JP4746983B2

JP4746983B2 - シリコンウエハの温度測定方法

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Publication number: JP4746983B2
Application number: JP2005377321A
Authority: JP
Inventors: 俊行野村; 博二上坂; 直之松本; 直博大須賀
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 2005-12-28
Filing date: 2005-12-28
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2025-12-28
Also published as: JP2007180286A

Description

本発明は、半導体装置やＬＣＤ等の基板として多用されているシリコン（以下、Ｓｉと記載する）ウエハの温度を測定する方法に関する。詳しくは、高集積回路パータンの形成などの微細加工が施されるＳｉウエハの表面の温度を、該Ｓｉウエハの表面からその温度に応じて放射される赤外光の放射エネルギー量を測定し演算により温度を算出する非接触式のＳｉウエハの温度測定方法に関する。

半導体用基板やＬＣＤ用基板に用いられるＳｉウエハにおいては、前述した高集積回路パータンの形成などの微細加工に当たり、エッチング処理や、化学気相成長法（ＣＶＤ）、プラズマＣＶＤ等の薄膜形成処理などの各種の処理が行われる。そして、それら処理を再現性よく、かつ、高精度に行うためには、処理速度等の処理状況の変化要因となるＳｉウエハの温度を正確に測定することが重要である。

この種のＳｉウエハの温度測定方法として、従来、Ｓｉの光学的性質を利用して温度測定する方法が知られている。すなわち、Ｓｉは、１．２μｍ以下の波長域において不透明であり、この不透明な波長域（光吸収領域）におけるＳｉウエハからの赤外放射光を測定してＳｉウエハの加工表面の温度を算出する方法が一般的に採用されていた。

しかし、上記した従来のＳｉウエハの温度測定方法の場合、１．２μｍ以下の波長域での赤外放射は、高温下ではエネルギー強度が高いために、その放射エネルギー量を測定可能であるが、２００℃以下の低温下ではエネルギー強度が低いために、その放射エネルギー量自体の測定が困難であり、したがって、２００℃以下の低温条件下において、Ｓｉウエハの温度を精度よく測定することは非常に難しいという問題があった。

本発明は上述の実情に鑑みてなされたもので、その目的は、簡単でしかも品質低下や特性劣化を招かない事前処理を行なうのみで、低温下においても、Ｓｉウエハの表面温度を正確に測定することができるＳｉウエハの温度測定方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係るＳｉウエハの温度測定方法は、シリコンウエハの表面に形成された酸化膜または窒化膜から放射される赤外光の放射エネルギー量を測定して前記シリコンウエハの表面温度を測定するに際して、
測定する前記赤外光の波長域を、前記酸化膜または窒化膜が吸収する波長範囲に設定し、かつ、前記酸化膜または窒化膜の膜厚を、前記波長域における前記酸化膜または窒化膜の赤外放射率が９０％以上になるように確保することを特徴としている。

上記のように、Ｓｉウエハの表面に、図３に示すように、Ｓｉ酸化膜が有する光吸収領域に対応する波長域である９〜１０μｍにおいて９０％以上の赤外放射率を有する酸化膜を形成することによって、キルヒホフの法則（吸収率＝放射率）からみても明らかなとおり、Ｓｉウエハ単独の場合に比べて顕著に高い放射エネルギー量を得ることができる。また、Ｓｉ窒化膜を形成した場合では顕著な光吸収波長域は１０〜１１μｍとなる。したがって、Ｓｉウエハの表面に対して酸化膜または窒化膜を形成するといった簡単な事前処理を施すのみで、２００℃以下の低温下においても、十分な放射エネルギー強度を確保してＳｉウエハの表面温度を正確に測定することができるという効果を奏する。

ここで、前記酸化膜としては、膜形成に伴うＳｉウエハ自身の物性及び半導体装置やＬＣＤ等の基板として用いる際の性能に変化が生じないようにするために、請求項２に記載のように、一酸化ケイ素（ＳｉＯ）または二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂ ）の使用が好ましく、また、窒化膜としては、窒化ケイ素（ＳｉＮ）の使用が好ましい。

また、前記酸化膜または窒化膜の厚さとしては、請求項３に記載のように、背景放射による外乱の影響が少ないように、０．３μｍ以上に設定されていればよいが、より好ましくは、請求項４に記載のように、１．０μｍ〜１０．０μｍの範囲とすることによって、それら膜による高い放射率を保ち、したがって、外乱の影響を少なくして所定の温度測定精度を一層向上することができる。そして、いずれの場合も、前記赤外光の測定波長域としては、酸化膜または窒化膜が有する光学的性質の有効活用を図る上で９〜１０μｍまたは１０〜１１μｍの範囲に設定することにより、前記酸化膜または窒化膜から放射される赤外光を取り込んで所定の精度よい測定を確実に行うことができる。

以下、本発明に係るＳｉウエハの温度測定方法の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１において、１はＳｉウエハであり、このＳｉウエハ１の表裏両面のうち、高集積回路パターンの形成などの微細加工を施すためにエッチング処理や、ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ等の薄膜形成処理などを行う加工表面１ａの反対側の面１ｂに、ＳｉＯまたはＳｉＯ₂からなる酸化膜２を、０．３μｍ以上、好ましくは、１．０μｍ〜１０．０μｍの範囲の厚さに形成している。

また、図１において、３は、前記Ｓｉウエハ１の加工表面１ａの反対側の面１ｂに対向するように配置された赤外線放射温度計であり、この赤外線放射温度計３は、図２に明示するように、Ｓｉ酸化膜または窒化膜が有する光吸収領域に対応する波長域である９〜１０μｍまたは１０〜１１μｍの波長範囲の放射赤外光ｒをレンズ等の光学系４ａで集光するサーモパイルなどの熱型赤外線センサまたは水銀カドミウムテルルなどの量子型赤外線センサ４ｂ、この赤外線センサ４ｂ自身の絶対温度を測定する基準温度補償用温度センサ４ｃ、これら両センサ４ａ，４ｂから出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換回路４ｄ等を有するプローブ部４Ａと、このプローブ部４Ａにケーブル５を介して接続され前記ＡＤ変換回路４ｄから出力されるデジタル信号の入力に伴い基準温度の補正やセンサ感度補正等を行った上でＳｉウエハ１の温度を算出するワンチップマイコン等の演算部６ａ、その演算部６ａで算出されたＳｉウエハ１の温度を表示する液晶表示部６ｂ、操作スイッチ６ｃ、電源コントロール回路６ｄ、アナログ出力回路６ｅ等を有する本体部４Ｂとから構成されている。

そして、前記赤外線放射温度計３の測定波長域は、例えば狭帯域バンドパスフィルタ等を用いて、前記酸化膜２の有する光吸収領域に対応する波長範囲、すなわち、図３の実線で示されているような９〜１０μｍの波長範囲に設定されている。また、前記窒化膜の場合は、１０〜１１μｍの波長範囲に設定される。

上記のように、Ｓｉウエハ１の表面１ａの反対側の面１ｂに形成したＳｉ酸化膜が有する光吸収領域に対応する波長域である９〜１０μｍにおいて９０％以上の赤外放射率を有する酸化膜２から放射される赤外光を放射温度計３に取り込むことによって、酸化膜２が有する高い赤外放射特性を最大限有効に活用して、薄いＳｉウエハ１であっても、高い放射エネルギーを確保することが可能となる。したがって、２００℃以下の低温条件下においても、十分な放射エネルギー強度を確保してＳｉウエハの表面温度を正確かつ精度よく測定することができる。

図４は、Ｓｉウエハ１を半導体装置やＬＣＤ等の基板として用い、そのＳｉウエハ１の加工表面１ａを平版型プラズマエッチング装置によりエッチング処理する際の温度測定方法として、本発明方法を適用した場合における装置の概略構成を示すものであり、処理対象であるＳｉウエハ１は、エッチング装置１１におけるエッチング室１２内の上下部に対向状態に配設された上部電極１３，下部電極１４のうち、下部電極１４上にその加工表面１ａの反対側、すなわち、酸化膜２側が下向きとなるように載置されており、接地される上部電極１３との間に、高周波電源１５から整合器１６を通じて高周波電力を印加するように構成されている。

一方、下部電極１４には、開孔部１７が形成されており、この開孔部１７を通して、エッチング室１２の外部からＳｉウエハ１の加工表面１ａの反対側の酸化膜２から放射される前記波長域の赤外光ｕｒを光学系４ａを通してサーモパイルなどの熱型赤外線センサまたは水銀カドミウムテルルなどの量子型赤外線センサ４ｂに集光させるように、前記赤外線放射温度計３が下部電極１４の下部に設置されている。なお、前記エッチング室１２には、エッチングガスを導入する手段やエッチング室１２内を減圧排気して所定の圧力に維持するための排気手段などが設けられているが、これらは周知であるため、それらの記載を省略している。

上記のようなエッチング装置１１においては、下部電極１４上に、酸化膜２が形成されたＳｉウエハ１を載置し、エッチング室１２内に導入されたエッチングガスを上部電極１３と下部電極１４との間に印加した高周波電力によりプラズマ化することにより、Ｓｉウエハ１の加工表面１ａをエッチング処理する。このとき、前記赤外線放射温度測定装置３により、その加工表面１ａの反対側の面の温度を測定しながら、エッチング処理することによって、Ｓｉウエハ１自体の温度をエッチング処理に適応する温度に制御することが可能で、所定のエッチング処理を高精度に行うことができる。

なお、上記実施の形態では、Ｓｉウエハ１の加工表面１ａの反対側の面１ｂにＳｉＯまたはＳｉＯ₂ からなる酸化膜２を形成したものについて説明したが、それに代えて、ＳｉＮ等の窒化膜を形成してもよい。この場合も、Ｓｉウエハ１から放射される赤外光を直接測定する場合に比べて、高い放射率を確保して低温条件下での測定精度を十分に高めることができる。

また、本発明における酸化膜あるいは窒化膜２の厚さは、厚いほど背景放射による外乱の影響が少なく、測定精度の一層の向上が図れるが、Ｓｉウエハの本来の用途、機能及び外乱の影響度の両方からみて、１０．０μｍ程度が厚さの上限であり、膜材料に応じて０．３〜１０．０μｍの範囲で選定することが望ましい。

本発明に係るＳｉウエハの温度測定方法の実施の形態を示す概略図である。本発明方法に用いる赤外線放射温度計の拡大構成図である。赤外光の波長とＳｉウエハ上のＳｉＯ₂ なる酸化膜の透過率との関係を示すグラフである。本発明に係るＳｉウエハの温度測定方法を、平版型プラズマエッチング装置における温度測定に適用した場合の装置の概略構成図である。

符号の説明

１Ｓｉウエハ
１ａ加工表面
１ｂ加工表面の反対側の面
２酸化膜（または窒化膜）
３赤外線放射温度計

Claims

シリコンウエハの表面に形成された酸化膜または窒化膜から放射される赤外光の放射エネルギー量を測定して前記シリコンウエハの表面温度を測定するに際して、
測定する前記赤外光の波長域を、前記酸化膜または窒化膜が吸収する波長範囲に設定し、かつ、前記酸化膜または窒化膜の膜厚を、前記波長域における前記酸化膜または窒化膜の赤外放射率が９０％以上になるように確保することを特徴とするシリコンウエハの温度測定方法。
前記酸化膜が、一酸化ケイ素または二酸化ケイ素であり、また、前記窒化膜が窒化ケイ素である請求項１に記載のシリコンウエハの温度測定方法。
前記膜厚が０．３μｍ以上に設定されているとともに、前記波長域が９〜１０μｍまたは１０〜１１μｍの範囲に設定されている請求項１または２に記載のシリコンウエハの温度測定方法。
前記膜厚が１．０μｍ〜１０．０μｍの範囲に設定されているとともに、前記波長域が９〜１０μｍまたは１０〜１１μｍの範囲に設定されている請求項１〜３のいずれかに記載のシリコンウエハの温度測定方法。