JPH10170343A

JPH10170343A - 温度測定装置

Info

Publication number: JPH10170343A
Application number: JP32632596A
Authority: JP
Inventors: Shusaku Yanagawa; 周作柳川
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1996-12-06
Filing date: 1996-12-06
Publication date: 1998-06-26

Abstract

(57)【要約】【課題】光照射型熱処理装置内の基板温度測定におい
て、基板が汚染される虞をなくし、様々な膜構造や膜
質、不純物濃度等を有す基板の温度を精度よく、安定に
測定できる温度測定装置を提供する。【解決手段】加熱炉１０内に載置された基板に、高熱
伝導性物質の接触子２を接触させ、この接触子２からの
光エネルギーを導光管３で放射温度計５に導き、温度を
測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、加熱炉内の被加熱
物の温度測定装置に係り、詳しくは光照射型熱処理装置
内の半導体ウエハの温度測定に放射温度計を用いた温度
測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体デバイスの微細化が進み、
ＭＯＳデバイスでは、短チャンネル効果を抑制するた
め、また、バイポーラデバイスでは遮断周波数ｆ_Tを向
上させるために、浅い接合を高精度に形成する必要が生
じている。そして浅い接合を形成する方法の一つとし
て、高温で短時間処理が可能な光照射による加熱方法
（Rapid Thermal Annealing ）が採用されている。ま
た、この方法は、イオン注入により生じた結晶欠陥の回
復やシンター等のアニール、酸化膜、窒化膜の形成にも
利用されており、様々な膜構造や不純物濃度などを有す
る基板の処理工程において、基板温度を正確に制御する
ことが極めて重要になっている。しかし、光照射による
加熱方法では、膜構造や膜質、不純物濃度等により基板
の放射率が変化するため、光照射が一定のもとでは、基
板の光吸収量が変化する。このため、製造工程は複雑さ
が増し、膜厚、膜質、不純物濃度、構造等の基板の特性
を決定する要因のばらつきをおさえ、精度良く制御され
た製造工程の構築は大変難しいものである。更に加熱炉
を構成する石英チューブの光透過率やリアクタ内壁の光
反射率、光源となるランプの出力の経時的な変化等によ
つて、基板の処理温度が変化する。この問題に対処する
ために、基板温度を測定して、その測定値をランプの出
力にフィードバックする閉回路制御（Closed Loop Cont
rol）が検討されており、精度の高い基板温度の測定が
実現すれば、優れた基板温度制御が可能となる。

【０００３】基板温度を測定する方法として、従来から
熱電対が用いられており、これは、測定時のみ基板の表
面に熱電対を直接点接触させ測定する方法と、熱電対を
耐熱性接着剤を用いて基板の表面に固定して測定する方
法がある。この熱電対を使用する方法は、熱電対の測温
部（合金部）が基板に直接接触するので、基板温度をほ
ぼ正確に測定することが出来るという長所がある。さら
に、他の方法としては、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）
からなる被覆部材に熱電対を内挿し、その熱電対を被覆
部材を介し基板に接触させて、基板温度を間接的に測定
する装置が特開平４−１４８５４５号公報で提案されて
いる。

【０００４】しかしながら、基板に熱電対を直接接触さ
せて温度測定する方法では、熱電対を基板に点接触させ
た状態で一定期間安定に維持することが困難であり、ま
た上記のように接着剤で固定できても、基板と熱電対と
の反応による熱電対の劣化、基板への金属汚染等の問題
が発生する虞がある。さらに、被覆部材に内挿した熱電
対による温度測定では、熱電対による基板への金属汚染
の問題は解決されるが、熱電対が測定している温度は、
被覆部材の温度であり、真の基板温度と異なる。また、
光照射型熱処理装置により基板が熱処理される過程で、
基板の温度が上昇すると、基板からの熱伝導により被覆
部材が加熱されるだけではなく、被覆部材自体が照射さ
れた光を直接吸収して加熱されてしまう可能性が大であ
る。このために、基板温度を正確に測定することは難し
い。ちなみに、被覆部材に内挿した熱電対による基板温
度の測定結果を帰還して、光照射強度を変える閉回路制
御系を組み、様々な膜構造や不純物濃度を有す基板の光
吸収量の変化を測定したが、光照射強度に依存して被覆
部材の光吸収量が変化するために、正確な測定ができな
かった。

【０００５】一方、他の温度測定手段として、放射温度
計がある。この放射温度計は、熱電対と対照的に非接触
で温度測定ができる利点がある。しかし、放射温度計に
よる温度測定では、熱電対を用いる接触式の測定方法と
異なり、測定対象物の表面状態によって測定精度が左右
されたり、測定環境の影響を強く受ける。基板処理工程
途上の様々な膜構造や不純物濃度を有す基板では、基板
毎に放射率が異なり、正確な温度測定を行うことは困難
である。更にシリコン基板の温度測定では、測定波長が
重要となる。シリコンは１μｍ以上の波長の光を透過す
る性質を有するので、シリコン基板を挟んで温度センサ
ーと反対側に熱源や別の光が存在すると、従来の放射温
度計では、これらの透過光を、シリコン基板からの放射
光と一緒に受光し、結局どの温度を測定しているのかわ
からなくなる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記のような
問題を解決するためになされたもので、光照射型熱処理
装置内の基板温度測定において、基板が汚染される虞が
なく、様々な膜構造や膜質、不純物濃度等を有す基板の
温度を精度よく、安定に測定できる温度測定装置を提供
することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の温度測定装置は、加熱炉内に載置された被
加熱物、たとえば基板に、熱伝導性物質からなる接触子
を接触させ、前記接触子の温度を放射温度計により測定
するものとする。

【０００８】この接触子はシリコン化合物、あるいはア
ルミニウム化合物などの熱伝導度の高い物質からなり、
空洞形黒体の形状をなして、限りなく黒体輻射が可能な
ものとする。

【０００９】また、接触子から放射された光の伝送路上
に、サファイアなどからなる導光管を配し、この導光管
の外側面を、たとえばＯＨ基を含む石英で形成された遮
光部材で被覆し、導光管の側面から外光が入射するのを
防ぐものとする。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。まず、本実施の形態
に係る温度測定装置が使用される光照射型熱処理装置に
ついて説明する。図２はこの光照射型熱処理装置の一例
の構成を示す概略断面図である。図２において、加熱炉
１０内のリアクタ１２の内壁は金でコーティングされ、
この壁面に対向してハロゲンランプ等の光照射用光源１
１が複数個設置されている。リアクタ１２の内部には、
赤外線に対し高い透過性を有する石英ガラスによりなる
反応管１３が設置され、また、半導体ウエハ１の挿入、
取り出しの際に、開閉し、更に加熱炉１０の密閉時に
は、加熱炉１０内を気密に保持できる様に、樹脂製のパ
ッキングが装着されたドアー１６を備えている。反応管
１３の中には、半導体ウエハ１を支持するための石英製
のウエハボート１４が置かれ、このウエハボート１４に
半導体ウエハ１が載置されている。また、加熱炉１０の
中ほどには、半導体ウエハ１の温度測定用に測定孔１５
が配備されている。

【００１１】つぎに、図１を参照して、本発明の実施の
形態に係る温度測定装置について説明する。本実施の形
態に係る温度測定装置は被測定物に接触し、被測定物の
温度を検知する接触子２と、接触子２が放射する光エネ
ルギーを極力損失することなく放射温度計５まで伝送す
る導光管３と、被測定光以外の光が本測定系内に入らな
いようにする遮光部材４、および放射温度計５から構成
されている。

【００１２】以下、半導体ウエハの光照射型熱処理装置
に、この温度測定装置を使用し、温度測定を実施する形
態例の動作について説明する。図１において、半導体ウ
エハ１は加熱炉１０内に設置された石英を材料とする反
応管１３内のウエハボート１４（図２参照）に載置さ
れ、複数個配列されたハロゲンランプ等からなる光照射
用光源１１により、加熱される。この熱処理される半導
体ウエハ１の温度を測定するために、接触子２を半導体
ウエハ１の表面に接触させる。この接触子２は熱伝導性
の高い物質、たとえばシリコン化合物（ＳｉＣ、Ｓｉ₃
Ｎ₄、ＳｉＯ₂、高融点金属シリサイド（ＷＳｉ₂、Ｍ
ｏＳｉ₂）等）あるいは、アルミニウム化合物（Ａｌ₂
Ｏ₃、ＡｌＮ、ＡｌＢ₂、Ａｌ₄Ｃ₃）等からなり、ま
た、その形状は、図３に示す空洞形黒体とよばれている
形状のいずれかをとるものとする。こうすることによ
り、接触子２は、高い熱伝導性により基板温度と等しく
なり、その内部温度分布は均一化されると共にその形状
から、ほぼ完全放射体（黒体）に近似する。したがっ
て、接触子２の開口部からの放射光により接触子２の温
度を測定することにより、基板の温度が測定できる。こ
のため、放射率の変動を伴う基板の温度測定を行う場合
にも、放射率の変動の影響をおさえて精度よく測定がで
き、温度測定範囲も広がる。また、光の直接吸収による
加熱を極力おさえるために、接触子２はその表面積を小
さくし、熱応答性を高めるために、熱容量の小さい構造
とした。

【００１３】つぎに、接触子２の開口部を出射した光
は、接触子２の開口部に結合された導光管３内を伝送
し、加熱炉１０に具備されている測定孔１５（図２参
照）を通して加熱炉外に設置された放射温度計５に導か
れ、放射温度計５内の光センサ６に入射し、温度測定が
行われる。本実施の形態においては、温度測定の検出波
長として２．７３μｍを採用しており、導光管３にはサ
ファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）単結晶のロッドを用いた。さら
に、この導光管３を遮光部材４で被覆している。この遮
光部材４は、たとえば、ＯＨ基を多量に含んだ（１００
０ｐｐｍ以上）２．７〜２．８μｍの光を吸収する石英
からなり、光照射用光源１１などからの２．７３μｍの
光が導光管３の側面から入射するのを防いでいる。

【００１４】つぎに、ＢＦ₂ ⁺イオンを打ち込みエネル
ギー５０ＫｅＶ、ドーズ量２．５Ｅ１５／ｃｍ²にてイ
オン注入した基板を用いて、ＳｉＯ₂の膜厚を変え、基
板の放射率が変化するのを利用して、本発明の温度測定
装置の測定精度の検証を行った。

【００１５】まず、上記基板に耐熱性接着剤を用いて直
接熱電対を張り付け、正確な基板温度を測定しながら、
図４に示す処理シーケンスにおけるソーク温度（基板温
度と同じ）がそれぞれ９００℃、９５０℃、１０００
℃、１０５０℃、１１００℃において、膜厚６００ｎｍ
となるように条件出しを行い、各ソーク温度で処理した
ときのシート抵抗の温度依存性を調べた。その結果を図
５に横軸基板温度、縦軸シート抵抗のグラフで示す。図
からわかるように、基板温度とシート抵抗とは、強い相
関がある。

【００１６】次に、ＳｉＯ₂の膜厚が６００ｎｍのサン
プル基板において基板温度が１０５０℃になるように、
光照射用光源１１のランプ出力を調整し、このランプ出
力を一定に保ち、オープンループの制御系で加熱処理
し、膜厚をばらつかせ、そのシート抵抗を測定した。ま
た、同時に上記サンプル処理時、本発明の温度測定装置
を用いて、基板の温度を測定した。

【００１７】この結果を図６、図７に示す。図６はシー
ト抵抗の膜厚依存性を示しており、横軸が膜厚で、縦軸
がシート抵抗である。このグラフは、オープンループの
制御系で処理した場合には、膜厚の変化により、基板の
放射率が変わり、大幅にシート抵抗すなわち、基板の温
度が変化することを示している。一方、図７は膜厚の変
化により、実際の基板温度が変化していることを示して
おり、横軸が膜厚で、縦軸が本発明の温度測定装置によ
る基板温度の測定値である。

【００１８】図６のシート抵抗と図７の基板温度の測定
値の相関関係を、図５におけるシート抵抗と基板温度の
相関関係を用いて対比すると、両者のデータは大変よく
一致している。このことは、本発明の温度測定装置が、
基板の膜厚変化に伴う放射率の変動の影響を受けない
で、忠実に基板の温度を測定していることを示してい
る。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、光
照射加熱される基板の温度測定において、基板が汚染さ
れる虞がなく、光照射用光源等の被測定光以外の外光に
よる外乱も防ぎ、また、様々な膜構造や膜質、不純物濃
度等により基板の放射率が変化にしても、安定に精度よ
く、温度測定ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る温度測定装置の使用
状態を説明するための概略構成図である。

【図２】光照射型熱処理装置の構成を示す概略断面図で
ある。

【図３】本発明の実施の形態に係る接触子の形状例を示
す断面図である。

【図４】基板の熱処理経過を説明する図である。

【図５】基板温度とシート抵抗の関係を示すグラフであ
る。

【図６】膜厚とシート抵抗の関係を示すグラフである。

【図７】膜厚と基板温度の関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１…半導体ウエハ、２…接触子、３…導光管、４…遮光
部材、５…放射温度計、６…光センサ、１０…加熱炉、
１１…光照射用光源、１２…リアクタ、１３…反応管、
１４…ウエハボート、１５…測定孔、１６…ドアー。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】加熱炉内に載置された被加熱物に、熱伝
導性物質からなる接触子を接触させ、前記接触子の温度
を放射温度計を用いて測定することを特徴とする温度測
定装置。
【請求項２】前記熱伝導性物質は、シリコン化合物お
よびアルミニウム化合物のいずれか一方からなることを
特徴とする請求項１記載の温度測定装置。
【請求項３】前記接触子は空洞形黒体の形状を有する
ことを特徴とする請求項１記載の温度測定装置。
【請求項４】前記接触子から放射された光の伝送路上
に、導光管と該導光管の外側面を被覆した遮光部材とを
配設したことを特徴とする請求項１記載の温度測定装
置。
【請求項５】前記遮光部材はＯＨ基を含む石英からな
ることを特徴とする請求項４記載の温度測定装置。