JPS62113034A

JPS62113034A - ランプ加熱中の半導体基板の温度測定装置

Info

Publication number: JPS62113034A
Application number: JP60252818A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Hiura; 日浦　和夫; Genichi Kanazawa; 金沢　元一; Ryoji Tsunoda; 角田　良二; Takayuki Takada; 高田　隆之; Fumio Muramatsu; 村松　文雄
Original assignee: Kokusai Electric Corp
Current assignee: Kokusai Electric Corp
Priority date: 1985-11-13
Filing date: 1985-11-13
Publication date: 1987-05-23

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】（発明の属する技術分野）本発明はランプ加熱中の半導体基板（１ソ下ウエハとい
う）の温度を正確に測定する装置に関するものである。

半導体製造装置の分野においてウェハを加熱する目的で
ハロゲンランプなどのランプによる加熱方法が多く用い
られている。その主な理由はランプは光エネルギを利用
して石英窓などの隔壁を通じて対象物体を直接加熱する
ことができ、装置内の汚染を最小限に１）−めることか
できることにある。−例としてマグネトロンスパンタリ
ング装置において、Ａ７！等の金属膜を付着する場合に
、グレイン（ｇｒａｉｎ）サイズや膜の緒特性を制御す
るのに熱源として用いられている。

他方半導体素子の高集積化に伴って処理プロセスの管理
もさらに高度のものが要求され、熱処理を伴うプロセス
では処理温度の再現性が重要となっている。このため処
理中の温度を正確に測定することが強く望まれている。

（従来の技術）うエバをランプの放射熱にて加熱し、その加熱状態でＡ
ρ等の金属膜をウェハ面上にデボジ・ノドさせる装置（
マグネトロンスパッタ装置、真空蒸着装置など）を例と
って説明する。第２図はそのような金属膜形成装置の構
成例図であるが装置の概要は公知であるから説明に必要
な部分のみ示している。図中の１はウェハ、２はウェハ
ホルダ、３は真空容器の器壁で、図でば壁３の右側が真
空領域、左側は大気圧域である。５は石英の窓板（以下
窓という）、４はこの窓５を保持するフランジで、真空
容器の外大気側からウェハ１を加熱する放射エネルギを
窓５を通じて供給する。６ばハロゲンランプ、７はミラ
ー（鏡面）でランプ６からの放射光を効率よく反射して
恵方向に向けるためのもの、８は温度モニタで熱電対と
Ｓｉチップ等で構成される。９も温度モニタであるが放
射光を受光し７て測温するもの、１０は９を使用するた
めにミラー１０に設けた測温ボート、１）は金属または
非金属粒子でウェハの表面に飛来する。１２は真空容器
をシールする０リング等のシール材である。

このような装置において膜質の制御性を高め、良好な再
現性を得るには、ウェハの温度を適正値に制御し、また
処理ウェハ毎にその温度値を再現する必要があるが、そ
のためにはウェハの温度をモニタする機能が不可欠であ
る。その手段として熱電対形のモニタ８や放射温度計９
を第１図のように用いる方法が試みられたが、いずれも
次のような理由で本質的な解決にはならなかった。

熱電対形モニタ８はウェハ１の近傍に設置してウェハと
同様のｍ位面積当たりの放射光（エネルギ）を受取り、
ウェハ温度に近似した温度に当たる電気信号を得ようと
するものであるが、実用上はウェハの大きさに比べてか
なり小さく、設置場所も異なるため熱容量や放熱条件が
異なり、ランプ点灯後約３０秒程度の昇温過渡期の温度
指示値が実際のウェハ温度と大差があることがわかった
。

さらにこのようなモニタはウェハと同一環境に設置する
とウェハの汚染源となる可能性があること、真空中に設
置するときはその電気信号出力を外気中に取出すために
ハーメチックシールを設けるなど真空容器内部に余分な
機構を設けなければならないなどの問題がある。

また放射温度計モニタ９はランプ６の放射光が主なノイ
ズ源となり、ランプ６を点灯中は使用できないので、ラ
ンプを消した後ウェハの到達温度の６６　Ｌｌに使用さ
れるに過ぎなかった。以上のような理由で現在これらの
装置では正確な温度管理は行われていないと言える。

（発明の具体的な目的）前記のような製造装置におけるウェハの温度測定方法の
欠点を除き、ウェハの温度を常時安定にモニタすると共
に、その測定信号をランプの加熱エネルギに帰還して常
時ウェハの温度管理・制御に利用できるウェハ温度測定
装置を提供することにある。

（発明の構成）第１図は本発明を実施したウェハ測温部を具備した金属
膜形成装置の構成例図であるが、第２図同様発明に関係
ある部分のみ示している。図中の記号１〜１２は第２図
と共通であるが、９Ａは新しい放射温度計、１３はウェ
ハからの放射光すなわぢ赤外光を検出するためにフラン
ジ４に設けた測温ボート、１４は石英製の窓５とは材質
が異なり、５μｍ〜１０μｍの範囲の赤色光を効率良く
透過しかつ汚染の影響のない真空シールの機能（機械的
強度）を持つ窓材であるフッ化カルシウム（ＣａＦｚ）
窓である。この窓材にはほぼ同等の機能を持つザファイ
ア（八１　ｔｏ＋）を用いてもよい。１５は空冷方式の
ブロアであるが、従来のようにランプ５やミラー７の冷
却に用いるのみでなく、石英窓５を積極的に冷却するよ
うに設けである。１６と１７は冷却用空気の流路である
。

（発明の作用）第１図について測温原理から説明する。前記の用途（加
熱）に用いるランプ６は通常タングステン製フィラメン
トを石英管内に封入したもので、フィラメントに電流を
流すとフィラメントは高温に熱−υられその温度に相当
した放射光エネルギを出すが、その波長とエネルギ強度
特性はほぼ黒体放射の特性に頚佃しζいる。

第３図はハ「１ゲンランプの放射エネルギＷ（λ）およ
びウェハの２次放射エネルギと波長λ（１）ｍ）の特性
図で、ランプフィラメントの色温度としては３０００　
Ｋ程度の定格のものがよく用いられるので、第３図には
特性１８として示しである。

とごろが他方石英管はフィラメントからの放射エネルギ
を波長の全域に亘って透過させるわけでｉ；ｌ：　ｔｒ
い。第４図に石英管の厚さ１．５龍の場合の石英の入射
光（波長λμｍ）に対する透過率丁゛（％）の代表例を
示した。

従ってランプ６全体から放射されるエネルギ強度の波長
に対する特性はほぼ第３図の破線１９のようにλに対し
急速に減衰している。石英窓５はこの効果をさらに助長
する。このことは後記のようにウェハの測温に非常に有
利である。第３図の曲線２０は測温ずべきウェハから放
射される波長対エネルギ強度特性の代表例で、５μｍ以
上の波長域のみ選択的に検出すればランプの影響がない
ウェハの温度測定が可能である。

ただし、第２図のような放射温度計を用いても第２図の
ような方法では無理である。その理由として放射温度計
の検出波長を通常使用されている１〜４μｍ程度に選べ
ばウェハからの７１シ射エネルギも一部検出されるが、
はとんどが石英窓５やウェハ１よりのランプからの放射
光の反射光が検出されてしまう。第３図から推定される
ようにこの波長域での外乱光（ランプからの放射光の反
射光）はウェハからの放射光である求める信号の１００
倍にも達するので、ランプ加熱中はウェハ温度の測定が
ほとんど不可能である。

またもし放射温度計９の検出波長を５〜１０μｍに選ん
だとしても、石英窓５はこの波長域の光はほとんど吸収
して透過しないので、ウェハ１の温度は測定できないで
石英窓５の温度を測定していることになる。あるいは石
英窓５の代わりにＣａＦ２窓を用いる方法も考えられる
が、ＣａＦ２窓は石英窓より高価であるばかりでなく、
石英に比べて機械的強度も弱いので、窓を厚くすること
が必要であるなどの難点がある。

第１図に示すような本発明の構成例は以上の考察より発
明したもので、実施例を示すと放射温度計９への検出波
長を６〜９μｍとし、第３図のハツチングを施した部分
のエネルギを検出する。測温ボートＩ３の内径を１０龍
、ウェハ面と測温ボート中心軸とのなす角は３０°以上
とし、放射温度計９Ａは検出素子としてサーモバイルま
たはｔｌｇｃｄＴｅを用い、６〜９ｐｍの帯域フィルタ
ばＳｔまたはＧｅを基材としてＺｎＳ膜等を用いた赤外
干渉形のもので、これは公知の技術で製作できる。

実際にはウェハ１の周辺構造物に温度上昇かあった場合
、その物体からの放射エネルギがウェハ面内の温度測定
部位で反射して測定誤差となる可能性があって、この効
果は１５０℃以下の低温域で著しい。しかし真空容器壁
３は大きなヒートシンクであり、通常水冷されているの
で問題はなく、むしろ石英窓５の温度上昇が外乱ずなわ
ち測定誤差の主因となる。従って、第１図の構成では石
英窓自体の耐熱性は十分であるにもかかわらず石英窓５
を積極的に冷却している。この結果ランプ加熱中におい
ても５０℃以上でのウェハの温度測定が±１℃以下で再
現できた。

またＡｆｆ等の高反射率の膜をデポジションする装置に
おいては、ウェハのランプ側（裏面）からの温度測定は
一層効率的である。たとえばＡＩ２膜は反射率が約０．
９で、放射率は０．１に過ぎない。

しかしウェハの裏面は低温でもオー６〜９ｐｍで放射率
が０．２以上の特性が得られ、かつ高反射率の膜を表面
に付着することによってウェハ裏面のみかけの放射率は
さらに倍の０．４程度になり、より安定な温度測定がで
きる。

（発明の効果）本発明装置によれば１）ランプ加熱中のウェハの温度を
直接測定することが可能である。この測定出力をランプ
加熱電力に帰還することにより加熱中のウェハ温度を制
御することができるので、デポジション膜の品質を高精
度に管理することができる。２）窓１４を通じて測温で
きるのでウェハを汚染するおそれがなく、また装置内部
に複雑な機構などを設置することは必要としない。など
実用上着しい効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施したウェハ測温装置を付設した金
属膜形成装置の主要部分の構成側図、第２図は従来の金
属膜形成装置の主要部構成側図、第３図はハロゲンラン
プの放射エネルギおよびうエバの２次放射エネルギと波
長の関係特性図、第４図は石英の透過率の一例図である
。１・・・ウェハ、　　２・・・ウェハホルダ、３・・・
真空容器の壁、　５・・・石英の窓、６・・・ハロゲン
ランプ、　　７・・・ミラー、　８．９・・・温度モニ
タ、　　９Ａ・・・新しい放射温度計、１０・・・測温
ボート、　】１・・・粒子、　１２・・・Ｏリング、１
３・・・測温ボート、　１４・・・ＣａＰｇの窓、１５
・・・空気ブロア、　１６．１７・・・空気の流路。７１図／ｆ！７２図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）石英の窓板を通じて隔離された雰囲気（真空を含
む）中に前記窓板とほぼ平行に置かれた半導体基板面を
加熱用ランプの放射熱にて加熱する装置において、前記
石英の窓板とは別に前記装置の石英窓側に５μｍ〜１０
μｍの波長を効率よく透過させる材料を用いた窓を有す
る測温ボートを設け、この測温ボートの窓を透過した約
５μｍ以上の波長の放射線によって前記半導体基板の温
度を測定するように構成したことを特徴とするランプ加
熱中の半導体基板の温度測定装置。
（２）測温誤差を防止するために半導体基板に面した石
英窓を冷却する設備を付加したことを特徴とする特許請
求の範囲第１項記載のランプ加熱中の半導体基板の温度
測定装置。