基板の温度を決定する方法および装置
【課題】本発明は、基板に対する光学的および／または機械的な接触を必要としない、処理中の基板温度の精度の高い決定方法を提供する。
【解決手段】特定の壁温度を有する少なくとも１つの壁によって囲まれるガス流路を提供するステップと、基板の表面と少なくとも１つの壁との間に隙間ができるように、少なくとも１つの壁に隣接する前記ガス流路に基板を提供するステップと、前記隙間を少なくとも部分的に通って延在するガス流に、前記ガス流路を介して特定の質量流量を提供するステップと、ガス流路に沿ったガス流の圧力低下を判断するステップと、前記質量流量における、ガス流路に沿った圧力低下と壁温度と基板の温度との間の所定の関係を利用して、前記圧力低下から前記基板の温度を得るステップと、を含む基板温度の決定方法が開示される。さらに、開示される方法を実施する装置が開示される。
【解決手段】特定の壁温度を有する少なくとも１つの壁によって囲まれるガス流路を提供するステップと、基板の表面と少なくとも１つの壁との間に隙間ができるように、少なくとも１つの壁に隣接する前記ガス流路に基板を提供するステップと、前記隙間を少なくとも部分的に通って延在するガス流に、前記ガス流路を介して特定の質量流量を提供するステップと、ガス流路に沿ったガス流の圧力低下を判断するステップと、前記質量流量における、ガス流路に沿った圧力低下と壁温度と基板の温度との間の所定の関係を利用して、前記圧力低下から前記基板の温度を得るステップと、を含む基板温度の決定方法が開示される。さらに、開示される方法を実施する装置が開示される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板処理の分野に関し、特に、処理中の基板の温度を決定する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの技術分野において、基板には、様々な物理的および化学的処理が施される。したがって、処理中の基板の温度は、極めて重要となり得るが、同時に、従来の方法を用いて基板の温度を測定するのは困難であり、実際には不可能である。
【０００３】
この問題の良い例は、半導体処理の分野に見ることができ、オランダのビルトホーフェン（Ｂｉｌｔｈｏｖｅｎ）のＡＳＭインターナショナルＮ．Ｖ．（ＡＳＭ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｎ．Ｖ．）によってＬｅｖｉｔｏｒ（登録商標）の登録商標で販売される「フローティングウェハ反応炉（ｆｌｏａｔｉｎｇ ｗａｆｅｒ ｒｅａｃｔｏｒ）」内でウェハを加熱することもできる（例えば、特許文献１を参照）。フローティングウェハ反応炉では、基板が、基板に平行な本質的に平坦な炉体の間で１枚ずつ連続的に搬送され、その後、炉体が互いの方向に移動して、ウェハから２ｍｍ以下離れた短い距離に配置される。ウェハは、ウェハの上面および下面に近接する炉体の多数の流路から発生するガス流によって機械的接触なしで支持される。フローティングウェハ反応炉を使用して、ウェハを、いわゆるスパイクアニール処理にかけることもできる。したがって、挿入されたウェハは、秒のオーダの相対的に短時間のアニール時間の間保持される特定の温度まで急速に加熱される。ウェハの急速な加熱は、物理的には、高温の炉体から（相対的に）低温のウェハに向かう双方の間の狭い隙間のガスを介する熱伝導で主に説明される。ウェハの加熱は急速に行われるが、反応炉内のウェハの滞留時間は、ウェハが最終的な温度に達するために必要な時間より短くてもよい。プロセスを通して良好な制御を行いその再現性を向上させるためには、処理中のウェハの実際の温度をモニタすることができることが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６，１８３，５６５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の方法の温度測定には問題がある。例えば、高温測定法の（ｐｙｒｏｍｅｔｒｉｃ）温度測定は、ウェハに光学的にアクセスする必要がある。このような光学的アクセスは、出願人によって現在製造されている反応炉では使用することができないが、この仕組みを設けるとすれば、装置の熱設計を阻害することになるであろう。さらに、高温測定法の温度測定は、基板の反射率に強く依存しており、例えば、温度依存性による反射率のいかなる変化も補償するための複雑なアルゴリズムが必要となる。一方、熱電対を使用する従来の温度測定には処理中のウェハに熱電対を機械的に接触させる必要があり、これはシステムの基本的原理に反する。Ｌｅｖｉｔｏｒ反応炉では、ウェハの支持を完全に担うのは、ウェハを均一に加熱するだけでなくウェハを支持して位置決めも行うガス流である。したがって、ガス流の流れのパターンがＬｅｖｉｔｏｒ反応炉の動作にとって極めて重要であるが、ガスの支持体の中の温度測定用の機械部品は、前記パターンを乱して変化させる可能性がある。
【０００６】
したがって、本発明は、基板に対する光学的および／または機械的な接触を必要としない、処理中の基板温度の精度の高い決定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的を達成するために、特定の壁温度を有する少なくとも１つの壁によって囲まれるガス流路を提供するステップと、基板の表面と少なくとも１つの壁との間に隙間ができるように、少なくとも１つの壁に隣接する前記ガス流路に基板を提供するステップとを含む、基板温度の決定方法が開示される。この方法は、前記隙間を少なくとも部分的に通って延在するガス流に、前記ガス流路を介して特定の質量流量を提供するステップをさらに含む。この方法は、ガス流路に沿ったガス流の圧力低下を判断するステップと、前記質量流量における、ガス流路に沿った圧力低下と壁温度と基板の温度との間の所定の関係を利用して、前記圧力低下から前記基板の温度を得るステップとをさらに含む。
【０００８】
基板が配置されるガス流路を通る特定のガス流に対応する圧力差は、基板の温度に依存している。これは、少なくとも１つの流路の壁と基板とが、これらを隔てる狭い隙間に存在するガスを介する熱伝導による強い熱相互作用を有するという事実のためである。特に、熱は壁から基板へガスを介して移動することが可能であり、あるいはその逆も同様である。このような熱伝導の結果として、温度および密度などの狭い隙間内のガスの状態は、壁の温度だけでなく基板の温度にも関連している。ガス流路内のようにガス流が様々な方法で制限される場合、システムの様々な熱力学変数の間に関係が存在する。この関係を適用して、ガスの所与の流量においてガス流路に沿った圧力低下を基板の温度と関連付けるために使用することができるモデルを作ることもできる。「基板の温度」とは、基板表面の平均温度のことをさしてもよく、特に、半導体ウェハの場合のように基板が相対的に薄いおよび／または熱伝導率が高い場合は、基板の全体の温度に近似的に等しい。「質量流量」は、時間で割った単位質量または標準リットル毎分（ｓｌｍ）を有する時間当たりの質量の移動量を示すものである。
【０００９】
開示される方法の形態によれば、壁と基板の表面との間の隙間は、１ｍｍ未満、さらに好ましくは０．５ｍｍ以下の幅を有し、最も好ましくは約１５０μｍの幅を有する。
【００１０】
壁と基板の表面との間に流れるガスの隙間をはさんだ所与の温度差の場合には、隙間の幅が狭いほど温度勾配が大きくなる。したがって、温度勾配は壁と基板との間の熱流束を促進すると言えるので、隙間の幅が狭いと熱交換が促される。結果として、２つの主要な面を有し、基板の主要な面全体に亘って延在する実質的に平坦な高温の壁に隣接して平行に配置される、限定された厚さの低温の実質的に平坦な板状の基板は、壁の温度を急速に受け取る。
【００１１】
開示される方法の詳細によれば、ガス流は、実質的に一定の質量流量を有する。
【００１２】
ガス流の質量流量が一定期間に亘って実質的に一定に保たれる場合、その期間に発生する基板の表面の平均温度のどんな変化も、その変化にはガス流路に沿った圧力低下の変化がそのまま反映されるため、正確に都合よくモニタすることもできる。
【００１３】
開示される方法のさらに詳細によれば、基板の温度は、定期的に決定される。
【００１４】
基板の温度を定期的に決定することによって、温度値をモニタし、その値を使用してオペレータに基板の処理装置の状態を知らせ、および／または特定の基板温度に達すると装置の部品を制御させて必要に応じて措置を講じることができるようにすることができる。
【００１５】
本発明は、加熱手段または冷却手段を使用して特定の温度で保持することができる少なくとも１つの壁によって囲まれるガス流路であって、基板の表面と少なくとも１つの壁との間に狭い隙間が存在するように、少なくとも１つの壁に隣接して基板を収納するように構成されるガス流路を含む基板処理装置をさらに提供する。この装置は、前記ガス流路を通って特定の質量流量を有するガス流を供給するガス源をさらに含む。さらに、この装置は、基板が配置されるガス流路に沿ったガス流の圧力低下を測定するように構成される圧力センサ配置に接続される制御ユニットであって、前記質量流量における、ガス流路に沿った圧力低下と壁の温度と基板の温度との間の所定の関係を利用して、前記圧力低下測定から前記基板の温度を得るように構成される制御ユニットも含む。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、基板に対する光学的および／または機械的な接触を必要としないで、処理中の基板温度を高い精度で決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】フローティングウェハ反応炉を示す概略断面図である。
【図２】フローティングウェハ反応炉内にウェハが存在する場合の一定流量を有するガス流の圧力低下とウェハの温度との依存性を示す図である。
【図３Ａ】フローティングウェハ反応炉の較正手順における第１段階を示す図である。
【図３Ｂ】フローティングウェハ反応炉の較正手順における第１段階を示す図である。
【図３Ｃ】フローティングウェハ反応炉の較正手順における第１段階を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の前述および他の特徴および利点は、添付の図面と合わせて考えられる以下の詳細な説明に述べられており、あるいは詳細な説明から明らかである。
【００１９】
図１は、開示される方法を実施するために使用することもできるフローティングウェハ反応炉１の概略断面図を示す。以下に、まずフローティングウェハ反応炉１の動作が一般論として簡単に説明される。続いて、この装置でウェハ温度をガス流路に沿った圧力低下にどのように関連付けることができるかが示される。
【００２０】
フローティングウェハ反応炉１は、互いに対向する相対的に大型の２つの炉体２、２’であって、双方の間の空間に、ウェハ３などの２つの主要な面を有する限定された厚さの実質的に平坦な板状基板を受け入れるようになっている炉体２、２’を含む。炉体２、２’の表面は、実質的に平坦であり、板状の基板の主要な面全体に亘って炉体間の隙間の幅が本質的に一定になるように前記主要な面と実質的に平行に延在するのが好ましい。ウェハ３の上面および下面とそれぞれ隣接する炉体２、２’との間の距離は、使用時に、１ｍｍ未満であるのが好ましく、０．５ｍｍ未満であるのがさらに好ましく、典型的には約１５０μｍであるのが好ましい。質量流量Ｑで板に平行な方向にガスが間を流れる２つの平行な板の間の隙間をはさむ圧力差ΔＰは、以下のように隙間の幅ｇの３乗に反比例する。
ΔＰ〜Ｑ／ｇ３ [１]
【００２１】
この関係が意味するものは、ガスの質量流量が一定と仮定すると、隙間の幅を１／２に減少させることによって８倍大きい圧力差が測定されるということである。ΔＰを適切な精度で測定することで本発明の方法に従って得られる温度値が充分な精度を達成することができるように、隙間の幅ｇを選択することができる。
【００２２】
２つの炉体２、２’は全く同じであってもよいので、上方の炉体２のみについて以下に参照される番号を付す。ただし、上方の炉体２について説明される特徴は、特に明記しない限り、下方の炉体２’にも準用されることに留意すべきである。
【００２３】
炉体２には、多数の相互接続されるガス管４、４’などと連通するガス入口管５が装着される。これらのガス管４、４’は、ウェハ３の上面に面する炉体２の表面に出口６、６’などを有する。質量流量コントローラ８は、ガスの加圧源（図示せず）からガス入口管５にガスを供給する。そこから、ガスはガス管４，４’などを通って各管出口６、６’などに流れ、上方の炉体２とウェハ３との間の隙間内に放出される。同様に、ガスは、下方の炉体２’とウェハ３の下面との間の隙間にも供給される。したがって、炉体２、２’とウェハ３との間の隙間に供給されるガスは、ウェハが浮くようにウェハ３を支持する薄いガスのクッションとなる。ガス流を維持するため、これをガスの支持体にして、ガスは、炉体２、２’とウェハ３のそれぞれ面との間を半径方向外向きに外部空間７まで流れるままにする。外部空間７の圧力は、一般的に約１気圧で一定に保たれる。ウェハ反応炉１内の圧力のどんな変化量に対してもその大きさは有利に大きいので、この値は全く任意というわけではない。したがって、ガスの絶対圧力が考慮されるべき変数である場合、前記圧力変化はそれほど関与しない。
【００２４】
相対的に大型の炉体２、２’は、加熱手段（図示せず）によって炉体温度Ｔ炉体まで加熱される。基本的に、炉体２、２’は、熱フライホイールとして働く。炉体２、２’内のガス管４、４’などを通って流れるガスは、好ましくは２００℃を超える温度、典型的には３００℃から１１００℃の範囲の炉体温度まで加熱される。出口６、６’などを通って炉体２、２’を離れた後、加熱されたガスはウェハ３に接触する。ウェハ３は、炉体２、２’と同じ温度を有してもあるいは有しなくてもよい。ウェハ３が２つの炉体２、２’間に挿入された直後の場合、ウェハ３は炉体の温度とは異なる温度、通常はより低い温度を有する可能性が高い。その場合には、ウェハ３はウェハに接触するガス（すなわち、ガスの支持体）から熱を奪って熱くなり、ウェハ３が炉体の温度になると直ちにプロセスは停止する。炉体とウェハとの間の隙間は非常に狭く、典型的には０．１５ｍｍのため、隙間を通って伝導することによる熱輸送の程度は非常に高い。炉体は相対的に大きいので、ウェハを加熱するために炉体から奪われる熱は、炉体の温度にそれほど影響を及ぼさない。この機構によって、フローティングウェハ反応炉１を使用して、例えば、ウェハ３にスパイクアニール処理を施すこともできる。
【００２５】
質量流量コントローラ８は、入口管５、管４、４’など、および炉体２とウェハ３との間の隙間を通って外部空間７内に向かうガスの流れを制御する。全体として、ガス流の経路のこれらの別々の部分を単一のガス流路として考えることもできる。
【００２６】
制御ユニット１０を使用して、例えば、装置の流量設定を調整するために、質量流量コントローラ８を制御することもできる。さらに、制御ユニット１０は、１つ以上の圧力センサ９、９’を含む圧力センサ配置に接続されてもよい。圧力センサ９を使用して入口管５のＰ入口を測定することもでき、別の圧力センサ９’を使用して外部空間７のＰ外部を測定することもできる。圧力センサ９、９’は、大気圧に対する圧力を測定する差圧センサであるのが好ましい。代替の実施形態では、絶対圧力を測定する圧力センサを使用することもできる。これらの測定値から、制御ユニット１０は、ガス流路に沿った圧力低下を計算することもできる。あるいは、外部空間７のガス圧Ｐ外部は、一般的に大気圧に非常に近くほぼ一定であるため、Ｐ入口を測定する単一の圧力センサ９を使用してガス流路に沿った圧力低下、または少なくともその変化量を決定することもできる。センサの基準ポートが外部空間７に存在する圧力Ｐ外部を受けている場合には、単一の差圧センサ９を使用して流路に沿った絶対圧力低下を決定することができることに留意すべきである。さらに、炉体２の温度を測定する温度センサは制御ユニット１０に接続されてもよく、炉体２を加熱する加熱手段も制御ユニット１０の制御を受けてもよい。これによって炉体の温度がシステム変数である場合に特に関係がある炉体２の温度を制御ユニットに利用することができるようになる。炉体２の温度を測定する温度センサは、ウェハ３に対向する炉体２の表面に隣接して配置されるのが好ましい。
【００２７】
質量流量コントローラ８がガス流の一定の質量流量を維持するように設定され、相対的に低温のウェハ３が２つの炉体２、２’の間に導入されると、入口５の圧力Ｐ入口は、挿入されてから一定の時間増加し、その後安定することを確認できるのは大変興味深い。図２は、Ｐ入口または実際はＰ入口−Ｐ外部の時間の経過による変動を実際の測定データで示す。圧力は、例えば、毎秒１回または毎秒５回の割合で定期的に測定される。使用されるセンサは１ミリ秒の時間分解能を有し、毎秒１０００回の割合で測定可能である。アニールされるウェハは、ｔ＝８秒付近で炉体２、２’の間に挿入され、ｔ＝７４秒付近で再び取り出される。観察される変化は、Ｐ入口とウェハの存在およびその温度との間の関係を示し、以下でさらに詳細に説明することもできる。
【００２８】
再び図１を参照する。入口管５から外部空間７に延在するガス流路では、２つの部分を特定することもできる。すなわち、入口管５からガス管出口６、６’などまでの第１の部分、および出口６、６’などから外部空間７まで延在する隙間を範囲とする第２の部分である。ガス流路を通るガス流Ｑは、第１の部分にかけて圧力低下ΔＰ炉体を発生させ、第２の部分にかけて圧力低下ΔＰウェハを発生させる。入口部分５の長さに沿ったどんな圧力低下も、ΔＰ炉体の一部であると考えられる。炉体２全体の温度プロファイルはウェハ３の処理中実質的に一定であるので、ΔＰ炉体も一定である。しかしながら、ガス流路の第２の部分のガスの平均温度は、挿入されたウェハ３がその最終的な温度に到達しない限り、少なくともウェハを挿入してから最初のうち以外は一定ではない。ウェハ３が加熱される間、炉体２からウェハ３に双方の間の隙間に流れるガスを介して伝導することによって熱が伝達される。ガスはウェハに対向する炉体２の表面とウェハ３との間に限定されるので、平均ガス温度は、ウェハ温度と炉体温度との平均に近似的に等しくなる。炉体の温度は周知であり実質的に一定である。したがって、ウェハの温度が上昇すると、ウェハ３と炉体２との間の狭い隙間の平均ガス温度も上昇する。温度が上昇することによってガスは膨張し密度は減少する。温度が上昇することによる他の影響、例えば、ガスの粘性の変化を観察することもできるがそれほど大きいわけではない。
【００２９】
ガス流路の２つの部分を通る質量流量は、第２の部分のガスが温度上昇により膨張しても質量流量コントローラ８によって一定に保持されるので、ガス流路全体の圧力低下は進む。ガス流路に沿った圧力低下ΔＰ流路は、以下の関係で表すことができる。
ΔＰ流路＝Ｐ入口−Ｐ外部＝ΔＰ炉体＋ΔＰウェハ [２]
炉体全体の圧力低下ΔＰ炉体は、炉体全体の温度プロファイルがほぼ一定で質量流量が一定の場合実質的に一定であるため、ΔＰ流路に何か変化があればウェハに沿った圧力低下の変化ΔＰウェハを主として反映している。さらに、Ｐ外部は一般的に大気圧に非常に近いので、大気圧に対する差圧センサを使用してＰ入口を測定すれば充分である。
【００３０】
ここで理解するためのポイントは、ガス流路に沿った圧力低下ΔＰ流路はウェハに沿った変化する圧力低下ΔＰウェハに関連付けることもでき、ΔＰウェハの変化はガス流路の第２の部分のガスの平均温度の変化に関連付けることもできることである。第２の部分のガスの平均温度Ｔガス２は、ウェハ温度Ｔウェハと炉体温度Ｔ炉体との平均として以下のように近似的に定義することができる。
Ｔガス２＝（Ｔ炉体＋Ｔウェハ）／２ [３]
したがって、ガス流路に沿った圧力低下ΔＰ炉体と実際のウェハ温度Ｔウェハとの間には関係が存在する。この関係は、流体力学理論を用意した特定の装置、この場合はフローティングウェハ反応炉１に適用することによって理論的および／または計算的に求めることもでき、あるいは装置の較正から経験的に推論することもできる。ΔＰ炉体とＴウェハとの関係は、装置の正確な形状および他の特性に強く依存し得るので、実際は後者の方法が好ましい。したがって、装置の熱力学的性質を予測する理論的または計算的モデルは、ほとんど必然的に複雑で作成するのは簡単ではない。
【００３１】
特定の一定な質量流量におけるガス流路に沿った圧力低下ΔＰ流路と実際のウェハ温度Ｔウェハとの間の定量的関係を決定するための較正手順は、幾つかのステップを含んでもよい。ここで、図１に示される例示的なウェハ反応炉１に関してこれらのステップを説明する。説明される較正手順は、反応炉１の上方の炉体と下方の炉体との両方に適用することもできる。その場合、２つの関係が得られることになり、その一方は上方の炉体２の入口管５の圧力をウェハの温度に関連付けるのに対して、他方は下方の炉体の入口管のガス圧力をウェハ３の温度に関連付ける。このようにして、第１の温度値と本質的に一致するはずであり、検証用として使用可能な第２の温度値がここで得られるため、このような「２つの較正」は有利となり得る。２つの値が一致しない場合にはその設定に誤りが存在する。半導体ウェハのような板状の基板の場合には、ウェハの上面と下面との間の温度勾配は、全ての実際の状況において僅かである。以下に、分かり易くするため、ウェハの上方にある炉体２と下方にある炉体２’の温度は等しいと仮定し、上方の炉体２を基準とした観点から較正手順を説明する。
【００３２】
較正手順の第１段階は、ウェハに沿った圧力低下ΔＰウェハと流路の第２の部分のガスの平均温度Ｔガス２との間の関係を決定することである。方程式[２]によれば、ΔＰウェハはΔＰ流路からΔＰ炉体を引いたものに等しい。これらの後ろの項はともに別々に評価することができる。そのために、炉体の間にウェハが存在しない状態で様々な値のＴ炉体のときのΔＰ流路を測定することによって、まずΔＰ炉体とＴ炉体との間の関係を得ることもできる。このような状況では、炉体のガスは炉体の温度を受け取ってＴガス１＝Ｔ炉体となり、ガス流を妨げるウェハは無いことからΔＰウェハは事実上ゼロとなるため、ΔＰ流路はΔＰ炉体と等しくなる。広い範囲の温度領域が適切にカバーされるように、例えば、炉体の温度を５０℃または１００℃ずつ徐々に増加させながらΔＰ炉体の測定を行うのが好ましい。次に、ΔＰウェハとＴガス２との間の関係を決定することもできる。炉体２、２’の間にウェハが存在し、そのウェハ３が炉体の温度と等しい安定した温度を最終的に得るのに充分な時間だけ炉体の間に存在していた状況で、好ましくは以前に使用したのと同じ増加幅で様々な値のＴ炉体のときのΔＰ流路を測定することによってこれを行うこともできる。これらの条件下では、反応炉はＴ炉体＝Ｔガス１＝Ｔガス２＝Ｔウェハの関係によって定義される等温状態にある。Ｔガス２の関数としてのΔＰウェハを最終的に得るため、以下の数式に従って上で得られた２つの関係の減算を行うこともできる。
ΔＰウェハ（Ｔガス２）＝ΔＰ流路（Ｔガス１，Ｔガス２）−ΔＰ炉体（Ｔガス１） [４]
関数ΔＰウェハ（Ｔガス２）は、第２の部分に所与の温度Ｔガス２のガスが流入したときのウェハに沿った圧力低下ΔＰウェハを提供する。決定された関数ΔＰウェハ（Ｔガス２）は、前述の測定が実施されたときの質量流量においてのみ有効であることに留意すべきである。幾つかの異なる質量流量が較正される装置で使用される場合には、装置の全動作範囲について信頼性のあるモデルを得るために、各質量流量についてそれぞれのΔＰウェハ（Ｔガス２）を決定するのが好ましい。
【００３３】
較正手順の第１段階を図３Ａ〜図３Ｃにグラフで表すこともできる。図３Ａは、炉体の温度Ｔ炉体に対してプロットされた３組の一連のΔＰ炉体の測定値を示す。３組の連続する値は、３つの異なる質量流量、すなわち３、５および７標準リットル毎秒（ｓｌｍ）に対応している。測定値は、ウェハ３が炉体２、２’間に存在しない場合、したがってＴガス１、２がＴ炉体に等しい状態で取得された。関数ΔＰ炉体（Ｔ炉体）の一次近似を得るためにデータには直線が引かれている。測定データで示されるこの関係の近似線形性は、ほぼ一定の（絶対）圧力、例えば約１気圧においてガスの体積はその温度に比例することを述べる理想気体の法則から推測することができることに留意すべきである。さらに、一定の制約を通ったガス流から生じる圧力差は、ガスの体積流量に比例する。したがって、前記ガス流から生じる圧力差は、ガスの温度にほぼ比例する。図３Ｂは、炉体の温度Ｔ炉体に対してプロットされた、図３Ａの測定値に相当する３組の一連のΔＰ流路の測定値を示す。測定値は、ウェハが２つの炉体２、２'間に存在し、ウェハ３が炉体の温度に達するように充分な時間放置された後の等温状態のフローティングウェハ反応炉１において取得された。前述のように、ウェハに沿った圧力低下をガスの支持体の温度に関連付ける関数を得るため、方程式[４]に従って図３Ａのデータを図３Ｂのデータから引いてもよい。３つの各質量流量についてこの減算を行った結果として、ΔＰウェハ（Ｔガス２）が図３Ｃに示される。等温の定常状態条件ではＴガス２＝Ｔ炉体であるが、ガス流路にウェハを挿入してからしばらく後のウェハの加熱中はこの関係はもはや有効ではない。実際は、ΔＰウェハはＴガス２の関数であって、Ｔ炉体の関数ではない。
【００３４】
較正手順の第２段階では、ΔＰウェハ（Ｔガス２）の逆関数であるＴガス２（ΔＰウェハ）を決定することが必要となる。その導関数は、所与の質量流量における温度測定装置としての装置の感度の指標を形成する。逆関数は解析的に決定されてもよく、これは線形関係の場合には相対的に容易であるが、数値的／離散的決定で間に合わせることもできる。
【００３５】
最終的に、上で説明および決定された関係を、ガス流路に沿った圧力低下ΔＰ流路をガスの支持体の平均ガス温度Ｔガス２に量的に関連付ける単一の支配的な関係に統一することができる。そのために、方程式[３]を以下のように書き換えてもよい。
Ｔウェハ＝２Ｔガス２−Ｔ炉体 [５]
Ｔガス２のΔＰウェハに対する依存性は、較正手順（図３Ｃの逆関数）から周知であるので、以下の関係を得ることもできる。
Ｔウェハ＝２Ｔガス２（ΔＰウェハ）−Ｔ炉体
＝２Ｔガス２（ΔＰ流路−ΔＰ炉体）−Ｔ炉体 [６]
実際には、方程式[６]は、ΔＰ流路および他の周知の変数によってＴウェハを表している。なお、Ｔ炉体は、システム制御パラメータであり、ΔＰ炉体は、設定されたガスの質量流量Ｑおよび較正手順から分かるＴ炉体における定数である（図３Ａを参照）。したがって、方程式[６]は、ガス流路に沿ったガス流の圧力低下の測定値からウェハの温度を得るために使用することもできるモデルを示している。前記モデルは、制御ユニット１０（図１）で実施されてもよく、このユニットは装置のオペレータに現在のウェハの温度を知らせることもできる。あるいは、所定のウェハ温度に到達した場合に他の制御動作を開始するようにコントローラを構成することができる。例えば、所定のウェハ温度に到達した場合、炉体の間からウェハを抜き取ることができる。
【００３６】
本発明の適用は、基板がガスの支持体の上に浮いている状態に限定されないことに留意すべきである。例えば、基板が、処理ガス流が基板の少なくとも一方の面を通り過ぎる状態で機械的に支持される蒸着炉に適用されてもよい。あるいは、イオン注入装置またはスパッタ装置の場合のように、基板はサセプタ上に機械的に支持されこれに固定されてもよく、基板を冷却する目的でＨｅなどの高伝導性ガス流を基板とサセプタとの間に流すこともできる。これら例示的な適用ではいずれも、基板に沿ったガス流の有無は、基板が受ける処理の性質によるのが都合がよい。これらの場合には、本発明による方法の実施は、相対的に簡単であり、処理中の実際のウェハ温度の情報の取得は容易である。ガス流が本来存在しない状況では、必要に応じて供給すればよい。
【００３７】
本発明の範囲から逸脱することなしに前述のプロセスおよび装置に様々な省略、追加および改変を行うことができることは当業者であれば理解されるであろう。このような全ての改変および変更は、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲に含有されるものとする。
【符号の説明】
【００３８】
１ フローティングウェハ反応炉
２、２’ 炉体
３ ウェハ
４、４’ ガス管
５ ガス管入口
６、６’ ガス管出口
７ 外部空間
８ 質量流量コントローラ
９、９’ 圧力センサ
１０ 制御ユニット
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板処理の分野に関し、特に、処理中の基板の温度を決定する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの技術分野において、基板には、様々な物理的および化学的処理が施される。したがって、処理中の基板の温度は、極めて重要となり得るが、同時に、従来の方法を用いて基板の温度を測定するのは困難であり、実際には不可能である。
【０００３】
この問題の良い例は、半導体処理の分野に見ることができ、オランダのビルトホーフェン（Ｂｉｌｔｈｏｖｅｎ）のＡＳＭインターナショナルＮ．Ｖ．（ＡＳＭ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｎ．Ｖ．）によってＬｅｖｉｔｏｒ（登録商標）の登録商標で販売される「フローティングウェハ反応炉（ｆｌｏａｔｉｎｇ ｗａｆｅｒ ｒｅａｃｔｏｒ）」内でウェハを加熱することもできる（例えば、特許文献１を参照）。フローティングウェハ反応炉では、基板が、基板に平行な本質的に平坦な炉体の間で１枚ずつ連続的に搬送され、その後、炉体が互いの方向に移動して、ウェハから２ｍｍ以下離れた短い距離に配置される。ウェハは、ウェハの上面および下面に近接する炉体の多数の流路から発生するガス流によって機械的接触なしで支持される。フローティングウェハ反応炉を使用して、ウェハを、いわゆるスパイクアニール処理にかけることもできる。したがって、挿入されたウェハは、秒のオーダの相対的に短時間のアニール時間の間保持される特定の温度まで急速に加熱される。ウェハの急速な加熱は、物理的には、高温の炉体から（相対的に）低温のウェハに向かう双方の間の狭い隙間のガスを介する熱伝導で主に説明される。ウェハの加熱は急速に行われるが、反応炉内のウェハの滞留時間は、ウェハが最終的な温度に達するために必要な時間より短くてもよい。プロセスを通して良好な制御を行いその再現性を向上させるためには、処理中のウェハの実際の温度をモニタすることができることが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６，１８３，５６５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の方法の温度測定には問題がある。例えば、高温測定法の（ｐｙｒｏｍｅｔｒｉｃ）温度測定は、ウェハに光学的にアクセスする必要がある。このような光学的アクセスは、出願人によって現在製造されている反応炉では使用することができないが、この仕組みを設けるとすれば、装置の熱設計を阻害することになるであろう。さらに、高温測定法の温度測定は、基板の反射率に強く依存しており、例えば、温度依存性による反射率のいかなる変化も補償するための複雑なアルゴリズムが必要となる。一方、熱電対を使用する従来の温度測定には処理中のウェハに熱電対を機械的に接触させる必要があり、これはシステムの基本的原理に反する。Ｌｅｖｉｔｏｒ反応炉では、ウェハの支持を完全に担うのは、ウェハを均一に加熱するだけでなくウェハを支持して位置決めも行うガス流である。したがって、ガス流の流れのパターンがＬｅｖｉｔｏｒ反応炉の動作にとって極めて重要であるが、ガスの支持体の中の温度測定用の機械部品は、前記パターンを乱して変化させる可能性がある。
【０００６】
したがって、本発明は、基板に対する光学的および／または機械的な接触を必要としない、処理中の基板温度の精度の高い決定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的を達成するために、特定の壁温度を有する少なくとも１つの壁によって囲まれるガス流路を提供するステップと、基板の表面と少なくとも１つの壁との間に隙間ができるように、少なくとも１つの壁に隣接する前記ガス流路に基板を提供するステップとを含む、基板温度の決定方法が開示される。この方法は、前記隙間を少なくとも部分的に通って延在するガス流に、前記ガス流路を介して特定の質量流量を提供するステップをさらに含む。この方法は、ガス流路に沿ったガス流の圧力低下を判断するステップと、前記質量流量における、ガス流路に沿った圧力低下と壁温度と基板の温度との間の所定の関係を利用して、前記圧力低下から前記基板の温度を得るステップとをさらに含む。
【０００８】
基板が配置されるガス流路を通る特定のガス流に対応する圧力差は、基板の温度に依存している。これは、少なくとも１つの流路の壁と基板とが、これらを隔てる狭い隙間に存在するガスを介する熱伝導による強い熱相互作用を有するという事実のためである。特に、熱は壁から基板へガスを介して移動することが可能であり、あるいはその逆も同様である。このような熱伝導の結果として、温度および密度などの狭い隙間内のガスの状態は、壁の温度だけでなく基板の温度にも関連している。ガス流路内のようにガス流が様々な方法で制限される場合、システムの様々な熱力学変数の間に関係が存在する。この関係を適用して、ガスの所与の流量においてガス流路に沿った圧力低下を基板の温度と関連付けるために使用することができるモデルを作ることもできる。「基板の温度」とは、基板表面の平均温度のことをさしてもよく、特に、半導体ウェハの場合のように基板が相対的に薄いおよび／または熱伝導率が高い場合は、基板の全体の温度に近似的に等しい。「質量流量」は、時間で割った単位質量または標準リットル毎分（ｓｌｍ）を有する時間当たりの質量の移動量を示すものである。
【０００９】
開示される方法の形態によれば、壁と基板の表面との間の隙間は、１ｍｍ未満、さらに好ましくは０．５ｍｍ以下の幅を有し、最も好ましくは約１５０μｍの幅を有する。
【００１０】
壁と基板の表面との間に流れるガスの隙間をはさんだ所与の温度差の場合には、隙間の幅が狭いほど温度勾配が大きくなる。したがって、温度勾配は壁と基板との間の熱流束を促進すると言えるので、隙間の幅が狭いと熱交換が促される。結果として、２つの主要な面を有し、基板の主要な面全体に亘って延在する実質的に平坦な高温の壁に隣接して平行に配置される、限定された厚さの低温の実質的に平坦な板状の基板は、壁の温度を急速に受け取る。
【００１１】
開示される方法の詳細によれば、ガス流は、実質的に一定の質量流量を有する。
【００１２】
ガス流の質量流量が一定期間に亘って実質的に一定に保たれる場合、その期間に発生する基板の表面の平均温度のどんな変化も、その変化にはガス流路に沿った圧力低下の変化がそのまま反映されるため、正確に都合よくモニタすることもできる。
【００１３】
開示される方法のさらに詳細によれば、基板の温度は、定期的に決定される。
【００１４】
基板の温度を定期的に決定することによって、温度値をモニタし、その値を使用してオペレータに基板の処理装置の状態を知らせ、および／または特定の基板温度に達すると装置の部品を制御させて必要に応じて措置を講じることができるようにすることができる。
【００１５】
本発明は、加熱手段または冷却手段を使用して特定の温度で保持することができる少なくとも１つの壁によって囲まれるガス流路であって、基板の表面と少なくとも１つの壁との間に狭い隙間が存在するように、少なくとも１つの壁に隣接して基板を収納するように構成されるガス流路を含む基板処理装置をさらに提供する。この装置は、前記ガス流路を通って特定の質量流量を有するガス流を供給するガス源をさらに含む。さらに、この装置は、基板が配置されるガス流路に沿ったガス流の圧力低下を測定するように構成される圧力センサ配置に接続される制御ユニットであって、前記質量流量における、ガス流路に沿った圧力低下と壁の温度と基板の温度との間の所定の関係を利用して、前記圧力低下測定から前記基板の温度を得るように構成される制御ユニットも含む。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、基板に対する光学的および／または機械的な接触を必要としないで、処理中の基板温度を高い精度で決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】フローティングウェハ反応炉を示す概略断面図である。
【図２】フローティングウェハ反応炉内にウェハが存在する場合の一定流量を有するガス流の圧力低下とウェハの温度との依存性を示す図である。
【図３Ａ】フローティングウェハ反応炉の較正手順における第１段階を示す図である。
【図３Ｂ】フローティングウェハ反応炉の較正手順における第１段階を示す図である。
【図３Ｃ】フローティングウェハ反応炉の較正手順における第１段階を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の前述および他の特徴および利点は、添付の図面と合わせて考えられる以下の詳細な説明に述べられており、あるいは詳細な説明から明らかである。
【００１９】
図１は、開示される方法を実施するために使用することもできるフローティングウェハ反応炉１の概略断面図を示す。以下に、まずフローティングウェハ反応炉１の動作が一般論として簡単に説明される。続いて、この装置でウェハ温度をガス流路に沿った圧力低下にどのように関連付けることができるかが示される。
【００２０】
フローティングウェハ反応炉１は、互いに対向する相対的に大型の２つの炉体２、２’であって、双方の間の空間に、ウェハ３などの２つの主要な面を有する限定された厚さの実質的に平坦な板状基板を受け入れるようになっている炉体２、２’を含む。炉体２、２’の表面は、実質的に平坦であり、板状の基板の主要な面全体に亘って炉体間の隙間の幅が本質的に一定になるように前記主要な面と実質的に平行に延在するのが好ましい。ウェハ３の上面および下面とそれぞれ隣接する炉体２、２’との間の距離は、使用時に、１ｍｍ未満であるのが好ましく、０．５ｍｍ未満であるのがさらに好ましく、典型的には約１５０μｍであるのが好ましい。質量流量Ｑで板に平行な方向にガスが間を流れる２つの平行な板の間の隙間をはさむ圧力差ΔＰは、以下のように隙間の幅ｇの３乗に反比例する。
ΔＰ〜Ｑ／ｇ３ [１]
【００２１】
この関係が意味するものは、ガスの質量流量が一定と仮定すると、隙間の幅を１／２に減少させることによって８倍大きい圧力差が測定されるということである。ΔＰを適切な精度で測定することで本発明の方法に従って得られる温度値が充分な精度を達成することができるように、隙間の幅ｇを選択することができる。
【００２２】
２つの炉体２、２’は全く同じであってもよいので、上方の炉体２のみについて以下に参照される番号を付す。ただし、上方の炉体２について説明される特徴は、特に明記しない限り、下方の炉体２’にも準用されることに留意すべきである。
【００２３】
炉体２には、多数の相互接続されるガス管４、４’などと連通するガス入口管５が装着される。これらのガス管４、４’は、ウェハ３の上面に面する炉体２の表面に出口６、６’などを有する。質量流量コントローラ８は、ガスの加圧源（図示せず）からガス入口管５にガスを供給する。そこから、ガスはガス管４，４’などを通って各管出口６、６’などに流れ、上方の炉体２とウェハ３との間の隙間内に放出される。同様に、ガスは、下方の炉体２’とウェハ３の下面との間の隙間にも供給される。したがって、炉体２、２’とウェハ３との間の隙間に供給されるガスは、ウェハが浮くようにウェハ３を支持する薄いガスのクッションとなる。ガス流を維持するため、これをガスの支持体にして、ガスは、炉体２、２’とウェハ３のそれぞれ面との間を半径方向外向きに外部空間７まで流れるままにする。外部空間７の圧力は、一般的に約１気圧で一定に保たれる。ウェハ反応炉１内の圧力のどんな変化量に対してもその大きさは有利に大きいので、この値は全く任意というわけではない。したがって、ガスの絶対圧力が考慮されるべき変数である場合、前記圧力変化はそれほど関与しない。
【００２４】
相対的に大型の炉体２、２’は、加熱手段（図示せず）によって炉体温度Ｔ炉体まで加熱される。基本的に、炉体２、２’は、熱フライホイールとして働く。炉体２、２’内のガス管４、４’などを通って流れるガスは、好ましくは２００℃を超える温度、典型的には３００℃から１１００℃の範囲の炉体温度まで加熱される。出口６、６’などを通って炉体２、２’を離れた後、加熱されたガスはウェハ３に接触する。ウェハ３は、炉体２、２’と同じ温度を有してもあるいは有しなくてもよい。ウェハ３が２つの炉体２、２’間に挿入された直後の場合、ウェハ３は炉体の温度とは異なる温度、通常はより低い温度を有する可能性が高い。その場合には、ウェハ３はウェハに接触するガス（すなわち、ガスの支持体）から熱を奪って熱くなり、ウェハ３が炉体の温度になると直ちにプロセスは停止する。炉体とウェハとの間の隙間は非常に狭く、典型的には０．１５ｍｍのため、隙間を通って伝導することによる熱輸送の程度は非常に高い。炉体は相対的に大きいので、ウェハを加熱するために炉体から奪われる熱は、炉体の温度にそれほど影響を及ぼさない。この機構によって、フローティングウェハ反応炉１を使用して、例えば、ウェハ３にスパイクアニール処理を施すこともできる。
【００２５】
質量流量コントローラ８は、入口管５、管４、４’など、および炉体２とウェハ３との間の隙間を通って外部空間７内に向かうガスの流れを制御する。全体として、ガス流の経路のこれらの別々の部分を単一のガス流路として考えることもできる。
【００２６】
制御ユニット１０を使用して、例えば、装置の流量設定を調整するために、質量流量コントローラ８を制御することもできる。さらに、制御ユニット１０は、１つ以上の圧力センサ９、９’を含む圧力センサ配置に接続されてもよい。圧力センサ９を使用して入口管５のＰ入口を測定することもでき、別の圧力センサ９’を使用して外部空間７のＰ外部を測定することもできる。圧力センサ９、９’は、大気圧に対する圧力を測定する差圧センサであるのが好ましい。代替の実施形態では、絶対圧力を測定する圧力センサを使用することもできる。これらの測定値から、制御ユニット１０は、ガス流路に沿った圧力低下を計算することもできる。あるいは、外部空間７のガス圧Ｐ外部は、一般的に大気圧に非常に近くほぼ一定であるため、Ｐ入口を測定する単一の圧力センサ９を使用してガス流路に沿った圧力低下、または少なくともその変化量を決定することもできる。センサの基準ポートが外部空間７に存在する圧力Ｐ外部を受けている場合には、単一の差圧センサ９を使用して流路に沿った絶対圧力低下を決定することができることに留意すべきである。さらに、炉体２の温度を測定する温度センサは制御ユニット１０に接続されてもよく、炉体２を加熱する加熱手段も制御ユニット１０の制御を受けてもよい。これによって炉体の温度がシステム変数である場合に特に関係がある炉体２の温度を制御ユニットに利用することができるようになる。炉体２の温度を測定する温度センサは、ウェハ３に対向する炉体２の表面に隣接して配置されるのが好ましい。
【００２７】
質量流量コントローラ８がガス流の一定の質量流量を維持するように設定され、相対的に低温のウェハ３が２つの炉体２、２’の間に導入されると、入口５の圧力Ｐ入口は、挿入されてから一定の時間増加し、その後安定することを確認できるのは大変興味深い。図２は、Ｐ入口または実際はＰ入口−Ｐ外部の時間の経過による変動を実際の測定データで示す。圧力は、例えば、毎秒１回または毎秒５回の割合で定期的に測定される。使用されるセンサは１ミリ秒の時間分解能を有し、毎秒１０００回の割合で測定可能である。アニールされるウェハは、ｔ＝８秒付近で炉体２、２’の間に挿入され、ｔ＝７４秒付近で再び取り出される。観察される変化は、Ｐ入口とウェハの存在およびその温度との間の関係を示し、以下でさらに詳細に説明することもできる。
【００２８】
再び図１を参照する。入口管５から外部空間７に延在するガス流路では、２つの部分を特定することもできる。すなわち、入口管５からガス管出口６、６’などまでの第１の部分、および出口６、６’などから外部空間７まで延在する隙間を範囲とする第２の部分である。ガス流路を通るガス流Ｑは、第１の部分にかけて圧力低下ΔＰ炉体を発生させ、第２の部分にかけて圧力低下ΔＰウェハを発生させる。入口部分５の長さに沿ったどんな圧力低下も、ΔＰ炉体の一部であると考えられる。炉体２全体の温度プロファイルはウェハ３の処理中実質的に一定であるので、ΔＰ炉体も一定である。しかしながら、ガス流路の第２の部分のガスの平均温度は、挿入されたウェハ３がその最終的な温度に到達しない限り、少なくともウェハを挿入してから最初のうち以外は一定ではない。ウェハ３が加熱される間、炉体２からウェハ３に双方の間の隙間に流れるガスを介して伝導することによって熱が伝達される。ガスはウェハに対向する炉体２の表面とウェハ３との間に限定されるので、平均ガス温度は、ウェハ温度と炉体温度との平均に近似的に等しくなる。炉体の温度は周知であり実質的に一定である。したがって、ウェハの温度が上昇すると、ウェハ３と炉体２との間の狭い隙間の平均ガス温度も上昇する。温度が上昇することによってガスは膨張し密度は減少する。温度が上昇することによる他の影響、例えば、ガスの粘性の変化を観察することもできるがそれほど大きいわけではない。
【００２９】
ガス流路の２つの部分を通る質量流量は、第２の部分のガスが温度上昇により膨張しても質量流量コントローラ８によって一定に保持されるので、ガス流路全体の圧力低下は進む。ガス流路に沿った圧力低下ΔＰ流路は、以下の関係で表すことができる。
ΔＰ流路＝Ｐ入口−Ｐ外部＝ΔＰ炉体＋ΔＰウェハ [２]
炉体全体の圧力低下ΔＰ炉体は、炉体全体の温度プロファイルがほぼ一定で質量流量が一定の場合実質的に一定であるため、ΔＰ流路に何か変化があればウェハに沿った圧力低下の変化ΔＰウェハを主として反映している。さらに、Ｐ外部は一般的に大気圧に非常に近いので、大気圧に対する差圧センサを使用してＰ入口を測定すれば充分である。
【００３０】
ここで理解するためのポイントは、ガス流路に沿った圧力低下ΔＰ流路はウェハに沿った変化する圧力低下ΔＰウェハに関連付けることもでき、ΔＰウェハの変化はガス流路の第２の部分のガスの平均温度の変化に関連付けることもできることである。第２の部分のガスの平均温度Ｔガス２は、ウェハ温度Ｔウェハと炉体温度Ｔ炉体との平均として以下のように近似的に定義することができる。
Ｔガス２＝（Ｔ炉体＋Ｔウェハ）／２ [３]
したがって、ガス流路に沿った圧力低下ΔＰ炉体と実際のウェハ温度Ｔウェハとの間には関係が存在する。この関係は、流体力学理論を用意した特定の装置、この場合はフローティングウェハ反応炉１に適用することによって理論的および／または計算的に求めることもでき、あるいは装置の較正から経験的に推論することもできる。ΔＰ炉体とＴウェハとの関係は、装置の正確な形状および他の特性に強く依存し得るので、実際は後者の方法が好ましい。したがって、装置の熱力学的性質を予測する理論的または計算的モデルは、ほとんど必然的に複雑で作成するのは簡単ではない。
【００３１】
特定の一定な質量流量におけるガス流路に沿った圧力低下ΔＰ流路と実際のウェハ温度Ｔウェハとの間の定量的関係を決定するための較正手順は、幾つかのステップを含んでもよい。ここで、図１に示される例示的なウェハ反応炉１に関してこれらのステップを説明する。説明される較正手順は、反応炉１の上方の炉体と下方の炉体との両方に適用することもできる。その場合、２つの関係が得られることになり、その一方は上方の炉体２の入口管５の圧力をウェハの温度に関連付けるのに対して、他方は下方の炉体の入口管のガス圧力をウェハ３の温度に関連付ける。このようにして、第１の温度値と本質的に一致するはずであり、検証用として使用可能な第２の温度値がここで得られるため、このような「２つの較正」は有利となり得る。２つの値が一致しない場合にはその設定に誤りが存在する。半導体ウェハのような板状の基板の場合には、ウェハの上面と下面との間の温度勾配は、全ての実際の状況において僅かである。以下に、分かり易くするため、ウェハの上方にある炉体２と下方にある炉体２’の温度は等しいと仮定し、上方の炉体２を基準とした観点から較正手順を説明する。
【００３２】
較正手順の第１段階は、ウェハに沿った圧力低下ΔＰウェハと流路の第２の部分のガスの平均温度Ｔガス２との間の関係を決定することである。方程式[２]によれば、ΔＰウェハはΔＰ流路からΔＰ炉体を引いたものに等しい。これらの後ろの項はともに別々に評価することができる。そのために、炉体の間にウェハが存在しない状態で様々な値のＴ炉体のときのΔＰ流路を測定することによって、まずΔＰ炉体とＴ炉体との間の関係を得ることもできる。このような状況では、炉体のガスは炉体の温度を受け取ってＴガス１＝Ｔ炉体となり、ガス流を妨げるウェハは無いことからΔＰウェハは事実上ゼロとなるため、ΔＰ流路はΔＰ炉体と等しくなる。広い範囲の温度領域が適切にカバーされるように、例えば、炉体の温度を５０℃または１００℃ずつ徐々に増加させながらΔＰ炉体の測定を行うのが好ましい。次に、ΔＰウェハとＴガス２との間の関係を決定することもできる。炉体２、２’の間にウェハが存在し、そのウェハ３が炉体の温度と等しい安定した温度を最終的に得るのに充分な時間だけ炉体の間に存在していた状況で、好ましくは以前に使用したのと同じ増加幅で様々な値のＴ炉体のときのΔＰ流路を測定することによってこれを行うこともできる。これらの条件下では、反応炉はＴ炉体＝Ｔガス１＝Ｔガス２＝Ｔウェハの関係によって定義される等温状態にある。Ｔガス２の関数としてのΔＰウェハを最終的に得るため、以下の数式に従って上で得られた２つの関係の減算を行うこともできる。
ΔＰウェハ（Ｔガス２）＝ΔＰ流路（Ｔガス１，Ｔガス２）−ΔＰ炉体（Ｔガス１） [４]
関数ΔＰウェハ（Ｔガス２）は、第２の部分に所与の温度Ｔガス２のガスが流入したときのウェハに沿った圧力低下ΔＰウェハを提供する。決定された関数ΔＰウェハ（Ｔガス２）は、前述の測定が実施されたときの質量流量においてのみ有効であることに留意すべきである。幾つかの異なる質量流量が較正される装置で使用される場合には、装置の全動作範囲について信頼性のあるモデルを得るために、各質量流量についてそれぞれのΔＰウェハ（Ｔガス２）を決定するのが好ましい。
【００３３】
較正手順の第１段階を図３Ａ〜図３Ｃにグラフで表すこともできる。図３Ａは、炉体の温度Ｔ炉体に対してプロットされた３組の一連のΔＰ炉体の測定値を示す。３組の連続する値は、３つの異なる質量流量、すなわち３、５および７標準リットル毎秒（ｓｌｍ）に対応している。測定値は、ウェハ３が炉体２、２’間に存在しない場合、したがってＴガス１、２がＴ炉体に等しい状態で取得された。関数ΔＰ炉体（Ｔ炉体）の一次近似を得るためにデータには直線が引かれている。測定データで示されるこの関係の近似線形性は、ほぼ一定の（絶対）圧力、例えば約１気圧においてガスの体積はその温度に比例することを述べる理想気体の法則から推測することができることに留意すべきである。さらに、一定の制約を通ったガス流から生じる圧力差は、ガスの体積流量に比例する。したがって、前記ガス流から生じる圧力差は、ガスの温度にほぼ比例する。図３Ｂは、炉体の温度Ｔ炉体に対してプロットされた、図３Ａの測定値に相当する３組の一連のΔＰ流路の測定値を示す。測定値は、ウェハが２つの炉体２、２'間に存在し、ウェハ３が炉体の温度に達するように充分な時間放置された後の等温状態のフローティングウェハ反応炉１において取得された。前述のように、ウェハに沿った圧力低下をガスの支持体の温度に関連付ける関数を得るため、方程式[４]に従って図３Ａのデータを図３Ｂのデータから引いてもよい。３つの各質量流量についてこの減算を行った結果として、ΔＰウェハ（Ｔガス２）が図３Ｃに示される。等温の定常状態条件ではＴガス２＝Ｔ炉体であるが、ガス流路にウェハを挿入してからしばらく後のウェハの加熱中はこの関係はもはや有効ではない。実際は、ΔＰウェハはＴガス２の関数であって、Ｔ炉体の関数ではない。
【００３４】
較正手順の第２段階では、ΔＰウェハ（Ｔガス２）の逆関数であるＴガス２（ΔＰウェハ）を決定することが必要となる。その導関数は、所与の質量流量における温度測定装置としての装置の感度の指標を形成する。逆関数は解析的に決定されてもよく、これは線形関係の場合には相対的に容易であるが、数値的／離散的決定で間に合わせることもできる。
【００３５】
最終的に、上で説明および決定された関係を、ガス流路に沿った圧力低下ΔＰ流路をガスの支持体の平均ガス温度Ｔガス２に量的に関連付ける単一の支配的な関係に統一することができる。そのために、方程式[３]を以下のように書き換えてもよい。
Ｔウェハ＝２Ｔガス２−Ｔ炉体 [５]
Ｔガス２のΔＰウェハに対する依存性は、較正手順（図３Ｃの逆関数）から周知であるので、以下の関係を得ることもできる。
Ｔウェハ＝２Ｔガス２（ΔＰウェハ）−Ｔ炉体
＝２Ｔガス２（ΔＰ流路−ΔＰ炉体）−Ｔ炉体 [６]
実際には、方程式[６]は、ΔＰ流路および他の周知の変数によってＴウェハを表している。なお、Ｔ炉体は、システム制御パラメータであり、ΔＰ炉体は、設定されたガスの質量流量Ｑおよび較正手順から分かるＴ炉体における定数である（図３Ａを参照）。したがって、方程式[６]は、ガス流路に沿ったガス流の圧力低下の測定値からウェハの温度を得るために使用することもできるモデルを示している。前記モデルは、制御ユニット１０（図１）で実施されてもよく、このユニットは装置のオペレータに現在のウェハの温度を知らせることもできる。あるいは、所定のウェハ温度に到達した場合に他の制御動作を開始するようにコントローラを構成することができる。例えば、所定のウェハ温度に到達した場合、炉体の間からウェハを抜き取ることができる。
【００３６】
本発明の適用は、基板がガスの支持体の上に浮いている状態に限定されないことに留意すべきである。例えば、基板が、処理ガス流が基板の少なくとも一方の面を通り過ぎる状態で機械的に支持される蒸着炉に適用されてもよい。あるいは、イオン注入装置またはスパッタ装置の場合のように、基板はサセプタ上に機械的に支持されこれに固定されてもよく、基板を冷却する目的でＨｅなどの高伝導性ガス流を基板とサセプタとの間に流すこともできる。これら例示的な適用ではいずれも、基板に沿ったガス流の有無は、基板が受ける処理の性質によるのが都合がよい。これらの場合には、本発明による方法の実施は、相対的に簡単であり、処理中の実際のウェハ温度の情報の取得は容易である。ガス流が本来存在しない状況では、必要に応じて供給すればよい。
【００３７】
本発明の範囲から逸脱することなしに前述のプロセスおよび装置に様々な省略、追加および改変を行うことができることは当業者であれば理解されるであろう。このような全ての改変および変更は、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲に含有されるものとする。
【符号の説明】
【００３８】
１ フローティングウェハ反応炉
２、２’ 炉体
３ ウェハ
４、４’ ガス管
５ ガス管入口
６、６’ ガス管出口
７ 外部空間
８ 質量流量コントローラ
９、９’ 圧力センサ
１０ 制御ユニット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の温度を決定する方法であって、
特定の壁温度を有する少なくとも１つの壁によって囲まれるガス流路を提供するステップと、
前記基板の表面と前記少なくとも１つの壁との間に隙間ができるように、前記少なくとも１つの壁に隣接する前記ガス流路に基板を提供するステップと、
前記隙間を少なくとも部分的に通って延在するガス流に、前記ガス流路を介して特定の質量流量を提供するステップと、
前記ガス流路に沿った前記ガス流の圧力低下を判断するステップと、
前記質量流量における、前記ガス流路に沿った前記圧力低下と前記壁温度と前記基板の前記温度との間の所定の関係を利用して、前記圧力低下から前記基板の前記温度を得るステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記基板が２つの主要な面を含むように、実質的に平坦な板状の形状を有する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記少なくとも１つの壁が、前記板状基板の主要な面全体に亘って延在する請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記少なくとも１つの壁と前記基板の前記主要な面との間の前記隙間の幅が本質的に一定になるように、前記少なくとも１つの壁が、実質的に平坦であり、前記基板の前記主要な面に実質的に平行に延在する請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記壁と前記基板の面との間の前記隙間が、０．５ｍｍ未満の幅を有する請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記基板は、半導体ウェハである請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記ガス流が、実質的に一定の質量流量を有する請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記基板の前記温度が、定期的に決定される請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記ガス流路に沿った前記圧力低下と前記壁温度と前記基板の前記温度との間の前記所定の関係が、較正手順によって経験的に確認され、
特定の質量流量における、前記基板が存在する前記ガス流路に沿った前記圧力低下と、前記ガス流路を通る前記ガス流の温度との間の関係を決定するステップと、
前記質量流量における、前記ガス流路に沿った前記圧力低下の関数として前記ガス流の前記温度を得るように、前記関係の逆関数を決定するステップと、
前記質量流量における、前記ガス流路に沿った前記圧力低下の関数として前記基板の前記温度を得るように、前記ガス流の前記温度を前記基板の前記温度に関連付けるステップと、
を含む請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記ガス流路に沿った前記圧力低下と前記ガス流の前記温度との間の前記関係を決定するステップが、前記基板を前記流路に供給した後前記基板が前記壁温度に達するのに充分な時間放置され、前記壁温度の増分値で前記ガス流路に沿った前記圧力低下を決定するステップを含む請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記ガス流の前記温度が、Ｔ基板を前記基板の前記温度、Ｔガスを前記ガス流の前記温度、Ｔ壁を前記壁温度とするとき、
Ｔ基板＝２Ｔガス−Ｔ壁
となる関係を利用することによって前記基板の前記温度に関連付けられる請求項６または７に記載の方法。
【請求項１２】
基板処理装置であって、
加熱手段または冷却手段を使用して特定の温度に保持されることができる少なくとも１つの壁によって囲まれるガス流路であって、基板の面と少なくとも１つの壁との間に狭い隙間が存在するように、前記少なくとも１つの壁に隣接して前記基板を収容するように構成されるガス流路と、
前記ガス流路を通る特定の質量流量を有するガス流を供給するガス源と、
基板が配置される前記ガス流路に沿った前記ガス流の圧力低下を測定するように構成される圧力センサ配置、および
前記質量流量における、前記ガス流路に沿った前記圧力低下と前記壁温度と前記基板の温度との間の所定の関係を利用して前記圧力低下の測定から前記基板の前記温度を得るように構成される制御ユニットであって、
圧力センサ配置に接続される制御ユニットと、
を含む装置。
【請求項１３】
前記ガス流路によって収納される前記基板が、２つの主要な面を含むように、実質的に平坦で板状の形状を有する請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記基板が前記ガス流路によって収納される場合に、前記少なくとも１つの壁が、前記板状の基板の主要な面全体に亘って延在する請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの壁と前記基板の前記主要な面との間の前記隙間の幅が本質的に一定になるように、前記少なくとも１つの壁が、実質的に平坦であり、前記基板の前記主要な面に実質的に平行に延在する請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの壁と前記ガス流路によって収納される前記基板の前記表面との間の前記隙間が、０．５ｍｍ未満の幅を有する請求項１２〜１５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１７】
前記装置は、半導体ウェハを処理するための半導体処理装置である請求項１２に記載の装置。
【請求項１８】
前記半導体処理装置は、前記ガス流路を少なくとも部分的に定義する２つの炉体を含み、その間に半導体ウェハが前記ガス流路を通る前記ガス流によるものであるガスの支持体上に支持されることもできるフローティングウェハ反応炉である請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記制御ユニットが、
Ｔ基板を基板温度、
Ｔガスを前記ガス流の温度であって、ΔＰ基板の所定の関数としてあらわされる温度、
ΔＰ基板を前記基板の前記面全体に亘る前記ガス流の決定された圧力低下、
Ｔ壁を前記壁の前記温度とするとき、
Ｔ基板＝２Ｔガス（ΔＰ基板）−Ｔ壁
の関係を利用する前記決定された圧力低下から前記基板温度を得るように構成される請求項１２に記載の装置。
【請求項２０】
前記ガス源が、実質的に一定の質量流量を有するガス流を供給するように構成される請求項１２に記載の装置。
【請求項２１】
前記コントローラが、前記基板が所定の温度に達した後、制御動作を開始するように構成される請求項１２に記載の装置。
【請求項２２】
前記制御動作が、前記壁から前記基板を抜き取るステップを含む請求項２１に記載の装置。
【請求項１】
基板の温度を決定する方法であって、
特定の壁温度を有する少なくとも１つの壁によって囲まれるガス流路を提供するステップと、
前記基板の表面と前記少なくとも１つの壁との間に隙間ができるように、前記少なくとも１つの壁に隣接する前記ガス流路に基板を提供するステップと、
前記隙間を少なくとも部分的に通って延在するガス流に、前記ガス流路を介して特定の質量流量を提供するステップと、
前記ガス流路に沿った前記ガス流の圧力低下を判断するステップと、
前記質量流量における、前記ガス流路に沿った前記圧力低下と前記壁温度と前記基板の前記温度との間の所定の関係を利用して、前記圧力低下から前記基板の前記温度を得るステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記基板が２つの主要な面を含むように、実質的に平坦な板状の形状を有する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記少なくとも１つの壁が、前記板状基板の主要な面全体に亘って延在する請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記少なくとも１つの壁と前記基板の前記主要な面との間の前記隙間の幅が本質的に一定になるように、前記少なくとも１つの壁が、実質的に平坦であり、前記基板の前記主要な面に実質的に平行に延在する請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記壁と前記基板の面との間の前記隙間が、０．５ｍｍ未満の幅を有する請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記基板は、半導体ウェハである請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記ガス流が、実質的に一定の質量流量を有する請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記基板の前記温度が、定期的に決定される請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記ガス流路に沿った前記圧力低下と前記壁温度と前記基板の前記温度との間の前記所定の関係が、較正手順によって経験的に確認され、
特定の質量流量における、前記基板が存在する前記ガス流路に沿った前記圧力低下と、前記ガス流路を通る前記ガス流の温度との間の関係を決定するステップと、
前記質量流量における、前記ガス流路に沿った前記圧力低下の関数として前記ガス流の前記温度を得るように、前記関係の逆関数を決定するステップと、
前記質量流量における、前記ガス流路に沿った前記圧力低下の関数として前記基板の前記温度を得るように、前記ガス流の前記温度を前記基板の前記温度に関連付けるステップと、
を含む請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記ガス流路に沿った前記圧力低下と前記ガス流の前記温度との間の前記関係を決定するステップが、前記基板を前記流路に供給した後前記基板が前記壁温度に達するのに充分な時間放置され、前記壁温度の増分値で前記ガス流路に沿った前記圧力低下を決定するステップを含む請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記ガス流の前記温度が、Ｔ基板を前記基板の前記温度、Ｔガスを前記ガス流の前記温度、Ｔ壁を前記壁温度とするとき、
Ｔ基板＝２Ｔガス−Ｔ壁
となる関係を利用することによって前記基板の前記温度に関連付けられる請求項６または７に記載の方法。
【請求項１２】
基板処理装置であって、
加熱手段または冷却手段を使用して特定の温度に保持されることができる少なくとも１つの壁によって囲まれるガス流路であって、基板の面と少なくとも１つの壁との間に狭い隙間が存在するように、前記少なくとも１つの壁に隣接して前記基板を収容するように構成されるガス流路と、
前記ガス流路を通る特定の質量流量を有するガス流を供給するガス源と、
基板が配置される前記ガス流路に沿った前記ガス流の圧力低下を測定するように構成される圧力センサ配置、および
前記質量流量における、前記ガス流路に沿った前記圧力低下と前記壁温度と前記基板の温度との間の所定の関係を利用して前記圧力低下の測定から前記基板の前記温度を得るように構成される制御ユニットであって、
圧力センサ配置に接続される制御ユニットと、
を含む装置。
【請求項１３】
前記ガス流路によって収納される前記基板が、２つの主要な面を含むように、実質的に平坦で板状の形状を有する請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記基板が前記ガス流路によって収納される場合に、前記少なくとも１つの壁が、前記板状の基板の主要な面全体に亘って延在する請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの壁と前記基板の前記主要な面との間の前記隙間の幅が本質的に一定になるように、前記少なくとも１つの壁が、実質的に平坦であり、前記基板の前記主要な面に実質的に平行に延在する請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの壁と前記ガス流路によって収納される前記基板の前記表面との間の前記隙間が、０．５ｍｍ未満の幅を有する請求項１２〜１５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１７】
前記装置は、半導体ウェハを処理するための半導体処理装置である請求項１２に記載の装置。
【請求項１８】
前記半導体処理装置は、前記ガス流路を少なくとも部分的に定義する２つの炉体を含み、その間に半導体ウェハが前記ガス流路を通る前記ガス流によるものであるガスの支持体上に支持されることもできるフローティングウェハ反応炉である請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記制御ユニットが、
Ｔ基板を基板温度、
Ｔガスを前記ガス流の温度であって、ΔＰ基板の所定の関数としてあらわされる温度、
ΔＰ基板を前記基板の前記面全体に亘る前記ガス流の決定された圧力低下、
Ｔ壁を前記壁の前記温度とするとき、
Ｔ基板＝２Ｔガス（ΔＰ基板）−Ｔ壁
の関係を利用する前記決定された圧力低下から前記基板温度を得るように構成される請求項１２に記載の装置。
【請求項２０】
前記ガス源が、実質的に一定の質量流量を有するガス流を供給するように構成される請求項１２に記載の装置。
【請求項２１】
前記コントローラが、前記基板が所定の温度に達した後、制御動作を開始するように構成される請求項１２に記載の装置。
【請求項２２】
前記制御動作が、前記壁から前記基板を抜き取るステップを含む請求項２１に記載の装置。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【公開番号】特開２０１０−８７４７４（Ｐ２０１０−８７４７４Ａ）
【公開日】平成２２年４月１５日（２０１０．４．１５）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２００９−１５８２２４（Ｐ２００９−１５８２２４）
【出願日】平成２１年６月１２日（２００９．６．１２）
【出願人】（５０１３８００７０）エーエスエム インターナショナル エヌ．ヴェー． (26)
【氏名又は名称原語表記】ＡＳＭ ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ Ｎ．Ｖ．
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月１５日（２０１０．４．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１５８２２４（Ｐ２００９−１５８２２４）
【出願日】平成２１年６月１２日（２００９．６．１２）
【出願人】（５０１３８００７０）エーエスエム インターナショナル エヌ．ヴェー． (26)
【氏名又は名称原語表記】ＡＳＭ ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ Ｎ．Ｖ．
【Ｆターム（参考）】
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