JPH05264356A - 正確な温度測定の方法および装置 - Google Patents

正確な温度測定の方法および装置

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JPH05264356A
JPH05264356A JP4293573A JP29357392A JPH05264356A JP H05264356 A JPH05264356 A JP H05264356A JP 4293573 A JP4293573 A JP 4293573A JP 29357392 A JP29357392 A JP 29357392A JP H05264356 A JPH05264356 A JP H05264356A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 ウェハのような第１物体の温度を、加熱ラン
プのような第２放射物体の存在下において正確に測定す
る。 【構成】 加熱ランプ１１８はウェハ１１２を加熱する
ためのもので、これらの双方が放射を発射する。第１検
出器１２０がこの放射を検出する。第２検出器１２２が
加熱ランプ１１８のみからの放射を検出する。変調源１
２６が、ランプ１１８を選択された変調深度ＭL で変調
して、ランプ１１８の温度が選択された交流変調に従っ
て変化し、ウェハ１１２の温度が実質的に一定に保たれ
るようにする。ランプから発射され第１検出器により集
められた放射の割合（ランプの干渉信号）をランプの変
調に基づいて決定し、次にウェハ１１２の正確な温度を
計算する回路が備えられている。他の装置および方法も
開示される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般的にマイクロエレ
クトロニクスおよび半導体デバイスの製造の分野に関
し、特に、改良された高温測定（ｐｙｒｏｍｅｔｒｙ）
に基づくリアルタイム温度測定の方法および装置に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】正確な温度測定および制御の要求は、低
圧化学蒸着、エピタキシャル成長、熱酸化、シリサイド
の形成、およびシンタなどの最近の半導体デバイスの製
造工程においては、極めて重要である。着目すべき多く
の熱的工程の１つは、高速熱処理（ＲＴＰ）である。ウ
ェハの温度および温度分布の一様性をリアルタイムで監
視し、制御することは、信頼性のあるＲＴＰ製造工程の
制御の重要部分をなしている。
【０００３】温度測定の１つの方法は、熱電対を試料の
表面に接触させて温度を計ることである。他の接触測温
技術では、燐光センサが利用される。しかし、標準的な
接触測温法は、そのわけは、接触点において半導体材料
の金属汚染を引き起こし、その汚染物がウェハ中に拡散
することが起こりうるので、不適当である。また、熱電
対を取付けると、入来放射に対してウェハに「かげ」を
作り、ウェハの温度を乱すことになる。さらに、熱電対
は、高温のシリコンウェハと接触した場合、および反応
性（例えば酸化性）の環境内にある場合には、劣化す
る。
【０００４】ＲＴＰ工程の制御においては、高温測定法
のような非接触測温技術が、これまで広く用いられてき
た。典型的な高温測定技術においては、波長λ0 を中心
とする波長帯Δλにおけるウェハの放射輝度または黒体
放射をサンプリングする狭帯域高温計が用いられる。波
長λ0 は、通常は、１ミクロンから６ミクロンまでの赤
外スペクトル域内にある。しかし、他の中心波長も使用
されうる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ランプ加熱形ＲＴＰ装
置において用いられる従来の高温測定技術は、温度測定
誤差を生じるさまざまな問題および限界が有り、それら
を難点としていた。これらの高温測定誤差の原因の１つ
は、ウェハのスペクトル放射率が、通常、表面薄膜およ
び温度により変化することである。換言すれば、スペク
トル放射率は、固定／既知値ではない。また、例えば、
石英製の光学的真空用の窓は、ランプからの直接の放射
およびウェハの黒体放射により加熱され、測定誤差を誘
起する。さらに、ランプの出力放射と、そのスペクトル
妨害とが高温測定に影響を与えうる。なおさらに、表面
の粗さ効果が、ウェハ裏面の粗さによって放射率に影響
を与えうる。
【０００６】従って、これらの問題のいずれかまたは全
てを克服する改良が現在要望されている。他の目的およ
び利点は自明のものであって、その一部は以下に現わ
れ、また本発明によって達成されるものであり、本発明
は、改良された高温測定に基づくウェハの温度測定の方
法および装置を提供する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】第１物体（例えば、加熱
されたウェハ）の温度を、第２物体（例えば、ランプ加
熱源）の存在下において測定する装置が、ここに開示さ
れる。第１および第２物体が赤外帯域などの選択された
帯域内の放射を放出するように、第１および第２物体を
加熱する加熱器が備えられる。第１検出器が、第１およ
び第２物体により放出される放射を検出する。第２物体
のみからの放射を検出する第２検出器もまた使用され
る。第２物体の温度が選択された変調によって変化し、
第１物体の温度が実質的に一定に保たれるように、加熱
器を選択された変調深度で変調する変調源が備えられ
る。また、前記変調に基づき第１検出器において検出さ
れた第２物体から発射された放射の百分率を決定し、次
に第１物体の温度を計算するための回路が備えられる。
【０００８】実施例においては、ランプ加熱源の存在下
における加熱されたウェハの温度が測定される。該ラン
プ源およびダミーランプに電力を供給するために、少な
くとも１つの電源が備えられる。ダミーランプはウェハ
の加熱のためには使用されず、その放射は完全にウェハ
から分離されている。第１検出器は、加熱されたウェハ
およびランプ加熱源（すなわち望ましくないランプの妨
害）の双方から放出される放射を検出する。ダミーラン
プのみからの放射を検出する第２検出器も使用される。
ダミーランプの出力放射は選択された交流変調によって
変化するが、加熱ウェハの温度は実質的に一定に保たれ
る、すなわち交流電源変調に対し無視しうる応答しかし
ないように、電源を選択された変調深度で変調する電力
変調源が備えられる。また、ランプ加熱源から放出され
て第１検出器により集められた全放射の部分（割合）を
決定し、次に加熱ウェハの温度を計算する回路が備えら
れる。
【０００９】本発明の利点は、ランプ放射の干渉効果な
しに、デバイス製造中におけるウェハ温度を測定するた
めの非侵害性の正確な手段を提供していることである。
その温度情報は、リアルタイムの温度制御を実施するた
めの温度制御装置へ入力される。
【００１０】さらに、本発明から得られる温度測定は、
温度、表面デポジションまたはエッチング、および製造
中に変化する多くの他の因子、による放射率の変化に影
響されないようにすることができる。さらに、加熱ラン
プおよび、例えば真空石英窓のような処理チャンバ内の
他の被加熱対象から発射される放射などの誤差源が消去
されうる。
【００１１】本発明の上述の諸特徴は、添付図面を参照
しつつ以下の説明を考察することにより、さらに明瞭に
理解されよう。異なる図中の同じ番号および符号は、特
に断わりのない限り、同じ部品に関連している。
【００１２】
【実施例】実施例の構造および使用法について以下に詳
述する。本発明は、さまざまな特定の型式によって具体
化されうる多くの応用可能な発明概念を与えるものであ
る。ここに論じられる特定の実施例は、本発明の装置の
構成および使用法の特定の方法を単に例示するものであ
り、本発明の範囲を限定するものではない。
【００１３】以下は、本発明の装置および方法の説明で
ある。まず実施例を説明し、続いて改良について説明す
る。次に、本発明の装置の使用方法を説明する。
【００１４】単一ウェハのランプ加熱形装置（例えば高
速熱処理装置）においては、通常タングステン−ハロゲ
ンまたはプラズマアークランプが、処理チャンバ内の半
導体ウェハを一方の面（例えば裏面）または両面から加
熱するために使用される。最新の高速熱処理（ＲＴＰ）
装置においては、１面形ウェハ加熱が用いられる。１つ
の例は、Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社の高度
化／自動真空処理装置（ＡＶＰ）である。
【００１５】図１を参照すると、処理チャンバ１０（例
えばＲＴＰ反応器）は、ウェハ１２を処理するために設
けられたものである。通常は、ウェハ１２は表面を下向
きにして処理される。すなわち、窓１４を介して裏面か
ら加熱される。処理チャンバは、例えば石英から作られ
た光学窓１４とチャンバカラー１６とを有する。処理
は、通常は低圧下において行なわれるが、必ずしもそう
でなくてもよく、大気圧下において行なわれてもよい。
さらに、処理は、通常は一時に１つのウェハに対して行
なわれるが、必ずしもそうでなくてもよい。
【００１６】処理チャンバの外側には加熱ランプ１８が
あり、これは光子エネルギーによりウェハ１２の温度を
上昇させる。加熱ランプモジュールは、ウェハを加熱す
るための、タングステン−ハロゲン加熱ランプまたはア
ークランプからなるが、任意の他の光源の組合せから作
られてもよい。加熱ランプに隣接して図示されているの
は、ウェハ１２の裏面から発せられる放射輝度を測定す
ることにより、ウェハ１２の温度を測定する高温計２０
である。
【００１７】高温計２０のような高温計は、ウェハの、
ランプアセンブリと反対側の面またはランプアセンブリ
と同じ側の面を観察することができる。後者は、ウェハ
のパターンおよびランプの干渉効果が少なくなるので通
常好ましい方法である。通常は、高温計２０は、赤外帯
域内の選択された波長を中心とする狭いスペクトル帯域
上で動作する。
【００１８】高温計をウェハのランプと同じ側の面に対
して用いると、加熱ランプの放射による、ある望ましく
ない干渉効果を有する通例の光管（図示されていない）
を経てのウェハ温度の測定が可能になる。高温計に対す
るランプの干渉効果は、高温計のスペクトル通過帯域と
重なるランプの出力放射エネルギーのスペクトル部分に
起因する。高温計がランプアセンブリと同じ側に配置さ
れた時は、ランプからの放射は高温計センサに直接的に
は入らないが、加熱ランプからの放射エネルギーの一部
が、ウェハの裏面および石英表面（および他のチャンバ
壁）によって反射され、高温計により集められる。この
ランプの干渉効果は、高温計がランプアセンブリに対し
てウェハの反対側に、すなわちウェハの前面を観察する
ように、配置されればさらに増大する。
【００１９】ランプによる干渉および窓の加熱の問題を
さらに理解するためには、加熱ランプと、加熱されたウ
ェハと、加熱されたチャンバおよび窓とのスペクトル放
射エネルギー出力を考察しなければならない。石英は、
約３．５ミクロンより大きい波長において不透明になり
始めることに注意すべきである。光学的真空用石英窓自
体は、ウェハからの放射と、加熱ランプからの直接的放
射とにより数百℃まで加熱される。
【００２０】図２に示されているように、タングステン
−ハロゲンランプのスペクトルおよび加熱された石英か
らの放射のある部分は、高温測定帯域内に存在し、その
結果測定誤差を生じる。勿論、約３．５ミクロンを超え
て高温計の中心波長を選択することは可能であり、（例
えば５ミクロン）、その場合タングステン−ハロゲンラ
ンプのエネルギーはランプの石英ジャケットのカットオ
フによりカットオフされる。しかし、このようにする
と、ウェハの放射を高温計へ透過させるために石英以外
の赤外線観察口が必要になる。高温測定のために長い波
長（λ＞３．５μ）を選択すると、２つの欠点が生じ
る。すなわち、１）長い波長の赤外線を透過させうるた
めの光学真空用窓の設計が複雑になり、２）加熱された
窓からの放射の大部分のエネルギー密度は長波長の赤外
領域にあるので、加熱された窓からの放射に対する感度
が増大する。
【００２１】従って、ランプ放射および加熱されたチャ
ンバからの干渉成分の高温測定に対する干渉効果を消去
しうる技術が必要となる。このような技術は、石英のカ
ットオフ波長より低い中心波長での高温測定器を用い
て、ウェハの温度を測定する際の精度および再現性を顕
著に改善する。この方法によれば、ランプおよび加熱さ
れた窓からの干渉効果について心配せずに、３．５ミク
ロンより小さい波長を使用できおよび石英の観察窓を使
用することができるであろう。
【００２２】本発明は、１実施例において、加熱ランプ
放射の干渉効果を識別して高温計のスペクトル帯域内に
おけるウェハの放射から、干渉分を分離する技術を提案
する。この技術は、高温計の応答帯域内におけるウェハ
からの放射から、加熱された石英（例えば、加熱された
光学真空用石英窓および加熱されたランプジャケット）
の干渉効果を識別して分離するように拡張することがで
きる。１つの特徴として、本発明は、加熱されたランプ
フィラメントの小信号熱量が、ウェハの小信号熱量より
遙かに小さく、またウェハの小信号熱量が、加熱された
石英部品（窓およびランプジャケット）および任意の他
のチャンバ表面の小信号熱量より遙かに小さいという事
実に基づいている。
【００２３】次に、図３において、処理チャンバ１１０
（例えば、高速熱処理反応器）は、本発明の実施に用い
られる。この装置は、通常は例えば石英またはサファイ
アから作られた光窓１１４と、チャンバのカラー壁１１
６とを含む。
【００２４】加熱ランプ１１８は、ウェハの温度に影響
を与えることができるタングステン−ハロゲン加熱ラン
プ又はアークランプであり、または任意の他の光加熱装
置であってもよい。本願においては、ランプと呼ばれる
が、ランプでない赤外加熱装置がまた使用されてもよ
い。一般に、装置の加熱方法は重要ではない。ランプ１
１８は、通常はウェハ１１２を３００℃以下から１２０
０℃までの温度に加熱する。
【００２５】第１高温計１２０は、選択されたスペクト
ル帯域内のウェハ１１２からの放射（放射輝度）を測定
するために備えられている。前述のように、この第１高
温計１２０はまた、加熱ランプ１１８および窓１１４、
さらに恐らくはチャンバ壁１１６からの放射輝度のある
割合をも集める。高温計１２０は、透過性の光管１２１
を通してウェハから光学的に見ることができ、光管１２
１は、２つの例として、中空管または光ファイバチャネ
ルでありうる。高温計１２０自体は、適切な検出器（例
えば、セレン化鉛、高速熱電対列、その他）と、適切な
フィルタ窓とを用いている。
【００２６】さらに、第１高温計と同じスペクトル帯域
内の加熱ランプ１１８からの放射のみを測定するため
の、第１検出器１２０とほぼ同じ特性（例えば応答帯
域）を持つ第２高温計１２２が備えられている。換言す
れば、第２高温計１２２は、ウェハ１１２から完全に分
離されている。ランプアセンブリ１１８は、少なくとも
１つの電源１２４を用いて電力が供給される。電源１２
４に内部的に接続されて（図示されていない）、または
電源１２４と同じ線（図３に示されている）内に、交流
小信号変調器１２６が存在する。１例をあげると、変調
器１２６は、約１Ｈｚと１００Ｈｚとの間の正弦変調に
よって電流を変調する。直流部分に対する交流変調の比
は、通常は１０％未満である。変調の周波数および振幅
の双方は、工程制御回路により制御される。
【００２７】ランプ電源（または、多重ゾーン加熱が用
いられる場合は電源群）の小信号交流変調は、変成器を
用いた電圧結合によって、または電力制御回路内におけ
るトライアックのトリガ位相角の直接的変調によって行
なうことができる。変調深度、すなわちランプの放射
の、信号の直流部分の振幅に対する信号の交流部分の振
幅の比は、ウェハの温度の乱れが無視できる程度に保つ
ために、十分小さく（例えば１０％未満）すべきであ
る。
【００２８】一般に、ランプ電力の小信号交流変調は、
適切な周波数、例えば１０Ｈｚより大きい周波数で行な
われることができる。好ましい範囲は、１０Ｈｚと３０
Ｈｚとの間である。変調周波数は、ウェハ１１２からの
放射輝度が変調されず、一方ランプ１１８からの放射が
ランプフィラメントの小信号熱量が遙かに小さいことに
よって十分変調されるように大きく選択される。
【００２９】通常は、小さい変調深度が用いられる。ラ
ンプ出力のこの交流変調は、ランプの強度を、その放射
のスペクトルを著しく偏移させることなく、変化させ
る、すなわち変調する。ウェハの小信号熱量はランプフ
ィラメントのそれより遙かに大きいので、適切な周波数
によって、ウェハの温度またはウェハの出力放射輝度を
変調することなく、ランプの電力、従って光エネルギー
の小信号変調を行なうことは可能である。
【００３０】本発明は、ランプフィラメントおよび高温
測定検出器が応答するように十分小さい周波数で、かつ
ウェハからの放射輝度（または温度）を変調しないよう
に十分大きい周波数で、ランプ電力の小信号変調を用い
る。この特徴は図４に示されており、それは、ランプ電
源の交流変調により、ランプの放射強度は変調される
が、ウェハの放射輝度は実質的に影響されないままであ
ることを示す。
【００３１】第２検出器１２２（実質的に第１検出器１
２０と同じもの）が用いられ、これは、高温計１２０の
帯域と同じ帯域内の加熱ランプ１１８からのスペクトル
電力を測定する。検出器１２２は、ウェハ１１２からの
放射輝度のいかなる部分をも集めることなく、加熱ラン
プ１１８からの放射の一部を集めるための、例えばフッ
化物、カルコゲン化物、ハロゲン化銀、サファイアの、
適切な光管（図示されていない）を用いる。小信号変調
周波数は、加熱ランプ１１８およびウェハ１１２の熱量
値に応じて選択または最適化される。適切な変調周波数
は、１０Ｈｚから３０Ｈｚでありまたそれ以上の範囲内
まで選択することができる。２つの高温計に対しては、
さまざまな適切な検出器材料を使用することができる。
５ミクロンないし６ミクロンまでの高速高温測定に対し
ては、セレン化鉛（ＰｂＳｅ）が良い選択となる。熱電
対列検出器も使用することができるが、その低速応答性
のため最大交流変調周波数を１０Ｈｚ未満に制限され
る。変調深度は、検出器のダイナミックレンジに基づい
て選択され、約０．１％から１０％までである。さらに
高感度の無雑音検出器ならば、もっと小さい変調深度が
可能となる。
【００３２】１実施例においては、本発明は以下のよう
に用いられる。図５において、ランプからの放射のスペ
クトル電力のサンプルすなわち一部分は、第２高温計１
２２によって測定される。スペクトル電力は、交流成分
ΔＩ（参考のために付記すると、ΔＩはピーク対ピーク
交流信号として示される）および直流成分Ｉ（図４に示
す）を含む。第２検出器１２２は、第１検出器と同じス
ペクトル帯域Δλ、従って同じ中心波長によって動作す
る。１例をあげると、λ0 は３．３μｍで、Δλは０．
４μｍである。
【００３３】検出器１２２の出力信号は低域フィルタ１
２８へ供給され、このフィルタは直流成分Ｉを出力す
る。検出器１２２の出力はまた、高域フィルタ１３０お
よびピーク対ピーク−直流変換器１３２へも供給され、
変換器１３２はそれによりランプ強度の交流部分ΔＩを
出力する。
【００３４】ランプからの放射の変調深度ＭL は、除算
器１３４において、第２検出器１２２の交流成分ΔＩの
ピーク対ピーク値を、その直流成分Ｉにより除算するこ
とによって決定される。
【００３５】それと同時に、第１検出器１２０の交流成
分ΔＩ′が、高域フィルタ１３６およびピーク対ピーク
−直流変換器１３８により決定される。第１検出器１２
０の交流成分ΔＩ′は、次に除算回路１４０において、
測定されたランプ変調深度Ｍ L により除算される。この
除算器の出力Ｙ2 は、直流ランプの干渉の量、すなわち
ウェハの温度センサすなわち第１検出器１２０における
主たる測定誤差源である。
【００３６】変調深度ＭL は、もしそれが既に（例えば
変調装置において）既知であれば、図３に示されている
ようにして直接測定される必要はない。もし変調深度が
既知であれば、この既知値は除算器１４０への入力ＭL
またはＹ1 として用いられうる。この場合には、第２検
出器１２２は不要になる。しかし、しっかりした動作の
ためには、変調深度のリアルタイム測定用の第２検出器
およびその関連回路を使用するのが好ましい。
【００３７】差または差動増幅器回路１４４において
は、ランプの干渉効果すなわちＹ2 が、第１高温計から
の（低域フィルタ１４２から得られる）直流成分Ｉ′か
ら減算される。差回路１４４の出力Ｙ3 はウェハの温度
に基づくものであり、実質的に全てのランプ干渉成分は
消去されている。
【００３８】この技術はさらに、高温計のスペクトル帯
域内におけるウェハのスペクトル反射率（または放射
率）に関するリアルタイムデータをも与える。この情報
は、高温測定を用いたウェハの温度測定のリアルタイム
補正／補償のために使用されうる。スペクトル反射率
は、ランプ検出器によって検出された交流信号レベルΔ
Ｉに対する、ウェハ高温計によって検出された交流信号
レベルΔＩ′の比に本質的に比例する。放射率は、図５
においてＹ4 で示されている、除算器１５２の出力に比
例する。Ｙ4 は、高温計と同じ中心波長における、ウェ
ハのスペクトル放射率の測定値である。
【００３９】図５のブロック図は、リアルタイムでラン
プの干渉効果を消去し、ウェハの真の温度を抽出する、
例示的方法を示している。本発明の装置は、（λ0 を中
心とするスペクトル帯域Δλ内において）交流変調信号
と、ランプからの放射の直流成分との同じ、すなわち等
しい、割合がランプ検出器に入るという事実に基づいて
動作する。ランプ検出器によって測定された変調深度Ｍ
L は、スペクトル帯域Δλ内のλ0 において高温計セン
サ（第１検出器１２０）へ入るランプ放射の量を示すた
めの記号として用いられている。検出された交流信号
は、ランプの変調深度によって計られ、すなわち除算さ
れ、それによってウェハの温度センサと干渉する実際の
直流ランプ干渉信号が決定される。
【００４０】ランプ検出器１２２に対して光導波管また
は光ファイバを適正に設置して、それがウェハ１１２の
放射輝度のいかなる部分も集めないようにすることが重
要であるのに注意すべきである。これは、ランプアセン
ブリ１１８に対し、（場合によっては集束レンズと共
に）ファイバ端部を適正に配置することによって容易に
行なわれうる。
【００４１】ランプの変調を監視するためのもう１つの
可能な方法は、ランプアセンブリ２１８および処理反応
器２１６の外部の、分離されたダミーランプボックス位
置２４６内に、（ランプアセンブリ内に使用されている
ものと同じ形式の）ダミータングステン−ハロゲンラン
プ２２６を使用することである。この実施例は図６に示
されている。このダミーランプ２２６は、主ランプアセ
ンブリ２１８と同じ電源２２４から電力が供給される。
ランプ検出器２２２は、ウェハの放射輝度効果から隔離
された外部のダミーランプ２２６を監視するために使用
される。
【００４２】図６には、他のいくつかの変形例が示され
ている。これらの変形例のいずれか、または全てを採用
することができる。ここに示されている実施例において
は、いくつかのウェハ検出器２２０が用いられている。
いくつかの検出器２２０を用いる利点は、多点高温測定
を行なって、リアルタイムでウェハの温度の一様性を制
御しうることである。さらに、多重ゾーン加熱ランプア
センブリを用いる場合は、多重ランプ検出器と共に多重
ダミーランプを使用することができる。これらのダミー
ランプは、別々のゾーン電源から電力が供給される（例
えば、４ゾーンン加熱ランプの場合の４ダミーラン
プ）。
【００４３】ランプのスペクトル放射は、ランプアセン
ブリ内において（適切な光管により）直接監視される
か、または同じランプ電源から電力を供給される別のダ
ミータングステン−ハロゲンランプを監視することによ
って監視される。多重ゾーンランプアセンブリにおいて
は、それぞれのゾーンに対して別個のタングステンハロ
ゲンランプ（ダミーランプ）を使用することにより、多
重ランプ信号が得られる。それぞれのダミーランプは、
ゾーン電源の１つによって電力が供給され、また変調さ
れる。ランプ検出器は、ウェハ温度センサと同じスペク
トル帯域を監視する。
【００４４】窓／チャンバ高温計２４８がさらに図示さ
れている。加熱された窓２１４および壁２１６によって
誘起される誤差を消去するための容易な方法は、石英窓
２１４の透過帯域、例えば図２に示されている３．５ミ
クロンより大きい、例えば８ミクロンから１４ミクロン
までの波長を超える赤外長波長において動作する別個の
高温計２４８を用いることである。この赤外長波長高温
計２４８は、実効窓放射輝度信号を発生し、これは次に
ウェハ温度センサ帯域内における窓誘起スペクトル放射
輝度干渉信号に変換される。
【００４５】実効窓放射輝度は、あらかじめ定められた
アルゴリズムに基づき、全スペクトル放射輝度から減算
される。減算器２５０の出力もまた窓放射輝度による誤
差効果を消去されている（例えば図５参照）。
【００４６】加熱された窓２１４および加熱ランプの加
熱されたジャケットの効果を消去するために、もう１つ
の方法を用いることもできる。これは、ランプの出力エ
ネルギーの時分割多重化および２重周波数変調によって
行なわれうる。一般に、ランプ電力の変調（小信号）
は、図７に示されているように、期間Ｔ1 に対しては周
波数ｆ1 で、また期間Ｔ2 に対しては周波数ｆ2 で行な
われる。
【００４７】変調周波数ｆ2 は、（ウェハがランプのフ
ィラメントに比し大きい熱量を有する事実によって）ウ
ェハの放射輝度または温度は周波数ｆ2 により全く変調
されないが、ランプの出力放射は変調されるように十分
に大きい。これは、図４に示されている場合である。一
方、周波数ｆ1 は、ウェハはランプ出力の変調に応答す
るが、加熱されたチャンバの窓および壁はそうでないよ
うに十分に小さい。例えば、周波数ｆ2 は約１０Ｈｚと
１０００Ｈｚとの間にあり、周波数ｆ1 は５Ｈｚ未満で
ある。それぞれの期間Ｔ2 においては、図５に示されて
いる回路は、高温計の読みに対するランプの放射の干渉
寄与を抽出する。この期間中において、周波数ｆ2 での
ランプの変調は、加熱されたウェハおよび加熱された石
英窓（およびランプの加熱された石英ジャケット）の放
射輝度をなんら変調しない。期間Ｔ1 およびＴ2 は、例
えば数秒である。例えば、ｆ1 ＝４Ｈｚ、ｆ2 ＝２５Ｈ
ｚの場合は、Ｔ1 およびＴ2 はそれぞれ２秒および１秒
に選択されうる。
【００４８】それぞれのＴ1 においては、低周波のラン
プ変調は、ランプの出力エネルギーおよびウェハの放射
輝度の変調を生ぜしめる。しかし、石英窓（およびラン
プジャケット）の熱量は遙かに大きいので、加熱された
石英窓の放射輝度は変調されない。
【００４９】ランプ放射の干渉効果の量は、Ｔ2 期間中
に決定され定量化される。その結果、それは、高温計信
号に対するランプの干渉効果の程度を決定して減算する
ために、Ｔ1 およびＴ2 期間中におけるランプの放射お
よびウェハの放射輝度の合成効果から減算されうる。周
波数ｆ1 は、ランプ信号の変調と、ウェハ信号の変調と
が本質的に同相であるように（これは本質的な要求では
ない）、十分に低い。期間Ｔ1 中において、本発明の装
置は加熱された石英部品に起因する測定誤差の量を決定
する。
【００５０】図８を図５と共に参照すると、ランプ検出
器からの交流部分ΔＩまたはＹ5 は、サンプルホールド
回路１５４へ印加され、期間Ｔ1 中にサンプリングされ
る。同様にして、除算器１５２の出力Ｙ4 は、サンプル
ホールド回路１５６へ印加され、期間Ｔ2 中にサンプリ
ングされる。これらのサンプルホールド回路は、ピーク
値または平均値を見出す。それらの出力〔Ｙ5 〕T1およ
び〔Ｙ4 〕T2は乗算され、その積はＹ7 で表わされる。
【００５１】Ｙ7 の値は、期間Ｔ1 中にサンプリングさ
れたウェハ検出器の交流部分Ｙ6 （サンプルホールド回
路１６２）から減算されて（減算器１６０）、出力Ｙ8
が得られる。出力Ｙ8 は次に、除算器１６４において、
（期間Ｔ1 中にサンプルホールド回路１６６においてサ
ンプリングされた）ウェハの放射輝度〔Ｙ3 〕T1により
除算される。この出力〔Ｙ8 ／Ｙ3 〕T1は、（除算器１
６６において）期間Ｔ 1 中にサンプルホールド回路１６
８においてサンプリングされたランプ検出器の交流部分
〔Ｙ5 〕T1により除算され、出力〔Ｙ8 ／（Ｙ
3 Ｙ5 ）〕T1が得られる。この値は、ウェハ高温計の読
みに対する、加熱されたチャンバの窓および壁からの寄
与を得る別の方法を与え、図５の差回路２５０への入力
として用いられうる。
【００５２】換言すれば、加熱された窓によるスペクト
ル干渉重複信号を消去する別の方法は、ウェハ処理サイ
クル中に〔Ｙ8 ／（Ｙ3 Ｙ5 ）〕T1を監視することであ
る。（この信号の変化からわかる）〔Ｙ8 ／（Ｙ
3 Ｙ5 ）〕T1の時間的ドリフトすなわち変動は、高熱量
の窓およびチャンバ壁の加熱に直接関連している。これ
は、ゆるやかに増大する窓の放射輝度信号に容易に変換
でき、該放射輝度信号は定量化されて、図５に示されて
いるようにリアルタイムで高温計の放射輝度から減算さ
れうる。
【００５３】以上においては、本発明を実施例に関して
説明してきたが、この説明は限定的な意味に解釈される
べきものではない。例示された実施例のさまざまな変形
および組合せ、および本発明の他の実施例は、以上の説
明を参照すれば本技術分野に習熟した者にとって明らか
となろう。従って、特許請求の範囲にはいかなるそのよ
うな変形または実施例も含まれるように考慮されてい
る。
【００５４】以上の説明に関して更に以下の項を開示す
る。 （１） 第１被加熱物体の温度を少なくとも１つの第２
放射物体の存在下において測定する装置であって、前記
第２物体を付勢して前記第１物体を加熱することによ
り、該第１および第２物体が部分的に重なり合うスペク
トル帯域を有する放射を発射するようにする電源と、前
記第１および第２物体から発射される放射電力を検出す
るための第１検出器と、前記電源を第１選択変調深度お
よび周波数で変調することにより、前記第２物体の発射
する放射が該選択変調深度および周波数で変化し、前記
第１物体の温度が実質的に変調されないままに保たれる
ようにする変調源と、前記第２物体から発射され、前記
第１検出器内に妨害効果として集められた放射の割合を
前記変調深度に基づいて決定し、かつ前記第２物体の妨
害効果なしに前記第１物体の温度を決定するための、前
記第１検出器に結合せしめられた回路と、を含む、第１
被加熱物体の温度を少なくとも１つの第２放射物体の存
在下において測定する装置。
【００５５】（２） 前記第２物体から発射された放射
の少なくとも一部を検出するための第２検出器であって
前記第１物体から分離されている該第２検出器と、該第
２検出器に結合せしめられ前記変調深度を決定する回路
と、をさらに含む、第１項記載の装置。
【００５６】（３） 前記第１および第２検出器が同じ
スペクトル帯域および中心波長において動作する、第２
項記載の装置。
【００５７】（４） 前記第１物体が半導体ウェハであ
り、前記第２物体が加熱源である、第１項記載の装置。
【００５８】（５） 前記周波数が約１０Ｈｚと１００
Ｈｚとの間にある、第１項記載の装置。
【００５９】（６） 前記部分的に重なり合うスペクト
ル帯域が赤外帯域内にある、第１項記載の装置。
【００６０】（７） 前記部分的に重なり合うスペクト
ル帯域が約３．５ミクロン未満の中心波長を有する、第
６項記載の装置。
【００６１】（８） 前記変調の変調深度が約０．１％
から１０％までの範囲内にある、第１項記載の装置。
【００６２】（９） 前記電源が少なくとも１つのタン
グステンハロゲン加熱ランプを含む、第１項記載の装
置。
【００６３】（１０） 前記第１検出器がセレン化鉛検
出器である、第１項記載の装置。
【００６４】（１１） 前記部分的に重なり合うスペク
トル帯域と異なる第２選択スペクトル帯域内の放射を検
出するための第３検出器と、該第３検出器から決定され
た前記第１物体の温度の誤差を減算する回路と、をさら
に含む、第１項記載の装置。
【００６５】（１２） 妨害効果を導入する第３被加熱
物体をさらに含み、前記電源を第２変調周波数により変
調して前記第１および第２物体の発射する放射が該第２
変調周波数で変化し、かつ前記第３物体の発射する放射
が実質的に変調されないままに保たれるようにすること
によって、前記第３被加熱物体の前記妨害効果が決定さ
れる、第１項記載の装置。
【００６６】（１３） 前記変調源が前記第１選択変調
周波数と前記第２変調周波数との間でスイッチする、第
１２項記載の装置。
【００６７】（１４） 前記第３物体の妨害効果なしに
前記第１物体の温度を決定する回路をさらに含む、第１
３項記載の装置。
【００６８】（１５） 半導体ウェハの温度の決定方法
であって、少なくとも１つの誤差源の温度が選択された
変調深度で変調され、前記ウェハの温度が実質的に変調
されないように、前記ウェハを変調された熱源により加
熱するステップと、前記少なくとも１つの誤差源の放射
輝度と共に前記ウェハの放射輝度を検出するステップ
と、前記変調深度に基づき前記少なくとも１つの誤差源
の寄与を計算することによって前記ウェハの温度を決定
するステップと、を含む、半導体ウェハの温度の決定方
法。
【００６９】（１６） 前記誤差源が加熱ランプであ
る、第１５項記載の方法。
【００７０】（１７） 前記ウェハの温度の決定の前
に、前記少なくとも１つの誤差源の放射輝度を検出し、
該放射輝度から前記変調深度を計算するステップをさら
に含む、第１５項記載の方法。
【００７１】（１８） 第１被加熱物体の温度を第２放
射物体の存在下において測定する方法であって、前記第
１および第２物体が部分的に重なり合うスペクトル帯域
を有する放射を発射するように、該第１および第２物体
を電源によって加熱するステップと、前記第１および第
２物体が発射した前記放射を検出するステップと、前記
第２物体の温度が選択された変調深度および周波数で変
化し、前記第１物体の温度が実質的に変調されないまま
に保たれるように、前記電源を前記選択された変調深度
および周波数で変調するステップと、前記変調深度およ
び周波数に基づいて検出された、前記第２物体が発射し
た放射の割合を決定するステップと、前記第１物体の温
度を計算するステップと、を含む、第１被加熱物体の温
度を第２放射物体の存在下において測定する方法。
【００７２】（１９） 前記第２物体が発射した放射を
検出し、それから前記変調深度を計算するステップをさ
らに含む、第１８項記載の方法。
【００７３】（２０） 前記第１物体が半導体ウェハで
あり、前記第２物体が加熱ランプである、第１８項記載
の方法。
【００７４】（２１） 前記周波数が約１０Ｈｚと１０
０Ｈｚとの間にある、第１８項記載の方法。
【００７５】（２２） 前記変調深度が約０．１％と１
０％との間にある、第１８項記載の方法。
【００７６】（２３） 第１物体の放射率を第２物体の
存在下において測定する装置であって、該第１および第
２物体が選択されたスペクトル帯域内の放射を発射する
ように、該第１および第２物体を付勢する電源と、該第
１および第２物体が発射した放射電力であって、該第１
および第２物体の温度に依存する該放射電力を検出する
第１検出器と、前記第２物体が発射した前記放射を検出
する第２検出器であって、前記第１物体が発射する放射
から分離されている該第２検出器と、前記電源を選択さ
れた変調深度および周波数で変調して、前記第２物体の
温度が該選択された変調深度および周波数で変化しかつ
交流成分と直流成分と変調深度とを有し、前記第１物体
の温度が実質的に変調されないままに保たれるようにす
る変調源と、前記第１検出器において検出された放射の
交流成分の振幅を決定する回路と、前記第２検出器にお
いて検出された放射の交流成分の振幅を決定する回路
と、前記第１検出器において検出された放射の交流成分
と、前記第２検出器において検出された放射の交流成分
との比を見出す回路と、を含む、第１物体の放射率を第
２物体の存在下において測定する装置。
【００７７】（２４） 前記第１物体から分離され、前
記第２物体が発射する放射を検出する第２検出器と、前
記変調深度を計算する回路と、をさらに含む、第２３項
記載の装置。
【００７８】（２５） 前記第１物体が半導体ウェハで
あり、前記第２物体が加熱ランプである、第２３項記載
の装置。
【００７９】（２６） 前記周波数が約１０Ｈｚと１０
０Ｈｚとの間にある、第２３項記載の装置。
【００８０】（２７） 前記選択された帯域が約３．５
ミクロン未満の中心波長を有する放射を含む、第２３項
記載の装置。
【００８１】（２８） 前記変調深度が約０．１％と１
０％との間にある、第２３項記載の装置。
【００８２】（２９） １実施例において、ウェハ１１
２のような第１物体の温度を、加熱ランプ１１８のよう
な第２放射物体の存在下において測定する装置がここに
は開示されている。加熱ランプ１１８は、デバイス処理
のためにウェハ１１２を加熱するのに備えられたもので
ある。ウェハ１１２およびランプ１１８の双方が放射を
発射する。第１検出器１２０が、ウェハ１１２およびラ
ンプ１１８の双方によって発射される放射を検出する。
加熱ランプ１１８のみからの放射を検出する第２検出器
１１２も使用される。加熱器１１８を選択された変調深
度ＭL で変調して、ランプ１１８の温度が選択された交
流変調に従って変化し、ウェハ１１２の温度が実質的に
一定に保たれるようにする変調源１２６が備えられてい
る。また、ランプから発射され第１検出器１２０によっ
て集められた放射の割合（ランプの妨害信号）を加熱ラ
ンプの変調に基づいて決定し、次にウェハ１１２の正確
な温度を計算する回路が備えられている。他の装置およ
び方法も開示されている。
【００８３】本発明は、米国空軍により裁定された契約
番号Ｆ３３６１５−８８−Ｃ−５４４８の下に政府の支
援を受けて行なわれたものである。米国政府は本発明に
関し、ある権利を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】高温測定センサを有する従来の処理チャンバの
概略図。
【図２】処理チャンバ内の選択された物体（すなわち、
加熱ランプ、ウェハ、およびチャンバの窓）における、
波長の関数としての発射された電力密度のグラフ表示。
【図３】本発明を用いるチャンバの概略図。
【図４】熱源が交流信号により変調された場合の、時間
の関数としての放射強度のグラフ表示。
【図５】高温測定に対する放射の効果を消去するための
読出し回路の例の概略図。
【図６】本発明を用いる別の実施例のチャンバの概略
図。
【図７】可能な時分割交流変調多重化方式の説明図。
【図８】加熱された窓の妨害効果を消去するのに用いら
れる追加の信号処理読出し回路の概略図。
【符号の説明】
１１２ ウェハ １１８ 加熱ランプ １２０ 第１高温計 １２４ 電源 １２６ 交流小信号変調器 ２１２ ウェハ ２１４ チャンバ窓 ２１６ チャンバ壁 ２１８ ランプアセンブリ ２２０ ウェハ高温計 ２２２ ランプ高温計 ２２４ 電源 ２２６ ダミータングステンハロゲンランプ ２４８ 窓／チャンバ高温計

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１被加熱物体の温度を少なくとも１つ
    の第２放射物体の存在下において測定する装置であっ
    て、 該第１および第２物体が部分的に重複するスペクトル帯
    域を有して放射するように前記第２物体を付勢して前記
    第１物体を加熱するための電源と、 前記第１および第２物体からの放射電力を検出するため
    の第１検出器と、 前記第２物体からの放射が第１選択変調の深度と周波数
    で変化し、前記第１物体の温度が実質的に変調されない
    ままに保たれるように前記電源を該第１選択変調の深度
    と周波数で変調するための変調源と、 前記第１検出器に干渉効果として集められた前記第２物
    体からの放射の一部を前記変調深度に基づいて決定し、
    かつ前記第２物体の干渉効果なしに前記第１物体の温度
    を決定するための、前記第１検出器に結合された回路
    と、を含むシステム。
  2. 【請求項２】 半導体ウェハの温度の決定方法であっ
    て、 少なくとも１つの誤差源の温度が選択された変調深度で
    変調され、前記ウェハの温度が実質的に変調されないよ
    うに、前記ウェハを変調された熱源により加熱するステ
    ップと、 前記少なくとも１つの誤差源の放出輝度と共に前記ウェ
    ハの放出輝度を検出するステップと、 前記変調深度に基づき前記少なくとも１つの誤差源の寄
    与を計算することによって前記ウェハの温度を決定する
    ステップと、を含む方法。
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