KR102336091B1 - 열 유속 측정 방법, 기판 처리 시스템 및 열 유속 측정용 부재 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 플라즈마의 이온 플럭스를 열 유속 측정용 부재에서의 열 유속으로서 측정하는 열 유속 측정 방법을 제공한다.
제 1 층(41), 제 2 층(42) 및 제 3 층(43)이 이 순서로 적층된 제 1 열 유속 측정용 부재 S를 플라즈마에 노출한 상태에서 적층 방향으로 저코히런스광을 조사하여 얻어지는 반사광으로부터 제 1 층(41) 내를 두께 방향으로 왕복하는 저코히런스광의 제 1 층(41) 내에서의 광로 길이와 제 3 층(43) 내를 두께 방향으로 왕복하는 저코히런스광의 제 3 층(43) 내에서의 광로 길이를 측정한다. 사전에 제 1 열 유속 측정용 부재 S의 온도와 제 1 층(41) 내 및 제 3 층(43) 내에서의 각각의 저코히런스광의 광로 길이의 관계를 나타내는 데이터를 작성하고, 제 1 층(41)과 제 3 층(43)의 온도를 구하고, 구한 제 1 층(41)과 제 3 층(43)의 온도와, 제 2 층(42)의 두께 및 열전도율로부터, 제 1 열 유속 측정용 부재 S를 흐르는 열 유속 q를 산출한다.
제 1 층(41), 제 2 층(42) 및 제 3 층(43)이 이 순서로 적층된 제 1 열 유속 측정용 부재 S를 플라즈마에 노출한 상태에서 적층 방향으로 저코히런스광을 조사하여 얻어지는 반사광으로부터 제 1 층(41) 내를 두께 방향으로 왕복하는 저코히런스광의 제 1 층(41) 내에서의 광로 길이와 제 3 층(43) 내를 두께 방향으로 왕복하는 저코히런스광의 제 3 층(43) 내에서의 광로 길이를 측정한다. 사전에 제 1 열 유속 측정용 부재 S의 온도와 제 1 층(41) 내 및 제 3 층(43) 내에서의 각각의 저코히런스광의 광로 길이의 관계를 나타내는 데이터를 작성하고, 제 1 층(41)과 제 3 층(43)의 온도를 구하고, 구한 제 1 층(41)과 제 3 층(43)의 온도와, 제 2 층(42)의 두께 및 열전도율로부터, 제 1 열 유속 측정용 부재 S를 흐르는 열 유속 q를 산출한다.
Description
본 발명은, 플라즈마 처리 장치의 기판 처리실 내에서 발생시키는 플라즈마의 이온 플럭스를 측정하기 위해 기판 처리실 내에 배치되는 열 유속 측정용 부재, 플라즈마의 이온 플럭스를 열 유속으로서 측정하는 열 유속 측정 방법, 플라즈마에 노출되는 열 유속 측정용 부재의 온도를 측정하는 것에 의해서 플라즈마의 이온 플럭스를 열 유속으로서 측정하는 열 유속 측정 장치를 구비하는 기판 처리 시스템에 관한 것이다.
반도체 웨이퍼에 대해 플라즈마 에칭이나 플라즈마 CVD 등의 각종의 플라즈마 처리를 실시하는 플라즈마 처리 장치에 있어서, 제품 생산시의 프로세스의 안정성을 높이거나, 혹은 제품 제조 프로세스의 개발을 행하기 위해서, 플라즈마 상태를 나타내는 파라미터의 하나인 이온 플럭스를 아는 것이 중요하다.
이온 플럭스를 측정하는 방법으로서, 플라즈마 소스 전원 및 고주파 바이어스 전원과는 다른 발진 주파수를 플라즈마 처리실 내에 발진하는 프로브 고주파 발진부와, 프로브 고주파 발진 수단으로부터 발진되는 고주파를 플라즈마에 접하는 면에서 수신하는 고주파 수신부를 설치하고, 프로브 고주파 발진부와 수신부로 구성되는 전기 회로 내의 발진 주파수마다의 임피던스, 반사율 및 투과율, 고조파 성분의 변동을 측정하는 방법이 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조). 또한, 진공 처리 공간 내에 있어 피처리체가 배치되는 영역에, 전체 에너지 플럭스의 측정부와 잔류 이온의 측정부를 가지는 칩 형상의 기재를 배치하고, 이온의 입사에 따라 측정부에서 발생하는 전류를 측정하는 것에 의해서 이온 플럭스를 측정하는 기술이 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 2 참조).
이와 같이 이온 플럭스를 측정하는 기술이 여러 가지 제안되어 있지만, 반도체 웨이퍼에 입사하는 이온 플럭스는 에너지의 일종이고, 반도체 웨이퍼에 입사한 이온 플럭스는 열로 바뀌므로, 반도체 웨이퍼 내의 열 유속을 구하는 것에 의해서 이온 플럭스를 구할 수 있다고 생각할 수 있다.
본 발명의 목적은 플라즈마의 이온 플럭스를 열 유속 측정용 부재를 흐르는 열 유속으로서 측정하는 열 유속 측정 방법을 제공하는 것에 있다. 또한, 본 발명의 목적은, 플라즈마에 노출되는 열 유속 측정용 부재의 온도를 측정하는 것에 의해 플라즈마의 이온 플럭스를 열 유속으로서 측정하는 열 유속 측정 장치를 구비하는 기판 처리 시스템을 제공하는 것에 있다. 또한, 본 발명의 목적은 기판 처리실 내에서 발생시키는 플라즈마의 이온 플럭스를 측정하기 위해서 기판 처리실 내에 기판 대신에 배치되는 열 유속 측정용 부재를 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 제 1 형태에 따른 열 유속 측정 방법은, 기판 처리실 내에 발생시킨 플라즈마의 이온 플럭스를 열 유속으로서 측정하는 열 유속 측정 방법으로서, 제 1 층, 제 2 층 및 제 3 층이 이 순서로 적층된 구조를 갖고, 적어도 상기 제 2 층은 상기 제 1 층 및 상기 제 3 층과는 다른 재료로 이루어지는 열 유속 측정용 부재를 플라즈마에 노출한 상태에서, 상기 열 유속 측정용 부재에 대해 상기 제 1 층 내지 상기 제 3 층의 적층 방향으로 저코히런스광을 조사했을 때의 상기 열 유속 측정용 부재로부터의 반사광의 광간섭을 이용하여, 상기 제 1 층 내를 두께 방향으로 왕복하는 저코히런스광의 상기 제 1 층 내에서의 광로 길이와 상기 제 3 층 내를 두께 방향으로 왕복하는 저코히런스광의 상기 제 3 층 내에서의 광로 길이를 측정하는 광로 길이 측정 스텝과, 상기 제 1 층 및 상기 제 3 층에 대해, 상기 제 1 층 및 상기 제 3 층의 온도와 상기 제 1 층 내에서의 상기 저코히런스광의 광로 길이와 상기 제 3 층 내에서의 상기 저코히런스광의 광로 길이의 관계를 나타내는 데이터를 작성하는 데이터 작성 스텝과, 상기 광로 길이 측정 스텝에서 측정한 상기 제 1 층 내에서의 상기 저코히런스광의 광로 길이와 상기 제 3 층 내에서의 상기 저코히런스광의 광로 길이를 상기 데이터 작성 스텝에서 작성한 상기 데이터와 대조하여 상기 제 1 층 및 상기 제 3 층의 각각의 온도를 구하는 온도 측정 스텝과, 상기 온도 측정 스텝에서 구한 상기 제 1 층 및 상기 제 3 층의 각각의 온도와, 상기 제 2 층의 두께 및 열전도율로부터, 상기 열 유속 측정용 부재를 흐르는 열 유속을 산출하는 열 유속 산출 스텝을 가지는 것을 특징으로 한다.
제 2 형태에 따른 열 유속 측정 방법은, 제 1 형태에 따른 열 유속 측정 방법에 있어서, 상기 열 유속 측정용 부재의 상기 제 1 층 내에서의 상기 저코히런스광의 광로 길이와 상기 제 3 층 내에서의 상기 저코히런스광의 광로 길이의 차이가 상기 저코히런스광의 광원의 코히런스 길이보다 큰 것을 특징으로 한다.
제 3 형태에 따른 열 유속 측정 방법은, 제 1 형태 또는 제 2 형태에 따른 열 유속 측정 방법에 있어서, 상기 열 유속 측정용 부재는 상기 제 1 층 및 상기 제 3 층의 두께가 상기 제 2 층의 두께보다 얇은 것을 특징으로 한다.
제 4 형태에 따른 열 유속 측정 방법은, 제 1 형태 내지 제 3 형태 중 어느 한 특징에 따른 열 유속 측정 방법에 있어서, 상기 열 유속 측정용 부재는 상기 제 1 층 및 상기 제 3 층을 형성하는 재료의 열전도율이 상기 제 2 층을 형성하는 재료의 열전도율보다 큰 것을 특징으로 한다.
제 5 형태에 따른 열 유속 측정 방법은, 제 1 형태 내지 제 4 형태 중 어느 한 특징에 따른 열 유속 측정 방법에 있어서, 상기 광로 길이 측정 스텝에서는, 광원으로부터 출력되는 저코히런스광을 2개의 광로로 나누고, 상기 2개의 광로의 한쪽을 진행하는 저코히런스광을 상기 열 유속 측정용 부재에 대해 상기 제 1 층 내지 상기 제 3 층의 적층 방향으로 조사했을 때의 상기 열 유속 측정용 부재로부터의 반사광과 상기 2개의 광로의 다른쪽을 진행하는 저코히런스광을 참조 미러에 조사함과 아울러 상기 참조 미러를 저코히런스광의 입사 방향과 평행한 방향으로 이동시켰을 때의 상기 참조 미러로부터의 반사광과의 간섭광과, 상기 참조 미러의 이동 거리로부터, 상기 제 1 층 내에서의 상기 저코히런스광의 광로 길이와 상기 제 3 층 내에서의 상기 저코히런스광의 광로 길이를 측정하는 것을 특징으로 한다.
제 6 형태에 따른 열 유속 측정 방법은, 제 5 형태에 따른 열 유속 측정 방법에 있어서, 상기 열 유속 측정용 부재의 상기 제 2 층은 상기 저코히런스광을 투과하지 않는 재료로 이루어지고, 상기 광로 길이 측정 스텝에서는, 상기 2개의 광로의 한쪽을 진행하는 저코히런스광을 2개의 광로를 진행하도록 더 분기시키고, 더 분기한 한쪽을 진행하는 저코히런스광을 상기 제 1 층측으로부터 상기 제 1 층으로 조사함과 아울러, 더 분기한 다른쪽을 진행하는 저코히런스광을 상기 제 3 층측으로부터 상기 제 3 층으로 조사하는 것을 특징으로 한다.
제 7 형태에 따른 열 유속 측정 방법은, 제 1 형태 내지 제 4 형태 중 어느 한 특징에 따른 열 유속 측정 방법에 있어서, 상기 광로 길이 측정 스텝에서는, 상기 저코히런스광을 상기 열 유속 측정용 부재에 대해 상기 제 1 층 내지 상기 제 3 층의 적층 방향으로 조사했을 때의 상기 열 유속 측정용 부재로부터의 반사광의 스펙트럼을 푸리에 변환하는 것에 의해서, 상기 제 1 층 내에서의 상기 저코히런스광의 광로 길이와 상기 제 3 층 내에서의 상기 저코히런스광의 광로 길이를 측정하는 것을 특징으로 한다.
제 8 형태에 따른 열 유속 측정 방법은, 제 7 형태에 따른 열 유속 측정 방법에 있어서, 상기 열 유속 측정용 부재의 상기 제 2 층은 상기 저코히런스광을 투과하지 않는 재료로 이루어지고, 상기 광로 길이 측정 스텝에서는, 광원으로부터 출력되는 상기 저코히런스광을 2개의 광로로 나누고, 상기 2개의 광로의 한쪽을 진행하는 저코히런스광을 상기 제 1 층측으로부터 상기 제 1 층으로 상기 저코히런스광을 조사함과 아울러, 상기 2개의 광로의 다른쪽을 진행하는 저코히런스광을 상기 제 3 층측으로부터 상기 제 3 층으로 조사하는 것을 특징으로 한다.
제 9 형태에 따른 열 유속 측정 방법은, 제 5 형태 또는 제 7 형태에 따른 열 유속 측정 방법에 있어서, 상기 열 유속 측정용 부재의 상기 제 2 층에는 구멍부가 마련되어 있고, 상기 광로 길이 측정 스텝에서는, 상기 저코히런스광을, 상기 구멍부를 통과하도록 상기 열 유속 측정용 부재에 대해 조사하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 제 10 형태에 따른 기판 처리 시스템은, 수용한 기판에 대해 소정의 플라즈마 처리를 실시하는 기판 처리실과, 제 1 층, 제 2 층 및 제 3 층이 이 순서로 적층된 구조를 갖고, 적어도 상기 제 2 층은 상기 제 1 층 및 상기 제 3 층과는 다른 재료로 이루어지고, 상기 제 1 층의 표면 또는 상기 제 3 층의 표면이 상기 기판 처리실 내에 발생시킨 플라즈마에 노출되도록 상기 기판 처리실 내에 배치되는 열 유속 측정용 부재와, 상기 기판 처리실 내에 발생시킨 플라즈마의 이온 플럭스를 열 유속으로서 측정하는 열 유속 측정 장치를 구비하는 기판 처리 시스템으로서, 상기 열 유속 측정 장치는, 상기 열 유속 측정용 부재에 대해 상기 제 1 층 내지 상기 제 3 층의 적층 방향으로 저코히런스광을 조사하고, 그 반사광을 취득하는 광학계와, 상기 열 유속 측정용 부재로부터의 반사광의 광간섭을 이용하여 상기 열 유속 측정용 부재를 흐르는 열 유속을 산출하는 해석 장치를 갖고, 상기 해석 장치는, 상기 제 1 층 내를 두께 방향으로 왕복하는 저코히런스광의 상기 제 1 층 내에서의 광로 길이와 상기 제 3 층 내를 두께 방향으로 왕복하는 저코히런스광의 상기 제 3 층 내에서의 광로 길이를 측정하고, 측정한 상기 제 1 층 내에서의 상기 저코히런스광의 광로 길이와 상기 제 3 층 내에서의 상기 저코히런스광의 광로 길이를 사전에 작성된 상기 제 1 층 및 상기 제 3 층의 온도와 상기 제 1 층 내에서의 상기 저코히런스광의 광로 길이와 상기 제 3 층 내에서의 상기 저코히런스광의 광로 길이의 관계를 나타내는 데이터와 대조함으로써 상기 제 1 층 및 상기 제 3 층의 각각의 온도를 구하고, 구해진 상기 제 1 층 및 상기 제 3 층의 각각의 온도와, 상기 제 2 층의 두께 및 열전도율로부터, 상기 열 유속 측정용 부재를 흐르는 열 유속을 산출하는 것을 특징으로 한다.
제 11 형태에 따른 기판 처리 시스템은, 제 10 형태에 따른 기판 처리 시스템에 있어서, 상기 열 유속 측정용 부재의 상기 제 1 층 내에서의 상기 저코히런스광의 광로 길이와 상기 제 3 층 내에서의 상기 저코히런스광의 광로 길이의 차이가 상기 저코히런스광의 광원의 코히런스 길이보다 큰 것을 특징으로 한다.
제 12 형태에 따른 기판 처리 시스템은, 제 11 형태 또는 제 12 형태에 따른 기판 처리 시스템에 있어서, 상기 열 유속 측정용 부재는 상기 제 1 층 및 상기 제 3 층의 두께가 상기 제 2 층의 두께보다 얇은 것을 특징으로 한다.
제 13 형태에 따른 기판 처리 시스템은, 제 10 형태 내지 제 12 형태 중 어느 한 형태에 따른 기판 처리 시스템에 있어서, 상기 열 유속 측정용 부재는 상기 제 1 층 및 상기 제 3 층을 형성하는 재료의 열전도율이 상기 제 2 층을 형성하는 재료의 열전도율보다 큰 것을 특징으로 한다.
제 14 형태에 따른 기판 처리 시스템은, 제 10 형태 내지 제 13 형태 중 어느 한 형태에 따른 기판 처리 시스템에 있어서, 상기 광학계는, 광원으로부터 출력되는 상기 저코히런스광을 2개의 광로를 진행하도록 분기시키고, 상기 2개의 광로의 한쪽을 진행하는 저코히런스광을 상기 열 유속 측정용 부재에 대해 상기 제 1 층 내지 상기 제 3 층의 적층 방향으로 조사했을 때의 상기 열 유속 측정용 부재로부터의 반사광과 상기 2개의 광로의 다른쪽을 진행하는 저코히런스광을 참조 미러에 조사함과 아울러 상기 참조 미러를 저코히런스광의 입사 방향과 평행한 방향으로 이동시켰을 때의 상기 참조 미러로부터의 반사광과의 간섭광을 취득하고, 상기 해석 장치는, 상기 광학계가 취득한 간섭광과 상기 참조 미러의 이동 거리로부터, 상기 제 1 층 내에서의 상기 저코히런스광의 광로 길이와 상기 제 3 층 내에서의 상기 저코히런스광의 광로 길이를 측정하는 것을 특징으로 한다.
제 15 형태에 따른 기판 처리 시스템은, 제 14 형태에 따른 기판 처리 시스템에 있어서, 상기 열 유속 측정용 부재의 상기 제 2 층은 상기 저코히런스광을 투과하지 않는 재료로 이루어지고, 상기 광학계는, 상기 2개의 광로의 한쪽을 진행하는 저코히런스광을 2개의 광로를 진행하도록 더 분기시키고, 더 분기한 한쪽을 진행하는 저코히런스광을 상기 제 1 층측으로부터 상기 제 1 층으로 조사함과 아울러, 더 분기한 다른쪽을 진행하는 저코히런스광을 상기 제 3 층측으로부터 상기 제 3 층으로 조사하는 것을 특징으로 한다.
제 16 형태에 따른 기판 처리 시스템은, 제 10 형태 내지 제 13 형태 중 어느 한 형태에 따른 기판 처리 시스템에 있어서, 상기 해석 장치는, 상기 광학계로부터 출력되는 저코히런스광을 상기 열 유속 측정용 부재에 대해 상기 제 1 층 내지 상기 제 3 층의 적층 방향으로 조사했을 때의 상기 열 유속 측정용 부재로부터의 반사광의 스펙트럼을 푸리에 변환하는 것에 의해서, 상기 제 1 층 내에서의 상기 저코히런스광의 광로 길이와 상기 제 3 층 내에서의 상기 저코히런스광의 광로 길이를 측정하는 것을 특징으로 한다.
제 17 형태에 따른 기판 처리 시스템은, 제 16 형태에 따른 기판 처리 시스템에 있어서, 상기 열 유속 측정용 부재의 상기 제 2 층은 상기 저코히런스광을 투과하지 않는 재료로 이루어지고, 상기 광학계는, 광원으로부터 출력되는 상기 저코히런스광을 2개의 광로로 나누고, 상기 2개의 광로의 한쪽을 진행하는 저코히런스광을 상기 제 1 층측으로부터 상기 제 1 층으로 상기 저코히런스광을 조사함과 아울러, 상기 2개의 광로의 다른쪽을 진행하는 저코히런스광을 상기 제 3 층측으로부터 상기 제 3 층으로 조사하는 것을 특징으로 한다.
제 18 형태에 따른 기판 처리 시스템은, 제 14 형태 또는 제 16 형태에 따른 기판 처리 시스템에 있어서, 상기 열 유속 측정용 부재의 상기 제 2 층에는 구멍부가 마련되어 있고, 상기 광학계는 상기 저코히런스광을, 상기 구멍부를 통과하도록 상기 열 유속 측정용 부재에 대해 조사하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 제 19 형태에 따른 열 유속 측정용 부재는, 플라즈마를 발생시키는 기판 처리 장치 내에 배치되는 열 유속 측정용 부재로서, 저코히런스광을 투과하는 제 1 층과, 상기 제 1 층 상에 적층된 제 2 층과, 상기 제 2 층 상에 적층되고, 상기 저코히런스광을 투과하는 제 3 층을 갖고, 적어도 상기 제 2 층은 상기 제 1 층 및 상기 제 3 층과는 다른 재료로 이루어지고, 상기 제 1 층의 표면 또는 상기 제 3 층의 표면이 상기 플라즈마에 노출되도록 상기 기판 처리실 내에 배치되는 것을 특징으로 한다.
제 20 형태에 따른 열 유속 측정용 부재는, 제 19 형태에 따른 열 유속 측정용 부재에 있어서, 상기 제 2 층에 상기 저코히런스광을 투과시키기 위한 구멍부가, 상기 제 1 층, 상기 제 2 층 및 상기 제 3 층의 적층 방향으로 관통하도록 마련되어 있는 것을 특징으로 한다.
제 21 형태에 따른 열 유속 측정용 부재는, 제 19 형태 또는 제 20 형태에 따른 열 유속 측정용 부재에 있어서, 상기 제 2 층은 상기 저코히런스광을 투과하지 않는 재료로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
제 22 형태에 따른 열 유속 측정용 부재는, 제 19 형태 또는 제 20 형태에 따른 열 유속 측정용 부재에 있어서, 상기 제 2 층은 상기 저코히런스광을 투과하는 재료로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
제 23 형태에 따른 열 유속 측정용 부재는, 제 19 형태 내지 제 22 형태 중 어느 한 형태에 따른 열 유속 측정용 부재에 있어서, 상기 제 1 층 및 상기 제 3 층은 실리콘으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
제 24 형태에 따른 열 유속 측정용 부재는, 제 19 형태 내지 제 23 형태 중 어느 한 형태에 따른 열 유속 측정용 부재에 있어서, 상기 제 1 층 내에서의 상기 저코히런스광의 광로 길이와 상기 제 3 층 내에서의 상기 저코히런스광의 광로 길이와의 차이가 상기 저코히런스광의 광원의 코히런스 길이보다 큰 것을 특징으로 한다.
제 25 형태에 따른 열 유속 측정용 부재는, 제 19 형태 내지 제 24 형태 중 어느 한 형태에 따른 열 유속 측정용 부재에 있어서, 상기 제 1 층 및 상기 제 3 층의 두께가 상기 제 2 층의 두께보다 얇은 것을 특징으로 한다.
제 26 형태에 따른 열 유속 측정용 부재는, 제 19 형태 내지 제 25 형태 중 어느 한 형태에 따른 열 유속 측정용 부재에 있어서, 상기 제 1 층 및 상기 제 3 층을 형성하는 재료의 열전도율이 상기 제 2 층을 형성하는 재료의 열전도율보다 큰 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 3층 구조를 가지는 열 유속 측정용 부재의 표면측과 이면측의 제 1 층 및 제 3 층의 각각의 온도를 플라즈마에 노출된 상태에서 측정하는 것에 의해서, 열 유속 측정용 부재에 입사한 이온 플럭스를 열 유속 측정용 부재를 흐르는 열 유속으로서 구할 수 있다. 특히, 본 발명에 의하면, 프로세스에서 가장 중요한 플라즈마가 정상 상태에 있을 때에 열 유속을 측정할 수 있고, 이렇게 해서 얻어진 이온 플럭스의 정보를 이용하여, 기판 처리에 의한 제품 생산시의 프로세스를 관리하고, 프로세스의 안정성을 높이고, 제품의 품질을 높게 유지할 수 있다. 또한, 얻어진 이온 플럭스의 정보는 플라즈마 프로세스의 프로세스 개발에도 유용하다. 또한, 본 발명에 따른 열 유속 측정 방법에 의하면, 간단하고 쉬운 구성으로 정확한 열 유속을 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 열 유속 측정용 부재와 열 유속 측정 장치가 적용되는 기판 처리 장치의 개략 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 기판 처리 장치의 챔버 내에 수용되는 제 1 열 유속 측정용 부재의 개략 구조를 나타내는 단면도와, 제 1 열 유속 측정용 부재를 흐르는 열 유속을 측정하는 원리를 모식적으로 설명하는 도면이다.
도 3은 도 1의 기판 처리 장치에 적용 가능한 제 1 열 유속 측정 장치의 개략 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 4는 도 2의 제 1 열 유속 측정용 부재에 저코히런스광을 조사했을 때에 얻어지는 반사광을 설명하는 도면이다.
도 5는 도 4에 나타내는 반사광을 도 3의 제 1 열 유속 측정 장치를 이용하여 취득했을 때의 간섭 파형의 예를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 4에 나타내는 소정의 반사광의 광로차와 제 1 열 유속 측정용 부재의 온도의 관계를 나타내는 데이터의 예를 나타내는 도면이다.
도 7은 도 1의 기판 처리 장치에 적용 가능한 제 2 열 유속 측정 장치의 개략 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 8은 도 1의 기판 처리 장치의 챔버 내에 수용되는 제 2 열 유속 측정용 부재의 개략 구조를 나타내는 단면도와 제 2 열 유속 측정용 부재에 저코히런스광을 조사했을 때에 얻어지는 반사광을 설명하는 도면이다.
도 9는 도 8(a)의 제 2 열 유속 측정용 부재를 흐르는 열 유속을 측정하기 위해 기판 처리 장치에 적용 가능한 제 3 열 유속 측정 장치의 개략 구성을 나타내는 블럭도와, 제 3 열 유속 측정 장치를 이용하여 도 8(b)에 나타내는 반사광을 취득했을 때의 간섭 파형의 예를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 10은 도 8(a)의 제 2 열 유속 측정용 부재를 흐르는 열 유속을 측정하기 위해서 기판 처리 장치에 적용 가능한 제 4 열 유속 측정 장치의 개략 구성을 나타내는 블럭도와, 제 4 열 유속 측정 장치를 이용하여 도 8(b)에 나타내는 반사광을 취득하고, 푸리에 변환을 행하여 얻어지는 스펙트럼의 예를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 11은 도 1의 기판 처리 장치의 챔버 내에 수용되는 제 3 열 유속 측정용 부재의 개략 구조를 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 기판 처리 장치의 챔버 내에 수용되는 제 1 열 유속 측정용 부재의 개략 구조를 나타내는 단면도와, 제 1 열 유속 측정용 부재를 흐르는 열 유속을 측정하는 원리를 모식적으로 설명하는 도면이다.
도 3은 도 1의 기판 처리 장치에 적용 가능한 제 1 열 유속 측정 장치의 개략 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 4는 도 2의 제 1 열 유속 측정용 부재에 저코히런스광을 조사했을 때에 얻어지는 반사광을 설명하는 도면이다.
도 5는 도 4에 나타내는 반사광을 도 3의 제 1 열 유속 측정 장치를 이용하여 취득했을 때의 간섭 파형의 예를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 4에 나타내는 소정의 반사광의 광로차와 제 1 열 유속 측정용 부재의 온도의 관계를 나타내는 데이터의 예를 나타내는 도면이다.
도 7은 도 1의 기판 처리 장치에 적용 가능한 제 2 열 유속 측정 장치의 개략 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 8은 도 1의 기판 처리 장치의 챔버 내에 수용되는 제 2 열 유속 측정용 부재의 개략 구조를 나타내는 단면도와 제 2 열 유속 측정용 부재에 저코히런스광을 조사했을 때에 얻어지는 반사광을 설명하는 도면이다.
도 9는 도 8(a)의 제 2 열 유속 측정용 부재를 흐르는 열 유속을 측정하기 위해 기판 처리 장치에 적용 가능한 제 3 열 유속 측정 장치의 개략 구성을 나타내는 블럭도와, 제 3 열 유속 측정 장치를 이용하여 도 8(b)에 나타내는 반사광을 취득했을 때의 간섭 파형의 예를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 10은 도 8(a)의 제 2 열 유속 측정용 부재를 흐르는 열 유속을 측정하기 위해서 기판 처리 장치에 적용 가능한 제 4 열 유속 측정 장치의 개략 구성을 나타내는 블럭도와, 제 4 열 유속 측정 장치를 이용하여 도 8(b)에 나타내는 반사광을 취득하고, 푸리에 변환을 행하여 얻어지는 스펙트럼의 예를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 11은 도 1의 기판 처리 장치의 챔버 내에 수용되는 제 3 열 유속 측정용 부재의 개략 구조를 나타내는 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 여기서는, 본 발명에 따른 열 유속 측정용 부재와, 열 유속 측정용 부재의 온도를 측정하는 것에 의해 열 유속 측정용 부재를 흐르는 열 유속을 측정하는 열 유속 측정 장치를, 기판인 반도체 웨이퍼(이하 「웨이퍼」라고 기재함)에 대해 플라즈마 에칭 처리를 실시하는 기판 처리 장치에 적용한 기판 처리 시스템을 채택하는 것으로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 열 유속 측정용 부재와, 열 유속 측정 장치가 적용되는 기판 처리 장치의 개략 구성을 나타내는 단면도이다. 도 1에 나타내는 기판 처리 장치(10)는, 예를 들면, 직경이 φ300㎜인 반도체 디바이스용의 웨이퍼 W를 수용하는 챔버(11)를 갖고, 챔버(11) 내에는 웨이퍼 W 또는 도 2를 참조하여 후술하는 제 1 열 유속 측정용 부재 S를 탑재하는 원주 형상의 서셉터(12)(탑재대)가 배치되어 있다. 기판 처리 장치(10)에서는, 챔버(11)의 안내측과 서셉터(12)의 측면에 의해서 측방 배기로(13)가 형성되고, 측방 배기로(13)의 도중에는 배기 플레이트(14)가 배치되어 있다.
배기 플레이트(14)는 다수의 관통 구멍을 가지는 판 형상 부품이며, 챔버(11) 내를 상부와 하부로 나누는 칸막이판으로서 기능한다. 배기 플레이트(14)에 의해서 나누어지는 것에 의해서 챔버(11) 내의 상부에 형성되는 기판 처리실(15)에 있어서, 후술하는 바와 같이 플라즈마를 발생시킨다. 배기 플레이트(14)에 의해서 챔버(11) 내의 하부에 형성되는 배기실(매니폴드)(16)에는, 챔버(11) 내의 가스를 배출하는 배기관(17)이 접속되어 있다. 배기 플레이트(14)는 기판 처리실(15)에 발생하는 플라즈마를 포착하거나 또는 반사하여 매니폴드(16)로의 누설을 방지한다.
배기관(17)에는, 도시하지 않은 TMP(Turbo Molecular Pump) 및 DP(Dry Pump)가 접속되고, 이러한 펌프는 챔버(11) 내를 진공 감압한다. 구체적으로는, DP는 챔버(11) 내를 대기압으로부터 중진공 상태(예를 들면, 1.3×10Pa(0.1Torr) 이하)까지 감압한다. 그리고, TMP는 DP와 협동하여 챔버(11) 내를 중진공 상태보다 낮은 압력인 고진공 상태(예를 들면, 1.3×10-3Pa(1.0×10-5Torr) 이하)까지 감압한다. 또, 챔버(11) 내의 압력은 도시하지 않은 APC 밸브에 의해서 제어된다.
챔버(11) 내의 서셉터(12)에는, 제 1 정합기(19)를 거쳐서 제 1 고주파 전원(18)이 접속됨과 아울러, 제 2 정합기(21)를 거쳐서 제 2 고주파 전원(20)이 접속되어 있다. 제 1 고주파 전원(18)은 비교적 낮은 주파수, 예를 들면 2㎒의 이온 인입용의 고주파 전력을 서셉터(12)에 인가한다. 한편, 제 2 고주파 전원(20)은 비교적 높은 주파수, 예를 들면 60㎒의 플라즈마 생성용의 고주파 전력을 서셉터(12)에 인가한다. 이것에 의해, 서셉터(12)는 전극으로서 기능한다. 또한, 제 1 정합기(19) 및 제 2 정합기(21)는 서셉터(12)로부터의 고주파 전력의 반사를 저감하여 고주파 전력의 서셉터(12)로의 인가 효율을 최대로 한다.
서셉터(12)의 상부에는, 큰 직경의 원주의 선단(先端)으로부터 작은 직경의 원주가 동심축을 따라 돌출한 형상이 되도록, 작은 직경의 원주를 둘러싸는 단차가 형성되어 있다. 작은 직경의 원주의 선단에는, 정전 전극판(22)를 내부에 가지는 세라믹으로 이루어지는 정전척(23)이 배치되어 있다. 정전 전극판(22)에는 직류 전원(24)이 접속되어 있고, 정전 전극판(22)에 양의 직류 전압이 인가되면, 웨이퍼 W에서의 정전척(23)측의 면(이면)에 음전위가 발생하여, 정전 전극판(22)과 웨이퍼 W의 이면 사이에 전위차가 생긴다. 이렇게 해서 생긴 전위차에 기인하는 쿨롱력 또는 존슨·라베크력에 의해 웨이퍼 W는 정전척(23)에 흡착 유지된다.
서셉터(12)의 상부에는, 정전척(23)에 흡착 유지된 웨이퍼 W를 둘러싸도록, 링 형상의 부품인 포커스 링(25)이 서셉터(12)의 상부에 있어서의 단차부에 탑재되어 있다. 포커스 링(25)은, 예를 들면 실리콘(Si)으로 이루어진다. 따라서, 포커스 링(25)은 반도전체로 이루어지기 때문에, 플라즈마의 분포역을 웨이퍼 W 위뿐만 아니라 포커스 링(25) 위까지 확대하여 웨이퍼 W의 주연부 상에서의 플라즈마의 밀도를 웨이퍼 W의 중앙부 상에서의 플라즈마의 밀도와 동일한 정도로 유지한다. 이것에 의해, 웨이퍼 W의 전면에 실시되는 플라즈마 에칭 처리의 균일성을 확보한다.
서셉터(12) 및 정전척(23)을 연직 방향으로 관통하도록 구멍부(33)가 마련되어 있다. 구멍부(33)에는, 도 3을 참조하여 후술하는 제 1 콜리메이터(54) 혹은 도 7을 참조하여 후술하는 콜리메이터(64)가 배치되어 있고, 이들 콜리메이터로부터 정전척(23) 상에 탑재된 웨이퍼 W 또는 제 1 열 유속 측정용 부재 S로 저코히런스광을 조사할 수 있게 되어 있다.
챔버(11)의 천정부에는, 서셉터(12)와 대향하도록 샤워 헤드(26)가 배치된다. 샤워 헤드(26)는 상부 전극판(27)과, 상부 전극판(27)을 착탈 가능하게 서포트하는 쿨링 플레이트(28)와, 쿨링 플레이트(28)을 덮는 덮개(29)를 가진다. 상부 전극판(27)은 두께 방향으로 관통하는 다수의 가스 구멍(30)을 가지는 원판 형상 부품으로 이루어지고, 반도전체인 실리콘(Si)으로 구성된다.
쿨링 플레이트(28)의 내부에는 버퍼실(31)이 마련되고, 버퍼실(31)에는 처리 가스 도입관(32)이 접속되어 있다. 기판 처리 장치(10)에서는, 처리 가스 도입관(32)으로부터 버퍼실(31)로 공급된 처리 가스가 가스 구멍(30)을 거쳐서 기판 처리실(15) 내부에 도입된다. 기판 처리실(15) 내부에 도입된 처리 가스는, 제 2 고주파 전원(20)으로부터 서셉터(12)를 거쳐서 기판 처리실(15) 내부로 인가된 플라즈마 생성용의 고주파 전력에 의해서 여기되어 플라즈마로 된다. 플라즈마 중의 이온은 제 1 고주파 전원(18)이 서셉터(12)에 인가하는 이온 인입용의 고주파 전력에 의해서 웨이퍼 W를 향해 끌어들여지고, 웨이퍼 W에 플라즈마 에칭 처리를 실시한다.
웨이퍼 W에 대한 플라즈마 에칭 처리 중의 플라즈마의 이온 플럭스를 아는 것은, 웨이퍼 W의 처리시의 프로세스의 안정성을 높이거나 혹은 프로세스 개발을 실시하기 위해서 중요하다. 특히, 플라즈마가 정상 상태에 있을 때의 에칭 레이트는, 처리 품질에 큰 영향을 미치기 때문에, 플라즈마가 정상 상태에 있을 때의 이온 플럭스를 아는 것은 유익하다. 여기서, 웨이퍼 W로 끌어들여진 이온 플럭스는 열로 변화되기 때문에, 플라즈마에 의해서 웨이퍼 W에 공급된 열량을 측정하는 것에 의해서 이온 플럭스를 추정할 수 있다.
그러나, 웨이퍼 W에서는 정전척(23)을 거쳐서 열이 유출되기 때문에, 단순히 웨이퍼 W의 온도를 측정하는 것으로는 웨이퍼 W를 흐르는 열 유속을 측정할 수 없다. 그래서, 본 실시 형태에서는, 웨이퍼 W 대신에 제 1 열 유속 측정용 부재 S를 이용하여, 이온 플럭스를 제 1 열 유속 측정용 부재 S를 흐르는 열 유속으로서 구한다.
도 2(a)는 제 1 열 유속 측정용 부재 S의 개략 구조를 나타내는 단면도이다. 제 1 열 유속 측정용 부재 S는, 웨이퍼 W 대신에 정전척(23) 상에 탑재되고, 플라즈마에 노출된다. 제 1 열 유속 측정용 부재 S는, 판 모양 형상을 갖고, 도 2(a)에는 그 표리면과 직교하는 단면이 나타내어져 있다. 제 1 열 유속 측정용 부재 S의 크기(표면의 형상과 면적)는 웨이퍼 W와 동등한 조건으로 플라즈마에 노출되도록, 웨이퍼 W와 동등하다고 하는 것이 바람직하다.
제 1 열 유속 측정용 부재 S를 정전척(23)에 탑재하여 플라즈마를 발생시킨 상태에서, 제 1 층(41)과 제 3 층(43)의 온도를 측정하는 것에 의해 제 1 열 유속 측정용 부재 S를 흐르는 열 유속을 구한다. 또, 제 1 층(41)과 제 3 층(43)의 온도는 제 1 열 유속 측정용 부재 S에 대해 조사된 저코히런스광의 반사광의 광간섭을 이용하여 구하는데, 그 방법의 상세한 것에 대해서는 도 3 내지 도 7을 참조해서 후술한다.
제 1 열 유속 측정용 부재 S는 제 1 층(41), 제 2 층(42) 및 제 3 층(43)이 이 순서로 적층된 3층 구조를 가진다. 적어도 제 1 층(41) 및 제 3 층(43)은 제 1 콜리메이터(54) 혹은 콜리메이터(64)로부터 조사되는 저코히런스광을 투과하는 특성을 가진다. 제 2 층(42)에는, 두께 방향으로 관통하는 구멍부(42a)가 마련되어 있고, 도 4를 참조하여 후술하는 바와 같이, 제 1 콜리메이터(54) 혹은 콜리메이터(64)에서는 구멍부(42a)를 투과하도록 제 1 열 유속 측정용 부재 S의 두께 방향(제 1 층(41), 제 2 층(42) 및 제 3 층(43)의 적층 방향)으로 저코히런스광이 조사된다. 그 때문에, 제 2 층(42)은 저코히런스광을 투과하는 특성을 가지고 있어도 좋고, 투과하지 않는 특성을 가지고 있어도 상관없다. 또, 구멍부(42a)의 직경은, 예를 들면 제 1 콜리메이터(54) 또는 콜리메이터(64)로부터의 저코히런스광의 조사 구경이 φ1㎜이면,φ1.5㎜~φ3.0㎜로 할 수 있다.
제 1 층(41)과 제 3 층(43)은, 열전도성이 뛰어난 재료로 구성되어 있는 것이 바람직하고, 예를 들면 실리콘(Si)이 이용된다. 이것은, 후술하는 바와 같이, 제 1 열 유속 측정용 부재 S를 흐르는 열 유속의 측정에서는, 제 1 층(41) 및 제 3 층(43)에서는 두께 방향으로 온도 기울기가 생기지 않는 것을 전제로 하기 때문에, 제 1 층(41) 내 및 제 3 층(43) 내에서 가능한 한 온도 기울기가 생기지 않도록 하는 것이 바람직하기 때문이다. 제 1 층(41) 내 및 제 3 층(43) 내에서 가능한 한 온도 기울기가 생기지 않도록 하기 위해서는, 후술하는 광로차(2n1d1, 2n3d3)를 측정할 수 있는 한, 제 1 층(41) 및 제 3 층(43)의 두께는 얇은 것이 바람직하다.
또한, 제 2 층(42)은 제 1 층(41) 및 제 3 층(43)과는 다른 재료로 이루어진다. 제 2 층(42)은, 제 1 층(41)과 제 3 층(43)간에 온도차가 생기도록, 제 1 층(41) 및 제 3 층(43)을 구성하는 재료보다 열전도성에 떨어지는(열전도율이 작은) 재료로 구성되어 있는 것이 바람직하고, 예를 들면 각종 유리나 세라믹을 이용할 수 있다. 제 2 층(42)의 두께는, 제 2 층(42)을 구성하는 재료의 열전도율에도 의존하는데, 열전도율이 작을수록 두께를 얇게 할 수 있지만, 두께를 두껍게 함으로써 제 1 층(41)과 제 3 층(43)간의 온도차를 크게 하여, 측정 정밀도를 높일 수 있다.
도 2(b)는 제 1 열 유속 측정용 부재 S를 흐르는 열 유속을 측정하는 원리를 모식적으로 나타내는 도면이다. 제 1 열 유속 측정용 부재 S는 제 3 층(43)이 플라즈마측, 제 1 층(41)이 정전척(23)측이 되도록 배치되어 있는 것으로 한다. 플라즈마의 이온 플럭스가 제 3 층(43)에 입사하고, 이온 플럭스가 열로 바뀌어 제 3 층(43)으로부터 제 1 층(41)으로 향해 흐를 때의 열 유속 q는 하기 식 1로 나타내어진다. 또, 식 1에 있어서, "Q"는 제 3 층(43)으로부터 제 1 층(41)으로 향해 흐르는 열량이다. "A"는 열량 Q가 흐르는 면의 전열 면적이고, 제 1 열 유속 측정용 부재 S의 표면의 면적이기 때문에, 기지(旣知)의 값으로 된다.
제 3 층(43)의 온도를 T2라고 하고, 제 1 층(41)의 온도를 T1이라고 하여, 제 3 층(43) 내에서는 온도차가 없고, 제 1 층(41) 내에서도 온도차가 없는 것으로 가정한다. 제 2 층(42)을 구성하는 재료의 열전도율을 "k", 제 2 층(42)의 두께를 "dx"라고 하면, 제 2 층(42)에서의 온도 기울기 dt/dx는 "(T1-T2)/dx"로 되기 때문에, 하기 식 1은 하기 식 2와 같이 변형할 수 있다. 따라서, 제 1 층(41) 및 제 3 층(43)의 각각의 온도 T1, T2를 구하는 것에 의해서, 열 유속 q를 구할 수 있다.
［수학식 1］
다음으로, 제 1 열 유속 측정용 부재 S에 있어서의 제 1 층(41) 및 제 3 층(43)의 각각의 온도 T1, T2를 측정하는 방법에 대해 설명한다.
또, 연산 장치(퍼스널 컴퓨터)는, CPU가 ROM이나 RAM 혹은 하드 디스크 드라이브 등에 저장된 소정의 소프트웨어(프로그램)를 실행하는 것에 의해 각종의 연산 처리를 행한다.
도 3은 제 1 열 유속 측정용 부재 S를 흐르는 열 유속을 측정하기 위해서 기판 처리 장치(10)에 적용 가능한 제 1 열 유속 측정 장치의 개략 구성을 나타내는 블럭도이다. 제 1 열 유속 측정 장치(50)는, 소위 마이켈슨 간섭계로서 구성되어 있고, 저코히런스 광원(51), 광검출기(52), 2×2 커플러(53), 제 1 콜리메이터(54), 제 2 콜리메이터(55), 참조 미러(56) 및 해석 장치(57)를 구비한다. 저코히런스 광원(51), 광검출기(52), 2×2 커플러(53), 제 1 콜리메이터(54), 제 2 콜리메이터(55)는 광학계를 구성한다. 저코히런스 광원(51)과 2×2 커플러(53)간의 접속, 광검출기(52)와 2×2 커플러(53)간의 접속, 2×2 커플러(53)와 제 1 콜리메이터(54) 및 제 2 콜리메이터(55)간의 접속은 각각 광파이버 케이블을 이용하여 행해지고 있다.
저코히런스 광원(51)은 제 1 열 유속 측정용 부재 S의 제 1 층(41) 및 제 3 층(43)을 투과하는 파장을 가지는 저코히런스광을 출력한다. 전술한 바와 같이, 제 1 층(41) 및 제 3 층(43)은 실리콘으로 이루어지기 때문에, 저코히런스 광원(51)으로서는, 예를 들면 중심 파장 λ0이 1.55㎛ 또는 1.31㎛, 코히런스 길이가 약 50㎛인 저코히런스광을 최대 출력 1.5㎽로 출력하는 SLD(Super Luminescent Diode) 등을 이용할 수 있다.
제 1 콜리메이터(54) 및 제 2 콜리메이터(55)는 각각, 평행 광선으로서 조정된 저코히런스광을 출력한다. 제 1 콜리메이터(54)는 제 1 열 유속 측정용 부재 S에 저코히런스광을 조사하여 그 반사광을 수광하고, 제 2 콜리메이터(55)는 참조 미러(56)에 저코히런스광을 조사하여 그 반사광을 수광한다. 제 1 콜리메이터(54) 및 제 2 콜리메이터(55)가 각각 수광한 반사광은 2×2 커플러(53)에 전송된다.
2×2 커플러(53)는, 저코히런스 광원(51)으로부터 출력되는 저코히런스광을 2개의 광로로 분기시키고, 한쪽을 제 1 콜리메이터(54)에 전송함과 아울러 다른쪽을 제 2 콜리메이터(55)에 전송한다. 또한, 2×2 커플러(53)는 제 1 콜리메이터(54)로부터 제 1 열 유속 측정용 부재 S로 조사된 저코히런스광의 제 1 열 유속 측정용 부재 S로부터의 반사광과, 제 2 콜리메이터(55)로부터 참조 미러(56)로 조사된 저코히런스광의 참조 미러(56)로부터의 반사광을 수광하고, 광검출기(52)에 전송한다.
참조 미러(56)는, 제 2 콜리메이터(55)로부터 조사되는 저코히런스광의 조사 방향과 평행한 방향으로 도시하지 않은 구동 장치에 의해서 이동 가능하게 되어 있고, 참조 미러(56)의 이동은 해석 장치(57)에 의해 제어된다.
광검출기(52)는, 예를 들면 Ge 포토다이오드이며, 수광한 반사광의 간섭 파형을 해석 장치(57)에 출력한다. 광검출기(52)로부터 해석 장치(57)로 출력되는 간섭 파형의 신호는 아날로그 전기 신호이다. 그 때문에, 해석 장치(57)는 광검출기(52)로부터 출력된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기와, A/D 변환기로부터 수신한 간섭 파형 데이터로부터 광로 길이를 산출하고, 산출한 광로 길이로부터 온도를 산출하는 퍼스널 컴퓨터 등의 연산 장치를 가진다.
도 4는 제 1 콜리메이터(54)로부터 제 1 열 유속 측정용 부재 S에 저코히런스광을 조사했을 때에 얻어지는 반사광을 설명하는 도면이다. 제 1 콜리메이터(54)로부터 제 1 열 유속 측정용 부재 S의 제 1 층(41)에 저코히런스광을 제 1 열 유속 측정용 부재 S의 두께 방향으로 조사하면, 조사한 저코히런스광의 일부는 제 1 층(41)의 외측 표면에서 반사되고, 반사광 A로 되어 제 1 콜리메이터(54)에 입사하고, 2×2 커플러(53)로 진행한다. 제 1 층(41)에 입사한 저코히런스광의 일부는 제 1 층(41)의 제 2 층(42)측의 면(이하 「내측 표면」이라고 하고, 제 3 층(43)의 제 2 층(42)측의 면도 마찬가지로 호칭한다)에서 반사되고, 반사광 B로 되어 제 1 콜리메이터(54)에 입사하고, 2×2 커플러(53)로 진행한다. 또한, 제 1 층(41)의 내측 표면에서 반사한 저코히런스광의 일부는, 제 1 층(41)의 외측 표면에서 반사된 후, 재차 제 1 층(41)의 내측 표면에서 반사되고, 반사광 C로 되어 제 1 콜리메이터(54)에 입사하고, 2×2 커플러(53)로 진행한다.
제 2 층(42)에 형성된 구멍부(42a)에 입사한 저코히런스광의 일부는, 제 3 층(43)의 내측 표면에서 반사되고, 반사광 D로 되어 제 1 콜리메이터(54)에 입사하고, 2×2 커플러(53)로 진행한다. 또한, 제 3 층(43)의 내측 표면에서 반사한 저코히런스광의 일부는 제 1 층(41)의 외측 표면에서 반사된 후, 재차 제 1 층(41)의 내측 표면에서 반사되고, 반사광 E로 되어 제 1 콜리메이터(54)에 입사하고, 2×2 커플러(53)로 진행한다.
제 3 층(43)에 입사한 저코히런스광의 일부는, 제 3 층(43)의 외측 표면에서 반사되고, 반사광 F로 되어 제 1 콜리메이터(54)에 입사하고, 2×2 커플러(53)로 진행한다. 또, 상기의 반사광 A~F 이외에도 반사광은 생기지만, 제 1 층(41) 및 제 3 층(43)의 각각의 온도 T1, T2의 측정에는, 반사광 A~F(최소한, 반사광 D~F의 3개)가 있으면 충분하기 때문에, 설명을 생략한다.
제 1 층(41)의 두께와 굴절률을 각각 "d1", "n1"이라고 하고, 제 3 층의 두께와 굴절률을 각각 "d3", "n3"이라고 하면, 예를 들면 반사광 A, B간의 광로차, 반사광 B, C간의 광로차, 반사광 D, E간의 광로차는 각각 "2×n1×d1(이하 「2n1d1」이라고 기재함)"로 되고, 반사광 D, F간의 광로차는 "2×n3×d3(이하 「2n3d3」이라고 기재함)"로 된다. 환언하면, 광로차 2n1d1은 제 1 층(41) 내를 그 두께 방향으로 왕복하는 저코히런스광의 제 1 층(41) 내에서의 광로 길이이고, 광로차 2n3d3은 제 3 층(43) 내를 그 두께 방향으로 왕복하는 저코히런스광의 제 3 층(43) 내에서의 광로 길이이다. 그래서, 제 1 열 유속 측정 장치(50)를 이용하여 광로차 2n1d1, 2n3d3을 측정한다.
도 5는 제 1 열 유속 측정 장치(50)를 이용하여 도 4에 나타내는 반사광을 취득했을 때의 간섭 파형의 예를 나타내는 도면이다. 반사광 A~F와 참조 미러(56)로부터의 반사광은, 참조 미러(56)가 특정의 위치에 있을 때, 즉 반사광 A~F의 각각의 광로 길이와 참조 미러(56)로부터의 반사광의 광로 길이가 일치했을 때에 강한 간섭을 나타낸다. 도 5 중의 「A」는 반사광 A와 참조 미러(56)로부터의 반사광의 간섭에 의해서 나타난 강한 간섭 파형을 나타내고 있으며, 「B」~「F」도 마찬가지이다. 또, 도 5에 있어서, 예를 들면 반사광 D, E의 각 피크간의 거리는 광로차 2n1d1의 절반의 값인 n1d1이다. 따라서, 제 1 열 유속 측정용 부재 S로부터의 반사광을 수광하면서 참조 미러(56)를 이동시켰을 때의 참조 미러(56)의 이동 거리에 대해 강한 간섭 파형이 나타나는 위치를 구하는 것에 의해, 광로차 2n1d1, 2n3d3의 절반의 값인 n1d1, n3d3을 측정할 수 있다.
그런데, 제 1 층(41)과 제 3 층(43)의 각각의 두께는 제 1 층(41)과 제 3 층(43)을 각각 형성하는 재료의 열팽창율에 의존하여, 온도에 따라 변화된다. 따라서, 온도에 따라 광로차 2n1d1, 2n3d3도 변화한다. 그래서, 사전에 흑체로 등을 이용하여, 제 1 열 유속 측정용 부재 S에서의 저코히런스광의 반사광의 광로차 2n1d1, 2n3d3(또는 n1d1, n3d3)과 제 1 열 유속 측정용 부재 S의 온도의 관계를 측정하는 것에 의해서 데이터를 작성해 두고, 해석 장치(57)가 구비하는 ROM, 비휘발성 RAM 혹은 하드 디스크 드라이브 등의 기억 매체에 기억시켜 둔다.
도 6은 작성한 데이터의 일례를 나타내는 도면이다. 여기서는, 제 1 층(41)과 제 3 층(43)은 동일한 재료로 이루어지고, 또한, 제 1 층(41)의 두께 d1과 제 3 층(43)의 두께 d3이 동일한 예를 나타내고 있다. 제 1 층(41)과 제 3 층(43)이 다른 재료로 이루어지는 경우나 두께가 다른 경우에는, 제 1 층(41)과 제 3 층(43)의 각각에 대해 데이터를 작성해 두면 좋다. 또, 이러한 데이터는 후술하는 제 2 열 유속 측정 장치(60), 제 3 열 유속 측정 장치(70) 및 제 4 열 유속 측정 장치(80)에서도 이용된다.
제 1 열 유속 측정용 부재 S를 정전척(23) 상에 탑재하고, 실제로 웨이퍼 W에 대해 플라즈마 처리를 실시하는 조건으로 플라즈마를 발생시킨 상태에서, 반사광 A~F를 취득하면서 참조 미러(56)를 이동시키는 것에 의해서, 도 5의 간섭 파형을 취득한다. 그리고, 취득한 간섭 파형에 근거하여, 플라즈마 처리 중의 제 1 열 유속 측정용 부재 S의 제 1 층(41) 및 제 3 층(43)의 각각의 광로차 2n1d1, 2n3d3을 구하고, 구한 광로차 2n1d1, 2n3d3과 도 6의 데이터로부터, 제 1 층(41) 및 제 3 층(43)의 각각의 온도 T1, T2를 구한다. 이렇게 해서 구한 온도 T1, T2와 상기 식 2와, 제 2 층(42)의 두께 dx(실온에서의 두께)로부터, 이온 플럭스로서 제 1 열 유속 측정용 부재 S를 흐르는 열 유속 q를 구할 수 있다. 또, 전열 면적 A가 기지이기 때문에, 상기 식 1에 의해 열량 Q를 구할 수도 있다.
또, 제 2 층(42)의 두께 dx도 또한 제 2 층(42)을 형성하는 재료의 열팽창율에 의해서 온도에 따라 변화한다. 따라서, 열 유속 q를 보다 정확하게 구하기 위해서는, 제 2 층(42)의 실온에서의 두께를 이용하지 않고, 제 2 층(42)의 구멍부(42a)의 굴절률(즉, 공기의 굴절률)을 "n2"로 하여, 도 5에 나타내는 반사광 B, D간의 광로차(2×n2×dx)를 구하고, 이 광로차로부터 제 2 층(42)의 두께 dx를 구하도록 하여도 좋다. 이 경우에는, 굴절률 n2는 온도에 의존하지 않고 일정하다고 가정해도 좋다. 이에 반하여, 제 1 층(41) 및 제 3 층(43)이 각각 온도 T1, T2에 있을 때의 제 2 층(42)의 두께를, 실온에서의 제 2 층(42)의 두께와 제 2 층(42)을 형성하는 재료의 열팽창율로부터 계산에 의해 구하고, 상기 식 2에 적용해도 좋다.
도 7은 제 1 열 유속 측정용 부재 S를 흐르는 열 유속을 측정하기 위해서 기판 처리 장치(10)에 적용 가능한 제 2 열 유속 측정 장치의 개략 구성을 나타내는 블럭도이다. 제 2 열 유속 측정 장치(60)는, 저코히런스 광원(61), 분광기(62), 광서큘레이터(63), 콜리메이터(64) 및 해석 장치(65)를 구비한다. 저코히런스 광원(61), 분광기(62), 광서큘레이터(63), 콜리메이터(64)는 광학계를 구성한다. 저코히런스 광원(61)과 광서큘레이터(63)간의 접속, 분광기(62)와 광서큘레이터(63)간, 광서큘레이터(63)와 콜리메이터(64)간의 접속은 각각 광파이버 케이블을 이용하여 행해지고 있다.
저코히런스 광원(61)은 제 1 열 유속 측정 장치(50)를 구성하는 저코히런스 광원(51)과 동일하다. 광서큘레이터(63)는, 저코히런스 광원(61)으로부터 출력된 저코히런스광을 콜리메이터(64)에 전송하고, 또한 콜리메이터(64)로부터 전송된 제 1 열 유속 측정용 부재 S로부터의 반사광을 해석 장치(65)에 전송한다. 콜리메이터(64)는 제 1 열 유속 측정 장치(50)를 구성하는 제 1 콜리메이터(54)와 동일한 기능을 가진다. 콜리메이터(64)가 수광하는 제 1 열 유속 측정용 부재 S로부터의 반사광은 도 4를 참조하여 이미 설정한 바와 같다.
분광기(62)는 대략적으로 광분산 소자와 수광 소자로 구성된다. 광분산 소자는 광파이버 케이블을 통해 전송된 반사광을 파장마다 소정의 분산각으로 분산시킨다. 광분산 소자로는, 예를 들면 회절 격자를 이용할 수 있다. 또한, 수광 소자는, 광분산 소자에 의해 분산된 반사광을 수광하는 것에 의해, 수광한 반사광 스펙트럼(강도vs파수)을 검출한다. 수광 소자로서는, 구체적으로는 복수의 CCD 소자가 격자 형상으로 배치된 것이 이용된다.
수광 소자는, 전술한 바와 같이, CCD 소자 등의 광전 변환 소자로 이루어지기 때문에, 분광기(62)로부터 해석 장치(65)로 출력되는 반사광 스펙트럼의 신호는 아날로그 전기 신호이다. 그 때문에, 해석 장치(65)는 분광기(62)로부터 출력된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기와, A/D 변환기로부터 수신한 반사광 스펙트럼을 나타내는 디지털 신호에 대해 푸리에 변환 처리를 행하여 광로 길이를 산출하고, 산출한 광로 길이로부터 온도를 산출하는 퍼스널 컴퓨터 등의 연산 장치를 가진다.
제 2 열 유속 측정 장치(60)를 이용하여 콜리메이터(64)로부터 제 1 열 유속 측정용 부재 S로 저코히런스광을 조사했을 때에도, 도 4에 나타낸 반사광 A~F가 얻어진다. 제 2 열 유속 측정 장치(60)에서는, 반사광 A~F를 분광기(62)에 의해, 예를 들면 파수에 의존하는 반사수 스펙트럼으로 분광하고, 얻어진 반사수 스펙트럼에 대해 푸리에 변환을 실시한다. 여기서의 푸리에 변환이란, 파수(또는 주파수 또는 파장)가 변수인 함수를, 거리가 변수인 함수로 변환하는 처리이다. 이것에 의해, 거리축에 반사광 A~F를 나타내는 각 피크가 나타나고, 이 때, 반사광 D, E의 각 피크간의 거리가 광로차 2n1d1로 되고, 반사광 D, F의 각 피크간의 거리가 광로차 2n3d3으로 되고,, 이러한 광로차 2n1d1, 2n3d3과 도 6의 데이터로부터, 제 1 층(41) 및 제 3 층(43)의 각각의 온도 T1, T2를 구할 수 있다.
또, 제 2 열 유속 측정 장치(60)를 이용하는 경우, 제 1 층(41) 내에서의 저코히런스광의 광로 길이인 광로차 2n1d1과 제 3 층(43) 내에서의 저코히런스광의 광로 길이인 광로차 2n3d3의 차이는 저코히런스 광원(61)의 코히런스 길이보다 큰 것이 필요하다. 이것은, 이러한 광로 길이가 동일한 경우에는, 제 1 층(41)에 관련되는 반사광과 제 3 층(43)에 관련되는 반사광의 파형이 겹쳐 분리할 수 없게 되기 때문이다.
다음으로, 도 8 내지 도 10을 참조하여, 제 1 열 유속 측정용 부재 S의 변형예인 제 2 열 유속 측정용 부재 S1과, 제 2 열 유속 측정용 부재 S1을 흐르는 열 유속 q를 측정하기 위한 제 3 열 유속 측정 장치(70) 및 제 4 열 유속 측정 장치(80)에 대해 설명한다.
도 8(a)은 제 2 열 유속 측정용 부재 S1의 개략 구조를 나타내는 단면도이다. 제 2 열 유속 측정용 부재 S1은 제 1 층(41), 제 2 층(45) 및 제 3 층(43)이 이 순서로 적층된 3층 구조를 가진다. 제 1 층(41) 및 제 3 층(43)은 제 1 열 유속 측정용 부재 S를 구성하는 제 1 층(41) 및 제 3 층(43)과 동일하기 때문에, 여기서의 상세한 설명은 생략한다.
제 2 층(45)은, 제 2 열 유속 측정용 부재 S1에 대해 조사되는 저코히런스광을 투과하지 않는 특성을 가지는 재료로 이루어지고, 예를 들면 알루미나 소결체 등의 각종 세라믹의 소결체를 이용할 수 있다.
도 8(b)는 제 2 열 유속 측정용 부재 S1에 저코히런스광을 조사했을 때에 얻어지는 반사광을 설명하는 도면이다. 제 2 층(45)이 저코히런스광을 투과하지 않기 때문에, 제 2 열 유속 측정용 부재 S1에 대해서는, 제 1 층(41)측으로부터 저코히런스광을 조사함과 아울러 그 반사광을 수광하는 제 1 콜리메이터(54)가 배치되고, 또한 제 3 층(43)측으로부터 저코히런스광을 조사함과 아울러 그 반사광을 수광하는 제 3 콜리메이터(71)가 배치된다. 제 3 콜리메이터(71)는 도 9(a)를 참조하여 후술하는 제 3 열 유속 측정 장치(70)가 구비하는 콜리메이터의 하나이며, 제 1 콜리메이터(54)와 동일한 것이다.
제 1 콜리메이터(54)로부터 제 2 열 유속 측정용 부재 S1의 제 1 층(41)에 저코히런스광을 제 2 열 유속 측정용 부재 S1의 두께 방향으로 조사하면, 조사한 저코히런스광의 일부는, 제 1 층(41)의 외측 표면에서 반사되고, 반사광 A'로 되어 제 1 콜리메이터(54)에 입사한다. 제 1 층(41)에 입사한 저코히런스광의 일부는, 제 1 층(41)과 제 2 층(45)의 계면에서 반사되고, 반사광 B'로 되어 제 1 콜리메이터(54)에 입사한다. 또한, 제 1 층(41)과 제 2 층(45)의 계면에서 반사한 저코히런스광의 일부는, 제 1 층(41)의 외측 표면에서 반사된 후, 재차 제 1 층(41)과 제 2 층(45)의 계면에서 반사되고, 반사광 C'로 되어 제 1 콜리메이터(54)에 입사한다.
마찬가지로, 제 3 콜리메이터(71)로부터 제 2 열 유속 측정용 부재 S1의 제 3 층(43)으로 저코히런스광을 제 2 열 유속 측정용 부재 S1의 두께 방향으로 조사하면, 조사한 저코히런스광의 일부는, 제 3 층(43)의 외측 표면에서 반사되고, 반사광 G로 되어 제 3 콜리메이터(71)에 입사한다. 제 3 층(43)에 입사한 저코히런스광의 일부는, 제 3 층(43)과 제 2 층(45)의 계면에서 반사되고, 반사광 H로 되어 제 3 콜리메이터(71)에 입사한다. 또한, 제 3 층(43)과 제 2 층(45)의 계면에서 반사한 저코히런스광의 일부는, 제 3 층(43)의 외측 표면에서 반사된 후, 재차 제 3 층(43)과 제 2 층(45)의 계면에서 반사되고, 반사광 J로 되어 제 3 콜리메이터(71)에 입사한다.
도 9(a)는 제 2 열 유속 측정용 부재 S1을 흐르는 열 유속을 측정하기 위해서 기판 처리 장치(10)에 적용 가능한 제 3 열 유속 측정 장치(70)의 개략 구성을 나타내는 블럭도이다. 제 3 열 유속 측정 장치(70)는, 제 1 열 유속 측정 장치(50)를 제 2 열 유속 측정용 부재 S1에 대해 저코히런스광을 조사할 수 있도록 변형한 구성으로 되어 있고, 그 때문에, 제 1 열 유속 측정 장치(50)와 공통되는 구성요소(저코히런스 광원(51), 광검출기(52), 2×2 커플러(53), 제 1 콜리메이터(54), 제 2 콜리메이터(55), 참조 미러(56), 해석 장치(57))에 대해서는 동일한 부호를 부여하고, 여기서의 설명을 생략한다.
제 3 열 유속 측정 장치(70)에서는, 2×2 커플러(53)로부터의 하나의 출력처에 스플리터(72)를 접속하고, 스플리터(72)에서 저코히런스광을 2개의 경로로 분리시키고, 각각 제 1 콜리메이터(54)와 제 3 콜리메이터(71)에 전송하고 있다. 저코히런스 광원(51), 광검출기(52), 2×2 커플러(53), 제 1 콜리메이터(54), 제 2 콜리메이터(55), 제 3 콜리메이터(71), 스플리터(72)는 광학계를 구성한다. 제 1 콜리메이터(54) 및 제 3 콜리메이터(71)는 각각, 도 8(b)을 참조하여 설명한 바와 같이 제 2 열 유속 측정용 부재 S1에 대해 저코히런스광을 조사함과 아울러 그 반사광을 수광한다. 제 1 콜리메이터(54) 및 제 3 콜리메이터(71)가 각각 수광한 반사광은 스플리터(72) 및 2×2 커플러(53)를 거쳐서 광검출기(52)에 전송된다.
또, 제 3 콜리메이터(71)는 플라즈마에 노출되지 않는 위치에 배치할 필요가 있다. 그래서, 예를 들면, 기판 처리 장치(10)에서는, 상부 전극판(27)에 구멍부를 마련하고, 이 구멍부에 제 3 콜리메이터(71)를 수용하고, 정전척(23) 상에 탑재된 제 2 열 유속 측정용 부재 S1의 제 3 층(43)에 저코히런스광을 조사하는 구성으로 한다.
도 9(b)는 제 3 열 유속 측정 장치(70)를 이용하여 도 8(b)에 나타내는 반사광을 취득했을 때의 간섭 파형의 예를 모식적으로 나타내는 도면이다. 또, 제 3 열 유속 측정 장치(70)에 있어서의 반사광의 해석 방법은 제 1 열 유속 측정 장치(50)에 있어서의 반사광의 해석 방법과 동일하기 때문에, 여기서의 설명을 생략한다.
도 9(b)에는, 제 1 층(41) 및 제 3 층(43)은 동일한 재료로 이루어지지만, 두께 d3＞두께 d1로 한 예가 나타내어져 있다. 반사광 A', B'의 각 피크간의 거리와 반사광 B', C'의 각 피크간의 거리는 모두 광로차 2n1d1의 절반의 값인 n1d1로 된다. 마찬가지로, 반사광 G, H의 각 피크간의 거리와 반사광 H, J의 각 피크간의 거리는 모두 광로차 2n3d3의 절반의 값인 n3d3으로 된다. 따라서, 제 3 열 유속 측정 장치(70)에 의해 구한 광로차 2n1d1, 2n3d3과 도 6과 동일한 데이터(여기서는, 제 1 층(41)과 제 3 층(43)의 각각의 두께 d1, d3이 상이하므로, 광로차 2n1d1, 2n3d3의 각각에 대해 준비한 것)로부터, 제 1 층(41) 및 제 3 층(43)의 각각의 온도 T1, T2를 구하고, 구한 온도 T1, T2와 상기 식 2와 제 2 층(45)의 두께 dx로부터, 이온 플럭스로서 제 2 열 유속 측정용 부재 S1을 흐르는 열 유속 q를 구할 수 있다.
도 10(a)는 제 2 열 유속 측정용 부재 S1을 흐르는 열 유속을 측정하기 위해서 기판 처리 장치(10)에 적용 가능한 제 4 열 유속 측정 장치(80)의 개략 구성을 나타내는 블럭도이다. 제 4 열 유속 측정 장치(80)는, 제 2 열 유속 측정 장치(60)를, 제 2 열 유속 측정용 부재 S1에 대해 저코히런스광을 조사할 수 있도록 변형한 구성으로 되어 있어, 제 2 열 유속 측정 장치(60)와 공통되는 구성요소(저코히런스 광원(61), 분광기(62), 해석 장치(65))에 대해서는 동일한 부호를 교부하고, 여기서의 설명을 생략한다.
제 4 열 유속 측정 장치(80)에서는, 저코히런스 광원(61)으로부터 출력된 저코히런스광을 2×2 커플러(53)(제 1 열 유속 측정 장치(50)가 구비하는 것과 동일)에 입력하고, 2×2 커플러(53)로부터 제 1 콜리메이터(64')와 제 2 콜리메이터(73)에 출력한다. 2×2 커플러(53), 저코히런스 광원(61), 분광기(62), 제 1 콜리메이터(64')는 광학계를 구성한다. 또, 제 1 콜리메이터(64')는 제 2 열 유속 측정 장치(60)가 구비하는 콜리메이터(64)와 동일하고, 제 2 콜리메이터(73)는 제 3 열 유속 측정 장치(70)가 구비하는 제 3 콜리메이터(71)와 동일하다.
제 1 콜리메이터(64') 및 제 2 콜리메이터(73)는 각각, 도 8(b)을 참조하여 설명한 바와 같이 제 2 열 유속 측정용 부재 S1에 대해 저코히런스광을 조사함과 아울러 그 반사광을 수광한다. 제 1 콜리메이터(64') 및 제 2 콜리메이터(73)가 각각 수광한 반사광은 2×2 커플러(53)를 거쳐서 분광기(62)에 전송된다.
도 10(b)는 제 4 열 유속 측정 장치(80)를 이용하여 도 8(b)에 나타내는 반사광을 취득하고, 푸리에 변환을 행함으로써 얻어지는 스펙트럼의 예를 모식적으로 나타내는 도면이다. 또, 제 4 열 유속 측정 장치(80)에 있어서의 반사광의 해석 방법은 제 2 열 유속 측정 장치(60)에 있어서의 반사광의 해석 방법과 동일하기 때문에, 여기서의 설명을 생략한다.
푸리에 변환에 의해, 거리 x에 대해 반사광 A', B', C', G, H, J의 각각에 대응하는 피크가 나타난다. 반사광 A', B'의 각 피크간의 거리와 반사광 B', C'의 각 피크간의 거리는 모두 광로차 2n1d1을 나타낸다. 마찬가지로, 반사광 G, H의 각 피크간의 거리와 반사광 H, J의 각 피크간의 거리는 모두 광로차 2n3d3을 나타낸다. 따라서, 제 4 열 유속 측정 장치(80)에 의해 구한 광로차 2n1d1, 2n3d3과 도 6과 동일한 데이터(제 1 층(41)과 제 3 층(43)의 각각의 두께 d1, d3이 상이하기 때문에, 광로차 2n1d1, 2n3d3마다 준비한 것)로부터, 제 1 층(41) 및 제 3 층(43)의 각각의 온도 T1, T2를 구하고, 구한 온도 T1, T2와 상기 식 2와, 제 2 층(45)의 두께 dx로부터, 이온 플럭스로서 제 2 열 유속 측정용 부재 S1을 흐르는 열 유속 q를 구할 수 있다.
다음으로, 도 11을 참조하여, 제 1 열 유속 측정용 부재 S의 변형예인 제 3 열 유속 측정용 부재 S2에 대해 설명한다. 도 11은 제 3 열 유속 측정용 부재 S2의 개략 구조를 나타내는 단면도이다. 제 3 열 유속 측정용 부재 S2는 제 1 층(41), 제 2 층(46) 및 제 3 층(43)이 이 순서로 적층된 3층 구조를 가진다. 제 1 층(41) 및 제 3 층(43)은 제 1 열 유속 측정용 부재 S를 구성하는 제 1 층(41) 및 제 3 층(43)과 동일하기 때문에, 여기서의 상세한 설명은 생략한다.
제 2 층(46)은, 제 3 열 유속 측정용 부재 S2에 대해 조사되는 저코히런스광을 투과하는 특성을 갖고, 또한 제 1 층(41) 및 제 3 층(43)과는 다른 재료로 이루어지고, 예를 들면, SiO2계 유리나 사파이어(단결정) 등을 이용할 수 있다.
제 3 열 유속 측정용 부재 S2는 제 1 열 유속 측정용 부재 S와 마찬가지로 이용되고, 제 3 열 유속 측정용 부재 S2를 흐르는 열 유속 q의 측정에는, 제 1 열 유속 측정 장치(50) 또는 제 2 열 유속 측정 장치(60)가 이용된다. 즉, 제 3 열 유속 측정용 부재 S2에서는, 제 2 층(46)이 저코히런스광을 투과하기 때문에, 제 3 열 유속 측정용 부재 S2의 두께 방향으로 저코히런스광을 조사함으로써, 도 4를 참조하여 설명한 반사광과 동일한 반사광이 얻어지고, 얻어진 반사광을 해석하는 것에 의해서, 광로차 2n1d1, 2n3d3을 측정할 수 있다. 따라서, 측정한 광로차 2n1d1, 2n3d3과 도 6의 데이터로부터, 제 1 층(41) 및 제 3 층(43)의 각각의 온도 T1, T2를 구하고, 구한 온도 T1, T2와 상기 식 2와, 제 2 층(46)의 두께 dx로부터, 이온 플럭스로서 제 2 열 유속 측정용 부재 S1을 흐르는 열 유속 q를 구할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 상기의 실시 형태에 한정되는 것은 아니다. 상기 실시 형태에서는, 예를 들면 제 1 열 유속 측정용 부재 S의 제 3 층(43)의 표면이 플라즈마에 노출되는 형태로 설명했지만, 제 1 열 유속 측정용 부재 S는 제 1 층(41)의 표면이 플라즈마에 노출되도록 정전척(23) 상에 탑재되어도 좋다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 정전척(23) 상에 제 1 열 유속 측정용 부재 S를 탑재했지만, 이것에 한정되지 않고, 정전척(23) 상에 탑재된 웨이퍼 W 상에 제 1 열 유속 측정용 부재 S를 겹쳐서 탑재하여 플라즈마를 발생시켜 제 1 열 유속 측정용 부재 S를 흐르는 열 유속 q를 측정해도 좋다. 이 경우에는, 웨이퍼 W의 이면과 표면으로부터의 반사광이 더해지기 때문에, 측정되는 간섭 파형은 보다 복잡하게 되지만, 간섭 파형으로부터 제 1 층(41) 및 제 3 층(43)에 대해 광로차 2n1d1, 2n3d3(또는 그 절반인 n1d1, n3d3)을 나타내는 파형을 추출하는 것에 의해서, 제 1 층(41) 및 제 3 층(43)의 각각의 온도 T1, T2를 측정할 수 있는 것에 변함은 없다. 또한, 이 경우에는, 제 1 열 유속 측정용 부재 S와 웨이퍼 W 사이의 계면에서의 열전달을 좋게 하는 수법을 도입할 필요가 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 열 유속 측정 방법은, 플라즈마 에칭에 한정되지 않고, 웨이퍼 W에 플라즈마 CVD에 의한 성막 등의 플라즈마를 이용하여 각종의 처리를 행하는 기판 처리 장치에 적용할 수 있다. 또한, 기판 처리 장치는 웨이퍼 W를 플라즈마 처리하는 것에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면 FPD(Flat Panel Display)용 유리 기판이나 포토마스크, CD 기판, 프린트 기판 등의 웨이퍼 W 이외의 기판을 처리하는 기판 처리 장치이어도 좋다.
10: 기판 처리 장치
41: 제 1 층
42: 제 2 층
42a: 구멍부
43: 제 3 층
50: 제 1 열 유속 측정 장치
51, 61: 저코히런스 광원
52: 광검출기
53: 2×2 커플러
54: 제 1 콜리메이터
55: 제 2 콜리메이터
56: 참조 미러
57, 65: 해석 장치
60: 제 2 열 유속 측정 장치
62: 분광기
63: 광서큘레이터
64: 콜리메이터
64': 제 1 콜리메이터
70: 제 3 열 유속 측정 장치
71: 제 3 콜리메이터
72: 스플리터
73: 제 2 콜리메이터
80: 제 4 열 유속 측정 장치
S: 제 1 열 유속 측정용 부재
S1: 제 2 열 유속 측정용 부재
S2: 제 3 열 유속 측정용 부재
41: 제 1 층
42: 제 2 층
42a: 구멍부
43: 제 3 층
50: 제 1 열 유속 측정 장치
51, 61: 저코히런스 광원
52: 광검출기
53: 2×2 커플러
54: 제 1 콜리메이터
55: 제 2 콜리메이터
56: 참조 미러
57, 65: 해석 장치
60: 제 2 열 유속 측정 장치
62: 분광기
63: 광서큘레이터
64: 콜리메이터
64': 제 1 콜리메이터
70: 제 3 열 유속 측정 장치
71: 제 3 콜리메이터
72: 스플리터
73: 제 2 콜리메이터
80: 제 4 열 유속 측정 장치
S: 제 1 열 유속 측정용 부재
S1: 제 2 열 유속 측정용 부재
S2: 제 3 열 유속 측정용 부재
Claims (26)
- 기판 처리실 내에 발생시킨 플라즈마의 이온 플럭스를 열 유속으로서 측정하는 열 유속 측정 방법으로서,
제 1 층, 제 2 층 및 제 3 층이 이 순서로 적층된 구조를 갖고, 적어도 상기 제 2 층은 상기 제 1 층 및 상기 제 3 층과는 다른 재료로 이루어지는 열 유속 측정용 부재를 플라즈마에 노출하는 노출 스텝과,
상기 열 유속 측정용 부재에 대해 상기 제 1 층 내지 제 3 층의 적층 방향으로 저코히런스광을 조사하는 조사 스텝과,
상기 열 유속 측정용 부재로부터의 반사광의 광간섭을 이용하여, 상기 제 1 층 내를 두께 방향으로 왕복하는 저코히런스광의 상기 제 1 층 내에서의 광로 길이와 상기 제 3 층 내를 두께 방향으로 왕복하는 저코히런스광의 상기 제 3 층 내에서의 광로 길이를 측정하는 광로 길이 측정 스텝과,
상기 제 1 층 및 상기 제 3 층에 대해, 상기 제 1 층 및 상기 제 3 층의 온도와 상기 제 1 층 내에서의 상기 저코히런스광의 광로 길이와 상기 제 3 층 내에서의 상기 저코히런스광의 광로 길이의 관계를 나타내는 데이터를 작성하는 데이터 작성 스텝과,
상기 광로 길이 측정 스텝에서 측정한 상기 제 1 층 내에서의 상기 저코히런스광의 광로 길이와, 상기 제 3 층 내에서의 상기 저코히런스광의 광로 길이를 상기 데이터 작성 스텝에서 작성한 상기 데이터에 대조하여, 상기 제 1 층 및 상기 제 3 층의 각각의 온도를 구하는 온도 측정 스텝과,
상기 온도 측정 스텝에서 구한 상기 제 1 층 및 상기 제 3 층의 각각의 온도와, 상기 제 2 층의 두께 및 열전도율로부터, 상기 열 유속 측정용 부재를 흐르는 열 유속을 산출하는 열 유속 산출 스텝을 가지는 것을 특징으로 하는 열 유속 측정 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 열 유속 측정용 부재의 상기 제 1 층 내에서의 상기 저코히런스광의 광로 길이와 상기 제 3 층 내에서의 상기 저코히런스광의 광로 길이의 차이가 상기 저코히런스광의 코히런스 길이보다 큰 것을 특징으로 하는 열 유속 측정 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 열 유속 측정용 부재는 상기 제 1 층 및 상기 제 3 층의 두께가 상기 제 2 층의 두께보다 얇은 것을 특징으로 하는 열 유속 측정 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 열 유속 측정용 부재는 상기 제 1 층 및 상기 제 3 층을 형성하는 재료의 열전도율이 상기 제 2 층을 형성하는 재료의 열전도율보다 큰 것을 특징으로 하는 열 유속 측정 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 광로 길이 측정 스텝에서는, 광원으로부터 출력되는 저코히런스광을 2개의 광로로 나누고, 상기 2개의 광로의 한쪽을 진행하는 저코히런스광을 상기 열 유속 측정용 부재에 대해 상기 제 1 층 내지 상기 제 3 층의 적층 방향으로 조사했을 때의 상기 열 유속 측정용 부재로부터의 반사광과 상기 2개의 광로의 다른쪽을 진행하는 저코히런스광을 참조 미러에 조사함과 아울러 상기 참조 미러를 저코히런스광의 입사 방향과 평행한 방향으로 이동시켰을 때의 상기 참조 미러로부터의 반사광의 간섭광과, 상기 참조 미러의 이동 거리로부터, 상기 제 1 층 내에서의 상기 저코히런스광의 광로 길이와 상기 제 3 층 내에서의 상기 저코히런스광의 광로 길이를 측정하는 것을 특징으로 하는 열 유속 측정 방법.
- 제 5 항에 있어서,
상기 열 유속 측정용 부재의 상기 제 2 층은 상기 저코히런스광을 투과하지 않는 재료로 이루어지고,
상기 광로 길이 측정 스텝에서는, 상기 2개의 광로의 한쪽을 진행하는 저코히런스광을 2개의 광로를 진행하도록 더 분기시키고, 더 분기한 한쪽을 진행하는 저코히런스광을 상기 제 1 층측으로부터 상기 제 1 층으로 조사함과 아울러, 더 분기한 다른쪽을 진행하는 저코히런스광을 상기 제 3 층측으로부터 상기 제 3 층으로 조사하는 것을 특징으로 하는 열 유속 측정 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 광로 길이 측정 스텝에서는, 상기 저코히런스광을 상기 열 유속 측정용 부재에 대해 상기 제 1 층 내지 상기 제 3 층의 적층 방향으로 조사했을 때의 상기 열 유속 측정용 부재로부터의 반사광의 스펙트럼을 푸리에 변환하는 것에 의해서, 상기 제 1 층 내에서의 상기 저코히런스광의 광로 길이와 상기 제 3 층 내에서의 상기 저코히런스광의 광로 길이를 측정하는 것을 특징으로 하는 열 유속 측정 방법.
- 제 7 항에 있어서,
상기 열 유속 측정용 부재의 상기 제 2 층은 상기 저코히런스광을 투과하지 않는 재료로 이루어지고,
상기 광로 길이 측정 스텝에서는, 광원으로부터 출력되는 상기 저코히런스광을 2개의 광로로 나누고, 상기 2개의 광로의 한쪽을 진행하는 저코히런스광을 상기 제 1 층측으로부터 상기 제 1 층으로 상기 저코히런스광을 조사함과 아울러, 상기 2개의 광로의 다른쪽을 진행하는 저코히런스광을 상기 제 3 층측으로부터 상기 제 3 층으로 조사하는 것을 특징으로 하는 열 유속 측정 방법.
- 제 5 항에 있어서,
상기 열 유속 측정용 부재의 상기 제 2 층에는 구멍부가 마련되어 있고,
상기 광로 길이 측정 스텝에서는, 상기 저코히런스광을 상기 구멍부를 통과하도록 상기 열 유속 측정용 부재에 대해 조사하는 것을 특징으로 하는 열 유속 측정 방법.
- 수용한 기판에 대해 소정의 플라즈마 처리를 실시하는 기판 처리실과,
제 1 층, 제 2 층 및 제 3 층이 이 순서로 적층된 구조를 갖고, 적어도 상기 제 2 층은 상기 제 1 층 및 상기 제 3 층과는 다른 재료로 이루어지고, 상기 제 1 층의 표면 또는 상기 제 3 층의 표면이 상기 기판 처리실 내에 발생시킨 플라즈마에 노출되도록 상기 기판 처리실 내에 배치되는 열 유속 측정용 부재와,
상기 기판 처리실 내에 발생시킨 플라즈마의 이온 플럭스를 열 유속으로서 측정하는 열 유속 측정 장치를 구비하는 기판 처리 시스템으로서,
상기 열 유속 측정 장치는,
상기 열 유속 측정용 부재에 대해 상기 제 1 층 내지 상기 제 3 층의 적층 방향으로 저코히런스광을 조사하고, 그 반사광을 취득하는 광학계와,
상기 열 유속 측정용 부재로부터의 반사광의 광간섭을 이용하여 상기 열 유속 측정용 부재를 흐르는 열 유속을 산출하는 해석 장치를 갖고,
상기 해석 장치는, 상기 제 1 층 내를 두께 방향으로 왕복하는 저코히런스광의 상기 제 1 층 내에서의 광로 길이와 상기 제 3 층 내를 두께 방향으로 왕복하는 저코히런스광의 상기 제 3 층 내에서의 광로 길이를 측정하고, 측정한 상기 제 1 층 내에서의 상기 저코히런스광의 광로 길이와 상기 제 3 층 내에서의 상기 저코히런스광의 광로 길이를 사전에 작성된 상기 제 1 층 및 상기 제 3 층의 온도와 상기 제 1 층 내에서의 상기 저코히런스광의 광로 길이와 상기 제 3 층 내에서의 상기 저코히런스광의 광로 길이의 관계를 나타내는 데이터에 대조함으로써 상기 제 1 층 및 상기 제 3 층의 각각의 온도를 구하고, 구한 상기 제 1 층 및 상기 제 3 층의 각각의 온도와, 상기 제 2 층의 두께 및 열전도율로부터, 상기 열 유속 측정용 부재를 흐르는 열 유속을 산출하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 시스템.
- 제 10 항에 있어서,
상기 열 유속 측정용 부재의 상기 제 1 층 내에서의 상기 저코히런스광의 광로 길이와 상기 제 3 층 내에서의 상기 저코히런스광의 광로 길이의 차이가 상기 저코히런스광의 코히런스 길이보다 큰 것을 특징으로 하는 기판 처리 시스템.
- 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
상기 열 유속 측정용 부재는 상기 제 1 층 및 상기 제 3 층의 두께가 상기 제 2 층의 두께보다 얇은 것을 특징으로 하는 기판 처리 시스템.
- 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
상기 열 유속 측정용 부재는 상기 제 1 층 및 상기 제 3 층을 형성하는 재료의 열전도율이 상기 제 2 층을 형성하는 재료의 열전도율보다 큰 것을 특징으로 하는 기판 처리 시스템.
- 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
상기 광학계는, 상기 저코히런스광을 2개의 광로를 진행하도록 분기시키고, 상기 2개의 광로의 한쪽을 진행하는 저코히런스광을 상기 열 유속 측정용 부재에 대해 상기 제 1 층 내지 상기 제 3 층의 적층 방향으로 조사했을 때의 상기 열 유속 측정용 부재로부터의 반사광과 상기 2개의 광로의 다른쪽을 진행하는 저코히런스광을 참조 미러에 조사함과 아울러 상기 참조 미러를 저코히런스광의 입사 방향과 평행한 방향으로 이동시켰을 때의 상기 참조 미러로부터의 반사광과의 간섭광을 취득하고,
상기 해석 장치는, 상기 광학계가 취득한 간섭광과 상기 참조 미러의 이동 거리로부터, 상기 제 1 층 내에서의 상기 저코히런스광의 광로 길이와 상기 제 3 층 내에서의 상기 저코히런스광의 광로 길이를 측정하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 시스템.
- 제 14 항에 있어서,
상기 열 유속 측정용 부재의 상기 제 2 층은 상기 저코히런스광을 투과하지 않는 재료로 이루어지고,
상기 광학계는, 상기 2개의 광로의 한쪽을 진행하는 저코히런스광을 2개의 광로를 진행하도록 더 분기시키고, 더 분기한 한쪽을 진행하는 저코히런스광을 상기 제 1 층측으로부터 상기 제 1 층으로 조사함과 아울러, 더 분기한 다른쪽을 진행하는 저코히런스광을 상기 제 3 층측으로부터 상기 제 3 층으로 조사하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 시스템.
- 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
상기 해석 장치는, 상기 광학계로부터 출력되는 저코히런스광을 상기 열 유속 측정용 부재에 대해 상기 제 1 층 내지 상기 제 3 층의 적층 방향으로 조사했을 때의 상기 열 유속 측정용 부재로부터의 반사광의 스펙트럼을 푸리에 변환하는 것에 의해서, 상기 제 1 층 내에서의 상기 저코히런스광의 광로 길이와 상기 제 3 층 내에서의 상기 저코히런스광의 광로 길이를 측정하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 시스템.
- 제 16 항에 있어서,
상기 열 유속 측정용 부재의 상기 제 2 층은 상기 저코히런스광을 투과하지 않는 재료로 이루어지고,
상기 광학계는, 상기 저코히런스광을 2개의 광로로 나누고, 상기 2개의 광로의 한쪽을 진행하는 저코히런스광을 상기 제 1 층측으로부터 상기 제 1 층으로 상기 저코히런스광을 조사함과 아울러, 상기 2개의 광로의 다른쪽을 진행하는 저코히런스광을 상기 제 3 층측으로부터 상기 제 3 층으로 조사하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 시스템.
- 제 14 항에 있어서,
상기 열 유속 측정용 부재의 상기 제 2 층에는 구멍부가 마련되어 있고,
상기 광학계는 상기 저코히런스광을 상기 구멍부를 통과하도록 상기 열 유속 측정용 부재에 대해 조사하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 시스템.
- 플라즈마를 발생시키는 기판 처리 장치 내에 배치되는 열 유속 측정용 부재로서,
저코히런스광을 투과하는 제 1 층과,
상기 제 1 층 상에 적층된 제 2 층과,
상기 제 2 층 상에 적층되고, 상기 저코히런스광을 투과하는 제 3 층을 갖고,
적어도 상기 제 2 층은 상기 제 1 층 및 상기 제 3 층과는 다른 재료로 이루어지고,
상기 제 2 층에 상기 저코히런스광을 투과시키기 위한 구멍부가 상기 제 1 층, 상기 제 2 층 및 상기 제 3 층의 적층 방향으로 관통하도록 마련되어 있는
것을 특징으로 하는 열 유속 측정용 부재.
- 삭제
- 제 19 항에 있어서,
상기 제 2 층은 상기 저코히런스광을 투과하지 않는 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열 유속 측정용 부재.
- 제 19 항에 있어서,
상기 제 2 층은 상기 저코히런스광을 투과하는 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열 유속 측정용 부재.
- 제 19 항, 제 21 항 및 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 층 및 상기 제 3 층은 실리콘으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열 유속 측정용 부재.
- 제 19 항, 제 21 항 및 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 저코히런스광이 상기 열 유속 측정용 부재에 조사될 때에, 상기 제 1 층 내에서의 상기 저코히런스광의 광로 길이와 상기 제 3 층 내에서의 상기 저코히런스광의 광로 길이의 차이가 상기 저코히런스광의 코히런스 길이보다 큰 것을 특징으로 하는 열 유속 측정용 부재.
- 제 19 항, 제 21 항 및 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 층 및 상기 제 3 층의 두께가 상기 제 2 층의 두께보다 얇은 것을 특징으로 하는 열 유속 측정용 부재.
- 제 19 항, 제 21 항 및 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 층 및 상기 제 3 층을 형성하는 재료의 열전도율이 상기 제 2 층을 형성하는 재료의 열전도율보다 큰 것을 특징으로 하는 열 유속 측정용 부재.
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