放射温度計用参照光源装置
【課題】シリコンウエハの表面温度を放射率に依存することなく精密に放射温度計測することを可能にする。
【解決手段】高温高速放射温度計用参照光源装置であって、光源用材料として貴金属箔からなるリボン２を使用し、このリボンに電流を流して光源とすると共に、該光源の前方部に、２枚のレンズ３をそれぞれの焦点距離の和の間隔を置いて配置し、かつそれぞれのレンズの焦点位置にチョッパ４を配置することを特徴とする光源装置。次世代ウエハ熱処理工程として開発中のフラッシュランプアニール法（ＦＬＡ）やレーザーアニール法（ＬＡ）において処理されるシリコンウエハの表面温度を放射温度計測するための高温高速放射温度計用参照光源装置を提供することが可能である。
【解決手段】高温高速放射温度計用参照光源装置であって、光源用材料として貴金属箔からなるリボン２を使用し、このリボンに電流を流して光源とすると共に、該光源の前方部に、２枚のレンズ３をそれぞれの焦点距離の和の間隔を置いて配置し、かつそれぞれのレンズの焦点位置にチョッパ４を配置することを特徴とする光源装置。次世代ウエハ熱処理工程として開発中のフラッシュランプアニール法（ＦＬＡ）やレーザーアニール法（ＬＡ）において処理されるシリコンウエハの表面温度を放射温度計測するための高温高速放射温度計用参照光源装置を提供することが可能である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に半導体表面温度測定に使用する放射温度計用参照光源装置に関する。特に、半導体製造プロセスにおける、次世代ウエハ熱処理工程として開発中のフラッシュランプアニール法（ＦＬＡ）やレーザーアニール法（ＬＡ）において処理されるシリコンウエハの表面温度を放射率に依存することなく精密に放射温度計測することを可能にする放射温度計用参照光源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＩＣ製造プロセスにおいて、例えばイオン注入プロセスでは、注入されたイオンを活性化するためにアニール等が行われている。線幅の縮小に伴い、ドーパントの拡散などを抑制する必要性が高まり、高温での短時間のアニール等が求められるようになった。このために枚葉処理方式のアニール等技術であるＲＴＰ法（Rapid Thermal Processing）が用いられている。ＲＴＰ法ではウエハを最高１０００℃程度まで昇温することができ、処理時間は数十秒である。
【０００３】
上記ＲＴＰ法には加熱方式により、次の２タイプがある。
タイプ１：炉あるいはホットプレートでウエハを加熱する方法。高速なウエハ搬送機構による高温チャンバ内への出し入れにより、急速アニールを行う方法である。
タイプ２：熱源のハロゲンランプをｏｎ／ｏｆｆして急速加熱・急速冷却するランプベースの加熱である。この加熱方法は、片面照射と両面照射の両タイプがある。
さらに、ＲＴＰ法を改良したものとして、Ｓｐｉｋｅ ＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）法がある。これは、より浅い接合の形成を目的に、ＲＴＰをさらに高温、短時間化したものである。最高温度は１１００℃近くに昇温でき、処理時間は約１秒から十数秒である。
【０００４】
次世代ウエハ熱処理工程として開発中であるフラッシュランプアニール法（ＦＬＡ）では、微細化された半導体を高温で、しかも１ミリ秒（１ｍｓｅｃ）程度の短時間でキセノンフラッシュランプにより加熱が行われる。この場合の加熱の最高温度は１３５０℃に達し、加熱拡散長は１００〜５００μｍ程度となる。
このような半導体の熱処理工程では、歩留まりと品質の向上のために、熱処理の状態をモニタする必要がある。このような高温を時間応答良く測定するためには熱電対など接触型の温度計は適用できず、放射温度測定による必要があるものの、加熱源からの強い背景光が大きな測定誤差を生じるほか、測定対象の半導体ウエハの放射率は表面状態や温度により大きく変化することが問題となる。
【０００５】
従来のＲＴＰ法における温度計測技術については、放射率変動、加熱用ヒータ・光源からの背景光対策として、下記の対策が取られている。＜非特許文献１：Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，３１（２００２），ｐｐ．９８１−９８７＞
（ヒータ片面加熱の場合）
ウエハが不透明な０.９５μｍ帯を用いウエハ裏面の温度を放射温度計で測定する。放射率はｉｎ‐ｓｉｔｕ反射率測定とｅｘ‐ｓｉｔｕ半球反射率測定を基に推定する。そして、１より半球反射率を差し引くことにより放射率を求めるものである。炉からの背景放射光については別途差し引く。
【０００６】
（ヒータ両面加熱の場合）
温度測定していない（理論計算より推定）。
（ハロゲンランプ片面加熱の場合）
裏面よりサファイヤライトパイプを介して放射測温する。ウエハ裏面に対向して反射板が設けられ、反射板の穴よりウエハ裏面を捉えると、多重反射により実効放射率が１に近づく。
（ハロゲンランプ両面加熱の場合）
リップル法と呼ばれる放射測温法を採用する。プローブはウエハ放射光と、それに重畳したランプ加熱光を捉える。ランプは駆動電流（５０Hz又は６０Hz）により１００Hz又は１２０HzにＡＣ変調されるので信号のＡＣ成分より反射率を求める。これより重畳しているランプ加熱光を差し引くとともにウエハ放射率を推定する。
【０００７】
しかし、上記ＲＴＡ法で使用されている温度測定技術をＳｐｉｋｅ ＲＴＡ法やＦＬＡ法へ適用しようとする場合には、下記のいくつかの問題があり適用できない。
その一は、表面と裏面で数１００℃の差があり、また裏面はランプ加熱されないので、裏面の温度を測定しても意味がない。
その二は、パルスが短く、リップル法は適用できない。
その三は、表面を放射測温する場合にはランプ光強度が圧倒的に強く、参照光源装置からの放射光を精度良く捉えられない。
【０００８】
一般的な放射率の影響を排除した放射温度計測方法として、
１）放射率を仮定する方法。
２）多重反射により実効放射率を1にする方法。
３）２波長での放射率比を仮定する方法。（２色温度計)
４）反射率を測定し、反射率＋放射率＝１の関係より放射率を求める方法。
５）２波長での放射率比の値を測定する方法。
がある。
しかし、これらの方式が適用できない理由として、１）の方法はウエハ放射率が温度や表面の微細構造パターンとともに大きく変動し、放射率や放射率比を仮定できないこと、２）の方法はウエハ表面全体が加熱ランプに対向しているため、多重反射を利用して見かけ上黒体に近づけることができないこと、３）の方法は仮定が厳密には成り立たず大きな誤差を生じること、４）の方法はウエハ表面には微細構造があり、完全な鏡面ではないので反射率の正確な測定は困難であること、５）の方法は放射率比を測定する方式は温度測定の感度および精度が不十分で使用できないことが挙げられる。
【０００９】
さらに、改良した方式として、次の方法が提案されている。
その一つの例として、亜鉛鍍金鋼板の合金化処理のために、鋼板の温度を測定する技術がある（特許文献１参照）。これは、入射面に平行に偏光するＰ偏光及びこれに垂直に偏光するＳ偏光を等しく含む参照光を被測定面に照射し、その反射光のＰ偏光とＳ偏光の光強度及び被測定面からのＰ偏光とＳ偏光の放射光強度を測定し、参照光源強度を変調し、信号変化より反射率比を演算して、さらにそれより黒体放射強度を推定し、被測定面の温度測定を行う方法である。
しかし、被測定面の温度は数百度程度であり、低温度ではあるが、この技術が実用化に至っていないと考えられる。それは、亜鉛鍍金鋼板の合金化処理の表面が非常に荒れているため、温度測定精度が著しく劣ることが予想されるからである。原理的には鏡面性の反射に基づく有効な手法であると考えられるが、粗さを持つ対象物に適していないという問題があった。
【００１０】
上記特許文献１が２偏光での反射率比の測定であるのに対し、２つの異なる波長での反射率比を測定する方式が開示されている（特許文献２参照）。この技術の特長は放射率に影響されないという。また、反射率比測定なので、光源のモニタは２波長輝度比だけでよいということ、さらには、表面粗さの影響は波長依存性が小さいため受けにくいということである。しかし、この技術の大きな問題は、背景光があると、その２波長輝度比は任意なので、大きな誤差を生じるということであり、実用されていない。
いずれの方法でも、特に問題となるのは、高温となるフラッシュ加熱時の背景光の問題である。これは放射温度計の誤差を大きくし、半導体表面温度の正確な測定が困難になるという問題である。
【００１１】
このような問題を解決する方法として、本発明者らは、熱処理装置内で半導体の表層を加熱ランプにより高速加熱し、放射温度計を用いて半導体の表層の温度を測定する場合において、熱処理装置に配置した半導体基板の鉛直方向に対して対称位置にある熱処理装置の側壁または天板に２個の無反射ポートを設け、一方のポートの外側に放射温度計を配置することを特徴とする半導体表面温度測定方法（特許文献３参照）を提案した。この方法は、測定方法として有効である。
【００１２】
しかし、半導体製造プロセスにおける次世代ウエハ熱処理工程として開発中のフラッシュランプアニール法（ＦＬＡ）やレーザーアニール法（ＬＡ）を用いる場合に、処理されるシリコンウエハの表面温度を放射率に依存することなく精密に放射温度計測することを可能にする放射温度計用参照光源装置が必要とされ、いくつかの問題が提起された。
ＦＬＡでは、約１ｍｓｅｃのパルス光源照射で１０００℃以上の高温まで、急速昇温・冷却を行う必要がある。前記特許文献３に記載する２偏光放射率補正を行うための参照光源装置の条件は、放射温度計測定視野より十分広い一様で無偏光な光源面を持ち、輝度温度が対象と同等で、なおかつ測定したい熱変化より高速に輝度変調を行えることである。
【００１３】
また、ＦＬＡなどの装置に設置するためには、小型で雰囲気コントロールや水冷を必要としないことが望まれる。さらに、上記特許文献３に記載するＦＬＡ用の放射温度計は、例えば水の吸収帯である１．９４μｍ帯の光を捉えるため、この波長を放射する光源であることが必要である。しかし、従来の技術では、ＦＬＡを測定対象とすると、この条件を満たすものが存在しなかった。
例えば、１．９４μｍ帯の１Ｗ程度の高輝度半導体レーザは開発されており、これを積分球に入射することにより１０００℃程度の輝度温度の一様で無偏光な面光源をつくることはできるものの、素子発熱が大きいために波長ドリフトが大きく、水の吸収帯に波長を安定して合わせることができないという問題があった。
【００１４】
一方、ハロゲンランプなどのランプ光源は直視すれば、１．９４μｍにおいて輝度温度は１６００℃と十分高いけれども、放射温度計の視野サイズの例えば５ｍｍより十分大きな１０ｍｍ程度の一様な面光源を得ることができないという問題がある。これを解決しようとして、例えばレンズを用いて拡大したランプのフィラメントを光源とした場合、一様性に欠けるという問題を生ずる。また、拡散板や積分球を用いて、一様性を持たせることは可能ではあるが、この場合は輝度が不足するという問題を生ずる。
【００１５】
また、光源として、グラファイトのような面状の黒い熱放射源を使用すれば、十分な輝度の一様大面積の光源が得られるが、雰囲気コントロールや断熱・水冷が必要で、設備が大型化するという問題がある。
一方、雰囲気コントロールを必要としないセラミックスヒータもあるが、十分な輝度が得られない。さらに光源の輝度変調には、別途チョッパが必要となるが、直径１０ｍｍ以上の大面積をチョッパでｍｓｅｃ以下の高速で変調するのは速度限界を超える問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開平２−２５４３２８号公報
【特許文献２】特開昭６２−１４００３６号公報
【特許文献３】特開２００８−２３５８５８号公報
【非特許文献１】Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，３１（２００２），ｐｐ．９８１−９８７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明は、上記の課題と問題点を解決することを目的とし、半導体製造プロセスにおける、次世代ウエハ熱処理工程として開発中のフラッシュランプアニール法（ＦＬＡ）やレーザーアニール法（ＬＡ）において処理されるシリコンウエハの表面温度を放射率に依存することなく精密に放射温度計測することを可能にする放射温度計用参照光源装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記の課題に鑑み、本願発明は
１）高温高速放射温度計用参照光源装置であって、光源として面状光源を使用し、該光源の測定対象側に、２枚のレンズをそれぞれの焦点距離の和の間隔を置いて配置し、該２枚のレンズの焦点位置にチョッパを配置することを特徴とする光源装置、を提供する。
２）前記チョッパの羽は測定対象側表面が黒化されていることを特徴とする上記１）記載の光源装置、を提供する。
３）前記面状光源用材料として貴金属を使用し、この貴金属に電流を流して光源とすることを特徴とする上記１）又は２）記載の光源装置、を提供する。
４）また、本発明は、
前記貴金属は白金であることを特徴とする上記３）記載の放射温度計用参照光源装置、を提供する。
５）また、本発明は、
前記貴金属の形状として箔状のリボンを使用することを特徴とする上記３）又は４）記載の光源装置、を提供する。
６）また、本発明は、
前記２枚のレンズのうちの光源側のレンズの焦点距離が測定対象側のレンズの焦点距離の1／２より大きいことを特徴とする上記１）−５）のいずれか一項に記載の光源装置、を提供する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は、半導体製造プロセスにおける、次世代ウエハ熱処理工程として開発中のフラッシュランプアニール法（ＦＬＡ）やレーザーアニール法（ＬＡ）において処理されるシリコンウエハの表面温度を放射率に依存することなく精密に放射温度計測することを可能にする放射温度計用参照光源装置を提供することが可能であるという優れた効果を有する。これによって、ＩＣ製造のプロセスが安定して製品歩留りが向上する効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本願発明の参照光源装置部の概略説明図である。
【図２】本願発明の参照光源装置部を用いる代表的な半導体表面温度測定装置の概略説明図であり、ポートを装置の側壁側に設けた例である。
【図３】本願発明の参照光源装置部を用い、図２の半導体表面温度測定装置により熱処理される半導体ウエハの温度を２偏光放射温度計により測定したときに得られる２偏光の輝度信号の例を示す図である。
【図４】図３の測定された輝度信号から放射率補正演算処理により得られる半導体ウエハ温度の測定例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の特徴を、図に沿って具体的に説明する。なお、以下の説明は、本願発明の理解を容易にするためのものであり、これに制限されるものではない。すなわち、本願発明の技術思想に基づく変形、実施態様、他の例は、本願発明に含まれるものである。
【００２２】
本願発明の放射温度計用参照光源装置１の具体例を図１に示す。図１において、放射温度計用参照光源装置１内に、参照光源装置１の光源２として貴金属箔からなるリボンを配置する。このリボンの材料としては貴金属箔を使用するが、特に白金箔が好適である。このリボンに電流供給源５から電流を流すことにより、大気中で昇温させることができる。
白金は融点が１７００℃を超えるため、放射率を０．２５としても１．９４μｍで１２００℃程度の輝度温度を得ることができる。この参照光源装置１は、測定する時だけ数秒間点灯すれば良いので、冷却や断熱が不要であるという利点がある。
【００２３】
高速輝度応答には、参照光源装置１内の光源２の測定対象側に、２枚のレンズ３をそれぞれの焦点距離の和の間隔を置いて配置し、かつそれぞれのレンズ３から焦点距離の位置に変調を行うための高速のチョッパ４を配置する。
放射温度計は、測定対象の表面に映りこんだレンズ３の像を捉え、それを通して参照光源装置を捉えるため放射温度計対物レンズの径に比べ参照光源装置１までの距離は十分離れている。従って、参照光源装置１内の光源２から発せられあらゆる角度方向に発散する熱放射光のうち、放射温度計で捉えられる光束はレンズ位置ではほぼ平行光となっているため、レンズ焦点に置かれたチョッパ４の位置では、この光束の光路は十分に細く、１〜２ｍｍ程度にすることが可能である。このとき、放射温度計対物レンズの焦点位置はレンズ３の位置にあることが望ましいが、測定対象の半導体基板位置であっても構わない。
【００２４】
このことにより、このチョッパ４の羽の間隔を狭くでき、羽の枚数を５倍程度増やすことが可能になる。以上により、ｍｓｅｃ以下の高速変調が可能となる。
２枚のレンズ３の焦点距離が同一の場合、放射温度計が捉える参照光源装置１内の光源２から発せられる光束はレンズを置かない場合と同一であり、２枚のレンズを透過する事による反射損失を考慮すると１．９４μｍにおける輝度温度で１１５０℃程度が得られる。そのためには放射温度計の視野径より十分大きい、例えば幅２０ｍｍの白金箔を用いる必要がある。
【００２５】
２枚のレンズ３うち、光源側のレンズの焦点距離を短くすることにより、光源位置における光束が焦点距離に比例して細くなり、より幅の狭い白金箔を用いることが可能になる。このことにより装置小型化が可能となる。
しかし、一方で有効な光源面積も焦点距離の二乗に反比例して小さくなり、輝度温度もこれに比例して低下する。例えば、２枚のレンズの焦点距離の比を１／２にした場合、輝度は１／４となり、放射温度計で捉える輝度温度は８５０℃程度となる。測定対象の半導体基板からの熱放射光の輝度と比べ小さく、これより輝度温度が低下しては有効な輝度変調信号を放射温度計が捉えることが出来ず放射率補正演算は行えない。したがって、２枚のレンズの焦点距離の比は１／２より大きくなければならない。
【００２６】
本発明の半導体表面温度測定に使用する放射温度計用参照光源装置は、従来公知の半導体熱処理装置（上記特許文献３参照）に適用できる。その適用例を、図２を用いて説明する。
図２は半導体熱処理装置６の側壁側にポート１０、１１を設置した場合である。半導体熱処理装置６は、ホットプレート７上に半導体ウエハ８を乗せることができるようになっている。
【００２７】
この半導体ウエハ（半導体基板）８はホットプレート７により必要に応じて加熱することができる（以下、符号８は、必要に応じて「半導体ウエハ」又は「半導体基板」と呼称するが、本明細書においては同義である）。通常、数百℃に加熱される。装置６の内部は、窒素ガスを充填できるようになっている。
【００２８】
半導体の上部、すなわち半導体と対面する位置に加熱ランプ（フラッシュランプ）９が配置される。加熱ランプとしては、ハロゲンランプ又はキセノン（Ｘｅ）ランプを使用することができる。キセノンランプを使用した場合には、ランプのスペクトルは可視光が中心なので、放射温度計の測定に用いる波長はそこは避ける必要がある。
【００２９】
半導体熱処理装置６内の側壁又は天板（加熱ランプ９側）に２個のポート１０、１１を設ける。これらのポート１０、１１は、加熱ランプ９の発光による背景光の影響を排除する極めて重要なものである。
それぞれのポート１０、１１は、半導体基板の鉛直方向に対して対称位置に設置し、半導体基板の温度測定箇所に向くようにする。ポート１０、１１としては半導体熱処理装置６の側壁又は天板に穴を設け、その穴の外にはウエハ温度測定箇所に軸を向けた円筒状または球形状などの空間部を設け、その奥にさらに透明窓１２を設ける。
【００３０】
空間部は散乱光を除去するためのもので、バッフルの設置や側壁の黒化処理が有効である。一方のポート１０の窓の外側には、２偏光放射温度計１２を配置する。測定波長は１〜３μｍとするのが良い。この波長はＩｎＧａＡｓ又はＩｎＡｓのフォトダイオードで検出可能な範囲の温度でもある。
特に水の吸収帯が存在する１．９４μｍが望ましい。そして、この２偏光放射温度計１２を配置したポート１０の放射温度計の測定箇所を軸に対称位置に、他方のポート１１を設ける。これらのポート１０、１１は無反射ポートとなる（以下、必要に応じて「ポート」又は「無反射ポート」と呼称する）。
【００３１】
半導体ウエハ８はほぼ鏡面なので、ただ２偏光放射温度計１２により半導体ウエハ８を捉えただけでは、放射温度計１２の配置箇所の反対側にある熱処理装置６の側壁又は天板が半導体ウエハ１３上に写りこむ。
加熱ランプ９が発光されると、熱処理装置６全体が明るくなり、側壁又は天板から強い反射光を放射温度計１２が受ける。これは、測定温度を著しく不正確なものとするばかりでなく、放射温度計１２内の光学部品の熱による損傷を招く。
【００３２】
したがって、熱処理装置６の側壁又は天板から強い反射光を除去する必要があるが、熱処理装置６は通常ステンレスやアルミなどの容器が使用されるので、反射光は強烈なものとなる。これを無くすために、容器の内壁に光吸収性の高い材料を塗布する手段も考えられるが、この程度では反射光を効果的に減少させることはできない。
【００３３】
このように、加熱ランプ９による高速加熱の際の装置側壁又は天板からの反射を抑制することが必要であるが、半導体表面温度測定装置６の側壁又は天板に放射温度計１２の視野より大きな穴を設け、上記の無反射ポートとすることが有効である。
本願発明の無反射ポートはこのような役目を持つものである。放射温度計１２から見た場合、半導体基板には対向するポート１１が写りこむ。しかし、このポート１１の奥には透明ガラス窓が設けられている。
【００３４】
この窓には反射があり得るが、そこに反射像として映るのは半導体ウエハ８で再度反射した放射温度計１２の設置されたポート１０である。よって、対向するポート双方を無反射ポートとすることにより完全に加熱光源の影響を除去することが可能となる。
【００３５】
さらに、放射温度計１２の加熱ランプ９からの照射光の保護のために、ポート１０、１１の窓にＳｉ半導体基板を光学フィルタとして配置することが望ましい。常温のＳｉ半導体基板は１μｍ以上では透明である。
一方、加熱ランプの強力な発光がある可視光域では不透明であるため、加熱ランプからの照射光に対する放射温度計の保護に有効である。
【００３６】
各ポート１０、１１の窓サイズについては、放射温度計１２の視野サイズより大きければそれほど大きなサイズを必要としない。およそ直径１５〜２５ｍｍ程度のもので充分である。しかし、これは装置設計と測定の条件によるものであり、この数値内に限定する必要がないことは理解されるべきことである。
【００３７】
また、放射温度計１２と対向した無反射ポート１１は、半導体表面温度測定装置６の鉛直方向に対して半導体基板８の測定箇所を中心に測って、約２．５度の角度幅で縦長であることが望ましい。こうすることで被測定対象である半導体基板８が熱膨張により±１．２５度傾斜したとしても放射温度計１２の視野内に反射光で明るく光る熱処理装置側壁が入ることがない。
【００３８】
これも亦、測定の条件と放射温度計１２及び無反射ポート１０、１１の効果的な位置決めのためである。これにより、より正確な温度測定を可能とするものである。しかし、これも同様に、装置設計と測定の条件により変更し得るものであり、この数値内に限定する必要がないことは理解されるべきことである。
【００３９】
また、半導体表面温度測定方法として、半導体ウエハ８の表層を加熱ランプ９で高速加熱すると共に、無反射ポート１１の外に取り付けた参照光源装置１からの光を半導体基板８に照射する。この参照光源装置１から発生し半導体基板８で反射した参照光と半導体基板８の熱放射光の和を無反射ポート１０の外に配置した２偏光放射温度計１２で捉える。
２偏光放射温度計は内部に設けたハーフミラーでビームを２つに分け、偏光子でＰ偏光及びＳ偏光をそれぞれ選択し２つの光検出器でそれぞれ測定する。参照光源装置１の強度を変調し、この時の出力変化を演算してＰ偏光、Ｓ偏光の反射率比を求め、さらにそれより黒体放射輝度を推定し、半導体ウエハ８の表層の温度を測定することができる。参照光源装置１の変調は、図１に示すチョッパ４により行うことができる。チョッパ４の羽は黒化処理することで無反射ポートの性能を乱すことを防げる。
【００４０】
また、図３に本発明の参照光源装置１を用い、半導体ウエハ８として微細構造パターンの加工を施してあるシリコン基板を用い、これをキセノン加熱ランプ９でフラッシュ加熱したときに２偏光放射温度計が捉えたＰ偏光およびＳ偏光の信号の例を示す。
半導体ウエハ８からの熱放射光に重畳した参照光が参照光源装置１のチョッパ４の回転により変調されている様子が分かる。数ミリ秒のウエハ加熱時間に比べ十分高速にミリ秒以下の速度で変調されている。
図３の刻々と変化するＰ偏光、Ｓ偏光それぞれの信号から、半導体ウエハ８の反射率比を求め、そこから黒体放射輝度を推定し、求めた半導体ウエハ８の温度変化を図４に示す。このように、ミリ秒オーダで１１００℃以上に達する高速な温度変化を放射率や背景光の影響を受けることなく捉えることが出来ている。
【００４１】
２偏光放射温度計１２の代わりに２波長放射温度計を用いることもできる。その場合、参照光源装置１の波長λ１およびλ２における輝度比をそれぞれモニタし、この参照光源装置１から発生し半導体基板８で反射した参照光と半導体基板８の熱放射光の和を２波長温度計で捉える。
２波長温度計は内部に設けたハーフミラーでビームを２つに分け、波長フィルタにより波長λ１及びλ２を選択し２つの光検出器でそれぞれ測定する。
参照光源装置１の強度をλ１とλ２の輝度比を保ったまま変調し、この時の出力変化を演算してλ１及びλ２の反射率比を求め、さらにそれより黒体放射輝度を推定し、半導体ウエハ８の表層の温度を測定することができる。
【００４２】
このための装置としては、半導体基板の表層を高速加熱する加熱ランプと、半導体基板の表層に温度測定用の参照光を照射する参照光源装置を備えたポートと、この参照光源装置から発生した参照光の半導体基板での反射光と半導体基板からの熱放射光の和を波長λ１、λ２でそれぞれ測定する測定装置を備えたポートと、参照光源装置の波長λ１、λ２における輝度比をそれぞれ測定するモニタと、この時の出力を演算する装置とを備えていることが望ましい。
【００４３】
半導体基板はほぼ鏡面であるため、２つの無反射ポートを設けたことにより加熱ランプからの背景光はほぼ除去できるものの、半導体基板に構造があるなどの理由で散乱や回折が生じる場合には、背景光の影響が除去しきれない。そこでさらに、Ｘｅランプやハロゲンランプなどの加熱ランプからの背景光が放射温度計による温度測定精度に与えない方法を考える。
【００４４】
測定波長として水、水蒸気又は炭酸ガスの吸収帯を使用すると共に、加熱ランプと半導体基板の間に水、水蒸気（Ｈ２Ｏ）又は炭酸ガス（ＣＯ２）の層を導入し、加熱ランプからの背景光を温度計の測定波長に関してカットすることが有効である。具体的には、半導体の表層を加熱するランプハウス内に、水、水蒸気又は炭酸ガスを導入する。
【００４５】
これによって、温度測定の精度をさらに向上させることができる。因みに、１．４μｍ（Ｈ２Ｏ）、１．９４μｍ（Ｈ２Ｏ）、２．７０μｍ（ＣＯ２）、２．９５μｍ（Ｈ２Ｏ）が、それぞれ吸収帯である。
なお、水、水蒸気又は炭酸ガスはランプハウス内にとどまらず、別途、ランプハウスの下の被加熱半導体基板との空間に２枚の透明ガラスを置き、その間を満たすことでも構わない。図２には２枚の透明ガラス板間に満たした水膜１４を加熱ランプ９の下面に設けた例を示す。
【００４６】
図２の代表的な半導体表面温度測定装置において、本願発明の放射温度計用参照光源装置を使用することができる。しかし、図２示す半導体表面温度測定装置以外の装置に、本願発明の放射温度計用参照光源装置を使用できることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
半導体製造プロセスにおける、次世代ウエハ熱処理工程として開発中のフラッシュランプアニール法（ＦＬＡ）やレーザーアニール法（ＬＡ）において処理されるシリコンウエハの表面温度を放射率に依存することなく精密に放射温度計測することを可能にする放射温度計用参照光源装置を提供するという優れた効果を有する。これによって、半導体の熱処理工程における品質向上、歩留まり改善に有用である。
【符号の説明】
【００４８】
１：参照光源装置
２：光源（貴金属箔リボン）
３：レンズ
４：チョッパ
５：電流供給源
６：半導体熱処理測定装置
７：ホットプレート
８：半導体ウエハ（半導体基板）
９：加熱ランプ
１０、１１：無反射ポート
１２：放射温度計
１３：石英ガラス窓
１４：水膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に半導体表面温度測定に使用する放射温度計用参照光源装置に関する。特に、半導体製造プロセスにおける、次世代ウエハ熱処理工程として開発中のフラッシュランプアニール法（ＦＬＡ）やレーザーアニール法（ＬＡ）において処理されるシリコンウエハの表面温度を放射率に依存することなく精密に放射温度計測することを可能にする放射温度計用参照光源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＩＣ製造プロセスにおいて、例えばイオン注入プロセスでは、注入されたイオンを活性化するためにアニール等が行われている。線幅の縮小に伴い、ドーパントの拡散などを抑制する必要性が高まり、高温での短時間のアニール等が求められるようになった。このために枚葉処理方式のアニール等技術であるＲＴＰ法（Rapid Thermal Processing）が用いられている。ＲＴＰ法ではウエハを最高１０００℃程度まで昇温することができ、処理時間は数十秒である。
【０００３】
上記ＲＴＰ法には加熱方式により、次の２タイプがある。
タイプ１：炉あるいはホットプレートでウエハを加熱する方法。高速なウエハ搬送機構による高温チャンバ内への出し入れにより、急速アニールを行う方法である。
タイプ２：熱源のハロゲンランプをｏｎ／ｏｆｆして急速加熱・急速冷却するランプベースの加熱である。この加熱方法は、片面照射と両面照射の両タイプがある。
さらに、ＲＴＰ法を改良したものとして、Ｓｐｉｋｅ ＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）法がある。これは、より浅い接合の形成を目的に、ＲＴＰをさらに高温、短時間化したものである。最高温度は１１００℃近くに昇温でき、処理時間は約１秒から十数秒である。
【０００４】
次世代ウエハ熱処理工程として開発中であるフラッシュランプアニール法（ＦＬＡ）では、微細化された半導体を高温で、しかも１ミリ秒（１ｍｓｅｃ）程度の短時間でキセノンフラッシュランプにより加熱が行われる。この場合の加熱の最高温度は１３５０℃に達し、加熱拡散長は１００〜５００μｍ程度となる。
このような半導体の熱処理工程では、歩留まりと品質の向上のために、熱処理の状態をモニタする必要がある。このような高温を時間応答良く測定するためには熱電対など接触型の温度計は適用できず、放射温度測定による必要があるものの、加熱源からの強い背景光が大きな測定誤差を生じるほか、測定対象の半導体ウエハの放射率は表面状態や温度により大きく変化することが問題となる。
【０００５】
従来のＲＴＰ法における温度計測技術については、放射率変動、加熱用ヒータ・光源からの背景光対策として、下記の対策が取られている。＜非特許文献１：Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，３１（２００２），ｐｐ．９８１−９８７＞
（ヒータ片面加熱の場合）
ウエハが不透明な０.９５μｍ帯を用いウエハ裏面の温度を放射温度計で測定する。放射率はｉｎ‐ｓｉｔｕ反射率測定とｅｘ‐ｓｉｔｕ半球反射率測定を基に推定する。そして、１より半球反射率を差し引くことにより放射率を求めるものである。炉からの背景放射光については別途差し引く。
【０００６】
（ヒータ両面加熱の場合）
温度測定していない（理論計算より推定）。
（ハロゲンランプ片面加熱の場合）
裏面よりサファイヤライトパイプを介して放射測温する。ウエハ裏面に対向して反射板が設けられ、反射板の穴よりウエハ裏面を捉えると、多重反射により実効放射率が１に近づく。
（ハロゲンランプ両面加熱の場合）
リップル法と呼ばれる放射測温法を採用する。プローブはウエハ放射光と、それに重畳したランプ加熱光を捉える。ランプは駆動電流（５０Hz又は６０Hz）により１００Hz又は１２０HzにＡＣ変調されるので信号のＡＣ成分より反射率を求める。これより重畳しているランプ加熱光を差し引くとともにウエハ放射率を推定する。
【０００７】
しかし、上記ＲＴＡ法で使用されている温度測定技術をＳｐｉｋｅ ＲＴＡ法やＦＬＡ法へ適用しようとする場合には、下記のいくつかの問題があり適用できない。
その一は、表面と裏面で数１００℃の差があり、また裏面はランプ加熱されないので、裏面の温度を測定しても意味がない。
その二は、パルスが短く、リップル法は適用できない。
その三は、表面を放射測温する場合にはランプ光強度が圧倒的に強く、参照光源装置からの放射光を精度良く捉えられない。
【０００８】
一般的な放射率の影響を排除した放射温度計測方法として、
１）放射率を仮定する方法。
２）多重反射により実効放射率を1にする方法。
３）２波長での放射率比を仮定する方法。（２色温度計)
４）反射率を測定し、反射率＋放射率＝１の関係より放射率を求める方法。
５）２波長での放射率比の値を測定する方法。
がある。
しかし、これらの方式が適用できない理由として、１）の方法はウエハ放射率が温度や表面の微細構造パターンとともに大きく変動し、放射率や放射率比を仮定できないこと、２）の方法はウエハ表面全体が加熱ランプに対向しているため、多重反射を利用して見かけ上黒体に近づけることができないこと、３）の方法は仮定が厳密には成り立たず大きな誤差を生じること、４）の方法はウエハ表面には微細構造があり、完全な鏡面ではないので反射率の正確な測定は困難であること、５）の方法は放射率比を測定する方式は温度測定の感度および精度が不十分で使用できないことが挙げられる。
【０００９】
さらに、改良した方式として、次の方法が提案されている。
その一つの例として、亜鉛鍍金鋼板の合金化処理のために、鋼板の温度を測定する技術がある（特許文献１参照）。これは、入射面に平行に偏光するＰ偏光及びこれに垂直に偏光するＳ偏光を等しく含む参照光を被測定面に照射し、その反射光のＰ偏光とＳ偏光の光強度及び被測定面からのＰ偏光とＳ偏光の放射光強度を測定し、参照光源強度を変調し、信号変化より反射率比を演算して、さらにそれより黒体放射強度を推定し、被測定面の温度測定を行う方法である。
しかし、被測定面の温度は数百度程度であり、低温度ではあるが、この技術が実用化に至っていないと考えられる。それは、亜鉛鍍金鋼板の合金化処理の表面が非常に荒れているため、温度測定精度が著しく劣ることが予想されるからである。原理的には鏡面性の反射に基づく有効な手法であると考えられるが、粗さを持つ対象物に適していないという問題があった。
【００１０】
上記特許文献１が２偏光での反射率比の測定であるのに対し、２つの異なる波長での反射率比を測定する方式が開示されている（特許文献２参照）。この技術の特長は放射率に影響されないという。また、反射率比測定なので、光源のモニタは２波長輝度比だけでよいということ、さらには、表面粗さの影響は波長依存性が小さいため受けにくいということである。しかし、この技術の大きな問題は、背景光があると、その２波長輝度比は任意なので、大きな誤差を生じるということであり、実用されていない。
いずれの方法でも、特に問題となるのは、高温となるフラッシュ加熱時の背景光の問題である。これは放射温度計の誤差を大きくし、半導体表面温度の正確な測定が困難になるという問題である。
【００１１】
このような問題を解決する方法として、本発明者らは、熱処理装置内で半導体の表層を加熱ランプにより高速加熱し、放射温度計を用いて半導体の表層の温度を測定する場合において、熱処理装置に配置した半導体基板の鉛直方向に対して対称位置にある熱処理装置の側壁または天板に２個の無反射ポートを設け、一方のポートの外側に放射温度計を配置することを特徴とする半導体表面温度測定方法（特許文献３参照）を提案した。この方法は、測定方法として有効である。
【００１２】
しかし、半導体製造プロセスにおける次世代ウエハ熱処理工程として開発中のフラッシュランプアニール法（ＦＬＡ）やレーザーアニール法（ＬＡ）を用いる場合に、処理されるシリコンウエハの表面温度を放射率に依存することなく精密に放射温度計測することを可能にする放射温度計用参照光源装置が必要とされ、いくつかの問題が提起された。
ＦＬＡでは、約１ｍｓｅｃのパルス光源照射で１０００℃以上の高温まで、急速昇温・冷却を行う必要がある。前記特許文献３に記載する２偏光放射率補正を行うための参照光源装置の条件は、放射温度計測定視野より十分広い一様で無偏光な光源面を持ち、輝度温度が対象と同等で、なおかつ測定したい熱変化より高速に輝度変調を行えることである。
【００１３】
また、ＦＬＡなどの装置に設置するためには、小型で雰囲気コントロールや水冷を必要としないことが望まれる。さらに、上記特許文献３に記載するＦＬＡ用の放射温度計は、例えば水の吸収帯である１．９４μｍ帯の光を捉えるため、この波長を放射する光源であることが必要である。しかし、従来の技術では、ＦＬＡを測定対象とすると、この条件を満たすものが存在しなかった。
例えば、１．９４μｍ帯の１Ｗ程度の高輝度半導体レーザは開発されており、これを積分球に入射することにより１０００℃程度の輝度温度の一様で無偏光な面光源をつくることはできるものの、素子発熱が大きいために波長ドリフトが大きく、水の吸収帯に波長を安定して合わせることができないという問題があった。
【００１４】
一方、ハロゲンランプなどのランプ光源は直視すれば、１．９４μｍにおいて輝度温度は１６００℃と十分高いけれども、放射温度計の視野サイズの例えば５ｍｍより十分大きな１０ｍｍ程度の一様な面光源を得ることができないという問題がある。これを解決しようとして、例えばレンズを用いて拡大したランプのフィラメントを光源とした場合、一様性に欠けるという問題を生ずる。また、拡散板や積分球を用いて、一様性を持たせることは可能ではあるが、この場合は輝度が不足するという問題を生ずる。
【００１５】
また、光源として、グラファイトのような面状の黒い熱放射源を使用すれば、十分な輝度の一様大面積の光源が得られるが、雰囲気コントロールや断熱・水冷が必要で、設備が大型化するという問題がある。
一方、雰囲気コントロールを必要としないセラミックスヒータもあるが、十分な輝度が得られない。さらに光源の輝度変調には、別途チョッパが必要となるが、直径１０ｍｍ以上の大面積をチョッパでｍｓｅｃ以下の高速で変調するのは速度限界を超える問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開平２−２５４３２８号公報
【特許文献２】特開昭６２−１４００３６号公報
【特許文献３】特開２００８−２３５８５８号公報
【非特許文献１】Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，３１（２００２），ｐｐ．９８１−９８７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明は、上記の課題と問題点を解決することを目的とし、半導体製造プロセスにおける、次世代ウエハ熱処理工程として開発中のフラッシュランプアニール法（ＦＬＡ）やレーザーアニール法（ＬＡ）において処理されるシリコンウエハの表面温度を放射率に依存することなく精密に放射温度計測することを可能にする放射温度計用参照光源装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記の課題に鑑み、本願発明は
１）高温高速放射温度計用参照光源装置であって、光源として面状光源を使用し、該光源の測定対象側に、２枚のレンズをそれぞれの焦点距離の和の間隔を置いて配置し、該２枚のレンズの焦点位置にチョッパを配置することを特徴とする光源装置、を提供する。
２）前記チョッパの羽は測定対象側表面が黒化されていることを特徴とする上記１）記載の光源装置、を提供する。
３）前記面状光源用材料として貴金属を使用し、この貴金属に電流を流して光源とすることを特徴とする上記１）又は２）記載の光源装置、を提供する。
４）また、本発明は、
前記貴金属は白金であることを特徴とする上記３）記載の放射温度計用参照光源装置、を提供する。
５）また、本発明は、
前記貴金属の形状として箔状のリボンを使用することを特徴とする上記３）又は４）記載の光源装置、を提供する。
６）また、本発明は、
前記２枚のレンズのうちの光源側のレンズの焦点距離が測定対象側のレンズの焦点距離の1／２より大きいことを特徴とする上記１）−５）のいずれか一項に記載の光源装置、を提供する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は、半導体製造プロセスにおける、次世代ウエハ熱処理工程として開発中のフラッシュランプアニール法（ＦＬＡ）やレーザーアニール法（ＬＡ）において処理されるシリコンウエハの表面温度を放射率に依存することなく精密に放射温度計測することを可能にする放射温度計用参照光源装置を提供することが可能であるという優れた効果を有する。これによって、ＩＣ製造のプロセスが安定して製品歩留りが向上する効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本願発明の参照光源装置部の概略説明図である。
【図２】本願発明の参照光源装置部を用いる代表的な半導体表面温度測定装置の概略説明図であり、ポートを装置の側壁側に設けた例である。
【図３】本願発明の参照光源装置部を用い、図２の半導体表面温度測定装置により熱処理される半導体ウエハの温度を２偏光放射温度計により測定したときに得られる２偏光の輝度信号の例を示す図である。
【図４】図３の測定された輝度信号から放射率補正演算処理により得られる半導体ウエハ温度の測定例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の特徴を、図に沿って具体的に説明する。なお、以下の説明は、本願発明の理解を容易にするためのものであり、これに制限されるものではない。すなわち、本願発明の技術思想に基づく変形、実施態様、他の例は、本願発明に含まれるものである。
【００２２】
本願発明の放射温度計用参照光源装置１の具体例を図１に示す。図１において、放射温度計用参照光源装置１内に、参照光源装置１の光源２として貴金属箔からなるリボンを配置する。このリボンの材料としては貴金属箔を使用するが、特に白金箔が好適である。このリボンに電流供給源５から電流を流すことにより、大気中で昇温させることができる。
白金は融点が１７００℃を超えるため、放射率を０．２５としても１．９４μｍで１２００℃程度の輝度温度を得ることができる。この参照光源装置１は、測定する時だけ数秒間点灯すれば良いので、冷却や断熱が不要であるという利点がある。
【００２３】
高速輝度応答には、参照光源装置１内の光源２の測定対象側に、２枚のレンズ３をそれぞれの焦点距離の和の間隔を置いて配置し、かつそれぞれのレンズ３から焦点距離の位置に変調を行うための高速のチョッパ４を配置する。
放射温度計は、測定対象の表面に映りこんだレンズ３の像を捉え、それを通して参照光源装置を捉えるため放射温度計対物レンズの径に比べ参照光源装置１までの距離は十分離れている。従って、参照光源装置１内の光源２から発せられあらゆる角度方向に発散する熱放射光のうち、放射温度計で捉えられる光束はレンズ位置ではほぼ平行光となっているため、レンズ焦点に置かれたチョッパ４の位置では、この光束の光路は十分に細く、１〜２ｍｍ程度にすることが可能である。このとき、放射温度計対物レンズの焦点位置はレンズ３の位置にあることが望ましいが、測定対象の半導体基板位置であっても構わない。
【００２４】
このことにより、このチョッパ４の羽の間隔を狭くでき、羽の枚数を５倍程度増やすことが可能になる。以上により、ｍｓｅｃ以下の高速変調が可能となる。
２枚のレンズ３の焦点距離が同一の場合、放射温度計が捉える参照光源装置１内の光源２から発せられる光束はレンズを置かない場合と同一であり、２枚のレンズを透過する事による反射損失を考慮すると１．９４μｍにおける輝度温度で１１５０℃程度が得られる。そのためには放射温度計の視野径より十分大きい、例えば幅２０ｍｍの白金箔を用いる必要がある。
【００２５】
２枚のレンズ３うち、光源側のレンズの焦点距離を短くすることにより、光源位置における光束が焦点距離に比例して細くなり、より幅の狭い白金箔を用いることが可能になる。このことにより装置小型化が可能となる。
しかし、一方で有効な光源面積も焦点距離の二乗に反比例して小さくなり、輝度温度もこれに比例して低下する。例えば、２枚のレンズの焦点距離の比を１／２にした場合、輝度は１／４となり、放射温度計で捉える輝度温度は８５０℃程度となる。測定対象の半導体基板からの熱放射光の輝度と比べ小さく、これより輝度温度が低下しては有効な輝度変調信号を放射温度計が捉えることが出来ず放射率補正演算は行えない。したがって、２枚のレンズの焦点距離の比は１／２より大きくなければならない。
【００２６】
本発明の半導体表面温度測定に使用する放射温度計用参照光源装置は、従来公知の半導体熱処理装置（上記特許文献３参照）に適用できる。その適用例を、図２を用いて説明する。
図２は半導体熱処理装置６の側壁側にポート１０、１１を設置した場合である。半導体熱処理装置６は、ホットプレート７上に半導体ウエハ８を乗せることができるようになっている。
【００２７】
この半導体ウエハ（半導体基板）８はホットプレート７により必要に応じて加熱することができる（以下、符号８は、必要に応じて「半導体ウエハ」又は「半導体基板」と呼称するが、本明細書においては同義である）。通常、数百℃に加熱される。装置６の内部は、窒素ガスを充填できるようになっている。
【００２８】
半導体の上部、すなわち半導体と対面する位置に加熱ランプ（フラッシュランプ）９が配置される。加熱ランプとしては、ハロゲンランプ又はキセノン（Ｘｅ）ランプを使用することができる。キセノンランプを使用した場合には、ランプのスペクトルは可視光が中心なので、放射温度計の測定に用いる波長はそこは避ける必要がある。
【００２９】
半導体熱処理装置６内の側壁又は天板（加熱ランプ９側）に２個のポート１０、１１を設ける。これらのポート１０、１１は、加熱ランプ９の発光による背景光の影響を排除する極めて重要なものである。
それぞれのポート１０、１１は、半導体基板の鉛直方向に対して対称位置に設置し、半導体基板の温度測定箇所に向くようにする。ポート１０、１１としては半導体熱処理装置６の側壁又は天板に穴を設け、その穴の外にはウエハ温度測定箇所に軸を向けた円筒状または球形状などの空間部を設け、その奥にさらに透明窓１２を設ける。
【００３０】
空間部は散乱光を除去するためのもので、バッフルの設置や側壁の黒化処理が有効である。一方のポート１０の窓の外側には、２偏光放射温度計１２を配置する。測定波長は１〜３μｍとするのが良い。この波長はＩｎＧａＡｓ又はＩｎＡｓのフォトダイオードで検出可能な範囲の温度でもある。
特に水の吸収帯が存在する１．９４μｍが望ましい。そして、この２偏光放射温度計１２を配置したポート１０の放射温度計の測定箇所を軸に対称位置に、他方のポート１１を設ける。これらのポート１０、１１は無反射ポートとなる（以下、必要に応じて「ポート」又は「無反射ポート」と呼称する）。
【００３１】
半導体ウエハ８はほぼ鏡面なので、ただ２偏光放射温度計１２により半導体ウエハ８を捉えただけでは、放射温度計１２の配置箇所の反対側にある熱処理装置６の側壁又は天板が半導体ウエハ１３上に写りこむ。
加熱ランプ９が発光されると、熱処理装置６全体が明るくなり、側壁又は天板から強い反射光を放射温度計１２が受ける。これは、測定温度を著しく不正確なものとするばかりでなく、放射温度計１２内の光学部品の熱による損傷を招く。
【００３２】
したがって、熱処理装置６の側壁又は天板から強い反射光を除去する必要があるが、熱処理装置６は通常ステンレスやアルミなどの容器が使用されるので、反射光は強烈なものとなる。これを無くすために、容器の内壁に光吸収性の高い材料を塗布する手段も考えられるが、この程度では反射光を効果的に減少させることはできない。
【００３３】
このように、加熱ランプ９による高速加熱の際の装置側壁又は天板からの反射を抑制することが必要であるが、半導体表面温度測定装置６の側壁又は天板に放射温度計１２の視野より大きな穴を設け、上記の無反射ポートとすることが有効である。
本願発明の無反射ポートはこのような役目を持つものである。放射温度計１２から見た場合、半導体基板には対向するポート１１が写りこむ。しかし、このポート１１の奥には透明ガラス窓が設けられている。
【００３４】
この窓には反射があり得るが、そこに反射像として映るのは半導体ウエハ８で再度反射した放射温度計１２の設置されたポート１０である。よって、対向するポート双方を無反射ポートとすることにより完全に加熱光源の影響を除去することが可能となる。
【００３５】
さらに、放射温度計１２の加熱ランプ９からの照射光の保護のために、ポート１０、１１の窓にＳｉ半導体基板を光学フィルタとして配置することが望ましい。常温のＳｉ半導体基板は１μｍ以上では透明である。
一方、加熱ランプの強力な発光がある可視光域では不透明であるため、加熱ランプからの照射光に対する放射温度計の保護に有効である。
【００３６】
各ポート１０、１１の窓サイズについては、放射温度計１２の視野サイズより大きければそれほど大きなサイズを必要としない。およそ直径１５〜２５ｍｍ程度のもので充分である。しかし、これは装置設計と測定の条件によるものであり、この数値内に限定する必要がないことは理解されるべきことである。
【００３７】
また、放射温度計１２と対向した無反射ポート１１は、半導体表面温度測定装置６の鉛直方向に対して半導体基板８の測定箇所を中心に測って、約２．５度の角度幅で縦長であることが望ましい。こうすることで被測定対象である半導体基板８が熱膨張により±１．２５度傾斜したとしても放射温度計１２の視野内に反射光で明るく光る熱処理装置側壁が入ることがない。
【００３８】
これも亦、測定の条件と放射温度計１２及び無反射ポート１０、１１の効果的な位置決めのためである。これにより、より正確な温度測定を可能とするものである。しかし、これも同様に、装置設計と測定の条件により変更し得るものであり、この数値内に限定する必要がないことは理解されるべきことである。
【００３９】
また、半導体表面温度測定方法として、半導体ウエハ８の表層を加熱ランプ９で高速加熱すると共に、無反射ポート１１の外に取り付けた参照光源装置１からの光を半導体基板８に照射する。この参照光源装置１から発生し半導体基板８で反射した参照光と半導体基板８の熱放射光の和を無反射ポート１０の外に配置した２偏光放射温度計１２で捉える。
２偏光放射温度計は内部に設けたハーフミラーでビームを２つに分け、偏光子でＰ偏光及びＳ偏光をそれぞれ選択し２つの光検出器でそれぞれ測定する。参照光源装置１の強度を変調し、この時の出力変化を演算してＰ偏光、Ｓ偏光の反射率比を求め、さらにそれより黒体放射輝度を推定し、半導体ウエハ８の表層の温度を測定することができる。参照光源装置１の変調は、図１に示すチョッパ４により行うことができる。チョッパ４の羽は黒化処理することで無反射ポートの性能を乱すことを防げる。
【００４０】
また、図３に本発明の参照光源装置１を用い、半導体ウエハ８として微細構造パターンの加工を施してあるシリコン基板を用い、これをキセノン加熱ランプ９でフラッシュ加熱したときに２偏光放射温度計が捉えたＰ偏光およびＳ偏光の信号の例を示す。
半導体ウエハ８からの熱放射光に重畳した参照光が参照光源装置１のチョッパ４の回転により変調されている様子が分かる。数ミリ秒のウエハ加熱時間に比べ十分高速にミリ秒以下の速度で変調されている。
図３の刻々と変化するＰ偏光、Ｓ偏光それぞれの信号から、半導体ウエハ８の反射率比を求め、そこから黒体放射輝度を推定し、求めた半導体ウエハ８の温度変化を図４に示す。このように、ミリ秒オーダで１１００℃以上に達する高速な温度変化を放射率や背景光の影響を受けることなく捉えることが出来ている。
【００４１】
２偏光放射温度計１２の代わりに２波長放射温度計を用いることもできる。その場合、参照光源装置１の波長λ１およびλ２における輝度比をそれぞれモニタし、この参照光源装置１から発生し半導体基板８で反射した参照光と半導体基板８の熱放射光の和を２波長温度計で捉える。
２波長温度計は内部に設けたハーフミラーでビームを２つに分け、波長フィルタにより波長λ１及びλ２を選択し２つの光検出器でそれぞれ測定する。
参照光源装置１の強度をλ１とλ２の輝度比を保ったまま変調し、この時の出力変化を演算してλ１及びλ２の反射率比を求め、さらにそれより黒体放射輝度を推定し、半導体ウエハ８の表層の温度を測定することができる。
【００４２】
このための装置としては、半導体基板の表層を高速加熱する加熱ランプと、半導体基板の表層に温度測定用の参照光を照射する参照光源装置を備えたポートと、この参照光源装置から発生した参照光の半導体基板での反射光と半導体基板からの熱放射光の和を波長λ１、λ２でそれぞれ測定する測定装置を備えたポートと、参照光源装置の波長λ１、λ２における輝度比をそれぞれ測定するモニタと、この時の出力を演算する装置とを備えていることが望ましい。
【００４３】
半導体基板はほぼ鏡面であるため、２つの無反射ポートを設けたことにより加熱ランプからの背景光はほぼ除去できるものの、半導体基板に構造があるなどの理由で散乱や回折が生じる場合には、背景光の影響が除去しきれない。そこでさらに、Ｘｅランプやハロゲンランプなどの加熱ランプからの背景光が放射温度計による温度測定精度に与えない方法を考える。
【００４４】
測定波長として水、水蒸気又は炭酸ガスの吸収帯を使用すると共に、加熱ランプと半導体基板の間に水、水蒸気（Ｈ２Ｏ）又は炭酸ガス（ＣＯ２）の層を導入し、加熱ランプからの背景光を温度計の測定波長に関してカットすることが有効である。具体的には、半導体の表層を加熱するランプハウス内に、水、水蒸気又は炭酸ガスを導入する。
【００４５】
これによって、温度測定の精度をさらに向上させることができる。因みに、１．４μｍ（Ｈ２Ｏ）、１．９４μｍ（Ｈ２Ｏ）、２．７０μｍ（ＣＯ２）、２．９５μｍ（Ｈ２Ｏ）が、それぞれ吸収帯である。
なお、水、水蒸気又は炭酸ガスはランプハウス内にとどまらず、別途、ランプハウスの下の被加熱半導体基板との空間に２枚の透明ガラスを置き、その間を満たすことでも構わない。図２には２枚の透明ガラス板間に満たした水膜１４を加熱ランプ９の下面に設けた例を示す。
【００４６】
図２の代表的な半導体表面温度測定装置において、本願発明の放射温度計用参照光源装置を使用することができる。しかし、図２示す半導体表面温度測定装置以外の装置に、本願発明の放射温度計用参照光源装置を使用できることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
半導体製造プロセスにおける、次世代ウエハ熱処理工程として開発中のフラッシュランプアニール法（ＦＬＡ）やレーザーアニール法（ＬＡ）において処理されるシリコンウエハの表面温度を放射率に依存することなく精密に放射温度計測することを可能にする放射温度計用参照光源装置を提供するという優れた効果を有する。これによって、半導体の熱処理工程における品質向上、歩留まり改善に有用である。
【符号の説明】
【００４８】
１：参照光源装置
２：光源（貴金属箔リボン）
３：レンズ
４：チョッパ
５：電流供給源
６：半導体熱処理測定装置
７：ホットプレート
８：半導体ウエハ（半導体基板）
９：加熱ランプ
１０、１１：無反射ポート
１２：放射温度計
１３：石英ガラス窓
１４：水膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温高速放射温度計用参照光源装置であって、光源として面状光源を使用し、該光源の測定対象側に、２枚のレンズをそれぞれの焦点距離の和の間隔を置いて配置し、該２枚のレンズの焦点位置にチョッパを配置することを特徴とする光源装置。
【請求項２】
前記チョッパの羽は測定対象側表面が黒化されていることを特徴とする請求項１記載の光源装置。
【請求項３】
前記面状光源用材料として貴金属を使用し、この貴金属に電流を流して光源とすることを特徴とする請求項１又は２記載の光源装置。
【請求項４】
前記貴金属は白金であることを特徴とする請求項３記載の光源装置。
【請求項５】
前記貴金属の形状として箔状のリボンを使用することを特徴とする請求項３又は４記載の光源装置。
【請求項６】
前記２枚のレンズのうちの光源側のレンズの焦点距離が測定対象側のレンズの焦点距離の1／２より大きいことを特徴とする請求項１−５のいずれか一項に記載の光源装置。
【請求項１】
高温高速放射温度計用参照光源装置であって、光源として面状光源を使用し、該光源の測定対象側に、２枚のレンズをそれぞれの焦点距離の和の間隔を置いて配置し、該２枚のレンズの焦点位置にチョッパを配置することを特徴とする光源装置。
【請求項２】
前記チョッパの羽は測定対象側表面が黒化されていることを特徴とする請求項１記載の光源装置。
【請求項３】
前記面状光源用材料として貴金属を使用し、この貴金属に電流を流して光源とすることを特徴とする請求項１又は２記載の光源装置。
【請求項４】
前記貴金属は白金であることを特徴とする請求項３記載の光源装置。
【請求項５】
前記貴金属の形状として箔状のリボンを使用することを特徴とする請求項３又は４記載の光源装置。
【請求項６】
前記２枚のレンズのうちの光源側のレンズの焦点距離が測定対象側のレンズの焦点距離の1／２より大きいことを特徴とする請求項１−５のいずれか一項に記載の光源装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−８０７９０（Ｐ２０１１−８０７９０Ａ）
【公開日】平成２３年４月２１日（２０１１．４．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２３１４４１（Ｐ２００９−２３１４４１）
【出願日】平成２１年１０月５日（２００９．１０．５）
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【出願人】（０００１３３５２６）株式会社チノー (113)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月２１日（２０１１．４．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１０月５日（２００９．１０．５）
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【出願人】（０００１３３５２６）株式会社チノー (113)
【Ｆターム（参考）】
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