JP2016523356A - 熱流束を測定するための方法及びシステム - Google Patents

Abstract

熱流束センサを備える測定ウエハは、基板と、基板の一部に熱的に連結されるカバーと、基板とカバーとの間で形成されるセンサキャビティと、センサキャビティの少なくとも一部内に配置される熱障壁と、基板に熱的に連結され、かつ熱障壁の一部によってカバーから断熱される底部温度センサと、カバーに熱的に連結され、かつ熱障壁の追加部分によって基板から断熱される上部温度センサとを含み、底部温度センサと上部温度センサとの間の温度差は、センサキャビティに近接する基板及びカバーを通過する熱流束に関連する。

Description

本発明は一般に、熱流束検出に関し、より具体的には、薄型形状因子を有する基板に埋め込まれた１つ以上の熱流束センサの使用における熱流束検出に関する。

半導体デバイス処理環境内の方法条件における許容範囲が狭まり続けているため、システムを監視する方法条件の改善を求める要求が増加し続けている。処理システム（例えば、プラズマ処理システム）内の熱流束は、そのような条件のものである。以前の熱流束センサシステムは、（例えば、熱エネルギー流の方向に）互いから既知の距離に置かれる材料内に埋め込まれる温度センサを含む。追加の設計は、薄型パッケージ内の接地キャビティ内に置かれる個別の温度センサを含む。それらのキャビティは、外部熱流束が適用されたときに、異なる熱抵抗を有してキャビティ内のセンサ間に温度差が存在するように設計される。熱流束を測定するための追加のアプローチは、較正された熱電対列（熱電対の配列）を基板材料上もしくは基板材料内で使用することと、適用された既知の熱流束に関連して、熱電対列電圧出力を較正することと、を含む。

米国特許第６３２５５３６号 米国特許出願公開第２０１２／０２０３４９５号

薄型プロファイルである熱伝導率が高い基板内で以前の方法を実装することは困難である。典型的には、埋め込まれた熱流束センサは、熱エネルギー流に平行する方向で温度差を測定する。非常に薄いウエハ形状因子では、熱エネルギー流の方向は軸方向であり、温度センサを適切な軸方向に置くことは困難である。その上、基板の高い熱伝導率によって、典型的に、測定が困難であり得る温度差がもたらされる。さらに、熱電対列は、熱電対列にわたる熱流束に比例する電圧を出力する。いくつかの例では、この電圧は、電子測定システムによる測定に関する適切な範囲から外れてもよい。したがって、上述のような欠点を矯正するためのシステム及び方法を提供することが望ましい。

本発明の例示的な実施形態に従って、測定ウエハ熱流束センサを開示する。一実施形態では、測定ウエハ熱流束センサは、基板と、前記基板の一部に熱的に連結されるカバーと、前記基板と前記カバーとの間で形成されるセンサキャビティと、前記センサキャビティの少なくとも一部内に配置される熱障壁と、前記基板に熱的に連結され、かつ前記熱障壁の一部によって前記カバーから断熱される底部温度センサと、前記カバーに熱的に連結され、かつ前記熱障壁の追加部分によって前記基板から断熱される上部温度センサとを含み得る。別の実施形態では、前記底部温度センサと前記上部温度センサとの間の温度差は、前記センサキャビティに近接する前記基板及びカバーを通過する熱流束に関連する。

本発明の例示的な実施形態に従って、熱流束検知システムを開示する。一実施形態では、本熱流束検知システムは、測定ウエハ熱流束センサを含んでもよい。別の実施形態では、本測定ウエハ熱流束センサは、基板と、基板の一部に熱的に連結されるカバーと、基板とカバーとの間で形成されるセンサキャビティと、センサキャビティの少なくとも一部内に配置される熱障壁と、基板に熱的に連結され、かつ熱障壁の一部によってカバーから断熱される底部温度センサと、カバーに熱的に連結され、かつ熱障壁の追加部分によって基板から断熱される上部温度センサとを含んでよく、底部温度センサと上部温度センサとの間の温度差は、センサキャビティに近接する基板及びカバーを通過する熱流束に関連する。別の実施形態では、本熱流束検知システムは、測定ウエハ熱流束センサに通信可能に連結されたコントローラを含んでよく、そのコントローラは、プログラム命令のセットを実行するように構成される１つ以上のプロセッサを含む。別の実施形態では、本プログラム命令のセットは、１つ以上のプロセッサに、底部温度センサ及び上部温度センサからの温度測定値を受け取らせ、上部温度センサと底部温度センサとの間の差温を決定させ、かつ、底部温度センサと上部温度センサとの間の差温に基づいて、センサキャビティに近接する基板及びカバーを通過する熱流束を決定させるように構成される。

本発明の例示的な実施形態に従って、測定ウエハを用いて熱流束を測定するための方法を開示する。一実施形態では、本方法は、基板に熱的に連結され、かつ熱障壁の一部によってカバーから断熱される少なくとも底部温度センサと、カバーに熱的に連結され、かつ熱障壁の追加部分によって基板から断熱される少なくとも上部温度センサとを含む測定ウエハ熱流束センサを提供することであって、底部温度センサ及び上部温度センサが、測定ウエハ熱流束センサのセンサキャビティ内に配置される、提供することと、測定ウエハ熱流束センサの底部温度センサ及び上部温度センサからの温度測定値を得ることと、上部温度センサと底部温度センサとの間の差温を決定することと、底部温度センサと上部温度センサとの間の差温に基づいて、センサキャビティに近接する基板及びカバーを通過する熱流束を決定することと、を含んでもよい。

上述の概要及び以下の詳細な説明はいずれも例示的かつ説明的なものにすぎず、特許請求される本発明を必ずしも限定するものではないことが理解されよう。添付の図面は、明細書の一部に組み込まれて明細書の一部を構成するが、本発明の実施形態を示し、かつ概要とともに本発明の原理を説明するように機能するものである。

当業者は添付の図面を参照することで、本開示の多くの利点を理解することができる。
本発明の一実施形態に従う、熱流束を検出かつ定量化するために使用される、２つの埋め込まれた温度センサを含む測定ウエハ熱流束センサのブロック概略図である。 本発明の一実施形態に従う、熱流束を検出かつ定量化するために使用される、２つの埋め込まれた温度センサを含む測定ウエハ熱流束センサの上面図である。 本発明の一実施形態に従う、熱流束を検出かつ定量化するために使用される、２つの埋め込まれた温度センサを含む測定ウエハ熱流束センサの断面図である。 本発明の一実施形態に従う、熱流束を検出かつ定量化するために使用される、２つの埋め込まれた温度センサを含む測定ウエハ熱流束センサの分解図である。 本発明の代替の実施形態に従う、熱流束を検出かつ定量化するために使用される、２つの埋め込まれた温度センサを含む測定ウエハ熱流束センサの上面図である。 本発明の代替の実施形態に従う、熱流束ブリッジセンサの代替の設計の断面図である。 本発明の代替の実施形態に従う、二重レベルの熱流束センサの代替の設計の断面図である。 本発明の一実施形態に従う、測定ウエハを用いて熱流速を測定するための方法を示す方法フロー図である。 本発明の一実施形態に従う、詳細な較正ステップを有し、かつ熱流束較正に対応する温度センサの誤差を対象とするフローチャートである。 本発明の一実施形態に従う、較正、測定、及びデータダンプ出力ステップを示す、熱流束システムの動作を示すフローチャートである。

これより、開示される主題に対して詳細な参照を行うが、その開示される主題は添付の図面に示す。

一般に図１Ａ〜６を参照すると、１つ以上の埋め込まれたセンサを用いて熱流束を測定するためのシステム及び方法は、本開示に従って記載されている。

本発明の実施形態は、基板内に形成される複数の熱流束センサを対象としてもよく、プラズマ処理環境内で熱流束センサシステムによって実行される分散された熱流束測定を可能にする。熱流束の測定に関連する問題の１つに、ケイ素等の熱伝導率が比較的高い材料の熱流束の測定が含まれることに、本明細書中で留意されたい。本発明の実施形態は、薄型形状因子である熱伝導率が高い基板内に埋め込まれた、１つ以上の熱流束センサ（例えば、温度センサのペア）を含む熱流束センサシステムを対象としてもよい。本発明の実施形態は、熱流束センサの２つ以上の温度センサが、熱エネルギー流束の方向に対して垂直である、同じ平面内に配列される構成をさらに対象としてもよい。本発明の実施形態は、標準的なウエハ処理寸法（例えば、１００〜４５０ｍｍ）に適合する一方、（例えば、厚さ０．５〜１．５ｍｍの）密封されたユニット内に統合される熱流束センサシステムをさらに対象としてもよい。本開示の実施形態は、断熱されたセンサキャビティを実装して測定された差温を上昇させ、それによって、熱流束測定の感度を上昇させることができる。さらに、測定ウエハ上の複数の熱流束センサの実装例（例えば、基板及びカバー）によって、測定ウエハまたは基板の熱流束測定結果を収集し、続いて、それをダウンロードすることが可能になる。本開示の測定ウエハは、湿気、高エネルギーＲＦ、高温、熱流束、または任意の他の熱流束源（例えば、放射物）等であるが、それらに限定されない様々な条件に暴露することを可能にするために完全に密封し得ることに、さらに留意されたい。

典型的には、定常状態条件下で空間距離を超えて置かれる温度センサを使用して、熱流束が測定される。次いで、熱流束を算出するために、Ｆｏｕｒｉｅｒの熱伝導の法則が使用される。
ｑ＝−ｋＡｄＴ／ｄｘ

ｑが熱流束である場合、ｋは既知の材料熱伝導率であり、Ａは伝導下の領域であり、ｄＴ／ｄｘは、定常状態熱流束条件下の均一材料内の温度勾配である。

さらに、予想可能かつ使用に従った様式で熱流束に応答するセンサを利用して、熱流束を測定することができる。これに関連して、センサを介して既知の熱流束を入力して様々な流束レベルでのセンサ応答を記録することによって、１つ以上のセンサを較正することができる。

基板に埋め込まれた１つ以上の熱流束センサを使用した熱流束の測定は、一般に、２０１１年２月３日に出願された、Ｍｅｉ Ｓｕｎ ｅｔ ａｌ．の米国特許出願第１３／０２０，７７０号に記載されており、その全体が参照によって本明細書中組み込まれている。

図１Ａは、本発明の実施形態に従う、２つ以上の埋め込まれた温度センサを使用して熱流束を測定するための、システム１００のブロック概略図を示す。一実施形態では、システム１００は、測定ウエハ熱流束センサ１０１を含む。一実施形態では、図１Ａに示されるように、測定ウエハ熱流束センサ１０１は、測定ウエハ構造内に配置された熱流束センサ（例えば、温度センサのペア）を含む。別の実施形態では、測定ウエハ熱流束センサ１０１は、基板１０２（例えば、基板ウエハ）を含んでもよい。例えば、基板１０２は、半導体基板及びガラス基板等を含み得るが、それらに限定されない。

一実施形態では、基板ウエハ１０２は、センサキャビティ１１６を含む。図１Ａに示されるように、例えば、センサキャビティ１１６は、第１のセンサ１０８（すなわち、「上部」温度センサ）、及び第２のセンサ１１０（すなわち、「底部」温度センサ）を収容するのに好適な陥凹部分を含むことができる。当該業界で知られる任意のウエハ処理手順によって、センサキャビティ１１６を形成することができる。例えば、センサキャビティ１１６を形成するために使用される方法には、機械的研磨方法、エッチング方法、またはレーザー加工方法が含まれ得るが、それらに限定されない。

別の実施形態では、上部センサ１０８及び底部センサ１１０は、センサキャビティ１１６内に配置される温度センサであり、上部センサ１０８と底部センサ１１０との間の温度差（すなわち、差温）を測定するのに好適なものである。

別の実施形態では、測定ウエハ１０１は、カバー１１４（例えば、カバーウエハ）を含んでもよい。例えば、カバー１１４は基板１０２の上部表面に取り付け可能である。

別の実施形態では、熱障壁材料１０４は、熱障壁材料１０４のための取り付け表面として機能するウエハ基板１０２の一部上に配置される。一実施形態では、底部温度センサ１１０は基板１０２に熱的に連結され、かつ、熱障壁１０６の一部によって、カバー１１４から断熱される。別の実施形態では、上部温度センサ１０８はカバー１１４に熱的に連結され、かつ熱障壁１０４の追加部分によって、基板１０２から断熱される。これに関連して、上部温度センサ１０８は基板１０２から断熱され、かつカバー１１４への熱伝導率が高い接続（図示せず）を有するため、上部温度センサ１０８の温度を読み出すことで、カバー１１４の局部温度が概算される。同様に、底部センサ１１０はカバー１１４から断熱され、かつ基板１０２への熱伝導率が高い接続（図示せず）を有するため、底部温度センサ１１０の温度を読み出すことで、基板１０２の局部温度が概算される。

用語「上部」及び「底部」の使用は、単に記述的利便性のためにもたらされるものであり、限定的なものとして解釈されるべきではないが、これは、本明細書中では通常、温度センサ１０８及び１１０を、代替として、「第１の」ならびに「第２の」温度センサと記述的に称し得るためであることに、本明細書中で留意されたい。本開示の目的のために、２つ以上の温度センサ（例えば、上部温度センサ１０８及び底部温度センサ１１０）を所与のセンサキャビティ１１６内に配列したものを、本明細書中で「熱流束センサ」と称し得ることに、さらに留意されたい。

熱障壁材料１０４は、当該業界で知られる任意の好適な断熱材料を含み得ることに、本明細書中で留意されたい。例えば、熱障壁材料１０４は、断熱プレートを含むことができるが、それに限定されない。別の実施例によって、熱障壁材料１０４は断熱フィルム（例えば、ポリイミドフィルム）を含むことができるが、それに限定されない。

底部温度センサ１１０と上部温度センサ１０８との間の温度差は、センサキャビティ１１６に近接する基板１０２及びカバー１１４を通過する熱流束に関連することに、本明細書中で留意されたい。一実施形態では、測定ウエハ熱流束センサ１０１は、熱エネルギー流の方向に対して、もしくは熱流束１３２に対して垂直に設置される、上部温度センサ１０８及び底部温度センサ１１０の両方からの温度測定値を利用することができる。

一実施形態では、上部センサ１０８の上部が熱障壁材料１０４の上部と同じ平面上に実質的に位置付けられるように、上部センサ１０８を、材料の下方に傾斜した延長部１０６上に設置することができる。例えば、熱障壁の部分（例えば、タブ１０６）が上部温度センサ１０８の下を通過する一方で、熱障壁１０４の追加部分が底部温度センサ１１０上に位置付けられるように、熱障壁材料１０４を構造化もしくは切断することができる。

一実施形態では、熱障壁１０４は、基板１０２の様々な位置に適合するために、複数の形状からなり得る。熱障壁１０４は、当該業界で知られる任意の好適な形状を有してもよい。例えば、熱障壁１０４は、円形、矩形、三角形、及び楕円形等のうちの１つ以上として形成され得る。

熱障壁１０４はウエハ１０１の上部と底部との間の温度差を拡大するように作動することに、本明細書中で留意されたい。一実施形態では、得られた温度差は熱障壁材料１０４の領域にほぼ比例する。別の実施形態では、その温度差は、カバー１１４の厚さにほぼ直接的に比例する。より薄いカバー１１４によって、より大きな熱抵抗値をもたらすことができ、その熱抵抗値付近で、熱エネルギーは循環する必要があり、次いで、その熱エネルギーによって、より厚いカバー１１４よりも大きい温度差がもたらされることに、本明細書中で留意されたい。したがって、上部温度センサ１０８と底部温度センサ１１０との間の温度差応答を制御するために、カバー１１４の厚さを調整することができる。

一実施形態では、測定ウエハ熱流束センサ１０１は、プラズマ処理チャンバで処理される一方で、基板１０２を垂直に通過する、作用する熱流束を測定することができる。例えば、プラズマ処理チャンバ（図示せず）は、約≦０．１Ｗ／ｃｍ^２〜≧１０ＫＷ／ｃｍ^２の無線周波数（ＲＦ）電力レベルで動作することができる。ウエハに作用する熱流束の予測される範囲は、約０．１Ｗ／ｃｍ^２〜１０Ｗ／ｃｍ^２の範囲であり得る。測定ウエハは、単一の熱流束センサ（すなわち、温度センサの単一ペア）、または複数の熱流束センサ（すなわち、温度センサの複数のペア）を含み得ることに、さらに留意されたい。測定ウエハ１０１が複数の熱流束センサを含む場合は、それらのセンサを、個別のセンサキャビティ内の基板１０２（または単一のキャビティ内の複数のセンサ）に対して分配することができる。

別の実施形態では、基板１０２内の温度センサを熱エネルギー流１３２の方向に対して垂直に置いた結果、測定ウエハ熱流束センサ１０１は薄型形状因子パッケージ内に適合することができる。プラズマ処理チャンバ内の様々な加熱条件（例えば、ＲＦ加熱条件）に起因するウエハ１０１を通過する熱流束に関する洞察をもたらすために、センサウエハ１０１は、半導体産業内で、典型的にはプラズマ処理チャンバ内で使用されるウエハを模倣して設計されることに、本明細書中で留意されたい。

別の実施形態では、システム１００はコントローラ１１３を含む。一実施形態では、コントローラ１１３は、測定ウエハ熱センサ１０１に通信可能に連結される。一実施形態では、コントローラ１１３は、１つ以上のプロセッサ（図示せず）を含む。別の実施形態では、１つ以上のプロセッサに、本開示中に記載される様々なステップのうちの１つ以上を実行させるように構成されるプログラム命令のセットを実行するように、１つ以上のプロセッサが構成される。別の実施形態では、コントローラ１１３は、プログラム命令を記憶するための持続性媒体（例えば、メモリ媒体）を含むことができる。一実施形態では、コントローラ１１３は、底部温度センサ１１０及び上部温度センサ１０８からの温度測定値を受け取ることができる。別の実施形態では、コントローラ１１３は、上部温度センサ１０８と底部温度センサ１１０との間の差温を決定することができる。別の実施形態では、コントローラ１１３は、底部温度センサ１１０と上部温度センサ１０８との間の差温に基づいて、センサキャビティ１１６に近接する基板１０２及びカバー１１４を通過する熱流束を決定することができる。別の実施形態では、コントローラ１１３は、測定ウエハ熱流束センサ１０１に対する熱流束較正を実行することができ、それによって、既知の熱流束がセンサ１０１に適用されて、得られた温度差が記録される。

別の実施形態では、コントローラ１１３は、１つ以上の熱流束較正係数を差温に適用して、センサキャビティ１１６に近接する基板１０２及びカバー１１４を通過する熱流束を決定することができる。

本開示では、用語「プロセッサ」は、１つ以上のプロセッサを有する任意のデバイス、またはメモリ媒体からの命令を実行する論理要素を包含するために、広範に定義され得る。この場合、コントローラ１１３の１つ以上のプロセッサは、ソフトウェアアルゴリズム及び／または命令を実行するように構成される、任意のマイクロプロセッサ型デバイスを含むことができる。一実施形態では、１つ以上のプロセッサを、測定ウエハ熱流束センサ１０１の外側に位置付ける。一実施形態では、１つ以上のプロセッサは、本開示中に記載されるシステム１００を動作させるように構成されるプログラムを実行するよう構成される、デスクトップコンピュータまたは他のコンピュータシステム（例えば、ネットワーク化されたコンピュータ）からなり得る。本開示中に記載のステップは、単一のコンピュータシステム、または代替として、複数のコンピュータシステムによって実行可能であることを認識されたい。別の実施形態では、コントローラ１１３の１つ以上のプロセッサは、測定ウエハ熱流束センサ１０１にオンボードで存在することができる。これに関連して、上部センサ１０８ならびに底部センサ１１０を用いて得た温度データは、測定ウエハ熱流束センサ１０１にオンボードで配置されるメモリ媒体内に記憶することができる。さらに、コントローラ１１３の１つ以上の搭載されたプロセッサは、オンボードメモリから温度データを読み出し、かつ本開示中に記載される様々な処理ステップのうちのいずれか１つを実行することができる。メモリ媒体は、リードオンリーメモリ、ランダムアクセスメモリ、磁気もしくは光ディスク、半導体ドライブ、フラッシュ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、及び磁気テープ等を含むことができる。別の実施形態では、コントローラ１１３は、「システムオンチップ」からなり得る。これに関連して、コントローラ１１３は、複数の組み合わされた通常処理構成要素を含むことができる。例えば、システムオンチップは、内部クロック、プロセッサ、及びシステム１００を動作させるのに必要な処理条件ならびに他の命令を記憶するためのフラッシュメモリセルを含むことができるが、それらに限定されない。

一実施形態では、コントローラ１１３と測定ウエハ熱センサ１０１との間の通信可能な連結は、１つ以上のセンサ回路を介して確立することができる（図１Ｄ参照）。一実施形態では、１つ以上のセンサ回路は、上部温度センサ１０８と底部温度センサ１１０との間の１つ以上の電気トレース、及びコントローラ１１３のプロセッサを含むことができる。一実施形態では、１つ以上のセンサ回路は、熱障壁１０４内で形成されるフレキシブル回路を含むことができる。例えば、フレキシブルプリント回路は、熱障壁１０４上／内で形成することができる。例えば、フレキシブルプリント回路は、ポリイミド等の任意の好適な可撓性材料を含むことができ、かつアルミニウムもしくは銅等の任意の好適な導電性材料を含むことができる。

別の実施形態では、複数の構成要素を一体化して、測定ウエハ熱流束センサ１０１を形成することができる。一実施形態では、（本明細書中に記載の差温センサから構成される）複数の個別の熱流束センサを、センサ１０１の基板１０２またはカバー１１４に対して分配することができる。これに関連して、測定ウエハ熱流束センサ１０２の構成される個別の熱センサは、基板１０２の表面にわたる様々な処理条件で、勾配を検出することができる。

一実施形態では、コントローラ１１３は、基板１０２またはカバー１０４のうちの少なくとも１つの一部上に設置することができる。これに関連して、コントローラ１１３は、測定ウエハ１０１に、「オンボード」で設置することができる。別の実施形態では、本明細書中でさらに考察される１つ以上のセンサ回路は、上部温度センサ１０８と、底部温度センサ１１０と、オンボードコントローラ１１３（例えば、コントローラのプロセッサ）との間の通信連結を確立することができる。

別の実施形態では、コントローラ１１３を、基板１０２またはカバー１１４に対して遠隔な位置に設置することができる。これに関連して、コントローラ１１３を「オフボード」で測定ウエハ１０１に設置する。別の実施形態では、本明細書中でさらに考察される１つ以上のセンサ回路は、上部温度センサ１０８と、底部温度センサ１１０と、オフボードコントローラ１１３（例えば、コントローラのプロセッサ）との間の通信連結を確立することができる。

一実施形態では、測定ウエハ熱流束センサ１０１は、プラズマ処理チャンバ内の条件値を測定するように設計されたシステム検知パッケージ内で利用することができる。これに関連して、基板１０２の表面上の入射熱流束は、半導体業界で利用されるプラズマチャンバによってもたらされる。例えば、測定ウエハ熱流束センサ１０１は、基板１０２にわたる様々な位置に設置される、複数の個別の熱流束センサ（例えば、温度センサの複数のペア）を含むことができる。次いで、得られた熱流束センサ応答を、センサ１０１上のコントローラ１１３とメモリとの組み合わせによって記憶することができるか、または有線もしくは無線伝送を介してオフウエハデータ取得システムにリアルタイムで伝送することができる。

図１Ｂ及び１Ｃは、本発明の実施形態に従う、測定ウエハ熱流束センサ１０１の概略図を示す。図１Ｂは、本発明の実施形態に従う、（カバー１１４を取り除いた）測定ウエハ熱流束センサ１０１の上面図を示す。図１Ｃは、本発明の実施形態に従う、測定ウエハ熱流束センサ１０１の横断面図を示す。図１Ｂ及び１Ｃに示されるように、２つ以上の温度センサ１０８及び１１０は、基板１０２内に埋め込まれる。一実施形態では、基板１０２は、熱障壁材料１０４に対するマウントとして再び機能する。別の実施形態では、熱障壁材料１０４は、熱障壁材料のタブ１０６が上部温度センサ１０８の下を通過するように切断される。例えば、図１Ｂに示されるように、タブ１０６は、円形及び矩形を含む複合形状からなり得る。図１Ｂに与えられるタブの形状は限定的なものではなく、単に例示を目的として与えられることに留意されたい。図１Ｃに示されるように、残りの熱障壁材料１０４は、底部温度センサ１１０上に存在し得る。

一実施形態では、図１Ｂ及び１Ｃに示されるように、センサキャビティ１１６は、実質的に切頂円錐形状を有し得る。図１Ｂ及び１Ｃに示される形状は限定的なものではなく、単に例示を目的として与えられることに、本明細書中で留意されたい。センサキャビティは、当該業界で知られる任意の形状を呈することができる。例えば、センサキャビティ１１６は、切頂円錐曲線、立方体、円柱（例えば、浅い円柱）、角柱（例えば、三角柱ならびに六角柱等）、及び同様の形状を含む形状を含み得るが、それらに限定されない。

別の実施形態では、上部温度センサ１０８は、はんだバンプ１１８を介して熱障壁１０４に接続することができる。別の実施形態では、底部温度センサ１１０は、はんだバンプ１２０を介して熱障壁１０４に接続することができる。別の実施形態では、上部温度センサ１０８は、はんだバンプ１１８を介して１つ以上のセンサ回路（例えば、電気トレース）に接続することができる。別の実施形態では、底部温度センサ１１０は、はんだバンプ１２０を介して１つ以上のセンサ回路に接続することができる。他の実施形態では、上部温度センサ１０８及び／または底部温度センサ１１０は、当該業界で知られる任意の接着技術を用いて、熱障壁１０４及び／または１つ以上のセンサ回路に連結することができる。例えば、上部温度センサ１０８及び／または底部温度センサ１１０は、バンプ、ワイヤボンディング、または他のダイ接着技術を用いて、熱障壁１０４及び／または１つ以上のセンサ回路に連結することができる。

図１Ｄは、本発明の実施形態に従う、測定ウエハ熱流束センサ１０１のアセンブリ図を示す。

一実施形態では、熱障壁１０４は、単一もしくは多層フィルムもしくはプレートを含み得る。例えば、熱障壁１０４は、フレキシブル回路（例えば、両面ポリイミドフレックス回路）を含み得るが、それに限定されない。これに関連して、図１Ｄに記載される熱障壁１０４は、熱障壁材料及びフレキシブルプリント回路の両方として作動し、それによって、入力熱流束１３２に起因して、上部ウエハカバー１１４と基板１０２の材料の底部との間の温度差が生じる。

別の実施形態では、熱障壁１０４がスルーホール接続部１２４を含むことによって、底部温度センサ１１０に接続する電力ならびに信号線が、上部温度センサ１０８に対する電気接続部として、同じ表面上にルートするのを可能にするが、スルーホール接続部１２４を含むことは必須ではない。

別の実施形態では、上部温度センサ１０８及び底部温度センサ１１０を、熱障壁１０４上の関連付けられる取り付けタブに接続した（例えば、はんだ付けした）後に、カバー１１４及び基板１０２に対して熱接続を行うことができる。一実施形態では、上部熱接続部１２６は、上部温度センサ１０８をカバー１１４に熱的に接続するように機能する。別の実施形態では、底部熱接続部１２８は、底部温度センサ１１０を、センサキャビティ１１６の底部の基板１０２に接続するように機能する。熱流束センサ１０１内の熱接続部は、当該業界で知られる任意の熱伝導性が高い材料によって形成可能であることを、本明細書中で認識されたい。

本発明の熱センサ１０８ならびに１１０は、当該業界で知られる任意の熱センサを含み得ることに、本明細書中で留意されたい。例えば、熱センサ１０８ならびに１１０は、表面実装型デバイス（ＳＭＤ）熱センサを含み得るが、それに限定されない。図１Ｄに示されるトレース１３０は、上部温度センサ１０８及び底部温度センサ１１０に対する別個の電力及び電気信号線を示すが、これは、限定的なものとして解釈されるべきではないことに、さらに留意されたい。センサ１０８ならびに１１０は、共通の電力を有する単一の出力差温信号をもたらすように接続可能であることを、本明細書中で認識されたい。

図２は、本発明の代替の実施形態に従う、丸みを帯びた長方形のセンサキャビティ２０２を有する、測定ウエハ熱流束センサ１０１の上面図を示す。一実施形態では、上部センサ１０８及び底部センサ１１０を、長方形に成形される熱障壁２０４に連結する。別の実施形態では、長方形に成形される熱障壁２０４は、センサキャビティ２０２の陥凹部分内に置かれる。図２のセンサキャビティ２０２及び熱障壁２０４は限定的なものとして解釈されるべきではないが、単に例示を目的として与えられるものであることに、本明細書中で留意されたい。熱流束センサ１０１のセンサキャビティ及び熱障壁は、当該業界で知られる任意の形状を呈し得ることに、再度留意されたい。本明細書中の上述の構成要素及び実施形態は、図２に示される長方形のセンサキャビティ２０２及び長方形の熱障壁２０４にまで及ぶものとして解釈されるべきであることに、さらに留意されたい。

本明細書中の上述の図１Ａ〜図２の熱流束センサ１０１は、単一の熱障壁上に設置される２つの温度センサを使用するが、これは本発明を限定するものではないことを認識されたい。代替の一実施形態では、温度センサを、別個の熱障壁材料１０４上に取り付けることができる。別の実施形態では、測定ウエハ熱流束センサ１０１は、２つを超える温度センサを含むことができ、かつそれらを利用することができる。したがって、本発明は、本明細書中の上述の上部温度センサ１０８及び底部温度センサ１１０に限定されるものではない。

図３Ａは、本発明の代替の実施形態に従う、熱流束ブリッジセンサ３００の横断面図を示す。一実施形態では、基板３０２は、センサキャビティ３０６を収容するカバー３０４を備えるデバイスの底部上に位置付けられる。別の実施形態では、第１のセンサ３０８はセンサキャビティ３０６の中央付近に設置され、第２のセンサ３１０はセンサキャビティ３０６の外周付近に設置される。別の実施形態では、両方のセンサは、はんだバンプ３１４によってフレキシブルプリント回路３１２に取り付けられ（しかし、これは必須要件ではない）、かつ熱接続部３１６を介してカバー３０４に熱的に接続される。別の実施形態では、熱流束１３２によって、センサキャビティ３０６の熱流束１３２に対する熱伝導率が低下するため、カバー３０４にわたって差温が発生し、その差温は基板３０２の表面全体にわたって広がる。

図３Ｂは、本発明の代替の実施形態に従う、二重レベルの熱流束センサ３２０の横断面図を示す。一実施形態では、カバー３２４は上方部センサキャビティ３２２を含み、基板３２８は下部センサキャビティ３２６を含む。別の実施形態では、上方部温度センサ３３０は上方部センサキャビティ３２２内に取り付けられ、下部温度センサ３３２は下部センサキャビティ３２６内に取り付けられる。別の実施形態では、はんだバンプを介して、フレキシブルプリント回路３３４ならびに３３６に対して、電気接続を行うことができる（しかし、これは必須要件ではない）。別の実施形態では、熱接続部３３８ならびに３４０は、カバー３２４ならびに基板３２８のそれぞれに対して形成される。

図４は、測定ウエハを用いて熱流束を測定するための方法４００で実施されるステップを示すフロー図である。本明細中の上述のシステムとの関連で本明細書中の上述の実施形態ならびに実現技術は、方法４００に及ぶものとして解釈されるべきであることに、出願人は留意する。しかしながら、方法４００は、本明細書中の上述のシステムの設計に限定されるものではないことに、さらに留意されたい。

第１のステップ４０２では、測定ウエハ熱流束センサ１０１を提供する。一実施形態では、測定ウエハ熱流束センサ１０１は、基板１０２に熱的に連結され、かつ熱障壁１０４の一部によってカバーから断熱される底部温度センサ１１０を少なくとも含む。別の実施形態では、測定ウエハ熱流束センサ１０２は、少なくともカバー１１４に熱的に連結され、かつ熱障壁１０４の追加部分によって基板１０２から断熱される上部温度センサ１０８を少なくとも含む。別の実施形態では、底部温度センサ１１０及び上部温度センサ１０８は、測定ウエハ熱流束センサ１０１のセンサキャビティ１１６内に配置される。

第２のステップ４０４では、測定ウエハ熱流束センサ１０１の底部温度センサ１１０及び上部温度センサ１０８から、温度測定値を得る。例えば、コントローラ１１３は、測定ウエハ熱流束センサ１０１の底部温度センサ１１０及び上部温度センサ１０８から温度測定値を得ることができる。

第３のステップ４０６では、上部温度センサ１０８と底部温度センサ１１０との間の差温を決定する。一実施形態では、上部温度センサ１０８及び底部温度センサ１１０からの測定結果を利用して、差温を決定する。例えば、コントローラ１１３は、上部温度センサ１０８及び底部温度センサ１１０からの測定結果に基づいて、差温を算出することができる。

第４のステップ４０８では、センサキャビティ１１６に近接する基板１０２及びカバー１１４を通過する熱流束は、底部温度センサ１１０と上部温度センサ１０８との間の差温に基づいて決定される。例えば、コントローラ１１３は、底部温度センサ１１０と上部温度センサ１０８との間の差温に基づいて、熱流束を算出することができる。

別の実施形態では、方法４００は、１つ以上の熱流束較正係数を決定するステップをさらに含み得る。別の実施形態では、方法４００は、上部温度センサ及び底部温度センサを熱較正範囲内で等温的に較正して、測定ウエハ熱流束センサのための１つ以上のセンサ較正値を形成することをさらに含み得る。別の実施形態では、方法４００は、１つ以上のセンサ較正値を、底部温度センサ及び上部温度センサから検出される温度に適用して、１つ以上の熱流束較正係数を形成することを含み得る。別の実施形態では、方法４００は、１つ以上の熱流束較正係数を差温に適用して、センサキャビティに近接する基板及びカバーを通過する熱流束を決定することを含み得る。

図５は、本発明の一実施形態に従う、測定ウエハ熱流束センサの較正手順におけるステップを示す、フローチャート５００を示す。フローチャート５００のステップは、限定的なものとして解釈されるべきではなく、単に例示を目的として提供されるものであることに、本明細書中で留意されたい。

一実施形態では、本方法は、較正ステップ５０４の群を用いて５０２を開始する。一実施形態では、本方法は、上部温度センサ（例えば、センサ１０８等）の全て、及び底部温度センサ（例えば、センサ１１０等）の全ての等温較正５０６を含む。本明細書中の上述の測定ウエハ熱流束センサ１０１を等温チャンバ内に置き、かつ各等温チャンバ温度設定での較正温度を記録することによって本ステップを実現し得ることに、本明細書中で留意されたい。他の実施形態では、熱流束を全基板表面にわたって適用することによって、全てのセンサを同時に較正することができる。

別の実施形態では、全ての温度センサを温度較正するとすぐに、全ての熱流束センサ（例えば、温度センサのペア）のためのステップ５０８で、熱流束を較正することができる。熱流束を模擬かつ試験することができ、それによって、入力較正流束に対する測定された熱流束較正係数がもたらされる好適な試験チャンバ内で、熱流束較正を実行可能であることに、本明細書中で留意されたい。

熱流束センサ１０１内の全ての熱流束測定値は差温測定値を利用するので、熱流束をより正確に測定するために使用される差分較正係数内に、較正された温度オフセット値を合わせ得ることにさらに留意されたい。

別の実施形態では、様々な温度センサ較正温度オフセット値をルックアップテーブル形式で記録することができ、それにより、データ測定値を改善するために、様々な種類の補間及びスプライン等のためのデータが提供される。

別の実施形態では、測定ウエハ熱流束センサ１０１が温度較正測定及び熱流束較正係数で較正されるとすぐに、実際の熱流束を測定するために、測定セクション５１０内で修正を実施することができる。

ｉ番目の熱流束センサを（ステップ５１２で）１に設定して開始することによって、上部及び底部センサ温度Ｔｉ^上部及びＴｉ^底部がステップ５１４で測定される。別の実施形態では、ｉ番目の熱流束センサに対する較正された温度オフセット値を使用して、センサに対するＴ_較正 ^上部 及びＴ_較正 ^下部 を算出することができる。別の実施形態では、ステップ５１６では、それらの較正された測定値をその後減算して、以下のものによって付与される較正された差温を形成する。
ΔＴｉ＝（Ｔｉ^上部−Ｔｉ^底部）|_較正＝Ｔ_較正 ^上部 −Ｔ_較正 ^底部

別の実施形態では、ｉ番目の熱流束センサの領域ｑ_ｉを通過する熱流束の算出は、熱流束較正係数ｋ_ｉを較正された差温ΔＴ_ｉ×ｑ_ｉ＝ｋ_ｉΔＴ_ｉに適用することによって行われる。一実施形態では、熱流束較正係数ｋ_ｉは、単純な係数となるように示される。追加の実施形態では、較正係数は、実際に、さらなる複雑性を含んで、多項式係数、及びガウシアン補間点等のうちの１つ以上を組み込むことができる。別の実施形態では、較正係数ｋ_ｉは、温度依存性であってよい。

別の実施形態では、ｉ番目の熱流束センサの領域ｑ_ｉを通過する熱流束を算出した後に、試験５１８を行い、ｉ番目の熱流束センサが、Ｎ_センサセットの最新のセンサであるか否かを確認する。熱流束センサが最新のセンサではない場合は、ｉ番目の熱流束センサの値が５２０で増加され、次のセンサが測定される。ｉ番目の熱流束センサが実際に、Ｎ_センサセットの最新のセンサである場合は、次いで別の試験５２２を行い、熱流束測定の別のセットを行うべきか否かを判定する。熱流束測定の別のセットを行う場合は、次いで、はいの分岐５２４を選び、測定の別のセットを選ぶために戻る。測定を完了する場合は、いいえの分岐５２６を選んで、測定方法を５２８で終了させる。

以上の方法では、温度較正係数ならびに熱流束較正係数の逐次使用について考察された。それらの方法を組み合わせて、Ｔ_ｉ ^上部及びＴ_ｉ ^底部の入力温度を関連付ける単一の関数を使用して、ｉ番目の熱流束センサのための較正された出力熱流束を算出できるようにすることを、本明細書中で認識されたい。

図６は、本発明の一実施形態に従う、測定ウエハ熱流束センサ１０１の動作ステップを示す、フローチャート６００を示す。フローチャート６００のステップは限定的なものとして解釈されるべきではなく、単に例示を目的として提供されるものであることに、本明細書中で留意されたい。

一実施形態では、較正ステップ６０２を実施する。例えば、較正ステップ６０２は、上述の方法５００で実施される較正ステップのうちの１つ以上を含むことができるが、それらに限定されない。ステップ６０２では、様々な温度及び熱流束較正係数を収集する。別の実施形態では、較正ステップ６０２の後で、測定ウエハ熱流束センサ１０１の個別の熱流束センサ（例えば、温度センサのペア）の１つ以上を介して、１つ以上の測定６０４を選択する。別の実施形態では、測定を実施した後で、別の測定６０６を選択すべきか否かを判定する試験を実行することができる。「はい」である場合は、６０８で別の測定６０４を選択する。別の実施形態では、必要とされる測定６０４を全て実施した後に、いいえの分岐６１０を選択する。別の実施形態では、蓄積されたデータをダンプすべきか否かを６１２で試験する。一実施形態では、いいえの分岐６１４によって、データをダンプする用意が整うまで、フローを戻すことが可能となる。別の実施形態では、データをダンプする用意が整った場合は、次いで、はいの分岐６１６を選択し、収集された熱流束データを６１８で出力することによって、６２０において方法を終了させる。

本明細書中で説明される主題は、他の構成要素内に収容されるか、またはそれらに接続される、異なる構成要素を示すこともある。そのように示される設計は、単に例示的なものであり、実際には、同じ機能性を実現する他の多くの設計を実装し得ることを、理解されたい。概念的な意味では、同じ機能性を実現するための構成要素の任意の配列は、所望の機能性を実現するために、効果的に「関連付けられる」。したがって、本明細書中の任意の２つの構成要素は、特定の機能性を実現するために組み合わされると、所望の機能性を実現するために、設計または中間構成要素に関係なく、互い「に関連付けられる」ものとしてみなされ得る。同様に、そのように関連付けられる任意の２つの構成要素もまた、所望の機能性を実現するために、互いに「接続される」または「連結される」ものとしてみなされ得て、そのように関連付けられ得る任意の２つの構成要素もまた、所望の機能性を実現するために、互いに「連結可能な」ものとしてみなされ得る。連結可能なものの特定の実施例は、物理的に相互作用可能な及び／または物理的に相互作用する構成要素、及び／または無線で相互作用可能な及び／または無線で相互作用する構成要素、及び／または論理的に相互作用可能な及び／または論理的に相互作用する構成要素を含むが、それらに限定されない。

本開示及びそれに付随する多くの利点は、上述の説明によって理解されるであろうと考えられており、開示される主題から逸脱することなく、かつその材料の利点全てを犠牲にすることなく、構成要素の形式、構成、及び配列において、様々な変更を加え得ることが明らかになるであろう。記載される形式は単に説明的なものにすぎず、以下の特許請求の範囲の意図は、そのような変更を包含し、かつ含むことである。さらに、添付の特許請求の範囲によって本発明が定義されることを理解されたい。

Claims (25)

1. 測定ウエハ熱流束センサであって、
   基板と、
   前記基板の一部に熱的に連結されるカバーと、
   前記基板と前記カバーとの間で形成されるセンサキャビティと、
   前記センサキャビティの少なくとも一部内に配置される熱障壁と、
   前記基板に熱的に連結され、かつ前記熱障壁の一部によって前記カバーから断熱される底部温度センサと、
   前記カバーに熱的に連結され、かつ前記熱障壁の追加部分によって前記基板から断熱される上部温度センサと、を備え、
   前記底部温度センサと前記上部温度センサとの間の温度差が、前記センサキャビティに近接する前記基板及びカバーを通過する熱流束に関連する、測定ウエハ熱流束センサ。
2. 前記測定ウエハが、前記底部温度センサ及び前記上部温度センサのうちの少なくとも１つに対する１つ以上の電気接続を提供する１つ以上のセンサ回路を含む、請求項１に記載の測定ウエハ熱流束センサ。
3. 前記熱障壁が、前記底部温度センサ及び前記上部温度センサのうちの少なくとも１つに対する１つ以上の電気接続を提供する１つ以上のセンサ回路を含む、請求項２に記載の測定ウエハ熱流束センサ。
4. 前記１つ以上のセンサ回路が、前記基板と前記カバーとの間に少なくとも部分的に配置されるフレキシブルプリント回路、前記基板上に少なくとも部分的に配置される基板一体型回路、前記カバー上に少なくとも部分的に配置されるカバー一体型回路、及び前記基板と前記カバーとの間に少なくとも部分的に配置される多層フレキシブルプリント回路のうちの少なくとも１つを含む、請求項２に記載の測定ウエハ熱流束センサ。
5. 前記基板が、
   基板ウエハを含む、請求項１に記載の測定ウエハ熱流束センサ。
6. 前記カバーが、
   カバーウエハを含む、請求項１に記載の測定ウエハ熱流束センサ。
7. 前記熱障壁が、
   断熱層を含む、請求項１に記載の測定ウエハ熱流束センサ。
8. 前記測定ウエハ熱流束センサがプラズマ処理チャンバと互換性がある、請求項１に記載の測定ウエハ熱流束センサ。
9. 熱流束検知システムであって、
   測定ウエハ熱流束センサであって、
   基板、
   前記基板の一部に熱的に連結されるカバー、
   前記基板と前記カバーとの間で形成されるセンサキャビティ、
   前記センサキャビティの少なくとも一部内に配置される熱障壁、
   前記基板に熱的に連結され、かつ前記熱障壁の一部によって前記カバーから断熱される底部温度センサ、ならびに
   前記カバーに熱的に連結され、かつ前記熱障壁の追加部分によって前記基板から断熱される上部温度センサであって、前記底部温度センサと前記上部温度センサとの間の温度差が、前記センサキャビティに近接する前記基板及び前記カバーを通過する熱流束に関連する、前記上部温度センサ、を含む、測定ウエハ熱流束センサと、
   前記測定ウエハ熱流束センサに通信可能に連結されるコントローラであって、前記コントローラが、プログラム命令のセットを実行するように構成される１つ以上のプロセッサを含み、前記プログラム命令のセットが、前記１つ以上のプロセッサに、
   前記底部温度センサ及び前記上部温度センサからの温度測定値を受け取らせ、
   前記上部温度センサ及び底部温度センサとの間の差温を決定させ、かつ
   前記底部温度センサと前記上部温度センサとの間の前記差温に基づいて、前記センサキャビティに近接する前記基板及びカバーを通過する熱流束を決定させるように構成される、コントローラと、を備える、熱流束検知システム。
10. 前記上部温度センサ及び前記底部温度センサが、熱エネルギー流の方向に対して実質的に垂直に位置付けられる、請求項９に記載の熱流束検知システム。
11. 前記熱障壁が、
    １つ以上の断熱層を含む、請求項９に記載の熱流束検知システム。
12. 前記１つ以上の断熱層が、
    断熱フィルム及び断熱プレートのうちの少なくとも１つを含む、請求項１１に記載の熱流束検知システム。
13. 前記コントローラが前記基板の一部上に位置付けられる、請求項９に記載の熱流束検知システム。
14. 前記コントローラが前記基板から遠隔に位置付けられる、請求項９に記載の熱流束検知システム。
15. 前記測定ウエハ熱流束センサが、プラズマ処理チャンバと互換性がある、請求項９に記載の熱流束検知システム。
16. 前記上部温度センサと前記底部温度センサとの間の差温の前記決定が、
    １つ以上の差分較正係数を前記差温に適用させて、較正された差温を生成することを含む、請求項９に記載の熱流束検知システム。
17. 前記センサキャビティに近接する前記基板及びカバーを通過する前記熱流束の前記決定が、
    前記上部温度センサ及び前記底部温度センサを介して、１つ以上の較正熱流束測定値を得ることと、
    前記得られた１つ以上の較正熱流束測定値から、１つ以上の熱流束較正係数を生成することと、
    前記生成された１つ以上の熱流束較正係数を、前記底部温度センサと前記上部温度センサとの間の前記差温に適用して、前記センサキャビティに近接する前記基板及びカバーを通過する前記熱流束を決定することと、を含む、請求項９に記載の熱流束検知システム。
18. 前記センサキャビティに近接する前記基板及びカバーを通過する前記熱流束の前記決定が、
    １つ以上の熱流束較正係数を前記差温に適用して、前記センサキャビティに近接する前記基板及びカバーを通過する前記熱流束を決定することを含む、請求項９に記載の熱流束検知システム。
19. 前記１つ以上の熱流束較正係数が温度依存性である、請求項１８に記載の熱流束検知システム。
20. 前記コントローラが、
    前記上部温度センサ及び前記底部温度センサを熱較正範囲内で等温的に較正して、前記測定ウエハ熱流束センサのための１つ以上のセンサ較正値を形成し、かつ
    前記１つ以上のセンサ較正値を、前記底部温度センサ及び上部温度センサから検出された温度に適用して、１つ以上の熱流束較正係数を形成するようさらに構成される、請求項９に記載の熱流束検知システム。
21. 測定ウエハを用いて熱流束を測定するための方法であって、
    基板に熱的に連結され、かつ熱障壁の一部によってカバーから断熱される少なくとも底部温度センサと、前記カバーに熱的に連結され、かつ前記熱障壁の追加部分によって前記基板から断熱される少なくとも上部温度センサとを含む測定ウエハ熱流束センサを提供することであって、前記底部温度センサ及び前記上部温度センサが、前記測定ウエハ熱流束センサのセンサキャビティ内に配置される、提供することと、
    前記測定ウエハ熱流束センサの前記底部温度センサ及び前記上部温度センサからの温度測定値を得ることと、
    前記上部温度センサと前記底部温度センサとの間の差温を決定することと、
    前記底部温度センサと前記上部温度センサとの間の前記差温に基づいて、前記センサキャビティに近接する前記基板及び前記カバーを通過する熱流束を決定すること、を含む、方法。
22. １つ以上の熱流束較正係数を決定することをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
23. 前記１つ以上の熱流束較正係数が温度依存性である、請求項２２に記載の方法。
24. 前記１つ以上の熱流束較正係数の前記決定が、
    前記上部温度センサ及び前記底部温度センサを熱較正範囲内で等温的に較正して、前記測定ウエハ熱流束センサのための１つ以上のセンサ較正値を形成することと、
    前記１つ以上のセンサ較正値を、前記底部温度センサ及び上部温度センサから検出された温度に適用して、１つ以上の熱流束較正係数を形成することと、を含む、請求項２２に記載の方法。
25. 前記１つ以上の熱流束較正係数を前記差温に適用して、前記センサキャビティに近接する前記基板及び前記カバーを通過する前記熱流束を決定することをさらに含む、請求項２２に記載の方法。