JPS6379339A - 半導体基板の温度測定方法およびその装置 - 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】 Ａ、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方
法およびその装置に関する。

Ｂ、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。

そこで従来は、 ■　熱電対を用いて温度を測定したり、あるいは ■　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Ｐｌａｎｃｋの式から温度を求め
ている。

Ｃ６発明が解決しようとする問題点 しかし、■については、熱電対を基板表面に取付けるこ
とによる汚染や、熱電対と基板表面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。

本発明の目的は、加熱用の赤外光とは別に測定用の赤外
光を半導体基板に照射して半導体基板の透過率を測定す
ることにより上述した問題を解消した半導体基板の温度
測定方法および装置を提供することにある。

Ｄ１問題点を解決するための手段 放射温度計による半導体基板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）＝ｇλ（Ｔ）・Ｗλ（Ｔ）　　　　　　　
・・・（１）ただし、ελ（Ｔ）：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。

ただし、Ｃ工、Ｃ２：定数 λ：放射光波長 Ｔ：具体温度 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（１）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））　　　　
　　・・・（３）ただし、ελ（Ｔ）：基板の放射率 ρλ（Ｔ）二基板の反射率 τλ（Ｔ）：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、上述した如く基板温度を求めることができる。

そこで本発明方法は、半導体基板に所定以上の光量のＷ
ｉｌｌ定用赤外用赤外光して半導体基板からの透過光を
含む第１の赤外光量を測定し、半導体基板に所定以上の
光量の測定用赤外光を照射しないで半導体基板からの第
２の赤外光量を測定し、測定されたこれら第１および第
２の赤外光量の差に基づき半導体基板の温度を算出する
ものである。

また、本発明装置は第１図のクレーム対応図に示すとお
り、半導体基板１０３に測定用赤外光を照射する照射手
段１０１と、半導体基板１０３１での前記測定用赤外光
の光量を制御する光量制御手段１０２と、半導体基板１
０３からの赤外光量を測定するために、半導体基板１０
３に関して前記照射手段Ｌｏｔと反対側に設けられた測
定手段１０４と、光量制御手段１０２により光量制御さ
れた半導体基板１０３上でのｉｉｌ！Ｉ定用赤外光用赤
外光所定以上のときおよび所定未満のときに測定手段１
０４でそれぞれ得られる半導体基板１０３からの第１お
よび第２の赤外光量の差に基づき半導体裁板１０３の温
度を算出する演算手段１０５とをａａえる。

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、多重反射を含めると、放射率ελ（Ｔ）は
、 ελ（Ｔ）＝１−（τλ紮Ｔ）＋ρビ（Ｔ））　　　　
　・・・（３′）ここで、 ・・・（４） ・・・（５） ただし、τｉ”（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ρｌ”（Ｔ）Ｈ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τλ１（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Ｅλ（Ｔ）
が求まる。

Ｅ８作用 光量制御手段１０２により、照射手段１０１がら出射さ
れる測定用赤外光の半導体基板１０３上での光量を制御
し、まず所定以上の光量の測定用赤外光を照射し、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（第
１の赤外光量）を測定手段１０４で測定する。次いで、
半導体基板１０３上での測定用赤外光の光量を所定未満
、好ましくは零とし、半導体基板自身の温度による放射
赤外光の光量（第２の赤外光量）のみを測定手段１０４
で測定する。そして、演算手段１０５において、第１お
よび第２の赤外光量の差から半導体基板１０３の温度を
算出する。

Ｆ、実施例 第２図〜第５図に基づいて、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説明す
る。

第２図（ａ）において、チャンバ１内の基台２上に半導
体基板３が載置される。チャンバ１の上壁１　ａ　＊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本の加熱用赤外ランプ
４．　ａ　、　４　ｂ　、　４　ｃ　、　５　ａ　。

５ｂ、５ｃが設置され、半導体基板３を加熱する。

上壁１ａ、下壁１ｂの中心にはそれぞれ対向する貫通孔
１ｃ、ｌｄがあけられ、それら孔の上方には、測定用赤
外ランプ６が設けられその出射光がレンズ７で平行光と
される。その平行光の光路を開閉するチョッパ８が軸９
の回りに回動可能に軸支され、図示しない駆動装置によ
って光路が開閉される。また、測定用赤外ランプ６と対
向して放射温度計１０が設けられ、その前方に、放射率
測定波長と基板温度波長とを一致させる波長フィルタ１
１と、平行光を集光するレンズ１２とが設置される。

第３図にこの装置の制御部を示す。放射温度計１０がマ
イクロコンピュータ２２と接続されている。マイクロコ
ンピュータ２２には、チョッパ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〜４ｃ。

５ａ〜５ｃの駆動制御回路２５と、温度表示計２６とが
後続している。

以上の構成において、測定用赤外ランプ６が照射手段１
０１を、チョッパ８．その駆動回路２３が光量制御手段
１０２を、放射温度計１０が測定手段１０４を、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図の処理手順と第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、基板３を基台２上
に載置しない状態で、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ＮＯを測定し
、そのデータＮｏをマイクロコンピュータ２２に記憶す
る。尚、８１９定用赤外ランプ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成るよう
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でチョッパ駆動
回路２３をｙｊＡ動してチョッパ８により測定用赤外光
の光路を閉じる。赤外ランプ６からの出射光はレンズ７
で平行光とされるがチョッパ８で遮られ基板３上には達
しない。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放射される。その放射赤外光は波長
フィルタ１１でろ波された後、集光レンズ１２で集光さ
れて放射温度計１０に入射される。例えば第５図の時点
Ｌ１゜では基板３の分光放射輝度に対応したＮ工を記憶
する（ステップＳ２）。

次いでチョッパ駆動回路２３を駆動してチョッパ８によ
り測定用赤外光の光路を開く（ステップＳ３）。これに
より、測定用赤外ランプ６からの赤外光が基板３上に照
射される。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
され、両者の合成出力Ｎ１′　が出力される。マイクロ
コンピュータ２２はこのデータＮ１′　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工、Ｎ工″とにより、 （ＮＬ’　−Ｎ、）　／ｒ’ｉｏ＝τ、　　　　　　　
　　　　・・・（６）を計算し、測定時点ｔ１゜の透過
率τ１をもとめる。

但し、基板内に設けられたパターンによる屈折等の原因
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、Ｎ工′に補正が必要となる。次
に、この透過率で、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ε、
をもとめる。

そしてステップＳ７において、この放射率ε１と、チョ
ッパ８を閉じたときの放射温度計１０の出力データＮ、
とを用いて、（１）式、（２）式により基板３の温度Ｔ
１を求め、ステップＳ８でこの温度Ｔ１を温度表示計２
６に出力する。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Ｔ１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〜５ｃを駆動する。

以上の手順（ステップ８１〜Ｓ８）を、第５図の時点ｔ
２゜、シ３．・・・と順次に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〜４ｃ、５ａ〜５Ｃを制御して温度制御の精度も向
上する。

なお、第５図中、ΔＮ１．ΔＮ２．ΔＮ、が測定用赤外
光による寄与分であり、測定用赤外ランプ６の光量が一
定であるのにかかわらず高温になるほど減少している。

これは、基板３の赤外透過率でか注入したイオンの活性
化状態や温度に依存していることを示しているが、本発
明の如く、測定時点毎にこの透過率τを求めつつ温度測
定を行なうことにより測定精度が向上する。

なお、チョッパ８で測定用赤外光の光路を開閉する代り
に、光変調器や偏光素子等をその光路中に設け、半導体
基板３上に照射される測定用赤外光の光量を制御するよ
うにしてもよい。この場合。

半導体基板３を透過した測定用赤外光が放射温度計の出
力にあまり影響を与えない程度の光量であれば、完全に
零にしなくてもよい。

なお１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Ｓλ（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
することができるため、既知の基板屈折率の温度計数を
用いて予め求めた反射率ρλ（Ｔ）の補正値を用い、こ
れによって、測定の精度をより向上させることが可能で
ある。また、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
定用赤外光の波長は５μ程度が好ましく、加熱用赤外光
としては、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装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。

Ｇ１発明の効果 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。

【図面の簡単な説明】

第１図はクレーム対応図、第２図〜第５図は本発明を光
加熱装置に適用した場合の実施例を説明する図であり、
第２図（ａ）は全体構成図、第２図（ｂ）は加熱ランプ
の平面図、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
の出力の時間変化を示すグラフである。 １：チャンバ　　　　　　３：半導体基板４ａ〜４ｃ、
５ａ〜５ｃ：加熱用赤外ランプ６：測定用赤外ランプ　
８：チョッパ １０：放射温度計　　　　１１；波長フィルタｉｏｉ　
：照射手段　　　　　１０２　：光量ＩＩＩ御手段１０
３：半導体基板　　　　１０４；測定手段１０５：演算
手段 特許出願人　　日本光学工業株式会社 代理人弁理士　　　永　井　冬　紀 第１図 Ｑ　　　　　へ 昧 第Ｓ図 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）加熱される半導体基板の温度を測定するにあたり、 前記半導体基板に所定以上の光量の測定用赤外光を照射
   して半導体基板からの前記測定用赤外光の透過光を含む
   第１の赤外光量を測定し、 前記半導体基板に所定以上の光量の測定用赤外光を照射
   しないで半導体基板からの第２の赤外光量を測定し、 測定されたこれら第１および第２の赤外光量の差に基づ
   いて前記半導体基板の温度を算出することを特徴とする
   半導体基板の温度測定方法。 ２）加熱される半導体基板の温度を測定する装置におい
   て、 前記半導体基板に測定用赤外光を照射する照射手段と、 前記半導体基板上での前記測定用赤外光の光量を制御す
   る光量制御手段と、 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、 前記光量制御手段により光量制御された前記半導体基板
   上での測定用赤外光の光量が所定以上のときおよび所定
   未満のときに前記測定手段でそれぞれ得られる前記半導
   体基板からの第１および第２の赤外光量の差に基づいて
   前記半導体基板の温度を算出する演算手段と、を具備す
   ることを特徴とする半導体基板の温度測定装置。