JPH0456145A - プラズマ中の基板温度の測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はプラズマを利用して種々の基板表面に薄膜を形
成したり、エツチングをしたり、表面改質を行う処理装
置に係わり、特に、放射温度計を用いて基板の温度を測
定するのに好適な装置に関する。

〔従来の技術〕

スパッタ装置、プラズマＣＶＤ装置による成膜プロセス
、あるいはドライエツチング装置によるエツチングプロ
セスは、ウェハの温度によって大きく変化することが知
られている。このため、従来、これらの装置では、反応
室（チャンバ）内のウェハに近い部分、例えば、ウェハ
を保持する電極やサセプタの温度を検知し、これに基づ
いてウェハの温度をコントロールしていた。しかし、処
理の均一性、速さ、および膜の特性を支配するのはウェ
ハの温度であって、他の場所の温度ではない、電極やサ
セプタの温度とウェハの温度がほぼ同しであるか、両者
の間に一義的な関係がある場合に限って、検知した温度
からウェハの温度を正確に推定できる。しかし、真空中
でウェハを処理するため、一般にはウェハと電極やサセ
プタの温度とは大きく異なる。また、処理するウェハの
種類や処理条件が非常に多様であるため１両者の間に一
義的な関係を期待することはできない。

ウェハ温度を、直接、測定する方法として、（ｉ）熱電
対、　　（ｉｉ）蛍光温度計、（ｉｉｉ）ウェハの抵抗
率から温度を求める方法、　　（ｉｖ）放射温度計など
が検討されているが、以下に示すような問題点があるた
め、まだいずれも実用化されていない。

まず、熱電対については特開昭６３−２２７０１３号公
報に記載のように、熱電対の感温接点をウェハの背面か
ら接触させて測定する方法が考えられてる。

しかし、ウェハが真空中におれているため、非破壊的に
感温接点とウェハの熱接触を良好に保つことは困難であ
る。上記発明はこの点に関する考慮がされていない。ま
た、プラズマを発生させるため高周波、あるいは、μ波
が用いられ、これが原因で熱電対の測定値にノイズが入
り易いという欠点もある。

蛍光温度計は、紫外線で蛍光塗料を励起し、生じた蛍光
の減衰時間が温度に依存するのを利用して温度測定する
ものである。このため、熱電対のように高周波やμ波が
原因で測定値にノイズが入ることは無い。しかし、感温
部である蛍光塗料をウェハに接触させる（直接蛍光塗料
を塗るか、先端に蛍光塗料を塗布した測定プローブを押
しつける）必要がある。ところが、蛍光塗料は重金属を
含んでおり、ウェハが汚染される。ウェハの汚染を防止
するため蛍光塗料とウェハの間になんらかの膜を入れて
測定すると、熱抵抗のために測定誤差が大きくなる。

次に、特開昭６３−２８０４５号、特開昭６３−１８８
９４９号公報に記載のウェハの抵抗率から温度を測定す
る方法は、処理中にウェハの背面抵抗を測定し、これが
ウェハの温度に依存する性質を利用して温度を測定する
ものである。しかし、ウェハ温度が２００乃至は３００
℃以下になると、抵抗率がドーピングされた不純物濃度
の影響を受け、単に温度だけの関数ではなくなる。この
ため、半導体プロセスの重要な部分を占めるエツチング
プロセス（１００℃以下）には適さない。また、抵抗率
を測定するにはウェハに微弱な電流を流さなければなら
ず、熱電対と同じく高周波やμ波の影響を受けずに測定
するための手段についての考慮がなされていない。

放射温度計は、物体から放出される熱放射の強度から温
度を測定するものである。このため、周囲から余分な放
射が入らないように、測定対象が放出する熱放射のみを
測定すること、ウェハの放射率を正確に把握することが
重要である。しかし、シリコンウェハの場合、１μｍ以
上の赤外１ｊＩＪｃ領域で半透明であること、放射率が
処理の進行や温度の上昇とともに変化すること、プラズ
マが多くの放射を周りに放出していることなどの要因が
絡み合って、従来は測定が困難とされていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明の課題は、上述の測定法の中で放射温度計を用い
た測定の問題点を解決し、プラズマ中で処理されるウェ
ハに代用される基板の温度を正確に測定可能とすること
である。以下に、問題点をもう少し詳しく述べる。

放射温度計は熱放射（主に赤外線）の強度を測定して温
度を求めるため、測定範囲によって検出素子に入射する
赤外線の強度が適切になる測定波長を選択する必要があ
る。スパッタ、プラズマＣＶＤ、エツチング各装置の処
理温度、および適正な放射温度計の測定波長は、それぞ
れ２００〜５００℃（１〜３μｍ以上）、３００〜８０
０℃（１〜３μｍ以上）、室温〜２００℃（５〜６μｍ
以上）である。この波長域ではウェハが部分的に透明と
なり、ウェハの放射率（透過率２反射率）が温度ととも
に変化する（第３図）。さらに、処理に伴ってウェハ表
面の薄膜の厚さが変わることによっても放射率が変化す
る（第４図）。また、ウェハの片側にプラズマが存在し
、そこから放射される赤外線がウェハから放射された赤
外線に加わっで検出されるため、放射温度計はウェハの
真温度よりも高い値を示すことになる。ウェハの裏側か
ら測定したとしても、ウェハが半透明であるためプラズ
マの影響を無くすことはできない。

以上シリコンウェハの処理装置を例にとって、放射温度
計を用いたプラズマ中の基板温度の測定に関する問題点
を説明した。しかし、これらの問題点は特にシリコンウ
ェハに限った問題ではない。

基板によって半透明になる波長が違うが、金属基板でな
い限り同様の問題が生じる。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は上記問題点を解決するために、測定するウェハ
の両面に対向して配置した二個の放射温度計と、二個の
赤外線光源を具備する。さらに、放射温度計にはウェハ
自体が放出する赤外ｉ（ウェハ放射成分）、光源から放
出された赤外線の中でウェハで反射した赤外線・（反射
成分）、透過した赤外線（透過成分）、およびプラズマ
から放出される赤外線（プラズマ放射成分）を各々個別
に測定する手段、その８力信号を演算処理する手段を設
ける。

〔作用〕

上述のように、放射温度計はウェハ自体の放射成分を検
出するとともに、光源から放出された赤外線のうちウェ
ハでの反射成分と透過成分、およびプラズマ放射成分を
検知し、各々これらの赤外線の強度に対応した電気信号
を出力する。上記演算手段は反射成分に対する出力から
ウェハの反射率（ρ１．ρ、、：添え字ｆ、ｂはそれぞ
れウェハの処理を受ける面およびその反対の面を示す）
を。

透過成分に対する出力から透過率（τ□、τ、、）を算
出し、放射率と反射率と透過率の和が１である関係（ε
＋ρ＋τ＝１）から、放射率（ε、、ε１）を求める。

次に、ウェハの放射成分とプラズマの放射成分に対する
二つの放射温度計の出力から。

ウェハ温度とプラズマの放射強度を算出する。

以上の手順でウェハ・温度を求めれば、プラズマの放射
強度やウェハ放射率９反射率、透過率が変化しても、常
に正しい測定値が得られる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面により説明する。

第１図は本発明を適用した平行平板式ドライエツチング
装置の反応室の概略構造を示す図である。

反応室は石英製のチャンバ１で形成され、この中に平行
平板式の電ｔｔｉ２，３が配置される。ウェハ４を下部
電極３の上におき、高周波を印加した電極２，３間にガ
ス導入口５からエツチングガス６を入れてプラズマ７を
発生させ、エツチングを行う。エツチングによって発生
する反応生成ガス９は排気口８から排気される。放射温
度計１０は上部電極２の上方、放射温度計１１は下部電
極３の下方に配置する。放射温度計１０．１１は、集光
レンズ１’０１，１１１、ハーフミラ−１０２゜１１２
、赤外線検出器１０３，１１３、アンプ１０４．１１４
、チョー／パ１０５，１１５、赤外線光源１０６，１１
６よりなる。赤外線光源１０６゜１１６から放出された
赤外線はチョッパ１０５゜１１５で、それぞれ周波数ｑ
１ｙ周波数９２に変調した後、ハーフミラ−１０１，１
１２，集光レンズ１０１，１１１を介して電極２，３の
中央部に開けた貫通孔からウェハ４に照射される。赤外
線光源１０６，１１６には、タングステンランプや半導
体レーザを用いる。タングステンランプのようにフィラ
メントの温度上昇による熱放射を利用した光源では、チ
ョッパ１０５，１１５を用いた変調が適するが、半導体
レーザを利用した光源では駆動回路でレーザを点滅させ
れば良い。その場合にはチョッパ１０５．１１５は不要
である。

放射温度計１０の赤外線検出器１０３には、電極２の貫
通孔を通して、ウェハ表側（エツチングされる面）から
の放射成分とプラズマ放射成分の和Ｅｚｔｙ反射成分Ｅ
ｚｚ、透過成分Ｅｔａとして各々次式で示すような赤外
線が入射し、これに対応した出力信号がアンプ１０４を
介して演算器１２に送られる。

Ｅ　ｘ　１　＝χ１ｏ・（εｆ−Ｌ（Ｔ、λ）・Δλ十
Ｐ）　　・（１）Ｅ　ｉｔ＝χ１ａ　・ｐ　ｔ−Ｇｔ　
　　　　　　　　　・＝（２）Ｅｚａ＝χ１０＋τｂ”
Ｇｂ　　　　　　　　　　…（３）放射温度計１１の赤
外線検出器１１３には、ウェハ裏側（エツチングされな
い面）からの放射成分とプラズマ放射成分のウェハを透
過したものの和Ｅｂ□７反射成分Ｅ１１２．透過成分Ｅ
ｂａとして各々次式で示すような赤外線が入射し、これ
に対応した出力信号がアンプ１１４を介して演算器１２
に送られる。

Ｅ５１＝χ１１・ε１・Ｌ（Ｔ、λ）・Δλ＋τ□・Ｐ
・・・（４） ρｂ−Ｇｂ　　　　　　　　　・・・（５）τ、・Ｇｉ
　　　　　　　　　　・・・（６）Ｅｂｚ”’：χ１１
゜ Ｅｂａ＝χ１１” ここで。

Ｌ（Ｔ、λ） Δ　λ ｌｌａ χ１１ Ｇｉ ：ウエハの温度 ：温度Ｔの黒体の波長λにおける 分光放射輝度 ：測定波長幅 ：プラズマの放射強度 ：放射温度計１０の光学系の定数 ：放射温度計１１の光学系の定数 ：赤外線光源１０６からウェハ４ の表側に照射される赤外線の強 度 Ｇ１　　：赤外線光源１０６からウェハ４の表側に照射
される赤外線の強 度 である。Ｇｉ、Ｇｂは常に一定の値に保つか、常に強度
を測定するかどちらかの機構を設ける（図示せず）。Ｅ
ｉｔとＥｂｌは連続光であり、Ｅ□２とＥｂｓ、および
ＥｚａとＥｂｚは、それぞれ周波数ｑ□２周波数９２に
変調した断続光であるから、アンプ１０４゜１１４にお
いて電気的な処理で容易に分離することができる。また
、放射温度計１０．１１の光学系の定数χ１０１　χ１
１は、あらかじめ校正して求めておくことができる。ウ
ェハの放射物性値の間には以下の関係が常に成立してい
る。

εｆ＋ρｆ＋τｚ＝１　　　　　　　　　　°−（７）
Ｅｂ＋ρｂ＋τｂ＝１　　　　　　　　　　°−（８）
以上の式（１）〜（８）からウェハの温度を求める手順
を説明する。まず、演算器１２では式（２）、　（３）
。

（５）、　（６）からρｆ、ρｂ、τｆ、τｂを算出す
る。この値を式（７）、　（８）に代入してε、、Ｅ５
を求める。

最後にε□、τｆ、εｂ、τｂを用いて式（１）、　（
４）からウェハ４の温度Ｔとプラズマ７の放射強度Ｐを
求める。以上の手順により、プラズマ７の発光強度やウ
ェハ４の放射率２反射率、透過率が変化しても、常に正
しい測定値が得られる。

次に、光ファイバを用いて放射温度計の集光部を小型化
し、エツチング装置への取り付けを容易にした実施例を
第２図に示す。放射温度計１０゜１１は、赤外線検出器
１０３，１１３および赤外線光源１０６，１１６などか
らなる本体部１０ａ。

１１ａとレンズよりなる集光部１０ｂ、ｌｌｂとで構成
され、その間を赤外線を透過する光ファイバ１０ｃ、ｌ
ｌｃで接続する。赤外線光源１０６゜１１６から放出さ
れた赤外線はチョッパ１０５゜１１５で変調した後、ハ
ーフミラ−１０２，１１２およびレンズ１０７，１１７
で光ファイバ１０ｃ。

１１ｃに入射させ、光ファイバ１０ｃ、ｌｌｃの他端に
取り付けた集光部１０ｂ、ｌｌｂでウェハ４に照射され
る。逆に集光部１０ｂ、ｌｌｂで集光された赤外線は、
同じく光ファイバ１０ｃ。

１１ｃを通って赤外線検出器１０３，１１３に入射する
。このような構成とすれば、電極２，３の上方あるいは
下方に位置するのは放射温度計１０゜１１の集光部１０
ｂ、ｌｌｂのみであるから１反応室の近くに大きな放射
温度計１０．１１の本体部１０ａ、ｌｌａを設置する必
要がなく、エツチング装置の構造が簡単になる。また、
微弱な電気信号を取り扱う赤外線検出器１０３，１１３
とアンプ１０４，１１４を高周波が印加される電極から
離すことができるため、信号にノイズが乗るのを防ぐこ
とは容易である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、プラズマを利用した成膜装置、エツチ
ング装置において、放射温度計を用いてウェハの温度を
精度よく測定することが可能になる。

また、高電圧が印加されたウェハに接触しないで測定す
るため、ウェハを汚染することがなく、絶縁不良の問題
も生じない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す説明図、第２図は本発
明の他の実施例を示す説明図、第３図はウェハの放射率
の温度依存性を示す特性図、第４図はウェハの表面にＳ
　ｉ　Ｃａｔ膜あるいはアルミ膜が付いた時のウェハ放
射率９反射率、透過率と膜厚の関係を示す図である。 １・・・チャンバ、２・・・上部電極、３・・・下部電
極、４・・・ウェハ、５・・・ガス導入口、６・・・エ
ツチングガス、７・・・プラズマ、８・・・排気口、９
・・・排気ガス、１０゜１１・・・放射温度計、１０ａ
、ｌｌａ・・・放射温度計本体部、１０ｂ、ｌｌｂ・・
・放射温度計集光部、１０ｃ、ｌｌｃ・・・赤外線用光
ファイバ、１２・・・演算手段、１０１，１１１・・・
集光レンズ、１０２゜１１２・・・ハーフミラ−１１０
，３，１１３・・・赤外線検出器、１０４，１１４・・
・プリアンプ、１０５゜１１５・・・チョッパ、１０６
，１１６・・・赤外線光源、草 図 島級度Ｓｉ　ＪＬａ晶ｆｌ今光恢酎東耐（縄１１反剤“
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Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、プラズマを利用して基板の表面に薄膜を形成する装
   置、あるいはエッチングする装置、あるいは表面改質す
   る装置において、 前記基板の前記プラズマで処理される面に対向して配置
   された赤外線放射温度計および赤外線照射機構と、前記
   基板のこれと反対の面に対向して配置された前記赤外線
   放射温度計と前記赤外線照射機構と、前記赤外線放射温
   度計の出力信号を測定する手段と、測定した結果を演算
   処理する手段とを備え、前記基板自体から放出される赤
   外線、前記赤外線照射機構から放出後に基板表面で反射
   する赤外線、同じく前記基板を透過する赤外線、前記プ
   ラズマから放射される赤外線をそれぞれ個別に検知し、
   その出力信号に基づいて前記演算処理手段を用いて基板
   の温度を求めることを特徴とするプラズマ中の基板温度
   の測定装置。