KR20220165198A - 열처리 방법 및 열처리 장치 - Google Patents

열처리 방법 및 열처리 장치 Download PDF

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KR20220165198A
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류타 도베
다카히로 기타자와
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가부시키가이샤 스크린 홀딩스
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Abstract

(과제) 간단하고 쉬운 구성으로 플래시광 조사 시의 기판의 온도를 측정할 수 있는 열처리 방법 및 열처리 장치를 제공한다.
(해결 수단) 온도 측정의 대상이 되는 반도체 웨이퍼의 비스듬한 상방에 상부 방사 온도계(25)가 설치된다. 상부 방사 온도계(25)는, 광을 수광했을 때에 기전력을 발생시키는 광기전력 소자(28)를 구비한다. 광기전력 소자(28)는, 고속 응답성과 저주파역에 있어서의 양호한 노이즈 특성을 겸비한다. 광기전력 소자(28)는 냉각하지 않고 상온에서도 충분한 감도를 얻을 수 있기 때문에, 상부 방사 온도계(25)에는 냉각을 위한 기구가 불필요하다. 상부 방사 온도계(25)에는, 광 초퍼를 설치할 필요가 없고, 미분 회로를 설치할 필요도 없기 때문에, 상부 방사 온도계(25)는, 간단하고 쉬운 구성으로 할로겐 램프에 의한 예비 가열 시 및 플래시광 조사 시 양쪽에 있어서 반도체 웨이퍼의 표면 온도를 측정할 수 있다.

Description

열처리 방법 및 열처리 장치{HEAT TREATMENT METHOD AND HEAT TREATMENT APPARATUS}
본 발명은, 반도체 웨이퍼 등의 박판형 정밀 전자 기판(이하, 단순히 「기판」이라고 칭한다)에 플래시광을 조사함으로써 당해 기판을 가열하는 열처리 방법 및 열처리 장치에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 제조 프로세스에 있어서, 극히 단시간에 반도체 웨이퍼를 가열하는 플래시 램프 어닐링(FLA)이 주목받고 있다. 플래시 램프 어닐링은, 크세논 플래시 램프(이하, 단순히 「플래시 램프」라고 할 때에는 크세논 플래시 램프를 의미한다)를 사용하여 반도체 웨이퍼의 표면에 플래시광을 조사함으로써, 반도체 웨이퍼의 표면만을 극히 단시간(수 밀리초 이하)에 승온시키는 열처리 기술이다.
크세논 플래시 램프의 방사 분광 분포는 자외역에서부터 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, 수 밀리초 이하의 극히 단시간의 플래시광 조사이면, 반도체 웨이퍼의 표면 근방만을 선택적으로 승온시킬 수 있는 것도 판명되고 있다.
이러한 플래시 램프 어닐링은, 극히 단시간의 가열이 필요해지는 처리, 예를 들면 전형적으로는 반도체 웨이퍼에 주입된 불순물의 활성화에 이용된다. 이온 주입법에 따라 불순물이 주입된 반도체 웨이퍼의 표면에 플래시 램프로부터 플래시광을 조사하면, 당해 반도체 웨이퍼의 표면을 극히 단시간만에 활성화 온도로까지 승온시킬 수 있어, 불순물을 깊게 확산시키지 않고, 불순물 활성화만을 실행할 수 있는 것이다.
플래시 램프 어닐링에 한정하지 않고, 반도체 웨이퍼의 열처리에 있어서는, 웨이퍼 온도의 관리가 중요하며, 그러기 위해서는 열처리 중의 반도체 웨이퍼의 온도를 정확하게 측정할 필요가 있다. 특히, 플래시 램프 어닐링에서는, 플래시광 조사 시에 급격하게 변화하는 반도체 웨이퍼의 표면 온도를 정확하게 측정하는 것이 중요해진다. 특허문헌 1에는, 플래시광 조사 시의 반도체 웨이퍼의 표면 온도를 방사 온도계에 의해 측정하는 기술이 개시되어 있다.
일본국 특허공개 2012-238779호 공보
서모파일과 같은 열형 검출 소자에서는, 플래시광 조사 시에 급격하게 승강하는 반도체 웨이퍼의 표면 온도의 온도 변화에 추종할 수 없기 때문에, 종래부터 플래시광이 조사되는 반도체 웨이퍼의 표면 온도를 측정하는 방사 온도계는 양자형 검출 소자인 광도전형 소자를 구비하고 있다. 그러나, 광도전형 소자는, 저주파역의 SN비가 나쁘고, 또한, 고감도를 얻기 위해 빙점 밑(예를 들면, -25℃)으로 냉각하는 것이 필요하다. 광도전형 소자를 빙점 밑으로까지 냉각해도 소자를 수용하는 온도계 하우징은 실온이기 때문에, 방사 온도계 전체적인 열 밸런스는 나빠진다. 이 때문에, 온도계 하우징으로부터의 배경광과 측정광을 분리하기 위한 광 초퍼를 설치할 필요가 있는데, 그렇게 하면 온도 측정 시스템이 대형화 및 복잡화되게 된다.
본 발명은, 상기 과제를 감안하여 이루어진 것이며, 간단하고 쉬운 구성으로 플래시광 조사 시의 기판의 온도를 측정할 수 있는 열처리 방법 및 열처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 청구항 1의 발명은, 기판에 플래시광을 조사함으로써 당해 기판을 가열하는 열처리 방법에 있어서, 챔버 내에 기판을 수용하는 수용 공정과, 연속 점등 램프로부터의 광 조사에 의해 상기 기판을 예비 가열하는 예비 가열 공정과, 상기 기판의 표면에 플래시 램프로부터 플래시광을 조사하는 플래시 가열 공정을 구비하고, 광기전력 소자를 구비한 제1 방사 온도계에 의해 상기 기판의 온도를 측정하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 2의 발명은, 청구항 1의 발명에 따른 열처리 방법에 있어서, 상기 예비 가열 공정의 실행 중에, 상기 기판의 표면의 온도를 상기 제1 방사 온도계에 의해 측정하는 것과 더불어 상기 기판의 이면의 온도를 방사율 교정이 끝난 제2 방사 온도계에 의해 측정하고, 상기 제2 방사 온도계에 의해 측정된 상기 기판의 온도에 의거하여 상기 제1 방사 온도계에 설정된 방사율을 교정하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 3의 발명은, 청구항 1의 발명에 따른 열처리 방법에 있어서, 상기 제1 방사 온도계는, 제1 샘플링 간격으로 데이터 취득을 행하는 제1 측정 모드와, 상기 제1 샘플링 간격보다 짧은 제2 샘플링 간격으로 데이터 취득을 행하는 제2 측정 모드를 병렬해서 실행하여 상기 기판의 온도를 측정하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 4의 발명은, 청구항 3의 발명에 따른 열처리 방법에 있어서, 상기 제2 측정 모드에서 취득된 데이터 중, 데이터의 값이 소정의 역치에 도달한 시점 전후에 걸친 일정 기간에 취득된 데이터를 온도 변환하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 5의 발명은, 청구항 4의 발명에 따른 열처리 방법에 있어서, 상기 제1 측정 모드에서 취득된 모든 데이터를 온도 변환하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 6의 발명은, 청구항 5의 발명에 따른 열처리 방법에 있어서, 상기 제1 측정 모드에서 취득된 데이터를 온도 변환한 온도값에 상기 제2 측정 모드에서 취득된 데이터를 온도 변환한 온도값을 보간하여 표시부에 표시하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 7의 발명은, 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 하나의 발명에 따른 열처리 방법에 있어서, 상기 광기전력 소자로부터 출력된 신호에 대해 디지털 필터를 이용한 처리를 행하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 8의 발명은, 청구항 7의 발명에 따른 열처리 방법에 있어서, 상기 예비 가열 공정과 상기 플래시 가열 공정에서는 상이한 디지털 필터를 이용하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 9의 발명은, 기판에 플래시광을 조사함으로써 당해 기판을 가열하는 열처리 장치에 있어서, 기판을 수용하는 챔버와, 상기 기판에 광을 조사하여 상기 기판을 예비 가열하는 연속 점등 램프와, 상기 기판의 표면에 플래시광을 조사하여 상기 기판을 플래시 가열하는 플래시 램프와, 광기전력 소자를 구비하여 상기 기판의 온도를 측정하는 제1 방사 온도계를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 10의 발명은, 청구항 9의 발명에 따른 열처리 장치에 있어서, 상기 기판의 온도를 측정하는 제2 방사 온도계를 더 구비하고, 상기 예비 가열의 실행 중에, 상기 제1 방사 온도계가 상기 기판의 표면의 온도를 측정하는 것과 더불어 방사율 교정이 끝난 상기 제2 방사 온도계가 상기 기판의 이면의 온도를 측정하고, 상기 제2 방사 온도계에 의해 측정된 상기 기판의 온도에 의거하여 상기 제1 방사 온도계에 설정된 방사율을 교정하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 11의 발명은, 청구항 9의 발명에 따른 열처리 장치에 있어서, 상기 제1 방사 온도계는, 제1 샘플링 간격으로 데이터 취득을 행하는 제1 측정 모드와, 상기 제1 샘플링 간격보다 짧은 제2 샘플링 간격으로 데이터 취득을 행하는 제2 측정 모드를 병렬해서 실행하여 상기 기판의 온도를 측정하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 12의 발명은, 청구항 11의 발명에 따른 열처리 장치에 있어서, 상기 제2 측정 모드에서 취득된 데이터 중, 데이터의 값이 소정의 역치에 도달한 시점 전후에 걸친 일정 기간에 취득된 데이터를 온도 변환하는 온도 변환부를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 13의 발명은, 청구항 12의 발명에 따른 열처리 장치에 있어서, 상기 온도 변환부는, 상기 제1 측정 모드에서 취득된 모든 데이터를 온도 변환하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 14의 발명은, 청구항 13의 발명에 따른 열처리 장치에 있어서, 상기 제1 측정 모드에서 취득된 데이터를 온도 변환한 온도값에 상기 제2 측정 모드에서 취득된 데이터를 온도 변환한 온도값을 보간하여 표시하는 표시부를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 15의 발명은, 청구항 9 내지 청구항 14 중 어느 하나의 발명에 따른 열처리 장치에 있어서, 상기 광기전력 소자로부터 출력된 신호에 대해 디지털 필터를 이용한 처리를 행하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 16의 발명은, 청구항 15의 발명에 따른 열처리 장치에 있어서, 상기 예비 가열과 상기 플래시 가열에서는 상이한 디지털 필터를 이용하는 것을 특징으로 한다.
청구항 1 내지 청구항 8의 발명에 의하면, 광기전력 소자를 구비한 제1 방사 온도계에 의해 기판의 온도를 측정하기 때문에, 광기전력 소자에는 광 초퍼를 설치할 필요가 없고, 간단하고 쉬운 구성으로 플래시광 조사 시의 기판의 온도를 측정할 수 있다.
특히, 청구항 3의 발명에 의하면, 제1 방사 온도계는, 제1 샘플링 간격 및 제2 샘플링 간격으로 데이터 취득을 행하기 때문에, 예비 가열 공정 및 플래시 가열 공정 양쪽에서 적절하게 데이터 취득을 행할 수 있다.
특히, 청구항 6의 발명에 의하면, 제1 측정 모드에서 취득된 데이터를 온도 변환한 온도값에 제2 측정 모드에서 취득된 데이터를 온도 변환한 온도값을 보간하여 표시부에 표시하기 때문에, 예비 가열 공정에서부터 플래시 가열 공정에 걸친 기판의 온도 변화를 고정밀도로 그릴 수 있다.
특히, 청구항 7의 발명에 의하면, 광기전력 소자로부터 출력된 신호에 대해 디지털 필터를 이용한 처리를 행하기 때문에, 예비 가열 공정 및 플래시 가열 공정 양쪽에서 공통의 하드웨어에 의해 신호 처리를 행할 수 있다.
청구항 9 내지 청구항 16의 발명에 의하면, 광기전력 소자를 구비하여 기판의 온도를 측정하는 제1 방사 온도계를 구비하기 때문에, 광기전력 소자에는 광 초퍼를 설치할 필요가 없고, 간단하고 쉬운 구성으로 플래시광 조사 시의 기판의 온도를 측정할 수 있다.
특히, 청구항 11의 발명에 의하면, 제1 방사 온도계는, 제1 샘플링 간격 및 제2 샘플링 간격으로 데이터 취득을 행하기 때문에, 예비 가열 및 플래시 가열 양쪽에서 적절하게 데이터 취득을 행할 수 있다.
특히, 청구항 14의 발명에 의하면, 제1 측정 모드에서 취득된 데이터를 온도 변환한 온도값에 제2 측정 모드에서 취득된 데이터를 온도 변환한 온도값을 보간하여 표시하는 표시부를 구비하기 때문에, 예비 가열에서부터 플래시 가열에 걸친 기판의 온도 변화를 고정밀도로 그릴 수 있다.
특히, 청구항 15의 발명에 의하면, 광기전력 소자로부터 출력된 신호에 대해 디지털 필터를 이용한 처리를 행하기 때문에, 예비 가열 및 플래시 가열 양쪽에서 공통의 하드웨어에 의해 신호 처리를 행할 수 있다.
도 1은, 본 발명에 따른 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, 상부 방사 온도계 및 하부 방사 온도계의 기능 블록도이다.
도 9는, 도 1의 열처리 장치에 있어서의 처리 동작의 순서를 나타내는 플로차트이다.
도 10은, 단주기 모드에서 취득된 데이터로부터의 일부 추출을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은, 표시부에 표시된 온도 프로파일을 나타내는 도면이다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시 형태에 대해서 상세하게 설명한다.
도 1은, 본 발명에 따른 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 도면에 있어서는, 이해를 용이하게 하기 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 설치되는 것과 더불어, 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, 통 형상의 챔버 측부(61)의 상하에 석영제의 챔버 창을 장착하여 구성되어 있다. 챔버 측부(61)는 상하가 개구된 개략 통 형상을 갖고 있으며, 상측 개구에는 상측 챔버 창(63)이 장착되어 폐색되고, 하측 개구에는 하측 챔버 창(64)이 장착되어 폐색되어 있다. 챔버(6)의 천장부를 구성하는 상측 챔버 창(63)은, 석영에 의해 형성된 원판 형상 부재이며, 플래시 가열부(5)로부터 출사된 플래시광을 챔버(6) 내에 투과시키는 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 투과시키는 석영창으로서 기능한다.
또, 챔버 측부(61)의 내측의 벽면의 상부에는 반사 링(68)이 장착되고, 하부에는 반사 링(69)이 장착되어 있다. 반사 링(68, 69)은, 모두 원환 형상으로 형성되어 있다. 상측의 반사 링(68)은, 챔버 측부(61)의 상측으로부터 끼워넣음으로써 장착된다. 한편, 하측의 반사 링(69)은, 챔버 측부(61)의 하측으로부터 끼워넣어 도시 생략한 나사로 고정함으로써 장착된다. 즉, 반사 링(68, 69)은, 모두 착탈이 자유롭게 챔버 측부(61)에 장착되는 것이다. 챔버(6)의 내측 공간, 즉 상측 챔버 창(63), 하측 챔버 창(64), 챔버 측부(61) 및 반사 링(68, 69)에 의해 둘러싸이는 공간이 열처리 공간(65)으로서 규정된다.
챔버 측부(61)에 반사 링(68, 69)이 장착됨으로써, 챔버(6)의 내벽면에 오목부(62)가 형성된다. 즉, 챔버 측부(61)의 내벽면 중 반사 링(68, 69)이 장착되지 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 원환 형상으로 형성되고, 반도체 웨이퍼(W)를 유지하는 유지부(7)를 둘러싼다. 챔버 측부(61) 및 반사 링(68, 69)은, 강도와 내열성이 우수한 금속 재료(예를 들면, 스테인리스 스틸)로 형성되어 있다.
또, 챔버 측부(61)에는, 챔버(6)에 대해 반도체 웨이퍼(W)의 반입 및 반출을 행하기 위한 반송 개구부(노구(爐口))(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, 챔버 측부(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)의 적외선 센서(29)로 이끌기 위한 원통형 구멍이다. 한편, 관통 구멍(61b)은, 반도체 웨이퍼(W)의 하면으로부터 방사된 적외광을 하부 방사 온도계(20)의 적외선 센서(24)로 이끌기 위한 원통형 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 형성되어 있다. 관통 구멍(61a)의 열처리 공간(65)에 면하는 측의 단부에는, 상부 방사 온도계(25)가 측정 가능한 파장 영역의 적외광을 투과시키는 불화칼슘 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 불화바륨 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 형성되어 있어도 된다. 가스 공급 구멍(81)은 챔버(6)의 측벽 내부에 원환 형상으로 형성된 완충 공간(82)을 통해 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)으로 처리 가스가 송급된다. 완충 공간(82)에 유입된 처리 가스는, 가스 공급 구멍(81)보다 유체 저항이 작은 완충 공간(82) 내를 퍼지도록 흘러서 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 형성되어 있어도 된다. 가스 배기 구멍(86)은 챔버(6)의 측벽 내부에 원환 형상으로 형성된 완충 공간(87)을 통해 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 형성되어 있어도 되고, 슬릿 형상인 것이어도 된다. 또, 처리 가스 공급원(85) 및 배기부(190)는, 열처리 장치(1)에 설치된 기구여도 되고, 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 통해 배기부(190)에 접속되어 있다. 밸브(192)를 개방함으로써, 반송 개구부(66)를 통해 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) 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 형성되어 있다. 기대 링(71)은 오목부(62)의 저면에 재치(載置)됨으로써, 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 세워져 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 평판 형상 부재이다. 유지 플레이트(75)의 직경은 반도체 웨이퍼(W)의 직경보다 크다. 즉, 유지 플레이트(75)는, 반도체 웨이퍼(W)보다 큰 평면 사이즈를 갖는다.
유지 플레이트(75)의 상면 주연부에 가이드 링(76)이 설치되어 있다. 가이드 링(76)은, 반도체 웨이퍼(W)의 직경보다 큰 내경을 갖는 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 평면 형상의 유지면(75a)이 된다. 유지 플레이트(75)의 유지면(75a)에는, 복수의 기판 지지 핀(77)이 세워져 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 세워져 설치되어 있다. 12개의 기판 지지 핀(77)을 배치한 원의 지름(대향하는 기판 지지 핀(77) 사이의 거리)은 반도체 웨이퍼(W)의 지름보다 작고, 반도체 웨이퍼(W)의 지름이 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 되돌아와서, 기대 링(71)에 세워져 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. 이러한 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 세워져 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 두고 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 형성되어 있다. 즉, 하부 방사 온도계(20)가 개구부(78) 및 챔버 측부(61)의 관통 구멍(61b)에 장착된 투명창(21)을 통해 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 원환 형상의 오목부(62)를 따르는 원호 형상으로 되어 있다. 각각의 이재 아암(11)에는 2개의 리프트 핀(12)이 세워져 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 봤을 때 겹치지 않는 퇴피 위치(도 5의 이점쇄선 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 돌출한다. 한편, 승강 기구(14)가 한 쌍의 이재 아암(11)을 이재 동작 위치에서 하강시켜 리프트 핀(12)을 관통 구멍(79)으로부터 빼내고, 수평 이동 기구(13)가 한 쌍의 이재 아암(11)을 벌리도록 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 도시 생략한 배기 기구가 설치되어 있으며, 이재 기구(10)의 구동부 주변의 분위기가 챔버(6)의 외부로 배출되도록 구성되어 있다.
도 1로 되돌아와서, 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 판 형상의 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 통해 열처리 공간(65)으로 플래시광을 조사한다.
복수의 플래시 램프(FL)는, 각각이 장척의 원통 형상을 갖는 봉 형상 램프이며, 각각의 길이 방향이 유지부(7)에 유지되는 반도체 웨이퍼(W)의 주면을 따라(즉 수평 방향을 따라) 서로 평행이 되도록 평면 형상으로 배열되어 있다. 따라서, 플래시 램프(FL)의 배열에 의해 형성되는 평면도 수평면이다.
크세논 플래시 램프(FL)는, 그 내부에 크세논 가스가 봉입되어 그 양단부에 콘덴서에 접속된 양극 및 음극이 배치된 봉 형상의 유리관(방전관)과, 당해 유리관의 외주면 상에 부설된 트리거 전극을 구비한다. 크세논 가스는 전기적으로는 절연체이기 때문에, 콘덴서에 전하가 축적되어 있었다고 해도 통상의 상태에서는 유리관 내에 전기는 흐르지 않는다. 그러나, 트리거 전극에 고전압을 인가하여 절연을 파괴한 경우에는, 콘덴서에 축적된 전기가 유리관 내에 순간적으로 흘러, 그 때의 크세논의 원자 혹은 분자의 여기에 의해 광이 방출된다. 이러한 크세논 플래시 램프(FL)에 있어서는, 미리 콘덴서에 축적되어 있던 정전 에너지가 0.1밀리세컨드 내지 100밀리세컨드라는 극히 짧은 광펄스로 변환되기 때문에, 할로겐 램프(HL)와 같은 연속 점등의 광원에 비해 극히 강한 광을 조사할 수 있다는 특징을 갖는다. 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 측에 반사한다는 것이다. 리플렉터(52)는 알루미늄 합금판으로 형성되어 있으며, 그 표면(플래시 램프(FL)에 면하는 측의 면)은 블러스트 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 통해 열처리 공간(65)으로의 광 조사를 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 배치되는 것과 더불어, 상단보다 유지부(7)에서 먼 하단에도 20개의 할로겐 램프(HL)가 배치되어 있다. 각 할로겐 램프(HL)는, 장척의 원통 형상을 갖는 봉 형상 램프이다. 상단, 하단 모두 20개인 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 배치 밀도가 높게 되어 있다. 즉, 상하단 모두, 램프 배열의 중앙부보다 주연부가 할로겐 램프(HL)의 배치 피치가 짧다. 이 때문에, 할로겐 가열부(4)로부터의 광 조사에 의한 가열 시에 온도 저하가 발생하기 쉬운 반도체 웨이퍼(W)의 주연부에 보다 많은 광량의 조사를 행할 수 있다.
또, 상단의 할로겐 램프(HL)로 이루어지는 램프군과 하단의 할로겐 램프(HL)로 이루어지는 램프군이 격자 형상으로 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 배치되어 있다.
할로겐 램프(HL)는, 유리관 내부에 배치된 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 백열전구에 비해 수명이 길고 또한 강한 광을 연속적으로 조사할 수 있다는 특성을 갖는다. 즉, 할로겐 램프(HL)는 적어도 1초 이상 연속해서 발광하는 연속 점등 램프이다. 또, 할로겐 램프(HL)는 봉 형상 램프이므로 수명이 길고, 할로겐 램프(HL)를 수평 방향을 따르게 하여 배치함으로써 상방의 반도체 웨이퍼(W)에 대한 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 측에 반사한다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 챔버(6)에는, 상부 방사 온도계(제1 방사 온도계)(25) 및 하부 방사 온도계(제2 방사 온도계)(20)의 2개의 방사 온도계가 설치되어 있다. 도 8은, 상부 방사 온도계(25) 및 하부 방사 온도계(20)의 기능 블록도이다. 상부 방사 온도계(25)는, 서셉터(74)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 비스듬한 상방에 설치되며, 당해 반도체 웨이퍼(W)의 상면의 온도를 측정한다. 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. 상부 방사 온도계(25)의 적외선 센서(29)는, 플래시광이 조사된 순간의 반도체 웨이퍼(W)의 상면의 급격한 온도 변화에 대응할 수 있도록, 광기전력 소자(Photovoltaic element)(28)을 내장하고 있다. 광기전력 소자(28)는, 광을 수광했을 때에 광전 효과에 의해 기전력을 발생시키는 소자이며, 예를 들면 InSb(인듐 안티몬)으로 형성되어 있다. 광기전력 소자(28)는, 수광하는 적외광의 발광체의 온도가 높아질수록 높은 기전력을 발생시킨다.
종래의 광도전형 소자(Photoconductive element)에서는 특히 저주파역에서의 SN비가 나빴던 것에 비해, 광기전력 소자(28)는 저주파역에서도 양호한 잡음 특성을 나타낸다. 즉, 광기전력 소자(28)를 채용한 상부 방사 온도계(25)는, 고속 응답성과 저주파역에 있어서의 양호한 노이즈 특성을 겸비한다. 또, 광도전형 소자는 고감도를 얻기 위해 빙점 밑으로의 냉각을 필요로 하고 있었는데, 적외선 센서(29)가 (도 1에 나타내는 바와 같이) 챔버 측부(61)에 설치되기 때문에, 광도전형 소자의 주변의 온도가 열처리를 실행시킴으로써 상승하여, 광도전형 소자의 냉각이 불충분한 경우가 있었다. 광도전형 소자의 냉각이 불충분하면, 상부 방사 온도계(25)가 반도체 웨이퍼(W)의 상면의 온도를 측정할 수 없게 되어, 열처리 장치(1)가 가동하지 못하게 되는 경우도 있었다. 이에 반해, 광기전력 소자(28)에는 냉각하지 않고 상온(10~60℃)에서도 충분한 감도를 얻을 수 있는 소자가 있다. 이 때문에, 상온에서도 구동하는 광기전력 소자(28)를 구비한 상부 방사 온도계(25)에 있어서는 전체가 대체로 상온에서 양호한 열 밸런스를 유지하고 있으며, 종래의 광도전형 소자와 비교하여 제로점 드리프트를 최소한으로 억제할 수 있어, 광 초퍼를 설치할 필요가 없어진다. 또, 상온 구동하는 광기전력 소자(28)는, 냉각을 위한 펠티에 소자나 냉각에 따른 결로를 방지하기 위한 기구가 불필요하기 때문에, 칩화하여 소형화하는 것이 가능하다. 그 결과, 광기전력 소자(28)를 채용한 상부 방사 온도계(25)의 대형화 및 복잡화를 억제할 수 있다. 이는, 설치 공간에 제한이 많은 플래시 램프 어닐링 장치에 상부 방사 온도계(25)를 탑재하는데 유리해진다.
온도 측정 유닛(27)은, 증폭 회로(101), A/D 컨버터(102), 온도 변환부(103), 프로파일 작성부(105) 및 기억부(107)를 구비한다. 적외선 센서(29)가 반도체 웨이퍼(W)로부터 방사된 적외광을 수광함으로써 광기전력 소자(28)에 발생한 기전력의 신호는 증폭 회로(101)에 출력된다. 증폭 회로(101)는, 적외선 센서(29)로부터 출력된 기전력 신호를 증폭하여 A/D 컨버터(102)에 전달한다. A/D 컨버터(102)는, 증폭 회로(101)에 의해 증폭된 기전력 신호를 디지털 신호로 변환한다.
온도 변환부(103) 및 프로파일 작성부(105)는, 온도 측정 유닛(27)에 탑재된 CPU(도시 생략)가 소정의 처리 프로그램을 실행함으로써 실현되는 기능 처리부이다. 온도 변환부(103)는, A/D 컨버터(102)로부터 출력된 신호, 즉 적외선 센서(29)가 수광한 적외광의 강도를 나타내는 신호에 소정의 연산 처리를 행하여 온도로 변환한다. 온도 변환부(103)에 의해 구해진 온도가 반도체 웨이퍼(W)의 상면의 온도이다.
또, 프로파일 작성부(105)는, 온도 변환부(103)에 의해 취득된 온도 데이터를 순차적으로 기억부(107)에 축적함으로써, 반도체 웨이퍼(W)의 상면의 온도의 시간 변화를 나타내는 온도 프로파일(108)을 작성한다. 기억부(107)로서는, 자기 디스크나 메모리 등의 공지의 기억 매체를 이용할 수 있다. 또한, 온도 프로파일의 작성에 대해서는 이후에 더 상세하게 설명한다.
한편, 하부 방사 온도계(20)는, 서셉터(74)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 비스듬한 하방에 설치되며, 당해 반도체 웨이퍼(W)의 하면의 온도를 측정한다. 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 통해 방사된 적외광을 수광한다. 하부 방사 온도계(20)의 적외선 센서(24)는, 상부 방사 온도계(25)와 같은 고속 측정에 대응하지 않아도 되기 때문에, 수광 소자로서 예를 들면 서모파일을 구비한다. 적외선 센서(24)는, 수광에 응답하여 발생한 신호를 온도 측정 유닛(22)에 출력한다. 온도 측정 유닛(22)은, 도시를 생략하는 A/D 컨버터 및 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.
하부 방사 온도계(20) 및 상부 방사 온도계(25)는, 열처리 장치(1) 전체의 컨트롤러인 제어부(3)와 전기적으로 접속되어 있으며, 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, 열처리 장치(1)에 설치된 여러 가지 동작 기구를 제어한다. 제어부(3)의 하드웨어로서의 구성은 일반적인 컴퓨터와 동일하다. 즉, 제어부(3)는, 각종 연산 처리를 행하는 회로인 CPU, 기본 프로그램을 기억하는 읽기 전용 메모리인 ROM, 각종 정보를 기억하는 읽고 쓰기가 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.
또, 제어부(3)에는 표시부(34) 및 입력부(33)가 접속되어 있다. 제어부(3)는, 표시부(34)에 여러 가지 정보를 표시한다. 열처리 장치(1)의 오퍼레이터는, 표시부(34)에 표시된 정보를 확인하면서, 입력부(33)로부터 여러 가지 커맨드나 파라미터를 입력할 수 있다. 입력부(33)로서는, 예를 들면 키보드나 마우스를 이용할 수 있다. 표시부(34)로서는, 예를 들면 액정 디스플레이를 이용할 수 있다. 본 실시 형태에 있어서는, 표시부(34) 및 입력부(33)로서, 열처리 장치(1)의 외벽에 설치된 액정의 터치 패널을 채용하여 양쪽의 기능을 겸비하게 하도록 하고 있다.
상기의 구성 이외에도 열처리 장치(1)는, 반도체 웨이퍼(W)의 열처리 시에 할로겐 램프(HL) 및 플래시 램프(FL)로부터 발생하는 열 에너지에 의한 할로겐 가열부(4), 플래시 가열부(5) 및 챔버(6)의 과잉된 온도 상승을 방지하기 위해, 여러 가지 냉각용 구조를 구비하고 있다. 예를 들면, 챔버(6)의 벽체에는 수랭관(도시 생략)이 설치되어 있다. 또, 할로겐 가열부(4) 및 플래시 가열부(5)는, 내부에 기체류를 형성하여 배열(排熱)하는 공랭 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 처리 동작에 대해서 설명한다. 도 9는, 열처리 장치(1)에 있어서의 처리 동작의 순서를 나타내는 플로차트이다. 이하에 설명하는 반도체 웨이퍼(W)의 처리 순서는, 제어부(3)가 열처리 장치(1)의 각 동작 기구를 제어함으로써 진행된다.
우선, 반도체 웨이퍼(W)의 처리에 앞서 급기를 위한 밸브(84)가 개방되는 것과 더불어, 배기용 밸브(89)가 개방되어 챔버(6) 내에 대한 급배기가 개시된다. 밸브(84)가 개방되면, 가스 공급 구멍(81)으로부터 열처리 공간(65)으로 질소 가스가 공급된다. 또, 밸브(89)가 개방되면, 가스 배기 구멍(86)으로부터 챔버(6) 내의 기체가 배기된다. 이로 인해, 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, 도시 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 통해 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 끌어들일 우려가 있지만, 챔버(6)에는 질소 가스가 계속 공급되고 있기 때문에, 반송 개구부(66)로부터 질소 가스가 유출되어, 그러한 외부 분위기의 끌어들임을 최소한으로 억제할 수 있다.
반송 로봇에 의해 반입된 반도체 웨이퍼(W)는 유지부(7)의 바로 윗쪽 위치까지 진출하여 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 통과해 서셉터(74)의 유지 플레이트(75)의 상면으로부터 돌출하여 반도체 웨이퍼(W)를 수취한다. 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 퇴출되고, 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 세워져 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.
반도체 웨이퍼(W)가 석영으로 형성된 유지부(7)의 서셉터(74)에 의해 수평 자세로 하방으로부터 유지된 후, 할로겐 가열부(4)의 40개의 할로겐 램프(HL)가 일제히 점등하여 예비 가열(어시스트 가열)이 개시된다(단계 S2). 할로겐 램프(HL)로부터 출사된 할로겐 광은, 석영으로 형성된 하측 챔버 창(64) 및 서셉터(74)를 투과하여 반도체 웨이퍼(W)의 하면에 조사된다. 할로겐 램프(HL)로부터의 광 조사를 받음으로써 반도체 웨이퍼(W)가 예비 가열되어 온도가 상승한다. 또한, 이재 기구(10)의 이재 아암(11)은 오목부(62)의 내측으로 퇴피하고 있기 때문에, 할로겐 램프(HL)에 의한 가열의 장해가 되는 일는 없다.
할로겐 램프(HL)로부터의 광 조사에 의해 승온하는 반도체 웨이퍼(W)의 온도는 하부 방사 온도계(20)에 의해 측정된다. 측정된 반도체 웨이퍼(W)의 온도는 제어부(3)에 전달된다. 제어부(3)는, 할로겐 램프(HL)로부터의 광 조사에 의해 승온하는 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 측정값에 의거하여, 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 예비 가열 온도 T1이 되도록 할로겐 램프(HL)의 출력을 피드백 제어한다. 하부 방사 온도계(20)는, 반도체 웨이퍼(W)의 예비 가열 시에 할로겐 램프(HL)의 출력을 제어하기 위한 제어용 온도 센서로서의 역할을 갖는다.
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 시점에서 제어부(3)가 할로겐 램프(HL)의 출력을 조정하여, 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 거의 예비 가열 온도 T1로 유지하고 있다.
이러한 할로겐 램프(HL)에 의한 예비 가열을 행함으로써, 반도체 웨이퍼(W) 전체를 예비 가열 온도 T1로 균일하게 승온하고 있다. 할로겐 램프(HL)에 의한 예비 가열의 단계에 있어서는, 보다 방열이 발생하기 쉬운 반도체 웨이퍼(W)의 주연부의 온도가 중앙부보다 저하되는 경향이 있는데, 할로겐 가열부(4)에 있어서의 할로겐 램프(HL)의 배치 밀도는, 반도체 웨이퍼(W)의 중앙부에 대향하는 영역보다 주연부에 대향하는 영역 쪽이 높아지고 있다. 이 때문에, 방열이 발생하기 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.
예비 가열이 실행되어 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 예비 가열 온도 T1로 유지되고 있는 동안에, 상부 방사 온도계(25)의 방사율 교정이 실행된다(단계 S3). 상부 방사 온도계(25)의 방사율 교정은 하부 방사 온도계(20)의 온도 측정값에 의거하여 실행된다. 미리, 하부 방사 온도계(20)의 방사율은 정확하게 교정되어 있다. 하부 방사 온도계(20)의 방사율 교정은 예를 들면 열전대가 부착된 웨이퍼를 이용하여 행해진다. 구체적으로는, 열전대가 부착된 웨이퍼를 할로겐 램프(HL)로부터의 광 조사에 의해 일정 온도로 가열하면서, 그 열전대가 부착된 웨이퍼의 표면 온도를 열전대에 의해 측정하는 것과 더불어 이면의 온도를 하부 방사 온도계(20)에 의해 측정한다. 그리고, 하부 방사 온도계(20)에 의해 측정된 온도가 열전대에 의해 측정된 온도와 일치하도록, 하부 방사 온도계(20)의 방사율이 교정된다. 이와 같이 하여 정확하게 교정된 방사율이 하부 방사 온도계(20)에 설정된다.
예비 가열 중에 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 예비 가열 온도 T1로 유지되고 있을 때에, 반도체 웨이퍼(W)의 표면의 온도를 상부 방사 온도계(25)에 의해 측정하는 것과 더불어, 반도체 웨이퍼(W)의 이면의 온도를 하부 방사 온도계(20)에 의해 측정한다. 예비 가열 단계에서는, 반도체 웨이퍼(W)의 표리면에 온도차가 발생하는 일은 없고, 표면 온도와 이면 온도는 일치하고 있다. 따라서, 상부 방사 온도계(25)에 의해 측정된 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도가 하부 방사 온도계(20)에 의해 측정된 이면 온도와 일치하도록, 상부 방사 온도계(25)의 방사율이 교정된다. 그리고, 교정된 방사율이 상부 방사 온도계(25)에 설정된다. 이로 인해, 처리 대상이 되고 있는 반도체 웨이퍼(W)의 표면의 방사율이 상부 방사 온도계(25)에 설정되게 되고, 상부 방사 온도계(25)에 설정된 방사율을 정확하게 교정할 수 있다.
상부 방사 온도계(25)의 방사율 교정이 완료된 후, 상부 방사 온도계(25)에 의한 온도 측정이 개시된다(단계 S4). 상부 방사 온도계(25)는, 반도체 웨이퍼(W)의 표면으로부터 방사된 적외광을 수광하여, 당해 표면의 온도를 측정한다. 본 실시 형태의 상부 방사 온도계(25)는, 장주기 모드(제1 측정 모드) 및 단주기 모드(제2 측정 모드)의 2개의 샘플링 레이트(샘플링 간격)의 모드에서 데이터 취득을 행한다. 데이터 취득이란, 상부 방사 온도계(25)의 적외선 센서(29)가 광기전력 소자(28)에 발생한 기전력의 신호를 취득하는 것이다. 장주기 모드에서는, 예를 들면 50밀리세컨드(20Hz)의 샘플링 레이트로 데이터 취득을 행한다. 한편, 단주기 모드에서는, 장주기 모드에서의 샘플링 레이트보다 짧은 샘플링 레이트, 예를 들면 0.04밀리세컨드(25kHz)의 샘플링 레이트로 데이터 취득을 행한다. 상부 방사 온도계(25)는, 이들 장주기 모드와 단주기 모드를 병렬해서 실행한다. 즉, 상부 방사 온도계(25)는, 0.04밀리세컨드의 샘플링 레이트로 데이터 취득을 행하면서, 50밀리세컨드의 샘플링 레이트로도 데이터 취득을 행하는 것이다.
2개의 모드 중, 장주기 모드에서 50밀리세컨드의 샘플링 레이트로 취득된 데이터(기전력의 신호)에 대해서는 전부 온도 변환부(103)에서 온도값으로 순차적으로 변환된다. 한편, 단주기 모드에서 0.04밀리세컨드의 샘플링 레이트로 취득된 데이터에 대해서는, 샘플링 레이트가 극히 짧기 때문에, 전부를 온도 변환부(103)에서 온도값으로 순차적으로 변환하는 것은 처리가 따라 잡지 못한다. 이 때문에, 단주기 모드에서 취득된 데이터에 대해서는 일단 온도 측정 유닛(27)의 기억부(107) 등에 저장하고, 그들의 일부를 추출하여 온도 변환부(103)가 온도값으로 변환하는 것인데, 이에 대해서는 또한 후술한다.
반도체 웨이퍼(W)의 온도가 예비 가열 온도 T1에 도달하여 소정 시간이 경과한 시점에서 플래시 가열부(5)의 플래시 램프(FL)가 서셉터(74)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 플래시광 조사를 행한다(단계 S5). 이 때, 플래시 램프(FL)로부터 방사되는 플래시광의 일부는 직접 챔버(6) 내로 향하며, 다른 일부는 일단 리플렉터(52)에 의해 반사되고 나서 챔버(6) 내로 향하고, 이들 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 축적되어 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 플래시 가열되는 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도는, 순간적으로 1000℃ 이상의 처리 온도 T2까지 상승한 후, 급속히 하강한다.
예비 가열에서부터 플래시 가열에 걸쳐 계속해서 상부 방사 온도계(25)에 의한 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도의 측정이 행해지고 있다. 예비 가열 단계에서는, 할로겐 램프(HL)에 의한 반도체 웨이퍼(W)의 승온 레이트는 플래시 가열의 승온 레이트와 비교하여 현저하게 작고, 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도의 변화도 완만하기 때문에, 장주기 모드에 의한 온도 측정이 적합하다. 이에 반해, 플래시 가열 시에는, 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도가 순간적으로 급격하게 상승하기 때문에, 장주기 모드에서는 표면 온도의 최고 도달 온도를 파악하지 못할 가능성도 있어, 단주기 모드에 의한 온도 측정이 적합하다.
상술한 바와 같이, 상부 방사 온도계(25)는, 장주기 모드와 단주기 모드를 병렬해서 실행하고 있다. 이들 중 장주기 모드에서 취득된 모든 데이터는 온도 변환부(103)에 의해 온도값으로 변환된다. 이로 인해, 예비 가열 시의 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도가 상부 방사 온도계(25)에 의해 측정되게 된다.
한편, 단주기 모드에서 취득된 데이터에 대해서는, 전부가 온도값으로 변환되지 않고, 일부가 온도 변환부(103)에 의해 온도값으로 변환된다. 단주기 모드는 플래시 가열 시 이외에서는 불필요하기 때문에, 단주기 모드에서 취득된 데이터로부터 플래시 가열 전후의 일부 데이터를 추출할 필요가 있다. 도 10은, 단주기 모드에서 취득된 데이터로부터의 일부 추출을 설명하기 위한 도면이다. 도 10에는, 단주기 모드에서 취득되어 기억부(107) 등에 축적되어 있는 기전력의 데이터를 취득된 시각에 따라 시계열로 그리고 있다. 상부 방사 온도계(25)의 광기전력 소자(28)에 발생하는 기전력은, 측정 대상인 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도가 높아질수록 높아진다. 즉, 플래시 가열 시에 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도가 급격하게 높아지면 상부 방사 온도계(25)에 의해 취득되는 기전력의 데이터의 값도 높아진다.
본 실시 형태에 있어서는, 기전력의 데이터에 추출의 트리거가 되는 역치 Vt를 설정하고 있다. 역치 Vt는, 예를 들면 플래시광 조사 전의 예비 가열 시에 있어서의 예비 가열 온도 T1에 대응하는 기전력값에 소정의 마진을 가산한 값으로 하면 된다. 예비 가열 온도 T1은, 처리 레시피로부터 이미 알고 있기 때문에, 그 예비 가열 온도 T1로부터 기전력값으로 환산하는 것은 가능하다. 도 10의 예에서는, 시각 t1에 취득된 기전력의 데이터가 역치 Vt에 도달하고 있다. 단주기 모드에서 취득된 데이터 중, 데이터의 값이 역치 Vt에 도달한 시각 t1보다 20밀리세컨드 전부터 100밀리세컨드 후까지의 120밀리세컨드의 기간의 데이터가 추출된다. 단주기 모드의 샘플링 레이트는 0.04밀리세컨드이기 때문에, 3000점의 데이터가 추출되게 된다. 그리고, 온도 변환부(103)는, 단주기 모드에서 취득된 데이터로부터 추출된 120밀리세컨드의 기간의 3000점의 데이터를 온도값으로 변환한다. 이와 같이, 단주기 모드에서 취득된 데이터 중, 데이터의 값이 소정의 역치 Vt에 도달한 시각 t1 전후에 걸친 일정 기간에 취득된 데이터만을 온도 변환함으로써, 플래시 가열 시의 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도의 변화가 상부 방사 온도계(25)에 의해 적확하게 측정되게 된다.
계속해서, 프로파일 작성부(105)가 예비 가열에서부터 플래시 가열에 걸친 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도의 시간 변화를 나타내는 온도 프로파일(108)을 작성한다(단계 S6). 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도는 상부 방사 온도계(25)에 의해 측정되고 있다. 상부 방사 온도계(25)는, 장주기 모드 및 단주기 모드의 2개의 모드에서 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도를 측정하고 있다. 장주기 모드의 샘플링 레이트는 50밀리세컨드이기 때문에, 장주기 모드는 할로겐 램프(HL)로부터의 광 조사에 의한 반도체 웨이퍼(W)의 예비 가열 시의 온도 변화에 추종하기에는 충분함과 더불어, 반도체 웨이퍼(W)의 온도 변화의 전체 상(像)을 파악하기에는 적합하다. 그러나, 장주기 모드만으로는, 조사 시간이 0.1밀리세컨드 이상 100밀리세컨드 이하의 플래시광 조사에 의한 반도체 웨이퍼(W)의 플래시 가열 시의 순간적인 온도 변화에는 추종할 수 없다. 즉, 장주기 모드에서 취득된 데이터를 온도 변환한 온도값만으로 온도 프로파일을 작성해도, 특히 플래시 가열 시의 반도체 웨이퍼(W)의 온도 변화를 정밀하게 그리는 것은 불가능하다. 이 때문에, 플래시 가열 시의 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도는 샘플링 레이트가 0.04밀리세컨드인 단주기 모드에 의해 측정하고 있다.
프로파일 작성부(105)는, 장주기 모드에서 취득된 데이터를 온도 변환한 온도값을 베이스로 하고, 거기에 단주기 모드에서 취득된 데이터를 온도 변환한 온도값을 보간(합성)하여 온도 프로파일(108)을 작성하고 있다. 이로 인해, 온도 프로파일(108)에 있어서는, 플래시 가열 시의 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도의 온도 변화도 정밀하게 그릴 수 있으며, 예비 가열에서부터 플래시 가열에 걸친 반도체 웨이퍼(W)의 온도 변화를 고정밀도로 그릴 수 있다.
다음에, 제어부(3)가 작성된 온도 프로파일(108)을 표시부(34)에 표시한다(단계 S7). 도 11은, 표시부(34)에 표시된 온도 프로파일(108)을 나타내는 도면이다. 온도 프로파일(108)은, 1개의 상부 방사 온도계(25)에 의해 예비 가열에서부터 플래시 가열에 걸친 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도의 온도 변화를 측정하여 얻어진 것이다. 또, 온도 프로파일(108)은, 장주기 모드에서 취득된 데이터를 온도 변환한 온도값에 단주기 모드에서 취득된 데이터를 온도 변환한 온도값을 보간하여 얻어진 것이며, 플래시 가열 시의 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도의 급격한 온도 변화도 적절하게 그리고 있다.
플래시 가열 처리가 종료된 후, 소정 시간 경과 후에 할로겐 램프(HL)가 소등한다. 이로 인해, 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 돌출하여 열처리 후의 반도체 웨이퍼(W)를 서셉터(74)로부터 수취한다. 계속해서, 게이트 밸브(185)에 의해 폐쇄되어 있던 반송 개구부(66)가 개방되고, 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 S8).
본 실시 형태에 있어서는, 광기전력 소자(28)를 내장한 상부 방사 온도계(25)에 의해 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도를 측정하고 있다. 이미 서술한 바와 같이, 종래의 웨이퍼 표면 온도를 측정하는 방사 온도계에 설치된 광도전형 소자에서는 저주파역에서의 SN비가 나쁜 것에 더하여 빙점 밑으로의 냉각이 필요했기 때문에, 광 초퍼를 설치할 필요가 있었다. 그런데, 마이크로세컨드 오더의 고속 초핑을 실현하려면 대형 블레이드를 고속 회전시킬 필요가 있어, 실용적이지 않을 뿐만 아니라, 온도 측정 시스템이 현저하게 대형화되게 된다. 이 때문에, 실제로는 광 초퍼를 설치하는 대신에 미분 회로를 설치하여 플래시광 조사 시의 가파른 온도 변화를 검출하고 있었다. 미분 회로를 설치하면, 할로겐 램프(HL)로부터의 광 조사에 의해 완만한 온도 변화를 나타내는 예비 가열 시의 온도 측정을 행하는 것은 불가능했다.
광기전력 소자(28)를 구비한 상부 방사 온도계(25)이면, 저주파역에 있어서도 양호한 SN비를 얻을 수 있으며, 또한 상온에서 사용할 수 있다. 이 때문에, 상부 방사 온도계(25)에는, 광 초퍼를 설치할 필요가 없어지는 것과 더불어, 미분 회로를 설치할 필요도 없다. 미분 회로가 없으면, 온도 변화가 완만한 예비 가열 시의 반도체 웨이퍼(W)의 온도 측정을 행하는 것도 가능해진다. 따라서, 광기전력 소자(28)를 구비한 상부 방사 온도계(25)를 이용함으로써, 간단하고 쉬운 구성으로 할로겐 램프(HL)로부터의 광 조사에 의한 예비 가열 시 및 플래시 램프(FL)로부터의 플래시광 조사 시 양쪽에 있어서 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도를 측정할 수 있다.
또, 본 실시 형태에 있어서는, 플래시광 조사 전의 예비 가열 시에 하부 방사 온도계(20)를 이용하여 상부 방사 온도계(25)의 방사율 교정을 행하고 있다. 플래시광 조사 시에는 반도체 웨이퍼(W)의 표면의 급격한 온도 상승에 기인하여 반도체 웨이퍼(W)에 휨이나 진동이 발생하여 정확한 측정을 행하지 못할 우려가 있다. 플래시광 조사 전에 상부 방사 온도계(25)의 방사율 교정을 행하도록 하면, 웨이퍼 휨이나 진동의 영향을 받는 일 없이, 하부 방사 온도계(20) 및 상부 방사 온도계(25)에 의해 반도체 웨이퍼(W)의 온도 측정을 행하여 상부 방사 온도계(25)의 방사율을 적절하게 교정하는 것이 가능해진다.
또, 본 실시 형태에 있어서는, 상부 방사 온도계(25)가 장주기 모드 및 단주기 모드의 2개의 샘플링 레이트로 데이터 취득을 행하고 있다. 장주기 모드는, 온도 변화가 완만한 할로겐 램프(HL)에 의한 반도체 웨이퍼(W)의 예비 가열 시에 적합하다. 한편, 단주기 모드는, 온도 변화가 가파른 플래시 램프(FL)에 의한 반도체 웨이퍼(W)의 플래시 가열 시에 적합하다. 즉, 상부 방사 온도계(25)가 장주기 모드 및 단주기 모드를 실행하여 데이터 취득을 행함으로써, 예비 가열 시 및 플래시 가열 시 양쪽에 적절하게 대응한 반도체 웨이퍼(W)의 온도 측정을 행하는 것이 가능해진다.
또, 상부 방사 온도계(25)는, 공통의 하드웨어를 이용하여 예비 가열 시 및 플래시 가열 시 양쪽에서 반도체 웨이퍼(W)의 온도 측정을 행하고 있다. 예비 가열 시와 플래시 가열 시에서는 적외선 센서(29)로부터 출력되는 신호의 주파수 대역이나 신호 강도가 완전히 상이하기 때문에, 본래는 각각에 대해 하드웨어를 최적화하여 양호한 SN비를 얻을 필요가 있다. 본 실시 형태에서는 예비 가열 시 및 플래시 가열 시의 양쪽에서 적외선 센서(29)로부터 출력되는 신호를 공통의 하드웨어에 의해 처리하기 위해, 온도 변환부(103)에 디지털 필터(104)를 내장하고 있다(도 8). 즉, 광기전력 소자(28)를 내장하는 적외선 센서(29)로부터 출력된 기전력의 신호를 A/D 컨버터(102)에 의해 변환한 디지털 신호에 대해 디지털 필터(104)를 이용한 처리를 행하고 있다. 아날로그 필터의 경우, 필터 특성을 변경하기 위해서는 하드웨어 전체를 변경할 필요가 있는데, 디지털 필터이면 같은 하드웨어에 내장한 소프트웨어를 변경함으로써 상이한 필터 특성을 얻을 수 있다. 본 실시 형태에서는, 공통의 하드웨어에 내장한 소프트웨어를 변경함으로써, 예비 가열 시와 플래시 가열 시에서 상이한 특성의 디지털 필터(104)로 처리하여 각각에서 양호한 SN비를 얻을 수 있다. 구체적으로는, 예를 들면, 할로겐 램프(HL)를 이용한 예비 가열 시에는 디지털 필터(104)로서 IIR(Infinite Impulse Response) 필터를 이용하는 것과 더불어, 플래시 램프(FL)를 이용한 플래시 가열 시에는 디지털 필터(104)로서 FIR(Finite Impulse Response) 필터를 채용하고 있다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대해서 설명했는데, 이 발명은 그 취지를 일탈하지 않는 한에 있어서 상술한 것 이외에 여러 가지 변경을 행하는 것이 가능하다. 예를 들면, 상기 실시 형태에 있어서는, 상부 방사 온도계(25)에 광기전력 소자(28)를 구비하고 있었지만, 하부 방사 온도계(20)에 광기전력 소자(28)를 구비하도록 해도 된다. 광기전력 소자(28)는 예비 가열 시 및 플래시 가열 시 양쪽에서 측정이 가능하기 때문에, 광기전력 소자(28)를 구비한 하부 방사 온도계(20)를 이용하여 할로겐 램프(HL)에 의한 예비 가열 시에 반도체 웨이퍼(W)의 이면의 온도 측정을 행하도록 해도 된다.
또, 상기 실시 형태에 있어서는, 장주기 모드의 샘플링 레이트가 50밀리세컨드이고 단주기 모드의 샘플링 레이트가 0.04밀리세컨드였는데, 이것으로 한정되는 것이 아니라, 각각의 샘플링 레이트는 적절한 값으로 할 수 있다. 장주기 모드 및 단주기 모드 각각의 샘플링 레이트는, 할로겐 램프(HL)로부터의 광 조사에 의한 반도체 웨이퍼(W)의 승온 속도 및 플래시광의 조사 시간 등의 처리 조건에 따라 적절히 설정하면 된다.
또, 상기 실시 형태에 있어서는, 단주기 모드에서의 데이터 추출의 트리거가 되는 역치 Vt를 예비 가열 온도 T1에 대응하는 기전력값에 소정의 마진을 가산한 값으로 하고 있었는데, 이것으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 도 10에 나타내는 바와 같은 시계열로 그린 기전력의 데이터에 있어서, 현재 시점(임의의 시점)보다 x초(x는 임의의 값이며, 예를 들면 50밀리세컨드)만큼 전의 기전력값에 소정의 마진을 가산한 값을 역치 Vt로 해도 된다. 이는, 기전력값의 기울기가 소정값을 초과하는 것을 데이터 추출의 트리거로 하는 것과 동의이다. 예비 가열 온도 T1에 대응하는 기전력값에 소정의 마진을 가산한 값을 역치 Vt로 한 경우에는, 예를 들면 예비 가열 시의 온도 조절의 오버 슈트 등에 의해 트리거를 오검지할 우려가 있지만, 현재 시점보다 x초만큼 전의 기전력값에 소정의 마진을 가산한 값을 역치 Vt로 하면 그러한 오검지를 방지할 수 있다. 혹은, 플래시 램프(FL)가 발광하기 몇 초 전에 제어부(3)가 플래시광 조사를 실행하기 위한 신호를 방출하는 것인데, 그 신호가 방출된 시점에서의 기전력값에 소정의 마진을 가산한 값을 역치 Vt로 해도 된다. 또, 당해 플래시광 조사를 실행하기 위한 신호가 방출된 시점부터 소정 시간의 데이터를 온도 변환하도록 해도 된다.
또, 상기 실시 형태에 있어서는, 디지털 필터(104)로서 예비 가열 시에는 IIR 필터를 이용하고, 플래시 가열 시에는 FIR 필터를 이용하고 있었는데, 이것으로 한정되는 것이 아니라, 예를 들면 상태 공간 필터 등을 채용하도록 해도 된다.
또, 서셉터(74)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 상방에 복수의 상부 방사 온도계(25)를 설치하도록 해도 된다. 복수의 상부 방사 온도계(25)의 측정 위치는 서로 상이하다. 복수의 상부 방사 온도계(25) 각각은 광기전력 소자(28)를 구비한다. 이 경우, 복수의 상부 방사 온도계(25) 중 1개에 대해서 상기 실시 형태와 마찬가지로 하부 방사 온도계(20)의 온도 측정값에 의거하여 방사율 교정을 행하고, 그 교정된 방사율을 다른 상부 방사 온도계(25)에 반영시키도록 해도 된다. 방사율 교정의 대상이 되는 상부 방사 온도계(25)에 의한 반도체 웨이퍼(W)의 표면의 온도 측정 위치와 하부 방사 온도계(20)에 의한 반도체 웨이퍼(W)의 이면의 온도 측정 위치는 반도체 웨이퍼(W)를 사이에 두고 대칭인 위치로 하는 것이 바람직하다. 이렇게 하면, 반도체 웨이퍼(W)의 면내 온도 분포에 기인한 방사율 교정의 오차를 최소한으로 억제할 수 있다. 또, 모든 상부 방사 온도계(25)에 대해서, 시야 면적이나 각도 등의 측정 조건은 일치시키는 것이 바람직하다. 복수의 상부 방사 온도계(25)를 설치함에 따라, 반도체 웨이퍼(W)의 표면의 복수 점의 온도를 측정하여 다점 제어가 가능해진다.
또, 상기 실시 형태에 있어서는, 광기전력 소자(28)를 InSb로 형성하고 있었는데, 이것으로 한정되는 것이 아니라, 광기전력 소자(28)를 InAsSb(인듐 비소 안티몬) 또는 InAs(인듐 비소)를 이용하여 형성하도록 해도 된다.
또, 상기 실시 형태에 있어서는, 플래시 가열부(5)에 30개의 플래시 램프(FL)를 구비하도록 하고 있었는데, 이것으로 한정되는 것이 아니라, 플래시 램프(FL)의 개수는 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 개수도 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 기판을 소정 온도로 유지하는 가열 처리를 행하고 있었는데, 이것으로 한정되는 것이 아니라, 할로겐 램프(HL)를 대신하여 방전형 아크 램프(예를 들면, 크세논 아크 램프) 또는 LED 램프를 연속 점등 램프로서 이용하여 가열 처리를 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 27: 온도 측정 유닛
28: 광기전력 소자 33: 입력부
34: 표시부 63: 상측 챔버 창
64: 하측 챔버 창 65: 열처리 공간
74: 서셉터 101: 증폭 회로
102: A/D 컨버터 103: 온도 변환부
104: 디지털 필터 105: 프로파일 작성부
107: 기억부 108: 온도 프로파일
FL: 플래시 램프 HL: 할로겐 램프
W: 반도체 웨이퍼

Claims (16)

  1. 기판에 플래시광을 조사함으로써 당해 기판을 가열하는 열처리 방법으로서,
    챔버 내에 기판을 수용하는 수용 공정과,
    연속 점등 램프로부터의 광 조사에 의해 상기 기판을 예비 가열하는 예비 가열 공정과,
    상기 기판의 표면에 플래시 램프로부터 플래시광을 조사하는 플래시 가열 공정
    을 구비하고,
    광기전력 소자를 구비한 제1 방사 온도계에 의해 상기 기판의 온도를 측정하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 예비 가열 공정의 실행 중에, 상기 기판의 표면의 온도를 상기 제1 방사 온도계에 의해 측정하는 것과 더불어 상기 기판의 이면의 온도를 방사율 교정이 끝난 제2 방사 온도계에 의해 측정하고, 상기 제2 방사 온도계에 의해 측정된 상기 기판의 온도에 의거하여 상기 제1 방사 온도계에 설정된 방사율을 교정하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 방사 온도계는,
    제1 샘플링 간격으로 데이터 취득을 행하는 제1 측정 모드와,
    상기 제1 샘플링 간격보다 짧은 제2 샘플링 간격으로 데이터 취득을 행하는 제2 측정 모드
    를 병렬해서 실행하여 상기 기판의 온도를 측정하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제2 측정 모드에서 취득된 데이터 중, 데이터의 값이 소정의 역치에 도달한 시점 전후에 걸친 일정 기간에 취득된 데이터를 온도 변환하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1 측정 모드에서 취득된 모든 데이터를 온도 변환하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 측정 모드에서 취득된 데이터를 온도 변환한 온도값에 상기 제2 측정 모드에서 취득된 데이터를 온도 변환한 온도값을 보간하여 표시부에 표시하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광기전력 소자로부터 출력된 신호에 대해 디지털 필터를 이용한 처리를 행하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 예비 가열 공정과 상기 플래시 가열 공정에서는 상이한 디지털 필터를 이용하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
  9. 기판에 플래시광을 조사함으로써 당해 기판을 가열하는 열처리 장치로서,
    기판을 수용하는 챔버와,
    상기 기판에 광을 조사하여 상기 기판을 예비 가열하는 연속 점등 램프와,
    상기 기판의 표면에 플래시광을 조사하여 상기 기판을 플래시 가열하는 플래시 램프와,
    광기전력 소자를 구비하여 상기 기판의 온도를 측정하는 제1 방사 온도계
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 기판의 온도를 측정하는 제2 방사 온도계를 더 구비하고,
    상기 예비 가열의 실행 중에, 상기 제1 방사 온도계가 상기 기판의 표면의 온도를 측정하는 것과 더불어 방사율 교정이 끝난 상기 제2 방사 온도계가 상기 기판의 이면의 온도를 측정하고, 상기 제2 방사 온도계에 의해 측정된 상기 기판의 온도에 의거하여 상기 제1 방사 온도계에 설정된 방사율을 교정하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 방사 온도계는,
    제1 샘플링 간격으로 데이터 취득을 행하는 제1 측정 모드와,
    상기 제1 샘플링 간격보다 짧은 제2 샘플링 간격으로 데이터 취득을 행하는 제2 측정 모드
    를 병렬해서 실행하여 상기 기판의 온도를 측정하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제2 측정 모드에서 취득된 데이터 중, 데이터의 값이 소정의 역치에 도달한 시점 전후에 걸친 일정 기간에 취득된 데이터를 온도 변환하는 온도 변환부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 온도 변환부는, 상기 제1 측정 모드에서 취득된 모든 데이터를 온도 변환하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 제1 측정 모드에서 취득된 데이터를 온도 변환한 온도값에 상기 제2 측정 모드에서 취득된 데이터를 온도 변환한 온도값을 보간하여 표시하는 표시부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  15. 청구항 9 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광기전력 소자로부터 출력된 신호에 대해 디지털 필터를 이용한 처리를 행하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 예비 가열과 상기 플래시 가열에서는 상이한 디지털 필터를 이용하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
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