JPH1098084A - 基板温度測定法及び基板温度測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 高い再現性及び均一性をもって信頼性の高い
温度測定を行う。 【解決手段】 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のプローブと少なくとも１
つの第３のプローブと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するステップ
であって、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、第
１のプローブの環境における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；、補正温度読み出し
は調整温度と第１のプローブからの測定温度の和であ
り；、第１のプローブに対して導出する調節温度と第３
の温度の指示値とから、第３の第３のプローブに対する
補正温度読み出しを導出し、これが第３のプローブの環
境における基板の実際の温度となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基板温度の測定を
収集することにより、並びに、基板表面全体に対する放
射感度の変動を補償することにより、半導体基板の非接
触式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：

【０００６】

【数１】

【０００７】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：

【０００８】

【数２】

【０００９】ここで、Ｋ（λ）＝２Ｃ1 ／λ5 である。
これは、２７００℃よりも低い温度に対しては良い近似
である。

【００１０】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、

【００１１】

【数３】

【００１２】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。

【００１３】前述の如く、基板全体にわたる温度変化が
１〜２℃を超えれば、基板に損傷を与えることになり、
また、不要なプロセスの変化を生じさせることとなる。
基板の様々な場所で温度をモニタする方法の１つに、複
数の温度プローブ（パイロメータ等）を用いる方法があ
る。このようなマルチプローブのシステムでは、いくつ
かのプローブの温度読み出しを用いて、基板のＲＴＰに
おける加熱要素をリアルタイムに制御することができ
る。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、半導体産業に
おいて広く用いられていてもなお、光学的放射による温
度測定は、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℃以上のオーダーの誤差は特別なことではない。

【００１５】基板のスペクトル放射率は多くの因子に依
存し、これらには、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）及びウエハのプロセス履歴が含
まれる。これに関連するもう１つの性質は、有効放射率
である。有効放射率とは、物体から発せられるスペクト
ル強度の測定値と、同じ温度における黒体のそれとの比
のことである。有効放射率がその物体が置かれている環
境を考慮している点で、物体の有効放射率はスペクトル
放射率とは異なっている。基板の有効放射率は、基板が
配置されるプロセスチャンバの特性による影響を受ける
ことがある。従って、基板放射率を事前に決定しても、
これが普遍的なパイロメータ温度測定の能力を与えるこ
とはできない。

【００１６】更に、マルチプローブのシステムにおいて
各プローブにおける環境はそれぞれ独自である。これら
のそれぞれ独自の環境群の１つの中に配置されている１
つのパイロメータプローブが、特定の放射率特性を有し
ている基板に対する感度を示し、温度読み出しに誤差成
分が持ち込まれることがある。基板表面全体に対して、
１つ以上のプローブが基板の放射率に対して異なる感度
を示すことがある（以下、基板表面全体に対する放射率
感度と称する）。放射率レベルがおよそ低い基板では、
基板表面にわたって放射率感度が大きく変動することが
ある。従って、基板表面にわたる放射率感度の変動を考
慮しないマルチプローブ温度測定システムでは、最適の
結果を得ることができない。

【００１７】基板全体に対して放射率を特異的に近似す
ることにより放射率の誤差を補償することを目的とする
だけのシステムでも、許容される結果を導き出すことが
できるだろう。しかし、改善の余地は残されている。

【００１８】

【課題を解決するための手段】概説的にいえば本発明の
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のプローブと少なくとも１つ
の第３のプローブと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するステップで
あって、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、第１
のプローブの環境における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；、補正温度読み出しは
調整温度と第１のプローブからの測定温度の和であ
り；、第１のプローブに対して導出する調節温度と第３
の温度の指示値とから、第３の第３のプローブに対する
補正温度読み出しを導出するステップと；を備え、第３
のプローブに対する補正温度読み出しは、第３のプロー
ブにより生じる補正しない読み出しよりも正確な、第３
のプローブの環境における基板の実際の温度の指示値で
ある。

【００１９】本発明はまた、第１のプローブと第２のプ
ローブと第３のプローブのための第１の非接触プロー
ブ、例えば光パイロメータ等を有している。第１のプロ
ーブにより実施される温度測定と第２のプローブにより
実施される温度測定と第３のプローブとにより実施され
る温度測定とは、時間的に近接して行われ、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。第３のプローブに対する補正温度読み出し
は、調整温度と感度係数の積と第３の温度指示値との和
である。第３のプローブのための導出のステップは、第
３のプローブの配置に対して感度係数を算出するステッ
プを有し、第３のプローブに対する感度係数と第１のプ
ローブに対して導出される調整温度との積に第３の温度
指示値を加えて、第３のプローブに対する補正温度を得
る。感度係数は、複数の検量基板に対して適用される平
均温度からの温度の変動を決定することにより算出され
る。これら検量基板は、所定の放射率レベルを有してお
り、例えば、少なくとも１つの基板が高い放射率レベル
を有し、少なくとも１つの基板は低い放射率レベルを有
し、少なくとも１つの基板は高いレベルと低いレベルの
間の放射率レベルを有する。第３のプローブに対する感
度係数は、第１のプローブに対して導出される補正温度
データ及び検量基板に対して適用される平均温度からの
局所的な温度変動に関する感度曲線の直線近似によって
決定される。

【００２０】本発明の別の特徴では、熱処理加熱チャン
バ内の基板温度の測定装置は、基板の一方の面に隣接し
て配置されこの間が反射キャビティを形成する反射プレ
ートを備える。第１のプローブは、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、その位置が与えられる。第２のプローブは、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、その位置が与えられる。第１のプローブ
が生じるキャビティに対する有効放射率は、第２のプロ
ーブの場合とは異なっている。少なくとも１つの第３の
プローブは、反射キャビティからのエネルギーを受容し
て第３の温度読み出しを生じるような配置に置かれる。
第３のプローブのキャビティに対する有効放射率は、第
１のプローブと同じである。温度測定モジュールは、第
１のプローブからの第１の温度読み出しと、第２のプロ
ーブからの第２の温度読み出しと、第３のプローブから
第３の温度読み出しを、それぞれ受容する。このモジュ
ールは、第１の温度指示値と第２の温度指示値とから第
１のプローブに対する補正温度読み出しを導出するよう
にプログラミングされている。この第１のプローブに対
する補正温度読み出しは、第１の温度指示値と、算出さ
れた調整温度との和である。補正温度読み出しは、第１
のプローブに関する領域における基板の実際の温度を指
示するものとして、第１のプローブと第２のプローブの
補正されない読み出しよりも正確である。

【００２１】補正温度読み出しの具体例には、次の特徴
を含んでいる。第１のプローブと第２のプローブと第３
のプローブは、光パイプを備えている。第１のプローブ
は第１のホールの中に、第２のプローブは第２のホール
の中に、第３のプローブは第３のホールの中に、それぞ
れ配置されている。第１のホール、第２のホール及び第
３のホールは、反射板に形成されている。第２のホール
は、第１のホール及び第３のホールよりも大きい。温度
測定モジュールは、第３のプローブの場所に対する感度
係数を計算する。第３のプローブに対する感度係数と第
１のプローブに対して導出される調整温度との積に、第
３の温度指示値を加えて、第３のプローブに対する補正
温度読み出しを得る。感度係数の計算は、所定の放射率
レベルをそれぞれ有する複数の検量基板に対して適用さ
れる平均温度からの温度変動を決定することにより行わ
れる。この複数の検量基板は、少なくとも１つの基板が
高い放射率レベルを有し、少なくとも１つの基板は低い
放射率レベルを有し、少なくとも１つの基板は高いレベ
ルと低いレベルの間の放射率レベルを有する。第３のプ
ローブに対する感度係数は、第１のプローブに対して導
出される補正温度データ及び検量基板に対して適用され
る平均温度からの局所的な温度変動に関する感度曲線の
直線近似によって決定される。

【００２２】本発明の特徴の中でも、顕著なものを以下
に示す。本発明は、（基板表面全面に対する）反射率の
変動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で
あり且つ、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。

【００２３】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。

【００２４】

【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ものであると、解
釈される。「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。

【００２５】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。

【００２６】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：

【００２７】

【数４】

【００２８】

【数５】

【００２９】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。

【００３０】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：

【００３１】

【数６】

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】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。

【００３５】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。

【００３６】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：

【００３７】

【数７】

【００３８】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。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。

【００３９】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：

【００４０】

【数８】

【００４１】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。

【００４２】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、

【００４３】

【数９】

【００４４】［数７］の式６と［数８］の式（７）を用
いて、以下の式が得られる：

【００４５】

【数１０】

【００４６】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。

【００４７】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。

【００４８】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。

【００４９】（本発明を包含したＲＴＰシステム） （ＲＴＰシステムの概要）本発明に従って改良されたＲ
ＴＰ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１０
０を有している。基板１０６は、チャンバ内で基板支持
体１０８上に載置され、基板の真上に配置された加熱要
素１１０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。

【００５０】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。

【００５１】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。

【００５２】（放射率向上のための表面の造作）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１２
９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１２６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。

【００５３】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。

【００５４】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。

【００５５】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。

【００５６】反射器にとって望ましい高い反射率を達成
するため、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９５０ｎｍ）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。具体例の１つでは、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
(OpticalCoating 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。

【００５７】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。

【００５８】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。

【００５９】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。

【００６０】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。

【００６１】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。

【００６２】（放射率補正温度の測定）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、基板から基板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。更に、放射率感度
が変化する際に、あるいは「有効放射率」が変化する際
に、未知の誤差成分により基板表面にわたって変化する
だろう。従って、基板の局所領域に対する有効放射率の
変化を測定し且つ補正する事により、それぞれの温度測
定に対する正確さを更に改善することが望ましいだろ
う。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、局所的な温度に対する初期の測定の補正が得
られる。そして、それぞれの局所温度読み出しに対する
精密な温度補正は、それぞれの局所温度領域に対して導
出される放射感度係数による初期の補正を調節すること
により得られる。

【００６３】図３（ａ）〜（ｃ）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を用いて、上述の初期温度補正を行
う。第１のプローブ１５０は、前述のようにまた図４
（ａ）〜（ｄ）で示される如く、円筒状表面マイクロキ
ャビティ４２の内側に配置される。第２のプローブ１５
２は、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４３の中に置かれてもよい。

【００６４】第２のプローブ１５２は、シリコンドーナ
ッツ（図示せず）により適所に保持されてもよい。第１
のプローブの有効放射率ε1 は、第２のプローブの有効
放射率ε2 よりも高い。具体例の１つでは、第１のプロ
ーブに対するマイクロキャビティ４２は第１のプローブ
１５０とおよそ同じ直径を有し、第２のプローブ１５２
に対するマイクロキャビティ４３は、第２のプローブ１
５２の直径よりもかなり大きな直径を有しオーバーサイ
ズである。このマイクロキャビティがオーバーサイズで
あるため、第２のプローブ１５２が反射器１０２から隔
てられるようになり、第２のプローブ１５２に対する有
効放射率を低くする。具体例の１つでは、マイクロキャ
ビティ４３の直径は、マイクロキャビティ４２の直径の
２倍である。

【００６５】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）に対する有効放射率は、第２の
プローブ（即ちプローブ１５２）に対する有効放射率よ
りも大きいだろう。

【００６６】プローブ１５２は、非反射コーティングを
有するマイクロキャビティの中に配置される代わりに、
基板１０６の裏側で約３〜４ミリメートル以内の長さだ
け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（即ちプローブ１５２）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。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、関連する有効放射率の差を最大になるよう
に与える。

【００６７】ここで説明された具体例では、低い有効放
射率を生じさせるホール（穴）、マイクロキャビティ４
３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。

【００６８】２本のプローブ１５０、１５２に加えて、
他の温度プローブを複数本（図示の明確さのため、図３
には１本のみを示す）（即ち、図３で示される１５１ａ
〜１５１ｆ）が、図４（ａ）〜（ｄ）で説明されるタイ
プの複数の円筒表面マイクロキャビティ４２ａ〜４２ｆ
の内側に配置される。具体例の１つでは、１つ以上のマ
イクロキャビティ（例えば、マイクロキャビティ４２
ｇ）を反射器１０２の中に含めて、プロセスの要請に応
じて１つ以上のプローブ１５１ａ（〜１５１ｆ）の配置
を変更できるようにしてもよい。その他のプローブ（即
ち、プローブ１５１ａ〜１５１ｆ）のそれぞれの有効放
射率は、第２のプローブ（即ちプローブ１５２）の有効
放射率よりも高く、第１のプローブ（即ちプローブ１５
０）の放射率にほぼ等しい。

【００６９】ここに記載した具体例では、プローブ１５
２に対する有効放射率を低く形成するためのマイクロキ
ャビティ４３、ホールが他のプローブ１５１ａ〜１５１
ｆのいずれの有効反射率を阻害ないし低下させないよう
に、プローブ１５１、１５２は互いに十分な距離をもっ
て配置されてもよい。更に、他のプローブ１５１ａ〜１
５１ｆのそれぞれが、反射器１０２の周囲に間隔をおい
て配置され、それぞれが局所温度を測定してもよい。具
体例の１つでは、図３に示されるように、６本の他のプ
ローブ（プローブ１５１ａ〜１５１ｆ）の全てが反射器
１０２の周囲に間隔をおいて配置される。プロセスの要
請に応じて、プローブ１０５，１５１ａ〜１５１ｆ及び
１５２は別の分布パターンに従ってもよい。

【００７０】（検量ないし校正）それぞれの局所温度プ
ローブに対する温度補正を実施するにあたり、先ず、全
てのプローブの検量が行われる。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
れは、一組の特別製の検量用基板の補助によりなされ、
図５（ａ）及び（ｂ）にその概略が与えられる手順を用
いてなされる。

【００７１】第一の検量用基板は標準的な基板であり、
事前に測定されて既知となっている放射率εcal-1 を有
し、また、自身に埋め込まれる熱電対を有している。第
一の検量基板の放射率は低いことが好ましく、０．３で
あれば好ましい。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、第一の検量用基板
は、ＲＴＰチャンバ内で処理しようとするタイプの基板
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
れていると同じタイプの裏側（例えば、乱反射する窪ん
だ表面）を有しているべきである。

【００７２】プローブ１５０、１５２に対する有効放射
率を決定し、その後、所定のプローブに対して、他のプ
ローブ群の配置のそれぞれについての放射率に対する特
異的な感度を決定する。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
セスチャンバ内に第一の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。

【００７３】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：

【００７４】

【数１１】

【００７５】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：

【００７６】

【数１２】

【００７７】プローブ１５０、１５２の有効放射率は、
次に等しく：

【００７８】

【数１３】

【００７９】強度Ｉcal 、Ｉ1 及びＩ2 が既知であれ
ば、最初の２つのプローブのそれぞれいついて有効反射
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：

【００８０】

【数１４】

【００８１】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）参
照）、この式は次のように書き直すことができ：

【００８２】

【数１５】

【００８３】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）。

【００８４】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更された場合
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。

【００８５】ここで図５（ｂ）を参照し、所定のプロセ
スについて、基板の様々な局所領域に対する放射率感度
データの導出方法を示す。具体的には、一組の検量基板
にプロセスを行い、温度測定システムのその他のプロー
ブ（即ちプローブ１５１ａ〜１５１ｆ）のそれぞれに対
して、放射率に対する相対的な感度を特定する。具体例
の１つでは、３枚の標準基板にプロセスを行うが、これ
ら３枚の標準基板はそれぞれ、既に測定され既知となっ
ている放射率εｃａｌＨ（高いレベルの放射率、約０．
９）、εｃａｌＭ（中間のレベルの放射率、０．７）、
εｃａｌＬ（低いレベルの放射率、０．３）、を有して
いる。このような基板は、標準的な半導体製造技術で製
造することができる。

【００８６】ＲＴＰチャンバ内で処理しようとする基板
と実質的に同じ熱的性質を有するタイプの基板であるよ
うに、第２、第３、第４の基板を選択する事が好まし
い。例えば、検量基板は少なくとも、処理用基板（シリ
コン等）と同じ材料製であるべきであり、また、処理用
基板と同じタイプの裏面（例えば、散乱ひだ付き面等）
を有しているべきである。

【００８７】上記に指摘した通り、ＲＴＰツールにより
実施されるプロセスは、そこで処理される基板の有効放
射率に対して影響を与え得る。プロセス変数により基板
に生ずる有効放射率への影響を低減するため、検量の手
順におけるこの部分に対して選択されるプロセスは、そ
の後の基板の処理においてＲＴＰツールで用いられるプ
ロセスと同じであってもよい。プロセスの一例として
は、シリコン基板の酸化プロセスが挙げられる。明確と
する目的のため、ここでは、シングルプロセスいついて
説明する。しかし、アニールや窒化等のその他のプロセ
スを用いてもよい。

【００８８】酸化プロセスでは、酸素リッチの環境中で
基板を加熱し、その結果基板表面上に二酸化珪素の層が
形成される。代表的な操作では、基板を１０５０℃に約
６０秒間加熱する。基板を１００％酸素の環境に曝露
し、その結果、基板表面上に厚さ約７５オングストロー
ムの二酸化珪素の層を形成する。一般には、この酸化プ
ロセスは、１０５０℃又はその付近で約０．８（オング
ストローム／℃）の温度感度を有している。ここで「温
度感度」とは、所定の局所領域に地する温度が、理想的
な温度である１０５０℃と異なっている場合に、その局
所における酸化物層の厚さが、その差の℃毎に「温度感
度」係数だけ薄く（温度が理想的な温度よりも高い場合
は厚く）なることを意味する（このプロセスでは、１℃
毎に０．８オングストロームである）。

【００８９】酸化プロセスに対しては、ムクの表（おも
て）面と、厚さ約１２８０オングストロームの窒化物で
コーティングされた裏面（反射器１０２に近い方の面）
とを有するシリコン基板を、高放射率レベル（約０．
９）を示す基板として用いて用いてもよい。中間の放射
率レベル（約０．７）を示す基板については、ムクの表
面とムクの裏面（反射器１０２に近い方の面）とを有す
るシリコン基板を用いてもよい。低い放射率レベル（約
０．３）を示す基板については、ムクの表面と、厚さ約
１７００オングストロームの酸化物層の上に厚さ約５７
０オングストロームのポリシリコン層をコーティングし
た裏面（反射器１０２に近い方の面）とを有するシリコ
ン基板を用いてもよい。

【００９０】放射率εcalHを有する第２の検量基板をプ
ロセスチャンバに搬入し（ステップ１８０）、プロセス
チャンバの温度を毎秒５０℃で昇温させて、所望の温度
である約１０５０℃に到達させる（ステップ１８２）。
この所望の温度で、約１００％酸素の環境に基板を約６
０秒間曝露し、基板表面上に二酸化珪素層を成長させる
（ステップ１８４）。所望の温度に達したとき、プロー
ブ１５０、１５２をそれぞれ用いた基板温度測定を行
い、３つ以上の別々の温度測定を生じさせる：Ｔ１（第
１のプローブにより測定される温度）及びＴ２（第２の
プローブにより測定される温度）である。

【００９１】プローブ１５０、１５２に対する有効反射
率（Ｒｅ1，Ｒｅ2）が、前述の検量基板のそれぞれに対
して決定される（ステップ１８６）。これらの有効反射
率を用いて、検量基板に対する補正温度を算出する。

【００９２】検量基板の酸化プロセスが完了した後、基
板に適用される実際の温度の分析が、温度プローブ（即
ちプローブ１５１ａ〜１５１ｆ）に関する局所領域で決
定される（ステップ１８８）。具体例の１つでは、温度
プローブ１５１ａ〜１５１ｆに関する局所領域のそれぞ
れにおける酸化物（二酸化珪素）層の厚さを測定するこ
とによって、これを行ってもよい。

【００９３】基板上の酸化物層の厚さを測定する装置
は、従来技術で知られている。このような測定を行う装
置の一例としては、米国ニュージャージ州フランダーズ
のルドルフ社(Rudolph)で製造されているエリプソメー
タ(ellipsomete)、型番ＦＥＩＩＩが挙げられる。この
ＦＥＩＩＩ型は、約０．１オングストロームに対する正
確さを有している。

【００９４】温度プローブ（プローブ１５１ａ〜１５１
ｈ）のそれぞれに関連する二酸化珪素層の厚さを決定す
る。所与の局所に適用される温度の決定は、二酸化珪素
層の厚さと所与のプロセスの温度感度とを基礎として行
われる。

【００９５】具体例の１つでは、このエリプソメータは
基板の直径の端から端まで４９点の走査を行い、第２の
検量基板の表面に堆積した二酸化珪素層の厚さに関する
４９点のデータを得る。直径２００ｍｍの基板に対して
は、４９点の走査により、測定点間隔が約４ｍｍとな
り、基板の周縁部の残余部分は３ｍｍとなる。４９点の
走査では、基板の一方のエッジから直線状に基板中心に
向かって２４点の測定を行い４ｍｍ毎の測定値を取得
し、２５点目の測定は基板のほぼ中心にくる。残りの２
４点の測定については、基板中心から直線状に４ｍｍ毎
に進み、最後の点を測定するまで続けられる。エリプソ
メータにより得られた酸化物層の厚さの基板上の位置に
対するグラフが、図５（ｃ）に示される。従って、各半
径位置に対して２つの測定値が記録される。各半径位置
に対する２つの読み出しの平均を決定し、図５（ｄ）に
示されるようにグラフをプロットする。

【００９６】各測定値の半径方向の位置をｘ成分、この
半径方向で測定された厚さをｙ成分とするグラフ（図５
（ｄ））に、２４点の平均厚さデータをプロットした。
局所温度プローブ（プローブ１５１ａ〜１５１ｆ）のそ
れぞれにおける二酸化珪素層の厚さ（Ｗ）の決定（Ｗａ
〜Ｗｆ，添字は温度プローブ１５１ａ〜１５１ｆに対
応）は、係るグラフ上で温度プローブの基板中心に対す
る半径位置を決めることにより行う。基板全面に対する
平均厚さ（Ｗａｖｇ）を決定し、その後、平均厚さと各
プローブにおける測定厚さの差（デルタ厚さ：ＷΔａ〜
ＷΔｆ，添字は温度プローブ１５１ａ〜１５１ｆに対
応）を決定する。

【００９７】各プローブ配置におけるデルタ厚さ（ＷΔ
ａ〜ＷΔｆ）は、そのプロセスに対する温度尾感度（例
えば、０．８オングストローム／℃）を用いて温度の差
（デルタ温度：ＴΔａ〜ＴΔｆ，添字は温度プローブ１
５１ａ〜１５１ｆに対応）に変換される。具体的には、
デルタ温度（ＴΔａ〜ＴΔｆ）の算出は、デルタ厚さ
（ＷΔａ〜ＷΔｆ）をプロセスの感度で除すことにより
行われる。例えば、プローブ１５１ａにおけるデルタ厚
さ（ＷΔａ）は８オングストロームである場合は、この
プローブに関するデルタ温度（ＴΔａ）は約１０℃であ
るだろう。

【００９８】各プローブ（１５１ａ〜１５１ｆ）におけ
るデルタ温度（ＴΔａ〜ＴΔｆ）のデータの算出を同様
の手法で行い、第２番目の検量基板について各プローブ
配置に対するデルタ温度データを得ることができる。

【００９９】残りの検量基板のそれぞれについても同様
の手法でプロセスを行い、各プローブの配置に対するデ
ルタ温度データを導出する（ステップ１９０、１９
２）。その結果得られた温度データを、感度プロットに
プロットする。

【０１００】感度のプロット（プローブ１５１ａ〜１５
１ｆのそれぞれに関する個々のプロット）が温度プロー
ブの配置のそれぞれに対して行われ、この一例が図５
（ｅ）に示される。図５（ｅ）に示されるように、感度
プロットのそれぞれに対して、それぞれの温度プローブ
に対するデルタ温度データ（ＴΔａ〜ＴΔｆ）をｙ成分
として、ｘ軸に各検量基板についての調整温度（Ｔａｄ
ｊ）をとるグラフにプロットする（ステップ１９０）。
調整温度（Ｔａｄｊ）の決定については、後述のインシ
チュウ温度測定プロセス及び式１８ｂ及び１８ｃに関連
して、詳細に説明することにする。処理済みの各検量基
板についての各プローブに対する感度のプロットのグラ
フに対して、１つのデータの点（５００ａで指示）をプ
ロットする。放射率の異なる３枚の検量基板を用いる具
体例の１つでは、感度プロットに対して３つのデータ点
（図５（ｅ）において５００ａ、５００ｂ、５００ｃで
指示）が与えられるだろう。そして、各感度プロットに
対する感度曲線が決定される。

【０１０１】具体例の１つでは、感度曲線は、傾きＳａ
〜Ｓｆ（添字は、関連する温度プローブ１５１ａ〜１５
１ｆの感度係数を指示する）を有する直線で近似され、
この特定の位置における放射率の変化に対するプローブ
の感度（デルタ温度データにより指示される）を指示す
る（ステップ１９６）。あるいは、もっと複雑な多項関
数を含んだ近似法を用いてもよい。

【０１０２】温度測定値における誤差の原因となる影響
には、エネルギーに関連する影響があり、これは指数項
を持ち込んでしまう。従って、実際の誤差は直線ではな
い。しかし、誤差に対する直線近似は、このような非直
線の影響に対して非常に良好に補償する。

【０１０３】無論、デルタ温度が検量基板の調整温度の
関数として変化するような非直線の要素を考慮して、感
度係数を更に最適化して得ることもできる。しかし、用
途の多くでは、簡単な直線近似で、これ以上感度測定値
を精密にする必要がないくらいの実質的な改善のレベル
が得られる。

【０１０４】直線近似の具体例では、感度曲線の傾きは
１だけ増分し、所定のプローブの場所に対する感度係数
（ＳＦａ〜ＳＦｆ：添字ａ〜ｆは特定のプローブ１５１
ａ〜１５１ｆに対応）を与える。全てのプローブ（プロ
ーブ１５１ａ〜１５１ｆ）の場所に対する感度係数をベ
クトルとして保存して、インシチュウ温度測定プロセス
の一部としての局所温度測定値のそれぞれに対して精密
な温度補正（Ｔｒｅｆ）の決定に用いてもよい。

【０１０５】この検量の手順により、システムの第１の
測定プローブの特徴をεeff （ε，Ｒeff ）曲線（図２
参照）が与えるようになることは、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値からその
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 ）曲線を知るこ
とにより、基板に対する有効放射率を計算して、これか
ら所定の基板に対する補正温度Ｔｃｏｒｒ（式１８ａに
関連して下記に説明するように、プローブ１５０に対す
る補正温度）を計算することが可能になる。その後、各
プローブ配置に対する検量の手順の一部として導出され
る感度係数ＳＦａ〜ＳＦｆを用いて、基板の所定の局所
領域に対して精密な温度補正を決定してもよい。補正温
度に至るための手順の詳細は、以下の通りである。

【０１０６】（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、例えば第１のプローブ
１５０は、温度測定を行うように選択され；第２のプロ
ーブ（１５２）は補正プローブとして作用する。

【０１０７】第１の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（１１）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：

【０１０８】

【数１６】

【０１０９】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；

【０１１０】

【数１７】

【０１１１】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；

【０１１２】

【数１８】

【０１１３】この表現を導出することで、温度測定値の
補正の手順を説明する準備が整った。

【０１１４】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）、所定の温度シーケンスに沿って温度サイクルが行
われる（検量基板であってもよく、又は、処理しようと
することが望ましい他の検量後の基板であってもよ
い）。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
１７４）。実際の放射率がわかれば、ベースプローブ１
５０の有効放射率ε1 は、以下のように［数１７］の式
（１５）から計算され：

【０１１５】

【数１９】

【０１１６】最後に、補正温度（Ｔcorr150）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）：

【０１１７】

【数２０】

【０１１８】補正温度データＴcorr150は下記の如く、
測定温度Ｔmeas150（プローブ１５０について測定した
温度）と調整温度（Ｔadj)との和であり、

【０１１９】

【数２１】

【０１２０】調整温度（Ｔadj）は、３つの方法で用い
ることができる。１つは検量のためであり、あとの２つ
は基板のリアルタイム処理のためである。検量プロセス
の間、第２、第３、第４の検量基板のそれぞれに対して
調整温度が算出される。これら調整温度は、各温度プロ
ーブ（プローブ１５１ａ〜１５１ｆ）の場所に対して導
出されるデルタ温度に対してプロットされ、各プローブ
の場所に対する感度係数ＳＦａ〜ＳＦｆが決定される。

【０１２１】基板にリアルタイム処理を行っている間、
処理しようとする基板に関する調整温度を用い、式１８
ｂに従って第１のプローブ１５０の温度測定を補正す
る。更に、特定のプローブの場所に対する感度係数によ
り調整温度を更に精密に調整して、基板のリアルタイム
処理中の特定の場所に関する精密調整した補正温度Ｔre
fａ〜Ｔreff（添字は特定のプローブ１５１ａ〜１５１
ｆを示す）を決定する。この精密補正温度データと補正
温度データの使用については、図１２に関連して更に詳
細に説明することにする。

【０１２２】リアルタイムでは、感度係数ＳＦａ〜ＳＦ
ｆに対して補償することにより、調整温度Ｔadjを各温
度プローブに対して精密調整する。この精密温度補正
は、特定のプローブの場所における温度として定義さ
れ、これは、この特定のプローブの場所に関する放射率
感度を基にした補正を含んでいる。精密温度補正Ｔrefa
〜Ｔreffの算出は、各温度センサの場所に対して行わ
れ、

【０１２３】

【数２２】

【０１２４】ここで、Ｔmeasa〜Ｔmeasfは、プローブ１
５１ａ〜１５１ｆに関しリアルタイムで測定した温度で
ある。

【０１２５】何かの制御の決定がなされる前にプローブ
の測定温度が自動的に補正されるように、このアルゴリ
ズムはコントローラ１９２（図１２）のソフトウェアに
より実行されることが好ましい。

【０１２６】図５は、プローブ１５１ａ〜１５１ｆの何
れに対して精密温度を決定するためのプロセスの簡略的
なフローチャートである。図１２に関して以下に更に詳
細に説明するが、補正温度データを用いて加熱要素の制
御を行う。生の温度データは、コントローラ１９２によ
り受容される（ステップ２４０）。第１のプローブ（プ
ローブ１５０）と第２のプローブ（プローブ１５２）の
温度差を決定する（ステップ２４２）。実際のウエハ放
射率を、式１６に関して上述した如く算出する（ステッ
プ２４４）。そして、式１７に関して上述した如く、有
効放射率を決定する（ステップ２４６）。次いで、補正
温度と調整温度を算出する（ステップ２４８）。最後
に、調整温度に所定のプローブに対する感度係数を乗
じ、これに測定プローブ温度を加えて、精密温度測定値
を得る（ステップ２５０）。

【０１２７】（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。

【０１２８】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。

【０１２９】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。

【０１３０】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。

【０１３１】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：

【０１３２】

【数２３】

【０１３３】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２
３］の式（１９）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：

【０１３４】

【数２４】

【０１３５】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。

【０１３６】（Ｔcorrを導出するための検量）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。

【０１３７】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。

【０１３８】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。

【０１３９】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。

【０１４０】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。

【０１４１】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）。

【０１４２】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。

【０１４３】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）：

【０１４４】

【数２５】

【０１４５】この例では、Ｋcorrは、１．２４６に等し
い。

【０１４６】（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、

【０１４７】

【数２６】

【０１４８】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。

【０１４９】本質的には、小開口プローブの感度の測定
は、どの有効放射率曲線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（Ｔproc
ess ，λ）と等しいことになる。しかし、前出のＴerrl
ow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、

【０１５０】

【数２７】

【０１５１】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：

【０１５２】

【数２８】

【０１５３】ここで説明されている具体例では、εeff,
low は０．８５５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Ｒef
fsmall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：

【０１５４】

【数２９】

【０１５５】この例では、Ｒeffsmallは０．９２に等し
い。

【０１５６】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の上側の曲線で示されてい
る。

【０１５７】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曲線を決定するこ
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：

【０１５８】

【数３０】

【０１５９】これは、更に、以下のように書き直されて
一般化されて：

【０１６０】

【数３１】

【０１６１】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：

【０１６２】

【数３２】

【０１６３】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、εeffsmallの値は次のように計算でき：

【０１６４】

【数３３】

【０１６５】εeffsmallの値を［数３１］の式（２７）
に代入すれば、εeffbigが得られる。この例では、計算
値は０．７４９である。

【０１６６】［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。

【０１６７】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の下側の曲線である。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つの曲線（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曲線）を大きく離
すことが望ましい。

【０１６８】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：

【０１６９】

【数３４】

【０１７０】ここで、

【０１７１】

【数３５】

【０１７２】この表現を［数３２］の式（２８）に代入
して、

【０１７３】

【数３６】

【０１７４】この関数のプロットは図９に示され（上側
の実線の曲線を見よ）、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。

【０１７５】［数２４］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：

【０１７６】

【数３７】

【０１７７】図９における下側の点線の曲線は、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。

【０１７８】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、その結果の曲線は、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）。

【０１７９】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。

【０１８０】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。

【０１８１】δ（ε，ｔ）に対する式（即ち数［３７］
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。

【０１８２】一番上の曲線は、放射率０．３２を有する
ウエハに関するものであり、まんなかの曲線は、放射率
０．６７を有するウエハに関するものであり、下側の曲
線は、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。

【０１８３】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。

【０１８４】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。

【０１８５】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。

【０１８６】（ＲＴＰシステムについての更なる詳細）
上述の如く、図３（ｃ）に示されるように、ここに説明
された具体例では、基板において半径方向に異なる場所
の温度を測定できるように、反射器の上に分布する８つ
の測定プローブ（即ち、プローブ１５０，１５１ａ〜１
５１ｆ，及び１５２）を用いることができる。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。

【０１８７】前出のインシチュウ温度測定技法に関連し
て説明したように、プローブ１５１ａ〜１５１ｆのそれ
ぞれに対する温度指示値の補正は、プローブ配置につい
ての放射率の変動に対する個々の感度に従って行われ
る。

【０１８８】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。

【０１８９】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。

【０１９０】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
示の如く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。

【０１９１】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。

【０１９２】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。

【０１９３】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、米国
ラクストロン社、Luxtron Corporation-Accufiber Divi
sion,2775 Northwestern Parkway, Santa Clara,CA 950
51-0903 で入手可能である。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。

【０１９４】適切な加熱要素１１０は、米国特許第５，
１５５，３３６号に開示されている。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。

【０１９５】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、反射器組立体は昇温すれ
ば、抽出信号に影響を与える放射エネルギー源となって
しまうだろう。

【０１９６】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。

【０１９７】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。

【０１９８】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。

【０１９９】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−ＣＶ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｂｏｘ
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。

【０２００】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、上述の精密温度補正
アルゴリズムに基づいて温度（Ｔｒｅｆｘ）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。その他の具体例も、特許請求の範囲の中に含まれ
る。

【０２０１】

【発明の効果】以上詳細に説明してきたように、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。

【０２０２】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り、
（ｂ）は支持リングの詳細の断面図であり、（ｃ）は反
射器を例示するものであり（ａ）の３Ｃ−３Ｃ線に沿っ
た断面図である。

【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】（ａ）及び（ｂ）は、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チャートであ
り、（ｃ）はエリプソメータによる基板の処理後分析か
ら導出されたプロットであり、（ｄ）は本発明に従った
検量プロセス中に検量基板の表面上に堆積した酸化物層
の平均厚さのプロットであり、（ｅ）は感度係数（Ｓ
Ｆ）の決定に用いるための温度プローブに対する感度曲
線のプロットであり、（ｆ）は本発明に従ったＲＴＰツ
ールのリアルタイム操作に対して精密温度を決定するた
めのプロセスの単純化したフローチャートである。

【図６】温度測定の正確さを決定するためにインシチュ
ウで放射率を測定するためのスキームのフローチャート
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 ギャリー イー． マイナー アメリカ合衆国， カリフォルニア州， ヌアーク， セヴァン 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， サン ノゼ， アデア ウェイ 4977

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板を加熱する熱処理チャンバにおいて
   温度プローブ読み出しを補正する方法であって、前記方
   法は、 基板の一方の側に反射キャビティを形成するステップ
   と、 プロセス温度まで基板を加熱するステップと、 第１のプローブと、第２のプローブと、少なくとも第３
   のプローブ１つとを用いて、基板のエネルギーを収集す
   るステップであって、前記第１のプローブと前記第３の
   プローブは第１の有効放射率を有し前記第２のプローブ
   は第２の有効反射率を有し、該第１のプローブに収集さ
   れるエネルギーは第１の温度指示値を与え該第２のプロ
   ーブに収集されるエネルギーは第２の温度指示値を与え
   該第３のプローブに収集されるエネルギーは第３の温度
   指示値を与え、該第１の有効反射率と該第２の有効反射
   率は異なっている、基板のエネルギーを収集する前記ス
   テップと、 該第１の温度指示値と該第２の温度指示値とから、第１
   のプローブのための補正温度読み出しを導出するステッ
   プであって、該補正温度読み出しは、該第１の温度指示
   値と、前記第１の温度指示値と前記第２の温度指示値と
   の間の差から導出される調整温度との和であり、該第１
   のプローブに対する該補正温度読み出しは、該第１のプ
   ローブ及び該第２のプローブの双方により与えられる補
   正されない温度読み出しよりも正確な、第１のプローブ
   の環境における基板の実際の温度の指示値である、第１
   のプローブのための温度読み出しを導出する前記ステッ
   プと、 該調整温度と該第３の温度指示値とから、第３のプロー
   ブのための補正温度読み出しを導出するステップであっ
   て、該第３のプローブのための該補正温度読み出しは、
   該第３のプローブにより与えられる補正されない温度読
   み出しよりも正確な、第３のプローブの環境における基
   板の実際の温度の指示値である、第３のプローブのため
   の温度読み出しを導出する前記ステップと、を有する方
   法。
2. 【請求項２】 該第１のプローブに第１の非接触プロー
   ブを用い、該第２のプローブに第２の非接触プローブを
   用い、該第３のプローブに第３の非接触プローブを用る
   操作を更に含む請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】 該第１のプローブと該第２のプローブと
   該第３のプローブを用いてなされるそれぞれの該温度測
   定が、時間的に近接してなされる請求項２に記載の方
   法。
4. 【請求項４】 該第１のプローブと該第２のプローブと
   該第３のプローブを用いてなされるそれぞれの該温度測
   定が、同時になされる請求項２に記載の方法。
5. 【請求項５】 第３のプローブのための温度読み出し
   が、該調整温度に該第３のプローブのための感度係数を
   乗じた積と該第３の温度指示値との和である請求項２に
   記載の方法。
6. 【請求項６】 該第３のプローブのための温度読み出し
   を導出する前記ステップが、該第３のプローブの配置に
   対する感度係数を計算するステップを有し、前記感度係
   数と該第１のプローブに対して導出された調整温度との
   積を該第３の温度指示値に加えて第３のプローブのため
   の補正温度読み出しを得る請求項２に記載の方法。
7. 【請求項７】 所定の放射率レベルを有する複数の検量
   基板に対して適用される平均温度からの温度変動を決定
   することにより、該感度係数が計算される請求項６に記
   載の方法。
8. 【請求項８】 前記複数の検量基板が、高い放射率レベ
   ルを有する基板を少なくとも１つと、低い放射率レベル
   を有する基板を少なくとも１つと、該高いレベルと該低
   いレベルとの間の放射率レベルを有する基板を少なくと
   も１つとを有する請求項７に記載の方法。
9. 【請求項９】 第１のプローブに対して導出される補正
   温度データ及び検量基板に対して適用される平均温度か
   らの局所的な温度変動に関する感度曲線の直線近似によ
   って、前記第３のプローブのための該感度係数が決定さ
   れる請求項８に記載の方法。
10. 【請求項１０】 第１のプローブと第２のプローブと第
    ３のプローブとに対する光パイロメータを用いるステッ
    プを更に有する請求項１に記載の方法。
11. 【請求項１１】 熱処理加熱チャンバ内で基板の温度を
    測定するための装置であって、前記装置は、 該基板の一方の面に近接して置かれてこれとの間に反射
    キャビティを形成する反射プレートと、 該反射キャビティからのエネルギーを受容するような位
    置をとり、第１の温度読み出しを与える第１のプローブ
    と、 該反射キャビティからのエネルギーを受容するような位
    置をとり、第２の温度読み出しを与える第２のプローブ
    であって、前記第１のプローブは前記キャビティに対し
    て前記第２のプローブとは異なる有効反射率を有する、
    前記第２のプローブと、 該反射キャビティからエネルギーを受容して第３の温度
    を生じさせるように配置される少なくとも１つの第３の
    プローブであって、前記第３のプローブは前記第３のプ
    ローブとほぼ同じ、前記キャビティのための有効放射率
    を有する、前記第３のプローブと、 処理中に該第１のプローブから第１の温度指示値を該第
    ２のプローブから第２の温度指示値該第３のプローブか
    ら第３の温度指示値をそれぞれ受容する、温度測定モジ
    ュールとを備え、前記モジュールは、該第１の温度指示
    値と該第２の温度指示値とから前記第１のプローブのた
    めの補正温度読み出しを導出するようにプログラムさ
    れ、前記第１のプローブのための前記補正温度指示値
    は、前記第１の温度指示値と、前記第１の温度指示値と
    前記第２の温度指示値の間の差より算出される調整温度
    との和であり、前記補正温度読み出しは、該第１のプロ
    ーブ及び該第２のプローブの補正されない読み出しより
    も正確な、該第１のプローブに関する領域における基板
    の実際の温度の指示値であり、前記温度測定モジュール
    は、該調整温度と該第３の温度読み出しとから第３のプ
    ローブのための補正温度読み出しを導出するようにプロ
    グラミングされ、第３のプローブに対する該補正温度読
    み出しは、該第３のプローブにより与えられる補正され
    ない読み出しよりも正確な、該第３のプローブの環境に
    おける基板の実際の温度の指示値である装置。
12. 【請求項１２】 第１のプローブと第２のプローブと第
    ３のプローブとに対する光パイロメータを用いるステッ
    プを更に有する請求項１１に記載の装置。
13. 【請求項１３】 該第１のプローブが第１のホールに、
    該第２のプローブが第２のホールに、該第３のプローブ
    が第３のホールに、それぞれ配置され、前記第１のホー
    ルと前記第２のホールと前記第３のホールとが反射板に
    形成され、前記第２のホールが、前記第１のホールより
    も大きく前記第２のホールよりも大きい請求項１１に記
    載の装置。
14. 【請求項１４】 前記温度測定モジュールが該第３のプ
    ローブのための感度係数を計算し、該第３のプローブの
    ための前記感度係数と該調整温度に該第３の温度指示値
    を加えて、該第３のプローブに対する補正温度読み出し
    を得る請求項１１に記載の装置。
15. 【請求項１５】 所定の放射率レベルを有する複数の検
    量基板に対して適用される平均温度からの温度変動を決
    定することにより、該第３のプローブのための感度係数
    が計算される請求項１４に記載の装置。
16. 【請求項１６】 前記複数の検量基板が、高い放射率レ
    ベルを有する基板を少なくとも１つと、低い放射率レベ
    ルを有する基板を少なくとも１つと、該高いレベルと該
    低いレベルとの間の放射率レベルを有する基板を少なく
    とも１つとを有する請求項１５に記載の装置。
17. 【請求項１７】 第１のプローブに対して導出される補
    正温度データ及び検量基板に対して適用される平均温度
    からの局所的な温度変動に関する感度曲線の直線近似に
    よって、前記第３のプローブのための該感度係数が決定
    される請求項１６に記載の装置。