JPH1055974A

JPH1055974A - 基板温度測定のための方法及び装置

Info

Publication number: JPH1055974A
Application number: JP9097539A
Authority: JP
Inventors: Bruce W Peuse; ダブリュー．ペウスブルース; Gary E Miner; イー．マイナーガリー; Mark Yam; ヤムマーク
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 1994-12-19
Filing date: 1997-04-15
Publication date: 1998-02-24
Anticipated expiration: 2015-12-19
Also published as: DE69523424D1; EP0718610A1; JPH08255800A; ATE207611T1; DE69523424T2; JP2007208287A; KR100342796B1; JP4033939B2; US5848842A; KR960026525A; US5660472A; EP0718610B1; JP2711239B2

Abstract

(57)【要約】【課題】改善された再現性及び均一性をもつ信頼性の
高い温度測定。【解決手段】基板の加熱のための熱処理チャンバ内
で、温度プローブの読み出しを収集する方法。この方法
には、基板をプロセス温度まで加熱するステップと；第
１のプローブと第２のプローブを用いて基板温度を測定
するステップと；第１の温度により指示される第１の温
度と第２の温度により指示される第２の温度とから、第
１のプローブに対しての温度読み出しの補正を導出し、
これは第１のプローブ及び第２のプローブの双方により
生じる補正しない読み出しよりも正確な、基板の実際の
温度の指示値である、補正の導出のステップとを有す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基板の放射率を向
上させることにより、並びに、基板温度の測定を収集す
ることにより、半導体基板の非接触の温度測定を改良す
る技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの製造プロセスの多くで
は、要求される高いレベルのデバイスの性能、収率及び
プロセスの再現性は、処理中に基板の温度（例えば、半
導体ウエハ）がきちんと制御された場合に限って達せら
れる。このような制御のレベルを達するためには、基板
温度をリアルタイムに且つインシチュウ(in situ )に測
定して不測の温度変動が直ちに検出され補正される必要
がある場合がしばしばである。

【０００３】例えば、急速熱アニーリング(rapid therm
al annealing) （ＲＴＡ）、急速熱クリーニング(rapid
thermal cleaning)（ＲＴＣ）、急速熱化学気相堆積(r
apidthermal chemical vapor deposition) （ＲＴＣＶ
Ｄ）、急速熱酸化(rapid thermal oxidation) （ＲＴ
Ｏ）並びに急速熱窒化(rapid thermal nitridation)
（ＲＴＮ）を含む種々の製造プロセスに用いられる急速
熱処理(rapid thermal processing)（ＲＴＰ）を考え
る。ＲＴＯ又はＲＴＮによるＣＭＯＳゲート誘電体(CMO
S gate dielectrics) の形成という特殊な応用例では、
ゲート誘電体厚さ、成長温度及び均一性が、デバイス全
体の性能と収率に影響を及ぼす重要なパラメータであ
る。現在では、ＣＭＯＳデバイスは６０〜８０オングス
トローム程度の厚さで厚さの均一性がプラスマイナス２
オングストローム以内に収るような誘電体層をもって作
られている。この均一性のレベルのためには、高温処理
中に基板全体の温度変化が数℃を越えてはならないこと
が要求される。

【０００４】高温処理中は、ウエハ自身は小さな温度変
化も許されないことがしばしばである。１２００℃で温
度差が１〜２℃／ｃｍを越えて生じることがあれば、そ
の結果、応力がシリコン結晶内に滑りを生じさせる。こ
のように生じた滑り面は、滑り面が通過する全てのデバ
イスを破壊するだろう。この温度の均一性のレベルを達
するためには、閉ループ温度制御のための、信頼性の高
いリアルタイムの多点温度測定が必要である。

【０００５】光学的放射温度測定は、ＲＴＰシステムの
温度測定に広く用いられている。放射温度測定は、目的
物の一般的な性質を利用し、即ち、目的物は温度を決定
する特定のスペクトル成分と強度をもって放射を発して
いる。従って、発せられた放射を測定することにより、
目的物の温度を決定できる。発せられた放射の強度をパ
イロメータが測定し、適切な変換を行って温度（Ｔ）を
得る。スペクトルの放射強度と温度との関係は、基板の
スペクトル放射率と、プランクの法則で与えられる理想
黒体の放射温度関係に依存し、プランクの法則は：

【数１】ここで、Ｃ1 及びＣ2 は既知の定数、λは着目する放射
波長、Ｔは゜Ｋで測定された基板温度である。Ｗｅｉｎ
の分布法則として知られている近似により、上記の表現
は以下のように書き直せる：

【数２】ここで、Ｋ（λ）＝２Ｃ1 ／λ5 である。これは、２７
００℃よりも低い温度に対しては良い近似である。

【０００６】目的物のスペクトル放射率ε（λ，Ｔ）
は、そのスペクトル強度Ｉ（λ，Ｔ）と同一温度におけ
る黒体のそれＩb （λ，Ｔ）の比である。即ち、

【数３】Ｃ1 とＣ2 は既知の定数であり、理想的な条件下では、
ε（λ，Ｔ）がわかればウエハの温度は正確に決定でき
る。

【０００７】しかし、これは半導体産業において広く用
いられているにもかかわらず、光学的放射温度測定はな
お、基板の放射率を正確に測定することの不可能さから
来る制限を受けている。更に、仮に基板の放射率が所定
の温度で既知であっても、温度によって変化する。この
変化は通常は、正確に測定することができず、従って、
温度測定に対して未知の誤差を招いてしまう。１０℃の
オーダーの誤差は特別なことではない。

【０００８】基板の放射率は多くの因子に依存し、これ
らは、ウエハ自身の性質（例えば、温度、表面粗さ、種
々の不純物のドーピングのレベル、材料の組成及び表面
層の厚さ）、プロセスチャンバの性能及びウエハのプロ
セス履歴を含んでいる。従って、基板の放射率の事前の
評価は、一般用途の放射温度測定の能力を与えることが
できない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】温度測定におけるウエ
ハ放射率の変化の影響を減少させる技術は知られてい
る。この技術の１つに、ターゲット基板の裏面の近くに
熱反射器を置き、基板からの熱放射が基板に反射し返さ
れる反射キャビティを形成することがある。反射器を貫
いてキャビティに挿入される光パイプが反射キャビティ
からの放射を集め、集められた光をパイロメータに与え
る。理想的な反射器を想定すれば、基板から発せられる
全ての熱放射は基板に反射し返されるので、反射キャビ
ティが理想黒体のように振る舞うとして、数学的に示す
ことが可能である。即ち、反射キャビティ内の熱放射の
強度は、基板表面の放射率の関数ではなくなるだろう。
換言すれば、理想的なケースでは、反射キャビティは基
板の有効放射率の値を１に等しい値まで増加させる。し
かし、この反射器は完全よりも劣るであろうことから、
基板の有効放射率はウエハの放射率よりも高くなるが１
よりも小さくなるだろう。それにもかかわらず、ウエハ
の実際の放射率の変化は測定された温度にはあまり影響
を与えないであろう。

【００１０】上述の温度測定のスキームが許容されるレ
ベルを達成しているが、改善の余地は大きく残ってい
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】一般的には、本発明の１
つの特徴は、基板の加熱のための熱処理チャンバ内で、
温度プローブの読み出しを収集する方法である。この方
法には、基板をプロセス温度まで加熱するステップと；
第１のプローブと第２のプローブを用いて基板温度を測
定するステップと；第１の温度により指示される第１の
温度と第２の温度により指示される第２の温度とから、
第１のプローブに対しての温度読み出しの補正を導出
し、これは第１のプローブ及び第２のプローブの双方に
より生じる補正しない読み出しよりも正確な、基板の実
際の温度の指示値である、補正の導出のステップとを有
する。第１のプローブと第２のプローブとは、有効反射
率が異なっている。

【００１２】好ましい具体例では、本発明はまた、第１
のプローブのための第１の非接触プローブを用いること
と、第２のプローブのための第２の非接触プローブを用
いること、例えば光学パイロメータ等、を有している。
第１のプローブと第２のプローブとにより実施される温
度測定は時間的に近付いて行われ、例えば、同時進行す
る。第１の有効反射率は第２の有効反射率よりも大き
い。導出のステップは、第１のプローブにより指示され
る温度を、第１の温度指示値と第２の温度指示値との差
から導出される補正量を加えることにより補正する操作
を含んでいる。更に、導出のステップは、第１の温度指
示値と第２の温度指示値の間の差を決定する操作と、こ
の温度差に補正量を発生させる補正係数を掛ける操作と
を含んでいる。

【００１３】一般には、別の特徴として、本発明は、温
度測定のシステムの検量(calibration )を行う方法であ
る。この方法は、高い放射率を有する基板を第１のプロ
セス温度まで加熱するステップと；基板が第１のプロセ
ス温度にある間、第１のプローブと第２のプローブを検
量して、これらに実質的に同一の温度指示値を与えるス
テップと；低い放射率を有する第２の基板を第２のプロ
セス温度まで加熱するステップと；第２の基板が第２の
プロセス温度にある間、第１のプローブと第２のプロー
ブを用いて基板温度を測定するステップと；基板の放射
率の変化に対する第１のプローブにより与えられた温度
の読み出しの感度を測定するステップと；この測定され
た感度と、第１のプローブにより与えられた第１の温度
指示値と第２のプローブにより与えられた第２の温度指
示値とを用いて、第１のプローブのための補正係数を計
算するステップとを有する。更に、第１のプローブは第
１の有効反射率を有し、第２のプローブは第１の有効反
射率とは異なる第２の有効反射率を有している。補正係
数は、第１のプローブの温度読み出しに適用されて、補
正された温度読み出しを与える。

【００１４】一般的に、また別の特徴として、本発明
は、熱処理加熱チャンバ内の基板温度の測定装置であ
る。この装置は、基板の一方の面の隣に置かれてこれら
の間が反射キャビティを形成する反射プレートと；反射
キャビティからエネルギーを受容し第１の温度読み出し
を与えるように位置が与えられる第１のプローブと；反
射キャビティからエネルギーを受容し第２の温度読み出
しを与えるように位置が与えられる第２のプローブとを
備えている。第１のプローブは、第２のプローブとは異
なる、キャビティに対する有効反射率を生じる。

【００１５】一般的に、別の特徴として、本発明は熱処
理チャンバ内で基板上の局所温度を測定するための装置
である。この装置は、熱処理チャンバ内に基板を支持す
る支持構造体と；熱処理中に基板からの放射を受容する
端部を有し基板の局所領域の温度の参照信号を与えるエ
ネルギープローブと；エネルギープローブの端部の周囲
に形成された窪んだマイクロキャビティとを有してい
る。この窪んだマイクロキャビティは、基板の局所領域
と面しプローブ信号を増加させる作用をする放射反射面
を有している。

【００１６】本発明の種々の利点は以下に説明される。
マイクロキャビティ構造は、ウエハの裏面と反射プレー
トとの間に形成されたキャビティ及び反射プレートの有
効反射率を向上する傾向があるので、基板の放射率の変
化に対する感度が実質的に減少した温度測定を可能にす
る。更に、本発明は、反射率の変化を温度の関数に適応
させるリアルタイム且つインシチュウの温度補償を提供
する。この検量の手順は、単純且つ、典型的には、所定
のチャンバ構造に対しては一度試行すればよいだけであ
る。本発明に従った温度測定は、安定で再現性の高い固
体検出器を用いる事ができる。本発明は、改善された再
現性及び均一性をもって信頼性の高い温度測定を可能に
する。

【００１７】その他の特徴及び利点は、以下の説明によ
り更に明らかになるであろう。

【００１８】

【発明の実施の形態】

（仮想的な黒体キャビティ）以下の説明では、基板の温
度測定に言及する。ここで、「基板」なる語は、熱プロ
セスチャンバ内で処理されるいかなる物体をも広くカバ
ーし、その温度は処理中に測定されることを意図してい
る。「基板」という語は、例えば、半導体ウエハ、フラ
ットパネルディスプレイ、ガラス板又はディスク、及び
プラスチックワークピースを含むものである。

【００１９】本発明を理解するためには、上記を参照し
て放射率向上の技術をまずレビューすることが有用であ
ろう。

【００２０】図１に示されるように、熱反射器２２は、
基板１０の近くの位置が与えられて、反射器と基板の間
に仮想的な黒体キャビティ２４を形成する。基板裏面が
乱反射の場合は、放射エネルギーはランダムなパターン
で発せられで、発せられた放射エネルギーは、同様のラ
ンダムな（等方的な）パターンでキャビティじゅうに反
射される。反射器２２のあらゆる場所から到達する放射
エネルギーは、多くの成分から成っている：第１の成分
は、基板から直接飛来し反射を経験していない放射エネ
ルギーから成り；第２の成分は、反射器２２と基板１０
の裏面から１回の反射を経験しており：第３の成分は、
反射器２２と基板１０の裏面から２回の反射を経験して
おり、等々である。反射器の位置で生じ得る全強度は、
入射する放射エネルギーの無限級数の総和として、以下
のように見出され：

【数４】

【数５】ここで、冷反射プレートの反射率はＲで与えられ、ウエ
ハの放射率はεで与えられ、σはステファン・ボルツマ
ン定数であり、Ｔは基板温度である。

【００２１】反射器の反射率が１に等しい（Ｒ＝１）と
仮定すれば、［数５］の式（５Ｂ）は簡単になり：

【数６】ここで、放射エネルギーＩT は基板の裏面の放射率に従
属していない。換言すれば、反射器は、基板の「有効放
射率」が１に等しくなる仮想的な理想黒体を作り出して
いる。

【００２２】注目すべきことは、この放射率の向上の効
果は、ウエハの裏面が乱反射することを必ずしも要さな
いことである。高度に乱反射する裏面を有する基板だけ
ではなく、完全な鏡面反射性の裏面を有する基板にも有
効である。一般的には、半導体ウエハの裏面は、乱反射
と鏡面反射の適当な組合わせである。

【００２３】光パイプ２８が、反射器のアパーチャー２
７を貫通して、キャビティ内の反射エネルギーの抽出に
用いられる。抽出された強度は、光ファイバ３０を介し
てパイロメータ３３へ通過し、そこで上述の［数４］〜
［数６］の式（５）を用いて温度に変換される。仮想的
な黒体の効果のため、測定温度は基板の放射率に無関係
である。

【００２４】しかし、現実には、反射器の反射率は、１
に近かろうが、１に等しくはならない。少なくとも、反
射器のコーティングは完全に反射をしないであろう。例
えば、優秀な反射コーティング材料の１つである金は、
波長９５０ｎｍ（ナノメートル）に対して０．９７５の
反射率しか有しない。更に、反射器に放射エネルギーの
抽出用の１つ以上のアパーチャーが存在することが、キ
ャビティの全体の幾何的関係（即ち寸法と形状）と共
に、我々がここで実現しようと試みている仮想的な理想
黒体の性能を低めてしまう傾向がある。これらの幾何的
な効果は実際の反射率と共に、ひとまとめにして「有効
反射率」Ｒeff とすることができる。基板の放射率の変
化が抽出された強度に依存する影響を実質的に減少させ
ることは可能ではあるが、測定は、基板の放射率に完全
に独立しているわけではない。

【００２５】反射器２２が不透明で、冷たく、高度に反
射的（即ちＲ→１）であると仮定すれば、反射器により
発せられる放射エネルギーの効果を無視することがで
き、基板の有効放射率εeff は、次のように近似でき：

【数７】ここで、Ｒeff は反射キャビティの有効反射率である。
注目すべきは、Ｒeff が１に等しければ、εeff も１に
等しくなるはずであることだ。一方、Ｒeff が１未満で
あれば、εeff も１未満になり、測定温度は放射率の関
数となるだろう。

【００２６】図２では、有効放射率εeff は、異なるＲ
eff の値に対して、実際の放射率εの関数として与えら
れている。指示されているように、反射キャビティの有
効反射率が１に近付くにつれて、基板の有効放射率も１
に近付く。また、Ｒeff →１であるので、基板の有効放
射率は、基板の実際の放射率の変化に対してあまり敏感
ではなくなり、特に、実際の放射率が高い値のときは顕
著である。この感度は、次のように定量化される：

【数８】これは、［数７］の式（６）をεに関して微分すること
により得られる。

【００２７】温度測定の結果の誤差は、以下のような有
効放射率の変化として与えられ、

【数９】［数７］の式６と［数８］の式（７）を用いて、以下の
式が得られる：

【数１０】注目すべきは、Ｒeff が１に近付けば、この分子、即ち
測定温度の基板放射率の変化に対する感度は、無視でき
るほどに小さくなることである。逆に言えば、キャビテ
ィの有効反射率が充分高く（即ち１に近い）ない場合
は、基板の放射率の変化による温度測定の変化も、許容
されないほどに大きいままであることがある。

【００２８】再び図１を参照すれば、アパーチャー２７
の存在は、反射器と基板の間に形成された仮想特体キャ
ビティ２４の局所的な障害を導く。我々は、この障害が
反射器により与えられた放射率向上の効果も減少するこ
とを認識するに至った。更に、アパーチャーサイズ
（Ｄ）が大きくなれば、この障害のサイズも大きくなる
傾向がある。従って、放射率向上に対するアパーチャー
の影響を最小にする１つのアプローチとして、アパーチ
ャーのサイズを小さくすることがあるだろう。しかし、
光パイプにより収集された光の量は、アパーチャーの面
積に比例しているので、これは光パイプにより収集され
た光の量を減少させ、よって、検出システムの信号対ノ
イズ比を低下させる。基板温度が低下すれば放射エネル
ギーの強度が急速に下がるため、小さなアパーチャーを
用いることは、検出器が有用でなくなる温度を上げてし
まうことになる。

【００２９】しかし、我々は、ＲＴＰシステムでベース
反射器を改良して、光プローブの端部で測定向上の表面
の造作（ぞうさく）を含めることにより、反射キャビテ
ィの仮想黒体効果を更に向上させつつも抽出信号の信号
対ノイズ比も改善されて得られることを見出した。

【００３０】（ＲＴＰシステムの概要の本発明を包含し
たＲＴＰシステム）本発明に従って改良されたＲＴＰシ
ステムが図３（ａ）に示される。このＲＴＰシステム
は、ディスク形状の直径８インチ（２００ｍｍ）のシリ
コン基板１０６を処理するための処理チャンバ１００を
有している。基板１０６は、チャンバ内で基板支持体１
０８上に載置され、基板の真上に配置された加熱要素１
１０によって加熱される。加熱要素１１０は、基板の約
１インチ（２．５ｃｍ）上方の水冷クオーツウィンドウ
組立体１１４を介して、処理チャンバ１００に進入する
放射エネルギー１１２を発生させる。基板１０６の下方
には、水冷式のステンレス鋼のベース１１６上に載置さ
れる反射器１０２が存在する。反射器１０２は、アルミ
ニウム製であり、高反射性のコーティング１２０を有し
ている。基板１０６の下側と反射器１０２の頂部との間
には、基板の有効放射率を増加させるための反射キャビ
ティ１１８が形成されている。

【００３１】基板と反射器との間隔は約０．３インチ
（７．６ｍｍ）であり、従って、幅対高さの比が約２７
であるキャビティを形成している。８インチのシリコン
ウエハのために設計された処理システムでは、基板１０
６と反射器１０２との間の距離は、３ｍｍ〜９ｍｍの間
であり、好ましくは５ｍｍ〜８ｍｍの間であり、また、
キャビティ１１８の幅対高さの比は約２０：１よりも大
きくなるべきである。この間隔が大きすぎる場合は、形
成された仮想黒体キャビティに起因する放射率向上の効
果は小さくなるだろう。一方、この間隔が小さすぎた場
合、例えば約３ｍｍ未満である場合は基板から冷却され
た反射器に至る熱伝導が小さくなるので、加熱された基
板に許容できない大きな熱負荷がかかるであろう。反射
プレートへの熱的損失は主なメカニズムは、ガスを介し
た伝導であるので、熱負荷は当然に、ガスのタイプ及び
処理中のチャンバ圧力に依存する。

【００３２】基板１０６の局所的領域１０９での温度
は、複数の温度プローブ１２６（図３（ａ）にはこの中
の２つのみが示される）によって測定される。温度プロ
ーブはサファイアの光パイプであり、これらは、ベース
１１６の裏側から反射器１０２を介して延長する導管１
２４の中を通っている。サファイア光パイプ１２６は、
直径約０．１２５インチであり、これらを導管内に簡単
に挿入せしめるように導管１２４はこれらよりも僅かに
大きくなっている。

【００３３】（放射率向上の表面の造作）本発明の特徴
の１つに従い、小反射キャビティ４２（即ちマイクロキ
ャビティ）が、反射器１０２の頂面に形成され、ここで
は導管が反射器の頂部を貫通している（図４（ａ）に更
に詳細に示されている）。導管は小キャビティに進入し
て、小キャビティの底部でアパーチャー１２９が形成さ
れる。サファイア光パイプ１２６は、その最上端部がマ
イクロキャビティ４２の底部と同じ高さ又は僅かに低く
なるように、導管１２４内部に配置される。光パイプ１
２６の他方の端部は、抽出された光をキャビティからパ
イロメータ１２８に伝達するフレキシブルな光ファイバ
１２５に結合される。

【００３４】ここで説明される具体例では、表面マイク
ロキャビティは、円筒状の形状を有し、半径（Ｒ）が約
０．１００インチ、深さ（Ｌ）が約０．３００インチで
ある。マイクロキャビティ４２及び導管１２４でのアパ
ーチャー１２９は、上述の如くサファイア光パイプの直
径である約０．１２５インチよりも僅かに大きい。表面
マイクロキャビティ４２は、基板１０６の裏側と反射器
１０２の頂部との間に存在する反射キャビティ１１８の
仮想黒体効果を向上させる機能を有するので、基板の有
効放射率を、１に一層近い値まで増加させる。この円筒
状のキャビティは、光パイプにより検出された抽出信号
の信号対ノイズ比を改善すると共に、基板の有効放射率
（又は反射キャビティの有効反射率と等価である）を増
加させる機能を有している。我々は更に、この向上の効
果は、プローブ端部が表面キャビティ４２の底部と同じ
高さであるかどうかということや、プローブがこの導管
１２４の内部の窪んだ場所の下に置かれているかどうか
ということには依存していないようであることに注目し
ている。従って、反射器の組み立て中に導管内にプロー
ブを挿入する操作は、プローブ端部を配置することに関
して厳密な臨界許容範囲満足させる必要がないことによ
り、更に簡単に行われる。しかし、プローブ端部はマイ
クロキャビティ内に突き出していてはならず、なぜなら
このことにより向上の効果を悪化させるだろうからであ
る。

【００３５】円筒状のマイクロキャビティに、完全に反
射する側壁を仮定すれば、円筒状のマイクロキャビティ
によってもたらされる向上の効果は、マイクロキャビテ
ィのＬ／Ｒ比が大きくなるにつれて増加する。しかし、
側壁は完全な反射性ではないため、放射エネルギーがキ
ャビティ内を反射により往復する回数が増えるにつれ
て、各反射に生じる損失によって信号強度は減少してい
くだろう。従って、実際問題として、円筒状のマイクロ
キャビティのＬ／Ｒアスペクト比をどの程度大きくして
なお性能の向上が得られるかという制限が存在する。

【００３６】プローブの端部の周囲に形成される表面マ
イクロキャビティ４２は、基板裏側の局所領域の自己放
射のレベルを増加させることにより、又は、プローブの
収集効率を増加させることにより、又は、これらのメカ
ニズムを組合わせることにより、機能するようである。
換言すれば、表面キャビティは、平坦な反射器と比較し
て、温度が測定される点である基板上の局所領域で反射
器から反射し返される光の量を増加させるので、プロー
ブの放射エネルギーの収集も増加させる。

【００３７】ここに説明される具体例は、反射器にとっ
て望ましい高い反射率を達成するためのものであるが、
この具体例では、反射器の頂部に高度に反射性を有する
多層のコーティング１２０が形成されている。コーティ
ングの底部層は、反射器本体の表面上に堆積された金の
薄膜である。金は、着目する赤外波長（即ち約９５０ｎ
ｍ）で約０．９７５の反射率を有するので好ましい。金
の層の反射率を更に向上させるために、金の層の頂部に
４分の１波長の積み重ね部が形成される。この４分の１
波長の積み重ね部は、別の誘電層で構成され、これは異
なる屈折指数を有し、パイロメータが最も感度が高くな
る波長の１／４（即ち９５０ｎｍの１／４）に等しい厚
さを有している。ここに説明される具体例では、４分の
１波長の積み重ね部は、米国カリフォルニア州サンタロ
ーザのＯＣＬＩ社(Optical Coating Laboratory,Inc. )
により塗布されるが、このコーティングの塗布には、別
の商業的ソースでも可能である。

【００３８】この多層構造の頂部層は、反射層の金のＲ
ＴＰチャンバを汚染する可能性を防止するパッシベーシ
ョン層である。このパッシベーション層は、酸化珪素、
酸化アルミニウム、窒化珪素、又は、着目する波長で反
射特性を損なわずに反射層をパッシベーションするその
他の許容される材料であってもよい。

【００３９】この多層構造体の反射率は、９５０ｎｍで
約０．９９５であり、これは単一の金薄膜の本来の反射
率０．９７５よりも著しく高い。

【００４０】金が反射のために許容できない材料である
場合は、無論、他の反射材料を用いてもよい。例えば、
ニッケルは金よりも不活性であり、金よりも高くはない
が良好な反射率を有している。

【００４１】表面マイクロキャビティには、多くの他の
幾何的関係が可能である。例えば、図４（ｂ）に示され
ているような、半球状のマイクロキャビティ４２’を用
いてもよい。このマイクロキャビティは、球の形状を有
し、その中心は反射器の表面の面上に配置される。上述
のＲＴＰの具体例では、球の半径は約６〜８ミリメート
ルであり、即ち、反射器と基板の裏面との間の間隔に匹
敵している。サファイアプローブ１２６は直径０．１２
５インチであるが、局所領域１０９でプローブが基板温
度に対して生じさせる障害を最小にするため、もっと小
さなサイズ（例えば０．０５０インチ）を採用する事が
望ましいだろう。

【００４２】その他のマイクロキャビティの幾何的関係
が、図４（ｃ）〜（ｄ）に示される。図４（ｃ）は、円
錐形状のマイクロキャビティが示され、光パイプが円錐
のらせんに配置されている。図４（ｄ）は、球状のマイ
クロキャビティが示され、光パイプが反射の表面の円形
アパーチャー１６１の反対側に配置されている。これら
は、用いることができる多くの別の幾何的関係のほんの
一部に過ぎない。ある用途に対して最も適した特定のマ
イクロキャビティの幾何的関係は、実験により決定でき
る。更に、マイクロキャビティはまた、反射プレートの
表面から突き出した材料で形成される突起したマイクロ
キャビティであってもよい。

【００４３】（放射率の補正の温度測定）プローブの端
部の周囲の反射器の表面でマイクロキャビティを用いる
ことにより仮想的な黒体に非常に近接した反射キャビテ
ィを作り出してはいるにもかかわらず、依然として有効
放射率は１に等しくはならないだろう。換言すれば、測
定温度は、ある基板から次のものへの放射率の変化に起
因する未知の誤差成分を有しているからである。従っ
て、ＲＴＰチャンバ内で処理されることになる基板の実
際の放射率の変化を測定し且つ補正する事により、温度
測定の正確さを更に改善することが望ましい。異なる有
効放射率（又は等価な意味で、異なる有効反射率）を有
する２つの温度プローブを用いて、基板の特定の局所領
域における温度を測定することにより、リアルタイム且
つインシチュウの温度測定が改善されてもよい。そし
て、これらのプローブにより測定された温度を用いて、
局所的な温度測定の補正が得られる。

【００４４】再び図３（ａ）を参照すれば、それぞれ異
なる有効放射率ε1 、ε2 を有する２つの放射プローブ
１５０、１５２が用いられている。プローブ１５０は、
前述のようにまた図４（ｂ）で示される如く、円筒状表
面マイクロキャビティの内側に配置され、プローブ１５
２は、基板１０６の裏側で約３〜４ミリメートル以内反
射器表面の上方に突き出ている。しかし、第２のプロー
ブは、処理中に熱い基板からの放射により加熱されるこ
とを防止するため、基板の裏側に近付き過ぎて（及び、
冷却された反射プレートから離れて）配置されてはなら
ない。プローブの温度が高すぎるようにならざるを得な
い場合は、プローブはダメージを受け、及び／又は、プ
ローブに材料が堆積してその性能を下げてしまうだろ
う。更に、プローブを基板裏側に近付け過ぎれば、基板
の温度に影響を与えてしまうだろう。

【００４５】ここに説明した構成では、第１のプローブ
（即ちプローブ１５０）の有効放射率は、第２のプロー
ブ（即ちプローブ１５２）の有効放射率よりも大きいだ
ろう。プローブ１５２は、基板１０６の裏側に近付けて
置かれる代りに、その底部が比反射性の材料で覆われて
いる円筒状のマイクロキャビティ内に置かれてもよい。
２つのプローブが異なる有効放射率を生じさせるのであ
れば、他の幾何的関係の組合わせも可能である。後に明
らかにするが、２つの選択されたプローブの幾何関係
は、協働的な有効放射率の差を最大になるように与え
る。

【００４６】ここで説明された具体例では、低い有効放
射率を生じさせる穴が他のプローブの有効反射率を阻害
又は低下させないように、プローブ１５０、１５２は充
分な距離の間隔をおいて配置される。しかし、基板の大
体同じ領域の温度を測定しなくなるほど、２つのプロー
ブがあまり離れ過ぎていてはならない。ここで説明され
た具体例では、これらの要求に適合すると思われる典型
的な間隔は、１〜３ｃｍである。基板が回転する場合
は、このことは、２つのプローブが配置される半径は、
この量よりも大きく異なってはならないことを意味す
る。

【００４７】（検量）温度補正を実施するにあたり、２
つのプローブはまず検量される。即ち、各プローブに対
する有効反射率が最初に決められなければならない。こ
のことは、特別の検量用基板の補助によりなされ、図５
にその概略が与えられる手順を用いてなされる。

【００４８】この検量用基板は、事前に測定されて既知
となっている放射率εcal を有し、また、自身に埋め込
まれる熱電対を有している標準的な基板である。実際の
基板温度は熱電対によって正確に測定され、次いで、パ
イロメータにより報告される温度と比較される。この様
な基板は、例えば米国カリフォルニア州サンタクララの
ＳｅｎｓＡｒｒａｙ社により商業的に入手可能である。
好ましくは、検量用基板は、ＲＴＰチャンバないで処理
されることになる基板のタイプと実質的に同じ熱的な性
質を有するように選択される。例えば、検量用基板は、
少なくともプロセス基板と同じ材料（例えばシリコン）
製であり、プロセス基板になされていると同じ裏側のタ
イプ（例えば、乱反射する窪んだ表面）を有しているべ
きである。

【００４９】各プローブ１５０、１５２に関係した有効
反射率（Ｒe1，Ｒe2）を決定するため、プロセスチャン
バ内に検量用基板が移送され（ステップ１６０）、処理
チャンバの温度が所定の設定値まで上げられる（ステッ
プ１６２）。所望の温度に到達したとき、基板の温度
が、そこに埋め込まれた熱電対及び２つのプローブを用
いて測定され、３つの別々の温度測定値Ｔreal（基板の
実際の温度）、Ｔ1 （第１のプローブにより測定された
温度）及びＴ2 （第２のプローブにより測定された温
度）が与えられる。

【００５０】これらの温度は、強度Ｉcal 、Ｉ1 及びＩ
2 に変換される。Ｉcal は、キャビティが実際に理想的
な黒体である場合にプローブが受容する強度である。
［数１］の式（１）を用い、熱電対によって測定された
温度Ｔrealから以下のように計算がなされる：

【数１１】パイロメータにより記録される温度Ｔ1 及びＴ2 は、同
様の手法で、対応する強度（Ｉ1 ，Ｉ2 ）に変換し直さ
れる：

【数１２】プローブ１５０、１５２の有効放射率は、次に等しく：

【数１３】強度Ｉcal 、Ｉ1 及びＩ2 が既知であれば、各プローブ
の有効反射率の算出は可能となる。［数７］の式（６）
から、有効反射率は、以下のように実際の放射率と有効
放射率の関数として表すことができ：

【数１４】有効放射率は測定された強度に関して表現することがで
きるので（［数１３］の式（１１）を見よ）、この式は
次のように書き直すことができ：

【数１５】この表現を用い、有効反射率の値Ｒ1 及びＲ2 が計算さ
れる（ステップ１６８）。

【００５１】これらの有効反射率の値は、後の実際の基
板の処理において以下に説明するインシチュウ温度補正
の決定に用いられる。しかし、計算された有効反射率
は、検量がなされた特定の処理システムのみに有効であ
ることは理解されよう。例えば、プローブの幾何関係が
変更されたり、システムの幾何関係が変化した場合は、
システムの再検量をここに説明した手法で行い、有効反
射率の新しい値を決定する必要が有るだろう。

【００５２】この検量の手順が、εeff （ε，Ｒeff ）
カーブ（図２を見よ）のいずれがシステムの測定プロー
ブの特徴を与えるかを決めたことは、注目すべきであ
る。基板処理中に得られるインシチュウ温度測定からそ
の基板実際の放射率を決定することが、可能になるだろ
う。実際の放射率とεeff （ε，Ｒeff ）カーブを知る
ことにより、基板の値する有効放射率を計算して、これ
から補正温度を計算する事が可能になる。補正温度まで
に至る手順の詳細は、以下に説明される。

【００５３】（インシチュウ温度補正）通常は、最も高
い有効反射率を有するプローブ、例えばプローブ１５０
は、温度測定を行うように選択され；他のプローブ（１
５２）は補正プローブとして作用する。

【００５４】測定プローブの温度読み出しを補正する手
順を説明する前に、基板の実際の放射率のための表現を
導出することにする。前述の如く、［数１３］の式（１
１）で示されているように、各プローブの有効放射率
は、対応する放射エネルギー強度Ｉ1 、Ｉ2 に比例して
いる。従って、有効放射率の比は、対応する放射エネル
ギーの強度の比と等しく、即ち：

【数１６】各プローブに対して、有効放射率は、実際の放射率及び
対応する有効反射率の関数として表現でき、即ち；

【数１７】有効放射率の表現を上式に代入すれば、実際の放射率は
以下のように、有効反射率と測定強度に関して表現でき
る；

【数１８】この表現を導出することで、温度測定の補正の手順を説
明する準備が整った。

【００５５】図６を参照すれば、ＲＴＰの試行の開始時
に、基板は処理チャンバ内に移送され（ステップ１７
０）、温度は所定の温度シーケンスに沿って循環する。
この温度シーケンスに従って基板がシーケンスされてい
る間、プローブ１５０、１５２は、所定の抽出速度（例
えば２０Ｈｚ）で基板の局所領域近くの放射エネルギー
を抽出する（ステップ１７２）。各プローブに対する測
定温度から、対応するプローブ放射エネルギー強度Ｉ1
及びＩ2 は、［数１２］の式（１０）の助けにより算出
される。そして、実際の基板の放射率εが、各プローブ
の有効反射率に対して前に計算された値を用いて、［数
１８］の式（１６）から計算される（ステップ１７
４）。実際の放射率がわかれば、ベースプローブ１５０
の有効放射率ε1 は、以下のように［数１７］の式（１
５）から計算され：

【数１９】最後に、補正温度（Ｔcorr）が、プローブ１５０により
測定された温度から、［数２］の式（２）、［数３］の
式（３）から導出される以下の式を用いて算出される
（ステップ１７６）：

【数２０】このアルゴリズムは好ましくは、コントローラ１３７
（図６）のソフトウエアで実施され、プローブの温度測
定はいかなる制御決定もなされないで自動的に補正され
る。

【００５６】（別の放射率補正の技術）検量システムに
対して、埋め込み熱電対をもつ検量用基板を用いる必要
のない、別の更に簡易な技術が存在する。この別の技術
には、裏側の放射率が正確にわかっている２つのウエハ
が必要である。一方のウエハは、１に近い放射率εhiを
有しており、他方は、寄り低い放射率εlow を有してい
る。ここに説明される具体例では、高放射率のウエハ
は、０．９４の誘電率を有する窒化物ウエハであり、低
放射率のウエハは、ウエハの裏側、即ち温度プローブに
面する側が０．３２の誘電率をもつ酸化物層を有するポ
リシリコンウエハである。前述のように、２つの隣接す
る温度プローブが用いられる。一方のプローブは、ここ
では小開口プローブと称するが、高い有効反射率を与え
る。小開口プローブは、温度読み出しＴ1 を与え、処理
中のウエハの温度の測定に用いられる。ウエハの裏側の
放射率を明らかにするために補正されるのは、このプロ
ーブによって生じる温度（即ちＴ1 ）である。他方のプ
ローブは、ここでは大開口プローブと称するが、より低
い有効反射率を与える。大開口プローブは、温度読み出
しＴ2 を与え、小開口プローブにより測定される温度に
適用される補正を与えるために用いられる。２つのプロ
ーブが共に近接して、ほぼ同じ時間にウエハの同じ領域
の温度を抽出することが望ましい。他方、プローブが近
すぎる場合は、大開口プローブは低い放射率のウエハに
対して、小開口プローブの温度測定に影響を与える。こ
のことは、低い放射率のウエハに関して温度の非均一性
を招くだろう。

【００５７】ここに説明された具体例では、２つのプロ
ーブは、ウエハの中心から同じ半径のところに配置さ
れ、約０．８５インチ離れている。小開口プローブは、
反射プレート内の他の測定プローブの全てに対して用い
られる構成を有している。以下の実施例の目的で、小開
口プローブは、０．０８０インチの直径を有し、反射プ
レート内の直径約０．０８５インチの開口の内に位置さ
れ、反射プレートと同じ高さの最上端部を有する光パイ
プを用いる。大開口プローブは、その最上端部が反射プ
レートと同じ高さであるが反射プレート内でより大きな
開口（即ち。０．３７インチ）内に位置される光パイプ
を用いている。大開口の目的は、大開口プローブに対し
て小開口プローブに比べて低い有効プローブ放射率（又
は等価な意味で、低い反射キャビティの有効反射率）を
与えるためである。従って、２つのプローブは、測定上
異なる温度を生じさせるだろう。例えば、これら２つの
プローブを用いた測定温度の差は、裏側の放射率が０．
３４で実際の温度が１０００℃のウエハに対しては、約
４０〜５０℃にもなる。

【００５８】上述のように、差の温度測定の信号対ノイ
ズ比を向上させるように、２つのプローブの有効反射キ
ャビティ反射率が大きな差を生じさせることが望まし
い。従って、ここに説明された具体例に対してこのこと
が実施されている特定の方法は、目的達成の多くの方法
の１つを例示しているに過ぎないことが理解されよう。

【００５９】前述の如く、黒体から発せられるエネルギ
ーＩは、プランクの法則に従って、温度Ｔに関係し：

【数２１】このケースでは、Ｔは℃で測定されているので、この温
度に２７３を加えることにより、［数２１］の式（１
９）に要求されるケルビン温度と等価になる。変数を整
理することにより、測定されたエネルギーＩE の関数と
しての温度の式を導出することができる：

【数２２】換言すれば、この式を用いて、黒体の温度は、物体から
発せられるエネルギーの量を知ることにより計算でき
る。

【００６０】（検量）小開口プローブの温度読み出しに
対する補正係数を与える手順が、図７に示される。この
手順は、図７に示されているステップを参照しつつ説明
される。

【００６１】まず、高放射率ウエハは、チャンバ内で、
小開口プローブを用いて測定されながら温度Ｔprocess
まで加熱され、２つのプローブは同じ温度読み出しを与
えるように検量される（ステップ２１０）。検量が行わ
れる前では、２つのプローブの実際の温度の読み出しは
異なっているであろうが、高放射率ウエハを用いた場合
は、これらが異なっている量は小さいであろう。

【００６２】小開口プローブの検量に必要な２つの測定
値を求めるために、その後低放射率ウエハは温度Ｔproc
ess まで加熱される。基板のプロセス温度を決定するた
め、小開口プローブは低放射率ウエハのウエハ温度を正
確に測定していると再び仮定する。下記に明らかにされ
るように、これは許容されると証明される仮定である。
ウエハがＴprocess である間、その温度は、大開口プロ
ーブと小開口プローブの双方により測定される（ステッ
プ２１２）。大開口プローブは、Ｔ2 ＝Ｔbigの測定温
度を与え、小開口プローブは、Ｔ1 ＝Ｔsmall の測定温
度を与える。デルタ温度、δＴ（εlow ，Ｔprocess ）
は、これら２つの読み出しの間の差として定義され、即
ち、δＴ（εlow ，Ｔprocess ）＝Ｔ1 −Ｔ2 である。

【００６３】次に、小開口プローブのウエハ放射率に対
する実際の感度は、小開口プローブにより与えられる測
定温度読み出しを実際の温度として用いて、ウエハのそ
れぞれ（即ち、低放射率ウエハと高放射率ウエハ）に注
入アニールを実施することにより決定される。換言すれ
ば、小開口プローブにより与えられる温度読み出しは、
僅かに不正確であるという事実にもかかわらず、正確な
温度読み出しとして仮定される。しかし、既知の如く、
注入された層の膜抵抗値は、注入アニールの時間及び実
際の温度に決定的に依存するだろう。更に、この依存性
は正確に知られている。従って、同じ時間の量で異なる
プロセス温度でアニールされた２つのウエハのそれぞれ
におけるこの層の抵抗値を測定することにより、２つの
プロセス温度の間の実際の差がどれほどかを、正確に決
定することが可能であろう。

【００６４】低放射率ウエハと高放射率ウエハとの双方
に対して同じ温度読み出しを小開口プローブが与える場
合は、低放射率ウエハの実際の温度は、現実には、高放
射率ウエハの実際の温度よりも僅かに高くなっているだ
ろう。この事は、所定の実際のウエハ温度において、低
放射率ウエハは同じ温度において高放射率ウエハが発す
るよりも低いエネルギーを発しているだろうことによ
る。従って、低放射率ウエハが発するエネルギーを高放
射率ウエハが発するエネルギーと等しくするためには、
その実際の温度が、高放射率ウエハの実際の温度よりも
僅かに高くする必要がある。

【００６５】この２つの実際のウエハプロセス温度の差
を決定するためには、高放射率ウエハに対して、小開口
プローブを用いてプロセス温度をモニターして、一方の
注入アニールが実施される。第２の注入アニールは、低
放射率ウエハに対して、また小開口プローブを用いてプ
ロセス温度をモニターして実施される。そして、これら
のウエハのそれぞれの膜抵抗値が測定され、実施された
特定のアニールのための既知の変換チャートを用いて、
２つのウエハの実際のプロセス温度の差を正確に決定す
ることが可能である。この結果は、Ｔerrlowで示される
（ステップ２１４）。

【００６６】注入アニールを実施する代りに、２つのウ
エハ上に酸化物層を成長させて、酸化物の厚さの差を求
めることもできる。そして、酸化物の厚さの差は、既知
の表を用いて変換されて、２つの酸化物の厚さを与える
実際のプロセス温度の差の正確な測定値を与えることも
できる。

【００６７】小開口プローブの実際の温度の誤差Ｔerrl
owがδＴ（ε，Ｔ）の線形関数であるとのモデルを用い
ることにより、補正係数Ｋcorrは、以下のように計算さ
れる（ステップ２１６）：

【数２３】この例では、Ｋcorrは、１．２４６に等しい。

【００６８】（インシチュウ温度補正）補正された温度
Ｔcorrは、図１１のフローチャートに示されているよう
に、小開口プローブ及び大開口プローブの温度測定から
与えられる。ウエハ温度は小開口プローブ（ステップ２
３０）及び大開口プローブ（ステップ２３２）を用いて
測定され、それぞれ、Ｔ1 とＴ2 とが得られる。これら
の測定温度の差（即ち、Ｔ1 −Ｔ2 ）が計算され（ステ
ップ２３４）、Ｋcorrが乗ぜられて（ステップ２３
６）、Ｔ1 に加えられて補正温度となるべき補正項とな
る（ステップ２３８）。換言すれば、

【数２４】このテクニックの背景の原理及び、その結果、温度測定
の正確さが向上することを、次に説明する。

【００６９】本質的には、小開口プローブの感度の測定
は、どの有効放射率カーブが小開口プローブを適用する
かを決定する。これは以下のように理解される。小開口
プローブをプロセス温度のモニターとして用いつつ低放
射率ウエハに注入アニールを実施する際に、ウエハの放
射率は１つであると仮定する。この仮定を用いれば、ウ
エハにより発せられるエネルギーは、Ｔprocess におい
て理想黒体により発せられるエネルギー、即ちＩ（Ｔpr
ocess ，λ）と等しいことになる。しかし、前出のＴer
rlowの決定では、ウエハの実際の温度がより高いことが
示されており、即ち、Ｔprocess ＋Ｔerrlowである。従
って、ウエハにより発せられるエネルギーも、このより
高い温度における黒体により発せられるエネルギー（即
ち、Ｉ（Ｔprocess ＋Ｔerrlow，λ）に低放射率ウエハ
の有効放射率（即ち、εeff,low）を乗じたものに等し
いと表現できる。換言すれば、

【数２５】これは、以下のようにεeff,low の計算のための式に書
き直すことができ：

【数２６】ここで説明されている具体例では、εeff,low は０．８
５５と算出される。そして、［数１９］の式（１７）を
用いて、小開口プローブの有効反射率Ｒeffsmallは、以
下のように、低放射率ウエハの有効放射率と実際の放射
率を用いて計算され：

【数２７】この例では、Ｒeffsmallは０．９２に等しい。

【００７０】Ｒeffsmallを知ることと、［数１７］の式
（１５）を用いて、小開口プローブの見掛け放射率を実
際のウエハの放射率の関数としてプロットすることがで
きる。このプロットは、図８の上側のカーブで示されて
いる。

【００７１】高放射率ウエハに関して得られている２つ
の温度測定値、即ち、Ｔbig とＴsmall により、同様の
手法で、大開口プローブの有効放射率カーブを決定する
ことができる。大開口プローブに関しては、測定された
放射エネルギーＩ（Ｔbig ，λ）は、大開口プローブの
有効放射率εeffbigに、より高いある温度Ｔactualにお
いて黒体により発せられるエネルギーを乗じたものに等
しくなることが知られている。同様に、小開口プローブ
に対しては、測定された放射エネルギーＩ（Ｔsmall ，
λ）は、小開口プローブの有効放射率εeffsmallに、こ
のより高い温度Ｔactualにおいて黒体により発せられる
エネルギーを乗じたものに等しくなることが知られてい
る。従って、以下の表現がなされ：

【数２８】これは、更に、以下のように書き直されて一般化され
て：

【数２９】小開口プローブの有効放射率が知られることとなったた
め（上記を見よ）εefsmall は、以下の関係から計算で
き：

【数３０】ここで、εa は見掛け放射率、Ｒeff は有効反射率であ
る。以前にＲeffsmallのために計算された値と高放射率
ウエハの実際の放射率（即ち、０．９４）を用いて、ε
effsmallの値は次のように計算でき：

【数３１】 εeffsmallの値を［数２９］の式（２７）に代入すれ
ば、εeffbigが得られる。この例では、計算値は０．７
４９である。

【００７２】［数１９］の式（１７）を用いれば、大開
口プローブの有効反射率、即ちＲeffbigの値も計算でき
る。この例では、Ｒeffbigは０．８４２に等しい。

【００７３】Ｒeffbigを知ることにより、大開口プロー
ブの見掛け放射率をプロットすることが可能となる。こ
のプロットは、図８の下側のカーブである。検量のスキ
ームの目的で、検量の信号対ノイズ比を増加させるよう
に、これら２つのカーブ（即ち、小開口プローブ及び大
開口プローブのそれぞれの見掛け放射率カーブ）を大き
く離すことが望ましい。

【００７４】プロセスが行われている間、小開口プロー
ブによる測定温度の補正が行われないのであれば、温度
の誤差は、以下の式に等しくなり：

【数３２】ここで、

【数３３】この表現を［数３０］の式（２８）に代入して、

【数３４】この関数のプロットは図９に示され（上側の実線のカー
ブを見よ）、これは、小開口プローブを用いた補正され
ない温度測定に導入され、基板放射率の低下に対して著
しく上昇している。

【００７５】［数２２］の式（２０）を用い、小開口プ
ローブ及び大開口プローブにより測定された温度の差、
即ちδＴ（ε，Ｔ）は、以下のように計算でき：

【数３５】図９における下側の点線のカーブは、補正温度測定の改
善された正確性を、ウエハ裏側の放射率の関数として例
示する。０．３〜１．０の放射率の範囲にわたって、誤
差は１℃未満であることは注目されよう。換言すれば、
上述のテクニックを用いて補正された温度読み出しは実
質的に改善され、ウエハからウエハへの放射率の変動に
対する補正温度読み出しの感度は、補正されない温度読
み出しと比較して、大幅に減少する。

【００７６】図９から明らかなように、線形近似を行う
ことにより、実際の測定誤差を僅かに過剰補償する補正
係数を生じさせた。補正係数を更に最適化する１つの方
法は、低めの係数を用いることであり、例えば、０．９
Ｋcorrを用いる等である。この方法で補正係数が増減さ
れた場合は、その結果のカーブは、放射率の範囲の大部
分にわたってゼロエラーに大きく近付く（図９の点線を
見よ）。

【００７７】小開口プローブ温度測定における誤差の原
因となる効果は、エネルギーに関連した効果であり、こ
れは指数項を導入する。従って、実際の誤差は非線形で
ある。それにもかかわらず、誤差に対する線形近似は、
これらの非線形効果の補償に関し大変うまくいく。

【００７８】無論、補正係数の更なる最適化は、補正係
数が２つのプローブの間の温度差の関数として変化する
非線形の方法を考慮することにより得る事ができる。し
かし、多くの用途においては、単なる線形近似により得
られる改善の実質的なレベルは、補正温度測定を更に洗
練させる必要性をなくさせる。

【００７９】δ（ε，ｔ）に対する式（即ち数［３５］
の式（３３））の正確性の評価のため、計算値は、２つ
のプローブの間の温度差の実際の実験値と比較された。
この比較は、図１０に示される。

【００８０】一番上のカーブは、放射率０．３２を有す
るウエハに関するものであり、まんなかのカーブは、放
射率０．６７を有するウエハに関するものであり、下側
のカーブは、放射率０．８２を有するウエハに関するも
のである。実験データはグラフにおいて、「ｘ」の集合
及び「＋」の集合で示される。実験データを得るため
に、ウエハはチャンバ内に配置されて、温度が１０００
℃まで急激に上昇した。５００℃を越えた各１００℃の
ステップでは、約１０秒間温度が安定化され、そして、
各プローブの読み出しが記録された。これら２つの読み
出しの差は、δＴ（ε，Ｔ）に対応している。各温度で
生じているばらつきは、測定におけるノイズによるもの
である。図１０は、実験データがこのモデルの正当性を
証明していることを示している。

【００８１】第２のプローブに関連する有効反射率を減
少するために、別のテクニックを用いてもよいことは理
解されるだろう。上述の２つのテクニックは、反射プレ
ートの表面の上にプローブを持ち上げること又は、プロ
ーブの周囲の開口を拡大することにより行われた。別の
テクニックは、例えば、（１）プローブの周囲に吸収ド
ーナツ（例えば、窒化珪素でカバーされた領域）を形成
することにより、プローブの周囲の反射プレートの反射
率を減少させる事；（２）プローブの周囲の光学パイロ
メータのバンド幅にわたって反射プレートの反射率を減
少させる事；又は、（３）ファイバの出力でアパーチャ
ーを置くことによりプローブの視野角を減少させる事、
を含んでいる。

【００８２】第２のプローブに減少された視野角が用い
られた場合、開口のサイズは減少する一方で、２つのプ
ローブを用いた約４０℃の測定温度差を実現する。従っ
て、このアプローチを用いて、第２のプローブが第１の
プローブの温度測定に対してなす影響を最小にすること
ができ、また、プローブをもっと互いに近づけるように
移動させることができるようになる。

【００８３】上述の補正のテクニックを実施する代りの
別のテクニックは、図８の一番上の線をもっと高く動か
すように、即ち１に近付けるように、チャンバを再設計
することである。しかし、上述のように誤差を単に補正
する事に比べて、このチャンバの再設計は、著しく困難
な作業であろう。

【００８４】（ＲＴＰシステムについての更なる詳細）
上述の如く、図３（ａ）には２つの測定プローブしか示
されていないが、ここに説明された具体例は、基板の異
なる半径の場所での温度を測定できるように、反射器に
わたって分散された８つの測定プローブを実際に用いて
いる。熱処理の間、支持構造体１０８は約９０ＲＰＭで
回転される。従って、各プローブは、基板上の対応する
環状の領域温度プロファイルを実際に測定する。

【００８５】基板を回転させる基板支持構造体は、基板
外縁のまわりで基板に接触する支持リング１３４を有
し、外縁の周囲の小さな環状の領域を除いた全ての基板
下側が露出される。支持リング１３４は、約１インチ
（２．５ｃｍ）の放射方向幅を有している。処理中に基
板１０６のエッジで生じるだろう熱的な不連続を最小に
するため、支持リング１３４は基板と同一又は類似の材
料、例えばシリコン又は酸化珪素でできている。

【００８６】支持リング１３４は、パイロメータの周波
数の範囲で不透明になるよう、シリコンでコーティング
された回転式の卓状のクオーツシリンダ１３６上に載せ
られる。クオーツシリンダ上のシリコンコーティング
は、強度測定に悪影響を与えるかも知れない外部のソー
スからの放射を遮断するバッフルとして作用する。クオ
ーツシリンダの底部は、複数のボールベアリング１３７
上に置かれる環状の上側ベアリングレース１４１によっ
て、支持され、ボールベアリング１３７は、静的な環状
の下側ベアリングレース１３９内部に支持されている。
ボールベアリング１３７は、スチール製で窒化珪素のコ
ーティングがなされ、操作中の粒子の発生を減少させ
る。上側ベアリングレース１４１は、熱処理中に約９０
ＲＰＭでシリンダー１３６、ガードリング１３４及び基
板１０６を回転させるアクチュエータ（図示されず）に
磁気的に結合される。

【００８７】図３（ｂ）を参照すれば、支持リング１３
４は、クオーツシリンダ１３６に対して光の緊密なシー
ルを形成するようにデザインされる。クオーツシリンダ
の内径よりも僅かに小さな外径を有する円筒形状のリッ
プ１３４ａが、支持リング１３４の底面から延長し、図
示されるように、シリンダの内側にフィットして、光シ
ールを形成する。支持リングの内側には、基板１０６を
支持するためのシェルフ１３４ｂが存在する。シェルフ
１３４ｂは、支持リングの内円の周囲で支持リングの残
りよりも下側の領域である。

【００８８】チャンバ本体にフィットするパージリング
１４５は、クオーツシリンダを包囲する。パージリング
１４５は、上側ベアリングレース１４１の上方の領域に
開いている内部環状キャビティ１４７を有している。内
部キャビティ１４７は、通路１４７を介して、ガス供給
器（図示されず）へ接続される。処理中は、パージガス
がパージリング１４５を介してチャンバ内へと流入す
る。

【００８９】支持リング１３４は、クオーツシリンダを
越えて延長するように、クオーツシリンダの半径よりも
大きな半径を有している。支持リング１３４のシリンダ
１３６を越える環状の延長部分は、その下に配置される
パージリング１４５と協働で、基板の裏側で迷光が反射
キャビティ内に進入することを防止するバッフルとして
機能する。反射キャビティ内に迷光が反射して進入する
ことを更に防止するために、支持リング１３４とパージ
リング１４５は、加熱要素１１０により発生した放射エ
ネルギーを吸収する材料（例えば、黒又はグレーの材
料）でコーティングされていてもよい。

【００９０】上記に指摘している通り、光パイプ１２６
はサファイア製である。サファイア光パイプが一般的に
好ましくアノード、その理由は、比較的小さな散乱係数
を有し、大きな横方向の光を大きく排除し、大きな測定
の局所化を与えるからである。しかし、光パイプは、抽
出された放射エネルギーをパイロメータに伝達する例え
ばクオーツ等の適当な耐熱耐腐食材料製であってもよ
い。適切なクオーツファイバ光パイプ、サファイアクリ
スタル光パイプ、及び光パイプ／導管カプラーは、Luxt
ron Corporation-Accufiber Division,2775 Northweste
rn Parkway, Santa Clara,CA 95051-0903 で入州可能で
ある。あるいは、放射エネルギー抽出システムは、反射
器１０２内に載置された小半径対物レンズとレンズによ
って収集された放射エネルギーをパイロメータへ流通さ
せるミラー及びレンズのシステムとを有する光学システ
ムであってもよい。このようなスキームは、適当なオフ
シェルフ光学要素が見出せたならばサファイアパイプよ
りも安価であろう。あるいは、光パイプは、高度に研磨
された反射内面を有するチューブで形成されてもよい。

【００９１】適切な加熱要素１１０は、米国特許第５，
１５５，３３６合に開示されている。この加熱要素は、
１８７の光パイプを用いて、タングステン−ハロゲンラ
ンプからの高度にコリメートされた光を処理チャンバ１
００へ供給する。ランプは、放射方向に対称的なように
配置された１２のゾーンに別れている。これらのゾーン
は、ゾーンごとに調整でき、基板１０６の別々の領域へ
の放射加熱を制御せしめる。

【００９２】図３（ａ）の具体例では、ベース１１６は
循環回路１４６を有し、これを介してクーラントが循環
して、反射器及び反射面を冷却する。典型的に２３℃の
水がベース１１６の中を循環して、反射器の温度を、加
熱された基板の温度よりも充分低い温度（例えば１００
以下）に維持する。ＲＴＰ処理の間は、反射器を冷却し
て、その表面に生じるかも知れない化学活動の可能性を
小さくすることが重要である。反射器が加熱されるよう
なことがあれば、このことが表面の酸化を促進して、反
射層の反射性を深刻に損ねてしまう。有効放射率の向上
は、高度に反射性を有する表面を有してこれを維持する
ことにより達せられる。更に、反射器組立体が加熱すれ
ば、抽出信号に影響する放射エネルギーのソースになる
だろう。

【００９３】ここに説明される具体例では、パイロメー
タ１２８は、約９５０ｎｍで狭いバンド幅（例えば４０
ｎｍ）を有している。また、クオーツウィンドウの裏側
が、波長のこの狭いバンド全てにおいて熱放射エネルギ
ーに関して透明な不活性材料でコーティングされ、加熱
ソースが反射キャビティ内に迷光を導く可能性を減少さ
せることが望ましい。

【００９４】一般的には、シリコン基板の処理のための
システムが長い放射波長（例えば約３．５〜４μｍより
も大きな波長）を検出するパイロメータを用いることが
望ましい。しかし、このアプローチは、７００℃よりも
高い温度に最もよく適合する。室温では、シリコンウエ
ハは、１．０μｍよりも長い光の波長に対して透明であ
る。基板温度が上昇するにつれて、基板は７００℃まで
は長い波長に対して不透明になり、７００℃では、着目
する全ての波長に対して基板は不透明になる。従って、
７００℃より低い温度では、長波長に感応するパイロメ
ータが、加熱ソースから直接来る光を検出することにも
更に適している。簡潔に言えば、パイロメータにより抽
出される波長は、プロセス温度を考慮するべきである。
プロセス温度が実質的に７００℃よりも低い場合は、パ
イロメータは１．１μｍよりも短い波長を抽出すべきで
ある。より高いプロセス温度が用いられた場合は、もっ
と長い波長が抽出可能である。

【００９５】非常に低いプロセス温度（例えば６００゜
Ｋ（３２７℃））では、１．１μｍよりも短い波長で発
生する黒体スペクトル放射率エネルギーの量はごく小さ
い。その結果、６００℃よりも低い温度では、充分な信
号対ノイズ比を得ることはまったく困難である。

【００９６】１つのデザイン、特に９００℃〜１３５０
℃の間のプロセス温度に適したデザインでは、０．９μ
ｍ〜１．０μｍの間の波長での放射エネルギーに感応す
るソリッドステートパイロメータが用いられる（例え
ば、９００−ＬＰ−６．３５Ｃｓｅｎｓｏｒを１００−
Ｓ８ＭＳ−Ｂ−ＣＶｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｂｏｘ
と組合わせる。これらは、Luxtron Corporation-Accufi
ber Divisionから入手可能である。）。この温度範囲
で、０．９〜１．０μｍの波長で発生する放射エネルギ
ーが実質的な量で存在し、高い信号強度及び高い信号対
ノイズ比を与える。

【００９７】図１２は、所望の温度において基板を加熱
するための制御ループを示す。これは、複数の温度セン
サ１９０（即ちパイロメータ及び光パイプ）からの抽出
出力を用いている。加熱要素１１０は、放射ゾーン内に
配置された１８７個のタングステン−ハロゲンランプを
有している。ランプの各ゾーンは、マルチゾーンランプ
ドライバ１９４により別々に電力が与えられ、マルチゾ
ーンランプドライバ１９４は、マルチ入力、マルチ出力
のコントローラ１９２によって制御されている。基板は
約９０ｒｐｍで回転しており、基板１０６の裏側の別々
の放射配置で複数の温度測定がなされているため、各温
度プローブは、基板の別々の環状の領域の平均温度を与
える。この環状の領域は、加熱ランプの半径方向領域と
一致する。コントローラ１９２は、温度センサ１９０に
より生成する温度測定値を受信し、上述の温度補正アル
ゴリズムに基づいて温度を補正し、コントローラ１９２
に供給される所定の温度サイクルプロファイル１９６に
より特定される基板温度が達成させるように、加熱ラン
プの電力レベルを調整する。プロセスサイクルにわた
り、所望の温度プロファイルからはずれた温度のばらつ
きを補正するように、コントローラは別々のランプゾー
ンに供給される電力のレベルを調整する。他の具体例
も、特許請求の範囲の中に含まれる。

【００９８】

【発明の効果】以上詳細に説明してきたように、本発明
で与えられるマイクロキャビティ構造は、ウエハの裏面
と反射プレートとの間に形成されたキャビティ及び反射
プレートの有効反射率を向上する傾向があるので、本発
明を用いることにより、基板の放射率の変化に対する感
度が実質的に減少した温度測定を可能にする。更に、本
発明は、反射率の変化を温度の関数に適応させるリアル
タイム且つインシチュウの温度補償を提供する。この検
量の手順は、単純且つ、典型的には、所定のチャンバ構
造に対しては一度試行すればよいだけである。また、本
発明に従った温度測定は、安定で再現性の高い固体検出
器を用いる事ができる。

【００９９】従って、改善された再現性及び均一性をも
って信頼性の高い温度測定が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】反射器が基板近くに配置される、基板温度測定
スキームの断面図である。

【図２】有効反射率の異なる値に対して実際の放射率の
関数としてプロットされた有効放射率のグラフである。

【図３】（ａ）はＲＴＰシステムの側面断面図である。
（ｂ）は支持リングの詳細の断面図である。

【図４】（ａ）〜（ｄ）とも、反射器に包含される測定
向上表面の種々の造作の側面断面図である。

【図５】ＲＴＰチャンバのインシチュウ温度補正の検量
のスキームのフロー線図である。

【図６】温度測定の正確さを向上させるためのインシチ
ュウで放射率を測定するためのスキームのフロー線図で
ある。

【図７】ＲＴＰチャンバ内で温度測定プローブの検量の
ための別の技術のフローチャートである。

【図８】小開口プローブと大開口プローブの双方の、実
際のウエハの放射率の関数としての見掛け放射率のプロ
ットのグラフである。

【図９】補正なしの温度測定の誤差と補正された温度測
定とを、実際のウエハの放射率の関数としてプロットし
たグラフである。

【図１０】小開口プローブと大開口プローブにより測定
された温度の差に対する実験値と計算値のグラフであ
る。

【図１１】温度測定プローブから補正温度を計算するス
テップを示すフローチャートである。

【図１２】温度制御システムの模式図である。

【符号の説明】

１０…基板、２２…熱反射器、２７…アパーチャー、２
８…光パイプ、４２…マイクロキャビティ、１００…処
理チャンバ、１０２…反射器、１０６…シリコン基板、
１０８…基板支持体、１０９…局所領域、１１０…加熱
要素、１１２…放射エネルギー、１１４…水冷クオーツ
ウィンドウ組立体、１１６…ベース、１１８…反射キャ
ビティ、２０…コーティング、１２４…導管、１２５…
光ファイバ、１２６…温度プローブ、１２８…パイロメ
ータ、１２９…アパーチャー、１３４…支持リング、１
３６…シリンダ、１３７…ボールベアリング、１３９…
下側端部Ｔがわベアリングレース、１４１…上側ベアリ
ングレース、１４５…パージリング、１４６…循環回
路、１４７…内部環状キャビティ、１５０，１５２…放
射プローブ、１９０…温度センサ、１９２…コントロー
ラ。

フロントページの続き (72)発明者ガリーイー．マイナーアメリカ合衆国，カリフォルニア州 94560，ニューアーク，セブンプレイス 4959 (72)発明者マークヤムアメリカ合衆国，カリフォルニア州 95124，サンノゼ，アダイズウェイ 4877

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】温度測定システムを検量する方法であっ
て、高放射率を有する第１の基板を第１のプロセス温度まで
加熱するステップと、該基板が該第１のプロセス温度にある間、第１のプロー
ブと第２のプローブとを検量して、実質的に同じである
複数の温度読み出しを与えるステップであって、前記第
１のプローブは自身に関連した第１の有効反射率を有
し、前記第２のプローブは自身に関連した第２の有効反
射率を有し、前記第１の有効反射率と前記第２の有効反
射率とが異なる、温度読み出しを与える前記ステップ
と、前記高放射率よりも低い低放射率を有する第２の基板を
第２のプロセス温度まで加熱するステップと、前記第２の基板が前記第２のプロセス温度にある状態
で、該第１のプローブと第２のプローブを用いて該基板
の温度を測定するステップであって、該第１のプローブ
は第１の温度指示値を与え、該第２のプローブは第２の
温度指示値を与える、前記基板の温度を測定する前記ス
テップと該第１のプローブによって与えられる温度読み
出しの基板放射率に対する感度を測定するステップと、前記測定された前記感度と該第１の温度指示値及び該第
２の温度指示値を用いて、該第１のプローブに対する補
正係数を計算するステップであって、前記補正係数は、
該第１のプローブの温度読み出しに適用されて補正され
た温度読み出しを与える、前記補正係数を計算する前記
ステップとを有する方法。
【請求項２】該第１の有効反射率が前記第２の有効反
射率よりも大きい請求項１に記載の方法。
【請求項３】前記補正係数を計算する前記ステップ
が、該第１の温度指示値と該第２の温度指示値との間の
差を計算する操作と、該計算された該差を用いて補正係
数を計算する操作とを備える請求項２に記載の方法。
【請求項４】前記感度を測定する前記ステップが、互
いに異なる放射率を有する２つの基板を熱処理する操作
と、次いで前記２つの基板の性質の差を測定して前記感
度を決定する操作とを備える請求項３に記載の方法。
【請求項５】熱処理チャンバ内で基板上の局所領域の
温度を測定するための装置であって、前記装置は、前記熱処理チャンバ内で基板を指示する基板支持構造体
と、熱処理中に基板からの放射エネルギーを受容する端部を
有するエネルギープローブであって、前記エネルギープ
ローブは、該基板の局所領域の温度を表す信号を提供す
る、前記エネルギープローブと、該エネルギープローブの該端部の周囲に形成された窪ん
だマイクロキャビティであって、前記窪んだマイクロキ
ャビティは該基板の該局所領域に面する放射エネルギー
反射面を有して前記信号を向上するように作用する、前
記窪んだマイクロキャビティとを備える装置。
【請求項６】前記基板が前記チャンバ内に支持されて
いるときは前記基板の一方の側と反射キャビティを形成
するように配置された反射プレートを更に備え、前記窪
んだマイクロキャビティは熱処理中に前記反射キャビテ
ィ内でエネルギーを抽出する請求項５に記載の装置。
【請求項７】前記反射プレートが、前記基板に面する
平坦な反射面を有し、且つ、該基板と少なくとも同じ面
積を有する請求項６に記載の装置。
【請求項８】前記反射プレートが該基板に面する反射
面を有し、前記反斜面は前記基板上の窪んだマイクロキ
ャビティの投影よりも実質的に大きな面積を有する請求
項５に記載の装置。
【請求項９】前記反射面が平坦な反射面である請求項
８に記載の装置。
【請求項１０】前記窪んだマイクロキャビティが前記
反射面の反射面に形成される請求項８に記載の装置。
【請求項１１】前記窪んだマイクロキャビティが円筒
形状である請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】前記窪んだマイクロキャビティが半球
形状である請求項１０記載の装置。
【請求項１３】前記反射プレートが第１の距離だけ前
記基板から離れ、該窪んだマイクロキャビティは、前記
第１の距離よりも小さな寸法を有する、前記基板に面す
る開口を有する請求項１０に記載の装置。
【請求項１４】前記支持構造体が、該基板の外縁の周
囲に配置される領域で該基板と接触することにより、該
基板を支持する請求項５に記載の装置。
【請求項１５】前記基板の温度が測定されている間、
前記支持構造体は該基板を回転するように適合される請
求項１４に記載の装置。
【請求項１６】熱処理中に、前記反射器が基板の温度
よりも低い温度まで冷却される請求項５に記載の装置。
【請求項１７】該基板を所望の温度まで加熱する放射
加熱要素を更に備える請求項５に記載の装置。