JPH04204023A - ランプアニール装置 - 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〕 本発明は半導体製造プロセスにおいて酸化や不純物拡散
、アニールに利用されるランプアニール装置に係り、特
に、ウェハの温度を精密に制御するための不可欠なウェ
ハの放射温度測定構造に関する。

〔従来の技術〕

半導体ウェハの熱処理装置は、ＬＳＩの高集積化による
微細加工の必要性から、熱処理の短時間化とウェハ温度
の均一化が望まれている。それに対応して、従来熱処理
に使用されていたバッチ式処理装置に代わり、ウェハを
一枚ごとに処理する枚葉式処理装置が主流になりつつあ
る。その代表的な装置がランプアニール装置である。ハ
ロゲンランプやアークランプ光源を用いて急速にウェハ
を加熱し、短時間で処理を行うことができる。

ところで、これらの装置では処理温度の均一化を図るた
めにランプの発熱量を適正に制御する必要がある。ウェ
ハの温度を検知して、フィードバック制御するのが望ま
しい。そのためには、ウェハの温度を精度良く測定する
技術が必要になる。

放射温度計を用いてウェハの温度を測定するものが実用
化されているが、測定精度が不十分なためウェハの温度
を均一にすることが難しいという問題があった。ランプ
アニール装置で放射温度計を用いてウェハの温度の測定
する場合の問題は、■ランプの放射光が放射温度計に入
射するための測定誤差、■異なる放射率のウェハに対す
る測定誤差の二点である。これらの問題を解決するため
の従来技術は、例えば、電子材料１９９０年３月号、あ
るいは特開平１−２９６６１７号、特開昭６０−１３１
４３０号公報に開示されている。

以下、この従来技術を図を用いて説明する。第６図は従
来のランプアニール装置の概略構造を示す断面図である
。ランプ１（ハロゲンランプ、あるいは、アークランプ
）に対面して支持治具６の上にウェハ４を配置し、石英
窓３を介してランプ１の放射光でウェハ４を加熱する。

ランプ１の背後に水冷した反射板２を設け、ランプ１の
直接光に加え反射光でもウェハ４を加熱する。反射板の
２の形状を工夫してウェハ４に照射する射光の強度分布
を変え、ウェハ４の面内温度分布を低減している。ウェ
ハ４の温度を測定するためにチャンバ５の一部分に赤外
線透過窓７を設け、その外側に放射温度計８を設置する
。放射温度計８はウェハ４が放射する赤外線を捕らえて
ウェハ４の温度を測定する。この場合、放射温度計８が
ランプ１の放射光を捕らえれば非常に大きな測定誤差が
生じる。これはランプ１がウェハ４よりかなり高温にな
ってるからである（例えば１５００〜２００りし、ウェ
ハは約１０００℃）。また、ウェハ４の表面状態によっ
て放射率が異なるので、放射温度計８の測定値に適正な
補正を加えなければならない。

まず、前者の問題に従来技術がどのように対処している
かを説明する。ランプ１から放射された光のうち０．４
〜４μｍの波長のものは石英窓３を透過してウェハ４に
照射されたウェハ４を加熱する。波長４μｍ〜の赤外線
は石英窓３に吸収される。石英窓３は吸収した赤外線の
熱エネルギによって温度が上昇しないように空冷し、温
度を低く保つ（たとえば、５００℃以下）このため、放
射温度計８が石英窓３を透過しない波長を捕らえて測定
する物であれば、ランプ１の放射光の影響は受けない。

特開昭６０−１３１４３０号公報は正にこの方法でラン
プ１の放射光の影響を排除することを特徴とした発明で
ある。特開平１−２９６６１７号公報に示す例では、こ
の石英窓３を二重にすることによって石英窓３の冷却を
容易にするとともに、上記の効果がより顕著になるよう
に工夫されている。

また、電子材料１９９０年３月号に示された例では、ラ
ンプ１にアークランプを用いているので、２μｍ〜の波
長をほとんど放射しない。このため、測定波長を３μｍ
にしても問題ない。このように、従来技術では基本的に
ランプの放射光と異なる波長の、従って３〜４μｍ以上
の波長で測定する放射温度計を使用することでランプの
影響を受けないようにしている。

次に、後者のウェハ放射率の問題は、電子材料１９９０
年３月号の文献に説明されている。放射温度計の測定波
長が３μｍなので、第７図に示すようにウェハ放射率は
温度依存性を考慮しなければならない。このため、内部
に熱電対を埋め込んだ基準ウェハを用いて、温度と放射
率の関係を求め、これに基づいて放射温度計の測定値を
補正する。また、処理前にウェハの反射率を測定して放
射率を推定し、どんな種類の膜が付いたウェハでも正し
い測定値が得られるように補正を行っている。

〔発明が解決しようとする課題〕

以上で説明した従来技術の問題は次の点にある。

まず、第一は石英窓が赤外線を透過しない波長を選ぶた
めに、放射温度計の測定波長が１μｍ以上になる点であ
る。先に述へたように、ウェハの放射率はこの波長域で
は温度とともに変化する。

このため、電子材料１９９０年３月号の文献に示された
従来技術では、ウェハ温度と放射率の関係を求めておく
必要があった。しがし、仮に基準ウェハを用いて温度と
放射率の関係を求めたとしても、実際表面に種々の膜が
形成されたウェハにその関係があてはまるとは限らない
。むしろあてはまらない場合の方が多い。なぜならば、
表面に形成した多結晶シリコン、ＳｉＯ２ＨＳ　ｘ３”
４Ｔ　Ｗなどの膜の放射率が、ウェハと同じ温度依存性
を示すことがないからである。従って、１μｍ以上の測
定波長の放射温度計を使用する限りは、放射率の補正を
精度良く行うことは不可能である。

第二に、反射′率の測定からウェハの放射率を求める方
法に関する問題である。すなわち、１μｍ以上の波長で
は室温でウェハが赤外線を透過するため、反射率を測定
してもウェハの放射率は求まらない点について考慮され
ていない。第一の問題点と合わせて考えると、ウェハの
放射率を処理の前ではなく処理中に温度測定と同時に実
施する必要がある。しかし、これは次に述べる問題のた
め不可能である。

第三には、ウェハ反射率を測定する場合に、測定するウ
ェハの表面が必ずしも滑らかとは限らないという点を考
慮していないという問題がある。

一般に、ウェハの片面はパターンを形成する側と異なり
、滑らかに研磨されていない。その面粗さは１〜２μｍ
程度である。第８図に示すように、滑らかな面の反射率
を測定するのは容易であるが、拡散的な反射性質を示す
面の反射率の測定は難しい。すなわち、積分球を用いな
ければならないからである。積分球は内面がアルミ、金
などの反射率の高い金属をコーティングした半球面鏡、
放物面鏡、楕円面鏡等が使用される。このため、ウェハ
を熱処理している最中に反射率の測定をすることはでき
ない。また、仮にパターンを形成する面で温度測定する
としても、プロセスの初期でパターンが比較的単純な状
態のウェハと、プロセスの終わりの方で複雑なパターン
が付いたウェハとては面の粗さは異なる。したがって、
この場合でも反射率の測定に影響があることは容易に想
像される。

本発明の目的は以上に述べた問題点を解決することにあ
る。

〔課題を解決するための手段〕

上記の問題を解決するために、本発明はウェハの放射率
が温度によって変化しない波長（１μｍ以上）の放射温
度計を用いる。しかし、その場合、石英窓がランプ放射
光をさえぎるフィルタの役目を果たさなくなる。そこで
、ウェハの温度を測定する側（ランプで加熱されない側
）にランプの放射光が回り込まないような遮蔽構造を設
け、かつ、ウェハの反射率を熱処理前に測定する手段と
じて積分球を用いた機構を設けることにより、その問題
を解決する。

〔作用〕

ウェハの放射率が温度によって変化しないので、波長で
測定する放射温度計を用いてウェハの温度を測定すれば
、ウェハの放射率を処理前に測定しておいて、その放射
率を用いて処理中の温度測定値を補正することができる
。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を詳細に説明する。

第１図は本発明を適用したランプアニール装置である。

円筒状のランプ１（ハロゲンランプあるいはアークラン
プ）に対面してシリコン製あるいはＳｉＣ製の支持治具
６の上にウェハ４を配置し、石英窓３を介してランプ１
の放射光でウェハ４を加熱する。ランプ１の背後に水冷
あるいは空冷反射板２を設け、直接光に加え反射光でウ
ェハ４を加熱する。反射板２は断面が半円、半楕円、放
物線のものなどを使用する。ウェハ４の温度を測定する
ためにチャンバ５の一部に赤外線透過窓７を設け、その
外側に放射温度計８を設置する。放射温度計８はウェハ
４が放射する赤外線を捕らえてウェハ４の温度を測定す
る。赤外線透過窓７は石英あるいはサファイア等の素材
を加工して用いる。

放射温度計８はシリコンフォトダイオードを検出器とし
、干渉フィルタによって測定する波長を１μｍ以下に限
定する。

次に、支持治具６を含めたランプ１の放射光を遮蔽する
手段について第２図で説明する。支持治具６はウェハ４
の端部が少しずつ、例えば、２ａｎ程度接触するように
ドーナツ状に切り抜いた円板６−１と、これを支える円
筒６−２からなる。円板６−１の厚さはウェハと概略同
じにする。例えば、φ１００ｍｍのウェハであれば約０
．５ｚ＋ｍ　に、φ１５０ｍｍ、φ２００ｍｏ＋のウェ
ハであれば約０．７ｍにすればよい。その理由は、円板
６−１が厚くて熱容量が大きいとウェハ４に比べて温度
上昇が遅くなり、ウェハ４の円板６−１に接触する部分
の温度が中央に比べて低くなるからである。これらの円
板６−１２円筒６−２はウェハ４が熱処理中に汚染され
ないようにシリコン、あるいは、ＳｉＣで製作する。放
射温度計８の測定波長である１μｍ以下の領域で、これ
らの材料は不透明であるから、ランプ１の放射光はウェ
ハ４の裏面側に回り込まない。円板は第３図に示す６−
１’　。

６−１’　、６−１″のような形状をしていてもよい。

この場合、第２図のように円板６−１と円筒６−２のす
きまから放射光がウェハ４の裏面側に漏れることが少な
くなる。また、第４図に示すように、円筒６−２′の端
面に溝をつけるのも同様の効果がある。

ウェハ４の放射率を測定する方法について説明する。１
μｍ以下の波長を測定する放射温度計を用いるので、ウ
ェハ４は不透明である。よって、反射率を測定すれば放
射率が求まる。第５図は予備室１ｏでウェハ４の反射率
を熱処理前に測定するための構成を示す図である。ウェ
ハ４はハロゲンランプ１１の光をレンズ１２および干渉
フィルタ１３を通して光ファイバ１４の一端１４−１か
ら取り込み、他端１４−２から出た光をレンズ１５で平
行光になおしてウェハ４照射する。干渉フィルタ１３は
放射温度計８に使用するものと同じ特性とする。ウェハ
４の裏面は拡散的な反射をする。このため、積分球によ
り指向性入射−半球反射の分光反射率を測定する。ウェ
ハ４の裏面で反射した光を全て検出器１６に取り込むた
めに。

ウェハ４の光を照射する部分に半球面鏡１７が取付けら
れる。゛半球面鏡の代わりに放物面鏡、あるいは、楕円
面鏡等を用いてもよい。ウェハ４に光を照射するために
半球面鏡１７の天頂部付近に開口１７−１が設けられる
。また、半球面鏡１７の同じく天頂部付近に取り付けた
検出器１６で、半球面鏡１７の内部で繰返し反射した光
の強度を測定する。検出器１６は反射率が既知の試料を
用いて入射させた光の強度と検出器１６が捕られる光の
強度との関係を予め求めておく。この方法でウェハ４の
裏面の正確な反射率が測定でき、放射率を正確に求めら
れる。従って、いかなる工程のウェハでも、その表面状
態によって放射温度計の測定値が影響を受けないから、
高精度にランプの発熱量を制御することができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ランプアニール装置において、ウェハ
の表面状態が変化することによって放射温度計の測定に
誤差が生じるという問題を解決できる。また、ランプの
放射する光の影響を受けてウェハの温度測定に大きな測
定誤差が生しるという問題を解決できる。これによって
、ウェハの温度測定の誤差を低減し、発熱量をきめ細か
く制御することができるので、熱処理の均一性が向上し
ＬＳＩ生産の歩留り向上につながる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用したランプアニール装置の断面図
、第２図、第３図、第４図は本発明によるランプの放射
光を遮断するウェハ支持治具の説明図、第５図はウェハ
の反射率の測定手段を示す説明図、第６図は従来のラン
プアニール装置の説明図、第７図はシリコンウェハ放射
率の温度依存性の特性図、第８図は反射率の測定法の説
明図である。 １・・・ランプ、２・・・反射板、３・・・石英窓、４
・・・ウェハ、５・・・チャンバ、６・・・支持治具、
７・・・赤外線透過窓、８・・放射温度計、９・・ファ
ン、１ｏ・・予備処理室、１１・・・ハロゲンランプ、
１２・・・レンズ、１３・・干渉フィルタ、１４・・・
光ファイバ、１５・・・レンズ、１６　・検出器、１７
・・・半球面鏡（積分球）、４−７エへ　　　　　　３
−へ１温１訂第Ｚａ １Ｂ　　は） （−＆） （Ｃ） 第　３の 第ｔ＋　固 （−ｅＡ） ”　　茅　５の １３−ｆ季フィルタ　　　　　　　１７−千味°面１も
第　６の ９−ファン 第ｑ　口 高純度、５１゛単劫晶り分り枝射牽、と浪線（）叉叫ｊ
″千っシ只・」定力・う討′暑−１−・ζ取゛島たイ直
）第　８０ （久） （森） １’１ 粗（・↑Ｌ双面つ坊口 １δ−尤凍

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ウェハを加熱するためのランプと、前記ランプの発
   熱量を制御する手段と、前記ウェハの温度を測定するた
   めの放射温度計を備えたランプアニール装置において、 前記ウェハの放射率が温度によって変化しない波長で測
   定する放射温度計と、前記ランプの放射する光がウェハ
   の放射温度計で測定する面に照射されないようにするた
   めの遮蔽手段とを設けたことを特徴とするランプアニー
   ル装置。