(57)【要約】【課題】半導体加熱装置において、赤外放射温度計が、半導体加熱装置によって加熱されるウエハの温度をより正確に測定できる温度測定用ウエハ及び温度測定方法を提供する。【解決手段】半導体加熱装置１において、物体から放射される赤外線の強度を測定して温度を測定する赤外放射温度計４０を用いて、炭化珪素からなる基板２０ａと、基板２０ａの表面に形成された反射防止膜２０ｂとからなり、反射防止膜２０ｂは、炭化珪素からなり、反射防止膜２０ｂの表面粗さは、Ｒａ０．８μｍ以上である温度測定用ウエハ２０の温度を測定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体加熱装置において、物体から放射される赤外線の強度を測定して温度を測定する赤外放射温度計を用いて温度が測定される温度測定用ウエハであって、
炭化珪素からなる基板と、
前記基板の表面に形成された反射防止膜とからなり、
前記反射防止膜は、炭化珪素からなり、
前記反射防止膜の表面粗さは、Ｒａ０．８μｍ以上である温度測定用ウエハ。
【請求項２】
半導体加熱装置において、物体から放射される赤外線の強度を測定して温度を測定する赤外放射温度計を用いてウエハの温度を測定する温度測定方法であって、
炭化珪素からなる基板と、前記基板の表面に形成された反射防止膜とからなり、前記反射防止膜は、炭化珪素からなり、前記反射防止膜の表面粗さは、Ｒａ０．８μｍ以上である温度測定用ウエハを、半導体ウエハを載置する試料台に、前記反射防止膜が前記赤外放射温度計に対向するように載置し、
前記赤外放射温度計は、放射率が７０％以上となる波長を測定波長に含む温度測定方法。
【請求項３】
前記赤外放射温度計は、８μｍ以上、１０．４μｍ以下の範囲に含まれる波長を測定に利用する請求項２に記載の温度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体加熱装置における、赤外放射温度計を用いた温度測定に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造装置に求められる性能として、半導体ウエハの全面を均等の温度に加熱できることが挙げられる。半導体ウエハの温度分布を調べるために、半導体ウエハに複数の熱電対が取り付けられた温度測定用ウエハが用いられてきた（例えば、特許文献１）。この温度測定用ウエハでは、所定位置に配置された熱電対で測定した温度から半導体ウエハ全面の温度分布が推測される。このため、熱電対を多くすれば、実際の半導体ウエハの温度分布に近い温度分布が求められる。しかし、熱電対から延びるケーブルの数も増えてしまうため、半導体加熱装置の密閉が困難になったり、ケーブルが半導体加熱装置の内部の温度に与える影響が無視できなくなったりしていた。従って、近年求められている口径の大きい半導体ウエハの温度を精度良く測定することは困難であった。
【０００３】
このような問題を解決するため、物体から放射される赤外線の強度を測定して温度を測定する赤外放射温度計を用いて、半導体ウエハの温度を測定する方法が知られている（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−３３２０７５号公報
【特許文献２】特開２００６−２９４７１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、赤外放射温度計を用いた測定方法にも問題点がある。赤外放射温度計の測定には、４μｍよりも大きい波長が測定波長として用いられる。半導体ウエハの表面は鏡面であるため、赤外放射温度計の測定波長領域において、反射率が高い。反射率が高いと、赤外放射温度計の測定精度は低くなるため、正確な温度が測定できなかった。
【０００６】
半導体ウエハの表面は鏡面であるため、半導体ウエハが、半導体ウエハ以外の場所から放射された赤外線を反射する。その結果、赤外放射温度計は、反射された赤外線の強度まで測定する。加熱された半導体ウエハに比べ、半導体ウエハ以外の場所は温度が低いため、赤外放射温度計には、半導体ウエハの実際の温度よりも低い温度が測定されていた。
【０００７】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、半導体加熱装置において、赤外放射温度計が、半導体加熱装置によって加熱されるウエハの温度をより正確に測定できる温度測定用ウエハ及び温度測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するため、本発明は、次のような特徴を有している。本発明の第１の特徴は、半導体加熱装置（半導体加熱装置１）において、物体から放射される赤外線の強度を測定して温度を測定する赤外放射温度計（赤外放射温度計４０）を用いて温度が測定される温度測定用ウエハ（温度測定用ウエハ２０）であって、炭化珪素からなる基板（基板２０ａ）と、基板の表面に形成された反射防止膜（反射防止膜２０ｂ）とからなり、反射防止膜は、炭化珪素からなり、反射防止膜の表面粗さは、Ｒａ０．８μｍ以上であることを要旨とする。
【０００９】
本発明の第１の特徴によれば、温度測定用ウエハの基板には、表面粗さがＲａ０．８μｍ以上の反射防止膜が形成される。このため、温度測定用ウエハの表面は、反射率が低下する。従って、温度測定用ウエハの表面において、温度測定用ウエハ以外の場所から放射された赤外線の反射が抑制される。赤外放射温度計が温度測定用ウエハから反射した赤外線の強度を測定しないため、温度測定用ウエハの実際の温度よりも低い温度が測定されない。また、温度測定用ウエハの反射率が低い、すなわち、放射率が高いため、赤外放射温度計の測定精度も向上する。これらの結果、温度測定用ウエハの温度をより正確に測定できる。
【００１０】
温度測定用ウエハの基板は、炭化珪素からなる。半導体ウエハとして使用される珪素の熱拡散率は、０．９７ｃｍ２／ｓであり、炭化珪素の熱拡散率は、ほぼ同等の１．０３ｃｍ２／ｓである。従って、温度測定用ウエハは、実際の半導体ウエハと同等に熱拡散するため、温度測定用ウエハは、実際の半導体ウエハと同等の温度分布となる。
【００１１】
本発明の第２の特徴は、半導体加熱装置において、物体から放射される赤外線の強度を測定して温度を測定する赤外放射温度計を用いてウエハの温度を測定する温度測定方法であって、炭化珪素からなる基板と、基板の表面に形成された反射防止膜とからなり、反射防止膜は、炭化珪素からなり、反射防止膜の表面粗さは、Ｒａ０．８μｍ以上である温度測定用ウエハを、半導体ウエハを載置する試料台に、反射防止膜が赤外放射温度計に対向するように載置し、赤外放射温度計は、放射率が７０％以上となる波長を測定波長に含むことを要旨とする。
【００１２】
本発明の第３の特徴は、赤外放射温度計は、８μｍ以上、１０．４μｍ以下の範囲に含まれる波長を測定に利用することを要旨とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、半導体加熱装置において、赤外放射温度計が温度をより正確に測定できる温度測定用ウエハ及び温度測定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】半導体加熱装置１の縦断側面図である。
【図２】本実施形態に係る温度測定方法の工程を説明する図である。
【図３】ウエハの放射率と表面粗さ及び反射防止膜との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明に係る温度測定ウエハ及び温度測定方法の一例について、図面を参照しながら説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。図面は模式的なのものであり、各寸法の比率などは現実のものとは異なることを留意すべきである。従って、具体的な寸法などは以下の説明を参酌して判断すべきものである。図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００１６】
（１）半導体加熱装置１及び温度測定用ウエハ２０の構成
半導体加熱装置１及び本実施形態に係る温度測定用ウエハ２０の構成について、図１を参照しながら説明する。図１は、半導体加熱装置１の縦断側面図である。
【００１７】
図１に示すように、半導体加熱装置１は、チャンバー１０とチャンバー１０の内部にある試料台３０と赤外放射温度計４０とを備える。
【００１８】
チャンバー１０は、チャンバー１０の内部に試料台３０を備えている。図示していないが、チャンバー１０は、真空ポンプを備えており、チャンバー１０の内部を真空にすることができる。チャンバー１０内部の上側であるチャンバー上部１０ａには、赤外線を透過する赤外線透過窓１５が備えられている。赤外線透過窓１５は、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）からなる。半導体製造プロセスにおいて、チャンバー１０の内部において、半導体ウエハの表面に膜を生成したり、半導体ウエハの表面をエッチングしたりする表面処理が行われる。
【００１９】
試料台３０は、ウエハが載置される基体３０aと基体３０aを支持する管状部材３０ｂとを備える。基体３０aは、温度測定用ウエハ２０が載置される載置面３２を有する。基体３０aの内部には、載置面３２を加熱する発熱体３４を備える。管状部材３０ｂは、管状であり、内部に給電部材３６を備える。給電部材３６は、発熱体３４と電気的に接続される。給電部材３６は、発熱体３４に電力を供給する。電力が供給された発熱体３４が発熱することによって、載置面３２が加熱される。
【００２０】
試料台３０は、例えば、ホットプレス法を用いてセラミックスを焼成することにより、得られる。セラミックスには、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、アルミナ、サイアロンが含まれる。発熱体３４には、高融点材料が用いられる。高融点材料として、例えば、タングステン、モリブデン、炭化珪素が挙げられる。給電部材３６には、給電ロッド、給電線（給電ワイヤー）等を用いることができる。
【００２１】
赤外放射温度計４０は、チャンバー１０の外側に備えられる。赤外線透過窓１５と赤外放射温度計４０との間には、広角レンズ４５が備えられている。赤外放射温度計４０は、赤外線透過窓１５を通じて入射してくる温度測定用ウエハ２０の赤外線の強度を測定することにより、温度測定用ウエハ２０の温度を測定する。具体的には、赤外放射温度計４０の内部に備えられた赤外線センサ（不図示）が、赤外線の強度を測定する。測定された赤外線の強度を温度に換算することで温度を表示する。赤外放射温度計４０の測定波長は、４μｍ以上である。
【００２２】
広角レンズ４５には、凸レンズ又は凹レンズが用いられる。広角レンズ４５は、温度測定用ウエハ２０の口径に応じて、適宜変更するのが好ましい。
【００２３】
図１に示すように、温度測定用ウエハ２０は、基板２０ａと反射防止膜２０ｂとからなる。
【００２４】
基板２０ａは、炭化珪素からなる薄板状のウエハである。基板２０ａの大きさ及び厚さは、半導体加熱装置１により実際に加熱される半導体ウエハと同じであることが好ましい。基板２０ａは、例えば、炭化珪素焼結体をウエハ状にスライスすることにより形成される。
【００２５】
反射防止膜２０ｂは、基板２０ａの表面に形成される。反射防止膜２０ｂの表面粗さは、Ｒａ０．８μｍ以上である。これによって、反射防止膜２０ｂの放射率が７０％以上となる。すなわち、反射防止膜２０ｂの反射率が低下するため、温度測定用ウエハ２０以外の場所から放射された赤外線の反射が抑制される。
【００２６】
反射防止膜２０ｂは、例えば、化学気相蒸着法（ＣＶＤ法）を用いて、炭化珪素を基板２０ａの表面に蒸着させることによって、形成される。他には、スパッタリング法によって、反射防止膜２０ｂを形成しても良い。本実施形態では、基板２０ａの片面にのみ反射防止膜２０ｂが形成されているが、基板２０ａの基板の表面を全て覆うように形成しても良い。形成された反射防止膜２０ｂに、例えば、研磨剤を吹き付けるブラスト工程を施すことによって、表面粗さをＲａ０．８μｍ以上とする。
【００２７】
（２）温度測定方法
本実施形態に係る温度測定方法を図１及び図２を参照しながら説明する。図２は、本実施形態に係る温度測定方法の工程を説明する図である。
【００２８】
（２−１）載置工程Ｓ１
載置工程Ｓ１は、温度測定用ウエハ２０を試料台３０に載置する工程である。図１に示すように、温度測定用ウエハ２０をチャンバー１０の内部に入れ、試料台に載置する。反射防止膜２０ｂが赤外放射温度計４０に対向するように、温度測定用ウエハ２０を載置する。
【００２９】
（２−２）加熱工程Ｓ２
加熱工程Ｓ２は、載置された温度測定用ウエハ２０を加熱する工程である。発熱体３４を発熱させ、載置面３２を加熱する。これによって、載置面３２に載置された温度測定用ウエハ２０が加熱される。実際の半導体加熱プロセスにおけるウエハの温度を正確に測定するため、実際の半導体ウエハを製造するプロセスと同様の昇温速度で加熱することが好ましい。
【００３０】
（２−３）温度測定工程Ｓ３
温度測定工程Ｓ３は、加熱された温度測定用ウエハ２０の温度を測定する工程である。温度測定には、４μｍ以上の波長が測定波長である赤外放射温度計４０を用いる。赤外放射温度計４０は、反射防止膜２０ｂの放射率が７０％以上となる波長を持つ赤外線の強度を測定して温度を測定する。
【００３１】
加熱された温度測定用ウエハ２０から放射される赤外線は、赤外線透過窓１５を透過して、赤外放射温度計４０に入射する。赤外放射温度計４０は、入射した赤外線の強度を測定することによって、温度測定用ウエハ２０の温度が測定される。
【００３２】
温度測定用ウエハ２０は、表面粗さがＲａ０．８μｍ以上の反射防止膜２０ｂを備えている。これによって、反射防止膜２０ｂの放射率が７０％以上となる波長を持つ赤外線が放射される。すなわち、反射防止膜２０ｂの反射率が低下するため、温度測定用ウエハ２０以外の場所から放射された赤外線の反射が抑制される。従って、このため、温度測定用ウエハ２０から放射される赤外線のみが、赤外放射温度計４０に入射するため、半導体ウエハの温度をより正確に測定できる。
【００３３】
赤外放射温度計４０に広角レンズ４５が取り付けられると、サーモビューアの測定領域は拡大する。このため、半導体ウエハの口径に関係なく、半導体ウエハの温度を測定できる。
【００３４】
本実施形態に係る温度測定方法では、加熱工程Ｓ２を行った後に、温度測定工程Ｓ３を行っているが、これに限られない。すなわち、加熱工程Ｓ２を行いながら、温度測定工程Ｓ３を行っても良い。これにより、実際の半導体ウエハの温度分布を時系列的に把握できる。
【００３５】
（３）比較評価
（３−１）放射率と表面粗さ及び反射防止膜との関係
本発明に係る反射防止膜の効果を確かめるため、表面粗さの違い及び反射防止膜の有無による放射率を比較した。結果を図３に示す。図３は、ウエハの放射率と表面粗さ及び反射防止膜との関係を示すグラフである。横軸は、ウエハの表面から放射された波長を表している。縦軸は、ウエハの表面の放射率を表している。評価に用いた温度測定用ウエハは、本実施形態を具現化した実施例１のウエハと、比較例１〜４のウエハである。ウエハは、３００ｍｍの直径を持つ円盤状である。基板となるウエハの材料は、炭化珪素焼結体である。
【００３６】
実施例１のウエハは、基板に、表面粗さがＲａ０．８であり、炭化珪素からなる反射防止膜が形成されている。反射防止膜は、ＣＶＤ法によって、形成されている。
【００３７】
比較例１〜４のウエハは、基板のみからなる。すなわち、比較例１〜４のウエハには、反射防止膜は形成されていない。比較例１から４に係る基板の表面粗さは、それぞれＲａ０．０２５、Ｒａ０．２、Ｒａ１．０、Ｒａ１．５である。
【００３８】
図３に示されるように、実施例１のウエハでは、１０．４μｍ以下、１５．０μｍ以上の波長を持つ赤外線の放射率が、７０％以上となっている。一方、比較例のウエハでは、８μｍ以上の波長を持つ赤外線の放射率は、７０％よりも小さい。放射率＋反射率＝１という関係が成り立つため、実施例１のウエハは、比較例１〜４のウエハと比べて、反射率が高いことがわかる。特に、放射される赤外線の波長が８．０μｍ以上、１０．４μｍ以下の範囲における放射率は、約９０％以上となるため、この範囲の波長を持つ赤外線の強度を利用して温度を測定するのが好ましいことがわかる。
【００３９】
（３−２）温度測定
本発明の効果を確かめるために、半導体加熱装置を用いて、同一条件の下、ウエハを加熱し、その温度を測定した。測定結果を表１に示す。
【００４０】
温度測定に用いたウエハは、本実施形態を具現化した実施例２及び比較例２の温度測定用ウエハである。基準として、熱電対が取り付けられた温度測定用ウエハを用いた。熱電対は、ウエハの中心を交点とし、直角に交わる２つの軸に沿って配置されている。ウエハの中心に１個の熱電対を配置し、中心から軸に沿って等間隔（３５ｍｍ間隔）に、熱電対を配置する。中心の熱電対を除いて、軸には８個ずつ熱電対が配置されており、ウエハ全体には、合計１７個の熱電対が配置されている。ウエハの大きさはいずれも３００ｍｍである。
【００４１】
実施例２の温度測定用ウエハは、炭化珪素からなる基板に、表面粗さがＲａ４．０であり、炭化珪素からなる反射防止膜が形成されている。反射防止膜は、ＣＶＤ法によって、形成されている。
【００４２】
比較例２のウエハは、表面粗さがＲａ０．２である炭化珪素からなる基板である。比較例２のウエハには、反射防止膜は形成されていない。
【００４３】
実施例２及び比較例２のウエハは、赤外放射温度計を用いて、ウエハの温度を測定した。赤外放射温度計の測定波長は、８μｍ〜１４μｍである。
【００４４】
【表１】
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【００４５】
表１において、最高温度とは、ウエハにおいて、最も高い温度である。最低温度とは、ウエハにおいて、最も低い温度である。なお、基準の最低温度及び最高温度は、熱電対で測定した温度である。
【００４６】
表１に示されるように、実施例１では、最高温度、最低温度ともに、実際に熱電対で測定した温度との差が、比較例２よりも小さいことが分かる。実施例２のウエハからは、実施例２のウエハから放射された赤外線がサーモビューアにほぼ入射したためと考えられる。一方、比較例２のウエハは、反射率が高いため、チャンバー上部から放射された赤外線が、比較例２のウエハ表面で反射し、サーモビューアに入射したことにより、実施例２と比べ、基準との差が大きくなったと考えられる。
【００４７】
これらの結果、実施例２のウエハの方が、比較例２のウエハと比べ、温度をより正確に測定できることが確認できた。
【００４８】
（４）作用・効果
温度測定用ウエハ２０において、温度測定用ウエハ２０の基板２０ａには、表面粗さがＲａ０．８μｍ以上の反射防止膜２０ｂが形成される。このため、温度測定用ウエハ２０の表面は、反射率が低下する。従って、温度測定用ウエハ２０の表面において、温度測定用ウエハ２０以外の場所から放射された赤外線の反射が抑制される。赤外放射温度計４０が温度測定用ウエハ２０から反射した赤外線の強度を測定しなくなるため、温度測定用ウエハ２０の実際の温度よりも低い温度が測定されない。また、温度測定用ウエハ２０の反射率が低い、すなわち、放射率が高いため、赤外放射温度計４０の測定精度も向上する。これらの結果、温度測定用ウエハ２０の温度をより正確に測定できる。
【００４９】
温度測定用ウエハ２０の基板２０ａは、炭化珪素からなる。半導体ウエハとして使用される珪素の熱拡散率は、０．９７ｃｍ２／ｓであり、炭化珪素の熱拡散率は、ほぼ同等の１．０３ｃｍ２／ｓである。従って、温度測定用ウエハ２０は、実際の半導体ウエハと同等に熱拡散するため、温度測定用ウエハ２０は、実際の半導体ウエハと同等の温度分布となる。従って、半導体ウエハの温度測定に用いることができる。
【００５０】
本実施形態に係る温度測定方法によれば、半導体ウエハを載置する試料台３０の載置面３２に、反射防止膜２０ｂが赤外放射温度計４０に対向するように、温度測定用ウエハ２０を載置する。表面粗さが、Ｒａ０．８μｍ以上の反射防止膜２０ｂによって、放射率７０％以上の波長を有する赤外線が放射される。赤外放射温度計４０は、反射防止膜２０ｂの放射率が７０％以上となる波長を測定波長に含む。このため、測定精度の高いデータが得られる。また、温度測定用ウエハ２０は、反射率が低いため、温度測定用ウエハ２０における赤外線の反射が抑制される。
【００５１】
本実施形態に係る温度測定方法によれば、赤外放射温度計４０は、８μｍ以上、１０．４μｍ以下の範囲に含まれる波長を測定に利用する。８μｍ以上、１０．４μｍ以下の波長を持つ赤外線の放射率は、約９０％以上であるため、測定精度の高いデータが得られる。また、温度測定用ウエハ２０における赤外線の反射が抑制される。
【符号の説明】
【００５２】
１…半導体加熱装置
１０…チャンバー
１０ａ…チャンバー上部
１５…赤外線透過窓
２０…温度測定用ウエハ
２０ａ…基板
２０ｂ…反射防止膜
３０…試料台
３０ａ…基体
３０ｂ…管状部材
３２…載置面
３４…発熱体
３６…給電部材
４０…赤外放射温度計
４５…広角レンズ
Ｓ１…載置工程
Ｓ２…加熱工程
Ｓ３…温度測定工程
【図１】
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【図２】
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【図３】
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