KR20230127889A - 온도 측정 방법 및 열처리 장치 - Google Patents

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KR20230127889A
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다카히로 기타자와
히카루 가와라자키
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가부시키가이샤 스크린 홀딩스
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Abstract

[과제] 기판의 온도를 정확하게 측정할 수 있다.
[해결 수단] 광 조사에 의해 가열되는 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 측정하는 온도 측정 방법이다. 반도체 웨이퍼(W)의 비스듬한 하방으로부터, 반도체 웨이퍼(W)의 휘도 온도를 검출하는 방사 온도 측정 공정과, 반도체 웨이퍼(W)의 방사율의 비에 대응하는 제1의 입력 파라미터와, 반도체 웨이퍼(W)의 온도에 대응하는 제2의 입력 파라미터라는, 적어도 2개의 입력 파라미터를, 방사 온도 측정 공정에서 검출되는 휘도 온도로부터 산출하는 입력 파라미터 산출 공정과, 제1의 입력 파라미터와 제2의 입력 파라미터로부터 출력 파라미터를 추정하는 출력 파라미터 추정 공정과, 출력 파라미터 추정 공정에서 추정된 출력 파라미터와 방사 온도 측정 공정에서 검출된 휘도 온도로부터 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 산출하는 온도 산출 공정을 구비한다.

Description

온도 측정 방법 및 열처리 장치{TEMPERATURE MEASUREMENT METHOD AND HEAT TREATMENT APPARATUS}
본 발명은, 광 조사에 의해 가열되는 반도체 웨이퍼 등의 박판 형상 정밀 전자 기판(이하, 간단히 「기판」이라고 칭한다)의 온도를 측정하는 온도 측정 방법, 및, 기판에 광을 조사함으로써 당해 기판을 가열하는 열처리 장치에 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」라고 할 때에는 크세논 플래시 램프를 의미한다)를 사용하여 반도체 웨이퍼의 표면에 플래시광을 조사함으로써, 반도체 웨이퍼의 표면만을 극히 단시간(수밀리초 이하)에 승온시키는 열처리 기술이다.
크세논 플래시 램프의 방사 분광 분포는 자외역에서 근적외역이며, 종래의 할로겐 램프보다 파장이 짧아, 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 근방만을 선택적으로 승온시킬 수 있는 것도 판명되어 있다.
이러한 플래시 램프 어닐링은, 극히 단시간의 가열이 필요로 되는 처리, 예를 들면 전형적으로는 반도체 웨이퍼에 주입된 불순물의 활성화에 이용된다. 이온 주입법에 의해 불순물이 주입된 반도체 웨이퍼의 표면에 플래시 램프로부터 플래시광이 조사되면, 당해 반도체 웨이퍼의 표면만이 극히 단시간만 불순물이 활성화하는 온도로까지 승온될 수 있다. 이 때문에, 불순물을 반도체 웨이퍼 중에서 깊게 확산시키지 않고, 불순물의 활성화만이 실행된다.
플래시 램프 어닐링에 한정하지 않고, 반도체 웨이퍼의 열처리에 있어서는, 웨이퍼 온도의 관리가 중요해진다. 플래시 램프 어닐링에 있어서도, 플래시광이 조사되었을 때의 반도체 웨이퍼의 표면의 최고 도달 온도와, 반도체 웨이퍼의 표면 이외의 부분의 온도가 바르게 처리될 수 있었는지 여부가 중요한 공정 관리 지표가 된다. 이 때문에, 일반적으로는 비접촉의 방사 온도계에 의해 반도체 웨이퍼의 온도가 측정되고 있다. 방사 온도계에 의한 온도 측정에는 측정 대상물의 방사율이 필수이며, 종래는 소정의 방사율이 설정되어 반도체 웨이퍼의 온도가 측정되고 있었다.
그러나, 반도체 웨이퍼의 재료로서 채용되는 실리콘은, 온도에 의해 적외광의 투과율이 변화하는 것이 알려져 있다. 이러한 적외광의 투과율의 변화에 의해, 적외광의 방사율이 변동한다. 또, 근래의 반도체 기술에서는 3차원 고밀도화의 진전에 수반하여 다양한 박막이 다층(예를 들면, 100층 이상)으로 적층되는 경향이 있다. 박막이 다층으로 적층되면, 방사율이 크게 변동하는 것도 알려져 있다.
그래서, 일본국 특허공개 평5-215610호 공보에서는, 재료의 표면의 물성이 변화했을 경우에도, 실측값에 가까운 온도가 추정 가능해지는 장치가 개시되어 있다. 구체적으로는, 일본국 특허공개 평5-215610호 공보에 기재된 장치는, 재료로부터 방사된 소정의 파장의 광을 검출하여 검출 신호로서 출력하고, 출력된 검출 신호로부터 방사율비에 대응하는 제1의 파라미터를 구하고, 재료 표면 상태의 물성값에 대응하는 제2의 파라미터와 제1의 파라미터의 상관에 의거하여 제2의 파라미터를 구한다.
일본국 특허공개 평5-215610호 공보
그러나, 예를 들면 실리콘에 있어서는, 상술과 같이 온도에 의해 변색하는 특성이 있어, 온도가 변화하여 변색함으로써 방사율도 변화한다. 이러한 재료의 표면의 온도를 측정하는 경우에는, 일본국 특허공개 평5-215610호 공보에 기재와 같은 장치여도, 측정 온도와 실제의 온도 사이에 큰 어긋남이 발생해 버리는 경우가 있다. 한편, 근래의 반도체 웨이퍼의 점점 더 많은 고정밀도화의 요청도 있어, 반도체 웨이퍼의 표면에서는 불순물이 활성화할 만큼의 고온으로 하면서 반도체 웨이퍼의 표면 이외의 부분에서는 불순물이 확산하지 않을 만큼의 저온으로 유지해 두는 것이 필요로 되고 있다. 이 때문에, 반도체 웨이퍼의 온도 관리에 대해 지금까지 이상의 치밀함이 요구되어 오고 있다. 따라서, 이러한 측정 온도와 실제의 온도의 어긋남을 더욱 해소하기 위한 기술이 기대되고 있다.
본 발명은, 상기 과제를 감안하여 이루어진 것이며, 기판의 온도가 정확하게 측정되는 온도 측정 방법, 및, 열처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 청구항 1의 발명은, 광 조사에 의해 가열되는 기판의 온도를 측정하는 온도 측정 방법으로서, 상기 기판의 비스듬한 상방 또는 비스듬한 하방으로부터, 상기 기판의 휘도 온도를 검출하는 방사 온도 측정 공정과, 상기 기판의 방사율의 비에 대응하는 제1의 입력 파라미터와, 상기 기판의 온도에 대응하는 제2의 입력 파라미터라는, 적어도 2개의 입력 파라미터를, 상기 방사 온도 측정 공정에서 검출되는 상기 휘도 온도로부터 산출하는 입력 파라미터 산출 공정과, 상기 제1의 입력 파라미터와 상기 제2의 입력 파라미터로부터 출력 파라미터를 추정하는 출력 파라미터 추정 공정과, 상기 출력 파라미터 추정 공정에서 추정된 상기 출력 파라미터와 상기 방사 온도 측정 공정에서 검출된 상기 휘도 온도로부터 상기 기판의 온도를 산출하는 온도 산출 공정을 구비하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 2의 발명은, 청구항 1에 따른 온도 측정 방법에 있어서, 상기 출력 파라미터 추정 공정에서는, 상기 제2의 입력 파라미터에 의해 규정되는 상기 제1의 입력 파라미터와 상기 출력 파라미터의 상관 관계에 의거하여 상기 출력 파라미터를 추정하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 3의 발명은, 청구항 1 또는 청구항 2에 따른 온도 측정 방법에 있어서, 상기 방사 온도 측정 공정은, 수광하는 광의 경로와 상기 기판의 표면 또는 이면의 법선이 이루는 각도가 서로 상이한 복수의 방사 온도계에 의해 복수의 상기 휘도 온도가 검출되는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 4의 발명은, 청구항 1 또는 청구항 2에 따른 온도 측정 방법에 있어서, 상기 방사 온도 측정 공정은, 수광하는 광의 경로와 상기 기판의 표면 또는 이면의 법선이 이루는 각도가 동일하고 상이한 2개의 편광 성분을 검출하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 5의 발명은, 청구항 1 또는 청구항 2에 따른 온도 측정 방법에 있어서, 상기 방사 온도 측정 공정은, 수광하는 광의 경로와 상기 기판의 표면 또는 이면의 법선이 이루는 각도가 동일하고 상이한 2개의 파장 성분을 검출하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 6의 발명은, 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 따른 온도 측정 방법에 있어서, 상기 제2의 입력 파라미터는 휘도인 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 7의 발명은, 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 따른 온도 측정 방법에 있어서, 상기 출력 파라미터는 상기 방사율의 로그의 비인 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 8의 발명은, 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 따른 온도 측정 방법에 있어서, 상기 출력 파라미터는 상기 방사율의 비인 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 9의 발명은, 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 따른 온도 측정 방법에 있어서, 상기 출력 파라미터는 상기 방사율인 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 10의 발명은, 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 따른 온도 측정 방법에 있어서, 상기 방사 온도 측정 공정은, 상기 기판의 비스듬한 하방으로부터 상기 기판의 상기 휘도 온도를 검출하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 11의 발명은, 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 따른 온도 측정 방법에 있어서, 상기 기판은 챔버에 수용된 상태로 가열되고, 상기 입력 파라미터 산출 공정은, 상기 챔버의 온도에 대응하는 제3의 입력 파라미터를 추가로 산출하고, 상기 출력 파라미터 추정 공정에서는, 상기 제1의 입력 파라미터, 상기 제2의 입력 파라미터 및 상기 제3의 입력 파라미터에 의거하여 상기 출력 파라미터를 추정하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 12의 발명은, 기판에 광을 조사함으로써 당해 기판을 가열하는 열처리 장치로서, 상기 기판을 수용하는 챔버와, 상기 챔버 내에서 상기 기판을 재치(載置)하여 유지하는 서셉터와, 상기 서셉터의 비스듬한 상방 또는 비스듬한 하방에 설치되고, 상기 기판의 휘도 온도를 검출하는 방사 온도계와, 상기 기판의 방사율비에 대응하는 제1의 입력 파라미터와, 상기 기판의 온도에 대응하는 제2의 입력 파라미터라는, 적어도 2개의 입력 파라미터를, 상기 방사 온도계에 의해 검출되는 상기 휘도 온도로부터 산출하는 입력 파라미터 산출부와, 상기 제1의 입력 파라미터와 상기 제2의 입력 파라미터로부터 출력 파라미터를 추정하는 출력 파라미터 추정부와, 상기 출력 파라미터 추정부가 추정한 상기 출력 파라미터와 상기 방사 온도계가 검출한 상기 휘도 온도로부터 상기 기판의 온도를 산출하는 온도 산출부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 13의 발명은, 청구항 12에 따른 열처리 장치에 있어서, 상기 출력 파라미터 추정부는, 상기 제2의 입력 파라미터에 의해 규정되는 상기 제1의 입력 파라미터와 상기 출력 파라미터의 상관 관계에 의거하여 상기 출력 파라미터를 추정하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 14의 발명은, 청구항 12 또는 청구항 13에 따른 열처리 장치에 있어서, 상기 방사 온도계는, 수광하는 광의 경로와 상기 기판의 표면 또는 이면의 법선이 이루는 각도가 서로 상이한 복수의 방사 온도계를 구비하는 것을 특징으로 한다.
청구항 1 내지 청구항 9의 발명에 의하면, 기판의 방사율의 비에 대응하는 제1의 입력 파라미터와, 기판의 온도에 대응하는 제2의 입력 파라미터라는, 적어도 2개의 입력 파라미터를, 방사 온도 측정 공정에 의해 검출되는 휘도 온도로부터 산출하는 입력 파라미터 산출 공정을 구비하는 점에서, 기판의 온도를 정확하게 측정할 수 있다.
청구항 10의 발명에 의하면, 방사 온도 측정 공정은, 기판의 비스듬한 하방으로부터 휘도 온도를 검출하는 점에서, 기판의 이면의 온도를 정확하게 측정할 수 있다.
청구항 11의 발명에 의하면, 입력 파라미터 산출 공정은, 챔버의 온도에 대응하는 제3의 입력 파라미터를 추가로 산출하는 점에서, 챔버의 온도에도 관련될 수 있는 기판의 온도를 정확하게 측정할 수 있다.
청구항 12 내지 청구항 14의 발명에 의하면, 기판의 방사율비에 대응하는 제1의 입력 파라미터와, 기판의 온도에 대응하는 제2의 입력 파라미터라는, 적어도 2개의 입력 파라미터를, 방사 온도계에 의해 검출되는 휘도 온도로부터 산출하는 입력 파라미터 산출부를 구비하는 점에서, 기판의 온도를 정확하게 측정할 수 있다.
또, 본원 명세서에 개시되는 기술에 관련되는 목적과, 특징과, 국면과, 이점은, 이하에 나타내어지는 상세한 설명과 첨부 도면에 의해, 더욱 명백해진다.
도 1은, 열처리 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
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, 할로겐 가열부에 있어서의 복수의 할로겐 램프(HL)의 배치를 나타내는 평면도이다.
도 8은, 도 1의 부분 확대도이다.
도 9는, 제1 방사 온도계, 제2 방사 온도계 및 제어부의 관계를 나타내는 도면이다.
도 10은, 반도체 웨이퍼(W)의 처리 순서를 나타내는 플로차트이다.
도 11은, 온도 측정 방법의 순서를 나타내는 플로차트이다.
도 12는, 제1의 입력 파라미터 및 출력 파라미터의 관계를 나타내는 상관도이다.
도 13은, 온도의 추정값과 실측값의 관계를 나타내는 도면이다.
도 14는, 제2 실시 형태에 있어서의 열처리 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 15는, 도 14의 부분 확대도이다.
도 16은, 편광 필터 모듈을 나타내는 평면도이다.
도 17은, 분광 필터 모듈을 나타내는 평면도이다.
도 18은, 제4 실시 형태에 있어서의 열처리 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 19는, 제5 실시 형태에 있어서의 열처리 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 20은, 도 19의 부분 확대도이다.
이하, 첨부되는 도면을 참조하면서 실시의 형태에 대해 설명한다. 이하의 실시의 형태에서는, 기술의 설명을 위해 상세한 특징 등도 나타내어지는데, 그들은 예시이며, 실시의 형태가 실시 가능해지기 위해 그들 전부가 반드시 필수의 특징은 아니다.
또한, 도면은 개략적으로 나타내어지는 것이며, 설명의 편의를 위해, 적절히, 구성의 생략, 또는, 구성의 간략화가 도면에 있어서 이루어지는 것이다. 또, 상이한 도면에 각각 나타내어지는 구성 등의 크기 및 위치의 상호 관계는, 반드시 정확하게 기재되는 것은 아니며, 적절히 변경될 수 있는 것이다. 또, 단면도가 아닌 평면도 등의 도면에 있어서도, 실시의 형태의 내용을 이해하는 것을 용이하게 하기 위해, 해칭이 붙여지는 경우가 있다.
또, 이하에 나타내어지는 설명에서는, 동일한 구성요소에는 같은 부호를 붙여 도시하고, 그들의 명칭과 기능에 대해서도 동일한 것으로 한다. 따라서, 그들에 대한 상세한 설명을, 중복을 피하기 위해 생략하는 경우가 있다.
또, 이하에 기재되는 설명에 있어서, 어느 구성요소를 「구비하다」, 「포함하다」 또는 「갖는다」 등으로 기재되는 경우, 특별히 언급하지 않는 한은, 다른 구성요소의 존재를 제외하는 배타적인 표현은 아니다.
또, 이하에 기재되는 설명에 있어서, 「제1의」 또는 「제2의」 등의 서수가 이용되는 경우가 있어도, 이러한 용어는, 실시의 형태의 내용을 이해하는 것을 용이하게 하기 위해 편의상 이용되는 것이며, 이들 서수에 의해 발생할 수 있는 순서 등에 한정되는 것은 아니다.
또, 이하에 기재되는 설명에 있어서의, 상대적 또는 절대적인 위치 관계를 나타내는 표현, 예를 들면, 「일 방향으로」, 「일 방향을 따라」, 「평행」, 「직교」, 「중심」, 「동심」 또는 「동축」 등은, 특별히 언급하지 않는 한은, 그 위치 관계를 엄밀하게 나타내는 경우, 및, 공차 또는 같은 정도의 기능이 얻어지는 범위에 있어서 각도 또는 거리가 변위하고 있는 경우를 포함하는 것으로 한다.
또, 이하에 기재되는 설명에 있어서, 동등한 상태인 것을 나타내는 표현, 예를 들면, 「동일」, 「동등하다」, 「균일」 또는 「균질」 등은, 특별히 언급하지 않는 한은, 엄밀하게 동등한 상태인 것을 나타내는 경우, 및, 공차 또는 같은 정도의 기능이 얻어지는 범위에 있어서 차가 발생한 경우를 포함하는 것으로 한다.
또, 이하에 기재되는 설명에 있어서, 「상」, 「하」, 「좌」, 「우」, 「측」, 「바닥」, 「표」 또는 「이」 등의 특정한 위치 또는 방향을 의미하는 용어가 이용되는 경우가 있어도, 이러한 용어는, 실시의 형태의 내용을 이해하는 것을 용이하게 하기 위해 편의상 이용되는 것이며, 실제로 실시될 때의 위치 또는 방향과는 관계하지 않는 것이다.
또, 이하에 기재되는 설명에 있어서, 「…의 상면」 또는 「…의 하면」 등으로 기재되는 경우, 대상이 되는 구성요소의 상면 자체 또는 하면 자체에 더하여, 대상이 되는 구성요소의 상면 또는 하면에 다른 구성요소가 형성된 상태도 포함하는 것으로 한다. 즉, 예를 들면, 「갑의 상면에 설치되는 을」이라고 기재되는 경우, 갑과 을 사이에 다른 구성요소 「병」이 개재되는 것을 방해하는 것은 아니다.
＜제1의 실시의 형태＞
이하, 본 실시의 형태에 관한 열처리 장치 및 온도 측정 방법에 대해 설명한다.
도 1은, 본 실시의 형태에 관한 열처리 장치(160)의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 1에 예가 나타내어지는 바와 같이, 본 실시 형태의 열처리 장치(160)는, 기판으로서의 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 φ300mm 또는 φ450mm이다(본 실시의 형태에서는 φ300mm).
열처리 장치(160)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 더불어, 하측에 할로겐 가열부(4)가 설치되어 있다. 또한, 본 실시의 형태에서는, 할로겐 가열부(4)는, 복수의 할로겐 램프(HL)를 구비하고 있는데, 할로겐 램프(HL) 대신에 아크 램프 또는 발광 다이오드(Light Emitting Diode, 즉, LED)가 구비되어 있어도 된다. 상술의 구성에 의해, 반도체 웨이퍼(W)는, 챔버(6)에 수용된 상태로 가열된다.
복수의 플래시 램프(FL)는, 플래시광을 조사함으로써 반도체 웨이퍼(W)를 가열한다. 또, 복수의 할로겐 램프(HL)는, 반도체 웨이퍼(W)를 연속 가열한다.
또, 열처리 장치(160)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(160)는, 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, 챔버 하우징(61)의 상면에 석영제의 상측 챔버창(63)이 장착되어 폐색되어 있다.
챔버(6)의 천장부를 구성하는 상측 챔버창(63)은, 석영에 의해 형성된 원판 형상 부재이며, 플래시 가열부(5)로부터 출사된 광을 챔버(6) 내에 투과하는 석영창으로서 기능한다.
또, 챔버(6)의 마루부를 구성하는 하측 챔버창(64)도, 석영에 의해 형성된 원판 형상 부재이며, 할로겐 가열부(4)로부터의 광을 챔버(6) 내에 투과하는 석영창으로서 기능한다.
또, 챔버 하우징(61)의 내측의 벽면의 상부에는 반사링(68)이 장착되고, 하부에는 반사링(69)이 장착되어 있다. 반사링(68) 및 반사링(69)은, 함께 원환 형상으로 형성되어 있다.
상측의 반사링(68)은, 챔버 하우징(61)의 상측으로부터 끼워넣음으로써 장착된다. 한편, 하측의 반사링(69)은, 챔버 하우징(61)의 하측으로부터 끼워넣고 도시 생략된 나사로 고정시킴으로써 장착된다. 즉, 반사링(68) 및 반사링(69)은, 함께 착탈 가능하게 챔버 하우징(61)에 장착되는 것이다.
챔버(6)의 내측 공간, 즉, 상측 챔버창(63), 챔버 하우징(61), 반사링(68)에 의해 둘러싸이는 공간이 열처리 공간(65)으로서 규정된다.
챔버 하우징(61)에 반사링(68) 및 반사링(69)이 장착됨으로써, 챔버(6)의 내벽면에 오목부(62)가 형성된다. 즉, 챔버 하우징(61)의 내벽면 중 반사링(68) 및 반사링(69)이 장착되지 않은 중앙 부분과, 반사링(68)의 하단면과, 반사링(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 하우징(61) 및 반사링(68) 및 반사링(69)은, 강도와 내열성이 뛰어난 금속 재료(예를 들면, 스테인리스 스틸)로 형성되어 있다.
또, 챔버 하우징(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(162)에 의해 개폐 가능하게 되어 있다. 반송 개구부(66)는, 오목부(62)의 외주면에 연통 접속되어 있다.
이 때문에, 게이트 밸브(162)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(162)가 반송 개구부(66)를 폐쇄하면 챔버(6) 내의 열처리 공간(65)이 밀폐 공간이 된다.
또한, 챔버 하우징(61)에는, 관통 구멍(61a) 및 관통 구멍(61b)이 뚫려 있다. 관통 구멍(61a, 61b)이 형성되어 있는 각 부위에는 제1 방사 온도계(20a), 제2 방사 온도계(20b)가 각각 장착되어 있다. 관통 구멍(61a)은, 후술하는 서셉터(74)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 하면(이면)으로부터 방사된 적외광을 제1 방사 온도계(20a)의 적외선 센서(24a)로 안내하기 위한 원통 형상의 구멍이다. 또, 관통 구멍(61b)은, 반도체 웨이퍼(W)의 하면(이면)으로부터 방사된 적외광을 제2 방사 온도계(20b)의 적외선 센서(24b)로 안내하기 위한 원통 형상의 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.
적외선 센서(24a) 및 적외선 센서(24b)는, 예를 들면, 초전 효과를 이용하는 초전 센서, 제베크 효과를 이용하는 서모파일, 또는, 열에 의한 반도체의 저항 변화를 이용하는 볼로미터 등의 열형 적외선 센서, 또는, 양자형 적외선 센서 등이다.
적외선 센서(24a) 및 적외선 센서(24b)는, 서셉터(74)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 주면(표면)에 대해 경사지는 광축을 갖고, 반도체 웨이퍼(W)의 하면(이면)으로부터 방사된 적외광을 수광한다.
관통 구멍(61a)의 열처리 공간(65)에 면하는 측의 단부에는, 제1 방사 온도계(20a)가 측정 가능한 파장 영역의 적외광을 투과시키는 불화바륨 재료로 이루어지는 투명창(21a)이 장착되어 있다. 마찬가지로, 관통 구멍(61b)의 열처리 공간(65)에 면하는 측의 단부에는, 제2 방사 온도계(20b)가 측정 가능한 파장 영역의 적외광을 투과시키는 불화바륨 재료로 이루어지는 투명창(21b)이 장착되어 있다. 또한, 투명창(21a) 및 투명창(21b)은, 예를 들면, 석영으로 형성되어 있어도 된다.
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, 반사링(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 개재 삽입되어 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 퍼지듯이 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 실시의 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, 반사링(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 개재 삽입되어 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 형상의 것이어도 된다. 또, 처리 가스 공급원(85) 및 배기부(190)는, 열처리 장치(160)에 설치된 기구여도 되고, 열처리 장치(160)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, 기대링(71), 연결부(72) 및 서셉터(74)를 구비하여 구성된다. 기대링(71), 연결부(72) 및 서셉터(74)는 모두 석영으로 형성되어 있다. 즉, 유지부(7)의 전체가 석영으로 형성되어 있다.
기대링(71)은, 원환 형상으로부터 일부가 결락된 원호 형상의 석영 부재이다. 이 결락 부분은, 후술하는 이재 기구(10)의 이재 아암(11)과 기대링(71)의 간섭을 막기 위해 설치되어 있다. 기대링(71)은 오목부(62)의 바닥면에 재치됨으로써, 챔버(6)의 벽면에 지지되게 된다(도 3을 참조). 기대링(71)의 상면에, 그 원환 형상의 둘레 방향을 따라 복수의 연결부(72)(본 실시의 형태에서는 4개)가 세워 설치된다. 연결부(72)도 석영의 부재이며, 용접에 의해 기대링(71)에 고착된다.
서셉터(74)는, 기대링(71)에 설치된 4개의 연결부(72)에 의해 하측으로부터 지지된다. 도 3은, 서셉터(74)의 평면도이다. 또, 도 4는, 서셉터(74)의 단면도이다.
서셉터(74)는, 유지 플레이트(75), 가이드링(76) 및 복수의 지지핀(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 주연부에는, 가이드링(76)이 설치되어 있다. 가이드링(76)은, 반도체 웨이퍼(W)의 직경보다 큰 내경을 갖는 원환 형상의 부재이다. 예를 들면, 반도체 웨이퍼(W)의 직경이 φ300mm인 경우, 가이드링(76)의 내경은 φ320mm이다.
가이드링(76)의 내주는, 유지 플레이트(75)로부터 상방을 향하여 넓어지는 테이퍼면으로 되어 있다. 가이드링(76)은, 유지 플레이트(75)와 동일한 석영으로 형성된다.
가이드링(76)은, 유지 플레이트(75)의 상면에 용착되도록 해도 되고, 별도 가공한 핀 등에 의해 유지 플레이트(75)에 고정되도록 해도 된다. 혹은, 유지 플레이트(75)와 가이드링(76)을 일체의 부재로서 가공하도록 해도 된다.
유지 플레이트(75)의 상면 중 가이드링(76)보다 내측의 영역이 반도체 웨이퍼(W)를 유지하는 평면 형상의 유지면(75a)이 된다. 유지 플레이트(75)의 유지면(75a)에는, 복수의 지지핀(77)이 설치되어 있다. 본 실시의 형태에 있어서는, 유지면(75a)의 외주원(가이드링(76)의 내주원)과 동심원의 둘레 상을 따라 30°마다 합계 12개의 지지핀(77)이 환상으로 세워 설치되어 있다.
12개의 지지핀(77)을 배치한 원의 직경(대향하는 지지핀(77) 간의 거리)은 반도체 웨이퍼(W)의 직경보다 작고, 반도체 웨이퍼(W)의 직경이 φ300mm이면 φ210mm~φ280mm이다. 지지핀(77)은, 3개 이상 설치된다. 각각의 지지핀(77)은 석영으로 형성되어 있다.
복수의 지지핀(77)은, 유지 플레이트(75)의 상면에 용접에 의해 설치하도록 해도 되고, 유지 플레이트(75)와 일체로 가공하도록 해도 된다.
도 2로 돌아와, 기대링(71)에 세워 설치된 4개의 연결부(72)와 서셉터(74)의 유지 플레이트(75)의 주연부가 용접에 의해 고착된다. 즉, 서셉터(74)와 기대링(71)은 연결부(72)에 의해 고정적으로 연결되어 있다. 이러한 유지부(7)의 기대링(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)의 상측에 수평 자세로 재치되어 유지된다. 이 때, 반도체 웨이퍼(W)는 유지 플레이트(75) 상에 세워 설치된 12개의 지지핀(77)에 의해 지지되고, 하측으로부터 서셉터(74)에 지지된다. 보다 엄밀하게는, 12개의 지지핀(77)의 상단부가 반도체 웨이퍼(W)의 하면(이면)에 접촉하여 당해 반도체 웨이퍼(W)를 지지한다.
12개의 지지핀(77)의 높이(지지핀(77)의 상단에서 유지 플레이트(75)의 유지면(75a)까지의 거리)는 균일하기 때문에, 12개의 지지핀(77)에 의해 반도체 웨이퍼(W)를 수평 자세로 지지할 수 있다.
또, 반도체 웨이퍼(W)는 복수의 지지핀(77)에 의해 유지 플레이트(75)의 유지면(75a)으로부터 소정의 간격을 두고 지지되게 된다. 지지핀(77)의 높이보다 가이드링(76)의 두께가 크다. 따라서, 복수의 지지핀(77)에 의해 지지된 반도체 웨이퍼(W)의 수평 방향의 위치 어긋남은 가이드링(76)에 의해 방지된다.
또, 도 2 및 도 3에 나타내어지는 바와 같이, 서셉터(74)의 유지 플레이트(75)에는, 상하로 관통하여 개구부(78)가 형성되어 있다. 개구부(78)는, 제1 방사 온도계(20a) 및 제2 방사 온도계(20b)가 반도체 웨이퍼(W)의 하면(이면)으로부터 방사되는 방사광(적외광)을 수광하기 위해 형성되어 있다. 즉, 제1 방사 온도계(20a) 및 제2 방사 온도계(20b)가 개구부(78) 및 챔버 하우징(61)의 투명창(21a)(관통 구멍(61a)에 장착된다) 및 투명창(21b)(관통 구멍(61b)에 장착된다)을 통해 반도체 웨이퍼(W)의 하면(이면)으로부터 방사된 광을 수광하여 당해 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 측정한다.
또한, 서셉터(74)의 유지 플레이트(75)에는, 후술하는 이재 기구(10)의 리프트핀(12)이 반도체 웨이퍼(W)의 수도를 위해 관통하는 4개의 관통 구멍(79)이 뚫려 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 리프트핀(12)이 세워 설치되어 있다. 이재 아암(11) 및 리프트핀(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 이점 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 위치에 있어서 상승시키면, 합계 4개의 리프트핀(12)이 서셉터(74)에 뚫린 관통 구멍(79)(도 2 및 도 3 참조)을 통과하여, 리프트핀(12)의 상단이 서셉터(74)의 상면으로부터 돌출된다. 한편, 승강 기구(14)가 한 쌍의 이재 아암(11)을 이재 동작 위치에 있어서 하강시켜 리프트핀(12)을 관통 구멍(79)으로부터 빼내고, 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 기대링(71)의 바로 위쪽이다. 기대링(71)은 오목부(62)의 바닥면에 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 생략된 배기 기구가 설치되어 있어, 이재 기구(10)의 구동부 주변의 분위기가 챔버(6)의 외부에 배출되도록 구성되어 있다.
도 1로 돌아와, 챔버(6)의 상방에 설치된 플래시 가열부(5)는, 하우징(51)의 내측에, 복수 개(본 실시의 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 바닥부에는 램프광 방사창(53)이 장착되어 있다. 플래시 가열부(5)의 마루부를 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 챔버창(63)과 서로 대향하게 된다. 플래시 램프(FL)는 챔버(6)의 상방으로부터 램프광 방사창(53) 및 상측 챔버창(63)을 통해 열처리 공간(65)에 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 주면(표면)을 따라(즉 수평 방향을 따라) 서로 평행이 되도록 평면 형상으로 배열되어 있다. 따라서, 플래시 램프(FL)의 배열에 의해 형성되는 평면도 수평면이다.
플래시 램프(FL)는, 그 내부에 크세논 가스가 봉입(封入)되고 그 양단부에 콘덴서에 접속된 양극 및 음극이 배치된 봉 형상의 유리관(방전관)과, 당해 유리관의 외주면 상에 부설된 트리거 전극을 구비한다.
크세논 가스는 전기적으로는 절연체인 점에서, 콘덴서에 전하가 축적되어 있었다 하더라도 통상의 상태에서는 유리관 내에 전기는 흐르지 않는다. 그러나, 트리거 전극에 고전압을 인가하여 절연을 파괴했을 경우에는, 콘덴서에 축적된 전기가 유리관 내에 순간적으로 흘러, 그 때의 크세논의 원자 혹은 분자의 여기에 의해 광이 방출된다.
이러한 플래시 램프(FL)에 있어서는, 미리 콘덴서에 축적되어 있던 정전 에너지가 0.1밀리세컨드 내지 100밀리세컨드라는 극히 짧은 광펄스로 변환되는 점에서, 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 상면(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 복수 개(본 실시의 형태에서는 40개)의 할로겐 램프(HL)를 내장하고 있다. 할로겐 가열부(4)는, 복수의 할로겐 램프(HL)에 의해 챔버(6)의 하방으로부터 하측 챔버창(64)을 통해 열처리 공간(65)으로의 광 조사를 행하여 반도체 웨이퍼(W)를 가열한다.
도 7은, 할로겐 가열부(4)에 있어서의 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 배치됨과 더불어, 상단보다 유지부(7)로부터 먼 하단에도 20개의 할로겐 램프(HL)가 배치되어 있다.
각 할로겐 램프(HL)는, 장척의 원통 형상을 갖는 봉 형상 램프이다. 상단, 하단 모두 20개의 할로겐 램프(HL)는, 각각의 길이 방향이 유지부(7)에 유지되는 반도체 웨이퍼(W)의 주면(표면)을 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 나타내어지는 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 높아져 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 백열 전구에 비해 수명이 길고 또한 강한 광을 연속적으로 조사할 수 있다는 특성을 갖는다. 즉, 할로겐 램프(HL)는 적어도 1초 이상 연속하여 발광하는 연속 점등 램프이다. 또, 할로겐 램프(HL)는 봉 형상 램프이기 때문에 장수명이며, 할로겐 램프(HL)를 수평 방향을 따르게 하여 배치함으로써 상방의 반도체 웨이퍼(W)로의 방사 효율이 뛰어난 것이 된다.
도 1에 나타내어지는 바와 같이, 챔버(6)에는, 제1 방사 온도계(20a) 및 제2 방사 온도계(20b)의 2개의 방사 온도계(본 실시의 형태에서는 고온계)가 설치되어 있다. 제1 방사 온도계(20a) 및 제2 방사 온도계(20b)는 서셉터(74)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 비스듬한 하방에 설치된다.
이러한 배치에 의해, 제1 방사 온도계(20a) 및 제2 방사 온도계(20b)는, 반도체 웨이퍼(W)의 비스듬한 하방으로부터, 반도체 웨이퍼(W)의 휘도 온도를 검출한다. 또한, 휘도 온도란, 전자파의 방사 강도를 나타내는 물리량을 의미한다. 전자 방사가 흑체 방사인 경우에는, 휘도 온도는 온도와 동일하다.
도 8은, 도 1의 부분 확대도이다. 도 8은, 열처리 장치(160)에 있어서의 제1 방사 온도계(20a), 제2 방사 온도계(20b), 및 반도체 웨이퍼(W)의 배치 관계를 상세하게 나타낸다.
도 8에 나타내는 바와 같이, 제1 방사 온도계(20a)가 수광하는 광의 경로(Xa)와 반도체 웨이퍼(W)의 이면의 법선(O) 사이의 이루는 각도는 α로 되어 있다. 또, 제2 방사 온도계(20b)가 수광하는 광의 경로(Xb)와 반도체 웨이퍼(W)의 이면의 법선(O) 사이의 이루는 각도는 β로 되어 있다. 이들 각도(α)와 각도(β)는 서로 상이하다. 각도(α)는 80° 이상(90° 미만), 각도(β)는 80° 이하인 것이 바람직하다. 또 각도(α)와 각도(β)의 차는, 2.5° 이상인 것이 바람직하다. 각도(α)와 각도(β)의 차는, 클수록 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 정확하게 측정 가능하다고 생각되고 있다.
도 9는, 제1 방사 온도계(20a), 제2 방사 온도계(20b) 및 제어부(3)의 관계를 나타내는 도면이다.
상술과 같이, 열처리 장치(160)는, 할로겐 가열부(4), 플래시 가열부(5) 및 챔버(6)에 설치된 각 동작 기구를 제어하는 제어부(3)를 포함하고 있다. 제어부(3)는, 퍼스널 컴퓨터(FAPC)의 형태를 갖고 있어도 되고, 기억부(32)와, CPU 등의 연산 처리 장치를 포함하고 있다. 기억부(32)는, 고체 메모리 디바이스 및 하드 디스크 드라이브 등의 기억 장치를 포함한다. 또, 제어부(3)는, 입력부(31)와 표시부(33)에 접속된다. 입력부(31)는, 키보드, 포인팅 디바이스 및 터치 패널 등의 입력 기기를 포함한다. 또한, 입력부(31)는, 호스트 컴퓨터와의 통신을 위한 통신 모듈을 포함한다. 표시부(33)는, 예를 들면 액정 디스플레이를 포함하고, 제어부(3)와의 연계로 각종 정보를 표시한다. 표시부(33)로서, 예를 들면 액정 디스플레이가 채용된다. 제어부(3)의 CPU가 소정의 처리 프로그램을 실행함으로써 열처리 장치(160)에 있어서의 처리가 진행된다.
도 9에 나타내는 바와 같이, 제어부(3)는 입력 파라미터 산출부(34), 출력 파라미터 추정부(35), 및, 온도 산출부(36)를 구비한다. 입력 파라미터 산출부(34), 출력 파라미터 추정부(35), 및, 온도 산출부(36)는, 제어부(3)의 CPU가 소정의 처리 프로그램을 실행함으로써 실현되는 기능 처리부이다. 입력 파라미터 산출부(34), 출력 파라미터 추정부(35), 및, 온도 산출부(36)의 처리 내용에 대해서는 추가로 후술한다.
도 8 및 도 9에 나타내는 바와 같이, 제1 방사 온도계(20a) 및 제2 방사 온도계(20b)는, 반도체 웨이퍼(W)의 하방에 설치된다. 제1 방사 온도계(20a)는, 반도체 웨이퍼(W)의 하면(이면)의 온도를 측정하는 적외선 센서(24a) 및 온도 측정 유닛(22a)을 구비한다. 마찬가지로, 제2 방사 온도계(20b)는, 반도체 웨이퍼(W)의 하면(이면)의 온도를 측정하는 적외선 센서(24b) 및 온도 측정 유닛(22b)을 구비한다.
적외선 센서(24a)는, 온도 측정 유닛(22a)과 전기적으로 접속되어 있으며, 수광에 응답하여 발생한 검출 신호를 온도 측정 유닛(22a)에 전달한다. 온도 측정 유닛(22a)은, 전달된 검출 신호로부터, 온도를 산출한다. 즉, 온도 측정 유닛(22a)은, 적외선 센서(24a)가 수광한 광의 강도에 의거하여, 온도를 산출한다. 마찬가지로, 적외선 센서(24b)는, 온도 측정 유닛(22b)과 전기적으로 접속되어 있으며, 수광에 응답하여 발생한 검출 신호를 온도 측정 유닛(22b)에 전달한다. 온도 측정 유닛(22b)은, 전달된 검출 신호로부터, 온도를 산출한다. 즉, 온도 측정 유닛(22b)은, 적외선 센서(24b)가 수광한 광의 강도에 의거하여, 온도를 산출한다.
상기의 구성 이외에도 열처리 장치(160)는, 반도체 웨이퍼(W)의 열처리 시에 할로겐 램프(HL) 및 플래시 램프(FL)로부터 발생하는 열에너지에 의한 플래시 가열부(5), 할로겐 가열부(4), 및 챔버(6)의 과잉된 온도 상승을 방지하기 위해, 여러 가지 냉각용 구조를 구비하고 있다.
예를 들면, 챔버(6)의 벽체에는 수냉관(도시 생략)이 설치되어 있다. 또, 플래시 가열부(5) 및 할로겐 가열부(4)는, 내부에 기체류를 형성하여 배열하는 공랭 구조로 되어 있다. 또, 상측 챔버창(63)과 램프광 방사창(53)의 간극에도 공기가 공급되어, 플래시 가열부(5) 및 상측 챔버창(63)을 냉각한다.
＜열처리 장치의 동작에 대해＞
다음에, 열처리 장치(160)에 있어서의 반도체 웨이퍼(W)의 처리 순서에 대해 설명한다. 도 10은, 반도체 웨이퍼(W)의 처리 순서를 나타내는 플로차트이다. 이하에 설명하는 열처리 장치(160)의 처리 순서는, 제어부(3)가 열처리 장치(160)의 각 동작 기구를 제어함으로써 진행된다.
우선, 급기를 위한 밸브(84)가 개방됨과 더불어, 배기용 밸브(89) 및 밸브(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. 이에 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, 도시 생략된 배기 기구에 의해 이재 기구(10)의 구동부 주변의 분위기도 배기된다. 또한, 열처리 장치(160)에 있어서의 반도체 웨이퍼(W)의 열처리 시에는 질소 가스가 열처리 공간(65)에 계속적으로 공급되고 있으며, 그 공급량은 처리 공정에 따라 적절히 변경된다.
이어서, 게이트 밸브(162)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 위쪽 위치까지 진출하고 정지한다. 그리고, 이재 기구(10)의 한 쌍의 이재 아암(11)이 퇴피 위치로부터 이재 동작 위치로 수평 이동하여 상승함으로써, 리프트핀(12)이 관통 구멍(79)을 지나 서셉터(74)의 유지 플레이트(75)의 상면으로부터 돌출되어 반도체 웨이퍼(W)를 수취(受取)한다. 이 때, 리프트핀(12)은 지지핀(77)의 상단보다 상방으로까지 상승한다.
반도체 웨이퍼(W)가 리프트핀(12)에 재치된 후, 반송 로봇이 열처리 공간(65)으로부터 퇴출하고, 게이트 밸브(162)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, 도 2 내지 도 4에 나타내는 유지 플레이트(75) 상에 세워 설치된 복수의 지지핀(77)에 의해 지지되어 서셉터(74)에 유지된다. 복수의 지지핀(77)에 의해 지지된 반도체 웨이퍼(W)의 하면(이면)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 챔버(6) 내에 반입되어 서셉터(74)에 유지된 후, 할로겐 가열부(4)의 할로겐 램프(HL)가 일제히 점등하여 예비 가열(어시스트 가열)이 개시된다(단계 S2). 할로겐 램프(HL)로부터 출사된 할로겐광은, 석영으로 형성된 하측 챔버창(64)을 투과하여 반도체 웨이퍼(W)의 하면(이면)에 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 장애가 되는 경우는 없다. 예비 가열 온도는, 반도체 웨이퍼(W)에 첨가된 불순물이 열에 의해 확산할 우려가 없는, 500℃ 내지 600℃ 정도인 것이 바람직하다. 예비 가열 온도가 800℃ 이상의 고온이 되면, 반도체 웨이퍼(W)에 첨가된 불순물이 확산하기 때문에, 온도 관리의 정확함이 요구되고 있다.
할로겐 램프(HL)로부터의 광 조사에 의해 승온하는 반도체 웨이퍼(W)의 온도는 제1 방사 온도계(20a) 및 제2 방사 온도계(20b)에 의해 측정된다(단계 S3). 보다 상세하게는, 제1 방사 온도계(20a) 및 제2 방사 온도계(20b)에 의해 검출되는 검출 신호로부터 반도체 웨이퍼(W)의 하면(이면)의 온도가 산출된다. 또한, 할로겐 램프(HL)에 의한 예비 가열을 개시하기 전부터 제1 방사 온도계(20a) 및 제2 방사 온도계(20b)에 의한 온도 측정을 개시하도록 해도 된다.
여기서, 본 실시 형태에 있어서, 반도체 웨이퍼(W)의 하면(이면)의 온도가 산출되는 이유에 대해 설명한다. 반도체 웨이퍼(W)의 상면(표면)에는, 여러 가지 막이 형성되는 것이 일반적이다. 근래의 반도체 웨이퍼(W)의 고성능화에 의해, 종래보다 막종, 막 두께, 막 층수, 막 구조 등의 조건이 다양화하고 있다. 한편, 반도체 웨이퍼(W)의 하면(이면)에는, 막이 적극적으로 형성되지 않는 경향이 있다. 다양화한 막종, 막 두께, 막 층수, 막 구조에 대응하는 것을 필요로 하는 반도체 웨이퍼(W)의 상면(표면)보다, 막이 적극적으로 형성되지 않는 하면(이면)의 온도의 측정이 용이하다. 그래서, 본 실시 형태에 있어서는, 제1 방사 온도계(20a) 및 제2 방사 온도계(20b)는 반도체 웨이퍼(W)의 비스듬한 하방에 배치되고, 반도체 웨이퍼(W)의 하면(이면)의 온도가 측정된다.
도 11은, 본 실시 형태에 있어서의 온도 측정 방법의 순서를 나타내는 플로차트이다.
도 10에 있어서의 반도체 웨이퍼(W)의 온도의 측정은, 도 11과 같은 플로로 실행된다. 우선, 제1 방사 온도계(20a)에 의해 반도체 웨이퍼(W)의 이면의 휘도 온도(Sa)가 검출된다(단계 S11). 또, 제2 방사 온도계(20b)에 의해 반도체 웨이퍼(W)의 이면의 휘도 온도(Sb)가 검출된다(단계 S12). 또한, 단계 S11과 단계 S12는 동시에 행해져도 된다.
단계 S11 및 단계 S12에 있어서 검출된 휘도 온도(Sa) 및 휘도 온도(Sb)가 기억부(32)에 기억된다. 휘도 온도(Sa) 및 휘도 온도(Sb)에 의거하여, 입력 파라미터가 산출된다(단계 S13). 입력 파라미터의 산출은, 도 9에 있어서의 입력 파라미터 산출부(34)에 있어서 행해진다. 입력 파라미터 산출부(34)는, 반도체 웨이퍼(W)의 방사율비(Ku)에 대응하는 제1의 입력 파라미터와, 반도체 웨이퍼(W)의 온도에 대응하는 제2의 입력 파라미터를, 제1 방사 온도계(20a) 및 제2 방사 온도계(20b)에 의해 검출되는 휘도 온도로부터 산출한다.
보다 구체적으로는, 휘도 온도(Sa) 및 휘도 온도(Sb)에 의거하여, 제1의 입력 파라미터로서의 방사율비(Ku)가 산출된다. 방사율비(Ku)는, 하기의 수학식 1에 의해 산출된다. 또한, λ는 측정 파장[μm], εa는 측정 파장에 있어서의 제1 방사 온도계(20a)의 분광 방사율[μm], εb는 측정 파장에 있어서의 제2 방사 온도계(20b)의 분광 방사율[μm], C2는 플랑크의 방사칙에 있어서의 방사 제2 상수, Sa는 측정 파장에 있어서의 제1 방사 온도계(20a)가 검출하는 휘도 온도[K], Sb는 측정 파장에 있어서의 제2 방사 온도계(20b)가 검출하는 휘도 온도[K]이다.
[수학식 1]
상술의 수학식 1을 이용함으로써, 방사율(εa) 및 방사율(εb)이 미지수여도, 방사율비(Ku)가 도출된다. 반도체 웨이퍼(W)의 재료의 하나로서 생각할 수 있는 규소(Si)는 온도에 의해 방사율이 변동한다. 즉, 규소(Si) 또는 규소 화합물은, 온도에 의해 색이 변화한다. 이에 수반하여, 방사율이 변동한다. 이 때문에, 반도체 웨이퍼(W)의 재료로서 규소(Si)가 채용되는 경우나, 반도체 웨이퍼(W)에 규소 화합물의 막이 형성되었을 경우에는, 본 실시 형태의 온도 측정 방법이 특히 유효하다. 또, 규소(Si)에 있어서는, 600℃ 이하의 저온역에 있어서, 방사율의 변동의 경향이 특히 현저하다.
또, 제2의 입력 파라미터로서 휘도 온도(Sa)와 휘도 온도(Sb)의 평균값인 휘도 온도(Save)가 산출된다. 또한, 제2의 입력 파라미터로서, 휘도 온도(Sa) 또는 휘도 온도(Sb) 중 어느 한쪽이 채용되어도 된다.
이상과 같이 입력 파라미터가 산출되면, 제1의 입력 파라미터 및 제2의 입력 파라미터에 의거하여, 출력 파라미터(로그비(Ld))가 추정된다(단계 S14). 출력 파라미터(로그비(Ld))의 추정은, 도 9에 있어서의 출력 파라미터 추정부(35)에 의해 행해진다. 출력 파라미터 추정부(35)는, 제1의 입력 파라미터와 제2의 입력 파라미터로부터 출력 파라미터를 추정한다. 여기서, 제1의 입력 파라미터로서의 방사율비(Ku)와, 제2의 입력 파라미터로서의 휘도 온도(Save)와, 출력 파라미터로서의 로그비(Ld) 사이에서의 상관 관계가 기억부(32)에 미리 기억되어 있다. 이러한 상관 관계는, 실험에 의해 계측된 값으로부터 얻어져도, 이론 계산에 의해 연산된 값으로부터 얻어져도 된다.
도 12는, 제1의 입력 파라미터 및 출력 파라미터의 관계를 나타내는 상관도이다. 도 12에 있어서, 세로축은 제1의 입력 파라미터(방사율비(Ku)), 가로축은 출력 파라미터(로그비(Ld))이다. 또, 실선은 휘도 온도(Save)의 값이 600℃(섭씨 온도 환산)에 있어서의 값을, 점선은 휘도 온도(Save)의 값이 500℃(섭씨 온도 환산)에 있어서의 값을, 일점 쇄선은 휘도 온도(Save)의 값이 400℃(섭씨 온도 환산)에 있어서의 값을, 이점 쇄선은 휘도 온도(Save)의 값이 300℃(섭씨 온도 환산)에 있어서의 값을, 굵은실선은 휘도 온도(Save)의 값이 200℃(섭씨 온도 환산)에 있어서의 값을, 굵은점선은 휘도 온도(Save)의 값이 100℃(섭씨 온도 환산)에 있어서의 값을, 각각의 측정값의 근사선으로 나타내고 있다. 또한, 도 12에 있어서, 막이 없는 규소에 의한 반도체 웨이퍼(W), 200nm의 SiN막이 성막된 반도체 웨이퍼(W), 500nm의 SiN막이 성막된 반도체 웨이퍼(W), 1000nm의 SiN막이 성막된 반도체 웨이퍼(W), 100nm의 SiO2막이 성막된 반도체 웨이퍼(W), 200nm의 SiO2막이 성막된 반도체 웨이퍼(W), 500nm의 SiO2막이 성막된 반도체 웨이퍼(W), 1000nm의 SiO2막이 성막된 반도체 웨이퍼(W)에 대해 실험한 결과가 나타내어져 있다.
단계 S14에 있어서, 도 12의 상관도에 의해 나타내어지는 상관 관계로부터 출력 파라미터로서의 방사율의 로그비(Ld)가 추정된다. 또한, 로그비(Ld)는 수학식 2에 의해 정의된다.
[수학식 2]
단계 S14에 있어서 추정된 로그비(Ld)에 의거하여, 반도체 웨이퍼(W)의 하면(이면)의 온도(T)가 측정된다(단계 S15). 반도체 웨이퍼(W)의 온도(T)가 측정되고 처리가 종료된다. 또한, 온도(T)의 산출은, 도 9에 있어서의 온도 산출부(36)에 의해 행해진다. 온도 산출부(36)는, 출력 파라미터 추정부(35)가 추정한 출력 파라미터(로그비(Ld))와 제1 방사 온도계(20a) 및 제2 방사 온도계(20b)가 검출한 각각의 휘도 온도(Sa) 및 휘도 온도(Sb)로부터 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 산출한다. 단계 S15에 있어서, 온도(T)는, 수학식 3에 의해 산출된다.
[수학식 3]
도 13은, 온도(T)의 추정값과 실측값의 관계를 나타내는 도면이다. 도 13에 있어서, 굵은점선은 본 실시 형태에 있어서의 온도 측정 방법에 의해 온도(T)가 산출된 값의 근사선을, 일점 쇄선은 일본국 특허공개 평5-215610호 공보에 기재된 방법에 의해 온도(T)가 산출된 값의 근사선을 나타내고 있다. 또, 도 13에 있어서, 세로축은 실측값을 나타내고, 가로축은 추정값을 나타내고 있다. 또한, 도 13에 있어서는, 실측값이 800℃ 이하의 경우를 나타내고 있다.
도 13에 나타내는 바와 같이, 일본국 특허공개 평5-215610호 공보에 기재된 방법에 의해 온도(T)가 산출되는 경우와 비교하여, 본 실시 형태에 있어서의 온도 측정 방법에 의해 온도(T)가 산출되는 경우가, 이상선에 가깝다. 즉, 본 실시 형태에 있어서의 온도 측정 방법에 의해 온도(T)가 산출되는 경우에는, 추정값이 실측값에 보다 가까워져 있는 것을 알 수 있다. 특히 실측값이 400℃ 이상의 경우에 있어서, 이것이 현저하게 나타내어져 있다.
도 10으로 돌아와, 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 소정 온도에 도달하면, 플래시 가열부(5)의 플래시 램프(FL)가 서셉터(74)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 상면에 플래시광 조사를 행한다(단계 S4). 이 때, 플래시 램프(FL)로부터 방사되는 플래시광의 일부는 직접 챔버(6) 내로 향하고, 다른 일부는 일단 리플렉터(52)에 의해 반사되고 나서 챔버(6) 내로 향하여, 이러한 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 상면의 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, 반도체 웨이퍼(W)의 상면의 온도는 극히 단시간 동안에 급격하게 상승한다. 또한, 반도체 웨이퍼(W)의 온도는, 단계 S3의 온도 측정이 계속적으로 행해지고, 감시되고 있어도 된다.
플래시광 조사가 종료된 후, 할로겐 램프(HL)가 소등한다. 이에 의해, 반도체 웨이퍼(W)가 급속히 강온한다. 강온 중의 반도체 웨이퍼(W)의 온도가, 상술의 단계 S3의 온도 측정이 계속적으로 행해져 측정되어도 된다. 그 측정 결과가 제어부(3)에 전달되어, 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 소정 온도까지 강온했는지 여부를 감시해도 된다. 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, 리프트핀(12)이 서셉터(74)의 상면으로부터 돌출되어 열처리 후의 반도체 웨이퍼(W)를 서셉터(74)로부터 수취한다. 이어서, 게이트 밸브(162)에 의해 폐쇄되어 있던 반송 개구부(66)가 개방되고, 리프트핀(12) 상에 재치된 반도체 웨이퍼(W)가 장치 외부의 반송 로봇에 의해 챔버(6)로부터 반출된다(단계 S5).
이상과 같이, 본 실시 형태에 있어서의 열처리 장치로서의 열처리 장치(160) 및 온도 측정 방법에 의하면, 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 정확하게 측정할 수 있다. 또, 본 실시 형태에 있어서는, 반도체 웨이퍼(W)의 비스듬한 하방으로부터 휘도 온도를 검출하는 점에서, 특히 반도체 웨이퍼(W)의 하면(이면)의 온도를 정확하게 측정할 수 있다.
＜제2의 실시의 형태＞
이하, 본 발명의 제2의 실시의 형태에 대해 설명한다. 도 14는, 제2 실시 형태에 있어서의 열처리 장치(260)의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
제2 실시 형태에 있어서의 열처리 장치(260)의 관통 구멍(61a)이 형성되어 있는 부위에는 방사 온도계(220)가 장착되어 있다. 관통 구멍(61a)의 내부에, 편광 필터 모듈(225)이 회전 가능하게 설치된다. 또, 방사 온도계(220)는, 반도체 웨이퍼(W)의 하면(이면)의 온도를 측정하는 적외선 센서(224)를 구비한다.
도 15는, 도 14의 부분 확대도이다. 도 15는, 열처리 장치(260)에 있어서의 방사 온도계(220) 및 반도체 웨이퍼(W)의 배치 관계를 상세하게 나타낸다. 또, 도 16은, 편광 필터 모듈(225)을 나타내는 평면도이다.
편광 필터 모듈(225)은, 적외선 센서(224)가 수광하는 광의 경로(Xf)의 도중에 배치된다. 편광 필터 모듈(225)은, 편광 필터(225a)와 편광 필터(225b)를 구비한다. 편광 필터(225a)는 S편광 필터이며, 편광 필터(225b)는 P편광 필터이다. 편광 필터 모듈(225)은, 도시하지 않는 모터에 의해, 회전축(Cf)을 중심으로 회전한다.
이에 의해, 적외선 센서(224)가 수광하는 광이, 편광 필터(225a)를 통과하는 광과, 편광 필터(225b)를 통과하는 광으로 전환된다. 즉, 적외선 센서(224)는, 수광하는 광의 경로(Xf)와 반도체 웨이퍼(W)의 이면의 법선(O)이 이루는 각도가 동일하고 상이한 2개의 편광 성분을 검출한다. 따라서, 제2 실시 형태에 있어서의 열처리 장치(260)는, 1개의 적외선 센서(224)에 의해, 2개의 휘도 온도를 얻을 수 있다.
＜제3의 실시의 형태＞
이하, 본 발명의 제3의 실시의 형태에 대해 설명한다. 제3 실시 형태에 있어서의 열처리 장치(360)의 구성도 또한, 도 14 및 도 15로 나타내어진다.
제3 실시 형태에 있어서는, 관통 구멍(61a)의 내부에, 분광 필터 모듈(325)이 회전 가능하게 설치된다. 도 17은, 분광 필터 모듈(325)을 나타내는 평면도이다.
분광 필터 모듈(325)은, 적외선 센서(324)가 수광하는 광의 경로(Xf)의 도중에 배치된다. 분광 필터 모듈(325)은, 분광 필터(325a)와 분광 필터(325b)를 구비한다. 분광 필터(325a)는 특정 파장을 얻는 필터이다. 또, 분광 필터(325b)는 분광 필터(325a)와 상이한 특정 파장을 얻는 필터이다. 분광 필터 모듈(325)은, 도시하지 않는 모터에 의해, 회전축(Cf)을 중심으로 회전한다.
이에 의해, 적외선 센서(324)가 수광하는 광이, 분광 필터(325a)를 통과하는 광과, 분광 필터(325b)를 통과하는 광으로 전환된다. 즉, 적외선 센서(324)는, 수광하는 광의 경로(Xf)와 반도체 웨이퍼(W)의 이면의 법선(O)이 이루는 각도가 동일하고 상이한 2개의 파장 성분을 검출한다. 따라서, 제3 실시 형태에 있어서의 열처리 장치(360)는, 1개의 적외선 센서(324)에 의해, 2개의 휘도 온도를 얻을 수 있다.
또한, 적외선 센서(324)에 의해 얻어지는 2개의 휘도 온도로부터 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 측정하는 경우에는, 상기의 수학식 1을 대신하여 하기의 수학식 4가, 상기 수학식 3을 대신하여 하기 수학식 5가 채용된다.
[수학식 4]
[수학식 5]
＜제4의 실시의 형태＞
이하, 본 발명의 제4의 실시의 형태에 대해 설명한다. 도 18은, 제4 실시 형태에 있어서의 열처리 장치(460)의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
제4 실시 형태에 있어서의 열처리 장치(460)는, 제1 실시 형태에 있어서의 열처리 장치(160)의 구성에 더하여, 챔버(6)의 온도를 측정하는 챔버 온도계(426)를 구비한다. 챔버 온도계(426)는, 예를 들면, 챔버(6)의 오목부(62)에 장착된다. 이에 의해, 제4 실시 형태에 있어서의 열처리 장치(460)는, 챔버 온도계(426)에 의해 챔버(6)의 내부의 온도를 얻을 수 있다. 제4 실시 형태에 있어서의 입력 파라미터 산출부는, 챔버(6)의 온도에 대응하는 제3의 입력 파라미터를 추가로 산출한다. 그리고, 출력 파라미터 추정 공정에서는, 제1의 입력 파라미터, 제2의 입력 파라미터 및 제3의 입력 파라미터에 의거하여 출력 파라미터를 추정한다.
제4 실시 형태에 있어서의 열처리 장치(460)는, 챔버(6)의 온도에 대응하는 제3의 입력 파라미터를 추가로 산출하는 점에서, 챔버(6)의 온도에도 관련될 수 있는 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 더욱 정확하게 측정할 수 있다.
＜제5의 실시의 형태＞
이하, 본 발명의 제5의 실시의 형태에 대해 설명한다. 도 19는, 제5 실시 형태에 있어서의 열처리 장치(560)의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 또, 도 20은, 도 19의 부분 확대도이다. 도 20은, 열처리 장치(560)에 있어서의 방사 온도계(520), 제1 미러(525), 제2 미러(526) 및 반도체 웨이퍼(W)의 배치 관계를 상세하게 나타낸다.
제5 실시 형태에 있어서의 열처리 장치(560)의 관통 구멍(61a)이 형성되어 있는 부위에는 방사 온도계(520)가 장착되어 있다. 또, 열처리 장치(560)는, 방사 온도계(520)를 향하여 광을 반사하기 위한 제1 미러(525) 및 제2 미러(526)를 추가로 구비한다.
제1 미러(525)는, 광의 경로(Xm)의 도중에 배치된다. 또, 제2 미러(526)는, 제1 미러(525)에 의해 반사된 광을, 또한 적외선 센서(524)로 향하여 반사한다.
이에 의해, 적외선 센서(524)는, 반도체 웨이퍼(W)로부터 적외선 센서(524)로 직접 향해지는 광과, 제1 미러(525) 및 제2 미러(526)를 통해 적외선 센서(524)로 향해지는 광을 수광한다. 즉, 적외선 센서(524)는, 경로(Xc, Xm)와 반도체 웨이퍼(W)의 이면의 법선(O)이 이루는 각도(α2, β2)가 서로 상이한 위치에 있어서 검출되는 복수의 휘도 온도를 검출한다. 따라서, 제5 실시 형태에 있어서의 열처리 장치(560)는, 1개의 적외선 센서(524)에 의해, 2개의 휘도 온도를 얻을 수 있다.
＜이상에 기재된 실시의 형태에 의해 발생하는 효과에 대해＞
다음에, 이상에 기재된 실시의 형태에 의해 발생하는 효과의 예를 나타낸다. 또한, 이하의 설명에 있어서는, 이상에 기재된 실시의 형태로 예가 나타내어진 구체적인 구성에 의거하여 당해 효과가 기재되는데, 동일한 효과가 발생하는 범위에서, 본원 명세서에 예가 나타내어지는 다른 구체적인 구성과 치환되어도 된다.
또, 당해 치환은, 복수의 실시의 형태에 걸쳐 이루어져도 된다. 즉, 상이한 실시의 형태에 있어서 예가 나타내어진 각각의 구성이 조합되어, 동일한 효과가 발생하는 경우여도 된다.
이상에 기재된 실시의 형태의 온도 측정 방법에 의하면, 반도체 웨이퍼(W)의 비스듬한 하방으로부터, 반도체 웨이퍼(W)의 휘도 온도를 검출하는 방사 온도 측정 공정과, 반도체 웨이퍼(W)의 방사율의 비에 대응하는 제1의 입력 파라미터와, 반도체 웨이퍼(W)의 온도에 대응하는 제2의 입력 파라미터라는 2개의 입력 파라미터를, 방사 온도 측정 공정에서 검출되는 휘도 온도로부터 산출하는 입력 파라미터 산출 공정과, 제1의 입력 파라미터와 제2의 입력 파라미터로부터 출력 파라미터를 추정하는 출력 파라미터 추정 공정과, 출력 파라미터 추정 공정에서 추정된 출력 파라미터와 방사 온도 측정 공정에서 검출된 휘도 온도로부터 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 산출하는 온도 산출 공정을 구비한다.
또, 출력 파라미터 추정 공정에서는, 제2의 입력 파라미터에 의해 규정되는 제1의 입력 파라미터와 출력 파라미터의 상관 관계에 의거하여 상기 출력 파라미터를 추정한다.
또, 제1 및 제4의 실시 형태의 온도 측정 방법에 의하면, 제1 방사 온도계(20a) 및 제2 방사 온도계(20b)에 의해, 방사 온도 측정 공정은, 수광하는 광의 경로(Xa, Xb)와 반도체 웨이퍼(W)의 이면의 법선(O)이 이루는 각도(α, β)가 서로 상이한 위치에 있어서 검출되는 복수의 휘도 온도가 검출된다.
또, 제2 실시 형태의 온도 측정 방법에 의하면, 방사 온도 측정 공정은, 수광하는 광의 경로(Xf)와 반도체 웨이퍼(W)의 이면의 법선(O)이 이루는 각도가 동일하고 상이한 2개의 편광 성분을 검출한다.
또, 제3 실시 형태의 온도 측정 방법에 의하면, 방사 온도 측정 공정은, 수광하는 광의 경로(Xf)와 반도체 웨이퍼(W)의 이면의 법선(O)이 이루는 각도가 동일하고 상이한 2개의 파장 성분을 검출한다.
또, 제4 실시 형태의 온도 측정 방법에 의하면, 반도체 웨이퍼(W)는 챔버(6)에 수용된 상태로 가열되고, 입력 파라미터 산출 공정은, 챔버(6)의 온도에 대응하는 제3의 입력 파라미터를 추가로 산출하고, 출력 파라미터 추정 공정에서는, 제1의 입력 파라미터, 제2의 입력 파라미터 및 제3의 입력 파라미터에 의거하여 출력 파라미터를 추정한다.
이러한 구성에 의하면, 방사율이 미지수인 경우에도, 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 정확하게 측정할 수 있다. 또, 방사 온도 측정 공정은, 반도체 웨이퍼(W)의 비스듬한 하방으로부터 휘도 온도를 검출하는 점에서, 반도체 웨이퍼(W)의 이면의 온도를 정확하게 측정할 수 있다. 또, 제4 실시 형태의 구성에 의하면, 입력 파라미터 산출 공정은, 챔버(6)의 온도에 대응하는 제3의 입력 파라미터를 추가로 산출하는 점에서, 챔버(6)의 온도에도 관련될 수 있는 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 정확하게 측정할 수 있다.
또, 이상에 기재된 실시의 형태의 열처리 장치(160, 260, 360, 460, 560)에 의하면, 반도체 웨이퍼(W)에 광을 조사함으로써 반도체 웨이퍼(W)를 가열하는 열처리 장치(160, 260, 360, 460, 560)로서, 반도체 웨이퍼(W)를 수용하는 챔버(6)와, 챔버(6) 내에서 반도체 웨이퍼(W)를 재치하여 유지하는 서셉터(74)와, 서셉터(74)의 비스듬한 하방에 설치되고, 반도체 웨이퍼(W)의 휘도 온도를 검출하는 제1 방사 온도계(20a), 제2 방사 온도계(20b)(또는 방사 온도계(220, 320, 520))와, 반도체 웨이퍼(W)의 방사율비에 대응하는 제1의 입력 파라미터와, 반도체 웨이퍼(W)의 온도에 대응하는 제2의 입력 파라미터라는 2개의 입력 파라미터를, 제1 방사 온도계(20a), 제2 방사 온도계(20b)(또는 방사 온도계(220, 320, 520))에 의해 검출되는 휘도 온도로부터 산출하는 입력 파라미터 산출부(34)와, 제1의 입력 파라미터와 제2의 입력 파라미터로부터 출력 파라미터를 추정하는 출력 파라미터 추정부(35)와, 출력 파라미터 추정부(35)가 추정한 출력 파라미터와 제1 방사 온도계(20a), 제2 방사 온도계(20b)(또는 방사 온도계(220, 320, 520))가 검출한 휘도 온도로부터 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 산출하는 온도 산출부(36)를 구비한다. 또, 출력 파라미터 추정부(35)는, 제2의 입력 파라미터에 의해 규정되는 제1의 입력 파라미터와 출력 파라미터의 상관 관계에 의거하여 출력 파라미터를 추정한다.
또, 제1, 제4 및 제5의 실시 형태의 열처리 장치(160, 460, 560)에 의하면, 수광하는 광의 경로와 반도체 웨이퍼(W)의 이면의 법선(O)이 이루는 각도(α, β)(또는 각도(α2, β2))가 서로 상이한 2개의 제1 방사 온도계(20a), 제2 방사 온도계(20b)를 구비한다.
이러한 구성에 의하면, 방사율이 미지수인 경우에도, 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 정확하게 측정할 수 있다.
또한, 상기의 구성에 본원 명세서에 예가 나타내어진 다른 구성을 적절히 추가했을 경우, 즉, 상기의 구성으로서는 언급되지 않았던 본원 명세서 중의 다른 구성이 적절히 추가되었을 경우에도, 동일한 효과를 발생시킬 수 있다.
＜이상에 기재된 실시의 형태의 변형예에 대해＞
이상에 기재된 실시의 형태에서는, 각각의 구성요소의 재질, 재료, 치수, 형상, 상대적 배치 관계 또는 실시의 조건 등에 대해서도 기재하는 경우가 있는데, 이들은 모든 국면에 있어서 1개의 예이며, 본원 명세서에 기재된 것에 한정되는 경우는 없는 것으로 한다.
따라서, 예가 나타내어지지 않은 무수한 변형예, 및, 균등물이, 본원 명세서에 개시되는 기술의 범위 내에 있어서 상정된다. 예를 들면, 적어도 1개의 구성요소를 변형하는 경우, 추가하는 경우 또는 생략하는 경우, 나아가서는, 적어도 1개의 실시의 형태에 있어서의 적어도 1개의 구성요소를 추출하고, 다른 실시의 형태에 있어서의 구성요소와 조합하는 경우가 포함되는 것으로 한다.
또한, 상술한 실시 형태에 있어서는, 제2의 입력 파라미터로서 휘도 온도가 채용되는데, 이것에 한정되지 않는다. 제2의 입력 파라미터는, 휘도여도 된다.
또, 상술한 실시 형태에 있어서는, 출력 파라미터로서의 방사율의 로그비(Ld)가 채용되는데, 이것에 한정되지 않는다. 출력 파라미터는, 방사율의 비여도, 방사율이어도 된다. 또한, 방사율은, 하기의 수학식 6 및 수학식 7로 나타내어진다.
[수학식 6]
[수학식 7]
또, 상술한 실시 형태에 있어서는, 제1 방사 온도계(20a), 제2 방사 온도계(20b), 방사 온도계(220, 320, 520)는 모두, 반도체 웨이퍼(W)의 비스듬한 하방으로부터 반도체 웨이퍼(W)의 휘도 온도를 검출하는 구성이 채용되는데, 이것에 한정되지 않는다. 방사 온도계는, 반도체 웨이퍼(W)의 비스듬한 상방으로부터 반도체 웨이퍼(W)의 휘도 온도를 검출하는 구성이어도 된다.
또, 상술한 제1 및 제4의 실시 형태에 있어서는, 제1 방사 온도계(20a) 및 제2 방사 온도계(20b)에 의해, 수광하는 광의 각각의 경로(Xa, Xb)와 반도체 웨이퍼(W)의 이면의 법선(O)이 이루는 각도(α, β)가 서로 상이한 위치에 있어서 검출되는 2개의 휘도 온도를 검출하는 구성이 채용되는데, 이것에 한정되지 않는다. 3 이상의 복수의 방사 온도계에 의해, 서로 상이한 복수의 신호를 검출하는 구성으로 해도 된다.
또, 상술한 제4 실시 형태에 있어서는, 입력 파라미터 산출부(34)는, 챔버(6)의 온도에 대응하는 제3의 입력 파라미터를 추가로 산출하고, 출력 파라미터 추정 공정에서는, 제1의 입력 파라미터, 제2의 입력 파라미터 및 제3의 입력 파라미터에 의거하여 출력 파라미터를 추정하는 구성이 채용되는데, 이것에 한정되지 않는다. 제3의 입력 파라미터는, 챔버(6)의 내부의 분위기의 온도여도 된다.
또, 이상에 기재된 실시의 형태에 있어서, 특별히 지정되지 않고 재료명 등이 기재되었을 경우는, 모순이 발생하지 않는 한, 당해 재료에 다른 첨가물이 포함된, 예를 들면, 합금 등이 포함되는 것으로 한다.
3: 제어부 4: 할로겐 가열부
5: 플래시 가열부 6: 챔버
7: 유지부 10: 이재 기구
11: 이재 아암 12: 리프트핀
13: 수평 이동 기구 14: 승강 기구
20a: 제1 방사 온도계 20b: 제2 방사 온도계
21a, 21b: 투명창 22a, 22b: 온도 측정 유닛
24a, 24b: 적외선 센서 31: 입력부
32: 기억부 33: 표시부
34: 입력 파라미터 산출부 35: 출력 파라미터 추정부
36: 온도 산출부 41: 하우징
51: 하우징 52: 리플렉터
53: 램프광 방사창 61: 챔버 하우징
61a, 61b: 관통 구멍 62: 오목부
63: 상측 챔버창 64: 하측 챔버창
65: 열처리 공간 66: 반송 개구부
68: 반사링 71: 기대링
72: 연결부 74: 서셉터
75: 유지 플레이트 75a: 유지면
76: 가이드링 77: 지지핀
78: 개구부 79: 관통 구멍
81: 가스 공급 구멍 82: 완충 공간
83: 가스 공급관 84: 밸브
85: 처리 가스 공급원 86: 가스 배기 구멍
89, 192: 밸브
160, 260, 360, 460, 560: 열처리 장치
162: 게이트 밸브 190: 배기부
191: 가스 배기관 220, 320, 520: 방사 온도계
224, 324, 524: 적외선 센서 225: 편광 필터 모듈
225a, 225b: 편광 필터 325: 분광 필터 모듈
325a, 325b: 분광 필터 426: 챔버 온도계
525: 제1 미러 526: 제2 미러
Cf: 회전축 O: 법선
Sa, Save, Sb: 휘도 온도 T: 온도
W: 반도체 웨이퍼

Claims (14)

  1. 광 조사에 의해 가열되는 기판의 온도를 측정하는 온도 측정 방법으로서,
    상기 기판의 비스듬한 상방 또는 비스듬한 하방으로부터, 상기 기판의 휘도 온도를 검출하는 방사 온도 측정 공정과,
    상기 기판의 방사율의 비에 대응하는 제1의 입력 파라미터와, 상기 기판의 온도에 대응하는 제2의 입력 파라미터라는, 적어도 2개의 입력 파라미터를, 상기 방사 온도 측정 공정에서 검출되는 상기 휘도 온도로부터 산출하는 입력 파라미터 산출 공정과,
    상기 제1의 입력 파라미터와 상기 제2의 입력 파라미터로부터 출력 파라미터를 추정하는 출력 파라미터 추정 공정과,
    상기 출력 파라미터 추정 공정에서 추정된 상기 출력 파라미터와 상기 방사 온도 측정 공정에서 검출된 상기 휘도 온도로부터 상기 기판의 온도를 산출하는 온도 산출 공정을 구비하는, 온도 측정 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 출력 파라미터 추정 공정에서는, 상기 제2의 입력 파라미터에 의해 규정되는 상기 제1의 입력 파라미터와 상기 출력 파라미터의 상관 관계에 의거하여 상기 출력 파라미터를 추정하는, 온도 측정 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 방사 온도 측정 공정은, 수광하는 광의 경로와 상기 기판의 표면 또는 이면의 법선이 이루는 각도가 서로 상이한 복수의 방사 온도계에 의해 복수의 상기 휘도 온도가 검출되는, 온도 측정 방법.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 방사 온도 측정 공정은, 수광하는 광의 경로와 상기 기판의 표면 또는 이면의 법선이 이루는 각도가 동일하고 상이한 2개의 편광 성분을 검출하는, 온도 측정 방법.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 방사 온도 측정 공정은, 수광하는 광의 경로와 상기 기판의 표면 또는 이면의 법선이 이루는 각도가 동일하고 상이한 2개의 파장 성분을 검출하는, 온도 측정 방법.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제2의 입력 파라미터는 휘도인, 온도 측정 방법.
  7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 출력 파라미터는 상기 방사율의 로그의 비인, 온도 측정 방법.
  8. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 출력 파라미터는 상기 방사율의 비인, 온도 측정 방법.
  9. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 출력 파라미터는 상기 방사율인, 온도 측정 방법.
  10. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 방사 온도 측정 공정은, 상기 기판의 비스듬한 하방으로부터 상기 기판의 상기 휘도 온도를 검출하는, 온도 측정 방법.
  11. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 기판은 챔버에 수용된 상태로 가열되고,
    상기 입력 파라미터 산출 공정은, 상기 챔버의 온도에 대응하는 제3의 입력 파라미터를 추가로 산출하고,
    상기 출력 파라미터 추정 공정에서는, 상기 제1의 입력 파라미터, 상기 제2의 입력 파라미터 및 상기 제3의 입력 파라미터에 의거하여 상기 출력 파라미터를 추정하는, 온도 측정 방법.
  12. 기판에 광을 조사함으로써 당해 기판을 가열하는 열처리 장치로서,
    상기 기판을 수용하는 챔버와,
    상기 챔버 내에서 상기 기판을 재치(載置)하여 유지하는 서셉터와,
    상기 서셉터의 비스듬한 상방 또는 비스듬한 하방에 설치되고, 상기 기판의 휘도 온도를 검출하는 방사 온도계와,
    상기 기판의 방사율비에 대응하는 제1의 입력 파라미터와, 상기 기판의 온도에 대응하는 제2의 입력 파라미터라는, 적어도 2개의 입력 파라미터를, 상기 방사 온도계에 의해 검출되는 상기 휘도 온도로부터 산출하는 입력 파라미터 산출부와,
    상기 제1의 입력 파라미터와 상기 제2의 입력 파라미터로부터 출력 파라미터를 추정하는 출력 파라미터 추정부와,
    상기 출력 파라미터 추정부가 추정한 상기 출력 파라미터와 상기 방사 온도계가 검출한 상기 휘도 온도로부터 상기 기판의 온도를 산출하는 온도 산출부를 구비하는, 열처리 장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 출력 파라미터 추정부는, 상기 제2의 입력 파라미터에 의해 규정되는 상기 제1의 입력 파라미터와 상기 출력 파라미터의 상관 관계에 의거하여 상기 출력 파라미터를 추정하는, 열처리 장치.
  14. 청구항 12 또는 청구항 13에 있어서,
    상기 방사 온도계는, 수광하는 광의 경로와 상기 기판의 표면 또는 이면의 법선이 이루는 각도가 서로 상이한 복수의 방사 온도계를 구비하는, 열처리 장치.
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