JP2001274092A - 半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 長時間連続して高精度の温度計測を行うこと
ができるようにた半導体製造装置を得る。 【解決手段】 反応管１内に装入したウェーハＷを加熱
して所定の処理を施す半導体製造装置において、反応管
１内の測温対象物であるサセプタリング５に温度計測の
標的としてのピン４０を設けると共に、反応管１の外部
側方に、ピン４０からの熱放射を測定してサセプタリン
グ５の温度を求める放射温度計４１を設置した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、反応管内に装入し
た基板を加熱して所定の処理を施す半導体製造装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】図５、図６に従来のランプ加熱式ＣＶＤ
装置の一例を示す。図５、図６において、１は水平方向
の両端にフランジ１Ａ、１Ｂを有する石英製の反応管、
２は反応管１の上側に配された上ランプ、３は反応管１
の下側に配された下ランプである。これらのランプ２、
３は、反応管１内のサセプタ４上に水平に載せられたウ
ェーハ（基板）Ｗを加熱する加熱手段として設けられて
いる。反応管１内のサセプタ４はＳｉＣ製の円盤であ
り、中空の石英製の回転軸８の上端に支持され、水平面
内で回転させられる。サセプタ４の外周側には石英プレ
ート６が配置され、サセプタ４の外周と石英プレート６
の内周間には、ＳｉＣ製のサセプタリング５が配置され
ている。

【０００３】サセプタリング５を設置する理由は、回転
するサセプタ４が石英プレート６に当たらないように保
護するためと、ウェーハＷの外周側の温度低下を防止す
るためである。また、このサセプタリング５を用いて、
ウェーハＷの外周側の温度計測を行っている。

【０００４】また、サセプタ４の回転軸８は、反応管１
の下部に設けられた筒部１Ｃを通して外部に気密に導出
され、図示しない回転駆動機構に連結されている。１Ｄ
は、筒部１Ｃの下端に設けられたフランジである。

【０００５】この半導体製造装置でウェーハＷに所定の
成膜処理を施す場合は、まず、ウェーハＷを反応管１内
に挿入し、サセプタ４の上面に載せる。次に、サセプタ
４を回転位置まで上昇させて保持した状態でサセプタ４
を回転させる。そして、反応管１内に反応ガスを流すと
共に、ランプ２、３を点灯して成膜処理を行う。成膜が
終了したら、反応ガスを止めて、ランプ２、３を消灯
し、サセプタ４をウェーハ搬送位置まで下げて、ウェー
ハＷを回収する。

【０００６】このような処理を行うにあたり、ウェーハ
Ｗの昇降温時と成膜時には、精度の良い温度制御を行う
必要がある。そのため、ウェーハＷの中心部と外周部に
対応する２箇所で温度の測定を行っている。２箇所で温
度を測定する理由は、例えば直径３００ｍｍのウェーハ
Ｗの温度を精密に制御するためには、少なくとも中心部
と外周部で温度を計測し、その結果に基づいて加熱手段
であるランプ２、３を２チャンネルフィードバック制御
する必要があるからである。

【０００７】従来、２箇所での温度測定は、次のように
熱電対を用いて行っている。図７〜図１０を用いて詳細
に説明する。

【０００８】まず、中心部の温度は、図７に示すよう
に、サセプタ４を回転させる目的で設置された回転機構
の一部である中空の石英製の回転軸８内に石英保護管付
熱電対１０を挿入し、この石英保護管付熱電対１０によ
り計測している。この場合、石英保護管付熱電対１０
は、シール継手１３により、反応管１の下端フランジ１
Ｄに結合された金属製フランジ１２に固定している。

【０００９】図８は、石英保護管付熱電対１０の上端周
縁部とシール継手１３の構成を示している。石英保護管
付熱電対１０は、石英保護管１０Ｂの内部に熱電対本体
１０Ａを挿入したものであり、図８（ａ）に示すよう
に、測温接点を回転軸８の内部空間の上端近傍にまで延
ばして配設されている。９は、回転軸８とサセプタ４を
連結する回転軸アダプタである。

【００１０】また、シール継手１３は、図８（ｂ）に示
すように、石英保護管付熱電対１０が挿通される保持筒
１３Ａと、保持筒１３Ａ内に配されたＯリング１３Ｂ
と、保持筒１３Ａに締結されることでＯリング１３Ｂを
石英保護管付熱電対１０の外周に密着させるナット部材
１３Ｃとからなる。保持筒１３Ａは、図示略の金属フラ
ンジ１２（図７参照）に結合されており、この保持筒１
３Ａに石英保護管付熱電対１０を挿通させて、ナット部
材１３Ｃを締結することにより、気密性を維持しながら
石英保護管付熱電対１０が支持されている。

【００１１】次に、外周部の温度は、図７及び図９に示
すように、サセプタ４の外周側に設置されたサセプタリ
ング５の直下に測温接点が来るように石英保護管付熱電
対２０を反応管１外から挿入し、この石英保護管付熱電
対２０により計測している。この場合、石英保護管付熱
電対２０は、シール継手２３により、反応管１のフラン
ジ１Ｂに結合された金属製フランジ２２に固定してい
る。

【００１２】図１０は、石英保護管付熱電対２０の先端
（測温接点）周縁部とシール継手２３の構成を示してい
る。石英保護管付熱電対２０は、石英保護管２０Ｂの内
部に熱電対本体２０Ａを挿入したものであり、図１０
（ａ）、（ｂ）に示すように、測温接点をサセプタリン
グ５の直下に位置させるようにして配設されている。

【００１３】また、シール継手２３は、図１０（ｃ）に
示すように、石英保護管付熱電対２０が挿通される保持
筒２３Ａと、保持筒２３Ａ内に配されたＯリング２３Ｂ
と、保持筒２３Ａに締結されることでＯリング２３Ｂを
石英保護管付熱電対２０の外周に密着させるナット部材
２３Ｃとからなる。保持筒２３Ａは、図示略の金属フラ
ンジ２２（図７、図９参照）に結合されており、この保
持筒２３Ａに石英保護管付熱電対２０を挿通させて、ナ
ット部材２３Ｃを締結することにより、気密性を維持し
ながら石英保護管付熱電対１０が水平姿勢で支持されて
いる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、熱電対を反
応管１内に挿入して温度計測を行う場合、熱電対自体の
測定精度が±１℃レベルであることから、計測精度が低
く、高い精度の温度制御ができないという問題があっ
た。また、熱電対を直接反応管１の内部に入れる必要が
あるため、プロセスガスに直接さらされることで性能が
著しく低下し、長時間の連続使用が困難になるという問
題があった。さらに、加熱手段であるランプ２、３の光
が直接測温接点に当たる場合には、正確な温度測定が難
しくなるという問題もあった。

【００１５】本発明は、上記事情を考慮し、長時間に亘
り連続して高精度の温度計測を行うことができ、それに
より、高精度の温度制御ができるようにした半導体製造
装置を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、反応管内に装
入した基板を加熱して所定の処理を施す半導体製造装置
において、前記反応管内の測温対象物に温度計測の標的
としての目標物を設けると共に、前記反応管の外部に、
前記目標物からの基板の主面に平行な熱放射を測定して
目標物の温度を求める放射温度計を設けたことを特徴と
する。

【００１７】本発明では、反応管外に配設した放射温度
計によって反応管内の測温対象物の温度計測を行うの
で、熱電対を用いて計測する場合に比べて、高精度な温
度測定が可能である。因みに、放射温度計の測定精度は
±０．１℃であり、熱電対の測定精度は±１℃であるか
ら、大幅に測定精度のアップが図れる。また、計測手段
の本体部分を反応管内に入れる必要がないので、計測手
段の本体部分がプロセスガスにさらされる心配が全く無
く、長時間の連続測定が可能である。

【００１８】また、本発明では、測定対象物からの熱放
射を直接測定するのではなく、測定対象物に温度計測の
標的としての目標物を設け、その目標物からの熱放射を
測定して測定対象物の温度を求めるようにしているの
で、測定対象物が障害物の影に隠れて測定対象物の温度
を直接放射温度計で測定できない場合でも、測定対象物
の温度測定を目標物を介して行うことが可能となる。

【００１９】即ち、例えば測定対象物であるサセプタリ
ングの温度を、加熱手段としてのランプの影響を受けな
い反応管の側方に放射温度計を設置して計測しようとす
る場合、サセプタリングの外側にある石英プレートが放
射温度計にて熱放射を測定する際の障害となるが、本発
明では、サセプタリングに熱放射を測定するための標的
としての目標物を設け、この目標物からの熱放射を測定
するようにしているので、反応管の側方に放射温度計を
設置しても、目標物を介して測定対象物の温度を計測す
ることができる。従って、結果的に、放射温度計をラン
プの影響を受けない反応管の側方に配置することができ
て、正確な温度測定が可能となる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。図１は本発明の実施形態の半導体製
造装置の全体構成を示す断面図、図２は図１の部分拡大
図、図３は半導体製造装置の全体構成の概略を示す平面
図、図４は図１及び図３の部分拡大図である。

【００２１】この実施形態の半導体製造装置の基本構成
は、図５の従来例とほぼ変わりがないので簡単に説明す
る。１は反応管で、水平方向両側端にフランジ１Ａ、１
Ｂ、下方に筒部１Ｃ、筒部１Ｃの下端にフランジ１Ｄを
有する。反応管１の上側には上ランプ２、下側には下ラ
ンプ３が配され、反応管１の内部にはウェーハＷを載せ
るためのＳｉＣ製のサセプタ４が配置されている。サセ
プタ４は中空の石英製の回転軸８の上端に支持され、水
平面内で回転させられる。サセプタ４の外周側には石英
プレート６が配されており、サセプタ４の外周と石英プ
レート６の内周間には、ＳｉＣ製のサセプタリング５が
配されている。

【００２２】この半導体製造装置の特徴は、熱電対で温
度計測を行うという従来の方式を改めて、放射温度計で
必要箇所の温度計測を行うようにした点にある。放射温
度計の測定原理は、測定物体から放射される熱エネルギ
ーを種々の光学系（ターゲットからの放射を集光または
結像させる機構）により取り込み、検出素子によりエネ
ルギーに対応した電気信号に変換して温度を測定すると
いうものである。

【００２３】この半導体製造装置では、ウェーハＷの中
心部の温度計測を行うべく、中空の石英製回転軸８の内
部に、前述したものと同じ構造のシール継手１３を介し
て、ライトガイド方式の放射温度計３０（例えば、JIS
C 1612で規定されたもの）のライトガイド３１が挿入さ
れている。ライトガイド３１の先端は、図２（ａ）に示
すように、回転軸８の内部空間の上端近傍に位置させら
れている。９は、回転軸８とサセプタ４を連結する回転
軸アダプタである。また、図２（ｂ）に示すように、ラ
イトガイド３１は、保持筒１３Ａ、Ｏリング１３Ｂ、ナ
ット部材１３Ｂからなるシール継手１３を介して、気密
を保持した状態で外部に導出され、外部に導出されたラ
イトガイド３１が、図１に示すように、外部の放射温度
計本体３２につながっている。ライトガイド３１はサフ
ァイア製で、サセプタ４の熱放射を放射温度計本体３２
に向けて集光し、それにより、放射温度計本体３２がサ
セプタ４の裏面中心部の温度を計測する。なお、放射温
度計本体３２は、反応管１のフランジ１Ｄに結合した金
属製フランジ１２に固定されている。

【００２４】このように中心部の温度測定のためにライ
トガイド方式の放射温度計３０を選択した理由は、ライ
トガイド方式以外の他の光学系（例えばレンズ式等）で
は、取付場所の確保が困難である（ライトガイドよりも
大きな取付スペースが必要である）からである。また、
半導体製造装置の構造上、回転軸８の内径はできる限り
小さくしたいという要望が強くあり、ライトガイド方式
以外の場合、測定対象物からの放射光路が回転軸に干渉
する可能性が高く、回転軸８の内径を小さくする上での
制約が大きくなるからである。

【００２５】また、ウェーハＷの外周部の温度計測を行
うべく、反応管１の外部側方に放射温度計４１が配され
ている。ここでは、反応管１内に計測手段本体を入れな
いために、レンズ集光タイプの放射温度計４１が使用さ
れている。

【００２６】この場合、反応管１の外部側方から測定対
象物であるサセプタリング５の熱放射を直接測定するこ
とは、石英プレート６が障害となって困難（サセプタリ
ング３から放射温度計４１に向かう光路が石英プレート
６と干渉するため不可能）であることから、サセプタリ
ング５の下面に、反応管１の外部側方に設置した放射温
度計４１から直接見えるように、温度計測の標的として
のＳｉＣ製のピン（目標物）４０を設置し、このピン４
０からのウェーハＷの主面（水平に保持された上面）と
平行な熱放射を、反応管１外部に設置した放射温度計４
１で測定するようにしている。

【００２７】また、反応炉１の金属製フランジ５１に放
射温度計４１へのピン４０からの放射光路４５を確保す
るため開口５２を開け、そこに石英製の窓ガラス５３を
設置している。図４はピン４０の周辺部の構成、窓ガラ
ス５３と光路４５の関係等を拡大して示している。な
お、ピン４０の形状は円筒形とし、放射温度計４１は金
属製フランジ５１に固定した遮光用のカバー４２内に設
置している。

【００２８】このように構成された半導体製造装置で
は、次のようにしてサセプタ４の中心部の温度、及び、
サセプタ４の外周側にあるサセプタリング５の温度が計
測される。

【００２９】即ち、サセプタ４を支持する中空の回転軸
８内に挿入されたライトガイド式放射温度計３０のライ
トガイド３１を通して、サセプタ４の熱放射光が反応管
１外の放射温度計本体３２に入り、ここでサセプタ４の
温度が測定され、電気信号として出力される。また、サ
セプタリング５の下面に突設したピン４からのウェーハ
Ｗの主面に平行な熱放射光が、石英製の窓ガラス５３を
通して反応管１外の放射温度計４１に集光され、ここで
測定対象物であるサセプタリング５の温度が測定され、
電気信号として出力される。

【００３０】従って、いずれも反応管１外に本体部分を
配置した放射温度計３０、４１によってウェーハＷの中
心部と外周部の温度を正確に測定できるようになり、そ
の測定結果に応じて反応管１内のウェーハを高精度に温
度制御することができる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
放射温度計で測定対象物の温度を計測するようにしたの
で、熱電対で測定していた従来の半導体製造装置に比べ
て、反応管内の高精度な温度計測が可能となる。また、
反応管内に温度計測手段の本体部を入れる必要がないの
で、計測手段の性能低下のおそれがなく、長期にわたる
連続使用が可能となる。また、測定対象物に温度測定の
標的としての目標物を設け、その目標物からの熱放射を
放射温度計で測定するようにしているので、直接測定対
象物の熱放射を放射温度計で測定できない場合でも、目
標物の設け方によって、測定の外乱の入りにくい箇所に
放射温度計を設置しながら、確実に測定対象物の温度を
測定することができ、それにより外乱のない高精度な温
度測定が可能となる。その結果、基板の温度制御を高精
度で行うことができるようになり、成膜品質の向上が図
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態の半導体製造装置の全体構成
を示す側断面図である。

【図２】図１の部分拡大図で、（ａ）は図１のＩＩａ部
の拡大図、（ｂ）は図１のＩＩｂ部の拡大図である。

【図３】本発明の実施形態の半導体製造装置の概略構成
を示す平面図である。

【図４】（ａ）は図３のＩＶａ部の拡大図、（ｂ）は図
１のＩＶｂ部の拡大図、（ｃ）は図１のＩＶｃ−ＩＶｃ
矢視断面図である。

【図５】従来の半導体製造装置の全体構成を示す側断面
図である。

【図６】従来の半導体製造装置の概略構成を示す平面図
である。

【図７】従来の半導体製造装置に温度計測手段を設けた
例を示す側断面図である。

【図８】（ａ）は図７のＶＩＩＩａ部の拡大図、（ｂ）
は図７のＶＩＩＩｂ部の拡大図である。

【図９】従来の半導体製造装置に温度計測手段を設けた
例を示す概略平面図である。

【図１０】（ａ）は図９のＸａ部の拡大図、（ｂ）は図
７のＸｂ部の拡大図、（ｃ）は図９のＸｃ部の拡大図で
ある。

【符号の説明】

１ 反応管 ２，３ ランプ ４ サセプタ ５ サセプタリング（測定対象物） ６ 石英リング ４０ ピン（目標物） ４１ 放射温度計 ５３ 石英製の窓ガラス Ｗ ウェーハ（基板）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 柿崎 智 東京都中野区東中野三丁目14番20号 国際 電気株式会社内 Ｆターム(参考） 2G066 AC16 AC20 BA60 5F045 BB02 BB16 DP04 EB02 EK12 GB05 GB15

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 反応管内に装入した基板を加熱して所定
   の処理を施す半導体製造装置において、前記反応管内の
   測温対象物に温度計測の標的としての目標物を設けると
   共に、前記反応管の外部に、前記目標物からの熱放射を
   測定して測定対象物の温度を求める放射温度計を設けた
   ことを特徴とする半導体製造装置。