JP7751508B2

JP7751508B2 - 温度測定方法および熱処理装置

Info

Publication number: JP7751508B2
Application number: JP2022028264A
Authority: JP
Inventors: 貴宏北澤; 光河原▲崎▼
Original assignee: Screen Holdings Co Ltd
Current assignee: Screen Holdings Co Ltd
Priority date: 2022-02-25
Filing date: 2022-02-25
Publication date: 2025-10-08
Anticipated expiration: 2042-02-25
Also published as: US20230274959A1; KR20230127889A; TWI864571B; KR102829932B1; US12550665B2; CN116666241A; TW202336414A; JP2023124480A

Description

本発明は、光照射によって加熱される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）の温度を測定する温度測定方法、および、基板に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関する。

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。

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が照射されれば、当該半導体ウェハーの表面のみが極短時間だけ不純物の活性化する温度にまで昇温されることができる。このため、不純物が半導体ウェハーの中で深く拡散させることなく、不純物の活性化のみが実行される。

フラッシュランプアニールに限らず、半導体ウェハーの熱処理においては、ウェハー温度の管理が重要となる。フラッシュランプアニールにおいても、フラッシュ光が照射されたときの半導体ウェハーの表面の最高到達温度と、半導体ウェハーの表面以外の部分の温度とが正しく処理できたかどうかが重要な工程管理指標となる。このため、一般的には非接触の放射温度計によって半導体ウェハーの温度が測定されている。放射温度計による温度測定には測定対象物の放射率が必須であり、従来は所定の放射率が設定されて半導体ウェハーの温度が測定されていた。

しかしながら、半導体ウェハーの材料として採用されるシリコンは、温度によって赤外光の透過率が変化することが知られている。このような赤外光の透過率の変化によって、赤外光の放射率が変動する。また、近年の半導体技術では３次元高密度化の進展に伴って様々な薄膜が多層（例えば、１００層以上）に積層される傾向にある。薄膜が多層に積層されると、放射率が大きく変動することも知られている。

そこで、特許文献１では、材料の表面の物性が変化した場合でも、実測値に近い温度が推定可能となる装置が開示されている。具体的には、特許文献１に記載の装置は、材料から放射された所定の波長の光を検出して検出信号として出力し、出力された検出信号から放射率比に対応する第１のパラメータを求め、材料表面状態の物性値に対応する第２のパラメータと第１のパラメータとの相関に基づいて第2のパラメータを求める。

特開平５－２１５６１０号公報

しかしながら、例えばシリコンにおいては、上述のとおり温度によって変色する特性があり、温度が変化して変色することにより放射率も変化する。このような材料の表面の温度を測定する場合には、特許文献１に記載のような装置であっても、測定温度と実際の温度との間に大きなずれが生じてしまうことがある。一方で、近年の半導体ウェハーの益々の高精度化の要請もあり、半導体ウェハーの表面では不純物が活性化するだけの高温にしつつ半導体ウェハーの表面以外の部分では不純物が拡散しないだけの低温に維持しておくことが必要とされている。このため、半導体ウェハーの温度管理に対してこれまで以上の緻密さが要求されてきている。したがって、このような測定温度と実際の温度とのずれをさらに解消するための技術が期待されている。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、基板の温度が正確に測定される温度測定方法、および、熱処理装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、光照射によって加熱される基板の温度を測定する温度測定方法であって、前記基板の斜め上方または斜め下方から、前記基板の輝度温度を検出する放射温度測定工程と、前記基板の放射率の比に対応する第１の入力パラメータと、前記基板の温度に対応する第２の入力パラメータとの、少なくとも２つの入力パラメータを、前記放射温度測定工程にて検出される前記輝度温度から算出する入力パラメータ算出工程と、前記第１の入力パラメータと前記第２の入力パラメータとから出力パラメータを推定する出力パラメータ推定工程と、前記出力パラメータ推定工程にて推定された前記出力パラメータと前記放射温度測定工程にて検出された前記輝度温度とから前記基板の温度を算出する温度算出工程と、を備えることを特徴とする。

また、請求項２の発明は、請求項１に係る温度測定方法において、前記出力パラメータ推定工程では、前記第２の入力パラメータによって規定される前記第１の入力パラメータと前記出力パラメータとの相関関係に基づいて前記出力パラメータを推定することを特徴とする。

また、請求項３の発明は、請求項１または請求項２に係る温度測定方法において、前記放射温度測定工程は、受光する光の経路と前記基板の表面または裏面の法線とのなす角度が互いに異なる複数の放射温度計により複数の前記輝度温度が検出されることを特徴とする。

また、請求項４の発明は、請求項１または請求項２に係る温度測定方法において、前記放射温度測定工程は、受光する光の経路と前記基板の表面または裏面の法線とのなす角度が同一で異なる２つの偏光成分を検出することを特徴とする。

また、請求項５の発明は、請求項１または請求項２に係る温度測定方法において、前記放射温度測定工程は、受光する光の経路と前記基板の表面または裏面の法線とのなす角度が同一で異なる２つの波長成分を検出することを特徴とする。

また、請求項６の発明は、請求項１ないし請求項５のいずれか一つに係る温度測定方法において、前記第２の入力パラメータは、輝度であることを特徴とする。

また、請求項７の発明は、請求項１ないし請求項６のいずれか一つに係る温度測定方法において、前記出力パラメータは、前記放射率の対数の比であることを特徴とする。

また、請求項８の発明は、請求項１ないし請求項７のいずれか一つに係る温度測定方法において、前記放射温度測定工程は、前記基板の斜め下方から前記基板の前記輝度温度を検出することを特徴とする。

また、請求項９の発明は、請求項１ないし請求項８のいずれか一つに係る温度測定方法において、前記基板はチャンバーに収容された状態で加熱され、前記入力パラメータ算出工程は、前記チャンバーの温度に対応する第３の入力パラメータをさらに算出し、前記出力パラメータ推定工程では、前記第１の入力パラメータ、前記第２の入力パラメータおよび前記第３の入力パラメータに基づいて前記出力パラメータを推定することを特徴とする。

また、請求項１０の発明は、基板に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、前記基板を収容するチャンバーと、前記チャンバー内にて前記基板を載置して保持するサセプタと、前記サセプタの斜め上方または斜め下方に設けられ、前記基板の輝度温度検出する放射温度計と、前記基板の放射率比に対応する第１の入力パラメータと、前記基板の温度に対応する第２の入力パラメータとの、少なくとも２つの入力パラメータを、前記放射温度計により検出される前記輝度温度から算出する入力パラメータ算出部と、前記第１の入力パラメータと前記第２の入力パラメータとから出力パラメータを推定する出力パラメータ推定部と、前記出力パラメータ推定部が推定した前記出力パラメータと前記放射温度計が検出した前記輝度温度とから前記基板の温度を算出する温度算出部と、を備えることを特徴とする。

また、請求項１１の発明は、請求項１０に係る熱処理装置において、前記出力パラメータ推定部は、前記第２の入力パラメータによって規定される前記第１の入力パラメータと前記出力パラメータとの相関関係に基づいて前記出力パラメータを推定することを特徴とする。

また、請求項１２の発明は、請求項１０または請求項１１に係る熱処理装置において、前記放射温度計は、受光する光の経路と前記基板の表面または裏面の法線とのなす角度が互いに異なる複数の放射温度計を備えることを特徴とする。

請求項１から請求項９の発明によれば、基板の放射率の比に対応する第１の入力パラメータと、基板の温度に対応する第２の入力パラメータとの、少なくとも２つの入力パラメータを、放射温度測定工程により検出される輝度温度から算出する入力パラメータ算出工程を備えることから、基板の温度を正確に測定することができる。

請求項８の発明によれば、放射温度測定工程は、基板の斜め下方から輝度温度を検出することから、基板の裏面の温度を正確に測定することができる。

請求項９の発明によれば、入力パラメータ算出工程は、チャンバーの温度に対応する第３の入力パラメータをさらに算出することから、チャンバーの温度にも関連し得る基板の温度を正確に測定することができる。

請求項１０から請求項１２の発明によれば、基板の放射率比に対応する第１の入力パラメータと、基板の温度に対応する第２の入力パラメータとの、少なくとも２つの入力パラメータを、放射温度計により検出される輝度温度から算出する入力パラメータ算出部を備えることから、基板の温度を正確に測定することができる。

また、本願明細書に開示される技術に関連する目的と、特徴と、局面と、利点とは、以下に示される詳細な説明と添付図面とによって、さらに明白となる。

熱処理装置の構成を概略的に示す断面図である。保持部の全体外観を示す斜視図である。サセプタの平面図である。サセプタの断面図である。移載機構の平面図である。移載機構の側面図である。ハロゲン加熱部における複数のハロゲンランプＨＬの配置を示す平面図である。図１の部分拡大図である。第１放射温度計、第２放射温度計および制御部の関係を示す図である。半導体ウェハーＷの処理手順を示すフローチャートである。温度測定方法の手順を示すフローチャートである。第１の入力パラメータ、第２の入力パラメータ、および出力パラメータの関係を示す相関図である。温度の推定値と実測値との関係を示す図である。第２実施形態における熱処理装置の構成を概略的に示す断面図である。図１４の部分拡大図である。偏光フィルタモジュールを示す平面図である。分光フィルタモジュールを示す平面図である。第４実施形態における熱処理装置の構成を概略的に示す断面図である。第５実施形態における熱処理装置の構成を概略的に示す断面図である。図１９の部分拡大図である。

以下、添付される図面を参照しながら実施の形態について説明する。以下の実施の形態では、技術の説明のために詳細な特徴なども示されるが、それらは例示であり、実施の形態が実施可能となるためにそれらすべてが必ずしも必須の特徴ではない。

なお、図面は概略的に示されるものであり、説明の便宜のため、適宜、構成の省略、または、構成の簡略化が図面においてなされるものである。また、異なる図面にそれぞれ示される構成などの大きさおよび位置の相互関係は、必ずしも正確に記載されるものではなく、適宜変更され得るものである。また、断面図ではない平面図などの図面においても、実施の形態の内容を理解することを容易にするために、ハッチングが付される場合がある。

また、以下に示される説明では、同様の構成要素には同じ符号を付して図示し、それらの名称と機能とについても同様のものとする。したがって、それらについての詳細な説明を、重複を避けるために省略する場合がある。

また、以下に記載される説明において、ある構成要素を「備える」、「含む」または「有する」などと記載される場合、特に断らない限りは、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

また、以下に記載される説明において、「第１の」または「第２の」などの序数が用いられる場合があっても、これらの用語は、実施の形態の内容を理解することを容易にするために便宜上用いられるものであり、これらの序数によって生じ得る順序などに限定されるものではない。

また、以下に記載される説明における、相対的または絶対的な位置関係を示す表現、たとえば、「一方向に」、「一方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」または「同軸」などは、特に断らない限りは、その位置関係を厳密に示す場合、および、公差または同程度の機能が得られる範囲において角度または距離が変位している場合を含むものとする。

また、以下に記載される説明において、等しい状態であることを示す表現、たとえば、「同一」、「等しい」、「均一」または「均質」などは、特に断らない限りは、厳密に等しい状態であることを示す場合、および、公差または同程度の機能が得られる範囲において差が生じている場合を含むものとする。

また、以下に記載される説明において、「上」、「下」、「左」、「右」、「側」、「底」、「表」または「裏」などの特定の位置または方向を意味する用語が用いられる場合があっても、これらの用語は、実施の形態の内容を理解することを容易にするために便宜上用いられるものであり、実際に実施される際の位置または方向とは関係しないものである。

また、以下に記載される説明において、「…の上面」または「…の下面」などと記載される場合、対象となる構成要素の上面自体または下面自体に加えて、対象となる構成要素の上面または下面に他の構成要素が形成された状態も含むものとする。すなわち、たとえば、「甲の上面に設けられる乙」と記載される場合、甲と乙との間に別の構成要素「丙」が介在することを妨げるものではない。

＜第１の実施の形態＞
以下、本実施の形態に関する熱処理装置および温度測定方法について説明する。

図１は、本実施の形態に関する熱処理装置１６０の構成を概略的に示す断面図である。

図１に例が示されるように、本実施形態の熱処理装置１６０は、基板としての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、たとえばφ３００ｍｍまたはφ４５０ｍｍである（本実施の形態ではφ３００ｍｍ）。

熱処理装置１６０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。さらに、熱処理装置１６０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。なお、本実施の形態では、ハロゲン加熱部４は、複数のハロゲンランプＨＬを備えているが、ハロゲンランプＨＬの代わりにアークランプまたは発光ダイオード（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ、すなわち、ＬＥＤ）が備えられていてもよい。上述の構成により、半導体ウェハーＷは、チャンバーに収容された状態で加熱される。

複数のフラッシュランプＦＬは、フラッシュ光を照射することによって半導体ウェハーＷを加熱する。また、複数のハロゲンランプＨＬは、半導体ウェハーＷを連続加熱する。

また、熱処理装置１６０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１６０は、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。

チャンバー６は、チャンバー筐体６１の上面に石英製の上側チャンバー窓６３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、石英によって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、石英によって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。

また、チャンバー筐体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および反射リング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、チャンバー筐体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、チャンバー筐体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および反射リング６９は、ともに着脱自在にチャンバー筐体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、チャンバー筐体６１、反射リング６８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。

チャンバー筐体６１に反射リング６８および反射リング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、チャンバー筐体６１の内壁面のうち反射リング６８および反射リング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。チャンバー筐体６１および反射リング６８および反射リング６９は、強度と耐熱性に優れた金属材料（たとえば、ステンレススチール）で形成されている。

また、チャンバー筐体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１６２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１６２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１６２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。

さらに、チャンバー筐体６１には、貫通孔６１ａおよび貫通孔６１ｂが穿設されている。貫通孔６１ａ，６１ｂが設けられている各部位には第１放射温度計２０ａ，第２放射温度計２０ｂがそれぞれ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（裏面）から放射された赤外光を第１放射温度計２０ａの赤外線センサー２４ａに導くための円筒状の孔である。また、貫通孔６１ｂは、半導体ウェハーＷの下面（裏面）から放射された赤外光を第２放射温度計２０ｂの赤外線センサー２４ｂに導くための円筒状の孔である。貫通孔６１ａおよび貫通孔６１ｂは、それら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。

赤外線センサー２４ａおよび赤外線センサー２４ｂは、たとえば、焦電効果を利用する焦電センサー、ゼーベック効果を利用するサーモパイル、または、熱による半導体の抵抗変化を利用するボロメータなどの熱型赤外線センサー、または、量子型赤外線センサーなどである。

赤外線センサー２４ａおよび赤外線センサー２４ｂは、サセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの主面（表面）に対して傾斜する光軸を有し、半導体ウェハーＷの下面（裏面）から放射された赤外光を受光する。

貫通孔６１ａの熱処理空間６５に臨む側の端部には、第１放射温度計２０ａ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２１ａが装着されている。同様に、貫通孔６１ｂの熱処理空間６５に臨む側の端部には、第２放射温度計２０ｂ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２１ｂが装着されている。なお、透明窓２１ａおよび透明窓２１ｂは、たとえば、石英で形成されていてもよい。

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よい。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。また、ガス供給管８３の経路途中にはバルブ８４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。

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。処理ガスとしては、たとえば窒素（Ｎ_２）等の不活性ガス、または、水素（Ｈ_２）、アンモニア（ＮＨ_３）等の反応性ガス、或いはそれらを混合した混合ガスを用いることができる（本実施の形態では窒素ガス）。

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が設けられている。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よい。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よいし、スリット状のものであってもよい。また、処理ガス供給源８５および排気部１９０は、熱処理装置１６０に設けられた機構であってもよいし、熱処理装置１６０が設置される工場のユーティリティであってもよい。

また、搬送開口部６６の先端にも熱処理空間６５内の気体を排出するガス排気管１９１が接続されている。ガス排気管１９１はバルブ１９２を介して排気部１９０に接続されている。バルブ１９２を開放することによって、搬送開口部６６を介してチャンバー６内の気体が排気される。

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はいずれも石英で形成されている。すなわち、保持部７の全体が石英で形成されている。

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３を参照）。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（本実施の形態では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。

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によって下側から支持される。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および複数の支持ピン７７を備える。保持プレート７５は、石英で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。

保持プレート７５の上面周縁部には、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。たとえば、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と同様の石英で形成される。

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よいし、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よい。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よい。

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、複数の支持ピン７７が設けられている。本実施の形態においては、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°毎に合計１２個の支持ピン７７が環状に立設されている。

１２個の支持ピン７７を配置した円の径（対向する支持ピン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φ２１０ｍｍ～φ２８０ｍｍである。支持ピン７７は、３本以上設けられる。それぞれの支持ピン７７は石英で形成されている。

複数の支持ピン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よいし、保持プレート７５と一体に加工するようにしてもよい。

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。

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の上側に水平姿勢で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個の支持ピン７７によって支持されて、下側からサセプタ７４に支持される。より厳密には、１２個の支持ピン７７の上端部が半導体ウェハーＷの下面（裏面）に接触して当該半導体ウェハーＷを支持する。

１２個の支持ピン７７の高さ（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。

また、半導体ウェハーＷは複数の支持ピン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。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。

また、図２および図３に示されるように、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、第１放射温度計２０ａおよび第２放射温度計２０ｂが半導体ウェハーＷの下面（裏面）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、第１放射温度計２０ａおよび第２放射温度計２０ｂが開口部７８およびチャンバー筐体６１の透明窓２１ａ（貫通孔６１ａに装着される）および透明窓２１ｂ（貫通孔６１ｂに装着される）を介して半導体ウェハーＷの下面（裏面）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。

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は石英で形成されている。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よいし、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よい。

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を移載動作位置において上昇させると、合計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および図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を移載動作位置におい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。

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（本実施の形態では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、石英によって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。

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（表面）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。

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。

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で形成されており、その上面（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。

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（本実施の形態では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。

図７は、ハロゲン加熱部４における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（表面）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。

また、図７に示されるように、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。

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合計４０本のハロゲンランプＨＬが配設されている。

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。

図１に示されるように、チャンバー６には、第１放射温度計２０ａおよび第２放射温度計２０ｂの２つの放射温度計（本実施の形態ではパイロメーター）が設けられている。第１放射温度計２０ａおよび第２放射温度計２０ｂはサセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの斜め下方に設けられる。

このような配置により、第１放射温度計２０ａおよび第２放射温度計２０ｂは、半導体ウェハーＷの斜め下方から、半導体ウェハーＷの輝度温度を検出する。なお、輝度温度とは、電磁波の放射強度を示す物理量のことである。電磁放射が黒体放射である場合には、輝度温度は温度と等しい。

図８は、図１の部分拡大図である。図８は、熱処理装置１６０における第１放射温度計２０ａ、第２放射温度計２０ｂ、および半導体ウェハーＷの配置関係を詳細に示す。

図８に示すように、第１放射温度計２０ａが受光する光の経路Ｘａと半導体ウェハーＷの裏面の法線Ｏとの間のなす角度はαとなっている。また、第２放射温度計２０ｂが受光する光の経路Ｘｂと半導体ウェハーＷの裏面の法線Ｏとの間のなす角度はβとなっている。これらの角度αと角度βとは互いに異なる。角度αは８０°以上（９０°未満）、角度βは８０°以下であることが好ましい。また角度αと角度βとのなす角度は、２．５°以上であることが好ましい。角度αと角度βとのなす角度は、大きいほど基板Ｗの温度が正確に測定可能であると考えられている。

図１１は、第１放射温度計２０ａ、第２放射温度計２０ｂおよび制御部３の関係を示す図である。

上述のとおり、熱処理装置１６０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する制御部３を含んでいる。制御部３は、パーソナルコンピュータ（ＦＡパソコン）の形態を有していてもよく、記憶部３２と、ＣＰＵ等の演算処理装置とを含んでいる。記憶部３２は、固体メモリデバイスおよびハードディスクドライブ等の記憶装置を含む。また、制御部３は、入力部３１と表示部３３とに接続される。入力部３１は、キーボード、ポインティングデバイスおよびタッチパネル等の入力機器を含む。さらに、入力部３１は、ホストコンピュータとの通信のための通信モジュールを含む。表示部３３は、例えば液晶表示ディスプレイを含み、制御部３との連携で各種情報を表示する。表示部３３として、例えば液晶ディスプレイが採用される。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１６０における処理が進行する。

図９に示すように、制御部３は入力パラメータ算出部３４、出力パラメータ推定部３５、および、温度算出部３６を備える。入力パラメータ算出部３４、出力パラメータ推定部３５、および、温度算出部３６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る。入力パラメータ算出部３４、出力パラメータ推定部３５、および、温度算出部３６の処理内容についてはさらに後述する。

図８および図９に示すように、第１放射温度計２０ａおよび第２放射温度計２０ｂは、半導体ウェハーＷの下方に設けられる。第１放射温度計２０ａは、半導体ウェハーＷの下面（裏面）の温度を測定する赤外線センサー２４ａおよび温度測定ユニット２２ａを備える。同様に、第２放射温度計２０ｂは、半導体ウェハーＷの下面（裏面）の温度を測定する赤外線センサー２４ｂおよび温度測定ユニット２２ｂを備える。

赤外線センサー２４ａは、温度測定ユニット２２ａと電気的に接続されており、受光に応答して生じた検出信号を温度測定ユニット２２ａに伝達する。温度測定ユニット２２ａは、伝達された検出信号から、温度を算出する。つまり、温度測定ユニット２２ａは、赤外線センサー２４ａが受光した光の強度に基づいて、温度を算出する。同様に、赤外線センサー２４ｂは、温度測定ユニット２２ｂと電気的に接続されており、受光に応答して生じた検出信号を温度測定ユニット２２ｂに伝達する。温度測定ユニット２２ｂは、伝達された検出信号から、温度を算出する。つまり、温度測定ユニット２２ｂは、赤外線センサー２４ｂが受光した光の強度に基づいて、温度を算出する。

上記の構成以外にも熱処理装置１６０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フラッシュ加熱部５、ハロゲン加熱部４、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。

たとえば、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、フラッシュ加熱部５およびハロゲン加熱部４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。

＜熱処理装置の動作について＞
次に、熱処理装置１６０における半導体ウェハーＷの処理手順について説明する。図１０は、半導体ウェハーＷの処理手順を示すフローチャートである。以下に説明する熱処理装置１６０の処理手順は、制御部３が熱処理装置１６０の各動作機構を制御することにより進行する。

まず、給気のためのバルブ８４が開放されるとともに、排気用のバルブ８９およびバルブ１９２が開放されてチャンバー６内に対する給排気が開始される。バルブ８４が開放されると、ガス供給孔８１から熱処理空間６５に窒素ガスが供給される。また、バルブ８９が開放されると、ガス排気孔８６からチャンバー６内の気体が排気される。これにより、チャンバー６内の熱処理空間６５の上部から供給された窒素ガスが下方へと流れ、熱処理空間６５の下部から排気される。

また、バルブ１９２が開放されることによって、搬送開口部６６からもチャンバー６内の気体が排気される。さらに、図示省略の排気機構によって移載機構１０の駆動部周辺の雰囲気も排気される。なお、熱処理装置１００における半導体ウェハーＷの熱処理時には窒素ガスが熱処理空間６５に継続的に供給されており、その供給量は処理工程に応じて適宜変更される。

続いて、ゲートバルブ１６２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内の熱処理空間６５に搬入される（ステップＳ１）。このときには、半導体ウェハーＷの搬入にともなって装置外部の雰囲気を巻き込むおそれがあるが、チャンバー６には窒素ガスが供給され続けているため、搬送開口部６６から窒素ガスが流出して、そのような外部雰囲気の巻き込みを最小限に抑制することができる。

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は支持ピン７７の上端よりも上方にまで上昇する。

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１６２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、図２ないし図４に示す保持プレート７５上に立設された複数の支持ピン７７によって支持されてサセプタ７４に保持される。複数の支持ピン７７によって支持された半導体ウェハーＷの下面（裏面）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。

半導体ウェハーＷがチャンバー６内に搬入されてサセプタ７４に保持された後、ハロゲン加熱部４のハロゲンランプＨＬが一斉に点灯して予備加熱（アシスト加熱）が開始される（ステップＳ２）。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を透過して半導体ウェハーＷの下面（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ない。予備加熱温度は、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、５００℃ないし６００℃程度であることが好ましい。予備加熱温度が８００℃以上の高温になると、半導体ウェハーＷに添加された不純物が拡散するため、温度管理の正確さが求められている。

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の温度は第１放射温度計２０ａおよび第２放射温度計２０ｂによって測定される（ステップＳ３）。より詳細には、第１放射温度計２０ａおよび第２放射温度計２０ｂにより検出される検出信号から半導体ウェハーＷの下面（裏面）の温度が算出される。なお、ハロゲンランプＨＬによる予備加熱を開始する前から第１放射温度計２０ａおよび第２放射温度計２０ｂによる温度測定を開始するようにしてもよい。

ここで、本実施形態において、半導体ウェハーＷの下面（裏面）の温度が算出される理由について説明する。半導体ウェハーＷの上面（表面）には、様々な膜が形成されることが一般的である。近年の半導体ウェハーＷの高性能化により、従来よりも膜種、膜厚、膜層数、膜構造などの条件が多様化している。一方で、半導体ウェハーＷの下面（裏面）には、膜が積極的に形成されない傾向にある。多様化した膜種、膜厚、膜層数、膜構造に対応することを要する半導体ウェハーＷの上面（表面）よりも、膜が積極的に形成されない下面（裏面）の温度の測定の方が容易である。そこで、本実施形態においては、第１放射温度計２０ａおよび第２放射温度計２０ｂは半導体ウェハーＷの斜め下方に配置され、半導体ウェハーＷの下面（裏面）の温度が測定される。

図１１は、本実施形態における温度測定方法の手順を示すフローチャートである。

図１０における半導体ウェハーＷの温度の測定は、図１１のとおりのフローで実行される。まず、第１放射温度計２０ａにより半導体ウェハーＷの裏面の輝度温度Ｓａが検出される（ステップＳ１１）。また、第２放射温度計２０ｂにより半導体ウェハーＷの裏面の輝度温度Ｓｂが検出される（ステップＳ１２）。なお、ステップＳ１１とステップＳ１２とは同時に行われてもよい。

ステップＳ１１およびステップＳ１２において検出された輝度温度Ｓａおよび輝度温度Ｓｂが記憶部３２に記憶される。輝度温度Ｓａおよび輝度温度Ｓｂに基づいて、入力パラメータが算出される（ステップＳ１３）。入力パラメータの算出は、図９における入力パラメータ算出部３４において行われる。入力パラメータ算出部３４は、半導体ウェハーＷの放射率比Ｋｕに対応する第１の入力パラメータと、半導体ウェハーＷの温度に対応する第２の入力パラメータとを、第１放射温度計２０ａおよび第２放射温度計２０ｂにより検出される輝度温度から算出する。

より具体的には、輝度温度Ｓａおよび輝度温度Ｓｂに基づいて、第１の入力パラメータとしての放射率比Ｋｕが算出される。放射率比Ｋｕは、下記の数１式により算出される。なお、λは測定波長［μｍ］、εａは測定波長における第１放射温度計２０ａの分光放射率［μｍ］、εｂは測定波長における第２放射温度計２０ｂの分光放射率［μｍ］、Ｃ_２はプランクの放射則における放射第２定数、Ｓａは測定波長における第１放射温度計２０ａの検出する輝度温度［Ｋ］、Ｓｂは測定波長における第２放射温度計２０ｂの検出する輝度温度［Ｋ］である。

上述の数１式を利用することにより、放射率εａおよび放射率εｂが未知数であっても、放射率比Ｋｕが導き出される。半導体ウェハーＷの材料の一つとして考えられるケイ素（Ｓｉ）は温度によって放射率が変動する。つまり、ケイ素（Ｓｉ）またはケイ素化合物は、温度により色が変化する。これに伴い、放射率が変動する。このため、半導体ウェハーＷの材料としてケイ素（Ｓｉ）が採用される場合や、半導体ウェハーＷにケイ素化合物の膜が形成された場合には、本実施形態の温度計測方法が特に有効である。また、ケイ素（Ｓｉ）においては、６００℃以下の低温域において、放射率の変動の傾向が特に顕著である。

また、第２の入力パラメータとして輝度温度Ｓａと輝度温度Ｓｂとの平均値である輝度温度Ｓａｖｅが算出される。なお、第２の入力パラメータとして、輝度温度Ｓａまたは輝度温度Ｓｂのいずれか一方が採用されてもよい。

以上のように入力パラメータが算出されると、第１の入力パラメータおよび第２の入力パラメータに基づいて、出力パラメータ（対数比Ｌｄ）が推定される（ステップＳ１４）。出力パラメータ（対数比Ｌｄ）の推定は、図９における出力パラメータ推定部３５により行われる。出力パラメータ推定部３５は、第１の入力パラメータと第２の入力パラメータとから出力パラメータを推定する。ここで、第１の入力パラメータとしての放射率比Ｋｕと、第２の入力パラメータとしての輝度温度Ｓａｖｅと、出力パラメータとしての対数比Ｌｄとの間での相関関係が記憶部３２に予め記憶されている。これらの相関関係は、実験によって計測された値であっても、理論計算により演算された値であってもよい。

図１２は、第１の入力パラメータおよび出力パラメータの関係を示す相関図である。図１２において、縦軸は第１の入力パラメータ（放射率比Ｋｕ）、横軸は出力パラメータ（対数比Ｌｄ）である。また、実線は輝度温度Ｓａｖｅの値が６００℃（セ氏温度換算）における値を、点線は輝度温度Ｓａｖｅの値が５００℃（セ氏温度換算）における値を、一点鎖線は輝度温度Ｓａｖｅの値が４００℃（セ氏温度換算）における値を、二点鎖線は輝度温度Ｓａｖｅの値が３００℃（セ氏温度換算）における値を、太実線は輝度温度Ｓａｖｅの値が２００℃（セ氏温度換算）における値を、太点線は輝度温度Ｓａｖｅの値が１００℃（セ氏温度換算）における値を、それぞれの測定値の近似線で示している。なお、図１２において、膜のないケイ素による半導体ウェハーＷ、２００ｎｍのＳｉＮ膜が成膜された半導体ウェハーＷ、５００ｎｍのＳｉＮ膜が成膜された半導体ウェハーＷ、１０００ｎｍのＳｉＮ膜が成膜された半導体ウェハーＷ、１００ｎｍのＳｉＯ_２膜が成膜された半導体ウェハーＷ、２００ｎｍのＳｉＯ_２膜が成膜された半導体ウェハーＷ、５００ｎｍのＳｉＯ_２膜が成膜された半導体ウェハーＷ、１０００ｎｍのＳｉＯ_２膜が成膜された半導体ウェハーＷについて実験した結果が示されている。

ステップＳ１４において、図１２の相関図により示される相関関係から出力パラメータとしての放射率の対数比Ｌｄが推定される。なお、対数比Ｌｄは数２式により定義される。

ステップＳ１４において推定された対数比Ｌｄに基づいて、半導体ウェハーＷの下面（裏面）の温度Ｔが測定される（ステップＳ１５）。半導体ウェハーＷの温度Ｔが測定されて処理が終了する。なお、温度Ｔの算出は、図９における温度算出部３６により行われる。温度算出部３６は、出力パラメータ推定部３５が推定した出力パラメータ（対数比Ｌｄ）と第１放射温度計２０ａおよび第２放射温度計２０ｂが検出したそれぞれの輝度温度Ｓａおよび輝度温度Ｓｂとから半導体ウェハーＷの温度を算出する。ステップＳ１５において、温度Ｔは、数３式により算出される。

図１３は、温度Ｔの推定値と実測値との関係を示す図である。図１３において、実線は実測値と測定値とが等しくなる理想線を、太点線は本実施形態における温度測定方法により温度Ｔが算出された値の近似線を、一点鎖線は特許文献１に記載の方法により温度Ｔが算出された値の近似線を示している。また、図１３において、縦軸は実測値を示し、横軸は推定値を示している。なお、図１３においては、実測値が８００℃以下の場合を示している。

図１３に示すように、特許文献１に記載の方法により温度Ｔが算出される場合と比べて、本実施形態における温度測定方法により温度Ｔが算出される場合の方が、理想線に近い。つまり、本実施形態における温度測定方法により温度Ｔが算出される場合には、測定値が実測値により近づいていることがわかる。特に実測値が４００℃以上の場合において、これが顕著に示されている。

図１０に戻り、半導体ウェハーＷの温度が所定温度に到達すると、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の上面にフラッシュ光照射を行う（ステップＳ４）。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。

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の上面の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、フラッシュランプＦＬからのフラッシュ光照射により、半導体ウェハーＷの上面の温度は極めて短時間のうちに急激に上昇する。なお、半導体ウェハーＷの温度は、ステップＳ３の温度測定が継続的に行われて、監視されていても良い。

フラッシュ光照射が終了した後、ハロゲンランプＨＬが消灯する。これにより、半導体ウェハーＷが急速に降温する。降温中の半導体ウェハーＷの温度が、上述のステップＳ３の温度測定が継続的に行われて測定されてもよい。その測定結果が制御部３に伝達され、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してもよい。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１６２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チャンバー６から搬出される（ステップＳ５）。

以上のとおり、本実施形態における熱処理装置としての熱処理装置１６０および温度測定方法によれば、半導体ウェハーＷの温度を正確に測定することができる。また、本実施形態においては、半導体ウェハーＷの斜め下方から輝度温度を検出することから、特に半導体ウェハーＷの下面（裏面）の温度を正確に測定することができる。

＜第２の実施の形態＞
以下、本発明の第２の実施の形態について説明する。図４は、第２実施形態における熱処理装置２６０の構成を概略的に示す断面図である。

第２実施形態における熱処理装置２６０の貫通孔６１ａが設けられている部位には放射温度計２２０が取り付けられている。貫通孔６１ａの内部に、偏光フィルタモジュール２２５が回転可能に設けられる。また、放射温度計２２０は、半導体ウェハーＷの下面（裏面）の温度を測定する赤外線センサー２２４を備える。

図１５は、図１４の部分拡大図である。図１５は、熱処理装置２６０における放射温度計２２０および半導体ウェハーＷの配置関係を詳細に示す。また、図１６は、偏光フィルタモジュール２２５を示す平面図である。

偏光フィルタモジュール２２５は、赤外線センサー２２４が受光する光の経路Ｘｆの途中に配置される。偏光フィルタモジュール２２５は、偏光フィルタ２２５ａと偏光フィルタ２２５ｂとを備える。偏光フィルタ２２５ａはＳ偏光フィルタであり、偏光フィルタ２２５ｂはＰ偏光フィルタである。偏光フィルタモジュール２２５は、図示しないモータにより、回転軸Ｃｆを中心に回転する。

これにより、赤外線センサー２２４が受光する光が、偏光フィルタ２２５ａを通過する光と、偏光フィルタ２２５ｂを通過する光とに切り替わる。すなわち、赤外線センサー２２４は、受光する光の経路Ｘｆと半導体ウェハーＷの裏面の法線Ｏとのなす角度が同一で異なる２つの偏光成分を検出する。したがって、第２実施形態における熱処理装置２６０は、一つの赤外線センサー２２４により、二つの輝度温度を得られる。

＜第３の実施の形態＞
以下、本発明の第３の実施の形態について説明する。第３実施形態おける熱処理装置３６０の構成もまた、図１４および図１５で示される。

第３実施形態においては、貫通孔６１ａの内部に、分光フィルタモジュール３２５が回転可能に設けられる。図１７は、分光フィルタモジュール３２５を示す平面図である。

分光フィルタモジュール３２５は、赤外線センサー３２４が受光する光の経路Ｘｆの途中に配置される。分光フィルタモジュール３２５は、分光フィルタ３２５ａと分光フィルタ３２５ｂとを備える。分光フィルタ３２５ａは特定波長を得るフィルタである。また、分光フィルタ３２５ｂは分光フィルタ３２５ａと異なる特定波長を得るフィルタである。分光フィルタモジュール３２５は、図示しないモータにより、回転軸Ｃｆを中心に回転する。

これにより、赤外線センサー３２４が受光する光が、分光フィルタ３２５ａを通過する光と、分光フィルタ３２５ｂを通過する光とに切り替わる。すなわち、赤外線センサー３２４は、受光する光の経路Ｘｆと半導体ウェハーＷの裏面の法線Ｏとのなす角度が同一で異なる２つの波長成分を検出する。したがって、第３実施形態における熱処理装置３６０は、一つの赤外線センサー３２４により、二つの輝度温度を得られる。

なお、赤外線センサー３２４により得られる二つの輝度温度から半導体ウェハーＷの温度を測定する場合には、上記の数１式に代えて下記の数４式が、上記数３式に代えて下記数５式が採用される。

＜第４の実施の形態＞
以下、本発明の第４の実施の形態について説明する。図１８は、第４実施形態における熱処理装置４６０の構成を概略的に示す断面図である。

第４実施形態における熱処理装置４６０は、第１実施形態における熱処理装置１６０の構成に加えて、チャンバー６の温度を測定するチャンバー温度計４２６を備える。チャンバー温度計４２６は、例えば、チャンバー６の凹部６２に取り付けられる。これにより、第４実施形態における熱処理装置４６０は、チャンバー温度計４２６によりチャンバー６の内部の温度を得ることができる。第４実施形態における入力パラメータ算出部は、チャンバー６の温度に対応する第３の入力パラメータをさらに算出する。そして、出力パラメータ推定工程では、第１の入力パラメータ、第２の入力パラメータおよび第３の入力パラメータに基づいて出力パラメータを推定する。

第４実施形態における熱処理装置４６０は、チャンバー６の温度に対応する第３の入力パラメータをさらに算出することから、チャンバー６の温度にも関連し得る半導体ウェハーＷの温度をさらに正確に測定することができる。

＜第５の実施の形態＞
以下、本発明の第５の実施の形態について説明する。図１９は、第５実施形態における熱処理装置５６０の構成を概略的に示す断面図である。また、図２０は、図１９の部分拡大図である。図２０は、熱処理装置５６０における放射温度計５２０、第１ミラー５２５、第２ミラー５２６および半導体ウェハーＷの配置関係を詳細に示す。

第５実施形態における熱処理装置５６０の貫通孔６１ａが設けられている部位には放射温度計５２０が取り付けられている。また、熱処理装置５６０は、放射温度計５２０に向けて光を反射するための第１ミラー５２５および第２ミラー５２６をさらに備える。

第１ミラー５２５は、光の経路Ｘｍの途中に配置される。また、第２ミラー５２６は、第１ミラー５２５により反射された光を、さらに赤外線センサー５２４へ向けて反射する。

これにより、赤外線センサー５２４は、半導体ウェハーＷから赤外線センサー５２４へ直接向けられる光と、第１ミラー５２５および第２ミラー５２６を介して赤外線センサー５２４へ向けられる光とを受光する。すなわち、赤外線センサー５２４は、経路Ｘｃ、Ｘｍと半導体ウェハーＷの裏面の法線Ｏとのなす角度α２、β２が互いに異なる複数の輝度温度を検出する。したがって、第５実施形態における熱処理装置５６０は、一つの赤外線センサー５２４により、二つの輝度温度を得られる。

＜以上に記載された実施の形態によって生じる効果について＞
次に、以上に記載された実施の形態によって生じる効果の例を示す。なお、以下の説明においては、以上に記載された実施の形態に例が示された具体的な構成に基づいて当該効果が記載されるが、同様の効果が生じる範囲で、本願明細書に例が示される他の具体的な構成と置き換えられてもよい。

また、当該置き換えは、複数の実施の形態に跨ってなされてもよい。すなわち、異なる実施の形態において例が示されたそれぞれの構成が組み合わされて、同様の効果が生じる場合であってもよい。

以上に記載された実施の形態の温度測定方法によれば、半導体ウェハーＷの斜め下方から、半導体ウェハーＷの輝度温度を検出する放射温度測定工程と、半導体ウェハーＷの放射率の比に対応する第１の入力パラメータと、半導体ウェハーＷの温度に対応する第２の入力パラメータとの２つの入力パラメータを、放射温度測定工程にて検出される輝度温度から算出する入力パラメータ算出工程と、第１の入力パラメータと第２の入力パラメータとから出力パラメータを推定する出力パラメータ推定工程と、出力パラメータ推定工程にて推定された出力パラメータと放射温度測定工程にて検出された輝度温度とから半導体ウェハーＷの温度を算出する温度算出工程と、を備える。

また、出力パラメータ推定工程では、第２の入力パラメータによって規定される第１の入力パラメータと出力パラメータとの相関関係に基づいて前記出力パラメータを推定する。

また、第１および第４の実施形態の温度測定方法によれば、第１放射温度計２０ａおよび第２放射温度計２０ｂにより、放射温度測定工程は、受光する光の経路Ｘａ、Ｘｂと半導体ウェハーＷの裏面の法線Ｏとのなす角度α、βが互いに異なる複数の輝度温度が検出される。

また、第２実施形態の温度測定方法によれば、放射温度測定工程は、受光する光の経路Ｘｆと半導体ウェハーＷの裏面の法線Ｏとのなす角度が同一で異なる２つの偏光成分を検出する。

また、第３実施形態の温度測定方法によれば、放射温度測定工程は、検出される信号の経路と半導体ウェハーＷの裏面の法線Ｏとのなす角度が同一で異なる２つの波長成分を検出する。

また、第４実施形態の温度測定方法によれば、半導体ウェハーＷはチャンバー６に収容された状態で加熱され、入力パラメータ算出工程は、チャンバー６の温度に対応する第３の入力パラメータをさらに算出し、出力パラメータ推定工程では、第１の入力パラメータ、第２の入力パラメータおよび第３の入力パラメータに基づいて出力パラメータを推定する。

このような構成によれば、放射率が未知数の場合でも、半導体ウェハーＷの温度を正確に測定することができる。また、放射温度測定工程は、半導体ウェハーＷの斜め下方から輝度温度を検出することから、半導体ウェハーＷの裏面の温度を正確に測定することができる。また、第４実施形態の構成によれば、入力パラメータ算出工程は、チャンバー６の温度に対応する第３の入力パラメータをさらに算出することから、チャンバー６の温度にも関連し得る半導体ウェハーＷの温度を正確に測定することができる。

また、以上に記載された実施の形態の熱処理装置１６０，２６０，３６０，４６０，５６０によれば、半導体ウェハーＷに光を照射することによって半導体ウェハーＷを加熱する熱処理装置１６０，２６０，３６０，４６０，５６０であって、半導体ウェハーＷを収容するチャンバー６と、チャンバー６内にて半導体ウェハーＷを載置して保持するサセプタ７４と、サセプタ７４の斜め下方に設けられ、半導体ウェハーＷの輝度温度を検出する第１放射温度計２０ａ、第２放射温度計２０ｂ（または放射温度計２２０、３２０、５２０）と、半導体ウェハーＷの放射率比に対応する第１の入力パラメータと、半導体ウェハーＷの温度に対応する第２の入力パラメータとの２つの入力パラメータを、第１放射温度計２０ａ、第２放射温度計２０ｂ（または放射温度計２２０、３２０、５２０）により検出される輝度温度から算出する入力パラメータ算出部３４と、第１の入力パラメータと第２の入力パラメータとから出力パラメータを推定する出力パラメータ推定部３５と、出力パラメータ推定部３５が推定した出力パラメータと第１放射温度計２０ａ、第２放射温度計２０ｂ（または放射温度計２２０、３２０、５２０）が検出した輝度温度とから半導体ウェハーＷの温度を算出する温度算出部３６と、を備える。また、出力パラメータ推定部３５は、第２の入力パラメータによって規定される第１の入力パラメータと出力パラメータとの相関関係に基づいて出力パラメータを推定する。

また、第１、第４および第５の実施形態の熱処理装置１６０，４６０，５６０によれば、受光する光の経路と半導体ウェハーＷの裏面の法線Ｏとのなす角度α、β（または角度α２、β２）が互いに異なる２つの第１放射温度計２０ａ、第２放射温度計２０ｂを備える。

このような構成によれば、放射率が未知数の場合でも、半導体ウェハーＷの温度を正確に測定することができる。

なお、上記の構成に本願明細書に例が示された他の構成を適宜追加した場合、すなわち、上記の構成としては言及されなかった本願明細書中の他の構成が適宜追加された場合であっても、同様の効果を生じさせることができる。

＜以上に記載された実施の形態の変形例について＞
以上に記載された実施の形態では、それぞれの構成要素の材質、材料、寸法、形状、相対的配置関係または実施の条件などについても記載する場合があるが、これらはすべての局面においてひとつの例であって、本願明細書に記載されたものに限られることはないものとする。

したがって、例が示されていない無数の変形例、および、均等物が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。たとえば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの実施の形態における少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態における構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

なお、上述した実施形態においては、第２の入力パラメータとして輝度温度が採用されるが、これに限定されない。第２の入力パラメータは、輝度であってもよい。

また、上述した実施形態においては、出力パラメータとしての放射率の対数比Ｌｄが採用されるが、これに限定されない。出力パラメータは、放射率の比であっても、放射率であってもよい。なお、放射率は、下記の数６式および数７式で示される。

また、上述した実施形態においては、第１放射温度計２０ａ、第２放射温度計２０ｂ、放射温度計２２０、３２０、５２０はいずれも、半導体ウェハーＷの斜め下方から半導体ウェハーＷの輝度温度を検出する構成が採用されるが、これに限定されない。放射温度計は、半導体ウェハーＷの斜め上方から半導体ウェハーＷの輝度温度を検出する構成であってもよい。

また、上述した第１および第４の実施形態においては、第１放射温度計２０ａおよび第２放射温度計２０ｂにより、受光する光のそれぞれの経路Xａ、Ｘｂと半導体ウェハーＷの裏面の法線Ｏとのなす角度α、βが互いに異なる２つの輝度温度を検出する構成が採用されるが、これに限定されない。３以上の複数の放射温度計により、互いに異なる複数の信号を検出する構成としてもよい。

また、上述した第４実施形態においては、入力パラメータ算出部３４は、チャンバー６の温度に対応する第３の入力パラメータをさらに算出し、出力パラメータ推定工程では、第１の入力パラメータ、第２の入力パラメータおよび第３の入力パラメータに基づいて出力パラメータを推定する構成が採用されるが、これに限定されない。第３の入力パラメータは、チャンバー６の内部の雰囲気の温度であってもよい。

また、以上に記載された実施の形態において、特に指定されずに材料名などが記載された場合は、矛盾が生じない限り、当該材料に他の添加物が含まれた、たとえば、合金などが含まれるものとする。

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
１１移載アーム
１２リフトピン
１３水平移動機構
１４昇降機構
２０ａ第１放射温度計
２０ｂ第２放射温度計
２１ａ，２１ｂ透明窓
２２ａ，２２ｂ温度測定ユニット
２４ａ，２４ｂ赤外線センサー
３１入力部
３２記憶部
３３表示部
３４入力パラメータ算出部
３５出力パラメータ推定部
３６温度算出部
４１筐体
５１筐体
５２リフレクタ
５３ランプ光放射窓
６１チャンバー筐体
６１ａ，６１ｂ貫通孔
６２凹部
６３上側チャンバー窓
６４下側チャンバー窓
６５熱処理空間
６６搬送開口部
６８反射リング
７１基台リング
７２連結部
７４サセプタ
７５保持プレート
７５ａ保持面
７６ガイドリング
７７支持ピン
７８開口部
７９貫通孔
８１ガス供給孔
８２緩衝空間
８３ガス供給管
８４バルブ
８５処理ガス供給源
８６ガス排気孔
８９，１９２バルブ
１６０，２６０，３６０，４６０，５６０熱処理装置
１６２ゲートバルブ
１９０排気部
１９１ガス排気管
２２０，３２０，５２０放射温度計
２２４，３２４，５２４赤外線センサー
２２５偏光フィルタモジュール
２２５ａ，２２５ｂ偏光フィルタ
２３０アライメント部
２３１アライメントチャンバー
３２５分光フィルタモジュール
３２５ａ，３２５ｂ分光フィルタ
４２６チャンバー温度計
５２５第１ミラー
５２６第２ミラー
Ｃキャリア
Ｃｆ回転軸
Ｏ法線
Ｓａ，Ｓａｖｅ，Ｓｂ輝度温度
Ｔ温度
Ｗ半導体ウェハー

Claims

光照射によって加熱される基板の温度を測定する温度測定方法であって、
前記基板の斜め上方または斜め下方から、前記基板の輝度温度を検出する放射温度測定工程と、
前記基板の放射率の比に対応する第１の入力パラメータと、前記基板の温度に対応する第２の入力パラメータとの、少なくとも２つの入力パラメータを、前記放射温度測定工程にて検出される前記輝度温度から算出する入力パラメータ算出工程と、
前記第１の入力パラメータと前記第２の入力パラメータとから出力パラメータを推定する出力パラメータ推定工程と、
前記出力パラメータ推定工程にて推定された前記出力パラメータと前記放射温度測定工程にて検出された前記輝度温度とから前記基板の温度を算出する温度算出工程と、を備える温度測定方法。
請求項１に記載の温度測定方法において、
前記出力パラメータ推定工程では、前記第２の入力パラメータによって規定される前記第１の入力パラメータと前記出力パラメータとの相関関係に基づいて前記出力パラメータを推定する、温度測定方法。
請求項１または請求項２に記載の温度測定方法において、
前記放射温度測定工程は、受光する光の経路と前記基板の表面または裏面の法線とのなす角度が互いに異なる複数の放射温度計により複数の前記輝度温度が検出される、温度測定方法。
請求項１または請求項２に記載の温度測定方法において、
前記放射温度測定工程は、受光する光の経路と前記基板の表面または裏面の法線とのなす角度が同一で異なる２つの偏光成分を検出する、温度測定方法。
請求項１または請求項２に記載の温度測定方法において、
前記放射温度測定工程は、受光光の経路と前記基板の表面または裏面の法線とのなす角度が同一で異なる２つの波長成分を検出する、温度測定方法。
請求項１ないし請求項５のいずれか一つに記載の温度測定方法において、
前記第２の入力パラメータは、輝度である、温度測定方法。
請求項１ないし請求項６のいずれか一つに記載の温度測定方法において、
前記出力パラメータは、前記放射率の対数の比である、温度測定方法。
請求項１ないし請求項７のいずれか一つに記載の温度測定方法において、
前記放射温度測定工程は、前記基板の斜め下方から前記基板の前記輝度温度を検出する、温度測定方法。
請求項１ないし請求項８のいずれか一つに記載の温度測定方法において、
前記基板はチャンバーに収容された状態で加熱され、
前記入力パラメータ算出工程は、前記チャンバーの温度に対応する第３の入力パラメータをさらに算出し、
前記出力パラメータ推定工程では、前記第１の入力パラメータ、前記第２の入力パラメータおよび前記第３の入力パラメータに基づいて前記出力パラメータを推定する、温度測定方法。
基板に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、
前記基板を収容するチャンバーと、
前記チャンバー内にて前記基板を載置して保持するサセプタと、
前記サセプタの斜め上方または斜め下方に設けられ、前記基板の輝度温度を検出する放射温度計と、
前記基板の放射率比に対応する第１の入力パラメータと、前記基板の温度に対応する第２の入力パラメータとの、少なくとも２つの入力パラメータを、前記放射温度計により検出される前記輝度温度から算出する入力パラメータ算出部と、
前記第１の入力パラメータと前記第２の入力パラメータとから出力パラメータを推定する出力パラメータ推定部と、
前記出力パラメータ推定部が推定した前記出力パラメータと前記放射温度計が検出した前記輝度温度とから前記基板の温度を算出する温度算出部と、を備える熱処理装置。
請求項１０に記載の熱処理装置において、
前記出力パラメータ推定部は、前記第２の入力パラメータによって規定される前記第１の入力パラメータと前記出力パラメータとの相関関係に基づいて前記出力パラメータを推定する、熱処理装置。
請求項１０または請求項１１に記載の熱処理装置において、
前記放射温度計は、受光する光の経路と前記基板の表面または裏面の法線とのなす角度が互いに異なる複数の放射温度計を備える、熱処理装置。