JPH0425729A - 半導体ウェハの熱処理装置及び熱処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、温度測定装置に関する。

（従来の技術） 一般に、被測定体の温度を測定する温度測定装置として
は、従来から熱電対等の温度センサーを被測定体に接触
さ″せて測定する温度測定装置と、例えば被測定体から
放射される赤外線等を測定してその放射量から被測定体
の温度を算出する温度測定装置とがある。

これらの装置のうち、後者の装置は、ステファン・ボル
ツマンの法則を利用したもので、温度Ｔと射出能Ｅおよ
び放射率εとの関係を表わす次式、Ｔ−（Ｅ／（７０ε
）” を用いて被測定体の温度を算出するものであるが、実際
の測定においては、射出能Ｅおよび放射、率εを正確に
知る手段がないためこれらの推定値Ｅ′ε′を用いて、
次式によって温度Ｔ−を推定する。

Ｔ＝−（Ｅ−／σ０ε−、ｌ／４ なお、これらの式において、σ０はステファンボルツマ
ン定数［４，８８Ｘ１０−’　（Ｋｃａｌ／　１２ｈＫ
’　）］を示している。

この温度測定装置によれば、被測定体に非接触で温度を
測定することができる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記説明の従来の温度測定装置のうち、
熱電対等の温度センサーを被測定体に接触させて測定す
る温度測定装置では、温度センサーを接触させることが
できない部位の温度を測定することができないという問
題がある。

例えば加熱板上に半導体ウェハを載置して、この半導体
ウェハ表面に塗布されたフォトレジストのベーキングを
行うベーキング装置では、フォトレジストの温度を検出
して加熱温度を制御することが好ましい。

しかしながら、半導体ウェハ表面に塗布されたフォトレ
ジストに温度センサーを接触させることができない（フ
ォトレジスト膜を破損させてしまう）ため、例えば加熱
板内に熱電対等の温度センサーを埋設しておき加熱板の
温度からフォトレジストの温度を推定している。ところ
が、このような方法では正確なフォトレジストの温度を
検知することができないという問題がある。

また、被測定体から放射される赤外線等を測定し、その
放射量からステファン・ボルツマンの法則を利用して被
測定体の温度を算出する従来の温度測定装置では、被測
定体に非接触で温度を測定することができるので、上述
したベーキング装置の場合でも直接フォトレジストの温
度を測定することができる。

しかしながら、この場合例えばシリコンウェハおよびフ
ォトレジストは、赤外線に対する透過率が高いので、加
熱板からの赤外線を主として測定し、この加熱板の温度
を測定することになり、正確なシリコンウェハおよびフ
ォトレジストの温度は測定することができないという問
題かある。また、この装置では正確に知ることのできな
い放射率の設定を行う必要が有るという問題もある。

本発明は、かかる従来の事情に対処してなされたもので
、放射率の設定が不要で、かつ、非接触でより正確に被
測定体の温度を測定することのできる温度測定装置を提
供しようとするものである。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） すなわち本発明は、被測定体の吸収特性から求めた複数
の吸収ピーク波長における放射量を測定する手段と、こ
の手段に入射する放射を、前記被測定体からの放射と、
放射率既知のリファレンスからの放射とに切替る手段と
、前記複数の吸収ピーク波長における前記被測定体から
の放射量と前記リファレンスからの放射量との差から前
記被測定体の温度を算出する手段とを具備したことを特
徴とする。

（作　用） 上記構成の本発明の温度測定装置では、被測定体の吸収
特性から求めた複数の吸収ピーク波長において放射量の
測定を行う。すなわち、被測定体の放射率と吸収率は等
しいので、吸収率の高い波長（吸収ピーク波長）、すな
わち放射率の高い波長において放射量を測定する。

また、被測定体からの放射量と放射率既知のリファレン
スからの放射量とを切替えて測定し、これらの放射量の
差から被測定体の温度を算出する。

したがって、非接触で正確に被測定体の温度を測定する
ことができ、かつ、放射率の設定も不要とすることがで
きる。

（実施例） 以下、本発明の温度測定装置を半導体ウェハの表面にレ
ジスト液塗布後のベーキング工程における温度測定に適
用した実施例を図面を参照して説明する。

ベーキング装置１には、上面に半導体ウェハ２を載置可
能に構成された発熱板３が設けられている。この発熱板
３には、加熱手段として例えば抵抗加熱ヒータ４が設け
られており、この抵抗加熱ヒータ４には、温度制御器５
によって抵抗加熱ヒータ４に供給する電力を制御可能に
構成された電源６が接続されている。

上記発熱板３は、断熱材７を有する筐体８内に収容され
ている。また、後述する温度測定装置１０で半導体ウェ
ハ２からの放射を測定するために、例えばこの筐体８の
天井部には、温度測定装置１０によって測定する波長領
域の電磁波（例えば赤外線）の透過度の高い材質からな
るウィンド９が設けられている。

なお、発熱板３の半導体ウェハ２載置面には、例えばス
パッタリング等で金属薄膜を形成する等により、鏡面仕
上を施しである。これは、発熱板３からの赤外線が後述
する温度測定に与える影響を軽減するためである。この
ように発熱板３表面から放射される赤外線を減少させて
も、半導体ウェハ２は赤外線の透過率が高く、もともと
放射による加熱ではなく主として熱伝導による加熱が行
われているので、半導体ウェハ２の加熱効率の減少は僅
かである。

上記ベーキング装置１のウィンド９の上部には、温度測
定装置１０が設けられている。この温度測定装置１０に
は、発熱板３の上に載置された半導体ウェハ２の表面に
被着されたフォトレジスト２ａあるいは半導体ウェハ２
自身から放射される電磁波例えば赤外線を検出可能に構
成された赤外線検出器１１として例えば波長依存性のな
いサーモバイル型受光素子が設けられている。

また、この赤外線検出器１１とウィンド９との間には、
上記赤外線を収束させて赤外線検出器１１に入射させる
ための光学系１２が設けられている。この光学系１２は
、例えば鏡筒１３内の天井部に下向きに設けられた凸面
鏡１４と、この凸面鏡１４に対向する如く設けられた中
央部に開口を有する凹面鏡１５、およびこの凹面鏡１５
の下部に設けられた環状の遮光板１６等から構成されて
いる。

なお、遮光板１６は複数段けられ、ラビリンス構造によ
り、静止空気層を形成し、空気の対流によるごみの付着
や温度変動を防止するよう構成されている。

そして、図示矢印で示す如く、ウィンド９を通して鏡筒
１３内に入射する赤外線から、遮光板１６によって迷光
成分を除去し、この赤外線を凹面鏡１５の開口を通過さ
せた後凸面鏡１４で凹面鏡１５へ反射し、凹面鏡１５で
赤外線検出器１１に収束させる。

上記光学系１２とウィンド９との間には、例えばロータ
リーソレノイド１７によって回動するリファレンス板１
８によって、ウィンド９から光学系１２（したがって赤
外線検出器１１）に入射する赤外線を断続的に遮断（チ
ョッピング）する第１の開閉機構１９が設けられている
。

この第１の開閉機構１９のリファレンス板１８は、少な
くとも光学系１２側の面１８ａが放射率既知の材料から
構成されている。つまり、この第１の開閉機構１９が閉
じている時には、赤外線検出器１１にリファレンス板１
８の面１８ａ（放射率既知の材料）からの赤外線および
光学系１２の各部位、例えば凸面鏡１４、凹面鏡１５、
遮光板１６等からの赤外線が入射し、一方、第１の開閉
機構１９が開いている時には、赤外線検出器１１にウィ
ンド９を通過した被測定体（半導体ウエノ１２およびフ
ォトレジスト２ａ）からの赤外線および光学系１２の各
部位、例えば凸面鏡１４、凹面鏡１５、遮光板１６等か
らの赤外線が入射するよう構成されている。

したがって、後述する温度算出時には、上記第１の開閉
機構１９が開いている時の赤外線測定信号から、閉じて
いる時の赤外線測定信号を差し引くことにより、例えば
光学系１２等からの雑音成分を除去し、精度良く温度測
定を行うことができるよう構成されている。

なお、□リファレンス板１８の面１８ａを構成する放射
率既知の材料としては、放射率が経時的に変化しに＜＜
、かつ、赤外線の放射量ができる限り少ないものが好ま
しい。したがって、リファレンス板１８の面１８ａは、
例えば金めつき等により鏡面仕上げすることが好ましい
が、例えばアルミニウム面等とすることもできる。

また、上述した如く、例えば金め９き等による鏡面仕上
げを実施すれば、通常の測定では、このリファレンス板
１８の面１８ｇからの放射は無視できる程度に小さくす
ることができる。したがって、第１の開閉機構１９が開
いている時の赤外線測定信号から、閉じている時の赤外
線測定信号を差し引いた信号をそのまま用いて被測定体
の温度を算出することもできる。また、このリファレン
ス板１８に熱電対等の接触型の温度検出器を設け、この
温度検出器によって測定された温度と既知の放射率から
、リファレンス板１８の面１８ａがらの放射量を算出し
、上記信号の差に加算して補正するようにすれば、さら
に測定精度を向上させることができる。

さらに、上記光学系１２と赤外線検出器１１との間には
、光学系１２から赤外線検出器１１に入射する赤外線を
断続的に遮断（チョッピング）する第２の開閉機構２０
が設けられている。この第２の開閉機構２０は、例えば
モータ２１と、このモータ２１によって回動する円板状
の開閉板２２と、この開閉板２２の対称位置に設けられ
、それぞれ異なった波長（後述するλ１とλ２）の赤外
線を選択的に透過する複数例えば２つの狭帯域バンドパ
スフィルタ２３．２４等から構成されている。

つまり、この第２の開閉機構２０の開閉板２２を回転さ
せることにより、赤外線検出器１１には、チョッピング
されたλ１の波長の赤外線と、チョッピングされたλ２
の波長の赤外線とが交互に入射するよう構成されている
。したがって、赤外線検出器１１の出力信号はパルス状
の信号となり、後述する温度算出時には、例えばこれら
のパルス状の信号の平均をとることにより、電気的な雑
音の低減を図るよう構成されている。

そして、赤外線検出器１１の出力を、増幅器２５によっ
て増幅し、この増幅された信号に基いて温度算出器２６
によって被測定体（半導体ウェハ２およびフォトレジス
ト２　ａ、　）の温度を算出するよう構成されている。

なお、この温度算出器２６によって算出された温度信号
は、温度制御器５にフィードバックされるよう構成され
ており、この温度測定結果に基づいて温度制御器５によ
り電源６を制御し、半導体ウェハ２あるいはフォトレジ
スト２ａが所定温度となるように抵抗加熱ヒータ４に供
給する電力を調節する。

上記構成の温度測定装置１０では、次のようにしてフォ
トレジスト２ａあるいは半導体ウェハ２の温度の測定を
行う。

すなわち、まず第１の開閉機構１９のロータリーソレノ
イド１７を所定の速度で駆動し、リファレンス板１８を
所定の速度で回転させることにより、光学系１２の入口
部分で赤外線をチョッピングするとともに、第２の開閉
機構２０のモータ２１により開閉板２２を上記第１の開
閉機構１９と例えば同期させて回転し、光学系１２の出
口部分で赤外線をチョッピングする。

そして、前述した如く、第１の開閉機構１９の開閉時の
信号の差をとることにより、光学的な雑音成分の影響を
除去するとともに、第２の開閉機構２０の開閉により得
られたパルス状の信号の平均をとることにより、電気的
な雑音を低減した被測定体（半導体ウェハ２およびフォ
トレジスト２ａ）からの赤外線の測定信号を波長λ１、
λ２について得、この信号に基いて次のようにして温度
を算出する。

周知のように、ブランクの法則では、黒体がらの電磁波
（主に赤外線）の単色射出能Ｅ　　は、ｂλ Ｅｂλ”Ｃ１”λ−５／　［ｅｘｐ　　（Ｃ２／λＴ）
−１］ただし λ　：波長（ｍ） Ｔ　二ケルビン温度（Ｋ） Ｃ１：定数−３，２１７９Ｘ　１０−”　　（Ｋｃａｌ
　・ｍ　２／　ｈ　）Ｃ２：定数−１，４３８８ＸＩＯ
−Ｘｌ０−２（と表すことができる。

そこで、上記ブランクの法則を用いて波長λ１、λ２に
おける単色射出能の推定値Ｅ　　−およびλ１ Ｅ２２′を表すと、η１とη２をそれぞれ赤外線検出器
１１の波長λ１、λ２に対する効率、Ｋ１、Ｋ２を波長
λ１、λ２に対するゲインとして、Ｅ　　　　′　璽　
ε λ１　　　　λ１　°に１　°η１　・Ｃ，−λ１−５
／　［ｅｘｐ　　（Ｃ２／λ＋Ｔ）　−１−］−ελ１
　・Ｋ１　・ｆ（λ１．Ｔ） Ｅλ２゛−ελ２争に２φη２・ｃｌ・λ２−５／　［
ｅｘｐ　　（Ｃ２／λ２Ｔ）−１１−ελ２・Ｋ２・ｆ
　（λ２．Ｔ） となる。ここで、 ε　λ　１　８　Ｋ　１　　・　　η　１　−　ε　　
　　　　　拳　Ｋ２−　　　η　２λ　２ となるように増幅器２５のゲインに、、Ｋ２を較正して
おき、両式の比をとると、 Ｅ　　　−／Ｅ　　　“−ｆ（λ１．Ｔ）λ１　　　λ
２ ／ｆ　（λ２．Ｔ） となる。

温度算出器２６は、例えばＮＥＷＴＯＮ　−ＲＡＰＨＳ
ＯＮ法等の数値解析によって上式から温度Ｔを算出する
。

上記のゲインに、　、Ｋ２の較正は以下のようにして容
易に達成することができる。

例えば、まず実用上測定対象とする放射の波長範囲にお
いてη１＊η２なるような、すなわち赤外線検出器１１
の効率に波長依存性がなく、効率η１とη２とが十分の
精度で等しくなるようなもの例えばサーモバイル型受光
素子を選択する。

次に、予め測定した被測定体の吸収スペクトルから波長
λ１、λ２における単色放射率ελ１、ελ２を求める
。これらのελ１　　λ２を用い、　　ε てゲインに１とに２の比が、 Ｋ　＋　／　Ｋ　２　”Ｆε　　／ε λ２　　λ１ となるようにに１とに２を設定する。この場合に１とに
２の比は赤外線検出器１１の種類とは無関係に被測定体
の光物性のみから定まるという大きなメリットがある。

また、効率η１、η２がともに既知の場合には、Ｋ　＋
　／　Ｋ　２冒ε　　η２／ελ１η１λ２ のように、Ｋ１とに２を設定してもよい。

一方、キルヒホッフの法則によれば、全ての物体の射出
能と吸収率の比は等しく、その値は黒体の射出能に等し
い。すなわち、いろいろな物体の射出能をＥ、、Ｋ２．
・・・・・・Ｅｌ、吸収率をφ１゜φ２．・・・・・・
φ。とし、黒体の射出能をＥ１吸収率をφとすると、次
式が成立つ。

Ｅ、／φ＋−Ｅ２／φ２−・・・・・・・・・−Ｅ／φ
−Ｅこれを変形すると、 Ｅ１／Ｅ−φ、、Ｅ２／Ｅ−φ２゜ ・・・・・・、Ｅ、／Ｅ−φ。

となるが、 ＥＩｌ／Ｅ−ε、（放射率） であるから、 ε１−φ１．ε２−φ２．・・・・・・、ε、−φ。

となり、全ての物体の放射率は同物体の吸収率に等しい
事が導出される。したがって、温度測定を行う場合は、
被測定体の放射率の高い、すなわち吸収率の高い波長（
吸収ピーク波長）の赤外線を測定することにより、被測
定体の背景からの赤外線放射の影響の少ない精度の良い
温度測定を実現することができる。

ここで、縦軸を透過率、横軸を波長とした第２図のグラ
フおよび第３図のグラフは、それぞれシリコンウェハお
よびシリコンウェハ上に厚さ約５μｍのフォトレジスト
膜を形成した場合の赤外線に対する吸収特性を示してい
る。第２図のグラフに示されるように、シリコンウェハ
は、波長的９μｍと約１６μｍに吸収ピークを有し、第
３図のグラフに示されるように、この場合のフォトレジ
スト膜（フォトレジストの種類によって異なる）は、例
えば波長的３μｍと約７μｍ等に幾つかの吸収ピークを
有する。

そこで、この実施例では、半導体ウェハ（シリコンウェ
ハ）２の温度を測定する場合は、λ１およびλ２を波長
９μｍおよび１６μｍとして温度測定を行う。また、フ
ォトレジスト２ａの温度を測定する場合は、λ１および
λ２を３μｍおよび７μｍとして温度測定を行う。

なお、前述した増幅器２５のゲインに、　、Ｋ２の較正
は、予め半導体ウェハ２の温度を測定する場合と、フォ
トレジスト２ａの温度を測定する場合とで、それぞれ別
々に行っておく必要がある。

すなわち、この実施例では、被測定体（半導体ウェハ２
またはフォトレジスト２ａ）の赤外線吸収ピーク波長に
対応する２種類の波長λ１、λ２の赤外線の放射量をそ
れぞれ測定し、これらの測定値から温度を算出するので
、放射率の高い波長における放射量を測定することによ
り、測定精度の向上を図ることができるとともに、第１
の開閉機構１９および第２の開閉機構２０によって、光
学的な雑音および電気的な雑音を低減した精度の高い測
定信号を得ることができるので、被測定体の温度を非接
触で正確に測定することができる。

また、従来のように、放射率の設定を行う必要もない。

さらに、加熱板３に鏡面仕上が施しであるので、加熱板
３から赤外線検出器１１、に入射する赤外線量を減少さ
せることができ、半導体ウェハ２およびフォトレジスト
２ａのより正確な温度を測定することができる。

したがって、フォトレジスト２ａあるいは半導体ウェハ
２の正確な温度に基いて、電源６から抵抗加熱ヒータ４
に供給する電力の制御を行うことができ、フォトレジス
ト２ａの温度を所望の温度に保持して良好なベーキング
処理を行うことができる。

なお、上記実施例では、半導体ウエノ＼２のべ一キング
工程におけるシリコンウェハ、フォトレジストの温度側
一定を行う場合の例について説明したが、本発明の温度
測定装置は、他の被測定体の温度測定にも応用可能で例
えば、ポリイミド系およびシリコン系絶縁膜、絶縁用フ
ェス、イオン感応用ポリ塩化ビニル膜、およびエポキシ
、アクリル、ポリウレタン樹脂等、吸収ピーク波長を有
するものであればいずれにも適用が可能である。

［発明の効果］ 上述のように、本発明の温度測定装置によれば、放射率
の設定が不要で、かつ、非接触で正確に被測定体の温度
を測定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の温度測定装置の構成を示す
図、第２図はシリコンウェハの赤外線に対する吸収特性
を示すグラフ、第３図はシリコンウェハ上に厚さ約５μ
ｍのフォトレジスト膜を形成した場合の赤外線に対する
吸収特性を示すグラフである。 １・・・・・・ベーキング処理、２・・・・・・半導体
ウェハ、２ａ・・・・・・フォトレジスト、３・・・・
・・加熱板、４・・・・・・抵抗加熱ヒータ、５・・・
・・・温度制御器、６・・・・・・電源、７・・・・・
・断熱材、８・・・・・・筐体、９・・・・・・ウィン
ド、１０・・・・・・温度測定装置、１１・・・・・・
赤外線検出器、１１２・・・・・・光学系、１３・・・
・・・鏡筒、１４・・・・・・凸面鏡、１５・・・・・
・凹面鏡、１６・・・・・・遮光板、１７・・・・・・
ロータリーソレノイド、１８・・・・・・リファレンス
板、１９・・・・・・第１の開閉機構、２０・・・・・
・第２の開閉機構、２１・・・・・・モータ、２２・・
・・・・開閉板、２３．２４・・・・・・フィルター　
２５・・・・・・増幅器、２６・・・・・・温度算出器
。 第１ 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）被測定体の吸収特性から求めた複数の吸収ピーク
   波長における放射量を測定する手段と、この手段に入射
   する放射を、前記被測定体からの放射と、放射率既知の
   リファレンスからの放射とに切替る手段と、 前記複数の吸収ピーク波長における前記被測定体からの
   放射量と前記リファレンスからの放射量との差から前記
   被測定体の温度を算出する手段とを具備したことを特徴
   とする温度測定装置。