特許 5997372 基板処理装置及びその動作方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5997372

(24)【登録日】2016年9月2日

(45)【発行日】2016年9月28日

(54)【発明の名称】基板処理装置及びその動作方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/26 20060101AFI20160915BHJP

   H01L 21/31 20060101ALI20160915BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/26 T

   H01L21/26 Q

   H01L21/31 E

【請求項の数】9

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2015-513892(P2015-513892)

(86)(22)【出願日】2013年5月21日

(65)【公表番号】特表2015-522946(P2015-522946A)

(43)【公表日】2015年8月6日

(86)【国際出願番号】KR2013004427

(87)【国際公開番号】WO2013176453

(87)【国際公開日】20131128

【審査請求日】2014年12月19日

(31)【優先権主張番号】10-2012-0055490

(32)【優先日】2012年5月24日

(33)【優先権主張国】KR

(31)【優先権主張番号】10-2013-0030260

(32)【優先日】2013年3月21日

(33)【優先権主張国】KR

(73)【特許権者】

【識別番号】510223380

【氏名又は名称】エーピー システムズ インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】110001427

【氏名又は名称】特許業務法人前田特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ジ サンヒョン

【審査官】 桑原 清

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１１−３２９９９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−１７３９４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−３２３９１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２３４３０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−２６４３５６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／２６

Ｈ０１Ｌ ２１／３１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板処理空間を有する工程チャンバと、
輻射エネルギーを発生させる複数の加熱ランプを内部に収納した加熱ハウジングと、
前記加熱ハウジングと工程チャンバとの間において工程チャンバの気密を維持させ、前記輻射エネルギーが基板に伝わるように透過させるウィンドウと、
前記工程チャンバ内の基板から発生される波長を測定して基板測定エネルギーに変換する第１のパイロメータと、
前記ウィンドウから発生される波長を測定してウィンドウ測定エネルギーに変換する第２のパイロメータと、
前記基板測定エネルギーからウィンドウ測定エネルギーを差し引いて補償処理して基板自体の温度である基板自体温度を算出し、算出した基板自体温度を用いて前記加熱ランプを制御する加熱制御器と、を備え、
前記基板を５００℃未満で低温熱処理するに当たって、
前記第１のパイロメータは、５００℃未満の熱処理される基板から放射される４μｍ超えの波長状の輻射エネルギーである基板測定エネルギーを測定し、
前記第２のパイロメータは、４μｍ超えの波長によって加熱されたウィンドウの天面から発生される波長状の輻射エネルギーであるウィンドウ天面それ自体のエネルギーを測定し、
前記加熱制御器は、前記第１のパイロメータにおいて測定した基板測定エネルギーから前記第２のパイロメータにおいて測定したウィンドウ天面それ自体のエネルギーを差し引いて基板それ自体の温度を算出する基板処理装置。

【請求項2】

前記工程チャンバは、
前記加熱ハウジングに向かい合う個所の基板処理空間の内部に基板を載置するエッジリングと、
前記エッジリングを前記工程チャンバの基板処理空間の内部に支持し、前記エッジリングを回転させる基板支持部と、
を備える請求項１に記載の基板処理装置。

【請求項3】

前記第１のパイロメータは複数配設されて基板の複数個所に発生される波長を測定する請求項１に記載の基板処理装置。

【請求項4】

前記第２のパイロメータは複数配設されてウィンドウの複数個所から発生される波長を測定する請求項３に記載の基板処理装置。

【請求項5】

複数の第１のパイロメータにおいて測定される波長の平均値及び複数の第２のパイロメータにおいて測定される波長の平均値を用いて、基板測定エネルギーまたはウィンドウ測定エネルギーを測定する請求項４に記載の基板処理装置。

【請求項6】

前記第１のパイロメータ及び第２のパイロメータは、向かい合う個所に対で配置される請求項１または請求項４に記載の基板処理装置。

【請求項7】

基板を５００℃未満で熱処理する基板処理方法であって、
加熱ランプによって基板が５００℃未満で低温熱処理される基板から発生される４μｍを超える波長を検出して基板測定エネルギーに変換する過程と、
前記加熱ランプの０．２μｍから４μｍの波長帯域のエネルギーを透過させ、４μｍ超えの波長のエネルギーを吸収するウィンドウの天面から発生される４μｍを超える波長を検出してウィンドウ測定エネルギーに変換する過程と、
前記基板測定エネルギーからウィンドウ測定エネルギーを差し引いて基板自体エネルギーを算出した後、基板自体エネルギーから基板自体の温度である基板自体温度を算出する過程と、
算出した基板自体温度を用いて前記加熱ランプを制御する過程と、
を含む基板処理方法。

【請求項8】

波長のエネルギーへの変換は、エネルギーをＥ、波長をλ、プランク定数をｈ、且つ、光速をｃとしたとき、Ｅ＝（ｈｃ）／λによって行われる請求項７に記載の基板処理方法。

【請求項9】

基板測定エネルギーをＥ_ＴＯＴ、ウィンドウ測定エネルギーをＥ_ＷＤ、基板自体エネルギーをＥ_Ｗ、ウィンドウ透過率をτ_ＷＤ、基板の放射率をε_Ｗとしたとき、基板自体エネルギーＥ_Ｗ＝（Ｅ_ＴＯＴ−τ_ＷＤ×Ｅ_ＷＤ）／ε_Ｗ によって算出される請求項８に記載の基板処理方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、基板に対して熱処理を行う基板処理装置及び方法に係り、さらに詳しくは、基板の温度を低温下でも正確に測定することのできる基板処理装置及び方法に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体素子は、通常、イオン注入、薄膜の蒸着、熱処理などの単位工程を数回繰り返し行うことによって製作される。中でも、熱処理工程は、基板の熱酸化、注入されたイオンの熱拡散及び各種のアニーリング工程に適用される。具体的に、前記熱処理工程の例としては、不純物イオンを注入した後の結晶性修復のアニーリング、アルミニウム（Ａｌ）及びシリコン（Ｓｉ）の接触特性とシリコン（Ｓｉ）及びシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）の界面特性の向上のためのアニーリング、シリサイドの形成のための焼結などが挙げられる。

【0003】

このような熱処理工程を行う熱処理装置としては、ファーネス及び急速熱処理（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓ；ＲＴＰ）装置が挙げられる。特に、急速熱処理装置は、高温を用いて所望の効果を得ると共に、短時間（普通、数十秒から数分）内に熱処理工程が行われるので不純物が発生される副作用も最小限に留めることができるというメリットがあることから、熱処理工程に幅広く用いられている。

【0004】

熱処理装置は、タングステンハロゲンランプ（０．８μｍ〜４μｍ）などの加熱ランプを用いてシリコン基板に熱を供給し、このとき、基板の温度（エネルギー状態）をパイロメータを用いて測定し、測定された値が加熱制御器からフィードバックされて加熱ランプを制御する装置である。

【0005】

図１は、低温熱処理装置について説明するための概略図である。図１に示すように、工程チャンバ１０内のエッジリング３０などの基板支持部に基板２０が載置された状態で多数の加熱ランプ６１を用いて熱処理を行い、基板２０の温度は長波長帯域を測定するパイロメータ４０を用いて非接触方式によって測定する。以下において、パイロメータとは、５μｍ〜１５μｍの長波長帯域の輻射エネルギーを測定して温度に変換する装置のことをいう。

【0006】

この理由から、パイロメータ４０は、基板２０から放出された５００℃以下の低温である５μｍ〜１５μｍの長波長の輻射エネルギーをレンズ４１を用いて集光して、黒体輻射温度関係に基づいて基板の温度を非接触方式によって算出することができる。パイロメータ４０において算出された温度は、加熱制御器５０を介して加熱部６０にフィードバックされて多数の加熱ランプ６１に対する温度制御が行われる。

【0007】

一方、急速熱処理装置のパイロメータ４０は、０．９μｍ〜１．１μｍの波長帯を用いて温度を測定し、その測定領域は約４５０℃〜１２５０℃である。ところが、０．９μｍ〜１．１μｍの波長帯を用いるパイロメータにおいて測定する基板の透光度は、基板の温度に依存する特性を有する。例えば、２５℃（常温）における基板の透光度は約０．６であり、５００℃以上においては０（不透明）の透光度を有する。

【0008】

すなわち、シリコン材質の基板は５００℃未満において光を透過する特性があり、これによって、基板の温度が５００℃未満である場合、加熱ランプの光の一部が基板を透過することになる。このため、基板の温度が５００℃未満である場合、加熱ランプの光の一部が基板を透過してしまってパイロメータが正確な基板のみの温度を測定することができず、その結果、温度測定エラーが生じる。すなわち、基板の温度が５００℃未満である場合には、基板それ自体から発生される波長だけではなく、基板を通過する加熱ランプの光波長がパイロメータにおいて加算されて測定される。この理由から、現在の熱処理装置の場合、５００℃未満においては基板の正確な温度を測定することができないため低温急速熱処理工程を行うことができない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】大韓民国公開特許１０−２０１０−００６４４８６

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

本発明の技術的課題は、基板処理装置において基板の温度を正確に測定することである。特に、低温状態の基板の温度を測定するに当たって誤差が発生しないようにすることである。また、本発明の技術的課題は、測定される温度をフィードバックして加熱ランプに対して放射する輻射エネルギーの量をリアルタイムにて制御することである。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明の実施形態は、基板処理空間を有する工程チャンバと、輻射エネルギーを発生させる複数の加熱ランプを内部に収納した加熱ハウジングと、前記加熱ハウジングと工程チャンバとの間において工程チャンバの気密を維持させ、前記輻射エネルギーが基板に伝わるように透過させるウィンドウと、前記工程チャンバ内の基板から発生される波長を測定して基板測定エネルギーに変換する第１のパイロメータと、前記ウィンドウから発生される波長を測定してウィンドウ測定エネルギーに変換する第２のパイロメータと、前記基板測定エネルギーでウィンドウ測定エネルギーを補償処理して基板自体の温度である基板自体温度を算出し、算出した基板自体温度を用いて前記加熱ランプを制御する加熱制御器と、を備える。

【0012】

また、前記工程チャンバは、前記加熱ハウジングに向かい合う個所の基板処理空間の内部に基板を載置するエッジリングと、前記エッジリングを前記工程チャンバの基板処理空間の内部に支持し、前記エッジリングを回転させる基板支持部と、を備える。

【0013】

さらに、前記第１のパイロメータ及び第２のパイロメータは、４μｍを超える波長を検出するパイロメータであり、前記第１のパイロメータ及び第２のパイロメータは、向かい合う個所に対で配置される。

【0014】

さらに、前記加熱制御器は、前記基板測定エネルギーからウィンドウ測定エネルギーを差し引いて基板自体エネルギーを算出した後、基板自体エネルギーから基板自体温度を算出する。

【0015】

また、本発明の実施形態は、加熱ランプによって熱処理される基板から発生される波長を検出して基板測定エネルギーに変換する過程と、前記加熱ランプのエネルギーを透過させるウィンドウの一部の面から発生される波長を検出してウィンドウ測定エネルギーに変換する過程と、前記基板測定エネルギーからウィンドウ測定エネルギーを差し引いて基板自体の温度である基板自体温度を算出する過程と、算出した基板自体温度を用いて前記加熱ランプを制御する過程と、を含む。

【0016】

さらに、波長のエネルギーへの変換は、エネルギーをＥ、波長をλ、プランク定数をｈ、且つ、光速をｃとしたとき、Ｅ＝（ｈｃ）／λによって行われる。

【0017】

さらに、前記基板自体温度を算出する過程は、前記基板測定エネルギーからウィンドウ測定エネルギーを差し引いて基板自体エネルギーを算出した後、基板自体エネルギーから基板自体温度を算出することによって行われる。

【0018】

さらに、基板測定エネルギーをＥ_ＴＯＴ、ウィンドウ測定エネルギーをＥ_ＷＤ、基板自体エネルギーをＥ_Ｗ、ウィンドウ透過率をτ_ＷＤ、基板の放射率をε_Ｗとしたとき、基板自体エネルギーＥ_Ｗ＝（Ｅ_ＴＯＴ−τ_ＷＤ×Ｅ_ＷＤ）／ε_Ｗによって算出される。

【発明の効果】

【0019】

本発明の実施形態によれば、基板の温度を測定する第１のパイロメータ及びウィンドウ温度を測定する第２のパイロメータを設けて測定された値を補償処理することによって、基板の温度を正確に測定することができる。特に、低温状態の基板である場合、加熱ランプの輻射エネルギーが基板を透過しなくても誤差のない基板の温度を測定することができる。また、本発明の実施形態によれば、低温状態で基板の温度を正確に測定することができるので、低温で基板を熱処理することができる。その結果、温度とは無関係に様々な基板処理工程に適用することができて素子の製造コストの競争力が高くなる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】図１は、熱処理装置について説明するための概略図である。

【図2】図２は、本発明の実施形態に係る加熱ハウジング及び工程チャンバを備えて熱処理を行う基板処理装置の分解斜視図である。

【図3】図３は、本発明の実施形態に係る、加熱ハウジング及び工程チャンバを備える熱処理装置における温度測定及び加熱処理について説明するための機能ブロック図である。

【図4】図４は、ウィンドウそれ自体から発生されるエネルギーの波長及び基板それ自体から発生されるエネルギーの波長の概念を示す図である。

【図5】図５は、波長帯域別の透過率を示すグラフである。

【図6】図６は、本発明の実施形態によって複数の対で配設されたパイロメータを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、添付図面に基づき、本発明の好適な実施形態についてより詳細に詳述する。しかしながら、本発明は以下に開示される実施形態に限定されるものではなく、異なる様々な形態に具体化可能であり、単に、これらの実施形態は、本発明の開示を完全たるものにし、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者に発明の範囲を完全に知らせるために提供されるものである。なお、図中、同じ符号は同じ構成要素を示す。

【0022】

以下において、基板とは、光の一部または全部が透過される材質を有するあらゆる対象体のことをいう。例えば、シリコン材質のウェーハ、ポリ材質のプラスチックなど光の一部または全部を透過させる様々な材質が基板の材質として使用可能である。

【0023】

図２は、本発明の実施形態に係る加熱ハウジング及び工程チャンバを備えて熱処理を行う基板処理装置の分解斜視図であり、図３は、本発明の実施形態に係る、加熱ハウジング及び工程チャンバを備える熱処理装置における温度測定及び加熱処理について説明するための機能ブロック図である。

【0024】

熱処理装置は、加熱ランプなどから放出されたエネルギーで基板を直接的に加熱して基板の温度を速やかに高める。

【0025】

熱処理装置は、基板処理空間を有する工程チャンバ２００と、輻射エネルギーを発生させる複数の加熱ランプを備える加熱ハウジング１００と、前記加熱ハウジングと工程チャンバとの間において工程チャンバの気密を維持させ、前記輻射エネルギーが基板に伝わるように透過させるウィンドウ３００と、工程チャンバ内の基板から発生される波長を測定して基板測定エネルギーに変換する第１のパイロメータ５００と、ウィンドウから発生される波長を測定してウィンドウ測定エネルギーに変換する第２のパイロメータ６００と、基板測定エネルギーでウィンドウ測定エネルギーを補償処理して基板自体の温度である基板自体温度を算出し、算出した基板自体温度を用いて前記加熱ランプをフィードバック制御する加熱制御器４００と、を備える。なお、図示はしないが、前記熱処理装置は、前記工程チャンバ２００の内部の圧力を調節する圧力調節部をさらに備えるが、これを用いて工程チャンバ２００を高真空にする。

【0026】

加熱ハウジング１００は、輻射エネルギーを発生させる複数の加熱ランプ１１０を内部に収納する。前記輻射エネルギーは、加熱ランプ１１０から発生される光状のものであり、加熱ランプ１１０から発生される輻射熱の輻射エネルギーによって基板が加熱される。加熱ハウジング１００には、第２のパイロメータ６００の集光レンズ６０１（以下、「第２の集光レンズ」と称する。）に光の波長を伝える光通路６０２（以下、「第２の光通路」と称する。）が貫設されている。このため、加熱ハウジング１００の第２の光通路６０２の先端には第２のパイロメータ６００の第２の集光レンズ６０１が配設されて、加熱ハウジング１００を貫通して放射される光の波長を測定する。

【0027】

加熱ランプ１１０はバルブ状または線形状のものであり、放射状の多数のゾーンに配列される。前記加熱ランプ１１０はタングステンハロゲンランプまたはアークランプとして実現されて、近赤外線の形でエネルギーを放射する。加熱ランプ１１０はその内部が空いている管状に製作され、ハロゲンタングステンランプとして実現される場合、その内部には輻射エネルギーを発生させるフィラメントが配設される。ランプ胴体はガラスまたはクォーツを用いて製作することによって、輻射熱の輻射エネルギーを損失なしに透過させることが好ましい。なお、前記加熱ランプの内部には不活性ガス（例えば、アルゴン）が充填されることが効果的である。

【0028】

工程チャンバ２００は、基板処理空間である内部空間を有するが、基板処理空間の内部に基板が載置される。工程チャンバ２００は、内部が空いている円形状や四角筒状に製作されるが、これに限定されるものではなく、様々な筒状に製作可能である。すなわち、工程チャンバ２００は、円形状または多角形状に製作可能である。また、工程チャンバ２００の一方の面及び他方の面のそれぞれには基板の出入りのための基板出入りゲート２１１が設けられ、いずれか一つの基板出入りゲート２１１は搬送モジュール（図示せず）と接続される。

【0029】

工程チャンバ２００は、エッジリング２２２などの基板を支持する基板支持部２２０と、基板支持部２２０を支持する基台部２３０と、基板支持部を囲繞するプロセスキット２１０と、を備える。

【0030】

基板支持部２２０の内部には、垂直方向に移動する複数のリフトピン２２１と、基板が載置されるエッジリング２２２が配設される。エッジリング２２２は、基板処理空間の内部における加熱ハウジング１００に向かい合う個所に基板を載置する載置手段である。基板を均一に熱処理するために、基板が基板支持部２２０によって支持されて駆動モータによって回転されるようにする。基板支持部２２０の周縁にプロセスキット２１０が配設される。これによって、熱処理工程を行うとき、プロセスキット２１０の内部に基板支持部が位置し、基板支持部２２０の回転によってエッジリング２２２に載置された基板が所定の速度で回転される。加えて、基板支持部は、エッジリングによって支持されることなく、ピンまたはホルダーなどの支持体によって支持されて様々な支持形態を有する。なお、基板支持部は、基板を回転させずに固定載置する構造物の形を有していてもよい。

【0031】

基板支持部２２０には、第１のパイロメータ５００の集光レンズ５０１（以下、「第１の集光レンズ」と称する。）に光の波長を伝える通路である光通路５０２（以下、「第１の光通路」と称する。）が貫設されている。このため、基板支持部２２０の第１の光通路５０２の先端には第１のパイロメータ５００の第１の集光レンズ５０１が配設されて、基板支持部２２０を貫通して放射される光の波長を測定することができる。
基台部２３０は、基板支持部２２０を支持するハウジングである。基板支持部を支持するシャフト（図示せず）が基台部２３０を貫通して外部モータ（図示せず）の駆動によって回転され、これによって、基板支持部２２０が回転される。

【0032】

プロセスキット２１０は、基板支持部２２０の周縁を囲繞する石英シリンダ２１２と、プロセスキットの一方の面及び／又は他方の面のそれぞれに設けられて基板の出入りを行う基板出入りゲート２１１と、を備え、いずれか一つの基板出入りゲート２１１は基板搬送モジュール（図示せず）と接続される。プロセスキット２１０の基板の出入りゲート２１１を介して基板Ｗが装入されて基板支持部２２０のエッジリング２２２に置かれる。参考までに、基板がプロセスキットの内部に装入される場合には、リフトピン２２１が上昇された状態で基板が搬入されてリフトピン２２１に置かれ、リフトピン２２１の下降によって基板がエッジリング２２２に置かれる。逆に、基板が搬出される場合には、リフトピン２２１が上昇してエッジリング２２２から基板を上昇させた後、基板出入りゲート２２１を介して基板を外部に搬出する。

【0033】

加熱ハウジング１００とプロセスキット２１０との間にはウィンドウ３００が配設されて、加熱ランプから放射される熱エネルギーを透過させて基板に伝える。ウィンドウ３００は、加熱ハウジング１００とプロセスキット２１０との間において気密を維持させるが、加熱ハウジング１００とプロセスキット２１０との間を遮断して外部環境（ガス、汚染物質）から工程チャンバを保護する。また、ウィンドウ３００は加熱ランプ１１０を保護し、加熱ランプから発生される熱によって発生する副産物が工程チャンバの内部の基板処理空間に配設された基板に落下することを防ぐ。ウィンドウ３００として透過性のクォーツを用いることが効果的である。しかしながら、クォーツウィンドウに加えて、透光性を有する様々な材質が使用可能であるということはいうまでもない。

【0034】

加熱制御器４００は、第１のパイロメータ５００及び第２のパイロメータ６００において算出された温度を用いて加熱ランプ１１０をフィードバック制御する。

【0035】

一方、ウィンドウは、加熱ランプの０．２μｍ〜４μｍの波長帯域の輻射エネルギーを透過させて下部の基板に放射し、且つ、０．２μｍ以下または４μｍ超えの波長帯域を吸収してウィンドウそれ自体が加熱され、加熱された自体エネルギーを基板の下部及び上部に放射する。図４は、ウィンドウそれ自体から発生されるエネルギーの波長及び基板それ自体から発生されるエネルギーの波長の概念を示す図であり、図５と結び付けて説明する。

【0036】

ウィンドウの材質の特性によって、図５に示すように、ウィンドウは、０．２μｍ〜４μｍの波長帯域において７０％以上の透過率を有する。このため、このような０．２μｍ〜４μｍの波長帯域のほとんどはウィンドウを透過して基板に熱源として働く。しかしながら、０．２μｍ以下または４μｍ超えの波長帯域はウィンドウ３００において遮断されて吸収される。このため、図４に示すように、２μｍ以下または４μｍ超えの波長を吸収するウィンドウ３００はエネルギーを得、このような吸収されたエネルギーによってウィンドウの天面及び底面において遠赤外線の形態の波長１ａ、１ｂが発生される。

【0037】

このため、ウィンドウ３００の底面からは、加熱ランプから発生されてウィンドウを透過する０．２μｍ〜４μｍの波長状の輻射エネルギー（図示せず）（以下、ウィンドウ底面透過エネルギーと称する。）及び加熱ランプから発生される０．２μｍ以下または４μｍ超えの波長によって加熱されたウィンドウそれ自体から発生される波長状のエネルギー１ｂ（以下、ウィンドウ底面自体エネルギーと称する。）が一緒に放射される。なお、ウィンドウ３００の天面からは、加熱ランプから発生される０．２μｍ以下または４μｍ超えの波長によって加熱されたウィンドウそれ自体から発生される波長状のエネルギー１ａ（以下、ウィンドウ天面自体エネルギーと称する。）が放射される。ウィンドウ底面自体エネルギー１ｂ及びウィンドウ天面自体エネルギー１ａは、ウィンドウから上部及び下部に発生されるエネルギーであるため、同じ大きさを有する。

【0038】

また、基板は、ウィンドウを透過する０．２μｍ〜４μｍの波長状の輻射エネルギー（ウィンドウ底面透過エネルギー）によって加熱されるが、このような加熱によってエネルギー波長２を自体的に放射する。

【0039】

一方、基板は、５００℃未満において光の一部を透過させる特性を有し、これによって、基板の温度が５００℃未満である場合、加熱ランプの輻射エネルギーの一部が基板を透過することになる。このため、基板の温度が５００℃未満である場合、加熱ランプの輻射エネルギーが基板を透過し、基板の温度を測定する第１のパイロメータが基板のみの温度を正確に測定することができず、その結果、温度測定エラーが生じる。すなわち、基板の温度が５００℃未満である場合には、基板それ自体から発生される波長だけではなく、基板を通過する加熱ランプの光波長がパイロメータにおいて加算されて測定される。この理由から、従来には、５００℃未満においては基板の正確な温度を測定することができず、低温熱処理工程を行うことができない。

【0040】

このような問題を解消するために、本発明の実施形態は、基板が載置されるエッジリングを支持する基板支持部２２０の内部を貫通する多数の第１のパイロメータ５００を備える。第１のパイロメータ５００は、基板支持部２２０の第１の光通路５０２の先端に配設され、基板下面に対する波長測定を行うことができる。

【0041】

第１のパイロメータ５００は、工程チャンバ内において熱処理される基板から放射される４μｍ以上の波長を測定して基板測定エネルギーを算出する。参考までに、パイロメータは波長を測定する装置であり、パイロメータは光感知部及び光源を備える。光感知部には基板から放出される輻射光と、光源から基板に照射されて基板から反射される反射光が入射され、光感知部は光の放出強度及び輻射率を用いて波長を測定する。パイロメータにおいて測定された波長はエネルギーに変換されるが、波長のエネルギーへの変換は、周知の如く、エネルギーをＥ、波長をλ、プランク定数をｈ、且つ、光速をｃとしたとき、Ｅ＝（ｈｃ）／λによって行われる。

【0042】

このため、工程チャンバ内において熱処理される基板から発生される波長を測定して基板測定エネルギーに変換することができる。前記式において、エネルギー及び波長は互いに反比例する。また、参考までに、プランク定数ｈの値は６．６２６＊１０^−３４［Ｊ／Ｓ］であり、光速定数ｃの値は３＊１０^８［ｍ／ｓ］である。さらに、第１のパイロメータ５００の一方の端に第１の集光レンズ５０１が配設されて基板支持部２２０の第１の光通路５０２を貫通する光を集光する。なお、第１のパイロメータ５００と同様に、後述する第２のパイロメータ６００にも第２の集光レンズ６０１が配設されて波長が第２のパイロメータに集光されて伝わる。

【0043】

５００℃未満の低温の基板である場合、加熱ランプの輻射エネルギーの波長の一部が基板を透過して第１のパイロメータ５００に伝わるが、第１のパイロメータ５００は、このような加熱ランプの輻射エネルギーを検出しないように、４μｍを超える波長帯域を検出するパイロメータとして実現される。上述したように、ウィンドウは、その材質がクォーツであるため、０．２μｍ〜４μｍ帯域の波長を７０％以上透過させて所定の部分を吸収し、０．２μｍ未満または４μｍ超えの波長はほとんど吸収して一部は透過させる特性を有する。このため、加熱ランプから放射される輻射エネルギーのうち０．２μｍ未満または４μｍ超えの波長はほとんどウィンドウに吸収されて基板に伝わらない。

【0044】

このため、第１のパイロメータは、加熱ランプからの４μｍ超えの波長は検出しない。したがって、第１のパイロメータは基板を透過する加熱ランプの輻射エネルギーに影響を受けることなく、基板それ自体から発生される４μｍを超える波長のみを検出することができる。

【0045】

一方、図４に示すように、基板の下部に置かれた第１のパイロメータ５００において検出される４μｍ超えの波長は、基板それ自体の温度によって発生される４μｍ超えの波長２に、ウィンドウから発生されるウィンドウ底面自体エネルギーの波長１ｂが加算された値である。ウィンドウは、０．２μｍ未満や４μｍ超えの加熱ランプの輻射エネルギー波長を吸収して昇温されて、自体的にエネルギー波長１ａ、１ｂをウィンドウの天面及び底面から発生させる。ところが、５００℃未満の基板である場合、ウィンドウ底面自体エネルギーの波長１ｂが基板２０を透過して第１のパイロメータに伝わる。このため、第１のパイロメータ５００において測定される４μｍ超えの波長は、基板それ自体から発生されるエネルギーの波長であるとはいえない。すなわち、４μｍ超えの波長を測定する第１のパイロメータは、基板の自体エネルギー波長２と、基板を通過したウィンドウ底面自体エネルギー１ｂを合算したエネルギーを基板測定エネルギーとして測定し、これに基づいて温度を算出するため、基板それ自体の温度を算出することができなくなる。

【0046】

本発明の実施形態は、このような問題を解消するために、ウィンドウそれ自体から発生されるエネルギーの４μｍ超えの波長を測定してウィンドウ測定エネルギーに変換する第２のパイロメータ６００を備える。また、これを用いてエネルギーを補償することによって、基板の温度を正確に測定することができる。第２のパイロメータ６００は、４μｍ超えの波長を検出する。第２のパイロメータはウィンドウの上部に配設されてウィンドウの天面から発生される４μｍ超えの波長エネルギー１ａを測定するが、第１のパイロメータ５００と同様に、光感知部及び光源を備える。このため、光感知部には基板から放出される輻射光と、光源から基板に照射されて基板から反射される反射光が入射され、光感知部は光の放出強度及び輻射率を用いて波長を測定する。

【0047】

加熱制御器４００は、基板測定エネルギー１ｂ、２でウィンドウ測定エネルギーを補償処理して基板自体の温度である基板自体温度を算出し、算出した基板自体温度を用いて前記加熱ランプをフィードバック制御する。すなわち、第１のパイロメータ５００において測定された基板測定エネルギー１ｂ、２から、ウィンドウの上部に配設された第２のパイロメータ６００において測定されたウィンドウ測定エネルギーであるウィンドウ天面自体エネルギー１ａを差し引いて基板自体の温度である基板自体温度を算出する。

【0048】

基板測定エネルギーからウィンドウ測定エネルギーを差し引いて基板自体エネルギーを得、このようにして得られた基板自体エネルギーを用いて基板自体温度を算出することができる。基板自体エネルギーは、基板測定エネルギーをＥ_ＴＯＴ、ウィンドウ測定エネルギーをＥ_ＷＤ、基板自体エネルギーをＥ_Ｗ、ウィンドウ透過率をτ_ＷＤ、基板の放射率をε_Ｗとしたとき、基板自体エネルギーＥ_Ｗ＝（Ｅ_ＴＯＴ−τ_ＷＤ×Ｅ_ＷＤ）／ε_Ｗによって算出される。

【0049】

基板自体エネルギーが算出されると、基板自体温度を算出することができるが、前記基板自体温度は、基板自体エネルギーをＥ_Ｗ、基板自体温度をＴ、モル数をｎ、気体定数をＲとしたとき、前記基板自体温度Ｔ＝（２×Ｅ_Ｗ）÷（３×ｎ×Ｒ）によって算出される下記式３によって算出される。

【0050】

このようにして算出された基板自体温度は、ウィンドウから伝わって基板を透過するエネルギーを除く基板自体のみのエネルギーによる温度となる。加熱制御器４００は、算出された基板自体温度を用いて加熱ランプをフォードバック制御して、所望の基板温度を維持するための加熱ランプの発光エネルギー量をフィードバック調節することができる。

【0051】

一方、前記第１のパイロメータ及び第２のパイロメータはそれぞれ単数配設されて波長を測定することができるが、図６に示すように、複数のパイロメータが配設されてもよい。第１のパイロメータ５００ａ、５００ｂ、５００ｃ、５００ｄは複数配設されて、基板の複数の個所から発生される波長を測定し、同様に、第２のパイロメータ６００ａ、６００ｂ、６００ｃ、６００ｄは複数配設されてウィンドウの天面の複数個所から発生される波長を測定する。複数の第１のパイロメータ５００ａ、５００ｂ、５００ｃ、５００ｄまたは複数の第２のパイロメータ６００ａ、６００ｂ、６００ｃ、６００ｄは、測定された波長の平均値を用いて基板測定エネルギーまたはウィンドウ測定エネルギーを測定する。平均値を用いることによって、局部的な値ではなく、正確な値の測定が可能になる。

【0052】

複数の第１のパイロメータ及び第２のパイロメータを用いるとき、第１のパイロメータ及び第２のパイロメータは向かい合う個所に（５００ａ、６００ａ）、（５００ｂ、６００ｂ）、（５００ｃ、６００ｃ）、（６００ｄ、６００ｄ）といったように対をなして設けられる。第１のパイロメータ及び第２のパイロメータが向かい合う個所に配設されることによって、基板自体エネルギーを正確に測定することができる。第１のパイロメータ及び第２のパイロメータが向かい合う個所に配設されることなく、異なる個所の波長を測定すると、各個所において測定される基板測定エネルギーまたはウィンドウ測定エネルギー間の連関性が低下するためである。

【0053】

一方、以上、工程チャンバの上部に加熱ランプが配設されて工程チャンバ内の基板を加熱して基板の温度を測定する例について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、加熱ランプ及び第１のパイロメータが向かい合う構造を有する様々な実施形態が採用可能である。例えば、工程チャンバが上部に配設され、且つ、下部に加熱ランプが配設されて上部に配設された基板を加熱する構造を有していてもよく、この場合、基板の温度を測定する第１のパイロメータ及び加熱ランプは向かい合わせてもよい。

【0054】

以上、本発明について添付図面及び上述した好適な実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらに何ら限定されるものではなく、後述する特許請求の範囲によって限定される。よって、この技術分野における通常の知識を有する者であれば、後述する特許請求の範囲の技術的思想から逸脱しない範囲内において本発明を種々に変形及び修正することができる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】