JP5530431B2 - 熱処理中に放射エネルギーを測定するための装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般に半導体処理の分野に関する。より詳細には、本発明は、半導体基板を熱的に処理するための方法および装置に関する。

半導体処理中に様々な化学反応および／または物理反応が起こり得るように、基板を高温に加熱することがある。熱プロセスが、基板を加熱するのに通常、用いられる。アニーリングなど典型的な熱プロセスには、短時間に比較的多量の熱エネルギーを基板に供給し、その後、熱プロセスを終了させるために、ウエーハを急速に冷却することが必要である。現在、用いられている熱プロセスの例には、急速熱処理（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ：ＲＴＰ）およびインパルス（スパイク）アニーリングがある。

一般に、これらの熱プロセスでは、所定の熱レシピに従って、制御された条件下で基板を加熱する。これらの熱レシピは、基本的には、温度変化のレート、つまり、温度上昇レートおよび下降レートで半導体基板を加熱しなければならない温度ならびに熱処理システムが特定の温度に留まる時間からなる。

所望の結果を実現し、熱処理中に基板全体にわたる均一性を維持するように、プロセスを制御するには、正確な温度測定が不可欠である。処理中の基板またはチャンバ構成部品の温度測定は、測定対象物からの放射エネルギーを感知する高温計を用いるなど、非接触法でインサイチュで通常、行う。高温計は、一般に、測定対象物の温度を確定するために、測定対象物からの放射エネルギーの、ある波長のエネルギーレベルを検知する。

熱処理中の高温計による温度測定の正確さは、放射エネルギー中の受け取る雑音により通常、影響を受ける。例えば、処理中の基板の温度を測定する際は、基板から放出される放射エネルギーに加えて、エネルギー源からの放射エネルギーが、直接的にまたは反射を通じてセンサで受け取られることがある。

望まない放射エネルギーが温度センサに入るのを防止するために、様々な方法が用いられてきた。例えば、エネルギー源からの放射など背景雑音がセンサに入るのを防止するために、覆いや遮蔽が用いられる。しかし、覆いや遮蔽は、システムの複雑性を増し、システムの柔軟性を低減させるのみならず、より低温の測定範囲のセンサを制限する。

放射センサの動作波長内の背景放射エネルギーをフィルタを通して除去するために、スペクトルフィルタもまた用いられる。熱処理中に半導体基板を測定するための動作波長は、一般に制限された範囲内にある。希土類元素を含むスペクトルフィルタなど適切なスペクトルフィルタは、通常、高価である。さらに、スペクトルフィルタは、動作波長内にある加熱源からの放射エネルギーを通常、吸収する。この吸収は、加熱源からの放射エネルギーを浪費することになるのみならず、スペクトルフィルタ自体の過熱を引き起こす。

したがって、熱処理中の効率的で正確な温度測定のための改良された装置および方法が必要である。

本発明の実施形態は、一般に、熱処理中の正確な温度測定のための装置および方法を提供する。詳細には、本発明の実施形態は、熱処理中の温度測定において加熱源からの放射など背景雑音を低減するための装置および方法を提供する。

本発明の一実施形態は、基板を処理するためのチャンバであって、処理体積を画定するチャンバ容器と、処理体積へ放射エネルギーを導くように構成されたエネルギー源と、エネルギー源から処理体積への放射エネルギーに標識を付けるように構成されたスペクトルデバイスと、処理体積内で基板を支持するように構成された基板支持体と、放射エネルギーを受け取るために処理体積内に位置決めされた参照センサと、測定波長で放射エネルギーを受け取るために処理体積内に位置決めされた測定対象用センサと、参照センサの測定値を用いて、エネルギー源からの放射エネルギーの特性を確定し、測定対象用センサの測定値およびエネルギー源の放射エネルギーの特性を用いて、基板の温度を確定するように構成された制御装置とを備えるチャンバを提供する。

本発明の別の一実施形態は、基板を処理するための方法であって、エネルギー源からの放射エネルギーを熱処理チャンバの処理体積へ導くこと、エネルギー源から処理体積へ導かれた放射エネルギーに標識を付けること、処理体積内に基板を位置決めすること、処理体積内の放射エネルギーを測定すること、処理体積内の測定放射エネルギーおよびエネルギー源からの放射エネルギーの標識付けを用いて、エネルギー源からの放射エネルギーの特性を確定すること、及び、処理体積内の測定放射エネルギーおよびエネルギー源からの放射エネルギーの確定された特性を用いて、基板の温度を確定することを含む方法を提供する。

本発明のさらに別の一実施形態は、基板を処理するための方法であって、エネルギー源から熱処理チャンバの処理体積へ放射エネルギーを導くことと、エネルギー源から処理体積に導かれた放射エネルギーに標識を付けることと、処理体積内に基板を位置決めすることと、参照波長で処理体積内の放射エネルギーを測定することと、参照波長での測定値から放射エネルギーの特性を確定することと、測定波長で処理体積内の放射エネルギーを測定することと、測定波長での測定値およびエネルギー源からの放射エネルギーの確定された特性を用いて、基板の温度を確定することを含む方法を提供する。

本発明の上述の特徴が詳細に理解できるように、一部を添付の図面に示す実施形態を参照にして、上で簡単に要約されている本発明がより具体的に説明され得る。しかし、添付の図面は、本発明の典型的実施形態のみを示すものであり、したがって、本発明には他の同等に有効な実施形態が許され得るので、本発明の範囲を限定するものとみなすべきではないことに留意されたい。

本発明の一実施形態による熱処理チャンバの概略図である。 本発明の一実施形態による方法を示す、測定対象からの放射スペクトルおよび加熱源からの放射スペクトルの概略グラフである。 本発明の一実施形態による方法を示す、測定対象からの放射スペクトルおよび加熱源からの放射スペクトルの概略グラフである。 異なる温度での加熱源のスペクトルシグネチャを示す概略グラフである。 本発明の一実施形態による、熱処理チャンバ内で測定対象の温度を測定するための方法を示す概略流れ図である。 本発明の一実施形態による、熱処理中に温度を測定するための方法を示す流れ図である。 本発明の一実施形態による、測定対象の温度を測定するための方法を概略的に示す流れ図である。 本発明の別の一実施形態による、測定対象の温度を測定するための方法を概略的に示す流れ図である。 本発明の一実施形態による急速熱処理チャンバの概略側断面図である。

理解を容易にするため、図に共通な同一の要素を表すのに、可能な個所では、同一の参照番号を用いている。一実施形態で開示された要素は、特別な記載がなくとも、他の実施形態に有益に活用できることが意図されている。

本発明の実施形態は、熱処理中の温度測定において加熱源放射を同定または特徴付けるための装置および方法を提供する。本発明の一実施形態では、熱処理チャンバのエネルギー源など背景の放射エネルギーが選択されたスペクトル内で標識を付けられ、次いで背景の特性が、選択されたスペクトル内の参照波長および選択されたスペクトルの直ぐ外の比較波長で放射エネルギーを測定することにより、確定される。一実施形態では、処理中の基板など測定対象の温度は、選択されたスペクトル外の測定波長での放射エネルギーの測定値および背景の特性を用いて、確定される。参照波長が測定波長と異なるので、背景は、熱損失が限定されたスペクトルで標識を付けてもよく、同時に測定対象は、熱的可視性が高い波長で測定することができる。

図１は、本発明の一実施形態による熱処理チャンバ１００の概念図である。処理チャンバ１００は、その中で基板１０２が熱的に処理されることになる処理体積１１０を画定するチャンバ本体１０１を一般に備える。エネルギー源１０３は、チャンバ本体１０１の外部に設けられ、窓１０４を通じて、処理体積１１０へ放射エネルギー１０５を導くように構成される。

センサアセンブリ１０８は、構成部品の属性を測定するために、チャンバ本体１０１の内部に位置決めされて設けられる。一実施形態では、センサアセンブリ１０８は、基板１０２から放射エネルギーを得て、測定することにより、基板１０２の温度を測定するように構成される。センサアセンブリ１０８は、システム制御装置１０９と接続してもよい。システム制御装置１０９は、センサアセンブリ１０８が受け取る放射エネルギーに応じて、チャンバ本体１０１内の構成部品の温度または他の特性を確定するように構成される。一実施形態では、システム制御装置１０９は、センサアセンブリ１０８からの測定値に応じて、エネルギー源１０３を調節することもできる。

一実施形態では、エネルギー源１０３からの放射エネルギー１０５は、処理体積１１０に入る前に、または入る際に、放射エネルギー１０６のように処理しても、標識を付けてもよい。その結果、センサ１０８は、基板１０２など測定対象物に起源をもつ放射エネルギー１０７を、処理中に放射エネルギー１０６から区別および／または分離することが可能になる。

放射エネルギー１０５は、偏光、反射、吸収、標識の付加、またはそれらの組合せを通じて処理してもよい。エネルギー源１０３からの放射エネルギー１０５は、スペクトル全体にわたって処理してもよく、または、放射エネルギー１０５の選択されたスペクトルのみを処理する。

一実施形態では、エネルギー源１０３からの放射エネルギー１０５は、処理体積１１０に入る際に、選択されたスペクトル内で標識を付けられる。エネルギー源の標識付けは、選択されたスペクトル内の放射エネルギーを吸収、反射、または偏光するように構成された、吸収体、反射体、または偏光体を用いて、実現してもよい。

一実施形態では、吸収体、反射体、または偏光体は、窓１０４の内側または外側に設けてもよい。

その結果、エネルギー源１０３からの標識付き放射エネルギー１０６のみが、処理体積１１０に入る。一実施形態では、図１に示すように、選択されたスペクトル１１４中の放射エネルギーの一部分のみが処理体積１１０に入る。

センサアセンブリ１０８は、基板１０２からの放射エネルギー１０７およびエネルギー源１０３からの標識付き放射エネルギー１０６の両方を受け取る。一実施形態では、センサアセンブリ１０８は、選択されたスペクトル１１４内にある参照波長１１５で動作する参照センサおよび選択されたスペクトル１１４の直ぐ外にある比較波長１１１で動作する比較センサを備える。一実施形態では、比較波長１１１と参照波長１１５とは、それらの波長での元の放射エネルギー１０５、１０７の強度の差は無視してもよいほど実質的に近い。

比較波長１１１での、エネルギー源１０３からの放射エネルギーと基板１０２からの放射エネルギーとの比など、受け取った放射エネルギーの特性は、参照波長１１５および比較波長１１１でのセンサアセンブリ１０８の測定値を用いて、確定してもよい。図２〜図８に従って、特性を確定する方法を説明する。

標識付けの効果、例えば、吸収される放射エネルギーの比が既知であるときには、比較波長１１１での放射エネルギー１０７の強度は、参照波長１１５および比較波長１１１での測定値から近似的に計算してもよい。一実施形態では、基板１０２の温度は、比較波長１１１での放射エネルギー１０７の近似的強度から確定することができる。

一実施形態では、基板１０２のより正確な温度測定は、測定波長１１２で放射エネルギーを測定することにより得ることができる。測定波長１１２では、基板１０２の放射エネルギーが相対的に高く、検出しやすい。測定波長では、放射エネルギー１０７の強度は、その放射エネルギーの測定値から、参照波長１１５および比較波長１１１での測定値に応じて得られる放射エネルギー１０６の強度を引いた値と等しい。

一実施形態では、システム制御装置１０９は、エネルギー源１０３の電源１１３と接続される。システム制御装置１０９は、電源１１３の電力レベルを監視してもよい。電源１１３の電力レベルは、処理中にエネルギー源１０３のスペクトルシグネチャを生成するのに用いることができる。例えば、黒体放射源の座標色温度は電力レベルの関数であることが知られている。スペクトルシグネチャは、測定波長１１２での強度を含む、スペクトル全体にわたる放射エネルギー１０５の強度を確定するために、参照波長１１５および比較波長１１１での測定値と組み合わせて、用いることができる。

図２は、熱処理チャンバ内の放射スペクトルを示す概略グラフである。ｘ軸は波長を指し、ｙ軸は放射エネルギーの相対強度を指す。図２は、図１のエネルギー源１０３など加熱源からの放射エネルギー２０６の相対強度および図１の基板１０２など測定対象からの放射エネルギー２０７の相対強度を示す。図２はまた、加熱源および測定対象からの組み合わされた放射エネルギー２０８の強度も示す。測定対象の、温度など属性を同定するのに放射エネルギー２０７が必要であるが、熱センサは、組み合わされた放射エネルギー２０８を一般に受け取る。本発明の実施形態は、組み合わされた放射エネルギー２０８を測定することにより、放射エネルギー２０７を正確に得るために方法および装置を提供する。

本発明の一実施形態は、加熱源からの放射エネルギー２０６の選択されたスペクトル２０９が、吸収体や反射体など標識付けデバイスにより標識付けされる。放射エネルギー２０６の標識付けは、加熱源と処理チャンバの間の窓を標識付けデバイスで裏打ちすることにより実施してもよい。一実施形態では、標識付けデバイスの減衰率は既知である。図２に示すように、放射エネルギー２０７の既知の部分が、処理チャンバからフィルタで除去される。その結果、組み合わされたエネルギー２０８は、また、選択されたスペクトル２０９でＶ字切り込みが入る。

一実施形態では、第１の熱センサが、選択されたスペクトル２０９内にある参照波長２０１で、結合された放射エネルギー２０８を測定するように構成される。第１の熱センサの測定値は、

で表すことができる。この式で、Ｓ_１は測定値であり、Ｗ_１は測定対象からの放射エネルギーの強度であり、Ｌ_１は減衰後の加熱源からの放射エネルギーの強度であり、Ｒは標識付けデバイスの減衰率で既知であり、

は減衰前の加熱源からの放射エネルギーの強度である。一実施形態では、標識付けデバイスの減衰率は約０．３から約０．０１である。

第２の熱センサは、選択されたスペクトル２０９の直ぐ外にあり、参照波長２０１と相対的に近い波長である比較波長２０２で、結合された放射エネルギー２０８を測定するように構成される。第２の熱センサの測定値は、
Ｓ_２＝Ｗ_２＋Ｌ_２ 式２
で表すことができる。この式で、Ｓ_２は測定値であり、Ｗ_２は測定対象からの放射エネルギー２０７の強度であり、Ｌ_２は加熱源からの放射エネルギーの強度である。

一実施形態では、参照波長と比較波長とが、波長２０１および波長２０２での放射エネルギー２０６、２０７の強度が近似的に同じである、つまり、

であるほど十分に近いとき、測定対象からの放射エネルギー２０７の強度Ｗ_２は、測定値Ｓ_１、Ｓ_２から近似的に計算してもよい。したがって、

である。

図６は、図２に示した、熱処理中に温度を測定するための方法３００を示す流れ図である。

枠３１０では、熱処理のために基板が熱処理チャンバ内に位置決めされる。

枠３２０では、ランプアセンブリなど加熱源からの放射エネルギーが、図２の選択されたスペクトル２０９など選択されたスペクトルで標識付けされる。標識付けは、吸収、反射、または偏光で行うことができる。

枠３３０では、加熱源からの放射エネルギーは、熱処理チャンバへ導かれる。一実施形態では、放射エネルギーは、熱処理チャンバの石英窓を通じて熱処理チャンバへ導いてもよく、標識付けデバイスは、石英窓に裏打ちされたフィルタであり得る。

枠３４０では、熱処理チャンバ内の放射エネルギーが、選択されたスペクトル内にある参照波長で測定される。

枠３５０では、熱処理チャンバ内の放射エネルギーが、選択されたスペクトルの直ぐ外にある比較波長で測定される。

枠３６０では、基板からの放射エネルギーは、参照波長および比較波長での放射エネルギーの測定値から得てもよい。一実施形態では、基板からの放射エネルギーは、式３を用いて得てもよい。温度など、基板の属性は、計算された放射エネルギーから得ることができる。

一実施形態では、熱測定の正確さが、放射エネルギー２０７が相対的により強い波長で測定することにより、向上することがある。しかし、放射エネルギー２０７を測定するのに理想的な波長は、加熱源の放射エネルギー２０６に標識を付けるのに理想的な波長とは異なる可能性が高い。図３は、標識付けおよび測定を異なる波長で行うことを可能にする、本発明の別の一実施形態による方法を示す。

図３は、図２の測定対象および加熱源からの放射スペクトルの概略グラフである。図２と同様に、加熱源からの放射エネルギー２０６は、選択されたスペクトル２０９で標識が付けられ、選択されたスペクトル２０９内の参照波長２０１および選択されたスペクトル２０９の直ぐ外の比較波長２０２で放射エネルギーを測定するために、第１および第２のセンサを用いる。

さらに、加熱源からの放射エネルギー２０６は、選択されたスペクトル２０９とは異なる第２の選択されたスペクトル２１０で、同様に標識が付けられる。第２の選択されたスペクトル２１０内の第２の参照波長２０３で放射エネルギー２０８を測定するために、第３のセンサを用いる。第２の選択されたスペクトル２１０の直ぐ外の第２の比較波長２０４で放射エネルギー２０８を測定するために、第４のセンサを用いる。

加熱源の２つの選択されたスペクトルに標識を付けることと４つの熱センサを用いることにより、測定対象からの放射エネルギー２０６と加熱源からの放射エネルギー２０７との比は、スペクトルに沿って計算することができ、したがって、選択されたスペクトル２０９、２１０の外の波長での測定値から、測定対象の放射エネルギー２０７を得ることが可能になる。

式１および、式２ならびに

という近似により、比較波長２０２での放射エネルギー２０６は、
Ｌ_２＝（Ｓ_２−Ｓ_１）／（１−Ｒ） 式４
である。

第３の熱センサの測定値は、

で表すことができる。この式で、Ｓ_３は測定値であり、Ｗ_３は測定対象からの放射エネルギー２０７の強度であり、Ｌ_３は減衰後の加熱源からの放射エネルギーの強度であり、

は減衰前の加熱源からの放射エネルギーの強度であり、Ｒ’は第２の標識付けデバイスの減衰率である。

第４の熱センサの測定値は、
Ｓ_４＝Ｗ_４＋Ｌ_４ 式６
で表すことができる。この式で、Ｓ_４は測定値であり、Ｗ_４は測定対象からの放射エネルギー２０７の強度であり、Ｌ_４は加熱源からの放射エネルギーの強度である。

式５および、式６、

および

という近似により、比較波長２０４での放射エネルギー２０６は、
Ｌ_４＝（Ｓ_４−Ｓ_３）／（１−Ｒ’） 式７
である。

一実施形態では、測定波長２０５での放射エネルギー２０６は、Ｌ_２およびＬ_４により、波長の関数として計算することができる。したがって、
Ｌ_ｐ＝Ｆ（ｐ，Ｌ_２，Ｌ_４） 式８
である。ここで、ｐはＬ_ｐに対応する波長である。Ｆは、放射エネルギー２０６のスペクトル特性を反映する任意の適切な関数であってもよい。一実施形態では、関数Ｆは直線補間式であってもよい。別の一実施形態では、Ｆは、プランクの法則から導出してもよく、または経験的に決定してもよい。

一実施形態では、測定波長２０５で放射エネルギーを測定するために、第５のセンサを用いる。測定波長２０５は、基板など測定対象からの放射エネルギーを測定するのに理想的なように選択してもよい。測定波長２０５での第５のセンサからの測定値は、
Ｓ_ｐ＝Ｗ_ｐ＋Ｌ_ｐ 式９
で表すことができる。この式で、Ｓ_ｐは測定値であり、Ｗ_ｐは測定対象からの放射エネルギー２０７の強度であり、Ｌ_ｐは加熱源からの放射エネルギーの強度である。

測定対象からの放射エネルギー２０７の強度Ｗ_ｐは、測定値Ｓ_ｐおよび放射エネルギーＬ_ｐから近似的に計算することができる。したがって、
Ｗ_ｐ＝Ｓ_ｐ−Ｌ_ｐ 式１０
である。

図７は、図３に示した、熱処理中に温度を測定するための方法４００を示す流れ図である。

枠４１０では、熱処理のために基板が熱処理チャンバ内に位置決めされる。

枠４２０では、ランプアセンブリなど加熱源からの放射エネルギーが、図２の選択されたスペクトル２０９および２１０など２つの選択されたスペクトルで標識が付けられる。標識付けは、吸収、反射、または偏光で行うことができる。

枠４３０では、加熱源からの放射エネルギーは、熱処理チャンバへ導かれる。一実施形態では、放射エネルギーは、熱処理チャンバの石英窓を通じて熱処理チャンバへ導いてもよく、標識付けデバイスは、石英窓に裏打ちされたフィルタであり得る。

枠４４０では、熱処理チャンバ内の放射エネルギーが、２つの選択されたスペクトル内のそれぞれ２つの参照波長で測定される。

枠４５０では、熱処理チャンバ内の放射エネルギーが、対応する選択されたスペクトルの直ぐ外にある２つの比較波長で測定される。

枠４６０では、加熱源からの放射エネルギーは、参照波長および比較波長での測定値からスペクトル全体にわたって得ることができる。式４、式７および式８は、スペクトル全体にわたってエネルギー源からの放射エネルギーを得るために用いることができる。

枠４７０では、放射エネルギーは測定波長で測定される。測定波長は、最も効果的に基板の属性を反映する放射エネルギーを有する波長となるように選択してもよい。

枠４８０では、測定波長での基板からの放射エネルギーは、測定波長での測定値およびエネルギー源からの既得の放射エネルギーを用いて、確定することができる。確定のために式１０を用いてもよい。

別の一実施形態では、図４および図５で説明するように、標識付け波長とは異なる波長での測定値および加熱源のスペクトルシグネチャを用いて、熱処理中に基板の温度または他の属性を測定することができる。

図４は、異なる温度での加熱源のスペクトルシグネチャを示す概略グラフである。ｘ軸は波長を指す。ｙ軸は放射の相対強度を指す。熱放射は周波数の広い範囲で生じることが観察されている。特定の対象物に対しては、温度が上昇するにつれて、放出される放射の主周波数は増大し、スペクトル全体にわたる放射の相対強度が、異なる温度に対し特定の形状を有する。スペクトル全体にわたる放射の相対強度の異なる形状は、スペクトルシグネチャであると同定してもよい。図４に概略的に示すように、加熱源、例えば加熱ランプは、スペクトル全体にわたる相対強度の固有の形状を有する。図４では、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、およびＴ４は異なる温度であり、Ｔ１はＴ２より高く、Ｔ２はＴ３より高く、Ｔ３はＴ４より高い。

したがって、加熱源の温度が既知で、特定の波長での加熱源からの放射の強度もまた既知ならば、スペクトルシグネチャに従って、全スペクトルでの加熱源からの放射の強度を計算することができる。

図５は、特定の波長２２１での放射強度２２０が既知のとき、スペクトル全体にわたる放射プロファイルを得るための方法を示す概略流れ図である。ｘ軸は波長を指し、ｙ軸は放射エネルギーの強度を指す。図５に示したように、加熱源の温度が既知のとき、放射エネルギーのプロファイルは、波長２２１での既知の強度２２０から確定することができる。図５中の曲線は、図４中のスペクトルシグネチャから導出してもよい。一実施形態では、図５中の曲線は、図４のスペクトルシグネチャから尺度変更で導出される。

図２に戻って参照すると、比較波長２０２での加熱源の放射エネルギー２０６は、式４、Ｌ_２＝（Ｓ_２−Ｓ_１）／（１−Ｒ）から計算することができる。

加熱源の温度は、加熱源への電力レベルを監視するなど、様々な方法で得ることができる。したがって、加熱源からの放射エネルギー２０６は、
Ｌ_ｐ＝Ｇ（Ｌ_２，Ｔ，ｐ） 式１１
から計算することができる。ここで、Ｇは加熱源のスペクトルシグネチャに対応する関数であり、Ｔは加熱源の温度であり、ｐは任意の波長である。加熱源のスペクトルシグネチャは、経験的な方法で得ることができる。

再び図２を参照すると、測定波長２０５で放射エネルギーを測定するためにセンサを用いる。測定波長は、基板など測定対象からの放射エネルギーを測定するのに理想的であるように選択してもよい。測定波長２０５での第５のセンサからの測定値は、式９で表すことができる。

測定対象からの放射エネルギー２０７の強度Ｗ_ｐは、測定値Ｓ_ｐおよび放射エネルギーＬ_ｐから式１０、Ｗ_ｐ＝Ｓ_ｐ−Ｌ_ｐを用いて、近似的に計算することができる。

図８は、図４および図５に示した、熱処理中に温度を測定するための方法５００を示す流れ図である。

枠５０５では、熱処理チャンバの加熱源のスペクトルシグネチャを得てもよい。一実施形態では、加熱源の温度と加熱源への電源の電力レベルとの関係をまた得てもよい。別の一実施形態では、加熱源スペクトルシグネチャを電源の１つまたは複数の電力レベルの関数として経験的に確定してもよい。

別の一実施形態では、マルチゾーン加熱を用いるとき、加熱源スペクトルシグネチャをゾーン影響により確定してもよい。マルチゾーン加熱では、加熱源は、それぞれが放射エネルギーを処理体積の一部分へ導くように構成された複数の加熱要素を備える。所望の加熱プロファイルを実現するために、マルチゾーン制御装置が、複数の加熱要素を個別にまたはグループで制御してもよい。マルチゾーン加熱源のスペクトルシグネチャは、経験的に確定してもよい。マルチゾーン加熱源のスペクトルシグネチャは、複数のゾーンに対応する複数のスペクトルシグネチャを含んでいてもよい。一実施形態では、各ゾーンの他のゾーンへの影響または他のゾーンによる各ゾーンへの影響を反映させるために、複数のゾーンの影響行列を経験的に確定してもよく、複数ゾーンのそれぞれのスペクトルシグネチャは、影響行列を考慮して確定される。例えば、各ゾーンからの各測定半径への相対寄与を確定し、それに応じて各ゾーンのスペクトルに重みを付けることにより、影響行列を得てもよい。

一実施形態では、２つ以上のゾーンを有する加熱源のスペクトルシグネチャを確定するのに、２組以上のセンサを、センサの各組を１つの加熱ゾーンに対応させた状態で用いてもよい。

枠５１０では、熱処理するために基板が熱処理チャンバ内に位置決めされる。

枠５２０では、ランプアセンブリなど加熱源からの放射エネルギーが、図２の選択されたスペクトル２０９など１つまたは複数の選択されたスペクトルで標識が付けられる。標識付けは、スペクトル全体にわたり異なる波長で吸収、反射、偏光、またはスパイクの付加で行うことができる。

枠５３０では、加熱源からの放射エネルギーは、熱処理チャンバへ導かれる。一実施形態では、放射エネルギーは、熱処理チャンバの石英窓を通じて熱処理チャンバへ導いてもよく、標識付けデバイスは、石英窓に裏打ちされたフィルタであり得る。

枠５４０では、熱処理チャンバ内の放射エネルギーが、１つまたは複数の選択されたスペクトル内の参照波長および１つまたは複数の選択されたスペクトルの直ぐ外の比較波長で測定される。

枠５５０では、比較波長での加熱源の放射エネルギーは、参照波長および比較波長での測定値から計算される。

枠５６０では、電力レベルと温度、または、代替として、適切な加熱源スペクトルとの既得の関係に従い、加熱源の温度を確定するために、加熱源の電源が監視される。

枠５７０では、放射エネルギーは測定波長で測定される。測定波長は、最も効果的に基板の属性を反映する放射エネルギーを有する波長となるように選択してもよい。

枠５８０では、測定波長での加熱源からの放射エネルギーは、加熱源の温度、加熱源のスペクトルシグネチャ、および比較波長で得られた加熱源の放射エネルギーから確定される。

枠５９０では、測定波長での基板からの放射エネルギーは、測定波長での測定値および測定波長で得られた加熱源の放射エネルギーを用いて確定することができる。

図９は、本発明の一実施形態による急速熱処理システム１０の概略側断面図である。急速熱処理システム１０は、その中で円板形基板１２をアニールするように構成された処理体積１４を画定するチャンバ本体３５を備える。チャンバ本体３５は、ステンレス鋼で作製してもよく、石英で裏打ちしてもよい。処理体積１４は、急速熱処理システム１０の石英窓１８上に設けた加熱アセンブリ１６により、放射的に加熱されるように構成される。一実施形態では、石英窓１８は、水冷してもよい。

チャンバ本体３５の側面に、基板１２に対し処理体積１４へ通路を提供するスリットバルブ３０を形成してもよい。ガス入口４４は、処理体積１４に処理ガス、パージガス、および／またはクリーニングガスを提供するように、ガス源４５に接続してもよい。真空ポンプ５５は、処理体積１４をポンプで排気するために、出口１１を通じて処理体積１４に流体的に接続してもよい。

円形チャネル２２は、チャンバ本体３５の底部の近くに形成される。磁気回転子２１は、円形チャネル２２内に設けられる。管状立上がり３９は、磁気回転子２１上に置かれているか、またはそうでなければ、磁気回転子２１と結合している。基板１２は、管状立上がり３９上に設けられたエッジ輪２０により、周縁部で支持される。磁気固定子２３は、磁気回転子２１の外部に位置し、磁気回転子２１の回転、したがってエッジ輪２０およびその上で支持された基板１２の回転を誘起するために、チャンバ本体３５を通じて磁気的に結合される。磁気固定子２３は、磁気回転子２１の高さを調節し、これにより処理中の基板１２を持ち上げるように構成してもよい。磁気回転および浮上についての追加の情報が、米国特許第６８００８３３号で入手可能である。この特許は参照により本明細書に組み込まれる。

チャンバ本体３５は、基板１２の裏側の近くで反射体プレート２７を備えてもよい。反射体プレート２７は、基板１２の放射率を強めるために、基板１２の裏側に面する光学反射面２８を有する。一実施形態では、反射体プレート２７は水冷してもよい。反射面２８および基板１２の裏側が反射空洞１５を画定する。一実施形態では、反射体プレート２７は、処理中の基板１２の直径よりもわずかに大きな直径を有する。例えば、急速熱処理システム１０が、１２インチ基板を処理するように構成されているならば、反射体プレート２７の直径は約１３インチでよい。

一実施形態では、反射空洞１５を処理体積１４から分離するために、外輪１９をチャンバ本体３５とエッジ輪２０の間に結合してもよい。反射空洞１５と処理体積１４とは、異なる環境を有してもよい。

加熱アセンブリ１６は、加熱要素３７のアレイを備えていてもよい。加熱要素３７のアレイは、ＵＶランプ、ハロゲンランプ、レーザダイオード、抵抗ヒータ、マイクロ波パワーヒータ、発光ダイオード（ＬＥＤ）、または他の任意の適切な加熱要素の単体または組合せのいずれでもよい。加熱要素３７のアレイは、反射体本体５３内に形成された垂直孔内に設けてもよい。一実施形態では、加熱要素３７は、六角形パターン状に配置してもよい。冷却チャネル４０は、反射体本体５３内に形成してもよい。水など冷却剤が、入口４１から反射体本体５３に入り、加熱要素３７のアレイを冷却しながら、垂直孔の近傍を通り、出口４２から反射体本体を出てもよい。

加熱要素３７のアレイは、制御装置５２に接続した電源６０により電力供給される。制御装置５２は、加熱要素３７のアレイの加熱効果を調節する能力がある。一実施形態では、複数の同心円ゾーンで基板１２を加熱するために、加熱要素３７のアレイは、複数の加熱グループに分割してもよい。各加熱グループは、基板１２の半径方向全体に所望の温度プロファイルを与えるように独立に制御してもよい。加熱アセンブリ１６についての詳細な説明は、米国特許第６３５０９６４号および米国特許第６９２７１６９号に見出すことができる。両特許は、参照により本明細書に組み込まれる。

一実施形態では、制御装置５２は、加熱要素３７の温度またはスペクトルを確定するために、電源６０の電力レベルを監視するように構成される。

一実施形態では、石英窓１８は、それに取り付けられた標識付けデバイス４７を有してもよい。標識付けデバイス４７は、選択されたスペクトル内で加熱要素３７のアレイからの放射エネルギーに標識を付けるように構成される。一実施形態では、標識付けデバイス４７は、選択されたスペクトル内で加熱要素３７のアレイからの放射エネルギーを減衰するように構成された吸収体または反射体でもよい。別の一実施形態では、標識付けデバイス４７は、処理体積１４に導かれる放射エネルギーを偏光してもよく、または標識を付加してもよい。

急速熱処理システム１０は、異なる半径位置で基板１２の熱性質を測定するように構成された１つまたは複数の熱プローブアセンブリ２４を備える。一実施形態では、熱プローブアセンブリ２４は、基板１２の異なる半径部分の温度または他の熱性質を検出するために、反射体プレート２７内に形成された複数の開口２５と光学的に結合され、それらの内部に設けられた複数の高温計でもよい。同様の温度プローブについての詳細な説明は、米国特許第５７５５５１１号に見出すことができる。この特許は参照により本明細書に組み込まれる。

一実施形態では、プローブアセンブリ２４のそれぞれは、標識付けデバイス４７の選択されたスペクトル内の参照波長、選択されたスペクトルの比較波長、および基板１２の性質に応じて選択された測定波長など、異なる波長で放射エネルギーを測定するように構成される。

複数の熱プローブアセンブリ２４は、図２〜図８で説明された実施形態により、基板１２の性質を計算するようプログラムしてもよい制御装置５２と接続される。

別の一実施形態では、制御装置５２は、加熱要素３７のアレイへの電力供給を調節して、基板１２全体にわたり注文に合う半径方向熱プロファイルを与えるために、閉ループ制御を行うよう構成してもよい。

上記の考察は、熱処理チャンバ内の基板温度を測定することに焦点を置いているが、本発明の装置および方法は、計測においてサンプル信号から背景放射雑音を除去する適切ないかなるどの用途にも用いてもよい。

上記は本発明の実施形態を対象としているが、本発明の基本的範囲から逸脱することなく、本発明の他のおよび更なる実施形態を案出してもよく、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲で決まるものとする。

Claims (15)

1. 基板を処理するためのチャンバであって、
   処理体積を画定するチャンバ容器と、
   前記処理体積へ放射エネルギーを導くように構成されたエネルギー源と、
   前記エネルギー源から前記処理体積への前記放射エネルギーに標識を付けるように構成されたスペクトルデバイスと、
   前記処理体積内で前記基板を支持するように構成された基板支持体と、
   放射エネルギーを受け取るために前記処理体積内に位置決めされた参照センサと、
   測定波長で放射エネルギーを受け取るために前記処理体積内に位置決めされた測定対象用センサと、
   前記参照センサの測定値を用いて、前記エネルギー源からの前記放射エネルギーの特性を確定し、前記測定対象用センサの測定値および前記エネルギー源の前記放射エネルギーの前記特性を用いて、前記基板の温度を確定するように構成された制御装置と、
   を備え、
   前記参照センサが、
   前記スペクトルデバイスの標識スペクトル内の参照波長で放射エネルギーを測定するように構成された第１のセンサと、
   前記標識スペクトル外の比較波長で前記放射エネルギーを測定するように構成された第２のセンサを備え、前記比較波長が前記参照波長に実質的に近い、
   チャンバ。
2. 前記スペクトルデバイスが、前記標識スペクトル中の放射エネルギーを吸収するように構成された吸収体、前記標識スペクトル中の放射エネルギーを反射するように構成された反射体、前記標識スペクトルでの放射エネルギーを偏光するように構成された偏光体、または前記標識スペクトル中の複数の選択された波長で前記放射エネルギーに標識を付加するように構成されたデバイスのうちの１つを備える、請求項１に記載のチャンバ。
3. 前記スペクトルデバイスが、前記標識スペクトルに相当する吸収スペクトルでの放射エネルギーを吸収するように構成された吸収フィルタを備える、請求項１に記載のチャンバ。
4. 前記特性が、前記比較波長での、前記エネルギー源からの放射エネルギーと前記基板からの放射エネルギーとの比であり、前記測定波長が、基板からの前記放射エネルギーが相対的に高くなるように選択され、前記吸収スペクトルが、主要な加熱スペクトルから離れているように選択される、請求項３に記載のチャンバ。
5. 前記エネルギー源に供給される１つまたは複数の電力レベルを監視する監視装置をさらに備え、前記監視装置が前記制御装置と接続し、前記制御装置が、前記エネルギー源の前記１つまたは複数の電力レベルおよび前記参照センサの前記測定値を用いて、前記エネルギー源からの前記放射エネルギーの前記特性を確定し、前記エネルギー源が複数のゾーンを備え、前記エネルギー源からの前記放射エネルギーの前記特性が各ゾーンからの前記放射エネルギーの特性を含み、前記制御装置が、前記エネルギー源の１つまたは複数の電力レベル、前記参照センサの前記測定値および前記複数のゾーン間の相互の影響を反映した影響行列を用いて、各ゾーンからの前記放射エネルギーの前記特性を確定する、請求項１に記載のチャンバ。
6. 放射エネルギーを受け取るために、前記処理体積内に位置決めされた１つまたは複数の追加の参照センサと、
   それぞれが、測定波長で放射エネルギーを受け取るために、前記処理体積内に位置決めされ、各追加の測定対象用センサが追加の参照センサに対応する１つまたは複数の追加の測定対象用センサをさらに備え、
   前記エネルギー源が複数の加熱ゾーンを備え、参照センサと測定対象用センサの各対が各加熱ゾーンに対応する、請求項１に記載のチャンバ。
7. 基板を処理するための方法であって、
   エネルギー源からの放射エネルギーを熱処理チャンバの処理体積へ導くこと、
   前記エネルギー源から前記処理体積へ導かれた前記放射エネルギーに標識を付けること、
   前記処理体積内に前記基板を位置決めすること、
   前記処理体積内の放射エネルギーを測定すること、
   前記処理体積内での前記測定放射エネルギーおよび前記エネルギー源からの前記放射エネルギーの標識付けを用いて、前記エネルギー源からの前記放射エネルギーの特性を確定すること、及び
   前記処理体積内での前記測定放射エネルギーおよび前記エネルギー源からの前記放射エネルギーの前記確定された特性を用いて、前記基板の温度を確定すること、
   を含み、
   前記エネルギー源からの前記放射エネルギーに標識を付けることが、吸収スペクトルでの、前記エネルギー源からの前記放射エネルギーを吸収することを含み、
   前記処理体積内の放射エネルギーを測定することが、
   前記吸収スペクトル内の参照波長で放射エネルギーを測定すること、及び
   前記吸収スペクトル外の比較波長で放射エネルギーを測定することを含み、前記比較波長と前記参照波長とが実質的に近い、
   方法。
8. 前記処理体積内の放射エネルギーを測定することが、
   前記参照波長および前記比較波長とは異なる測定波長で放射エネルギーを測定することをさらに含み、
   エネルギー源からの前記放射エネルギーの前記特性を確定することが、
   前記参照波長および前記比較波長での測定値から、前記比較波長での、前記エネルギー源からの放射エネルギーと前記基板からの放射エネルギーとの比を確定すること、及び
   前記エネルギー源の電力レベルならびに前記参照波長および前記比較波長での測定値を用いて、前記エネルギー源のスペクトルシグネチャを確定することを含み、
   前記基板の前記温度を確定することが、前記測定波長での前記基板からの放射エネルギーの強度に応じて、前記基板の前記温度を確定することを含む、請求項７に記載の方法。
9. 基板を処理するための方法であって、
   エネルギー源から熱処理チャンバの処理体積へ放射エネルギーを導くこと、
   前記エネルギー源から前記処理体積に導かれた前記放射エネルギーに標識を付けること、
   前記処理体積内に前記基板を位置決めすること、
   参照波長で前記処理体積内の放射エネルギーを測定すること、
   前記参照波長での前記測定値から前記放射エネルギーの特性を確定すること、
   測定波長で前記処理体積内の放射エネルギーを測定すること、及び
   前記測定波長での測定値および前記エネルギー源からの放射エネルギーの前記確定された特性を用いて、前記基板の温度を確定すること、
   を含み、
   前記エネルギー源からの前記放射エネルギーに標識を付けることが、吸収、反射、または偏光のうちの１つにより、選択されたスペクトル内の前記エネルギー源からの前記放射エネルギーの一部分をフィルタに通すことを含み、前記参照波長が前記選択されたスペクトル内にあり、前記測定波長が前記選択されたスペクトル外にある、
   方法。
10. 比較波長で前記処理体積内の放射エネルギーを測定することをさらに含み、前記比較波長が、前記選択されたスペクトル外にあり、参照スペクトルに実質的に近く、放射エネルギーの前記特性を確定することが、前記比較波長での、前記エネルギー源からの前記放射エネルギーと前記基板からの前記放射エネルギーとの比を確定することを含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記エネルギー源からの前記放射エネルギーの前記特性が、前記エネルギー源のスペクトルシグネチャであり、前記特性を確定することが、
    前記エネルギー源の電力レベルを監視すること、及び
    前記参照波長での測定値と前記エネルギー源の前記監視された電力レベルを用いて、前記エネルギー源の前記スペクトルシグネチャを確定することを含む、請求項９に記載の方法。
12. 前記基板の前記温度を確定することが、
    前記エネルギー源の前記確定されたスペクトルシグネチャを用いて、前記測定波長での前記エネルギー源の放射エネルギーを確定することと、
    前記測定波長で測定された放射エネルギーから前記測定波長での前記エネルギー源の放射エネルギーを引くことにより、前記測定波長での前記基板の放射エネルギーを確定することを含む、請求項１１に記載の方法。
13. 基板を処理するためのチャンバであって、
    処理体積を画定するチャンバ容器と、
    前記処理体積へ放射エネルギーを導くように構成されたエネルギー源と、
    前記エネルギー源から前記処理体積への前記放射エネルギーに標識を付けるように構成されたスペクトルデバイスと、
    前記処理体積内で前記基板を支持するように構成された基板支持体と、
    放射エネルギーを受け取るために前記処理体積内に位置決めされた参照センサと、
    を備え、
    前記参照センサが、
    前記スペクトルデバイスの標識スペクトル内の参照波長で放射エネルギーを測定するように構成された第１のセンサと、
    前記標識スペクトル外の比較波長で前記放射エネルギーを測定するように構成された第２のセンサを備え、前記比較波長が前記参照波長に実質的に近いこと、
    さらに、前記参照センサの測定値を用いて、前記エネルギー源からの前記放射エネルギーの特性を確定するように構成された制御装置と、
    を備える、
    チャンバ。
14. 前記スペクトルデバイスが、前記標識スペクトル中の放射エネルギーを吸収するように構成された吸収体、前記標識スペクトル中の放射エネルギーを反射するように構成された反射体、前記標識スペクトルでの放射エネルギーを偏光するように構成された偏光体、または複数の選択された波長を前記標識スペクトルとして、前記複数の選択された波長で前記放射エネルギーに標識を付加するように構成されたデバイスのうちの１つを備える、請求項１３に記載のチャンバ。
15. 前記スペクトルデバイスが、前記標識スペクトルでの放射エネルギーを吸収するように構成された吸収フィルタを備える、請求項１３に記載のチャンバ。

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