JPH04130746A - ウエハ温度測定用の放射温度計およびウエハ温度測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は放射温度計に係わり、特にウエノ）を２００〜
４００℃に加熱して処理する装置（例えば、スパッタ装
置、プラズマＣＶＤ装置など）しこおいてウェハの温度
を測定するのに好適なウニ／）温度測定用の放射温度計
に関する。

〔従来の技術〕

半導体製造プロセスでは、ＬＳＩの高集積化に対応して
ウェハの処理温度をきめ細かく管理する要求が高まって
きた。本発明の主な適用対象装置であるスパッタ装置、
プラズマＣＶＤ装置は、０ずれもプラズマを利用した成
膜装置である。これらの装置を用いた成膜プロセスは、
ウエノ１温度しこよって大きく変化する。また、処理の
均一性、速さ、および膜の特性を支配しているのはウエ
ノ１の温度である。

ところが、従来、これらの装置では反応室（チャンバ）
内のウェハに近い部分、例えばウエノ）を保持する電極
やサセプタの温度を検知し、これに基づいて温度管理を
している。ウェハの温度と検知した温度との間にある一
定の相関関係があれば、正しいウェハ温度を推定するこ
とができ、温度の均一性を確保することも容易である。

しかし、ウェハ温度と検知した温度との関係は必ずしも
一義的とは限らない。このために、ウェハの温度を直接
測定することが必要である。

ウェハの温度を直接測定するには、■熱電対による測定
法、■蛍光温度計による測定法、■ウェハの抵抗率より
求める測定法、■放射温度計による測定法などがある。

まず、熱電対による測定法は、特開昭６３−２２７０１
３号公報に示されているように、熱電対をウェハの背面
（プラズマで処理されるのと反対の面）に接触させてウ
ェハの温度を測定する方法である。しかし、この方法で
はウェハが真空中におかれているため、非破壊的に熱電
対とウェハの熱接触を良好に保つことが非常に難しく（
接触熱抵抗が大きい）、また、プラズマを発生させるた
めウェハには高電圧が印加されており、熱電対とウェハ
の絶縁性を確保することも困難である。

また、蛍光温度計による測定方法としては接触式と非接
触式の２つがある。非接触式はウェハに蛍光塗料を塗布
する必要があり、ウェハが汚染されるため実際の製品を
対象とした測定に適用できない。これに対し、接触式で
は熱電対の場合と同様にウェハの背面に接触プローブを
押し当てて測定するため、真空中での接触熱抵抗を低減
することが重要になる。０〜２００℃で使用される接触
プローブには接触熱抵抗が小さくなるように考慮された
ものもあるが、２００〜４００℃で使用される接触プロ
ーブには、真空中での良好な熱接触が得られるような構
造になっているものはない。

このため、蛍光温度計はエツチング装置（処理温度は２
００”Ｃ以下）には適用可能であるが、スパッタ装置や
、ＣＶＤ装置には適用できない。

次に、ウェハの抵抗率より求める測定法は、特開昭６３
−２８０４５号公報や特開昭６３−１８８９４９号公報
に示されているが、この測定法では、ウェハにドーピン
グされた不純物濃度によって抵抗率が変化するため、こ
の影響を受けて２００〜３００℃以下での測定は不可能
である。また、ウェハに印加された高周波やμ波の影響
を受けるため抵抗率を正確に測定することは難しい。こ
のため、スパッタ装置用の温度測定には適していない。

最後に放射温度計による測定法は、ウェハ表面から放射
される赤外線の強度からウェハの温度を測定する方法で
ある。この測定法では非接触で測定が可能であるためウ
ェハを汚染する心配がなく。

半導体製造プロセスにおけるウェハ温度測定用としての
有用性が大きい。このため、スパッタ装置、ＣＶＤ装置
内のウェハ温度測定を対象とした場合、前記の３つの測
定法に比べて放射温度計による測定法が最適である。

従来、スパッタ装置ではウェハを保持する電極に貫通孔
をあけ、ウェハの裏面（プラズマで処理されない面）か
ら放射された赤外線を、この電極にあけた穴を通して放
射温度計に取り込み、温度を測定している例がある。裏
面から測定するのは、ウェハの表面側にあるプラズマか
ら放射される赤外線が測定誤差の大きな要因になるから
である。

ところで、放射温度計は基板から照射される赤外線の強
度を測定して温度を求めるものであり。

測定温度によって検出素子に入射する赤外線の強度が適
切になるように、測定波長が選択されている。現在、最
も一般的に用いられる放射温度計の種類と測定波長およ
び測定温度範囲は以下の通りである。

（１）シリコン放射温度計 測定波長二０．５〜１．２μｍ 測定温度：４００℃以上 （２）Ｐｂｓ放射温度計 測定波長：１〜３μｍ 測定温度＝１５０〜１０００”Ｃ （３）サーモバイル・ボロメータ放射温度計測定波長：
２〜２０μｍ 測定温度：室温〜１０００℃ （４）ＩｎＳｂ−ＨｇＣｄＴｅ放射温度計測定波長：５
〜１５μｍ 測定温度：室温〜１０００℃ これによれば、２００〜４００℃に加熱されたウェハの
温度を、従来の放射温度計を用いて測定するには１μｍ
以上の測定波長を有するものを選定する必要がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、第８図に示すように１μｍ以上の波長で
はシリコンウェハが半透明となる（シリコンの室温にお
けるバンドギャップは約１．ｏ９ｅＶであり、これに対
応する吸収波長端が約１．２μｍとなる）。この波長域
ではプラズマから放射された赤外線がシリコンウェハを
透過してくるため、ウェハの背面から測定してもプラズ
マの影響を排除することができない。

また、第９図に示すようにウェハの放射率（透過率、反
射率）は温度とともに変化する。さらに。

ウェハ表面に薄膜が形成された場合の波長１０μｍにお
ける放射率、反射率、透過率は第１０図〜第１３図のよ
うになり、処理に伴って薄膜の厚さが変化すると、薄膜
内での赤外線の干渉効果により放射率、反射率、透過率
が変化し、正確な温度測定が難しいという問題がある。

本発明の目的は、プラズマの影響を最／ｈ限にすること
により、ウェハ表面の温度を高精度に測定することがで
きるウェハ温度測定用の放射温度計を提供することであ
る。

また、本発明の他の目的は、ウェハの放射率の変化を補
正することにより、ウェハ表面の温度を高精度に測定す
ることができるウェハ温度測定用の放射温度計を提供す
ることである。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明の放射温度計は、ウ
ェハ表面から放射される赤外線を一端面側で受光して他
端面側に伝達する導光体と、該導光体の他端面側に設け
られ、前記赤外線のうちウェハを透過しない波長の赤外
線のみを通過させる光学フィルタと、該光学フィルタを
通過した赤外線を取り込んで、その赤外線の強度を検出
するとともに、その検出結果から前記ウェハの表面温度
を算出する算出手段と、を具備したものである。

また、本発明の放射温度計は、ウェハ表面に赤外線を照
射する照射手段と、前記ウェハ表面で反射した赤外線を
一端面側で受光して他端面側に伝達する導光体と、該導
光体の他端面側に設けられ、前記赤外線のうちウェハを
透過しない波長の赤外線のみを通過させる光学フィルタ
と、該光学フィルタを通過した赤外線と前記照射手段か
ら照射された赤外線の強度を比較し、その比較結果から
前記ウェハ表面での放射率を算出する算出手段と、を具
備したものである。

また、本発明は、上記放射温度計をシリコンウェハ用薄
膜形成装置やランプアニール装置に搭載したことである
。

また、本発明の石英棒は、ウェハ表面から放射される赤
外線の波長以下に外表面の面粗さが調整された円形断面
のものである。

さらに、本発明のウェハ温度測定方法は、ウェハ表面か
ら放射される赤外線を導光体の一端面側で受光し、その
受光した赤外線を導光体側面での全反射を利用して他端
面側まで伝達し、さらに光学フィルタを通して前記赤外
線の中からウェハを透過しない波長の赤外線のみを選別
し、その選別した赤外線の強度から前記ウェハの表面温
度を測定するようにしたことである。

〔作用〕

上記構成によれば、測定面であるウェハの背面に、導光
体の一端面を１〜２ｍ程度に近接させて配置すると、ウ
ェハ背面から放射された赤外線は導光体の一端面から導
光体内部に入射し、導光体の内部側壁で反射して導光体
の他端面側まで伝播する。そして、導光体を伝播してき
た赤外線は光学フィルタを通過するとき、ウェハを透過
しない波長のものだけに選別される。算出手段では、そ
の選別された赤外線を取り込んで赤外線の強度を検出す
るとともに、その検出結果からウェハの表面温度を算出
する。

また、ウェハの表面温度を測定する一方で、測定波長と
ほぼ同一波長の赤外線を照射手段からウェハ表面に照射
すると、その照射した赤外線のウェハ表面での放射率を
知ることができ、この結果から放射率補正を行いウェハ
表面の正確な温度を算出することができる。

さらに上記構成によれば、従来の放射温度計に比べて受
光する赤外線の強度が大きくなり、２０Ｏ度以下のシリ
コンウェハから放出される赤外線（ウェハを透過しない
波長）の強度でも安定して測定できる。したがって、ス
パッタ装置やＣＶＤ装置などで、シリコンウェハが不透
明な波長でウェハの放射温度測定が可能になり、ウェハ
背面から測定することでプラズマの発光による影響を排
除できる。

〔実施例〕

以下に本発明の一実施例を図面に従って説明する。

第１図は本発明に係る放射温度計の全体構成を示してい
る。放射温度計１は１石英丸棒２、干渉フィルタ３、赤
外線検出器（Ｓｉフォトダイオード）４、石英丸棒２の
外側に配設されたシース管５、アンプ６、演算器７から
構成されている。干渉フィルタ３の代りに色ガラスフィ
ルタを、赤外線検出器４としてＳｉフォトダイオードの
代りにフォトマルを用いる時もある。そして、測定面８
の温度を測る場合は、石英丸棒２の先端（受光面）２ａ
を測定面８から１〜２閣離れた位置にくるように配置す
る、そうすると、測定面８から放出された赤外線は受光
面２から石英丸棒２内に入り、側壁２ｂで全反射しなが
ら他の端２ｃまで伝播する。シース管５は石英丸棒２の
側面から入射してくる赤外線を遮断し、その影響を除く
役目をする。

伝えられた赤外線のうちウェハを透過しない波長のもの
は干渉フィルタ３を透過した後、赤外検出器４に入射し
て、その強度に比例した電流が生じ、アンプ６で増幅さ
れ（電圧信号に変換される）、演算器７によって温度値
に換算される。

第２図に本発明による放射温度計１の出力電圧を算出し
た結果を示す、計算条件は以下の通りである。

（１）受光面２ａと測定面８との距離を１腸１石英丸棒
２の直径を５糊とする（この場合、測定面積は丸棒２の
直径と同じ直径５ｍの円形と仮定する）。

（２）受光面２ａの開口数は１以上であり（石英の屈折
率は約１．４５ａｔ０，９μｍ）で、受光面２ａに到達
した赤外線は全て取り込まれる（表面での反射を除く、
表面での反射は０．１と仮定する）。

（３）　　干渉フィルタ３は厚さ５ＩＩＩ１１、透過率
０．５、中心波長９００ｎｍ、半値幅１１００ｎとする
。

（４）検出器４は受光面が直径１０ｍ１、石英丸棒２の
端面２ｃとの距離を１０ｍｎ、窓材の表面における反射
損失を０．１と仮定する。

（５）赤外線検出器４の感度を０．５Ａ／Ｗ、アンプ６
の増幅率を１０″とする。

以上の条件では、２００℃における放射温度計１の出力
電圧は約５ｍＶを確保することができる。

放射温度計１の測定下限温度はアンプ６の雑音特性によ
って決まる。Ｓｉフォトダイオード用のアンプの雑音レ
ベルは０．１ｍＶ程度であり、測定値のばらつきを±２
〜３℃許容するとして測定下限温度を推定すれば約１８
０℃となる。

第３図は本発明の他の実施例を示している。本実施例で
は、導光体として石英丸棒２の代わりに金属パイプ２′
が使用されている。金属パイプ２゛の断面形状はどのよ
うな形でもよいが、赤外線の反射率を高くするには内面
が滑らかに仕上げられた円形のものが好ましい。また、
素材金属としてはアルミなどの赤外線をよく反射する性
質のものが適している。あるいは、内面にアルミや金の
反射膜を形成してもよい。

本実施例によれば１石英丸棒を省くことができるので、
構成が簡単になり、製作が容易となる。

第４図は本発明の更に他の実施例を示している。

本実施例は、測定面８の反射率を測定して放射率を推定
し、その補正を可能とした例である。赤外光源として発
光中心波長が９００ｎｍのＬＥＤｌｌを用い、これをＬ
ＥＤ輛動回動回路１２０Ｈｚ程度の周波数で断続的に点
滅させ、その光をレンズ１３で光ファイバ１４に入射さ
せる。光ファイバ１４から出た赤外線をレンズ１５でコ
リメートし、更に絞り１６を通して絞り込み、ブラケッ
ト１７に取り付けた反射ミラー１８に入れる。

反射ミラー１８の形状は、第５図に示すように。

石英からなる角棒の一端面側が４５度の角度で切断され
ており、端面１８ａから入射したコリメート光は角棒の
中央部を進み切断面１８ｂで反射し、光路が石英丸棒２
の中心軸と一致するように出射部１８ｃから８射して、
石英丸棒２に入射する。

石英丸棒２に入射した光は受光面２ａを通し測定面８に
照射する。このうち一部は測定面８で反射されるが、こ
の反射された赤外線を受光面２ａから取り込んで石英丸
棒２内部を伝え、測定面８自体から放射される赤外線と
ともに干渉フィルタ３を通して赤外線検出器４で測定す
る。照射した光の強度と反射した光の強度の比から測定
面８の反射率を演算器７で求める。また、演算器７では
測定面８が測定波長において不透明（透過率がゼロ）と
して、反射率から放射率を求め、アンプ６の出力信号を
温度に変換する際に補正を加える。この場合、測定面８
が拡散反射的な性質を示したとしても、受光面２ａが測
定面８に近接し、その開口数が１以上であることから、
拡散的に反射した光のほぼ全部を集めて測定できる。こ
れにより１反射率ひいては放射率の測定誤差が低減でき
、温度測定の精度がよくなる。なお、前記の反射ミラー
１８を取付けるブラケット１７の分だけ、石英丸棒２の
端面２ｃと赤外線検出器４の間隔が広くなり、また反射
ミラー１８によって光路が遮られるので、測定面８自体
から放射された赤外線の内でかなりの部分が集光できな
くなる恐れがある。そこで、反射ミラー１８の大きさは
石英丸棒２の直径の数分の一以下にし、反射ミラー１８
を通してブラケット１７の外に逃げる量を少なくする必
要がある。また、ブラケット１７はアルミなどで製作し
、反射率が高くなるように内面を鏡面に仕上げ、赤外線
の吸収を低減させる必要もある。

第６図は本発明の放射温度計を適用したスパッタ装置の
反応室の概略構造を示している。チャンバ２１内に平行
平板式の電極２２．２３が配置されている。ウェハ２４
は電極２２側に、ターゲット２５はもう一方の電極２３
側にそれぞれ取り付けられている。チャンバ２１の内部
を真空ポンプ２６で約１〜Ｉ　Ｘ　１０−４　Ｔ　ｏ　
ｒ　ｒの真空に減圧しながら、処理ガス２７を一定の割
合で導入すると、高周波を印加した電極２２．２３間に
発生したプラズマ２８中のイオンによってスパッタされ
たターゲット２５の原子が、対向したウェハ２４の表面
に付着して膜２９が生成される。ウェハ２４は電極２３
に設けられたヒータ３ｏで約２００℃〜４００℃に加熱
する。そして、電極２２にはウェハ２４の背面から放射
される赤外線を取り込むための貫通穴３１が開けられて
おり、この下に放射温度計１が設置されている。

第７図は本発明の放射温度計をランプアニール装置に適
用した一例を示している。図において、石英からなる反
応管４０内のホルダー４１上にウェハ２４は載置されて
、反応管４０の上壁４０ａ。

下壁４０ｂに設置されたランプ４２．４３によって加熱
される。下壁４０ｂの中央部には貫通孔４０ｃが開けら
れ、放射温度計１が貫通穴４０ｃを介して反応管４０内
に挿入され、ウェハ２４の下方に配置される。ただし、
シース管５は耐熱性を考慮してＳｉＣ製とする。ランプ
４２．４３によってシース管５も温度が上昇するが、最
高でもウェハ２４と同じ程度の温度にしかならないので
、シース管５から放射された赤外線が石英丸棒２の側面
２ａから入り込む量はほとんど無視できる。

このため、ウェハ２４の裏面が拡散反射的性質を持つ場
合でも、ランプ４２．４３の放射する赤外線の影響を受
けることなく正確に温度を測定することができる。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、本発明によれば、光学フィルタを
用いて測定波長をウェハを透過しない波長に限定したこ
とにより、プラズマの影響を最小限に押えることができ
、ウェハ表面の温度測定の精度が向上する。

また、測定波長とほぼ同一波長の赤外線を照射できる放
射温度計を用いて、約２００℃付近の温度からウェハの
温度を精度よく測定できる。

さらに、ランプアニール装置などにおけるウェハの背面
を放射温度計を用いて温度測定するに際し、従来問題と
なったランプの光がウェハ裏面で拡散的に反射して生ず
る測定誤差を大幅に低減することができる。

またさらに、本発明の放射温度計を用いて処理中のウェ
ハ温度を直接測定することにより、従来に比べ処理温度
の管理が容易になり、ひいてはＬＳＩプロセスの歩留り
向上に寄与する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の放射温度計の一実施例を示す全体構成
図、第２図は本発明による放射温度計の出力電圧を算出
した結果を示す図、第３図は本発明の放射温度計の他実
施例を示す全体構成図、第４図は本発明の放射温度計の
更に他の実施例を示す全体構成図、第５図は反射ミラー
１８の形状を示す斜視図、第６図は本発明の放射温度計
を適用したスパッタ装置の反応室の概略構成図、第７図
は本発明の放射温度計を適用したランプアニール装置の
概略構成図、第８図はシリコンウェハの透過率を示す線
図、第９図はシリコンウェハの放射率を示す線図、第１
０図と第１１図はウェハ表面に形成された酸化膜の膜厚
によってウェハの放射率、反射率および透過率が変化す
る様子を示す説明図、第１２図と第１３図はウェハ表面
に形成されたＡＱ膜の膜厚によってウェハの放射率、反
射率および透過率が変化する様子を示す説明図である。 １・・・放射温度計、２・・・石英丸棒、２′・・・金
属管、３・・・干渉フィルタ、４・・・赤外線検出器、
５・・・シース管、６・・・アンプ、７・・・演算器、
８・・・測定面、１１・・・赤外ＬＥＤ、１２・・・Ｌ
ＥＤ駆動回路、１３・・・レンズ、１４・・・光ファイ
バ、１５・・・レンズ、１６・・・絞り、１７・・・ブ
ラケット、１８・・・反射ミラー２１・・・チャンバ、
２２・・・電極、２３・・・電極、２４・・・ウェハ、
２５・・・ターゲット、２６・・・真空ポンプ、２７・
・・処理ガス、２８・・・プラズマ、２９・・・薄膜、
３ｏ・・・ヒータ、３１・・・貫通穴、４０・・・反応
管、４１・・・ホルダー、４２，４３・・・赤外線ラン
プ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ウェハ表面から放射される赤外線を一端面側で受光
   して他端面側に伝達する導光体と、該導光体の他端面側
   に設けられ、前記赤外線のうちウェハを透過しない波長
   の赤外線のみを通過させる光学フィルタと、該光学フィ
   ルタを通過した赤外線を取り込んで、その赤外線の強度
   を検出するとともに、その検出結果から前記ウェハの表
   面温度を算出する算出手段と、を具備するウェハ温度測
   定用の放射温度計。 ２、ウェハ表面に赤外線を照射する照射手段と、前記ウ
   ェハ表面で反射した赤外線を一端面側で受光して他端面
   側に伝達する導光体と、該導光体の他端面側に設けられ
   、前記赤外線のうちウェハを透過しない波長の赤外線の
   みを通過させる光学フィルタと、該光学フィルタを通過
   した赤外線と前記照射手段から照射された赤外線の強度
   を比較し、その比較結果から前記ウェハ表面での放射率
   を算出する算出手段と、を具備するウェハ温度測定用の
   放射温度計。 ３、請求項１又は２記載の放射温度計において、前記導
   光体は、赤外線を透過する材質で構成され、断面形状が
   円形をなしていることを特徴とするウェハ温度測定用の
   放射温度計。 ４、請求項１又は２記載の放射温度計において、前記導
   光体は、内面が鏡面状に仕上げられた金属パイプである
   ことを特徴とするウェハ温度測定用の放射温度計。 ５、請求項１〜４のいずれかに記載の放射温度計が、ウ
   ェハの薄膜を形成する側と反対側に対向配置されたシリ
   コンウェハ用薄膜形成装置。 ６、請求項１〜４のいずれかに記載の放射温度計が、ウ
   ェハ表面に接近して対向配置されたランプアニール装置
   。 ７、請求項６記載のランプアニール装置において、処理
   中のウェハの温度を前記放射温度計で測定し、その測定
   結果に基づいてランプの発熱量を制御する制御手段を設
   けたことを特徴とするランプアニール装置。 ８、ウェハ表面から放射される赤外線の波長以下に外表
   面の面粗さが調整された円形断面の石英棒。 ９、請求項８記載の石英棒において、 赤外線を受光する端面の面積が赤外線を放出する端面の
   面積よりも大きく形成されていることを特徴とする石英
   棒。 １０、ウェハ表面から放射される赤外線を導光体の一端
   面側で受光し、その受光した赤外線を導光体側面での全
   反射を利用して他端面側まで伝達し、さらに光学フィル
   タを通して前記赤外線の中からウェハを透過しない波長
   の赤外線のみを選別し、その選別した赤外線の強度から
   前記ウェハの表面温度を測定するウェハ温度測定方法。