JP4033939B2 - 温度測定システムを較正する方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板の放射率を向上させることにより、並びに、基板温度の測定を補正することにより、半導体基板の非接触の温度測定を改良する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造プロセスの多くでは、要求される高いレベルのデバイスの性能、収率及びプロセスの再現性は、処理中に基板の温度（例えば、半導体ウエハ）がきちんと制御された場合に限って達せられる。このような制御のレベルを達するためには、基板温度をリアルタイムに且つインシチュウ(in situ )に測定して不測の温度変動が直ちに検出され補正される必要がある場合がしばしばである。
【０００３】
例えば、急速熱アニーリング(rapid thermal annealing) （ＲＴＡ）、急速熱クリーニング(rapid thermal cleaning)（ＲＴＣ）、急速熱化学気相堆積(rapid thermal chemical vapor deposition) （ＲＴＣＶＤ）、急速熱酸化(rapid thermal oxidation) （ＲＴＯ）並びに急速熱窒化(rapid thermal nitridation) （ＲＴＮ）を含む種々の製造プロセスに用いられる急速熱処理(rapid thermal processing)（ＲＴＰ）を考える。ＲＴＯ又はＲＴＮによるＣＭＯＳゲート誘電体(CMOS gate dielectrics) の形成という特殊な応用例では、ゲート誘電体厚さ、成長温度及び均一性が、デバイス全体の性能と収率に影響を及ぼす重要なパラメータである。現在では、ＣＭＯＳデバイスは６０〜８０オングストローム程度の厚さで厚さの均一性がプラスマイナス２オングストローム以内に収るような誘電体層をもって作られている。この均一性のレベルのためには、高温処理中に基板全体の温度変化が数℃を越えてはならないことが要求される。
【０００４】
高温処理中は、ウエハ自身は小さな温度変化も許されないことがしばしばである。１２００℃で温度差が１〜２℃／ｃｍを越えて生じることがあれば、その結果、応力がシリコン結晶内に滑りを生じさせる。このように生じた滑り面は、滑り面が通過する全てのデバイスを破壊するだろう。この温度の均一性のレベルを達するためには、閉ループ温度制御のための、信頼性の高いリアルタイムの多点温度測定が必要である。
【０００５】
光学的放射温度測定は、ＲＴＰシステムの温度測定に広く用いられている。放射温度測定は、目的物の一般的な性質を利用し、即ち、目的物は温度を決定する特定のスペクトル成分と強度をもって放射を発している。従って、発せられた放射を測定することにより、目的物の温度を決定できる。発せられた放射の強度をパイロメータが測定し、適切な変換を行って温度（Ｔ）を得る。スペクトルの放射強度と温度との関係は、基板のスペクトル放射率と、プランクの法則で与えられる理想黒体の放射温度関係に依存し、プランクの法則は：
【数１】
ここで、Ｃ1 及びＣ2 は既知の定数、λは着目する放射波長、Ｔは゜Ｋで測定された基板温度である。Ｗｅｉｎの分布法則として知られている近似により、上記の表現は以下のように書き直せる：
【数２】
ここで、Ｋ（λ）＝２Ｃ1 ／λ5 である。これは、２７００℃よりも低い温度に対しては良い近似である。
【０００６】
目的物のスペクトル放射率ε（λ，Ｔ）は、そのスペクトル強度Ｉ（λ，Ｔ）と同一温度における黒体のそれＩb （λ，Ｔ）の比である。即ち、
【数３】
Ｃ1 とＣ2 は既知の定数であり、理想的な条件下では、ε（λ，Ｔ）がわかればウエハの温度は正確に決定できる。
【０００７】
しかし、これは半導体産業において広く用いられているにもかかわらず、光学的放射温度測定はなお、基板の放射率を正確に測定することの不可能さから来る制限を受けている。更に、仮に基板の放射率が所定の温度で既知であっても、温度によって変化する。この変化は通常は、正確に測定することができず、従って、温度測定に対して未知の誤差を招いてしまう。１０℃のオーダーの誤差は特別なことではない。
【０００８】
基板の放射率は多くの因子に依存し、これらは、ウエハ自身の性質（例えば、温度、表面粗さ、種々の不純物のドーピングのレベル、材料の組成及び表面層の厚さ）、プロセスチャンバの性能及びウエハのプロセス履歴を含んでいる。従って、基板の放射率の事前の評価は、一般用途の放射温度測定の能力を与えることができない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
温度測定におけるウエハ放射率の変化の影響を減少させる技術は知られている。この技術の１つに、ターゲット基板の裏面の近くに熱反射器を置き、基板からの熱放射が基板に反射し返される反射キャビティを形成することがある。反射器を貫いてキャビティに挿入される光パイプが反射キャビティからの放射を集め、集められた光をパイロメータに与える。理想的な反射器を想定すれば、基板から発せられる全ての熱放射は基板に反射し返されるので、反射キャビティが理想黒体のように振る舞うとして、数学的に示すことが可能である。即ち、反射キャビティ内の熱放射の強度は、基板表面の放射率の関数ではなくなるだろう。換言すれば、理想的なケースでは、反射キャビティは基板の有効放射率の値を１に等しい値まで増加させる。しかし、この反射器は完全よりも劣るであろうことから、基板の有効放射率はウエハの放射率よりも高くなるが１よりも小さくなるだろう。それにもかかわらず、ウエハの実際の放射率の変化は測定された温度にはあまり影響を与えないであろう。
【００１０】
上述の温度測定のスキームが許容されるレベルを達成しているが、改善の余地は大きく残っている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
一般的には、本発明の１つの特徴は、基板の加熱のための熱処理チャンバ内で、温度プローブの読み出しを補正する方法である。この方法には、基板をプロセス温度まで加熱するステップと；第１のプローブと第２のプローブを用いて基板温度を測定するステップと；第１の温度により指示される第１の温度と第２の温度により指示される第２の温度とから、第１のプローブに対しての温度読み出しの補正を導出し、これは第１のプローブ及び第２のプローブの双方により生じる補正しない読み出しよりも正確な、基板の実際の温度の指示値である、補正の導出のステップとを有する。第１のプローブと第２のプローブとは、有効反射率が異なっている。
【００１２】
好ましい具体例では、本発明はまた、第１のプローブのための第１の非接触プローブを用いることと、第２のプローブのための第２の非接触プローブを用いること、例えば光学パイロメータ等、を有している。第１のプローブと第２のプローブとにより実施される温度測定は時間的に近付いて行われ、例えば、同時進行する。第１の有効反射率は第２の有効反射率よりも大きい。導出のステップは、第１のプローブにより指示される温度を、第１の温度指示値と第２の温度指示値との差から導出される補正量を加えることにより補正する操作を含んでいる。更に、導出のステップは、第１の温度指示値と第２の温度指示値の間の差を決定する操作と、この温度差に補正量を発生させる補正係数を掛ける操作とを含んでいる。
【００１３】
一般には、別の特徴として、本発明は、温度測定のシステムの較正(calibration)を行う方法である。この方法は、高い放射率を有する基板を第１のプロセス温度まで加熱するステップと；基板が第１のプロセス温度にある間、第１のプローブと第２のプローブを較正して、これらに実質的に同一の温度指示値を与えるステップと；低い放射率を有する第２の基板を第２のプロセス温度まで加熱するステップと；第２の基板が第２のプロセス温度にある間、第１のプローブと第２のプローブを用いて基板温度を測定するステップと；基板の放射率の変化に対する第１のプローブにより与えられた温度の読み出しの感度を測定するステップと；この測定された感度と、第１のプローブにより与えられた第１の温度指示値と第２のプローブにより与えられた第２の温度指示値とを用いて、第１のプローブのための補正係数を計算するステップとを有する。更に、第１のプローブは第１の有効反射率を有し、第２のプローブは第１の有効反射率とは異なる第２の有効反射率を有している。補正係数は、第１のプローブの温度読み出しに適用されて、補正された温度読み出しを与える。
【００１４】
一般的に、また別の特徴として、本発明は、熱処理加熱チャンバ内の基板温度の測定装置である。この装置は、基板の一方の面の隣に置かれてこれらの間が反射キャビティを形成する反射プレートと；反射キャビティからエネルギーを受容し第１の温度読み出しを与えるように位置が与えられる第１のプローブと；反射キャビティからエネルギーを受容し第２の温度読み出しを与えるように位置が与えられる第２のプローブとを備えている。第１のプローブは、第２のプローブとは異なる、キャビティに対する有効反射率を生じる。
【００１５】
一般的に、別の特徴として、本発明は熱処理チャンバ内で基板上の局所温度を測定するための装置である。この装置は、熱処理チャンバ内に基板を支持する支持構造体と；熱処理中に基板からの放射を受容する端部を有し基板の局所領域の温度の参照信号を与えるエネルギープローブと；エネルギープローブの端部の周囲に形成された窪んだマイクロキャビティとを有している。この窪んだマイクロキャビティは、基板の局所領域と面しプローブ信号を増加させる作用をする放射反射面を有している。
【００１６】
本発明の種々の利点は以下に説明される。マイクロキャビティ構造は、ウエハの裏面と反射プレートとの間に形成されたキャビティ及び反射プレートの有効反射率を向上する傾向があるので、基板の放射率の変化に対する感度が実質的に減少した温度測定を可能にする。更に、本発明は、反射率の変化を温度の関数に適応させるリアルタイム且つインシチュウの温度補償を提供する。この較正の手順は、単純且つ、典型的には、所定のチャンバ構造に対しては一度試行すればよいだけである。本発明に従った温度測定は、安定で再現性の高い固体検出器を用いる事ができる。本発明は、改善された再現性及び均一性をもって信頼性の高い温度測定を可能にする。
【００１７】
その他の特徴及び利点は、以下の説明により更に明らかになるであろう。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（仮想的な黒体キャビティ）
以下の説明では、基板の温度測定に言及する。ここで、「基板」なる語は、熱プロセスチャンバ内で処理されるいかなる物体をも広くカバーし、その温度は処理中に測定されることを意図している。「基板」という語は、例えば、半導体ウエハ、フラットパネルディスプレイ、ガラス板又はディスク、及びプラスチックワークピースを含むものである。
【００１９】
本発明を理解するためには、上記を参照して放射率向上の技術をまずレビューすることが有用であろう。
【００２０】
図１に示されるように、熱反射器２２は、基板１０の近くの位置が与えられて、反射器と基板の間に仮想的な黒体キャビティ２４を形成する。基板裏面が乱反射の場合は、放射エネルギーはランダムなパターンで発せられて、発せられた放射エネルギーは、同様のランダムな（等方的な）パターンでキャビティじゅうに反射される。反射器２２のあらゆる場所から到達する放射エネルギーは、多くの成分から成っている：第１の成分は、基板から直接飛来し反射を経験していない放射エネルギーから成り；第２の成分は、反射器２２と基板１０の裏面から１回の反射を経験しており：第３の成分は、反射器２２と基板１０の裏面から２回の反射を経験しており、等々である。反射器の位置で生じ得る全強度は、入射する放射エネルギーの無限級数の総和として、以下のように見出され：
【数４】
【数５】
ここで、冷反射プレートの反射率はＲで与えられ、ウエハの放射率はεで与えられ、σはステファン・ボルツマン定数であり、Ｔは基板温度である。
【００２１】
反射器の反射率が１に等しい（Ｒ＝１）と仮定すれば、［数５］の式（５Ｂ）は簡単になり：
【数６】
ここで、放射エネルギーＩT は基板の裏面の放射率に従属していない。換言すれば、反射器は、基板の「有効放射率」が１に等しくなる仮想的な理想黒体を作り出している。
【００２２】
注目すべきことは、この放射率の向上の効果は、ウエハの裏面が乱反射することを必ずしも要さないことである。高度に乱反射する裏面を有する基板だけではなく、完全な鏡面反射性の裏面を有する基板にも有効である。一般的には、半導体ウエハの裏面は、乱反射と鏡面反射の適当な組合わせである。
【００２３】
光パイプ２８が、反射器のアパーチャー２７を貫通して、キャビティ内の反射エネルギーの抽出に用いられる。抽出された強度は、光ファイバ３０を介してパイロメータ３３へ通過し、そこで上述の［数４］〜［数６］の式（５）を用いて温度に変換される。仮想的な黒体の効果のため、測定温度は基板の放射率に無関係である。
【００２４】
しかし、現実には、反射器の反射率は、１に近かろうが、１に等しくはならない。少なくとも、反射器のコーティングは完全に反射をしないであろう。例えば、優秀な反射コーティング材料の１つである金は、波長９５０ｎｍ（ナノメートル）に対して０．９７５の反射率しか有しない。更に、反射器に放射エネルギーの抽出用の１つ以上のアパーチャーが存在することが、キャビティの全体の幾何的関係（即ち寸法と形状）と共に、我々がここで実現しようと試みている仮想的な理想黒体の性能を低めてしまう傾向がある。これらの幾何的な効果は実際の反射率と共に、ひとまとめにして「有効反射率」Ｒeff とすることができる。基板の放射率の変化が抽出された強度に依存する影響を実質的に減少させることは可能ではあるが、測定は、基板の放射率に完全に独立しているわけではない。
【００２５】
反射器２２が不透明で、冷たく、高度に反射的（即ちＲ→１）であると仮定すれば、反射器により発せられる放射エネルギーの効果を無視することができ、基板の有効放射率εeff は、次のように近似でき：
【数７】
ここで、Ｒeff は反射キャビティの有効反射率である。注目すべきは、Ｒeff が１に等しければ、εeff も１に等しくなるはずであることだ。一方、Ｒeff が１未満であれば、εeff も１未満になり、測定温度は放射率の関数となるだろう。
【００２６】
図２では、有効放射率εeff は、異なるＲeff の値に対して、実際の放射率εの関数として与えられている。指示されているように、反射キャビティの有効反射率が１に近付くにつれて、基板の有効放射率も１に近付く。また、Ｒeff →１であるので、基板の有効放射率は、基板の実際の放射率の変化に対してあまり敏感ではなくなり、特に、実際の放射率が高い値のときは顕著である。この感度は、次のように定量化される：
【数８】
これは、［数７］の式（６）をεに関して微分することにより得られる。
【００２７】
温度測定の結果の誤差は、以下のような有効放射率の変化として与えられ、
【数９】
［数７］の式６と［数８］の式（７）を用いて、以下の式が得られる：
【数１０】
注目すべきは、Ｒeff が１に近付けば、この分子、即ち測定温度の基板放射率の変化に対する感度は、無視できるほどに小さくなることである。逆に言えば、キャビティの有効反射率が充分高く（即ち１に近い）ない場合は、基板の放射率の変化による温度測定の変化も、許容されないほどに大きいままであることがある。
【００２８】
再び図１を参照すれば、アパーチャー２７の存在は、反射器と基板の間に形成された仮想特体キャビティ２４の局所的な障害を導く。我々は、この障害が反射器により与えられた放射率向上の効果も減少することを認識するに至った。更に、アパーチャーサイズ（Ｄ）が大きくなれば、この障害のサイズも大きくなる傾向がある。従って、放射率向上に対するアパーチャーの影響を最小にする１つのアプローチとして、アパーチャーのサイズを小さくすることがあるだろう。しかし、光パイプにより収集された光の量は、アパーチャーの面積に比例しているので、これは光パイプにより収集された光の量を減少させ、よって、検出システムの信号対ノイズ比を低下させる。基板温度が低下すれば放射エネルギーの強度が急速に下がるため、小さなアパーチャーを用いることは、検出器が有用でなくなる温度を上げてしまうことになる。
【００２９】
しかし、我々は、ＲＴＰシステムでベース反射器を改良して、光プローブの端部で測定向上の表面の造作（ぞうさく）を含めることにより、反射キャビティの仮想黒体効果を更に向上させつつも抽出信号の信号対ノイズ比も改善されて得られることを見出した。
【００３０】
（ＲＴＰシステムの概要の本発明を包含したＲＴＰシステム）
本発明に従って改良されたＲＴＰシステムが図３（ａ）に示される。このＲＴＰシステムは、ディスク形状の直径８インチ（２００ｍｍ）のシリコン基板１０６を処理するための処理チャンバ１００を有している。基板１０６は、チャンバ内で基板支持体１０８上に載置され、基板の真上に配置された加熱要素１１０によって加熱される。加熱要素１１０は、基板の約１インチ（２．５ｃｍ）上方の水冷クオーツウィンドウ組立体１１４を介して、処理チャンバ１００に進入する放射エネルギー１１２を発生させる。基板１０６の下方には、水冷式のステンレス鋼のベース１１６上に載置される反射器１０２が存在する。反射器１０２は、アルミニウム製であり、高反射性のコーティング１２０を有している。基板１０６の下側と反射器１０２の頂部との間には、基板の有効放射率を増加させるための反射キャビティ１１８が形成されている。
【００３１】
基板と反射器との間隔は約０．３インチ（７．６ｍｍ）であり、従って、幅対高さの比が約２７であるキャビティを形成している。８インチのシリコンウエハのために設計された処理システムでは、基板１０６と反射器１０２との間の距離は、３ｍｍ〜９ｍｍの間であり、好ましくは５ｍｍ〜８ｍｍの間であり、また、キャビティ１１８の幅対高さの比は約２０：１よりも大きくなるべきである。この間隔が大きすぎる場合は、形成された仮想黒体キャビティに起因する放射率向上の効果は小さくなるだろう。一方、この間隔が小さすぎた場合、例えば約３ｍｍ未満である場合は基板から冷却された反射器に至る熱伝導が小さくなるので、加熱された基板に許容できない大きな熱負荷がかかるであろう。反射プレートへの熱的損失は主なメカニズムは、ガスを介した伝導であるので、熱負荷は当然に、ガスのタイプ及び処理中のチャンバ圧力に依存する。
【００３２】
基板１０６の局所的領域１０９での温度は、複数の温度プローブ１２６（図３（ａ）にはこの中の２つのみが示される）によって測定される。温度プローブはサファイアの光パイプであり、これらは、ベース１１６の裏側から反射器１０２を介して延長する導管１２４の中を通っている。サファイア光パイプ１２６は、直径約０．１２５インチであり、これらを導管内に簡単に挿入せしめるように導管１２４はこれらよりも僅かに大きくなっている。
【００３３】
（放射率向上の表面の造作）
本発明の特徴の１つに従い、小反射キャビティ４２（即ちマイクロキャビティ）が、反射器１０２の頂面に形成され、ここでは導管が反射器の頂部を貫通している（図４（ａ）に更に詳細に示されている）。導管は小キャビティに進入して、小キャビティの底部でアパーチャー１２９が形成される。サファイア光パイプ１２６は、その最上端部がマイクロキャビティ４２の底部と同じ高さ又は僅かに低くなるように、導管１２４内部に配置される。光パイプ１２６の他方の端部は、抽出された光をキャビティからパイロメータ１２８に伝達するフレキシブルな光ファイバ１２５に結合される。
【００３４】
ここで説明される具体例では、表面マイクロキャビティは、円筒状の形状を有し、半径（Ｒ）が約０．１００インチ、深さ（Ｌ）が約０．３００インチである。マイクロキャビティ４２及び導管１２４でのアパーチャー１２９は、上述の如くサファイア光パイプの直径である約０．１２５インチよりも僅かに大きい。表面マイクロキャビティ４２は、基板１０６の裏側と反射器１０２の頂部との間に存在する反射キャビティ１１８の仮想黒体効果を向上させる機能を有するので、基板の有効放射率を、１に一層近い値まで増加させる。この円筒状のキャビティは、光パイプにより検出された抽出信号の信号対ノイズ比を改善すると共に、基板の有効放射率（又は反射キャビティの有効反射率と等価である）を増加させる機能を有している。我々は更に、この向上の効果は、プローブ端部が表面キャビティ４２の底部と同じ高さであるかどうかということや、プローブがこの導管１２４の内部の窪んだ場所の下に置かれているかどうかということには依存していないようであることに注目している。従って、反射器の組み立て中に導管内にプローブを挿入する操作は、プローブ端部を配置することに関して厳密な臨界許容範囲満足させる必要がないことにより、更に簡単に行われる。しかし、プローブ端部はマイクロキャビティ内に突き出していてはならず、なぜならこのことにより向上の効果を悪化させるだろうからである。
【００３５】
円筒状のマイクロキャビティに、完全に反射する側壁を仮定すれば、円筒状のマイクロキャビティによってもたらされる向上の効果は、マイクロキャビティのＬ／Ｒ比が大きくなるにつれて増加する。しかし、側壁は完全な反射性ではないため、放射エネルギーがキャビティ内を反射により往復する回数が増えるにつれて、各反射に生じる損失によって信号強度は減少していくだろう。従って、実際問題として、円筒状のマイクロキャビティのＬ／Ｒアスペクト比をどの程度大きくしてなお性能の向上が得られるかという制限が存在する。
【００３６】
プローブの端部の周囲に形成される表面マイクロキャビティ４２は、基板裏側の局所領域の自己放射のレベルを増加させることにより、又は、プローブの収集効率を増加させることにより、又は、これらのメカニズムを組合わせることにより、機能するようである。換言すれば、表面キャビティは、平坦な反射器と比較して、温度が測定される点である基板上の局所領域で反射器から反射し返される光の量を増加させるので、プローブの放射エネルギーの収集も増加させる。
【００３７】
ここに説明される具体例は、反射器にとって望ましい高い反射率を達成するためのものであるが、この具体例では、反射器の頂部に高度に反射性を有する多層のコーティング１２０が形成されている。コーティングの底部層は、反射器本体の表面上に堆積された金の薄膜である。金は、着目する赤外波長（即ち約９５０ｎｍ）で約０．９７５の反射率を有するので好ましい。金の層の反射率を更に向上させるために、金の層の頂部に４分の１波長の積み重ね部が形成される。この４分の１波長の積み重ね部は、別の誘電層で構成され、これは異なる屈折指数を有し、パイロメータが最も感度が高くなる波長の１／４（即ち９５０ｎｍの１／４）に等しい厚さを有している。ここに説明される具体例では、４分の１波長の積み重ね部は、米国カリフォルニア州サンタローザのＯＣＬＩ社(Optical Coating Laboratory,Inc. )により塗布されるが、このコーティングの塗布には、別の商業的ソースでも可能である。
【００３８】
この多層構造の頂部層は、反射層の金のＲＴＰチャンバを汚染する可能性を防止するパッシベーション層である。このパッシベーション層は、酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、又は、着目する波長で反射特性を損なわずに反射層をパッシベーションするその他の許容される材料であってもよい。
【００３９】
この多層構造体の反射率は、９５０ｎｍで約０．９９５であり、これは単一の金薄膜の本来の反射率０．９７５よりも著しく高い。
【００４０】
金が反射のために許容できない材料である場合は、無論、他の反射材料を用いてもよい。例えば、ニッケルは金よりも不活性であり、金よりも高くはないが良好な反射率を有している。
【００４１】
表面マイクロキャビティには、多くの他の幾何的関係が可能である。例えば、図４（ｂ）に示されているような、半球状のマイクロキャビティ４２’を用いてもよい。このマイクロキャビティは、球の形状を有し、その中心は反射器の表面の面上に配置される。上述のＲＴＰの具体例では、球の半径は約６〜８ミリメートルであり、即ち、反射器と基板の裏面との間の間隔に匹敵している。サファイアプローブ１２６は直径０．１２５インチであるが、局所領域１０９でプローブが基板温度に対して生じさせる障害を最小にするため、もっと小さなサイズ（例えば０．０５０インチ）を採用する事が望ましいだろう。
【００４２】
その他のマイクロキャビティの幾何的関係が、図４（ｃ）〜（ｄ）に示される。図４（ｃ）は、円錐形状のマイクロキャビティが示され、光パイプが円錐のらせんに配置されている。図４（ｄ）は、球状のマイクロキャビティが示され、光パイプが反射の表面の円形アパーチャー１６１の反対側に配置されている。これらは、用いることができる多くの別の幾何的関係のほんの一部に過ぎない。ある用途に対して最も適した特定のマイクロキャビティの幾何的関係は、実験により決定できる。更に、マイクロキャビティはまた、反射プレートの表面から突き出した材料で形成される突起したマイクロキャビティであってもよい。
【００４３】
（放射率の補正の温度測定）
プローブの端部の周囲の反射器の表面でマイクロキャビティを用いることにより仮想的な黒体に非常に近接した反射キャビティを作り出してはいるにもかかわらず、依然として有効放射率は１に等しくはならないだろう。換言すれば、測定温度は、ある基板から次のものへの放射率の変化に起因する未知の誤差成分を有しているからである。従って、ＲＴＰチャンバ内で処理されることになる基板の実際の放射率の変化を測定し且つ補正する事により、温度測定の正確さを更に改善することが望ましい。異なる有効放射率（又は等価な意味で、異なる有効反射率）を有する２つの温度プローブを用いて、基板の特定の局所領域における温度を測定することにより、リアルタイム且つインシチュウの温度測定が改善されてもよい。そして、これらのプローブにより測定された温度を用いて、局所的な温度測定の補正が得られる。
【００４４】
再び図３（ａ）を参照すれば、それぞれ異なる有効放射率ε1 、ε2 を有する２つの放射プローブ１５０、１５２が用いられている。プローブ１５０は、前述のようにまた図４（ｂ）で示される如く、円筒状表面マイクロキャビティの内側に配置され、プローブ１５２は、基板１０６の裏側で約３〜４ミリメートル以内反射器表面の上方に突き出ている。しかし、第２のプローブは、処理中に熱い基板からの放射により加熱されることを防止するため、基板の裏側に近付き過ぎて（及び、冷却された反射プレートから離れて）配置されてはならない。プローブの温度が高すぎるようにならざるを得ない場合は、プローブはダメージを受け、及び／又は、プローブに材料が堆積してその性能を下げてしまうだろう。更に、プローブを基板裏側に近付け過ぎれば、基板の温度に影響を与えてしまうだろう。
【００４５】
ここに説明した構成では、第１のプローブ（即ちプローブ１５０）の有効放射率は、第２のプローブ（即ちプローブ１５２）の有効放射率よりも大きいだろう。プローブ１５２は、基板１０６の裏側に近付けて置かれる代りに、その底部が比反射性の材料で覆われている円筒状のマイクロキャビティ内に置かれてもよい。２つのプローブが異なる有効放射率を生じさせるのであれば、他の幾何的関係の組合わせも可能である。後に明らかにするが、２つの選択されたプローブの幾何関係は、協働的な有効放射率の差を最大になるように与える。
【００４６】
ここで説明された具体例では、低い有効放射率を生じさせる穴が他のプローブの有効反射率を阻害又は低下させないように、プローブ１５０、１５２は充分な距離の間隔をおいて配置される。しかし、基板の大体同じ領域の温度を測定しなくなるほど、２つのプローブがあまり離れ過ぎていてはならない。ここで説明された具体例では、これらの要求に適合すると思われる典型的な間隔は、１〜３ｃｍである。基板が回転する場合は、このことは、２つのプローブが配置される半径は、この量よりも大きく異なってはならないことを意味する。
【００４７】
（較正）
温度補正を実施するにあたり、２つのプローブはまず較正される。即ち、各プローブに対する有効反射率が最初に決められなければならない。このことは、特別の較正用基板の補助によりなされ、図５にその概略が与えられる手順を用いてなされる。
【００４８】
この較正用基板は、事前に測定されて既知となっている放射率εcalを有し、また、自身に埋め込まれる熱電対を有している標準的な基板である。実際の基板温度は熱電対によって正確に測定され、次いで、パイロメータにより報告される温度と比較される。この様な基板は、例えば米国カリフォルニア州サンタクララのＳｅｎｓＡｒｒａｙ社により商業的に入手可能である。好ましくは、較正用基板は、ＲＴＰチャンバないで処理されることになる基板のタイプと実質的に同じ熱的な性質を有するように選択される。例えば、較正用基板は、少なくともプロセス基板と同じ材料（例えばシリコン）製であり、プロセス基板になされていると同じ裏側のタイプ（例えば、乱反射する窪んだ表面）を有しているべきである。
【００４９】
各プローブ１５０、１５２に関係した有効反射率（Ｒe1，Ｒe2）を決定するため、プロセスチャンバ内に較正用基板が移送され（ステップ１６０）、処理チャンバの温度が所定の設定値まで上げられる（ステップ１６２）。所望の温度に到達したとき、基板の温度が、そこに埋め込まれた熱電対及び２つのプローブを用いて測定され、３つの別々の温度測定値Ｔreal（基板の実際の温度）、Ｔ1（第１のプローブにより測定された温度）及びＴ2（第２のプローブにより測定された温度）が与えられる。
【００５０】
これらの温度は、強度Ｉcal 、Ｉ1 及びＩ2 に変換される。Ｉcal は、キャビティが実際に理想的な黒体である場合にプローブが受容する強度である。［数１］の式（１）を用い、熱電対によって測定された温度Ｔrealから以下のように計算がなされる：
【数１１】
パイロメータにより記録される温度Ｔ1 及びＴ2 は、同様の手法で、対応する強度（Ｉ1 ，Ｉ2 ）に変換し直される：
【数１２】
プローブ１５０、１５２の有効放射率は、次に等しく：
【数１３】
強度Ｉcal 、Ｉ1 及びＩ2 が既知であれば、各プローブの有効反射率の算出は可能となる。［数７］の式（６）から、有効反射率は、以下のように実際の放射率と有効放射率の関数として表すことができ：
【数１４】
有効放射率は測定された強度に関して表現することができるので（［数１３］の式（１１）を見よ）、この式は次のように書き直すことができ：
【数１５】
この表現を用い、有効反射率の値Ｒ1 及びＲ2 が計算される（ステップ１６８）。
【００５１】
これらの有効反射率の値は、後の実際の基板の処理において以下に説明するインシチュウ温度補正の決定に用いられる。しかし、計算された有効反射率は、較正がなされた特定の処理システムのみに有効であることは理解されよう。例えば、プローブの幾何関係が変更されたり、システムの幾何関係が変化した場合は、システムの再較正をここに説明した手法で行い、有効反射率の新しい値を決定する必要が有るだろう。
【００５２】
この較正の手順が、εeff（ε，Ｒeff）カーブ（図２を見よ）のいずれがシステムの測定プローブの特徴を与えるかを決めたことは、注目すべきである。基板処理中に得られるインシチュウ温度測定からその基板実際の放射率を決定することが、可能になるだろう。実際の放射率とεeff（ε，Ｒeff）カーブを知ることにより、基板の値する有効放射率を計算して、これから補正温度を計算する事が可能になる。補正温度までに至る手順の詳細は、以下に説明される。
【００５３】
（インシチュウ温度補正）
通常は、最も高い有効反射率を有するプローブ、例えばプローブ１５０は、温度測定を行うように選択され；他のプローブ（１５２）は補正プローブとして作用する。
【００５４】
測定プローブの温度読み出しを補正する手順を説明する前に、基板の実際の放射率のための表現を導出することにする。前述の如く、［数１３］の式（１１）で示されているように、各プローブの有効放射率は、対応する放射エネルギー強度Ｉ1 、Ｉ2 に比例している。従って、有効放射率の比は、対応する放射エネルギーの強度の比と等しく、即ち：
【数１６】
各プローブに対して、有効放射率は、実際の放射率及び対応する有効反射率の関数として表現でき、即ち；
【数１７】
有効放射率の表現を上式に代入すれば、実際の放射率は以下のように、有効反射率と測定強度に関して表現できる；
【数１８】
この表現を導出することで、温度測定の補正の手順を説明する準備が整った。
【００５５】
図６を参照すれば、ＲＴＰの試行の開始時に、基板は処理チャンバ内に移送され（ステップ１７０）、温度は所定の温度シーケンスに沿って循環する。この温度シーケンスに従って基板がシーケンスされている間、プローブ１５０、１５２は、所定の抽出速度（例えば２０Ｈｚ）で基板の局所領域近くの放射エネルギーを抽出する（ステップ１７２）。各プローブに対する測定温度から、対応するプローブ放射エネルギー強度Ｉ1 及びＩ2 は、［数１２］の式（１０）の助けにより算出される。そして、実際の基板の放射率εが、各プローブの有効反射率に対して前に計算された値を用いて、［数１８］の式（１６）から計算される（ステップ１７４）。実際の放射率がわかれば、ベースプローブ１５０の有効放射率ε1 は、以下のように［数１７］の式（１５）から計算され：
【数１９】
最後に、補正温度（Ｔcorr）が、プローブ１５０により測定された温度から、［数２］の式（２）、［数３］の式（３）から導出される以下の式を用いて算出される（ステップ１７６）：
【数２０】
このアルゴリズムは好ましくは、コントローラ１３７（図６）のソフトウエアで実施され、プローブの温度測定はいかなる制御決定もなされないで自動的に補正される。
【００５６】
（別の放射率補正の技術）
較正システムに対して、埋め込み熱電対をもつ較正用基板を用いる必要のない、別の更に簡易な技術が存在する。この別の技術には、裏側の放射率が正確にわかっている２つのウエハが必要である。一方のウエハは、１に近い放射率εhiを有しており、他方は、寄り低い放射率εlowを有している。ここに説明される具体例では、高放射率のウエハは、０．９４の誘電率を有する窒化物ウエハであり、低放射率のウエハは、ウエハの裏側、即ち温度プローブに面する側が０．３２の誘電率をもつ酸化物層を有するポリシリコンウエハである。前述のように、２つの隣接する温度プローブが用いられる。一方のプローブは、ここでは小開口プローブと称するが、高い有効反射率を与える。小開口プローブは、温度読み出しＴ1を与え、処理中のウエハの温度の測定に用いられる。ウエハの裏側の放射率を明らかにするために補正されるのは、このプローブによって生じる温度（即ちＴ1）である。他方のプローブは、ここでは大開口プローブと称するが、より低い有効反射率を与える。大開口プローブは、温度読み出しＴ2を与え、小開口プローブにより測定される温度に適用される補正を与えるために用いられる。２つのプローブが共に近接して、ほぼ同じ時間にウエハの同じ領域の温度を抽出することが望ましい。他方、プローブが近すぎる場合は、大開口プローブは低い放射率のウエハに対して、小開口プローブの温度測定に影響を与える。このことは、低い放射率のウエハに関して温度の非均一性を招くだろう。
【００５７】
ここに説明された具体例では、２つのプローブは、ウエハの中心から同じ半径のところに配置され、約０．８５インチ離れている。小開口プローブは、反射プレート内の他の測定プローブの全てに対して用いられる構成を有している。以下の実施例の目的で、小開口プローブは、０．０８０インチの直径を有し、反射プレート内の直径約０．０８５インチの開口の内に位置され、反射プレートと同じ高さの最上端部を有する光パイプを用いる。大開口プローブは、その最上端部が反射プレートと同じ高さであるが反射プレート内でより大きな開口（即ち。０．３７インチ）内に位置される光パイプを用いている。大開口の目的は、大開口プローブに対して小開口プローブに比べて低い有効プローブ放射率（又は等価な意味で、低い反射キャビティの有効反射率）を与えるためである。従って、２つのプローブは、測定上異なる温度を生じさせるだろう。例えば、これら２つのプローブを用いた測定温度の差は、裏側の放射率が０．３４で実際の温度が１０００℃のウエハに対しては、約４０〜５０℃にもなる。
【００５８】
上述のように、差の温度測定の信号対ノイズ比を向上させるように、２つのプローブの有効反射キャビティ反射率が大きな差を生じさせることが望ましい。従って、ここに説明された具体例に対してこのことが実施されている特定の方法は、目的達成の多くの方法の１つを例示しているに過ぎないことが理解されよう。
【００５９】
前述の如く、黒体から発せられるエネルギーＩは、プランクの法則に従って、温度Ｔに関係し：
【数２１】
このケースでは、Ｔは℃で測定されているので、この温度に２７３を加えることにより、［数２１］の式（１９）に要求されるケルビン温度と等価になる。変数を整理することにより、測定されたエネルギーＩE の関数としての温度の式を導出することができる：
【数２２】
換言すれば、この式を用いて、黒体の温度は、物体から発せられるエネルギーの量を知ることにより計算できる。
【００６０】
（較正）
小開口プローブの温度読み出しに対する補正係数を与える手順が、図７に示される。この手順は、図７に示されているステップを参照しつつ説明される。
【００６１】
まず、高放射率ウエハは、チャンバ内で、小開口プローブを用いて測定されながら温度Ｔprocessまで加熱され、２つのプローブは同じ温度読み出しを与えるように較正される（ステップ２１０）。較正が行われる前では、２つのプローブの実際の温度の読み出しは異なっているであろうが、高放射率ウエハを用いた場合は、これらが異なっている量は小さいであろう。
【００６２】
小開口プローブの較正に必要な２つの測定値を求めるために、その後低放射率ウエハは温度Ｔprocessまで加熱される。基板のプロセス温度を決定するため、小開口プローブは低放射率ウエハのウエハ温度を正確に測定していると再び仮定する。下記に明らかにされるように、これは許容されると証明される仮定である。ウエハがＴprocessである間、その温度は、大開口プローブと小開口プローブの双方により測定される（ステップ２１２）。大開口プローブは、Ｔ2＝Ｔbigの測定温度を与え、小開口プローブは、Ｔ1＝Ｔsmallの測定温度を与える。デルタ温度、δＴ（εlow，Ｔprocess）は、これら２つの読み出しの間の差として定義され、即ち、δＴ（εlow，Ｔprocess）＝Ｔ1−Ｔ2である。
【００６３】
次に、小開口プローブのウエハ放射率に対する実際の感度は、小開口プローブにより与えられる測定温度読み出しを実際の温度として用いて、ウエハのそれぞれ（即ち、低放射率ウエハと高放射率ウエハ）に注入アニールを実施することにより決定される。換言すれば、小開口プローブにより与えられる温度読み出しは、僅かに不正確であるという事実にもかかわらず、正確な温度読み出しとして仮定される。しかし、既知の如く、注入された層の膜抵抗値は、注入アニールの時間及び実際の温度に決定的に依存するだろう。更に、この依存性は正確に知られている。従って、同じ時間の量で異なるプロセス温度でアニールされた２つのウエハのそれぞれにおけるこの層の抵抗値を測定することにより、２つのプロセス温度の間の実際の差がどれほどかを、正確に決定することが可能であろう。
【００６４】
低放射率ウエハと高放射率ウエハとの双方に対して同じ温度読み出しを小開口プローブが与える場合は、低放射率ウエハの実際の温度は、現実には、高放射率ウエハの実際の温度よりも僅かに高くなっているだろう。この事は、所定の実際のウエハ温度において、低放射率ウエハは同じ温度において高放射率ウエハが発するよりも低いエネルギーを発しているだろうことによる。従って、低放射率ウエハが発するエネルギーを高放射率ウエハが発するエネルギーと等しくするためには、その実際の温度が、高放射率ウエハの実際の温度よりも僅かに高くする必要がある。
【００６５】
この２つの実際のウエハプロセス温度の差を決定するためには、高放射率ウエハに対して、小開口プローブを用いてプロセス温度をモニターして、一方の注入アニールが実施される。第２の注入アニールは、低放射率ウエハに対して、また小開口プローブを用いてプロセス温度をモニターして実施される。そして、これらのウエハのそれぞれの膜抵抗値が測定され、実施された特定のアニールのための既知の変換チャートを用いて、２つのウエハの実際のプロセス温度の差を正確に決定することが可能である。この結果は、Ｔerrlowで示される（ステップ２１４）。
【００６６】
注入アニールを実施する代りに、２つのウエハ上に酸化物層を成長させて、酸化物の厚さの差を求めることもできる。そして、酸化物の厚さの差は、既知の表を用いて変換されて、２つの酸化物の厚さを与える実際のプロセス温度の差の正確な測定値を与えることもできる。
【００６７】
小開口プローブの実際の温度の誤差ＴerrlowがδＴ（ε，Ｔ）の線形関数であるとのモデルを用いることにより、補正係数Ｋcorrは、以下のように計算される（ステップ２１６）：
【数２３】
この例では、Ｋcorrは、１．２４６に等しい。
【００６８】
（インシチュウ温度補正）
補正された温度Ｔcorrは、図１１のフローチャートに示されているように、小開口プローブ及び大開口プローブの温度測定から与えられる。ウエハ温度は小開口プローブ（ステップ２３０）及び大開口プローブ（ステップ２３２）を用いて測定され、それぞれ、Ｔ1 とＴ2 とが得られる。これらの測定温度の差（即ち、Ｔ1 −Ｔ2 ）が計算され（ステップ２３４）、Ｋcorrが乗ぜられて（ステップ２３６）、Ｔ1 に加えられて補正温度となるべき補正項となる（ステップ２３８）。換言すれば、
【数２４】
このテクニックの背景の原理及び、その結果、温度測定の正確さが向上することを、次に説明する。
【００６９】
本質的には、小開口プローブの感度の測定は、どの有効放射率カーブが小開口プローブを適用するかを決定する。これは以下のように理解される。小開口プローブをプロセス温度のモニターとして用いつつ低放射率ウエハに注入アニールを実施する際に、ウエハの放射率は１つであると仮定する。この仮定を用いれば、ウエハにより発せられるエネルギーは、Ｔprocess において理想黒体により発せられるエネルギー、即ちＩ（Ｔprocess ，λ）と等しいことになる。しかし、前出のＴerrlowの決定では、ウエハの実際の温度がより高いことが示されており、即ち、Ｔprocess ＋Ｔerrlowである。従って、ウエハにより発せられるエネルギーも、このより高い温度における黒体により発せられるエネルギー（即ち、Ｉ（Ｔprocess ＋Ｔerrlow，λ）に低放射率ウエハの有効放射率（即ち、εeff,low ）を乗じたものに等しいと表現できる。換言すれば、
【数２５】
これは、以下のようにεeff,low の計算のための式に書き直すことができ：
【数２６】
ここで説明されている具体例では、εeff,low は０．８５５と算出される。そして、［数１９］の式（１７）を用いて、小開口プローブの有効反射率Ｒeffsmallは、以下のように、低放射率ウエハの有効放射率と実際の放射率を用いて計算され：
【数２７】
この例では、Ｒeffsmallは０．９２に等しい。
【００７０】
Ｒeffsmallを知ることと、［数１７］の式（１５）を用いて、小開口プローブの見掛け放射率を実際のウエハの放射率の関数としてプロットすることができる。このプロットは、図８の上側のカーブで示されている。
【００７１】
高放射率ウエハに関して得られている２つの温度測定値、即ち、Ｔbig とＴsmall により、同様の手法で、大開口プローブの有効放射率カーブを決定することができる。大開口プローブに関しては、測定された放射エネルギーＩ（Ｔbig ，λ）は、大開口プローブの有効放射率εeffbigに、より高いある温度Ｔactualにおいて黒体により発せられるエネルギーを乗じたものに等しくなることが知られている。同様に、小開口プローブに対しては、測定された放射エネルギーＩ（Ｔsmall ，λ）は、小開口プローブの有効放射率εeffsmallに、このより高い温度Ｔactualにおいて黒体により発せられるエネルギーを乗じたものに等しくなることが知られている。従って、以下の表現がなされ：
【数２８】
これは、更に、以下のように書き直されて一般化されて：
【数２９】
小開口プローブの有効放射率が知られることとなったため（上記を見よ）εefsmall は、以下の関係から計算でき：
【数３０】
ここで、εa は見掛け放射率、Ｒeff は有効反射率である。以前にＲeffsmallのために計算された値と高放射率ウエハの実際の放射率（即ち、０．９４）を用いて、εeffsmallの値は次のように計算でき：
【数３１】
εeffsmallの値を［数２９］の式（２７）に代入すれば、εeffbigが得られる。この例では、計算値は０．７４９である。
【００７２】
［数１９］の式（１７）を用いれば、大開口プローブの有効反射率、即ちＲeffbigの値も計算できる。この例では、Ｒeffbigは０．８４２に等しい。
【００７３】
Ｒeffbigを知ることにより、大開口プローブの見掛け放射率をプロットすることが可能となる。このプロットは、図８の下側のカーブである。較正のスキームの目的で、較正の信号対ノイズ比を増加させるように、これら２つのカーブ（即ち、小開口プローブ及び大開口プローブのそれぞれの見掛け放射率カーブ）を大きく離すことが望ましい。
【００７４】
プロセスが行われている間、小開口プローブによる測定温度の補正が行われないのであれば、温度の誤差は、以下の式に等しくなり：
【数３２】
ここで、
【数３３】
この表現を［数３０］の式（２８）に代入して、
【数３４】
この関数のプロットは図９に示され（上側の実線のカーブを見よ）、これは、小開口プローブを用いた補正されない温度測定に導入され、基板放射率の低下に対して著しく上昇している。
【００７５】
［数２２］の式（２０）を用い、小開口プローブ及び大開口プローブにより測定された温度の差、即ちδＴ（ε，Ｔ）は、以下のように計算でき：
【数３５】
図９における下側の点線のカーブは、補正温度測定の改善された正確性を、ウエハ裏側の放射率の関数として例示する。０．３〜１．０の放射率の範囲にわたって、誤差は１℃未満であることは注目されよう。換言すれば、上述のテクニックを用いて補正された温度読み出しは実質的に改善され、ウエハからウエハへの放射率の変動に対する補正温度読み出しの感度は、補正されない温度読み出しと比較して、大幅に減少する。
【００７６】
図９から明らかなように、線形近似を行うことにより、実際の測定誤差を僅かに過剰補償する補正係数を生じさせた。補正係数を更に最適化する１つの方法は、低めの係数を用いることであり、例えば、０．９Ｋcorrを用いる等である。この方法で補正係数が増減された場合は、その結果のカーブは、放射率の範囲の大部分にわたってゼロエラーに大きく近付く（図９の点線を見よ）。
【００７７】
小開口プローブ温度測定における誤差の原因となる効果は、エネルギーに関連した効果であり、これは指数項を導入する。従って、実際の誤差は非線形である。それにもかかわらず、誤差に対する線形近似は、これらの非線形効果の補償に関し大変うまくいく。
【００７８】
無論、補正係数の更なる最適化は、補正係数が２つのプローブの間の温度差の関数として変化する非線形の方法を考慮することにより得る事ができる。しかし、多くの用途においては、単なる線形近似により得られる改善の実質的なレベルは、補正温度測定を更に洗練させる必要性をなくさせる。
【００７９】
δ（ε，ｔ）に対する式（即ち数［３５］の式（３３））の正確性の評価のため、計算値は、２つのプローブの間の温度差の実際の実験値と比較された。この比較は、図１０に示される。
【００８０】
一番上のカーブは、放射率０．３２を有するウエハに関するものであり、まんなかのカーブは、放射率０．６７を有するウエハに関するものであり、下側のカーブは、放射率０．８２を有するウエハに関するものである。実験データはグラフにおいて、「ｘ」の集合及び「＋」の集合で示される。実験データを得るために、ウエハはチャンバ内に配置されて、温度が１０００℃まで急激に上昇した。５００℃を越えた各１００℃のステップでは、約１０秒間温度が安定化され、そして、各プローブの読み出しが記録された。これら２つの読み出しの差は、δＴ（ε，Ｔ）に対応している。各温度で生じているばらつきは、測定におけるノイズによるものである。図１０は、実験データがこのモデルの正当性を証明していることを示している。
【００８１】
第２のプローブに関連する有効反射率を減少するために、別のテクニックを用いてもよいことは理解されるだろう。上述の２つのテクニックは、反射プレートの表面の上にプローブを持ち上げること又は、プローブの周囲の開口を拡大することにより行われた。別のテクニックは、例えば、（１）プローブの周囲に吸収ドーナツ（例えば、窒化珪素でカバーされた領域）を形成することにより、プローブの周囲の反射プレートの反射率を減少させる事；（２）プローブの周囲の光学パイロメータのバンド幅にわたって反射プレートの反射率を減少させる事；又は、（３）ファイバの出力でアパーチャーを置くことによりプローブの視野角を減少させる事、を含んでいる。
【００８２】
第２のプローブに減少された視野角が用いられた場合、開口のサイズは減少する一方で、２つのプローブを用いた約４０℃の測定温度差を実現する。従って、このアプローチを用いて、第２のプローブが第１のプローブの温度測定に対してなす影響を最小にすることができ、また、プローブをもっと互いに近づけるように移動させることができるようになる。
【００８３】
上述の補正のテクニックを実施する代りの別のテクニックは、図８の一番上の線をもっと高く動かすように、即ち１に近付けるように、チャンバを再設計することである。しかし、上述のように誤差を単に補正する事に比べて、このチャンバの再設計は、著しく困難な作業であろう。
【００８４】
（ＲＴＰシステムについての更なる詳細）
上述の如く、図３（ａ）には２つの測定プローブしか示されていないが、ここに説明された具体例は、基板の異なる半径の場所での温度を測定できるように、反射器にわたって分散された８つの測定プローブを実際に用いている。熱処理の間、支持構造体１０８は約９０ＲＰＭで回転される。従って、各プローブは、基板上の対応する環状の領域温度プロファイルを実際に測定する。
【００８５】
基板を回転させる基板支持構造体は、基板外縁のまわりで基板に接触する支持リング１３４を有し、外縁の周囲の小さな環状の領域を除いた全ての基板下側が露出される。支持リング１３４は、約１インチ（２．５ｃｍ）の放射方向幅を有している。処理中に基板１０６のエッジで生じるだろう熱的な不連続を最小にするため、支持リング１３４は基板と同一又は類似の材料、例えばシリコン又は酸化珪素でできている。
【００８６】
支持リング１３４は、パイロメータの周波数の範囲で不透明になるよう、シリコンでコーティングされた回転式の卓状のクオーツシリンダ１３６上に載せられる。クオーツシリンダ上のシリコンコーティングは、強度測定に悪影響を与えるかも知れない外部のソースからの放射を遮断するバッフルとして作用する。クオーツシリンダの底部は、複数のボールベアリング１３７上に置かれる環状の上側ベアリングレース１４１によって、支持され、ボールベアリング１３７は、静的な環状の下側ベアリングレース１３９内部に支持されている。ボールベアリング１３７は、スチール製で窒化珪素のコーティングがなされ、操作中の粒子の発生を減少させる。上側ベアリングレース１４１は、熱処理中に約９０ＲＰＭでシリンダー１３６、ガードリング１３４及び基板１０６を回転させるアクチュエータ（図示されず）に磁気的に結合される。
【００８７】
図３（ｂ）を参照すれば、支持リング１３４は、クオーツシリンダ１３６に対して光の緊密なシールを形成するようにデザインされる。クオーツシリンダの内径よりも僅かに小さな外径を有する円筒形状のリップ１３４ａが、支持リング１３４の底面から延長し、図示されるように、シリンダの内側にフィットして、光シールを形成する。支持リングの内側には、基板１０６を支持するためのシェルフ１３４ｂが存在する。シェルフ１３４ｂは、支持リングの内円の周囲で支持リングの残りよりも下側の領域である。
【００８８】
チャンバ本体にフィットするパージリング１４５は、クオーツシリンダを包囲する。パージリング１４５は、上側ベアリングレース１４１の上方の領域に開いている内部環状キャビティ１４７を有している。内部キャビティ１４７は、通路１４７を介して、ガス供給器（図示されず）へ接続される。処理中は、パージガスがパージリング１４５を介してチャンバ内へと流入する。
【００８９】
支持リング１３４は、クオーツシリンダを越えて延長するように、クオーツシリンダの半径よりも大きな半径を有している。支持リング１３４のシリンダ１３６を越える環状の延長部分は、その下に配置されるパージリング１４５と協働で、基板の裏側で迷光が反射キャビティ内に進入することを防止するバッフルとして機能する。反射キャビティ内に迷光が反射して進入することを更に防止するために、支持リング１３４とパージリング１４５は、加熱要素１１０により発生した放射エネルギーを吸収する材料（例えば、黒又はグレーの材料）でコーティングされていてもよい。
【００９０】
上記に指摘している通り、光パイプ１２６はサファイア製である。サファイア光パイプが一般的に好ましくアノード、その理由は、比較的小さな散乱係数を有し、大きな横方向の光を大きく排除し、大きな測定の局所化を与えるからである。しかし、光パイプは、抽出された放射エネルギーをパイロメータに伝達する例えばクオーツ等の適当な耐熱耐腐食材料製であってもよい。適切なクオーツファイバ光パイプ、サファイアクリスタル光パイプ、及び光パイプ／導管カプラーは、Luxtron Corporation-Accufiber Division,2775 Northwestern Parkway, Santa Clara,CA 95051-0903 で入州可能である。あるいは、放射エネルギー抽出システムは、反射器１０２内に載置された小半径対物レンズとレンズによって収集された放射エネルギーをパイロメータへ流通させるミラー及びレンズのシステムとを有する光学システムであってもよい。このようなスキームは、適当なオフシェルフ光学要素が見出せたならばサファイアパイプよりも安価であろう。あるいは、光パイプは、高度に研磨された反射内面を有するチューブで形成されてもよい。
【００９１】
適切な加熱要素１１０は、米国特許第５，１５５，３３６合に開示されている。この加熱要素は、１８７の光パイプを用いて、タングステン−ハロゲンランプからの高度にコリメートされた光を処理チャンバ１００へ供給する。ランプは、放射方向に対称的なように配置された１２のゾーンに別れている。これらのゾーンは、ゾーンごとに調整でき、基板１０６の別々の領域への放射加熱を制御せしめる。
【００９２】
図３（ａ）の具体例では、ベース１１６は循環回路１４６を有し、これを介してクーラントが循環して、反射器及び反射面を冷却する。典型的に２３℃の水がベース１１６の中を循環して、反射器の温度を、加熱された基板の温度よりも充分低い温度（例えば１００以下）に維持する。ＲＴＰ処理の間は、反射器を冷却して、その表面に生じるかも知れない化学活動の可能性を小さくすることが重要である。反射器が加熱されるようなことがあれば、このことが表面の酸化を促進して、反射層の反射性を深刻に損ねてしまう。有効放射率の向上は、高度に反射性を有する表面を有してこれを維持することにより達せられる。更に、反射器組立体が加熱すれば、抽出信号に影響する放射エネルギーのソースになるだろう。
【００９３】
ここに説明される具体例では、パイロメータ１２８は、約９５０ｎｍで狭いバンド幅（例えば４０ｎｍ）を有している。また、クオーツウィンドウの裏側が、波長のこの狭いバンド全てにおいて熱放射エネルギーに関して透明な不活性材料でコーティングされ、加熱ソースが反射キャビティ内に迷光を導く可能性を減少させることが望ましい。
【００９４】
一般的には、シリコン基板の処理のためのシステムが長い放射波長（例えば約３．５〜４μｍよりも大きな波長）を検出するパイロメータを用いることが望ましい。しかし、このアプローチは、７００℃よりも高い温度に最もよく適合する。室温では、シリコンウエハは、１．０μｍよりも長い光の波長に対して透明である。基板温度が上昇するにつれて、基板は７００℃までは長い波長に対して不透明になり、７００℃では、着目する全ての波長に対して基板は不透明になる。従って、７００℃より低い温度では、長波長に感応するパイロメータが、加熱ソースから直接来る光を検出することにも更に適している。簡潔に言えば、パイロメータにより抽出される波長は、プロセス温度を考慮するべきである。プロセス温度が実質的に７００℃よりも低い場合は、パイロメータは１．１μｍよりも短い波長を抽出すべきである。より高いプロセス温度が用いられた場合は、もっと長い波長が抽出可能である。
【００９５】
非常に低いプロセス温度（例えば６００゜Ｋ（３２７℃））では、１．１μｍよりも短い波長で発生する黒体スペクトル放射率エネルギーの量はごく小さい。その結果、６００℃よりも低い温度では、充分な信号対ノイズ比を得ることはまったく困難である。
【００９６】
１つのデザイン、特に９００℃〜１３５０℃の間のプロセス温度に適したデザインでは、０．９μｍ〜１．０μｍの間の波長での放射エネルギーに感応するソリッドステートパイロメータが用いられる（例えば、９００−ＬＰ−６．３５Ｃｓｅｎｓｏｒを１００−Ｓ８ＭＳ−Ｂ−ＣＶ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｂｏｘと組合わせる。これらは、Luxtron Corporation-Accufiber Divisionから入手可能である。）。この温度範囲で、０．９〜１．０μｍの波長で発生する放射エネルギーが実質的な量で存在し、高い信号強度及び高い信号対ノイズ比を与える。
【００９７】
図１２は、所望の温度において基板を加熱するための制御ループを示す。これは、複数の温度センサ１９０（即ちパイロメータ及び光パイプ）からの抽出出力を用いている。加熱要素１１０は、放射ゾーン内に配置された１８７個のタングステン−ハロゲンランプを有している。ランプの各ゾーンは、マルチゾーンランプドライバ１９４により別々に電力が与えられ、マルチゾーンランプドライバ１９４は、マルチ入力、マルチ出力のコントローラ１９２によって制御されている。基板は約９０ｒｐｍで回転しており、基板１０６の裏側の別々の放射配置で複数の温度測定がなされているため、各温度プローブは、基板の別々の環状の領域の平均温度を与える。この環状の領域は、加熱ランプの半径方向領域と一致する。コントローラ１９２は、温度センサ１９０により生成する温度測定値を受信し、上述の温度補正アルゴリズムに基づいて温度を補正し、コントローラ１９２に供給される所定の温度サイクルプロファイル１９６により特定される基板温度が達成させるように、加熱ランプの電力レベルを調整する。プロセスサイクルにわたり、所望の温度プロファイルからはずれた温度のばらつきを補正するように、コントローラは別々のランプゾーンに供給される電力のレベルを調整する。
他の具体例も、特許請求の範囲の中に含まれる。
【００９８】
【発明の効果】
以上詳細に説明してきたように、本発明で与えられるマイクロキャビティ構造は、ウエハの裏面と反射プレートとの間に形成されたキャビティ及び反射プレートの有効反射率を向上する傾向があるので、本発明を用いることにより、基板の放射率の変化に対する感度が実質的に減少した温度測定を可能にする。更に、本発明は、反射率の変化を温度の関数に適応させるリアルタイム且つインシチュウの温度補償を提供する。この較正の手順は、単純且つ、典型的には、所定のチャンバ構造に対しては一度試行すればよいだけである。また、本発明に従った温度測定は、安定で再現性の高い固体検出器を用いる事ができる。
【００９９】
従って、改善された再現性及び均一性をもって信頼性の高い温度測定が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】反射器が基板近くに配置される、基板温度測定スキームの断面図である。
【図２】有効反射率の異なる値に対して実際の放射率の関数としてプロットされた有効放射率のグラフである。
【図３】（ａ）はＲＴＰシステムの側面断面図である。（ｂ）は支持リングの詳細の断面図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）とも、反射器に包含される測定向上表面の種々の造作の側面断面図である。
【図５】ＲＴＰチャンバのインシチュウ温度補正の検量のスキームのフロー線図である。
【図６】温度測定の正確さを向上させるためのインシチュウで放射率を測定するためのスキームのフロー線図である。
【図７】ＲＴＰチャンバ内で温度測定プローブの検量のための別の技術のフローチャートである。
【図８】小開口プローブと大開口プローブの双方の、実際のウエハの放射率の関数としての見掛け放射率のプロットのグラフである。
【図９】補正なしの温度測定の誤差と補正された温度測定とを、実際のウエハの放射率の関数としてプロットしたグラフである。
【図１０】小開口プローブと大開口プローブにより測定された温度の差に対する実験値と計算値のグラフである。
【図１１】温度測定プローブから補正温度を計算するステップを示すフローチャートである。
【図１２】温度制御システムの模式図である。
【符号の説明】
１０…基板、２２…熱反射器、２７…アパーチャー、２８…光パイプ、４２…マイクロキャビティ、１００…処理チャンバ、１０２…反射器、１０６…シリコン基板、１０８…基板支持体、１０９…局所領域、１１０…加熱要素、１１２…放射エネルギー、１１４…水冷クオーツウィンドウ組立体、１１６…ベース、１１８…反射キャビティ、２０…コーティング、１２４…導管、１２５…光ファイバ、１２６…温度プローブ、１２８…パイロメータ、１２９…アパーチャー、１３４…支持リング、１３６…シリンダ、１３７…ボールベアリング、１３９…下側端部Ｔがわベアリングレース、１４１…上側ベアリングレース、１４５…パージリング、１４６…循環回路、１４７…内部環状キャビティ、１５０，１５２…放射プローブ、１９０…温度センサ、１９２…コントローラ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板の放射率を向上させることにより、並びに、基板温度の測定を補正することにより、半導体基板の非接触の温度測定を改良する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造プロセスの多くでは、要求される高いレベルのデバイスの性能、収率及びプロセスの再現性は、処理中に基板の温度（例えば、半導体ウエハ）がきちんと制御された場合に限って達せられる。このような制御のレベルを達するためには、基板温度をリアルタイムに且つインシチュウ(in situ )に測定して不測の温度変動が直ちに検出され補正される必要がある場合がしばしばである。
【０００３】
例えば、急速熱アニーリング(rapid thermal annealing) （ＲＴＡ）、急速熱クリーニング(rapid thermal cleaning)（ＲＴＣ）、急速熱化学気相堆積(rapid thermal chemical vapor deposition) （ＲＴＣＶＤ）、急速熱酸化(rapid thermal oxidation) （ＲＴＯ）並びに急速熱窒化(rapid thermal nitridation) （ＲＴＮ）を含む種々の製造プロセスに用いられる急速熱処理(rapid thermal processing)（ＲＴＰ）を考える。ＲＴＯ又はＲＴＮによるＣＭＯＳゲート誘電体(CMOS gate dielectrics) の形成という特殊な応用例では、ゲート誘電体厚さ、成長温度及び均一性が、デバイス全体の性能と収率に影響を及ぼす重要なパラメータである。現在では、ＣＭＯＳデバイスは６０〜８０オングストローム程度の厚さで厚さの均一性がプラスマイナス２オングストローム以内に収るような誘電体層をもって作られている。この均一性のレベルのためには、高温処理中に基板全体の温度変化が数℃を越えてはならないことが要求される。
【０００４】
高温処理中は、ウエハ自身は小さな温度変化も許されないことがしばしばである。１２００℃で温度差が１〜２℃／ｃｍを越えて生じることがあれば、その結果、応力がシリコン結晶内に滑りを生じさせる。このように生じた滑り面は、滑り面が通過する全てのデバイスを破壊するだろう。この温度の均一性のレベルを達するためには、閉ループ温度制御のための、信頼性の高いリアルタイムの多点温度測定が必要である。
【０００５】
光学的放射温度測定は、ＲＴＰシステムの温度測定に広く用いられている。放射温度測定は、目的物の一般的な性質を利用し、即ち、目的物は温度を決定する特定のスペクトル成分と強度をもって放射を発している。従って、発せられた放射を測定することにより、目的物の温度を決定できる。発せられた放射の強度をパイロメータが測定し、適切な変換を行って温度（Ｔ）を得る。スペクトルの放射強度と温度との関係は、基板のスペクトル放射率と、プランクの法則で与えられる理想黒体の放射温度関係に依存し、プランクの法則は：
【数１】
【数２】
【０００６】
目的物のスペクトル放射率ε（λ，Ｔ）は、そのスペクトル強度Ｉ（λ，Ｔ）と同一温度における黒体のそれＩb （λ，Ｔ）の比である。即ち、
【数３】
【０００７】
しかし、これは半導体産業において広く用いられているにもかかわらず、光学的放射温度測定はなお、基板の放射率を正確に測定することの不可能さから来る制限を受けている。更に、仮に基板の放射率が所定の温度で既知であっても、温度によって変化する。この変化は通常は、正確に測定することができず、従って、温度測定に対して未知の誤差を招いてしまう。１０℃のオーダーの誤差は特別なことではない。
【０００８】
基板の放射率は多くの因子に依存し、これらは、ウエハ自身の性質（例えば、温度、表面粗さ、種々の不純物のドーピングのレベル、材料の組成及び表面層の厚さ）、プロセスチャンバの性能及びウエハのプロセス履歴を含んでいる。従って、基板の放射率の事前の評価は、一般用途の放射温度測定の能力を与えることができない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
温度測定におけるウエハ放射率の変化の影響を減少させる技術は知られている。この技術の１つに、ターゲット基板の裏面の近くに熱反射器を置き、基板からの熱放射が基板に反射し返される反射キャビティを形成することがある。反射器を貫いてキャビティに挿入される光パイプが反射キャビティからの放射を集め、集められた光をパイロメータに与える。理想的な反射器を想定すれば、基板から発せられる全ての熱放射は基板に反射し返されるので、反射キャビティが理想黒体のように振る舞うとして、数学的に示すことが可能である。即ち、反射キャビティ内の熱放射の強度は、基板表面の放射率の関数ではなくなるだろう。換言すれば、理想的なケースでは、反射キャビティは基板の有効放射率の値を１に等しい値まで増加させる。しかし、この反射器は完全よりも劣るであろうことから、基板の有効放射率はウエハの放射率よりも高くなるが１よりも小さくなるだろう。それにもかかわらず、ウエハの実際の放射率の変化は測定された温度にはあまり影響を与えないであろう。
【００１０】
上述の温度測定のスキームが許容されるレベルを達成しているが、改善の余地は大きく残っている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
一般的には、本発明の１つの特徴は、基板の加熱のための熱処理チャンバ内で、温度プローブの読み出しを補正する方法である。この方法には、基板をプロセス温度まで加熱するステップと；第１のプローブと第２のプローブを用いて基板温度を測定するステップと；第１の温度により指示される第１の温度と第２の温度により指示される第２の温度とから、第１のプローブに対しての温度読み出しの補正を導出し、これは第１のプローブ及び第２のプローブの双方により生じる補正しない読み出しよりも正確な、基板の実際の温度の指示値である、補正の導出のステップとを有する。第１のプローブと第２のプローブとは、有効反射率が異なっている。
【００１２】
好ましい具体例では、本発明はまた、第１のプローブのための第１の非接触プローブを用いることと、第２のプローブのための第２の非接触プローブを用いること、例えば光学パイロメータ等、を有している。第１のプローブと第２のプローブとにより実施される温度測定は時間的に近付いて行われ、例えば、同時進行する。第１の有効反射率は第２の有効反射率よりも大きい。導出のステップは、第１のプローブにより指示される温度を、第１の温度指示値と第２の温度指示値との差から導出される補正量を加えることにより補正する操作を含んでいる。更に、導出のステップは、第１の温度指示値と第２の温度指示値の間の差を決定する操作と、この温度差に補正量を発生させる補正係数を掛ける操作とを含んでいる。
【００１３】
一般には、別の特徴として、本発明は、温度測定のシステムの較正(calibration)を行う方法である。この方法は、高い放射率を有する基板を第１のプロセス温度まで加熱するステップと；基板が第１のプロセス温度にある間、第１のプローブと第２のプローブを較正して、これらに実質的に同一の温度指示値を与えるステップと；低い放射率を有する第２の基板を第２のプロセス温度まで加熱するステップと；第２の基板が第２のプロセス温度にある間、第１のプローブと第２のプローブを用いて基板温度を測定するステップと；基板の放射率の変化に対する第１のプローブにより与えられた温度の読み出しの感度を測定するステップと；この測定された感度と、第１のプローブにより与えられた第１の温度指示値と第２のプローブにより与えられた第２の温度指示値とを用いて、第１のプローブのための補正係数を計算するステップとを有する。更に、第１のプローブは第１の有効反射率を有し、第２のプローブは第１の有効反射率とは異なる第２の有効反射率を有している。補正係数は、第１のプローブの温度読み出しに適用されて、補正された温度読み出しを与える。
【００１４】
一般的に、また別の特徴として、本発明は、熱処理加熱チャンバ内の基板温度の測定装置である。この装置は、基板の一方の面の隣に置かれてこれらの間が反射キャビティを形成する反射プレートと；反射キャビティからエネルギーを受容し第１の温度読み出しを与えるように位置が与えられる第１のプローブと；反射キャビティからエネルギーを受容し第２の温度読み出しを与えるように位置が与えられる第２のプローブとを備えている。第１のプローブは、第２のプローブとは異なる、キャビティに対する有効反射率を生じる。
【００１５】
一般的に、別の特徴として、本発明は熱処理チャンバ内で基板上の局所温度を測定するための装置である。この装置は、熱処理チャンバ内に基板を支持する支持構造体と；熱処理中に基板からの放射を受容する端部を有し基板の局所領域の温度の参照信号を与えるエネルギープローブと；エネルギープローブの端部の周囲に形成された窪んだマイクロキャビティとを有している。この窪んだマイクロキャビティは、基板の局所領域と面しプローブ信号を増加させる作用をする放射反射面を有している。
【００１６】
本発明の種々の利点は以下に説明される。マイクロキャビティ構造は、ウエハの裏面と反射プレートとの間に形成されたキャビティ及び反射プレートの有効反射率を向上する傾向があるので、基板の放射率の変化に対する感度が実質的に減少した温度測定を可能にする。更に、本発明は、反射率の変化を温度の関数に適応させるリアルタイム且つインシチュウの温度補償を提供する。この較正の手順は、単純且つ、典型的には、所定のチャンバ構造に対しては一度試行すればよいだけである。本発明に従った温度測定は、安定で再現性の高い固体検出器を用いる事ができる。本発明は、改善された再現性及び均一性をもって信頼性の高い温度測定を可能にする。
【００１７】
その他の特徴及び利点は、以下の説明により更に明らかになるであろう。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（仮想的な黒体キャビティ）
以下の説明では、基板の温度測定に言及する。ここで、「基板」なる語は、熱プロセスチャンバ内で処理されるいかなる物体をも広くカバーし、その温度は処理中に測定されることを意図している。「基板」という語は、例えば、半導体ウエハ、フラットパネルディスプレイ、ガラス板又はディスク、及びプラスチックワークピースを含むものである。
【００１９】
本発明を理解するためには、上記を参照して放射率向上の技術をまずレビューすることが有用であろう。
【００２０】
図１に示されるように、熱反射器２２は、基板１０の近くの位置が与えられて、反射器と基板の間に仮想的な黒体キャビティ２４を形成する。基板裏面が乱反射の場合は、放射エネルギーはランダムなパターンで発せられて、発せられた放射エネルギーは、同様のランダムな（等方的な）パターンでキャビティじゅうに反射される。反射器２２のあらゆる場所から到達する放射エネルギーは、多くの成分から成っている：第１の成分は、基板から直接飛来し反射を経験していない放射エネルギーから成り；第２の成分は、反射器２２と基板１０の裏面から１回の反射を経験しており：第３の成分は、反射器２２と基板１０の裏面から２回の反射を経験しており、等々である。反射器の位置で生じ得る全強度は、入射する放射エネルギーの無限級数の総和として、以下のように見出され：
【数４】
【００２１】
反射器の反射率が１に等しい（Ｒ＝１）と仮定すれば、［数５］の式（５Ｂ）は簡単になり：
【数６】
【００２２】
注目すべきことは、この放射率の向上の効果は、ウエハの裏面が乱反射することを必ずしも要さないことである。高度に乱反射する裏面を有する基板だけではなく、完全な鏡面反射性の裏面を有する基板にも有効である。一般的には、半導体ウエハの裏面は、乱反射と鏡面反射の適当な組合わせである。
【００２３】
光パイプ２８が、反射器のアパーチャー２７を貫通して、キャビティ内の反射エネルギーの抽出に用いられる。抽出された強度は、光ファイバ３０を介してパイロメータ３３へ通過し、そこで上述の［数４］〜［数６］の式（５）を用いて温度に変換される。仮想的な黒体の効果のため、測定温度は基板の放射率に無関係である。
【００２４】
しかし、現実には、反射器の反射率は、１に近かろうが、１に等しくはならない。少なくとも、反射器のコーティングは完全に反射をしないであろう。例えば、優秀な反射コーティング材料の１つである金は、波長９５０ｎｍ（ナノメートル）に対して０．９７５の反射率しか有しない。更に、反射器に放射エネルギーの抽出用の１つ以上のアパーチャーが存在することが、キャビティの全体の幾何的関係（即ち寸法と形状）と共に、我々がここで実現しようと試みている仮想的な理想黒体の性能を低めてしまう傾向がある。これらの幾何的な効果は実際の反射率と共に、ひとまとめにして「有効反射率」Ｒeff とすることができる。基板の放射率の変化が抽出された強度に依存する影響を実質的に減少させることは可能ではあるが、測定は、基板の放射率に完全に独立しているわけではない。
【００２５】
反射器２２が不透明で、冷たく、高度に反射的（即ちＲ→１）であると仮定すれば、反射器により発せられる放射エネルギーの効果を無視することができ、基板の有効放射率εeff は、次のように近似でき：
【数７】
【００２６】
図２では、有効放射率εeff は、異なるＲeff の値に対して、実際の放射率εの関数として与えられている。指示されているように、反射キャビティの有効反射率が１に近付くにつれて、基板の有効放射率も１に近付く。また、Ｒeff →１であるので、基板の有効放射率は、基板の実際の放射率の変化に対してあまり敏感ではなくなり、特に、実際の放射率が高い値のときは顕著である。この感度は、次のように定量化される：
【数８】
【００２７】
温度測定の結果の誤差は、以下のような有効放射率の変化として与えられ、
【数９】
【数１０】
【００２８】
再び図１を参照すれば、アパーチャー２７の存在は、反射器と基板の間に形成された仮想特体キャビティ２４の局所的な障害を導く。我々は、この障害が反射器により与えられた放射率向上の効果も減少することを認識するに至った。更に、アパーチャーサイズ（Ｄ）が大きくなれば、この障害のサイズも大きくなる傾向がある。従って、放射率向上に対するアパーチャーの影響を最小にする１つのアプローチとして、アパーチャーのサイズを小さくすることがあるだろう。しかし、光パイプにより収集された光の量は、アパーチャーの面積に比例しているので、これは光パイプにより収集された光の量を減少させ、よって、検出システムの信号対ノイズ比を低下させる。基板温度が低下すれば放射エネルギーの強度が急速に下がるため、小さなアパーチャーを用いることは、検出器が有用でなくなる温度を上げてしまうことになる。
【００２９】
しかし、我々は、ＲＴＰシステムでベース反射器を改良して、光プローブの端部で測定向上の表面の造作（ぞうさく）を含めることにより、反射キャビティの仮想黒体効果を更に向上させつつも抽出信号の信号対ノイズ比も改善されて得られることを見出した。
【００３０】
（ＲＴＰシステムの概要の本発明を包含したＲＴＰシステム）
本発明に従って改良されたＲＴＰシステムが図３（ａ）に示される。このＲＴＰシステムは、ディスク形状の直径８インチ（２００ｍｍ）のシリコン基板１０６を処理するための処理チャンバ１００を有している。基板１０６は、チャンバ内で基板支持体１０８上に載置され、基板の真上に配置された加熱要素１１０によって加熱される。加熱要素１１０は、基板の約１インチ（２．５ｃｍ）上方の水冷クオーツウィンドウ組立体１１４を介して、処理チャンバ１００に進入する放射エネルギー１１２を発生させる。基板１０６の下方には、水冷式のステンレス鋼のベース１１６上に載置される反射器１０２が存在する。反射器１０２は、アルミニウム製であり、高反射性のコーティング１２０を有している。基板１０６の下側と反射器１０２の頂部との間には、基板の有効放射率を増加させるための反射キャビティ１１８が形成されている。
【００３１】
基板と反射器との間隔は約０．３インチ（７．６ｍｍ）であり、従って、幅対高さの比が約２７であるキャビティを形成している。８インチのシリコンウエハのために設計された処理システムでは、基板１０６と反射器１０２との間の距離は、３ｍｍ〜９ｍｍの間であり、好ましくは５ｍｍ〜８ｍｍの間であり、また、キャビティ１１８の幅対高さの比は約２０：１よりも大きくなるべきである。この間隔が大きすぎる場合は、形成された仮想黒体キャビティに起因する放射率向上の効果は小さくなるだろう。一方、この間隔が小さすぎた場合、例えば約３ｍｍ未満である場合は基板から冷却された反射器に至る熱伝導が小さくなるので、加熱された基板に許容できない大きな熱負荷がかかるであろう。反射プレートへの熱的損失は主なメカニズムは、ガスを介した伝導であるので、熱負荷は当然に、ガスのタイプ及び処理中のチャンバ圧力に依存する。
【００３２】
基板１０６の局所的領域１０９での温度は、複数の温度プローブ１２６（図３（ａ）にはこの中の２つのみが示される）によって測定される。温度プローブはサファイアの光パイプであり、これらは、ベース１１６の裏側から反射器１０２を介して延長する導管１２４の中を通っている。サファイア光パイプ１２６は、直径約０．１２５インチであり、これらを導管内に簡単に挿入せしめるように導管１２４はこれらよりも僅かに大きくなっている。
【００３３】
（放射率向上の表面の造作）
本発明の特徴の１つに従い、小反射キャビティ４２（即ちマイクロキャビティ）が、反射器１０２の頂面に形成され、ここでは導管が反射器の頂部を貫通している（図４（ａ）に更に詳細に示されている）。導管は小キャビティに進入して、小キャビティの底部でアパーチャー１２９が形成される。サファイア光パイプ１２６は、その最上端部がマイクロキャビティ４２の底部と同じ高さ又は僅かに低くなるように、導管１２４内部に配置される。光パイプ１２６の他方の端部は、抽出された光をキャビティからパイロメータ１２８に伝達するフレキシブルな光ファイバ１２５に結合される。
【００３４】
ここで説明される具体例では、表面マイクロキャビティは、円筒状の形状を有し、半径（Ｒ）が約０．１００インチ、深さ（Ｌ）が約０．３００インチである。マイクロキャビティ４２及び導管１２４でのアパーチャー１２９は、上述の如くサファイア光パイプの直径である約０．１２５インチよりも僅かに大きい。表面マイクロキャビティ４２は、基板１０６の裏側と反射器１０２の頂部との間に存在する反射キャビティ１１８の仮想黒体効果を向上させる機能を有するので、基板の有効放射率を、１に一層近い値まで増加させる。この円筒状のキャビティは、光パイプにより検出された抽出信号の信号対ノイズ比を改善すると共に、基板の有効放射率（又は反射キャビティの有効反射率と等価である）を増加させる機能を有している。我々は更に、この向上の効果は、プローブ端部が表面キャビティ４２の底部と同じ高さであるかどうかということや、プローブがこの導管１２４の内部の窪んだ場所の下に置かれているかどうかということには依存していないようであることに注目している。従って、反射器の組み立て中に導管内にプローブを挿入する操作は、プローブ端部を配置することに関して厳密な臨界許容範囲満足させる必要がないことにより、更に簡単に行われる。しかし、プローブ端部はマイクロキャビティ内に突き出していてはならず、なぜならこのことにより向上の効果を悪化させるだろうからである。
【００３５】
円筒状のマイクロキャビティに、完全に反射する側壁を仮定すれば、円筒状のマイクロキャビティによってもたらされる向上の効果は、マイクロキャビティのＬ／Ｒ比が大きくなるにつれて増加する。しかし、側壁は完全な反射性ではないため、放射エネルギーがキャビティ内を反射により往復する回数が増えるにつれて、各反射に生じる損失によって信号強度は減少していくだろう。従って、実際問題として、円筒状のマイクロキャビティのＬ／Ｒアスペクト比をどの程度大きくしてなお性能の向上が得られるかという制限が存在する。
【００３６】
プローブの端部の周囲に形成される表面マイクロキャビティ４２は、基板裏側の局所領域の自己放射のレベルを増加させることにより、又は、プローブの収集効率を増加させることにより、又は、これらのメカニズムを組合わせることにより、機能するようである。換言すれば、表面キャビティは、平坦な反射器と比較して、温度が測定される点である基板上の局所領域で反射器から反射し返される光の量を増加させるので、プローブの放射エネルギーの収集も増加させる。
【００３７】
ここに説明される具体例は、反射器にとって望ましい高い反射率を達成するためのものであるが、この具体例では、反射器の頂部に高度に反射性を有する多層のコーティング１２０が形成されている。コーティングの底部層は、反射器本体の表面上に堆積された金の薄膜である。金は、着目する赤外波長（即ち約９５０ｎｍ）で約０．９７５の反射率を有するので好ましい。金の層の反射率を更に向上させるために、金の層の頂部に４分の１波長の積み重ね部が形成される。この４分の１波長の積み重ね部は、別の誘電層で構成され、これは異なる屈折指数を有し、パイロメータが最も感度が高くなる波長の１／４（即ち９５０ｎｍの１／４）に等しい厚さを有している。ここに説明される具体例では、４分の１波長の積み重ね部は、米国カリフォルニア州サンタローザのＯＣＬＩ社(Optical Coating Laboratory,Inc. )により塗布されるが、このコーティングの塗布には、別の商業的ソースでも可能である。
【００３８】
この多層構造の頂部層は、反射層の金のＲＴＰチャンバを汚染する可能性を防止するパッシベーション層である。このパッシベーション層は、酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、又は、着目する波長で反射特性を損なわずに反射層をパッシベーションするその他の許容される材料であってもよい。
【００３９】
この多層構造体の反射率は、９５０ｎｍで約０．９９５であり、これは単一の金薄膜の本来の反射率０．９７５よりも著しく高い。
【００４０】
金が反射のために許容できない材料である場合は、無論、他の反射材料を用いてもよい。例えば、ニッケルは金よりも不活性であり、金よりも高くはないが良好な反射率を有している。
【００４１】
表面マイクロキャビティには、多くの他の幾何的関係が可能である。例えば、図４（ｂ）に示されているような、半球状のマイクロキャビティ４２’を用いてもよい。このマイクロキャビティは、球の形状を有し、その中心は反射器の表面の面上に配置される。上述のＲＴＰの具体例では、球の半径は約６〜８ミリメートルであり、即ち、反射器と基板の裏面との間の間隔に匹敵している。サファイアプローブ１２６は直径０．１２５インチであるが、局所領域１０９でプローブが基板温度に対して生じさせる障害を最小にするため、もっと小さなサイズ（例えば０．０５０インチ）を採用する事が望ましいだろう。
【００４２】
その他のマイクロキャビティの幾何的関係が、図４（ｃ）〜（ｄ）に示される。図４（ｃ）は、円錐形状のマイクロキャビティが示され、光パイプが円錐のらせんに配置されている。図４（ｄ）は、球状のマイクロキャビティが示され、光パイプが反射の表面の円形アパーチャー１６１の反対側に配置されている。これらは、用いることができる多くの別の幾何的関係のほんの一部に過ぎない。ある用途に対して最も適した特定のマイクロキャビティの幾何的関係は、実験により決定できる。更に、マイクロキャビティはまた、反射プレートの表面から突き出した材料で形成される突起したマイクロキャビティであってもよい。
【００４３】
（放射率の補正の温度測定）
プローブの端部の周囲の反射器の表面でマイクロキャビティを用いることにより仮想的な黒体に非常に近接した反射キャビティを作り出してはいるにもかかわらず、依然として有効放射率は１に等しくはならないだろう。換言すれば、測定温度は、ある基板から次のものへの放射率の変化に起因する未知の誤差成分を有しているからである。従って、ＲＴＰチャンバ内で処理されることになる基板の実際の放射率の変化を測定し且つ補正する事により、温度測定の正確さを更に改善することが望ましい。異なる有効放射率（又は等価な意味で、異なる有効反射率）を有する２つの温度プローブを用いて、基板の特定の局所領域における温度を測定することにより、リアルタイム且つインシチュウの温度測定が改善されてもよい。そして、これらのプローブにより測定された温度を用いて、局所的な温度測定の補正が得られる。
【００４４】
再び図３（ａ）を参照すれば、それぞれ異なる有効放射率ε1 、ε2 を有する２つの放射プローブ１５０、１５２が用いられている。プローブ１５０は、前述のようにまた図４（ｂ）で示される如く、円筒状表面マイクロキャビティの内側に配置され、プローブ１５２は、基板１０６の裏側で約３〜４ミリメートル以内反射器表面の上方に突き出ている。しかし、第２のプローブは、処理中に熱い基板からの放射により加熱されることを防止するため、基板の裏側に近付き過ぎて（及び、冷却された反射プレートから離れて）配置されてはならない。プローブの温度が高すぎるようにならざるを得ない場合は、プローブはダメージを受け、及び／又は、プローブに材料が堆積してその性能を下げてしまうだろう。更に、プローブを基板裏側に近付け過ぎれば、基板の温度に影響を与えてしまうだろう。
【００４５】
ここに説明した構成では、第１のプローブ（即ちプローブ１５０）の有効放射率は、第２のプローブ（即ちプローブ１５２）の有効放射率よりも大きいだろう。プローブ１５２は、基板１０６の裏側に近付けて置かれる代りに、その底部が比反射性の材料で覆われている円筒状のマイクロキャビティ内に置かれてもよい。２つのプローブが異なる有効放射率を生じさせるのであれば、他の幾何的関係の組合わせも可能である。後に明らかにするが、２つの選択されたプローブの幾何関係は、協働的な有効放射率の差を最大になるように与える。
【００４６】
ここで説明された具体例では、低い有効放射率を生じさせる穴が他のプローブの有効反射率を阻害又は低下させないように、プローブ１５０、１５２は充分な距離の間隔をおいて配置される。しかし、基板の大体同じ領域の温度を測定しなくなるほど、２つのプローブがあまり離れ過ぎていてはならない。ここで説明された具体例では、これらの要求に適合すると思われる典型的な間隔は、１〜３ｃｍである。基板が回転する場合は、このことは、２つのプローブが配置される半径は、この量よりも大きく異なってはならないことを意味する。
【００４７】
（較正）
温度補正を実施するにあたり、２つのプローブはまず較正される。即ち、各プローブに対する有効反射率が最初に決められなければならない。このことは、特別の較正用基板の補助によりなされ、図５にその概略が与えられる手順を用いてなされる。
【００４８】
この較正用基板は、事前に測定されて既知となっている放射率εcalを有し、また、自身に埋め込まれる熱電対を有している標準的な基板である。実際の基板温度は熱電対によって正確に測定され、次いで、パイロメータにより報告される温度と比較される。この様な基板は、例えば米国カリフォルニア州サンタクララのＳｅｎｓＡｒｒａｙ社により商業的に入手可能である。好ましくは、較正用基板は、ＲＴＰチャンバないで処理されることになる基板のタイプと実質的に同じ熱的な性質を有するように選択される。例えば、較正用基板は、少なくともプロセス基板と同じ材料（例えばシリコン）製であり、プロセス基板になされていると同じ裏側のタイプ（例えば、乱反射する窪んだ表面）を有しているべきである。
【００４９】
各プローブ１５０、１５２に関係した有効反射率（Ｒe1，Ｒe2）を決定するため、プロセスチャンバ内に較正用基板が移送され（ステップ１６０）、処理チャンバの温度が所定の設定値まで上げられる（ステップ１６２）。所望の温度に到達したとき、基板の温度が、そこに埋め込まれた熱電対及び２つのプローブを用いて測定され、３つの別々の温度測定値Ｔreal（基板の実際の温度）、Ｔ1（第１のプローブにより測定された温度）及びＴ2（第２のプローブにより測定された温度）が与えられる。
【００５０】
これらの温度は、強度Ｉcal 、Ｉ1 及びＩ2 に変換される。Ｉcal は、キャビティが実際に理想的な黒体である場合にプローブが受容する強度である。［数１］の式（１）を用い、熱電対によって測定された温度Ｔrealから以下のように計算がなされる：
【数１１】
【数１２】
【数１３】
【数１４】
【数１５】
【００５１】
これらの有効反射率の値は、後の実際の基板の処理において以下に説明するインシチュウ温度補正の決定に用いられる。しかし、計算された有効反射率は、較正がなされた特定の処理システムのみに有効であることは理解されよう。例えば、プローブの幾何関係が変更されたり、システムの幾何関係が変化した場合は、システムの再較正をここに説明した手法で行い、有効反射率の新しい値を決定する必要が有るだろう。
【００５２】
この較正の手順が、εeff（ε，Ｒeff）カーブ（図２を見よ）のいずれがシステムの測定プローブの特徴を与えるかを決めたことは、注目すべきである。基板処理中に得られるインシチュウ温度測定からその基板実際の放射率を決定することが、可能になるだろう。実際の放射率とεeff（ε，Ｒeff）カーブを知ることにより、基板の値する有効放射率を計算して、これから補正温度を計算する事が可能になる。補正温度までに至る手順の詳細は、以下に説明される。
【００５３】
（インシチュウ温度補正）
通常は、最も高い有効反射率を有するプローブ、例えばプローブ１５０は、温度測定を行うように選択され；他のプローブ（１５２）は補正プローブとして作用する。
【００５４】
測定プローブの温度読み出しを補正する手順を説明する前に、基板の実際の放射率のための表現を導出することにする。前述の如く、［数１３］の式（１１）で示されているように、各プローブの有効放射率は、対応する放射エネルギー強度Ｉ1 、Ｉ2 に比例している。従って、有効放射率の比は、対応する放射エネルギーの強度の比と等しく、即ち：
【数１６】
【数１７】
【数１８】
【００５５】
図６を参照すれば、ＲＴＰの試行の開始時に、基板は処理チャンバ内に移送され（ステップ１７０）、温度は所定の温度シーケンスに沿って循環する。この温度シーケンスに従って基板がシーケンスされている間、プローブ１５０、１５２は、所定の抽出速度（例えば２０Ｈｚ）で基板の局所領域近くの放射エネルギーを抽出する（ステップ１７２）。各プローブに対する測定温度から、対応するプローブ放射エネルギー強度Ｉ1 及びＩ2 は、［数１２］の式（１０）の助けにより算出される。そして、実際の基板の放射率εが、各プローブの有効反射率に対して前に計算された値を用いて、［数１８］の式（１６）から計算される（ステップ１７４）。実際の放射率がわかれば、ベースプローブ１５０の有効放射率ε1 は、以下のように［数１７］の式（１５）から計算され：
【数１９】
【数２０】
【００５６】
（別の放射率補正の技術）
較正システムに対して、埋め込み熱電対をもつ較正用基板を用いる必要のない、別の更に簡易な技術が存在する。この別の技術には、裏側の放射率が正確にわかっている２つのウエハが必要である。一方のウエハは、１に近い放射率εhiを有しており、他方は、寄り低い放射率εlowを有している。ここに説明される具体例では、高放射率のウエハは、０．９４の誘電率を有する窒化物ウエハであり、低放射率のウエハは、ウエハの裏側、即ち温度プローブに面する側が０．３２の誘電率をもつ酸化物層を有するポリシリコンウエハである。前述のように、２つの隣接する温度プローブが用いられる。一方のプローブは、ここでは小開口プローブと称するが、高い有効反射率を与える。小開口プローブは、温度読み出しＴ1を与え、処理中のウエハの温度の測定に用いられる。ウエハの裏側の放射率を明らかにするために補正されるのは、このプローブによって生じる温度（即ちＴ1）である。他方のプローブは、ここでは大開口プローブと称するが、より低い有効反射率を与える。大開口プローブは、温度読み出しＴ2を与え、小開口プローブにより測定される温度に適用される補正を与えるために用いられる。２つのプローブが共に近接して、ほぼ同じ時間にウエハの同じ領域の温度を抽出することが望ましい。他方、プローブが近すぎる場合は、大開口プローブは低い放射率のウエハに対して、小開口プローブの温度測定に影響を与える。このことは、低い放射率のウエハに関して温度の非均一性を招くだろう。
【００５７】
ここに説明された具体例では、２つのプローブは、ウエハの中心から同じ半径のところに配置され、約０．８５インチ離れている。小開口プローブは、反射プレート内の他の測定プローブの全てに対して用いられる構成を有している。以下の実施例の目的で、小開口プローブは、０．０８０インチの直径を有し、反射プレート内の直径約０．０８５インチの開口の内に位置され、反射プレートと同じ高さの最上端部を有する光パイプを用いる。大開口プローブは、その最上端部が反射プレートと同じ高さであるが反射プレート内でより大きな開口（即ち。０．３７インチ）内に位置される光パイプを用いている。大開口の目的は、大開口プローブに対して小開口プローブに比べて低い有効プローブ放射率（又は等価な意味で、低い反射キャビティの有効反射率）を与えるためである。従って、２つのプローブは、測定上異なる温度を生じさせるだろう。例えば、これら２つのプローブを用いた測定温度の差は、裏側の放射率が０．３４で実際の温度が１０００℃のウエハに対しては、約４０〜５０℃にもなる。
【００５８】
上述のように、差の温度測定の信号対ノイズ比を向上させるように、２つのプローブの有効反射キャビティ反射率が大きな差を生じさせることが望ましい。従って、ここに説明された具体例に対してこのことが実施されている特定の方法は、目的達成の多くの方法の１つを例示しているに過ぎないことが理解されよう。
【００５９】
前述の如く、黒体から発せられるエネルギーＩは、プランクの法則に従って、温度Ｔに関係し：
【数２１】
【数２２】
【００６０】
（較正）
小開口プローブの温度読み出しに対する補正係数を与える手順が、図７に示される。この手順は、図７に示されているステップを参照しつつ説明される。
【００６１】
まず、高放射率ウエハは、チャンバ内で、小開口プローブを用いて測定されながら温度Ｔprocessまで加熱され、２つのプローブは同じ温度読み出しを与えるように較正される（ステップ２１０）。較正が行われる前では、２つのプローブの実際の温度の読み出しは異なっているであろうが、高放射率ウエハを用いた場合は、これらが異なっている量は小さいであろう。
【００６２】
小開口プローブの較正に必要な２つの測定値を求めるために、その後低放射率ウエハは温度Ｔprocessまで加熱される。基板のプロセス温度を決定するため、小開口プローブは低放射率ウエハのウエハ温度を正確に測定していると再び仮定する。下記に明らかにされるように、これは許容されると証明される仮定である。ウエハがＴprocessである間、その温度は、大開口プローブと小開口プローブの双方により測定される（ステップ２１２）。大開口プローブは、Ｔ2＝Ｔbigの測定温度を与え、小開口プローブは、Ｔ1＝Ｔsmallの測定温度を与える。デルタ温度、δＴ（εlow，Ｔprocess）は、これら２つの読み出しの間の差として定義され、即ち、δＴ（εlow，Ｔprocess）＝Ｔ1−Ｔ2である。
【００６３】
次に、小開口プローブのウエハ放射率に対する実際の感度は、小開口プローブにより与えられる測定温度読み出しを実際の温度として用いて、ウエハのそれぞれ（即ち、低放射率ウエハと高放射率ウエハ）に注入アニールを実施することにより決定される。換言すれば、小開口プローブにより与えられる温度読み出しは、僅かに不正確であるという事実にもかかわらず、正確な温度読み出しとして仮定される。しかし、既知の如く、注入された層の膜抵抗値は、注入アニールの時間及び実際の温度に決定的に依存するだろう。更に、この依存性は正確に知られている。従って、同じ時間の量で異なるプロセス温度でアニールされた２つのウエハのそれぞれにおけるこの層の抵抗値を測定することにより、２つのプロセス温度の間の実際の差がどれほどかを、正確に決定することが可能であろう。
【００６４】
低放射率ウエハと高放射率ウエハとの双方に対して同じ温度読み出しを小開口プローブが与える場合は、低放射率ウエハの実際の温度は、現実には、高放射率ウエハの実際の温度よりも僅かに高くなっているだろう。この事は、所定の実際のウエハ温度において、低放射率ウエハは同じ温度において高放射率ウエハが発するよりも低いエネルギーを発しているだろうことによる。従って、低放射率ウエハが発するエネルギーを高放射率ウエハが発するエネルギーと等しくするためには、その実際の温度が、高放射率ウエハの実際の温度よりも僅かに高くする必要がある。
【００６５】
この２つの実際のウエハプロセス温度の差を決定するためには、高放射率ウエハに対して、小開口プローブを用いてプロセス温度をモニターして、一方の注入アニールが実施される。第２の注入アニールは、低放射率ウエハに対して、また小開口プローブを用いてプロセス温度をモニターして実施される。そして、これらのウエハのそれぞれの膜抵抗値が測定され、実施された特定のアニールのための既知の変換チャートを用いて、２つのウエハの実際のプロセス温度の差を正確に決定することが可能である。この結果は、Ｔerrlowで示される（ステップ２１４）。
【００６６】
注入アニールを実施する代りに、２つのウエハ上に酸化物層を成長させて、酸化物の厚さの差を求めることもできる。そして、酸化物の厚さの差は、既知の表を用いて変換されて、２つの酸化物の厚さを与える実際のプロセス温度の差の正確な測定値を与えることもできる。
【００６７】
小開口プローブの実際の温度の誤差ＴerrlowがδＴ（ε，Ｔ）の線形関数であるとのモデルを用いることにより、補正係数Ｋcorrは、以下のように計算される（ステップ２１６）：
【数２３】
【００６８】
（インシチュウ温度補正）
補正された温度Ｔcorrは、図１１のフローチャートに示されているように、小開口プローブ及び大開口プローブの温度測定から与えられる。ウエハ温度は小開口プローブ（ステップ２３０）及び大開口プローブ（ステップ２３２）を用いて測定され、それぞれ、Ｔ1 とＴ2 とが得られる。これらの測定温度の差（即ち、Ｔ1 −Ｔ2 ）が計算され（ステップ２３４）、Ｋcorrが乗ぜられて（ステップ２３６）、Ｔ1 に加えられて補正温度となるべき補正項となる（ステップ２３８）。換言すれば、
【数２４】
【００６９】
本質的には、小開口プローブの感度の測定は、どの有効放射率カーブが小開口プローブを適用するかを決定する。これは以下のように理解される。小開口プローブをプロセス温度のモニターとして用いつつ低放射率ウエハに注入アニールを実施する際に、ウエハの放射率は１つであると仮定する。この仮定を用いれば、ウエハにより発せられるエネルギーは、Ｔprocess において理想黒体により発せられるエネルギー、即ちＩ（Ｔprocess ，λ）と等しいことになる。しかし、前出のＴerrlowの決定では、ウエハの実際の温度がより高いことが示されており、即ち、Ｔprocess ＋Ｔerrlowである。従って、ウエハにより発せられるエネルギーも、このより高い温度における黒体により発せられるエネルギー（即ち、Ｉ（Ｔprocess ＋Ｔerrlow，λ）に低放射率ウエハの有効放射率（即ち、εeff,low ）を乗じたものに等しいと表現できる。換言すれば、
【数２５】
【数２６】
【数２７】
【００７０】
Ｒeffsmallを知ることと、［数１７］の式（１５）を用いて、小開口プローブの見掛け放射率を実際のウエハの放射率の関数としてプロットすることができる。このプロットは、図８の上側のカーブで示されている。
【００７１】
高放射率ウエハに関して得られている２つの温度測定値、即ち、Ｔbig とＴsmall により、同様の手法で、大開口プローブの有効放射率カーブを決定することができる。大開口プローブに関しては、測定された放射エネルギーＩ（Ｔbig ，λ）は、大開口プローブの有効放射率εeffbigに、より高いある温度Ｔactualにおいて黒体により発せられるエネルギーを乗じたものに等しくなることが知られている。同様に、小開口プローブに対しては、測定された放射エネルギーＩ（Ｔsmall ，λ）は、小開口プローブの有効放射率εeffsmallに、このより高い温度Ｔactualにおいて黒体により発せられるエネルギーを乗じたものに等しくなることが知られている。従って、以下の表現がなされ：
【数２８】
【数２９】
【数３０】
【数３１】
【００７２】
［数１９］の式（１７）を用いれば、大開口プローブの有効反射率、即ちＲeffbigの値も計算できる。この例では、Ｒeffbigは０．８４２に等しい。
【００７３】
Ｒeffbigを知ることにより、大開口プローブの見掛け放射率をプロットすることが可能となる。このプロットは、図８の下側のカーブである。較正のスキームの目的で、較正の信号対ノイズ比を増加させるように、これら２つのカーブ（即ち、小開口プローブ及び大開口プローブのそれぞれの見掛け放射率カーブ）を大きく離すことが望ましい。
【００７４】
プロセスが行われている間、小開口プローブによる測定温度の補正が行われないのであれば、温度の誤差は、以下の式に等しくなり：
【数３２】
【数３３】
【数３４】
【００７５】
［数２２］の式（２０）を用い、小開口プローブ及び大開口プローブにより測定された温度の差、即ちδＴ（ε，Ｔ）は、以下のように計算でき：
【数３５】
【００７６】
図９から明らかなように、線形近似を行うことにより、実際の測定誤差を僅かに過剰補償する補正係数を生じさせた。補正係数を更に最適化する１つの方法は、低めの係数を用いることであり、例えば、０．９Ｋcorrを用いる等である。この方法で補正係数が増減された場合は、その結果のカーブは、放射率の範囲の大部分にわたってゼロエラーに大きく近付く（図９の点線を見よ）。
【００７７】
小開口プローブ温度測定における誤差の原因となる効果は、エネルギーに関連した効果であり、これは指数項を導入する。従って、実際の誤差は非線形である。それにもかかわらず、誤差に対する線形近似は、これらの非線形効果の補償に関し大変うまくいく。
【００７８】
無論、補正係数の更なる最適化は、補正係数が２つのプローブの間の温度差の関数として変化する非線形の方法を考慮することにより得る事ができる。しかし、多くの用途においては、単なる線形近似により得られる改善の実質的なレベルは、補正温度測定を更に洗練させる必要性をなくさせる。
【００７９】
δ（ε，ｔ）に対する式（即ち数［３５］の式（３３））の正確性の評価のため、計算値は、２つのプローブの間の温度差の実際の実験値と比較された。この比較は、図１０に示される。
【００８０】
一番上のカーブは、放射率０．３２を有するウエハに関するものであり、まんなかのカーブは、放射率０．６７を有するウエハに関するものであり、下側のカーブは、放射率０．８２を有するウエハに関するものである。実験データはグラフにおいて、「ｘ」の集合及び「＋」の集合で示される。実験データを得るために、ウエハはチャンバ内に配置されて、温度が１０００℃まで急激に上昇した。５００℃を越えた各１００℃のステップでは、約１０秒間温度が安定化され、そして、各プローブの読み出しが記録された。これら２つの読み出しの差は、δＴ（ε，Ｔ）に対応している。各温度で生じているばらつきは、測定におけるノイズによるものである。図１０は、実験データがこのモデルの正当性を証明していることを示している。
【００８１】
第２のプローブに関連する有効反射率を減少するために、別のテクニックを用いてもよいことは理解されるだろう。上述の２つのテクニックは、反射プレートの表面の上にプローブを持ち上げること又は、プローブの周囲の開口を拡大することにより行われた。別のテクニックは、例えば、（１）プローブの周囲に吸収ドーナツ（例えば、窒化珪素でカバーされた領域）を形成することにより、プローブの周囲の反射プレートの反射率を減少させる事；（２）プローブの周囲の光学パイロメータのバンド幅にわたって反射プレートの反射率を減少させる事；又は、（３）ファイバの出力でアパーチャーを置くことによりプローブの視野角を減少させる事、を含んでいる。
【００８２】
第２のプローブに減少された視野角が用いられた場合、開口のサイズは減少する一方で、２つのプローブを用いた約４０℃の測定温度差を実現する。従って、このアプローチを用いて、第２のプローブが第１のプローブの温度測定に対してなす影響を最小にすることができ、また、プローブをもっと互いに近づけるように移動させることができるようになる。
【００８３】
上述の補正のテクニックを実施する代りの別のテクニックは、図８の一番上の線をもっと高く動かすように、即ち１に近付けるように、チャンバを再設計することである。しかし、上述のように誤差を単に補正する事に比べて、このチャンバの再設計は、著しく困難な作業であろう。
【００８４】
（ＲＴＰシステムについての更なる詳細）
上述の如く、図３（ａ）には２つの測定プローブしか示されていないが、ここに説明された具体例は、基板の異なる半径の場所での温度を測定できるように、反射器にわたって分散された８つの測定プローブを実際に用いている。熱処理の間、支持構造体１０８は約９０ＲＰＭで回転される。従って、各プローブは、基板上の対応する環状の領域温度プロファイルを実際に測定する。
【００８５】
基板を回転させる基板支持構造体は、基板外縁のまわりで基板に接触する支持リング１３４を有し、外縁の周囲の小さな環状の領域を除いた全ての基板下側が露出される。支持リング１３４は、約１インチ（２．５ｃｍ）の放射方向幅を有している。処理中に基板１０６のエッジで生じるだろう熱的な不連続を最小にするため、支持リング１３４は基板と同一又は類似の材料、例えばシリコン又は酸化珪素でできている。
【００８６】
支持リング１３４は、パイロメータの周波数の範囲で不透明になるよう、シリコンでコーティングされた回転式の卓状のクオーツシリンダ１３６上に載せられる。クオーツシリンダ上のシリコンコーティングは、強度測定に悪影響を与えるかも知れない外部のソースからの放射を遮断するバッフルとして作用する。クオーツシリンダの底部は、複数のボールベアリング１３７上に置かれる環状の上側ベアリングレース１４１によって、支持され、ボールベアリング１３７は、静的な環状の下側ベアリングレース１３９内部に支持されている。ボールベアリング１３７は、スチール製で窒化珪素のコーティングがなされ、操作中の粒子の発生を減少させる。上側ベアリングレース１４１は、熱処理中に約９０ＲＰＭでシリンダー１３６、ガードリング１３４及び基板１０６を回転させるアクチュエータ（図示されず）に磁気的に結合される。
【００８７】
図３（ｂ）を参照すれば、支持リング１３４は、クオーツシリンダ１３６に対して光の緊密なシールを形成するようにデザインされる。クオーツシリンダの内径よりも僅かに小さな外径を有する円筒形状のリップ１３４ａが、支持リング１３４の底面から延長し、図示されるように、シリンダの内側にフィットして、光シールを形成する。支持リングの内側には、基板１０６を支持するためのシェルフ１３４ｂが存在する。シェルフ１３４ｂは、支持リングの内円の周囲で支持リングの残りよりも下側の領域である。
【００８８】
チャンバ本体にフィットするパージリング１４５は、クオーツシリンダを包囲する。パージリング１４５は、上側ベアリングレース１４１の上方の領域に開いている内部環状キャビティ１４７を有している。内部キャビティ１４７は、通路１４７を介して、ガス供給器（図示されず）へ接続される。処理中は、パージガスがパージリング１４５を介してチャンバ内へと流入する。
【００８９】
支持リング１３４は、クオーツシリンダを越えて延長するように、クオーツシリンダの半径よりも大きな半径を有している。支持リング１３４のシリンダ１３６を越える環状の延長部分は、その下に配置されるパージリング１４５と協働で、基板の裏側で迷光が反射キャビティ内に進入することを防止するバッフルとして機能する。反射キャビティ内に迷光が反射して進入することを更に防止するために、支持リング１３４とパージリング１４５は、加熱要素１１０により発生した放射エネルギーを吸収する材料（例えば、黒又はグレーの材料）でコーティングされていてもよい。
【００９０】
上記に指摘している通り、光パイプ１２６はサファイア製である。サファイア光パイプが一般的に好ましくアノード、その理由は、比較的小さな散乱係数を有し、大きな横方向の光を大きく排除し、大きな測定の局所化を与えるからである。しかし、光パイプは、抽出された放射エネルギーをパイロメータに伝達する例えばクオーツ等の適当な耐熱耐腐食材料製であってもよい。適切なクオーツファイバ光パイプ、サファイアクリスタル光パイプ、及び光パイプ／導管カプラーは、Luxtron Corporation-Accufiber Division,2775 Northwestern Parkway, Santa Clara,CA 95051-0903 で入州可能である。あるいは、放射エネルギー抽出システムは、反射器１０２内に載置された小半径対物レンズとレンズによって収集された放射エネルギーをパイロメータへ流通させるミラー及びレンズのシステムとを有する光学システムであってもよい。このようなスキームは、適当なオフシェルフ光学要素が見出せたならばサファイアパイプよりも安価であろう。あるいは、光パイプは、高度に研磨された反射内面を有するチューブで形成されてもよい。
【００９１】
適切な加熱要素１１０は、米国特許第５，１５５，３３６合に開示されている。この加熱要素は、１８７の光パイプを用いて、タングステン−ハロゲンランプからの高度にコリメートされた光を処理チャンバ１００へ供給する。ランプは、放射方向に対称的なように配置された１２のゾーンに別れている。これらのゾーンは、ゾーンごとに調整でき、基板１０６の別々の領域への放射加熱を制御せしめる。
【００９２】
図３（ａ）の具体例では、ベース１１６は循環回路１４６を有し、これを介してクーラントが循環して、反射器及び反射面を冷却する。典型的に２３℃の水がベース１１６の中を循環して、反射器の温度を、加熱された基板の温度よりも充分低い温度（例えば１００以下）に維持する。ＲＴＰ処理の間は、反射器を冷却して、その表面に生じるかも知れない化学活動の可能性を小さくすることが重要である。反射器が加熱されるようなことがあれば、このことが表面の酸化を促進して、反射層の反射性を深刻に損ねてしまう。有効放射率の向上は、高度に反射性を有する表面を有してこれを維持することにより達せられる。更に、反射器組立体が加熱すれば、抽出信号に影響する放射エネルギーのソースになるだろう。
【００９３】
ここに説明される具体例では、パイロメータ１２８は、約９５０ｎｍで狭いバンド幅（例えば４０ｎｍ）を有している。また、クオーツウィンドウの裏側が、波長のこの狭いバンド全てにおいて熱放射エネルギーに関して透明な不活性材料でコーティングされ、加熱ソースが反射キャビティ内に迷光を導く可能性を減少させることが望ましい。
【００９４】
一般的には、シリコン基板の処理のためのシステムが長い放射波長（例えば約３．５〜４μｍよりも大きな波長）を検出するパイロメータを用いることが望ましい。しかし、このアプローチは、７００℃よりも高い温度に最もよく適合する。室温では、シリコンウエハは、１．０μｍよりも長い光の波長に対して透明である。基板温度が上昇するにつれて、基板は７００℃までは長い波長に対して不透明になり、７００℃では、着目する全ての波長に対して基板は不透明になる。従って、７００℃より低い温度では、長波長に感応するパイロメータが、加熱ソースから直接来る光を検出することにも更に適している。簡潔に言えば、パイロメータにより抽出される波長は、プロセス温度を考慮するべきである。プロセス温度が実質的に７００℃よりも低い場合は、パイロメータは１．１μｍよりも短い波長を抽出すべきである。より高いプロセス温度が用いられた場合は、もっと長い波長が抽出可能である。
【００９５】
非常に低いプロセス温度（例えば６００゜Ｋ（３２７℃））では、１．１μｍよりも短い波長で発生する黒体スペクトル放射率エネルギーの量はごく小さい。その結果、６００℃よりも低い温度では、充分な信号対ノイズ比を得ることはまったく困難である。
【００９６】
１つのデザイン、特に９００℃〜１３５０℃の間のプロセス温度に適したデザインでは、０．９μｍ〜１．０μｍの間の波長での放射エネルギーに感応するソリッドステートパイロメータが用いられる（例えば、９００−ＬＰ−６．３５Ｃｓｅｎｓｏｒを１００−Ｓ８ＭＳ−Ｂ−ＣＶ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｂｏｘと組合わせる。これらは、Luxtron Corporation-Accufiber Divisionから入手可能である。）。この温度範囲で、０．９〜１．０μｍの波長で発生する放射エネルギーが実質的な量で存在し、高い信号強度及び高い信号対ノイズ比を与える。
【００９７】
図１２は、所望の温度において基板を加熱するための制御ループを示す。これは、複数の温度センサ１９０（即ちパイロメータ及び光パイプ）からの抽出出力を用いている。加熱要素１１０は、放射ゾーン内に配置された１８７個のタングステン−ハロゲンランプを有している。ランプの各ゾーンは、マルチゾーンランプドライバ１９４により別々に電力が与えられ、マルチゾーンランプドライバ１９４は、マルチ入力、マルチ出力のコントローラ１９２によって制御されている。基板は約９０ｒｐｍで回転しており、基板１０６の裏側の別々の放射配置で複数の温度測定がなされているため、各温度プローブは、基板の別々の環状の領域の平均温度を与える。この環状の領域は、加熱ランプの半径方向領域と一致する。コントローラ１９２は、温度センサ１９０により生成する温度測定値を受信し、上述の温度補正アルゴリズムに基づいて温度を補正し、コントローラ１９２に供給される所定の温度サイクルプロファイル１９６により特定される基板温度が達成させるように、加熱ランプの電力レベルを調整する。プロセスサイクルにわたり、所望の温度プロファイルからはずれた温度のばらつきを補正するように、コントローラは別々のランプゾーンに供給される電力のレベルを調整する。
他の具体例も、特許請求の範囲の中に含まれる。
【００９８】
【発明の効果】
以上詳細に説明してきたように、本発明で与えられるマイクロキャビティ構造は、ウエハの裏面と反射プレートとの間に形成されたキャビティ及び反射プレートの有効反射率を向上する傾向があるので、本発明を用いることにより、基板の放射率の変化に対する感度が実質的に減少した温度測定を可能にする。更に、本発明は、反射率の変化を温度の関数に適応させるリアルタイム且つインシチュウの温度補償を提供する。この較正の手順は、単純且つ、典型的には、所定のチャンバ構造に対しては一度試行すればよいだけである。また、本発明に従った温度測定は、安定で再現性の高い固体検出器を用いる事ができる。
【００９９】
従って、改善された再現性及び均一性をもって信頼性の高い温度測定が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】反射器が基板近くに配置される、基板温度測定スキームの断面図である。
【図２】有効反射率の異なる値に対して実際の放射率の関数としてプロットされた有効放射率のグラフである。
【図３】（ａ）はＲＴＰシステムの側面断面図である。（ｂ）は支持リングの詳細の断面図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）とも、反射器に包含される測定向上表面の種々の造作の側面断面図である。
【図５】ＲＴＰチャンバのインシチュウ温度補正の検量のスキームのフロー線図である。
【図６】温度測定の正確さを向上させるためのインシチュウで放射率を測定するためのスキームのフロー線図である。
【図７】ＲＴＰチャンバ内で温度測定プローブの検量のための別の技術のフローチャートである。
【図８】小開口プローブと大開口プローブの双方の、実際のウエハの放射率の関数としての見掛け放射率のプロットのグラフである。
【図９】補正なしの温度測定の誤差と補正された温度測定とを、実際のウエハの放射率の関数としてプロットしたグラフである。
【図１０】小開口プローブと大開口プローブにより測定された温度の差に対する実験値と計算値のグラフである。
【図１１】温度測定プローブから補正温度を計算するステップを示すフローチャートである。
【図１２】温度制御システムの模式図である。
【符号の説明】
１０…基板、２２…熱反射器、２７…アパーチャー、２８…光パイプ、４２…マイクロキャビティ、１００…処理チャンバ、１０２…反射器、１０６…シリコン基板、１０８…基板支持体、１０９…局所領域、１１０…加熱要素、１１２…放射エネルギー、１１４…水冷クオーツウィンドウ組立体、１１６…ベース、１１８…反射キャビティ、２０…コーティング、１２４…導管、１２５…光ファイバ、１２６…温度プローブ、１２８…パイロメータ、１２９…アパーチャー、１３４…支持リング、１３６…シリンダ、１３７…ボールベアリング、１３９…下側端部Ｔがわベアリングレース、１４１…上側ベアリングレース、１４５…パージリング、１４６…循環回路、１４７…内部環状キャビティ、１５０，１５２…放射プローブ、１９０…温度センサ、１９２…コントローラ。
Claims (3)
- 温度測定システムを較正する方法であって、
高放射率を有する第１の基板を第１のプロセス温度まで加熱するステップと、
該基板が該第１のプロセス温度にある間、第１のプローブと第２のプローブとを較正して、同じ第１の温度指示値を与えるステップであって、前記第１のプローブは自身に関連した第１の有効反射率を有し、前記第２のプローブは自身に関連した第２の有効反射率を有し、前記第１の有効反射率と前記第２の有効反射率とが異なる、温度読み出しを与える前記ステップと、
前記高放射率よりも低い低放射率を有する第２の基板を第２のプロセス温度まで加熱するステップと、
前記第２の基板が前記第２のプロセス温度にある状態で、該第１のプローブと第２のプローブを用いて該基板の温度を測定するステップであって、該第１のプローブは前記第１の温度指示値を与え、該第２のプローブは第２の温度指示値を与える、前記基板の温度を測定する前記ステップと、
前記第１のプロセス温度と前記第２のプロセス温度を決定して、該第１のプローブの基板放射率の変化に対する感度を測定するステップと、
前記測定された前記感度と該第１の温度指示値と該第２の温度指示値との間の差を用いて、該第１のプローブに対する補正係数を計算するステップであって、前記補正係数は、該第１のプローブの温度読み出しに適用されて補正された温度読み出しを与える、前記補正係数を計算する前記ステップと、
を有する方法。 - 該第１の有効反射率が前記第２の有効反射率よりも大きい請求項１に記載の方法。
- 前記感度を測定する前記ステップが、前記第１の基板を前記第１のプロセス温度で熱処理し、前記第２の基板を前記第２のプロセス温度で熱処理する操作と、次いで前記第１の基板と前記第２の基板の性質を測定し、前記第１のプロセス温度と前記第２のプロセス温度を決定して前記感度を決定する操作とを備える請求項２に記載の方法。
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