(57)【要約】【課題】効率良く基板処理装置の処理レシピの調整を行うことができる制御評価システムおよび制御評価方法を提供する。【解決手段】シミュレータ９１は制御部３から引き渡されたランプパワー等の操作量に基づいて半導体ウェハーの温度等を制御量として算出して制御部３に引き渡す。制御部３はシミュレータ９１によって算出された制御量を測定値として取り込んで操作量を決定して再びシミュレータ９１に引き渡す。これらの手順を繰り返すことによって、実際に半導体ウェハーＷの熱処理を行うことなく、半導体ウェハーの温度を時系列データとして取得することができ、制御部３の加熱制御を評価することができる。取得された温度の時系列データに基づいて、昇温速度や昇温時間等が最適となるように処理レシピの調整を行って制御パラメータを設定する。【選択図】図１０
2019169500.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板処理装置における基板処理の制御を評価する制御評価システムであって、
前記基板処理装置における基板処理を制御する制御部と、
前記制御部による制御量を算出するシミュレータと、
を備え、
前記シミュレータは前記制御部から引き渡された操作量に基づいて制御量を算出するとともに、前記制御部は前記シミュレータによって算出された制御量を測定値として取り込んで操作量を決定して前記シミュレータに引き渡すことを特徴とする制御評価システム。
【請求項２】
請求項１記載の制御評価システムにおいて
前記基板処理装置は、連続点灯ランプから基板に光を照射して当該基板を加熱する熱処理装置であり、
前記操作量は、前記連続点灯ランプのランプパワーを含み、
前記制御量は、前記連続点灯ランプによって加熱される前記基板の温度を含むことを特徴とする制御評価システム。
【請求項３】
請求項１記載の制御評価システムにおいて、
前記基板処理装置は、基板を加熱する熱処理装置であり、
前記操作量は、前記基板を収容するチャンバーに供給するガスの流量または前記チャンバー内の圧力を調整する圧力調整バルブの開度を含み、
前記制御量は、前記チャンバー内の圧力を含むことを特徴とする制御評価システム。
【請求項４】
基板処理装置における基板処理の制御を評価する制御評価方法であって、
前記基板処理装置における基板処理を制御する制御部から引き渡された操作量に基づいてシミュレータが制御量を算出するシミュレート工程と、
前記シミュレート工程にて算出された制御量を測定値として前記制御部が取り込んで操作量を決定して前記シミュレータに引き渡す制御演算工程と、
を備え、
前記シミュレート工程と前記制御演算工程とを繰り返すことを特徴とする制御評価方法。
【請求項５】
請求項４記載の制御評価方法において、
前記基板処理装置は、連続点灯ランプから基板に光を照射して当該基板を加熱する熱処理装置であり、
前記操作量は、前記連続点灯ランプのランプパワーを含み、
前記制御量は、前記連続点灯ランプによって加熱される前記基板の温度を含むことを特徴とする制御評価方法。
【請求項６】
請求項４記載の制御評価方法において、
前記基板処理装置は、基板を加熱する熱処理装置であり、
前記操作量は、前記基板を収容するチャンバーに供給するガスの流量または前記チャンバー内の圧力を調整する圧力調整バルブの開度を含み、
前記制御量は、前記チャンバー内の圧力を含むことを特徴とする制御評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板に光を照射して加熱するランプアニール装置等の基板処理装置における基板処理の制御を評価する制御評価システムおよび制御評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの製造プロセスにおいて、極めて短時間で半導体ウェハーを加熱するフラッシュランプアニール（ＦＬＡ）が注目されている。フラッシュランプアニールは、キセノンフラッシュランプ（以下、単に「フラッシュランプ」とするときにはキセノンフラッシュランプを意味する）を使用して半導体ウェハーの表面にフラッシュ光を照射することにより、半導体ウェハーの表面のみを極めて短時間（数ミリ秒以下）に昇温させる熱処理技術である。
【０００３】
キセノンフラッシュランプの放射分光分布は紫外域から近赤外域であり、従来のハロゲンランプよりも波長が短く、シリコンの半導体ウェハーの基礎吸収帯とほぼ一致している。よって、キセノンフラッシュランプから半導体ウェハーにフラッシュ光を照射したときには、透過光が少なく半導体ウェハーを急速に昇温することが可能である。また、数ミリ秒以下の極めて短時間のフラッシュ光照射であれば、半導体ウェハーの表面近傍のみを選択的に昇温できることも判明している。
【０００４】
このようなフラッシュランプアニールは、極短時間の加熱が必要とされる処理、例えば典型的には半導体ウェハーに注入された不純物の活性化に利用される。イオン注入法によって不純物が注入された半導体ウェハーの表面にフラッシュランプからフラッシュ光を照射すれば、当該半導体ウェハーの表面を極短時間だけ活性化温度にまで昇温することができ、不純物を深く拡散させることなく、不純物活性化のみを実行することができるのである。
【０００５】
一方、フラッシュランプアニールをアンモニア等の反応性ガスの雰囲気中にて行うことも試みられている。例えば、特許文献１には、高誘電率ゲート絶縁膜(high-k膜)を形成した半導体ウェハーを収容したチャンバー内を減圧状態に維持しつつアンモニア雰囲気を形成し、当該半導体ウェハーに対してフラッシュ光を照射して加熱することにより、高誘電率ゲート絶縁膜の成膜後熱処理を行うことが開示されている。特許文献１に開示の装置においては、フラッシュ光照射前に、温度計のウェハー温度測定値に基づいて半導体ウェハーが所定温度に予備加熱されるようにハロゲンランプの出力をフィードバック制御している。また、特許文献１には、チャンバー内の圧力を測定する圧力計の測定結果に基づいてチャンバーに対する給排気をフィードバック制御することも開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１７−０４５９８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のようなフィードバック制御は、温度や圧力等の測定値と目標値との偏差からランプパワーや給排気流量等の操作量を決定する。典型的なフィードバック制御であるＰＩＤ制御では、比例ゲイン、積分ゲイン、微分ゲイン等の制御パラメータによって操作量が決定される。同じ偏差であっても制御パラメータが異なれば操作量が異なる。その結果、例えば半導体ウェハーが所定温度に到達するまでの昇温速度や到達時間も異なることとなる。従って、半導体ウェハーの処理手順や処理条件を記述した処理レシピにて昇温速度や到達時間等の処理条件が最適となる制御パラメータを調整することが重要となる。
【０００８】
しかしながら、従来は、フラッシュランプアニール装置の実機にて半導体ウェハーに対して実際に熱処理を行うことによってプロセス評価を行い、処理レシピの調整を行ってきた。これは、フラッシュランプアニール装置にて実際に熱処理を行って温度計や圧力計の測定値を取得しなければ、装置の制御部がフィードバック制御を実行できず、プロセス評価を行えなかったためである。従って、異なる目標値（目標温度、目標圧力等）ごとにフラッシュランプアニール装置にて半導体ウェハーの熱処理を行う必要があり、処理レシピの調整に長時間を要するとともに、コストも増大するという問題が生じていた。また、処理レシピの調整を行っている間はフラッシュランプアニール装置を占有することとなるため、その装置を半導体デバイスの生産のために使用することが出来ず、生産効率が低下するという問題も生じることとなる。
【０００９】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、効率良く基板処理装置の処理レシピの調整を行うことができる制御評価システムおよび制御評価方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、基板処理装置における基板処理の制御を評価する制御評価システムにおいて、前記基板処理装置における基板処理を制御する制御部と、前記制御部による制御量を算出するシミュレータと、を備え、前記シミュレータは前記制御部から引き渡された操作量に基づいて制御量を算出するとともに、前記制御部は前記シミュレータによって算出された制御量を測定値として取り込んで操作量を決定して前記シミュレータに引き渡すことを特徴とする。
【００１１】
また、請求項２の発明は、請求項１の発明に係る制御評価システムにおいて、前記基板処理装置は、連続点灯ランプから基板に光を照射して当該基板を加熱する熱処理装置であり、前記操作量は、前記連続点灯ランプのランプパワーを含み、前記制御量は、前記連続点灯ランプによって加熱される前記基板の温度を含むことを特徴とする。
【００１２】
また、請求項３の発明は、請求項１の発明に係る制御評価システムにおいて、前記基板処理装置は、基板を加熱する熱処理装置であり、前記操作量は、前記基板を収容するチャンバーに供給するガスの流量または前記チャンバー内の圧力を調整する圧力調整バルブの開度を含み、前記制御量は、前記チャンバー内の圧力を含むことを特徴とする。
【００１３】
また、請求項４の発明は、基板処理装置における基板処理の制御を評価する制御評価方法において、前記基板処理装置における基板処理を制御する制御部から引き渡された操作量に基づいてシミュレータが制御量を算出するシミュレート工程と、前記シミュレート工程にて算出された制御量を測定値として前記制御部が取り込んで操作量を決定して前記シミュレータに引き渡す制御演算工程と、を備え、前記シミュレート工程と前記制御演算工程とを繰り返すことを特徴とする。
【００１４】
また、請求項５の発明は、請求項４の発明に係る制御評価方法において、前記基板処理装置は、連続点灯ランプから基板に光を照射して当該基板を加熱する熱処理装置であり、前記操作量は、前記連続点灯ランプのランプパワーを含み、前記制御量は、前記連続点灯ランプによって加熱される前記基板の温度を含むことを特徴とする。
【００１５】
また、請求項６の発明は、請求項４の発明に係る制御評価方法において、前記基板処理装置は、基板を加熱する熱処理装置であり、前記操作量は、前記基板を収容するチャンバーに供給するガスの流量または前記チャンバー内の圧力を調整する圧力調整バルブの開度を含み、前記制御量は、前記チャンバー内の圧力を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１から請求項３の発明によれば、シミュレータは制御部から引き渡された操作量に基づいて制御量を算出するとともに、制御部はシミュレータによって算出された制御量を測定値として取り込んで操作量を決定してシミュレータに引き渡すため、実際に基板の処理を行うことなく基板処理の制御を評価して効率良く基板処理装置の処理レシピの調整を行うことができる。
【００１７】
請求項４から請求項６の発明によれば、基板処理装置における基板処理を制御する制御部から引き渡された操作量に基づいてシミュレータが制御量を算出するシミュレート工程と、シミュレート工程にて算出された制御量を測定値として制御部が取り込んで操作量を決定してシミュレータに引き渡す制御演算工程とを繰り返すため、実際に基板の処理を行うことなく基板処理の制御を評価して効率良く基板処理装置の処理レシピの調整を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る制御評価技術における制御対象となる熱処理装置の構成を示す縦断面図である。
【図２】保持部の全体外観を示す斜視図である。
【図３】サセプタの平面図である。
【図４】サセプタの断面図である。
【図５】移載機構の平面図である。
【図６】移載機構の側面図である。
【図７】複数のハロゲンランプの配置を示す平面図である。
【図８】排気部の構成を示す図である。
【図９】熱処理装置における制御機構を示すブロック図である。
【図１０】本発明に係る制御評価技術の概念を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２０】
＜第１実施形態＞
図１は、本発明に係る制御評価技術における制御対象となる熱処理装置１の構成を示す縦断面図である。図１の熱処理装置１は、基板として円板形状の半導体ウェハーＷに対してフラッシュ光照射を行うことによってその半導体ウェハーＷを加熱するフラッシュランプアニール装置である。処理対象となる半導体ウェハーＷのサイズは特に限定されるものではないが、例えばφ３００ｍｍやφ４５０ｍｍである（本実施形態ではφ３００ｍｍ）。熱処理装置１に搬入される前の半導体ウェハーＷにはゲート絶縁膜として高誘電率膜(high-k膜)が形成されており、熱処理装置１による加熱処理によって高誘電率膜の成膜後熱処理(PDA:Post Deposition Anneal)が実行される。なお、図１および以降の各図においては、理解容易のため、必要に応じて各部の寸法や数を誇張または簡略化して描いている。
【００２１】
熱処理装置１は、半導体ウェハーＷを収容するチャンバー６と、複数のフラッシュランプＦＬを内蔵するフラッシュ加熱部５と、複数のハロゲンランプＨＬを内蔵するハロゲン加熱部４と、を備える。チャンバー６の上側にフラッシュ加熱部５が設けられるとともに、下側にハロゲン加熱部４が設けられている。また、熱処理装置１は、チャンバー６の内部に、半導体ウェハーＷを水平姿勢に保持する保持部７と、保持部７と装置外部との間で半導体ウェハーＷの受け渡しを行う移載機構１０と、を備える。さらに、熱処理装置１は、ハロゲン加熱部４、フラッシュ加熱部５およびチャンバー６に設けられた各動作機構を制御して半導体ウェハーＷの熱処理を実行させる制御部３を備える。
【００２２】
チャンバー６は、筒状のチャンバー側部６１の上下に石英製のチャンバー窓を装着して構成されている。チャンバー側部６１は上下が開口された概略筒形状を有しており、上側開口には上側チャンバー窓６３が装着されて閉塞され、下側開口には下側チャンバー窓６４が装着されて閉塞されている。チャンバー６の天井部を構成する上側チャンバー窓６３は、石英により形成された円板形状部材であり、フラッシュ加熱部５から出射されたフラッシュ光をチャンバー６内に透過する石英窓として機能する。また、チャンバー６の床部を構成する下側チャンバー窓６４も、石英により形成された円板形状部材であり、ハロゲン加熱部４からの光をチャンバー６内に透過する石英窓として機能する。
【００２３】
また、チャンバー側部６１の内側の壁面の上部には反射リング６８が装着され、下部には反射リング６９が装着されている。反射リング６８，６９は、ともに円環状に形成されている。上側の反射リング６８は、チャンバー側部６１の上側から嵌め込むことによって装着される。一方、下側の反射リング６９は、チャンバー側部６１の下側から嵌め込んで図示省略のビスで留めることによって装着される。すなわち、反射リング６８，６９は、ともに着脱自在にチャンバー側部６１に装着されるものである。チャンバー６の内側空間、すなわち上側チャンバー窓６３、下側チャンバー窓６４、チャンバー側部６１および反射リング６８，６９によって囲まれる空間が熱処理空間６５として規定される。
【００２４】
チャンバー側部６１に反射リング６８，６９が装着されることによって、チャンバー６の内壁面に凹部６２が形成される。すなわち、チャンバー側部６１の内壁面のうち反射リング６８，６９が装着されていない中央部分と、反射リング６８の下端面と、反射リング６９の上端面とで囲まれた凹部６２が形成される。凹部６２は、チャンバー６の内壁面に水平方向に沿って円環状に形成され、半導体ウェハーＷを保持する保持部７を囲繞する。チャンバー側部６１および反射リング６８，６９は、強度と耐熱性に優れた金属材料（例えば、ステンレススチール）にて形成されている。
【００２５】
また、チャンバー側部６１には、チャンバー６に対して半導体ウェハーＷの搬入および搬出を行うための搬送開口部（炉口）６６が形設されている。搬送開口部６６は、ゲートバルブ１８５によって開閉可能とされている。搬送開口部６６は凹部６２の外周面に連通接続されている。このため、ゲートバルブ１８５が搬送開口部６６を開放しているときには、搬送開口部６６から凹部６２を通過して熱処理空間６５への半導体ウェハーＷの搬入および熱処理空間６５からの半導体ウェハーＷの搬出を行うことができる。また、ゲートバルブ１８５が搬送開口部６６を閉鎖するとチャンバー６内の熱処理空間６５が密閉空間とされる。
【００２６】
さらに、チャンバー側部６１には、貫通孔６１ａが穿設されている。チャンバー側部６１の外壁面の貫通孔６１ａが設けられている部位には放射温度計２０が取り付けられている。貫通孔６１ａは、後述するサセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの下面から放射された赤外光を放射温度計２０に導くための円筒状の孔である。貫通孔６１ａは、その貫通方向の軸がサセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの主面と交わるように、水平方向に対して傾斜して設けられている。貫通孔６１ａの熱処理空間６５に臨む側の端部には、放射温度計２０が測定可能な波長領域の赤外光を透過させるフッ化バリウム材料からなる透明窓２１が装着されている。
【００２７】
また、チャンバー６の内壁上部には熱処理空間６５に処理ガス（本実施形態では窒素ガス（Ｎ２）およびアンモニア（ＮＨ３））を供給するガス供給孔８１が形設されている。ガス供給孔８１は、凹部６２よりも上側位置に形設されており、反射リング６８に設けられていても良い。ガス供給孔８１はチャンバー６の側壁内部に円環状に形成された緩衝空間８２を介してガス供給管８３に連通接続されている。ガス供給管８３の基端側は二叉に分岐され、そのうちの一方は窒素供給源２７に接続されるとともに、他方はアンモニア供給源２４に接続される。ガス供給管８３から分岐された２本の配管のうち、窒素供給源２７に接続された配管には供給バルブ２２および流量調整バルブ２３が介挿され、アンモニア供給源２４に接続された配管には供給バルブ２５および流量調整バルブ２６が介挿されている。供給バルブ２２が開放されると、窒素供給源２７からガス供給管８３を経て緩衝空間８２に窒素ガスが送給される。ガス供給管８３を流れて緩衝空間８２に送給される窒素ガスの流量は流量調整バルブ２３によって調整される。一方、供給バルブ２５が開放されると、アンモニア供給源２４からガス供給管８３を経て緩衝空間８２にアンモニアが送給される。ガス供給管８３を流れて緩衝空間８２に送給されるアンモニアの流量は流量調整バルブ２６によって調整される。供給バルブ２２および供給バルブ２５の双方が開放されると、アンモニアと窒素との混合ガスが緩衝空間８２に送給される。供給バルブ２２，２５の開閉は制御部３によって制御され、流量調整バルブ２３，２６が規定する処理ガスの流量も制御部３によって制御される。緩衝空間８２に流入した処理ガスは、ガス供給孔８１よりも流体抵抗の小さい緩衝空間８２内を拡がるように流れてガス供給孔８１から熱処理空間６５内へと供給される。なお、処理ガスは窒素ガス、アンモニアに限定されるものではなく、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）などの不活性ガス、または、酸素（Ｏ２）、水素（Ｈ２）、塩素（Ｃｌ２）、塩化水素（ＨＣｌ）、オゾン（Ｏ３）、一酸化窒素（ＮＯ）、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）、二酸化窒素（ＮＯ２）などの反応性ガスであっても良い。
【００２８】
一方、チャンバー６の内壁下部には熱処理空間６５内の気体を排気するガス排気孔８６が形設されている。ガス排気孔８６は、凹部６２よりも下側位置に形設されており、反射リング６９に設けられていても良い。ガス排気孔８６はチャンバー６の側壁内部に円環状に形成された緩衝空間８７を介してガス排気管８８に連通接続されている。ガス排気管８８は排気部１９０に接続されている。また、ガス排気管８８の経路途中にはバルブ８９が介挿されている。バルブ８９が開放されると、熱処理空間６５の気体がガス排気孔８６から緩衝空間８７を経てガス排気管８８へと排出される。なお、ガス供給孔８１およびガス排気孔８６は、チャンバー６の周方向に沿って複数設けられていても良いし、スリット状のものであっても良い。
【００２９】
図８は、排気部１９０の構成を示す図である。排気部１９０は、真空ポンプ１９１、圧力調整バルブ１９６、３本のバイパスライン１９７，１９８，１９９、および、３つの排気バルブ１９２，１９３，１９４を備える。チャンバー６からの排気を導くガス排気管８８と真空ポンプ１９１とは、３本のバイパスライン１９７，１９８，１９９によって接続されている。３本のバイパスライン１９７，１９８，１９９は並列に設けられている。３本のバイパスライン１９７，１９８，１９９は、その配管径が互いに異なる。バイパスライン１９７の径が最も大きく、バイパスライン１９９の径が最も小さく、バイパスライン１９８の径はそれらの間である。よって、通過可能な気体の流量はバイパスライン１９９，１９８，１９７の順に大きくなる。
【００３０】
３つの排気バルブ１９２，１９３，１９４は、それぞれ３本のバイパスライン１９７，１９８，１９９に設けられる。すなわち、バイパスライン１９７には排気バルブ１９２が介挿され、バイパスライン１９８には排気バルブ１９３が介挿され、バイパスライン１９９には排気バルブ１９４が介挿される。真空ポンプ１９１を作動させつつ、３つの排気バルブ１９２，１９３，１９４を開放すると、ガス排気管８８によって導かれたチャンバー６からの排気が対応するバイパスライン１９７，１９８，１９９を通過して真空ポンプ１９１に吸引される。
【００３１】
３本のバイパスライン１９７，１９８，１９９は配管径が異なるため、排気能力が異なる。配管径が大きいほど排気能力も大きくなり、バイパスライン１９９，１９８，１９７の順に排気能力は大きくなる。従って、３つの排気バルブ１９２，１９３，１９４のうちのいずれを開閉するかによってチャンバー６からの排気流量を制御することができる。３つの排気バルブ１９２，１９３，１９４のいずれか１つのみを開放しても良いし、２つまたは３つを開放しても良い。例えば、排気バルブ１９２，１９３を閉止して排気バルブ１９４のみを開放した場合には、最も小さな排気流量での排気が行われる。また、３つの排気バルブ１９２，１９３，１９４の全てを開放した場合には、最も大きな排気流量での排気が行われる。
【００３２】
また、３本のバイパスライン１９７，１９８，１９９の合流部分と真空ポンプ１９１との間に圧力調整バルブ１９６が設けられている。圧力調整バルブ１９６は、その開度によってチャンバー６内の圧力を調整するためのバルブである。制御部３は、チャンバー６内の圧力を測定する圧力計１８０（図１）の測定結果に基づいて、チャンバー６内が所定の圧力となるように圧力調整バルブ１９６の開度を制御する。
【００３３】
図２は、保持部７の全体外観を示す斜視図である。保持部７は、基台リング７１、連結部７２およびサセプタ７４を備えて構成される。基台リング７１、連結部７２およびサセプタ７４はいずれも石英にて形成されている。すなわち、保持部７の全体が石英にて形成されている。
【００３４】
基台リング７１は円環形状から一部が欠落した円弧形状の石英部材である。この欠落部分は、後述する移載機構１０の移載アーム１１と基台リング７１との干渉を防ぐために設けられている。基台リング７１は凹部６２の底面に載置されることによって、チャンバー６の壁面に支持されることとなる（図１参照）。基台リング７１の上面に、その円環形状の周方向に沿って複数の連結部７２（本実施形態では４個）が立設される。連結部７２も石英の部材であり、溶接によって基台リング７１に固着される。
【００３５】
サセプタ７４は基台リング７１に設けられた４個の連結部７２によって支持される。図３は、サセプタ７４の平面図である。また、図４は、サセプタ７４の断面図である。サセプタ７４は、保持プレート７５、ガイドリング７６および複数の基板支持ピン７７を備える。保持プレート７５は、石英にて形成された略円形の平板状部材である。保持プレート７５の直径は半導体ウェハーＷの直径よりも大きい。すなわち、保持プレート７５は、半導体ウェハーＷよりも大きな平面サイズを有する。
【００３６】
保持プレート７５の上面周縁部にガイドリング７６が設置されている。ガイドリング７６は、半導体ウェハーＷの直径よりも大きな内径を有する円環形状の部材である。例えば、半導体ウェハーＷの直径がφ３００ｍｍの場合、ガイドリング７６の内径はφ３２０ｍｍである。ガイドリング７６の内周は、保持プレート７５から上方に向けて広くなるようなテーパ面とされている。ガイドリング７６は、保持プレート７５と同様の石英にて形成される。ガイドリング７６は、保持プレート７５の上面に溶着するようにしても良いし、別途加工したピンなどによって保持プレート７５に固定するようにしても良い。或いは、保持プレート７５とガイドリング７６とを一体の部材として加工するようにしても良い。
【００３７】
保持プレート７５の上面のうちガイドリング７６よりも内側の領域が半導体ウェハーＷを保持する平面状の保持面７５ａとされる。保持プレート７５の保持面７５ａには、複数の基板支持ピン７７が立設されている。本実施形態においては、保持面７５ａの外周円（ガイドリング７６の内周円）と同心円の周上に沿って３０°毎に計１２個の基板支持ピン７７が立設されている。１２個の基板支持ピン７７を配置した円の径（対向する基板支持ピン７７間の距離）は半導体ウェハーＷの径よりも小さく、半導体ウェハーＷの径がφ３００ｍｍであればφ２７０ｍｍ〜φ２８０ｍｍ（本実施形態ではφ２７０ｍｍ）である。それぞれの基板支持ピン７７は石英にて形成されている。複数の基板支持ピン７７は、保持プレート７５の上面に溶接によって設けるようにしても良いし、保持プレート７５と一体に加工するようにしても良い。
【００３８】
図２に戻り、基台リング７１に立設された４個の連結部７２とサセプタ７４の保持プレート７５の周縁部とが溶接によって固着される。すなわち、サセプタ７４と基台リング７１とは連結部７２によって固定的に連結されている。このような保持部７の基台リング７１がチャンバー６の壁面に支持されることによって、保持部７がチャンバー６に装着される。保持部７がチャンバー６に装着された状態においては、サセプタ７４の保持プレート７５は水平姿勢（法線が鉛直方向と一致する姿勢）となる。すなわち、保持プレート７５の保持面７５ａは水平面となる。
【００３９】
チャンバー６に搬入された半導体ウェハーＷは、チャンバー６に装着された保持部７のサセプタ７４の上に水平姿勢にて載置されて保持される。このとき、半導体ウェハーＷは保持プレート７５上に立設された１２個の基板支持ピン７７によって支持されてサセプタ７４に保持される。より厳密には、１２個の基板支持ピン７７の上端部が半導体ウェハーＷの下面に接触して当該半導体ウェハーＷを支持する。１２個の基板支持ピン７７の高さ（基板支持ピン７７の上端から保持プレート７５の保持面７５ａまでの距離）は均一であるため、１２個の基板支持ピン７７によって半導体ウェハーＷを水平姿勢に支持することができる。
【００４０】
また、半導体ウェハーＷは複数の基板支持ピン７７によって保持プレート７５の保持面７５ａから所定の間隔を隔てて支持されることとなる。基板支持ピン７７の高さよりもガイドリング７６の厚さの方が大きい。従って、複数の基板支持ピン７７によって支持された半導体ウェハーＷの水平方向の位置ずれはガイドリング７６によって防止される。
【００４１】
また、図２および図３に示すように、サセプタ７４の保持プレート７５には、上下に貫通して開口部７８が形成されている。開口部７８は、放射温度計２０が半導体ウェハーＷの下面から放射される放射光（赤外光）を受光するために設けられている。すなわち、放射温度計２０が開口部７８およびチャンバー側部６１の貫通孔６１ａに装着された透明窓２１を介して半導体ウェハーＷの下面から放射された光を受光して当該半導体ウェハーＷの温度を測定する。さらに、サセプタ７４の保持プレート７５には、後述する移載機構１０のリフトピン１２が半導体ウェハーＷの受け渡しのために貫通する４個の貫通孔７９が穿設されている。
【００４２】
図５は、移載機構１０の平面図である。また、図６は、移載機構１０の側面図である。移載機構１０は、２本の移載アーム１１を備える。移載アーム１１は、概ね円環状の凹部６２に沿うような円弧形状とされている。それぞれの移載アーム１１には２本のリフトピン１２が立設されている。移載アーム１１およびリフトピン１２は石英にて形成されている。各移載アーム１１は水平移動機構１３によって回動可能とされている。水平移動機構１３は、一対の移載アーム１１を保持部７に対して半導体ウェハーＷの移載を行う移載動作位置（図５の実線位置）と保持部７に保持された半導体ウェハーＷと平面視で重ならない退避位置（図５の二点鎖線位置）との間で水平移動させる。水平移動機構１３としては、個別のモータによって各移載アーム１１をそれぞれ回動させるものであっても良いし、リンク機構を用いて１個のモータによって一対の移載アーム１１を連動させて回動させるものであっても良い。
【００４３】
また、一対の移載アーム１１は、昇降機構１４によって水平移動機構１３とともに昇降移動される。昇降機構１４が一対の移載アーム１１を移載動作位置にて上昇させると、計４本のリフトピン１２がサセプタ７４に穿設された貫通孔７９（図２，３参照）を通過し、リフトピン１２の上端がサセプタ７４の上面から突き出る。一方、昇降機構１４が一対の移載アーム１１を移載動作位置にて下降させてリフトピン１２を貫通孔７９から抜き取り、水平移動機構１３が一対の移載アーム１１を開くように移動させると各移載アーム１１が退避位置に移動する。一対の移載アーム１１の退避位置は、保持部７の基台リング７１の直上である。基台リング７１は凹部６２の底面に載置されているため、移載アーム１１の退避位置は凹部６２の内側となる。なお、移載機構１０の駆動部（水平移動機構１３および昇降機構１４）が設けられている部位の近傍にも図示省略の排気機構が設けられており、移載機構１０の駆動部周辺の雰囲気がチャンバー６の外部に排出されるように構成されている。
【００４４】
図１に戻り、チャンバー６の上方に設けられたフラッシュ加熱部５は、筐体５１の内側に、複数本（本実施形態では３０本）のキセノンフラッシュランプＦＬからなる光源と、その光源の上方を覆うように設けられたリフレクタ５２と、を備えて構成される。また、フラッシュ加熱部５の筐体５１の底部にはランプ光放射窓５３が装着されている。フラッシュ加熱部５の床部を構成するランプ光放射窓５３は、石英により形成された板状の石英窓である。フラッシュ加熱部５がチャンバー６の上方に設置されることにより、ランプ光放射窓５３が上側チャンバー窓６３と相対向することとなる。フラッシュランプＦＬはチャンバー６の上方からランプ光放射窓５３および上側チャンバー窓６３を介して熱処理空間６５にフラッシュ光を照射する。
【００４５】
複数のフラッシュランプＦＬは、それぞれが長尺の円筒形状を有する棒状ランプであり、それぞれの長手方向が保持部７に保持される半導体ウェハーＷの主面に沿って（つまり水平方向に沿って）互いに平行となるように平面状に配列されている。よって、フラッシュランプＦＬの配列によって形成される平面も水平面である。複数のフラッシュランプＦＬが配列される領域は半導体ウェハーＷの平面サイズよりも大きい。
【００４６】
キセノンフラッシュランプＦＬは、その内部にキセノンガスが封入されその両端部にコンデンサーに接続された陽極および陰極が配設された円筒形状のガラス管（放電管）と、該ガラス管の外周面上に付設されたトリガー電極とを備える。キセノンガスは電気的には絶縁体であることから、コンデンサーに電荷が蓄積されていたとしても通常の状態ではガラス管内に電気は流れない。しかしながら、トリガー電極に高電圧を印加して絶縁を破壊した場合には、コンデンサーに蓄えられた電気がガラス管内に瞬時に流れ、そのときのキセノンの原子あるいは分子の励起によって光が放出される。このようなキセノンフラッシュランプＦＬにおいては、予めコンデンサーに蓄えられていた静電エネルギーが０．１ミリセカンドないし１００ミリセカンドという極めて短い光パルスに変換されることから、ハロゲンランプＨＬの如き連続点灯の光源に比べて極めて強い光を照射し得るという特徴を有する。すなわち、フラッシュランプＦＬは、１秒未満の極めて短い時間で瞬間的に発光するパルス発光ランプである。なお、フラッシュランプＦＬの発光時間は、フラッシュランプＦＬに電力供給を行うランプ電源のコイル定数によって調整することができる。
【００４７】
また、リフレクタ５２は、複数のフラッシュランプＦＬの上方にそれら全体を覆うように設けられている。リフレクタ５２の基本的な機能は、複数のフラッシュランプＦＬから出射されたフラッシュ光を熱処理空間６５の側に反射するというものである。リフレクタ５２はアルミニウム合金板にて形成されており、その表面（フラッシュランプＦＬに臨む側の面）はブラスト処理により粗面化加工が施されている。
【００４８】
チャンバー６の下方に設けられたハロゲン加熱部４は、筐体４１の内側に複数本（本実施形態では４０本）のハロゲンランプＨＬを内蔵している。ハロゲン加熱部４は、複数のハロゲンランプＨＬによってチャンバー６の下方から下側チャンバー窓６４を介して熱処理空間６５への光照射を行って半導体ウェハーＷを加熱する。
【００４９】
図７は、複数のハロゲンランプＨＬの配置を示す平面図である。４０本のハロゲンランプＨＬは上下２段に分けて配置されている。保持部７に近い上段に２０本のハロゲンランプＨＬが配設されるとともに、上段よりも保持部７から遠い下段にも２０本のハロゲンランプＨＬが配設されている。各ハロゲンランプＨＬは、長尺の円筒形状を有する棒状ランプである。上段、下段ともに２０本のハロゲンランプＨＬは、それぞれの長手方向が保持部７に保持される半導体ウェハーＷの主面に沿って（つまり水平方向に沿って）互いに平行となるように配列されている。よって、上段、下段ともにハロゲンランプＨＬの配列によって形成される平面は水平面である。
【００５０】
また、図７に示すように、上段、下段ともに保持部７に保持される半導体ウェハーＷの中央部に対向する領域よりも周縁部に対向する領域におけるハロゲンランプＨＬの配設密度が高くなっている。すなわち、上下段ともに、ランプ配列の中央部よりも周縁部の方がハロゲンランプＨＬの配設ピッチが短い。このため、ハロゲン加熱部４からの光照射による加熱時に温度低下が生じやすい半導体ウェハーＷの周縁部により多い光量の照射を行うことができる。
【００５１】
また、上段のハロゲンランプＨＬからなるランプ群と下段のハロゲンランプＨＬからなるランプ群とが格子状に交差するように配列されている。すなわち、上段に配置された２０本のハロゲンランプＨＬの長手方向と下段に配置された２０本のハロゲンランプＨＬの長手方向とが互いに直交するように計４０本のハロゲンランプＨＬが配設されている。
【００５２】
ハロゲンランプＨＬは、ガラス管内部に配設されたフィラメントに通電することでフィラメントを白熱化させて発光させるフィラメント方式の光源である。ガラス管の内部には、窒素やアルゴン等の不活性ガスにハロゲン元素（ヨウ素、臭素等）を微量導入した気体が封入されている。ハロゲン元素を導入することによって、フィラメントの折損を抑制しつつフィラメントの温度を高温に設定することが可能となる。したがって、ハロゲンランプＨＬは、通常の白熱電球に比べて寿命が長くかつ強い光を連続的に照射できるという特性を有する。すなわち、ハロゲンランプＨＬは少なくとも１秒以上連続して発光する連続点灯ランプである。また、ハロゲンランプＨＬは棒状ランプであるため長寿命であり、ハロゲンランプＨＬを水平方向に沿わせて配置することにより上方の半導体ウェハーＷへの放射効率が優れたものとなる。
【００５３】
また、ハロゲン加熱部４の筐体４１内にも、２段のハロゲンランプＨＬの下側にリフレクタ４３が設けられている（図１）。リフレクタ４３は、複数のハロゲンランプＨＬから出射された光を熱処理空間６５の側に反射する。
【００５４】
図９は、熱処理装置１における制御機構を示すブロック図である。制御部３のハードウェアとしての構成は一般的なコンピュータと同様である。すなわち、制御部３は、各種演算処理を行う回路であるＣＰＵ、基本プログラムを記憶する読み出し専用のメモリであるＲＯＭ、各種情報を記憶する読み書き自在のメモリであるＲＡＭおよび制御用ソフトウェアやデータなどを記憶しておく磁気ディスク或いはＳＳＤ(Solid State Drive(ソリッド  ステート  ドライブ))を備えている。
【００５５】
制御部３は、熱処理装置１に設けられた上記の種々の動作機構に接続されてそれらを制御する。具体的には、制御部３は、フラッシュランプＦＬおよびハロゲンランプＨＬのランプパワーを制御する（より正確には、ランプに供給する電力を制御する）。また、制御部３は、供給バルブ２２，２５および排気バルブ１９２，１９３，１９４の開閉を制御するとともに、流量調整バルブ２３，２６および圧力調整バルブ１９６の開度を制御する。さらに、制御部３は、放射温度計２０の測定結果を受け取るとともに、真空ポンプ１９１の動作も制御する。制御部３のＣＰＵが所定の処理プログラムを実行して各動作機構を制御することにより熱処理装置１における処理が進行する。
【００５６】
上記の構成以外にも熱処理装置１は、半導体ウェハーＷの熱処理時にハロゲンランプＨＬおよびフラッシュランプＦＬから発生する熱エネルギーによるハロゲン加熱部４、フラッシュ加熱部５およびチャンバー６の過剰な温度上昇を防止するため、様々な冷却用の構造を備えている。例えば、チャンバー６の壁体には水冷管（図示省略）が設けられている。また、ハロゲン加熱部４およびフラッシュ加熱部５は、内部に気体流を形成して排熱する空冷構造とされている。また、上側チャンバー窓６３とランプ光放射窓５３との間隙にも空気が供給され、フラッシュ加熱部５および上側チャンバー窓６３を冷却する。
【００５７】
次に、熱処理装置１における典型的な半導体ウェハーＷの処理手順の例について説明する。ここで処理対象となる半導体ウェハーＷは、ゲート絶縁膜として高誘電率膜が形成された半導体基板である。その半導体ウェハーＷに対して熱処理装置１がアンモニア雰囲気中にてフラッシュ光を照射して成膜後熱処理（ＰＤＡ）を行う。以下に説明する熱処理装置１の処理手順は、制御部３が熱処理装置１の各動作機構を制御することにより進行する。
【００５８】
まず、高誘電率膜が形成された半導体ウェハーＷが熱処理装置１のチャンバー６に搬入される。半導体ウェハーＷの搬入時には、ゲートバルブ１８５が開いて搬送開口部６６が開放され、装置外部の搬送ロボットにより搬送開口部６６を介して高誘電率膜が形成された半導体ウェハーＷがチャンバー６内の熱処理空間６５に搬入される。この際に、チャンバー６の内外はともに大気圧であるため、半導体ウェハーＷの搬入にともなってチャンバー６内の熱処理空間６５に装置外雰囲気が巻き込まれる。そこで、供給バルブ２２を開放して窒素供給源２７からチャンバー６内に窒素ガスを供給し続けることによって搬送開口部６６から窒素ガス流を流出させ、装置外部の雰囲気がチャンバー６内の流入するのを最小限に抑制するようにしても良い。さらに、ゲートバルブ１８５の開放時には、バルブ８９を閉止してチャンバー６からの排気を停止するのが好ましい。これにより、チャンバー６内に供給された窒素ガスは搬送開口部６６のみから流出することとなるため、外部雰囲気の流入をより効果的に防ぐことができる。
【００５９】
搬送ロボットによって搬入された半導体ウェハーＷは保持部７の直上位置まで進出して停止する。そして、移載機構１０の一対の移載アーム１１が退避位置から移載動作位置に水平移動して上昇することにより、リフトピン１２が貫通孔７９を通ってサセプタ７４の保持プレート７５の上面から突き出て半導体ウェハーＷを受け取る。このとき、リフトピン１２は基板支持ピン７７の上端よりも上方にまで上昇する。
【００６０】
半導体ウェハーＷがリフトピン１２に載置された後、搬送ロボットが熱処理空間６５から退出し、ゲートバルブ１８５によって搬送開口部６６が閉鎖される。そして、一対の移載アーム１１が下降することにより、半導体ウェハーＷは移載機構１０から保持部７のサセプタ７４に受け渡されて水平姿勢にて下方より保持される。半導体ウェハーＷは、保持プレート７５上に立設された複数の基板支持ピン７７によって支持されてサセプタ７４に保持される。また、半導体ウェハーＷは、高誘電率膜が成膜された表面を上面としてサセプタ７４に保持される。複数の基板支持ピン７７によって支持された半導体ウェハーＷの裏面（表面とは反対側の主面）と保持プレート７５の保持面７５ａとの間には所定の間隔が形成される。サセプタ７４の下方にまで下降した一対の移載アーム１１は水平移動機構１３によって退避位置、すなわち凹部６２の内側に退避する。
【００６１】
半導体ウェハーＷがチャンバー６に収容され、ゲートバルブ１８５によって搬送開口部６６が閉鎖された後、チャンバー６内を大気圧よりも低い気圧に減圧する。減圧時には、給気のための供給バルブ２２，２５を閉止しつつ、排気のためのバルブ８９を開放する。また、減圧の初期段階では、制御部３は、真空ポンプ１９１を作動させつつ、３本のバイパスライン１９７，１９８，１９９のうち最も配管径が小さいバイパスライン１９９に設けられた排気バルブ１９４を開放する。他の排気バルブ１９２，１９３は閉止されている。これにより、チャンバー６内に対してはガス供給が行われることなく排気が行われることとなり、チャンバー６内の熱処理空間６５が減圧される。減圧の初期段階では、３本のバイパスライン１９７，１９８，１９９のうち最も配管径が小さいバイパスライン１９９のみを使用しているため、排気流量が小さく排気速度も比較的遅い。なお、この時点では半導体ウェハーＷに対する熱処理は行われておらず、半導体ウェハーＷの温度は室温のままである。
【００６２】
次に、チャンバー６内の圧力が約２０ｋＰａに到達した時点で制御部３が３つの排気バルブ１９２，１９３，１９４の全てを開放する。これにより、チャンバー６からの排気流量が増大し、排気速度も速くなる。そして、チャンバー６内が約１０Ｐａの圧力（真空度）にまで減圧される。すなわち、減圧の初期段階では小さな排気流量で排気を行った後に、それよりも大きな排気流量に切り換えて排気を行っているのである。
【００６３】
減圧の開始時から大きな排気流量にて急速に排気を行うと、チャンバー６内に大きな気流変化が生じてチャンバー６の構造物（例えば、下側チャンバー窓６４）に付着していたパーティクルが巻き上げられて半導体ウェハーＷに再付着して汚染するおそれがある。減圧の初期段階では小さな排気流量で静かに排気を行った後に、大きな排気流量に切り換えて排気を行うようにすれば、そのようなチャンバー６内のパーティクルの巻き上げを防止することができる。
【００６４】
次に、給気のための供給バルブ２２，２５を開放し、チャンバー６内の熱処理空間６５にアンモニアと希釈ガスとしての窒素ガスとの混合ガスを供給する。この段階では、チャンバー６に対する処理ガスの供給とチャンバー６からの排気が同時に行われることとなる。制御部３は、圧力計１８０の測定値に基づいてチャンバー６内が所定の圧力（本実施形態では大気圧）となるように、流量調整バルブ２３，２６による窒素ガスおよびアンモニアの供給流量並びに圧力調整バルブ１９６の開度を制御する。その結果、チャンバー６内にて保持部７に保持された半導体ウェハーＷの周辺にはアンモニア雰囲気が形成される。アンモニア雰囲気中におけるアンモニアの濃度（つまり、アンモニアと窒素ガスとの混合比）は、特に限定されるものではなく適宜の値とすることができるが、例えば１０vol.％以下であれば良い（本実施形態では約２．５vol.％）。
【００６５】
チャンバー６内にアンモニア・窒素混合ガスが供給されることによって、チャンバー６内の圧力が上昇して例えば大気圧にまで復圧する。チャンバー６内を一旦減圧してから大気圧に復圧しているため、復圧後のチャンバー６内のアンモニア雰囲気中における酸素濃度を極めて低くすることができる。チャンバー６内の圧力が大気圧に復圧した以降は、チャンバー６に対するアンモニア・窒素混合ガスの供給流量とチャンバー６からの排気流量とを等しくしてチャンバー６内の圧力を大気圧に維持する。
【００６６】
また、チャンバー６内の圧力が大気圧に復圧した後にハロゲン加熱部４の４０本のハロゲンランプＨＬが一斉に点灯して半導体ウェハーＷの予備加熱（アシスト加熱）が開始される。ハロゲンランプＨＬから出射されたハロゲン光は、石英にて形成された下側チャンバー窓６４およびサセプタ７４を透過して半導体ウェハーＷの裏面に照射される。ハロゲンランプＨＬからの光照射を受けることによって半導体ウェハーＷが予備加熱されて温度が上昇する。なお、移載機構１０の移載アーム１１は凹部６２の内側に退避しているため、ハロゲンランプＨＬによる加熱の障害となることは無い。
【００６７】
ハロゲンランプＨＬによる予備加熱を行うときには、半導体ウェハーＷの温度が放射温度計２０によって測定されている。すなわち、サセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの下面から開口部７８を介して放射された赤外光を透明窓２１を通して放射温度計２０が受光して昇温中のウェハー温度を測定する。測定された半導体ウェハーＷの温度は制御部３に伝達される。制御部３は、ハロゲンランプＨＬからの光照射によって昇温する半導体ウェハーＷの温度が所定の予備加熱温度Ｔ１に到達したか否かを監視しつつ、ハロゲンランプＨＬの出力を制御する。すなわち、制御部３は、放射温度計２０による測定値に基づいて、半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１となるようにハロゲンランプＨＬの出力をフィードバック制御する。予備加熱温度Ｔ１は３００℃以上６００℃以下であり、本実施形態では４５０℃である。
【００６８】
半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１に到達した後、制御部３は半導体ウェハーＷをその予備加熱温度Ｔ１に暫時維持する。具体的には、放射温度計２０によって測定される半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１に到達した時点にて制御部３がハロゲンランプＨＬの出力を調整し、半導体ウェハーＷの温度をほぼ予備加熱温度Ｔ１に維持している。
【００６９】
このようなハロゲンランプＨＬによる予備加熱を行うことによって、半導体ウェハーＷの全体を予備加熱温度Ｔ１に均一に昇温している。ハロゲンランプＨＬによる予備加熱の段階においては、より放熱が生じやすい半導体ウェハーＷの周縁部の温度が中央部よりも低下する傾向にあるが、ハロゲン加熱部４におけるハロゲンランプＨＬの配設密度は、基板Ｗの中央部に対向する領域よりも周縁部に対向する領域の方が高くなっている。このため、放熱が生じやすい半導体ウェハーＷの周縁部に照射される光量が多くなり、予備加熱段階における半導体ウェハーＷの面内温度分布を均一なものとすることができる。
【００７０】
次に、半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１に到達して所定時間が経過した時点でフラッシュ加熱部５のフラッシュランプＦＬがサセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの表面にフラッシュ光照射を行う。このとき、フラッシュランプＦＬから放射されるフラッシュ光の一部は直接にチャンバー６内へと向かい、他の一部は一旦リフレクタ５２により反射されてからチャンバー６内へと向かい、これらのフラッシュ光の照射により半導体ウェハーＷのフラッシュ加熱が行われる。
【００７１】
フラッシュ加熱は、フラッシュランプＦＬからのフラッシュ光（閃光）照射により行われるため、半導体ウェハーＷの表面温度を短時間で上昇することができる。すなわち、フラッシュランプＦＬから照射されるフラッシュ光は、予めコンデンサーに蓄えられていた静電エネルギーが極めて短い光パルスに変換された、照射時間が０．１ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下程度の極めて短く強い閃光である。そして、高誘電率膜が成膜された半導体ウェハーＷの表面にフラッシュランプＦＬからフラッシュ光を照射することによって、高誘電率膜を含む半導体ウェハーＷの表面は瞬間的に処理温度Ｔ２にまで昇温して成膜後熱処理が実行される。フラッシュ光照射によって半導体ウェハーＷの表面が到達する最高温度（ピーク温度）である処理温度Ｔ２は６００℃以上１２００℃以下であり、本実施形態では１０００℃である。
【００７２】
アンモニア雰囲気中にて半導体ウェハーＷの表面が処理温度Ｔ２にまで昇温して成膜後熱処理が実行されると、高誘電率膜の窒化が促進されるとともに、高誘電率膜中に存在していた点欠陥等の欠陥が消滅する。なお、フラッシュランプＦＬからの照射時間は０．１ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下程度の短時間であるため、半導体ウェハーＷの表面温度が予備加熱温度Ｔ１から処理温度Ｔ２にまで昇温するのに要する時間も１秒未満の極めて短時間である。フラッシュ光照射後の半導体ウェハーＷの表面温度は処理温度Ｔ２からただちに急速に下降する。
【００７３】
フラッシュ加熱処理の終了後、供給バルブ２２，２５を閉止してチャンバー６内を再び減圧する。このときの減圧のパターンは、上述したのと同じである。すなわち、減圧の初期段階では、３本のバイパスライン１９７，１９８，１９９のうち最も配管径が小さいバイパスライン１９９のみを使用して排気流量を比較的小さくする。その後、３つの排気バルブ１９２，１９３，１９４の全てを開放して排気流量を大きくする。すなわち、減圧の初期段階では小さな排気流量で排気を行った後に、それよりも大きな排気流量に切り換えて排気を行う。
【００７４】
チャンバー６内を再び減圧することによって、チャンバー６内の熱処理空間６５から有害なアンモニアを排出することができる。続いて、バルブ８９を閉止して供給バルブ２２を開放し、チャンバー６内に窒素ガスを供給して大気圧にまで復圧する。また、ハロゲンランプＨＬも消灯し、これによって半導体ウェハーＷが予備加熱温度Ｔ１からも降温する。降温中の半導体ウェハーＷの温度は放射温度計２０によって測定され、その測定結果は制御部３に伝達される。制御部３は、測定結果より半導体ウェハーＷの温度が所定温度まで降温したか否かを監視する。そして、半導体ウェハーＷの温度が所定以下にまで降温した後、移載機構１０の一対の移載アーム１１が再び退避位置から移載動作位置に水平移動して上昇することにより、リフトピン１２がサセプタ７４の上面から突き出て熱処理後の半導体ウェハーＷをサセプタ７４から受け取る。続いて、ゲートバルブ１８５により閉鎖されていた搬送開口部６６が開放され、リフトピン１２上に載置された半導体ウェハーＷが装置外部の搬送ロボットにより搬出され、熱処理装置１における半導体ウェハーＷの加熱処理が完了する。
【００７５】
上述のように、予備加熱段階では、制御部３がハロゲンランプＨＬの出力をフィードバック制御している。具体的には制御部３は、放射温度計２０によって測定した半導体ウェハーＷの温度（測定値）と目標値である予備加熱温度Ｔ１との偏差からハロゲンランプＨＬのランプパワーを決定している。ここで同じ偏差であっても、半導体ウェハーＷの処理手順や処理条件を記述した処理レシピに予め設定されている制御パラメータ（ＰＩＤ制御であれば比例ゲイン、積分ゲイン、微分ゲイン）によって決定されるランプパワーが異なる。ハロゲンランプＨＬのランプパワーが異なると、予備加熱時における半導体ウェハーＷの昇温速度や半導体ウェハーＷが予備加熱温度Ｔ１に到達するまでに要する時間が異なる。ハロゲンランプＨＬのランプパワーが過度に強いと、半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１からオーバーシュートすることもある。
【００７６】
このため、処理レシピの調整を行って昇温速度等が最適となるような制御パラメータを予め設定しておくことが重要となる。一方、予備加熱温度Ｔ１は半導体ウェハーＷに形成されている膜種や処理目的によって異なり、制御パラメータは異なる予備加熱温度Ｔ１毎に逐一設定しておく必要がある。よって、熱処理装置１にて実際に半導体ウェハーＷの熱処理を行って処理レシピの調整を行っていたのでは低効率であることも既述した通りである。
【００７７】
そこで、本実施形態においては、以下のようにして処理レシピの調整を行っている。図１０は、本発明に係る制御評価技術の概念を示す図である。熱処理装置１の制御部３とシミュレータ９１とをＬＡＮ回線９２を介して接続する。シミュレータ９１は、シミュレーションプログラムがインストールされた通信機能を有するコンピュータであり、例えばパーソナルコンピュータであっても良い。
【００７８】
熱処理装置１では実際には半導体ウェハーＷの熱処理は行わない。熱処理装置１の制御部３は、仮想的に半導体ウェハーＷの処理を行い、操作量を決定してシミュレータ９１に引き渡す。具体的には、例えば制御部３は仮想的に半導体ウェハーＷの予備加熱処理を行い、フィードバック制御の操作量としてハロゲンランプＨＬのランプパワーをシミュレータ９１に引き渡す。
【００７９】
シミュレータ９１は、制御部３から引き渡された操作量に基づいて予備加熱のシミュレーションを行い、制御量（出力）を算出して制御部３に引き渡す。具体的には、シミュレータ９１は、制御部３から引き渡されたハロゲンランプＨＬのランプパワーに基づいて予備加熱される半導体ウェハーＷの温度を制御量として算出して制御部３に引き渡す。第１実施形態では、シミュレーションのモデルとして次の式（１）によってハロゲンランプＨＬのランプパワーから半導体ウェハーＷの温度を算出する。
【００８０】
【数１】
2019169500.tif 000003
【００８１】
式（１）において、Ｔｎは現状の半導体ウェハーＷの温度であり、Ｔｎ＋１は次の時点での半導体ウェハーＷの温度である。現状から次の時点までの時間間隔は例えば５０ミリセカンドであり、これは予備加熱時に制御部３がハロゲンランプＨＬのランプパワーを算定する間隔と一致する。また、ＬＰは制御部３から引き渡されたハロゲンランプＨＬのランプパワーであり、ＰＣはランプパワーを温度に変換するための係数である。さらに、ＮＴは大気温度（常温）であり、Ｔｄは半導体ウェハーＷの大気温度との温度差から降温温度を決めるための係数である。要するに式（１）のモデルは、半導体ウェハーＷの現状の温度ＴｎにハロゲンランプＨＬからの光照射による昇温と熱放射による降温とを加減して次の時点の温度Ｔｎ＋１を算出するものである。なお、係数であるＰＣ、Ｔｄは実験によって予め求められている。
【００８２】
制御部３は、シミュレータ９１によって算出された制御量を測定値として取り込んで新たな操作量を決定してシミュレータ９１に再び引き渡す。具体的には、制御部３は、シミュレータ９１によって算出された次の時点の温度Ｔｎ＋１を放射温度計２０による半導体ウェハーＷの温度測定値として取り込んで新たなランプパワーを決定してシミュレータ９１に引き渡す。
【００８３】
以降、同様の手順が繰り返されて制御部３とシミュレータ９１との間の双方向のデータ引き渡しが順次に行われる。すなわち、シミュレータ９１は制御部３から引き渡された操作量であるランプパワーに基づいて式（１）から半導体ウェハーＷの温度を制御量として算出して制御部３に引き渡す。また、制御部３はシミュレータ９１によって算出された制御量を測定値として取り込んで操作量を決定して再びシミュレータ９１に引き渡す。これらの手順を繰り返すことによって、ハロゲンランプＨＬのランプパワーおよび半導体ウェハーＷの温度を時系列データとして取得することができ、予備加熱時の制御部３の制御を評価することができる。取得された時系列データはシミュレータ９１のディスプレイまたは制御部３の表示パネルに表示するようにしても良い。そして、取得された半導体ウェハーＷの温度の時系列データに基づいて、予備加熱時の昇温速度や昇温時間等が最適となるように処理レシピの調整を行って制御パラメータを設定する。
【００８４】
本実施形態においては、熱処理装置１にて実際に半導体ウェハーＷの熱処理を行うことなく、制御部３とシミュレータ９１との間で算出結果を引き渡し、その算出結果に基づいて双方が新たな演算処理を繰り返すことによって半導体ウェハーＷの温度の時系列データを取得している。そして、取得した半導体ウェハーＷの温度の時系列データに基づいて、処理レシピの調整を行って制御パラメータを設定している。実際に半導体ウェハーＷの熱処理を行うことなく、短時間のうちに何パターンもの温度の時系列データを取得することができるため、効率良く最適な処理レシピの調整を行うことができる。
【００８５】
また、実際に半導体ウェハーＷの熱処理を行わないため、処理レシピの調整のためだけに半導体ウェハーＷを消費する必要がなくなるとともに、熱処理のための処理ガスや電力の消費もなくすることができ、コスト増大を抑制することができる。さらには、処理レシピの調整のために熱処理装置１を占有する時間は短時間で済むため、熱処理装置１の稼働率の低下も抑制することができる。
【００８６】
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態の熱処理装置１の構成は第１実施形態と全く同じである。また、第２実施形態の熱処理装置１における半導体ウェハーＷの処理手順も第１実施形態と同様である。さらに、第２実施形態での処理レシピの調整手順も第１実施形態と概ね同じである。第２実施形態が第１実施形態と相違するのは、シミュレータ９１が使用するシミュレーションのモデルである。
【００８７】
第２実施形態においても、処理レシピの調整のために熱処理装置１では実際に半導体ウェハーＷの熱処理は行わない。熱処理装置１の制御部３は、仮想的に半導体ウェハーＷの処理を行い、操作量としてハロゲンランプＨＬのランプパワーを決定してシミュレータ９１に引き渡す。シミュレータ９１は、制御部３から引き渡されたハロゲンランプＨＬのランプパワーに基づいて予備加熱される半導体ウェハーＷの温度を制御量として算出して制御部３に引き渡す。第２実施形態では、以下のようなシミュレーションのモデルによってハロゲンランプＨＬのランプパワーから半導体ウェハーＷの温度を算出する。
【００８８】
制御部３が操作量として決定するハロゲンランプＨＬのランプパワーは、より正確にはハロゲンランプＨＬに供給する電力である。ハロゲンランプＨＬに供給する電力ＰｉｎとそのハロゲンランプＨＬから放射されるエネルギーＰｏｕｔとには次の式（２）が成立する。
【００８９】
【数２】
2019169500.tif 000004
【００９０】
式（２）において、ｍ、ｃはそれぞれハロゲンランプＨＬのフィラメントの質量および比熱である。また、αはハロゲンランプＨＬの放射の係数である。式（２）より、ハロゲンランプＨＬに供給する電力Ｐｉｎから放射されるエネルギーＰｏｕｔを求めることができる。そして、ハロゲンランプＨＬから放射されるエネルギーＰｏｕｔと半導体ウェハーＷの温度Ｔｗとの間には次の式（３）が成立する。
【００９１】
【数３】
2019169500.tif 000005
【００９２】
式（３）において、ａは半導体ウェハーＷの放熱を定める係数であり、ｂは半導体ウェハーＷの温度上昇を定める係数である。また、Ｐ０はウェハー温度の上昇に必要なハロゲンランプＨＬから放射されるエネルギーの閾値である。閾値Ｐ０は、ハロゲンランプＨＬの熱損失に関連する値とみなせる。
【００９３】
第２実施形態においては、シミュレータ９１は式（２）（３）から半導体ウェハーＷの温度を制御量として算出して制御部３に引き渡す。制御部３はシミュレータ９１によって算出された制御量を測定値として取り込んで操作量を決定して再びシミュレータ９１に引き渡す。これらの手順を繰り返すことによって、第１実施形態と同様に、半導体ウェハーＷの温度を時系列データとして取得することができ、予備加熱時の制御部３の制御を評価することができる。半導体ウェハーＷの温度を算出するシミュレーションのモデルを除く第２実施形態の残余の点は第１実施形態と同じである。
【００９４】
第２実施形態のようにしても、実際に半導体ウェハーＷの熱処理を行うことなく、短時間のうちに何パターンもの温度の時系列データを取得することができるため、効率良く最適な処理レシピの調整を行うことができる。
【００９５】
＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態について説明する。第３実施形態の熱処理装置１の構成は第１実施形態と全く同じである。また、第３実施形態の熱処理装置１における半導体ウェハーＷの処理手順も第１実施形態と同様である。さらに、第３実施形態での処理レシピの調整手順も第１実施形態と概ね同じであるが、第３実施形態ではチャンバー６内の圧力制御を評価して処理レシピの調整を行っている。
【００９６】
チャンバー６内にアンモニア雰囲気を形成する際には、制御部３がチャンバー６への混合ガスの供給流量等をフィードバック制御している。具体的には制御部３は、圧力計１８０の測定値に基づいてチャンバー６内が所定の圧力となるように、流量調整バルブ２３，２６による窒素ガスおよびアンモニアの供給流量並びに圧力調整バルブ１９６の開度を制御している。予備加熱と同様に、圧力制御についても処理レシピの調整を行ってチャンバー６内の圧力変化が最適となるような制御パラメータを予め設定しておく必要がある。
【００９７】
第３実施形態においても、熱処理装置１では実際に半導体ウェハーＷの処理を行わず、チャンバー６に対する給排気も行わない。熱処理装置１の制御部３は、仮想的に半導体ウェハーＷの処理を行い、操作量を決定してシミュレータ９１に引き渡す。第３実施形態では、制御部３は仮想的にチャンバー６に対する給排気を行い、フィードバック制御の操作量として供給バルブ２２，２５の開閉、流量調整バルブ２３，２６が規定するガス流量、排気バルブ１９２，１９３，１９４の開閉、および、圧力調整バルブ１９６の開度をシミュレータ９１に引き渡す。
【００９８】
シミュレータ９１は、制御部３から引き渡された操作量に基づいてチャンバー６内の圧力変化のシミュレーションを行い、制御量を算出して制御部３に引き渡す。具体的には、シミュレータ９１は、制御部３から引き渡されたガス流量等に基づいて変化するチャンバー６内の圧力を制御量として算出して制御部３に引き渡す。第３実施形態では、シミュレーションのモデルとして次の式（４）によってガス流量等からチャンバー６内の圧力を算出する。
【００９９】
【数４】
2019169500.tif 000006
【０１００】
式（４）において、Ｐｎは現状のチャンバー６内の圧力であり、Ｐｎ＋１は次の時点でのチャンバー６内の圧力である。現状から次の時点までの時間間隔は、第１実施形態と同様に例えば５０ミリセカンドである。また、ＶＣ１，ＶＣ２，ＶＣ３はそれぞれバイパスライン１９７，１９８，１９９の排気係数であり、ＶＳ１，ＶＳ２，ＶＳ３はそれぞれ排気バルブ１９２，１９３，１９４の開閉状態を示す。例えば、排気バルブ１９２が開放されているときはＶＳ１が１となり、閉止されているときはＶＳ１が０となる。また、ＡＰｎ＋１は次の時点での圧力調整バルブ１９６の開度であり、０〜１の範囲内の値となる。
【０１０１】
また、式（４）において、ＡＣ１，ＡＣ２はそれぞれ窒素ガスおよびアンモニアの加圧係数である。ＳＧ１，ＳＧ２はそれぞれ流量調整バルブ２３，２６によって規定される窒素ガスおよびアンモニアの供給流量である。さらに、ＳＳ１，ＳＳ２はそれぞれ供給バルブ２２，２５の開閉状態を示す。例えば、供給バルブ２２が開放されているときはＳＳ１が１となり、閉止されているときはＳＳ１が０となる。
【０１０２】
式（４）のモデルは、現状のチャンバー６内の圧力Ｐｎに排気による減圧分と給気による加圧分とを考慮して次の時点の圧力Ｐｎ＋１を算出するものである。なお、バイパスラインの本数や給気ラインの本数が変化すると、それに応じて式（４）も変化する。
【０１０３】
制御部３は、シミュレータ９１によって算出された制御量を測定値として取り込んで新たな操作量を決定してシミュレータ９１に再び引き渡す。具体的には、制御部３は、シミュレータ９１によって算出された次の時点の圧力Ｐｎ＋１を圧力計１８０の測定値として取り込んで新たなガス供給流量等を決定してシミュレータ９１に引き渡す。
【０１０４】
以降、同様の手順が繰り返されて制御部３とシミュレータ９１との間の双方向のデータ引き渡しが順次に行われる。すなわち、シミュレータ９１は制御部３から引き渡された操作量であるガス供給流量等に基づいて式（４）からチャンバー６内の圧力を制御量として算出して制御部３に引き渡す。また、制御部３はシミュレータ９１によって算出された制御量を測定値として取り込んで操作量を決定して再びシミュレータ９１に引き渡す。これらの手順を繰り返すことによって、チャンバー６内への窒素ガスおよびアンモニアの供給流量やチャンバー６内の圧力を時系列データとして取得することができ、チャンバー６内の圧力制御を評価することができる。そして、取得されたチャンバー６内の圧力の時系列データに基づいて、圧力変化が最適となるように処理レシピの調整を行って制御パラメータを設定する。
【０１０５】
第３実施形態においても、熱処理装置１にて実際に半導体ウェハーＷの処理を行うことなく、制御部３とシミュレータ９１との間で算出結果を引き渡し、その算出結果に基づいて双方が新たな演算処理を繰り返すことによってチャンバー６内の圧力の時系列データを取得している。そして、取得したチャンバー６内の圧力の時系列データに基づいて、処理レシピの調整を行って制御パラメータを設定している。実際に半導体ウェハーＷの熱処理を行うことなく、短時間のうちに何パターンもの圧力の時系列データを取得することができるため、効率良く最適な処理レシピの調整を行うことができる。
【０１０６】
＜変形例＞
以上、本発明の実施の形態について説明したが、この発明はその趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記実施形態においては、熱処理装置１の実際の制御部３にシミュレータ９１を接続して制御評価システムを構築していたが、１台のコンピュータ内にソフトウェアによって仮想的な熱処理装置の制御部とシミュレータとを実現して制御評価システムを構築するようにしても良い。このようすれば、上記実施形態と同様の効果に加えて、処理レシピの調整のために熱処理装置１を使用する時間が皆無となるため、熱処理装置１の稼働率は全く低下しない。
【０１０７】
また、上記実施形態においては、フラッシュ加熱部５に３０本のフラッシュランプＦＬを備えるようにしていたが、これに限定されるものではなく、フラッシュランプＦＬの本数は任意の数とすることができる。また、フラッシュランプＦＬはキセノンフラッシュランプに限定されるものではなく、クリプトンフラッシュランプであっても良い。また、ハロゲン加熱部４に備えるハロゲンランプＨＬの本数も４０本に限定されるものではなく、任意の数とすることができる。
【０１０８】
また、上記実施形態においては、１秒以上連続して発光する連続点灯ランプとしてフィラメント方式のハロゲンランプＨＬを用いて半導体ウェハーＷの予備加熱を行っていたが、これに限定されるものではなく、ハロゲンランプＨＬに代えて放電型のアークランプ（例えば、キセノンアークランプ）を連続点灯ランプとして用いて予備加熱を行うようにしても良い。この場合、制御部３はアークランプのランプパワーを操作量として決定してシミュレータ９１に引き渡す。
【０１０９】
また、熱処理装置１にて処理対象となる半導体ウェハーＷはゲート絶縁膜としての高誘電率膜が形成された半導体ウェハーＷに限定されるものではなく、高誘電率膜の上にさらにメタルゲートを堆積した半導体ウェハーＷであっても良い。或いは、処理対象となる半導体ウェハーＷは、金属膜を成膜してフラッシュ加熱処理によってシリサイドを形成するものであっても良い。さらには、処理対象となる半導体ウェハーＷは、注入された不純物をフラッシュ加熱処理によって活性化するものであっても良い。
【０１１０】
また、本発明に係る制御評価技術の評価対象は熱処理装置１における加熱制御および圧力制御に限定されるものではなく、基板処理装置における基板処理のフィードバック制御であれば良い。
【符号の説明】
【０１１１】
１  熱処理装置
３  制御部
４  ハロゲン加熱部
５  フラッシュ加熱部
６  チャンバー
７  保持部
１０  移載機構
２０  放射温度計
２２，２５  供給バルブ
２３，２６  流量調整バルブ
２４  アンモニア供給源
２７  窒素供給源
６５  熱処理空間
９１  シミュレータ
１８０  圧力計
１９０  排気部
１９１  真空ポンプ
１９２，１９３，１９４  排気バルブ
１９６  圧力調整バルブ
１９７，１９８，１９９  バイパスライン
ＦＬ  フラッシュランプ
ＨＬ  ハロゲンランプ
Ｗ  半導体ウェハー
【図１】
2019169500.tif 000007
【図２】
2019169500.tif 000008
【図３】
2019169500.tif 000009
【図４】
2019169500.tif 000010
【図５】
2019169500.tif 000011
【図６】
2019169500.tif 000012
【図７】
2019169500.tif 000013
【図８】
2019169500.tif 000014
【図９】
2019169500.tif 000015
【図１０】
2019169500.tif 000016