JP2006090978A

JP2006090978A - 放射温度測定方法、放射温度計および基板処理装置

Info

Publication number: JP2006090978A
Application number: JP2004280141A
Authority: JP
Inventors: Tomomi Ino; 知巳井野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-09-27
Filing date: 2004-09-27
Publication date: 2006-04-06

Abstract

【課題】表面に薄膜が成膜されている半導体基板のように、放射率が刻々変化する表面処理中の被処理物の温度を、放射率の変動の影響を受けずに非接触で正確に測温することのできる温度測定方法と放射温度計、および、それを用いた基板処理装置を提供すること。
【解決手段】被測定体１の同じ領域からの放射光の異なる複数の波長λ_１、λ_２をそれぞれの受光手段４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄで受光し、受光手段４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄが受光したそれぞれ異なる波長毎の受光結果から被測定体１の温度を算出する放射温度計２０による測定で、異なる波長と、被測定体１の法線に対する受光手段４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの受光角をそれぞれθ_１、θ_２とした場合に、波長と被測定体１の法線ｎに対する受光手段４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの受光角との関係を、λ_１ｃｏｓθ_１＝λ_２ｃｏｓθ_２にする。
【選択図】図１

Description

本発明は、表面に薄膜が成膜されている半導体基板のように、放射率が刻々変化する表面処理中の被処理物の温度を、放射率変動の影響を受けずに非接触で正確に測温することのできる放射温度測定方法と放射温度計、および、それを用いた基板処理装置に関する。

半導体装置の製造工程のうち、例えば、Ｓｉ等の半導体ウエハの表面に酸化膜を形成する処理段階では、適正な成膜状態を得るために半導体ウエハの温度を正確に制御する必要がある。このため、従来から半導体ウエハの裏面に熱電対を接触させて測温する方法や放射温度計を用いて測温する方法によって、加熱処理中の半導体ウエハの温度が測定されている。

このうち後者の放射温度計を用いる方法は、半導体ウエハと非接触の状態で測温できる利点がある関係で熱電対法に比べて実用化率が高いが、半導体ウエハからの赤外放射を温度に換算するために、半導体ウエハの放射率を設定する操作が必要となる。ところが、処理中における半導体ウエハの放射率は一定ではないので、温度測定系とは別に放射率測定系を設け、ここで測定したデータをフィードバックして温度を得る方法や、半導体ウエハを直接に測定せず、これに密着した装置部であるサセプタの温度を放射温度計で測る方法等が試みられている。（例えば、特許文献１を参照）
放射温度計の原理は、絶対零度以上の温度の物体は、その表面から赤外線（電磁波）を放射しており、この赤外線の放射エネルギ密度と物体の表面温度との間には、プランクの法則と呼ばれる一定の関係があることが一般に知られている。それを用いて、放射温度計ではプランクの法則にしたがって、赤外線の放射エネルギ密度を測定することにより、物体の表面温度を計測している。放射温度計による温度計測法は、測定対象に対して非接触での放射温度の計測であること、また、測定対象である絶対零度以上の温度のあらゆる物体はその表面から赤外線を放射していること等から各種のプロセスの工程中で広く用いられている。

放射温度計としては、一般に単一波長の放射光を測定する単色温度計と、二波長の放射光を測定する二色温度計が用いられている。

単色温度計は、測定装置に放射率を入力し、その放射率をプランクの法則に掛けて温度を算出している。すなわち、プランクの法則に基づいた換算式Ｉ（λ）＝ε（λ）×Ｉｂ（λ）の関係が成立しているので、被測定体からの放射率ε（λ）が既知であれば、放射光（電磁波）の波長に対する電磁波の分光放射輝度Ｉ（λ）を測定すれば、測定対象からの輝度Ｉｂ（λ）を算出することができる。それから黒体換算して温度を算出することができる。

一方、二色温度計は、測定する二波長間で被測定体の放射光の放射率が等しいと仮定し、それら二波長間の測定値の比から温度を測定している。通常、二色温度計は、一つの光学系で集めた光から二つの波長を抽出し、それらの輝度の強度比から温度を求めていた。すなわち、被測定体の表面から放射される波長の異なる２種の赤外線（放射光、電磁波）を検出し、この２種の赤外線の輝度の強度比によって、被測定体の表面の温度を測定するようにしている。このように２種の赤外線を測定することにより、被測定体の表面状態による誤差を相殺し、より正確に被測定体の表面温度を測定することができる。（例えば、特許文献２を参照）
特開平７−１５９２４６号公報（段落番号０００２〜０００３）特開２００３−２４０８９１号公報（段落番号００３７）

しかしながら、上記した従来の放射温度計による測温方法では、被測定体からの放射光は、光の干渉効果に基づいて、表面の反射率が周期的に変化していく。放射率εの大きさは、反射率Ｒと透過率Ｔからε＝１−（Ｒ＋Ｔ）と表されるが、半導体ウエハであるＳｉウエハは、１μm以下の波長域においては不透明（Ｔ＝０）であるから、反射率Ｒの変化は放射率εの変化と同義に捉えることができる。しかし、Ｓｉウエハ表面にＳｉＯ_２膜を形成する際の膜厚変化に伴う放射率の変動は極めて大きく、これを通常の放射温度計で測温することは至難である。

また、温度測定計とは別に放射率測定計を設置したとしても、半導体装置の製造工程では、成膜等の処理中に同時進行的に放射率を測定することができない。したがって、結局、半導体装置の製造工程では、リアルタイムで連続的に温度をモニタすることができないという問題点がある。

また、特に、従来の二色温度計は、二つの異なる波長の放射光の強度比から温度を測定しているが、測定の際に、それぞれの波長において被測定体の放射率が全く同じでなければ正確に温度を測定することができない。しかし、半導体装置や液晶表示装置の製造工程では、被測定体である半導体ウエハや液晶表示基板には様々な薄膜が成膜される。温度測定の際は、それらの薄膜により薄膜干渉が起こり、放射率が大きく変化する。異なる波長では放射率も異なる場合が多い。このため、従来の二色温度計では、半導体や液晶のプロセス中の温度を高精度で測定することは、実際上は困難であった。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、表面に薄膜が成膜されている半導体基板のように、放射率が刻々変化する表面処理中の被処理物の温度を、放射率の変動の影響を受けずに非接触で正確に測温することのできる放射温度測定方法と放射温度計、および、それを用いた基板処理装置を提供することを目的としている。

本発明によれば、被測定体の同じ領域からの放射光の異なる複数の波長λ_１、λ_２をそれぞれの受光手段で受光し、前記受光手段が受光したそれぞれの異なる波長毎の受光結果から前記被測定体の温度を算出する放射温度測定方法であって、
前記異なる波長と、前記被測定体の法線に対する前記受光手段の受光角をそれぞれθ_１θ_２とした場合に、前記波長と前記被測定体の法線に対する前記受光手段の受光角との関係は、λ_１ｃｏｓθ_１＝λ_２ｃｏｓθ_２であることを特徴とする放射温度測定方法である。

また本発明によれば、前記被測定体の同じ領域からの放射光の異なる波長λ_１、λ_２・・・λ_ｎと、それを受光するそれぞれの異なる前記受光手段とが３つ以上が設けられてあって、前記異なる波長と、前記被測定体の法線に対する前記受光手段の受光角をそれぞれθ_１θ_２・・・θ_ｎとした場合に、前記波長と前記被測定体の法線に対する前記受光手段の受光角との関係は、λ_１ｃｏｓθ_１＝λ_２ｃｏｓθ_２＝・・・＝λ_ｎｃｏｓθ_ｎであることを特徴とする放射温度測定方法である。

また本発明によれば、被測定体の同じ領域からの放射光の異なる波長をそれぞれ受光する複数の前記受光手段と、該各受光手段が受光したそれぞれの波長毎の受光結果から前記被測定体の温度を算出する温度計算部とを具備した放射温度計であって、
前記受光手段は、前記被測定体の法線に対する受光角が異なるように配置されていることを特徴とする放射温度計である。

また本発明によれば、前記被測定体の同じ領域からの放射光の異なる波長と、それを受光するそれぞれの前記受光手段とが３つ以上であることを特徴とする放射温度計である。

また本発明によれば、前記受光手段は、前記被測定体からの放射光の受光部にサファイアロッドを用いていることを特徴とする放射温度計である。

また本発明によれば、プラズマ装置と、このプラズマ装置のチャンバの内部に載置されている基板の温度を非接触で測定する放射温度計とを備える基板処理装置であって、前記温度測定装置は、上記のいずれかの放射温度計を用いることを特徴とする基板処理装置である。

また本発明によれば、前記放射温度計は、前記基板の裏面側から放射温度を測定していることを特徴としている基板処理装置である。

また本発明によれば、前記基板は、半導体基板または液晶表示基板であることを特徴とする基板処理装置である。

本発明によれば、半導体基板や液晶表示基板等の被測定体の表面に形成された薄膜によって起こる干渉の影響で生じる波長毎の放射率の変化を補正することにより、半導体装置等の製造プロセス中の被測定体の温度をリアルタイムで正確に測定することを実現した。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。

まず、最初に本発明の基本的な考え方について説明する。すなわち、被測定体の表面上にリアルタイムで成膜されている薄膜の厚みに関係なく、被測定体のリアルタイムの温度を、放射温度計である二色温度計で正確に測定するために、本発明では、温度の測定の際に用いる被測定体からの放射光の波長に対応して、受光手段として複数の受光ヘッドを設け、かつ、複数の受光ヘッドが被測定体から受光する放射光の受光角を、後述する所定の関係式にももとづいて相互に変化させた。それにより、受光ヘッドで放射光を受光する際、被処理体の表面に成膜されている薄膜の影響により発生した光の干渉による波長毎の放射率変化を低減させている。その結果、被測定体の温度をリアルタイムで正確に測定することができた。

以下、より具体的に説明する。

図１は、上述の基本的な考え方にもとづく放射温度計の模式構成図である。また、図２（ａ）および図２（ｂ）は、放射温度計の２個の光学系を構成している受光ヘッドが被測定体からの放射光を受光する際の受光角の相互の変化と、成膜中の薄膜干渉の影響が変化する様子を対比して説明するグラフで、図２（ａ）は、２個の受光ヘッドの受光角が同じ場合であり、図２（ｂ）は、２個の受光ヘッドの受光角が異なる場合である。

図１に示すように、二色放射温度計は、被測定体１であるＳｉ基板２の表面に薄膜３が成膜されている半導体ウエハからの放射光を受光する複数（２個）の受光ヘッド４ａ、４ｂと、２個の受光ヘッド４ａ、４ｂで受光した光をそれぞれ波長毎に分光する２個の分光器５ａ、５ｂまで伝達する光ファイバ６、２個の分光器５ａ、５ｂからの出力を入力して、被測定体１の温度を計算して算出する温度計算部７と、この温度計算部７で選出された結果を表示する温度表示部８により構成されている。

なお、２個の受光ヘッド４ａ、４ｂは、被測定体１からの受光角が異なるように設定されている。すなわち、図１で示したように、それぞれ被測定体１（例えばが、Ｓｉウエハ）の法線ｎに対してθ_１とθ_２の角度（θ_１≠θ_２）をなすように設置されている。

二色放射温度計は、これらの構成により、２つの受光ヘッド４ａ、４ｂの光はそれぞれ異なる分光器５ａ、５ｂに導かれ、異なる波長λ_１とλ_２の強度を検出する。この受光ヘッド４ａ、４ｂの受光角と測定する光の波長は式(１)に従う。

λ_１ｃｏｓθ_１＝ λ_２ｃｏｓθ_２（１）
すなわち、例えば、装置の構造的な制約から受光ヘッド４ａ、４ｂの被測定体１に対する受光角度が、それぞれθ_１とθ_２とに設定された場合、θ_１とθ_２のいずれかの波長（λ_１かλ_２）の一方を定めれば、式(１)に従って他方の波長を求めることができる。

あるいは、２つの波長（λ_１、λ_２）を特定し、そのいずれかの波長に対して受光ヘッド４ａ、４ｂの被測定体１に対する受光角度（θ_１かθ_２）を設定すれば、式(１)に従って他方の受光角を求めることができる。

これらの２つの波長と、それに対応した２つの受光ヘッド４ａ、４ｂの設定により、特定された２つの波長のそれぞれの強度を受光ヘッド４ａ、４ｂで検出し、検出した結果を温度計算部７で公知（例えば、特開平５−７９９２０１号公報に開示されている）の二色温度測定法の式を用いて被測定体１の温度を求めることができる。

次に、２つの受光ヘッド４ａ、４ｂの設置角と波長を変えることで得られる効果を、図２（ａ）および（ｂ）のグラフにより説明する。

図２（ａ）で示すように、被測定体１からの２つの波長（λ_１、λ_２）の光を、２個の受光ヘッド４ａ、４ｂが同じ角度で受光するように配置されていた場合、例え、被測定体１である半導体ウエハの温度が変化していなくても、半導体ウエハの表面所に形成されている薄膜３による薄膜干渉により、波長毎に異なる振動が発生する。例えば、λ_１＞λ_２の場合、図２（ａ）で示したように、波長の短いλ_２の方が干渉影響を大きく受けて短い周期で振動する。そのため、それぞれの受光ヘッド４ａ、４ｂで受光される放射光強度も干渉の影響が異なり、本来、それぞれの受光ヘッド４ａ、４ｂが受光すべき放射光強度とは異なる光強度となる。

一方、波長λ_１と波長λ_２に対する受光角θ_１と受光角θ_２とを式（１）に従って選択した場合、図２（ｂ）で示したように、短い波長の光λ_２が受ける薄膜干渉影響が低減され、長い波長のλ１と同じ干渉の影響を受けるようになり、λ_１とλ_２の振動周期が等しくなる。

したがって、λ_１とλ_２とは同じ薄膜干渉の影響を受けることになる。つまり異なる２つの波長について、式(１)に従って受光角度を変えることによって、２つの波長の放射率を等しくすることが出来、二色温度計として正確に温度を測定することが出来る。

なお、上述の二色温度計は、被測定体１からの光を受光ヘッド４ａ、４ｂを介して分光器５ａ、５ｂで分光して、それぞれ、２つの波長（λ_１、λ_２）を得たが、その変形例として、図３に模式図を示したように、被測定体１からの放射光を光学フィルタ１１ａ、１１ｂを介して特定波長（λ_１またはλ_２）のみ透過させ、透過光を特定波長（λ_１またはλ_２）に感度を有する受光ヘッド（４ｃまたは４ｄ）に入力し、受光ヘッド（４ｃまたは４ｄ）の出力を温度計算部７に入力するようにしてもよい。

また、上述の場合は、温度測定用の波長として２つの異なる波長を用いたが、測定波長として、３つ以上を用いた多色放射温度計を構成することもでき、それにより測定精度を上げることができる。その場合は、３つ以上の波長に対応して受光する光学系も３つ以上設け、それぞれの光学系の被測定体１に対する受光角と測定波長が式（２）の関係を満たすようにすればよい。

λ_１ｃｏｓθ_１＝ λ_２ｃｏｓθ_２＝・・・＝ λ_ｎｃｏｓθ_ｎ（２）
次に、上述の放射温度計を具備している半導体製造装置の一例として基板処理装置について説明する。

図４は、基板処理装置であるプラズマ処理装置の温度測定部の模式構成図である。プラズマ処理装置は、反応室を形成する密閉容器であるプロセスチャンバ２１の内部には、サセプタ２２の上に被測定体である半導体ウエハ１が載置される。また、プロセスチャンバ２１の底部からサセプタ２２へは連通した２個の貫通孔２３ａ、２３ｂが設けられている。この貫通孔２３ａ、２３ｂには非接触温度測定装置を構成する放射温度計の測定端子である２本のサファイアロッド２４ａ、２４ｂが装着されている。２本のサファイアロッド２４ａ、２４ｂは半導体ウエハ１の法線ｎに対して異なる角度で配置されている。この２本のサファイアロッド２４ａ、２４ｂの上端部は、サセプタ２の表面より僅かに下側で、サセプタ２に載置された半導体ウエハ１の下面に僅少な隙間を介して近接している。この場合、半導体ウエハ１の下面側に測定端子であるサファイアロッド２４ａ、２４ｂを配置したのは、もしサファイアロッド２４ａ、２４ｂを半導体ウエハ１の上面側に配置した場合は、受光の際にプロセスチャンバ２１の内部のプラズマ光の影響を受けることになるので、それを防止するためである。なお、測定端子にサファイアロッド２４ａ、２４ｂを用いたのは、熱膨張率が小さいので、熱による影響が少ないためである。したがって、熱膨張率の小さい透光性の材料であれば、サファイアロッド２４ａ、２４ｂ以外にも他の材質のものを用いることもできる。

また、サファイアロッド２４ａ、２４ｂの下端部には、上述の放射温度計２０が配置されている。すなわち、放射温度計２０は、各サファイアロッド２４ａ、２４ｂに受光ヘッド４ａ、４ｂが接続され、各受光ヘッド４ａ、４ｂにはそれぞれ分光器５ａ、５ｂが接続されている。分光器５ａ、５ｂの出力側は温度計算部７に接続され、温度計算部７には温度表示部８が接続されている。

放射温度計２０はこれらの構成により測定対象である半導体ウエハ１のプロセス処理中の温度を測定している。まず、プロセスチャンバ２１の内部で所定のプロセスにより加熱されている半導体ウエハ１からの放射光は、半導体ウエハ１の裏面近傍に設置したサファイアロッド２４ａ、２４ｂに入射する。サファイアロッド２４ａ、２４ｂに入射した放射光はそれぞれ受光ヘッド４ａ、４ｂに入光し、さらに、それぞれ分光器５ａ、５ｂに入力されて分光され、一方の分光器５ａから特定波長（λ_１）が、他方の分光器５ｂから特定波長（λ_２）がそれぞれ選択されて温度計算部７に入力される。温度計算部７では、二色温度計の式により計算を行い、被測定体１の温度を算出して、温度表示部８に表示する。

なお、プラズマ装置としては、ＣＶＤ装置やエッチング装置に適用することができる。

以上に説明したように、上述の放射温度計によれば、被測定体である基板２の表面に成膜されている^{薄膜３の厚みに関係することなく、被測定体の正確な温度を測定することができる。}
また、この放射温度計を装着した基板処理装置は、リアルタイムで高精度の温度管理をおこなうことができるので、処理対象の被測定体に対して高精度のプロセス処理を施すことができる。

本発明の放射温度計の模式構成図。（ａ）および（ｂ）は、成膜中の薄膜干渉の影響が変化する様子を対比して説明したグラフ。本発明の放射温度計の変形例の模式構成図。本発明の基板処理装置での温度測定部の模式構成図。

符号の説明

１…被測定体（半導体ウエハ）、２…基板（Ｓｉ）、３…薄膜、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ…受光ヘッド（受光手段）、５ａ、５ｂ…分光器、６…光ファイバ、７…温度計算部、８…温度表示部、１１ａ、１１ｂ…光学フィルタ、２０…放射温度計、２１…プロセスチャンバ、２２…サセプタ、２３ａ、２３ｂ…貫通孔、２４ａ、２４ｂ…サファイアロッド、

Claims

被測定体の同じ領域からの放射光の異なる複数の波長λ_１、λ_２をそれぞれの受光手段で受光し、前記受光手段が受光したそれぞれの異なる波長毎の受光結果から前記被測定体の温度を算出する放射温度測定方法であって、
前記異なる波長と、前記被測定体の法線に対する前記受光手段の受光角をそれぞれθ_１、θ_２とした場合に、前記波長と前記被測定体の法線に対する前記受光手段の受光角との関係は、λ_１ｃｏｓθ_１＝λ_２ｃｏｓθ_２であることを特徴とする放射温度測定方法。
前記被測定体の同じ領域からの放射光の異なる波長λ_１、λ_２・・・λ_ｎと、それを受光するそれぞれの前記受光手段とが３つ以上が設けられてあって、
前記異なる波長と、前記被測定体の法線に対する前記受光手段の受光角をそれぞれθ_１θ_２・・・θ_ｎとした場合に、前記波長と前記被測定体の法線に対する前記受光手段の受光角との関係は、λ_１ｃｏｓθ_１＝λ_２ｃｏｓθ_２＝・・・＝λ_ｎｃｏｓθ_ｎであることを特徴とする請求項１記載の放射温度測定方法。
被測定体の同じ領域からの放射光の異なる波長をそれぞれ受光する複数の前記受光手段と、該各受光手段が受光したそれぞれの異なる波長毎の受光結果から前記被測定体の温度を算出する温度計算部とを具備した放射温度計であって、
前記受光手段は、前記被測定体の法線に対する受光角度が異なるように配置されていることを特徴とする放射温度計。
前記被測定体の同じ領域からの放射光の異なる波長と、それを受光するそれぞれの前記受光手段とが３つ以上であることを特徴とする請求項３記載の放射温度計。
前記受光手段は、前記被測定体からの放射光の受光部にサファイアロッドを用いていることを特徴とする請求項3または４記載の放射温度計。
プラズマ装置と、このプラズマ装置のチャンバの内部に載置されている基板の温度を非接触で測定する放射温度計とを備える基板処理装置であって、前記温度測定装置は、請求項３乃至請求項５のいずれか１項に記載の放射温度計を用いることを特徴とする基板処理装置。
前記放射温度計は、前記基板の裏面側から放射温度を測定していることを特徴としている請求項６記載の基板処理装置。
前記基板は、半導体基板または液晶表示基板であることを特徴とする請求項６または請求項７記載の基板処理装置。