JPH0561574B2

JPH0561574B2 -

Info

Publication number: JPH0561574B2
Application number: JP62238971A
Authority: JP
Inventors: Tooru Sumya; Yoshuki Ukishima; Masato Shishikura; Masamichi Matsura
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 1987-09-25
Filing date: 1987-09-25
Publication date: 1993-09-06
Also published as: JPS6483124A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、例えば半導体産業で用いられる
CVD法などの選択成長装置におけるウエハー基
板の温度測定装置に関するものである。

［従来の技術］従来のこの種の装置においては、添付図面の第
９図に示すように、真空容器１内にウエハー基板
２を配置し、このウエハー基板２を、ウエハーホ
ルダー３に設けた加熱ヒーター４によつて加熱す
る。真空容器１は真空ポンプによつて真空に引か
れ、また上部には覗き窓５が設けられている。６
は電力設定装置で、サイリスタ７を介して電源８
から給電線９による加熱ヒーター４への電力供給
を制御するようにされている。

基板温度と投入電力の関係を調べるために、第
１０図に示すように、ウエハー基板２に熱電対１
０を設け、この熱電対１０を温度計１１に接続し
ている。

上述したような従来の装置においては、処理中
のウエハー基板２の温度を直接測定できないた
め、例えば第１１図に示すように、熱電対１０を
ウエハー基板２に取付けて、第１１図に示すよう
な、投入電力と基板温度との関係を予め測定して
おき、これに基き電力設定装置６を用いて投入電
力を設定している。この電力設定装置６は、設定
値に従つて、サイリスタ７を動作させ、加熱ヒー
ター４の投入電力を一定の値に維持するよう制御
し、その結果、基板２の温度を所定の値に保つ。

また多数のウエハー基板を連続的に逐次処理す
る場合には、ウエハー基板に熱電対を取付けられ
ないため、従来のウエハー温度測定制御装置で
は、処理中の基板温度を直接測定できず、このた
め予め求めておいて投入電力と基板温度との関係
より、投入電力を設定し、間接的にウエハー温度
を所定の値にもつていくという方法を採用してい
る。しかし、一般にウエハー基板の熱容量が小さ
いため、特に壁が水冷されている真空容器内で
は、処理中の真空室内圧力、雰囲気ガスの種類な
どの雰囲気条件により、ウエハー基板の温度は大
きく変動し、従来の投入電力設定でウエハー基板
の温度を正確に制御するのは困難であつた。

このような欠点と解決するため放射温度計を利
用して非接触式に温度を測定するものが提案され
てきた。この具体例として、特開昭58−19519号
公報や特開昭58−93320号公報に記載のものを挙
げることができ、いずれも放射温度計を用いて真
空容器内の基板の温度を測定している。

また、放射温度計を用い、加熱源と被測温物と
の間及び被測温物と放射温度計との間にそれぞれ
光透過率の異なる物質を介在させ、被測温物から
の光のみを検出するようにしたものも提案されて
きた（例えば特特公昭46−914号報、実開昭56−
170732号公報及び特開昭60−131430号公報参照）。

［発明が解決しようとする問題点］ところで、基板の表面に膜を選択的に成長させ
るいわゆる選択成長では、膜の成長領域すなわち
パターニングされた領域において放射温度計の検
出波長より短い波長の光が反射あるいは吸収さ
れ、この領域の温度は上昇するが、基板表面の材
質と成長させている膜の材質とが異なると、光の
反射率反射率が異なつたり、また成膜中その値が
変化していく。そのため、従来提案されているよ
うな放射温度計を用いてこの成長領域を側温して
も異常な値を示し、従つてこのような場合従来の
非接触型の温度測定装置では事実上側温は不可能
である。

本発明は、上述したような従来装置のもつ問題
点を解決するもので、選択成長中の基板表面にお
ける光の反射率や吸収率の変動の影響を受けずに
処理中の基板の温度を正確に測定できるようにし
た選択成長装置における基板の温度測定装置を提
供することを目的としている。

［問題点を解決するための手段］本発明は、真空排気口と反応ガス導入口とを備
えた真空容器内に配置された基板の表面に膜を選
択的に成長させる際に基板の温度を真空容器の外
側に設けた赤外線放射温度計で非接触式に測定す
るようにした選挟成長装置における基板の温度測
定装置において、真空容器内に、加熱ヒーターを
内蔵ししかも基板より十分低い温度に冷却される
基板ホルダーの基板装着面を、赤外線放射温度計
で検出される波長の光を100％吸収ししかもそれ
より波長の短い加熱用の光を透過する材料で構成
し、赤外線放射温度計に相対して真空容器に設け
た覗き窓を、検出波長領域で光透過率の高い材料
で構成すると共に基板より十分低い温度に冷却
し、基板の表面における膜の成長領域近傍の非成
長領域に前記赤外線放射温度計を焦点合わせした
ことを特徴としている。

好ましくは、基板ホルダーの基板装着面は石英
で構成され、また外線放射温度計に相対した真空
容器の覗き窓をCaF₂、LiF、MgF₂、MgO等で構
成され得る。

［作用］真空容器内に設けた基板加熱ヒーター内蔵の基
板ホルダーの基板装着面が赤外線放射温度計で検
出される波長の光を100％吸収ししかもそれより
波長の短い加熱用の光を通す材料で構成され、ま
た外部の赤外線放射温度計に対向して真空容器に
設けられた覗き窓が、検出される光のほとんどを
透過させる材料で構成され、基板の表面の膜の成
長領域近傍の膜の成長していない部分（即ち膜の
非成長領域）の温度を赤外線放射温度計で測定す
るように構成したことにより、この部分では成膜
中でも表面性状が変化せず、光の放射率が一定の
ため成長領域の光の放射率の変動の影響を受けず
に基板温度を正確に測定することが可能となる。

［実施例］以下、本発明の実施例を添付図面に基いて説明
する。

第１図は、減圧気相成長法（LPCVD法）によ
る、超LSIシリコンデバイス製造における金属配
線プロセスへの実施例で、ここではそれらの内、
タングステン選択成長プロセスへの実施例を示
す。すなわち、図１に示す図示選択成長装置は、
枚葉式コールドウオールLPCVD装置であり、真
空容器１内にウエハー基板２を配置し、このウエ
ハー基板２を、基板ホルダー３内に設けた加熱ヒ
ーター４によつて加熱する。なお真空容器１は真
空ポンプによつて真空に引かれている。真空容器
１及び基板ホルダー３はいずれも水冷構造であ
る。

加熱ピーター４には電源８からサイリスタ７を
介して給電線９によつて電力が供給される。真空
容器１の外部には後述する覗き窓１３に対向して
赤外線放射温度計１２が大気中に配置されてい
る。

加熱ヒーター４とウエハー基板２との間には、
石英製のヒーター窓１４が取付けられ、またウエ
ハー基板２と赤外線放射温度計１２の間の真空容
器壁にはCaF₂製の覗き窓１３が取付けられる。
これらの覗き窓１３及びヒーター窓１４は、適当
な方法、例えば空冷、水冷等により加熱された基
板より十分低い温度に冷却されている。原料ガス
はシリコンウエハー基板２の上部より、ノズル１
７により系内に導入される。

図示装置において、加熱ヒーター４からの放射
光は、石英製のヒーター窓１４を通してウエハー
基板２を加熱し、加熱された基板２からの放射光
を、真空容器１のCaF₂製の覗き窓１３を通して、
赤外線放射温度計１２で検出し、非接触的な温度
測定を行う。

第２図には、ヒーター窓１４として使用した石
英、及び真空容器１の覗き窓１３として使用した
CaF₂の光透過率及び赤外線放射温度計１２の検
出波長領域（5.1μｍ±３％）を示す。この図よ
り、石英は、検出波長領域の光を100％吸収し、
CaF₂は、約95％の光を透過することがわかる。
即ち、石英及びCaF₂は、検出波長領域の光に対
しフイルターの役割を果す。従つて、これらを組
合わせると、検出波長の光に関し、赤外線放射温
度計１２は加熱されたウエハー基板２からの光の
みを検出し、基板の正確な温度測定が可能とな
る。

第１図において、CaF₂製の覗き窓１３及び石
英製のヒーター窓１４は適当な冷媒すなわち気体
や液体等によりウエハー基板２の温度よりも十分
に低い温度に冷却されていることが重要である。
特に、石英製のヒーター窓１４は、加熱ヒーター
４に近いので、これを冷却しない場合ウエハー基
板と同様に加熱され、赤外線放射温度計１２の検
出波長領域（5.1μｍ±３％）を含んだ赤外線を放
射する。この赤外線は、ウエハー基板を通過する
場合もある。更に、この赤外線は真空容器１の内
壁などで反射したりして、赤外線放射温度計１２
に到達して、ウエハー基板温度測定に誤差を生じ
させる危険がある。このようなことを防止するた
めに、CaF₂製の覗き窓１３及び、特に石英製の
ヒーター窓１４は、加熱されたウエハー基板２の
温度よりも十分低い温度に冷却されている必要が
ある。

赤外線放射温度計１２で測定された温度は、同
温度計からの出力信号として、第１図に示すよう
に電力設定装置６に送られ、予め設定した温度と
比較し、その差をなくす方向に、加熱ヒーター４
への投入電力を制御する信号をサイリスタ７に送
り、基板温度を設定した温度に保つ。このように
して、基板温度のフイードバツク制御が可能とな
る。

第３図は、本プロセスに用いるパターニングさ
れたSiO₂コーテイングシリコンウエハーを示す。
この図において、１８はパターニングされた領域
で、その拡大図を第４図に示す。LPCVD法によ
るとタングステンは、コンタクトホール２０内で
のみ成長し、SiO₂上では成長しない。１９はパ
ターニングされていない領域で、SiO₂がSiウエ
ハー基板上を一面にカバーしており、この上でも
タングステンは成膜しないので、表面性状は
LPCVD法によるタングステン成膜前後で変化し
ない。

第５図及び第６図は、赤外線放射温度計１２で
の検出波長（5.1μｍ±３％）より短い波長の光２
１による、シリコンウエハーの成膜中の加熱の状
況を示すものである。パターニングされた領域１
８では第５図に示すように、成膜中のタングステ
ンにより、反射あるいは吸収され、この領域の温
度は上昇する。しかし、タングステンの光の反射
率は、SiO₂のそれとは変わつており、また成膜
中その値が変化していくため、この領域を赤外線
放射温度計１２で測温すると異常の値を示し、事
実上側測は不可能である。

他方、パターニングされていない領域１９の
内、パターニングされた領域１８の近傍では、第
６図に示すように、成膜中でも表面性状は変わら
ず、放射率も同じであるが、温度は、厚いシリコ
ン基板による良好な熱伝導により、パターニング
領域１８とほぼ等しくなる。従つて、この近傍領
域に焦点をあわせることにより、成膜中でも赤外
線放射温度計１２で正確な基板温度が測れること
になる。

第７図は、このようにしてタングステン選択成
長中のウエハー基板の温度を測定し、フイードバ
ツク制御により温度制御を行つた例を示す。これ
とは別に、第８図は、フイードバツク制御を行わ
ず、投入電力を一定に保つ従来法による例を示
す。この両者を比較すれば、本発明の装置を用い
たウエハー基板温度制御法が極めて良好であるこ
とがよくわかる。

第１図〜第７図には、タングステン選択成長プ
ロセスの実施例を示したが、その他モリブデン、
タンタルなどの高融点金属及びそのシリサイド、
アルミニウムなど、あらゆるLPCVD選択成長プ
ロセスへの応用が可能である。またこれら
LPCVD法以外にも、PVD法、エツチング法、イ
オン注入法及びこれらの複合法などに用いられる
真空装置の非接触ウエハー基板温度の自動制御に
適用できる。

更に、第１図の実施例では、フイルターとして
CaF₂、石英の組合わせを用いたが、本検出波長
（5.1μｍ±３％）の光の場合、CaF₂の代りに、
LiF、MgF₂、MgOなど検出波長領域での光透過
率の高い材料を使用することが可能である。ま
た、異なる検出波長を有する放射温度計には、石
英、CaF₂以外の組合わせも可能で、その検出波
長領域の光を100％吸収する材料を石英の代りに
ヒーター窓材料として用い、100％近く透過する
材料をCaF₂の代りに覗き窓材料として用いれば
よい。

［発明の効果］本発明による選択成長装置においては、真空容
器内に設けた基板加熱ヒーター内蔵の基板ホルダ
ーの基板装着面を赤外線放射温度計で検出される
波長の光を100％吸収ししかもそれより波長の短
い加熱用の光を通す材料で構成し、また真空容器
から外部の赤外線放射温度計への覗き窓を、検出
波長の光をほとんど透過させる材料で構成し、ウ
エハー基板の表面の膜の成長領域近傍の膜の成長
していない部分（即ち膜の非成長領域）の温度を
赤外線放射温度計で測定するように構成したこと
により、この部分では成膜中ても表面性状が変化
せず、光の放射率が一定のため正確な基板温度を
非接触で測定することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例を示す概略図、第２
図は本発明の装置の温度測定の原理を説明した
図、第３図は、パターニングしたウエハー基板の
表面図、第４図は、その拡大断面図、第５図及び
第６図は、この発明の実施例における温度測定法
を説明する図、第７図は、その温度及び圧力の測
定結果を示す線図、第８図は、従来の装置の測定
結果を示す線図、第９図は、従来の温度制御装置
の概略図、第１０図は、投入電力を設定するため
にウエハー基板の温度を直接測定するための方法
を示す概略図、及び第１１図は、投入電力と基板
温度との関係を示すグラフである。図中、１……真空容器、２……ウエハー基板、
３……基板ホルダー、４……加熱ヒーター、６…
…電力設定装置、７……サイリスタ、８……電
源、９……給電線、１２……赤外線放射温度計、
１３……CaF₂製の覗き窓、１４……石英製のヒ
ーター窓、１７……ノズル、１８……SiO₂コー
テイングウエハーのパターニングされた領域、１
９……同パターニングされていない領域、２０…
…コンタクトホール、２１……赤外線放射温度計
の検出波長より短い波長の光。

Claims

【特許請求の範囲】１真空排気口と反応ガス導入口とを備えた真空
容器内に配置された基板の表面に膜を選択的に成
長させる際に基板の温度を真空容器の外側に設け
た赤外線放射温度計で非接触式に測定するように
した選択成長装置における基板の温度測定装置に
おいて、真空容器内に、加熱ヒーターを内蔵しし
かも基板より十分低い温度に冷却される基板ホル
ダーの基板装着面を、赤外線放射温度計で検出さ
れる波長の光を100％吸収ししかもそれより波長
の短い加熱用の光を透過する材料で構成し、赤外
線放射温度計に相対して真空容器に設けた覗き窓
を、検出波長領域で光透過率の高い材料で構成す
ると共に基板より十分低い温度に冷却し、基板の
表面における膜の成長領域近傍の非成長領域に前
記赤外線放射温度計を焦点合わせしたことを特徴
とする選択成長装置における基板の温度測定装
置。２基板ホルダーの基板装着面を石英で構成し、
赤外線放射温度計に相対した真空容器の覗き窓を
CaF₂、LiF、MgF₂、MgO等で構成した特許請求
の範囲第１項に記載の選択成長装置における基板
の温度測定装置。