(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光の検知波長領域が３〜５．４μｍである熱画像装置を使用して、サセプタの上に載せられヒータで加熱された波長が３〜５．４μｍの赤外光に対し不透明なダミーウエハ表面の温度分布を測定し、同じサセプタの上に載せられ同じヒータで加熱された検知波長に対して透明である半導体ウエハ表面の温度分布を、熱画像装置で測定せず、ダミーウエハの温度分布と等しいと推定することを特徴とする半導体ウエハの温度分布測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
半導体ウェハの表面温度分布を、その表面からの熱放射を利用して熱画像として表示することにより熱環境の状況を判断することに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体の結晶等を加熱する際、その結晶である測温体の温度分布測定方法としては、赤外線加熱装置での温度分布（特開昭６２−１６３３２３号公報）や、結晶ダミーを用いた単結晶育成炉内の温度分布（特開平２−８０３９０号公報）の測定等における熱電対を利用する方法が開示されているが、本願は熱電対を使用することのない別の構成である。
【０００３】
一方、炉壁等の高温物体からの放射や、炉内ガスや浮遊微粒子による放射光線の吸収散乱等の影響を除去して、表面温度の測定を可能とするために測温体の表面の放射光強度と、該測温体の近傍に配置され材質及び表面状態を測温体と同じくしたダミー表面からの放射光線強度とを、同時観測可能な放射温度計により熱画像表示器で表示することにより測定し、そして同時観測した上記２つの放射光線強度を等しくするためにダミーの温度制御をおこない、表面温度の間接測定する方法が特開昭５４−１４８５８１号公報に開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ＧａＡｓウエハのような半導体ウェハの表面温度に着目して、その温度分布の直接的測定を熱画像装置で検出する技術は、いままで開示されていない。一方、ＧａＡｓウエハの表面スリップ発生を予測評価し、良好なＧａＡｓウエハを製造することが要望されている。表面スリップ発生は、ＧａＡｓウエハへの引加熱応力によるところが大きいと考えられており、その熱応力を算出するにはＧａＡｓウエハの表面温度分布が必要とされている。
【０００５】
そして、連続的に一画像にて表面温度分布を表示できる熱画像装置（サーモビユアタイプ）が近年開発され、切削加工中における切削工具の温度分布の表示等に使用されている。
【０００６】
ところが、かかる熱画像装置を用いて半導体ウェハの表面温度分布は、連続的に一画像にて表示することが出来なかった。その理由は、熱画像装置の高温での検出波長が３〜５．４μｍであって、この検出波長は大部分の半導体ウェハ（Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ等）を透過してしまうためである。
【０００７】
図８にウェハ熱処理装置の概要を示すが、半導体ウェハ１の面の裏側に位置する高温度のサセプタ３、ヒータ４等を熱画像装置では表示するのみとなり、熱画像装置が表示したものは高温度のサセプタ３、ヒータ４等の温度分布であり、その高温での波長は半導体ウェハを透過しているのである。本発明は、ウェハの表面温度分布の直接的測定を、従来不可能とされていた熱画像装置で行うものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
検知波長領域が３〜５．４μｍである熱画像装置を使用し、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ジルコニア、若しくはグラファイトによるダミーウェハを用いることにより、そのダミーウェハの表面の温度分布測定を行うことを可能とした。すなわち、半導体ウェハでは直接熱画像での測定ができないから、半導体ウェハを前記ダミーウェハに置き換えて測定し、半導体ウェハ表面の温度分布に置換するものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
測温体に触れることなく、測温体表面からの熱（光）放射を利用して、測温体表面温度を測ることは、近年、赤外線に敏感な半導体検出器とテレビ技術などの進歩により、温度分布を一目で検出できる利点を持つものが開発されている。また、出力は電気信号になっているので、ある一定値の点を自動記録すれば、測温体表面の等温線を直ちに知ることが可能になる。
【００１０】
なお、図１に本装置（日本アビオニクス（株）社製ＴＶＳ−２０００ＴＥ）の基本システム構成をブロック図で示す。すなわち、光学器５である赤外線カメラヘッドは非接触の測温体から放射される赤外線エネルギーを受光し、水銀カドミウムテルライド検出器６が電気的性質を検出し、電気信号に変換する。その電気信号を増幅器７で信号処理等を施し、指示計８である内蔵テレビに温度分布像（熱画像）として擬似カラーでリアルタイムに表示する。
【００１１】
熱画像装置で温度測定が可能であるダミーウェハは、熱画像装置での測定にふさわしい波長である波長３〜５．４μｍの光を透過しないものであること、高温で高強度であること、平坦であること等が必要である。半導体ウェハの高温熱処理に相当する温度で、ダミーウェハが割れたり、変質しないような、高温度での強度が必要となる。
【００１２】
すなわち、高温でのダミーウェハが、平坦で、反り、筋の少ないこと、言い換えれば鏡面に近いことがダミーウェハ表面の温度分布を正確に測定ができる要件になる。更に、半導体ウェハ温度をより正確に得るためには、熱伝導率と熱放射率が半導体ウェハに近い材質のダミーウェハを選ぶことが望ましい。
【００１３】
ＧａＡｓの室温での熱伝導率はＳｉＮに近似しており、従って、ＳｉＮはＧａＡｓウェハのダミーとしてふさわしいと考えられる。ただし、熱伝導率も温度により変化するため、室温での熱伝導率の値のみでＳｉＮがＧａＡｓウェハのダミーとしてふさわしいとは一概には言えないのである。
【００１４】
そこで、ＳｉＮによるダミーウェハを用いた熱画像装置による温度分布を測定した結果を図２〜７に示す。ＳｉＮダミーウェハが熱画像を用いた温度分布測定にふさわしいことが判明したので、以下順次説明する。また、ＳｉＮの他に、ＳｉＣ、ジルコニア、若しくはグラファイトも、ダミーウェハにふさわしいことを同様に確認した。なお、ダミーウェハを用いて測定する本願発明での加熱装置は、図８と同じで、半導体ウェハのかわりに、ダミーウェハを用いたものである。
【００１５】
図２、３は、石英のサセプタを使用し、ヒーター温度分布を変化させたときのダミーウェハ温度分布の変化である。すなわち、図２の凸温度分布（ウェハ中央部の温度が高いもの。）と、図３の凹温度分布（ウェハ中央部の温度が低いもの。）の温度条件をヒーター４により設定して、その時の直径４インチのダミーウェハ（ＳｉＮ）の温度分布（Ａ）と、そのときのヒーター温度分布（Ｂ）を比較したものを図２、３に示す。但し、放射率を１．００に設定してあるので、温度の絶対値を求める場合は補正を必要とする。
【００１６】
また、図で本来の色彩が黒であるものをイ、紺をロ、緑をハ、黄をニ、赤をホ（イからホまでの温度差は、約８０℃であると考えられる。）で示し、境界線を付している。各図の欄外には上記イ〜ホについて、図示のための模様（ただし、イは白色の無模様）を示している。色彩の境界が判りにくい場合にも境界線を付している。
【００１７】
前記図２の凸温度分布では、設備に向かって奥側、すなわち図６のヒーター４では上側で、図２（Ａ）でも上側に該当する部分が高温に偏っていることが判った。また、右側（ヒーター４及び図２（Ｂ）でも右側である。）も若干高くなっている。ヒーター４自体の温度分布も同様の分布を示しており、ヒーター発熱の不均一さがダミーウェハ温度分布不均一さの原因となっていることが判った。
【００１８】
前記図３の凹温度分布では、設備に向かって前側と左側、すなわち図３（Ａ）では下側と左側が若干高く偏っていた。ヒーター４発熱の不均一さが図３の温度分布の不均一さの原因であった。（上記の各温度分布の不均一さは、放射温度計による温度の点測定でも確認できた。）このように、熱画像装置でダミーウェハ温度分布を測定できることが確認できた。
【００１９】
図４〜７は、ヒーター４の温度分布を変えてサセプタ３の材質をグラファイトにしたとき（図の中では（Ａ）で示す）、石英にしたとき（図の中では（Ｂ）で示す）、各々のダミーウェハの温度分布の変化を、ヒーター４の温度分布（Ｃ）とともに示す。図４〜７での本来の色彩を図２、３と同様に、イ、ロ、ハ、ニ、ホで示し、境界線を付している。
【００２０】
石英サセプタを用いた場合（図４〜７の（Ｂ））は大きな熱応力（大きな温度差）を印加する必要のあるときに使用し、グラファイトサセプタを用いた場合（図４〜７の（Ａ））はそれほど大きな熱応力は不要であるが、より正確な評価、例えば面内で対称である印加熱応力を評価したい時等に使用している。
【００２１】
石英サセプタは透明であり、直接ダミーウェハをヒーター４からの輻射により加熱することとなり、従って輻射の割合が多くなると考えられる。グラファイトサセプタは不透明であるので、ヒータ−４からの輻射で加熱されたグラファイトが熱伝導でダミーウェハを加熱する効果が大きく、輻射加熱の割合が低いと推測される。すなわち、サセプタ３が石英とグラファイトでは、輻射効果の割合の違いがあると考えられる。
【００２２】
サセプタ３の材質が石英の場合に比べて、グラファイトの場合は、ダミーウェハ温度分布が著しく均一化することが判る。これは、グラファイトは、熱伝導率が大きいためと考えられる。すなわち、石英サセプタの場合には、ダミーウェハ温度分布はヒーターの温度分布を忠実に反映するが、グラファイトサセプタの場合はダミーウェハ温度が均一化され、温度分布を付けにくく、また、温度偏りが緩和されることが確認された。
【００２３】
【発明の効果】
ダミーウェハを用いることにより、半導体ウェハ表面の温度分布をリアルタイムで測定可能となり、半導体ウェハ自体の温調条件の最適化が可能となった。すなわち、温度の昇降時での半導体ウェハ面内の温度分布の時間変化を得ることが出来る。温度の昇降速度の最適化に役立つ。一般に、温度の昇降時での半導体ウェハ面内の温度分布を均一にすることは困難であって、熱処理後に半導体ウェハの特性解析をしているが、温度の昇降時での半導体ウェハ面内の温度分布の時間変化と、熱処理後の半導体ウェハの特性との関係を確立しておけば、熱処理後の半導体ウェハの特性解析を省略して、安定した品質の半導体ウェハを市場に供給できることになる。
【００２４】
又、本発明は半導体ウェハ熱処理時の熱処理環境の条件出しに役立つ。すなわち、サセプタの材質、形状等を設定して最適の熱処理環境条件出しを行っているが、前記温度の昇降速度の最適化と同様にして、半導体ウェハ熱処理時の熱処理環境の条件と、熱処理後の半導体ウェハの特性との関係を確立しておけば、熱処理後の半導体ウェハの特性解析を省略して、安定した品質の半導体ウェハを市場に供給できることになる。
【００２５】
本発明をもとにすれば、熱画像により測定したダミーウェハの温度分布をもとにして、半導体ウェハ自体の温調条件を最適化することが可能となり、半導体ウェハの熱処理制御条件のその場でのコントロールが出来ることとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱画像装置の基本構造を示すシステム図である。
【図２】ヒーター温度分布を凸温度分布とした場合の熱画像の例を示す図である。
【図３】ヒーター温度分布を凹温度分布とした場合の熱画像の例を示す図である。
【図４】サセプタの材質を変えたときの熱画像の例を示す図である。
【図５】サセプタの材質を変えたときの熱画像の例を示す図である。
【図６】サセプタの材質を変えたときの熱画像の例を示す図である。
【図７】サセプタの材質を変えたときの熱画像の例を示す図である。
【図８】半導体ウェハ及びダミーウェハの熱処理装置の図である。
【符号の説明】
１；半導体ウェハあるいはダミーウェハ
２；熱画像装置の光学器５の赤外線カメラヘッド
３；サセプタ
４；ヒーター
５；熱画像装置の光学器
６；熱画像装置の検出器
７；熱画像装置の増幅器
８；熱画像装置の指示計
９；石英窓
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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