JP4099511B2 - ステージおよびシリコンウエハ基板の温度計測法 - Google Patents
ステージおよびシリコンウエハ基板の温度計測法 Download PDFInfo
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Description
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステージの下部に加熱のためのランプヒータを装備したシリコンウエハ基板を保持するためのステージであって、シリコンウエハ基板に非接触でシリコンウエハ基板温度計測機能を有したステージに関する。
【０００２】
本発明のステージは、シリコンウエハ基板１枚が係止された状態で当該シリコンウエハ基板に接触することなく当該シリコンウエハ基板上の少なくとも１点の温度を連続的に計測するものである。
【背景技術】
【０００３】
従来、シリコンウエハ基板の温度を計測する技術として、熱電対による接触計測法および放射温度計による非接触計測法があった。
【０００４】
熱電対による一般的な温度計測法は特許文献３に記載されているので略す。特に熱電対をステージヘ配設する方法が特許文献１に開示されている。
【０００５】
特許文献１には、試料表面温度と熱電対での制御温度が等しい昇温脱離分析装置を提供するために、試料ステージの少なくとも上部を高熱伝導性材料で形成し、熱電対および試料表面をそれぞれ試料ステージに接触させることにより熱伝導で加熱し、試料ステージとの温度差をなくす方法がある。この方法の実施例として、試料ステージの上部と下部を石英で製作し、赤外線ランプを使用して加熱した例の記載がある。また、シリコンウエハの温度を直接計測する方法としては、特許文献２に有る様に、ステージを貫通して上下動可能に設けられた複数のシリコンウエハピンの先端に熱電対を設けて行う方法がある。
【０００６】
また、熱電対を接触配設したダミーウエハをもちいる方法もあるが、実際の被プロセスウエハとダミーウエハとの温度差を較正が容易でなく実用面で問題があった(特許文献４および５参照)。
【０００７】
従来技術によるこれらいずれの熱電対による接触計測法では、測定点は容易に移動する事が不可能であった。
【０００８】
一方、放射温度計による被接触計測法による方法も問題があった。それは、従来の放射温度計では、特にシリコンウエハ基板を加熱する目的のヒータを内蔵したステージにあっては、シリコンウエハ基板が赤外線透過体であるために、特定の赤外線を検出する必要があり、このため、蛍石を原料とした赤外線透過窓が必要であったが、高価なばかりか、例えば、高腐食性蒸気に触れる環境下での蛍石の分解によるＣａのコンタミネーションの問題があった。
【０００９】
また特許文献１に記載の方法では、石英の場合、赤外線透過体であるために、熱電対が赤外線を感知するために、透過赤外線により温度モニター用熱電対が試料よりも高温になるなどの問題があった。
【００１０】
また特許文献２に記載の方法では、シリコンウエハ基板の温度計測のために常に熱電対がシリコンウエハに接触する必要があり、このために昇温・降温時に熱膨張の差から熱電対とシリコンウエハの接触部に擦れが起き、コンタミネーションの発生、及び歩留まり低下の原因になるパーティクル発生などの問題があった。
【００１１】
すなわち、ランプヒータを使ったチャンバーで、侵食性のあるガス中で、透過率の高い処理物の温度を計測することは非常に難しかった。
【００１２】
一つ目に、ランプヒータの特徴に起因する問題がある。ランプヒータは、その光源から発する光を処理物に到達させることによってその処理物に熱を与えるという特徴を持つ。光で熱を与えるというその特徴ゆえに、処理物特有の光の受け方により発熱が異なるということが発生する。例えば、半導体ウエハとアルミ板では同じ量の光を受けても、発熱量が異なり、温度が異なる。即ち、アルミ製チャンバー中に置いた半導体ウエハ処理物に対してランプ加熱の光を放射した場合、半導体ウエハの温度とアルミチャンバーの温度は異なる。従って、アルミチャンバーの温度を測ったからといって、半導体ウエハの温度を計測したことにはならない。
【００１３】
二つ目に、赤外線温度計を使っての測定が実質的には不可能だという問題がある。上記の一つ目の問題で述べた「半導体ウエハの温度とアルミチャンバーの温度は異なる」という問題点を解決すべく、赤外線温度計により、半導体ウエハを直接温度計測するという考えを思いつくが、温度計測対象が半導体ウエハという極めて赤外線の透過性の高い処理物であることから、赤外線温度計では温度が計測できないことが明らかになった。
【００１４】
三つ目に、侵食性ガスの影響下の問題がある。赤外線温度計の利用ができないことから、熱電対を使っての計測が必須となるが、この場合も、上記一つ目の問題点があることより、チャンバーに熱電対を付着させて測った温度は半導体ウエハの温度を示しているとは言えない。一方、処理物に直接熱電対を付着させて温度計測することは、処理の度に熱電対を付着したり取り外したりする作業が必要となり、処理速度が求められる現場になじまず、非現実的である。又、この熱電対がチャンバー内で侵食性のあるガス環境にさらされることにより、極めて早い時期に破壊されてしまうという問題がある。又、ガスにより熱電対が反応を起こすことで、パーティクルを生じ、それが処理物に付着して汚染を起こすという問題もある。
【００１５】
四つ目に、プロセス進行中に計測対象の表面が変化し、かかる変化に伴って半導体ウエハの表面放射率が変化することがあるため、放射率を固定して温度換算すると誤差を生むことである。放射率の変化は極端な場合、０．２程度から０．８程度まで大きく変化するケースもある。そのため、１０００℃レベルで１０％もの誤差になる場合もある。
【特許文献１】
特願２０００−０４５８３８号公報
【特許文献２】
特願平８−１７２３９２号公報
【特許文献３】
特許第３４６８３００号公報
【特許文献４】
特許第３６６３０３５号公報…点在する凹部を形成したダミーウエハ
【特許文献５】
特許第２９８４０６０号公報…内部に細長いキャビティを有するウエハ基板
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は、従来の熱電対による接触計測法、放射温度計による被接触計測法のそれぞれの欠点を克服した温度計測法の提案を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明では、熱電対をうまくもちいた温度計測法を提案し、その計測法を実現するステージを提案する。すなわち、本発明のステージは以下のようである。
【００１８】
ランプヒータの上部に取り付けたシリコンウエハ基板１枚を係止するためのステージに、前記シリコンウエハ基板に対向する面の裏側にウエハ小片を貼り付けた温度検出のための熱電対を、前記シリコンウエハ基板に触れないように前記ステージに少なくとも１つ埋め込み、前記ウエハ小片の温度を計測し、前記シリコンウエハ基板と前記ウエハ小片との閲の熱学的質量差に基づく温度の経時変化の差異を事前に知る事で、前記温度の経時変化の差異を補正して前記シリコンウエハ基板の温度を計測することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によると、ランプヒータの影響を受けることなく、シリコンウエハ基板に非接触、且つ、オゾンガスにも触れることなくシリコンウエハ基板の温度を検知できる機能を備え、シリコンウエハ１枚を係止できるシリコンウエハ基板用のステージを提供する事ができる。
【００２０】
また、温度を計測すべきシリコンウエハ基板と同一組成のウエハ小片を取り付けた熱電対をシリコンウエハ基板と対向する向きに複数個直線状に空洞内に配置することで、シリコンウエハの１次元温度情報を直接同時刻的に得る事ができ、このデータを基にシリコンウエハ面内の温度分布を推定できるばかりか、ヒータの情報を排除し、より正確な反応場の温度を低コストで得る事ができる。
【００２１】
また、本方法は、石英を犯さないガス・薬剤を用いた反応系の温度計測に用いることができ、応用性がある。
【００２２】
また、本発明を用いる事で、コンタミネーションを発生することなく温度検出することが可能になった。
【００２３】
また、ランプヒータの上部に取り付けたシリコンウエハ基板１枚を係止するためのステージ若しくはランプヒータの発光開放部側の石英等のエンクロージャーに溝を掘り、埋め込もうとする熱電対が侵食性のあるガスに触れないような構造をとる。その際、上述の課題の一つ目に挙げた問題点に対処するため、対処物と同等のものを熱電対に貼り付けるものとする。処理物が半導体ウエハであれば、熱電対を貼り付ける対象はウエハ小片になる。
【００２４】
こうして、処理物と同等物の切片に熱電対が取り付けられたデバイスが、石英製ステージ等のランプ光透過性物質の中に埋め込まれることにより、処理物が受けるのと同量の光量を受け、同程度の温度を発し、これに取り付けられた配線を経由して温度を計測することが可能になる。
【００２５】
また、埋め込み構造をとっていることにより、侵食性のガスの影響も受けないし、パーティクルを処理室に撒き散らすこともない。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】 本発明の一実施形態における温度観測機能を備えたシリコンウエハ基板用のステージの上面図。
【図２】 本発明の一実施形態における温度観測機能を備えたシリコンウエハ基板用のステージを空洞２の中心を通る線に垂直に切った時の断面図。
【図３】 本発明の一実施形態における温度観測機能を備えたシリコンウエハ基板用のステージの上面図であり、熱電対保護のためのＰＦＡ管とＰＴＦＥ継ぎ手の接続の概要を示すために空洞部を拡大した図。
【図４】 本発明の第一の実施形態における温度観測機能を備えたシリコンウエハ基板用のステージ上に温度観測機能を備えたシリコンウエハを保持し温度補正を可能ならしめる構成において、シリコンウエハ基板用のステージの空洞２の中心を通る線に垂直に切った時の断面図。
【図５】 本発明の第二の実施形態における１次元温度観測機能を備えたシリコンウエハ基板用のステージの上面図。
【図６】 本発明の第三の実施形態における２次元温度観測機能を備えたシリコンウエハ基板用のステージを熱電対の半分の深さで切った時の上面図。
【図７】 本発明の第三の実施形態における２次元温度観測機能を備えたシリコンウエハ基板用のステージを線Ａ−Ａ'で切った時の断面図。
【図８】 本発明の実施によるシリコンウエハ基板温度及びウエハ小片の実測結果の１例。
【図９】 本発明の実施によるシリコンウエハ基板温度の実測結果の１例。
【符号の説明】
【００２７】
１ シリコンウエハ基板用のステージ
２ 直方体空洞部
３ ウエハ小片
４ 熱電対
５ ポリイミド接着剤
６ 熱電対リード線
７ シリコンウエハの支持体
８ シリコンウエハ係止用の突起
９ シリコンウエハ
１０ ＰＴＦＥ継ぎ手
１１ ＰＦＡチューブ
１２ Ｏ−リング
１３ 石英綿
１４ ペンレコーダ
１５ 端子
１６ ランプヒータ
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明の一実施形態として以下のように述べるが、本発明の実施形態はこの例にある場合に限らない。
【００２９】
本発明の熱電対を取り付けるにあたり、直径３１０ｍｍ × 厚さ８ｍｍの円盤状の石英製ステージ側面のうち１点から前記ステージに平行且つ直線状に延びる直方体の空洞(長さ１５５ｍｍ × 幅５ｍｍ × 高さ５ｍｍ)を設けた。株式会社テックジャム社製−熱電対Ｋ１０４を測定対象シリコンウエハ基板と同一の組成及び厚さからなる長さ３ｍｍ × 幅３ｍｍ × 厚さ０．７６ｍｍのウエハ小片のおもて面にポリイミド接着剤０．５ｃｃを用いて接着し、ポリイミド接着剤を熱硬化させた後に前記空洞の中心部に該ウエハ小片のおもて面の熱電対がランプヒータと反対を向く様に置き、前記熱電対のリード線を所定の場所に設置した横河電気製３０２３２３ペンレコーダの所定の端子に接続する。 また、前記空洞の中の前記ウエハ小片付き熱電対以外の空間に石英綿を充填し、前記ウエハ小片付き熱電対のリード線を出す目的でＰＴＦＥ継ぎ手をフッ素ゴム製Ｏ−リングを介して空洞出口に密着して装着し、前記ウエハ小片付き熱電対のリード線を保護するために内径２ｍｍのＰＦＡチューブを前記ＰＴＦＥ継ぎ手に挿入し、前記ＰＦＡチューブ内に前記ウエハ小片付き熱電対のリード線を入れ、所定の場所に設置した横河電気製３０２３２３ペンレコーダの所定の端子に接続する。こうする事で、空洞内の空気の影響を少なくすると共に、前記ウエハ小片付き熱電対リード線を外部衝撃や雰囲気から守り、前記ＰＦＡ配管で外気と通ずることで温度変化時の空洞内の圧力変化を排除でき、安全性が増す。
【００３０】
また、石英製ステージの空洞が貫通構造である場合に、複数の前記ウエハ小片付き熱電対をシリコンウエハ基板の任意の位置に対応して配置する事が出来、１次元計測ができる。
【００３１】
図面を用いて本発明の実施形態を説明する。
【００３２】
図１は、本発明の一実施形態である温度計測機能を備えたシリコンウエハ基板用のステージの上面図であり、シリコンウエハ基板用のステージ１に形成した直方体形状の空洞である直方体空洞部２の内部に、シリコンウエハ９の裏面に対向して設置した温度測定用の熱電対４がある。当該熱電対４の裏面に前記ウエハ小片３がポリイミド接着剤５を介して取り付けられている。当該熱電対４から延びる一対の熱電対リード線６がシリコンウエハ基板用のステージ１の外に延びるステージ表面には、シリコンウエハ９を支持するためのシリコンウエハの支持体７とシリコンウエハを係止するためのシリコンウエハ係止用の突起８がある。
【００３３】
図２は、本発明の一実施形態における温度計測機能を備えたシリコンウエハ基板用のステージ１を直方体空洞部２の中心を通る線に垂直に切った時の断面図であり、シリコンウエハ９を支持する突起であるシリコンウエハの支持体７とシリコンウエハ係止用の突起８とシリコンウエハ９とランプヒータ１６との関係を示す。熱電対４が接触配設されたウエハ小片３のおもて面が、ランプヒータ１６と反対の面を向いている事が分かる。この様に配置する事で、ウエハ小片３がシリコンウエハ９と同じ組成及び厚さであるので概ね熱伝播係数は同じであるがウエハ小片３の面積はシリコンウエハ９の約５０分の１であって熱熱容量が小さい事、及びシリコンウエハ９に比べてシリコンウエハのウエハ小片３がランプヒータ１６に近いのでシリコンウエハ９に達するよりもわずかながら多くの熱が照射される事という違いがあるが、シリコンウエハ９が置かれた状態を、シミュレートできる。
【００３４】
図３は、本発明の一実施形態における温度検出機能を備えたシリコンウエハ基板用のステージ１の上面図であり、熱電対リード線６の保護のためのＰＦＡチューブ１１とＰＴＦＥ継ぎ手１０の接続の概要を示すために直方体空洞部２を拡大した図である。熱電対４の裏面に前記ウエハ小片３がポリイミド接着剤５を介して取り付けられた状態で空洞に配置し、直方体空洞部２の残りの空間に石英綿１３を充填した。この時、熱電対４から伸びる一対の熱電対リード線６を、Ｏ−リング１２を介して直方体空洞部２に密着して取り付けたＰＴＦＥ継ぎ手１０に通したＰＦＡチューブ１１の内部を通してシリコンウエハ基板用のステージ１の外へ導き、所定の場所に設置したペンレコーダ１４の所定の端子１５に接続する。
【００３５】
図４は、本発明の第一の実施形態における温度検出機能を備えたシリコンウエハ基板用のステージ１の断面図である。シリコンウエハ基板用のステージ１には、熱電対４を収容するための直方体空洞部２が設けられている。この直方体空洞部２は、中心部までの長さを有する事を特徴とし、シリコンウエハ基板用のステージ１のどこにあっても良い。この直方体空洞部２に、１個の熱電対４を接触配設したウエハ小片３を直方体空洞部２の中心近くに置き、熱電対リード線６を直方体空洞部２からシリコンウエハ基板用のステージ１の外に出し、所定の所にあるペンレコーダ１４の端子１５に接続する。また、シリコンウエハ基板用のステージ１上には、熱電対４をウエハ小片３上の熱電対４と同軸になる様に配置してポリイミド接着剤５で固定したシリコンウエハ９がシリコンウエハの支持体７上且つ突起８の内側に置かれている。このシリコンウエハ９上の熱電対４から伸びるリード線６をシリコンウエハ基板用のステージ１の外に出し、所定の所にあるペンレコーダ１４の端子１５に接続する。この様にして、シリコンウエハ９とシリコンウエハ９と同一の組成及び厚さからなるウエハ小片３との間の温度計測上の補正を可能にする。
【００３６】
図５は、本発明の第二の実施形態における温度検出機能を備えたシリコンウエハ基板用のステージ１の上面図である。シリコンウエハ基板用のステージ１には、熱電対４を収容するための直方体空洞部２が設けられている。この直方体空洞部２は、貫通している事を特徴とし、シリコンウエハ基板用のステージ１のどこにあっても良い。この直方体空洞部２に、３個の熱電対４を等間隔且つ一つの熱電対４が直方体空洞部２の中心にくるように置き、熱電対リード線６を直方体空洞部２からシリコンウエハ基板用のステージ１の外に出し、所定の所にあるペンレコーダ１４の端子１５に接続する。この様にして、一度に任意の多点の１次元温度情報を得る事ができる。
【００３７】
図６は、本発明の第三の実施形態における温度検出機能を備えたシリコンウエハの基板用ステージ１の上面図である。
【００３８】
温度計測用の熱電対４を５つ、８インチシリコンウエハ９に埋め込み、その後ポリイミド接着剤５で封止し、これらの熱電対４の付いたシリコンウエハ９を前記シリコンウエハ基板用のステージ１に密着配設するための窪みを形成し、これらの熱電対４の付いたシリコンウエハ９を前記シリコンウエハ基板用のステージ1に密着配設後に窪み内の隙間をポリイミド接着剤５で埋め戻して封止し、ステージとしたものである。一度に任意の多点の２次元温度情報を得る事ができる。
【００３９】
図７は、図６の２次元温度計測のために多数の熱電対４をシリコンウエハ９に埋め込んだシリコンウエハ基板用のステージ１を図５のＡ−Ａ'の線に沿って切った時の断面図である。熱電対４を埋め込んだシリコンウエハ９とシリコンウエハ基板用のステージ１の本体の関係が分かる。
【実施例】
【００４０】
以下実施例を用いてさらに具体的に説明する。
【実施例１】
【００４１】
図８は、シリコンウエハ９と同じ組成及びシリコンウエハ９と同じ厚さ及びシリコンウエハのウエハ小片３の面積がシリコンウエハ９の約５０分の１のウエハ小片３とシリコンウエハ９との間の温度プロファイルの違いを計測するために、図４のシリコンウエハ基板用のステージ１において、シリコンウエハ９と同じ組成及びシリコンウエハ９と同じ厚さ及びウエハ小片３の面積がシリコンウエハ９の約５０分の１のウエハ小片３に１つの熱伝対をウエハ小片３のおもて面に接触配設させたものを空洞２内のステージ中央にランプヒータ１６と反対を向くように配し、１ミクロンメートルの厚さのポジレジストを８インチ直径のＰ型００１面方位のシリコンウエハ９の片面に塗布、乾燥、硬化後、シリコンウエハ９の中央に熱伝対４をポリイミド接着剤５を介して接触配設したシリコンウエハ９をシリコンウエハ基板用のステージ１に載せ３００℃で昇温した後、降温し、シリコンウエハ基板温度の変化をシリコンウエハ投入直後から７０秒まで連続的にプロットしたものである。図８のプロットにおいて、ウエハ小片３の温度プロファイルは点線で示され、３のマーキングがある。一方、図８のプロットにおいて、シリコンウエハの温度プロファイルは実線で示され、９のマーキングがある。同様の計測を１６回繰り返したが、同様の傾向が見られ、シリコンウエハ９とシリコンウエハ９と同じ組成及びシリコンウエハ９と同じ厚さ及びシリコンウエハのウエハ小片３の面積がシリコンウエハの９の約５０分の１のシリコンウエハのウエハ小片３との間の温度プロファイルに相関関係があり、シリコンウエハ９と同じ組成及びシリコンウエハ９と同じ厚さ及びシリコンウエハのウエハ小片３の面積がシリコンウエハ９の約５０分の１のシリコンウエハのウエハ小片３の温度を計測すれば、シリコンウエハ９の温度を知ることが出来るという事が分かった。
【実施例２】
【００４２】
図９は、図３のシリコンウエハ基板用のステージ１を使用して、１ミクロンメートルの厚さのポジレジストを８インチ直径のＰ型００１面方位のシリコンウエハ９の片面に塗布したサンプルをシリコンウエハ基板用のステージ１に載せ３００℃まで昇温した後降温し、シリコンウエハ基板温度の変化をシリコンウエハ投入直後から連続的にプロットしたものであり、昇温から降温までの全過程にわたりモニターできているのが分かる。７枚繰り返してシリコンウエハ基板温度検出能力を確認したが、いずれも結果は良好であった。
【０００１】
本発明は、ステージの下部に加熱のためのランプヒータを装備したシリコンウエハ基板を保持するためのステージであって、シリコンウエハ基板に非接触でシリコンウエハ基板温度計測機能を有したステージに関する。
【０００２】
本発明のステージは、シリコンウエハ基板１枚が係止された状態で当該シリコンウエハ基板に接触することなく当該シリコンウエハ基板上の少なくとも１点の温度を連続的に計測するものである。
【背景技術】
【０００３】
従来、シリコンウエハ基板の温度を計測する技術として、熱電対による接触計測法および放射温度計による非接触計測法があった。
【０００４】
熱電対による一般的な温度計測法は特許文献３に記載されているので略す。特に熱電対をステージヘ配設する方法が特許文献１に開示されている。
【０００５】
特許文献１には、試料表面温度と熱電対での制御温度が等しい昇温脱離分析装置を提供するために、試料ステージの少なくとも上部を高熱伝導性材料で形成し、熱電対および試料表面をそれぞれ試料ステージに接触させることにより熱伝導で加熱し、試料ステージとの温度差をなくす方法がある。この方法の実施例として、試料ステージの上部と下部を石英で製作し、赤外線ランプを使用して加熱した例の記載がある。また、シリコンウエハの温度を直接計測する方法としては、特許文献２に有る様に、ステージを貫通して上下動可能に設けられた複数のシリコンウエハピンの先端に熱電対を設けて行う方法がある。
【０００６】
また、熱電対を接触配設したダミーウエハをもちいる方法もあるが、実際の被プロセスウエハとダミーウエハとの温度差を較正が容易でなく実用面で問題があった(特許文献４および５参照)。
【０００７】
従来技術によるこれらいずれの熱電対による接触計測法では、測定点は容易に移動する事が不可能であった。
【０００８】
一方、放射温度計による被接触計測法による方法も問題があった。それは、従来の放射温度計では、特にシリコンウエハ基板を加熱する目的のヒータを内蔵したステージにあっては、シリコンウエハ基板が赤外線透過体であるために、特定の赤外線を検出する必要があり、このため、蛍石を原料とした赤外線透過窓が必要であったが、高価なばかりか、例えば、高腐食性蒸気に触れる環境下での蛍石の分解によるＣａのコンタミネーションの問題があった。
【０００９】
また特許文献１に記載の方法では、石英の場合、赤外線透過体であるために、熱電対が赤外線を感知するために、透過赤外線により温度モニター用熱電対が試料よりも高温になるなどの問題があった。
【００１０】
また特許文献２に記載の方法では、シリコンウエハ基板の温度計測のために常に熱電対がシリコンウエハに接触する必要があり、このために昇温・降温時に熱膨張の差から熱電対とシリコンウエハの接触部に擦れが起き、コンタミネーションの発生、及び歩留まり低下の原因になるパーティクル発生などの問題があった。
【００１１】
すなわち、ランプヒータを使ったチャンバーで、侵食性のあるガス中で、透過率の高い処理物の温度を計測することは非常に難しかった。
【００１２】
一つ目に、ランプヒータの特徴に起因する問題がある。ランプヒータは、その光源から発する光を処理物に到達させることによってその処理物に熱を与えるという特徴を持つ。光で熱を与えるというその特徴ゆえに、処理物特有の光の受け方により発熱が異なるということが発生する。例えば、半導体ウエハとアルミ板では同じ量の光を受けても、発熱量が異なり、温度が異なる。即ち、アルミ製チャンバー中に置いた半導体ウエハ処理物に対してランプ加熱の光を放射した場合、半導体ウエハの温度とアルミチャンバーの温度は異なる。従って、アルミチャンバーの温度を測ったからといって、半導体ウエハの温度を計測したことにはならない。
【００１３】
二つ目に、赤外線温度計を使っての測定が実質的には不可能だという問題がある。上記の一つ目の問題で述べた「半導体ウエハの温度とアルミチャンバーの温度は異なる」という問題点を解決すべく、赤外線温度計により、半導体ウエハを直接温度計測するという考えを思いつくが、温度計測対象が半導体ウエハという極めて赤外線の透過性の高い処理物であることから、赤外線温度計では温度が計測できないことが明らかになった。
【００１４】
三つ目に、侵食性ガスの影響下の問題がある。赤外線温度計の利用ができないことから、熱電対を使っての計測が必須となるが、この場合も、上記一つ目の問題点があることより、チャンバーに熱電対を付着させて測った温度は半導体ウエハの温度を示しているとは言えない。一方、処理物に直接熱電対を付着させて温度計測することは、処理の度に熱電対を付着したり取り外したりする作業が必要となり、処理速度が求められる現場になじまず、非現実的である。又、この熱電対がチャンバー内で侵食性のあるガス環境にさらされることにより、極めて早い時期に破壊されてしまうという問題がある。又、ガスにより熱電対が反応を起こすことで、パーティクルを生じ、それが処理物に付着して汚染を起こすという問題もある。
【００１５】
四つ目に、プロセス進行中に計測対象の表面が変化し、かかる変化に伴って半導体ウエハの表面放射率が変化することがあるため、放射率を固定して温度換算すると誤差を生むことである。放射率の変化は極端な場合、０．２程度から０．８程度まで大きく変化するケースもある。そのため、１０００℃レベルで１０％もの誤差になる場合もある。
【特許文献１】
特願２０００−０４５８３８号公報
【特許文献２】
特願平８−１７２３９２号公報
【特許文献３】
特許第３４６８３００号公報
【特許文献４】
特許第３６６３０３５号公報…点在する凹部を形成したダミーウエハ
【特許文献５】
特許第２９８４０６０号公報…内部に細長いキャビティを有するウエハ基板
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は、従来の熱電対による接触計測法、放射温度計による被接触計測法のそれぞれの欠点を克服した温度計測法の提案を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明では、熱電対をうまくもちいた温度計測法を提案し、その計測法を実現するステージを提案する。すなわち、本発明のステージは以下のようである。
【００１８】
ランプヒータの上部に取り付けたシリコンウエハ基板１枚を係止するためのステージに、前記シリコンウエハ基板に対向する面の裏側にウエハ小片を貼り付けた温度検出のための熱電対を、前記シリコンウエハ基板に触れないように前記ステージに少なくとも１つ埋め込み、前記ウエハ小片の温度を計測し、前記シリコンウエハ基板と前記ウエハ小片との閲の熱学的質量差に基づく温度の経時変化の差異を事前に知る事で、前記温度の経時変化の差異を補正して前記シリコンウエハ基板の温度を計測することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によると、ランプヒータの影響を受けることなく、シリコンウエハ基板に非接触、且つ、オゾンガスにも触れることなくシリコンウエハ基板の温度を検知できる機能を備え、シリコンウエハ１枚を係止できるシリコンウエハ基板用のステージを提供する事ができる。
【００２０】
また、温度を計測すべきシリコンウエハ基板と同一組成のウエハ小片を取り付けた熱電対をシリコンウエハ基板と対向する向きに複数個直線状に空洞内に配置することで、シリコンウエハの１次元温度情報を直接同時刻的に得る事ができ、このデータを基にシリコンウエハ面内の温度分布を推定できるばかりか、ヒータの情報を排除し、より正確な反応場の温度を低コストで得る事ができる。
【００２１】
また、本方法は、石英を犯さないガス・薬剤を用いた反応系の温度計測に用いることができ、応用性がある。
【００２２】
また、本発明を用いる事で、コンタミネーションを発生することなく温度検出することが可能になった。
【００２３】
また、ランプヒータの上部に取り付けたシリコンウエハ基板１枚を係止するためのステージ若しくはランプヒータの発光開放部側の石英等のエンクロージャーに溝を掘り、埋め込もうとする熱電対が侵食性のあるガスに触れないような構造をとる。その際、上述の課題の一つ目に挙げた問題点に対処するため、対処物と同等のものを熱電対に貼り付けるものとする。処理物が半導体ウエハであれば、熱電対を貼り付ける対象はウエハ小片になる。
【００２４】
こうして、処理物と同等物の切片に熱電対が取り付けられたデバイスが、石英製ステージ等のランプ光透過性物質の中に埋め込まれることにより、処理物が受けるのと同量の光量を受け、同程度の温度を発し、これに取り付けられた配線を経由して温度を計測することが可能になる。
【００２５】
また、埋め込み構造をとっていることにより、侵食性のガスの影響も受けないし、パーティクルを処理室に撒き散らすこともない。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】 本発明の一実施形態における温度観測機能を備えたシリコンウエハ基板用のステージの上面図。
【図２】 本発明の一実施形態における温度観測機能を備えたシリコンウエハ基板用のステージを空洞２の中心を通る線に垂直に切った時の断面図。
【図３】 本発明の一実施形態における温度観測機能を備えたシリコンウエハ基板用のステージの上面図であり、熱電対保護のためのＰＦＡ管とＰＴＦＥ継ぎ手の接続の概要を示すために空洞部を拡大した図。
【図４】 本発明の第一の実施形態における温度観測機能を備えたシリコンウエハ基板用のステージ上に温度観測機能を備えたシリコンウエハを保持し温度補正を可能ならしめる構成において、シリコンウエハ基板用のステージの空洞２の中心を通る線に垂直に切った時の断面図。
【図５】 本発明の第二の実施形態における１次元温度観測機能を備えたシリコンウエハ基板用のステージの上面図。
【図６】 本発明の第三の実施形態における２次元温度観測機能を備えたシリコンウエハ基板用のステージを熱電対の半分の深さで切った時の上面図。
【図７】 本発明の第三の実施形態における２次元温度観測機能を備えたシリコンウエハ基板用のステージを線Ａ−Ａ'で切った時の断面図。
【図８】 本発明の実施によるシリコンウエハ基板温度及びウエハ小片の実測結果の１例。
【図９】 本発明の実施によるシリコンウエハ基板温度の実測結果の１例。
【符号の説明】
【００２７】
１ シリコンウエハ基板用のステージ
２ 直方体空洞部
３ ウエハ小片
４ 熱電対
５ ポリイミド接着剤
６ 熱電対リード線
７ シリコンウエハの支持体
８ シリコンウエハ係止用の突起
９ シリコンウエハ
１０ ＰＴＦＥ継ぎ手
１１ ＰＦＡチューブ
１２ Ｏ−リング
１３ 石英綿
１４ ペンレコーダ
１５ 端子
１６ ランプヒータ
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明の一実施形態として以下のように述べるが、本発明の実施形態はこの例にある場合に限らない。
【００２９】
本発明の熱電対を取り付けるにあたり、直径３１０ｍｍ × 厚さ８ｍｍの円盤状の石英製ステージ側面のうち１点から前記ステージに平行且つ直線状に延びる直方体の空洞(長さ１５５ｍｍ × 幅５ｍｍ × 高さ５ｍｍ)を設けた。株式会社テックジャム社製−熱電対Ｋ１０４を測定対象シリコンウエハ基板と同一の組成及び厚さからなる長さ３ｍｍ × 幅３ｍｍ × 厚さ０．７６ｍｍのウエハ小片のおもて面にポリイミド接着剤０．５ｃｃを用いて接着し、ポリイミド接着剤を熱硬化させた後に前記空洞の中心部に該ウエハ小片のおもて面の熱電対がランプヒータと反対を向く様に置き、前記熱電対のリード線を所定の場所に設置した横河電気製３０２３２３ペンレコーダの所定の端子に接続する。 また、前記空洞の中の前記ウエハ小片付き熱電対以外の空間に石英綿を充填し、前記ウエハ小片付き熱電対のリード線を出す目的でＰＴＦＥ継ぎ手をフッ素ゴム製Ｏ−リングを介して空洞出口に密着して装着し、前記ウエハ小片付き熱電対のリード線を保護するために内径２ｍｍのＰＦＡチューブを前記ＰＴＦＥ継ぎ手に挿入し、前記ＰＦＡチューブ内に前記ウエハ小片付き熱電対のリード線を入れ、所定の場所に設置した横河電気製３０２３２３ペンレコーダの所定の端子に接続する。こうする事で、空洞内の空気の影響を少なくすると共に、前記ウエハ小片付き熱電対リード線を外部衝撃や雰囲気から守り、前記ＰＦＡ配管で外気と通ずることで温度変化時の空洞内の圧力変化を排除でき、安全性が増す。
【００３０】
また、石英製ステージの空洞が貫通構造である場合に、複数の前記ウエハ小片付き熱電対をシリコンウエハ基板の任意の位置に対応して配置する事が出来、１次元計測ができる。
【００３１】
図面を用いて本発明の実施形態を説明する。
【００３２】
図１は、本発明の一実施形態である温度計測機能を備えたシリコンウエハ基板用のステージの上面図であり、シリコンウエハ基板用のステージ１に形成した直方体形状の空洞である直方体空洞部２の内部に、シリコンウエハ９の裏面に対向して設置した温度測定用の熱電対４がある。当該熱電対４の裏面に前記ウエハ小片３がポリイミド接着剤５を介して取り付けられている。当該熱電対４から延びる一対の熱電対リード線６がシリコンウエハ基板用のステージ１の外に延びるステージ表面には、シリコンウエハ９を支持するためのシリコンウエハの支持体７とシリコンウエハを係止するためのシリコンウエハ係止用の突起８がある。
【００３３】
図２は、本発明の一実施形態における温度計測機能を備えたシリコンウエハ基板用のステージ１を直方体空洞部２の中心を通る線に垂直に切った時の断面図であり、シリコンウエハ９を支持する突起であるシリコンウエハの支持体７とシリコンウエハ係止用の突起８とシリコンウエハ９とランプヒータ１６との関係を示す。熱電対４が接触配設されたウエハ小片３のおもて面が、ランプヒータ１６と反対の面を向いている事が分かる。この様に配置する事で、ウエハ小片３がシリコンウエハ９と同じ組成及び厚さであるので概ね熱伝播係数は同じであるがウエハ小片３の面積はシリコンウエハ９の約５０分の１であって熱熱容量が小さい事、及びシリコンウエハ９に比べてシリコンウエハのウエハ小片３がランプヒータ１６に近いのでシリコンウエハ９に達するよりもわずかながら多くの熱が照射される事という違いがあるが、シリコンウエハ９が置かれた状態を、シミュレートできる。
【００３４】
図３は、本発明の一実施形態における温度検出機能を備えたシリコンウエハ基板用のステージ１の上面図であり、熱電対リード線６の保護のためのＰＦＡチューブ１１とＰＴＦＥ継ぎ手１０の接続の概要を示すために直方体空洞部２を拡大した図である。熱電対４の裏面に前記ウエハ小片３がポリイミド接着剤５を介して取り付けられた状態で空洞に配置し、直方体空洞部２の残りの空間に石英綿１３を充填した。この時、熱電対４から伸びる一対の熱電対リード線６を、Ｏ−リング１２を介して直方体空洞部２に密着して取り付けたＰＴＦＥ継ぎ手１０に通したＰＦＡチューブ１１の内部を通してシリコンウエハ基板用のステージ１の外へ導き、所定の場所に設置したペンレコーダ１４の所定の端子１５に接続する。
【００３５】
図４は、本発明の第一の実施形態における温度検出機能を備えたシリコンウエハ基板用のステージ１の断面図である。シリコンウエハ基板用のステージ１には、熱電対４を収容するための直方体空洞部２が設けられている。この直方体空洞部２は、中心部までの長さを有する事を特徴とし、シリコンウエハ基板用のステージ１のどこにあっても良い。この直方体空洞部２に、１個の熱電対４を接触配設したウエハ小片３を直方体空洞部２の中心近くに置き、熱電対リード線６を直方体空洞部２からシリコンウエハ基板用のステージ１の外に出し、所定の所にあるペンレコーダ１４の端子１５に接続する。また、シリコンウエハ基板用のステージ１上には、熱電対４をウエハ小片３上の熱電対４と同軸になる様に配置してポリイミド接着剤５で固定したシリコンウエハ９がシリコンウエハの支持体７上且つ突起８の内側に置かれている。このシリコンウエハ９上の熱電対４から伸びるリード線６をシリコンウエハ基板用のステージ１の外に出し、所定の所にあるペンレコーダ１４の端子１５に接続する。この様にして、シリコンウエハ９とシリコンウエハ９と同一の組成及び厚さからなるウエハ小片３との間の温度計測上の補正を可能にする。
【００３６】
図５は、本発明の第二の実施形態における温度検出機能を備えたシリコンウエハ基板用のステージ１の上面図である。シリコンウエハ基板用のステージ１には、熱電対４を収容するための直方体空洞部２が設けられている。この直方体空洞部２は、貫通している事を特徴とし、シリコンウエハ基板用のステージ１のどこにあっても良い。この直方体空洞部２に、３個の熱電対４を等間隔且つ一つの熱電対４が直方体空洞部２の中心にくるように置き、熱電対リード線６を直方体空洞部２からシリコンウエハ基板用のステージ１の外に出し、所定の所にあるペンレコーダ１４の端子１５に接続する。この様にして、一度に任意の多点の１次元温度情報を得る事ができる。
【００３７】
図６は、本発明の第三の実施形態における温度検出機能を備えたシリコンウエハの基板用ステージ１の上面図である。
【００３８】
温度計測用の熱電対４を５つ、８インチシリコンウエハ９に埋め込み、その後ポリイミド接着剤５で封止し、これらの熱電対４の付いたシリコンウエハ９を前記シリコンウエハ基板用のステージ１に密着配設するための窪みを形成し、これらの熱電対４の付いたシリコンウエハ９を前記シリコンウエハ基板用のステージ1に密着配設後に窪み内の隙間をポリイミド接着剤５で埋め戻して封止し、ステージとしたものである。一度に任意の多点の２次元温度情報を得る事ができる。
【００３９】
図７は、図６の２次元温度計測のために多数の熱電対４をシリコンウエハ９に埋め込んだシリコンウエハ基板用のステージ１を図５のＡ−Ａ'の線に沿って切った時の断面図である。熱電対４を埋め込んだシリコンウエハ９とシリコンウエハ基板用のステージ１の本体の関係が分かる。
【実施例】
【００４０】
以下実施例を用いてさらに具体的に説明する。
【実施例１】
【００４１】
図８は、シリコンウエハ９と同じ組成及びシリコンウエハ９と同じ厚さ及びシリコンウエハのウエハ小片３の面積がシリコンウエハ９の約５０分の１のウエハ小片３とシリコンウエハ９との間の温度プロファイルの違いを計測するために、図４のシリコンウエハ基板用のステージ１において、シリコンウエハ９と同じ組成及びシリコンウエハ９と同じ厚さ及びウエハ小片３の面積がシリコンウエハ９の約５０分の１のウエハ小片３に１つの熱伝対をウエハ小片３のおもて面に接触配設させたものを空洞２内のステージ中央にランプヒータ１６と反対を向くように配し、１ミクロンメートルの厚さのポジレジストを８インチ直径のＰ型００１面方位のシリコンウエハ９の片面に塗布、乾燥、硬化後、シリコンウエハ９の中央に熱伝対４をポリイミド接着剤５を介して接触配設したシリコンウエハ９をシリコンウエハ基板用のステージ１に載せ３００℃で昇温した後、降温し、シリコンウエハ基板温度の変化をシリコンウエハ投入直後から７０秒まで連続的にプロットしたものである。図８のプロットにおいて、ウエハ小片３の温度プロファイルは点線で示され、３のマーキングがある。一方、図８のプロットにおいて、シリコンウエハの温度プロファイルは実線で示され、９のマーキングがある。同様の計測を１６回繰り返したが、同様の傾向が見られ、シリコンウエハ９とシリコンウエハ９と同じ組成及びシリコンウエハ９と同じ厚さ及びシリコンウエハのウエハ小片３の面積がシリコンウエハの９の約５０分の１のシリコンウエハのウエハ小片３との間の温度プロファイルに相関関係があり、シリコンウエハ９と同じ組成及びシリコンウエハ９と同じ厚さ及びシリコンウエハのウエハ小片３の面積がシリコンウエハ９の約５０分の１のシリコンウエハのウエハ小片３の温度を計測すれば、シリコンウエハ９の温度を知ることが出来るという事が分かった。
【実施例２】
【００４２】
図９は、図３のシリコンウエハ基板用のステージ１を使用して、１ミクロンメートルの厚さのポジレジストを８インチ直径のＰ型００１面方位のシリコンウエハ９の片面に塗布したサンプルをシリコンウエハ基板用のステージ１に載せ３００℃まで昇温した後降温し、シリコンウエハ基板温度の変化をシリコンウエハ投入直後から連続的にプロットしたものであり、昇温から降温までの全過程にわたりモニターできているのが分かる。７枚繰り返してシリコンウエハ基板温度検出能力を確認したが、いずれも結果は良好であった。
Claims (6)
- 放射加熱ランプヒータを有するシリコンウエハ加熱装置内でウエハ基板温度計測用の熱電対をもつ扁平な表面の石英製で円盤状のウエハ基板係止用のステージであって、
前記放射加熱ランプヒータが該ステージの下にあり、
ステージ表面にウエハ基板１枚を係止するためステージと同一の材料からなる複数の突起、
ステージ表面にウエハ基板1枚をステージ表面から所定の高さに保持するため前記ステージと同一の材料からなる複数の支持体、
ステージ側面の少なくとも１点から直線状にステージ表面に平行に延在する少なくとも１つの空洞を有し、
該ウエハ基板と同一組成、該ウエハ基板と同一厚さを有し、該ウエハ基板と所定の面積比を有し、温度を計測するための熱電対をおもて面に備えるウエハ小片、
該ウエハ小片を前記空洞内に該熱電対が該放射加熱ランプヒータに向かない様に配設した事を特徴とするステージ。 - 請求項１に記載の空洞に設置した請求項１に記載の熱電対から延びる１対のリード線を保護する目的で、ＰＦＡチューブを保護管とし、当該ＰＦＡチューブを取り付けるためにＰＴＦＥ製継ぎ手をフッ素ゴム製Ｏ−リングを介して当該空洞に密着させて設置する事を特徴とするステージ。
- 請求項１に記載のウエハ小片と計測すべきウエハ基板との面積比が、５０分の２を超えない事を特徴とするステージ。
- 請求項１に記載の空洞に請求項１に記載の熱電対を所定の位置に設置した後に、残りの空間を石英綿、ＰＴＦＥ綿、ポリイミド綿、又は熱硬化性樹脂で充填する事を特徴とするステージ。
- 請求項１に記載のステージをもちいたシリコンウエハ基板の測温法であって、
ステージ表面上に置いた計測すべきシリコンウエハ基板のダミーウエハに熱電対を接触配設し、
該熱電対の計測温度と、ウエハ小片に接触配設した熱電対の計測温度との差異のデータをあらかじめ採取する事前の工程を有し、
前記の差異のデータとウエハ小片に接触配設した熱電対の計測温度とから計測すべきシリコンウエハ基板の温度を推定することを特徴とするシリコンウエハ基板の温度計測法。 - 上面と下面と、これら上面および下面の縁どうしの間に広がる側面を有し、ウエハ基板を該上面から所定高さ離間した位置に該上面と平行に保持して下面側から加熱されるステージであって、
当該ステージが、前記側面に開口し前記上面と平行に延びる空洞を有し、
熱電対が一面に固定され該熱電対を上にして前記空洞内に配設された、前記ウエハ基板と同一組成のウエハ小片を備えたものであることを特徴とするステージ。
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