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JPH10239165A - 基板の温度測定器、基板の温度を測定する方法および基板の加熱方法 - Google Patents

基板の温度測定器、基板の温度を測定する方法および基板の加熱方法

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Publication number
JPH10239165A
JPH10239165A JP9043166A JP4316697A JPH10239165A JP H10239165 A JPH10239165 A JP H10239165A JP 9043166 A JP9043166 A JP 9043166A JP 4316697 A JP4316697 A JP 4316697A JP H10239165 A JPH10239165 A JP H10239165A
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JP
Japan
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substrate
temperature measuring
temperature
covering member
measuring device
Prior art date
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Pending
Application number
JP9043166A
Other languages
English (en)
Inventor
Shusaku Yanagawa
周作 柳川
Vuralusch Werner
ブラールッシュ ウエルナー
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
STEAK AST ELEKTRON GmbH
Sony Corp
Original Assignee
STEAK AST ELEKTRON GmbH
Sony Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by STEAK AST ELEKTRON GmbH, Sony Corp filed Critical STEAK AST ELEKTRON GmbH
Priority to JP9043166A priority Critical patent/JPH10239165A/ja
Priority to DE19880398T priority patent/DE19880398B4/de
Priority to KR1020057005366A priority patent/KR20050044814A/ko
Priority to PCT/JP1998/000779 priority patent/WO1998038673A1/ja
Priority to TW087102852A priority patent/TW362149B/zh
Priority to US09/171,786 priority patent/US6311016B1/en
Priority to KR1019980708461A priority patent/KR20000064976A/ko
Priority to KR1020057005365A priority patent/KR20050044934A/ko
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Pending legal-status Critical Current

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 光照射により加熱される基板の温度を、照射
光の影響を受けることなく、基板を汚染することなく、
および基板の膜構造に制限されることなく、正確に測定
することは困難であった。 【解決手段】 温度測定手段である熱電対１１とそれを
覆う被覆部材２１とを備え、被覆部材２１を介して熱電
対１１の測温部１２を基板５１に接触させて、光照射に
よって加熱される基板５１の温度を測定する温度測定器
１であって、被覆部材２１のうち、測温部１２を覆う部
分の被覆部材２２は熱伝導性の高い材料からなり、この
被覆部材２２を除く他の部分の被覆部材２３は光の透過
率の高い材料または光の反射率の高い材料からなるもの
である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、基板の温度測定
器、基板の温度を測定する方法および基板の加熱方法に
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、半導体デバイスの微細化にともな
いＭＯＳデバイスでは、短チャネル効果を抑制するた
め、バイポーラデバイスでは遮断周波数ｆT を向上さ
せるために、浅い接合を高精度に形成する必要性が生じ
ている。そして浅い接合を形成する方法の一つとして、
高温で短時間の処理が可能な光照射による加熱方法（Ｒ
ＴＡ：Rapid Thermal Annealing ）が採用されている。
またＲＴＡは、イオン注入により生じた結晶欠陥の回復
やシンター等の各種アニーリング、酸化膜、窒化膜の形
成にも利用されている。そのため、さまざまな膜構造を
有する基板、さまざまな不純物濃度を有する基板等に対
し、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。
【０００３】しかし、光照射による基板加熱では、膜構
造や膜質、不純物濃度等により基板の輻射率が変化する
ため、光の照射強度が一定〔開回路制御（Open Loop Co
ntrol ）〕のもとでは、基板の光吸収量（処理温度）が
変化することになる。そのため、製造工程の複雑化にと
もない、各種ばらつき（膜厚、膜質、不純物量、構造等
によるばらつき）を含む基板の加熱状態を精度よく制御
することは極めて難しい。さらに基板加熱装置を構成す
る石英チューブの光透過率やチャンバの内壁の光反射
率、光源となるランプの出力の経時的な変化等によって
基板の処理温度が変化する。この問題に対処するため、
基板の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 Control ）が
検討されている。
【０００４】また、基板の温度を測定する装置として
は、放射温度計がある。この放射温度計は非接触で温度
測定ができる利点がある。また別の温度測定装置とし
て、熱電対がある。熱電対で温度測定する場合には、基
板の表面に熱電対を直接接触させる方法、耐熱性接着剤
を用いて基板の表面に熱電対を固定する方法等がある。
これらの方法は、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
できるという長所を有する。
【０００５】他の温度測定装置としては、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て基板に接触させて、基板
温度を間接的に測定する装置が特開平４−１４８５４６
号公報に開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記放
射温度計を用いた温度測定では、熱電対を用いた接触式
の温度測定方法と異なり、測定対象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。そのため、様々な膜構造や不純物濃度を持つ基板で
は基板毎に輻射率が異なる。したがって、正確な温度測
定を行うためには、予め各基板毎の輻射率を求めておく
必要があるために測定作業が煩雑となる。
【０００７】また、基板に熱電対を直接接触させて温度
測定する方法では、基板と熱電対との反応による熱電対
の劣化、基板の金属汚染等の問題が発生する。
【０００８】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のは被覆部材の温度
になる。また光照射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、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る。そのため、基板温度
を正確に測定することは難しい。
【０００９】また基板からの熱伝導と被覆部材の基板か
らの輻射吸収、および照射ランプ光の吸収は、被覆部材
として用いる材料により異なる。石英と炭化ケイ素の場
合を例に示すと、石英による被覆では、光吸収が抑えら
れるが、熱伝導が悪いために、基板温度の測定が難し
く、熱応答性も劣る。一方、炭化ケイ素による被覆で
は、基板温度の伝導には優れるが、光吸収が多いために
測定温度の光照射強度依存が顕著に現れる。このような
熱特性により、それぞれの材料には一長一短がある。
【００１０】また、被覆部材と基板との接触部において
被覆部材を平坦に加工して、疑似的な面接触状態を形成
し、基板からの熱伝導効率を増す方法もあるが、この方
法では、被覆部材の熱容量を増やすことにもなる。その
ため、光の直接吸収による加熱が増えるため、正確な基
板の温度測定ができない。
【００１１】よって、光照射強度を変える閉回路制御で
は、照射強度に依存して被覆部材の光吸収による加熱量
が変化するため、さまざまな膜構造や不純物濃度を持っ
た基板の輻射率の変化による光吸収量（基板温度）の変
化を正確に測定することはできない。さらに、シース型
熱電対の場合には、測温点以外の被覆部材の加熱によっ
て、測温点までの中間領域に高温領域が発生する恐れが
あり、測定精度を低下させるいわゆるシャントエラーを
招く。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するためになされた基板の温度測定器、基板の温度を
測定する方法および基板の加熱方法である。
【００１３】基板の温度測定器は、温度測定手段とそれ
を覆う被覆部材とを備え、被覆部材を介して温度測定手
段の測温部を基板に接触させて、光の照射によって加熱
されるこの基板の温度を測定するものであり、測温部を
覆う部分の被覆部材は熱伝導性の高い材料からなり、熱
伝導性の高い材料からなる被覆部材を除く他の部分の被
覆部材は光の透過率の高い材料または光の反射率の高い
材料からなるものである。
【００１４】上記温度測定器では、温度測定手段が被覆
部材により被覆され、この被覆部材のうち、測温部を覆
う部分の被覆部材が熱伝導性の高い材料からなることか
ら、基板の温度が測温部に伝導し易くなる。そのため、
被覆部材を介しての温度測定ではあるが、基板の温度を
測定することが可能になる。また、この熱伝導性の高い
材料からなる被覆部材を除く他の部分の被覆部材は光の
透過率の高い材料または光の反射率の高い材料からなる
ことから、温度測定手段を被覆する被覆材料が光の照射
を受けてその光を吸収することがほとんどない。そのた
め、光の照射による被覆部材の温度上昇がほとんどなく
なるので、被覆部材の吸熱による温度測定手段の測温値
の変化、基板からの輻射による測温値の変化がほとんど
起こらない。
【００１５】基板の温度を測定する方法は、温度測定手
段とそれを覆う被覆部材とを備え、被覆部材を介して温
度測定手段の測温部を基板に接触させて、光の照射によ
って加熱されるこの基板の温度を測定する方法であり、
測温部を覆う部分の被覆部材は熱伝導性の高い材料から
なり、熱伝導性の高い材料からなる被覆部材を除く他の
部分の被覆部材は光の透過率の高い材料または光の反射
率の高い材料からなるような温度測定器を用いて、基板
の温度を測定する方法である。
【００１６】上記基板の温度を測定する方法では、温度
測定手段が被覆部材により被覆され、この被覆部材のう
ち測温部を覆う部分の被覆部材が熱伝導性の高い材料か
らなる構成の温度測定器を用いて基板の温度を測定する
ことから、基板の温度は熱伝導性の高い材料からなる被
覆部材によって測温部に伝導し易くなる。そのため、被
覆部材を介しての温度測定ではあるが、基板の温度を測
定することが可能になる。また、この熱伝導性の高い材
料からなる被覆部材を除く他の部分の被覆部材が光の透
過率の高い材料または光の反射率の高い材料からなる構
成の温度測定器を用いて基板の温度を測定することか
ら、測定中にこの被覆材料が光の照射を受けてその光を
吸収することがほとんどない。そのため、光の照射によ
る被覆部材の温度上昇がほとんどなくなるので、被覆部
材の吸熱による温度測定手段の測温値の変化、基板から
の輻射による測温値の変化がほとんど起こらない。
【００１７】基板の加熱方法は、光の照射によって基板
を加熱する方法であって、基板の温度を測定するための
温度測定器の測温部が接触する側の基板面とは反対側の
基板面に照射される光の照射強度を上記測温部が接触す
る側の基板面に照射される光の照射強度よりも相対的に
高めて、光の照射を行う方法である。
【００１８】上記基板の加熱方法では、測温部が接触す
る側の基板面に照射される光の強度をその反対側の基板
面に照射される光の強度よりも弱めることになるので、
測温部に照射される光量は少なくなる。そのため、測温
部に対する光照射の影響が少なくなるので、基板温度の
測定誤差が低減される。
【００１９】
【発明の実施の形態】本発明の第１実施形態の一例を、
図１の概略構成断面図によって説明する。図１には、基
板の温度測定器１を断面図によって基板とともに示す。
【００２０】温度測定器１は、温度測定手段に熱電対１
１を用いたもので、この熱電対１１を被覆部材２１によ
って被覆している構造となっている。上記熱電対１１に
はこの熱電対１１の起電力を測定する電圧計（図示省
略）が接続されている。上記熱電対１１は、例えば、白
金（Ｐｔ）−白金（Ｐｔ）・１０％ロジウム（Ｒｈ）熱
電対であり、熱電対１１の測温部（合金部）１２は、白
金線と白金・１０％ロジウム線との合金により形成され
ている。また少なくともいずれか一方の線には絶縁管３
１が遊挿されていて、この絶縁管３１は例えば石英から
なる。この例では、白金の導線１３の方に絶縁管３１が
遊挿されている。当然のことながら、白金・１０％ロジ
ウム線１４の方に絶縁管３１を遊挿してもよい。
【００２１】上記被覆部材２１のうち、上記測温部１２
を覆う部分の測温部被覆部材２２は、熱伝導性の高い材
料で構成され、測温部１２に十分に接触する状態に設け
られている。この測温部被覆部材２２は、例えば石英
（熱伝導率＝１．６６Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1）の十倍程度以上
の熱伝導率を有する材料、好ましくは１００Ｗ・ｍ-1・
Ｋ-1程度以上の熱伝導率を有する材料からなる。このよ
うな材料としては、例えば炭化ケイ素（熱伝導率＝２６
１Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1）がある。このように測温部被覆部材
２２は、測温部１２に十分に接触し、かつ炭化ケイ素で
形成されていることから、基板５１の熱は測温部１２へ
十分に伝わる。さらに測温部被覆部材２２は、光の直接
の吸収を極力抑えるために表面積を小さく、また熱応答
性を高めるために熱容量の小さな構造としている。すな
わち、測温部被覆部材２２の外形状は、測温部１２に対
してキャップ形状を成していて、例えばキャップの外径
が１．４ｍｍ、キャップの内径が０．９ｍｍ、キャップ
の高さ１．４ｍｍに形成されている。また、上記被覆部
材２１のうち、上記測温部被覆部材２２を除く他の部分
の線部被覆部材２３は、赤外線の透過性に優れた石英で
構成され、光の直接の吸収を極力抑えた構造として、円
形断面を有する管状に形成されている。
【００２２】そして基板５１は石英トレー（図示省略）
より突出した石英製の複数本（例えば２本）の基板支持
部（図示省略）とともに、上記温度測定器１の先端部分
になる測温部被覆部材２２によって水平に支持されてい
る。
【００２３】上記温度測定器１は、温度測定手段の熱電
対１１が被覆部材２１により被覆され、この被覆部材２
１のうち、熱電対１１の測温部１２を覆う部分の測温部
被覆部材２２は熱伝導性の高い材料からなることから、
基板５１の温度が測温部１２に伝導し易くなる。そのた
め、測温部被覆部材２２を介しての温度測定ではある
が、基板５１の温度を測定することが可能になる。ま
た、この測温部被覆部材２２を除く他の部分の線部被覆
部材２３は光の透過率の高い材料である石英からなるこ
とから、熱電対１１の導線を被覆する線部被覆材料２３
が光の照射を受けてその光を吸収することがほとんどな
い。そのため、光の照射による線部被覆部材２３の温度
上昇がほとんどなくなるので、線部被覆部材２３の吸熱
による熱電対１１の測温値の変化がほとんど起こらな
い。なお、一般に熱電対１１の導線１３，１４の各表面
は光を反射し易い状態に形成されている。そのため、熱
電対１１に光が照射されても、熱電対１１は照射された
光の影響をほとんど受けることはない。さらに、上記測
温部被覆部材２２が耐熱性が高く通常のシリコン基板の
熱処理温度（１２００℃以下）では熱的に安定な炭化ケ
イ素で形成されているため、熱処理時に上記測温部被覆
部材２２によって基板５１が汚染されることもない。
【００２４】次に、上記実施形態で説明した温度測定器
１を使用する光照射型熱処理装置の一例を、図２の概略
構成断面図によって説明する。
【００２５】図２に示すように、反応炉１１１の内部に
は、赤外線に対して高い透過性を有する石英ガラスによ
りなるチューブ１１２が設置され、このチューブ１１２
の側周に加熱用のハロゲンランプ１１３が設置されてい
る。そして反応炉１１１の一端側に上記チューブ１１２
の一端側を設け、その部分には、基板５１の搬出入の際
に開閉し、さらに上記チューブ１１２内を密閉する時に
はこのチューブ１１２内を機密にできるように、パッキ
ン１１４（例えば樹脂製のパッキン）を装着したドア１
１５が備えられている。
【００２６】一方、上記チューブ１１２の他端側にはガ
スを導入するためのガス導入管１１６が接続されてい
る。そして上記チューブ１１２の内部には、基板５１を
支持するための石英製のトレー１１７が置かれている。
このトレー１１７には石英製の基板支持部１１８が形成
されていて、この基板支持部１１８とともにトレー１１
７上に配置した温度測定器１の先端部（すなわち前記図
１によって説明した測温部被覆部材２２を介した測温部
１２）によって基板５１が支持されている。また温度測
定器１の熱電対の導線１３，１４は反応炉１１１の端部
に設けた孔１１９より外部に引き出されている。上記の
ように、光照射型熱処理装置１０１は構成されている。
【００２７】次に基板の温度を測定するための３種類の
評価サンプルの構造を、図３によって説明する。各評価
サンプルは基板の輻射率を変えるために膜厚が変えられ
ている。
【００２８】図３の（１）に示すように、第１評価サン
プル６１は、シリコン基板６２の一方側（表面側）に酸
化シリコン（ＳｉＯ2 ）膜６３、１５０ｎｍの厚さの多
結晶シリコン膜６４、３００ｎｍの厚さのキャッピング
酸化シリコン膜６５が積層され、シリコン基板６２の他
方側（裏面側）に酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）膜６６、１
５０ｎｍの厚さの多結晶シリコン膜６７が積層されたも
のである。そして上記酸化シリコン膜６３，６６は７０
０ｎｍ〜９００ｎｍの範囲で厚さを変えているが、光吸
収量の膜厚依存性は少ないものとなっている。また多結
晶シリコン膜６４には打ち込みエネルギーが４０ｋｅ
Ｖ、ドーズ量が５．４×１０14個／ｃｍ2 なる条件で二
フッ化ホウ素（ＢＦ2 ）がイオン注入されている。
【００２９】図３の（２）に示すように、第２評価サン
プル７１は、シリコン基板７２の一方側（表面側）に８
００ｎｍの厚さの酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）膜７３、１
５０ｎｍの厚さの多結晶シリコン膜７４、３００ｎｍの
厚さのキャッピング酸化シリコン膜７５が積層され、シ
リコン基板７２の他方側（裏面側）に８００ｎｍの厚さ
の酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）膜７６、多結晶シリコン膜
７７が積層されたものである。そして上記裏面側の多結
晶シリコン膜７７は１５０ｎｍ〜３５０ｎｍの範囲で厚
さを変化させており、光吸収量の膜厚依存性は第１評価
サンプル６１よりも大きくなっている。また表面側の多
結晶シリコン膜７４には、打ち込みエネルギーが４０ｋ
ｅＶ、ドーズ量が５．４×１０14個／ｃｍ2 なる条件で
二フッ化ホウ素（ＢＦ2 ）がイオン注入されている。
【００３０】図３の（３）に示すように、第３評価サン
プル８１は、シリコン基板８２の一方側（表面側）に酸
化シリコン（ＳｉＯ2 ）膜８３、１５０ｎｍの厚さの多
結晶シリコン膜８４、３００ｎｍの厚さのキャッピング
酸化シリコン膜８５が積層され、シリコン基板８２の他
方側（裏面側）に酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）膜８６、１
５０ｎｍの厚さの多結晶シリコン膜８７が積層されたも
のである。そして上記第３評価サンプル８１は、酸化シ
リコン膜８３，８６の厚さが１００ｎｍ〜６００ｎｍの
範囲、すなわち、１００ｎｍ、２００ｎｍ、３００ｎ
ｍ、４００ｎｍ、６００ｎｍの５種類のものが用意され
ている。そのため、これらの第３評価サンプル８１にお
いては酸化シリコン膜８３，８６の光吸収の膜厚依存性
は極めて大きいものとなっている。また多結晶シリコン
膜８４には、打ち込みエネルギーが４０ｋｅＶ、ドーズ
量が５．４×１０14個／ｃｍ2 なる条件で二フッ化ホウ
素（ＢＦ2 ）がイオン注入されている。
【００３１】酸化シリコン膜６３の膜厚が異なる複数の
各第１評価サンプル６１，多結晶シリコン膜７７の膜厚
が異なる複数の各第２評価サンプル７１，酸化シリコン
膜８３，８６の膜厚が異なる複数の各第３評価サンプル
８１のそれぞれに、耐熱性接着剤を用いて熱電対を直接
張りつけて、その熱電対を用いた正確な温度測定を行っ
た。温度測定では、前記図２によって説明した光照射型
熱処理装置１０１を用いて基板５１の代わりに上記図３
によって説明した各第１，第２，第３評価サンプル６
１，７１，８１を熱処理〔ＲＴＡ（Rapid Thermal Anne
aling ）〕した。そのＲＴＡのシーケンスは、図４に示
すように、２００℃の温度雰囲気に設定したチューブ１
１２（図２参照）内に評価サンプルを搬入する。そして
１００℃／ｓの加熱速度でＲＴＡの設定温度Ｔまで加熱
した後、その設定温度Ｔに１０秒間保持し、その後７０
℃／ｓの冷却速度で４００℃まで冷却して、チューブ１
１２内から評価サンプルを搬出するという順である。上
記ＲＴＡの設定温度Ｔは、９００℃、１０００℃、１０
５０℃、１１００℃、１１５０℃に設定した。なお、上
記ＲＴＡのシーケンスは一例であり、適宜変更すること
は可能である。
【００３２】ここで、各設定温度で処理をしたときの各
評価サンプルのシート抵抗の温度依存性を図５に示す。
図５では、縦軸にシート抵抗を示し、横軸にＲＴＡの設
定温度を示す。図５に示すように、９００℃から９５０
℃程度まではほぼ一定の２１４０Ω／□程度のシート抵
抗値を示し、１０００℃程度より高温になると急激にシ
ート抵抗が低下する。そして１０５０℃では１４２０Ω
／□程度のシート抵抗値になり、１１００℃では９８０
Ω／□程度のシート抵抗値を示し、１１５０℃では８０
０Ω／□程度のシート抵抗値になった。
【００３３】次に前記図４によって説明したシーケンス
によって、第２評価サンプル７１における多結晶シリコ
ン膜７７の厚さが２５０ｎｍの評価サンプルにおいて基
板温度が１０５０℃になるようなランプ出力を用いて、
第１評価サンプル６１の酸化シリコン膜６３，６６の厚
さ、第２評価サンプル７１の多結晶シリコン膜７７の厚
さ、および第３評価サンプル８１の酸化シリコン膜８
３，８６の厚さを変えた全ての評価サンプルに対して、
同一ランプ出力で熱処理を行う。すなわち光の照射強度
が一定のもとで熱処理を行うという開回路制御により連
続処理する。そのときに各評価サンプルの温度を本発明
の温度測定器１（図１参照）によって測定する。次に、
その測定値とシート抵抗との関係を図６によって説明す
る。なお、温度測定は各評価サンプルに対して２度行っ
た。
【００３４】図６では、２度の測定結果をまとめて示し
てある。また、縦軸にはシート抵抗を示し、横軸には開
回路制御における温度測定器１により測定した基板温度
を示す。
【００３５】図６に示すように、基板によらず同じ光照
射強度で処理する開回路制御では、基板に形成した膜の
厚さの違いによりシート抵抗（基板温度）が変わるが、
図５によって説明したもので基板に直接熱電対を接着し
て測定した結果によるシート抵抗の温度依存の曲線Ｃ
に、前記図１で説明した温度測定器１の測定温度におけ
るシート抵抗の値（図面では白抜きおよび黒塗りの丸，
三角，四角印で示す）はほぼ一致する。このことから、
基板構造が異なり光の吸収量が違う様々な基板に対して
も、本発明の温度測定器１は基板温度の正確な測定が再
現性良く行えることが示されたといえる。
【００３６】次に、温度測定器１の測温部１２を覆う測
温部被覆部材２２（図１参照）の熱容量および表面積が
基板の測定温度に及ぼす影響を調べた。図７に示すよう
に、温度測定器２は、前記図１で説明した温度測定器１
おいて、測温部１２を覆う測温部被覆部材２２（２６）
に断面略Π字型のものを用いて、熱容量および表面積を
増やした比較例である。すなわち、前記図１によって説
明した測温部被覆部材２２における基板５１との接触面
側の側周部につば２７を設けたものである。このような
形状の測温部被覆部材２６を用いた温度測定器２によっ
て、前記図６で説明したのと同様にして、図３で説明し
た各評価サンプルの温度を測定した。その結果を図８に
よって説明する。
【００３７】図８では、縦軸にシート抵抗を示し、横軸
に開回路制御における温度測定器２による測定温度を示
す。
【００３８】図８に示すように、基板によらず同じ光照
射強度で処理する開回路制御では、基板に形成した膜の
厚さの違いによりシート抵抗（基板温度）が変わるが、
基板に直接熱電対を接着して測定した結果によるシート
抵抗の温度依存の曲線Ｃ（前記図５参照）に、温度測定
器２（前記図７参照）による測定温度におけるシート抵
抗の値（図面では黒塗りの丸，三角，四角印で示す）は
ほぼ一致する。このことから、本発明による温度測定器
を光照射強度固定の開回路制御における温度測定に用い
た評価では、測温部１２を覆う測温部被覆部材２２の形
状（表面積、熱容量、基板との接触面積等）によらず良
好な温度測定が可能であることがわかる。
【００３９】第３評価サンプル８１の酸化シリコン膜８
３，８６の厚さを変えた評価サンプルを設定温度１０５
０℃の前記図４で説明したのシーケンスにより熱処理を
施す。この熱処理は、温度測定器１（前記図１参照）と
温度測定器２（前記図７参照）とを用いた閉回路制御で
行う。そのときの各評価サンプルのシート抵抗と酸化シ
リコン膜厚との関係を図９に示す。また開回路制御にお
ける基板温度と酸化シリコン膜厚との関係を図１０に示
す。
【００４０】図９では、縦軸にシート抵抗を示し、横軸
に酸化シリコン膜厚を示す。また図１０では、縦軸に基
板温度を示し、横軸に酸化シリコン膜厚を示す。そして
各図中、黒塗りの丸印は開回路制御における値を示し、
白抜きの三角印は温度測定器１（図１参照）を用いた閉
回路制御における値を示し、白抜きの三角印は温度測定
器２（図７参照）を用いた閉回路制御における値を示
す。なお、いずれの場合においても、基板の表面側と裏
面側とにおけるランプ出力は同一である。
【００４１】図９および図１０に示すように、開回路制
御において顕著に現れるシート抵抗（基板温度）の膜厚
依存性は、温度測定器１，２を用いることで改善され
る。しかし開回路制御においては正確な温度測定が行え
る上記温度測定器１，２であっても、閉回路制御の基板
温度測定に用いた場合には膜厚依存性の完全な解消には
至らない。そして温度測定器１の構造に比べ温度測定器
２の構造では膜厚依存の改善効果は少ないことがわか
る。以下、この理由について説明する。
【００４２】温度測定器１，２を用いた閉回路制御によ
って、酸化シリコン膜８３，８６の厚さを変えた各第３
評価サンプル８１〔図３の（３）参照〕を図４によって
説明したシーケンスにより設定温度１０５０℃の熱処理
を行った。そのときの安定時のランプ出力比と酸化シリ
コン膜８３，８６の厚さとの関係を、図１１によって説
明する。また安定時のランプ出力比とシート抵抗からの
基板換算温度との関係を図１２によって説明する。さら
に安定時のランプ出力比と基板換算温度と温度測定器１
（図１参照）および温度測定器２（図７参照）の測定温
度との差より求めた測定誤差との関係を図１３によって
説明する。なお、上記ランプ出力比は、ランプを１００
％に出力させたときと比較したランプ出力である。
【００４３】図１１では、縦軸にランプ出力比を示し、
横軸に酸化シリコン膜厚を示す。また図１２では、縦軸
にランプ出力比を示し、横軸にシート抵抗から換算した
基板温度を示す。さらに図１３では、縦軸にランプ出力
比を示し、横軸に基板換算温度と温度測定器１，２の測
定温度との差より求めた測定誤差を示す。そして図中、
黒塗りの丸印は開回路制御における値を示し、白抜きの
三角印は温度測定器１を用いた閉回路制御における値を
示し、白抜きの三角印は温度測定器２を用いた閉回路制
御における値を示す。さらにいずれの場合も、基板の表
面側と裏面側でのランプ出力は同一である。
【００４４】図１１に示すように、閉回路制御では、基
板温度が低くなるような酸化シリコン膜厚のときには、
ランプ出力をより増大して基板温度を補正しているのが
わかる。また図１２に示すように、ランプ出力は基板の
温度に対しほぼ線形な関係で変化している。しかし図１
３に示すように、ランプ出力が高まるほど、温度測定器
１，２による測定誤差は大きくなり、この傾向は、温度
測定器１よりも温度測定器２で顕著になる。このこと
は、ランプからの光を温度測定器１，２が直接吸収して
いることを証明している。したがって、測温部１２を被
覆する測温部被覆部材２２の構造としては、測温部被覆
部材２２の表面積をできるかぎり減らして、光吸収を極
力抑えた構造とする必要があることがわかる。要する
に、従来構造のように熱電対を全て炭化ケイ素で覆い、
さらに基板からの熱伝導をよくするための接触面積を増
やした構造では、光吸収が多く、閉回路制御における精
度のよい測定ができないことを示している。
【００４５】上記図１１から図１３では、酸化シリコン
膜厚により極端に基板の光吸収量が大きく変わる第３評
価サンプル８１〔図３の（３）参照〕の測定結果を用い
て、温度測定器１，２による基板温度測定の問題点を示
した。しかしながら、実際の管理された半導体装置の製
造工程においては、膜厚や膜質の工程ばらつきによる光
吸収（基板温度）の変動は、上記設定した酸化シリコン
膜の膜厚条件よりもはるかに小さい。そのため、温度測
定器１を用いた閉回路制御により、開回路制御における
シート抵抗（基板温度）の膜厚依存性を十分に解消でき
る。
【００４６】以上のように、閉回路制御において精度の
よい測定をするためには、測温部１２を被覆する測温部
被覆部材２２を極力小さくし、光の吸収を抑える必要が
ある。このことは、同時に測温部被覆部材２２の熱容量
を下げ、熱応答性の向上にも繋がることが確認されてい
る。
【００４７】このように、本発明では、熱伝導性に優れ
ている測温部被覆部材２２と輻射吸収の少ない（言い換
えれば光透過率の優れている）線部被覆部材２３とで被
覆部材２１を構成する。そのため、従来技術のように１
種類の材料で被覆部材を構成していた温度測定器とは異
なり、上記説明したように、基板５１（評価サンプル６
１，７１，８１）の温度をほぼ正確に測定することが可
能になる。
【００４８】上記温度測定器１では、測温部被覆部材２
２を熱伝導性の高い材料である炭化ケイ素で形成した
が、例えば窒化アルミニウム、シリサイド（例えば、モ
リブデンシリサイド、チタンシリサイド、コバルトシリ
サイド等〕もしくはアルミナで形成してもよい。例え
ば、アルミナで形成した場合には、測温部被覆部材２２
の表面での反射率が高いため、基板５１を加熱するため
に照射される光が反射される。そのため、測温部被覆部
材２２が照射された光によって加熱されることはほとん
どない。そのため、測温部被覆部材２２の光吸収による
測定誤差を抑えられ、精度の高い測定が可能である。ま
た、炭化ケイ素と同様に、熱処理時に上記測温部被覆部
材２２が基板５１を汚染することもない。
【００４９】上記第１実施形態では、線部被覆部材２３
を石英で構成したが、第２実施形態として、基板５１を
加熱するために照射する光が反射される材料で線部被覆
部材２３を構成することも可能である。例えば、線部被
覆部材２３はアルミナで形成される。このような構成で
は、熱電対１１の導線を被覆する線部被覆材料２３が光
の照射を受けるとその光を反射する。そのため、光の照
射による線部被覆部材２３の温度上昇がほとんどなくな
るので、線部被覆部材２３の吸熱による熱電対１１の測
温値の変化がほとんど起こらない。また基板５１からの
輻射も反射するので、輻射による測温値の変化がほとん
ど起こらない。
【００５０】基板温度測定において生じる光吸収による
測定誤差の問題は、前記第１実施形態で説明した温度測
定器１によって解決できる。しかし、温度測定器１のよ
うに基板に接触して温度測定する温度測定器の問題とし
て、基板と温度測定器の測温部との接触状態の安定性が
ある。これは、基板の反り、基板の表面状態等により、
温度測定器と基板との接触面積が変わることにより、基
板からの熱伝導量が変動するために、測定精度の悪化と
して現れる。特に、接触面を平坦とし、接触面積を広く
した場合には、わずかな基板の反り、表面の凹凸等によ
る接触角のずれによって、接触面積が大きく変わる。こ
の接触状態の再現性の向上を図った温度測定器を第３実
施形態として、図１４の概略構成断面図によって説明す
る。
【００５１】図１４に示すように、温度測定器３は、上
記図１によって説明した温度測定器１と同様の構成を成
すもので、測温部１２に装着される測温部被覆部材２２
における基板５１との接触面２２Ａを凸曲面に形成した
ものである。
【００５２】上記第３実施形態の構成の温度測定器２
は、接触面２２Ａを凸曲面に形成したことから、基板５
１との接触はいわゆる点接触になる。そのため、たとえ
基板５１の接触面が反っている、表面に凹凸がある、ま
たは基板５１に対して接触面２２Ａが傾いて接触して
も、点接触状態は変わらない。そのため、常に一定の接
触状態（例えば、接触角、接触面積等）を維持すること
が可能になる。そのため、接触状態による測定誤差が低
減されるので、安定した基板温度の測定が実現される。
【００５３】次に第４実施形態を図１５の概略構成断面
図によって説明する。図１５に示すように、温度測定器
４は、前記第１実施形態で説明した温度測定器１の測温
部１２に装着される測温部被覆部材２２の外周に、基板
５１に照射される光を反射する反射被覆層４１が形成さ
れているものである。
【００５４】上記温度測定器４は、測温部被覆部材２２
の外周に、基板５１に照射される光を反射する反射被覆
層４１が形成されていることから、測温部被覆部材２２
に対して直接に光が照射されることはない。そのため、
測温部被覆部材２２が照射される光によって直接に加熱
されることがないので、基板５１の温度測定精度の向上
が図れる。
【００５５】次に第５実施形態を図１６の概略構成断面
図によって説明する。図１６に示すように、温度測定器
５は、前記第１実施形態で説明した温度測定器１の測温
部１２に装着される測温部被覆部材２２へ照射される光
の光路上でかつこの測温部被覆部材２２の近傍に、照射
される光を遮る遮光板４２が形成されているものであ
る。上記遮光板４２は、好ましくは、アルミナ等の光を
反射する材料で形成されている。
【００５６】上記温度測定器５は、上記説明したような
測温部被覆部材２２の近傍に、基板５１の裏面側に照射
される光を遮る遮光板４２が形成されていることから、
この遮光板４２によって測温部被覆部材２２に対して直
接に光が照射されることはない。そのため、測温部被覆
部材２２が照射される光によって直接に加熱されること
がないので、基板５１の温度測定がより正確に行える。
【００５７】次に、上記温度測定器１〜温度測定器５の
うちのいずれかを用いて基板の温度を測定する方法の一
例を、以下に説明する。前記図２によって説明したよう
な、例えば温度測定器１を設置した光照射型熱処理装置
１０１を用いる。まず、その光照射型熱処理装置１０１
のチューブ１１２の内部に加熱処理を行う基板５１を挿
入し、基板支持部１１８とともにトレー１１７上に配置
した温度測定器１の先端部（すなわち前記図１によって
説明した測温部被覆部材２２を介した測温部１２）によ
って基板５１を支持する。そしてチューブ１１２の側周
に設けられている加熱用のハロゲンランプ１１３を発光
させて基板５１に光を照射し、基板５１の加熱処理を行
う。その際、上記温度測定器１により基板５１の温度を
測定を行う。
【００５８】上記基板の温度を測定する方法では、熱電
対１１が被覆部材２１により被覆され、この被覆部材２
１のうち熱電対１１の測温部１２を覆う測温部被覆部材
２２が熱伝導性の高い材料からなる構成の温度測定器１
を用いて、基板５１の温度を測定することから、基板５
１の温度は熱伝導性の高い材料からなる測温部被覆部材
２２によって測温部１２に伝導し易くなる。そのため、
被覆部材２１を介しての温度測定ではあるが、基板５１
の温度を正確に測定することが可能になる。また、上記
測温部被覆部材２２を除く他の部分の被覆部材、すなわ
ち線部被覆部材２３が光の透過率の高い材料（または光
の反射率の高い材料）からなることから、測定中に線部
被覆部材２３が光の照射を受けてその光を吸収すること
はほとんどない。そのため、光の照射による線部被覆部
材２３の温度上昇がほとんどなくなるので、線部被覆部
材２３の吸熱による温度測定手段１の測温値の変化、基
板５１からの輻射による測温値の変化がほとんど起こら
ない。したがって、上記温度測定器１によって基板５１
の熱処理時における温度を高精度に測定することが可能
になる。上記説明では、温度測定器１を用いたが、他の
温度測定器２〜温度測定器５を用いても同様に基板５１
の熱処理時における温度を高精度に測定することが可能
になる。
【００５９】次に、温度測定器に対する光の照射量を低
減して高精度な温度測定を行う基板の加熱方法の一例
を、図１７によって説明する。
【００６０】基板５１の加熱方法は、基板５１の温度を
測定するための温度測定器１の測温部１２が測温部被覆
部材２２を介して接触する側の基板５１の面（裏面）と
は反対側の基板５１の面（表面）に照射される光Ｌ１の
照射強度を、基板５１の裏面に照射される光Ｌ２の照射
強度よりも相対的に高めて、光を照射するという方法で
ある。すなわち、基板５１の裏面側のランプ１１３Ｂの
照射強度に対し、基板５１の表面側のランプ１１３Ｓの
照射強度を高めることで、測温部被覆部材２２への光の
照射量が減るため、温度測定器１の測定精度の向上が図
れる。
【００６１】次に一例として、ランプ出力が１００％の
ときと比較したランプ出力比と基板温度の測定誤差との
関係を、図１８によって説明する。なお、基板の表面側
のランプ出力と基板の裏面側のランプ出力の比は２：１
に設定されている。図１８では、縦軸にランプ出力が１
００％のときと比較したランプ出力比を示し、横軸に基
板換算温度と温度測定器１の測定温度との差より求めた
測定誤差を示す。そして図中、白抜きの三角印は温度測
定器１を用いた閉回路制御における値を示す。
【００６２】図１８に示すように、ランプ出力が高まる
ほど、温度測定器１による測定誤差は大きくはなるが、
その増大量は少ない。図１８に示した結果は、５インチ
口径の基板による実験のため、８インチ口径の基板のよ
うな大口径基板を用いた実験に比べ、基板の表面側から
のランプから照射した光が基板の裏面側に回り込み易
い。そのため、基板の表面側の照射強度を上げた効果
は、それほど顕著には現れない。しかしながら、前記図
１３によって示したランプ出力比が１：１の時と比べ、
ランプ出力に依存する温度測定器１の測定誤差は改善さ
れていることがわかる。このことは、温度測定器１がラ
ンプからの光を直接吸収する量が低減されていることを
証明している。したがって、温度測定器１を設置下側の
基板面に照射される光の強度を低くすることにより、高
精度な測定ができることがわかる。
【００６３】
【発明の効果】以上、説明したように本発明の温度測定
器によれば、測温部を覆う部分の被覆部材が熱伝導性の
高い材料で構成されているので、基板温度はその被覆部
材を介して測温部に十分に伝えることができる。そのた
め、基板温度を正確に測定することが可能になる。ま
た、他の部分の被覆部材は光の透過率の高い材料または
光の反射率の高い材料で構成されているので、この被覆
部材は光をほとんど吸収しない。そのため、光照射によ
る被覆部材の吸熱はほとんど起きないので、正確な温度
測定が行える。さらに、熱電対が被覆部材で覆われてい
るために、基板を汚染することがない。
【００６４】また本発明の基板の温度を測定する方法に
よれば、上記温度測定器を用いて基板の温度を測定する
ので、測温部に基板温度が十分に伝わり、かつ光が照射
されても被覆部材はほとんど照射された光を吸収しない
ので、基板の温度を正確に測定することが可能になる。
したがって、全ての基板に対し同じ光照射強度により処
理する開回路制御に本温度測定器を使用することで、高
精度な基板温度の測定が可能となる。また、基板温度を
ランプ出力にフィードバックして基板を所望の温度に制
御する閉回路制御の温度測定に本温度測定器を用いるこ
とで、従来よりも光吸収が抑えられるので精度のよい温
度測定ができる。よって、基板の膜構造や各層の膜厚ば
らつき等による処理温度のばらつきを閉回路制御により
改善できる。
【００６５】本発明の加熱方法によれば、測温部が接触
する側の基板面に照射される光の強度をその反対側の基
板面に照射される光の強度よりも弱めることになるの
で、測温部に照射される光量は少なくなる。よって、測
温部に対する光照射の影響が少なくなるので、基板温度
の測定誤差を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の温度測定器に係わる第１実施形態の概
略構成断面図である。
【図２】温度測定器を使用する光照射型熱処理装置の一
例の概略構成断面図である。
【図３】各評価サンプルの概略構成断面図である。
【図４】ＲＴＡのシーケンスの説明図である。
【図５】各評価サンプルのシート抵抗とＲＴＡの設定温
度との関係図である。
【図６】本発明の温度測定器による測定温度とシート抵
抗との関係図である。
【図７】比較例の温度測定器の概略構成断面図である。
【図８】比較例の温度測定器による測定温度とシート抵
抗との関係図である。
【図９】第３評価サンプルのシート抵抗と酸化シリコン
膜厚との関係図である。
【図１０】第３評価サンプルの基板温度と酸化シリコン
膜厚との関係図である。
【図１１】第３評価サンプルでのランプ出力比と酸化シ
リコン膜厚との関係図である。
【図１２】第３評価サンプルでのランプ出力比と基板換
算温度との関係図である。
【図１３】第３評価サンプルでのランプ出力比と測定誤
差との関係図である。
【図１４】温度測定器に係わる第３実施形態の概略構成
断面図である。
【図１５】温度測定器に係わる第４実施形態の概略構成
断面図である。
【図１６】温度測定器に係わる第５実施形態の概略構成
断面図である。
【図１７】本発明の基板の加熱方法に係わる説明図であ
る。
【図１８】第３評価サンプルでのランプ出力比と測定誤
差との関係図である。
【符号の説明】
１ 温度測定器 １１ 熱電対 １２ 測温部
２１ 被覆部材 ２２ 測温部被覆部材 ２３ 線部被覆部材 ５１
基板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウエルナー ブラールッシュ ドイツ連邦共和国 デ−89160 ドルンシ ュタット ダラムラーシュトラーセ 10

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 温度測定手段と該温度測定手段を覆う被
    覆部材とを備え、前記被覆部材を介して前記温度測定手
    段の測温部を基板に接触させて、光の照射によって加熱
    される前記基板の温度を測定する温度測定器において、 前記測温部を覆う部分の前記被覆部材は熱伝導性の高い
    材料からなり、 前記熱伝導性の高い材料からなる被覆部材を除く他の部
    分の前記被覆部材は前記光の透過率の高い材料からなる
    ことを特徴とする基板の温度測定器。
  2. 【請求項２】 温度測定手段と該温度測定手段を覆う被
    覆部材とを備え、前記被覆部材を介して前記温度測定手
    段の測温部を基板に接触させて、光の照射によって加熱
    される前記基板の温度を測定する温度測定器において、 前記測温部を覆う部分の前記被覆部材は熱伝導性の高い
    材料からなり、 前記熱伝導性の高い材料からなる被覆部材を除く他の部
    分の前記被覆部材は前記光の反射率の高い材料からなる
    ことを特徴とする基板の温度測定器。
  3. 【請求項３】 請求項１記載の基板の温度測定器におい
    て、 前記基板と接触する前記被覆部材の表面は凸曲面に形成
    さていることを特徴とする基板の温度測定器。
  4. 【請求項４】 請求項２記載の基板の温度測定器におい
    て、 前記基板と接触する前記被覆部材の表面は凸曲面に形成
    さていることを特徴とする基板の温度測定器。
  5. 【請求項５】 請求項１記載の基板の温度測定器におい
    て、 前記熱伝導性の高い材料からなる被覆部材は、炭化ケイ
    素、窒化アルミニウム、シリサイドもしくはアルミナか
    らなることを特徴とする基板の温度測定器。
  6. 【請求項６】 請求項２記載の基板の温度測定器におい
    て、 前記熱伝導性の高い材料からなる被覆部材は、炭化ケイ
    素、窒化アルミニウム、シリサイドもしくはアルミナか
    らなることを特徴とする基板の温度測定器。
  7. 【請求項７】 請求項１記載の基板の温度測定器におい
    て、 前記熱伝導性の高い材料からなる被覆部材の外周に前記
    光に対する反射率の高い材料からなる反射被覆層が形成
    されていることを特徴とする基板の温度測定器。
  8. 【請求項８】 請求項２記載の基板の温度測定器におい
    て、 前記熱伝導性の高い材料からなる被覆部材の外周に前記
    光に対する反射率の高い材料からなる反射被覆層が形成
    されていることを特徴とする基板の温度測定器。
  9. 【請求項９】 請求項１記載の基板の温度測定器におい
    て、 前記熱伝導性の高い材料からなる被覆部材へ照射される
    前記光の光路上でかつ前記熱伝導性の高い材料からなる
    被覆部材の近傍に、該光を遮る遮光板が備えられている
    ことを特徴とする基板の温度測定器。
  10. 【請求項１０】 請求項２記載の基板の温度測定器にお
    いて、 前記熱伝導性の高い材料からなる被覆部材へ照射される
    前記光の光路上でかつ前記熱伝導性の高い材料からなる
    被覆部材の近傍に、該光を遮る遮光板が備えられている
    ことを特徴とする基板の温度測定器。
  11. 【請求項１１】 温度測定手段と該温度測定手段を覆う
    被覆部材とを備え、前記被覆部材を介して前記温度測定
    手段の測温部を基板に接触させて、光の照射によって加
    熱される前記基板の温度を測定する方法において、 前記測温部を覆う部分の前記被覆部材は熱伝導性の高い
    材料からなり、前記熱伝導性の高い材料からなる被覆部
    材を除く他の部分の前記被覆部材は前記光の透過率の高
    い材料からなる基板の温度測定器を用いて、前記基板の
    温度を測定することを特徴とする基板の温度を測定する
    方法。
  12. 【請求項１２】 温度測定手段と該温度測定手段を覆う
    被覆部材とを備え、前記被覆部材を介して前記温度測定
    手段の測温部を基板に接触させて、光の照射によって加
    熱される前記基板の温度を測定する方法において、 前記測温部を覆う部分の前記被覆部材は熱伝導性の高い
    材料からなり、前記熱伝導性の高い材料からなる被覆部
    材を除く他の部分の前記被覆部材は前記光の反射率の高
    い材料からなる基板の温度測定器を用いて、前記基板の
    温度を測定することを特徴とする基板の温度を測定する
    方法。
  13. 【請求項１３】 光の照射によって基板を加熱する基板
    の加熱方法において、 前記基板の温度を測定するための温度測定器の測温部が
    接触する側の該基板面とは反対側の基板面に照射される
    光の照射強度を該測温部が接触する側の基板面に照射さ
    れる光の照射強度よりも相対的に高めて、前記光の照射
    を行うことを特徴とする基板の加熱方法。
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