JPH0448724A - 半導体熱処理装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体製造用の酸化・拡散装置などの熱処理装
置に係り、特に、ウェハ温度測定方法や装置構造に関す
る。

〔従来の技術〕

従来の装置は、特開昭６０−１３１４３０号公報に記載
のように、ウェハ温度を赤外放射温度計で測定してラン
プ加熱量を制御し、またランプの外側に凹面状の反射板
を設けていた。

また、特開昭６２−１２８５２５号公報に記載のように
、ウェハ周囲に薄い環状板を設けて熱応力欠陥発生の防
止を図っていた。

また、特開昭６１−６７１１５号公報に記載のように、
棒状のランプ群を直交するように二層に配列して熱処理
制御を行っていた。

また、特開昭６４−７１１１８号公報に記載のように。

平板状電気ヒータで加熱するウェハの下部のみを石英治
具で支持しており、また、プリズムの反射を利用してウ
ェハ温度を測定していた。

（発明が解決しようとする課題〕 特開昭６０−１３１４３０号公報は、ウェハの表面状態
によって放射率が変化する点について考慮がされておら
ず、放射温度計の指示値が真のウェハ温度と異なるとい
う°問題があった。また、ランプ外側の反射板の経時変
化について考慮がされておらず、次第に酸化して反射効
率が低下するという問題があった。

特開昭６２−１２８５２５号公報は、加熱時にウェハが
熱変形する点に考慮がされておらず、ウェハが熱変形し
た場合にはウェハと環状板の位置ずれてしまい、環状板
の効果がなくなってしまうという問題があった。

特開昭６１−６７１１５号公報は、ランプ群を直交する
方向の二層にする必要があり、消費電力の増大と装置の
大形化という問題があった。

特開昭６４−７１１１８号公報は、大直径ウェハの場合
ウェハ下部に大きな力がかかるという問題があった。ま
た、プリズムの組立時の位置調整に手間がかかるという
問題があった。

本発明の目的は熱処理するウェハごとに放射率を求め、
放射温度計の指示値を補正して真のウェハ温度を求める
ことができるウェハ温度測定装置を提供することにある
。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明はウェハ加熱開始時
のウェハ温度上昇特性を測定して放射率を算出し、求め
た放射率を用いて放射温度計の指示値を補正し、真のウ
ェハ温度を求める。

〔作用〕

本発明の目的について、同一のヒータ加熱条件でウェハ
を加熱した時、ウェハの放射率が大きいほど温度上昇速
度が大きくなる。また、放射率が大きいほど放射エネル
ギ強度が大きくなる。従って、加熱開始時のウェハ放射
エネルギ強度の増加速度を測定することにより、放射率
を算出することができる。それを用いて放射エネルギ強
度から真のウェハ温度を求めることができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図から第５図により説明
する。第１図は本発明を適用した拡散装置の縦断面図で
ある。水平に支持したウェハｌの上、下に棒状の加熱用
ハロゲンランプ２ａ、２ｂが並置されている。上方のラ
ンプ２ａと下方のランプ２ｂは並びに方向が直交してい
る。第２図はランプ配列を示す水平断面図である。ウェ
ハ１は反応管３（石英ガラス製など）に収納され、反応
管３の内部には処理ガス（窒素、ａ素など）が供給され
ている。ランプ２ａ、２ｂの外側には反射板４がある。

ランプ２ａ、２ｂや反射板４を冷却するため冷却空気が
反応管３の外側に流している。

装置の側面にも反射板７が設けられている。ウェハ１は
支持治具８（石英ガラス製など）に乗せられており、支
持治具８と一体になったキャップ９にも反射板１０が設
けられている。ウェハ１の温度を測定するため放射温度
計１１が設けられている。放射温度計１１はウェハ１の
鏡面側に面している。ウェハ１の鏡面側を上向きにする
場合には、放射温度計１１を装置の上方に設けるものと
する。

ウェハの支持治具８の斜視図を第３図に示す。

ウェハの周囲に帯状のリング１２が設けられている。破
線はウェハを乗せる位置を示しており、帯状リング１２
の、はぼ、中央位置である。

反射板４の斜視図を第４図に示す、第１図の断面図のよ
うに、反射率の大きな薄い板１３（アルミ、銅、金、高
い不純物濃度のシリコンなど）を二枚のガラス板１４ａ
、１４ｂではさみ、不活性ガス（窒素など）を封入して
、周囲１４ｃを密閉しである０反射板７，１０も同様の
構造をしている。

放射温度計１１の構成を第５図に示す、レンズ１５、絞
り１６．干渉フィルタ１７１点孔板１８゜ホト・センサ
（シリコン・ホト・ダイオードなど）１９、ケース２０
で構成されている０点孔板１８をレンズ１５の焦点位置
に設定することにより。

入射光のうち平行光線のみをセンサ１９に導く。

絞り１６は入射光量を調整するものであり、干渉フィル
タ１７は測定波長を規定するものである。

本実施例では測定波長として、シリコンの放射率の温度
変化が小さいように０．６〜０．９μｍを用いである。

放射温度計１１の出力は演算器２１に導かれ、ウェハ温
度を算出し、温度制御器２２に信号を伝えてランプの発
熱量が制御される。

本実施例の動作と効果を次に示す、支持治具８が外部に
取り出され、ウェハ１が乗せられて装置内に挿入される
。ランプ２ａ、２ｂの発熱によりたとえば約１０秒でウ
ェハ１が熱処理温度（たとえば１０００℃）に達し、所
定時間（たとえば３０秒）熱処理され、冷却されて次の
ウェハと交換される。

ウェハ温度は放射温度計１１で測定される。放射温度計
１１は平行光線のみを入力し、また、ウェハ１の鏡面側
を測定するため、ランプからの迷光などが放射温度計１
１に入ることがなく、精度よくウェハからの放射エネル
ギ強度を測定することができる。ウェハからの放射エネ
ルギ強度はウェハの放射率に比例するため、放射エネル
ギ強度からウェハ温度を算出するには放射率を与える必
要がある。放射率はウェハの表面状態によって異なるた
め、ウェハごとに放射率を測定するのが望ましく、その
測定方法を次に示す、ウェハを室温から熱処理温度まで
加熱する約１０秒間にランプの発熱量を一定とすれば、
ウェハの温度上昇速度はウェハの放射率によって異なる
。第７図はウェハの温度変化を示す、放射率が大きいウ
ェハはと（第７図の破線）吸熱がよく、温度上昇速度が
大きい、その現象を利用しウェハからの放射エネルギ強
度の上昇速度を測定することにより放射率を求めること
ができる。その際に放射率と放射エネルギ強度の上昇速
度との関係はあらかじめ実験で求めておくものとする。

放射率が求まれば熱処理中（約１０秒以降）のウェハ温
度を算出することができ、ウェハ温度が熱処理温度にな
るようにランプ発熱量を制御することができる。

ウェハ支持治具８に設けた帯状のリング１２はウェハ面
内温度分布を均一にし、熱応力欠陥の発生を防止するの
に効果がある。加熱用ランプ２ａ。

２ｂはウェハ１の上方と下方にしかない、従ってウェハ
１が高温になった時側面方向に放熱し、ウェハ１の周辺
温度が中心温度より下がってしまう。

帯状のリング１２はウェハ１から側面方向への放熱を遮
断するため、ウェハ１に温度分布を生じることがない、
ウェハ温度上昇時にウェハが変形する場合もあるが、帯
状のリング１２の幅はウェハの変形量よりも大きいため
、ウェハ１が帯状のリング１２から外れることがなく、
常に帯状のリング１２の効果がある。

反射板４，７．１０は反射率の大きな薄い板１３を熱膨
張率の小さなガラス板１４ａ、１４ｂではさんだサンド
イッチ構造にしているため１反射板が熱変形することが
なく、反射効率が良い。

また、薄い板１３が密閉されているため、酸化等の経時
変化がなく、いつまでも高い反射効率を保つことができ
る。

第６図は複数の棒状ランプが平面的に並んだランプ・フ
ィラメントからの距離Ｘと空間温度分布との関係を示す
、ランプのピッチは２５閣とした。

ランプからの距離Ｘが小さい場合、ランプ直下で高温と
なりランプ間で低温となる。ランプからの距離がピッチ
以上になった場合には（望ましくはピッチの二倍以上層
れた場合には）、空間温度分布がほとんどなくなる。従
って、ウェハ１とランプ２ａ、２ｂとの距離はランプの
ピッチ以上に離しておくものとする。但し、必要以上に
離すと装置が大形化するため、ランプのピッチの二倍程
度が望ましい。

第６図では棒状ランプについて説明したが、点状ランプ
が基盤目状に配列される場合についても同様に、ウェハ
とランプとの距離はランプのピッチ以上にすることが望
ましい。

本実施例によれば、各種表面状態のウェハに熱処理する
場合でも、放射温度計で精度よくウェハ温度で求めるこ
とができるため、ウェハごとの差がなく精度よく所定の
熱処理をすることができる。

また１反射板の熱変形や経時変化がないため、いつまで
も精度よく熱処理ができる。また、ウェハに熱応力欠陥
が発生することなく、生産効率が向上する。また、ウェ
ハ全面を均一に熱処理することができる。

本発明の他の実施例を第８図と第９図より説明する。第
９図は本発明を適用した拡散装置の縦断面図であり、第
８図はランプと反射板の配列を示す水平断面図である。

加熱用ハロゲンランプ２がウェハ１の下方のみですべて
同じ方向で並列している６反射板２３が複数の板に分割
されており、その方向がランプ２の方向と直交している
。複数の反射板２３はランプ２との距離（すなわち、つ
エバ１との８１）が個々に独立に調整できるようになっ
ている。また、ランプ２の端子部に冷却流体（水、空気
など）を流す流路２４が設けられている。冷却流体の流
れ方向は、矢印２５のように左右が逆方向となっている
。他は第一の実施例と同じである。

本実施例の動作と効果を次に示す。加熱用ランプ２はウ
ェハ１下方にしかなく、ウェハ１の周辺温度が中心温度
より下がってしまう。そこで、ランプ２の並列方向につ
いて、複数のランプ２のうち周辺部のランプの発熱量を
中心部のランプの発熱量より大きく１１周辺部の加熱量
を増す。またランプの軸方向について反射板２３とラン
プ２との距離を調整してウェハ温度が均一となるように
制御する。すなわち１周辺部で反射板２３とランプ２と
の距離を小さくすれば、多くの反射光がウェハの周辺部
に当たるようになる。ランプごとの発熱量調整や反射板
の位置調整はウェハの直径によって変化させることが望
ましく、変化できるようになっている。本実施例によれ
ばすべてのランプの並列方向が同一であり、ウェハの下
方のみであり電気配線が容易で装置を小形にすることが
でき、消費電力を低減することができる。なお、ランプ
２をウェハの上方のみに設けても効果は同じである。

反射板２３の断面形状を第１０図に示す。両側に折り返
し２６のある平板とした。折り返し２６は反射板の位置
を変化させた時に、反射板間の隙間をなくすためのもの
である１反射板形状の他の実施例を第１１図ないし第１
４図に示す、凸面状。

円弧状、凹面状のものである。第１１図あるいは第１２
図の凸面状の場合、反射光が広がり、ウェハへの加熱量
を平均化する効果がある。第１３図あるいは第１４図の
凹面状の場合、反射光が集まり、局所的に加熱する効果
がある。複数の反射板２３において、ウェハ中心部の反
射板の形状を凸面状にし、周辺部の反射板の形状を凹面
状にすると、ウェハ温度均一化の効果が大きい。

ランプ端子部の冷却によって、冷却流体が流れ方向に温
度上昇する。装置内壁の温度も冷却流体の温度につれて
変化するため、これがウェハに温度分布が発生する原因
となる。左右の流れ方向を逆方向とすることにより、左
右の平均値をほぼ合わせることができるため、ウェハの
温度分布を小さくすることができる。

本実施例によれば、装置を小形化することができ、消費
電力を低減することができる。また、ウェハ面内の熱処
理量を均一にすることができる。

本発明の他の実施例を第１５図により説明する。

第１５図は本発明を適用した拡散装置の縦断面図である
。平行した二枚の平板状の電気ヒータ２７ａ〜２７ｉで
内部に高温空間を形成している。第１６図は電気ヒータ
の配列を示す斜視透過図である。装置は直方体をしてい
る。ヒータの内部に均熱管２８（シリコン・カーバイト
製など）と反応管３（石英ガラス製など）が設けられ１
周囲に断熱材２９がある。ウェハ１は支持治具８によっ
て、鉛直方向より少し傾斜した姿勢で高温空間に挿入さ
れている。支持治具８は上下搬送台３４に取り付けてお
り、その先端部が二つに分けており、二枚のウェハ１を
同時に挿入できるようになっている。二枚のウェハの間
には反応管３に固定された仕切板３０（石英ガラス製な
ど）が入るようになっている。支持治具８の先端部の斜
視図を第１８回に示す。支持治具８の縦断面図を第１９
図に示す、ウェハ１を乗せる位置を破線で示す、ウェハ
１に接する部分は下方が溝付板３１、上方が突起３２と
なっている。ウェハは少し傾斜して乗せられ、溝付板３
１や突起３２と点接触になる１本実施例ではウェハの傾
斜角を５°としている。ウェハ１の周囲には帯状のリン
グ１２が設けられている。ウェハｌの温度を測定するた
め、石英ロッド３３の一端がウェハｌに対向しており、
他端が放射温度計１１に導かれている。ウェハ１からの
放射エネルギが石英ロッド３３に入れ、石英ロンドが光
ファイバのような働きをして放射エネルギを放射温度計
１１に伝える６石英ロッド３３の断面図を第１７図に示
す０石英ロッドはコア３７．レンズ３８．ホルダ３９で
構成されている０本実施例ではどれも材質は石英ガラス
であり、コア３７の直径は１閣である。ホルダ３９は数
ケ所にしぼり部４０がありコア３７を保持している。

本実施例の動作と効果を次に示す、装置の内部は複数に
分割されたヒータ２７ａ〜２７ｉの発熱制御により均一
な高温空間となっている。装置の下方でウエハ二枚が支
持治具８に乗せられ、上下搬送台３４の作用で高温空間
に挿入される。所定時間だけ熱処理が行われ、次のウェ
ハと交換される。

石英ロッド３３について、ウェハ１からの放射エネルギ
はレンズ３８で集光されコア３７に入る。

コア３７の内部を全反射で伝わる。コア３７の曲げ半径
はコア直径の１倍以上とする。ホルダ３９には図に示し
ていないが装置への取付機構が設けられている１石英ロ
ッド３３は装置の形状に合わせて成形でき、ヒータから
外して調整することもできるため１組立時の調整が容易
である。

二枚の低温ウェハｌがヒータ内に挿入された時、ウェハ
１の外側面がヒータによって加熱され、二枚のウェハ１
のすきまに入る仕切板３０の熱容量によってウェハ１の
内側面が加熱されるため、ウェハ１はすみやかに熱処理
温度まで温度上昇する。

高温空間にウェハを挿入した場合、ウェハのエツジ部へ
の伝熱によって周辺部が中心部より高温となってしまう
（第一実施例のランプ加熱の場合と逆の温度分布になる
）。帯状のリング１２はウェハのエツジ部への加熱を遮
断するため、ウェハ１は全面が均一な温度となる。

ウェハ１はほぼ垂直の姿勢でその上方と下方を点接触で
支持されているため、大直径のウェハでもウェハに局部
的な力がかからず、また、治具接触による熱的な影響が
小さいため、ウェハに熱応力欠陥が発生することはない
。

支持治具の他の実施例を第２０図ないし第２３図により
説明する。第２０図は二枚のウェハ１の傾斜を反対にし
たものである。このようにするとウェハを乗せる時に突
起３２にひっかからず動作が容易である。

第２１図は支持治具８がリング部４１と支柱部４２に分
かれる構造のものである。装置外部でウェハを乗せたリ
ング部４１をあらがしめ用意しておき、リング部４１と
ウェハを一体として熱処理を行う方式のものである。こ
のようにすると、二つのリング部４１を離してウェハを
乗せることができ動作が容易である。

第２２図および第２３図はウェハ１に接する部分が三ケ
所の溝付板３１によっている。ウェハ１は下方と側方で
点接触で支持される。このようにすると、ウェハを乗せ
る時の動作が容易である。

第２４図はウェハの温度変化を示す、ウェハの放射率が
大きいほど（第２４図の破線）、速く温度上昇する。電
気ヒータによる高温空間にウェハを挿入した場合、ウェ
ハの放射率によらずに最終的には（３０分以上加熱した
時には）ウェハ温度は空間温度になる。ところが約−分
以下の短時間熱処理を行う場合には、低温のウェハ挿入
によって空間温度が変動するため、ウェハ温度を測定し
ヒータ発熱量を制御する必要がある。第２５図は第２４
図のウェハ温度に対応さ、せた放射温度計の出力を示す
、ウェハの放射率が大きいほど出方の上昇速度が大きい
ことがわかる。すなわち、ウェハ温度上昇時の放射温度
計の８力の上昇速度を測定することによりウェハの放射
率を求めることができる。放射率が求まれば、放射温度
計の出力がらウェハ温度を算出することができる。

本実施例によれば電気ヒータで加熱するため、ランプ加
熱より消費電力を低減できる。また、放射温度計の組立
、調整が容易である。また、大直径ウェハでも熱応力欠
陥が発生することなく生産効率が向上する。

本発明の他の実施例を第２６図により説明する。

第２６図は本発明を適用した拡散装置の斜視断面図であ
る０円筒形の電気ヒータ２７により内部に高温空間を形
成している。ヒータの内部に均熱管２８と反応管３が設
けられている。多数のウェハ１はボート４３（石英ガラ
ス製など）に並べられ。

ヒータ内に挿入されて熱処理が行われる。ウェハ温度を
測定するための複数の石英ロッド３３がボート４３に取
り付けである０石英ロッド３３の一端はウェハ１に向い
ており、他端はコネクタ３５゜フレキシブル・光ファイ
バ３６を紅で放射温度計１１につながれている。

複数の石英ロッド３３を用いて、複数の位置のウェハ温
度を測定するため、すべてのウェハを均一に熱処理する
ことができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、熱処理するウェハごとに放射率を求め
ウェハ温度を非接触で測定するためウェハを高精度に熱
処理することができる。また、反射板の熱変形や経年変
化を防ぐことができるため、装置の特性の劣化を防ぎ、
生産効率が向上する。

また、大直径ウェハでもウェハに熱応力欠陥が発生する
ことがなく、生産効率が向上する。また、装置を小形化
することができ、消費電力を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の拡散装置の縦断面図、第２
図はランプの配置を示す水平断面図、第３図はウェハ支
持治具の斜視図、第４図は反射板の斜視図、第５図は放
射温度計の断面図、第６図はランプからの距離と空間温
度分布図、第７図はウェハ温度変化図、第８図と第９図
は本発明の他の実施例を示す水平断面図と縦断面図、第
１０図ないし第１４図は反射板の断面図、第１５図は本
発明の他の実施例を示す縦断面図、第１６図はヒータ配
置を示す斜視図、第１７図は石英ロッドの断面図、第１
８図ないし第２３図はウェハ挿入治具の斜視図と断面図
、第２４図はウェハ温度変化を示す説明図、第２５図は
放射温度計の出力を示す説明図、第２６図は本発明の他
の実施例を示す縦断面図である。 １・・・ウェハ、２，２７・・・ヒータ、４，７，１０
゜２３・・・反射板、８・・・支持治具、１１・・・放
射温度計、１２・・・帯状リング、１３・・・薄板、１
４・・・ガラス板、２４・・・冷却流体の流路、３０・
・・仕切板、３１・・・溝付板、３２・・・突起、３３
・・・石英ロッド。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．　ランプやヒータなどの発熱源によつて形成される
   加熱空間に半導体ウエハを挿入して熱処理する装置にお
   いて、 前記半導体ウエハからの放射エネルギ強度を測定してウ
   エハ温度を算出するウエハ温度計測系をもち、前記半導
   体ウエハの加熱開始時の放射エネルギ強度の過渡変化の
   測定結果から前記半導体ウエハの放射率を算出し、ウエ
   ハ温度を算出することを特徴とする半導体熱処理装置。