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審決分類 審判 全部申し立て 2項進歩性  H01L
管理番号 1048473
異議申立番号 異議1998-73932  
総通号数 24 
発行国 日本国特許庁(JP) 
公報種別 特許決定公報 
発行日 1996-10-01 
種別 異議の決定 
異議申立日 1998-08-07 
確定日 2001-08-27 
異議申立件数
訂正明細書 有 
事件の表示 特許第2711239号「基板温度測定のための方法及び装置」の請求項1ないし28に係る特許に対する特許異議の申立てについて、次のとおり決定する。 
結論 訂正を認める。 特許第2711239号の請求項1ないし6に係る特許を維持する。 
理由 1 経緯
特許出願 平成 7年12月19日
(パリ条約 優先権主張日 1994年12月19日、米国)
設定登録(特許第2711239号) 平成 9年10月24日
特許異議申立(森田峰代) 平成10年 8月 7日
取消理由通知1 平成11年 2月25日
特許異議意見書・訂正請求書1 平成11年 9月 6日
取消理由通知2 平成13年 2月15日
訂正請求取下書(訂正請求1) 平成13年 6月 1日
特許異議意見書・訂正請求書2 平成13年 6月 1日

2 異議申立の概要
特許異議申立人森田峰代は、甲第1号証(特開平3-105223号公報)、甲第2号証(特開平5-299428号公報)、甲第3号証(特開平4-43928号公報)、甲第4号証(特開平5-215611号公報)、甲第5号証(特開昭57-160029号公報)を提出し、本件特許の請求項1〜28に係る発明は、甲第1号証〜甲第5号証記載の発明に基づいて当業者が容易に発明をすることができたものであるから、特許法第29条第2項に違反し、本件特許の請求項1〜28に係る発明は、不明確な記載であるので、特許法第36条第4項または第6項に違反するから、それぞれ取消されるべきであると主張している。
取消理由1は、異議申立理由と同趣旨である。
取消理由2は、第29条第2項について異議申立理由と同趣旨である。

3 訂正請求2について
(1)訂正請求の概要
訂正事項1:特許請求の範囲請求項1〜28を請求項1〜6とする。
請求項1は、旧請求項7に対し、「i)第1のプローブ及び第2のプローブが非接触式であることと、ii)プローブの周りの有効反射率が、プローブの周囲の反射プレートの反射率を異ならせることにより、又はプローブの視野角を異ならせることにより、異ならされること」を加えたものである。
請求項2は、旧請求項11に対して、上記i)及びii)の点を加えたものである。
請求項3は、旧請求項12である。
請求項4は、旧請求項16に対して、前記第1の開口と前記第2の開口とが、該基板の回転の軸に相対的におよそ等しい半径であるように配置されるのは 「該基板が回転する際」である点を加えたものである。
請求項5は、旧請求項25である。
請求項6は、旧請求項26である。
訂正事項2:上記訂正に伴い、【0012】を訂正するものである。
(2)訂正目的・新規事項の有無・拡張変更の存否について
請求項1、2、4は、特許請求の範囲の減縮に相当する。
請求項3、5、6は、請求項番号を訂正するもので、明りょうでない記載の釈明に相当する。
また、請求項1、2については、段落【0012】には、「好ましい具体例では、本発明はまた、第1のプローブのための第1の非接触プローブを用いることと、第2のプローブのための第2の非接触プローブを用いること、例えば光学パイロメータ等、を有している。」と記載されており、請求項4については、【0097】に「基板は約90rpmで回転しており、基板106の裏側の別々の放射配置で複数の温度測定がなされているため、各温度プローブは、基板の別々の環状の領域の平均温度を与える。」と記載されており、それぞれ新規事項の追加とはならない。
そして、請求項1〜6は、実質的に請求項を拡張・変更するものではない。
(3)訂正発明
本件特許を訂正請求された発明は、訂正請求書2に記載された特許請求の範囲請求項1〜6に記載されたとおりの次のものである。
「【請求項1】 基板を加熱する熱処理チャンバにおいて温度プローブ読み出しを補正する方法であって、前記方法は、
基板の一方の側に反射キャビティを形成するステップと、
プロセス温度まで基板を加熱するステップと、
非接触式である第1のプローブと非接触式である第2のプローブを用いて、前記反射キャビティからのエネルギーをサンプリングするステップであって、前記第1のプローブはこれに関連した第1の有効反射率を有し前記第2のプローブはこれに関連した第2の有効反射率を有し、該第1のプローブからサンプリングされたエネルギーは第1の温度指示値を与え該第2のプローブからサンプリングされたエネルギーは第2の温度指示値を与え、該第1の有効反射率と該第2の有効反射率は異なっており、該プローブの周りの有効反射率が、(1)プローブの周囲の反射プレートの反射率を異ならせることにより、又は(2)プローブの視野角を異ならせることにより、異ならされる、基板の温度を測定する前記ステップと、
該第1の温度指示値と該第2の温度指示値とから、第1のプローブのための補正された温度読み出しを導出するステップと
を備え、
該第1の有効反射率が1に近い値を有し、該第2の有効反射率が0.5よりも低い値を有し、
該補正された温度読み出しは、該第1のプローブ及び該第2のプローブの双方により与えられる補正されない温度読み出しよりも正確な、該基板の実際の温度の指示値である方法。
【請求項2】 基板を加熱する熱処理チャンバにおいて温度プローブ読み出しを補正する方法であって、前記方法は、
基板の一方の側に反射キャビティを形成するステップと、
プロセス温度まで基板を加熱するステップと、
非接触式である第1のプローブと非接触式である第2のプローブを用いて、前記反射キャビティからのエネルギーをサンプリングするステップであって、前記第1のプローブはこれに関連した第1の有効反射率を有し前記第2のプローブはこれに関連した第2の有効反射率を有し、該第1のプローブからサンプリングされたエネルギーは第1の温度指示値を与え該第2のプローブからサンプリングされたエネルギーは第2の温度指示値を与え、該第1の有効反射率と該第2の有効反射率は異なっており、該プローブの周りの有効反射率が、(1)プローブの周囲
の反射プレートの反射率を異ならせることにより、又は(2)プローブの視野角を異ならせることにより、異ならされる、基板の温度を測定する前記ステップと、該第1の温度指示値と該第2の温度指示値とから、第1のブローブのための補正された温度読み出しを導出するステップと
を備え、
補正された温度読み出しを導出する前記ステップが、該第1の温度読み出しと該第2の温度読み出しとを用いて該基板の放射率を計算し、次いで、該計算された基板放射率から補正された温度読み出しを計算する操作を有し、
該第1のプローブと該第2のプローブとを用いてなされる該温度測定が、時間的に近接してなされ、
補正された温度読み出しを導出する前記ステップが、基板の放射率を用いて第1のプローブの有効放射率を計算する操作を更に有し、
該補正された温度読み出しは、該第1のプローブ及び該第2のプローブの双方により与えられる補正されない温度読み出しよりも正確な、該基板の実際の温度の指示値である方法。
【請求項3】 補正された温度読み出しを導出する前記ステップが、該計算された該第1のプローブの該有効放射率を用いて、補正された温度読み出しを計算する操作を更に有する請求項2に記載の方法。
【請求項4】 熱処理加熱チャンバ内で基板の温度を測定するための装置であって、前記装置は、
該基板の一方の面に近接して置かれてこれとの間に反射キャビティを形成する反射プレートと、
該反射キャビティからのエネルギーを受容するような位置をとり、第1の温度読み出しを与える第1のプローブと、
該反射キャピティからのエネルギーを受容するような位置をとり、第2の温度読み出しを与える第2のプローブであって、前記第1のプローブはこれに関連して、前記キャビティに対して前記第2のプローブとは異なる有効反射率を有する、前記第2のプローブと
を備え、
該第1のプローブが第1の開口に、該第2のプローブが第2の開口に、それぞれ配置され、該第1の開口と該第2の開口とが該反射プレート内に形成され、
該基板が回転する際は、前記第1の開口と前記第2の開口とが、該基板の回転の軸に相対的におよそ等しい半径であるように配置される装置。
【請求項5】 熱処理加熱チャンバ内で基板の温度を測定するための装置であって、前記装置は、
該基板の一方の面に近接して置かれてこれとの間に反射キャビティを形成する反射プレートと、
該反射キャビティからのエネルギーを受容するような位置をとり、第1の温度読み出しを与える第1のプローブと、
該反射キャビティからのエネルギーを受容するような位置をとり、第2の温度読み出しを与える第2のプローブであって、前記第1のプローブはこれに関連して、前記キャピティに対して前記第2のプローブとは異なる有効反射率を有する、前記第2のプローブと、
処理中に該第1のプローブから第1の温度読み出しを該第2のプローブから第2の温度読み出しをそれぞれ受容する、温度測定モジュールであって、前記モジュールは、該第1の温度読み出しと該第2の温度読み出しとから補正温度読み出しを導出するようにプログラムされ、前記補正温度読み出しは、該第1のプローブと該第2のプローブとの補正されない読み出しよりも正確に、基板の実際の温度を指示をする、前記モジュールと
を備え、
前記第1のプローブが前記キャビティのための第1の有効反射率を生じさせ、前記第2のプローブが前記キャビティのための第2の有効反射率を生じさせ、該第1の有効反射率は前記第2の有効反射率よりも大きく、
該モジュールは、該第1の温度読み出しと該第2の温度読み出しとを用いて、基板の放射率を測定し、次いで、該計算された基板の放射率から補正温度読み出しを計算することにより、該補正温度読み出しを導出するように、プログラムされ、該モジュールは、該基板の放射率を用いて該第1のプローブのための有効放射率を計算することにより該補正温度読み出しを導出するように、プログラムされる装置。
【請求項6】 該第1のプローブの該計算された有効放射率を用いて該補正温度読み出しを計算することにより該補正温度読み出しを導出するように、該モジュールがプログラムされる請求項5に記載の装置。」

(4)引用例記載の発明

(甲第1号証、特開平3-105223号公報)
第2頁左下欄第1行〜第10行には、
「チャンバ1は、上面に例えば石英等からなる窓2が形成された横断面ほぼ円形の筒状体3と、この筒状体3の下側開口を気密的に閉塞する如く設けられた円板状のプラテン4とから構成されている。また、プラテン4の上面には、複数例えば3本のピン5が、これらのピン5上に半導体ウエハ6を支持する如く配置されており、これらのピン5は、プラテン4の上面と半導体ウエハ6下面との間隔Dが20〜10mm、例えば15mmとなるよう構成されている。」と記載され、
第2頁右下欄第17行〜第3頁左上欄第1行には、
「チャンバ1の上面側に形成された窓2の上部には、反射鏡11を備えたランプ12が配置されており、窓2を介してチャンバ1内のピン5上に配置された半導体ウエハ6に光を照射し、この半導体ウエハ6を加熱可能に構成されている。」と記載され、第1図から明らかなように、
加熱処理を行うチヤンバ内において半導体ウエハ(基板)6をプラテン4の上面から距離Dだけ離して配置されており,
半導体ウ工ハ6とプラテン4とで反射キャビテイを形成した状態で加熱処理が行われている。
また、本号証の第2頁右下欄第6行〜第11行には、
「このプラテン4内には、…光学ヘッド8が設けられている。この光学ヘッド8は、光ファイバ9を介して温度測定装置本体10に接続されている。」と記載され、このプラテン4内には、光学ヘッド8が設けられており、当該光学ヘッド8によって半導体ウエハ6とプラテン4の間に形成された反射キャビテイからの赤外線を受光し、光学ヘッド8から出力される信号に基づき温度測定装置本体10が温度を測定するように構成されている。
第3頁左下欄第6行〜第15行には、
「多重反射の効果により、黒体を測定する場合と同等になる。したがって、予めI0と温度の関係を求めておけば、I0の測定を行うことにより、正確な温度を知ることができる。
なお、光学ヘッド8を半導体ウエハ6に向けて垂直に配管すると、被測定体が鏡面の場合には、光学ヘッド8に測定部からの放射光のみが入射し、多重反射した赤外線を測定することができないので、前述したように角度θを設けて光学ヘッド8を斜めに配設する必要がある。」と記載されている。
即ち、甲第1号証には、半導体ウエハ6を加熱処理を行うチヤンバ内において、温度測定装置本体10が温度を測定する方法および装置であって、
半導体ウ工ハ6とプラテン4とで反射キャビテイを形成し、
光学ヘッド8から出力される信号に基づき温度測定装置本体10が温度を測定する方法および装置が示されている。

(甲第2号証、特開平5-299428号公報)
第3頁第4欄第23行〜第34行には、
「図1に示すように、本実施例の熱処理装置20では、筒状のリフレクタ1の内部に、石英で形成された透明な耐熱性容器としての耐熱性チューブ2が、リフレクタ1の一端に固定して配設してある。この耐熱性チューブ2には半導体ウエーハ14が載置される透明な石英製の耐熱性トレイ3が取り外し自在に設置してある。…また、リフレクタ1の内周面に沿って、チューブ2を囲むようにして、加熱手段としての複数のタングステンハロゲンランプ(以下、「ハロゲンランプ」と称する)6が配列してある。」と記載され、
第3頁第4欄第40行〜第48行には、
「本実施例の熱処理装置20では、リフレクタ1の下方に、非接触方式の温度計であるパイロメータ10を設けると共に、リフレクタ1の上方にも、パイロメータ11を設けている。パイロメータ10は、熱処理時に、熱処理すべき半導体ウエーハの温度を測定し、ハロゲンランプ6による半導体ウエーハの加熱温度を制御するようになっている。パイロメータ11は、パイロメータ10による温度測定を較正するために設けられ、後述するような用途に用いられる。」と記載され、甲第2号証の装置では2つのプローブ(パイロメータ10,11)が設けられており、その一方(パイロメータ10)が半導体ウエーハの温度を測定するとともに、他方(パイロメータ11)が一方の温度測定を較正するように構成されている。

(甲第3号証、特開平4-43928号公報)
第5図および第4頁左下欄第12行〜第20行には、
「第5図において、13aは第1放射検出ヘッドであって、内面を金めっきを施して高反射率鏡面とした半球形キャビテイ11aの頂点部に設けられた測定孔の位置に熱放射検出器12を配設して構成したものである。また、13bは第2放射検出ヘッドであって、上記第1放射検出ヘッド13aの半球形キャビテイ11aよりも小径とした半球形キャビテイ11bの頂点部の測定孔の位置に熱放射検出器12を配設して構成したものである。」と記載され、互いに異なる反射率を有するプローブ(放射検出ヘッド13a,13b)が示されている。
これらのプローブ(放射検出ヘッド13a,13b)は、第5頁左上欄第11〜16行に記載されているように、被測定物16から一定距離だけ離れて非接触で温度を測定可能に構成されており、両プローブで測定された温度から被測定物16の放射率εsを演算している。
しかも、第5頁左下欄第4〜12行には、
「そして、求めた放射率εsを用いて、例えばE(εs/C1)/εsから黒体における熱放射検出器12の出力E(T)を求めることにより、被測定物の温度Tを容易に求めることができる。…温度測定誤差を生じることなく被測定物の温度を正確に求めることができる。」と記載され、こうして求めた放射率εsを用いて、高反射率の熱放射検出器12の出力E(T)を補正して、被測定物の温度Tを求めている。

(甲第4号証、特開平5-215611号公報)
第3図および第4頁右欄第35行〜第40行には、
「図3に示すように、本実施例では、図1,図2に示した第1実施例とほほ同様構成の多重反射式放射温度計27がそなえられるとともに…無反射放射温度計2 8が、多重反射式放射温度計27のに隣接し、」と記載され、反射率の高いプローブ(多重反射式放射温度計27)と、該プローブよりも反射率の低いプローブ(無反射放射温度計28)とが設けられた装置が記載されており、
第5頁右欄第2行〜第16行には、放射温度検出器38に入射する放射エネルギは、鋼板Sの放射率に依存することが示されている。

(甲第5号証、特開昭57-160029号公報)
第3図および第2頁右上欄第4行〜第10行には、
「第3図に示すように、炉内壁8からの放射工ネルギを遮蔽率Kで遮蔽する遮蔽板12を介して炉内物体4の表面温度を測定する第1の放射温度計14が設けられている。また、第1の放射温度計14の近傍には、炉内壁8からの放射工ネルギを遮蔽しないで炉内物体4の表面温度を測定する第2の放射温度計16が設けられている。」と記載され、2つのプローブによって被測定物の温度を測定する発明が記載されている。
そして、第2の放射温度計16によって測定された温度指標値(測定値)から第1の放射温度計14によって測定された温度指標値(測定値)との差△Eを求めた後、この差△Eを用いて第2の放射温度計16により測定された温度指標値を補正し、基板(物体)の表面温度を求めている(第2頁左下欄第7行〜第17行)。

(5)訂正発明と引用例との対比
(i)訂正発明1について
訂正発明1は、反射キャビティ内で有効反射率の異なる2つのプローブを用いるという点で、引用例1の教示内容と相違する。しかも、引用例1は、第1図に示されるように、プローブをわざわざ傾斜させて多重反射をより多く拾うことで、有効反射率を高める手法を開示しており、引用例1の教示内容は、反射率が約1.0という非常に反射率の高い反射板をいて、疑似黒体を形成するというものである。これに対して、訂正発明1では、有効反射率の異なるプローブを用いる事、つまり反射率の低い物質をキャビティ内に導入するものである。
そして、反射率の低い物質もキャビティ内に存在することを前提とした温度測定に対しての検討は、引用例1には一切さなれていない。これに対し、訂正発明1では、反射キャビティが完全な黒体ではないということを前提としてキャビティ内でウエハの温度を測定するための検討が、明細書に開示されている。
また、甲第2号証は、2つのプローブ(パイロメータ10,11)が設けられており、その一方(パイロメータ10)が半導体ウエーハの温度を測定するとともに、他方(パイロメータ11)が一方の温度測定を較正するように構成されているが、2つのプローブは、上下に設置されており、訂正発明1のように第1のプローブと第2のプローブを用いて、(同じ)反射キャビティからのエネルギーをサンプリングするものではない。
引用例3、4及び5は全て、概して、非接触式の温度測定において、プローブを用いる事を教示するものである。しかしながら、これらの引用例では、反射キャビティを開示していない。これらの引用例では、測定環境に対する配慮を全くする必要のない状況下での温度測定の技術を開示する。これに対し、訂正発明1では、被測定基板が内包される反射キャビティについてのものであり、これら引用例とは、温度測定技術の次元を異にするものである。
引用例4では、第2実施例(第3図)において、大型のディスク状のシールド37を有する「無反射放射温度計」28が開示されている。このように、大型のシールドを導入することは、キャビティ内の環境を激変させるものであり、仮にこれをキャビティ内に導入する場合は、キャピティ内の環境に関して、基板の有効放射率とキャビティ内の要素との関係を物理学的に更に詳細に検討して別の関係式を導き出してからでければ、正確な温度測定を行うことができない。しかも、引用例4の【0013】、【0037】及び【請求項2】では、「無反射放射温度計」を用いて、被測定物である鋼板で多重反射する成分をカットしつつ、この鋼板からの直接の熱放射を測定する技術が開示ことを示すのみであり、このプローブの反射率について、何ら知見を与えていない。
当業者が引用例1と引用例3、4、5を組み合わせようとしても、キャビティ内に2つのプローブを組み込む動機は示されていない。
従って、訂正発明1は、甲第1号証〜甲第5号証記載の発明に基づいて当業者が容易に発明をすることができたものであるとはいえない。

(ii)訂正発明2について
上記訂正発明1についてで検討したように、当業者が引用例1と引用例3、4、5を組み合わせようとしても、キャビティ内に2つのプローブを組み込む動機は示されていないので、訂正発明2は、甲第1号証〜甲第5号証記載の発明に基づいて当業者が容易に発明をすることができたものであるとはいえない。

(iii)訂正発明3について
訂正発明2を引用する請求項に係る発明であるから、訂正発明2と同様に、訂正発明3は、甲第1号証〜甲第5号証記載の発明に基づいて当業者が容易に発明をすることができたものであるとはいえない。

(iv)訂正発明4について
訂正発明4の構成である、「第1のプローブが第1の開口に、第2のプローブが第2の開口に、それぞれ配置され、該第1の開口と該第2の開口とが該反射プレート内に形成され、該基板が回転する際は、前記第1の開口と前記第2の開口とが、該基板の回転の軸に相対的におよそ等しい半径であるように配置され」ることは、甲第1号証〜甲第5号証には記載されていない。これにより補正をするプローブも基板上に対応する環状の領域温度プロファイルを実際に測定することができるという明細書【0084】記載の効果を奏する。
従って、訂正発明4は、甲第1号証〜甲第5号証記載の発明に基づいて当業者が容易に発明をすることができたものであるとはいえない。

(v)訂正発明5について
上記訂正発明1についてで検討したように、当業者が引用例1と引用例3、4、5を組み合わせようとしても、キャビティ内に2つのプローブを組み込む動機は示されていないので、訂正発明5は、甲第1号証〜甲第5号証記載の発明に基づいて当業者が容易に発明をすることができたものであるとはいえない。

(vi)訂正発明6について
訂正発明5を引用する請求項に係る発明であるから、訂正発明5と同様に、訂正発明6は、甲第1号証〜甲第5号証記載の発明に基づいて当業者が容易に発明をすることができたものであるとはいえない。

(6)訂正請求について
また、訂正発明1〜6について独立して特許を受けられないとする理由を発見しない。
上記(1)、(2)で検討したように、上記訂正請求2は、特許明細書または図面に記載した事項の範囲内において訂正することを求めたものであり、特許請求の範囲の減縮または明りょうでない記載の釈明を目的としたものであって、新規事項の追加に該当せず、実質上特許請求の範囲を拡張し、変更するものではない。 また、訂正発明1〜6はいずれも、独立して特許を受けることができるものである。
以上のとおりであるから、この訂正請求2は、特許法第120条の4第2項及び同条第3項において準用する特許法第126条第2項から第4項までの規定に適合するので、当該訂正を認める。

4 異議申立について
(1)容易性の主張について
上記3(5)、(6)で検討したように、訂正発明1〜6は、異議申立人森田峰代提出の甲第1号証〜甲第5号証記載の発明に基づいて当業者が容易に発明をすることができたものであるとすることはできない。
(2)記載要件不備の主張について
また、記載要件についての主張について検討する。
(i)【0029】についての主張には理由がない。
(ii)旧請求項7については、新請求項1となり、発明の詳細な説明の段落【0012】も訂正されたので不備はない。
(iii)旧請求項16については、請求項4として構成が追加され明確になる訂正がされたので不備はない。
(iv)旧請求項17に対する不備の主張には理由がない。そして、旧請求項17は削除されている。

6 まとめ
異議申立の理由及び取消理由1、2の理由はいずれも理由がなく、他に取り消すべき理由を発見しない。
従って、本件訂正発明1〜6についての特許は拒絶の査定をしなければならない特許出願に対してされたものと認めない。
よって、特許法等の一部を改正する法律(平成6年法律第116号)附則第14条の規定に基づく、特許法等の一部を改正する法律の施行に伴う経過措置を定める政令(平成7年政令第205号)第4条第2項に規定により、結論のとおり決定する。
 
発明の名称 (54)【発明の名称】
基板温度測定のための方法及び装置
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】 基板を加熱する熱処理チャンバにおいて温度プローブ読み出しを補正する方法であって、前記方法は、
基板の一方の側に反射キャビティを形成するステップと、
プロセス温度まで基板を加熱するステップと、
非接触式である第1のプローブと非接触式である第2のプローブを用いて、前記反射キャビティからのエネルギーをサンプリングするステップであって、前記第1のプローブはこれに関連した第1の有効反射率を有し前記第2のプローブはこれに関連した第2の有効反射率を有し、該第1のプローブからサンプリングされたエネルギーは第1の温度指示値を与え該第2のプローブからサンプリングされたエネルギーは第2の温度指示値を与え、該第1の有効反射率と該第2の有効反射率は異なっており、該プローブの周りの有効反射率が、(1)プローブの周囲の反射プレートの反射率を異ならせることにより、又は(2)プローブの視野角を異ならせることにより、異ならされる、基板の温度を測定する前記ステップと、
該第1の温度指示値と該第2の温度指示値とから、第1のプローブのための補正された温度読み出しを導出するステップと
を備え、
該第1の有効反射率が1に近い値を有し、該第2の有効反射率が0.5よりも低い値を有し、
該補正された温度読み出しは、該第1のプローブ及び該第2のプローブの双方により与えられる補正されない温度読み出しよりも正確な、該基板の実際の温度の指示値である方法。
【請求項2】 基板を加熱する熱処理チャンバにおいて温度プローブ読み出しを補正する方法であって、前記方法は、
基板の一方の側に反射キャビティを形成するステップと、
プロセス温度まで基板を加熱するステップと、
非接触式である第1のプローブと非接触式である第2のプローブを用いて、前記反射キャビティからのエネルギーをサンプリングするステップであって、前記第1のプローブはこれに関連した第1の有効反射率を有し前記第2のプローブはこれに関連した第2の有効反射率を有し、該第1のプローブからサンプリングされたエネルギーは第1の温度指示値を与え該第2のプローブからサンプリングされたエネルギーは第2の温度指示値を与え、該第1の有効反射率と該第2の有効反射率は異なっており、該プローブの周りの有効反射率が、(1)プローブの周囲の反射プレートの反射率を異ならせることにより、又は(2)プローブの視野角を異ならせることにより、異ならされる、基板の温度を測定する前記ステップと、
該第1の温度指示値と該第2の温度指示値とから、第1のプローブのための補正された温度読み出しを導出するステップと
を備え、
補正された温度読み出しを導出する前記ステップが、該第1の温度読み出しと該第2の温度読み出しとを用いて該基板の放射率を計算し、次いで、該計算された基板放射率から補正された温度読み出しを計算する操作を有し、
該第1のプローブと該第2のプローブとを用いてなされる該温度測定が、時間的に近接してなされ、
補正された温度読み出しを導出する前記ステップが、基板の放射率を用いて第1のプローブの有効放射率を計算する操作を更に有し、
該補正された温度読み出しは、該第1のプローブ及び該第2のプローブの双方により与えられる補正されない温度読み出しよりも正確な、該基板の実際の温度の指示値である方法。
【請求項3】 補正された温度読み出しを導出する前記ステップが、該計算された該第1のプローブの該有効放射率を用いて、補正された温度読み出しを計算する操作を更に有する請求項2に記載の方法。
【請求項4】 熱処理加熱チャンバ内で基板の温度を測定するための装置であって、前記装置は、
該基板の一方の面に近接して置かれてこれとの間に反射キャビティを形成する反射プレートと、
該反射キャビティからのエネルギーを受容するような位置をとり、第1の温度読み出しを与える第1のプローブと、
該反射キャビティからのエネルギーを受容するような位置をとり、第2の温度読み出しを与える第2のプローブであって、前記第1のプローブはこれに関連して、前記キャビティに対して前記第2のプローブとは異なる有効反射率を有する、前記第2のプローブと
を備え、
該第1のプローブが第1の開口に、該第2のプローブが第2の開口に、それぞれ配置され、該第1の開口と該第2の開口とが該反射プレート内に形成され、
該基板が回転する際は、前記第1の開口と前記第2の開口とが、該基板の回転の軸に相対的におよそ等しい半径であるように配置される装置。
【請求項5】 熱処理加熱チャンバ内で基板の温度を測定するための装置であって、前記装置は、
該基板の一方の面に近接して置かれてこれとの間に反射キャビティを形成する反射プレートと、
該反射キャビティからのエネルギーを受容するような位置をとり、第1の温度読み出しを与える第1のプローブと、
該反射キャビティからのエネルギーを受容するような位置をとり、第2の温度読み出しを与える第2のプローブであって、前記第1のプローブはこれに関連して、前記キャビティに対して前記第2のプローブとは異なる有効反射率を有する、前記第2のプローブと、
処理中に該第1のプローブから第1の温度読み出しを該第2のプローブから第2の温度読み出しをそれぞれ受容する、温度測定モジュールであって、前記モジュールは、該第1の温度読み出しと該第2の温度読み出しとから補正温度読み出しを導出するようにプログラムされ、前記補正温度読み出しは、該第1のプローブと該第2のプローブとの補正されない読み出しよりも正確に、基板の実際の温度を指示をする、前記モジュールと
を備え、
前記第1のプローブが前記キャビティのための第1の有効反射率を生じさせ、前記第2のプローブが前記キャビティのための第2の有効反射率を生じさせ、該第1の有効反射率は前記第2の有効反射率よりも大きく、
該モジュールは、該第1の温度読み出しと該第2の温度読み出しとを用いて、基板の放射率を測定し、次いで、該計算された基板の放射率から補正温度読み出しを計算することにより、該補正温度読み出しを導出するように、プログラムされ、該モジュールは、該基板の放射率を用いて該第1のプローブのための有効放射率を計算することにより該補正温度読み出しを導出するように、プログラムされる装置。
【請求項6】 該第1のプローブの該計算された有効放射率を用いて該補正温度読み出しを計算することにより該補正温度読み出しを導出するように、該モジュールがプログラムされる請求項5に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板の放射率を向上させることにより、並びに、基板温度の測定を収集することにより、半導体基板の非接触の温度測定を改良する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造プロセスの多くでは、要求される高いレベルのデバイスの性能、収率及びプロセスの再現性は、処理中に基板の温度(例えば、半導体ウエハ)がきちんと制御された場合に限って達せられる。このような制御のレベルを達するためには、基板温度をリアルタイムに且つインシチュウ(in situ)に測定して不測の温度変動が直ちに検出され補正される必要がある場合がしばしばである。
【0003】
例えば、急速熱アニーリング(rapid thermal annealing)(RTA)、急速熱クリーニング(rapid thermal cleaning)(RTC)、急速熱化学気相堆積(rapid thermal chemical vapor deposition)(RTCVD)、急速熱酸化(rapid thermal oxidation)(RTO)並びに急速熱窒化(rapid thermal nitridation)(RTN)を含む種々の製造プロセスに用いられる急速熱処理(rapid thermal processing)(RTP)を考える。RTO又はRTNによるCMOSゲート誘電体(CMOS gate die1ectrics)の形成という特殊な応用例では、ゲート誘電体厚さ、成長温度及び均一性が、デバイス全体の性能と収率に影響を及ぼす重要なパラメータである。現在では、CMOSデバイスは60〜80オングストローム程度の厚さで厚さの均一性がプラスマイナス2オングストローム以内に収るような誘電体層をもって作られている。この均一性のレベルのためには、高温処理中に基板全体の温度変化が数℃を越えてはならないことが要求される。
【0004】
高温処理中は、ウエハ自身は小さな温度変化も許されないことがしばしばである。1200℃で温度差が1〜2℃/cmを越えて生じることがあれば、その結果、応力がシリコン結晶内に滑りを生じさせる。このように生じた滑り面は、滑り面が通過する全てのデバイスを破壊するだろう。この温度の均一性のレベルを達するためには、閉ループ温度制御のための、信頼性の高いリアルタイムの多点温度測定が必要である。
【0005】
光学的放射温度測定は、RTPシステムの温度測定に広く用いられている。放射温度測定は、目的物の一般的な性質を利用し、即ち、目的物は温度を決定する特定のスペクトル成分と強度をもって放射を発している。従って、発せられた放射を測定することにより、目的物の温度を決定できる。発せられた放射の強度をパイロメータが測定し、適切な変換を行って温度(T)を得る。スペクトルの放射強度と温度との関係は、基板のスペクトル放射率と、プランクの法則で与えられる理想黒体の放射温度関係に依存し、プランクの法則は:
【数1】

ここで、C1及びC2は既知の定数、λは着目する放射波長、Tは°Kで測定された基板温度である。Weinの分布法則として知られている近似により、上記の表現は以下のように書き直せる:
【数2】

ここで、K(λ)=2C1/λ5である。これは、2700℃よりも低い温度に対しては良い近似である。
【0006】
目的物のスペクトル放射率ε(λ,T)は、そのスペクトル強度I(λ,T)と同一温度における黒体のそれIb(λ,T)の比である。即ち、
【数3】

C1とC2は既知の定数であり、理想的な条件下では、ε(λ,T)がわかればウエハの温度は正確に決定できる。
【0007】
しかし、これは半導体産業において広く用いられているにもかかわらず、光学的放射温度測定はなお、基板の放射率を正確に測定することの不可能さから来る制限を受けている。更に、仮に基板の放射率が所定の温度で既知であっても、温度によって変化する。この変化は通常は、正確に測定することができず、従って、温度測定に対して未知の誤差を招いてしまう。10℃のオーダーの誤差は特別なことではない。
【0008】
基板の放射率は多くの因子に依存し、これらは、ウエハ自身の性質(例えば、温度、表面粗さ、種々の不純物のドーピングのレベル、材料の組成及び表面層の厚さ)、プロセスチャンバの性能及びウエハのプロセス履歴を含んでいる。従って、基板の放射率の事前の評価は、一般用途の放射温度測定の能力を与えることができない。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
温度測定におけるウエハ放射率の変化の影響を減少させる技術は知られている。この技術の1つに、ターゲット基板の裏面の近くに熱反射器を置き、基板からの熱放射が基板に反射し返される反射キャビティを形成することがある。反射器を貫いてキャビティに挿入される光パイプが反射キャビティからの放射を集め、集められた光をパイロメータに与える。理想的な反射器を想定すれば、基板から発せられる全ての熱放射は基板に反射し返されるので、反射キャビティが理想黒体のように振る舞うとして、数学的に示すことが可能である。即ち、反射キャビティ内の熱放射の強度は、基板表面の放射率の関数ではなくなるだろう。換言すれば、理想的なケースでは、反射キャビティは基板の有効放射率の値を1に等しい値まで増加させる。しかし、この反射器は完全よりも劣るであろうことから、基板の有効放射率はウエハの放射率よりも高くなるが1よりも小さくなるだろう。それにもかかわらず、ウエハの実際の放射率の変化は測定された温度にはあまり影響を与えないであろう。
【0010】
上述の温度測定のスキームが許容されるレベルを達成しているが、改善の余地は大きく残っている。
【0011】
【課題を解決するための手段】
一般的には、本発明の1つの特徴は、基板の加熱のための熱処理チャンバ内で、温度プローブの読み出しを収集する方法である。この方法には、基板をプロセス温度まで加熱するステップと;第1のプローブと第2のプローブを用いて基板温度を測定するステップと;第1の温度により指示される第1の温度と第2の温度により指示される第2の温度とから、第1のプローブに対しての温度読み出しの補正を導出し、これは第1のプローブ及び第2のプローブの双方により生じる補正しない読み出しよりも正確な、基板の実際の温度の指示値である、補正の導出のステップとを有する。第1のプローブと第2のプローブとは、有効反射率が異なっている。
【0012】
好ましい具体例では、本発明はまた、第1のプローブのための第1の非接触プローブを用いることと、第2のプローブのための第2の非接触プローブを用いること、例えば光学パイロメータ等、を有している。第1のプローブと第2のプローブとにより実施される温度測定は時間的に近付いて行われ、例えば、同時進行する。第1の有効反射率は第2の有効反射率よりも大きい。第1の有効反射率が1に近い値を有し、第2の有効反射率が0.5よりも低い値を有していてもよい。導出のステップは、第1のプローブにより指示される温度を、第1の温度指示値と第2の温度指示値との差から導出される補正量を加えることにより補正する操作を含んでいる。更に、導出のステップは、第1の温度指示値と第2の温度指示値の間の差を決定する操作と、この温度差に補正量を発生させる補正係数を掛ける操作とを含んでいる。
【0013】
一般には、別の特徴として、本発明は、温度測定のシステムの検量(calibration)を行う方法である。この方法は、高い放射率を有する基板を第1のプロセス温度まで加熱するステップと;基板が第1のプロセス温度にある間、第1のプローブと第2のプローブを検量して、これらに実質的に同一の温度指示値を与えるステップと;低い放射率を有する第2の基板を第2のプロセス温度まで加熱するステップと;第2の基板が第2のプロセス温度にある間、第1のプローブと第2のプローブを用いて基板温度を測定するステップと;基板の放射率の変化に対する第1のプローブにより与えられた温度の読み出しの感度を測定するステップと;この測定された感度と、第1のプローブにより与えられた第1の温度指示値と第2のプローブにより与えられた第2の温度指示値とを用いて、第1のプローブのための補正係数を計算するステップとを有する。更に、第1のプローブは第1の有効反射率を有し、第2のプローブは第1の有効反射率とは異なる第2の有効反射率を有している。補正係数は、第1のプローブの温度読み出しに適用されて、補正された温度読み出しを与える。
【0014】
一般的に、また別の特徴として、本発明は、熱処理加熱チャンバ内の基板温度の測定装置である。この装置は、基板の一方の面の隣に置かれてこれらの間が反射キャビティを形成する反射プレートと;反射キャビティからエネルギーを受容し第1の温度読み出しを与えるように位置が与えられる第1のプローブと;反射キャビティからエネルギーを受容し第2の温度読み出しを与えるように位置が与えられる第2のプローブとを備えている。第1のプローブは、第2のプローブとは異なる、キャビティに対する有効反射率を生じる。
【0015】
一般的に、別の特徴として、本発明は熱処理チャンバ内で基板上の局所温度を測定するための装置である。この装置は、熱処理チャンバ内に基板を支持する支持構造体と;熱処理中に基板からの放射を受容する端部を有し基板の局所領域の温度の参照信号を与えるエネルギープローブと;エネルギープローブの端部の周囲に形成された窪んだマイクロキャビティとを有している。この窪んだマイクロキャビティは、基板の局所領域と面しプローブ信号を増加させる作用をする放射反射面を有している。
【0016】
本発明の種々の利点は以下に説明される。マイクロキャビティ構造は、ウエハの裏面と反射プレートとの間に形成されたキャビティ及び反射プレートの有効反射率を向上する傾向があるので、基板の放射率の変化に対する感度が実質的に減少した温度測定を可能にする。更に、本発明は、反射率の変化を温度の関数に適応させるリアルタイム且つインシチュウの温度補償を提供する。この検量の手順は、単純且つ、典型的には、所定のチャンバ構造に対しては一度試行すればよいだけである。本発明に従った温度測定は、安定で再現性の高い固体検出器を用いる事ができる。本発明は、改善された再現生及び均一性をもって信頼性の高い温度測定を可能にする。
【0017】
その他の特徴及び利点は、以下の説明により更に明らかになるであろう。
【0018】
【発明の実施の形態】
(仮想的な黒体キャビティ)
以下の説明では、基板の温度測定に言及する。ここで、「基板」なる語は、熱プロセスチャンバ内で処理されるいかなる物体をも広くカバーし、その温度は処理中に測定されることを意図している。「基板」という語は、例えば、半導体ウエハ、フラットパネルディスプレイ、ガラス板又はディスク、及びプラスチックワークピースを含むものである。
【0019】
本発明を理解するためには、上記を参照して放射率向上の技術をまずレビューすることが有用であろう。
【0020】
図1に示されるように、熱反射器22は、基板10の近くの位置が与えられて、反射器と基板の間に仮想的な黒体キャビティ24を形成する。基板裏面が乱反射の場合は、放射エネルギーはランダムなパターンで発せられで、発せられた放射エネルギーは、同様のランダムな(等方的な)パターンでキャビティじゅうに反射される。反射器22のあらゆる場所から到達する放射エネルギーは、多くの成分から成っている:第1の成分は、基板から直接飛来し反射を経験していない放射エネルギーから成り;第2の成分は、反射器22と基板10の裏面から1回の反射を経験しており:第3の成分は、反射器22と基板10の裏面から2回の反射を経験しており、等々である。反射器の位置で生じ得る全強度は、入射する放射エネルギーの無限級数の総和として、以下のように見出され:
【数4】

【数5】

ここで、冷反射プレートの反射率はRで与えられ、ウエハの放射率はεで与えられ、σはステファン・ボルツマン定数であり、Tは基板温度である。
【0021】
反射器の反射率が1に等しい(R=1)と仮定すれば、[数5]の式(5B)は簡単になり:
【数6】

ここで、放射エネルギーITは基板の裏面の放射率に従属していない。換言すれば、反射器は、基板の「有効放射率」が1に等しくなる仮想的な理想黒体を作り出している。
【0022】
注目すべきことは、この放射率の向上の効果は、ウエハの裏面が乱反射することを必ずしも要さないことである。高度に乱反射する裏面を有する基板だけではなく、完全な鏡面反射性の裏面を有する基板にも有効である。一般的には、半導体ウエハの裏面は、乱反射と鏡面反射の適当な組合わせである。
【0023】
光パイプ28が、反射器のアパーチャー27を貫通して、キャビティ内の反射エネルギーの抽出に用いられる。抽出された強度は、光ファイバ30を介してパイロメータ33へ通過し、そこで上述の[数4]〜[数6]の式(5)を用いて温度に変換される。仮想的な黒体の効果のため、測定温度は基板の放射率に無関係である。
【0024】
しかし、現実には、反射器の反射率は、1に近かろうが、1に等しくはならない。少なくとも、反射器のコーティングは完全に反射をしないであろう。例えば、優秀な反射コーティング材料の1つである金は、波長950nm(ナノメートル)に対して0.975の反射率しか有しない。更に、反射器に放射エネルギーの抽出用の1つ以上のアパーチャーが存在することが、キャビティの全体の幾何的関係(即ち寸法と形状)と共に、我々がここで実現しようと試みている仮想的な理想黒体の性能を低めてしまう傾向がある。これらの幾何的な効果は実際の反射率と共に、ひとまとめにして「有効反射率」Reffとすることができる。基板の放射率の変化が抽出された強度に依存する影響を実質的に減少させることは可能ではあるが、測定は、基板の放射率に完全に独立しているわけではない。
【0025】
反射器22が不透明で、冷たく、高度に反射的(即ちR→1)であると仮定すれば、反射器により発せられる放射エネルギーの効果を無視することができ、基板の有効放射率εeffは、次のように近似でき:
【数7】

ここで、Reffは反射キャビティの有効反射率である。注目すべきは、Reffが1に等しければ、εeffも1に等しくなるはずであることだ。一方、Reffが1未満であれば、εeffも1未満になり、測定温度は放射率の関数となるだろう。
【0026】
図2では、有効放射率εeffは、異なるReffの値に対して、実際の放射率εの関数として与えられている。指示されているように、反射キャビティの有効反射率が1に近付くにつれて、基板の有効放射率も1に近付く。また、Reff→1であるので、基板の有効放射率は、基板の実際の放射率の変化に対してあまり敏感ではなくなり、特に、実際の放射率が高い値のときは顕著である。この感度は、次のように定量化される:
【数8】

これは、[数7]の式(6)をεに関して微分することにより得られる。
【0027】
温度測定の結果の誤差は、以下のような有効放射率の変化として与えられ、
【数9】

[数7]の式6と[数8]の式(7)を用いて、以下の式が得られる:
【数10】

注目すべきは、Reffが1に近付けば、この分子、即ち測定温度の基板放射率の変化に対する感度は、無視できるほどに小さくなることである。逆に言えば、キャビティの有効反射率が充分高く(即ち1に近い)ない場合は、基板の放射率の変化による温度測定の変化も、許容されないほどに大きいままであることがある。
【0028】
再び図1を参照すれば、アパーチャー27の存在は、反射器と基板の間に形成された仮想特体キャビティ24の局所的な障害を導く。我々は、この障害が反射器により与えられた放射率向上の効果も減少することを認識するに至った。更に、アパーチャーサイズ(D)が大きくなれば、この障害のサイズも大きくなる傾向がある。従って、放射率向上に対するアパーチャーの影響を最小にする1つのアプローチとして、アパーチャーのサイズを小さくすることがあるだろう。しかし、光パイプにより収集された光の量は、アパーチャーの面積に比例しているので、これは光パイプにより収集された光の量を減少させ、よって、検出システムの信号対ノイズ比を低下させる。基板温度が低下すれば放射エネルギーの強度が急速に下がるため、小さなアパーチャーを用いることは、検出器が有用でなくなる温度を上げてしまうことになる。
【0029】
しかし、我々は、RTPシステムでベース反射器を改良して、光プローブの端部で測定向上の表面の造作(ぞうさく)を含めることにより、反射キャビティの仮想黒体効果を更に向上させつつも抽出信号の信号対ノイズ比も改善されて得られることを見出した。
【0030】
(RTPシステムの概要の本発明を包含したRTPシステム)
本発明に従って改良されたRTPシステムが図3(a)に示される。このRTPシステムは、ディスク形状の直径8インチ(200mm)のシリコン基板106を処理するための処理チャンバ100を有している。基板106は、チャンバ内で基板支持体108上に載置され、基板の真上に配置された加熱要素110によって加熱される。加熱要素110は、基板の約1インチ(2.5cm)上方の水冷クオーツウィンドウ組立体114を介して、処理チャンバ100に進入する放射エネルギー112を発生させる。基板106の下方には、水冷式のステンレス鋼のベース116上に載置される反射器102が存在する。反射器102は、アルミニウム製であり、高反射性のコーティング120を有している。基板106の下側と反射器102の頂部との間には、基板の有効放射率を増加させるための反射キャビティ118が形成されている。
【0031】
基板と反射器との間隔は約0.3インチ(7.6mm)であり、従って、幅対高さの比が約27であるキャビティを形成している。8インチのシリコンウエハのために設計された処理システムでは、基板106と反射器102との間の距離は、3mm〜9mmの間であり、好ましくは5mm〜8mmの間であり、また、キャビティ118の幅対高さの比は約20:1よりも大きくなるべきである。この間隔が大きすぎる場合は、形成された仮想黒体キャビティに起因する放射率向上の効果は小さくなるだろう。一方、この間隔が小さすぎた場合、例えば約3mm未満である場合は基板から冷却された反射器に至る熱伝導が小さくなるので、加熱された基板に許容できない大きな熱負荷がかかるであろう。反射プレートヘの熱的損失は主なメカニズムは、ガスを介した伝導であるので、熱負荷は当然に、ガスのタイプ及び処理中のチャンバ圧力に依存する。
【0032】
基板106の局所的領域109での温度は、複数の温度プローブ126(図3(a)にはこの中の2つのみが示される)によって測定される。温度プローブはサファイアの光パイプであり、これらは、ベース116の裏側から反射器102を介して延長する導管124の中を通っている。サファイア光パイプ126は、直径約0.125インチであり、これらを導管内に簡単に挿入せしめるように導管124はこれらよりも僅かに大きくなっている。
【0033】
(放射率向上の表面の造作)
本発明の特徴の1つに従い、小反射キャビティ42(即ちマイクロキャビティ)が、反射器102の頂面に形成され、ここでは導管が反射器の頂部を貫通している(図4(a)に更に詳細に示されている)。導管は小キャビティに進入して、小キャビティの底部でアパーチャー129が形成される。サファイア光パイプ126は、その最上端部がマイクロキャビティ42の底部と同じ高さ又は僅かに低くなるように、導管124内部に配置される。光パイプ126の他方の端部は、抽出された光をキャビティからパイロメータ128に伝達するフレキシブルな光ファイバ125に結合される。
【0034】
ここで説明される具体例では、表面マイクロキャビティは、円筒状の形状を有し、半径(R)が約0.100インチ、深さ(L)が約0.300インチである。マイクロキャビティ42及び導管124でのアパーチャー129は、上述の如くサファイア光パイプの直径である約0.125インチよりも僅かに大きい。表面マイクロキャビティ42は、基板106の裏側と反射器102の頂部との間に存在する反射キャビティ118の仮想黒体効果を向上させる機能を有するので、基板の有効放射率を、1に一層近い値まで増加させる。この円筒状のキャビティは、光パイプにより検出された抽出信号の信号対ノイズ比を改善すると共に、基板の有効放射率(又は反射キャビティの有効反射率と等価である)を増加させる機能を有している。我々は更に、この向上の効果は、プローブ端部が表面キャビティ42の底部と同じ高さであるかどうかということや、プローブがこの導管124の内部の窪んだ場所の下に置かれているかどうかということには依存していないようであることに注目している。従って、反射器の組み立て中に導管内にプローブを挿入する操作は、プローブ端部を配置することに関して厳密な臨界許容範囲満足させる必要がないことにより、更に簡単に行われる。しかし、プローブ端部はマイクロキャビティ内に突き出していてはならず、なぜならこのことにより向上の効果を悪化させるだろうからである。
【0035】
円筒状のマイクロキャビティに、完全に反射する側壁を仮定すれば、円筒状のマイクロキャビティによってもたらされる向上の効果は、マイクロキャビティのL/R比が大きくなるにつれて増加する。しかし、側壁は完全な反射性ではないため、放射エネルギーがキャビティ内を反射により往復する回数が増えるにつれて、各反射に生じる損失によって信号強度は減少していくだろう。従って、実際問題として、円筒状のマイクロキャビティのL/Rアスペクト比をどの程度大きくしてなお性能の向上が得られるかという制限が存在する。
【0036】
プローブの端部の周囲に形成される表面マイクロキャビティ42は、基板裏側の局所領域の自己放射のレベルを増加させることにより、又は、プローブの収集効率を増加させることにより、又は、これらのメカニズムを組合わせることにより、機能するようである。換言すれば、表面キャビティは、平坦な反射器と比較して、温度が測定される点である基板上の局所領域で反射器から反射し返される光の量を増加させるので、プローブの放射エネルギーの収集も増加させる。
【0037】
ここに説明される具体例は、反射器にとって望ましい高い反射率を達成するためのものであるが、この具体例では、反射器の頂部に高度に反射性を有する多層のコーテイング120が形成されている。コーティングの底部層は、反射器本体の表面上に堆積された金の薄膜である。金は、着目する赤外波長(即ち約950nm)で約0.975の反射率を有するので好ましい。金の層の反射率を更に向上させるために、金の層の頂部に4分の1波長の積み重ね部が形成される。この4分の1波長の積み重ね部は、別の誘電層で構成され、これは異なる屈折指数を有し、パイロメータが最も感度が高くなる波長の1/4(即ち950nmの1/4)に等しい厚さを有している。ここに説明される具体例では、4分の1波長の積み重ね部は、米国カリフォルニア州サンタローザのOCLI社(Optical Coating Laboratory,Inc.)により塗布されるが、このコーティングの塗布には、別の商業的ソースでも可能である。
【0038】
この多層構造の頂部層は、反射層の金のRTPチャンバを汚染する可能性を防止するパッシベーション層である。このパッシベーション層は、酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、又は、着目する波長で反射特性を損なわずに反射層をパッシベーションするその他の許容される材料であってもよい。
【0039】
この多層構造体の反射率は、950nmで約0.995であり、これは単一の金薄膜の本来の反射率0.975よりも著しく高い。
【0040】
金が反射のために許容できない材料である場合は、無論、他の反射材料を用いてもよい。例えば、ニッケルは金よりも不活性であり、金よりも高くはないが良好な反射率を有している。
【0041】
表面マイクロキャビティには、多くの他の幾何的関係が可能である。例えば、図4(b)に示されているような、半球状のマイクロキャビティ42’を用いてもよい。このマイクロキャビティは、球の形状を有し、その中心は反射器の表面の面上に配置される。上述のRTPの具体例では、球の半径は約6〜8ミリメートルであり、即ち、反射器と基板の裏面との間の間隔に匹敵している。サファイアプローブ126は直径0.125インチであるが、局所領域109でプローブが基板温度に対して生じさせる障害を最小にするため、もっと小さなサイズ(例えば0.050インチ)を採用する事が望ましいだろう。
【0042】
その他のマイクロキャビティの幾何的関係が、図4(c)〜(d)に示される。図4(c)は、円錐形状のマイクロキャビティが示され、光パイプが円錐のらせんに配置されている。図4(d)は、球状のマイクロキャビティが示され、光パイプが反射の表面の円形アパーチャー161の反対側に配置されている。これらは、用いることができる多くの別の幾何的関係のほんの一部に過ぎない。ある用途に対して最も適した特定のマイクロキャビティの幾何的関係は、実験により決定できる。更に、マイクロキャビティはまた、反射プレートの表面から突き出した材料で形成される突起したマイクロキャビティであってもよい。
【0043】
(放射率の補正の温度測定)
プローブの端部の周囲の反射器の表面でマイクロキャビティを用いることにより仮想的な黒体に非常に近接した反射キャビティを作り出してはいるにもかかわらず、依然として有効放射率は1に等しくはならないだろう。換言すれば、測定温度は、ある基板から次のものへの放射率の変化に起因する未知の誤差成分を有しているからである。従って、RTPチャンバ内で処理されることになる基板の実際の放射率の変化を測定し且つ補正する事により、温度測定の正確さを更に改善することが望ましい。異なる有効放射率(又は等価な意味で、異なる有効反射率)を有する2つの温度プローブを用いて、基板の特定の局所領域における温度を測定することにより、リアルタイム且つインシチュウの温度測定が改善されてもよい。そして、これらのプローブにより測定された温度を用いて、局所的な温度測定の補正が得られる。
【0044】
再び図3(a)を参照すれば、それぞれ異なる有効放射率ε1、ε2を有する2つの放射プローブ150、152が用いられている。プローブ150は、前述のようにまた図4(b)で示される如く、円筒状表面マイクロキャビティの内側に配置され、プローブ152は、基板106の裏側で約3〜4ミリメートル以内反射器表面の上方に突き出ている。しかし、第2のプローブは、処理中に熱い基板からの放射により加熱されることを防止するため、基板の裏側に近付き過ぎて(及び、冷却された反射プレートから離れて)配置されてはならない。プローブの温度が高すぎるようにならざるを得ない場合は、プローブはダメージを受け、及び/又は、プローブに材料が堆積してその性能を下げてしまうだろう。更に、プローブを基板裏側に近付け過ぎれば、基板の温度に影響を与えてしまうだろう。
【0045】
ここに説明した構成では、第1のプローブ(即ちプローブ150)の有効放射率は、第2のプローブ(即ちプローブ152)の有効放射率よりも大きいだろう。プローブ152は、基板106の裏側に近付けて置かれる代りに、その底部が比反射性の材料で覆われている円筒状のマイクロキャビティ内に置かれてもよい。2つのプローブか異なる有効放射率を生じさせるのであれば、他の幾何的関係の組合わせも可能である。後に明らかにするが、2つの選択されたプローブの幾何関係は、協働的な有効放射率の差を最大になるように与える。
【0046】
ここで説明された具体例では、低い有効放射率を生じさせる穴が他のプローブの有効反射率を阻害又は低下させないように、プローブ150、152は充分な距離の間隔をおいて配置される。しかし、基板の大体同じ領域の温度を測定しなくなるほど、2つのプローブがあまり離れ過ぎていてはならない。ここで説明された具体例では、これらの要求に適合すると思われる典型的な間隔は、1〜3cmである。基板が回転する場合は、このことは、2つのプローブが配置される半径は、この量よりも大きく異なってはならないことを意味する。
【0047】
(検量)
温度補正を実施するにあたり、2つのプローブはまず検量される。即ち、各プローブに対する有効反射率が最初に決められなければならない。このことは、特別の検量用基板の補助によりなされ、図5にその概略が与えられる手順を用いてなされる。
【0048】
この検量用基板は、事前に測定されて既知となっている放射率εcalを有し、また、自身に埋め込まれる熱電対を有している標準的な基板である。実際の基板温度は熱電対によって正確に測定され、次いで、パイロメータにより報告される温度と比較される。この様な基板は、例えば米国カリフォルニア州サンタクララのSensArray社により商業的に入手可能である。好ましくは、検量用基板は、RTPチャンバないで処理されることになる基板のタイプと実質的に同じ熱的な性質を有するように選択される。例えば、検量用基板は、少なくともプロセス基板と同じ材料(例えばシリコン)製であり、プロセス基板になされていると同じ裏側のタイプ(例えば、乱反射する窪んだ表面)を有しているべきである。
【0049】
各プローブ150、152に関係した有効反射率(Re1,Re2)を決定するため、プロセスチャンバ内に検量用基板が移送され(ステップ160)、処理チャンバの温度が所定の設定値まで上げられる(ステップ162)。所望の温度に到達したとき、基板の温度が、そこに埋め込まれた熱電対及び2つのプローブを用いて測定され、3つの別々の温度測定値Treal(基板の実際の温度)、T1(第1のプローブにより測定された温度)及びT2(第2のプローブにより測定された温度)が与えられる。
【0050】
これらの温度は、強度Ical、I1及びI2に変換される。Icalは、キャビティが実際に理想的な黒体である場合にプローブが受容する強度である。[数1]の式(1)を用い、熱電対によって測定された温度Trealから以下のように計算がなされる:
【数11】

パイロメータにより記録される温度T1及びT2は、同様の手法で、対応する強度(I1,I2)に変換し直される:
【数12】

プローブ150、152の有効放射率は、次に等しく:
【数13】

強度Ical、I1及びI2が既知であれば、各プローブの有効反射率の算出は可能となる。[数7]の式(6)から、有効反射率は、以下のように実際の放射率と有効放射率の関数として表すことができ:
【数14】

有効放射率は測定された強度に関して表現することができるので([数13]の式(11)を見よ)、この式は次のように書き直すことができ:
【数15】

この表現を用い、有効反射率の値R1及びR2が計算される(ステップ168)。
【0051】
これらの有効反射率の値は、後の実際の基板の処理において以下に説明するインシチュウ温度補正の決定に用いられる。しかし、計算された有効反射率は、検量がなされた特定の処理システムのみに有効であることは理解されよう。例えば、プローブの幾何関係が変更されたり、システムの幾何関係が変化した場合は、システムの再検量をここに説明した手法で行い、有効反射率の新しい値を決定する必要が有るだろう。
【0052】
この検量の手順が、εeff(ε,Reff)カーブ(図2を見よ)のいずれがシステムの測定プローブの特徴を与えるかを決めたことは、注目すべきである。基板処理中に得られるインシチュウ温度測定からその基板実際の放射率を決定することが、可能になるだろう。実際の放射率とεeff(ε,Reff)カーブを知ることにより、基板の値する有効放射率を計算して、これから補正温度を計算する事が可能になる。補正温度までに至る手順の詳細は、以下に説明される。
【0053】
(インシチュウ温度補正)
通常は、最も高い有効反射率を有するプローブ、例えばプローブ150は、温度測定を行うように選択され;他のプローブ(152)は補正プローブとして作用する。
【0054】
測定プローブの温度読み出しを補正する手順を説明する前に、基板の実際の放射率のための表現を導出することにする。前述の如く、[数13]の式(11)で示されているように、各プローブの有効放射率は、対応する放射エネルギー強度I1、I2に比例している。従って、有効放射率の比は、対応する放射エネルギーの強度の比と等しく、即ち:
【数16】

各プローブに対して、有効放射率は、実際の放射率及び対応する有効反射率の関数として表現でき、即ち;
【数17】

有効放射率の表現を上式に代入すれば、実際の放射率は以下のように、有効反射率と測定強度に関して表現できる;
【数18】

この表現を導出することで、温度測定の補正の手順を説明する準備が整った。
【0055】
図6を参照すれば、RTPの試行の開始時に、基板は処理チャンバ内に移送され(ステップ170)、温度は所定の温度シーケンスに沿って循環する。この温度シーケンスに従って基板がシーケンスされている間、プローブ150、152は、所定の抽出速度(例えば20Hz)で基板の局所領域近くの放射エネルギーを抽出する(ステップ172)。各プローブに対する測定温度から、対応するプローブ放射エネルギー強度I1及びI2は、[数12]の式(10)の助けにより算出される。そして、実際の基板の放射率εが、各プローブの有効反射率に対して前に計算された値を用いて、[数18]の式(16)から計算される(ステップ174)。実際の放射率がわかれば、ベースプローブ150の有効放射率ε1は、以下のように[数17]の式(15)から計算され:
【数19】

最後に、補正温度(Tcorr)が、プローブ150により測定された温度から、[数2]の式(2)、[数3]の式(3)から導出される以下の式を用いて算出される(ステップ176):
【数20】

このアルゴリズムは好ましくは、コントローラ137(図6)のソフトウエアで実施され、プローブの温度測定はいかなる制御決定もなされないで自動的に補正される。
【0056】
(別の放射率補正の技術)
検量システムに対して、埋め込み熱電対をもつ検量用基板を用いる必要のない、別の更に簡易な技術が存在する。この別の技術には、裏側の放射率が正確にわかっている2つのウエハが必要である。一方のウエハは、1に近い放射率εhiを有しており、他方は、寄り低い放射率εlowを有している。ここに説明される具体例では、高放射率のウエハは、0.94の誘電率を有する窒化物ウエハであり、低放射率のウエハは、ウエハの裏側、即ち温度プローブに面する側が0.32の誘電率をもつ酸化物層を有するポリシリコンウエハである。前述のように、2つの隣接する温度プローブが用いられる。一方のプローブは、ここでは小開口プローブと称するが、高い有効反射率を与える。小開口プローブは、温度読み出しT1を与え、処理中のウエハの温度の測定に用いられる。ウエハの裏側の放射率を明らかにするために補正されるのは、このプローブによって生じる温度(即ちT1)である。他方のプローブは、ここでは大開口プローブと称するが、より低い有効反射率を与える。大開口プローブは、温度読み出しT2を与え、小開口プローブにより測定される温度に適用される補正を与えるために用いられる。2つのプローブが共に近接して、ほぼ同じ時間にウエハの同じ領域の温度を抽出することが望ましい。他方、プローブが近すぎる場合は、大開口プローブは低い放射率のウエハに対して、小開口プローブの温度測定に影響を与える。このことは、低い放射率のウエハに関して温度の非均一性を招くだろう。
【0057】
ここに説明された具体例では、2つのプローブは、ウエハの中心から同じ半径のところに配置され、約0.85インチ離れている。小開口プローブは、反射プレート内の他の測定プローブの全てに対して用いられる構成を有している。以下の実施例の目的で、小開口プローブは、0.080インチの直径を有し、反射プレート内の直径約0.085インチの開口の内に位置され、反射プレートと同じ高さの最上端部を有する光パイプを用いる。大開口プローブは、その最上端部が反射プレートと同じ高さであるが反射プレート内でより大きな開口(即ち。0.37インチ)内に位置される光パイプを用いている。大開口の目的は、大開口プローブに対して小開口プローブに比べて低い有効プローブ放射率(又は等価な意味で、低い反射キャビティの有効反射率)を与えるためである。従って、2つのプローブは、測定上異なる温度を生じさせるだろう。例えば、これら2つのプローブを用いた測定温度の差は、裏側の放射率が0.34で実際の温度が1000℃のウエハに対しては、約40〜50℃にもなる。
【0058】
上述のように、差の温度測定の信号対ノイズ比を向上させるように、2つのプローブの有効反射キャビティ反射率が大きな差を生じさせることが望ましい。従って、ここに説明された具体例に対してこのことが実施されている特定の方法は、目的達成の多くの方法の1つを例示しているに過ぎないことが理解されよう。
【0059】
前述の如く、黒体から発せられるエネルギーIは、プランクの法則に従って、温度Tに関係し:
【数21】

このケースでは、Tは℃で測定されているので、この温度に273を加えることにより、[数21]の式(19)に要求されるケルビン温度と等価になる。変数を整理することにより、測定されたエネルギーIEの関数としての温度の式を導出することができる:
【数22】

換言すれば、この式を用いて、黒体の温度は、物体から発せられるエネルギーの量を知ることにより計算できる。
【0060】
(検量)
小開口プローブの温度読み出しに対する補正係数を与える手順が、図7に示される。この手順は、図7に示されているステップを参照しつつ説明される。
【0061】
まず、高放射率ウエハは、チャンバ内で、小開口プローブを用いて測定されながら温度Tprocessまで加熱され、2つのプローブは同じ温度読み出しを与えるように検量される(ステップ210)。検量が行われる前では、2つのプローブの実際の温度の読み出しは異なっているであろうが、高放射率ウエハを用いた場合は、これらが異なっている量は小さいであろう。
【0062】
小開口プローブの検量に必要な2つの測定値を求めるために、その後低放射率ウエハは温度Tprocessまで加熱される。基板のプロセス温度を決定するため、小開口プローブは低放射率ウエハのウエハ温度を正確に測定していると再び仮定する。下記に明らかにされるように、これは許容されると証明される仮定である。ウエハがTprocessである間、その温度は、大開口プローブと小開口プローブの双方により測定される(ステップ212)。大開口プローブは、T2=Tbigの測定温度を与え、小開口プローブは、T1=Tsmallの測定温度を与える。デルタ温度、δT(εlow,Tprocess)は、これら2つの読み出しの間の差として定義され、即ち、δT(εlow,Tprocess)=T1-T2である。
【0063】
次に、小開口プローブのウエハ放射率に対する実際の感度は、小開口プローブにより与えられる測定温度読み出しを実際の温度として用いて、ウエハのそれぞれ(即ち、低放射率ウエハと高放射率ウエハ)に注入アニールを実施することにより決定される。換言すれば、小開口プローブにより与えられる温度読み出しは、僅かに不正確であるという事実にもかかわらず、正確な温度読み出しとして仮定される。しかし、既知の如く、注入された層の膜抵抗値は、注入アニールの時間及び実際の温度に決定的に依存するだろう。更に、この依存性は正確に知られている。従って、同じ時間の量で異なるプロセス温度でアニールされた2つのウエハのそれぞれにおけるこの層の抵抗値を測定することにより、2つのプロセス温度の間の実際の差がどれほどかを、正確に決定することが可能であろう。
【0664】
低放射率ウエハと高放射率ウエハとの双方に対して同じ温度読み出しを小開口プローブが与える場合は、低放射率ウエハの実際の温度は、現実には、高放射率ウエハの実際の温度よりも僅かに高くなっているだろう。この事は、所定の実際のウエハ温度において、低放射率ウエハは同じ温度において高放射率ウエハが発するよりも低いエネルギーを発しているだろうことによる。従って、低放射率ウエハが発するエネルギーを高放射率ウエハが発するエネルギーと等しくするためには、その実際の温度が、高放射率ウエハの実際の温度よりも僅かに高くする必要がある。
【0065】
この2つの実際のウエハプロセス温度の差を決定するためには、高放射率ウエハに対して、小開口プローブを用いてプロセス温度をモニターして、一方の注入アニールが実施される。第2の注入アニールは、低放射率ウエハに対して、また小開口プローブを用いてプロセス温度をモニターして実施される。そして、これらのウエハのそれぞれの膜抵抗値が測定され、実施された特定のアニールのための既知の変換チャートを用いて、2つのウエハの実際のプロセス温度の差を正確に決定することが可能である。この結果は、Terrlowで示される(ステップ214)。
【0066】
注入アニールを実施する代りに、2つのウエハ上に酸化物層を成長させて、酸化物の厚さの差を求めることもできる。そして、酸化物の厚さの差は、既知の表を用いて変換されて、2つの酸化物の厚さを与える実際のプロセス温度の差の正確な測定値を与えることもできる。
【0067】
小開口プローブの実際の温度の誤差TerrlowがδT(ε,T)の線形関数であるとのモデルを用いることにより、補正係数Kcorrは、以下のように計算される(ステップ216):
【数23】

この例では、Kcorrは、1.246に等しい。
【0068】
(インシチュウ温度補正)
補正された温度Tcorrは、図11のフローチャートに示されているように、小開口プローブ及び大開口プローブの温度測定から与えられる。ウエハ温度は小開口プローブ(ステップ230)及び大開口プローブ(ステップ232)を用いて測定され、それぞれ、T1とT2とが得られる。これらの測定温度の差(即ち、T1-T2)が計算され(ステップ234)、Kcorrが乗ぜられて(ステップ236)、T1に加えられて補正温度となるべき補正項となる(ステップ238)。換言すれば、
【数24】

このテクニックの背景の原理及び、その結果、温度測定の正確さが向上することを、次に説明する。
【0069】
本質的には、小開口プローブの感度の測定は、どの有効放射率カーブが小開口プローブを適用するかを決定する。これは以下のように理解される。小開口プローブをプロセス温度のモニターとして用いつつ低放射率ウエハに注入アニールを実施する際に、ウエハの放射率は1つであると仮定する。この仮定を用いれば、ウエハにより発せられるエネルギーは、Tprocessにおいて理想黒体により発せられるエネルギー、即ちI(Tprocess,λ)と等しいことになる。しかし、前出のTerrlowの決定では、ウエハの実際の温度がより高いことが示されており、即ち、Tprocess+Terrlowである。従って、ウエハにより発せられるエネルギーも、このより高い温度における黒体により発せられるエネルギー(即ち、I(Tprocess+Terrlow,λ)に低放射率ウエハの有効放射率(即ち、εeff,low)を乗じたものに等しいと表現できる。換言すれば、
【数25】

これは、以下のようにεeff,lowの計算のための式に書き直すことができ:
【数26】

ここで説明されている具体例では、εeff,lowは0.855と算出される。そして、[数19]の式(17)を用いて、小開口プローブの有効反射率Reffsmallは、以下のように、低放射率ウエハの有効放射率と実際の放射率を用いて計算され:
【数27】

この例では、Reffsmallは0.92に等しい。
【0070】
Reffsmallを知ることと、[数17]の式(15)を用いて、小開口プローブの見掛け放射率を実際のウエハの放射率の関数としてプロットすることができる。このプロットは、図8の上側のカーブで示されている。
【0071】
高放射率ウエハに関して得られている2つの温度測定値、即ち、TbigとTsmallにより、同様の手法で、大開口プローブの有効放射率カーブを決定することができる。大開口プローブに関しては、測定された放射エネルギーI(Tbig,λ)は、大開口プローブの有効放射率εeffbigに、より高いある温度Tactualにおいて黒体により発せられるエネルギーを乗じたものに等しくなることが知られている。同様に、小開口プローブに対しては、測定された放射エネルギーI(Tsmall,λ)は、小開口プローブの有効放射率εeffsmallに、このより高い温度Tactualにおいて黒体により発せられるエネルギーを乗じたものに等しくなることが知られている。従って、以下の表現がなされ:
【数28】

これは、更に、以下のように書き直されて一般化されて:
【数29】

小開口プローブの有効放射率が知られることとなったため(上記を見よ)εeffsmallは、以下の関係から計算でき:
【数30】

ここで、εaは見掛け放射率、Reffは有効反射率である。以前にReffsmallのために計算された値と高放射率ウエハの実際の放射率(即ち、0.94)を用いて、εeffsmallの値は次のように計算でき:
【数31】

εeffsmallの値を[数29]の式(27)に代入すれば、εeffbigが得られる。この例では、計算値は0.749である。
【0072】
[数19]の式(17)を用いれば、大開口プローブの有効反射率、即ちReffbigの値も計算できる。この例では、Reffbigは0.842に等しい。
【0073】
Reffbigを知ることにより、大開口プローブの見掛け放射率をプロットすることが可能となる。このプロットは、図8の下側のカーブである。検量のスキームの目的で、検量の信号対ノイズ比を増加させるように、これら2つのカーブ(即ち、小開口プローブ及び大開口プローブのそれぞれの見掛け放射率カーブ)を大きく離すことが望ましい。
【0074】
プロセスが行われている間、小開口プローブによる測定温度の補正が行われないのであれば、温度の誤差は、以下の式に等しくなり:
【数32】

ここで、
【数33】

この表現を[数30]の式(28)に代入して、
【数34】

この関数のプロットは図9に示され(上側の実線のカーブを見よ)、これは、小開口プローブを用いた補正されない温度測定に導入され、基板放射率の低下に対して著しく上昇している。
【0075】
[数22]の式(20)を用い、小開口プローブ及び大開口プローブにより測定された温度の差、即ちδT(ε,T)は、以下のように計算でき:
【数35】

図9における下側の点線のカーブは、補正温度測定の改善された正確性を、ウエハ裏側の放射率の関数として例示する。0.3〜1.0の放射率の範囲にわたって、誤差は1℃未満であることは注目されよう。換言すれば、上述のテクニックを用いて補正された温度読み出しは実質的に改善され、ウエハからウエハへの放射率の変動に対する補正温度読み出しの感度は、補正されない温度読み出しと比較して、大幅に減少する。
【0076】
図9から明らかなように、線形近似を行うことにより、実際の測定誤差を僅かに過剰補償する補正係数を生じさせた。補正係数を更に最適化する1つの方法は、低めの係数を用いることであり、例えば、0.9Kcorrを用いる等である。この方法で補正係数が増減された場合は、その結果のカーブは、放射率の範囲の大部分にわたってゼロエラーに大きく近付く(図9の点線を見よ)。
【0077】
小開口プローブ温度測定における誤差の原因となる効果は、エネルギーに関連した効果であり、これは指数項を導入する。従って、実際の誤差は非線形である。それにもかかわらず、誤差に対する線形近似は、これらの非線形効果の補償に関し大変うまくいく。
【0078】
無論、補正係数の更なる最適化は、補正係数が2つのプローブの間の温度差の関数として変化する非線形の方法を考慮することにより得る事ができる。しかし、多くの用途においては、単なる線形近似により得られる改善の実質的なレベルは、補正温度測定を更に洗練させる必要性をなくさせる。
【0079】
δ(ε,t)に対する式(即ち数[35]の式(33))の正確性の評価のため、計算値は、2つのプローブの間の温度差の実際の実験値と比較された。この比較は、図10に示される。
【0080】
一番上のカーブは、放射率0.32を有するウエハに関するものであり、まんなかのカーブは、放射率0.67を有するウエハに関するものであり、下側のカーブは、放射率0.82を有するウエハに関するものである。実験データはグラフにおいて、「x」の集合及び「+」の集合で示される。実験データを得るために、ウエハはチャンバ内に配置されて、温度が1000℃まで急激に上昇した。500℃を越えた各100℃のステップでは、約10秒間温度が安定化され、そして、各プローブの読み出しが記録された。これら2つの読み出しの差は、δT(ε,T)に対応している。各温度で生じているばらつきは、測定におけるノイズによるものである。図10は、実験データがこのモデルの正当性を証明していることを示している。
【0081】
第2のプローブに関連する有効反射率を減少するためこ、別のテクニックを用いてもよいことは理解されるだろう。上述の2つのテクニックは、反射プレートの表面の上にプローブを持ち上げること又は、プローブの周囲の開口を拡大することにより行われた。別のテクニックは、例えば、(1)プローブの周囲に吸収ドーナツ(例えば、窒化珪素でカバーされた領域)を形成することにより、プローブの周囲の反射プレートの反射率を減少させる事;(2)プローブの周囲の光学パイロメータのバンド幅にわたって反射プレートの反射率を減少させる事;又は、(3)ファイバの出力でアパーチャーを置くことによりプローブの視野角を減少させる事、を含んでいる。
【0082】
第2のプローブに減少された視野角が用いられた場合、開口のサイズは減少する一方で、2つのプローブを用いた約40℃の測定温度差を実現する。従って、このアプローチを用いて、第2のプローブが第1のプローブの温度測定に対してなす影響を最小にすることができ、また、プローブをもっと互いに近づけるように移動させることができるようになる。
【0083】
上述の補正のテクニックを実施する代りの別のテクニックは、図8の一番上の線をもっと高く動かすように、即ち1に近付けるように、チャンバを再設計することである。しかし、上述のように誤差を単に補正する事に比べて、このチャンバの再設計は、著しく困難な作業であろう。
【0084】
(RTPシステムについての更なる詳細)
上述の如く、図3(a)には2つの測定プローブしか示されていないが、ここに説明された具体例は、基板の異なる半径の場所での温度を測定できるように、反射器にわたって分散された8つの測定プローブを実際に用いている。熱処理の間、支持構造体108は約90RPMで回転される。従って、各プローブは、基板上の対応する環状の領域温度プロファイルを実際に測定する。
【0085】
基板を回転させる基板支持構造体は、基板外縁のまわりで基板に接触する支持リング134を有し、外縁の周囲の小さな環状の領域を除いた全ての基板下側が露出される。支持リング134は、約1インチ(2.5cm)の放射方向幅を有している。処理中に基板106のエッジで生じるだろう熱的な不連続を最小にするため、支持リング134は基板と同一又は類似の材料、例えばシリコン又は酸化珪素でできている。
【0086】
支持リング134は、パイロメータの周波数の範囲で不透明になるよう、シリコンでコーティングされた回転式の卓状のクオーツシリンダ136上に載せられる。クオーツシリンダ上のシリコンコーティングは、強度測定に悪影響を与えるかも知れない外部のソースからの放射を遮断するバッフルとして作用する。クオーツシリンダの底部は、複数のボールベアリング137上に置かれる環状の上側ベアリングレース141によって、支持され、ボールベアリング137は、静的な環状の下側ベアリングレース139内部に支持されている。ボールベアリング137は、スチール製で窒化珪素のコーティングがなされ、操作中の粒子の発生を減少させる。上側ベアリングレース141は、熱処理中に約90RPMでシリンダー136、ガードリング134及び基板106を回転させるアクチュエータ(図示されず)に磁気的に結合される。
【0087】
図3(b)を参照すれば、支持リング134は、クオーツシリンダ136に対して光の緊密なシールを形成するようにデザインされる。クオーツシリンダの内径よりも僅かに小さな外径を有する円筒形状のリップ134aが、支持リング134の底面から延長し、図示されるように、シリンダの内側にフィットして、光シールを形成する。支持リングの内側には、基板106を支持するためのシェルフ134bが存在する。シェルフ134bは、支持リングの内円の周囲で支持リングの残りよりも下側の領域である。
【0088】
チャンバ本体にフイットするパージリング145は、クオーツシリンダを包囲する。パージリング145は、上側ベアリングレース141の上方の領域に開いている内部環状キャビティ147を有している。内部キャビティ147は、通路147を介して、ガス供給器(図示されず)へ接続される。処理中は、パージガスがパージリング145を介してチャンバ内へと流入する。
【0089】
支持リング134は、クオーツシリンダを越えて延長するように、クオーツシリンダの半径よりも大きな半径を有している。支持リング134のシリンダ136を越える環状の延長部分は、その下に配置されるパージリング145と協働で、基板の裏側で迷光が反射キャビティ内に進入することを防止するバッフルとして機能する。反射キャビティ内に迷光が反射して進入することを更に防止するために、支持リング134とパージリング145は、加熱要素110により発生した放射エネルギーを吸収する材料(例えば、黒又はグレーの材料)でコーティングされていてもよい。
【0090】
上記に指摘している通り、光パイプ126はサファイア製である。サファイア光パイプが一般的に好ましくアノード、その理由は、比較的小さな散乱係数を有し、大きな横方向の光を大きく排除し、大きな測定の局所化を与えるからである。しかし、光パイプは、抽出された放射エネルギーをパイロメータに伝達する例えばクオーツ等の適当な耐熱耐腐食材料製であってもよい。適切なクオーツファイバ光パイプ、サファイアクリスタル光パイプ、及び光パイプ/導管カプラーは、Luxtron Corporation-Accufiber Division,2775 Northwestern Parkway,Santa Clara,CA 95051-0903で入州可能である。あるいは、放射エネルギー抽出システムは、反射器102内に載置された小半径対物レンズとレンズによって収集された放射エネルギーをパイロメータへ流通させるミラー及びレンズのシステムとを有する光学システムであってもよい。このようなスキームは、適当なオフシェルフ光学要素が見出せたならばサファイアパイプよりも安価であろう。あるいは、光パイプは、高度に研磨された反射内面を有するチューブで形成されてもよい。
【0091】
適切な加熱要素110は、米国特許第5,155,336合に開示されている。この加熱要素は、187の光パイプを用いて、タングステン-ハロゲンランプからの高度にコリメートされた光を処理チャンバ100へ供給する。ランプは、放射方向に対称的なように配置された12のゾーンに別れている。これらのゾーンは、ゾーンごとに調整でき、基板106の別々の領域への放射加熱を制御せしめる。
【0092】
図3(a)の具体例では、ベース116は循環回路146を有し、これを介してクーラントが循環して、反射器及び反射面を冷却する。典型的に23℃の水がベース116の中を循環して、反射器の温度を、加熱された基板の温度よりも充分低い温度(例えば100以下)に維持する。RTP処理の間は、反射器を冷却して、その表面に生じるかも知れない化学活動の可能性を小さくすることが重要である。反射器が加熱されるようなことがあれば、このことが表面の酸化を促進して、反射層の反射性を深刻に損ねてしまう。有効放射率の向上は、高度に反射性を有する表面を有してこれを維持することにより達せられる。更に、反射器組立体が加熱すれば、抽出信号に影響する放射エネルギーのソースになるだろう。
【0093】
ここに説明される具体例では、パイロメータ128は、約950nmで狭いバンド幅(例えば40nm)を有している。また、クオーツウィンドウの裏側が、波長のこの狭いバンド全てにおいて熱放射エネルギーに関して透明な不活性材料でコーティングされ加熱ソースが反射キャビティ内に迷光を導く可能性を減少させることが望ましい。
【0094】
一般的には、シリコン基板の処理のためのシステムが長い放射波長(例えば約3.5〜4μmよりも大きな波長)を検出するパイロメータを用いることが望ましい。しかし、このアプローチは、700℃よりも高い温度に最もよく適合する。室温では、シリコンウエハは、1,0μmよりも長い光の波長に対して透明である。基板温度が上昇するにつれて、基板は700℃までは長い波長に対して不透明になり、700℃では、着目する全ての波長に対して基板は不透明になる。従って、700℃より低い温度では、長波長に感応するパイロメータが、加熱ソースから直接来る光を検出することにも更に適している。簡潔に言えば、パイロメータにより抽出される波長は、プロセス温度を考慮するべきである。プロセス温度が実質的に700℃よりも低い場合は、パイロメータは1.1μmよりも短い波長を抽出すべきである。より高いプロセス温度が用いられた場合は、もっと長い波長が抽出可能である。
【0095】
非常に低いプロセス温度(例えば600°K(327℃))では、1.1μmよりも短い波長で発生する黒体スペクトル放射率エネルギーの量はごく小さい。その結果、600℃よりも低い温度では、充分な信号対ノイズ比を得ることはまったく困難である。
【0096】
1つのデザイン、特に900℃〜1350℃の間のプロセス温度に適したデザインでは、0.9μm〜1.0μmの間の波長での放射エネルギーに感応するソリッドステートパイロメータが用いられる(例えば、900-LP-6.35Csensorを100-S8MS-B-CV electronics boxと組合わせる。これらは、Luxtron Corporation-Accufiber Divisionから入可能である。)。この温度範囲で、0.9〜1.0μmの波長で発生する放射エルギーが実質的な量で存在し、高い信号強度及び高い信号対ノイズ比を与える。
【0097】
図12は、所望の温度において基板を加熱するための制御ループを示す。これは、複数の温度センサ190(即ちパイロメータ及び光パイプ)からの抽出出力を用いている。加熱要素110は、放射ゾーン内に配置された187個のタングステン-ハロゲンランプを有している。ランプの各ゾーンは、マルチゾーンランプドライバ194により別々に電力が与えられ、マルチゾーンランプドライバ194は、マルチ入力、マルチ出力のコントローラ192によって制御されている。基板は約90rpmで回転しており、基板106の裏側の別々の放射配置で複数の温度測定がなされているため、各温度プローブは、基板の別々の環状の領域の平均温度を与える。この環状の領域は、加熱ランプの半径方向領域と一致する。コントローラ192は、温度センサ190により生成する温度測定値を受信し、上述の温度補正アルゴリズムに基づいて温度を補正し、コントローラ192に供給される所定の温度サイクルプロファイル196により特定される基板温度が達成させるように、加熱ランプの電力レベルを調整する。プロセスサイクルにわたり、所望の温度プロファイルからはずれた温度のばらつきを補正するように、コントローラは別々のランプゾーンに供給される電力のレベルを調整する。
他の具体例も、特許請求の範囲の中に含まれる。
【0098】
【発明の効果】
以上詳細に説明してきたように、本発明で与えられるマイクロキャビティ構造は、ウエハの裏面と反射プレートとの間に形成されたキャビティ及び反射プレートの有効反射率を向上する傾向があるので、本発明を用いることにより、基板の放射率の変化に対する感度が実質的に減少した温度測定を可能にする。更に、本発明は、反射率の変化を温度の関数に適応させるリアルタイム且つインシチュウの温度補償を提供する。この検量の手順は、単純且つ、典型的には、所定のチャンバ構造に対しては一度試行すればよいだけである。また、本発明に従った温度測定は、安定で再現性の高い固体検出器を用いる事ができる。
【0099】
従って、改善された再現性及び均一性をもって信頼性の高い温度測定が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】
反射器が基板近くに配置される、基板温度測定スキームの断面図である。
【図2】
有効反射率の異なる値に対して実際の放射率の関数としてプロットされた有効放射率のグラフである。
【図3】
(a)はRTPシステムの側面断面図である。(b)は支持リングの詳細の断面図である。
【図4】
(a)〜(d)とも、反射器に包含される測定向上表面の種々の造作の側面断面図である。
【図5】
RTPチャンバのインシチュウ温度補正の検量のスキームのフロー線図である。
【図6】
温度測定の正確さを向上させるためのインシチュウで放射率を測定するためのスキームのフロー線図である。
【図7】
RTPチャンバ内で温度測定プローブの検量のための別の技術のフローチャートである。
【図8】
小開口プローブと大開口プローブの双方の、実際のウエハの放射率の関数としての見掛け放射率のプロットのグラフである。
【図9】
補正なしの温度測定の誤差と補正された温度測定とを、実際のウエハの放射率の関数としてプロットしたグラフである。
【図10】
小開口プローブと大開口プローブにより測定された温度の差に対する実験値と計算値のグラフである。
【図11】
温度測定プローブから補正温度を計算するステップを示すフローチャートである。
【図12】
温度制御システムの模式図である。
【符号の説明】
10…基板、22…熱反射器、27…アパーチャー、28…光パイプ、42…マイクロキャビティ、100…処理チャンバ、102…反射器、106…シリコン基板、108…基板支持体、109…局所領域、110…加熱要素、112…放射エネルギー、114…水冷クオーツウィンドウ組立体、116…ベース、118…反射キャビティ、20…コーティング、124…導管、125…光ファイバ、126…温度プローブ、128…パイロメータ、129…アパーチャー、134…支持リング、136…シリンダ、137…ボールベアリング、139…下側端部Tがわベアリングレース、141…上側ベアリングレース、145…パージリング、146…循環回路、147…内部環状キャビティ、150,152…放射プローブ、190…温度センサ、192…コントローラ。
 
訂正の要旨 訂正事項1:特許請求の範囲請求項1〜28を請求項1〜6とする。
請求項1は、特許請求の範囲の減縮を目的として、旧請求項7に対し、「i)第1のプローブ及び第2のプローブが非接触式であることと、ii)プローブの周りの有効反射率が、プローブの周囲の反射プレートの反射率を異ならせることにより、又はプローブの視野角を異ならせることにより、異ならされること」を加えたものである。
請求項2は、特許請求の範囲の減縮を目的として、旧請求項11に対して、上記i)及びii)の点を加えたものである。
請求項3は、旧請求項12であり、明りょうでない記載の釈明を目的として、請求項番号を訂正する。
請求項4は特許請求の範囲の減縮を目的として、、旧請求項16に対して、前記第1の開口と前記第2の開口とが、該基板の回転の軸に相対的におよそ等しい半径であるように配置されるのは 「該基板が回転する際」である点を加えたものである。
請求項5は、旧請求項25であり、明りょうでない記載の釈明を目的として、請求項番号を訂正する。
請求項6は、旧請求項26であり、明りょうでない記載の釈明を目的として、請求項番号を訂正する。
訂正事項2:上記訂正に伴い、明りょうでない記載の釈明を目的として、【0012】を訂正するものである。
異議決定日 2001-08-07 
出願番号 特願平7-330494
審決分類 P 1 651・ 121- YA (H01L)
最終処分 維持  
前審関与審査官 宮崎 園子  
特許庁審判長 張谷 雅人
特許庁審判官 橋本 武
岡 和久
登録日 1997-10-24 
登録番号 特許第2711239号(P2711239)
権利者 アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド
発明の名称 基板温度測定のための方法及び装置  
代理人 塩田 辰也  
代理人 吉井 一男  
代理人 宮川 貞二  
代理人 寺崎 史朗  
代理人 塩田 辰也  
代理人 山田 行一  
代理人 長谷川 芳樹  
代理人 吉井 一男  
代理人 寺崎 史朗  
代理人 峯岸 武司  
代理人 長谷川 芳樹  
代理人 峯岸 武司  
代理人 山田 行一  
代理人 宮川 貞二  

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