JP2007134601A - シリコンウエハの温度測定方法及び温度測定用放射温度計 - Google Patents

Abstract

【課題】 厚さの薄いＳｉウエハが測定対象であっても、低温下においてそのＳｉウエハの温度を正確に測定することができるＳｉウエハの温度測定方法を提供する。
【解決手段】 Ｓｉウエハ１の肉厚内で該ウエハ１の主として径方向に沿ってから放射される赤外光のうち、中心波長が９〜１０μｍ、波長範囲が８〜１６μｍの放射赤外光を、Ｓｉウエハ１の端部に該Ｓｉウエハ１の表面に対してほぼ４５°に傾斜するように形成された斜面１ｅで全反射させて略垂直方向へ導いて赤外線放射温度計２に入射させることにより、その赤外光の放射エネルギー量からＳｉウエハ１の温度を算出する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、半導体装置やＬＣＤ等の基板として多用されているシリコン（以下、Ｓｉと記載する）ウエハの温度を測定する方法及びその温度測定に用いられる放射温度計に関する。詳しくは、高集積回路パータンの形成などの微細加工が施されるＳｉウエハ表面の温度を、該Ｓｉウエハから放射される赤外光の放射エネルギーを測定して演算により温度を求める非接触のＳｉ温度測定方法及び温度測定用放射温度計に関する。

半導体用基板やＬＣＤ用基板に用いられるＳｉウエハにおいては、前述した高集積回路パータンの形成などの微細加工に当たり、エッチング処理や、化学気相成長法（ＣＶＤ）、プラズマＣＶＤ等の薄膜形成処理などの各種の処理が行われる。そして、それら処理を再現性よく、かつ、高精度に行うためには、処理速度等の処理状況の変化要因となるＳｉウエハの温度を正確に測定することが重要である。

この種のＳｉウエハの温度測定方法として、従来、Ｓｉの吸収領域における赤外放射を利用して温度測定する方法が知られている。すなわち、Ｓｉは、１．２μｍ以下の波長域において不透明であり、この波長域におけるＳｉウエハからの赤外放射光を測定してＳｉウエハの温度を算出する方法が一般的に採用されていた。

しかし、上記した従来のＳｉウエハの温度測定方法の場合、１．２μｍ以下の波長域での赤外放射は、高温下ではエネルギー強度が高いために、検出が可能であるが、２００℃以下の低温下ではエネルギー強度が低いために、検出が困難であり、したがって、Ｓｉウエハの２００℃以下の低温下で放射温度を精度よく測定することは非常に困難であるという問題があった。

本発明は上述の実情に鑑みてなされたもので、その目的は、厚さの薄いＳｉウエハであっても、低温下においてＳｉウエハの温度を正確に測定することができるＳｉウエハの温度測定方法及び温度測定用放射温度計を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係るＳｉウエハの温度測定方法は、Ｓｉが有する光吸収領域に対応する波長域において、Ｓｉウエハからその温度に応じて放射される赤外光の放射エネルギー量を測定してＳｉエハの温度を算出するＳｉウエハの温度測定方法であって、前記Ｓｉウエハの肉厚内において主として該ウエハの径方向に沿って放射される前記波長域の赤外光の放射エネルギー量を測定して前記Ｓｉウエハの温度を算出することを特徴としている。

上記と同様の目的を達成するために、本発明の請求項２に係るＳｉウエハの温度測定方法は、Ｓｉが有する光吸収領域に対応する波長域において、Ｓｉウエハからその温度に応じて放射される赤外光の放射エネルギー量を測定してＳｉウエハの温度を算出するＳｉウエハの温度測定方法であって、前記Ｓｉの肉厚内において主として該ウエハの径方向に沿って放射される前記波長域の赤外光を、該Ｓｉウエハの表面に対して略垂直な方向に導き、この略垂直方向に導かれた赤外光の放射エネルギー量を測定して前記Ｓｉウエハの温度を算出することを特徴としている。

また、上記と同様の目的を達成するために、本発明の請求項７に係るＳｉウエハの温度測定方法は、Ｓｉが有する光吸収領域に対応する波長域において、Ｓｉウエハからその温度に応じて放射される赤外光の放射エネルギー量を測定してＳｉウエハの温度を算出するＳｉウエハの温度測定方法であって、前記Ｓｉウエハの中央部付近に（１００）面の異方性エッチングにより四角錐形状の窪みを形成し、Ｓｉウエハの肉厚内において主として該ウエハの径方向に沿って放射される前記波長域の赤外光をこの窪みの斜面を介して全反射させることにより、前記の放射赤外光を前記Ｓｉウエハの表面に対して略垂直な方向に導き、この略垂直方向に導かれた赤外光の放射エネルギー量から前記Ｓｉウエハの温度を算出することを特徴としている。

さらに、上記と同様の目的を達成するために、本発明の請求項９に係るＳｉウエハの温度測定用放射温度計は、Ｓｉウエハからその温度に応じて放射される赤外光の放射エネルギー量を測定する赤外線センサとこの赤外線センサの絶対温度を測定する基準温度センサとこれら両センサの出力信号を演算してＳｉウエハの温度を算出する演算手段とを有するＳｉウエハの温度測定用放射温度計であって、前記赤外線センサが、測定対象となるＳｉウエハの肉厚内において主として該ウエハの径方向に沿って放射される赤外光のうち、Ｓｉが有する光吸収領域に対応する波長域の赤外光のみを取り込んでその放射エネルギー量を測定するように構成されていることを特徴としている。
ここで、前記測定波長域は、請求項８及び１０に記載のように、赤外光の波長範囲が８μｍから１６μｍに設定されていることが望ましい。

本発明によれば、Ｓｉウエハから放射される赤外光として、そのＳｉウエハの肉厚内において主として該ウエハの径方向に沿って放射される赤外光のうち、Ｓｉが有する光吸収領域に対応する波長範囲、望ましくは、９〜１０μｍを中心波長とする８〜１６μｍ波長範囲の赤外光を取り込むことにより、Ｓｉの光吸収特性を最大限有効に活用することが可能であるだけでなく、厚さの薄いＳｉウエハであっても、その径方向に長い範囲の部分を光吸収帯にして見掛け上の放射エネルギー量を十分に高く確保することができる。したがって、放射率を高めんがために、ＳｉウエハにＳｉＯなどの膜を付加することなく、低温下においても十分なエネルギー強度を確保して、薄いＳｉウエハであっても、その温度を正確かつ精度よく測定することができるという効果を奏する。

特に、請求項２に係るＳｉウエハの温度測定方法のように、Ｓｉウエハの肉厚内において主として該ウエハの径方向に沿って放射される前記波長域の赤外光をＳｉウエハの表面に対して略垂直な方向に導いてその放射エネルギー量を測定する場合は、測定に用いる放射温度計をその視野がＳｉウエハの表面に対して略垂直になる姿勢に設置して所定の温度測定を実施することが可能であるため、測定作業を行いやすく、殊に、温度を測定しつつ、エッチング等の処理を行う場合の処理装置と放射温度計との配置の取り合いが容易であるとともに、スペース的にも非常に有利であり、また、放射温度計自体がプラズマあるいはプラズマ発生のための高周波電力等の影響を受けて誤動作する憂いがなくて測定精度の一層の向上が図れる。

そして、Ｓｉウエハの肉厚内において主として該ウエハの径方向に沿って放射される前記波長域の赤外光をＳｉウエハの表面に対して略垂直な方向に導いて放射温度計に入射させる手段としては、請求項３に記載のように、前記Ｓｉウエハの端面を、その表面に対して所定の傾斜角度を有するような斜面に形成し、Ｓｉウエハの径方向に沿って放射される赤外光をこの斜面を介して全反射させるようにしても、請求項４あるいは請求項５に記載のように、前記Ｓｉウエハの端面を、その表面に対して垂直な面に形成し、この垂直端面から、Ｓｉウエハの径方向に沿って放射される赤外光を、該Ｓｉウエハの端面に対面させた反射鏡あるいは導波管を介して放射温度計に入射させるようにしてもよい。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は本発明に係るＳｉウエハの温度測定方法のうち、請求項１〜３，６，８に対応する第一の実施形態を示す概略側面図、図２は図１の平面図、図３は図１中の丸囲いした部分Ｂの拡大図である。これら図１〜図３において、１は厚さｔが通常０．３〜０．６ｍｍ位の円板状のＳｉウエハ、２は該Ｓｉウエハ１の温度を測定するために用いられる赤外線放射温度計である。

前記Ｓｉウエハ１の端部には、該Ｓｉウエハ１を基板として用いて製造される各種半導体製品の位置決め用直線部分（いわゆる、オリフラ部分）１Ｅが形成されており、このオリフラ部分１Ｅの端面を、ダイシングあるいは異方性エッチングにより、高集積回路パータンの形成などの微細加工を施すためにエッチング処理や、ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ等の薄膜形成処理などを行うＳｉウエハ１の加工表面１ｆに対して裏面側ほど漸次外方へ突出するように、ほぼ４５°の傾斜角度θを有する斜面１ｅに切断形成している。なお、前記斜面１ｅをＳｉの（１００）面の異方性エッチングにより形成する場合は、傾斜角度θが約５５°となる。

一方、前記赤外線放射温度計２は、図４に示すように、Ｓｉが有する光吸収領域に対応する波長域である９〜１０μｍを中心波長とする８〜１６μｍの波長範囲の放射赤外光ｕｒをレンズ等の光学系２ａで集光するサーモパイル型赤外線センサ２ｂ、この赤外線センサ２ｂ自身の絶対温度を測定する基準温度補償用温度センサ２ｃ、これら両センサ２ｂ，２ｃから出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換回路２ｄなどを有するプローブ部２Ａと、このプローブ部２Ａにケーブル３を介して接続され前記ＡＤ変換回路２ｄから出力されるデジタル信号の入力に伴い基準温度の補正やセンサ感度補正等を施した上でＳｉウエハ１の温度を算出するワンチップマイコン等の演算部４ａ、その演算部４ａで算出されたＳｉウエハ温度を表示する液晶表示部４ｂ、操作スイッチ部４ｃ、電源コントロール回路４ｄ、アナログ出力回路４ｅなどを有する本体部２Ｂとから構成されている。

上記構成の赤外線放射温度計２は、その視野サイズが、測定対象となる前記Ｓｉウエハ１の厚さｔ（０．３〜０．６ｍｍ）以下で、その視野がＳｉウエハ１における前記の斜面１ｅに収まるように前記Ｓｉウエハ１のオリフラ部分１Ｅの下方位置でＳｉウエハ１の加工表面１ｆに対して垂直になる姿勢に配置されている。

なお、Ｓｉウエハ１のオリフラ部分１Ｅの斜面１ｅを、前記した異方性エッチングにより形成する場合は、その切断面が平坦かつ一様な表面粗さとなるために、研磨の必要がないとともに、前記斜端面１ｅをオリフラ部分１Ｅに限らず、例えば図２に符号１ｅ´を付して示したように、Ｓｉウエハ１の外周縁部の任意の箇所に形成することが可能である。このように、前記斜面１ｅあるいは１ｅ´を異方性エッチングにより形成した場合、赤外光は、Ｓｉウエハ１の表面１ｆに対して垂直な方向から若干逸れる方向に放射されることになるため、赤外線放射温度計２はＳｉウエハ１の表面１ｆに対して所定の角度傾けて設置使用することが望ましい。

上記のような態勢で、Ｓｉウエハ１の肉厚内において主として該ウエハ１の径方向に沿って放射される赤外光のうち、Ｓｉが有する光吸収領域に対応する波長範囲、すなわち、９〜１０μｍを中心波長とする８〜１６μｍ波長範囲の赤外光を放射温度計２に取り込むことにより、Ｓｉの光吸収特性を最大限有効に活用することが可能であるだけでなく、厚さの薄いＳｉウエハ１であっても、その径方向に長い範囲の部分を光吸収帯にして見掛け上の放射エネルギー量を十分に高く確保することが可能となる。したがって、放射率を高めんがために、Ｓｉウエハ１の表面１ｆにＳｉＯなどの膜を付加することなく、低温下においても十分なエネルギー強度を確保して、薄いＳｉウエハ１を測定対象とする場合であっても、その温度を正確かつ精度よく測定することができる。

図５は、Ｓｉウエハ１を半導体装置やＬＣＤ等の基板として用い、そのＳｉウエハ１の加工表面１ｆを平版型プラズマエッチング装置によりエッチング処理する際の温度測定方法として、本発明方法を適用した場合における装置全体の概略構成を示すものであり、処理対象であるＳｉウエハ１は、エッチング装置１１におけるエッチング室１２内の上下部に対向状態に配設された上部電極１３，下部電極１４のうち、下部電極１４上に載置されており、接地される上部電極１３との間に、高周波電源１５から整合器１６を通じて高周波電力を印加するように構成されている。

一方、下部電極１４には、開孔部１７が形成されており、この開孔部１７を通してエッチング室１２の外部から、Ｓｉウエハ１の肉厚内において該ウエハ１の径方向に沿って放射される前記波長域の赤外光を前記斜面１ｅを介して全反射させ、その全反射される放射赤外光ｕｒを光学系２ａを通してサーモパイル型赤外線センサ２ｂに集光させるように、前記放射温度計２が下部電極１４の下部に設置されている。なお、前記エッチング室１２には、エッチングガスを導入する手段やエッチング室１２内を減圧排気して所定の圧力に維持するための排気手段などが設けられているが、これらは周知であるため、それらの記載を省略している。

上記のようなエッチング装置１１においては、下部電極１４上にＳｉウエハ１を載置し、エッチング室１２内に導入されたエッチングガスを上部電極１３と下部電極１４との間に印加した高周波電力によりプラズマ化することにより、Ｓｉウエハ１の加工表面１ｆをエッチング処理する。このとき、前記放射温度計２により、Ｓｉウエハ１の温度を測定しつつ、エッチング処理することによって、Ｓｉウエハ１をエッチング処理に適応する温度に制御することが可能で、所定のエッチング処理を高精度に行うことができる。

図６は、本発明に係るＳｉウエハの温度測定方法のうち、請求項１，４，８に対応する第二の実施形態を示す要部の拡大側面図である。この第二の実施形態では、前記オリフラ部分１Ｅの端面をＳｉウエハ１の表面１ｆに対して垂直面１ｖに形成し、この垂直面１ｖから、Ｓｉウエハ１の肉厚内において主として該ウエハ１の径方向に沿って放射される前記同様の波長域の赤外光ｕｒを該Ｓｉウエハ１の端面に対面させて設置した反射鏡５を介して放射温度計２に導いて所定の温度測定を行うようにしたものであり、その他の構成は第一実施形態と同様であるため、それらの詳細な説明は省略する。

また、図７は、本発明に係るＳｉウエハの温度測定方法のうち、請求項１，５，８に対応する第三の実施形態を示す要部の拡大側面図である。この第三の実施形態では、前記オリフラ部分１Ｅの端面をＳｉウエハ１の表面１ｆに対して垂直面１ｖに形成し、この垂直面１ｖから、Ｓｉウエハ１の肉厚内において主として該ウエハ１の径方向に沿って放射される前記同様の波長域の赤外光ｕｒを該Ｓｉウエハ１の端面に対面させて設置した導波管６を介して放射温度計２に導いて所定の温度測定を行うようにしたものであり、その他の構成は第一実施形態と同様であるため、それらの詳細な説明は省略する。

これら第二及び第三の実施形態によれば、上記第一の実施形態と同様に、Ｓｉウエハ１の径方向に長い範囲の部分を光吸収帯にして低温下において見掛け上の放射エネルギー量を十分に高く確保して、薄いＳｉウエハ１を測定対象とする場合でもその温度を正確に測定することができる。

図８は、本発明に係るＳｉウエハの温度測定方法のうち、請求項７，８に対応する第四の実施形態を示す要部の拡大側面図である。この第四の実施形態では、Ｓｉウエハ１の中央部付近の任意の位置に、（１００）面の異方性エッチングにより四角錐形状の窪み７を形成し、Ｓｉウエハ１の肉厚内において主として該ウエハ１の径方向に沿って放射される前記同様の波長域の赤外光ｕｒをこの窪み７の斜面７ｅを介してＳｉウエハ１の表面１ｆに対して略垂直な方向に導いて該Ｓｉウエハ１の裏面に配置した放射温度計２に入射させるようにしたものである。

この第四の実施形態の場合も、上記第一ないし第三実施形態の場合と同様に、Ｓｉウエハ１の肉厚内において該ウエハ１の径方向に沿って放射される赤外光のうち、９〜１０μｍを中心波長とする８〜１６μｍ波長範囲の赤外光が、窪み７の斜面７ｅで全反射されて放射温度計２に導かれるものであるから、厚さの薄いＳｉウエハ１の径方向に長い範囲の半分以上の部分を光吸収帯にして見掛け上の放射エネルギー量を十分に高く確保することが可能であり、Ｓｉウエハ１の表面にＳｉＯなどの膜を付加することなく、薄いＳｉウエハ１を測定対象とする場合であっても、低温下においてその温度を正確に、かつ精度よく測定することができる。

本発明に係るＳｉウエハの温度測定方法のうち、請求項１〜３，６，８に対応する第一の実施形態を示す概略側面図である。 図１の平面図である。 図１中の丸囲いした部分Ｂの拡大図である。 本発明に係るＳｉウエハの温度測定方法に用いる赤外線放射温度計の拡大構成図である。 本発明に係るＳｉウエハの温度測定方法を、平版型プラズマエッチング装置における温度測定に適用した場合の装置の概略構成図である。 本発明に係るＳｉウエハの温度測定方法のうち、請求項１，４，８に対応する第二の実施形態を示す要部の拡大側面図である。 本発明に係るＳｉウエハの温度測定方法のうち、請求項１，５，８に対応する第三の実施形態を示す要部の拡大側面図である。 本発明に係るＳｉウエハの温度測定方法のうち、請求項７，８に対応する第四の実施形態を示す要部の拡大側面図である。

符号の説明

１ Ｓｉウエハ
１Ｅ オリフラ部分
１ｅ，７ｅ 斜面
１ｖ 垂直端面
１ｆ 加工表面
２ 赤外線放射温度計
２ｂ サーモパイル型赤外線センサ
２ｃ 基準温度補償用温度センサ
４ａ 演算部（演算手段）
５ 反射鏡
６ 導波管
７ 窪み

Claims (10)

1. シリコンが有する光吸収領域に対応する波長域において、シリコンウエハからその温度に応じて放射される赤外光の放射エネルギー量を測定してシリコンウエハの温度を算出するシリコンウエハの温度測定方法であって、
   前記シリコンウエハの肉厚内において主として該ウエハの径方向に沿って放射される前記波長域の赤外光の放射エネルギー量を測定して前記シリコンウエハの温度を算出することを特徴とするシリコンウエハの温度測定方法。
2. シリコンが有する光吸収領域に対応する波長域において、シリコンウエハからその温度に応じて放射される赤外光の放射エネルギー量を測定してシリコンウエハの温度を算出するシリコンウエハの温度測定方法であって、
   前記シリコンウエハの肉厚内において主として該ウエハの径方向に沿って放射される前記波長域の赤外光を、該シリコンウエハの表面に対して略垂直な方向に導き、この略垂直方向に導かれた赤外光の放射エネルギー量を測定して前記シリコンウエハの温度を算出することを特徴とするシリコンウエハの温度測定方法。
3. 前記シリコンウエハの端面が、その表面に対して所定の傾斜角度を有するような斜面に形成されており、シリコンウエハの肉厚内において主として該ウエハの径方向に沿って放射される前記波長域の赤外光をこの斜面を介して全反射させることにより、前記の放射赤外光を前記シリコンウエハの表面に対して略垂直な方向に導いて所定の温度測定を行なう請求項２に記載のシリコンウエハの温度測定方法。
4. 前記シリコンウエハの端面が、その表面に対して垂直な面に形成されており、この垂直端面から、シリコンウエハの肉厚内において主として該ウエハの径方向に沿って放射される前記波長域の赤外光をシリコンウエハの端面に対面させて設けた反射鏡を介して放射温度計に導いて所定の温度測定を行なう請求項２に記載のシリコンウエハの温度測定方法。
5. 前記シリコンウエハの端面が、その表面に対して垂直な面に形成されており、この垂直端面から、シリコンウエハの肉厚内において主として該ウエハの径方向に沿って放射される前記波長域の赤外光をシリコンウエハの端面に対面させて設けた導波管を介して放射温度計に導いて所定の温度測定を行なう請求項２に記載のシリコンウエハの温度測定方法。
6. 前記シリコンウエハの端面に形成される斜面が、（１００）面の異方性エッチングによって形成されたものである請求項３に記載のシリコンウエハの温度測定方法。
7. シリコンが有する光吸収領域に対応する波長域において、シリコンウエハからその温度に応じて放射される赤外光の放射エネルギー量を測定してシリコンウエハの温度を算出するシリコンウエハの温度測定方法であって、
   前記シリコンウエハの中央部付近に（１００）面の異方性エッチングにより四角錐形状の窪みを形成し、シリコンウエハの肉厚内において主として該ウエハの径方向に沿って放射される前記波長域の赤外光をこの窪みの斜面を介して全反射させることにより、前記の放射赤外光を前記シリコンウエハの表面に対して略垂直な方向に導き、この略垂直方向に導かれた赤外光の放射エネルギー量から前記シリコンウエハの温度を算出することを特徴とするシリコンウエハの温度測定方法。
8. 前記測定波長域は、赤外光の波長範囲が８μｍから１６μｍに設定されている請求項１〜７のいずれかに記載のシリコンウエハの温度測定方法。
9. シリコンウエハからその温度に応じて放射される赤外光の放射エネルギー量を測定する赤外線センサとこの赤外線センサの絶対温度を測定する基準温度補償用温度センサとこれら両センサの出力信号を演算してシリコンウエハの温度を算出する演算手段とを有するシリコンウエハの温度測定用放射温度計であって、
   前記赤外線センサが、測定対象となるシリコンウエハの肉厚内において主として該ウエハの径方向に沿って放射される赤外光のうち、シリコンが有する光吸収領域に対応する波長域の赤外光のみを取り込んでその放射エネルギー量を測定するように構成されていることを特徴とするシリコンウエハの温度測定用放射温度計。
10. 前記赤外線センサによる測定波長域は、赤外光の波長範囲が８μｍから１６μｍに設定されている請求項９に記載のシリコンウエハの温度測定用放射温度計。
    
    
    

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