半導体用途での正確な温度測定
【課題】半導体製造プロセスの正確な温度測定技術を提供する。
【解決手段】温度検知要素により、正確なその場温度測定を可能にする。温度検知要素は、プロセスチャンバ３０２内に配置される。温度検知要素は、空洞３０６を有しており、空洞の開口部を覆うように透明カバー３１０が配置されている。材料３０８が、温度検知要素の空洞内に配置され、センサ３１２が、透明カバーを通して材料の相変化を検知するよう構成されている。
【解決手段】温度検知要素により、正確なその場温度測定を可能にする。温度検知要素は、プロセスチャンバ３０２内に配置される。温度検知要素は、空洞３０６を有しており、空洞の開口部を覆うように透明カバー３１０が配置されている。材料３０８が、温度検知要素の空洞内に配置され、センサ３１２が、透明カバーを通して材料の相変化を検知するよう構成されている。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
半導体の製造では、プロセスの一貫性および再現性を確保するために、プロセスパラメータを制御する必要がある。素子のノードが、より小さい形状（例えば、９０ｎｍ以下）になり、半導体素子が、寸法公差（例えば、ＣＤ、厚さ、エッチング速度、均一性、プロフィルなど）において、ナノメートル以下の精度を必要とするようになっているため、プロセス制御の必要性が高くなっている。より高度なプロセスでは、すべてのプロセス変動による製造後の素子における形状サイズの変動および寸法公差（ウエハ内、ウエハ間、ロット間、ダイ間、チャンバ間など）が、５ｎｍ未満であって３シグマの標準偏差内であることが求められる。ウエハ処理が、さらに高度になると、許容可能な形状サイズの変動も、さらに小さくなる（例えば、２ｎｍ未満であって３シグマの標準偏差内など）。
【０００２】
制御、維持、および特性化が困難なプロセスパラメータの１つとして、プロセス温度が挙げられる。例えば、チャンバ内壁面、基板支持面、および基板表面におけるプロセス温度は、制御、維持、および特性化が困難である。本発明の範囲内では、ウエハおよび基板への言及は置き換え可能である。半導体製造の当業者は、これらの用語を同じ意味で用いることが多いからである。多くのプロセスレシピは、プロセス温度の変動に敏感である。１℃程度の温度変動が、プロセスレシピの結果に大きな影響を及ぼしうる。例えば、半導体製造のエッチングプロセスにおいては、プロセス温度（基板支持の表面温度、基板の表面温度など）における１℃の変動あたり、ポリゲートのＣＤ（限界寸法）は、１ｎｍ程度変化しうる。一部のプロセスレシピは、さらに小さいプロセス温度の変動（例えば、０．５℃）に影響される場合がある。したがって、素子のノードが、より小さい形状サイズになるにつれ、正確な温度制御および測定が、プロセス制御の要件において重要になっている。そのため、絶対温度の測定と、小さい温度変化（例えば、０．５℃未満の変化）の検知とを実行できる正確な温度測定および特性化が求められる。
【０００３】
現在利用できる温度測定技術の多くは、性能が限られており、望ましくない影響を与えるものである。例えば、現在利用できる温度測定技術の多くは、その場（ｉｎ ｓｉｔｕ）でのプロセス温度を正確に測定できない。ウエハのその場でのプロセス温度を測定できる技術は、通例、ウエハ上に温度センサを組み込んだ特別なウエハを配置する。プロセスチャンバ内に特別なウエハを配置するには、通常の処理の流れを中断する必要がある。通例、プロセスチャンバ内に特別なウエハを配置するには、排気してプロセスチャンバを周囲圧力にする必要がある。プロセスチャンバに対して排気を行うと、プロセス動作条件（例えば、圧力、温度など）にチャンバを戻すのに、かなりの時間が掛かるため、ロット処理のスループットに影響する。また、多くの場合、組み込みセンサは、素子の欠陥を引き起こしうる汚染源になる場合がある。さらに、組み込みセンサを備えた特別なウエハは高価であり、そのセンサの耐久性は、通例、あまり高くはない。センサは、プロセス動作条件に曝されると、故障したり誤作動したりすることがある。また、組み込みセンサのほとんどは、０．５℃以下の温度測定の不確実性を有するため、所望の測定精度を提供できない。したがって、改良されたその場温度測定方法および装置が求められている。
【発明の概要】
【０００４】
本発明は、概略的には、その場温度の正確な測定を可能にする方法および構造を提供する。
【０００５】
一実施形態では、正確なその場温度測定を可能にする温度検知要素を備えたプロセスチャンバが提供されている。この実施形態では、温度検知要素は、プロセスチャンバ内に配置される。温度検知要素は、空洞を有しており、空洞の開口部を覆うように透明カバーが配置されている。材料が、温度検知要素の空洞内に配置され、センサが、透明カバーを通して材料の相変化を検知するよう構成されている。
【０００６】
別の実施形態では、正確なその場温度測定を可能にする別の温度検知要素を備えたプロセスチャンバが提供されている。この実施形態では、温度検知要素は、プロセスチャンバ内の表面（例えば、プロセスチャンバの内面、基板支持の表面など）の上に配置されている。温度検知要素は、空洞を有する。材料が、温度検知要素の空洞内に配置されており、その材料は、プロセスチャンバ内の表面と接触している。センサは、材料の相変化を検知するよう構成されている。
【０００７】
さらに別の実施形態では、正確なその場温度測定のための方法が提供されている。その方法は、プロセスチャンバ内に温度検知要素を配置する工程を備える。温度検知要素は、埋め込まれた材料を有する。次に、プロセスチャンバ内でプロセス動作が開始される。一定時間後に、プロセス動作は、埋め込まれた材料の相変化を引き起こす。次いで、埋め込まれた材料の相変化が検出される。相変化に対応する温度が記録される。
本発明の原理を例示した添付図面との関連で行う以下の説明から、本発明のその他の態様および利点が明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態に従って、内部に配置された温度検知要素を有するプロセスチャンバを示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に従って、温度検知要素の一部を示す拡大断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に従って、内部に配置された温度検知要素を有するプロセスチャンバを示す断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に従って、基板支持の表面上に配置された温度検知要素を有するプロセスチャンバを示す断面図である。
【図５】本発明の一実施形態に従って、基板支持の表面上の温度を検知できる温度検知要素を示す拡大断面図である。
【図６】本発明の一実施形態に従って、内部に配置された温度検知要素を有するプロセスチャンバを示す断面図である。
【図７Ａ】本発明の一実施形態に従って、基板を配置された基板支持の表面上に配置された温度検知要素を有するプロセスチャンバを示す断面図である。
【図７Ｂ】本発明の一実施形態に従って、基板支持の表面上の温度を検知できる温度検知要素を示す上面図である。
【図８】本発明の一実施形態に従って、その場でのプロセス温度を正確に測定する方法を示すフローチャートである。
【図９Ａ】本発明の一実施形態に従って、温度表示装置を示す断面図である。
【図９Ｂ】本発明の一実施形態に従って、相変化が起きたことを示している温度表示装置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明は、以下の実施形態を参照して説明するように、基板の処理、特に、半導体の製造のための正確なその場温度測定を可能にする方法および構造を提供する。本発明の実施形態は、正確なその場温度測定をするために、簡単にプロセスチャンバに組み込むことが可能であり、それにより、プロセスのスループットおよび歩留まりに影響を与えることなく、プロセス制御、プロセス監視およびプロセスの再現性を全体的に改善することができる。本発明は、方法やシステムを含む種々な形態で実施できることを理解されたい。また、本発明を不明瞭にしないように、周知のプロセス動作は詳細に説明していない。
【００１０】
図１は、本発明の一実施形態に従って、基板プロセスチャンバシステム１００を示す図である。プロセスチャンバ１０２は、基板支持１０４を備えており、基板支持１０４は、複数の空洞１０６，１１６，１２６および１３６を有する。複数の空洞１０６，１１６，１２６および１３６の各々は、複数の材料１０８，１１８，１２８および１３８の各々を内部に保持するよう適切に構成されている。複数の透明カバー１１０，１２０，１３０および１４０の各々は、複数の空洞１０６，１１６，１２６および１３６の開口部をそれぞれ覆うよう適切に構成されている。したがって、材料１０８，１１８，１２８および１３８の各々は、複数の空洞１０６，１１６，１２６および１３６の対応する１つの中に収容される。材料１０８，１１８，１２８および１３８の各々は、実質的に密封されており、プロセスチャンバの内部環境から隔離されている。材料１０８，１１８，１２８および１３８は、プロセスチャンバ１０２の内部から隔離されているため、それらによって、プロセスチャンバ１０２内に汚染物質が導入されることも防止されている。材料１０８，１１８，１２８および１３８を適切に密封および隔離するために、透明カバー１１０，１２０，１３０および１４０は，プロセスチャンバ１０２内のプロセス条件に耐えるだけの耐性を備えた材料から形成される。かかる耐性を有する材料の一例として、石英が挙げられる。
【００１１】
図１によると、１または複数のセンサ１１２が、材料１０８，１１８，１２８および１３８の各々の相変化を監視するために、プロセスチャンバ１０２内に構成されている。図示の簡単のため、図１は、プロセスチャンバ１０２内に構成された１つのセンサ１１２を示している。しかしながら、材料１０８，１１８，１２８および１３８の各々の相変化を監視するために、１または複数のセンサ１１２が、プロセスチャンバ１０２内に構成されてよい。センサ１１２の内の１または複数によって収集された相変化データは、監視システム１１４に送信される。監視システム１１４は、システム制御部を備える。システム制御部は、プロセスチャンバ１０２のプロセス動作を含めて、プロセスチャンバシステム１００の構成要素すべてを制御する。例えば、システム制御部は、プロセスチャンバ１０２内に投入されるプロセス薬剤の動作、基板を処理するためにプロセスチャンバ１０２内の表面を加熱する１または複数のヒータ、プロセスを開始するためにプロセスチャンバ１０２内の薬剤を活性化するエネルギ（例えば、ＲＦ）など、を制御してよい。監視システム１１４は、例えば、データ処理アルゴリズムを用いて、データを処理し、ユーザインターフェース（例えば、スクリーンモニタ）によって、解析データをユーザに対して適切に提示する。
【００１２】
上述のように、１または複数のセンサ１１２は、材料１０８，１１８，１２８および１３８の相変化を監視し、各材料に相変化が起きると、相変化データを記録する。材料の相変化（例えば、固相から液相への変化）に対応する温度は、所与の圧力における特定の組成の材料については一定である。したがって、既知の組成の材料についての相変化の温度を、プロセスチャンバ１０２内のプロセス温度を測定するための基準として用いることができる。
【００１３】
図１に示すように、材料１０８，１１８，１２８および１３８は、それぞれ、基板支持１０４に組み込まれた複数の空洞１０６，１１６，１２６および１３６の１つに収容されている。各材料１０８，１１８，１２８および１３８の相変化は、基板支持１０４のプロセス温度の監視、測定および、特性化に利用できる。例えば、プロセスチャンバ１０２でプロセスが開始されると、基板支持１０４は、通例は加熱される。十分な量の熱エネルギが、ヒータから基板支持１０４に伝導されると、各空洞１０６，１１６，１２６および１３６内の材料１０８，１１８，１２８および１３８は、相変化し始める。基板支持に伝導される熱エネルギの量は、プロセスチャンバシステムの制御部によって、経時的に測定および定量化することができる。その間、１または複数のセンサ１１２は、材料１０８，１１８，１２８および１３８の相変化を監視している。相変化が起きた時、材料が配置された位置（例えば、接触面）は、その材料に対応する相変化温度に到達している。
【００１４】
表面における熱分布が一様であることはまれなため、本発明の実施形態は、表面における温度分布を決定することができる。例えば、図１に示すように、材料１０８，１１８，１２８および１３８は、基板支持１０４の表面における異なる領域に位置する複数の空洞１０６，１１６，１２６および１３６に配置されている。基板支持１０４の表面における温度分布は、材料１０８，１１８，１２８および１３８の各々に相変化が起きた時に決定できる材料１０８，１１８，１２８および１３８は、同じ組成を有しても、異なる組成を有してもよい。各材料１０８，１１８，１２８および１３８が、既知の相変化温度を有する既知の組成からなる場合、基板支持１０４の表面における温度分布は、熱エネルギが基板支持１０４に供給されて、時間と共に各材料の相変化が起きるにつれて、経時的に決定できる。
【００１５】
各材料１０８，１１８，１２８および１３８は、それぞれ、各空洞１０６，１１６，１２６および１３６内に密封されているため、時間と共に起きる材料の損失は取るに足らないものである。したがって、材料１０８，１１８，１２８および１３８は、プロセスチャンバ１０２で繰り返されるプロセスで再利用できる。
【００１６】
有機化合物および一部の無機化合物が、非常に正確な融点（例えば、０．１または０．２℃の範囲）を示すことは、化学および材料科学の分野で周知である。これらの有機および無機化合物としては、ナフタレン、サリチル酸、ベンゾフェノン、硝酸コバルト（ＩＩ）、安息香酸アルミニウム、酢酸アルミニウム、臭化アンチモン（ＩＩＩ）および塩化アンチモン（ＩＩＩ）が挙げられる。
【００１７】
図１において、１または複数のセンサ１１２は、材料１０８，１１８，１２８および１３８の相変化を検知するよう構成されている。材料の相変化は、材料の屈折率の変化を引き起こす。一部の材料では、相変化は、さらに、材料の色の変化を引き起こす。図１に示すように、１または複数のセンサ１１２は、透明カバー１１０、１２０、１３０および１４０を通して、材料の相変化に伴う上述の変化または他の変化を検知するよう構成されている。上述のように相変化を検知できるセンサ１１２の一例として、レーザ分光計が挙げられる。センサ１１２は、プロセスチャンバシステムの制御部と通信するように接続される。センサ１１２は、材料１０８，１１８，１２８および１３８を監視して、相変化を検知するためのデータを収集する。センサ１１２は、収集したデータを処理するためにプロセスチャンバの制御部に送信する。プロセスチャンバの制御部は、データ処理アルゴリズムを用いて、データを処理し、複数の空洞１０６，１１６，１２６および１３６にそれぞれ収容された材料１０８，１１８，１２８および１３８の相変化温度に対応する光学定数の値を生成する。プロセスチャンバの制御部は、監視装置１１４と離れて配置された別個の装置であってよい。あるいは、プロセスチャンバの制御部と監視装置１１４とは、１つの一体的な装置として構成されてもよい。プロセスチャンバの制御部と監視装置１１４との実際の構成に関係なく、プロセスチャンバの制御部は、監視装置１１４と通信し、監視装置１１４は、ユーザインターフェース（例えば、スクリーンモニタ）を介して、プロセス温度情報をユーザに提供する。
【００１８】
図２は、本発明の別の実施形態に従って、プロセスチャンバシステム２００を示す図である。プロセスチャンバ２０２は、基板支持２０４を備えており、基板支持２０４は、複数の空洞２０６および２１６を有する。複数の空洞２０６および２１６の各々は、複数の材料２０８および２１８の各々を内部に保持するよう適切に構成されている。複数の透明カバー２１０および２２０の各々は、複数の空洞２０６および２１６の開口部をそれぞれ覆うよう適切に構成されている。したがって、各材料２０８および２１８は、それぞれ、複数の空洞２０８および２１８の１つに収容されており、材料２０８および２１８は、それぞれ、実質的に密封および隔離されている。透明カバー２１０および２２０は、プロセスチャンバシステム２００内のプロセス条件に耐えるだけの耐性を備えた材料から形成される。かかる耐性を有する材料の一例として、石英が挙げられる。
【００１９】
図２に示すように、１または複数のセンサ２１２および２２２が、材料２０８および２１８の各々の相変化を監視するために、プロセスチャンバシステム２００内に構成されている。１または複数のセンサ２１２および２２２によって収集された相変化データは、監視システム２１４に送信される。監視システム２１４は、システム制御部を備える。システム制御部は、プロセスチャンバ２０２のプロセス動作を含めて、プロセスチャンバシステム２００の構成要素すべてを制御する。例えば、システム制御部は、プロセスチャンバ２０２内に投入されるプロセス薬剤の動作、基板を処理するためにプロセスチャンバ２０２内の表面を加熱する１または複数のヒータ、プロセスを開始するためにプロセスチャンバ２０２内の薬剤を活性化するエネルギ（例えば、ＲＦ、マイクロ波など）など、を制御してよい。監視システム２１４は、例えば、データ処理アルゴリズムを用いて、データを処理し、ユーザインターフェース（例えば、スクリーンモニタ）によって、解析データをユーザに対して適切に提示する。
【００２０】
図２において、１または複数のセンサ２１２および２２２は、材料２０８および２１８の相変化を監視し、各材料に相変化が起きると、相変化データを記録する。材料の相変化（例えば、固相から液相への変化）に対応する温度は、所与の圧力における特定の組成の材料については一定である。したがって、既知の組成の材料についての相変化の温度を、プロセスチャンバ２０２内のプロセス温度（例えば、基板支持２０４の表面温度）を測定するための基準として用いることができる。
【００２１】
図３は、本発明の別の実施形態に従って、プロセスチャンバシステム３００を示す図である。プロセスチャンバ３０２は、基板支持３０４と、チャンバ３０２の壁に組み込まれた複数の空洞３３６，３４６，３５６および３６６とを備える。複数の材料３３８，３４８，３５８および３６８が、それぞれ、チャンバ３０２の壁の中の複数の空洞３３６，３４６，３５６および３６６に収容されている。複数の空洞３３６，３４６，３５６および３６６の各々は、それぞれ、複数の透明カバー３４０，３５０，３６０および３７０によって密封されている。１または複数のセンサ３１２が、複数の透明カバー３４０，３５０，３６０および３７０を通して、複数の材料３３８，３４８，３５８および３６８の各々の相変化を検知するよう構成されている。図３には、１つのセンサ３１２が示されているが、各材料３０８，３１８，３２８，３３８，３４８，３５８および３６８の相変化を検知するために、１または複数のセンサ３１２が、プロセスチャンバ３０２内に構成されてよい。一実施形態では、センサ３１２は、レーザ分光計であってよい。センサ３１２は、プロセスチャンバシステムの制御部と通信するように接続される。センサ３１２は、材料３０８，３１８，３２８，３３８，３４８，３５８および３６８を監視して収集したデータを、データ処理のために、プロセスチャンバシステムの制御部に送信する。プロセスチャンバの制御部は、データ処理アルゴリズムを用いて、データを処理し、材料３０８，３１８，３２８，３３８，３４８，３５８および３６８の相変化温度に対応する光学定数の値を生成する。相変化温度は、さらに、処理されて、ユーザインターフェース（例えば、スクリーンモニタ）によってユーザに提示されてよい。ユーザに提示される情報は、温度分布のグラフ、例えば、時間に対する温度分布、位置に対する温度分布のグラフであってよい。
【００２２】
図４は、本発明の一実施形態に従って、プロセスチャンバシステム４００を示す断面図である。プロセスチャンバシステム４００においては、基板支持４０４が、プロセスチャンバ４０２内に配置されている。基板支持４０４上には、温度検知試験用基板４１５が配置される。温度検知試験用基板４１５は、基板層４１４と、透明カバー４１０とで構成される。複数の空洞４０６，４２６および４３６が、透明カバー４１０内に構成されており、複数の材料４０８，４２８および４３８が、それぞれ、複数の空洞４０６，４２６および４３６内に配置されている。材料４０８，４２８および４３８は、基板層４１４と接触している。透明層４１０は、プロセスチャンバ４０２の内部環境に対して、材料４０８，４２８および４３８を密閉しており、それにより、材料４０８，４２８および４３８が、プロセスチャンバ４０２の内部環境に汚染物質を導入しないようになっている。１または複数のセンサ４１２が、材料４０８，４２８および４３８の相変化を検知するために、プロセスチャンバ４０２内に構成されている。
【００２３】
図５は、本発明の一実施形態に従って、温度検知試験用基板４１５を示す拡大断面図である。温度検知試験用基板４１５は、基板層４１４と、透明カバー４１０とで構成される。透明カバー４１０は、複数の空洞４０６，４２６および４３６を備えるよう構成される。空洞４０６，４２６および４３６の各々は、複数の４０８，４２８および４３８の内の１つを収容する。材料４０８，４２８および４３８は、基板層４１４と接触しており、その結果、熱平衡の状態では、各材料４０８，４２８および４３８の温度が、各接触面の領域における基板層４１４の温度と同じになる。
【００２４】
再び図４を参照して、プロセスチャンバ４０２でプロセスが開始されると、基板支持４０４は、通例は加熱される。温度検知試験用基板４１５は、プロセスチャンバ４０２内で処理されている基板の温度または熱の分布を決定するために用いられてよい。
【００２５】
十分な量の熱エネルギが、ヒータから基板支持４０４に伝導されると、温度検知試験用基板４１５の基板層４１４も、伝導および対流によって加熱される。基板層４１４は、プロセスチャンバ４０２内で処理されている実際の基板をシミュレートする。したがって、基板層４１４の温度は、プロセスチャンバ４０２内で処理されている基板の温度と同じである。基板層４１４と接触する材料４０８，４２８および４３８は、基板層４１４と同じ温度を有する。十分な熱エネルギが、材料４０８，４２８および４３８に伝導されると、材料の相変化が始まる。１または複数のセンサ４１２は、材料４０８，４２８および４３８の相変化を検知する。１または複数のセンサ４１２は、検知したデータを、データ処理のためにプロセスチャンバシステムの制御部に送信し、処理後のデータを、ユーザインターフェース（例えば、スクリーンモニタ）によってユーザに提示する。ユーザに提示される処理後のデータは、基板層４１４の温度分布のグラフの形態であってよく、それは、処理される基板の温度分布を表す。
【００２６】
図６は、本発明の一実施形態に従って、温度検知要素を示す図である。温度検知要素６１０は、プロセスチャンバ６０２内に配置されている。温度検知要素は、材料６０８を収容するよう構成された透明シェル６０６を備える。透明シェル６０６は、材料の特性を損なうことなく、プロセスチャンバ６０２内の条件（例えば、熱、圧力、ＲＦエネルギ、マイクロ波、反応性プラズマなど）に耐えることのできる耐性を有する材料から形成される。かかる耐性を有する材料の一例として、石英が挙げられる。材料６０８は、プロセスチャンバ６０２内の任意の表面と接触しつつ、プロセスチャンバ６０２内の接触面と透明シェル６０６との間に密封されるよう構成されている。センサ６１２が、透明シェル６０６を通して材料の相変化を検知するために、プロセスチャンバ６０２内に配置されている。例えば、センサ６１２は、レーザ分光計であってよい。材料６０８は、非常に正確な融点（例えば、０．１または０．２℃の範囲内の融点）を有する有機または無機化合物であってよい。これらの有機および無機化合物としては、ナフタレン、サリチル酸、ベンゾフェノン、硝酸コバルト（ＩＩ）、安息香酸アルミニウム、酢酸アルミニウム、臭化アンチモン（ＩＩＩ）および塩化アンチモン（ＩＩＩ）が挙げられる。図および説明の簡単のために、図６では、プロセスチャンバ６０２に、温度検知要素６１０およびセンサ６１２を１つずつ配置した構成を示したが、本発明の範囲内で、任意の数の温度検知要素およびセンサを、プロセスチャンバ６０２に備えることができる。
【００２７】
プロセスチャンバ６０２内でプロセスが開始されると、チャンバの表面も加熱されてよい。チャンバの表面は、多くの異なる方法で加熱される。チャンバの表面は、循環する流体、ヒータ、または、任意の他の適切な手段によって加熱されてよい。本発明の実施形態は、その場でのプロセス温度を正確に測定するための方法および装置を提供する。
【００２８】
プロセスチャンバ６０２内の表面に接触する材料６０８は、接触面と同じ温度になる。十分な量の熱エネルギが、接触面から材料６０８に伝導されると、材料６０８で相変化が起きる。センサ６１２は、相変化を検知して、相変化データをプロセスチャンバシステムの制御部に送信する。プロセスチャンバシステムの制御部は、相変化データを処理して、処理後の相変化データをユーザインターフェース（例えば、スクリーンモニタ）によってユーザに提示する。処理後の相変化データは、温度分布グラフの形態であってよい。
【００２９】
図７Ａは、本発明の一実施形態に従って、別の温度検知要素を示す図である。温度検知要素７１０は、プロセスチャンバ７０２内の基板支持７０４の上に配置されている。基板７１４も、基板支持７０４の上に配置される。温度検知要素７１０は、複数の空洞を有してよい。図７Ａに示すように、温度検知要素７１０の空洞の内の２つには、それぞれ、材料７１８および７２８が収容されている。材料７１８および７２８は、基板支持７０４と接触している。センサ７１２および７２２は、材料７１８および７２８の相変化を検知するよう構成されている。図７Ａには、材料７１８および７２８の相変化を検知するよう構成されたセンサ７１２および７２８が図示されているが、材料７１８および７２８の相変化を検知するために、任意の数のセンサを用いてよい。例えば、１つのセンサが、温度検知要素７１０に収容された任意の数の材料の相変化を検知するよう構成されてもよい。
【００３０】
図７Ｂは、温度検知要素７１０および基板７１４を示す上面図である。本発明の一実施形態に従った温度検知要素７１０は、温度検知と基板処理とを同時に行うことを可能にする。プロセスチャンバ７０２内でプロセスが開始されると、基板支持７０４は、通例、基板７１４の処理を促進するために加熱される。処理に向けて基板７１４を加熱するために、十分な量の熱エネルギが、ヒータから基板支持７０４に伝導されると、材料７１８，７２８，７３８および７４８も加熱される。材料７１８，７２８，７３８および７４８は、非常に正確な融点（例えば、０．１または０．２℃の範囲）を有するものが選択される。周知のように、材料の相変化に対応する温度は、特定の組成の材料については一定であるため、材料７１８，７２８，７３８および７４８の相変化を、基板７１４のプロセス温度を制御および監視するための基準温度として利用することができる。
【００３１】
プロセスの結果（例えば、半導体の素子形状の限界寸法）に影響する温度の変動を防ぐよう、プロセス温度（例えば、基板の表面温度）を制御するために、材料７１８，７２８，７３８および７４８の相変化を検知するよう構成されたセンサ７１２および７２２は、相変化データをプロセスチャンバシステムの制御部に送信する。さらに、プロセスチャンバシステムの制御部は、リアルタイムで処理後の相変化データをユーザインターフェース（例えば、スクリーンモニタ）によってユーザに提示できる。処理後の相変化データは、温度分布グラフの形態であってよい。
【００３２】
図８は、本発明の一実施形態に従って、その場でのプロセス温度を正確に測定する方法を示すフローチャートである。その方法は、１または複数の温度検知要素をプロセスチャンバ内に配置する動作８００から始まる。温度検知要素は、本発明の様々な実施形態に従って上述した温度検知要素のいずれであってもよい。次に、動作８０２において、プロセスチャンバ内でプロセスが開始される。開始されたプロセスは、最終的に、動作８０４において、それぞれの温度検知要素内の各材料の相変化を引き起こす。動作８０６において、プロセスチャンバ内の１または複数のセンサが、それぞれの温度検知要素内の材料の相変化を検出する。プロセスチャンバシステムの制御部は、動作８０８において、各材料の相変化データを処理する。動作８１０において、各材料の相変化に対応する温度が決定され、動作８１２において、それらの温度が記録される。本明細書で挙げた材料のいずれについても、相変化に対応する温度が、十分に立証されていることを理解されたい。例えば、ナフタレンは８０．５℃の融点、サリチル酸は１３５℃の融点、ベンゾフェノンは４８．１℃の融点、硝酸コバルト（ＩＩ）は５５℃の融点、安息香酸アルミニウムは１９８℃の融点、酢酸アルミニウムは１１４℃の融点、臭化アンチモン（ＩＩＩ）は９６．６℃の融点、塩化アンチモン（ＩＩＩ）は７３．４℃の融点を有する。
【００３３】
図９Ａは、本発明の別の実施形態に従って、温度表示装置を示す図である。図９Ａは、空洞９０６を有する温度表示装置９０４を示している。空洞９０６は、少なくとも２つの空間、例えば、第１の空間９１２と第２の空間９１４とを有する。この実施形態では、第１の空間９１２内に、材料９０８が配置される。カバー９１０が空洞９０６を密閉する。カバー９１０は、透明のカバーであってよく、それにより、上述のように、温度表示装置９０４を、その場でのプロセス温度を示すために利用できる。本発明の他の実施形態について上述した温度検知要素と同様に、温度表示装置９０４は、プロセスチャンバ内に配置されてよく、材料９０８の相変化は、カバー９１０を通して材料９０８の相変化を検知するよう構成されたセンサによって検知されてよい。
【００３４】
図９Ｂは、本発明の一実施形態に従って、材料９０８に位相変化が起きた状態の温度表示装置を示す図である。図９Ｂに示すように、材料９０８は、ある相から別の相（例えば、固相から液相、もしくは、液相から固相）に変化すると、第１の空間９１２から第２の空間９１４に移動される。温度表示装置９０４は、空洞９０６内の材料９０８の空間的な位置（すなわち、材料が、第１の空間９１２に収容されているか第２の空間９１４に収容されているか）を観察することによって、材料９０８に対応する位相変化温度に達したか否かを示すことができる。したがって、プロセスサイクルの終了後に、温度表示装置９０４を観察すれば、プロセスレシピが実行された時に、プロセス温度が、ある時点で材料９０８の相変化に対応する温度に到達したことを確認することができる。本発明の一実施形態では、カバー９１０は、透明カバーでなくてもよい。例えば、温度表示装置が、空間的な指標として利用される場合には、透明カバーを備える必要がない。
【００３５】
本明細書では、本発明のいくつかの実施形態について詳細に説明したが、本発明の趣旨や範囲を逸脱することなく、様々な他の具体的な形態で本発明を実施できることは、当業者にとって明らかである。したがって、上述した例および実施形態は、例示に過ぎず、限定の意図はないため、本発明は、本明細書に記載した詳細事項には限定されず、添付した特許請求の範囲内で変型および実施することができる。
【背景技術】
【０００１】
半導体の製造では、プロセスの一貫性および再現性を確保するために、プロセスパラメータを制御する必要がある。素子のノードが、より小さい形状（例えば、９０ｎｍ以下）になり、半導体素子が、寸法公差（例えば、ＣＤ、厚さ、エッチング速度、均一性、プロフィルなど）において、ナノメートル以下の精度を必要とするようになっているため、プロセス制御の必要性が高くなっている。より高度なプロセスでは、すべてのプロセス変動による製造後の素子における形状サイズの変動および寸法公差（ウエハ内、ウエハ間、ロット間、ダイ間、チャンバ間など）が、５ｎｍ未満であって３シグマの標準偏差内であることが求められる。ウエハ処理が、さらに高度になると、許容可能な形状サイズの変動も、さらに小さくなる（例えば、２ｎｍ未満であって３シグマの標準偏差内など）。
【０００２】
制御、維持、および特性化が困難なプロセスパラメータの１つとして、プロセス温度が挙げられる。例えば、チャンバ内壁面、基板支持面、および基板表面におけるプロセス温度は、制御、維持、および特性化が困難である。本発明の範囲内では、ウエハおよび基板への言及は置き換え可能である。半導体製造の当業者は、これらの用語を同じ意味で用いることが多いからである。多くのプロセスレシピは、プロセス温度の変動に敏感である。１℃程度の温度変動が、プロセスレシピの結果に大きな影響を及ぼしうる。例えば、半導体製造のエッチングプロセスにおいては、プロセス温度（基板支持の表面温度、基板の表面温度など）における１℃の変動あたり、ポリゲートのＣＤ（限界寸法）は、１ｎｍ程度変化しうる。一部のプロセスレシピは、さらに小さいプロセス温度の変動（例えば、０．５℃）に影響される場合がある。したがって、素子のノードが、より小さい形状サイズになるにつれ、正確な温度制御および測定が、プロセス制御の要件において重要になっている。そのため、絶対温度の測定と、小さい温度変化（例えば、０．５℃未満の変化）の検知とを実行できる正確な温度測定および特性化が求められる。
【０００３】
現在利用できる温度測定技術の多くは、性能が限られており、望ましくない影響を与えるものである。例えば、現在利用できる温度測定技術の多くは、その場（ｉｎ ｓｉｔｕ）でのプロセス温度を正確に測定できない。ウエハのその場でのプロセス温度を測定できる技術は、通例、ウエハ上に温度センサを組み込んだ特別なウエハを配置する。プロセスチャンバ内に特別なウエハを配置するには、通常の処理の流れを中断する必要がある。通例、プロセスチャンバ内に特別なウエハを配置するには、排気してプロセスチャンバを周囲圧力にする必要がある。プロセスチャンバに対して排気を行うと、プロセス動作条件（例えば、圧力、温度など）にチャンバを戻すのに、かなりの時間が掛かるため、ロット処理のスループットに影響する。また、多くの場合、組み込みセンサは、素子の欠陥を引き起こしうる汚染源になる場合がある。さらに、組み込みセンサを備えた特別なウエハは高価であり、そのセンサの耐久性は、通例、あまり高くはない。センサは、プロセス動作条件に曝されると、故障したり誤作動したりすることがある。また、組み込みセンサのほとんどは、０．５℃以下の温度測定の不確実性を有するため、所望の測定精度を提供できない。したがって、改良されたその場温度測定方法および装置が求められている。
【発明の概要】
【０００４】
本発明は、概略的には、その場温度の正確な測定を可能にする方法および構造を提供する。
【０００５】
一実施形態では、正確なその場温度測定を可能にする温度検知要素を備えたプロセスチャンバが提供されている。この実施形態では、温度検知要素は、プロセスチャンバ内に配置される。温度検知要素は、空洞を有しており、空洞の開口部を覆うように透明カバーが配置されている。材料が、温度検知要素の空洞内に配置され、センサが、透明カバーを通して材料の相変化を検知するよう構成されている。
【０００６】
別の実施形態では、正確なその場温度測定を可能にする別の温度検知要素を備えたプロセスチャンバが提供されている。この実施形態では、温度検知要素は、プロセスチャンバ内の表面（例えば、プロセスチャンバの内面、基板支持の表面など）の上に配置されている。温度検知要素は、空洞を有する。材料が、温度検知要素の空洞内に配置されており、その材料は、プロセスチャンバ内の表面と接触している。センサは、材料の相変化を検知するよう構成されている。
【０００７】
さらに別の実施形態では、正確なその場温度測定のための方法が提供されている。その方法は、プロセスチャンバ内に温度検知要素を配置する工程を備える。温度検知要素は、埋め込まれた材料を有する。次に、プロセスチャンバ内でプロセス動作が開始される。一定時間後に、プロセス動作は、埋め込まれた材料の相変化を引き起こす。次いで、埋め込まれた材料の相変化が検出される。相変化に対応する温度が記録される。
本発明の原理を例示した添付図面との関連で行う以下の説明から、本発明のその他の態様および利点が明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態に従って、内部に配置された温度検知要素を有するプロセスチャンバを示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に従って、温度検知要素の一部を示す拡大断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に従って、内部に配置された温度検知要素を有するプロセスチャンバを示す断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に従って、基板支持の表面上に配置された温度検知要素を有するプロセスチャンバを示す断面図である。
【図５】本発明の一実施形態に従って、基板支持の表面上の温度を検知できる温度検知要素を示す拡大断面図である。
【図６】本発明の一実施形態に従って、内部に配置された温度検知要素を有するプロセスチャンバを示す断面図である。
【図７Ａ】本発明の一実施形態に従って、基板を配置された基板支持の表面上に配置された温度検知要素を有するプロセスチャンバを示す断面図である。
【図７Ｂ】本発明の一実施形態に従って、基板支持の表面上の温度を検知できる温度検知要素を示す上面図である。
【図８】本発明の一実施形態に従って、その場でのプロセス温度を正確に測定する方法を示すフローチャートである。
【図９Ａ】本発明の一実施形態に従って、温度表示装置を示す断面図である。
【図９Ｂ】本発明の一実施形態に従って、相変化が起きたことを示している温度表示装置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明は、以下の実施形態を参照して説明するように、基板の処理、特に、半導体の製造のための正確なその場温度測定を可能にする方法および構造を提供する。本発明の実施形態は、正確なその場温度測定をするために、簡単にプロセスチャンバに組み込むことが可能であり、それにより、プロセスのスループットおよび歩留まりに影響を与えることなく、プロセス制御、プロセス監視およびプロセスの再現性を全体的に改善することができる。本発明は、方法やシステムを含む種々な形態で実施できることを理解されたい。また、本発明を不明瞭にしないように、周知のプロセス動作は詳細に説明していない。
【００１０】
図１は、本発明の一実施形態に従って、基板プロセスチャンバシステム１００を示す図である。プロセスチャンバ１０２は、基板支持１０４を備えており、基板支持１０４は、複数の空洞１０６，１１６，１２６および１３６を有する。複数の空洞１０６，１１６，１２６および１３６の各々は、複数の材料１０８，１１８，１２８および１３８の各々を内部に保持するよう適切に構成されている。複数の透明カバー１１０，１２０，１３０および１４０の各々は、複数の空洞１０６，１１６，１２６および１３６の開口部をそれぞれ覆うよう適切に構成されている。したがって、材料１０８，１１８，１２８および１３８の各々は、複数の空洞１０６，１１６，１２６および１３６の対応する１つの中に収容される。材料１０８，１１８，１２８および１３８の各々は、実質的に密封されており、プロセスチャンバの内部環境から隔離されている。材料１０８，１１８，１２８および１３８は、プロセスチャンバ１０２の内部から隔離されているため、それらによって、プロセスチャンバ１０２内に汚染物質が導入されることも防止されている。材料１０８，１１８，１２８および１３８を適切に密封および隔離するために、透明カバー１１０，１２０，１３０および１４０は，プロセスチャンバ１０２内のプロセス条件に耐えるだけの耐性を備えた材料から形成される。かかる耐性を有する材料の一例として、石英が挙げられる。
【００１１】
図１によると、１または複数のセンサ１１２が、材料１０８，１１８，１２８および１３８の各々の相変化を監視するために、プロセスチャンバ１０２内に構成されている。図示の簡単のため、図１は、プロセスチャンバ１０２内に構成された１つのセンサ１１２を示している。しかしながら、材料１０８，１１８，１２８および１３８の各々の相変化を監視するために、１または複数のセンサ１１２が、プロセスチャンバ１０２内に構成されてよい。センサ１１２の内の１または複数によって収集された相変化データは、監視システム１１４に送信される。監視システム１１４は、システム制御部を備える。システム制御部は、プロセスチャンバ１０２のプロセス動作を含めて、プロセスチャンバシステム１００の構成要素すべてを制御する。例えば、システム制御部は、プロセスチャンバ１０２内に投入されるプロセス薬剤の動作、基板を処理するためにプロセスチャンバ１０２内の表面を加熱する１または複数のヒータ、プロセスを開始するためにプロセスチャンバ１０２内の薬剤を活性化するエネルギ（例えば、ＲＦ）など、を制御してよい。監視システム１１４は、例えば、データ処理アルゴリズムを用いて、データを処理し、ユーザインターフェース（例えば、スクリーンモニタ）によって、解析データをユーザに対して適切に提示する。
【００１２】
上述のように、１または複数のセンサ１１２は、材料１０８，１１８，１２８および１３８の相変化を監視し、各材料に相変化が起きると、相変化データを記録する。材料の相変化（例えば、固相から液相への変化）に対応する温度は、所与の圧力における特定の組成の材料については一定である。したがって、既知の組成の材料についての相変化の温度を、プロセスチャンバ１０２内のプロセス温度を測定するための基準として用いることができる。
【００１３】
図１に示すように、材料１０８，１１８，１２８および１３８は、それぞれ、基板支持１０４に組み込まれた複数の空洞１０６，１１６，１２６および１３６の１つに収容されている。各材料１０８，１１８，１２８および１３８の相変化は、基板支持１０４のプロセス温度の監視、測定および、特性化に利用できる。例えば、プロセスチャンバ１０２でプロセスが開始されると、基板支持１０４は、通例は加熱される。十分な量の熱エネルギが、ヒータから基板支持１０４に伝導されると、各空洞１０６，１１６，１２６および１３６内の材料１０８，１１８，１２８および１３８は、相変化し始める。基板支持に伝導される熱エネルギの量は、プロセスチャンバシステムの制御部によって、経時的に測定および定量化することができる。その間、１または複数のセンサ１１２は、材料１０８，１１８，１２８および１３８の相変化を監視している。相変化が起きた時、材料が配置された位置（例えば、接触面）は、その材料に対応する相変化温度に到達している。
【００１４】
表面における熱分布が一様であることはまれなため、本発明の実施形態は、表面における温度分布を決定することができる。例えば、図１に示すように、材料１０８，１１８，１２８および１３８は、基板支持１０４の表面における異なる領域に位置する複数の空洞１０６，１１６，１２６および１３６に配置されている。基板支持１０４の表面における温度分布は、材料１０８，１１８，１２８および１３８の各々に相変化が起きた時に決定できる材料１０８，１１８，１２８および１３８は、同じ組成を有しても、異なる組成を有してもよい。各材料１０８，１１８，１２８および１３８が、既知の相変化温度を有する既知の組成からなる場合、基板支持１０４の表面における温度分布は、熱エネルギが基板支持１０４に供給されて、時間と共に各材料の相変化が起きるにつれて、経時的に決定できる。
【００１５】
各材料１０８，１１８，１２８および１３８は、それぞれ、各空洞１０６，１１６，１２６および１３６内に密封されているため、時間と共に起きる材料の損失は取るに足らないものである。したがって、材料１０８，１１８，１２８および１３８は、プロセスチャンバ１０２で繰り返されるプロセスで再利用できる。
【００１６】
有機化合物および一部の無機化合物が、非常に正確な融点（例えば、０．１または０．２℃の範囲）を示すことは、化学および材料科学の分野で周知である。これらの有機および無機化合物としては、ナフタレン、サリチル酸、ベンゾフェノン、硝酸コバルト（ＩＩ）、安息香酸アルミニウム、酢酸アルミニウム、臭化アンチモン（ＩＩＩ）および塩化アンチモン（ＩＩＩ）が挙げられる。
【００１７】
図１において、１または複数のセンサ１１２は、材料１０８，１１８，１２８および１３８の相変化を検知するよう構成されている。材料の相変化は、材料の屈折率の変化を引き起こす。一部の材料では、相変化は、さらに、材料の色の変化を引き起こす。図１に示すように、１または複数のセンサ１１２は、透明カバー１１０、１２０、１３０および１４０を通して、材料の相変化に伴う上述の変化または他の変化を検知するよう構成されている。上述のように相変化を検知できるセンサ１１２の一例として、レーザ分光計が挙げられる。センサ１１２は、プロセスチャンバシステムの制御部と通信するように接続される。センサ１１２は、材料１０８，１１８，１２８および１３８を監視して、相変化を検知するためのデータを収集する。センサ１１２は、収集したデータを処理するためにプロセスチャンバの制御部に送信する。プロセスチャンバの制御部は、データ処理アルゴリズムを用いて、データを処理し、複数の空洞１０６，１１６，１２６および１３６にそれぞれ収容された材料１０８，１１８，１２８および１３８の相変化温度に対応する光学定数の値を生成する。プロセスチャンバの制御部は、監視装置１１４と離れて配置された別個の装置であってよい。あるいは、プロセスチャンバの制御部と監視装置１１４とは、１つの一体的な装置として構成されてもよい。プロセスチャンバの制御部と監視装置１１４との実際の構成に関係なく、プロセスチャンバの制御部は、監視装置１１４と通信し、監視装置１１４は、ユーザインターフェース（例えば、スクリーンモニタ）を介して、プロセス温度情報をユーザに提供する。
【００１８】
図２は、本発明の別の実施形態に従って、プロセスチャンバシステム２００を示す図である。プロセスチャンバ２０２は、基板支持２０４を備えており、基板支持２０４は、複数の空洞２０６および２１６を有する。複数の空洞２０６および２１６の各々は、複数の材料２０８および２１８の各々を内部に保持するよう適切に構成されている。複数の透明カバー２１０および２２０の各々は、複数の空洞２０６および２１６の開口部をそれぞれ覆うよう適切に構成されている。したがって、各材料２０８および２１８は、それぞれ、複数の空洞２０８および２１８の１つに収容されており、材料２０８および２１８は、それぞれ、実質的に密封および隔離されている。透明カバー２１０および２２０は、プロセスチャンバシステム２００内のプロセス条件に耐えるだけの耐性を備えた材料から形成される。かかる耐性を有する材料の一例として、石英が挙げられる。
【００１９】
図２に示すように、１または複数のセンサ２１２および２２２が、材料２０８および２１８の各々の相変化を監視するために、プロセスチャンバシステム２００内に構成されている。１または複数のセンサ２１２および２２２によって収集された相変化データは、監視システム２１４に送信される。監視システム２１４は、システム制御部を備える。システム制御部は、プロセスチャンバ２０２のプロセス動作を含めて、プロセスチャンバシステム２００の構成要素すべてを制御する。例えば、システム制御部は、プロセスチャンバ２０２内に投入されるプロセス薬剤の動作、基板を処理するためにプロセスチャンバ２０２内の表面を加熱する１または複数のヒータ、プロセスを開始するためにプロセスチャンバ２０２内の薬剤を活性化するエネルギ（例えば、ＲＦ、マイクロ波など）など、を制御してよい。監視システム２１４は、例えば、データ処理アルゴリズムを用いて、データを処理し、ユーザインターフェース（例えば、スクリーンモニタ）によって、解析データをユーザに対して適切に提示する。
【００２０】
図２において、１または複数のセンサ２１２および２２２は、材料２０８および２１８の相変化を監視し、各材料に相変化が起きると、相変化データを記録する。材料の相変化（例えば、固相から液相への変化）に対応する温度は、所与の圧力における特定の組成の材料については一定である。したがって、既知の組成の材料についての相変化の温度を、プロセスチャンバ２０２内のプロセス温度（例えば、基板支持２０４の表面温度）を測定するための基準として用いることができる。
【００２１】
図３は、本発明の別の実施形態に従って、プロセスチャンバシステム３００を示す図である。プロセスチャンバ３０２は、基板支持３０４と、チャンバ３０２の壁に組み込まれた複数の空洞３３６，３４６，３５６および３６６とを備える。複数の材料３３８，３４８，３５８および３６８が、それぞれ、チャンバ３０２の壁の中の複数の空洞３３６，３４６，３５６および３６６に収容されている。複数の空洞３３６，３４６，３５６および３６６の各々は、それぞれ、複数の透明カバー３４０，３５０，３６０および３７０によって密封されている。１または複数のセンサ３１２が、複数の透明カバー３４０，３５０，３６０および３７０を通して、複数の材料３３８，３４８，３５８および３６８の各々の相変化を検知するよう構成されている。図３には、１つのセンサ３１２が示されているが、各材料３０８，３１８，３２８，３３８，３４８，３５８および３６８の相変化を検知するために、１または複数のセンサ３１２が、プロセスチャンバ３０２内に構成されてよい。一実施形態では、センサ３１２は、レーザ分光計であってよい。センサ３１２は、プロセスチャンバシステムの制御部と通信するように接続される。センサ３１２は、材料３０８，３１８，３２８，３３８，３４８，３５８および３６８を監視して収集したデータを、データ処理のために、プロセスチャンバシステムの制御部に送信する。プロセスチャンバの制御部は、データ処理アルゴリズムを用いて、データを処理し、材料３０８，３１８，３２８，３３８，３４８，３５８および３６８の相変化温度に対応する光学定数の値を生成する。相変化温度は、さらに、処理されて、ユーザインターフェース（例えば、スクリーンモニタ）によってユーザに提示されてよい。ユーザに提示される情報は、温度分布のグラフ、例えば、時間に対する温度分布、位置に対する温度分布のグラフであってよい。
【００２２】
図４は、本発明の一実施形態に従って、プロセスチャンバシステム４００を示す断面図である。プロセスチャンバシステム４００においては、基板支持４０４が、プロセスチャンバ４０２内に配置されている。基板支持４０４上には、温度検知試験用基板４１５が配置される。温度検知試験用基板４１５は、基板層４１４と、透明カバー４１０とで構成される。複数の空洞４０６，４２６および４３６が、透明カバー４１０内に構成されており、複数の材料４０８，４２８および４３８が、それぞれ、複数の空洞４０６，４２６および４３６内に配置されている。材料４０８，４２８および４３８は、基板層４１４と接触している。透明層４１０は、プロセスチャンバ４０２の内部環境に対して、材料４０８，４２８および４３８を密閉しており、それにより、材料４０８，４２８および４３８が、プロセスチャンバ４０２の内部環境に汚染物質を導入しないようになっている。１または複数のセンサ４１２が、材料４０８，４２８および４３８の相変化を検知するために、プロセスチャンバ４０２内に構成されている。
【００２３】
図５は、本発明の一実施形態に従って、温度検知試験用基板４１５を示す拡大断面図である。温度検知試験用基板４１５は、基板層４１４と、透明カバー４１０とで構成される。透明カバー４１０は、複数の空洞４０６，４２６および４３６を備えるよう構成される。空洞４０６，４２６および４３６の各々は、複数の４０８，４２８および４３８の内の１つを収容する。材料４０８，４２８および４３８は、基板層４１４と接触しており、その結果、熱平衡の状態では、各材料４０８，４２８および４３８の温度が、各接触面の領域における基板層４１４の温度と同じになる。
【００２４】
再び図４を参照して、プロセスチャンバ４０２でプロセスが開始されると、基板支持４０４は、通例は加熱される。温度検知試験用基板４１５は、プロセスチャンバ４０２内で処理されている基板の温度または熱の分布を決定するために用いられてよい。
【００２５】
十分な量の熱エネルギが、ヒータから基板支持４０４に伝導されると、温度検知試験用基板４１５の基板層４１４も、伝導および対流によって加熱される。基板層４１４は、プロセスチャンバ４０２内で処理されている実際の基板をシミュレートする。したがって、基板層４１４の温度は、プロセスチャンバ４０２内で処理されている基板の温度と同じである。基板層４１４と接触する材料４０８，４２８および４３８は、基板層４１４と同じ温度を有する。十分な熱エネルギが、材料４０８，４２８および４３８に伝導されると、材料の相変化が始まる。１または複数のセンサ４１２は、材料４０８，４２８および４３８の相変化を検知する。１または複数のセンサ４１２は、検知したデータを、データ処理のためにプロセスチャンバシステムの制御部に送信し、処理後のデータを、ユーザインターフェース（例えば、スクリーンモニタ）によってユーザに提示する。ユーザに提示される処理後のデータは、基板層４１４の温度分布のグラフの形態であってよく、それは、処理される基板の温度分布を表す。
【００２６】
図６は、本発明の一実施形態に従って、温度検知要素を示す図である。温度検知要素６１０は、プロセスチャンバ６０２内に配置されている。温度検知要素は、材料６０８を収容するよう構成された透明シェル６０６を備える。透明シェル６０６は、材料の特性を損なうことなく、プロセスチャンバ６０２内の条件（例えば、熱、圧力、ＲＦエネルギ、マイクロ波、反応性プラズマなど）に耐えることのできる耐性を有する材料から形成される。かかる耐性を有する材料の一例として、石英が挙げられる。材料６０８は、プロセスチャンバ６０２内の任意の表面と接触しつつ、プロセスチャンバ６０２内の接触面と透明シェル６０６との間に密封されるよう構成されている。センサ６１２が、透明シェル６０６を通して材料の相変化を検知するために、プロセスチャンバ６０２内に配置されている。例えば、センサ６１２は、レーザ分光計であってよい。材料６０８は、非常に正確な融点（例えば、０．１または０．２℃の範囲内の融点）を有する有機または無機化合物であってよい。これらの有機および無機化合物としては、ナフタレン、サリチル酸、ベンゾフェノン、硝酸コバルト（ＩＩ）、安息香酸アルミニウム、酢酸アルミニウム、臭化アンチモン（ＩＩＩ）および塩化アンチモン（ＩＩＩ）が挙げられる。図および説明の簡単のために、図６では、プロセスチャンバ６０２に、温度検知要素６１０およびセンサ６１２を１つずつ配置した構成を示したが、本発明の範囲内で、任意の数の温度検知要素およびセンサを、プロセスチャンバ６０２に備えることができる。
【００２７】
プロセスチャンバ６０２内でプロセスが開始されると、チャンバの表面も加熱されてよい。チャンバの表面は、多くの異なる方法で加熱される。チャンバの表面は、循環する流体、ヒータ、または、任意の他の適切な手段によって加熱されてよい。本発明の実施形態は、その場でのプロセス温度を正確に測定するための方法および装置を提供する。
【００２８】
プロセスチャンバ６０２内の表面に接触する材料６０８は、接触面と同じ温度になる。十分な量の熱エネルギが、接触面から材料６０８に伝導されると、材料６０８で相変化が起きる。センサ６１２は、相変化を検知して、相変化データをプロセスチャンバシステムの制御部に送信する。プロセスチャンバシステムの制御部は、相変化データを処理して、処理後の相変化データをユーザインターフェース（例えば、スクリーンモニタ）によってユーザに提示する。処理後の相変化データは、温度分布グラフの形態であってよい。
【００２９】
図７Ａは、本発明の一実施形態に従って、別の温度検知要素を示す図である。温度検知要素７１０は、プロセスチャンバ７０２内の基板支持７０４の上に配置されている。基板７１４も、基板支持７０４の上に配置される。温度検知要素７１０は、複数の空洞を有してよい。図７Ａに示すように、温度検知要素７１０の空洞の内の２つには、それぞれ、材料７１８および７２８が収容されている。材料７１８および７２８は、基板支持７０４と接触している。センサ７１２および７２２は、材料７１８および７２８の相変化を検知するよう構成されている。図７Ａには、材料７１８および７２８の相変化を検知するよう構成されたセンサ７１２および７２８が図示されているが、材料７１８および７２８の相変化を検知するために、任意の数のセンサを用いてよい。例えば、１つのセンサが、温度検知要素７１０に収容された任意の数の材料の相変化を検知するよう構成されてもよい。
【００３０】
図７Ｂは、温度検知要素７１０および基板７１４を示す上面図である。本発明の一実施形態に従った温度検知要素７１０は、温度検知と基板処理とを同時に行うことを可能にする。プロセスチャンバ７０２内でプロセスが開始されると、基板支持７０４は、通例、基板７１４の処理を促進するために加熱される。処理に向けて基板７１４を加熱するために、十分な量の熱エネルギが、ヒータから基板支持７０４に伝導されると、材料７１８，７２８，７３８および７４８も加熱される。材料７１８，７２８，７３８および７４８は、非常に正確な融点（例えば、０．１または０．２℃の範囲）を有するものが選択される。周知のように、材料の相変化に対応する温度は、特定の組成の材料については一定であるため、材料７１８，７２８，７３８および７４８の相変化を、基板７１４のプロセス温度を制御および監視するための基準温度として利用することができる。
【００３１】
プロセスの結果（例えば、半導体の素子形状の限界寸法）に影響する温度の変動を防ぐよう、プロセス温度（例えば、基板の表面温度）を制御するために、材料７１８，７２８，７３８および７４８の相変化を検知するよう構成されたセンサ７１２および７２２は、相変化データをプロセスチャンバシステムの制御部に送信する。さらに、プロセスチャンバシステムの制御部は、リアルタイムで処理後の相変化データをユーザインターフェース（例えば、スクリーンモニタ）によってユーザに提示できる。処理後の相変化データは、温度分布グラフの形態であってよい。
【００３２】
図８は、本発明の一実施形態に従って、その場でのプロセス温度を正確に測定する方法を示すフローチャートである。その方法は、１または複数の温度検知要素をプロセスチャンバ内に配置する動作８００から始まる。温度検知要素は、本発明の様々な実施形態に従って上述した温度検知要素のいずれであってもよい。次に、動作８０２において、プロセスチャンバ内でプロセスが開始される。開始されたプロセスは、最終的に、動作８０４において、それぞれの温度検知要素内の各材料の相変化を引き起こす。動作８０６において、プロセスチャンバ内の１または複数のセンサが、それぞれの温度検知要素内の材料の相変化を検出する。プロセスチャンバシステムの制御部は、動作８０８において、各材料の相変化データを処理する。動作８１０において、各材料の相変化に対応する温度が決定され、動作８１２において、それらの温度が記録される。本明細書で挙げた材料のいずれについても、相変化に対応する温度が、十分に立証されていることを理解されたい。例えば、ナフタレンは８０．５℃の融点、サリチル酸は１３５℃の融点、ベンゾフェノンは４８．１℃の融点、硝酸コバルト（ＩＩ）は５５℃の融点、安息香酸アルミニウムは１９８℃の融点、酢酸アルミニウムは１１４℃の融点、臭化アンチモン（ＩＩＩ）は９６．６℃の融点、塩化アンチモン（ＩＩＩ）は７３．４℃の融点を有する。
【００３３】
図９Ａは、本発明の別の実施形態に従って、温度表示装置を示す図である。図９Ａは、空洞９０６を有する温度表示装置９０４を示している。空洞９０６は、少なくとも２つの空間、例えば、第１の空間９１２と第２の空間９１４とを有する。この実施形態では、第１の空間９１２内に、材料９０８が配置される。カバー９１０が空洞９０６を密閉する。カバー９１０は、透明のカバーであってよく、それにより、上述のように、温度表示装置９０４を、その場でのプロセス温度を示すために利用できる。本発明の他の実施形態について上述した温度検知要素と同様に、温度表示装置９０４は、プロセスチャンバ内に配置されてよく、材料９０８の相変化は、カバー９１０を通して材料９０８の相変化を検知するよう構成されたセンサによって検知されてよい。
【００３４】
図９Ｂは、本発明の一実施形態に従って、材料９０８に位相変化が起きた状態の温度表示装置を示す図である。図９Ｂに示すように、材料９０８は、ある相から別の相（例えば、固相から液相、もしくは、液相から固相）に変化すると、第１の空間９１２から第２の空間９１４に移動される。温度表示装置９０４は、空洞９０６内の材料９０８の空間的な位置（すなわち、材料が、第１の空間９１２に収容されているか第２の空間９１４に収容されているか）を観察することによって、材料９０８に対応する位相変化温度に達したか否かを示すことができる。したがって、プロセスサイクルの終了後に、温度表示装置９０４を観察すれば、プロセスレシピが実行された時に、プロセス温度が、ある時点で材料９０８の相変化に対応する温度に到達したことを確認することができる。本発明の一実施形態では、カバー９１０は、透明カバーでなくてもよい。例えば、温度表示装置が、空間的な指標として利用される場合には、透明カバーを備える必要がない。
【００３５】
本明細書では、本発明のいくつかの実施形態について詳細に説明したが、本発明の趣旨や範囲を逸脱することなく、様々な他の具体的な形態で本発明を実施できることは、当業者にとって明らかである。したがって、上述した例および実施形態は、例示に過ぎず、限定の意図はないため、本発明は、本明細書に記載した詳細事項には限定されず、添付した特許請求の範囲内で変型および実施することができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロセスチャンバであって、
前記プロセスチャンバ内に配置され、空洞を有する温度検知要素と、
前記空洞の開口部を覆うよう配置された透明カバーと、
前記温度検知要素の前記空洞内に配置された材料と、
前記透明カバーを通して、前記材料の相変化を検知するよう構成されたセンサと
を備えるプロセスチャンバ。
【請求項２】
請求項１に記載のプロセスチャンバであって、前記相変化は、固相から液相への変化と、液相から固相への変化とのいずれかを含むプロセスチャンバ。
【請求項３】
請求項１に記載のプロセスチャンバであって、前記材料は、有機化合物と無機化合物とのいずれかであるプロセスチャンバ。
【請求項４】
請求項３に記載のプロセスチャンバであって、
前記有機化合物は、ナフタレン、サリチル酸、および、ベンゾフェノンの中から選択され、
前記無機化合物は、硝酸コバルト（ＩＩ）、安息香酸アルミニウム、酢酸アルミニウム、臭化アンチモン（ＩＩＩ）、および、塩化アンチモン（ＩＩＩ）の中から選択された
プロセスチャンバ。
【請求項５】
請求項１に記載のプロセスチャンバであって、
前記空洞は、少なくとも２つの空間を有し、
前記空洞内の前記材料は、前記材料の前記相変化が起きると、第１の空間から第２の空間に移動される
プロセスチャンバ。
【請求項６】
請求項１に記載のプロセスチャンバであって、前記センサはレーザ分光計であり、前記透明な材料は石英であるプロセスチャンバ。
【請求項７】
請求項１に記載のプロセスチャンバであって、前記温度検知要素は基板支持であるプロセスチャンバ。
【請求項８】
プロセスチャンバであって、
表面の上に配置され、空洞を有し、透明な材料で形成された温度検知要素と、
前記温度検知要素の前記空洞内に配置され、前記表面と接触する材料と、
前記材料の相変化を検知するよう構成されたセンサと
を備えるプロセスチャンバ。
【請求項９】
請求項８に記載のプロセスチャンバであって、前記相変化は、固相から液相への変化と、液相から固相への変化とのいずれかを含むプロセスチャンバ。
【請求項１０】
請求項８に記載のプロセスチャンバであって、前記透明な材料は石英であり、前記センサはレーザ分光計であるプロセスチャンバ。
【請求項１１】
請求項８に記載のプロセスチャンバであって、前記材料は、有機化合物と無機化合物とのいずれかであるプロセスチャンバ。
【請求項１２】
請求項１１に記載のプロセスチャンバであって、前記有機化合物は、ナフタレン、サリチル酸、および、ベンゾフェノンの中から選択されるプロセスチャンバ。
【請求項１３】
請求項１１に記載のプロセスチャンバであって、前記無機化合物は、硝酸コバルト（ＩＩ）、安息香酸アルミニウム、酢酸アルミニウム、臭化アンチモン（ＩＩＩ）、および、塩化アンチモン（ＩＩＩ）の中から選択されるプロセスチャンバ。
【請求項１４】
請求項８に記載のプロセスチャンバであって、前記温度検知要素は試験用基板であるプロセスチャンバ。
【請求項１５】
請求項８に記載のプロセスチャンバであって、前記温度検知要素は、処理される基板を有する基板支持の上に配置されるプロセスチャンバ。
【請求項１６】
プロセスチャンバ内の温度分布を特性化する方法であって、
埋め込まれた材料を有する温度検知要素を前記プロセスチャンバ内に配置する工程と、
前記プロセスチャンバ内でプロセス動作を開始する工程と、
前記埋め込まれた材料の相変化を検出する工程と、
前記相変化に対応する温度を記録する工程と
を備える方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の方法であって、さらに、
前記プロセスチャンバの内面上に前記温度検知要素を配置する工程を備える方法。
【請求項１８】
請求項１６に記載の方法であって、前記温度検知要素は基板支持である方法。
【請求項１９】
請求項１６に記載の方法であって、前記相変化は、固相から液相への変化と、液相から固相への変化とのいずれかを含む方法。
【請求項２０】
請求項１６に記載の方法であって、さらに、
前記埋め込まれた材料を透明カバーで覆う工程を備える方法。
【請求項１】
プロセスチャンバであって、
前記プロセスチャンバ内に配置され、空洞を有する温度検知要素と、
前記空洞の開口部を覆うよう配置された透明カバーと、
前記温度検知要素の前記空洞内に配置された材料と、
前記透明カバーを通して、前記材料の相変化を検知するよう構成されたセンサと
を備えるプロセスチャンバ。
【請求項２】
請求項１に記載のプロセスチャンバであって、前記相変化は、固相から液相への変化と、液相から固相への変化とのいずれかを含むプロセスチャンバ。
【請求項３】
請求項１に記載のプロセスチャンバであって、前記材料は、有機化合物と無機化合物とのいずれかであるプロセスチャンバ。
【請求項４】
請求項３に記載のプロセスチャンバであって、
前記有機化合物は、ナフタレン、サリチル酸、および、ベンゾフェノンの中から選択され、
前記無機化合物は、硝酸コバルト（ＩＩ）、安息香酸アルミニウム、酢酸アルミニウム、臭化アンチモン（ＩＩＩ）、および、塩化アンチモン（ＩＩＩ）の中から選択された
プロセスチャンバ。
【請求項５】
請求項１に記載のプロセスチャンバであって、
前記空洞は、少なくとも２つの空間を有し、
前記空洞内の前記材料は、前記材料の前記相変化が起きると、第１の空間から第２の空間に移動される
プロセスチャンバ。
【請求項６】
請求項１に記載のプロセスチャンバであって、前記センサはレーザ分光計であり、前記透明な材料は石英であるプロセスチャンバ。
【請求項７】
請求項１に記載のプロセスチャンバであって、前記温度検知要素は基板支持であるプロセスチャンバ。
【請求項８】
プロセスチャンバであって、
表面の上に配置され、空洞を有し、透明な材料で形成された温度検知要素と、
前記温度検知要素の前記空洞内に配置され、前記表面と接触する材料と、
前記材料の相変化を検知するよう構成されたセンサと
を備えるプロセスチャンバ。
【請求項９】
請求項８に記載のプロセスチャンバであって、前記相変化は、固相から液相への変化と、液相から固相への変化とのいずれかを含むプロセスチャンバ。
【請求項１０】
請求項８に記載のプロセスチャンバであって、前記透明な材料は石英であり、前記センサはレーザ分光計であるプロセスチャンバ。
【請求項１１】
請求項８に記載のプロセスチャンバであって、前記材料は、有機化合物と無機化合物とのいずれかであるプロセスチャンバ。
【請求項１２】
請求項１１に記載のプロセスチャンバであって、前記有機化合物は、ナフタレン、サリチル酸、および、ベンゾフェノンの中から選択されるプロセスチャンバ。
【請求項１３】
請求項１１に記載のプロセスチャンバであって、前記無機化合物は、硝酸コバルト（ＩＩ）、安息香酸アルミニウム、酢酸アルミニウム、臭化アンチモン（ＩＩＩ）、および、塩化アンチモン（ＩＩＩ）の中から選択されるプロセスチャンバ。
【請求項１４】
請求項８に記載のプロセスチャンバであって、前記温度検知要素は試験用基板であるプロセスチャンバ。
【請求項１５】
請求項８に記載のプロセスチャンバであって、前記温度検知要素は、処理される基板を有する基板支持の上に配置されるプロセスチャンバ。
【請求項１６】
プロセスチャンバ内の温度分布を特性化する方法であって、
埋め込まれた材料を有する温度検知要素を前記プロセスチャンバ内に配置する工程と、
前記プロセスチャンバ内でプロセス動作を開始する工程と、
前記埋め込まれた材料の相変化を検出する工程と、
前記相変化に対応する温度を記録する工程と
を備える方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の方法であって、さらに、
前記プロセスチャンバの内面上に前記温度検知要素を配置する工程を備える方法。
【請求項１８】
請求項１６に記載の方法であって、前記温度検知要素は基板支持である方法。
【請求項１９】
請求項１６に記載の方法であって、前記相変化は、固相から液相への変化と、液相から固相への変化とのいずれかを含む方法。
【請求項２０】
請求項１６に記載の方法であって、さらに、
前記埋め込まれた材料を透明カバーで覆う工程を備える方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【公開番号】特開２０１２−９４８７５（Ｐ２０１２−９４８７５Ａ）
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１１−２５１４２３（Ｐ２０１１−２５１４２３）
【出願日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【分割の表示】特願２００８−５０４１２９（Ｐ２００８−５０４１２９）の分割
【原出願日】平成１８年３月１７日（２００６．３．１７）
【出願人】（５９２０１００８１）ラム リサーチ コーポレーション (467)
【氏名又は名称原語表記】ＬＡＭ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５１４２３（Ｐ２０１１−２５１４２３）
【出願日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【分割の表示】特願２００８−５０４１２９（Ｐ２００８−５０４１２９）の分割
【原出願日】平成１８年３月１７日（２００６．３．１７）
【出願人】（５９２０１００８１）ラム リサーチ コーポレーション (467)
【氏名又は名称原語表記】ＬＡＭ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【Ｆターム（参考）】
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