JPH06341905A

JPH06341905A - ウエハ温度の測定方法

Info

Publication number: JPH06341905A
Application number: JP6024471A
Authority: JP
Inventors: Christian M Gronet; エム．グローネットクリスチャン; Gary E Miner; イー．マイナーゲリー
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 1993-02-24
Filing date: 1994-02-22
Publication date: 1994-12-13
Also published as: EP0612862A1

Abstract

(57)【要約】【目的】ウエハ２２の温度を複数の点において非接触
で測定する簡単な方法を得ることを目的とする。【構成】反射面３９がウエハ２２の表面から放出され
た熱放射をその表面の方に反射して戻すように、ウエハ
２２の表面と反射面３９との間に反射キャビティ３２を
形成する反射部３０、及び、熱放射を測定し、測定され
た放射を用いてウエハ２２の温度を決定する放射センサ
を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ウエハ処理チャンバ
内の半導体ウエハの温度測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】多くの製造処理、例えば半導体ウエハの
処理においては、高品質は、対象物（workpiece ）（例
えばウエハ）の温度が厳しく制御されたときにのみ達成
されうる。しかし、対象物に物理的に接触することなく
温度測定が行われなければならない状況が多い。例え
ば、処理中のウエハは熱プローブの接触によって汚染さ
れる。従って、対象物に接触することなく温度を測定す
る方法が必要とされる。

【０００３】非接触で温度を測定するための一つの既知
の方法は、熱放射に基づくものである。絶対零度より高
い温度にあるすべての物体は広い帯域の熱放射を放って
いる。約５００℃よりも低い温度においては、ほとんど
の放射は赤外であるが、高温においては可視光が放射さ
れる。

【０００４】単位面積あたりの放射の放出率は、波長の
全スペクトルについて積算され、表面温度の上昇に従っ
て増加する。放射と与えられた波長における温度との関
係は、以下のステファン−ボルツマン（Stefan-Boltzma
nn）の式によって表される。

【０００５】

【数１】

【０００６】ここに、Ｉ_T,λは波長λにおいて秒あた
りｃｍ²あたりに絶対温度Ｔの面から放出される全放
射、ｅ( λ) は放射面の性質に依存して波長λの関数と
して０から１の範囲にある、放射率と呼ばれる定数、及
びσ＝０．０５６７×１０^-4ｅｒｇ・ｃｍ^-2・ｄｅｇ^-4
・ｓｅｃ^-1（ステファン−ボルツマンの定数）である。
ステファン−ボルツマンの定数のもっと詳しい説明は、
Heat and Thermodynamics;Zemansky,M.W.; McGraw Hill
及びFundamentals of Modern Physics; EisbergR.M.;
John Wiley and Sons のような教科書に見られる。

【０００７】もし対象物の放射率が与えられた波長また
は波長範囲において既知であるなら、ステファン−ボル
ツマンの関係は、それらの波長において（他の光を集め
ずに）対象物から放出された光を集め、この光の強度を
高温計またはラジオメータ（radiometer）のような検出
器で測定することによって、対象物の温度を測定するの
に用いうる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、残念ながら対
象物の放射率はしばしば既知ではない。例えばシリコン
ウエハの放射率はウエハからウエハにわたり広範囲に変
動することが知られており、そのため、上記の技術をウ
エハ温度を測定するのに用いるためには各ウエハの放射
率を分離して測定することが要求される。さらに、ウエ
ハ製造処理において高温にされたウエハの放射率は、室
温で測定されるウエハの放射率とは異なることがわかっ
ている。この結果、放射率の測定は処理中に行われなけ
ればならず、ウエハ温度を測定するための上記技術を用
いることを困難にしている。

【０００９】米国特許第4,823,291 号（バーマン（Berm
an））は、処理中のウエハの放射率ｅ_wを計算すること
により、シリコンウエハの温度を測定する装置について
記述している。ウエハを透過しウエハによって反射され
る光エネルギの量が分離して測定されるように、ウエハ
は光源によって照明される。ウエハの透過率ｔ_w（すな
わち、直接または拡散した形でウエハを透過する、入射
する光エネルギの部分）及びウエハの反射率ｒ_w（すな
わち、直接または拡散した形でウエハによって反射され
る、入射する光エネルギの部分）が計算され、ウエハの
吸収率ａ_w（すなわち、ウエハによって吸収される、入
射する光エネルギの部分）を、以下のエネルギ式の保存
から導くために用いられる。

【００１０】

【数２】

【００１１】そして、放射率ｅ_wが、以下の式で示され
るキルヒホッフ（Kirchoff）の熱力学の法則によって得
られる。

【００１２】

【数３】

【００１３】この方法の欠点は、複数の光検出器、ビー
ムスプリッタ、光源及び集光システムを含む複雑な装
置、及び光源の出力をモニターする制御ループが必要な
ことである。さらなる欠点は、正しい動作のためには、
ウエハの面が正反射面でなければならないことである。
すなわち、反射角が入射角に等しくなるように入射光を
反射しなければならないことである。典型的なウエハ面
は拡散反射をするが、もし拡散反射するウエハが用いら
れた場合には、反射光は処理チャンバ内に分散され、反
射光を集めるとともにウエハ処理もできるような処理チ
ャンバを設計するのを困難にする。

【００１４】米国特許第4,533,243 号（ズーコフ（Zhuk
ov）ら）は液体金属の温度を測定する方法について記述
している。球根状の端部を有する光パイプが、溶融した
金属に接触して配置されている。溶融した金属からの熱
放射は球根状端部に至り、光パイプを下がってそこで高
温計によって測定される。

【００１５】この方法の欠点は光パイプを溶融した金属
に接触させなければならない点であり、これによりこの
方法は、半導体処理のような非接触の応用には適しな
い。

【００１６】従って、対象物の温度を複数の点で測定す
るための、簡単な非接触の方法に対する要求がある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】この発明は、一面では、
物体表面の温度を測定するための装置及び方法であるこ
とを特徴とする。物体の近くに反射部が配置されて、物
体と反射部との間に反射キャビティが形成され、物体表
面で放出された熱放射は反射して物体の方に戻される。
物体から放出されたすべての熱放射は、反射して物体の
方に戻るため、反射キャビティ内の熱放射の強度は物体
表面の放射率の関数にはならない。この結果、反射キャ
ビティ内の熱放射を測る放射センサは物体の温度を従来
可能であった方法よりも正確に決定することができる。

【００１８】上記装置及び方法は多くの応用例に用いる
ことができるが、以下では半導体処理チャンバ内の半導
体ウエハの温度測定に関して説明する。この実施例及び
他の実施例において、反射部は物体表面に接触せず、反
射部の表面形状は物体表面に対して部分的に平行であり
（例えば両方が平面）、そのため物体から放出された熱
放射は物体と反射部との間で繰り返し反射する。この目
標は、反射部と物体の間の距離に対して少なくとも２０
倍以上広い反射部を選択することによっても推進され
る。

【００１９】物体が高温になる応用においては、高温が
反射部の反射率に影響しないように、反射部を前記物体
の温度よりも実質的に低い温度まで冷却することも有用
である。

【００２０】半導体処理及び他の応用例においては、導
光性導管（light conductive conduit）（例えば、反射
部の小さな穴を通して反射キャビティ内に挿入されたも
の）を用いて反射キャビティからの熱放射を集め、集め
られた熱放射を離れて配置された高温計に運ぶことも有
用である。物体の種々の位置の温度を測定するために、
導管は、物体に対して相対的に移動させるアクチュエー
タに接続されていてもよい。導管は光ファイバや結晶で
あってもよいし、反射する内面を有する開口チューブで
あってもよいし、鏡とレンズから成るシステムであって
もよい。

【００２１】半導体処理の実施例においては、上記の装
置は、ウエハ面に沿った種々の点においてウエハの温度
を制御するフィードバックループとともに用いうる。こ
の実施例は、ウエハの異なる領域を個々に加熱する加熱
要素、例えば、複数の制御可能な放射エネルギ源（各源
はウエハの表面領域の一部を照射する）を有する加熱要
素を用いている。コントローラは、各放射エネルギ源か
らの照射強度を、ウエハの対応する位置で検出された熱
放射量に応じて個々に制御する。

【００２２】

【実施例】この発明の動作原理を説明するために、図１
( ａ) に示したような、キャビティ内の放射パターンを
考慮することが有益である。キャビティ１０の壁は、無
限で平行であるとモデル化される。上部壁１１は、透過
率（transmissivity）ｔ＝０、放射率（emissivity）
ｅ、及び吸光率（absorptivity）ａを有している。下部
壁１２は、反射率（reflectivity）ｒ＝１、及びゼロの
透過率、放射率及び吸光率を有している。

【００２３】キャビティ１０の上部壁１１からは、熱放
射（thermal radiation ）がランダムなパターンで放射
される。この放射は、下部壁１２で反射し、その後、上
部壁１１で部分的に反射され部分的に吸収される。上部
壁１１で反射される部分は、その後、再び下部壁１２で
反射され、その後、上部壁１１で部分的に反射され部分
的に吸収される。このパターンは、図１( ａ) に部分的
に描かれた典型的な光線によって図示されている。

【００２４】この例のために、上部壁１１は拡散反射面
（diffuse reflector ）、すなわち入射光は異なる角度
及び異なる強度で反射され、上部壁１１は均一温度Ｔで
あると仮定する。また、下部壁１２は正反射面（specul
ar reflector）であると仮定する。（各壁が拡散または
正反射面である必要はなく、単に下部壁１２が反射率１
を有し、両方の壁が透過率０を有すればよいことに注意
されたい。）光は、上部壁１１によってランダムなパタ
ーンで放射され、キャビティ１０の全体に渡って等しく
ランダムな（等方性の）パターンで反射されるため、与
えられた時間に渡り下部壁１２の与えられた点でほぼ等
しい量の光が反射する。下部壁１２の与えられた場所、
例えば１４で反射する光は、数個の区分に分けることが
できる。上部壁１１でまだ部分的に反射していない光
（０−反射光、例えば１３ａ）、上部壁１１で１回部分
的に反射した光（１−反射光、例えば１３ｂ及び１３
ｃ）、上部壁１１で２回部分的に反射した光（２−反射
光、例えば１３ｄ）、等である。キャビティ１０内の光
のランダムな分布のために、各区分の光が均一な空間分
布をもって下部壁１２に発せられ、それゆえ、下部壁１
２の与えられた点に入射する全部の光は、各区分の光を
含むであろう。

【００２５】光が上部壁１１で反射するたびに、光の一
部は上部壁１１によって吸収される。残りの光は上部壁
１１で反射し、反射光のエネルギは係数１−ａによって
減少する。従って、上部壁１１に入射する波長λの０−
反射光が、（ステファン−ボルツマン（Stefan-Boltzma
nn）の式による）σｅ( λ) Ｔ⁴に等しい強度をもって
いるとすると、１−反射光はσｅ( λ) Ｔ⁴( １−ａ)
に等しい強度をもち、２−反射光はσｅ( λ) Ｔ⁴( １
−ａ) ²に等しい強度をもち、以下同様となる。従っ
て、下部壁１２の与えられた場所に入射する光のトータ
ルの強度Ｉ_Tは、以下の無限級数に等しい：

【００２６】

【数４】

【００２７】この級数の和は以下の値になる：

【００２８】

【数５】

【００２９】しかし、キルヒホッフ（Kirchoff）の法則
ｅ＝ａによって、代入することによりこの式は以下のよ
うになる。

【００３０】

【数６】

【００３１】従って、下部壁１２上の任意の点に入射す
る波長λのトータルの入射光はＴ⁴に比例し、これはキ
ャビティ壁の放射率ｅによらない比例となる。他の方法
で考察すると、キャビティ１０内のトータルの光強度
は、上部壁１１が”黒体（black body）”、すなわち上
部壁１１放射率ｅが１であるとした場合と同じになる。
つまり、もしｅ_wall＝１（それゆえキルヒホッフの法則
によりａ_wall＝１）であるなら、式( ４) の無限級数の
第１項はσＴ⁴になり、ａ_wall＝１であって上部壁１１
に入る全ての光は吸収されてしまい１−反射光がなくな
る（また、他のｎ−反射光も）ため、式( ４) の残りの
項ははゼロになる。

【００３２】式( ４) の無限級数の最初の数項が、（ほ
とんどの和を有する無限級数と同様に）支配的な項であ
ることに注意されたい。さらに、これらの最初の数項は
０−反射、１−反射、２−反射等の光に対応し、それら
は主に上部壁１１上の近い場所から発せられる。この結
果、式( ４) の無限級数の値は、熱放射を測る点の近く
にある上部壁１１の場所の温度によって主に決定され
る。

【００３３】従って、上部壁１１の温度が空間的に均一
であると仮定する必要はない。上部壁１１の温度が空間
的に変動する場合においてさえ（変動が比較的ゆっくり
で連続的である限り）、式( ４) の級数は式( ５) の和
に実質的に等しく、その結果、キャビティ１０内の与え
られた場所で測られる放射は、上部壁１１の放射率から
はなお独立であろう。

【００３４】さらに、上部壁１１の温度が空間的に変動
すると仮定した場合でも、キャビティ１０内の任意の場
所の光を測ることにより（たとえば、開口部１４を通し
てキャビティ１０内に入れられた光ファイバによっ
て）、計測点の近くの場所の上部壁１１の温度は、上部
壁１１の放射率にはよらずに決定されうる。

【００３５】下部壁１２の与えられた場所において、上
部壁１１上の近い点から発せられた０−反射、１−反
射、及び２−反射光は、壁面に直角に近い角度で到達し
やすいことにも注意されたい。反対に、上部壁１１上の
遠い点から発せられた光は、直角とは大きく異なる角度
で到達しやすい。（この考察は、０−反射光については
明らかに正しく、発生源の距離と入射角との関係は反射
回数によって急速に弱くなるが、１−反射光及び２−反
射光についてはほぼ正しい。）前段落の考察により、
（例えば開口部１４から光を集めることによる）温度測
定を、直角とは大きく異なる角度で到達する光を捨てる
ことにより、さらに局所的に制限しうることが明らかで
ある。従って、狭いまたは広い受光角度を有する放射セ
ンサを選択することにより、温度測定はそれぞれ大きく
局所化されるかまたは緩く局所化されうる。

【００３６】さらに、放射率及び吸収率が比較的高い、
例えば０．７あるいはそれ以上の場合においては、上部
壁１１により近い場所の放射を集めることにより温度計
測をもっと局所化することが可能である。これは、放射
率及び吸収率が比較的高いときには、０−反射光に対応
する第１項によって式４が支配されるからである。この
ような状況では、放射センサが上部壁１１のより近くに
配置されているなら、それは局所的な０−反射放射のみ
を集め（遠い場所からの０−反射光は、センサにセンサ
受光角を超える角度で入る）、それゆえ結果としての温
度測定はもっと局所化されるであろう。

【００３７】最後に、下部壁１２は熱放射が測られる波
長において反射することのみが必要であることに注意さ
れたい。他の波長における反射率は重要ではない。この
ことは、式( ４) の無限級数の項は１つの波長（λ）に
おいて光強度をモデル化しているために正しい。他の波
長における強度は、級数には関連せず、式( ５) 及び(
６) の和には影響しない。上部壁１１に入射した波長λ
の熱放射の一部は吸収された後に異なる波長の放射とし
て再放射されるけれども、式( ４) は上部壁１１によっ
て吸収される放射を考慮していないため、この効果は式
( ４) には関連しない。その代わり、式( ４) は上部壁
１１で反射した放射を考慮し、反射した放射は入射した
放射と同じ波長λになるであろう。

【００３８】上記に適用した理由は、図１( ａ) に示し
たような無限の平行板の間のキャビティには限定されな
い。同じ理由は、キャビティの物理的配置がキャビティ
全体に渡ってキャビティ壁から発せられる熱放射をラン
ダムに（等方的に）分布させるように作用するかぎり、
( ａ) 部分的に均一な温度及びゼロより大きい放射率、
または( ｂ) 単位量の反射率を有する壁を備えた（有限
または無限のサイズの）任意のキャビティに適用され
る。一つのそのようなキャビティ１０′が図１(ｂ) に
示されている。キャビティの壁は、単位量の反射率とゼ
ロの放射率、透過率、及び吸収率を有する領域１２′、
及びゼロの透過率を有するがゼロでない反射率、放射率
及び吸収率を有する領域１１′を備える。もし領域１
１′の各々が同じ温度及び放射率を有しており、配置が
熱放射をキャビティ１０′全体に渡ってランダムに（等
方的に）反射し分布させれば、キャビティ１０′の壁上
の各点は等しい量の１−反射、２−反射、３−反射等の
光によって照されるであろう。結果として、例えば開口
部１４′への入射光は式( ４) の無限級数に等しくな
り、それゆえ、開口部１４への入射光は領域１１′の内
面の温度に依存するが、領域１１′を構成する材料の放
射率には依存しないであろう。

【００３９】前述の原理は、放射率に依存しない非接触
型の温度測定装置を形成するのに用いうる。例えば、図
１( ａ) を参照して説明したタイプのキャビティは、半
導体ウエハの温度を測定するのに用いうる。この原理を
用いた半導体処理チャンバが図２に示されている。

【００４０】総括的に２０で指示される図２の半導体処
理装置は、円筒形の処理チャンバ２１（断面で示されて
いる）を備えており、その中には、例えばディスク形状
の８インチ（２００ｍｍ）の直径のウエハ２２が搭載さ
れている。ウエハ２２は、ウエハの真上に配置された加
熱要素１５によって加熱される。加熱要素１５は放射さ
れるエネルギである光２６を発生し、光２６は、ウエハ
の約１インチ（２．５ｃｍ）上方にある石英窓（quartz
window ）２８を通った後、処理チャンバ２１に入る。
好適な加熱要素１５は、この出願の優先権の基礎となっ
た米国出願の譲り受け人に譲渡された米国特許第5,155,
336 号に開示されている。そこで開示されている加熱要
素は、光を集めて平行にし、平行光を処理チャンバ２１
内に向かわせる１８７個の光パイプを使用している。１
８７個の光パイプは、半径方向に対称に配置される１２
グループに分けられる。それらのグループは、下方のウ
エハ２２の異なる領域に向かう光の強度を制御するため
に、個々に調整されうる。

【００４１】水冷の反射部３０が、ウエハ２２と反射部
３０との間に反射キャビティ３２を形成するために、ウ
エハ２２の下方に配置される。ウエハ２２から発せられ
た熱放射は、このキャビティ３２内で反射し、包囲する
放射レベルを形成する。図１のキャビティ１０のよう
に、キャビティ３２内の放射レベルはウエハ温度の関数
になるが、ウエハ２２の放射率及び反射部の温度には依
存しない。反射部３０の反射面３９は、よく磨かれた安
定な反射面から作られている。面３９の反射率が１００
％に近づくにしたがい、キャビティ３２の振る舞いは図
１( ａ) の理想的なモデルにより近くなる。最も反射す
る既知の面は金である。従って、一つの実施例において
は、反射面は石英板の内部にシールされた金箔である。
しかし、半導体処理チャンバ内で金を使用することは汚
染のリスクを増加させる、あるいは増加させるように見
える。ニッケルは金よりも不活性であり、ステンレス鋼
よりも少しだけ高い反射率を有している。それゆえ、ニ
ッケルをめっきした（plated）ステンレス鋼が現在では
好まれている。しかし、与えられる波長によっては、
金、ニッケルまたはステンレス鋼以外の面が最高の反射
率をもつこともある。

【００４２】キャビティ３２の幅−高さ比が増加したと
きに、図１( ａ) のキャビティ１０は図２のキャビティ
３２に対するもっと正確なモデルになることが、実験モ
デルによって示された。従って、キャビティ３２を図１
( ａ) の理想的モデルに近づけるためには、ウエハ２２
と反射部３０との距離を最小にすることが望ましい。図
２に示された実施例においては、ウエハは８インチの直
径を有しており、ウエハと反射部との距離は約．３イン
チ（７．６ｍｍ）であり、従ってキャビティ３２の幅−
高さ比は８／．３すなわち２７である（ウエハ２２と反
射部３０との距離は、以下に説明する”曲げられた導管
（conduit ）”の実施例においてはもっと大きく、例え
ば．３５インチ（８．９ｍｍ）であり、以下に説明す
る”真っ直ぐな導管”の実施例においてはもっと小さ
く、例えば．２５インチ（６．４ｍｍ）である）。どん
な場合でも、少なくとも２０の幅−高さ比が好ましい。

【００４３】ウエハ２２の温度を測定するために、キャ
ビティ３２内に包囲された放射の一部は固定された導管
３６の開口端３４に捕えられ、導管の他端に連通され
る。この他端において放射は、柔軟な光パイプ３５（す
なわち光ファイバ）につながれ、光パイプ３５は熱放射
を放射に感応する高温計（pyrometer ）３８まで約１０
フィート（３ｍ）運ぶ。高温計３８は、受け取った熱放
射の量を決定し、これにより導管の開口端３４に隣接す
るウエハの部分の温度を決定する。以下に記述されるよ
うに、ウエハは、ウエハの他の部分を開口端３４上に配
置するために、その軸のまわりに回転させられる。

【００４４】導管には２つの実施例が考えられ、それら
は両方とも図２に示されている。

【００４５】第１の実施例においては、３６′で指示す
るように導管は真っ直ぐであり、反射部３０内の固定位
置に配置されている。真っ直ぐな導管の開口端３４は、
反射部３０の面と実質的に同一平面に配置される。この
実施例において、導管の受け入れ角は比較的広く、例え
ば５２°（実験的に測定されたもの）である。この結
果、高温計はウエハ２２の下側の比較的大きな領域の温
度を読み取ることになる。もしウエハのより小さい領域
の測定が好ましいなら、小さい受け入れ角を有する導管
を使用しうるし、または（上述のように、もし状況が許
すなら）導管はウエハの下側のより近くに移動させられ
うる。しかし、これらの方法は両方とも、信号レベル、
それゆえ検出器における信号−ノイズ比を減少させるこ
とにもなる。

【００４６】他の実施例においては、複数の真っ直ぐな
導管が反射キャビティ内に突出しており、各導管がウエ
ハ２２下側の異なる場所から熱放射を測る。好ましく
は、これらの導管は、各導管の測定を局所化するため
に、一つの導管の場合よりも狭い受け入れ角をもつ。放
射測定の各値は個々の専用の高温計に移され、高温計
は、これらの高温計が個々に割り当てられたウエハの領
域の温度を測定する。このデータから、ウエハの放射帯
（radial bands）の温度曲線（profile ）が、ウエハを
回転させることより計算されうる。例示のために、導管
を受け入れうる３つの開口部３１が図２に示されてい
る。導管及び開口部が比較的少ししかなく各導管及び開
口部の断面積が比較的小さいかぎり、一つの導管または
開口部で失われる（すなわち、反射されない）少量の熱
放射は、他の導管による温度測定の妥当性には、実質的
に逆に影響しないことを実験データは示している。

【００４７】ウエハの端部と中心との間を横方向に動か
されうる一つの導管３６を設けることも可能である。こ
の場合でも、導管は固定された一つの導管よりも狭い受
け入れ角をもちうる。導管がこの経路を動くのにしたが
い、計測時に導管３６の端部３４のほぼ上方にある特定
の領域の温度を決定するために、放射エネルギが連続的
に測られて処理される。そして、この測定された温度
は、計測位置と関係付けられ、ウエハの放射帯の温度曲
線がウエハを回転させることによってプロットされう
る。導管３６をこの経路に沿って動かすために、溝（sl
ot）（図示せず）が水冷の反射部３０の本体に形成され
ている。この溝は導管３６のガイドとして機能する。導
管３６に対して好適に取り付けることにより、任意の特
定の時刻におけるその端部３４の正確な位置は、決定さ
れることができ、その時刻のウエハ２２の回転位置と関
係付けることにより、ウエハ下側の特定の位置に合わせ
うる。

【００４８】他の実施例においては、導管３６′は曲っ
た形状をしており、水平な中間部分によって結ばれた２
つの垂直な端部を有している。導管３６′はアクチュエ
ータ（図示せず）に結合されており、アクチュエータは
導管を３６０°の円弧に沿って矢印３５で示される方向
に回転させる。（柔軟な光パイプ３５は、−−これは導
管３６′に堅固に取り付けられている−−導管３６′が
この３６０°の円弧に沿って回転する際に、どちらの方
向にねじるにも十分な弾性を有している。）この実施例
において、開放端３４′はウエハ２２の下面の比較的近
くに（例えば、１００分の４インチ）配置されており、
従ってウエハ２２と反射部３０との間の距離を最小にす
ることができる。導管３６は好ましくは、単結晶サファ
イア（single sapphire crystal ）のような耐熱性で耐
食性の材料から形成されている。サファイアの導管はう
まく用いられているが、光ファイバの他の形態、反射す
る内面を有する開口パイプも、熱放射をキャビティ３２
から高温計３８まで連通させるために、効果的に使用す
ることができることは明らかである。他の例は、反射部
３０に取り付けられた小さな半径の対物レンズを含む光
学系と、レンズによって集められた放射を高温計に連通
（光ファイバによることが可能である）させる鏡及びレ
ンズのシステムとを用いるものである。これらの他の実
施例は、適当なサイズと光学特性を有する既製の光要素
が見つかったなら、サファイアの導管よりも低価格であ
ろう。

【００４９】光パイプ３５は、例えば、反射コーティン
グに包まれた少し柔軟な石英ファイバを含んでもよい。
それは、導管及び光パイプの端部をお互いが接触した状
態または接触に近い状態に正確に制御された位置で保持
する市販のファイバカプラ４１によって、導管に接続さ
れる。導管及び光パイプの端部の間に隙間があると、導
管に極端な角度で入った光は（導管内で反射した後に）
導管を極端な角度で出て行くであろうから、それは導管
の受け入れ角に影響を及ぼすであろうし、それゆえ、光
パイプにうまく接続されないであろう。従って、導管の
受け入れ角は、導管及び光パイプをそれらを適当な距離
だけ離して位置決めするカプラ４１を選択することによ
り調整されうるであろう。

【００５０】好適な石英ファイバ光パイプ、サファイア
結晶導管、及び光パイプ／導管カプラは、Luxtron Corp
oration-Accufiber Division, 9550 S.W.Nimbus Avenu
e, Beaverton, OR 97005.から入手可能である。

【００５１】ウエハ２２は、その端部を約１インチ
（２．５ｃｍ）の半径方向の幅を有するガードリング２
４によって支持されている。ウエハ２２の汚染を最小に
するために、ガードリング２４はシリコンから作られて
いる。ガードリングは、回転するチューブ状の円柱体２
５の上に載せられており、円柱体２５はアクチュエータ
（図示せず）に接続されている。アクチュエータは円柱
体２５を回転させ、これによりガードリング２４及びウ
エハ２２を回転させる。円柱体２５は、好ましくは比較
的耐熱性で比較的不活性の物質、例えば石英から作られ
ている。

【００５２】半導体ウエハ処理において、ウエハは、そ
の表面に沿って制御された温度曲線を有していることが
重要である。前述のように、加熱要素１５は、ウエハ２
２の上面の特定領域を照明する光パイプのグループから
の光２６の強度を制御しうる。これらの放射エネルギ源
の制御は、それゆえ、ウエハ２２の温度曲線を制御し決
定するのに寄与する。

【００５３】ウエハ２２の温度曲線を決定するために、
コントローラ１６が（線１８を通して）ウエハアクチュ
エータ、及び／または、（線１９を通して）導管アクチ
ュエータを制御し、ウエハ２２の下面の異なる多くの場
所の温度を測定する。ウエハを回転させることにより、
ウエハの種々の場所の温度が測定される。真っ直ぐな導
管の実施例においては、ウエハを回転させることによっ
て選択された角度領域が導管端部３４上に位置決めされ
るようにすることができ、導管は選択された角度領域か
らの放射を捕える。こうして、高温計３８は選択された
角度領域の温度を計測する。曲った導管の実施例におい
ては、ウエハの回転を導管の回転と組み合わせることに
よって、導管端部３４′上に任意の局所化された領域を
もってくることができ、従って高温計３８は任意の所望
の局所化された領域の温度を測定することができる。

【００５４】ウエハの温度曲線が計測されると、コント
ローラは所望の温度曲線からの偏差を記録する。偏差が
記録されると、コントローラは加熱要素１５を（線１７
を介して）制御し、偏差が記録された領域上の放射光２
６の強度を調整する。このように、温度曲線は制御さ
れ、所望の曲線にできるだけ近くなるように維持され
る。

【００５５】チャンバの温度は、反射部３０の上面３９
の物理的性質の変化を起こさせ、その反射率は理想的な
値である１をかなり下回るかもしれず、その放射率は実
質的に０を超えるかもしれない。これらの変化は、（完
全でない反射率と面３９からの熱放射のために）図１(
ａ) の理想的キャビティ１０とは異なったキャビティ３
２の振る舞いを起こさせる。これらの効果を避けるため
に、反射部３０はウエハの温度よりも低い温度まで冷却
されている。図２の実施例では水冷が用いられており、
反射部３０は、反射部及び反射面を冷却するために冷却
液を反射部３０の本体内を連続的に循環させる冷却液循
環用の配管３３を備えている。

【００５６】加熱要素１５から漏れた光２６が、反射キ
ャビティ３２に入るのを防止するために、隔壁３７がウ
エハ２２の外周に沿って配置されている。これらの隔壁
は、光２６が、ウエハ２２の下方の処理チャンバ２１の
部分、特に反射キャビティ３２に入るのを効果的に防止
する。もし加熱要素１５からの光２６が反射キャビティ
３２に入ったなら、この光はウエハ２２からの熱放射に
関係付けられるものでなく、それゆえ式( ４) で考慮し
ていないため、温度計測誤差の原因となる。

【００５７】反射を最小にするために、ガードリング２
４は、加熱要素１５によって生じた光２６の波長を吸収
する色、例えば黒または灰色を有している。隔壁３７も
吸収する色を有している。

【００５８】加熱要素１５からの光２６の少なくとも一
部はキャビティ３２に到達することはありうる。この光
はキャビティ３２内で拡散して反射され、ウエハからの
熱放射とともに導管３６に入るかもしれない。この漏れ
た光２６の効果は、導管がウエハの端部付近にあるとき
に最大となり、導管がウエハの中心付近にあるときに最
小となる。これは、平均的に、ウエハの中心にある導管
に到達するためには、導管がウエハの端部付近に配置さ
れている場合よりも、光２６が多く反射しなければなら
ないからである。反射する毎に光２６の一部が吸収さ
れ、この結果、導管に到達する光は残り少なくなるから
である。

【００５９】導管３６に入る光２６が温度計測に影響を
及ぼすのを防止する他の方法は、狭い帯域の波長の熱放
射に感応して温度を決定する高温計３８を選択し、石英
窓２８の下側をこの狭い波長帯以外の熱放射にとって透
明な不活性材料でコートすることである。これにより、
温度計測に影響する光２６の部分が処理チャンバ２１に
入るのが防止される。別の類似の方法は、長い波長（例
えば４μｍより長い）に感応する高温計を用いている。
これらの波長において石英は不透明であり、従ってこれ
らの波長にある光２６はチャンバに入らない（しかし、
この長い波長による方法は７００℃を超える温度にのみ
用いることができることに注意されたい。−−以下で説
明するように、低い温度においてはウエハは長い波長の
光にとって透明になり、性能劣化につながる）。

【００６０】図２の実施例においては、反射部３０はウ
エハ２２の主要な面に対して実質的に平行に示されてい
る。この配置は、しかし、一つの実施例を示しているの
にすぎず、反射部はキャビティ内のウエハからの熱放射
を反射する他の形状、例えば皿形状にもしうる。

【００６１】さらに、反射部と測定される物体の面性状
が物体及び反射部の間のキャビティ内で熱放射を等方的
に反射するように機能するかぎり、物体の面は平面であ
る必要はない。従って、例えば、物体及び反射部の面は
部分的に平行な波打った面性状であってもよい。その代
わりに、反射部及び物体の面はキャビティの内面のまわ
りに、図１( ｂ) に示したようにランダムに配置されて
いてもよい。

【００６２】図３はキャビティ３２を詳細に示してい
る。図３には、ウエハ２２と反射部３０の一部のみが示
されている。導管３６及び３６′の２実施例の一部、及
び導管３４及び３４′の開放端も示されている。

【００６３】前に指摘したように、ウエハ２２はその処
理の間に加熱される。ウエハ２２は熱くなるため、その
上面及び下面の両方から熱放射を放つ。典型的に、ウエ
ハ２２の下面からの放射は、反射面３９及びウエハ２２
の間で反射され、それに伴い多くの変換を受ける。

【００６４】例示のために、一つの放射光の経路が、ウ
エハ２２の下面を離れる線４０で示されている。この放
射は反射面３９で反射され、ウエハ２２に向かって戻
る。反射面は、反射率が１００％に近い正反射面である
から、本質的に全ての放射が反射され、反射角は入射角
に等しい。反射した放射がウエハ面２２に到達したと
き、ある量の放射が点４２においてウエハ２２によって
吸収される。のこりの放射は、例えば線４４及び４６で
表される異なる光線のように、ウエハの下面から拡散し
て反射される。（ウエハの下側は、典型的にはエッチン
グされ、それゆえある波長に対する拡散鏡（diffuse re
flector ）になる。）光線４６は、再び、反射面３９
によって反射され、ウエハ２２に戻り、例えばほとんど
すべてが点４８においてウエハ２２に吸収される。線４
４によって表される光線は、反射面３９によって同様に
反射され、点５０においてウエハ２２によって一部のみ
が吸収され、線５２で表される残りの放射は、反射キャ
ビティ３２の境界を離れるまで連続的な反射と吸収を続
ける。

【００６５】従って、図３の配置における熱放射の反射
と再吸収のパターンは、図１( ａ)を参照して上で説明
した理想的な無限平行板の場合に似ている。相違点は、
ウエハ及び反射部の端部から放射が失われることによっ
て生じる端部の効果である。しかし、反射部の幅がウエ
ハ及び反射部の距離よりも実質的に大きいなら、反射部
及びウエハの中心付近における反射の回数は図１( ａ)
の理想的配置の場合に近くなる。従って、ウエハの中心
付近では、端部の効果は無視することができ、この領域
においてはキャビティ３２内の放射はウエハの放射率に
実質的に依存しなくなる。

【００６６】高温計３８を設計する際に必要なこと
は、”黒体”すなわち図４に示されたような放射率１の
物体の放射のスペクトル曲線（spectral radiance curv
es）を参照することによりもっともうまく説明される。
キャビティ３２内の放射は黒体の放射に類似しているた
め、図４は、放射スペクトルとキャビティ３２内の放射
の波長との関係をも示している。それゆえ、この図はウ
エハ２２の温度を測定するのに好適な高温計を選択する
際に考慮すべきことを理解するのに有用である。高温計
は、熱放射の、ウエハ２２が透明にならないような波長
を測るべきである。これは、図１( ａ) の理想的なモデ
ルにおいては、上部壁１１及び下部壁１２の両方が透過
率を有しておらず、それゆえ上部壁１１で発生したキャ
ビティ１０内の全ての熱放射はキャビティ内で反射され
るか上部壁１１で再吸収され、さらに、他の放射はキャ
ビティ１０内に入らないと想定しているからである。ウ
エハ２２が透明になる波長では、これらの仮定の両方と
も成立せず、キャビティ３２は図１( ａ) の理想的なキ
ャビティ１０によってはモデル化できない。

【００６７】室温においては、ウエハは１．１μｍより
長い波長の光に対しては透明である。温度が上昇するの
に従って、ウエハはもっと長い波長に対して不透明にな
り、７００℃においてウエハは関心のあるすべての波長
において不透明になる。従って、計測波長を選択するこ
とは、処理温度に依存する。もし処理温度が実質的に７
００℃より下であるなら、高温計は１．１μｍより短い
波長を計測しなければならない。もしもっと高い処理温
度が用いられるなら、もっと長い波長が計測されうる。
（非常に低い処理温度（例えば６００°Ｋ（３２７
℃））においては、図４の曲線５８は”黒体”放射スペ
クトルの少量のみが１．１μｍよりも短いことに注意さ
れたい。しかし、典型的なウエハは低温においては長い
波長に対して透明になるので、高温計は１．１μｍより
も短い波長を計測できるのみである。この結果、６００
°Ｋよりも低い温度においては、上記方法によって典型
的なウエハの温度を計測するのに十分な量の放射を集め
るのは困難になりうる。）９００℃と１３５０℃との間
の温度で作用する処理に好適な一つの設計例は、０．９
〜１．０μｍの範囲にある放射に感応するソリッドステ
ートの（solid-state ）の高温計３８、例えば１００−
Ｓ８ＭＳ−Ｂ−８ＣＶ電子回路（electronics box ）と
組み合わされた９００−ＬＰ−６．３５Ｃセンサを用い
ている。これらは両方とも、前述の住所のLuxtron Corp
oration-Accufiber Divisionから入手することができ
る。図４の（１０００°Ｋすなわち１２７３℃における
放射を示す）曲線６０からわかるように、この温度範囲
においては、０．９〜１．０μｍの間の実質的な放射が
あり、良好な信号強度及び信号−ノイズ比が提供され
る。

【００６８】上記の考察はウエハ材料及び動作温度に依
存し、好適な高温計の選択はそれゆえこれらの要因に依
存する。

【００６９】上記温度測定システムの正確さ及び再現性
（repeatability ）は、以下の手順により実験的に評価
された。おもて面に同一の処理が施され裏面に異なる処
理が施された４グループのウエハが用意された。第１グ
ループは、付加的な膜のない標準的な”エッチトバック
（etched back ）”面を有している。第２グループは、
付加的な膜のない磨かれた裏面を有している。第３グル
ープは、５００ｎｍの熱酸化物に覆われた”エッチトバ
ック”面を有している。第４グループは、１０００ｎｍ
の熱酸化物に覆われた”エッチトバック”面を有してい
る。放射率は面あらさ及び酸化物膜厚の両方の関数であ
るから、これらの裏面の各々は他のものとは実質的に異
なる放射率（ｅ）を有している。

【００７０】標準的な温度測定技術（高温計）を評価す
るために、ウエハは面を下にして処理チャンバ内に配置
され、加熱要素が裏面を放射した。高温計も裏面を観測
した。上記の温度測定技術を評価するために、ウエハは
面を上にしてチャンバ内に配置され、温度測定が裏面で
行われる間、加熱要素は前面を放射した。

【００７１】すばやい熱酸化物が約１１００℃において
６０秒で各ウエハで成長した。説明したタイプの一つの
導管及び高温計が温度を測定するために用いられ、上記
のタイプのフィードバックコントローラが温度を処理の
間中、所定の値１１００℃に制御するために用いられ
た。その結果形成された酸化物の厚さがエリプソメータ
（ellipsometer）によって測定された。処理の再現性
は、上記の新しい温度測定技術を用いることにより実質
的に向上した。成長した酸化物層の厚さの偏差は、以下
の表に示すように６．２ｎｍから０．３ｎｍに減少し
た。

【００７２】

【表１】

【００７３】この発明を半導体ウエハの温度測定につい
て示し説明してきたが、この発明の形態、詳細や応用に
ついて種々の代替や変形が可能であることは、当業者に
は理解されるであろう。従って、特許請求の範囲は、こ
の発明の真髄及び範囲に入りうるすべての代替や変形を
カバーすることが意図されている。

【００７４】

【発明の効果】この発明によれば、物体の温度を複数の
点において非接触で測定する簡単な方法を得ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】( ａ) は平行板キャビティの断面図であり、こ
の発明の原理を図示するものである。( ｂ) は一般化し
たキャビティの断面図であり、この発明の原理を図示す
るものである。

【図２】半導体処理チャンバの内部の一部断面図であ
り、この発明を図示する。

【図３】図２のチャンバの一部の拡大図であり、ウエハ
及び反射部の部品を示しており、ウエハ２２及び反射部
３０の間のキャビティ内の熱放射の反射を示している。

【図４】いくつかの異なる温度における吸収率ａ＝１及
び放射率ｅ＝１の物体（すなわち、”黒体”）につい
て、対数目盛の波長に対する放射のスペクトルをプロッ
トしたグラフである。

【符号の説明】

１０、３２…反射キャビティ、１５…加熱要素、１６…
コントローラ、２２…ウエハ（物体）、３０…反射部、
３６、３６′…導管、３７…隔壁、３８…高温計、３９
…反射面。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ゲリーイー．マイナーアメリカ合衆国，カリフォルニア州 94555，フレモント，ヒルダスーテラス 4974

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】反射部の反射面が物体の表面から放出さ
れた熱放射を前記表面の方に反射して戻すように、前記
物体の前記表面と前記反射面との間に反射キャビティ
（cavity）を形成する反射部、及び前記熱放射を測定
（sampling）し、測定された放射（sampled radiation
）を用いて前記物体の温度を決定する放射センサを備
えた、前記物体の前記表面の温度を測定するための装
置。
【請求項２】前記反射面が前記物体の前記表面に接触
しない請求項１記載の装置。
【請求項３】前記表面から放出された熱放射が、前記
反射面と前記物体の前記表面との間で繰り返し反射され
る請求項１記載の装置。
【請求項４】前記反射面が前記物体の温度よりも実質
的に低い温度まで冷却される請求項１記載の装置。
【請求項５】前記反射面は微細構成（topography）を
有し、前記物体の前記表面は微細構成を有し、これらの
微細構成が局部的に平行になっている請求項１記載の装
置。
【請求項６】前記微細構成が実質的に平坦になってい
る請求項５記載の装置。
【請求項７】前記反射面の幅が前記反射面と前記物体
の前記表面との間の最大の距離よりも少なくとも２０倍
大きい請求項１記載の装置。
【請求項８】前記反射キャビティ内から受信端（rece
iving end ）で熱放射を集め、集められた熱放射を離れ
て配置された測定装置に運ぶ導光性導管（light conduc
tive conduit）を前記センサが備えた請求項１記載の装
置。
【請求項９】前記導管が、前記反射面を通して前記反
射キャビティを貫通している請求項８記載の装置。
【請求項１０】前記導管が、前記導管の受信端を前記
物体に対して動かすアクチュエータに結合されている
（is coupled to ）請求項８記載の装置。
【請求項１１】前記導管が曲げられており、前記アク
チュエータが前記導管を回転させることによって前記導
管の受信端を動かす請求項１０記載の装置。
【請求項１２】前記放射センサが、前記物体の前記表
面に近い位置からの光を集める請求項１記載の装置。
【請求項１３】前記放射センサが、前記反射キャビテ
ィ内の異なる位置からの放射を測定するために適用され
る請求項１記載の装置。
【請求項１４】ウエハの表面と反射部の反射面との間
に反射キャビティを形成するために、チャンバ内に配置
され前記ウエハに対面する反射部であって、前記反射部
は前記ウエハの前記表面から放出された熱放射を反射す
るもの、及び前記熱放射を測定し、測定された放射を用
いて前記ウエハの温度を決定する放射センサを備えた、
半導体ウエハ処理チャンバ内の半導体ウエハの温度を測
定するための装置。
【請求項１５】前記反射部が前記ウエハの前記表面と
接触しない請求項１４記載の装置。
【請求項１６】前記熱放射が前記反射面と前記ウエハ
の前記表面との間で繰り返し反射される請求項１４記載
の装置。
【請求項１７】前記反射面が前記ウエハの温度よりも
実質的に低い温度に冷却される請求項１４記載の装置。
【請求項１８】前記反射面は微細構成を有し、前記物
体の前記表面は微細構成を有し、これらの微細構成が局
部的に平行になっている請求項１４記載の装置。
【請求項１９】前記微細構成が実質的に平坦になって
いる請求項１８記載の装置。
【請求項２０】前記反射面が前記ウエハの前記表面と
接触せず、前記反射面の幅が前記反射面と前記ウエハの
前記表面との間の最大の距離よりも少なくとも２０倍大
きい請求項１４記載の装置。
【請求項２１】前記反射キャビティ内から受信端で熱
放射を集めて、集められた熱放射を離れて配置された測
定装置に運ぶ導光性導管を前記センサが備えた請求項１
４記載の装置。
【請求項２２】前記導管が、前記反射面を通して前記
反射キャビティを貫通している請求項２１記載の装置。
【請求項２３】前記導管が、前記導管の受信端を前記
ウエハに対して動かすアクチュエータに結合された請求
項２１記載の装置。
【請求項２４】前記導管が曲げられており、前記アク
チュエータが前記導管を回転させることによって前記導
管の受信端を動かす請求項２３記載の装置。
【請求項２５】前記放射センサが前記ウエハ上の異な
る位置からの放射を測定する請求項１４記載の装置。
【請求項２６】半導体ウエハを加熱するための加熱要
素であって、複数の制御可能な放射エネルギ源を有し、
各前記放射エネルギ源は前記ウエハの表面領域の一部に
照射するもの、及び前記放射エネルギ源の少なくとも一
つの部分群（sub-group ）からの照射の強度を個々に制
御するコントローラであって、前記放射エネルギ源が前
記ウエハ上の異なる位置で前記放射センサによって検出
された熱放射量に関して制御されるように、前記放射セ
ンサに結合されたものをさらに備えた請求項１４記載の
装置。
【請求項２７】前記ウエハの回りに配置され、前記放
射エネルギ源からの放射が前記反射キャビティ内に入る
のを制限する隔壁（baffles ）をさらに備えた請求項２
６記載の装置。
【請求項２８】前記放射センサが対物レンズを備えた
請求項１４記載の装置。
【請求項２９】前記ウエハの前記表面の近くに配置さ
れた導光性導管を前記放射センサが備えた請求項１４記
載の装置。
【請求項３０】前記導光性導管が、反射する内面を有
する開口チューブを備えた請求項２９記載の装置。
【請求項３１】前記導管によって集められた熱放射を
測定するための高温計を前記放射センサがさらに備えた
請求項２９記載の装置。
【請求項３２】前記ウエハが透明にならない波長帯に
前記高温計が感応する請求項３１記載の装置。
【請求項３３】反射部の反射面が物体の表面から放出
された熱放射を反射して前記表面に戻すように、前記表
面と前記反射面との間に反射キャビティを形成するため
に前記反射部を配置するステップ、前記反射キャビティ内の熱放射を測定するステップ、及
び測定された放射から前記物体の温度を決定するステッ
プを備えた、前記物体の前記表面から放出された熱放射
から前記物体の温度を測定する方法。
【請求項３４】前記物体の温度よりも実質的に低い温
度に前記反射面を冷却するステップをさらに備えた請求
項３３記載の方法。
【請求項３５】前記物体の前記表面に近い位置から前
記熱放射が測定される請求項３３記載の方法。
【請求項３６】前記反射キャビティ内の複数の異なる
点から前記熱放射が測定される請求項３３記載の方法。
【請求項３７】前記物体の前記表面の領域を走査（sc
anning）することによって前記熱放射が測定される請求
項３６記載の方法。
【請求項３８】前記物体を加熱するステップ、及び前
記決定された温度に応じて前記加熱するステップを制御
するステップをさらに備えた請求項３３記載の方法。