(57)【要約】【課題】最新世代のウエハ熱処理工程であるSpikeRTA法あるいは次世代ウエハ熱処理工程として開発中であるフラッシュランプアニール（FLA）法では、微細化された半導体を高温で、しかも数十秒から１ミリ秒程度の高速加熱が行われる。この場合に、半導体の表面を温度測定することが可能である半導体表面温度測定方法及びその装置を提供することを課題とする。【解決手段】熱処理装置内で半導体の表層をランプにより高速加熱し、放射温度計を用いて半導体の表層の温度を測定する場合において、熱処理装置に配置した半導体基板の鉛直方向に対して対称位置にある熱処理装置の側壁又は天板に２個の無反射ポートを設け、一方のポートの外側に放射温度計を配置することを特徴とする半導体表面温度測定方法及びその装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱処理装置内で半導体の表層を加熱ランプにより高速加熱し、放射温度計を用いて半導体の表層の温度を測定する場合において、熱処理装置に配置した半導体基板の鉛直方向に対して対称位置にある熱処理装置の側壁又は天板に２個の無反射ポートを設け、一方のポートの外側に放射温度計を配置することを特徴とする半導体表面温度測定方法。
【請求項２】
半導体の表層を、Ｘｅランプ又はハロゲンランプを使用して加熱することを特徴とする請求項１に記載の半導体表面温度測定方法。
【請求項３】
前記２個の無反射ポートのうち、前記放射温度計に対向したポートに参照光源を配置し、そこからの光を半導体表層に照射し、この参照光源から発生し半導体表面で反射した参照光と半導体表面からの熱放射光の和をＰ偏光及びＳ偏光に分けて放射温度計でそれぞれ測定し、参照光源強度を変調した時の出力から黒体放射輝度を演算して、半導体の表層の温度を測定することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体表面温度測定方法。
【請求項４】
前記２個の無反射ポートのうち、前記放射温度計に対向したポートに参照光源を配置し、そこからの光を半導体表層に照射し、この参照光源から発生し半導体表面で反射した参照光と半導体表面からの熱放射光の和を２つの異なる波長に分けて放射温度計でそれぞれ測定するとともに、参照光源に設けた光源モニタにより前記２つの異なる波長における光源輝度比を測定し、参照光源強度を変調した時の出力から黒体放射輝度を演算して、半導体の表層の温度を測定することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体表面温度測定方法。
【請求項５】
熱処理装置内で半導体ウエハの表層を、ランプを使用して高速加熱すると同時又は直後に、放射温度計を用いて測定波長１〜３μｍの範囲で半導体ウエハの加熱面の温度を測定することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体表面温度測定方法。
【請求項６】
半導体に、半導体以外の材料の薄膜を形成するか又は半導体にドーピングを行い、半導体を不透明化して温度を測定することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体表面温度測定方法。
【請求項７】
測定波長として水、水蒸気（Ｈ２Ｏ）又は炭酸ガス（ＣＯ２）の吸収帯を使用すると共に、加熱ランプと半導体基板の間に水、水蒸気又は炭酸ガスの層を導入し、加熱ランプからの放射光を減衰させることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体表面温度測定方法。
【請求項８】
半導体の表層をランプにより高速加熱する熱処理装置内に半導体基板を配置すると共に、この半導体基板の鉛直方向に対して対称位置にある熱処理装置の側壁に２個の無反射ポートを設け、一方のポートの外側に加熱された半導体の表層の温度を測定する放射温度計を配置したことを特徴とする半導体表面温度測定装置。
【請求項９】
半導体の表層の加熱にＸｅランプ又はハロゲンランプを用いることを特徴とする請求項８に記載の半導体表面温度測定装置。
【請求項１０】
前記２個の無反射ポートのうち、前記放射温度計に対向したポートに参照光源を配置し、そこからの光を半導体表層に照射し、この参照光源から発生し半導体表面で反射した参照光と半導体表面からの熱放射光の和をＰ偏光及びＳ偏光に分けて測定する放射温度計を設置して、参照光源強度を変調した時の出力から黒体放射輝度を演算して、半導体の表層の温度を測定することを特徴とする請求項８又は９に記載の半導体表面温度測定装置。
【請求項１１】
前記２個の無反射ポートのうち、前記放射温度計に対向したポートに参照光源を配置し、そこからの光を半導体表層に照射し、この参照光源から発生し半導体表面で反射した参照光と半導体表面からの熱放射光の和を２つの異なる波長に分けて測定する放射温度計を設置して、参照光源に設けた光源モニタにより前記２つの異なる波長における光源輝度比を測定し、参照光源強度を変調した時の出力から黒体放射輝度を演算して、半導体の表層の温度を測定することを特徴とする請求項８又は９に記載の半導体表面温度測定装置。
【請求項１２】
前記放射温度計の測定波長は、１〜３μｍであることを特徴とする請求項８〜１１のいずれか１項に記載の半導体表面温度測定装置。
【請求項１３】
半導体ウエハの表層の加熱用として、半導体と対面する位置にＸｅランプ又はハロゲンランプを配置することを特徴とする請求項８〜１２のいずれか１項に記載の半導体表面温度測定装置。
【請求項１４】
測定波長として水、水蒸気（Ｈ２Ｏ）又は炭酸ガス（ＣＯ２）の吸収帯を使用すると共に、加熱ランプと半導体基板の間に水、水蒸気又は炭酸ガスを導入した層を設け、加熱ランプからの放射光をカットすることを特徴とする請求項８〜１３のいずれか１項に記載の半導体表面温度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体ウエハの加熱表面温度を測定するための半導体表面温度測定方法及び半導体表面温度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＩＣ製造プロセスにおいて、例えばイオン注入プロセスでは、注入されたイオンを活性化するためにアニール等が行われている。線幅の縮小に伴い、ドーパントの拡散などを抑制する必要性が高まり、高温での短時間のアニール等が求められるようになった。このために枚葉処理方式のアニール等技術であるＲＴＰ法（Rapid Thermal Processing）が用いられている。ＲＴＰ法ではウエハを最高１０００°Ｃ程度まで昇温することができ、処理時間は数十秒である。
【０００３】
上記ＲＴＰ法には加熱方式により、次の２タイプがある。
タイプ１：炉あるいはホットプレートでウエハを加熱する方法。高速なウエハ搬送機構による高温チャンバ内への出し入れにより、急速アニールを行う方法である。
タイプ２：熱源のハロゲンランプをｏｎ／ｏｆｆして急速加熱・急速冷却するランプベースの加熱である。この加熱方法は、片面照射と両面照射の両タイプがある。
さらに、ＲＴＰ法を改良したものとして、Ｓｐｉｋｅ ＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）法がある。これは、より浅い接合の形成を目的に、ＲＴＰをさらに高温、短時間化したものである。最高温度は１１００°Ｃ近くに昇温でき、処理時間は約１秒から十数秒である。
【０００４】
次世代ウエハ熱処理工程として開発中であるフラッシュランプアニール法（ＦＬＡ）では、微細化された半導体を高温で、しかも１ミリ秒（１ｍｓｅｃ）程度の短時間でキセノンフラッシュランプにより加熱が行われる。この場合の加熱の最高温度は１３５０°Ｃに達し、加熱拡散長は１００〜５００μｍ程度となる。
このような半導体の熱処理工程では、歩留まりと品質の向上のために、熱処理の状態をモニタする必要がある。このような高温を時間応答良く測定するためには熱電対など接触型の温度計は適用できず、放射温度測定による必要があるものの、加熱源からの強い背景光が大きな測定誤差を生じるほか、測定対象の半導体ウエハの放射率は表面状態や温度により大きく変化することが問題となる。
【０００５】
従来のＲＴＰ法における温度計測技術については、放射率変動、加熱用ヒータ・光源からの背景光対策として、下記の対策が取られている（非特許文献１参照）。
（ヒータ片面加熱の場合）
ウエハが不透明な０.９５μｍ帯を用いウエハ裏面の温度を放射温度計で測定する。放射率はｉｎ‐ｓｉｔｕ反射率測定とｅｘ‐ｓｉｔｕ半球反射率測定を基に推定する。そして、１より半球反射率を差し引くことにより放射率を求めるものである。炉からの背景放射光については別途差し引く。
【０００６】
（ヒータ両面加熱の場合）
温度測定していない（理論計算より推定）。
（ハロゲンランプ片面加熱の場合）
裏面よりサファイヤライトパイプを介して放射測温する。ウエハ裏面に対向して反射板が設けられ、反射板の穴よりウエハ裏面を捉えると、多重反射により実効放射率が１に近づく。
（ハロゲンランプ両面加熱の場合）
リップル法と呼ばれる放射測温法を採用する。プローブはウエハ放射光と、それに重畳したランプ加熱光を捉える。ランプは駆動電流（５０Hz又は６０Hz）により１００Hz又は１２０HzにＡＣ変調されるので信号のＡＣ成分より反射率を求める。これより重畳しているランプ加熱光を差し引くとともにウエハ放射率を推定する。
【０００７】
しかし、上記ＲＴＡ法で使用されている温度測定技術をＳｐｉｋｅ  ＲＴＡ法やＦＬＡ法へ適用しようとする場合には、下記のいくつかの問題があり適用できない。
その一は、表面と裏面で数１００°Ｃの差があり、また裏面はランプ加熱されないので、裏面の温度を測定しても意味がない。
その二は、パルスが短く、リップル法は適用できない。
その三は、表面を放射測温する場合にはランプ光強度が圧倒的に強く、参照光源からの放射光を精度良く捉えられない。
その四は、放射温度計の入射光学系や光学フィルタがランプで加熱され、損傷するという問題がある。
【０００８】
一般的な放射率の影響を排除した放射温度計測方法として、
１）放射率を仮定する方法。
２）多重反射により実効放射率を1にする方法。
３）２波長での放射率比を仮定する方法。（２色温度計)
４）反射率を測定し、反射率＋放射率＝１の関係より放射率を求める方法。
５）２波長での放射率比の値を測定する方法。
がある。
しかし、これらの方式が適用できない理由として、１）の方法はウエハ放射率が温度とともに大きく変動し、放射率や放射率比を仮定できないこと、２）の方法はウエハ表面全体が加熱ランプに対向しているため、多重反射を利用して見かけ上黒体に近づけることができないこと、３）の方法は仮定が厳密には成り立たず大きな誤差を生じること、４）の方法はウエハ表面には微細構造があり、完全な鏡面ではないので反射率の正確な測定は困難であること、５）の方法は放射率比を測定する方式は温度測定の感度及び精度が不十分で使用できないことが挙げられる。
【０００９】
さらに、改良した方式として、次の方法が提案されている。
その一つの例として、亜鉛鍍金鋼板の合金化処理のために、鋼板の温度を測定する技術がある（特許文献１参照）。これは、入射面に平行に偏光するＰ偏光及びこれに垂直に偏光するＳ偏光を等しく含む参照光を被測定面に照射し、その反射光のＰ偏光とＳ偏光の光強度及び被測定面からのＰ偏光とＳ偏光の放射光強度を測定し、参照光源強度を変調し、信号変化より反射率比を演算して、さらにそれより黒体放射強度を推定し、被測定面の温度測定を行う方法である。
しかし、被測定面の温度は数百度程度であり、低温度ではあるが、この技術が実用化に至っていないと考えられる。それは、亜鉛鍍金鋼板の合金化処理の表面が非常に荒れているため、温度測定精度が著しく劣ることが予想されるからである。原理的には有効な手法であると考えられるが、対象物に適していないという問題があった。
【００１０】
上記特許文献１が２偏光での反射率比の測定であるのに対し、２つの異なる波長での反射率比を測定する方式が開示されている（特許文献２参照）。この技術の特長は放射率に影響されないという。また、反射率比測定なので、光源のモニタは２波長輝度比だけでよいということ、さらには、表面粗さの影響は波長依存性が小さいため受けにくいということである。しかし、この技術の大きな問題は、背景光があると、その２波長輝度比は任意なので、大きな誤差を生じるということであり、実用されていない。
いずれの方法でも、特に問題となるのは、高温となるフラッシュ加熱時の背景光の問題である。これは放射温度計の誤差を大きくし、半導体表面温度の正確な測定が困難になるという問題である。
【特許文献１】特開平２−２５４３２８号公報
【特許文献２】特開昭６２−１４００３６号公報
【非特許文献１】Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，３１（２００２），ｐｐ．９８１−９８７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上記の課題と問題点を解決することを目的とし、ウエハ熱処理工程としてSpike RTAあるいは次世代ウエハ熱処理工程としてフラッシュランプアニール（FLA）を使用する場合において、ウエハ放射率変動に影響されずに、ウエハ表面を強力な加熱光源の照射している中で、ウエハ表面の熱放射光を正確に捉えてウエハ熱処理温度を測定する技術を提供することである。
そしてその際に、加熱ランプ光源による温度計光学系が損傷しないようにすることを目的とし、微細化された半導体を高温で、しかも数十秒から１ミリ秒（１ｍｓｅｃ）程度の高速加熱が行われる場合において、半導体の表層を直接温度測定することが可能である半導体表面温度測定及び半導体表面温度測定装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題に鑑み、本願発明者は
１）熱処理装置内で半導体の表層を加熱ランプにより高速加熱し、放射温度計を用いて半導体の表層の温度を測定する場合において、熱処理装置に配置した半導体基板の鉛直方向に対して対称位置にある熱処理装置の側壁に２個の無反射ポートを設け、一方のポートの外側に放射温度計を配置することを特徴とする半導体表面温度測定方法、及び
２）半導体の表層を、Ｘｅランプ又はハロゲンランプを使用して加熱することを特徴とする上記１）に記載の半導体表面温度測定方法を提供する。
これは、半導体表面がほぼ鏡面であることによって、そして装置の対称位置にある側壁からの光が放射温度計に大きく影響を受けることを知見したものであり、この背景光の影響を無視できるか又は著しく減少させて、半導体表層の温度測定の精度を高めるものである。
【００１３】
さらに本願発明は、ウエハ放射率変動に影響されずに、ウエハ表面を強力な加熱光源の照射している中で、ウエハ熱処理温度を正確に測定するための具体的な温度測定手段として、
３）前記２個の無反射ポートのうち、前記放射温度計に対向したポートに参照光源を配置し、そこからの光を半導体表層に照射し、この参照光源から発生し半導体表面で反射した参照光と半導体表面からの熱放射光の和をＰ偏光及びＳ偏光に分けて放射温度計でそれぞれ測定し、参照光源強度を変調した時の出力から黒体放射輝度を演算して、半導体の表層の温度を測定することを特徴とする上記１）又は２）に記載の半導体表面温度測定方法
４）前記２個の無反射ポートのうち、前記放射温度計に対向したポートに参照光源を配置し、そこからの光を半導体表層に照射し、この参照光源から発生し半導体表面で反射した参照光と半導体表面からの熱放射光の和を２つの異なる波長に分けて放射温度計でそれぞれ測定するとともに、参照光源に設けた光源モニタにより前記２つの異なる波長における光源輝度比を測定し、参照光源強度を変調した時の出力から黒体放射輝度を演算して、半導体の表層の温度を測定することを特徴とする上記１）又は２）に記載の半導体表面温度測定方法、を提供する。
【００１４】
さらに、本願発明は、
５）熱処理装置内で半導体ウエハの表層を、ランプを使用して高速加熱すると同時又は直後に、放射温度計を用いて測定波長１〜３μｍの範囲で半導体ウエハの加熱面の温度を測定することを特徴とする上記１）〜４）のいずれかに記載の半導体表面温度測定方法
６）半導体に、半導体以外の材料の薄膜を形成するか又は半導体にドーピングを行い、半導体を不透明化して温度を測定することを特徴とする上記１）〜５）のいずれかに記載の半導体表面温度測定方法
７）測定波長として、水、水蒸気（Ｈ２Ｏ）又は炭酸ガス（ＣＯ２）の吸収帯を使用すると共に、加熱ランプと半導体基板の間に水、水蒸気又は炭酸ガスの層を導入し、加熱ランプからの放射光を減衰させることを特徴とする上記１）〜６）のいずれかに記載の半導体表面温度測定方法を提供する。
【００１５】
また、本願発明は、上記１）〜７）の方法を実現するための装置として、下記の半導体表面温度測定装置を提供する。
８）半導体の表層をランプにより高速加熱する熱処理装置内に半導体基板を配置すると共に、この半導体基板の鉛直方向に対して対称位置にある熱処理装置の側壁に２個の無反射ポートを設け、一方のポートの外側に加熱された半導体の表層の温度を測定する放射温度計を配置したことを特徴とする半導体表面温度測定装置
９）半導体の表層の加熱にＸｅランプ又はハロゲンランプを用いることを特徴とする上記８）に記載の半導体表面温度測定装置
本願装置は、簡便でかつ精度の高い半導体表面温度測定装置を提供することを目的とするものであり、それに適合できる装置である。
【００１６】
さらに、本願発明は、
１０）前記２個の無反射ポートのうち、前記放射温度計に対向したポートに参照光源を配置し、そこからの光を半導体表層に照射し、この参照光源から発生し半導体表面で反射した参照光と半導体表面からの熱放射光の和をＰ偏光及びＳ偏光に分けて測定する放射温度計を設置して、参照光源強度を変調した時の出力から黒体放射輝度を演算して、半導体の表層の温度を測定することを特徴とする上記８）又は９）に記載の半導体表面温度測定装置、及び
１１）前記２個の無反射ポートのうち、前記放射温度計に対向したポートに参照光源を配置し、そこからの光を半導体表層に照射し、この参照光源から発生し半導体表面で反射した参照光と半導体表面からの熱放射光の和を２つの異なる波長に分けて測定する放射温度計を設置して、参照光源に設けた光源モニタにより前記２つの異なる波長における光源輝度比を測定し、参照光源強度を変調した時の出力から黒体放射輝度を演算して、半導体の表層の温度を測定することを特徴とする上記８）又は９）に記載の半導体表面温度測定装置、を提供する。
【００１７】
さらに、本願発明は、
１２）前記放射温度計の測定波長は、１〜３μｍであることを特徴とする上記８）〜１１）のいずれかに記載の半導体表面温度測定装置
１３）半導体ウエハの表層の加熱用として、半導体と対面する位置にＸｅランプ又はハロゲンランプを配置することを特徴とする上記８）〜１２）のいずれかに記載の半導体表面温度測定装置
１４）測定波長として、水、水蒸気（Ｈ２Ｏ）又は炭酸ガス（ＣＯ２）の吸収帯を使用すると共に、加熱ランプと半導体基板の間に水、水蒸気又は炭酸ガスを導入した層を設け、加熱ランプからの放射光をカットすることを特徴とする上記８）〜１３）のいずれかに記載の半導体表面温度測定装置を提供する。
【発明の効果】
【００１８】
半導体の熱処理工程では、歩留まりと品質の向上のために、熱処理の状態をモニタする必要があるが、本発明は、フラッシュランプアニール法（ＦＬＡ）やSpike RTA法を利用した半導体の高温での熱処理において、半導体表層を直接温度計測が可能であるという優れた効果を有する。すなわち、フラッシュランプアニール（ＦＬＡ）では１ｍｓｅｃのパルス光源照射で、Spike RTAでも１秒から十数秒のパルス光源照射で、極表層のみが加熱されるため、微細化された半導体は短時間で熱拡散が生じるが、このような場合でも、背景光に影響されずに正確な温度の測定が可能となるため、半導体にかかる熱影響をモニタすることができるという著しい効果を有する。
これによって、ＦＬＡ法及びSpike RTA法によるアニールプロセスが確立すると共に線幅微細化に対応でき、ＩＣ製造のプロセスが安定して製品歩留りが向上する効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の特徴を、図に沿って具体的に説明する。なお、以下の説明は、本願発明の理解を容易にするためのものであり、これに制限されるものではない。すなわち、本願発明の技術思想に基づく変形、実施態様、他の例は、本願発明に含まれるものである。
【００２０】
図１及び図２に半導体表面温度測定装置の具体例を示す。図１は熱処理装置１の側壁側にポート５、６を設置した場合であり、図２は加熱ランプ４側にポート５、６を設置した場合である。熱処理装置１は、ホットプレート２上に半導体ウエハ３を乗せることができるようになっている。
この半導体ウエハ（半導体基板）３はホットプレート２により必要に応じて加熱することができる（以下、符号３は、必要に応じて「半導体ウエハ」又は「半導体基板」と呼称するが、本明細書においては同義である）。通常、数百度Ｃに加熱される。装置１の内部は、窒素ガスを充填できるようになっている。
【００２１】
半導体の上部、すなわち半導体と対面する位置に加熱ランプ（フラッシュランプ）４が配置される。加熱ランプとしては、ハロゲンランプ又はキセノン（Ｘｅ）ランプを使用することができる。キセノンランプを使用した場合には、Ｘｅランプのスペクトルは可視光が中心なので、そこは避ける必要がある。
図３にＸｅランプの発光スペクトルを示す（出典：A Guide to Flashlamps for Pulsed Solid State Lasers, ILC Technology）。Ｘｅランプは１μｍより長波長では、殆ど発光強度がないため、測定波長は１μｍより長波長とするのが最適である。なお図３において、中央上部から右下方に伸びる曲線は、９５００°Ｋにおける黒体放射曲線である。
【００２２】
図４にハロゲンランプの発光スペクトルを半導体基板の熱放射スペクトルと比較して示す。１μｍ以上ではランプ光が減少するのに対し、半導体基板からの熱放射は増加することから、ハロゲンランプ光源を加熱ランプとして使用した場合でも、１μｍ以上の波長が優位であることが明らかである。
前記加熱ランプ４により半導体ウエハ３の表層を１０００〜１３５０°Ｃに高速加熱する。Ｓｉ半導体は常温では、上記１μｍ以上の波長帯では透明であり、放射測温は出来ないが、８００°Ｃ以上で吸収率が高まるので、半導体ウエハ３が不透明になることを利用することができる。前記半導体加熱用ランプ４は高速加熱ができるものであれば、他のランプでもよい。
【００２３】
熱処理装置１内の側壁又は天板（加熱ランプ４側）に２個のポート５、６を設ける。これらのポート５、６は、加熱ランプ４の発光による背景光の影響を排除する極めて重要なものである。それぞれのポート５、６は、半導体基板の鉛直方向に対して対称位置に設置し、半導体基板の温度測定箇所に向くようにする。ポート５、６としては熱処理装置１の側壁又は天板に穴を設け、その穴の外にはウエハ温度測定箇所に軸を向けた円筒状又は球形状などの空間部を設け、その奥にさらに透明窓８を設ける。
【００２４】
空間部は散乱光を除去するためのもので、バッフルの設置や側壁の黒化処理が有効である。一方のポート５の窓の外側には、放射温度計７を配置する。測定波長は１〜３μｍとするのが良い。この波長はＩｎＧａＡｓ又はＩｎＡｓのフォトダイオードで検出可能な範囲の温度でもある。特に１．１〜１．７μｍが望ましい。そして、この放射温度計７を配置したポート５の放射温度計の測定箇所を軸に対称位置に、他方のポート６を設ける。これらのポート５、６は無反射ポートとなる（以下、必要に応じて「ポート」又は「無反射ポート」と呼称する）。
【００２５】
半導体ウエハ３はほぼ鏡面なので、ただ放射温度計７により半導体ウエハ３を捉えただけでは、放射温度計７の配置箇所の反対側にある熱処理装置１の側壁又は天板が半導体ウエハ３上に写りこむ。
加熱ランプ４が発光されると、熱処理装置１全体が明るくなり、側壁又は天板から強い反射光を放射温度計７が受ける。これは、測定温度を著しく不正確なものとするばかりでなく、放射温度計７内の光学部品の熱による損傷を招く。
したがって、熱処理装置１の側壁又は天板から強い反射光を除去する必要があるが、熱処理装置１は通常ステンレスやアルミなどの容器が使用されるので、反射光は強烈なものとなる。これを無くすために、容器の内壁に光吸収性の高い材料を塗布する手段も考えられるが、この程度では反射光を効果的に減少させることはできない。
【００２６】
このように、加熱ランプ４による高速加熱の際の装置側壁又は天板からの反射を抑制することが必要であるが、熱処理装置１の側壁又は天板に放射温度計７の視野より大きな穴を設け、上記の無反射ポートとすることが有効である。本願発明の無反射ポートはこのような役目を持つものである。
放射温度計７から見た場合、半導体基板には対向するポート６が写りこむ。しかし、このポート６の奥には透明ガラス窓が設けられている。この窓には反射があり得るが、そこに反射像として映るのは半導体ウエハ３で再度反射した放射温度計７の設置されたポート５である。よって、対向するポート双方を無反射ポートとすることにより完全に加熱光源の影響を除去することが可能となる。それぞれのポート５、６は半導体ウエハ３の鉛直方向に対して、７５〜８０度の範囲で可変とすることが望ましい。しかし、これは操作のし易さからの位置決めであり、特にこれに制限されるものではない。
【００２７】
さらに、放射温度計７の加熱ランプ４からの照射光の保護のために、ポート５、６の窓にＳｉ半導体基板９を光学フィルタとして配置することが望ましい。
常温のＳｉ半導体基板９は１μｍ以上では透明である。一方、加熱ランプの強力な発光がある可視光域では不透明であるため、加熱ランプからの照射光に対する放射温度計の保護に有効である。
各ポート５、６の窓サイズについては、放射温度計７の視野サイズより大きければそれほど大きなサイズを必要としない。およそ直径１５〜２５ｍｍ程度のもので充分である。
しかし、これは装置設計と測定の条件によるものであり、この数値内に限定する必要がないことは理解されるべきことである。
【００２８】
また、放射温度計７と対向した無反射ポート６は、熱処理装置１の鉛直方向に対して半導体基板３の測定箇所を中心に測って、約２．５度の角度幅で縦長であることが望ましい。こうすることで被測定対象である半導体基板３が熱膨張により±１．２５度傾斜したとしても放射温度計７の視野内に反射光で明るく光る熱処理装置側壁が入ることがない。これも亦、測定の条件と放射温度計７及び無反射ポート５、６の効果的な位置決めのためである。
温度測定を正確に行うためには、被測定対象物の位置が重要である。これにより、より正確な温度測定を可能とするものである。しかし、これも同様に、装置設計と測定の条件により変更し得るものであり、この数値内に限定する必要がないことは理解されるべきことである。
【００２９】
また、半導体表面温度測定方法として、半導体ウエハ３の表層を加熱ランプ４で高速加熱すると共に、参照光源１２からの光を半導体基板３に照射し、この参照光源１２から発生し半導体基板３で反射した参照光１２と半導体基板３の熱放射光の和を無反射ポート５の外に配置したハーフミラー１０で２つのビームに分け、偏光子１１でＰ偏光及びＳ偏光をそれぞれ２台の放射温度計７で測定し、参照光源１２の強度を変調し、この時の出力変化を演算してＰ偏光、Ｓ偏光の反射率比を求め、さらにそれより黒体放射輝度を推定し、半導体ウエハ３の表層の温度を測定することができる。
すなわち、参照光源１２をＯＦＦにしたときの検出信号は、Ｐ偏光、Ｓ偏光はそれぞれ次の式（数１）で表される。
【００３０】
【数１】
2008235858.tif 000003
【００３１】
ここで、Ｔは半導体基板３の温度、Ｌ（Ｔ）は温度Ｔケルビンの黒体の放射輝度、ep、esはそれぞれ半導体基板３のP偏光、S偏光の放射率である。次に参照光源１２をＯＮにしたときのＰ偏光、Ｓ偏光の検出信号は、それぞれ次の式（数２）で与えられる。
【００３２】
【数２】
2008235858.tif 000004
【００３３】
ここで、Ｌlamp-sourceは参照光源１２の強度、ρｐ、ρｓはそれぞれ半導体基板３のＰ偏光、Ｓ偏光の反射率である。この４つの測定信号から、ε＋ρ＝１の関係を用いて、反射率比Rρを下記式により求めることができる。
【００３４】
【数３】
2008235858.tif 000005
【００３５】
さらに、求められたRρを用いて下記（数４）のように測定信号から黒体放射輝度Ｌ（Ｔ）を求めることができる。
【００３６】
【数４】
2008235858.tif 000006
【００３７】
Ｌ（Ｔ）が求まれば、放射温度計の測定波長は既知であるので、プランクの輻射の式を解いて半導体基板温度Ｔを求めることができる。
このための装置としては、半導体基板の表層を高速加熱する加熱ランプと、半導体表層に温度測定用の参照光を照射する参照光源を備えたポートと、この参照光源から発生した参照光の半導体基板での反射光と半導体基板からの熱放射光の和をＰ偏光及びＳ偏光でそれぞれ測定する測定装置を備えたポートと、この時の出力を演算する装置とを備えていることが望ましい。
【００３８】
また、図２に示す熱処理装置１は、ホットプレート２上に半導体ウエハ３を乗せることができるようになっている。半導体表面温度測定方法として、半導体ウエハ３の表層を加熱ランプ４で高速加熱すると共に、参照光源１２からの光を半導体基板３に照射する。この参照光源１２は例えば波長λ１とλ２の２個の発光ダイオード１４あるいは半導体レーザを使用してもよいし、ハロゲンランプのようなλ１及びλ２をカバーする広い発光帯域を持つランプを一つ使用してもよい。
【００３９】
一方、加熱用光源及び参照光源の波長λ１及びλ２における輝度比をそれぞれモニタ１５によりモニタし、この参照光源１２から発生し半導体基板３で反射した参照光と半導体基板３の熱放射光の和を、ハーフミラー１０で分け、波長フィルタ１３により波長λ１及びλ２を選択し２台の放射温度計７でそれぞれ測定し、参照光源１２の強度をλ１とλ２の輝度比を保ったまま変調し、この時の出力変化を演算してλ１及びλ２の反射率比を求め、さらにそれより黒体放射輝度を推定し、半導体ウエハ３の表層の温度を測定することができる。すなわち、参照光源をＯＦＦにしたときの検出信号は、波長λ１、λ２はそれぞれ次の式（数５）で表される。
【００４０】
【数５】
2008235858.tif 000007
【００４１】
ここで、Ｔは半導体基板３の温度、Ｌ１（Ｔ）、Ｌ２（Ｔ）は温度Ｔケルビンの黒体の波長λ１、λ２における放射輝度、e1、e2はそれぞれ半導体基板３の波長λ１、λ２における放射率である。次に、参照光源１２をＯＮにしたときの波長λ１、λ２における検出信号は、それぞれ次の式（数６）で与えられる。
【００４２】
【数６】
2008235858.tif 000008
【００４３】
ここで、Ｌlamp-source.1，Ｌlamp-source.2は、参照光源１２の波長λ１、λ２におけ
る強度、ρ1、ρ2はそれぞれ半導体基板３の波長λ１、λ２における反射率である。この４つの測定信号から、ε＋ρ＝１の関係を用いて、波長λ１、λ２における反射率比Rρを下記式により求めることができる。
【００４４】
【数７】
2008235858.tif 000009
【００４５】
ここで、Ｒlamp-sourceは、波長λ１、λ２における参照光源輝度比である。さらに、求められたRρを用いて下記（数８）のように測定信号から黒体放射輝度Ｌ１（Ｔ）を求めることができる。
【００４６】
【数８】
2008235858.tif 000010
【００４７】
ここで、ＲＬ（Ｔ）は温度Ｔの黒体放射の波長λ１、λ２における放射輝度比である。
もし、Ｌ１（Ｔ）が求まれば、放射温度計７の測定波長λ１は既知であるので、プランクの輻射の式を解いて半導体基板温度Ｔを求めることができるが、Ｔが式（数８）の両辺に現れるので、解くことはできない。そこで、初期値のＴを右辺に代入しＬ１（Ｔ）を求め、これよりプランクの式を解いてＴを決め、再度右辺にこのＴを代入する、という再帰的な方法で解く。より簡便には、過去の測定結果や経験に基くＴの推定値を右辺に代入してＬ１（Ｔ）を求め、これよりプランクの式を解いてＴを決めても大きな誤差とはならない。
このための装置としては、半導体基板の表層を高速加熱する加熱ランプと、半導体基板の表層に温度測定用の参照光を照射する参照光源を備えたポートと、この参照光源から発生した参照光の半導体基板での反射光と半導体基板からの熱放射光の和を波長λ１、λ２でそれぞれ測定する測定装置を備えたポートと、参照光源の波長λ１、λ２における輝度比をそれぞれ測定するモニタと、参照光源の波長λ１、λ２における輝度比を制御する制御手段と、この時の出力を演算する装置とを備えていることが望ましい。
【００４８】
半導体基板はほぼ鏡面であるため、２つの無反射ポートを設けたことにより加熱ランプからの背景光はほぼ除去できるものの、半導体基板に構造があるなどの理由で散乱や回折が生じる場合には、背景光の影響が除去しきれない。そこでさらに、Ｘｅランプやハロゲンランプなどの加熱ランプからの背景光が放射温度計による温度測定精度に与える影響を考える。
温度Ｔの黒体からの熱放射の波長λにおける分光放射輝度Ｌ（Ｔ）はプランクの式で表されるが、誤差解析にはその近似式であるウィーンの式で十分である。下記式（数９）で、ｃ１、ｃ２は定数である。
【００４９】
【数９】
2008235858.tif 000011
【００５０】
Ｌ（Ｔ）を捉えてＴを求めた場合に一定輝度の背景光ｄＬがもたらす温度誤差ｄＴは下記式（数１０）で与えられる。
【００５１】
【数１０】
2008235858.tif 000012
【００５２】
測定対象の想定される様々なＴで、この測定誤差ｄＴを計算した結果を、図５に示す。
いずれの曲線も１〜３μで誤差ｄＴが最小になることがこれにより明らかである。段落［００２４］でも述べたように、この波長はＩｎＧａＡｓ又はＩｎＡｓの高感度・低ノイズのフォトダイオードで検出可能な波長帯でもある。
【００５３】
さらに、測定波長として水、水蒸気又は炭酸ガスの吸収帯を使用すると共に、加熱ランプと半導体基板の間に水蒸気（Ｈ２Ｏ）又は炭酸ガス（ＣＯ２）の層を導入し、加熱ランプからの背景光を温度計の測定波長に関してカットすることが有効である。具体的には、半導体の表層を加熱するランプハウス内に、水、水蒸気又は炭酸ガスを導入する。これによって、温度測定の精度をさらに向上させることができる。因みに、１．４μｍ（Ｈ２Ｏ）、１．９４μｍ（Ｈ２Ｏ）、２．７０μｍ（ＣＯ２）、２．９５μｍ（Ｈ２Ｏ）が、それぞれ吸収帯である。
なお、水、水蒸気又は炭酸ガスはランプハウス内にとどまらず、別途、ランプハウスの下の被加熱半導体基板との空間に２枚の透明ガラスを置き、その間を満たすことでも構わない。
【００５４】
さらに、半導体に半導体以外の薄膜を形成するか又は半導体にドーピングを行い、半導体を不透明化して８００°Ｃより低温でも温度を測定することができる。この半導体ウエハ上への薄膜の形成又は半導体ウエハへのドーピングは上記のように透過率を無くし、温度測定をより低温から可能にすることができる効果がある。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
半導体の熱処理工程では、歩留まりと品質の向上のために、熱処理の温度をモニタする必要があるが、本発明の半導体表面温度測定方法及び装置は、Spike RTAあるいはフラッシュランプアニール（FLA）を利用した半導体の高温での熱処理において、ウエハ放射率変動に影響されずに、加熱ランプ光源の照射するウエハ表面の温度を強力な加熱光源を照射している中でウエハ熱放射光を正確に捉えてウエハ熱処理温度を測定すること、そしてその際に、加熱ランプ光源による温度計光学系が損傷しないようにすることが可能であるという優れた効果を有する。微細化された半導体は熱拡散が生じる前に短時間で熱処理する必要があるが、このような場合でも、温度の測定が可能となるため、半導体にかかる熱影響を再現性良く制することができ、さらに放射温度計の測定波長を適宜選択することにより、測定誤差を小さくし測定精度を高めることができるので、半導体の熱処理工程における品質向上、歩留まり改善に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本願発明の半導体表面温度測定装置を取り付けた熱処理装置の概略説明図であり、ポートを熱処理装置の側壁側に設けた例である。
【図２】本願発明の半導体表面温度測定装置を取り付けた熱処理装置においてポートを熱処理装置の天板に設け、かつ参照光源を設けた例を示す図である。
【図３】キセノンランプの発光スペクトルを示す図である。
【図４】ハロゲンランプの発光スペクトルを半導体基板の熱放射スペクトルと比較した図である。
【図５】高温加熱温度での波長に対する温度の測定誤差を計算した結果を示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
１：熱処理装置
２：ホットプレート
３：半導体ウエハ（半導体基板）
４：加熱ランプ 
５、６：無反射ポート
７：放射温度計
８：石英ガラス窓
９：Si半導体基板
１０：ハーフミラー
１１：偏光子
１２：参照光源
１３：波長フィルタ
１４：ＬＥＤ光源
１５：参照光源モニタ
【図１】
2008235858.tif 000013
【図２】
2008235858.tif 000014
【図３】
2008235858.tif 000015
【図４】
2008235858.tif 000016
【図５】
2008235858.tif 000017