JP4499274B2

JP4499274B2 - 半導体処理装置における温度測定方法および半導体処理方法

Info

Publication number: JP4499274B2
Application number: JP2000367071A
Authority: JP
Inventors: 雲莫
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2000-12-01
Filing date: 2000-12-01
Publication date: 2010-07-07
Anticipated expiration: 2020-12-01
Also published as: JP2002170775A; US20020068371A1; US6798036B2; US20030206574A1; US6579731B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加熱および冷却を行う半導体処理装置における温度測定方法および装置並びに半導体処理方法および装置に関し、特にＲＴＰ（Rapid Thermal Process）等に使用され、イン−サイチュ（ｉｎ−ｓｉｔｕ）でウエハ温度を測定するための温度測定方法および装置並びに半導体処理方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路の製造工程には、例えばフォトリソグラフィー工程におけるベーキング処理、成膜処理、アッシング処理等の種々の熱処理工程がある。従来、このような熱処理工程においては、被処理基板（半導体ウエハ）に対向して配置されたハロゲンランプの発光によりこの被処理基板を昇温し、また被処理基板を挟んでハロゲンランプと反対側に配置された放射温度計を使って被処理基板の温度を非接触で測定し、この測定結果に基づいてハロゲンランプの光量を調節して加熱温度を制御していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来より温度測定に用いられている放射温度計は、物体表面から放射されるエネルギーを光−エネルギー変換素子によって受け、非接触で物体の表面温度を測定できるという利点がある。また、使用温度範囲も約１００〜３，０００℃と幅広いという特徴がある。
【０００４】
しかしながら、このような放射温度計は温度測定の際に物体表面の放射率が必要であるが、放射率が正確に測定できないことから、温度測定精度が約５〜２０℃と低いという問題点がある。特に物体を高速昇温または降温させた場合、放射率の温度に対する依存性が高いので正確な温度測定が困難となる。また、温度、光の波長、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ）における成膜材料の種類および膜厚等に依存するという問題点もある。また、校正が難しいという問題点もある。さらに、放射率を測定しながら温度測定をする放射温度計は非常に高価という問題点もある。
【０００５】
本発明は、このような問題点を解決するためのものであり、測定精度の高い温度測定方法および装置並びに半導体処理方法および装置を安価で提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明に係る温度測定方法は、被処理基板を加熱する加熱手段と、被処理基板を挟んで加熱手段と反対側に配置される熱流束センサとを有し、所定のプロセス条件下で熱処理される被処理基板の温度測定方法であって、加熱手段を制御して被処理基板の温度を上昇または下降させ、プロセス条件で被処理基板の上面温度Ｔ１、熱流束センサの上面温度Ｔ２、および被処理基板の上面と熱流束センサとの間の熱流束ｑを温度毎に各々測定し、測定した上面温度Ｔ１，上面温度Ｔ２，および熱流束ｑを用い最小自乗法により被処理対象基板の上面と熱流束センサとの間の熱抵抗Ｒを算出するステップと、実際のプロセスにおいて、熱流束センサの上面温度Ｔ２’および被処理基板の上面と熱流束センサとの間の熱流束ｑ’を測定し、測定した上面温度Ｔ２’および熱流束ｑ’と、熱抵抗Ｒとにより、被処理基板の上面温度Ｔ’を算出するステップとを含む。
【０００７】
また、温度測定装置は、半導体処理装置内において所定のプロセス条件下で熱処理される被処理基板の温度測定装置であって、前記被処理基板に対向配置された検出部を有し、この検出部に前記被処理基板の少なくとも一部から与えられる熱流束を検出する熱流束検出手段と、前記検出部の温度を測定する温度測定手段と、前記所定のプロセス条件下における前記被処理基板と前記検出部との間の熱抵抗を含むパラメータと検出された熱流束と前記検出部の温度とから前記被処理基板の温度を演算する演算手段とを備える。また、前記検出部は、前記被処理基板を挟んで前記被処理基板を加熱する加熱手段と反対側に配置されてもよい。また、前記パラメータは、校正によりあらかじめ求められてもよい。
【０００８】
また、半導体処理装置は、被処理基板を加熱する加熱手段と、この加熱手段により熱処理される被処理基板の温度を測定する温度測定手段と、測定された温度に基づいて前記加熱手段を制御する制御手段を備え、所定のプロセス条件下で前記被処理基板を熱処理する半導体処理装置において、前記温度測定手段は、上記のいずれかの温度測定装置である。また、前記温度測定手段を複数備え、これらの温度測定手段のそれぞれは複数のエリアに分割された前記被処理基板の各エリアの温度を測定し、前記制御手段は、前記温度測定手段によって測定された前記被処理基板の各エリアの温度に基づいて前記加熱手段を制御し、前記加熱手段は、前記制御手段によって複数のエリアに分割された前記被処理基板の一または複数のエリアを加熱するように制御されてもよい。また、複数の異なるプロセス条件のそれぞれに対し前記プロセス条件下における少なくとも前記被処理基板と前記検出部との間の熱抵抗を含むパラメータを記憶する記憶手段を有し、前記温度測定手段の演算手段は、前記記憶手段より読み出された現在のプロセス条件に対応するパラメータに基づいて前記異なるプロセス条件ごとに前記被処理基板の温度を測定してもよい。
【０００９】
また、本発明に係る半導体処理方法は、上述した方法により算出した上面温度Ｔ’と予め設定されている温度とに基づいて、加熱手段に対する入力電力を制御する。また、熱流束を検出する検出部を複数のエリアに分割された被処理基板の各エリアに対応させて複数設け、被処理基板の各エリアの温度を測定し、加熱手段を制御するステップは、被処理基板の各エリアの温度に基づいて加熱手段を制御し、複数のエリアに分割された被処理基板の一または複数のエリアを加熱してもよい。また、複数の異なるプロセス条件のそれぞれに対しプロセス条件下における少なくとも被処理基板と検出部との間の熱抵抗を含むパラメータを記憶手段にあらかじめ記憶させ、加熱手段により熱処理される被処理基板の温度を測定するステップは、記憶手段より読み出された現在のプロセス条件に対応するパラメータに基づいて異なるプロセス条件ごとに被処理基板の温度を測定してもよい。
【００１０】
このように構成することにより本発明においては、同一箇所の熱流束および温度を測定し、これらに基づいて被処理基板の温度を算出するため、従来よりも高精度の温度測定が可能となる。また、高価な放射温度計を用いる必要がなく、安価な温度測定装置およびそれを用いた半導体処理装置を提供することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の一つの実施の形態について図を用いて説明する。
図１は、本発明の一つの実施の形態を示すブロック図である。同図に示すように、被処理基板であるウエハ１は中央部が開口を有する円形のガードリング２に載置されている。このガードリング２は図示しないモータ等の駆動手段によって回転可能である。したがって、ガードリング２を回転させることにより、ウエハ１を回転させることができる。また、ウエハ１から数ｍｍ程度下には測定台３が設けられ、この測定台３には熱流束および温度を測定するための熱流束マイクロセンサ４が埋め込まれている。
【００１２】
一方、ウエハ１に対向してハロゲンランプ８が設置されており、このハロゲンランプ８の発光によりウエハ１を加熱処理する。ハロゲンランプ８の光量の調整はパワーコントローラ７によって行われ、パワーコントローラ７は熱流束マイクロセンサ４の出力信号を処理するデータ処理装置６の出力に応じてフィードバック制御される。データ処理装置６は熱流束マイクロセンサ４によって測定された熱流束および温度（熱流束マイクロセンサの設置個所）に基づいて、ウエハ１の温度を後述の演算方法に従って算出する。したがって、熱流束マイクロセンサ４およびデータ処理装置６は、ウエハ１の温度を測定するための温度測定装置２０を構成している。また、測定台３の内部には冷却水の流れる冷却管（図示せず）が配設されており、流入口５から入った冷却水は測定台３の内部を循環した後、排出口５から排出され、これにより測定台３を冷却することができる。これにより、加熱したウエハ１の温度を下げることができる。
【００１３】
図２は、熱流束マイクロセンサを示す斜視図およびブロック図である。同図に示すように、熱流束マイクロセンサ４は本体部４−１とこの本体部４−１から引き出されたケーブル４−２とで構成されている。本体部４−１は直径４ｍｍ程度の円筒形状を有し、その内部には熱流束センサ４−１ａと温度センサ４−１ｂとを備えている。したがって、この熱流束マイクロセンサ４を用いることにより、同一箇所における熱流束および温度の両者を測定することができる。
【００１４】
図３は、図１に示した装置を鉛直上方から眺めた上面図である。同図に示すように、円形のガードリング２にはウエハ１が載置され、ウエハ１の上方にはハロゲンランプ８が設置されている。真ん中のハロゲンランプ８の直下の測定台３には、熱流束マイクロセンサ４が埋め込まれている。ガードリング２はウエハ１に直交する軸を中心として回転可能である。また、ウエハ１の回転とハロゲンランプ８の制御とは独立して行われ、したがってウエハ１を回転させながらハロゲンランプ８によりウエハ１を任意に加熱することができ、この回転によりウエハ１の表面を均一に加熱することができる。
【００１５】
次に、熱流束マイクロセンサ４によって測定した熱流束から、ウエハ１の温度を算出するための原理について説明する。
一般に、熱流束と温度差との関係は次式によって表されることが従来より知られている。
【００１６】
ｑ＝（Ｔ₁−Ｔ₂）／Ｒ・・・（１）
【００１７】
ここで、ｑはウエハ１の上面と熱流束マイクロセンサ４との間の熱流束（熱流束マイクロセンサ４の測定面と垂直な方向）、Ｒはウエハ１の上面と熱流束マイクロセンサ４との間の熱抵抗（ただし熱伝導、対流、ウエハ１の裏面と測定台３との間の輻射を含む）、Ｔ₂は熱流束マイクロセンサ４の上面の温度、Ｔ₁はウエハ１の上面の温度を示す。
したがって、式（１）からＴ₁を求めると、
【００１８】
Ｔ₁＝Ｔ₂＋ｑＲ・・・（２）
【００１９】
となり、この式（２）を用いることにより、ウエハ温度Ｔ₁をｑとＴ₂とから間接的に求めることができる。ただし、ｑとＴ₂は予め校正によって求めておく必要があり、校正には温度センサ（熱電対など）付きの校正用ウエハを用いる。この校正用ウエハを用いることにより、ウエハ１上面の温度Ｔ₁ を直接測定することができ、このＴ₁を用いることにより熱抵抗Ｒを求めることができる。
【００２０】
以上の原理に基づく温度測定装置２０による温度測定方法について述べる。
１．校正による熱抵抗Ｒの算出
まず、上述の温度センサ付き校正用ウエハを用い、実際の製造ラインにおけるプロセスと同じ条件および構成で温度Ｔ₁，Ｔ₂と熱流束ｑを測定し、これらを式（１）に代入することによって熱抵抗Ｒを求める。熱抵抗Ｒはウエハの裏面の放射率（高温時）、測定台３の上面の放射率、ウエハ１の厚み、ウエハ１と測定台３との間隔、熱流束マイクロセンサ４の位置、および測定第３の材質に依存するとともに、ウエハ１と測定台３との間の流動状況、圧力、流体の種類にも依存する。校正を行う場合、これらの条件はすべて実際のプロセスと同じ条件で行う。すなわち、同じ条件で温度を上昇または下降させ、温度Ｔ₁，Ｔ₂，および熱流束ｑを測定し、測定結果をプロットしてから最小自乗法により、図４に示すグラフ（直線）が得られる。したがって、上記条件における熱抵抗Ｒは図４に示す直線の勾配であり、直線とｑ軸との角度をαとすると次のように表される。
【００２１】
Ｒ＝ｔａｎα ・・・（３）
【００２２】
２．ｉｎ−ｓｉｔｕ温度測定
次に、実際のプロセス中では、上記校正と同じ条件でのＲと、測定したＴ₂，ｑを式（２）に代入することにより、ウエハ１の温度Ｔ₁を算出する。具体的には構成によって求めた熱抵抗Ｒをデータ処理装置６に記憶させ、熱流束マイクロセンサ４によって測定されるＴ₂，ｑから式（２）に基づいて温度Ｔ₁を算出する演算処理を行う。
【００２３】
３．ウエハ温度の制御
上述の図１はウエハ１の温度の測定処理と温度制御の概念を示している。Ｔ₂，ｑの測定結果は、データ処理装置６でデジタル信号に変換されるとともに、ウエハ１の温度Ｔ₁が求められ、ユーザによって予め設定された温度Ｔ₁’ と比較され、パワーコントローラ７でハロゲンランプ８に対する入力電圧が制御される。この結果、ウエハ１を均等に加熱することができる。
【００２４】
次に、上記温度測定方法を利用したＣＶＤ装置について説明する。
図５は、ＣＶＤ装置を示すブロック図である。同図に示すように被処理基板であるウエハ１は、ニクロム線等からなるヒータ１４を内蔵したサセプタ１３上に載置されている。サセプタ１３（ウエハ１を含む）、シャワーヘッド１２および熱流束マイクロセンサ４は、冷却管１１を備えたチャンバ１０内に載置されている。ヒータ１４にはパワーコントローラ７が接続され、ヒータ１４はこのパワーコントローラ７の供給電力をによって発熱する。パワーコントロー７には熱流束マイクロセンサ４の接続されたデータ処理装置６が接続され、パワーコントローラ７はこのデータ処理装置６の制御によって動作する。熱流束マイクロセンサ４およびデータ処理装置６は図１同様に温度測定装置を構成している。
【００２５】
このようなＣＶＤ装置においても、上述の１〜３の手順に従うことにより、ウエハ１の温度を求めることができ、求めた温度に基づいてヒータ１４の発熱温度を制御することができる。図５においては３個のヒータのそれぞれに対向して３個の熱流束マイクロセンサが設置されており、後述の多点入力多点出力法により温度制御を行ってもよい。
【００２６】
次に、多点入力多点出力法によるウエハ面内温度の制御について説明する。
図１においては、１個の熱流束マイクロセンサ４によって測定された温度に基づいて、全てのハロゲンランプ８の光量を制御していたが、ウエハ１を複数のエリアに分割し、エリア毎に設けられたハロゲンランプの光量をそれぞれ独立制御することにより、加熱処理を行ってもよい。
【００２７】
図６は、５点制御の例を示すが、これ以外の個数の熱流束マイクロセンサを用いた場合も以下同様である。同図において図１と同一符号のものは同一構成要素を示す。上記式（２）について述べた校正方法と計測方法とを用い、ウエハ１の各点の温度Ｔ₁ ¹，Ｔ₁ ²，・・・，Ｔ₁ ⁿを計測する。そして、この計測結果に基づいて、パワーコントローラ７でハロゲンランプ８ａ〜８ｅの光量を調整することにより、各ハロゲンランプに対応するエリアの温度をフィードバック制御する。
【００２８】
図７は、図６に示した装置を鉛直上方から眺めた上面図である。同図に示すように、円形のガードリング２にはウエハ１が載置され、ウエハ１の上方にはハロゲンランプ８ａ〜８ｅが設置されている。各ハロゲンランプ８ａ〜８ｅの直下の測定台３には、熱流束マイクロセンサ４ａ〜４ｅが埋め込まれている。ガードリング２はウエハ１に直交する軸を中心として回転可能である。また、ウエハ１の回転とハロゲンランプ８の制御とは独立して行われ、したがってウエハ１を回転させながらハロゲンランプ８ａ〜８ｅによりウエハ１を任意に加熱することができ、この回転によりウエハ１を均一に加熱することができる。
【００２９】
次に、非定常時の処理面温度の測定方法について述べる。
非定常時の温度Ｔ₁，Ｔ₂と熱流束ｑとの関係は、次式で近似できる。
【００３０】
Ｔ₁−Ｔ₂＝ｑＲ＋ｆν ・・・（４）
【００３１】
ここでνは昇降温速度であり、ｆは補正係数であり次式で表される。
【００３２】
ｆ＝ｆ（ν、Ｒ、Ｃｐ，ρ，・・・）・・・（５）
【００３３】
また、Ｃｐはウエハ１と測定台３との比熱、ρは密度であり、ｆ，Ｒは校正プロセスで求められる。図８に示すように、上記の定常時の校正手順でｆ、Ｒは求められる。このように非定常時においては、定常時のグラフからｆνだけＴ₁−Ｔ₂軸に沿って平行移動したものとなる。したがって、このｆνを考慮すれば、その他の演算について定常時における校正手順と同様に行うことにより、ウエハ温度を求めることができる。すなわち、プロセスを構成する温度状態（定常、上昇、下降など）の異なるサブプロセスによって求められた熱抵抗Ｒおよびｆνをデータ処理装置６に予め記憶させ、ウエハ温度の測定時には熱流束マイクロセンサ４によって測定されたＴ₂，ｑとそのときのサブプロセスに対応するＲ、ｆνとを式（４）に代入することにより、ウエハ温度Ｔ₁を算出することができる。
【００３４】
以上においては、被処理基板としてシリコン等の半導体ウエハを用いたが、本発明は例えばＬＣＤ（Liquid Crystal Device ）基板、ガラス基板、プリント基板等にも適用できることは明らかである。また、本発明はレジスト塗布後のベーキング、イオン注入、ＣＶＤ、エッチング、アッシング等の処理前におけるベーキングにも適用できる。また、本発明はベーキング装置に限らず、成膜装置、アッシング装置、その他の熱処理装置にも適用できる。また、ウエハを加熱する手段には、ランプ、ヒータまたはその他の手段を用いてもよい。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したとおり本発明は、同じ位置における熱流束と温度とを測定することにより、離間配置されている被処理基板の温度を容易に測定することができる。また、放射率を測定しないので従来のように高価な放射温度計を用いなくて済むため、温度測定装置およびこの温度測定装置を用いた半導体処理装置を安価で提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一つの実施の形態を示すブロック図である。
【図２】図１に係る熱流束マイクロセンサを示すブロック図である。
【図３】図１における被処理基板、熱流束マイクロセンサおよびヒータの位置関係を示す上面図である。
【図４】定常時における測定結果を示すグラフである。
【図５】ＣＶＤ装置を示すブロック図である。
【図６】本発明のその他の実施の形態を示すブロック図である。
【図７】図５における被処理基板、熱流束マイクロセンサおよびヒータの位置関係を示す上面図である。
【図８】非定常時における測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１…ウエハ、２…ガードリング、３…測定台、４，４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ…熱流束マイクロセンサ、４−１…本体部、４−１ａ…熱流束センサ、４−１ｂ…温度センサ、４−２…ケーブル、５ａ…流入管、５ｂ…流出管、６…データ処理装置、７…パワーコントローラ、８，８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｃ，８ｄ，８ｅ…ハロゲンランプ、１０…チャンバ、１１…冷却管、１２…シャワーヘッド、１３…サセプタ、１４…ヒータ、２０…温度測定装置。

Claims

被処理基板を加熱する加熱手段と、
前記被処理基板を挟んで前記加熱手段と反対側に配置される熱流束センサとを有し、
所定のプロセス条件下で熱処理される前記被処理基板の温度測定方法であって、
前記加熱手段を制御して前記被処理基板の温度を上昇または下降させ、前記プロセス条件で前記被処理基板の上面温度Ｔ１、前記熱流束センサの上面温度Ｔ２、および前記被処理基板の上面と前記熱流束センサとの間の熱流束ｑを温度毎に各々測定し、測定した前記上面温度Ｔ１，上面温度Ｔ２，および熱流束ｑを用い最小自乗法により前記被処理対象基板の上面と前記熱流束センサとの間の熱抵抗Ｒを算出するステップと、
実際のプロセスにおいて、前記熱流束センサの上面温度Ｔ２’および前記被処理基板の上面と前記熱流束センサとの間の熱流束ｑ’を測定し、測定した前記上面温度Ｔ２’および前記熱流束ｑ’と、前記熱抵抗Ｒとにより、前記被処理基板の上面温度Ｔ’を算出するステップと
を含むことを特徴とする半導体処理装置における温度測定方法。
請求項１で算出した前記上面温度Ｔ’と予め設定されている温度とに基づいて、前記加熱手段に対する入力電力を制御する半導体処理方法。
前記熱流束センサを複数のエリアに分割された前記被処理基板の各エリアに対応させて複数設け、前記被処理基板の各エリアの温度を測定し、測定した前記被処理基板の各エリアの温度に基づいて前記加熱手段を制御し、複数のエリアに分割された前記被処理基板の一または複数のエリアを加熱する請求項２記載の半導体処理方法。