(57)【要約】本発明は、少なくとも一つの第１放射源によって加熱している間に、基板、特に半導体ウエハの温度を測定する装置および方法に関する。基板の温度の測定は、基板の温度放射線と第１放射源から基板で反射する放射線の異なった部分とからなる第１および第２放射線を検出することに基づき、そして、少なくとも一つの第１放射源の駆動電力及び／又は放射線強度に基づいている。
2015513094.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの第一放射源（８）によって加熱している間、基板（Ｗ）、特に半導体基板の温度を測定する装置であって、
基板から放射された放射線と少なくとも１つの放射源の放射線であって基板で反射した放射線の第一の部分とが第一放射線検出器に入射するように、少なくとも１つの放射源（８）に面している基板（Ｗ）の第一表面領域に向いている第一放射線検出器（２０）と、
基板から放射された放射線と任意的な少なくとも１つの放射源の放射線であって基板で反射した放射線の第二の部分とが放射線検出器に入射するように、少なくとも１つの放射源に面している基板（Ｗ）の第二表面領域に向いている第二放射線検出器（２１）とを備え、
基板で反射され、各放射線検出器に入射する第一放射源の放射線の第一部分と第二部分は互いに異なっており、第一表面領域と第二表面領域は実質的に同一温度を有している基板領域であり、
第一放射源の駆動電力又は放射線強度と第一及び第二放射線検出器により検出された放射線とによって直接的に基板の温度を測定するように構成されている温度測定ユニットをさらに備えることを特徴とする基板の温度を測定する装置。
【請求項２】
第一放射源の放射線強度を測定するために、少なくとも１つの第一放射源（８）に向いている第三放射線検出器（２５）を備えたことを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
第一表面領域及び第二表面領域は、基板の中心に対して共通円上に実質的に少なくとも円と領域が互いに重なり合って配置されていることを特徴とする請求項１及び２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項４】
第一表面領域及び第二表面領域は、直接的に互いに隣接して配置されるか、又は少なくとも部分的に重なり合っていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
少なくとも１つの放射源の放射線であって基板で反射される放射線の割合に影響を与える少なくとも１つの光学的な要素を備え、少なくとも１つの光学的要素は、好ましくは基板と少なくとも１つの放射線検出器との間に配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
少なくとも１つの光学的要素は、開口及びフィルターの少なくとも１つであることを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項７】
少なくとも１つの光学的要素は各放射線検出器に割り当てられ、基板で反射され、且つ、各放射線検出器に到達する少なくとも１つの放射源の放射線の割合に影響を与えるために、複数の光学的要素は、放射線検出器の視野のための異なった開口角を形成し、及び／又は基板から異なった距離で配置されていることを特徴とする請求項５又は６に記載の装置。
【請求項８】
少なくとも１つの放射源の放射線が基板に当たる前に、放射線検出器の測定波長の範囲内である少なくとも１つの放射源の放射線を除去するために、複数の第一放射源のうち少なくとも１つの放射源と基板との間に配置された少なくとも１つのフィルターを備えていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
少なくとも１つの第一放射源はランプ、特にロッドランプであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
基板、特に半導体ウエハを熱的に処理する方法であって、
少なくとも１つの第一放射源から放射された第一放射線によって基板を加熱し、第一放射源の放射線は基板の第一側に向き、且つ、それによって少なくとも部分的に反射され、
基板の第一側の第一表面領域から来る第一放射線を検出し、検出された第一放射線は第一基板放射線部と第一反射放射線部からなり、第一基板放射線部は基板自身の温度によって基板から放射される放射線からなり、第一反射放射線部は基板で反射される第一放射源の放射線からなり、
基板の第一側の第二表面領域から来る第二放射線を検出し、検出された第二放射線は少なくとも第二基板放射線部と第二反射放射線部からなり、第二基板放射線部は基板自身の温度によって基板から放射される放射線からなり、第二反射放射線部は基板で反射される少なくとも１つの第一放射源の放射線からなり、第一表面領域と第二表面領域は、実質的に基板の同一温度を備えている領域であり、第一反射放射線部と第二反射放射線部は異なっており、
第一及び第二の検出された放射線と、少なくとも１つの第一放射源の駆動電力及び少なくとも１つの放射源の放射線強度の少なくとも１つとに基づいて基板の温度を測定することを特徴とする基板を熱的に処理する方法。
【請求項１１】
第一放射線及び第二放射線は、異なった放射線検出器によって検出されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
基板は、第一側に対して実質的に垂直に延びる軸線の周りに回転され、第一表面領域及び第二表面領域は、基板の中心点に対して回転する共通円上に実質的に位置することを特徴とする請求項１０または１１に記載の方法。
【請求項１３】
第一表面領域及び第二表面領域は、互いに直接的に隣接しているか又は少なくとも部分的に重なっていることを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
第一反射放射線部と第二反射放射線部の少なくとも一方は、基板と反射放射線を検出する放射線検出器との間に位置する少なくとも１つの光学的要素の影響を受けることを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
各検出された反射放射線部に影響を与えるために、少なくとも１つの放射源の放射線が基板に入射する前に、放射線検出器の測定波長の範囲内の放射線は、複数の第一放射源の少なくとも１つの放射源と基板との間の放射線経路においてフィルターをかけて除去されることを特徴とする請求項１０乃至１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
少なくとも１つの放射源から来る放射線強度は、少なくとも１つの第一放射源に向いている放射線検出器を用いて検出され、この検出結果は基板の温度を測定する際に使用されることを特徴とする請求項１０乃至１５のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板、特に半導体基板の温度を測定する装置に関し、また基板、特に半導体基板の熱処理用の装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、基板を熱処理する種々の装置及び方法が知られており、またその熱処理中に基板の温度を測定する装置が知られている。
【０００３】
半導体基板の熱処理の公知の方法は，例えば、タングステンハロゲンランプ等のランプから放射された電磁放射線によって基板を加熱することを含む。熱処理の温度を制御するために基板に向けられた放射線検出器によって、半導体ウエハの温度を測定することが知られている。しかしながら、一般的に、放射線検出器は半導体ウエハから放射された放射線を検出するばかりでなく、半導体ウエハによって反射された放射線又は半導体ウエハを透過した放射線を検出し、この異なる放射線の部分の識別が温度を測定するために必要である。
【０００４】
そのような識別用に、米国特許第５３１８３６２号は、いわゆるリップル技術を開示しており、この米国特許第５３１８３６２号においては周波数がランプの各励起を介してランプ放射線に印加される。最初は、この周波数の印加は、電力のＡＣ周波数を利用することによりなされ、この技術は何度も改良され、異なる周波数が印加された。半導体ウエハの温度変化は周波数印加に比較してかなりゆっくりと起こる。それゆえ、自身の温度によって半導体ウエハから放射された放射線は、ランプ放射線に印加された周波数を含んではいないため、それとは区別されうる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
基板の温度をこの技術で測定するために、まず基板の放射率を測定し、次に温度を測定しなければならない。対象物の放射の程度、すなわち放射率は、対象物の温度又はプロセスの反応に依存する可能性があり、熱処理中に変化する可能性がある。そのような変化は、緩やかであるか又は不規則である可能性があり、その変化は可逆的であるか又は永久的なもので有る可能性がある。特に、変化が極めてゆっくり検出されるか又は全く検出されない場合には、不規則な変化は温度測定の誤差に繋がる可能性がある。安定した基準がない場合には、放射率の測定の校正が難しいことがよくある。また、対象物の放射率は環境に依存する可能性があり、反応器の外と反応器の中とで異なっている可能性がある。
【０００６】
それ故、本発明の目的は、基板の放射率に依存しないで、放射線に基づく温度測定を可能とする基板の熱処理装置及び方法を提供することである。
【０００７】
本発明によれば、この目的は、請求項１に規定された基板の温度を測定する装置および請求項１０に規定された基板の熱処理方法によって達成される。また、本発明の実施形態は、各従属請求項及び次の説明より明確にされる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、少なくとも１つの第一放射源によって加熱している間、基板、特に半導体基板の温度を測定する装置であって、基板から放射された放射線と、少なくとも１つの放射源であって基板で反射された放射線の第一の部分とが第一放射線検出器に入射するように、少なくとも１つの放射源に面している基板の第一表面領域に向いている第一放射線検出器と、基板から放射された放射線と、任意的な少なくとも１つの放射源の放射線であって基板で反射された放射線の第二の部分とが第二放射線検出器に入射するように、少なくとも１つの放射源に面している基板の第二表面領域に向いている第二放射線検出器とを備え、基板で反射され、各放射線検出器に入射する第一放射源の放射線の第一部分と第二部分は互いに異なっており、第一表面領域と第二表面領域は実質的に同一温度を有している基板領域である。更に、第一放射源の電力又は第一放射源の放射線強度及び第一及び第二放射線検出器により検出された放射線によって直接的に基板の温度を測定することが可能である温度測定ユニットを備えている。二つの放射線検出器を用いることにより、基板の放射率を知ること無く、検出された放射線によって基板の温度を直接測定することが可能である。
第一および第二放射線検出器は単一の検出器によって形成可能であり、この単一の検出器には、基板から来る放射線であって基板で反射された放射線の第一部分を有する放射線が供給されるか、または基板から来る放射線であって基板で反射された放射線の第二部分を有する放射線が供給され、第二部分は０または０に近い値であってもよい。
【０００９】
好ましくは、第一放射源の放射線強度を測定するために、少なくとも１つの第一放射源に向いている第三放射線検出器を備えている。
【００１０】
本発明の一実施形態によれば、第一表面領域及び第二表面領域は、基板の中心に対して共通円上に実質的に配置されている。ここで用いられる実質的にという用語は、仮に共通円の領域で少なくとも重なり合っている全ての領域が、円上に中心が無い場合であっても、これら全ての領域を含むことを意味する。これは、表面領域は実質的に同じ温度であるということを反映しているものである。第一表面領域及び第二表面領域を直接的に互いに隣接して配置させるか、又は第一表面領域及び第二表面領域を少なくとも部分的に重なり合わせることによって達成させてもよい。好ましくは、装置は少なくとも１つの放射源の放射線であって、基板で反射される放射線の割合に影響を与える少なくとも１つの光学的要素を備え、少なくとも１つの光学的要素は、例えば、開口及びフィルターの少なくとも１つであってもよい。少なくとも１つの光学的要素は各放射線検出器に割り当てられ、基板で反射され、且つ、各放射線検出器に到達する少なくとも１つの放射源の放射線の割合に影響を与えるために、複数の光学的要素は、放射線検出器の視野のための異なった開口角を形成し、及び／又は基板から異なった位置に配置されてもよい。
【００１１】
装置は、少なくとも１つの放射源の放射線が基板に当たる前に、放射線検出器の測定波長の範囲内である少なくとも１つの放射源の放射線を除去するために、複数の第一放射源のうち少なくとも１つの放射源と基板との間に配置された少なくとも１つのフィルターを備えていてもよい。
【００１２】
一実施形態によれば、少なくとも１つの第一放射源はランプ、特にロッドランプである。
【００１３】
基板、特に半導体ウエハを熱的に処理する本発明の方法は、少なくとも１つの第一放射源から放射された第一放射線によって基板を加熱し、第一放射源の放射線は基板の第一側に向き、且つ、それによって少なくとも部分的に反射される。基板の第一側の第一表面領域から来る第一放射線を検出し、検出された第一放射線は第一基板放射線部と第一反射放射線部からなり、第一基板放射線部は基板自身の温度によって基板から放出される放射線からなり、第一反射放射線部は基板で反射された第一放射源の放射線からなる。
【００１４】
更に、基板の第一側の第二表面領域から来る第二放射線を検出し、検出された第二放射線は少なくとも第二基板放射線部と第二反射放射線部からなり、第二基板放射線部は基板自身の温度によって基板から放出される放射線からなり、第二反射放射線部は基板で反射される少なくとも１つの第一放射源の放射線からなる。第一表面領域と第二表面領域は、実質的に基板の同一温度を備えている領域であり、第一反射放射線部と第二反射放射線部は異なっている。検出された第一及び第二放射線及び少なくとも１つの第一放射源の駆動電力及び／又は同一の放射源の放射線強度に基づいて基板の温度を測定する。このように、基板の放射率を測定することなく上述の測定値を直接用いて、温度測定が可能である。
【００１５】
好ましくは、同時の検出を可能とするために、第一放射線及び第二放射線は、異なった放射線検出器によって検出される。しかしながら、それらは同一の放射線検出器を代わりに使用しても検出できる。
【００１６】
基板を回転させる方法で基板温度の均質化を図るため、基板は、第一側に対して実質的に垂直に延びる軸線の周りに回転され、第一表面領域及び第二表面領域は、基板の中心点に対して回転する共通円上に実質的に位置する。第一表面領域及び第二表面領域は、基板の回転の有無にかかわらず、互いに直接的に隣接しているか又は少なくとも部分的に重なっていてもよい。
【００１７】
一実施形態によれば、第一反射放射線部及び／又は第二反射放射線部は、基板と反射放射線を検出する放射線検出器との間に位置する少なくとも１つの光学的要素の影響を受ける。
【００１８】
一実施形態によれば、各検出された反射放射線部に影響を与えるために、少なくとも１つの放射源の放射線が基板に入射する前に、放射線検出器の測定波長の範囲内の放射線は、複数の第一放射源の少なくとも１つの放射源と基板との間の放射線経路においてフィルターをかけて除去される。
【００１９】
好ましくは、少なくとも１つの放射源から来る放射線強度は、少なくとも１つの第一放射源に向いている放射線検出器を用いて検出され、この検出結果は基板の温度を測定する際に使用される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
本発明は、以下の図面を参照し、より詳細に説明される。
【図１】図１は、半導体ウエハを熱的に処理する装置の模式的側面図である。
【図２】図２は、半導体ウエハの模式的上面図である。
【図３】図３（ａ）から図３（ｃ）は、ランプのバンクに対して基板パイロメーターの異なった配置可能性を示す模式的側面図である。
【図４】図４（ａ）は、ウエハ自身の温度によるパイロメーター信号対ウエハの放射線の予測変化を示す曲線である。図４（ｂ）は、パイロメーター信号対加熱ランプの駆動電力、ウエハにおける反射によってパイロメーターに入射する放出された放射線の予測変化を示している曲線である。
【図５】図５（ａ）及び図５（ｂ）は、パイロメーター信号対ウエハの温度の予想される変化を示す曲線であり、パイロメーターは、ウエハの温度放射線と、ウエハで反射した加熱用ランプの放射線の両方を検出し、加熱用ランプは一定のランプ電力で稼働され、図５（ａ）は５％のランプ電力におけるパイロメーター信号の予想される変化を示し、図５（ｂ）は５０％のランプ電力におけるパイロメーター信号の予想される変化を示す。
【図６】図６は、ランプ電力の機能としてパイロメーターの予測動作温度の曲線を示す。
【図７】図７は、ランプ電力の機能としてのパイロメーターの予測動作温度の異なった曲線を示し、異なった曲線はパイロメーターにおける加熱用ランプの反射された放射線の異なった部分の検出に基づく。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下の説明において使用されている上、下、左及び右等の用語及びこれに類似した表現は、図面について言及しており、それらが好ましい実施形態について言及しているという事実にも拘わらず限定された方法で解釈されるべきものではない。他の表示がされていない場合には、角度及び配置について「実質的に」という用語は、１０％まで、好ましくは５％までの偏差を含むと理解すべきである。他の値について言及している場合に「実質的に」という用語は、他の表示がなされない限り、１０％まで、好ましくは５％までの偏差を含むと理解すべきである。
【００２２】
図１は半導体ウエハＷの熱処理用装置１の模式的側面図である。装置１は、特にプロセスチャンバー３を形成する内部空間を有したハウジング２を備えている。プロセスチャンバー３は上側及び下側が壁要素５及び６で各々区画されており、側面をハウジング２によって区画されている。壁要素５の上方に、ランプチャンバー７がハウジング２内に設けられている。このランプチャンバー７は鏡面を備えていても良く、ランプチャンバー７には種々のランプ８による熱源が設けられても良い。壁要素６の下方には、ランプチャンバー７に類似した別のランプチャンバー９が設けられており、このランプチャンバー９内に種々のランプ１０による熱源が設けられている。
【００２３】
プロセスチャンバー３の側壁は、さらに、プロセスチャンバー３内で発生する電磁放射線の少なくとも一部のためのある種の鏡面効果を有していても良い。また、プロセスチャンバー３の側壁の少なくとも１つは半導体ウエハＷをローディング及びアンローディングするためのプロセスチャンバードア（図示せず）を備えている。さらに、プロセスチャンバー３用のガス入口及びガス出口（図示せず）を設けても良い。
【００２４】
プロセスチャンバー３内には、サポート１３を有した基板ホルダー１２が設けられており、基板ホルダー１２上に半導体ウエハＷが載置される。半導体ウエハの上面に対して実質的に垂直な軸線回りに、基板ホルダー１２上に受け取った半導体ウエハを回転させるために、基板ホルダー１２は回転機構に接続されている。これによって、当該技術分野で公知であるように、半導体ウエハにおける温度差はバランスがとれる。プロセスチャンバー３内には、ＲＴＰシステムの技術分野において公知であるように、半導体ウエハを半径方向に取り囲む補償リングが設けられている。
【００２５】
上側及び下側でプロセスチャンバー３を区画する壁要素５及び６は、各々、水晶から構成され、ランプ８，１０の放射線を実質的に透過可能である。
【００２６】
ランプ８，１０は所謂閃光灯であり、閃光灯は典型的にはフラッシュモードで動作し、またランプ８，１０はタングステンハロゲンランプであり、タングステンハロゲンランプは典型的には連続モードで動作される。ランプは異なった形態でも配置可能であり、上述のタイプのランプを組み合わせることも可能であり、或いは上述のランプと他のタイプのランプとを組み合わせることも可能である。特に、ランプ１０を省略することも可能であり、そして、ランプ８を備えた上部ランプチャンバー７のみを設けることも可能である。また、上部ランプチャンバー７及びランプ８を省略することも可能であり、ランプ１０を備えた下部ランプチャンバー９のみを設けることも可能である。
【００２７】
装置１は、以下において第一基板パイロメーター２０と称する半導体ウエハＷの上側に向いている第一パイロメーターを更に備え、また、以下において第２基板パイロメーター２１と称する半導体ウエハＷの上側に向いている第二パイロメーターも更に備えている。更に、以下においてランプパイロメーター２５と称するランプ８の少なくとも１つに向いている第３パイロメーターが設けられている。半導体ウエハＷを放射線が透過することを考慮に入れるために、任意的に、半導体ウエハＷの背面に向いているパイロメーター、即ちランプ８と反対側の半導体ウエハの側に向いているパイロメーターを設けることも可能である。
【００２８】
第一基板パイロメーター２０と第二パイロメーター２１は、これら第一基板パイロメーター２０と第二パイロメーター２１が同一温度を有した表面領域２０ａ，２１ａに向くように、半導体ウエハＷの上側に向いている。半導体ウエハＷを回転させるとき、第一及び第二表面領域２０ａ，２０ａは、半導体ウエハの中心点に対して回転する共通円上に実質的に位置することが可能である。ここで、「実質的」の用語は回転の方向において表面領域２０ａ，２１ａの少なくとも部分的な重なりを包含すると考えられる。その様な配置は、例えば図２に示される。半導体ウエハＷが表面領域２０ａ，２１ａにおいて同一温度を有することを確保するために、表面領域２０ａ，２１ａは互いに直接的に隣接して配置することも可能であり又は互いに重なり合った形で配置することも可能である。
【００２９】
図１によると、第一基板パイロメーター２０と第二基板パイロメーター２１は、それらが上部ランプチャンバー内に延びており、上方から垂直に半導体ウエハＷ上に向いている、というようなことが示されている。第一及び第二基板パイロメーターをハウジング２の側部に設け、側部から半導体ウエハＷに向くようにすることも可能である。例えば、第一及び第二基板パイロメーター２０，２１は、シールドされた方法でランプチャンバー７及び上部壁５の対応する開口に延びるか又はこれらランプチャンバー及び開口を通って延びる導光部を介して半導体ウエハＷの上側に向いていてもよい。
【００３０】
それ故、第一及び第二基板パイロメーター２０，２１は半導体ウエハＷから来る放射線を検出することが可能である。基板から来るこの放射線は、以下において基板放射線と呼ばれる基板から放射された放射線と、典型的にはランプ８から来る放射線であって、以下において反射放射線と呼ばれる半導体ウエハＷで反射される放射線とを含む。各第一及び第二基板パイロメーター２０，２１で検出された放射線は、基板放射線の部分と反射放射線の部分の組成に関して異なっている。このことは、図３に関して以下で説明される異なった方法で達成されうる。これによって、基板パイロメーター２０，２１の一方で測定される反射放射線の割合がゼロ又は殆どゼロであることが可能である。
【００３１】
図１には、上部ランプチャンバーに延び、且つ、上方から垂直にランプの上部バンクのランプ８の一つに向かっているランプパイロメーター２５が示されている。ハウジングの側部にランプパイロメーター２５を設け、ランプパイロメーター２５を側部からランプ８の一つに向けることも可能である。
【００３２】
図３（ａ）から図３（ｃ）は、半導体ウエハＷ及びランプの上部バンクのランプ８に対して基板パイロメーター２０，２１及びランプパイロメーター２５を配置する異なった実施形態の模式的側面図である。
【００３３】
全ての別の実施形態において、基板パイロメーター２０，２１は、ランプの上部バンクの隣接するランプ８間のすき間を通して半導体ウエハＷの上側に向いている。ここで、基板パイロメーター２０，２１は、それぞれ、ランプ８の直接的な放射線が実質的に検出できないように配置されており、このことは、例えば、基板パイロメーター２０，２１の開口部（アパーチャー）に対応する開口によって達成されうる。異なった実施形態では、基板パイロメーター２０，２１の視野は点線によって表示される。
【００３４】
各別実施形態において、さらに、ランプパイロメーター２５は、ランプパイロメーター２５がランプ８の放射線を検出できるように基板パイロメーター２０に隣接したランプ８に向いており、ランプ８の放射線は反射によって基板パイロメーター２０によっても検出可能である。このことは以下において更に詳細に説明する。
【００３５】
図３（ａ）による実施形態において、基板パイロメーター２０は半導体ウエハＷ上に視野を有しており、この視野は開口角α及び基板パイロメーター２０から半導体ウエハＷまでの距離によって定義される。開口角αは、基板パイロメーターに隣接して配置されたランプ８の１回反射された放射線が基板パイロメーター２０に入射してここで検出されるように、基板パイロメーター２０の位置に対して選択される。
【００３６】
基板パイロメーター２１は半導体ウエハＷ上に視野を有しており、この視野は開口角β及び基板パイロメーター２１から半導体ウエハＷまでの距離によって定義される。開口角βは、ランプ８の放射線が一反射によって基板パイロメーター２１に入射しないように、基板パイロメーター２１の位置に対して選択される。上記別実施形態を説明する際に、ランプ放射線の１回の反射のみが考慮に入れられる。当然のことながら、多重反射を介して（更に）ランプの放射線は各基板パイロメーター２０，２１に入射することが可能である。しかしながら、多重反射を介して基板パイロメーター２０又は２１に入射する放射線に対応する割合は比較的小さいので、以下において、この放射線は無視することが可能である。
【００３７】
上記説明及び図３（ａ）から明らかなように、基板パイロメーター２０，２１は実質的に同一の基板放射線を測定するが、反射放射線の異なった部分を測定する。基板パイロメーター２１では、実質的に反射放射線が測定されないか、又は反射放射線のごく小量のみが測定される。一方、基板パイロメーター２０では、ランプ８の強度によるが、実質的な量が測定可能である。
【００３８】
図３（ｂ）による実施形態では、基板パイロメーター２０，２１は、それぞれ、半導体ウエハＷ上に視野を有し、この視野は同一の開口角βと、基板パイロメーター２０，２１から半導体ウエハＷまでの異なる距離によって定義される。基板パイロメーター２０は、半導体ウエハＷの上面に対して基板パイロメーター２１よりもより大きな距離で離れて配置されている。これによって、図３（ｂ）に示すように、ランプ８の放射線が１回の反射を介して基板パイロメーター２０に入射することが可能であるが、基板パイロメーター２１に関しては、これは可能ではない。これ故、基板パイロメーター２０，２１が同一の基板放射線を測定するが、反射放射線の異なった部分を測定するということが、ここでも可能である。
【００３９】
図３（ｃ）は基板パイロメーター２０，２１を配置する別の実施形態を示す。この別の実施形態では、基板パイロメーター２０，２１は、それぞれ、同一の開口角α及び各基板パイロメーター２０，２１から半導体ウエハまでの同一の距離によって定義される半導体ウエハＷの視野を有している。これ故、反射放射線の同一の量が各基板パイロメーター２０，２１に入射する。しかしながら、基板パイロメーター２１の近くにおいては、ランプ８は、基板パイロメーター２１の測定波長範囲におけるランプ放射線にフィルターをかけて取り除くフィルターエレメントによって囲まれている。これ故、ランプ８の反射放射線は概ね基板パイロメーター２１に入射するが、この放射線は、基板パイロメーター２１の測定波長の範囲外であり、基板パイロメーター２１は基板パイロメーター２０に比較して反射放射線の異なった量を検出する。
【００４０】
操作中、評価回路（図示せず）は、検出された放射線から半導体ウエハＷの温度を直接測定をすることができる基板パイロメーター２０、２１とランプパイロメーターとに接続してもよく、この点は以下、更に詳細に述べられる。更に、半導体ウエハＷの放射率も検出された放射線に基づいて求めることができる。
【００４１】
操作中、半導体ウエハＷはランプ８によって及び任意的にランプ１０によって加熱される。基板パイロメーター２０，２１は半導体ウエハＷから来る放射線を検出し、この放射線は、上述したように、基板放射線と適用可能な場合には反射放射線とを含んでいる。更に、検出された放射線は、透過成分を含んでいる可能性があるが、以下の説明においては考慮に入れていない。ランプパイロメーター２５は少なくとも１つのランプ８のランプ放射線を検出する。ランプ放射線は、基板放射線とは識別可能とするために従来公知のモジュレーションから構成されていても良い。そのようなモジュレーションは温度測定のためには必要で無いが、付加的な情報を提供することができる。
【００４２】
典型的な高温測定は、所定の波長で対象物の熱放射の強度の測定に基づいている。温度Ｔを有した黒体放射体の、半空間全体におけるλとλ＋ｄλ間の波長範囲内の領域ｄＡから放出された熱放射電力Ｐｂｂは下記のプランク式によって与えられる。
【数１】
2015513094.tif 000003
実物体では、放射線は黒体放射体の放射線より少ない。
【数２】
2015513094.tif 000004
ここで、εは対象物の放射率を表し、０＜ε＜１である。この式は波長及び画角に依存し、対象物の温度によって変化することが多い。更に、この式は、反射室内の対象物の放射率が、例えば、自由空間における同一の対象物に比較してより高いというように、環境に依存することがある。
【００４３】
所定の波長における放射線に基づいて対象物の温度測定をするために、典型的には、その波長での対象物の放射率及び対象物への画角を知る必要がある。ある波長での直接の放射率は、ε＝１−ρ−τというキルヒホッフの法則に従って、その波長での直接的な吸収と同一である。ここで、ρは反射率であり、τは透過率である。
【００４４】
上記参照型の装置においては、基板パイロメーター２０は基板放射線及び反射放射線を測定する。ランプ放射線が基板パイロメーターに向かって入射することがなく、多重反射は考慮に入れず、基板パイロメーター２０の測定波長において透過は起こることはないと仮定すると、基板パイロメーター２０の信号Ｓ２０は次のように表すことができる。
【数３】
2015513094.tif 000005
ここで、Ｐｂｂ（Ｔ）はプランクの式に従って、ウエハ温度Ｔに対応する黒体放射であり、εはウエハ表面の放射率であり、Ｌ（Ｐ）は、ランプが所定の電力Ｐで動作するときの、測定波長におけるランプ放射線である。ρはウエハ表面の反射率であり、ａ及びｂは定数であり、これら定数はパイロメーターの視野、チャンバーの幾何的要素及び他のパラメーターに依存する。
【００４５】
透過率がないと、反射率はρ＝１−εであり、パイロメーターの信号は、以下のように表せる。
【数４】
2015513094.tif 000006
上記参照装置において、ランプ８がタングステンハロゲンランプであり、基板パイロメーターが２．３μｍの測定波長を持っていると仮定すると、基板パイロメーターの信号中の基板放射線及び反射放射線の影響は、図４（ａ）及び図４（ｂ）で示すように表すことができる。ここで、図４（ａ）は基板放射線のみ（ランプオフ）の場合のパイロメーター信号対ウエハの温度の変化を示し、図４（ｂ）は純粋な反射放射線（ウエハ温度＝０）の場合のパイロメーターの信号対ランプ電力（％）の変化を示す。図４（ａ）及び図４（ｂ）はともに、半導体ウエハＷの異なった放射率εにおける変化を示している。
【００４６】
図５（ａ）及び図５（ｂ）は、基板放射線及び反射放射線の両方を検出して、パイロメーター信号対ウエハの温度の予想される変化を示す。ここで、図５（ａ）は５％のランプ電力におけるパイロメーター信号の予想される変化を示し、図５（ｂ）は５０％のランプ電力におけるパイロメーター信号の予想される変化を示し、図５（ａ），図５（ｂ）それぞれは半導体ウエハＷのそれぞれ異なった放射率εに対してのものを示している。
【００４７】
図５（ａ）及び図５（ｂ）の曲線の交点から分かるように、各ランプ電力にとって、パイロメーターの信号が半導体ウエハＷの放射率εとは独立であるウエハ温度が存在する。これらの交点は、パイロメーターの動作温度を定義し、温度は以下のように表すことができる。
【数５】
2015513094.tif 000007
この温度で、パイロメーター信号は、
【数６】
2015513094.tif 000008
である。
【００４８】
図６はランプ電力の関数としてパイロメーターの動作温度の曲線を示す。ウエハ温度がこのカーブ及び対応するランプ電力Ｐと交差する場合には、半導体ウエハの放射率εを知らなくても、温度を直接知ることができる。
【００４９】
この分野では、一般的に、ランプ電力Ｐは半導体ウエハＷを一定温度ＴＰに保つ電力ではない。これ故、一方はプロセス操作用のランプ電力、他方は測定用のランプ電力といった異なったランプ電力であるほうが都合がよい。例えば、迅速に、しかし連続的にランプ電力を変化させる測定が可能である。これによって、ランプ電力とパイロメーターの信号が図６による線と一致する点を求めることができ、これによって直接的な温度測定が可能となる。その後、ランプ電力は通常のプロセス操作として再び制御される。そのようなランプ電力の変化が充分な速さで可能である場合には、半導体ウエハの温度に影響を与えることなく、単一の基板パイロメーターのみを用いて直接的な温度測定が可能となる。
【００５０】
好ましくは、上述した基板パイロメーター２０，２１の両方が温度測定のために使用され、測定された反射放射線の異なった量が、以下に説明するように直接的な温度測定を可能とする。
【００５１】
図７は、一定の基板放射線で異なる量の反射放射線のためのパイロメーターの動作温度の異なった曲線（図６に対応）を示す。上側の曲線は通常予想される反射放射線用の動作温度を示す。下側の曲線は係数２、５及び１０による予想される反射放射線の減少に対応している。
【００５２】
基板放射線は一定で反射放射線の異なる量を検出する２つの基板パイロメーターは、各動作温度の異なった曲線上で直接的な温度測定を可能とする。更に、反射放射線の異なる量を公知の方法で含んでいる２つのパイロメーターの信号の加重和は、現在のウエハ温度で作用点を有する仮想のパイロメーターと同じ機能を果たすために使用することができる。
【００５３】
数学的に、基板パイロメーター２０，２１のパイロメーター信号は次のように表すことができる。
【数７】
2015513094.tif 000009
ここで、Ｓ２０は基板パイロメーター２０のパイロメーター信号であり、ａ２０はパイロメーター２０においてウエハ放射線の増幅定数を考慮に入れた定数であり、ｂ２０は基板パイロメーター２０において反射放射線の影響を考慮に入れた定数である。これに対応して、Ｓ２１は基板パイロメーター２１のパイロメーター信号であり、ａ２１は基板パイロメーター２１においてウエハ放射線の増幅定数を考慮に入れた定数であり、ｂ２１は基板パイロメーター２１において反射放射線の影響を考慮に入れた定数である。反射放射線の影響は、公知であるように、基板パイロメーターによって異なる基板放射線および反射放射線の量によって決定される。
【００５４】
上記式を再整理すると、以下の様になる。
【数８】
2015513094.tif 000010
これらの式には、両基板パイロメーターが、ゼロではなく反射放射線の異なった量を含んでいる信号を検出する限りにおいて、常に一つの解答がある。ここで、計算された放射率は、チャンバー内で、且つ、線形モデル内でのみ有効であり、インサイチュ放射率である。
【００５５】
現実には、パイロメーター信号Ｓ２０及びＳ２１は、上記式において示されていないその他の因子によっても影響される。更に、パイロメーターに入射する可能性があるランプ放射線の多重反射は上記式に影響を与えることもできる。更に、ランプ電力と予想されるランプ放射線との間の単純な関係は、ランプ電力が急速に変化するときには必ずしも正確ではない。それ故、ランプ放射線を直接的に測定することが有利であり、ランプパイロメーター２５によって達成可能である。ランプ電力の代わりに、ランプパイロメーターの測定値を上記式に組み入れることも可能である。この測定値は、更に遠い処にあるランプの影響を考慮に入れるためにランプ電力に基づいているモデルによってもサポートされうる。
【００５６】
図６による動作温度の曲線は単純なモデルに基づいており、実際の曲線は図示のものとは異なっている。モデルを拡張するよりも、校正ルーチンによって曲線を求めることが有利である。ここで、異なった放射率を持つ少なくとも二つのウエハによって異なった校正を行うことが必要とされる。校正動作は、一連の異なった一定のランプ電力、又は好ましくはランプパイロメーターによって測定される一定のランプ放射線から成り立つ。
【００５７】
一定のランプ電力又はランプ放射線は、漸近的に平衡温度に近づいてゆくウエハに繋がる。この平衡温度は、高いランプ電力又はランプ放射線用のパイロメーターの動作温度よりも高く、低いランプ電力又はランプ放射線用のパイロメーターの動作温度よりも低い。平衡温度を低いウエハ温度及び高いランプ電力又は強いランプ放射線でスタートした場合、ウエハ温度は図６による曲線と交差する。ランプ電力又はランプ放射線を減少させることによって、ウエハ温度が図６による曲線を下回ることになる。完全な曲線を得るために、温度が異なった位置で何度も曲線と交差するシーケンスを設定することが可能である。このシーケンスが両ウエハ（異なった放射率を有した）によって運用される場合には、動作温度の曲線の実際の位置を決定することが可能である。
【００５８】
両基板パイロメーターが異なった動作温度を有している場合には、この校正は両基板パイロメーターのために行うことが可能である。先に説明したように、ウエハの実際の温度は、動作温度の校正された曲線の一つに殆ど重なることはない。しかしながら、仮想のパイロメーターＳＶは二つのパイロメーターの信号の加重和によって以下のように同じ機能を果たすことができる。
【数９】
2015513094.tif 000011
αの値によって決定される各仮想的なパイロメーターにとっては、動作温度の曲線のそれぞれの校正は、実際のパイロメーターによってなされるように対応する方法で行うことが可能である。このことは、限られた数の仮想的なパイロメーターにとっては有利であると考えられる。実際の温度測定のためには、曲線によってカバーされない温度値は動作温度の曲線の補間によって得ることができる。
【００５９】
本発明は、本発明の好ましい実施形態に関して説明したが、これらの実施形態に本発明を制限することはない。例えば、二個以上の基板パイロメーターを使用することが可能であり、又、例えば、可動の開口部によって、半導体ウエハ上の視野、そして、基板パイロメーターに入射する反射放射線の部分を公知の方法で常に変化させることができるような単一の基板パイロメーターを使用することが可能である。これによって、反射放射線の異なった部分を有した二つのパイロメーターがシミュレーションされる。また、一方のパイロメーターが基板表面上のランプの反射イメージを観察し、他方のパイロメーターがそれを観察しないように、異なった位置から基板の同一領域に向いている二つのパイロメーターを設けることが可能である。このことは、３次元においても基板表面への同一の開口角及び同一の入射角で達成することができる。この場合、基板の二つの表面領域は、回転しなくとも、表面領域の両方が同一の温度を有し且つ同一の放射率を有するということを確保するように、正確に同一とすることができる。パイロメーターを配置する更に別の実施形態では、パイロメーターの一つはチューブを介して基板に向けることも可能であり、このチューブは少なくとも部分的に反射可能にしてもよく、チューブは基板表面の近くの位置まで延びている。パイロメーターの適切な（小さな）開口角で、パイロメーターを光学的に基板のより近くに移動させる。例えば、放射線の共通円上に配置されたチューブを有した一つのパイロメーターとチューブを有さない一つのパイロメーターは、反射放射線の異なった部分の所要の組み合わせを形成する。これらの実施形態は以下のクレームによって明確にカバーされる。
【００６０】
個々の実施形態の特徴は、特徴が両立できる限りにおいて、他の実施形態の特徴と自由に組み合わせすることが可能であり、また他の実施形態の特徴と交換することも可能である。特に、異なった開口角を持ち、ウエハ及び／又はフィルターに対して異なった距離を持った複数の基板パイロメーターを配置する別の実施形態を組み合わせるように装置を形成することも可能である。
【図１】
2015513094.tif 000012
【図２】
2015513094.tif 000013
【図３】
2015513094.tif 000014
【図４】
2015513094.tif 000015
【図５】
2015513094.tif 000016
【図６】
2015513094.tif 000017
【図７】
2015513094.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成26年11月21日(2014.11.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの第一放射源（８）によって加熱している間、基板（Ｗ）、特に半導体基板の温度を測定する装置であって、
基板から放射された放射線と少なくとも１つの放射源の放射線であって基板で反射した放射線の第一の部分とが第一放射線検出器に入射するように、少なくとも１つの放射源（８）に面している基板（Ｗ）の第一表面領域に向いている第一放射線検出器（２０）と、
基板から放射された放射線と任意的な少なくとも１つの放射源の放射線であって基板で反射した放射線の第二の部分とが放射線検出器に入射するように、少なくとも１つの放射源に面している基板（Ｗ）の第二表面領域に向いている第二放射線検出器（２１）とを備え、
基板で反射され、各放射線検出器に入射する第一放射源の放射線の第一部分と第二部分は互いに異なっており、第一表面領域と第二表面領域は実質的に同一温度を有している基板領域であり、
第一及び第二放射線検出器により検出された放射線と、第一放射源の駆動電力及び第一放射源の放射線強度のうち少なくとも一つによって、直接的に基板の温度を測定するように構成されている温度測定ユニットをさらに備えることを特徴とする基板の温度を測定する装置。
【請求項２】
第一放射源の放射線強度を測定するために、少なくとも１つの第一放射源（８）に向いている第三放射線検出器（２５）を備えたことを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
第一表面領域及び第二表面領域は、基板の中心に対して共通円上に配置されていることを特徴とする請求項１及び２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項４】
第一表面領域及び第二表面領域は、直接的に互いに隣接して配置されるか、又は少なくとも部分的に重なり合っていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
少なくとも１つの放射源の放射線であって基板で反射される放射線の割合に影響を与える少なくとも１つの光学的な要素を備え、少なくとも１つの光学的要素は、好ましくは基板と少なくとも１つの放射線検出器との間に配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
少なくとも１つの光学的要素は、開口及びフィルターの少なくとも１つであることを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項７】
少なくとも１つの光学的要素は各放射線検出器に割り当てられ、基板で反射され、且つ、各放射線検出器に到達する少なくとも１つの放射源の放射線の割合に影響を与えるために、複数の光学的要素は、放射線検出器の視野のための異なった開口角を形成し、及び／又は基板から異なった距離で配置されていることを特徴とする請求項５又は６に記載の装置。
【請求項８】
少なくとも１つの放射源の放射線が基板に当たる前に、放射線検出器の測定波長の範囲内である少なくとも１つの放射源の放射線を除去するために、複数の第一放射源のうち少なくとも１つの放射源と基板との間に配置された少なくとも１つのフィルターを備えていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
少なくとも１つの第一放射源はランプ、特にロッドランプであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
基板、特に半導体ウエハを熱的に処理する方法であって、
少なくとも１つの第一放射源から放射された第一放射線によって基板を加熱し、第一放射源の放射線は基板の第一側に向き、且つ、それによって少なくとも部分的に反射され、
基板の第一側の第一表面領域から来る第一放射線を検出し、検出された第一放射線は第一基板放射線部と第一反射放射線部からなり、第一基板放射線部は基板自身の温度によって基板から放射される放射線からなり、第一反射放射線部は基板で反射される第一放射源の放射線からなり、
基板の第一側の第二表面領域から来る第二放射線を検出し、検出された第二放射線は少なくとも第二基板放射線部と第二反射放射線部からなり、第二基板放射線部は基板自身の温度によって基板から放射される放射線からなり、第二反射放射線部は基板で反射される少なくとも１つの第一放射源の放射線からなり、第一表面領域と第二表面領域は、実質的に基板の同一温度を備えている領域であり、第一反射放射線部と第二反射放射線部は異なっており、
第一及び第二の検出された放射線と、少なくとも１つの第一放射源の駆動電力及び少なくとも１つの放射源の放射線強度の少なくとも１つとに基づいて基板の温度を測定することを特徴とする基板を熱的に処理する方法。
【請求項１１】
第一放射線及び第二放射線は、異なった放射線検出器によって検出されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
基板は、第一側に対して実質的に垂直に延びる軸線の周りに回転され、第一表面領域及び第二表面領域は、基板の中心点に対して回転する共通円上に実質的に位置することを特徴とする請求項１０または１１に記載の方法。
【請求項１３】
第一表面領域及び第二表面領域は、互いに直接的に隣接しているか又は少なくとも部分的に重なっていることを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
第一反射放射線部と第二反射放射線部の少なくとも一方は、基板と反射放射線を検出する放射線検出器との間に位置する少なくとも１つの光学的要素の影響を受けることを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
各検出された反射放射線部に影響を与えるために、少なくとも１つの放射源の放射線が基板に入射する前に、放射線検出器の測定波長の範囲内の放射線は、複数の第一放射源の少なくとも１つの放射源と基板との間の放射線経路においてフィルターをかけて除去されることを特徴とする請求項１０乃至１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
少なくとも１つの放射源から来る放射線強度は、少なくとも１つの第一放射源に向いている放射線検出器を用いて検出され、この検出結果は基板の温度を測定する際に使用されることを特徴とする請求項１０乃至１５のいずれか１項に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
本発明によれば、少なくとも１つの第一放射源によって加熱している間、基板、特に半導体基板の温度を測定する装置であって、基板から放射された放射線と、少なくとも１つの放射源であって基板で反射された放射線の第一の部分とが第一放射線検出器に入射するように、少なくとも１つの放射源に面している基板の第一表面領域に向いている第一放射線検出器と、基板から放射された放射線と、任意的な少なくとも１つの放射源の放射線であって基板で反射された放射線の第二の部分とが第二放射線検出器に入射するように、少なくとも１つの放射源に面している基板の第二表面領域に向いている第二放射線検出器とを備え、基板で反射され、各放射線検出器に入射する第一放射源の放射線の第一部分と第二部分は互いに異なっており、第一表面領域と第二表面領域は実質的に同一温度を有している基板領域である。更に、第一及び第二放射線検出器により検出された放射線と、第一放射源の駆動電力及び第一放射源の放射線強度のうち少なくとも一つによって、直接的に基板の温度を測定することが可能である温度測定ユニットを備えている。二つの放射線検出器を用いることにより、基板の放射率を知ること無く、検出された放射線によって基板の温度を直接測定することが可能である。
第一および第二放射線検出器は単一の検出器によって形成可能であり、この単一の検出器には、基板から来る放射線であって基板で反射された放射線の第一部分を有する放射線が供給されるか、または基板から来る放射線であって基板で反射された放射線の第二部分を有する放射線が供給され、第二部分は０または０に近い値であってもよい。
【国際調査報告】
2015513094.tif 000019
2015513094.tif 000020
2015513094.tif 000021
2015513094.tif 000022