JP4053130B2 - 半導体ウエハ処理装置内でペデスタル温度を測定するための装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の背景】
１．発明の分野
本発明は、一般に半導体ウェハ処理チャンバ内の動作状態を測定するために使用される計測器に関し、より詳細には、ペデスタルからの赤外線波長エネルギ放射を検出することによってペデスタル温度を測定する装置に関する。
【０００２】
２．背景技術の説明
半導体ウェハ処理装置において半導体ウェハを処理するために使用される材料とプロセスはきわめて温度に敏感である。こうした材料が不十分な熱安定性又は熱伝導に起因する高温にさらされた場合、最終製品ウェハの歩留まり又は性能が低下することがある。更に、プロセス温度が正しく制御されない場合、ウェハ上に望ましい回路経路を形成するために使用される金属及び合金の沸点を超えることがある。その結果、ウェハとその上の回路が損傷を受ける。ペデスタルはウェハと密着して、ヒートシンク及びウェハ支持具として機能するので、ペデスタルの温度を測定することによってウェハ温度の良好な表示が提供される。
【０００３】
大部分のペデスタルは、一定の水流が余分な熱を除去する水冷陰極ベースとの熱伝導によって冷却されている。ペデスタル温度が、処理中のウェハ温度の良好な基準であることは既成の事実であるので、先行技術ではペデスタル温度を測定する種々の手段が使用されてきた。ペデスタル温度を決定する方法の１つは、陰極ベースの出口で冷却水の温度を測定することである。不都合にも、この方法は、測定された温度がペデスタル温度の基準として正確でもなく時宜を得てもいないという点で制限されている。陰極ベースの水温は、熱が多数の接合点、導管及びヒートシンクを通過した後で測定される。信頼できない遅延データによって適切な帰還制御装置パラメータを決定するため、ウェハ温度を測定するこの技術を使用して温度を安定させることは困難であった。
【０００４】
第２の技術は、ペデスタルに接触する熱電対プローブを配置することによってウェハ処理中にペデスタル温度を直接測定しようと試みるものである。しかし、ペデスタルに直接接触して配置された熱電対プローブは、不都合にもウェハを処理するために使用されるプラズマからのＲＦ干渉にさらされる。従って、このアプローチによっても正確な温度測定を得ることはできない。
【０００５】
第３の技術は温度感知蛍光体センサを使用するものである。センサは、センサに取り付けられた光ファイバケーブルと共にチャンバ内に設置される。蛍光体は蛍光体の温度に依存する蛍光を放射する。この「信号」が監視目的で光ファイバケーブルによって伝送される。
【０００６】
第４の技術は拡散反射分光学を利用するものである。ウェハ表面から反射される光の波長の１つが監視用に選択される。分光計が選択された波長の後方散乱のレベル（特定のエネルギと関連する温度特性を有する）を測定し、ウェハ温度を得る。しかし、第３、第４の技術はどちらもウェハ処理チャンバの過酷な環境で損傷しやすいきわめて高価な機器を使用している。従って、既存の装置は半導体ウェハを処理するために必要かつ望ましいペデスタル温度の正確かつ安定した測定を提供することができない。
【０００７】
従って、当該技術分野では、処理チャンバの環境に耐える比較的単純で丈夫な設計の、ペデスタル温度の正確な実時間測定を提供できる装置の必要性が存在している。
【０００８】
【発明の概要】
先行技術に関連する上記の欠点は、ウェハ処理装置内のペデスタル温度を測定する装置によって克服される。本発明の装置はウェハを支持するペデスタルの下に感知装置及び測定装置を配置する。すなわち、チューブの第１端がペデスタルの底部に接触している。チューブの第２端は、ペデスタルからチューブによって伝えられる赤外線（ＩＲ）エネルギに基づいて温度を測定する市販の温度センサに接続されている。本装置はチューブと温度センサのためのスリーブを有しており、これらの部品を漂遊エネルギ源から隔離している。スリーブはまたセンサとチューブを互いに、且つ処理チャンバに固定している。チューブは、好適にはアルミニウム又はステンレス鋼といった研磨された金属である。遮蔽スリーブはチューブを円筒状に収容しており、好適にはセラミック又は石英製である。適応スリーブは、好適には遮蔽スリーブと同じ材料から製造され、その上部端に軸穴を有している。適応スリーブはまた、遮蔽スリーブの直径よりわずかに大きい直径を有している。従って、適応スリーブはチューブの第２端と遮蔽スリーブを収容している。適応スリーブの下部端の中空ねじ付き取付具は、温度センサと嵌合するために軸穴と軸線にそって嵌合している。温度センサは慣用の方法で赤外線エネルギの大きさを検出及び測定することができる。
【０００９】
動作の際、ウェハとペデスタルが加熱されると、ペデスタルの底部がＩＲエネルギを放射する。ＩＲエネルギはチューブに沿ってＩＲセンサに伝えられる。センサはＩＲエネルギを、ペデスタルの温度を正確に表す電圧に変換する。本発明ではセンサに伝えられるノイズが低減されるので、従来可能であった以上に正確なペデスタル温度の測定を提供する。
【００１０】
本発明の教示は、添付の図面と共に以下の詳細な説明を検討することによって容易に理解できる。
【００１１】
理解を促進するため、可能な場合は、各図面に共通な同一の要素を示すために同一の参照符号が使用される。
【００１２】
【実施形態の詳細な説明】
図１は、組み立てられて定位置にある本発明の装置１０２を有するプラズマ反応チャンバ内のペデスタル組立体１００の部分図を示す。ウェハ処理におけるプラズマ反応チャンバとその動作の詳細な理解のために、読者はＣｈｅｎｇ他への１９８９年６月２７日発行の米国特許第４，８４２，６８３号明細書に含まれている図面と詳細な説明を参照されたい。Ｃｈｅｎｇ他は、カリフォルニア州サンタクララのアプライド マテリアルズ インコーポレイテッドによって製造されたバイアスされた高密度プラズマ反応チャンバを開示している。この装置はウェハをペデスタル組立体１００の上に支持及び保持して、制御された環境内でウェハ（図示せず）の表面のプラズマエッチングを行うことができる。さまざまな他の部品（図示せず）がペデスタル組立体１００上のウェハの移送と保持を支援している。こうした部品には、特に、リフトピン、クランプリング及び外部ロボットブレードが含まれる。更に、さまざまな下位システム（やはり図示せず）が、チャンバ温度、圧力及びパワーを確立及び維持し、エッチング、後処理、自己清浄等のための望ましいプラズマを発生している。
【００１３】
ペデスタル組立体１００には陰極ペデスタルベース１０６によって支持されたペデスタル１０４が含まれている。ペデスタル１０４はウェハ（図示せず）を支持している。このウェハは、面１０５の上にある間に処理される。穴１０８が陰極ペデスタルベース１０６に設けられている。穴１０８によって、装置１０２の見通し線は陰極ペデスタルベース１０６の下のＲＦ囲壁１２８の開口１３０からペデスタル１０４に達するようになる。陰極ペデスタルベース１０６の底面１０７では穴１０８は大きな直径に広げられて、ねじが切られている。穴１０８のねじ付き部分は装置１０２をペデスタルベース１０６に固定するために装置１０２のねじ付き部分に繋がっている。陰極ペデスタルベース１０６とペデスタル１０４の間に配置されたＯリングシール１１１はチャンバ内の真空の保全性を確保し、チャンバ内の雰囲気が装置１０２を汚染するのを防止している。
【００１４】
装置１０２は本質的に２つの主要部品、すなわち導波管１１６と温度センサ１１８とから製作されている。導波管１１６と温度センサ１１８はそれぞれスリーブ１１２及び１２０によって取り囲まれている。これらのスリーブは導波管１１６と温度センサ１１８との間の連続導電通路を遮断し、それによって漂遊電気エネルギがセンサ１１８と結合し、温度測定処理に干渉するのを防止している。すなわち、導波管１１６は、穴１０８の外径よりわずかに小さい外径を有する中空金属チューブ１１４を含んでいる。チューブ１１４は、一方の端部（第１端）が穴１０８に適合されており、陰極ペデスタルベース１０６の上部と面一になるように穴１０８に挿入されている。チューブはそれによって接点１１０でペデスタル１０４の底部と連絡している。好適には、チューブ１１４は、アルミニウム又はステンレス鋼といった、赤外線（ＩＲ）波長で高い反射率を有する金属製である。内面はほぼ鏡面仕上げになるよう研磨され、十分な赤外線放射の伝達を提供する。遮蔽スリーブ１１２は、温度測定に干渉しうる常駐のＲＦエネルギからチューブを隔離すると共に、チューブ１１４をペデスタルベース１０６に固定する働きをしている。
【００１５】
詳細には、遮蔽スリーブ１１２は、ペデスタル１０４と陰極ペデスタルベース１０６の穴１０８の内径と等しい内径を有する絶縁性材料の円筒である。スリーブ１１２の上部端にねじが提供され、陰極ペデスタルベース１０６のねじ付き部分と繋がっている。円筒の絶縁性材料はチューブを近くの他のエネルギ源（すなわち電気ノイズ）から遮蔽するのに適している。この絶縁性材料は好適にはセラミック又は石英である。
【００１６】
導波管１１６は陰極ペデスタルベース１０６と陰極ペデスタルベース１０６の下のＲＦ囲壁１２８の開口１３０を通じて延びている。チューブ１１４のもう一方の端部（第２端）は赤外線温度センサ１１８に接合されている。ＩＲ温度センサ１１８は広い温度範囲（例えば、誤差±０．１℃で０〜５００℃）の正確な測定が可能な何らかの種類のものである。このセンサは、カリフォルニア州サンタクルーズのＲａｙｔｅｋ，Ｉｎｃ．によって製造されたＴｈｅｒｍａｌｅｒｔRＭＩシリーズの小型赤外線温度センサから選択された形式のものである。導波管１１６と温度センサ１１８は２つの開いた端部を有する適応スリーブ１２０によって結合されている。適応スリーブ１２０もまた、局部的ＲＦ干渉からセンサ１１８を遮蔽するために、遮蔽スリーブ１１２の材料と同様の絶縁性材料で製作されている。
【００１７】
適応スリーブ１２０の詳細な断面図を図２（Ａ）に示す。特に、適応スリーブ１２０は、図１の導波管１１６（図２（Ａ）には図示せず）を収容する穴２０２を一方の端部２０６に有している。導波管はスリーブ１２０の周囲に放射状に配置されたばねプランジャ１２２によってスリーブ１２０に固定されている。図２（Ｂ）は、ばねプランジャの配置の好適なパターンを示した、図２（Ａ）の線２Ｂ−２Ｂに沿った適応スリーブ１２０の断面図である。好適には、均等に間隔の開いた３つのプランジャが存在する。スリーブのもう一方の端部２０８は、穴２０２と軸線に沿って当接した、図１のセンサ１１８のねじ付き感知ヘッド（図示せず）を収容しているねじ付き取付具２０４を備えている。センサ１１８はセンサ１１８からプロセスチャンバの外部に配置された処理回路１２６（図１に示す）に信号を伝送するために、ケーブル１２４に接合されている。
【００１８】
上記で論じた構成によって、本発明の装置１０２は、精密な、又は物理的に消耗する計測器を有害なチャンバの環境にさらすことなく、ペデスタル１０４の熱を（ＩＲ放射の形で）検出することができる。導波管１１６は接点１１０から放射されたＩＲエネルギをセンサ１１８の赤外線感知部材に送る。センサはＩＲエネルギを計測器１２６に結合される電気信号に変換する。ペデスタル１０４の高エネルギＲＦと干渉性電気的ノイズは絶縁スリーブ１１２及び１２０によってセンサ１１８及びチューブ１１４から隔離されている。これらのスリーブは導波管１１６と感知部材の間の連続導電通路を遮断し、それによって電気的エネルギが赤外線測定を汚染するのを防止していうる。更に、センサをプラズマから離れた位置に配置することによって、プラズマからセンサに結合される干渉が低減される。更にセンサ１１８と遠隔処理回路１２６を接続するケーブル１２４は遮蔽されており、漂遊信号が入り込むのが防止されている。
【００１９】
処理回路１２６はセンサの測定を監視し、温度制御ユニットのための必要なデータ信号を発生する。従って、温度の読み取り値はきわめて正確で運転パラメータの急速な管理のため実時間で測定される。更に、装置全体が処理チャンバの外に配置されており、可動部品や消耗部品を含んでいない。使用される材料も、製造、設置及び保守の総費用が、当該技術分野で使用されている既知の温度測定装置よりはるかに安価である。
【００２０】
図３は、本発明によって測定されたペデスタル温度とＲＦパワーレベルの時間に対するグラフである。このグラフによって、本発明の装置の実時間温度測定特性が確認される。ＲＦパワーがチャンバに適用される瞬間毎に（ｔ＝ｔ_1,3,5,7,9,11の直線によって示す）、測定されたペデスタル温度のほとんど即時の上昇が存在する。それに対応して、ＲＦパワーがで停止される時も、測定されたペデスタル温度の急速な低下が見られる。
【００２１】
本発明の教示を組み込んださまざまな実施形態を本明細書で詳細に示し説明したが、当業者は、更にその教示を組み込んだ多くの他の異なった実施形態を容易に考案することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の装置を含むウェハ処理チャンバのペデスタル組立体の部分立面図である。
【図２】（Ａ）は、本発明の装置の適応スリーブの詳細断面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）の線２Ｂ−２Ｂに沿って見た本発明の装置の適応スリーブの詳細断面図である。
【図３】ペデスタル温度とＲＦパワーの時間に対するグラフである。

Claims (15)

1. 半導体ウェハ処理装置の処理チャンバ内のペデスタル（１０４）の温度を測定する装置であって、
   （ａ）第１端及び第２端を有し、前記ペデスタル（１０４）から放射された赤外線エネルギを前記第１端から前記第２端に伝えるためのチューブであって、前記第１端の端面全体でのみ前記ペデスタル（１０４）と接触しており、所定の直径を有する中空のチューブ（１１４）と、
   （ｂ）前記チューブの前記第２端に配置され、前記チューブ（１１４）によって伝えられた前記赤外線エネルギに反応して温度を測定するための温度センサ（１１８）と、を備えた装置。
2. 前記ペデスタル（１０４）を支持するためのペデスタルベース（１０６）と、前記チューブ（１１４）を漂遊電気エネルギから遮蔽し且つ前記チューブ（１１４）を前記ペデスタルベース（１０６）に固定するための手段とを更に備えた請求項１に記載の装置。
3. 前記チューブ（１１４）を漂遊電気エネルギから遮蔽し且つ前記チューブ（１１４）を前記温度センサ（１１８）に取り付けるための手段を更に備えた請求項２に記載の装置。
4. 前記チューブ（１１４）を漂遊電気エネルギから遮蔽し且つ前記チューブ（１１４）を前記ペデスタルベース（１１６）に固定するための手段が、前記チューブ（１１４）を取り囲む、前記ペデスタルベース（１０６）の前記ペデスタル（１０４）を支持する面とは反対側の面に嵌合した遮蔽スリーブ（１１２）である請求項３に記載の装置。
5. 前記チューブ（１１４）を前記温度センサ（１１８）に取り付けるための前記手段が、前記遮蔽スリーブ（１１２）と前記チューブの前記第２端とを取り囲む一端（２０６）と、前記温度センサ（１１８）に嵌合した他端（２０８）とを有する適応スリーブ（１２０）である請求項４に記載の装置。
6. 前記遮蔽スリーブ（１１２）が、前記ペデスタルベース（１０６）に配置されたねじ付き穴（１０８）の直径に等しい内径を有する円筒形である請求項４に記載の装置。
7. 前記遮蔽スリーブ（１１２）がセラミックである請求項４に記載の装置。
8. 前記遮蔽スリーブ（１１２）が石英である請求項４に記載の装置。
9. 前記適応スリーブ（１２０）が、遮蔽スリーブ（１１２）を収容するための前記一端（２０６）の軸穴（２０２）と、前記軸穴（２０２）と軸線に沿って当接している他端（２０８）の中空ねじ付き取付具（２０４）とを更に備える請求項５に記載の装置。
10. 前記温度センサ（１１８）の感知ヘッドが、前記適応スリーブ（１２０）の前記中空ねじ付き取付具（２０４）と連絡しているねじを備えている請求項９に記載の装置。
11. 前記チューブ（１１４）が研磨された金属である請求項２に記載の装置。
12. 前記チューブ（１１４）がアルミニウムである請求項１１に記載の装置。
13. 前記チューブ（１１４）がステンレス鋼である請求項１１に記載の装置。
14. 前記温度センサ（１１８）が赤外線温度センサである請求項１に記載の装置。
15. 半導体ウェハ処理装置の処理チャンバ内のペデスタル（１０４）の温度を測定する装置であって、
    （ａ）前記ペデスタル（１０４）を支持するためのペデスタルベース（１０６）と、
    （ｂ）第１端及び第２端を有し、前記ペデスタル（１０４）から放射された赤外線エネルギを前記第１端から前記第２端に伝えるためのチューブであって、前記第１端の端面全体でのみ前記ペデスタル（１０４）と接触して前記ペデスタルベース（１０６）の穴（１０８）を通過している、前記穴（１０８）より小さい直径を有する中空のチューブ（１１４）と、
    （ｃ）前記チューブの前記第２端に配置され、前記チューブ（１１４）によって伝えられた前記赤外線エネルギに反応して前記ペデスタル（１０４）の温度を測定するための、ねじ付き感知ヘッドを有する赤外線温度センサ（１１８）と、
    （ｄ）前記チューブ（１１４）を取り囲み前記ペデスタルベース（１０６）の前記ペデスタル（１０４）を支持する面とは反対側の面に嵌合している、前記チューブ（１１４）を遮蔽し且つ前記チューブ（１１４）を前記ペデスタルベース（１０６）に固定するためのセラミック円筒形遮蔽スリーブ（１１２）と、
    （ｅ）前記チューブ（１１４）を遮蔽し、前記チューブ（１１４）を前記温度センサ（１１８）に取り付けるためのセラミック適応スリーブ（１２０）であって、一端（２０６）に軸穴（２０２）を有し、前記軸穴（２０２）が前記遮蔽スリーブ（１１２）の直径より大きい直径を有し、もって、前記遮蔽スリーブ（１１２）と前記チューブ（１１４）の前記第２端を取り囲み、ねじ付き感知ヘッドと連絡するために他端（２０８）の中空ねじ付き取付具（２０４）が軸上で前記軸穴（２０２）と当接しているセラミック適応スリーブと、
    を備える装置。

Images