JPH0513355A - ランプアニール装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 表面にパターンを形成したウエハを、その面
内に生ずる温度分布を小さくして均一に加熱できるラン
プアニール装置を提供する。 【構成】 ウエハ裏面側のみに配列したランプと、ウエ
ハの加熱に必要な可視〜赤外線を透過しかつウエハ裏面
全体に接する保持板と、ウエハ表面の温度分布を測定す
る２次元撮像素子を備えた放射温度計と、ウエハ表面の
温度分布を基にランプを制御する制御手段とから構成す
る。 【効果】 ウエハに局所的に熱応力がかかるのを防止で
き、大直径ウエハを処理する場合にもスリップラインの
発生を防止でき、また酸化膜厚さの均一性向上、シート
抵抗の均一性向上などを達成でき、ＬＳＩ生産の歩留り
を向上できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体製造プロセスにお
いて酸化や不純物拡散、アニール等に利用されるランプ
アニール装置に係り、特にウエハ面内の温度を均一に処
理するに好適な構造を有するランプアニール装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造プロセスにおいてシリコンウ
エハを熱処理する工程は、ＬＳＩの高集積化による微細
加工の必要性から処理の短時間化の傾向にある。また、
処理するウエハが大直径化されるにつれて、ウエハ温度
均一化の要求が厳しくなっている。これに対応して、従
来から使用されていた複数のウエハを一度に処理するバ
ッチ式装置に代わり、ウエハを１枚ごとに処理する枚葉
式装置が主流になりつつある。短時間処理が必要になる
につれてバッチ式装置ではウエハ間の温度差が大きくな
ってしまうからである。しかし、処理装置を枚葉式にす
ることでウエハ間の温度差は改善されるが、ウエハ面内
の温度分布を低減しなければならないことには変わりな
い。具体的にこのような枚葉式装置の代表としてランプ
アニール装置が挙げられる。ハロゲンランプやアークラ
ンプ光源を用いて急速にウエハを加熱するので、短時間
で処理を行うことができる。しかしながら、ランプアニ
ール装置を量産ラインへ導入するには、ウエハ面内の温
度均一性や処理温度の再現性が悪い、あるいはスリップ
ラインが発生する等の問題があった。これらの問題に対
処するため、従来からランプアニール装置では次のよう
な改良が進められてきた。

【０００３】（１）ランプ照度分布の最適化 ウエハは中央部よりも周辺からの放熱が多いのでランプ
の発熱量を全面一様にすると周辺は中央に比べて温度が
低くなる。一般には複数のランプをゾーンに分け、ウエ
ハ周辺部を加熱するランプの発熱量を多くする。また、
特開平１−３１９９３４号公報に記載の発明では、ウエ
ハの周辺に発熱量可変のリング状の補助加熱ランプを設
けている。特開平１−２３８１１６号公報に記載の発明
では、ランプとウエハの間に透過率可変フィルタを設置
して、ウエハへの照度分布を補正している。

【０００４】また、特開昭６１−２３７４３１号公報に
記載の発明では、凹部を中央に設けた単結晶シリコン円
板にウエハを載せて、シリコン円板ごとウエハを加熱し
ている。ウエハはシリコン円板の凹部内に入っているの
で、外周側面部からの放熱を低減できる。さらに、この
発明と同じ効果を狙ったものとして、特開昭６２−１２
８５２５号公報に示すようにガードリングをウエハの外
周に設ける例がある。また、特開昭６３−２５７２２１
号に開示された技術は、次項に述べる支持具の接触によ
る温度低下を逆に利用して、ウエハ中央部のみを支持し
て温度均一化するものである。

【０００５】（２）ウエハの支持 ランプでウエハを急速に加熱する時には、支持具の形状
や材質がウエハの面内温度分布に大きく影響する。例え
ば、支持具の材料として最も一般的に使用される石英
は、可視〜４μｍの波長の赤外線をほとんど透過するた
めシリコンウエハに比べて温まりにくい。また、赤外線
を吸収し易い他の材質、例えばシリコン、シリコンカー
バイト等で支持具を製作すると、熱容量はウエハに比べ
て大きくなるので、支持具が接触する部分のウエハは温
度が上がりにくい。これを防ぐためにウエハに接触する
面積ができるだけ小さくなるような支持具の形状（細い
ピン状の突起でウエハを支える構造）が工夫されてき
た。

【０００６】また、その代わりに、特開平１−２９６６
１８号公報に記載された発明のようにウエハの周辺部を
連続的に支持するもの、特開昭６４−７１１２０号公報
に記載された発明のようにウエハを薄板状の磁石に載せ
チャンバ内で磁気浮上させるなどの発明がある。他の例
としては、ウエハの裏面に気体を吹き付けてウエハを浮
上させるものもある。

【０００７】（３）ウエハの温度測定 ウエハの温度を均一にするにはランプの発熱量を的確に
制御する必要がある。ウエハ面内の温度分布を最小にす
るランプの発熱量分布は、ウエハの種類、処理温度、処
理開始からの時間、制御方法、装置構造など多くのパラ
メータによって変化する。従って、時々刻々ウエハの温
度を測定しながら、発熱量を制御しなければならない
（フィードバック制御）。そのためにはウエハの温度を
正確に測定する技術が重要である。温度測定にはウエハ
の汚染を防ぐため非接触測定が望まれ、多くの場合、放
射温度計が用いられる。放射温度計でウエハの温度を測
定するには「ランプの光が放射温度計に感知されないこ
と」、「放射率の異なるウエハに対し的確に測定値を補
正すること」という２つの課題を解決しなければならな
い。

【０００８】前者はランプがウエハよりかなり高温にな
っていること（例えばランプは１５００〜２０００℃、
ウエハは約１０００℃）から、後者は種々のプロセスで
ウエハの表面状態が違うため放射率が異なることから必
要になる。これらの問題を解決するための従来方法は、
電子材料１９９０年３月号、あるいは特開平１−２９６
６１７号、特開昭６０−１３１４３０号の各公報に開示
されている。すなわち、ランプから放射される波長４μ
ｍ以上の赤外線を石英窓の吸収を利用して取り除き、波
長４μｍ以上の赤外線を感知する放射温度計を用いてウ
エハの温度を測定するという方法である。石英窓の温度
が上昇すると、そこから再放射された赤外線の影響がで
るので、再放射しないように石英窓を例えば５００℃以
下に冷却する。特開昭６０−１３１４３０号公報に記載
の技術は正にこの方法でランプ光の影響を排除すること
を特徴とした発明である。特開平１−２９６６１７号公
報に記載の発明は石英窓を２重にすることによって冷却
を容易にするとともに、上記の効果がより顕著になるよ
うに工夫したものである。

【０００９】電子材料１９９０年３月号に示す例では、
ランプにアークランプを用いており、２μｍ以上の波長
をほとんど放射しないから、測定波長を３μｍにしてい
る。以上述べたように、従来は基本的にランプの光と異
なる波長の、したがって３〜４μｍ以上の波長を感知す
る放射温度計を用いることによってランプ光の影響を受
けないようにしている。

【００１０】ウエハ放射率に関する問題は、電子材料１
９９０年３月号に説明されている。放射温度計の測定波
長が３μｍなので、ウエハの放射率は温度によって変化
する。このため、内部に熱電対を埋め込んだ基準ウエハ
を用いて温度と放射率の関係を求め、これに基づいて放
射温度計の測定値を補正する。また、種々の膜が形成さ
れたウエハは膜内の光の干渉で放射率が変化するという
問題がある。これに対応するために黒体放射源と赤外線
検出器を用いて処理前に測定した反射率から放射率を推
定するということが行われている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は以上説明した
従来技術における次の問題点を解決することにある。

【００１２】（１）パターンによるウエハ表面温度の不
均一 この問題は、セラミックス１９８８年Ｎo.６の「ＬＳＩ
基板の熱応力シミュレーション」という文献に説明され
ている。表面上に形成されたＬＳＩのパターンによって
ランプの光を吸収する割合はウエハ面内でまちまちであ
る。また、ランプによる急速加熱時には、ウエハの厚さ
が１mm以下と薄いので熱伝導による温度の均一化が起こ
りにくい。このため、ランプ光をよく吸収する部分は速
く温度上昇し、余り吸収しない部分はゆっくり温度上昇
する。以上の理由からパターンが形成された側からウエ
ハを加熱する装置ではウエハの面内に温度分布が生じ易
く、ランプを適当なゾーンに分割して発熱量を調整する
だけでは十分でない。

【００１３】（２）ウエハ外周部近傍での局所的な温度
不均一 ウエハの最外周部における温度不均一は、主としてウエ
ハの側面部の分だけ伝熱面積が増えることが原因であ
る。これを図１０で説明する。ランプの発熱量を一様に
した場合のウエハの面内温度分布を見ると、中心から外
周に向かって放射による放熱が増えることから、ウエハ
の周辺にいくにしたがって温度が低くなっている。周辺
での温度低下を防ぐには、ランプを複数ゾーンに分けて
周辺部の発熱量を増やす必要がある。しかし、ウエハ外
周は側面の分だけ伝熱面積が多いので周辺のゾーンの発
熱量を増やすと、ウエハの温度分布はおおよそ一様にな
るものの、最外周に限って局所的に温度が上がるという
問題が生ずる。

【００１４】（３）ウエハの支持 支持具によるウエハの局所的な温度低下は、主に支持具
の熱容量が大きい点とこれがウエハに局所的に接触して
いることから生じている。支持具の熱容量を無視できる
まで小さくできれば問題は簡単だが、ウエハを支持する
ための剛性等を考慮すれば極端に支持具を小さくした
り、接触部を細くすることはできない。また、支持具の
材質もウエハを汚染してはいけないので、石英、シリコ
ン、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）等に限られる。

【００１５】先に述べた従来技術の中でウエハを薄板状
の円板に載せてチャンバ内で磁気浮上させるものは、本
質的にウエハを汚染する可能性が高い、なぜなら、磁性
を持つ材料の多くは金属であり、これにウエハを載せて
熱処理すればウエハ内に金属元素が拡散すると考えられ
るからである。また、気体を吹き付けてウエハを浮上さ
せるものは、対流熱伝達によって気体を吹き付けた部分
の温度が下がってしまうことについて考慮されていな
い。ウエハの周辺部を連続的に支持するものは、局所的
に温度が低くなるという問題は解決できる。しかし、ウ
エハがφ１５０mmからφ２００mmに大直径化すると、自
重によるストレスで熱処理の間にウエハが変形するなど
の問題が生ずる可能性が高い。

【００１６】（４）ウエハの温度分布測定 従来技術において、測定波長が１μｍ以上の放射温度計
を使用することが本質的にウエハの温度測定を困難にし
ている。すなわち、１μｍ以上の波長ではウエハの放射
率が温度とともに変化するからである。このため、電子
材料１９９０年３月号の文献に示すように基準ウエハを
用いて温度と放射率の関係を求めておく必要があった。
しかし、仮に基準ウエハでは温度−放射率の関係が既知
であったとしても、表面に種々の膜が形成されたウエハ
にその関係があてはまるとは限らない。むしろあてはま
らな場合の方が多い。なぜならば、表面に形成した多結
晶シリコン、ＳｉＯ２，Ｓｉ３Ｎ４，Ｗなどの膜の放射
率が、母材であるシリコンウエハと同じ温度依存性を示
すとは限らないからである。したがって、基準ウエハを
用いる方法で、放射率の温度依存性を正確に補正するこ
とは難しい。また、膜の干渉による放射率変化を補正す
るための反射率測定法にも問題がある。つまり、１μｍ
以上の波長では室温のウエハが赤外線を透過し、反射率
を測定しても放射率が求まらない点について考慮されて
いないからである。測定波長が１μｍ以上の放射温度計
を使用するためには、ウエハ放射率を処理の前ではなく
処理中（温度測定と同時）に測定する必要がある。しか
るに、これは次に述べる問題のため不可能である。

【００１７】反射率を測定するウエハ面（すなわち、放
射温度計で温度を測定するために放射率の値を知る必要
がある面）は必ずしも滑らかではない。例えば、ウエハ
裏面を測定する場合、裏面はパターンを形成する側と異
なり研磨されておらず、面粗さが１〜２μｍ程度で鏡面
ではない点に注意しなくてはならない。鏡面の反射率を
測定するのは容易であるが、拡散的な反射性質を示す面
の反射率測定は難しい。積分球を用いなければならない
からである。積分球は内面がアルミ、金などの反射率の
高い金属をコーティングした半球面鏡、放物面鏡、楕円
面鏡等が使用される。このため、ウエハを熱処理してい
る最中に反射率の測定をすることはできない。パターン
を形成する面（表側）は、最初面粗さが０.１〜０.２μ
ｍ程度で鏡面とみなせる。しかし、複雑なパターンが形
成されてくると面粗さが大きくなるので鏡面とは言えな
くなる。よって、ウエハ表側でも反射率測定に積分球を
使用せざるを得ないことに変わりない。

【００１８】また、ウエハ面内の温度を均一にするに
は、複数ゾーンに分割したランプの発熱量を、その場そ
の場で最適にする制御が必要である。これには、ウエハ
温度分布、すなわち２次元的な温度情報が必要になる。
しかし、従来のランプアニール装置ではウエハの中央１
点の温度を測定していたに過ぎない。処理中にウエハの
温度分布を測定する代わりに、複数の熱電対を埋め込ん
だ基準ウエハを用いて実験的に加熱と温度測定を繰り返
しながら最適な発熱分布を決定するという方法をとって
いる。あるいは実験に酸化やアニールなどの処理を行
い、酸化膜厚やシート抵抗のバラツキが最小になるよう
に最適な発熱分布を決定している。しかしながら、この
方法は多種のウエハを処理しなければならない量産プロ
セスには適当でない。ウエハの種類が変わるごとに適正
な発熱分布を求める作業が必要になるからである。

【００１９】本発明の第１の目的は、ランプアニール装
置において、、ウエハ面内の温度を均一化することが容
易な装置構造を与えることである。

【００２０】また、本発明の第２の目的は、ランプアニ
ール装置において、ウエハ面内の温度を均一化が容易
で、同時にウエハの大直径化に対応し、処理中にウエハ
にかかるストレスを低減できる保持構造を与えることに
ある。

【００２１】さらに本発明の第３の目的は、ランプアニ
ール装置において、ウエハ面内の温度を正確に検知する
温度測定手段を与えることにある。

【００２２】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
るために、本発明のランプアニール装置は、支持具上に
載置されたウエハを加熱するための複数のランプと、該
ランプにより加熱されたウエハのパターンを形成した表
面の温度を測定する温度測定手段と、該温度測定手段に
より測定された温度を基にランプの発熱量を制御する制
御手段とを備えたランプアニール装置において、ランプ
はウエハの裏面側のみに設置し、温度測定手段は２次元
的に温度検出素子を配列した放射温度計でなることを特
徴としている。

【００２３】また、上記第２の目的を達成するために、
本発明の別のランプアニール装置は、支持具上に載置さ
れたウエハを加熱するための複数のランプと、該ランプ
により加熱されたウエハのパターンを形成した表面の温
度を測定する温度測定手段と、該温度測定手段により測
定された温度を基にランプの発熱量を制御する制御手段
とを備えたランプアニール装置において、ランプはウエ
ハの裏面側のみに設置し、前記温度測定手段は２次元的
に温度検出素子を配列した放射温度計でなり、支持具は
前記ウエハの加熱に主たる寄与をする波長の可視光線な
いし赤外線を透過し、かつウエハの裏面全面にわたって
ほぼ均等に接触する支持板でなることを特徴としてい
る。

【００２４】そして本発明の別のランプアニール装置で
は、支持板は、平板ないしは、上面が平面でかつ周辺部
の厚さが周辺に向かって減少しているものを用いるのが
よい。 また、本発明のランプアニール装置及び別のラ
ンプアニール装置において、複数のランプと支持板の間
にランプの光の照射範囲を調整するしぼり機構を設け
る、それに加えて、放射温度計の内部に前記ウエハと相
似形の視野絞りを設けるのがよい。

【００２５】また、本発明のランプアニール装置及び別
のランプアニール装置において、支持板はウエハとほぼ
同じ外郭形状とし、支持板の回りに該ランプの光を放射
温度計の視野から遮蔽する遮蔽手段を設けるのもよい。

【００２６】さらに上記第３の目的を達成するために、
さらに別のランプアニール装置は上記本発明のランプア
ニール装置及び別のランプアニール装置の制御手段に、
ウエハのパターンの形状と、該パターンの形成された部
分の反射率及びウエハの素地の部分の反射率とから作成
されたウエハの放射率分布データを基に放射温度計の測
定値を補正する補正部を設けたことを特徴としている。

【００２７】

【作用】本発明のランプアニール装置において、複数の
ランプはウエハをパターンが形成された表面と反対の裏
面側から加熱し、温度測定手段は２次元に配列された温
度検出素子によりウエハのパターンを形成した表面の各
所部分の温度を測定し、制御手段は温度測定手段からの
ウエハ各所の温度測定値を基に温度の上昇が遅い部分に
対応するランプの発熱量を増加させて、ウエハの所定の
加熱温度に至るように制御するので、パターンが形成さ
れていない熱吸収率がほぼ一定の裏面から表面に至りウ
エハは均一に温度上昇する。

【００２８】また、本発明の別のランプアニール装置に
おいて、上記本発明のランプアニール装置と同様に、複
数のランプはウエハを裏面側から加熱し、温度測定手段
は２次元に配列された温度検出素子によりウエハの表面
の各所部分の温度を測定し、制御手段はウエハ各所の温
度測定値を基にランプの発熱量を制御して、ウエハの所
定の温度に上昇させ、支持板はウエハの加熱に主たる寄
与をする波長の可視光線ないし赤外線を透過しするとと
もにその上の平面にウエハの裏面全面にわたって接触さ
せて載置しているので、パターンが形成されていない熱
吸収率がほぼ一定の裏面から表面に至りウエハは均一に
温度上昇すると共に、ウエハに局所的に熱応力や自重に
よる偏荷重がかかることがなく、変形が生じない。

【００２９】また、上記の各ランプアニール装置におい
て、周辺部が薄い支持板を用いると、支持板の周辺部は
厚い中央部よりも熱容量が小さく、加熱されたウエハか
らの熱吸収が少なくなり、外周面の放熱により生じる周
辺部の温度低下を緩和する。また、しぼり機構は、開口
の大きさを可変することにより、ウエハ外周側面部への
加熱量を調整することができ、これにより、ウエハ最外
周付近での局所的な温度不均一を低減することができ
る。放射温度計の内部に設けた視野絞りはウエハと相似
形であるので、温度測定手段をウエハの温度のみを測定
するように調節できる。そして遮蔽手段はウエハの外周
から外側から回り込むランプの光を放射温度計の視野か
ら遮蔽するので、放射温度計はランプの光の影響を受け
ず、ウエハの温度測定値の精度を向上できる。

【００３０】また、さらに別のランプアニール装置にお
いて、補正部はウエハのパターンの形状と、該パターン
の形成された部分の反射率及びウエハの素地の部分の反
射率とから作成されたウエハの放射率分布データを基に
放射温度計の測定値を補正するので、どんな種類のウエ
ハを処理する時でも正確にウエハの温度分布を知ること
ができ、処理中にウエハの温度がより均一になるような
フィードバック制御を可能とする。

【００３１】

【実施例】以下本発明の実施例を詳細に説明する。

【００３２】図１は本発明の第１の実施例を示すランプ
アニール装置の断面図である。ランプ１、反射板２、石
英窓３、ウエハ４、チャンバ５、支持板６、支持台７、
透過窓８、放射温度計９から構成される。複数の円筒状
ランプ１を上に向けて平面状に並べ、これに対面してそ
の上方に置いた支持板６の上に、ウエハ４をパターンが
形成された表面と反対の裏面を下にして配置し、ランプ
１と支持板６間に設けた石英窓３を介してウエハ４を加
熱する。ランプ１の下方に水冷あるいは空冷の反射板２
を設け、ランプ１の直接光に加え反射光をウエハ４に照
射して加熱に利用する。反射板２は断面が半円、半楕
円、放物線又は平板状の物を用いる。支持板６はウエハ
の加熱に主たる寄与をする可視光線ないし赤外線を透過
する石英製が望ましく、支持板６の縁部は同じく石英あ
るいはシリコン、ＳｉＣ製の支持台７で保持される。図
１に示した支持台７は円筒状であるが、支持板６の周辺
部を支えることができればどの様な形状でも構わない。

【００３３】ウエハ４は裏面全体が支持板６に接触し、
ランプ１から放射され石英窓３および支持板６を透過し
た可視〜４μｍの赤外線で加熱される。ウエハ４から支
持板６への熱伝導による放熱はウエハ４の全面でほぼ均
一になるので、ウエハ４の温度上昇が局所的に遅れるこ
とがない。また、ランプ１の光はウエハ４の裏面にのみ
照射されるので、表面側にＬＳＩのパターンが形成され
ており、その部分の吸収率が低い場合（あるいは高い場
合）にも面内には温度差が生じにくい。

【００３４】次に温度測定について説明する。ウエハ４
の上方に透過窓８を設け、その外側に放射温度計９を設
置し、ウエハ４が放射する赤外線を捕らえて温度を測定
する。透過窓８は石英あるいはサファイア等の素材から
なる。放射温度計９はＣＣＤ撮像素子を検出器とし容易
にウエハ４の温度分布を２次元的に測定できる。ＣＣＤ
を検出器とする放射温度計をプラズマ処理装置に適用し
た出願がされている（特願平２−２３６７１２）。本発
明は、この公知例の放射温度計に加え、ランプ１の光が
入り込まないように視野絞りを追加したものである。

【００３５】図２に放射温度計９の内部構造を示す。こ
れは、光軸上に順次配列した集光レンズ９１、視野絞り
９６、リレーレンズ９２、干渉フィルタ９４、リレーレ
ンズ９３、ＣＣＤ撮像素子９５とから構成される。集光
レンズ９１がウエハ４の像を結ぶ位置にウエハ４と相似
形の穴をあけた視野絞り９６を設置する。干渉フィルタ
９４はリレーレンズ９２とリレーレンズ９３の間に設置
し、集光したウエハ４の放射光をコリメートした後で干
渉フィルタ９４を通して１μｍ以上の赤外線を遮断す
る。干渉フィルタ９４を透過した波長１μｍ以下の赤外
線をウエハ４は透過しないから、ランプ１の光がＣＣＤ
撮像素子９５へ届くことはない。視野絞り９６に空けた
ウエハ４と相似形の穴は、集光レンズ９１が結ぶウエハ
４の像より少し小さくする。このため、ウエハ４の外側
から回り込んだランプ１の光は、視野絞り９６で遮断さ
れＣＣＤ撮像素子９５に入射するのを防止できる。

【００３６】ウエハ４の放射率分布を次のようにして求
めて補正部とし、放射温度計９の測定値を補正する。１
μｍ以下の波長を感知する放射温度計９を用いるので、
１μｍ以下の波長を透過しないウエハ４は不透明であ
り、この波長域の放射率を求めるには反射率を測定すれ
ばよい。図１に示すように放射温度計９は、ウエハ４の
中央部についてはウエハ４面から直角方向に放射された
赤外線を測定するのに対し、周辺部についてはウエハ４
面にに対して斜め方向に放射された赤外線を測定するこ
とになる。したがって、放射率としては直角方向への指
向性放射率だけでなく、測定位置に応じた角度への放射
率の値を知る必要がある。ここで、指向性放射率εは指
向性入射−半球反射率ρとはε＋ρ＝１の関係にある。
結局、ウエハ４の指向性入射−半球反射率を入射角度を
変えて測定すれば良い。以後、放射率とは指向性放射率
を指し、反射率とは指向性入射−半球反射率を指すもの
とする。

【００３７】反射率の測定およびこれを用いて放射率の
補正を行う手順を説明する。光源から光をウエハ表面に
照射するとともに反射光を検出器で測定し、その反射光
の強度と照射した光の強度との比から反射率を求める。
ウエハ４に光を照射する方向を変えて、反射率の角度依
存性を測定する。測定した反射率を基に測定位置（すな
わち測定角度）およびその位置の表面状態を考慮して、
ウエハ４面内の放射率の分布を計算する。そして、熱処
理中に放射温度計９で測定した赤外線画像をこの放射率
分布で補正する。具体的にはＣＣＤ撮像素子９５の信号
に計算で求めた放射率分布を掛け合わせた後、温度に変
換するという手順を取ればよい。

【００３８】ウエハ４の表面には鏡面的な反射性質を示
す部分、拡散的な反射性質を示す部分がある。以下、こ
れらの反射率を測定する実際的な構成を図により説明す
る。反射率測定用の装置の光源部の構成を図３に示す。
ランプ１１の光をレンズ１２および干渉フィルタ１３を
通して光ファイバ１４の一端から取り込み、他端から出
た光をレンズ１５で平行光にしてウエハ４に照射する。
なお、レンズ１５は光照射ヘッド１８内に納められてい
る。干渉フィルタ１３は放射温度計９に使用するものと
同じ特性の物を用いる。ウエハ４の表面が鏡面の場合
は、単純にウエハ４表面の法線に対して光照射ヘッド１
８と対称の位置に検出器１６を設置するだけでよい。し
かし、ウエハ４の表面が拡散面の場合は、図４，図５に
示すように反射した光を全て検出器１６に取り込むため
にウエハ４の光を照射する部分を覆うように積分球１７
を設ける必要がある。

【００３９】図４はウエハ４の表面に対し直角方向に反
射する反射光を測定するのに用いる積分球１７を示し、
図５はウエハ４の表面に対し斜め方向の反射光を測定す
るために用いる積分球１７を示している。

【００４０】積分球１７としては半球面鏡の代わりに放
物面鏡あるいは楕円面鏡等を用いてもよい。積分球１７
は光源からの光を照射するための開口１７１と、検出器
１６を取り付けるための開口１７２を設け、これがウエ
ハ４の法線に対して対称となるようにする。このため、
鏡面反射の場合も、拡散反射の場合も同一の測定部で処
理できる。ウエハ４に光を照射する方向は、放射率を知
りたい角度に一致させる。このため、開口１７１，１７
２が異なる複数の積分球１７を設けておく。反射率が既
知の試料を用いてウエハ４に照射した光の強度と検出器
１６が捕らえた光の強度との関係を予め求めておく。こ
れにより、ウエハ４の表面が鏡面、拡散面に係わらず正
確に反射率が測定でき、放射率の値を知ることができ
る。

【００４１】図６は本発明による第２の実施例のランプ
アニール装置を示す断面図である。第１の実施例に示す
構成に加え、ランプ１の光がウエハの表側に回り込まな
いように遮蔽板１０が設けられている。この遮蔽板１０
はウエハ４が遮蔽板１０の内側にほぼ隙間なく入り込
む、ドーナッツ形をしている。その材質としては耐熱性
が高く、かつ赤外線の吸収率が高いＳｉＣなどを使用す
ればよい。この遮蔽板１０によって、ウエハ４の表側に
は回り込むランプ１の光を低減することができる。した
がって、ウエハ４の表面に反射して放射温度計９に感知
される光が少なくなり、温度測定の精度が向上する。ま
た、同様の目的でウエハ４の表面側に面するチャンバ５
の内面を黒体化することも効果がある。チャンバ５を放
射率の高いＳｉＣなどで製作してもよい。

【００４２】また、図７に示す本発明の第３の実施例
は、第１の実施例のランプアニール装置の構成に加え
て、先端が尖った細い突起５１をチャンバ５の内面に隙
間がないように立てたものである。突起５１と突起５１
の間は黒体条件を満足するので、ランプ１の光がこの部
分に照射されてもウエハ４の方向に反射しない。このた
め、ランプ１の光の影響を低減することができる。

【００４３】図８にウエハ４を支持する支持板として、
第１の実施例のランプアニール装置のものと面構造の異
なる支持板を示す。ウエハ４の局所的な温度低下を防ぐ
には裏面全体が石英板に接触する方が好ましい。しか
し、ウエハ４に付着する塵埃を減らすには接触面積は少
ない方がよい。これを考慮してこの実施例の支持板６Ａ
はウエハ４裏面が接触する面に１〜５mm間隔の同心円状
のスリット６１を設けたものである。また、図９に示す
支持板６Ｂは中央部の厚さを周辺に比べて厚くして熱伝
導による放熱を多くし、周辺での放射による放熱を補正
することを目的とした支持板である。

【００４４】図１０は本発明の第４の実施例を示し、こ
の実施例は第１の実施例のランプアニールに加えて、ウ
エハ４の最外周部の温度を均一にするため、ランプ１の
光をウエハ４に照射する開口の大きさを可変する機構を
設けたものである。即ち、石英窓３を２重にして、その
間に開口の大きさを調整するための絞り３１を設けてい
る。具体的に開口の大きさを調整するための構造は、カ
メラの絞りと同じような構造とすればよい。絞り３１は
ランプ１の光で温度が上昇しないように水冷あるいは空
冷される。絞り３１によって開口をウエハ４と概略同じ
にした時点で側面４１への加熱量は最小になる（これ以
上小さくするとウエハ４の周辺の温度が下がる）。絞り
３１を全開にすれば側面４１からの加熱量が最大にな
る。この間で、側面４１からの放熱量と加熱量がバラン
スするように開口の大きさを調整する。また、これはウ
エハ４の面内温度分布を測定した結果に基づいて処理中
に行われる。

【００４５】また、同様の効果を得るための第５の実施
例を図１１に示す。図６に示した遮蔽板１０に、これを
上下する機構１０１を取り付けている。ウエハ４の側面
４１への加熱量が多い場合には遮蔽板１０をウエハ４よ
り下に移動し、側面にランプ１の光が照射されないよう
にする。加熱量が少ない場合は、遮蔽板１０をウエハ４
より上に移動し、側面にも光が照射されるようにする。
なお、この動作はウエハ４を処理している最中に行う。

【００４６】

【発明の効果】本発明によれば、ランプアニール装置
を、複数のランプによりウエハの裏面側のみから加熱
し、温度測定手段は２次元にウエハの表面の各所部分の
温度を測定し、制御手段は温度測定手段からのウエハ各
所の温度測定値を基にウエハの所定の加熱温度に至るよ
うに制御するように構成したので、パターンが形成され
ていない熱吸収率がほぼ一定の裏面から表面に至りウエ
ハは均一に温度上昇し、ウエハの面内温度分布を小さく
して均一な熱処理ができる。

【００４７】また、本発明の別のランプアニール装置
を、上記ランプアニール装置と同様に、複数のランプは
ウエハを裏面側から加熱し、温度測定手段は２次元に配
列された温度検出素子によりウエハの表面の各所部分の
温度を測定し、制御手段はウエハ各所の温度測定値を基
にランプの発熱量を制御して、ウエハの所定の温度に上
昇させ、支持板はウエハの加熱に主たる寄与をする波長
の可視光線ないし赤外線を透過するとともにその上の平
面にウエハの裏面全面にわたって接触させて載置するよ
うに構成したので、パターンが形成されていない熱吸収
率がほぼ一定の裏面から表面に至りウエハは均一に温度
上昇すると共に、ウエハに局所的に熱応力や自重による
偏荷重がかかることがなく、ウエハの変形を防止でき
る。

【００４８】また、さらに別のランプアニール装置にお
いて、補正部はウエハのパターンの形状と、該パターン
の形成された部分の反射率及びウエハの素地の部分の反
射率とから作成されたウエハの放射率分布データを基に
放射温度計の測定値を補正するので、どんな種類のウエ
ハを処理する時でも正確にウエハの温度分布を知ること
ができ、処理中にウエハの温度がより均一になるような
フィードバック制御を可能とする。

【００４９】かくして、本発明の各ランプアニール装置
によって、処理中にウエハに生ずる熱応力の低減でき、
大直径ウエハを処理する場合にもスリップラインの発生
を防止でき、また酸化膜厚さの均一性向上、シート抵抗
の均一性向上などＬＳＩ生産の歩留りを上げることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による第１の実施例のランプアニール装
置の構造を示す断面図である。

【図２】放射温度計の内部構造を示す図である。

【図３】光反射率測定装置の光源部の構成図である。

【図４】ウエハ表面から直角方向の反射光を測定するに
用いる積分球を示す図である。

【図５】ウエハ表面から斜め方向の反射光を測定するに
用いる積分球を示す図である。

【図６】本発明の第２の実施例のランプアニール装置の
構造を示す断面図である。

【図７】本発明の第３の実施例のランプアニール装置の
構造を示す断面図である。

【図８】面内に複数の同心円状溝を設けた支持板の断面
図である。。

【図９】周辺部を薄くした支持板の断面図である。

【図１０】本発明の第４の実施例のランプアニール装置
の構造を示す断面図である。

【図１１】本発明の第５の実施例のランプアニール装置
の構造を示す断面図である。

【図１２】ランプ面で発熱量を一様にした場合のウエハ
の温度分布図を示すである。

【図１３】ウエハ外周部でランプ発熱量を増した場合の
ウエハの温度分布図である。

【符号の説明】

１ ランプ ２ 反射板 ３ 石英窓 ４ ウエハ ５ チャンバ ６ 支持板 ７ 支持台 ８ 赤外線透過窓 ９ 放射温度計 １０ 遮蔽板 １１ ランプ １２ レンズ １３ 干渉フィルタ １４ 光ファイバ １５ レンズ １６ 検出器 １７ 積分球 １８ 光照射ヘッド ３１ 絞り機構 ６１ スリット ９１ 集光レンズ ９２ リレーレンズ ９３ リレーレンズ ９４ 干渉フィルタ ９５ 撮像素子 ９６ 視野絞り １０１ 遮蔽板移動機構

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 本間 満 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 支持具上に載置されたウエハを加熱する
   ための複数のランプと、該ランプにより加熱されたウエ
   ハのパターンを形成した表面の温度を測定する温度測定
   手段と、該温度測定手段により測定された温度を基に前
   記ランプの発熱量を制御する制御手段とを備えたランプ
   アニール装置において、前記ランプは前記ウエハの裏面
   側のみに設置し、前記温度測定手段は２次元的に温度検
   出素子を配列した放射温度計でなることを特徴とするラ
   ンプアニール装置。
2. 【請求項２】 支持具上に載置されたウエハを加熱する
   ための複数のランプと、該ランプにより加熱されたウエ
   ハのパターンを形成した表面の温度を測定する温度測定
   手段と、該温度測定手段により測定された温度を基に前
   記ランプの発熱量を制御する制御手段とを備えたランプ
   アニール装置において、前記ランプは前記ウエハの裏面
   側のみに設置し、前記温度測定手段は２次元的に温度検
   出素子を配列した放射温度計でなり、前記支持具は前記
   ウエハの加熱に主たる寄与をする波長の可視光線ないし
   赤外線を透過し、かつ前記ウエハの裏面全面にわたって
   ほぼ均等に接触する支持板でなることを特徴とするラン
   プアニール装置。
3. 【請求項３】 前記支持板の上面が平面で、かつ周辺部
   の厚さが周辺に向かって減少していることを特徴とした
   請求項２記載のランプアニール装置。
4. 【請求項４】 前記複数のランプと前記支持板の間に前
   記ランプの光の照射範囲を調整するしぼり機構を設けた
   ことを特徴とする請求項１，２または３に記載のランプ
   アニール装置。
5. 【請求項５】 前記放射温度計の内部に前記ウエハと相
   似形の視野絞りを設けたことを特徴とする請求項１〜４
   いずれかに記載のランプアニール装置。
6. 【請求項６】 前記支持板は前記ウエハとほぼ同じ外郭
   形状とし、前記支持板の回りに該ランプの光を前記放射
   温度計の視野から遮蔽する遮蔽手段を設けたことを特徴
   とする請求項１〜５いずれかに記載のランプアニール装
   置。
7. 【請求項７】 前記ウエハのパターンの形状と、該パタ
   ーンの形成された部分の反射率及び該パターンの形成さ
   れない部分の反射率とから作成されたウエハの放射率分
   布データを基に前記放射温度計の測定値を補正する補正
   部を設けたことを特徴とする請求項１〜６いずれかに記
   載のランプアニール装置。