JP4497832B2

JP4497832B2 - 半導体製造装置

Info

Publication number: JP4497832B2
Application number: JP2003111034A
Authority: JP
Inventors: 徳昭菊池
Original assignee: Fujitsu Semiconductor Ltd
Current assignee: Fujitsu Semiconductor Ltd
Priority date: 2003-04-16
Filing date: 2003-04-16
Publication date: 2010-07-07
Anticipated expiration: 2023-04-16
Also published as: JP2004319723A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体製造装置に関し、特に半導体装置の製造過程において加工する材料の温度を検出する温度検出機構を備え、検出温度に基づいて温度制御を行って材料を加工する半導体製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の製造に用いられる半導体製造装置の多くは、半導体材料や絶縁材料などを薄膜状に形成したりエッチングしたりするといった加工処理の際に、加工する材料の温度を検出し、その検出温度に基づいて加熱や冷却を行って加工処理温度を制御するようにしている。このように加工処理温度を制御することによって、その材料の加工状態を制御するようにしている。
【０００３】
図４は従来の半導体製造装置の要部断面模式図である。
従来の半導体製造装置１００は、加工する材料１０１が載置される試料台１０２を備え、この試料台１０２の内部に、温度検出用の熱電対１０３が埋め込まれている。熱電対１０３は、温度コントローラ１０４に接続されており、この温度コントローラ１０４は、信号線１０５を介してチラー１０６に接続されている。チラー１０６は、温度コントローラ１０４からの制御信号に基づき、試料台１０２に通じる冷媒循環経路１０７および試料台１０２の内部に設けられた冷媒循環室１０８に冷媒を循環させる。これにより、この半導体製造装置１００は、試料台１０２に載置された材料１０１の温度を制御するようにしている。
【０００４】
例えば半導体製造装置１００が材料１０１に対してプラズマ照射を行うプラズマエッチング装置であれば、そのプラズマ照射によって試料台１０２の温度が設定温度から上昇すると、その温度変化が試料台１０２の内部にある熱電対１０３で検出される。熱電対１０３の検出信号は、温度コントローラ１０４に伝達され、温度コントローラ１０４は、試料台１０２あるいは材料１０１の温度を設定温度に保つよう、循環する冷媒流量を変化させる制御信号をチラー１０６に伝達する。
【０００５】
このように、従来の半導体製造装置は、試料台の温度をその内部に埋め込まれた熱電対によって検出し、それによってその上に載置された材料の温度を把握するような温度検出機構を備え、材料の温度制御を行うようにしている。
【０００６】
これまでには、プラズマエッチングなどの加工処理を行う半導体製造装置において、上部電極に対向して材料が載置される下部電極側に熱電対を埋め込み、材料により近い位置の温度を検出して温度制御を行うようにした提案もなされている（例えば特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−０９３８８３号公報（段落番号［００２３］，図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の半導体製造装置のように熱電対が試料台内部に埋め込まれているような場合には、熱電対が直に材料に接触しているわけではないため、その材料の温度を熱電対で間接的に把握しているにすぎない。そのため、従来の半導体製造装置の温度検出機構では、材料の温度を素早く正確に検出することが難しく、温度制御のアクションに遅れが生じ、それによって材料の加工精度の低下やばらつきが発生するという問題点があった。
【０００９】
通常、熱電対は、半導体製造装置の高周波電力によるノイズを防止するため、その先端を試料台の材料載置面側、例えばプラズマ照射面側などに露出させずに材料載置面から一定の距離を保って試料台内部に配置される。そのため、加工時に、試料台に載置された材料に実際に温度変化が生じても、その温度変化が熱電対に伝わるまでにはある程度の時間を要してしまう。このようなタイムラグが温度制御の遅れを招き、材料の加工状態に影響を及ぼすようになる。
【００１０】
これに対し、あらかじめダミー材料を用いた加工処理を連続して数回行い、加工開始から温度が安定するまでに要する時間あるいは加工処理回数を把握しておき、温度環境が安定してから製品用の加工処理を行うようにするといった手法を採ることも可能である。しかし、加工処理に繰り返し用いられることによって試料台の状態が変化したり、プロセスチャンバ内の温度環境や雰囲気などのプロセス状態が変化したりすれば、温度安定化に要する時間も変化する。そのため、従来の半導体製造装置の温度検出機構では、材料の加工精度の低下やばらつきの発生を完全に防止することは難しく、また、種々の材料を高精度に加工しようとする場合には、温度安定化時間や伝熱スピードなど、それぞれの材料について多大な試験データ収集が必要になる。
【００１１】
このように、これまでは加工する材料の温度を、その材料から離れた位置に配置した熱電対によって間接的に把握していたため、加工処理の際にその材料の温度が変化してもその温度変化を素早く検出することができず、適切な温度制御が行われないまま加工処理を続けてしまい、それによって歩留りが低下してしまう場合もあった。
【００１２】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、加工処理の際に材料の温度を素早く正確に検出できる温度検出機構を備え、材料の加工処理を適切な温度制御下で行える半導体製造装置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】
本発明では上記課題を解決するために、図２に例示する構成によって実現可能な半導体製造装置が提供される。本発明の半導体製造装置は、加工する材料の温度を検出して前記材料を加工する半導体製造装置において、前記材料が載置される試料台と、前記試料台に載置された前記材料を固定するクランプ機構と、前記クランプ機構に内蔵され、先端が前記試料台に載置された前記材料に離接する熱電対と、を有し、前記熱電対は、保護部材によって覆われ、前記試料台に載置された前記材料に接触するときに、前記保護部材内部から進出して前記材料の側へ移動するように構成されていることを特徴とする半導体製造装置が提供される。
【００１４】
このような半導体製造装置２０によれば、試料台２に載置された材料１０を固定するクランプ機構２１に熱電対が保護部材によって覆われて内蔵されていて、この熱電対は、その先端が保護部材内部から進出して試料台２上の材料１０に離接するようになっている。温度を検出する際には、その熱電対の先端を材料１０に直に接触させることにより、その温度が素早く正確に検出されるようになる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
まず第１の実施の形態について説明する。図１は第１の実施の形態の半導体製造装置の要部断面模式図である。
【００１６】
第１の実施の形態の半導体製造装置１は、そのプロセスチャンバ内に、加工する材料１０が載置される試料台２を有し、この試料台２の内部には、載置された材料１０に接し、この材料１０を試料台２の上方へ持ち上げるリフターピン３が設けられている。リフターピン３は、通常は試料台２の材料載置面に待機していて、半導体製造装置１での加工処理後に、材料１０の下面側を支持して材料載置面から突出し、材料１０を試料台２の上方へと持ち上げるようになっている。
【００１７】
このリフターピン３には、材料１０の温度を検出するための熱電対が内蔵されており、その熱電対の後端側は、プロセスチャンバ外に配置された温度コントローラ４に接続されている。温度コントローラ４は、信号線５を介して、プロセスチャンバ外に配置されたチラー６に接続されており、熱電対による温度の検出信号に基づいて温度コントローラ４からチラー６に制御信号が伝達されるようになっている。チラー６は、試料台２に通じる冷媒循環経路７および試料台２の内部に設けられた冷媒循環室８に、温度コントローラ４からの制御信号に応じた流量で冷媒を循環させる。これにより、この半導体製造装置１では、試料台２に載置された材料１０の温度が制御されるようになっている。
【００１８】
ここで、リフターピン３に内蔵された熱電対による温度検出機構について述べる。まず、熱電対は、加工処理の間にその先端が露出しないよう、セラミックなどの絶縁材料を用いて形成された保護部材の内部に収容されている。保護部材の材質は、半導体製造装置１で行われる加工処理の温度環境下において耐熱性を有する絶縁性のものであれば特に制限はない。このように熱電対を保護部材で覆うことにより、熱電対は、その先端が物理的に保護されるとともに、半導体製造装置１で発生する高周波ノイズなどから電気的に保護される。
【００１９】
熱電対が収容される保護部材には、例えばその一部を開閉する蓋が揺動自在に設けられている。また、熱電対は、例えば加工処理前後の適当なタイミングで駆動するモータを利用するなどして、試料台２に載置された材料１０側へ移動したり材料１０から離れる側へ移動したりできるように構成されている。保護部材に蓋が設けられている場合には、その蓋は、熱電対が保護部材内部から材料１０側へ移動することによって押されて開き、逆に熱電対が材料１０から離れる側へ移動して保護部材内部に退避することによって閉じるようになっている。この保護部材に覆われた熱電対は、材料１０側へ移動したときには、その先端が保護部材内部から進出して試料台２に載置された材料１０の下面側に接触するように構成されている。
【００２０】
上記構成の半導体製造装置１で材料１０を加工する際には、最初に、例えば半導体製造装置１に自動的に材料１０が搬送され、試料台２上に材料１０が載置される。次いで、リフターピン３に内蔵された熱電対がそれを覆う保護部材内部から進出して材料１０に接触し、加工処理前の材料１０の温度が検出される。このとき、熱電対による検出温度と温度コントローラ４にあらかじめ設定されている設定温度との間に差が生じていれば、熱電対からの検出信号が温度コントローラ４に伝達され、さらにその検出信号に基づく制御信号が温度コントローラ４からチラー６に伝達される。チラー６は、その制御信号に応じて冷媒循環経路７および冷媒循環室８に循環する冷媒流量を変化させる。半導体製造装置１は、これによって材料１０の温度制御を行う。熱電対による検出温度と設定温度との間に差が認められなければ、冷媒流量を変化させたりせずにそのままの温度状態が維持されるようになる。
【００２１】
材料１０の温度検出後、熱電対は保護部材内部に退避する。半導体製造装置１のプロセスチャンバ内では、材料１０に対し、プラズマエッチングなどの所定の加工処理が施される。この加工処理の間は、熱電対は保護部材に収容されたままで、物理的・電気的に保護される。
【００２２】
加工処理終了後、熱電対は再び保護部材内部から進出して材料１０に接触し、加工処理直後の材料１０の温度が検出され、この温度検出後は、熱電対は再び保護部材内部に退避する。その後、リフターピン３が材料１０を試料台２の上方へと持ち上げ、持ち上げられた材料１０は、別に設けられた搬送アームなどによって次工程へと搬送される。
【００２３】
加工処理後の半導体製造装置１では、加工処理直後の検出温度と設定温度との差から生じる検出信号に基づき、温度コントローラ４とチラー６による加工処理前と同様の温度制御が行われ、次の加工処理の準備がなされる。そして、これとほぼ同時に、試料台２上には新たに加工する材料が搬送され、半導体製造装置１は、上記のように熱電対の先端を加工処理前後の新たな材料に接触させてその温度を検出し、この新たな材料に対する温度制御を行う。
【００２４】
このように、第１の実施の形態の半導体製造装置１では、材料１０に接するリフターピン３に熱電対を内蔵し、温度検出の際にその熱電対の先端を材料１０に直に接触させて温度を検出し、その検出温度に基づいて温度制御を行うようにしたので、材料１０の温度を素早く正確に検出することができる。それにより、材料１０に対してより適切な温度制御が可能になり、材料１０の加工精度の低下やばらつきの発生を抑え、半導体装置の製造過程における歩留りを向上させることができるようになる。
【００２５】
次に第２の実施の形態について説明する。図２は第２の実施の形態の半導体製造装置の要部断面模式図である。ただし、図２では、図１に示した要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。
【００２６】
第２の実施の形態の半導体製造装置２０は、加工する材料１０に接し、この材料１０を試料台２に固定しておくクランプ機構２１を有し、このクランプ機構２１に保護部材で覆われた熱電対が内蔵されている点で、第１の実施の形態の半導体製造装置１と相違し、その他の構成は同じである。熱電対が保護部材に対して進退可能に構成され、さらに、熱電対が試料台２上の材料１０に離接するように構成されている点も同じである。
【００２７】
このような半導体製造装置２０で材料１０を加工する際には、まず、加工する材料１０が試料台２上に搬送され、搬送後の材料１０がクランプ機構２１によって固定される。そして、クランプ機構２１に内蔵された熱電対の先端がそれを覆う保護部材内部から進出して材料１０に直に接触し、加工処理前の材料１０の温度が検出される。検出温度と設定温度との間に差が生じていれば、熱電対からの検出信号が温度コントローラ４に伝達され、温度コントローラ４からの制御信号がチラー６に伝達されて、材料１０の温度が制御される。
【００２８】
材料１０の温度検出後、熱電対は保護部材内部に退避し、半導体製造装置２０のプロセスチャンバ内では、熱電対が保護部材に収容された状態で、材料１０に対して所定の加工処理が施される。加工処理終了後、熱電対は再び保護部材内部から進出して材料１０に接触し、加工処理直後の材料１０の温度が検出され、この温度検出後は熱電対が再び保護部材内部に退避する。その後、クランプ機構２１による材料１０の固定が解除され、材料１０は、別に設けられた搬送アームなどによって次工程へと搬送される。
【００２９】
加工処理後の半導体製造装置２０では、加工処理直後の検出信号に基づき、温度コントローラ４とチラー６による加工処理前と同様の温度制御が行われて次の加工処理の準備がなされ、これとほぼ同時に、試料台２上には新たに加工する材料が搬送される。半導体製造装置２０は、この新たな材料に対して、加工処理前後のクランプ時に熱電対の先端を接触させ、その温度検出と温度制御を行う。
【００３０】
このように、第２の実施の形態の半導体製造装置２０では、材料１０に接するクランプ機構２１に熱電対を内蔵し、温度検出の際にその熱電対の先端を材料１０に直に接触させて温度を検出し、その検出温度に基づいて温度制御を行う。これにより、材料１０の温度を素早く正確に検出して適切な温度制御を行い、材料１０の加工精度の低下やばらつきの発生を抑え、半導体装置の製造過程における歩留りを向上させることが可能になる。
【００３１】
次に第３の実施の形態について説明する。図３は第３の実施の形態の半導体製造装置の要部断面模式図である。ただし、図３では、図１に示した要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。
【００３２】
第３の実施の形態の半導体製造装置は、この半導体製造装置のプロセスチャンバから材料１０を搬送する搬送アーム３１を有している。この搬送アーム３１には熱電対３２が内蔵されていて、熱電対３２は、搬送アーム３１で搬送される材料１０に直に接触し、材料１０の温度を検出できるように構成されている。この熱電対３２は、搬送アーム３１に材料１０が載置されたときに、その先端が材料１０に接触するような位置にあらかじめ設けられている。あるいは、熱電対３２は、搬送アーム３１に材料１０が載置されたときに材料１０側へ移動し、その先端を材料１０の下面側に接触させるように設けられていてもよい。
【００３３】
第３の実施の形態の半導体製造装置のその他の構成は、上記第１，第２の実施の形態の半導体製造装置１，２０と同様である。すなわち、この第３の実施の形態の半導体製造装置は、図３には図示しないが、図１または図２に示したのと同様な試料台、温度コントローラ、信号線、および冷媒循環経路並びに冷媒循環室に冷媒を循環するチラーを有している。その温度コントローラには、搬送アーム３１に内蔵した熱電対３２が接続される。勿論、第３の実施の形態の半導体製造装置は、通常のリフターピンやクランプ機構を備えていてもよく、また、搬送アーム３１とは別の熱電対を内蔵した上記図１，図２に示したリフターピン３やクランプ機構２１を備えていてもよい。
【００３４】
第３の実施の形態の半導体製造装置では、加工処理後の材料１０を搬送アーム３１で搬送する際に、その材料１０に、搬送アーム３１に内蔵された熱電対３２の先端が接触して温度が検出される。熱電対３２からの検出信号は温度コントローラに伝達され、チラーは温度コントローラからの制御信号に応じて冷媒流量を変化させる。これにより、試料台の温度が制御され、この半導体製造装置で新たに加工する材料の処理準備が行われる。
【００３５】
なお、この第３の実施の形態の半導体製造装置では、そのプロセスチャンバからは隔離されている搬送アーム３１に熱電対３２を内蔵し、材料１０の加工処理後の温度を検出してプロセスチャンバ側の温度制御を行うので、熱電対３２を保護部材で覆うことは必ずしも必要にならない。
【００３６】
また、第３の実施の形態の半導体製造装置に、第１，第２の実施の形態で述べたような熱電対内蔵型のリフターピン３やクランプ機構２１を設けた場合には、その熱電対によって処理前の材料１０の温度を検出し、処理後の温度は搬送アーム３１に内蔵した熱電対３２によって検出するようにしてもよい。
【００３７】
このように、第３の実施の形態の半導体製造装置では、材料１０に接する搬送アーム３１に熱電対３２を内蔵し、材料１０の搬送時に熱電対３２の先端を材料１０に直に接触させて温度を検出し、その検出温度に基づいてプロセスチャンバ側の温度制御を行う。これにより、加工処理後に搬送される材料１０の温度を素早く正確に検出し、次の加工処理のための温度制御が適切に行えるようになるので、材料１０の加工精度の低下やばらつきの発生を抑え、半導体装置の製造過程における歩留りを向上させることが可能になる。
【００３８】
なお、以上の説明では、チラーを用いて設定温度より高温になった材料を冷却する場合について述べたが、チラーに代えてヒータを用いた場合も同様の温度制御が可能である。また、半導体製造装置をチラーとヒータを両方用いた構成とすることもでき、その場合は、チラーとヒータによる温度制御動作を、熱電対からの検出信号に基づいて温度コントローラによって適宜切り替えるようにすることが可能である。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明では、材料に接するリフターピンやクランプ機構、あるいは搬送アームに熱電対を内蔵し、温度検出の際に、熱電対の先端を材料に直に接触させることができるように構成した。これにより、半導体製造装置において材料の温度を素早く正確に検出して適切な温度制御を行い、材料の加工精度の低下やばらつきの発生を抑え、半導体装置を製造する際の歩留りを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態の半導体製造装置の要部断面模式図である。
【図２】第２の実施の形態の半導体製造装置の要部断面模式図である。
【図３】第３の実施の形態の半導体製造装置の要部断面模式図である。
【図４】従来の半導体製造装置の要部断面模式図である。
【符号の説明】
１，２０半導体製造装置
２試料台
３リフターピン
４温度コントローラ
５信号線
６チラー
７冷媒循環経路
８冷媒循環室
１０材料
２１クランプ機構
３１搬送アーム
３２熱電対

Claims

加工する材料の温度を検出して前記材料を加工する半導体製造装置において、
前記材料が載置される試料台と、
前記試料台に載置された前記材料を固定するクランプ機構と、
前記クランプ機構に内蔵され、先端が前記試料台に載置された前記材料に離接する熱電対と、
を有し、
前記熱電対は、保護部材によって覆われ、前記試料台に載置された前記材料に接触するときに、前記保護部材内部から進出して前記材料の側へ移動するように構成されていることを特徴とする半導体製造装置。