JP4038135B2 - 熱処理基板の温度計測方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱処理基板の温度計測方法に係り、特に熱処理されている半導体基板の温度計測に好適な方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に半導体製造過程において、シリコンウェハ等の基板には酸化や拡散、あるいはアニールといった熱処理が施される。通常、熱処理のために、基板はプロセスチューブに入れられて炉内で加熱されるが、熱処理の目的によって温度領域が異なり、特定の温度に維持したり、指定した昇温もしくは降温速度に追従させるため、実際に加熱されている基板の温度をモニタする必要がある。特に、枚葉装置などでは、反応炉に基板を収容し、ウェハの温度を適切な温度に維持もしくは指定した温度に追従させるので、温度モニタは不可欠である。
【０００３】
この場合ウェハの温度計測が非常に難しいものとなっている。一般的には、汚染防止の観点から、熱処理されているウェハに直接接触することはできないので、放射温度計を用いる場合が多い（特許文献１）。また、サセプタに感熱部を埋め込んでサセプタ上のウェハの温度を熱電対で計測する方法もある（特許文献２）。更に、ウェハと同じサイズの測定板を作成し、この測定板を２枚の積層構造として間に熱電対を収容して測定する方法も提案されている（特許文献３）。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭６２−１１０１２７号
【特許文献２】
特開昭５８−１６６２２８号
【特許文献３】
特開２００１−２７２２８０号
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記第１の例に示されるような放射温度計を用いる場合には、ウェハ以外に高温部があり、そこからの放射光を完全に遮断できない場合は誤差になり精度よく測定できない問題がある。また、第２の例に示されるように、熱電対で測定しようとすると、ウェハに接触させなければならない上に、接触状態に再現性を持たせるのが非常に困難なため正確な測定はできない。更に、第３の例に示される方法では、熱電対を間に挟んだ擬似的なウェハを作成すること自体が困難である上、ウェハボートに収容した状態で炉に入れて熱処理する場合のダミーウェハとして利用することができるだけであり、枚葉処理装置では利用することができない。
【０００６】
本発明は、上記従来の問題点に着目し、熱処理中のウェハの温度をできるだけ精度良く測定、あるいは推定することができる熱処理基板の温度計測方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る熱処理基板の温度計測方法は、熱処理炉に収容された基板の温度計測方法であって、処理対象基板と同等材料により作成した擬似基板を内包した石英チューブごと熱処理炉内に投入して処理対象基板と同等環境におき、石英チューブ内の擬似基板の温度を計測し、処理対象基板温度を擬似基板の計測温度により間接的に特定することを特徴としている。
【０００８】
また、熱処理炉に収容された基板の温度計測方法であって、処理対象基板と同等材料により作成した擬似基板を内包した石英チューブごと熱処理炉内に投入して処理対象基板と同等環境におき、予め石英チューブ内の擬似基板に接続した温度計により温度を計測し、処理対象基板温度を擬似基板の計測温度により間接的に特定するように構成してもよい。
【０００９】
上記温度計測方法において、前記擬似基板は小片化して石英チューブに収容するようにすればよく、前記擬似基板は複数に小片化して石英チューブに縦列配置して収容しつつ、各小片に温度計測手段を接続して計測対象基板の温度分布の測定を可能とすることができる。更に、前記熱処理対象基板の昇温特性に対する擬似基板の昇温特性の相対モデルを構築しておき、擬似基板温度から計測基板の温度を推定することもできる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る熱処理基板の温度計測方法につき、図面を参照して、その具体的実施の形態を詳細に説明する。
図１は第１実施形態に係る熱処理基板の温度計測方法の原理説明図である。図示のように、熱処理対象ウェハ１０は熱処理炉のプロセスチューブ１２に収容され、サセプタ１４を介して加熱処理される。このウェハ１０の近傍にウェハ１０と昇降温特性が似通っている物質、例えば、ウェハ１０と同一物質からなる擬似ウェハ１７を設置し、これに熱電対１８を取り付ける。擬似ウェハ１７と熱電対１８のユニットは石英チューブ１９に収容し、プロセスチューブ１２の内部が汚染されることを防止している。擬似ウェハ１７は昇降温に影響されないサイズに小片化することが望ましい。石英チューブ１９ごとプロセスチューブ１２に入れ、熱処理対象ウェハ１０と同等な加熱環境において、擬似ウェハ１７の温度を計測し、これを熱処理対象ウェハ１０の温度として取り扱うのである。材料の違いなどにより、擬似ウェハ１７と熱処理対象ウェハ１０の昇降温特性が一致していない場合には、相対モデルを構築してウェハ温度を推定するようにしても同一の作用・効果が得られる。
【００１１】
実施形態に係る方法が適用される熱処理炉の構成を図２に示す。この熱処理炉は枚葉式であり、１枚のウェハ１０を内装可能なプロセスチューブ１２と、前記プロセスチューブ１２の外周を覆うサセプタ１４と、前記サセプタ１４を覆う誘導加熱コイル１６とから構成されている。
【００１２】
このような熱処理対象のウェハ１０の温度分布を、熱処理中に検出するための温度計測は、次のように行われる。すなわち、処理対象ウェハ１０と同等材料の例えばシリコン単結晶により擬似基板の小片２０を作成しておく。擬似基板小片２０の各々に対しては熱電対２４を取り付ける。この熱電対付きの小片２０を１列に配列して石英チューブ２２に収容しておき、石英チューブ２２ごと熱処理炉内に投入して処理対象ウェハ１０と同等環境におくのである。熱電対２４のリード線２４ａは石英チューブ２２の端部から引き出し、熱処理炉の外部に設置された計測器（図示せず）に接続する。このとき、石英チューブ２２は処理対象ウェハ１０の直径線に沿って平行に配置することにより、温度分布の測定が可能である。そして、石英チューブ２２内の擬似基板小片２０の温度を計測し、処理対象ウェハ１０の温度を擬似基板小片２０の計測温度により間接的に特定するようにしているのである。
【００１３】
もちろん、擬似基板小片２０は帯板片として１枚板を石英チューブ２２に収容させ、適宜間隔をおいて複数の熱電対を接続するようにしてもよい。また、温度分布ではなく単に特定箇所の温度計測が必要である場合には、擬似基板小片２０を１片だけ石英チューブ２２に収容して、小片２０が測定位置となるように石英チューブ２２の位置を調整して熱処理炉内におき、小片に取り付けた熱電対２４により温度を計測するようにすればよい。
【００１４】
上記構成において、擬似基板小片２０は熱処理対象ウェハ１０と同一材料により形成しているが、これは他の材料により形成してもよい。この場合には、熱処理対象ウェハ１０の昇温特性に対する擬似基板小片２０の昇温特性の相対モデルを構築しておき、擬似基板小片２０の計測温度から熱処理対象ウェハ１０の温度を推定する。
【００１５】
なお、図２に示した計測方法において、石英チューブ２２の内部に配列する擬似基板小片２０は温度分布を計測するようにウェハ１０の直径方向に沿って配列して熱処理炉内に置かれるが、これはウェハ１０を複数の誘導加熱コイルによって加熱する場合には、各誘導加熱コイルの加熱領域に対応させるようにする。これにより加熱ゾーン単位の温度モニタが可能となり、個別に温度管理することができるので、ウェハ１０に対し、任意の熱履歴を加熱ゾーンごとに与えることができる。この適用例を図２に示している。
【００１６】
図示のように、複数の誘導加熱コイル１６はサセプタ１４の周囲に隣接配置され、この誘導加熱コイル１６ごとに前記擬似基板小片２０が配置するようにしている。誘導加熱コイル１６を近接して隣接配置したままでは相互誘導作用によって各コイル１６を正確に電力制御できなくなるので、サセプタ１４の外周に螺旋状に巻かれた複数の誘導加熱コイル１６の周波数・電流位相を同期させ、あるいは設定された位相差となるように個別に電力制御可能としている。任意の誘導加熱コイル１６ｍとその駆動制御回路５０ｍをメインユニットとし、その他の加熱コイル１６ｓｌ、１６ｓ２・・・と駆動制御回路５０ｓ１、５０ｓ２・・・をサブユニットとし、メインユニットの負荷コイル部の電流を検出し、この電流の周波数と位相が一致するように、あるいは設定される位相差を保持するようにサブユニットのインバータを運転するようにしている。これにより、擬似基板小片２０による検出温度に応じて、メインユニットとサブユニットの誘導加熱コイル１６への投入電力を調整することにより、隣接する誘導加熱コイル１６間で相互誘導による影響を最小限に抑制してゾーンコントロールができる。
【００１７】
このような実施形態によれば、熱処理の昇温・降温処理に際してウェハ１０の温度分布が不均一になった場合、炉内の石英チューブ２２に入っている擬似基板小片２０の温度をモニタすることにより、温度変化を加熱ゾーン単位に計測することができる。したがってモニタした時の温度分布が均一でないゾーンが検出された場合には、該当ゾーンの誘導加熱コイル１６を制御することにより、ウェハ１０の温度分布を均一に保ちつつ加熱・冷却を行うことができる。
【００１８】
特に、この実施形態では、擬似基板小片２０を石英チューブ２２の内部に収容し、炉内雰囲気とは遮断させた状態で温度モニタできるので、熱処理対象ウェハ１０自体を汚染することが確実に防止される。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る熱処理対象基板の温度計測方法は、処理対象基板と同等材料により作成した擬似基板を内包した石英チューブごと熱処理炉内に投入して処理対象基板と同等環境におき、石英チューブ内の擬似基板の温度を計測し、処理対象基板温度を擬似基板の計測温度により間接的に特定することができ、炉内汚染を生じることなく、ウェハの温度をできるだけ精度良く測定、あるいは推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の実施形態に係る温度計測方法の原理説明図である。
【図２】 第２の実施形態に係る温度計測方法が適用される熱処理炉と加熱装置の説明断面図である。
【符号の説明】
１０………熱処理対象ウェハ、１２………プロセスチューブ、１４………サセプタ、１６………誘導加熱コイル、２０………擬似基板小片、２２………石英チューブ、２４………熱電対。
【発明の属する技術分野】
本発明は熱処理基板の温度計測方法に係り、特に熱処理されている半導体基板の温度計測に好適な方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に半導体製造過程において、シリコンウェハ等の基板には酸化や拡散、あるいはアニールといった熱処理が施される。通常、熱処理のために、基板はプロセスチューブに入れられて炉内で加熱されるが、熱処理の目的によって温度領域が異なり、特定の温度に維持したり、指定した昇温もしくは降温速度に追従させるため、実際に加熱されている基板の温度をモニタする必要がある。特に、枚葉装置などでは、反応炉に基板を収容し、ウェハの温度を適切な温度に維持もしくは指定した温度に追従させるので、温度モニタは不可欠である。
【０００３】
この場合ウェハの温度計測が非常に難しいものとなっている。一般的には、汚染防止の観点から、熱処理されているウェハに直接接触することはできないので、放射温度計を用いる場合が多い（特許文献１）。また、サセプタに感熱部を埋め込んでサセプタ上のウェハの温度を熱電対で計測する方法もある（特許文献２）。更に、ウェハと同じサイズの測定板を作成し、この測定板を２枚の積層構造として間に熱電対を収容して測定する方法も提案されている（特許文献３）。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭６２−１１０１２７号
【特許文献２】
特開昭５８−１６６２２８号
【特許文献３】
特開２００１−２７２２８０号
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記第１の例に示されるような放射温度計を用いる場合には、ウェハ以外に高温部があり、そこからの放射光を完全に遮断できない場合は誤差になり精度よく測定できない問題がある。また、第２の例に示されるように、熱電対で測定しようとすると、ウェハに接触させなければならない上に、接触状態に再現性を持たせるのが非常に困難なため正確な測定はできない。更に、第３の例に示される方法では、熱電対を間に挟んだ擬似的なウェハを作成すること自体が困難である上、ウェハボートに収容した状態で炉に入れて熱処理する場合のダミーウェハとして利用することができるだけであり、枚葉処理装置では利用することができない。
【０００６】
本発明は、上記従来の問題点に着目し、熱処理中のウェハの温度をできるだけ精度良く測定、あるいは推定することができる熱処理基板の温度計測方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る熱処理基板の温度計測方法は、熱処理炉に収容された基板の温度計測方法であって、処理対象基板と同等材料により作成した擬似基板を内包した石英チューブごと熱処理炉内に投入して処理対象基板と同等環境におき、石英チューブ内の擬似基板の温度を計測し、処理対象基板温度を擬似基板の計測温度により間接的に特定することを特徴としている。
【０００８】
また、熱処理炉に収容された基板の温度計測方法であって、処理対象基板と同等材料により作成した擬似基板を内包した石英チューブごと熱処理炉内に投入して処理対象基板と同等環境におき、予め石英チューブ内の擬似基板に接続した温度計により温度を計測し、処理対象基板温度を擬似基板の計測温度により間接的に特定するように構成してもよい。
【０００９】
上記温度計測方法において、前記擬似基板は小片化して石英チューブに収容するようにすればよく、前記擬似基板は複数に小片化して石英チューブに縦列配置して収容しつつ、各小片に温度計測手段を接続して計測対象基板の温度分布の測定を可能とすることができる。更に、前記熱処理対象基板の昇温特性に対する擬似基板の昇温特性の相対モデルを構築しておき、擬似基板温度から計測基板の温度を推定することもできる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る熱処理基板の温度計測方法につき、図面を参照して、その具体的実施の形態を詳細に説明する。
図１は第１実施形態に係る熱処理基板の温度計測方法の原理説明図である。図示のように、熱処理対象ウェハ１０は熱処理炉のプロセスチューブ１２に収容され、サセプタ１４を介して加熱処理される。このウェハ１０の近傍にウェハ１０と昇降温特性が似通っている物質、例えば、ウェハ１０と同一物質からなる擬似ウェハ１７を設置し、これに熱電対１８を取り付ける。擬似ウェハ１７と熱電対１８のユニットは石英チューブ１９に収容し、プロセスチューブ１２の内部が汚染されることを防止している。擬似ウェハ１７は昇降温に影響されないサイズに小片化することが望ましい。石英チューブ１９ごとプロセスチューブ１２に入れ、熱処理対象ウェハ１０と同等な加熱環境において、擬似ウェハ１７の温度を計測し、これを熱処理対象ウェハ１０の温度として取り扱うのである。材料の違いなどにより、擬似ウェハ１７と熱処理対象ウェハ１０の昇降温特性が一致していない場合には、相対モデルを構築してウェハ温度を推定するようにしても同一の作用・効果が得られる。
【００１１】
実施形態に係る方法が適用される熱処理炉の構成を図２に示す。この熱処理炉は枚葉式であり、１枚のウェハ１０を内装可能なプロセスチューブ１２と、前記プロセスチューブ１２の外周を覆うサセプタ１４と、前記サセプタ１４を覆う誘導加熱コイル１６とから構成されている。
【００１２】
このような熱処理対象のウェハ１０の温度分布を、熱処理中に検出するための温度計測は、次のように行われる。すなわち、処理対象ウェハ１０と同等材料の例えばシリコン単結晶により擬似基板の小片２０を作成しておく。擬似基板小片２０の各々に対しては熱電対２４を取り付ける。この熱電対付きの小片２０を１列に配列して石英チューブ２２に収容しておき、石英チューブ２２ごと熱処理炉内に投入して処理対象ウェハ１０と同等環境におくのである。熱電対２４のリード線２４ａは石英チューブ２２の端部から引き出し、熱処理炉の外部に設置された計測器（図示せず）に接続する。このとき、石英チューブ２２は処理対象ウェハ１０の直径線に沿って平行に配置することにより、温度分布の測定が可能である。そして、石英チューブ２２内の擬似基板小片２０の温度を計測し、処理対象ウェハ１０の温度を擬似基板小片２０の計測温度により間接的に特定するようにしているのである。
【００１３】
もちろん、擬似基板小片２０は帯板片として１枚板を石英チューブ２２に収容させ、適宜間隔をおいて複数の熱電対を接続するようにしてもよい。また、温度分布ではなく単に特定箇所の温度計測が必要である場合には、擬似基板小片２０を１片だけ石英チューブ２２に収容して、小片２０が測定位置となるように石英チューブ２２の位置を調整して熱処理炉内におき、小片に取り付けた熱電対２４により温度を計測するようにすればよい。
【００１４】
上記構成において、擬似基板小片２０は熱処理対象ウェハ１０と同一材料により形成しているが、これは他の材料により形成してもよい。この場合には、熱処理対象ウェハ１０の昇温特性に対する擬似基板小片２０の昇温特性の相対モデルを構築しておき、擬似基板小片２０の計測温度から熱処理対象ウェハ１０の温度を推定する。
【００１５】
なお、図２に示した計測方法において、石英チューブ２２の内部に配列する擬似基板小片２０は温度分布を計測するようにウェハ１０の直径方向に沿って配列して熱処理炉内に置かれるが、これはウェハ１０を複数の誘導加熱コイルによって加熱する場合には、各誘導加熱コイルの加熱領域に対応させるようにする。これにより加熱ゾーン単位の温度モニタが可能となり、個別に温度管理することができるので、ウェハ１０に対し、任意の熱履歴を加熱ゾーンごとに与えることができる。この適用例を図２に示している。
【００１６】
図示のように、複数の誘導加熱コイル１６はサセプタ１４の周囲に隣接配置され、この誘導加熱コイル１６ごとに前記擬似基板小片２０が配置するようにしている。誘導加熱コイル１６を近接して隣接配置したままでは相互誘導作用によって各コイル１６を正確に電力制御できなくなるので、サセプタ１４の外周に螺旋状に巻かれた複数の誘導加熱コイル１６の周波数・電流位相を同期させ、あるいは設定された位相差となるように個別に電力制御可能としている。任意の誘導加熱コイル１６ｍとその駆動制御回路５０ｍをメインユニットとし、その他の加熱コイル１６ｓｌ、１６ｓ２・・・と駆動制御回路５０ｓ１、５０ｓ２・・・をサブユニットとし、メインユニットの負荷コイル部の電流を検出し、この電流の周波数と位相が一致するように、あるいは設定される位相差を保持するようにサブユニットのインバータを運転するようにしている。これにより、擬似基板小片２０による検出温度に応じて、メインユニットとサブユニットの誘導加熱コイル１６への投入電力を調整することにより、隣接する誘導加熱コイル１６間で相互誘導による影響を最小限に抑制してゾーンコントロールができる。
【００１７】
このような実施形態によれば、熱処理の昇温・降温処理に際してウェハ１０の温度分布が不均一になった場合、炉内の石英チューブ２２に入っている擬似基板小片２０の温度をモニタすることにより、温度変化を加熱ゾーン単位に計測することができる。したがってモニタした時の温度分布が均一でないゾーンが検出された場合には、該当ゾーンの誘導加熱コイル１６を制御することにより、ウェハ１０の温度分布を均一に保ちつつ加熱・冷却を行うことができる。
【００１８】
特に、この実施形態では、擬似基板小片２０を石英チューブ２２の内部に収容し、炉内雰囲気とは遮断させた状態で温度モニタできるので、熱処理対象ウェハ１０自体を汚染することが確実に防止される。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る熱処理対象基板の温度計測方法は、処理対象基板と同等材料により作成した擬似基板を内包した石英チューブごと熱処理炉内に投入して処理対象基板と同等環境におき、石英チューブ内の擬似基板の温度を計測し、処理対象基板温度を擬似基板の計測温度により間接的に特定することができ、炉内汚染を生じることなく、ウェハの温度をできるだけ精度良く測定、あるいは推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の実施形態に係る温度計測方法の原理説明図である。
【図２】 第２の実施形態に係る温度計測方法が適用される熱処理炉と加熱装置の説明断面図である。
【符号の説明】
１０………熱処理対象ウェハ、１２………プロセスチューブ、１４………サセプタ、１６………誘導加熱コイル、２０………擬似基板小片、２２………石英チューブ、２４………熱電対。
Claims (5)
- 熱処理炉に収容された基板の温度計測方法であって、処理対象基板と同等材料により作成した擬似基板を内包した石英チューブごと熱処理炉内に投入して処理対象基板と同等環境におき、石英チューブ内の擬似基板の温度を計測し、処理対象基板温度を擬似基板の計測温度により間接的に特定することを特徴とする熱処理基板の温度計測方法。
- 熱処理炉に収容された基板の温度計測方法であって、処理対象基板と同等材料により作成した擬似基板を内包した石英チューブごと熱処理炉内に投入して処理対象基板と同等環境におき、予め石英チューブ内の擬似基板に接続した温度計により温度を計測し、処理対象基板温度を擬似基板の計測温度により間接的に特定することを特徴とする熱処理基板の温度計測方法。
- 前記擬似基板は小片化して石英チューブに収容されていることを特徴とする請求項１または２記載の熱処理基板の温度計測方法。
- 前記擬似基板は複数に小片化して石英チューブに縦列配置して収容しつつ、各小片に温度計測手段を接続して計測対象基板の温度分布の測定を可能としたことを特徴とする請求項２に記載の熱処理基板の温度計測方法。
- 前記熱処理対象基板の昇温特性に対する擬似基板の昇温特性の相対モデルを構築しておき、擬似基板温度から計測基板の温度を推定することを特徴とする請求項１または２記載の熱処理基板の温度計測方法。
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|---|---|---|---|
| JP2003037053A JP4038135B2 (ja) | 2003-02-14 | 2003-02-14 | 熱処理基板の温度計測方法 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003037053A JP4038135B2 (ja) | 2003-02-14 | 2003-02-14 | 熱処理基板の温度計測方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004245732A JP2004245732A (ja) | 2004-09-02 |
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|---|---|---|---|---|
| JP2007171107A (ja) * | 2005-12-26 | 2007-07-05 | Fujitsu Ltd | 炉内の温度測定方法 |
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2003
- 2003-02-14 JP JP2003037053A patent/JP4038135B2/ja not_active Expired - Fee Related
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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