JPH0239525A

JPH0239525A - 半導体熱処理装置

Info

Publication number: JPH0239525A
Application number: JP63188477A
Authority: JP
Inventors: Tomoji Watanabe; 智司渡辺; Shigeki Hirasawa; 茂樹平沢; Toshihiro Komatsu; 利広小松; Toshiyuki Uchino; 内野　敏幸; Hiroto Nagatomo; 長友　宏人
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-07-29
Filing date: 1988-07-29
Publication date: 1990-02-08

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〕本発明は拡散、アニール、酸化などの半導体熱処理を行
う装置に係り、特に枚葉式の熱処理装置において好適な
ウェハ放射測温を行うことにより、均一なウェハ熱処理
を行う半導体熱処理装置に関する。

〔従来の技術〕

拡散装置に代表されるバッチ式の半導体熱処理装置は、
耐熱性治具に載せた２５〜１００枚程のウェハを反応管
内に挿入してヒータで加熱し、熱処理を行っている。ヒ
ータは通常複数個に分割し、熱電対で温度を測定してこ
れが目標の温度（設定温度）になるように温度コントロ
ールシステムで発熱量を決め（ＰＩＤ制御）、ケーブル
で電力を供給してウェハを加熱する６また、両端部ヒー
タは設定温度を高くして発熱量を増し、温度均−領域（
均熱区間）が長くなるように工夫され、前記のウェハは
、この均熱区間内において均一温度で熱処理する。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来のバッチ式の熱処理は先に反応管内に入いるウェハ
と後で入いるウェハの間で、挿入・引出時の温度履歴が
異る。そのため、パターンの微細化とともに熱処理時間
が短くなるにつれて、挿入・引出時の影響が相対的に大
きくなり、実効的熱処理量のバラツキが問題となってき
た。

これに対し、１枚あるいは２枚のウェハを繰り返し処理
する枚葉式熱処理装置はウェハの温度履歴を均一にする
ことができ、数分程度の短時間処理における熱処理量の
均一性に関して、有利性は非常に大きい。

ただし、これらの短時間熱処理では前述の拡散装置のよ
うにヒータ温度を目標の設定温度に合致させるｆｆＮＪ
＃だけでは、ウェハの温度ＭＷ均一性を確保することが
難しい。すなわち、枚葉式の熱処理では冷たいウェハが
連続して挿入され、はぼ炉壁温度に近くなったところで
引き出されるという工程を繰り返し、これらの熱的外乱
要因によってヒータ温度とウェハ温度が一対一の対応を
示さなくなるからである。したがって、枚葉式熱処理装
置ではウェハの温度を直接測定し、これに基づいた温度
制御が必要になる。

本発明の目的は実効熱処理量を均一にする温度制御を行
うことができる半導体熱処理装置を提供することにある
。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、ウェハを高速で反応管内に挿入する機構と
、ウェハの熱放射（以後、ウェハの透過がない範囲１μ
ｍ以下に選んだ放射温度計の測定波長におけるものを指
す）を捕える。放射温度計と、炉壁（ウェハ表面で反射
した後に放射温度計に入射する熱放射を発する部分）の
温度を測定する温度計と、この放射温度計と炉壁温度計
の出力からウェハの温度を求める温度変換器と前記ウェ
ハの挿入機構を制御するメカコントローラと、ヒータ発
熱量を制御する温度コントローラと、温度変換器、メカ
コントローラ、温度コントローラを制御するメインコン
トローラを備えることによって達成される。

〔作用〕

一般に、半導体熱処理装置内のウェハ放射測温において
、放射温度計が受光する熱放射は以下のように表わせる
。

Ｅｔ＝Ａ・［ｗ・Ｅ（’］、’−）＋Ｅｌｌ　　　　　
　・＝（１）Ｅｔ　　：放射温度計が受光する全熱放射
Ａ　　：測定光路中に入れた光学要素の特性による定数ＥＷ　：ウエハの放射率Ｅ（Ｔ）：温度Ｔの黒体が放射する熱放射Ｅｏ　　：外
乱放射ここで外乱放射とは１例えば炉内壁の熱放射の内、ウェ
ハや反応管の表面で反射した後に放射温度計に入射する
ものを指している。したがって、正確にウェハ温度を測
定するためには、この外乱放射およびウェハ放射率の補
正を行って、Ｅ（’ｒ、）を求めることが必要である。

以下、前記の枚葉式熱処理装置の各構成要素の作用を順
次説明する。

放射温度計は、反応管内の所定場所に入った状態のウェ
ハ熱放射を受光するように設置する。この時、上記外乱
放射の発生源が炉内の比較的温度が均一な炉壁部となる
ようにウェハの保持角度と放射温度計の傾きを調整し、
さらにこの部分の温度を測定する温度計を設ける。炉壁
用の温度計は熱電対でも良いし、放射温度計でも良い（
その場合、炉壁の放射率は１と評価して良い）。

このような光学系の調整により１式（１）は次のように
変形できる。

Ｅｔ＝Ａ・εｗｓＥ（Ｔｗ）＋Ｂ・ρ＋ｒ”Ｅ（Ｔｈ）
’・’（２）ρＷ（＝１−２ｗ）：ウェハ反射率（透過
なし）Ｔｈ　：炉壁温度Ｂ　：測定光路中に入れた光学要素の特性による定数また、反応管の表面反射を考慮する必要がある場合は、
次式となる。

Ｅｔ＝Ａ−ＥＷ−Ｅ（Ｔｗ）＋Ｂ−ｐ＃−Ｅ（Ｔｈ）＋
Ｃ−ｐｓ−Ｅ（Ｔｈ’　）　−（３）ρＳ　　：反応管
の表面反射率（既知とする）’ｒｈ’　　：反応管表面
反射による外乱放射を発する炉壁の温度Ｃ：測定光路中に入れた光学要素の特性による定数ここで、室温ウェハを反応管内の挿入を高速で行うと、
ウェハが所定位置で止った時には、まだウェハは温度が
あまり上がらない状態（例えば１０００℃の炉内に２０
０＋＋ｎ／ｓの速度で約５秒間で挿入した場合に３００
〜４００℃以下）に保たれる。ウェハが放射する熱放射
は、温度が上昇するにつれて指数関数的に増加するから
、ウェハ挿入直後に放射温度計が受ける熱放射は式（２
）。

（３）の右辺第１項が無視でき（Ｅ（ＴＶ）斗０）、外
乱放射のみによる出力が得られる。

これを利用して次のようにウェハ放射率を求め。

ざらに炉壁温度をもとに外乱放射を評価して補正を加え
、正確なウェハ放射測温を可能とする。まず、メカコン
トローラはウェハを挿入するタイミングをメインコント
ローラを通じて温度変換器に送信し、温度変換器はその
時点の放射温度計と炉壁温度計の出力を取り込む。次に
、各々の測定値をＥ　ｔＱ、　Ｔｈｏｔ　Ｔｈｏ’　と
して式（２）、　（３）を用いて以下のようにウェハ放
射率を求める。

・・・（５）この値を用いて、ウェハ放射率補正を行うが、複数の同
一種類のウェハを処理する時は、最初のウェハのみ上記
の計算を行えば良く、以後は同じ放射率の値で補正でき
る。これでε１．ρ、の値が既知となったので、後は適
当な時間間隔で放射温度計と炉壁温度計の出力を取り込
み、式（２）、　（３）をもとにＥ（ＴＶ）を求め、さ
らに放射温度計の特性からこれを温度Ｔ、に変換する。

このようにすれば、冷たいウェハを挿入した直後の炉壁
温度低下およびその後の回復による外乱放射の変化に対
しても適切な補正となる。

また、以上で求めたウェハ温度をもとにしてメインコン
トローラはウェハ熱処理量の均一化を図る。すなわち、
測定毎に求めたウェハ温度Ｔ、はメインコントローラ内
で対応する熱処理量（酸化の場合：酸化膜厚さ、アニー
ル：シート抵抗、拡散：不純物濃度分布）に変換し、各
ウェハ毎にこの値を積分する。そして、あらかじめ設定
した所定の熱処理量になった時点でメカコントローラに
指令を出してウェハを引き出せば均一な熱処理が可能に
なる。この場合は、ウェハはよって熱処理時間を変える
ことになるが、逆に処理時間を一定として、所定の熱処
理量と測定値との偏差から、次のウェハ処理に対する適
切なヒータの設定温度を算出して、温度コントローラの
設定を書き換えるといった予測制御による熱処理の均一
化も容易である。

以上のように、ウェハ間の熱処理量にバラツキが生じな
いため、歩留りを向上できる。

〔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枚葉式の熱処理装置の加熱炉
断面の概略と、各コントローラ、温度変換器間の信号の
流れを継続的に示したものである。

加熱炉の構造は、複数に分割した平板状ヒータ４Ａ〜４
Ｃの外側に断熱材７を設け、平板状ヒータ４Ａ〜４Ｃの
内側には均熱管３（ＳｉＣ製）を、さらにその内側には
反応管２（石英製）を設ける。

平板状ヒータ４Ａ〜４Ｃは温度コントローラ２１でＰＩ
Ｄ制御し、制御用熱電対５で測定したヒータ温度と設定
温度とから、適切な発熱量を決定し、ケーブル６を通し
て電力を供給するという手順をとる。ウェハ１はメカコ
ントローラ２２で制御する搬送機構９に一端を固定した
治具８によって通常１枚あるいは２枚１組でほぼ垂直に
保持し、Ｆ方より反応管２の中に挿入して熱処理を行う
。

ウェハ１が発する熱放射はプリズムスタンド１３で保持
した石英プリズム１１とミラー１２によって光路を曲げ
られた後、加熱炉の下方で、且つ炉口の直下から外れた
位置に設置した放射温度計１０（測定波長０．９ｎｍ　
、半値ＩＩＪ　１００　ｎ　ｍ以下）によって検知する
。また、ウェハ１に対面した均熱管３の温度を測定する
ため熱電対１４を設け１次に説明した外乱放射の発生源
である炉壁の温度として、この熱電対１４の値を用いる
。

第２図には放射温度計１０が受ける熱放射の光路を示し
た。実線がウェハ１の熱放射、点線が外乱放射である。

治具８はウェハ１を一定方向に数度傾けた状態で保持す
る。これは、ウェハ１の姿勢を安定させ、外乱放射を発
する炉壁の位置が３Ａが移動しない（熱電対１４の測定
位置とほぼ同じ温度の炉壁が外乱放射の発生位置とする
）ようにすることが目的である。また、熱電対１４は本
来炉壁３Ａの温度を測定すべきであるが、本実施例では
送側の炉壁３Ｂの温度もほぼ同じと考えられるため、こ
の炉壁３Ｂの温度を測定するようにした。

第１図に戻り、温度変換器２３には放射温度計１０と熱
電対１４を接続し、これらの信号から外乱放射の補正お
よびウェハ放射率の補正などを行つてウェハ１の温度を
算出する。メインコントローラ２０は、温度コントロー
ラ２１．メカコントローラ２２．温度変換器２３に接続
され、これらの機器を総合的に管理する。

第３図には、これらの機器の機能の中で本発明に関連す
る部分を抜き出し、処理の流れに沿って記述した一例を
示す、順に説明する。

まず、熱処理に先立ち、メインコントローラ２０に処理
条件を入力する。例えば、処理温度、処理時間、ｉ度モ
ニタの条件、ガスパターンなどが設定項目である。メイ
ンコントローラ２０は、これらの条件の中から温度コン
トローラ２１．メインコントローラ２２．温度変換器２
３に対して必要な情報を提供し、各機器はそれを受けて
熱処理の初期設定あるいは条件設定を行い、その後、待
機状態となる。

次に、待機状態においてメインコントローラ２ｏに処理
開始命令を入力する。これに対応してメカコントローラ
２２はウェハ１を治具８にローディングし、反応管２内
への挿入する。また、温度変換器２３はウェハ１９挿入
と同時にメカコントローラ２２から発せられる信号によ
ってその時点の放射温度計１０と熱電対１４との値を取
り込んで放射率を算出する。ウェハ放射率の算出および
以降の温度モニタに対する基礎式は、式（３）に基づき
、反応管２９石英プリズム１１の透過率。

ミラー１２の反射率を考慮し、なおかつ、Ｔ　ｈ　’＝
Ｔ　ｈとみなした以下の式を用いた。

Ｅｔ＝（τｇ’τｐ’ρＪ”εｗ−Ｅ（Ｔｗ）＋ｒｐ’
ρ、（ρｗ＋ρ５）Ｅ（Ｔｈ）・・・（６） ρｓ　：反応管透過率（０，０６７ａｔ０．９　ｐｒｒ
＋）τ５（＝１−ρｓ）：反応管の透過率（＝０．９３
３ａｔｏ、９μｍ） τＰ　：石英プリズムの透過率（＝Ｑ、９３３゜ａｔｏ
、９μｍ） ρ、：ミラーの反射率（＝０．８６５ａｔ０．９μｍ）上記のウェハ挿入直後における放射温度計１０の出力を
Ｅｔｏ、熱電対１４の出力をＴｈＯとすれば、ウェハの
挿入速度が速いためＥ　（ＴＶ）＜：　Ｅ　（ＴＩ、）
が成り立ち次のように放射率を求められる。

以後、ウェハ熱処理中温度変換器２３はこの放射率ε、
を用いて、式（６）からウェハ温度を算出する。メイン
コントローラ２０はこの値からウェハ１の現在までの熱
処理量を積分計算し、設定した処理量になった所で熱処
理完了と判断して、メカコントローラ２２にウェハ１を
引き出すよう指令する。

引き出したウェハ１は治具８よりアンローディングし、
メカコントローラ２２は次に処理すべきウェハ１の有無
を判定して、ウェハ１が有る場合はウェハローディング
より処理を繰り返し、無い場合は処理を終了する。また
、熱処理条件の設定後は温度コントローラ２１は常にヒ
ータ４Ａ〜４Ｃの温度を一定の値になるように制御して
いる。

以上は、ウェハ１の処理時間を変えて熱処理量の均一化
を図る場合であった。処理時間を全く同じにしてヒータ
の設定温度を変える場合は第４図に示すような熱処理の
流れとなる。すなわち、熱処理条件の設定からウェハ挿
入２ｍ度モニタ等は先の場合と同一であるが、熱処理量
の積分値に対して測定毎に所定の値と比較していたのを
やめ、引出し直後に、所定の熱処理量と測定値の偏差か
ら次回のヒータ設定温度を決める。処理時間は常に一定
で、仮に今回の熱処理量が足りなければ、次回のヒータ
設定温度を上げるし、多ければ設定温度を下げる。

ウェハ温度を熱処理量に変換するには、各処理に対して
適切な関係式があるのでこれを用いえば良い。また、実
験、シミュレーション等により、温度とこれらの熱処理
量との関係がわかっている場合には、その関係をメイン
コントローラ２ｏ内にデータとして保存し５これを参照
すれば良い。

次に、以上の熱処理において得られる、放射温度計１ｏ
、＠ｍｍ対接４出力を補正を加えず温度に変換した値、
および補正を加えて得られるウェハの温度の典型的なパ
ターンを第５図に示す。実線が放射温度計１０．破線が
熱電対１４．−点鎖線がウェハ温度を示している。放射
温度計１０の出力はウェハ挿入直後、急に低下し極少値
をとった後、徐々に上昇する。この極少値が外乱放射に
よる出力である。また、熱電対１４による炉壁温度の測
定値もウェハ挿入直後２０〜３０’Ｃａ度低下し、徐々
に回復している。（ウェハが炉内に無い時は温度モニタ
を停止するが仮にこれを続けた場合に第５図のようなウ
ェハ引出し時の測定値に段差が付く現象が起きる。これ
は、ウェハを引き出した瞬間、炉壁の温度を測定するよ
うになるからである。）この温度変化による外乱放射の
値は第５図の下方に示すように変化するが、式（６）に
より適正な補正がなされて、正しいウェハ温度が求めら
れる。

最後に、以上のような方法で求めたウェハ放射率の値の
妥当性について述べる。本発明者らは、ウェハ上に形成
された薄膜の干渉効果によって。

正弦波状に変化する放射率の値を以下の式で推定できる
（単層薄膜に対する式、多層薄膜についてはこれの重ね
合せで良い）ことを確認した。

・・・（８） λ ρｌ　：薄膜表面における反射率 ρ２　：薄膜と下地の境界における反射率０　：放射温
度計の測定方向と、ウェハ法線がなす角度 λ　：放射温度計の測定波長ｎ　：簿膜の屈折率ｄ　：薄膜の厚さここでρ１はフレネルの公式より以下のように求まる。

・・・（９）。。８θ−石百：πｎ”ａ ””ｃｏｓｆＪ＋ππ＝司Ｒｐｚ＋Ｒｓ” ρ　ニー（この式は石英プリズムおよび、石英の反応管この表面
反射を考慮し、透過率を求める時にも有効である。）また、ρ１については屈折率が既知（酸化膜Ｓ　１Ｏｚ
＝１．４５）で膜厚を種々変えたウェハを試料を用いて
実験を行って求めた。

具体的には、実験では温度均一性が１０００℃±０．５
℃の炉内に裏側から熱電対を接着したウェハを挿入し、
炉口側より熱電対を接着した反対側の温度を測定するよ
うに放射温度計を設定した。

この方法では熱電対がほぼウェハの真温度を示し、なお
かつ、ウェハが放射温度計に正対（ウェハ法線と放射温
度計の測定光路が一致）していれば、ウェハのみの熱放
射を受光できる（ウェハは鏡面とする）。したがって次
のようにウェハ放射率が求められる。

ε、′：実験より求めたウェハ放射率Ｅ、　　：放射温度計の出力 ”ｒｗ’　　：熱電対により測定したウェハ温度以上の
実験より酸化膜ではｎ＝１゜４５．ρ１＝０．０３４．
　ρｚ＝０．１６　　という（ｉｌを得た。

以上の結果、酸化膜の膜厚が既知であればウェハの放射
率が求められる。例えば６２３０人の場合、ε、＝０．
７０４である。

これに対し、本発明によるウェハ放射率の推定値は以下
のようになる。放射温度計１０は以下の特性を有する物
を使用した。

■：放射温度計１０の温度Ｔ　（Ｋ）の黒体に対する出
力（熱放射に比例）Ａ　＝　９６０．３２２８　ｘ　１．　Ｏ−’Ｂ　＝　
−２，５６９７６Ｘ　１０−’Ｃ＝６．８０４１３５Ｘ
　１０５Ｃｚ　＝０．０１４３８８Ｖ（Ｔ）ｃｃＥ（Ｔ）であるから式（７）より、ＥｔＯ
に対する出力をＶｔｏとすればとなる。

また、前述の６２３０人の酸化膜が形成されたウェハで
実験した所Ｖｒｏ＝０．７３２７４　（Ｖ）ｔｏ　＝９４９．０　（Ｔ：）が得られ式（６）の所に記入したρ幻τｒ、ρＳの値を
用いて、放射率を式（１２）より求めるとε１＝０．６
９７　　となる。以上の結果より、本発明による放射率
の推定誤差は±１％程度に収っていると推定できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば１枚葉式の熱処理装置において、ウェハ
の放射率を適確に補正でき、さらに、連続してウェハを
炉内に挿入・引出しを行い処理する時の炉壁温度変化に
よる外乱放射の変動を適正に予測できるので、常に正確
なウェハ温度測定ができる。また、直接ウェハの温度を
測定することにより、熱処理時間の調整、あるいはヒー
タ設定温度の変更等の対応が容易になり、均一な熱処理
が可能となることから、歩留りの向上が期待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である枚葉式の熱処理装置加
熱炉の断面および各コントローラ間の信号の流れを示す
図、第２図は本発明を構成する放射温度計が受ける熱放
射を示す図、第３図、第４図は本発明による熱処理のフ
ローチャート図、第５図は熱処理時における放射温度計
と炉壁用温度計の出力及びウェハの温度の変化を示す図
である。１・・・ウェハ、２・・・反応管、３・・・均熱管、４
−１〜４−３・・・ヒータ、５・・・制御用熱電対、６
・・・ケーブル、７・・・断熱材、８・・・治具、９・
・・搬送機構、１゜・・放射温度計、１１・・・石英プ
リズム、１２・・・ミラ１３・・・プリズムスタンド、
１４・・・炉壁用熱電体、２０・・・メインコントロー
ラ、２１・・・温度コントローラ、２−２・・・メカコ
ントローラ、２３・・・温度″ＪＪ３１　　図ＪＯ・・−戎射逼渡Ｓ十ネり搬道滅牌第閃埠Ｊ、Ｌ（°Ｃ）

Claims

【特許請求の範囲】

１、ウェハを出入れする開口部を有する加熱炉とウェハ
を保持する治具と、この治具を固定したウェハ搬送機構
とを有する半導体熱処理装置において、前記加熱炉に挿
入したウェハの熱放射を受光する放射温度計と、加熱炉
の炉壁の中で、そこから発せられる熱放射がウェハ表面
で反射した後、放射温度計に入射する位置にある部分の
温度を測定する温度計と、これらの出力からウェハ放射
率と上記ウェハ表面での熱放射の反射の効果を補正して
ウェハの真の温度を求める温度変換器と、前記搬送機構
によってウェハを加熱炉内に挿入するタイミングを温度
変換器に送信するメカコントローラと、温度変換器から
出力されるウェハの真温度から、ウェハの熱処理量を積
分計算し、これに基づいてウェハの引出しおよび加熱炉
の温度を制御する温度コントインコントローラとを備え
たことを特徴とする半導体熱処理装置。