JP2641606B2 - 温度検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、温度の検出方法に係り、特に連続して処理
される対象物、例えば、エッチング処理される半導体素
子基板（以下、ウェハと略）の温度を検出するのに好適
な温度の検出方法に関するものである。

〔従来の技術〕

従来の温度の検出方法としては、例えば、ラクストロ
ン社発行のカタログ記載のような３つの方法が知られて
いる。

その１つは、けい光体を対象物に直接塗布して、これ
に紫外線を照射してその反射光の減衰時間の温度依存性
を利用して測定する方法である。

第２の方法は、けい光体を直接対象物に接触させて同
様に測定する方法である。

第３の方法は、PFAテフロン樹脂で被覆したけい光体
を対象物に接触させて測定する方法である。尚、該方法
は、1988.5,20アステック（株）発行の「光ファイバー
式接触形螢光温度計」カタログにも記載されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術を、連続して処理される対象物、例え
ば、エッチング処理されるウェハの温度の検出に適用す
ることを想定した場合、次にような解決すべき課題があ
る。

まず、上記従来技術で、その第１の方法は、けい光体
をウェハ毎に直接塗布する必要があるために、その作業
に多大な時間を要することと、このけい光体が搬送中等
にはく離して装置内が汚染され、ウェハに付着する異物
が増加してその歩留が低下するといった問題がある。

次に、第２の方法では、けい光体がウェハとの接触に
よりはく離してしまい、このため、ウェハの温度を連続
的に測定できないことと、この場合もウェハに付着する
異物が増加してその歩留が低下するという問題がある。

また、第３の方法では、PFAテフロン樹脂の熱伝導率
が小さいためにウェハとけい光体との間に温度差を生じ
てしまい、このためウェハの温度を精度よく検出できな
いという問題があった。

本発明の目的は、連続して処理される対象物のは温度
を連続的に精度よく測定できる温度の検出方法を提供す
ることにある。

〔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、連続して処理
される被処理対象物である半導体基板の温度を検出する
装置において、 先端部を熱伝導率の高い金属からなる材料で被覆した
温度センサと、 該温度センサの先端部が該半導体基板を支持する電極
上に突出するように支持するとともに該半導体基板の自
重で変形するバネにより該温度センサを該電極に固定す
る手段と、 該半導体基板と該電極とを静電吸着力により吸着させ
る静電吸着力発生手段とを有し、 温度センサ先端部を半導体基板の裏面に接触させるこ
とにより被処理対象物の温度を検出することを特徴とす
る。

〔作用〕

温度センサの温度測定端子を熱伝導率が大きな材料で
被覆し、該温度センサを、連続して処理される対象物に
接触させて該対象物の温度を測定する。

このため、温度測定端子と被覆材との間に該被覆材の
熱伝導率に起因した温度差が生じるのが抑制され、この
ため、連続して処理される対象物の温度を精度良く検出
できる。

また、これと共に、温度センサの対象物への接触によ
り温度測定端子のはく離を生じることがなく対象物の温
度を連続的に検出することができる。

〔実 施 例〕

以下、本発明の一実施例を適用したいわゆる有磁場型
のマイクロ波プラズマエッチング装置の構成を第１図〜
第６図により説明する。

第１図は、エッチング装置の全体構成を示したもので
あり、ウェハ１のエッチングは、放電管２内に導入した
プロセスガス３をマイクロ波とソレノイド５による磁場
の相互作用によりプラズマ化し、さらに、下部電極６に
高周波電源７により高周波を印加してウェハ１に入射す
るイオンのエネルギーを制御しながら行う。ウェハ１の
エッチングが終了すると該エッチング済みウェハ１はウ
ェハ押上げ部材（図示省略）の作動により下部電極６か
ら搬送装置（図示省略）に渡された後に、該搬送装置に
より他の場所へ搬送される。また、新規なウェハが下部
電極６に置かれてエッチングされる。

一方、エッチングされるウェハ１の冷却は、この場
合、下部電極６表面に溶射したAl₂O₃等の絶縁膜８に直
流電源９により電圧を印加してウェハ１を静電吸着した
後、裏面にマスフローコントローラ10を開いてHeガス11
を導入することにより行う。

また、下部電極６は冷媒循環機12により温調され、処
理中のウェハ１の温度は、一枚毎に下部電極６に取り付
けられた温度センサ13を制御装置14により動作して得ら
れた検出値に基づいて制御装置15により制御される。

次に、第２図、第３図により温度センサ13の取り付け
方法を説明する。

温度センサ13は、先端が下部電極６表面より数十μｍ
程度突出するように内部にゴム製のパッキン16を有する
真空導入端子17を介して下部電極６に取り付けてあり、
このためにウェハ押上げ部材18には切欠き19が設けてあ
る。これにより、ウェハ１との接触による温度センサ13
のずれ、つまり、静電吸着力により温度センサ13は、こ
の場合、下向きに力を受け、該力による温度センサ13の
下方へのずれとHeガスのリークを防止している。

また、温度センサ13の突出長が大きいとウェハ１と絶
縁膜８間のすきまが大きくなり静電吸着力が低下または
静電吸着しなくなる。これを防止するには、温度センサ
13の突出長を数十μｍ（例えば、50μｍ）程度にする必
要がある。

次に第４図により温度センサ13の構造について説明す
る。

先端にけい光体（例えば、紫外線により励起されるけ
い光体）20が塗布され、外周をフッ素樹脂21で被覆され
た石英ファイバ22にけい光体20を覆うように先端が球形
のキャップ23が取り付けてある。そして、キャップ23を
ウェハ１に接触させた状態でけい光体20に制御装置14に
より紫外線のパルスを照射し、けい光体20からの反射光
の減衰時間によりウェハ１の温度を検出する。ここで、
例えば、キャップ23の半径は0.5mm程度である。キャッ
プ23の材質としては熱伝導率の大きいAl、Cu、Ｗ、SiC
等が適している。つまり、入熱量とキャップ23の厚み
（ウェハ１とけい光体20間の距離）が一定であれば、検
出誤差は、キャップ23の熱伝導率に逆比例する。ここ
で、Al、Cu、Ｗ、SiCの熱伝導率、PFAテフロンのそれの
約1500倍〜500倍と大きく、検出誤差を極めて小さくす
ることが可能である。

次に、温度センサ13を用いた処理中のウェハ温度の制
御方法を同５図により説明する。

エッチング処理中のウェハ１の温度は、温度センサ13
がウェハ１裏面に接触することにより検出され、この値
とあらかじめ設定された目標値24との偏差25に応じたPI
D調節器26からの出力によりマスフローコントローラ10
の開度を変化してHeガス11の流量を調節し制御される。

実際にアルミ製のキャップ23を用いた場合についてウ
ェハ１温度の検出精度について測定した結果を図６に示
す。

ウェハ１温度と検出温度との誤差は±１℃であり、処
理中のウェハ１の温度を精度よく制御できることが明ら
かになった。

例えば、ウェハを冷却し横方向のエッチング進行を抑
えて線幅サブミクロン、クォータミクロンオーダでエッ
チングする低温エッチングにおいては、エッチング処理
中のウェハの温度制御として高精度な制御が要求され、
このようなエッチングにおいて上記したようにウェハの
温度を精度良く検出できることは極めて有効なこととな
る。

次に、ウェハ１温度の他の制御方法を第７図、第８図
により説明する。

前述した方法と異なるところは、温度センサ13からの
信号により冷媒循環機12内の冷媒温度を制御する制御装
置27を設けたことである。

ウェハ１温度の検出した値とあらかじめ設定された目
標値24との偏差25に応じたPID調節器26からの出力によ
り冷媒循環機12内のヒータまたは冷凍機を作動して冷媒
温度を調整し、下部電極６の温度を制御する。尚、第７
図、第８図で、その他第１図、第５図と同一装置等は同
一符号で示し説明を省略する。

次に、ウェハ１温度の更に他の制御方法を第９図、第
10図により説明する。

前述した２つの方法と異なるところは下部電極６内に
ヒータ28を設け、温度センサ13からの信号によりヒータ
28を動作して下部電極６の温度を制御する制御装置29を
設けたところである。

ウェハ１温度の検出した値とあらかじめ設定された目
標値24との偏差25に応じたPID調整器26からの出力によ
りヒータ28への入力電圧を変化して下部電極６の温度を
制御する。尚、第９図、第10図で、その他第１図、第５
図と同一装置等は同一符号で示し説明を省略する。

次に、温度センサ13の他の取り付け方法を第11図に説
明する。

下部電極６にステンレスのバネ鋼で製作したウェハ１
の自重で変形する程度のバネ定数を有する板ばね30をね
じ31により固定し、この板ばね30にナット32により真空
導入端子17を取り付けて温度センサ13を固定するように
してある。

こうすることにより、温度センサ13の下部電極６表面
からの突出量が大きくても静電吸着したウェハ１に温度
センサ13を確実に接触させることができ検出精度のばら
つきを低減できる効果がある。

尚、温度センサを、この場合、板ばねで支持するよう
にしているが、これに替えて他タイプのばね手段が使用
できる。つまり、少なくともウェハの自重で変形（変
位）する程度のバネ定数を有するものであれば良い。

次に温度センサ13の他の構造について第12図により説
明する。

第３図で示したものと異なるところは、キャップ23の
代わりにけい光体20表面に蒸着膜33を形成したところで
あり、同様の検出精度が得られる。膜の材質としてはA
g、Au、Al等が適している。尚、けい光体、石英ファイ
バの耐熱温度はそれぞれ450℃、1000℃であり、けい光
体の耐熱温度以下で蒸着すれば、その性能に特に問題は
生じない。

次に温度センサ13の更に他の構造について第13図によ
り説明する。

ステンレス管34内に酸化マグネシウム35を充てんして
熱電対36を固定したシース型熱電対の先端をキャップ23
または蒸着膜33で被覆したものであり、ステンレスと酸
化マグネシウムで全てを被覆した場合に生じるこれらの
熱伝導率に起因する測定誤差を小さく抑制でき、前述の
けい光体20を利用したものと略同等の検出精度が得られ
る。

しかし、上記のエッチング装置に適用する場合には高
周波電源からの高周波を遮断するためのローパスフィル
タを回路中に設ける必要がある。

以上、エッチング装置に適用した場合について説明し
たが他のウェハを連続して処理するアニーハ装置や、ス
パッタ装置、CVD装置、MBE装置等の成膜装置にも適用す
ることができる。

いずれにしても、このように真空下で連続処理される
ウェハに限らず、連続して処理される対象物、つまり、
個数が複数個の対象物、温度測定端子を直接取り付ける
ことができない対象物の温度を検出するのに、本発明は
極めて有効である。

また、対象物が、冷却、加熱または冷却も加熱もされ
ないものであっても、本発明を実施する上で何等、支障
は生じない。

〔発明の効果〕 本発明によれば連続して処理される対象物の温度を連
続的に精度よく検出できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例のマイクロ波エッチング装
置の要部構成図、第２図は、第１図の温度センサ取付部
分の平面図、第３図は、同じく縦断面図、第４図は、温
度センサの要部詳細縦断面図、第５図は、ウェハ温度制
御回路図、第６図は、ウェハ温度測定の実験線図、第７
図は、ウェハ温度の制御方法を示すマイクロ波エッチン
グ装置の要部構成図、第８図は、同じくウェハ温度制御
回路図、第９図は、ウェハ温度の更に他の制御方法を示
すマイクロ波エッチング装置の要部構成図、第10図は、
同じくウェハ温度制御回路図、第11図は、温度センサの
他の取付け実施例を示す温度センサ取付部分の縦断面
図、第12図は、温度センサの他の実施例を示す温度セン
サの要部詳細縦断面図、第13図は、温度センサの更に他
の実施例を示す温度センサの要部詳細縦断面図である。 １……ウェハ、６……下部電極、８……絶縁膜、９……
直流電源、10……マスフローコントローラ、12……冷媒
循環機、13……温度センサ、14,15,27,29……制御装
置、16……パッキン、17……真空導入端子、18……ウェ
ハ押上げ部材、19……切欠き、20……けい光体、22……
石英ファイバ、23……キャップ、26……PID調節器、28
……ヒータ、30……板ばね、33……蒸着膜、35……酸化
マグネシウム、36……熱電対

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】連続して処理される比処理対象物である半
   導体基板の温度を検出する装置において、 先端部を熱伝導率の高い金属からなる材料で被覆した温
   度センサと、 該温度センサの先端部が該半導体基板を支持する電極上
   に突出するように支持するとともに該半導体基板の自重
   で変形するバネにより該温度センサを該電極に固定する
   手段と、 該半導体基板と該電極とを静電吸着力により吸着させる
   静電吸着力発生手段とを有し、 温度センサ先端部を半導体基板の裏面に接触させること
   により被処理対象物の温度を検出することを特徴とする
   温度検出装置。
2. 【請求項２】請求項１記載において、該金属はAl、Cu、
   Ｗ、Siのいずれかであることを特徴とする温度検出装
   置。