JPH11258054A - ウエハ温度測定方法とその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体基板の温度を、プラズマ等の周囲熱源
からの影響を受けず、低い温度範囲についても非接触で
測定できるようにすること。 【構成】 ＣＶＤ装置のステージの内部に、集束レンズ
５、遮蔽板６、ピンホール板７を同軸に取付けた鏡筒４
を固定し、ウエハ３からの輻射光を捉える。ピンホール
板７のピンホールの下にオプティカルガイド８を取付
け、ここで受光された赤外光を受光素子に導く。ピンホ
ールの位置と孔径を、ウエハ３の測定点からの輻射光の
みを通過させるように設定する。遮蔽板６は、中心軸に
沿った不要光を遮断する作用をする。光学系の材質とし
て、１μｍ以上の赤外光で透過率が大なるものを選択
し、低温度における受光感度を確保する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製造装置内
における半導体基板の温度を、プラズマ等の周囲熱源か
らの影響を受けずに非接触で測定するウエハ温度測定方
法とその装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造装置、特にシリコン（Ｓｉ）
ウエハに対して成膜を行うＣＶＤ装置、Ｓｉウエハを規
定温度で一定時間加熱するアニール装置、更にはエッチ
ング等を用いてＳｉウエハのパターン形成に関わるフォ
トリトグラフィ装置において、Ｓｉウエハの温度を正確
に管理することは特に重要である。例えば化学気相反応
（ＣＶＤ）における結晶の成長速度や膜質は、処理温度
の影響を強く受ける。

【０００３】現在、真空処理装置を用いて行われるＳｉ
ウエハのプロセスにおいて、ウエハを保持するウエハス
テージの温度を検出し、この温度をウエハ温度としてい
る。しかし高真空下では、ウエハとウエハステージ間の
熱伝導が低く、またウエハステージの熱容量が大きいこ
とから、必ずしもウエハステージの温度がウエハ温度を
反映しているとは言えない。

【０００４】そのためウエハ温度を直接モニタする必要
がある。ウエハ温度は熱電対を用いて比較的容易に測定
できるが、プラズマ雰囲気中にあっては、熱電対の表面
でプラズマの活性分子の反応が生じ、熱電対自身が発熱
する。またプラズマによる高周波ノイズも寄生するの
で、プラズマ下におけるウエハ温度の計測には、十分な
測定精度が確保できない。また熱電対がウエハに接触す
ることにより、不要な微粒子がウエハに付着する。

【０００５】このためウエハと接触を伴わない非接触温
度測定方法として、ウエハからの輻射熱（輻射光）量を
検出してウエハの表面温度を計測する放射温度測定装置
が用いられている。

【０００６】図４は被測定物である黒体の表面温度と、
分光放射輝度を表したグラフである。全ての物体は、そ
の絶対温度に応じた波長の光を放射する。被測定物の温
度が高い程、放射光の中心波長は短波長側に移行し、且
つ放射エネギーも大きくなる。また被測定物の温度が低
くなると、放射光の中心波長は長波長側に移行し、その
放射エネギーも小さくなる。いずれの場合も、被測定物
の放射光量がわかれば、絶対温度を計測できる。

【０００７】このような放射温度測定装置の例として、
図５に示すようなものがある。即ち、ＣＶＤ装置１０に
おけるＳｉウエハの温度測定では、図５（ａ）に示すよ
うに、Ｓｉウエハ１１をステージ１２に取付け、ステー
ジ１２に設けられた開口部から、Ｓｉウエハ１１の裏面
に対向するよう複数のプローブ１３ａ、１３ｂ・・を取
付ける。またＳｉウエハ１１の上面と対向するように別
のプローブ１３ｘを取付ける。これらのプローブ１３
ａ、１３ｂ、１３ｘは、Ｓｉウエハ１１の裏面、表面か
ら夫々放射される放射光、特に赤外光を受光し、オプテ
ィカルガイドを介して光電変換素子に導くものである。
電極１４の高周波電力の印加によって、プラズマ１５が
発生し、気相成長によりＳｉウエハ１１の上面に所望の
半導体層が形成される。こうすると、フラズマ１５によ
る電磁障害を受けることなく、気相成長中のＳｉウエハ
１１の温度を非接触で測定できる。

【０００８】また図５（ｂ）に示すＲＴＰ装置２０にお
いては、Ｓｉウエハ２１を環状のステージ２２に取付
け、その上部に多数の発熱源２３ａ，２３ｂ・・・を設
ける。そしてステージ２２の下部にオプティカルガイド
から成る複数のプローブ２４ａ、２４ｂ・・を取付け
る。Ｓｉウエハ２１をアニールするとき、ステージ２２
を回転させ、発熱源２３ａ，２３ｂ・・・で熱線を放射
して、Ｓｉウエハ２１全体を均一に加熱する。このとき
のＳｉウエハ２１の温度をプローブ２４ａ、２４ｂ・・
・を用いて下側から計測する。この場合も、Ｓｉウエハ
２１が加熱処理中に回転していても、Ｓｉウエハ２１の
温度を非接触で測定できる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】以上のような半導体製
造装置では、プラズマ源や発熱源がＳｉウエハの上部に
あり、放射温度測定装置において、Ｓｉウエハの下部に
取付けられたプローブは、Ｓｉウエハの裏面から放射さ
れる輻射光を受光している。このためＳｉウエハを通し
てプラズマ源や発熱源の放射光が、放射温度測定装置の
プロープに入力される恐れがある。このため、放射温度
測定装置の光電変換素子には、Ｓｉウエハからの輻射光
と、プラズマ源や発熱源の放射光の一部が入光してしま
い、温度測定の信頼性が低下する。

【００１０】このようなウエハ自身の透過光による測定
誤差をなくすために、従来の放射温度測定装置の一部に
は、測定に用いる輻射光の波長を制限したものがある。
図６はＳｉウエハの放射率の波長依存性を示した特性図
である。本図に示すように、波長を可視光領域の0.3 μ
ｍから、遠赤外領域の15μｍの波長範囲で見ると、Ｓｉ
ウエハの温度に関わらず、1.0 μｍ以下の短波長であれ
ば、放射率はほぼ一定であり、その放射率の値は0.5 〜
0.7 と他の波長領域に比較して高い値を示す。

【００１１】物体の放射率、反射率、透過率の和は理論
的に１であるので、放射率が高ければ、その波長で透過
率は低いと言える。これに対してＳｉウエハは、温度に
依存するものの、1.0 μｍから5.0 μｍまでの波長で放
射率が低くなる。特にＳｉウエハの温度が常温（300 °
Ｋ）に近くなると、放射率の絶対値が大きく低下する。
このことは、Ｓｉウエハの透過率がかなり増加すること
を意味している。

【００１２】以上のことから、図５に示す半導体製造装
置において、プラズマ１５又は発熱源２３から１μｍ以
上の波長の光がＳｉウエハに照射されると、その照射光
はＳｉウエハを貫通し、放射温度測定装置のプローブに
入力されてしまう。一般のＣＶＤ装置やＲＴＰ装置で
は、プラズマ源や発熱源からの放射光には、近赤外から
遠赤外にかけての成分が必ず存在する。

【００１３】このため一部の放射温度測定装置では、プ
ローブの途中又は光電変換素子の前に、１μｍ以上の波
長の光を遮断するフィルタを設けたものがある。例えば
温度測定範囲を450 〜2000℃とするものでは、0.95μｍ
のナローバンドパスフィルタを取付けている。上記の温
度範囲より更に低い温度を測定する場合、ナロウバンド
パスフィルタでは入射エネルギーが少なくなるので、0.
5 〜1.0 μｍのバンドパスフィルタを取付け、375 〜12
00℃を測定範囲としているものがある。

【００１４】しかし、近年のプラズマＣＶＤ装置におい
ては、プロセスの低温度化が行われ、Ｓｉウエハの温度
を350 ℃以下で管理し、結晶成長やフォトリトグラフィ
を行うものがある。このようなウエハ温度になると、図
４に示すように、ウエハからの輻射量の絶対値が低下す
る。しかも黒体輻射の原理から１μｍ以下の波長成分は
きわめて少なくなる。このため、測定可能な温度範囲を
下げるには、長波長の輻射成分を利用しなければならな
いことが判る。

【００１５】本発明は、このような従来の問題点に鑑み
てなされたものであって、半導体製造装置においても、
プラズマ雰囲気からの迷光又はウエハの透過光の影響を
受けないで、半導体ウエハの温度を測定できるウエハ温
度測定方法とその装置を実現することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本願の請求項１の発明
は、温度測定の対象となるウエハに対向する位置に赤外
光を透過する集束レンズを配置し、前記集束レンズの中
心軸に沿った放射光を遮断すると共に、前記ウエハの測
定点からの光を集束する位置に設けた開口を介して赤外
光を受光し、前記ウエハからの輻射光の受光レベルに基
づいてウエハの温度を測定することを特徴とするもので
ある。

【００１７】本願の請求項２の発明は、半導体製造装置
内に保持されたウエハの温度を、その輻射光量を検出す
ることにより測定するウエハ温度測定装置であって、前
記ウエハの下部に取付けられた筒状の鏡筒と、前記鏡筒
の上部に保持され、鏡筒の上部空間から輻射された赤外
光を集束する集束レンズと、前記鏡筒内に保持され、前
記集束レンズの中心軸に沿った入射光を遮断する第１の
遮蔽部と、前記ウエハの測定点から輻射される輻射光の
前記集束レンズによる集束点に、所定口径の開口が形成
された第２の遮蔽部と、前記第２の遮蔽部の開口を通過
した赤外光を受光する受光部と、を具備することを特徴
とするものである。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態１におけるウ
エハ温度測定装置について図１を用いて説明する。ここ
では温度測定の対象物体を半導体製造装置中にあるＳｉ
ウエハとする。図１は半導体製造装置の１つであるＣＶ
Ｄ装置の内部に設けられたＳｉウエハの温度測定装置の
測定原理を説明するための断面図である。ＣＶＤ装置の
チャンバ１内には、高周波プラズマを発生させる複数の
高周波電極があり、この高周波電極に高周波電圧を印加
することにより、チャンバ１に注入した特定のガスをプ
ラズマ化することができる。このプラズマ下の各イオン
が発光し、各種の波長の可視光、赤外光が周辺部に放射
される。

【００１９】図１に示すように、Ｓｉウエハ３がステー
ジ４に載置されている。このステージ４はＳｉウエハ３
を所定温度で保持するために、その内部にヒータが設け
られている。このＳｉウエハ３に対して、プラズマ化し
た気体分子との化学的反応により、所定の分子をウエハ
表面に堆積させることができる。特にＳｉ酸化膜の生成
の場合は、反応温度を300 ℃まで下げることでき、ステ
ージ４の加熱温度は低いものとなる。

【００２０】さて、ステージ４に筒状の空洞部４ａを設
け、この空間に集束レンズ５を取付ける。集束レンズ５
の前方に位置する第１焦点をＦａとし、後方に位置する
第２焦点をＦｂとするとき、焦点Ｆａの外側にＳｉウエ
ハ３の裏面が位置するよう、集束レンズ５を位置決めす
る。集束レンズ５は、開口角が大きい赤外線用の凸レン
ズとし、Ｓｉウエハ３から輻射される１μｍ以上の長波
長の光を透過させるもので、例えばＣａＦ製とする。

【００２１】次に集束レンズ５の中心Ｏと第２焦点Ｆｂ
との間であって、集束レンズ５の中心軸上に第１の遮蔽
部である遮蔽板６を設置する。遮蔽板６の形状は円盤状
とし、その径Ｄ１はピンホール板７の開口径Ｄ２の値に
よって決定される。遮蔽板６は集束レンズ５の中心軸の
周辺を通過するＳｉウエハ３を透過したプラズマ光を遮
蔽する働きをする。

【００２２】第２焦点Ｆｂの後方に、第２の遮蔽部であ
るピンホール板７を取付ける。ピンホール板７はＳｉウ
エハ３の上部空間からＳｉウエハを透過する放射光を遮
断し、Ｓｉウエハ３の下面の測定点Ｐからの輻射光のみ
を通過させるものである。図１では、測定点Ｐは集束レ
ンズ５の中心軸とＳｉウエハ３の下面との交点としてい
るが、ピンホール板７の開口径Ｄ２が大きければ、その
測定範囲ΔＰは大きくとれる。しかしこの場合は遮蔽板
６の径Ｄ１を大きくしなければならず、ピンホール板７
の開口部を通過する光量は、最大値を取り得ない。

【００２３】次に、ピンホール板７の後方に受光部８を
設ける。受光部８は、オプティカルガイド又は光電変換
素子とする。オプティカルガイドの場合は、ピンホール
板７の開口部を介して受光して輻射光を、チャンバ１の
外部に導光するため、１μｍ以上の長波長の光を透過さ
せるファイバでなければならない。このようなファイバ
として、カルコゲナイドガラスファイバを用いる。この
中でＧｅ−Ａｓ−Ｓｅ−Ｔｅ系のファイバを用いた場
合、図２に波長対損失特性を示すように４〜１２μｍの
赤外光を透過させることができる。この特性でわかるよ
うに、プラズマ光の主成分である１〜４μｍの光は遮断
され、これより長波長の成分が透過することになる。

【００２４】受光部８として、ピンホール板７の下部に
光電変換素子を設ける場合には、光電変換素子としてＰ
ｂＳ等のフォトダイオードを用いる。尚、オプティカル
ガイドを介して受光した輻射光をチャンバ１の外部に導
光する場合も、同様の特性の光電変換素子を必要とす
る。

【００２５】以上のように、Ｓｉウエハ３から輻射され
る長波長の赤外光の光量を検出して、Ｓｉウエハ３の温
度を検出するに際し、プラズマ光のようにＳｉウエハ３
を透過する波長成分を除去して測定を行うことができ
る。また測定に用いる光が、長波長の赤外光としている
ため、Ｓｉウエハ３の温度が350 ℃以下であっても、何
らかの輻射光を捕捉することができ、低温度の測定を高
精度に行える。

【００２６】以上のような測定原理を有するウエハ温度
測定装置について説明する。図３は本実施の形態のウエ
ハ温度測定装置の構成を示す説明図である。図示しない
チャンバ内であって、Ｓｉウエハのステージの内部に鏡
筒３１を取付ける。この鏡筒３１は、集束レンズ３２、
遮蔽板３３、ピンホール板３４を所定位置で保持する筒
状のホルダである。

【００２７】集束レンズ３２は、鏡筒３１の最上部に取
付けられた凸レンズであり、前述したようにＣａＦ製と
する。遮蔽板３３は、ＣａＦガラスの中心部にアルミニ
ウム（Ａｌ）等の蒸着により円形の遮光部３３ａが形成
されたものである。ピンホール板３４は口径Ｄ２のピン
ホール３４ａを有する板である。ピンホール３４ａの口
径Ｄ２は遮光部３３ａの口径Ｄ１と異なるが、所定のマ
スクを用いて遮蔽板３３の製法と同様の方法で製作でき
る。

【００２８】次に、鏡筒３１の最下部中央に孔３１ａを
設け、オプティカルガイド３５の端部を取付ける。オプ
ティカルガイド３５は可撓性を有するガラスファイバで
構成され、チャンバ外にある受光素子３６に輻射光を導
光する。このガラスファイバは前述したように、Ｇｅ−
Ａｓ−Ｓｅ−Ｔｅ系のファイバとする。

【００２９】受光素子３６は、赤外に受光感度を有す受
光素子であり、例えばＰｂＳやＨｇ−Ｃｄ−Ｔｅ系のフ
ォトダイオードが用いられる。増幅部３７は受光素子３
６の出力信号を増幅する回路であり、その増幅出力は信
号処理部３９の第１の入力端３９ａに与えられる。受光
素子３６でのＳＮ比を上げるため、ピンホール板３４の
前方に回転スリットを設ければ、受光信号は交流化され
るので、増幅部３７に高感度な交流増幅器を用いること
ができる。

【００３０】一方、鏡筒３１の一部に熱電対３８ａを取
付け、鏡筒３１自身の温度を検出する。熱電対温度計３
８は熱電対３８ａの出力から温度を測定し、信号処理部
３９の第２の入力端３９ｂに与える。熱電対温度計３８
の検出出力は、それ自体が変換を要しない温度値であ
り、測定精度と信頼性が高い。従ってＳｉウエハが、ス
テージに内蔵されたヒータにより加熱されて定常状態に
なると、Ｓｉウエハの温度と、鏡筒３１の温度とはチャ
ンバ内で等しくなる。この状態で信号処理部３９が第１
の入力端３９ａの信号レベルから第２の入力端３９ａの
信号レベルを減算し、減算値が０になるよう増幅部３７
のオフセット値と感度とを調整する。このような調整
は、測定範囲となる下限と上限の少なくとも２つの温度
で行う必要がある。こうすると、受光素子３６を含む赤
外光学系の温度校正を行うことができる。こうして測定
温度が出力部４０より出力される。

【００３１】

【発明の効果】以上に説明したように本発明によれば、
ウエハ周辺から出力される放射光を遮断し、ウエハ自身
の輻射光のみを用いてウエハ温度を測定することができ
る。又検出可能な温度を、より低温側に広げることがで
きるという効果が得られる。又光学系とその材質条件を
除けば、従来の放射温度計が利用でき、高精度且つ安価
なウエハ温度測定装置が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態におけるウエハ温度測定の
原理を示す説明図である。

【図２】本実施の形態の温度測定装置に用いられるオプ
ティカルガイドの波長特性図である。

【図３】本発明の実施の形態におけるウエハ温度測定装
置の構成図である。

【図４】黒体の分光放射輝度を示す特性図である。

【図５】従来の放射温度計の使用例を示す説明図であ
る。

【図６】Ｓｉウエハの放射率を示す特性図である。

【符号の説明】

１ チャンバ ２ プラズマ ３ Ｓｉウエハ ４ ステージ ４ａ 空洞部 ５，３２ 集束レンズ ６，３３ 遮蔽板 ７，３４ ピンホール板 ８ 受光部 ３０ ウエハ温度測定装置 ３１ 鏡筒 ３１ａ 孔 ３３ａ 遮蔽部 ３４ａ ピンホール ３５ オプティカルガイド ３６ 受光素子 ３７ 増幅部 ３８ 熱電対温度計 ３８ａ 熱電対 ３９ 信号処理部 ４０ 出力部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 温度測定の対象となるウエハに対向する
   位置に赤外光を透過する集束レンズを配置し、 前記集束レンズの中心軸に沿った放射光を遮断すると共
   に、前記ウエハの測定点からの光を集束する位置に設け
   た開口を介して赤外光を受光し、 前記ウエハからの輻射光の受光レベルに基づいてウエハ
   の温度を測定することを特徴とするウエハ温度測定方
   法。
2. 【請求項２】 半導体製造装置内に保持されたウエハの
   温度を、その輻射光量を検出することにより測定するウ
   エハ温度測定装置であって、 前記ウエハの下部に取付けられた筒状の鏡筒と、 前記鏡筒の上部に保持され、鏡筒の上部空間から輻射さ
   れた赤外光を集束する集束レンズと、 前記鏡筒内に保持され、前記集束レンズの中心軸に沿っ
   た入射光を遮断する第１の遮蔽部と、 前記ウエハの測定点から輻射される輻射光の前記集束レ
   ンズによる集束点に、所定口径の開口が形成された第２
   の遮蔽部と、 前記第２の遮蔽部の開口を通過した赤外光を受光する受
   光部と、を具備することを特徴とするウエハ温度測定装
   置。