기서, 도 8은 도 4에 대응하는 석영 윈도우(120A)의 일부 확대 단면도이다. 본 실시예의 석영 윈도우(120A)는 도 3에 도시한 유로(124)의 바로 아래에 유로(124)와 평행하게 형성된 직사각형 단면의 알루미늄 또는 스테인레스(SUS)제의 보강재(또는 기둥)(124)를 갖는다. 이러한 보강재(124)는 내부에 냉각관(수냉관)(125)을 구비하고 석영 윈도우(120A)의 강도를 높인다.
보강재(124)는 열전도율이 좋고 처리실과 같은 재질이기 때문에 피처리체(W)에 대한 오염원이 되지 않는다. 보강재(124)에 의해 석영 윈도우(120A)의 석영 플레이트(121)의 두께는 10 mm 이하, 바람직하게는 7 mm 이하, 더욱 바람직하게는 예컨대 약 5 mm가 되어, 전술한 장점이 더욱 현저해진다. 본 실시예에서, 보강재(124)의 단면 치수는 도 8에서 높이 약 18 mm, 폭 약 12 mm이며, 수냉관(125)의 지름은 6 mm 정도이지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 또, 보강재(124)의 단면 형상도 직사각형에 한정되지 않고 파형 등 임의의 형상일 수 있다. 본 발명은, 도 12에 도시한 바와 같이 석영 플레이트(121)와 보강재(124)의 조합인 석영 윈도우(121c)도 포함한다. 도 8에 화살표로 나타낸 바와 같이, 램프(130)로부터의 방사광은 보강재(124)의 측면에서 반사되어 아래쪽에 배치된 도시하지 않는 피처리체(W)로 도입된다. 본 실시예의 냉각관(125)은 보강재(124)와 석영 플레이트(121)를 모두 냉각하는 기능을 갖는다. 보강재(124)가 알루미늄제라면 200℃ 내지 700℃에서 녹거나 변형되거나 하므로 적당한 온도 제어가 필요하기 때문이다. 냉각관(125)에 의한 온도 제어는 냉각관(116)과 같은 방식이라도 좋으며, 당업계에 이미 알려진 어떠한 방법도 적용할 수 있다.
이하에서는 도 9를 참조하여 본 실시예의 석영 윈도우(120)의 다른 변형예로서의 석영 윈도우(120B)를 설명한다. 여기서, 도 9는 도 4에 대응하는 석영 윈도우(120B)의 일부 확대 단면도이다. 본 실시예의 석영 윈도우(120A)는 석영 윈도우(120A)에 렌즈 조립체(122)의 바로 아래에 렌즈 조립체(122)와 평행하게 형성된 직사각형 단면의 도파부(126)를 갖는다. 본 실시예의 석영 윈도우(120B)는 석영 윈도우(120A)보다 조명 효율이 향상되어 있다. 도 8을 참조하면, 화살표로 나타낸 램프(130)로부터의 방사광은 보강재(124)에서 반사될 때에 10% 정도의 에너지 손실이 발생한다. 또, 에너지 손실의 비율은 보강부(124)의 높이나 그 밖의 파라미터에 의존한다. 한편, 보강재(124)의 측면에 금 도금 등 높은 반사율을 갖는 금속에 의해 표면 처리하는 것은 피처리체(W)에 대한 오염원이 되기 때문에 바람직하지 못하다. 또, 보강재(124)에 적용 가능한 재료로서 반사 손실이 없는 재료는 존재하지 않는다.
따라서, 본 실시예에서는 렌즈 조립체(122)의 바로 아래에 렌즈 조립체(122)와 평행하게 직사각형 단면의 도파부(126)를 형성하였다. 석영 플레이트(121)와 도파부(126)는 용접에 의해서 접합하여도 좋고, 일체적으로 형성되어도 좋다. 석영 도파부(126)는 굴절율 약 1.4, 진공 및 대기의 굴절율은 약 1.0이며, 이러한 관계로부터 석영 도파부(126)의 내부에서는 방사광은 전반사된다. 이 때문에, 본 실시예의 석영 윈도우(120B)는 에너지 손실을 이론상 제로이다.
석영 윈도우(120B)는, 보강재(124)를 제거하여 플레이트(121)의 두께를 석영 윈도우(120B)의 플레이트(121)와 도파부(126)의 합계로 한 석영 윈도우보다 바람직하다. 왜냐하면, 이 경우에 석영 윈도우는 두껍게 되기 때문에, 종래의 두께가 두꺼운 석영 윈도우와 마찬가지의 문제를 일으키기 때문이다.
도 10 및 도 11에는 도 9에 도시한 석영 윈도우(120B)를 사용한 경우, 석영 윈도우(120B)를 사용한 경우의 지향성을 도시하였다. 도 10 및 도 11은 이해의 편의를 위해 컬러 도면으로 본 출원에 첨부한다. 여기서, 도 10은 피처리체(W)의 중심을 (0,0)으로 하여 도 3에 도시한 X 및 Y 방향에 대한 거리(distance)와 피처리체(W)에 조사되는 방사광의 조도(irradiance)와의 관계를 3차원적으로 보여주고 있다. 도 11은 도 10을 위에서 본 도면이다.
이들 도면의 실험 조건은 다음과 같다. 즉, 금 도금막으로 이루어지는 도금부(149)를 갖고 램프 출력 750W인 램프(130)를 사용하여, 램프(130)의 하단과 렌즈 조립체(122)의 상단과의 거리를 2 mm, 피처리체(W)로부터 알루미늄제 보강재(124)의 하단까지의 거리를 20 mm로 설정하였다. 또, 도 9에서는 석영 플레이트(121)의 두께를 5 mm, 렌즈 소자(123)의 석영 플레이트(121) 표면으로부터의 높이를 5 mm, 곡율 반경 10 mm, 폭 19 mm, 도파부(126)의 폭을 19 mm, 높이를 18 mm, 2개의 보강재(124)의 간격을 21 mm로 설정하였다.
도 13 및 도 14에는, 도 9에 도시한 석영 윈도우(120B)에 대비되는 도 12에 도시한 석영 윈도우(120C)를 사용한 경우의 지향성을 도시하였다. 도 13 및 도 14는 이해의 편의를 위해 컬러 도면으로 본 출원에 첨부한다. 여기서, 도 13은 도 12에 도시한 석영 윈도우를 사용한 경우에, 피처리체(W)의 중심을 (0,0)으로 하여 도 3에 도시한 X 및 Y 방향에 대한 거리(distance)와 피처리체(W)에 조사되는 방사광의 조도(irradiance)와의 관계를 3차원적으로 보여주고 있다. 도 14는 도 13을 위에서 본 도면이다.
이들 도면의 실험 조건은 다음과 같다. 즉, 금 도금막으로 이루어지는 도금부(149)를 갖고 램프 출력 750 W인 램프(130)를 사용하여, 램프(130)의 하단과 석영 플레이트(121)의 상단과의 거리를 2 mm, 피처리체(W)에서부터 알루미늄제 보강재(124)의 하단까지의 거리를 20 mm로 설정하였다. 또, 도 12에서는 석영 플레이트(121)의 두께를 5 mm, 2개의 보강재(124)의 간격을 21 mm로 설정하였다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 피처리체(W)의 중심 부근에서 조도가 예리하게 극대화되어, 석영 윈도우(120B)가 지향성을 향상시키고 있음을 이해할 수 있다. 또한, 최대 높이(즉, 최대 조도)의 절반의 나비(「반치폭」이라 부르는 경우도 있음)는 대략 원형이며, 약 40 mm이다. 반치폭은 원에 가까우면 가까울수록, 그리고 그 값이 작으면 작을수록 제어성이 우수하다. 한편, 도 13 및 도 14를 참조하면, 피처리체(W)의 중심 부근에서 조도가 극대화되어 있지만 그 값은 그다지 크지 않다. 또, 반치폭은 대략 타원형이며, 최대 약 100 mm이다. 지향성은 조도의 극대치가 크면 클수록 양호해진다. 또, 반치폭은 원에 가까우면 가까울수록, 그리고 그 값이 작으면 작을수록 제어성이 우수한다. 여기서, 제어성이란 피처리체(W)의 원하는 위치를 가열하고(즉, 방사광을 조사하고), 피처리체(W)의 바람직하지 않은 위치는 가열하지 않는 경우의 가공 용이성을 의미한다. 도 10 및 도 11을 도 13 및 도 14와 대비하면, 도 12에 도시한 석영 윈도우(120C)보다 도 9에 도시한 석영 윈도우(120B) 쪽이 지향성 및 제어성 모두에서 우수한 것을 이해할 수 있을 것이다.
전술한 실시예의 각종 석영 윈도우(120)는 리플렉터를 필요로 하지 않는 후술하는 램프(130)에 사용되는 것을 필수 조건으로 하지는 않는다. 환언하면, 석영 윈도우(120)는 그 강도성과 지향성으로부터 리플렉터를 갖는 열처리 장치에도 적용할 수 있음을 이해할 것이다. 그 경우, 단면 형상이 파형인 보강재(124)는 단면이 파형인 리플렉터에 적합할 것이다.
이하에서는 도 15 내지 도 18을 참조하여 본 발명의 가열부(140)를 설명한다. 여기서, 도 15는 가열부(140)의 저면도이고, 도 16은 도 15에 도시한 가열부(140)의 부분 단면 측면도이다. 도 17은 도 16에 도시한 램프(130)의 정면도이고, 도 18은 도 17에 도시한 램프(130)의 측면도이다. 도 15에 도시한 바와 같이 램프(130)는 도 3에 도시한 렌즈 소자(123)에 대응하고 있다. 가열부(140)는 램프(130)와 램프 유지부(142)를 구비하고 있다.
도 16에 도시한 바와 같이, 램프(130)는 본 실시예에서는 싱글엔드형이지만, 후술하는 바와 같이 더블엔드형이어도 좋고, 전열선 히터 등 그 밖의 열원을 사용하여도 좋다. 여기서, 싱글엔드형이란, 도 16에 도시한 바와 같이 하나의 전극부(132)를 갖는 종류의 램프를 말한다. 더블엔드형이란, 형광등과 같이 두개의 단부를 갖는 램프를 말한다. 램프(130)는 피처리체(W)를 가열하는 열원으로서 기능하며, 본 실시예에서는 할로겐 램프이지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 램프(130)의 출력은 램프 드라이버(310)에 의해서 결정되지만, 램프 드라이버(310)는 후술하는 바와 같이 제어부(300)에 의해 제어되며, 그것에 따른 전력을 램프(130)에 공급한다.
도 17에 도시한 바와 같이, 램프(130)는 하나의 전극부(132)와 발광부(134)를 포함하며, 발광부(134)는 전극부(132)와 접속되는 필라멘트(135)를 갖는다. 도 15에 점선으로 도시한 바와 같이, 본 실시예에서 복수 개의 램프(130)는 거의 원형인 피처리체(W)를 균일하게 가열하도록, 렌즈 조립체(122)의 각 렌즈 소자(123)에 대응하도록 직선적으로 배치되어 있다. 또, 전술한 바와 같이 도 15에서 도시한 Y 방향을 따라서 동일 열의 X 방향으로 인접하는 램프(130) 사이에는 리플렉터가 존재하지 않기 때문에, X 방향의 램프(130) 사이의 거리는 약 3 mm로 유지할 수 있으며, 후술하는 바와 같이 램프 밀도의 증가와 이에 따른 파워 밀도의 증가에 기여한다. 또한, 후술하는 바와 같이, 이러한 램프(130)의 직선 배치는 적합한 열 배기(예컨대, 4 m3/min 이하)의 실현에 기여한다.
도 18에 도시한 바와 같이, 전극부(132)의 아래에는 발광부(134)의 일부로서 머리부(133)가 형성되며, 이 머리부(133)의 주위에도 후술하는 바와 같이 도금부(149)가 형성된다. 도 2를 참조하면, 전극부(132)에 공급되는 전력은 램프 드라이버(310)에 의해서 결정되며, 램프 드라이버(310)는 제어부(300)에 의해서 제어된다. 도 17을 참조하면, 본 실시예에서는 예시적으로 전극부(132)의 높이는 약 25 mm, 발광부(124)의 높이는 약 65 mm, 두께는 약 1 mm이며, 필라멘트(135)의 길이는 약 25 mm이다. 또, 도 18을 참조하면, 본 실시예에서는 예시적으로 전극부(132)의 폭은 약 5 mm이고, 발광부(134)의 [머리부(133)가 아닌] 폭은 약 15 mm이다. 발광부(134) 내에는 질소 또는 아르곤 및 할로겐 기체가 봉입된다. 필라멘트(135)는, 예컨대 텅스텐으로 구성된다. 필라멘트(135)의 하부와 도 17에 도시한 발광부(134)의 저면(134a)과의 거리는 소정 범위로 설정되며, 이 결과 소정의 지향성과 램프 수명을 확보할 수 있다. 즉, 이러한 거리가 지나치게 작으면 램프(130)의 지향성이 나빠지고, 지나치게 크면 할로겐 사이클이 불충분해져 램프 수명이 짧아지기 때문이다.
도 15 및 도 16을 참조하면, 램프 유지부(142)는 대략 직육면체 형상이며, 각 램프(130)를 수납하는 복수 개의 원통형 홈(143)과 격벽(144)을 구비한다.
홈(143)은 램프(130)의 전극부(132)를 수납하는 부분(143a)과 발광부(134)를 수납하는 부분(143b)으로 이루어진다. 상기 부분(143a), 전극부(132)와 도 2에는 도시하고 도 16에는 도시하지 않는 램프 드라이버(310)를 접속하는 동시에, 양자 사이를 밀봉하는 밀봉부로서 기능한다. 상기 부분(143b)은 발광부(134)보다 지름이 크다.
격벽(144)은, 예컨대 폭이 12 mm이며, 도 3, 도 8, 도 15 및 도 16에 도시한 바와 같이, 도 3에 도시한 유로(128) 및 도 7에 도시한 보강재(124)의 위에 있으며 도 15에 도시한 X 방향으로 정렬되는 복수 개의 인접한 홈(143) 사이에 배치되어 있다. 격벽(144)에는 유로(128)와 평행하게(즉, 도 15에 도시한 X 방향으로) 정렬되는 1쌍의 냉각관(수냉관)(145)이 내접되어 있다. 또한, 발광부(134)를 제외한 홈(143)에는 발광부(134) 표면을 공냉할 수 있도록 블로어에 의해서 약 0.3∼0.8 m3의 공기를 흘릴 수 있기 때문에, 본 실시예의 램프(130)는 공냉 기구와 냉각관(145)에 의해서 냉각된다. 단, 후술하는 도 19 및 도 20에 도시한 가열부(140A)와 같이, 격벽(144) 및 냉각관(145)을 제거하고 공냉 기구에 의해서만 냉각하는 것도 가능하다. 후술하는 바와 같이 도금부(149)가 금 도금막으로 구성되는 경우, 공냉 기구 및 냉각관(145)은 금 도금의 박리 등의 온도 파괴를 방지하기 위해서 도금부(149)의 온도를 500℃ 이하로 유지한다. 냉각관(145)에 의한 온도 제어는 냉각관(116)과 같은 방식이라도 좋으며, 당업계에서 알려려 있는 어떠한 방법도 적용할 수 있다. 도금부(149)가 500℃ 이상의 내열성을 갖는 경우라도, 램프(130)는 일반적으로 900℃를 넘으면 투명성을 상실[발광부(134)가 희어지는 현상]하기 때문에 램프(130)가 900℃ 이하가 되도록 냉각관(145)과 그 밖의 냉각 기구에 의해 온도 제어되는 것이 바람직하다.
본 실시예에서는, 특징적으로 격벽(144) 및 냉각관(145)이 도 15에 도시한 X 방향을 따라서만 설치되어 있고, 종래의 리플렉터와 같이 X 및 Y 방향의 2차원적인 냉각관의 배열을 채용하고 있지 않다. 따라서, 본 실시예의 램프 유지부(142)의 구조는 램프(130)의 램프 밀도 및 그것에 따른 파워 밀도의 증가에 기여힌다. 예컨대, 도 44에 도시한 종래의 (예컨대, 50 mm 지름의) 리플렉터를 갖는 램프 배열의 경우, 램프 밀도는 0.04 라인/cm2인데 반하여 본 실시예의 램프 밀도는 0.16 라인/cm2가 된다. 격벽(144) 및 냉각관(145)을 설치하는 대신 공냉에 의해서만 램프(130) 및 램프 유지부(142)를 냉각하는 경우, 램프 밀도는 최대 약 0.40 라인/cm2가 된다. 일반적으로, RTP에 요구되는 파워 밀도는 1 라인당의 램프 파워와 램프 밀도에 의해 결정된다. 램프 파워가 크면 클수록 램프 밀도는 작아도 된다. 본 실시예의 램프 배열은 한층 더 급속한 온도 상승이 필요한 RTP에도 충분히 대응할 수 있는 것이다.
이하에서는 도 19 및 도 20을 참조하면서 도 15에 도시한 가열부(140)의 변형예로서의 가열부(140A)에 대해 설명한다. 본 실시예의 가열부(140A)는 가열부(140)로부터 격벽(144) 및 냉각관(145)을 제거하여 램프 밀도를 향상시킨 것이다. 냉각관(145)이 램프 유지부(142)에 설치되어 있지 않기 때문에, 램프(130)는 공냉에 의해서만 냉각된다. 가열부(140A)의 램프 밀도는 가열부(140)의 경우의 거의 2배이다. 도금부(149)가 종래에 필요하였던 리플렉터를 배제하고 있기 때문에, 이러한 고밀도 램프 실장이 가능하게 된다는 것이 이해될 것이다.
이하에서는 도 21 내지 도 23을 참조하면서 램프(130)의 공냉 기구에 대해 설명한다. 여기서, 도 21은 도 15에 도시한 가열부(140)의 X 방향으로 정렬되는 램프(130)의 냉각 기구를 설명하기 위한 단면도이다. 도 22는 도 21에 도시한 램프(130)의 측면도이다. 도 23은 도 21에 도시한 램프(130)의 평면도이다. 이들 도면에 도시한 바와 같이, 동일 열의(즉, 도 15에 도시한 X 방향을 따라서 직선적으로 배치된) 복수 개의 램프(130)는 이들[의 발광부(134)]와 직렬로 접속된 블로어에 의해서 열 배기(공냉)된다. 블로어에 의한 배기 효율은 직선적 배치에 대하여, 예컨대 4 m3/min 이하로 양호하다. 이 정도의 열 배기인 경우에는 열처리 장치(100) 외부로 배기하여도 좋고, 순환시켜도 좋다. 순환시키는 경우에는 전형적으로 라디에이터를 유로에 추가로 설치하여 열기를 냉각하게 되는데, 양호한 배기 효율 때문에 배기 시스템의 부하는 적다.
도금부(149)는 램프(130)의 열 방사광을 발광부(134) 내에서 높은 반사율로 반사하는 기능을 갖는다. 높은 반사율을 갖는 반사부를 발광부(134)에 설치함으로써, 발광부(134)의 [필라멘트(135)가 발하는 방사광의] 피처리체(W)에의 지향성이 높아진다. 이 결과, 도금부(149)는 종래 발광부의 외부에 설치할 필요가 있었던 리플렉터(반사판)를 필요로 하지 않는다. 리플렉터를 사용하지 않기 때문에, 복수 개의 램프를 [예컨대, 도 15에 도시한 X 방향으로 인접한 램프(130) 사이 거리를 약 3 mm로 하는 등] 고밀도로 [예컨대, 45°경사 각도의 리플렉터를 갖는 램프 밀도(예컨대, 0.04 라인/cm2)의 약 4배의 램프 밀도(예컨대, 0.16 라인/cm2)]로 실장할 수 있으며, 리플렉터를 갖는 경우보다 파워 밀도를 증가시킬 수 있어, 본 발명의 열처리 장치(100)는 고속 온도 상승의 RTP에 적합하다.
도금부(149)는, 도 17에 도시한 발광부(134)의 저면(134a)을 제외하고, 머리부(133)를 포함하는 발광부(134)에 각종 도금법과 그 밖의 방법으로 형성된다. 이와 같이, 도금부(149)를 발광부(134)의 피처리체(W)에 대향하는 바닥부(134a) 이외의 부분(즉, 대향하지 않는 부분)에 설치함으로써 필라멘트(W)로부터 피처리체로의 직접적인 광 조사 및 도금부(149)에 의해 반사된 결과로서의 광 조사를 차단하지 않고 지향성을 높일 수 있다.
도금부(149)는 방사광을 높은 반사율로 반사하는 금속막으로 형성되며, 예컨대 금이나 은 등이다. 예컨대, 도금부(149)가 금 도금막으로 이루어지는 경우, 그것은 전기 도금(경질 금도금이나 순금 금도금)에 의해 형성될 것이다. 문헌에 따르면, 도금부(149)의 두께는 약 10 ㎛ 정도면 발광부(134)로부터의 누설 광을 방지하기에 충분하다. 또한, 본 발명은 도금부(149)가 램프(130)의 지향성을 높이면 충분하며, 고반사율의 범위에 대해서는 한정되지 않는다.
도 24 및 도 25에는, 금 도금막으로 이루어지는 도금부(149)를 갖는 램프(130)를 사용한 경우의 지향성을 도시하였다. 또한, 도 24 및 도 25는 이해의 편의를 위해 컬러 도면으로 본 출원에 첨부한다. 여기서, 도 24는 도금부(149)로서의 금 도금막을 갖는 램프(130)를 사용한 경우에, 피처리체(W)의 중심을 (0,0)으로 하여 도 15에 도시한 X 및 Y 방향에 대한 거리(distance)와 조도(irradiance)와의 관계를 3차원적으로 보여주고 있다. 도 25는 도 24를 위에서 본 도면이다.
이들 도면의 실험 조건은 다음과 같다. 즉, 금 도금막으로 이루어지는 도금부(149)를 갖고 램프 출력 750 W인 램프(130)을 사용하여, 처리실(110)을 상압 환경으로 유지하고, 램프(130)의 하단과 두께 3 mm의 석영 플레이트(121)만으로 이루어지는 원통 석영 윈도우의 상단과의 거리를 2 mm, 피처리체(W)에서 석영 윈도우의 하단까지의 거리를 20 mm로 설정하였다.
도 50 및 도 51에는, 금 도금막이 없는 종래의 싱글엔드 램프를 사용한 경우의 지향성을 도시하였다. 또한, 도 50 및 도 51은 이해의 편의를 위해 컬러 도면으로 본 출원에 첨부한다. 여기서, 도 50은 금 도금막이 없는 종래의 싱글엔드 램프를 사용한 경우에, 피처리체(W)의 중심을 (0,0)으로 하여 도 15에 도시한 X 및 Y 방향에 대한 거리(distance)와 조도(irradiance)와의 관계를 3차원적으로 보여주고 있다.
이들 도면의 실험 조건은 다음과 같다. 금 도금막으로 이루어지는 도금부(149)를 갖고 램프 출력 750 W인 램프(130)를 사용하여, 처리실(110)을 상압 환경으로 유지하고, 램프(130)의 하단과 두께 3 mm의 석영 플레이트(121)만으로 이루어지는 원통 석영 윈도우의 상단과의 거리를 2 mm, 피처리체(W)에서 석영 윈도우의 하단까지의 거리를 20 mm로 설정하였다.
도 24 및 도 25를 참조하면, 피처리체(W)의 중심 부근에서 조도가 예리하게 극대화되어, 도금부(149)가 지향성을 향상시키고 있음을 이해할 수 있다. 또한, 반치폭은 대략 원형이며, 약 40 mm이다. 한편, 도 50 및 도 51을 참조하면, 피처리체(W)의 중심 부근에서 조도가 극대화되어 있지만, 그 값은 그다지 크지 않다. 또한, 반치폭은 대략 타원형이며, 최대 약 80 mm이다. 도 24 및 도 25를 도 50 및 도 51과 대비하면, 종래의 도금부 없는 램프보다 본 실시예의 도금부(149)가 마련된 램프(130) 쪽이 지향성 및 제어성 모두에서 우수하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
발광부(134)는 도 18의 동그라미 표시의 확대도에 도시한 바와 같이, 도금부(149)에 의해 피복되는 부분에 요철을 갖는 것이 바람직하다. 이에 따르면, 도금부(149)에 의해 반사된 빛을 발광부(134)의 원통 측면 사이에서 반사를 반복하는 일 없이 피처리체(W)에 배향시키는 비율을 높일 수 있다. 요철은 샌드블라스트에 의한 연마, 화학 용액에 침식하여 부식시키는 등의 표면 처리에 의해서 형성할 수 있다.
전술한 바와 같이, 램프(130)는 더블엔드형이어도 좋다. 이하에서는 도 26 내지 도 30을 참조하면서 램프(130)를 더블엔드형의 램프로 치환한 경우의 실시예를 설명한다. 여기서, 도 26은 도금부(149A)를 제거한 더블엔드 램프(130A)의 사시도이다. 도 27은 도금부(149B)를 제거한 다른 더블엔드 램프(130B)의 사시도이다. 도 28은 도 26에 도시한 램프(130A) 및 도 26에 도시한 램프(130B)의 도금부(149A 및 149B)에 의한 피복을 설명하기 위한 단면도이다. 도 29는 도 26에 도시한 램프(130A)를 갖는 가열부(140B)의 도 15에 도시한 X 방향에 따른 종단면도이다. 도 30은 도 29에 도시한 가열부(140B)의 도 15에 도시한 Y 방향을 따른 횡단면도이다.
도 26은 도 15에 도시한 X 방향으로 배향되는 직선 통 형상의 더블엔드 램프(130A)의 하나를 보여주고 있으며, 도 27은 도 12에 도시한 점선과 동일원을 이루며 배향하는 원호 통 형상의 더블엔드 램프(130B)의 하나를 보여주고 있다. 또한, 램프(130)를 램프(130A 또는 130B)로 치환하면 램프 유지부(142)의 형상이 램프(130A 또는 130B)를 유지하는 부분에서 변경됨은 물론이다. 예컨대, 램프 유지부(142)에는 후술하는 전극부(132A 또는 132B)와 수직부(136a 또는 137a)를 수납하는 복수 개의 수직 관통 구멍과, 후술하는 수평부(136b 또는 137b)를 수납하는 직선형 또는 동심원형의 복수 개의 수평 홈을 갖는 등이다. 도 29 및 도 30에는, 1쌍의 램프(130A)를 도 15에 도시한 Y 방향으로 나란히 배치한 가열부(140B)의 X 방향 및 Y 방향을 따른 단면도를 각각 도시하였다. 램프(130A)의 바로 아래에 배치된 렌즈는 도 29에 도시한 후술하는 발광부(136)의 길이와, 도 30에 도시한 후술하는 1쌍의 램프(130A)를 커버하는 폭을 갖는다. 본 출원의 개시로부터 당업자는 그 밖의 변경을 이해할 수 있기 때문에 도시는 생략한다.
도 26에 도시한 바와 같이, 램프(130A)는 2개의 전극부(132A)와 발광부(136)를 포함하며, 발광부(136)는 2개의 전극부(132A)를 접속하는 필라멘트(135A)를 구비한다. 마찬가지로, 도 27에 도시한 바와 같이 램프(130B)는 2개의 전극부(132B)와 발광부(137)를 포함하고, 발광부(137)는 2개의 전극부(132B)를 접속하는 필라멘트(135B)를 갖는다. 전극부(132A 및 132B)에 공급되는 전력은 도 1에 도시한 램프 드라이버(310)에 의해서 결정되며, 램프 드라이버(310)는 제어부(300)에 의해서 제어된다. 전극부(132)와 램프 드라이버(310)와 전극부(132A 및 132B)의 사이는 밀봉되어 있다.
도 26에 도시한 바와 같이, 발광부(136)는 수직부(136a)와, 이 수직부(136a)로부터 90도 구부려진 직선형의 수평부(136b)를 갖는다. 또, 도 27에 도시한 바와 같이, 발광부(137)는 수직부(137a)와, 이 수직부(137a)로부터 거의 90도 구부려진 원호형의 수평부(137b)를 갖는다. 또, 본 발명에 적용할 수 있는 더블엔드 램프는 램프(130A)나 램프(130B)에 한정되지 않고, 수평부(136b 및 137b)가 임의의 형상(예컨대, 소용돌이형, 삼각형 등)을 갖는 램프를 포함한다. 또한, 수직부와 수평부의 각도도 90도에 한정되지 않는다.
수평부(136b)는 도 15에 도시한 램프(130)가 배열되어 있는 부분에 X 방향을 따라서 부착된다. 수평부(136b)의 길이는, 도 15에서 최외주의 원(P)과, Y 방향에 대해 임의의 램프 위치(예컨대, D로 표시한 열)에 의해서 획정되는 양단의 램프(130) 사이의 거리(예컨대, 간격 E)와 동일하여도 좋고, 그 이하이어도 좋다. 전자의 경우에는 상기 램프 위치에 1 라인의 램프(130A)가 부착된다. 후자의 경우에는 상기 램프 위치에 복수 라인의 램프(130A)가 부착된다. Y 방향에 대해 다른 램프 위치에서의 램프(130A)의 수평부(136b)는 동일하여도 좋고, 달라도 좋다.
수평부(137b)는 도 15에 점선으로 나타낸 원과 동심원적으로 배치된다. 도 27에 도시한 점선은 도 15에 도시한 점선과 동심원 관계에 있다. 수평부(137b)의 길이는, 도 15에 도시한 점선의 원과 동심원[예컨대, 원(Q)]의 원주와 램프(130B)의 설치 개수에 의해 획정된다. 다른 동심원으로 배치되는 램프(130B)의 수평부(137b)의 곡률 반경은 다르다.
도 26 및 도 27에서는 램프(130A 및 130B)로부터 도금부(149A 및 149B)가 편의상 제거되어 있다. 그러나, 실제로는 도 28에 도시한 바와 같이, 발광부(136 및 137)에는 피처리체(W)에 대향하지 않는 부분에 도금부(149A 및 149B)가 피복되어 있다. 도금부(149A)는, 램프(130A)에서 수직부(136a) 측면의 전체면과 수평부(136b)의 상반부에 피복된다. 도금부(149B), 램프(130B)에서는 수직부(137a)의 측면의 전체면과 수평부(137b)의 상반부에 피복된다. 도금부(149A 및 149B)도 도금부(149)와 마찬가지로 램프(130A 및 130B)의 열 방사광을 발광부(136 및 137) 내에서 높은 반사율로 반사하는 기능을 갖는다. 높은 반사율을 갖는 반사부를 발광부(136 및 137)에 설치함으로써, 발광부(136 및 137)의 [필라멘트(135A 및 135B)가 발하는 방사광의] 피처리체(W)에의 지향성이 높아진다. 이 결과, 도금부(149A 및 149B)는 종래 발광부의 외부에 설치할 필요가 있었던 리플렉터(반사판)를 필요로 하지 않는다. 리플렉터를 사용하지 않기 때문에, 복수 개의 램프를 고밀도로 (예컨대, 45°경사 각도의 리플렉터를 갖는 램프 밀도의 약 4배의 램프 밀도로) 실장할 수 있어, 리플렉터를 갖는 경우보다 파워 밀도를 증가시킬 수 있으므로 고속 온도 상승의 RTP에 적합하다.
도 31은 도 27에 도시한 램프(130B)를 적용한 열처리 장치의 가열부의 단면도이다. 이 열처리 장치에서 석영 윈도우(120D)는 온도가 상승함으로써 발생하는 각 온도차에 의한 열응력을 막기 위해서 얇은 두께로 내압 가능한 만곡 형상을 갖는다.
다음으로, 도 32 내지 도 36을 참조하면서 본 발명의 다른 측면인 실효 방사율 산출 방법에 대해 설명한다. 여기서, 도 32는 2종류의 방사 온도계(200A 및 200B)와 이들 근방의 개략 확대 단면도이다. 도 33은 2개의 동종의 방사 온도계(200C) 및 그 근방의 개략 확대 단면도이다. 도 34 내지 도 36은 본 실시예의 실효 방사율 산출 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
방사 온도계(200A 내지 200C)는 피처리체(W)에 대해 램프(130)와 반대측에 설치되어 있다. 본 발명은 방사 온도계(200A 내지 200C)가 램프(130)와 동일한 쪽에 설치되는 구조를 배제하는 것은 아니지만, 램프(130)의 방사광이 방사 온도계(200A 내지 200C)에 입사하는 것을 방지하는 것이 바람직하다.
도 32 및 도 33에 도시한 방사 온도계(200A 내지 200C)는 석영 또는 사파이어제(본 실시예에서는 석영제)의 로드(210)와, 광 파이버(220A 내지 220C)와, 광 검출기(PD)(230)를 구비하고 있다. 본 실시예의 방사 온도계(200A 내지 200C)는 초퍼, 이 초퍼를 회전시키기 위한 모터, LED, 이 LED를 안정적으로 발광시키기 위한 온도 조절 기구 등을 필요로 하지 않으며, 필요 최저한의 비교적 저렴한 구성을 채용하고 있다.
우선, 도 32를 참조하면, 방사 온도계(200A 및 200B)는 처리실(110)의 바닥부(114)에 부착되며, 보다 상세하게는 바닥부(114)의 원통 형상의 관통 구멍(115a 및 115b)에 각각 삽입되어 있다. 바닥부(114)의 처리실(110) 내부를 향하는 면(114a)에는 충분한 연마가 실시되어 반사판(고반사율면)으로서 기능한다. 본 실시예에서 면(114a)은 0.9 정도의 반사율을 갖지만, 이러한 값은 예시적이며 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 이것은, 면(114a)을 흑색 등의 낮은 반사율면으로 하면, 피처리체(W)의 열을 흡수하여 램프(130)의 조사 출력을 비경제적으로라도 올려야 하기 때문이다.
방사 온도계(200A 및 200B)는 동일한 로드(210)와, 개구수(NA)가 다른 광 파이버(220A 및 220B)와, 각각의 PD(230)을 갖는다.
본 실시예의 로드(210)는 지름 4 mm의 석영제 로드로 구성된다. 석영이나 사파이어는 양호한 내열성과, 후술하는 바와 같이 양호한 광학적 특성을 갖기 때문에 사용되고 있지만, 로드(210)의 재료가 이들에 한정되지 않음은 말할 것도 없다.
필요하면, 로드(210)는 처리실(110) 내부에 소정 거리 돌출되어도 좋다. 로드(210)는 처리실(110)의 바닥부(114)에 마련된 관통 구멍(115A 및 115B)에 각각 삽입 관통되어 도시하지 않은 O 링에 의해 시일되어 있다. 이에 따라, 처리실(110)은 관통 구멍(115A 및 115B)에도 불구하고 그 내부의 감압 환경을 유지할 수 있다. 로드(210)는 그 내부로 일단 입사된 열 방사광을 거의 밖으로 내보내지 않으며, 거의 감쇠하는 일 없이 광 파이버(220A 및 220B)로 안내할 수 있기 때문에 집광 효율이 우수하다. 로드(210A 및 210B)를 피처리체(W)에 가깝게 함으로써, 로드(210)는 피처리체(W)로부터 방사광을 받아들여, 이것을 광 파이버(220A 및 220B)를 통해 PD(230)로 안내한다.
광 파이버(220A 및 220B)는 빛을 전파하는 코어와, 이 코어의 주변을 덮는 동심원형의 클래드로 구성되며, 양자는 NA에 있어서 다르다. 코어 및 클래드는 유리나 플라스틱 등의 투명한 유전체이며, 클래드의 굴절률은 코어의 그것보다 조금 작게 함으로써 빛의 전반사를 달성하여 외부로 빛을 새게 하는 일 없이 전파한다. 다른 NA를 실현하기 위해서, 방사 온도계(200A 및 200B)는 다른 재질의 코어 및/또는 클래드의 조합을 사용한다.
PD(230)는 도시하지 않는 결상 렌즈, Si 포토셀, 증폭 회로를 구비하며, 결상 렌즈에 입사된 방사광을 전압, 즉 후술하는 방사 강도 E1(T), E2(T)에 해당하는 전기 신호로 변환하여 제어부(300)에 보낸다. 제어부(300)는 CPU, MPU 및 그 밖의 프로세서와, RAM 및 ROM 등의 메모리를 구비하고 있고, 후술하는 방사 강도 E1(T), E2(T)를 기초로 피처리체(W)의 방사율(ε) 및 기판 온도(T)를 산출한다. 한편, 이 연산은 방사 온도계(200) 내의 도시하지 않는 연산부가 행하여도 좋다.
로드(210)가 수광한 방사광은 광 파이버(220A 및 220B)를 지나 PD(230)에 도입된다.
이하에서는 상이한 NA를 이용한 본 발명의 실행 방사율 산출 방법에 대해 설명한다. 피처리체(W)와 로드(210) 사이의 다중 반사와 램프(130)로부터의 직접광을 고려하면, 피처리체(W)의 실행 방사율(εeff)은 이하의 수학식 2로 주어진다.
여기서, εeff는 피처리체(W)의 실효 방사율, ε은 피처리체(W)의 방사율, r은 처리실(110)의 바닥부(114)의 면(114a)의 반사율, F는 이하의 수학식 3으로 주어지는 형상 계수, α는 다중 반사 계수이다.
여기서, 다중 반사 계수(α)는 로드(210) 직경(D1), 피처리체(W)와 면(114a)과의 거리(D2), 방사 온도계(200A 및 200B)(편의상, 도면 부호 200으로 총괄함)가 갖는 각각의 개구수 NA(0≤NA≤1)의 3개의 값에 의존하여 다음과 같은 수치를 취하는 것으로 예상된다. 또 γ는 도 37(b)에 도시한 바와 같이 로드(210), 면(114a) 및 피처리체(W)로부터 결정되는 희망 각을 의미한다.
이 때, 확인식으로서 상기 4개의 조건이 성립하는 예측식을 이하의 수학식 8과 같이 정의한다.
여기서, N1, N2는 수학식 8에서의 파라미터로 한다. 따라서, 다중 반사 계수(α)는 이하의 수학식 9와 같이 표시된다.
이 수학식 9으로 표시된 α는 수학식 4 내지 수학식 7을 충분히 만족시킬 가능성이 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 수학식 9를 전제로 하여 N1 및 N2의 2개의 파라미터를 결정하여, 그 타당성을 검토한다.
우선, 로드(210)의 지름 4 mm을 고정하여 NA를 가려낸 계산을 한다[시간의 단축으로부터 피처리체(W)는 ε=0.2인 것으로부터만 계산했다]. 이 때 NA는 0 내지 1의 범위이다. 이로부터 얻은 데이터와 수학식 9의 전제를 비교하여, N1과 N2/(D1/D2)의 값을 잠정적으로 결정한다. 마찬가지로 직경 2 mm인 것과 20 mm인 것에 대해 계산하여, N1과 N2/(D1/D2)의 값을 결정한다. N1, N2의 결정 방법으로서 N1과 N2/(D1/D2)-D1/D2 곡선을 이용했다[상기에서 구한 N2/(D1/D2)에서 N2가 삼자 공통의 값이 되도록 N1을 선택한다].
상기 방법으로 결정한 N1과 N2/(D1/D2)의 잠정적인 값에 의해, 1-α와 NA의 관계를 도 34 내지 도 36에 도시하였다. 또한 그 검증을 도 36에 도시하였다. 그 결과, N1=0.01, N2=500으로 할 수 있고, 수학식 9는 이하의 수학식 10과 같이 나타낼 수 있다.
이에 따라, RTP에서 로드(210)의 지름이 변경되더라도, 피처리체(W)와 면(114a)과의 거리를 변경하더라도, NA의 대소에도 불구하고 피처리체(W)의 실효 방사율을 용이하게 산출할 수 있다.
여기서, 광 파이버(220A)가 NA=0.2, 220B가 NA=0.34를 갖는 경우, 이 때의 α를 α0.2와 α0.34로 하면, 이들은 수학식 10으로부터 이하의 수학식 11 및 수학식 12로 나타낼 수 있다는 것을 알 수 있다.
이로부터 피처리체(W)의 실효 방사율은 이하의 수학식 13 및 수학식 14로 주어진다.
방사 온도계(200)는 온도의 환산을 방사 광속(W)으로 계산하고 있다. 이 때문에, NA=0.2일 때의 각도를 θ1으로 하고, NA=0.34일 때의 각도를 θ2로 하면, 2개의 방사 온도계에서의 입사 광속의 차이는 이하의 수학식 15 및 수학식 16으로 주어진다. 단, θ는 도 37(a)에 도시한 바와 같이 광 파이버의 최대 수광각을 의미하고, θ=sin-1(NA)로 나타낼 수 있다.
이로써, 2개의 방사 온도계(200A 및 200B)의 입사 광속비는 이하의 수학식 17과 같이 나타낼 수 있다.
여기서, 수학식 19와 같이 β를 쓰면, 수학식 18은 이하의 수학식 20 내지 수학식 24와 같이 변형할 수 있다.
이로써 피처리체(W)의 방사율(ε)은 이하의 수학식 25와 같이 산출할 수 있다.
여기서 수학식 11 또는 수학식 12로부터 실효 방사율을 산출한다. 여기서는 NA가 작은 NA=0.2의 실효 방사율로 계산을 계속한다. 수학식 25에서 산출한 방사율(ε)을 수학식 13에 대입하면 이하의 수학식 26과 같이 된다.
이 때 NA=0.2의 방사 온도계(200A)에는 E0.2의 방사 에너지가 입사하고 있기 때문에, 다음과 같은 수학식 27이 성립한다.
여기서 Eb는 흑체 방사에 의한 방사 에너지이다. 다음으로, 수학식 27을 다음과 같이 변형한다.
이 입사 에너지는 JIS 1612로부터, 다음과 같은 관계식이 있다.
여기서 T는 피처리체(W)의 온도, c2는 0.014388 m/k(방사의 제2 상수), A, B, C는 방사 온도계 200 고유의 상수(교정에 의해서 결정됨), Eb는 흑체 방사에 의한 방사 에너지(통상은 방사 온도계의 출력 V)이다.
상기 산출 방법은 2 라인의 상이한 NA를 갖는 방사 온도계(200A 및 200B)로부터 피처리체(W)의 방사율을 구하는 것인데, 수학식 9로부터 D1/D2의 비를 변화시키더라도 마찬가지로 구할 수 있다. 이러한 실시예를 도 33에 도시하였다.
도 33에서, 처리실(110)의 바닥부(114)에는 저면(114a)에 대응하는 저면(114b)과, 이 저면(114b)으로부터 돌출하는 볼록부(114c)의 상면(114d)이 형성되어 있다. 이 때문에, 동일한 방사 온도계(200C)를 사용하고 있지만, 피처리체(W)와 방사 온도계(200C)의 석영 로드(210) 사이의 거리(D2)는 다르다. 이 때문에, 도 33에 도시한 실시예에서도, 도 32에 도시한 실시예와 마찬가지로 피처리체(W)의 방사율을 구하는 것이 가능해진다.
예컨대, 도 33에서, NA=0.2인 방사 온도계(200C)를 준비하여, 로드(210)와 피처리체(W)까지의 거리가 3.5 mm(도 33의 좌측)와 5 mm(도 33의 우측)에 설치한다. 또 로드(210)의 지름을 4 mm로 한다. 여기서는 수학식 9로부터 각 다중 반사 계수를 이하의 수학식 30 및 수학식 31과 같이 나타낼 수 있다.
이로부터, 수학식 13 및 수학식 14와 마찬가지로 실효 방사율(εeff3.5, εeff5.0)을 구한다. 이후의 피처리체(W)의 방사율 피처리체의 온도를 구하기까지의 흐름은, 수학식 15 내지 수학식 28까지 각 첨자에서 0.2를 3.5로, 0.34를 5.0로 바꿔 놓는 것만으로 완전히 동일하게 피처리체(W)의 온도(T)를 산출할 수 있다.
PD(230) 또는 제어부(300)는 수학식 25 내지 수학식 29에 의해 피처리체(W)의 온도(T)를 산출할 수 있다. 어쨌든 제어부(300)는 피처리체(W)의 온도(T)를 얻을 수 있다. 또, 이들 수식을 포함하는 온도 측정 연산 프로그램은 플로피디스크나 그 밖의 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장되고, 및/또는 인터넷이나 그 밖의 통신 네트워크를 이용하여 온라인 송신되어 독립된 취급 대상이 될 수 있다.
그러나, 전술한 구성에 있어서 온도 측정을 하기 위해서는 적어도 2개의 방사 온도계(200)가 필요하다. 또한, 검출 정밀도를 올리기 위해서 방사 온도계(200)를 피처리체(W)의 여러 장소에 설치하는 경우, 적어도 4개 이상, 즉 2의 배수 개의 방사 온도계가 필요하게 된다. 따라서, 처리실(110)에 형성되는 관통 구멍(115)은 방사 온도계(200)에 대응하는 수만큼 설치하여야 한다. 전술한 온도 측정 방법은 저렴하며 고정밀도의 검출을 행할 수 있다는 장점이 있지만, 이러한 관통 구멍(115) 및 로드(210)는 열을 흡수하여 온도 상승을 방해하는 경우가 있다. 따라서, 관통 구멍(115), 즉 방사 온도계(200)의 개수는 적은 편이 바람직하다. 본 발명자는 이러한 과제를 예의 검토한 결과, 2개의 방사 온도계(200)가 하나의 로드(210)를 공유함으로써, 로드(210), 나아가서는 관통 구멍(115)의 수를 반으로 하는 것이 가능하다고 생각했다. 또, 본 발명자는 하나의 로드(210)를 사용하더라도, 2개의 방사 온도계(200)를 사용했을 때와 마찬가지의 작용 및 효과를 나타내는 신규한 광 파이버를 만들었다.
이하에서는 도 38 내지 도 40을 참조하면서 본 발명의 다른 측면인 광 파이버(220D) 및 이 광 파이버(220D)를 구비한 방사 온도계(200D)에 대해 설명한다. 여기서, 도 38은 도 2에 도시한 방사 온도계(200)의 변형예이며, 본 발명의 다른 측면이기도 한 방사 온도계(200D) 및 그 근방의 개략적인 확대 단면도이다. 도 39는 도 38에 도시한 방사 온도계(200D)에 적용할 수 있는 광 파이버(220D)로서, 도 38에 도시한 선 AA에서의 광 파이버(220D)의 개략적인 단면도이다. 도 40은 도 38에 도시한 선 BB에서의 광 파이버(220D)의 개략적인 단면도이다.
방사 온도계(200D)는 방사 온도계(200A 내지 200C)와 마찬가지로 피처리체(W)에 대해 램프(130)와 반대측에 설치된다. 도 38에 도시한 방사 온도계(200D)는 석영 또는 사파이어제(본 실시예에서는 석영제)의 하나의 로드(210)와, 광 파이버(220D)와, PD(232) 및 PD(234)를 구비하고 있다. 방사 온도계(200D)는 전형적으로 후술하는 광 파이버(220D)와, 2개의 PD(232 및 234)를 구비한 점에서, 전술한 방사 온도계(200A 내지 C)와 다르다. 방사 온도계(200D)는 처리실(100) 바닥부(114)의 원통 형상의 관통 구멍(115c)에 삽입되어 바닥부(114)에 부착되어 있다. 전술한 바와 같이 방사 온도계(200A) 및 방사 온도계(200B) 또는 1쌍의 방사 온도계(200C)를 부착하기 위해서 적어도 2개의 관통 구멍을 형성할 필요가 있지만, 방사 온도계(200D)에서는 적어도 하나의 관통 구멍(115c)만을 형성하는 것으로 충분하다. 따라서, 방사 온도계(200D)를 사용한 경우, 관통 구멍(115)의 수를 반으로 줄일 수 있고, 적어도 처리실(110) 내의 온도 상승에 방해가 되는 로드(210)의 영향을 억제할 수 있다. 따라서, 처리실(110)의 고속 온도 상승을 적은 에너지로 달성할 수 있는 동시에, 에너지 저감에 기여한다. 또, 본 실시예에 있어서, 방사 온도계(200A 내지 C)와 구성을 동일하게 하는 것에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 다른 측면인 광 파이버(220D)는 복수 개의 광 파이버(222) 및 광 파이버(224)를 묶은 번들 파이버이다. 본 실시예에서 광 파이버(220D)는 광 파이버(222)와 광 파이버(224)가 NA에 있어서 다른 것을 특징으로 한다. 또한, 도 38에 잘 도시된 바와 같이, 광 파이버(220D)는 로드(210)에 접속되고, 그 후 두 갈래로 분기되어 검출기(232 및 234)에 접속된다. 또한, 분기후의 광 파이버(210D)는 NA가 동일한 것이 1 라인의 번들 파이버로서 구성되고, 묶여진 각 광 파이버(222 및 224)는 다른 검출기(232) 및 검출기(234)에 접속된다.
보다 상세하게는, 광 파이버(220D)의 분기 전의 상태가 도 40에 잘 도시되어 있다. 복수 개의 광 파이버(222 및 224)는 광 파이버(220D)의 중심 영역에 광 파이버(222)가, 이러한 영역을 덮는 영역에 광 파이버(224)가 존재하는[도 39(a)] 번들 파이버로서 실현된다. 이러한 구성에 있어서, 광 파이버(222 및 224)는 광 파이버(220D)와 동축상으로 연장되는 통(225), 예컨대 SUS 관에 의해서 분리될 수 있다. 또한, 복수 개의 광 파이버(222 및 224)는 광 파이버(222 및 224)가 혼재하는[도 39-(b)] 번들 파이버로서 실현되더라도 좋다. 또, 도 39(a)에서는 중심 영역에 광 파이버(222)가, 그 외주 영역에 광 파이버(224)가 그려져 있지만, 광 파이버(222)와 광 파이버(224)는 반대로 배치되어도 좋다. 또한, 광 파이버(220D)의 분기 후의 상태가 도 40에 잘 도시되어 있다. 분기 후의 광 파이버(220D)는 각각 동일한 NA를 갖는 광 파이버만이 묶여진 2 라인의 번들 파이버로서 구성되어 있다.
광 파이버(222 및 224)는 광 파이버(220A 내지 C)와 마찬가지로 빛을 전파하는 코어와, 이 코어의 주변을 덮는 동심원형의 클래드로 구성된다. 전술한 바와 같이, 클래드의 굴절률은 코어의 그것보다 조금 작게 함으로써 빛의 전반사를 달성하여 외부로 빛을 새게 하는 일 없이 전파한다. 코어 및 클래드는 기본적으로 동일한 재질로 구성된다. 본 실시예에서는, 다른 NA를 실현하기 위해서 광 파이버(222) 및 광 파이버(224)에 다른 재질을 사용한다. 광 파이버(222 및 224)는 석영, 플라스틱 및 유리로 이루어지는 그룹에서 선택되는 부재로 형성되지만, 이것과 동일한 작용을 갖는 재질을 사용할 수도 있다. 전술한 재질로 광 파이버를 형성한 경우, 광 파이버의 NA는 석영, 플라스틱, 유리의 순으로 각각 0.14, 0.3, 0.5 이상이 된다. 본 실시예에서 광 파이버(220D)는, 석영으로 형성되고 개구수가 0.14인 광 파이버(222)와, 플라스틱으로 형성되고 개구수가 0.37인 광 파이버(224)로 구성된다. 또, 광 파이버(222 및 224)는 코어와 클래드의 굴절률을 각각 변화시킴으로써 NA의 값을 변화시킬 수 있어, 광 파이버(222)와 광 파이버(224)는 동일한 재질로 구성되어도 좋다. 단, 전술한 도 39(b)의 구성에서는, 광 파이버(220D)의 제조상의 이유에 의해 광 파이버(222 및 224)는 석영과 석영, 또는 석영과 유리가 조합되어 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 광 파이버(222 및 224)의 지름은 각각 동일해도 좋고 달라도 좋다. 단, 광 파이버(222 및 224)의 지름이 다른 경우에는, 도 39(b)에 도시한 번들 파이버를 제조하는 것이 난해하다고 하는 이유에서 그다지 알맞지 않고, 도 39(a)의 구성인 것이 바람직하다.
이상 설명한 광 파이버(220D)를 사용하여, 분기 후의 광 파이버(220D)를 각각 다른 검출기(232 및 234)에 접속함으로써, 전술한 방사 온도계(200A 내지 200C)가 2개의 방사 온도계로 검출하는 것과 마찬가지의 결과를 얻을 수 있다. 도 41 내지 도 43을 참조하면, 상기 구성에 있어서, 광 파이버(210D)를 하나의 로드(210)에 접속하여 개구수가 다른 광 파이버(222 및 224)의 하나의 로드(210)를 공유함으로써, 방사 온도계(200A) 및 방사 온도계(200B)를 조합하여 사용한 전술한 경우와 마찬가지의 작용을 발휘하는 것을 이해할 수 있다. 여기서, 도 41 내지 도 43은 전술한 광 파이버(222 및 224)의 조합에 있어서의 방사율(ε)에 대한 실효 방사율(εeff)을 도시한 도면이다. 즉, 동일 방사율(ε)에 있어서의 실효 방사율(εeff)의 차이가 개구수 NA로부터 명확하다. 따라서, 방사 온도계(200D)라도 실효 방사율(εeff)의 이러한 차이를 이용하여 방사율(ε)을 수정한다고 하는 본 발명의 온도 측정 방법을 가능하게 하는 것을 용이하게 이해할 수 있다.
한편, 로드(210) 및 검출기(232 및 234)의 구성 및 작용은 전술한 바와 같으며 여기서는 상세한 설명을 생략한다. 또한, 실효 방사율(εeff) 및 온도의 산출 방법은 전술한 방사 온도계(200A 내지 200B)와 동일하며, 여기서의 상세한 설명은 생략한다.
제어부(300)는 내부에 CPU 및 메모리를 갖추고, 피처리체(W)의 온도(T)를 인식하여 램프 드라이버(310)를 제어함으로써 램프(130)의 출력을 피드백 제어한다. 또한, 제어부(300)는 후술하는 바와 같이, 모터 드라이버(320)에 소정 타이밍으로 구동 신호를 보내어 피처리체(W)의 회전 속도를 제어한다.
가스 도입부(180)는, 예컨대 도시하지 않는 가스원, 유량 조절 밸브, 매스플로우 컨트롤러, 가스 공급 노즐 및 이들을 접속시키는 가스 공급로를 포함하며, 열처리에 사용되는 가스를 처리실(110)에 도입한다. 또, 본 실시예에서는 가스 도입부(180)가 처리실(110)의 측벽(112)에 설치되어 처리실(110)의 측부로부터 도입되고 있지만, 그 위치는 한정되지 않으며, 예컨대 샤워헤드로서 구성되어 처리실(110)의 상부로부터 처리 가스를 도입하여도 좋다.
어닐링이라면 가스원은 N2, Ar 등을, 산화 처리라면 O2, H2, H2O, NO2를, 질화 처리라면 N2, NH3 등을, 성막 처리라면 NH3, SiH2Cl2나 SiH4 등을 사용하지만, 처리 가스는 이들에 한정되지 않음은 물론이다. 매스플로우 컨트롤러는 가스의 유량을 제어하며, 예컨대 브릿지 회로, 증폭 회로, 비교기 제어 회로, 유량 조절 밸브 등을 구비하고, 가스의 흐름에 따른 상류로부터 하류로의 열 이동을 검출함으로써 유량을 측정하여 유량 조절 밸브를 제어한다. 가스 공급로는, 예컨대 시임리스(seamless) 파이프를 사용하거나, 접속부에 끼움식 이음매나 메탈 가스켓 조인트를 사용하여 공급 가스로 배관으로부터 불순물이 혼입되는 것을 방지한다. 또, 배관 내부의 오물이나 부식에 기인하는 분진 입자를 방지하기 위해서 배관은 내식성 재료로 구성되거나, 배관 내부가 PTFE(테플론), PFA, 폴리이미드, PBI 및 그 밖의 절연 재료에 의해 절연 가공되어 전해 연마 처리가 이루어지거나, 나아가서는 분진 입자 포획 필터를 갖추기도 한다.
배기부(190)는 본 실시예에서는 가스 도입부(180)와 대략 수평으로 설치되어 있지만, 그 위치와 개수는 한정되지 않는다. 배기부(190)에는 원하는 배기 펌프(터보 분자 펌프, 스퍼터링 이온 펌프, 게터 펌프, 흡인 펌프, 크라이오펌프 등)가 압력 조정 밸브와 함께 접속된다. 또, 본 실시예에서 처리실(110)은 감압 환경으로 유지되지만, 본 발명은 감압 환경을 반드시 필수적인 구성 요소로 하는 것은 아니며, 예컨대 133 Pa 내지 대기압의 범위에서 적용할 수 있다. 배기부(190)는 헬륨 가스를 추후 열처리전까지 배기하는 기능도 갖는다.
도 44는 피처리체(W)의 냉각 속도에 관한 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프이다. 도 44에서, 갭은 피처리체(W)와 바닥부(114)와의 간격을 의미한다. 도 44에 도시한 그래프로부터 (1) 갭이 작아질수록 냉각 속도가 상승하고, (2) 피처리체(W)와 바닥부(114) 사이에 열전도율이 높은 헬륨 가스를 흘림으로써 비약적으로 냉각 속도가 상승한다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
도 2에 도시한 RTP 장치(100)의 구성은, 피처리체(W)의 상면을 램프(130)에 의해 가열하여 피처리체(W)의 이면에 냉각 플레이트로서의 바닥부(114)를 설치하였다. 이 때문에, 도 2에 도시한 구조는 냉각 속도는 비교적 빠르지만, 방열량이 많아지기 때문에 급속 온도 상승에는 비교적 큰 전력이 필요하게 된다. 이에 대하여, 냉각관(116)의 냉각수의 도입을 가열 시에 정지하는 방법도 생각할 수 있지만, 수율이 내려가기 때문에 바람직하지는 않다.
따라서, 도 45 내지 도 47에 도시한 바와 같이, 냉각 플레이트로서의 바닥부(114)는 피처리체(W)에 대하여 움직일 수 있도록 구성된 바닥부(114A)로 치환되어도 좋다. 보다 바람직하게는, 방열 효율을 높이기 위해서 냉각 시에 열전도율이 높은 헬륨 가스를 피처리체(W)와 바닥부(114A) 사이로 흐르게 한다. 여기서, 도 45는 피처리체(W)에 대하여 움직일 수 있도록 구성된 냉각 플레이트로서의 바닥부(114A)를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다. 도 46은 도 45의 구조에 있어서 피처리체(W)를 가열할 때의 피처리체(W)와 바닥부(114A)의 위치 관계를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다. 도 47은 도 45의 구조에 있어서 피처리체(W)를 냉각할 때의 피처리체(W)와 바닥부(114A)와의 위치 관계를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다. 또, 도 45 내지 도 47에서는 방사 온도계(200)와 접속되는 제어부(300)나 냉각관(116)이 생략되어 있다.
도 45에 도시한 바와 같이, 처리실(110) 내의 감압 환경을 유지하는 벨로우즈 등을 구비하고 제어부(300)에 의해 동작 제어되는 승강 기구(117)에 의해 바닥부(114A)는 피처리체(W)에 대하여 승강할 수 있다. 승강 기구(117)에는 당업계에 주지된 어떠한 구조도 적용할 수 있기 때문에, 여기서는 자세한 설명을 생략한다. 또, 본 실시예와 달리, 피처리체(W) 또는 서포트 링(150)을 가동식으로 구성하더라도 좋다. 피처리체(W)를 가열할 때에는, 도 46에 도시한 바와 같이 바닥부(114A)를 피처리체(W)로부터 떨어지도록 하강시키는 동시에 헬륨 가스의 공급을 정지한다. 이 때, 피처리체(W)와 바닥부(114)의 거리는, 예컨대 10 mm이다. 바닥부(114A)와 피처리체(W)의 간격이 크기 때문에 피처리체(W)는 바닥부(114A)의 영향을 그다지 받지 않고서 고속 온도 상승이 가능해진다. 도 46에 도시한 바닥부(114A)의 위치가, 예컨대 홈 포지션으로 설정된다.
피처리체(W)를 냉각할 때에는, 도 47에 도시한 바와 같이, 바닥부(114A)를 피처리체(W)에 근접하도록 상승시키는 동시에 헬륨 가스의 공급을 시작한다. 바닥부(114A)와 피처리체(W)의 간격이 좁기 때문에 피처리체(W)는 바닥부(114A)의 영향을 고속 냉각할 수 있게 된다. 이 때, 피처리체(W)와 바닥부(114)와의 거리는, 예컨대 1 mm이다. 도 47의 헬륨 가스의 도입예를 도 48에 도시하였다. 여기서, 도 48은 도 47의 실선 영역(V)의 개략적인 확대 단면도이다. 이 도면에 도시한 바와 같이, 바닥부(114)에는 무수한 작은 구멍(115a)이 형성되어 헬륨 가스를 안내한다. 헬륨 가스 공급관에 접속된 밸브(400)를 갖는 케이스(410)가 바닥부(114)에 접속되어 있다.
본 실시예는 냉각 플레이트(114A)와 피처리체(W)의 상대적 이동에 대해 설명했지만, 본 발명은 피처리체(W)와 램프(130)와의 상대적 이동에도 적용할 수 있다.
이하에서는 피처리체(W)의 회전 기구에 대해 도 2를 참조하면서 설명한다. 집적 회로의 각 소자의 전기적 특성이나 제품의 수율 등을 높게 유지하기 위해서는, 피처리체(W)의 표면 전체에 걸쳐 보다 균일하게 열처리가 이루어질 것이 요구된다. 피처리체(W) 상의 온도 분포가 균일하지 않으면, 예컨대 성막 처리에 있어서의 막 두께가 균일하지 않게 되거나, 열응력에 의해 실리콘 결정 중에 미끄러짐을 발생하거나 하는 등, RTP 장치(100)는 고품질의 열처리를 제공할 수 없다. 피처리체(W) 상의 균일하지 못한 온도 분포는 램프(130)의 균일하지 못한 조도 분포에 기인하는 경우도 있고, 가스 도입부(180) 부근에서 도입되는 처리 가스가 피처리체(W)의 표면으로부터 열을 빼앗는 것에 기인하는 경우도 있다. 회전 기구는 웨이퍼를 회전시켜 피처리체(W)가 램프(130)에 의해 균일하게 가열되는 것을 가능하게 한다.
피처리체(W)의 회전 기구는 서포트 링(150)과, 링형의 영구 자석(170)과, 링형의 SUS 등의 자성체(172)와, 모터 드라이버(320)와, 모터(330)를 구비한다.
서포트 링(150)은 내열성이 우수한 세라믹스, 예컨대 SiC 등으로 구성된 원형 링 형상을 갖는다. 서포트 링(150)은 피처리체(W)의 적재대로서 기능하며, 중공 원형부에서 L 자형 단면으로 둘레 방향을 따라서 링형의 노치가 마련되어 있다. 이러한 노치 반경은 피처리체(W)의 반경보다 작게 설계되어 있기 때문에, 서포트 링(150)은 노치에서 피처리체(W)(의 이면 주연부)를 유지할 수 있다. 필요하다면, 서포트 링(150)은 피처리체(W)를 고정하는 정전 척이나 클램프 기구 등을 구비하여도 좋다. 서포트 링(150)은 피처리체(W)의 단부로부터의 방열에 의해 열의 균일성이 악화되는 것을 방지한다.
서포트 링(150)은 그 단부에서 지지부(152)에 접속되어 있다. 필요하다면, 서포트 링(150)과 지지부(152) 사이에는 석영 유리 등의 단열 부재가 삽입되어, 후술하는 자성체(172) 등을 열적으로 보호한다. 본 실시예의 지지부(152)는 중공 원통 형상이 불투명한 석영 링 부재로서 구성되어 있다. 베어링(160)은 지지부(152) 및 처리실(110)의 내벽(112)에 고정되어 있고, 처리실(110) 내의 감압 환경을 유지하면서 지지부(152)의 회전을 가능하게 한다. 지지부(152)의 선단에는 자성체(172)가 마련되어 있다.
동심원 형태로 배치된 링형의 영구 자석(170)과 자성체(172)는 자기 결합되어 있으며, 영구 자석(170)은 모터(330)에 의해 회전 구동된다. 모터(330)는 모터 드라이버(320)에 의해 구동되고, 모터 드라이버(320)는 제어부(300)에 의해서 제어된다.
이 결과, 영구 자석(170)이 회전하면 자기 결합된 자성체(172)가 지지부(152)와 함께 회전하여, 서포트 링(150)과 피처리체(W)가 회전한다. 회전 속도는 본 실시예에서는 예시적으로 90 RPM이지만, 실제로는 피처리체(W)에 균일한 온도 분포를 가져오도록, 또 처리실(110) 내에서의 가스의 난류나 피처리체(W) 주변의 풍절(風切) 효과를 가져오지 않도록, 피처리체(W)의 재질이나 크기, 처리 가스의 종류나 온도 등에 따라서 결정된다. 자석(170)과 자성체(172)는 자기 결합되어 있으면 역이어도 좋고 양쪽 모두 자석이어도 좋다.
다음으로 RTP 장치(100)의 동작에 대해 설명한다. 도시하지 않는 클러스터 툴 등의 반송 아암이 피처리체(W)를 도시하지 않는 게이트 밸브를 통해 처리실(110)에 반입한다. 피처리체(W)를 지지한 반송 아암이 서포트 링(150)의 상부에 도착하면, 도시하지 않는 리프터 핀 승강계가 서포트 링(150)으로부터 (예컨대, 3 라인의) 도시하지 않는 리프터 핀을 돌출시켜 피처리체(W)를 지지한다. 이 결과, 피처리체(W)의 지지는 반송 아암으로부터 리프터 핀으로 이행되기 때문에, 반송 아암은 게이트 밸브로부터 귀환시킨다. 그 후, 게이트 밸브는 닫힌다. 반송 아암은 그 후 도시하지 않는 홈 포지션으로 이동할 수 있다.
한편, 리프터 핀 승강계는 그 후, 도시하지 않는 리프터 핀을 서포트 링(150) 내부로 되돌리고, 이로써 피처리체(W)를 서포트 링(150)의 소정 위치에 배치한다. 리프터 핀 승강계는 도시하지 않는 벨로우즈를 사용할 수 있고, 이에 따라 승강 동작 중에 처리실(110)의 감압 환경을 유지하는 동시에 처리실(102) 내의 분위기가 외부로 유출되는 것을 방지한다.
그 후, 제어부(300)는 램프 드라이버(310)를 제어하여, 램프(130)를 구동하도록 명령한다. 이것에 응답하여, 램프 드라이버(310)는 램프(300)를 구동하고, 램프(130)는 피처리체(W)를, 예컨대 약 800℃까지 가열한다. 본 실시예의 열처리 장치(100)는 렌즈 조립체(122)와 도금부(149)에 의해서 램프(130)의 지향성을 높이면서, 리플렉터를 제거하여 램프 밀도와 그에 의하여 파워 밀도를 높이고 있기 때문에 원하는 고속 온도 상승을 얻을 수 있다. 램프(130)로부터 방사된 열선은 석영 윈도우(120)를 통해 처리 공간에 있는 피처리체(W)의 상면에 조사되어 피처리체(W)를, 예컨대 800℃로 200 ℃/s의 가열 속도로 고속으로 온도 상승시킨다. 일반적으로 피처리체(W)의 주변부는 그 중심측과 비교하여 방열량이 많아지는 경향이 있지만, 본 실시예의 램프(130)는 동심원형으로 배치하여 영역마다의 전력 제어도 가능하기 때문에 높은 지향성과 온도 제어 능력을 제공한다. 장치(100)가 도 33에 도시한 구조를 사용하면, 바닥부(114A)는 이 때 도 46에 도시한 바와 같이 홈 포지션에 배치된다. 특히, 도 46에 도시한 구조는 피처리체(W)가 냉각 플레이트인 바닥부(114A)로부터 떨어져 있어 그 영향을 받기 어렵기 때문에 효율적인 고속 온도 상승이 가능하다. 가열과 동시 또는 그 전후에, 배기부(190)가 처리실(110)의 압력을 감압 환경으로 유지한다.
동시에, 제어부(300)는 모터 드라이버(320)를 제어하여 모터(330)를 구동하도록 명령한다. 이에 응답하여, 모터 드라이버(320)는 모터(330)를 구동하고, 모터(330)는 링형 자석(170)을 회전시킨다. 이 결과, 지지부(152)(또는 152A)가 회전하여, 피처리체(W)가 서포트 링(150)과 함께 회전한다. 피처리체(W)가 회전하기 때문에 그 면 내의 온도는 열처리 기간 동안 균일하게 유지된다.
가열 중에는, 렌즈 조립체(122), 보강재(124) 및/또는 도파부(126)에 의해 석영 윈도우(120)는 석영 플레이트(121)의 두께가 비교적 얇기 때문에 몇 가지 장점을 갖는다. 그러한 장점에는, (1) 램프(130)로부터의 빛을 그다지 흡수하지 않기 때문에 피처리체(W)로의 조사 효율을 저하시키지 않는다, (2) 플레이트(121)의 표면과 이면에서의 온도차가 작기 때문에 열응력 파괴가 발생하기 어렵다, (3) 성막 처리의 경우라도 플레이트(121)의 온도 상승이 작기 때문에 그 표면에 퇴적막이나 반응 부생성물이 부착되기 어렵다, (4) 렌즈 조립체(122)가 석영 윈도우(120)의 강도를 높이기 때문에 플레이트(120)가 얇더라도 처리실(110) 내의 감압 환경과 대기압과의 차압을 유지할 수 있다는 것이 포함된다.
피처리체(W)의 온도는 방사 온도계(200)에 의해 측정되고, 제어부(300)는 그 측정 결과에 기초하여 램프 드라이버(310)를 피드백 제어한다. 피처리체(W)는 회전하고 있기 때문에 그 표면의 온도 분포는 균일할 것이 기대되지만, 필요하다면 방사 온도계(200)는 피처리체(W)의 온도를 여러 곳에서(예컨대, 그 중앙과 단부) 측정할 수 있어, 방사 온도계(200)가 피처리체(W) 상의 온도 분포가 균일하지 않다고 측정하면, 제어부(300)는 피처리체(W) 상의 특정한 영역의 램프(130)의 출력을 변경하도록 램프 드라이버(310)에 명령할 수도 있다. 그 때, 도금부(149) 및 렌즈 조립체(122)에 의해서 제어성이 높아지고 있기 때문에 피처리체(W)의 원하는 부위를 필요한 만큼 제어성 좋게 가열할 수 있다.
방사 온도계(200)는 초퍼나 LED 등을 사용하지 않는 단순한 구조이기 때문에 저렴한 동시에 장치(100)의 소형화와 경제성 향상에 이바지한다. 또, 본 발명의 실효 방사율 산출 방법에 의하면 온도 측정 정밀도가 높다. 피처리체(W)는 열처리에 있어서는 고온 환경 하에 장시간 놓이면 불순물이 확산되어 집적 회로의 전기적 특성이 악화되기 때문에, 고속 온도 상승과 고속 냉각이 필요하며, 그 때문에 피처리체(W)의 온도 관리가 불가결한 것이며, 본 실시예의 실효 방사율 산출 방법은 이러한 요청에 부응하는 것이다. 이 결과, RTP 장치(100)는 고품질의 열처리를 제공할 수 있다.
계속해서, 도시하지 않는 가스 도입부로부터 유량 제어된 처리 가스가 처리실(110)에 도입된다. 소정의 열처리(예컨대, 10초간)가 종료되면 제어부(300)는 램프 드라이버(310)를 제어하여 램프(130)의 가열을 정지하도록 명령한다. 이에 응답하여, 램프 드라이버(310)는 램프(130)의 구동을 정지한다. 장치(100)가 도 33에 도시한 구조를 사용하면 제어부(300)는 승강 기구(117)를 제어하여, 바닥부(114A)를 도 35에 도시한 냉각 위치로 이동시킨다. 또한, 바람직하게는 열전도성이 높은 헬륨 가스가 도 36에 도시한 바와 같이 피처리체(W)와 바닥부(114A)의 사이에 도입된다. 이에 따라, 피처리체(W)의 냉각 효율이 높아져 비교적 저소비 전력으로 고속 냉각을 할 수 있다. 냉각 속도는, 예컨대 200 ℃/s이다.
열처리 후에 피처리체(W)는 전술한의 것과 반대의 순서에 의해 게이트 밸브로부터 처리실(110) 밖으로 클러스터 툴의 반송 아암에 의해 도출된다. 계속해서, 필요하다면 반송 아암은 피처리체(W)를 다음 단의 장치(성막 장치 등)로 반송한다.
본 발명의 예시적 한 형태인 온도 측정 방법, 열처리 장치 및 방법, 컴퓨터 프로그램, 그리고 방사 온도계에 따르면, 단순한 구조를 갖는 비교적 저렴한 2개의 방사 온도계가 피처리체의 온도를 고정밀도로 측정할 수 있기 때문에 고품질의 열처리를 쉽게 달성할 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명했지만, 본 발명은 그 요지의 범위 내에서 여러 가지 변형 및 변경이 가능하다.

Claims (16)

  1. 다중 반사 환경에서 열원으로부터 가열되는 피측정체의 온도를 측정하는 온도 측정 방법으로서,
    상기 피측정체로부터 떨어져있는 측정부에 마련된 2개의 방사 온도계를 제공하는 단계와,
    상기 방사 온도계를 사용하여 상기 피측정체의 방사 에너지를 측정하는 단계와,
    상기 방사 에너지에 기초하여 온도를 계산하는 단계를 포함하고,
    상기 2개의 방사 온도계는 각각 상기 측정부에 매립되어 상기 피측정체로부터의 방사광을 수광할 수 있는 로드와, 이 로드에 접속된 광 파이버를 구비하고, 개구수가 상이하며,
    상기 측정부의 상기 피측정체와 대향하는 면과 상기 피측정체와의 사이에 상기 다중 반사 환경이 형성되고,
    상기 방사 에너지에 기초하여 온도를 계산하는 단계는, 다음 식을 포함하는 계산에 의해 상기 피측정체의 방사율 ε과 상기 피측정체의 온도를 결정하는 단계를 포함하며,
    여기서 D1은 상기 방사 온도계의 로드의 지름이고, NA는 개구수이고, D2는 상기 피측정체와 상기 측정부의 면까지의 거리이고, r은 상기 측정부의 면의 반사율이고, F는 형상 계수이고, α는 다중 반사 계수이고, ε는 상기 피측정체의 방사율이고, εeff는 상기 피측정체의 실효 방사율이고, N1 및 N2는 정수인 것인, 온도 측정 방법.
  2. 다중 반사 환경에서 열원으로부터 가열되는 피측정체의 온도를 측정하는 온도 측정 방법으로서,
    상기 피측정체로부터 떨어져있는 측정부에 마련된 2개의 방사 온도계를 제공하는 단계와,
    상기 방사 온도계를 사용하여 상기 피측정체의 방사 에너지를 측정하는 단계와,
    상기 방사 에너지에 기초하여 온도를 계산하는 단계를 포함하고,
    상기 2개의 방사 온도계는 각각 상기 측정부에 매립되어 상기 피측정체로부터의 방사광을 수광할 수 있는 로드와, 이 로드에 접속된 광 파이버를 구비하고,
    상기 측정부의 상기 피측정체와 대향하는 면과 상기 피측정체와의 사이에 상기 다중 반사 환경이 형성되며,
    상기 2개의 방사 온도계는 상기 방사 온도계의 로드의 지름과 상기 피측정체와 상기 측정부의 면까지의 거리의 비가 상이하고,
    상기 방사 에너지에 기초하여 온도를 계산하는 단계는, 다음 식을 포함하는 계산에 의해 상기 피측정체의 방사율 ε과 상기 피측정체의 온도를 결정하는 단계를 포함하며,
    여기서 D1은 상기 방사 온도계의 로드의 지름이고, NA는 개구수이고, D2는 상기 피측정체와 상기 측정부의 면까지의 거리이고, r은 상기 측정부의 면의 반사율이고, F는 형상 계수이고, α는 다중 반사 계수이고, ε는 상기 피측정체의 방사율이고, εeff는 상기 피측정체의 실효 방사율이고, N1 및 N2는 정수인 것인, 피측정체의 온도 측정 방법.
  3. 다중 반사 환경에서 열원으로부터 가열되는 피측정체의 온도를 측정하는 온도 측정 방법으로서,
    상기 피측정체로부터 떨어져있는 측정부에 마련된 방사 온도계를 제공하는 단계와,
    상기 방사 온도계를 사용하여 상기 피측정체의 방사 에너지를 측정하는 단계와,
    상기 방사 에너지에 기초하여 온도를 계산하는 단계를 포함하고,
    상기 방사 온도계는 상기 측정부에 매립되어 상기 피측정체로부터의 방사광을 수광할 수 있는 로드와, 이 로드에 접속된 제1 광 파이버와, 이 제1 광 파이버와는 개구수가 다르며 상기 로드에 접속된 제2 광 파이버와, 상기 제1 광 파이버를 통과하는 방사광을 검출하는 제1 검출기와, 상기 제2 광 파이버를 통과하는 방사광을 검출하는 제2 검출기를 구비하고,
    상기 측정부의 상기 피측정체와 대향하는 면과 상기 피측정체와의 사이에 상기 다중 반사 환경이 형성되고,
    상기 방사 에너지에 기초하여 온도를 계산하는 단계는, 다음 식을 포함하는 계산에 의해 상기 피측정체의 방사율 ε과 상기 피측정체의 온도를 결정하는 단계를 포함하며,
    여기서 D1은 상기 방사 온도계의 로드의 지름이고, NA는 개구수이고, D2는 상기 피측정체와 상기 측정부의 면까지의 거리이고, r은 상기 측정부의 면의 반사율이고, F는 형상 계수이고, α는 다중 반사 계수이고, ε는 상기 피측정체의 방사율이고, εeff는 상기 피측정체의 실효 방사율이고, N1 및 N2는 정수인 것인, 온도 측정 방법.
  4. 피처리체에 소정의 열처리를 행하는 처리실과,
    상기 피처리체를 가열하는 열원과,
    상기 처리실의 측정부에 접속되어 상기 피처리체의 온도를 측정하는 2개의 방사 온도계와,
    상기 2개의 방사 온도계에 의해 측정된 상기 피처리체의 온도로부터 상기 열원의 가열력을 제어하는 제어부를 구비하는 열처리 장치로서,
    상기 방사 온도계는,
    상기 측정부에 매립되어 상기 피처리체로부터의 방사광을 수광할 수 있는 로드와,
    상기 로드에 접속된 광 파이버와,
    상기 광 파이버를 통과하는 방사광을 검출하는 검출기를 구비하고,
    상기 2개의 방사 온도계는 개구수 또는 상기 방사 온도계의 로드의 지름과 상기 피처리체와 상기 측정부의 면까지의 거리의 비가 상이하며,
    상기 방사 온도계의 로드의 지름을 D1, 개구수를 NA, 상기 피처리체와 상기 측정부의 면까지의 거리를 D2, 상기 측정부의 면의 반사율을 r, 형상 계수를 F, 다중 반사 계수를 α, 상기 피처리체의 방사율을 ε, 상기 피처리체의 실효 방사율을 εeff, N1 및 N2를 파라미터라고 하면, 상기 제어부는 상기 ε을 상기 2개의 방사 온도계의 측정 결과를 이용하여 산출하는 동시에, 상기 피처리체의 온도를 식
    을 이용하여 산출하는 열처리 장치.
  5. 피처리체에 소정의 열처리를 행하는 처리실과,
    상기 피처리체를 가열하는 열원과,
    상기 처리실의 측정부에 접속되어 상기 피처리체의 온도를 측정하는 방사 온도계와,
    상기 방사 온도계에 의해 측정된 상기 피처리체의 온도로부터 상기 열원의 가열력을 제어하는 제어부를 구비하는 열처리 장치로서,
    상기 방사 온도계는,
    상기 측정부에 매립되어 상기 피처리체로부터의 방사광을 수광할 수 있는 로드와,
    상기 로드에 접속된 제1 광 파이버와,
    상기 제1 광 파이버와는 개구수가 다르며 상기 로드에 접속된 제2 광 파이버와,
    상기 제1 광 파이버를 통과하는 방사광을 검출하는 제1 검출기와,
    상기 제2 광 파이버를 통과하는 방사광을 검출하는 제2 검출기를 구비하고,
    상기 방사 온도계의 로드의 지름을 D1, 개구수를 NA, 상기 피처리체와 상기 측정부의 면까지의 거리를 D2, 상기 측정부의 면의 반사율을 r, 형상 계수를 F, 다중 반사 계수를 α, 상기 피처리체의 방사율을 ε, 상기 피처리체의 실효 방사율을 εeff, N1 및 N2를 파라미터라고 하면, 상기 제어부는 상기 ε을 상기 제1 검출기 및 상기 제2 검출기의 측정 결과를 이용하여 산출하는 동시에, 상기 피처리체의 온도를 식
    을 이용하여 산출하는 열처리 장치.
  6. 피처리체를 열원에 의해 가열하는 공정과,
    상기 피처리체의 온도를 2개의 방사 온도계에 의해 측정하는 공정과,
    상기 방사 온도계에 의해 측정된 상기 피처리체의 온도로부터 상기 열원의 가열력을 제어하는 공정을 포함하는 열처리 방법으로서,
    상기 방사 온도계는,
    상기 피처리체로부터 떨어져 있는 측정부에 매립되어 상기 피처리체로부터의 방사광을 수광할 수 있는 로드와,
    상기 로드에 접속된 광 파이버와,
    상기 광 파이버를 통과하는 방사광을 검출하는 검출기를 구비하고,
    상기 2개의 방사 온도계는, 개구수 또는 상기 방사 온도계의 로드의 지름과 상기 피처리체와 상기 측정부의 면까지의 거리의 비가 상이하며,
    상기 측정 공정은, 상기 방사 온도계의 로드의 지름을 D1, 개구수를 NA, 상기 피처리체와 상기 측정부의 면까지의 거리를 D2, 상기 측정부의 면의 반사율을 r, 형상 계수를 F, 다중 반사 계수를 α, 상기 피처리체의 방사율을 ε, 상기 피처리체의 실효 방사율을 εeff, N1 및 N2를 파라미터라고 하면, 상기 ε을 상기 2개의 방사 온도계의 측정 결과를 이용하여 산출하는 동시에, 상기 피처리체의 온도를 식
    을 이용하여 산출하는 열처리 방법.
  7. 피처리체를 열원에 의해 가열하는 공정과,
    상기 피처리체의 온도를 방사 온도계에 의해 측정하는 공정과,
    상기 방사 온도계에 의해 측정된 상기 피처리체의 온도로부터 상기 열원의 가열력을 제어하는 공정을 포함하는 열처리 방법으로서,
    상기 방사 온도계는,
    상기 피처리체로부터 떨어져 있는 측정부에 매립되어 상기 피처리체로부터의 방사광을 수광할 수 있는 로드와,
    상기 로드에 접속된 제1 광 파이버와,
    상기 제1 광 파이버와는 개구수가 다르며 상기 로드에 접속된 제2 광 파이버와,
    상기 제1 광 파이버를 통과하는 방사광을 검출하는 제1 검출기와,
    상기 제2 광 파이버를 통과하는 방사광을 검출하는 제2 검출기를 구비하고,
    상기 측정 공정은, 상기 방사 온도계의 로드의 지름을 D1, 상기 제1 광 파이버 또는 상기 제2 광 파이버의 개구수를 NA, 상기 피처리체와 상기 측정부의 면까지의 거리를 D2, 상기 측정부의 면의 반사율을 r, 형상 계수를 F, 다중 반사 계수를 α, 상기 피처리체의 방사율을 ε, 상기 피처리체의 실효 방사율을 εeff, N1 및 N2를 파라미터라고 하면, 상기 ε을 상기 제1 검출기 및 상기 제2 검출기의 측정 결과를 이용하여 산출하는 동시에, 상기 피처리체의 온도를 식
    을 이용하여 산출하는 열처리 방법.
  8. 다중 반사 환경에서 열원으로부터 가열되는 피측정체의 온도(T)를 방사 온도계를 이용하여 측정하는 온도 측정을 실행하는 프로그램을 저장한 기억 매체로서,
    상기 방사 온도계는,
    상기 피측정체로부터 떨어져 있는 측정부에 매립되어 상기 피측정체로부터의 방사광을 수광할 수 있는 로드와,
    상기 로드에 접속된 광 파이버와,
    상기 광 파이버를 통과하는 방사광을 검출하는 검출기를 구비하고,
    상기 2개의 방사 온도계는 개구수 또는 상기 방사 온도계의 로드의 지름과 상기 피측정체와 상기 측정부의 면까지의 거리의 비가 상이하며,
    상기 프로그램은,
    상기 방사 온도계의 로드의 지름을 D1, 개구수를 NA, 상기 피측정체와 상기 측정부의 면까지의 거리를 D2, 상기 측정부의 면의 반사율을 r, 형상 계수를 F, 다중 반사 계수를 α, 상기 피측정체의 방사율을 ε, 상기 피측정체의 실효 방사율을 εeff, N1 및 N2를 파라미터라고 하면, 상기 ε을 상기 2개의 방사 온도계의 측정 결과 및 식
    을 이용하여 산출하는 순서와, 상기 피측정체의 온도를 산출하는 순서를 실행하는 것인 기억 매체.
  9. 다중 반사 환경에서 열원으로부터 가열되는 피측정체의 온도(T)를 방사 온도계를 이용하여 측정하는 온도 측정을 실행하는 프로그램을 저장한 기억 매체로서,
    상기 방사 온도계는,
    상기 피측정체로부터 떨어져 있는 측정부에 매립되어 상기 피측정체로부터 방사광을 수광할 수 있는 로드와,
    상기 로드에 접속된 제1 광 파이버와,
    상기 제1 광 파이버와는 개구수가 다르며 상기 로드에 접속된 제2 광 파이버와,
    상기 제1 광 파이버를 통과하는 방사광을 검출하는 제1 검출기와,
    상기 제2 광 파이버를 통과하는 방사광을 검출하는 제2 검출기를 구비하고,
    상기 프로그램은,
    상기 방사 온도계의 로드의 지름을 D1, 개구수를 NA, 상기 피측정체와 상기 측정부의 면까지의 거리를 D2, 상기 측정부의 면의 반사율을 r, 형상 계수를 F, 다중 반사 계수를 α, 상기 피측정체의 방사율을 ε, 상기 피측정체의 실효 방사율을 εeff, N1 및 N2를 파라미터라고 하면, 상기 ε을 상기 제1 검출기 및 상기 제2 검출기의 측정 결과 및 식
    을 이용하여 산출하는 순서와 상기 피측정체의 온도를 산출하는 순서를 실행하는 것인 기억 매체.
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