JP6153749B2 - 温度測定装置、温度測定方法および熱処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウェハーや液晶表示装置用ガラス基板等の薄板状の精密電子基板（以下、単に「基板」と称する）の温度を非接触にて測定する温度測定装置および温度測定方法、並びに、その温度測定装置を組み込んで基板の熱処理を行う熱処理装置に関する。

従来より半導体デバイス等の製造工程においては半導体ウェハー等の基板に対する種々の熱処理が行われている。半導体ウェハーに対する熱処理方法としては急速加熱処理（ＲＴＰ：Rapid Thermal Process）が広く用いられている。典型的なＲＴＰ装置では、チャンバー内に保持した半導体ウェハーにハロゲンランプから光を照射して数秒程度の短時間で半導体ウェハーを所定の処理温度にまで昇温する。半導体ウェハーを急速昇温することにより、例えばイオン打ち込み法によって注入された不純物の拡散を抑制しつつその活性化を実行することができる。また、ＲＴＰ装置を用いて、半導体ウェハーを処理温度に保持することなく、急速昇温によって半導体ウェハーが処理温度に到達すると同時に急速降温を開始するスパイクアニールも行われている。

このようなＲＴＰ装置においては、例えば特許文献１に開示されるように、複数のハロゲンランプを複数のゾーンに分割するとともに、各ゾーンに対応するパイロメータ（放射温度計）を設け、そのパイロメータによって測定されたウェハー温度に基づいてハロゲンランプの出力をゾーン毎に制御している。パイロメータは半導体ウェハーの一部領域の温度しか測定できないため、ＲＴＰ装置では熱処理中に半導体ウェハーを回転させることによって同心円状のゾーンの平均温度を算定し、それに基づいてハロゲンランプのフィードバック制御を行っている。

特開２００３−８６５２８号公報

一方、赤外線カメラ（サーモグラフィ）などの広域測定が可能な機器を用いて温度計測を行えば、半導体ウェハーを回転させることなくウェハー全面の温度を計測して温度マップを作成することができる。半導体ウェハーを回転させる必要がなければ、回転機構が不要となるため、装置の構成を簡素化して小型にすることができるとともに、回転にともなうパーティクル発生を抑制することができる。また、半導体ウェハーの全面の温度を二次元的に計測することができれば、局所的な温度分布の不均一をも正確に検出することができる。

しかしながら、赤外線カメラには一般的なパイロメータに比較して測定精度が低いという問題がある。また、半導体ウェハーの表面には、酸化膜や窒化膜などが成膜されていたり、デバイス製造のためのパターンが形成されていることが多い。このような半導体ウェハーについては、製品ロットの種類によって膜種やパターンサイズが異なるために放射率も異なる。さらに、１枚の半導体ウェハーの表面上においても、放射率は均一ではなく、領域ごとに放射率が異なる。同じ温度であっても放射率が異なると赤外線の強度が異なるため、赤外線カメラによる正確な温度測定がより困難なものとなっていた。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、赤外線カメラを用いて基板の所定サイズの領域の温度を正確に測定することができる温度測定装置および温度測定方法、並びに、その温度測定装置を組み込んだ熱処理装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、基板の温度を測定する温度測定装置において、前記基板の裏面の放射率は既知であり、前記基板の一部領域の裏面から放射される赤外線を受光して当該一部領域の温度を測定する放射温度計と、前記一部領域を含む前記基板の測定対象領域の表面から放射される赤外線を受光して当該赤外線の強度を測定する赤外線カメラと、前記放射温度計によって測定された前記一部領域の温度に基づいて、前記赤外線カメラが測定した前記一部領域の赤外線強度から前記一部領域の表面の放射率を算定する放射率算定部と、前記放射率算定部によって算定された表面の放射率に基づいて、前記赤外線カメラが測定した前記測定対象領域の赤外線強度から前記測定対象領域の温度を算定する温度算定部と、を備え、前記基板の表面にはパターンが形成され、前記温度算定工程では、前記測定対象領域のうち前記一部領域の表面に形成されているパターンと同一のパターンが形成されている領域の温度を算定することを特徴とする。

また、請求項２の発明は、基板に熱処理を行う熱処理装置において、基板を加熱する加熱部と、請求項１の発明に係る温度測定装置と、を備えることを特徴とする。

また、請求項３の発明は、請求項２の発明に係る熱処理装置において、前記温度測定装置によって測定された前記測定対象領域の温度に基づいて、前記測定対象領域のうち相対的に温度が低い領域を加熱するように前記加熱部を制御する温度補正部をさらに備えることを特徴とする。

また、請求項４の発明は、基板の温度を測定する温度測定方法において、前記基板の裏面の放射率は既知であり、前記基板の一部領域の裏面から放射される赤外線を放射温度計によって受光して当該一部領域の温度を測定する温度測定工程と、前記一部領域を含む前記基板の測定対象領域の表面から放射される赤外線を赤外線カメラによって受光して当該赤外線の強度を測定する赤外線測定工程と、前記温度測定工程にて測定された前記一部領域の温度に基づいて、前記赤外線測定工程で測定された前記一部領域の赤外線強度から前記一部領域の表面の放射率を算定する放射率算定工程と、前記放射率算定工程にて算定された表面の放射率に基づいて、前記赤外線測定工程で測定された前記測定対象領域の赤外線強度から前記測定対象領域の温度を算定する温度算定工程と、を備え、前記基板の表面にはパターンが形成され、前記温度算定工程では、前記測定対象領域のうち前記一部領域の表面に形成されているパターンと同一のパターンが形成されている領域の温度を算定することを特徴とする。

請求項１の発明によれば、放射率が既知の基板裏面から一部領域の温度測定を行い、その温度と赤外線カメラの測定結果とから一部領域の表面の放射率を求めて測定対象領域の温度を算定しているため、赤外線カメラを用いて基板の所定サイズの領域の温度を正確に測定することができる。

また、請求項２および請求項３の発明によれば、加熱部によって加熱された基板の所定サイズの領域の温度を正確に測定することができる。

特に、請求項３の発明によれば、測定された測定対象領域の温度に基づいて、相対的に温度が低い領域を加熱しているため、温度低下領域を解消して基板の面内温度分布の均一性を向上させることができる。

また、請求項４の発明によれば、放射率が既知の基板裏面から一部領域の温度測定を行い、その温度と赤外線カメラの測定結果とから一部領域の表面の放射率を求めて測定対象領域の温度を算定しているため、赤外線カメラを用いて基板の所定サイズの領域の温度を正確に測定することができる。

本発明に係る熱処理装置の要部構成を示す図である。 複数のハロゲンランプの配置を示す平面図である。 図１の熱処理装置における半導体ウェハーの処理手順を示すフローチャートである。 半導体ウェハーの温度算定を概念的に示す図である。 石英の分光透過率を示す図である。 シリコンの分光透過率を示す図である。 半導体ウェハーの表面に形成されたパターンの一例を示す図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明に係る熱処理装置１の要部構成を示す図である。この熱処理装置１は、基板として円板形状の半導体ウェハーＷに対して裏面から光を照射することによって当該半導体ウェハーＷの加熱処理（バックサイドアニール）を行うランプアニール装置である。処理対象となる半導体ウェハーＷのサイズは特に限定されるものではないが、例えばφ３００ｍｍやφ４５０ｍｍである。図１および以降の各図においては、理解容易のため、必要に応じて各部の寸法や数を誇張または簡略化して描いている。

熱処理装置１は、主たる構成として、半導体ウェハーＷを収容する略円筒形状のチャンバー６と、チャンバー６内にて半導体ウェハーＷを保持する保持部７と、保持部７に保持された半導体ウェハーＷに光を照射する光照射部４と、半導体ウェハーＷの裏面の温度を測定するパイロメータ２０と、半導体ウェハーＷの表面から放射される赤外線を受光する赤外線カメラ８０と、を備えている。また、熱処理装置１は、これらの各部を制御して半導体ウェハーＷの熱処理を実行させる制御部３を備える。

チャンバー６は、上下が開口された略円筒形状の側壁を有している。チャンバー６は、例えば、ステンレススチール等の強度と耐熱性に優れた金属材料にて形成されている。チャンバー６の下側開口には石英窓６４が装着されて閉塞されている。チャンバー６の下端に配置された石英窓６４は、石英（ＳｉＯ_２）により形成された円板形状部材であり、光照射部４から照射された光をチャンバー６内に透過する。

また、チャンバー６の上側開口には赤外透過窓６３が装着されて閉塞されている。チャンバー６の上端に配置された赤外透過窓６３は、シリコン（Ｓｉ）により形成された円板形状部材である。赤外透過窓６３の径は半導体ウェハーＷと同様である（φ３００ｍｍまたはφ４００ｍｍ）。このような赤外透過窓６３としては、例えば半導体ウェハーＷを切り出すシリコン単結晶のインゴットから所定厚さ（本実施形態では３ｍｍ）の円板を切り出したものを用いるようにすれば安価に製作することができる。後に詳述するように、シリコンは可視光に対しては不透明（可視光を透過しない）であるが、波長１μｍを超える赤外線を透過する性質を有する。従って、光照射部４からの光照射を受けて昇温した半導体ウェハーＷから放射された赤外線はチャンバー６上端の赤外透過窓６３を透過してチャンバー６の上方に放出される。

石英窓６４、赤外透過窓６３およびチャンバー６の側壁によって囲まれる空間が熱処理空間６５として規定される。熱処理空間６５の気密性を維持するために、石英窓６４および赤外透過窓６３とチャンバー６とは図示省略のＯリングによってそれぞれシールされており、これらの隙間から気体が流出入するのを防いでいる。具体的には、石英窓６４の上面周縁部とチャンバー６との間にＯリングを挟み込み、クランプリング６６を石英窓６４の下面周縁部に当接させ、そのクランプリング６６をチャンバー６にネジ止めすることによって、石英窓６４をＯリングに押し付けている。同様に、赤外透過窓６３の下面周縁部とチャンバー６との間にＯリングを挟み込み、クランプリング６２を赤外透過窓６３の上面周縁部に当接させ、そのクランプリング６２をチャンバー６にネジ止めすることによって、赤外透過窓６３をＯリングに押し付けている。

また、チャンバー６の側壁には、半導体ウェハーＷの搬入および搬出を行うための搬送開口部６７が設けられている。搬送開口部６７は、図示を省略するゲートバルブによって開閉可能とされている。搬送開口部６７が開放されると、図外の搬送ロボットによってチャンバー６に対する半導体ウェハーＷの搬入および搬出が可能となる。また、搬送開口部６７が閉鎖されると、熱処理空間６５が外部との通気が遮断された密閉空間となる。

保持部７は、円板形状の半導体ウェハーＷの周縁部を下方から支持する円環形状の部材である。保持部７は例えば炭化ケイ素（ＳｉＣ）にて形成されている。円環形状の保持部７の内径は半導体ウェハーＷの直径よりも小さく、外径は半導体ウェハーＷの直径よりも大きい。保持部７は、水平姿勢となるようにチャンバー６の内部に固定設置されている。この保持部７によって半導体ウェハーＷをチャンバー６内にて水平姿勢（半導体ウェハーＷの法線が鉛直方向に沿う姿勢）に保持することができる。

また、チャンバー６の内部には移載機構５が設けられている。移載機構５は、一対の移載アーム５１と、各移載アーム５１の上面に設けられたリフトピン５２とを備える。２本の移載アーム５１のそれぞれには、例えば２本のリフトピン５２が設けられている。２本の移載アーム５１および４本のリフトピン５２はいずれも石英にて形成される。一対の移載アーム５１は、図示省略の昇降駆動部によって鉛直方向に沿って昇降移動される。一対の移載アーム５１が上昇すると、計４本のリフトピン５２が円環形状の保持部７の内側を通過し、その上端が保持部７の上面よりも上方に突き出る。一方、移載アーム５１が下降しているときには、図１に示すように、リフトピン５２の上端が保持部７よりも下方に位置している。なお、移載アーム５１が下降している状態において、開閉機構によって一対の移載アーム５１を水平方向に沿って開閉するようにしても良い。

また、チャンバー６の内部にはパイロメータ２０が設けられている。パイロメータ２０は、保持部７よりも下方に設置されている。パイロメータ２０は、円環形状の保持部７に保持された半導体ウェハーＷの裏面から放射された赤外線を受光して、その強度（光量）から半導体ウェハーＷの温度を非接触で測定する放射温度計である。本実施形態のパイロメータ２０の測定波長域は波長５．０μｍ〜１０μｍのいわゆる遠赤外線である。パイロメータ２０は、光照射部４からの光照射の障害とならないように、保持部７に保持される半導体ウェハーＷの斜め下方に設けられている。パイロメータ２０のプローブは円環形状の保持部７の中空部に向けられており、当該中空部を介して半導体ウェハーＷの裏面から放射された赤外線をパイロメータ２０が受光する。

光照射部４は、チャンバー６の下方に設けられている。光照射部４は、複数本のハロゲンランプＨＬおよびリフレクタ４３を備える。本実施形態では、光照射部４に４０本のハロゲンランプＨＬを設けている。複数のハロゲンランプＨＬは、チャンバー６の下方から石英窓６４を介して熱処理空間６５への光照射を行う。図２は、複数のハロゲンランプＨＬの配置を示す平面図である。本実施形態では、上下２段に各２０本ずつのハロゲンランプＨＬが配設されている。各ハロゲンランプＨＬは、長尺の円筒形状を有する棒状ランプである。上段、下段ともに２０本のハロゲンランプＨＬは、それぞれの長手方向が保持部７に保持される半導体ウェハーＷの主面に沿って（つまり水平方向に沿って）互いに平行となるように配列されている。よって、上段、下段ともにハロゲンランプＨＬの配列によって形成される平面は水平面である。

また、図２に示すように、上段、下段ともに保持部７に保持される半導体ウェハーＷの中央部に対向する領域よりも周縁部に対向する領域におけるハロゲンランプＨＬの配設密度が高くなっている。すなわち、上下段ともに、ランプ配列の中央部よりも端部側の方がハロゲンランプＨＬの配設ピッチが短い。このため、光照射部４からの光照射による加熱時に温度低下が生じやすい半導体ウェハーＷの周縁部により多い光量の照射を行うことができる。

また、上段のハロゲンランプＨＬからなるランプ群と下段のハロゲンランプＨＬからなるランプ群とが格子状に交差するように配列されている。すなわち、上段の各ハロゲンランプＨＬの長手方向と下段の各ハロゲンランプＨＬの長手方向とが直交するように計４０本のハロゲンランプＨＬが配設されている。

ハロゲンランプＨＬは、ガラス管内部に配設されたフィラメントに通電することでフィラメントを白熱化させて発光させるフィラメント方式の光源である。ガラス管の内部には、窒素やアルゴン等の不活性ガスにハロゲン元素（ヨウ素、臭素等）を微量導入した気体が封入されている。ハロゲン元素を導入することによって、フィラメントの折損を抑制しつつフィラメントの温度を高温に設定することが可能となる。したがって、ハロゲンランプＨＬは、通常の白熱電球に比べて寿命が長くかつ強い光を連続的に照射できるという特性を有する。また、ハロゲンランプＨＬは棒状ランプであるため長寿命であり、ハロゲンランプＨＬを水平方向に沿わせて配置することにより上方の半導体ウェハーＷへの放射効率が優れたものとなる。

また、リフレクタ４３は、複数のハロゲンランプＨＬの下方にそれら全体を覆うように設けられている。リフレクタ４３の基本的な機能は、複数のハロゲンランプＨＬから出射された光をチャンバー６内の熱処理空間６５に反射するというものである。リフレクタ４３は例えばアルミニウム合金板にて形成されており、その表面（ハロゲンランプＨＬに臨む側の面）はブラスト処理により粗面化加工が施されている。

図１に戻り、チャンバー６の上方には赤外線カメラ（サーモグラフィ）８０が設けられている。本実施形態の赤外線カメラ８０は、波長３．５μｍ〜５．０μｍのいわゆる中赤外線を受光してその強度を測定する。赤外線カメラ８０は、チャンバー６の上方に、撮像レンズを赤外透過窓６３に対向させて配置されている。シリコンにて形成された赤外透過窓６３は波長１μｍ以上の赤外線を透過する（後述の図６参照）。すなわち、チャンバー６内の熱処理空間６５から放射された波長３．５μｍ〜５．０μｍの赤外線は赤外透過窓６３を透過して赤外線カメラ８０によって検出されることとなり、赤外線カメラ８０は赤外透過窓６３よりも下側の熱処理空間６５を撮像することが出来るのである。

赤外線カメラ８０は、その視野内に保持部７に保持された半導体ウェハーＷの全面を収める高さ位置に設置される。従って、赤外線カメラ８０は、保持部７に保持された半導体ウェハーＷの表面の全面を赤外透過窓６３を通して撮像することができる。なお、赤外線カメラ８０と赤外透過窓６３との距離は、赤外線カメラ８０が赤外透過窓６３から放射される赤外線を検出することがないように、半導体ウェハーＷを被写体としたときにピントが合っている範囲である被写界深度の半分以下の距離に設定されている。例えば、赤外線カメラ８０として被写界深度の最短距離が３０ｃｍのものを設けた場合、赤外線カメラ８０から赤外透過窓６３までの距離は、０ｃｍから１５ｃｍの範囲となるように設定され、好ましくは、赤外線カメラ８０と赤外透過窓６３との距離は出来うる限り短い方が良い。

また、熱処理装置１には赤外透過窓６３を冷却する冷却部６９が設けられている。本実施形態では、冷却部６９として送風機を用いている。冷却部６９は、チャンバー６の外部に設けられており、赤外透過窓６３の上面に向けて送風することにより赤外透過窓６３を空冷する。冷却部６９は、送風する風を温調するための温調機構を備えていても良い。

制御部３は、熱処理装置１に設けられた上記の種々の動作機構を制御する。制御部３のハードウェアとしての構成は一般的なコンピュータと同様である。すなわち、制御部３は、各種演算処理を行うＣＰＵ、基本プログラムを記憶する読み出し専用のメモリであるＲＯＭ、各種情報を記憶する読み書き自在のメモリであるＲＡＭおよび制御用ソフトウェアやデータなどを記憶しておく磁気ディスクを備えて構成される。制御部３のＣＰＵが所定の処理プログラムを実行することによって熱処理装置１における処理が進行する。また、制御部３には、パイロメータ２０によって測定された温度および赤外線カメラ８０によって測定された赤外線の強度が伝達される。さらに、光照射部４の各ハロゲンランプＨＬの発光出力も制御部３によって制御される。

上記の構成以外にも熱処理装置１は、熱処理空間６５の雰囲気調整を行う機構、例えば窒素（Ｎ_２）、酸素（Ｏ_２）、水素（Ｈ_２）、塩化水素（ＨＣｌ）、アンモニア（ＮＨ_３）などの処理ガスを熱処理空間６５に供給する給気機構および熱処理空間６５内の雰囲気を装置外に排気する排気機構を備えていても良い。また、光照射部４からの光照射によるチャンバー６の過剰な温度上昇を防止するための水冷管をチャンバー６の側壁に設けるようにしても良い。

次に、熱処理装置１における半導体ウェハーＷの処理手順について説明する。処理対象となる半導体ウェハーＷの表面にはデバイス製造のためのパターンが形成されている。図３は、熱処理装置１における半導体ウェハーＷの処理手順を示すフローチャートである。以下に説明する熱処理装置１の処理手順は、制御部３が熱処理装置１の各動作機構を制御することにより進行する。

まず、熱処理に先立って図示省略のゲートバルブが開いて搬送開口部６７が開放され、装置外部の搬送ロボットにより搬送開口部６７を介して処理対象となるシリコンの半導体ウェハーＷがチャンバー６内に搬入される。搬送ロボットによって搬入された半導体ウェハーＷは保持部７の直上位置まで進出して停止する。そして、移載機構５の一対の移載アーム５１が上昇することにより、計４本のリフトピン５２が保持部７の内側を通過して保持部７よりも上方に突き出て搬送ロボットから半導体ウェハーＷを受け取る。

半導体ウェハーＷがリフトピン５２に載置された後、搬送ロボットが熱処理空間６５から退出して搬送開口部６７が閉鎖されることにより熱処理空間６５が密閉空間とされる。そして、一対の移載アーム５１が下降することにより、半導体ウェハーＷは移載機構５から保持部７に受け渡される。半導体ウェハーＷは、その周縁部が保持部７によって下方より支持されて水平姿勢にて保持される。半導体ウェハーＷは、パターン形成がなされた表面を上面として保持部７に保持される。つまり、パターン形成がなされていない裏面が下面となっている。

半導体ウェハーＷが保持部７によって水平姿勢にて保持された後、光照射部４の４０本のハロゲンランプＨＬが一斉に点灯して光照射加熱（ランプアニール）が開始される（ステップＳ１）。ハロゲンランプＨＬから出射されたハロゲン光は、石英にて形成された石英窓６４を透過して保持部７に保持された半導体ウェハーＷの裏面から照射される。

ハロゲンランプＨＬから出射されて石英窓６４を透過した光は保持部７に保持された半導体ウェハーＷの裏面に照射され、それによって半導体ウェハーＷが加熱されて目標とする処理温度にまで昇温する。本実施形態においては、パターンの形成されていない半導体ウェハーＷの裏面に光が照射されるため、均一な光照射加熱を行うことができる（いわゆるバックサイドアニール）。すなわち、パターン形成がなされていない半導体ウェハーＷの裏面には光吸収率のパターン依存性が存在しないため、裏面全面にわたって光吸収率は均一であり、その結果ハロゲンランプＨＬの光が均一に吸収されるのである。なお、移載機構５の移載アーム５１およびリフトピン５２も石英にて形成されているため、ハロゲンランプＨＬによる光照射加熱の障害となることは無い。

ハロゲンランプＨＬからの光照射加熱によって昇温した半導体ウェハーＷからは、その温度に応じた強度の赤外線が放射される。半導体ウェハーＷから放射される赤外線の強度は温度（絶対温度）の４乗に比例することが知られている（シュテファン＝ボルツマンの法則）。昇温した半導体ウェハーＷの裏面から放射された赤外線はパイロメータ２０によって受光され、表面から放射された赤外線はシリコンの赤外透過窓６３を透過して赤外線カメラ８０によって受光される。そして、本実施形態においては、パイロメータ２０および赤外線カメラ８０の測定結果から半導体ウェハーＷの全面の温度を求めている。

図４は、半導体ウェハーＷの温度算定を概念的に示す図である。光照射部４のハロゲンランプＨＬから出射された光は石英窓６４を透過した後に半導体ウェハーＷの裏面から照射され、これにより半導体ウェハーＷが加熱されて処理温度にまで昇温する。図５は、石英の分光透過率を示す図である。同図に示すように、石英は波長２．５μｍ以下の比較的短波長の光はほとんど透過させるのに対して、波長２．５μｍを超えるいわゆる中赤外線よりも長波長の光については透過率が大幅に低下する。そして、パイロメータ２０の測定波長域である波長５．０μｍ〜１０μｍ、および、赤外線カメラ８０の検出波長域である波長３．５μｍ〜５．０μｍの赤外線はほとんど石英を透過しない。従って、ハロゲンランプＨＬから出射されて石英窓６４を透過した光がパイロメータ２０および赤外線カメラ８０の外乱光となることは防止される。すなわち、ハロゲンランプＨＬから熱処理空間６５に入射した光がパイロメータ２０によって検知されることはない。また、赤外線カメラ８０は赤外透過窓６３よりも下側の熱処理空間６５を撮像することは出来るものの、石英窓６４よりも下側のハロゲンランプＨＬの光を検出することはできない。

パイロメータ２０は、ハロゲンランプＨＬからの光の影響を受けることなく、昇温した半導体ウェハーＷの裏面から放射された赤外線を受光し、その強度から半導体ウェハーＷの裏面温度を測定する（ステップＳ２）。このときに、パイロメータ２０は、受光可能なエリアが限られているという特性上、半導体ウェハーＷの一部領域の裏面から放射された赤外線を受光して当該一部領域の温度を測定する。パイロメータ２０は半導体ウェハーＷの斜め下方に設けられているため、一部領域の形状は略楕円形となる。半導体ウェハーＷの一部領域の裏面から放射された赤外線の強度から温度を算定するには、黒体輻射についてのプランクの法則或いはそれから導かれるステファン・ボルツマンの法則を利用した公知の演算手法用いることができる。なお、上記一部領域のサイズは特に限定されるものではないが、大きすぎると後述の処理に支障が生じるため、その大きさは例えば短径約１０ｍｍ×長径約５０ｍｍ程度である。

この温度測定には、半導体ウェハーＷの裏面の放射率が必要となる。半導体ウェハーＷの裏面にはパターンが形成されておらず、その放射率は既知であり、裏面の全面について均一である。ここで、放射率が既知とは、予め半導体ウェハーＷの裏面の温度を測定する際に既知になっていればよく、半導体ウェハーＷの裏面の温度測定直前にその裏面の放射率を測定し、放射率を得る場合も含む概念である。半導体ウェハーＷの裏面にも不可避的に膜が形成されている場合もあるが、パイロメータ２０の測定に使用する長波長域（波長５．０μｍ〜１０μｍ）での温度測定への影響は小さい。なお、裏面に形成された膜が温度測定に影響を与える場合には、熱処理装置１に搬入する前に薬液処理等によって半導体ウェハーＷの裏面から膜を剥離しておくようにしても良い。

放射率が定まっていれば、パイロメータ２０は限られた面積の一部領域の裏面温度を正確に測定することができる。パイロメータ２０によって測定された半導体ウェハーＷの一部領域の裏面温度は制御部３に伝達される。ハロゲンランプＨＬからの光照射加熱による昇温レート程度であれば、半導体ウェハーＷの表裏面に温度差はほとんど生じない。すなわち、パイロメータ２０によって測定された半導体ウェハーＷの一部領域の裏面温度は、その一部領域の表面温度と等しい。

一方、昇温した半導体ウェハーＷの表面から放射された赤外線はチャンバー６の上端に設けられたシリコンの赤外透過窓６３を透過する。図６は、厚さ３ｍｍのシリコンの分光透過率を示す図である。同図に示すように、可視光を含む波長１μｍ以下の光はシリコンを全く透過しないのに対して、波長１μｍを超える赤外線はある程度シリコンを透過する。赤外線カメラ８０の検出波長域である波長３．５μｍ〜５．０μｍの赤外線もシリコンを透過する。従って、昇温した半導体ウェハーＷの表面から放射された波長３．５μｍ〜５．０μｍの赤外線はシリコンの赤外透過窓６３を透過して赤外線カメラ８０によって検出されることとなる。

また、赤外線カメラ８０は、その視野内に保持部７に保持された半導体ウェハーＷの全面を収める。よって、赤外線カメラ８０は、パイロメータ２０によって温度測定される一部領域を完全に含む半導体ウェハーＷの全領域の表面から放射される赤外線を受光して当該赤外線の強度を測定する（ステップＳ３）。

このときに、半導体ウェハーＷから放射された光の一部は赤外透過窓６３を透過するものの、残部は赤外透過窓６３に吸収され、赤外透過窓６３自体が加熱される。すなわち、光照射加熱によって昇温した半導体ウェハーＷからの輻射熱によって、半導体ウェハーＷと同じ材質（シリコン）の赤外透過窓６３が加熱されるのである。シリコンは、常温のときには図６に示すような分光透過率特性を示すが、加熱されて昇温するとほとんど赤外線を透過しなくなるという性質を有する。従って、半導体ウェハーＷが昇温してからの経過時間が長くなるにつれて赤外透過窓６３も昇温し、半導体ウェハーＷから放射された赤外線が赤外透過窓６３を透過しにくくなって赤外線カメラ８０による検出が困難となる。

このため、赤外透過窓６３を冷却するための冷却部６９が設けられている。冷却部６９は、少なくともハロゲンランプＨＬが点灯している間は赤外透過窓６３の上面に向けて継続して送風する。これにより、ハロゲンランプＨＬからの光照射加熱によって半導体ウェハーＷが昇温しても、赤外透過窓６３の温度は冷却部６９によって１５０℃以下に維持されることとなる。１５０℃以下であれば赤外透過窓６３は波長３．５μｍ〜５．０μｍの赤外線を透過することができる。なお、より確実に赤外線を透過するためには、冷却部６９によって赤外透過窓６３を１００℃以下に冷却しておくのが好ましい。

赤外線カメラ８０によって測定された赤外線強度は制御部３に伝達される。既述したように、半導体ウェハーＷの表面にはパターンが形成されているため、表面の放射率は未知である。また、一般には、パターン形成のなされた半導体ウェハーＷの表面においては放射率が均一ではない。従って、赤外線カメラ８０によって半導体ウェハーＷの全領域の表面から放射される赤外線の強度を測定したとしても、そのままでは温度を求めることはできない。

このため、本実施形態では、パイロメータ２０および赤外線カメラ８０の測定結果からまず半導体ウェハーＷの表面の放射率を制御部３の放射率算定部３１が算定している（ステップＳ４）。なお、放射率算定部３１、後述する温度算定部３２および温度補正部３３は、いずれも制御部３のＣＰＵが所定の処理プログラムを実行することによって実現される機能処理部である。

パイロメータ２０によって正確に測定された半導体ウェハーＷの一部領域の裏面温度は、その一部領域の表面温度と等しい。すなわち、半導体ウェハーＷの当該一部領域の表面温度については正確な値が実測されているものとみなすことができる。放射率算定部３１は、パイロメータ２０によって測定された一部領域の裏面温度（＝表面温度）に基づいて、赤外線カメラ８０が測定した当該一部領域の赤外線強度から当該一部領域の表面の放射率を算定する。具体的には、半導体ウェハーＷを黒体（放射率＝１）と仮定したときに、パイロメータ２０によって測定された温度と等温の一部領域から放射されて赤外線カメラ８０によって受光される赤外線の強度（以下、黒体放射強度とする）を予め算定して制御部３のメモリ等に格納しておく。そして、放射率算定部３１は、赤外線カメラ８０によって実測された一部領域の赤外線強度を上記黒体放射強度で除することにより、半導体ウェハーＷの一部領域の表面の放射率を算定する。

赤外線カメラ８０は、二次元的に配列されたグリッド状の測定点での赤外線強度を測定する。上記演算の過程で一部領域の赤外線強度を算定するに際しては、当該一部領域に含まれるグリッドの測定値を平均化することによって測定精度を向上させることができる。

次に、上述のようにして求められた半導体ウェハーＷの表面の放射率に基づいて、温度算定部３２が半導体ウェハーＷの全面の温度を算定する（ステップＳ５）。温度算定部３２は、放射率算定部３１によって求められた半導体ウェハーＷの表面の放射率に基づいて、赤外線カメラ８０が測定した半導体ウェハーＷの全領域の赤外線強度からその全領域の温度を算定する。放射率が求められていれば、パイロメータ２０によるのと同様の公知の演算手法によって赤外線強度から半導体ウェハーＷの全領域の温度を算定することは可能である。但し、上述したように、パターンが形成されている半導体ウェハーＷの表面においては放射率が均一ではない。このため、以下のようにして半導体ウェハーＷの全領域の温度を算定している。

図７は、半導体ウェハーＷの表面に形成されたパターンの一例を示す図である。同図に示すように、半導体ウェハーＷの表面には、正方形のデバイスが二次元的に規則的に配列されたパターンが形成されている。なお、図７においては、理解容易のために各デバイスのサイズを誇張して記載している。

また、図７には、パイロメータ２０によって温度測定がなされる半導体ウェハーＷの一部領域ＰＡを示している。ステップＳ４にて放射率算定部３１によって算定される放射率は、この一部領域ＰＡの表面の放射率である。一部領域ＰＡの表面に形成されているパターンと異なるパターンを有する領域の放射率は、一部領域ＰＡの放射率と異なる。一方、一部領域ＰＡの表面に形成されているパターンと同一のパターンが形成されている領域の放射率は、一部領域ＰＡの放射率と等しい。図７において、点線で囲まれている各領域は、一部領域ＰＡの表面に形成されているパターンと同一のパターンが形成されている領域であり、その放射率は一部領域ＰＡの放射率（つまり、ステップＳ４にて放射率算定部３１によって算定される放射率）と等しい。

温度算定部３２は、一部領域ＰＡの表面に形成されているパターンと同一のパターンが形成されている領域、すなわちステップＳ４にて放射率が正確に求められている領域の赤外線強度より当該領域の温度を算定するのである。図７に示すように、デバイスが規則的に配列された半導体ウェハーＷには、一部領域ＰＡの表面に形成されているパターンと同一のパターンが形成されている領域が多数含まれている。これらの領域は相互に一部が重複していても良い。温度算定部３２がそれら複数の領域の温度を個別に算定することによって、半導体ウェハーＷの全領域の温度を算定することができる。

一部領域ＰＡの表面に形成されているパターンと同一のパターンが形成されている領域を制御部３が認識する方法としては、例えば予めＣＣＤカメラなどによって半導体ウェハーＷの表面を撮像し、その撮像した画像を解析することによって行うことができる。また、熱処理装置１での処理手順および処理条件を記述したレシピに同一パターンの領域を指定しておくようにしても良い。さらに、本実施形態のように、デバイスが規則的に配列されたパターンが形成されている場合には、一部領域ＰＡをパターンサイズ（隣り合うデバイスの中心間の距離）の整数倍だけ図７のＸ方向および／またはＹ方向にシフト移動させることによって同一パターンの領域を指定するようにしても良い。

以上のようにして半導体ウェハーＷの全面の温度が算定された後、その算定結果に基づいて半導体ウェハーＷの温度補正を行う（ステップＳ６）。本実施形態においては、半導体ウェハーＷの全面について温度を求めているため、局所的な温度低下をも検出することができる。制御部３の温度補正部３３は、温度算定部３２によって算定された半導体ウェハーＷの全領域の温度に基づいて、相対的に温度が低い領域を加熱するように光照射部４を制御する。例えば、温度算定部３２による算定結果から半導体ウェハーＷの周縁部に温度低下領域が現出していることが判明した場合には、その温度低下領域に対向するハロゲンランプＨＬの発光出力を高めるように温度補正部３３が光照射部４を制御する。これにより、温度低下領域が選択的に強く加熱されて昇温し、温度低下領域が解消して半導体ウェハーＷの面内温度分布が均一となる。

所定時間の光照射加熱が終了した後、ハロゲンランプＨＬが消灯して半導体ウェハーＷの降温が開始される。ハロゲンランプＨＬが消灯して所定時間が経過し、半導体ウェハーＷが十分に降温した後、移載機構５の一対の移載アーム５１が上昇し、リフトピン５２が保持部７に保持されていた半導体ウェハーＷを突き上げて保持部７から離間させる。その後、搬送開口部６７が再び開放され、装置外部の搬送ロボットのハンドが搬送開口部６７からチャンバー６内に進入して半導体ウェハーＷの直下で停止する。続いて、移載アーム５１が下降することによって、半導体ウェハーＷがリフトピン５２から搬送ロボットに渡される。そして、半導体ウェハーＷを受け取った搬送ロボットのハンドがチャンバー６から退出することにより、半導体ウェハーＷがチャンバー６から搬出され、熱処理装置１における光照射加熱処理が完了する。

本実施形態においては、ハロゲンランプＨＬからの光照射加熱によって昇温した半導体ウェハーＷの表面から放射された赤外線を赤外線カメラ８０によって測定し、裏面から放射された赤外線をパイロメータ２０によって測定している。半導体ウェハーＷの裏面の放射率は既知であり、パイロメータ２０は半導体ウェハーＷの一部領域の裏面から放射された赤外線を受光して当該一部領域の温度を正確に測定する。

一方、赤外線カメラ８０は半導体ウェハーＷの全領域の表面から放射される赤外線を受光して当該赤外線の強度を測定する。パターン形成がなされている半導体ウェハーＷの表面の放射率は未知であるものの、パイロメータ２０によって測定された上記一部領域の温度と赤外線カメラ８０が測定した当該一部領域の赤外線強度とから当該一部領域の表面の放射率が算定される。そして、求められた半導体ウェハーＷの表面の放射率に基づいて、半導体ウェハーＷの全面の温度を算定している。

このように、本実施形態においては、放射率が既知である半導体ウェハーＷの裏面については正確な温度測定ができることと、裏面温度と表面温度とは等しいこととを利用して半導体ウェハーＷの表面の放射率を求め、その放射率と赤外線カメラ８０の測定結果とに基づいて半導体ウェハーＷの全面の温度を算定している。このことは言うなれば、パイロメータ２０による正確な温度測定結果に基づいて赤外線カメラ８０による測定に必要な半導体ウェハーＷの表面の放射率を補正することと同義である。このため、半導体ウェハーＷの表面にパターンが形成されて放射率が未知であったとしても、赤外線カメラ８０を用いて半導体ウェハーＷの全領域の温度を正確に測定することができる。

また、赤外線カメラ８０によって半導体ウェハーＷの全領域の温度を二次元的に測定しているため、局所的な温度分布の不均一をも検出し、その温度低下領域の温度補正を行うことができる。従って、半導体ウェハーＷの全面の温度分布を高精度にて均一化することが可能となる。

また、半導体ウェハーＷを回転させることなく、半導体ウェハーＷの全領域の温度を二次元的に測定することができるため、チャンバー６内部に回転機構を設ける必要がなく、熱処理装置１の構成が単純なものとなってチャンバー６の容量を小さくすることができる。また、チャンバー６内に回転機構が無ければ、回転機構からパーティクルが発生して熱処理空間６５を汚染することも防止される。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、この発明はその趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記実施形態においては、半導体ウェハーＷの表面にデバイス製造のためのパターンが形成されていたが、表面にパターンが形成されていない半導体ウェハーＷについても本発明に係る温度測定技術を適用して全領域の温度を正確に測定することができる。パターンが形成されていない場合、半導体ウェハーＷの表面の全域において放射率が均一であるとみなすことができるため、上記実施形態のように一部領域と同一パターンの領域に限らず、任意の領域の温度を算定することが可能である。

また、上記実施形態においては、半導体ウェハーＷの全領域の温度を算定するようにしていたが、これに限定されるものではなく、パイロメータ２０によって温度測定がなされる一部領域を完全に包含する任意のサイズの測定対象領域から放射される赤外線を赤外線カメラ８０によって受光してその強度を測定し、その測定結果から当該測定対象領域の温度を算定するようにしても良い。例えば、半導体ウェハーＷの半分の大きさの測定対象領域の温度を算定するようにしても良い。

また、ステップＳ６での温度補正専用の加熱部を設け、それによって温度低下領域を選択的に加熱するようにしても良い。このような温度補正専用の加熱部としては、例えば温度低下領域にレーザー光を照射する機構を用いることができる。

また、上記実施形態においては、チャンバー６の下方に光照射部４を設け、半導体ウェハーＷの裏面に光を照射して加熱するバックサイドアニールを行っていたが、チャンバー６の上方に光照射部４を設け、パターン形成がなされた半導体ウェハーＷの表面に光照射を行うようにしても良い。また、チャンバー６の下方にハロゲンランプＨＬを備えた光照射部４を設けるとともに、チャンバー６の上方にフラッシュランプを設けたフラッシュランプアニール装置に本発明に係る温度測定技術を適用するようにしても良い。さらには、半導体ウェハーＷの加熱は光照射に限定されるものではなく、高周波誘導加熱などの他の熱源によって加熱した半導体ウェハーＷの温度を本発明に係る温度測定技術によって測定するようにしても良い。

また、上記実施形態においては、赤外透過窓６３をシリコンにて形成していたが、これに限定されるものではなく、赤外線カメラ８０の検出波長域の赤外線を透過する素材であれば良く、例えばゲルマニウム（Ｇｅ）またはサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）にて形成するようにしても良い。もっとも、シリコンの円板は比較的容易に入手できるため、製造コストの観点からはシリコンを用いるのが好ましい。また、光照射部４からの光照射が外乱とならなければ、赤外透過窓６３を石英ガラスにて形成するようにしても良い。

また、赤外透過窓６３を空冷するの代えて、水冷によって冷却するようにしても良い。水冷によって赤外透過窓６３を冷却する場合にも、半導体ウェハーＷから放射された赤外線が透過する１５０℃以下に冷却する。

また、本発明に係る温度測定技術によって処理対象となる基板は半導体ウェハーに限定されるものではなく、液晶表示装置などのフラットパネルディスプレイに用いるガラス基板や太陽電池用の基板であっても良い。

１ 熱処理装置
３ 制御部
４ 光照射部
５ 移載機構
６ チャンバー
７ 保持部
２０ パイロメータ
３１ 放射率算定部
３２ 温度算定部
３３ 温度補正部
６３ 赤外透過窓
６４ 石英窓
６５ 熱処理空間
６９ 冷却部
８０ 赤外線カメラ
ＨＬ ハロゲンランプ
ＰＡ 一部領域
Ｗ 半導体ウェハー

Claims (4)

1. 基板の温度を測定する温度測定装置であって、
   前記基板の裏面の放射率は既知であり、前記基板の一部領域の裏面から放射される赤外線を受光して当該一部領域の温度を測定する放射温度計と、
   前記一部領域を含む前記基板の測定対象領域の表面から放射される赤外線を受光して当該赤外線の強度を測定する赤外線カメラと、
   前記放射温度計によって測定された前記一部領域の温度に基づいて、前記赤外線カメラが測定した前記一部領域の赤外線強度から前記一部領域の表面の放射率を算定する放射率算定部と、
   前記放射率算定部によって算定された表面の放射率に基づいて、前記赤外線カメラが測定した前記測定対象領域の赤外線強度から前記測定対象領域の温度を算定する温度算定部と、
   を備え、
   前記基板の表面にはパターンが形成され、
   前記温度算定部は、前記測定対象領域のうち前記一部領域の表面に形成されているパターンと同一のパターンが形成されている領域の温度を算定することを特徴とする温度測定装置。
2. 基板に熱処理を行う熱処理装置であって、
   基板を加熱する加熱部と、
   請求項１記載の温度測定装置と、
   を備えることを特徴とする熱処理装置。
3. 請求項２記載の熱処理装置において、
   前記温度測定装置によって測定された前記測定対象領域の温度に基づいて、前記測定対象領域のうち相対的に温度が低い領域を加熱するように前記加熱部を制御する温度補正部をさらに備えることを特徴とする熱処理装置。
4. 基板の温度を測定する温度測定方法であって、
   前記基板の裏面の放射率は既知であり、前記基板の一部領域の裏面から放射される赤外線を放射温度計によって受光して当該一部領域の温度を測定する温度測定工程と、
   前記一部領域を含む前記基板の測定対象領域の表面から放射される赤外線を赤外線カメラによって受光して当該赤外線の強度を測定する赤外線測定工程と、
   前記温度測定工程にて測定された前記一部領域の温度に基づいて、前記赤外線測定工程で測定された前記一部領域の赤外線強度から前記一部領域の表面の放射率を算定する放射率算定工程と、
   前記放射率算定工程にて算定された表面の放射率に基づいて、前記赤外線測定工程で測定された前記測定対象領域の赤外線強度から前記測定対象領域の温度を算定する温度算定工程と、
   を備え、
   前記基板の表面にはパターンが形成され、
   前記温度算定工程では、前記測定対象領域のうち前記一部領域の表面に形成されているパターンと同一のパターンが形成されている領域の温度を算定することを特徴とする温度測定方法。

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