JPH11312651A

JPH11312651A - 基板処理装置

Info

Publication number: JPH11312651A
Application number: JP11868198A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Tomioka; 嘉章冨岡; Mitsukazu Takahashi; 光和高橋
Original assignee: Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1998-04-28
Filing date: 1998-04-28
Publication date: 1999-11-09

Abstract

(57)【要約】【課題】基板に加熱を伴う処理を施す基板処理装置で
あって、接触式温度計にて基板の温度を正確に測定する
ことができる基板処理装置を提供する。【解決手段】加熱される基板９の下面に接触式温度セ
ンサ４１を接触させて基板９の温度を測定する基板処理
装置１において、基板９の下方に炭化ケイ素にて形成さ
れた遮光板６を配置する。また、遮光板６としては基板
９に対して同等以上の大きさのものを用いる。基板９の
加熱処理はランプ５１からの光を基板９に照射し、ラン
プ５２からの光を遮光板６に照射して行う。これによ
り、基板９の下面に直接ランプ５２からの光が照射され
ないので、基板９の下面の膜種や膜の有無に関係なく温
度測定を行うことができる。また、接触式温度センサ４
１にランプ５２からの光が照射されず、温度測定のノイ
ズを低減することができる。これにより、接触式温度計
４による基板９の温度測定を正確に行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、半導体装置製造
用の基板に加熱を伴う処理を施す基板処理装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の製造に用いられる基板は、
その製造工程において酸化膜や窒化膜の形成、アニール
等といったさまざまな加熱を伴う処理が施される。この
ような加熱を伴う処理において、ランプからの光を基板
の両主面に照射することで基板を加熱する基板処理装置
がある。

【０００３】基板に加熱を伴う処理を施す際にはその処
理を適正に行うために基板の加熱温度を正確に制御する
必要がある。特に、ランプからの光を用いて基板の温度
を急速に昇降させるＲＴＰ（Rapid Thermal Processin
g）では、正確な温度測定に基づく高度な温度制御が要
求される。

【０００４】処理中の基板の温度を測定する方法の一つ
として、接触式温度計を基板に接触させて温度を測ると
いう方法がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】接触式温度計は実際に
基板に接触して温度を測るものであるが、基板の表面状
態の影響を受けたり、正確な温度測定が困難であったり
することが知られている。例えば、水平姿勢の基板の下
面に接触するようにして接触式温度計で基板の温度を測
定する際に、基板の下面に形成されている膜の種類によ
って測定結果が異なってしまう。なお、基板の下面には
加熱を伴う処理の前に施される様々な処理によって多種
多様な膜が形成されている。

【０００６】基板下面の膜種による測定結果の相違には
様々な要因が考えられるが、その一つとして基板下面に
形成された膜の種類によって光吸収率（熱吸収率）が異
なることが原因と考えられる。

【０００７】また、接触式温度計は基板からの熱伝導に
より速やかに速度を検知するとされるものの、その構成
部材であるＳｉＣの光学的特性により、先端部の基板と
接触していない面では直接ランプ光を吸収することによ
り先端部には基板からの熱伝導以外の熱の流入が起こ
り、ひいては基板の温度測定に誤差を生じていた。従っ
て、基板裏面の膜種により光吸収特性が異なり、これに
よって例えば同一加熱温度に上昇あるいは保持するため
のランプパワーが異なり、ひいては接触式温度計の先端
部と基板に接触していない面に吸収されるランプ光強度
が異なることにより先端部の基板から熱伝導以外の熱の
流入が異なって、膜種の異なる基板間に温度測定に誤差
が生じることも誤差発生のメカニズムとなっている。

【０００８】つまり、水平姿勢の基板を上下両面からラ
ンプの光で加熱する場合には、基板の下面を支えるよう
にして接触する接触式温度計に直接ランプ光が照射さ
れ、この光が測定温度のノイズとなって正確な温度測定
を妨げているという原因も考えられる。

【０００９】そこで、この発明は上記課題に鑑みなされ
たものであり、基板を両主面からランプで加熱する基板
処理装置において接触式温度計による正確な温度測定を
実現することを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、基板
に加熱を伴う処理を施す基板処理装置であって、処理さ
れる基板の一の主面側に配置された第１ランプおよび他
の主面側に配置された第２ランプを有する加熱手段と、
前記他の主面と前記第２ランプとの間に配置され、前記
基板に対して大きさが同等以上の遮光部材と、前記他の
主面側から前記基板に接触する接触式温度計とを備え
る。

【００１１】請求項２の発明は、基板に加熱を伴う処理
を施す基板処理装置であって、処理される基板の一の主
面側に配置された第１ランプおよび他の主面側に配置さ
れた第２ランプを有する加熱手段と、前記他の主面と前
記第２ランプとの間に配置され、前記基板に対して大き
さが同等以上の遮光部材と、前記遮光部材の前記基板側
に取り付けられた接触式温度計とを備える。

【００１２】請求項３の発明は、請求項１または２に記
載の基板処理装置であって、前記遮光部材の光吸収率が
前記基板の光吸収率に対して同等以上である。

【００１３】

【発明の実施の形態】＜１．第１の実施の形態＞図１は
この発明の第１の実施の形態である基板処理装置１の構
成を示す正面図であり、図２は平面図である。

【００１４】基板処理装置１は基板９に酸化処理、窒化
処理、アニール処理、ＣＶＤ処理等の加熱を伴う処理を
施す装置であり、図１に示すように、処理される基板９
を収容するチャンバ２（図１および図２中断面にて図
示）、チャンバ２内にて基板９を水平姿勢にて支持する
アーム３、基板９の下面に接触して基板９の温度を測定
する接触式温度計４、チャンバ２外から基板９の両主面
を加熱する加熱部５、並びに、アーム３上に載置された
遮光板６を有している。

【００１５】接触式温度計４は基板９の下面に接触する
接触式温度センサ４１および接触式温度センサ４１から
の信号を受けて温度を求める温度計算部４２を有してい
る。なお、基板９はアーム３から上方に突出する２つの
支持部３１および接触式温度センサ４１により水平姿勢
に支持される。

【００１６】加熱部５は基板９の一の主面である上面側
に配置されてこの上面に光を照射するランプ５１、基板
９の他の主面である下面側に配置されてこの下面に光を
照射するランプ５２、およびこれらのランプ５１、５２
への電力供給を行うランプ電源５３を有している。な
お、図２ではランプ５１、５２の図示を省略している。

【００１７】また、基板処理装置１は温度計算部４２か
らの測定結果に応じてランプ電源５３を制御することに
より基板９の温度制御を行う温度制御部７も有してい
る。

【００１８】次に、これらの構成について説明する。

【００１９】チャンバ２は石英で形成されており、チャ
ンバ２の一部は基板９を出し入れするための扉２１とな
っている。

【００２０】アーム３は基板９を支持するために支持部
３１を２つ有しており、既述のように接触式温度センサ
４１の先端と２つの支持部３１とで基板９が図２に示す
ように３点で安定して支持される。なお、これらの支持
部３１は遮光板６に設けられた貫通孔を貫通している。

【００２１】アーム３および接触式温度センサ４１は扉
２１に固定されており、基板９のチャンバ２への搬入と
ともに扉２１がチャンバ２を密閉し、基板９の搬出とと
もに扉２１が開けられるようになっている。

【００２２】接触式温度センサ４１は炭化ケイ素（Ｓi
Ｃ）にて形成された筒の先端に熱電対を閉じこめた構造
となっており、接触式温度センサ４１の先端が基板９に
接触して熱電対が加熱されると起電力が温度計算部４２
に伝えられる。そして、温度計算部４２がこの起電力に
基づいて測定温度を求める。

【００２３】ランプ５１は棒状のハロゲンランプとなっ
ており、チャンバ２の上方に複数平行に配列配置されて
いる。ランプ５１が点灯するとランプ５１からの光が石
英のチャンバ２を透過して基板９の上面に照射される。
ランプ５２も棒状のハロゲンランプとなっており、チャ
ンバ２の下方に複数平行に配列配置されている。ランプ
５２が点灯するとランプ５２からの光がチャンバ２を透
過し、遮光板６に照射される。したがって、ランプ５１
とランプ５２とが点灯されると、基板９と遮光板６とが
加熱される。

【００２４】遮光板６は炭化ケイ素（ＳiＣ）で形成さ
れており、円板形状となっている。また、遮光板６の大
きさは基板９の直径に対して同等以上（図２では基板９
よりも大きい場合を示している。）となっている。遮光
板６は基板９とランプ５２との間にて基板９と平行に、
かつランプ５２側からみて基板９を覆うように配置され
ている。遮光板６はアーム３上に配置されているので、
基板９の搬入とともに遮光板６がチャンバ２内部へと搬
入されてチャンバ２内に収容され、基板９の搬出ととも
に遮光板６がチャンバ２外部へと搬出される。また、遮
光板６は基板９に対して４〜５mm程度の間隔を隔てて配
置されている。

【００２５】温度計算部４２にて求められた温度は温度
制御部７に入力され、温度制御部７は測定された温度が
予め設定されている目標温度となるようにランプ電源５
３を制御してランプからの光照射出力を調整する。すな
わち、温度制御部７の作用により測定温度が目標温度よ
りも低い場合にはランプ５１、５２へとさらに電力が供
給され、測定温度が目標温度よりも高い場合にはランプ
５１、５２への電力供給が低減あるいは遮断される。

【００２６】以上、この発明に係る基板処理装置１につ
いて説明したが、次に基板処理装置１と従来の基板処理
装置との温度制御性能の相違について説明する。

【００２７】図３は従来の基板処理装置１０１の構成を
示す正面図である。図３に示すように従来の基板処理装
置１０１はこの発明に係る基板処理装置１と比較して遮
光板６を有しないという点で相違する。なお、図３では
図１に示す基板処理装置１と同様の構成については図１
に付されている符号に１００を加えた値を符号として付
している。

【００２８】図４はこの発明に係る基板処理装置１と従
来の基板処理装置１０１とを比較するためにこれらの基
板処理装置に行わせたＲＴＯ（Rapid Thermal Oxidatio
n）処理の動作を示す図である。

【００２９】図４に示すように、基板９がチャンバ２に
搬入されると、チャンバ２内部のガスを窒素（Ｎ₂）か
ら酸素（Ｏ₂）へと置換する。なお、チャンバ２にはガ
スを供給する手段とガスを排出する手段（図示省略）と
が設けられており、これらの手段によりガス置換が行わ
れる。すなわち、チャンバ２は基板９の処理環境を適切
に維持する役割を果たしている。

【００３０】ガス置換が完了するとランプ５１、５２か
らの光により基板９の温度を３０℃／秒の速度で昇温
し、１１００℃にて４０秒間温度を保持した後、基板９
を冷却する。基板９の冷却と同時にチャンバ２内のガス
を酸素から窒素へと置換し、基板９の温度が６００℃ま
で下降した時点で基板９をチャンバ２から搬出する。そ
の後、次に処理される基板９をアーム３に載置する。そ
して、この動作を従来の基板処理装置１０１においても
行った。

【００３１】また、基板９の実際の温度（以下、「実温
度」という。）を測定するために、図１および図３に示
すように実温度測定用の熱電対９１を直接取り付けた基
板９を処理に用いた。

【００３２】表１は図１に示す基板処理装置１（ＳiＣ
プレート（遮光板６）あり）と図３に示す従来の基板処
理装置１０１（ＳiＣプレートとなし）とに図４に示す
処理動作を行わせた際の温度測定結果の違いを示してい
る。

【００３３】

【表１】

【００３４】表１に示す測定温度は、図４中に符号Ｍに
て示す時点、すなわち１１００℃での温度維持から温度
を下げる直前での基板９の実温度と目標温度である１１
００℃との差を示している。なお、表１に示す符号
「−」は１１００℃よりも測定された温度が低いことを
示しており、例えば、「−１０℃」は基板９の実温度が
１０９０℃と測定されたことを示している。実際の処理
動作ではベアシリコンの基板９に対して接触式温度セン
サ４１が正確な温度を測定できるように温度計算部４２
の校正が施されるが、この実験測定ではかかる校正は行
っていない。

【００３５】また、表１に示すように温度測定は、ベア
シリコンの基板（表１中に、「Ｓi基板」と示す。以
下、「ペアシリコン基板」という。）とシリコン上に酸
化膜（ＳiＯ₂）を形成してさらにその上にポリシリコン
膜を形成した基板（表１中に、「Poly on ＳiＯ₂」と示
す。以下、「Poly/ＳiＯ₂基板」という。）に対して行
った。

【００３６】表１に示すように従来の基板処理装置１０
１ではベアシリコン基板とPoly/ＳiＯ₂基板とでは実温
度に２０℃の差が生じたが、遮光板６を配置したこの発
明に係る基板処理装置１では２．４℃に抑えられた。こ
の実験結果はベアシリコン基板に対して適正な温度制御
ができるように温度計算部４２の校正を行うことで、こ
の発明に係る基板処理装置１ではPoly/ＳiＯ₂基板に対
しても適正な温度制御が可能であることを示している。

【００３７】このように基板処理装置１では遮光板６を
設けることにより接触式温度センサ４１と基板９との接
触位置での基板９の表面状態（膜種や膜の有無）が異な
っていても基板９の温度を安定して制御可能であるとい
える。

【００３８】ところで、従来の基板処理装置１０１では
適切な温度制御が困難であった理由として次のような原
因が考えられている。

【００３９】一つの原因としては、基板９の下面（接触
式温度センサ１４１との接触部位）に形成されている膜
種の相違により膜種間の光吸収率が異なるため、基板下
面に照射されるランプ光による下面の膜の温度が異なっ
たものとなってしまうということが考えられる。同様
に、ベアシリコン基板と下面に膜が存在する基板との間
においては、シリコンと膜との光吸収率の相違によりベ
アシリコン基板の下面の加熱と基板下面の膜の加熱とが
同様に行われないことに起因すると考えられる。

【００４０】例えば、表１に示す例では、Poly/ＳiＯ₂
付きサンプルについては、ベアシリコン基板の下面に形
成されたPoly/ＳiＯ₂膜の光吸収率がベアシリコンのそ
れより高いため、ベアシリコン基板下面と比較し温度が
高くなる。この場合、ベアシリコン基板に対して正確な
温度を求めることができるように予め校正された温度計
測部４２を通しても、Poly/ＳiＯ₂膜に対しては測定さ
れた温度が高くなるように制御される。したがって、Po
ly/ＳiＯ₂膜付きサンプルについては、基板９が十分に
加熱されないことになる。

【００４１】また、適切な温度制御が困難な他の原因と
しては、図３に示すように従来の基板処理装置１０１で
は遮光板６が存在しないためにランプ１５２からの光が
直接接触式温度センサ１４１を加熱してしまうという原
因が考えられる。ランプからの光が温度測定においてノ
イズとして影響する場合には、昇温過程における昇温速
度が予想通りに行われず、また、加熱温度保持の過程に
おける温度制御が予想された通りに行われずに温度の定
常状態を理想的に維持できなくなる。

【００４２】これらの温度制御不具合の原因からこの発
明に係る基板処理装置１の遮光板６の役割として次のよ
うなことが考えられる。

【００４３】まず、基板処理装置１では基板９と同等ま
たは基板９よりも大きい遮光板６が基板９の下面とラン
プ５２との間に配置されているので、ランプ５２からの
ランプ光が基板９の下面に直接照射されるということは
ない。したがって、基板９の下面の膜種や膜の有無の相
違による基板９下面の加熱の相違が低減される。また、
ランプ５２からのランプ光が接触式温度センサ４１の先
端に直接照射されないので、ランプ光が温度測定のノイ
ズとなることも低減される。その結果、基板９の温度を
正確に測定し、的確な温度制御を行うことができる。

【００４４】次に、遮光板６と基板９との間における輻
射という観点から考察した場合、既述のように遮光板６
と基板９とは４〜５mmの間隔にて対向するように配置さ
れているので、加熱された遮光板６からは基板９に向け
て輻射光（輻射熱）が放出され、加熱された基板９から
も遮光板６に向けて輻射光が放出される状態となってい
る。したがって、基板９が加熱されて定常状態が保持さ
れている状態では遮光板６と基板９との間の空間は輻射
熱平衡状態となっているといえる。接触式温度センサ４
１はこのような輻射熱平衡状態の空間内部に位置するの
で、接触式温度センサ４１の先端の温度は基板９の下面
の膜種やランプ光のノイズと考慮することなく基板９の
温度と同等の温度になると考えられる。

【００４５】また、この基板処理装置１では遮光板６が
炭化ケイ素で形成されている。炭化ケイ素はシリコンで
形成されている基板９と同程度（若干シリコンよりも高
い）の光吸収率を有しており、シリコンにより形成され
ている基板９と遮光板６とがほぼ同様の温度変化にて加
熱される。したがって、基板９の加熱および冷却途上に
おいても遮光板６と基板９との熱平衡状態はほぼ維持さ
れ、加熱処理の工程全体を通して基板９の安定した温度
測定が実現される。

【００４６】また、基板処理装置１ではアーム３上に遮
光板６を配置しているので、チャンバ２への基板９の出
し入れとチャンバ２への遮光板６の出し入れとが同時に
行われる。したがって、基板９の周囲の温度環境と遮光
板６の周囲の温度環境とは全く同様であり、基板９の搬
出入の工程を含めた加熱処理の全工程において基板９の
温度測定および温度制御が安定して行われ、複数枚の基
板を連続して処理する場合であっても、最初の基板と次
の基板との温度変化特性をが同様にすることができる。
これにより、個々の基板の品質のばらつきを抑えること
ができる。

【００４７】なお、遮光板６の大きさを基板９よりも大
きくしたり、遮光板６としてシリコンよりも光吸収率が
高い材料を利用することにより、基板９が遮光板６から
の安定した輻射光を受けて安定した温度測定および温度
制御が保たれる。

【００４８】以上説明してきたように、この発明に係る
基板処理装置１では基板９と同等あるいは大きい遮光板
６を基板９の下面に沿って配置するので、基板９の下面
の膜種や膜の有無の影響を受けずに、また、基板９の下
方に配置されたランプ５２からのランプ光をノイズとし
て受けることもなく、正確な温度測定を安定して行うこ
とができる。また、これにより基板９の的確な温度制御
が実現され、基板９の品質を適正に維持することが可能
となる。

【００４９】＜２．第２の実施の形態＞図５はこの発明
に係る第２の実施の形態である基板処理装置１ａの構成
を示す正面図である。

【００５０】基板処理装置１ａは第１の実施の形態の基
板処理装置１の接触式温度センサ４１が遮光板６に取り
付けられた熱電対４１ａとなっている点で相違してい
る。すなわち、接触式温度計４ａが遮光板６に取り付け
られた形態となっている。また、この形態に対応するよ
うにアーム３には３つの支持部３１が設けられており、
基板９はこれらの支持部３１により支持される。その他
の構成は第１の実施の形態と同様であり、図５では同様
の符号を付している。

【００５１】なお、図５に示すように、熱電対４１ａに
はランプ５１からの光が直接照射されないようにランプ
５１側からみて熱電対４１ａが基板９の背後に隠れるよ
うに配置されている。

【００５２】基板処理装置１ａにおいても第１の実施の
形態と同様に基板９と遮光板６とは一定の間隔を隔てて
平行に配置されるので、ランプ５１、５２が点灯される
と基板９と遮光板６とが加熱されて基板９と遮光板６と
の間の空間が輻射熱の平衡状態となる。また、熱電対４
１ａにはランプ５１からのランプ光が直接照射されるこ
とはない。したがって、熱電対４１ａは遮光板６の温度
に的確に反応することとなる。

【００５３】ところで、遮光板６がシリコン（すなわ
ち、基板９のほぼ全体）と同程度の光吸収率を有する炭
化ケイ素にて形成されている場合には基板９と遮光板６
とはほぼ同様に加熱される。したがって、遮光板６の温
度は基板９の温度とみなすことができ、接触式温度計４
ａの温度計算部４２により求められる温度が基板９の温
度を的確に示すこととなる。これにより、基板９の裏面
の状態に影響されることなく正確な温度測定および適正
な加熱制御が実現される。

【００５４】また、遮光板６がシリコンよりも熱吸収率
が高い場合には既述のように遮光板６からの輻射光が基
板９に向けて十分に放射されて基板９の温度制御が安定
する。この場合であっても、予め遮光板６の温度を測定
することにより基板９の温度が求められるように温度計
算部４２を校正しておくことで膜種（あるいは、膜の有
無）が異なる基板９に対しても適切な温度測定が可能で
あり、適切な温度制御が実現される。

【００５５】＜３．変形例＞以上、この発明の実施の形
態である基板処理装置について説明してきたが、この発
明は上記実施の形態に限定されるものではない。

【００５６】例えば、上記実施の形態では遮光板６は炭
化ケイ素にて形成されていると説明したが、これはチャ
ンバ２内部での処理環境を適切に維持するとともに処理
環境に耐えうる材料の一例として採り上げたものであ
り、遮光板６としてカーボンに炭化ケイ素をコートした
ものや焼結品に炭化ケイ素をコートしたものであっても
よい。

【００５７】また、表１ではＲＴＯ処理について具体的
な測定結果を示したが、加熱のみの処理や加熱を伴う他
の処理であってもよい。

【００５８】また、上記実施の形態では基板９を水平姿
勢に保持しているが、水平姿勢に限定されるものではな
く、起立姿勢や傾斜姿勢の基板９に接触式温度センサ４
１を接触させたり、起立姿勢や傾斜姿勢の遮光板６に熱
電対４１ａを取り付けるようにしてもよい。

【００５９】さらに、上記実施の形態では遮光板６が基
板９よりも大きい円形となっているが、円形に限定され
るものではなく基板９を覆う大きさ、すなわち基板９に
対して同等以上の大きさであればどのような形状であっ
てもよい。

【００６０】

【発明の効果】請求項１ないし３記載の発明では、第２
ランプからの光が基板の他の主面に直接照射されないの
で、基板の他の主面の表面状態（膜種や膜の有無等）の
影響を受けることなく基板の温度を正確に測定すること
ができる。

【００６１】また、請求項３記載の発明では、基板が遮
光部材から輻射光を十分受けるので、基板の温度を安定
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施の形態である基板処理装
置の正面図である。

【図２】図１に示す基板処理装置の平面図である。

【図３】従来の基板処理装置の正面図である。

【図４】加熱を伴う処理の一例を示す図である。

【図５】この発明の第２の実施の形態である基板処理装
置の正面図である。

【符号の説明】

１、１ａ基板処理装置２チャンバ３アーム４、４ａ接触式温度計５加熱部６遮光板７温度制御部９基板５１、５２ランプ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板に加熱を伴う処理を施す基板処理装
置であって、処理される基板の一の主面側に配置された第１ランプお
よび他の主面側に配置された第２ランプを有する加熱手
段と、前記他の主面と前記第２ランプとの間に配置され、前記
基板に対して大きさが同等以上の遮光部材と、前記他の主面側から前記基板に接触する接触式温度計
と、を備えることを特徴とする基板処理装置。
【請求項２】基板に加熱を伴う処理を施す基板処理装
置であって、処理される基板の一の主面側に配置された第１ランプお
よび他の主面側に配置された第２ランプを有する加熱手
段と、前記他の主面と前記第２ランプとの間に配置され、前記
基板に対して大きさが同等以上の遮光部材と、前記遮光部材の前記基板側に取り付けられた接触式温度
計と、を備えることを特徴とする基板処理装置。
【請求項３】請求項１または２に記載の基板処理装置
であって、前記遮光部材の光吸収率が前記基板の光吸収率に対して
同等以上であることを特徴とする基板処理装置。