(57)【要約】【課題】フラッシュ光照射時の基板の表面温度をリアルタイムに測定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】黒体輻射の理論値から求めた半導体ウェハーの放射エネルギーとフォトダイオード２１の出力の実測結果とを対応付けて、それらの相関関係を示すテーブル３２を取得して磁気ディスク３１に格納しておく。処理対象となる半導体ウェハーにフラッシュランプからフラッシュ光を照射したときに、その半導体ウェハーから放射される放射光をフォトダイオード２１にて受光する。制御部３は、取得したテーブル３２に基づいて、フォトダイオード２１の出力からフラッシュ光が照射された半導体ウェハーが放出する単位時間当たりの放射エネルギーを求める。さらに、制御部３は、求めた放射エネルギーから半導体ウェハーの表面温度を算定する。【選択図】図７
2012074430.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に対して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であって、
基板を収容するチャンバーと、
前記チャンバー内に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にフラッシュ光を照射するフラッシュランプと、
前記保持手段に保持された基板から放射される放射光を受光するフォトダイオードと、
基板の単位時間当たりの放射エネルギーと前記フォトダイオードの出力との相関関係を示すテーブルを記憶する記憶手段と、
前記テーブルに基づいて、前記フラッシュランプからフラッシュ光が照射された基板が放出する単位時間当たりの放射エネルギーを前記フォトダイオードの出力から求めるエネルギー算出部と、
前記エネルギー算出部によって求められた基板の単位時間当たりの放射エネルギーから当該基板の表面温度を算定する温度算定部と、
を備え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、
前記フラッシュランプに流れる電流を断続する絶縁ゲートバイポーラトランジスタと、
前記温度算定部によって算定された基板の表面温度が所定値に到達した時点で前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタをオフ状態に切り替えるＩＧＢＴ制御手段と、
をさらに備えることを特徴とする熱処理装置。
【請求項３】
請求項１記載の熱処理装置において、
前記フラッシュランプに流れる電流を断続する絶縁ゲートバイポーラトランジスタと、
前記エネルギー算出部によって求められた基板の単位時間当たりの放射エネルギーが所定値に到達した時点で前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタをオフ状態に切り替えるＩＧＢＴ制御手段と、
をさら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記載の熱処理装置において、
前記フラッシュランプに流れる電流を断続する絶縁ゲートバイポーラトランジスタと、
前記エネルギー算出部によって求められた基板の単位時間当たりの放射エネルギーから算定される総放射エネルギーが所定値に到達した時点で前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタをオフ状態に切り替えるＩＧＢＴ制御手段と、
をさらに備え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、
前記記憶手段は、黒体輻射のエネルギーの理論値と基板の放射率より求めた基板の単位時間当たりの放射エネルギーと前記フォトダイオードの出力との相関関係を示すテーブルを記憶することを特徴とする熱処理装置。
【請求項６】
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、
前記記憶手段は、パイロメータによって測定された基板の単位時間当たりの放射エネルギーと前記フォトダイオードの出力との相関関係を示すテーブルを記憶することを特徴とする熱処理装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれかに記載の熱処理装置において、
前記フラッシュランプはキセノンフラッシュランプであり、
前記フォトダイオードの測定波長は３μｍ以上であることを特徴とする熱処理装置。
【請求項８】
基板に対して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方法であって、
基板の単位時間当たりの放射エネルギーと当該基板から放射される放射光を受光するフォトダイオードの出力との相関関係を示すテーブルを取得するテーブル取得工程と、
フラッシュランプから基板にフラッシュ光を照射するフラッシュ照射工程と、
前記テーブルに基づいて、フラッシュ光が照射された基板が放出する単位時間当たりの放射エネルギーを前記フォトダイオードの出力から求めるエネルギー算出工程と、
前記エネルギー算出工程にて求められた基板の単位時間当たりの放射エネルギーから当該基板の表面温度を算定する温度算定工程と、
を備えることを特徴とする熱処理方法。
【請求項９】
請求項８記載の熱処理方法において、
前記温度算定工程にて算定された基板の表面温度が所定値に到達した時点で前記フラッシュランプに流れる電流を断続する絶縁ゲートバイポーラトランジスタをオフ状態に切り替えることを特徴とする熱処理方法。
【請求項１０】
請求項８記載の熱処理方法において、
前記エネルギー算出工程にて求められた基板の単位時間当たりの放射エネルギーが所定値に到達した時点で前記フラッシュランプに流れる電流を断続する絶縁ゲートバイポーラトランジスタをオフ状態に切り替えることを特徴とする熱処理方法。
【請求項１１】
請求項８記載の熱処理方法において、
前記エネルギー算出工程にて求められた基板の単位時間当たりの放射エネルギーから算定される総放射エネルギーが所定値に到達した時点で前記フラッシュランプに流れる電流を断続する絶縁ゲートバイポーラトランジスタをオフ状態に切り替えることを特徴とする熱処理方法。
【請求項１２】
請求項８から請求項１１のいずれかに記載の熱処理方法において、
前記テーブル取得工程は、黒体輻射のエネルギーの理論値と基板の放射率より求めた基板の単位時間当たりの放射エネルギーと前記フォトダイオードの出力との相関関係を示すテーブルを取得することを特徴とする熱処理方法。
【請求項１３】
請求項８から請求項１１のいずれかに記載の熱処理方法において、
前記テーブル取得工程は、パイロメータによって測定された基板の単位時間当たりの放射エネルギーと前記フォトダイオードの出力との相関関係を示すテーブルを取得することを特徴とする熱処理方法。
【請求項１４】
請求項８から請求項１３のいずれかに記載の熱処理方法において、
前記フラッシュランプはキセノンフラッシュランプであり、
前記フォトダイオードの測定波長は３μｍ以上であ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、半導体ウェハーや液晶表示装置用ガラス基板等の薄板状の精密電子基板（以下、単に「基板」と称する）に対して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、不純物導入は半導体ウェハー内にｐｎ接合を形成するための必須の工程である。現在、不純物導入は、イオン打ち込み法とその後のアニール法によってなされるのが一般的である。イオン打ち込み法は、ボロン（Ｂ）、ヒ素（Ａｓ）、リン（Ｐ）といった不純物の元素をイオン化させて高加速電圧で半導体ウェハーに衝突させて物理的に不純物注入を行う技術である。注入された不純物はアニール処理によって活性化される。この際に、アニール時間が数秒程度以上であると、打ち込まれた不純物が熱によって深く拡散し、その結果接合深さが要求よりも深くなり過ぎて良好なデバイス形成に支障が生じるおそれがある。
【０００３】
そこで、極めて短時間で半導体ウェハーを加熱するアニール技術として、近年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、不純物が注入された半導体ウェハーの表面のみを極めて短時間（数ミリセカンド以下）に昇温させる熱処理技術である。
【０００４】
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。このため、キセノンフラッシュランプによる極短時間の昇温であれば、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】
また、特許文献１には、フラッシュランプアニール装置において、チャンバー本体の外部に配置されたカロリーメータ、チャンバー本体の内部に照射された光をカロリーメータへと導く光導出構造、および、カロリーメータからの出力に基づいて演算を行う演算部を備えた光測定部を設け、フラッシュランプからチャンバー本体内部に照射された光のエネルギーをカロリーメータを用いて測定する技術が開示されている。特許文献１には、カロリーメータにて測定したフラッシュ光のエネルギーに基づいて、基板の表面温度を演算によって求め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２００５−９３７５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に開示される技術は、１回のフラッシュ光照射の総エネルギー（熱量）を測定し、その総エネルギーから基板表面の最高到達温度を事後的（つまり、フラッシュ光照射後）に求めるものであった。すなわち、特許文献１に開示される技術では、フラッシュ光照射時に急速に昇温する基板の表面温度をリアルタイムに測定することはできなかった。また、特許文献１に開示される技術においては、フラッシュ光照射後に事後的に基板表面の温度を求めているため、その測定結果に基づいてフラッシュ光照射を制御することも不可能であった。
【０００８】
高精度なフラッシュランプアニールを実行するためには、フラッシュ光照射時に昇温する基板の温度をリアルタイムに測定することが求められる。また、その温度測定結果に基づいてフラッシュ光照射を制御することも望まれている。
【０００９】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、フラッシュ光照射時の基板の表面温度をリアルタイムに測定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】
【００１０】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、基板に対して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において、基板を収容するチャンバーと、前記チャンバー内に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にフラッシュ光を照射するフラッシュランプと、前記保持手段に保持された基板から放射される放射光を受光するフォトダイオードと、基板の単位時間当たりの放射エネルギーと前記フォトダイオードの出力との相関関係を示すテーブルを記憶する記憶手段と、前記テーブルに基づいて、前記フラッシュランプからフラッシュ光が照射された基板が放出する単位時間当たりの放射エネルギーを前記フォトダイオードの出力から求めるエネルギー算出部と、前記エネルギー算出部によって求められた基板の単位時間当たりの放射エネルギーから当該基板の表面温度を算定する温度算定部と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項２の発明は、請求項１の発明に係る熱処理装置において、前記フラッシュランプに流れる電流を断続する絶縁ゲートバイポーラトランジスタと、前記温度算定部によって算定された基板の表面温度が所定値に到達した時点で前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタをオフ状態に切り替えるＩＧＢＴ制御手段と、をさらに備えることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項３の発明は、請求項１の発明に係る熱処理装置において、前記フラッシュランプに流れる電流を断続する絶縁ゲートバイポーラトランジスタと、前記エネルギー算出部によって求められた基板の単位時間当たりの放射エネルギーが所定値に到達した時点で前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタをオフ状態に切り替えるＩＧＢＴ制御手段と、をさらに備えることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項４の発明は、請求項１の発明に係る熱処理装置において、前記フラッシュランプに流れる電流を断続する絶縁ゲートバイポーラトランジスタと、前記エネルギー算出部によって求められた基板の単位時間当たりの放射エネルギーから算定される総放射エネルギーが所定値に到達した時点で前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタをオフ状態に切り替えるＩＧＢＴ制御手段と、をさらに備えることを特徴とする。
【００１４】
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、前記記憶手段は、黒体輻射のエネルギーの理論値と基板の放射率より求めた基板の単位時間当たりの放射エネルギーと前記フォトダイオードの出力との相関関係を示すテーブルを記憶することを特徴とする。
【００１５】
また、請求項６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、前記記憶手段は、パイロメータによって測定された基板の単位時間当たりの放射エネルギーと前記フォトダイオードの出力との相関関係を示すテーブルを記憶することを特徴とする。
【００１６】
また、請求項７の発明は、請求項１から請求項６のいずれかの発明に係る熱処理装置において、前記フラッシュランプはキセノンフラッシュランプであり、前記フォトダイオードの測定波長は３μｍ以上であることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項８の発明は、基板に対して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方法において、基板の単位時間当たりの放射エネルギーと当該基板から放射される放射光を受光するフォトダイオードの出力との相関関係を示すテーブルを取得するテーブル取得工程と、フラッシュランプから基板にフラッシュ光を照射するフラッシュ照射工程と、前記テーブルに基づいて、フラッシュ光が照射された基板が放出する単位時間当たりの放射エネルギーを前記フォトダイオードの出力から求めるエネルギー算出工程と、前記エネルギー算出工程にて求められた基板の単位時間当たりの放射エネルギーから当該基板の表面温度を算定する温度算定工程と、を備えることを特徴とする。
【００１８】
また、請求項９の発明は、請求項８の発明に係る熱処理方法において、前記温度算定工程にて算定された基板の表面温度が所定値に到達した時点で前記フラッシュランプに流れる電流を断続する絶縁ゲートバイポーラトランジスタをオフ状態に切り替えることを特徴とする。
【００１９】
また、請求項１０の発明は、請求項８の発明に係る熱処理方法において、前記エネルギー算出工程にて求められた基板の単位時間当たりの放射エネルギーが所定値に到達した時点で前記フラッシュランプに流れる電流を断続する絶縁ゲートバイポーラトランジスタをオフ状態に切り替えることを特徴とする。
【００２０】
また、請求項１１の発明は、請求項８の発明に係る熱処理方法において、前記エネルギー算出工程にて求められた基板の単位時間当たりの放射エネルギーから算定される総放射エネルギーが所定値に到達した時点で前記フラッシュランプに流れる電流を断続する絶縁ゲートバイポーラトランジスタをオフ状態に切り替えることを特徴とする。
【００２１】
また、請求項１２の発明は、請求項８から請求項１１のいずれかの発明に係る熱処理方法において、前記テーブル取得工程は、黒体輻射のエネルギーの理論値と基板の放射率より求めた基板の単位時間当たりの放射エネルギーと前記フォトダイオードの出力との相関関係を示すテーブルを取得することを特徴とする。
【００２２】
また、請求項１３の発明は、請求項８から請求項１１のいずれかの発明に係る熱処理方法において、前記テーブル取得工程は、パイロメータによって測定された基板の単位時間当たりの放射エネルギーと前記フォトダイオードの出力との相関関係を示すテーブルを取得することを特徴とする。
【００２３】
また、請求項１４の発明は、請求項８から請求項１３のいずれかの発明に係る熱処理方法において、前記フラッシュランプはキセノンフラッシュランプであり、前記フォトダイオードの測定波長は３μｍ以上であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
請求項１から請求項７の発明によれば、基板の単位時間当たりの放射エネルギーとフォトダイオードの出力との相関関係を示すテーブルを予め記憶しておき、そのテーブルに基づいて、フラッシュランプからフラッシュ光が照射された基板が放出する単位時間当たりの放射エネルギーをフォトダイオードの出力から求め、さらに求められた基板の単位時間当たりの放射エネルギーから当該基板の表面温度を算定するため、フラッシュ光照射時には極めて応答時間の短いフォトダイオードから得られた出力を当該テーブルに照合して放射エネルギーを求めて表面温度を算定することとなり、フラッシュ光照射時の基板の表面温度をリアルタイムに測定することができる。
【００２５】
特に、請求項７の発明によれば、フォトダイオードの測定波長は３μｍ以上であるため、キセノンフラッシュランプのフラッシュ光が外乱光となるのを防止することができる。
【００２６】
また、請求項８から請求項１４の発明によれば、基板の単位時間当たりの放射エネルギーと当該基板から放射される放射光を受光するフォトダイオードの出力との相関関係を示すテーブルを取得し、そのテーブルに基づいて、フラッシュ光が照射された基板が放出する単位時間当たりの放射エネルギーをフォトダイオードの出力から求め、さらに求められた基板の単位時間当たりの放射エネルギーから当該基板の表面温度を算定するため、フラッシュ光照射時には極めて応答時間の短いフォトダイオードから得られた出力を当該テーブルに照合して放射エネルギーを求めて表面温度を算定することとなり、フラッシュ光照射時の基板の表面温度をリアルタイムに測定することができる。
【００２７】
特に、請求項１４の発明によれば、フォトダイオードの測定波長は３μｍ以上であるため、キセノンフラッシュランプのフラッシュ光が外乱光となるのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【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】図１の熱処理装置のガス路を示す断面図である。
【図３】保持部の構成を示す断面図である。
【図４】ホットプレートを示す平面図である。
【図５】図１の熱処理装置の構成を示す縦断面図である。
【図６】フラッシュランプの駆動回路を示す図である。
【図７】サンプリング部および制御部の構成を示すブロック図である。
【図８】図１の熱処理装置における処理手順を示すフローチャートである。
【図９】半導体ウェハーの単位時間当たりの放射エネルギーとフォトダイオードの出力との相関関係を示すテーブルの一例を示す図である。
【図１０】予備加熱が開始されてからの半導体ウェハーの表面温度の変化を示す図である。
【図１１】フラッシュ光を制御することによる半導体ウェハーの表面温度の変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
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。
【００３０】
＜第１実施形態＞
まず、本発明に係る熱処理装置の全体構成について概説する。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。熱処理装置１は基板として略円形の半導体ウェハーＷにフラッシュ光を照射し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。
【００３１】
熱処理装置１は、半導体ウェハーＷを収容する略円筒形状のチャンバー６と、複数のフラッシュランプＦＬを内蔵するランプハウス５と、を備える。また、熱処理装置１は、チャンバー６およびランプハウス５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。
【００３２】
チャンバー６は、ランプハウス５の下方に設けられており、略円筒状の内壁を有するチャンバー側部６３、および、チャンバー側部６３の下部を覆うチャンバー底部６２によって構成される。また、チャンバー側部６３およびチャンバー底部６２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。熱処理空間６５の上方は上部開口６０とされており、上部開口６０にはチャンバー窓６１が装着されて閉塞されている。
【００３３】
チャンバー６の天井部を構成するチャンバー窓６１は、石英により形成された円板形状部材であり、ランプハウス５から出射された光を熱処理空間６５に透過する石英窓として機能する。チャンバー６の本体を構成するチャンバー底部６２およびチャンバー側部６３は、例えば、ステンレススチール等の強度と耐熱性に優れた金属材料にて形成されており、チャンバー側部６３の内側面の上部のリング６３１は、光照射による劣化に対してステンレススチールより優れた耐久性を有するアルミニウム（Ａｌ）合金等で形成されている。
【００３４】
また、熱処理空間６５の気密性を維持するために、チャンバー窓６１とチャンバー側部６３とはＯリングによってシールされている。すなわち、チャンバー窓６１の下面周縁部とチャンバー側部６３との間にＯリングを挟み込むとともに、クランプリング９０をチャンバー窓６１の上面周縁部に当接させ、そのクランプリング９０をチャンバー側部６３にネジ止めすることによって、チャンバー窓６１をＯリングに押し付けている。
【００３５】
チャンバー底部６２には、保持部７を貫通して半導体ウェハーＷをその下面（ランプハウス５からの光が照射される側とは反対側の面）から支持するための複数（本実施の形態では３本）の支持ピン７０が立設されている。支持ピン７０は、例えば石英により形成されており、チャンバー６の外部から固定されているため、容易に取り替えることができる。
【００３６】
チャンバー側部６３は、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６６を有し、搬送開口部６６は、軸６６２を中心に回動するゲートバルブ１８５により開閉可能とされる。チャンバー側部６３における搬送開口部６６とは反対側の部位には熱処理空間６５に処理ガス（例えば、窒素（Ｎ2）ガスやヘリウム（Ｈｅ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス等の不活性ガス、あるいは、酸素（Ｏ2）ガス等）を導入する導入路８１が形成され、その一端は弁８２を介して図示省略の給気機構に接続され、他端はチャンバー側部６３の内部に形成されるガス導入バッファ８３に接続される。また、搬送開口部６６には熱処理空間６５内の気体を排出する排出路８６が形成され、弁８７を介して図示省略の排気機構に接続される。
【００３７】
図２は、チャンバー６をガス導入バッファ８３の位置にて水平面で切断した断面図である。図２に示すように、ガス導入バッファ８３は、図１に示す搬送開口部６６の反対側においてチャンバー側部６３の内周の約１／３に亘って形成されており、導入路８１を介してガス導入バッファ８３に導かれた処理ガスは、複数のガス供給孔８４から熱処理空間６５内へと供給される。
【００３８】
また、熱処理装置１は、チャンバー６の内部において半導体ウェハーＷを水平姿勢にて保持しつつフラッシュ光照射前にその保持する半導体ウェハーＷの予備加熱を行う略円板状の保持部７と、保持部７をチャンバー６の底面であるチャンバー底部６２に対して昇降させる保持部昇降機構４と、を備える。図１に示す保持部昇降機構４は、略円筒状のシャフト４１、移動板４２、ガイド部材４３（本実施の形態ではシャフト４１の周りに３本配置される）、固定板４４、ボールネジ４５、ナット４６およびモータ４０を有する。チャンバー６の下部であるチャンバー底部６２には保持部７よりも小さい直径を有する略円形の下部開口６４が形成されており、ステンレススチール製のシャフト４１は、下部開口６４を挿通して、保持部７（厳密には保持部７のホットプレート７１）の下面に接続されて保持部７を支持する。
【００３９】
移動板４２にはボールネジ４５と螺合するナット４６が固定されている。また、移動板４２は、チャンバー底部６２に固定されて下方へと伸びるガイド部材４３により摺動自在に案内されて上下方向に移動可能とされる。また、移動板４２は、シャフト４１を介して保持部７に連結される。
【００４０】
モータ４０は、ガイド部材４３の下端部に取り付けられる固定板４４に設置され、タイミングベルト４０１を介してボールネジ４５に接続される。保持部昇降機構４により保持部７が昇降する際には、駆動部であるモータ４０が制御部３の制御によりボールネジ４５を回転し、ナット４６が固定された移動板４２がガイド部材４３に沿って鉛直方向に移動する。この結果、移動板４２に固定されたシャフト４１が鉛直方向に沿って移動し、シャフト４１に接続された保持部７が図１に示す半導体ウェハーＷの受渡位置と図５に示す半導体ウェハーＷの処理位置との間で滑らかに昇降する。
【００４１】
移動板４２の上面には略半円筒状（円筒を長手方向に沿って半分に切断した形状）のメカストッパ４５１がボールネジ４５に沿うように立設されており、仮に何らかの異常により移動板４２が所定の上昇限界を超えて上昇しようとしても、メカストッパ４５１の上端がボールネジ４５の端部に設けられた端板４５２に突き当たることによって移動板４２の異常上昇が防止される。これにより、保持部７がチャンバー窓６１の下方の所定位置以上に上昇することはなく、保持部７とチャンバー窓６１との衝突が防止される。
【００４２】
また、保持部昇降機構４は、チャンバー６の内部のメンテナンスを行う際に保持部７を手動にて昇降させる手動昇降部４９を有する。手動昇降部４９はハンドル４９１および回転軸４９２を有し、ハンドル４９１を介して回転軸４９２を回転することより、タイミングベルト４９５を介して回転軸４９２に接続されるボールネジ４５を回転して保持部７の昇降を行うことができる。
【００４３】
チャンバー底部６２の下側には、シャフト４１の周囲を囲み下方へと伸びる伸縮自在のベローズ４７が設けられ、その上端はチャンバー底部６２の下面に接続される。一方、ベローズ４７の下端はベローズ下端板４７１に取り付けられている。べローズ下端板４７１は、鍔状部材４１１によってシャフト４１にネジ止めされて取り付けられている。保持部昇降機構４により保持部７がチャンバー底部６２に対して上昇する際にはベローズ４７が収縮され、下降する際にはべローズ４７が伸張される。そして、保持部７が昇降する際にも、ベローズ４７が伸縮することによって熱処理空間６５内の気密状態が維持される。
【００４４】
図３は、保持部７の構成を示す断面図である。保持部７は、半導体ウェハーＷを予備加熱（いわゆるアシスト加熱）するホットプレート（加熱プレート）７１、および、ホットプレート７１の上面（保持部７が半導体ウェハーＷを保持する側の面）に設置されるサセプタ７２を有する。保持部７の下面には、既述のように保持部７を昇降するシャフト４１が接続される。サセプタ７２は石英（あるいは、窒化アルミニウム（ＡＩＮ）等であってもよい）により形成され、その上面には半導体ウェハーＷの位置ずれを防止するピン７５が設けられる。サセプタ７２は、その下面をホットプレート７１の上面に面接触させてホットプレート７１上に設置される。これにより、サセプタ７２は、ホットプレート７１からの熱エネルギーを拡散してサセプタ７２上面に載置された半導体ウェハーＷに伝達するとともに、メンテナンス時にはホットプレート７１から取り外して洗浄可能とされる。
【００４５】
ホットプレート７１は、ステンレススチール製の上部プレート７３および下部プレート７４にて構成される。上部プレート７３と下部プレート７４との間には、ホットプレート７１を加熱するニクロム線等の抵抗加熱線７６が配設され、導電性のニッケル（Ｎｉ）ロウが充填されて封止されている。また、上部プレート７３および下部プレート７４の端部はロウ付けにより接着されている。
【００４６】
図４は、ホットプレート７１を示す平面図である。図４に示すように、ホットプレート７１は、保持される半導体ウェハーＷと対向する領域の中央部に同心円状に配置される円板状のゾーン７１１および円環状のゾーン７１２、並びに、ゾーン７１２の周囲の略円環状の領域を周方向に４等分割した４つのゾーン７１３〜７１６を備え、各ゾーン間には若干の間隙が形成されている。また、ホットプレート７１には、支持ピン７０が挿通される３つの貫通孔７７が、ゾーン７１１とゾーン７１２との隙間の周上に１２０°毎に設けられる。
【００４７】
６つのゾーン７１１〜７１６のそれぞれには、相互に独立した抵抗加熱線７６が周回するように配設されてヒータが個別に形成されており、各ゾーンに内蔵されたヒータにより各ゾーンが個別に加熱される。保持部７に保持された半導体ウェハーＷは、６つのゾーン７１１〜７１６に内蔵されたヒータにより加熱される。また、ゾーン７１１〜７１６のそれぞれには、熱電対を用いて各ゾーンの温度を計測するセンサ７１０が設けられている。各センサ７１０は略円筒状のシャフト４１の内部を通り制御部３に接続される。
【００４８】
ホットプレート７１が加熱される際には、センサ７１０により計測される６つのゾーン７１１〜７１６のそれぞれの温度が予め設定された所定の温度になるように、各ゾーンに配設された抵抗加熱線７６への電力供給量が制御部３により制御される。制御部３による各ゾーンの温度制御はＰＩＤ(Proportional,Integral,Derivative)制御により行われる。ホットプレート７１では、半導体ウェハーＷの熱処理（複数の半導体ウェハーＷを連続的に処理する場合は、全ての半導体ウェハーＷの熱処理）が終了するまでゾーン７１１〜７１６のそれぞれの温度が継続的に計測され、各ゾーンに配設された抵抗加熱線７６への電力供給量が個別に制御されて、すなわち、各ゾーンに内蔵されたヒータの温度が個別に制御されて各ゾーンの温度が設定温度に維持される。なお、各ゾーンの設定温度は、基準となる温度から個別に設定されたオフセット値だけ変更することが可能とされる。
【００４９】
６つのゾーン７１１〜７１６にそれぞれ配設される抵抗加熱線７６は、シャフト４１の内部を通る電力線を介して電力供給源（図示省略）に接続されている。電力供給源から各ゾーンに至る経路途中において、電力供給源からの電力線は、マグネシア（マグネシウム酸化物）等の絶縁体を充填したステンレスチューブの内部に互いに電気的に絶縁状態となるように配置される。なお、シャフト４１の内部は大気開放されている。
【００５０】
また、チャンバー６内の熱処理空間６５にはフォトダイオード２１が設置されている。フォトダイオード２１の設置位置は、図５に示す半導体ウェハーＷの処理位置まで上昇した保持部７よりも上である。フォトダイオード２１は、その先端が処理位置の保持部７に保持された半導体ウェハーＷに向かうように傾斜して設けられており、処理位置の半導体ウェハーＷの表面から放射された放射光を受光する。本実施形態においては、測定に使用する波長が３μｍ以上であるフォトダイオード２１を用いている。
【００５１】
次に、ランプハウス５は、チャンバー６とは別体に設けられている。ランプハウス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、ランプハウス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。ランプハウス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部材である。ランプハウス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がチャンバー窓６１と相対向することとなる。ランプハウス５は、チャンバー６内にて保持部７に保持される半導体ウェハーＷにランプ光放射窓５３およびチャンバー窓６１を介してフラッシュランプＦＬからフラッシュ光を照射することにより半導体ウェハーＷを加熱する。
【００５２】
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。
【００５３】
図６は、フラッシュランプＦＬの駆動回路を示す図である。同図に示すように、コンデンサ９３と、コイル９４と、フラッシュランプＦＬと、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）９６とが直列に接続されている。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陽極および陰極が配設された棒状のガラス管（放電管）９２と、該ガラス管９２の外周面上に付設されたトリガー電極９１とを備える。コンデンサ９３には、電源ユニット９５によって所定の電圧が印加され、その印加電圧に応じた電荷が充電される。また、トリガー電極９１にはトリガー回路９７から高電圧を印加することができる。トリガー回路９７がトリガー電極９１に電圧を印加するタイミングは制御部３によって制御される。
【００５４】
ＩＧＢＴ９６は、ゲート部にＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field effect transistor）を組み込んだバイポーラトランジスタであり、大電力を取り扱うのに適したスイッチング素子である。ＩＧＢＴ９６のゲートにはＩＧＢＴ制御部９８が接続されている。ＩＧＢＴ制御部９８は、ＩＧＢＴ９６のゲートに信号を印加してＩＧＢＴ９６を駆動する回路である。具体的には、ＩＧＢＴ制御部９８がＩＧＢＴ９６のゲートに所定値以上の電圧（Hiの電圧）を印加するとＩＧＢＴ９６がオン状態となり、所定値未満の電圧（Lowの電圧）を印加するとＩＧＢＴ９６がオフ状態となる。このようにして、フラッシュランプＦＬを含む回路はＩＧＢＴ９６によってオンオフされる。ＩＧＢＴ９６がオンオフすることによって、コンデンサ９３からフラッシュランプＦＬに流れる電流が断続される。ＩＧＢＴ制御部９８は、制御部３の制御によってＩＧＢＴ９６のオンオフを切り替える。
【００５５】
コンデンサ９３が充電された状態でＩＧＢＴ９６がオン状態となってガラス管９２の両端電極に高電圧が印加されたとしても、キセノンガスは電気的には絶縁体であることから、通常の状態ではガラス管９２内に電気は流れない。しかしながら、トリガー回路９７がトリガー電極９１に高電圧を印加して絶縁を破壊した場合には両端電極間の放電によってガラス管９２内に電流が瞬時に流れ、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。
【００５６】
図１のリフレクタ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から出射された光を保持部７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梨地模様を呈する。このような粗面化加工を施しているのは、リフレクタ５２の表面が完全な鏡面であると、複数のフラッシュランプＦＬからの反射光の強度に規則パターンが生じて半導体ウェハーＷの表面温度分布の均一性が低下するためである。
【００５７】
図６に示すように、本実施形態の熱処理装置１は、フォトダイオード２１からの出力信号をサンプリングして制御部３に伝達するサンプリング部２０を備える。図７は、サンプリング部２０および制御部３の構成を示すブロック図である。熱処理空間６５に設置されたフォトダイオード２１の先端には干渉フィルター２２が設けられている。干渉フィルター２２は、所定波長域の光だけを選択的に透過するフィルターである。第１実施形態では干渉フィルター２２は波長３μｍの光を選択的に透過する。
【００５８】
フォトダイオード２１は、光起電力効果によって受光した光の強度に応じた光電流を発生する。フォトダイオード２１は応答時間が極めて短いという特性を有する。フォトダイオード２１はサンプリング部２０と電気的に接続されており、受光に応答して生じた信号をサンプリング部２０に伝達する。
【００５９】
サンプリング部２０は、電流電圧変換回路２３、増幅回路２４、高速Ａ／Ｄコンバータ２５およびワンチップマイコン２６を備える。電流電圧変換回路２３は、フォトダイオード２１にて発生した微弱な電流を取り扱いの容易な電圧の信号に変換する回路である。電流電圧変換回路２３は、例えばオペアンプを用いて構成することができる。
【００６０】
増幅回路２４は、電流電圧変換回路２３から出力された電圧信号を増幅して高速Ａ／Ｄコンバータ２５に出力する。高速Ａ／Ｄコンバータ２５は、増幅回路２４によって増幅された電圧信号をデジタル信号に変換する。ワンチップマイコン２６は、マイクロコンピュータの一種であり、１つのＩＣチップ上にＣＰＵ、メモリ、タイマなどを搭載した処理装置である。ワンチップマイコン２６は、汎用処理を行うことはできないが、特定の処理を高速で行うことができる。本実施形態のワンチップマイコン２６は、予め設定された処理プログラムを実行することによって、高速Ａ／Ｄコンバータ２５から出力されたデジタル信号を所定間隔でサンプリングしてチップ内のメモリに順次格納する。ワンチップマイコン２６のサンプリング間隔は適宜設定することが可能であるが、最短２マイクロセカンド（μ秒）とすることができる。
【００６１】
サンプリング部２０のワンチップマイコン２６は制御部３と通信回線を介して接続されている。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３１を備えて構成される。また、制御部３はＩＧＢＴ制御部９８および表示部３５と接続されており、ＩＧＢＴ制御部９８の動作を制御するとともに、表示部３５に演算結果等を表示することができる。表示部３５は、例えば液晶ディスプレイ等を用いて構成すれば良い。
【００６２】
制御部３は、汎用処理を行うことが可能であるものの、ワンチップマイコン２６ほど短時間間隔でサンプリングを行うことはできない。ワンチップマイコン２６によってチップ内メモリに格納されたデジタルデータは制御部３に転送されて磁気ディスク３１に記憶される。また、制御部３は、エネルギー算出部３３および温度算定部３４を備える。エネルギー算出部３３および温度算定部３４は、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実現される機能処理部であり、その処理内容についてはさらに後述する。なお、ワンチップマイコン２６と制御部３とを接続する通信回線は、シリアル通信であっても良いし、パラレル通信であっても良い。
【００６３】
上記の構成以外にも熱処理装置１は、半導体ウェハーＷの熱処理時にフラッシュランプＦＬおよびホットプレート７１から発生する熱エネルギーによるチャンバー６およびランプハウス５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のチャンバー側部６３およびチャンバー底部６２には水冷管（図示省略）が設けられている。また、ランプハウス５は、内部に気体流を形成して排熱するための気体供給管５５および排気管５６が設けられて空冷構造とされている（図１，５参照）。また、チャンバー窓６１とランプ光放射窓５３との間隙にも空気が供給され、ランプハウス５およびチャンバー窓６１を冷却する。
【００６４】
次に、上記の構成を有する熱処理装置１の動作について説明する。図８は、熱処理装置１における処理手順を示すフローチャートである。ここで処理対象となる半導体ウェハーＷはイオン注入法により不純物（イオン）が添加された半導体基板である。その不純物の活性化が熱処理装置１によるフラッシュ光照射加熱処理（アニール）により実行される。
【００６５】
まず、熱処理装置１における処理に先立って、半導体ウェハーＷの単位時間当たりの放射エネルギーとフォトダイオード２１の出力との相関関係を示すテーブル３２を取得しておく（ステップＳ１）。なお、本明細書において、単に「放射エネルギー」と記載するときには、単位時間当たりの放射エネルギーを意味するものとする。第１実施形態では、黒体輻射のエネルギーの理論値から半導体ウェハーＷの放射エネルギーを求めている。
【００６６】
黒体輻射についてのプランクの法則によると、温度Ｔ（Ｋ）の黒体からの波長λ（ｍ）の放射光の放射エネルギーＷ(λ・Ｔ)は次の式（１）のように表される。式（１）において、定数ｃは光速３×１０8（ｍ／ｓ）、ｋはボルツマン定数１．３８０７×１０-23（Ｊ／Ｋ）、ｈはプランク定数６．６２６×１０-34（Ｊ・ｓ）である。なお、放射エネルギーＷ(λ・Ｔ)の単位はＷ／ｍ2である。
【００６７】
【数１】
2012074430.tif 000003
【００６８】
第１実施形態では、波長λをフォトダイオード２１の測定に用いる３μｍとし、温度Ｔを５００℃から１０℃ずつ加算して放射エネルギーＷ(λ・Ｔ)を順次算出する。これにより、黒体からの波長３μｍの放射光の放射エネルギーが５００℃から１０℃刻みで算出されることとなる。ここで算出される黒体輻射の放射エネルギーはプランクの法則から求められた理論値である。
【００６９】
式（１）より求められた黒体輻射の放射エネルギーに半導体ウェハーＷの放射率εを乗じると、半導体ウェハーＷの放射エネルギーの理論値が算出される。第１実施形態では、半導体ウェハーＷから放射される波長３μｍの赤外光の放射エネルギーの理論値が５００℃から１０℃刻みで算出されることとなる。
【００７０】
一方、図５に示す処理位置まで上昇した保持部７に保持した半導体ウェハーＷを保持部７のホットプレート７１によって加熱し、その半導体ウェハーＷから放射された放射光の強度をフォトダイオード２１によって実際に測定する。この実測に際しては、上記した半導体ウェハーＷの放射エネルギーの理論値の算出条件と同じ条件を用いる。すなわち、保持部７によって半導体ウェハーＷを５００℃から１０℃刻みで加熱し、その都度フォトダイオード２１によって受光された波長３μｍの赤外光の強度を測定する。なお、半導体ウェハーＷの温度は、センサ７１０の温度測定結果に基づいてホットプレート７１の温調を行うことにより、正確に所定温度とされている。
【００７１】
半導体ウェハーＷからの放射光の実測についてさらに説明する。保持部７に保持されて所定温度に加熱された半導体ウェハーＷの表面からは、その表面温度に応じた強度の放射光が放射されている。半導体ウェハーＷの表面から放射される放射光の一部はフォトダイオード２１の先端に設けられた干渉フィルター２２に入射する。第１実施形態では、干渉フィルター２２が波長３μｍの光を選択的に透過するため、フォトダイオード２１には半導体ウェハーＷから放射された放射光のうち波長３μｍの赤外光が入射することとなる。
【００７２】
フォトダイオード２１は、受光した波長３μｍの赤外光の強度に応じた光電流を発生する。フォトダイオード２１にて発生した電流は電流電圧変換回路２３によって取り扱いの容易な電圧信号に変換される。電流電圧変換回路２３から出力された電圧信号は、増幅回路２４によって増幅された後、高速Ａ／Ｄコンバータ２５によってコンピュータが取り扱うのに適したデジタル信号に変換される。そして、高速Ａ／Ｄコンバータ２５から出力されるデジタル信号のレベルがワンチップマイコン２６への入力電圧となり、これがフォトダイオード２１の出力として取得される。
【００７３】
ワンチップマイコン２６が取得したフォトダイオード２１の出力は制御部３に伝達される。そして、制御部３は、伝達されたフォトダイオード２１の出力値と上記の計算によって求められた半導体ウェハーＷの放射エネルギーの理論値との相関関係を示すテーブル３２を作成する。このときには、制御部３は同じ条件の理論値と実測値とを対応付けてテーブル３２を作成する。例えば、５００℃の半導体ウェハーＷからの放射エネルギーとして計算された理論値と、保持部７にて５００℃に加熱した半導体ウェハーＷから放射された放射光を受光したフォトダイオード２１の出力値とを対応付ける。同様の対応付けを５１０℃、５２０℃、・・・と他の温度についても行うことによって、半導体ウェハーＷの放射エネルギーとフォトダイオード２１の出力との相関関係を示すテーブル３２を取得するのである。
【００７４】
図９は、半導体ウェハーＷの単位時間当たりの放射エネルギーとフォトダイオード２１の出力との相関関係を示すテーブル３２の一例を示す図である。同図に示すように、半導体ウェハーＷの放射エネルギーがフォトダイオード２１の出力の関数としてテーブル化されており、このテーブル３２を参照することによってフォトダイオード２１の出力から半導体ウェハーＷの放射エネルギーを求めることができる。
【００７５】
このような相関関係を示すテーブル３２は、処理対象となる半導体ウェハーＷの熱処理に先立って、予めダミーウェハーなどを用いて取得して制御部３の磁気ディスク３１に格納しておく（図７参照）。そして、テーブル３２が磁気ディスク３１に記憶された状態にて、図８のステップＳ２以降の処理が行われる。以下に説明する熱処理装置１のステップＳ２以降の処理手順は、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。
【００７６】
まず、保持部７が図５に示す処理位置から図１に示す受渡位置に下降する。「処理位置」とは、フラッシュランプＦＬから半導体ウェハーＷに光照射が行われるときの保持部７の位置であり、図５に示す保持部７のチャンバー６内における位置である。また、「受渡位置」とは、チャンバー６に半導体ウェハーＷの搬出入が行われるときの保持部７の位置であり、図１に示す保持部７のチャンバー６内における位置である。熱処理装置１における保持部７の基準位置は処理位置であり、処理前にあっては保持部７は処理位置に位置しており、これが処理開始に際して受渡位置に下降するのである。図１に示すように、保持部７が受渡位置にまで下降するとチャンバー底部６２に近接し、支持ピン７０の先端が保持部７を貫通して保持部７の上方に突出する。
【００７７】
次に、保持部７が受渡位置に下降したときに、弁８２および弁８７が開かれてチャンバー６の熱処理空間６５内に常温の窒素ガスが導入される。続いて、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を介して処理対象となる半導体ウェハーＷがチャンバー６内に搬入され、複数の支持ピン７０上に載置される。
【００７８】
半導体ウェハーＷの搬入時におけるチャンバー６への窒素ガスのパージ量は約４０リットル／分とされ、供給された窒素ガスはチャンバー６内においてガス導入バッファ８３から図２中に示す矢印ＡＲ４の方向へと流れ、図１に示す排出路８６および弁８７を介してユーティリティ排気により排気される。また、チャンバー６に供給された窒素ガスの一部は、べローズ４７の内側に設けられる排出口（図示省略）からも排出される。なお、以下で説明する各ステップにおいて、チャンバー６には常に窒素ガスが供給および排気され続けており、窒素ガスの供給量は半導体ウェハーＷの処理工程に合わせて様々に変更される。
【００７９】
半導体ウェハーＷがチャンバー６内に搬入されると、ゲートバルブ１８５により搬送開口部６６が閉鎖される。そして、保持部昇降機構４により保持部７が受渡位置からチャンバー窓６１に近接した処理位置にまで上昇する。保持部７が受渡位置から上昇する過程において、半導体ウェハーＷは支持ピン７０から保持部７のサセプタ７２へと渡され、サセプタ７２の上面に載置・保持される。保持部７が処理位置にまで上昇するとサセプタ７２に保持された半導体ウェハーＷも処理位置に保持されることとなる。
【００８０】
ホットプレート７１の６つのゾーン７１１〜７１６のそれぞれは、各ゾーンの内部（上部プレート７３と下部プレート７４との間）に個別に内蔵されたヒータ（抵抗加熱線７６）により所定の温度まで加熱されている。保持部７が処理位置まで上昇して半導体ウェハーＷが保持部７と接触することにより、その半導体ウェハーＷはホットプレート７１に内蔵されたヒータによって予備加熱されて温度が次第に上昇する（ステップＳ２）。
【００８１】
図１０は、予備加熱が開始されてからの半導体ウェハーＷの表面温度の変化を示す図である。処理位置にて時間ｔｐの予備加熱が行われ、半導体ウェハーＷの温度が予め設定された予備加熱温度Ｔ１まで上昇する。予備加熱温度Ｔ１は、半導体ウェハーＷに添加された不純物が熱により拡散する恐れのない、２００℃ないし８００℃程度、好ましくは３５０℃ないし６００℃程度とされる（本実施の形態では５００℃）。また、半導体ウェハーＷの予備加熱を行う時間ｔｐは、約３秒〜２００秒とされる（本実施の形態では６０秒）。なお、保持部７とチャンバー窓６１との間の距離は、保持部昇降機構４のモータ４０の回転量を制御することにより任意に調整することが可能とされている。
【００８２】
時間ｔｐの予備加熱時間が経過した後、時刻Ａにて保持部７が処理位置に位置したままフラッシュランプＦＬによる半導体ウェハーＷのフラッシュ光照射加熱が開始される（ステップＳ３）。フラッシュランプＦＬからの光照射を行うに際しては、予め電源ユニット９５によってコンデンサ９３に電荷を蓄積しておく。そして、コンデンサ９３に電荷が蓄積された状態にて、制御部３の制御によりＩＧＢＴ制御部９８がＩＧＢＴ９６をオン状態にするとともに、トリガー回路９７がトリガー電極９１に高電圧を印加する。
【００８３】
コンデンサ９３に電荷が蓄積された状態にてＩＧＢＴ９６がオン状態となり、かつ、それと同期してトリガー電極９１に高電圧が印加されると、コンデンサ９３に蓄積された電荷がフラッシュランプＦＬのガラス管９２内の両端電極間で放電して電流として流れ始め、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。すなわち、フラッシュランプＦＬが発光を開始し、フラッシュランプＦＬを流れる電流値は時間とともに増大する。フラッシュランプＦＬの発光強度は、フラッシュランプＦＬに流れる電流にほぼ比例する。従って、フラッシュランプＦＬの発光強度も時間とともに大きくなる。なお、フラッシュランプＦＬに流れる電流の波形自体はコイル９４の定数によって規定される。
【００８４】
フラッシュランプＦＬからフラッシュ光が照射されることによって、処理位置の保持部７に保持された半導体ウェハーＷの表面温度が予備加熱温度Ｔ１から上昇する。このときに、半導体ウェハーＷの表面から放射された放射光の一部が干渉フィルター２２を介してフォトダイオード２１に入射する。第１実施形態では、干渉フィルター２２が波長３μｍの赤外光を選択的に透過するため、フォトダイオード２１には半導体ウェハーＷから放射された放射光のうち波長３μｍの赤外光が入射する。
【００８５】
上述したように、フォトダイオード２１に赤外光が入射すると光電流が発生し、電流電圧変換回路２３にて電圧信号に変換される。その電圧信号は、増幅回路２４によって増幅された後、高速Ａ／Ｄコンバータ２５によってデジタル信号に変換される。そして、高速Ａ／Ｄコンバータ２５から出力されるデジタル信号のレベルがワンチップマイコン２６への入力電圧となり、これがフォトダイオード２１の出力として取得される。ワンチップマイコン２６が取得したフォトダイオード２１の出力値は制御部３に伝達される。なお、フォトダイオード２１が半導体ウェハーＷからの放射光を受光するときにはフラッシュランプＦＬも発光しているが、キセノンフラッシュランプＦＬの発光波長域は紫外域から近赤外域（波長が約２００ｎｍ〜２０００ｎｍ）であり、波長３μｍ以上の赤外光はフラッシュ光にはほとんど含まれていない。本実施形態では波長３μｍの赤外光をフォトダイオード２１で受光して測定しているため、フラッシュ加熱時の半導体ウェハーＷからの放射光強度を測定するときに、フラッシュ光自体が外乱光となることは防止される。
【００８６】
次に、制御部３のエネルギー算出部３３が制御部３に入力されたフォトダイオード２１の出力から半導体ウェハーＷが放出する単位時間当たりの放射エネルギーを算出する（ステップＳ４）。エネルギー算出部３３は、磁気ディスク３１に記憶されている図９の如きテーブル３２に基づいて、フラッシュランプＦＬからフラッシュ光が照射されて昇温されている半導体ウェハーＷが放出する放射エネルギーをフォトダイオード２１の出力から求める。
【００８７】
続いて、制御部３の温度算定部３４が半導体ウェハーＷの放射エネルギーから表面温度を算定する（ステップＳ５）。温度算定部３４は、ステファン・ボルツマンの法則から導かれる次の式（２）に基づいて、エネルギー算出部３３によって求められた半導体ウェハーＷの単位時間当たりの放射エネルギーＥwから半導体ウェハーＷの表面温度Ｔwを算定する。式（２）において、εは半導体ウェハーＷの放射率であり、δはステファン＝ボルツマン定数である。
【００８８】
【数２】
2012074430.tif 000004
【００８９】
次に、制御部３は、温度算定部３４によって算定された半導体ウェハーＷの表面温度Ｔwが予め設定された目標温度Ｔ２に到達したか否かを判定する（ステップＳ６）。求められた半導体ウェハーＷの表面温度Ｔwが目標温度Ｔ２に到達していない場合には、ステップＳ４に戻り、半導体ウェハーＷの放射エネルギーの算出と表面温度の算定を繰り返す。すなわち、算定された半導体ウェハーＷの表面温度Ｔwが目標温度Ｔ２に到達するまでは、ステップＳ４からステップＳ６までの処理が繰り返されることとなる。
【００９０】
フラッシュ光が照射された半導体ウェハーＷの表面は数ミリ秒の間に急速に昇温するのであるが、フォトダイオード２１は応答時間が極めて短いため、短時間の間に強度が劇的に変化する半導体ウェハーＷからの放射光にも追随することができる。その結果、ステップＳ４からステップＳ６までの１サイクルに要する時間、すなわち半導体ウェハーＷの放射エネルギーと表面温度のサンプリング間隔を数１０マイクロ秒とすることができ、フラッシュ光照射後によって急速に上昇する半導体ウェハーＷの表面温度の履歴をも取得することができる。制御部３は、このようにして取得したフラッシュ光照射時における半導体ウェハーＷの表面温度の履歴を表示部３５に表示するようにしても良い。
【００９１】
一方、温度算定部３４によって算定された半導体ウェハーＷの表面温度Ｔwが目標温度Ｔ２に到達した時点にて、制御部３の制御によりＩＧＢＴ制御部９８がＩＧＢＴ９６をオフ状態としてコンデンサ９３からフラッシュランプＦＬに流れる電流を遮断する（ステップＳ７）。フラッシュランプＦＬへの通電が遮断されると、発光が停止し、フラッシュ光が照射されなくなった半導体ウェハーＷの表面の温度は急速に低下する。
【００９２】
図１１は、フラッシュ光を制御することによる半導体ウェハーＷの表面温度の変化を示す図である。目標温度Ｔ２を”ａ”に設定していた場合には、フラッシュ光照射が開始されてから時間ｔ１が経過した時点にてフラッシュランプＦＬへの通電が遮断され、その時点から半導体ウェハーＷの表面温度が急速に低下する。また、目標温度Ｔ２を”ｂ”に設定していた場合には、フラッシュ光照射が開始されてから時間ｔ２が経過した時点にてフラッシュランプＦＬへの通電が遮断され、その時点から半導体ウェハーＷの表面温度が低下する。なお、温度算定部３４によって算定された半導体ウェハーＷの表面温度Ｔwが目標温度Ｔ２に到達しないまま低下したときにはエラーを発生させるようにしても良い。
【００９３】
このようにして、フラッシュランプＦＬからフラッシュ光照射後によって半導体ウェハーＷの表面温度が目標温度Ｔ２にまで昇温され、注入された不純物が活性化された後、フラッシュランプＦＬへの通電が遮断されて表面温度が急速に下降する。フラッシュランプＦＬによるフラッシュ光照射加熱が終了した後、半導体ウェハーＷが処理位置において約１０秒間待機してから保持部７が保持部昇降機構４により再び図１に示す受渡位置まで下降し、半導体ウェハーＷが保持部７から支持ピン７０へと渡される。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、支持ピン７０上に載置された半導体ウェハーＷは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のフラッシュ光照射熱処理が完了する。
【００９４】
既述のように、熱処理装置１における半導体ウェハーＷの熱処理時には窒素ガスがチャンバー６に継続的に供給されており、その供給量は、保持部７が処理位置に位置するときには約３０リットル／分とされ、保持部７が処理位置以外の位置に位置するときには約４０リットル／分とされる。
【００９５】
第１実施形態においては、黒体輻射の理論値から求めた半導体ウェハーＷの放射エネルギーとフォトダイオード２１の出力の実測結果とを対応付けて、それらの相関関係を示すテーブル３２を取得している。そして、処理対象となる半導体ウェハーＷにフラッシュランプＦＬからフラッシュ光を照射したときに、その半導体ウェハーＷから放射される放射光をフォトダイオード２１にて受光する。制御部３は、取得したテーブル３２に基づいて、そのフォトダイオード２１の出力からフラッシュ光が照射された半導体ウェハーＷが放出する放射エネルギーを求める。さらに、制御部３は、求めた放射エネルギーから半導体ウェハーＷの表面温度を算定している。
【００９６】
予め半導体ウェハーＷの放射エネルギーとフォトダイオード２１の出力との相関関係を示すテーブル３２を取得しておき、フラッシュ光照射時には極めて応答時間の短いフォトダイオード２１から得られた出力を当該テーブル３２に照合して放射エネルギーを求めているため、フラッシュ光照射時の半導体ウェハーＷの放射エネルギーをリアルタイムに求めることができる。その結果、第１実施形態の熱処理装置１は、フラッシュ光照射時の半導体ウェハーＷの表面温度をリアルタイムに測定することができる。
【００９７】
また、フラッシュ光照射時における半導体ウェハーＷの表面温度をリアルタイムに測定することができれば、その測定結果に基づいてフラッシュランプＦＬの発光を制御することもできる。フラッシュランプＦＬは発光回数を重ねるごとに発光エネルギーが低下するのであるが、このようにすればフラッシュランプＦＬの劣化に関係なくフラッシュ光照射時に半導体ウェハーＷの表面温度を目標温度Ｔ２に正確に昇温することができる。
【００９８】
＜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の構成は第１実施形態と同様である（図１〜図７参照）。また、第２実施形態における熱処理装置の動作手順も第１実施形態と概ね同じである（図８参照）。第１実施形態ではテーブル３２を取得するに際して、黒体輻射の理論値から半導体ウェハーＷの放射エネルギーを求めていたが、第２実施形態ではパイロメータによって半導体ウェハーＷの放射エネルギーを実測している。
【００９９】
パイロメータは、非接触にて測定対象物の熱放射を感知して上記の式（２）よりその温度を測定する装置である。但し、パイロメータは、フォトダイオード２１に比較して応答速度が遅いため、フラッシュ光照射時における半導体ウェハーＷの表面温度の急激な変化に追随することは出来ない。第２実施形態では、テーブル３２を取得するに際して、チャンバー６内の熱処理空間６５にパイロメータを配置し、処理位置まで上昇した保持部７に保持した半導体ウェハーＷを保持部７のホットプレート７１によって加熱する。そして、その半導体ウェハーＷから放射された放射光の強度をフォトダイオード２１によって測定するとともに、放射エネルギーをパイロメータによって測定する。ホットプレート７１によって均一に安定加熱される半導体ウェハーＷの放射エネルギーであれば応答速度の遅いパイロメータであっても測定可能である。なお、第１実施形態と同様に、半導体ウェハーＷの温度は、センサ７１０の温度測定結果に基づいてホットプレート７１の温調を行うことにより、正確に所定温度とされている。また、テーブル３２を取得するための測定は、ダミーウェハーなどを用いて行うのが好ましい。
【０１００】
フォトダイオード２１およびパイロメータは、保持部７によって加熱されている同一の半導体ウェハーＷの表面から放射される放射光を受光して測定しているため、それぞれの測定結果を対応付けることによってテーブル３２を作成することができる。例えば、保持部７にて６００℃に加熱した半導体ウェハーＷの表面から放射される放射光をフォトダイオード２１およびパイロメータの双方にて受光し、パイロメータによって測定された放射エネルギーの値とフォトダイオード２１の出力値とを対応付ける。同様の対応付けを他の温度についても行うことによって、第１実施形態と同様の図９に示すような半導体ウェハーＷの単位時間当たりの放射エネルギーとフォトダイオード２１の出力との相関関係を示すテーブル３２を取得するのである。なお、テーブル３２の取得が完了し、処理対象となる半導体ウェハーＷの熱処理を行うときにはパイロメータは撤去するのが好ましい。
【０１０１】
また、第１実施形態では温度算定部３４によって算定された半導体ウェハーＷの表面温度Ｔwに基づいてフラッシュ光の制御を行っていたが、第２実施形態においては、エネルギー算出部３３によって求められた半導体ウェハーＷの単位時間当たりの放射エネルギーＥwに基づいてフラッシュランプＦＬの発光を制御している。すなわち、図８のステップＳ６にて、エネルギー算出部３３によって求められた半導体ウェハーＷの単位時間当たりの放射エネルギーＥwが予め設定された所定値に到達したか否かを判定し、放射エネルギーＥwが所定値に到達した時点にて、制御部３の制御によりＩＧＢＴ制御部９８がＩＧＢＴ９６をオフ状態としてコンデンサ９３からフラッシュランプＦＬに流れる電流を遮断する。
【０１０２】
第２実施形態の残余については第１実施形態と同様である。第２実施形態においては、パイロメータによる実測によって求めた半導体ウェハーＷの放射エネルギーとフォトダイオード２１の出力の実測結果とを対応付けて、それらの相関関係を示すテーブル３２を取得している。そして、処理対象となる半導体ウェハーＷにフラッシュランプＦＬからフラッシュ光を照射したときに、その半導体ウェハーＷから放射される放射光をフォトダイオード２１にて受光する。制御部３は、取得したテーブル３２に基づいて、そのフォトダイオード２１の出力からフラッシュ光が照射された半導体ウェハーＷが放出する放射エネルギーを求める。さらに、制御部３は、求めた放射エネルギーから半導体ウェハーＷの表面温度を算定する。
【０１０３】
このようにしても、予め半導体ウェハーＷの放射エネルギーとフォトダイオード２１の出力との相関関係を示すテーブル３２を取得しておき、フラッシュ光照射時には極めて応答時間の短いフォトダイオード２１から得られた出力を当該テーブル３２に照合して放射エネルギーを求めているため、フラッシュ光照射時の半導体ウェハーＷの放射エネルギーをリアルタイムに求めることができる。その結果、第１実施形態の熱処理装置１は、フラッシュ光照射時の半導体ウェハーＷの表面温度をリアルタイムに測定することができる。
【０１０４】
また、フラッシュ光照射時における半導体ウェハーＷの放射エネルギーをリアルタイムに求めることができれば、その測定結果に基づいてフラッシュランプＦＬの発光を制御することもできる。
【０１０５】
＜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、第１，２実施形態ではそれぞれ半導体ウェハーＷの表面温度Ｔwおよび放射エネルギーＥwに基づいてフラッシュ光の制御を行っていたが、半導体ウェハーＷの表面から放出された総放射エネルギーに基づいてフラッシュランプＦＬの発光制御を行うようにしても良い。すなわち、エネルギー算出部３３によって求められた半導体ウェハーＷの単位時間当たりの放射エネルギーＥwをフラッシュ光照射開始からの経過時間で逐次積分することによって総放射エネルギーを算定することができる。そして、図８のステップＳ６にて、その総放射エネルギーが予め設定された所定値に到達したか否かを判定し、所定値に到達した時点にて、制御部３の制御によりＩＧＢＴ制御部９８がＩＧＢＴ９６をオフ状態としてコンデンサ９３からフラッシュランプＦＬに流れる電流を遮断する。
【０１０６】
また、第１実施形態において第２実施形態の如く半導体ウェハーＷの放射エネルギーＥwに基づいてフラッシュランプＦＬの発光を制御するようにしても良いし、第２実施形態において第１実施形態の如く半導体ウェハーＷの表面温度Ｔwに基づいてフラッシュランプＦＬの発光を制御するようにしても良い。
【０１０７】
また、上記各実施形態においては、フラッシュ光照射時に半導体ウェハーＷから放射される波長３μｍの赤外光をフォトダイオード２１で受光して測定するようにしていたが、測定に使用する波長は３μｍに限定されるものではなく、キセノンフラッシュランプＦＬからのフラッシュ光に含まれていない３μｍ以上であれば良い。フォトダイオード２１が受光する光の波長は干渉フィルター２２の透過波長域を設定することによって調整することができる。フォトダイオード２１で受光して測定する放射光の波長が３μｍ以上であれば、フラッシュ光が外乱光となるのを防止することができる。
【０１０８】
また、フラッシュランプＦＬから照射されたフラッシュ光から波長３μｍ以上の光を除くためのフィルターをチャンバー窓６１に付設するようにしても良い。これにより、フラッシュ光が外乱光となるのを確実に防止することができる。
【０１０９】
また、第１実施形態においては、式（１）を用いて半導体ウェハーＷの放射エネルギーの理論値を５００℃から１０℃刻みで算出していたが、任意の温度から任意の温度間隔にて算出するようにしても良い。但し、テーブル３２を取得するに際して、フォトダイオード２１の出力の実測は、放射エネルギーの理論値の算出条件と同じ条件にて行う必要がある。
【０１１０】
また、エネルギー算出部３３および温度算定部３４は、ワンチップマイコン２６によって実現するようにしても良い。特に、フラッシュ光照射時の半導体ウェハーＷの放射エネルギーおよび表面温度を高速に求めるのであれば、予めプログラムした特定処理を高速で実行するのに適したワンチップマイコン２６内にエネルギー算出部３３および温度算定部３４を実現するのが好ましい。さらに、ＩＧＢＴ制御部９８をもワンチップマイコン２６内に組み込むようにしても良い。
【０１１１】
また、上記実施形態においては、フラッシュランプＦＬの駆動回路にＩＧＢＴ９６を組み込んでフラッシュランプＦＬを流れる電流を遮断できるようにしていたが、ＩＧＢＴ９６を組み込んでいない駆動回路であっても本発明に係る技術を適用してフラッシュ光照射時の半導体ウェハーＷの放射エネルギーおよび表面温度をリアルタイムに求めることができる。もっとも、ＩＧＢＴ９６を組み込んでいない場合には、測定結果に基づくフラッシュランプＦＬの発光制御は出来ない。
【０１１２】
また、上記実施形態においては、スイッチング素子としてＩＧＢＴ９６を用いていたが、これに代えてゲートに入力された信号レベルに応じて回路をオンオフできる他のトランジスタを用いるようにしても良い。もっとも、フラッシュランプＦＬの発光には相当に大きな電力が消費されるため、大電力の取り扱いに適したＩＧＢＴやＧＴＯ(Gate Turn Off)サイリスタを採用するのが好ましい。
【０１１３】
また、フラッシュ光照射時に、ＩＧＢＴ制御部９８からＩＧＢＴ９６のゲートに複数のパルスを含むパルス信号を出力してＩＧＢＴ９６をオンオフし、フラッシュランプＦＬに流れる電流をチョッパ制御するようにしても良い。
【０１１４】
また、上記実施形態においては、ランプハウス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。さらに、加熱源となる光源はフラッシュランプに限らず、他の種類のランプであっても本発明に係る技術を適用して半導体ウェハーＷの温度を算定することができる。
【０１１５】
また、上記実施形態においては、ホットプレート７１に載置することによって半導体ウェハーＷを予備加熱するようにしていたが、予備加熱の手法はこれに限定されるものではなく、ハロゲンランプを設けて光照射によって半導体ウェハーＷを予備加熱温度Ｔ１にまで予備加熱するようにしても良い。但し、この場合、フラッシュ光照射時に、ハロゲンランプの光が外乱光とならないように、ハロゲンランプからフォトダイオード２１に至る光路を遮光しておくのが好ましい。
【０１１６】
また、本発明に係る熱処理技術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。また、本発明に係る技術は、金属とシリコンとの接合、或いはポリシリコンの結晶化に適用するようにしても良い。
【符号の説明】
【０１１７】
１  熱処理装置
３  制御部
４  保持部昇降機構
５  ランプハウス
６  チャンバー
７  保持部
２０  サンプリング部
２１  フォトダイオード
２２  干渉フィルター
２３  電流電圧変換回路
２４  増幅回路
２５  高速Ａ／Ｄコンバータ
２６  ワンチップマイコン
３１  磁気ディスク
３２  テーブル
３３  エネルギー算出部
３４  温度算定部
３５  表示部
６０  上部開口
６１  チャンバー窓
６５  熱処理空間
７０  支持ピン
７１  ホットプレート
７２  サセプタ
９６  ＩＧＢＴ
９８  ＩＧＢＴ制御部
ＦＬ  フラッシュランプ
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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【図１０】
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【図１１】
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