JP2014092535A

JP2014092535A - 温度測定装置および熱処理装置

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Publication number: JP2014092535A
Application number: JP2012245215A
Authority: JP
Inventors: Tatsufumi Kusuda; 達文楠田
Original assignee: Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2012-11-07
Filing date: 2012-11-07
Publication date: 2014-05-19

Abstract

【課題】基材の複数箇所の温度を正確に測定することができる温度測定装置およびその温度測定装置を組み込んだ熱処理装置を提供する。
【解決手段】１つのパイロメータ８１に３個の受光センサー２１を設けている。これら３個の受光センサー２１に対して単一の広角レンズ系８２を設け、半導体ウェハーの異なる３箇所から放射された放射光を単一の広角レンズ系８２によって３個の受光センサー２１に個別に導いている。異なる３箇所から放射された放射光を受光した３個の受光センサー２１から出力された信号は温度算定部によって順次に処理され、半導体ウェハーの３箇所の領域の温度が求められる。測定対象領域からのパイロメータ８１まで距離、設置角度、および、レンズ系等に起因した機差を解消することができ、半導体ウェハーの異なる３箇所の温度を非接触にて正確に測定することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、基材の複数箇所の温度を非接触にて測定する温度測定装置、および、その温度測定装置を組み込んで半導体ウェハーなどの薄板状の精密電子基板（以下、単に「基板」と称する）の加熱処理を行う熱処理装置に関する。

従来より半導体デバイス等の製造工程においては半導体ウェハー等の基板に対する種々の熱処理が行われている。半導体ウェハーに対する熱処理方法としては急速加熱処理（ＲＴＰ：Rapid Thermal Process）が広く用いられている。典型的なＲＴＰ装置では、チャンバー内に保持した半導体ウェハーにハロゲンランプから光を照射して数秒程度の短時間で半導体ウェハーを所定の処理温度にまで昇温する。半導体ウェハーを急速昇温することにより、例えばイオン打ち込み法によって注入された不純物の拡散を抑制しつつその活性化を実行することができる。また、ＲＴＰ装置を用いて、半導体ウェハーを処理温度に保持することなく、急速昇温によって半導体ウェハーが処理温度に到達すると同時に急速降温を開始するスパイクアニールも行われている。

このようなＲＴＰ装置においては、例えば特許文献１に開示されるように、複数のハロゲンランプを複数のゾーンに分割するとともに、各ゾーンに対応するパイロメータ（放射温度計）を設け、そのパイロメータによって測定されたウェハー温度に基づいてハロゲンランプの出力をゾーン毎に制御している。パイロメータは半導体ウェハーの一部領域の温度しか測定できないため、ＲＴＰ装置では熱処理中に半導体ウェハーを回転させることによって同心円状のゾーンの平均温度を算定し、それに基づいてハロゲンランプのフィードバック制御を行っている。

特開２００３−８６５２８号公報

パイロメータは、半導体ウェハーから放射された光を受光して強度（光量）を測定し、その強度から測定対象領域の温度を非接触で求めるものである。このような非接触式の温度計であるパイロメータには、測定対象領域からの距離、角度、レンズ系やセンサーの受光効率、および、焦点の大きさなど様々な測定誤差の原因となりうる要素が存在する。特に、パイロメータに設けられた受光センサー自身の温度は熱ノイズとして大きな測定誤差要因となる。

このため、同一仕様のパイロメータを装置の異なる位置に設置し、所定温度に加熱した半導体ウェハーの同じ領域の温度測定を行ったとしても異なる測定結果となることが多い。従って、特許文献１に開示されるように、各ゾーン毎にパイロメータを設けて半導体ウェハーの異なる領域の温度測定を行ったとしても、得られた測定結果は半導体ウェハーの温度分布を正確に示すものなのかパイロメータの機差による測定誤差を含むものなのか判別できないという問題が生じていた。

そこで、各パイロメータについて、出力信号の処理を行う電気回路部分などの調整（校正）を行うことによって、機差による測定誤差を補正することが考えられる。しかしながら、ある温度についてパイロメータの誤差を無くす調整を行ったとしても、測定対象の温度が異なると新たな誤差が生じることとなっていた。その結果、測定対象となる半導体ウェハーの複数箇所を同時に正確に測定することは極めて困難であった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、基材の複数箇所の温度を正確に測定することができる温度測定装置およびその温度測定装置を組み込んだ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、基材の複数箇所の温度を非接触にて測定する温度測定装置において、基材から放射される放射光を受光する複数の受光センサーと、基材の複数箇所から放射された放射光を個別に前記複数の受光センサーのいずれかに導く単一のレンズ系と、前記複数の受光センサーのそれぞれが受光した放射光の強度に基づいて前記複数箇所の温度を個別に算定する温度算定部と、を備え、前記単一のレンズ系によって前記複数の受光センサーのそれぞれには前記複数箇所の１箇所から放射された放射光が導かれることを特徴とする。

また、請求項２の発明は、請求項１の発明に係る温度測定装置において、前記複数の受光センサーを収納する単一の収納部と、前記単一の収納部を冷却する冷却部と、をさらに備え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の発明に係る温度測定装置において、前記温度算定部は、前記複数の受光センサーからの信号を順次に処理して温度を算定する共通の演算回路を含むことを特徴とする。

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温度測定装置において、前記単一のレンズ系は広角レンズ系であることを特徴とする。

また、請求項５の発明は、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基板を加熱する加熱部と、前記加熱部によって加熱された基板の複数箇所の温度を測定する請求項１から請求項４のいずれかの発明に係る温度測定装置と、を備えることを特徴とする。

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、前記加熱部は、前記チャンバーに収容された基板に光を照射して当該基板を加熱するランプを備えることを特徴とする。

請求項１から請求項４の発明によれば、基材の複数箇所から放射された放射光を単一のレンズ系によって個別に複数の受光センサーに導くため、複数の受光センサー間の機差を無くして基材の複数箇所の温度を正確に測定することができる。

特に、請求項２の発明によれば、複数の受光センサーを収納する単一の収納部を冷却するため、複数の受光センサーの温度差を無くして熱ノイズを均一とし、基材の複数箇所の温度をより正確に測定することができる。

特に、請求項３の発明によれば、複数の受光センサーからの信号を共通の演算回路で順次に処理して温度を算定するため、電気回路に起因した機差も無くすことができ、基材の複数箇所の温度をより正確に測定することができる。

また、請求項５および請求項６の発明によれば、加熱部によって加熱された基板の複数箇所の温度を正確に測定することができる。

本発明に係る熱処理装置の要部構成を示す図である。複数のハロゲンランプの配置を示す平面図である。パイロメータの構造を示す図である。ホルダーの外観斜視図である。温度算定部の構成を示すブロック図である。シリコンの分光透過率を示す図である。３個の受光センサーによって測定対象となる半導体ウェハーの３箇所の領域を示す図である。ホルダーの外観斜視図の他の例を示す図である。７個の受光センサーによって測定対象となる半導体ウェハーの７箇所の領域を示す図である。パイロメータを２つ設ける構成の一例を示す図である。

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。

図１は、本発明に係る熱処理装置１の要部構成を示す図である。この熱処理装置１は、φ３００ｍｍの円形の半導体ウェハーＷの裏面に光を照射することによって半導体ウェハーＷの加熱処理（バックサイドアニール）を行うランプアニール装置である。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。

熱処理装置１は、主たる構成として、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、チャンバー６内にて半導体ウェハーＷを保持する保持部７と、保持部７に保持された半導体ウェハーＷに光を照射する光照射部４と、光照射される半導体ウェハーＷの温度を検出する温度測定部８と、を備えている。また、熱処理装置１は、これらの各部を制御して半導体ウェハーＷの加熱処理を実行させる制御部３を備える。

チャンバー６は、上下が開口された略円筒形状の側壁を有している。チャンバー６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いる。チャンバー６の下側開口には石英窓６４が装着されて閉塞されている。チャンバー６の下端に配置された石英窓６４は、石英（ＳｉＯ_２）により形成された円板形状部材であり、光照射部４から照射された光をチャンバー６内に透過する。

また、チャンバー６の上側開口には赤外透過窓６３が装着されて閉塞されている。チャンバー６の上端に配置された赤外透過窓６３は、シリコン（Ｓｉ）により形成された円板形状部材である。赤外透過窓６３の径は半導体ウェハーＷと同様のφ３００ｍｍである。このような赤外透過窓６３としては、例えば半導体ウェハーＷを切り出すシリコン単結晶のインゴットから所定厚さ（本実施形態では３ｍｍ）の円板を切り出したものを用いるようにすれば安価に製作することができる。後に詳述するように、シリコンは可視光に対しては不透明（可視光を透過しない）であるが、所定の温度以下であれば波長１μｍを超える赤外線を透過する性質を有する。従って、光照射部４からの光照射を受けて昇温した半導体ウェハーＷから放射された赤外線はチャンバー６上端の赤外透過窓６３を透過してチャンバー６の上方に放出される。

石英窓６４、赤外透過窓６３およびチャンバー６の側壁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の気密性を維持するために、石英窓６４および赤外透過窓６３とチャンバー６とは図示省略のＯリングによってそれぞれシールされており、これらの隙間から気体が流出入するのを防いでいる。具体的には、石英窓６４の上面周縁部とチャンバー６との間にＯリングを挟み込み、クランプリング６６を石英窓６４の下面周縁部に当接させ、そのクランプリング６６をチャンバー６にネジ止めすることによって、石英窓６４をＯリングに押し付けている。同様に、赤外透過窓６３の下面周縁部とチャンバー６との間にＯリングを挟み込み、クランプリング６２を赤外透過窓６３の上面周縁部に当接させ、そのクランプリング６２をチャンバー６にネジ止めすることによって、赤外透過窓６３をＯリングに押し付けている。

また、チャンバー６の側壁には、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６７が設けられている。搬送開口部６７は、図示を省略するゲートバルブによって開閉可能とされている。搬送開口部６７が開放されると、図外の搬送ロボットによってチャンバー６に対する半導体ウェハーＷの搬入および搬出が可能となる。また、搬送開口部６７が閉鎖されると、熱処理空間６５が外部との通気が遮断された密閉空間となる。

保持部７は、チャンバー６の内部に固定設置されており、保持プレート７１および支持ピン７２を備える。保持プレート７１および支持ピン７２を含む保持部７の全体は石英にて形成されている。保持プレート７１は、水平姿勢となるようにチャンバー６の内部に固定設置されている。保持プレート７１の上面には、複数（少なくとも３個）の支持ピン７２が円周上に沿って立設されている。複数の支持ピン７２によって形成される円の径は半導体ウェハーＷの径よりも若干小さい。よって、複数の支持ピン７２によって半導体ウェハーＷを水平姿勢（半導体ウェハーＷの法線が鉛直方向に沿う姿勢）に載置して支持することができる。なお、複数の支持ピン７２に代えて、保持プレート７１の上面に半導体ウェハーＷの径よりも小さい石英のリングを設けるようにしても良い。

また、チャンバー６の内部には移載機構５が設けられている。移載機構５は、一対の移載アーム５１と、各移載アーム５１の上面に設けられたリフトピン５２とを備える。２本の移載アーム５１のそれぞれには、例えば２本のリフトピン５２が設けられている。２本の移載アーム５１および４本のリフトピン５２はいずれも石英にて形成される。一対の移載アーム５１は、図示省略の昇降駆動部によって鉛直方向に沿って昇降移動される。一対の移載アーム５１が上昇すると、計４本のリフトピン５２が保持プレート７１に穿設された貫通孔を通過し、その上端が保持プレート７１の上面から突き出て支持ピン７２よりも上方にまで到達する。一方、移載アーム５１が下降しているときには、図１に示すように、リフトピン５２の上端が保持プレート７１よりも下方に位置している。なお、移載アーム５１が下降している状態において、開閉機構によって一対の移載アーム５１を水平方向に沿って開閉するようにしても良い。

光照射部４は、チャンバー６の下方に設けられている。光照射部４は、複数本のハロゲンランプＨＬおよびリフレクタ４３を備える。本実施形態では、光照射部４に４０本のハロゲンランプＨＬを設けている。複数のハロゲンランプＨＬは、チャンバー６の下方から石英窓６４を介して熱処理空間６５への光照射を行う。図２は、複数のハロゲンランプＨＬの配置を示す平面図である。本実施形態では、上下２段に各２０本ずつのハロゲンランプ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。

また、図２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端部側の方がハロゲンランプＨＬの配設ピッチが短い。このため、光照射部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、上段の各ハロゲンランプＨＬの長手方向と下段の各ハロゲンランプＨＬの長手方向とが直交するように計４０本のハロゲンランプＨＬが配設されている。

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。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。

また、リフレクタ４３は、複数のハロゲンランプＨＬの下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４３の基本的な機能は、複数のハロゲンランプＨＬから出射された光をチャンバー６内の熱処理空間６５に反射するというものである。リフレクタ４３は例えば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。

図１に戻り、チャンバー６の上方には温度測定部８が設けられている。温度測定部８はパイロメータ８１を備える。図３は、パイロメータ８１の構造を示す図である。パイロメータ８１は、広角レンズ系８２と３個の受光センサー２１とを備える。広角レンズ系８２は、先頭から順に凹凸凸凹凸の５枚のレンズを接合して形成されている。第２レンズ（先頭から２番目の凸レンズ）中には絞り８３が設けられている。広角レンズ系８２は、無限遠方の物体に対する結像位置が３個の受光センサー２１の並びの平面上となるように構成されている。本実施形態においては、３個の受光センサー２１に対して単一の広角レンズ系８２を設けており、半導体ウェハーＷからの放射光が共通の広角レンズ系８２によって３個の受光センサーに導かれる。なお、広角レンズ系８２としては、図３に例示するものに限定されず、公知の種々のレンズ系を採用することができる。

受光センサー２１は、広角レンズ系８２によって導かれた光を受光してその強度に応じたレベルの電気信号を出力する。本実施形態においては、１つのパイロメータ８１に３個の受光センサー２１が設けられている。３個の受光センサー２１は単一のホルダー２５に収納されている。図４は、ホルダー２５の外観斜視図である。ホルダー２５は、例えばアルミニウム（Ａｌ）などの金属にて形成されている。ホルダー２５には、３個の収納用の孔が形設されており、各孔に１個の受光センサー２１が収納されている。

また、図３に示すように、ホルダー２５にはペルチェ素子２７が付設されている。ペルチェ素子２７は、通電によって一方面から他方面へと熱移動させるペルチェ効果によりホルダー２５を冷却する。本実施形態においては、３個の受光センサー２１が共通のホルダー２５に収納されているため、ペルチェ素子２７によって３個の受光センサー２１が同じ温度に均一に冷却されることとなる。

パイロメータ８１は、チャンバー６の上方において、広角レンズ系８２の先頭の凹レンズ（受光センサー２１が設けられている側と反対側のレンズ）が赤外透過窓６３に対向するように設置されている。パイロメータ８１の受光センサー２１は波長１μｍ以上の赤外線を検知する。シリコンにて形成された赤外透過窓６３は波長１μｍ以上の赤外線を透過する。すなわち、チャンバー６内の熱処理空間６５から放射された波長１μｍ以上の赤外線は赤外透過窓６３を透過してパイロメータ８１によって検出されることとなり、パイロメータ８１は赤外透過窓６３よりも下側の半導体ウェハーＷから放射された放射光を検知することができるのである。

図５は、温度算定部９１の構成を示すブロック図である。パイロメータ８１に備えられた３個の受光センサー２１はマルチプレクサ８５に電気的に接続されている。マルチプレクサ８５は、図５に模式的に示すように、複数の入力信号の中から一つを選択して出力する回路である。本実施形態では、マルチプレクサ８５は、３個の受光センサー２１から伝達された信号のうちから一つを選択して温度算定部９１に出力する。

温度算定部９１は、Ａ／Ｄコンバータ９２および演算部９３を備える。Ａ／Ｄコンバータ９２は、受光センサー２１からマルチプレクサ８５を介して伝達された電気信号（アナログ）をデジタル信号に変換する。演算部９３は、Ａ／Ｄコンバータ２５から出力されたデジタル信号に基づいて演算処理を行うことによって温度を算定する。演算部９３は、例えば１つのＩＣチップ上にＣＰＵ、メモリ、タイマなどを搭載したワンチップマイコンによって実現するようにすれば良い。ワンチップマイコンであれば、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。

温度算定部９１と制御部３とは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を備えて構成される。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１における処理が進行する。また、制御部３には温度算定部９１による半導体ウェハーＷの温度算定結果が伝達されるとともに、それに基づいて光照射部４の出力も制御部３によって制御される。なお、温度算定部９１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。

また、図１に戻り、熱処理装置１には赤外透過窓６３を冷却する冷却部６９が設けられている。本実施形態では、冷却部６９として送風機を用いている。冷却部６９は、チャンバー６の外部に設けられており、赤外透過窓６３の上面に向けて送風することにより赤外透過窓６３を空冷する。冷却部６９は、送風する風を温調するための温調機構を備えていても良い。

上記の構成以外にも熱処理装置１は、熱処理空間６５の雰囲気調整を行う機構、例えば窒素（Ｎ_２）、酸素（Ｏ_２）、水素（Ｈ_２）、塩化水素（ＨＣｌ）、アンモニア（ＮＨ_３）などの処理ガスを熱処理空間６５に供給する給気機構および熱処理空間６５内の雰囲気を装置外に排気する排気機構を備えていても良い。また、光照射部４からの光照射によるチャンバー６の過剰な温度上昇を防止するための水冷管をチャンバー６の側壁に設けるようにしても良い。

次に、熱処理装置１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。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。

まず、図示省略のゲートバルブが開いて搬送開口部６７が開放され、装置外部の搬送ロボットにより搬送開口部６７を介して処理対象となるシリコンの半導体ウェハーＷがチャンバー６内に搬入される。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５の一対の移載アーム５１が上昇することにより、計４本のリフトピン５２が保持プレート７１の貫通孔を通過して支持ピン７２よりも上方に突き出て搬送ロボットから半導体ウェハーＷを受け取る。

半導体ウェハーＷがリフトピン５２に載置された後、搬送ロボットが熱処理空間６５から退出して搬送開口部６７が閉鎖されることにより熱処理空間６５が密閉空間とされる。そして、一対の移載アーム５１が下降することにより、半導体ウェハーＷは移載機構５から保持部７に受け渡され、支持ピン７２によって下方より水平姿勢にて保持される。半導体ウェハーＷは、パターン形成がなされた表面を上面として保持部７に保持される。つまり、パターン形成がなされていない裏面が下面となっている。

半導体ウェハーＷが石英にて形成された保持部７によって水平姿勢にて下方より保持された後、光照射部４の４０本のハロゲンランプＨＬが一斉に点灯して光照射加熱（ランプアニール）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石英窓６４および保持プレート７１を透過して半導体ウェハーＷの裏面から照射される。

ハロゲンランプＨＬから出射されて石英の石英窓６４および保持プレート７１を透過した光は保持部７に保持された半導体ウェハーＷの裏面に照射され、それによって半導体ウェハーＷが加熱されて目標とする処理温度にまで昇温する。本実施形態においては、パターンの形成されていない半導体ウェハーＷの裏面に光が照射されるため、均一な光照射加熱を行うことができる（いわゆるバックサイドアニール）。すなわち、パターン形成がなされていない半導体ウェハーＷの裏面には光吸収率のパターン依存性が存在しないため、裏面全面にわたって光吸収率は均一であり、その結果ハロゲンランプＨＬの光が均一に吸収されるのである。なお、移載機構５の移載アーム５１およびリフトピン５２も石英にて形成されているため、ハロゲンランプＨＬによる光照射加熱の障害となることは無い。

ハロゲンランプＨＬからの光照射加熱によって昇温した半導体ウェハーＷからは、その温度に応じた強度（エネルギー）の赤外線が放射される。半導体ウェハーＷから放射される赤外線の強度は温度（絶対温度）の４乗に比例することが知られている（シュテファン＝ボルツマンの法則）。そして、昇温した半導体ウェハーＷの表面から放射された赤外線はチャンバー６の上端に設けられたシリコンの赤外透過窓６３を透過する。

図６は、厚さ３ｍｍのシリコンの分光透過率を示す図である。同図に示すように、可視光を含む波長１μｍ以下の光はシリコンを全く透過しないのに対して、波長１μｍを超える赤外線はある程度シリコンを透過する。そして、本実施形態のパイロメータ８１は波長１μｍ以上の赤外線を検知する。従って、昇温した半導体ウェハーＷの表面から放射された波長１μｍ以上の赤外線はシリコンの赤外透過窓６３を透過してパイロメータ８１によって検出されることとなる。

半導体ウェハーＷの表面から放射され、赤外透過窓６３を透過した放射光（赤外線）は、パイロメータ８１の広角レンズ系８２によって受光センサー２１に導かれる。このときに、半導体ウェハーＷの表面の異なる３つの領域から放射された放射光が広角レンズ系８２によって個別に３個の受光センサー２１のいずれかに導かれる。すなわち、３個の受光センサー２１は半導体ウェハーＷの異なる３箇所からの放射光を受光する。

図７は、３個の受光センサー２１によって測定対象となる半導体ウェハーＷの３箇所の領域を示す図である。例えば、図７の左側の領域ＳＲから放射された放射光は、赤外透過窓６３を透過した後、広角レンズ系８２によって図３の上側の受光センサー２１に導かれる。また、図７の中央の領域ＳＲから放射された放射光は広角レンズ系８２によって図３の中央の受光センサー２１に導かれる。さらに、図７の右側の領域ＳＲから放射された放射光は広角レンズ系８２によって図３の下側の受光センサー２１に導かれる。このように、パイロメータ８１の３個の受光センサー２１は、単一の広角レンズ系８２を介して半導体ウェハーＷの異なる３箇所からの放射光を受光し、その放射光の強度を検出する。

広角レンズ系８２の第２レンズには絞り８３が設けられているため、半導体ウェハーＷの異なる領域ＳＲから放射された放射光が混合して受光センサー２１に入射することは防がれる。すなわち、単一の広角レンズ系８２によって３個の受光センサー２１のそれぞれには半導体ウェハーＷの異なる領域ＳＲの１箇所から放射された放射光のみが導かれるのである。また、パイロメータ８１は広角レンズ系８２を備えるため、半導体ウェハーＷの広い範囲の異なる３箇所の領域からの放射光を受光センサー２１に導くことができる。

半導体ウェハーＷの表面の異なる３箇所の領域ＳＲから放射された放射光を受光した３個の受光センサー２１のそれぞれは、受光した放射光の強度に応じたレベルの電気信号を出力する。３個の受光センサー２１から出力された電気信号はマルチプレクサ８５によって順次に選択され、それらのうちの１つの受光センサー２１からの信号が温度算定部９１に伝達される。温度算定部９１では、マルチプレクサ８５によって選択された受光センサー２１から出力された信号が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、そのデジタル信号に基づいて演算部９３が演算処理を行うことにより、選択中の受光センサー２１に対応する半導体ウェハーＷの領域ＳＲの温度が算定される。半導体ウェハーＷの放射光の強度から温度を算定するには、黒体輻射についてのプランクの法則或いはそれから導かれるステファン・ボルツマンの法則を利用した公知の演算手法用いることができる。また、半導体ウェハーＷの表面温度と受光センサー２１が出力する信号レベルとを予め対応付けたテーブルを作成して制御部３が備える記憶部に格納しておき、そのテーブルに基づいて領域ＳＲの温度を求めるようにしても良い。

マルチプレクサ８５は、３個の受光センサー２１から入力された電気信号を順次に選択してそのうちの１つの温度算定部９１に出力するため、演算部９３は、３個の受光センサー２１からの信号を順次に処理して３箇所の領域ＳＲの温度を順次に算定する。

このようにして、本実施形態では、１つのパイロメータ８１に３個の受光センサー２１を設け、単一のパイロメータ８１によって半導体ウェハーＷの表面の異なる３箇所の領域ＳＲの温度を測定している。温度算定部９１にて算定された３箇所の領域ＳＲの温度は制御部３に伝達される。制御部３は、温度算定部９１による算定結果に基づいて、３箇所の領域ＳＲの温度が等しくなるように光照射部４のハロゲンランプＨＬへの電力供給を制御するようにしても良い。また、制御部３は、温度算定部９１による３箇所の領域ＳＲの温度算定結果をディスプレイ等に表示するようにしても良い。

ところで、上記のような温度測定時に、半導体ウェハーＷから放射された光の一部は赤外透過窓６３を透過するものの、残部は赤外透過窓６３に吸収され、赤外透過窓６３自体が加熱される。すなわち、光照射加熱によって昇温した半導体ウェハーＷからの輻射熱によって、半導体ウェハーＷと同じ材質（シリコン）の赤外透過窓６３が加熱されるのである。シリコンは、常温のときには図６に示すような分光透過率特性を示すが、加熱されて昇温するとほとんど赤外線を透過しなくなるという性質を有する。従って、半導体ウェハーＷが昇温してからの経過時間が長くなるにつれて赤外透過窓６３も昇温し、半導体ウェハーＷから放射された赤外線が赤外透過窓６３を透過しにくくなってパイロメータ８１による検出が困難となる。

このため、赤外透過窓６３を冷却するための冷却部６９が設けられている。冷却部６９は、少なくともハロゲンランプＨＬが点灯している間は赤外透過窓６３の上面に向けて継続して送風する。これにより、ハロゲンランプＨＬからに光照射加熱によって半導体ウェハーＷが昇温しても、赤外透過窓６３の温度は冷却部６９によって１５０℃以下に維持されることとなる。１５０℃以下であれば赤外透過窓６３は波長１μｍ以上の赤外線を透過することができる。なお、より確実に赤外線を透過するためには、冷却部６９によって赤外透過窓６３を１００℃以下に冷却しておくのが好ましい。

所定時間の光照射加熱が終了した後、ハロゲンランプＨＬが消灯して半導体ウェハーＷの降温が開始される。ハロゲンランプＨＬが消灯して所定時間が経過し、半導体ウェハーＷが十分に降温した後、移載機構５の一対の移載アーム５１が上昇し、リフトピン５２が保持プレート７１に保持されていた半導体ウェハーＷを突き上げて支持ピン７２から離間させる。その後、搬送開口部６７が再び開放され、装置外部の搬送ロボットのハンドが搬送開口部６７からチャンバー６内に進入して半導体ウェハーＷの直下で停止する。続いて、移載アーム５１が下降することによって、半導体ウェハーＷがリフトピン５２から搬送ロボットに渡される。そして、半導体ウェハーＷを受け取った搬送ロボットのハンドがチャンバー６から退出することにより、半導体ウェハーＷがチャンバー６から搬出され、熱処理装置１における光照射加熱処理が完了する。

本実施形態においては、１つのパイロメータ８１に３個の受光センサー２１を設けている。そして、これら３個の受光センサー２１に対して単一の広角レンズ系８２を設け、半導体ウェハーＷの異なる３箇所の領域ＳＲから放射された放射光を単一の広角レンズ系８２によって３個の受光センサー２１に個別に導いている。異なる３箇所の領域ＳＲから放射された放射光を受光した３個の受光センサー２１から出力された信号は温度算定部９１によって順次に処理され、３箇所の領域ＳＲの温度が求められる。このため、測定対象領域からのパイロメータ８１まで距離、パイロメータ８１の設置角度、および、パイロメータ８１が備えるレンズ系等に起因した機差を解消することができ（そもそも機差が存在しない）、半導体ウェハーＷの異なる３箇所の領域ＳＲの温度を非接触にて正確に測定することができる。

また、３個の受光センサー２１は単一のホルダー２５に収納されている。そのホルダー２５は、ペルチェ素子２７によって所定温度に冷却されている。従って、共通のホルダー２５に収納された３個の受光センサー２１は同じ温度に均一に冷却されることとなる。このため、受光センサー２１自身の温度による熱ノイズは、３個の受光センサー２１について全く同じになる。その結果、受光センサー２１の熱ノイズに起因した機差も存在しなくなり、半導体ウェハーＷの異なる３箇所の領域ＳＲの温度をより正確に測定することができる。

さらに、３個の受光センサー２１から出力された電気信号をマルチプレクサ８５によって順次に選択して温度算定部９１に伝達することにより、３個の受光センサー２１からの信号は共通のＡ／Ｄコンバータ２５および演算部９３によって処理されることとなる。このため、受光センサー２１から出力された電気信号を処理する電気回路に起因した機差も存在しなくなる。その結果、温度算定部９１の電気回路による調整を一度行うことにより、３個の受光センサー２１の測定精度は均一に揃うこととなる。

このように、本実施形態においては、パイロメータの機差を無くすことによって半導体ウェハーＷの異なる複数箇所の温度を正確に測定することができる。そして、従来は繁雑な作業となっていたパイロメータの機差の解消に要する負担を最小限のものとすることができる。

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、チャンバー６の下方に光照射部４を設け、半導体ウェハーＷの裏面に光を照射して加熱するバックサイドアニールを行っていたが、チャンバー６の上方に光照射部４を設け、パターン形成がなされた半導体ウェハーＷの表面に光照射を行うようにしても良い。また、チャンバー６の下方にハロゲンランプＨＬを備えた光照射部４を設け、チャンバー６の上方にフラッシュランプを設けたフラッシュランプアニール装置に本発明に係る温度測定部８を設けるようにしても良い。

チャンバー６の上方にランプを設ける場合には、光照射の障害とならないように、温度測定部８のパイロメータ８１を測定対象の半導体ウェハーＷの斜め上方に設置する。半導体ウェハーＷの斜め上方にパイロメータ８１を設置しても、半導体ウェハーＷの異なる複数箇所から放射された放射光を単一の広角レンズ系８２によって３個の受光センサー２１に個別に導いて、それら複数箇所の温度を正確に測定することができる。

また、上記実施形態においては、パイロメータ８１に３個の受光センサー２１を設けていたが、これに限定されるものではなく、複数の受光センサー２１を設ける形態であれば良い。図８には、７個の受光センサー２１を設けたホルダー１２５の外観斜視図を示す。図８のホルダー１２５には、７個の収納用の孔が形設されており、各孔に１個の受光センサー２１が収納されている。ホルダー１２５に７個の受光センサー２１を収納している以外のパイロメータ８１の構成は上記実施形態と同じである。

図９は、７個の受光センサー２１によって測定対象となる半導体ウェハーＷの７箇所の領域を示す図である。図９の例においては、半導体ウェハーＷの斜め上方にパイロメータ８１を設置している。半導体ウェハーＷの斜め上方にパイロメータ８１を設置した場合には、同図に示すように、各測定領域が略楕円となる。このようにしても、半導体ウェハーＷの異なる７箇所の領域から放射された放射光は単一の広角レンズ系８２によって７個の受光センサー２１に個別に導かれる。そして、異なる７箇所の領域から放射された放射光を受光した７個の受光センサー２１から出力された信号は温度算定部９１によって順次に処理され、７箇所の領域の温度が正確に測定される。広角レンズ系８２が円筒状である場合には、図８のように７個の受光センサー２１を収納した円筒状のホルダー１２５を設けるのが好適である。

また、１つの熱処理装置１に２つ以上のパイロメータ８１を設けるようにしても良い。図１０は、上記実施形態と同様のパイロメータ８１を２つ設ける構成の一例を示す図である。図１０に示す例においては、半導体ウェハーＷの斜め上方に９０°の間隔を隔てて２つのパイロメータ８１を設けている。各パイロメータ８１は、半導体ウェハーＷの異なる３箇所の領域の温度を測定する。同図に示すように、２つのパイロメータ８１がそれぞれ温度測定する３箇所の領域のうちの中央の領域は重なり合う。２つのパイロメータ８１のうちの一方をマスターとして他方をスレーブとし、スレーブのパイロメータ８１が測定した中央の領域の温度をマスターのパイロメータ８１が測定した中央の領域の温度に一致するようにスレーブのパイロメータ８１の電気回路等の調整を行う。このようにすれば、２つのパイロメータ８１を使用して半導体ウェハーＷの異なる５箇所の領域の温度を正確に測定することができる。

また、上記実施形態においては、赤外透過窓６３をシリコンにて形成していたが、これに限定されるものではなく、パイロメータ８１の検出波長域の赤外線を透過する素材であれば良く、例えばゲルマニウム（Ｇｅ）またはサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）にて形成するようにしても良い。もっとも、シリコンの円板は比較的容易に入手できるため、製造コストの観点からはシリコンを用いるのが好ましい。また、光照射部４からの光照射が外乱とならなければ、赤外透過窓６３を石英ガラスにて形成するようにしても良い。

また、赤外透過窓６３を空冷するの代えて、水冷によって冷却するようにしても良い。水冷によって赤外透過窓６３を冷却する場合にも、半導体ウェハーＷから放射された赤外線が透過する１５０℃以下に冷却する。

また、パイロメータ８１を半導体ウェハーＷの下方または斜め下方に設置し、半導体ウェハーＷの裏面の異なる複数箇所の温度を測定するようにしても良い。

また、本発明に係る熱処理装置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。さらに、本発明に係る温度測定装置である温度測定部８によって測定対象となるのは半導体ウェハーやガラス基板に限定されるものではなく、従来より放射温度計によって非接触にて温度測定される基材（例えば、高温の金属板やセラミックスなど）であっても良い。

１熱処理装置
３制御部
４光照射部
５移載機構
６チャンバー
７保持部
８温度測定部
２１受光センサー
２５ホルダー
２７ペルチェ素子
６３赤外透過窓
６４石英窓
６５熱処理空間
６９冷却部
７１保持プレート
７２支持ピン
８１パイロメータ
８２広角レンズ系
８３絞り
８５マルチプレクサ
９１温度算定部
９２Ａ／Ｄコンバータ
９３演算部
ＨＬハロゲンランプ
Ｗ半導体ウェハー

Claims

基材の複数箇所の温度を非接触にて測定する温度測定装置であって、
基材から放射される放射光を受光する複数の受光センサーと、
基材の複数箇所から放射された放射光を個別に前記複数の受光センサーのいずれかに導く単一のレンズ系と、
前記複数の受光センサーのそれぞれが受光した放射光の強度に基づいて前記複数箇所の温度を個別に算定する温度算定部と、
を備え、
前記単一のレンズ系によって前記複数の受光センサーのそれぞれには前記複数箇所の１箇所から放射された放射光が導かれることを特徴とする温度測定装置。
請求項１記載の温度測定装置において、
前記複数の受光センサーを収納する単一の収納部と、
前記単一の収納部を冷却する冷却部と、
をさらに備えることを特徴とする温度測定装置。
請求項１または請求項２に記載の温度測定装置において、
前記温度算定部は、前記複数の受光センサーからの信号を順次に処理して温度を算定する共通の演算回路を含むことを特徴とする温度測定装置。
請求項１から請求項３のいずれかに記載の温度測定装置において、
前記単一のレンズ系は広角レンズ系であることを特徴とする温度測定装置。
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基板を加熱する加熱部と、
前記加熱部によって加熱された基板の複数箇所の温度を測定する請求項１から請求項４のいずれかに記載の温度測定装置と、
を備えることを特徴とする熱処理装置。
請求項５記載の熱処理装置において、
前記加熱部は、前記チャンバーに収容された基板に光を照射して当該基板を加熱するランプを備えることを特徴とする熱処理装置。