JP4916326B2 - 温度モニタ用基板の検査装置及び検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体処理プロセスにおいて基板の温度及び／又は温度分布を測定するために用いられる温度モニタ用基板を検査する装置に関し、とくにこの基板に取り付けられた温度センサの取り付け状態の異常の有無を判定するための温度モニタ用基板の検査装置及び検査方法に関する。

半導体製造過程においては、シリコンウェハ等の基板には酸化、拡散、あるいはアニールといった熱処理が施される。通常、基板の熱処理のために、基板は炉内で加熱されるが、熱処理の目的によって温度領域が異なり、特定の温度に維持したり、指定した昇温もしくは降温速度に追従させるため、実際に加熱されている基板の温度をモニタする必要がある。

かかる基板の温度状態のモニタには、その内部に多数の温度センサ、例えば熱電対を埋め込んでリード線を引き出した温度モニタ用基板が使われている。このため、温度モニタ用基板により測定する基板の温度が、実使用プロセス環境下における基板の温度状態を正しく推定させるものであるかどうかは極めて重要な問題であり、このためメーカは温度センサの校正表を温度モニタ用基板に添付し、それを保証している。

一般的にメーカが行う温度モニタ用基板の検査は、温度が既知の恒温槽内に温度モニタ用基板を置き、基板に埋め込まれた温度センサが恒温槽の温度を正常に指示するか否かを測定することにより行われている。なお、熱電対の校正を行う方法としては、例えば電気炉内に均熱ブロックを配置するとともに、均熱ブロックの上部に放熱ブロックを配し、両ブロックをヒートパイプで結んで熱移動させることにより、均熱ブロックの温度の均一化を図り、この均熱ブロックに設けた挿入孔内に検査対象の熱電対を挿入して、その校正を行う方法が開示されている（特許文献１）。

特開２００１−７４５６２号公報

しかし、メーカが正しく校正されていると保証する温度モニタ用基板であっても、半導体製造の実使用プロセス環境下で使用すると異常な値を示す温度モニタ用基板が少なからずあることが明らかになってきた。
これは、メーカの行う温度センサの校正が、恒温槽内に温度モニタ用基板を置き、恒温槽内の温度と基板に埋め込まれた温度センサが示す温度とが一致するか否かにより行われており、温度センサそのものの異常の有無は検出できても、基板に埋め込んだ温度センサの取り付け不具合については検出できないためである。

かかる温度センサの取り付け不具合が、半導体製造の実使用プロセス環境下において基板の温度測定に影響を与える理由について図を用いて説明する。図５は、半導体基板への熱電対の取り付け方法を説明した図である。図６は、温度センサの取り付けに不具合（異常）があった場合に、温度の測定誤差が生じる理由について説明した図である。

基板への熱電対の取り付けは、通常は図５に示すように、基板１に挿入孔２を形成して、熱電対の接点３を所定深さまで挿入し、挿入孔２内に接着剤４を流し込んで接着・固定するという方法がとられる。挿入孔２内に流し込む接着剤４の流動性と耐熱性とは反比例の関係にある。
このため耐熱性を高めるために高耐熱性の接着剤４を使用すると流動性が悪くなり、挿入孔２内の空気が外に押し出されず、接点３の周囲に残留気泡５が生成する。この残留気泡５は接点３の下側に生成することが多く、これが実使用プロセス環境下において温度測定値に異常をもたらす原因となる。

半導体基板の処理には、プラズマ処理のような熱の移動を伴う場合が多い。すなわち、図６に示すように、基板１の上部に熱源６が存在し、基板の載置台（ウェハチャック）７には冷却機構８が設けられ、基板１内には熱流が生じ、基板１の深さ方向に温度勾配が生じる。

すなわち、基板上面温度はＴ_１、基板下面温度はＴ_２、接点３の位置の基板温度はＴ_ｍとなる。しかし、図５に示したような残留気泡５が存在すると、この部分の熱伝導度が著しく低いため、接点３に上部から流入した熱は、残留気泡５に遮られて下部側にほとんど伝達されず、冷却機構８からの伝熱も十分に伝わらなくなる。
そのため接点３の温度Ｔ_３は、実使用プロセス環境下におけるウェハの温度（その深さでの基板温度Ｔ_ｍ）より高い値となり、実使用プロセス環境下におけるウェハ温度を疑似するという温度モニタ用基板の本来機能を果たすことができない。なお、残留気泡５に代わって、熱伝導度が低い異物が存在する場合も同様の結果となる。

上述した通り、従来から多用されている恒温槽を用いた温度モニタ用基板の校正方法では、熱電対の起電力異常は検出できるが、取り付け不具合による温度測定値の異常（以下、取り付け異常）を検出することはほぼ不可能である。これは、恒温槽では熱電対接点の周囲温度が一様であるから、残留気泡や異物があっても、接点温度は速やかに、周囲の基板温度と同じになるからである。

かかる取り付け異常（残留気泡や異物に起因する測定誤差）の有無の判別は、非破壊で検査する必要がある。非破壊検査の一つとして、Ｘ線透視によって気泡や異物を検出することが考えられるが、このような方法は、費用と手間が過大になって実用性が無い。

そこで本発明の課題は、温度モニタ用基板の温度センサ取り付け部に残留気泡や異物等の温度測定の誤差原因となるものがあるか否かを、Ｘ線装置のような大がかりな装置を用いることなく、非破壊で簡便かつ確実に検査することのできる実用的な手段を提供することを課題としている。

本発明者らは、上記課題を解決する手段について種々検討した結果、基板の深さ方向に一様な熱流、すなわち温度分布が形成された状態で、同一深さに埋め込まれた複数の熱電対相互の測定値を比較すれば、温度センサの取り付け異常を容易に判別できることに着眼し、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明の温度モニタ用基板の検査装置は、基板に埋め込まれた１個以上の温度センサにより、該基板の温度及び／又は温度分布をモニタする温度モニタ用基板の検査装置であって、前記温度モニタ用基板に対して、前記温度センサの埋め込み深さ方向に熱流を生じせしめる手段を備えたことを特徴とする。

前記熱流を生じせしめる手段は、前記温度モニタ用基板の一方の面側に設けた加熱源と、前記一方の面に対向する他方の面側に設けた抜熱源とにより構成するものであることを特徴とする。

この検査装置において、前記加熱源としては輻射熱の発生源を、前記抜熱源としてはその内部に冷媒が循環する冷却ブロックを好適に用いることができる。

また、この検査装置は、前記加熱源及び前記抜熱源を、１個の温度センサの部位にのみ熱流を生じせしめるように構成するとともに、前記加熱源及び前記抜熱源に対して、前記温度モニタ用基板を平行に相対移動させ、逐次、前記温度センサの全てに熱流を生じせしめる移動手段を備えるものであってもよい。

温度モニタ用基板の径が大きい場合に、基板全面に一様な熱流が形成されるように加熱源及び抜熱源を構成することは必ずしも容易ではない。通常は、基板の中央部と周辺部では熱流の差が生じ、熱電対の深さが一定であっても、その位置によって温度差が生じることが少なくない。

これに対して、温度センサ部位のみに熱流を生じさせれば、熱流が一定という条件を実現するのは容易である。したがって、測定対象の熱電対が順次この領域に入るように、前記の移動手段により基板を動かして測定を行えば、熱流一定の条件下で熱電対の測定値を検査することが容易になる。

いずれの温度センサが異常であるかどうかの判別は、熱流下における前記温度センサにより測定した基板の温度と、予め定められた温度とを比較することで行ってもよい。

また、熱流下において同一基板内に埋め込まれた複数の温度センサにより測定した基板の温度の対比から、個々の温度センサの異常の有無を判別してもよい。

また、熱流下において同一基板内に埋め込まれた複数の温度センサにより測定した基板の温度から、個々の温度センサの測定温度の偏差値を求め、該偏差値が所定の範囲から外れている温度センサを異常と判別してもよい。

また、本発明の温度モニタ用基板の検査方法は、基板に埋め込まれた１個以上の温度センサにより、該基板の温度及び／又は温度分布をモニタする温度モニタ用基板の検査方法であって、前記温度モニタ用基板に対して、前記温度センサの埋め込み深さ方向に熱流を生じせしめ、該熱流下において前記温度センサが測定した前記基板の温度を予め定めた方法により処理し、前記温度センサの異常の有無を判別することを特徴とする。

上記の検査方法においては、前記温度センサにより測定した基板の温度が、予め定めた温度範囲にあるか否かにより温度センサの異常の有無を判別してもよい。

また、同一基板内に埋め込まれた複数の温度センサにより測定した基板の温度の対比から、個々の温度センサの異常の有無を判別してもよい。

また、同一基板内に埋め込まれた複数の温度センサにより測定した基板の温度から、個々の温度センサの測定温度の偏差値を求め、該偏差値が所定の範囲から外れているか否かにより温度センサの異常の有無を判別してもよい。

本発明により、温度モニタ用基板の温度センサの取り付け部に残留気泡や異物のような温度測定の誤差原因となるものがあるか否かを、Ｘ線装置のような大がかりな装置を用いることなく、非破壊で簡便かつ確実に検査することが可能になった。

図１は、本発明の一実施例である温度モニタ用基板の検査装置の断面概要図である。この装置は、基台１１上に冷却ブロック１２とその上に載置台１３が配設され、載置台１３の上に温度モニタ用基板１４が載置される。基台１１には支柱１５が立設され、アーム１６及び支持部材１７を介して、面状の放射熱源１８が、基板１４の上面ほぼ全体を覆うように配設されている。放射熱源１８の上部背面には反射板１９が配置され、放射熱源１８の輻射熱が効率良く基板１４に照射されるようになっている。

冷却ブロック１２と載置台１３は一体となって抜熱源を構成する。両者の内部に冷媒流路２０が設けられて、載置台１３の上に載置された基板１４のほぼ全面が、接触伝熱により冷却されるようになっている。放射熱源１８と抜熱源とにより、基板１４の全体にほぼ一様な熱流が生じるように構成されている。

放射熱源１８は、例えばセラミックス板やカーボン板等の赤外線放射体の背面に伝熱線を配し、電源２１からの供給電力により赤外線を放射するようなものであればよい。載置台１３は、単に基板を平置きするものでも良いが、静電チャックのような基板を吸着保持するものでもよい。後者の方式によれば、載置台１３と基板１４の密着性が高まり、両者の界面の伝熱抵抗を減じて、抜熱を安定させることができる。

本実施例の検査装置では、基板１４の全面に一様な熱流が形成されるから、温度モニタ用基板１４に取り付けられた全ての熱電対２２の起電力を温度計２３で表示又は記録することにより、全ての熱電対の検査を同時に行うことができる。

図２は、本発明の他の実施例である温度モニタ用基板の検査装置の断面概要図である。この装置は、基台１１上にスプリング台座２４を介して、冷却ブロック１２が取り付けられ、冷却ブロック１２の上に温度モニタ用基板１４が載置される。温度モニタ用基板１４は、第一支柱２５に取り付けられた基板の移動機構２６を介して、主面に平行な方向に移動可能に把持されている。冷却ブロック１２と基板１４は別々に支持されているから、冷却ブロック１２はスプリング台座２４により上方に押し上げられて、基板１４と密着するように構成されている。

一方、加熱源はその内部に赤外線ランプ２７を有する加熱ボックス２８で構成されている。加熱ボックス２８は第二支柱２９とアーム１６で支持されている。加熱ボックス２８は、下面中央付近に熱放射孔３０が設けられ、熱放射孔３０から放射された赤外線が基板１４に照射される。この赤外線が照射される部分だけが加熱領域３１となる。この加熱領域内の基板に入った熱は冷却ブロック１２を抜熱源として冷却され、基板内に熱流が生じる。

この実施例の検査装置においては、加熱領域３１内に入っている熱電対２２のみについて測定を行う。基板１４に取り付けられた複数の熱電対が、順次加熱領域３１の中央に入るように、移動機構２６によって、基板を水平方向にずらして測定を行えば、全ての熱電対について、同一の熱流条件下での温度測定値を得ることができる。この方法は、図１の方法に比して、温度測定に要する時間が長くなるが、熱流の条件を一定にすることがより容易であり、正確な測定ができるという利点を有している。

このような検査装置の構成において、熱源はランプヒーターに限る必要はなく、輻射熱を放出するものであればどんな形式のものでもよい。また、冷却ブロックは、内部の流路に冷媒を流すものであっても、ペルチェ効果を利用するものであってもよい。また、かかる熱流の作り方以外に、加熱側に高温の流体、抜熱側に低温の流体を吹き付けるような方法によってもよい。また、測定環境は、大気中、真空中のいずれであってもよい。さらに、上述の移動機構２６は、機械力を用いた自動式のものに限らず、人力を用いた手動式のものであってもよい。要は複数の熱電対が、順次加熱領域の所定の位置に来るように、基板を横方向に動かすことができ、温度測定中その位置に保持できるような手段であればよい。

次に、本発明において、検査対象の熱電対の温度測定値から、この熱電対に取り付け異常（気泡や異物により温度測定値が異常になる原因）があるか否かを判定する方法について説明する。
まず、図１又は図２のような装置を用いて、ほぼ同一深さに取り付けられた熱電対について、熱流存在下でＮ個の温度測定データ（Ｔ_１，Ｔ_２，……，Ｔ_Ｎ）を得る。この測定データにより、一定熱流下における温度の平均値及び偏差を得ることができる。この測定を便宜上事前測定と呼ぶ。事前測定における測定データの偏差には、測定毎の誤差（熱電対個体差、測定系の再現性）、加熱源の加熱量の誤差、抜熱源の抜熱量の誤差、および測定対象の取り付け異常の有無（本来の測定目的）が含まれる。

誤差起因の偏差の除去については、次のように考える。熱電対の指示値個体差は一般的には±２．５℃程度である。ただし、事前の恒温槽試験による校正にて個体毎に数値を把握しておいた場合、再現性のみが問題となり、個体差が本測定に影響することはない。
また、測定が実績ある測定系（温度管理された環境、規定の補償導線、校正済アンプ使用等）を継続的に用いることを前提とすれば、ほとんどの誤差は相殺される。また、加熱源、抜熱源の熱量は、熱源に供給される物理量（抵抗加熱における電流電圧等、冷媒冷却における冷媒温度と流量）の管理により、一定に管理することが可能である。

上記のような環境下での測定対象の取り付け異常の有無の判定は、次の考え方によって実施する。本測定系において、測定対象の取り付け異常の発現は必ず温度が通常よりも高い方向となる。したがって、同一測定条件下で最も温度の低い測定点からの偏差が取り付け異常の度合いとなる。また、測定される温度の絶対値は、環境温度と加熱量、および抜熱量に影響を受けるため、上述の最も温度の低い測定値の温度が、有効測定下限値（事前測定の平均値等を元に決められる値）を下回らないことの確認が、十分な熱流下で測定されたことの証明となるため重要である。

上記のような、「同一測定環境下で測定した多測定点中の最低温度点からの温度偏差が０℃以上、かつ許容値以下であり、かつ上記最低温度点が事前測定時の有効測定下限値を上回ること」を規格とすることで、取り付け異常の有無の判定が可能となる。

測定の性格上、熱流は大きい方が最低温度からの偏差が大きくなるため、高分解能の判定が可能となる。経験上、良品規格値は、最低温度点温度が基準温度から＋３℃程度の環境では、ΔＴ＝＋０．２℃程度以内、最低温度点温度が基準温度から＋６℃程度の環境では、ΔＴ＝＋０．４℃程度以内であった。

（実施例１）
図２に示すような検査装置を用い、４個の熱電対が取り付けられた温度モニタ用基板について、本発明による温度測定を行うとともに、この基板を実際のプラズマ処理装置内に保持して、プラズマが発生している実使用環境下での温度測定を行い、検査装置での温度指示と実使用時の温度指示の対比を検討した。また、この基板を恒温槽内に保持したときの熱電対指示のバラツキを調査した。測定対象の温度モニタ用基板は、直径３００ｍｍ、厚み７２５μｍの基板で、熱電対はＫ熱電対を使用し、中心より半径１４２ｍｍの位置に、９０度ずつずらして、同一の深さに取り付けられている。

測定結果を表１に、熱流試験と実使用での温度測定値の対比を図３に示す。まず、恒温槽内での温度は１０１．３〜１０１．４℃で、使用されている熱電対の起電力異常は無いことが知れる。熱流試験での温度は２７．６〜２７．９５℃で、実使用での温度は４６．４〜５７．３５℃であった。実使用の方が温度が高くバラツキも大きかったが、いずれも熱電対Ｃ，Ｂ，Ｄ，Ａの順に温度が低くなっており、両者の温度指示がリニアに対応していることが知れた。

（実施例２）
実施例１と同様に検査装置による熱流測定を行い、取り付け異常があると判定された熱電対と、無いと判定された熱電対の取り付け部をＸ線透過観察した。異常ありと判定された熱電対でのΔＴ（温度平均値からの偏差）は０．２２℃、無いと判定された熱電対のΔＴは０．１６℃であった。Ｘ線透過写真は、基板上方斜め約３０度（法線に対する傾斜角６０度）からＸ線を照射したもので、写真の下にそれぞれのスケッチ図を示している。Ｘ線透過写真及びそのスケッチ図を図４に示す。

右側の(ｂ)が正常な（取り付け異常が無い）場合で、左側の(ａ)が熱電対の下側に気泡が残留している場合である。すなわち、右側の(ｂ)ではスケッチ図に示すように、熱電対の接点３の周囲には、接着剤４が充満して、輝度ムラの無い一様なＸ線像になっている。これに対して、左側の(ａ)では、接着剤４の熱電対の接点３の下側の部分に輝度の高い部分があり、この部分は残留気泡５であると判断される。この結果から、残留気泡がある場合にΔＴが大きくなることが確認され、本発明の方法により、取り付け異常の有無を判定できることが確かめられた。

本発明の一実施例である温度モニタ用基板の検査装置の断面概要図である。 本発明の第二の実施例である温度モニタ用基板の検査装置の断面概要図である。 本実施例における熱流試験（検査装置）と実使用での基板温度の測定値の対比を示す図である。 本実施例における熱電対取り付け部のＸ線透過像を示す図である。 半導体基板への熱電対の取り付け方法の説明図である。 温度モニタ用基板で温度の測定誤差が生じる理由の説明図である。

符号の説明

１ 基板
２ 挿入孔
３ 熱電対接点
４ 接着剤
５ 残留気泡
６ 熱源
７ 基板載置台
８ 冷却機構
１１ 基台
１２ 冷却ブロック
１３ 載置台
１４ 温度モニタ用基板
１５ 支柱
１６ アーム
１７ 支持部材
１８ 放射熱源
１９ 反射板
２０ 冷媒流路
２１ 電源
２２ 熱電対
２３ 温度計
２４ スプリング台座
２５ 第一支柱
２６ 移動機構
２７ 赤外線ランプ
２８ 加熱ボックス
２９ 第二支柱
３０ 熱放射孔
３１ 加熱領域

Claims (11)

1. 基板に埋め込まれた１個以上の温度センサにより、該基板の温度及び／又は温度分布をモニタする温度モニタ用基板の検査装置であって、
   前記温度モニタ用基板に対して、前記温度センサの埋め込み深さ方向に熱流を生じせしめる手段を備えたことを特徴とする温度モニタ用基板の検査装置。
2. 前記熱流を生じせしめる手段は、前記温度モニタ用基板の一方の面側に設けた加熱源と、前記一方の面に対向する他方の面側に設けた抜熱源とにより構成するものであることを特徴とする請求項１に記載の温度モニタ用基板の検査装置。
3. 前記加熱源が輻射熱の発熱源であり、前記抜熱源がその内部に冷媒が循環する冷却ブロックであることを特徴とする請求項２に記載の温度モニタ用基板の検査装置。
4. 前記加熱源及び前記抜熱源を、１個の温度センサの部位にのみ熱流を生じせしめるように構成するとともに、前記加熱源及び前記抜熱源に対して、前記温度モニタ用基板を平行に相対移動させ、逐次、前記温度センサの全てに熱流を生じせしめる移動手段を備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の温度モニタ用基板の検査装置。
5. 熱流下における前記温度センサにより測定した基板の温度と、予め定められた温度とを比較し、前記温度センサの異常の有無を判別する手段を備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の温度モニタ用基板の検査装置。
6. 熱流下において同一基板内に埋め込まれた複数の温度センサにより測定した基板の温度の対比から、個々の温度センサの異常の有無を判別する手段を備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の温度モニタ用基板の検査装置。
7. 熱流下において同一基板内に埋め込まれた複数の温度センサにより測定した基板の温度から、個々の温度センサの測定温度の偏差値を求め、該偏差値が所定の範囲から外れている温度センサを異常と判別する手段を備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の温度モニタ用基板の検査装置。
8. 基板に埋め込まれた１個以上の温度センサにより、該基板の温度及び／又は温度分布をモニタする温度モニタ用基板の検査方法であって、
   前記温度モニタ用基板に対して、前記温度センサの埋め込み深さ方向に熱流を生じせしめ、
   該熱流下において前記温度センサが測定した前記基板の温度を予め定めた方法により処理し、
   前記温度センサの異常の有無を判別することを特徴とする温度モニタ用基板の検査方法。
9. 前記温度センサにより測定した基板の温度が、予め定めた温度範囲にあるか否かにより前記温度センサの異常の有無を判別することを特徴とする請求項８に記載の温度モニタ用基板の検査方法。
10. 同一基板内に埋め込まれた複数の温度センサにより測定した基板の温度の対比から、個々の温度センサの異常の有無を判別することを特徴とする請求項８に記載の温度モニタ用基板の検査方法。
11. 同一基板内に埋め込まれた複数の温度センサにより測定した温度から、個々の温度センサの測定温度の偏差値を求め、該偏差値が所定の範囲から外れているか否かにより温度センサの異常の有無を判別することを特徴とする請求項８に記載の温度モニタ用基板の検査方法。