DE60034496T2

DE60034496T2 - Kontakt-Temperatursensor mit thermischer Entkopplung zwischen Sensorkopf und Hitzeschild der elektrischen Zuleitungen

Info

Publication number: DE60034496T2
Application number: DE60034496T
Authority: DE
Inventors: John William McLean Burke; Andre Gil Laurel Cardoso; Joseph Gerard Gaithersburg McGinnity
Original assignee: Axcelis Technologies Inc
Current assignee: Axcelis Technologies Inc
Priority date: 1999-02-01
Filing date: 2000-01-31
Publication date: 2008-01-10
Anticipated expiration: 2020-02-01
Also published as: EP1026489A1; KR20010006600A; EP1026489B1; DE60034496D1; US6332709B1; JP2000227363A

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung richtet sich auf eine verbesserte Kontakttemperatursonde zum Messen der Temperatur eines gerade verarbeiteten Halbleiterwafers und insbesondere auf eine Temperatursonde, die genauere Temperaturmesswerte liefert.
In der US-Patentschrift Nr. 5,791,782 wird eine Kontakttemperatursonde offenbart, die einen Sondenkopf aufweist, der unter dem Gewicht eines Halbleiterwafers schwenkt, so dass er einen engen Kontakt damit aufrechterhält. In 12 dieses Patents wird eine Ausführungsform offenbart, in der der Sondenkopf auf die Lippe einer Quartzabschirmung gesetzt ist und damit rotiert, durch welche die Leitungsdrähte des Temperatursensor geleitet sind, um die Drähte vor der Prozessumgebung zu schützen.
Das Konzept eines schwenkenden Sondenkopfs führt zwar zu einem verminderten Kontaktwiderstand zwischen dem Wafer und dem Sondenkopf, aber es hat sich herausgestellt, dass die durch die Sonde aus dem Stand der Technik gelieferten Temperaturmessungen nicht so genau sind wie gewünscht.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist somit wünschenswert, eine Kontakttemperatursonde bereitzustellen, die genauere Messungen liefert. Ausgestaltungen der Erfindung werden in den beigefügten Ansprüchen bereitgestellt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird besser durch Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlich, in denen:
1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist;
2 eine ungefähr vertikale Schnittansicht durch die V Leitungsdrähte aus 1 ist;
3 eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeigt;
4 einen Sondenkopf zeigt;
5 ein Schaubild ist, das die Messgleichmäßigkeit eines Temperatursensors für eine Vorrichtung aus dem Stand der Technik zeigt;
6 ein Schaubild ist, das die Messgleichmäßigkeit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Unter Bezugnahme auf 1 wird eine Seitenansicht einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die aus einem Sondenkopf mit einer flachen Kontaktfläche 4 für den Kontakt mit einem Halbleiterwafer und einer Quartzabschirmung 6 zum Abschirmen der Drähte des Temperatursensors vor der Prozessumgebung besteht. In der Prozesskammer kann der Wafer auf drei Stützen unterstützt werden, beispielsweise zwei Glasstützen und der in 1 gezeigten Vorrichtung. Eine solche Anordnung wird in 6 des oben genannten US-Patent Nr. 5,791,782 gezeigt.
In der Anordnung des Patents aus dem Stand der Technik sitzt der Sondenkopf auf der Lippe 8 der Quartzabschirmung 6 und schwenkt darauf unter dem Gewicht des Halbleiterwafers. Wie oben erwähnt, ist jedoch die Genauigkeit der durch diese Vorrichtung bereitgestellten Temperaturmessungen für einige Anwendungen nicht gut genug.
In Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird der Sondenkopf nur durch die Temperatursensordrähte 10 und 12 unterstützt und wird durch eine Quartzabschirmung thermisch isoliert. Die thermische Isolation verringert die effektive Wärmemasse und bewirkt, dass der Temperatursensor der Temperatur des Wafers genauer folgen kann.
Gleichzeitig wird die Schwenkbewegung des Sondenkopfs unter dem Gewicht des Wafers beibehalten, wie unten erläutert werden wird.
In der bevorzugten Ausführungsform ist der Temperatursensor ein Wärmekoppler. Wie Fachleuten bekannt ist, wird eine solche Vorrichtung durch Bilden eines Wulsts aus zwei Metalldrähten vorgegebener Eigenschaften geformt. Unter Bezugnahme auf 4 wird ein Sondenkopf 20 mit einer zentrierten, axialen Blindbohrung 22, die sich von der unteren Oberfläche 24 erstreckt, gezeigt. Der Thermokopplerwulst wird in dieses Loch eingeführt. Das Loch wird dann durch einen Falzvorgang um den Thermokoppler zugeklappt, wie dies in der oben erwähnten US-Patentschrift Nr. 5,791,782 beschrieben wird. Dies führt zu einem guten elektrischen Kontakt zwischen dem Sondenkopf und dem Thermokoppler.
Wieder unter Bezugnahme auf 1 und 2 ist ersichtlich, dass die Sensordrähte 10 und 12 zwei Schenkel eines Dreiecks mit einer Spitze in dem Kopf bilden. Die Drähte sind von ausreichender Steifigkeit, um selbst den Sondenkopf zu unterstützen, während das Schwenken des Kopfs um den Wulst unter dem Gewicht des Wafers zugelassen wird. Somit wird die Isolierung des Sondenkopfs von der Quartzabschirmung erreicht, während der Schwenkvorgang des Sondenkopfs auf seiner Stütze beibehalten wird, um den engen Kontakt zwischen dem Sondenkopf und dem Wafer und entsprechend geringen Kontaktwiderstand sicherzustellen. Außerdem wird eine Vorrichtung, die mechanisch robuster als jene aus dem Stand der Technik ist, bereitgestellt.
Die Quartzabschirmung 6 umfasst ein Edelstahlrohr 7, das die Drähte des Thermokopplers vor elektrischen Signalen schützt. In dem Edelstahlrohr 7 befindet sich ein Keramikrohr 9 mit zwei sich in Längsrichtung erstreckenden Öffnungen, durch die die Leitungen geführt werden. Das Keramikrohr stellt eine Wärmeisolierung für die Drähte des Thermokopplers bereit.
Die Verarbeitung von Halbleiterwafern beinhaltet manchmal das Aussetzen des Wafers gegenüber ultravioletter oder anderer Strahlung, welche von Lampen abgegeben werden kann. Im Stand der Technik hat sich herausgestellt, dass eine solche Strahlung die Drähte des Thermokopplers erwärmte und zu ungenauen Temperaturmesswerten führte. In Übereinstimmung mit einer Verbesserung der vorliegenden Erfindung ist die Keramikhülse erweitert, um den gesamten Abschnitt des Drahts, der in der Längsrichtung der Quartzabschirmung verläuft, zu bedecken und somit die durch die Lampen verursachte Erwärmung der Drähte zu minimieren.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der es sich um eine der Ausführungsform aus 1 und 2 ähnliche Struktur handelt, aber wobei die Drähte 10' und 12' zur Bildung eines Wulstes 13 zusammengelötet sind. Das Löten führt an der Verbindung zu einem besseren Kontakt, als bei einem ungelöteten Wulst (der in der Regel lediglich durch Verzwirbeln der Drähte gebildet wird), und führt zu weniger elektrischem Rauschen.
In Übereinstimmung mit einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Sondenkopf wesentlich kleiner als im Stand der Technik gebildet, insofern als er so angeordnet ist, dass er einen Durchmesser von weniger als 1'' (0,3 cm) aufweist. Während so eine ausreichende Kontaktoberfläche bereitgestellt wird, führt dies zu einer geringeren thermischen Masse und einer in der Folge schnelleren Ansprechzeit sowie weniger Variationen des Ansprechens aufgrund der Erwärmung von äußeren Wärmequellen, wie Lampen, die bei der Verarbeitung eingesetzt werden können. Das Ergebnis sind gleich mäßiger wiederholbare Messungen, wie in den Schaubildern von 5 und 6 dargestellt.
5 ist ein Schaubild, das das Temperaturansprechverhalten für verschiedene Durchläufe unter Verwendung von einzelnen Sondenköpfen aus dem Stand der Technik zeigt, wie in der US-Patentschrift Nr. 5,791,782 offenbart. Wie ersichtlich ist, befindet sich die Gleichmäßigkeit der wiederholten Messungen innerhalb von ±7°C.
6 ist ein Schaubild, dass das Temperaturansprechverhalten für verschiedene Durchläufe unter Verwendung von einzelnen Sondenköpfen gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie ersichtlich ist, befindet sich die Gleichmäßigkeit der Messungen in dem Fall von 6 im Bereich von ±2°C, was einen erhebliche Verbesserung ist.
In der aktuellen Ausführungsform der Erfindung, welche die in 6 gezeigten Ergebnisse erzielte, betrug der Durchmesser des Sondenkopfs 0,073'' (1,9 cm) und der Draht des Thermokopplers bestand aus einer Nickellegierung, wie Chrom-Aluminium, um gegenüber Fluor beständig zu sein. Der Thermokuppler war eine Typ-K-Vorrichtung.

Claims

Kontakttemperatursonde zum Messen der Temperatur eines Halbleiterwafers in einer Prozessumgebung, umfassend: einen Kontakttemperatursondenkopf (2, 20), der eine flache Kontaktfläche (4) zum Kontaktieren des Halbleiterwafers und einen Körper enthält, welcher einen Temperatursensor (13) beherbergt, der Leitungsdrähte (10, 12, 10', 12') aufweist, die aus dem Körper austreten und durch eine Abschirmung (6) laufen; wobei die Abschirmung (6) zum Abschirmen der Leitungsdrähte von der Prozessumgebung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Sondenkopf nur durch die Sensorleitungsdrähte unterstützt wird und die Abschirmung den Sondenkopf nicht berührt; wobei es sich bei dem Temperatursensor um einen Wärmekoppelwulst (13) handelt, der durch elektrisches Kontaktieren der Leitungsdrähte miteinander gebildet wird, und wobei die Leitungsdrähte zwei Schenkel eines Dreiecks mit einer Spitze in dem Wulst bilden und steif genug sind, um den Sondenkopf zu unterstützen, während sie eine Schwenkbewegung des Sondenkopfs unter dem Gewicht des Halbleiterwafers um den Wulst zulassen.
Temperatursonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungsdrähte zur Bildung des Wulstes (13) zusammengelötet sind.
Temperatursonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Abschirmung in Längs richtung erstreckt und sich in der Abschirmung eine Keramikhülle (9) befindet und sich ein Abschnitt der Leitungsdrähte in der Längsrichtung der Hülle erstreckt und die Hülle durchläuft.
Temperatursonde nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikhülle im Wesentlichen den gesamten Abschnitt der Leitungsdrähte umschließt, welcher sich in der Längsrichtung der Keramikhülle erstreckt.
Temperatursonde nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Sondenkopfes geringer als 1'' (0,3 cm) ist.