(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバを通じて光パルスを照射したときの蛍光体の発光特性の温度依存性に基づき、被測定物の温度を測定する蛍光式温度計であって、
被測定物に接触する温度測定用部材と、温度測定用部材とは離れた位置に配設された光ファイバを具備し、
該温度測定用部材は高熱伝導率を有する材料から作製され、光ファイバの光射出部と対向する該温度測定用部材の面には蛍光体が塗布されており、
温度測定用部材は、被測定物を載置するステージに付勢部材によって取り付けられており、光ファイバは支持部材によって該ステージに取り付けられていることを特徴とする蛍光式温度計。
【請求項２】
付勢部材は、モネルメタル又はインコネルから作製されたバネであることを特徴とする請求項１に記載の蛍光式温度計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ウエハ等の薄板状の被測定物の温度を測定するための蛍光式温度計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体装置の微細化、高集積化が益々進められている。そして、より精密な半導体装置を製造するためには、製造プロセスに影響を与える種々の条件を適切に維持することが重要である。特に、製造プロセスにおけるウエハの温度管理は、最も重要な要素の１つであり、例えば、ＣＶＤ工程、スパッタリング工程、リアクティブ・イオン・エッチング（ＲＩＥ）工程等のエッチング工程といった半導体装置の各種製造プロセスにおいては、ウエハの温度を正確に測定することが要求されている。
【０００３】
ＲＩＥ工程にて使用される代表的なエッチング装置の概念図を図３に示す。エッチング装置１はエッチングチャンバ２を備え、このエッチングチャンバ２にはガス供給部２２からエッチング用ガスが供給され、ガス排気部２３からガスが排気される。また、エッチングチャンバ２内には下部電極２０が設置されており、下部電極２０上には静電チャック（図示せず）が配設されている。そして、この静電チャックによって、ウエハ３０が下部電極２０に固定される構造となっている。上部電極２１には図示しない直流電源から直流電力が印加される。一方、下部電極２０には高周波電源２４から高周波電力が印加され、エッチングチャンバ２内を減圧し、ガス供給部２２からエッチング用ガスを供給することで、エッチングチャンバ２内にはプラズマが生成される。これによって、ウエハ３０若しくはウエハ３０上に形成された各種の薄膜等がエッチングされる。恒温用チラー２５によって所定の温度にされた熱媒体が配管を介して下部電極２０内を循環し、下部電極２０は所定の温度に保持される。静電チャックによって下部電極２０上に固定されたウエハ３０の温度は、温度計測手段２６によって測定される。この温度測定結果を基に、下部電極２０の温度制御を行う。
【０００４】
ウエハの温度測定方法として、従来から、熱電対を用いる方法、ウエハ表面に照射したレーザ光の反射光を測定する方法、赤外線放射温度計を用いる方法、光ファイバを通じて光パルスを照射したときの蛍光体の発光特性の温度依存性に基づきウエハの温度を測定する蛍光式温度計を用いる方法が用いられている。高周波電力を用いてプラズマを生成させる半導体装置の各種製造プロセスにおいて、熱電対を用いた温度測定方法を採用した場合、熱電対にて生成する電圧に高周波電力に起因した異常電圧が発生し、正確にウエハの温度を測定することができない。ウエハ表面に照射したレーザ光の反射光を測定する温度測定方法では、ウエハ上に各種薄膜等を形成した場合、反射光が変化するために、正確にウエハの温度を測定することができない。赤外線放射温度計を用いた温度測定方法では、赤外線がウエハを透過する場合には、正確にウエハの温度を測定することができない。
【０００５】
一方、蛍光式温度計を用いた温度測定方法は、温度測定時、高周波電力や測定雰囲気の影響を受けず、しかも、−１２０゜Ｃ前後の低温から４００゜Ｃ程度の高温に至るまで、ウエハの温度を正確に測定することができる。それ故、半導体装置の製造プロセスにおけるウエハの温度測定には最も好ましい方法と云える。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の蛍光式温度計を用いたウエハの温度測定においては、蛍光体３１をウエハ３０の裏面に塗布し、ウエハ３０の裏面下方に光ファイバ４０を配設し、蛍光体３１に光パルスを照射する（図４の（Ａ）の模式的な一部断面図を参照）。尚、光ファイバ４０はチューブ４１内に収められ、チューブ４１は支持部材４２によって下部電極２０に取り付けられている。このような方式においては、温度測定すべき全てのウエハの裏面に蛍光体を塗布しなければならず、実用的でない。しかも、塗布した蛍光体が下部電極２０の上方まで食み出した場合、静電チャックでウエハ３０を把持できなくなる虞がある。
【０００７】
あるいは又、図４の（Ｂ）に模式的な一部断面図を示す形式の蛍光式温度計が知られている。この形式の蛍光式温度計は、被測定物であるウエハの裏面に接触する温度測定用部材１０と、温度測定用部材１０に取り付けられた光ファイバ４０から成る。温度測定用部材１０は例えばアルミニウムから作製されており、その底面には蛍光体１１が塗布されている。光ファイバ４０の先端は蛍光体１１の近傍に位置する。光ファイバ４０はチューブ４１内に収められ、チューブ４１は、ベアリング（図示せず）を内蔵した支持部材４５によって下部電極２０に取り付けられており、上下に摺動可能である。ストッパー４４がチューブ４１の先端上方に配設されており、かかるストッパー４４は下部電極２０に取り付けられている。バネ４３が、チューブ４１の先端と支持部材４５との間に配設されている。下部電極２０の上にウエハを乗せたとき、温度測定用部材１０、光ファイバ４０及びチューブ４１は押し下げられるが、バネ４３の付勢力によって、温度測定用部材１０とウエハ裏面との接触は保持される。その後、静電チャック（図示せず）によって、ウエハを下部電極２０上に固定する。
【０００８】
このような形式の蛍光式温度計においては、バネ４３の上方への付勢力として、光ファイバ４０の自重及び光ファイバ４０の弾性力の合計以上の力が要求される。一方、ウエハの重量は非常に軽量である。従って、ウエハを下部電極２０上に載置したとき、ウエハによって温度測定用部材１０を確実に下方に押し下げることができず、ウエハが下部電極２０から部分的に浮き上がるという問題がある。また、下部電極２０の温度に依存して光ファイバ４０やチューブ４１が熱膨張したり、バネ４３のバネ定数が変化し、下部電極２０の頂面から突出した温度測定用部材１０の先端の位置が変化し、その結果、温度測定用部材１０がウエハを押し上げ、ウエハが下部電極２０から部分的に浮き上がるといった問題もある。ウエハが下部電極２０から部分的に浮き上がると、静電チャックでウエハを下部電極２０上に把持することができなくなる。更には、下部電極２０からの熱が、ストッパー４４を介して温度測定用部材１０に伝わり、正確にウエハの温度を測定できなくなる虞がある。また、チューブ４１を上下に摺動させるために、支持部材４５にはベアリングが内蔵されているが、真空環境下において潤滑油が蒸発したり、チャンバ内の反応生成物がベアリングに付着して、ベアリングが損傷するといった問題もある。
【０００９】
光ファイバ自体の弾性力によって光ファイバとウエハ裏面との接触を保持する形式の蛍光式温度計が、特開平４−９７５２０号公報から公知である。この形式の蛍光式温度計においては、電極本体２上にウエハ１を載置すると光ファイバ２３が弾性変形し、弾性変形の反力が光ファイバ２３先端の温度センサーをウエハ１に押し付ける。この方式の蛍光式温度計においては、チャンバ内や電極本体２の温度に依存して光ファイバ２３が膨張したとき、光ファイバ２３がウエハ１を押し上げ、ウエハ１が電極本体２から部分的に浮き上がるといった問題がある。
【００１０】
光ファイバを分割し、分割された光ファイバの一方に上下駆動機構を取り付けた形式の蛍光式温度計が、特開平６−３３１４５７号公報から公知である。この形式の蛍光式温度計においては、光ファイバが分割されているために、蛍光体の発光光量が光ファイバの分割部分で著しく減衰し、測定エラーを生じやすい。また、被測定物側の光ファイバ５及び鍔２９を上下に駆動するための付勢手段（アクチュエータ、バネあるいはベローズ）を使用するので、軽量のウエハが保護キャップ４によって押し上げられ、ウエハがホルダー２から浮き上がるという問題もある。
【００１１】
従って、本発明の目的は、簡単な構造で確実に被測定物の温度を正確に測定することができ、例えば静電チャックによって確実に被測定物をステージ上に把持することができる蛍光式温度計を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明の第１の態様に係る蛍光式温度計は、光ファイバを通じて光パルスを照射したときの蛍光体の発光特性の温度依存性に基づき、被測定物の温度を測定する蛍光式温度計であって、
被測定物に接触する温度測定用部材と、温度測定用部材とは離れた位置に配設された光ファイバを具備し、
該温度測定用部材は高熱伝導率を有する材料から作製され、光ファイバの光射出部と対向する該温度測定用部材の面には蛍光体が塗布されており、
温度測定用部材は、付勢部材によって光ファイバに取り付けられていることを特徴とする。
【００１３】
本発明の第１の態様に係る蛍光式温度計においては、光ファイバは、被測定物を載置するステージに取り付けられていることが好ましい。更には、付勢部材は、モネルメタル又はインコネルから作製されたバネ、より好ましくはコイルバネであることが望ましい。
【００１４】
上記の目的を達成するための本発明の第２の態様に係る蛍光式温度計は、光ファイバを通じて光パルスを照射したときの蛍光体の発光特性の温度依存性に基づき、被測定物の温度を測定する蛍光式温度計であって、
被測定物に接触する温度測定用部材と、温度測定用部材とは離れた位置に配設された光ファイバを具備し、
該温度測定用部材は高熱伝導率を有する材料から作製され、光ファイバの光射出部と対向する該温度測定用部材の面には蛍光体が塗布されており、
温度測定用部材は、被測定物を載置するステージに付勢部材によって取り付けられており、光ファイバは支持部材によって該ステージに取り付けられていることを特徴とする。
【００１５】
本発明の第２の態様に係る蛍光式温度計においては、付勢部材は、モネルメタル又はインコネルから作製されたバネ、より好ましくは板バネであることが望ましい。
【００１６】
蛍光体として、例えばマグネシウムを挙げることができる。温度測定用部材の面への蛍光体の塗布は、如何なる方法にて行ってもよいが、例えば、蛍光物質と接着剤とを練り合わせてペースト状とし、かかるペーストを温度測定用部材の面に塗布し、接着剤を硬化させることによって行うことができる。
【００１７】
温度測定用部材を構成する材料の熱伝導率は、１７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。温度測定用部材を構成する材料としては、アルミニウム、窒化アルミニウムを例示することができるが、その他、高い熱伝導率を有し、被測定物等を汚染せず、被測定物を取り囲む環境によって変質、変化等の生じない金属材料、金属合金材料、セラミック材料等から適宜選択することができる。特に、高周波電力による影響を受け易い場合には、セラミック製の温度測定用部材とすることが好ましい。温度測定用部材の被測定物と接触する部分の形状は、円形、回転楕円体等の丸みを帯びた形状であることが好ましい。温度測定用部材の大きさは、被測定物の温度変化に直ちに追従できるように、出来る限り小さいことが望ましく、例えば、直径１．５ｍｍ、長さ２〜４ｍｍを例示することができる。
【００１８】
本発明においては、蛍光式温度計は、被測定物に接触する温度測定用部材と、温度測定用部材とは離れた位置に配設された光ファイバを具備し、温度測定用部材は、付勢部材によって光ファイバに取り付けられている。あるいは又、温度測定用部材は、被測定物を載置するステージに付勢部材によって取り付けられており、光ファイバはかかるステージに支持部材によって取り付けられている。従って、従来の蛍光式温度計においてはバネ等で光ファイバを付勢しているのに対して、本発明の蛍光式温度計においては、付勢部材は温度測定用部材を付勢するだけでよい。従って、適切な弾性を有する付勢部材を選択すれば、軽量の被測定物の温度測定を行う場合であっても、温度測定用部材との接触によって被測定物がステージから浮き上がることを確実に防止することができる。しかも、光ファイバは温度測定用部材とは離れた位置に配設されているので、光ファイバの熱膨張によって被測定物がステージから押し上げられることはない。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、発明の実施の形態（以下、実施の形態と略称する）に基づき本発明を説明する。
【００２０】
（実施の形態１）
実施の形態１の蛍光式温度計の模式的な一部断面図を図１の（Ａ）に示す。また、被測定物をステージ１６上に載置した状態の模式的な一部断面図を図１の（Ｂ）に示す。この蛍光式温度計は、被測定物に接触する温度測定用部材１０と、温度測定用部材１０とは離れた位置に配設された光ファイバ１３を具備している。温度測定用部材１０は高熱伝導率を有する材料、具体的にはアルミニウムから作製されており、大きさは、例えば、直径１．５ｍｍ、長さ２ｍｍである。光ファイバ１３の光射出部と対向する温度測定用部材１０の面には蛍光体１１が塗布されている。尚、温度測定用部材１０のかかる面には凹凸を付けておくことが、蛍光体１１のかかる面からの剥離防止の上から望ましい。蛍光体１１の塗布は、蛍光物質と接着剤とを練り合わせてペースト状とし、かかるペーストを温度測定用部材１０の面に塗布し、接着剤を硬化させることによって行うことができる。
【００２１】
実施の形態１の蛍光式温度計においては、光ファイバ１３はチューブ１４内に収められている。そして、温度測定用部材１０は、付勢部材１２によって光ファイバ１３に取り付けられている。より具体的には、付勢部材１２はモネルメタル又はインコネルから作製されたコイルバネであり、かかるコイルバネの一端が温度測定用部材１０に固定され、他端がチューブ１４の上端に取り付けられている。光ファイバ１３はステージ１６に取り付けられている。即ち、光ファイバ１３を収めたチューブ１４は、任意の支持部材１５によってステージ１６（例えば、図３のエッチング装置における下部電極２０）に取り付けられている。尚、光ファイバ１３の他端は図示しない測定器に接続されている。
【００２２】
付勢部材１２の弾性力は、例えばウエハといった軽量の被測定物をエッチング装置における下部電極２０（ステージ１６）の上に乗せたとき、温度測定用部材１０と被測定物との接触を保持しつつ温度測定用部材１０を下方に後退させるだけの微小な力であれば、必要にして十分である。従って、例えば搬送ロボット等によって搬送されてきた被測定物（ウエハ）がいくら軽量であっても、下部電極２０上に固定される際、被測定物と下部電極２０との間に隙間が生じることがなく、確実に静電チャックにて被測定物を下部電極２０上に固定することができる。
【００２３】
（実施の形態２）
実施の形態２の蛍光式温度計の模式的な一部断面図を図２の（Ａ）に示す。また、被測定物をステージ１６上に載置した状態の模式的な一部断面図を図２の（Ｃ）に示す。実施の形態２の蛍光式温度計が実施の形態１の蛍光式温度計と相違する点は、温度測定用部材１０が、被測定物を載置するステージ１６に付勢部材１２Ａによって取り付けられており、光ファイバ１３はステージ１６に任意の支持部材１５によって取り付けられている点にある。実施の形態２における付勢部材１２Ａは、モネルメタル又はインコネルから作製された板バネであり、図２の（Ｂ）に模式的な平面図を示すように、螺旋状（蚊取り線香状）である。付勢部材１２Ａの外側端部はステージ１６に取り付けられており、内側端部は温度測定用部材１０に取り付けられている。実施の形態２における付勢部材１２Ａの弾性力も、例えばウエハといった軽量の被測定物をエッチング装置における下部電極２０の上に乗せたとき、温度測定用部材１０と被測定物との接触を保持しつつ温度測定用部材１０を下方に後退させるだけの微小な力であれば、必要にして十分である。
【００２４】
以上、本発明を、発明の実施の形態に基づき説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。発明の実施の形態にて説明した蛍光式温度計の構造は例示であり、適宜変更することができるし、付勢部材の構造、形状も例示であり、適宜設計変更することができる。被測定物としてシリコンウエハ、ＧａＡｓウエハ等の化合物半導体装置を作製するための各種ウエハ、ＬＣＤを作製するためのガラス基板、フィールド・エミッション・ディスプレイを作製するための石英基板等を挙げることができる。また、本発明の蛍光式温度計は、エッチング装置だけでなく、ＣＶＤ装置やスパッタリング装置等に組み込むことができる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明の蛍光式温度計は、構造が簡素であるにも拘わらず、確実に被測定物の温度を正確に測定することができ、しかも、例えば静電チャックによって確実に被測定物をステージ上に把持することができる。また、−１２０゜Ｃ前後の低温から４００゜Ｃ程度の高温に至るまで、ウエハの温度を正確に測定することができる。更には、光ファイバの熱膨張によって被測定物がステージから押し上げられることはないので、ステージの温度を急激に変化させる必要がある場合にも、確実に被測定物の温度測定を行うことができる。また、１つの被測定物に対して複数の測定点で容易に温度測定を行うことが可能である。更には、ベアリングやベローズ等を使用する必要がないので、反応生成物等の付着によるトラブルの発生がなく、真空中での信頼性が高く、しかも保守が容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明の実施の形態１における蛍光式温度計の模式的な一部断面図である。
【図２】発明の実施の形態２における蛍光式温度計の模式的な一部断面図、付勢部材の模式的な平面図である。
【図３】ＲＩＥ工程にて使用される代表的なエッチング装置の概念図である。
【図４】従来の蛍光式温度計の模式的な一部断面図である。
【符号の説明】
１０・・・温度測定用部材、１１・・・蛍光体、１２，１２Ａ・・・付勢部材、１３・・・光ファイバ、１４・・・チューブ、１５・・・支持部材、１６・・・ステージ
【図１】
0003653879.tif 000002
【図２】
0003653879.tif 000003
【図３】
0003653879.tif 000004
【図４】
0003653879.tif 000005