JP4511724B2 - 基板温度測定法及び基板温度測定装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、1996年5月1日出願の米国特許出願、連続番号08/641,477号、発明の名称「基板温度測定方法及び装置」の一部継続出願である。また、その出願も、1994年12月19日出願の米国特許出願、連続番号08/359,302号、発明の名称「基板温度測定方法及び装置」の一部継続出願である。
【0002】
本発明は、基板温度の測定を収集することにより、並びに、基板表面全体に対する放射感度の変動を補償することにより、半導体基板の非接触式温度測定を改良する技術に関する。
【0003】
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。
【0004】
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。
【0005】
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。
【0006】
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:
【0007】
【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:
【0008】
【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。
【0009】
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、
【0010】
【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。
【0011】
前述の如く、基板全体にわたる温度変化が1〜2℃を超えれば、基板に損傷を与えることになり、また、不要なプロセスの変化を生じさせることとなる。基板の様々な場所で温度をモニタする方法の1つに、複数の温度プローブ(パイロメータ等)を用いる方法がある。このようなマルチプローブのシステムでは、いくつかのプローブの温度読み出しを用いて、基板のRTPにおける加熱要素をリアルタイムに制御することができる。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、半導体産業において広く用いられていてもなお、光学的放射による温度測定は、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℃以上のオーダーの誤差は特別なことではない。
【0013】
基板のスペクトル放射率は多くの因子に依存し、これらには、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)及びウエハのプロセス履歴が含まれる。これに関連するもう1つの性質は、有効放射率である。有効放射率とは、物体から発せられるスペクトル強度の測定値と、同じ温度における黒体のそれとの比のことである。有効放射率がその物体が置かれている環境を考慮している点で、物体の有効放射率はスペクトル放射率とは異なっている。基板の有効放射率は、基板が配置されるプロセスチャンバの特性による影響を受けることがある。従って、基板放射率を事前に決定しても、これが普遍的なパイロメータ温度測定の能力を与えることはできない。
【0014】
更に、マルチプローブのシステムにおいて各プローブにおける環境はそれぞれ独自である。これらのそれぞれ独自の環境群の1つの中に配置されている1つのパイロメータプローブが、特定の放射率特性を有している基板に対する感度を示し、温度読み出しに誤差成分が持ち込まれることがある。基板表面全体に対して、1つ以上のプローブが基板の放射率に対して異なる感度を示すことがある(以下、基板表面全体に対する放射率感度と称する)。放射率レベルがおよそ低い基板では、基板表面にわたって放射率感度が大きく変動することがある。従って、基板表面にわたる放射率感度の変動を考慮しないマルチプローブ温度測定システムでは、最適の結果を得ることができない。
【0015】
基板全体に対して放射率を特異的に近似することにより放射率の誤差を補償することを目的とするだけのシステムでも、許容される結果を導き出すことができるだろう。しかし、改善の余地は残されている。
【0016】
【発明の概要】
一つの態様において、本発明は、基板を加熱するための熱処理チャンバにおいて温度プローブ読み出しを補正する方法であって、各プローブの放射率の感度係数を導出するために熱処理チャンバを検量するステップと、基板の片側上に反射キャビティを形成するステップと、基板をあるプロセス温度まで加熱するステップとを含む方法を提供する。第1のプローブと、第2のプローブと、少なくとも第3のプローブとを用いて、反射キャビティからエネルギーが抽出されてもよい。第1のプローブは、それと関連する第1の有効反射率を有するものであってよく、第2のプローブは、それと関連する第2の有効反射率を有するものであってよく、第1及び第2の有効反射率は異なるものである。第1、第2及び第3のプローブから抽出されたエネルギーは、それぞれ第1、第2及び第3の温度指示値を発生させてもよい。第1及び第2の温度指示値から、基板の有効放射率が第1のプローブの補正された温度読み出しと共に導出されてもよい。補正された温度読み出しは、第1の温度指示値と調節温度の合計から導出されてもよい。第1のプローブの補正された温度読み出しは、第1のプローブが発生した補正されない読み出しよりも、第1のプローブの環境下において基板の実際の温度のより正確な指示値であると言える。第3のプローブの放射率の感度係数と調節温度から、第3のプローブの放射率の感度調節温度が導出されてもよい。第3のプローブの放射率の感度調節温度と第3の温度指示値から、第3のプローブの補正された温度読み出しが導出されてもよく、第3のプローブの補正された温度読み出しは、第3のプローブが発生した補正されない読み出しよりも、第3のプローブの環境下において基板の実際の温度のより正確な指示値である。
【0017】
本発明の態様は、複数の特徴を含む。第3のプローブの補正された温度読み出しが、第3のプローブの感度係数により乗算された調節温度の積と、前記第3の温度指示値との合計であってよい。感度係数は、所定の放射率レベルを有する複数の検量用基板の1つの検量用基板にかけられた平均温度から温度変動を決定することによって計算されてもよい。複数の検量用基板は、高い放射率レベルを有する少なくとも1つの基板と、低い放射率レベルを有する少なくとも1つの基板と、高いレベルと低いレベルの間にある放射率レベルを有する少なくとも1つの基板とを含むものであってよい。
【0018】
第3のプローブの感度係数は、第1のプローブに対して導出された補正された温度と、検量用基板から導出された温度変動とに関連する感度曲線の線形近似によって決定されてもよい。
【0019】
各プローブは、反射器で収集された放射をパイロメータに伝達するための光ファイバを含むものであってよく、その光ファイバの出力端でアパーチャーを含むことによって視野角が減少される。各プローブは、熱処理チャンバにおいて基板と反対側に位置させた反射器に配置された導管を介して放射を収集してもよく、プローブの有効反射率は、プローブの開口数を変更させて変更される。第1及び第2のプローブは、同じ導管を介して放射を測定してもよい。第1及び第2のプローブは、それぞれがパイロメータに結合された2本の光ファイバを同じ導管に結合することによって同じ導管を介して放射を測定してもよい。各光ファイバは、1つのパイロメータの異なるチャネルに結合されてもよく、異なるチャネルの開口数をユーザが選択できることで、第1及び第2のプローブのそれぞれの有効反射率を異なるように設定できる。
【0020】
別の態様では、本発明は、熱処理加熱チャンバにおいて基板の温度を測定するための装置であって、基板の片面の側に位置させた反射板であって、それらの間に反射キャビティを形成する反射板と、反射キャビティからのエネルギーを受け、それぞれ第1、第2及び第3の温度指示値を発生させるように位置された第1、第2及び第3のプローブとを含む装置を提供する。第1のプローブは、それと関連するキャビティの有効反射率を有し、この反射率は第2のプローブと異なるものであってよい。この装置は、第1、第2及び第3の温度指示値と、第3のプローブと関連する放射率の感度係数を受け、第3のプローブの補正された温度読み出しを導出する温度測定モジュールを含む。
【0021】
本発明の態様は、多数の特徴を含む。第1、第2及び第3のプローブは、光パイプを備えてもよい。第1及び第2のプローブは、1本の光パイプを共有してもよい。温度測定モジュールは、第3のプローブの放射率の感度係数を計算してもよい。第3のプローブの感度係数と、第1のプローブに対して導出された調節温度の積は、第3の温度指示値と合計されて、第3のプローブの補正された温度読み出しを生じさせてもよい。
【0022】
本発明の利点には、以下に挙げるものがある。本発明は、温度関数として放射率の感度(基板表面にわたって)の変動を調節するリアルタイム且つそのままでの温度補償を提供する。検量手順は簡潔で、通常、所与のチャンバ構造に一度実行されるだけでよい。本発明により温度を測定することによって、安定した、再現性の高い半導体検出器を使用することができる。本発明により、再現性及び均一性が改善された信頼性が高い温度測定が可能となる。
【0023】
他の特徴及び利点は、以下の記載及び請求の範囲から明らかになるであろう。
【0024】
【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ものであると、解釈される。「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。
【0025】
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。
【0026】
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で、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:
【0027】
【数4】
【0028】
【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。
【0029】
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:
【0030】
【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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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:
【0035】
【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。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。
【0036】
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:
【0037】
【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。
【0038】
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、
【0039】
【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:
【0040】
【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。
【0041】
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黒体キャビティ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。
【0042】
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。
【0043】
(本発明を包含したRTPシステム)
(RTPシステムの概要)
本発明に従って改良されたRTPシステムが図3A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。
【0044】
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。
【0045】
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3A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。
【0046】
(放射率向上のための表面の造作)
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4A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。
【0047】
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。
【0048】
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。
【0049】
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。
【0050】
反射器にとって望ましい高い反射率を達成するため、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。具体例の1つでは、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。
【0051】
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。
【0052】
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。
【0053】
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。
【0054】
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4B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。
【0055】
その他のマイクロキャビティの幾何的関係が、図4C〜Dに示される。図4C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4D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。
【0056】
ここで図4Eから4Fを参照すると、仮想のマイクロキャビティが、パイロメータで開口数を用いて示されている。図4Eは、反射器102の導管124に載置された一対の光パイプ126−1と126−2を示しており、それぞれが可撓性の光ファイバによってパイロメータ128に接続されている。パイロメータ128は、温度データのマルチチャネルの処理が可能なマルチチャネルデバイスであってよい。更に、パイロメータ128は、ユーザが選択可能なように開口数を設定してもよく、この開口数の設定が各チャネルに対して調節されてもよい。所与のチャネルの開口数は、通常モード(広い開口数)又は狭いモード(狭い開口数)に設定されてもよい。通常モードでは、可撓性の光ファイバから受けた光のうちのほとんどが処理されるのに対して、狭いモードでは、光ファイバから受けた光エネルギーの一部が処理前にフィルタリングされる。狭いモードでは、仮想のマイクロキャビティ効果が、物理的なマイクロキャビティを与えることなく、光パイプで実現される。この例では、2つのプローブ(光パイプ、光ファイバ及びパイロメータを含む温度測定デバイス)は、パイロメータ128のそれぞれのチャネルによって用いられる開口数を変更することによって、有効放射率が異なることを特徴とする。
【0057】
図4Fは、反射器102の導管に載置された1本の光パイプ126を示す。光パイプ126に結合されているものは、一対の可撓性の光ファイバ125であり、それぞれがパイロメータ128の異なるチャネルに接続されている。ここでも2つのチャネルの開口数が調節されて仮想マイクロキャビティ効果を達成してもよい。
【0058】
(放射率補正温度の測定)
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、基板から基板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。更に、放射率感度が変化する際に、あるいは「有効放射率」が変化する際に、未知の誤差成分により基板表面にわたって変化するだろう。従って、基板の局所領域に対する有効放射率の変化を測定し且つ補正する事により、それぞれの温度測定に対する正確さを更に改善することが望ましいだろう。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(又は、2つの異なる開口数で抽出された1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、局所的な温度に対する初期の測定の補正が得られる。そして、それぞれの局所温度読み出しに対する精密な温度補正は、それぞれの局所温度領域に対して導出される放射感度係数による初期の補正を調節することにより得られる。
【0059】
図3A〜C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を用いて、上述の初期温度補正を行う。第1のプローブ150は、前述のようにまた図4A〜Dで示される如く、円筒状表面マイクロキャビティ42の内側に配置される。第2のプローブ152は、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43の中に置かれてもよい。
【0060】
第2のプローブ152は、シリコンドーナッツ(図示せず)により適所に保持されてもよい。第1のプローブの有効放射率ε1 は、第2のプローブの有効放射率ε2 よりも高い。具体例の1つでは、第1のプローブに対するマイクロキャビティ42は第1のプローブ150とおよそ同じ直径を有し、第2のプローブ152に対するマイクロキャビティ43は、第2のプローブ152の直径よりもかなり大きな直径を有しオーバーサイズである。このマイクロキャビティがオーバーサイズであるため、第2のプローブ152が反射器102から隔てられるようになり、第2のプローブ152に対する有効放射率を低くする。具体例の1つでは、マイクロキャビティ43の直径は、マイクロキャビティ42の直径の2倍である。
【0061】
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)に対する有効放射率は、第2のプローブ(即ちプローブ152)に対する有効放射率よりも大きいだろう。
【0062】
プローブ152は、非反射コーティングを有するマイクロキャビティの中に配置される代わりに、基板106の裏側で約3〜4ミリメートル以内の長さだけ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(即ちプローブ152)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。更に、マイクロキャビティの中にプローブ152を配置する代わりに、(異なる開口数に設定されたパイロメータの別々のチャネルによって処理されるように放射を通過させるための2本の光ファイバを含む)仮想マイクロキャビティ効果が生じるように構成された1つのプローブを上述のように使用することができる。2つのプローブ(又は測定)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、関連する有効放射率の差を最大になるように与える。
【0063】
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ホール(穴)、マイクロキャビティ43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。
【0064】
2本のプローブ150、152に加えて、他の温度プローブを複数本(図示の明確さのため、図3には1本のみを示す)(即ち、図3で示される151a〜151f)が、図4A〜Dで説明されるタイプの複数の円筒表面マイクロキャビティ42a〜42fの内側に配置される。具体例の1つでは、1つ以上のマイクロキャビティ(例えば、マイクロキャビティ42g)を反射器102の中に含めて、プロセスの要請に応じて1つ以上のプローブ151a(〜151f)の配置を変更できるようにしてもよい。その他のプローブ(即ち、プローブ151a〜151f)のそれぞれの有効放射率は、第2のプローブ(即ちプローブ152)の有効放射率よりも高く、第1のプローブ(即ちプローブ150)の放射率にほぼ等しい。
【0065】
ここに記載した具体例では、プローブ152に対する有効放射率を低く形成するためのマイクロキャビティ43、ホールが他のプローブ151a〜151fのいずれの有効反射率を阻害ないし低下させないように、プローブ151、152は互いに十分な距離をもって配置されてもよい。更に、他のプローブ151a〜151fのそれぞれが、反射器102の周囲に間隔をおいて配置され、それぞれが局所温度を測定してもよい。具体例の1つでは、図3に示されるように、6本の他のプローブ(プローブ151a〜151f)の全てが反射器102の周囲に間隔をおいて配置される。プロセスの要請に応じて、プローブ105,151a〜151f及び152は別の分布パターンに従ってもよい。
【0066】
(検量ないし校正)
それぞれの局所温度プローブに対する温度補正を実施するにあたり、まず、全てのプローブの検量が行われる。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。これは、一組の特別製の検量用基板の補助によりなされ、図5A及びBにその概略が与えられる手順を用いてなされる。
【0067】
第一の検量用基板は標準的な基板であり、事前に測定されて既知となっている放射率εcal-1 を有し、また、自身に埋め込まれる熱電対を有している。第一の検量基板の放射率は低いことが好ましく、0.3であれば好ましい。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、第一の検量用基板は、RTPチャンバ内で処理しようとするタイプの基板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、検量用基板は、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タイプの裏側(例えば、乱反射する窪んだ表面)を有しているべきである。
【0068】
プローブ150、152に対する有効放射率を決定し、その後、所定のプローブに対して、他のプローブ群の配置のそれぞれについての放射率に対する特異的な感度を決定する。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第一の検量用基板が移送され(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。
【0069】
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:
【0070】
【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:
【0071】
【数12】
プローブ150、152の有効放射率は、次に等しく:
【0072】
【数13】
強度Ical 、I1 及びI2 が既知であれば、最初の2つのプローブのそれぞれいついて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:
【0073】
【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)参照)、この式は次のように書き直すことができ:
【0074】
【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)。
【0075】
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、検量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更された場合は、システムの再検量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。
【0076】
ここで図5Bを参照し、所定のプロセスについて、基板の様々な局所領域に対する放射率感度データの導出方法を示す。具体的には、一組の検量基板にプロセスを行い、温度測定システムのその他のプローブ(即ちプローブ151a〜151f)のそれぞれに対して、放射率に対する相対的な感度を特定する。具体例の1つでは、3枚の標準基板にプロセスを行うが、これら3枚の標準基板はそれぞれ、既に測定され既知となっている放射率εcalH(高いレベルの放射率、約0.9)、εcalM(中間のレベルの放射率、0.7)、εcalL(低いレベルの放射率、0.3)、を有している。このような基板は、標準的な半導体製造技術で製造することができる。
【0077】
RTPチャンバ内で処理しようとする基板と実質的に同じ熱的性質を有するタイプの基板であるように、第2、第3、第4の基板を選択する事が好ましい。例えば、検量基板は少なくとも、処理用基板(シリコン等)と同じ材料製であるべきであり、また、処理用基板と同じタイプの裏面(例えば、散乱ひだ付き面等)を有しているべきである。
【0078】
上記に指摘した通り、RTPツールにより実施されるプロセスは、そこで処理される基板の有効放射率に対して影響を与え得る。プロセス変数により基板に生ずる有効放射率への影響を低減するため、検量の手順におけるこの部分に対して選択されるプロセスは、その後の基板の処理においてRTPツールで用いられるプロセスと同じであってもよい。プロセスの一例としては、シリコン基板の酸化プロセスが挙げられる。明確とする目的のため、ここでは、シングルプロセスについて説明する。しかし、アニールや窒化等のその他のプロセスを用いてもよい。
【0079】
酸化プロセスでは、酸素リッチの環境中で基板を加熱し、その結果基板表面上に二酸化珪素の層が形成される。代表的な操作では、基板を1050℃に約60秒間加熱する。基板を100%酸素の環境に曝露し、その結果、基板表面上に厚さ約75オングストロームの二酸化珪素の層を形成する。一般には、この酸化プロセスは、1050℃又はその付近で約0.8(オングストローム/℃)の温度感度を有している。ここで「温度感度」とは、所定の局所領域に地する温度が、理想的な温度である1050℃と異なっている場合に、その局所における酸化物層の厚さが、その差の℃毎に「温度感度」係数だけ薄く(温度が理想的な温度よりも高い場合は厚く)なることを意味する(このプロセスでは、1℃毎に0.8オングストロームである)。
【0080】
酸化プロセスに対しては、ムクの表(おもて)面と、厚さ約1280オングストロームの窒化物でコーティングされた裏面(反射器102に近い方の面)とを有するシリコン基板を、高放射率レベル(約0.9)を示す基板として用いて用いてもよい。中間の放射率レベル(約0.7)を示す基板については、ムクの表面とムクの裏面(反射器102に近い方の面)とを有するシリコン基板を用いてもよい。低い放射率レベル(約0.3)を示す基板については、ムクの表面と、厚さ約1700オングストロームの酸化物層の上に厚さ約570オングストロームのポリシリコン層をコーティングした裏面(反射器102に近い方の面)とを有するシリコン基板を用いてもよい。
【0081】
放射率εcalHを有する第2の検量基板をプロセスチャンバに搬入し(ステップ180)、プロセスチャンバの温度を毎秒50℃で昇温させて、所望の温度である約1050℃に到達させる(ステップ182)。この所望の温度で、約100%酸素の環境に基板を約60秒間曝露し、基板表面上に二酸化珪素層を成長させる(ステップ184)。所望の温度に達したとき、プローブ150、152をそれぞれ用いた基板温度測定を行い、3つ以上の別々の温度測定を生じさせる:T1(第1のプローブにより測定される温度)及びT2(第2のプローブにより測定される温度)である。
【0082】
プローブ150、152に対する有効反射率(Re1,Re2)が、前述の検量基板のそれぞれに対して決定される(ステップ186)。これらの有効反射率を用いて、検量基板に対する補正温度を算出する。
【0083】
検量基板の酸化プロセスが完了した後、基板に適用される実際の温度の分析が、温度プローブ(即ちプローブ151a〜151f)に関する局所領域で決定される(ステップ188)。具体例の1つでは、温度プローブ151a〜151fに関する局所領域のそれぞれにおける酸化物(二酸化珪素)層の厚さを測定することによって、これを行ってもよい。
【0084】
基板上の酸化物層の厚さを測定する装置は、従来技術で知られている。このような測定を行う装置の一例としては、米国ニュージャージ州フランダーズのルドルフ社(Rudolph)で製造されているエリプソメータ(ellipsomete)、型番FEIIIが挙げられる。このFEIII型は、約0.1オングストロームに対する正確さを有している。
【0085】
温度プローブ(プローブ151a〜151h)のそれぞれに関連する二酸化珪素層の厚さを決定する。所与の局所に適用される温度の決定は、二酸化珪素層の厚さと所与のプロセスの温度感度とを基礎として行われる。
【0086】
具体例の1つでは、このエリプソメータは基板の直径の端から端まで49点の走査を行い、第2の検量基板の表面に堆積した二酸化珪素層の厚さに関する49点のデータを得る。直径200mmの基板に対しては、49点の走査により、測定点間隔が約4mmとなり、基板の周縁部の残余部分は3mmとなる。49点の走査では、基板の一方のエッジから直線状に基板中心に向かって24点の測定を行い4mm毎の測定値を取得し、25点目の測定は基板のほぼ中心にくる。残りの24点の測定については、基板中心から直線状に4mm毎に進み、最後の点を測定するまで続けられる。エリプソメータにより得られた酸化物層の厚さの基板上の位置に対するグラフが、図5Cに示される。従って、各半径位置に対して2つの測定値が記録される。各半径位置に対する2つの読み出しの平均を決定し、図5Dに示されるようにグラフをプロットする。
【0087】
各測定値の半径方向の位置をx成分、この半径方向で測定された厚さをy成分とするグラフ(図5D)に、24点の平均厚さデータをプロットした。局所温度プローブ(プローブ151a〜151f)のそれぞれにおける二酸化珪素層の厚さ(W)の決定(Wa〜Wf,添字は温度プローブ151a〜151fに対応)は、係るグラフ上で温度プローブの基板中心に対する半径位置を決めることにより行う。基板全面に対する平均厚さ(Wavg)を決定し、その後、平均厚さと各プローブにおける測定厚さの差(デルタ厚さ:WΔa-f,添字は温度プローブ151a〜151fに対応)を決定する。
【0088】
各プローブ配置におけるデルタ厚さ(WΔa-f)は、そのプロセスに対する温度尾感度(例えば、0.8オングストローム/℃)を用いて温度の差(デルタ温度:TΔa〜TΔf,添字は温度プローブ151a〜151fに対応)に変換される。具体的には、デルタ温度(TΔa〜TΔf)の算出は、デルタ厚さ(WΔa-f)をプロセスの感度で除すことにより行われる。例えば、プローブ151aにおけるデルタ厚さ(WΔa)は8オングストロームである場合は、このプローブに関するデルタ温度(TΔa)は約10℃であるだろう。
【0089】
各プローブ(151a〜151f)におけるデルタ温度(TΔa-f)のデータの算出を同様の手法で行い、第2番目の検量基板について各プローブ配置に対するデルタ温度データを得ることができる。
【0090】
残りの検量基板のそれぞれについても同様の手法でプロセスを行い、各プローブの配置に対するデルタ温度データを導出する(ステップ190、192)。その結果得られた温度データを、感度プロットにプロットする。
【0091】
感度のプロット(プローブ151a〜151fのそれぞれに関する個々のプロット)が温度プローブの配置のそれぞれに対して行われ、この一例が図5Eに示される。図5Eに示されるように、感度プロットのそれぞれに対して、それぞれの温度プローブに対するデルタ温度データ(TΔa〜TΔf)をy成分として、x軸に各検量基板についての調整温度(Tadj)をとるグラフにプロットする(ステップ190)。調整温度(Tadj)の決定については、後述のインシチュウ温度測定プロセス及び式18b及び18cに関連して、詳細に説明することにする。処理済みの各検量基板についての各プローブに対する感度のプロットのグラフに対して、1つのデータの点(500aで指示)をプロットする。放射率の異なる3枚の検量基板を用いる具体例の1つでは、感度プロットに対して3つのデータ点(図5Eにおいて500a、500b、500cで指示)が与えられるだろう。そして、各感度プロットに対する感度曲線が決定される。
【0092】
具体例の1つでは、感度曲線は、傾きSa-f(添字は、関連する温度プローブ151a〜151fの感度係数を指示する)を有する直線で近似され、この特定の位置における放射率の変化に対するプローブの感度(デルタ温度データにより指示される)を指示する(ステップ196)。あるいは、もっと複雑な多項関数を含んだ近似法を用いてもよい。
【0093】
温度測定値における誤差の原因となる影響には、エネルギーに関連する影響があり、これは指数項を持ち込んでしまう。従って、実際の誤差は直線ではない。しかし、誤差に対する直線近似は、このような非直線の影響に対して非常に良好に補償する。
【0094】
無論、デルタ温度が検量基板の調整温度の関数として変化するような非直線の要素を考慮して、感度係数を更に最適化して得ることもできる。しかし、用途の多くでは、簡単な直線近似で、これ以上感度測定値を精密にする必要がないくらいの実質的な改善のレベルが得られる。
【0095】
直線近似の具体例では、感度曲線の傾きは1だけ増分し、所定のプローブの場所に対する感度係数(SFa-f:添字a〜fは特定のプローブ151a〜151fに対応)を与える。全てのプローブ(プローブ151a〜151f)の場所に対する感度係数をベクトルとして保存して、インシチュウ温度測定プロセスの一部としての局所温度測定値のそれぞれに対して精密な温度補正(Tref)の決定に用いてもよい。
【0096】
この検量の手順により、システムの第1の測定プローブの特徴をεeff (ε,Reff )曲線(図2参照)が与えるようになることは、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値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 )曲線を知ることにより、基板に対する有効放射率を計算して、これから所定の基板に対する補正温度Tcorr(式18aに関連して下記に説明するように、プローブ150に対する補正温度)を計算することが可能になる。その後、各プローブ配置に対する検量の手順の一部として導出される感度係数SFa-fを用いて、基板の所定の局所領域に対して精密な温度補正を決定してもよい。補正温度に至るための手順の詳細は、以下の通りである。
【0097】
(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、例えば第1のプローブ150は、温度測定を行うように選択され;第2のプローブ(152)は補正プローブとして作用する。
【0098】
第1の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:
【0099】
【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;
【0100】
【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;
【0101】
【数18】
この表現を導出することで、温度測定値の補正の手順を説明する準備が整った。
【0102】
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)、所定の温度シーケンスに沿って温度サイクルが行われる(検量基板であってもよく、又は、処理しようとすることが望ましい他の検量後の基板であってもよい)。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:
【0103】
【数19】
最後に、補正温度(Tcorr150)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):
【0104】
【数20】
補正温度データTcorr150は下記の如く、測定温度Tmeas150(プローブ150について測定した温度)と調整温度(Tadj)との和であり、
【0105】
【数21】
調整温度(Tadj)は、3つの方法で用いることができる。1つは検量のためであり、あとの2つは基板のリアルタイム処理のためである。検量プロセスの間、第2、第3、第4の検量基板のそれぞれに対して調整温度が算出される。これら調整温度は、各温度プローブ(プローブ151a〜151f)の場所に対して導出されるデルタ温度に対してプロットされ、各プローブの場所に対する感度係数SFa-fが決定される。
【0106】
基板にリアルタイム処理を行っている間、処理しようとする基板に関する調整温度を用い、式18bに従って第1のプローブ150の温度測定を補正する。更に、特定のプローブの場所に対する感度係数により調整温度を更に精密に調整して、基板のリアルタイム処理中の特定の場所に関する精密調整した補正温度Tref(a-f)(添字は特定のプローブ151a〜151fを示す)を決定する。この精密補正温度データと補正温度データの使用については、図12に関連して更に詳細に説明することにする。
【0107】
リアルタイムでは、感度係数SFa-fに対して補償することにより、調整温度Tadjを各温度プローブに対して精密調整する。この精密温度補正は、特定のプローブの場所における温度として定義され、これは、この特定のプローブの場所に関する放射率感度を基にした補正を含んでいる。精密温度補正Tref(a-f)の算出は、各温度センサの場所に対して行われ、
【0108】
【数22】
ここで、Tmeasa〜Tmeasfは、プローブ151a〜151fに関しリアルタイムで測定した温度である。
【0109】
何かの制御の決定がなされる前にプローブの測定温度が自動的に補正されるように、このアルゴリズムはコントローラ192(図12)のソフトウェアにより実行されることが好ましい。
【0110】
図5は、プローブ151a〜151fの何れに対して精密温度を決定するためのプロセスの簡略的なフローチャートである。図12に関して以下に更に詳細に説明するが、補正温度データを用いて加熱要素の制御を行う。生の温度データは、コントローラ192により受容される(ステップ240)。第1のプローブ(プローブ150)と第2のプローブ(プローブ152)の温度差を決定する(ステップ242)。実際のウエハ放射率を、式16に関して上述した如く算出する(ステップ244)。そして、式17に関して上述した如く、有効放射率を決定する(ステップ246)。次いで、補正温度と調整温度を算出する(ステップ248)。最後に、調整温度に所定のプローブに対する感度係数を乗じ、これに測定プローブ温度を加えて、精密温度測定値を得る(ステップ250)。
【0111】
(別の放射率補正の技術)
検量システムに対して、埋め込み熱電対をもつ検量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。
【0112】
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。
【0113】
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。
【0114】
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。
【0115】
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:
【0116】
【数23】
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23]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:
【0117】
【数24】
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。
【0118】
(Tcorrを導出するための検量)
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。
【0119】
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検量される(ステップ210)。検量が行われる前では、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。
【0120】
小開口プローブの検量に必要な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。
【0121】
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。
【0122】
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。
【0123】
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)。
【0124】
注入アニールを実施する代わりに、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。
【0125】
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):
【0126】
【数25】
この例では、Kcorrは、1.246に等しい。
【0127】
(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、
【0128】
【数26】
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。
【0129】
本質的には、小開口プローブの感度の測定は、どの有効放射率曲線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、
【0130】
【数27】
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:
【0131】
【数28】
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:
【0132】
【数29】
この例では、Reffsmallは0.92に等しい。
【0133】
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の上側の曲線で示されている。
【0134】
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Tsm all により、同様の手法で、大開口プローブの有効放射率曲線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:
【0135】
【数30】
これは、更に、以下のように書き直されて一般化されて:
【0136】
【数31】
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:
【0137】
【数32】
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:
【0138】
【数33】
εeffsmallの値を[数31]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。
【0139】
[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。
【0140】
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の下側の曲線である。検量のスキームの目的で、検量の信号対ノイズ比を増加させるように、これら2つの曲線(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曲線)を大きく離すことが望ましい。
【0141】
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:
【0142】
【数34】
ここで、
【0143】
【数35】
この表現を[数32]の式(28)に代入して、
【0144】
【数36】
この関数のプロットは図9に示され(上側の実線の曲線を見よ)、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。
【0145】
[数24]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:
【0146】
【数37】
図9における下側の点線の曲線は、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。
【0147】
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、その結果の曲線は、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)。
【0148】
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。
【0149】
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。
【0150】
δ(ε,t)に対する式(即ち数[37]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。
【0151】
一番上の曲線は、放射率0.32を有するウエハに関するものであり、まんなかの曲線は、放射率0.67を有するウエハに関するものであり、下側の曲線は、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。
【0152】
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。
【0153】
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。
【0154】
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。
【0155】
(RTPシステムについての更なる詳細)
上述の如く、図3Cに示されるように、ここに説明された具体例では、基板において半径方向に異なる場所の温度を測定できるように、反射器の上に分布する8つの測定プローブ(即ち、プローブ150,151a〜151f,及び152)を用いることができる。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。
【0156】
前出のインシチュウ温度測定技法に関連して説明したように、プローブ151a〜151fのそれぞれに対する温度指示値の補正は、プローブ配置についての放射率の変動に対する個々の感度に従って行われる。
【0157】
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。
【0158】
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。
【0159】
図3B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、図示の如く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。
【0160】
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。
【0161】
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。
【0162】
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、米国ラクストロン社、Luxtron Corporation-Accufiber Division,2775 Northwestern Parkway, Santa Clara,CA 95051-0903 で入手可能である。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。
【0163】
適切な加熱要素110は、米国特許第5,155,336号に開示されている。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。
【0164】
図3A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、反射器組立体は昇温すれば、抽出信号に影響を与える放射エネルギー源となってしまうだろう。
【0165】
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。
【0166】
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。
【0167】
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。
【0168】
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。
【0169】
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、上述の精密温度補正アルゴリズムに基づいて温度(Trefx)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。その他の具体例も、特許請求の範囲の中に含まれる。
【0170】
【発明の効果】
以上詳細に説明してきたように、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。この検量の手順は、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。
【0171】
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3A】 RTPシステムの側面断面図である。
【図3B】 支持リングの詳細の断面図である。
【図3C】 反射器を例示するものであり、図3Aの3C−3C線に沿った断面図である。
【図4A】 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4B】 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4C】 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4D】 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4E】 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4F】 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5A】 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チャートである。
【図5B】 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チャートである。
【図5C】 エリプソメータによる基板の処理後分析から導出されたプロットである。
【図5D】 本発明に従った検量プロセス中に検量基板の表面上に堆積した酸化物層の平均厚さのプロットである。
【図5E】 感度係数(SF)の決定に用いるための温度プローブに対する感度曲線のプロットである。
【図5F】 本発明に従ったRTPツールのリアルタイム操作に対して精密温度を決定するためのプロセスの単純化したフローチャートである。
【図6】 温度測定の正確さを決定するために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チャートである。
【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 (10)
- 基板をあるプロセス温度まで加熱する熱処理チャンバにおいて温度プローブ読み出しを補正する方法であって、
前記基板の片側上に反射キャビティを形成するステップと、
導管及び光ファイバを介して前記反射キャビティからチャネルを有するパイロメータへ放射を伝達することで前記反射キャビティからエネルギーを抽出するために、第1のプローブを使用し、前記第1のプローブから抽出したエネルギーが、第1の有効反射率で測定された第1の温度指示値を発生させるステップと、
前記チャネルの開口数を変更することで前記第1のプローブの有効反射率を変更するステップと、
前記第1のプローブを使用し、前記第1の有効反射率と異なる第2の有効反射率で第2の温度指示値を発生させるステップと、
前記反射キャビティからエネルギーを抽出するために、第2のプローブを使用し、前記第2のプローブから抽出したエネルギーが、第3の温度指示値を発生させるステップと、
前記第2のプローブの放射率の感度係数を導出するために、前記熱処理チャンバを検量するステップと、
前記第1のプローブの有効反射率から、前記基板の有効放射率を導出するステップと、
前記第1の温度指示値及び前記第2の温度指示値並びに前記基板の有効放射率から前記第1のプローブの調節温度を導出するステップと、
前記第2のプローブの放射率の感度係数と前記調節温度から、前記第2のプローブの放射率の感度調節温度を導出するステップと、
前記第2のプローブの放射率の感度調節温度と前記第3の温度指示値から、前記第2のプローブの補正された温度読み出しを導出するステップであって、前記第2のプローブの補正された温度読み出しが、前記第2のプローブが発生する補正されない温度指示値よりも、前記第2のプローブの環境下における前記基板の実際の温度のより正確な指示値である前記読み出しを導出するステップとを備える方法。 - 基板を加熱するための熱処理チャンバにおいて温度プローブ読み出しを補正する方法であって、
前記基板の片側上に反射キャビティを形成するステップと、
前記基板をあるプロセス温度まで加熱するステップと、
導管及び光ファイバを介して前記反射キャビティからチャネルを有するパイロメータへ放射を伝達することで前記反射キャビティからエネルギーを抽出するために第1のプローブを使用して、前記第1のプローブから抽出したエネルギーがそれぞれ第1の温度指示値及び第2の温度指示値を発生させると共に、前記反射キャビティからエネルギーを抽出するために第2のプローブを使用して、前記第2のプローブから抽出したエネルギーが第3の温度指示値を発生させるステップであって、前記第1のプローブがそれと関連する第1の有効反射率と、前記チャネルの開口数を変更することで得られた第2の有効反射率とを有し、前記第1の有効反射率及び前記第2の有効反射率は異なるものである、前記第1の温度指示値及び前記第2の温度指示値及び前記第3の温度指示値を発生させるステップと、
前記第2のプローブの放射率の感度係数を導出するために、前記熱処理チャンバを検量するステップと、
前記第1の有効反射率及び前記第2の有効反射率から、前記基板の有効放射率を導出するステップと、
前記第1の温度指示値及び前記第2の温度指示値と前記基板の前記有効放射率から、前記第1のプローブの補正された温度読み出しを導出するステップであって、前記補正された温度読み出しが、前記第1の温度指示値と調節温度の合計であり、前記第1のプローブの補正された温度読み出しが、前記第1のプローブが発生する補正されない温度指示値よりも、前記第1のプローブの環境下における前記基板の実際の温度のより正確な指示値である前記読み出しを導出するステップと、
前記第2のプローブの放射率の感度係数と前記調節温度から、前記第2のプローブの放射率の感度調節温度を導出するステップと、
前記第2のプローブの放射率の感度調節温度と前記第3の温度指示値から、前記第2のプローブの補正された温度読み出しを導出するステップであって、前記第2のプローブの補正された温度読み出しが、前記第2のプローブが発生する補正されない温度指示値よりも、前記第2のプローブの環境下における前記基板の実際の温度のより正確な指示値である前記読み出しを導出するステップとを備える方法。 - 前記第2のプローブの放射率の感度調節温度を導出する前記ステップが、前記調節温度に第2のプローブの放射率の感度係数を掛けるステップを含む請求項2記載の方法。
- 基板を加熱するための熱処理チャンバにおいて温度プローブ読み出しを補正する方法であって、
前記基板の片側上に反射キャビティを形成するステップと、
前記基板をあるプロセス温度まで加熱するステップと、
導管及び光ファイバを介して前記反射キャビティからチャネルを有するパイロメータへ放射を伝達することで前記反射キャビティからエネルギーを抽出するために、第1のプローブを使用し、前記第1のプローブから抽出したエネルギーが、第1の有効反射率で測定される第1の温度指示値を発生させるステップと、
第2のプローブの放射率の感度係数を導出するために、前記熱処理チャンバを検量するステップと、
前記チャネルの開口数を変更することで前記第1のプローブの有効反射率を変更するステップと、
前記第1のプローブを使用し、前記第1の有効反射率と異なる第2の有効反射率で第2の温度指示値を発生させるステップと、
前記反射キャビティからエネルギーを抽出するために、第2のプローブを使用し、前記第2のプローブから抽出したエネルギーが、第3の温度指示値を発生させるステップと、
前記第1プローブの有効反射率から、前記基板の有効放射率を導出するステップと、
前記第1の温度指示値及び前記第2の温度指示値と前記基板の前記有効放射率から、前記第1のプローブの調節温度を導出するステップであって、それにより前記調節温度が前記第1の温度指示値と組み合わされるとき、前記第1のプローブが発生する補正されない温度指示値よりも、前記第1のプローブの環境下における前記基板の実際の温度のより正確な指示値が実現される前記調節温度を導出するステップと、
前記第2のプローブの放射率の感度係数と、前記第1のプローブの前記調節温度と、前記第3の温度指示値とから、前記第2のプローブの補正された温度読み出しを導出するステップであって、前記第2のプローブの補正された温度読み出しが、前記第2のプローブが発生する補正されない温度指示値よりも、前記第2のプローブの環境下における前記基板の実際の温度のより正確な指示値である前記読み出しを導出するステップとを備える方法。 - 熱処理チャンバにおいて基板の温度を測定する装置であって、
前記基板を前記チャンバに位置させたときに、反射キャビティを形成するように前記熱処理チャンバに配置された反射板と、
導管及び光ファイバを介して前記反射キャビティから、開口数を変更できるように構成されたチャネルを有するパイロメータへ放射を伝達することで前記反射キャビティからのエネルギーを受け、第1の温度指示値と第2の温度指示値を発生させるように位置させた第1のプローブであって、前記第1の温度指示値が、前記チャネルの開口数を変更することで前記反射キャビティについて前記第2の温度指示値と異なる有効反射率と関連している第1のプローブと、
前記反射キャビティからのエネルギーを受け、第3の温度指示値を発生させるように位置させた第2のプローブと、
前記第1のプローブ及び前記第2のプローブからの前記第1の温度指示値、前記第2の温度指示値及び前記第3の温度指示値と、前記第2のプローブと関連する放射率の感度係数とを受ける温度測定モジュールであって、前記温度測定モジュールが、前記第1のプローブの有効反射率に基づいて前記基板の有効放射率を導出し、前記第1のプローブの補正された温度読み出しを導出するようにプログラムされ、前記第1のプローブの前記補正された温度読み出しが、前記第1の温度の指示値と調節温度の合計であり、前記調節温度が、前記第1の温度指示値及び前記第2の温度指示値並びに前記基板の有効放射率から計算され、前記補正された温度読み出しが、前記第1のプローブの補正されない温度指示値よりも、前記第1のプローブと関連する領域で前記基板の実際の温度のより正確な指示値であり、前記温度測定モジュールが、前記調節温度と、前記放射率の感度係数と、前記第3の温度指示値から前記第2のプローブの補正された温度読み出しを導出するようにプログラムされ、前記第2のプローブの補正された温度読み出しが、前記第2のプローブが発生する補正されない温度指示値よりも、前記第2のプローブの領域における前記基板の実際の温度のより正確な指示値である温度測定モジュールとを備える装置。 - 前記第1のプローブ及び第2のプローブが、光パイプを備える請求項5記載の装置。
- 前記温度測定モジュールが、前記第2のプローブの放射率の感度係数を計算し、前記第2のプローブの前記感度係数と、前記調節温度との積が、前記第3の温度指示値と合計されて、前記第2のプローブの補正された温度読み出しを生じる請求項5記載の装置。
- 前記導管が、各プローブと関連し、前記反射板に配置されて、放射を収集するために前記基板の反対側に位置する請求項5記載の装置。
- 前記第1のプローブが、1本の前記導管に結合された少なくとも2つの光ファイバを備え、各光ファイバが前記パイロメータに結合される請求項5記載の装置。
- 各光ファイバが、前記パイロメータの異なるチャネルに結合され、前記第1の温度指示値及び前記第2の温度指示値のそれぞれのための異なる有効反射率を設定できるように、前記異なるチャネルの開口数をユーザが選択できる請求項9記載の装置。
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