KR20210018116A - 열처리 방법 - Google Patents

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KR20210018116A
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radiation thermometer
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flash
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KR1020200097251A
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히카루 가와라자키
요시히데 노자키
Original Assignee
가부시키가이샤 스크린 홀딩스
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Abstract

기판의 표면 온도를 정확하게 측정할 수 있는 열처리 방법을 제공한다.
반도체 웨이퍼는 할로겐 램프에 의해 예비 가열된 후, 플래시 램프로부터의 플래시광 조사에 의해 가열된다. 플래시광 조사 직전의 반도체 웨이퍼의 온도가 하부 방사 온도계에 의해 측정된다. 하부 방사 온도계의 반도체 웨이퍼에 대한 수광각은 60° 이상 89° 이하이기 때문에, 반도체 웨이퍼의 이면에 성막되어 있는 막의 종류에 관계없이, 하부 방사 온도계는 반도체 웨이퍼의 이면의 온도를 정확하게 측정할 수 있다. 플래시광 조사 시에는 상부 방사 온도계에 의해 반도체 웨이퍼의 표면의 상승 온도가 측정된다. 하부 방사 온도계에 의해 측정된 반도체 웨이퍼의 이면 온도에 상부 방사 온도계에 의해 측정된 플래시광 조사 시의 반도체 웨이퍼의 표면의 상승 온도를 가산하여 반도체 웨이퍼의 표면 온도를 산정한다.

Description

열처리 방법{HEAT TREATMENT METHOD}
본 발명은, 이면에 막이 형성된 반도체 웨이퍼 등의 박판형 정밀 전자 기판(이하, 간단히 「기판」이라고 칭한다)에 플래시광을 조사함으로써 당해 기판을 가열하는 열처리 방법에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 제조 프로세스에 있어서, 극히 단시간에 반도체 웨이퍼를 가열하는 플래시 램프 어닐링(FLA)이 주목되고 있다. 플래시 램프 어닐링은, 크세논 플래시 램프(이하, 간단히 「플래시 램프」로 할 때에는 크세논 플래시 램프를 의미한다)를 사용하여 반도체 웨이퍼의 표면에 플래시광을 조사함으로써, 반도체 웨이퍼의 표면 만을 극히 단시간(수밀리초 이하)에 승온시키는 열처리 기술이다.
크세논 플래시 램프의 방사 분광 분포는 자외역부터 근적외역이며, 종래의 할로겐 램프보다 파장이 짧고, 실리콘의 반도체 웨이퍼의 기초 흡수대와 거의 일치하고 있다. 따라서, 크세논 플래시 램프로부터 반도체 웨이퍼에 플래시광을 조사했을 때에는, 투과광이 적어 반도체 웨이퍼를 급속히 승온시키는 것이 가능하다. 또, 수밀리초 이하의 극히 단시간의 플래시광 조사이면, 반도체 웨이퍼의 표면 근방 만을 선택적으로 승온시킬 수 있는 것도 판명되고 있다.
이와 같은 플래시 램프 어닐링은, 극히 단시간의 가열이 필요해지는 처리, 예를 들면 전형적으로는 반도체 웨이퍼에 주입된 불순물의 활성화에 이용된다. 이온 주입법에 의해 불순물이 주입된 반도체 웨이퍼의 표면에 플래시 램프로부터 플래시광을 조사하면, 당해 반도체 웨이퍼의 표면을 극히 단시간만 활성화 온도로까지 승온시킬 수 있어, 불순물을 깊게 확산시키지 않고, 불순물 활성화 만을 실행할 수 있는 것이다.
플래시 램프 어닐링에 한정되지 않고, 반도체 웨이퍼의 열처리에 있어서는, 웨이퍼 온도의 관리가 중요해진다. 특허 문헌 1, 2에는, 처리 대상이 되는 반도체 웨이퍼의 비스듬한 상방 및 비스듬한 하방에 방사 온도계를 설치하여, 반도체 웨이퍼의 주면으로부터 방사된 방사광을 수광하여 당해 주면의 온도를 측정하는 기술이 개시되어 있다.
일본국 특허공개 2012-238779호 공보 일본국 특허공개 2012-238782호 공보
그러나, 극히 조사 시간이 짧은 플래시광을 조사했을 때에는 반도체 웨이퍼의 표면 온도도 서브 밀리초의 단위로 급격하게 변화하기 때문에, 그 표면 온도를 정확하게 측정하는 것은 곤란하다. 또, 반도체 제조 프로세스가 복잡해짐에 따라, 플래시 램프 어닐링의 대상이 되는 반도체 웨이퍼에 성막 처리가 이루어져 있는 경우도 많다. 방사 온도계에 의해 반도체 웨이퍼의 온도를 측정할 때에는, 측정 대상의 방사율이 필요하지만, 반도체 웨이퍼에 막이 형성되어 있으면 방사율이 웨이퍼 기재로부터 변동하기 때문에, 온도 측정이 더 곤란해진다.
본 발명은, 상기 과제를 감안하여 이루어진 것이며, 기판의 표면 온도를 정확하게 측정할 수 있는 열처리 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 청구항 1의 발명은, 이면에 막이 형성된 기판에 플래시광을 조사함으로써 당해 기판을 가열하는 열처리 방법에 있어서, 연속 점등 램프로부터 상기 기판에 광을 조사함으로써 상기 기판을 예비 가열하는 예비 가열 공정과, 예비 가열된 상기 기판의 표면에 플래시 램프로부터 플래시광을 조사함으로써 상기 기판을 플래시 가열하는 주가열 공정과, 상기 예비 가열 공정 및 상기 주가열 공정을 실행할 때에, 상기 기판의 비스듬한 하방에 설치된 제1 방사 온도계에 의해 상기 기판의 이면의 온도를 계속해서 측정하는 이면 온도 측정 공정과, 상기 주가열 공정을 실행할 때에, 상기 기판의 비스듬한 상방에 설치된 제2 방사 온도계에 의해 플래시광 조사 시의 상기 기판의 표면의 상승 온도를 측정하는 표면 상승 온도 측정 공정과, 예비 가열되어 있는 상기 기판이 일정 온도에 도달하고 나서 플래시광을 조사할 때까지의 동안에 상기 제1 방사 온도계에 의해 측정된 상기 기판의 이면의 온도에 상기 제2 방사 온도계에 의해 측정된 플래시광 조사 시의 상기 기판의 표면의 상승 온도를 가산하여 상기 기판의 표면 온도를 산정하는 표면 온도 산정 공정을 구비하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 2의 발명은, 청구항 1의 발명에 따른 열처리 방법에 있어서, 상기 제1 방사 온도계의 상기 기판에 대한 수광각이 60° 이상 89° 이하인 것을 특징으로 한다.
청구항 1 및 청구항 2의 발명에 의하면, 플래시광 조사 전에 제1 방사 온도계에 의해 측정된 기판의 이면의 온도에 제2 방사 온도계에 의해 측정된 플래시광 조사 시의 기판의 표면의 상승 온도를 가산하여 기판의 표면 온도를 산정하기 때문에, 플래시광 조사 시의 기판의 표면 온도를 정확하게 측정할 수 있다.
특히, 청구항 2의 발명에 의하면, 제1 방사 온도계의 기판에 대한 수광각이 60° 이상 89° 이하이기 때문에, 이면의 막의 종류에 관계없이 제1 방사 온도계에 의해 기판의 이면의 온도를 정확하게 측정하여, 플래시광 조사 시의 기판의 표면 온도를 보다 정확하게 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 열처리 방법을 실시하기 위한 열처리 장치의 구성을 나타내는 종단면도이다.
도 2는 유지부의 전체 외관을 나타내는 사시도이다.
도 3은 서셉터의 평면도이다.
도 4는 서셉터의 단면도이다.
도 5는 이재(移載) 기구의 평면도이다.
도 6은 이재 기구의 측면도이다.
도 7은 복수의 할로겐 램프의 배치를 나타내는 평면도이다.
도 8은 하부 방사 온도계와 서셉터에 유지된 반도체 웨이퍼의 위치 관계를 나타내는 도이다.
도 9는 하부 방사 온도계, 상부 방사 온도계 및 제어부의 기능 블럭도이다.
도 10은 반도체 웨이퍼의 처리 순서를 나타내는 플로차트이다.
도 11은 반도체 웨이퍼의 표면 온도의 변화를 나타내는 도이다.
도 12는 형성된 막의 방사율에 대한 영향을 나타내는 도이다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시의 형태에 대해서 상세하게 설명한다.
도 1은, 본 발명에 따른 열처리 방법을 실시하기 위한 열처리 장치(1)의 구성을 나타내는 종단면도이다. 도 1의 열처리 장치(1)는, 기판으로서 원판 형상의 반도체 웨이퍼(W)에 대해 플래시광 조사를 행함으로써 그 반도체 웨이퍼(W)를 가열하는 플래시 램프 어닐링 장치이다. 처리 대상이 되는 반도체 웨이퍼(W)의 사이즈는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 φ300mm나 φ450mm이다(본 실시 형태에서는 φ300mm). 또한, 도 1 및 이후의 각 도에 있어서는, 이해 용이를 위해, 필요에 따라 각 부의 치수나 수를 과장 또는 간략화하여 그리고 있다.
열처리 장치(1)는, 반도체 웨이퍼(W)를 수용하는 챔버(6)와, 복수의 플래시 램프(FL)를 내장하는 플래시 가열부(5)와, 복수의 할로겐 램프(HL)를 내장하는 할로겐 가열부(4)를 구비한다. 챔버(6)의 상측에 플래시 가열부(5)가 설치됨과 함께, 하측에 할로겐 가열부(4)가 설치되어 있다. 또, 열처리 장치(1)는, 챔버(6)의 내부에, 반도체 웨이퍼(W)를 수평 자세로 유지하는 유지부(7)와, 유지부(7)와 장치 외부 사이에서 반도체 웨이퍼(W)의 수도(受渡)를 행하는 이재 기구(10)를 구비한다. 또한, 열처리 장치(1)는, 할로겐 가열부(4), 플래시 가열부(5) 및 챔버(6)에 설치된 각 동작 기구를 제어하여 반도체 웨이퍼(W)의 열처리를 실행시키는 제어부(3)를 구비한다.
챔버(6)는, 통형의 챔버측부(61)의 상하에 석영제의 챔버 창을 장착하여 구성되어 있다. 챔버측부(61)는 상하가 개구된 개략 통 형상을 가지고 있으며, 상측 개구에는 상측 챔버 창(63)이 장착되어 폐색되고, 하측 개구에는 하측 챔버 창(64)이 장착되어 폐색되어 있다. 챔버(6)의 천정부를 구성하는 상측 챔버 창(63)은, 석영에 의해 형성된 원판 형상 부재이며, 플래시 가열부(5)로부터 출사된 플래시광을 챔버(6) 내에 투과하는 석영창으로서 기능한다. 또, 챔버(6)의 바닥부를 구성하는 하측 챔버 창(64)도, 석영에 의해 형성된 원판 형상 부재이며, 할로겐 가열부(4)로부터의 광을 챔버(6) 내에 투과하는 석영창으로서 기능한다.
또, 챔버측부(61)의 내측의 벽면의 상부에는 반사 링(68)이 장착되고, 하부에는 반사 링(69)이 장착되어 있다. 반사 링(68, 69)은 모두 원환상으로 형성되어 있다. 상측의 반사 링(68)은, 챔버측부(61)의 상측으로부터 끼워넣음으로써 장착된다. 한편, 하측의 반사 링(69)은, 챔버측부(61)의 하측으로부터 끼워넣어 도시를 생략한 나사로 고정함으로써 장착된다. 즉, 반사 링(68, 69)은 모두 착탈 가능하게 챔버측부(61)에 장착되는 것이다. 챔버(6)의 내측 공간, 즉 상측 챔버 창(63), 하측 챔버 창(64), 챔버측부(61) 및 반사 링(68, 69)에 의해 둘러싸이는 공간이 열처리 공간(65)으로서 규정된다.
챔버측부(61)에 반사 링(68, 69)이 장착됨으로써, 챔버(6)의 내벽면에 오목부(62)가 형성된다. 즉, 챔버측부(61)의 내벽면 중 반사 링(68, 69)이 장착되어 있지 않은 중앙 부분과, 반사 링(68)의 하단면과, 반사 링(69)의 상단면으로 둘러싸인 오목부(62)가 형성된다. 오목부(62)는, 챔버(6)의 내벽면에 수평 방향을 따라 원환상으로 형성되어, 반도체 웨이퍼(W)를 유지하는 유지부(7)를 둘러싼다. 챔버측부(61) 및 반사 링(68, 69)은, 강도와 내열성이 우수한 금속 재료(예를 들면, 스테인리스 스틸)로 형성되어 있다.
또, 챔버측부(61)에는, 챔버(6)에 대해 반도체 웨이퍼(W)의 반입 및 반출을 행하기 위한 반송 개구부(노(盧)구)(66)가 형성되어 있다. 반송 개구부(66)는, 게이트 밸브(185)에 의해 개폐 가능하게 되어 있다. 반송 개구부(66)는 오목부(62)의 외주면에 연통 접속되어 있다. 이 때문에, 게이트 밸브(185)가 반송 개구부(66)를 개방하고 있을 때에는, 반송 개구부(66)로부터 오목부(62)를 통과하여 열처리 공간(65)으로의 반도체 웨이퍼(W)의 반입 및 열처리 공간(65)으로부터의 반도체 웨이퍼(W)의 반출을 행할 수 있다. 또, 게이트 밸브(185)가 반송 개구부(66)를 폐쇄하면 챔버(6) 내의 열처리 공간(65)이 밀폐 공간이 된다.
또한, 챔버측부(61)에는, 관통 구멍(61a) 및 관통 구멍(61b)이 형성되어 있다. 관통 구멍(61a)은, 후술하는 서셉터(74)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 상면으로부터 방사된 적외광을 상부 방사 온도계(25)(제2 방사 온도계)의 적외선 센서(29)로 유도하기 위한 원통형의 구멍이다. 한편, 관통 구멍(61b)은, 반도체 웨이퍼(W)의 하면으로부터 방사된 적외광을 하부 방사 온도계(20)(제1 방사 온도계)의 적외선 센서(24)로 유도하기 위한 원통형의 구멍이다. 관통 구멍(61a) 및 관통 구멍(61b)은, 그들의 관통 방향의 축이 서셉터(74)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 주면과 교차하도록, 수평 방향에 대해 경사져 설치되어 있다. 관통 구멍(61a)의 열처리 공간(65)에 면하는 측의 단부에는, 상부 방사 온도계(25)가 측정 가능한 파장 영역의 적외광을 투과시키는 불화 칼슘 재료로 이루어지는 투명창(26)이 장착되어 있다. 또, 관통 구멍(61b)의 열처리 공간(65)에 면하는 측의 단부에는, 하부 방사 온도계(20)가 측정 가능한 파장 영역의 적외광을 투과시키는 불화 바륨 재료로 이루어지는 투명창(21)이 장착되어 있다.
또, 챔버(6)의 내벽 상부에는 열처리 공간(65)에 처리 가스를 공급하는 가스 공급 구멍(81)이 형성되어 있다. 가스 공급 구멍(81)은, 오목부(62)보다 상측 위치에 형성되어 있으며, 반사 링(68)에 설치되어 있어도 된다. 가스 공급 구멍(81)은 챔버(6)의 측벽 내부에 원환상으로 형성된 완충 공간(82)을 통하여 가스 공급관(83)에 연통 접속되어 있다. 가스 공급관(83)은 처리 가스 공급원(85)에 접속되어 있다. 또, 가스 공급관(83)의 경로 도중에는 밸브(84)가 끼워져 있다. 밸브(84)가 개방되면, 처리 가스 공급원(85)으로부터 완충 공간(82)에 처리 가스가 송급된다. 완충 공간(82)에 유입된 처리 가스는, 가스 공급 구멍(81)보다 유체 저항이 작은 완충 공간(82) 내를 퍼지도록 흘러 가스 공급 구멍(81)으로부터 열처리 공간(65) 내로 공급된다. 처리 가스로서는, 예를 들면 질소(N2) 등의 불활성 가스, 또는, 수소(H2), 암모니아(NH3) 등의 반응성 가스, 혹은 그들을 혼합한 혼합 가스를 이용할 수 있다(본 실시 형태에서는 질소 가스).
한편, 챔버(6)의 내벽 하부에는 열처리 공간(65) 내의 기체를 배기하는 가스 배기 구멍(86)이 형성되어 있다. 가스 배기 구멍(86)은, 오목부(62)보다 하측 위치에 형성되어 있으며, 반사 링(69)에 설치되어 있어도 된다. 가스 배기 구멍(86)은 챔버(6)의 측벽 내부에 원환상으로 형성된 완충 공간(87)을 통하여 가스 배기관(88)에 연통 접속되어 있다. 가스 배기관(88)은 배기부(190)에 접속되어 있다. 또, 가스 배기관(88)의 경로 도중에는 밸브(89)가 끼워져 있다. 밸브(89)가 개방되면, 열처리 공간(65)의 기체가 가스 배기 구멍(86)으로부터 완충 공간(87)을 거쳐 가스 배기관(88)으로 배출된다. 또한, 가스 공급 구멍(81) 및 가스 배기 구멍(86)은, 챔버(6)의 둘레 방향을 따라 복수 설치되어 있어도 되고, 슬릿형의 것이어도 된다. 또, 처리 가스 공급원(85) 및 배기부(190)는, 열처리 장치(1)에 설치된 기구여도 되고, 열처리 장치(1)가 설치되는 공장의 유틸리티여도 된다.
또, 반송 개구부(66)의 선단에도 열처리 공간(65) 내의 기체를 배출하는 가스 배기관(191)이 접속되어 있다. 가스 배기관(191)은 밸브(192)를 통하여 배기부(190)에 접속되어 있다. 밸브(192)를 개방함으로써, 반송 개구부(66)를 통하여 챔버(6) 내의 기체가 배기된다.
도 2는, 유지부(7)의 전체 외관을 나타내는 사시도이다. 유지부(7)는, 기대 링(71), 연결부(72) 및 서셉터(74)를 구비하여 구성된다. 기대 링(71), 연결부(72) 및 서셉터(74)는 모두 석영으로 형성되어 있다. 즉, 유지부(7)의 전체가 석영으로 형성되어 있다.
기대 링(71)은 원환 형상으로부터 일부가 결락된 원호 형상의 석영 부재이다. 이 결락 부분은, 후술하는 이재 기구(10)의 이재 아암(11)과 기대 링(71)의 간섭을 막기 위해 설치되어 있다. 기대 링(71)은 오목부(62)의 저면에 재치됨으로써, 챔버(6)의 벽면에 지지되게 된다(도 1 참조). 기대 링(71)의 상면에, 그 원환 형상의 둘레 방향을 따라 복수의 연결부(72)(본 실시 형태에서는 4개)가 세워 설치된다. 연결부(72)도 석영의 부재이며, 용접에 의해 기대 링(71)에 고착된다.
서셉터(74)는 기대 링(71)에 설치된 4개의 연결부(72)에 의해 지지된다. 도 3은, 서셉터(74)의 평면도이다. 또, 도 4는, 서셉터(74)의 단면도이다. 서셉터(74)는, 유지 플레이트(75), 가이드 링(76) 및 복수의 기판 지지 핀(77)을 구비한다. 유지 플레이트(75)는, 석영으로 형성된 대략 원형의 평판형 부재이다. 유지 플레이트(75)의 직경은 반도체 웨이퍼(W)의 직경보다 크다. 즉, 유지 플레이트(75)는, 반도체 웨이퍼(W)보다 큰 평면 사이즈를 가진다.
유지 플레이트(75)의 상면 주연부에 가이드 링(76)이 설치되어 있다. 가이드 링(76)은, 반도체 웨이퍼(W)의 직경보다 큰 내경을 가지는 원환 형상의 부재이다. 예를 들면, 반도체 웨이퍼(W)의 직경이 φ300mm인 경우, 가이드 링(76)의 내경은 φ320mm이다. 가이드 링(76)의 내주는, 유지 플레이트(75)로부터 상방을 향해 넓어지는 테이퍼면으로 되어 있다. 가이드 링(76)은, 유지 플레이트(75)와 동일한 석영으로 형성된다. 가이드 링(76)은, 유지 플레이트(75)의 상면에 용착하도록 해도 되고, 별도 가공한 핀 등에 의해 유지 플레이트(75)에 고정하도록 해도 된다. 혹은, 유지 플레이트(75)와 가이드 링(76)을 일체의 부재로서 가공하도록 해도 된다.
유지 플레이트(75)의 상면 중 가이드 링(76)보다 내측의 영역이 반도체 웨이퍼(W)를 유지하는 평면형상의 유지면(75a)이 된다. 유지 플레이트(75)의 유지면(75a)에는, 복수의 기판 지지 핀(77)이 세워 설치되어 있다. 본 실시 형태에 있어서는, 유지면(75a)의 외주원(가이드 링(76)의 내주원)과 동심원의 둘레 상을 따라 30°마다 합계 12개의 기판 지지 핀(77)이 세워 설치되어 있다. 12개의 기판 지지 핀(77)을 배치한 원의 직경(대향하는 기판 지지 핀(77) 간의 거리)은 반도체 웨이퍼(W)의 직경보다 작고, 반도체 웨이퍼(W)의 직경이 φ300mm이면 φ270mm~φ280mm(본 실시 형태에서는 φ270mm)이다. 각각의 기판 지지 핀(77)은 석영으로 형성되어 있다. 복수의 기판 지지 핀(77)은, 유지 플레이트(75)의 상면에 용접에 의해 설치하도록 해도 되고, 유지 플레이트(75)와 일체로 가공하도록 해도 된다.
도 2로 되돌아와, 기대 링(71)에 세워 설치된 4개의 연결부(72)와 서셉터(74)의 유지 플레이트(75)의 주연부가 용접에 의해 고착된다. 즉, 서셉터(74)와 기대 링(71)은 연결부(72)에 의해 고정적으로 연결되어 있다. 이와 같은 유지부(7)의 기대 링(71)이 챔버(6)의 벽면에 지지됨으로써, 유지부(7)가 챔버(6)에 장착된다. 유지부(7)가 챔버(6)에 장착된 상태에 있어서는, 서셉터(74)의 유지 플레이트(75)는 수평 자세(법선이 연직 방향과 일치하는 자세)가 된다. 즉, 유지 플레이트(75)의 유지면(75a)은 수평면이 된다.
챔버(6)에 반입된 반도체 웨이퍼(W)는, 챔버(6)에 장착된 유지부(7)의 서셉터(74) 상에 수평 자세로 재치되어 유지된다. 이 때, 반도체 웨이퍼(W)는 유지 플레이트(75) 상에 세워 설치된 12개의 기판 지지 핀(77)에 의해 지지되어 서셉터(74)에 유지된다. 보다 엄밀하게는, 12개의 기판 지지 핀(77)의 상단부가 반도체 웨이퍼(W)의 하면에 접촉하여 당해 반도체 웨이퍼(W)를 지지한다. 12개의 기판 지지 핀(77)의 높이(기판 지지 핀(77)의 상단으로부터 유지 플레이트(75)의 유지면(75a)까지의 거리)는 균일하기 때문에, 12개의 기판 지지 핀(77)에 의해 반도체 웨이퍼(W)를 수평 자세로 지지할 수 있다.
또, 반도체 웨이퍼(W)는 복수의 기판 지지 핀(77)에 의해 유지 플레이트(75)의 유지면(75a)으로부터 소정의 간격을 떼고 지지되게 된다. 기판 지지 핀(77)의 높이보다 가이드 링(76)의 두께가 크다. 따라서, 복수의 기판 지지 핀(77)에 의해 지지된 반도체 웨이퍼(W)의 수평 방향의 위치 어긋남은 가이드 링(76)에 의해 방지된다.
또, 도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 서셉터(74)의 유지 플레이트(75)에는, 상하로 관통하여 개구부(78)가 형성되어 있다. 개구부(78)는, 하부 방사 온도계(20)가 반도체 웨이퍼(W)의 하면으로부터 방사되는 방사광(적외광)을 수광하기 위해 설치되어 있다. 즉, 하부 방사 온도계(20)가 개구부(78) 및 챔버측부(61)의 관통 구멍(61b)에 장착된 투명창(21)을 통하여 반도체 웨이퍼(W)의 하면으로부터 방사된 광을 수광하여 당해 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 측정한다. 또한, 서셉터(74)의 유지 플레이트(75)에는, 후술하는 이재 기구(10)의 리프트 핀(12)이 반도체 웨이퍼(W)의 수도를 위해 관통하는 4개의 관통 구멍(79)이 형성되어 있다.
도 5는, 이재 기구(10)의 평면도이다. 또, 도 6은, 이재 기구(10)의 측면도이다. 이재 기구(10)는, 2개의 이재 아암(11)을 구비한다. 이재 아암(11)은, 대체로 원환상의 오목부(62)를 따르는 원호 형상으로 되어 있다. 각각의 이재 아암(11)에는 2개의 리프트 핀(12)이 세워 설치되어 있다. 이재 아암(11) 및 리프트 핀(12)은 석영으로 형성되어 있다. 각 이재 아암(11)은 수평 이동 기구(13)에 의해 회동 가능하게 되어 있다. 수평 이동 기구(13)는, 한 쌍의 이재 아암(11)을 유지부(7)에 대해 반도체 웨이퍼(W)의 이재를 행하는 이재 동작 위치(도 5의 실선 위치)와 유지부(7)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)와 평면에서 볼 때 겹치지 않는 퇴피 위치(도 5의 2점 쇄선 위치) 사이에서 수평 이동시킨다. 수평 이동 기구(13)로서는, 개별의 모터에 의해 각 이재 아암(11)을 각각 회동시키는 것이어도 되고, 링크 기구를 이용하여 1개의 모터에 의해 한 쌍의 이재 아암(11)을 연동시켜 회동시키는 것이어도 된다.
또, 한 쌍의 이재 아암(11)은, 승강 기구(14)에 의해 수평 이동 기구(13)와 함께 승강 이동된다. 승강 기구(14)가 한 쌍의 이재 아암(11)을 이재 동작 위치에서 상승시키면, 합계 4개의 리프트 핀(12)이 서셉터(74)에 형성된 관통 구멍(79)(도 2, 3 참조)을 통과하여, 리프트 핀(12)의 상단이 서셉터(74)의 상면으로부터 튀어 나온다. 한편, 승강 기구(14)가 한 쌍의 이재 아암(11)을 이재 동작 위치에서 하강시켜 리프트 핀(12)을 관통 구멍(79)으로부터 빼내어, 수평 이동 기구(13)가 한 쌍의 이재 아암(11)을 열도록 이동시키면 각 이재 아암(11)이 퇴피 위치로 이동한다. 한 쌍의 이재 아암(11)의 퇴피 위치는, 유지부(7)의 기대 링(71)의 바로 윗쪽이다. 기대 링(71)은 오목부(62)의 저면에 재치되어 있기 때문에, 이재 아암(11)의 퇴피 위치는 오목부(62)의 내측이 된다. 또한, 이재 기구(10)의 구동부(수평 이동 기구(13) 및 승강 기구(14))가 설치되어 있는 부위의 근방에도 도시를 생략한 배기 기구가 설치되어 있어, 이재 기구(10)의 구동부 주변의 분위기가 챔버(6)의 외부에 배출되도록 구성되어 있다.
도 1로 되돌아와, 챔버(6)의 상방에 설치된 플래시 가열부(5)는, 하우징(51)의 내측에, 복수개(본 실시 형태에서는 30개)의 크세논 플래시 램프(FL)로 이루어지는 광원과, 그 광원의 상방을 덮도록 설치된 리플렉터(52)를 구비하여 구성된다. 또, 플래시 가열부(5)의 하우징(51)의 저부에는 램프광 방사창(53)이 장착되어 있다. 플래시 가열부(5)의 바닥부를 구성하는 램프광 방사창(53)은, 석영에 의해 형성된 판형의 석영창이다. 플래시 가열부(5)가 챔버(6)의 상방에 설치됨으로써, 램프광 방사창(53)이 상측 챔버 창(63)과 서로 대향하게 된다. 플래시 램프(FL)는 챔버(6)의 상방으로부터 램프광 방사창(53) 및 상측 챔버 창(63)을 통하여 열처리 공간(65)에 플래시광을 조사한다.
복수의 플래시 램프(FL)는, 각각이 장척의 원통 형상을 가지는 봉형 램프이며, 각각의 길이 방향이 유지부(7)에 유지되는 반도체 웨이퍼(W)의 주면을 따라(즉 수평 방향을 따라) 서로 평행이 되도록 평면형상으로 배열되어 있다. 따라서, 플래시 램프(FL)의 배열에 의해 형성되는 평면도 수평면이다.
크세논 플래시 램프(FL)는, 그 내부에 크세논 가스가 봉입되고 그 양단부에 콘덴서에 접속된 양극 및 음극이 설치된 봉형의 유리관(방전관)과, 당해 유리관의 외주면 상에 부설된 트리거 전극을 구비한다. 크세논 가스는 전기적으로는 절연체이기 때문에, 콘덴서에 전하가 저장되고 있었다고 해도 통상 상태에서는 유리관 내에 전기는 흐르지 않는다. 그러나, 트리거 전극에 고전압을 인가하여 절연을 파괴한 경우에는, 콘덴서에 저장된 전기가 유리관 내에 순간적으로 흘러, 그 때의 크세논의 원자 혹은 분자의 여기에 의해 광이 방출된다. 이와 같은 크세논 플래시 램프(FL)에 있어서는, 미리 콘덴서에 저장되어 있던 정전 에너지가 0.1밀리세컨드 내지 100밀리세컨드와 같은 극히 짧은 광펄스로 변환되기 때문에, 할로겐 램프(HL)와 같은 연속 점등의 광원에 비해 극히 강한 광을 조사할 수 있다는 특징을 가진다. 즉, 플래시 램프(FL)는, 1초 미만의 극히 짧은 시간에 순간적으로 발광하는 펄스 발광 램프이다. 또한, 플래시 램프(FL)의 발광 시간은, 플래시 램프(FL)에 전력 공급을 행하는 램프 전원의 코일 상수에 의해 조정할 수 있다.
또, 리플렉터(52)는, 복수의 플래시 램프(FL)의 상방에 그들 전체를 덮도록 설치되어 있다. 리플렉터(52)의 기본적인 기능은, 복수의 플래시 램프(FL)로부터 출사된 플래시광을 열처리 공간(65)의 측으로 반사한다는 것이다. 리플렉터(52)는 알루미늄 합금판으로 형성되어 있으며, 그 표면(플래시 램프(FL)에 면하는 측의 면)은 블라스트 처리에 의해 조면화 가공이 실시되어 있다.
챔버(6)의 하방에 설치된 할로겐 가열부(4)는, 하우징(41)의 내측에 복수개(본 실시 형태에서는 40개)의 할로겐 램프(HL)를 내장하고 있다. 할로겐 가열부(4)는, 복수의 할로겐 램프(HL)에 의해 챔버(6)의 하방으로부터 하측 챔버 창(64)을 통하여 열처리 공간(65)으로의 광조사를 행하여 반도체 웨이퍼(W)를 가열한다.
도 7은, 복수의 할로겐 램프(HL)의 배치를 나타내는 평면도이다. 40개의 할로겐 램프(HL)는 상하 2단으로 나누어 배치되어 있다. 유지부(7)에 가까운 상단에 20개의 할로겐 램프(HL)가 설치됨과 함께, 상단보다 유지부(7)로부터 먼 하단에도 20개의 할로겐 램프(HL)가 설치되어 있다. 각 할로겐 램프(HL)는, 장척의 원통 형상을 가지는 봉형 램프이다. 상단, 하단 같이 20개의 할로겐 램프(HL)는, 각각의 길이 방향이 유지부(7)에 유지되는 반도체 웨이퍼(W)의 주면을 따라(즉 수평 방향을 따라) 서로 평행이 되도록 배열되어 있다. 따라서, 상단, 하단 모두 할로겐 램프(HL)의 배열에 의해 형성되는 평면은 수평면이다.
또, 도 7에 나타내는 바와 같이, 상단, 하단 모두 유지부(7)에 유지되는 반도체 웨이퍼(W)의 중앙부에 대향하는 영역보다 주연부에 대향하는 영역에 있어서의 할로겐 램프(HL)의 설치 밀도가 높아져 있다. 즉, 상하단 모두, 램프 배열의 중앙부보다 주연부가 할로겐 램프(HL)의 설치 피치가 짧다. 이 때문에, 할로겐 가열부(4)로부터의 광조사에 의한 가열 시에 온도 저하가 발생하기 쉬운 반도체 웨이퍼(W)의 주연부에 의해 많은 광량의 조사를 행할 수 있다.
또, 상단의 할로겐 램프(HL)로 이루어지는 램프군과 하단의 할로겐 램프(HL)로 이루어지는 램프군이 격자형상으로 교차하도록 배열되어 있다. 즉, 상단에 배치된 20개의 할로겐 램프(HL)의 길이 방향과 하단에 배치된 20개의 할로겐 램프(HL)의 길이 방향이 서로 직교하도록 합계 40개의 할로겐 램프(HL)가 설치되어 있다.
할로겐 램프(HL)는, 유리관 내부에 설치된 필라멘트에 통전함으로써 필라멘트를 백열화시켜 발광시키는 필라멘트 방식의 광원이다. 유리관의 내부에는, 질소나 아르곤 등의 불활성 가스에 할로겐 원소(요오드, 브롬 등)를 미량 도입한 기체가 봉입되어 있다. 할로겐 원소를 도입함으로써, 필라멘트의 파손을 억제하면서 필라멘트의 온도를 고온으로 설정하는 것이 가능해진다. 따라서, 할로겐 램프(HL)는, 통상의 백열 전구에 비해 수명이 길고 또한 강한 광을 연속적으로 조사할 수 있다는 특성을 가진다. 즉, 할로겐 램프(HL)는 적어도 1초 이상 연속해서 발광하는 연속 점등 램프이다. 또, 할로겐 램프(HL)는 봉형 램프이기 때문에 장수명이며, 할로겐 램프(HL)를 수평 방향을 따르게 하여 배치함으로써 상방의 반도체 웨이퍼(W)로의 방사 효율이 우수한 것이 된다.
또, 할로겐 가열부(4)의 하우징(41) 내에도, 2단의 할로겐 램프(HL)의 하측에 리플렉터(43)가 설치되어 있다(도 1). 리플렉터(43)는, 복수의 할로겐 램프(HL)로부터 출사된 광을 열처리 공간(65)의 측으로 반사한다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 챔버(6)에는, 상부 방사 온도계(25) 및 하부 방사 온도계(20)의 2개의 방사 온도계(본 실시 형태에서는 고온계)가 설치되어 있다. 상부 방사 온도계(25)는 서셉터(74)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 비스듬한 상방에 설치됨과 함께, 하부 방사 온도계(20)는 서셉터(74)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 비스듬한 하방에 설치되어 있다. 도 8은, 하부 방사 온도계(20)와 서셉터(74)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 위치 관계를 나타내는 도이다. 하부 방사 온도계(20)의 적외선 센서(24)의 반도체 웨이퍼(W)에 대한 수광각 θ은 60° 이상 89° 이하이다. 수광각 θ은, 하부 방사 온도계(20)의 적외선 센서(24)의 광축과 반도체 웨이퍼(W)의 법선(주면에 대해 수직인 선)이 이루는 각도이다. 또, 마찬가지로, 상부 방사 온도계(25)의 적외선 센서(29)의 반도체 웨이퍼(W)에 대한 수광각도 60° 이상 89° 이하이다.
제어부(3)는, 열처리 장치(1)에 설치된 상기의 다양한 동작 기구를 제어한다. 제어부(3)의 하드웨어로서의 구성은 일반적인 컴퓨터와 동일하다. 즉, 제어부(3)는, 각종 연산 처리를 행하는 회로인 CPU, 기본 프로그램을 기억하는 읽어내기 전용의 메모리인 ROM, 각종 정보를 기억하는 읽고 쓰기 가능한 메모리인 RAM 및 제어용 소프트웨어나 데이터 등을 기억해 두는 자기 디스크를 구비하고 있다. 제어부(3)의 CPU가 소정의 처리 프로그램을 실행함으로써 열처리 장치(1)에 있어서의 처리가 진행된다.
도 9는, 하부 방사 온도계(20), 상부 방사 온도계(25) 및 제어부(3)의 기능 블럭도이다. 반도체 웨이퍼(W)의 비스듬한 하방에 설치되어 반도체 웨이퍼(W)의 하면의 온도를 측정하는 하부 방사 온도계(20)는, 적외선 센서(24) 및 온도 측정 유닛(22)을 구비한다. 적외선 센서(24)는, 서셉터(74)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 하면으로부터 개구부(78)를 통하여 방사된 적외광을 수광한다. 적외선 센서(24)는, 온도 측정 유닛(22)과 전기적으로 접속되어 있어, 수광에 응답하여 발생한 신호를 온도 측정 유닛(22)에 전달한다. 온도 측정 유닛(22)은, 도시를 생략하는 증폭 회로, A/D 컨버터, 온도 변환 회로 등을 구비하고 있으며, 적외선 센서(24)로부터 출력된 적외광의 강도를 나타내는 신호를 온도로 변환한다. 온도 측정 유닛(22)에 의해 구해진 온도가 반도체 웨이퍼(W)의 하면의 온도이다.
한편, 반도체 웨이퍼(W)의 비스듬한 상방에 설치되어 반도체 웨이퍼(W)의 상면의 온도를 측정하는 상부 방사 온도계(25)는, 적외선 센서(29) 및 온도 측정 유닛(27)을 구비한다. 적외선 센서(29)는, 서셉터(74)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 상면으로부터 방사된 적외광을 수광한다. 적외선 센서(29)는, 플래시광이 조사된 순간의 반도체 웨이퍼(W)의 상면의 급격한 온도 변화에 대응할 수 있도록, InSb(인듐안티몬)의 광학 소자를 구비하고 있다. 적외선 센서(29)는, 온도 측정 유닛(27)과 전기적으로 접속되어 있어, 수광에 응답하여 발생한 신호를 온도 측정 유닛(27)에 전달한다. 온도 측정 유닛(27)은, 적외선 센서(29)로부터 출력된 적외광의 강도를 나타내는 신호를 온도로 변환한다. 온도 측정 유닛(27)에 의해 구해진 온도가 반도체 웨이퍼(W)의 상면의 온도이다.
하부 방사 온도계(20) 및 상부 방사 온도계(25)는, 열처리 장치(1) 전체의 콘트롤러인 제어부(3)와 전기적으로 접속되어 있어, 하부 방사 온도계(20) 및 상부 방사 온도계(25)에 의해 각각 측정된 반도체 웨이퍼(W)의 하면 및 상면의 온도는 제어부(3)에 전달된다. 제어부(3)는 온도 산정부(31)를 구비한다. 온도 산정부(31)는, 제어부(3)의 CPU가 소정의 처리 프로그램을 실행함으로써 실현되는 기능 처리부이다. 온도 산정부(31)의 처리 내용에 대해서는 더 후술한다.
또, 제어부(3)에는 표시부(33) 및 입력부(34)가 접속되어 있다. 제어부(3)는, 표시부(33)에 다양한 정보를 표시한다. 입력부(34)는, 열처리 장치(1)의 오퍼레이터가 제어부(3)에 다양한 커멘드나 파라미터를 입력하기 위한 기기이다. 오퍼레이터는, 표시부(33)의 표시 내용을 확인하면서, 입력부(34)로부터 반도체 웨이퍼(W)의 처리 순서 및 처리 조건을 기술한 처리 레시피의 조건 설정을 행할 수도 있다. 표시부(33) 및 입력부(34)로서는, 쌍방의 기능을 겸비한 터치 패널을 이용할 수도 있으며, 본 실시 형태에서는 열처리 장치(1)의 외벽에 설치된 액정의 터치 패널을 채용하고 있다.
상기의 구성 이외에도 열처리 장치(1)는, 반도체 웨이퍼(W)의 열처리 시에 할로겐 램프(HL) 및 플래시 램프(FL)로부터 발생하는 열에너지에 의한 할로겐 가열부(4), 플래시 가열부(5) 및 챔버(6)의 과잉한 온도 상승을 방지하기 위해, 다양한 냉각용의 구조를 구비하고 있다. 예를 들면, 챔버(6)의 벽체에는 수냉관(도시 생략)이 설치되어 있다. 또, 할로겐 가열부(4) 및 플래시 가열부(5)는, 내부에 기체류를 형성하여 배열(排熱)하는 공냉 구조로 되어 있다. 또, 상측 챔버 창(63)과 램프광 방사창(53)의 간극에도 공기가 공급되어, 플래시 가열부(5) 및 상측 챔버 창(63)을 냉각한다.
다음에, 열처리 장치(1)에 있어서의 반도체 웨이퍼(W)의 처리 순서에 대해서 설명한다. 도 10은, 반도체 웨이퍼(W)의 처리 순서를 나타내는 플로차트이다. 이하에 설명하는 열처리 장치(1)의 처리 순서는, 제어부(3)가 열처리 장치(1)의 각 동작 기구를 제어함으로써 진행한다.
우선, 급기를 위한 밸브(84)가 개방됨과 함께, 배기용의 밸브(89, 192)가 개방되어 챔버(6) 내에 대한 급배기가 개시된다. 밸브(84)가 개방되면, 가스 공급 구멍(81)으로부터 열처리 공간(65)에 질소 가스가 공급된다. 또, 밸브(89)가 개방되면, 가스 배기 구멍(86)으로부터 챔버(6) 내의 기체가 배기된다. 이것에 의해, 챔버(6) 내의 열처리 공간(65)의 상부로부터 공급된 질소 가스가 하방으로 흘러, 열처리 공간(65)의 하부로부터 배기된다.
또, 밸브(192)가 개방됨으로써, 반송 개구부(66)로부터도 챔버(6) 내의 기체가 배기된다. 또한, 도시를 생략한 배기 기구에 의해 이재 기구(10)의 구동부 주변의 분위기도 배기된다. 또한, 열처리 장치(1)에 있어서의 반도체 웨이퍼(W)의 열처리 시에는 질소 가스가 열처리 공간(65)에 계속적으로 공급되고 있으며, 그 공급량은 처리 공정에 따라 적절히 변경된다.
계속해서, 게이트 밸브(185)가 열려 반송 개구부(66)가 개방되고, 장치 외부의 반송 로봇에 의해 반송 개구부(66)를 통하여 처리 대상이 되는 반도체 웨이퍼(W)가 챔버(6) 내의 열처리 공간(65)에 반입된다(단계 S1). 이 때에는, 반도체 웨이퍼(W)의 반입에 수반하여 장치 외부의 분위기를 유입시킬 우려가 있지만, 챔버(6)에는 질소 가스가 계속 공급되고 있기 때문에, 반송 개구부(66)로부터 질소 가스가 유출되어, 그와 같은 외부 분위기의 유입을 최소한으로 억제할 수 있다.
반송 로봇에 의해 반입된 반도체 웨이퍼(W)는 유지부(7)의 바로 윗쪽 위치까지 진출하고 정지한다. 그리고, 이재 기구(10)의 한 쌍의 이재 아암(11)이 퇴피 위치로부터 이재 동작 위치로 수평 이동하여 상승함으로써, 리프트 핀(12)이 관통 구멍(79)을 통과하여 서셉터(74)의 유지 플레이트(75)의 상면으로부터 튀어 나와 반도체 웨이퍼(W)를 받는다. 이 때, 리프트 핀(12)은 기판 지지 핀(77)의 상단보다 상방으로까지 상승한다.
반도체 웨이퍼(W)가 리프트 핀(12)에 재치된 후, 반송 로봇이 열처리 공간(65)으로부터 퇴출하고, 게이트 밸브(185)에 의해 반송 개구부(66)가 폐쇄된다. 그리고, 한 쌍의 이재 아암(11)이 하강함으로써, 반도체 웨이퍼(W)는 이재 기구(10)로부터 유지부(7)의 서셉터(74)에 수도되어 수평 자세로 하방으로부터 유지된다. 반도체 웨이퍼(W)는, 유지 플레이트(75) 상에 세워 설치된 복수의 기판 지지 핀(77)에 의해 지지되어 서셉터(74)에 유지된다. 또, 반도체 웨이퍼(W)는, 피처리면인 표면을 상면으로 하여 유지부(7)에 유지된다. 복수의 기판 지지 핀(77)에 의해 지지된 반도체 웨이퍼(W)의 이면(표면과는 반대측의 주면)과 유지 플레이트(75)의 유지면(75a) 사이에는 소정의 간격이 형성된다. 서셉터(74)의 하방으로까지 하강한 한 쌍의 이재 아암(11)은 수평 이동 기구(13)에 의해 퇴피 위치, 즉 오목부(62)의 내측으로 퇴피한다.
도 11은, 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도의 변화를 나타내는 도이다. 반도체 웨이퍼(W)가 챔버(6) 내에 반입되어 서셉터(74)에 유지된 후, 시각 t1에 할로겐 가열부(4)의 40개의 할로겐 램프(HL)가 일제히 점등하여 예비 가열(어시스트 가열)이 개시된다(단계 S2). 할로겐 램프(HL)로부터 출사된 할로겐광은, 석영으로 형성된 하측 챔버 창(64) 및 서셉터(74)를 투과하여 반도체 웨이퍼(W)의 하면에 조사된다. 할로겐 램프(HL)로부터의 광조사를 받음으로써 반도체 웨이퍼(W)가 예비 가열되어 온도가 상승한다. 또한, 이재 기구(10)의 이재 아암(11)은 오목부(62)의 내측에 퇴피하고 있기 때문에, 할로겐 램프(HL)에 의한 가열의 장해가 되는 일은 없다.
할로겐 램프(HL)로부터의 광조사에 의해 승온되는 반도체 웨이퍼(W)의 온도는 하부 방사 온도계(20)에 의해 측정된다. 즉, 서셉터(74)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 하면(이면)으로부터 개구부(78)를 통하여 방사된 적외광을 투명창(21)을 통과시켜 하부 방사 온도계(20)가 수광하여 반도체 웨이퍼(W)의 이면 온도를 측정한다(단계 S3). 또한, 할로겐 램프(HL)에 의한 예비 가열을 개시하기 전부터 하부 방사 온도계(20)에 의한 온도 측정을 개시하도록 해도 된다.
그런데, 반도체 웨이퍼(W)에는 처리 목적에 따른 다양한 막이 성막되어 있는 경우가 많다. 예를 들면, 포토마스크용의 레지스트막이나 층간 절연막, 고유전율막 등이 반도체 웨이퍼(W)에 성막되어 있는 경우가 있다. 이들 막은 전형적으로는 반도체 웨이퍼(W)의 표면(피처리면)에 성막되어 있는 것이지만, 최근 반도체 디바이스의 제조 프로세스가 복잡해짐에 따라 반도체 웨이퍼(W)의 이면에도 어떠한 막이 형성되는 경우가 있다. 그리고, 이면에 막이 형성된 상태의 반도체 웨이퍼(W)가 열처리 장치(1)에서 열처리의 대상이 되는 것이다.
하부 방사 온도계(20)에 의해 반도체 웨이퍼(W)의 이면의 온도를 비접촉으로 측정할 때에는, 당해 이면의 방사율을 하부 방사 온도계(20)에 설정할 필요가 있다. 반도체 웨이퍼(W)의 이면에 막이 형성되어 있지 않으면 웨이퍼 기재인 실리콘의 방사율을 하부 방사 온도계(20)에 설정하면 되지만, 반도체 웨이퍼(W)의 이면에도 막이 형성되어 있으면, 이면의 방사율도 막에 따라 변동하게 된다.
도 12는, 형성된 막의 방사율에 대한 영향을 나타내는 도이다. 이 도면에는, 반도체 웨이퍼(W)의 이면에 막두께 1μm의 질화 규소(SiN)의 막이 형성되어 있는 경우, 반도체 웨이퍼(W)의 이면에 막두께 1μm의 이산화 규소(SiO2)의 막이 형성되어 있는 경우, 및, 반도체 웨이퍼(W)의 이면에 아무것도 성막되지 않고 기재의 실리콘이 노출되어 있는 경우를 예시하고 있다. 또, 도 12의 횡축에는 반도체 웨이퍼(W)에 대한 방사 온도계의 수광각을 나타내고, 종축에는 방사율을 나타내고 있다.
도 12에 나타내는 바와 같이, 수광각이 비교적 작을 때에는, 반도체 웨이퍼(W)의 이면에 성막된 막의 종류에 따라 방사율이 크게 상이하다. 즉, 방사율이 막의 종류에 의존하고 있다. 한편, 수광각이 커지면, 반도체 웨이퍼(W)의 이면에 성막된 막의 종류에 따른 방사율의 차이가 작아진다. 즉, 방사율의 막의 종류에 대한 의존성이 저하되는 것이다.
본 실시 형태에 있어서는, 하부 방사 온도계(20)의 반도체 웨이퍼(W)에 대한 수광각 θ을 60° 이상 89° 이하로 비교적 크게 하고 있다. 따라서, 반도체 웨이퍼(W)의 이면의 방사율의 막의 종류에 대한 의존성은 낮다. 따라서, 하부 방사 온도계(20)에는 수광각 θ에 대응하는 실리콘의 방사율을 설정해 두면, 반도체 웨이퍼(W)의 이면에 성막되어 있는 막의 종류에 관계없이 하부 방사 온도계(20)에 의해 반도체 웨이퍼(W)의 이면의 온도를 정확하게 측정하는 것이 가능하다.
하부 방사 온도계(20)에 의해 측정된 반도체 웨이퍼(W)의 이면 온도는 제어부(3)에 전달된다. 제어부(3)는, 할로겐 램프(HL)로부터의 광조사에 의해 승온되는 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 소정의 예비 가열 온도 T1에 도달했는지 여부를 감시하면서, 할로겐 램프(HL)의 출력을 제어한다. 즉, 제어부(3)는, 하부 방사 온도계(20)에 의한 측정치에 의거하여, 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 예비 가열 온도 T1이 되도록 할로겐 램프(HL)의 출력을 피드백 제어한다. 이와 같이 하부 방사 온도계(20)는, 예비 가열 단계에 있어서 할로겐 램프(HL)의 출력을 제어하기 위한 온도 센서이기도 하다. 또한, 하부 방사 온도계(20)는 반도체 웨이퍼(W)의 이면의 온도를 측정하고 있지만, 할로겐 램프(HL)에 의한 예비 가열의 단계에서는 반도체 웨이퍼(W)의 표리면에 온도차가 생기지 않아, 하부 방사 온도계(20)에 의해 측정되는 이면 온도는 반도체 웨이퍼(W) 전체의 온도인 것으로 간주할 수 있다.
반도체 웨이퍼(W)의 온도가 예비 가열 온도 T1에 도달한 후, 제어부(3)는 반도체 웨이퍼(W)를 그 예비 가열 온도 T1로 잠시 유지한다. 구체적으로는, 하부 방사 온도계(20)에 의해 측정되는 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 예비 가열 온도 T1에 도달한 시각 t2에 제어부(3)가 할로겐 램프(HL)의 출력을 조정하여, 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 거의 예비 가열 온도 T1로 유지하고 있다.
이와 같은 할로겐 램프(HL)에 의한 예비 가열을 행함으로써, 반도체 웨이퍼(W)의 전체를 예비 가열 온도 T1로 균일하게 승온시키고 있다. 할로겐 램프(HL)에 의한 예비 가열의 단계에 있어서는, 보다 방열이 생기기 쉬운 반도체 웨이퍼(W)의 주연부의 온도가 중앙부보다 저하되는 경향이 있지만, 할로겐 가열부(4)에 있어서의 할로겐 램프(HL)의 설치 밀도는, 기판(W)의 중앙부에 대향하는 영역보다 주연부에 대향하는 영역이 높아져 있다. 이 때문에, 방열이 생기기 쉬운 반도체 웨이퍼(W)의 주연부에 조사되는 광량이 많아져, 예비 가열 단계에 있어서의 반도체 웨이퍼(W)의 면내 온도 분포를 균일한 것으로 할 수 있다.
반도체 웨이퍼(W)의 온도가 예비 가열 온도 T1에 도달하여 소정 시간이 경과한 시각 t3에 플래시 가열부(5)의 플래시 램프(FL)가 서셉터(74)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 플래시광 조사를 행한다(단계 S4). 이 때, 플래시 램프(FL)로부터 방사되는 플래시광의 일부는 직접 챔버(6) 내를 향하고, 다른 일부는 일단 리플렉터(52)에 의해 반사되고 나서 챔버(6) 내를 향하고, 이와 같은 플래시광의 조사에 의해 반도체 웨이퍼(W)의 플래시 가열이 행해진다.
플래시 가열은, 플래시 램프(FL)로부터의 플래시광(섬광) 조사에 의해 행해지기 때문에, 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도를 단시간에 상승시킬 수 있다. 즉, 플래시 램프(FL)로부터 조사되는 플래시광은, 미리 콘덴서에 저장되어 있던 정전 에너지가 극히 짧은 광펄스로 변환된, 조사 시간이 0.1밀리세컨드 이상 100밀리세컨드 이하 정도의 극히 짧고 강한 섬광이다. 그리고, 플래시 램프(FL)로부터의 플래시광 조사에 의해, 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도는 극히 단시간 동안에 급격하게 상승한다.
반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도는 상부 방사 온도계(25)에 의해 감시되고 있다. 단, 상부 방사 온도계(25)는, 반도체 웨이퍼(W)의 표면의 절대 온도를 측정하는 것이 아니라, 당해 표면의 온도 변화를 측정한다. 즉, 상부 방사 온도계(25)는, 플래시광 조사 시의 예비 가열 온도 T1로부터의 반도체 웨이퍼(W)의 표면의 상승 온도(점프 온도) ΔT를 측정하는 것이다(단계 S5). 또한, 플래시광 조사 시에도 반도체 웨이퍼(W)의 이면 온도가 하부 방사 온도계(20)에 의해 측정되고 있지만, 조사 시간이 극히 짧고 강도가 강한 플래시광을 조사했을 때에는, 반도체 웨이퍼(W)의 표면 근방 만이 급격하게 가열되기 때문에, 반도체 웨이퍼(W)의 표리면에서 온도차가 생겨, 하부 방사 온도계(20)에 의해서는 반도체 웨이퍼(W)의 표면의 온도를 측정할 수 없다. 또, 하부 방사 온도계(20)과 마찬가지로, 상부 방사 온도계(25)의 반도체 웨이퍼(W)에 대한 수광각도 60° 이상 89° 이하로 하고 있기 때문에, 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 성막되어 있는 막의 종류에 관계없이 상부 방사 온도계(25)에 의해 반도체 웨이퍼(W)의 표면의 상승 온도 ΔT를 정확하게 측정할 수 있다.
다음에, 제어부(3)의 온도 산정부(31)가 플래시광 조사 시에 반도체 웨이퍼(W)의 표면이 도달한 최고 온도를 산정한다(단계 S6). 반도체 웨이퍼(W)의 이면의 온도는 적어도 예비 가열 시에 반도체 웨이퍼(W)가 일정 온도에 도달한 시각 t2부터 플래시광이 조사되는 시각 t3까지의 동안은 계속해서 하부 방사 온도계(20)에 의해 측정되고 있다. 플래시광 조사 전의 예비 가열의 단계에서는 반도체 웨이퍼(W)의 표리면에 온도차가 생기지 않아, 플래시광 조사 전에 하부 방사 온도계(20)에 의해 측정된 반도체 웨이퍼(W)의 이면 온도는 표면 온도이기도 하다. 온도 산정부(31)는, 플래시광을 조사하기 직전의 시각 t2부터 시각 t3까지의 동안에 하부 방사 온도계(20)에 의해 측정된 반도체 웨이퍼(W)의 이면의 온도(예비 가열 온도 T1)에 상부 방사 온도계(25)에 의해 측정된 플래시광 조사 시의 반도체 웨이퍼(W)의 표면의 상승 온도 ΔT를 가산하여 당해 표면의 최고 도달 온도 T2를 산정한다. 온도 산정부(31)는, 산정한 최고 도달 온도 T2를 표시부(33)에 표시하도록 해도 된다.
하부 방사 온도계(20)의 반도체 웨이퍼(W)에 대한 수광각 θ은 60° 이상 89° 이하로 비교적 크고, 반도체 웨이퍼(W)의 이면에 성막되어 있는 막의 종류에 관계없이 하부 방사 온도계(20)에 의해 반도체 웨이퍼(W)의 이면의 온도를 정확하게 측정할 수 있다. 하부 방사 온도계(20)에 의해 정확하게 측정된 반도체 웨이퍼(W)의 이면 온도(=표면 온도)에 상부 방사 온도계(25)에 의해 측정된 반도체 웨이퍼(W)의 상면의 상승 온도 ΔT를 가산함으로써, 플래시광 조사 시의 반도체 웨이퍼(W)의 표면의 최고 도달 온도 T2를 정확하게 산정할 수 있다.
플래시광 조사가 종료된 후, 소정 시간 경과 후의 시각 t4에 할로겐 램프(HL)가 소등된다. 이것에 의해, 반도체 웨이퍼(W)가 예비 가열 온도 T1로부터 급속히 강온한다. 강온 중의 반도체 웨이퍼(W)의 온도는 하부 방사 온도계(20)에 의해 측정되고, 그 측정 결과는 제어부(3)에 전달된다. 제어부(3)는, 하부 방사 온도계(20)의 측정 결과로부터 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 소정 온도까지 강온했는지 여부를 감시한다. 그리고, 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 소정 이하로까지 강온한 후, 이재 기구(10)의 한 쌍의 이재 아암(11)이 다시 퇴피 위치로부터 이재 동작 위치로 수평 이동하여 상승함으로써, 리프트 핀(12)이 서셉터(74)의 상면으로부터 튀어 나와 열처리 후의 반도체 웨이퍼(W)를 서셉터(74)로부터 받는다. 계속해서, 게이트 밸브(185)에 의해 폐쇄되어 있던 반송 개구부(66)가 개방되어, 리프트 핀(12) 상에 재치된 반도체 웨이퍼(W)가 장치 외부의 반송 로봇에 의해 챔버(6)로부터 반출되어, 반도체 웨이퍼(W)의 가열 처리가 완료된다(단계 S7).
본 실시 형태에 있어서는, 하부 방사 온도계(20)를 서셉터(74)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 비스듬한 하방에 설치하고, 하부 방사 온도계(20)의 반도체 웨이퍼(W)에 대한 수광각 θ을 60° 이상 89° 이하로 비교적 크게 하고 있다. 따라서, 반도체 웨이퍼(W)의 이면의 방사율의 막의 종류에 대한 의존성은 낮고, 반도체 웨이퍼(W)의 이면에 성막되어 있는 막의 종류에 관계없이 하부 방사 온도계(20)에 의해 반도체 웨이퍼(W)의 이면의 온도를 정확하게 측정할 수 있다.
또, 상부 방사 온도계(25)를 서셉터(74)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 비스듬한 상방에 설치하고, 상부 방사 온도계(25)의 반도체 웨이퍼(W)에 대한 수광각도 60° 이상 89° 이하로 하고 있다. 따라서, 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 성막되어 있는 막의 종류에 관계없이 상부 방사 온도계(25)에 의해 반도체 웨이퍼(W)의 표면의 상승 온도 ΔT를 정확하게 측정할 수 있다.
플래시광 조사 직전의 시각 t2부터 시각 t3까지의 동안에 하부 방사 온도계(20)에 의해 반도체 웨이퍼(W)의 이면 온도를 측정한다. 플래시광 조사 시에는 상부 방사 온도계(25)에 의해 반도체 웨이퍼(W)의 표면의 상승 온도 ΔT를 측정한다. 하부 방사 온도계(20)에 의해 정확하게 측정된 반도체 웨이퍼(W)의 이면 온도에 상부 방사 온도계(25)에 의해 측정된 반도체 웨이퍼(W)의 표면의 상승 온도 ΔT를 가산함으로써, 플래시광 조사 시의 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도를 정확하게 구할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시의 형태에 대해서 설명했지만, 이 발명은 그 취지를 일탈하지 않는 한에 있어서 상술한 것 이외에 다양한 변경을 행하는 것이 가능하다. 예를 들면, 상기 실시 형태에 있어서는, 플래시 가열부(5)에 30개의 플래시 램프(FL)를 구비하도록 하고 있었지만, 이것에 한정되는 것이 아니라, 플래시 램프(FL)의 갯수는 임의의 수로 할 수 있다. 또, 플래시 램프(FL)는 크세논 플래시 램프로 한정되는 것이 아니라, 크립톤 플래시 램프여도 된다. 또, 할로겐 가열부(4)에 구비하는 할로겐 램프(HL)의 갯수도 40개로 한정되는 것이 아니라, 임의의 수로 할 수 있다.
또, 상기 실시 형태에 있어서는, 1초 이상 연속해서 발광하는 연속 점등 램프로서 필라멘트 방식의 할로겐 램프(HL)를 이용하여 반도체 웨이퍼(W)의 예비 가열을 행하고 있었지만, 이것에 한정되는 것이 아니라, 할로겐 램프(HL) 대신에 방전형의 아크 램프(예를 들면, 크세논 아크 램프)를 연속 점등 램프로서 이용하여 예비 가열을 행하도록 해도 된다.
1 열처리 장치 3 제어부
4 할로겐 가열부 5 플래시 가열부
6 챔버 7 유지부
10 이재 기구 20 하부 방사 온도계
25 상부 방사 온도계 31 온도 산정부
63 상측 챔버 창 64 하측 챔버 창
65 열처리 공간 74 서셉터
FL 플래시 램프 HL 할로겐 램프
W 반도체 웨이퍼

Claims (2)

  1. 이면에 막이 형성된 기판에 플래시광을 조사함으로써 당해 기판을 가열하는 열처리 방법으로서,
    연속 점등 램프로부터 상기 기판에 광을 조사함으로써 상기 기판을 예비 가열하는 예비 가열 공정과,
    예비 가열된 상기 기판의 표면에 플래시 램프로부터 플래시광을 조사함으로써 상기 기판을 플래시 가열하는 주가열 공정과,
    상기 예비 가열 공정 및 상기 주가열 공정을 실행할 때에, 상기 기판의 비스듬한 하방에 설치된 제1 방사 온도계에 의해 상기 기판의 이면의 온도를 계속해서 측정하는 이면 온도 측정 공정과,
    상기 주가열 공정을 실행할 때에, 상기 기판의 비스듬한 상방에 설치된 제2 방사 온도계에 의해 플래시 광조사 시의 상기 기판의 표면의 상승 온도를 측정하는 표면 상승 온도 측정 공정과,
    예비 가열되어 있는 상기 기판이 일정 온도에 도달하고 나서 플래시광을 조사할 때까지의 동안에 상기 제1 방사 온도계에 의해 측정된 상기 기판의 이면의 온도에 상기 제2 방사 온도계에 의해 측정된 플래시광 조사 시의 상기 기판의 표면의 상승 온도를 가산하여 상기 기판의 표면 온도를 산정하는 표면 온도 산정 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 방사 온도계의 상기 기판에 대한 수광각이 60° 이상 89° 이하인 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
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