JP2001208611A

JP2001208611A - 温度測定方法およびその装置

Info

Publication number: JP2001208611A
Application number: JP2000020539A
Authority: JP
Inventors: Tomomi Ino; 知巳井野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2000-01-28
Filing date: 2000-01-28
Publication date: 2001-08-03

Abstract

(57)【要約】【課題】熱処理装置内の被測定体を熱処理装置から離
間して測定する際に、リアルタイムで精度よく温度測定
する技術を提供すること。【解決手段】放射温度計１３による温度の測定に際し
ては、測定用窓１２、３２ａ、３２ｂ、３２ｃと放射温
度計１３の間における空気の対流の影響を防止する手段
２０を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱処理装置内の被
測定体の温度を放射温度計で正確に測定する技術に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、半導体の製造プロセスでは、ウ
エハを窒素やアルゴン等の不活性ガス中で高温処理する
熱処理が拡散炉等の熱処理炉を用いて行われている。こ
の熱処理により、シリコンに添加した導電型不純物を、
いわゆる拡散現象を利用してシリコンの中に押しこみ、
必要なプロファイルを得るために再分布させている。不
純物元素はシリコンの中で、それぞれ固有の拡散係数を
持っている。それを用いて拡散層のプロファイルは、熱
処理の温度と時間とをコントロールすることで行ってい
る。

【０００３】また、イオン注入された不純物はそのまま
では電気的に不活性のため、その活性化のためにも熱処
理を用いている。例えば、半導体材料に含まれる非晶質
成分もしくは非晶質半導体材料を結晶化させる場合。も
ともと結晶性が高い（結晶粒径が大きかったり、単結晶
に近い状態であること）ものの、不純物注入のためのイ
オンを照射したために注入されたドーパントにより衝撃
を受けて結晶性が低下した半導体材料の結晶性を回復す
る場合や、より結晶性を向上させることが必要とされる
場合等がある。従来から、このような目的の達成手段と
して熱アニールが用いられている。

【０００４】この熱アニールを、処理対象として半導体
材料であるシリコンに用いる場合には、通常、６００℃
から１１００℃の温度で０．１〜４８時間、もしくはそ
れ以上の時間のアニールをおこない、それによって、非
晶質の結晶化、結晶性の回復、結晶性の向上等を行って
いた。

【０００５】これらのアニール装置は、図８に示す熱処
理炉５１を用いて行なわれる。つまり、前工程の終了後
に、搬送カセット５４で搬送されてきた被処理体の基板
５２…は、ロボット５５によって耐熱カセット５３に移
載されて耐熱カセット５３に収納されたまま熱処理炉５
１に入れられる。熱処理炉５１内では所定時間加熱され
てアニール処理が施され、アニール処理が終了すると、
熱処理炉炉５１から排出されて、搬送カセット５３に移
載された後に次工程へ送られる。一般的に、アニール処
理では熱処理炉５１の温度として５００℃以上が要求さ
れる。

【０００６】これらの熱処理炉内の被処理体は上述のよ
うに、熱処理中の温度管理が必要であるため、図９に模
式図を示すように、内部に半導体ウエハ等の被測定体７
１を載置した熱処理炉等の加熱チャンバの７２外部か
ら、加熱チャンバ７２の測定用窓７３を介して放射温度
計７４により温度測定がおこなわれている。放射温度計
７４は測定に際して被測定体７１との焦点距離を一定値
以上に設定する必要があるので、放射温度計７４は加熱
チャンバ７２の測定用窓７３から離間した位置で測定し
ている。

【０００７】図１０（ａ）〜（ｃ）は、被処理体（被測
定体）の温度が７００℃程度の際に、加熱チャンバの測
定用窓から離間した距離毎に、時間の経過に応じて１０
０ｓｅｃ迄の間、被処理体の温度を測定したグラフであ
る。

【０００８】すなわち、図１０（ａ）は、測定用窓から
放射温度計までの距離が１００ｍｍの場合で、この場合
は２０ｓｅｃ程度の周期で±１０℃程度の変動が発生し
ている。また、図１０（ｂ）は、測定用窓から放射温度
計までの距離が２００ｍｍの場合で、この場合は３０ｓ
ｅｃ程度の周期で、＋方向に２０℃程度、−方向に１０
℃程度の変動が発生している。更に、図１０（ｃ）は、
測定用窓から放射温度計までの距離が３００ｍｍの場合
で、この場合は３０ｓｅｃ程度の周期で、＋方向に３５
℃程度、−方向に３０℃程度の変動が発生している。

【０００９】すなわち、熱処理炉の測定用窓から放射温
度計への距離が長くなるに従って、放射温度計での測定
値の変動も大きくなっている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述に示したように放
射温度計を用いて、熱処理炉等の高温加熱チャンバ内の
被測定体である半導体ウエハの温度を、加熱チャンバの
測定用窓から離間して測定した場合、放射温度計の測定
値が揺らぎながらばらつき、測定精度や再現性が低下す
る。また、これらの現象は、加熱チャンバの窓から放射
温度計を上方に遠ざけるほど測定値のばらつきも大きく
なる。

【００１１】これらの原因は、放射温度計と高温加熱チ
ャンバの測定用窓とが離間しているため、放射温度計と
加熱チャンバの測定用窓との間の空気が対流しているた
め、その影響を受けてばらつきが発生していると考えら
れる。それらは、空気の対流層が大きい程その影響も大
きくなっている。

【００１２】これらの対応として、放射温度計の測定値
を単位時間毎の平均値を求める等により対応している場
合もあるが、その場合ではリアルタイムの被測定体の温
度を計測することができない。

【００１３】なお、放射温度計と被測定体との間の空気
の対流を防止するために、所定温度で所定風速の基準空
気を被測定体（被撮影対象物）の表面に吹き付けて測定
（撮影）する技術が特開平５−２７３０４８号公報に開
示されているが、密閉した加熱装置内の被測定体を、加
熱装置の外側から測定する場合には適用することはでき
ない。

【００１４】本発明はこれらの事情にもとづいて成され
たもので、熱処理装置内の被測定体を熱処理装置から離
間して測定する際に、リアルタイムで精度よく温度測定
する技術を提供することを目的としている。

【００１５】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明による手
段によれば、処理室内に載置された被測定体の温度を、
前記処理室に設けられている測定用窓を介して外部から
放射温度計により測定する温度測定方法において、前記
放射温度計による温度の測定に際しては、前記測定用窓
と前記放射温度計の間に存在する流体の対流の影響を防
止しながら測定を行なうことを特徴とする放射温度測定
方法である。

【００１６】また請求項２の発明による手段によれば、
前記流体の対流の影響を防止する方法は、前記流体の対
流を消滅させるか、あるいは、前記流体の対流を遮蔽さ
せる、あるいは、前記流体の対流による温度の変化をリ
アルタイムで補正するの少なくともいずれか１つの方法
により行うことを特徴とする放射温度測定方法である。

【００１７】また請求項３の発明による手段によれば、
前記流体の対流を消滅させる方法は、送風ファンにより
前記測定用窓と放射温度計との間に流体を送風するか、
あるいは、前記処理室の測定用窓と放射温度計との間の
流体を吸引するの少なくともいずれか１つの方法により
行なうことを特徴とする放射温度測定方法である。

【００１８】また請求項４の発明による手段によれば、
前記流体の対流を遮蔽する方法は、前記測定用窓と放射
温度計との間に密閉状管路を設けることを特徴とする放
射温度測定方法である。

【００１９】また請求項５の発明による手段によれば、
内部に被測定体を載置した処理室の測定用窓と離間して
設ける放射温度計を備えた温度測定装置において、前記
放射温度計と前記測定用窓の近傍には、前記測定用窓と
前記放射温度計の間における流体の対流によって乱れた
波面を補償する手段が設けられていることを特徴とする
放射温度測定装置である。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の形
態について説明する。

【００２１】図１は、本発明の実施形態の一例であるア
ニール装置と、この装置を構成する被処理体（被測定
体）の搬送系の模式概略図である。

【００２２】アニール装置は、アニール処理を行なう熱
処理炉として、例えば活性化炉１を有し、また、この活
性化炉１には、被処理体である半導体等の基板２…を活
性化炉１の中に挿入する際に使用する耐熱カセット３が
用いられる。なお、活性化処理のみならず結晶化処理
等、広く加熱処理に本発明を用いることができるのは言
うまでもない。

【００２３】また、この耐熱カセット３に搬送用カセッ
ト４から、アニール処理の前後の処理工程として、基板
２…を搬送用カセット４と耐熱カセット３の間で移載す
る移載ロボット５が設けられている。

【００２４】活性化炉１は、処理温度が５００℃以上と
なるため、アニール処理に際しては、活性化炉１内の昇
温、降温時間が必要になる。そのため、耐熱ガラスや石
英製の耐熱カセット３に、被処理体である基板２…を複
数枚一度に入れて、一括してアニール処理を行なうバッ
チ方式を用いている。

【００２５】熱処理炉である活性化炉１は図１に示した
ように、セラミックの炉材で形成された炉室６の内壁に
沿ってヒータ７が設けられ、このヒータ７の内側にはヒ
ータ７からの熱を炉室６の内部に伝達する石英チューブ
８が設けられている。また、この石英チューブ８が形成
する空間内である炉室６の中心部には耐熱カセットガイ
ド（不図示）が設置されている。この耐熱カセットガイ
ド（不図示）は、耐熱カセット３の少なくとも下方の２
隅の短手方向への移動を拘束し、長手方向へは移動自在
な構造で、活性化炉１の側壁の一方に設けられた開閉扉
１０側から他方の側壁まで設けられている。また、炉室
の天井壁の一部に温度測定用の透光性窓１２が設けられ
ている。

【００２６】この透光性窓１２の上方には１００ｍｍの
間隔を離間して放射温度計１３が設置されている。放射
温度計１３は、図２に基本ブロックの構成図を示すよう
に、被測定体１４より検出された熱放射エネルギーは検
出部１５により検出され、検出部１５内の温度変換器で
電気信号に変換されて、順次、増幅器１６、ＡＤ変換器
１７、演算処理装置１８およびＤＡ変換器１９に接続さ
れて、それぞれで処理されて出力される。なお、温度変
換器としては、サーモパイル、Ｓｉ、Ｇｅ、焦電素子等
が用いられている。

【００２７】また、透光性窓１２の近傍には、透光性窓
１３と放射温度計１３との間の空気の対流による影響を
防止するための、対流による影響の防止手段２０が設け
られている。

【００２８】この対流の影響の防止手段２０は、空気の
対流そのものを消滅させる方法や、また、空気の対流そ
のものは存在していても測定に際して、それを遮蔽する
方法や、リアルタイムで補正する方法を用いている。

【００２９】例えば、空気の対流を消滅させる方法で
は、送風ファン等が用いられており、それによって活性
化炉１の透光性窓１２の上方と放射温度計１３との間に
形成されている空気の対流層を消滅させる作用を果た
す。

【００３０】以下に対流の影響の防止手段の具体例を示
し、それについて説明する。［具体例１］図３に模式図を示すように、被測定体３０
（例えば半導体ウエハ）を内部に載置した熱処理室であ
る加熱チャンバ３１ａの透光性窓３２ａと放射温度計３
３との間に、透光性窓３２ａに略平行に所定の風量を送
風する手段として送風ファン３４を設置する。送風ファ
ン３４は、図４に示したような軸流ファン方式以外のも
のを用いてもよく、例えば、ラインフローファンや遠心
ファンを用いることもできる。これらのファンを作動さ
せて透光性窓３２ａと放射温度計３３の間に送風し、透
光性窓３２ａと放射温度計３３の間に発生している対流
を防止する。なお、この際に、送風ファン３４が送風す
る風量は、あまり多量である必要はない。

【００３１】図４は、図３で示したように、送風ファン
３４を設置して透光性窓３２ａと放射温度計３３との距
離を１０ｍｍとし、送風ファン３４によって透光性窓３
２ａに平行方向の風を送風しながら、放射温度計３３に
よる温度の測定結果を示すグラフである。測定時間の経
過に拘わらず、測定値である７００℃近辺で測定値のゆ
らぎが押さえられ、精度のよい測定が行われていること
が示されている。［具体例２］図５に模式図を示すように、被測定体３０
（例えば半導体ウエハ）を内部に載置した加熱チャンバ
３１ｂの透光性窓３２ｂと放射温度計３３の間を石英ガ
ラスのような耐熱材の管路によって密閉状管路３５を形
成する。密閉状管路３５の途中に設けた分岐管路３６の
端部を真空ポンプ３７に接続し、真空ポンプ３７により
密閉状管路３５内を真空引きする。この場合、透光性窓
３２ｂと放射温度計３３との間の空気の対流の影響は、
密閉状管路３５により防止できるが、密閉状管路３５内
でも弱い対流が生じるので、それを防止するために真空
ポンプ３７を用いて密閉状管路３５内の対流を防止して
いる。

【００３２】これによりゆらぎが抑えられて、放射温度
計３３の温度の測定値が安定する。［具体例３］図６に模式図を示すように、透光性窓３２
ｃの上方の大気の擾乱をモニタし、補正するような補償
光学系３８を設けて温度測定を行う。この場合、被測定
体３０（例えば半導体ウエハ）を内部に載置した熱処理
室である加熱チャンバ３１ｃの透光性窓３２ｃの上方の
所定距離に離間し補償光学系３８を設ける。この補償光
学系３８は、赤外線カメラ４０に多数のアクチュエータ
を配し、面の形状を変化させることができるミラー３９
で、これを約４５度の角度で設置する。このミラー３９で
反射された光は、ハーフミラー４０により２方向に分か
れる。すなわち、一方は、放射線温度計３３に、もう一方
は、シャック・ハルトマン光学系４１に導かれる。この
シャック・ハルトマン光学系４１により、対流で乱れた
波面を測定し、その乱れ量をパーソナルコンピュータ４
２で計算し、その結果により乱れ量を補償するように補
償光学系３８のミラー３９の面形状を変形させる。これ
により、放射温度計３３に達する光は、対流による乱れ
を補償されたものとなり、正確な温度測定を行うことが
できる。［具体例４］［具体例２］では、図５に模式図を示した
ように、加熱チャンバ３１ｂの透光性窓３２ｂと放射温
度計３３の間を石英ガラスのような耐熱材の管路によっ
て密閉状管路３５を形成して、その密閉状管路３５内を
真空ポンプ３７で吸引している。しかしながら、容量の
大きな真空ポンプを用いれば、密閉状管路を形成しない
場合でも、透光性窓と放射温度計との間の空気の対流を
解消することができる。

【００３３】したがって、それにより、加熱チャンバと
放射温度計を含む周辺全体を真空引きして、対流する大
気を解消してゆらぎを抑えて、正確な温度の測定を行う
ことができる。［具体例５］図７に示すように、温度測定部の構成は、
ステンレス製の保護管４３の内部に光ファイバ４４を装
着し、光ファイバ４４の一端部の光軸上の前方には集光
レンズ４５を設け、その前方の所定距離Ｌにコーン状の
ターゲット４６が設けられている。このターゲット４６
は温度に応じて発光する物質で形成されている。一方、
光ファイバ４４の他端側には放射温度計３３ａを設けて
温度を測定している。なお、保護管４３の外側には冷却
用ジャケット４７が設けられている。この冷却用ジャケ
ット４７には、一方に、吸入口４７ａが設けられ、他方
には真空ポンプが設けられている。したがって、真空ポ
ンプ４８を作動させることにより吸入口４７ａから外気
を冷却用ジャケット４７の内部に吸引して保護管４３内
を冷却するようにしている。

【００３４】したがって、ターゲットを透過窓に接して
測定すれば、透過窓の周辺の空気の対流の影響を受けず
に測定することができる。

【００３５】なお、光りファイバの代わりに石英ロッド
を用いることもできる。その場合は保護管は用いなくて
もよい。これらにより、対流する大気を解消してゆらぎ
を抑えた温度の測定を行うことができる。

【００３６】以上に説明したように、本発明では、放射
温度計で高温の物体の温度を測定する場合に測定精度と
再現性を向上できる。放射温度計で高温物体の温度を測
定する場合、放射温度計の温度指示値のばらつきを抑
え、温度測定精度と再現性が向上する。

【００３７】

【発明の効果】本発明によれば、放射温度計を用いて密
閉容器内の高温の被測定体の温度を測定する場合に、放
射温度計と密閉容器との間に存在する空気の対流の影響
を解消することにより正確な温度測定を行うことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態の一例であるアニール装置と
その搬送系の模式概略図。

【図２】放射温度計の基本ブロックの構成図。

【図３】本発明の具体例の模式図。

【図４】本発明の具体例による測定結果のグラフ。

【図５】本発明の他の具体例の模式図。

【図６】本発明の他の具体例の模式図。

【図７】本発明の他の具体例の模式図。

【図８】熱処理炉の概略図。

【図９】従来の加熱チャンバ内の温度測定の模式図。

【図１０】（ａ）〜（ｃ）は、従来の加熱チャンバ内の
温度測定結果を測定距離ごとに示したグラフ。

【符号の説明】

１…活性化炉、３１ａ、３１ｂ、３１ｃ…加熱チャン
バ、１２、３２ａ、３２ｂ、３２ｃ…透光性窓、１３、
３３…放射温度計、１４、３０…被測定体、３４…送風
ファン、３５…密閉状管路、３８…補償光学系

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 21/324 Ｈ０１Ｌ 21/324 Ｔ 21/66 21/66 Ｔ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】処理室内に載置された被測定体の温度
を、前記処理室に設けられている測定用窓を介して外部
から放射温度計により測定する温度測定方法において、前記放射温度計による温度の測定に際しては、前記測定
用窓と前記放射温度計の間に存在する流体の対流の影響
を防止しながら測定を行なうことを特徴とする放射温度
測定方法。
【請求項２】前記流体の対流の影響を防止する方法
は、前記流体の対流を消滅させるか、あるいは、前記流
体の対流を遮蔽させる、あるいは、前記流体の対流によ
る温度の変化をリアルタイムで補正するの少なくともい
ずれか１つの方法により行うことを特徴とする請求項１
記載の放射温度測定方法。
【請求項３】前記流体の対流を消滅させる方法は、送
風ファンにより前記測定用窓と放射温度計との間に流体
を送風するか、あるいは、前記処理室の測定用窓と放射
温度計との間の流体を吸引するの少なくともいずれか１
つの方法により行なうことを特徴とする請求項２記載の
放射温度測定方法。
【請求項４】前記流体の対流を遮蔽する方法は、前記
測定用窓と放射温度計との間に密閉状管路を設けること
を特徴とする請求項３記載の放射温度測定方法。
【請求項５】内部に被測定体を載置した処理室の測定
用窓と離間して設ける放射温度計を備えた温度測定装置
において、前記放射温度計と前記測定用窓の近傍には、前記測定用
窓と前記放射温度計の間における流体の対流によって乱
れた波面を補償する手段が設けられていることを特徴と
する放射温度測定装置。