JP2016186960A - 成膜装置及び温度測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】温度測定精度の低下を抑えつつ、測定可能な下限温度を低くすることができる成膜装置及び温度測定方法を提供する。【解決手段】実施形態に係る成膜装置１は、基板Ｗを支持する支持部と、支持部を介して基板Ｗの中心を回転中心とし基板Ｗを面内方向に回転させる回転部と、基板Ｗ上にプロセスガスを供給するガス供給部と、排気ガスを排出する排気部と、基板Ｗを加熱する加熱部と、基板Ｗの表面の温度を測定する放射温度計１０とを備える。この放射温度計１０は、基板Ｗの表面に照射される照射光の光源１０ａと、基板Ｗの表面における回転中心から所定距離の第１の測定領域からの反射光Ｌ１ａを受光する第１の受光部１０ｆと、基板Ｗの表面における回転中心から前記所定距離で基板Ｗの回転方向に延伸した第２の測定領域からの熱輻射光Ｌ２を受光する第２の受光部１０ｆとを具備する。【選択図】図２

Description

本発明は、成膜装置及び温度測定方法に関する。

放射温度計は、測定対象物から放射される熱輻射光強度（熱輻射強度）を測定して測定対象物の温度を求めるものである。この放射温度計は、測定対象物に非接触で、比較的短い時間で測定対象の温度を測定できるという特徴を有するため、工業的な価値が大きい。とくに、温度や圧力、雰囲気などを外界と大きく異なる条件にした状況下にある測定対象物の温度を測定する場合には、前述の特徴が有効に発揮される。さらに、測定対象物が移動する場合には、非接触式であるという放射温度計の特徴が重要となる。

放射温度計が用いられている工業的な応用の例としては、半導体の製造や窒化物系を含む化合物半導体の製造などが挙げられる。高い純度で高品質の半導体を製造するためには、製造装置の内部を外部から隔離し、製造装置の内部に保持した基板を高温に加熱する場合がほとんどである。とくに、化学的に活性な原料ガスに晒して基板上に成膜を行う有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ：ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、あるいは、高真空中で半導体の構成元素を蒸発させて基板上に成膜させる分子ビームエピタキシャル法（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）がよく知られている。

これらの半導体製造装置（成膜装置の一例）については、製造される半導体の均一性や再現性を良好に保つために、非常に精密な温度計測が求められる。具体例としては、測定対象物（成膜対象物）の温度が５００℃から１２００℃の範囲で、測定精度が±２℃あるいはそれ以下である。実際に、ＩｎＧａＮ（窒化インジウムガリウム）とＧａＮ（窒化ガリウム）で構成される多重量子井戸を発光層とする発光素子の製造においては、この発光層の製造過程で基板はおおむね７００℃から８００℃の範囲内で他の製造条件から決まる特定の温度に保持されている。この特定の温度が発光素子の発光波長に大きく影響するため、高い発光波長均一性および再現性を実現するためには上記に述べたような精密な温度計測が必要となる。

一方、放射温度計を用いて測定対象物の温度を正確に測定するためには、測定対象物の放射率の値が必要である。物体の温度が上昇するにつれて物体からの熱輻射光強度は増大するため、物体からの熱輻射光強度を測定することで物体の温度を計測することが可能である。ただし、一般の物体からの熱輻射光強度は同じ温度の黒体からの熱輻射光強度に比べて小さい。ある温度の物体からの熱輻射光強度を同じ温度にある黒体からの熱輻射光強度で割ったものが放射率である。したがって、物体からの熱輻射光強度を測定し、この熱輻射光強度をその物体の放射率で割ることで、この物体と同じ温度の黒体が放射する熱輻射光強度を求め、この熱輻射光強度から物体の温度を計算することができる。ここで述べた原理を用いた放射温度計は、広い温度範囲で黒体を用いた較正を行うことなしに、放射温度計から測定対象物までのさまざまな構成の光学部品の変更に対して、適切な温度での較正を行うことで対応が可能である。

放射率はさまざまな材料で測定されており、各種文献などで公表されている。一般に放射温度計は放射率を記憶しておき、これを用いて物体からの熱輻射光強度を補正できる機能を持っているものが多く、測定対象物の材料の放射率が文献値などでわかっていれば、これを放射温度計に記憶させて用いることができる。ただし、放射率は、測定対象物の材質だけでなく、表面状態や温度などにも依存する。この意味で、公表されている放射率は精密な温度測定に用いることは難しい。

一方、ある限定された条件下では、放射率を測定することが可能である。つまり、熱輻射光強度を測定する光の波長範囲において、光が測定対象物を透過せず、また測定対象物の表面に照射した光が散乱されない場合、測定対象物の表面での光の反射率をＲとすると、放射率（ε）は、ε＝１−Ｒという式で表わされる。したがって、熱輻射光強度を測定する光の波長範囲において、測定対象物の表面が十分な鏡面性を有し、外部からの光源を用いて測定対象物の反射率を測定することが可能であり、測定対象物が光を吸収する場合には、測定対象物の表面状態や温度にかかわらず放射率を求めることができる。このような方法を用いて精度良く測定対象物の温度を測定するためには、あらかじめ設定された波長で測定対象物からの熱輻射光強度及び反射率を正確に求めることが重要である。

前述のように測定対象物の放射率を求めながら温度を測定する放射温度計は、基板上に薄膜を形成する場合の基板温度測定にとくに重要である。基板上に薄膜を形成する過程では、薄膜により光の干渉が生じることで、薄膜を含む基板の放射率は成膜が進む（膜が厚くなる）につれて絶えず変化する。この放射率の変化により、たとえ測定対象物の温度が一定であっても、測定対象物からの熱輻射光強度は変化する。このような場合であっても、前述のような条件が満たされている場合には、外部からの光源を用いて適切に反射率を測定することで、放射率の補正を行うことができる。

特開２００１−２８４２６１号公報

しかしながら、従来の放射温度計では、成膜過程における熱輻射光強度の精密な測定のため、測定対象物上の狭い領域からの熱輻射光強度を測定する。これは、前記の測定対象物の表面に成膜された薄膜の膜厚分布などに測定位置による不均一性がある場合、測定される熱輻射光強度あるいは反射率が、この薄膜の不均一性による影響から精密に測定できなくなる場合があるからである。一方、熱輻射光強度を測定する測定領域が狭くなると、熱輻射光の信号強度が低くなってノイズ（雑音）が大きくなり、測定可能な下限温度が高くなるという問題が生じる。

本発明が解決しようとする課題は、温度測定精度の低下を抑えつつ、測定可能な下限温度を低くすることができる成膜装置及び温度測定方法を提供することである。

本発明の実施形態に係る成膜装置は、基板を支持する支持部と、前記支持部を介して前記基板の中心を回転中心とし前記基板を面内方向に回転させる回転部と、前記基板上にプロセスガスを供給するガス供給部と、排気ガスを排出する排気部と、前記基板を加熱する加熱部と、前記基板の表面の温度を測定する放射温度計とを備え、前記放射温度計は、前記基板の表面に照射される照射光の光源と、前記基板の表面における前記回転中心から所定距離の第１の測定領域からの反射光を受光する第１の受光部と、前記基板の表面における前記回転中心から前記所定距離で前記基板の回転方向に延伸した第２の測定領域からの熱輻射光を受光する第２の受光部とを具備する。

また、上記実施形態に係る成膜装置において、前記第１の測定領域における前記基板の回転方向に直交する方向の長さ（幅）と前記第２の測定領域における前記基板の回転方向に直交する方向の長さ（幅）は等しいことが望ましい。

また、上記実施形態に係る成膜装置において、前記第１の測定領域は前記第２の測定領域内に存在することが望ましい。この場合、反射光を受光する第１の受光部と熱輻射光を受光する第２の受光部とを１つの受光装置で構成することができる。

また、上記実施形態に係る成膜装置において、前記第１の測定領域および前記第２の測定領域は重ならないように設定することも可能である。

本発明の実施形態に係る温度測定方法は、基板の中心を回転中心とし前記基板を回転させて加熱しつつ、前記基板の表面にプロセスガスを供給する工程と、前記基板の表面に光を照射し、前記基板の表面における前記回転中心から所定距離の第１の測定領域からの反射光を測定する工程と、前記基板の表面における前記回転中心から前記所定距離で前記基板の回転方向に延伸した第２の測定領域からの熱輻射光を測定する工程とを有する。

本発明の一態様によれば、温度測定精度の低下を抑えつつ、測定可能な下限温度を低くすることができる。

第１の実施形態に係る成膜装置の概略構成を示す図である。 第１の実施形態に係る放射温度計の概略構成を示す図である。 第１の実施形態に係る熱輻射光と反射光の光路を示す図である。 第１の実施形態に係る第１の温度算出を説明するための図である。 第１の実施形態に係る第２の温度算出を説明するための図である。 第１の実施形態に係る絞りを示す図である。 第１の実施形態に係る第３の方法に基づく構成を示す図である。 第１の実施形態に係る絞りの比較例を示す図である。 第２の実施形態に係る放射温度計の概略構成を示す図である。

（第１の実施形態）
第１の実施形態について図１乃至図８を参照して説明する。

図１に示すように、第１の実施形態に係る成膜装置１は、基板Ｗ（例えば、ウェハなどの半導体基板）に成膜を行うチャンバ２と、そのチャンバ２内の基板Ｗにガス（原料ガス）を供給するガス供給部３と、チャンバ２の上部に位置する原料放出部４と、チャンバ２内で基板Ｗを支持するサセプタ５と、そのサセプタ５を保持して回転する回転部６と、基板Ｗを加熱するヒータ７と、チャンバ２内のガスを排出するガス排出部８と、それらのガス排出部８からガスを排気する排気機構９と、基板Ｗの温度を測定する放射温度計１０と、各部を制御する制御部１１とを備えている。

チャンバ２は、成膜対象の基板Ｗを収納可能に円筒形状などの箱形状に形成さており、その内部にサセプタ５やヒータ７、回転部６の一部などを収容している。

ガス供給部３は、ガスを個別に貯留する複数のガス貯留部３ａと、それらのガス貯留部３ａと原料放出部４を接続するガス管３ｂと、それらのガス管３ｂを流れるガスの流量を変更するガスバルブ３ｃとを備えている。これらのガスバルブ３ｃは複数のガス管３ｂを用いる場合、各ガス管３ｂに個別に設けられ、制御部１１に電気的に接続されており、その駆動が制御部１１により制御される。実際の配管は、複数のガス管を結合したり、１本のガス管をいくつかのガス管に分離、さらにこれらの結合や分離を組み合わせるなど複雑な構成を取りうる。

このガス供給部３から供給される原料は、原料放出部４を介してチャンバ２内に放出される。チャンバ２内に放出された原料ガス（プロセスガス）は基板Ｗ上に供給され、基板Ｗ上に所望の膜が形成されることになる。なお、ガスの種類やその種類数は特に限定されるものではない。

原料放出部４の構造は、成膜された膜の均一性、原料効率、再現性、製作コストなどを勘案して選定されるべきであるが、とくに限定されるものではなく、たとえば公知の構造のものを適宜用いることができる。

サセプタ５は、回転部６の上部に設けられており、サセプタ５の内周側に設けられた座ぐり内に基板Ｗを受け入れて支持する構造になっている。なお、図１に示した例ではサセプタは中央部に開口部を有する環状形状になっているが、開口部のない略平板形状であってもよい。

ヒータ７は、サセプタ５および／または基板Ｗを加熱する加熱部である。加熱対象を所望の温度に加熱する能力、均一性、耐久性などの要求を満たすものであれば、とくに限定されるものではない。具体的には、抵抗加熱、ランプ加熱、誘導加熱などが挙げられる。

排気機構９は、ガス排出部８を介してチャンバ２の内部から反応後の原料ガスを排気し、排気バルブ９ｂ、真空ポンプ９ｃの作用によりチャンバ２内を所望の圧力に制御する。

放射温度計１０は、上記の成膜装置１の上部に設けられており、基板Ｗに光源からの光を照射し、該照射した光の基板Ｗからの反射光を受光し基板Ｗの反射率を測定する。また、基板Ｗからの熱輻射光の受光によって、基板Ｗからの熱輻射光強度を測定する。さらに、上記のように測定された基板Ｗの反射率と基板Ｗからの熱輻射光強度を用いて基板Ｗの温度を求める。

なお、上記各種の照射される光、および基板Ｗからの放射温度計１０の測定の対象となる光の妨げにならないよう、原料放出部４には光透過窓２ａが設けられている。光透過窓２ａの形状としては、スリット形状や矩形状、円形状などの各種の形状を用いることが可能である。この光透過窓２ａは、基板Ｗの曲率を測定する曲率測定装置などの他の光学的測定装置あるいは検出装置にも使用される。

制御部１１は、各部を集中的に制御するマイクロコンピュータと、成膜処理に関する成膜処理情報や各種プログラムなどを記憶する記憶部と（いずれも図示せず）を備えている。この制御部１１は、成膜処理情報や各種プログラムに基づいて、ガス供給部３や回転部６の回転機構、排気機構９などを制御し、ヒータ７による基板Ｗの加熱などの制御を行う。

次に、前述の放射温度計１０について詳しく説明する。

図２に示すように、放射温度計１０は、基板Ｗに照射する照射光Ｌ１を発生させる光源１０ａと、その光源１０ａにより発生した照射光Ｌ１を基板Ｗに向けて反射するハーフミラー１０ｂと、焦点調整用のレンズ１０ｃと、所定の波長範囲の反射光Ｌ１ａ及び熱輻射光Ｌ２を通す光学フィルタ１０ｄと、測定に必要な部分からの光を透過させる絞り１０ｅと、その絞り１０ｅを通過した反射光Ｌ１ａ及び熱輻射光Ｌ２を受光する受光部１０ｆと、その受光部１０ｆにより受光された反射光Ｌ１ａの強度（反射光強度）及び熱輻射光Ｌ２の強度（熱輻射光強度）を用いて基板Ｗの温度を算出する算出部１０ｇとを備えている。

なお、照射光Ｌ１はレンズ１０ｃの作用により基板Ｗ上に焦点を結ぶ。さらに基板Ｗからの反射光Ｌ１ａと熱輻射光Ｌ２はレンズ１０ｃの作用により、受光部１０ｆの受光面Ｍ１上に焦点を結ぶ。反射光Ｌ１ａは基板Ｗの表面における第１の測定領域からの反射光であり、熱輻射光Ｌ２は、基板Ｗの表面における、絞り１０ｅの作用により規定される第２の測定領域からの熱輻射光である。

絞り１０ｅは、基板Ｗの特定領域からの光を選択するために設けられている。これは以下に述べる理由によるものである。すなわち、基板Ｗの反射率を測定するために照射される光Ｌ１は、通常発光ダイオード（ＬＥＤ）を直接光源１０ａに取り付けるか、あるいは、ＬＥＤからの光を光ファイバを使って光源１０ａに導く。いずれにせよ、上記光源１０ａは、発光部が微小な点光源である。したがって、基板Ｗに照射される光Ｌ１はレンズ１０ｃの作用により、基板Ｗ上では微小なスポットとなる。さらに基板Ｗで反射された光Ｌ１ａはレンズ１０ｃの作用により、受光面Ｍ１上で同様に微小なスポットとなる。一方、熱輻射光は基板Ｗのいたるところから放出されており、絞り１０ｅがなければ、原理的にはレンズ１０ｃの作用により、基板Ｗ全体の像が受光面Ｍ１上に結ばれる。この様子を図３に示す。

図３では、基板Ｗ、レンズ１０ｃ、反射光Ｌ１ａ、熱輻射光Ｌ２、受光部１０ｆを取り出して示している。反射光Ｌ１ａは上述のように基板Ｗ上で微小な領域Ｗ２を形成し、この領域Ｗ２からの反射光Ｌ１ａは、レンズ１０ｃの作用により、受光面Ｍ１上で微小な領域Ｗ２ａを形成する。一方、熱輻射光Ｌ２は基板Ｗのいたるところより放出されるため、絞り１０ｅがない場合、例えば基板Ｗ上のＷ１およびＷ３の位置から放出された熱輻射光Ｌ２は、レンズ１０ｃの作用により受光面Ｍ１上でＷ１ａおよびＷ３ａの位置に像を結ぶ。したがって、絞り１０ｅがない場合、受光面Ｍ１上で観測される反射光Ｌ１ａは基板Ｗ上の微小な領域Ｗ２からのものであるのに対して、熱輻射光Ｌ２は基板Ｗ上のＷ１〜Ｗ２〜Ｗ３を含む広がった領域からのものである。このため、図２に示すように、受光面Ｍ１近傍に適切な絞り１０ｅを設けることで、基板Ｗ上の反射光Ｌ１ａの測定領域Ｗ２近傍からの熱輻射光Ｌ２のみを受光面Ｍ１に導き、その他の領域からの熱輻射光Ｌ２を遮ることができる。

次に、基板Ｗ上の反射光Ｌ１ａの測定領域より広い領域からの熱輻射光Ｌ２を測定することの問題点について説明する。

図４は、基板Ｗ上に薄膜を形成する際の反射率と熱輻射光強度の、薄膜の成膜時間に対しての変化を模式的に示した例である。薄膜の形成時間が長くなるにしたがい薄膜の膜厚が増大する。薄膜の膜厚が増大するにつれて、薄膜の表面と、基板Ｗと薄膜との界面との間での光の干渉効果により、反射率は周期的に変動する。一方、薄膜を含む基板Ｗの放射率は１から反射率を引いたものであり、反射率が増大するにつれて放射率は減少し、したがって、熱輻射光強度も減少する。この放射率の変化の影響を受けた熱輻射光強度を、反射率から求めた放射率をもとに補正することで、薄膜干渉の影響を補正した熱輻射光強度を、したがって干渉の影響を補正した温度を求めることができる。

一方、基板Ｗ上に成膜する薄膜の厚みは基板Ｗ上の位置によりに変化する分布を持つ。膜厚が異なる部分では薄膜干渉の影響も異なり、反射率が異なる。つまり、一般には異なる基板Ｗ上の位置からの熱輻射光強度は、たとえ異なる位置での温度が同じであっても、干渉の効果が異なるため、異なる熱輻射光強度を示す。この場合の反射率と熱輻射光強度の様子を模式的に図５に示す。反射率は微小な領域に限って測定されるため、膜厚分布の影響は小さい。一方、熱輻射光強度は異なる膜厚の部分からのものを合わせて測定するため、放射率が異なる部分からの熱輻射光強度の平均となる。この平均化された熱輻射光強度は反射率を測定する領域の反射率を正確には反映していないため、これを微小な領域の反射率を用いて補正を施すと、大きな誤差が生じる。

上記の理由により、基板Ｗから受光面Ｍ１へ向かう熱輻射光Ｌ２のうち反射光Ｌ１ａを測定する位置近傍の光以外を制限する絞り１０ｅが必要なのである。

ところで、図１に示すような、１枚の基板Ｗについて基板Ｗを回転させながら成膜処理を行ういわゆる枚葉式の装置では、回転方向の膜厚分布をほぼ均一にすることができる。この場合の様子を図６に示す。基板Ｗの成膜対象面Ｗａ上に成膜を行う成膜過程では、基板Ｗの成膜対象面Ｗａ上の膜厚は専ら基板Ｗの半径方向に変化する。なお、図６では、その基板Ｗの半径方向の膜厚変化（膜厚分布）を視覚的に示すため、基板Ｗの円周方向に沿う等高線が引かれている。基板Ｗの成膜対象面Ｗａ上の膜厚は、基板Ｗの半径方向（基板Ｗの回転中心軸に直交する方向）に徐々に変化するため、半径方向の膜厚分布は不均一となるが、基板Ｗの周方向（基板Ｗの回転方向）にはほとんど変化せず、周方向の膜厚分布はきわめて均一となる。

したがって、図１に示すような枚葉式の成膜装置１の場合、基板Ｗ上での熱輻射光強度の測定領域を、反射率の測定領域を含み回転方向に延伸した領域としても、熱輻射光強度の測定領域と反射率の測定領域の両者の回転中心からの距離、および前記両者の回転方向に直交する方向の長さ（幅）が等しければ、膜厚分布による補正された温度の誤差は生じない。ここで、回転中心からの距離とは、例えば回転中心から測定領域中心との距離であり、要求される精度により、距離、長さとも多少の差異は許容される。

したがって、反射率の測定領域の少なくとも一部を含まない、反射率の測定領域の回転中心からの距離と同じ距離で、回転の周方向に延伸した基板Ｗ上の領域からの熱輻射光強度を測定しても同様の効果が得られる。これについては第２の実施形態で説明する。

以下、上述のような、基板Ｗ上の熱輻射光強度を測定する領域を制限する方法（第１の方法、第２の方法および第３の方法）について述べる。

第１の方法は、前述の絞り１０ｅの形状に関するものである。絞り１０ｅの形状を、基板Ｗの回転方向と同じ方向に延伸した開口部を持つ構造とすることで、基板Ｗの周方向に延伸した領域からの熱輻射光強度を測定することができる。上記延伸形状としては、例えば、基板Ｗの周方向に沿って湾曲する形状、また、長方形や台形、楕円などの形状を用いることが可能である。

第２の方法は、受光部１０ｆ、すなわち検出器の形状に関するものである。検出器の受光面Ｍ１を基板Ｗの回転周方向に延伸した形状にすることで、上記第１の方法で述べた絞り１０ｅを用いるのと同様な効果を得ることができる。これはまた、光ファイバを用いた検出器にも応用可能である。つまり、図２において受光面Ｍ１の位置に光ファイバの一端を設置し、該光ファイバの他の一端を検出器に導く構造に関するものである。通常、光ファイバの先端は直径１ｍｍ以下であり、この先端から光を導入する場合、該光ファイバの直径の絞りを用いた場合と同様な効果がある。したがって、複数の光ファイバの先端を基板Ｗの回転周方向に並べることで、基板Ｗの周方向に延伸した絞りを用いたのと同様の効果がある。複数の光ファイバを上記のように配置した後、撚り合わせて１本の光ファイバにすることも可能である。

第３の方法は、光ファイバと集光部品を組み合わせる方法である。図７に第３の方法についての概略を示す。図７において、集光部品１０ｊは基板Ｗからの熱輻射光を集光させ、光ファイバ１０ｋへ導く。集光部品１０ｊは基板Ｗからの熱輻射光Ｌ２を受ける方向に向いており、熱輻射光Ｌ２を受ける面は基板Ｗの回転の周方向に延伸しており、これと垂直方向については、放射率の補正が正確に行われるよう、基板Ｗの直径方向からの熱輻射光Ｌ２を制限するよう狭められている。集光部品１０ｊの熱輻射光Ｌ２を受ける部分は基板Ｗの回転の周方向に延伸しているため、本発明の効果を得ることができる。

以下の説明では、上記第１の方法で説明した絞り１０ｅを用いた方法について説明するが、適宜第２あるいは第３の方法を用いてもよい。なお、反射光Ｌ１ａの測定領域（第１の測定領域）と熱輻射光Ｌ２の測定領域（第２の測定領域）は、成膜対象面Ｗａの同一円周上であって同じ位置に設定されているが、同一円周上であれば特に限定されるものではない。加えて、各測定領域の位置は成膜対象面Ｗａの外周側に限られるものではなく、例えば、内周側でも良く、特に限定されるものではない。

前述の放射温度計１０では、基板Ｗの温度を測定する場合、照射光Ｌ１が光源１０ａにより出射され、その光源１０ａから出射された照射光Ｌ１はハーフミラー１０ｂにより反射され、レンズ１０ｃ、成膜装置１の光透過窓２ａ（図１参照）を通過して基板Ｗ、詳しくは基板Ｗの成膜対象面Ｗａ及びその成膜対象面Ｗａ上に形成された薄膜に照射され、微小なスポットを形成する。その後、基板Ｗ（成膜対象面Ｗａ及びその成膜対象面Ｗａ上に形成された薄膜）により反射された反射光Ｌ１ａ及び基板Ｗから放射された熱輻射光Ｌ２は、光透過窓２ａ、レンズ１０ｃ、ハーフミラー１０ｂを通過する。

ハーフミラー１０ｂを通過した反射光Ｌ１ａと熱輻射光Ｌ２は光学フィルタ１０ｄ及び絞り１０ｅを通過し、その所定の波長範囲の反射光Ｌ１ａが受光部１０ｆにより受光され、電気信号として検出される。所定の波長範囲の熱輻射光Ｌ２は絞り１０ｅによって基板Ｗの円周方向に延びる延伸形状となり、受光部１０ｆによって受光され、電気信号として検出される。すなわち、受光部１０ｆにより検出される延伸形状の熱輻射光Ｌ２が熱輻射光強度を測定するための光である。

前述のように検出された信号は算出部１０ｇに送られ、基板Ｗの温度が算出部１０ｇにより算出される。この温度算出では、測定された反射光強度（反射率）に基づいて基板Ｗの放射率が求められ、基板Ｗからの熱輻射光強度（熱輻射強度）がその基板Ｗの放射率により割られる。これにより、その基板Ｗと同じ温度の黒体が放射する熱輻射光強度が求められ、この熱輻射光強度から基板Ｗの温度が計算される。その後、基板Ｗの温度（温度情報）が制御部１１（図１参照）に送られる。

なお、前述のような温度測定において、基板Ｗからの反射光強度と熱輻射光強度の信号を分離するためには、例えば、制御部１１により光源１０ａからの光を適当な周期で点滅させ、受光部１０ｆにより検出される光強度のうちこの周期に対応する信号を分離する方法などを用いることができる。このとき、算出部１０ｇは、前述の周期に応じて、基板Ｗの成膜対象面Ｗａからの反射光強度と熱輻射光強度の信号を分離して用いる分離部として機能する。

また、基板Ｗからの熱輻射光強度及び反射光強度は、選択された所定の波長範囲内での強度の波長積分、あるいは、選択された所定の波長範囲内での平均値であると考えることができる。図２の例では、光学フィルタ１０ｄにより所定の波長範囲を調整することが可能であり、この光学フィルタ１０ｄは所定の波長範囲を選択する波長選択フィルタとして機能し、所定の波長範囲を除く光を遮断し、所定の波長範囲の光だけを通す。

ここで、図６に示すように、絞り１０ｅの開口部Ｈ１が基板Ｗの周方向に延びる延伸形状である場合には、受光面Ｍ１上の熱輻射光Ｌ２の入射領域は基板Ｗの周方向に延びる延伸形状となり、その基板Ｗ上の周方向の膜厚分布が均一であるため、正確な熱輻射光強度が得られる（図４参照）。その後、この熱輻射光強度さらに反射光強度（反射率）から前述の計算により基板Ｗの温度が求められるが、図４に示すように、反射率により補正された温度の変動は抑えられおり、基板Ｗの温度が正確に測定されている。なお、図６では、反射光Ｌ１ａの測定領域（第１の測定領域）における基板Ｗの回転方向に直交する方向の長さ（幅）と熱輻射光Ｌ２の測定領域（第２の測定領域）における基板Ｗの回転方向に直交する方向（短手方向）の長さ（幅）は等しく、反射光Ｌ１ａの測定領域は熱輻射光Ｌ２の測定領域内に存在している。

一方、比較例として、図８に示すように、絞り１０ｅの開口部Ｈ２が反射光Ｌ１ａの直径よりも大きい円形状である場合には（図８では一例として、受光面Ｍ１上の熱輻射光Ｌ２の直径が受光面Ｍ１上の反射光Ｌ１ａの直径の三倍程度である）、受光面Ｍ１上の熱輻射光Ｌ２の入射領域は大きい円形状となり、その基板Ｗ上の半径方向の膜厚分布は不均一であるため、その膜厚変化に起因して、図５に示すように、熱輻射光強度が異なる光が混ざり合い、それらの平均化された熱輻射光強度が得られる。その後、この熱輻射光強度と反射光強度（反射率）から前述の計算により基板Ｗの温度が求められるが、図５に示すように、反射率により補正された温度は大きく変動しており、基板Ｗの温度が正確に測定されていない。

したがって、受光面Ｍ１上の熱輻射光Ｌ２の入射領域を基板Ｗの周方向に延びる延伸形状に成形することが重要である。例えば、受光面Ｍ１上の熱輻射光Ｌ２の入射領域を基板Ｗの周方向に延びる延伸形状に成形し、その延伸形状の入射領域サイズを１ｍｍ×７ｍｍ（幅×長さ）とした場合には、受光面Ｍ１上の円形状の熱輻射光Ｌ２の入射領域サイズをφ１ｍｍ（直径が１ｍｍ）とする場合に比べ、熱輻射光強度を測定する測定領域は約１０倍となり、Ｓ／Ｎ（ＳＮ比）も約１０倍となるため、測定可能な下限温度を１００℃以上低くすることが可能となる。

このように基板Ｗに膜を形成する枚葉式の成膜装置１では、基板Ｗの成膜対象面Ｗａ上における基板Ｗの周方向に延びる延伸形状の測定領域（第２の測定領域）からの熱輻射光強度が測定されることになるため、従来より広い領域からの熱輻射光強度を測定することが可能となる。これにより、信号強度が高くなりノイズ（雑音）が小さくなるため、測定可能な下限温度を低くすることができる。さらに、基板Ｗの成膜対象面Ｗａ上の周方向の膜厚分布が均一であるため、その周方向に延びる広い領域からの熱輻射光強度を測定しても（測定領域が従来より広くなっても）、基板Ｗの半径方向（基板Ｗの回転方向に直交する方向）の異なる膜厚領域からの干渉の影響をほとんど受けずに済むため、測定領域の拡大に起因して温度測定精度が低下することを抑えることができる。

以上説明したように、第１の実施形態によれば、成膜対象面Ｗａから放射された熱輻射光Ｌ２を基板Ｗの周方向（基板Ｗの回転方向）に延びる延伸形状に絞る絞り１０ｅを設けることによって、基板Ｗの周方向に延びる延伸形状の熱輻射光Ｌ２が受光部１０ｆにより受光されることになる。これにより、基板Ｗの周方向に延びる従来より広い領域からの熱輻射光強度を測定することが可能となる。ここで、基板Ｗの成膜対象面Ｗａ上の周方向の膜厚分布は均一であるため、その周方向に延びる広い領域からの熱輻射光強度を測定しても、基板Ｗの半径方向の異なる膜厚領域からの干渉をほとんど受けずに済む。したがって、基板Ｗの半径方向の異なる膜厚領域からの干渉の影響をほとんど受けずに、基板Ｗの成膜対象面Ｗａ上の従来より広い領域からの熱輻射光強度を測定し、信号強度を高くしてノイズを小さくすることが可能となるので、温度測定精度の低下を抑えつつ、測定可能な下限温度を低くすることができる。

なお、熱輻射光強度を測定する測定波長範囲については、測定対象の測定すべき温度によって適切に決めることが可能である。ＭＯＣＶＤあるいはＭＢＥによる化合物半導体の製造においては、おおむね５００℃以上１２００℃以下の温度範囲に基板Ｗを加熱する場合がほとんどである。この場合、熱輻射光強度を測定する波長としては、４００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下の波長を設定すると、温度の測定精度が高くなるため好適である。より好ましくは６００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の間、さらに好ましくは８００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下の間に設定する。また、前述の温度範囲より高温での測定が必要である場合には上記の波長範囲をより短く設定すると良く、逆により低温での測定が必要な場合にはより長く設定すると良い。

（第２の実施形態）
第２の実施形態について図９を参照して説明する。第２の実施形態では、第１の実施形態との相違点（放射温度計１０の構造）について説明し、その他の説明は省略する。

図９に示すように、第２の実施形態に係る放射温度計１０は、反射光Ｌ１ａ及び熱輻射光Ｌ２毎に光学系を設ける構造になっている。レンズ１０ｃは、第１のレンズ１０ｃ１及び第２のレンズ１０ｃ２（それらの構造は第１の実施形態に係るレンズ１０ｃと同様である）により構成されており、受光部１０ｆは、第１の受光部１０ｆ１及び第２の受光部１０ｆ２（それらの構造は第１の実施形態に係る受光部１０ｆと同様である）により構成されている。さらに、光学フィルタ１０ｄは第１の光学フィルタ１０ｄ１及び第２の光学フィルタ１０ｄ２（それらの構造は第１の実施形態に係る光学フィルタ１０ｄと同様である）により構成されている。なお、図９では、第１の受光部１０ｆ１の受光面をＭ１１、第２の受光部１０ｆ２の受光面をＭ１２で示す。

レンズ１０ｃ１、ハーフミラー１０ｂ及び第１の光学フィルタ１０ｄ１は基板Ｗの成膜対象面Ｗａから第１の受光部１０ｆ１までの光路上に配置されている。また、レンズ１０ｃ２、第２の光学フィルタ１０ｄ２及び絞り１０ｅは基板Ｗの成膜対象面Ｗａから第２の受光部１０ｆ２までの光路上に配置されている。なお、反射光Ｌ１ａの測定領域と熱輻射光Ｌ２の測定領域は、成膜対象面Ｗａの同じ円周上であって異なる位置、例えば、基板Ｗの回転中心を中心として互いに対向する位置に存在している。

第１の実施形態においては、反射光Ｌ１ａと熱輻射光Ｌ２は光路が重なるため、両者において同一の光学フィルタ１０ｄを通過する。しかし、第２の実施形態においては、反射光Ｌ１ａと熱輻射光Ｌ２は光路が異なり、異なる光学フィルタ１０ｄ１、１０ｄ２を通過する。反射光を測定するための光源１０ａからの光Ｌ１のスペクトルと、熱輻射光Ｌ２のスペクトルや基板Ｗと同程度の温度の黒体輻射スペクトルとが大きく異なる場合、第１の光学フィルタ１０ｄ１と第２の光学フィルタ１０ｄ２の中心波長、半値幅、透過スペクトルなどの特性を意図的に異なるものにしておき、スペクトルの差による誤差を抑制することが可能な場合がある。そのような場合にはこれらの光学フィルタ１０ｄ１と１０ｄ２の特性を同じにする必要はない。

このような放射温度計１０では、基板Ｗの温度を測定する場合、照射光Ｌ１が光源１０ａにより出射され、その光源１０ａから出射された照射光Ｌ１はハーフミラー１０ｂにより反射され、レンズ１０ｃ１、成膜装置１の光透過窓２ａ（図１参照）を通過して基板Ｗ、詳しくは基板Ｗの成膜対象面Ｗａ及びその成膜対象面Ｗａ上に形成された薄膜に照射される。その後、基板Ｗ（成膜対象面Ｗａ及びその成膜対象面Ｗａ上に形成された薄膜）により反射された反射光Ｌ１ａは光透過窓２ａ、レンズ１０ｃ１、ハーフミラー１０ｂ及び光学フィルタ１０ｄ１を通過する。所定の波長範囲の反射光Ｌ１ａが受光部１０ｆ１により受光され、電気信号として検出される。

また、基板Ｗから放射された熱輻射光Ｌ２は、レンズ１０ｃ２により絞り１０ｅの下面に集光され、光学フィルタ１０ｄ２及び絞り１０ｅを通過する。所定の波長範囲の熱輻射光Ｌ２が絞り１０ｅによって基板Ｗの円周方向に延びる延伸形状となり、受光部１０ｆ２によって受光され、電気信号として検出される。すなわち、受光部１０ｆ２により検出される延伸形状の熱輻射光Ｌ２が熱輻射光強度を測定する光である。その後の算出部１０ｇによる算出処理は第１の実施形態と同様である。

このように、第１の実施形態と同様、基板Ｗに膜を形成する枚葉式の成膜装置１では、基板Ｗの成膜対象面Ｗａ上における基板Ｗの周方向に延びる延伸形状の測定領域からの熱輻射光強度が測定されることになるため、従来より広い領域からの熱輻射光強度を測定することが可能となる。これにより、信号強度が高くなりノイズ（雑音）が小さくなるため、測定可能な下限温度を低くすることができる。さらに、基板Ｗの成膜対象面Ｗａ上の周方向の膜厚分布が均一であるため、その周方向に延びる広い領域からの熱輻射光強度を測定しても（測定領域が従来より広くなっても）、基板Ｗの半径方向の異なる膜厚領域からの干渉の影響をほとんど受けずに済むため、測定領域の拡大に起因して温度測定精度が低下することを抑えることができる。

さらに、反射光Ｌ１ａ及び熱輻射光Ｌ２毎に光学系を設けることによって、反射光Ｌ１ａ及び熱輻射光Ｌ２毎の測定領域の位置自由度を向上させることができる。例えば、それらの測定領域を成膜対象面Ｗａの同じ円周上であって異なる位置、一例として、基板Ｗの回転中心を中心として互いに対向する位置に存在させることで、基板Ｗの反りや傾き、ズレなどを検出することが可能となる。この場合には、基板Ｗの反りや傾き、ズレなどにより反射光強度や熱輻射光強度、すなわち測定温度が変化するため、この変化（例えば、急激な温度変化や突発的な温度変化など）を検出して基板Ｗの反りや傾き、ズレを検出する。問題がある場合には、成膜処理が停止されたり、問題が生じたことがユーザなどに報知されたりする。

以上説明したように、第２の実施形態によれば、前述の第１の実施形態と同様の効果を得ることが可能である。また、反射光Ｌ１ａ及び熱輻射光Ｌ２毎に光学系を設けることによって、反射光Ｌ１ａ及び熱輻射光Ｌ２毎の測定領域の位置自由度を向上させることができる。例えば、各測定領域を成膜対象面Ｗａの同じ円周上であって異なる位置、一例として、基板Ｗの回転中心を中心として互いに対向する位置に存在させることで、基板Ｗの反りや傾き、ズレなどを検出することが可能となる。

（他の実施形態）
前述の実施形態においては、ＭＯＣＶＤやＭＢＥなどでの成膜を主な適用例として挙げているが、成膜に伴う基板の温度変化が生ずる可能性があれば、ＭＯＣＶＤやＭＢＥに限るものではなく、スパッタや蒸着などの手法にも適用可能である。また、前述の放射温度計１０の構成については、図２や図７に示すものは例示であり、この構成要素や構成方法等にさまざまな変更を加えることが可能である。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ 成膜装置
２ チャンバ
２ａ 光透過窓
３ ガス供給部
３ａ ガス貯留部
３ｂ ガス管
３ｃ ガスバルブ
４ 原料放出部
４ａ ガス供給流路
４ｂ ガス吐出孔
５ サセプタ
５ａ 開口部
６ 回転部
６ａ 円筒部
６ｂ 回転体
６ｃ シャフト
７ ヒータ
７ａ 配線
８ ガス排出部
９ 排気機構
９ａ ガス排気流路
９ｂ 排気バルブ
９ｃ 真空ポンプ
１０ 放射温度計
１０ａ 光源
１０ｂ ハーフミラー
１０ｃ レンズ
１０ｄ 光学フィルタ
１０ｄ１ 光学フィルタ
１０ｄ２ 光学フィルタ
１０ｅ 絞り
１０ｆ 受光部
１０ｆ１ 受光部
１０ｆ２ 受光部
１０ｇ 算出部
１０ｊ 集光部品
１０ｋ 光ファイバ
Ｌ１ 照射光
Ｌ１ａ 反射光
Ｌ２ 熱輻射光
Ｗ 成膜対象物
Ｗａ 成膜対象面

Claims (5)

1. 基板を支持する支持部と、
   前記支持部を介して前記基板の中心を回転中心とし前記基板を面内方向に回転させる回転部と、
   前記基板上にプロセスガスを供給するガス供給部と、
   排気ガスを排出する排気部と、
   前記基板を加熱する加熱部と、
   前記基板の表面の温度を測定する放射温度計と、
   を備え、
   前記放射温度計は、
   前記基板の表面に照射される照射光の光源と、
   前記基板の表面における前記回転中心から所定距離の第１の測定領域からの反射光を受光する第１の受光部と、
   前記基板の表面における前記回転中心から前記所定距離で前記基板の回転方向に延伸した第２の測定領域からの熱輻射光を受光する第２の受光部と、
   を具備することを特徴とする成膜装置。
2. 前記第１の測定領域における前記基板の回転方向に直交する方向の長さと前記第２の測定領域における前記基板の回転方向に直交する方向の長さは等しいことを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
3. 前記第１の測定領域は前記第２の測定領域内に存在することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の成膜装置。
4. 前記第１の測定領域および前記第２の測定領域の少なくとも一部は重ならないように設定されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の成膜装置。
5. 基板の中心を回転中心とし前記基板を回転させて加熱しつつ、前記基板の表面にプロセスガスを供給する工程と、
   前記基板の表面に光を照射し、前記基板の表面における前記回転中心から所定距離の第１の測定領域からの反射光を測定する工程と、
   前記基板の表面における前記回転中心から前記所定距離で前記基板の回転方向に延伸した第２の測定領域からの熱輻射光を測定する工程と、
   を有することを特徴とする温度測定方法。

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