(57)【要約】【課題】  複数の支持体により支持され加熱手段によって加熱される基板の温度を、金属汚染することなく、応答性良く正確に測定する。【解決手段】  複数の支持体により支持され加熱手段によって加熱される基板の温度を測定する装置において、前記支持体１２の内の少なくとも一つの抵抗値を計測する手段１５と、該抵抗値から前記支持体の温度を算出する手段１６とを設ける。【選択図】  図１
2006114580.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の支持体により支持され加熱手段によって加熱される基板の温度を測定する装置であって、前記支持体の内少なくとも一つの抵抗値を計測する手段と、該抵抗値から前記支持体の温度を算出する手段とを有することを特徴とする温度測定装置。
【請求項２】
前記抵抗値を計測される支持体の前記基板と接触する部分が平坦であることを特徴とする請求項１に記載の温度測定装置。
【請求項３】
前記抵抗値を計測される支持体を該支持体より低熱伝導率かつ高体積固有抵抗値の部材で支持することを特徴とする請求項１または２に記載の温度測定装置。
【請求項４】
前記抵抗値を計測される支持体を支持する部材が該支持体と接続する電気伝導線を内包することを特徴とする請求項３に記載の温度測定装置。
【請求項５】
前記抵抗値を計測される支持体と該抵抗値を計測する手段と該抵抗値から前記支持体の温度を算出する手段との一部または全部が、前記基板を加熱する手段と電気的に絶縁されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の温度測定装置。
【請求項６】
前記基板を光照射により加熱する手段と、前記抵抗値を計測される支持体に前記光照射が直接当たらないように遮光する部材とを備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の温度測定装置。
【請求項７】
前記抵抗値を計測される支持体がシリコンを含む化合物であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の温度測定装置。
【請求項８】
前記抵抗値から前記支持体の温度を算出する手段は、前記抵抗値を計測される支持体それぞれに固有の抵抗値から温度を換算する係数を用いることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の温度測定装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１つに記載の温度測定装置を備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板の温度を測定する装置に関し、特に、基板を汚染することなく接触して温度測定する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板を窒化または酸化する場合のように半導体基板を真空中で高温に保ちながらプラズマ処理する用途においては、半導体基板を金属汚染することなく正確に温度測定する必要がある。
このような用途においては、従来、（１）半導体基板を加熱するヒーター温度を測定し、半導体基板温度の代用とする（２）半導体基板温度を放射温度計により非接触で測定する（３）半導体基板に熱電対を直接接触させ温度を測定する（４）半導体基板にセラミックシースに入れた熱電対を接触させ温度を測定する、といった方法があった。
【０００３】
しかしながら、（１）のヒーター温度を半導体基板温度とする方法は、ヒーター温度が半導体基板温度を正確に反映しないという問題点がある。これは、特に半導体基板が加熱により変形しヒーターとの隙間が広がった場合、ヒーターと半導体基板間の熱抵抗が増し、半導体基板温度がヒーター温度から大きくずれてしまうからである。特に、数十Ｐａ以下の低い圧力下では、半導体基板は、熱伝導による加熱より輻射による加熱が支配的であるため、ヒーター温度とチャンバー壁面温度の中間温度となり、ヒーター温度から大きくずれる。
【０００４】
また、（２）の半導体基板を放射温度計により測定する方法は、半導体基板の表面状態により放射係数が変り、また、プラズマ発光やランプ光等のより強い発光があると、半導体基板温度を正確に測定することが難しいという問題点がある。例えば、シリコン半導体基板は、温度により放射係数が大きく変わり、６００℃以下ではハロゲンランプの波長に対しほぼ透明である。よって、放射温度計で半導体基板温度を測定しようとしても、ハロゲンランプの温度を測定してしまう。また、半導体基板上の膜により放射係数が違うため、事前に計測した放射係数をもとに半導体基板の温度を測定しているが、半導体基板処理中に半導体基板上の膜が変化する時は、放射係数が変化するので、半導体基板温度を正確に測定することは困難である。また、プラズマ発光がある場合、その温度を測定してしまう。また、ハロゲンランプの波長を避け、より長波長の輻射を測定し半導体基板温度としようとしても、温度変化に対する放射強度変化が小さいので、温度測定精度が低下する。
【０００５】
また、（３）の方法として、特許第２８６０１４４号公報（特許文献１）にあるように、半導体基板に熱電対接合部を直接接触させ温度を測定する方法は、半導体基板を金属汚染してしまう問題点があった。この特許では、半導体基板を支持するセラミックの表面に二種類の金属薄膜を形成し、半導体基板との接触点で金属薄膜を接合することで、熱電対として機能させようというものである。半導体基板を点で支持するので、半導体基板との接触状況が安定しているといった利点があるが、金属を半導体基板に接触させているので、半導体基板を金属汚染するという問題点がある。
【０００６】
また、（４）の方法として、特許第２７８０８６６号公報（特許文献２）にあるように半導体基板を先端が平坦なセラミックシースに入れた熱電対で温度測定する方法は、半導体基板を金属汚染することなく温度測定できるが、セラミックシースの熱容量によって応答性が悪いという問題点があった。
【特許文献１】特許第２８６０１４４号公報
【特許文献２】特許第２７８０８６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、従来技術の問題点に鑑みなされたもので、半導体基板等の基板温度を、金属汚染することなく、応答性良く正確に測定する温度測定装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明は、複数の支持体により支持され加熱手段によって加熱される基板の温度を測定する装置であって、前記支持体の内の少なくとも一つの抵抗値を計測する手段と、該抵抗値から前記支持体の温度を算出する手段とを有することを特徴とする。この構成により、半導体基板を正確に温度測定する温度測定装置を提供できる。
物体の持つ体積固有抵抗値は、温度により変化する。この特性を利用し、支持体の抵抗を測定することで支持体の温度を算出できる。半導体基板が熱により変形しても半導体基板と支持体の接触状態は安定しているので、半導体基板温度をその姿勢によらず正確に測定できる。支持体の温度を計測するので、支持体そのものの温度を応答性良く検出することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、半導体基板を支持する支持体の抵抗値から支持体の温度を算出することで、半導体基板と感温部の接触状態を安定させ、応答性良く正確に半導体基板温度を測定する温度測定装置を提供できる。特に、支持体をシリコンを含む化合物とした場合、半導体基板を金属汚染しない温度測定装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の好ましい実施の形態を図１により具体的に説明する。
半導体基板２を、複数の支持体１２により支持し、支持体１２と分離している加熱手段により加熱する。支持体１２は抵抗測定器１５、温度算出器１６と順次接続されている。抵抗測定器１５は、支持体１２の両端に一定電流を流し、その両端の電圧（つまり支持体１２の抵抗値）を、温度算出器１６に伝える。温度算出器１６は、予め支持体１２の温度と電圧（抵抗値）の関係を記憶しておき、その関係により支持体１２の温度を算出する。
支持体１２は、半導体基板２を支持しているので半導体基板２の姿勢によらず安定して半導体基板２と熱的に接続されており、半導体基板２の温度に良く追従する。また、支持体１２の体積固有抵抗値は温度とともに変化するので、支持体１２の抵抗値を測定することで、支持体１２の温度を知ることができる。
【００１１】
前記抵抗値は計測される支持体の半導体基板と接触する部分を平坦としても良い。半導体基板と支持体の接触面積を大きくすることで、半導体基板と支持体間の熱抵抗を減らし、応答性良く温度測定できる。
また、前記抵抗値を計測される支持体を、前記支持体より低熱伝導率かつ高体積固有抵抗値の部材で支持しても良い。支持体をより低熱伝導率の部材で支持することにより、支持体を断熱し、支持体の温度応答性を良くできる。また、高体積固有抵抗値の部材で支持することにより、支持体の抵抗値を正確に測定でき、よって、支持体の温度を正確に算出できる。
【００１２】
また、前記抵抗値を計測される支持体を支持する部材が、前記支持体と接続する電気伝導線を内包しても良い。電気伝導線を内包することにより、金属を処理室に露出するがないので、半導体基板を金属汚染しない。また、電気伝導線と支持体の接合部を処理室のガスにより劣化することが無いので、支持体の抵抗値を安定して測定することができる。
また、前記抵抗値を計測される支持体と抵抗値を計測する手段と抵抗値から温度を算出する手段の一部または全部が基板加熱処理装置と電気的に絶縁しても良い。基板加熱処理装置と温度測定部が電気的に絶縁することにより、例えば、半導体基板に蓄積された電荷が地絡することがないので、半導体基板を保護できる。
また、前記基板加熱手段が光照射であって、前記抵抗値を計測される支持体に前記光照射が直接当たらない様に遮光部材を備えても良い。遮光部材を備えることにより、光照射が支持体を直接加熱せず、半導体基板温度を正確に測定することができる。
【００１３】
また、前記抵抗値を計測される支持体がシリコンを含む化合物であると良い。例えば、石英管により支持した炭化珪素製支持体の抵抗値を測定することにより、半導体基板の温度を金属汚染することなく応答性良く正確に測定できる。炭化珪素は、セラミックであるので半導体基板を金属汚染せず、石英よりも熱伝導率が５０〜１００倍大きいので半導体基板からの熱が石英を伝って逃げず温度応答性が良い。また、体積固有抵抗値が１０００倍以上小さいので、支持体単体の抵抗値を正確に測定できる。炭化珪素の他に、Ｐ型シリコン等も体積固有抵抗値が小さく、熱伝導率が大きいので、適当である。Ｐ型シリコンは、そのドープ量によって体積固有抵抗値を適度に調節することができる。
【００１４】
また、前記抵抗値から前記支持体の温度を算出する手段は、前記抵抗値を計測される支持体それぞれに固有の抵抗値から温度を換算する係数を使用しても良い。抵抗値から温度を換算する係数は個体差が大きいので、使用する支持体それぞれについて係数を求め、温度を計測すると良い。抵抗値から温度を換算する係数は、例えば、抵抗値を計測される支持体の体積固有抵抗値に抵抗値を測定する電極間の距離をかけ断面積で割った値により見積もられる。この係数は、支持体の形状や電極の接触位置や体積固有抵抗値により大きく変るので、支持体別に温度と抵抗値の関係を調べて、記憶すると良い。
【００１５】
本発明は、感温部を半導体基板に直接接触させるので熱応答性が良く、また、感温部に炭化珪素のようなセラミックを利用するので半導体基板を金属汚染しない。つまり、応答性良く温度測定するという半導体基板に熱電対を直接接触させる利点と、半導体基板を金属汚染しないというセラミックシース入り熱電対の利点を兼ね備える。よって、従来技術と比較し、十分な進歩性を有している。
また、本発明は、加熱後自然冷却もしくは強制冷却される基板の温度を計測することもできるし、冷熱源により加熱される基板、いいかえれば冷却手段により冷却される基板、の温度を計測することもできる。
【実施例】
【００１６】
以下、本発明の実施例を説明する。
（実施例１）
本発明の第１の実施例を、図１のプラズマ処理装置の例により、詳細に説明する。図１において、１は円筒プラズマ処理室、２は半導体基板、３は半導体基板２を加熱するヒーターステージ、４は温度センサー、５は処理用ガス導入手段、６は排気口、７はプラズマ処理室１内にマイクロ波を導入する誘電体窓、８はマイクロ波をプラズマ処理室１に導入するためのスロット付無終端環状導波管、１１は無終端環状導波管８にマイクロ波管内波長の１/２または１/４毎に設けられたスロット、１０は無終端環状導波管８に内蔵された冷却水路、９はヒーターステージ温度を測定する熱電対、１７は熱電対の出力からヒーターステージ温度を算出する温度測定装置、１８はヒーター電力を調節するヒーター電力調節器、１９は半導体基板２が所要温度になるように、ヒーターステージ３のヒーターに流す電力をヒーター電力調節器１８を介して制御する制御部である。
【００１７】
温度センサー４は、図２に一例を示すように、半導体基板２を支持する支持体１２と支持体１２を支持する支持部１４と、支持体１２に接触する電気伝導線１３とから成っている。支持体１２には、電気伝導線１３、抵抗値測定器１５および温度算出器１６が順次接続してある。
半導体基板２は、温度センサー４により３点（１点は不図示）で支持されており、ヒーターステージ３から約０．５ｍｍ離れている。０．５ｍｍ離すことでヒーターステージ３からの熱をより均等に受けることができる。
また、温度センサー４は、ヒーターステージ３の温度に影響されにくいように、約２ｍｍの隙間をヒーターステージ３との間に設けている。
【００１８】
支持体１２は、炭化珪素であり、３００℃において約１０４Ωｃｍ、５００℃において約１０３Ωｃｍの体積固有抵抗値を有しており、また、５０〜２００Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有している。支持体１２を支持する支持部１４は、石英製であり、１．５Ｗ／ｍＫの熱伝導率と炭化珪素と比較して１０００倍以上の抵抗値を有している。このように、支持体１２をより低熱伝導率の支持部１４で支持しているので、半導体基板２からの熱が支持体１２から逃げ難く、支持体１２の温度は半導体基板２と一致しやすい。また、支持体１２をより高抵抗値の支持部１４で支持しているので、支持体２と並列に接続している支持部１４に流れる電流を無視でき、支持体２の抵抗値を精度良く測定できる。そして、支持体１２は、炭化珪素であるので、半導体基板２と接触しても、半導体基板２を金属汚染しない。
【００１９】
電気伝導線１３は、プラズマ処理室１に露出しないように、支持部１４に内包されており、処理ガスにより劣化しにくくしている。
抵抗測定器１５は、いわゆる二端子法で抵抗値を測定している。この手法では、一定電流を支持体１２に流し、その両端の電圧を測定することで支持体１２の抵抗値を測定している。この他にも四端子法と呼ばれる測定方法によって支持体１２の抵抗値を測定しても良い。
【００２０】
温度算出器１６は、抵抗測定器１５により測定した支持体１２の抵抗値から、その温度を出力する。予め支持体１２の抵抗値と温度の関係を調べ、その関係に則り抵抗値から温度を算出している。例えば、３００℃において２０ｋΩ、５００℃において１ｋΩである炭化珪素の支持体１２を利用することにより、抵抗値から温度を算出する。これらの抵抗値と温度の関係は、電気伝導線１３間の支持体１２の厚みと幅などの形状によって変化し、また、固体差のある支持体１２の体積固有抵抗値によっても変るので、支持体１２毎に予め関係を求めておくと良い。
抵抗測定器１５は、プラズマ処理装置と電気的に絶縁しており、プラズマ処理で半導体基板２に蓄積される電荷をプラズマ処理装置に流さず、半導体基板２の絶縁破壊を防いでいる。
【００２１】
プラズマ処理装置により、半導体基板２を窒化処理する。冷却水路１０に冷却水が流れ無終端環状導波管８を室温に冷却している。制御部１９は、ヒーターステージ３の温度が４００℃になるように、熱電対９でヒーターステージ３温度を計測しながら、ヒーターステージ３に供給する電力をヒーター電力調節器１８で調節する。表面に厚さ２ｎｍのシリコン酸化膜の付いた半導体基板２をヒーターステージ３に不図示手段により搬送し載置する。次に、不図示の排気系を介して処理室１を０．１Ｐａ以下まで排気する。続いて、処理用ガス導入手段５から５００ｓｃｃｍの窒素をプラズマ処理室１に導入する。次に、排気系に設けられた不図示のコンダクタンスバルブを調整し、プラズマ処理室１を４００Ｐａに保持する。制御部１９は、半導体基板２の温度が３５０℃になるように、温度センサー１４で半導体基板２温度を測定しながら、ヒーターステージ３に供給する電力をヒーター電力調整器１８で調節する。半導体基板２温度が３５０℃となった後、マイクロ波電源より１．５ｋＷのマイクロ波を、スロット付無終端環状導波管８および誘電体７を介して、プラズマ処理室１に供給し、プラズマ処理室１でプラズマを発生させる。窒素プラズマは、被処理基体である半導体基板２のシリコン酸化膜を窒化する。３分経過後、マイクロ波電源を停止し、窒素ガスを停止し、プラズマ処理室１内を０．１Ｐａ以下まで排気した後、半導体基板２をプラズマ処理室１外へ搬送する。再度、制御部１９は、ヒーターステージ３の温度が４００℃になるように、熱電対９でヒーターステージ３温度を計測しながら、ヒーターステージ３に供給する電力をヒーター電力調節器１８で調節する。
【００２２】
（実施例２）
本発明の第２の実施例を、図３のプラズマ処理装置の例により、詳細に説明する。２０は半導体基板２の周辺を支えるリング、２１はハロゲンヒーターと反射板を内蔵し石英で覆われた光照射ヒーターステージ、２２はヒーターステージ２１からの光が温度センサー４に当たらないようにする遮光部である。
遮光部２２は、ヒーターステージ２１からの光が温度センサーに当たらないように、半導体基板２近傍まで温度センサー４を覆っている。温度センサー４と半導体基板２の接触状況を良好に保つため、半導体基板２と遮光部２２は接触していない。
遮光部２２は、温度センサー４との間に２ｍｍほどの隙間を設け、直接接触していない。これにより、遮光部２２がヒーターステージ２１により加熱されても、その熱が温度センサーに伝わりにくくしている。
【００２３】
プラズマ処理装置により、半導体基板２を窒化処理する。表面に厚さ２ｎｍのシリコン酸化膜の付いた半導体基板２をヒーターステージ３に不図示手段により搬送し載置する。次に、不図示の排気系を介して処理室１を０．１Ｐａ以下まで排気する。続いて、処理用ガス導入手段５から５００ｓｃｃｍの窒素をプラズマ処理室１に導入する。次に、排気系に設けられた不図示のコンダクタンスバルブを調整し、プラズマ処理室１を１３０Ｐａに保持する。制御部１９は、半導体基板２の温度が５００℃になるように、温度センサー１４で半導体基板２温度を測定しながら、ヒーターステージ２１に供給する電力をヒーター電力調整器１８で調節する。半導体基板２温度が５００℃となった後、マイクロ波電源より１．５ｋＷのマイクロ波を、スロット付無終端環状導波管８および誘電体７を介して、プラズマ処理室１に供給し、プラズマ処理室１でプラズマを発生させる。窒素プラズマは、被処理基体２のシリコン酸化膜を窒化する。３分経過後、マイクロ波電源を停止し、窒素ガスを停止し、ヒーターステージ２１を消灯し、プラズマ処理室１内を０．１Ｐａ以下まで排気した後、半導体基板２をプラズマ処理室１外へ搬送する。
【００２４】
（実施例３）
本発明の第３の実施例を、図４により詳細に説明する。図４は温度センサーの他の例を示す。図４の温度センサーは、半導体基板２との接触面である支持体１２の頂部を平坦にし、半導体基板２と支持体１２の接触面積を大きくし、半導体基板２と支持体１２間の熱抵抗を減らしたものである。これにより、応答性良く温度を測定することができる。
【００２５】
（実施例４）
本発明の第４の実施例を図３により詳細に説明する。１５は抵抗値測定器、１６は演算処装置と記憶装置とＡＤ変換機を備えた温度算出器、２３は一次側と二次側を電気的に絶縁しながら一次側の電圧を二次側に伝える絶縁アンプである。
これらにより支持体１２の抵抗値から温度を算出する。
【００２６】
支持体１２に例えば３００℃の物体を載せる。抵抗測定器１５は支持体１２に例えば一定電流１ｍＡを流がし、支持体１２の両端の電圧を絶縁アンプ２３一次側に渡す。絶縁アンプ２３の二次側は、温度算出器１６に倍率１で支持体１２の両端の電圧を渡す。温度算出器１６は、支持体１２両端の電圧をＡＤ変換し取り込む。温度算出器１６は、取り込んだ値の時間移動平均を取り、その平均値（例えば２０Ｖ）が安定した後、３００℃に相当する値として記憶する。
続いて、支持体１２に例えば５００℃の物体を載せる。そして、同様に５００℃に相当する値、例えば１Ｖ、として記憶する。
【００２７】
体積固有抵抗値が温度の関数であるので、支持体１２の抵抗値は温度と略指数関数の関係にある。温度算出器１６は、２組の温度と支持体両端の電圧値から連立方程式を解き、支持体１２両端の電圧値から支持体１２の温度を算出する式を式１のように求め、係数Ａ，Ｂを記憶する。
Ｔ＝Ａ・ｅｘｐ（−Ｂ・Ｒ）  （式１）
Ｔ：温度（℃）
Ｒ：抵抗（Ω）
Ａ：係数  ５１４
Ｂ：係数  ０．００００２７
温度算出器１６は、記憶した係数Ａ、Ｂを用い、支持体１２の温度を算出する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１の実施例に係るプラズマ処理装置の説明図である。
【図２】図１における温度センサーの説明図である。
【図３】本発明の第２の実施例に係るプラズマ処理装置の説明図である。
【図４】本発明の第３の実施例に係る温度センサーの説明図である。
【符号の説明】
【００２９】
１：プラズマ処理室
２：半導体基板
３：ヒーターステージ
４：温度センサー
５：ガス導入手段
６：排気口
７：誘電体窓
８：環状導波管
９：熱電対
１０：冷却水路
１１：スロット
１２：支持体
１３：電気伝導線
１４：支持部材
１５：抵抗測定器
１６：温度算出器
１７：温度測定装置
１８：ヒーター電力調節器
１９：制御部
２０：リング
２１：光照射ヒーターステージ
２２：遮光部材
２３：絶縁アンプ
【図１】
2006114580.tif 000003
【図２】
2006114580.tif 000004
【図３】
2006114580.tif 000005
【図４】
2006114580.tif 000006