CN1284218C - 基板温度测定方法 - Google Patents
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Abstract
一种基板温度测定方法,包括以下过程:圆柱杆状玻璃纤维具有一方的前端部和另一方的前端部,并且使形成于上述一方前端部的平坦面与垂直于温度测定对象即基板的主表面的侧面对置地配置上述玻璃纤维,上述玻璃纤维在上述一方的前端部具有相对上述玻璃纤维的中心轴平行的上述平坦面和相对上述玻璃纤维的中心轴倾斜地切成的斜面;从上述平坦面将从上述基板的侧面辐射的光取入到玻璃纤维内,在上述一方的前端部的上述斜面使其反射,将其引导至上述另一方的前端部。
Description
本发明是2002年3月28日递交的名称为“薄膜的膜厚监控方法和基板温度测定方法”的第02108327.4号专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种薄膜厚度控制中采用的扩散炉内的基板温度测定方法。
背景技术
下面,说明现场监控在CVD装置的炉内成膜的膜厚的现有膜厚监控方法(第1现有技术)。
过去,在半导体装置的制造中,使用CVD(化学水蒸气沉积)装置在半导体基板(薄片)上形成薄膜。
然而,在CVD装置中要求高温的热工序,当由该CVD装置形成薄膜时,没有在现场对膜厚进行监控的方法。因此,在现状下,一般是按以下那样的方法测定膜厚。首先,同时或连续地将试验用的薄片成膜。然后,取出该试验用的薄片,另行通过膜厚测定装置测定膜厚。
下面,说明现有扩散炉内的基板温度测定方法(第2现有技术)
过去,为了不污染基板地测定扩散炉(热处理炉)内的基板温度,有通过玻璃纤维取出基板的辐射光后用辐射温度计进行测定的方法。在片叶型的热处理炉中,可使用该方法进行温度测定。
然而,在上述第1现有技术中,成膜过程中不能在现场得知膜厚,而是仅可在成膜后确认膜厚。为此,即使在成膜时由于某种原因形成与目标膜厚不同的膜厚,也不能事先避免形成不同的膜厚。
另外,在上述第2现有技术中,在通常用于门氧化膜的形成的间歇式扩散炉中,由于在制造半导体组件的基板的上下设置假(ダシ-)用基板,所以,实际上不可能通过玻璃纤维取出基板的辐射光。
发明内容
本发明提供一种基板温度测定方法,包括以下过程:圆柱杆状玻璃纤维具有一方的前端部和另一方的前端部,并且使形成于上述一方前端部的平坦面与垂直于温度测定对象即基板的主表面的侧面对置地配置上述玻璃纤维,上述玻璃纤维在上述一方的前端部具有相对上述玻璃纤维的中心轴平行的上述平坦面和相对上述玻璃纤维的中心轴倾斜地切成的斜面;从上述平坦面将从上述基板的侧面辐射的光取入到玻璃纤维内,在上述一方的前端部的上述斜面使其反射,将其引导至上述另一方的前端部。
从某一侧面看到的本发明的膜厚监控方法包括:当使用具有反应炉的CVD(化学水蒸气沉积)装置在上述反应炉内的基板上形成薄膜时,在上述反应炉的外部测定来自上述反应炉内的辐射光,获得上述辐射光的辐射率变化与形成于上述基板上的薄膜的膜厚变化的关系;当在获得上述辐射率变化与上述膜厚变化的关系后使用上述CVD装置在基板上形成薄膜时,测定上述辐射光的上述辐射率的变化;根据获得的上述辐射率变化与上述膜厚变化的关系,从所所测定出的上述辐射光的上述辐射率的变化,推定形成于上述反应炉内的基板上的上述薄膜的膜厚。
附图说明
图1为示出用于本发明第1实施形式的膜厚监控方法的CVD装置的构成的图。
图2为图1中用虚线2示出的、配置于石英管上的辐射温度计近旁的放大图。
图3为示出形成钌(Ru)膜时的辐射率与薄片上的Ru膜厚的关系的图。
图4为示出进行气体清洗时的辐射率与形成于薄片上的薄膜的膜厚的关系的图。
图5为示出用于本发明第2实施形式的基板温度测定方法的扩散炉内的构成的断面图。
图6为图5中的半导体基板和玻璃纤维的放大断面图。
图7为示出用于本发明第3实施形式的基板温度测定方法中的扩散炉内的构成的断面图。
图8为示出用于本发明第4实施形式的基板温度测定方法中的扩散炉内的构成的断面图。
图9为示出用于本发明第5实施形式的基板温度测定方法中的扩散炉内的构成的断面图。
具体实施方式
下面参照附图说明本发明的实施形式。当进行以下说明时,在所有图的共同部分采用共同的参照符号。
第1实施形式
下面说明本发明的第1实施形式的CVD装置中的膜厚监控方法。
图1为示出用于第1实施形式的膜厚监控方法的CVD装置的构成的图。该图所示CVD装置为立式的LPCVD装置。
如图1所示,立式的LPCVD装置包括具有石英管11的反应炉、密封盖12、辐射温度计(高温计)13、及加热器14。在反应炉上部的石英管11上通过导入管15设置辐射温度计13。在石英管11的侧面和上面设置加热器14。另外,在反应炉内的中央附近的密封盖12上载置用于支持多片半导体基板(薄片)16的基板支杆17。
图2为图1中用虚线2示出的配置于石英管11上的辐射温度计13近旁的放大图。在辐射温度计13与石英管11之间设置筒状的导入管15。导入管15用于将从石英管11内部辐射出的辐射光引导至辐射温度计13,同时还具有隔断来自石英管11内部以外的周围的光的作用。
下面,说明利用上述LPCVD装置而在薄片16上形成的薄膜的膜厚监控方法。
如上述那样,为了防止来自加热器14等的光对辐射温度计13的影响,即防止杂射光的影响,由筒状的导入管15将来自石英管11内部的光19引导至辐射温度计13。这样,辐射温度计13可仅测定来自石英管11内部的辐射率。
由上述LPCVD装置在薄片16上堆积薄膜18。这样,在薄膜18成膜到薄片16上的同时,在石英管11内壁也同样地附着薄膜18。
当由辐射温度计13测定该薄膜成膜过程中的石英管11内部的辐射率时,随着在石英管11内壁上附着薄膜18,从辐射温度计13看到的石英管11内部的辐射率产生变化。这是因为根据附着于石英管11内壁的薄膜18,来自反应炉内部的光变得不易透过。
因此,预先调查了透过薄膜18和石英管11的光19的各波长下的辐射率的变化与薄片16上的薄膜18的膜厚变化的关系。
之后,在实际成膜时,由辐射温度计13读取辐射率的变化,根据预先调查到的辐射率与膜厚的关系,推定薄片16上的薄膜18的膜厚。这样,在薄膜成膜时,可在现场对薄片上的薄膜的膜厚进行监控。由辐射温度计13测定的光的波长范围例如为300nm-13000nm左右。
下面,说明在实际利用CVD装置进行钌(Ru)的成膜的场合,Ru膜的膜厚监控方法。
随着在薄片16上的Ru膜18的成膜的进行,在反应炉内壁附着与薄片16上相同膜厚的Ru膜18。图3为示出此时的辐射率与薄片上的Ru膜厚的关系的图。纵轴为将反应炉整体作为一个物质考虑从炉外观看反应炉内的辐射辉度的场合的辐射率。在测定辐射率时,使用单波长(5μm)的辐射温度计。横轴示出置于反应炉内的薄片上的Ru膜的膜厚。
如图3所示,随着薄片上的Ru膜的膜厚变厚,辐射率绘出朝右下降的正弦曲线。此时,通过把握辐射率的值和正弦曲线的波峰的数量,从而可监控反应炉内的Ru膜厚即薄片上的Ru膜的膜厚。
在该实施形式中,说明了利用单波长的辐射温度计的场合,但通过使用多波长的辐射温度计,进一步提高辐射率的测定精度,可提高膜厚的监控精度。
下面,说明气体清洗时,利用上述的膜厚监控方法判断作为清洗对象的薄膜的终点(腐蚀结束点)的例子。上述气体清洗是指为了进行CVD加工,向反应炉内供给反应气体从而在反应炉内壁形成薄膜后,供给腐蚀气体对上述薄膜进行腐蚀。
图4为示出进行气体清洗时的辐射率与形成于反应炉内壁的薄膜的膜厚的关系的图。
如图4所示,随着反应炉内壁的薄膜被腐蚀、膜厚变薄,从辐射温度计13看到的石英管11内部的辐射率绘出朝右上升的正弦曲线。此时,与薄膜成膜时同样,通过把握辐射率的值和正弦曲线的波峰数量,可监控清洗时的终点。在这里,可将辐射率成为0.9的一定值之处判断为薄膜的终点。
即,在气体清洗时,通过预先把握腐蚀薄膜时的辐射率与膜厚的关系,在其后进行腐蚀时测定辐射率,则了可在现场得知薄膜的终点。
如上述那样,在本发明的第1实施形式中,预先把握辐射率与膜厚的关系,在通过CVD装置形成薄膜时,由辐射温度计读取从炉内透过来的光的辐射率的变化,从而可根据上述辐射率与膜厚的关系在现场监控薄片上的薄膜的膜厚。
另外,在进行气体清洗的场合,如形成于反应炉内壁上的薄膜因腐蚀而变薄时,辐射率产生变化,所以,通过预先把握辐射率与膜厚的关系,在腐蚀时通过辐射温度计读取从炉内透过来的光的辐射率变化,也可根据上述辐射率与膜厚的关系在现场对腐蚀的终点进行监控。
下面,说明本发明第2-第5实施形式的扩散炉内的基板温度测定方法。
第2实施形式
图5为示出用于第2实施形式的基板温度测定方法中的扩散炉内的构成的断面图。
如图所示,在石英炉芯管21内载置用于支持多片半导体基板(薄片)22的基板支杆23。在石英炉芯管21的炉口设置凸缘24,在石英炉芯管21的周围设置加热器25。另外,在半导体基板22侧面配置玻璃纤维26的2个前端部中的一方的前端部,在另一方的前端部连接辐射温度计27。上述玻璃纤维26由石英制成。
图6为图5中的半导体基板22和玻璃纤维26的放大断面图。如图所示,在玻璃纤维26的上述一方的前端部形成相对玻璃纤维的中心轴以45°切成的斜面26A。该斜面26A经过镜面处理成为光全反射的面。另外,在玻璃纤维26的一方的前端部中,与斜面26A相反侧的侧面形成有相对于包含玻璃纤维中心轴和斜面26A的法线的面垂直、而且平坦、光滑化的入射面26B。
在间歇式立式扩散炉内,使上述入射面26B对置地将玻璃纤维26配置于作为温度测定对象的半导体基板22的侧面。这样,当使用扩散炉进行热处理时,从入射面26B将从半导体基板22的侧面辐射出的辐射光取入到玻璃纤维26,在斜面26A进行反射后入射到辐射温度计27。这样,通过将半导体基板22的辐射光引导至辐射温度计27,可正确地测定半导体基板22的温度。
利用这样的基板温度测定法测定基板温度,同时,控制基板温度,在半导体基板上形成薄膜。在该薄膜形成工序中,利用由上述手法测定的基板温度、炉内压力、气体流量来计算所形成的薄膜的膜厚,并在计算值达到目标膜厚的阶段结束薄膜形成。
如上述说明那样,在该第2实施形式中,通过在玻璃纤维26的前端部形成镜面的斜面26A,在玻璃纤维26的斜面26A使从薄片22的侧面辐射的光反射,引导至辐射温度计27。这样,可正确地测定基板温度。另外,在薄膜形成工序中,如利用这样的基板温度测定方法测定基板温度从而正确地控制基板温度,可正确地计算出形成的薄膜的膜厚,可减少从目标膜厚的偏移量。
第3实施形式
图7为示出用于第3实施形式的基板温度测定方法中的扩散炉内的构成的断面图。
用于该第3实施形式的基板温度测定方法的扩散炉在图6所示第2实施形式的构成基础上,隔开空间地将不透明石英基板31设置到形成于玻璃纤维26的一方的前端部的斜面26A上。该不透明石英基板31可如图7所示那样,接触在斜面26A的一端侧而另一端侧离开地配置。在斜面26A与不透明石英基板31之间可存在空间,该空间可为能够进行加工的最小距离,例如0.2mm左右。其它构成与上述第2实施形式的构成同样,采用相同的符号,省略其说明。
在上述第2实施形式中,由于仅是在玻璃纤维26的前端部形成镜面状态的斜面26A,所以,有可能从扩散炉上部的高温部将辐射光的一部分(杂射光)取入到玻璃纤维26,使得基板温度的测定精度不够。
因此,在该第3实施形式中,将不透明石英基板31设置于玻璃纤维26的前端部的斜面26A上。这样,来自扩散炉上部的高温部的辐射光在不透明石英基板31散射,从而可使得取入到玻璃纤维26的量大幅度减少。结果,与上述第2实施形式相比可进一步提高基板温度的测定精度,所以,可比上述第2实施形式进一步减少形成的薄膜从目标膜厚的偏移量。
在该第3实施形式中,当不透明石英基板31接触于斜面26A时,在斜面26A不产生辐射光的全反射,基板温度的测定精度不能提高。为此,玻璃纤维26的斜面26A与不透明石英基板31需要不接触而隔开间隔。
第4实施形式
图8为示出用于第4实施形式的基板温度测定方法中的扩散炉内的构成的断面图。
用于该第4实施形式的基板温度测定方法的反应炉在图7所示第3实施形式的构成的基础上,将石英棱镜41支持于基板支杆23,将该石英棱镜41配置于半导体基板22的下侧主表面(下表面)之下。
上述石英棱镜41的2个前端部中的一方的前端部切成45度的角度,另一方的前端部被切成直角。在一方前端部中,未被切成45度的面与半导体基板22的表面对置地配置,另一方前端部的被切成直角的面与玻璃纤维26的入射面26B对置地配置。
在该第4实施形式中,由于可测定形状和表面状态稳定的半导体基板22的主表面的表面温度,所以可提高基板温度的测定精度。这样,可减少形成的薄膜从目标膜厚的偏移量。图8示出了测定基板下侧主表面(下表面)的温度的例子,但也可测定基板上侧主表面(上表面)的温度。为了测定基板的上表面的温度,可将石英棱镜41的45度的斜面朝上改变。
第5实施形式
图9为示出用于第5实施形式的基板温度测定方法中的扩散炉内的构成的断面图。
用于该第5实施形式的基板温度测定方法的扩散炉在图6所示的第1实施形式的构成中,使基板支杆51空心,在基板支杆51的内部设置玻璃纤维26。
与上述第1实施形式同样,在玻璃纤维26的一方的前端部,形成有切成45度的斜面26A和在该斜面26A的相反侧形成的入射面26B。玻璃纤维26的入射面26B与作为温度测定对象的半导体基板22的侧面对置地配置。基板支杆51由碳化硅(SiC)形成,内部空心,所以,在半导体基板22与玻璃纤维26的入射面26B之间不存在SiC层。
在该第5实施形式中,使用设于基板支杆51内部的玻璃纤维26,从入射面26B将来自半导体基板22侧面的辐射光取入到玻璃纤维26内,在上述斜面26A使其反射,入射到辐射温度计27。结果,可获得正确的基板温度。
因此,在薄膜形成工序中,如使用这样的基板温度测定方法测定基板温度,正确地控制基板温度,可正确地计算出形成的薄膜的膜厚,减少从目标膜厚的偏移量。
下面说明利用上述第2-第5实施形式、第1比较例、第2比较例的各立式扩散炉在750℃的温度下进行氢燃烧氧化,从而在硅半导体基板上形成氧化膜的结果。上述第1比较例为用设置于炉内的热电偶测定炉内温度以得知基板温度的场合。第2比较例为在第3实施形式中使斜面与不透明石英基板接触的场合,例如使空间为0.005mm的场合。
在该氧化膜的形成工序中,根据监控的炉内压力、基板温度或炉内温度、气体流量来计算基板上的氧化膜的膜厚,在计算值达到8nm的阶段结束氧化工序。
之后,通过偏光解析法测定形成于各基板上的氧化膜的膜厚。结果,从目标膜厚8nm的偏移量的大小关系为第4实施形式<第3实施形式<第2、第5实施形式<第2比较例<第1比较例。所有实施形式都可将从目标膜厚8nm的膜厚偏移量抑制在±2%以下。由此可以确定,利用上述第2-第5实施形式的基板温度测定方法能够减少形成于基板上的氧化膜从目标膜厚偏移量。
另外,在上述第2-第5实施形式中,说明了玻璃纤维使用石英的例子,但已经确认,除石英以外使用蓝宝石也可获得与这些实施形式同样的结果。
另外,上述各实施形式不仅可分别单独地实施,也可进行适当组合后实施。另外,在上述各实施形式中包含各种阶段的发明,对在各实施形式中公开的多个构成部分进行适当的组合,也可抽出多种阶段的发明。
如上述那样,按照本发明的实施形式,可提供能够在现场监控CVD装置的反应炉内的基板上薄膜的膜厚的方法。另外,可提供能够在间歇式扩散炉内测定基板温度的基板温度测定方法。
其它优点和改良对于本领域的技术人员来说是显而易见的。因此,本发明的范围不限于这里示出和说明的具体细节和典型实施例。因此,在不脱离由后附的权利要求和与其相当的部分限定的一般发明思想和范围的条件下可进行多种变形。
Claims (6)
1.一种基板温度测定方法,包括以下过程:圆柱杆状玻璃纤维具有一方的前端部和另一方的前端部,并且使形成于上述一方前端部的平坦面与垂直于温度测定对象即基板的主表面的侧面对置地配置上述玻璃纤维,上述玻璃纤维在上述一方的前端部具有相对上述玻璃纤维的中心轴平行的上述平坦面和相对上述玻璃纤维的中心轴倾斜地切成的斜面;从上述平坦面将从上述基板的侧面辐射的光取入到玻璃纤维内,在上述一方的前端部的上述斜面使其反射,将其引导至上述另一方的前端部。
2.根据权利要求1所述的基板温度测定方法,其中,作为上述温度测定对象的基板为配置于间歇式扩散炉内的多个基板中的1个。
3.根据权利要求1所述的基板温度测定方法,其中,上述玻璃纤维的上述斜面相对玻璃纤维的中心轴切成45度,同时,其表面成为镜面状态。
4.根据权利要求1所述的基板温度测定方法,其中,在上述玻璃纤维的上述斜面上,与上述斜面的表面隔开空间地形成不透明基板。
5.根据权利要求1所述的基板温度测定方法,其中,使用具有一方的前端部和另一方的前端部的棱镜,与上述温度测定对象即基板的主表面对置地配置上述棱镜的上述一方的前端部的侧面,同时,与上述玻璃纤维的上述平坦面对置地配置上述棱镜的上述另一方的前端部;上述棱镜在与上述棱镜的上述一方前端部的上述侧面的相反一侧,具有相对上述棱镜的中心轴切成45度的斜面。
6.根据权利要求1所述的基板温度测定方法,其中,上述温度测定对象即基板由内部空心的支持构件支持,上述玻璃纤维配置在上述支持构件的内部。
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