(57)【要約】【課題】酸素濃度の測定を中断したときにも、低酸素濃度域での測定精度を維持することができる熱処理装置および熱処理方法を提供する。【解決手段】チャンバー６内の圧力が大気圧とされ、かつ、チャンバー６内が不活性ガスの雰囲気とされているときは、チャンバー６内の雰囲気がサンプリングライン９２を経て酸素濃度計９１に吸引され、チャンバー６内の酸素濃度が酸素濃度計９１によって測定される。チャンバー６内が大気圧未満に減圧されると、チャンバー６内の酸素濃度の測定を中断すると同時に、不活性ガス供給ライン９４から酸素濃度計９１に窒素ガスを供給する。チャンバー６内の酸素濃度の測定を中断したときにも、ガス排気管８８から酸素濃度計９１への逆流を防ぐことができ、酸素濃度計９１がチャンバー６からの排気に曝されるのを防止して酸素濃度計９１の低酸素濃度域での測定精度を維持することができる。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に光照射することによって該基板を加熱する熱処理装置であって、
基板を収容するチャンバーと、
前記チャンバーに収容された前記基板に光照射するランプと、
前記チャンバー内の雰囲気を吸引して前記チャンバー内の酸素濃度を測定する酸素濃度計と、
前記チャンバーと前記酸素濃度計とを連通接続し、前記チャンバー内の雰囲気を前記酸素濃度計に導くサンプリングラインと、
前記酸素濃度計に不活性ガスを供給する不活性ガス供給ラインと、
前記チャンバー内の雰囲気を排気する排気ラインと、
を備え、
前記酸素濃度計は、前記チャンバーから吸引して酸素濃度の測定に使用した気体を前記排気ラインに排出し、
前記サンプリングラインを閉止して前記チャンバー内の酸素濃度の測定を中断したときに、前記不活性ガス供給ラインから前記酸素濃度計に不活性ガスを供給することを特徴とする熱処理装置。
【請求項２】
請求項１記載の熱処理装置において、
前記不活性ガス供給ラインから供給する不活性ガスの酸素濃度は前記チャンバー内の酸素濃度よりも低い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記載の熱処理装置において、
前記不活性ガス供給ラインから前記酸素濃度計に供給する不活性ガスの流量を前記チャンバーから前記酸素濃度計に導かれる気体の流量と等しくする流量調整機構を前記不活性ガス供給ラインに設けることを特徴とする熱処理装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の熱処理装置において、
前記サンプリングラインはステンレススチールにて形成されることを特徴とする熱処理装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の熱処理装置において、
前記チャンバー内を大気圧未満に減圧するとき、または、前記チャンバー内に反応性ガスを供給するときに、前記サンプリングラインを閉止して前記チャンバー内の酸素濃度の測定を中断することを特徴とする熱処理装置。
【請求項６】
請求項５記載の熱処理装置において、
前記チャンバー内に反応性ガスを供給するときには、前記反応性ガスの供給を停止してから所定の設定時間の間は前記サンプリングラインの閉止を継続することを特徴とする熱処理装置。
【請求項７】
基板に光照射することによって該基板を加熱する熱処理方法であって、
チャンバー内に収容した基板にランプから光照射する照射工程と、
前記チャンバー内の雰囲気を排気ラインに排気する排気工程と、
前記チャンバー内の雰囲気をサンプリングラインを経由して酸素濃度計に導いて前記チャンバー内の酸素濃度を測定し、酸素濃度の測定に使用した気体を前記排気ラインに排出する測定工程と、
前記測定工程を中断したときに、前記酸素濃度計に不活性ガスを供給する不活性ガス供給工程と、
を備えることを特徴とする熱処理方法。
【請求項８】
請求項７記載の熱処理方法において、
前記不活性ガス供給工程にて前記酸素濃度計に供給する不活性ガスの酸素濃度は前記チャンバー内の酸素濃度よりも低いことを特徴とする熱処理方法。
【請求項９】
請求項７または請求項８記載の熱処理方法において、
前記不活性ガス供給工程にて前記酸素濃度計に供給する不活性ガスの流量を前記測定工程にて前記チャンバーから前記酸素濃度計に導かれる気体の流量と等しくすることを特徴とする熱処理方法。
【請求項１０】
請求項７から請求項９のいずれかに記載の熱処理方法において、
前記サンプリングラインはステンレススチールにて形成されることを特徴とする熱処理方法。
【請求項１１】
請求項７から請求項１０のいずれかに記載の熱処理方法において、
前記チャンバー内を大気圧未満に減圧するとき、または、前記チャンバー内に反応性ガスを供給するときに、前記測定工程を中断することを特徴とする熱処理方法。
【請求項１２】
請求項１１記載の熱処理方法において、
前記チャンバー内に反応性ガスを供給するときには、前記反応性ガスの供給を停止してから所定の設定時間の間は前記測定工程の中断を継続することを特徴とする熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウェハー等の薄板状精密電子基板（以下、単に「基板」と称する）にフラッシュ光を照射することによって該基板を加熱する熱処理装置および熱処理方法に関する。
【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】
フラッシュランプアニールに限らず、半導体ウェハーを加熱する熱処理では酸化の問題が生じるため、半導体ウェハーを収容するチャンバー内の酸素濃度の管理が重要となる。特許文献１には、フラッシュランプを用いた熱処理装置のチャンバーに酸素濃度計を設置し、処理中の酸素濃度を測定することが記載されている。一般には、加熱処理時の酸化防止のためには、チャンバー内の酸素濃度は低いほど好ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２６９５９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
典型的には、酸素濃度計はチャンバー内の雰囲気をサンプリングし、そのサンプリングした気体中の酸素濃度を測定する。そして、測定に使用した気体は、例えばチャンバー内の雰囲気を排気するための排気ラインに排出される。
【０００８】
ところで、酸素濃度計は常時チャンバー内の酸素濃度を測定しているわけではない。例えば、チャンバー内を減圧したときには、チャンバー内の雰囲気のサンプリングが困難になるため、酸素濃度計による酸素濃度の測定を中断する。また、チャンバー内に反応性ガス（例えば、アンモニア）を供給するときにも酸素濃度計による酸素濃度の測定を中断する。
【０００９】
一方、フラッシュランプアニールの処理目的によっては、半導体ウェハーを収容するチャンバー内をより低酸素環境とすることが求められている。例えば、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）のゲート絶縁膜として、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）よりも誘電率の高い材料（高誘電率材料）を用いた高誘電率膜（high-k膜）を形成した半導体ウェハーの熱処理をフラッシュランプアニールによって行う場合には、酸化膜厚の増大を抑制するために従来よりもさらなる低酸素濃度環境（１ｐｐｍ以下）が要求されている。従って、酸素濃度計によるチャンバー内の酸素濃度測定については、１ｐｐｍ以下の低酸素濃度域での測定精度を高める必要もある。
【００１０】
しかしながら、酸素濃度計が酸素濃度の測定を中断したときには、チャンバーからの気体のサンプリングも停止されるため、酸素濃度計の排気側から気体が逆流することがある。そうすると、酸素濃度計のセンサーが高酸素濃度の気体と接触することとなり、当該酸素濃度計が低酸素濃度域での測定機能を喪失する。その結果、酸素濃度の測定を再開したときに、酸素濃度計による低酸素濃度域での測定が不可能となっているおそれがある。
【００１１】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、酸素濃度の測定を中断したときにも、低酸素濃度域での測定精度を維持することができる熱処理装置および熱処理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】
【００１２】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、基板に光照射することによって該基板を加熱する熱処理装置において、基板を収容するチャンバーと、前記チャンバーに収容された前記基板に光照射するランプと、前記チャンバー内の雰囲気を吸引して前記チャンバー内の酸素濃度を測定する酸素濃度計と、前記チャンバーと前記酸素濃度計とを連通接続し、前記チャンバー内の雰囲気を前記酸素濃度計に導くサンプリングラインと、前記酸素濃度計に不活性ガスを供給する不活性ガス供給ラインと、前記チャンバー内の雰囲気を排気する排気ラインと、を備え、前記酸素濃度計は、前記チャンバーから吸引して酸素濃度の測定に使用した気体を前記排気ラインに排出し、前記サンプリングラインを閉止して前記チャンバー内の酸素濃度の測定を中断したときに、前記不活性ガス供給ラインから前記酸素濃度計に不活性ガスを供給することを特徴とする。
【００１３】
また、請求項２の発明は、請求項１の発明に係る熱処理装置において、前記不活性ガス供給ラインから供給する不活性ガスの酸素濃度は前記チャンバー内の酸素濃度よりも低いことを特徴とする。
【００１４】
また、請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明に係る熱処理装置において、前記不活性ガス供給ラインから前記酸素濃度計に供給する不活性ガスの流量を前記チャンバーから前記酸素濃度計に導かれる気体の流量と等しくする流量調整機構を前記不活性ガス供給ラインに設けることを特徴とする。
【００１５】
また、請求項４の発明は、請求項１から請求項３のいずれかの発明に係る熱処理装置において、前記サンプリングラインはステンレススチールにて形成されることを特徴とする。
【００１６】
また、請求項５の発明は、請求項１から請求項４のいずれかの発明に係る熱処理装置において、前記チャンバー内を大気圧未満に減圧するとき、または、前記チャンバー内に反応性ガスを供給するときに、前記サンプリングラインを閉止して前記チャンバー内の酸素濃度の測定を中断することを特徴とする。
【００１７】
また、請求項６の発明は、請求項５の発明に係る熱処理装置において、前記チャンバー内に反応性ガスを供給するときには、前記反応性ガスの供給を停止してから所定の設定時間の間は前記サンプリングラインの閉止を継続することを特徴とする。
【００１８】
また、請求項７の発明は、基板に光照射することによって該基板を加熱する熱処理方法において、チャンバー内に収容した基板にランプから光照射する照射工程と、前記チャンバー内の雰囲気を排気ラインに排気する排気工程と、前記チャンバー内の雰囲気をサンプリングラインを経由して酸素濃度計に導いて前記チャンバー内の酸素濃度を測定し、酸素濃度の測定に使用した気体を前記排気ラインに排出する測定工程と、前記測定工程を中断したときに、前記酸素濃度計に不活性ガスを供給する不活性ガス供給工程と、を備えることを特徴とする。
【００１９】
また、請求項８の発明は、請求項７の発明に係る熱処理方法において、前記不活性ガス供給工程にて前記酸素濃度計に供給する不活性ガスの酸素濃度は前記チャンバー内の酸素濃度よりも低いことを特徴とする。
【００２０】
また、請求項９の発明は、請求項７または請求項８の発明に係る熱処理方法において、前記不活性ガス供給工程にて前記酸素濃度計に供給する不活性ガスの流量を前記測定工程にて前記チャンバーから前記酸素濃度計に導かれる気体の流量と等しくすることを特徴とする。
【００２１】
また、請求項１０の発明は、請求項７から請求項９のいずれかの発明に係る熱処理方法において、前記サンプリングラインはステンレススチールにて形成されることを特徴とする。
【００２２】
また、請求項１１の発明は、請求項７から請求項１０のいずれかの発明に係る熱処理方法において、前記チャンバー内を大気圧未満に減圧するとき、または、前記チャンバー内に反応性ガスを供給するときに、前記測定工程を中断することを特徴とする。
【００２３】
また、請求項１２の発明は、請求項１１の発明に係る熱処理方法において、前記チャンバー内に反応性ガスを供給するときには、前記反応性ガスの供給を停止してから所定の設定時間の間は前記測定工程の中断を継続することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
請求項１から請求項６の発明によれば、サンプリングラインを閉止してチャンバー内の酸素濃度の測定を中断したときに、不活性ガス供給ラインから酸素濃度計に不活性ガスを供給するため、排気ラインから酸素濃度計への逆流を防止して低酸素濃度域での測定精度を維持することができる。
【００２５】
特に、請求項２の発明によれば、不活性ガス供給ラインから供給する不活性ガスの酸素濃度はチャンバー内の酸素濃度よりも低いため、少なくともチャンバー内の酸素濃度での酸素濃度計の測定機能を維持することができる。
【００２６】
特に、請求項３の発明によれば、不活性ガス供給ラインから酸素濃度計に供給する不活性ガスの流量をチャンバーから酸素濃度計に導かれる気体の流量と等しくする流量調整機構を不活性ガス供給ラインに設けるため、酸素濃度計に流入する気体の流量の変動を抑制して酸素濃度計の測定精度を維持することができる。
【００２７】
特に、請求項４の発明によれば、サンプリングラインはステンレススチールにて形成されるため、配管からの酸素の浸透を完全に遮断して低酸素濃度域での酸素濃度計の測定精度を維持することができる。
【００２８】
特に、請求項６の発明によれば、チャンバー内に反応性ガスを供給するときには、反応性ガスの供給を停止してから所定の設定時間の間はサンプリングラインの閉止を継続するため、チャンバー内に残留する反応性ガスが酸素濃度計に吸引されるのを防止することができる。
【００２９】
請求項７から請求項１２の発明によれば、チャンバー内の雰囲気をサンプリングラインを経由して酸素濃度計に導いて前記チャンバー内の酸素濃度を測定する測定工程を中断したときに、酸素濃度計に不活性ガスを供給するため、排気ラインから酸素濃度計への逆流を防止して低酸素濃度域での測定精度を維持することができる。
【００３０】
特に、請求項８の発明によれば、不活性ガス供給工程にて酸素濃度計に供給する不活性ガスの酸素濃度はチャンバー内の酸素濃度よりも低いため、少なくともチャンバー内の酸素濃度での酸素濃度計の測定機能を維持することができる。
【００３１】
特に、請求項９の発明によれば、不活性ガス供給工程にて酸素濃度計に供給する不活性ガスの流量を測定工程にてチャンバーから酸素濃度計に導かれる気体の流量と等しくするため、酸素濃度計に流入する気体の流量の変動を抑制して酸素濃度計の測定精度を維持することができる。
【００３２】
特に、請求項１０の発明によれば、サンプリングラインはステンレススチールにて形成されるため、配管からの酸素の浸透を完全に遮断して低酸素濃度域での酸素濃度計の測定精度を維持することができる。
【００３３】
特に、請求項１２の発明によれば、チャンバー内に反応性ガスを供給するときには、反応性ガスの供給を停止してから所定の設定時間の間は測定工程の中断を継続するため、チャンバー内に残留する反応性ガスが酸素濃度計に吸引されるのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係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】酸素濃度計の周辺構成を模式的に示す図である。
【図９】チャンバー内の圧力変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
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。
【００３６】
図１は、本発明に係る熱処理装置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。
【００３７】
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。また、熱処理装置１は、チャンバー６内の酸素濃度を測定する酸素濃度計９１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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。放射温度計２０は、半導体ウェハーＷの下面から放射された赤外光を透明窓２１を介して受光し、その赤外光の強度から半導体ウェハーＷの温度を測定する。
【００４３】
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は処理ガス供給源８５に接続されている。処理ガス供給源８５は、制御部３の制御下にて、窒素ガス、または、アンモニアと窒素ガスとの混合ガスを処理ガスとしてガス供給管８３に送給する。また、ガス供給管８３の経路途中にはバルブ８４および流量調整バルブ９０が介挿されている。バルブ８４が開放されると、処理ガス供給源８５から緩衝空間８２に処理ガスが送給される。ガス供給管８３を流れて緩衝空間８２に送給される処理ガスの流量は流量調整バルブ９０によって調整される。流量調整バルブ９０が規定する処理ガスの流量は制御部３の制御によって可変とされる。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。
【００４４】
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。バルブ８４を閉止して熱処理空間６５に処理ガスを供給することなくバルブ８９を開放して熱処理空間６５からの排気のみを行うと、チャンバー６内の熱処理空間６５が大気圧未満にまで減圧されることとなる。排気部１９０は、図示省略の排気流量調整機構（例えば、流量調整バルブ）を備えている。また、チャンバー６内には熱処理空間６５の圧力を測定する圧力計１８０が設けられている。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。また、処理ガス供給源８５および排気部１９０は、熱処理装置１に設けられた機構であっても良いし、熱処理装置１が設置される工場のユーティリティであっても良い。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
また、熱処理装置１は、チャンバー６内の酸素濃度を測定する酸素濃度計９１を備えている。図８は、酸素濃度計９１の周辺構成を模式的に示す図である。酸素濃度計９１とチャンバー６とはサンプリングライン９２によって連通接続されている。すなわち、サンプリングライン９２の先端はチャンバー６のチャンバー側部６１の内側に接続され、基端は酸素濃度計９１に接続される。サンプリングライン９２は、チャンバー６内の雰囲気を酸素濃度計９１に導く配管である。サンプリングライン９２の経路途中にはバルブ９３が設けられている。バルブ９３が開放されると、チャンバー６内の熱処理空間６５と酸素濃度計９１とが連通状態となる。
【００５７】
また、サンプリングライン９２の経路途中（バルブ９３よりも酸素濃度計９１側）には不活性ガス供給ライン９４が接続されている。不活性ガス供給ライン９４は、サンプリングライン９２の一部を経由して酸素濃度計９１に不活性ガスを供給する配管である。不活性ガス供給ライン９４の先端はサンプリングライン９２の経路途中に接続され、基端は不活性ガス供給源９８に接続されている。不活性ガス供給ライン９４の経路途中には、バルブ９５、オリフィス９６、減圧弁９７が介挿されている。
【００５８】
バルブ９５が開放されると、不活性ガス供給源９８から酸素濃度計９１に不活性ガス（本実施形態では窒素ガス）が送給される。減圧弁９７は、不活性ガス供給源９８から送給される窒素ガスの圧力を減少させるバルブである。オリフィス９６は、例えばφ０．１ｍｍの開口を有し、不活性ガス供給ライン９４のコンダクタンスを調整する。具体的には、オリフィス９６は、不活性ガス供給ライン９４のコンダクタンスをサンプリングライン９２のコンダクタンス（より厳密には、サンプリングライン９２の先端から不活性ガス供給ライン９４が合流する部位までのコンダクタンス）と等しくなるように調整する。減圧弁９７によって窒素ガスの供給圧力を減少するとともに、オリフィス９６によって不活性ガス供給ライン９４のコンダクタンスをサンプリングライン９２のコンダクタンスと同等に調整することにより、不活性ガス供給源９８から不活性ガス供給ライン９４を経て酸素濃度計９１に供給する不活性ガスの流量をチャンバー６からサンプリングライン９２を経て酸素濃度計９１に導かれる気体の流量と等しくすることができる。
【００５９】
サンプリングライン９２および不活性ガス供給ライン９４は、ステンレススチール（例えば、日本工業規格のＳＵＳ３１６またはＳＵＳ３０４等）にて形成されている。サンプリングライン９２および不活性ガス供給ライン９４は、チャンバー６と同じ素材にて形成するのが好ましい。
【００６０】
酸素濃度計９１は、図示を省略する濃度センサーと吸引ポンプとを有する。酸素濃度計９１の吸引ポンプは、バルブ９３が開放されているときに、サンプリングライン９２を経由してチャンバー６内の雰囲気を吸引する。濃度センサーは、例えば安定化ジルコニアを用いたジルコニア式酸素濃度センサーである。安定化ジルコニアは、ジルコニア（ＺｒＯ２）に安定化剤としてのイットリア（Ｙ２Ｏ３）を添加したものであり、イオン伝導性に優れ、高温では固体電解質となる。高温（例えば、約７００℃）のジルコニア固体電解質の両側で酸素濃度に差があると、高酸素濃度側では還元反応によって酸素イオン（Ｏ２−）が生成し、その酸素イオンがジルコニア固体電解質内を移動して低酸素濃度側で酸化反応によって酸素（Ｏ２）となる。ジルコニア固体電解質の両側で生じる酸化・還元反応での電子の授受によって起電力が生じ、その起電力の大きさは酸素濃度差によって規定される。従って、高温のジルコニア固体電解質の片側に酸素濃度が既知の参照ガスを接触させつつ、その反対側に測定対象となるガスを接触させたときの起電力を測定することによって、当該測定対象となるガス中の酸素濃度を測定することができる。酸素濃度計９１は、チャンバー６から吸引した気体中の酸素濃度をかかる原理を用いて測定することによって、チャンバー６内の酸素濃度を測定している。
【００６１】
酸素濃度計９１は、チャンバー６内の雰囲気を排気する排気ラインであるガス排気管８８と排出管９９を介して接続されている。酸素濃度計９１は、チャンバー６から吸引して酸素濃度の測定に使用した気体を排出管９９からガス排気管８８へと排出する。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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棒状のガラス管（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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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を制御する。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を備えている。制御部３のＣＰＵが所定の処理プログラムを実行することによって熱処理装置１における処理が進行する。また、制御部３は、サンプリングライン９２のバルブ９３および不活性ガス供給ライン９４のバルブ９５の開閉を制御する。さらに、制御部３は計時機能を有するタイマー３１を備えている（図８）。
【００７３】
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。
【００７４】
次に、熱処理装置１における処理手順について説明する。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シリコンの半導体基板である。高誘電率膜は、例えばＡＬＤ(Atomic Layer Deposition)やＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)等の手法によって半導体ウェハーＷの表面に堆積されて成膜されている。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）を行うことにより、成膜後の高誘電率膜中の欠陥を消滅させる。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。
【００７５】
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、バルブ８４を開放して処理ガス供給源８５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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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が閉鎖された時点では、チャンバー６内は常圧（＝大気圧）であり、ガス供給孔８１から窒素ガスが供給されるとともにガス排気孔８６から熱処理空間６５の気体が排気されることによってチャンバー６内は窒素雰囲気とされる。チャンバー６内が常圧、かつ、チャンバー６内が窒素ガス等の不活性ガスの雰囲気とされているときには、制御部３からの動作指令に応じてサンプリングライン９２のバルブ９３が開放されるとともに、不活性ガス供給ライン９４のバルブ９５が閉止される。これにより、チャンバー６内の雰囲気がサンプリングライン９２を経て酸素濃度計９１に吸引され、チャンバー６内の酸素濃度が酸素濃度計９１によって測定される。チャンバー６から吸引して酸素濃度の測定に使用した気体は酸素濃度計９１からガス排気管８８に排出される。
【００７９】
また、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。図９は、チャンバー６内の圧力変化を示す図である。時刻ｔ１に半導体ウェハーＷが大気圧Ｐｓ（＝約101325Pa）のチャンバー６内に搬入された後、ゲートバルブ１８５によって搬送開口部６６が閉鎖されることによって、チャンバー６内の熱処理空間６５が密閉空間となる。このときには、バルブ８４およびバルブ８９の双方が開放され、チャンバー６内には窒素ガスが供給されるとともにチャンバー６内の雰囲気も排気されてチャンバー６内が窒素雰囲気とされる。この状態にて、時刻ｔ２に制御部３からの動作指令に応じてバルブ８９を開放しつつバルブ８４を閉止することによって、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が大気圧未満に減圧される。
【００８０】
また、制御部３は、排気部１９０を制御して時刻２から時刻ｔ３までは比較的小さな排気流量にて気圧Ｐ１（例えば約２００００Ｐａ）まで排気を行った後、時刻ｔ３に排気流量を増大させる。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。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。
【００８１】
やがて時刻ｔ４にチャンバー６の圧力（真空度）が気圧Ｐ２に到達する。気圧Ｐ２は、例えば約１００Ｐａである。チャンバー６内の圧力が気圧Ｐ２に到達した時刻ｔ４に、給気のためのバルブ８４を開放し、処理ガス供給源８５からチャンバー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。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.％）。
【００８２】
チャンバー６内に混合ガスが供給されることによって、チャンバー６内の圧力が気圧Ｐ２から上昇して時刻ｔ５に気圧Ｐ３にまで復圧している。半導体ウェハーＷの処理圧力である気圧Ｐ３は、気圧Ｐ２より高く、かつ、大気圧Ｐｓよりも低く、例えば約５０００Ｐａである。チャンバー６内の圧力が気圧Ｐ３に復圧した時刻ｔ５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概ね等しくしてチャンバー６内の圧力を気圧Ｐ３に維持する。
【００８３】
チャンバー６内が大気圧とされている時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間は、上述したように、サンプリングライン９２のバルブ９３が開放されるとともに、不活性ガス供給ライン９４のバルブ９５が閉止され、酸素濃度計９１によってチャンバー６内の酸素濃度が測定されている。一方、チャンバー６内が大気圧未満に減圧される時刻ｔ２以降は、制御部３からの動作指令に応じてサンプリングライン９２のバルブ９３が閉止される。これにより、チャンバー６からの雰囲気の吸引が停止されてチャンバー６内の酸素濃度の測定が中断されることとなる。また、サンプリングライン９２のバルブ９３が閉止されると同時に、不活性ガス供給ライン９４のバルブ９５が開放される。これにより、チャンバー６からの雰囲気の吸引が停止されると同時に、不活性ガス供給ライン９４から酸素濃度計９１に不活性ガスとしての窒素ガスが供給される。不活性ガス供給ライン９４からの窒素ガス供給に際しては、減圧弁９７によって窒素ガスの供給圧を減少させるとともに、オリフィス９６によって不活性ガス供給ライン９４のコンダクタンスをサンプリングライン９２のコンダクタンスと同等に調整している。このため、不活性ガス供給ライン９４から酸素濃度計９１に供給する窒素ガスの流量は、チャンバー６内の酸素濃度測定時にチャンバー６からサンプリングライン９２を経て酸素濃度計９１に導かれる気体の流量と等しくなる。
【００８４】
また、不活性ガス供給ライン９４から酸素濃度計９１に供給する窒素ガス中の酸素濃度は酸素濃度測定時のチャンバー６内の酸素濃度よりも低くされている。大気圧とされているときでもチャンバー６内の酸素濃度は約０．１ｐｐｍとされており、不活性ガス供給ライン９４から酸素濃度計９１に供給する窒素ガス中の酸素濃度は０．１ｐｐｍ未満である。
【００８５】
チャンバー６内の圧力が気圧Ｐ３に復圧した時刻ｔ５以降にハロゲン加熱部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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。なお、予備加熱時のチャンバー６内の圧力は気圧Ｐ３に維持されている。
【００８９】
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刻ｔ６にフラッシュ加熱部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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
フラッシュ加熱処理が終了して所定時間が経過した時刻ｔ７に、制御部３がバルブ８４を閉止してチャンバー６内を再び気圧Ｐ２にまで減圧する。これにより、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、チャンバー６内が気圧Ｐ２にまで到達した時刻ｔ８に、制御部３がバルブ８９を閉止してバルブ８４を開放し、処理ガス供給源８５からチャンバー６内に不活性ガスである窒素ガスを供給して大気圧Ｐｓ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、チャンバー６が窒素雰囲気に置換されて大気圧Ｐｓにまで復圧し、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。
【００９３】
本実施形態の熱処理装置１においては、チャンバー６内の圧力が大気圧とされ、かつ、チャンバー６内が不活性ガスの雰囲気とされている時刻ｔ１から時刻ｔ２の間は、チャンバー６内の雰囲気が酸素濃度計９１に吸引され、チャンバー６内の酸素濃度が酸素濃度計９１によって測定される。そして、チャンバー６内が大気圧未満に減圧され、さらにはチャンバー６内に反応性ガスであるアンモニアが供給される時刻ｔ２以降は、サンプリングライン９２のバルブ９３を閉止してチャンバー６内の酸素濃度の測定を中断している。このようにしているのは、チャンバー６内が大気圧未満に減圧されているとチャンバー６内の雰囲気の吸引が困難となり、またチャンバー６内に反応性ガスが供給されていると酸素濃度計９１の濃度センサーに悪影響を与えるためである。
【００９４】
ここで、単にバルブ９３を閉止してチャンバー６内の酸素濃度の測定を中断しただけでは、酸素濃度計９１の吸引ポンプが動作を継続しているため、チャンバー６の排気ラインであるガス排気管８８から排出管９９を経て酸素濃度計９１にガス排気管８８中の比較的酸素濃度の高い気体が逆流することがある。そうすると、酸素濃度計９１の濃度センサーがチャンバー６からの排気に曝され、酸素濃度の測定に支障を来すおそれがある。特に、１ｐｐｍ以下の低酸素濃度域での測定精度が損なわれるおそれがある。
【００９５】
そこで、本実施形態においては、バルブ９３を閉止してチャンバー６内の酸素濃度の測定を中断すると同時に、バルブ９５を開放して不活性ガス供給ライン９４から酸素濃度計９１に不活性ガスとして窒素ガスを供給している。酸素濃度計９１に供給された窒素ガスは、排出管９９からガス排気管８８へと排出される。これにより、チャンバー６内の酸素濃度の測定を中断したときにも、ガス排気管８８から酸素濃度計９１への逆流を防ぐことができ酸素濃度計９１がチャンバー６からの排気に曝されるのを防止することができる。その結果、酸素濃度計９１の機能を維持することができ、特に本実施形態のチャンバー６内の酸素濃度測定に際して重要な低酸素濃度域での測定精度を維持することができる。
【００９６】
また、不活性ガス供給ライン９４から酸素濃度計９１に供給する窒素ガス中の酸素濃度を酸素濃度測定時のチャンバー６内の酸素濃度よりも低くしている。チャンバー６内の酸素濃度の測定を中断しているときに、酸素濃度計９１が高い酸素濃度の気体に曝されると、酸素濃度計９１から完全に酸素が排除されるまでに相応の時間を要し、その間は酸素濃度計９１が低酸素濃度域での測定機能を喪失する。本実施形態では、不活性ガス供給ライン９４から酸素濃度計９１に供給する窒素ガス中の酸素濃度をチャンバー６内の酸素濃度よりも低くしているため、少なくともチャンバー６内の酸素濃度での酸素濃度計９１の測定機能は維持される。
【００９７】
また、本実施形態においては、減圧弁９７およびオリフィス９６によって不活性ガス供給源９８から不活性ガス供給ライン９４を経て酸素濃度計９１に供給する不活性ガスの流量をチャンバー６からサンプリングライン９２を経て酸素濃度計９１に導かれる気体の流量と等しくしている。ジルコニア固体電解質を用いた酸素濃度計９１の濃度センサーは７００℃程度の高温に加熱されており、酸素濃度計９１に流入する気体の流量が変動すると濃度センサーの温度が揺らぎ、酸素濃度計９１が正確な濃度測定をできなくなるおそれがある。不活性ガス供給ライン９４から酸素濃度計９１に供給する不活性ガスの流量をチャンバー６から酸素濃度計９１に導かれる気体の流量と等しくすることにより、酸素濃度計９１に流入する気体の流量の変動を抑制し、酸素濃度計９１の測定精度を維持することができる。
【００９８】
また、本実施形態では、サンプリングライン９２および不活性ガス供給ライン９４がステンレススチールにて形成されている。サンプリングライン９２および不活性ガス供給ライン９４が樹脂にて形成されていると、その樹脂配管から極微量に酸素が浸透して酸素濃度計９１に流入するおそれがある。サンプリングライン９２および不活性ガス供給ライン９４をステンレススチールにて形成すれば、配管からの酸素の浸透を完全に遮断することができ、酸素濃度計９１が浸透してきた酸素に曝されるのを防いで低酸素濃度域での酸素濃度計９１の測定精度を維持することができる。
【００９９】
また、本実施形態においては、時刻ｔ４からチャンバー６内へのアンモニアの供給を開始し、時刻ｔ７にアンモニアの供給を停止している。アンモニアの供給を停止する時刻ｔ７からタイマー３１による計時を開始し、制御部３はタイマー３１による計時時間が予め設定された設定時間（例えば、２分）に到達するまではサンプリングライン９２のバルブ９３の開放を禁止している。すなわち、チャンバー６内に反応性ガスを供給するときには、反応性ガスの供給を停止してから所定の設定時間の間はサンプリングライン９２の閉止を継続しているのである。チャンバー６内へのアンモニア等の反応性ガスの供給を停止してからもしばらくはチャンバー６内に反応性ガスが残留するのであるが、反応性ガスの供給を停止してから所定の設定時間の間はサンプリングライン９２の閉止を継続することにより、チャンバー６内に残留する反応性ガスが酸素濃度計９１に吸引されるのを防止することができる。
【０１００】
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、不活性ガス供給ライン９４にオリフィス９６を設けていたが、オリフィス９６に代えて不活性ガス供給ライン９４のコンダクタンスを調整するコンダクタンス調整バルブを設けるようにしても良い。この場合であっても、コンダクタンス調整バルブは、不活性ガス供給ライン９４のコンダクタンスをサンプリングライン９２のコンダクタンスと等しくなるように調整する。このようにすれば、不活性ガス供給源９８から不活性ガス供給ライン９４を経て酸素濃度計９１に供給する不活性ガスの流量をチャンバー６からサンプリングライン９２を経て酸素濃度計９１に導かれる気体の流量と等しくして上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１０１】
また、上記実施形態においては、不活性ガス供給ライン９４から酸素濃度計９１に不活性ガスとして窒素ガスを供給していたが、供給する不活性ガスは窒素ガスに限定されるものではなく、アルゴン（Ａｒ）やヘリウム（Ｈｅ）であっても良い。もっとも、コストの上昇を抑制する観点からは、上記実施形態のように窒素ガスを使用するのが好ましい。
【０１０２】
また、チャンバー６内の圧力が大気圧とされていてもチャンバー６内に反応性ガスが供給されるときには、サンプリングライン９２のバルブ９３を閉止してチャンバー６内の酸素濃度の測定を中断し、不活性ガス供給ライン９４から酸素濃度計９１に不活性ガスを供給する。これは、酸素濃度計９１に反応性ガスが流入すると、高温に加熱された濃度センサーの電極が反応性ガスによって腐食されるおそれがあるためである。すなわち、チャンバー６内を大気圧未満に減圧するとき、または、チャンバー６内に反応性ガスを供給するときに、サンプリングライン９２を閉止してチャンバー６内の酸素濃度の測定を中断するのである。
【０１０３】
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。
【０１０４】
また、上記実施形態においては基板に光照射して基板を加熱するランプとしてフラッシュランプＦＬとハロゲンランプＨＬとを備える構成としていたが、フラッシュランプと連続点灯用のランプとしてのアークランプを備える構成としても良く、さらにはハロゲンランプまたはアークランプのみを備えてＲＴＰ（ラピッドサーマルプロセス）処理を行うような構成としても良い。
【０１０５】
また、熱処理装置１によって処理対象となる基板は半導体ウェハーに限定されるものではなく、液晶表示装置などのフラットパネルディスプレイに用いるガラス基板や太陽電池用の基板であっても良い。
【符号の説明】
【０１０６】
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
３１  タイマー
６５  熱処理空間
７４  サセプタ
７５  保持プレート
７７  基板支持ピン
８８  ガス排気管
９１  酸素濃度計
９２  サンプリングライン
９４  不活性ガス供給ライン
９６  オリフィス
１９０  排気部
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】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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