JP3905330B2 - 温度計測装置及びそれを使用する温度計測方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＬＳＩ等の半導体装置の製造プロセスにおいてシリコンウエハの温度を計測する温度計測装置及び温度計測方法に関し、特に、ＣＶＤ、スパッタリング、エッチング及びアッシング等の真空又は減圧プラズマを使用する製造プロセスにおいてシリコンウエハの温度を計測する温度計測装置及び温度計測方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＳＩ（large scale integrated circuit：大規模集積回路）の製造プロセス、特に真空中は、プロセス中のウエハ温度を正確に管理することが重要である。例えば、ＣＶＤにおける堆積速度及び膜質並びにエッチングプロセスにおけるエッチングレート及びエッチング形状は、ウエハ温度に強く依存する。
【０００３】
このため従来、真空中又は減圧プラズマ中で行うプロセスにおいて、処理中のウエハ温度を測定するために種々の方法が採用されている。最も簡便な方法として、ウエハを保持するサセプタの温度を熱電対等により測定し、これをウエハ温度とみなす方法がある。また、ウエハの表面に熱電対を直接接合することにより、ウエハ表面の温度を測定することも可能である。
【０００４】
更に、ウエハ表面にサーモラベルを貼付し、その色彩の変化によりプロセス中のウエハ温度を記録する方法も知られている。
【０００５】
更にまた、特開平１０−１１１１８６号公報には、ウエハ温度をプロセスチャンバーの外部から非接触で計測することを目的として、ウエハから放射される放射赤外線を測定する放射温度計を使用してウエハ温度を計測する技術が開示されている。
【０００６】
更にまた、例えば「ソリッド・ステート・テクノロジー（Solid State Technology）１９９９年１０月 第９９頁−第１０６頁」には、ウエハ温度をプロセスチャンバーの外部から非接触で測定することを目的として、蛍光体の蛍光緩和特性、即ち、特定の波長の光を受けて発光する蛍光物質の蛍光減衰に要する時間が周辺温度に依存して変化する性質を利用する計測方法が記載されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来の技術には以下に示すような問題点がある。ウエハを保持するサセプタの温度を熱電対等により測定し、このサセプタ温度をウエハ温度とみなす方法については、真空又は減圧プラズマ中ではウエハとサセプタとの間の熱伝導性が低く、またサセプタの熱容量が大きいため、ウエハ温度とサセプタ又は減圧プラズマ中で行うＣＶＤ（chemical vapor deposition：化学気相成長）等による成膜、エッチング及びアッシング等のプロセスにおいて温度との間に差異が生じ、必ずしもサセプタ温度がウエハ温度を正しく反映しているとはいえない。このため、サセプタ温度をウエハ温度とみなすと、実際のウエハ温度との間に大きな誤差が発生するという問題点がある。
【０００８】
ウエハの表面に熱電対を直接接合する方法については、減圧プラズマ中では熱電対の計測リードにプラズマによる高周波雑音が寄生することと、熱電対表面においてプラズマ活性反応による発熱が生じること等から、ウエハ温度を正確に測定することが困難であるという問題点がある。また、熱電対がウエハ表面に接触するために不要な微粒子（パーティクル）が生じ、更に、プラズマにより熱電対の構成物質がスパッタリングされプロセス装置内に金属汚染が発生するという問題点がある。パーティクル及び金属汚染の発生は、ＬＳＩ量産工場においては重大な歩留まり低下を引き起こすため、前記方法は使用することができない。
【０００９】
ウエハ表面にサーモラベルを貼付しその色彩の変化によりプロセス中のウエハ温度を測定する方法についても、前述のウエハ表面に熱電対を接合する方法と同様にパーティクル及び金属汚染が発生するという問題点がある。
【００１０】
ウエハから放射される放射赤外線を測定してウエハ温度を計測する技術については、放射赤外線をプロセス装置の外部に導くために、プロセス装置に光ファイバ及びミラー等の特別な光学系を設けることが必要となり、プロセス装置のコストを増大させるという問題点がある。また、ウエハ全面を見通せる位置に計測器を設置することが困難なため、ウエハ温度の面内分布を計測することが困難である。
【００１１】
蛍光体の蛍光緩和特性を利用する計測方法については、前述の放射赤外線を利用する方法と同様に、蛍光をプロセス装置の外部に導くための光ファイバ及びミラー等の特別な光学系が必要となる。また、ウエハ全面を見通せる位置に計測器を設置することが困難なため、ウエハ温度の面内分布を計測することが困難である。更に、蛍光体をウエハ又はサセプタに貼付することにより、熱電対を使用する方法と同様にパーティクル及び金属汚染が発生するという問題点がある。
【００１２】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、真空又は減圧プラズマを使用する半導体装置の製造プロセスにおいて、ウエハの温度を直接計測することができ、且つ、プラズマによる高周波雑音及びプラズマ活性反応による発熱の影響を受けず、計測に際してパーティクル及び金属汚染を発生することなく、また、プロセス装置に特別な設備を設ける必要がなく、ウエハ温度の面内分布を計測することが容易な温度計測装置及びこれを使用する温度計測方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る温度計測装置は、基材と、この基材上にポリマー材料により所定の形状に形成され前記形状が温度に依存して不可逆的に変化する薄膜と、を有し、前記薄膜の不可逆的な形状変化により前記基材が経験した温度が記録されることを特徴とする。
【００１４】
本発明においては、薄膜の形状が温度に依存して不可逆的に変化するため、この形状の変化を測定することによりこの温度計測装置が経験した温度を計測することができる。このため、この温度計測装置を測定対象であるプロセス装置内に設置し、このプロセス装置を作動させた後温度計測装置を取り出し薄膜の形状変化を測定することにより、プロセス装置の作動中に温度計測装置が到達した温度を計測することができる。このとき、温度計測装置をプロセス装置内における半導体装置製造時にウエハが配置される位置に設置すれば、プロセス装置の作動中にウエハが保持される温度を直接計測することができる。また、計測に際して電気信号及び光信号を使用しないため、プラズマ中で使用しても高周波及び放射光による悪影響を受けずに精度よく計測することができる。更に、基材上の複数箇所に薄膜を設けることができるため、薄膜の形状変化を基材上の複数の位置で同時に計測することができ、基材温度の面内分布を測定することができる。更にまた、プロセス装置に特別な設備を追加する必要がないため、現有のプロセス装置にそのまま適用できる。
【００１５】
また、上述の如く、本願発明においては、前記温度計測装置は、前記基材との間で熱伝導が可能なように前記基材上に搭載され、前記薄膜に接触せずに前記薄膜を覆うように設けられた蓋を有する。
【００１６】
これにより、エッチング処理、アッシング処理及びスパッタリング処理等による前記薄膜の膜減り、ＣＶＤによる物質の堆積並びに紫外線、電子照射及びイオン衝撃等に起因する薄膜形状の変化等、薄膜がプラズマに接触することによる影響を防止することができる。なお、前記蓋は前記基材に固定されていてもよい。
【００１７】
更に、前記基材はシリコンウエハ又はシリコンウエハを加工して形成されたものであることが好ましい。また、前記蓋はシリコン又は石英ガラスにより形成されていることが好ましく、前記薄膜は、ポジ型フォトレジスト、ネガ型フォトレジスト又はポリイミドのいずれか１種からなることが好ましい。
【００１８】
これにより、測定対象であるプロセス装置内において、ＬＳＩ製造に有害なパーティクル及び金属汚染が発生することを防止できる。また、単結晶のシリコンウエハは熱伝導性が良好であるため、これを基材及び蓋に使用することにより、温度計測装置の下部に配置されているサセプタ及び上部に配置されているプラズマから前記薄膜への伝熱を精度よく再現することができる。
【００１９】
本発明に係る他の温度計測装置は、基材と、この基材上にポリマー材料により所定の形状に形成され前記形状が温度に依存して不可逆的に変化する薄膜と、前記基材との間で熱伝導が可能なように前記基材上に搭載され、前記薄膜に接触せずに前記薄膜を覆うように設けられた蓋とを有し、前記蓋は前記基材上にポリマー材料からなる緩衝膜を介して搭載されており、前記薄膜の不可逆的な形状変化により前記基材が経験した温度が記録されることを特徴とする。この緩衝膜は、ポジ型フォトレジスト、ネガ型フォトレジスト又はポリイミドのいずれか１種からなることが好ましい。
【００２０】
これにより、基材と蓋とが直接接触することに起因するパーティクルの発生を防止することができる。また、この緩衝膜により基材と蓋との接触面積を大きくすることができるため、基材と蓋との間における熱の流通を良好に確保することができる。
【００２１】
なお、前記薄膜を構成する材料は、計測する温度領域に応じて適宜最適な材料を選択することができる。また、前記薄膜は、夫々異なる温度範囲において変形する複数の材料により構成してもよい。これにより、前記温度計測装置をより広い温度範囲で使用することができる。
また、本発明に係る更に他の温度計測装置は、基材と、この基材上にポリマー材料により所定の形状に形成され前記形状が温度に依存して不可逆的に変化する薄膜と、を有し、前記薄膜の前記所定の形状は相互に平行に配置された複数個のラインとライン間のスペースとから構成されるパターン形状であり、前記ラインの幅と前記スペースの幅との比の変化を形状変化として、前記薄膜の不可逆的な形状変化により前記基材が経験した温度が記録されることを特徴とする。
【００２２】
本発明に係る温度計測方法は、基材上に形状が温度に依存して不可逆的に変化するポリマー材料からなる複数個の薄膜が形成され、更に、前記基材との間で熱伝導が可能なように且つ前記薄膜に接触せずに前記薄膜を覆うように蓋が前記基材上に搭載され、前記各薄膜が、その周囲が少なくとも前記基材と前記蓋により囲まれた空間内に配置されている温度計測装置を所望の温度計測位置に設置する工程と、前記温度計測装置における雰囲気温度により前記薄膜の形状が変化したときにその形状を測定する工程と、を有することを特徴とする。
また、本発明に係る他の温度計測方法は、基材上に形状が温度に依存して不可逆的に変化するポリマー材料からなる薄膜が形成された温度計測装置を所望の温度計測位置に設置する工程と、前記温度計測装置における雰囲気温度により前記薄膜の形状が変化したときにその形状を測定する工程と、を有し、前記薄膜は相互に平行に配置された複数個のラインとライン間のスペースとから構成されるパターン形状を有し、前記薄膜の形状の変化は、前記ラインの幅と前記スペースの幅との比の変化により測定することを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について添付の図面を参照して具体的に説明する。先ず、本発明の第１の実施例について説明する。図１は、本実施例に係る温度計測装置の構成を示す模式的断面図である。
【００２４】
先ず、図１を参照して、本実施例の温度計測装置の製造方法について説明する。ｐ型シリコンウエハの裏面に、ウエットエッチング法により、縦が３ｍｍ、横が３ｍｍ、深さが５０μｍの直方体の凹部３ａを複数個形成し、ｐ型シリコン素材からなり裏面に複数の凹部３ａが設けられた蓋３を形成する。また、別のｐ型シリコンウエハからなる基材１を用意し、スピンコート法により基材１上にポジ型フォトレジストを塗布し、厚さ約１０００ｎｍのポジ型フォトレジスト膜を形成する。次に、ステッパ装置を使用したフォトリソグラフィ法により、このポジ型フォトレジスト膜をパターニングし、基材１の表面上に、幅が２００μｍ、長さが５００μｍの長方形の平面形状を有する複数の薄膜構造体２と、この薄膜構造体２を囲む緩衝膜４とを同時に形成する。このとき、基材１上に形成する薄膜構造体２の数と蓋３に形成する凹部３ａの数を等しくし、薄膜構造体２及び凹部３ａは、後の工程において蓋３を基材１上に搭載するときに相互に整合するような位置に形成する。また、緩衝膜４は、蓋３を基材１上に搭載するときに、基材１における蓋３の裏面の凹部３ａを仕切る壁領域に整合する領域に形成する。次に、この蓋３の裏面における凹部３ａを仕切る壁領域と緩衝膜４とが整合するように、蓋３を基材１上に搭載する。次に、蓋３の壁領域と緩衝膜４とを接触させて接合する。これにより、本実施例の温度計測装置である評価ウエハ５を形成する。このとき、蓋３は基材１に緩衝膜４を構成するポジ型フォトレジストにより弱く接合されている。なお、前記ポジ型フォトレジストには、例えば、東京応化製ＴＳＭＲ８９００及びＯＦＰＲ８００等を使用する。
【００２５】
図１に示すように、評価ウエハ５には、単結晶のｐ型シリコンからなる基材１が設けられ、基材１の表面上には、例えばポジ型フォトレジストからなり、幅が２００μｍ、長さが５００μｍ、厚さが１０００ｎｍの直方体の薄膜構造体２が複数設けられている。また、基材１の表面上には、ポジ型フォトレジストからなる緩衝膜４が設けられており、緩衝膜４には平面形状が例えば１辺が３ｍｍの正方形である開口部４ａが薄膜構造体２を囲むように設けられている。更に、緩衝膜４上には開口部４ａに整合する位置に凹部３ａを有する蓋３が設けられ、蓋３は緩衝膜４を介して基材１に搭載され基板１に対して弱く接合されている。蓋３は単結晶のｐ型シリコンにより構成されている。また、凹部３ａは蓋３の裏面、即ち基材１に対向する面に設けられ、その形状は例えば縦が３ｍｍ、横が３ｍｍ、深さが５０μｍの直方体であり、凹部３ａは蓋３を貫通していない。従って、薄膜構造体２は、凹部３ａ及び開口部４ａからなる空間、即ち、周囲を基材１、緩衝材４及び蓋３により囲まれる空間内に配置されている。なお、基材１における薄膜構造体２が設けられている面に垂直な方向から見たとき、基材１は蓋３よりも大きくなっている。
【００２６】
次に、本実施例の評価ウエハ５の動作について説明する。評価ウエハ５を加熱すると、先ず外部の環境に曝されている蓋３及び基材１の温度が上昇する。蓋３及び基材１を構成しているシリコンウエハはその厚さ方向の熱伝導性が良好であるため、薄膜構造体２の温度も蓋３及び基材１に追従して上昇し、蓋３及び基材１の温度とほぼ同じ温度になる。このとき、薄膜構造体２の形状は温度に依存して不可逆的に変化する。具体的には、薄膜構造体２を構成するフォトレジストは、加熱により架橋反応を起こして収縮し、その結果、薄膜構造体２の体積が減少する。薄膜構造体２は、幅及び長さに対して厚さが薄いため、薄膜構造体２の厚さの変化を近似的に体積の変化とみなすことができる。
【００２７】
次に、本実施例の温度計測装置（評価ウエハ５）を使用する温度計測方法について説明する。先ず、評価ウエハ５の温度校正方法について説明する。評価ウエハ５における蓋３が設けられていない部分（図示せず）にサーモラベル（図示せず）を貼付する。次に、評価ウエハ５を例えばエッチング装置（図示せず）内に設置し、アルゴンプラズマ処理を行う。評価ウエハ５の温度は、プラズマを発生させる高周波の電力及びサセプタを冷却する温度（チラー温度）により調整し、サーモラベル表示で例えば８０〜２４０℃の範囲の所定の温度に設定する。プラズマ処理時間は３分間とする。
【００２８】
プラズマ処理後、評価ウエハ５をエッチング装置から取り出し、光干渉式膜厚測定器により薄膜構造体２の中央部における膜厚を測定する。この作業を評価ウエハ５の温度を変えて繰り返す。図２は横軸にサーモラベルの表示温度をとり、縦軸に薄膜構造体２の膜厚をとってサーモラベルの表示温度と薄膜構造体２の膜厚との関係を示すグラフ図である。図２には比較のために、プラズマ処理を行っていない評価ウエハ５における薄膜構造体２の膜厚も示している。プラズマ処理前に１０３０ｎｍである薄膜構造体２の膜厚は、プラズマ処理温度が上昇するにつれて減少し、例えば１４０℃では約９７０ｎｍ、２２０℃では約８７０ｎｍとなる。なお、２４０℃では薄膜構造体２を構成するポジ型フォトレジストが変質するため、膜厚を計測することができない。
【００２９】
上述したサーモラベルを使用する温度校正は１回だけ行えばよい。以後、この温度校正により得られた図２に示す結果を使用することにより、サーモラベルを使用することなく、薄膜構造体２の膜厚を測定することによりプラズマ処理中の評価ウエハ５の温度を計測することができる。但し、評価ウエハ５の各構成部材、特に薄膜構造体２の形状又は寸法を変えた場合には、新たに温度校正を行う必要がある。
【００３０】
次に、評価ウエハ５による温度計測方法について説明する。先ず、評価ウエハ５の薄膜構造体２の膜厚を光干渉式膜厚測定器により測定する。次に、この評価ウエハ５を測定対象とするプロセス装置（図示せず）におけるシリコンウエハ加工時にシリコンウエハを配置する位置に設置する。次に、このプロセス装置を作動させ、所定の処理を行う。例えば、このプロセス装置がエッチング装置であれば、通常の条件でエッチング処理を行う。前記処理後、プロセス装置を停止し、評価ウエハ５を取り出し、薄膜構造体２の膜厚を測定し、処理前の膜厚と比較する。この結果を図２に示すデータと比較し、前記処理中に評価ウエハ５が経験した温度を計測する。なお、薄膜構造体２の膜厚変化は加熱温度だけではなく加熱時間にも依存するため、前記温度校正のための処理時間は、温度を計測しようとする処理、例えばエッチング処理、の処理時間に等しくすることが好ましい。
【００３１】
このように、本実施例によれば、プロセス装置内においてウエハが到達する温度を計測することができる。本実施例では、ウエハの温度を直接測定することができ、プラズマによる高周波及び放射光の影響を受けないため、精度よく計測することができる。また、本実施例の評価ウエハ５は蓋３を備えるため、薄膜構造体２のエッチングが起こらず、薄膜構造体２の膜厚を精度よく測定することができる。更に、プロセス装置に特別な設備を追加する必要がないため、いかなるプロセス装置にも適用可能である。更にまた、薄膜構造体２は基材１上の任意の位置に形成することができるため、ウエハ温度の面内分布を容易に計測することができる。
【００３２】
また、基材１がシリコンウエハであり、蓋３がシリコンウエハを加工したものであり、薄膜構造体２及び緩衝膜４がポジ型フォトレジストから構成されているため、プロセス装置内における金属汚染を防止できる。また、緩衝膜４が軟質で伝熱性が高いポジ型フォトレジストから構成されているため、基材１と蓋３とが直接接触することによるパーティクルの発生を防止すると共に基材１と蓋３との間の接触面積が大きくなり、両者間における熱の流通を良好にすることができる。
【００３３】
なお、本発明においては、薄膜構造体２及び緩衝膜４の代わりに、全くパターニングされていないフォトレジスト膜を使用し、このフォトレジスト膜の膜厚変化を測定することにより、評価ウエハ５が経験した温度を計測してもよい。この方法によれば、前述の第１の実施例と比較して、フォトレジスト膜をパターニングして薄膜構造体２及び緩衝膜４を形成する工程を省略することができる。
【００３４】
次に、本発明の第２の実施例について説明する。図３は、本実施例に係る温度計測装置の構成を示す模式的断面図である。図４は、本実施例に係る温度計測装置における温度計測前の薄膜構造体９の構成を示す部分平面図である。図３及び図４に示すように、本実施例の温度計測装置である評価ウエハ６には、前記第１の実施例における薄膜構造体２の代わりに、例えば、幅が２μｍ、長さが３００μｍの短冊状にパターニングされた膜厚が１０００ｎｍの薄膜（以下、ライン７という）と、幅が２μｍの隙間（以下、スペース８という）とが交互に配置されて構成された薄膜構造体９が設けられている。即ち、ライン７は基材１の表面上において周期的に１列に配置されている。ライン７の繰り返し数は例えば１０乃至１００である。評価ウエハ６の製造方法及び評価ウエハ６における薄膜構造体９以外の構成は、前記第１の実施例における評価ウエハ５と同一である。
【００３５】
次に、評価ウエハ６の温度校正方法について説明する。前記第１の実施例と同様に、評価ウエハ６にサーモラベル（図示せず）を設置し、評価ウエハ６をエッチング装置（図示せず）内に設置し、アルゴンプラズマ処理を行う。評価ウエハ６の温度は、高周波電力及びチラー温度により調整し、サーモラベル表示で例えば８０〜２４０℃の範囲における所定の温度に設定する。プラズマ処理時間は３分間とする。
【００３６】
プラズマ処理後、評価ウエハ６をエッチング装置から取り出し、波長測定機能を備えた顕微鏡により、ライン７の幅Ｌとスペース８の幅Ｓとの比（Ｌ／Ｓ）を測定する。これを評価ウエハ６の温度を変えて繰り返す。図５は、横軸にサーモラベルの表示温度をとり、縦軸に（Ｌ／Ｓ）比をとってサーモラベルの表示温度と薄膜構造体９における（Ｌ／Ｓ）比との関係を示すグラフ図である。図５には比較のために、プラズマ処理を行っていない評価ウエハ６の（Ｌ／Ｓ）比も示している。プラズマ処理前には（Ｌ／Ｓ）比は１．０であるが、プラズマ処理温度が高くなると共に（Ｌ／Ｓ）比は増大する。即ち、ライン７の幅Ｌが大きくなり、スペース８の幅Ｓが小さくなる。例えば、温度が１４０℃では（Ｌ／Ｓ）比は１．４、２２０℃では（Ｌ／Ｓ）比は２．７となる。この理由は、加熱に伴ってフォトレジスト膜が軟化して、ライン７の形状がだれを生じるためである。このだれによるライン７の幅の増加分が、フォトレジスト膜の体積の減少によるライン７の幅の減少分を上回るため、加熱に伴って（Ｌ／Ｓ）比が増大する。
【００３７】
次に、評価ウエハ６による温度計測方法について説明する。先ず、評価ウエハ６における薄膜構造体９の（Ｌ／Ｓ）比を、波長測定機能を備えた顕微鏡により測定する。次に、この評価ウエハ６を測定対象とするプロセス装置（図示せず）におけるシリコンウエハ加工時にシリコンウエハを配置する位置に設置する。次に、このプロセス装置を作動させ、所定の処理を行う。前記処理後、プロセス装置を停止し、評価ウエハ６を取り出し、薄膜構造体９の（Ｌ／Ｓ）比を測定し、処理前の値と比較する。この結果を図５に示すデータと比較し、前記処理中に評価ウエハ６が到達した温度を計測する。
【００３８】
このように、本実施例によれば、プロセス装置内においてウエハが到達する温度を計測することができる。本実施例では、ウエハの温度を直接測定することができ、またプラズマによる高周波及び放射光の影響を受けないため、ウエハの温度を精度よく計測することができる。また、本実施例の評価ウエハ６は蓋３を備えるため、薄膜構造体９のエッチングが起こらず、薄膜構造体９の膜厚を精度よく測定することができる。更に、プロセス装置に特別な設備を追加する必要がないため、いかなるプロセス装置にも適用可能である。更にまた、薄膜構造体９は基材１上の任意の位置に形成することができるため、ウエハ温度の面内分布を容易に計測することができる。
【００３９】
また、基材１がシリコンウエハであり、蓋３がシリコンウエハを加工したものであり、薄膜構造体２及び緩衝膜４がポジ型フォトレジストから構成されているため、プロセス装置内における金属汚染を防止できる。また、緩衝膜４が軟質で伝熱性が高いポジ型フォトレジストから構成されているため、基材１と蓋３とが直接接触することによるパーティクルの発生を防止すると共に基材１と蓋３との間の接触面積を増大させ、基材１と蓋３との間の熱の流通を良好にすることができる。
【００４０】
更に、前述の第１の実施例においては、評価ウエハ５が経験した温度を計測するために、光学式膜厚計を使用して薄膜構造体２の膜厚を測定する必要がある。これに対して、本実施例においては、波長測定機能を備えた顕微鏡により、薄膜構造体９の（Ｌ／Ｓ）比を測定することにより、評価ウエハ６が経験した温度を計測することができる。このため、より簡便な設備により温度を計測することが可能となる。
【００４１】
なお、本実施例においても、前述の第１の実施例と同様に、薄膜構造体９の膜厚変化を測定することにより、温度を計測することもできる。この場合は、評価ウエハ６におけるライン７の幅は評価ウエハ５における薄膜構造体２の幅よりも狭いため、光学式膜厚計ではなく３次元形状測定装置によってライン７の膜厚を測定することができる。このため、光学式膜厚計を使用する場合と比較して、より簡便な設備によりライン７の膜厚を測定することができる。また、本実施例においては、加熱前のライン７の幅を２μｍ、長さを３００μｍ、スペース８の幅を２μｍ、ライン７及びスペース８の繰り返し数を１０乃至１００とする例を示したが、本発明はこれらの数値には限定されず、（Ｌ／Ｓ）比の測定が容易になるように任意の値を採用することができる。
【００４２】
前記第１及び第２の実施例においては、薄膜構造体２及び９をポジ型フォトレジスト材料により形成するため計測温度範囲は約８０乃至２２０℃であるが、薄膜構造体をより耐熱性が高い感光性ポリイミド材料により形成することにより、評価ウエハを２００乃至４００℃の温度範囲で使用することができる。このような感光性ポリイミド材料には、例えば、住友ベークライト製ＣＲＣ−８０００及び日立化成製ＨＤ−８０００等がある。
【００４３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、真空又は減圧プラズマを使用する半導体装置の製造プロセスにおいて、ウエハの温度を直接、プラズマによる高周波雑音及びプラズマ活性反応による発熱の影響を受けずに計測することができる。また、本発明の温度計測装置及び温度計測方法においては、計測に際してパーティクル及び金属汚染を発生することなく、プロセス装置に特別な設備を設ける必要がない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係る温度計測装置の構成を示す模式的断面図である。
【図２】サーモラベルの表示温度と薄膜構造体２の膜厚との関係を示すグラフ図である。
【図３】本発明の第２の実施例に係る温度計測装置の構成を示す模式的断面図である。
【図４】本実施例に係る温度計測装置における温度計測前の薄膜構造体９の構成を示す部分平面図である。
【図５】サーモラベルの表示温度と薄膜構造体９の（Ｌ／Ｓ）比との関係を示すグラフ図である。
【符号の説明】
１；基材
２；薄膜構造体
３；蓋
３ａ；凹部
４；緩衝膜
４ａ；開口部
５；評価ウエハ
６；評価ウエハ
７；ライン
８；スペース
９；薄膜構造体
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＬＳＩ等の半導体装置の製造プロセスにおいてシリコンウエハの温度を計測する温度計測装置及び温度計測方法に関し、特に、ＣＶＤ、スパッタリング、エッチング及びアッシング等の真空又は減圧プラズマを使用する製造プロセスにおいてシリコンウエハの温度を計測する温度計測装置及び温度計測方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＳＩ（large scale integrated circuit：大規模集積回路）の製造プロセス、特に真空中は、プロセス中のウエハ温度を正確に管理することが重要である。例えば、ＣＶＤにおける堆積速度及び膜質並びにエッチングプロセスにおけるエッチングレート及びエッチング形状は、ウエハ温度に強く依存する。
【０００３】
このため従来、真空中又は減圧プラズマ中で行うプロセスにおいて、処理中のウエハ温度を測定するために種々の方法が採用されている。最も簡便な方法として、ウエハを保持するサセプタの温度を熱電対等により測定し、これをウエハ温度とみなす方法がある。また、ウエハの表面に熱電対を直接接合することにより、ウエハ表面の温度を測定することも可能である。
【０００４】
更に、ウエハ表面にサーモラベルを貼付し、その色彩の変化によりプロセス中のウエハ温度を記録する方法も知られている。
【０００５】
更にまた、特開平１０−１１１１８６号公報には、ウエハ温度をプロセスチャンバーの外部から非接触で計測することを目的として、ウエハから放射される放射赤外線を測定する放射温度計を使用してウエハ温度を計測する技術が開示されている。
【０００６】
更にまた、例えば「ソリッド・ステート・テクノロジー（Solid State Technology）１９９９年１０月 第９９頁−第１０６頁」には、ウエハ温度をプロセスチャンバーの外部から非接触で測定することを目的として、蛍光体の蛍光緩和特性、即ち、特定の波長の光を受けて発光する蛍光物質の蛍光減衰に要する時間が周辺温度に依存して変化する性質を利用する計測方法が記載されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来の技術には以下に示すような問題点がある。ウエハを保持するサセプタの温度を熱電対等により測定し、このサセプタ温度をウエハ温度とみなす方法については、真空又は減圧プラズマ中ではウエハとサセプタとの間の熱伝導性が低く、またサセプタの熱容量が大きいため、ウエハ温度とサセプタ又は減圧プラズマ中で行うＣＶＤ（chemical vapor deposition：化学気相成長）等による成膜、エッチング及びアッシング等のプロセスにおいて温度との間に差異が生じ、必ずしもサセプタ温度がウエハ温度を正しく反映しているとはいえない。このため、サセプタ温度をウエハ温度とみなすと、実際のウエハ温度との間に大きな誤差が発生するという問題点がある。
【０００８】
ウエハの表面に熱電対を直接接合する方法については、減圧プラズマ中では熱電対の計測リードにプラズマによる高周波雑音が寄生することと、熱電対表面においてプラズマ活性反応による発熱が生じること等から、ウエハ温度を正確に測定することが困難であるという問題点がある。また、熱電対がウエハ表面に接触するために不要な微粒子（パーティクル）が生じ、更に、プラズマにより熱電対の構成物質がスパッタリングされプロセス装置内に金属汚染が発生するという問題点がある。パーティクル及び金属汚染の発生は、ＬＳＩ量産工場においては重大な歩留まり低下を引き起こすため、前記方法は使用することができない。
【０００９】
ウエハ表面にサーモラベルを貼付しその色彩の変化によりプロセス中のウエハ温度を測定する方法についても、前述のウエハ表面に熱電対を接合する方法と同様にパーティクル及び金属汚染が発生するという問題点がある。
【００１０】
ウエハから放射される放射赤外線を測定してウエハ温度を計測する技術については、放射赤外線をプロセス装置の外部に導くために、プロセス装置に光ファイバ及びミラー等の特別な光学系を設けることが必要となり、プロセス装置のコストを増大させるという問題点がある。また、ウエハ全面を見通せる位置に計測器を設置することが困難なため、ウエハ温度の面内分布を計測することが困難である。
【００１１】
蛍光体の蛍光緩和特性を利用する計測方法については、前述の放射赤外線を利用する方法と同様に、蛍光をプロセス装置の外部に導くための光ファイバ及びミラー等の特別な光学系が必要となる。また、ウエハ全面を見通せる位置に計測器を設置することが困難なため、ウエハ温度の面内分布を計測することが困難である。更に、蛍光体をウエハ又はサセプタに貼付することにより、熱電対を使用する方法と同様にパーティクル及び金属汚染が発生するという問題点がある。
【００１２】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、真空又は減圧プラズマを使用する半導体装置の製造プロセスにおいて、ウエハの温度を直接計測することができ、且つ、プラズマによる高周波雑音及びプラズマ活性反応による発熱の影響を受けず、計測に際してパーティクル及び金属汚染を発生することなく、また、プロセス装置に特別な設備を設ける必要がなく、ウエハ温度の面内分布を計測することが容易な温度計測装置及びこれを使用する温度計測方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る温度計測装置は、基材と、この基材上にポリマー材料により所定の形状に形成され前記形状が温度に依存して不可逆的に変化する薄膜と、を有し、前記薄膜の不可逆的な形状変化により前記基材が経験した温度が記録されることを特徴とする。
【００１４】
本発明においては、薄膜の形状が温度に依存して不可逆的に変化するため、この形状の変化を測定することによりこの温度計測装置が経験した温度を計測することができる。このため、この温度計測装置を測定対象であるプロセス装置内に設置し、このプロセス装置を作動させた後温度計測装置を取り出し薄膜の形状変化を測定することにより、プロセス装置の作動中に温度計測装置が到達した温度を計測することができる。このとき、温度計測装置をプロセス装置内における半導体装置製造時にウエハが配置される位置に設置すれば、プロセス装置の作動中にウエハが保持される温度を直接計測することができる。また、計測に際して電気信号及び光信号を使用しないため、プラズマ中で使用しても高周波及び放射光による悪影響を受けずに精度よく計測することができる。更に、基材上の複数箇所に薄膜を設けることができるため、薄膜の形状変化を基材上の複数の位置で同時に計測することができ、基材温度の面内分布を測定することができる。更にまた、プロセス装置に特別な設備を追加する必要がないため、現有のプロセス装置にそのまま適用できる。
【００１５】
また、上述の如く、本願発明においては、前記温度計測装置は、前記基材との間で熱伝導が可能なように前記基材上に搭載され、前記薄膜に接触せずに前記薄膜を覆うように設けられた蓋を有する。
【００１６】
これにより、エッチング処理、アッシング処理及びスパッタリング処理等による前記薄膜の膜減り、ＣＶＤによる物質の堆積並びに紫外線、電子照射及びイオン衝撃等に起因する薄膜形状の変化等、薄膜がプラズマに接触することによる影響を防止することができる。なお、前記蓋は前記基材に固定されていてもよい。
【００１７】
更に、前記基材はシリコンウエハ又はシリコンウエハを加工して形成されたものであることが好ましい。また、前記蓋はシリコン又は石英ガラスにより形成されていることが好ましく、前記薄膜は、ポジ型フォトレジスト、ネガ型フォトレジスト又はポリイミドのいずれか１種からなることが好ましい。
【００１８】
これにより、測定対象であるプロセス装置内において、ＬＳＩ製造に有害なパーティクル及び金属汚染が発生することを防止できる。また、単結晶のシリコンウエハは熱伝導性が良好であるため、これを基材及び蓋に使用することにより、温度計測装置の下部に配置されているサセプタ及び上部に配置されているプラズマから前記薄膜への伝熱を精度よく再現することができる。
【００１９】
本発明に係る他の温度計測装置は、基材と、この基材上にポリマー材料により所定の形状に形成され前記形状が温度に依存して不可逆的に変化する薄膜と、前記基材との間で熱伝導が可能なように前記基材上に搭載され、前記薄膜に接触せずに前記薄膜を覆うように設けられた蓋とを有し、前記蓋は前記基材上にポリマー材料からなる緩衝膜を介して搭載されており、前記薄膜の不可逆的な形状変化により前記基材が経験した温度が記録されることを特徴とする。この緩衝膜は、ポジ型フォトレジスト、ネガ型フォトレジスト又はポリイミドのいずれか１種からなることが好ましい。
【００２０】
これにより、基材と蓋とが直接接触することに起因するパーティクルの発生を防止することができる。また、この緩衝膜により基材と蓋との接触面積を大きくすることができるため、基材と蓋との間における熱の流通を良好に確保することができる。
【００２１】
なお、前記薄膜を構成する材料は、計測する温度領域に応じて適宜最適な材料を選択することができる。また、前記薄膜は、夫々異なる温度範囲において変形する複数の材料により構成してもよい。これにより、前記温度計測装置をより広い温度範囲で使用することができる。
また、本発明に係る更に他の温度計測装置は、基材と、この基材上にポリマー材料により所定の形状に形成され前記形状が温度に依存して不可逆的に変化する薄膜と、を有し、前記薄膜の前記所定の形状は相互に平行に配置された複数個のラインとライン間のスペースとから構成されるパターン形状であり、前記ラインの幅と前記スペースの幅との比の変化を形状変化として、前記薄膜の不可逆的な形状変化により前記基材が経験した温度が記録されることを特徴とする。
【００２２】
本発明に係る温度計測方法は、基材上に形状が温度に依存して不可逆的に変化するポリマー材料からなる複数個の薄膜が形成され、更に、前記基材との間で熱伝導が可能なように且つ前記薄膜に接触せずに前記薄膜を覆うように蓋が前記基材上に搭載され、前記各薄膜が、その周囲が少なくとも前記基材と前記蓋により囲まれた空間内に配置されている温度計測装置を所望の温度計測位置に設置する工程と、前記温度計測装置における雰囲気温度により前記薄膜の形状が変化したときにその形状を測定する工程と、を有することを特徴とする。
また、本発明に係る他の温度計測方法は、基材上に形状が温度に依存して不可逆的に変化するポリマー材料からなる薄膜が形成された温度計測装置を所望の温度計測位置に設置する工程と、前記温度計測装置における雰囲気温度により前記薄膜の形状が変化したときにその形状を測定する工程と、を有し、前記薄膜は相互に平行に配置された複数個のラインとライン間のスペースとから構成されるパターン形状を有し、前記薄膜の形状の変化は、前記ラインの幅と前記スペースの幅との比の変化により測定することを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について添付の図面を参照して具体的に説明する。先ず、本発明の第１の実施例について説明する。図１は、本実施例に係る温度計測装置の構成を示す模式的断面図である。
【００２４】
先ず、図１を参照して、本実施例の温度計測装置の製造方法について説明する。ｐ型シリコンウエハの裏面に、ウエットエッチング法により、縦が３ｍｍ、横が３ｍｍ、深さが５０μｍの直方体の凹部３ａを複数個形成し、ｐ型シリコン素材からなり裏面に複数の凹部３ａが設けられた蓋３を形成する。また、別のｐ型シリコンウエハからなる基材１を用意し、スピンコート法により基材１上にポジ型フォトレジストを塗布し、厚さ約１０００ｎｍのポジ型フォトレジスト膜を形成する。次に、ステッパ装置を使用したフォトリソグラフィ法により、このポジ型フォトレジスト膜をパターニングし、基材１の表面上に、幅が２００μｍ、長さが５００μｍの長方形の平面形状を有する複数の薄膜構造体２と、この薄膜構造体２を囲む緩衝膜４とを同時に形成する。このとき、基材１上に形成する薄膜構造体２の数と蓋３に形成する凹部３ａの数を等しくし、薄膜構造体２及び凹部３ａは、後の工程において蓋３を基材１上に搭載するときに相互に整合するような位置に形成する。また、緩衝膜４は、蓋３を基材１上に搭載するときに、基材１における蓋３の裏面の凹部３ａを仕切る壁領域に整合する領域に形成する。次に、この蓋３の裏面における凹部３ａを仕切る壁領域と緩衝膜４とが整合するように、蓋３を基材１上に搭載する。次に、蓋３の壁領域と緩衝膜４とを接触させて接合する。これにより、本実施例の温度計測装置である評価ウエハ５を形成する。このとき、蓋３は基材１に緩衝膜４を構成するポジ型フォトレジストにより弱く接合されている。なお、前記ポジ型フォトレジストには、例えば、東京応化製ＴＳＭＲ８９００及びＯＦＰＲ８００等を使用する。
【００２５】
図１に示すように、評価ウエハ５には、単結晶のｐ型シリコンからなる基材１が設けられ、基材１の表面上には、例えばポジ型フォトレジストからなり、幅が２００μｍ、長さが５００μｍ、厚さが１０００ｎｍの直方体の薄膜構造体２が複数設けられている。また、基材１の表面上には、ポジ型フォトレジストからなる緩衝膜４が設けられており、緩衝膜４には平面形状が例えば１辺が３ｍｍの正方形である開口部４ａが薄膜構造体２を囲むように設けられている。更に、緩衝膜４上には開口部４ａに整合する位置に凹部３ａを有する蓋３が設けられ、蓋３は緩衝膜４を介して基材１に搭載され基板１に対して弱く接合されている。蓋３は単結晶のｐ型シリコンにより構成されている。また、凹部３ａは蓋３の裏面、即ち基材１に対向する面に設けられ、その形状は例えば縦が３ｍｍ、横が３ｍｍ、深さが５０μｍの直方体であり、凹部３ａは蓋３を貫通していない。従って、薄膜構造体２は、凹部３ａ及び開口部４ａからなる空間、即ち、周囲を基材１、緩衝材４及び蓋３により囲まれる空間内に配置されている。なお、基材１における薄膜構造体２が設けられている面に垂直な方向から見たとき、基材１は蓋３よりも大きくなっている。
【００２６】
次に、本実施例の評価ウエハ５の動作について説明する。評価ウエハ５を加熱すると、先ず外部の環境に曝されている蓋３及び基材１の温度が上昇する。蓋３及び基材１を構成しているシリコンウエハはその厚さ方向の熱伝導性が良好であるため、薄膜構造体２の温度も蓋３及び基材１に追従して上昇し、蓋３及び基材１の温度とほぼ同じ温度になる。このとき、薄膜構造体２の形状は温度に依存して不可逆的に変化する。具体的には、薄膜構造体２を構成するフォトレジストは、加熱により架橋反応を起こして収縮し、その結果、薄膜構造体２の体積が減少する。薄膜構造体２は、幅及び長さに対して厚さが薄いため、薄膜構造体２の厚さの変化を近似的に体積の変化とみなすことができる。
【００２７】
次に、本実施例の温度計測装置（評価ウエハ５）を使用する温度計測方法について説明する。先ず、評価ウエハ５の温度校正方法について説明する。評価ウエハ５における蓋３が設けられていない部分（図示せず）にサーモラベル（図示せず）を貼付する。次に、評価ウエハ５を例えばエッチング装置（図示せず）内に設置し、アルゴンプラズマ処理を行う。評価ウエハ５の温度は、プラズマを発生させる高周波の電力及びサセプタを冷却する温度（チラー温度）により調整し、サーモラベル表示で例えば８０〜２４０℃の範囲の所定の温度に設定する。プラズマ処理時間は３分間とする。
【００２８】
プラズマ処理後、評価ウエハ５をエッチング装置から取り出し、光干渉式膜厚測定器により薄膜構造体２の中央部における膜厚を測定する。この作業を評価ウエハ５の温度を変えて繰り返す。図２は横軸にサーモラベルの表示温度をとり、縦軸に薄膜構造体２の膜厚をとってサーモラベルの表示温度と薄膜構造体２の膜厚との関係を示すグラフ図である。図２には比較のために、プラズマ処理を行っていない評価ウエハ５における薄膜構造体２の膜厚も示している。プラズマ処理前に１０３０ｎｍである薄膜構造体２の膜厚は、プラズマ処理温度が上昇するにつれて減少し、例えば１４０℃では約９７０ｎｍ、２２０℃では約８７０ｎｍとなる。なお、２４０℃では薄膜構造体２を構成するポジ型フォトレジストが変質するため、膜厚を計測することができない。
【００２９】
上述したサーモラベルを使用する温度校正は１回だけ行えばよい。以後、この温度校正により得られた図２に示す結果を使用することにより、サーモラベルを使用することなく、薄膜構造体２の膜厚を測定することによりプラズマ処理中の評価ウエハ５の温度を計測することができる。但し、評価ウエハ５の各構成部材、特に薄膜構造体２の形状又は寸法を変えた場合には、新たに温度校正を行う必要がある。
【００３０】
次に、評価ウエハ５による温度計測方法について説明する。先ず、評価ウエハ５の薄膜構造体２の膜厚を光干渉式膜厚測定器により測定する。次に、この評価ウエハ５を測定対象とするプロセス装置（図示せず）におけるシリコンウエハ加工時にシリコンウエハを配置する位置に設置する。次に、このプロセス装置を作動させ、所定の処理を行う。例えば、このプロセス装置がエッチング装置であれば、通常の条件でエッチング処理を行う。前記処理後、プロセス装置を停止し、評価ウエハ５を取り出し、薄膜構造体２の膜厚を測定し、処理前の膜厚と比較する。この結果を図２に示すデータと比較し、前記処理中に評価ウエハ５が経験した温度を計測する。なお、薄膜構造体２の膜厚変化は加熱温度だけではなく加熱時間にも依存するため、前記温度校正のための処理時間は、温度を計測しようとする処理、例えばエッチング処理、の処理時間に等しくすることが好ましい。
【００３１】
このように、本実施例によれば、プロセス装置内においてウエハが到達する温度を計測することができる。本実施例では、ウエハの温度を直接測定することができ、プラズマによる高周波及び放射光の影響を受けないため、精度よく計測することができる。また、本実施例の評価ウエハ５は蓋３を備えるため、薄膜構造体２のエッチングが起こらず、薄膜構造体２の膜厚を精度よく測定することができる。更に、プロセス装置に特別な設備を追加する必要がないため、いかなるプロセス装置にも適用可能である。更にまた、薄膜構造体２は基材１上の任意の位置に形成することができるため、ウエハ温度の面内分布を容易に計測することができる。
【００３２】
また、基材１がシリコンウエハであり、蓋３がシリコンウエハを加工したものであり、薄膜構造体２及び緩衝膜４がポジ型フォトレジストから構成されているため、プロセス装置内における金属汚染を防止できる。また、緩衝膜４が軟質で伝熱性が高いポジ型フォトレジストから構成されているため、基材１と蓋３とが直接接触することによるパーティクルの発生を防止すると共に基材１と蓋３との間の接触面積が大きくなり、両者間における熱の流通を良好にすることができる。
【００３３】
なお、本発明においては、薄膜構造体２及び緩衝膜４の代わりに、全くパターニングされていないフォトレジスト膜を使用し、このフォトレジスト膜の膜厚変化を測定することにより、評価ウエハ５が経験した温度を計測してもよい。この方法によれば、前述の第１の実施例と比較して、フォトレジスト膜をパターニングして薄膜構造体２及び緩衝膜４を形成する工程を省略することができる。
【００３４】
次に、本発明の第２の実施例について説明する。図３は、本実施例に係る温度計測装置の構成を示す模式的断面図である。図４は、本実施例に係る温度計測装置における温度計測前の薄膜構造体９の構成を示す部分平面図である。図３及び図４に示すように、本実施例の温度計測装置である評価ウエハ６には、前記第１の実施例における薄膜構造体２の代わりに、例えば、幅が２μｍ、長さが３００μｍの短冊状にパターニングされた膜厚が１０００ｎｍの薄膜（以下、ライン７という）と、幅が２μｍの隙間（以下、スペース８という）とが交互に配置されて構成された薄膜構造体９が設けられている。即ち、ライン７は基材１の表面上において周期的に１列に配置されている。ライン７の繰り返し数は例えば１０乃至１００である。評価ウエハ６の製造方法及び評価ウエハ６における薄膜構造体９以外の構成は、前記第１の実施例における評価ウエハ５と同一である。
【００３５】
次に、評価ウエハ６の温度校正方法について説明する。前記第１の実施例と同様に、評価ウエハ６にサーモラベル（図示せず）を設置し、評価ウエハ６をエッチング装置（図示せず）内に設置し、アルゴンプラズマ処理を行う。評価ウエハ６の温度は、高周波電力及びチラー温度により調整し、サーモラベル表示で例えば８０〜２４０℃の範囲における所定の温度に設定する。プラズマ処理時間は３分間とする。
【００３６】
プラズマ処理後、評価ウエハ６をエッチング装置から取り出し、波長測定機能を備えた顕微鏡により、ライン７の幅Ｌとスペース８の幅Ｓとの比（Ｌ／Ｓ）を測定する。これを評価ウエハ６の温度を変えて繰り返す。図５は、横軸にサーモラベルの表示温度をとり、縦軸に（Ｌ／Ｓ）比をとってサーモラベルの表示温度と薄膜構造体９における（Ｌ／Ｓ）比との関係を示すグラフ図である。図５には比較のために、プラズマ処理を行っていない評価ウエハ６の（Ｌ／Ｓ）比も示している。プラズマ処理前には（Ｌ／Ｓ）比は１．０であるが、プラズマ処理温度が高くなると共に（Ｌ／Ｓ）比は増大する。即ち、ライン７の幅Ｌが大きくなり、スペース８の幅Ｓが小さくなる。例えば、温度が１４０℃では（Ｌ／Ｓ）比は１．４、２２０℃では（Ｌ／Ｓ）比は２．７となる。この理由は、加熱に伴ってフォトレジスト膜が軟化して、ライン７の形状がだれを生じるためである。このだれによるライン７の幅の増加分が、フォトレジスト膜の体積の減少によるライン７の幅の減少分を上回るため、加熱に伴って（Ｌ／Ｓ）比が増大する。
【００３７】
次に、評価ウエハ６による温度計測方法について説明する。先ず、評価ウエハ６における薄膜構造体９の（Ｌ／Ｓ）比を、波長測定機能を備えた顕微鏡により測定する。次に、この評価ウエハ６を測定対象とするプロセス装置（図示せず）におけるシリコンウエハ加工時にシリコンウエハを配置する位置に設置する。次に、このプロセス装置を作動させ、所定の処理を行う。前記処理後、プロセス装置を停止し、評価ウエハ６を取り出し、薄膜構造体９の（Ｌ／Ｓ）比を測定し、処理前の値と比較する。この結果を図５に示すデータと比較し、前記処理中に評価ウエハ６が到達した温度を計測する。
【００３８】
このように、本実施例によれば、プロセス装置内においてウエハが到達する温度を計測することができる。本実施例では、ウエハの温度を直接測定することができ、またプラズマによる高周波及び放射光の影響を受けないため、ウエハの温度を精度よく計測することができる。また、本実施例の評価ウエハ６は蓋３を備えるため、薄膜構造体９のエッチングが起こらず、薄膜構造体９の膜厚を精度よく測定することができる。更に、プロセス装置に特別な設備を追加する必要がないため、いかなるプロセス装置にも適用可能である。更にまた、薄膜構造体９は基材１上の任意の位置に形成することができるため、ウエハ温度の面内分布を容易に計測することができる。
【００３９】
また、基材１がシリコンウエハであり、蓋３がシリコンウエハを加工したものであり、薄膜構造体２及び緩衝膜４がポジ型フォトレジストから構成されているため、プロセス装置内における金属汚染を防止できる。また、緩衝膜４が軟質で伝熱性が高いポジ型フォトレジストから構成されているため、基材１と蓋３とが直接接触することによるパーティクルの発生を防止すると共に基材１と蓋３との間の接触面積を増大させ、基材１と蓋３との間の熱の流通を良好にすることができる。
【００４０】
更に、前述の第１の実施例においては、評価ウエハ５が経験した温度を計測するために、光学式膜厚計を使用して薄膜構造体２の膜厚を測定する必要がある。これに対して、本実施例においては、波長測定機能を備えた顕微鏡により、薄膜構造体９の（Ｌ／Ｓ）比を測定することにより、評価ウエハ６が経験した温度を計測することができる。このため、より簡便な設備により温度を計測することが可能となる。
【００４１】
なお、本実施例においても、前述の第１の実施例と同様に、薄膜構造体９の膜厚変化を測定することにより、温度を計測することもできる。この場合は、評価ウエハ６におけるライン７の幅は評価ウエハ５における薄膜構造体２の幅よりも狭いため、光学式膜厚計ではなく３次元形状測定装置によってライン７の膜厚を測定することができる。このため、光学式膜厚計を使用する場合と比較して、より簡便な設備によりライン７の膜厚を測定することができる。また、本実施例においては、加熱前のライン７の幅を２μｍ、長さを３００μｍ、スペース８の幅を２μｍ、ライン７及びスペース８の繰り返し数を１０乃至１００とする例を示したが、本発明はこれらの数値には限定されず、（Ｌ／Ｓ）比の測定が容易になるように任意の値を採用することができる。
【００４２】
前記第１及び第２の実施例においては、薄膜構造体２及び９をポジ型フォトレジスト材料により形成するため計測温度範囲は約８０乃至２２０℃であるが、薄膜構造体をより耐熱性が高い感光性ポリイミド材料により形成することにより、評価ウエハを２００乃至４００℃の温度範囲で使用することができる。このような感光性ポリイミド材料には、例えば、住友ベークライト製ＣＲＣ−８０００及び日立化成製ＨＤ−８０００等がある。
【００４３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、真空又は減圧プラズマを使用する半導体装置の製造プロセスにおいて、ウエハの温度を直接、プラズマによる高周波雑音及びプラズマ活性反応による発熱の影響を受けずに計測することができる。また、本発明の温度計測装置及び温度計測方法においては、計測に際してパーティクル及び金属汚染を発生することなく、プロセス装置に特別な設備を設ける必要がない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係る温度計測装置の構成を示す模式的断面図である。
【図２】サーモラベルの表示温度と薄膜構造体２の膜厚との関係を示すグラフ図である。
【図３】本発明の第２の実施例に係る温度計測装置の構成を示す模式的断面図である。
【図４】本実施例に係る温度計測装置における温度計測前の薄膜構造体９の構成を示す部分平面図である。
【図５】サーモラベルの表示温度と薄膜構造体９の（Ｌ／Ｓ）比との関係を示すグラフ図である。
【符号の説明】
１；基材
２；薄膜構造体
３；蓋
３ａ；凹部
４；緩衝膜
４ａ；開口部
５；評価ウエハ
６；評価ウエハ
７；ライン
８；スペース
９；薄膜構造体
Claims (12)
- 基材と、この基材上にポリマー材料により所定の形状に形成され前記形状が温度に依存して不可逆的に変化する複数個の薄膜と、前記基材との間で熱伝導が可能なように前記基材上に搭載され、前記薄膜に接触せずに前記薄膜を覆うように設けられた蓋とを有し、前記各薄膜は、その周囲が少なくとも前記基材と前記蓋により囲まれた空間内に配置され、前記薄膜の不可逆的な形状変化により前記基材が経験した温度が記録されることを特徴とする温度計測装置。
- 前記薄膜は前記形状変化が起こる温度範囲が相互に異なる複数種類の材料から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の温度計測装置。
- 前記基材はシリコンウエハ又はシリコンウエハを加工して形成されたものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の温度計測装置。
- 前記蓋はシリコン又は石英ガラスにより形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の温度計測装置。
- 基材と、この基材上にポリマー材料により所定の形状に形成され前記形状が温度に依存して不可逆的に変化する薄膜と、前記基材との間で熱伝導が可能なように前記基材上に搭載され、前記薄膜に接触せずに前記薄膜を覆うように設けられた蓋とを有し、前記蓋は前記基材上にポリマー材料からなる緩衝膜を介して搭載されており、前記薄膜の不可逆的な形状変化により前記基材が経験した温度が記録されることを特徴とする温度計測装置。
- 前記薄膜は、ポジ型フォトレジスト、ネガ型フォトレジスト又はポリイミドのいずれか１種からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の温度計測装置。
- 前記緩衝膜は、ポジ型フォトレジスト、ネガ型フォトレジスト又はポリイミドのいずれか１種からなることを特徴とする請求項５に記載の温度計測装置。
- 基材と、この基材上にポリマー材料により所定の形状に形成され前記形状が温度に依存して不可逆的に変化する薄膜と、を有し、前記薄膜の前記所定の形状は相互に平行に配置された複数個のラインとライン間のスペースとから構成されるパターン形状であり、前記ラインの幅と前記スペースの幅との比の変化を形状変化として、前記薄膜の不可逆的な形状変化により前記基材が経験した温度が記録されることを特徴とする温度計測装置。
- 基材上に形状が温度に依存して不可逆的に変化するポリマー材料からなる複数個の薄膜が形成され、更に、前記基材との間で熱伝導が可能なように且つ前記薄膜に接触せずに前記薄膜を覆うように蓋が前記基材上に搭載され、前記各薄膜が、その周囲が少なくとも前記基材と前記蓋により囲まれた空間内に配置されている温度計測装置を所望の温度計測位置に設置する工程と、前記温度計測装置における雰囲気温度により前記薄膜の形状が変化したときにその形状を測定する工程と、を有することを特徴とする温度計測方法。
- 前記薄膜の形状の変化は、前記薄膜の断面形状の変化により測定することを特徴とする請求項９に記載の温度計測方法。
- 前記薄膜の形状の変化は、前記薄膜の膜厚の変化により測定することを特徴とする請求項１０に記載の温度計測方法。
- 基材上に形状が温度に依存して不可逆的に変化するポリマー材料からなる薄膜が形成された温度計測装置を所望の温度計測位置に設置する工程と、前記温度計測装置における雰囲気温度により前記薄膜の形状が変化したときにその形状を測定する工程と、を有し、前記薄膜は相互に平行に配置された複数個のラインとライン間のスペースとから構成されるパターン形状を有し、前記薄膜の形状の変化は、前記ラインの幅と前記スペースの幅との比の変化により測定することを特徴とする温度計測方法。
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