(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に熱処理を施す熱処理装置であって、
基板を保持する保持手段と、
前記保持手段に保持された基板を加熱する熱源と、
前記保持手段に保持された基板に対向して配置されるとともに、穴を備え、かつ基板からの熱放射を反射する反射板と、
前記基板と前記反射板との間の熱放射であって、前記穴の開口部に配置された石英ガラス板を透過した熱放射の放射強度を計測する放射強度計測手段と、
前記保持手段に保持された基板に対向する前記穴の開口部の前記石英ガラス板と前記放射強度計測手段との間に設けられるとともに、前記穴の実効反射率を複数の実効反射率の間で切り替える実効反射率切り替え手段と、
前記放射強度計測手段によって前記複数の実効反射率のそれぞれについて計測された複数の放射強度に基づいて基板の温度を算出する温度算出手段と、
を備え、
前記保持手段と、前記保持手段によって保持された前記基板と、前記反射板との間に閉空間を形成し、
前記放射強度計測手段および前記実行反射率切り替え手段は、前記穴の下方に設けられたケーシングに収容されていることを特徴とする熱処理装置。
【請求項２】
請求項１に記載の熱処理装置であって、
前記実効反射率切り替え手段が、
前記保持手段に保持された基板に対向して設けられ、開孔と熱放射を反射する部分とを備える反射板と、
前記反射板を回転させる駆動手段と、
を備えることを特徴とする熱処理装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の熱処理装置であって、
前記放射強度計測手段によって計測される熱放射の、ほぼ計測波長のみを透過するフィルタを前記石英ガラス板と前記放射強度計測手段との間に備えることを特徴とする熱処理装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の熱処理装置であって、
前記温度算出手段により算出された基板の温度に基づき前記熱源へ供給される加熱用電力を制御する制御手段を備えることを特徴とする熱処理装置。
【請求項５】
請求項４に記載の熱処理装置であって、
前記熱源が複数の加熱領域に分割されているとともに、当該複数の加熱領域のそれぞれに対して前記反射板に前記穴および前記放射強度計測手段が設けられているものであって、
前記複数の加熱領域ごとに算出された基板の温度に基づいて、前記熱源における前記複数の加熱領域ごとに供給される加熱用電力を制御することを特徴とする熱処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体ウエハ、フォトマスク用ガラス基板、液晶表示用ガラス基板、光ディスク用基板等の基板（以下、単に「基板」という。）に熱処理を施す熱処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から基板に熱処理を施すランプアニール等の熱処理装置では、処理精度を上げるため処理対象の基板の温度を計測して温度を制御しつつ熱処理を施している。そのうち、放射温度計により基板の温度を計測する熱処理装置では水平に保持された基板の上方にランプ等の熱源を備え、下方に基板に対向するように反射板を備え、その反射板に２つの口径または形状の異なる（したがって、実効反射率の異なる）キャビティ（空洞）を設け、それらキャビティ内のそれぞれに、基板に向けて石英ロッド製等のプローブを設け、さらに、それらにより捉えた熱放射をそれぞれ異なる放射温度計に導いて、基板の温度を求めている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の従来装置においては、基板温度の計測のためのプローブおよび放射温度計を２つずつ以上備えるため、それぞれに個体誤差が発生して温度計測精度を低下させるとともに、装置の製造コストがかさむ原因となっていた。
【０００４】
この発明は、従来技術における上述の問題の克服を意図しており、温度計測の精度が高く、装置の製造コストを抑えた熱処理装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、この発明の請求項１の装置は、基板に熱処理を施す熱処理装置であって、基板を保持する保持手段と、前記保持手段に保持された基板を加熱する熱源と、前記保持手段に保持された基板に対向して配置されるとともに、穴を備え、かつ基板からの熱放射を反射する反射板と、前記基板と前記反射板との間の熱放射であって、前記穴の開口部に配置された石英ガラス板を透過した熱放射の放射強度を計測する放射強度計測手段と、前記保持手段に保持された基板に対向する前記穴の開口部の前記石英ガラス板と前記放射強度計測手段との間に設けられるとともに、前記穴の実効反射率を複数の実効反射率の間で切り替える実効反射率切り替え手段と、前記放射強度計測手段によって前記複数の実効反射率のそれぞれについて計測された複数の放射強度に基づいて基板の温度を算出する温度算出手段と、を備え、前記保持手段と、前記保持手段によって保持された前記基板と、前記反射板との間に閉空間を形成し、前記放射強度計測手段および前記実行反射率切り替え手段は、前記穴の下方に設けられたケーシングに収容されていることを特徴とする。
【０００６】
また、この発明の請求項２の装置は、請求項１に記載の熱処理装置であって、前記実効反射率切り替え手段が、前記保持手段に保持された基板に対向して設けられ、開孔と熱放射を反射する部分とを備える反射板と、前記反射板を回転させる駆動手段と、を備える。
【０００８】
また、この発明の請求項３の装置は、請求項１または請求項２に記載の熱処理装置であって、前記放射強度計測手段によって計測される熱放射の、ほぼ計測波長のみを透過するフィルタを前記石英ガラス板と前記放射強度計測手段との間に備える。
【０００９】
また、この発明の請求項４の装置は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の熱処理装置であって、前記温度算出手段により算出された基板の温度に基づき前記熱源へ供給される加熱用電力を制御する制御手段を備える。
【００１０】
また、この発明の請求項５の装置は、請求項４に記載の熱処理装置であって、前記熱源が複数の加熱領域に分割されているとともに、当該複数の加熱領域のそれぞれに対して前記反射板に前記穴および前記放射強度計測手段が設けられているものであって、前記複数の加熱領域ごとに算出された基板の温度に基づいて、前記熱源における前記複数の加熱領域ごとに供給される加熱用電力を制御することを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
＜１．実施の形態の機構的構成＞
図１はこの発明の第１の実施の形態である熱処理装置１の縦断面図である。以下、図１を参照しつつこの装置の構成を説明していく。
【００１５】
第１の実施の形態である熱処理装置１は主に炉体１０、ランプ２０、石英ガラス３０、基板保持回転部４０、温度計測部５０、制御部６０、ランプドライバ８０、モータドライバ９０を備えている。
【００１６】
炉体１０は上部をリフレクタ１１０、下部をハウジング１２０とする円筒形状の炉体１０であり、それらの内部等には冷媒を通して冷却する多数の冷却管１３０が設けられている。また、炉体１０の側面には基板搬出入口ＥＷが設けられており、加熱処理の際には図示しない外部搬送装置により基板Ｗまたは基準基板ＳＷの搬出入が行われる。
【００１７】
ランプ２０は「熱源」に相当し、リフレクタ１１０の下面に多数設けられ（図１，図５には一部にのみ参照番号を記載）点灯時にはその熱放射により基板Ｗまたは基準基板ＳＷを加熱する。
【００１８】
石英ガラス３０はランプ２０の下方に設けられ、それによる熱放射を透過する。
【００１９】
基板保持回転部４０は、基板Ｗまたは後述する基準基板ＳＷの周縁部分を全周に渡って保持する保持リング４１０が、その直径より大きな内径の円筒の支持脚４２０により支持されるとともに、それら支持脚４２０の下端には、その外周に沿ってベアリング４３０が設けられている。そして、ベアリング４３０の外周に設けられたギアに基板回転モータ４４０の回転軸のギア４４１がかみ合っており、その駆動により保持リング４１０が鉛直方向を軸として回転可能となっている。
【００２０】
温度計測部５０は後に詳述するが基板Ｗまたは基準基板ＳＷからの熱放射の多重反射を考慮した放射強度（放射エネルギー）を計測し、それを基に基板温度等を求め、それらの信号を制御部６０に送る。
【００２１】
制御部６０は内部にＣＰＵおよびメモリを備え、後に詳述するように、後述のランプドライバ８０にランプ２０の温度制御信号を送ったり、後述のモータドライバ９０に所定のタイミングで駆動信号を送ったりする。
【００２２】
ランプドライバ８０は制御部６０からの温度制御信号を受けて、それに応じた電力をランプ２０に供給する。
【００２３】
モータドライバ９０は制御部６０からの駆動信号を受けて、それに応じた電力を基板回転モータ４４０に供給する。
【００２４】
つぎに、主要部についてさらに詳細に説明していく。
【００２５】
図１に示すように、温度計測部５０は主に、反射板５１０、計測ユニット５２０、モータドライバ５３０、基準プローブ５４０、基準ディテクタ５４５、演算部５５０を備えている。
【００２６】
図２は温度計測部５０における計測ユニット５２０付近の断面模式図である。温度計測部５０においてハウジング１２０上面には反射板５１０が設けられており、その反射板５１０には、それを貫通する円筒形状の穴５１０ａが設けられている。さらに、その穴５１０ａの下方のハウジング１２０内には計測ユニット５２０のケーシング５２１が取り付けられ、そのケーシング５２１の上部には穴５１０ａ内面に密着して円筒状の空洞部ＣＰが設けられている。
【００２７】
また、ケーシング５２１内面は全面にアルミニウム等の金属を蒸着することにより反射率が高められているとともに、ケーシング５２１の外周にはハウジング１２０内部に設けられているものと同様の冷却管１３０が設けられており、これらによりケーシング５２１内部の温度上昇を抑えて、基板温度の測定精度を高めている。
【００２８】
また、ケーシング５２１内には反射板の穴５１０ａの開口部ＯＰに石英ガラス板５２２が設けられ、その石英ガラス板５２２の下面にフィルタ５２３が密着して設けられている。フィルタ５２３は石英ガラス板５２２の下面全体にＴｉＯ２等の金属酸化物を蒸着したものである。
【００２９】
図３はフィルタ５２３の波長による分光特性を示す図であり、図３（ａ）は反射率の、図３（ｂ）は透過率の特性を表している。図示のようにフィルタ５２３は、後に詳述するディテクタ５２６による測定波長の近傍の波長域の熱放射のみ透過し、（図３（ｂ）参照）他の波長域の熱放射はほぼ完全に反射する（図３（ａ）参照）特性を持ったものとなっている。これにより、熱放射のケーシング５２１内への進入を必要最小限とすることができるので、ケーシング５２１内部およびディテクタ５２６が熱せられにくく、高い測定精度を実現することができる。
【００３０】
なお、前述のように、基板保持回転部４０の支持脚４２０は円筒状であるので、保持リング４１０により基板Ｗまたは基準基板ＳＷを保持する際には、それらと反射板５１０との間に閉空間を形成する。そのため、ランプ２０からの熱放射が直接またはハウジング１２０の内面等により反射して、基板Ｗ等を経ないで穴５１０ａに進入してディテクタ５２６に至るのを防いでいる。これにより、ディテクタ５２６による放射強度の計測を正確なものにしている。
【００３１】
また、図２に示すようにケーシング５２１内において反射板５１０の穴５１０ａ部分の下端近傍には回転式セクタ５２４がその板面をほぼ水平にして、図示しない支持部材によりケーシング５２１内に支持されたモータ５２５に取り付けられている。なお、回転式セクタ５２４とモータ５２５とを併せたものが「実効反射率切り替え手段」に相当する。
【００３２】
図４は回転式セクタ５２４の平面図である。この実施の形態における回転式セクタ５２４は円盤のうち、直交する２本の直径で４等分されたうちの隣り合わない２つの扇形部分である反射部ＲＰに弧状のスリットＳＬが設けられるとともに、他の扇形部分は除去され、切り欠き部ＮＰとなった形状となっている。そして、その中心ＣＥがモータ５２５の回転軸５２５ａに取り付けられている（図２参照）。そのため、モータ５２５の回転により回転式セクタ５２４は、その板面に平行な平面内で回転自在となっている。
【００３３】
また、回転式セクタ５２４表面にはアルミニウム等の金属が蒸着され、その面に入射した放射光を反射する。そのため、モータ５２５の駆動により回転式セクタ５２４が回転すると、穴５１０ａに進入した放射光は回転式セクタ５２４の反射部ＲＰが空洞部ＣＰの下部に位置するときと、切り欠き部ＮＰが位置するときとで、放射光の下方への透過および上方への反射の状況が異なる、すなわち後述するように実効反射率が異なるものとなる。
【００３４】
このように、この実施の形態における回転式セクタ５２４は回転対称の形状であるため回転の安定性が高い。
【００３５】
また、図２に示すように、ディテクタ５２６は、ケーシング５２６ａ内に結像レンズ５２６ｂ、Ｓｉホトセル５２６ｃ、増幅回路５２６ｄを備え、結像レンズ５２６ｂに入射した放射光を電圧すなわち、後述する多重反射を考慮した放射強度Ｌ１，Ｌ２を表す電気信号に変換し、演算部５５０に送る。そして、演算部５５０はＣＰＵおよびメモリを備えており、後に詳述するように主に多重反射を考慮した放射強度Ｌ１，Ｌ２をもとに基板温度ＴＷおよび基準基板ＳＷの温度Ｔｒｅｆを算出する。なお、ディテクタ５２６は演算部５５０とともに放射温度計を形成している。
【００３６】
図６および図７により後に詳述するように、矢印のように基板Ｗまたは基準基板ＳＷからの下方への熱放射のうちの一部が反射板５１０の穴５１０ａあるいはその近傍の反射板５１０上面に入射すると穴５１０ａの内周面または近傍の反射板５１０上面により反射され基板Ｗまたは基準基板ＳＷとの間で多重反射した後、回転式セクタ５２４を通過して、その下方のディテクタ５２６の結像レンズ５２６ｂに入射する。
【００３７】
また、図１に示すように、反射板５１０の穴５１０ａに隣接する位置には反射板５１０およびハウジング１２０を貫通するように基準プローブ５４０を取り付けるための取付け穴ＡＨが設けられている。
【００３８】
また、基準プローブ５４０は入射する熱放射を伝えるための石英ロッドあるいはサファイアロッドおよび、それに接続された光ファイバーからなり、基準基板ＳＷからの熱放射をディテクタ５２６と同様の構造の基準ディテクタ５４５に送る。
【００３９】
なお、基準プローブ５４０は取付け穴ＡＨに着脱自在となっているとともに、基準ディテクタ５４５も図示しない支持部材に対して着脱自在となっている。そして、後述の実効反射率ρｒ１，ρｒ２の計測の際には作業者により基準プローブ５４０がハウジング１２０に取り付けられ、基準ディテクタ５４５が基準プローブ５４０に接続された光ファイバーに接続されるとともに、演算部５５０に電気的に接続された状態でこの装置に取り付けられる。逆に、基板Ｗの加熱処理時には、それらは取り外される。そして、図示のように基準プローブ５４０は取付け穴ＡＨに取り付けられた状態では基準基板ＳＷの下面近傍にその先端が位置するようになっている。これにより基準ディテクタ５４５により放射強度を測定する際には基準基板ＳＷとの間に多重反射を起こさないで直接熱放射を捉えられるようになっている。なお、基準プローブ５４０、基準ディテクタ５４５および演算部５５０を併せたものが「基準基板温度計測手段」に相当する。
【００４０】
そして、基準ディテクタ５４５も基準プローブ５４０を介して入射する基準基板から発せられた熱放射を直接受けて、電圧すなわち基準放射強度を表す電気信号に変換し、演算部５５０に送り、そこで基準基板の温度が算出される。すなわち、基準ディテクタ５４５と演算部５５０は放射温度計を形成する。
【００４１】
図５はこの実施の形態の熱処理装置１の平面的な構成を示す図である。ランプ２０は長尺のタングステンハロゲンランプがその長手方向を平行として複数本並設された加熱ゾーンＺ１〜Ｚ５に分割されている。そして各加熱ゾーンＺ１〜Ｚ５には、それぞれ穴５１０ａ、取付け穴ＡＨとともに、図示しない計測ユニット５２０、モータドライバ５３０、および着脱自在に基準プローブ５４０、基準ディテクタ５４５、が設けられている。なお、これらは図１においては１組のみ表示している。さらに、各加熱ゾーンＺ１〜Ｚ５におけるディテクタ５２６および基準ディテクタ５４５は演算部５５０に電気的に接続され、モータドライバ５３０は制御部６０に接続されている。そして、各加熱ゾーンＺ１〜Ｚ５毎に後述のような基板Ｗまたは基準基板ＳＷの温度計測を行うとともに、それを基に各加熱ゾーンごとにランプ２０に供給する加熱用電力の制御（温度制御）を行っている。
【００４２】
＜２．発明の原理＞
以下においてこの発明に使用する温度計測方法について、実施の形態に即して説明していく。
【００４３】
一般に、黒体から放射される電磁波の放射発散度の分光密度はプランクの放射公式で与えられるが、放射温度計（パイロメータ）により黒体を計測する場合には、そのプランクの放射公式をもとに、放射温度計により計測される特定の波長領域における黒体の温度Ｔと計測される熱放射の放射強度Ｌｂ（Ｔ）との関係は放射温度計の光学系等によって決まる計測器定数Ａを用いて次式で近似される。
【００４４】
【数１】
0003594792.tif 000002
【００４５】
ここで放射指数ｎは一般に波長λ、プランクの第２定数Ｃ２を用いて次式で近似される。
【００４６】
【数２】
0003594792.tif 000003
【００４７】
なお、放射指数ｎおよび計測器定数Ａは放射温度計に固有の値として予め求められており、さらに、放射温度計は黒体炉を用いて予め温度Ｔと黒体炉の放射強度Ｌｂ（Ｔ）の関係が校正されている。
【００４８】
また、数１の式を温度Ｔについて解くと次式となる。
【００４９】
【数３】
0003594792.tif 000004
【００５０】
さらに、一般に、温度Ｔの灰色体の放射強度Ｌ（Ｔ）と黒体の放射強度Ｌｂ（Ｔ）の関係は次式で表される。
【００５１】
【数４】
0003594792.tif 000005
【００５２】
ここで、εは灰色体の放射率であり、一般にε＜１である。
【００５３】
以下、このような放射温度計として、ディテクタ５２６および演算部５５０または基準プローブ５４０、基準ディテクタ５４５および演算部５５０を用い、上記のような装置構成により、反射板５１０の近くに対向した状態で位置する基板Ｗの温度を計測する場合について考える。図６および図７はそれぞれ穴５１０ａが両端開口状態および一端開口状態の反射板５１０等と基板Ｗとの間の多重反射を説明するための図である。なお、図６の穴５１０ａの上下両端が光学的に開口の状態となった両端開口状態には、回転式セクタ５２４の切り欠き部ＮＰが穴５１０ａの下方に位置する状態が相当しており、図７の穴５１０ａの上端が光学的に開口の状態となり、下端は一部のみ光学的に開口の状態となった一端開口状態には、回転式セクタ５２４の反射部ＲＰが穴５１０ａの下方に位置する状態が対応している。また、基板Ｗまたは基準基板ＳＷと反射板５１０との間の空間および石英ガラス板５２２と回転式セクタ５２４との間の空間を以下において多重反射空洞と呼ぶ。
【００５４】
図６において、基板Ｗからの熱放射は、多重反射空洞内の反射板５１０等により反射された後、再度、基板Ｗに至って反射される。以下同様にして基板Ｗと反射板５１０、ケーシング５２１の空洞部ＣＰの内壁面および回転式セクタ５２４の反射部ＲＰの上面等とによる反射により、多重反射空洞内を熱放射が往復する多重反射が発生する。なお、この多重反射の間に熱放射は石英ガラス板５２２によりほぼ完全に透過され、前述のようにディテクタ５２６の測定波長域の熱放射はフィルタ５２３によりほぼ完全に透過されている。以下、この様な多重反射の後に、穴５１０ａの下方のディテクタ５２６により捉えられる熱放射の放射強度について考える。
【００５５】
基板温度ＴＷの基板Ｗから放射された熱放射が反射板５１０、穴５１０ａの内壁面および回転式セクタ５２４の上面等（これらによる実質的な反射率を実効反射率ρｒ１と表す）に至り再び基板Ｗに戻り、さらに基板Ｗ（基板放射率εＷ、基板反射率ρＷと表す）により反射された後の放射強度は基板Ｗによる元の熱放射の放射強度Ｌ（ＴＷ）に対してρｒ１ρＷ倍となる。同様にして、この熱放射が多重反射空洞内において多重反射した後に穴５１０ａの下方に至る（すなわち、ディテクタ５２６に入射する）。その際の多重反射後の最終的な放射強度は初項Ｌ（ＴＷ）、公比ρｒ１ρＷの無限等比級数として表わされ、公比ρｒ１ρＷは「１」未満であるので収束し、次式となる。
【００５６】
【数５】
0003594792.tif 000006
【００５７】
さらに、数４の式を用いて基板Ｗの放射強度Ｌ（ＴＷ）の代わりに基板温度ＴＷにおける黒体の放射強度Ｌｂ（ＴＷ）で表わすと次式となる。
【００５８】
【数６】
0003594792.tif 000007
【００５９】
ただし、ここで、基板Ｗにおける熱放射の透過がないとして次式を用いた。
【００６０】
【数７】
0003594792.tif 000008
【００６１】
数６の式で多重反射後の放射強度Ｌ１（ＴＷ）に計測値を用いることにし、実効反射率ρｒ１および黒体の放射強度Ｌｂ（Ｔ）の関数形は既知であるとすると、未知数は基板放射率εＷと基板温度ＴＷである。したがって、この式のみでは基板温度ＴＷを求めることはできない。そこで、この発明では上記と実効反射率が異なる状態を人為的に作り、その実効反射率のもとに数６の式と同様の式を立て、両式を連立することにより、基板温度ＴＷを求めている。具体的には、この実施の形態では図７のように一端開口状態における多重反射空洞による（すなわち、反射板５１０、ケーシング５２１の空洞部ＣＰの内壁面および回転式セクタ５２４の反射部ＲＰの上面等による）実質的な反射率を実効反射率ρｒ２と表し、この状態でディテクタ５２６により得られた多重反射後の放射強度Ｌ２（ＴＷ）とにより、次式が得られる。
【００６２】
【数８】
0003594792.tif 000009
【００６３】
これにより、この発明では実効反射率ρｒ１およびρｒ２のそれぞれのもとに生ずる多重反射後の放射強度Ｌ１（ＴＷ），Ｌ２（ＴＷ）を求めて、数６および数８の式を連立して基板温度ＴＷを求めている。
【００６４】
（２−１．実効反射率の決定）
ところで、上記の方法で基板温度ＴＷを求める際に、両端開口状態および一端開口状態のそれぞれにおける実効反射率ρｒ１，ρｒ２を基板温度ＴＷの計測に先だって予め求めておく必要がある。
【００６５】
そこで、この発明では予め基板放射率εＷが既知の値、すなわち放射率εｒｅｆである基準基板ＳＷを加熱して、それによる熱放射の多重反射後の放射強度Ｌ１（Ｔｒｅｆ），Ｌ２（Ｔｒｅｆ）および、直接の熱放射に基づく基準基板温度Ｔｒｅｆを計測して実効反射率ρｒ１，ρｒ２を求めている。
【００６６】
具体的には、基準基板ＳＷを加熱しつつ、回転式セクタ５２４を回転しながら、ディテクタ５２６により放射強度Ｌ１（Ｔｒｅｆ），Ｌ２（Ｔｒｅｆ）を計測して数６および数８の式に代入する。それとともに、基準基板ＳＷの温度を多重反射後の熱放射ではなく、基準基板ＳＷからの直接の熱放射の放射強度である基準放射強度を基準プローブ５４０および基準ディテクタ５４５により計測し、それに基づいて基準基板温度Ｔｒｅｆを求め、それを基準基板ＳＷの真温度であるとして数６および数８の式の基板温度ＴＷとして代入し、さらに、基板放射率εＷに基準基板ＳＷの放射率εｒｅｆを代入することによって、実効反射率ρｒ１，ρｒ２が求められる。なお、ここで温度Ｔｒｅｆにおける黒体の放射強度Ｌｂ（Ｔｒｅｆ）は数１の式により求めたものを用いる。
【００６７】
（２−２．基板温度計測）
つぎに、実際の基板処理時の基板Ｗの温度計測について説明する。実際の加熱処理時には基板Ｗを加熱しつつ、回転式セクタ５２４を回転させながらディテクタ５２６で多重反射後の放射強度を計測する。これによって得られた２種類の多重反射後の放射強度Ｌ１（ＴＷ），Ｌ２（ＴＷ）を用いて基板放射率εＷおよび基板温度ＴＷを求めるのであるが、その際のより具体的な手順は以下の通りである。
【００６８】
まず、数６および数８の式を辺々割り、その比率βを定義すると次式となる。
【００６９】
【数９】
0003594792.tif 000010
【００７０】
この比率βを用いて基板放射率εＷを表すと、数９の式より次式となる。
【００７１】
【数１０】
0003594792.tif 000011
【００７２】
したがって、計測された放射強度Ｌ１（ＴＷ），Ｌ２（ＴＷ）を数９に用いて比率βを求め、さらに、その比率βと予め求められていた実効反射率ρｒ１，ρｒ２とを数１０の式に用いて基板放射率εＷを求める。
【００７３】
つぎに、数６および数８の式から次式が得られる。
【００７４】
【数１１】
0003594792.tif 000012
【００７５】
この式に計測された放射強度Ｌ１（ＴＷ）またはＬ２（ＴＷ）と、それに対応する予め求められていた実効反射率ρｒ１またはρｒ２と、得られた基板放射率εＷを用いて温度ＴＷにおける黒体の放射強度Ｌｂ（ＴＷ）が求まり、さらにそれを数３の式に用いることにより最終的に基板温度ＴＷが求まる。
【００７６】
＜３．実施の形態の処理および制御＞
この実施の形態の熱処理装置１は、前述の発明の原理に基づいて加熱する基板Ｗの温度を求め、その結果に基づいてランプ２０のフィードバック制御を行いつつ、基板Ｗの加熱処理を行う。
【００７７】
そのため、この装置では基板Ｗの加熱処理の開始前や、複数の基板Ｗを順に加熱処理する場合における、ある程度の枚数の処理の後に、基準基板ＳＷ（基準黒体板）を炉体１０内で加熱して、実効反射率ρｒ１，ρｒ２を求めている。ここで、基準基板ＳＷとは、実際に加熱処理を施す基板Ｗとほぼ同寸、同形状であって、ほぼ黒体と見なせるＣ（炭素）や放射率既知のＳｉＣ製円板や黒体塗料を塗布された素材からなるものであって、放射率εｒｅｆが既知であるものを意味している。なお、基準基板ＳＷは放射率εｒｅｆが既知で０．１〜１の範囲であれば他の素材でもよい。
【００７８】
また、上記のように、ある程度の枚数の処理の後に実効反射率ρｒ１，ρｒ２を求めるのは、ある程度の枚数の加熱処理が行われると反射板５１０やケーシング５２１の空洞部ＣＰの内壁面の表面状態が変化する可能性があるため、計測精度を高く保つために行うものである。そのため、あまり高い計測精度が要求されない場合や、処理温度が低いため上記反射板５１０等の表面状態の変化があまりない場合等には、必ずしも行わなくともよい。
【００７９】
また、基準ディテクタ５４５は事前に黒体炉により校正を受けたものを使用している。
【００８０】
図８は実効反射率計測処理の手順を示すフローチャートである。以下、図８を用いて実効反射率ρｒ１，ρｒ２の計測処理手順について説明する。なお、以下に説明する実効反射率計測処理において、各種演算および制御は演算部５５０や制御部６０によりソフトウエア的に行われる。また、基準プローブ５４０、基準ディテクタ５４５および演算部５５０よりなる放射温度計は事前に黒体炉により校正を受けたものを使用している。
【００８１】
まず、熱処理装置１の各加熱ゾーンＺ１〜Ｚ５において、基準ディテクタ５４５を取り付けるとともに、取付け穴ＡＨに基準プローブ５４０を取り付ける（ステップＳ１）。
【００８２】
つぎに、図示しない外部搬送装置が基準基板ＳＷを炉体１０内に搬入する（ステップＳ２）。
【００８３】
つぎに、基準基板ＳＷの加熱を開始する（ステップＳ３）。
【００８４】
すなわち、制御部６０はランプドライバ８０に制御信号を送り、各加熱ゾーンＺ１〜Ｚ５のランプ２０に電力を供給することによって、それらを点灯して基準基板ＳＷの加熱を開始する。それと同時にモータドライバ９０に駆動信号を送り、基板回転モータ４４０を駆動して基板保持回転部４０を回転させることによって基準基板ＳＷを回転させる。なお、以下の加熱処理中において基準基板ＳＷの加熱および回転は続けられる。
【００８５】
そして、ランプ２０から発せられた放射熱は石英ガラス３０を透過して基準基板ＳＷに至り、それにより基準基板ＳＷは加熱され、その温度に対応する熱放射が発生する。
【００８６】
以上のような加熱を全加熱ゾーンＺ１〜Ｚ５の基準ディテクタ５４５による基準基板ＳＷの温度Ｔｒｅｆの計測結果が目標温度に達するまで続ける（ステップＳ４）。
【００８７】
すなわち、各加熱ゾーンＺ１〜Ｚ５における基準プローブ５４０に入射した熱放射は各基準ディテクタ５４５に捉えられ、その電気信号はそれぞれ演算部５５０に送られ、そこで各加熱ゾーンＺ１〜Ｚ５ごとに基準基板温度Ｔｒｅｆが、加熱処理の間、常時求められ、制御部６０に送られる。すると、制御部６０は得られた基準基板温度Ｔｒｅｆと目標温度とを各加熱ゾーンＺ１〜Ｚ５ごとに比較し、全加熱ゾーンＺ１〜Ｚ５が目標温度に達するまで基準基板ＳＷの加熱を続ける。なお、この目標温度は後に実際の基板加熱処理における目標温度と同じ値であり、その温度での実効反射率ρｒ１，ρｒ２を求めておくことによって、実際の加熱処理における基板温度ＴＷの計測結果を、より正確なものとすることができる。
【００８８】
つぎに、各加熱ゾーンＺ１〜Ｚ５において、回転式セクタ５２４を回転させつつ放射強度Ｌ１（Ｔｒｅｆ），Ｌ２（Ｔｒｅｆ）および基準放射強度を計測し、実効反射率ρｒ１，ρｒ２を算出して、演算部５５０内のメモリに加熱ゾーンＺ１〜Ｚ５ごとに記憶する（ステップＳ５）。
【００８９】
すなわち、基準基板ＳＷからの熱放射は各加熱ゾーンＺ１〜Ｚ５の計測ユニット５２０、基準プローブ５４０に入射し、それぞれディテクタ５２６、基準ディテクタ５４５に導かれる。その際、モータドライバ５３０を通じてモータ５２５が駆動され、回転式セクタ５２４は回転される。そして、ディテクタ５２６は放射強度の電気信号を演算部５５０に送る。すると、演算部５５０はその電気信号を時系列的に一時記憶して、その放射強度の最大値および最小値を抽出するピーク検出を行い、それぞれ放射強度Ｌ１（Ｔｒｅｆ）、Ｌ２（Ｔｒｅｆ）とする。同様に、基準ディテクタ５４５は基準放射強度の電気信号をそれぞれ演算部５５０に送る。すると、演算部５５０はそれをもとに加熱ゾーンＺ１〜Ｚ５ごとに基準基板の温度Ｔｒｅｆを求めるとともに、それと放射強度Ｌ１（Ｔｒｅｆ）、Ｌ２（Ｔｒｅｆ）とを数６および数８の式に用いて実効反射率ρｒ１，ρｒ２を算出して、演算部５５０内のメモリに加熱ゾーンＺ１〜Ｚ５ごとに記憶し、この実効反射率計測処理を終了する。
【００９０】
以上の処理により基板Ｗの加熱処理の準備が終了したので、つぎに、実際の基板Ｗの加熱処理に移る。
【００９１】
図９は基板加熱処理の手順を示すフローチャートである。以下、図９を用いて処理手順の説明を行う。なお、以下の基板加熱処理において、各種演算および制御は演算部５５０や制御部６０によりソフトウエア的に行われる。また、ディテクタ５２６および演算部５５０よりなる放射温度計は事前に黒体炉により校正を受けたものを使用している。
【００９２】
まず、図示しない外部搬送装置により、基板Ｗが炉体１０内に搬入される（ステップＳ１１）。
【００９３】
なお、この処理にあたり予め基準プローブ５４０および基準ディテクタ５４５は作業者により除去されている。
【００９４】
つぎに、基板Ｗの熱処理を開始する（ステップＳ１２）。
【００９５】
すなわち、前述の実効反射率ρｒ１，ρｒ２の算出処理と同様に全加熱ゾーンＺ１〜Ｚ５のランプ２０を点灯して基板Ｗを加熱しつつ、基板保持回転部４０を回転させることによって基板Ｗを回転させる。これにより、加熱された基板Ｗから基板温度ＴＷに対応する熱放射が発生する。なお、以下の加熱処理中において基板Ｗの加熱および回転は続けられる。
【００９６】
つぎに、各加熱ゾーンＺ１〜Ｚ５において、回転式セクタ５２４を回転させつつ放射強度Ｌ１（ＴＷ），Ｌ２（ＴＷ）が計測される（ステップＳ１３）。
【００９７】
すなわち、基板Ｗからの熱放射は多重反射の後、各加熱ゾーンＺ１〜Ｚ５の計測ユニット５２０において石英ガラス板５２２、フィルタ５２３を透過し、さらに、回転されている回転式セクタ５２４を通過してディテクタ５２６に入射し、それにより得られた放射強度Ｌ１（ＴＷ），Ｌ２（ＴＷ）を表す電気信号がそれぞれ演算部５５０に送信される。
【００９８】
つぎに、演算部５５０は加熱ゾーンＺ１〜Ｚ５ごとに基板放射率εＷを算出し、それを用いて基板温度ＴＷを算出する（ステップＳ１４）。
【００９９】
すなわち、演算部５５０は加熱ゾーンＺ１〜Ｚ５ごとにディテクタ５２６からの電気信号に対して実効反射率計測処理と同様にピーク検出を行って放射強度Ｌ１（ＴＷ），Ｌ２（ＴＷ）を求め、それらを数９の式に用いて比率βを求め、さらに、得られた比率βおよび既に得られている実効反射率ρｒ１，ρｒ２を数１０の式に用いることにより基板放射率εＷを求める。そして得られた基板放射率εＷと放射強度Ｌ１（ＴＷ）またはＬ２（ＴＷ）と、それに対応する実効反射率計測処理で求めた実効反射率ρｒ１またはρｒ２とを数１１の式に用いて黒体の放射強度Ｌｂ（ＴＷ）を求め、それを数３の式に用いて加熱ゾーンＺ１〜Ｚ５ごとに基板温度ＴＷを求める。
【０１００】
つぎに、得られた基板温度ＴＷと目標温度とを加熱ゾーンＺ１〜Ｚ５ごとに比較して、両者が一致するようにそれぞれに加熱ゾーンＺ１〜Ｚ５のランプ２０のフィードバック制御を行う（ステップＳ１５）。
【０１０１】
すなわち、演算部５５０で求められた各加熱ゾーンＺ１〜Ｚ５の基板温度ＴＷは温度信号として制御部６０に送られ、それを基に制御部６０は基板温度ＴＷを目標温度に保つようにＰＩＤフィードバック制御のための制御信号をランプドライバ８０に送り、ランプドライバ８０はその温度制御信号に応じた加熱用電力を対応する加熱ゾーンＺ１〜Ｚ５のランプ２０に供給する。
【０１０２】
そして、制御部６０は処理時間の終了の判定を行い（ステップＳ１６）、設定されていた処理時間が経過するまでステップＳ１１〜ステップＳ１５の処理を継続して行う。そして、処理時間が経過すると、外部搬送装置がその基板Ｗを搬出する（ステップＳ１７）。
【０１０３】
つぎに、制御部６０は外部の基板搬送装置からの信号により準備されていた全基板Ｗの加熱処理の終了の判定を行い（ステップＳ１８）、全基板Ｗの加熱処理が終了していなければステップＳ１１に戻り、外部搬送装置が次の基板Ｗを搬入し、逆に終了していれば一連の基板加熱処理を終了する。
【０１０４】
以上で、１枚の基板Ｗの加熱処理が終了したことになるが、複数枚の基板Ｗを加熱処理する場合には、さらに、上記の基板加熱処理を各基板Ｗに対して繰り返し行う。その際、前述のように必要ならば、数枚の基板Ｗの加熱処理の後に再び実効反射率計測処理を行った後、さらに基板Ｗの加熱処理を続けて行ってもよい。
【０１０５】
以上説明したように、この実施の形態によれば、反射板５１０の穴５１０ａに対して基板Ｗと反対側（穴５１０ａの下方）にディテクタ５２６を備えるとともに、穴５１０ａの開口部ＯＰとディテクタ５２６との間に図４のような回転式セクタ５２４を備えるので、回転式セクタ５２４を回転することにより容易に２種の実効反射率ρｒ１，ρｒ２の状態を実現することができる。そのため、単一のディテクタ５２６により実効反射率ρｒ１，ρｒ２に対する放射強度Ｌ１，Ｌ２を計測することができるので、基板温度ＴＷの計測精度を高くすることができ、それにより良質な熱処理を行うことができ、さらに、装置の製造コストを抑えることができる。
【０１０６】
また、ディテクタ５２６によって計測される熱放射の、ほぼ計測波長のみを透過するフィルタ５２３を基板Ｗとディテクタ５２６との間に備えるので、ディテクタ５２６の温度上昇を抑えることができ、それにより基板温度ＴＷの計測精度をさらに高くすることができる。
【０１０７】
また、上記のようにして算出された基板温度ＴＷに基づいてランプ２０へ供給される加熱用電力を制御するため、基板Ｗを加熱しすぎるといったことがないので、熱効率がよく、消費電力を抑えることができる。
【０１０８】
また、上記のようにして算出された基板温度ＴＷに基づいてランプ２０に供給する加熱用電力を制御するため、精密な基板Ｗの温度制御を行うことができ、したがって、複数の基板Ｗを順次処理していく場合にも基板Ｗごとの処理温度を均一にすることができるので、基板処理品質が均一になる。
【０１０９】
また、各加熱ゾーンＺ１〜Ｚ５ごとにランプ２０に供給する加熱用電力を制御するので、より精密な基板Ｗの温度制御を行うことができる。
【０１１０】
さらに、複数の基板Ｗを順次熱処理していく場合においても基板放射率εＷを求めつつ加熱処理を行うので、基板Ｗごとに予め基板放射率εＷを求める必要がないので処理工程を少なくすることができ、処理コストを抑えることができる。
【０１１１】
＜４．変形例＞
この実施の形態の熱処理装置１では回転式セクタ５２４を図４のようなものとしたが、この発明はこれに限られない。図１０は回転式セクタの変形例を示す図である。例えば、図１０（ａ）のようにスリットＳＬを備えた反射部ＲＰを半円部分とし、他の半円部分を切り欠き部ＮＰとしたり、図１０（ｂ）のように、円板を６等分し、スリットＳＬを備えた反射部ＲＰと切り欠き部ＮＰとを交互に設けたり、また、図１０（ｃ）のように円板を４等分し、そのうちの隣り合わない２つの扇形部分をスリットＳＬを備えた反射部ＲＰとし、その他の部分を反射性および透過性のあるハーフミラー等の素材により形成し、スリットを設けない半透過部ＨＰとしたり、図１０（ｄ）のように円板を４等分し、そのうちの隣り合わない２つの扇形部分の組のそれぞれをスリットＳＬを備えた反射部ＲＰ１およびＲＰ２とし、反射部ＲＰ１と反射部ＲＰ２それぞれの表面に蒸着する金属を異なるものとしたり、一方には黒体塗料を塗って反射しないものとするなど反射率を異なるもの等としてもよい。なお、これらの反射率の異なる部分の面積は必ずしも等しくなくてもよい。さらに、ディテクタ５２６の上面を反射面とし、図１０（ｅ）のように円板を４等分し、スリットＳＬを備えた非反射部ＮＲＰと切り欠き部ＮＰとを交互に設けてもよい。
【０１１２】
また、この実施の形態では、２種の実効反射率ρｒ１，ρｒ２について放射強度を求めるものとしたため、反射部ＲＰのスリットＳＬの幅を同じものとしたが、この発明はこれに限られず、３種以上の実効反射率を用いる場合には例えば図４の回転式セクタ５２４の２つの反射部ＲＰのそれぞれにおけるスリットＳＬの幅を互いに異なるものとする等により３種以上の実効反射率を実現してもよい。
【０１１３】
また、この実施の形態の熱処理装置１では、穴５１０ａの形状を円筒状としたが、この発明はこれに限られず、穴５１０ａの形状を逆円錐台形状としたり、底面が多角形の柱状等のものとしてもよい。
【０１１４】
また、この実施の形態の熱処理装置１では、各加熱ゾーンＺ１〜Ｚ５のそれぞれにおいて基板Ｗの温度を計測し、それぞれ独立にランプ２０の制御を行うものとしたが、この発明はこれに限られず、加熱ゾーンを設けず、温度計測部５０を一つだけ設けて、全ランプをそれにより得られた基板温度に基づいて制御したり、各加熱ゾーンに計測ユニット５２０を設けて、それらにより得られた基板温度を平均して全ランプを制御する等、熱源の制御をその他の方法により行ってもよい。
【０１１５】
また、この実施の形態の熱処理装置１では、穴５１０ａの下方に回転式セクタ５２４を設けるものとしたが、この発明はこれに限られず、穴５１０ａ、すなわち、空洞内に実効反射率切り替え手段を設けるものとしてもよい。
【０１１６】
また、この実施の形態の熱処理装置１では、多重反射空洞からの熱放射の放射強度をディテクタ５２６により直接捉えて計測するものとしたが、この発明はこれに限られず、基準プローブ５４０と基準ディテクタ５４５のようにロッド状の導光部材と計測ユニット外で熱放射を直接受けない位置に設けられたディテクタとを光ファイバー等で接続して、導光部材に入射する熱放射をディテクタに導いて計測する等としてもよい。同様に、この実施の形態では計測ユニット５２０内にモータ５２５を設けるものとしたが、この発明はこれに限られず、計測ユニット外にモータを設け、その回転軸を長尺のものとし、計測ユニット内において回転式セクタを取り付けるもの等としてもよい。これらにより、熱に弱いディテクタおよびモータの温度の上昇を一層抑え、それらの機器の保護を図り、より高い測定精度を得ることができる。
【０１１７】
また、この実施の形態の熱処理装置１では、実効反射率計測処理における基準基板温度Ｔｒｅｆの計測は基準プローブ５４０および基準ディテクタ５４５によるものとしたが、この発明はこれに限られず、熱電対を基準基板に取り付けて直接温度を求めるもの等、その他の手段によるものでもよい。
【０１１８】
また、この実施の形態の熱処理装置１では、フィルタ５２３は石英ガラス板５２２の下面に金属酸化物を蒸着して設けるものとしたが、この発明はこれに限られず、石英ガラス上面に蒸着したり、石英ガラス板に密着しないで、その下方近傍等、石英ガラス板内部からディテクタまでの熱放射の通過経路中に設けてもよい。
【０１１９】
さらに、この実施の形態の熱処理装置１では、熱源をランプ２０としたが、この発明はこれに限られず、電熱線ヒータ等その他のものを用いてもよい。
【０１２０】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１ないし請求項５の発明によれば、穴に対して基板と反対側または穴の内部に放射強度計測手段を備えるとともに、穴の開口部と放射強度計測手段との間に実効反射率切り替え手段を備えるので、単一の放射強度計測手段により複数の実効反射率に対する放射強度を計測することができるので、基板の温度計測精度を高くすることができ、それにより良質な熱処理を行うことができ、さらに、製造コストを抑えることができる。
【０１２１】
また、請求項３の発明によれば、放射強度計測手段によって計測される熱放射の、ほぼ計測波長のみを透過するフィルタを基板と放射強度計測手段との間に備えるので、放射強度計測手段の温度上昇を抑えることができ、それにより基板の温度計測精度をさらに高くすることができる。
【０１２２】
また、請求項４の発明によれば、上記のようにして算出された基板の温度に基づいて熱源へ供給される加熱用電力を制御するため、基板を加熱しすぎるといったことがないため、より熱効率がよく、消費電力を抑えることができる。
【０１２３】
また、請求項１ないし請求項５の発明によれば、実効反射率切り替え手段により切り替えられる複数の実効反射率のそれぞれについて穴における熱放射の放射強度を放射強度計測手段によって計測し、それら計測された放射強度に基づいて基板の温度を算出するため、単一の放射強度計測手段によって複数の実効反射率に対する放射強度を計測することができるので、基板の温度計測精度を高くすることができ、それにより良質な熱処理を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態である基板処理装置の縦断面図である。
【図２】温度計測部における計測ユニット付近の断面模式図である。
【図３】フィルタの波長による分光特性を示す図である。
【図４】回転式セクタの平面図である。
【図５】実施の形態の熱処理装置の平面的な構成を示す図である。
【図６】穴が両端開口状態での基板と反射板等との多重反射を説明するための図である。
【図７】穴が一端開口状態での基板と反射板等との多重反射を説明するための図である。
【図８】実効反射率計測処理の手順を示すフローチャートである。
【図９】基板加熱処理の手順を示すフローチャートである。
【図１０】変形例における回転式セクターの平面図である。
【符号の説明】
１  熱処理装置
２０  ランプ（熱源）
６０  制御部
５１０  反射板
５１０ａ  穴
５２３  フィルタ
５２４  回転式セクタ（反射板、実効反射率切り替え手段）
５２５  モータ（駆動手段、実効反射率切り替え手段）
５２６  ディテクタ（放射強度計測手段）
５４０  基準プローブ（基準温度計測手段）
５４５  基準ディテクタ（基準温度計測手段）
５５０  演算部（温度算出手段、基準温度計測手段）
Ｌ１，Ｌ２  放射強度
ＲＰ  反射部
ＳＬ  スリット（開孔）
ＴＷ  基板温度
Ｔｒｅｆ  基準基板温度
Ｗ  基板
Ｚ１〜Ｚ５  加熱ゾーン（加熱領域）
ρｒ１，ρｒ２  実効反射率
【図１】
0003594792.tif 000013
【図２】
0003594792.tif 000014
【図３】
0003594792.tif 000015
【図４】
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【図５】
0003594792.tif 000017
【図６】
0003594792.tif 000018
【図７】
0003594792.tif 000019
【図８】
0003594792.tif 000020
【図９】
0003594792.tif 000021
【図１０】
0003594792.tif 000022