JPH06500404A

JPH06500404A - 表面状態測定用無接触光学技術

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Publication number: JPH06500404A
Application number: JP4511439A
Authority: JP
Inventors: シーティンガー　チャールズ　ダブリュー．; アダムス　ブルース　イー．
Original assignee: ラクストロン　コーポレーション
Priority date: 1991-04-29
Filing date: 1992-04-27
Publication date: 1994-01-13
Anticipated expiration: 2020-03-23
Also published as: WO1992019944A1; EP0536382A1; US5166080A; JP3631749B2

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】表面状態測定用無接触光学技術発明の背景本発明は基板表面の種々の熱的または物理的な状態のような固体表面の種々の状態を測定するための光学技術に関連する。

種々の形態にある材料が種々の技術によって加熱される必要がある工業プロセスの多くの例がある。

一つの例はそれらを試験の目的のために加熱することである。他のものはその物体の熱処理のためのものである。更に他の例として、半導体処理産業の例を挙げることができる。この後者の例において、シリコンウェーハが密閉容器の中に配置され、そこで適当な技術に通常は無線周波数による照射、光学的な照射によって加熱される。ある形態においてそのような半導体処理室は少なくとも部分的には光学的な透明な材料を用いて形成される。前記容器の事柄に配置されたランプは、大量のエネルギーをその透明な壁を通して、ウェーハの表面に抜ける。

前記ウェーハは前記光学照射を吸収した結果として加熱される。一般的に言って、前記容器は水晶の筒によって形成されるか、または光学窓を備えるステンレス鋼によって形成される。加熱されたウェーハは適当なガスを容器に導入し、それがウェーハの加熱された表面と反応することによって処理される。

これらのプロセスにおいて、ウェーハの温度は広い処理結果を得るために限られた狭い領域内に保持される必要がある。したがって、ウェーハの温度をモニタするための技術が要求されている。一つの可能性として、前記ウェーハを通常の熱電対により接触させることであるがこれは、良い測定結果が得られないことおよび半導体ウェーハが加熱されている対象であって、汚染されることへの配慮から好ましいものではない。

その他の対象についてそのような接触測定技術はしばしば種々の現実的な配慮から排除される。熱電対の使用は熱質量の相違または不確実な熱接触および熱電対と加熱されている物体間の異なる放射による実質的な誤差を招いている。

その結果として、多くの光学加熱応用において長い波長領域の高温度計のあるものが用いられている。

この技術は半導体ウェーへの放射強度または他の光学的に加熱された物体の放射強度を限られた狭い波長領域内において測定することである。その放射強度はそれから対象の温度と関係付けられる。高温度計が加熱されるべき物体を加熱するための光学照射の反射を受け入れることによる誤差を避けるために、高温度計でモニタすべき波長領域は加熱ランプの放射スペクトルの外側に選ばれる。この検出された波長領域は一般的にランプのスペクトルよりもかなり長い領域になる。

現存するそのような高温度計システムにはいくつかの問題がある。まず第１に長い波長領域における測定は短い波長領域における測定の感度よりは小さくなることである。

第２に、シリコンとかその他の材料であって光学的に加熱するものの放射率はそれが測定されるべき温度と波長に依存する。

第３に、最も高いＳＮ比を持つ光検出装置はより短い波長領域の放射に応答するものである。

第４に、現存する光学的高温主計は小さい開口径を持ちそれは対象物とか成長させられた測定されるべき対象物とか成長されたフィルムの荒さの程度に依存するものである。

第５に、現存する高温度計の測定技術は遅くて急激な加熱針においてはかなりの欠点となる。

第６に、典型的な高温度計によって、水晶の窓を通して観察する場合に高温度計が感度を持っている長い波長領域における水晶からの放出エネルギーがかなりの量に達することによる誤差に晒される。

そこで本発明の主たる目的は温度または高温度計を用いて温度または放射を測定するために前述の問題を克服することができる改良された高温度計を提供することである。

本発明のさらに他の目的は表面の種々の光学的状況と熱的状況をモニタするための非接触技術を提供することである。

材料の層、典型的に薄いフィルムであって、そこで物理的な定数、例えば厚さが測定されなければならないという多くのプロセスが存在する。

通常基板上に形成された新しいフィルムが極めてわずかな誤差内で、好ましい厚さ内に形成されることが望まれる。他の応用においては非常に薄いフィルムであって、正確な厚みを持つものを形成するために、材料を除去するものも含まれる。薄膜技術の主たる応用は集積回路の製造過程に存在し、それらはシリコン半導体ガリウム砒素半導体に基礎を置く技術である。前述した加熱された室内において、集積回路を形成するプロセスは数多くのフィルムを形成し、またはフィルムを除去する技術を含んでいる。そのようなフィルム処理過程においてフィルム形成またはフィルムの除去ステップが完成されたというエンドポイントを少なくとも知る必要がある。プロセスをリアルタイムで制御し、モニタすることをそのプロセスと干渉しないように行う技術が望まれる。

そこで本発明の目的は例えば集積回路の製造または金属処理において利用される薄膜に関連する種々の過程において、一般的に利用される表面をモニタするブロセスを提供することである。

本発明のさらに他の目的は非常に薄いフィルムを高い精度で、高い分解を持って、測定するための技術を提供するための技術を提供することである。

表面の化学的な組成が事故により、または設計によって例えばそれが腐食するとか、酸化するとか、表面活性化されるとか、銹が形成される等々によって変化する事がある。一般的に言って、最初の表面とは異なる材料の上に層が形成されることがあり、それが異なった材料が表面に拡散することによって形成変化することがある。工業的なプロセスにおける一つの見本としてアルミの処理過程においてスラグが溶融アルミの表面に形成されるか、またはアルミが引き延ばされている過程において、表面に油が吹きつけられるなどの例である。これらの両方の例において、表面の放射は知られておらずかつ変化しうるものである。

したがって、本発明のさらに他の目的は前述のような変化が起こっている状況下において、表面の特徴をモニタし測定する技術を提供することである。

さらに詳しく言えば、本発明の目的は高温度計を利用することによって、そのような表面の放射が表面の変化にしたがって不可避的に生ずる場合も温度のような特徴を正確に測定する方法を提供することにある。

発明の要約これらおよびその他の目的は本発明によって達成されるのであるが、簡潔にかつ一般的に言えば電磁波の照射は強度のリップルを含んでいて、それが問題となる物体の表面に向けて放射される。その強度はその放射がその表面によって相互作用をされて透過するかまたは反射させられる前後において測定される。

これら強度の測定はそれから電子的に処理されて表面の状況の表示または測定を得るために用いられる。表面からの電磁波の照射の強度についても同様に測定される。この測定は表面への物理的な接触なしで光学的に行われる。

本発明の測定技術は広範囲の材料とかプロセスにおいて利用できるであろう。

多くの表面の特殊な特徴、または表面に形成される層の特徴は本発明の技術によってモニタされ、測定されるであろう。これらの特徴はこの後の議論のために４つのグループに分類される。（１）例えば熱、すなわち温度または放射、（２）光学的なもの、例えば反射率（３）物理的なもの、例えば層の厚さ、（４）化学的な状態、例えば層または表面の組成。

本発明による光学的または電子的な測定技術の特徴は１または２以上の表面のの状態を、現場において表面が自然に変化する、または処理される状態を好ましい制御の変化を得られるように実施できることである。

さらに、本発明はこれらの測定が実質的に瞬時に行われ、リアルタイムで表面の変化の観察を可能にする事である。したがって、これらの測定を表面の変化の制御を自動制御に利用することは極めて好ましいことである。このことは集積回路処理技術において、薄いフィルムの形成または除去にあたって、各々の表面温度とフィルムの厚みを連続的に測定しその結果がプロセスの制御に利用することができるという点で特に有利である。またはこの特徴は金属処理過程において、例えば金属の熱処理の過程において表面の放射率が処理の過程において変化する点においても利点がある。

付加的な目的と特徴は以下の図面を参照して行われる本発明の好ましい実施形態への記述にしたがってあきらかにされるであろう。

実施例の記述本発明における改良された技術は多くの異なった過程における表面状況のモニタのために利用可能なものであるが、まず最初の例として半導体ウェーハ上に集積回路を形成する場合に形成されるべきフィルムまたは除去されるべきフィルムの厚さと熱特性にかかわるものである。さらにここで示される半導体過程の例でシリコン半導体プロセスについて示しているがそれらは同時にゲルマニウムとかガリウム砒素とかその他のプロセスにも適用できるものである。

生成されるフィルムは極めて薄いものであって、１ミクロンの１０分の１のオーダーまたはそれ以下のものであって、しかもその厚さは極めて限られた許容範囲内で制御されるべきものである。半導体処理の後で金属処理の例が示される。

図１を参照するとシリコン半導体の基板１１が実質的に光学的に透明である水晶炉の管１３の中に位置させられている。管１３と端部にある板１４が密閉容器１５を形成している。基板１１が端面板１４に接続されている水晶の支持体１２によって指示されており、この支持体は基板１１のほとんどの底面を露出することができるように設けられている。もちろん種々のシリコンウェーへの特殊のシリコンウェーハを支持するものが存在しており、この作業においては種々の加熱室が用いられており、図１に示す支持体と処理容器は単に本発明のフィルム測定技術を説明するだけの目的で示されているものである。

この図１に示される半導休炉のタイプは、ウェーハ１１を加熱するため容器１５の外部にランプを用いている。そのような２つのランプ列１７と１９が図示されており、それらは互いにウェーハ１１の反対側に位置させられている。それぞれは複数個の水晶電球すなわち光のランプ列１７にはランプ２３と適当な反射機、例えば反射型２１が設けられている。しかし、これが現存する特殊な半導体例を示したに止まるものである。

これらのランプは交流電流供給手段４１によって駆動される。容器１５の中には、適当なガス源３９から入口２７を介してガスが導入される。図１に関連して、今まで説明してきたところは半導体反応容器であって、問題の波長領域に強烈な背景光をもたらすものであって、測定の観点からは本発明からは本発明が利用されるべきものである。

半導体処理過程において形成されるフィルムの一つとして誘電体フィルムがある。典型的な誘電体は薄い二酸化シリコンの層であって、それはシリコン基板１１それ自体の両面に成長させられるか、あるいは他のシリコンを基礎とする層の上に例えばポリシリコンの上に形成される。そのような二酸化珪素のフィルムを設計の厚さで非常に限られた許容範囲内において形成する形成することは極めて重要なことである。ゲート誘電体またはトンネル誘電体およびその他のものが形成される特定の領域におけるそれは極めて薄いものである。

したがって、本発明の技術はフィルムは形成される表面の基板の放射率をモニタするものである。

フィルムが異なった組成を持っているのであるからフィルムはその下側にある基板の放射率とは異なった放射率を用い、モニタされるべき波長が電磁放射スペクトルの赤外部分にあるときにはそれらの放射率はそれら２つの結合によって得られる。具体的な放射率の変化は形成されるフィルムの厚さに関連させられている。

光バイブ２５が容器１５内にフィルムが形成されるべき基板１１の裏の表面からの放射を補足するように設けられている。その光パイプは炉の部屋１５に近接されて、その内部に発生する高い温度に対抗すべき材質、例えばそのような材料の例としてサファイア、によって形成されている。

その屈折率によりサファイアの光パイプは非常に大きな開口数（受は入れ角度）をもっている。

キュービックジルコニアも同様にこれと同じ好ましい特性を備えている。水晶もこの光パイプ材料の代替として利用することができる。光パイプ２５は容器１５からその温度が低下させられているコネクタ２７に結合されており、それは溶融セキエイ光学ファイバ２９に結合させられている。前記光学ファイバは測定装置３１に接続されている。

必要である基板からの放射または形成されるフィルムから光パイプ２５を通って測定装置３１に伝達されるだけではなくて、光パイプ２５は同じ赤外線領域かまたは赤外線領域に近い放射帯域の電球の列１９からの光学放射も受け入れる。したがって、第２の光のバイブ４３が容器１５内に配置され、そしてそれがランプ１９からの熱の強度のみを受け入れられるように配置されており、基板またはフィルムそれ自体からの信号を受け入れないように配置されている。この光の信号はコネクタ４５に結合され、それから測定装置３１に供給される。

光ファイバ２９と４７からの信号は計測装置３１内の同じタイプの光電検出器によって同じ波長領域において検出される。光パイプ４３からの信号は、数学的に光ファイバ２５からのものといっしょに演算され、かくして基板とフィルムの光学放射に関連する信号音が得られる。この信号はそれから後述するようにして処理されて基板とフィルムの放射率を定める。それからフィルムの厚さは実時間で放射率の結果から算出される。これらの厚さの決定は好ましくはフィルム形成過程の制御に用いられ、例えば電源４１を制御回路４８、制御線４８を介して制御したり、または信号線回路４９を介して容器１５内に導入されるガス供給源３９からのガスの組成または流量を制御することに用いられる。フィルム形成過程におけるフィルムの厚さの計算によってそれが好ましい大きさに達したというエンドポイントに達したならば、電力源４１またはガス供給源３６は制御の終わりに傾斜的に減少させられるであろう。エンドポイントに達する過程において、前記厚みの測定はフィルムが特定の限界内に形成されるようにランプの出力とかガスの供給を制御するために用いられる。

図２に純粋なシリコンの放射特性が示されている。

純粋なシリコンウェーハ上に形成された二酸化シリコンフィルムは異なった放射率対波長特性を備えている。

放射率は基板とフィルムと温度に依存するものであるから光バイブ２５の光学信号は好ましくは温度依存性を持たないことが好ましい。

したがって、図２に示されている範囲５０は０．８から１．１ミクロンの範囲に広がり、シリコンの１．２ミクロンの吸収帯幅の端より下に選択されている。

図２かられかるようにシリコンの放射率は前記バンドの端から上の領域においてシリコンの放射率は極めて温度に高く依存する。検出された波長はこの５０の領域に適当なフィルタ（図３参照）を配置する各々の光学的信号の経路であって、それを光電検出器に達する前に配置することによって制限することができる。

これの代替案として一つのフィルタが、前記バンドギャップ以下すべての波長領域を検出するように選択することによって、はとんどの光が光電検出器に達するのであるが、１．２ミクロン以上の波長領域を排除するようにしてもよい。他の半導体材料は異なったバンドギャップを持っているので、したがってこの測定によって測定された波長は異なるものであって、一般的に彼らはより以下の異なったバンド領域を持っている。

後述される金属処理の例においては、波長領域は低い温度の測定を許容するために、わずかに長い波長領域に選ばれる。

異なった材料の組み合わせ下の一般的な記述においては、殊に波長の選択によって可変要素を温度から完全に除去することはできないのであるから、光パイプ２５によって基板とフィルムからの放射の温度を図ることが通常望まれる。

放射率と温度の情報はそれからフィルムの厚さを測定するために利用される温度測定はフィルムの厚さの測定と独立しても重要であり、そしてウェーハの温度とか他の処理室内の他のサンプルまたは領域のものを加熱用電球２３に電力制御供給線４１を介して供給されるエネルギを調節することによって、そのために利用される。

制御装置３１の主たる機能的な要素が、図３に示されている。さらに詳しい測定システムが関連する出願（米国特許４．７５０．１３９デイルス　１９８８）に示されている。放電検出器６１と６３は対応する光ファイバ２９と２４から光学信号を受ける。これらの信号は先ず最初に光学的フィルタ６５と６７をそれぞれ通過する。これらのフィルタは図に示されているように好ましくはバンド幅５０のすなわち０．９５ミクロン周辺の光学放射を通過させるかあるいは１．２ミクロン以下のすべての波長領域を通過させることが特定応用のために好ましい。光電検出器６１と６３は好ましくは市販されているシリコンまたはインジュームガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）タイプである。

光電検出器６１および６３の電気的な信号は各々の直線増幅器６９および７１によって増幅される。

共通のＡ／Ｄ変換器７３を時分割で使用するためにマルチプレクサ回路７５が設けられており増幅器６９と７１の出力を交互に更に他の直線増幅回路７３．７７に接続し、この増幅回路の出力はアナログディジタル変換回路７３の入力に接続される。ディジタル化された信号がマイクロコンピュータ７９によって受信され、それから処理される。マイクロコンピュータ７９は非常に速いディジタル信号処理（ＤＳＰ）の集積回路チップを含んでいる。マイクロコンピュータ７９の一部の制御機能が適当な制御線８１を介してマルチプレクサ７５のスイッチングを制御する。

その入力信号からマイクロコンピュータ７９により計算された結果の厚みは表示装置８３に表示されるか、または／もしくは制御回路８５によって前述した回路４８と４９でプロセス制御信号を発生させるために用いられる。

図３に示されている各々の光学チャンネルに対応する一つの光電検出器の代替として一対のそのような光学検出器が各々のチャンネルに用いることができる。

各々の光バイブ２９と２７は異なる光検出器に延びている一対の小径の光ファイバ（図示せず）に結合させることができる。各対の一つの検出器は高いバンド幅の回路に交流のリップルをひずみなく処理するために接続されており、他は低いバンド幅の増幅器に各々の信号の平均値を得るために接続されている。マルチプレクサ７５は４つの増幅器の出力をその入力として選択するように設けられている。信号処理のある一部すなわち平均するかまたは平均の信号に決定するかはアナログ回路によって行われる。

図６に示す流れ図にしたがってマイクロコンピュータ７９によって実行させる計算を説明する前に、その検出された光学信号の処理過程が図４の曲線に四目さている。図４の直線を説明するカーブ５１は検出器６３の出力レベルを示すものであって、それはランプ自身のパイプ４３からの信号に対応するものである。

同様にしてカーブ５３は検出器６１の出力を図示するものであって、それは対象物の放射と光源からの加熱用の光の反射が結合されて光のパイプ２５によって受信されたものである。これらの曲線は特殊な具体例について示されている。なぜならば、それは測定を行うための光源が対象を加熱するためのものとしても利用される必要が必ずしもないからである。

さらに反射率と放射率の測定は対象それ自身の赤外線の放射を検出しなくてもできる。

各々の信号５１と５３は、リップル（ａ、Ｃ，）要素を含んでおり、それは電源４１が加熱用ランプに供給する周波数であって一般的には６０Ｈｚで、一般的には米国内において６０Ｈｚヨーロツパにおいては５０Ｈｚであるが、しかし特別な周波数が厚さまたは熱の測定に必要とされるものではない。信号５１の交流の要素のピーク　ツウ　ピークの値はデルタ■、として示されてふり、信号５３の交流要素はデルタ■、とじて示されている。信号レベルＩＬとＩｗは信号５１と５３の平均値を各々示している。これらの信号のピーク　ツウ　ピークの値はそれらの平均値に対してはわずかな部分である。図４の曲線は定常的な信号５５で、これは加熱されている物体１１（Ｅ、）の放射を示しており、これはマイクロコンピュータの処理によって導かれる。

光パイプ２５と４３は非常に広い開口径を持つようにされているから、下記の関係が成立する。

ウェーハの反射率＝ρ。＝Δ１．／ΔＩ　Ｌ　（１）われわれは不透明な対象における放射率についてキルヒホフの法則により放射率は１からその反射率を引いたものであることを知っているから：放射率＝１−Δ１．／ΔＩ　Ｌ　（２）式には対象の放射率の測定値の計測を供給している。

もしその温度が測られたならば、■、の反射された要素は引き去られることができ、対象の放射信号のみを残して次のようになる；Ｅｗ−Ｉ−ＩＬ（ΔＩｗ／ΔＩＬ）　（３）かくしてＥ、の量は単に対象からの熱放射であって、かくしてそれは基板１１の温度に変換されるものであり、かくしてその上に形成されているフィルムはフランクの放射則により同じような標準の高温度計に用いられると同じような方法によって示される。Ｅ、はｄ。

Ｃ，レベルの処理および信号５１および５３のａ、Ｃ。

のレベルの処理によって決まる。

より詳細には本件出願人のこれに関する論文シェイッティンガー等（リプツル技術：新奇な非接触ウェーハ放射率と温度測定方法ＲＴＰ）　、高速熱変化および集積回路処理、２２４巻、２３〜３１頁、材料研究学会（１９９１年）を参照されたい。

変形された信号計測技術が図５に示されている。

図４に示されているようにランプ信号ビーク　ツウピークの値と反射されたウェーハ信号のピーク　ツウビークを測定するというよりは、図３のマイクロコンピュータ７９は各々の信号５１′および５３についてそれらの平均信号ＩＬと１．に関連して、各々の領域５２および５４を積分するようにプログラムすることができる。すなわち、平均値■、と１．はまず最初に図３の各々の信号からディジタルサンプルによって算出されている。各々のディジタルサンプルの平均信号値からの絶対的差の大きさが、それから算出されて、そしてこれらの不確定な差が少なくともシグナルサンプル機関の半分の時間の間加算されるか、好ましくは信号中に存在するであろうノイズ成分の影響を制限させるために、かなり大きなサイクルにおいて加算される。かくして蓄積された差分または各々のカーブ５１゛または５３°についての領域はそれから引き続く計算式（１）　（２）　（３）によってΔＩＬまたはΔ１．の量として計算される。これらの方程式において、デルタＩ、とΔＩｗの量は常に比率がめられているので、どれだけ多くの各々信号５１°、５３゛が積分されたかということは同じ数だけ計算された各々のΔ■ 、とΔ１．につぃて計算されたならば問題にならない。

図６を参照するとマイクロコンピュータ７９がフィルムの厚さを計算するプロセスが流れ図の形式で示されている。初期のステップ９１および９３は各々検出された交流成分と図４のディジタル化された信号５３と５４を決定する。これらの交流要素ΔＩＬとΔ工。

信号からピーク　ツウ　ピークの量を測定して決定される。これに代えて、積分された信号５３′と５１”から図６にしたがってめることもできる。

次のステップ９５は前述した式（２）にしたがって、放射率を算出するステップである。次のステップ９７は図４の定常状態の量５５、前述した式（３）にしたがって計算するステップである。

その定常状態の量Ｅ、はそれから基板とフィルムの温度に参照テーブルまたは経験的に定められた式にしたがって特定の基板またはフィルム材料組成について、モニタされる。

この時点において放射率または基板１１またはその上のフィルムの温度が決定される。コンピュータは速い率で発生する計算を許容するのであるから、高速で連続する多くのサンプルデータから計算すると、１分の数分の１で実行することが好ましく、それらからフィルムの厚さを計算する前に平均値を処理しておくことが好ましい。そのために図６のフローチャートの中の１つステップ１０１は何回放射率と温度が計られて計算すべきであるか、引き続き何回行うかということを記録している。ステップ１０３において最後のＮ個の計算の平均をめる。これらの平均値はステップ１０５において、計算され平均化された放射率と温度の値からフィルムの厚さを算出するのに用いられる。この変換はテーブルを用いるか、経験的に期待されたそれぞれの特殊の材質とフィルム組成にすでに用いられたものから経験的に導き出された式によってなされる。

厚みの値は適当な出力装置によって、図３の出力のうちに８３のようなディスプレイまたはコントロールサーキット８５に与えられる。

モニタが進行しているかぎりにおいてステップ１゜９は計算の過程を当初に戻し再度放射率と温度をＮ回引き続き算出し、それらからフィルムの厚さを計算しつづける。図６に示すプログラムによる厚みの計算は容易に１分の数分の１の時間内に普通のマイクロコンピュータ７９を用いれば可能であって、これにより図１に示されているプロセスをリアルタイムで制御することができる。

前述した計算についてその精度を向上させるためにある種の修正を施すことが好ましいことが判っており、本発明のある状況下においては好ましい。

前述した（１）（２）および（３）はむしろ理想的な状況を示すものであって、もっと？Ｉｌ雑な状況がより精密さを付加するものであって、必要ならば他の半導休炉または他のシステムについての補正がなされる。

得られた結果はいろいろなファクタの影響を受けている。例えば、電源に関連する光の強度の不均一性とかカバーされていない方の光パイプから光が入射することとか、光パイプ側における光の損失とか、材料が基板が配置されているチェンバ内における複雑な反射等々である。

その結果としである項目について、前述する式はおのおののケースによる較正が必要である。

かくして上に述べた式（１）は次のようになる：ρａｄＪ　”　（ρ　。−に２）／　（１−に１）　（４）ここにおいてに１とに、は錯乱係数であって、それは容器を囲む環境から光バイブの側面に入射された放射の量の関数であってそれは光パイプの中を反射しながら拡散するものである。その前述した結果として前述した式に放射率を決定するために次のように変形される：放射率＝１−ρａ　ａ　、１　（ｓ）修正のほとんどのものは、それが用いられるときに表面の放射性の放射率の計算に表面温度を設定するために必要となる。

前述した式（３）は下記のように３つの付加的な係数を持つように修正される：Ｅ、ｄ」＝　［Ｉｗ−ＩＬ　ｋ２　Ｐｅｄｔ　（ＩＬ　ｋ＋　ＩＬ　）］／［Ａ＋ＢρａｄＪ＋ｃρ２゜ｊ〕ここにおいて係数ＡＢおよびＣはベクトルであって、それは形と光学的な係数を示し温度に依存するものである。式（６）の分母の中の高次式は容器の反射率が小さいときには、より高い字数の項を導入することができる。

これらの５つの定数と係数は特定の炉について決定されまたは他のシステムにおいて較正の過程によって決定されたものである。

図１に示されているような形式の半導体処理用の炉の較正を一例として示す。

第１のステップは炉の容器の外側でライトパイプと光検出器を較正して、第２の較正のステップの間テスト対象の表面の放射率を正確に測定することができるようにすることである。

この第１のステップにおいて、炉の外側で、テスト用の黒体の放射がライトパイプと光検出器によって、前記較正させるべきシステムに集められる。

光検出器の出力は異なった温度に加熱された黒体とともに非光学的な技術によって測定される。物体の温度は、その中に埋め込まれた熱電対によって正確に測定される。試験用の黒体は１つの放射率を持っていて、光検出器から集められたデータは温度の関数として他の物体の表面の放射率を決定するための参照データを提供する。

第２の較正ステップとして炉室内において処理されるであろう形式の物体の表面の放射率が炉の外側において、前記第１の較正によって正確に較正されたライトパイプを光検出器の組合せを用いて測定される。

熱電対がこの測定対象物の表面の中に埋め込まれる。

それは他の適当な技術によって加熱されるのであって光学的な測定を妨げるものではない。対象物の放射は予め較正されているライトパイプと光検出システムによって第１の較正ステップにおいてなされる。光検出器の出力はこのステップにおいては第１の較正ステップにおけるよりも少なくなるであろう。この例は対象物の表面が黒体でないからである。

光パイプを光検出器が直線領域にある場合は、第１および第２の較正の段階において同じ温度で得られた光検出の出力の比は物体表面の放射率を与えるものである。もし、直線性が保たれないときにはある適当な補正がまず最初になされる。

　゛較正手続きの第３のステップとして較正されたライトパイプと光検出システム半導休炉、それが使用されるべき半導休炉の中に位置させられている。

第２のステップにおいて測定されるものと同じ基板が前記炉室内に配置させられている。基板ホルダライトバイブの幾何学的な配列は第２および第３の較正ステップと同じに保たれ、それは較正が完了したあとで炉容器内でその状態が使用される。基板表面の温度は基板の中に埋め込まれた熱電対によって正確に測定される。

前記第２の較正のステップにおいてなされた測定から知られている基板表面の放射率のいろいろなレベルを介して基板の温度を増加させながら全体のシステムによる測定がなされる。

炉またはその他のシステムは較正されたシステムがその測定をすることができる頼れる範囲であってその加熱用のランプが基板の温度を上昇させることも含めて、意図される動作状態で動作させられる式（５）　（６）から算出された放射率と温度の値は第２の較正ステップにおいて測定された放射率と比較され、放射率と熱電対によって測定された温度と比較される。計算された値は測定値から幾分違っていることがあり得る。これが較正の過程の目的であって、これらの差を無くするように計算を調整することである。

そのような測定がなされた後で式（３）（４）（５）および（６）がｋ　ｌ、　ｋ　２．　Ａ、　ＢおよびＣの値は数学的に決定され、それは計算された基板表面の特性が測定された値に一致するものであって、値がその特定の対象物体の表面について一致するようにするものであって、比較の精度を上げ、システムの動作をこの較正なしに動作させるようにするものである。

しかしこのような較正は、特定の１つの基板表面にのみ正確である。前記システムをより完全に較正するためには前述したステップ２とステップ３が種々の異なったタイプの基板表面に付いて繰り返されるべきである。そうすることによってに、、ｋ　ｉ、Ａ＃よびＢ各々の値を固定することによって式（４）（５）　（６）を広い範囲に渡って基板表面を測定する十分なデータが得られる。

加えるに他の較正ステップを付加することができる。

ここにおいて、すでに述べられた第３のステップにおけるすべての測定は、容器内において行われるのであるが、加熱ランプがオフの状態で他の非光学的な手段を用いて、基板を加熱して他の較正測定のために加熱する。

図１に示したシステムの変形が！！１７に示されており、ここにおいて対応する要素等は同じ参照番号で示されているが、（″）を付加しである。

基本的な相違はライトパイプ２５°　と４３°を水晶炉管１３°の側に配置することである。かくして、ライトパイプ２５は基板１１から放射および反射を端１３の壁を介して受け入れる。ライトパイプ４３°の光学ランプからの放射を炉管１３′内のいかなる要素の影響も無しに受け入れる。

図７の配列の相違的なこのようにして検出された光学位置は図１の実施例による容器１５°の中で検出されたものと幾分具なることであって、その差は水晶またはその他の材料１３°のフィルタ効果の差である。

図１および図７に示される半導体処理３０例はランプで処理内に配置された半導体ウェーハがその中において、必要な化学反応が起こる要求される温度まで加熱することである。これは本発明の技術的に必要な交流ドライブの光源がすでに存在しているから適応するのに非常に便利である。しかしながら、半導体ウェー八を加熱するためには他の異なった種々の技術がある。

例えば無線周波数ジェネレータ抵抗加熱器をもちいる例であって、そこにおいては光源はフィルムの厚さを計算するためのデータを抽出するためには用いられない。さらに半導体集積回路３以外の処理分野においては、加熱用のランプは利用されそうもない。

そのような状況下においては、光学照射をフィルムが形成されかつ、未知の放射率が測定されるべき基板表面に向けられる必要がある。

そのようなシステムは図８に略図示されている。

付加的なサファイアライトパイプ１１１が通常の周波数で交流源１１５によって励起される。交流電源１１３からの光学放射を基板１１２゛の対象表面に運ぶために用いられる。ある応用においては周波数を環境に存在する交流要素から区別する周波数に選ぶことが望まれる。一方、一般的に用いられる光源が蛍光または白熱電球で恒常的においては装置の応用が許容される場合においては指し示された光源１１３とライトパイプ１１１に置き換えて使用することができる。

基板またはフィルムからの照射された光の反射および放射はライトパイプ２５° °によって集められ、このライトパイプ２５の図１の２５に対応するものである。

基板１１をたたえている光の強度に対応する信号がライトパイプ４３°”すなわちこのライトパイプは図１のライトパイプ４３に対応するものによって捕捉される。そのようなシステムは実際問題として非常に大きな開口径を持つサファイアのライトパイプを用いることが好ましい。

広い受光角を持つライトパイプはフィルムをいろいろな異なった角度で通過してきた光、その結果フィルム内を異なった通過距離で通過してきた光を集めることになる。任意の一つの経路におけるフィルムを通過する光のレベルの強度の変化はフィルム内においてその厚みが増加するにしたがって生ずる他の高炉の光との反射結果によるものである。すべてのこれらの光が１つの検出器に導かれた時に平均的な信号は測定されるべき放射率の干渉効果を極小化するために寄与している。

そのような干渉の効果を極小化する他の方法は狭い角度内においてフィルム内を通過する２つの波長領域を分離して検出することであって、それはライトバイブの中心部の光のみを光検出器に導くことである。

既に例として示したシリコン基板において前記第２の波長領域は１．２ミクロンバンドの端よりも少なく、そして第１のレンジよりも確実に分離されている。

これらのバンド帯域は、ここで図示されているように一対の光パイプの対を用いることによって適当なビーム分割器とフィルタリングを用いることによって分離されるか、またはそれと違って他のフィルタをもつライトパイプであって、第２の波長バンドを利用することでも代替できる。

また必要とされる狭い角度の光学入射によって従来の光学システム、例えば高温度計がライトパイプの替わりに用いられる。

フィルム内におけるそのような干渉の影響を極小化するさらに他の方法としてフィルムのなかを通過する光を少なくともその表面に対して２つの異なった角度で分けて検出することである。このことはより大きな開口をもつライトパイプであって、前述したものを用いて達成できる。しかし今度は光学的にその中心に向けられたものと外側のものを異なった光検出器に導く必要がある。それに代えてそのようなライトパイプを用いる以外に２つの在来の高温度計を２つの異なった角度で同じ基板上で、同じ材質上でフィルムが形成されている異なった角度に導くことによっても可能である。

図９および図１０を参照するとそこには１１または１７は図８において示した電磁放射を集めるライトパイプの１つまたは両方の配当を増加させ、制御するライトパイプの構造が示されている。その高い屈折率によって、すでに広い入射角が与えられているライトパイプにおいてその端末に前部要素を含ませることによって、さらに開口角を増大させることができる。

通常はライトパイプの長手方向の軸に直角の方向に平面を持っているライトパイプの端部をドーム型、凸表面にすることによってライトパイプの視角の他の独立した光学システムを用いること無く増加させることができる。

そのような変形は、図１のシステムで熱用のランプから放射を集めるため、または他のランプが対象物を加熱するためには用いられない異なる状況下におけるライトパイプ４３の改良に適している。

ウェーハ１９にライトパイプ２５を介して反射光を供給している同じ照明領域から干渉光をライトパイプ４３を介して集めることが好ましいことが判明した。

より大きな開口は容器１５内の内部の表面からのより多くの光を集める。ライトパイプ２５を介して見られる部分は同様にこれらの反射によって照明されているということが重要ある。

図９はその光を集める端部に球面の凸平面１２３を持つ改良された光パイプ１２１を示している。

図１０Ｂはこのライトパイプの拡大図である。

図９で破線で示されている円錐１２５は平坦な光バイブ端を持つものの視野を示しており、これは円錐１２７で示されるライトパイプ端をドーム上１２３に使うものとして視野を増大したものと比較のために示されたものである。加熱用のランプ１２９からの放射は広いランプ領域で、ウェーハ１３３中の照明される広い領域から集められ、その照明された１３１の部分から第２のライトパイプ１３５が反射光を受け入れている。

第２のライトパイプ１３５は図１のシステムのライトパイプ２５に対応している。

図１０Ａは典型的な平面端１３９を持つ典型的なライトパイプ１３７の視野を示す円錐１２５を示している。

これは図１０Ｂに示されている改良されたライトパイプ端１２３を持つものと円錐１２７と比較できる。

ドーム状の端部１２３は光バイブの平坦面な端面を機械的にまたは加熱研磨した端部によって実現できる。

改良されたライトパイプの材質は以前として高い屈折率、融点を持つ材料である。例えばサファイア、キュービックジルコニア、または水晶などを挙げることができる。さらに代替的な改良例を図１０Ｃに示し、ここではライトパイプ１４３の端部１４１が球状に形成されており、それによりその視角１４５はさらに拡大されている。

ライトパイプの視野を拡大する他の技術は適当に各々を光学的光ファイバに接続することである。

図１を参照するとここに示されている例ではライトパイプ２５と２４は大変高い屈折率を持っているものであって、これらは各々水晶の光ファイバ２９と４７であって、比較的低い屈折率を持つものにカブラ２７とっているのであるから光ファイバの受光角はそれが接続されるライトパイプのそれよりも名に小さい。

その結果として光バイブによって集められたすべての光がそれぞれの光ファイバに導かれることではなくなる。このような問題を解決するために光学要素または簡単な光学システムが各々のカプラ２７．４５の一部としてそれがライトパイプから光ファイバにできるだけ多くの光を集めるように用いられる。このようなものの一つの例はレンズであって、それがライトパイプの出力口を光ファイバに写すことである。さらに別の物としてディヒユーザとかモードミキサを用いることができる。

前述したように本発明の技術は半導体処理以外の多くの表面の測定に利用できる。これは加熱された表面であってもよいし、加熱されないものでもよい。図１１と１２は一般的にそのような２つの付加的な応用を示している。図１１において溶融されている金属１５１が坩堝１５３内に保持されている。一つの発熱電灯または蛍光灯光源１５５がその前記表面の物理的、熱的または光学的特性を測定するために、溶融金属の表面１５１を照射している。この光源は通常溶融金属１５１を加熱する目的のものではないが、必要ならばそのように用いることもできる。

ライトパイプ１５７は光源１５０からの放射の一部を集めてそれを光ファイバを介してそれを図３に関連して説明したような測定装置１１６に伝達する。

同様にしてライトパイプ１６３は溶融金属１５１の表面からの反射を集めこれを光信号を光ファイバ１６５を介して測定装置１６１に伝達する。

溶融金属１５１の表面の放射率は通常は知られていないものであって、さらにそれは一般的にこの工程に原因して変わりうるちのである。酸化はそのような変化の一つである。さらに他のものはその表面がフィルムまたは他の層が付着されることに原因するものである。本発明の技術は特にそのような従来の非接触または光学技術では適当な動作が期待できない因難な環境下において特に利用価値のあるものである。

図１２においてアルミニウムとかその他の金属である、移動するシート１６７は表面状態測定位置を通過している。

表面状態測定位置にはその経路であるシート１６７の上に光源１６９が配置されている。この光源１６７は図示されているように、１本の標準の蛍光灯であるが、その光が前述したようなリップルの要素を含んでいる限りにおいて、他の形態にすることができる。光のバイブ１７１は光源の出力の一部を集めて、それを光ファイバ１７３によって計測装置１７５へ伝達する。他の光パイプ１７７は材料１６７の表面によって反射された光の一部を測定装置１７５に他の光ファイバ１７９を介して伝達する。このシステムは材料の表面の特性の任意の１つをリアルタイムで測定してその金属１６７が測定された結果によって部分的にプロセシングをコントロール可能とするものである。

本発明のいろいろな特徴がそれぞれの好適な実施例について説明されているが、それらの保護は添付の請求の範囲の全範囲において与えられるべきものである。

図面の簡単な説明図１は本発明によるウェーハ測定およびコントロールシステムを備えた半導体処理炉の実施例を示す図で特性曲線群を図示したものであり；図３は図１の装置における測定装置のブロックダイアグラムであり；図４は、図３の装置の特定の動作状態示す曲線であり；図５は図３の装置の他の動作状態を示す図であり；図６は図４に示した実施例装置のマイクロコンピュータの動作を示す流れ図であり；図７は図１に示された半導体処理および測定システムの変形例を示す図であり；図８は、図１のシステムの他の変形例を示す図であり；図９は図１．７または８のいずれのシステムにも適用される光パイプの好ましい特性を図示したものであり；図１０Ａ、ＩＯＢ、ｌ０ＣＩ；！図１．７または８いずれのシステムにおいても利用できる光パイプの端部の形状の３つの変形例を示す図であり；図１１および図１２は本発明のさらに他の測定技術の２つの付加的な測定技術を示す図である。

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Claims

【特許請求の範囲】

１．他の材料上の一つの材料の層の物理的または化学的な特徴を決定するための方法であって、前記層または表面の上に電磁波を向けて前記電磁波照射が変調され、前記照射は与えられた波長領域と周期的な強度のリップルをもつ電磁波を向けるステップと、前記層によって変調された、電磁照射の与えられた波長領域の強度レベルを検出することによって、第１の電気信号であって、第１の大きさのリップルの周期的な強度リップルを発生するものを検出するステップと、前記層と表面に向けられる前記与えられた波長領域内にある電磁照射の一部の強度を検出し、これによって周期的な強度の変化を持つ第２の信号を生成する検出ステップと、前記第１および第２の電気信号のリップル要素の大きさから前記層または表面の物理的または化学的な特徴を決定するステップと、を含む表面の物理的化学的状態を測定する方法。
２．請求項１記載の方法において、前記表面は半導体材料を含み前記与えられた波長領域は半導体基板の吸収帯域幅の下側に存在している表面の物理的化学的状態を測定する方法。
３．請求項１記載の方法において、前記表面は処理中にある金属を含む表面の物理的化学的状態を測定する方法。
４．請求項１記載の方法において、前記放射検出ステップは水晶，サファイア，またはキュービックジルコニアにより形成されたライトパイプにより電磁波を集めるステップを含み、集められた放射を光検出器に差し向ける表面の物理的化学的状態を測定する方法。
５．請求項３記載の方法において前記集めるステップは電磁波をライトパイプの先端が凸面に形成されてその視野を拡張するようにしたものによって集積する表面の物理的化学的状態を測定する方法。
６．請求項１記載の方法において前記決定のステップは前記第１と第２の信号の時間変化の要素の比を求めるステップを含む表面の物理的化学的状態を測定する方法。
７．請求項６記載の方法において、前記決定ステップは変動する要素の強度を前記第１，第２の信号を前記信号の平均値に対して積分するステップを含む表面の物理的化学的状態を測定する方法。
８．請求項６記載の方法において、前記決定のステップは前記比を１からひくステップを含みこれによって表面の放射度に関連する量を求める表面の物理的化学的状態を測定する方法。
９．請求項６記載の方法において前記第１の電気信号検出ステップはさらに検出を含みそして前記第１の電気信号の電磁照射の強度がフィルムまたは正面から与えられた波長範囲内において反射されるものを含む。
１０．請求項９記載の方法において、前記決定のステップは前記比を前記第１または第２の信号の一つによって掛け算し、それからその結果を他の前記第１または第２の信号から引くことによって、前記表面の温度に関連する量を決定する表面の物理的化学的状態を測定する方法。
１１．請求項６記載の方法において、前記決定のステップは前記比を前記第２の信号によって掛け算をして、それから前記第１の信号から引くステップを含む表面の物理的化学的状態を測定する方法。
１２．請求項１から１１のいずれか一つの方法において、前記物理的、化学的な特性は前記層の厚さを含む表面の物理的化学的状態を測定する方法。
１３．請求項１から１１記載の任意の方法において、前記物理的、化学的特性の決定は層または表面の組成を含む表面の物理的化学的状態を測定する方法。
１４．請求項１記載の方法において、前記物理的特徴を決定するステップは、前記層が表面に形成すると同時に行われる表面の物理的化学的状態を測定する方法。
１５．請求項１４記載の方法において、それは層の厚さの決定を表面に層を形成するプロセスの制御に用いる付加的なステップを含む表面の物理的化学的状態を測定する方法。
１６．請求項１記載の方法において、前記放射を前記層の表面に向けるステップは、交流電流により駆動される一連の加熱用ランプを用いることによって、前記層と表面をそのようなランプの照明によって加熱する表面の物理的化学的状態を測定する方法。
１７．請求項１記載の方法において、前記放射を差し向けるステップは前記表面の経路に恒久的に設けられた白熱電球または蛍光灯による照明を配置する表面の物理的化学的状態を測定する方法。
１８．表面の特性を決定するための非接触方法であって、前記表面に入射電磁照射であって時間的に変化する要素を含み、前記入射照射が前記表面からそのような時間変化要素を持って反射されるように、前記表面に向けるステップと、第１の電気信号として前記入射電磁波の反射された部分と電磁照射であって、前記表面からのものと結合されたものを検出するステップと、第２の電気信号として、入射電磁照射、前記表面に向けられる電子照射の一部を検出するステップと、前記第１および第２の電気信号の平均値を決定するステップと、前記第１および第２の電気信号をそれぞれの平均値に対して積分することによって、各々の第１および第２の信号の時間変化要素の値を提供するステップと、少なくとも前記第１および第２の信号の時間変化要素を、前記表面の特性を得るために結合するステップと、を含む表面の物理的化学的状態を測定する方法。
１９．請求項１８記載の方法において、前記結合するステップは前記第１と第２の信号の変化する要素の比を求めるステップを含む表面の物理的化学的状態を測定する方法。
２０．物品の表面の特徴を測定するためのシステムであって、時間的に変化するリップル要素を含む電磁波照射源と、前記電磁波照射源を、前記物体の表面に向ける手段と、第１および第２の光電検出器であって、各々はそれぞれに入射した電磁波照射の強さに比例する信号を発生するように特徴付けられている第１および第２の光電検出器と、前記第１の光電検出器を前記物体に対して、前記物体の表面から反射された前記光学照射の部分と前記物体の表面から発生して放射される光学放射を前記光源のバンド幅の中の領域から検出するように位置させる手段と、前記第２の光電検出器を、前記物体から放射されて反射されたものを実質的に含まない照射の一部を、前記第２の検出器に導くために位置せしめる手段で、前記放射源の保持手段は、一つの長いライトパイプであって、固定的な端部を持っていて、そこには凸形状であって、それが光源からの光を集めるように位置させる手段と、前記第１および第２の光電検出から、前記温度または前記表面の放射率に関する信号を受け結合させる手段と、から構成した表面の物理的化学的状態を測定するシステム。
２１．請求項２０記載のシステムにおいて、前記物体照射保持手段は第２の長い光パイプを持っていて、その固定端は凸球面であって、それは前記物体の表面から放出された反射を受けるように設けられている表面の物理的化学的状態を測定するシステム。
２２．請求項２０記載のシステムにおいて、前記ライトパイプは実費的にサファイア、キュービックジルコニア，または水晶のグループの中の一つである表面の物理的化学的状態を測定するシステム。
２３．実質的に透明な窓を壁にもつ容器の内部に配置される基板の表面に材料の層を形成するシステムで、前記基板は特定のバンド幅の電磁放射を前記基板に対面して前記容器の外におかれた時間的に変化する強度要素を含むことを特徴とする電磁放射源から向けられて加熱されるシステムで前記形成層をモニタするための改良を含むものであり、光検出器であって、各々の光検出器はそこに入射した時間的変動要素を含む電磁照射のレベルに比例する信号を発生する第１および第２の光検出器と、前記第１の光電検出器に前記電磁照射源の反射された部分と、前記基板の表面から放射される照射であって、前記電磁波照射のバンド幅内にあるもので、前記第１の時間的に変動する要素を持つ電気信号を発生するように、前記基板に向けて前記光検出器を配置する手段と、前記放射源に対して、前記第２の放電検出器を前記放射源が発生し、前記基板の表面から反射されてきた光を含まない光の一部を受け入れることによって時間的変動要素を持つ第２の電気信号を発生させるように、前記第２の検出器を前記放射源に対して位置せしめる手段と、前記層の厚さを決定するために前記第１および第２の電気信号をその時間変動要素をもつ信号として受信する手段と、を含む表面の物理的化学的状態を測定するシステム。
２４．請求項２３記載のシステムであって、前記第１および第２の光検出器は前記容器の外側に配置され、前記第１および第２の光検出器の照射を検出する手段は各々第１および第２の光パイプを含みそれぞれの端部は前記容器の中に位置させられている表面の物理的化学的状態を測定するシステム。
２５．請求項２３記載のシステムにおいて、前記第１および第２の光パイプは実質的にサファイアまたはキュービックジルコニアの材料のいずれかによって形成されている表面の物理的化学的状態を測定するシステム。
２６．請求項２４記載のシステムにおいて、前記第１および第２の光パイプは少なくとも固定的な端部を持っていて、それは凸形状に形成されてあって、それによって放射を受け入れるように形成されている表面の物理的化学的状態を測定するシステム。