JP2005156314A - 半導体ウェハーの温度測定方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 チャンバ内で処理される半導体ウェハーの温度測定に関し、半導体ウェハーの温度の直接測定を可能にし、温度条件を常時監視に用いることができる温度測定方法及びその装置を提供する。
【解決手段】 チャンバ（１８）内で処理される半導体ウェハー（４）の温度測定装置であって、前記チャンバ内の半導体ウェハーの温度を検出し、その検出温度を光（光パルス信号１０）に変換して前記チャンバ外に伝送する温度検出手段（温度検出ユニット６）と、この温度検出手段が発光した光を前記チャンバ外で受光し、その光から前記検出温度を取り出す処理手段（受光ユニット８）とを備える。前記半導体ウェハーの温度を検出する処理と、前記半導体ウェハーの検出温度を光に変換して伝送させる処理と、前記光を受光し、その光から前記検出温度を取り出す処理とを実行する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、チャンバ内でプラズマ処理中の半導体ウェハー等、処理中の半導体ウェハーの温度測定方法及びその装置に関し、光を伝送媒体に用いた半導体ウェハーの温度測定方法及びその装置に関する。

シリコンウェハーの表面に回路パターンを形成するエッチング工程、酸化膜や窒化膜等の膜付けを行うＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ）工程等、半導体デバイスの製造工程では、回路パターンの配線の微細化や均一性の観点からドライ化の傾向にある。このドライ化処理は、プラズマ中の処理が通常であり、プラズマドライエッチング装置やプラズマＣＶＤ装置の使用が一般的である。このような半導体製造プロセスでは、温度が品質維持に影響を与えるため、精密な温度管理を必要としており、温度測定が不可欠である。

従来、プラズマ装置を用いる半導体ウェハーの処理において、プラズマ処理中での温度測定には熱電対が使用され、この熱電対は被処理物である半導体ウェハーの近傍に置いて温度を測定している。半導体ウェハーの近傍に熱電対を設置する方法では、プラズマ処理中の半導体ウェハーの実際の温度を測定することができないだけでなく、熱電対には通常重金属が用いられているので、熱電対に起因する半導体ウェハーの重金属汚染のおそれがある。

プラズマ処理中の温度測定手段として、熱電対を埋め込んだ半導体ウェハーを用いる方法がある。
特開平１１−２２４８３８号公報

ところで、熱電体が埋め込まれた半導体ウェハーを用いて、この半導体ウェハーから予め温度データを測定し、その温度データを参照し、別の半導体ウェハーをプラズマ処理する等の方法がある。このような方法は、プラズマ処理を行う際の実際の温度を測定するものではなく、温度データを取得する処理と実際のプラズマ処理とが全く同じ処理になる保証はなく、正確に温度が測定されているとは言えない。

そこで、本発明は、チャンバ内で処理される半導体ウェハーの温度測定に関し、半導体ウェハーの温度の直接測定を可能にし、温度条件を常時監視に用いることができる温度測定方法及びその装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の半導体ウェハーの温度測定方法は、チャンバ（１８）内で処理される半導体ウェハー（４）の温度測定方法であって、前記半導体ウェハーの温度を検出する処理と、前記半導体ウェハーの検出温度を光に変換して伝送させる処理と、前記光を受光し、その光から前記検出温度を取り出す処理とを含む構成である。

斯かる構成とすれば、処理前、処理中又は処理後のチャンバ内の半導体ウェハーの検出温度がチャンバ内で光に変換されてチャンバ外に伝送され、この光をチャンバ外で受光することにより、検出温度をチャンバ外で取り出すことができる。

上記目的を達成するため、本発明の半導体ウェハーの温度測定装置は、チャンバ（１８）内で処理される半導体ウェハー（４）の温度測定装置であって、前記チャンバ内の前記半導体ウェハーの温度を検出し、その検出温度を光（光パルス信号１０）に変換して前記チャンバ外に伝送する温度検出手段（温度検出ユニット６）と、この温度検出手段が発光した光を前記チャンバ外で受光し、その光から前記検出温度を取り出す処理手段（受光ユニット８）とを備えた構成である。

温度検出手段は、チャンバ内に半導体ウェハーとともに設置され、半導体ウェハーの温度を検出し、その検出温度を光に変換し、チャンバ外に伝送する。温度情報が含まれた光は、チャンバ外に設置されている処理手段に受光され、処理手段では、その光から検出温度が再生され、取り出される。

上記目的を達成するためには、前記温度検出手段は、前記検出温度を表すパルス信号に変換する変換手段（マイクロコンピュータ２０）と、この変換手段で得られたパルス信号により発光する発光手段（ＬＥＤ２４、２６）とを備える構成としてもよい。斯かる構成とすれば、検出温度は、その値に応じたパルス幅や周期を持つパルス信号に変換され、このパルス信号により発光手段を発光させると、発光手段からパルス信号に応じた断続光が得られる。この光をチャンバ外に伝送すれば、光を通じて温度情報をチャンバ外で受け取ることができる。

上記目的を達成するためには、前記発光手段が発光ダイオードである構成としてもよい。発光ダイオードによれば、検出温度を表すパルス信号に応じた断続光を得られ、その光により検出温度をチャンバ外に伝送することができる。

上記目的を達成するためには、前記温度検出手段は電磁遮断されてなる構成としてもよい。温度検出手段の温度検出やパルス信号による発光動作の誤動作等、電磁ノイズによる影響を回避でき、動作及び検出の信頼性が高められる。

上記目的を達成するためには、前記温度検出手段はその一部又は全部が防護層（４０）で被覆されてなる構成としてもよい。防護層にはポリイミド樹脂等のプラズマに対する防護性を持つ樹脂が用いられる。このような防護層による被覆で温度検出手段のプラズマに対する耐性を向上させることができる。

本発明によれば、チャンバ内の半導体ウェハーの温度をチャンバ内で検出し、半導体ウェハーに対するプラズマ処理等の処理に影響を与えることなく、チャンバ外で取得でき、チャンバ内の半導体ウェハーの温度を遠隔的に監視することができる。

本発明の実施形態について、図１を参照して説明する。図１は、半導体ウェハーの温度測定方法及びその装置の実施形態に係る温度測定装置を示している。

この温度測定装置２は、被測定物として例えば、半導体ウェハー４を対象とし、温度検出手段として例えば、温度検出ユニット６、データ処理手段として受光ユニット８を備えた構成である。半導体ウェハー４に設置された温度検出ユニット６は、検出された温度データを光パルス信号１０に変換して発信する。受光ユニット８は温度検出ユニット６に対して離れた位置に配置されて光パルス信号１０を受光し、温度データに復号する。

また、温度検出ユニット６は、フレキシブル基板１２に搭載された温度センサＩＣ１４と制御部１６からなる。この実施形態では、フレキシブル基板１２は例えば、Ｔ字型に形成されており、その上に温度検出手段として例えば、５組の温度センサＩＣ１４１、１４２、１４３、１４４、１４５が直線状にほぼ等間隔で搭載され、このフレキシブル基板１２の他端部には制御部１６が搭載されている。このフレキシブル基板１２は、チャンバ１８内でプラズマ処理される半導体ウェハー４に搭載される。このように搭載されることにより、５組の温度センサＩＣ１４１〜１４５により１枚の半導体ウェハー４の５個所の温度を測定することができる。なお、フレキシブル基板１２の形状と各温度センサＩＣ１４１〜１４５の搭載位置は任意である。そして、チャンバ１８は例えば、石英等で構成され、その一部又は全部を透明化することにより、光パルス信号１０を通過可能に構成されている。また、光パルス信号１０は、赤外線、レーザー光等、通信が可能な媒体であれば、何れのものでもよい。

次に、温度検出ユニット６について、図２を参照して説明する。図２は、温度検出ユニット６の構成例を示している。

この温度検出ユニット６には、複数の温度検出手段としての温度センサＩＣ１４１〜１４５とともに、制御部１６が備えられており、制御部１６には、検出温度に応じた電気信号を発生する発生手段として第１のマイクロコンピュータ２０が設置されているとともに、このマイクロコンピュータ２０に電力を供給する電源回路として例えば、スイッチングレギュレータ２２、発光手段として複数のＬＥＤ（Light Emitting Diode）２４、２６、電池２８が設置されている。

電池２８はレギュレータ２２に接続され、レギュレータ２２によって所定の直流電圧に変換される。このレギュレータ２２は、電池２８とともに電源装置を構成して所定の直流電圧を発生し、この直流電圧がマイクロコンピュータ２０及びＬＥＤ２４、２６に加えられている。ＬＥＤ２４、２６には、抵抗３０及びスイッチング素子としてのトランジスタ３２が直列に接続され、トランジスタ３２のベースにはマイクロコンピュータ２０からパルス電流が加えられている。即ち、検出温度データを表すパルス電流によってトランジスタ３２をスイッチングさせることにより、ＬＥＤ２４、２６は温度データに応じて点滅する。

また、レギュレータ２２はスタンバイ機能を備えており、レギュレータ２２のＳＴＢ端子３４に電圧が印加されたときにレギュレーション動作を開始する。また、３６は電源及び待機時間を設定するスイッチである。

そこで、このレギュレータ２２のスタンバイ機能を利用して、温度測定装置２の温度測定開始のタイミングを設定することもできる。即ち、チャンバ１８に半導体ウェハー４を投入してから、半導体ウェハー４が所定温度まで上昇するには相当の時間がかかる。電池２８の消耗を防止するため、この昇温時間中の温度測定を停止し、予め設定した温度近傍になってから、半導体ウェハー４の温度測定を開始する。

斯かる構成において、マイクロコンピュータ２０では、各温度センサＩＣ１４１〜１４５で検出された温度データが取得され、その温度データは演算により電気信号として所定のパルス信号にコード化される。このコード化は、温度データに応じてパルス信号のパルス幅やデューティ時間の制御によって行われる。そこで、マイクロコンピュータ２０は、検出温度をパルス信号に変換する変換手段を構成している。このパルス信号はトランジスタ３２のベースに加えられており、トランジスタ３２はパルス信号の高レベル区間で導通し、その低レベル区間で非導通となる。この場合、トランジスタ３２には、２本のＬＥＤ２４、２６が接続されている。トランジスタ３２は、コレクタ側にＬＥＤ２４、２６を介してレギュレータ２２の正出力側が接続され、また、そのエミッタが接地されている。

斯かる構成により、トランジスタ３２のベースにマイクロコンピュータ２０からパルス信号が入力されると、トランジスタ３２のコレクタ−エミッタ間が導通し、ＬＥＤ２４、２６は、パルス信号に応じて駆動電流が流れることにより、点滅する。即ち、パルス信号がパルス光信号に変換される。

制御部１６では、ＬＥＤ２４、２６を使用しているが、このような複数のＬＥＤ２４、２６の配置関係により、受光ユニット８側で受光できなくなるということを防止している。複数個のＬＥＤ２４、２６に発光させれば、受光ユニット８側には常に異なる受光角度で入光させることができ、受光ユニット８側で受光できないという不都合を回避できる。

また、制御部１６は、図３に示すように、その全体が電磁遮断層３８で被覆され、ポリイミド樹脂等の防護層４０で被覆されている。このような電磁遮断層３８で被覆すれば、外部からの電磁波を遮断でき、マイクロコンピュータ２０の誤動作を防止することができる。電磁遮断層３８は、例えば、アルミニウム箔等の金属で構成される。

また、ポリイミド樹脂等の防護層４０で制御部１６を被覆すれば、チャンバ１８内でプラズマ処理から制御部１６を防護することができる。防護層４０を構成する材料は、プラズマに対する耐久性を有する材料であれば何れでもよく、ポリイミド樹脂以外の樹脂を用いてもよい。

温度センサＩＣ１４１〜１４５は、搭載される被測定物の周囲の温度を測定して、温度データを外部に送信する機能を備えている。この場合、温度センサＩＣ１４１〜１４５は、例えば、ＳＣＬとＳＤＡによる２本の線でパーティライン状の接続を成してマイクロコンピュータ２０と接続され、温度データがマイクロコンピュータ２０に加えられる。即ち、マイクロコンピュータ２０と各温度センサＩＣ１４１〜１４５とは、温度データの授受について、Ｉ² Ｃ（Inter-Integrated-Circuit）方式によりシリアル通信がなされる。

斯かる構成において、制御部１６のスイッチ３６を導通させると、レギュレータ２２からマイクロコンピュータ２０に給電され、マイクロコンピュータ２０の制御動作が開始される。この場合、マイクロコンピュータ２０からＳＣＬを通じてクロック信号が温度センサＩＣ１４１〜１４５に送信される。クロック信号を受信した各温度センサＩＣ１４１〜１４５はそれぞれ固有のアドレスデータを有しているので、クロック信号に特定するアドレスデータが含まれている場合には、取得している温度データをＳＤＡを通じてマイクロコンピュータ２０に送信する。

この温度データを取得したマイクロコンピュータ２０は、そのデータを演算してパルス信号に変換する。そこで、各温度センサＩＣ１４１〜１４５のアドレスデータとともに、温度データをパルス信号に加えて出力し、受光ユニット８側に伝送する。

マイクロコンピュータ２０は温度センサＩＣ１４１〜１４５に順次にクロック信号を送信し、各温度センサＩＣ１４１〜１４５の温度データを取得する。そして、マイクロコンピュータ２０は、温度センサＩＣ１４１〜１４５の制御により半導体ウェハー４の温度測定を行い、マイクロコンピュータ２０では各温度センサＩＣ１４１〜１４５の温度データを取得してパルス信号に変換し、ＬＥＤ２４、２６を点滅発光させ、受光ユニット８に伝送する。

次に、受光ユニット８について、図４を参照して説明する。図４は、受光ユニット８の概要を示している。

温度検出ユニット６のＬＥＤ２４、２６から伝送された光パルス信号１０は、既述した通り、離間して配置された受光ユニット８によって受光される。データ処理手段としての受光ユニット８はフォトトランジスタ等からなる受光部４２を備え、受光部４２では受光した光パルス信号１０を電気信号に変換する。受光部４２の出力側にはバンドパスフィルタ４４が設置され、このバンドパスフィルタ４４を通過させることにより、所定の周波数成分からなるパルス信号が取り出される。このパルス信号は、信号増幅器４６で増幅された後、演算処理部としての第２のマイクロコンピュータ４８に加えられる。

マイクロコンピュータ４８は、光パルス信号１０から再生したパルス信号を温度データに復号する演算処理を実行し、その出力データはＬＣＤ等からなる表示部５０に表示させたり、図示しないプリンタに印字させることができる。このマイクロコンピュータ４８にはＰＣ接続部５２を介して情報端末であるパーソナルコンピュータ（ＰＣ）５４が接続され、パーソナルコンピュータ５４では伝送された温度データを表示し、他の制御データの演算等に利用することができる。ユーザは、チャンバ１８から離間した位置でパーソナルコンピュータ５４を用いることにより、半導体ウェハー４の温度をチャンバ１８外で監視することができる。

次に、以上述べた本発明の半導体ウェハーの温度測定方法及びその装置の各実施形態から抽出される技術的思想を以下に列挙する。

(1) 実施形態に記載された温度測定方法及びその装置は、半導体ウェハーの表面温度の検出方法及び検出装置として捉えることができ、斯かる構成は、例えば、チャンバ内でプラズマ処理される半導体ウェハーの表面温度の検出方法であって、温度検出ＩＣによって検出した温度情報を電気パルス信号にコード化し、前記電気パルス信号に応じて発光手段を点滅させ、光パルス信号を発信するとともに、発光手段から離間した位置で、光パルス信号を受信して、光パルス信号を温度情報に復号することにより半導体ウェハーの表面温度を検出する温度検出方法を構成できる。

(2) チャンバ内でプラズマ処理される半導体ウェハーの表面温度の検出装置であって、温度検出ＩＣによって検出した温度情報を電気パルス信号にコード化する変換手段と、前記電気パルス信号に応じて点滅させる発光手段と、光パルス信号を発信する点滅手段とを有し、半導体ウェハーの表面に配置される温度測定ユニット（温度検出ユニット６）と、前記温度測定ユニットとは離間されて配置され、前記温度測定ユニットの発光手段から発光された光を受光する受光手段と、この受光手段によって受光した光パルス信号を温度情報に復号する復号手段とを有する受光ユニットとから構成される半導体ウェハーの表面温度を検出する温度検出装置として構成できる。

(3) 前記温度測定ユニットが複数の発光ダイオードを有する構成としてもよい。

(4) 前記温度測定ユニットが電磁遮断されている温度検出装置として構成してもよい。

(5) 前記温度測定ユニットの一部又は全部が防護層で被覆されている温度検出装置として構成してもよい。

以上説明したように、本発明の最も好ましい実施形態等について説明したが、本発明は、上記記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載され、又は明細書に開示された発明の要旨に基づき、当業者において様々な変形や変更が可能であることは勿論であり、斯かる変形や変更が、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。

本発明によれば、チャンバ内の半導体ウェハーの温度をチャンバ外より測定し、監視することができ、チャンバ内の処理への影響を回避できる。

本発明の実施形態に係る温度測定方法及び装置を示す図である。 温度検出ユニットの構成例を示す回路図である。 制御部に施された防護層等の概要を示す断面図である。 受光ユニット側の構成例を示すブロック図である。

符号の説明

２ 温度測定装置
４ 半導体ウェハー
６ 温度検出ユニット
８ 受光ユニット（処理手段）
１４、１４１〜１４５ 温度センサＩＣ
２０ マイクロコンピュータ（変換手段）
２４、２６ ＬＥＤ（発光手段）
３８ 電磁遮断層
４０ 防護層

Claims (6)

1. チャンバ内で処理される半導体ウェハーの温度測定方法であって、
   前記半導体ウェハーの温度を検出する処理と、
   前記半導体ウェハーの検出温度を光に変換して伝送させる処理と、
   前記光を受光し、その光から前記検出温度を取り出す処理と、
   を含むことを特徴とする半導体ウェハーの温度測定方法。
2. チャンバ内で処理される半導体ウェハーの温度測定装置であって、
   前記チャンバ内の前記半導体ウェハーの温度を検出し、その検出温度を光に変換して前記チャンバ外に伝送する温度検出手段と、
   この温度検出手段が発光した光を前記チャンバ外で受光し、その光から前記検出温度を取り出す処理手段と、
   を備えたことを特徴とする半導体ウェハーの温度測定装置。
3. 前記温度検出手段は、
   前記検出温度を表すパルス信号に変換する変換手段と、
   この変換手段で得られたパルス信号により発光する発光手段と、
   を備えることを特徴とする請求項２記載の半導体ウェハーの温度測定装置。
4. 前記発光手段が発光ダイオードであることを特徴とする請求項３記載の半導体ウェハーの温度測定装置。
5. 前記温度検出手段は、電磁遮断されてなることを特徴とする請求項２記載の半導体ウェハーの温度測定装置。
6. 前記温度検出手段の一部又は全部が防護層で被覆されてなることを特徴とする請求項２記載の半導体ウェハーの温度測定装置。