JP2006135126A - 半導体基板の熱処理方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 基板裏面温度を温度センサにて非接触で測定することにより、基板から温度センサへの熱移動を阻止して基板裏面温度を正確に測定し、基板の汚染と損傷を防止する。
【解決手段】 半導体基板11の表面11aに、この半導体基板の表面上方に設けられかつコントローラ16により制御される光源13から光を照射することにより、半導体基板を熱処理する。この熱処理に際し、半導体基板の裏面下方に設けられた温度センサ14により半導体基板の裏面温度を非接触で測定した後、この測定された裏面温度と半導体基板の厚さ及び熱伝導率と半導体基板の裏面の昇温速度及び降温速度とから半導体基板の表面温度を推定し、更にこの推定して得られた表面温度が所定の昇温速度及び所定の降温速度で変化するように光源の出力をコントローラが制御する。
【選択図】 図1
【解決手段】 半導体基板11の表面11aに、この半導体基板の表面上方に設けられかつコントローラ16により制御される光源13から光を照射することにより、半導体基板を熱処理する。この熱処理に際し、半導体基板の裏面下方に設けられた温度センサ14により半導体基板の裏面温度を非接触で測定した後、この測定された裏面温度と半導体基板の厚さ及び熱伝導率と半導体基板の裏面の昇温速度及び降温速度とから半導体基板の表面温度を推定し、更にこの推定して得られた表面温度が所定の昇温速度及び所定の降温速度で変化するように光源の出力をコントローラが制御する。
【選択図】 図1
Description
本発明は、半導体基板を熱処理するに際し、半導体基板の裏面温度の測定値から半導体基板の表面温度を推定して、その表面温度を制御する方法に関するものである。
近年のデバイス構造の微細化に伴い、半導体基板を高温で短時間に熱処理することにより、半導体基板中の不純物の濃度分布制御が重要になってきている。しかしながら、従来から用いられてきたバッチ式熱処理方法では、半導体基板の昇温速度及び降温速度が一般的に0.1℃/秒以下と非常に緩やかであるため、半導体基板中の不純物の濃度分布を厳密に制御することが困難であった。
この点を解消するために、より短時間で半導体基板の熱処理を完了するランプアニール(Rapid Thermal Anneal又はLamp Anneal)法や、更に短時間で半導体基板の熱処理を完了するスパイクランプアニール法(Spike Rapid Thermal Anneal又はSpike Lamp Anneal)又はフラッシュランプアニール(Flash Rapid Thermal Anneal又はFlash Lamp Anneal)法などが採用されつつある。上記ランプアニール法、スパイクランプアニール法又はフラッシュランプアニール法では、不純物の深さ方向の分布を狭い範囲で制御するために、非常に高速(昇温速度:100℃/秒以上)に所定の温度まで上昇させ、かつその温度から急速(降温速度:100℃/秒以上)に冷却させ、これにより半導体基板を極めて短時間で熱処理できる。
この点を解消するために、より短時間で半導体基板の熱処理を完了するランプアニール(Rapid Thermal Anneal又はLamp Anneal)法や、更に短時間で半導体基板の熱処理を完了するスパイクランプアニール法(Spike Rapid Thermal Anneal又はSpike Lamp Anneal)又はフラッシュランプアニール(Flash Rapid Thermal Anneal又はFlash Lamp Anneal)法などが採用されつつある。上記ランプアニール法、スパイクランプアニール法又はフラッシュランプアニール法では、不純物の深さ方向の分布を狭い範囲で制御するために、非常に高速(昇温速度:100℃/秒以上)に所定の温度まで上昇させ、かつその温度から急速(降温速度:100℃/秒以上)に冷却させ、これにより半導体基板を極めて短時間で熱処理できる。
しかし、上記ランプアニール法、スパイクランプアニール法又はフラッシュランプアニール法では、半導体基板への光の照射方法や半導体基板の支持方法によっては、半導体基板の表面と裏面との間に数十℃から100℃以上に達する大きな温度差が発生する。このため水平に配置された半導体基板の表面に、この半導体基板の表面上方に設けられかつコントローラにより制御される光源から光を照射することにより、半導体基板を熱処理するとともに、この半導体基板の裏面温度を温度センサにより測定し、この温度センサにより測定された裏面温度に基づいてコントローラが光源の出力を制御すると、半導体基板の裏面温度と表面温度との間の大きな温度差が発生する。この結果、半導体基板表面の設定昇温速度及び設定降温速度と半導体基板表面の実測昇温速度及び実測降温速度との間にずれが生じてしまい、半導体基板中の不純物の濃度分布を厳密に制御できない問題点があった。
この点を解消するために、光源からの光照射により加熱される半導体基板の温度を温度測定装置の熱電対により接触式で測定し、この測定した温度を光源の出力にフィードバックして、半導体基板の温度を所定の範囲内に保持するように光源の出力を調節する閉回路制御を行う熱処理工程における温度制御方法が開示されている(例えば、特許文献1参照。)。この温度制御方法では、温度測定装置の熱電対が被覆部材により被覆され、この被覆部材の基板との接触部周辺が熱伝導率の高い材料で形成され、かつ被覆部材の基板との接触部周辺を除く部分が光透過率の高い材料又は光の反射率の高い材料で形成される。
このように構成された熱処理工程における温度制御方法では、被覆部材の基板との接触部周辺が熱伝導性の高い材料からなるので、基板の熱がこの被覆部材を通して速やかに熱電対に伝わり、被覆部材の基板との接触部周辺以外の部分が光透過率又は光反射率の高い材料からなるので、この部分の被覆部材は光を殆ど吸収しない。この結果、上記温度測定装置により基板の温度を正確に測定できるようになっている。また上記温度測定装置により測定した基板の温度を光源の出力にフィードバックして、基板を所定の温度に制御するので、膜構造、膜質、不純物濃度等による輻射率や光吸収量が変化する基板を熱処理する場合であっても、基板の温度を精度良く制御できるようになっている。
このように構成された熱処理工程における温度制御方法では、被覆部材の基板との接触部周辺が熱伝導性の高い材料からなるので、基板の熱がこの被覆部材を通して速やかに熱電対に伝わり、被覆部材の基板との接触部周辺以外の部分が光透過率又は光反射率の高い材料からなるので、この部分の被覆部材は光を殆ど吸収しない。この結果、上記温度測定装置により基板の温度を正確に測定できるようになっている。また上記温度測定装置により測定した基板の温度を光源の出力にフィードバックして、基板を所定の温度に制御するので、膜構造、膜質、不純物濃度等による輻射率や光吸収量が変化する基板を熱処理する場合であっても、基板の温度を精度良く制御できるようになっている。
一方、基板表面を加熱要素により加熱しかつ基板裏面の温度を複数の温度センサにより測定し、これら温度センサのそれぞれの仮の温度補正値に基づいて基板のシミュレーションされた温度プロファイルを計算し、このシミュレーションされた温度プロファイルと実際の温度プロファイルを算術的に組合せて予想温度プロファイルを形成し、上記予想温度プロファイルが基板裏面にわたって実質的に均一になるまで上記温度プロファイルの計算及び予想温度プロファイルの形成を繰返すことにより温度補正値の最終値をそれぞれ決定し、更にプロセッサが温度センサの対応する1つから引続き求めた温度測定値のオフセットとして各最終値を用いる機能を実行して基板の実際の温度プロファイルを求める基板温度測定システムが開示されている(例えば、特許文献2参照。)。
このように構成された基板温度測定システムでは、基板の処理中に、個々の温度センサ間の変動と特定の基板に対するそれぞれの位置の差に対する補正を行うので、より精度の高い温度測定値が得られ、温度の読取値の精度が高まる。この結果、チャンバにおいて処理される基板上の層をより均一にすることができるので、再現性及び均一性の優れた高信頼性の温度測定が可能となる。
特開平11−163070号公報(請求項1、段落[0054])
特表2002−522912号公報(請求項18、段落[0013])
このように構成された基板温度測定システムでは、基板の処理中に、個々の温度センサ間の変動と特定の基板に対するそれぞれの位置の差に対する補正を行うので、より精度の高い温度測定値が得られ、温度の読取値の精度が高まる。この結果、チャンバにおいて処理される基板上の層をより均一にすることができるので、再現性及び均一性の優れた高信頼性の温度測定が可能となる。
しかし、上記従来の特許文献1に示された熱処理工程における温度制御方法では、熱電対を被覆部材を介して基板に接触させるため、基板から被覆部材及び熱電対への熱移動が生じてしまい、基板自体の温度を正確に測定できないおそれがあった。
また、上記従来の特許文献1に示された熱処理工程における温度制御方法では、被覆部材の基板への接触により、基板を汚染したり、或いは基板を損傷する問題点もあった。
更に、上記従来の特許文献2に示された基板温度測定システムでは、個々の温度センサ間の変動と特定の基板に対するそれぞれの位置の差に起因する誤差を補正することにより、基板裏面全体の温度を正確に予測できるけれども、基板表面を所定の昇温速度で加熱しかつ所定の降温速度で冷却する場合、上記昇温速度及び降温速度が変化すると、基板の表面温度と裏面温度の差が変化するため、基板裏面全体の温度を正確に測定できても、基板の表面温度を正確に測定できない問題点があった。
本発明の目的は、基板裏面の温度を温度センサにて非接触で測定することにより、基板から温度センサへの熱移動を阻止して基板裏面の温度を正確に測定できるとともに、基板の汚染及び損傷を防止できる、半導体基板の熱処理方法を提供することにある。
本発明の別の目的は、基板表面の昇温速度及び降温速度が変化して、基板の表面温度と裏面温度の差が変化しても、基板の裏面温度の測定値から基板の表面温度を正確に予測できる、半導体基板の熱処理方法を提供することにある。
また、上記従来の特許文献1に示された熱処理工程における温度制御方法では、被覆部材の基板への接触により、基板を汚染したり、或いは基板を損傷する問題点もあった。
更に、上記従来の特許文献2に示された基板温度測定システムでは、個々の温度センサ間の変動と特定の基板に対するそれぞれの位置の差に起因する誤差を補正することにより、基板裏面全体の温度を正確に予測できるけれども、基板表面を所定の昇温速度で加熱しかつ所定の降温速度で冷却する場合、上記昇温速度及び降温速度が変化すると、基板の表面温度と裏面温度の差が変化するため、基板裏面全体の温度を正確に測定できても、基板の表面温度を正確に測定できない問題点があった。
本発明の目的は、基板裏面の温度を温度センサにて非接触で測定することにより、基板から温度センサへの熱移動を阻止して基板裏面の温度を正確に測定できるとともに、基板の汚染及び損傷を防止できる、半導体基板の熱処理方法を提供することにある。
本発明の別の目的は、基板表面の昇温速度及び降温速度が変化して、基板の表面温度と裏面温度の差が変化しても、基板の裏面温度の測定値から基板の表面温度を正確に予測できる、半導体基板の熱処理方法を提供することにある。
請求項1に係る発明は、図1及び図2に示すように、チャンバ内に水平に配置された半導体基板11の厚さ及び熱伝導率と半導体基板11の裏面11bの昇温速度及び降温速度とが既知であり、半導体基板11の表面11a又は表面11a及び裏面11bに、この半導体基板11の表面上方又は表面上方及び裏面下方に設けられかつコントローラ16により制御される光源13から光を照射することにより、半導体基板11を熱処理するに際して、半導体基板11の裏面下方に設けられた温度センサ14により半導体基板11の裏面温度TBを非接触で測定する工程と、温度センサ14により測定された裏面温度TBと半導体基板11の厚さ及び熱伝導率と半導体基板11の裏面11bの昇温速度及び降温速度とから半導体基板11の表面温度TFを推定する工程と、推定して得られた表面温度TFが所定の昇温速度及び所定の降温速度で変化するように光源13の出力をコントローラ16が制御する工程とを含むことを特徴とする半導体基板の熱処理方法である。
この請求項1に記載された半導体基板の熱処理方法では、先ず半導体基板11の裏面温度TBを温度センサ14により非接触で測定し、次に予測アルゴリズムに基づいて、即ち上記温度センサ14により測定された裏面温度TBと半導体基板11の厚さ及び熱伝導率と半導体基板11の裏面11bの昇温速度及び降温速度とに基づいて半導体基板11の表面温度TFを正確に予測し、更にこの予測した表面温度TFに基づいてコントローラ16が光源13の出力を制御して、半導体基板11の表面温度TFを所定の昇温速度及び降温速度で昇温及び降温する。
この請求項1に記載された半導体基板の熱処理方法では、先ず半導体基板11の裏面温度TBを温度センサ14により非接触で測定し、次に予測アルゴリズムに基づいて、即ち上記温度センサ14により測定された裏面温度TBと半導体基板11の厚さ及び熱伝導率と半導体基板11の裏面11bの昇温速度及び降温速度とに基づいて半導体基板11の表面温度TFを正確に予測し、更にこの予測した表面温度TFに基づいてコントローラ16が光源13の出力を制御して、半導体基板11の表面温度TFを所定の昇温速度及び降温速度で昇温及び降温する。
請求項2に係る発明は、請求項1に係る発明であって、更に図1に示すように、半導体基板11の厚さ及び熱伝導率と半導体基板11の裏面11bの昇温速度及び降温速度とから予め実験により半導体基板11の表面温度推定式を構築し、この表面温度推定式に半導体基板11の裏面温度TBの測定値を代入することにより、半導体基板11の表面温度TFを推定することを特徴とする。
この請求項2に記載された半導体基板の熱処理方法では、先ず半導体基板11の裏面温度TBを温度センサ14により非接触で測定し、次に上記温度センサ14により測定された裏面温度TBを表面温度推定式に代入して半導体基板11の表面温度TFを正確に予測し、更にこの予測した表面温度TFに基づいてコントローラ16が光源13の出力を制御して、半導体基板11の表面温度TFを所定の昇温速度及び降温速度で昇温及び降温する。
この請求項2に記載された半導体基板の熱処理方法では、先ず半導体基板11の裏面温度TBを温度センサ14により非接触で測定し、次に上記温度センサ14により測定された裏面温度TBを表面温度推定式に代入して半導体基板11の表面温度TFを正確に予測し、更にこの予測した表面温度TFに基づいてコントローラ16が光源13の出力を制御して、半導体基板11の表面温度TFを所定の昇温速度及び降温速度で昇温及び降温する。
以上述べたように、本発明によれば、半導体基板を熱処理するに際し、この基板の裏面下方に設けられた温度センサにより基板の裏面温度を非接触で測定した後に、この温度センサにより測定された裏面温度と基板の厚さ及び熱伝導率と基板の裏面の昇温速度及び降温速度とから基板の表面温度を推定し、更にこの推定して得られた表面温度が所定の昇温速度及び所定の降温速度で変化するように光源の出力をコントローラが制御するので、基板から温度センサへの熱移動を阻止して基板裏面の温度を正確に測定できるとともに、基板の汚染及び損傷を防止でき、更に基板表面の昇温速度及び降温速度が変化して、基板の表面温度と裏面温度の差が変化しても、基板の裏面温度の測定値から基板の表面温度を正確に予測できる。この結果、半導体基板中の不純物の濃度分布を厳密に制御できる。
また半導体基板の厚さ及び熱伝導率と半導体基板の裏面の昇温速度及び降温速度とから予め実験により半導体基板の表面温度推定式を構築し、この表面温度推定式に半導体基板の裏面温度の測定値を代入することにより、半導体基板の表面温度を推定すれば、上記と同様に、基板表面の昇温速度及び降温速度の変化により、基板の表面温度と裏面温度の差が変化しても、基板の裏面温度の測定値から基板の表面温度を正確に予測できる。この結果、上記と同様に、半導体基板中の不純物の濃度分布を厳密に制御できる。
また半導体基板の厚さ及び熱伝導率と半導体基板の裏面の昇温速度及び降温速度とから予め実験により半導体基板の表面温度推定式を構築し、この表面温度推定式に半導体基板の裏面温度の測定値を代入することにより、半導体基板の表面温度を推定すれば、上記と同様に、基板表面の昇温速度及び降温速度の変化により、基板の表面温度と裏面温度の差が変化しても、基板の裏面温度の測定値から基板の表面温度を正確に予測できる。この結果、上記と同様に、半導体基板中の不純物の濃度分布を厳密に制御できる。
次に本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
図1に示すように、シリコン基板11は基板支持具12に載った状態で水平にチャンバ内に配置され、シリコン基板11の表面11a上方には複数の光源13が水平方向に所定の間隔をあけかつシリコン基板11の表面11aに光を照射可能に設けられる。光源13としては、ハロゲンランプ、キノセンランプ等が用いられる。また基板支持具12には貫通孔12aが形成され、シリコン基板11の下方、即ち基板支持具12の下方には貫通孔12aに対向して温度センサ14が設けられる。温度センサ14は、この実施の形態では、熱処理時のシリコン基板11のような高温物体の放射する放射エネルギの総量が高温物体の絶対温度の4乗と高温物体の放射率の積に比例するというステファン−ボルツマンの法則を利用したパイロメータ(放射温度計)が用いられる。具体的には、この温度センサ14は、熱処理時のシリコン基板11の裏面11bから基板支持具12の貫通孔12aを通して放射される光を対物レンズによって集め、その焦点に受熱板を置いて、温度上昇をシリコンセルなどの感温素子で測定することにより、非接触方式でシリコン基板11の裏面11b温度を測定できるようになっている。更に上記温度センサ14の検出出力はコントローラ16の制御入力に接続され、コントローラ16の制御出力は光源の電源17に接続される。なお、シリコン基板11の厚さ及び熱伝導率は既知であり、熱処理時のシリコン基板11の裏面11bの昇温速度及び降温速度も既知である。
なお、この実施の形態では、水平に置かれたシリコン基板の上方に光源を配置したが、水平に置かれたシリコン基板の上方及び下方の双方に光源を配置してもよい。これは、基板支持具の形状及び材質によっては、シリコン基板の表面温度と裏面温度の差が発生することが知られており、シリコン基板の上方及び下方に光源が配置された熱処理方法にも本発明を適用できるからである。
また、この実施の形態では、半導体基板としてシリコン基板を挙げたが、炭化シリコン基板、ガリウム砒素基板などにも本発明を適用できる。
図1に示すように、シリコン基板11は基板支持具12に載った状態で水平にチャンバ内に配置され、シリコン基板11の表面11a上方には複数の光源13が水平方向に所定の間隔をあけかつシリコン基板11の表面11aに光を照射可能に設けられる。光源13としては、ハロゲンランプ、キノセンランプ等が用いられる。また基板支持具12には貫通孔12aが形成され、シリコン基板11の下方、即ち基板支持具12の下方には貫通孔12aに対向して温度センサ14が設けられる。温度センサ14は、この実施の形態では、熱処理時のシリコン基板11のような高温物体の放射する放射エネルギの総量が高温物体の絶対温度の4乗と高温物体の放射率の積に比例するというステファン−ボルツマンの法則を利用したパイロメータ(放射温度計)が用いられる。具体的には、この温度センサ14は、熱処理時のシリコン基板11の裏面11bから基板支持具12の貫通孔12aを通して放射される光を対物レンズによって集め、その焦点に受熱板を置いて、温度上昇をシリコンセルなどの感温素子で測定することにより、非接触方式でシリコン基板11の裏面11b温度を測定できるようになっている。更に上記温度センサ14の検出出力はコントローラ16の制御入力に接続され、コントローラ16の制御出力は光源の電源17に接続される。なお、シリコン基板11の厚さ及び熱伝導率は既知であり、熱処理時のシリコン基板11の裏面11bの昇温速度及び降温速度も既知である。
なお、この実施の形態では、水平に置かれたシリコン基板の上方に光源を配置したが、水平に置かれたシリコン基板の上方及び下方の双方に光源を配置してもよい。これは、基板支持具の形状及び材質によっては、シリコン基板の表面温度と裏面温度の差が発生することが知られており、シリコン基板の上方及び下方に光源が配置された熱処理方法にも本発明を適用できるからである。
また、この実施の形態では、半導体基板としてシリコン基板を挙げたが、炭化シリコン基板、ガリウム砒素基板などにも本発明を適用できる。
このように構成された熱処理装置を用いたシリコン基板11の熱処理方法を図1及び図2に基づいて説明する。
先ずシリコン基板11の裏面11b下方に設けられた温度センサ14によりシリコン基板11の裏面温度TBを非接触で測定する。次にコントローラ16は上記温度センサ14により測定された裏面温度TBとシリコン基板11の厚さ及び熱伝導率とシリコン基板11の裏面11bの昇温速度及び降温速度とに基づいてシリコン基板11の表面温度TFを推定する。このときシリコン基板11の厚さ及び熱伝導率とシリコン基板11の裏面11bの昇温速度及び降温速度とから予め実験によりシリコン基板11の表面温度推定式を構築しておけば、この表面温度推定式にシリコン基板11の裏面温度TBの測定値を代入することにより、シリコン基板11の表面温度TFを効率良く推定することができる。この表面温度推定式は、推定表面温度をTFとし、シリコン基板11の厚さをtとし、シリコン基板11の裏面温度の昇温速度及び降温速度をRとするとき、TFはt及びRの関数、即ちTF=f(t,R)で表される。更にこの推定して得られた表面温度TFが設定表面温度TSに一致する方向に、即ち推定して得られた表面温度TFが所定の昇温速度及び所定の降温速度で変化するように、コントローラ16が電源17を調整して光源13の出力を変更する。この結果、シリコン基板11の表面11aの昇温速度及び降温速度が変化して、シリコン基板11の表面温度TFと裏面温度TBの差が変化しても、シリコン基板11の裏面温度TBの測定値からシリコン基板11の表面温度TFを正確に予測できるので、シリコン基板11中の不純物の濃度分布を厳密に制御できる。
先ずシリコン基板11の裏面11b下方に設けられた温度センサ14によりシリコン基板11の裏面温度TBを非接触で測定する。次にコントローラ16は上記温度センサ14により測定された裏面温度TBとシリコン基板11の厚さ及び熱伝導率とシリコン基板11の裏面11bの昇温速度及び降温速度とに基づいてシリコン基板11の表面温度TFを推定する。このときシリコン基板11の厚さ及び熱伝導率とシリコン基板11の裏面11bの昇温速度及び降温速度とから予め実験によりシリコン基板11の表面温度推定式を構築しておけば、この表面温度推定式にシリコン基板11の裏面温度TBの測定値を代入することにより、シリコン基板11の表面温度TFを効率良く推定することができる。この表面温度推定式は、推定表面温度をTFとし、シリコン基板11の厚さをtとし、シリコン基板11の裏面温度の昇温速度及び降温速度をRとするとき、TFはt及びRの関数、即ちTF=f(t,R)で表される。更にこの推定して得られた表面温度TFが設定表面温度TSに一致する方向に、即ち推定して得られた表面温度TFが所定の昇温速度及び所定の降温速度で変化するように、コントローラ16が電源17を調整して光源13の出力を変更する。この結果、シリコン基板11の表面11aの昇温速度及び降温速度が変化して、シリコン基板11の表面温度TFと裏面温度TBの差が変化しても、シリコン基板11の裏面温度TBの測定値からシリコン基板11の表面温度TFを正確に予測できるので、シリコン基板11中の不純物の濃度分布を厳密に制御できる。
次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく説明する。
<実施例1>
シリコンウェーハの表面温度と裏面温度の差を実測により導出して、シリコン基板の表面温度を推定する表面温度推定式の構築手順を示す。先ず直径200mmのシリコン基板を用意した。このシリコン基板を基板支持具に載せてチャンバに水平に配置した。シリコン基板の裏面下方にはパイロメータを設置し、シリコン基板の裏面には熱電対を貼付した。電源を調節して光源の出力を変更する際に、シリコン基板の裏面温度をパイロメータ及び熱電対によりそれぞれ測定した。この熱電対としては、白金−白金ロジウムの熱電対を用いたが、約800℃以上の高温領域では、シリコンと熱電対が反応してしまい熱電対を再利用できないため、実験毎に熱電対を交換した。またパイロメータと熱電対の測定結果の間で差異がないことを予め確認しておいた。
厚さの異なるシリコン基板についてシリコン基板の裏面温度の昇温速度及び降温速度を変化させたときに、シリコン基板の表面温度及び裏面温度の実測値から、シリコン基板の厚さが増加し、光源の出力変化によるシリコン基板の昇温速度及び降温速度が増加するにつれて、シリコン基板の表面温度と裏面温度の差が増大することが分かった。この結果から、シリコン基板の表面温度TFを推定する表面温度推定式(1)を求めた。
TF=TB+1.775×10-5×t2.151×R ……(1)
上記式(1)において、TBはシリコン基板の裏面温度(℃)であり、tはシリコン基板の厚さ(mm)であり、Rは光源の出力変化によるシリコン基板の昇温速度(℃/秒)及び降温速度(℃/秒)である。
<実施例1>
シリコンウェーハの表面温度と裏面温度の差を実測により導出して、シリコン基板の表面温度を推定する表面温度推定式の構築手順を示す。先ず直径200mmのシリコン基板を用意した。このシリコン基板を基板支持具に載せてチャンバに水平に配置した。シリコン基板の裏面下方にはパイロメータを設置し、シリコン基板の裏面には熱電対を貼付した。電源を調節して光源の出力を変更する際に、シリコン基板の裏面温度をパイロメータ及び熱電対によりそれぞれ測定した。この熱電対としては、白金−白金ロジウムの熱電対を用いたが、約800℃以上の高温領域では、シリコンと熱電対が反応してしまい熱電対を再利用できないため、実験毎に熱電対を交換した。またパイロメータと熱電対の測定結果の間で差異がないことを予め確認しておいた。
厚さの異なるシリコン基板についてシリコン基板の裏面温度の昇温速度及び降温速度を変化させたときに、シリコン基板の表面温度及び裏面温度の実測値から、シリコン基板の厚さが増加し、光源の出力変化によるシリコン基板の昇温速度及び降温速度が増加するにつれて、シリコン基板の表面温度と裏面温度の差が増大することが分かった。この結果から、シリコン基板の表面温度TFを推定する表面温度推定式(1)を求めた。
TF=TB+1.775×10-5×t2.151×R ……(1)
上記式(1)において、TBはシリコン基板の裏面温度(℃)であり、tはシリコン基板の厚さ(mm)であり、Rは光源の出力変化によるシリコン基板の昇温速度(℃/秒)及び降温速度(℃/秒)である。
<実施例2>
シリコン基板の裏面温度の実測値から表面温度を推定するアルゴリズムを構築するために、予め数種類の厚さのシリコン基板と、数種類の光源出力変化によるシリコン基板の昇温速度及び降温速度とにより、上記表面温度と裏面温度の差を実測又はシミュレーションで導出しておく必要がある。
シリコン基板の厚さを705μm、725μm及び745μmに変化させたときのシリコン基板の表面温度と裏面温度の差の計算機シミュレーション結果を図3に示す。このときのシリコン基板の直径は200mmであった。またこの計算機シミュレーションでは、シリコン基板の裏面温度を100℃/秒で昇温させた。
図3から明らかなように、シリコン基板の厚さが725μmである場合、表面温度と裏面温度の差は約25℃であり、シリコン基板の厚さを745μmと20μm厚くすると、表面温度と裏面温度の差は約1.3℃拡大し、シリコン基板の厚さを705μmと20μm薄くすると、表面温度と裏面温度の差は約1.3℃縮小した。
シリコン基板の裏面温度の実測値から表面温度を推定するアルゴリズムを構築するために、予め数種類の厚さのシリコン基板と、数種類の光源出力変化によるシリコン基板の昇温速度及び降温速度とにより、上記表面温度と裏面温度の差を実測又はシミュレーションで導出しておく必要がある。
シリコン基板の厚さを705μm、725μm及び745μmに変化させたときのシリコン基板の表面温度と裏面温度の差の計算機シミュレーション結果を図3に示す。このときのシリコン基板の直径は200mmであった。またこの計算機シミュレーションでは、シリコン基板の裏面温度を100℃/秒で昇温させた。
図3から明らかなように、シリコン基板の厚さが725μmである場合、表面温度と裏面温度の差は約25℃であり、シリコン基板の厚さを745μmと20μm厚くすると、表面温度と裏面温度の差は約1.3℃拡大し、シリコン基板の厚さを705μmと20μm薄くすると、表面温度と裏面温度の差は約1.3℃縮小した。
一方、上記と同一条件でシリコン基板の表面温度及び裏面温度を熱電対で実測した。熱電対はその先端のみを熱容量の小さい炭化シリコンで被覆した。熱電対による実測の結果、上記計算機シミュレーションとほぼ同じ温度差となっていることを確認できた。またシリコン基板の裏面温度をパイロメータで実測した。熱電対とパイロメータでの実測結果は整合性があることを確認できた。
次に厚さ725μmのシリコン基板を用いて、昇温速度及び降温速度を25℃/秒から400℃/秒の範囲で変化させた。計算機シミュレーションの結果、昇温速度及び降温速度の増大に比例して、表面温度と裏面温度の差も増大することが分かった。なお、熱電対を用いてシリコン基板の表面温度及び裏面温度を実測したところ、計算機シミュレーションとほぼ同じ結果となっていることを確認できた。
次に厚さ725μmのシリコン基板を用いて、昇温速度及び降温速度を25℃/秒から400℃/秒の範囲で変化させた。計算機シミュレーションの結果、昇温速度及び降温速度の増大に比例して、表面温度と裏面温度の差も増大することが分かった。なお、熱電対を用いてシリコン基板の表面温度及び裏面温度を実測したところ、計算機シミュレーションとほぼ同じ結果となっていることを確認できた。
<比較例1>
特許文献1に記載されているように、厚さ725μmのシリコン基板を100℃/秒で昇温したときのシリコン基板の表面温度及び裏面温度を、測温部のみを炭化シリコンで被覆した熱電対を用いて実測した。その結果、シリコン基板の裏面温度は正確に測定できたけれども、シリコン基板の表面温度に関する情報は何も得られなかった。
特許文献1に記載されているように、厚さ725μmのシリコン基板を100℃/秒で昇温したときのシリコン基板の表面温度及び裏面温度を、測温部のみを炭化シリコンで被覆した熱電対を用いて実測した。その結果、シリコン基板の裏面温度は正確に測定できたけれども、シリコン基板の表面温度に関する情報は何も得られなかった。
11 シリコン基板(半導体基板)
11a シリコン基板の表面
11b シリコン基板の裏面
13 光源
14 温度センサ
16 コントローラ
TF シリコン基板の表面温度
TB シリコン基板の裏面温度
11a シリコン基板の表面
11b シリコン基板の裏面
13 光源
14 温度センサ
16 コントローラ
TF シリコン基板の表面温度
TB シリコン基板の裏面温度
Claims (2)
- チャンバ内に水平に配置された半導体基板(11)の厚さ及び熱伝導率と前記半導体基板(11)の裏面(11b)の昇温速度及び降温速度とが既知であり、前記半導体基板(11)の表面(11a)又は表面(11a)及び裏面(11b)に、この半導体基板(11)の表面上方又は表面上方及び裏面下方に設けられかつコントローラ(16)により制御される光源(13)から光を照射することにより、前記半導体基板(11)を熱処理するに際して、
前記半導体基板(11)の裏面下方に設けられた温度センサ(14)により前記半導体基板(11)の裏面温度(11b)を非接触で測定する工程と、
前記温度センサ(14)により測定された裏面温度(TB)と前記半導体基板(11)の厚さ及び熱伝導率と前記半導体基板(11)の裏面(11b)の昇温速度及び降温速度とから前記半導体基板(11)の表面温度(TF)を推定する工程と、
前記推定して得られた表面温度(TF)が所定の昇温速度及び所定の降温速度で変化するように前記光源(13)の出力を前記コントローラ(16)が制御する工程と
を含むことを特徴とする半導体基板の熱処理方法。 - 半導体基板(11)の厚さ及び熱伝導率と前記半導体基板(11)の裏面(11b)の昇温速度及び降温速度とから予め実験により前記半導体基板(11)の表面温度推定式を構築し、この表面温度推定式に前記半導体基板(11)の裏面温度(TB)の測定値を代入することにより、前記半導体基板(11)の表面温度(TF)を推定する請求項1記載の半導体基板の熱処理方法。
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