JP2741993B2 - その場観察そり評価装置及び評価方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置の熱処理工
程において半導体基板等の基板（シリコンウエハを想定
し、以下、便宜上、ウエハと略す）が過渡的に変形する
（反る）現象を、その場（ｉｎ ｓｉｔｕ）観察できる
その場観察そり評価装置及び評価方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＭＯＳＬＳＩやバイポーラＬＳＩ等の半
導体装置は、数十回の酸化、アニール等の熱処理工程を
経て製造される。熱処理炉内のウエハは、通常、図７に
示すように、石英管１内の石英ボート２の上に並ベら
れ、炉口からは、１番手前のウエハ３しか見えない構成
がとられる。図中、４はヒータである。石英管１の入口
側からウエハを見ると、図８に示すように、１番手前の
ウエハがまるごと見える構成になっている。ウエハは、
熱処理されるごとに熱変形を繰り返し、やがて多かれ少
なかれ永久的な反りが生じる。熱処理前の反り量と熱処
理後の反り量を評価することは容易であり、従来、数多
くの報告がある。

【０００３】一方、熱処理途中の過渡変形を観察するこ
とは、ウエハ変形の原因を究明する上で重要であるにも
かかわらず容易でないため、報告例はほとんどない。

【０００４】従来、図９に示すように、熱処理炉の中で
のウエハの向きを９０゜ずらして炉口からウエハの変形
を直接観察できるようにした構成が提案されている（杉
田吉充，半導体研究１６超ＬＳＩ技術半導体プロセス
ｐ．３２２（１９７９））。この技術は、ウエハの変形
を直接観察できるという利点があるが、せいぜい数枚の
ウエハしか観察できないし、また、実際のウエハの配置
と違うという欠点がある。さらに、ウエハを横から観察
しているため、ウエハの反り量の絶対値が測定しにくい
こと、ウエハ面内各点の反り量がどういう分布をしてい
るかが不明であることなどの問題があり、これらについ
ては、ほとんど情報が得られないということ等の欠点が
ある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】熱処理中のウエハの配
置を変えないまま、その過渡的な熱変形のウエハ面内分
布を観察できる装置を提案することが、本発明の目的で
ある。解決しようとする課題を列挙すると、 １）通常のウエハ配置と同じであること （配置を変えると変形の様子が変わるため、観察する意
味がない。） ２）変形量のウエハ面内分布についてのデータが簡便に
取得できること （ウエハ面内分布を調ベるのは、炉内の温度分布、ウエ
ハに接する石英ボートの形状、ウエハの加工形状との関
係について知見を得るのが目的であり、ウエハ面内の測
定点は、少なくとも５０点以上であることが望まし
い。） ３）変形量の絶対値の測定が容易にできること。

【０００６】４）複数枚配列しているウエハの中で、任
意のウエハの変形量が測定できること ５）時々刻々変化する変形量について、充分な時間依存
性の測定値が得られること ６）ウエハの枚数の制限がないこと である。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明のその場観察そり評価装置は、熱処理炉に複数
枚の半導体基板を挿入あるいは取り出しをする熱処理工
程中に半導体基板の反りを評価するその場観察そり評価
装置において、 熱処理炉内に挿入された半導体基板の
表面に投光可能位置に配置され、空間的に規則的な配列
を有する複数の光源と、観測目標である半導体基板と、
半導体基板の表面等を撮影する装置との３者の相対位置
を変えないように、この３者が連動して移動する構成に
なっていることを特徴とする。

【０００８】本発明のその場観察そり評価方法熱処理炉
に複数枚の基板を挿入あるいは取り出しをする熱処理工
程中に基板の反りを評価するその場観察そり評価方法に
おいて、熱処理炉内に挿入された基板の表面に投光可能
な位置に、空間的に規則的な配列を有する複数の光源を
配置し、該光源と、観測目標である基板と、基板の表面
等を撮影する装置との３者の相対位置を変えないように
した状態で、前記光源から基板に投光するとともに、基
板からの反射像を撮影することを特徴とする。

【０００９】

【作用】ウエハの過渡変形量を刻明に測定する技術とし
て、光をウエハに照射してその反射光の方向の変化を検
出することが考えられる。その一例は、図１０に示すよ
うに、赤いレーザ光４を出すレーザ管５と、ウエハから
の反射光６を写すスクリーン７を、電気炉の炉口の外側
に配置したものである。これは、電気炉から赤いレーザ
光４を炉内に向けて照射し、ウエハ３の変形に応じて反
射光６の方向が変化することを利用し、その反射光６を
スクリーン７に写すものである。スクリーン７上の光の
軌跡８を調ベることにより、ウエハの変形量を算定でき
る可能性がある。

【００１０】しかし、この技術は、図１１に示すよう
に、ウエハを乗せる石英ボート２の溝２１の幅のマージ
ンのために、ウエハ自体が傾くことがある。その結果、
ウエハが変形しない場合でもレーザ光の反射光６の軌跡
がかわるため、必ずしも、ウエハの変形量評価に適さな
い。また、ウエハ面内分布を調べる場合には、レーザを
照射する位置を少しずつ変えて、何度も、時間のかかる
熱処理実験を繰り返す必要があり、とうてい簡易な実験
とは言い難い。

【００１１】次に、これを解決する技術として、複数台
のレーザを並ベて、変形量のウエハ面内分布を測定する
構成が考えられるが、例えば、ウエハ面内あ測定点を５
０ケ所にする場合には、５０台のレーザを並べる必要が
ある。上述したように、ウエハが変形しない場合でも、
ウエハを乗せる石英ボートの溝幅のマ−ジンに起因して
レーザ光の反射光の軌跡がかわる要素があるため、それ
を差し引くという操作が必要となる。具体的には、５０
個のレーザの軌跡のデータ（座標データ）から、溝幅マ
ージンに起因する要素とウエハ変形の要素を算出する式
を求める必要がある。この解答としては、各レーザ光の
軌跡相互の間隔に着目する方法が考えられる。レーザ光
軌跡相互の間隔の変化は、ウエハ変形に対応するため、
その寸法を測定することにより、ウエハ変形量が算定で
きる。この方法を利用すれば、一応、所期の目的は達す
る。しかし、レーザを５０本並べるというのは、とうて
い簡易な実験とは言い難い。

【００１２】考え方を変えて、反射光の軌跡を追跡する
ことを放棄すれば、他の可能性が出て来る。

【００１３】レーザの代わりに、豆電球、蛍光灯など通
常の光源の使用を想定する。まず、ウハ反り量のウエハ
面内分布を詳細に調べたいという要請から、複数の光源
の使用を前提にする。一本の蛍光灯の前に、メッシュ状
の遮蔽板（格子状の板）、複数の穴を等間隔に開けた遮
蔽板を設ければ、見かけ上複数の光源が得られる。ある
いは、５０個の豆電球を使用してもよい。どちらにして
も、簡易化、軽量化の観点からは、間題がない。レーザ
のコヒーレンシイは、この実験系において、本質的では
ないからである。レーザを使う場合は、レーザ光の反射
光の軌跡をスクリーンに投影し、それから位置座標のデ
ータを得るという方法による。通常の光源を利用する場
合には、この方法は、採用できない。その代わりに、反
射光を直接撮影するという方法を採用することになる。

【００１４】

【実施例】本発明の実施例を図１に示す。

【００１５】６インチ径のシリコンウエハを横型電気炉
で熱処理する場合について述べる。熱処理炉の中に石英
管１が設置されており、シリコンウエハ３を乗せた石英
ボート２がＳｉＣフォーク２２上に搭載されている。そ
のＳｉＣフォーク２２を固定する部位に、蛍光灯９を３
本とｌ０ｍｍ間隔の格子１０を配置すると同時に、鏡１
１と撮影用のビデオカメラ１２を固定する。これは、ウ
エハを熱処理するためには、ＳｉＣフオーク上に乗った
ウエハを石英管内に移動する必要があるが、ＳｉＣフオ
ーク２２、シリコンウエハ３、蛍光灯９、格子１０、鏡
１１、ビデオカメラ１２の相対位置が変化しないように
構成するのが目的である。ウエハが変形しない場合に
は、ビデオカメラは、図２に示すように、正方形の格子
像を撮影するだけであるが、ウエハの変形が生じると、
図３に示すような歪んだ格子像が得られる。これは、格
子を通過した蛍光灯の光が、ウエハ表面で反射し、さら
に鏡で反射した光を撮影しているのであり、ウエハ面内
の各部の変形に応じた格子像歪みのウエハ面内分布が得
られる。この方法の利点を列挙すると、 １）ボート溝のマージンに起因するウエハの傾きの有無
に拘らず、ウエハの変形の情報が得られること ２）ウエハ面内の歪み分布について多量のデータが得ら
れること（図ではウエハ面内１００点以上のデータが得
られている）さらに、蛍光灯の数を増やし、格子の間隔
を小さくすると、ウエハ全面にわたり、５００点以上の
データが得られる。

【００１６】３）時々刻々変化するウエハ変形の時間依
存性のデータが得られること ４）図の写真から、簡単にウエハ変形量が算定できるこ
と さらに、石英ボート上に並ベたシリコンウエハのうち、
任意のウエハの変形を観測する場合には、図４に示すよ
うに、観測したいシリコンウエハ３１の手前のウエハを
（透明な）石英ウエハ３２に交換するとよい。この場
合、図５に示すように、歪まない格子像と歪んだ格子像
の重ねあわせの図が得られる。石英ウエハは変形しない
ため、石英ウエハで反射した格子像は歪まない一方、観
測したいウエハが変形した場合には、図３に見るように
格子像が歪むため、結果的に図５に示すように２つの格
子像が重畳する。この場合も、格子像の歪み量から、ウ
エハ変形量を算定できる。実験では、石英ウエハの外形
寸法は、シリコンウエハのそれと同じとした。石英ウエ
ハの熱伝導率は、シリコンウエハのそれと比べて１桁小
さいが、熱容量はほぼ等しいため、実際のウエハ変形の
模擬試験になっていると考えられる。

【００１７】上記実験では、光源として蛍光灯と格子状
（メッシュ）の遮蔽板を利用したが、代わりに豆ランプ
を多数用いても良いことは言うまでもない。また、上記
実験では、蛍光灯の後ろにもう１枚反射板を設けて、見
かけ上蛍光灯の本数を２倍にする措置も行った。もちろ
ん良好な結果を得た。上記実験では、使用した電気炉の
構造の都合上反射鏡（鏡）を用いたが、これについて
は、ビデオカメラをうまくセットできれば、図６に示す
ように、鏡なしでストレートに配置したほうがよいこと
は言うまでもない。

【００１８】

【発明の効果】本発明によれば、電気炉等の熱処理炉で
の基板出入れに伴う基板の変形を評価するに際し、詳細
な情報が簡便に採取できることが可能になるため、基板
の変形に影響を及ぼす諸因子（基板出入れ速度、石英ボ
ート形状、溝形状、熱処理炉の温度等）の把握が容易に
なるという利点がある。従って、熱処理工程の開発期
間、あるいは、問題解決期間を短縮させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係るウエハそり観察装置の概
念図

【図２】ウエハのそりがない場合の格子像

【図３】ウエハのそりが生じたときの格子像

【図４】観察したいウエハの手前に（透明）石英のウエ
ハを配置した概念構成図

【図５】透明石英ウエハを通して観察したシリコンウエ
ハのそり観察例を示す反射像

【図６】本発明を示すもう１つの例であり、反射用の鏡
を使わない例を示す観察装置の概念図

【図７】シリコンウエハを熱処理炉で熱処理する場合の
通常のウエハの配置図

【図８】石英管の入口側からみたウエハの配置図

【図９】ウエハそり観察で従来使用されたウエハの配置
図

【図１０】レーザ光の反射を利用したウエハそり観察系
を示す概念図

【図１１】石英ボートの溝のマージンによるウエハの傾
きと反射光の軌跡の変化を示す概念図

【符号の説明】

１ 石英管、 ２ 石英ボート、 ３、３１ シリコンウエハ、 ４ レーザ光、 ５ レーザ管、 ６、６’ シリコンウエハ表面で反射した光、 ７ スクリーン、 ８、８’ 光の軌跡、 ９ 蛍光灯、 １０ 格子（メツシユ）状の遮蔽板、 １１ 反射用の鏡、 １２ ビデオカメラ、 ２１ 石英ボートの溝、 ２２ ＳｉＣフォーク、 ３２ 透明の石英ウエハ。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱処理炉に複数枚の基板を挿入あるいは
   取り出しをする熱処理工程中に基板の反りを評価するそ
   の場観察そり評価装置において、熱処理炉内に挿入され
   た基板の表面に投光可能な位置に配置され、空間的に規
   則的な配列を有する複数の光源と、観測目標である基板
   と、基板の表面等を撮影する装置との３者の相対位置を
   変えないように、この３者が連動して移動する構成にな
   っていることを特徴とするその場観察そり評価装置。
2. 【請求項２】 熱処理炉に複数枚の基板を挿入あるいは
   取り出しをする熱処理工程中に基板の反りを評価するそ
   の場観察そり評価方法において、熱処理炉内に挿入され
   た基板の表面に投光可能な位置に、空間的に規則的な配
   列を有する複数の光源を配置し、該光源と、観測目標で
   ある基板と、基板の表面等を撮影する装置との３者の相
   対位置を変えないようにした状態で、前記光源から基板
   に投光するとともに、基板からの反射像を撮影すること
   を特徴とするその場観察そり評価方法。
3. 【請求項３】 観察目標である基板に隣接した撮影装置
   側の位置に複数枚の透明石英板のみを配置させることを
   特徴とする請求項２記載のその場観測そり評価方法。