JP5225378B2 - 熱的に分離されたチップを有する温度プローブ - Google Patents
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Description
本発明は、熱的に分離されたチップを有する温度プローブに関する。
半導体材料処理の分野では、たとえば、真空処理室を備える半導体材料処理装置を使用して、基板上の様々な材料のエッチングおよび析出や、レジスト除去などの様々な処理を実行する。こうした処理の有効性は、しばしば、処理室のある位置における温度状態の制御に依存するので、温度を測定するために、処理室内では温度センサが使用されてきた。
対象物の温度を測定するための温度プローブを開示する。温度プローブの例示的な一実施形態は、同じ材料からなる第１および第２の部分、ならびに、第１の部分を通って延在する第１のセクションおよび第２の部分を通って延在する第２のセクションを含む孔を含むハウジングであって、ハウジングの第２の部分が、第１の部分に隣接する第１の端部、第２の端部、第２のセクションを画定する外面および内面を含む壁、ならびに壁を通って延在する少なくとも１つの開口を含むハウジングと、第２の部分の第２の端部に取り付けられ、温度を測定すべき対象物の表面に接触するように適合されたチップと、孔内に配置され、チップの温度を測定するように構成されたセンサとを備え、第２の部分は、第１の部分からチップを熱的に分離するのに有効な熱抵抗を有する。
温度プローブの他の例示的な一実施形態が提供され、この実施形態は、第１の部分、第２の部分、ならびに、第１の部分を通って延在する第１のセクションおよび第２の部分を通って延在する第２のセクションを含む孔を含むハウジングであって、ハウジング全体が同じ材料からなり、孔の第１のセクションは第２のセクションよりも大きな直径を有し、ハウジングの第２の部分が、第１の部分に隣接する第１の端部、第２の端部、第２のセクションを画定する外面および内面を含む壁、ならびに壁を通って延在し、第２の部分の長さを超える長さを有する旋回パターンで第２のセクションの第１の端部と第２の端部の間で熱が伝導するように構成される少なくとも１つの開口を含むハウジングと、第２の部分の第２の端部に取り付けられ、温度を測定すべき対象物の表面に接触するように構成されたチップと、孔内に配置され、チップの温度を測定するように適合されたセンサとを備え、第２の部分は、（ｉ）第１の部分からチップを熱的に分離するのに有効な熱抵抗を有し、（ｉｉ）チップを弾性的に付勢する。
温度プローブの他の例示的な一実施形態が提供され、この実施形態は、第１の部分および第２の部分、ならびに、第１の部分および第２の部分を通って延在する長手方向の孔を含む一体化されたハウジングであって、ハウジングの第２の部分が、第１の部分に隣接する第１の端部、第２の端部、長手方向の孔の一部分を画定する外面および内面を含む壁、ならびに壁を通って延在し、第２の部分の長さを超える長さを有する旋回パターンで第２の部分の第１の端部と第２の端部の間で熱が伝導するように構成される少なくとも１つの開口を含むハウジングと、第２の部分の第２の端部に取り付けられ、温度を測定すべき対象物の表面に接触するように構成されたチップであって、表面に対してチップを弾性的に付勢するのに第２の部分が有効であるチップと、孔内に配置され、チップの温度を測定するように構成されたセンサとを備える。
対象物の温度を測定するための温度プローブを開示する。温度プローブは、温度を測定すべき対象物の表面と熱的に接触して配置されるように構成された熱的に分離されたチップを備える。温度プローブの各実施形態は、対象物の温度を測定する様々な用途で使用するように構成されている。
温度プローブの各実施形態は、たとえば、プラズマ処理室内で使用して、プラズマ処理作業中の処理室構成部品または半導体基板の温度を測定することができる。プラズマ処理室は、エッチング、析出、およびレジスト除去を含め、様々な処理作業が実行される、容量結合された処理室、誘導結合された処理室、およびレジスト除去室とすることができる。
図１には、例示的な一実施形態による温度プローブ１０が示してある。図に示すように、温度プローブ１０は、ハウジング１２、およびハウジング１２の上端に設けられた別個のチップ１４を備える。以下に述べるように、通常、ハウジング１２およびチップ１４は様々な材料で作製される。ハウジング１２は、外面１６および内面（図示せず）を備え、内面は、ハウジング１２を通って延在する内部の長手方向の孔を画定する。ハウジング１２は、第１の部分１８および隣接する第２の部分２０を備える。この実施形態では、ハウジング１２全体は、一体化した材料で作製される。すなわち、この実施形態では、第１の部分１８および第２の部分２０は、同じ材料で構成される。図に示すように、第１の部分１８は、第１の部分１８の底部に雄ねじ２２を備える。ねじ２２は、温度プローブ１０を本体に固着するために、本体の対合する雌ねじと係合するように構成されている。図示した実施形態では、ハウジング１２のねじ２２から上の部分は円筒形の形状を有する。ねじ２２を備える第１の部分１８の底部は、第１の部分１８および第２の部分２０の残りの部分よりも大きな外径を有する。
温度プローブ１０のチップ１４は、温度プローブ１０で温度を測定すべき対象物の表面と接触して配置するように構成されている。ハウジング１２の第２の部分２０は、ハウジングの第１の部分１８からチップ１４を熱的に分離するように、すなわち、チップ１４と対象物が接触している間、チップ１４から第１の部分１８への熱伝導およびその逆の熱伝導による熱伝達を低減し、好ましくは最小限に抑えるように構成されている。チップ１４とハウジング１２の第１の部分１８との間の熱伝達の速度を低減させることにより、対象物からチップ１４に入る、より多量の熱がチップ１４内にとどまり、チップ１４を熱する。チップ１４からハウジング１２および周囲環境に伝達される熱は少なくなる。したがって、チップ１４は、温度を測定している対象物の温度により近いまたはそれと同じ温度に到達する。定常状態では、チップ１４は、対象物と同じ温度にとどまる。したがって、温度プローブ１０は、対象物の温度を正確に測定することができる。
１次元の定常熱伝達状態では、材料を横切っての熱伝達速度ｑは、式１、ｑ＝ｋＡ（Ｔ１−Ｔ２）／Ｌで与えられる。ここで、ｋは材料の熱伝導率であり、Ａは熱伝達の方向に垂直な方向での材料の断面積であり、Ｔ１は材料の一方の面での温度であり、Ｔ２は材料の反対側の面での温度であり（ΔＴ＝Ｔ１−Ｔ２、ここでΔＴは正または負とすることができる）、Ｌは熱伝達がそれに沿って生じる材料の長さである。式１は、式２、ｑ＝ΔＴ／（Ｌ／ｋＡ）と再構成することができる。式２では、Ｌ／ｋＡの項は、材料の「熱抵抗」と呼ばれている。式２によれば、所与の値のΔＴにおいて、材料の熱抵抗を増大させると、熱伝達が生じる材料の長さに沿っての熱伝達速度ｑが減少する。Ｌを増大させ、ｋを低減させ、かつ／またはＡを低減させることによって、熱抵抗を増大させることができる。温度プローブ１０のハウジング１２を、第２の部分２０において高い熱抵抗をもたらすように構成して、チップ１４と第１の部分１８との間の熱伝導を低減させる。第２の部分２０の熱抵抗が高いことにより、チップ１４は、チップ１４と接触している対象物の表面の温度と同じ温度に到達できることが好ましい。
ハウジング１２は、所望の特性を有する任意の適切な材料を含むことができる。ハウジング１２の材料では、ハウジング１２の第２の部分２０に沿って伝導させることにより熱伝達の速度ｑを低減させるため、熱伝導率ｋの係数が低いことが好ましい。したがって、ハウジング１２の材料は、ハウジング１２の第１の部分１８からのチップ１４の熱的分離を改善するように選択することができ、これにより、温度プローブ１０によって実施することができる対象物の温度読取り精度を改善することができる。
温度プローブ１０を相対的に高い温度状態に曝すことができるようにするために、ハウジング１２は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリイミド、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリエーテルイミド（たとえば、ＵＬＴＥＭ １０００）など、適切な高分子材料で作製することができる。温度プローブ１０の相対的に低い温度での用途では、アセタールやアクリルなど、他のプラスチック材料を使用してハウジング１２を構成することができる。
温度プローブの他の実施形態では、ハウジング１２は、金属材料で作製することができる。金属材料は、プラスチックよりも広い使用温度範囲にわたって使用することができる。ハウジング１２を構成するのに使用される金属材料は、金属にしては熱伝導率が低いことが好ましい。たとえば、ハウジング１２の各実施形態は、ステンレス鋼（たとえば、３０４もしくは４３０ステンレス鋼）、ニッケルベースの合金（たとえば、ＩＮＣＯＮＥＬ、ＮＩＣＨＲＯＭＥもしくは同様のもの）、またはチタニウムで作製することができる。これらの金属材料は、ハウジング１２を構成するのに使用されるプラスチックなどのポリマーよりも熱伝導率が著しく高いことがあるが、これらの金属材料は、プラスチックよりも、剛性および強度が高い。これらの機械的特性により、金属材料は、プラスチックよりも断面積Ａが小さくなり、さらにハウジング１２において機械的特性が適切になる。したがって、金属材料は、ハウジング１２の第２の部分２０を含め、ハウジング１２の１つまたは複数の選択された領域における断面積が十分に小さくなるように製造して、これらの領域内での金属材料を介する熱伝導を、温度プローブ１０での使用に適切なレベルにまで低減させることができる。
温度プローブ１０の他の例示的な実施形態では、ハウジング１２の少なくとも一部分（たとえば、第１の部分１８および／または第２の部分２０全体）を、適切な複合材、好ましくは熱伝導率の低い材料で作製することができる。
温度プローブ１０の例示的な実施形態によっては、ハウジング１２の第１の部分１８および第２の部分２０は、別個の材料とすることができる。たとえば、第１の部分１８および第２の部分２０は、両方とも同じ高分子、金属、または複合材から構成することができる。第１の部分１８および第２の部分２０は、別法として、互いに異なる材料から構成することができる。このような実施形態では、第１の部分１８の上端部と第２の部分２０の下端部を、熱伝導率が低い結合剤を用いて互いに結合して、第２の部分２０から第１の部分１８への、またその逆方向への熱伝導の速度をさらに低減させることができる。
ハウジング１２の第２の部分２０は、ハウジング１２の壁を通って延在する少なくとも１つの開口を備える。この実施形態では、第１の部分１８は、こうした１つまたは複数の開口を備えない。第２の部分２０内の１つまたは複数の開口は、第２の部分２０の熱抵抗を改善する。１つまたは複数の開口は、所望の量の熱的分離をチップ１２にもたらす、任意の適切なサイズ、形状およびパターンを有することができる。たとえば、図１に示す実施形態では、第２の部分２０は、コイル構成を有し、連続的ならせん状の単一の開口２４を備える。らせんは、単一または複数のらせん構成とすることができる。開口２４の各セクションは、隣接する固体材料２５である。第２の部分２０は、２つ以上のらせん状の開口を備えることができる。
図２は、温度プローブ１０の例示的な他の一実施形態を示す。この実施形態では、複数の別個の開口２４が、ハウジングの第２の部分２０の長さ方向に沿って交互に入れ替わるパターンで配置されている。この実施形態では、２つの開口２４が、固体材料２５の隣接する各部分の間に配置されている。２つの開口２４は、それぞれ１８０°近くにまで延在する。以下に述べるように、配線７１を有するセンサ７０が、第２の部分２０の内部に配置されている状態が示してある。チップ１４が、第２の部分２０に取り付けられている。
図３は、温度プローブ１０の例示的な他の一実施形態を示す。この実施形態では、複数の別個の開口２４は、ハウジングの第２の部分２０において交互に入れ替わるパターンで形成されている。配線７１を有するセンサ７０が、第２の部分２０の内部に配置されている状態が示してある。チップ１４が、第２の部分２０に取り付けられている。
図１〜３に示した温度プローブ１０の例示的な実施形態では、第２の部分２０内の開口２４は、通常、圧縮していない状態で幅を約０．１ｍｍ〜約０．５ｍｍとすることができる。開口２４の隣接する各部分の間にある（図１）、または別個の開口２４を画定する（図２および３）ハウジング１２の材料２５は、通常、幅を約０．３ｍｍ〜約２．５ｍｍとすることができる。１つまたは複数の開口２４を備える第２の部分２０は、通常、長さｌを約５ｍｍ〜約１５ｍｍとすることができる（図１を参照）。
通常、温度プローブ１０は、使用中は周囲環境に曝されている。周囲環境中では、１つまたは複数の開口２４は、ハウジング１２の第２の部分２０内に、対応する１つまたは複数の空隙を形成する。通常、空隙の熱伝導率は約０．０２５Ｗ／ｍＫと低い。この熱伝導率は、ほとんどのプラスチックの熱伝導率よりも大幅に低く（たとえば、せいぜい１／１０の低さである）、またハウジング１２を形成するのに使用されている金属材料の熱伝導率よりも低い。空隙は、第２の部分２０の熱抵抗を増大させ、それにより、チップ１４からハウジング１２の第１の部分１８への熱伝導を低減させるのに有効である。
さらに、１つの開口を有するらせん構成で（図１）、または複数の開口を備える他の適切な構成で（図２や図３で示すように）、ハウジング１２の第２の部分２０内に開口２４を形成することにより、熱は、温度プローブ１０内でただ１つの、チップ１４からの主な伝導経路を有する。たとえば、図１に示した温度プローブ１０では、熱は、第２の部分２０の全長方向に沿って流れ、ハウジング１２の第１の部分１８に到達するまで、らせんパターン内を流れ、開口２４を画定するハウジング材料２５を介して第２の部分２０の周りを回らざるを得ない。したがって、第２の部分２０内でらせん形状の開口２４を形成することにより、第２の部分２０の長さｌと比較して、チップ１４とハウジング１２の第１の部分１８との間の、第２の部分２０を介する熱伝導経路の実際の長さＬが著しく増大する。らせん開口の巻き数を増大させて、Ｌを増大させることができる。たとえば、らせんの巻き数を５〜２０とすることができる。熱伝導経路の長さを増大させることにより、第２の部分２０の熱抵抗の大きさが増大し（式２）、さらに、第２の部分２０に沿った熱伝達の速度ｑが低減し、第１の部分１８からのチップ１４の熱的な分離度が増大する。さらに、巻き数を増大させることにより、１巻き単位でチップ１４が圧縮されるとき、個々の開口幅低減量を低減させることができる。
図２および図３で示した温度プローブ１０では、熱は、開口２４を画定するハウジング材料２５を介して流れるので、温度プローブ１０の縦軸の周りに旋回パターンで伝導せざるを得ない。したがって、熱は、第２の部分２０の上端から下端に移動する場合、またはその逆の場合に、第２の部分２０の長さｌよりも長い距離を流れなければならず、これにより第１の部分１８からのチップ１４の熱的な分離度がさらに増大する。
前述の通り、ハウジング１２の第２の部分２０の壁の厚さを低減させると、やはり第２の部分２０の熱抵抗が増大する。したがって、第２の部分２０の壁の厚さを最小限に抑えることが望ましい。通常、第２の部分２０の壁の厚さは、約０．５ｍｍ〜約２ｍｍの範囲とすることができる。ハウジング１２の第１の部分１８は、第２の部分２０およびチップ１４を支持する。所望の強度および剛性をハウジング１２にもたらすために、通常、第１の部分１８の壁の厚さは、第２の部分２０の壁の厚さよりも厚い。たとえば、第１の部分１８全体（または、図１に示すように、ねじを含む実施形態でのねじ２２の上側の第１の部分１８の一部分で）の壁の厚さは、通常、約１ｍｍ〜約５ｍｍの範囲とすることができる。前述の通り、金属材料を使用して、第１の部分１８と第２の部分２０の両方において、ハウジング１２を構成するのに使用されるプラスチック材料と比較して厚さがより薄いハウジング１２を構成することができ、さらには適切な構造特性を実現することができる。
図１〜３で示すような実施形態では、ハウジング１２の第２の部分２０は、チップ１４がハウジング１２からいくらか独立して移動し、それにより、チップ１４の上面２６を対象物の表面に対して弾性的に付勢することができるように、十分な弾性を有することが好ましく、対象物の温度は、温度プローブ１０によって自動調整式に測定することになる。図１〜３に示す各実施形態では、チップ１４の上面２６は平坦である。しかし、上面２６は、上面２６が接触する対象物の表面の輪郭と一致する、半円形などの様々な輪郭を有することができる。１つまたは複数の開口２４によって第２の部分２０の弾性を改善する。さらに、ハウジング１２を構成するのに使用される材料を選択して、第２の部分２０の弾性を増大させることができる。たとえば、弾性のあるプラスチック材料を使用してハウジング１２を作製することができる。薄い金属も弾性を実現することができる。
同じ材料から構成される一体化されたハウジング１２は、様々な製造技法によって作製することができる。たとえば、ハウジング１２は、成形によって作製することができる。ハウジング１２の第１の部分１８上のねじ４０は、成形プロセスによって、または成形プロセス後に形成することができる。他の実施形態では、ハウジング１２は、管などの一体成形のプラスチックまたは金属を機械加工することによって作製することができる。たとえば、レーザアブレーション、高圧水ジェット機械加工、または従来の機械加工の技法により、ハウジング１２の第２の部分２０内に、開口２４を形成することができる。２つ以上の片部（たとえば、別個の第１および第２の部分）を含むハウジングも、これらの技法で作製することができる。
前述の通り、温度プローブ１０の各実施形態を使用して、プラズマ処理室内の半導体基板の温度を測定することができる。図４には、半導体ウェーハなどの半導体材料基板を処理するためのプラズマ処理装置の、容量結合されたプラズマ処理室３０の例示的な実施形態が示してあり、ここでは１つまたは複数の温度プローブを設置して、半導体基板や処理室の構成部品（たとえば上部電極）など、１つまたは複数の対象物の温度を測定することができる。図に示すように、プラズマ処理室３０は、ガス注入開口を有するシャワーヘッドを含むシャワーヘッド電極アセンブリなど、上部電極アセンブリ３２を備える。上部電極アセンブリ３２は、プロセスガス源３４と液体で結合している。上部電極アセンブリ３２は、ガス注入開口を介して、プラズマ処理室３０にプロセスガスを供給するように構成されている。基板支持体３６は、上部電極アセンブリ３２の下に配置されている状態が示してある。基板支持体３６は、半導体基板４０がその上に支持される上面３８を備える。基板４０は、上部電極アセンブリ３２に面している。通常、基板支持体３６は、上面３８上で基板４０を静電気的に固定するように構成された静電チャック（ＥＳＣ）を備える。少なくとも１つの無線周波数（ＲＦ）電力源４２（各ＲＦ電力源は、互いに異なる周波数で基板支持体３６に電力を供給するように構成されている）により、基板支持体３６にＲＦ電力を供給することができるが、上部電極アセンブリ３２は、アースに帰路を設けて、上部電極アセンブリ３２と基板４０の間に配置されたプラズマ処理室３０の領域に注入されるプロセスガスからプラズマを生成して、基板４０をエッチングする。他の実施形態では、プラズマ処理室３０には、１つまたは複数の周波数で上部電極アセンブリ３２に電力を供給するための、１つまたは複数のＲＦ電力源が含まれ得る。
また図４に示すように、温度プローブ１０は、基板支持体３６の内部に配置され、上面３８からは間隔を空けてある。温度プローブ１０は、たとえば図１〜３のうちの任意の１つに示した構造を有することができる。温度プローブ１０は、基板４０を支持する上面３８に隣接する基板支持体３６の最上部の領域の温度を測定して、基板４０の温度を求めることができるように構成されている。
図５には、基板支持体３６の例示的な一実施形態に設置された温度プローブ１０が示してある。図５に示すように、基板支持体３６は、ベース５２、ベース５２とヒータ層５６の間の結合層５４を形成する結合剤、およびヒータ層５６上のターゲット層５８を含む。温度プローブ１０によってその温度を測定する半導体基板４０は、ターゲット層５８の上面６０上に支持される。
処理室３０内で実行される半導体処理に温度が強い影響を及ぼし、処理室内部の温度変動により処理が変動することがあるので、プラズマ処理室３０内部の温度を正確に測定することが望ましい。プラズマ処理室３０内の様々な構成部品の温度が、装置が実行する処理に影響を及ぼす。たとえば、エッチング中、温度が所定の温度範囲を超えるときには、エッチング反応が変化して、それによりエッチングプロセスの変化が生じるので、エッチングプロセスは所定の温度範囲内で行わなければならない。
図５に示す実施形態では、ベース５２は、金属材料から構成される。この金属材料は、熱伝導率が高いことが好ましい。たとえば、この金属材料は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、または同様のものとすることができる。基板支持体３６には、ベース５２の温度を制御するよう動作することができる温度制御システムが含まれ得る。ベース５２には、ターゲット層５８上に支持されている半導体基板４０の処理中、流路と液体で結合している温度制御された液源４４（図４）から、水または同様のものなど温度制御された冷却液がそれを通って流れて、ベース５２の温度を所望の温度範囲内に制御することのできる液体流路が含まれ得る。図に示すように、ベース５２は、孔６４を画定する内面６２を含む。ねじ２２の上にあるハウジング１２の外面１６と孔６４を画定するベース５２の内面６２との間のギャップのサイズを変えるように、孔６４の直径を変化させ、それにより、ハウジング１２へのベース５２の温度の影響（すなわち、ベース５２とハウジング１２の間の熱抵抗）に作用することができる。ベース５２の下端は、ハウジング１２の第１の部分１８に雄ねじ２２を係合させて、孔６４内に温度プローブ１０を固着させるための雌ねじ６６を備える。
支持体３６上に支持されている半導体基板を処理するためのプラズマ処理室３０の動作中、ベース５２は、ターゲット層５８よりも低い温度に保たれるが、ターゲット層５８は、ヒータ層５６によって加熱されて、ターゲット層５８からベース５２に伝導することにより、熱を効率よく伝達することができる。通常、温度プローブ１０のチップ１４およびハウジング１２は、約−２０℃〜約９０℃の温度範囲に曝すことができるが、ターゲット層５８とベース５２の間の最大温度差は、通常約５０℃である。温度プローブ１０は、温度プローブ１０によるターゲット層５８の（したがってターゲット層５８上に支持されている半導体基板４０の）温度読取りの精度に対する、ターゲット層５８とベース５２の間のこうした潜在的に大きな温度差の影響を低減し、好ましくは最小限に抑えるように構成されている。
チップ１４との間の熱伝達速度は、チップ１４の温度に影響を及ぼす。したがって、ターゲット層５８とベース５２の間の温度差が大きい場合でさえ、チップ１４との間の熱伝達への影響をごく最小限に抑え、その結果、温度差が大きい場合でも、温度プローブ１０がターゲット層５８の実際の温度とは異なる温度を読み取る原因になる、温度プローブ１０によるターゲット層５８の温度読取りの精度への悪影響がないことが望ましい。ベース５２を冷却することによりその温度が強く影響を受けているハウジング１２の第１の部分１８からチップ１４を熱的に分離することにより、温度プローブ１０によるターゲット層５８の温度読取りの精度に対するターゲット層５８とベース５２の間の温度差の影響が低減され、好ましくは排除されることが好ましい。
この実施形態では、電源６８により、制御された量の電力がヒータ層５６に供給されて、上に存在するターゲット層５８の温度を所望の温度範囲内に維持する。結合層５４は、ヒータ層５６とベース５２の間に熱抵抗をもたらし、その結果、ヒータ層５６によって生成される熱は、ターゲット層５８に効率的に伝達される。話を簡単にするために、例示的なターゲット層５８は、単一層であるものとして示してある。単一層は、たとえば、アルミナ、イットリア、ジルコニア、石英、それらの組合せ、または同様のものなど、セラミック材料を含むことができる。実施形態によっては、ターゲット層５８は、２層以上を含むことができる。たとえば、ターゲット層５８は、静電チャックアセンブリとすることができる。こうした実施形態では、ターゲット層５８は、たとえば、セラミック材料層および、１つまたは複数のさらなる層を含むことができる。ターゲット層５８および金属ベース５２は、著しく異なる熱膨張係数を有し、動作中には、やはりそれぞれ異なる温度変化に曝される。したがって、ベース５２およびターゲット層５８はまた、この動作中には、互いに異なる量の熱膨張を受ける。結合層５４は、剥離したりまたは基板支持体の平坦度に悪影響を及ぼしたりすることなく、ターゲット層５８とベース５２の間のこの潜在的に大きな熱膨張の差を吸収するのに十分な材料で作製される。結合剤は、シリコン結合化合物または同様のものなど、所望の結合強度、熱抵抗およびコンプライアンスを実現する任意の適切な材料とすることができる。
他の実施形態では、ターゲット層５８は、結合層５４に直接配置することができ（すなわち、基板支持体は中間ヒータ層を含まない）、液源４４からベース５２内の流路に供給される温度制御された液体の温度（ならびに、場合によっては液体、液体の流速および／または流れの持続時間）を変化させることによりターゲット層５８の温度を制御して、ターゲット層５８を所望の温度に維持することができる。
図５に示す例示的な実施形態では、温度プローブ１０は「接触」センサ７０を備える。すなわち、センサ７０は、チップ１４と物理的に直接接触する。チップ１４は、センサ７０によってその温度が測定される下端面７２を備える。図に示すように、センサ７０の一部分は、チップ１４と熱的に直接接触して、チップ１４の下端面７２に置くことができる。センサ７０は、ハウジング１２の長手方向の孔を通って延在する配線７１を備える。長手方向の孔は、ハウジングの第１の部分１８における第１のセクション７４、およびハウジング１２の第２の部分２０における第２のセクション７６を含む。ハウジング１２の壁の厚さは、第１の部分１８における厚さよりも第２の部分２０における厚さの方が薄いので、長手方向の孔の第２のセクション７６の直径は、長手方向の孔の第１のセクション７４の直径よりも大きい。チップ１４は、ターゲット層５８とチップ１４の間の熱抵抗を低減させるために、熱伝導率が十分に高い任意の材料から構成することができる。たとえば、チップ１４は、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、白金もしくは同様のものを含む金属から、または窒化アルミニウムなどの伝導率の高い非金属材料から構成することができる。
図５に示すように、チップ１４は、ハウジング１２の開口上端に固着するように構成されている。チップ１４は、ハウジング１２の内部に受けて、チップ１４をハウジング１２に摩擦嵌めするように構成された環状のリング１５を備えている。あるいは、チップ１４には、上端に隣接するハウジング１２の内面上に形成された、対合する雌ねじと係合するための雄ねじが含まれ得る。他の実施形態では、チップ１４は、熱伝導率が低い結合剤でハウジング１２に結合することができ、それにより、チップ１４からハウジング１２の第２の部分２０への熱伝導を低減させることができる。前述の通り、ハウジング１２の第２の部分２０は、チップ１４を弾性的に付勢し、その結果、チップ１４の表面２６はターゲット層５８と良好に熱接触して、確実に、熱抵抗を低くし、ターゲット層５８からチップ１４への熱伝達を良好にする。
接触センサ７０は、たとえば、熱電対、サーミスタ、抵抗温度検出器（ＲＴＤ）、白金測温抵抗体、バルクシリコンデバイス、またはアクティブソリッドステートデバイスとすることができる。注封材料は、ハウジング１２の長手方向の孔の第１のセクション７４に配置して、センサ７０を囲む空間を充填することができる。接触センサによるターゲット層５８の温度読取り値を使用して、ターゲット層５８の表面６０上に支持されている半導体基板４０の温度を評価する。
図６には、基板支持体３６の例示的な一実施形態に設置された、別の例示的な実施形態による温度プローブ１０が示してある。この実施形態では、温度プローブ１０は、「非接触」センサ、すなわち、ハウジングのチップ１４に接触することなくターゲット層５８の温度を測定するセンサを備える。非接触センサは、ターゲット層５８と熱的に結合して配置されたルミネッセント材料が放出する光の量および特性を監視することにより、放射高温測定技法によってターゲット層５８の温度を測定する。
図示した実施形態では、センサは光導波路８０を備え、この光導波路は、光源から放出される光を伝達するためにハウジング１２の長手方向の孔に配置される。光導波路は、たとえば光ファイバとすることができる。光導波路８０は、ハウジング１２を通して光を伝達するための任意の適切な材料から構成することができる。たとえば、光導波路８０は、プラスチック、石英、サファイアまたは同様のものから作製することができる。図４に示すように、光源４６は、プラズマ処理室３０の外部に位置している。光源４６は、所望の波長または波長範囲で放出する任意の適切な装置とすることができる。たとえば、光源４６はレーザとすることができる。ルミネッセント材料７８は、チップ１４の下端面７２の上に位置している。図に示すように、光が放出される光導波路８０の端部８２は、ルミネッセント材料７８から間隔を空けてある。通常、光導波路８０は、図に示すようにルミネッセント材料７８の下端面に垂直に延在する。一実施形態では、ルミネッセント材料７８は蛍光体である。蛍光体は、遷移金属化合物または希土類化合物である。通常、蛍光体は、母材および放出時間に作用する追加のアクティベータを含む。蛍光体は、プラズマ処理室３０内でターゲット層５８が曝される温度範囲に基づいて選択することができる。蛍光体は、珪酸塩樹脂粘結剤などの粘結剤中に含まれることがある。蛍光体が環境に曝されないように、光透過性の材料（たとえば石英）が蛍光体を覆うことができる。
この実施形態では、蛍光体は、光源４６が放出し光導波路８０が伝達する光でパルス状に照射される。蛍光体がこの光で励起されると、蛍光体は、光源４６が放出する光とは異なる波長の光を放出する。蛍光体が放出する光は、電磁スペクトルの可視領域または非可視領域に存在することがあり、標準の光検出器を用いて、放出された光を検出することが可能になる。この光は、たとえば、ガラスおよび石英の光導波路によって伝達することができる。光源４６が放出するパルスが終了して後の、蛍光体が放出する光の減衰速度は、蛍光体の温度の関数である。
蛍光体が放出する光の減衰速度は、監視され、定量化され、その蛍光体について知られている温度値と比較される。光処理システムが、蛍光体が放出し光導波路が伝達する光を処理するように光導波路８０と動作可能に接続されて、蛍光体の温度を特定する。蛍光体の温度は、チップ１４の温度に対応する。図４に示すように、光処理システムは、ルミネッセント材料が放出し光導波路８０が搬送する光を検出するための、処理室３０の外部に配置された光検出器４８を備えることができる。光検出器４８は、光処理システムの信号処理システム５０に電気信号を出力する。信号処理システムは、電気信号を処理して、この信号を、温度プローブ１０のチップ１４と熱的に接触しているターゲット層５８の温度値に変換する。この温度値を使用して、ターゲット層５８上に支持されている半導体基板４０の温度を推定する。この温度値を使用して、ターゲット層５８の温度を制御するために基板支持体３６のヒータ層５６に供給される電力の量を制御することができる。
温度プローブ１０の他の実施形態では、チップ１４上に設けられているルミネッセント材料７８は、黒体材料である。黒体材料は、ルミネッセント材料の温度に基づく赤外（ＩＲ）光を放出する。黒体材料が放出するＩＲ光の波長は、適切な光処理システムで測定され、測定された波長からターゲット層５８の温度を推測することができる。
本発明を、その具体的な実施形態を参照しながら詳細に説明してきたが、添付の特許請求の範囲に記載の範囲から逸脱することなく、様々な変更および修正を加えることができ、均等物を利用できることが当業者には明白になるであろう。
Claims (20)
- 対象物の温度を測定するための温度プローブであって、
前記温度プローブは、同じ材料で構成された第１および第２の部分、ならびに、前記第１の部分を通って延在する第１のセクションおよび前記第２の部分を通って延在する第２のセクションを含む孔を含むハウジングを備え、前記ハウジングの前記第２の部分が、前記第１の部分に隣接する第１の端部、第２の端部、前記第２のセクションを画定する外面および内面を含む壁、ならびに前記壁を通って延在する少なくとも１つの開口を含み、
前記温度プローブは、
前記第２の部分の前記第２の端部に取り付けられ、温度を測定すべき前記対象物の表面に接触するように構成されたチップと、
前記孔内に配置され、前記チップの温度を測定するように構成されたセンサとを更に備え、
前記第２の部分は、前記第１の部分から前記チップを熱的に分離するのに有効な熱抵抗を有する、
ことを特徴とする温度プローブ。 - 前記センサは、前記チップに物理的に接触している、
ことを特徴とする請求項１に記載の温度プローブ。 - ルミネッセント材料が、前記チップ上に設けられ、
前記センサは、前記ハウジングの前記孔に配置された光導波路を含み、前記光導波路は、前記ルミネッセント材料から間隔を空けられ、かつそれに面する端部を含み、前記光導波路は、前記ルミネッセント材料が放出する光を伝達するように構成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の温度プローブ。 - 前記ルミネッセント材料は蛍光体であり、
光源が、前記光導波路に光を放出して前記蛍光体に照射し、前記蛍光体に光を放出させるように構成され、
光処理システムが、前記蛍光体が放出して前記光導波路が伝達する前記光を処理して、前記チップの温度に対応する前記蛍光体の温度を特定するように構成されている、
ことを特徴とする請求項３に記載の温度プローブ。 - 前記ルミネッセント材料は黒体材料であり、
光処理システムが、前記黒体材料が放出して前記光導波路が伝達する前記光を処理して、前記チップの温度に対応する前記黒体材料の温度を特定するように構成されている、
ことを特徴とする請求項３に記載の温度プローブ。 - 前記ハウジングの前記第２の部分は、前記第１の端部から前記第２の端部までの長さを有し、
前記少なくとも１つの開口は、前記第２の部分の長さを超える長さを有する旋回パターンで前記第１の端部と第２の端部の間で熱が伝導するように構成され、各開口は、約０．１ｍｍ〜約０．５ｍｍの幅を有し、
前記１つまたは複数の各開口を画定する前記第２の部分の材料は、約０．３ｍｍ〜約２．５ｍｍの幅を有し、
前記第２の部分の壁は、約０．５ｍｍ〜約２ｍｍの厚さを有し、
前記ハウジングの前記第２の部分は、前記チップを弾性的に付勢する、
ことを特徴とする請求項１に記載の温度プローブ。 - 前記ハウジング全体は高分子材料で構成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の温度プローブ。 - 前記ハウジング全体は金属で構成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の温度プローブ。 - 前記孔の前記第１のセクションは第１の直径を有し、
前記孔の前記第２のセクションは、前記第１の直径よりも大きな第２の直径を有し、
前記ハウジングの前記第１の部分は、雄ねじを有するベースを備える、
ことを特徴とする請求項１に記載の温度プローブ。 - プラズマ処理室内の半導体基板を支持するための基板支持体であって、
孔を含む金属性ベースと、
前記ベース上のヒータ層と、
前記半導体基板を支持するように構成された第１の表面および第２の表面を含む、前記ヒータ層上のターゲット層と、
前記ターゲット層の前記第２の表面に接触しているチップを有する前記ベースの前記孔に配置され、前記ターゲット層の温度を特定するように構成された請求項１に記載の温度プローブと、
を備えることを特徴とする基板支持体。 - 前記センサは、前記チップに物理的に接触している、
ことを特徴とする請求項１０に記載の基板支持体。 - ルミネッセント材料が、前記チップ上に設けられ、
前記センサは、前記ハウジングの前記孔に配置された光導波路を含み、前記光導波路は、前記ルミネッセント材料から間隔を空けられ、かつそれに面する端部を含み、前記光導波路は、前記ルミネッセント材料が放出する光を伝達するように構成され、
光源が、前記光導波路が伝達し前記ルミネッセント材料に照射される光を放出することによって前記ルミネッセント材料に光を放出させるように構成され、その光は前記光導波路によって伝達され、
光処理システムが、前記ルミネッセント材料が放出し、前記光導波路が伝達する光を処理して、前記チップの温度に対応する前記ルミネッセント材料の温度を特定するように構成されている、
ことを特徴とする請求項１０に記載の基板支持体。 - 前記ハウジング全体は高分子材料で構成され、
第２の部分の壁は、約０．５ｍｍ〜約２ｍｍの厚さを有し、
少なくとも１つの開口は、前記第２の部分の長さを超える長さを有する旋回パターンで前記第２の部分の第１の端部と第２の端部の間で熱が伝導するように構成され、各開口は、約０．１ｍｍ〜約０．５ｍｍの幅を有し、
前記１つまたは複数の各開口を画定する前記第２の部分の材料は、約０．３ｍｍ〜約２．５ｍｍの幅を有し、
前記ハウジングの前記第２の部分は、自己整合するように前記ターゲット層の前記第２の表面に対して前記チップを弾性的に付勢する、
ことを特徴とする請求項１０に記載の基板支持体。 - 前記ベースは、前記ベースの温度を制御するための温度制御された液体の供給源と液体で結合するように構成され、
前記ハウジングの前記第１の部分は、雄ねじを有するベースを備え、
前記ベースは、前記ハウジングの前記ベースの前記雄ねじと係合する雌ねじを含む、
ことを特徴とする請求項１０に記載の基板支持体。 - 対象物の温度を測定するための温度プローブであって、
前記温度プローブは、第１の部分、第２の部分、ならびに、前記第１の部分を通って延在する第１のセクションおよび前記第２の部分を通って延在する第２のセクションを含む孔を含むハウジングを備え、前記ハウジング全体が同じ材料で構成され、前記孔の前記第１のセクションは前記第２のセクションよりも大きな直径を有し、前記ハウジングの前記第２の部分が、前記第１の部分に隣接する第１の端部、第２の端部、前記第２のセクションを画定する外面および内面を含む壁、ならびに前記壁を通って延在し、前記第２の部分の長さを超える長さを有する旋回パターンで前記第２の部分の前記第１の端部と第２の端部の間で熱が伝導するように構成された少なくとも１つの開口とを含み、
前記温度プローブは、
前記第２の部分の前記第２の端部に取り付けられ、温度を測定すべき対象物の表面に接触するように構成されたチップと、
前記孔内に配置され、前記チップの温度を測定するように構成されたセンサとを更に備え、
前記第２の部分は、（ｉ）前記第１の部分から前記チップを熱的に分離するのに有効な熱抵抗を有し、（ｉｉ）前記チップを弾性的に付勢する、
ことを特徴とする温度プローブ。 - 前記センサは、前記チップに物理的に接触している、
ことを特徴とする請求項１５に記載の温度プローブ。 - ルミネッセント材料が、前記チップ上に設けられ、
前記センサは、前記ハウジングの前記孔に配置された光導波路を含み、前記光導波路は、前記ルミネッセント材料から間隔を空けられ、かつそれに面する端部を含み、前記光導波路は、前記ルミネッセント材料が放出する光を伝達するように構成され、
光源が、前記光導波路に光を放出して前記ルミネッセント材料に照射し、前記ルミネッセント材料が光を放出するように構成され、
光処理システムが、前記ルミネッセント材料が放出し、前記光導波路が伝達する光を処理して、前記チップの前記温度に対応する前記ルミネッセント材料の温度を特定するように構成されている、
ことを特徴とする請求項１５に記載の温度プローブ。 - 前記ハウジングの前記第２の部分は、前記第１の端部から前記第２の端部までの長さを有し、
各開口は、約０．１ｍｍ〜約０．５ｍｍの幅を有し、
１つまたは複数の各開口を画定する前記第２の部分の前記材料は、約０．３ｍｍ〜約２．５ｍｍの幅を有し、
前記ハウジングの前記第２の部分の前記壁は、約０．５ｍｍ〜約２ｍｍの厚さを有する、
ことを特徴とする請求項１５に記載の温度プローブ。 - プラズマ処理室内の半導体基板を支持するための基板支持体であって、
孔を含むベースと、
前記ベース上のヒータ層と、
前記半導体基板を支持するように構成された第１の表面および第２の表面を含む、前記ヒータ層上のターゲット層と、
前記ターゲット層の前記第２の表面に接触している前記チップを有する前記ベースの前記孔に配置され、前記ターゲット層の温度を特定するように構成された請求項１５に記載の温度プローブと、
を備えることを特徴とする基板支持体。 - 対象物の温度を測定するための温度プローブであって、
前記温度プローブは、第１の部分、第２の部分、ならびに、前記第１の部分および前記第２の部分を通って延在する長手方向の孔を含む一体化されたハウジングを備え、前記ハウジングの前記第２の部分が、前記第１の部分に隣接する第１の端部、第２の端部、前記長手方向の孔の一部分を画定する外面および内面を含む壁、ならびに前記壁を通って延在し、前記第２の部分の長さを超える長さを有する旋回パターンで前記第２の部分の前記第１の端部と第２の端部の間で熱が伝導するように構成される少なくとも１つの開口を含み、
前記温度プローブは、
前記第２の部分の前記第２の端部に取り付けられ、温度を測定すべき対象物の表面に接触するように構成されたチップであって、前記第２の部分は、前記表面に対して前記チップを弾性的に付勢するのに有効であるチップと、
前記孔内に配置され、前記チップの温度を測定するように構成されたセンサとを含むこと、
ことを特徴とする温度プローブ。
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