JP4034344B2 - ウエハの温度制御方法及び装置 - Google Patents
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Description
本発明は、例えばCVD、PDV等のエッチングリアクタ内での処理中の処理部材の温度制御方法及び装置に関する。
発明の背景
CVD、PVD、或いは部材(以下単にウエハと称す)のエッチングのためのチャンバ、の中ではチャックでウエハを支持するのが一般的である。RFバイアスエネルギは、ウエハを支持しているそのチャックによって供給されうる。ウエハを通してプラズマに対してバイアスエネルギの一様な電気的カップリングを供給するためである。そのウエハはその過熱の可能性を最小限に止めるためチャックに対して熱的にもカップリングされている。
処理中の低圧或いは真空環境下において、ウエハとチャックの間の熱的及び電気的カップリング不良の問題を解決するために、ウエハは通常チャックに対し、機械的クランピングシステムまたは、静電チャックによって固定されている。この静電チャックは、チャックに対してウエハを固定するため逆極に帯電した面の間のクーロン引力を利用するものである。通常、ウエハの処理は非常に低圧な環境下で行われるため、熱伝達及び熱伝導を促進するのに、ウエハとチャックの間に例えば、ヘリウム、水素、窒素等のガスを注入することが望ましいと判ってきた。例えば、米国特許番号5,103,367,5,160,152,5,350,479,に、そのような熱伝導を促進するためのウエハとチャックの間のガスの使用、が開示されている。そのようなチャックは、一般的にはそのチャックとの熱伝達によってウエハを冷却するためのクーリングジャケットを備えている。加えて、出願中の米国出願番号08/401,534は、そのなかにヒータ電極を有する静電チャックを開示しており、そのヒータ電極は、プラズマの不均一性、及び/又はエッジエフェクトを補うために、そして、処理中に温度制御を行うために、利用可能である。
正確に処理中のウエハの温度をモニタする困難さは証明済みであり、これによって、ウエハの温度制御が難しいものとなっている。赤外線温度計はシリコンウエハが300度以下では透明であるためにその温度を測定するのには適していない。バネを備え、燐光体(phosphor)を塗った接触プローブが元の位置のウエハの裏面の温度測定のためにウエハの裏面に接触すべく使用されてきた。しかし、この技術は、製造環境下での信頼性が立証されていない。
従って、処理中、確実にウエハの温度をモニタし、制御するための方法及び装置の提供が望まれている。
発明の要旨
本発明の一の見解では、処理中のウエハの温度制御方法が提供されている。その方法によると、ウエハはチャックに位置合わせされ、加熱されている。圧縮ガスは、ウエハとチャックの間の空間に注入されており、この圧縮ガスがウエハから、チャックへ熱を伝導する。圧縮ガスの圧力は、自動的に変化され、その結果としてウエハとチャックの間の熱伝導性が、希望ウエハ温度を維持するため、実際のウエハの温度と希望ウエハ温度の間の差に応じて変化する。
本発明の他の見解によると、処理中のウエハ温度の制御装置であって、ウエハの支持が可能なチャックを備えている。そして、圧縮ガスをウエハとチャックの間の空間に注入するガス供給路が設けられている。ウエハとチャックの間のガスの圧力を自動的に変化させるために、ガス圧のアジャスタが設けられている。その結果、ウエハとチャックの間の熱伝導が、希望ウエハ温度を保つため、実際のウエハの温度と希望ウエハ温度の差に応じて変化される。
【図面の簡単な説明】
本発明の特徴及び利点は図面との関連で以下の詳細な説明を読むことによりより良く理解できる。同じ符号は図面中の同じ要素を示している。すなわち、
図1は本発明を具体化したウエハの温度制御装置の概略図であり;
図2は本発明に係るキャリブレーション方程式を示すグラフであり;
図3は本発明に係る温度のモニタリングと制御のシステムのステップを示すフローダイアグラムであり;
図4は本発明に係るウエハ温度、圧力変化、プローブ温度の関係を示すグラフであり;
図5は本発明に係る温度プローブのタイプ別プローブ反応時間を示すグラフである。
発明の詳細な説明
本発明に係る装置21が、図1において示されている。この装置は、例えば、CVD、PVD、あるいは、その他の従来からあるエッチングリアクタ内の、ガスプラズマ又はノンプラズマ処理システムにおいて、処理中にウエハ23の温度を制御するものである。装置21は少なくとも1つの非常に小さい質量を持つ静電チャック、ウエハ温度をモニタリングするためそこに設けられた無接触ブラックボディプローブ27を含むことが望ましい。しかしながら、本発明については機械的クランピングシステムを有するチャックも用いることができる。以下の議論はチャック25が、この処理装置内で主としてヒートシンクとしての役割を果たすことを想定している。一方、以下論じられているようにこのチャック25は出願中の米国出願番号08/401,524に開示されているように、静電チャックであってもよい。これは、ここでは参照としてあげたもので、そのなかにヒーティングエレメントを備え、チャックがウエハを加熱するものである。
プローブ27は、実際にはチャック25の表面31に、燐(phosphorous)でドープ処理された先端29を有した、直径340ミクロン程度の、非常に小さな繊維状のものであることが望ましい。又その代わりに、プローブ27は、その先端をアルミニウム、タングステン、その他、放熱性を持つ物質が混合されて形成されたものであってもよい。プローブ27の先端29は処理中にウエハがチャック25に位置決めされたときにウエハと接触しないようにウエハ23の裏面33から5mils以内に配置されることが望ましい。先端29の温度Tpはスタンダードな光パイプを通じて伝えられた信号によって、カリフォルニア州のサンタクララにある、ラックストロン社から入手可能なラックストロンフルオロプティック温度計(Luxtron Fluoroptic Thermometer)の様なフルオロプティック(fluoroptic)温度計ユニット35の温度センサによって、測定されることが望ましい。そのフルオロプティックユニット35は、イギリスのダーリントンワージングウエストサセックス、ファラディクロースにあるユーロサームコントロールリミテッド社から入手可能な900EPCシリーズユーロサームコントローラなどのコントローラ37に対し、先端29の温度に対応した温度信号を送る。
更に、チャック25はその表面31にガス供給路39を有しており、それを通して圧縮ガス、好ましくはヘリウムガスが、チャック表面と、ウエハ裏面33との間の空間41に注入されうる。その空間41はチャック表面の浅い溝のパターンにより形成されることが可能である。そのガスは圧縮ガスコントローラ45を含むガス圧アジャスタ43により空間41内で圧縮されている。このガス圧コントローラ45はその空間につづき、キャパシティブマノメータヘッド49に接続されたライン47に圧縮ガスを配給するものであり、このキャパシティブマノメータヘッド49は50トールヘッドが好ましく、空間内の圧力に応じてコントローラ37に圧力信号を送るラインにある。ペンシルバニア州のハットフィールドにあるブルックスインストラメント社から入手可能な5866RTモデルのプレッシャコントローラが圧縮ガスコントローラに適している。
以下、更に論じられているように、コントローラ37は、異なる処理された、例えば、スタンダードな、セミポリッシュされた、強くドープ処理された、或いは酸化処理された裏面を有する、一種類以上のウエハを処理する様にプログラムされていることが望ましい。そして、このコントローラ37は圧縮ガスコントローラを制御する圧力出力信号を発生し、空間41内のガス圧を制御する。その圧力出力信号はウエハタイプや温度及び圧力の信号を含む不定要素と相関関係にあるものである。空間41のガス圧を上げることによって、ウエハ23とチャック25の間の熱伝導は増加し、逆にその空間のガス圧を下げることによって、そのウエハとチャックの間の熱伝導は減少する。
装置21は2〜25トールの圧力で空間41内で作動させるのが好ましい。そして、この範囲では、その圧力を下げるとウエハ23の温度が上がってしまう。ヒートシンクとしての働くチャック25へあまり熱が伝導しないからである。その一方でその圧力を上げることはウエハの温度を下げることになる。更に熱がチャックに伝導するからである。一般的には、処理中、ほぼ一定にウエハ温度を保つことが望ましい。しかしながら、その温度や圧力が常にモニタされ、制御していても、ウエハ温度の小さな変化は起こることが予想される。
コントローラ37はその特殊なウエハの2次キャリブレーション方程式を導き出すため、異なるガス圧及びRFパワーレベルでのファスファラスドットウエハを用いた装置21のキャリブレーティングによって圧力出力信号或いは熱出力を発生させるようにあらかじめプログラムすることが望ましい。図2はそのキャリブレーション方程式をグラフに示し、かつ、空間41内のヘリウムの圧力の写像として、プローブ27の先端29での実際の温度、及び、ファスファラスドットウエハの温度をプロットするものである。そして、この図により、本発明に係る装置内のファスファラスドットウエハの温度とプローブ先端温度との間の相関関係が観測される。
図2は、特定の装置内での、すなわち特定の処理環境内においてほぼ一定の温度にチャックの表面が保たれている状態での、様々な熱入力でのあらゆるウエハタイプのキャリブレーションデータを示している。一番上のキャリブレーションカーブ(点線で示されている)によって表わされているウエハタイプと温度入力はヘリウム圧力が8トールでプローブ先端温度が約200度で測定されたとき、実際のウエハの温度は260度であるはずである。もし、圧力が10トールに増加した場合は、ウエハとチャックの間の熱伝導は促進され、プローブ先端で測定された温度は約190度まで下がる。そして、ウエハの実際の温度は約235度まで下がるはずである。
もし圧力が6トールまで下げられたら、ウエハとチャックの間の熱伝導は減衰し、プローブ先端で測定された温度は約205℃となり、ウエハの温度は約285℃まで上がるはずである。希望ウエハ温度等の処理パラメータの変更は、コントローラ37に対しキーボードやコントロールパネルなどの従来からある手段により入力されることが好ましい。
このため、プローブ27の先端29の温度と空間41の圧力が知られているとき、ウエハ処理システム内で処理されているウエハの温度は図2に示されているデータから得られたキャリブレーション方程式により定めることができる。
そのキャリブレーション方程式は、そのプローブ27により測定されるウエハ温度の継続的なモニタリング及び制御のためにコントローラ37の中にプログラムされることが好ましい。図3の非常に簡略化したフローチャートで見られるように、温度計により測定された先端29の実際の温度Tpに対応する信号と、マノメータ49により測定された圧力Pへ対応する信号とが、コントローラ37に送られる。そのコントローラ37はそのプローブにより測定され、そしてキャリブレーション方程式により補正された、ウエハ23の温度Tcpを定める(以下、補正プローブ温度という)。
そのコントローラ37はさらにTcpを、希望の、又は指定された、又はあらかじめ定められた処理動作用ウエハ温度Twdと比べる。
もしTwdとTcpが等しいなら、圧力を一定に保つために信号を送ることにより、又はコントローラ37が信号を全く送らないことなどにより、圧力Pが保たれるように、コントローラ37は圧力アジャスタ45を制御する。もしTwdがTcpより大きいなら、コントローラ37は測定された圧力Pに比例して圧力を減少させるために圧力アジャスタ45に信号を送る。それによりウエハとチャックの間の温度伝導率は減少し、ウエハの温度は上昇する。
もしTwdがTcpより小さければ、コントローラ37は測定された圧力Pに比例して、その圧力を増幅させるために圧力アジャスタ45に信号を送る。それによりウエハとチャックの間の温度伝導率は増幅し、ウエハの温度は下がる。よって、空間41内のガス圧は、ウエハ23とチャック25間の熱伝導がTcpとTwdの間の差に反応して変化するように、自動的に変えられる。
以上に示したように、もし圧力が増大したり減少したりすれば、チャック25とウエハ23の間の熱伝導はそれぞれ促進したり減衰したりする。そして、補正プローブ温度Tcpを、少なくとも本発明に係る装置が運転することが好ましい範囲、すなわち、2〜25トールの範囲内で、それぞれ低下したり、上昇したりことをそれぞれ可能にする。2トール以下の圧力では、ウエハとチャックの間の熱伝導媒体はチャックとウエハ間の熱伝導には重要な要素でないようである。
ウエハ23の処理が始められたとき、即ち、処理のプレヒート段階においては、空間41に殆ど、或いは、全くガスを取り込まないことが好ましい。これにより、そのチャック25への熱伝導を減らし、続けて、そのウエハが希望温度Twdに素早く熱される。ウエハが希望温度Twdに達しているかどうかは、ファスファラスドットウエハが希望温度に達するのに必要とする時間の長さを定めることにより始めに定めておくことが好ましい。あとすべての対応するウエハ、即ち、対応するノンファスファラスドットウエハは、ファスファラスドットウエハが希望温度Twdに達するために必要としたのと同じ長さの時間で、その後、プレヒートすることが好ましい。プレヒートは5〜20秒の間、RFエネルギーで、行なうことが好ましい。プレヒート中の空間内のガス圧は0から2トールの間であることが好ましい。
実質上、希望温度Twdにウエハ23がプレヒートされた後、空間41内のガス圧は、チャック25とウエハの間の熱伝導を向上するために上昇され、常にモニタされ、自動的に調整される。これにより、そのウエハが処理されている特有の環境下で、そのウエハを希望温度に保つ。もしウエハ23が圧力上昇時に希望温度Twdに保たれているなら、補正プローブ温度Tcpと実質等しい実際のウエハ温度は、キャリブレーション方程式の図2内のグラフの温度に対応する等高線をたどり、実際のプローブ温度Tpは上がる。図4は、実際のウエハ即ち、ファスファラスドットウエハの温度Twと、キャリブレーション方程式により補正された、補正プローブ温度Tcpと、そして、圧力が0から約10トールに上昇する間の圧力Pとがプロットされている。そして、圧力が約10トールに上昇した時点では、特有の環境下に置かれるため、雰囲気からウエハに伝導される熱とウエハからそのチャックへ伝導される熱との間に実質上の均衡が存在している。もし、何らかの理由で、プローブにより測定されたウエハの温度、即ち、ウエハの補正プローブ温度Tcpが、予期せず希望ウエハ温度Twdより下に下がる又は上に上がることがあれば、装置21が、常に圧縮ガスアジャスタ45に圧力信号を出力するコントローラ、に対し、温度及び圧力信号の継続して入力することによって自動的にウエハ温度を上下することは好適である。
始めに、圧力が急激に上昇し、続いて減速しつつ圧力が上昇し、続いて圧力P、ウエハ温度、補正プローブ温度Tcpが実質一定にとどまるような実質上の均衡があることが図4から観察される。更に、実際のウエハ温度は、圧力が約2トールより上昇するにつれ、補正プローブ温度Tcpに収束していくということも観察されるだろう。補正プローブ温度は6トールヘリウム圧以上であれば誤差5℃以内の精度を有することが観察される。最適な温度制御のためには、4トール以上にその空間の圧力を保つことが好ましい。そして、ウエハの温度は250℃から400℃の間に保たれることが好ましい。
実際のプローブ温度Tpは、従って補正プローブ温度Tcpも、実際のウエハ温度Twにより後に微妙に遅れる傾向がある。それは、多くは、プローブの質量や、その繊維或いはコントローラへプローブ温度信号を送る光パイプの熱伝導性などの要素による。発明の1の実施の形態によると、そのプローブ材料は特にクリアなプローブを提供するためのシリカである。しかしながら、シリカはNF3プラズマにさらされたとき腐蝕する傾向にあり、そのようなプラズマに繰り返しさらされるべきではない。それゆえ、プローブへのダメージを予防するためには元の位置でクリーニング中にチャック25をウエハで覆うことが好ましい。数種のプローブ材料の温度反応時間が図5に示されている。線Aは340μmのスパッタリングされた先端を有するシリカファイバー製プローブの反応時間を示し、線Bは340μmファスファラスでドープ処理された先端を有するシリカファイバー製プローブの反応時間を示し、線Cは800μmスパッタリングされた先端を有するシリカファイバー製プローブの反応時間を示している。その340μmスパッタリングされた先端を有するシリカファイバープローブが、最速の反応時間を有すると観察される。
上記の説明は、ウエハ23に対しチャック24がヒートシンクとしての役割を果たすことを想定している。しかしながら、上記したように、本発明の他の実施の形態として、ウエハ23はチャックの中の抵抗熱により熱されてもよい。この場合も、空間41の圧力の増大は、ウエハとチャック間の熱伝導を促進し、そして圧力の減少は熱伝導を減衰する。しかしながら、この発明の実施の形態に関しては、圧力が上げられ、又は下げられたとき、ウエハからチャックへではなくチャックからウエハへ熱エネルギーは伝導されているので、実際のウエハ温度は、前記説明したチャックがヒートシンクとしての役割を果たす発明の実施の形態の場合とは逆に、それぞれ上げたり下げたりすることができる。
以上、本発明の原理、好ましい実施例と動作形態に関して説明を行ってきた。しかしながら、本発明は上記特定の実施例に限定されるものと解釈されるべきではない。よって、上述の実施例は限定的ではなく例証とみなすべきであり、以下の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲を逸脱することなく、当業者であればこれらの実施例をさまざまに変更可能であると理解されるべきものである。
Claims (30)
- 処理中のウエハの温度制御方法であって、
チャックに対してウエハを位置決めする工程と、
ウエハを加熱する工程と、
ウエハからチャックへ圧縮ガスが熱を伝導するように、ウエハとチャックの間の空間へ圧縮ガスを注入する工程と、
ウエハの下方の空間に満たされたガス内に配置された温度センサを用いて温度測定を行なう測定工程と、
実際のウエハ温度と前記測定工程で測定された温度との関係を示すキャリブレーション方程式を用いて、前記測定工程で測定された温度及び前記空間の圧力に基づいて実際のウエハ温度を決定する決定工程と、
希望ウエハ温度を保つため、前記実際のウエハ温度と希望ウエハ温度の差に応じてウエハとチャックの間の熱伝導が変化するように、自動的に圧縮ガスのガス圧を変化させる工程と、
を備えたことを特徴とする温度制御方法。 - 前記温度センサは、ウエハ下方の空間に満たされたガスにおいて温度を測定する温度プローブを含むことを特徴とする請求項1に記載の温度制御方法。
- 前記ウエハとチャックの間のガス圧を測定する工程と、
希望ウエハ温度以上に測定ウエハ温度が上昇したときには、測定圧力に関してウエハとチャックの間のガス圧を上げ、希望ウエハ温度以下に測定ウエハ温度が低下したときには、測定圧力に関してそのガス圧を下げることにより、希望ウエハ温度を保つ工程と、
を備えることを特徴とする請求項2に記載の温度制御方法。 - ウエハとチャックの間の無ガス圧状態を保っている間、ウエハに隣接したプラズマ環境内でウエハをプレヒートする工程をさらに備えたことを特徴とする請求項1に記載の温度制御方法。
- 抵抗加熱によりウエハをプレヒートする工程をさらに備えたことを特徴とする請求項1に記載の温度制御方法。
- ウエハとチャックの間を0〜2トールの間のガス圧にしながらウエハをプレヒートする工程をさらに備えたことを特徴とする請求項1に記載された温度制御方法。
- 前記自動的圧力変化工程において、ガス圧を2〜25トールの間から変化させることを特徴とする請求項1に記載の温度制御方法。
- 前記自動的圧力変化工程において、ガス圧が4トール以上に維持されることを特徴とする請求項7に記載の温度制御方法。
- 前記自動的圧力変化の工程において、ウエハの温度は250℃から400℃に維持されることを特徴とする請求項1に記載の温度制御方法。
- ガス圧を変化させることにより第2希望ウエハ温度にウエハ温度を変える工程を更に備えたことを特徴とする請求項1に記載の温度制御方法。
- ガス圧を下げることによって前記第2希望ウエハ温度までウエハの温度を上昇することを特徴とする請求項10に記載された温度制御方法。
- 処理中のウエハの温度を制御する温度制御装置であって、
ウエハをマウントできるチャックと、
ウエハ下面とチャックとの間の空間に圧縮ガスを導くガス供給路と、
希望ウエハ温度を保つため、実際のウエハ温度と希望ウエハ温度の差に応じてウエハとチャック間の熱伝導が変化するように、ウエハとチャックの間のガス圧を自動的に変化させるガス圧アジャスタと、
ウエハの下面にて温度を測定する温度センサと、
を備え、
前記ガス圧アジャスタは測定されたウエハ温度に応じてガス圧を変化させ、前記温度センサは、ウエハの下方の空間に満たされたガス内に配置された温度プローブを含み、
前記装置は、実際のウエハ温度と前記温度センサで測定した温度との関係を示すキャリブレーション方程式を用いて、前記温度プローブによって測定された温度及び前記空間の圧力に基づいて前記実際のウエハ温度を決定するコントローラを更に備えることを特徴とする温度制御装置。 - 前記温度センサは、前記チャックを通って延びる通路に配置され、該通路は前記ウエハの下面に面する前記チャックの表面に開口を形成することを特徴とする請求項12に記載の温度制御装置。
- 更にウエハとチャック間のガス圧を測るための圧力センサを有し、
前記ガス圧アジャスタは、
希望ウエハ温度以上に前記実際のウエハ温度が上がったときには、圧力センサにより測定された圧力に応じてガス圧を上げ、希望ウエハ温度以下に前記実際のウエハ温度が下がったときには、圧力センサにより測定された圧力に応じてガス圧を下げることにより、希望ウエハ温度を維持することを特徴とする請求項12に記載された温度制御装置。 - 前記温度センサは物理的にウエハに接触しない非接触プローブを含むことを特徴とする請求項12に記載された温度制御装置。
- 前記ガス圧アジャスタは、2〜25トールのガス圧の範囲内で、希望ウエハ温度を維持することを特徴とする請求項12に記載された温度制御装置。
- 250℃から400℃の間の範囲で希望ウエハ温度を維持することを特徴とする請求項12に記載された温度制御装置。
- 前記チャックは、静電力によりウエハをチャックに固定する静電クランピング機構を含むことを特徴とする請求項12に記載された温度制御装置。
- プラズマ反応チャンバの一部を形成することを特徴とする請求項12に記載された温度制御装置。
- 前記温度センサは、プローブを含み、該プローブの一端はウエハの下面に対して近接していることを特徴とする請求項12に記載の温度制御装置。
- 前記温度センサはプローブを含み、該プローブの一端は、ウエハの下面から離間し、ウエハの下面と開空間によって隔てられていることを特徴とする請求項12に記載の温度制御装置。
- 前記チャックは、プラズマエッチングの反応チャンバまたはCVD装置に配置されることを特徴とする請求項12に記載の温度制御装置。
- 更に、抵抗ヒータを前記チャック内に含むことを特徴とする請求項12に記載の温度制御装置。
- コントローラは、ウエハとチャックの間の希望ガス圧を維持するように前記ガス圧アジャスタを動作させることを特徴とする請求項12に記載の温度制御装置。
- 前記温度センサは、直径340μmの繊維で形成された温度プローブを含むことを特徴とする請求項12に記載の温度制御装置。
- 前記温度センサは、リンをドープした先端部をウエハの下面に近接した位置に有する繊維によって形成された温度プローブを含むことを特徴とする請求項12に記載の温度制御装置。
- 前記温度センサは、ウエハの下面に近接した熱放射性の先端を有する繊維によって形成された温度プローブを含むことを特徴とする請求項12に記載の温度制御装置。
- 前記温度センサは、ウエハの下面から5/1000インチ以内の位置に先端を有するプローブを含むことを特徴とする請求項12に記載の温度制御装置。
- 前記温度センサによって測定された温度に対応するデータに基づいて前記実際のウエハ温度を決定するために、前記空間内のガス圧に対して前記温度センサによって測定された温度と、実際のウエハ温度との相関関係を表わす前記キャリブレーション方程式を利用するコントローラを含むことを特徴とする請求項12に記載の温度制御装置。
- 前記コントローラは、決定した前記実際のウエハ温度を前記希望ウエハ温度を表わす設定値と比較し、決定した前記実際のウエハ温度が前記設定値に等しくない場合には、ウエハとチャックとの間のガス圧を変更するように前記ガス圧アジャスタを動作させることを特徴とする請求項29に記載の温度制御装置。
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