JPS63271127A - 半導体基板の温度測定装置 - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、シリコン基板のように赤外光を透過する半導
体基板の温度を放射温度計を用いて測定する温度測定装
置に関する。

〔従来の技術〕

ＩＣチップのような半導体の製造プロセスにおいては、
半導体基板、例えばシリコン基板にイオンを注入した後
にその基板をアニールする必要がある。近年、不純物拡
散を防止するため、数十秒の加熱時間でアニーリングで
きる光加熱装置が用いられてきたのに伴い、短時間にて
基板の温度を測定し加熱温度を制御することが要求され
ている。

このために従来の光加熱装置では、 ■　熱電対を用いて温度を測定する方法。

■　放射温度計を用いて基板の分光放射輝度を測定し、
予め測定された基板の放射率と測定された分光放射輝度
とに基づいて、周知のＰｌａｎｃｋＯ式から温度を求め
る方法。

等が用いられてきている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、上記■においては、熱電対をＶＥ板表面に取付
けることによる汚染や、熱電対と基板表面の温度との差
が問題となっていた。

また、■については、ドーピング濃度によって半導体基
板ごとに放射率が異なり、更に基板の温度上昇に伴い放
射率が変化し、精度よく温度測定ができなかった。例え
ばシリコン基板の場合、中赤外光における常温下での放
射率は、ドーピング濃度が低いとほぼ零であるのに対し
、ドーピング濃度が高くなると０．５以上にもなる。ま
た、基板温度が上昇するにつれて放射率が急激に増加す
ることもあり、測定精度の向上には限界があった。

そこで本発明の目的は、上述の問題点を解消し、加熱さ
れる半導体基板の温度を高い精度で測定することのでき
る温度測定装置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明による半導体基板の温度測定装置は、第１図の原
理構成図に示す如く、加熱される半導体基板１０２の温
度を測定する装置において、前記半導体基板１０２の一
部の領域に測定用赤外光を照射する照射手段１０１と、
前記半導体基板からの赤外光量を測定するために前記半
導体基板１０２に関して前記照射手段と反対側に配置さ
れた測定手段１０４と、前記照射手段１０１により前記
測定用赤外光が照射されない前記半導体基板上の第１ｆ
１１域からの赤外光を検出する第１状態と前記測定用赤
外光が照射された前記半導体基板上の第２　’ｐＭ域か
らの赤外光を検出する第２状態とを切り換える切換手段
１０３とを有し、前記測定用赤外光を含む前記第２領域
での赤外光量と前記測定用赤外光を含まない第１領域で
の赤外光量との差、及び前記測定用赤外光を含まない第
１領域での赤外光量とに基づいて演算手段１０５によっ
て前記半導体基板の温度を求めるものである。

〔作用〕

ここで、まず本発明における温度の測定原理について説
明する。

放射温度計で測定される基板の分光放射輝度Ｎ（λ、Ｔ
）は、 Ｎ　（λ、Ｔ）＝ελ　（Ｔ）　　・Ｗλ　（Ｔ）　　
・・・・・・（１）ただし、ελ（Ｔ）二基板の放射率 Ｗλ　（Ｔ）：黒体の分光放射輝度 と表せる。また、黒体の分光放射輝度Ｗλ（Ｔ）は、 π　λ’　ｅｘｐ（Ｃｘ／λ・Ｔ）−まただし、Ｃ，、
Ｃ，：定数 λ　：放射光波長 Ｔ　：黒体温度 と表せる。したがって、基板の放射率ελ　（Ｔ）を与
えれば、放射温度計の測定値から求まるＮ（λ、Ｔ）に
基づき（１１式から黒体の分光放射輝度Ｗλ（Ｔ）が求
まり、更に（２）式から黒体温度Ｔを求めれば、この値
が基板の温度を示す。

一方、基板の放射率ελ（Ｔ）は、 ελ（Ｔ）−１−（τλ（Ｔ）　＋ρλ（Ｔ））・旧・
・（３）ただし、ελ（Ｔ）：基板の放射率 ρλ　（Ｔ）：基板の反射率 τλ（Ｔ）一基板の透過率 と表せる。ρλ　（Ｔ）は基板の屈折率に関係する固有
の値であり、ドーピング濃度にあまり依存しない一定の
値である。したがって、測定対象の基板についてτλ（
Ｔ）を測定すれば、（３）式から容易にελ　（Ｔ）が
計算でき、上述した如（基＋Ｈ４度を求めることができ
る。

ところで、本願発明と同一出願人による先の特願昭６１
−２２４６１８号において、上記の測定原理に基づく温
度測定装置を提案した。先の上記先願においては、測定
用赤外光の強度を半導体基板の前に配置したチョッパで
チロソピングして、ウェハの反対側に配置された測定手
段によって赤外放射光を測定して半導体基板の透過率を
求め、温度を検出する装置であったが、本願発明はウェ
ハに関して照射装置と反対側に配置される測定手段側の
上記の如き構成によって、チョッパを不要とし測定用赤
外光を照射する照射手段に格別の装置を必要としない構
成としたものである。

上記の如き本発明の構成において、照射手段１０１によ
り、半導体基板１０２の一部分に測定用赤外光を照射し
、まず、半導体基板から測定手段へ入射する赤外光が照
射手段からの測定用赤外光を含まない位置に合わせ、半
導体基板自身の温度による放射赤外光の光量のみを測定
手段１０４４で測定する（第１状Ｌｉ）、次に、切換手
段１０３により、半導体基板１０２から測定手段１０４
へ入射する赤外光が、照射手段１０１からの測定用赤外
光を含む位置に合わせ、その透過赤外光による寄与分と
半導体基板自身の温度による放射赤外光による寄与分と
を重ね合わせた赤外光量を測定手段１０４で測定する（
第２状Ｂ）、そして、演算手段１０５において、第１お
よび第２状態における赤外光量の差と、第２状態におけ
る赤外光量とから半導体基板１０２の温度を算出する。

なお、上記（３）式は半導体内部での多重反射を考慮し
ていないが、多重反射を含めた扱いとしても、同様に透
過率を測定することによって半導体基板の温度を測定す
ること可能である。

多重反射の場合に、放射率ελ　（Ｔ）は、８λ（Ｔ）
＝１−（τλ＊（Ｔ）＋ρλ”　（Ｔ）　）・・・・・
・（３゛）と与えられる。ここで、 １−ρλ２（Ｔ）τλ２（Ｔ） ・・・・・・（４） １−ρλ２（Ｔ）τλ２（Ｔ） ・・・・・・（５） ただし、τλ“（Ｔ）：多重反射を含めた透過率τλ　
（Ｔ）：多重反射を含まない透過率ρλ”（Ｔｌ多重反
射を含めた反射率 ρλ　（Ｔ）：多重反射を含まない反射率と表せる。（
４）式のτλ０（Ｔ）は上述した第１および第２の赤外
光量の差に基づき求められる値であり、ρλ　（Ｔ）も
半導体基板に固有の値であるので、（４）式からτλ（
Ｔ）が求まる。このτλ　（Ｔ）とρλ　（Ｔ）を（５
）式に代入すればρλ０（Ｔ）が求まるから、（３°）
式により多重反射を考慮した放射率ελ（Ｔ）が求まる
。従って、上記と同様に、＋１１　＋２１式に基づいて
、半導体基板の温度Ｔを求めることができる。

（実施例） 以下、半導体基板をアニーリングする光加熱装置に本発
明を適用した場合について、第２図〜第５図を参照して
説明する。

第２図（ａ）は本発明の実施例としての光加熱装置の概
略構成を示す断面図であり、第２図（ｂ）はその実施例
における光加熱用光源の配置を示す平面図である０石英
製のチャンバ１内の基台２上に半導体基板３が７ａ置さ
れる。チャンバ１の上壁１ａｓ下壁１ｂには、第２図（
ｂ）に示すように、半径が異なりそれぞれ同心円状に配
置された６本の加熱用の環状赤外ランプ４ａ、４ｂ、４
Ｃ１５ａ、５ｂ、５ｃが配置され、半導体基板３を光加
熱する。上壁１ａ、下壁１ｂの中心にはそれぞれ対向す
る貫通孔１ｃ、１ｄが形成され、貫通孔の上方には、測
定用赤外ランプ６が設けられその出射光が集光レンズ６
ａによりほぼ平行光束となって半導体基板３の中心領域
を照射する。また、測定用赤外ランプ６と対向して対物
レンズ７、フィルター１１及びリレーレンズ１２及び放
射温度計１０を含む測定光学系が設けられ、この光学系
の光路内で対物レンズ７の射出瞳の位置に、光路切換用
のガルバノミラ−８を配置し、これの角度変化による走
査により、半導体基板３の各部分からの赤外光を放射温
度計１０に時系列的に導く。ガルバノミラ−８の走査の
途中において、半導体基板の中心領域が走査され、この
中心領域が放射温度計１０の受光面と共役になる状態に
おいては、半導体基板３上の中心領域での半導体基板自
身の温度による放射赤外光のみならず測定用赤外光の透
過光を含む合成の赤外光量が測定される。

尚、フィルター１１は放射率（透過率）測定用の波長と
基板からの放射光量の測定波長とを一致させるためのも
のである。また、第２図（ｂ）に示した同心状に配置さ
れた環状光源は、図示したとおりの完全な環状光源であ
る必要はなく、複数の円弧状光源を環状に組み合わせて
構成してもよく、複数の直線状光源を同心状多角形に配
置してもよい。

第３図にこの装置の温度測定のための制御部を示す、放
射温度計１０による測定信号はマイクロコンピュータ２
２に入力される。マイクロコンピュータ２２には、ガル
バノミラ−８の駆動回路２３と、測定用赤外ランプ６の
駆動制御回路２４と、加熱用赤外ランプ４ａ〜４Ｃ５５
ａ〜５Ｃの駆動制御回路２５と、温度表示計２６とが接
続されている。

このような構成において、測定用赤外ランプ６が照射手
段１０１を、ガルバノミラ−８とその駆動回路２３が切
換手段１０３を、測定光学系と放射温度計１０が測定手
段１０４を、そしてマイクロコンピュータ２２が演算手
段１０５をそれぞれ構成している。

次に第４図の処理手段と第５図のグラフにしたがってこ
の温度測定装置の動作を説明する。

まず、測定用赤外ランプ６を点灯し、半導体基板３を基
台２上に！！置しない状態で、放射温度計１０に入射さ
れる赤外ランプ６からの赤外光の光量の出力データＮ、
を測定し、そのデータＮ、をマイクロコンピュータ２２
に記憶する。尚、測定用赤外う゛ンプ６から供給される
光量は制御回路２４により少なくとも測定中は一定とな
るように制御されている。

そして、マイクロコンピュータ２２によって、第４図の
プログラムがスタートし、ステップＳ１でガルバノミラ
−駆動回路２３を駆動してガルバノミラ−８を赤外ラン
プ６からの出射を含まないような半導体基板３上の位置
、即ちここでは半導体基板の中心領域以外の位置が放射
温度計の受光面と共役になるように合わせ、測定用赤外
光が照射されない半導体基板上の第１　ｆｉＪｉ域から
の赤外光を検出する第１状態を構成する。このとき加熱
用赤外ランプ４ａ〜４ｃ、５ａ〜５Ｃにより基板３が加
熱されており、基板３の表面温度に依存する赤外光が波
長フィルタ１１で濾過された後、リレーレンズ１２で集
光されて放射温度計１０に入射する０例えば第５図の時
点ｔ１．では基板３の分光放射輝度に対応したＮ、を記
憶する（ステップＳ２）、第５図はガルバノミラ−によ
る走査時間（横軸）に対する放射温度計の出力（縦軸）
の変化を例示したグラフである。

次いでガルバノミラ−駆動回路２３を駆動してガルバノ
ミラ−８を、測定用赤外ランプ６からの赤外光を含むよ
うな基板３上の位置、即ちここでは半導体基板の中心領
域が放射温度計の受光面と共役になるように合わせ、測
定用赤外光が照射された半導体基板上の第２領域からの
赤外光を検出する第２状態を構成する。この赤外光は基
板３のドーピング濃度や注入したイオンの活性化状態、
あるいは温度に依存した割り合いで基板３を透過する。

したがって、その透過光と上述した基板３からの放射光
とが、放射温度計１０に入射し、両者の合成出力ＮＩ′
が出力される。マイクロコンピュータ２２はこの合成出
力データＮｌ’を記憶する（ステップＳ４）。

次いでステップＳ５において、予め測定された測定用赤
外ランプ６から・の赤外光が基板３を介さずに直接入射
したときの放射温度計１０の出力データＮ、と、上述し
たデータＮ、　、Ｎｌ’とにより、（−Ｎ、’−Ｎｌ）
／Ｎ６−τ、・・・・・・（６）を計算し、測定時点ｔ
、。の透過率τ、を求める。

但し、基板内に設けられたパターンによる回折等の原因
で基板を透過した測定用赤外光の一部が放射温度計１０
からはずれた場合には、Ｎ１′に補正が必要となる。

尚、上記ステップ３１．３２によって、測定用赤外光が
照射されない半導体基板上の第１領域からの赤外光を検
出する第１状態での測定データＮ１が得られ、ステップ
３３．３４によって、測定用赤外光が照射された半導体
基板上の第２８１域からの赤外光を検出する第２状態で
の測定データＮ、゛が得られるが、ステップ３１．３２
とステップ３３、Ｓ４とは、順序を入れ換えてもよいこ
とはいうまでもない。

次に、この透過率τ１と予め設定した反射率ρＣとから
、ステップＳ６において、（３）式に基づいて放射率８
．を求める。そしてステップＳ７において、この放射率
８１と、測定用赤外光を含まない位置での放射温度計１
０の出力データＮ、とを用いて、（１）弐及び（２）式
により基板３の温度Ｔ、を求め、ステップＳ８でこの温
度Ｔ１を温度表示計２６にて表示する。また、図示はし
ていないが、予め基板加熱設定温度Ｔｓをマイクロコン
ピュータ２２に入力し、測定された温度Ｔ、と比較して
設定温度Ｔｓになるまでランプ駆動制御回路２５に制御
信号を供給して加熱用赤外ランプ４ａ〜４ｃ、５ａ〜５
Ｃを駆動する。

以上の手順（ステップ８１〜３８）を所定時間隔で繰り
返して行なうことにより、基板のアニーリング温度を実
時間で精度よく測定でき、その結果にもとづき加熱用赤
外ランプ４ａ〜４ｃｓ５ａ〜５Ｃを制御して温度制御の
精度も向上する。

なお、（６）式ではＮｌ　、Ｎ＋’の差から半導体基板
の透過率を算出するため、Ｎｌ　、Ｎ、’を測定する位
置は同一温度（同一放射光強度）である必要があり、半
導体基板が温度分布を持つことを考えると、Ｎｌ　、　
Ｎｌｏの測定位置は出来るだけ近接していることが望ま
しい。

また上記実施例では光路切換用のガルバノミラ−で半導
体基板の透過率を測定すると共に、基板全面の温度を測
定するとしたが、半導体基板での温度、キャリア濃度に
大きな分布がなければ透過率測定点での放射率を基板全
面に適用することができる。また、上記ガルバノミラ−
を半導体基板全面を走査することにより、半導体基板の
全面に渡る温度測定が可能となる。

なお、以上説明した光加熱装置においては基板の放射率
を実時間で測定して基板温度を求め、これにより赤外ラ
ンプによる加熱温度を制御したが、基板の放射率の温度
依存性がわかっている場合には、常温で予め基板のドー
ピング濃度に依存する透過率、すなわち放射率を求め、
温度依存性とこの放射率とを重ね合わせて加熱曲線を設
定しておき、これにより加熱温度を制御してもよい。

また、前述した（３）式に基づいて、測定された透過率
τλ（Ｔ）によって放射率６λ（Ｔ）を求めるという本
発明の原理においては、反射率ρλ（Ｔ）が一定の値で
あるとしたが、この反射率ρλ　（Ｔ）は厳密には温度
によってわずかながら変化する。ただし、加熱用赤外ラ
ンプの点灯時間などから基板のおおよその温度を予め予
測することがてきるため、既知の基板屈折率の温度係数
を用いて予め求めた反射率ρλ　（Ｔ）の補正値を用い
、これによつて、測定の精度をより向上させることが可
能である。さらに、反射率ρλ（Ｔ）はドーピング濃度
にあまり依存しない値ではあるが、長波長になる程依存
性が高くなる傾向にあるため、測定用赤外光をあまり長
い波長とすると測定精度が低下する。他方、測定精度の
向上のためには、測定用赤外光と加熱用赤外光とで波長
域を分離することが必要であり、このため測定用赤外光
の波長をあまり短くすることができない、よって、実用
上は測定赤外光の波長は５μ程度が好ましく、加熱用赤
外光として、石英チャンバを透過し得る４μ以下の波長
を用いることが望ましい。

また、上記実施例では透過率測定用に光路切換手段を用
いたが、これに代って第６図のように、測定光学系に関
して半導体基板と共役な面上に２つの赤外検出器１０ａ
、１０ｂを配置し、一方の赤外検出器１０ａで測定用赤
外光を含んだ領域、即ち集光レンズ６ａの光軸上の領域
からの赤外光量を検出する第２状態を構成し、また他方
の赤外検出器１０ｂで測定用赤外光を含まない領域から
の赤外光量を検出する第１状態を構成し、これらの両状
態における各放射率測定値から半導体基板の放射率を求
め、温度を測定してもよい。この実施例では、２つの赤
外検出器による測定値の切換が本発明における切換手段
を形成する。

尚、本発明は光加熱装置に限らず、光を用いて基板を補
助加熱するスパッタリング装置、エピタキシャル装置、
エツチング装置や、光ＣＶＤ’ｉｊｉ置あるいは光ドー
ピング装置など種々のその温度測定に供することができ
る。

また、本発明では基板の透過率から放射率を求め、基板
の温度を測定するとしたが、基板の温度が時間的に一定
の場合は、本願と同一出願人による特願昭６１−３１１
６１１号に開示したように、基板の透過率から基板に注
入した不純物イオンの活性化率の時間変化を求めること
も可能である。

〔発明の効果〕

以上の如く本発明によれば、半導体基板の透過率を測定
してその放射率を求め、この放射率に基づいて周知の手
法により半導体基板の温度を測定するようにしたので、
ドーピング濃度や温度に依存して放射率が大きく変化す
る半導体基板の温度を精度よく測定することができる。

また実施例のごとく半導体基板の全面を走査する測定光
学系を用いることによって、同時に半導体基板の全面に
わたる温度分布を求めることもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理的構成図、第２図（ａ）は実施例
の全体構成を示す概略断面図、第２図（ｂ）は加熱ラン
プの配置を示す平面図、第３図は制御部を示すブロック
図、第４図は処理手順例を示すフローチャート、第５図
は放射温度計の出力を示すグラフ、第６図は第２図と異
なる実施例の構成を示す概略断面図である。 （主要部分の符号の説明） １：チャンバ　　　　　３：半導体基板４ａ〜４ｃ、５
ａ〜５ｃ：加熱用赤外ランプ６；測定用赤外ランプ　　
８：ガルバノミラー１０：放射温度計　　　　　１１：
波長フィルター１０１：照射手段　　　　１０４：測定
手段１０２：半導体基板　　　１０５：演算手段１０３
：切換手段 出願人　　日本光学工業株式会社 代理人　弁理士　渡　辺　隆　男 １０１　　　　　　　　１０ユ　　　　　　　＋ｏ３　
　　　　　　　　＋ｏＱｏＳ 図面の浄書 第４図 第６図 手続補正Ｓ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）加熱される半導体基板の温度を測定する装置にお
   いて、前記半導体基板の一部の領域に測定用赤外光を照
   射する照射手段と、前記半導体基板からの赤外光量を測
   定するために前記半導体基板に関して前記照射手段と反
   対側に配置された測定手段と、前記照射手段により前記
   測定用赤外光が照射されない前記半導体基板上の第１領
   域からの赤外光を測定する第１状態と前記測定用赤外光
   が照射された前記半導体基板上の第２領域からの赤外光
   を測定する第２状態とを切り換える切換手段と、前記測
   定用赤外光を含む前記第２領域での赤外光量と前記測定
   用赤外光を含まない第１領域での赤外光量との差、及び
   前記測定用赤外光を含まない第１領域での赤外光量とに
   基づいて前記半導体基板の温度を求める演算手段と、を
   有することを特徴とする半導体基板の温度測定装置。
2. （２）前記測定手段は測定用の光学系と該測定用光学系
   により前記半導体基板とほぼ共役な位置に配置される検
   出素子とを有し、前記切換手段は前記照射手段により前
   記測定用赤外光が照射された前記半導体基板上の第１領
   域からの赤外光を測定する第１光路と、前記測定用赤外
   光が照射されない前記半導体基板上の第２領域からの赤
   外光を測定するための前記第１光路とは異なる第２光路
   とを切り換えるための走査鏡を有することを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の半導体基板の温度測定装置
   。
3. （３）前記測定手段は測定用の光学系と該測定用光学系
   により前記半導体基板とほぼ共役な面上にて互いに異な
   る位置に配置された複数の検出素子を有し、前記切換手
   段は前記複数の検出素子を選択的に使用することによっ
   て前記第１状態と前記第２状態とを切り換えることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の半導体基板の温度
   測定装置。