JPWO2005029020A1 - 基板処理装置およびデバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

基板処理装置は、基板を処理する処理炉以外の場所で処理前および処理後の少なくとも一方の基板表面の放射率を測定する放射率測定部材（２１、２２、２３）と、測定結果を保存する記憶部１１とを備えている。

Description

この発明は、基板処理装置およびデバイスの製造方法に関し、特に、半導体装置を製造する際に好適に使用される基板処理装置およびそれを用いたデバイスの製造方法に関するものである。

従来、この種の基板処理装置として、例えば、図１に示すような装置が使用されている。
図１に示すように、この基板処理装置の処理炉１００は、処理室１０１の内部にサセプタ１０３が設置され、サセプタ１０３の上にはウエハ１０２が搭載される。ウエハ１０２は加熱手段１０４によって加熱され、必要に応じて処理室１０１内に所定の反応ガスを流してウエハ１０２の処理を行う。ウエハ１０２の温度は、温度測定用プローブ１０７によって測定されるが、温度測定用プローブ１０７によって測定されたウエハ温度は、放射率測定部１０６に設けられた放射率測定用プローブ１０５によって測定された放射率により補正されて、ウエハ１０２の温度が検出される。

しかしながら、このような従来の基板処理装置では、処理炉内で放射率を測定するため、処理時間が長くなる欠点がある。
また、このような従来の基板処理装置では、ウエハの上部に放射率測定部があることにより、ウエハが局部的に温度低下するため、ウエハ均一性を悪化させる欠点がある。

本発明の主な目的は、基板の処理の短時間化が図れ、基板処理の均一性を向上させることができる基板処理装置およびそれを使用するデバイスの製造方法を提供することにある。

本発明の一態様によれば、
基板を処理する処理炉以外の場所で処理前および処理後の少なくとも一方の基板表面の放射率を測定する放射率測定部材と、測定結果を保存する記憶部とを備えることを特徴とする基板処理装置が提供される。

本発明の他の態様によれば、
基板を処理する処理炉と、
前記処理炉の中に設けられた放射率測定器と、
基板上の膜の膜厚によって放射率が変化する膜を処理する場合に、前記基板処理中に周期的に前記放射率測定器によって前記膜の放射率をモニタし、測定された放射率が目標となる膜厚より予め求めておいた放射率値となったときに、前記膜の処理を停止するように前記放射率測定器および前記処理炉を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする基板処理装置が提供される。

本発明のさらに他の態様によれば、
基板を処理する処理炉以外の場所で処理前および処理後の少なくとも一方の基板表面の放射率を測定する放射率測定部材と、測定結果を保存する記憶部とを備える基板処理装置を用いて前記基板を処理する工程を備えることを特徴とするデバイスの製造方法が提供される。

従来の基板処理装置に使用している処理炉を説明するための概略縦断面図である。 本発明の実施例で使用される放射率測定および温度測定システムを説明するための概略図である。 本発明の実施例の基板処理装置を説明するための概略縦断面図である。 シリコンの放射率と波長との関係を示す図である。 Ｓｉ上のＳｉＯ_２の膜厚と放射率の関係を示す図である。

本発明の好ましい形態によれば、基板を処理する処理炉以外の場所で処理前および処理後の少なくとも一方の基板表面の放射率を測定する放射率測定手段と、測定結果を保存する記憶部とを有することを特徴とする基板処理装置が提供される。

好ましくは、大気搬送室（アラナイ部）、ロードロック室または冷却室に放射率測定手段を備える。そして、さらに好ましくは、放射率測定手段で測定した放射率を自動的に基板処理に反映する。

また、好ましくは、基板処理装置に一つまたは複数のカセットを投入後、自動的に一つまたは複数の基板の放射率を測定し、その結果を全ての基板処理に自動的に反映する。この場合、基本的には、温度補正の初期値に役立てる。

また、好ましくは、全ての基板の放射率を自動的に測定する。

また、好ましくは、大気搬送室（アラナイ部）またはロードロック室または冷却室に放射率測定手段を備え、処理前または処理後または処理前後の基板にて放射率測定手段で放射率を測定し異常（前工程のプロセスを含む）を検出する。処理前の基板にて放射率を測定することにより、例えば、ロードされた基板が、正規または前工程で正常に処理されているかを判別することができ、処理後の基板にて放射率を測定することにより、例えば、規定値との比較により処理状況を調べることができ、また、処理前後の基板にて放射率を測定することにより、例えば、成膜等の基板の処理が正常に行われたか否かを調べることができる。

また、好ましくは、放射温度計にて基板の温度を測定し、処理炉の中または外に放射率測定器を備え、放射率測定器の測定結果により、放射温度計にて測定したウエハ温度を補正するシステムを備え、放射温度計の光フィルタと放射率測定器の光フィルタのフィルタ特性を同じにする。また、好ましくは、放射温度計の光電変換素子と放射率測定器の光電変換素子とを同じにする。

また、好ましくは、基板より放射される光強度（光子密度、光放射量）をもとにして温度を測定する測定器と、その測定器の内部に光の波長を限定する光フィルタであって、光フィルタの中心値が０．５〜１．１μｍで光フィルタの半値幅が０．２μｍ以下である光フィルタと、を備える。

また、好ましくは、基板より放射される光強度（光子密度、光放射量）をもとにして放射率を測定する測定器と、その測定器の内部に光の波長を限定する光フィルタであって、光フィルタの中心値が０．５〜１．１μｍで光フィルタの半値幅が０．２μｍ以下である光フィルタと、を備える。

なお、処理炉の中に放射測定器を備え、処理炉へ基板を搬入してから搬出するまでの間の一部または全てで、一時または周期的に放射率測定器で放射率を測定し、その測定結果より異常を検出することもできる。

また、処理炉の中に放射率測定器を備え、処理炉へウエハを搬入してから搬出するまでの間の一部または全てで、一時または周期的に放射率測定器で放射率を測定し、その測定結果よりプロセス処理終了点を検出することもできる。

本発明の他の好ましい形態によれば、
基板を処理する処理炉と、
前記処理炉の中に設けられた放射率測定器と、
基板上の膜の膜厚によって放射率が変化する膜を処理する場合に、前記基板処理中に周期的に前記放射率測定器によって前記膜の放射率をモニタし、測定された放射率が目標となる膜厚より予め求めておいた放射率値となったときに、前記膜の処理を停止するように前記放射率測定器および前記処理炉を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする基板処理装置が提供される。

本発明のさらに他の好ましい形態によれば、
基板を処理する処理炉以外の場所で処理前および処理後の少なくとも一方の基板表面の放射率を測定する放射率測定部材と、測定結果を保存する記憶部とを備える基板処理装置を用いて前記基板を処理する工程を備えることを特徴とするデバイスの製造方法が提供される。

次に、図面を参照して、本発明の好ましい実施例を説明する。
図４に示されるように、シリコンは０．５〜１．１μｍでは放射率が温度にほとんど依存しない。よって、シリコンの温度測定・放射率測定には、ピーク波長が０．５〜１．１μｍの光フィルタを備える測定器が適している。また、ピーク波長が０．５〜１．１μｍであっても、半値幅が広い光フィルタを使用すると放射率が温度に依存しない領域から外されるため、半値幅は０．２μｍ以下の光フィルタを備える測定器が適している。

次に、図２を参照し、本発明の実施例で使用される放射率測定および温度測定システムを説明する。ウエハ２０から放射率測定用プローブ２１へ入射した光は光ファイバケーブル２２をとおり光子密度検出部２３に入る。光子密度検出部２３にて、レンズ２４を通った後、ピーク波長０．９μｍ半値幅２０ｎｍの光フィルタ２５で０．９μｍ前後以外の波長の光はカットされ、その後、シリコンを検出素子とした光電変換素子２６により電気信号に変換される。その後、電気信号となった光子密度（光強度）は電子回路２７を経て、処理炉主制御部１０に出力される。処理炉主制御部１０にて、その電気信号より放射率を算出し、それを記憶部１１で保存する。

なお、ウエハ２０の放射率の測定は、次のようにして行う。まず、放射率測定用プローブ２１をウエハ２０の真上のリファレンスランプ（図示せず）に向くように回転し、リファレンスランプ（図示せず）を点灯する。そして、放射率測定用プローブ２１はリファレンスランプ（図示せず）からの入射光子密度を測定する。リファレンスランプ（図示せず）が点灯している間、放射率測定用プローブ２１は、その後、回転し、リファレンスランプ（図示せず）真下のウエハ２０に向く。このポジションにおいて、放射率測定用プローブ２１はウエハ２０の反射光子密度を測定する。プランクの法則によれば、特定の表面に放出されたエネルギーは表面温度の四乗に関係する。その比例定数はシュテファン・ボルツマン定数と表面放射率との積から成る。従って、非接触における表面温度の決定時には、表面放射率を使用するのが好ましい。以下の式を用いてウエハ２０の全半球反射率を計算し、引き続きキルヒホフの法則により放射率が得られる。
（１）ウエハ反射率＝反射光強度／入射光強度
（２）放射率＝（１−ウエハ反射率）

また、ウエハ２０から温度測定用プローブ１８へ入射した光は光ファイバケーブル１７をとおり温度検出部１２に入る。温度検出部１２の内部にて、レンズ１３を通った後、ピーク波長０．９μｍ半値幅２０ｎｍの光フィルタ１４で０．９μｍ前後以外の波長の光はカットされ、その後、シリコンを検出素子とした光電変換素子１５により電気信号に変換される。その後、電気信号となった光子密度（光強度）は電子回路内部１６でウエハ温度が算出され、そのウエハ温度が処理炉主制御部１０に出力される。

温度測定用プローブ１８にて算出されたウエハ温度は、放射率測定用プローブ２１にて算出され記憶部１１で保存された放射率により補正されることで、ウエハ温度の検出を可能としている。

また、本発明の実施例で使用される放射率測定および温度測定システムでは、温度検出部１２内部の光フィルタ１４が光子密度検出部２３内部の光フィルタ２５と全く同じであり、温度検出部１２内部の光電変換素子１５が光子密度検出部２３内部の光電変換素子２６と全く同じであることにより、放射率測定用プローブ２１にて算出された放射率の波長帯と温度測定用プローブ１８にて算出されたウエハ温度の波長帯が、正確に同じであるため、放射率により補正されたウエハ温度は正確である。

図３は、本発明の一実施例の基板処理装置１を説明するための概略縦断面図である。この基板処理装置１は、処理炉４１と、処理炉４１に接続された真空搬送室４２と、真空搬送室４２に接続されたロードロック室４４と、真空搬送室４２に設けられ基板としてのウエハ２０を処理炉４１とロードロック室４４との間で搬送する真空ロボット４３と、ロードロック室４４に接続されて設けられた大気搬送室４５と、大気搬送室４５に設けられ大気搬送室４５とカセット４８との間でウエハを搬送する大気ロボット４７と、大気搬送室４５に設けられたアライナ４６と、処理炉主制御部１０と、処理炉主制御部１０に設けられた記憶部１１と、ウエハ２０の搬送を制御し処理炉主制御部１０に接続された搬送系主制御部３４と、ロードロック室４４の上部に設けられた放射率測定部３３と、放射率測定部３３と処理炉主制御部１０との間に接続された光子密度検出部３２と、処理炉４１内のウエハ２０からの放射光によりウエハ２０の温度を検出し処理炉主制御部１０に接続された温度検出部３１とを備えている。

ロードロック室４４の上部の放射率測定部３３に、ウエハ２０の放射率を測定し、その温度を計算するための非接触式の放射率測定用プローブ等の放射率測定手段（図示せず）を備えている。ロードロック室４４の上部にあることで、ロードロック室４４の雰囲気を大気から真空、また、真空から大気へと変更している間に放射率を測定でき、プロセス処理時間を短縮できる。光子密度検出部３２で放射率測定部３３からの測定信号により光子密度（光強度）を検出し、光子密度検出部３２からの信号に基づき処理炉主制御部１０で放射率を算出し、算出された放射率を記憶部１１で記憶する。

処理炉４１は、温度検出部３１に温度検出手段である複数の温度測定用プローブ（図示せず）を備える。これらの温度測定用プローブは処理炉のチャンバ蓋（図示せず）に固定され、すべての処理条件においてウエハ２０のデバイス面から放射される光子密度を常に測定する。温度測定用プローブによって測定された光子密度に基づき温度検出部３１にてウエハ温度に算出され、処理炉主制御部１０にて設定温度と比較される。温度検出部３１にて算出されたウエハ温度は、放射率測定部３３にて測定され、記憶部１１に記憶された放射率により処理炉主制御部１０内で補正されることで、ウエハ温度の検出を可能としている。処理炉主制御部１０は比較の結果、あらゆる偏差を計算し、加熱制御部（図示せず）を介してヒータアッセンブリ（図示せず）内の加熱手段であるランプ（図示せず）の複数のゾーンへの電力供給量をそれぞれ制御する。

ウエハカセット４８投入後、ウエハ２０は一枚づつ、大気搬送室４５→アライナ４６→ロードロック室４４→真空搬送室４２→処理炉４１→真空搬送室４２→ロードロック室４４→大気搬送室４５のルートで処理される。すべてのウエハについて、ロードロック室４４を通過する際、放射率測定部３３に設けた放射率測定手段にて放射率を自動的に測定し、記憶部１１に記憶する。その後、処理炉４１にてウエハ２０を処理する際、温度検出部３１により検出されたウエハ温度を、記憶部１１に記憶された放射率により処理炉主制御部内１０で自動的に補正することで、ウエハ温度を検出する。

なお、放射率測定手段を備える放射率測定部３３は、冷却室（図死せず）上部またはアラナイ４６上部などに設ける場合もある。冷却室の場合は冷却中に、アラナイ部の場合はアライニング中に放射率を測定でき、プロセス処理時間を短縮できる。なお、冷却室は、処理炉４１で処理された基板を冷却するために使用され、真空搬送室４２の側壁に取り付けられ、処理炉４１で処理された基板は冷却室に運ばれ、そこで冷却された後に、ロードロック室４４に運ばれる。

また、放射率によってウエハ温度を補正するには、次のようにしてもよい。
ウエハカセット４８投入後、ウエハ２０は一枚づつ、大気搬送室４５→アライナ４６→ロードロック室４４→真空搬送室４２→処理炉４１→真空搬送室４２→ロードロック室４４→大気搬送室４５のルートで処理される。最初に通過するデバイスウエハ（ダミーウエハを除く）のみ、ロードロック室を通過する際、放射率測定部３３に設けた放射測定手段にて放射率を自動的に測定し、記憶部１１に記憶する。その後、処理炉４１にてその１枚目のデバイスウエハ２０を処理する際、温度検出部３１により検出されたウエハ温度は、その記憶部１１に記憶された放射率により処理炉主制御部内１０で自動的に補正されることで、ウエハ温度の検出を可能としている。２枚目以降のデバイスウエハは、処理炉４１にてウエハ２０を処理する際、最初のデバイスウエハによって求められ記憶部１１に記憶された放射率により処理炉主制御部１０内で自動的に補正することで、ウエハ温度を検出する。

本発明の他の実施例として、図３のようにロードロック室４４に放射率測定部３３がある場合のウエハのモニタについて説明する。ロードロック室４４に処理前のウエハ２０が搬送された際、放射率を測定し“前回の放射率から求めた規定値”と比較して、例えば、０．０１以上異なる場合は、異常と判断しエラーを発生する。

また、アニールなどの放射率が変化しないプロセスでは、ロードロック室４４に処理後のウエハ２０が搬送された際、放射率を測定し“前回の放射率から求めた規定値”と比較して、例えば、０．０１以上異なる場合は、異常と判断しエラーを発生する。

さらに、Ｓｉを酸化するプロセスなどでは、膜厚によって放射率が変化する。図５に、Ｓｉ上のＳｉＯ_２の膜厚と放射率の関係を示す。このように膜厚によって放射率が変化する膜のプロセスでは、ロードロック室４４に処理後のウエハ２０が搬送された際、放射率を測定し推定放射率と比較して、例えば、０．０３以上異なる場合は、異常と判断しエラーを発生する。

次に、処理炉４１に放射率測定部３３がある場合のモニタについて説明する。放射率は、ウエハ表面の膜により異なる値を示す。また、非接触式の放射率測定用プローブ等の放射率測定器では、表１に示されるようにウエハが傾くと間違った放射率を示す。前工程の処理ミスまたはウエハずれにより処理前のウエハの放射率が異常値を示す場合がある。処理炉４１にウエハ２０が搬送された後、処理前に放射率を測定し“前回の放射率などから求めた規定値”と比較して例えば、０．０１以上異なる場合は、異常と判断しエラーを発生する。次の表１は、ウエハの傾き角と測定放射率の関係を示す表である。

また、図４より分かるように、シリコンにおいても０．９μｍ付近では、放射率は温度によって変化しない。ウエハ処理中も放射率を周辺的にモニタし、アニールなどの放射率が変化しないプロセスでは、規定値と比較して、例えば、０．０１以上異なる場合は、異常と判断しエラーを発生する。

Ｓｉを酸化するプロセスなどでは、膜厚によって放射率が変化する。このように膜厚によって放射率が変化する膜のプロセスでは、ウエハ処理中に周期的に放射率をモニタし、その時の推定膜厚を求めた放射率と比較して、例えば、０．０３以上異なる場合は、異常と判断しエラーを発生する。

また、膜厚によって放射率が変化する膜のプロセスでは、ウエハ処理中に周期的に放射率をモニタし、目標となる膜厚より求めた放射率値となったときに、プロセスを停止（ガス停止、温度下降）する。

明細書、特許請求の範囲、図面および要約書を含む２００３年９月２４日提出の日本国特許出願２００３−３３２４８５号の開示内容全体は、そのまま引用してここに組み込まれる。

種々の典型的な実施の形態を示しかつ説明してきたが、本発明はそれらの実施の形態に限定されない。従って、本発明の範囲は、次の請求の範囲によってのみ限定されるものである。

以上説明したように、本発明の好ましい形態によれば、基板の処理の短時間化が図れ、基板処理の均一性を向上させることができる基板処理装置およびそれを使用したデバイスの製造方法が提供される。
その結果、本発明は、半導体ウエハを処理する基板処理装置およびそれを使用した半導体デバイスの製造方法に特に好適に利用できる。

Claims (14)

1. 基板を処理する処理炉以外の場所で処理前および処理後の少なくとも一方の基板表面の放射率を測定する放射率測定部材と、測定結果を保存する記憶部とを備えることを特徴とする基板処理装置。
2. 大気搬送室、ロードロック室および冷却室の少なくともひとつと、制御部とをさらに備え、前記放射率測定部材は前記大気搬送室、前記ロードロック室および前記冷却室の少なくともひとつに備えられ、前記制御部は前記放射率測定部材で測定した放射率を基板処理に反映させることを特徴とする請求項１記載の基板処理装置。
3. 前記基板処理装置に一つまたは複数のカセットを投入後、前記放射率測定部材にて前記一つまたは複数のカセットに収容されている少なくとも一つの基板の放射率を測定し、前記制御部が前記測定結果を前記一つまたは複数のカセットに収容されている全ての基板処理に反映させることを特徴とする請求項１記載の基板処理装置。
4. 処理前または処理後または処理前後の基板の放射率を前記放射率測定部材により測定し、その測定結果に基づき、前記制御部が当該基板に対する処理状況を判断することを特徴とする請求項１記載の基板処理装置。
5. 処理前の基板の放射率を測定し、当該測定結果と規定値とを比較して、当該基板が正規または前工程で正常に処理されているかを判断することを特徴とする請求項４記載の基板処理装置。
6. 前記規定値と０．０１以上放射率が異なる場合、異常と判断することを特徴とする請求項５記載の基板処理装置。
7. 処理後の基板の放射率を測定し、当該測定結果と前記規定値とを比較して、当該処理における処理状況を判断することを特徴とする請求項４記載の基板処理装置。
8. 前記処理がアニール処理であって、前記規定値と０．０１以上放射率が異なる場合、異常と判断することを特徴とする請求項７記載の基板処理装置。
9. 前記処理が基板上に膜を堆積する処理であって、所望の膜厚に対する放射率と、処理後の放射率とを比較して、当該堆積処理が正常に行われたかを判断することを特徴とする請求項７記載の基板処理装置。
10. 処理前後の基板の放射率を測定し、該処理前後の放射率を比較して、当該基板に対して当該処理が正常に行われたか否かを判断することを特徴とする請求項４記載の基板処理装置。
11. 前記処理炉の内部に基板の温度を測定する放射温度計と、前記放射率測定部材の測定結果により、前記放射温度計にて測定した基板温度を補正する制御部とをさらに備え、前記放射温度計の光フィルタと前記放射率測定部材の光フィルタのフィルタ特性を同じとすることを特徴とする請求項１記載の基板処理装置。
12. 前記各光フィルタは、中心値が０．５乃至１．１μｍ、半値幅が０．２μｍ以下であり、取り込む光の波長を限定することを特徴とする請求項１１記載の基板処理装置。
13. 基板を処理する処理炉と、
    前記処理炉の中に設けられた放射率測定器と、
    基板上の膜の膜厚によって放射率が変化する膜を処理する場合に、前記基板処理中に周期的に前記放射率測定器によって前記膜の放射率をモニタし、測定された放射率が目標となる膜厚より予め求めておいた放射率値となったときに、前記膜の処理を停止するように前記放射率測定器および前記処理炉を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする基板処理装置。
14. 基板を処理する処理炉以外の場所で処理前および処理後の少なくとも一方の基板表面の放射率を測定する放射率測定部材と、測定結果を保存する記憶部とを備える基板処理装置を用いて前記基板を処理する工程を備えることを特徴とするデバイスの製造方法。

Images