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CN109755158A - 热处理装置及热处理方法 - Google Patents

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CN109755158A CN201811302249.2A CN201811302249A CN109755158A CN 109755158 A CN109755158 A CN 109755158A CN 201811302249 A CN201811302249 A CN 201811302249A CN 109755158 A CN109755158 A CN 109755158A
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Abstract

本发明提供一种能够准确测定基板的温度的热处理装置及热处理方法。经由上侧腔室窗(63)及下侧腔室窗(64)对腔室(6)内基座(74)所保持的半导体晶片(W)照射光从而加热半导体晶片(W)。基座(74)所保持的半导体晶片(W)的温度由辐射温度计(120)测定。温度修正部(31)基于由辐射温度计(130)测定的上侧腔室窗(63)的温度测定值、由辐射温度计(140)测定的下侧腔室窗(64)的温度测定值以及由辐射温度计(150)测定的基座(74)的温度测定值，修正由辐射温度计(120)进行的半导体晶片(W)的温度测定。由此，能够与基座(74)等腔室内构造物的温度无关地准确测定半导体晶片(W)的温度。

Description

热处理装置及热处理方法
技术领域
本发明涉及通过对半导体晶片等薄板状精密电子基板(以下简称为“基板”)照射光来加热该基板的热处理装置及热处理方法。
背景技术
在半导体器件的制造工艺中，掺杂是一种用于在半导体晶片内形成pn结的必要工序。当前，掺杂一般通过离子注入法与随后的退火法来进行。离子注入法是一种使硼(B)、砷(As)、磷(P)等杂质元素转化成离子并在高加速电压下碰撞半导体晶片从而以物理方式进行杂质注入的技术。注入后的杂质通过退火处理被激活。此时，当退火时间为几秒左右以上时，注入后的杂质受热而深度扩散，结果有可能导致结深比要求的过深从而妨碍器件形成。
因此，作为在极短时间内加热半导体晶片的退火技术，近年来闪光灯退火(FLA，Flash Lamp Anneal)受到了关注。闪光灯退火是一种通过使用氙闪光灯(以下，简称“闪光灯”时是指氙闪光灯)对半导体晶片的表面照射闪光，从而仅使注入了杂质的半导体晶片的表面在极短时间(几毫秒以下)内升温的热处理技术。
氙闪光灯的辐射光谱分布是从紫外光区至红外光区，氙闪光灯的波长比以往的卤素灯的波长短，与硅半导体晶片的基础吸收带大致相同。因此，在氙闪光灯对半导体晶片照射闪光时，能够通过较少的透射光使半导体晶片迅速升温。此外，也已证实几毫秒以下的极短时间的闪光照射能够选择性地仅使半导体晶片的表面附近升温。因此，通过由氙闪光灯进行的极短时间的升温，能够仅进行杂质激活而不使杂质深度扩散。
作为使用了这种氙闪光灯的热处理装置，例如专利文献1中公开了一种在半导体晶片的表面侧配置闪光灯，在背面侧配置卤素灯，通过该组合来进行期望的热处理的装置。在专利文献1所公开的热处理装置中，通过卤素灯将半导体晶片预热至某种程度的温度，然后通过来自闪光灯的闪光照射使半导体晶片的表面升高至期望的处理温度。
专利文献1：日本特开2010-225645号公报
发明内容
通常，不限于热处理，半导体晶片的处理以批次(同一条件下进行同一内容的处理的对象的一组半导体晶片)单位进行。单张式基板处理装置中，对构成批次的多张半导体晶片连续依次进行处理。闪光灯退火装置中，也将构成批次的多张半导体晶片一张一张地搬入腔室依次进行热处理。
在停止工作状态下的闪光灯退火装置开始批次处理的情况下，向大致室温的腔室内搬入批次中最初的半导体晶片并进行加热处理。在加热处理时，将腔室内基座所支承的半导体晶片预热至规定温度，并且通过闪光加热使晶片表面升温至处理温度。结果，发生从升温后的半导体晶片向基座等腔室内构造物的热传导，导致该基座等的温度也上升。如这样的伴随半导体晶片的加热处理的基座等的温度上升从批次中最初的几张左右起继续，最终在进行了约10张半导体晶片的加热处理时基座的温度达到一定的稳定温度。即，批次中最初的半导体晶片被室温的基座保持并被处理，而第10张以后的半导体晶片被升温至稳定温度的基座保持并被处理。
因此，产生构成批次的多个半导体晶片的温度历史不均等的问题。尤其，由于从批次中最初的半导体晶片起几张左右的半导体晶片被较低温度的基座支承并被处理，因此闪光照射时的表面达到温度也可能达不到目标温度。
因此，以往，在开始批次处理前，将非处理对象的伪晶片搬入腔室内并保持在基座上，与处理对象的批次在同一条件下进行预热及闪光加热处理，由此事先使基座等腔室内构造物升温(伪运行)。对约10张左右的伪晶片进行预热及闪光加热处理，从而基座等达到稳定温度，因此之后开始对作为处理对象的批次中最初的半导体晶片进行处理。如此，能够使构成批次的多个半导体晶片的温度历史均等。
然而，由于这样的伪运行不仅消耗与处理无关的伪晶片，也需要与对10张左右的伪晶片进行闪光加热处理的相当的时间，因此存在妨碍了闪光灯退火装置的高效运用的问题。
必需进行该伪运行的原因在于，如上所述，低温的基座所支承的半导体晶片的到达温度低导致构成批次的多个半导体晶片的温度历史不均等。因此，若即使半导体晶片被低温的基座支承，也能够准确测定该晶片的温度使该温度达到目标温度，则不进行伪运行也能够使构成批次的多个半导体晶片的温度历史均等。
本发明是鉴于上述问题而提出的，其目的在于提供一种能够准确测定基板的温度的热处理装置及热处理方法。
为了解决上述问题，实施方式1的发明是一种热处理装置，通过对基板照射光来对该基板进行加热，其特征在于，具有：腔室，容纳基板；光照射部，对容纳在所述腔室内的所述基板照射光；基板温度测定部，接受从所述基板辐射的红外光并测定所述基板的温度；构造物温度测定部，测定在所述腔室内设置的构造物的温度；以及温度修正部，基于由所述构造物温度测定部测定的所述构造物的温度对所述基板温度测定部的温度测定进行修正。
此外，实施方式2的发明根据实施方式1的发明的热处理装置，其特征在于，所述构造物温度测定部测定在所述腔室内设置的石英构造物的温度，所述温度修正部基于所述石英构造物的温度对所述基板温度测定部的温度测定进行修正。
此外，实施方式3的发明根据实施方式2的发明的热处理装置，其特征在于，在所述腔室设置有使从所述光照射部射出的光透射入所述腔室内的石英窗，以及载置并支承所述基板的石英的基座，所述构造物温度测定部测定所述石英窗及所述基座的温度，所述温度修正部基于所述石英窗及所述基座的温度对所述基板温度测定部的温度测定进行修正。
此外，实施方式4的发明根据实施方式3的发明的热处理装置，其特征在于，所述光照射部包括从所述腔室的一侧向所述基板照射闪光的闪光灯，以及从所述腔室的另一侧向所述基板照射光的连续点亮灯，所述石英窗包括使从所述闪光灯射出的闪光透射入所述腔室内的第一石英窗，以及使从所述连续点亮灯射出的光透射入所述腔室内的第二石英窗。
此外，实施方式5的发明是一种通过对基板照射光来对该基板进行加热的热处理方法，其特征在于，所述热处理方法具有：照射工序，从光照射部向容纳在腔室内的基板照射光；以及温度测定工序，由基板温度测定部接收从所述基板辐射的红外光并测定所述基板的温度，在所述温度测定工序中，基于设置在所述腔室内的构造物的温度对所述基板温度测定部的温度测定进行修正。
此外，实施方式6的发明根据实施方式5的发明的热处理方法，其特征在于，在所述温度测定工序中，基于设置在所述腔室内的石英构造物的温度对所述基板温度测定部的温度测定进行修正。
此外，实施方式7的发明根据实施方式6的发明的热处理方法，其特征在于，在所述腔室设置有使从所述光照射射出的光透射入所述腔室内的石英窗，以及载置并支承所述基板的石英的基座，在所述温度测定工序中，基于所述石英窗及所述基座的温度对所述基板温度测定部的温度测定进行修正。
此外，实施方式8的发明根据实施方式7的发明的热处理方法中，其特征在于，所述光照射部包括从所述腔室的一侧向所述基板照射闪光的闪光灯，以及从所述腔室的另一侧向所述基板照射光的连续点亮灯，所述石英窗包括使从所述闪光灯射出的闪光透射入所述腔室内的第一石英窗，以及使从所述连续点亮灯射出的光透射入所述腔室内的第二石英窗。
根据实施方式1～4的发明，基于设置在腔室内的构造物的温度对基板温度测定部的温度测定进行修正，因此能够与该构造物的温度无关地准确测定基板的温度。
根据实施方式5～8的发明，基于设置在腔室内的构造物的温度对基板温度测定部的温度测定进行修正，因此能够与该构造物的温度无关地准确测定基板的温度。
附图说明
图1是示出本发明的热处理装置的结构的纵向剖视图。
图2是示出保持部的整体外观的立体图。
图3是基座的俯视图。
图4是基座的剖视图。
图5是搬运机构的俯视图。
图6是搬运机构的侧视图。
图7是示出多个卤素灯的配置的俯视图。
图8是用于说明基于石英构造物的温度而对辐射温度计的温度测定的修正的示意图。
其中，附图标记说明如下：
1 热处理装置
3 控制部
4 卤素加热部
5 闪光加热部
6 腔室
7 保持部
10 搬运机构
31 温度修正部
61 腔室侧部
63 上侧腔室窗
64 下侧腔室窗
65 热处理空间
74 基座
75 保持板
77 基板支承销
120、130、140、150 辐射温度计
FL 闪光灯
HL 卤素灯
W 半导体晶片
具体实施方式
以下，参照附图详细说明本发明的实施方式。
图1是示出本发明的热处理装置1的结构的纵向剖视图。本实施方式的热处理装置1是一种通过对作为基板的圆板形状的半导体晶片W进行闪光照射来加热该半导体晶片W的闪光灯退火装置。作为处理对象的半导体晶片W的尺寸并无特别限定，例如是或向搬入热处理装置1前的半导体晶片W注入杂质，通过热处理装置1进行的加热处理来对注入的杂质执行激活处理。需要说明的是，为了方便理解，图1及以后的各图中，根据需要将各部分的大小或数量进行夸张或简化。
热处理装置1具有容纳半导体晶片W的腔室6、内置有多个闪光灯FL的闪光加热部5、以及内置有多个卤素灯HL的卤素加热部4。在腔室6的上侧设置有闪光加热部5，并且在下侧设置有卤素加热部4。此外，热处理装置1在腔室6的内部具有将半导体晶片W保持为水平姿势的保持部7、以及在保持部7与装置外部之间进行半导体晶片W的交接的搬运机构10。此外，热处理装置1具有控制在卤素加热部4、闪光加热部5及腔室6中设置的各动作机构来执行半导体晶片W的热处理的控制部3。
腔室6在筒状的腔室侧部61的上下安装有由石英制成的腔室窗而构成。腔室侧部61具有上下开口的大致筒形状，在上侧开口安装上侧腔室窗63来封闭上侧开口，在下侧开口安装下侧腔室窗64来封闭下侧开口。构成腔室6的顶面部的上侧腔室窗63是由石英形成的圆板形状构件，作为使从闪光加热部5射出的闪光透射入腔室6内的石英窗(第一石英窗)而发挥功能。此外，构成腔室6的底面部的下侧腔室窗64也是由石英形成的圆板形状构件，作为使来自卤素加热部4的光透射入腔室6内的石英窗(第二石英窗)而发挥功能。
此外，在腔室侧部61的内侧的壁面的上部安装有反射环68，在下部安装有反射环69。反射环68、69均形成为圆环状。上侧的反射环68通过从腔室侧部61的上侧嵌入来安装。另一方面，下侧的反射环69通过从腔室侧部61的下侧嵌入并被省略图示的螺丝钉固定来安装。即，反射环68、69均为以可安装或拆卸的方式安装在腔室侧部61上的构件。将腔室6的内侧空间，即由上侧腔室窗63、下侧腔室窗64、腔室侧部61以及反射环68、69所围成的空间规定为热处理空间65。
通过在腔室侧部61安装反射环68、69，在腔室6的内壁面形成凹部62。即，形成由腔室侧部61的内壁面内未安装有反射环68、69的中央部分、反射环68的下端面、以及反射环69的上端面所围成的凹部62。凹部62在腔室6的内壁面沿着水平方向形成为圆环状，包围用于保持半导体晶片W的保持部7。腔室侧部61及反射环68、69由强度及耐热性优越的金属材料(例如，不锈钢)形成。
此外，在腔室侧部61形成设置有用于将半导体晶片W搬入及搬出腔室6的搬送开口部(炉口)66。搬送开口部66可以通过闸阀185进行开闭。搬送开口部66与凹部62的外周面连通连接。因此，在闸阀185将搬送开口部66打开时，能够从搬送开口部66通过凹部62向热处理空间65搬入半导体晶片W以及从热处理空间65中搬出半导体晶片W。此外，当闸阀185将搬送开口部66关闭时，腔室6内的热处理空间65成为密闭空间。
此外，在腔室6的内壁上部形成设置有向热处理空间65供给处理气体的气体供给孔81。气体供给孔81形成设置在凹部62的上侧位置，也可以设置在反射环68上。气体供给孔81经由在腔室6的侧壁内部形成为圆环状的缓冲空间82与气体供给管83连通连接。气体供给管83与处理气体供给源85连接。此外，在气体供给管83的路径中途安装有阀84。当阀84打开时，从处理气体供给源85向缓冲空间82输送处理气体。流入了缓冲空间82中的处理气体以在流体阻力比气体供给孔81小的缓冲空间82内扩散的方式流动而从气体供给孔81被供给至热处理空间65内。作为处理气体，例如可以使用氮气(N2)等非活性气体、或者氢气(H2)、氨气(NH3)等反应性气体、或者上述气体混合而成的混合气体(本实施方式中为氮气)。
另一方面，在腔室6的内壁下部形成设置有用于排出热处理空间65内的气体的气体排出孔86。气体排出孔86形成设置在凹部62的下侧位置，也可以设置在反射环69上。气体排出孔86经由在腔室6的侧壁内部形成为圆环状的缓冲空间87与气体排气管88连通连接。气体排气管88与排气部190连接。此外，在气体排气管88的路径途中安装有阀89。当阀89打开时，热处理空间65的气体从气体排出孔86经由缓冲空间87向气体排气管88排出。另外，气体供给孔81及气体排出孔86可以沿着腔室6的周向设置多个，也可以是狭缝状的孔。此外，处理气体供给源85及排气部190可以是设置在热处理装置1中的机构，也可以是设置有热处理装置1的工厂的设备。
此外，在搬送开口部66的前端也连接有用于排出热处理空间65内的气体的气体排气管191。气体排气管191经由阀192与排气部190连接。通过打开阀192，经由搬送开口部66排出腔室6内的气体。
图2是示出保持部7的整体外观的立体图。保持部7具有基台环71、连结部72及基座74而构成。基台环71、连结部72及基座74均由石英形成。即，整个保持部7由石英形成。
基台环71是从圆环形状缺失一部分而成的圆弧形状的石英构件。该缺失部分用于防止后述的搬运机构10的搬运臂11与基台环71之间的干扰。基台环71通过被载置于凹部62的底面，从而被腔室6的壁面支承(参照图1)。在基台环71的上表面沿着该圆环形状的周向立起设置多个连结部72(本实施方式中为四个)。连结部72也是石英构件，通过熔接而固定设置在基台环71上。
基座74被在基台环71上设置的四个连结部72支承。图3是基座74的俯视图。此外，图4是基座74的剖视图。基座74具有保持板75、引导环76以及多个基板支承销77。保持板75是由石英形成的大致圆形的平板状构件。保持板75的直径大于半导体晶片W的直径。即，保持板75具有大于半导体晶片W的平面尺寸。
在保持板75的上表面周缘部设置有引导环76。引导环76是具有比半导体晶片W的直径大的内径的圆环形状的构件。例如，在半导体晶片W的直径为的情况下，引导环76的内径为引导环76的内周是从保持板75向上方扩展的锥面。引导环76由与保持板75同样的石英形成。引导环76可以熔接在保持板75的上表面，也可以被以其他方式加工成的销等固定在保持板75上。或者，还可以将保持板75与引导环76加工为一体的构件。
将保持板75的上表面内的引导环76的内侧区域称为保持半导体晶片W的平面状的保持面75a。在保持板75的保持面75a上立起设置多个基板支承销77。本实施方式中，沿着与保持面75a的外周圆(引导环76的内周圆)成同心圆的圆周上每隔30°立起设置共计12个基板支承销77。配置有12个基板支承销77的圆的直径(相向的基板支承销77之间的距离)小于半导体晶片W的直径，若半导体晶片W的直径为则该配置有12个基板支承销77的圆的直径为(本实施方式中为)。各个基板支承销77由石英形成。多个基板支承销77可以通过熔接而设置在保持板75的上表面，也可以与保持板75一体地加工。
返回图2，立起设置在基台环71上的四个连结部72与基座74的保持板75的周缘部通过熔接而固定安装。即，基座74与基台环71通过连结部72而被固定连结。这样的保持部7的基台环71被腔室6的壁面支承，由此保持部7被安装在腔室6中。在保持部7被安装在腔室6中的状态下，基座74的保持板75成为水平姿势(法线与铅直方向一致的姿势)。即，保持板75的保持面75a为水平面。
被搬入了腔室6中的半导体晶片W以水平姿势被放置在腔室6中安装的保持部7的基座74上并被支承。此时，半导体晶片W被在保持板75上立起设置的12个基板支承销77支承从而被基座74保持。更严格地说，12个基板支承销77的上端部与半导体晶片W的下表面接触来支承该半导体晶片W。由于12个基板支承销77的高度(基板支承销77的上端至保持板75的保持面75a的距离)相同，因此能够通过12个基板支承销77将半导体晶片W支承为水平姿势。
此外，半导体晶片W与保持板75的保持面75a隔开规定的间隔并被多个基板支承销77支承。基板支承销77的高度小于引导环76的厚度。因此，可以由引导环76防止被多个基板支承销77支承的半导体晶片W的水平方向的位置偏离。
此外，如图2及图3所示，在基座74的保持板75上形成有上下贯通的开口部78。开口部78用于接收辐射温度计120(参照图1)从半导体晶片W的下表面辐射的辐射光(红外光)。即，辐射温度计120接收经由开口部78从半导体晶片W的下表面辐射的光，由分开设置的检测器测定该半导体晶片W的温度。此外，为了使后述的搬运机构10的升降销12交接半导体晶片W，而在基座74的保持板75上穿设有贯通的四个贯通孔79。
图5是搬运机构10的俯视图。此外，图6是搬运机构10的侧视图。搬运机构10具有两只搬运臂11。搬运臂11大致为沿着圆环状的凹部62的圆弧形状。在各个搬运臂11上立起设置有两根升降销12。搬运臂11及升降销12由石英形成。各搬运臂11能够通过水平移动机构13旋转。水平移动机构13使一对搬运臂11在相对于保持部7搬运半导体晶片W的搬运动作位置(图5的实线位置)与俯视时不与保持部7所保持的半导体晶片W重叠的退避位置(图5的双点划线位置)之间水平移动。作为水平移动机构13，可以通过单独的电机分别使各搬运臂11旋转，也可以利用连杆机构通过一个电机使一对搬运臂11联动旋转。
此外，一对搬运臂11通过升降机构14与水平移动机构13一同升降移动。当升降机构14使一对搬运臂11上升至搬运动作位置时，共计四根升降销12通过在基座74上穿设的贯通孔79(参照图2、3)，升降销12的上端从基座74的上表面突出。另一方面，升降机构14使一对搬运臂11下降至搬运动作位置而将升降销12从贯通孔79拔出，当水平移动机构13以分开一对搬运臂11的方式使一对搬运臂11移动时，各搬运臂11移动到退避位置。一对搬运臂11的退避位置位于保持部7的基台环71的正上方。由于基台环71被载置于凹部62的底面，因此搬运臂11的退避位置位于凹部62的内侧。另外，在设置有搬运机构10的驱动部(水平移动机构13及升降机构14)的部位的附近也设置有省略图示的排气机构，该排气机构向腔室6的外部排出搬运机构10的驱动部周边的环境气体。
返回图1，腔室6中设置有四个辐射温度计120、130、140、150。如上所述，辐射温度计120经由在基座74上设置的开口部78测定半导体晶片W的温度。辐射温度计130检测上侧腔室窗63辐射的红外光来测定上侧腔室窗63的温度。另一方面，辐射温度计140检测下侧腔室窗64辐射的红外光来测定下侧腔室窗64的温度。此外，辐射温度计150检测基座74本身辐射的红外光来测定基座74的温度。需要说明的是，为了方便图示，图1中将四个辐射温度计120、130、140、150表示在腔室6的内部，但这些辐射温度计均安装在腔室6的外壁面上，经由在腔室侧部61上形成设置的贯通孔接收来自温度测定对象的红外光(图8)。
设置在腔室6上方的闪光加热部5在箱体51的内侧具有由多个(本实施方式中为30个)氙闪光灯FL组成的光源、以及以覆盖该光源的上方的方式而设置的反射器52。此外，在闪光加热部5的箱体51的底部安装有灯光辐射窗53。构成闪光加热部5的底面部的灯光辐射窗53是由石英形成的板状的石英窗。通过闪光加热部5设置在腔室6的上方，使得灯光辐射窗53与上侧腔室窗63相向。闪光灯FL从腔室6的上方经由灯光辐射窗53及上侧腔室窗63向热处理空间65照射闪光。
多个闪光灯FL是分别具有细长的圆筒形状的棒状灯，以各自的长度方向沿着保持部7所保持的半导体晶片W的主面(即沿着水平方向)相互平行的方式排列为平面状。因此，通过闪光灯FL的排列而形成的平面也是水平面。
氙闪光灯FL具有在其内部封入氙气体并且在其两端部配设与电容器连接的阳极及阴极的棒状玻璃管(放电管)、以及附设在该玻璃管的外周面上的触发电极。由于氙气体是电绝缘体，因此即使在电容器上积累了电荷在通常的状态下也不会在玻璃管内流过电流。然而，在对触发电极施加高电压而破坏了绝缘的情况下，电容器内积累的电荷在玻璃管内瞬时流过，因此时的氙的原子或分子的激发而放出光。在这种氙闪光灯FL中，由于预先积累在电容器中的静电能转换为0.1毫秒～100毫秒的极短的光脉冲，因此与像卤素灯HL这样连续点亮的光源相比具有能够照射极强光的特点。即，闪光灯FL是在小于1秒的极短的时间内瞬间发光的脉冲发光灯。另外，闪光灯FL的发光时间能够根据对闪光灯FL进行电力供给的灯电源的线圈常数来进行调整。
此外，反射器52以覆盖多个闪光灯FL的整个上方的方式设置。反射器52的基本功能是将多个闪光灯FL射出的闪光反射到热处理空间65侧。反射器52由铝合金板形成，其表面(面对闪光灯FL侧的面)通过喷砂处理而被进行粗糙化加工。
设置在腔室6下方的卤素加热部4在箱体41的内侧内置有多个(本实施方式中为40个)卤素灯HL。卤素加热部4是由多个卤素灯HL从腔室6的下方经由下侧腔室窗64向热处理空间65进行光照射来加热半导体晶片W的光照射部。
图7是示出多个卤素灯HL的配置的俯视图。40个卤素灯HL分为上下两层配置。靠近保持部7的上层配置有20个卤素灯HL，而与上层相比更远离保持部7的下层也配设有20个卤素灯HL。各卤素灯HL是具有细长的圆筒形状的棒状灯。上层、下层的20个卤素灯HL均以各自的长度方向沿着保持部7所保持的半导体晶片W的主面(即沿着水平方向)相互平行的方式排列。因此，通过上层、下层的卤素灯HL的排列而形成的平面均为水平面。
此外，如图7所示，上层、下层的与周缘部相向的区域内的卤素灯HL的设置密度均较高，该周缘部比与保持部7所保持的半导体晶片W的中央部相向的区域更靠近周缘。即，上下层中，灯阵列的周缘部的卤素灯HL的设置间距比灯阵列的中央部的短。因此，对于在利用来自卤素加热部4的光照射进行加热时容易发生温度降低的半导体晶片W的周缘部，能够进行更多光量的照射。
此外，由上层卤素灯HL组成的灯组与由下层卤素灯HL组成的灯组交叉为格子状而排列。即，共计40个卤素灯HL配设为，配置在上层的20个卤素灯HL的长度方向与配置在下层的20个卤素灯HL的长度方向相互正交。
卤素灯HL是通过对配设在玻璃管内部的灯丝通电使灯丝白热化而发光的灯丝式光源。在玻璃管的内部封入将卤素元素(碘、溴等)微量导入氮气、氩气等非活性气体中而得到的气体。通过导入卤素元素，能够抑制灯丝的折损并且将灯丝的温度设定为高温。因此，卤素灯HL与一般的白炽灯泡相比具有寿命更长并且能够连续照射强光的特性。即，卤素灯HL是连续发光至少1秒以上的连续点亮灯。此外，由于卤素灯HL为棒状灯因此寿命长，通过将卤素灯HL沿水平方向配置，由此对上方的半导体晶片W的辐射效率优异。
此外，在卤素加热部4的箱体41内也在两层卤素灯HL的下侧设置有反射器43(图1)。反射器43将多个卤素灯HL射出的光向热处理空间65侧反射。
控制部3控制在热处理装置1中设置的上述的各种动作机构。作为控制部3的硬件的结构与普通计算机相同。即，控制部3具有进行各种运算处理的电路即CPU、存储基本程序的存取专用的存储器即ROM、存储各种信息的自由读写的存储器即RAM、以及预先存储控制用软件或数据等的磁盘。通过控制部3的CPU执行规定的处理程序，进行热处理装置1中的处理。
除了上述的结构以外，为了防止因在对半导体晶片W进行热处理时卤素灯HL及闪光灯FL产生的热能导致卤素加热部4、闪光加热部5以及腔室6的温度上升过度，热处理装置1还具有各种冷却用的构造。例如，在腔室6的壁体上设置有水冷管(省略图示)。此外，卤素加热部4以及闪光加热部5采用在内部形成气流来排出热量的空冷构造。
接下来，说明热处理装置1中的处理动作。首先，说明对作为处理对象的半导体晶片W进行的通常的热处理步骤。此处作为处理对象的半导体晶片W是通过离子注入法添加了杂质(离子)的硅半导体基板。该杂质的激活通过热处理装置1进行的闪光照射加热处理(退火)来执行。以下说明的半导体晶片W的处理步骤通过控制部3控制热处理装置1的各动作机构来进行。
首先，打开用于给气的阀84，并且打开排气用的阀89、192开始对腔室6内进行给排气。当打开阀84时，从气体供给孔81向热处理空间65供给氮气。此外，当打开阀89时，从气体排出孔86排出腔室6内的气体。由此，从腔室6内的热处理空间65的上部供给的氮气向下方流动，并从热处理空间65的下部排出。
此外，通过打开阀192，也从搬送开口部66排出腔室6内的气体。此外，也通过省略图示的排气机构排出搬运机构10的驱动部周边的环境气体。另外，在热处理装置1中进行半导体晶片W的热处理时持续向热处理空间65供给氮气，其供给量根据处理工序进行适当变更。
接着，打开闸阀185来打开搬送开口部66，通过装置外部的搬送机器人经由搬送开口部66向腔室6内的热处理空间65搬入作为处理对象的半导体晶片W。此时，随着半导体晶片W的搬入有可能带入装置外部的环境气体，但由于向腔室6持续供给氮气，因此氮气从搬送开口部66流出，能够将这样的外部环境气体的带入抑制到最小限度。
由搬送机器人搬入的半导体晶片W前进到保持部7的正上方位置并停止。然后，通过搬运机构10的一对搬运臂11从退避位置水平移动并上升至搬运动作位置，升降销12穿过贯通孔79从基座74的保持板75的上表面突出并接收半导体晶片W。此时，升降销12上升至基板支承销77的上端的上方。
半导体晶片W被载置于升降销12后，搬送机器人从热处理空间65退出，并由闸阀185封闭搬送开口部66。然后，一对搬运臂11下降，使得半导体晶片W从搬运机构10被交接给保持部7的基座74并以水平姿势从下方被保持。半导体晶片W由立起设置在保持板75上的多个基板支承销77支承并载置于基座74。此外，半导体晶片W以将形成有图案并被注入杂质的表面作为上表面的方式被保持部7保持。在由多个基板支承销77支承的半导体晶片W的背面(表面的相反侧的主面)与保持板75的保持面75a之间形成规定的间隔。下降至基座74的下方的一对搬运臂11通过水平移动机构13退避到退避位置，即退避到凹部62的内侧。
在半导体晶片W被石英形成的保持部7的基座74以水平姿势支承后，卤素加热部4的40个卤素灯HL一同开始点亮预热(辅助加热)。卤素灯HL射出的卤素光透过由石英形成的下侧腔室窗64及基座74照射到半导体晶片W的下表面。通过接受来自卤素灯HL的光照射，半导体晶片W被预热而温度上升。需要说明的是，由于搬运机构10的搬运臂11退避到凹部62的内侧，因此卤素灯HL不会妨碍加热。
在由卤素灯HL进行预热时，由辐射温度计120测定半导体晶片W的温度。即，辐射温度计120接收从基座74所保持的半导体晶片W的下表面经由开口部78辐射的红外光来测定升温中的晶片温度。测定出的半导体晶片W的温度被传送给控制部3。控制部3一边监视因来自卤素灯HL的光照射而升温的半导体晶片W的温度是否达到规定的预热温度T1，一边控制卤素灯HL的输出。即，控制部3基于由辐射温度计120测定的测定值，对卤素灯HL的输出进行反馈控制使得半导体晶片W的温度成为预热温度T1。预热温度T1为不会使半导体晶片W中添加的杂质因热扩散的200℃～800℃左右，优选350℃～600℃左右(本实施方式中为600℃)。
在半导体晶片W的温度达到预热温度T1后，控制部3将半导体晶片W暂时维持在该预热温度T1。具体而言，在由辐射温度计120测定的半导体晶片W的温度达到预热温度T1的时刻，控制部3调节卤素灯HL的输出，并将半导体晶片W的温度维持在大约预热温度T1。
在半导体晶片W的温度达到预热温度T1并经过了规定时间的时刻，闪光加热部5的闪光灯FL对基座74所支承的半导体晶片W的表面进行闪光照射。此时，闪光灯FL辐射的一部分闪光直接射向腔室6内，其他的一部分闪光被反射器52反射然后射向腔室6内，通过该闪光的照射来进行半导体晶片W的闪光加热。
由于闪光加热是通过来自闪光灯FL的闪光(flashlight)照射而进行的，因此能够在短时间内使半导体晶片W的表面温度上升。即，闪光灯FL照射的闪光是预先积累在电容器中的静电能转换为极短的光脉冲而得到的照射时间为0.1毫秒以上100毫秒以下左右的极短的强闪光。然后，在通过来自闪光灯FL的闪光照射而被闪光加热的半导体晶片W的表面温度瞬间上升至1000℃以上的处理温度T2，并且半导体晶片W中注入的杂质被激活后，表面温度迅速下降。如此，热处理装置1中，由于能够在极短的时间内升降半导体晶片W的表面温度，因此能够一边抑制半导体晶片W中注入的杂质因热扩散一边进行杂质的激活。另外，由于杂质的激活所需的时间与其热扩散所需的时间相比极短，因此即使在0.1毫秒～100毫秒左右的不会导致发生扩散的短时间内也能完成激活。
在闪光加热处理结束后，经过了规定时间后卤素灯HL熄灭。由此，半导体晶片W从预热温度T1迅速降温。由辐射温度计120测定降温中的半导体晶片W的温度，该测定结果被传送给控制部3。控制部3根据辐射温度计120的测定结果监视半导体晶片W的温度是否降温至规定温度。然后，在半导体晶片W的温度降温至规定以下之后，搬运机构10的一对搬运臂11再次从退避位置水平移动并上升至搬运动作位置，使得升降销12从基座74的上表面突出来从基座74上接收热处理后的半导体晶片W。接着，打开被闸阀185封闭的搬送开口部66，载置在升降销12上的半导体晶片W被装置外部的搬送机器人搬出，热处理装置1中的半导体晶片W的加热处理完成。
需要说明的是，通常，半导体晶片W的处理按照批次单位来进行。批次是指作为在同一条件下进行同一内容的处理的对象的一组半导体晶片W。本实施方式的热处理装置1中，构成批次的多张(例如，25张)半导体晶片W被一张一张地依次搬入腔室6进行加热处理。
此处，在暂时未进行处理的热处理装置1中开始批次处理的情况下，向大致室温的腔室6搬入批次中最初的半导体晶片W进行闪光加热处理。该情况例如是在维护后启动热处理装置1来处理最初的批次的情况或者在处理了前一批次后经过了长时间的情况等。在加热处理时，由于从升温后的半导体晶片W向基座74等腔室内构造物产生热传导，因此随着半导体晶片W的处理张数增加而逐渐蓄热导致初始时为室温的基座74升温。此外，由于卤素灯HL射出的一部分光被下侧腔室窗64等腔室内构造物吸收，因此随着半导体晶片W的处理张数增加下侧腔室窗64等的温度也逐渐升高。
然后，在进行了约10张半导体晶片W的加热处理时，基座74等腔室6内的构造物的温度达到恒定的稳定温度。就达到了稳定温度的基座74而言，从半导体晶片W向基座74传导的导热量与来自基座74的放热量是均衡的。由于来自半导体晶片W的导热量比来自基座74的放热量多，因此随着半导体晶片W的处理张数增加基座74的温度因逐渐蓄热而上升，直到基座74的温度达到稳定温度。与此相对，在基座74的温度达到稳定温度后，由于来自半导体晶片W的导热量与来自基座74的放热量达到均衡，因此基座74的温度维持在恒定的稳定温度。
当开始在室温的腔室6中进行这种处理时，存在批次中初始的半导体晶片W与从途中起的半导体晶片W因基座74等腔室内构造物的温度不同而导致温度历史不均等的问题。即，在进行批次中初始的半导体晶片W的处理时，由于基座74等腔室内构造物的温度较低，因此晶片温度有可能达不到设定的目标温度(预热温度T1及处理温度T2)。另一方面，在进行从批次的途中起的半导体晶片W的处理时，由于基座74等达到稳定温度，因此晶片温度升高至目标温度。
因此，如上所述，以往进行伪运行，该伪运行是指在开始进行批次处理前，将10张左右的非处理对象的伪晶片依次搬入腔室6内进行与处理对象的半导体晶片W同样的预热处理及闪光加热处理从而使基座74等腔室内构造物升温至稳定温度。通过伪运行，在从进行批次中最初的半导体晶片W的处理时基座74等腔室内构造物达到稳定温度，能够使构成批次的所有半导体晶片W的温度升高至目标温度，并且能够使温度历史均等。然而，由于这样的伪运行不仅消耗与处理无关的伪晶片，还需要相当的时间(处理10张伪晶片需要约15分钟)，因此如上所述阻碍了热处理装置1的高效运用。
此处，若能够对温度较低的基座74所支承的批次中初始的半导体晶片W准确地测定该晶片温度，则能够对卤素灯HL(以及闪光灯FL)的发光输出进行适当控制，与从批次的途中起的半导体晶片W同样地，使晶片温度升高至预先设定的目标温度。如此，即使省略伪运行，也能够使构成批次的所有半导体晶片W的温度升高至目标温度并且使温度历史均等。
但是，不仅从基座74所保持的半导体晶片W辐射的红外光，还有从升温后的基座74等腔室内构造物辐射的红外光也作为干扰光射入测定半导体晶片W的温度的辐射温度计120中。因此，辐射温度计120要考虑从基座74等腔室内构造物射入的红外光来校正。具体而言，辐射温度计120以在基座74等腔室内构造物达到稳定温度的状态下能够准确测定半导体晶片W的温度的方式进行校正。如此，在基座74等未达到稳定温度的较低温度时，从基座74等腔室内构造物射入辐射温度计120的红外光的光量比校正时少，从而辐射温度计120能够准确测定半导体晶片W的温度。由于对腔室内构造物中的金属制的腔室侧部61等进行水冷，因此射入辐射温度计120的干扰光主要是从上侧腔室窗63、下侧腔室窗64以及基座74的石英构造物辐射的红外光。
因此，本发明的热处理技术中，基于上侧腔室窗63、下侧腔室窗64以及基座74的石英构造物的温度修正由辐射温度计120进行的半导体晶片W的温度测定。图8是用于说明基于石英构造物的温度的辐射温度计120的温度测定的修正的示意图。温度修正部31是通过控制部3的CPU执行规定的处理程序而在控制部3内实现的功能处理部。该温度修正部31基于由辐射温度计130测定的上侧腔室窗63的温度测定值、由辐射温度计140测定的下侧腔室窗64的温度测定值以及由辐射温度计150测定的基座74的温度测定值对由辐射温度计120进行的半导体晶片W的温度测定进行修正。具体而言，例如，将登记有上侧腔室窗63、下侧腔室窗64以及基座74的温度的偏离值的温度变换表保持在控制部3的存储部内，温度修正部31将根据该温度变换表求出的偏离值与辐射温度计120的温度测定值相加来进行修正即可。
通过温度修正部31基于上侧腔室窗63、下侧腔室窗64以及基座74的温度对辐射温度计120的温度测定进行修正，能够与基座74等的温度无关地准确测定半导体晶片W的温度。结果，在处理批次中初始的半导体晶片W时，即使基座74等为较低温度，也能够准确测定该半导体晶片W的温度并对卤素灯HL(以及闪光灯FL)的发光输出进行适当控制，使晶片温度达到目标温度。由此，即使省略消耗多张伪晶片的伪运行也能使构成批次的所有半导体晶片W准确地升温至目标温度，能够使温度历史均等，并且实现热处理装置1的高效运用。
以上，说明了本发明的实施方式，但在不脱离本发明的主旨的情况下也可以在上述内容以外进行各种变更。例如，上述实施方式中，基于上侧腔室窗63、下侧腔室窗64以及基座74的温度对辐射温度计120的温度测定进行修正，但也可以基于除此以外的其他石英的构造物(例如，搬运臂11)的温度对由辐射温度计120进行的半导体晶片W的温度测定进行修正。
此外，还可以基于除了基座74等石英构造物以外(或者代替基座74等石英构造物)的腔室侧部61等石英以外的构造物的温度对由辐射温度计120进行的半导体晶片W的温度测定进行修正。上述实施方式中对腔室侧部61进行水冷，但在未冷却腔室侧部61的情况下(或者在积极地升温的情况下)，从腔室侧部61辐射的红外光也可能作为干扰光射入辐射温度计120中。因此，通过温度修正部31基于设置在包括腔室侧部61等的腔室6中的构造物的温度对辐射温度计120的温度测定进行修正，能够与腔室内构造物的温度无关地准确测定半导体晶片W的温度。
此外，上述实施方式中，闪光加热部5具有30个闪光灯FL，但不限于此，能够将闪光灯FL数量设定为任意数量。此外，闪光灯FL不限于氙闪光灯，也可以是氪闪光灯。此外，卤素加热部4具有的卤素灯HL的数量也不限于40个，可以设置为任意的数量。
此外，上述实施方式中，使用灯丝方式的卤素灯HL作为连续发光1秒以上的连续点亮灯来进行半导体晶片W的预热，但不限于此，也可以使用放电型的弧型灯代替卤素灯HL作为连续点亮灯。
此外，作为热处理装置1的处理对象的基板不限于半导体晶片，也可以是在液晶显示装置等平板显示器中使用的玻璃基板或太阳能电池用的基板。此外，本发明的技术也可以应用于高介电常数栅极绝缘膜(High-k膜)的热处理、金属与硅的接合、或者多晶硅的结晶化中。
此外，本发明的热处理技术不限于闪光灯退火装置，也可以应用于除了使用了连续点亮灯的单张式灯退火装置或CVD装置等的闪光灯以外的热源的装置中。例如，能够将本发明的技术适当地应用于在腔室的下方配置连续点亮灯，并且从半导体晶片的背面进行光照射来进行热处理的背面退火装置中。

Claims (8)

1.一种热处理装置，通过对基板照射光来对该基板进行加热，其特征在于，具有：
腔室，容纳基板；
光照射部，对容纳在所述腔室内的所述基板照射光；
基板温度测定部，接收从所述基板辐射的红外光并测定所述基板的温度；
构造物温度测定部，测定在所述腔室内设置的构造物的温度；以及
温度修正部，基于由所述构造物温度测定部测定的所述构造物的温度对所述基板温度测定部的温度测定进行修正。
2.根据权利要求1所述的热处理装置，其特征在于，
所述构造物温度测定部测定在所述腔室内设置的石英构造物的温度，
所述温度修正部基于所述石英构造物的温度对所述基板温度测定部的温度测定进行修正。
3.根据权利要求2所述的热处理装置，其特征在于，
在所述腔室设置有使从所述光照射部射出的光透射入所述腔室内的石英窗，以及载置并支承所述基板的石英的基座，
所述构造物温度测定部测定所述石英窗及所述基座的温度，
所述温度修正部基于所述石英窗及所述基座的温度对所述基板温度测定部的温度测定进行修正。
4.根据权利要求3所述的热处理装置，其特征在于，
所述光照射部包括从所述腔室的一侧向所述基板照射闪光的闪光灯，以及从所述腔室的另一侧向所述基板照射光的连续点亮灯，
所述石英窗包括使从所述闪光灯射出的闪光透射入所述腔室内的第一石英窗，以及使从所述连续点亮灯射出的光透射入所述腔室内的第二石英窗。
5.一种热处理方法，通过对基板照射光来对该基板进行加热，其特征在于，
所述热处理方法具有：
照射工序，从光照射部向容纳在腔室内的基板照射光；以及
温度测定工序，由基板温度测定部接收从所述基板辐射的红外光并测定所述基板的温度，
在所述温度测定工序中，基于设置在所述腔室内的构造物的温度对所述基板温度测定部的温度测定进行修正。
6.根据权利要求5所述的热处理方法，其特征在于，
在所述温度测定工序中，基于设置在所述腔室内的石英构造物的温度对所述基板温度测定部的温度测定进行修正。
7.根据权利要求6所述的热处理方法，其特征在于，
在所述腔室设置有使从所述光照射部射出的光透射入所述腔室内的石英窗，以及载置并支承所述基板的石英的基座，
在所述温度测定工序中，基于所述石英窗及所述基座的温度对所述基板温度测定部的温度测定进行修正。
8.根据权利要求7所述的热处理方法，其特征在于，
所述光照射部包括从所述腔室的一侧向所述基板照射闪光的闪光灯，以及从所述腔室的另一侧向所述基板照射光的连续点亮灯，
所述石英窗包括使从所述闪光灯射出的闪光透射入所述腔室内的第一石英窗，以及使从所述连续点亮灯射出的光透射入所述腔室内的第二石英窗。
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