(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともＳｉ層と、このＳｉ層と界面を形成するＳｉＯ2 層とを有する基板からの熱輻射の放射量を測定し、この測定量に基づいて、前記基板の温度を算出する放射温度測定方法において、
前記Ｓｉ 層を透過し、前記ＳｉＯ2 層で反射される波長の光の放射量を前記Ｓｉ 層側から測定し、前記基板の温度を算出することを特徴とする放射温度測定方法。
【請求項２】
前記Ｓｉ 層側から、前記Ｓｉ 層を透過し、前記ＳｉＯ2 層で反射される波長の光を照射し、前記ＳｉＯ2 層からの反射光を測定して、前記Ｓｉ 層と前記ＳｉＯ2 層の界面の反射率を求めて、この反射率から放射率を算出することを特徴とする請求項１記載の放射温度測定方法。
【請求項３】
前記基板が半導体ウエハであることを特徴とする請求項１又は２記載の放射温度測定方法。
【請求項４】
前記半導体ウエハが、ＳＯＩウエハであることを特徴とする請求項３記載の放射温度測定方法。
【請求項５】
前記半導体ウエハの半導体素子が形成される表面とは反対側の裏面側から放射量を測定することを特徴とする請求項３記載の放射温度測定方法。
【請求項６】
前記波長が、４μｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の放射温度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造プロセスにおける半導体ウエハ（以下、半導体ウエハを単に「ウエハ」という。）あるいはＬＣＤ基板等の基板の温度測定方法に係り、特に基板からの放射量を測定してその温度を算出する放射温度測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置やＬＣＤの製造プロセスにおいては、回路パターンの高集積化に伴って微細加工が必要とされるようになりつつあり、各種の処理、例えば、エッチング処理や薄膜形成処理において、その処理精度を向上させることが要求されている。
【０００３】
また、エッチング処理や薄膜形成処理においては、処理速度等の処理状態が、基板の温度によって変化するので、高精度な処理を行うためには、基板の温度を正確に測定する必要がある。
【０００４】
このような基板の温度測定方法の一つとして、従来から、放射温度計を使用した放射温度測定方法が知られている。この放射温度測定方法では、基板から放射される所定波長の光の強度を測定し、この測定結果と基板の放射率に基づいて温度を算出するものであり、非接触で、離れた場所から温度を測定できるという利点がある。
【０００５】
上記の放射温度測定方法で、ウエハ等の温度を測定する場合、ウエハの表面には、種々の薄膜が多層に形成され、薄膜内で光の干渉等が起こるため、ウエハの裏面側からの光の強度を測定する放射温度測定方法が、例えば特開平１０−３２１５３９号公報に開示されている。この方法では、シリコンウエハの裏面側を滑らかにし、ここから放射される波長０．１〜１μｍの光を測定して、温度を測定している。
【０００６】
なお、シリコンウエハの温度測定において、上記０．１〜１μｍの波長の光を用いているのは、波長０．１〜１μｍにおいて、シリコンの透過率が０となり、反射率＋放射率＝１の関係が成り立つからである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したとおり、従来の放射温度測定方法では、例えば、シリコンウエハの温度を測定する場合、シリコンウエハの裏面側から放射される波長０．１〜１μｍの光を測定して、温度を測定している。
【０００８】
しかしながら、例えば、半導体装置の製造プロセスにおいて、化学気相成長法（ＣＶＤ）等によりウエハの表面に薄膜を形成した場合に、ウエハ表面に薄膜が形成されるとともに、ウエハ裏面にも薄膜が多少形成されてしまうことがある。また、ウエハが各処理工程を搬送される間に、ウエハ裏面が汚れたり傷が付くなどして、その表面粗さが変化することもある。
【０００９】
このため、たとえウエハの裏面側であっても、その表面の状態が各処理工程を経る毎に変化し、その変化もウエハ毎に一定でないため、その放射率が変動し、安定して精度良い温度測定を行うことができないという問題があった。
【００１０】
本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたもので、従来に比べてより精度良くかつ安定に基板の温度を測定することのできる放射温度測定方法を提供しようとするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、少なくともＳｉ層と、このＳｉ層と界面を形成するＳｉＯ2 層とを有する基板からの熱輻射の放射量を測定し、この測定量に基づいて、前記基板の温度を算出する放射温度測定方法において、
前記Ｓｉ 層を透過し、前記ＳｉＯ2 層で反射される波長の光の放射量を前記Ｓｉ 層側から測定し、前記基板の温度を算出することを特徴とする。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１記載の放射温度測定方法において、前記Ｓｉ 層側から、前記Ｓｉ 層を透過し、前記ＳｉＯ2 層で反射される波長の光を照射し、前記ＳｉＯ2 層からの反射光を測定して、前記Ｓｉ 層と前記ＳｉＯ2 層の界面の反射率を求めて、この反射率から放射率を算出することを特徴とする。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項１又は２記載の放射温度測定方法において、前記基板が半導体ウエハであることを特徴とする。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項３記載の放射温度測定方法において、前記半導体ウエハが、ＳＯＩウエハであることを特徴とする。
【００１５】
請求項５の発明は、請求項３記載の放射温度測定方法において、前記半導体ウエハの半導体素子が形成される表面とは反対側の裏面側から放射量を測定することを特徴とする。
【００１８】
請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれか１項記載の放射温度測定方法において、前記波長が、４μｍ以上であることを特徴とする。
【００１９】
本発明によれば、基板裏面に薄膜が形成されたり汚れるなどして、その状態が変化した場合でも、基板内部の安定した界面を使用することによって、精度良くかつ安定に基板の温度を測定することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図１を参照して、本発明の放射温度測定方法をＳＯＩウエハの温度測定に適用した実施の形態について説明する。
【００２１】
図１に示すように、ＳＯＩ（シリコン  オン  インシュレータ）ウエハであるウエハＷは、最下層であるＳｉ層１０と、このＳｉ層１０の上層であるＳｉＯ2 層１１と、このＳｉＯ2 層１１の上層であるＳｉ層１２との３層構造となるように構成されている。
【００２２】
そして、本実施の形態においては、第１の層としてのＳｉ層１０を透過し、第２の層としてのＳｉＯ2 層１１（Ｓｉ層１０とＳｉＯ2 層１１との界面）で反射される波長の光を用いて、ウエハＷの裏面側（Ｓｉ層１０側）から、ウエハＷの温度Ｔを測定する。
【００２３】
図２は、光の波長（横軸）とＳｉおよびＳｉＯ2 の透過率（縦軸）との関係を表すグラフである。同図に点線で示されるように波長が約１μｍ以下の場合、Ｓｉの透過率は、ほぼ零であるので、Ｓｉを透過する光を選択するためには、波長が約１μｍより長い光を選択する必要がある。
【００２４】
また、同図に実線で示されるようにＳｉＯ2 の透過率は、波長が約０．２μｍから約４μｍの間で高くなっているので、ＳｉＯ2 を透過せず、ＳｉＯ2 の表面で反射する光を選択するためには、波長が、約０．２μｍ以下または約４μｍ以上の光を選択する必要がある。
【００２５】
したがって、Ｓｉ層１０を透過し、ＳｉＯ2 層１１（Ｓｉ層１０とＳｉＯ2 層１１との界面）で反射される波長の光としては、波長が約４μｍ以上の光を用いる必要がある。
【００２６】
なお、他の物質からなる層、例えばＳｉＯＮ層、ＳｉＮ層、ＴｉＳｉ層、ドーピング層を、第１の層及び第２の層として温度測定を行う場合も、上記と同様にして、使用する光の波長を選択することができる。
【００２７】
次に、上記ウエハＷの温度測定に使用する測定装置について説明すると、図１に示すように、例えば、放射温度測定装置２０の如き構成の測定装置を使用することができる。
【００２８】
この放射温度測定装置２０は、ウエハＷの反射率を測定するための反射率測定器２１と、ウエハＷの放射量（放射エネルギ−）を測定し、反射率測定器２１によって測定された反射率から得られる放射率に基づいてウエハＷの温度を算出する放射温度測定器２２とから構成されている。
【００２９】
上記反射率測定器２１は、ウエハＷの裏面側からＳｉ層１０を介してＳｉＯ2 層１１に光を照射するための発光素子等からなる光照射部２１ａと、ＳｉＯ2 層１１（Ｓｉ層１０とＳｉＯ2 層１１との界面）からの反射光を受光して電気信号に変換するための受光素子等からなる反射光受光部２１ｂと、この反射光受光部２１ｂからの信号に基づいてＳｉＯ2 層１１（Ｓｉ層１０とＳｉＯ2 層１１との界面）の反射率を演算する反射率演算部２１ｃとから構成されている。
【００３０】
また、上記放射温度測定器２２は、ウエハＷ（主にＳｉＯ2 層１１）から放射された放射光を受光して電気信号に変換し放射エネルギ−に比例した電気信号を出力する受光素子等からなる放射光受光部２２ａと、放射光受光部２２ａからの電気信号と、反射率測定器２１で測定された反射率（反射率から求められる放射率）からウエハＷの温度を算出する温度演算部２２ｂとから構成されている。
【００３１】
そして、上記放射温度測定装置２０を用いて、次のようにウエハＷの温度を測定する。
【００３２】
まず、反射率測定器２１の光照射部２１ａにより、前述した波長を有する光を、ウエハＷの裏面側から、Ｓｉ層１０を介してＳｉＯ2 層１１（Ｓｉ層１０とＳｉＯ2 層１１との界面）に照射する。
【００３３】
そして、ＳｉＯ2 層１１（Ｓｉ層１０とＳｉＯ2 層１１との界面）で反射され、Ｓｉ層１０を介して反射光受光部２１ｂに入射した光を測定することにより、上記波長域（約４μｍ以上）における予め定めた所定波長λの光の反射率を、反射率演算部２１ｃにおいて算出する。
【００３４】
なお、一般に反射率ρは、入射光の強度（光束）をΦ1 、反射光の強度（光束）をΦ2 として、
ρ＝Φ2 ／Φ1 
によって表される。
【００３５】
次に、上記反射率を求めた所定波長λの光について、ウエハＷから放射された放射光の放射量を放射光受光部２２ａによって測定する。
【００３６】
この放射量は、前述したとおり、Ｓｉ層１０における透過率が高い（放射率が低い）波長の光のものであるから、主にＳｉＯ2 層１１からの放射量を示すものである。
【００３７】
そして、上記放射光受光部２２ａによって測定された放射量と、前述した反射率測定器２１で測定された反射率（反射率から求められる放射率）とから、温度演算部２２ｂにおいて、ウエハＷの温度を算出する。
【００３８】
なお、前述した反射率ρと放射率εと透過率τの間には、次のような関係があり、
ρ＋ε＋τ＝１
透過率τを０とすると、
ρ＋ε＝１
となり、反射率ρから放射率εを求めることができる。そして、ステファン−ボルツマンの式、
Ｅ＝εσＴ4         （Ｅは全放射エネルギ−、σは定数）
により、放射エネルギ−Ｅと放射率εから温度Ｔを算出することができる。
【００３９】
以上説明した本願発明の実施の形態によれば、ウエハＷのＳｉ層１０を透過し、ＳｉＯ2 層１１（Ｓｉ層１０とＳｉＯ2 層１１との界面）で反射される波長の光を用いて、ウエハＷの裏面側（Ｓｉ層１０側）から、ウエハＷの温度Ｔを測定するので、ウエハＷの裏面に薄膜が形成されたり、汚れたり、傷が付いたりしてその表面状態が変化した場合でも、ウエハＷの内部に形成されその状態が変化しないＳｉ層１０とＳｉＯ2 層１１との安定した界面からの光を用いて温度を測定することができ、従来に比べてより精度良く、安定した温度測定を行うことができる。
【００４０】
また、上記実施の形態においては、従来シリコンウエハの温度測定に用いられていた１μｍ以下の短い波長に比べて放射量の多い、４μｍ以上の波長の光を使用することによって、Ｓ／Ｎ比を向上させることができ、従来に比べてより精度良く温度測定を行うことができる。
【００４１】
なお、前述したとおり反射率測定器２１は、ＳｉＯ2 層１１（Ｓｉ層１０とＳｉＯ2 層１１との界面）の反射率を測定して、この反射率から放射率を求めるためのものであるので、放射率が既知であり、放射率が変化しないものの場合は、反射率測定器２１を省略して、放射温度測定器２２による放射量の測定のみによって温度測定を行うことができる。
【００４２】
また、上記実施の形態においては、ウエハＷの裏面側（Ｓｉ層１０側）から温度測定を行う場合について説明したが、ウエハＷの表面側（Ｓｉ層１２側）からも同様に温度測定を行うことができる。この場合、第１の層としてのＳｉ層１２を透過し、第２の層としてのＳｉＯ2 層１１（Ｓｉ層１２とＳｉＯ2 層１１との界面）からの光を測定する。
【００４３】
さらに、上記実施の形態では、ＳＯＩウエハの温度測定を行う場合について説明したが、内部に異なる物質からなる層の界面が形成されていれば、ＳＯＩウエハ以外の通常のウエハを使用することも可能である。例えば、図３は、シャロ−トレンチアイソレ−ション（ＳＴＩ）のために、Ｓｉ層３０部分に底部が平坦な溝を形成してその溝にＳｉＯ2 層３１を形成したウエハＷの断面構造を概略的に示したものであるが、このような構成の場合、ＳｉＯ2 層３１の底部と、Ｓｉ層３０との間に平坦な界面が形成されるので、この界面の部分からの光を、ウエハＷの裏面側等から測定することによって、上述したＳＯＩウエハの場合と同様に温度測定を行うことができる。
【００４４】
さらにまた、上記実施の形態では、第１の層をＳｉ層１０および第２の層をＳｉＯ2 層１１としたが、第１の層をＳｉＯ2 層および第２の層をＳｉ層とすることも可能であり、第１の層および第２の層を、他の物質からなる層、例えば、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ、ＴｉＳｉ、ドーピング層等のうちのいずれか異なる２層とすることも可能である。
【００４５】
次に、図４を参照して、本発明の放射温度測定方法を、平行平板型プラズマエッチング装置における基板の温度測定に適用した場合の装置構成について説明する。
【００４６】
図４に示すように、エッチング装置４１は、基板例えばウエハＷをエッチング処理するためのエッチング室４２を備えており、このエッチング室４２内には、その上部に上部電極４３が配設され、この上部電極４３と対向するように下部に下部電極４４が配設されている。
【００４７】
下部電極４４には、処理すべきウエハＷが載置されるようになっており、接地された上部電極４３との間に、高周波電源４５から整合器４６を介して高周波電力を印加することができるよう構成されている。
【００４８】
また、上記下部電極４４には、開口部４７が設けられており、この開口部４７を介して、エッチング室４２の外部からウエハＷの裏面側からの光を前述したように放射温度測定装置２０によって測定することによって、ウエハＷの温度を測定するよう構成されている。
【００４９】
さらに、エッチング室４２には、エッチングガスをエッチング室４２内に導入するための図示しないガス導入手段およびエッチング室４２内を減圧排気し、所定の圧力に維持するための図示しない排気手段が設けられている。
【００５０】
上記エッチング装置４１では、エッチング室４２内の下部電極４４上に処理すべきウエハＷを載置し、エッチング室４２内に導入したエッチングガスを上部電極４３と下部電極４４との間に印加した高周波電力によりプラズマ化してウエハＷのエッチング処理を行う。この際に、放射温度測定装置２０によって、ウエハＷの温度を前述したようにして測定しつつエッチング処理を行うことにより、より精度良く安定にウエハＷの温度を制御することができ、エッチング処理をより高精度に再現性良く行うことができる。
【００５１】
なお、上述したエッチング装置における基板の温度測定だけでなく、同様にして化学気相成長装置、プラズマＣＶＤ装置、枚葉ＣＶＤ装置、熱処理装置、レジスト塗布および現像処理等における塗布現像装置の基板の温度測定等に適用することができる。
【００５２】
【発明の効果】
以上、詳説したように、本発明によれば、従来に比べてより精度良くかつ安定に基板の温度を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を説明するための図。
【図２】光の波長とＳｉおよびＳｉＯ2 の透過率の関係を表すグラフ。
【図３】本発明の放射温度測定方法をシャロ−トレンチアイソレ−ションを使用したウエハにおける温度測定に適用した実施の形態を説明するための図。
【図４】本発明の放射温度測定方法を平行平板型プラズマエッチング装置における温度測定に適用した実施の形態を説明するための図。
【符号の説明】
Ｗ………ウエハ
１０……Ｓｉ層
１１……ＳｉＯ2 層
１２……Ｓｉ層
２０……放射温度測定装置
２１……反射率測定器
２２……放射温度測定器
２１ａ…光照射部
２１ｂ…反射光受光部
２１ｃ…反射率演算部
２２ａ…放射光受光部
２２ｂ…温度演算部
【図１】
0004166400.tif 000002
【図２】
0004166400.tif 000003
【図３】
0004166400.tif 000004
【図４】
0004166400.tif 000005