JPH0691144B2

JPH0691144B2 - ウエハ温度測定用の放射温度計およびウエハ温度測定方法

Info

Publication number: JPH0691144B2
Application number: JP2252419A
Authority: JP
Inventors: 智司渡辺; 茂樹平沢
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-09-21
Filing date: 1990-09-21
Publication date: 1994-11-14
Anticipated expiration: 2009-11-14
Also published as: JPH04130746A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は放射温度計に係わり、特にウエハを200〜400℃
に加熱して処理する装置（例えば、スパッタ装置、プラ
ズマCVD装置など）においてウエハの温度を測定するの
に好適なウエハ温度測定用の放射温度計に関する。

〔従来の技術〕

半導体製造プロセスでは、LSIの高集積化に対応してウ
エハの処理温度をきめ細かく管理する要求が高まってき
た。本発明の主な適用対象装置であるスパッタ装置、プ
ラズマCVD装置は、いずれもプラズマを利用した成膜装
置である。これらの装置を用いた成膜プロセスは、ウエ
ハ温度によって大きく変化する。また、処理の均一性、
速さ、および膜の特性を支配しているのはウエハの温度
である。

ところが、従来、これらの装置では反応室（チャンバ）
内のウエハに近い部分、例えばウエハを保持する電極や
サセプタの温度を検知し、これに基づいて温度管理をし
ている。ウエハの温度と検知した温度との間にある一定
の相関関係があれば、正しいウエハ温度を推定すること
ができ、温度の均一性を確保することも容易である。し
かし、ウエハ温度と検知した温度との関係は必ずしも一
義的とは限らない。このために、ウエハの温度を直接測
定することが必要である。

ウエハの温度を直接測定するには、熱電対による測定
法、蛍光温度計による測定法、ウエハの抵抗率より
求める測定法、放射温度計による測定法などがある。

まず、熱電対による測定法は、特開昭63-227013号公報
に示されているように、熱電対をウエハの背面（プラズ
マで処理されるのと反対の面）に接触させてウエハの温
度を測定する方法である。しかし、この方法ではウエハ
が真空中におかれているため、非破壊的に熱電対とウエ
ハの熱接触を良好に保つことが非常に難しく（接触熱抵
抗が大きい）、また、プラズマを発生させるためウエハ
には高電圧が印加されており、熱電対とウエハの絶縁性
を確保することも困難である。

また、蛍光温度計による測定方法としては接触式と非接
触式の２つがある。非接触式はウエハに蛍光塗料を塗布
する必要があり、ウエハが汚染されるため実際の製品を
対象とした測定に適用できない。これに対し、接触式で
は熱電対の場合と同様にウエハの背面に接触プローブを
押し当てて測定するため、真空中での接触熱抵抗を低減
することが重要になる。０〜200℃で使用される接触プ
ローブには接触熱抵抗が小さくなるように考慮されたも
のもあるが、200〜400℃で使用される接触プローブに
は、真空中での良好な熱接触が得られるような構造にな
っているものはない。このため、蛍光温度計はエッチン
グ装置（処理温度は200℃以下）には適用可能である
が、スパッタ装置や、CVD装置には適用できない。

次に、ウエハの抵抗率より求める測定法は、特開昭63-2
8045号公報や特開昭63-188949号公報に示されている
が、この測定法では、ウエハにドーピングされた不純物
濃度によって抵抗率が変化するため、この影響を受けて
200〜300℃以下での測定は不可能である。また、ウエハ
に印加された高周波やμ波の影響を受けるため抵抗率を
正確に測定することは難しい。このため、スパッタ装置
用の温度測定には適していない。

最後に放射温度計による測定法は、ウエハ表面から放射
される赤外線の強度からウエハの温度を測定する方法で
ある。この測定法では非接触で測定が可能であるためウ
エハを汚染する心配がなく、半導体製造プロセスにおけ
るウエハ温度測定用としての有用性が大きい。このた
め、スパッタ装置、CVD装置内のウエハ温度測定を対象
とした場合、前記の３つの測定法に比べて放射温度計に
よる測定法が最適である。

従来、スパッタ装置ではウエハを保持する電極に貫通孔
をあけ、ウエハの裏面（プラズマで処理されない面）か
ら放射された赤外線を、この電極にあけた穴を通して放
射温度計に取り込み、温度を測定している例がある。裏
面から測定するのは、ウエハの表面側にあるプラズマか
ら放射される赤外線が測定誤差の大きな要因になるから
である。

ところで、放射温度計は基板から照射される赤外線の強
度を測定して温度を求めるものであり、測定温度によっ
て検出素子に入射する赤外線の強度が適切になるよう
に、測定波長が選択されている。現在、最も一般的に用
いられる放射温度計の種類と測定波長および測定温度範
囲は以下の通りである。

（１）シリコン放射温度計測定波長:0.5〜1.2μｍ測定温度:400℃以上（２）Pbs放射温度計測定波長:1〜３μｍ測定温度:150〜1000℃ （３）サーモパイル・ボロメータ放射温度計測定波長:2〜20μｍ測定温度：室温〜1000℃ （４）InSb・HgCdTe放射温度計測定波長:5〜15μｍ測定温度：室温〜1000℃ これによれば、200〜400℃に加熱されたウエハの温度
を、従来の放射温度計を用いて測定するには１μｍ以上
の測定波長を有するものを選定する必要がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、第８図に示すように１μｍ以上の波長で
はシリコンウエハが半透明となる（シリコンの室温にお
けるバンドギャップは約1.09eVであり、これに対応する
吸収波長端が約1.2μｍとなる）。この波長域ではプラ
ズマから放射される赤外線がシリコンウエハを透過して
くるため、ウエハの表面から測定してもプラズマの影響
を排除することができない。

また、第９図に示すようにウエハの放射率（透過率、反
射率）は温度とともに変化する。さらに、ウエハ表面に
薄膜が形成された場合の波長10μｍにおける放射率、反
射率、透過率は第10図〜第13図のようになり、処理に伴
って薄膜の厚さが変化すると、薄膜内での赤外線の干渉
効果により放射率、反射率、透過率が変化し、正確な温
度測定が難しいという問題がある。

本発明の目的は、プラズマの影響を最小限にすることに
より、ウエハ表面の温度を高精度に測定することができ
るウエハ温度測定用の放射温度計およぶウエハ温度測定
方法を提供することである。

また、本発明の他の目的は、ウエハの放射率の変化を補
正することにより、ウエハ表面の温度を高精度に測定す
ることができるウエハ温度測定用の放射温度計を提供す
ることである。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明の放射温度計は、ウ
エハ表面から放射される赤外線を一端面側で受光して他
端面側に伝達する導光体と、該導光体の他端面側に設け
られ、前記赤外線のうちウエハを透過しない波長の赤外
線のみを通過させる光学フィルタと、該光学フィルタを
通過した赤外線を取り込んで、その赤外線の強度を検出
するとともに、その検出結果から前記ウエハの表面温度
を算出する算出手段と、を具備したものである。

また、本発明の放射温度計は、ウエハ表面に赤外線を照
射する照射手段と、前記ウエハ表面で反射した赤外線を
一端面側で受光して他端面側に伝達する導光体と、該導
光体の他端面側に設けられ、前記赤外線のうちウエハを
透過しない波長の赤外線のみを通過させる光学フィルタ
と、該光学フィルタを通過した赤外線と前記照射手段か
ら照射された赤外線の強度を比較し、その比較結果から
前記ウエハ表面での放射率を算出する算出手段と、を具
備したものである。

また、本発明は、上記放射温度計をシリコンウエハ用薄
膜形成装置やランプアニール装置に搭載したことであ
る。

また、本発明の導光体は、ウエハ表面から放射される赤
外線の波長以下に外表面の面粗さが調整された円形断面
のものである。

さらに、本発明のウエハ温度測定方法は、ウエハ表面か
ら放射される赤外線の導光体の一端面側で受光し、その
受光した赤外線を導光体側面での全反射を利用して他端
面側まで伝達し、さらに光学フィルタを通して前記赤外
線の中からウエハを透過しない波長の赤外線のみを選別
し、その選別した赤外線の強度から前記ウエハの表面温
度を測定するようにしたことである。

〔作用〕

上記構成によれば、測定面であるウエハの背面に、導光
体の一端面を１〜2mm程度に近接させて配置すると、ウ
エハ背面から放射された赤外線は導光体の一端面から導
光体内部に入射し、導光体の内部側壁で反射して導光体
の他端面側まで伝播する。そして、導光体を伝播してき
た赤外線は光学フィルタを通過するとき、ウエハを透過
しない波長のものだけに選別される。算出手段では、そ
の選別された赤外線を取り込んで赤外線の強度を検出す
るとともに、その検出結果からウエハの表面温度を算出
する。

また、ウエハの表面温度を測定する一方で、測定波長と
ほぼ同一波長の赤外線を照射手段からウエハ表面に照射
すると、その照射した赤外線のウエハ表面での放射率を
知ることができ、この結果から放射率補正を行いウエハ
表面の正確な温度を算出することができる。

さらに上記構成によれば、従来の放射温度計に比べて受
光する赤外線の強度が大きくなり、200度以下にシリコ
ンウエハから放射される赤外線（ウエハを透過しない波
長）の強度でも安定して測定できる。したがって、スパ
ッタ装置やCVD装置などで、シリコンウエハが不透明な
波長でウエハの放射温度測定が可能になり、ウエハ背面
から測定することでプラズマの発光による影響を排除で
きる。

〔実施例〕

以下に本発明の一実施例を図面に従って説明する。

第１図は本発明に係る放射温度計の全体構成を示してい
る。放射温度計１は、石英丸棒２、干渉フィルタ３、赤
外線検出器（Siフォトダイオード）４、石英丸棒２の外
側に配設されたシース管５、アンプ６、演算器７から構
成されている。干渉フィルタ３の代りに色ガラスフィル
タを、赤外線検出器４としてSiフォトダイオードの代り
にフォトマルを用いる時もある。そして、測定面８の温
度を測る場合は、石英丸棒２の先端（受光面）2aを測定
面８から１〜2mm離れた位置にくるように配置する。そ
うすると、測定面８から放出された赤外線は受光面２か
ら石英丸棒２内に入り、側壁2bで全反射しながら他の端
2cまで伝播する。シース管５は石英丸棒２の側面から入
射してくる赤外線を遮断し、その影響を除く役目をす
る。伝えられた赤外線のうちウエハを透過しない波長の
ものは干渉フィルタ３を透過した後、赤外検出器４に入
射して、その強度に比例した電流が生じ、アンプ６で増
幅され（電圧信号に変換される）、演算器７によって温
度値に換算される。

第２図に本発明による放射温度計１の出力電圧を算出し
た結果を示す。計算条件は以下の通りである。

（１）受光面2aと測定面８との距離を1mm、石英丸棒２
の直径を5mmとする（この場合、測定面積は丸棒２の直
径と同じ直径5mmの円形と仮定する）。

（２）受光面2aの開口数は１以上であり（石英の屈折率
は約1.45at0.9μｍ）で、受光面2aに到達した赤外線は
全て取り込まれる（表面での反射を除く、表面での反射
は0.1と仮定する）。

（３）干渉フィルタ３は厚さ5mm、透過率0.5、中心波長
900nm、半値幅100nmとする。

（４）検出器４は受光面が直径10mm、石英丸棒２の端面
2cとの距離を10mm、窓材の表面における反射損失を0.1
と仮定する。

（５）赤外線検出器４の感度を0.5A/W、アンプ６の増幅
率を10⁹とする。

以上の条件では、200℃における放射温度計１の出力電
圧は約5mVを確保することができる。放射温度計１の測
定下限温度はアンプ６の雑音特性によって決まる。Siフ
ォトダイオード用のアンプの雑音レベルは0.1mV程度で
あり、測定値のばらつきを±２〜３℃許容するとして測
定下限温度を推定すれば約180℃となる。

第３図は本発明の他の実施例を示している。本実施例で
は、導光体として石英丸棒２の代わりに金属パイプ２′
が使用されている。金属パイプ２′の断面形状はどのよ
うな形でもよいが、赤外線の反射率を高くするには内面
が滑らかに仕上げられた円形のものが好ましい。また、
素材金属としてはアルミなどの赤外線をよく反射する性
質のものが適している。あるいは、内面にアルミや金の
反射膜を形成してもよい。

本実施例によれば、石英丸棒を省くことができるので、
構成が簡単になり、製作が容易となる。

第４図は本発明の更に他の実施例を示している。本実施
例は、測定面８の反射率を測定して放射率を推定し、そ
の補正を可能とした例である。赤外光源として発光中心
波長が900nmのLED11を用い、これをLED駆動回路12で10H
z程度の周波数で断続的に点滅させ、その光をレンズ13
で光ファイバ14に入射させる。光ファイバ14から出た赤
外線をレンズ15でコリメートし、更に絞り16を通して絞
り込み、ブラケット17に取り付けた反射ミラー18に入れ
る。反射ミラー18の形状は、第５図に示すように、石英
からなる角棒の一端面側が45度の角度で切断されてお
り、端面18aから入射したコリメート光は角棒の中央部
を進み切断面18bで反射し、光路が石英丸棒２の中心軸
と一致するように出射部18cから出射して、石英丸棒２
に入射する。石英丸棒２に入射した光は受光面2aを通し
測定面８に照射する。このうち一部は測定面８で反射さ
れるが、この反射された赤外線を受光面2aから取り込ん
で石英丸棒２内部を伝え、測定面８自体から放射される
赤外線とともに干渉フィルタ３を通して赤外線検出器４
で測定する。照射した光の強度と反射した光の強度の比
から測定面８の反射率を演算器７で求める。また、演算
器７では測定面８が測定波長において不透明（透過率が
ゼロ）として、反射率から放射率を求め、アンプ６の出
力信号を温度に変換する際に補正を加える。この場合、
測定面８が拡散反射的な性質を示したとしても、受光面
2aが測定面８に近接し、その開口数が１以上であること
から、拡散的に反射した光のほぼ全部を集めて測定でき
る。これにより、反射率ひいては放射率の測定誤差が低
減でき、温度測定の精度がよくなる。なお、前記の反射
ミラー18を取付けるブラケット17の分だけ、石英丸棒２
の端面2cと赤外線検出器４の間隔が広くなり、また反射
ミラー18によって光路が遮られるので、測定面８自体か
ら放射される赤外線の内でかなりの部分で集光できなく
なる恐れがある。そこで、反射ミラー18の大きさは石英
丸棒２の直径の数分の一以下にし、反射ミラー18を通し
てブラケット17の外に逃げる量を少なくする必要があ
る。また、ブラケット17はアルミなどで製作し、反射率
が高くなるように内面を鏡面に仕上げ、赤外線の吸収を
低減させる必要もある。

第６図は本発明の放射温度計を適用したスパッタ装置の
反応室の概略構造を示している。チャンバ21内に平行平
板式の電極22,23が配置されている。ウエハ24は電極22
側に、ターゲット25はもう一方の電極23側にそれぞれ取
り付けられている。チャンバ21の内部を真空ポンプ26で
約１〜１×10−4Torrの真空に減圧しながら、処理ガス2
7を一定の割合で導入すると、高周波を印加した電極22,
23間に発生したプラズマ28中のイオンによってスパッタ
されたターゲット25の原子が、対向したウエハ24の表面
に付着して膜29が生成される。ウエハ24は電極23に設け
られたヒータ30で約200℃〜400℃に加熱する。そして、
電極22にはウエハ24の背面から放射される赤外線を取り
込むための貫通穴31が開けられており、この下に放射温
度計１が設置されている。

第７図は本発明の放射温度計をランプアニール装置に適
用した一例を示している。図において、石英からなる反
応管40内のホルダー41上にウエハ24は載置されて、反応
管40の上壁40a、下壁40bに設置されたランプ42、43によ
って加熱される。下壁40bの中央部には貫通穴40cが開け
られ、放射温度計１が貫通穴40cを介して反応管40内に
挿入され、ウエハ24の下方に配置される。ただし、シー
ス管５は耐熱性を考慮してSiC製とする。ランプ42,43に
よってシース管５も温度が上昇するが、最高でもウエハ
24と同じ程度の温度にしかならないので、シース管５か
ら放射された赤外線が石英丸棒２の側面2aから入り込む
量はほとんど無視できる。このため、ウエハ24の裏面が
拡散放射的性質を持つ場合でも、ランプ42、43の放射す
る赤外線の影響を受けることなく正確に温度を測定する
ことができる。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、本発明によれば、光学フィルタを
用いて測定波長をウエハを透過しない波長に限定したこ
とにより、プラズマの影響を最小限に押えることがで
き、ウエハ表面の温度測定の精度が向上する。

また、測定波長とほぼ同一波長の赤外線を照射できる放
射温度計を用いて、約200℃付近の温度からウエハの温
度を精度よく測定できる。

さらに、ランプアニール装置などにおけるウエハの背面
を放射温度計を用いて温度測定するに際し、従来問題と
なったランプの光がウエハ裏面で拡散的に反射して生ず
る測定誤差を大幅に低減することができる。

またさらに、本発明の放射温度計を用いて処理中のウエ
ハ温度を直接測定することにより、従来に比べ処理温度
の管理が容易になり、ひいてはLSIプロセスの歩留り向
上に寄与する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の放射温度計の一実施例を示す全体構成
図、第２図は本発明による放射温度計の出力電圧を算出
した結果を示す図、第３図は本発明の放射温度計の他実
施例を示す全体構成図、第４図は本発明の放射温度計の
更に他の実施例を示す全体構成図、第５図は反射ミラー
18の形状を示す斜視図、第６図は本発明の放射温度計を
適用したスパッタ装置の反応室の概略構成図、第７図は
本発明の放射温度計を適用したランプアニール装置の概
略構成図、第８図はシリコンウエハの透過率を示す線
図、第９図はシリコンウエハの放射率を示す線図、第10
図と第11図はウエハ表面に形成された酸化膜の膜厚によ
ってウエハの放射率、反射率および透過率が変化する様
子を示す説明図、第12図と第13図はウエハ表面に形成さ
れたAl膜の膜厚によってウエハの放射率、反射率および
透過率が変化する様子を示す説明図である。１……放射温度計、２……石英丸棒、２′……金属管、
３……干渉フィルタ、４……赤外線検出器、５……シー
ス管、６……アンプ,7……演算器、８……測定面、11…
…赤外LED,12……LED駆動回路、13……レンズ、14……
光ファイバ、15……レンズ、16……絞り、17……ブラケ
ット、18……反射ミラー、21……チャンバ、22……電
極、23……電極、24……ウエハ、25……ターゲット、26
……真空ポンプ、27……処理ガス、28……プラズマ、29
……薄膜、30……ヒータ、31……貫通穴、40……反応
管、41……ホルダー、42,43……赤外線ランプ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ウエハ表面から放射される赤外線を一端面
側で受光して他端面側に伝達する導光体と、該導光体の
他端面側に設けられ、前記赤外線のうちウエハを透過し
ない波長の赤外線のみを通過させる光学フィルタと、該
光学フィルタを通過した赤外線を取り込んで、その赤外
線の強度を検出するとともに、その検出結果から前記ウ
エハの表面温度を算出する算出手段と、を具備するウエ
ハ温度測定用の放射温度計。
【請求項２】ウエハ表面に赤外線を照射する照射手段
と、前記ウエハ表面で反射した赤外線を一端面側で受光
して他端面側に伝達する導光体と、該導光体の他端面側
に設けられ、前記赤外線のうちウエハを透過しない波長
の赤外線のみを通過させる光学フィルタと、該光学フィ
ルタを通過した赤外線と前記照射手段から照射された赤
外線の強度を比較し、その比較結果から前記ウエハ表面
での放射率を算出する算出手段と、を具備するウエハ温
度測定用の放射温度計。
【請求項３】請求項１又は２記載の放射温度計におい
て、前記導光体は、赤外線を透過する材質で構成され、断面
形状が円形をなしていることを特徴とするウエハ温度測
定用の放射温度計。
【請求項４】請求項１又は２記載の放射温度計におい
て、前記導光体は、内面が鏡面状に仕上げられた金属パイプ
であることを特徴とするウエハ温度測定用の放射温度
計。
【請求項５】請求項１〜４のいずれかに記載の放射温度
計が、ウエハの薄膜を形成する側と反対側に対向配置さ
れたシリコンウエハ用薄膜形成装置。
【請求項６】請求項１〜４のいずれかに記載の放射温度
計が、ウエハ表面に接近して対向配置されたランプアニ
ール装置。
【請求項７】請求項６記載のランプアニール装置におい
て、処理中のウエハの温度を前記放射温度計で測定し、
その測定結果に基づいてランプの発熱量を制御する制御
手段を設けたことを特徴とするランプアニール装置。
【請求項８】ウエハ表面から放射される赤外線の波長以
下に外表面の面粗さが調整された円形断面の導光体。
【請求項９】請求項８記載の導光体において、赤外線を受光する端面の面積が赤外線を放出する端面の
面積よりも大きく形成されていることを特徴とする導光
体。
【請求項１０】ウエハ表面から放射される赤外線を導光
体の一端面側で受光し、その受光した赤外線を導光体側
面での全反射を利用して他端面側まで伝達し、さらに光
学フィルタを通して前記赤外線の中からウエハを透過し
ない波長の赤外線のみを選別し、その選別した赤外線の
強度から前記ウエハの表面温度を測定するウエハ温度測
定方法。