JPH07159246A - 半導体ウエハーの温度測定方法 - Google Patents
半導体ウエハーの温度測定方法Info
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- JPH07159246A JPH07159246A JP5341469A JP34146993A JPH07159246A JP H07159246 A JPH07159246 A JP H07159246A JP 5341469 A JP5341469 A JP 5341469A JP 34146993 A JP34146993 A JP 34146993A JP H07159246 A JPH07159246 A JP H07159246A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 放射率が刻々変化する表面処理中の半導体ウ
エハーの温度を、放射率変動の影響を受けることなしに
非接触状態で正確に測温する方法を提供する。 【構成】 表面処理過程にある半導体ウエハーから放射
される赤外線放射を偏光のｐ成分とｓ成分に分け、予め
求められたｐ成分の放射率（εｐ）が一定となる角度か
ら放射温度計を用いて測温する方法。
エハーの温度を、放射率変動の影響を受けることなしに
非接触状態で正確に測温する方法を提供する。 【構成】 表面処理過程にある半導体ウエハーから放射
される赤外線放射を偏光のｐ成分とｓ成分に分け、予め
求められたｐ成分の放射率（εｐ）が一定となる角度か
ら放射温度計を用いて測温する方法。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、例えばスパッタ、エッ
チング、酸化成膜等の表面処理を施す加熱過程にある半
導体ウエハーの温度を非接触状態で精度よく測定する方
法に関する。
チング、酸化成膜等の表面処理を施す加熱過程にある半
導体ウエハーの温度を非接触状態で精度よく測定する方
法に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体装置の製造工程のうち、例えばＳ
ｉウエハーの表面に酸化膜を形成する処理段階において
は、適正な成膜状態を得るためにウエハーの温度を正確
に制御する必要がある。このため、従来からウエハーの
裏面に熱電対を接触させて測温する方法や放射温度計を
用いて測温する方法によって、加熱処理中のウエハー温
度が測定されている。
ｉウエハーの表面に酸化膜を形成する処理段階において
は、適正な成膜状態を得るためにウエハーの温度を正確
に制御する必要がある。このため、従来からウエハーの
裏面に熱電対を接触させて測温する方法や放射温度計を
用いて測温する方法によって、加熱処理中のウエハー温
度が測定されている。
【０００３】このうち後者の放射温度計を用いる方法
は、半導体ウエハーと非接触の状態で測温できる利点が
ある関係で熱電対法に比べて実用化率が高いが、被測定
体からの赤外放射を温度に換算するためにウエハーの放
射率を設定する操作が必要となる。ところが、処理中に
おける半導体ウエハーの放射率は一定ではないので、温
度測定系とは別に放射率測定系を設け、ここで測定した
データをフィードバックして温度を得る方法（特開平３
−165514号公報、特開平４−297054号公報）や、半導体
ウエハーを直接に測定せず、これに密着したサセプター
の温度を放射温度計で測る方法（特開平４−226047号公
報) 等が試みられている。
は、半導体ウエハーと非接触の状態で測温できる利点が
ある関係で熱電対法に比べて実用化率が高いが、被測定
体からの赤外放射を温度に換算するためにウエハーの放
射率を設定する操作が必要となる。ところが、処理中に
おける半導体ウエハーの放射率は一定ではないので、温
度測定系とは別に放射率測定系を設け、ここで測定した
データをフィードバックして温度を得る方法（特開平３
−165514号公報、特開平４−297054号公報）や、半導体
ウエハーを直接に測定せず、これに密着したサセプター
の温度を放射温度計で測る方法（特開平４−226047号公
報) 等が試みられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の放射温度計による測温方法では、温度測定系と
は別に放射率測定系を設置したとしても、膜形成等の処
理中に同時進行的に放射率を測定することができない関
係で、結局、リアルタイムで連続的に温度モニターする
ことができない問題点がある。
た従来の放射温度計による測温方法では、温度測定系と
は別に放射率測定系を設置したとしても、膜形成等の処
理中に同時進行的に放射率を測定することができない関
係で、結局、リアルタイムで連続的に温度モニターする
ことができない問題点がある。
【０００５】本発明は、このような問題点を解決するた
めになされたもので、放射率が刻々変化する表面処理中
の半導体ウエハー温度を、放射率変動の影響を受けずに
非接触で正確に測温する方法の提供を目的としている。
めになされたもので、放射率が刻々変化する表面処理中
の半導体ウエハー温度を、放射率変動の影響を受けずに
非接触で正確に測温する方法の提供を目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明による半導体ウエハーの温度測定方法は、表
面処理過程にある半導体ウエハーから放射される赤外線
放射を偏光のｐ成分とｓ成分に分け、予め求められたｐ
成分の放射率（εｐ）が一定となる角度から放射温度計
を用いて測温することを構成上の特徴とする。
めの本発明による半導体ウエハーの温度測定方法は、表
面処理過程にある半導体ウエハーから放射される赤外線
放射を偏光のｐ成分とｓ成分に分け、予め求められたｐ
成分の放射率（εｐ）が一定となる角度から放射温度計
を用いて測温することを構成上の特徴とする。
【０００７】一般に、半導体ウエハーの成膜化等による
処理過程においては、膜厚などによる表面状態の変化に
伴って光の干渉効果に基づく表面の反射率が周期的に変
化していく。放射率εの大きさは、反射率Ｒと透過率Ｔ
からε＝１−（Ｒ＋Ｔ）と表されるが、Ｓｉウエハーは
１μm 以下の波長域においては不透明（Ｔ＝０）である
から、反射率Ｒの変化は放射率εの変化と同義に捉える
ことができる。しかし、Ｓｉウエハー表面にＳｉＯ2 膜
を形成する際の膜厚変化に伴う放射率の変動は図１に示
すように極めて大きく、これを通常の放射温度計で測温
することは至難である。
処理過程においては、膜厚などによる表面状態の変化に
伴って光の干渉効果に基づく表面の反射率が周期的に変
化していく。放射率εの大きさは、反射率Ｒと透過率Ｔ
からε＝１−（Ｒ＋Ｔ）と表されるが、Ｓｉウエハーは
１μm 以下の波長域においては不透明（Ｔ＝０）である
から、反射率Ｒの変化は放射率εの変化と同義に捉える
ことができる。しかし、Ｓｉウエハー表面にＳｉＯ2 膜
を形成する際の膜厚変化に伴う放射率の変動は図１に示
すように極めて大きく、これを通常の放射温度計で測温
することは至難である。
【０００８】このように膜厚の変化する半導体ウエハー
からの反射光は、偏光フィルターや偏光プリズム等を用
いることにより、ｓ成分とｐ成分に分けることができ
る。まず、屈折率ｎj 、厚さｄj （ｊ＝1,2,…,l) のｌ
層の非吸収性多層膜を考えると、次式(1) のスネルの法
則が成り立つことが知られている〔「光工学ハンドブッ
ク」、1986,2,20 発行（朝倉書店）,p160-169 〕。 n0 sinφ0 ＝ nj sin φj (j＝1,2,… l＋1) ……(1)
からの反射光は、偏光フィルターや偏光プリズム等を用
いることにより、ｓ成分とｐ成分に分けることができ
る。まず、屈折率ｎj 、厚さｄj （ｊ＝1,2,…,l) のｌ
層の非吸収性多層膜を考えると、次式(1) のスネルの法
則が成り立つことが知られている〔「光工学ハンドブッ
ク」、1986,2,20 発行（朝倉書店）,p160-169 〕。 n0 sinφ0 ＝ nj sin φj (j＝1,2,… l＋1) ……(1)
【０００９】(1) 式で、入射角φ0 はウエハーの法線と
入射光のなす角度である。一方、偏光のｓ成分とｐ成分
についての実効屈折率ηj は、ηj ＝-nj ・cos φ
j （ｓ成分）、ηj ＝ nj ／cos φj （ｐ成分）、また
δj ＝２π nj ・ dj cos φj ／λとおくと、均質単層
膜の性質を示す特性行列Μj は (2)式のように表され
る。
入射光のなす角度である。一方、偏光のｓ成分とｐ成分
についての実効屈折率ηj は、ηj ＝-nj ・cos φ
j （ｓ成分）、ηj ＝ nj ／cos φj （ｐ成分）、また
δj ＝２π nj ・ dj cos φj ／λとおくと、均質単層
膜の性質を示す特性行列Μj は (2)式のように表され
る。
【００１０】
【数１】
【００１１】従って、多層膜を表す行列Μは、各層に対
応する特性行列の積として (3)式で与えられる。
応する特性行列の積として (3)式で与えられる。
【００１２】
【数２】
【００１３】最初の媒質側からみた多層膜の振幅反射係
数は、(4) 式で示される。
数は、(4) 式で示される。
【００１４】
【数３】
【００１５】ただし、(1) 式のスネルの法則によりη
1+1 ＝ηo が成立するので、(4) 式は(5) 式のようにな
る。
1+1 ＝ηo が成立するので、(4) 式は(5) 式のようにな
る。
【００１６】
【数４】
【００１７】(5) 式の値は複素数を含むので、多層膜の
反射率Ｒ0 はこれの実効値として (6)式により求められ
る。
反射率Ｒ0 はこれの実効値として (6)式により求められ
る。
【００１８】
【数５】
【００１９】以上のようにして、ｄが変化する多層膜の
反射率を偏光のｓ、ｐ両成分について算出することがで
きる。この計算をＳｉウエハーに対して行ったところ、
ある特定の入射角度では放射率が一定になることが検証
された。
反射率を偏光のｓ、ｐ両成分について算出することがで
きる。この計算をＳｉウエハーに対して行ったところ、
ある特定の入射角度では放射率が一定になることが検証
された。
【００２０】本発明は、上記の原理を応用し、予め求め
られたｐ成分の放射率（εｐ）が一定となる角度に放射
温度計の視野を合わせてセットし、表面処理過程にある
半導体ウエハーの温度を連続的に測温する。
られたｐ成分の放射率（εｐ）が一定となる角度に放射
温度計の視野を合わせてセットし、表面処理過程にある
半導体ウエハーの温度を連続的に測温する。
【００２１】
【作用】本発明によれば、放射率が一定となる入射角度
を測定角とし、被測温体となる半導体ウエハーからの温
度に対応した放射を偏光成分に分けて検出することによ
り、膜厚の変化等による放射率の変動に影響されずに半
導体ウエハーの測温が可能となる。したがって、放射率
が刻々変化する表面処理中の半導体ウエハーを対象とし
て、常に非接触状態によるリアルタイムでの正確な温度
モニタが可能になり、品質の信頼性を向上させることが
できる。
を測定角とし、被測温体となる半導体ウエハーからの温
度に対応した放射を偏光成分に分けて検出することによ
り、膜厚の変化等による放射率の変動に影響されずに半
導体ウエハーの測温が可能となる。したがって、放射率
が刻々変化する表面処理中の半導体ウエハーを対象とし
て、常に非接触状態によるリアルタイムでの正確な温度
モニタが可能になり、品質の信頼性を向上させることが
できる。
【００２２】
【実施例】以下、本発明の温度測定方法をＳｉウエハー
表面へＳｉＯ2 およびＳｉ3 Ｎ4膜を形成する表面処理
過程での測温に適用した実施例に基づいて説明する。
表面へＳｉＯ2 およびＳｉ3 Ｎ4膜を形成する表面処理
過程での測温に適用した実施例に基づいて説明する。
【００２３】放射温度計にはシリコンソーラセルを赤外
検出器として用いたものを使い、測定波長はＳｉウエハ
ーが不透明である０．９μm とした。同波長でのＳｉ、
ＳｉＯ2 およびＳｉ3 Ｎ4 の屈折率は、順に３．６５、
１．４５、２．００である。これは、先に述べた各偏光
成分の反射率算出過程においてｊ＝１，２のモデルであ
る。
検出器として用いたものを使い、測定波長はＳｉウエハ
ーが不透明である０．９μm とした。同波長でのＳｉ、
ＳｉＯ2 およびＳｉ3 Ｎ4 の屈折率は、順に３．６５、
１．４５、２．００である。これは、先に述べた各偏光
成分の反射率算出過程においてｊ＝１，２のモデルであ
る。
【００２４】図２〜図９は、測定波長０．９μm のとき
に０〜５０００オングストロームまでＳｉＯ2 膜の膜厚
が変化する段階におけるＳｉウエハーの反射率を様々な
入射角度φ0 から観察した際の偏光成分別（ｓ成分およ
びｐ成分）の算出結果を示したグラフであり、また図１
０〜図１７は同様にＳｉ3 Ｎ4 膜についてのグラフであ
る。ＳｉＯ2 膜（図２〜９）およびＳｉ3 Ｎ4 膜（図１
０〜１７）共に、入射角が１０°〜３０°程度までは、
ｓ成分、ｐ成分どちらも膜厚の変化による反射率Ｒの変
化が顕著であるが、入射角が５０〜６０°になると、膜
厚の変動に係わりなくｐ成分の反射率Ｒは変化しなくな
る。したがって、この入射角度５０〜６０°の範囲が、
ｐ成分の放射率（εｐ）が一定となり、上記条件のＳｉ
ウエハーに対する最適測定角度となる。
に０〜５０００オングストロームまでＳｉＯ2 膜の膜厚
が変化する段階におけるＳｉウエハーの反射率を様々な
入射角度φ0 から観察した際の偏光成分別（ｓ成分およ
びｐ成分）の算出結果を示したグラフであり、また図１
０〜図１７は同様にＳｉ3 Ｎ4 膜についてのグラフであ
る。ＳｉＯ2 膜（図２〜９）およびＳｉ3 Ｎ4 膜（図１
０〜１７）共に、入射角が１０°〜３０°程度までは、
ｓ成分、ｐ成分どちらも膜厚の変化による反射率Ｒの変
化が顕著であるが、入射角が５０〜６０°になると、膜
厚の変動に係わりなくｐ成分の反射率Ｒは変化しなくな
る。したがって、この入射角度５０〜６０°の範囲が、
ｐ成分の放射率（εｐ）が一定となり、上記条件のＳｉ
ウエハーに対する最適測定角度となる。
【００２５】上記の入射角５０〜６０°の角度範囲で、
ＳｉＯ2 およびＳｉ3 Ｎ4 被膜を形成する表面処理中の
Ｓｉウエハーが視野に入るように放射温度計を設置し
た。放射温度計の前面には、Ｓｉウエハーからの赤外放
射を偏光成分（ｓ成分、ｐ成分）に分けて検出するため
の偏光フイルター（５０φ×２．０t ）を取付けた。こ
のようにして、膜厚が０〜５０００オングストロームま
で変化する表面処理過程でのＳｉウエハの温度をモニタ
ーした。処理温度は９００および１０５０℃とし、同時
に測定した熱電対での結果を真温度として測定結果を比
較したところ、測定誤差は±１℃以内であった。この結
果から、本発明による温度測定方法は、膜厚増加に伴う
放射率の変動影響を受けることなく、半導体ウエハーの
温度を正確に測定できることが認められた。
ＳｉＯ2 およびＳｉ3 Ｎ4 被膜を形成する表面処理中の
Ｓｉウエハーが視野に入るように放射温度計を設置し
た。放射温度計の前面には、Ｓｉウエハーからの赤外放
射を偏光成分（ｓ成分、ｐ成分）に分けて検出するため
の偏光フイルター（５０φ×２．０t ）を取付けた。こ
のようにして、膜厚が０〜５０００オングストロームま
で変化する表面処理過程でのＳｉウエハの温度をモニタ
ーした。処理温度は９００および１０５０℃とし、同時
に測定した熱電対での結果を真温度として測定結果を比
較したところ、測定誤差は±１℃以内であった。この結
果から、本発明による温度測定方法は、膜厚増加に伴う
放射率の変動影響を受けることなく、半導体ウエハーの
温度を正確に測定できることが認められた。
【００２６】
【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば従来技術
では測温が不可能とされていた表面処理過程にある半導
体ウエハーの温度を非接触状態で正確かつリアルタイム
に測定することが可能となる。したがって、例えばスパ
ッタ、エッチング、酸化成膜等の表面処理工程におい
て、半導体ウエハーの温度を連続的にモニターする温度
管理操作に極めて有用である。
では測温が不可能とされていた表面処理過程にある半導
体ウエハーの温度を非接触状態で正確かつリアルタイム
に測定することが可能となる。したがって、例えばスパ
ッタ、エッチング、酸化成膜等の表面処理工程におい
て、半導体ウエハーの温度を連続的にモニターする温度
管理操作に極めて有用である。
【図１】Ｓｉウエハー表面にＳｉＯ2 膜を形成した際の
膜厚と放射率の関係を示したグラフである。
膜厚と放射率の関係を示したグラフである。
【図２】実施例において、入射角１０°から観察したＳ
ｉウエハー表面のＳｉＯ2 膜厚と反射率との関係を偏光
成分別に示したグラフである。
ｉウエハー表面のＳｉＯ2 膜厚と反射率との関係を偏光
成分別に示したグラフである。
【図３】実施例において、入射角２０°から観察したＳ
ｉウエハー表面のＳｉＯ2 膜厚と反射率との関係を偏光
成分別に示したグラフである。
ｉウエハー表面のＳｉＯ2 膜厚と反射率との関係を偏光
成分別に示したグラフである。
【図４】実施例において、入射角３０°から観察したＳ
ｉウエハー表面のＳｉＯ2 膜厚と反射率との関係を偏光
成分別に示したグラフである。
ｉウエハー表面のＳｉＯ2 膜厚と反射率との関係を偏光
成分別に示したグラフである。
【図５】実施例において、入射角４０°から観察したＳ
ｉウエハー表面のＳｉＯ2 膜厚と反射率との関係を偏光
成分別に示したグラフである。
ｉウエハー表面のＳｉＯ2 膜厚と反射率との関係を偏光
成分別に示したグラフである。
【図６】実施例において、入射角５０°から観察したＳ
ｉウエハー表面のＳｉＯ2 膜厚と反射率との関係を偏光
成分別に示したグラフである。
ｉウエハー表面のＳｉＯ2 膜厚と反射率との関係を偏光
成分別に示したグラフである。
【図７】実施例において、入射角６０°から観察したＳ
ｉウエハー表面のＳｉＯ2 膜厚と反射率との関係を偏光
成分別に示したグラフである。
ｉウエハー表面のＳｉＯ2 膜厚と反射率との関係を偏光
成分別に示したグラフである。
【図８】実施例において、入射角７０°から観察したＳ
ｉウエハー表面のＳｉＯ2 膜厚と反射率との関係を偏光
成分別に示したグラフである。
ｉウエハー表面のＳｉＯ2 膜厚と反射率との関係を偏光
成分別に示したグラフである。
【図９】実施例において、入射角８０°から観察したＳ
ｉウエハー表面のＳｉＯ2 膜厚と反射率との関係を偏光
成分別に示したグラフである。
ｉウエハー表面のＳｉＯ2 膜厚と反射率との関係を偏光
成分別に示したグラフである。
【図10】実施例において、入射角１０°から観察したＳ
ｉウエハー表面のＳｉ3 Ｎ4 膜厚と反射率との関係を偏
光成分別に示したグラフである。
ｉウエハー表面のＳｉ3 Ｎ4 膜厚と反射率との関係を偏
光成分別に示したグラフである。
【図11】実施例において、入射角２０°から観察したＳ
ｉウエハー表面のＳｉ3 Ｎ4 膜厚と反射率との関係を偏
光成分別に示したグラフである。
ｉウエハー表面のＳｉ3 Ｎ4 膜厚と反射率との関係を偏
光成分別に示したグラフである。
【図12】実施例において、入射角３０°から観察したＳ
ｉウエハー表面のＳｉ3 Ｎ4 膜厚と反射率との関係を偏
光成分別に示したグラフである。
ｉウエハー表面のＳｉ3 Ｎ4 膜厚と反射率との関係を偏
光成分別に示したグラフである。
【図13】実施例において、入射角４０°から観察したＳ
ｉウエハー表面のＳｉ3 Ｎ4 膜厚と反射率との関係を偏
光成分別に示したグラフである。
ｉウエハー表面のＳｉ3 Ｎ4 膜厚と反射率との関係を偏
光成分別に示したグラフである。
【図14】実施例において、入射角５０°から観察したＳ
ｉウエハー表面のＳｉ3 Ｎ4 膜厚と反射率との関係を偏
光成分別に示したグラフである。
ｉウエハー表面のＳｉ3 Ｎ4 膜厚と反射率との関係を偏
光成分別に示したグラフである。
【図15】実施例において、入射角６０°から観察したＳ
ｉウエハー表面のＳｉ3 Ｎ4 膜厚と反射率との関係を偏
光成分別に示したグラフである。
ｉウエハー表面のＳｉ3 Ｎ4 膜厚と反射率との関係を偏
光成分別に示したグラフである。
【図16】実施例において、入射角７０°から観察したＳ
ｉウエハー表面のＳｉ3 Ｎ4 膜厚と反射率との関係を偏
光成分別に示したグラフである。
ｉウエハー表面のＳｉ3 Ｎ4 膜厚と反射率との関係を偏
光成分別に示したグラフである。
【図17】実施例において、入射角８０°から観察したＳ
ｉウエハー表面のＳｉ3 Ｎ4 膜厚と反射率との関係を偏
光成分別に示したグラフである。
ｉウエハー表面のＳｉ3 Ｎ4 膜厚と反射率との関係を偏
光成分別に示したグラフである。
Claims (1)
- 【請求項１】 表面処理過程にある半導体ウエハーから
放射される赤外線放射を偏光のｐ成分とｓ成分に分け、
予め求められたｐ成分の放射率 (εｐ) が一定となる角
度から放射温度計を用いて測温することを特徴とする半
導体ウエハーの温度測定方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5341469A JPH07159246A (ja) | 1993-12-09 | 1993-12-09 | 半導体ウエハーの温度測定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5341469A JPH07159246A (ja) | 1993-12-09 | 1993-12-09 | 半導体ウエハーの温度測定方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07159246A true JPH07159246A (ja) | 1995-06-23 |
Family
ID=18346310
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5341469A Pending JPH07159246A (ja) | 1993-12-09 | 1993-12-09 | 半導体ウエハーの温度測定方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07159246A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPWO2009081748A1 (ja) * | 2007-12-20 | 2011-05-06 | 学校法人 東洋大学 | 放射測温方法及び放射測温システム |
| US9865513B2 (en) | 2014-05-21 | 2018-01-09 | Mitsubishi Electric Corporation | Semiconductor device manufacturing method |
| CN112420498A (zh) * | 2019-08-22 | 2021-02-26 | 株式会社斯库林集团 | 热处理方法以及热处理装置 |
-
1993
- 1993-12-09 JP JP5341469A patent/JPH07159246A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPWO2009081748A1 (ja) * | 2007-12-20 | 2011-05-06 | 学校法人 東洋大学 | 放射測温方法及び放射測温システム |
| US9865513B2 (en) | 2014-05-21 | 2018-01-09 | Mitsubishi Electric Corporation | Semiconductor device manufacturing method |
| DE112014006683B4 (de) | 2014-05-21 | 2019-10-02 | Mitsubishi Electric Corporation | Halbleitervorrichtungsfertigungsverfahren |
| CN112420498A (zh) * | 2019-08-22 | 2021-02-26 | 株式会社斯库林集团 | 热处理方法以及热处理装置 |
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