JP5993111B2

JP5993111B2 - 温度制御システム

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Publication number: JP5993111B2
Application number: JP2010214347A
Authority: JP
Inventors: 山涌　純; 山涌　　純; 輿水　地塩; 地塩輿水; 龍夫松土; 健治永井
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2010-09-24
Filing date: 2010-09-24
Publication date: 2016-09-14
Anticipated expiration: 2030-09-24
Also published as: US9019505B2; US20120073781A1; JP2012069809A

Description

本発明は、処理対象物（例えば半導体ウエハ）の温度を制御する温度制御システムに関する。

半導体ウエハ処理装置にて半導体ウエハ表面の微細パターンに高精度な加工を施すためには、加工中の半導体ウエハの温度管理が重要である。プロセスの進行に応じて半導体ウエハ表面の温度を最適にコントロールすることができれば、加工精度のみならず選択比やスループットの向上が可能となる。現在、半導体ウエハの大面積化などに伴い、半導体ウエハに印加されるＲＦ電力は増加傾向にある。特に絶縁膜のエッチングにおいてはエッチングレートを向上させるためにキロワットオーダの大電力が印加されている。この大電力の印加により、半導体ウエハへのイオンの衝撃エネルギが増加するため半導体ウエハの温度上昇が問題となる。

このため、従来の温度制御システムでは、処理対象である半導体ウエハを載置するサセプタ内に冷媒の流路を形成し、流路内に液体冷媒を流すことによりサセプタの温度を制御している。冷媒は冷媒供給装置（例えばチラー）内の冷却装置又は加熱装置により目標温度に調節された後に上記流路内に供給される（例えば特許文献１参照）。

特開２００８−２９４１４６号公報

上述した従来の温度制御システムでは、半導体ウエハ処理装置と付帯設備である冷媒供給装置は、通常離れた位置に設置されるが（例えば、半導体ウエハ処理装置が二階、冷媒供給装置が一階）、この距離は、概ね１０ｍ以上となることが多い。このように、半導体ウエハ処理装置と冷媒供給装置とが離れて設置されていると、冷媒供給装置で温調された冷媒が半導体ウエハ処理装置内のサセプタへ供給されるまでに時間が掛るためリアルタイムに半導体ウエハの温度を制御することが難しい。また、配管内を循環させる分だけ冷媒量が増えるため、全体の熱容量が大きくなり、温度の制御が難しくなる。

本発明は、かかる従来の事情に対処してなされたもので、従来に比べて精度よく処理対象物の温度を制御することができる温度制御システムを提供することを目的とする。

本発明の温度制御システムは、上面に処理対象物を載置可能とし、内部に温調媒体の流路が形成されたサセプタと、前記サセプタの上面に載置された前記処理対象物の温度を測定する温度測定手段と、前記流路を流れる温調媒体を温調する第１の温調手段と、前記サセプタと前記第１の温調手段との間に介在し、前記温度測定手段によりリアルタイムに測定される前記処理対象物若しくはフォーカスリングの温度、若しくはその温度変化に基づいて、前記温調媒体を温調する第２の温調手段と、を備え、前記第１の温調手段と前記第２の温調手段との間及び前記第２の温調手段と前記サセプタとの間に配置され、前記温調媒体を、前記第２の温調手段を介して前記第１の温調手段から前記サセプタの流路へ供給する、第１の流路と、前記サセプタと前記第２の温調手段との間及び前記第２の温調手段と前記第１の温調手段との間に配置され、前記温調媒体を、前記第２の温調手段を介して前記サセプタの流路から前記第１の温調手段へ供給する、第２の流路と、を含み、前記温調媒体を、前記第１の流路及び前記第２の流路を通じて、前記第１の温調手段から前記第２の温調手段を介して前記サセプタに循環させるように構成され、前記第２の温調手段は、前記第１の流路を通じて、前記第１の温調手段から前記サセプタへと流れる前記温調媒体を温調する第１の温調部、前記第２の流路を通じて、前記サセプタから前記第１の温調手段へと流れる前記温調媒体を温調する第２の温調部、及び前記温度測定手段で測定される温度、若しくは温度変化に基づいた制御信号で、前記第１，第２の温調部を各々独立に制御する制御回路を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、従来に比べて精度よく処理対象物の温度を制御することができる温度制御システムを提供できる。

参考例に係る温度制御システムの構成図。干渉波形の具体例を示す図。半導体ウエハ温度とチラーの設定温度の関係を示す図。第１の実施形態に係る温度制御システムの構成図。半導体ウエハ温度とチラーの設定温度の関係を示す図。第１の実施形態の変形例に係る温度制御システムの構成図。受光手段の構成図。ＤＦＴ処理後の信号を示す図。第２の実施形態に係る温度制御システムの構成図。第３の実施形態に係る温度制御システムの構成図。

以下、図面を参照して、本発明について詳細に説明するが、初めに図１〜図３を参照して、温度制御システムの概要及びその構成ついて説明し、その後に、本発明の各実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

（参考例）
初めに、図１を参照して温度制御システムの概要及びその構成ついて説明する。図１に示す温度制御システムは、半導体ウエハＷをエッチング処理する処理チャンバ１００と、半導体ウエハＷ及びＦ／Ｒ（Focus Ring）の温度を測定する温度測定装置２００と、温度測定装置２００で測定される温度に基づき制御信号（温度指示信号）を送信する装置システム３００と、装置システム３００からの制御信号（温度指示信号）に基づいて冷媒（例えばブライン）の温度を制御するチラー４００とを備える。

処理チャンバ１００は、半導体ウエハＷを載置するサセプタ１０１と、半導体ウエハＷの端部におけるエッチングの均一性を向上させるためのＦ／Ｒとを備える。サセプタ１０１は、内部にチラー４００から供給される冷媒（温調媒体）を流通させる流路１０１ａを備える。この流路１０１ａ内を流れる冷媒によりサセプタ１０１を介して、半導体ウエハＷ及びＦ／Ｒの温度が制御される。

温度測定装置２００は、光源２１０と、この光源２１０からの光を温度測定用の測定光と参照光とに分けるための第１スプリッタ２２０と、この第１スプリッタ２２０からの測定光を、さらにｎ個（複数）の第１〜第ｎ測定光に分けるための第２スプリッタ２３０と、上記第１スプリッタ２２０からの参照光を反射するための参照光反射手段２４０と、参照光反射手段２４０から反射する参照光の光路長を変化させるための光路長変化手段２５０と、測定光の反射光及び参照光の反射光との干渉波形を観察するための受光手段２６０と、受光手段２６０で観察された干渉波形から温度を算出する温度算出手段２７０を備える。

光路長変化手段２５０は、例えば参照ミラーなどで構成される参照光反射手段２４０を
参照光の入射方向に平行な一方向へ移動させるためのリニアステージ、モータ、Ｈｅ−Ｎｅレーザエンコーダ等から構成されている。

光源２１０としては、測定光と参照光との干渉が測定できれば、任意の光を使用することが可能である。なお、半導体ウエハＷの温度測定を行う場合には、少なくとも半導体ウエハＷの表面と裏面との間の距離（通常は８００〜１５００μｍ程度）からの反射光が干渉を生じない程度の光が好ましい。具体的には例えば低コヒーレンス光を用いることが好ましい。

低コヒーレンス光とは、コヒーレンス長の短い光をいう。低コヒーレンス光の中心波長は例えば０．３〜２０μｍが好ましく、更に０．５〜５μｍがより好ましい。また、コヒーレンス長としては、例えば０．１〜１００μｍが好ましく、更に３μｍ以下がより好ましい。このような低コヒーレンス光を光源２１０として使用することにより、余計な干渉による障害を回避でき、半導体ウエハＷの表面又は内部層からの反射光に基づく参照光との干渉を容易に測定することができる。

上記低コヒーレンス光を使用した光源としては、例えばＳＬＤ（Super Luminescent Diode）、ＬＥＤ、高輝度ランプ（タングステンランプ、キセノンランプなど）、超広帯域波長光源等を使用することができる。これらの低コヒーレンス光源の中でも、輝度の高いＳＬＤ（波長、例えば１３００ｎｍ）を光源２１０として用いることが好ましい。

第１スプリッタ２２０としては、例えば光ファイバカプラを用いる。但し、これに限定されるものではなく、参照光と測定光とに分けることが可能なものであればよい。また、第２スプリッタ２３０についても、例えば光ファイバカプラを用いる。但し、これに限定されるものではなく、第１〜第ｎの測定光に分けることが可能なものであればよい。第１スプリッタ２２０、第２スプリッタ２３０としては、例えば光導波路型分波器、半透鏡などを用いてもよい。

参照光反射手段２４０は、例えばコーナーキューブプリズム、平面ミラー等などを用いることが可能である。これらの中でも、反射光の入射光との平行性の観点からは、コーナーキューブプリズムを用いることが好ましい。但し、参照光を反射できれば、上記のものに限られず、例えばディレーラインなどで構成してもよい。

受光手段２６０としては、低価格性、コンパクト性を考慮すれば、例えばイメージセンサを用いて構成することが好ましい。具体的には例えばＳｉフォトダイオード、ＩｎＧａＡｓフォトダイオード、Ｇｅフォトダイオードなどを用いたイメージセンサにより構成する。なお、半導体ウエハＷの温度を測定する場合、中心波長が１０００ｎｍ以上の光を使用することから、波長が８００〜１７００ｎｍの光に感度を有するＩｎＧａＡｓフォトダイオードを用いたイメージセンサにより受光手段２６０を構成することが好ましい。

第１スプリッタ２２０からの参照光は、参照光伝送手段例えばコリメートファイバを介して参照光反射手段２４０へ照射する参照光照射位置まで伝送されるようになっており、第２スプリッタ２３０からの第１〜第ｎ測定光は夫々、第１〜第ｎ測定光伝送手段例えばコリメートファイバＦ₁〜Ｆ_nを介して、半導体ウエハＷ及びＦ／Ｒへ照射する測定光照射位置まで伝送されるようになっている。なお、第１〜第ｎ測定光伝送手段としては、上記コリメートファイバＦ₁〜Ｆ_nに限られるものではなく、例えば光ファイバの先端にコリメータを取り付けたコリメータ付光ファイバであってもよい。

（第１〜第ｎ測定光の光路長）
上記温度測定装置２００では、第１〜第ｎ測定光における第２スプリッタ２３０から半導体ウエハＷまでの各光路長が夫々互いに異なるように構成されている。具体的には例えばコリメートファイバＦ₁〜Ｆ_nの長さが夫々同一の場合は、例えばコリメートファイバＦ₁〜Ｆ_nの先端面、すなわち測定光照射位置が、半導体ウエハＷ及びＦ／Ｒから照射方向に略平行な方向に夫々ずれるように配置される。また、コリメートファイバＦ₁〜Ｆ_nの先端面をずらすことなく、コリメートファイバＦ₁〜Ｆ_nの長さ又は光ファイバの長さを変えることにより、上記第１〜第ｎ測定光における第２スプリッタ２３０から半導体ウエハＷ及びＦ／Ｒまでの各光路長が異なるようにしてもよい。

なお、第１〜第ｎ測定光伝送手段を半導体ウエハＷ及びＦ／Ｒからずらして配設する場合には、少なくとも各測定ポイントで測定される第１〜第ｎ測定光と参照光との干渉波が夫々重ならないようにする必要がある。例えば光源２１０として低コヒーレンス光源を使用する場合には、第１〜第ｎ測定光伝送手段を半導体ウエハＷ及びＦ／Ｒから、少なくとも干渉波のコヒーレンス長以上ずつずらして配設すれば、干渉波の重なりを防止することができる。

また、このような第１〜第ｎ測定光伝送手段を配設する位置は、半導体ウエハＷの厚さや厚さの変化率、測定する温度範囲、参照ミラーの移動距離などを考慮して決定することが好ましい。具体的には例えば０．７ｍｍ程度の厚みがあるシリコンウエハでは、常温から２００℃くらいまでの温度範囲での参照ミラーの移動距離は０．０４ｍｍ程度であるため、第１〜第ｎ測定光伝送手段を半導体ウエハＷ及びＦ／Ｒから０．１ｍｍ程度ずつずらして配設することが好ましい。これにより、各測定ポイントの干渉波が重ならないようにすることができる。

これにより、参照光反射手段２４０を一度走査するだけで各第１〜第ｎ測定光が照射された測定ポイントの干渉波を一度に検出することができる。このため、温度計測にかかる時間を極力短くすることができる。

（温度測定装置の動作）
図１に示す温度測定装置２００においては、光源２１０からの光は、第１スプリッタ２２０の端子ａに入射され、第１スプリッタ２２０により端子ｂと端子ｃへと２分波される。このうち、端子ｂからの光（測定光）は、第２スプリッタ２３０に入射され、第２スプリッタ２３０により第１〜第ｎ測定光に分波される。これら第１〜第ｎ測定光はそれぞれコリメートファイバＦ_１〜Ｆ_ｎを介して照射され、半導体ウエハＷ及びＦ／Ｒで反射される。

一方、端子ｃからの光（参照光）は、コリメートファイバＦ_ｎ＋１から出射され、参照光反射手段（例えば参照ミラー）２４０によって反射される。そして、第１〜第ｎ測定光の各反射光は第２スプリッタ２３０を介して第１スプリッタ２２０へ入射し、参照光の反射光と再び合波されて、例えばＳｉフォトダイオード、ＩｎＧａＡｓフォトダイオード、Ｇｅフォトダイオードなどを用いたで構成された受光手段２６０で干渉波形が検出される。

（測定光と参照光との干渉波形の具体例）
ここで、温度測定装置２００の受光手段２６０により得られる干渉波形の具体例を図２に示す。図２は、第２スプリッタ２３０により分波された第１，第２測定光が、半導体ウエハＷの面内における測定ポイントＰ_１（例えば半導体ウエハＷの端部（Ｅｄｇｅ））、Ｐ２（例えば半導体ウエハＷの中心（Ｃｅｎｔｅｒ））にそれぞれ照射されるようにした場合における第１及び第２測定光と参照光との干渉波形を示したものである。図２（ａ）は温度変化前の干渉波形を示したものであり、図２（ｂ）は温度変化後の干渉波形を示したものである。図２において縦軸は干渉強度、横軸は参照ミラーの移動距離をとっている。

また、光源２１０としては、上述したような低コヒーレンス光源を用いている。低コヒーレンス光源によれば、光源２１０からの光のコヒーレンス長が短いため、通常は測定光の光路長と参照光の光路長とが一致した場所で強く干渉が起こり、それ以外の場所では干渉は実質的に低減するという特質がある。このため、参照光反射手段（例えば参照ミラー）２４０を例えば参照光の照射方向の前後に駆動させ、参照光の光路長を変化させることにより、半導体ウエハＷの表面及び裏面の他、ウエハ内部にさらに層があればその各層についても、これらの屈折率差によって反射した測定光と参照光が干渉する。その結果、ウエハの深度方向の温度測定が可能となる。

図２（ａ）、（ｂ）によれば、参照光反射手段（例えば参照ミラー）２４０を一方向へ走査していくと、先ず半導体ウエハＷの測定ポイントＰ_１の表面と参照光との干渉波が現れ、次いで測定ポイントＰ_２の表面と参照光との干渉波が現れる。参照光反射手段２４０をさらに走査していくと、ウエハの測定ポイントＰ_１の裏面と参照光との干渉波が現れ、次いで測定ポイントＰ_２の裏面と参照光との干渉波が現れる。このように、参照光反射手段２４０を一度走査するだけで第１及び第２測定光が照射された測定ポイントＰ_１、Ｐ_２の表面及び裏面の干渉波を一度に検出することができる。

（干渉光に基づく温度測定方法）
次に、温度算出手段２７０における測定光と参照光との干渉波に基づいて温度を測定する方法について説明する。干渉波に基づく温度測定方法としては、例えば温度変化に基づく光路長変化を用いる温度換算方法がある。ここでは、上記干渉波形の位置ズレを利用した温度換算方法について説明する。

エッチングが開始されると（プラズマがＯＮされると）、イオンが半導体ウエハＷ及びＦ／Ｒに衝突し、半導体ウエハＷ及びＦ／Ｒの温度が上昇する。温度が上昇すると半導体ウエハＷ及びＦ／Ｒは膨張して屈折率が変化するため、温度変化前と温度変化後では、干渉波形の位置がずれて、干渉波形のピーク間幅が変化する。このとき、測定ポイントごとに温度変化があれば、測定ポイントごとに干渉波形の位置がずれて、干渉波形のピーク間幅が変化する。このような測定ポイントごとに干渉波形のピーク間幅を測定することにより温度変化を検出することができる。例えば図１に示すような温度測定装置２００であれば、干渉波形のピーク間幅は、参照光反射手段２４０の移動距離に対応しているため、干渉波形のピーク間幅における参照ミラーの移動距離を測定することにより、温度変化を検出することができる。

半導体ウエハＷの厚さをｄとし、屈折率をｎとした場合、干渉波形についてのピーク位置のずれは、厚さｄについては各層固有の線膨張係数αに依存し、また屈折率ｎの変化については主として各層固有の屈折率変化の温度係数βに依存する。なお、屈折率変化の温度係数βについては波長にも依存することが知られている。

従って、ある測定ポイントＰにおける温度変化後のウエハの厚さｄ′を数式で表すと下記数式（１）に示すようになる。なお、数式（１）において、ΔＴは測定ポイントの温度変化を示し、αは線膨張率、βは屈折率変化の温度係数を示している。また、ｄ、ｎは、夫々温度変化前の測定ポイントＰにおける厚さ、屈折率を示している。

ｄ′＝ｄ・（１＋αΔＴ）、ｎ′＝ｎ・（１＋βΔＴ） …（１）
上記数式（１）に示すように、温度変化によって測定ポイントＰを透過する測定光の光路長が変化する。光路長は一般に、厚さｄと屈折率ｎとの積で表される。従って、温度変化前の測定ポイントＰを透過する測定光の光路長をＬとし、測定ポイントにおける温度がΔＴだけ変化した後の光路長をＬ′とすると、Ｌ、Ｌ′は夫々下記の数式（２）に示すようになる。

Ｌ＝ｄ・ｎ、Ｌ′＝ｄ′・ｎ′ …（２）
従って、測定ポイントにおける測定光の光路長の温度変化前後の差（Ｌ′−Ｌ）は、上記数式（１）、（２）により計算して整理すると、下記数式（３）に示すようになる。なお、下記数式（３）では、α・β≪α、α・β≪βを考慮して微小項を省略している。

Ｌ′−Ｌ＝ｄ′・ｎ′−ｄ・ｎ＝ｄ・ｎ・（α＋β）・ΔＴ
＝Ｌ・（α＋β）・ΔＴ …（３）

ここで、各測定ポイントにおける測定光の光路長は、参照光との干渉波形のピーク間幅に相当する。従って、線膨張率α、屈折率変化の温度係数βを予め調べておけば、各測定ポイントにおける参照光との干渉波形のピーク間幅を計測することによって、上記数式（３）を用いて、各測定ポイントの温度に換算することができる。

このように、干渉波から温度への換算する場合、上述したように干渉波形のピーク間で表される光路長が線膨張率α及び屈折率変化の温度係数βによって変るため、これら線膨張率α及び屈折率変化の温度係数βを予め調べておく必要がある。半導体ウエハＷを含め物質の線膨張率α及び屈折率変化の温度係数βは一般に、温度帯によっては、温度に依存する場合もある。例えば線膨張率αについては一般に、物質の温度が０〜１００℃くらいの温度範囲ではそれほど変化しないので、一定とみなしても差支えないが、１００℃以上の温度範囲では物質によっては温度が高くなるほど変化率が大きくなる場合もあるので、そのような場合には温度依存性が無視できなくなる。屈折率変化の温度係数βについても同様に温度範囲によっては、温度依存性が無視できなくなる場合がある。

例えば半導体ウエハＷを構成するシリコン（Ｓｉ）の場合は、０〜５００℃の温度範囲において線膨張率α及び屈折率変化の温度係数βは例えば二次曲線で近似することができることが知られている。このように、線膨張率α及び屈折率変化の温度係数βは温度に依存するので、例えば温度に応じた線膨張率α及び屈折率変化の温度係数βを予め調べておき、その値を考慮して温度換算すれば、より正確な温度に換算することができる。

なお、測定光と参照光との干渉波に基づく温度測定方法としては上述したような方法に限られることはなく、例えば温度変化に基づく吸収強度変化を用いる方法であってもよく、上記温度変化に基づく光路長変化と温度変化に基づく吸収強度変化とを組み合わせた方法であってもよい。

装置システム３００は、温度測定装置２００で測定される温度をリアルタイムに取り込み、この取り込んだ温度（半導体ウエハＷ及びＦ／Ｒの温度）に基づいてチラー４００へ制御信号（温度指示信号）を送信する。具体的には、この取り込んだ温度（半導体ウエハＷの温度及びＦ／Ｒ）が一定となるようにチラー４００の設定温度を制御する。

チラー４００は、装置システム３００からの制御信号（温度指示信号）に基づいて冷媒を温調する制御回路４０１と、冷媒をサセプタ１０１へ供給する流路（往路）４０２と、サセプタ１０１からの冷媒をチラー４００内へ戻すための流路（復路）４０３とを備える。制御回路４０１は、装置システム３００から送信される制御信号（温度信号）に基づいて、冷媒の温度を制御するが、この制御には、例えばＰＩＤ制御を用いることができる。ＰＩＤ制御は、フィードバック制御の一種であり、入力値の制御を出力値と目標値との偏差、その積分、および微分の3つの要素によって行う。なお、半導体ウエハＷの温度及びＦ／Ｒを一定に保つことが出来れば、ＰＩＤ制御以外にも種々の制御手法を利用することができる。

図３は、半導体ウエハＷの温度とチラー４００の設定温度の関係を示す図である。図３は、従来（チラー４００の設定温度を一定にした場合）の半導体ウエハＷの温度とチラー４００の設定温度の関係を示している。図３において縦軸は半導体ウエハＷの温度、横軸はプロセスの時間をとっている。また、半導体ウエハＷの温度を実線で、チラー４００の設定温度を鎖線で示している。従来のように、半導体ウエハＷの温度に関係なくチラー４００の温度設定を一定にした場合、図３に示すように半導体ウエハＷのプロセス中にチラー４００の設定温度が変化しないためプロセス中の半導体ウエハＷの温度が変動する。

（第１の実施形態）
図４は、第１の実施形態に係る温度制御システム１の構成図である。第１の実施形態に係る温度制御システム１では、処理チャンバ１００が備えるサセプタ１０１とチラー４００（第１の温調手段）との間に、チラー４００とは独立したサブチラー５００（第２の温調手段）をさらに備えた点が図１に示した温度制御システムと異なる。以下、図４を参照して、第１の実施形態に係る温度制御システム１について説明するが、図１で説明した構成と実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

サブチラー５００は、流路（往路）４０２を流れる冷媒の温度を調整する第１温調部５０１と、流路（復路）４０３を流れる冷媒の温度を調整する第２温調部５０２と、装置システム３００からの制御信号（温度指示信号）に基づいて第１温調部５０１及び第２温調部５０２を制御する制御回路５０３とを備える。

制御回路５０３は、装置システム３００から送信される制御信号（温度信号）に基づいて、冷媒の温度を制御するが、この制御には、例えばＰＩＤ制御を用いることができる。なお、半導体ウエハＷの温度を一定に保つことが出来れば、ＰＩＤ制御以外にも種々の制御手法を利用することができる。なお、制御回路５０３は、第１温調部５０１及び第２温調部５０２を各々独立して制御する。

上述したように、通常、処理チャンバ１００は半導体製造工場の二階に設置され、付帯設備であるチラー４００は一階に設置されることが多く、この場合、チラー４００で温調された冷媒が処理チャンバ１００内のサセプタ１０１へ供給されるまでにタイムラグ（時間差）が生じる。このため、リアルタイムに半導体ウエハの温度を制御することが難しくなる。そこで、この第１の実施形態では、処理チャンバ１００とチラー４００との間にサブチラー５００を備え、このサブチラー５００が備える第１温調部５０１で流路（往路）４０２を流れる冷媒の温度を温調することにより半導体ウエハＷの温度制御の応答性を向上させている。

また、チラー４００は、半導体ウエハＷの温度が安定するように温度調整した冷媒をサセプタ１０１へ常に供給しているが、プロセスが開始されると冷媒の温度が上昇し、この上昇した冷媒の温度を下げるのに時間がかかる。そこで、本実施形態では、サブチラー５００に流路（復路）４０３を流れる冷媒の温度を調整する第２温調部５０２を備え、予め冷媒の温度をある程度調整（下げる）ことで、チラー４００で冷媒を所望の温度へ温調する時間を短縮している。結果、半導体ウエハＷの温度制御の応答性を向上することができる。

図５は、半導体ウエハ温度とサセプタ内の冷媒温度の関係を示す図である。図５（ａ）は、従来（チラー４００の設定温度を一定にした場合）の半導体ウエハＷの温度とチラー４００の設定温度との関係を示している。図５（ｂ）は、サブチラー５００を備え、温度測定装置２００で測定した半導体ウエハＷの温度に応じてサブチラー５００の設定温度を変化させた場合の半導体ウエハＷの温度、チラー４００の設定温度、サブチラー５００の設定温度との関係を示している。なお、図５において縦軸は半導体ウエハＷの温度、横軸はプロセスの時間をとっている。また、図５では、半導体ウエハＷの温度を実線で、チラー４００の設定温度を鎖線で、サブチラー５００の設定温度を一点鎖線で示している。

チラー４００の設定温度を一定にした場合、半導体ウエハＷのプロセス中にチラー４００の設定温度が変化しない。さらに、チラー４００で温調された冷媒が処理チャンバ１００内のサセプタ１０１へ供給されるまでにタイムラグ（時間差）が生じる。このため、図５（ａ）に示すようにサセプタ１０１へ供給される冷媒の温度が変化せずに、プロセス中の半導体ウエハＷの温度が変動する。

一方、本実施形態では、サセプタ１０１の近くにサブチラー５００を備え、リアルタイムに測定される半導体ウエハＷの温度に基づいて、サブチラー５００の設定温度を制御している。また、サブチラー５００と処理チャンバ１００との距離が短いため、第１温調部５０１で温調された冷媒が処理チャンバ１００内のサセプタ１０１へ供給されるまでにほとんどタイムラグが生じない。このため、図５（ｂ）に示すように、半導体ウエハＷの温度変動を抑制して、プロセス中の半導体ウエハＷの温度を略一定に保つことができる。

なお、サブチラー５００を設ける位置は、処理チャンバ１００内のサセプタ１０１から近いほどよい。サセプタ１０１とサブチラー５００との距離は、流路（往路）４０２及び流路（復路）４０３内を流れる冷媒の流速及び流量によるが、２ｍ以内であることが好ましい。

以上のように、この第１の実施形態に係る温度制御システム１では、処理チャンバ１００が備えるサセプタ１０１とチラー４００との間に、チラー４００とは独立したサブチラー５００をさらに備え、処理チャンバ１００の近くで流路（往路）４０２及び流路（復路）４０３を流れる冷媒の温度をプロセス中の半導体ウエハＷ及びＦ／Ｒの温度変化をモニタしながら温調するようにしたので、プロセス中の半導体ウエハＷ及びＦ／Ｒの温度変化を抑制して半導体ウエハＷの加工精度を向上することができる。

（第１の実施形態の変形例）
第１の実施形態では、光源２１０で発生する光を測定光と参照光とに分岐し、半導体ウエハＷの測定ポイントで反射された測定光と、参照光反射手段２４０で反射された参照光を干渉させて半導体ウエハＷ及びＦ／Ｒの温度を測定していた。この第１の実施形態の変形例では、参照光を使用せずに半導体ウエハＷ及びＦ／Ｒの温度を測定する実施形態について説明する。

図６は、第１の実施形態の変形例に係る温度測定システム１Ａの構成図である。温度測定システム１Ａは、温度測定装置２００に代わって温度測定装置２００Ａを備える点が、第１の実施形態に係る温度制御装置１と異なる。

温度測定装置２００Ａは、光源２１０と、この光源２１０からの光を第２スプリッタ２３０へ入力し、第２スプリッタ２３０からの反射波を受光手段２６０Ａへ入力する光サーキュレータ２８０と、光サーキュレータ２８０からの測定光を、さらにｎ個（複数）の第１〜第ｎ測定光に分けるための第２スプリッタ２３０と、光サーキュレータ２８０から入力される反射光を複数の波長に離散化した離散化信号を生成する受光手段２６０Ａと、受光手段２６０Ａからの離散化信号を離散フーリエ変換して光路長を算出し、該光路長から半導体ウエハＷ及びＦ／Ｒの温度を算出する温度算出手段２７０Ａを備える。以下、温度測定装置２００Ａが備える各構成について詳細に説明するが、図１及び図２で説明した構成と同一の構成には同一の符号を付して重複した説明を省略する。

光サーキュレータ２８０は、３つのポートＡ〜Ｃを備える、ポートＡに入力した光はポートＢから出力され、ポートＢから入力した光はポートＣから出力され、ポートＣに入力した光はポートＡから出力される特性を有する。すなわち、光サーキュレータ２８０のＡポートから入力される光源２１０からの測定光は、光サーキュレータ２８０のＢポートから第２スプリッタ２３０へ入力され、光サーキュレータ２８０のＢポートから入力される半導体ウエハＷ及びＦ／Ｒからの反射光は、光サーキュレータ２８０のＣポートから受光手段２６０Ａへ入力される。

図７は、受光手段２６０Ａの構成図である。受光手段２６０Ａは、光サーキュレータ２８０からの反射光を波長分解する回折格子２６１と、波長分解された反射光を電気信号に変換するイメージセンサ２６２とを備え、光サーキュレータ２８０からの反射光を複数の波長に離散化した離散化信号を生成して出力する。なお、イメージセンサ２６２は、例えばＳｉフォトダイオード、ＩｎＧａＡｓフォトダイオード、Ｇｅフォトダイオードなどを用いたイメージセンサで構成するが、半導体ウエハＷの温度を測定する場合、ＩｎＧａＡｓフォトダイオードを用いることが好ましい。

温度算出手段２７０Ａは、例えば、コンピュータ（電算機）等であり、受光手段２６０Ａから入力される離散化信号に基づいて半導体ウエハＷ及びＦ／Ｒの温度を算出する。温度算出手段２７０Ａは、受光手段２６０Ａからの離散化信号を取り込んで、ＤＦＴ（discrete fourier transform）処理を行う。このＤＦＴ処理により、受光手段２６０Ａからの離散化信号を振幅と距離との情報に変換する。図８は、ＤＦＴ処理後の信号を示す図である。図８において縦軸は振幅、横軸は距離になっている。

温度算出手段２７０Ａは、離散フーリエ変換された振幅と距離との情報に基づいて光路長を算出する。具体的には、図８に示すピークＡからピークＢまでの距離を算出する。図８に示すピークＡとピークＢは、半導体ウエハＷの表面からの反射光と裏面からの反射光との干渉により生じ、この光路長の差は、半導体ウエハＷの温度に依存する。半導体ウエハＷの温度が変化すると、半導体ウエハＷ及びＦ／Ｒの熱膨張と屈折率との変化により、半導体ウエハＷ及びＦ／Ｒの表面と裏面との光路長が変化するためである。

温度算出手段２７０Ａは、光路長と温度との関係に基づいて、上記光路長から半導体ウエハＷの温度を算出し、温度情報として装置システム３００へ出力する。なお、光路長と温度との関係は、温度算出手段２７０Ａが備えるＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＦｌａｓｈＭｅｍｏｒｙ（フラッシュメモリ）やＦｅＲＡＭ（強誘電体メモリ）等の不揮発性メモリに予め記憶しておく。

以上のように、この第１の実施形態の変形例に係る温度測定システム１Ａは、半導体ウエハＷからの反射光を、受光手段２６０Ａにより離散化信号に変換し、この離散化信号をＤＦＴ処理して光路長を算出しているので、光路長変化手段２５０により参照光反射手段２４０を機械的に動作させる必要がないので半導体ウエハＷ及びＦ／Ｒの温度測定を非常に早く行うことができるため、より効果的に半導体ウエハＷの温度変化を抑制することができる。その他の効果は、第１の実施形態に係る温度測定システム１と同じである。

（第２の実施形態）
図９は、第２の実施形態に係る温度制御システム２の構成図である。現在、３００ｍｍウエハを処理する半導体製造装置では、一台の半導体製造装置に複数の処理チャンバを備えるマルチチャンバ方式が主流となっている。この第２の実施形態では、本発明をマルチチャンバ方式に適用した場合について説明する。なお、図４に示した第１の実施形態に係る温度制御システム１と実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図９に示すように、第２の実施形態に係る温度制御システム２は、複数の処理チャンバ１００と、各処理チャンバ１００と１対１に対応する複数のサブチラー５００と、複数のサブチラー５００で共通して使用するチラー４００とを備える。各サブチラー５００は、装置システム３００から送られる制御信号に基づいて対応する処理チャンバ１００に対して温調した冷媒を送出する。この第２の実施形態では、処理チャンバ１００を半導体製造工場の二階、付帯設備であるチラー４００を一階に設置しているが、サブチラー５００を処理チャンバ１００が設置される二階に設置している。このため、サブチラー５００から各処理チャンバ１００までの距離を短くすることができ半導体ウエハＷ及びＦ／Ｒの温度制御の応答性が向上する。

なお、図９に示すように、この第２の実施形態では、複数の処理チャンバ１００に対して１台のチラー４００しか備えていないが、処理チャンバ１００とサブチラー５００とを１対１に対応させているので冷媒の温調能力が不足することはない。また、図９では、サブチラー５００を処理チャンバ１００と同じ階に設置しているが、処理チャンバ１００と対応するサブチラー５００との距離を２ｍ以下に抑えることが出来れば、必ずしも同じ階に設置する必要はない（例えば、中二階等に設置してもよい）。さらに、図９では、複数のサブチラー５００に対してチラー４００を一台だけ備えた構成としているが、各サブチラー５００に対して、チラー４００を備えるように構成してもよい。

（第３の実施形態）
図１０は、第３の実施形態に係る温度制御システム３の構成図である。第３の実施形態にかかる温度制御システム３は、処理チャンバ１００と、温度測定装置２００と、装置システム３００と、チラー４００（第１の温調手段）と、サブチラー５００（第２の温調手段）と、ＩＭ６００と、バックヘリウム制御手段７００とを備える。以下、第３の実施形態に係る温度制御システム３の構成ついて説明するが、図４に示した第１の実施形態に係る温度制御システム１と実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

この第３の実施形態に係る温度制御システム３では、温度測定装置２００で測定した半導体ウエハＷ及びＦ／Ｒの温度情報を装置システム３００ではなくＩＭ６００へ送信している。ＩＭ６００は、処理チャンバ１００で処理が完了した半導体ウエハＷの特性（例えば、膜厚、欠陥等、処理チャンバ１００のプロセス特性）を確認するIntegrated Metrologyと呼ばれる装置である。

ＩＭ６００は、処理チャンバ１００で処理が完了した半導体ウエハＷの特性を取得すると、この特性結果に応じて、処理チャンバ１００のプロセスパラメータ（各種ガス流量、チャンバ内圧力、ＲＦパワー、バックヘリウム圧力、チラー設定温度等）を変更するよう装置システム３００へ指示する。

装置システム３００は、ＩＭ６００からの指示に基づいて、処理チャンバ１００の各プロセスパラメータを変更する。ＩＭ６００でのプロセス結果に応じて、サブチラー５００の設定温度を変更することにより、半導体ウエハＷの加工精度をより向上させることができる。

なお、第１の実施形態に係る温度制御システム１、第１の実施形態の変形例に係る温度制御システム１Ａ、第２の実施形態に係る温度制御システム２にもＩＭ６００を備え、チラー４００又はサブチラー５００の設定温度をＩＭ６００で得られたプロセス特性に応じて変更するように構成してもよい。

（その他の実施形態）
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。例えば、上記実施形態では、処理対象物として半導体ウエハを例に説明したが、処理対象物は半導体ウエハに限られず、例えば、太陽電池用ウエハ、液晶パネルなどであってもよい。また、半導体ウエハをエッチング処理する場合の温度測定について説明したが、プロセス中に半導体ウエハの温度をモニタする必要のあるプロセス（例えば、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）やＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）プロセス等）であれば本発明を適用できる。また、第１〜第３の実施形態に係る温度制御システム１〜３が備える温度測定装置２００を、第１の実施形態の変形例に係る温度制御システム１Ａ（図６参照）が備える温度測定装置２００Ａとしてもよい。

１〜３…温度制御システム、１００…処理チャンバ、２００…温度測定装置、２１０…光源、２２０…第１スプリッタ、２３０…第２スプリッタ、２４０…参照光反射手段、２５０…光路長変化手段、２６０，２６０Ａ…受光手段、２６１…回折格子、２６２…イメージセンサ、２７０，２７０Ａ…温度算出手段、２８０…光サーキュレータ、３００…装置システム、４００…チラー（第１の温調手段）、４０１…制御回路、４０２…流路（往路）、４０３…流路（復路）、５００…サブチラー（第２の温調手段）、５０１…第１温調部、５０２…第２温調部、５０３…制御回路、６００…ＩＭ（Integrated Metrology）、７００…バックヘリウム制御手段、Ｆ_１〜Ｆ_２…コリメートファイバ、Ｐ…測定ポイント。

Claims

上面に処理対象物を載置可能とし、内部に温調媒体の流路が形成されたサセプタと、
前記サセプタの上面に載置された前記処理対象物の温度を測定する温度測定手段と、
前記流路を流れる温調媒体を温調する第１の温調手段と、
前記サセプタと前記第１の温調手段との間に介在し、前記温度測定手段によりリアルタイムに測定される前記処理対象物若しくはフォーカスリングの温度、若しくはその温度変化に基づいて、前記温調媒体を温調する第２の温調手段と、
を備え、
前記第１の温調手段と前記第２の温調手段との間及び前記第２の温調手段と前記サセプタとの間に配置され、前記温調媒体を、前記第２の温調手段を介して前記第１の温調手段から前記サセプタの流路へ供給する、第１の流路と、
前記サセプタと前記第２の温調手段との間及び前記第２の温調手段と前記第１の温調手段との間に配置され、前記温調媒体を、前記第２の温調手段を介して前記サセプタの流路から前記第１の温調手段へ供給する、第２の流路と、
を含み、
前記温調媒体を、前記第１の流路及び前記第２の流路を通じて、前記第１の温調手段から前記第２の温調手段を介して前記サセプタに循環させるように構成され、
前記第２の温調手段は、
前記第１の流路を通じて、前記第１の温調手段から前記サセプタへと流れる前記温調媒体を温調する第１の温調部、前記第２の流路を通じて、前記サセプタから前記第１の温調手段へと流れる前記温調媒体を温調する第２の温調部、及び前記温度測定手段で測定される温度、若しくは温度変化に基づいた制御信号で、前記第１，第２の温調部を各々独立に制御する制御回路を備えた
ことを特徴とする温度制御システム。
前記温度測定手段は、
光源からの光を、測定光と参照光とに分岐する分岐手段と、
前記分岐手段からの参照光を反射するための参照光反射手段と、
前記参照光反射手段から反射される参照光の光路長を変化させる光路長変化手段と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の温度制御システム。