JP2011151055A - 温度測定方法及び基板処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板載置台内部の流路を流れる温度調整媒体の温度を各部で連続的に正確に測定することができ、基板の各部を所定温度に正確に温度調節することのできる温度測定方法及び基板処理装置を提供する。
【解決手段】主線１０１に、当該主線と熱電対を構成する枝線１０２を間隔を設けて複数溶接して構成した温度測定機構１００を、基板載置台内部に配設された温度調整媒体の流路内に挿入し、当該流路内を循環する前記温度調整媒体の温度を複数箇所において前記温度測定機構により直接測定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、温度測定方法及び基板処理装置に関する。

例えば、半導体装置の製造工程では、半導体ウエハ等の基板を基板処理装置の処理室内の載置台上に載置し、載置台の内部を流れる温度調整媒体によって基板の温度を調整しながら、基板に所定の処理（例えば、エッチングや成膜。）を施すことが行われている。

このような基板処理装置では、処理中の基板の温度は、微細な処理を実現するための重要な要素の一つであり、例えば、エッチング処理は処理中の温度によって大きく影響を受ける。このため、従来から基板の温度を測定してその温度を調整する各種の技術が提案されている。例えば、熱電対によって直接半導体ウエハの温度を測定し、載置台に所定温度の温度調整媒体を循環させる温調機構にフィードバックして温調を行う技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０００−１８３０２８号公報

上述したとおり、従来から基板の温度を測定してその温度を調整する各種の技術が提案されている。しかしながら、従来の技術は、例えば熱電対による定点測定であり、複数箇所の温度を測定する場合であっても、他の構造物による制約もあるため温度測定できる位置が限られてしまい、多点の温度を連続して正確に測定することが困難であるという問題があった。

本発明は、上記従来の事情に対処してなされたもので、載置台中を流れる温度調整媒体の温度を各部で連続的に正確に測定することができ、基板の各部を所定温度に正確に温度調節することのできる温度測定方法及び基板処理装置を提供しようとするものである。

本発明に係る温度測定方法は、基板処理装置の処理室内に設けられ、かつ、内部に温度調整媒体が循環される載置台に、基板を載置して所定の処理を施す基板処理装置の前記温度調整媒体の温度を測定する温度測定方法であって、主線に、当該主線と熱電対を構成する枝線を間隔を設けて複数溶接して構成した温度測定機構を、前記温度調整媒体の流路内に挿入し、当該流路内を循環する前記温度調整媒体の温度を複数箇所において直接前記温度測定機構により測定することを特徴とする。

本発明に係る基板処理装置は、処理室と、前記処理室内に設けられ、かつ、内部に温度調整媒体が循環される載置台とを具備し、前記載置台に基板を載置して所定の処理を施す基板処理装置であって、主線に、当該主線と熱電対を構成する枝線を間隔を設けて複数溶接して構成した温度測定機構を、前記温度調整媒体の流路内に挿入し、当該流路内を循環する前記温度調整媒体の温度を複数箇所において直接前記温度測定機構により測定するよう構成されたことを特徴とする。

本発明によれば、載置台中を流れる温度調整媒体の温度を各部で連続的に正確に測定することができ、基板の各部を所定温度に正確に温度調節することのできる温度測定方法及び基板処理装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に使用する温度測定機構の構成を模式的に示す図。 本発明の一実施形態に係るプラズマエッチング装置の概略構成を模式的に示す図。 図２のプラズマエッチング装置の要部構成を模式的に示す図。

以下、本発明の詳細を、図面を参照して実施形態について説明する。

図１は、本発明の一実施形態に用いる温度測定機構の構成を模式的に示すものである。この温度測定機構１００は、主線１０１に、主線１０１と熱電対を構成する枝線１０２を、間隔を設けて複数溶接して構成されており、全体が曲折できるように構成されている。この主線１０１としては、例えばクロメル線等を用いることができ、枝線１０２としては、例えばアルメル線等を用いることができる。

上記の主線１０１及び枝線１０２の表面は、例えば、樹脂膜等によって絶縁されている。また、隣接する枝線１０２同士の間隔は、必要とされる温度計測部位間の距離によって設定する。枝線１０２の線の数は、例えば５〜１０程度とすることが好ましく、温度測定機構１００の全体の長さは５０〜１００ｃｍ程度とすることが好ましい。図１に示す例では、主線１０１に枝線１０２が５本溶接されており、Ｔ−１〜Ｔ−５の５点の温度を連続的に検出できるようになっている。

本実施形態では、上記構成の温度測定機構１００を、後述する基板処理装置の載置台内に設けられた温度調整媒体の流路内に挿入し、この流路内を循環する温度調整媒体の温度を複数箇所において直接測定する。これによって、載置台の流路内を循環する温度調整媒体の温度を複数箇所において連続的に測定することができる。

次に、図２を参照して基板処理装置としてのプラズマエッチング装置２００の構成について説明する。プラズマエッチング装置２００は、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウム等からなり円筒形状に成形された処理チャンバー（処理容器）２を有しており、この処理チャンバー２は接地されている。

処理チャンバー２内の底部にはセラミックスなどの絶縁板３を介して、半導体ウエハＷを載置するための略円柱状のサセプタ支持台４ａが設けられている。さらに、このサセプタ支持台４ａの上には、下部電極を兼ねたサセプタ４ｂが設けられている。このサセプタ４ｂには、ハイパスフィルター（ＨＰＦ）６が接続されている。これらのサセプタ支持台４ａ及びサセプタ４ｂによって載置台４が構成されている。

サセプタ支持台４ａの内部には、温度調整媒体流路７ａ，７ｂが設けられている。図３にも示すように、温度調整媒体流路７ａは、サセプタ支持台４ａの内周側に設けられ、スパイラル状に多重に形成されている。また、温度調整媒体流路７ｂは、サセプタ支持台４ａの外周部に略一周に亘って設けられている。

温度調整媒体流路７ａには、温度調整媒体が導入管８ａを介して導入されて循環し排出管９ａから排出される。また、温度調整媒体流路７ｂには、温度調整媒体が導入管８ｂを介して導入されて循環し排出管９ｂから排出される。そして、温度調整媒体の冷熱がサセプタ４ｂを介して半導体ウエハＷに対して伝熱され、これにより半導体ウエハＷが所望の温度に制御される。本実施形態では、これらの温度調整媒体流路７ａ，７ｂ内に沿って温度測定機構１００を挿入、配置して温度調整媒体の温度を直接、かつ連続的に多点で測定する。

この温度調整媒体流路７ａ，７ｂ内への温度測定機構１００への挿入、配置は、例えば、温度調整媒体流路７ａ，７ｂに、温度調整媒体の流れ方向上流側から斜めに挿入するＹ型配管を設け、ここから温度測定機構１００を挿入する方法等を用いることができる。これによって、温度調整媒体の流れに与える影響を最小限にしつつ温度調整媒体流路７ａ，７ｂ内へ温度測定機構１００を挿入することができる。そして、このＹ型配管の導入部に熱電対用コネクタ等を設け、外部から密封された構造とする。

温度調整媒体流路７ａ，７ｂ内には、処理チャンバー２から離間された場所（例えば、配管長が１０ｍ程度となる場所）に配設されたチラー５ａ，５ｂから、所定温度に温度制御された温度調整媒体（例えば、ブライン等）が循環される。したがって、チラー５ａ，５ｂから流出した温度調整媒体の温度は、長い流路内を流れていくうちに変化し、載置台４内の温度調整媒体流路７ａ，７ｂ内の各部において、どのような温度となっているかを検知することは従来困難であった。また、温度調整媒体は、高流量で、圧力をかけた状態で複雑な経路となっている温度調整媒体流路７ａ，７ｂ内を流れている。このため、キャビテーション等を起こし、温度調整媒体流路７ａ，７ｂ内に温度調整媒体が存在しない空洞部が形成されて、熱の伝達が妨げられている箇所が存在する可能性もある。しかしながら、従来は、このような箇所を見つけることも困難であった。

これに対して、本実施形態では、温度測定機構１００によって、温度調整媒体流路７ａ，７ｂ内の温度調整媒体の温度を、直接連続的に測定することができる。そして、この温度測定結果に基づいて、チラー５ａ，５ｂにおける温度調整媒体の設定温度、流量等を制御することにより、載置台４上に載置された半導体ウエハＷの温度を精度よく所定温度に制御することができる。

この場合、載置台４上に載置された半導体ウエハＷの温度を、例えば放射温度計等で検出し、予め温度調整媒体流路７ａ，７ｂ内の温度調整媒体の温度と、半導体ウエハＷの温度との相関関係を求めておけば、温度調整媒体の温度を検出することによって、半導体ウエハＷの温度を知ることができる。そして、温度測定機構１００により測定した温度調整媒体の温度と、載置台４上に載置された半導体ウエハＷの温度との相関関係を示すデータを後述する制御部６０の記憶部６３に記憶し、この記憶部６３に記憶された相関関係を示すデータと、温度測定機構１００による温度検出結果とに基づき、後述する制御部６０のプロセスコントローラ６１によって、チラー５ａ，５ｂの温度調整媒体の温度や流量等を制御することにより、半導体ウエハＷの温度を所定温度に調整することができる。

サセプタ４ｂは、その上側中央部が凸状の円板状に成形され、その上に半導体ウエハＷと略同じ径の円形状とされた静電チャック１１が設けられている。静電チャック１１は、絶縁材の間に電極１２を配置して構成されている。そして、電極１２に接続された直流電源１３から例えば１．５ｋＶの直流電圧が印加されることにより、例えばクーロン力によって半導体ウエハＷを静電吸着する。

絶縁板３、サセプタ支持台４ａ、サセプタ４ｂ、静電チャック１１には、半導体ウエハＷの裏面に、伝熱媒体（例えばＨｅガス等）を供給するためのガス通路１４が形成されており、この伝熱媒体を介してサセプタ４ｂの冷熱が半導体ウエハＷに伝達され半導体ウエハＷが所定の温度に維持されるようになっている。

サセプタ４ｂの上端周縁部には、静電チャック１１上に載置された半導体ウエハＷを囲むように、環状のフォーカスリング１５が配置されている。このフォーカスリング１５は、例えば、シリコンなどの導電性材料から構成されており、エッチングの均一性を向上させる作用を有する。

サセプタ４ｂの上方には、このサセプタ４ｂと平行に対向して上部電極２１が設けられている。この上部電極２１は、絶縁材２２を介して、処理チャンバー２の上部に支持されている。上部電極２１は、電極板２４と、この電極板２４を支持する導電性材料からなる電極支持体２５とによって構成されている。電極板２４は、例えば、ＳｉやＳｉＣ等の導電体または半導体で構成され、多数の吐出孔２３を有する。この電極板２４は、サセプタ４ｂとの対向面を形成する。

上部電極２１における電極支持体２５の中央にはガス導入口２６が設けられ、このガス導入口２６には、ガス供給管２７が接続されている。さらにこのガス供給管２７には、バルブ２８、並びにマスフローコントローラ２９を介して、処理ガス供給源３０が接続されている。処理ガス供給源３０から、プラズマエッチング処理のためのエッチングガスが供給される。

処理チャンバー２の底部には排気管３１が接続されており、この排気管３１には排気装置３５が接続されている。排気装置３５はターボ分子ポンプなどの真空ポンプを備えており、処理チャンバー２内を所定の減圧雰囲気、例えば１Ｐａ以下の所定の圧力まで真空引き可能なように構成されている。また、処理チャンバー２の側壁にはゲートバルブ３２が設けられており、このゲートバルブ３２を開いた状態で、半導体ウエハＷを隣接するロードロックチャンバとの間で搬送する。

上部電極２１には、第１の高周波電源４０が接続されており、その給電線には整合器４１が介挿されている。また、上部電極２１にはローパスフィルター（ＬＰＦ）４２が接続されている。この第１の高周波電源４０は、２７〜１５０ＭＨｚの範囲の周波数を有している。このように高い周波数の高周波電力を印加することにより処理チャンバー２内に好ましい解離状態でかつ高密度のプラズマを形成することができる。

下部電極としてのサセプタ４ｂには、第２の高周波電源５０が接続されており、その給電線には整合器５１が介挿されている。この第２の高周波電源５０は、第１の高周波電源４０より低い周波数の範囲を有しており、このような範囲の周波数の高周波電力を印加することにより、被処理基板である半導体ウエハＷに対してダメージを与えることなく適切なイオン作用を与えることができる。第２の高周波電源５０の周波数は、例えば１〜２０ＭＨｚの範囲が好ましい。

上記構成のプラズマエッチング装置２００は、制御部６０によって、その動作が統括的に制御される。制御部６０には、ＣＰＵを備えプラズマエッチング装置２００の各部を制御するプロセスコントローラ６１と、ユーザインターフェース部６２と、記憶部６３とが設けられている。

ユーザインターフェース部６２は、工程管理者がプラズマエッチング装置２００を管理するためにコマンドの入力操作を行うキーボードや、稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等から構成されている。

記憶部６３には、プラズマエッチング装置２００で実行される各種処理をプロセスコントローラ６１の制御にて実現するための制御プログラム（ソフトウエア）や処理条件データ等が記憶されたレシピ及び前述した温度測定機構１００により測定した温度調整媒体の温度と、載置台４上に載置された半導体ウエハＷの温度との相関関係を示すテーブル等のデータが格納されている。そして、必要に応じて、ユーザインターフェース部６２からの指示等にて任意のレシピを記憶部６３から呼び出してプロセスコントローラ６１に実行させることで、プロセスコントローラ６１の制御下で、プラズマエッチング装置２００での所望の処理が行われる。この場合、前述したとおり、上記のテーブル等のデータと、温度測定機構１００からの温度検出信号に基づいて、チラー５ａ，５ｂにおける温度調整媒体の温度、流量等も制御され、載置台４上の半導体ウエハＷの温度が所定温度に調整される。なお、制御プログラムや処理条件データ等のレシピは、コンピュータで読取り可能な記憶媒体（例えば、ハードディスク、ＣＤ、フレキシブルディスク、半導体メモリ等）などに格納された状態のものを利用したり、或いは、他の装置から、例えば専用回線を介して随時伝送させてオンラインで利用したりすることも可能である。

上記構成の基板処理装置２００によって、半導体ウエハＷのプラズマエッチングを行う場合、まず、半導体ウエハＷは、ゲートバルブ３２が開放された後、図示しないロードロックチャンバから処理チャンバー２内へと搬入され、静電チャック１１上に載置される。そして、直流電源１３から直流電圧が印加されることによって、半導体ウエハＷが静電チャック１１上に静電吸着される。次いで、ゲートバルブ３２が閉じられ、排気装置３５によって、処理チャンバー２内が所定の真空度まで真空引きされる。

その後、バルブ２８が開放されて、処理ガス供給源３０から所定のエッチングガスが、マスフローコントローラ２９によってその流量が調整されつつ、処理ガス供給管２７、ガス導入口２６を通って上部電極２１の中空部へと導入され、さらに電極板２４の吐出孔２３を通って、図２の矢印に示すように、半導体ウエハＷに対して均一に吐出される。

そして、処理チャンバー２内の圧力が、所定の圧力に維持される。その後、第１の高周波電源４０から所定の周波数の高周波電力が上部電極２１に印加される。これにより、上部電極２１と下部電極としてのサセプタ４ｂとの間に高周波電界が生じ、エッチングガスが解離してプラズマ化する。

他方、第２の高周波電源５０から、上記の第１の高周波電源４０より低い周波数の高周波電力が下部電極であるサセプタ４ｂに印加される。これにより、プラズマ中のイオンがサセプタ４ｂ側へ引き込まれ、イオンアシストによりエッチングの異方性が高められる。

そして、所定のプラズマエッチング処理が終了すると、高周波電力の供給及び処理ガスの供給が停止され、上記した手順とは逆の手順で、半導体ウエハＷが処理チャンバー２内から搬出される。

以上、本発明を一実施形態について説明したが、本発明は係る実施形態に限定されるものではなく、各種の変形が可能であることは勿論である。例えば、上記の実施形態では、本発明を、プラズマエッチング装置に適用した場合について説明したが、他の基板処理装置、例えば、ＣＶＤ装置等の成膜装置についても、同様にして適用することができる。また、上記実施形態では、温度調整媒体によって冷却する場合について説明したが、温度調整媒体によって加熱する場合についても同様にして適用することができる。

さらに、上記実施形態では、載置台中の流路の温度調整媒体の温度を測定する場合について説明したが、例えば、チラーと基板処理装置を繋ぐ配管内の温度調整媒体の温度を測定する場合や、チラー内部の所定領域の温度調整媒体の温度を測定する場合についても同様にして適用することができる。さらにまた、上記実施形態では、直線状で曲折可能とした温度測定機構を用いた場合について説明したが、予めループ状等の所定形状に形成した温度測定機構等も用いることができる。

１００……温度測定機構、１０１……主線、１０２……枝線。

Claims (5)

1. 基板処理装置の処理室内に設けられ、かつ、内部に温度調整媒体が循環される載置台に、基板を載置して所定の処理を施す基板処理装置の前記温度調整媒体の温度を測定する温度測定方法であって、
   主線に、当該主線と熱電対を構成する枝線を間隔を設けて複数溶接して構成した温度測定機構を、前記温度調整媒体の流路内に挿入し、当該流路内を循環する前記温度調整媒体の温度を複数箇所において直接前記温度測定機構により測定する
   ことを特徴とする温度測定方法。
2. 請求項１記載の温度測定方法であって、
   前記主線がクロメル線からなり、前記枝線がアルメル線からなることを特徴とする温度測定方法。
3. 処理室と、
   前記処理室内に設けられ、かつ、内部に温度調整媒体が循環される載置台とを具備し、
   前記載置台に基板を載置して所定の処理を施す基板処理装置であって、
   主線に、当該主線と熱電対を構成する枝線を間隔を設けて複数溶接して構成した温度測定機構を、前記温度調整媒体の流路内に挿入し、当該流路内を循環する前記温度調整媒体の温度を複数箇所において直接前記温度測定機構により測定するよう構成された
   ことを特徴とする基板処理装置。
4. 請求項３記載の基板処理装置であって、
   前記主線がクロメル線からなり、前記枝線がアルメル線からなることを特徴とする基板処理装置。
5. 請求項３又は４記載の基板処理装置であって、
   前記温度測定機構により測定した前記温度調整媒体の温度と、前記温度測定機構とは異なる他の温度測定手段により測定した前記載置台上に載置した基板の温度との相関関係を示すデータ記憶する記憶手段と、
   前記記憶手段に記憶された前記相関関係を示すデータに基づいて前記温度調整媒体の温度を制御して前記基板の温度を所定温度に維持する制御手段と
   を具備したことを特徴とする基板処理装置。

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