JP4666427B2 - 石英ウインドウ及び熱処理装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【０００２】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単結晶基板、ガラス基板などの被処理体を加熱処理する熱処理装置と、当該熱処理装置に使用される石英ウインドウに関する。本発明は、例えば、メモリやＩＣなどの半導体装置の製造に適した急速熱処理（ＲＴＰ：ＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）装置に好適である。ここで、ＲＴＰは、急速熱アニーリング（ＲＴＡ）、急速クリーニング（ＲＴＣ）、急速熱化学気相成長（ＲＴＣＶＤ）、急速熱酸化（ＲＴＯ）、及び急速熱窒化（ＲＴＮ）などを含む技術である。
【０００３】
【従来の技術】
一般に、半導体集積回路を製造するためには、半導体ウェハ等のシリコン基板に対して成膜処理、アニール処理、酸化拡散処理、スパッタ処理、エッチング処理、窒化処理等の各種の熱処理が複数回に亘って繰り返される。
【０００４】
半導体製造処理の歩留まりと品質を向上させるため等の目的から急速に被処理体の温度を上昇及び下降させるＲＴＰ技術が注目されている。従来のＲＴＰ装置は、典型的に、被処理体（例えば、半導体ウェハ、フォトマスク用ガラス基板、液晶表示用ガラス基板、光ディスク用基板）を収納する枚葉式チャンバ（処理室）と、処理室に配置された石英ウインドウと、石英ウインドウの外部上部又は上下部に配置された加熱用ランプ（例えば、ハロゲンランプ）と、ランプの被処理体とは反対側に配置されたリフレクタ（反射板）とを有している。
【０００５】
リフレクタは、例えば、アルミニウム製で、その反射部には、典型的に、金メッキが施されている。リフレクタには、リフレクタのランプによる温度破損（例えば、高温による金メッキ剥離）と冷却時にリフレクタが冷却を妨げないようにするための冷却機構（冷却管など）が設けられている。ＲＴＰ技術で要求される急速昇温は、ランプのパワー密度とランプから被処理体への光照射の指向性に依存する。指向性及びランプのエネルギー効率は、例えば、バルブのように電極部３を一つのみ有するシングルエンドランプ２の場合、図４１に示すように、リフレクタ４の傾斜角度αを４５°にした場合に、下方に配置された被処理体に対して最大になる。ここで、図４１は、シングルエンドランプ２によって下方の被処理体を放射光で加熱する場合に指向性とエネルギー効率が最もよくなる場合のリフレクタ４の傾斜角度を説明するための断面図である。
【０００６】
石英ウインドウは、板状に構成されたり、被処理体を内部に収納可能な管状に構成されたりする。処理室が真空ポンプにより排気されて内部が減圧環境に維持される場合には、石英ウインドウは数１０ｍｍ（例えば、３０乃至４０ｍｍ）の肉厚を有して減圧と大気との差圧を維持する。石英ウインドウは、温度が上昇することで発生する各温度差による熱応力を防ぐために、肉薄で耐圧可能な湾曲状に加工される場合もある。
【０００７】
ハロゲンランプは、被処理体を均一に加熱するために複数個配列され、リフレクタによって、ハロゲンランプからの赤外線を一様に被処理体に向かって放射する。処理室は、典型的に、その側壁において被処理体を導出入するゲートバルブに接続され、また、その側壁において熱処理に使用される処理ガスを導入するガス供給ノズルと接続される。
【０００８】
被処理体の温度は処理の品質（例えば、成膜処理における膜厚など）に影響を与えるために正確に把握される必要があり、高速昇温及び高速冷却を達成するために被処理体の温度を測定する温度測定装置が処理室に設けられる。温度測定装置は熱電対によって構成されてもよいが、被処理体と接触させねばいけないことから被処理体が熱電対を構成する金属によって汚染されるおそれがある。そこで、被処理体の裏面から放射される赤外線強度を検出し、その放射強度を以下の数式１に示す式に則って被処理体の放射率εを求めて温度換算することによって被処理体の温度を算出するパイロメータが温度測定装置として従来から提案されている。
【０００９】
【数１】
【００１０】
ここで、ＥBB（Ｔ）は温度Ｔの黒体からの放射強度、Ｅm（Ｔ）は温度Ｔの被処理体から測定された放射強度、εは被処理体の放射率である。
【００１１】
動作においては、被処理体はゲートバルブから処理室に導入されて、ホルダーにその周辺が支持される。熱処理時には、ガス供給ノズルより、窒素ガスや酸素ガス等の処理ガスが導入される。一方、ハロゲンランプから照射される赤外線は被処理体に吸収されて被処理体の温度は上昇する。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の石英ウインドウは厚さが数１０ｍｍと厚いことから以下のような問題を有する。即ち、第１に、ランプ光が石英に吸収されて被処理体への照射効率を低下させる。第２に、ランプ面とその反対側の面で温度差が生じて、ＲＴＰのような急速昇温時には表裏面での熱応力差から石英ウインドウが破壊し易い。第３に、石英ウインドウと同様にランプを湾曲させれば被処理体とランプとの距離が離れてランプの指向性を悪化させる。第４に、石英ウインドウの温度が上昇し、特に、成膜処理の場合には、その表面に堆積膜や反応副生成物が付着してしまい温度再現性を確保できないと共に処理室１１０のクリーニングの頻度が増加する。一方、厚さを薄くすると石英ウインドウはランプ光の吸収を減少することができるが、処理室内の減圧環境と大気圧との差圧に耐えられずに容易に破壊してしまい、減圧環境の処理室には適用できないという問題を生じる。更に、熱源からの放射光は拡散しながら被処理体に導入されるため指向性が良くなく、指向性を改善する需要が従来から存在していた。
【００１３】
そこで、このような課題を解決する新規かつ有用な石英ウインドウ及び熱処理装置を提供することを本発明の概括的目的とする。
【００１４】
より特定的には、被処理体に減圧環境下で熱処理を施す熱処理装置の減圧環境と大気圧との差圧を維持することができ、かつ、熱源からの熱の吸収が比較的少なく、更に、熱源からの放射光の指向性を改善する石英ウインドウ及び熱処理装置を提供することを本発明の例示的目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の一側面としての石英ウインドウは、被処理体にランプからの放射光により熱処理を行う熱処理装置の前記被処理体と前記ランプの間に配置可能な石英ウインドウであって、石英製プレートと、当該プレートに固定されて当該プレートの強度を高めると共に前記ランプからの放射光を前記被処理体に向かって集光するレンズ部材とを有する。かかる石英ウインドウはレンズ部材がプレートの強度を高めているのでプレートを薄くすることができ、この結果、プレートによるランプからの熱の吸収を低減することができる。かかる石英ウインドウを有する熱処理装置も同様の作用を奏することができ、特に、プレートに負荷がかかる減圧環境に好適である。また、レンズ部材はランプからの放射光を被処理体に向かって集光するので指向性を改善している。
【００１６】
前記熱処理装置が、前記ランプ（例えば、シングルエンドランプ）を複数有する場合、前記レンズ部材は前記ランプに対応した数のレンズ素子を有してもよい。これにより、レンズ部材は各ランプについて放射光の指向性を改善している。前記レンズ部材は、前記プレートは前記ランプに対向する面と前記被処理体に対向する面の両方に設けられてもよい。これによりプレートの強度を更に高めることができ、プレートの薄型化に寄与する。
【００１７】
また、前記プレートに前記プレートの強度を補強する（例えば、アルミニウム製の）補強材を更に設けてもよい。これにより、プレートの強度を更に高めることができ、プレートの薄型化（例えば、プレートの厚さを１０ｍｍ以下、好ましくは７ｍｍ以下、さらに好ましくは５ｍｍ以下にするなど）に寄与する。補強材は、プレートにおいてレンズ部材と同一面に設けられても良いし、対向面に設けられてもよい。また、補強材を冷却する冷却機構を更に有してもよい。これにより、補強材の熱変形並びにプレートの熱変形を防止することができる。補強材の断面形状は限定されない。補強材を複数設けた場合、隣接する補強材の間に、前記レンズ部材から前記プレートを介して導入される前記放射光を前記被処理体に導入するための石英製導波部を更に有することが好ましい。石英の屈折率と真空大気の屈折率の関係から導波部内では全反射が期待でき、補強材の側面での反射を利用して被処理体に放射光を導入する場合に比べてエネルギー損失が少ないからである。
【００１８】
本発明の他の目的及び更なる特徴は以下添付図面を参照して説明される好ましい実施例によって明らかにされるであろう。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の例示的な熱処理装置１００について説明する。なお、各図において同一の参照符号は同一部材を表している。また、同一の参照番号に大文字のアルファベットを付したものはアルファベットのない参照番号の変形例であり、特に断らない限り、アルファベットのない参照番号は大文字のアルファベットを付した参照番号を総括するものとする。ここで、図１は、本発明の例示的一態様としての熱処理装置１００の概略断面図である。図１に示すように、熱処理装置１００は、処理室（プロセスチャンバー）１１０と、石英ウインドウ１２０と、加熱部１４０と、サポートリング１５０と、ベアリング１６０と、永久磁石１７０と、ガス導入部１８０と、排気部１９０と、放射温度計２００と、制御部３００とを有する。
【００２０】
処理室１１０は、例えば、ステンレススチールやアルミニウム等により成形され、石英ウインドウ１２０と接続している。処理室１１０は、その円筒形の側壁１１２と石英ウインドウ１２０とにより被処理体Ｗに熱処理を施すための処理空間を画定している。処理空間には、半導体ウェハなどの被処理体Ｗを載置するサポートリング１５０と、サポートリング１５０に接続された支持部１５２が配置されている。これらの部材は被処理体Ｗの回転機構において説明する。また、側壁１１２には、ガス導入部１８０及び排気部１９０が接続されている。処理空間は排気部１９０によって所定の減圧環境に維持される。被処理体Ｗを導入及び導出するためのゲートバルブは図１においては省略されている。
【００２１】
処理室１１０の底部１１４は冷却管１１６ａ及び１１６ｂ（以下、単に「１１６」という。）に接続されており冷却プレートとして機能する。必要があれば、冷却プレート１１４は温度制御機能を有してもよい。温度制御機構は、例えば、制御部３００と、温度センサと、ヒータとを有し、水道などの水源から冷却水を供給される。冷却水の代わりに他の種類の冷媒（アルコール、ガルデン、フロン等）を使用してもよい。温度センサは、ＰＴＣサーミスタ、赤外線センサ、熱電対など周知のセンサを使用することができる。ヒータは、例えば、冷却管１１６の周りに巻かれたヒータ線などとしてから構成される。ヒータ線に流れる電流の大きさを制御することによって冷却管１１６を流れる水温を調節することができる。
【００２２】
石英ウインドウ１２０は処理室１１０に気密的に取り付けられて、処理室１１０内の減圧環境と大気との差圧を維持すると共に後述するランプ１３０からの熱放射光を透過する。図２乃至図５に示すように、石英ウインドウ１２０は、半径約４００ｍｍ、厚さ約３３ｍｍの円筒形石英プレート１２１と、複数のレンズ素子１２３からなる複数の石英レンズアッセンブリ１２２とを有する。ここで、図２は石英ウインドウ１２０の上面図である。図３は、図２に示す石英ウインドウ１２０のＡ−Ａ断面図である。図４は、図２に示す石英ウインドウ１２０のＢ−Ｂ断面図である。図５は、図４に示す石英ウインドウ１２０の点線領域Ｃの拡大図である。図６は、図２に示す石英ウインドウ１２０に使用されるレンズアッセンブリ１２２の一部拡大斜視図である。
【００２３】
レンズアッセンブリ１２２は、石英ウインドウ１２０の強度を高めると共に後述するランプ１３０からの放射光の指向性を高める働きを有する。図２に示すように、各レンズアッセンブリ１２２は、集光作用を有する複数のレンズ素子１２３を有しており、Ｘ方向に平行に整列しているがこれは後述するランプ１３０がＸ方向に平行に整列しているからであり、ランプ１３０の整列方向にレンズアッセンブリ１２２の整列方向は依存する。図示されているレンズ素子１２３の配向は例示的であり、例えば、本実施例では、レンズ素子１２３は図２に示すＸ方向にのみ湾曲しているがＹ方向又はＸ及びＹ方向に湾曲してもよい。本実施例では、レンズアッセンブリ１２２（のレンズ素子１３３及び後述するランプ１３０）は、ほぼ円形の被処理体Ｗを均一に加熱するように配置されている。
【００２４】
レンズアッセンブリ１２２はレンズアッセンブリ１２２、石英ウインドウ１２０及び後述するランプ１３０を冷却するための空気の流路ＡＦ（図２０及び図２２参照）として機能する。また、２つのレンズアッセンブリ１２２の間は、石英プレート１２１を熱伝導により水冷する後述する隔壁１４４との接触部１２８として機能する。
【００２５】
本実施例では、上述したように、石英プレート１２１の厚さは、約３０乃至４０ｍｍ以下、例えば、約３０ｍｍに設定されている。本発明は、石英プレート１２１の厚さを従来のように３０乃至４０ｍｍにしてレンズアッセンブリ１２２の集光作用のみを使用することを妨げるものではないが、本実施例のように薄い石英プレート１２１を使用すると後述するような効果を有する。また、本実施例のレンズアッセンブリ１２２の高さは、約３ｍｍ、図３においては幅２１ｍｍ以下を有し、レンズ素子１２３は図４においては長さ約１８ｍｍ、曲率半径は１０ｍｍを有するが、これに限定されるものではない。
【００２６】
本実施例では、ウインドウレンズアッセンブリ１２２は、石英プレート１２１の後述するランプ１３０に対向する片側にのみ設けられているが、石英プレート１２１の両側に設けられてもよいし、石英プレート１２１の後述するランプ１３０に対向しない片側にのみ設けられてもよい。
【００２７】
石英プレート１２１はレンズアッセンブリ１２２によって熱変形に対する強度が向上しているために、従来のように処理室１１０から離れる方向に湾曲するドーム型に形成される必要がなく、平面形状を有する。ドーム型に形成される石英ウインドウは被処理体をランプから離間する距離を大きくするのでランプの指向性を悪化させるという問題があったが、本実施例はかかる問題を解決している。本実施例は石英プレート１２１とレンズアッセンブリ１２２は溶接によって接合しているが、一体的に形成する方法を排除するものではない。
【００２８】
本実施例の石英プレート１２１の厚さは３０乃至４０ｍｍ以下、例えば、約３０ｍｍであり、従来の石英ウインドウの厚さである３０乃至４０ｍｍよりも小さい。この結果、本実施例の石英ウインドウ１２０は、従来の石英ウインドウよりも後述するランプ１３０からの光の吸収量が小さい。この結果、石英ウインドウ１２０は以下の長所を有する。即ち、第１に、ランプ１３０からの被処理体Ｗへの照射効率を従来よりも向上することができるので高速昇温を低消費電力で達成することができる。即ち、従来はランプ光が石英ウインドウに吸収されて被処理体Ｗへの照射効率を低下させる問題があったが本実施例はそれを解決している。第２に、プレート１２１の表裏面での温度差（即ち、熱応力差）を従来よりも低く維持することができるために破壊しにくい。即ち、従来は石英ウインドウのランプに対向する面とその反対側の面で温度差が生じて、ＲＴＰのような急速昇温時には表裏面での熱応力差から石英ウインドウが破壊し易いという問題があったが本実施例はそれを解決している。第３に、石英ウインドウ１２０の温度上昇は従来の石英ウインドウよりも低いために成膜処理の場合にその表面に堆積膜や反応副生成物が付着することを防止することができ、温度再現性を確保することができると共に処理室１１０のクリーニングの頻度を減少することができる。即ち、従来は石英ウインドウの温度が上昇し、特に、成膜処理の場合には、その表面に堆積膜や反応副生成物が付着してしまい温度再現性を確保できないと共に処理室のクリーニングの頻度が増加するという問題があったが、本実施例はそれを解決している。
【００２９】
また、レンズアッセンブリ１２２を用いない石英プレート１２１のみからなる石英ウインドウ１２０は、石英プレート１２１の厚さが本実施例のように小さいとランプ光の吸収を減少することができるが、強度的に処理室内の減圧環境と大気圧との差圧に耐えられずに容易に破壊してしまう可能性があり、減圧環境の処理室には適用できないという問題を生じるが、レンズアッセンブリ１２２はかかる問題を解消している。
【００３０】
次に、図５、図６及び図４２を参照して、石英ウインドウ１２０のレンズアッセンブリ１２２の集光作用について説明する。図４２を参照するに、レンズアッセンブリを有しない断面長方形の石英ウインドウ６を通過する図示しない石英ウインドウ６の上方に位置するシングルエンドランプからの光は拡散して石英ウインドウ６の下方にある被処理体への指向性が悪い。ここで、図４２は、図５に対比される円筒石英ウインドウを通過した光の指向性を説明するための断面図である。これに対して、図５及び図６に示すように、本実施例の石英ウインドウ１２０は、凸型レンズ素子１２３を有するレンズアッセンブリ１２２により、ランプ１３０からの光をコリメートして指向性良く被処理体Ｗに照射する。なお、本発明のレンズ素子１２３の形状や曲率は必ずしもランプ１３０からの光をコリメートするものに限定されず、少なくとも従来の指向性と同等又はそれを改善すれば足りる。図４２に示す指向性と同等であってもレンズアッセンブリ１２２は上述の補強機能を有するからである。
【００３１】
以下、図７を参照して、本実施例の石英ウインドウ１２０の変形例としての石英ウインドウ１２０Ａを説明する。ここで、図７は、図３に対応する石英ウインドウ１２０Ａの一部拡大断面図である。本実施例の石英ウインドウ１２０Ａは、図２に示す流路１２４の直下に流路１２４と平行に形成された断面矩形のアルミニウム又はステンレス（ＳＵＳ）製の補強材（又は柱）１２４を有する。かかる補強材１２４は、内部に冷却管（水冷管）１２５を有し、石英ウインドウ１２０Ａの強度を高めている。
【００３２】
補強材１２４は熱伝導率がよく、また、処理室と同様の材質であるので被処理体Ｗに対する汚染源にはならない。補強材１２４により石英ウインドウ１２０Ａの石英プレート１２１の厚さは１０ｍｍ以下、好ましくは７ｍｍ以下、より好ましくは、例えば、約５ｍｍとなり、上述の長所を更に顕著に有する。本実施例で、補強材１２４の断面寸法は、図７において高さ約１８ｍｍ、幅約１２ｍｍであり、水冷管１２５の径は６ｍｍ程度であるがこれに限定されるものではない。また、補強材１２４の断面形状も矩形に限定されず波形等任意の形状を有することができる。本発明は、図１１に示すように、石英プレート１２１と補強材１２４との組み合わせである石英ウインドウ１２１ｃも包含するものである。図７に矢印で示すように、ランプ１３０からの放射光は補強材１２４の側面で反射されて下方に配置された図示しない被処理体Ｗに導入される。本実施例の冷却管１２５は、補強材１２４と石英プレート１２１の両方を冷却する機能を有する。補強材１２４がアルミニウム製であれば２００℃乃至７００℃で溶けたり変形したりするので適当な温度制御が必要だからである。冷却管１２５による温度制御は冷却管１１６と同様でもよいし、当業界で既知のいかなる方法をも適用することができる。
【００３３】
以下、図８を参照して、本実施例の石英ウインドウ１２０の別の変形例としての石英ウインドウ１２０Ｂを説明する。ここで、図８は、図３に対応する石英ウインドウ１２０Ｂの一部拡大断面図である。本実施例の石英ウインドウ１２０Ａは、石英ウインドウ１２０Ａにレンズアッセンブリ１２２の直下にレンズアッセンブリ１２２と平行に形成された断面矩形の導波部１２６を有する。本実施例の石英ウインドウ１２０Ｂは石英ウインドウ１２０Ａよりも照明効率を向上している。図７を参照するに、矢印で示すランプ１３０からの放射光は補強材１２４で反射される際に１０％程度のエネルギー損失が発生する。なお、エネルギー損失の割合は補強部１２４の高さその他のパラメータに依存する。一方、補強材１２４の側面に金メッキなど高反射率を有する金属により表面処理することは被処理体Ｗに対する汚染源となるので好ましくない。また、補強材１２４に適用可能な材料で反射損失のない材料は存在しない。
【００３４】
そこで、本実施例は、レンズアッセンブリ１２２の直下にレンズアッセンブリ１２２と平行に断面矩形の導波部１２６を形成している。石英プレート１２１と導波部１２６は溶接によって接合してもよいし、一体的に形成されてもよい。石英導波部１２６は屈折率約１.４、真空及び大気の屈折率は約１.０であり、かかる関係から石英導波部１２６の内部では放射光は全反射される。このため、本実施例の石英ウインドウ１２０Ｂはエネルギー損失を理論上ゼロにしている。
【００３５】
石英ウインドウ１２０Ｂは、補強材１２４を取り除いてプレート１２１の厚さを石英ウインドウ１２０Ｂのプレート１２１と導波部１２６の合計にした石英ウインドウよりも好ましい。なぜなら、この場合、石英ウインドウは厚くなるため、従来の肉厚な石英ウインドウと同様の問題を生じるからである。
【００３６】
図９及び図１０に、図８に示す石英ウインドウ１２０Ｂを使用した場合に、石英ウインドウ１２０Ｂを使用した場合の指向性を示す。なお、図９及び図１０は、理解の便宜のためにカラー図面として本出願に添付する。ここで、図９は、被処理体Ｗの中心を（０，０）として図２に示すＸ及びＹ方向に関する距離（ｄｉｓｔａｎｃｅ）と被処理体Ｗに照射される放射光の照度（ｉｒｒａｄｉａｎｃｅ）との関係を３次元的に示している。図１０は、図９を上から見た図である。
【００３７】
同図の実験条件は以下のとおりである。即ち、金メッキ膜からなるメッキ部１４９を有してランプ出力７５０Ｗのランプ１３０を使用し、ランプ１３０の下端とレンズアッセンブリ１２２の上端との距離を２ｍｍ、被処理体Ｗからアルミニウム製補強材１２４の下端までの距離を２０ｍｍに設定している。また、図８において、石英プレート１２１の厚さを５ｍｍ、レンズ素子１２３の石英プレート１２１表面からの高さを５ｍｍ、曲率半径１０ｍｍ、幅１９ｍｍ、導波部１２６の幅を１９ｍｍ、高さを１８ｍｍ、２つの補強材１２４の間隔を２１ｍｍに設定している。
【００３８】
図１２及び図１３に、図８に示す石英ウインドウ１２０Ｂに対比される図１１に示す石英ウインドウ１２０Ｃを使用した場合の指向性を示す。なお、図１２及び図１３は、理解の便宜のためにカラー図面として本出願に添付する。ここで、図１２は、図１１に示す石英ウインドウを使用した場合に、被処理体Ｗの中心を（０，０）として図２に示すＸ及びＹ方向に関する距離（ｄｉｓｔａｎｃｅ）と被処理体Ｗに照射される放射光の照度（ｉｒｒａｄｉａｎｃｅ）との関係を３次元的に示している。図１３は、図１２を上から見た図である。
【００３９】
同図の実験条件は以下のとおりである。即ち、金メッキ膜からなるメッキ部１４９を有してランプ出力７５０Ｗのランプ１３０を使用し、ランプ１３０の下端と石英プレート１２１の上端との距離を２ｍｍ、被処理体Ｗからアルミニウム製補強材１２４の下端までの距離を２０ｍｍに設定している。また、図１１において、石英プレート１２１の厚さを５ｍｍ、２つの補強材１２４の間隔を２１ｍｍに設定している。
【００４０】
図９及び図１０を参照するに、被処理体Ｗの中心付近で照度が鋭く極大となり、石英ウインドウ１２０Ｂが指向性を向上していることが理解される。また、最大高さ（即ち、最大照度）の半分の広がり（「半値幅」と呼ばれる場合もある。）は略円状で、約４０ｍｍである。半値幅は、円に近づけば近づくほど、そして、その値が小さければ小さいほど制御性に優れる。一方、図１２及び図１３を参照するに、被処理体Ｗの中心付近で照度が極大となっているがその値はさほど大きくない。また、半値幅は略楕円状で、最大約１００ｍｍである。指向性は照度の極大値が大きければ大きいほど良好となる。また、半値幅は、円に近づけば近づくほど、そして、その値が小さければ小さいほど制御性に優れる。ここで、制御性とは、被処理体Ｗの所望の位置を加熱し（即ち、放射光を照射し）、被処理体Ｗの望ましくない位置は加熱しない場合の加工容易性を表す。図９及び図１０を図１２及び図１３と対比すると、図１１に示す石英ウインドウ１２０Ｃよりも図８に示す石英ウインドウ１２０Ｂの方が指向性及び制御性の両方で優れていることが理解されるだろう。
【００４１】
上述した実施例の各種の石英ウインドウ１２０は、リフレクタを必要としない後述するランプ１３０に使用されることを必須の条件とはしない。換言すれば、石英ウインドウ１２０は、その強度性と指向性からリフレクタを有する熱処理装置にも適用することができることが理解されるであろう。その場合、断面形状が波形の補強材１２４は断面波形のリフレクタに好適であろう。
【００４２】
以下、図１４乃至図１７を参照して、本発明の加熱部１４０を説明する。ここで、図１４は、加熱部１４０の底面図であり、図１５は、図１４に示す加熱部１４０の部分断面側面図である。図１６は、図１５に示すランプ１３０の正面図で、図１７は、図１６に示すランプ１３０の側面図である。図１４に示すようにランプ１３０は、図２に示すレンズ素子１２３に対応している。加熱部１４０は、ランプ１３０とランプ保持部１４２とを有している。
【００４３】
図１５に示すように、ランプ１３０は、本実施例ではシングルエンド型であるが後述するようにダブルエンド型でもよく、また、電熱線ヒータ等その他の熱源を使用してもよい。ここで、シングルエンド型とは、図１５に示すように、一の電極部１３２を有する種類のランプをいう。ダブルエンド型とは、蛍光灯のように二つの端部を有するランプをいう。ランプ１３０は被処理体Ｗを加熱する熱源として機能し、本実施例ではハロゲンランプであるがこれに限定されるものではない。ランプ１３０の出力はランプドライバ３１０によって決定されるが、ランプドライバ３１０は後述するように制御部３００により制御され、それに応じた電力をランプ１３０に供給する。
【００４４】
図１６に示すように、ランプ１３０は一の電極部１３２と発光部１３４とを含み、発光部１３４は電極部１３２と接続するフィラメント１３５を有する。図１４に点線で示すように、本実施例では、複数のランプ１３０は、ほぼ円形の被処理体Ｗを均一に加熱するように、レンズアッセンブリ１２２の各レンズ素子１２３に対応して、直線的に配置されている。また、上述したように図１４で示すＹ方向に沿って同一列のＸ方向に隣接するランプ１３０間にはリフレクタが存在しないのでＸ方向のランプ１３０間の距離は約３ｍｍに維持することができ、後述するように、ランプ密度の増加とこれによるパワー密度の増加に寄与する。また、後述するように、このようなランプ１３０の直線配置は好適な熱排気（例えば、４ｍ3／ｍｉｎ以下）の実現に寄与する。
【００４５】
図１７に示すように、電極部１３２の下には発光部１３４の一部として首部１３３が形成され、首部１３３の周りにも後述するようにメッキ部１４９が形成される。図１を参照するに、電極部１３２へ供給される電力はランプドライバ３１０によって決定され、ランプドライバ３１０は制御部３００によって制御される。図１６を参照するに、本実施例では、例示的に、電極部１３２の高さは約２５ｍｍ、発光部１２４の高さは約６５ｍｍ、厚さは約１ｍｍであり、フィラメント１３５の長さは約２５ｍｍである。また、図１７を参照するに、本実施例では、例示的に、電極部１３２の幅は約５ｍｍで、発光部１３４の（首部１３３でない）幅は約１５ｍｍである。発光部１３４内には窒素又はアルゴン及びハロゲン気体が封入される。フィラメント１３５は、例えば、タングステンから構成される。フィラメント１３５の下部と図１６に示す発光部１３４の底面１３４ａとの距離は所定範囲に設定され、この結果、所定の指向性とランプ寿命を確保することができる。即ち、かかる距離が小さすぎるとランプ１３０の指向性が悪くなり、大きすぎるとハロゲンサイクルが不十分になりランプ寿命の短命につながるからである。
【００４６】
図１４及び図１５を参照するに、ランプ保持部１４２は略直方体形状を有し、各ランプ１３０を収納する複数の円筒状の溝１４３と、隔壁１４４とを有している。
【００４７】
溝１４３は、ランプ１３０の電極部１３２を収納する部分１４３ａと発光部１３４を収納する部分１４３ｂからなる。部分１４３ａ、電極部１３２と図１には図示されて図１５には図示されないランプドライバ３１０とを接続すると共に、両者の間を封止する封止部として機能する。部分１４３ｂは発光部１３４より径が大きい。
【００４８】
隔壁１４４は、例えば、１２ｍｍの幅を有し、図２、図７、図１４及び図１５に示すように、図２に示す流路１２８及び図７に示す補強材１２４の上であって図１４に示すＸ方向に整列する複数の隣接する溝１４３の間に配置されている。隔壁１４４には、流路１２８と平行に（即ち、図１４に示すＸ方向に）整列する一対の冷却管（水冷管）１４５が内接されている。また発光部１３４を除いた溝１４３には、発光部１３４表面を空冷できるようにブロアによって約０．３〜０．８ｍ3の空気を流すことができるため、本実施例のランプ１３０は空冷機構と冷却管１４５によって冷却される。但し、後述する図１８及び図１９に示す加熱部１４０Ａのように、隔壁１４４及び冷却管１４５を取り除いて空冷機構のみによって冷却することも可能である。後述するようにメッキ部１４９が金メッキ膜から構成される場合は、空冷機構及び冷却管１４５は金メッキの剥離などの温度破壊を防止するためにメッキ部１４９の温度を５００℃以下に維持する。冷却管１４５による温度制御は冷却管１１６と同様でもよいし、当業界で既知のいかなる方法をも適用することができる。メッキ部１４９が５００℃以上の耐熱性を有する場合であっても、ランプ１３０は、一般に、９００℃を超えると失透（発光部１３４が白くなる現象）が発生するのでランプ１３０が９００℃以下になるように冷却管１４５その他の冷却機構により温度制御されることが好ましい。
【００４９】
本実施例では、特徴的に、隔壁１４４及び冷却管１４５は図１４に示すＸ方向に沿ってのみ設けられており、従来のリフレクタのように、Ｘ及びＹ方向の２次元的な冷却管の配列を採用していない。従って、本実施例のランプ保持部１４２の構造はランプ１３０のランプ密度及びそれによるパワー密度の増加に寄与している。例えば、図３６に示す従来の、（例えば、５０ｍｍ径の）リフレクタを有するランプ配列の場合、ランプ密度は０.０４本／ｃｍ2であったのに対して本実施例のランプ密度は０.１６本／ｃｍ2となる。隔壁１４４及び冷却管１４５を設ける代わりに、空冷のみによってランプ１３０及びランプ保持部１４２を冷却する場合、ランプ密度は最大で約０.４０本／ｃｍ2となる。一般に、ＲＴＰに要求されるパワー密度は、１本当たりのランプパワーとランプ密度とによって決定される。ランプパワーが大きければ大きいほどランプ密度は小さくてすむ。本実施例のランプ配列は、将来更なる急速昇温が必要なＲＴＰにも十分に対応できるものである。
【００５０】
以下、図１８及び図１９を参照して、図１４に示す加熱部１４０の変形例としての加熱部１４０Ａについて説明する。本実施例の加熱部１４０Ａは、加熱部１４０から隔壁１４４及び冷却管１４５を取り除いてランプ密度を向上している。冷却管１４５がランプ保持部１４２に設けられていないので、ランプ１３０は空冷によってのみ冷却される。加熱部１４０Ａのランプ密度は加熱部１４０のそれのほぼ２倍である。メッキ部１４９が従来必要であったリフレクタを排除しているので、このような高密度ランプ実装が可能になることが理解されるであろう。
【００５１】
以下、図２０乃至図２２を参照して、ランプ１３０の空冷機構について説明する。ここで、図２０は、図１４に示す加熱部１４０のＸ方向に整列するランプ１３０の冷却機構を説明するための断面図である。図２１は、図２０に示すランプ１３０の側面図である。図２２は、図２０に示すランプ１３０の平面図である。同図に示すように、同一列の（即ち、図１４に示すＸ方向に沿って直線的に配置された）複数のランプ１３０は、これら（の発光部１３４）と直列に接続されたブロアによって熱排気（空冷）される。ブロアによる排気効率は直線的配置に対して、例えば、４ｍ3／ｍｉｎ以下と良好である。この程度の熱排気の場合熱処理装置１００外部に排気してもよいし、循環させてもよい。循環させる場合には、典型的にラジエータを流路に更に設けて熱気を冷却することになるが、良好な排気効率のために排気システムの負荷は少ない。
【００５２】
メッキ部１４９は、ランプ１３０の熱放射光を発光部１３４内において高反射率で反射する機能を有する。高反射率を有する反射部を発光部１３４に設けることにより、発光部１３４の（フィラメント１３５が発する放射光の）被処理体Ｗへの指向性が高まる。この結果、メッキ部１４９は、従来発光部の外部に設けられる必要があったリフレクタ（反射板）を不要にする。リフレクタを使用しないので複数のランプを（例えば、図１４に示すＸ方向に隣接するランプ１３０間距離を約３ｍｍにするなど）高密度で（例えば、４５°の傾斜角度のリフレクタを有するランプ密度（例えば、０.０４本／ｃｍ2）の約４倍のランプ密度（例えば、０.１６本／ｃｍ2）で実装することができ、リフレクタを有する場合よりもパワー密度を増加させることができ、本発明の熱処理装置１００は高速昇温のＲＴＰに好適である。
【００５３】
メッキ部１４９は、図１６に示す発光部１３４の底面１３４ａを除き、首部１３３を含む発光部１３４に各種メッキ法その他の方法で形成される。このように、メッキ部１４９を発光部１３４の被処理体Ｗに対向する底部１３４ａ以外の部分（即ち、対向しない部分）に設けることによりフィラメントＷから被処理体への直接の光照射及びメッキ部１４９により反射された結果としての光照射を遮断せずに指向性を高めることができる。
【００５４】
メッキ部１４９は、放射光を高反射率で反射する金属膜から形成され、例えば、金や銀などである。例えば、メッキ部１４９が金メッキ膜からなる場合、それは電気メッキ（硬質金メッキや純金金メッキ）により形成されるであろう。メッキ部１４９は、その厚さは、文献より約１０μｍもあれば発光部１３４からの漏れ光を防止するのに十分である。なお、本発明はメッキ部１４９はランプ１３０の指向性を高めれば足り、高反射率の範囲については限定されない。
【００５５】
図２３及び図２４に、金メッキ膜からなるメッキ部１４９を有するランプ１３０を使用した場合の指向性を示す。なお、図２３及び図２４は、理解の便宜のためにカラー図面として本出願に添付する。ここで、図２３は、メッキ部１４９としての金メッキ膜を有するランプ１３０を使用した場合に、被処理体Ｗの中心を（０，０）として図１４に示すＸ及びＹ方向に関する距離（ｄｉｓｔａｎｃｅ）と照度（ｉｒｒａｄｉａｎｃｅ）との関係を３次元的に示している。図２４は、図２３を上から見た図である。
【００５６】
同図の実験条件は以下のとおりである。即ち、金メッキ膜からなるメッキ部１４９を有してランプ出力７５０Ｗのランプ１３０を使用し、処理室１１０を常圧環境に維持して、ランプ１３０の下端と厚さ３ｍｍの石英プレート１２１のみからなる円筒石英ウインドウの上端との距離を２ｍｍ、被処理体Ｗから石英ウインドウの下端までの距離を２０ｍｍに設定している。
【００５７】
図４３及び図４４に、金メッキ膜のない従来のシングルエンドランプを使用した場合の指向性を示す。なお、図４３及び図４４は、理解の便宜のためにカラー図面として本出願に添付する。ここで、図４３は、金メッキ膜のない従来のシングルエンドランプを使用した場合に、被処理体Ｗの中心を（０，０）として図１４に示すＸ及びＹ方向に関する距離（ｄｉｓｔａｎｃｅ）と照度（ｉｒｒａｄｉａｎｃｅ）との関係を３次元的に示している。
【００５８】
同図の実験条件は以下のとおりである。即ち、金メッキ膜からなるメッキ部１４９を有してランプ出力７５０Ｗのランプ１３０を使用し、処理室１１０を常圧環境に維持して、ランプ１３０の下端と厚さ３ｍｍの石英プレート１２１のみからなる円筒石英ウインドウの上端との距離を２ｍｍ、被処理体Ｗから石英ウインドウの下端までの距離を２０ｍｍに設定している。
【００５９】
図２３及び図２４を参照するに、被処理体Ｗの中心付近で照度が鋭く極大となり、メッキ部１４９が指向性を向上していることが理解される。また、半値幅は略円状で、約４０ｍｍである。一方、図４３及び図４４を参照するに、被処理体Ｗの中心付近で照度が極大となっているが、その値はさほど大きくない。また、半値幅は略楕円状で、最大約８０ｍｍである。図２３及び図２４を図４３及び図４４と対比すると、従来のメッキ部なしランプよりも本実施例のメッキ部１４９付きランプ１３０の方が指向性及び制御性の両方で優れていることが理解されるだろう。
【００６０】
発光部１３４は、図１７の丸印の拡大図に示すように、メッキ部１４９によって被覆される部分に凹凸を有することが好ましい。これにより、メッキ部１４９により反射された光を発光部１３４の円筒側面間で反射を繰り返すことなく被処理体Ｗに配向させる割合を高めることができる。凹凸はサンドブラストによる研磨、化学溶液に侵食して腐食させるなどの表面処理によって形成することができる。
【００６１】
上述したように、ランプ１３０は、ダブルエンド型であってもよい。以下、図２５乃至図２９を参照して、ランプ１３０をダブルエンド型のランプに置換した場合の実施例を説明する。ここで、図２５は、メッキ部１４９Ａを取り除いたダブルエンドランプ１３０Ａの斜視図である。図２６は、メッキ部１４９Ｂを取り除いた別のダブルエンドランプ１３０Ｂの斜視図である。図２７は、図２５に示すランプ１３０Ａ及び図２６に示すランプ１３０Ｂのメッキ部１４９Ａ及び１４９Ｂによる被覆を説明するための断面図である。図２８は、図２５に示すランプ１３０Ａを有する加熱部１４０Ｂの図１４に示すＸ方向に沿った縦断面図である。図２９は、図２８に示す加熱部１４０Ｂの図１４に示すＹ方向に沿った横断面図である。
【００６２】
図２５は、図１４に示すＸ方向に配向される直線筒状のダブルエンドランプ１３０Ａの一つを示しており、図２６は、図１１に示す点線と同一円的に配向する円弧筒状のダブルエンドランプ１３０Ｂの一つを示している。なお、ランプ１３０をランプ１３０Ａ又は１３０Ｂに置換すればランプ保持部１４２の形状がランプ１３０Ａ又は１３０Ｂを保持する部分において変更されることはいうまでもない。例えば、ランプ保持部１４２には、後述する電極部１３２Ａ又は１３２Ｂと垂直部１３６ａ又は１３７ａを収納する複数の垂直貫通孔と、後述する水平部１３６ｂ又は１３７ｂを収納する直線状又は同心円状の複数の水平溝とを有するなどである。図２８及び図２９に、一対のランプ１３０Ａを図１４に示すＹ方向に並べた加熱部１４０ＢのＸ方向及びＹ方向に沿った断面図をそれぞれ示す。ランプ１３０Ａの直下に配置されたレンズは、図２８に示す後述する発光部１３６の長さと、図２９に示す後述する一対のランプ１３０Ａをカバーする幅とを有する。本出願の開示から当業者はその他の変更を理解することができるため図示は省略する。
【００６３】
図２５に示すように、ランプ１３０Ａは、２つの電極部１３２Ａと発光部１３６とを含み、発光部１３６は２つの電極部１３２Ａを接続するフィラメント１３５Ａを有する。同様に、図２６に示すように、ランプ１３０Ｂは、２つの電極部１３２Ｂと発光部１３７とを含み、発光部１３７は２つの電極部１３２Ｂを接続するフィラメント１３５Ｂを有する。電極部１３２Ａ及び１３２Ｂへ供給される電力は図１に示すランプドライバ３１０によって決定され、ランプドライバ３１０は制御部３００によって制御される。電極部１３２とランプドライバ３１０と電極部部１３２Ａ及び１３２Ｂとの間は封止されている。
【００６４】
図２５に示すように、発光部１３６は垂直部１３６ａと垂直部１３６ａから９０度曲げられた直線状の水平部１３６ｂとを有する。また、図２６に示すように、発光部１３７は垂直部１３７ａと垂直部１３７ａからほぼ９０°曲げられた円弧状の水平部１３７ｂとを有する。なお、本発明に適用可能なダブルエンドランプはランプ１３０Ａや１３０Ｂに限定されず、水平部１３６ｂ及び１３７ｂが任意の形状（例えば、渦巻き、三角など）を有するランプを含むものである。また、垂直部と水平部の角度も９０°に限定されない。
【００６５】
水平部１３６ｂは、図１４に示すランプ１３０が配列されている部分にＸ方向に沿って取り付けられる。水平部１３６ｂの長さは、図１４において、最外周の円Ｐと、Ｙ方向に関して任意のランプ位置（例えば、Ｄで示す列）によって画定される両端のランプ１３０間の距離（例えば、間隔Ｅ）と同一であってもよいし、それ以下であってもよい。前者の場合には、当該ランプ位置に一本のランプ１３０Ａが取り付けられることになる。後者の場合には、当該ランプ位置に複数本のランプ１３０Ａが取り付けられることになる。Ｙ方向に関して異なるランプ位置におけるランプ１３０Ａの水平部１３６ｂは同一であってもよいし、異なってもよい。
【００６６】
水平部１３７ｂは図１４に点線で示す円と同心円的に配置される。図２６に示す点線は図１４に示す点線と同心円の関係にある。水平部１３７ｂの長さは、図１４に示す点線の円と同心円（例えば、円Ｑ）の円周とランプ１３０Ｂの設置本数によって画定される。異なる同心円に配置されるランプ１３０Ｂの水平部１３７ｂの曲率半径は異なる。
【００６７】
図２５及び図２６においては、ランプ１３０Ａ及び１３０Ｂからメッキ部１４９Ａ及び１４９Ｂが便宜上取り除かれている。しかし、実際には、図２７に示すように、発光部１３６及び１３７には被処理体Ｗに対向しない部分にメッキ部１４９Ａ及び１４９Ｂが被覆されている。メッキ部１４９Ａは、ランプ１３０Ａにおいて、垂直部１３６ａの側面の全面と水平部１３６ｂの上半分に被覆される。メッキ部１４９Ｂ、ランプ１３０Ｂにおいて、垂直部１３７ａの側面の全面と水平部１３７ｂの上半分に被覆される。メッキ部１４９Ａ及び１４９Ｂもメッキ部１４９と同様にランプ１３０Ａ及び１３０Ｂの熱放射光を発光部１３６及び１３７内において高反射率で反射する機能を有する。高反射率を有する反射部を発光部１３６及び１３７に設けることにより、発光部１３６及び１３７の（フィラメント１３５Ａ及び１３５Ｂが発する放射光の）被処理体Ｗへの指向性が高まる。この結果、メッキ部１４９Ａ及び１４９Ｂは、従来発光部の外部に設けられる必要があったリフレクタ（反射板）を不要にする。リフレクタを使用しないので複数のランプを高密度で（例えば、４５°の傾斜角度のリフレクタを有するランプ密度の約４倍のランプ密度で）実装することができ、リフレクタを有する場合よりもパワー密度を増加させることができ、高速昇温のＲＴＰに好適である。
【００６８】
次に、図３０乃至図３４を参照して、本発明の別の側面である実効放射率算出方法について説明する。ここで、図３０は、２種類の放射温度計２００Ａ及び２００Ｂとそれらの近傍の概略拡大断面図である。図３１は、２つの同種の放射温度計２００Ｃ及びその近傍の概略拡大断面図である。図３２乃至図３４は、本実施例の実効放射率算出方法を説明するためのグラフである。
【００６９】
放射温度計２００Ａ乃至２００Ｃは被処理体Ｗに関してランプ１３０と反対側に設けられている。本発明は放射温度計２００Ａ乃至２００Ｃがランプ１３０と同一の側に設けられる構造を排除するものではないが、ランプ１３０の放射光が放射温度計２００Ａ乃至２００Ｃに入射することを防止することが好ましい。
【００７０】
図３０及び図３１に示す放射温度計２００Ａ乃至２００Ｃは、石英又はサファイア製（本実施例では石英製）のロッド２１０と、光ファイバ２２０Ａ乃至２２０Ｃと、フォトディテクタ（ＰＤ）２３０とを有している。本実施例の放射温度計２００Ａ乃至２００Ｃは、チョッパ、チョッパを回転するためのモータ、ＬＥＤ、ＬＥＤを安定的に発光させるための温度調節機構などを必要とせず、必要最低限の比較的安価な構成を採用している。
【００７１】
まず、図３０を参照するに、放射温度計２００Ａ及び２００Ｂは処理室１１０の底部１１４に取り付けられ、より詳細には底部１１４の円筒形状の貫通孔１１５ａ及び１１５ｂにそれぞれ挿入されている。底部１１４の処理室１１０内部を向く面１１４ａには充分な研磨が施されて反射板（高反射率面）として機能する。これは、面１１４ａを黒色などの低反射率面とすると被処理体Ｗの熱を吸収してランプ１３０の照射出力を不経済にも上げなければならなくなるためである。
【００７２】
放射温度計２００Ａ及び２００Ｂは、同一のロッド２１０と、開口数（ＮＡ）が異なる光ファイバ２２０Ａ及び２２０Ｂと、それぞれの各ＰＤ２３０とを有する。
【００７３】
本実施例のロッド２１０は、径４ｍｍの石英製ロッドから構成される。石英やサファイアは良好な耐熱性と後述するように良好な光学的特性を有するために使用されているが、ロッド２１０の材料がこれらに限定されないことはいうまでもない。
【００７４】
必要があれば、ロッド２１０は処理室１１０内部に所定距離突出してもよい。ロッド２１０は、処理室１１０の底部１１４に設けられた貫通孔１１５Ａ及び１１５Ｂにそれぞれ挿通されて図示しないオーリングによりシールされている。これにより、処理室１１０は貫通孔１１５Ａ及び１１５Ｂに拘らずその内部の減圧環境を維持することができる。ロッド２１０は、その内部に一旦入射した熱放射光を殆ど外に出さずに、かつ、殆ど減衰することなく光ファイバ２２０Ａ及び２２０Ｂに案内することができるので集光効率に優れている。ロッド２１０Ａ及び２１０Ｂを被処理体Ｗに近づけることによりロッド２１０は被処理体Ｗから放射光を受け取り、これを、光ファイバ２２０Ａ及び２２０Ｂを介してＰＤ２３０に案内する。
【００７５】
光ファイバ２２０Ａ及び２２０Ｂは、光を伝搬するコアと、コアの周辺を覆う同心円状のクラッドから構成され、両者はＮＡにおいて異なる。コア及びプラスチックはガラスやプラスチックなどの透明な誘電体であり、クラッドの屈折率はコアのそれよりも少し小さくすることにより光の全反射を達成して外部に光を漏らすことなく伝搬する。異なるＮＡを実現するために、放射温度計２００Ａ及び２００Ｂは異なる材質のコア及び／又はクラッドの組み合わせを使用する。
【００７６】
ＰＤ２３０は、図示しない結像レンズ、Ｓｉホトセル、増幅回路を備え、結像レンズに入射した放射光を電圧、即ち、後述の放射強度Ｅ1（Ｔ）、Ｅ2（Ｔ）を表す電気信号に変換して制御部３００に送る。制御部３００はＣＰＵ、ＭＰＵその他のプロセッサと、ＲＡＭ及びＲＯＭなどのメモリを備えており、後述する放射強度Ｅ1（Ｔ）、Ｅ2（Ｔ）を基に被処理体Ｗの放射率ε及び基板温度Ｔを算出する。なお、この演算は放射温度計２００内の図示しない演算部が行ってもよい。
【００７７】
ロッド２１０が受光した放射光は光ファイバ２２０Ａ及び２２０Ｂを経てＰＤ２３０に導入される。
【００７８】
以下、異なるＮＡを利用した本発明の実行放射率算出方法について説明する。被処理体Ｗとロッド２１０との間の多重反射とランプ１３０からの直接光とを考慮すると被処理体Ｗの実行放射率εeffは以下の数式２で与えられる。
【００７９】
【数２】
【００８０】
ここで、εeffは被処理体Ｗの実効放射率、εは被処理体Ｗの放射率、ｒは処理室１１０の底部１１４の面１１４ａの反射率、Ｆは以下の数式３で与えられるビューファクター（ｖｉｅｗ ｆａｃｔｏｒ）、αは多重反射係数である。
【００８１】
【数３】
【００８２】
ここで、多重反射係数αは、ロッド２１０直径Ｄ１、被処理体Ｗと面１１４ａとの距離Ｄ２、放射温度計２００Ａ及び２００Ｂ（便宜上、参照番号２００で総括する。）の持つそれぞれの開口数ＮＡ（０≦ＮＡ≦１）の３つの値に依存して以下のような数値をとるものと予想される。またγは図３５に示すようにロッド２１０、面１１４ａ及び被処理体Ｗから決定されるのぞみ角を示す。
【００８３】
【数４】
【００８４】
【数５】
【００８５】
【数６】
【００８６】
【数７】
【００８７】
このとき同定式として上記4つの条件が成立する予測式を以下の数式８のように定義する。
【００８８】
【数８】
【００８９】
ここで、Ｎ１、Ｎ２は数式８でのパラメータとする。従って、多重反射係数αは、以下の数式９のように表される。
【００９０】
【数９】
【００９１】
数式９で表されるαは数式４乃至数式７を十分満足する可能性があることが理解されるであろう。そこで、数式９を前提としてＮ１及びＮ２の二つのパラメータを決定し、その妥当性を検討する。
【００９２】
まず、ロッド２１０の径４ｍｍを固定してＮＡを振った計算を行う（時間の短縮から被処理体Ｗはε＝０.２のもののみから計算した）。このときＮＡは０乃至１の範囲である。これより得たデータと数式９の前提とを比較して、Ｎ１とＮ２／（Ｄ１／Ｄ２）の値を暫定的に決定する。同様にして直径２ｍｍのものと２０ｍｍのものについて計算し、Ｎ１とＮ２／（Ｄ１／Ｄ２）の値を決定する。Ｎ１、Ｎ２の決め方としてＮ１とＮ２／（Ｄ１／Ｄ２）−Ｄ１／Ｄ２曲線を用いた（上記で求めたＮ２／（Ｄ１／Ｄ２）においてＮ２が３者共通の値になるようにＮ１を選択する）。
【００９３】
上記の方法で決定したＮ１とＮ２／（Ｄ１／Ｄ２）の暫定的な値により、1−αとＮＡとの関係を図３２乃至図３４に示す。またその検証を図３４に示す。この結果Ｎ１＝０．０１、Ｎ２＝５００とすることができ、数式９は以下の数式１０のように表すことができる。
【００９４】
【数１０】
【００９５】
これによりＲＴＰにおいてロッド２１０の径が変更しても、被処理体Ｗと面１１４ａとの距離を変更しても、ＮＡの大小に拘らず、被処理体Ｗの実効放射率を容易に算出することができる。
【００９６】
今、光ファイバ２２０ＡがＮＡ＝０．２、２２０ＢがＮＡ＝０．３４を有する場合、このときのαをα0.2とα0.34とすると、それらは数式１０より以下の数式１１及び数式１２で表されることが分かる。
【００９７】
【数１１】
【００９８】
【数１２】
【００９９】
これより被処理体Ｗの実効放射率は以下の数式１３及び数式１４で与えられる。
【０１００】
【数１３】
【０１０１】
【数１４】
【０１０２】
放射温度計２００は、温度の換算を放射光束（Ｗ）で計算している。このためＮＡ＝０．２のときの角度をθ１、ＮＡ＝０．３４のときの角度をθ２とすると２つの放射温度計での入射光束の違いは以下の数式１５及び数式１６で与えられる。但し、θは図３５に示すように光ファイバの最大受光角を示し、θ＝ｓｉｎ-1（ＮＡ）と表すことが出来る。
【０１０３】
【数１５】
【０１０４】
【数１６】
【０１０５】
よって２つの放射温度計２００Ａ及び２００Ｂの入射光束比は以下の数式１７のように表すことができる。
【０１０６】
【数１７】
【０１０７】
【数１８】
【０１０８】
ここで、数式１９のようにβを置くと、数式１３は以下の数式２０乃至数式２４のように変形することができる。
【０１０９】
【数１９】
【０１１０】
【数２０】
【０１１１】
【数２１】
【０１１２】
【数２２】
【０１１３】
【数２３】
【０１１４】
【数２４】
【０１１５】
よって被処理体Ｗの放射率εは以下の数式２５のように算出することができる。
【０１１６】
【数２５】
【０１１７】
ここで再び数式１１若しくは数式１２より実効放射率を算出する。ここではＮＡの小さいＮＡ＝０．２の実効放射率で計算を続ける。数式２３で算出した放射率εを数式１１に代入すると以下の数式２６のようになる。
【０１１８】
【数２６】
【０１１９】
このときＮＡ＝０．２の放射温度計２００Ａには、Ｅ0.2の放射エネルギーが入射しているため、以下のような数式２７が成立する。
【０１２０】
【数２７】
【０１２１】
ここでＥbは黒体放射による放射エネルギーである。次に、数式２５を以下のように変形する。
【０１２２】
【数２８】
【０１２３】
この入射エネルギーはＪＩＳ １６１２より、以下のような関係式がある。
【０１２４】
【数２９】
【０１２５】
ここでＴは被処理体Ｗの温度、ｃ２は０．０１４３８８ｍ／ｋ（放射の第二定数）、Ａ、Ｂ、Ｃは放射温度計２００固有の定数（校正によって決まる）、Ｅbは黒体放射による放射エネルギー（通常は放射温度計の出力Ｖ）である。
【０１２６】
上記の算出方法は２本の異なるＮＡを持つ放射温度計２００Ａ及び２００Ｂより被処理体Ｗの放射率を求めるものであるが、数式９よりＤ１／Ｄ２の比を変化させても同様に求めることができる。かかる実施例を図３１に示す。
【０１２７】
図３１においては、処理室１１０の底部１１４には、底面１１４ａに対応する底面１１４ｂと、底面１１４ｂから突出する凸部１１４ｃの上面１１４ｄとが設けられている。このため、同一の放射温度計２００Ｃを使用しているが、被処理体Ｗと放射温度計２００Ｃの石英ロッド２１０間の距離Ｄ２は異なる。このため、図３１に示す実施例においても、図３０に示す実施例と同様に被処理体Ｗの放射率を求めることが可能となる。
【０１２８】
例えば、図３１において、ＮＡ＝０．２の放射温度計２００Ｃを用意して、ロッド２１０と被処理体Ｗまでの距離が３．５ｍｍ（図３１の左側）と５ｍｍ（図３１の右側）に設置する。またロッド２１０の径を４ｍｍとする。ここでは数式９より各多重反射係数を以下の数式３０及び数式３１のように表すことができる。
【０１２９】
【数３０】
【０１３０】
【数３１】
【０１３１】
これより、数式１３及び数式１４と同様に実効放射率α3.5、α5.0を求める。後の被処理体Ｗの放射率被処理体の温度を求めるまでの流れは、数式１５乃至数式２８まで各添字において０．２を３．５に、０．３４を５．０に置きかえるだけで全く同様に被処理体Ｗの温度Ｔを算出することができる。
【０１３２】
検出器２７０又は制御部３００は、数式２５乃至数式２９によって被処理体Ｗの温度Ｔを算出することができる。いずれにしろ制御部３００は被処理体Ｗの温度Ｔを得ることができる。また、これらの数式を含む温度測定演算プログラムは、フロッピーディスクその他のコンピュータ可読媒体に格納され、及び／又は、インターネットその他の通信ネットワークを利用してオンライン配信されて独立の取引対象となり得る。
【０１３３】
制御部３００は内部にＣＰＵ及びメモリを備え、被処理体Ｗの温度Ｔを認識してランプドライバ３１０を制御することによってランプ１３０の出力をフィードバック制御する。また、制御部３００は、後述するように、モータドライバ３２０に所定のタイミングで駆動信号を送って被処理体Ｗの回転速度を制御する。
【０１３４】
ガス導入部１８０は、例えば、図示しないガス源、流量調節バルブ、マスフローコントローラ、ガス供給ノズル及びこれらを接続するガス供給路を含み、熱処理に使用されるガスを処理室１１０に導入する。なお、本実施例ではガス導入部１８０は処理室１１０の側壁１１２に設けられて処理室１１０の側部から導入されているが、その位置は限定されず、例えば、シャワーヘッドとして構成されて処理室１１０の上部から処理ガスを導入してもよい。
【０１３５】
アニールであればガス源はＮ2、Ａｒなど、酸化処理であればＯ2、Ｈ2、Ｈ2Ｏ、ＮＯ2、窒化処理であればＮ2、ＮＨ3など、成膜処理であればＮＨ3、ＳｉＨ2Ｃｌ2やＳｉＨ4などを使用するが、処理ガスはこれらに限定されないことはいうまでもない。マスフローコントローラはガスの流量を制御し、例えば、ブリッジ回路、増幅回路、コンパレータ制御回路、流量調節バルブ等を有し、ガスの流れに伴う上流から下流への熱移動を検出することによって流量測定して流量調節バルブを制御する。ガス供給路は、例えば、シームレスパイプを使用したり、接続部に食い込み継ぎ手やメタルガスケット継ぎ手を使用したりして供給ガスへの配管からの不純物の混入が防止している。また、配管内部の汚れや腐食に起因するダストパーティクルを防止するために配管は耐食性材料から構成されるか、配管内部がＰＴＦＥ（テフロン）、ＰＦＡ、ポリイミド、ＰＢＩその他の絶縁材料により絶縁加工されたり、電解研磨処理がなされたり、更には、ダストパーティクル捕捉フィルタを備えたりしている。
【０１３６】
排気部１９０は、本実施例ではガス導入部１８０と略水平に設けられているが、その位置及び数は限定されない。排気部１９０には所望の排気ポンプ（ターボ分子ポンプ、スパッターイオンポンプ、ゲッターポンプ、ソープションポンプ、クライオポンプなど）が圧力調整バルブと共に接続される。なお、本実施例では処理室１１０は減圧環境に維持されるが、本発明は減圧環境を必ずしも必須の構成要素とするものではなく、例えば、１３３Ｐａ乃至大気圧の範囲で適用可能である。排気部１９０はヘリウムガスを次の熱処理前までに排気する機能も有する。
【０１３７】
図３６は、被処理体Ｗの冷却速度に関するシミュレーションの結果を示すグラフである。図３６において、ギャップは被処理体Ｗと底部１１４との間隔を意味する。図３６に示すグラフから（１）ギャップが小さくなる程冷却速度が上がる、（２）被処理体Ｗと底部１１４との間に熱伝導率の高いヘリウムガスを流すことで飛躍的に冷却速度が上がる、ことが理解されるであろう。
【０１３８】
図１に示すＲＴＰ装置１００の構成は、被処理体Ｗの上面をランプ１３０により加熱して被処理体Ｗの裏面に冷却プレートとしての底部１１４を設けている。このため、図１に示す構造は冷却速度は比較的速いが、放熱量が多くなるために急速昇温には比較的大きな電力が必要となる。これに対して冷却管１１６の冷却水の導入を加熱時に停止する方法も考えられるが歩留まりが下がるために好ましくはない。
【０１３９】
そこで、図３７乃至図３９に示すように、冷却プレートしての底部１１４は被処理体Ｗに対して可動に構成された底部１１４Ａに置換されてもよい。より好ましくは、放熱効率を高めるために、冷却時に熱伝導率の高いヘリウムガスを被処理体Ｗと底部１１４Ａとの間に流される。ここで、図３７は、被処理体Ｗに対して可動に構成された冷却プレートしての底部１１４Ａを説明するための概略断面図である。図３８は、図３７の構造において被処理体Ｗを加熱する際の被処理体Ｗと底部１１４Ａとの位置関係を説明するための概略断面図である。図３９は、図３７の構造において被処理体Ｗを冷却する際の被処理体Ｗと底部１１４Ａとの位置関係を説明するための概略断面図である。なお、図３７乃至図３９においては放射温度計２００と接続する制御部３００や冷却管１１６は省略されている。
【０１４０】
図３７に示すように、処理室１１０内の減圧環境を維持するベローズなどを有して制御部３００により動作制御される昇降機構１１７により底部１１４Ａは被処理体Ｗに対して昇降することができる。昇降機構１１７には当業界で周知のいかなる構造をも適用することができるので、ここでは詳しい説明は省略する。なお、本実施例と異なり、被処理体Ｗ又はサポートリング１５０を可動に構成してもよい。被処理体Ｗを加熱する際には、図３８に示すように、底部１１４Ａを被処理体Ｗから離間するように下降させると共にヘリウムガスの供給を停止する。このとき、被処理体Ｗと底部１１４との距離は、例えば、１０ｍｍである。底部１１４Ａと被処理体Ｗとの間隔が大きいので被処理体Ｗは底部１１４Ａの影響をあまり受けずに高速昇温が可能となる。図３８に示す底部１１４Ａの位置が、例えば、ホームポジションに設定される。
【０１４１】
被処理体Ｗを冷却する際には、図３９に示すように、底部１１４Ａを被処理体Ｗに近接するように上昇させると共にヘリウムガスの供給を開始する。底部１１４Ａと被処理体Ｗとの間隔が狭いので被処理体Ｗは底部１１４Ａの影響を高速冷却が可能となる。このとき、被処理体Ｗと底部１１４との距離は、例えば、１ｍｍである。図３９のヘリウムガスの導入例を図４０に示す。ここで、図４０は、図３９の実線領域Ｖの概略拡大断面図である。同図に示すように、底部１１４には無数の小さな孔１１５ａが設けられてヘリウムガスを案内する。ヘリウムガス供給管に接続されたバルブ４００を有するケース４１０が底部１１４に接続されている。
【０１４２】
本実施例は冷却プレート１１４Ａと被処理体Ｗとの相対的移動について説明したが、本発明は被処理体Ｗとランプ１３０との相対的移動にも適用することができる。
【０１４３】
以下、被処理体Ｗの回転機構について図１を参照して説明する。集積回路の各素子の電気的特性や製品の歩留まり等を高く維持するためには被処理体Ｗの表面全体に亘ってより均一に熱処理が行われることが要求される。被処理体Ｗ上の温度分布が不均一であれば、例えば、成膜処理における膜厚が不均一になったり、熱応力によりシリコン結晶中に滑りを発生したりするなど、ＲＴＰ装置１００は高品質の熱処理を提供することができない。被処理体Ｗ上の不均一な温度分布はランプ１３０の不均一な照度分布に起因する場合もあるし、ガス導入部１８０付近において導入される処理ガスが被処理体Ｗの表面から熱を奪うことに起因する場合もある。回転機構はウェハを回転させて被処理体Ｗがランプ１３０により均一に加熱されることを可能にする。
【０１４４】
被処理体Ｗの回転機構は、サポートリング１５０と、リング状の永久磁石１７０と、リング状のＳＵＳなどの磁性体１７２と、モータドライバ３２０と、モータ３３０とを有する。
【０１４５】
サポートリング１５０は、耐熱性に優れたセラミックス、例えば、ＳｉＣなどから構成された円形リング形状を有する。サポートリング１５０は被処理体Ｗの載置台として機能し、中空円部において断面Ｌ字状に周方向に沿ってリング状の切り欠きを有する。かかる切り欠き半径は被処理体Ｗの半径よりも小さく設計されているのでサポートリング１５０は切り欠きにおいて被処理体Ｗ（の裏面周縁部）を保持することができる。必要があれば、サポートリング１５０は被処理体Ｗを固定する静電チャックやクランプ機構などを有してもよい。サポートリング１５０は、被処理体Ｗの端部からの放熱による均熱の悪化を防止する。
【０１４６】
サポートリング１５０は、その端部において支持部１５２に接続されている。必要があれば、サポートリング１５０と支持部１５２との間には石英ガラスなどの断熱部材が挿入されて、後述する磁性体１７２などを熱的に保護する。本実施例の支持部１５２は中空円筒形状の不透明な石英リング部材として構成されている。ベアリング１６０は支持部１５２及び処理室１１０の内壁１１２に固定されており、処理室１１０内の減圧環境を維持したまま支持部１５２の回転を可能にする。支持部１５２の先端には磁性体１７２が設けられている。
【０１４７】
同心円的に配置されたリング状の永久磁石１７０と磁性体１７２は磁気結合されており、永久磁石１７０はモータ３３０により回転駆動される。モータ３３０はモータドライバ３２０により駆動され、モータドライバ３２０は制御部３００によって制御される。
【０１４８】
この結果、永久磁石１７０が回転すると磁気結合された磁性体１７２が支持部１５２と共に回転し、サポートリング１５０と被処理体Ｗが回転する。回転速度は、本実施例では例示的に９０ＲＰＭであるが、実際には、被処理体Ｗに均一な温度分布をもたらすように、かつ、処理室１１０内でのガスの乱流や被処理体Ｗ周辺の風切り効果をもたらさないように、被処理体Ｗの材質や大きさ、処理ガスの種類や温度などに応じて決定されることになるであろう。磁石１７０と磁性体１７２は磁気結合されていれば逆でもよいし両方とも磁石でもよい。
【０１４９】
次に、ＲＴＰ装置１００の動作について説明する。図示しないクラスターツールなどの搬送アームが被処理体Ｗを図示しないゲートバルブを介して処理室１１０に搬入する。被処理体Ｗを支持した搬送アームがサポートリング１５０の上部に到着すると、図示しないリフタピン昇降系がサポートリング１５０から（例えば、３本の）図示しないリフタピンを突出させて被処理体Ｗを支持する。この結果、被処理体Ｗの支持は、搬送アームからリフタピンに移行するので、搬送アームはゲートバルブより帰還させる。その後、ゲートバルブは閉口される。搬送アームはその後図示しないホームポジションに移動してもよい。
【０１５０】
一方、リフタピン昇降系は、その後、図示しないリフタピンをサポートリング１５０の中に戻し、これによって被処理体Ｗをサポートリング１５０の所定の位置に配置する。リフタピン昇降系は図示しないベローズを使用することができ、これにより昇降動作中に処理室１１０の減圧環境を維持すると共に処理室１０２内の雰囲気が外部に流出するのを防止する。
【０１５１】
その後、制御部３００はランプドライバ３１０を制御し、ランプ１３０を駆動するように命令する。これに応答して、ランプドライバ３１０はランプ３００を駆動し、ランプ１３０は被処理体Ｗを、例えば、約８００℃まで加熱する。本実施例の熱処理装置１００は、レンズアッセンブリ１２２とメッキ部１４９によってランプ１３０の指向性を高めつつ、リフレクタを取り除いてランプ密度とそれによってパワー密度を高めているので所望の高速昇温を得ることができる。ランプ１３０から放射された熱線は石英ウインドウ１２０を介して処理空間にある被処理体Ｗの上面に照射されて被処理体Ｗを、例えば、８００℃へ２００ーＣ／ｓの加熱速度で高速昇温する。一般に被処理体Ｗの周辺部はその中心側と比較して放熱量が多くなる傾向があるが、本実施例のランプ１３０は同心円状に配置して領域毎の電力制御も可能であるので高い指向性と温度制御能力を提供する。装置１００が図３１に示す構造を使用すれば底部１１４Ａは、この時、図３８に示すようにホームポジションに配置される。特に、図３８に示す構造は被処理体Ｗが冷却プレートである底部１１４Ａから離間してその影響を受けにくいので効率的な高速昇温が可能である。加熱と同時又はその前後に、排気部１９０が処理室１１０の圧力を減圧環境に維持する。
【０１５２】
同時に、制御部３００はモータドライバ３２０を制御し、モータ３３０を駆動するように命令する。これに応答して、モータドライバ３２０はモータ３３０を駆動し、モータ３３０はリング状磁石１７０を回転させる。この結果、支持部１５２（又は１５２Ａ）が回転し、被処理体Ｗがサポートリング１５０と共に回転する。被処理体Ｗが回転するのでその面内の温度は熱処理期間中に均一に維持される。
【０１５３】
加熱中は、レンズアッセンブリ１２２、補強材１２４及び／又は導波部１２６により石英ウインドウ１２０は石英プレート１２１の厚さが比較的薄いので幾つかの長所を有する。これらの長所は、（１）ランプ１３０からの光をあまり吸収しないので被処理体Ｗへの照射効率を低下しない、（２）プレート１２１の表裏面で温度差が小さいので熱応力破壊が発生しにくい、（３）成膜処理の場合でもプレート１２１の温度上昇が少ないためにその表面に堆積膜や反応副生成物が付着しにくい、（４）レンズアッセンブリ１２２が石英ウインドウ１２０の強度を高めているのでプレート１２０が薄くても処理室１１０内の減圧環境と大気圧との差圧を維持することができる、を含む。
【０１５４】
被処理体Ｗの温度は放射温度計２００により測定されて、制御部３００はその測定結果に基づいてランプドライバ３１０をフィードバック制御する。被処理体Ｗは回転しているためにその表面の温度分布は均一であることが期待されるが、必要があれば、放射温度計２００は、被処理体Ｗの温度を複数箇所（例えば、その中央と端部）測定することができ、放射温度計２００が被処理体Ｗ上の温度分布が不均一であると測定すれば、制御部３００は被処理体Ｗ上の特定の領域のランプ１３０の出力を変更するようにランプドライバ３１０に命令することもできる。その際、メッキ部１４９及びレンズアッセンブリ１２２によって制御性が高められているので被処理体Ｗの所望の部位を必要なだけ制御性良く加熱することができる。
【０１５５】
放射温度計２００は、チョッパやＬＥＤ等を使用しない単純な構造であるため安価であると共に装置１００の小型化と経済性向上に資する。また、本発明の実効放射率算出方法により温度測定精度が高い。被処理体Ｗは、熱処理においては高温環境下に長時間置かれると不純物が拡散して集積回路の電気的特性が悪化するため、高速昇温と高速冷却が必要でありそのために被処理体Ｗの温度管理が不可欠であるが、本実施例の実効放射率算出方法はかかる要請に応えるものである。この結果、ＲＴＰ装置１００は高品質の熱処理を提供することができる。
【０１５６】
次いで、図示しないガス導入部から流量制御された処理ガスが処理室１１０に導入される。所定の熱処理（例えば、１０秒間）が終了すると制御部３００はランプドライバ３１０を制御してランプ１３０の加熱を停止するように命令する。これに応答して、ランプドライバ３１０はランプ１３０の駆動を停止する。装置１００が図３１に示す構造を使用すれば制御部３００は昇降機構１１７を制御して、底部１１４Ａを図３３に示す冷却位置に移動する。また、好ましくは、熱伝導性の高いヘリウムガスが図３４に示すように被処理体Ｗと底部１１４Ａとの間に導入される。これにより、被処理体Ｗの冷却効率は高くなり比較的低消費電力で高速冷却を行うことができる。冷却速度は、例えば、２００ーＣ／ｓである。
【０１５７】
熱処理後に被処理体Ｗは上述したのと逆の手順によりゲートバルブから処理室１１０の外へクラスターツールの搬送アームにより導出される。次いで、必要があれば、搬送アームは被処理体Ｗを次段の装置（成膜装置など）に搬送する。
【０１５８】
以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はその要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【０１５９】
【発明の効果】
本発明の例示的一態様である石英ウインドウ及び熱処理装置によれば、石英ウインドウのレンズ部材がプレートの強度を高めて薄型化を促進するのでプレートが熱源からの放射光を吸収する量が少なくなる。この結果、被処理体への照射効率の向上やプレートの熱破壊の防止などを達成することができる。また、レンズ部材は熱源からの放射光の指向性を改善するので本発明の熱処理装置は高速昇温のＲＴＰを実現することができ、高品質で歩留まりのよい処理を被処理体に施すことができる。また、リフレクタを使用しないので本発明の熱処理装置は経済的にも優れている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の例示的一態様としての熱処理装置の概略断面図である。
【図２】 図１に示す熱処理装置に適用可能な石英ウインドウの概略上面図である。
【図３】 図２に示す石英ウインドウのＡ−Ａ断面図である。
【図４】 図２に示す石英ウインドウのＢ−Ｂ断面図である。
【図５】 図４に示す石英ウインドウの点線領域Ｃの拡大図である。
【図６】 図２に示す石英ウインドウに使用されるレンズアッセンブリの一部拡大斜視図である。
【図７】 図２に示す石英ウインドウの変形例であり、図３に対応する石英ウインドウの一部拡大断面図である。
【図８】 図２に示す石英ウインドウの更に別の変形例であり、図３に対応する石英ウインドウの一部拡大断面図である。
【図９】 図８に示す石英ウインドウを使用した場合に、被処理体の中心を（０，０）として図２に示すＸ及びＹ方向に関する距離と、被処理体に照射される放射光の照度との関係を３次元的に示す図である。
【図１０】 図９を上から見た図である。
【図１１】 図２に示す石英ウインドウの更に別の変形例であり、図３に対応する石英ウインドウの一部拡大断面図である。
【図１２】 図１１に示す石英ウインドウを使用した場合に、被処理体の中心を（０，０）として図２に示すＸ及びＹ方向に関する距離と、被処理体に照射される放射光の照度との関係を３次元的に示す図である。
【図１３】 図１２を上から見た図である。
【図１４】 図１に示す熱処理装置の加熱部のより詳細な構造を示す拡大底面図である。
【図１５】 図１４に示す加熱部の部分断面側面図である。
【図１６】 図１５に示す加熱部のランプからメッキ部を取り除いた正面図である。
【図１７】 図１６に示すランプの側面図である。
【図１８】 図１４の変形例としての加熱部の拡大底面図である。
【図１９】 図１８に示す加熱部の部分断面族面図である。
【図２０】 図１４に示す加熱部のＸ方向に整列するランプの冷却機構を説明するための断面図である。
【図２１】 図２０に示すランプの側面図である。
【図２２】 図２０に示すランプの平面図である。
【図２３】 メッキ部としての金メッキ膜を有するランプを使用した場合に、被処理体の中心を（０，０）として図１７に示すＸ及びＹ方向に関する距離と、被処理体に照射される放射光の照度との関係を３次元的に示す図である。
【図２４】 図２３を上から見た図である。
【図２５】 図１に示す熱処理装置の加熱部の変形例を説明するための図であり、加熱部に適用されるランプからメッキ部を取り除いた斜視図である。
【図２６】 図１に示す熱処理装置の加熱部の更に別の変形例を説明するための図であり、加熱部に適用されるランプからメッキ部を取り除いた斜視図である。
【図２７】 図２５及び図２６に示すそれぞれのランプのメッキ部による被覆を説明するための断面図である。
【図２８】 図２５に示すランプを有する加熱部の図１４に示すＸ方向に沿った縦断面図である。
【図２９】 図２８に示す加熱部の図１４に示すＹ方向に沿った横断面図である。
【図３０】 図１に示す熱処理装置に適用可能な２種類の放射温度計及びその近傍の概略拡大断面図である。
【図３１】 図１に示す熱処理装置に適用可能な２つの同種の放射温度計及びその近傍の概略拡大断面図である。
【図３２】 本発明の実効放射率算出方法を説明するために使用されるグラフである。
【図３３】 本発明の実効放射率算出方法を説明するために使用されるグラフである。
【図３４】 本発明の実効放射率算出方法を説明するために使用されるグラフである。
【図３５】 本発明の実効放射率算出方法に使用されるパラメータを定義する断面図である。
【図３６】 被処理体の冷却速度に関するシミュレーションの結果を示すグラフである。
【図３７】 図１に示す熱処理装置の冷却プレートしての底部の変形例を説明するための概略断面図である。
【図３８】 図３７に示す構造において被処理体を加熱する際の被処理体と底部との位置関係を説明するための概略断面図である。
【図３９】 図３７に示す構造において被処理体を冷却する際の被処理体と底部との位置関係を説明するための概略断面図である。
【図４０】 図３９に示す実線領域Ｖの概略拡大断面図である。
【図４１】 シングルエンドランプによって下方の被処理体を放射光で加熱する場合に指向性が最もよくなる場合のリフレクタの傾斜角度を説明するための断面図である。
【図４２】 図５に対比される円筒石英ウインドウを通過した光の指向性を説明するための断面図である。
【図４３】 従来のシングルエンドランプを使用した場合に、被処理体の中心を（０，０）として図１７に示すＸ及びＹ方向に関する距離と、被処理体に照射される放射光の照度との関係を３次元的に示す、図２３に対比される図である。
【図４４】 図４３を上から見た図である。
【符号の説明】
１００ 熱処理装置
１１０ 処理室
１２０ 石英ウインドウ
１２２ レンズアッセンブリ
１２３ レンズ素子
１２４ 補強材
１２５ 冷却管
１２６ 導波管
１２８ 流路
１３０ ランプ
１３２ 電極部
１３４ 発光部
１４０ 加熱源
１４２ ランプ保持部
１４９ メッキ部
１９０ 排気部
２００ 放射温度計
２１０ ロッド
２２０ 光ファイバ
２３０ フォトディテクタ
３００ 制御部
３１０ ランプドライバ
【０００２】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単結晶基板、ガラス基板などの被処理体を加熱処理する熱処理装置と、当該熱処理装置に使用される石英ウインドウに関する。本発明は、例えば、メモリやＩＣなどの半導体装置の製造に適した急速熱処理（ＲＴＰ：ＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）装置に好適である。ここで、ＲＴＰは、急速熱アニーリング（ＲＴＡ）、急速クリーニング（ＲＴＣ）、急速熱化学気相成長（ＲＴＣＶＤ）、急速熱酸化（ＲＴＯ）、及び急速熱窒化（ＲＴＮ）などを含む技術である。
【０００３】
【従来の技術】
一般に、半導体集積回路を製造するためには、半導体ウェハ等のシリコン基板に対して成膜処理、アニール処理、酸化拡散処理、スパッタ処理、エッチング処理、窒化処理等の各種の熱処理が複数回に亘って繰り返される。
【０００４】
半導体製造処理の歩留まりと品質を向上させるため等の目的から急速に被処理体の温度を上昇及び下降させるＲＴＰ技術が注目されている。従来のＲＴＰ装置は、典型的に、被処理体（例えば、半導体ウェハ、フォトマスク用ガラス基板、液晶表示用ガラス基板、光ディスク用基板）を収納する枚葉式チャンバ（処理室）と、処理室に配置された石英ウインドウと、石英ウインドウの外部上部又は上下部に配置された加熱用ランプ（例えば、ハロゲンランプ）と、ランプの被処理体とは反対側に配置されたリフレクタ（反射板）とを有している。
【０００５】
リフレクタは、例えば、アルミニウム製で、その反射部には、典型的に、金メッキが施されている。リフレクタには、リフレクタのランプによる温度破損（例えば、高温による金メッキ剥離）と冷却時にリフレクタが冷却を妨げないようにするための冷却機構（冷却管など）が設けられている。ＲＴＰ技術で要求される急速昇温は、ランプのパワー密度とランプから被処理体への光照射の指向性に依存する。指向性及びランプのエネルギー効率は、例えば、バルブのように電極部３を一つのみ有するシングルエンドランプ２の場合、図４１に示すように、リフレクタ４の傾斜角度αを４５°にした場合に、下方に配置された被処理体に対して最大になる。ここで、図４１は、シングルエンドランプ２によって下方の被処理体を放射光で加熱する場合に指向性とエネルギー効率が最もよくなる場合のリフレクタ４の傾斜角度を説明するための断面図である。
【０００６】
石英ウインドウは、板状に構成されたり、被処理体を内部に収納可能な管状に構成されたりする。処理室が真空ポンプにより排気されて内部が減圧環境に維持される場合には、石英ウインドウは数１０ｍｍ（例えば、３０乃至４０ｍｍ）の肉厚を有して減圧と大気との差圧を維持する。石英ウインドウは、温度が上昇することで発生する各温度差による熱応力を防ぐために、肉薄で耐圧可能な湾曲状に加工される場合もある。
【０００７】
ハロゲンランプは、被処理体を均一に加熱するために複数個配列され、リフレクタによって、ハロゲンランプからの赤外線を一様に被処理体に向かって放射する。処理室は、典型的に、その側壁において被処理体を導出入するゲートバルブに接続され、また、その側壁において熱処理に使用される処理ガスを導入するガス供給ノズルと接続される。
【０００８】
被処理体の温度は処理の品質（例えば、成膜処理における膜厚など）に影響を与えるために正確に把握される必要があり、高速昇温及び高速冷却を達成するために被処理体の温度を測定する温度測定装置が処理室に設けられる。温度測定装置は熱電対によって構成されてもよいが、被処理体と接触させねばいけないことから被処理体が熱電対を構成する金属によって汚染されるおそれがある。そこで、被処理体の裏面から放射される赤外線強度を検出し、その放射強度を以下の数式１に示す式に則って被処理体の放射率εを求めて温度換算することによって被処理体の温度を算出するパイロメータが温度測定装置として従来から提案されている。
【０００９】
【数１】
ここで、ＥBB（Ｔ）は温度Ｔの黒体からの放射強度、Ｅm（Ｔ）は温度Ｔの被処理体から測定された放射強度、εは被処理体の放射率である。
【００１１】
動作においては、被処理体はゲートバルブから処理室に導入されて、ホルダーにその周辺が支持される。熱処理時には、ガス供給ノズルより、窒素ガスや酸素ガス等の処理ガスが導入される。一方、ハロゲンランプから照射される赤外線は被処理体に吸収されて被処理体の温度は上昇する。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の石英ウインドウは厚さが数１０ｍｍと厚いことから以下のような問題を有する。即ち、第１に、ランプ光が石英に吸収されて被処理体への照射効率を低下させる。第２に、ランプ面とその反対側の面で温度差が生じて、ＲＴＰのような急速昇温時には表裏面での熱応力差から石英ウインドウが破壊し易い。第３に、石英ウインドウと同様にランプを湾曲させれば被処理体とランプとの距離が離れてランプの指向性を悪化させる。第４に、石英ウインドウの温度が上昇し、特に、成膜処理の場合には、その表面に堆積膜や反応副生成物が付着してしまい温度再現性を確保できないと共に処理室１１０のクリーニングの頻度が増加する。一方、厚さを薄くすると石英ウインドウはランプ光の吸収を減少することができるが、処理室内の減圧環境と大気圧との差圧に耐えられずに容易に破壊してしまい、減圧環境の処理室には適用できないという問題を生じる。更に、熱源からの放射光は拡散しながら被処理体に導入されるため指向性が良くなく、指向性を改善する需要が従来から存在していた。
【００１３】
そこで、このような課題を解決する新規かつ有用な石英ウインドウ及び熱処理装置を提供することを本発明の概括的目的とする。
【００１４】
より特定的には、被処理体に減圧環境下で熱処理を施す熱処理装置の減圧環境と大気圧との差圧を維持することができ、かつ、熱源からの熱の吸収が比較的少なく、更に、熱源からの放射光の指向性を改善する石英ウインドウ及び熱処理装置を提供することを本発明の例示的目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の一側面としての石英ウインドウは、被処理体にランプからの放射光により熱処理を行う熱処理装置の前記被処理体と前記ランプの間に配置可能な石英ウインドウであって、石英製プレートと、当該プレートに固定されて当該プレートの強度を高めると共に前記ランプからの放射光を前記被処理体に向かって集光するレンズ部材とを有する。かかる石英ウインドウはレンズ部材がプレートの強度を高めているのでプレートを薄くすることができ、この結果、プレートによるランプからの熱の吸収を低減することができる。かかる石英ウインドウを有する熱処理装置も同様の作用を奏することができ、特に、プレートに負荷がかかる減圧環境に好適である。また、レンズ部材はランプからの放射光を被処理体に向かって集光するので指向性を改善している。
【００１６】
前記熱処理装置が、前記ランプ（例えば、シングルエンドランプ）を複数有する場合、前記レンズ部材は前記ランプに対応した数のレンズ素子を有してもよい。これにより、レンズ部材は各ランプについて放射光の指向性を改善している。前記レンズ部材は、前記プレートは前記ランプに対向する面と前記被処理体に対向する面の両方に設けられてもよい。これによりプレートの強度を更に高めることができ、プレートの薄型化に寄与する。
【００１７】
また、前記プレートに前記プレートの強度を補強する（例えば、アルミニウム製の）補強材を更に設けてもよい。これにより、プレートの強度を更に高めることができ、プレートの薄型化（例えば、プレートの厚さを１０ｍｍ以下、好ましくは７ｍｍ以下、さらに好ましくは５ｍｍ以下にするなど）に寄与する。補強材は、プレートにおいてレンズ部材と同一面に設けられても良いし、対向面に設けられてもよい。また、補強材を冷却する冷却機構を更に有してもよい。これにより、補強材の熱変形並びにプレートの熱変形を防止することができる。補強材の断面形状は限定されない。補強材を複数設けた場合、隣接する補強材の間に、前記レンズ部材から前記プレートを介して導入される前記放射光を前記被処理体に導入するための石英製導波部を更に有することが好ましい。石英の屈折率と真空大気の屈折率の関係から導波部内では全反射が期待でき、補強材の側面での反射を利用して被処理体に放射光を導入する場合に比べてエネルギー損失が少ないからである。
【００１８】
本発明の他の目的及び更なる特徴は以下添付図面を参照して説明される好ましい実施例によって明らかにされるであろう。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の例示的な熱処理装置１００について説明する。なお、各図において同一の参照符号は同一部材を表している。また、同一の参照番号に大文字のアルファベットを付したものはアルファベットのない参照番号の変形例であり、特に断らない限り、アルファベットのない参照番号は大文字のアルファベットを付した参照番号を総括するものとする。ここで、図１は、本発明の例示的一態様としての熱処理装置１００の概略断面図である。図１に示すように、熱処理装置１００は、処理室（プロセスチャンバー）１１０と、石英ウインドウ１２０と、加熱部１４０と、サポートリング１５０と、ベアリング１６０と、永久磁石１７０と、ガス導入部１８０と、排気部１９０と、放射温度計２００と、制御部３００とを有する。
【００２０】
処理室１１０は、例えば、ステンレススチールやアルミニウム等により成形され、石英ウインドウ１２０と接続している。処理室１１０は、その円筒形の側壁１１２と石英ウインドウ１２０とにより被処理体Ｗに熱処理を施すための処理空間を画定している。処理空間には、半導体ウェハなどの被処理体Ｗを載置するサポートリング１５０と、サポートリング１５０に接続された支持部１５２が配置されている。これらの部材は被処理体Ｗの回転機構において説明する。また、側壁１１２には、ガス導入部１８０及び排気部１９０が接続されている。処理空間は排気部１９０によって所定の減圧環境に維持される。被処理体Ｗを導入及び導出するためのゲートバルブは図１においては省略されている。
【００２１】
処理室１１０の底部１１４は冷却管１１６ａ及び１１６ｂ（以下、単に「１１６」という。）に接続されており冷却プレートとして機能する。必要があれば、冷却プレート１１４は温度制御機能を有してもよい。温度制御機構は、例えば、制御部３００と、温度センサと、ヒータとを有し、水道などの水源から冷却水を供給される。冷却水の代わりに他の種類の冷媒（アルコール、ガルデン、フロン等）を使用してもよい。温度センサは、ＰＴＣサーミスタ、赤外線センサ、熱電対など周知のセンサを使用することができる。ヒータは、例えば、冷却管１１６の周りに巻かれたヒータ線などとしてから構成される。ヒータ線に流れる電流の大きさを制御することによって冷却管１１６を流れる水温を調節することができる。
【００２２】
石英ウインドウ１２０は処理室１１０に気密的に取り付けられて、処理室１１０内の減圧環境と大気との差圧を維持すると共に後述するランプ１３０からの熱放射光を透過する。図２乃至図５に示すように、石英ウインドウ１２０は、半径約４００ｍｍ、厚さ約３３ｍｍの円筒形石英プレート１２１と、複数のレンズ素子１２３からなる複数の石英レンズアッセンブリ１２２とを有する。ここで、図２は石英ウインドウ１２０の上面図である。図３は、図２に示す石英ウインドウ１２０のＡ−Ａ断面図である。図４は、図２に示す石英ウインドウ１２０のＢ−Ｂ断面図である。図５は、図４に示す石英ウインドウ１２０の点線領域Ｃの拡大図である。図６は、図２に示す石英ウインドウ１２０に使用されるレンズアッセンブリ１２２の一部拡大斜視図である。
【００２３】
レンズアッセンブリ１２２は、石英ウインドウ１２０の強度を高めると共に後述するランプ１３０からの放射光の指向性を高める働きを有する。図２に示すように、各レンズアッセンブリ１２２は、集光作用を有する複数のレンズ素子１２３を有しており、Ｘ方向に平行に整列しているがこれは後述するランプ１３０がＸ方向に平行に整列しているからであり、ランプ１３０の整列方向にレンズアッセンブリ１２２の整列方向は依存する。図示されているレンズ素子１２３の配向は例示的であり、例えば、本実施例では、レンズ素子１２３は図２に示すＸ方向にのみ湾曲しているがＹ方向又はＸ及びＹ方向に湾曲してもよい。本実施例では、レンズアッセンブリ１２２（のレンズ素子１３３及び後述するランプ１３０）は、ほぼ円形の被処理体Ｗを均一に加熱するように配置されている。
【００２４】
レンズアッセンブリ１２２はレンズアッセンブリ１２２、石英ウインドウ１２０及び後述するランプ１３０を冷却するための空気の流路ＡＦ（図２０及び図２２参照）として機能する。また、２つのレンズアッセンブリ１２２の間は、石英プレート１２１を熱伝導により水冷する後述する隔壁１４４との接触部１２８として機能する。
【００２５】
本実施例では、上述したように、石英プレート１２１の厚さは、約３０乃至４０ｍｍ以下、例えば、約３０ｍｍに設定されている。本発明は、石英プレート１２１の厚さを従来のように３０乃至４０ｍｍにしてレンズアッセンブリ１２２の集光作用のみを使用することを妨げるものではないが、本実施例のように薄い石英プレート１２１を使用すると後述するような効果を有する。また、本実施例のレンズアッセンブリ１２２の高さは、約３ｍｍ、図３においては幅２１ｍｍ以下を有し、レンズ素子１２３は図４においては長さ約１８ｍｍ、曲率半径は１０ｍｍを有するが、これに限定されるものではない。
【００２６】
本実施例では、ウインドウレンズアッセンブリ１２２は、石英プレート１２１の後述するランプ１３０に対向する片側にのみ設けられているが、石英プレート１２１の両側に設けられてもよいし、石英プレート１２１の後述するランプ１３０に対向しない片側にのみ設けられてもよい。
【００２７】
石英プレート１２１はレンズアッセンブリ１２２によって熱変形に対する強度が向上しているために、従来のように処理室１１０から離れる方向に湾曲するドーム型に形成される必要がなく、平面形状を有する。ドーム型に形成される石英ウインドウは被処理体をランプから離間する距離を大きくするのでランプの指向性を悪化させるという問題があったが、本実施例はかかる問題を解決している。本実施例は石英プレート１２１とレンズアッセンブリ１２２は溶接によって接合しているが、一体的に形成する方法を排除するものではない。
【００２８】
本実施例の石英プレート１２１の厚さは３０乃至４０ｍｍ以下、例えば、約３０ｍｍであり、従来の石英ウインドウの厚さである３０乃至４０ｍｍよりも小さい。この結果、本実施例の石英ウインドウ１２０は、従来の石英ウインドウよりも後述するランプ１３０からの光の吸収量が小さい。この結果、石英ウインドウ１２０は以下の長所を有する。即ち、第１に、ランプ１３０からの被処理体Ｗへの照射効率を従来よりも向上することができるので高速昇温を低消費電力で達成することができる。即ち、従来はランプ光が石英ウインドウに吸収されて被処理体Ｗへの照射効率を低下させる問題があったが本実施例はそれを解決している。第２に、プレート１２１の表裏面での温度差（即ち、熱応力差）を従来よりも低く維持することができるために破壊しにくい。即ち、従来は石英ウインドウのランプに対向する面とその反対側の面で温度差が生じて、ＲＴＰのような急速昇温時には表裏面での熱応力差から石英ウインドウが破壊し易いという問題があったが本実施例はそれを解決している。第３に、石英ウインドウ１２０の温度上昇は従来の石英ウインドウよりも低いために成膜処理の場合にその表面に堆積膜や反応副生成物が付着することを防止することができ、温度再現性を確保することができると共に処理室１１０のクリーニングの頻度を減少することができる。即ち、従来は石英ウインドウの温度が上昇し、特に、成膜処理の場合には、その表面に堆積膜や反応副生成物が付着してしまい温度再現性を確保できないと共に処理室のクリーニングの頻度が増加するという問題があったが、本実施例はそれを解決している。
【００２９】
また、レンズアッセンブリ１２２を用いない石英プレート１２１のみからなる石英ウインドウ１２０は、石英プレート１２１の厚さが本実施例のように小さいとランプ光の吸収を減少することができるが、強度的に処理室内の減圧環境と大気圧との差圧に耐えられずに容易に破壊してしまう可能性があり、減圧環境の処理室には適用できないという問題を生じるが、レンズアッセンブリ１２２はかかる問題を解消している。
【００３０】
次に、図５、図６及び図４２を参照して、石英ウインドウ１２０のレンズアッセンブリ１２２の集光作用について説明する。図４２を参照するに、レンズアッセンブリを有しない断面長方形の石英ウインドウ６を通過する図示しない石英ウインドウ６の上方に位置するシングルエンドランプからの光は拡散して石英ウインドウ６の下方にある被処理体への指向性が悪い。ここで、図４２は、図５に対比される円筒石英ウインドウを通過した光の指向性を説明するための断面図である。これに対して、図５及び図６に示すように、本実施例の石英ウインドウ１２０は、凸型レンズ素子１２３を有するレンズアッセンブリ１２２により、ランプ１３０からの光をコリメートして指向性良く被処理体Ｗに照射する。なお、本発明のレンズ素子１２３の形状や曲率は必ずしもランプ１３０からの光をコリメートするものに限定されず、少なくとも従来の指向性と同等又はそれを改善すれば足りる。図４２に示す指向性と同等であってもレンズアッセンブリ１２２は上述の補強機能を有するからである。
【００３１】
以下、図７を参照して、本実施例の石英ウインドウ１２０の変形例としての石英ウインドウ１２０Ａを説明する。ここで、図７は、図３に対応する石英ウインドウ１２０Ａの一部拡大断面図である。本実施例の石英ウインドウ１２０Ａは、図２に示す流路１２４の直下に流路１２４と平行に形成された断面矩形のアルミニウム又はステンレス（ＳＵＳ）製の補強材（又は柱）１２４を有する。かかる補強材１２４は、内部に冷却管（水冷管）１２５を有し、石英ウインドウ１２０Ａの強度を高めている。
【００３２】
補強材１２４は熱伝導率がよく、また、処理室と同様の材質であるので被処理体Ｗに対する汚染源にはならない。補強材１２４により石英ウインドウ１２０Ａの石英プレート１２１の厚さは１０ｍｍ以下、好ましくは７ｍｍ以下、より好ましくは、例えば、約５ｍｍとなり、上述の長所を更に顕著に有する。本実施例で、補強材１２４の断面寸法は、図７において高さ約１８ｍｍ、幅約１２ｍｍであり、水冷管１２５の径は６ｍｍ程度であるがこれに限定されるものではない。また、補強材１２４の断面形状も矩形に限定されず波形等任意の形状を有することができる。本発明は、図１１に示すように、石英プレート１２１と補強材１２４との組み合わせである石英ウインドウ１２１ｃも包含するものである。図７に矢印で示すように、ランプ１３０からの放射光は補強材１２４の側面で反射されて下方に配置された図示しない被処理体Ｗに導入される。本実施例の冷却管１２５は、補強材１２４と石英プレート１２１の両方を冷却する機能を有する。補強材１２４がアルミニウム製であれば２００℃乃至７００℃で溶けたり変形したりするので適当な温度制御が必要だからである。冷却管１２５による温度制御は冷却管１１６と同様でもよいし、当業界で既知のいかなる方法をも適用することができる。
【００３３】
以下、図８を参照して、本実施例の石英ウインドウ１２０の別の変形例としての石英ウインドウ１２０Ｂを説明する。ここで、図８は、図３に対応する石英ウインドウ１２０Ｂの一部拡大断面図である。本実施例の石英ウインドウ１２０Ａは、石英ウインドウ１２０Ａにレンズアッセンブリ１２２の直下にレンズアッセンブリ１２２と平行に形成された断面矩形の導波部１２６を有する。本実施例の石英ウインドウ１２０Ｂは石英ウインドウ１２０Ａよりも照明効率を向上している。図７を参照するに、矢印で示すランプ１３０からの放射光は補強材１２４で反射される際に１０％程度のエネルギー損失が発生する。なお、エネルギー損失の割合は補強部１２４の高さその他のパラメータに依存する。一方、補強材１２４の側面に金メッキなど高反射率を有する金属により表面処理することは被処理体Ｗに対する汚染源となるので好ましくない。また、補強材１２４に適用可能な材料で反射損失のない材料は存在しない。
【００３４】
そこで、本実施例は、レンズアッセンブリ１２２の直下にレンズアッセンブリ１２２と平行に断面矩形の導波部１２６を形成している。石英プレート１２１と導波部１２６は溶接によって接合してもよいし、一体的に形成されてもよい。石英導波部１２６は屈折率約１.４、真空及び大気の屈折率は約１.０であり、かかる関係から石英導波部１２６の内部では放射光は全反射される。このため、本実施例の石英ウインドウ１２０Ｂはエネルギー損失を理論上ゼロにしている。
【００３５】
石英ウインドウ１２０Ｂは、補強材１２４を取り除いてプレート１２１の厚さを石英ウインドウ１２０Ｂのプレート１２１と導波部１２６の合計にした石英ウインドウよりも好ましい。なぜなら、この場合、石英ウインドウは厚くなるため、従来の肉厚な石英ウインドウと同様の問題を生じるからである。
【００３６】
図９及び図１０に、図８に示す石英ウインドウ１２０Ｂを使用した場合に、石英ウインドウ１２０Ｂを使用した場合の指向性を示す。なお、図９及び図１０は、理解の便宜のためにカラー図面として本出願に添付する。ここで、図９は、被処理体Ｗの中心を（０，０）として図２に示すＸ及びＹ方向に関する距離（ｄｉｓｔａｎｃｅ）と被処理体Ｗに照射される放射光の照度（ｉｒｒａｄｉａｎｃｅ）との関係を３次元的に示している。図１０は、図９を上から見た図である。
【００３７】
同図の実験条件は以下のとおりである。即ち、金メッキ膜からなるメッキ部１４９を有してランプ出力７５０Ｗのランプ１３０を使用し、ランプ１３０の下端とレンズアッセンブリ１２２の上端との距離を２ｍｍ、被処理体Ｗからアルミニウム製補強材１２４の下端までの距離を２０ｍｍに設定している。また、図８において、石英プレート１２１の厚さを５ｍｍ、レンズ素子１２３の石英プレート１２１表面からの高さを５ｍｍ、曲率半径１０ｍｍ、幅１９ｍｍ、導波部１２６の幅を１９ｍｍ、高さを１８ｍｍ、２つの補強材１２４の間隔を２１ｍｍに設定している。
【００３８】
図１２及び図１３に、図８に示す石英ウインドウ１２０Ｂに対比される図１１に示す石英ウインドウ１２０Ｃを使用した場合の指向性を示す。なお、図１２及び図１３は、理解の便宜のためにカラー図面として本出願に添付する。ここで、図１２は、図１１に示す石英ウインドウを使用した場合に、被処理体Ｗの中心を（０，０）として図２に示すＸ及びＹ方向に関する距離（ｄｉｓｔａｎｃｅ）と被処理体Ｗに照射される放射光の照度（ｉｒｒａｄｉａｎｃｅ）との関係を３次元的に示している。図１３は、図１２を上から見た図である。
【００３９】
同図の実験条件は以下のとおりである。即ち、金メッキ膜からなるメッキ部１４９を有してランプ出力７５０Ｗのランプ１３０を使用し、ランプ１３０の下端と石英プレート１２１の上端との距離を２ｍｍ、被処理体Ｗからアルミニウム製補強材１２４の下端までの距離を２０ｍｍに設定している。また、図１１において、石英プレート１２１の厚さを５ｍｍ、２つの補強材１２４の間隔を２１ｍｍに設定している。
【００４０】
図９及び図１０を参照するに、被処理体Ｗの中心付近で照度が鋭く極大となり、石英ウインドウ１２０Ｂが指向性を向上していることが理解される。また、最大高さ（即ち、最大照度）の半分の広がり（「半値幅」と呼ばれる場合もある。）は略円状で、約４０ｍｍである。半値幅は、円に近づけば近づくほど、そして、その値が小さければ小さいほど制御性に優れる。一方、図１２及び図１３を参照するに、被処理体Ｗの中心付近で照度が極大となっているがその値はさほど大きくない。また、半値幅は略楕円状で、最大約１００ｍｍである。指向性は照度の極大値が大きければ大きいほど良好となる。また、半値幅は、円に近づけば近づくほど、そして、その値が小さければ小さいほど制御性に優れる。ここで、制御性とは、被処理体Ｗの所望の位置を加熱し（即ち、放射光を照射し）、被処理体Ｗの望ましくない位置は加熱しない場合の加工容易性を表す。図９及び図１０を図１２及び図１３と対比すると、図１１に示す石英ウインドウ１２０Ｃよりも図８に示す石英ウインドウ１２０Ｂの方が指向性及び制御性の両方で優れていることが理解されるだろう。
【００４１】
上述した実施例の各種の石英ウインドウ１２０は、リフレクタを必要としない後述するランプ１３０に使用されることを必須の条件とはしない。換言すれば、石英ウインドウ１２０は、その強度性と指向性からリフレクタを有する熱処理装置にも適用することができることが理解されるであろう。その場合、断面形状が波形の補強材１２４は断面波形のリフレクタに好適であろう。
【００４２】
以下、図１４乃至図１７を参照して、本発明の加熱部１４０を説明する。ここで、図１４は、加熱部１４０の底面図であり、図１５は、図１４に示す加熱部１４０の部分断面側面図である。図１６は、図１５に示すランプ１３０の正面図で、図１７は、図１６に示すランプ１３０の側面図である。図１４に示すようにランプ１３０は、図２に示すレンズ素子１２３に対応している。加熱部１４０は、ランプ１３０とランプ保持部１４２とを有している。
【００４３】
図１５に示すように、ランプ１３０は、本実施例ではシングルエンド型であるが後述するようにダブルエンド型でもよく、また、電熱線ヒータ等その他の熱源を使用してもよい。ここで、シングルエンド型とは、図１５に示すように、一の電極部１３２を有する種類のランプをいう。ダブルエンド型とは、蛍光灯のように二つの端部を有するランプをいう。ランプ１３０は被処理体Ｗを加熱する熱源として機能し、本実施例ではハロゲンランプであるがこれに限定されるものではない。ランプ１３０の出力はランプドライバ３１０によって決定されるが、ランプドライバ３１０は後述するように制御部３００により制御され、それに応じた電力をランプ１３０に供給する。
【００４４】
図１６に示すように、ランプ１３０は一の電極部１３２と発光部１３４とを含み、発光部１３４は電極部１３２と接続するフィラメント１３５を有する。図１４に点線で示すように、本実施例では、複数のランプ１３０は、ほぼ円形の被処理体Ｗを均一に加熱するように、レンズアッセンブリ１２２の各レンズ素子１２３に対応して、直線的に配置されている。また、上述したように図１４で示すＹ方向に沿って同一列のＸ方向に隣接するランプ１３０間にはリフレクタが存在しないのでＸ方向のランプ１３０間の距離は約３ｍｍに維持することができ、後述するように、ランプ密度の増加とこれによるパワー密度の増加に寄与する。また、後述するように、このようなランプ１３０の直線配置は好適な熱排気（例えば、４ｍ3／ｍｉｎ以下）の実現に寄与する。
【００４５】
図１７に示すように、電極部１３２の下には発光部１３４の一部として首部１３３が形成され、首部１３３の周りにも後述するようにメッキ部１４９が形成される。図１を参照するに、電極部１３２へ供給される電力はランプドライバ３１０によって決定され、ランプドライバ３１０は制御部３００によって制御される。図１６を参照するに、本実施例では、例示的に、電極部１３２の高さは約２５ｍｍ、発光部１２４の高さは約６５ｍｍ、厚さは約１ｍｍであり、フィラメント１３５の長さは約２５ｍｍである。また、図１７を参照するに、本実施例では、例示的に、電極部１３２の幅は約５ｍｍで、発光部１３４の（首部１３３でない）幅は約１５ｍｍである。発光部１３４内には窒素又はアルゴン及びハロゲン気体が封入される。フィラメント１３５は、例えば、タングステンから構成される。フィラメント１３５の下部と図１６に示す発光部１３４の底面１３４ａとの距離は所定範囲に設定され、この結果、所定の指向性とランプ寿命を確保することができる。即ち、かかる距離が小さすぎるとランプ１３０の指向性が悪くなり、大きすぎるとハロゲンサイクルが不十分になりランプ寿命の短命につながるからである。
【００４６】
図１４及び図１５を参照するに、ランプ保持部１４２は略直方体形状を有し、各ランプ１３０を収納する複数の円筒状の溝１４３と、隔壁１４４とを有している。
【００４７】
溝１４３は、ランプ１３０の電極部１３２を収納する部分１４３ａと発光部１３４を収納する部分１４３ｂからなる。部分１４３ａ、電極部１３２と図１には図示されて図１５には図示されないランプドライバ３１０とを接続すると共に、両者の間を封止する封止部として機能する。部分１４３ｂは発光部１３４より径が大きい。
【００４８】
隔壁１４４は、例えば、１２ｍｍの幅を有し、図２、図７、図１４及び図１５に示すように、図２に示す流路１２８及び図７に示す補強材１２４の上であって図１４に示すＸ方向に整列する複数の隣接する溝１４３の間に配置されている。隔壁１４４には、流路１２８と平行に（即ち、図１４に示すＸ方向に）整列する一対の冷却管（水冷管）１４５が内接されている。また発光部１３４を除いた溝１４３には、発光部１３４表面を空冷できるようにブロアによって約０．３〜０．８ｍ3の空気を流すことができるため、本実施例のランプ１３０は空冷機構と冷却管１４５によって冷却される。但し、後述する図１８及び図１９に示す加熱部１４０Ａのように、隔壁１４４及び冷却管１４５を取り除いて空冷機構のみによって冷却することも可能である。後述するようにメッキ部１４９が金メッキ膜から構成される場合は、空冷機構及び冷却管１４５は金メッキの剥離などの温度破壊を防止するためにメッキ部１４９の温度を５００℃以下に維持する。冷却管１４５による温度制御は冷却管１１６と同様でもよいし、当業界で既知のいかなる方法をも適用することができる。メッキ部１４９が５００℃以上の耐熱性を有する場合であっても、ランプ１３０は、一般に、９００℃を超えると失透（発光部１３４が白くなる現象）が発生するのでランプ１３０が９００℃以下になるように冷却管１４５その他の冷却機構により温度制御されることが好ましい。
【００４９】
本実施例では、特徴的に、隔壁１４４及び冷却管１４５は図１４に示すＸ方向に沿ってのみ設けられており、従来のリフレクタのように、Ｘ及びＹ方向の２次元的な冷却管の配列を採用していない。従って、本実施例のランプ保持部１４２の構造はランプ１３０のランプ密度及びそれによるパワー密度の増加に寄与している。例えば、図３６に示す従来の、（例えば、５０ｍｍ径の）リフレクタを有するランプ配列の場合、ランプ密度は０.０４本／ｃｍ2であったのに対して本実施例のランプ密度は０.１６本／ｃｍ2となる。隔壁１４４及び冷却管１４５を設ける代わりに、空冷のみによってランプ１３０及びランプ保持部１４２を冷却する場合、ランプ密度は最大で約０.４０本／ｃｍ2となる。一般に、ＲＴＰに要求されるパワー密度は、１本当たりのランプパワーとランプ密度とによって決定される。ランプパワーが大きければ大きいほどランプ密度は小さくてすむ。本実施例のランプ配列は、将来更なる急速昇温が必要なＲＴＰにも十分に対応できるものである。
【００５０】
以下、図１８及び図１９を参照して、図１４に示す加熱部１４０の変形例としての加熱部１４０Ａについて説明する。本実施例の加熱部１４０Ａは、加熱部１４０から隔壁１４４及び冷却管１４５を取り除いてランプ密度を向上している。冷却管１４５がランプ保持部１４２に設けられていないので、ランプ１３０は空冷によってのみ冷却される。加熱部１４０Ａのランプ密度は加熱部１４０のそれのほぼ２倍である。メッキ部１４９が従来必要であったリフレクタを排除しているので、このような高密度ランプ実装が可能になることが理解されるであろう。
【００５１】
以下、図２０乃至図２２を参照して、ランプ１３０の空冷機構について説明する。ここで、図２０は、図１４に示す加熱部１４０のＸ方向に整列するランプ１３０の冷却機構を説明するための断面図である。図２１は、図２０に示すランプ１３０の側面図である。図２２は、図２０に示すランプ１３０の平面図である。同図に示すように、同一列の（即ち、図１４に示すＸ方向に沿って直線的に配置された）複数のランプ１３０は、これら（の発光部１３４）と直列に接続されたブロアによって熱排気（空冷）される。ブロアによる排気効率は直線的配置に対して、例えば、４ｍ3／ｍｉｎ以下と良好である。この程度の熱排気の場合熱処理装置１００外部に排気してもよいし、循環させてもよい。循環させる場合には、典型的にラジエータを流路に更に設けて熱気を冷却することになるが、良好な排気効率のために排気システムの負荷は少ない。
【００５２】
メッキ部１４９は、ランプ１３０の熱放射光を発光部１３４内において高反射率で反射する機能を有する。高反射率を有する反射部を発光部１３４に設けることにより、発光部１３４の（フィラメント１３５が発する放射光の）被処理体Ｗへの指向性が高まる。この結果、メッキ部１４９は、従来発光部の外部に設けられる必要があったリフレクタ（反射板）を不要にする。リフレクタを使用しないので複数のランプを（例えば、図１４に示すＸ方向に隣接するランプ１３０間距離を約３ｍｍにするなど）高密度で（例えば、４５°の傾斜角度のリフレクタを有するランプ密度（例えば、０.０４本／ｃｍ2）の約４倍のランプ密度（例えば、０.１６本／ｃｍ2）で実装することができ、リフレクタを有する場合よりもパワー密度を増加させることができ、本発明の熱処理装置１００は高速昇温のＲＴＰに好適である。
【００５３】
メッキ部１４９は、図１６に示す発光部１３４の底面１３４ａを除き、首部１３３を含む発光部１３４に各種メッキ法その他の方法で形成される。このように、メッキ部１４９を発光部１３４の被処理体Ｗに対向する底部１３４ａ以外の部分（即ち、対向しない部分）に設けることによりフィラメントＷから被処理体への直接の光照射及びメッキ部１４９により反射された結果としての光照射を遮断せずに指向性を高めることができる。
【００５４】
メッキ部１４９は、放射光を高反射率で反射する金属膜から形成され、例えば、金や銀などである。例えば、メッキ部１４９が金メッキ膜からなる場合、それは電気メッキ（硬質金メッキや純金金メッキ）により形成されるであろう。メッキ部１４９は、その厚さは、文献より約１０μｍもあれば発光部１３４からの漏れ光を防止するのに十分である。なお、本発明はメッキ部１４９はランプ１３０の指向性を高めれば足り、高反射率の範囲については限定されない。
【００５５】
図２３及び図２４に、金メッキ膜からなるメッキ部１４９を有するランプ１３０を使用した場合の指向性を示す。なお、図２３及び図２４は、理解の便宜のためにカラー図面として本出願に添付する。ここで、図２３は、メッキ部１４９としての金メッキ膜を有するランプ１３０を使用した場合に、被処理体Ｗの中心を（０，０）として図１４に示すＸ及びＹ方向に関する距離（ｄｉｓｔａｎｃｅ）と照度（ｉｒｒａｄｉａｎｃｅ）との関係を３次元的に示している。図２４は、図２３を上から見た図である。
【００５６】
同図の実験条件は以下のとおりである。即ち、金メッキ膜からなるメッキ部１４９を有してランプ出力７５０Ｗのランプ１３０を使用し、処理室１１０を常圧環境に維持して、ランプ１３０の下端と厚さ３ｍｍの石英プレート１２１のみからなる円筒石英ウインドウの上端との距離を２ｍｍ、被処理体Ｗから石英ウインドウの下端までの距離を２０ｍｍに設定している。
【００５７】
図４３及び図４４に、金メッキ膜のない従来のシングルエンドランプを使用した場合の指向性を示す。なお、図４３及び図４４は、理解の便宜のためにカラー図面として本出願に添付する。ここで、図４３は、金メッキ膜のない従来のシングルエンドランプを使用した場合に、被処理体Ｗの中心を（０，０）として図１４に示すＸ及びＹ方向に関する距離（ｄｉｓｔａｎｃｅ）と照度（ｉｒｒａｄｉａｎｃｅ）との関係を３次元的に示している。
【００５８】
同図の実験条件は以下のとおりである。即ち、金メッキ膜からなるメッキ部１４９を有してランプ出力７５０Ｗのランプ１３０を使用し、処理室１１０を常圧環境に維持して、ランプ１３０の下端と厚さ３ｍｍの石英プレート１２１のみからなる円筒石英ウインドウの上端との距離を２ｍｍ、被処理体Ｗから石英ウインドウの下端までの距離を２０ｍｍに設定している。
【００５９】
図２３及び図２４を参照するに、被処理体Ｗの中心付近で照度が鋭く極大となり、メッキ部１４９が指向性を向上していることが理解される。また、半値幅は略円状で、約４０ｍｍである。一方、図４３及び図４４を参照するに、被処理体Ｗの中心付近で照度が極大となっているが、その値はさほど大きくない。また、半値幅は略楕円状で、最大約８０ｍｍである。図２３及び図２４を図４３及び図４４と対比すると、従来のメッキ部なしランプよりも本実施例のメッキ部１４９付きランプ１３０の方が指向性及び制御性の両方で優れていることが理解されるだろう。
【００６０】
発光部１３４は、図１７の丸印の拡大図に示すように、メッキ部１４９によって被覆される部分に凹凸を有することが好ましい。これにより、メッキ部１４９により反射された光を発光部１３４の円筒側面間で反射を繰り返すことなく被処理体Ｗに配向させる割合を高めることができる。凹凸はサンドブラストによる研磨、化学溶液に侵食して腐食させるなどの表面処理によって形成することができる。
【００６１】
上述したように、ランプ１３０は、ダブルエンド型であってもよい。以下、図２５乃至図２９を参照して、ランプ１３０をダブルエンド型のランプに置換した場合の実施例を説明する。ここで、図２５は、メッキ部１４９Ａを取り除いたダブルエンドランプ１３０Ａの斜視図である。図２６は、メッキ部１４９Ｂを取り除いた別のダブルエンドランプ１３０Ｂの斜視図である。図２７は、図２５に示すランプ１３０Ａ及び図２６に示すランプ１３０Ｂのメッキ部１４９Ａ及び１４９Ｂによる被覆を説明するための断面図である。図２８は、図２５に示すランプ１３０Ａを有する加熱部１４０Ｂの図１４に示すＸ方向に沿った縦断面図である。図２９は、図２８に示す加熱部１４０Ｂの図１４に示すＹ方向に沿った横断面図である。
【００６２】
図２５は、図１４に示すＸ方向に配向される直線筒状のダブルエンドランプ１３０Ａの一つを示しており、図２６は、図１１に示す点線と同一円的に配向する円弧筒状のダブルエンドランプ１３０Ｂの一つを示している。なお、ランプ１３０をランプ１３０Ａ又は１３０Ｂに置換すればランプ保持部１４２の形状がランプ１３０Ａ又は１３０Ｂを保持する部分において変更されることはいうまでもない。例えば、ランプ保持部１４２には、後述する電極部１３２Ａ又は１３２Ｂと垂直部１３６ａ又は１３７ａを収納する複数の垂直貫通孔と、後述する水平部１３６ｂ又は１３７ｂを収納する直線状又は同心円状の複数の水平溝とを有するなどである。図２８及び図２９に、一対のランプ１３０Ａを図１４に示すＹ方向に並べた加熱部１４０ＢのＸ方向及びＹ方向に沿った断面図をそれぞれ示す。ランプ１３０Ａの直下に配置されたレンズは、図２８に示す後述する発光部１３６の長さと、図２９に示す後述する一対のランプ１３０Ａをカバーする幅とを有する。本出願の開示から当業者はその他の変更を理解することができるため図示は省略する。
【００６３】
図２５に示すように、ランプ１３０Ａは、２つの電極部１３２Ａと発光部１３６とを含み、発光部１３６は２つの電極部１３２Ａを接続するフィラメント１３５Ａを有する。同様に、図２６に示すように、ランプ１３０Ｂは、２つの電極部１３２Ｂと発光部１３７とを含み、発光部１３７は２つの電極部１３２Ｂを接続するフィラメント１３５Ｂを有する。電極部１３２Ａ及び１３２Ｂへ供給される電力は図１に示すランプドライバ３１０によって決定され、ランプドライバ３１０は制御部３００によって制御される。電極部１３２とランプドライバ３１０と電極部部１３２Ａ及び１３２Ｂとの間は封止されている。
【００６４】
図２５に示すように、発光部１３６は垂直部１３６ａと垂直部１３６ａから９０度曲げられた直線状の水平部１３６ｂとを有する。また、図２６に示すように、発光部１３７は垂直部１３７ａと垂直部１３７ａからほぼ９０°曲げられた円弧状の水平部１３７ｂとを有する。なお、本発明に適用可能なダブルエンドランプはランプ１３０Ａや１３０Ｂに限定されず、水平部１３６ｂ及び１３７ｂが任意の形状（例えば、渦巻き、三角など）を有するランプを含むものである。また、垂直部と水平部の角度も９０°に限定されない。
【００６５】
水平部１３６ｂは、図１４に示すランプ１３０が配列されている部分にＸ方向に沿って取り付けられる。水平部１３６ｂの長さは、図１４において、最外周の円Ｐと、Ｙ方向に関して任意のランプ位置（例えば、Ｄで示す列）によって画定される両端のランプ１３０間の距離（例えば、間隔Ｅ）と同一であってもよいし、それ以下であってもよい。前者の場合には、当該ランプ位置に一本のランプ１３０Ａが取り付けられることになる。後者の場合には、当該ランプ位置に複数本のランプ１３０Ａが取り付けられることになる。Ｙ方向に関して異なるランプ位置におけるランプ１３０Ａの水平部１３６ｂは同一であってもよいし、異なってもよい。
【００６６】
水平部１３７ｂは図１４に点線で示す円と同心円的に配置される。図２６に示す点線は図１４に示す点線と同心円の関係にある。水平部１３７ｂの長さは、図１４に示す点線の円と同心円（例えば、円Ｑ）の円周とランプ１３０Ｂの設置本数によって画定される。異なる同心円に配置されるランプ１３０Ｂの水平部１３７ｂの曲率半径は異なる。
【００６７】
図２５及び図２６においては、ランプ１３０Ａ及び１３０Ｂからメッキ部１４９Ａ及び１４９Ｂが便宜上取り除かれている。しかし、実際には、図２７に示すように、発光部１３６及び１３７には被処理体Ｗに対向しない部分にメッキ部１４９Ａ及び１４９Ｂが被覆されている。メッキ部１４９Ａは、ランプ１３０Ａにおいて、垂直部１３６ａの側面の全面と水平部１３６ｂの上半分に被覆される。メッキ部１４９Ｂ、ランプ１３０Ｂにおいて、垂直部１３７ａの側面の全面と水平部１３７ｂの上半分に被覆される。メッキ部１４９Ａ及び１４９Ｂもメッキ部１４９と同様にランプ１３０Ａ及び１３０Ｂの熱放射光を発光部１３６及び１３７内において高反射率で反射する機能を有する。高反射率を有する反射部を発光部１３６及び１３７に設けることにより、発光部１３６及び１３７の（フィラメント１３５Ａ及び１３５Ｂが発する放射光の）被処理体Ｗへの指向性が高まる。この結果、メッキ部１４９Ａ及び１４９Ｂは、従来発光部の外部に設けられる必要があったリフレクタ（反射板）を不要にする。リフレクタを使用しないので複数のランプを高密度で（例えば、４５°の傾斜角度のリフレクタを有するランプ密度の約４倍のランプ密度で）実装することができ、リフレクタを有する場合よりもパワー密度を増加させることができ、高速昇温のＲＴＰに好適である。
【００６８】
次に、図３０乃至図３４を参照して、本発明の別の側面である実効放射率算出方法について説明する。ここで、図３０は、２種類の放射温度計２００Ａ及び２００Ｂとそれらの近傍の概略拡大断面図である。図３１は、２つの同種の放射温度計２００Ｃ及びその近傍の概略拡大断面図である。図３２乃至図３４は、本実施例の実効放射率算出方法を説明するためのグラフである。
【００６９】
放射温度計２００Ａ乃至２００Ｃは被処理体Ｗに関してランプ１３０と反対側に設けられている。本発明は放射温度計２００Ａ乃至２００Ｃがランプ１３０と同一の側に設けられる構造を排除するものではないが、ランプ１３０の放射光が放射温度計２００Ａ乃至２００Ｃに入射することを防止することが好ましい。
【００７０】
図３０及び図３１に示す放射温度計２００Ａ乃至２００Ｃは、石英又はサファイア製（本実施例では石英製）のロッド２１０と、光ファイバ２２０Ａ乃至２２０Ｃと、フォトディテクタ（ＰＤ）２３０とを有している。本実施例の放射温度計２００Ａ乃至２００Ｃは、チョッパ、チョッパを回転するためのモータ、ＬＥＤ、ＬＥＤを安定的に発光させるための温度調節機構などを必要とせず、必要最低限の比較的安価な構成を採用している。
【００７１】
まず、図３０を参照するに、放射温度計２００Ａ及び２００Ｂは処理室１１０の底部１１４に取り付けられ、より詳細には底部１１４の円筒形状の貫通孔１１５ａ及び１１５ｂにそれぞれ挿入されている。底部１１４の処理室１１０内部を向く面１１４ａには充分な研磨が施されて反射板（高反射率面）として機能する。これは、面１１４ａを黒色などの低反射率面とすると被処理体Ｗの熱を吸収してランプ１３０の照射出力を不経済にも上げなければならなくなるためである。
【００７２】
放射温度計２００Ａ及び２００Ｂは、同一のロッド２１０と、開口数（ＮＡ）が異なる光ファイバ２２０Ａ及び２２０Ｂと、それぞれの各ＰＤ２３０とを有する。
【００７３】
本実施例のロッド２１０は、径４ｍｍの石英製ロッドから構成される。石英やサファイアは良好な耐熱性と後述するように良好な光学的特性を有するために使用されているが、ロッド２１０の材料がこれらに限定されないことはいうまでもない。
【００７４】
必要があれば、ロッド２１０は処理室１１０内部に所定距離突出してもよい。ロッド２１０は、処理室１１０の底部１１４に設けられた貫通孔１１５Ａ及び１１５Ｂにそれぞれ挿通されて図示しないオーリングによりシールされている。これにより、処理室１１０は貫通孔１１５Ａ及び１１５Ｂに拘らずその内部の減圧環境を維持することができる。ロッド２１０は、その内部に一旦入射した熱放射光を殆ど外に出さずに、かつ、殆ど減衰することなく光ファイバ２２０Ａ及び２２０Ｂに案内することができるので集光効率に優れている。ロッド２１０Ａ及び２１０Ｂを被処理体Ｗに近づけることによりロッド２１０は被処理体Ｗから放射光を受け取り、これを、光ファイバ２２０Ａ及び２２０Ｂを介してＰＤ２３０に案内する。
【００７５】
光ファイバ２２０Ａ及び２２０Ｂは、光を伝搬するコアと、コアの周辺を覆う同心円状のクラッドから構成され、両者はＮＡにおいて異なる。コア及びプラスチックはガラスやプラスチックなどの透明な誘電体であり、クラッドの屈折率はコアのそれよりも少し小さくすることにより光の全反射を達成して外部に光を漏らすことなく伝搬する。異なるＮＡを実現するために、放射温度計２００Ａ及び２００Ｂは異なる材質のコア及び／又はクラッドの組み合わせを使用する。
【００７６】
ＰＤ２３０は、図示しない結像レンズ、Ｓｉホトセル、増幅回路を備え、結像レンズに入射した放射光を電圧、即ち、後述の放射強度Ｅ1（Ｔ）、Ｅ2（Ｔ）を表す電気信号に変換して制御部３００に送る。制御部３００はＣＰＵ、ＭＰＵその他のプロセッサと、ＲＡＭ及びＲＯＭなどのメモリを備えており、後述する放射強度Ｅ1（Ｔ）、Ｅ2（Ｔ）を基に被処理体Ｗの放射率ε及び基板温度Ｔを算出する。なお、この演算は放射温度計２００内の図示しない演算部が行ってもよい。
【００７７】
ロッド２１０が受光した放射光は光ファイバ２２０Ａ及び２２０Ｂを経てＰＤ２３０に導入される。
【００７８】
以下、異なるＮＡを利用した本発明の実行放射率算出方法について説明する。被処理体Ｗとロッド２１０との間の多重反射とランプ１３０からの直接光とを考慮すると被処理体Ｗの実行放射率εeffは以下の数式２で与えられる。
【００７９】
【数２】
ここで、εeffは被処理体Ｗの実効放射率、εは被処理体Ｗの放射率、ｒは処理室１１０の底部１１４の面１１４ａの反射率、Ｆは以下の数式３で与えられるビューファクター（ｖｉｅｗ ｆａｃｔｏｒ）、αは多重反射係数である。
【００８１】
【数３】
ここで、多重反射係数αは、ロッド２１０直径Ｄ１、被処理体Ｗと面１１４ａとの距離Ｄ２、放射温度計２００Ａ及び２００Ｂ（便宜上、参照番号２００で総括する。）の持つそれぞれの開口数ＮＡ（０≦ＮＡ≦１）の３つの値に依存して以下のような数値をとるものと予想される。またγは図３５に示すようにロッド２１０、面１１４ａ及び被処理体Ｗから決定されるのぞみ角を示す。
【００８３】
【数４】
【数５】
【数６】
【数７】
このとき同定式として上記4つの条件が成立する予測式を以下の数式８のように定義する。
【００８８】
【数８】
ここで、Ｎ１、Ｎ２は数式８でのパラメータとする。従って、多重反射係数αは、以下の数式９のように表される。
【００９０】
【数９】
数式９で表されるαは数式４乃至数式７を十分満足する可能性があることが理解されるであろう。そこで、数式９を前提としてＮ１及びＮ２の二つのパラメータを決定し、その妥当性を検討する。
【００９２】
まず、ロッド２１０の径４ｍｍを固定してＮＡを振った計算を行う（時間の短縮から被処理体Ｗはε＝０.２のもののみから計算した）。このときＮＡは０乃至１の範囲である。これより得たデータと数式９の前提とを比較して、Ｎ１とＮ２／（Ｄ１／Ｄ２）の値を暫定的に決定する。同様にして直径２ｍｍのものと２０ｍｍのものについて計算し、Ｎ１とＮ２／（Ｄ１／Ｄ２）の値を決定する。Ｎ１、Ｎ２の決め方としてＮ１とＮ２／（Ｄ１／Ｄ２）−Ｄ１／Ｄ２曲線を用いた（上記で求めたＮ２／（Ｄ１／Ｄ２）においてＮ２が３者共通の値になるようにＮ１を選択する）。
【００９３】
上記の方法で決定したＮ１とＮ２／（Ｄ１／Ｄ２）の暫定的な値により、1−αとＮＡとの関係を図３２乃至図３４に示す。またその検証を図３４に示す。この結果Ｎ１＝０．０１、Ｎ２＝５００とすることができ、数式９は以下の数式１０のように表すことができる。
【００９４】
【数１０】
これによりＲＴＰにおいてロッド２１０の径が変更しても、被処理体Ｗと面１１４ａとの距離を変更しても、ＮＡの大小に拘らず、被処理体Ｗの実効放射率を容易に算出することができる。
【００９６】
今、光ファイバ２２０ＡがＮＡ＝０．２、２２０ＢがＮＡ＝０．３４を有する場合、このときのαをα0.2とα0.34とすると、それらは数式１０より以下の数式１１及び数式１２で表されることが分かる。
【００９７】
【数１１】
【数１２】
これより被処理体Ｗの実効放射率は以下の数式１３及び数式１４で与えられる。
【０１００】
【数１３】
【数１４】
放射温度計２００は、温度の換算を放射光束（Ｗ）で計算している。このためＮＡ＝０．２のときの角度をθ１、ＮＡ＝０．３４のときの角度をθ２とすると２つの放射温度計での入射光束の違いは以下の数式１５及び数式１６で与えられる。但し、θは図３５に示すように光ファイバの最大受光角を示し、θ＝ｓｉｎ-1（ＮＡ）と表すことが出来る。
【０１０３】
【数１５】
【数１６】
よって２つの放射温度計２００Ａ及び２００Ｂの入射光束比は以下の数式１７のように表すことができる。
【０１０６】
【数１７】
【数１８】
ここで、数式１９のようにβを置くと、数式１３は以下の数式２０乃至数式２４のように変形することができる。
【０１０９】
【数１９】
【数２０】
【数２１】
【数２２】
【数２３】
【数２４】
よって被処理体Ｗの放射率εは以下の数式２５のように算出することができる。
【０１１６】
【数２５】
ここで再び数式１１若しくは数式１２より実効放射率を算出する。ここではＮＡの小さいＮＡ＝０．２の実効放射率で計算を続ける。数式２３で算出した放射率εを数式１１に代入すると以下の数式２６のようになる。
【０１１８】
【数２６】
このときＮＡ＝０．２の放射温度計２００Ａには、Ｅ0.2の放射エネルギーが入射しているため、以下のような数式２７が成立する。
【０１２０】
【数２７】
ここでＥbは黒体放射による放射エネルギーである。次に、数式２５を以下のように変形する。
【０１２２】
【数２８】
この入射エネルギーはＪＩＳ １６１２より、以下のような関係式がある。
【０１２４】
【数２９】
ここでＴは被処理体Ｗの温度、ｃ２は０．０１４３８８ｍ／ｋ（放射の第二定数）、Ａ、Ｂ、Ｃは放射温度計２００固有の定数（校正によって決まる）、Ｅbは黒体放射による放射エネルギー（通常は放射温度計の出力Ｖ）である。
【０１２６】
上記の算出方法は２本の異なるＮＡを持つ放射温度計２００Ａ及び２００Ｂより被処理体Ｗの放射率を求めるものであるが、数式９よりＤ１／Ｄ２の比を変化させても同様に求めることができる。かかる実施例を図３１に示す。
【０１２７】
図３１においては、処理室１１０の底部１１４には、底面１１４ａに対応する底面１１４ｂと、底面１１４ｂから突出する凸部１１４ｃの上面１１４ｄとが設けられている。このため、同一の放射温度計２００Ｃを使用しているが、被処理体Ｗと放射温度計２００Ｃの石英ロッド２１０間の距離Ｄ２は異なる。このため、図３１に示す実施例においても、図３０に示す実施例と同様に被処理体Ｗの放射率を求めることが可能となる。
【０１２８】
例えば、図３１において、ＮＡ＝０．２の放射温度計２００Ｃを用意して、ロッド２１０と被処理体Ｗまでの距離が３．５ｍｍ（図３１の左側）と５ｍｍ（図３１の右側）に設置する。またロッド２１０の径を４ｍｍとする。ここでは数式９より各多重反射係数を以下の数式３０及び数式３１のように表すことができる。
【０１２９】
【数３０】
【数３１】
これより、数式１３及び数式１４と同様に実効放射率α3.5、α5.0を求める。後の被処理体Ｗの放射率被処理体の温度を求めるまでの流れは、数式１５乃至数式２８まで各添字において０．２を３．５に、０．３４を５．０に置きかえるだけで全く同様に被処理体Ｗの温度Ｔを算出することができる。
【０１３２】
検出器２７０又は制御部３００は、数式２５乃至数式２９によって被処理体Ｗの温度Ｔを算出することができる。いずれにしろ制御部３００は被処理体Ｗの温度Ｔを得ることができる。また、これらの数式を含む温度測定演算プログラムは、フロッピーディスクその他のコンピュータ可読媒体に格納され、及び／又は、インターネットその他の通信ネットワークを利用してオンライン配信されて独立の取引対象となり得る。
【０１３３】
制御部３００は内部にＣＰＵ及びメモリを備え、被処理体Ｗの温度Ｔを認識してランプドライバ３１０を制御することによってランプ１３０の出力をフィードバック制御する。また、制御部３００は、後述するように、モータドライバ３２０に所定のタイミングで駆動信号を送って被処理体Ｗの回転速度を制御する。
【０１３４】
ガス導入部１８０は、例えば、図示しないガス源、流量調節バルブ、マスフローコントローラ、ガス供給ノズル及びこれらを接続するガス供給路を含み、熱処理に使用されるガスを処理室１１０に導入する。なお、本実施例ではガス導入部１８０は処理室１１０の側壁１１２に設けられて処理室１１０の側部から導入されているが、その位置は限定されず、例えば、シャワーヘッドとして構成されて処理室１１０の上部から処理ガスを導入してもよい。
【０１３５】
アニールであればガス源はＮ2、Ａｒなど、酸化処理であればＯ2、Ｈ2、Ｈ2Ｏ、ＮＯ2、窒化処理であればＮ2、ＮＨ3など、成膜処理であればＮＨ3、ＳｉＨ2Ｃｌ2やＳｉＨ4などを使用するが、処理ガスはこれらに限定されないことはいうまでもない。マスフローコントローラはガスの流量を制御し、例えば、ブリッジ回路、増幅回路、コンパレータ制御回路、流量調節バルブ等を有し、ガスの流れに伴う上流から下流への熱移動を検出することによって流量測定して流量調節バルブを制御する。ガス供給路は、例えば、シームレスパイプを使用したり、接続部に食い込み継ぎ手やメタルガスケット継ぎ手を使用したりして供給ガスへの配管からの不純物の混入が防止している。また、配管内部の汚れや腐食に起因するダストパーティクルを防止するために配管は耐食性材料から構成されるか、配管内部がＰＴＦＥ（テフロン）、ＰＦＡ、ポリイミド、ＰＢＩその他の絶縁材料により絶縁加工されたり、電解研磨処理がなされたり、更には、ダストパーティクル捕捉フィルタを備えたりしている。
【０１３６】
排気部１９０は、本実施例ではガス導入部１８０と略水平に設けられているが、その位置及び数は限定されない。排気部１９０には所望の排気ポンプ（ターボ分子ポンプ、スパッターイオンポンプ、ゲッターポンプ、ソープションポンプ、クライオポンプなど）が圧力調整バルブと共に接続される。なお、本実施例では処理室１１０は減圧環境に維持されるが、本発明は減圧環境を必ずしも必須の構成要素とするものではなく、例えば、１３３Ｐａ乃至大気圧の範囲で適用可能である。排気部１９０はヘリウムガスを次の熱処理前までに排気する機能も有する。
【０１３７】
図３６は、被処理体Ｗの冷却速度に関するシミュレーションの結果を示すグラフである。図３６において、ギャップは被処理体Ｗと底部１１４との間隔を意味する。図３６に示すグラフから（１）ギャップが小さくなる程冷却速度が上がる、（２）被処理体Ｗと底部１１４との間に熱伝導率の高いヘリウムガスを流すことで飛躍的に冷却速度が上がる、ことが理解されるであろう。
【０１３８】
図１に示すＲＴＰ装置１００の構成は、被処理体Ｗの上面をランプ１３０により加熱して被処理体Ｗの裏面に冷却プレートとしての底部１１４を設けている。このため、図１に示す構造は冷却速度は比較的速いが、放熱量が多くなるために急速昇温には比較的大きな電力が必要となる。これに対して冷却管１１６の冷却水の導入を加熱時に停止する方法も考えられるが歩留まりが下がるために好ましくはない。
【０１３９】
そこで、図３７乃至図３９に示すように、冷却プレートしての底部１１４は被処理体Ｗに対して可動に構成された底部１１４Ａに置換されてもよい。より好ましくは、放熱効率を高めるために、冷却時に熱伝導率の高いヘリウムガスを被処理体Ｗと底部１１４Ａとの間に流される。ここで、図３７は、被処理体Ｗに対して可動に構成された冷却プレートしての底部１１４Ａを説明するための概略断面図である。図３８は、図３７の構造において被処理体Ｗを加熱する際の被処理体Ｗと底部１１４Ａとの位置関係を説明するための概略断面図である。図３９は、図３７の構造において被処理体Ｗを冷却する際の被処理体Ｗと底部１１４Ａとの位置関係を説明するための概略断面図である。なお、図３７乃至図３９においては放射温度計２００と接続する制御部３００や冷却管１１６は省略されている。
【０１４０】
図３７に示すように、処理室１１０内の減圧環境を維持するベローズなどを有して制御部３００により動作制御される昇降機構１１７により底部１１４Ａは被処理体Ｗに対して昇降することができる。昇降機構１１７には当業界で周知のいかなる構造をも適用することができるので、ここでは詳しい説明は省略する。なお、本実施例と異なり、被処理体Ｗ又はサポートリング１５０を可動に構成してもよい。被処理体Ｗを加熱する際には、図３８に示すように、底部１１４Ａを被処理体Ｗから離間するように下降させると共にヘリウムガスの供給を停止する。このとき、被処理体Ｗと底部１１４との距離は、例えば、１０ｍｍである。底部１１４Ａと被処理体Ｗとの間隔が大きいので被処理体Ｗは底部１１４Ａの影響をあまり受けずに高速昇温が可能となる。図３８に示す底部１１４Ａの位置が、例えば、ホームポジションに設定される。
【０１４１】
被処理体Ｗを冷却する際には、図３９に示すように、底部１１４Ａを被処理体Ｗに近接するように上昇させると共にヘリウムガスの供給を開始する。底部１１４Ａと被処理体Ｗとの間隔が狭いので被処理体Ｗは底部１１４Ａの影響を高速冷却が可能となる。このとき、被処理体Ｗと底部１１４との距離は、例えば、１ｍｍである。図３９のヘリウムガスの導入例を図４０に示す。ここで、図４０は、図３９の実線領域Ｖの概略拡大断面図である。同図に示すように、底部１１４には無数の小さな孔１１５ａが設けられてヘリウムガスを案内する。ヘリウムガス供給管に接続されたバルブ４００を有するケース４１０が底部１１４に接続されている。
【０１４２】
本実施例は冷却プレート１１４Ａと被処理体Ｗとの相対的移動について説明したが、本発明は被処理体Ｗとランプ１３０との相対的移動にも適用することができる。
【０１４３】
以下、被処理体Ｗの回転機構について図１を参照して説明する。集積回路の各素子の電気的特性や製品の歩留まり等を高く維持するためには被処理体Ｗの表面全体に亘ってより均一に熱処理が行われることが要求される。被処理体Ｗ上の温度分布が不均一であれば、例えば、成膜処理における膜厚が不均一になったり、熱応力によりシリコン結晶中に滑りを発生したりするなど、ＲＴＰ装置１００は高品質の熱処理を提供することができない。被処理体Ｗ上の不均一な温度分布はランプ１３０の不均一な照度分布に起因する場合もあるし、ガス導入部１８０付近において導入される処理ガスが被処理体Ｗの表面から熱を奪うことに起因する場合もある。回転機構はウェハを回転させて被処理体Ｗがランプ１３０により均一に加熱されることを可能にする。
【０１４４】
被処理体Ｗの回転機構は、サポートリング１５０と、リング状の永久磁石１７０と、リング状のＳＵＳなどの磁性体１７２と、モータドライバ３２０と、モータ３３０とを有する。
【０１４５】
サポートリング１５０は、耐熱性に優れたセラミックス、例えば、ＳｉＣなどから構成された円形リング形状を有する。サポートリング１５０は被処理体Ｗの載置台として機能し、中空円部において断面Ｌ字状に周方向に沿ってリング状の切り欠きを有する。かかる切り欠き半径は被処理体Ｗの半径よりも小さく設計されているのでサポートリング１５０は切り欠きにおいて被処理体Ｗ（の裏面周縁部）を保持することができる。必要があれば、サポートリング１５０は被処理体Ｗを固定する静電チャックやクランプ機構などを有してもよい。サポートリング１５０は、被処理体Ｗの端部からの放熱による均熱の悪化を防止する。
【０１４６】
サポートリング１５０は、その端部において支持部１５２に接続されている。必要があれば、サポートリング１５０と支持部１５２との間には石英ガラスなどの断熱部材が挿入されて、後述する磁性体１７２などを熱的に保護する。本実施例の支持部１５２は中空円筒形状の不透明な石英リング部材として構成されている。ベアリング１６０は支持部１５２及び処理室１１０の内壁１１２に固定されており、処理室１１０内の減圧環境を維持したまま支持部１５２の回転を可能にする。支持部１５２の先端には磁性体１７２が設けられている。
【０１４７】
同心円的に配置されたリング状の永久磁石１７０と磁性体１７２は磁気結合されており、永久磁石１７０はモータ３３０により回転駆動される。モータ３３０はモータドライバ３２０により駆動され、モータドライバ３２０は制御部３００によって制御される。
【０１４８】
この結果、永久磁石１７０が回転すると磁気結合された磁性体１７２が支持部１５２と共に回転し、サポートリング１５０と被処理体Ｗが回転する。回転速度は、本実施例では例示的に９０ＲＰＭであるが、実際には、被処理体Ｗに均一な温度分布をもたらすように、かつ、処理室１１０内でのガスの乱流や被処理体Ｗ周辺の風切り効果をもたらさないように、被処理体Ｗの材質や大きさ、処理ガスの種類や温度などに応じて決定されることになるであろう。磁石１７０と磁性体１７２は磁気結合されていれば逆でもよいし両方とも磁石でもよい。
【０１４９】
次に、ＲＴＰ装置１００の動作について説明する。図示しないクラスターツールなどの搬送アームが被処理体Ｗを図示しないゲートバルブを介して処理室１１０に搬入する。被処理体Ｗを支持した搬送アームがサポートリング１５０の上部に到着すると、図示しないリフタピン昇降系がサポートリング１５０から（例えば、３本の）図示しないリフタピンを突出させて被処理体Ｗを支持する。この結果、被処理体Ｗの支持は、搬送アームからリフタピンに移行するので、搬送アームはゲートバルブより帰還させる。その後、ゲートバルブは閉口される。搬送アームはその後図示しないホームポジションに移動してもよい。
【０１５０】
一方、リフタピン昇降系は、その後、図示しないリフタピンをサポートリング１５０の中に戻し、これによって被処理体Ｗをサポートリング１５０の所定の位置に配置する。リフタピン昇降系は図示しないベローズを使用することができ、これにより昇降動作中に処理室１１０の減圧環境を維持すると共に処理室１０２内の雰囲気が外部に流出するのを防止する。
【０１５１】
その後、制御部３００はランプドライバ３１０を制御し、ランプ１３０を駆動するように命令する。これに応答して、ランプドライバ３１０はランプ３００を駆動し、ランプ１３０は被処理体Ｗを、例えば、約８００℃まで加熱する。本実施例の熱処理装置１００は、レンズアッセンブリ１２２とメッキ部１４９によってランプ１３０の指向性を高めつつ、リフレクタを取り除いてランプ密度とそれによってパワー密度を高めているので所望の高速昇温を得ることができる。ランプ１３０から放射された熱線は石英ウインドウ１２０を介して処理空間にある被処理体Ｗの上面に照射されて被処理体Ｗを、例えば、８００℃へ２００ーＣ／ｓの加熱速度で高速昇温する。一般に被処理体Ｗの周辺部はその中心側と比較して放熱量が多くなる傾向があるが、本実施例のランプ１３０は同心円状に配置して領域毎の電力制御も可能であるので高い指向性と温度制御能力を提供する。装置１００が図３１に示す構造を使用すれば底部１１４Ａは、この時、図３８に示すようにホームポジションに配置される。特に、図３８に示す構造は被処理体Ｗが冷却プレートである底部１１４Ａから離間してその影響を受けにくいので効率的な高速昇温が可能である。加熱と同時又はその前後に、排気部１９０が処理室１１０の圧力を減圧環境に維持する。
【０１５２】
同時に、制御部３００はモータドライバ３２０を制御し、モータ３３０を駆動するように命令する。これに応答して、モータドライバ３２０はモータ３３０を駆動し、モータ３３０はリング状磁石１７０を回転させる。この結果、支持部１５２（又は１５２Ａ）が回転し、被処理体Ｗがサポートリング１５０と共に回転する。被処理体Ｗが回転するのでその面内の温度は熱処理期間中に均一に維持される。
【０１５３】
加熱中は、レンズアッセンブリ１２２、補強材１２４及び／又は導波部１２６により石英ウインドウ１２０は石英プレート１２１の厚さが比較的薄いので幾つかの長所を有する。これらの長所は、（１）ランプ１３０からの光をあまり吸収しないので被処理体Ｗへの照射効率を低下しない、（２）プレート１２１の表裏面で温度差が小さいので熱応力破壊が発生しにくい、（３）成膜処理の場合でもプレート１２１の温度上昇が少ないためにその表面に堆積膜や反応副生成物が付着しにくい、（４）レンズアッセンブリ１２２が石英ウインドウ１２０の強度を高めているのでプレート１２０が薄くても処理室１１０内の減圧環境と大気圧との差圧を維持することができる、を含む。
【０１５４】
被処理体Ｗの温度は放射温度計２００により測定されて、制御部３００はその測定結果に基づいてランプドライバ３１０をフィードバック制御する。被処理体Ｗは回転しているためにその表面の温度分布は均一であることが期待されるが、必要があれば、放射温度計２００は、被処理体Ｗの温度を複数箇所（例えば、その中央と端部）測定することができ、放射温度計２００が被処理体Ｗ上の温度分布が不均一であると測定すれば、制御部３００は被処理体Ｗ上の特定の領域のランプ１３０の出力を変更するようにランプドライバ３１０に命令することもできる。その際、メッキ部１４９及びレンズアッセンブリ１２２によって制御性が高められているので被処理体Ｗの所望の部位を必要なだけ制御性良く加熱することができる。
【０１５５】
放射温度計２００は、チョッパやＬＥＤ等を使用しない単純な構造であるため安価であると共に装置１００の小型化と経済性向上に資する。また、本発明の実効放射率算出方法により温度測定精度が高い。被処理体Ｗは、熱処理においては高温環境下に長時間置かれると不純物が拡散して集積回路の電気的特性が悪化するため、高速昇温と高速冷却が必要でありそのために被処理体Ｗの温度管理が不可欠であるが、本実施例の実効放射率算出方法はかかる要請に応えるものである。この結果、ＲＴＰ装置１００は高品質の熱処理を提供することができる。
【０１５６】
次いで、図示しないガス導入部から流量制御された処理ガスが処理室１１０に導入される。所定の熱処理（例えば、１０秒間）が終了すると制御部３００はランプドライバ３１０を制御してランプ１３０の加熱を停止するように命令する。これに応答して、ランプドライバ３１０はランプ１３０の駆動を停止する。装置１００が図３１に示す構造を使用すれば制御部３００は昇降機構１１７を制御して、底部１１４Ａを図３３に示す冷却位置に移動する。また、好ましくは、熱伝導性の高いヘリウムガスが図３４に示すように被処理体Ｗと底部１１４Ａとの間に導入される。これにより、被処理体Ｗの冷却効率は高くなり比較的低消費電力で高速冷却を行うことができる。冷却速度は、例えば、２００ーＣ／ｓである。
【０１５７】
熱処理後に被処理体Ｗは上述したのと逆の手順によりゲートバルブから処理室１１０の外へクラスターツールの搬送アームにより導出される。次いで、必要があれば、搬送アームは被処理体Ｗを次段の装置（成膜装置など）に搬送する。
【０１５８】
以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はその要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【０１５９】
【発明の効果】
本発明の例示的一態様である石英ウインドウ及び熱処理装置によれば、石英ウインドウのレンズ部材がプレートの強度を高めて薄型化を促進するのでプレートが熱源からの放射光を吸収する量が少なくなる。この結果、被処理体への照射効率の向上やプレートの熱破壊の防止などを達成することができる。また、レンズ部材は熱源からの放射光の指向性を改善するので本発明の熱処理装置は高速昇温のＲＴＰを実現することができ、高品質で歩留まりのよい処理を被処理体に施すことができる。また、リフレクタを使用しないので本発明の熱処理装置は経済的にも優れている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の例示的一態様としての熱処理装置の概略断面図である。
【図２】 図１に示す熱処理装置に適用可能な石英ウインドウの概略上面図である。
【図３】 図２に示す石英ウインドウのＡ−Ａ断面図である。
【図４】 図２に示す石英ウインドウのＢ−Ｂ断面図である。
【図５】 図４に示す石英ウインドウの点線領域Ｃの拡大図である。
【図６】 図２に示す石英ウインドウに使用されるレンズアッセンブリの一部拡大斜視図である。
【図７】 図２に示す石英ウインドウの変形例であり、図３に対応する石英ウインドウの一部拡大断面図である。
【図８】 図２に示す石英ウインドウの更に別の変形例であり、図３に対応する石英ウインドウの一部拡大断面図である。
【図９】 図８に示す石英ウインドウを使用した場合に、被処理体の中心を（０，０）として図２に示すＸ及びＹ方向に関する距離と、被処理体に照射される放射光の照度との関係を３次元的に示す図である。
【図１０】 図９を上から見た図である。
【図１１】 図２に示す石英ウインドウの更に別の変形例であり、図３に対応する石英ウインドウの一部拡大断面図である。
【図１２】 図１１に示す石英ウインドウを使用した場合に、被処理体の中心を（０，０）として図２に示すＸ及びＹ方向に関する距離と、被処理体に照射される放射光の照度との関係を３次元的に示す図である。
【図１３】 図１２を上から見た図である。
【図１４】 図１に示す熱処理装置の加熱部のより詳細な構造を示す拡大底面図である。
【図１５】 図１４に示す加熱部の部分断面側面図である。
【図１６】 図１５に示す加熱部のランプからメッキ部を取り除いた正面図である。
【図１７】 図１６に示すランプの側面図である。
【図１８】 図１４の変形例としての加熱部の拡大底面図である。
【図１９】 図１８に示す加熱部の部分断面族面図である。
【図２０】 図１４に示す加熱部のＸ方向に整列するランプの冷却機構を説明するための断面図である。
【図２１】 図２０に示すランプの側面図である。
【図２２】 図２０に示すランプの平面図である。
【図２３】 メッキ部としての金メッキ膜を有するランプを使用した場合に、被処理体の中心を（０，０）として図１７に示すＸ及びＹ方向に関する距離と、被処理体に照射される放射光の照度との関係を３次元的に示す図である。
【図２４】 図２３を上から見た図である。
【図２５】 図１に示す熱処理装置の加熱部の変形例を説明するための図であり、加熱部に適用されるランプからメッキ部を取り除いた斜視図である。
【図２６】 図１に示す熱処理装置の加熱部の更に別の変形例を説明するための図であり、加熱部に適用されるランプからメッキ部を取り除いた斜視図である。
【図２７】 図２５及び図２６に示すそれぞれのランプのメッキ部による被覆を説明するための断面図である。
【図２８】 図２５に示すランプを有する加熱部の図１４に示すＸ方向に沿った縦断面図である。
【図２９】 図２８に示す加熱部の図１４に示すＹ方向に沿った横断面図である。
【図３０】 図１に示す熱処理装置に適用可能な２種類の放射温度計及びその近傍の概略拡大断面図である。
【図３１】 図１に示す熱処理装置に適用可能な２つの同種の放射温度計及びその近傍の概略拡大断面図である。
【図３２】 本発明の実効放射率算出方法を説明するために使用されるグラフである。
【図３３】 本発明の実効放射率算出方法を説明するために使用されるグラフである。
【図３４】 本発明の実効放射率算出方法を説明するために使用されるグラフである。
【図３５】 本発明の実効放射率算出方法に使用されるパラメータを定義する断面図である。
【図３６】 被処理体の冷却速度に関するシミュレーションの結果を示すグラフである。
【図３７】 図１に示す熱処理装置の冷却プレートしての底部の変形例を説明するための概略断面図である。
【図３８】 図３７に示す構造において被処理体を加熱する際の被処理体と底部との位置関係を説明するための概略断面図である。
【図３９】 図３７に示す構造において被処理体を冷却する際の被処理体と底部との位置関係を説明するための概略断面図である。
【図４０】 図３９に示す実線領域Ｖの概略拡大断面図である。
【図４１】 シングルエンドランプによって下方の被処理体を放射光で加熱する場合に指向性が最もよくなる場合のリフレクタの傾斜角度を説明するための断面図である。
【図４２】 図５に対比される円筒石英ウインドウを通過した光の指向性を説明するための断面図である。
【図４３】 従来のシングルエンドランプを使用した場合に、被処理体の中心を（０，０）として図１７に示すＸ及びＹ方向に関する距離と、被処理体に照射される放射光の照度との関係を３次元的に示す、図２３に対比される図である。
【図４４】 図４３を上から見た図である。
【符号の説明】
１００ 熱処理装置
１１０ 処理室
１２０ 石英ウインドウ
１２２ レンズアッセンブリ
１２３ レンズ素子
１２４ 補強材
１２５ 冷却管
１２６ 導波管
１２８ 流路
１３０ ランプ
１３２ 電極部
１３４ 発光部
１４０ 加熱源
１４２ ランプ保持部
１４９ メッキ部
１９０ 排気部
２００ 放射温度計
２１０ ロッド
２２０ 光ファイバ
２３０ フォトディテクタ
３００ 制御部
３１０ ランプドライバ
Claims (16)
- 被処理体に熱処理を行う処理室と、
前記被処理体に放射光を照射して加熱するランプと、
前記被処理体と前記ランプとの間に配置される石英ウインドウとを有する熱処理装置であって、
当該石英ウインドウは、
石英製プレートと、
当該プレートに固定されて当該プレートの強度を高めると共に前記ランプからの放射光の指向性を改善するレンズ部材とを有する熱処理装置。 - 前記ランプを複数有し、前記レンズ部材は前記ランプに対応した数のレンズ素子を有する請求項１記載の熱処理装置。
- 前記レンズ部材を前記プレートの前記ランプに対向する面と前記被処理体に対向する面の両方に有する請求項１記載の熱処理装置。
- 前記プレートに前記プレートの強度を補強する補強材を更に有する請求項１記載の熱処理装置。
- 前記プレートの厚さは７ｍｍ以下である請求項４記載の熱処理装置。
- 前記プレートの厚さは５ｍｍ以下である請求項４記載の熱処理装置。
- 前記レンズ部材を前記プレートの第１の面に有し、
前記プレートの前記第１の面に対向する第２の面に前記プレートの強度を補強する補強材を更に有する請求項１記載の熱処理装置。 - 前記補強材はアルミニウム製である請求項４記載の熱処理装置。
- 前記補強材を冷却する冷却機構を更に有する請求項４記載の熱処理装置。
- 前記補強材は複数設けられ、前記石英ウインドウは隣接する補強材の間に、前記レンズ部材から前記プレートを介して導入される前記放射光を前記被処理体に導入するための石英製導波部を更に有する請求項７記載の熱処理装置。
- 前記処理室に接続されて当該処理室内を減圧状態に維持することができる排気装置を更に有する請求項１記載の熱処理装置。
- 被処理体にランプからの放射光により熱処理を行う熱処理装置の前記被処理体と前記ランプの間に配置可能な石英ウインドウであって、
石英製プレートと、
当該プレートに固定されて当該プレートの強度を高めると共に前記ランプからの放射光を前記被処理体に向かって集光するレンズ部材とを有する石英ウインドウ。 - 前記石英ウインドウは、複数の前記ランプに使用され、
前記レンズ部材は前記ランプに対応した数のレンズ素子を有する請求項１２記載の石英ウインドウ。 - 前記レンズ部材を前記プレートの前記ランプに対向する面と前記被処理体に対向する面の両方に有する請求項１２記載の石英ウインドウ。
- 前記プレートの厚さは７ｍｍ以下である請求項１２記載の石英ウインドウ。
- 前記プレートの厚さは５ｍｍ以下である請求項１２記載の石英ウインドウ。
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