JP2769824B2

JP2769824B2 - 加熱処理装置

Info

Publication number: JP2769824B2
Application number: JP63303703A
Authority: JP
Inventors: 昌樹楠原; 愛彦中村
Original assignee: Wacom Co Ltd
Current assignee: Wacom Co Ltd
Priority date: 1988-11-30
Filing date: 1988-11-30
Publication date: 1998-06-25
Anticipated expiration: 2013-06-25
Also published as: JPH02150730A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は半導体ウエハ等の加熱に用いられる加熱処理
装置に係り、特に、特定の温度範囲においては温度に応
じた赤外線エネルギーに放射しないために、加熱処理時
の温度管理が難しいシリコンウエハ等の物体を、正確な
温度で加熱処理することを可能にした加熱処理装置に関
するものである。

（従来の技術）物体の加熱処理、特に半導体ウエハ等の加熱処理にあ
たっては正確な加熱温度管理が要求される。処理室内で
加熱処理される物体の加熱温度を測定する方法として
は、熱電対等の接触型温度センサを物体に接触させて直
接測定する方法が広く用いられている。

ところが、表面に凹凸があって熱接触が難しい物体、
あるいは半導体ウエハのように、熱容量が小さかった
り、接触によって破損する恐れのある物体等の温度は、
接触型温度センサで測定することが難しかった。

また、接触型温度センサは処理室内に設置されるた
め、特に半導体ウエハ等の加熱処理においては、熱電対
素材やその接着剤から発生する不純物が半導体ウエハ上
に付着して、それらの特性を大幅に劣化させてしまうと
いう問題もあった。

なお、半導体ウエハ等の加熱においては、半導体ウエ
ハの載置台と加熱手段とを兼ねたヒータプレートに温度
センサを設置し、該ヒータプレートの温度を測定するこ
とによって半導体ウエハの加熱温度を求めるという方法
もあった。

ところが、このような間接的な温度測定では、加熱手
段であるヒータプレートと半導体ウエハとが熱的な平衡
状態に達するまでに長時間を要するうえに、測定誤差が
大きいという問題があった。

そこで、近年ではこれらの問題点を解決するものとし
て、物体からその温度に応じて放射される赤外線エネル
ギーを測定し、該赤外線エネルギーに基づいて温度を求
める赤外線放射温度計が広く用いられるようになってき
た。

（発明が解決しようとする課題）上記した従来技術には次のような問題点があった。

放射温度計を用いた非接触による温度測定では、前記
接触させて直接測定する方法では測定することのできな
かった熱容量の小さい物体、表面に凹凸があって熱接触
が難しい物体、あるいは接触によって破損する恐れのあ
る物体等の温度を測定することができるようになる。

ところが、加熱温度に応じた赤外線エネルギーを外部
に放射しないような物体の温度を測定することはできな
かった。温度に応じた赤外線エネルギーを外部に放射し
ないものとしては、たとえば半導体素子のウエハとして
広く用いられているシリコンがある。

シリコンは、600℃以上の温度においてはその温度に
応じた赤外線エネルギーを良く放射するものの、それ以
下の温度、特に150℃付近においては温度に応じた赤外
線エネルギーを外部に放射せず、赤外線放射温度による
非接触温度測定が不可能であった。

したがって、このような物体では加熱温度の正確な測
定が難しく、所望する温度での正確な加熱処理は困難で
あった。

本発明の目的は、以上に述べた問題点を解決し、温度
に応じた赤外線エネルギーを外部に放射しないような物
体の温度を、正確に測定することを可能にした加熱処理
装置を提供することである。

（課題を解決するための手段）前記の問題点を解決するために、本発明では、温度に
応じた赤外線エネルギーを放射しない被処理物を加熱処
理するにあたって、以下のような手段を講じた。

（１）被処理物が設置される位置に、赤外線エネルギー
の放射効率が高い物質（以下、赤外線放射物質と記す）
を有するテストピースを設置してこれを加熱し、前記テ
ストピースの赤外線放射物質から放射される赤外線エネ
ルギーを放射温度計で測定することによってテストピー
スの温度を求め、前記温度が目標温度となるときの最適
加熱条件を求め、その後、前記最適加熱条件で被処理物
を加熱する。

（作用）以上の構成によれば、次のような作用効果が達成され
る。

（１）テストピースの温度が目標温度となるときの加熱
条件は、その後、テストピースの代わりに被処理物を配
置し、該被処理物を目標温度に保って加熱処理する場合
の加熱条件とほぼ一致するので、温度に応じた赤外線エ
ネルギーを放射しないために放射温度計では温度を測定
できなかった物体を、目標温度に保って加熱処理するこ
とができるようになる。

（実施例）以下に、図面を参照して、本発明を半導体ウエハ加熱
処理に適用した例について詳細に説明する。第１図は本
発明の加熱処理装置の一実施例である半導体ウエハ加熱
処理装置の断面図である。

同図において、処理室１の内部には被処理物である半
導体ウエハや後述するテストピース14を載置するための
支持台２が設置されている。

処理室１の上方には、キセノンランプ６と集光鏡７と
によって構成された加熱手段が設置されており、そこか
ら放射された光はレンズ８で偏向された後に、加熱光入
射窓９を透過して半導体ウエハ（テストピース14）の表
面に照射される。テストピース14は、後に詳述するよう
に、シリコンウエハ３とその裏面に被着された二酸化珪
素膜４とからなる。

また、処理室１の下方には、テストピース14の裏面に
ある二酸化珪素膜４から放射される赤外線11のエネルギ
ーを、赤外線透過窓10を介して測定するための赤外線放
射温度計５が設置されている。

なお、処理室１の外部に設置された冷却ファン12、13
は、それぞれ加熱光入射窓９および赤外線透過窓10を冷
却するためのものである。

第３図はテストピース14の裏面の平面図、すなわち第
１図のＡ矢印方向から見た平面図であり、該テストピー
ス14は、シリコンウエハ３とのその裏面にマトリックス
状に被着された二酸化珪素膜４とからなる。

このように、前記テストピース14は、処理室１におい
て加熱処理される被処理物と同一材質、同一形状の板体
と、その表面（裏面）に均一に分布するように被着され
た赤外線放射物質とによって構成された物であることが
望ましい。

すなわち、赤外線放射温度計では、測定領域20内（第
３図）の赤外線放射物質から放射される赤外線エネルギ
ーの量を測定するので、テストピース上での測定領域20
の位置によって該測定領域20に含まれる二酸化珪素膜の
数（合計面積）が異なると、それが温度測定誤差となっ
てしまう場合がある。したがって、小さい二酸化珪素膜
（二酸化珪素片）をテストピース上に均一な密度で多数
被着するようにすることが望ましい。

このようにすれば、放射温度計の測定領域20がテスト
ピース上でどのような位置にあっても、該測定領域20内
には常にほぼ同じ面積の赤外線放射物質が存在するよう
になるため誤差の少ない測温が可能になる。

以下に、このような構成を有する半導体ウエハ加熱処
理装置において、半導体ウエハを加熱処理する場合の方
法について説明する。

はじめに、テストピース14を支持台２の上に載置す
る。キセノンランプ６を点灯してテストピース14の表面
に光を照射すると、シリコンウエハ３の温度上昇に伴っ
て、その裏面に被着された二酸化珪素膜４の温度も上昇
し、そこからは加熱温度に応じた赤外線エネルギーが放
射される。放射された赤外線エネルギーは、赤外線透過
窓10を透過し放射温度計５によって検出される。

このようにして、シリコンウエハ３の温度が、後に被
処理物を処理する際の目標温度となるときの加熱条件、
すなわち、加熱手段がキセノンランプであるならば、該
ランプに印加する電流値、加熱時間等を求める。

最適加熱条件が求められたならば、テストピース14の
代りに被処理物である半導体ウエハを支持台２の上に載
置した後に、前記加熱加熱条件で被処理物を加熱する。

このようにすれば、ある温度範囲（約600℃以下）に
おけるシリコンウエハのように、温度に応じた赤外線エ
ネルギーを放射しない被処理物を、所望する温度まで正
確に加熱することができるようになる。

さらに、本実施例によれば、被処理物を加熱処理する
ときにはテストピース14が処理室内に無いので、特に、
半導体ウエハを加熱処理する場合などでは、テストピー
ス14の一部、特に赤外線放射膜４の一部が被処理物の表
面に付着して、該被処理物を汚染することがない。

またその逆に、加熱処理工程で発生する不純物がテス
トピースに被着することもないので、同一のテストピー
スを長期間にわたって使用することができるようにな
る。

ところで、上記した実施例では、シリコンウエハ３に
被着された二酸化珪素膜４が赤外線エネルギーを放射す
ることによって、いわゆる放射冷却が起こるので、同一
の加熱条件で被処理物を加熱したとしても、テストピー
ス14と被処理物との間にわずかな温度差が生じる場合が
ある。

このような温度差は、通常の使用状況においては無視
できる程度のものであるが、特に正確な温度管理が必要
とされる場合には問題となる可能性がある。

以下に、上記のような問題点をも解決することが可能
な実施例について説明する。

本実施例では、二酸化珪素膜４の面積密度がそれぞれ
異なる複数のテストピースを用いて最適加熱条件を求め
るようにした点に特徴がある。

第２図は、本実施例で用いられる10枚のテストピース
TP（１）〜（10）の形態を示した図であり、下方にはそ
の部分拡大図を示している。

テストピースTP（１）〜（10）の表面には、前記実施
例でのテストピースと同様に、それぞれ二酸化珪素膜４
−１〜４−10がマトリックス状に多数配列されており、
単位面積あたりの二酸化珪素膜の被着面積、すなわち被
着面積密度は、TP（10）＞TP（９）＞…＞TP（１）であ
る。

以下、このような形態のテストピースを用いての最適
加熱条件の求め方を説明する。

本実施例では、これら全てのテストピースを処理室１
内において同時に加熱し、それぞれのテストピースの温
度を放射温度計によって測定する。

赤外線放射物質である二酸化珪素膜の被着面積密度が
それぞれのテストピースによって異なると、これら全て
のテストピースを同様に加熱したとしても、それぞれの
テストピースから放射される赤外線エネルギーの量が異
なるので、放射温度計による測定値は二酸化珪素膜の被
着面積密度にほぼ比例してしまう。

そこで、既知の比例計算、あるいは放射温度計のエミ
シビティー補正等の適宜の手段によって、放射される赤
外線エネルギーの量が異なることによって生じる温度誤
差を補正して、該補正後の温度をそれぞれのテストピー
スの温度とする。

ところが、本実施例のように、赤外線放射物質である
二酸化珪素膜の被着面積密度がそれぞれのテストピース
によって異なると、それぞれのテストピースから放射さ
れる赤外線エネルギーの量が異なるばかりか、この赤外
線エネルギーの放射によって生じる放射冷却の程度もテ
ストピースによって異なる。

第４図は、同時に加熱されたTP（１）〜（10）の前記
補正後の温度（縦軸）と、二酸化珪素膜の被着面積密度
（横軸）との関係を示している。

このように、二酸化珪素膜の被着面積密度が大きいほ
ど放射冷却も大きくなるので、TP（１）〜（10）の補正
後の温度T₁〜T₁₀は、それぞれT₁＞…＞T₉＞T₁₀となり、
二酸化珪素膜の被着面積密度にほぼ反比例してしまう。

ところで、本来の被処理物には赤外線放射物質である
二酸化珪素膜が被着されていないので、そのときの加熱
条件で加熱した場合の被処理物の温度は、二酸化珪素膜
４が無限小の場合のテストピースTP（０）の温度T₀と一
致する。

そこで、本実施例では前記TP（１）〜TP（10）の温度
に基づいて、二酸化珪素膜４が無限小の場合のTP（０）
の温度T₀を外挿する。なお、外挿処理に基づく温度の算
出方法は既知のものであるので、その説明は省略する。

このようにして求められたテストピースTP（０）の温
度はT₀は、放射冷却が無い場合のテストピースの温度と
見なすことができるので、後に同一の加熱条件で被処理
物を加熱すれば、被処理物は温度T₀まで加熱されること
になる。

このようにして、被処理物を目標温度に保って加熱処
理するための最適加熱条件が求められたならば、第１図
に関して説明した実施例と同様に、前記テストピースの
代わりに被処理物を設置し、前記最適加熱条件で加熱す
る。

本実施例によれば、二酸化珪素膜４の放射冷却によっ
て生じる僅かな温度低下をも補正することができるの
で、さらに正確な温度測定が可能になる。

また、本実施例でも二酸化珪素膜４をマトリックス状
に多数配列したので、テストピース上での測定領域がど
のような位置であっても、該測定領域内には被着面積密
度に比例した面積の二酸化珪素膜４が存在するようにな
る。

したがって、放射温度計で測定されるそれぞれのテス
トピースからの赤外線エネルギーは、それぞれのテスト
ピースの二酸化珪素膜の被着面積密度に正確に比例する
ようになり、正確な温度測定が可能になる。

なお、前記テストピースTP（０）は、説明を簡単にす
るために記載したものであって実際に存在するものでは
ない。また、テストピースの枚数も10枚に限らず、要求
される温度精度等によって適宜選択するものとする。

さらに、上記した２つの実施例においては、テストピ
ースを用いて最適加熱条件を求めた後に、その最適加熱
条件によって被処理物を加熱するものとして説明した
が、被処理物の表面（裏面）の一部または全面に赤外線
放射物質を被着し、そこから放射される赤外線エネルギ
ーを測定することによって該被着物の温度を求め、該温
度にしたがって加熱処理を行うようにしても良い。

このようにすれば、最適加熱条件を求めるためだけの
工程が不要になるので、処理に要する時間を短くするこ
とができるようになると共に、前記した放射冷却による
被処理物とテストピースとの温度差を考慮する必要がな
くなるので、簡単かつ正確な測温、加熱処理が可能にな
る。

（発明の効果）以上の説明から明らかなように、本発明によれば次の
ような効果が達成される。

（１）加熱手段による最適加熱条件をテストピースを用
いて求めた後に、該最適加熱条件によって被処理物を加
熱するようにしたので、温度に応じた赤外線エネルギー
を放射しないために放射温度計では温度測定できなかっ
た物体を、所望する温度で加熱処理することができるよ
うになる。

（２）被処理物を加熱処理するときにはテストピースが
処理室内を無いので、特に、半導体ウエハを加熱処理す
る場合などでは、テストピースの一部、特に赤外線放射
膜の一部が被処理物の表面に付着して、該被処理物を汚
染することがない。

（３）赤外線放射物質の被着面積密度がそれぞれ異なる
複数のテストピースの温度を測定することによって、赤
外線放射物質の面積が無限小の場合のテストピースの予
測温度を外挿するようにすれば、放射冷却によって生じ
るテストピースの温度低下を補正することができるの
で、さらに正確な温度での加熱処理が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の加熱処理装置の一実施例である半導体
ウエハ加熱処理装置の断面図である。第２、３図はテストピースの形態を示した図である。第４図はテストピースの温度と赤外線放射膜の面積との
関係を示した図である。１……処理室、２……支持台、３……シリコンウエハ、
４……二酸化珪素膜、５……放射温度計、６……キセノ
ンランプ、７……集光鏡、８……レンズ、９……加熱光
入射窓、10……赤外線透過窓、11……赤外線、12、13…
…冷却ファン,14……テストピース

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】被処理物を収納する処理室と、収容された被処理物を加熱する手段と、前記処理室の内部にあって、表面および裏面の少なくと
も一方の一部に赤外線放射物質を有するテストピースお
よび前記被処理物が選択的に載置される支持台と、処理室外部に、前記赤外線放射物質から放射された赤外
線エネルギーを測定し、該赤外線エネルギーに基づいた
温度を表示する放射温度計とを具備し、前記赤外線放射物質は、均等に分布、配列されているこ
とを特徴とする加熱処理装置。
【請求項２】前記加熱手段はキセノンランプであること
を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の加熱処理装
置。
【請求項３】前記赤外線放射膜は二酸化珪素膜であるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項に記
載の加熱処理装置。