DE19638117A1 - Oberflächentemperatursondenkopf, Verfahren zu dessen Herstellung und Vorrichtungen unter Verwendung eines derartigen Sondenkopfs - Google Patents
Oberflächentemperatursondenkopf, Verfahren zu dessen Herstellung und Vorrichtungen unter Verwendung eines derartigen SondenkopfsInfo
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Description
Innerhalb der Halbleiterherstellungstechnik existieren zahlreiche Prozesse,
bei denen Wafer bei erhöhter Temperatur zu behandeln sind. Beispiele für
derartige Prozesse sind: Plasmaveraschung von Photoresist, chemische Dampf
niederschlagung und Tempern. Es ist erwünscht, die Temperatur von Wafern,
die derartige Herstellprozesse durchlaufen, eng zu überwachen.
Bei Temperaturmessungsanwendungen bei der Halbleiterherstellung werden
Halbleiter häufig mit beachtlicher Geschwindigkeit erwärmt. Bei derartigen
Anwendungen ist es wichtig, daß der Sensor verzögerungsfrei die Temperatur
eines Wafers aufzeichnet, der gerade erwärmt wird.
Es existieren kontaktfreie, optische Temperaturmeßtechniken innerhalb des
Stands der Technik. Optische Techniken beruhen auf Änderungen des Reflexi
ons- und des Transmissionsvermögens von Halbleiterwafern abhängig von der
Temperatur, und sie leiden unter dem Nachteil, daß Variationen dieser
optischen Eigenschaften von einem Wafer zum nächsten der Genauigkeit ab
träglich sind, mit der die Messungen ausgeführt werden können.
Kontaktfreie Techniken, die sich auf Wärmestrahlungsübergänge zwischen
einem Objekt (z. B. einem Halbleiterwafer) und einem Sensor stützen, wie
z. B. im US-Patent Nr. 5,106,200 offenbart, haben von Natur aus Beschrän
kungen hinsichtlich der Ansprechgeschwindigkeit, und zwar wegen der relativ
geringen Leistung, wie sie bei den Temperaturen abgestrahlt wird, die typi
scherweise bei der Halbleiterverarbeitung verwendet werden. In diesem Zu
sammenhang ist zu beachten, daß die im Patent ′200 erörterten Versuche
sehr niedrige Erwärmungsraten (-2,3°C/s) verwenden, wobei jedoch die bei
tatsächlicher Halbleiterverarbeitung verwendeten Erwärmungsraten das 10-
fache oder mehr betragen können.
Kontaktierende Temperaturmessung ist eine sehr zuverlässige Temperaturmes
sung. Jedoch ist kontaktierende Temperaturmessung nicht ohne eigene Nach
teile. Ein Schlüsselnachteil bei kontaktierender Temperaturmessung besteht
darin, daß ebenfalls ein Problem hinsichtlich der Ansprechgeschwindigkeit
besteht, d. h., daß eine Verzögerung zwischen der tatsächlichen Temperatur
und der vom kontaktierenden Temperatursensor abgelesenen Temperatur exis
tiert, wenn sich die Temperatur des Objekts ändert. Dieses Problem ist im
US-Patent Nr. 5,106,200 erkannt, wo unter Bezugnahme auf Fig. 6 des Patents
dargestellt ist, daß bei einem mit einem kontaktierenden Temperatursensor
ausgeführten Versuch eine Temperaturdifferenz über 60°C zwischen der tat
sächlichen Temperatur und der durch einen kontaktierenden Temperatursensor
abgelesenen Temperatur am Ende eines Erwärmungsprozesses von 30 Sekunden
bestand, durch den ein Wafer mit der sehr mäßigen Rate von ungefähr 2,8°C/s
erwärmt wurde.
Der Verzug rührt davon her, daß Wärme zwischen der Sonde und dem gemesse
nen Objekt fließen muß, um deren Temperaturen auszugleichen. Da die Sonde
eine bestimmte Wärmemasse und eine bestimmte endliche Wärmeleitfähigkeit
aufweist und da auch der Wärmekontakt zwischen der Sonde und dem Objekt
eine bestimmte endliche Wärmeleitfähigkeit aufweist, ist der Wärmefluß
nicht momentan und der Verzug weicht demgemäß von null ab. Die Erfinder
haben erkannt, daß es zum Minimieren dieses Verzugs wesentlich ist, 1) die
Wärmemasse der Sonde zu minimieren, 2) den Wärmewiderstand des Kontakts
zwischen der Sonde und dem Objekt zu minimieren und 3) Wärmeentweichungs
pfade aus der Sonde zu minimieren.
Beim Schaffen der Erfindung erkannten die Erfinder die Wichtigkeit des
Auflagedrucks am Kontakt zwischen der Temperatursonde und dem Halbleiterwa
fer. Es ist nicht praxisgerecht, eine Kraft auf den Wafer auszuüben, um den
Auflagedruck zu erhöhen, da ein Wafer sehr zerbrechlich ist. Die Gewichts
kraft des Wafers selbst ist sehr klein und sorgt für keinen großen Druck,
wenn das Gewicht des Wafers auf dem Kontaktpunkt abgestützt wird.
Die Erfinder standen vor dem Problem, eine extrem leichte kontaktierende
Temperatursonde mit sehr ebener Fläche zu schaffen, die ein Thermoelement
sicher in gutem Wärmekontakt hält.
In der Mikrolithographieindustrie wird Plasmaverarbeitung zu verschiedenen
Zwecken verwendet, wie zur plasmaunterstützten chemischen Dampfniederschla
gung und bei der Plasmaveraschung. Bei diesen Anwendungen existiert eben
falls ein Bedarf, die Temperatur zu messen. Wenn ein Thermoelement oder
eine andere elektrische Temperaturmesseinrichtung dazu verwendet wird, die
Temperatur zu messen, ist es erforderlich, über elektrische Leitungen zu
verfügen, die von der am Wafer positionierten Temperaturmesseinrichtung aus
der Bearbeitungskammer herausführen. Solange die Kammer nicht so konzipiert
ist, daß der Wafer an der Wand derselben liegt, müssen die Leitungen durch
einen Teil der Kammer laufen. Dann entsteht in Plasmabearbeitungskammern
das Problem, daß das Plasma entweder elektrisch oder thermisch mit den
Leitungen wechselwirkt und zu falschen Ablesewerten führt. Unter dem Be
griff "thermisch" ist zu verstehen, daß das Plasma die Leitungen erwärmt
und daß die Leitungen ihrerseits Wärme zur temperaturempfindlichen Ein
richtung liefern. Die elektrische Wechselwirkung ist komplizierter und
weniger gut verstanden, jedoch kann das elektrisch aktive Plasma Ströme und
Spannung in den Drähten hervorrufen, was zu falschen Signalen führt. Die
Erfinder haben falsche Signale beobachtet, wenn sie eine Sonde in einer
Plasmaumgebung betrieben.
Gemäß einer Erscheinungsform der Erfindung ist eine kontaktierende Tempera
turmeßsonde zum Messen der Temperatur eines Halbleiterwafers geschaffen,
die auch als einer der Halter zum Halten des Halbleiterwafers dienen kann.
Die Sonde kann einen Sondenkopf aufweisen, der sehr klein ist und niedrige
Wärmekapazität aufweist, mit einer ebenen Fläche, die zur ebenen Fläche des
Halbleiterwafers paßt, und der mechanisch so gelagert ist, daß er sich
unter dem Gewicht des Wafers frei so dreht, daß die ebene Fläche flächig
am gehaltenen Halbleiterwafer zur Anlage kommt.
Gemäß einer weiteren Erscheinungsform der Erfindung umfaßt der Sondenkopf
eine Kontaktfläche mit bestimmter Abmessung (z. B. Durchmesser) für Anpas
sung an die ebene Fläche des Halbleiterwafers, und er ist mechanisch so
gelagert, daß er sich unter dem Gewicht des Wafers so frei dreht, daß
seine ebene Fläche koplanar am gehaltenen Halbleiterwafer anliegt, wobei
die Sonde ferner dadurch gekennzeichnet ist, daß das Drehzentrum um einen
solchen Abstand von der Kontaktfläche entfernt liegt, der kleiner als unge
fähr die Abmessung der Kontaktfläche ist.
Gemäß einer weiteren Erscheinungsform der Erfindung wird ein Halbleiterwa
fer durch mehrere Halter gehalten, zu denen eine kontaktierende Temperatur
meßsonde oder mehrere gehören, und diese Halter sind gemäß den Gesetzen
der Statik so ausgebildet, daß mindestens eine der kontaktierenden Tempe
ratursonden einen größeren Anteil des Gewichts des Wafers trägt, als es dem
gleich verteilten Anteil entspricht.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Halbleiter durch eine
kontaktierende Temperatursonde und zwei gewöhnliche Halterungsstifte gehal
ten, wobei die drei Halterungsstifte nicht kolinear sind, so daß sie den
Wafer stabil halten, und wobei die kontaktierende Temperatursonde näher am
Zentrum des Wafers als die üblichen Halterungsstifte liegt.
Gemäß einer anderen Erscheinungsform der Erfindung umfaßt ein kontaktie
render Temperaturmeßsondenkopf, in den eine temperaturempfindliche Ein
richtung (z. B. ein Thermoelement) eingeführt ist, eine im wesentlichen
ebene Kontaktfläche, die im wesentlichen parallel zu einer bestimmten Pro
jektionsebene verläuft und sich im wesentlichen zusammen mit der projizier
ten Fläche des Sondenkopfs, entsprechend der bestimmten Projektionsebene,
erstreckt, wobei die bestimmte Projektionsebene dadurch gekennzeichnet ist,
daß die auf diese bestimmte Projektionsebene projizierte Fläche die größte
Fläche oder nahezu die größte Fläche in bezug auf alle denkbaren Projekti
onsebenen des Sondenkopfs ist.
Gemäß einer weiteren Erscheinungsform der Erfindung umfaßt eine kontaktie
rende Temperatursonde einen Sondenkopf mit einer temperaturempfindlichen
Einrichtung und einer Kontaktfläche sowie eine den Sondenkopf haltende
Konstruktion, wobei die Verbindung zwischen dem Sondenkopf und seiner Hal
tekonstruktion durch hohen Wärmewiderstand und eine freie Drehbewegung des
Sondenkopfs innerhalb eines bestimmten Raumwinkels gekennzeichnet ist.
Gemäß einer weiteren Erscheinungsform der Erfindung besteht die Verbindung
zwischen dem Sondenkopf und der Haltekonstruktion aus einem punkt- oder
linienförmigen Kontakt. In der Praxis verfügen linien- und punktförmige
Kontakte über eine endliche Fläche, jedoch ist diese Fläche sehr klein, und
infolgedessen ist der Wärmewiderstand am Kontakt hoch.
Gemäß einer weiteren Erscheinungsform der Erfindung umfaßt die Haltekon
struktion einen Abschnitt mit hohem Wärmewiderstand, der sich ausgehend von
der Verbindung erstreckt.
Gemäß einer weiteren Erscheinungsform der Erfindung ist ein Verfahren zum
Herstellen eines kontaktierenden Temperatursondenkopfs mit den folgenden
Schritten geschaffen: 1) vorläufigen Schritten des Herstellens eines Roh
sondenkopfs, wobei ein Loch in den Rohsondenkopf gebohrt wird, 2) Einführen
eines Thermoelements in das Loch, 3) Anwenden einer Klemmkraft auf den
Rohsondenkopf, um das Loch um das Thermoelement herum zu verengen und das
Thermoelement im Sondenkopf in gutem Wärmekontakt innerhalb des Lochs fest
zuhalten, und 4) Feinbarbeitung des Rohsondenkopfs, um eine flache, glatte
Wärmekontaktfläche herzustellen.
Gemäß einer weiteren Erscheinungsform der Erfindung sind Wärme- und elek
trische Abschirmungseinrichtungen vorhanden, die elektrische Leitungen
umgeben, die von einer Temperaturmesseinrichtung benachbart zu einem Wafer
in einer Plasmabearbeitungskammer herführen.
Demgemäß ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine kontaktierende Temperatur
sonde zu schaffen, die der Temperatur eines Halbleiterwafers, wobei sich
diese Temperatur schnell ändert, eng folgen kann, wobei nur das Gewicht des
Wafers für die Kontaktdruckkraft zwischen dem Wafer und der Sonde sorgt.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Halbleiterwaferhalter/Kon
takttemperatursonde-Kombination mit selbstausrichtendem, schwenkendem
Sondenkopf zu schaffen, wobei die Schwenkwirkung desselben nicht mehr Kraft
benötigt als denjenigen Teil der Gewichtskraft des Wafers, die vom Halter
abgestützt wird.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Halbleiterwaferhal
ter/Kontakttemperatursonde-Kombination zu schaffen, die der sich ändernden
Temperatur eines Wafers, an dem sie verwendet wird, eng folgt.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine kontaktierende Temperatursonde zu
schaffen, die Temperaturmessungen mit schnellem Ansprechverhalten (kleiner
Verzug) eines Gegenstands ausführen kann, dessen Temperatur sich in einer
Vakuumumgebung ändert, d. h. ohne den Nutzen der Wärmeleitung eines Gases.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine kontaktierende Temperatursonde zu
schaffen, die ein großes Verhältnis der Wärmeleitfähigkeit am Kontakt zur
Wärmekapazität erzielt.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine kontaktierende Temperatursonde zu
schaffen, die in einer Plasmabearbeitungseinrichtung verwendet werden kann
und deren Ablesewerte hinsichtlich der Genauigkeit durch das Plasma nicht
nachteilig beeinflußt werden.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen besser
zu verstehen sein.
Fig. 1 ist eine vollständige Draufsicht auf eine kontaktierende Temperatur
sonde gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 2 ist eine perspektivische Zeichnung des in Fig. 1 dargestellten Son
denkopfs, zusammen mit Projektionsebenen und projizierten Flächen.
Fig. 3 ist eine perspektivische Zeichnung zum Stand der Technik, mit Pro
jektionsebenen und projizierten Flächen.
Fig. 4 ist eine Vorderansicht einer Halteeinrichtung für einen kontaktie
renden Temperatursondenkopf gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfin
dung.
Fig. 5 ist eine teilweise durchdringende Ansicht einer Kontakttemperatur
sonde/Waferhalter-Kombination gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der
Erfindung.
Fig. 6 ist eine schematische Veranschaulichung einer Halbleiterbearbei
tungskammer, in der die Erfindung verwendet wird.
Fig. 7 ist eine schematische Ansicht eines Wafers, und sie zeigt die Anord
nung von Waferhalterungsstiften und einer Kontakttemperatursonde/Waferhalt
er-Kombination.
Fig. 8 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 9 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 10 zeigt eine kontaktierende Temperatursonde zusammen mit einer Wärme
abschirmung.
Fig. 11 zeigt einen Sondenkopf gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
Fig. 12 zeigt eine kontaktierende Temperatursonde gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel der Erfindung einschließlich des in Fig. 11 dargestell
ten Sondenkopfs.
Fig. 13 zeigt eine Spanneinrichtung zur Verwendung bei der Herstellung des
kontaktierenden Temperatursondenkopfs gemäß dem bevorzugten Ausführungsbei
spiel der Erfindung.
Fig. 14 zeigt den Aufbau zur Verwendung der in Fig. 13 dargestellten Spann
einrichtung.
Fig. 15 ist ein Kurvenbild, das zwei Sätze von Temperaturmeßdaten bei
schnellem Temperaturanstieg zeigt.
Fig. 1 ist eine vollständige Vorderansicht eines kontaktierenden Tempera
tursondenkopfs 1. Der Sondenkopf umfaßt einen oberen Plattenabschnitt 2,
dessen Oberfläche 3 die Wärmekontaktfläche ist. Die Kante der Oberfläche 3
kann durch eine kleine Schräge 4 gebrochen sein. Durch den Plattenabschnitt
2 ist ein Radialloch 5 hindurchgebohrt. Dieses Radialloch nimmt ein Thermo
element auf, wie es weiter unten erörtert wird. Mit der Mitte des Bodens
des Plattenabschnitts 2 ist ein sich axial erstreckender Stiel 6 verbunden.
Der Stiel verfügt über ein axiales Sackloch 7, das von seinem freien Ende
her zum Plattenabschnitt 2 hin eingebohrt ist. Das Ende 8 des Sacklochs 7
verfügt über Kegelform, wie es allgemein mit einem gewöhnlichen Zentrier
bohrer erhalten wird. Das Ende 8 des Sacklochs 7 liegt leicht unter dem
Plattenabschnitt 2.
Bei einem tatsächlich aufgebauten Realisierungsbeispiel wies der obere
Plattenabschnitt 2 einen Durchmesser von 0,411 mm und eine Dicke von
0,102 mm auf. Der Stiel 6 hatte eine Länge von 0,762 mm und einen Durchmes
ser von 0,147 mm. Das Sackloch 7 wies einen Durchmesser von 0,114 mm und
eine Tiefe von 0,711 mm auf. Die mittlere Dicke des Sondenkopfs in der
Richtung rechtwinklig zur Oberfläche 3 betrug einschließlich dem Stielab
schnitt 0,145 mm. Die Kontaktfläche entspricht dem Durchmesser des oberen
Plattenabschnitts.
In Fig. 2 ist der Sondenkopf perspektivisch dargestellt. Es sind zwei Pro
jektionsebenen, nämlich eine horizontale Projektionsebene p1 und eine ver
tikale Projektionsebene p2 dargestellt. Die auf die horizontale Projekti
onsebene p1 projizierte Fläche ist die größere Fläche, und sie stimmt (mit
Ausnahme der Schräge) mit der von der Schräge 4 umschlossenen Fläche (nicht
dargestellt) überein. Diese Konstruktion ist von Vorteil, da sie zu einem
großen Verhältnis zwischen der Kontaktfläche und der Wärmekapazität führt,
was schließlich zu gutem Sondenfunktionsvermögen, d. h. minimiertem An
sprechverzug führt. In dieser Ansicht ist erkennbar, wie die Thermoelement
drähte 6a, 6b aus dem radialen Loch 5 im Plattenabschnitt 2 des Sondenkopfs
1 heraustreten.
In Fig. 3 ist der im US-Patent Nr. 4,355,911 für Tymkewicz offenbarte Son
denkopf wiedergegeben. Eine vertikale Projektionsebene p2′ und eine hori
zontale Projektionsebene p1′ sind wie in Fig. 2 dargestellt. Die auf die
horizontale Projektionsebene p1′ projizierte Fläche ist eine Kreisfläche,
deren Durchmesser dem Außendurchmesser der Oberseite 102 entspricht. Die
auf die vertikale Ebene p1′ projizierte Fläche ist ein unregelmäßig geform
tes Gebiet, das ungefähr so groß ist wie das, das auf die horizontale Ebene
p2′ projiziert ist. Die Kontaktfläche 103 ist ein ringförmiger Bereich, der
sich ausgehend von der Außenkante 104 der Oberseite 102 erstreckt. Die
Kontaktfläche erstreckt sich nicht gemeinsam mit der auf die horizontale
Projektionsebene p1′ projizierten Fläche. Während die projizierte Fläche
einen vollkommenen Kreis ausfüllt, ist der vertiefte Bereich 105 der Ober
fläche 102 kein Teil des Kontaktbereichs 103. Dieses Design ist vom Stand
punkt der Lehren der Erfindung aus nicht gut. Der vertiefte Bereich 105
trägt zur Wärmekapazität des Sondenkopfs 101 bei, ohne zur Kontaktfläche
beizutragen. Dadurch besteht die Tendenz, daß das Ansprechverhalten der
Sonde verschlechtert ist.
Fig. 4 zeigt eine Halteeinrichtung 11 für einen kontaktierenden Temperatur
sondenkopf. Die Halteeinrichtung 11 besteht aus mehreren Abschnitten. Der
untere Abschnitt 10 wird normalerweise auf dem Boden einer Bearbeitungskam
mer abgestützt, wie unten beschrieben. Ganz oben am untersten Abschnitt 10
befindet sich ein mittlerer Abschnitt 11 mit kleinerem Durchmesser. Ganz
oben am mittleren Abschnitt 11 befindet sich ein oberer Abschnitt 12 mit
noch kleinerem Durchmesser. Es ist erwünscht, daß der Halter einen Quer
schnitt mit hohem Wärmewiderstand aufweist, wobei jedoch darauf hingewiesen
ist, daß bereits die Verbindung zwischen dem Sondenkopf 1 und der Halte
einrichtung 9 hohen Wärmewiderstand aufweist, so daß hoher Wärmewiderstand
des Halters einfach den gesamten Wärmewiderstand des Wärmeabführpfads durch
den Halter 9 erhöht. Im Interesse eines hohen thermischen Widerstands soll
te die Halteeinrichtung eine kleinere mittlere Querschnittsfläche aufweisen
und/oder aus einem Material mit hohem thermischem Widerstand bestehen.
Die Spitze 14 des Sondenkopfhalters 9 kann entweder abgerundet sein, wie
dargestellt, oder kegelförmig mit einem kleineren Kegelwinkel, als es das
kegelförmige Ende 8 des Bodens des axialen Lochs 7 im Stiel 6 der kontak
tierenden Sonde 1 aufweist.
In Fig. 5 ist die zusammengebaute Kontakttemperatursonde/Waferhalter-Kombi
nation dargestellt. Der obere Abschnitt 12 des Halters 9 paßt in den Frei
raum im axialen Loch 7 des Sondenkopfs 1. Der einzige Kontakt zwischen dem
Sondenkopf 1 und dem Halter 9 ist eine kreisförmige Kontaktlinie zwischen
der abgerundeten Spitze 14 des Halters 9 und dem kegelförmigen Ende 8 des
axialen Lochs 7. Der Sondenkopf kann innerhalb eines bestimmten Raumwinkel
bereichs Ω gegenüber der Vertikalen frei verschwenken. Dieser Bereich ist
durch die Länge des axialen Lochs 7 und die Durchmesser des oberen Ab
schnitts 12 und des axialen Lochs 7 begrenzt.
In Fig. 6 ist in schematischer Veranschaulichung eine beispielhafte Halb
leiterwafer-Bearbeitungskammer 15 dargestellt. Die Bearbeitungskammer um
faßt einen Bearbeitungsgaseinlaß 16, eine Gasverteilerplatte 18 und einen
Gasauslaß 17. Das Gas kann z. B. Silan für einen CVD-Prozeß oder Sauer
stoff zum Abheben von Photoresist sein. Der Boden 19 der Kammer 18 besteht
aus Glas. Heizlampen 20, 20′, die mit größerer Anzahl vorhanden sein kön
nen, sind so unter dem Boden der Kammer 15 angeordnet, daß sie Strahlungs
energie durch den Kämmerboden 19 auf einen in der Kammer positionierten
Halbleiterwafer 21 richten. Der Halbleiterwafer 21 wird durch drei Halter
am Boden der Kammer 19 abgestützt. Zwei der Halter, nämlich 22a, 22b, sind
Glasstifte, die sich ausgehend vom Boden 19 erstrecken. Der dritte Halter
ist die Kontakttemperatursonde/Waferhalter-Kombination, die in Fig. 5 zu
sammengebaut dargestellt ist. Die drei Halter können den Wafer stabil hal
ten. Unter Verwendung nur dreier Halter ist es möglich, das Gewicht zu
erhöhen, das von der kontaktierenden Temperatursonde abgestützt wird.
Die Thermoelementdrähte (nicht dargestellt) erstrecken sich aus dem diame
tralen Loch 4 in der oberen Scheibe 2 des Sondenkopfs und durch eine Durch
führung in der Kammerwand nach außen, wo sie mit einer geeigneten Tempera
turmeßschaltung zur Verwendung mit Thermoelementen verbunden sind.
In Fig. 7 ist eine schematische Wiedergabe der Anordnung der Waferhalter
dargestellt. Das Zentrum des Wafers ist mit X markiert. Der Ort der übli
chen Waferhalter 22a, 22b ist durch die Punkte bei e1 und e2 gekennzeich
net. Der Ort des kontaktierenden Temperatursensors ist mit cs bezeichnet.
Der Durchmesser des Wafers ist mit D gekennzeichnet. Der kontaktierende
Temperatursensor liegt näher am Zentrum des Wafers bei X als die anderen
Halter. Daher trägt der kontaktierende Temperatursensor mehr des Gewichts
des Wafers als die Waferhalter 22a, 22b. Dies führt zu einer Erhöhung des
Kontaktdrucks zwischen der Oberfläche des Wafers und der Kontaktfläche 3
des Sensors, was zu größerer thermischer Leitfähigkeit zwischen dem Sensor
und dem Wafer führt. Dies führt wiederum zu kleinerem Temperaturverzug
zwischen der tatsächlichen Temperatur des Wafers und der vom kontaktieren
den Temperatursensor gelesenen Temperatur.
Fig. 8 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel. Bei diesem Ausführungsbei
spiel umfaßt ein Sondenkopf 201 einen ebenen Scheibenabschnitt 202 und
einen axialen Stiel 206, der sich vom Zentrum des Bodens des Scheibenab
schnitts aus erstreckt. Der Sondenkopf wird von einem Quarzrohr 209 gehal
ten, das einen sich verjüngenden Bereich 213 aufweist, dessen Durchmesser
an seinem Ende 214 auf einen Durchmesser verringert ist, der kleiner als
der Durchmesser des ebenen Scheibenabschnitts 202 des Sondenkopfs ist. So
ruht der Boden des Scheibenabschnitts auf dem Rohrende 214, während sich
der Stiel 206 in das Rohrende hinein erstreckt. Es ist zu beachten, daß
die Passung zwischen dem Stiel 206 und dem Rohr an seinem Ende 214 etwas
locker ist, so daß der Sondenkopf auf dem Rohrende 214 kippen kann, wenn
das Gewicht eines Wafers auf ihm ruht. Abhängig davon, in welcher Richtung
der Sondenkopf kippt, bewegt sich das Rotationszentrum in der Kipprichtung
zu einem Punkt am Ende 214. Selbst wenn die Ausrichtung der Waferhalter
exakt ist und die Oberfläche des Wafers vollkommen eben ist, so daß der
Sondenkopf 201 nicht verkippt wird, existiert nur Linienkontakt zwischen
dem Sondenkopf 201 und dem Halterohrende 214.
Fig. 9 zeigt noch ein anderes Ausführungsbeispiel. Bei diesem Ausführungs
beispiel liegt ein Sondenkopf 301 in Form eines relativ ebenen Kugelab
schnitts vor. Eine Kontaktfläche 303 und die ihr abgewandte Fläche 304 sind
parallel zueinander. Die Außenkante 305 des Sondenkopfs 301 ist so abgerun
det, daß das Zentrum C leicht über der Kontaktfläche 303 liegt. Der Son
denkopfhalter ist ein vertikal ausgerichtetes Quarzrohr 309. Der Sondenkopf
wird auf dem polierten Ende 310 des Rohrs 309 gehalten, wobei die abgerun
dete Außenkante 305 der Sonde auf dem polierten Ende des Rohrs ruht. Bei
dieser Anordnung kann der Sondenkopf unter dem Gewicht des Wafers frei auf
dem Rohr so verkippen, daß die Kontaktfläche 303 koplanar zur Oberfläche
des gehaltenen Wafers ausgerichtet wird.
Fig. 10 zeigt eine Wärmeabschirmung 50, die an der in Fig. 5 dargestellten
zusammengebauten Kontakttemperatursonde/Waferhalter-Kombination angebracht
ist. Die Wärmeabschirmung 50 kann von Vorteil sein, wenn die Sonde die
Tendenz zeigt, sich schneller als der Wafer zu erwärmen, wenn sie Wärme
strahlung bei einer Anordnung wie der in Fig. 6 dargestellten oder irgend
einer anderen Anordnung unterworfen wird. Die Wärmeabschirmung 50 verfügt
über Tassenform mit einem Loch 51 an ihrem Boden 52, das den Durchmesser
des mittleren Abschnitts 11 des Sondenkopfhalters 9 aufweist. Die Wärmeab
schirmung paßt so auf die kontaktierende Temperatursonde (wie darge
stellt), daß das Loch um den mittleren Abschnitt 11 positioniert ist und
der Boden 52 auf dem unteren Abschnitt 10 des Sondenkopfhalters 9 ruht.
In Fig. 11 ist das bevorzugte Ausführungsbeispiel des Sondenkopfs 61 darge
stellt. Der Sondenkopf ist im wesentlichen scheibenförmig. Er verfügt über
eine kontaktierende Oberseite 62 und eine kleinere Unterseite 63. Die Rand
wand 64 zwischen der Oberseite 62 und der Unterseite 63 ist notwendigerwei
se abgewinkelt. Dieser Winkel erhöht das Verhältnis der Kontaktfläche zur
Wärmekapazität des kontaktierenden Temperatursondenkopfs. Wie es mit ge
strichelten Linien dargestellt ist, existiert ein zentrisches, axiales
Sackloch 65, das sich ausgehend von der Unterseite 63 erstreckt. Dieses
Loch nimmt eine temperaturempfindliche Einrichtung wie ein Thermoelement
auf. In der fertiggestellten Form ist dieses Loch durch einen Klemmvorgang,
wie es beschrieben wird, um die temperaturempfindliche Einrichtung herum
verkleinert.
In Fig. 12 ist eine kontaktierende Temperatursonde dargestellt. Der Sonden
kopf 61 von Fig. 11 wird durch ein Quarzelement 66 gehalten. Das Quarzele
ment 66 hat Rohrform, und sein distales Ende 66a ist geschlossen. Das
Quarzrohr ist horizontal ausgerichtet. In der Rohrwand existiert eine Öff
nung 66b mit erhöhter Lippe, die durch Bearbeiten des Quarzes hergestellt
wurde. Die erhöhte Lippe der Öffnung 66b weist einen wesentlich kleineren
Durchmesser auf als die Unterseite 63 der kontaktierenden Temperatursonde.
Demgemäß kann der Sondenkopf 61 frei auf dieser erhöhten Lippe unter der
Einwirkung des Gewichts eines Wafers verkippen. Auch ist der Kontakt zwi
schen der Unterseite 63 des Sondenkopfs 61 und der erhöhten Lippe der Öff
nung 66b entweder ein linien- oder punktförmiger Kontakt, was von der Aus
richtung des Sondenkopfs 61 abhängt, und er weist daher relativ niedrige
Wärmeleitfähigkeit auf. Drähte 67 (z. B. Thermoelementdrähte) von der tem
peraturempfindlichen Einrichtung erstrecken sich ausgehend von der Öffnung
65 im Sondenkopf 61 durch die Öffnung 66B in das Quarzelement 66. Die Dräh
te dienen, zusätzlich zum Weiterleiten des Temperatursignals, zum Halten
des Sondenkopfs am Ort über der Öffnung 66B. Innerhalb des Quarzelements 66
liegt ein Rohr 68 aus rostfreiem Stahl, das sich von nahe der Öffnung 66B
bis zum proximalen Ende des Rohrs 66C erstreckt. Innerhalb des Rohrs 68 aus
rostfreiem Stahl befindet sich ein Keramikisolator 69 vom Typ, wie er all
gemein für Thermoelemente verwendet wird. Am proximalen Ende erstreckt sich
das Rohr aus rostfreiem Stahl aus dem Quarzelement 66 heraus. Der Keramik
isolator 69 erstreckt sich bis über das proximale Ende des Rohrs aus rost
freiem Stahl hinaus. Zum Abdichten zwischen dem Quarzelement 66, dem Rohr
68 aus rostfreiem Stahl und dem Keramikisolator 69 ist am proximalen Ende
der Sonde Epoxidharz mit niedrigem Dampfdruck verwendet. Die Sonde kann
dadurch in einen Plasmareaktor eingesetzt werden, daß eine Druckfassung
seitens der Reaktorbefestigung am Quarzelement 66 verwendet wird, wie es in
der Technik bekannt ist.
Die Kombination aus dem isolierenden Quarzelement 66 und dem Luftspalt
zwischen dem Quarzelement und dem Rohr aus rostfreiem Stahl dient zum ther
mischen Isolieren der Drähte der temperaturempfindlichen Einrichtung gegen
das Plasma, und sie verhindert, daß die Drähte durch das Plasma elektrisch
geladen werden. Das Rohr aus rostfreiem Stahl dient dazu, die Drähte der
temperaturempfindlichen Einrichtung gegen durch das Plasma erzeugte elek
tromagnetische Störungen abzuschirmen.
Nun erfolgt eine Beschreibung für ein Verfahren zum Herstellen von Sonden
köpfen in geeigneter Weise, insbesondere zum Herstellen der in den Fig. 11
und 12 dargestellten Sondenköpfe. Die Figur zeigt eine Spanneinrichtung,
die dazu geeignet ist, die in den Fig. 1, 8 dargestellten Sondenköpfe her
zustellen.
In Fig. 13 ist eine zweiteilige Spanneinrichtung zum Halten eines noch
nicht fertiggestellten oder Rohsondenkopfs, während er in einer Presse
zusammengeklemmt wird, dargestellt. Der Rohsondenkopf verfügt grob über die
Abmessungen des fertiggestellten Sondenkopfs und über beinahe dasselbe
Metallvolumen. Der Rohsondenkopf hat Zylinderform, ohne sich verjüngende
Wände, und er ist 1/3 höher als der fertiggestellte Sondenkopf. Der Rohson
denkopf enthält das axiale Loch 65. Die Spanneinrichtung umfaßt einen
Träger 70. Der Träger 70 verfügt an seiner Oberseite über eine Vertiefung
71, deren Tiefe die Höhe des fertiggestellten Sondenkopfs bestimmt. Am
Boden der Vertiefung 71 befindet sich ein zentriertes Vertikalloch 72, das
zu einer Radialnut 73 im Boden des Trägers 70 hinunterführt.
Der zweite Teil der Spanneinrichtung ist eine Unterlegscheibe 75. Die Un
terlegscheibe 75 verfügt über eine Höhe, die der Tiefe der Vertiefung 71 im
Träger entspricht, und über einen Außendurchmesser, der dem Innendurchmes
ser der Vertiefung entspricht. Das Loch 76 in der Unterlegscheibe 75 ver
jüngt sich, und es entspricht den Abmessungen des fertiggestellten Sonden
kopfs.
Nun wird unter Bezugnahme auf Fig. 14 der Aufbau zum Stauchen des Sonden
kopfs beschrieben. Die Unterlegscheibe 75 wird in den Träger 70 eingelegt.
Der noch nicht fertiggestellte Sondenkopf wird in das Loch 76 in der Unter
legscheibe 75 so eingelegt, daß die Unterseite 63 nach unten zeigt und die
temperaturempfindliche Einrichtung im Loch 65 verläuft und die Drähte sich
durch das Loch 72 und die Nut 73 im Träger erstrecken.
Nun wird die Spanneinrichtung mit dem noch nicht fertiggestellten Sonden
kopf und dem Thermoelement unter den Pressenstempel einer Presse 80 gelegt.
Zwischen der Spanneinrichtung und dem Pressenstempel 80 wird ein Kalibrier
block 78 angeordnet, der auf dem Sondenkopf 61 ruht.
Der Stauchvorgang wird dadurch ausgeführt, daß die Presse so betätigt
wird, daß der Kalibrierblock gegen den Sondenkopf gedrückt wird, wodurch
die Scheibe auf eine Dicke zusammengedrückt wird, die der Höhe der Vertie
fung entspricht und die axiale Bohrung 65 auf das Thermoelement hin verengt
wird. Dies erzeugt eine starke mechanische sowie gute Wärmeverbindung zwi
schen dem Sondenkopf und dem Thermoelement, ohne daß dessen empfindlicher
Aufbau zerstört wird.
Nach dem Stauchvorgang wird die Kontaktfläche 62 des Sondenkopfs auf ein
glattes Finish hin endbearbeitet. Dies kann dadurch erzielt werden, daß
mit Schleifpapier der Körnung 600 geschliffen wird.
Um die Funktionsfähigkeit des kontaktierenden Temperatursensors zu prüfen,
wurde ein von Sensarray Corporation, Santa Clara, Kalifornien, USA herge
stelltes Wafer mit der Handelsbezeichnung SensarrayTM verwendet. Das Sens
array-Wafer verfügt über in seine Oberfläche eingebettete Thermoelemente.
Der Mittelwert der Ablesewerte der Thermoelemente am Sensarray-Wafer wurde
als tatsächliche Temperatur des Wafers verwendet. Der Sensarray-Wafer wurde
in eine Plasmaveraschungs-Verarbeitungskammer, wie in Fig. 6 dargestellt,
eingesetzt. Bei diesem Test waren der kontaktierende Temperatursensor und
die Waferhaltestifte aus Quarz symmetrisch angeordnet, so daß das Waferge
wicht auf alle drei gleichmäßig verteilt war. Zum Beheizen des Wafers wur
den Heizlampen verwendet, wie in Fig. 6 dargestellt. Wie es in Fig. 13
gezeigt ist, wurde die Temperatur des Wafers von 50°C bei t = 2 s auf 25°C
bei t = 15 s mit einer kontanten Rate von ungefähr 13,5°C/s erhöht. Wie es
aus dem Kurvenbild ersichtlich ist, folgte die von der kontaktierenden
Temperatursonde gemessene Temperatur, wie durch die mit Dreiecken markierte
Linie gezeigt, der Temperatur, wie sie mittels der SensarrayTM-Thermoele
mente während dieses Temperaturanstiegs abgelesen wurde. Nachdem die Tempe
ratur stabilisiert war, trat eine kleine Abweichung von weniger als 10°
auf.
Diese Ergebnisse sind viel besser als diejenigen, die im obenangegebenen
US-Patent Nr. 5,106,200 mitgeteilt sind und die im Abschnitt zur hinter
grundbildenden Technik erörtert sind, und zwar hinsichtlich des Punkts, wie
eng die von der Sonde nachgefahrene Temperatur einem vorgegebenen Tempera
turanstieg folgt. Die Anstiegsrate (Grad/Sekunde) ist höher, und die Abwei
chung der Sondentemperatur von der tatsächlichen Temperatur ist kleiner.
Claims (20)
1. Kontaktierender Temperatursondenkopf (1; 201; 301), dadurch gekenn
zeichnet, daß sich seine Kontaktfläche im wesentlichen in Übereinstimmung
mit einer Projektionsfläche dieses Sondenkopfs erstreckt und diese Projek
tionsfläche der größten Projektionsfläche des Sondenkopfs entspricht oder
nahezu entspricht.
2. Kontaktierende Temperatursonde (1; 201; 301) gekennzeichnet durch
einen ebenen Kontaktabschnitt, eine ebene Kontaktfläche auf dem ebenen
Kontaktabschnitt, einen Hohlraum (5) im ebenen Kontaktabschnitt und eine
temperaturempfindliche Einrichtung (6a, 6b) in diesem Hohlraum.
3. Kontaktierende Temperatursonde mit einem Sondenkopf (1; 201; 301) und
einem Sondenkopfhalter (2; 209; 309), dadurch gekennzeichnet, daß zwischen
dem Sondenkopf und dem Sondenkopfhalter punkt- oder linienförmiger Kontakt
besteht.
4. Sonde nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausrichtung
des Sondenkopfs (1; 201; 301) innerhalb eines bestimmten Raumwinkelbereichs
unbeschränkt ist.
5. Kontaktierende Temperatursonde, gekennzeichnet durch:
- - einen kontaktierenden Temperatursondenkopf (1; 201; 301) mit einem ebenen Kontaktabschnitt, einer ebenen Kontaktfläche am ebenen Kontaktabschnitt, einem Hohlraum (5) im ebenen Kontaktabschnitt und einer temperaturempfind lichen Einrichtung (6a, 6b) innerhalb des Hohlraums; und
- - eine Einrichtung (2; 209; 309) zum Halten des Sondenkopfs, ohne seine Ausrichtung innerhalb eines bestimmten Raumwinkels zu beschränken, so daß die Sonde innerhalb dieses Raumwinkels frei schwenken kann.
6. Sonde nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sondenkopf (1;
201; 301) so gehaltert ist, daß er um ein Zentrum schwenkt, das näher an
der Kontaktfläche liegt, als es der charakteristischen Abmessung der Kon
taktfläche entspricht.
7. Sonde nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung
(2; 209; 309) zum Halten der Sonde (1; 201; 301) hohen Wärmewiderstand in
bezug auf den Wärmewiderstand des Kontakts zwischen der Kontaktfläche und
einem zu messenden Gegenstand aufweist.
8. Sonde nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmewider
stand des Kontakts zwischen der Einrichtung (2; 209; 309) zum Halten der
Sonde (1; 201; 301) und dem Sondenkopf größer als der Wärmewiderstand des
Kontakts zwischen der Kontaktfläche und einem zu messenden Gegenstand ist.
9. Kontakttemperatursonde/Waferhalter-Kombination, gekennzeichnet durch
einen Sondenkopf (1; 201; 301) mit einer temperaturempfindlichen Einrich
tung (6a, 6b) und einem Sondenkopfhalter (2; 209; 309), wobei der Sonden
kopf so vom Sondenkopfhalter gehaltert wird, daß zwischen diesen ein li
nien- oder punktförmiger Kontakt ausgebildet ist.
10. Kombination nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Sonden
kopf (201) einen ebenen Boden aufweist und der Sondenkopfhalter (209) ein
Quarzrohr (213) mit einer Öffnung mit erhöhter Lippe aufweist und der Son
denkopf auf der erhöhten Lippe gehaltert ist.
11. Kontakttemperatursonde/Waferhalter-Kombination, gekennzeichnet durch
einen Sondenkopf (1; 201; 301), ein im Sondenkopf angebrachtes Thermoele
ment (6a, 6b) und einen Sondenkopfhalter (2; 209; 309), der den Sondenkopf
so haltert, daß dieser innerhalb eines bestimmten Raumwinkelbereichs frei
schwenken kann.
12. Kontaktierender Temperatursondenkopf, gekennzeichnet durch eine tempe
raturempfindliche Einrichtung (6a, 6b), eine im wesentlichen ebene Kontakt
fläche, die im wesentlichen parallel zu einer bestimmten Projektionsebene
verläuft und sich im wesentlichen gemeinsam mit einer projizierten Fläche
des Sondenkopfs, die der bestimmten Projektionsebene entspricht, erstreckt,
wobei sich die bestimmte Projektionsebene dadurch auszeichnet, daß die auf
diese bestimmte Projektionsebene projizierte Fläche im wesentlichen die
größte projizierte Fläche unter allen auf denkbare Projektionsebenen des
Sondenkopfs projizierten Flächen ist.
13. Halbleiterbearbeitungsmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß ein bear
beiteter Wafer an mehreren Punkten gehalten wird und an mindestens einem
dieser Punkte eine kontaktierende Temperatursonde zu diesem Zweck verwendet
wird, wobei dieser mindestens eine Punkt, an dem die kontaktierende Tempe
ratursonde verwendet ist, näher am Zentrum (X) des Wafers als mindestens
ein anderer der mehreren Punkte liegt.
14. Halbleiterbearbeitungsmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich
net, daß der Wafer nur an drei Punkten gehalten wird.
15. Verfahren zum Herstellen eines kontaktierenden Temperatursondenkopfs
(1; 201; 301) mit einer Kontaktfläche, einem zusammengedrückten Loch (5)
und einer in diesem zusammengedrückten Loch liegenden temperaturempfindli
chen Einrichtung (6a, 6b), gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
- - Herstellen eines Rohsondenkopfs mit dem Loch;
- - Einführen der temperaturempfindlichen Einrichtung in das Loch;
- - Ausüben einer Klemmkraft auf den Rohsondenkopf auf solche Weise, daß das Loch zusammengedrückt wird; und
- - Bearbeiten der Kontaktfläche.
16. Plasmabearbeitungsvorrichtung mit
- - einer temperaturempfindlichen Einrichtung, die in einer Plasmabearbei tungskammer der Plasmabearbeitungsvorrichtung liegt; und
- - Temperatursignalleitungen, die von der temperaturempfindlichen Einrich tung weg aus der Kammer herausführen;
gekennzeichnet durch:
- - eine elektrisch leitende Abschirmung, die um die Leitungen herum angeord net ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch eine elektrisch
oder wärmemäßig isolierende Abschirmung (69) um die elektrisch leitende
Abschirmung (68) herum.
18. Herstellvorrichtung für Halbleiterbauteile, mit
- - einer Einrichtung zum Halten eines Halbleiterwafers und
- - einer Einrichtung zum Zuführen von Wärme zum Halbleiterwafer;
dadurch gekennzeichnet, daß die Halteeinrichtung eine kontaktierende Tem
peratursonde mit einem Sondenkopf (1; 201; 301) aufweist, der sich unter
dem Gewicht des Wafers so selbstausrichtet, daß die Kontaktfläche koplanar
zur Fläche des Wafers bleibt.
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