JP2000200815A - 半導体ウエハの処理装置、温度測定用プロ―ブ及びその温度測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】低圧処理において用いる、改良された熱応答性
を改良した温度プローブとその温度測定方法を提供する
こと。 【解決手段】改良された熱応答性を有する低圧処理用の
温度プローブを用い、流体がプローブヘッド内の流体搬
送通路に供給されて、プローブヘッド30と半導体ウエハ
50との間の圧力を増加し、両者間の熱伝導率を増加させ
る。このための処理装置は、処理室40と、この処理室に
周囲処理圧力の気体環境を供給する処理気体入口42と、
処理する半導体ウエハに接触し、プローブ内部と連通す
る流体搬送通路とウエハ接触面を有する温度プローブ30
と、接触面の上方の圧力を周囲処理圧力よりも上昇させ
るためにプローブ内の通路を通じて気体を供給する気体
源52とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体の低圧処理
用接触技術に基づく改良した温度プローブ、およびその
ような処理における改良した温度測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体ウエハからの集積回路等半導体素
子の製造は、多数の段階を含んでいる。これらの段階の
うちのいくつかは、圧力が約１０トル(torr)よりも低い
低圧環境において行うことが必要とされる。通常の海面
における空気中の大気圧は７６０トルであるので、処理
は大気圧より非常に小さい圧力で起こるということがわ
かる。

【０００３】このような多数の処理を実行するのに、半
導体ウエハの温度を監視することが必要である。これは
通常、熱電対等のウエハに接触する温度センサを含む温
度プローブを用いて行われる。温度プローブを上述のよ
うな低圧処理において用いると、温度センサが行う読み
取りが実際のウエハ温度に厳密に従わない、ということ
がわかっている。製造工程を監視し制御するのには正確
な温度読み取りが必要であるので、これによって問題が
生じる。

【０００４】この問題は、低圧において反応室内の気体
の熱伝導率が低くなるという事実によって生じるもので
あると本発明者は考えている。すなわち、ウエハと温度
プローブは、肉眼では互いに接触しているように見える
が、顕微鏡レベルでは、接触は連続的ではなくむしろ散
在的なものであり、接点同士の間の空間は、処理が行わ
れる低圧と同じまたはそれに近い圧力である。このよう
な低圧下では、気体の熱伝導率が低く、ウエハとプロー
ブ接触面との間の伝熱率は、実際のウエハ温度の変化に
温度センサが迅速に応答するほど良好ではない。

【０００５】参考としてその内容がすべて本明細書に組
み込まれる米国特許第５，７９１，７８２号では、半導
体ウエハの重量がかかった支持体を支点にして自由に軸
回転して半導体ウエハとの密着を維持するようになって
いる温度プローブが開示されている。これは、高圧環境
における温度センサの応答性を適切に改善している。

【０００６】この従来の特許の目的の１つは、真空また
は低圧の環境における実際のウエハ温度に厳密に従う温
度測定を与えることであるが、本発明者らは、この従来
特許の構成ではそれが達成できないことを確認してい
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、より迅速に低圧環境におけるウエハ温度の変化に応
答する温度プローブを提供することである。

【０００８】本発明の更なる目的は、温度プローブ用の
改良したプローブヘッドを提供することである。

【０００９】本発明の更なる目的は、低圧環境における
半導体ウエハの処理装置、温度測定用プローブ及びその
温度測定方法を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、各請求項に記載の構成を有している。具
体的に、本発明の第１実施形態によれば、半導体ウエハ
に接触する平らな接触面を有しかつこの面に温度センサ
を配置するプローブヘッドと、接触面からプローブヘッ
ドの他の面に連通する、プローブヘッド内の流体搬送通
路と、プローブヘッドの支持体とを含み、より正確なウ
エハ温度測定を容易にする温度プローブが提供される。

【００１１】この装置の動作において、流体源、好まし
くは気体源が、プローブヘッド内の流体搬送通路に連通
して、プローブヘッドと半導体ウエハとの間に過圧すな
わち「気体のクッション」を作り出す。これによって、
プローブヘッドとウエハとの間の熱伝導率が増大し、そ
の結果、温度センサがより迅速にウエハ温度の変化に応
答するようになる。

【００１２】本発明の更なる実施形態によれば、温度プ
ローブとウエハとの間の領域にウエハとプローブとの間
の圧力を約２０トルよりも高くなるまで増加させるのに
十分な量の流体を供給するステップを含む、温度プロー
ブの熱応答性を改良する方法が提供される。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態を図面に基づい
て説明する。図１において、上述の米国特許第５，７９
１，７８２号に開示される従来技術に従った温度プロー
ブが示されている。この温度プローブ１は、支持体７上
にある金属製のプローブヘッド１を含んでいる。プロー
ブヘッド１は、その上に半導体ウエハが載る接触面３を
有する。プローブヘッド１は、半導体ウエハの重量がか
かった支持体７を自由に軸回りに回転できるように配置
して、半導体ウエハとの接触を維持するようになってい
る。

【００１４】プローブヘッドには、直径方向に沿った穴
５があいており、その中に熱電対を挿入した後、この構
造をかしめ、またはつぶして、熱電対のプローブヘッド
との良好な接触を維持する。熱電対のリード線６Ａ、６
Ｂは、穴５から突出している。

【００１５】上述のように、図１に示すプローブを有す
る従来技術の温度プローブは、プラズマストリッピン
グ、エッチング、ＬＰＣＶＤ（低圧化学蒸着法）、その
他低圧で行う処理において用いられるような低圧処理環
境においては良好に機能しないということがわかってい
る。自由に軸回転するプローブヘッドを用いる場合であ
っても、顕微鏡的な３点接触によって、ウエハとプロー
ブヘッドとの間に維持できる接触の密着の度合い(close
ness) が限定されてしまう。上述のように、ウエハとプ
ローブヘッドとの間の接触は非連続的であり、その間隙
には、低圧環境がある。

【００１６】図５は、気体の熱伝導率（λ）対圧力
（Ｐ）の典型的なグラフである。このように、約２０ト
ルよりも下の圧力では熱伝導率が急に下降して、非常に
低くなってしまうために、結果として、温度差の原因で
ある熱抵抗が非常に高い値になる。

【００１７】図２を参照して、本発明によるプローブヘ
ッド１０の簡略図を示す。プローブヘッドは金属製であ
り、平らな接触面１２を有する。プローブヘッドは、ま
た、図１に関して説明した方法、あるいはその他適切な
熱的接触を行う何らかの方法によって内部に埋め込ん
だ、熱電対等の温度センサ１４を有する。しかし、図１
の従来技術の実施形態と異なり、図２のプローブヘッド
は、接触面１２とこの面と反対側の面１８との間を連通
する流体搬送通路１６を有する。

【００１８】本発明によれば、流体搬送通路１６には気
体が供給されていて、プローブ表面とウエハとの間の領
域に、約２０トルを超えるわずかな過圧を作り出してい
る。これによって、この領域における熱伝導率が、温度
勾配をほぼ除去するのに十分なだけ上昇し、その結果、
温度測定がより正確になる。

【００１９】図２においては、流体搬送通路は接触面の
反対側の面に達しているが、プローブヘッドのどこか他
の表面に達してそこから気体を供給されていてもよい。
これを図３に示す。図３において、液体搬送通路２２
は、プローブヘッド２４の側面に連通している。実際の
実施形態においては、流体搬送通路が非常に狭く、かつ
ゲージ番号２６の皮下注射針の開口部の大きさに過ぎな
い場合がある。

【００２０】図４を参照して、流体搬送通路３２を有す
るプローブヘッド３０を示す。プローブヘッドは、接触
面３８の上方に過圧を作り出す気体源と連通する流体搬
送通路３６を含んでいる支持体３４上にある。本明細書
において用いる「支持体」という用語は、プローブヘッ
ドの支持をその機能の１つとして有するものすべての部
材を意味する。

【００２１】図６は、半導体ウエハ処理室４０を示す。
処理室は、処理気体入口４２、気体分配プレート４４、
および気体排出用の出口４６を含む。気体は、例えば、
一般的に、１．５トルで行われるフォトレジストおよび
残留物の除去の例においては、酸素や、酸素とフッ化気
体と水素と窒素との混合物であってもよい。

【００２２】処理室の底部４７は透明であり、処理室４
０の底部の下方には加熱ランプ４８が配置されていて、
処理室内に配置された半導体ウエハ５０に放射エネルギ
ーを向ける。ウエハ５０は、３つの支持体によって処理
室の底部の上方に支持されている。２つの支持体５３、
５４は、底部４７から延びているガラスまたは石英のペ
グ(pegs)であり、３番目の支持体は、図４に簡略的に示
す、本発明の温度プローブである。

【００２３】一般的に、このような用途では、室内の処
理は，圧力が５トルよりも低く、ウエハは３００℃より
も低い。こういった状態での伝熱は、主に伝導および放
射によって行われる。

【００２４】プローブヘッドの温度は、ウエハとプロー
ブヘッドとの間の熱接触抵抗(thermal contact resista
nce)によって、そして大部分はプローブヘッドと周囲の
すべてとの間の熱抵抗によって決まる。プローブヘッド
とウエハとの間の熱接触抵抗は、両者の間の間隙を満た
している気体の熱伝導率に強く依存する。この熱抵抗
は、間隙の圧力が１０トルよりも低い場合には高く、２
０トルよりも高い場合には低い。熱抵抗が低いと、熱接
触抵抗が良好になり、プローブ温度がウエハ温度に近づ
く。

【００２５】温度プローブ用の支持体内の流体搬送通路
には、処理室の外側に配置された気体源５２から気体が
供給される。気体源５２は、単に処理室の外側の雰囲気
であってもよい、すなわち、通路は単に雰囲気に通気さ
れていてもよい。または、気体源５２は、ヘリウム等熱
伝導率の高い気体であってもよい。どちらの場合におい
ても、室の外側から内側への圧力差によって、流れが強
制的に生じる。この気流が、プローブとウエハとの間の
間隙を満たし、ついには間隙の圧力は、ウエハがプロー
ブに及ぼす機械的圧力と等しくなる。プローブとウエハ
との間の圧力が増加するのは、プローブ表面の全面にわ
たってウエハ重量がかかる結果として起こる。しかし、
気体の流れは、処理に影響を及ぼさないよう十分低くな
るようにすべきである。

【００２６】図７を参照して、本発明に従う温度プロー
ブ６０の具体的な一実施形態を示す。プローブは、プロ
ーブヘッド６２および支持体６４／６５から構成され
る。プローブヘッドは、平らな接触面６６、およびその
内部に埋め込んだ熱電対６７を有し、かつ接触面６６か
ら、この面とは反対側にある面６９に伸びている流体搬
送通路６８も含んでいる。

【００２７】支持体は、ステンレス鋼で作ることもでき
る、硬い中空の内部管６４から成る。この管の内部は、
支持体内の、そしてプローブヘッドの少なくとも一部に
おける流体搬送通路を含んでいる。この内部管６４は、
プローブヘッドの開口部の一部または全部に挿入される
からである。従って、処理室の外側にある気体源５２と
接続できるのは、内部管６４の他方の端部７０である。

【００２８】熱電対６７は、リード線７１、７２を有す
る。これらのリード線は、プローブヘッドを出て、外部
管６５を通じて処理室の外側の監視装置に供給される。
外部管６５は、石英でできていてもよく、ある程度の断
熱および絶縁を行う。従ってリード線は、このようにし
ていなければリード線を劣化させる可能性のある処理気
体から、ほぼ保護されており、この石英製の管によっ
て、線がある程度断熱されており、温度読み取りの誤差
が起こらないようになっている。

【００２９】温度プローブの設計においては、半導体ウ
エハとプローブヘッドとの間の熱抵抗が、プローブヘッ
ドと支持体との間の熱抵抗よりもかなり低いことが望ま
しい。図７に示す実施形態においては、これはある程
度、プローブヘッド、支持体、および周囲と外部管６５
との間に間隙７４を設けることによって行われる。いか
なる実際のプローブの設計も、本発明の精神および範囲
から逸脱することなく作ることができる、図７に示すプ
ローブの変更及び変形例を含むことが可能である。例え
ば、プローブヘッドを、外部管６５の縁７５に接触して
そこを支点にして軸回転するようにしてもよい。

【００３０】図８および図９において、本発明による温
度プローブの更なる実施形態を示す。図８を参照して、
セラミックまたはセメントのインサート８２を有する金
属製のプローブヘッド８０を示す。インサート８２は、
公知の微細機械加工技術によってプローブヘッド８０内
に配置される。インサートをプローブヘッド内に配置す
る前に、熱電対８４がプローブヘッド内に埋め込まれ
る。インサート８２は鋳型で形成されてもよく、熱電対
は、セラミックまたはセメントが乾く前に埋め込むこと
もできる。

【００３１】プローブヘッド８０は、そこを通って熱電
対８４のリード線８５、８６が伸びているチャネル８３
Ａ，８３Ｂを有する。プローブヘッド８０は、また、接
触面８１から反対側の面９０に連通する気体搬送通路８
８を有する。面９０は内部に凹部９１を有し、この凹部
９１は、球面の座の形であってもよい。

【００３２】図９を参照して、プローブヘッドの支持体
／組み合わせを示す。支持体９２は、凹部９１とかみ合
うような形の端部９３を有しており、プローブヘッド
が、半導体ウエハの重量がかかった支持体を支点にして
自由に軸回転することができるようになっている。支持
体９２は、気体搬送チャネル９６および熱電対リード線
チャネル９４、９５を有する。処理室の外側からの気体
は、気体搬送チャネル９６を通じて供給されて、プロー
ブヘッドとウエハとの間の圧力を上昇させる。

【００３３】図１０は、本発明によって得られる改良し
た結果をグラフで示す。図７に示すものと同様の温度プ
ローブを用い、半導体ウエハ上で行われる処理には、１
トルの圧力の窒素気体を使用した。本発明を用いて、プ
ローブヘッドの上方に、２０トルを越える気体のクッシ
ョンが作り出された。

【００３４】図１０を理解するのに、最大電力が加熱ラ
ンプに印加される時の、その間に加熱ランプへの電力が
オンになり、その間にウエハ温度が急に上昇する傾斜段
階があり、ランプが低電力で動作し従ってウエハ温度が
ほぼ一定である定常状態段階がある、ということが理解
されるべきである。

【００３５】図１０において、破線の曲線は、従来技術
の温度プローブを用いた場合、すなわち空気が「オフ」
である場合を示す。わかるように、傾斜段階が作り出す
過渡現象の間、実際の温度と測定温度との間には約３５
℃の温度差がある。他方、本発明の温度プローブを使用
した場合、すなわち空気が「オン」である場合には、上
側の実線が示すように、この温度差が約１５℃に低下す
る。空気よりも温度伝導率が高いヘリウムを用いると、
下側の実線が示すように、温度差は約５℃に低下する。

【００３６】傾斜段階の間、空気が「オフ」であり、定
常状態の間、空気が「オン」である状態を、点線で示し
ている。傾斜段階の間、高い比較誤差が見られるが、定
常状態段階の間で現れる比較誤差ははるかに低い。

【００３７】以上の説明により、低圧処理において温度
測定を大いに改善する有利な方法および装置を開示した
ことがわかるであろう。本発明を好適なかつ例示的な実
施形態に従って本明細書を記載したが、当業者であれ
ば、変形例を容易に導くことができ、さらに、本発明の
範囲は、上述した特許請求の範囲によって規定されるも
のであることが理解できるであろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術の温度プローブを示す図である。

【図２】本発明によるプローブヘッドの簡略図である。

【図３】本発明による更なるプローブヘッドの簡略図で
ある。

【図４】本発明による温度プローブの簡略図である。

【図５】典型的な気体の熱伝導率対圧力のグラフであ
る。

【図６】本発明の温度プローブを組み込んだ処理室を示
す図である。

【図７】本発明の１実施形態による温度プローブの断面
図である。

【図８】本発明の更なる一実施形態によるプローブヘッ
ドの断面図である。

【図９】図７のプローブヘッドを利用する本発明の一実
施形態による温度プローブの断面図である。

【図１０】本発明によって得られる改良した結果を示
す、温度誤差対時間のグラフである。

【符号の説明】 １、１０、２４、３０、６２、８０ プローブヘッド ３、１２、３８、６６、８１ 接触面 １４、６７、８４ 温度センサ １６、２２、３２、３６、６８、８８ 流体搬送通路 １８、６９、９０ 接触面の反対側の
面 ７、３４、６４、９２ 支持体 ４０ 処理室 ４２ 処理気体入口 ４８ 加熱ランプ ５０ 半導体ウエハ ５２ 気体源 ７１、７２、８５、８６ リード線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 390033020 Ｅａｔｏｎ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｃｌｅｖｅｌ ａｎｄ，Ｏｈｉｏ 44114，Ｕ．Ｓ．Ａ. (72)発明者 アンドレ ギル カードソ アメリカ合衆国 メリーランド 20723 ローレルステッビング ウエイ 9190

Claims (28)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体ウエハの温度を測定するプローブで
   あって、 半導体ウエハ(50)に接触する平らな接触面を有しかつ内
   部に配置された温度センサ(14,67,84)を有するプローブ
   ヘッド(10,24,30,66,80)と、 前記接触面から前記プローブヘッドの他の面に連通す
   る、プローブヘッド内の流体搬送通路(16,22,32,64,88)
   と、 前記プローブヘッドの支持体(34,64,65,92) と含むこと
   を特徴とするプローブ。
2. 【請求項２】前記プローブヘッド内の流体搬送通路が、
   前記接触面から、この面と反対側にある前記プローブヘ
   ッドの他の面(18,90) に連通することを特徴とする請求
   項１に記載のプローブ。
3. 【請求項３】前記支持体内に少なくとも１つの第２流体
   搬送通路(36)を有し、この第１端部が前記プローブヘッ
   ド内の流体搬送通路と流体連通することを特徴とする請
   求項２に記載のプローブ。
4. 【請求項４】前記支持体内の第２流体搬送通路は、その
   第２端部が流体源に接続可能となっていることを特徴と
   する請求項３に記載のプローブ。
5. 【請求項５】前記支持体内の第２流体搬送通路が、半導
   体処理の間、前記プローブが配置されている周囲環境よ
   りも高い圧力の気体源(52)に連通して、前記プローブ接
   触面の上方の圧力を増加することを特徴とする請求項４
   に記載のプローブ。
6. 【請求項６】前記プローブヘッド内の流体搬送通路の少
   なくとも一部と、前記支持体内の第２流体搬送通路の少
   なくとも一部とが、連続的なチャネル(64,70) の異なる
   部分を構成することを特徴とする請求項３に記載のプロ
   ーブ。
7. 【請求項７】前記プローブヘッドの支持体の少なくとも
   一部は、硬い管で構成され、この管の内部に前記連続的
   なチャネル(64,70,96)を含むことを特徴とする請求項６
   に記載のプローブ。
8. 【請求項８】前記硬い管が、少なくとも部分的に第２の
   管(65)で取り囲まれ、前記温度センサが、前記第２の管
   を通って伸びている少なくとも１つのリード線(71)を有
   することを特徴とする請求項７に記載のプローブ。
9. 【請求項９】前記第２の管は、前記プローブヘッドと接
   触しないことを特徴とする請求項７に記載のプローブ。
10. 【請求項１０】前記２つの管の一部が、前記プローブヘ
    ッドと略垂直に向いており、また前記２つの管の別の一
    部が、前記プローブヘッドと略並行に向いていることを
    特徴とする請求項７に記載のプローブ。
11. 【請求項１１】前記硬い管が金属で作られ、この硬い管
    を取り囲む前記第２の管が石英で作られていることを特
    徴とする請求項１０に記載のプローブ。
12. 【請求項１２】前記支持体内の第２流体搬送通路の少な
    くとも１つが、２つの流体搬送通路を有し、前記温度セ
    ンサが、それぞれ前記２つの流体搬送通路内を伸びる２
    つのリード線を有することを特徴とする請求項３に記載
    のプローブ。
13. 【請求項１３】前記プローブヘッドが、前記温度センサ
    の２つのリード線がそれぞれそこを通って伸びる２つの
    チャネルを有することを特徴とする請求項１２に記載の
    プローブ。
14. 【請求項１４】前記プローブヘッド内の２つのチャネル
    が、前記支持体内の２つの流体搬送通路と一直線をなす
    ことを特徴とする請求項１３に記載のプローブ。
15. 【請求項１５】前記プローブヘッドの接触面と反対側の
    他の面が、内部に凹部を有し、前記支持体が、前記凹部
    とかみ合うような形の端部を有していて、前記プローブ
    ヘッドが、前記支持体回りに自由に回転可能であること
    を特徴とする請求項１３に記載のプローブ。
16. 【請求項１６】半導体ウエハが前記プローブヘッドの接
    触面上に配置されるとき、前記ウエハとプローブヘッド
    との間の熱抵抗が、前記プローブヘッドと支持体との間
    の熱抵抗よりもかなり低いことを特徴とする請求項３に
    記載のプローブ。
17. 【請求項１７】半導体ウエハの温度を測定するために使
    用するプローブヘッドであって、 半導体ウエハ(50)に接触する平らな接触面を有しかつ内
    部に配置された温度センサ(14,67,84)を有する部材(10,
    24,30,62,80)と、 前記接触面から前記プローブヘッドの他の面に連通する
    通路(16,22,32,64) とを含むことを特徴とするプローブ
    ヘッド。
18. 【請求項１８】前記通路が、前記部材の接触面から、こ
    れと反対側の他の面(69,90) に連通することを特徴とす
    る請求項１７に記載のプローブヘッド。
19. 【請求項１９】前記通路が、半導体処理の間、前記プロ
    ーブヘッドが配置されている雰囲気よりも高い圧力の流
    体源(52)に連通して、前記平らな接触面の上方の圧力を
    増加することを特徴とする請求項１８に記載のプローブ
    ヘッド。
20. 【請求項２０】処理室(40)と、 この処理室に周囲処理圧力の気体環境を供給する手段(4
    2)と、 処理する半導体ウエハに接触し、プローブ内部と連通す
    るオリフィス(32)を有するウエハ接触面(38)を有する温
    度プローブと、 前記接触面の上方の圧力を前記周囲処理圧力よりも上昇
    させるために、前記処理室の外側から前記プローブの内
    側に前記ウエハ接触面のオリフィスを通じて放出される
    気体を供給する手段(52,36) とを有することを特徴とす
    る半導体ウエハの処理装置。
21. 【請求項２１】前記周囲処理圧力が、約１０トルよりも
    低いことを特徴とする請求項２０に記載の装置。
22. 【請求項２２】気体を供給する手段が、前記プローブ接
    触面の上方の圧力を約２０トルよりも上昇させることを
    特徴とする請求項２０に記載の装置。
23. 【請求項２３】気体を供給する手段が、前記プローブ接
    触面の上方の圧力を約２０トルよりも上げることを特徴
    とする請求項２１に記載の装置。
24. 【請求項２４】気体を供給する手段が、前記処理室の外
    側から前記気体を供給することを特徴とする請求項２３
    に記載の装置。
25. 【請求項２５】約１０トルよりも低い圧力を有し、温度
    プローブが半導体ウエハに接触している周囲環境で、前
    記半導体ウエハを処理するための温度測定装置におい
    て、前記温度プローブの熱応答性を改善する方法であっ
    て、 前記温度プローブと半導体ウエハとの間の領域に、前記
    ウエハと温度プローブとの間の圧力を約２０トルよりも
    高くなるまで増加させるのに十分な量の流体を供給する
    ステップを有していることを特徴とする方法。
26. 【請求項２６】前記流体は、気体であることを特徴とす
    る請求項２５に記載の方法。
27. 【請求項２７】前記ウエハと温度プローブとの間の前記
    領域に供給される気体の量は、前記周囲処理環境におけ
    る圧力に影響を与えない程度に十分少ないことを特徴と
    する請求項２６に記載の方法。
28. 【請求項２８】前記気体は、前記処理環境の外側の気体
    源から供給されることを特徴とする請求項２７に記載の
    方法。