JP3753375B2 - 半導体プロセスにおけるウエハの温度計測方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、半導体生産プロセスにおけるウエハの温度計測方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体の生産におけるエッチャー・ＣＶＤといったプロセスは、半導体素子を形成する上で非常に重要であり、特に、半導体の基板となるウエハの温度は、薄膜強度やパターン形成等に大きな影響を与えるものである。従って、該プロセスにおけるウエハの温度については、厳しい精度管理を要求されている。従来、ウエハの温度を計測する方法としては、接触式として、別途ダミーウエハを用意し、これに熱電対を埋め込んで温度計測をして他のウエハの温度を代表する方法が挙げられ、非接触での計測方法として、赤外線放射温度計で各ウエハの表面温度を計測する方法などが実際に使用されている。特に、後者については、測定精度や測定器の保守の容易さが優れていることから、当該分野での測定方法の主流となってきている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、赤外線放射温度計を用いたウエハの温度計測方法を、実際に上記プロセスに適用する場合においては、以下のような課題があった。
【０００４】
特定の物質についての赤外線放射率は、本来その物質の素材によって変化するとともに、表面状態によっても大きく変化することが知られている。つまり、表面が粗く凹凸が多い場合には、放射率は高く、表面が密で鏡面に近い場合には放射率は低くなる。本発明において測定対象となる半導体プロセスにおけるウエハについてみれば、ウエハの処理の段階によって、表面にコーティングされる物質も変化し、かつエッチング前後ではその表面荒さは大きく異なることから、各プロセスにおけるウエハ自体の赤外線放射率が非常に変化し易い状態になっている。
【０００５】
また、ウエハの素材として現在最も多く使用されているシリコンの赤外線放射率は極端に低く、ウエハの温度を計測する上では精度面で非常に不利となる。
【０００６】
さらに、赤外線放射量の計測においては、物質からの放射のみならず周辺からの放射や反射の影響も受け易く、こうした影響を排除・補正することが必要となる場合もある。具体的には、近赤外線領域の放射エネルギーの変化を計測する場合に、補正用のセンサで反射エネルギーを計測しその値を使って放射率を補正しながら計測する方法が実用化されているが、かかる場合においても、計測対象物の表面の凹凸により正確に反射率を計測するのが困難な場合が多い。
【０００７】
こうした対策の１つとして、ウエハを保持しているチャック板に細孔を設け、表面処理されていないウエハの裏面の温度を計測しようとする試みも可能であるが、ウエハ自体を薬液に浸漬した前後では素地の凹凸の変化も大きく、また、片面を表面処理した後に反対の面を処理する場合には、計側面が変化している場合もある。ウエハの温度を計測する上では、かかる細孔だけでは十分に精度を確保することは難しいことが多い。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、かかる課題を解決するために、以下の特徴を有する放射温度計による計測方法を採用する。
【０００９】
半導体プロセスにおいて、ウエハを支持するためのチャック板に細孔を設け、前記細孔に対して筒体の一部である嵌合部によって嵌め合い状態を形成するとともに端面を前記ウエハに密接するように筒体を挿入し、前記筒体とチャック板との間での熱の移動を筒体と細孔部とが接する筒体の一部である前記嵌合部のみとし、筒体の他部と細孔部との間に空間を設けた状態で、前記筒体上部に近接するウエハの温度を計測することを特徴とする。（請求項１）
こうした特徴を有する方法を使用することにより、ウエハの温度が筒体上部に伝わり、放射温度計による計測において、筒体上部に近接するウエハの温度を、チャック板からの温度影響を受けずに、非接触かつリアルタイムで計測することができる。併せて、ウエハの生産プロセスの段階に左右されないという効果も得られることとなる。
【００１０】
上記〔０００９〕の計測方法であって、前記放射温度計の測定ポイントに広がりの有する場合であって、前記ウエハだけでなく、前記筒体内面部のウエハ近傍の一部を測定ポイントとしてウエハの温度を計測することを特徴とする。（請求項２）
こうした特徴を有する方法を使用することにより、筒体上部に近接するウエハの温度を、チャック板からの温度影響を受けずに、非接触かつリアルタイムでの温度計測をすることができる。併せて、測定ポイントに広がりの有し、筒体内面部のウエハ近傍の一部をポイントとして含む場合において、ウエハとの温度差が殆どないことから、より正確にウエハの温度を計測することができるという効果も得られることとなる。
【００１１】
上記〔０００９〕または〔００１０〕の計測方法であって、チャック板の細孔に挿入する筒体であって、ウエハに近接する部分に弾性を有するダイヤフラムを設け、前記ダイヤフラムが前記ウエハと密着するように、前記細孔に対して筒体の一部である嵌合部によって嵌め合い状態を形成することを特徴とする。（請求項３）
こうした特徴を有する方法を使用することにより、ウエハとダイヤフラムとがほぼ同一の温度となり、チャック板からの温度影響を受けずに、非接触かつリアルタイムでの温度計測をすることができる。併せて、ウエハの生産プロセスの段階やチャック板の厚み・筒体の寸法などに左右されないという優れた効果を得られることとなる。
【００１２】
上記〔０００９〕または〔００１０〕の計測方法であって、チャック板の細孔に挿入する筒体であって、一方の端面に設けたダイヤフラムをウエハに押し当てるとともに前記筒体の内面を覆うようにしつつ他方の端面を係止部に押設するベローズを内包する前記筒体が、前記細孔と嵌め合い状態を形成することを特徴とする。（請求項４）
こうした特徴を有する方法を使用することにより、ウエハとダイヤフラムとがほぼ同一の温度となり、チャック板からの温度影響を受けずに、非接触かつリアルタイムでの温度計測をすることができ、ウエハの生産プロセスの段階やチャック板の厚み・筒体の寸法などに左右されないという効果も併せて得られることとなる。
【００１３】
上記〔００１１〕または〔００１２〕の計測方法であって、ダイヤフラムを、グラファイトあるいはポリイミドを材料として形成したことを特徴とする。（請求項５）
こうした特徴を有する方法を使用することにより、揺動による影響を受けずにウエハの温度を正確にダイヤフラムの筒体内面部に伝えることができるとともに、チャック板からの温度影響を受けずに、非接触かつリアルタイムでの温度計測をすることができる。併せて、ガスの発生に伴うウエハの汚染を防止し、ウエハの生産プロセスの段階に左右されないという効果も得られることとなる。
【００１４】
上記〔０００９〕乃至〔００１２〕の計測方法であって、チャック板の細孔に挿入する筒体であって、前記筒体の内側面を金あるいは銀のメッキ、またはアルミ蒸着によって被覆したことを特徴とする。（請求項６）
こうした特徴を有する方法を使用することにより、放射温度計に対する視野角の拡大、入射赤外線量の増大を図り、感度を高くすることができる。また、反射率の高さはつまりは放射率が低いことを意味することから、チャック板からの温度影響を受け難く精度向上が可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、主として場合を具体例として図面を参照しながら説明する。
【００１６】
半導体プロセスにおいて、ウエハの表面処理を行うプロセスの１つとして、ＣＶＤによるドーピング処理や窒化処理等がある。このとき、処理の対象となるウエハは、片面をチャック板によって支持され、他面を処理剤に面して設置され、所定のドープ量や膜厚となるように処理するためにＣＶＤ装置内部の温度や真空度を制御するとともに、ウエハの温度が所定値になっていることをモニターしている。
【００１７】
図１に、本発明の第１実施例の具体的な実施形態を示す。ウエハ１を支持するためのチャック板２に細孔３を設け、細孔３に対して筒体４の一部である嵌合部６によって嵌め合い状態を形成するとともに端面５をウエハ１に密接するように筒体４を挿入し、筒体４に密接する部分の前記ウエハ表面の温度を計測する場合を表わす。チャック板２に装着された筒体４の端面５はウエハ１に密接していることから、端面５の筒体内面部の温度はウエハ１の温度とほぼ同等である。図１の下方に示すように筒体４に臨んだ放射温度計７は、当該筒体内面部からの放射エネルギーを受けて非接触でリアルタイムでの温度計測をする。このとき、筒体４とチャック板２との間での熱の移動は、筒体４と細孔部３とが接する嵌合部６のみであることから、チャック板２での温度変化やウエハ１との温度差による影響はほとんど受けないため、ウエハ１の温度を正確に計測することができる。特に、測定ポイントに広がりの有する放射温度計にあっては、ウエハ１だけでなく筒体内面部のウエハ近傍の一部をポイントとして含むことがあり、ウエハ１と筒体内面部のウエハ近傍との温度差が殆どないことから、より正確にウエハ１の温度を計測することができる。
【００１８】
ここで、筒体４の材料は、半導体処理プロセスで悪影響を及ぼす可能性のあるガスの発生がないことはもちろん、筒体４の端面５を介してウエハ１との熱の授受が十分にできるような加工性の良い材質が好ましい。具体的には、グラファイトやポリイミドなどが挙げられる。この場合、一体として成形加工をするか部材ごとに加工して組合わせるかは問わない。また、筒体４を鉄鋼などの金属で形成し、ウエハ１と接する端面５の表面にこれらの材料を被覆することも可能である。
【００１９】
本発明の第２実施例の具体的な実施形態を、図２に示す。上記のチャック板２の細孔３に挿入する筒体４であって、ウエハ１に近接する部分にダイヤフラム８を設けた場合を表わす。ダイヤフラム８がウエハ１と密着するため、ウエハ１の表面処理状態に関係なくウエハ１の温度とダイヤフラム８の筒体内面が殆ど同一温度となり、放射温度計７が受ける放射エネルギーは、ウエハからの放射エネルギーと同等となる。特に、ダイヤフラム８の有する弾性によってウエハ１との密着度が高まることから、計側面である筒体内面がウエハの温度を代表することとなる。
【００２０】
本発明の第３実施例の具体的な実施形態を、図３に示す。ダイヤフラム８に対し柔度を有する押圧が加わるように、ダイヤフラム８をベローズ１３に設け、ベローズ１３の他方は筒体４の端面に設けられた係止部１１に押設され、筒体４が細孔３と嵌め合い状態で挿入されるとベローズ１３が短縮し円筒状部材９に対して圧力がかかるようになる。このとき、ベローズ１３を筒体４に内包し筒体４の外面でチャック板２に嵌合させる方が、チャック板２からの温度影響を減少させ好適である。ダイヤフラム８とウエハ１への密着度が高まるため、ウエハ１の表面処理状態に関係なくウエハ１の温度とダイヤフラム８の筒体内面が殆ど温度となり、放射温度計７が受ける放射エネルギーは、ウエハからの放射エネルギーと同等となる。特に、ベローズ１３の弾性を調整することで、最適条件でウエハ１と密着させることができるとともに各部品の損傷も少ない状態で、計側面である筒体内面がウエハの温度を代表することとなる。
【００２１】
上記いずれの場合にあっても、ダイヤフラム５を耐熱温度・熱伝導度・赤外線放射率が高く、ガスの発生が少ない材料によって形成することが好ましい。ウエハ１の処理温度が高い場合にも適用でき、ウエハ１の温度を正確に筒体４の内面部に伝えることができるとともに、測定ポイントに広がりの有する放射温度計におけるウエハ１と筒体内面部のウエハ近傍からの放射率の差が殆どないことから、より正確にウエハ１の温度を計測することができる。また、揺動が生じることがあっても、ダイヤフラム５の内表面からの放射エネルギーは変化することがなく、正確なウエハ１の温度計測が担保される。さらに、もし筒体４から酸素や塩素等のガスが発生する場合には、こうしたガスによってウエハ１に悪影響が及ぶため使用前に前処理を必要とするような素材は使用できず、特に、ウエハ１に直接接することから接点からの影響がないように材料選定をする必要がある。具体的には、グラファイトやポリイミドなどが挙げられる。
【００２２】
さらには、上記いずれの場合にあっても、筒体の内側面を反射率の高い物質によって被覆したことが好ましい。筒体４に対するチャック板２からの温度影響は、細孔３内面からの放射・伝熱によるものであり、筒体４に対しても、まず対応する面積が大きな筒体４の外側面に影響を及ぼし、それが筒体４の内側面に伝わり、放射エネルギーの変動として影響を及ぼす。ここでは、こうした影響を低減するために筒体４の内側面を反射率の高い物質によって被覆し、筒体４の内側面からの放射エネルギー自体を低減するものである。つまり、反射率が高い状態は、いいかえれば放射率が低いことを意味し、つまりは筒体４の内側面からの放射エネルギーが低いことをいう。従って、チャック板２の温度変化があっても実質的には、温度計測に関係する放射エネルギーに殆ど影響を及ぼさないこととなる。また、ダイヤフラム５の面からの放射エネルギーは、筒体４の内側面の被覆部によって効率よく反射することから、こうしたエネルギーをも放射温度計７で受けることができれば、放射温度計７は広い視野角で計測することができ、高感度・高精度の計測が可能である。具体的には、金や銀のメッキ、アルミ蒸着等が挙げられる。
【００２３】
【発明の効果】
以上のような特徴を有する計測方法を適用することにより、チャック板からの温度影響を受けずに、非接触かつリアルタイムで計測することができる。併せて、ウエハの生産プロセスの段階によるウエハ表面処理の差による放射エネルギーの変化に左右されないという効果も得られることとなる。また、ウエハの汚染を防止し、放射温度計に対する視野角の拡大、入射赤外線量の増大を図り、感度を高くすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実例を示した説明図である。
【図２】本発明の第２実施例を示した説明図である。
【図３】本発明の第３実施例を示した説明図である。
【符号の説明】
１ ウエハ
２ チャック板
３ 細孔
７ 放射温度計
８ ダイヤフラム
１１ ベローズ

Claims (6)

1. 半導体プロセスにおいて、ウエハを支持するためのチャック板に細孔を設け、前記細孔に対して筒体の一部である嵌合部によって嵌め合い状態を形成するとともに端面を前記ウエハに密接するように筒体を挿入し、前記筒体とチャック板との間での熱の移動を筒体と細孔部とが接する筒体の一部である前記嵌合部のみとし、筒体の他部と細孔部との間に空間を設けた状態で、前記筒体上部に近接するウエハの温度を計測することを特徴とする放射温度計による計測方法。
2. 前記放射温度計の測定ポイントに広がりの有する場合であって、前記ウエハだけでなく、前記筒体内面部のウエハ近傍の一部を測定ポイントとしてウエハの温度を計測することを特徴とする請求項１に記載された放射温度計による計測方法。
3. チャック板の細孔に挿入する筒体であって、ウエハに近接する部分に弾性を有するダイヤフラムを設け、前記ダイヤフラムが前記ウエハと密着するように、前記細孔に対して筒体の一部である嵌合部によって嵌め合い状態を形成することを特徴とする請求項１または２に記載された放射温度計による計測方法。
4. チャック板の細孔に挿入する筒体であって、一方の端面に設けたダイヤフラムをウエハに押し当てるとともに前記筒体の内面を覆うようにしつつ他方の端面を係止部に押設するベローズを内包する前記筒体が、前記細孔と嵌め合い状態を形成することを特徴とする請求項１または２に記載された放射温度計による計測方法。
5. チャック板の細孔に挿入する筒体であって、前記ダイヤフラムを、グラファイトあるいはポリイミドを材料として形成したことを特徴とする請求項３または４に記載された放射温度計による計測方法。
6. チャック板の細孔に挿入する筒体であって、前記筒体の内側面を金あるいは銀のメッキ、またはアルミ蒸着によって被覆したことを特徴とする請求項１乃至は５に記載された放射温度計による計測方法。

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