(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パラメータ計測構造であって、
両外表面を有する基板と、
両外表面間の基板内部の複数の細長い腔所であって、第１端と第２端によって限定された長さを個々に有し、腔所の第２端が表面を横切る方向で互いに隔設される複数の細長い腔所と、
個々の腔所内部でそれぞれの第２端に隣接して位置決めされた複数の光学センサと、
基板の外側から複数の腔所のそれぞれの第１端に入り込み、光ファイバの端がそれぞれの腔所の光学センサに結合された状態で腔所の長さに沿って延びる少なくとも一本の光ファイバと、
を備える構造。
【請求項２】
請求項１記載の構造において、
光学センサは、計測されるパラメータに依存して放射線を放射する燐光性材を個々に含む構造。
【請求項３】
請求項１記載の構造において、
光学センサは、黒体構造を個々に有する構造。
【請求項４】
請求項１記載の構造において、
光学センサは、光干渉計構造の腔所を個々に有する構造。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか記載の構造において、
計測されるパラメータは、光学センサの温度である構造。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか記載の構造において、
光学センサは、それぞれの腔所の内壁に取り付けられる構造。
【請求項７】
請求項１〜４のいずれか記載の構造において、
光学センサは、それぞれの光ファイバの端に取り付けられる構造。
【請求項８】
請求項１〜４のいずれか記載の構造において、
構造の外部の周囲の光がセンサを含む領域内部に侵入するのを阻止するように個々の光学センサを覆って位置決めされた不透明層をさらに備える構造。
【請求項９】
請求項１記載の構造において、
基板が共に取り付けられたそれぞれの内面を有するウェーハとカバーから形成され、腔所がウェーハの内面の溝を覆って位置決めされたカバーの内面により形成される構造。
【請求項１０】
請求項９記載の構造において、
ウェーハとカバーの内面は、同じ寸法と形状を有する構造。
【請求項１１】
請求項１０記載の構造において、
ウェーハとカバーの内面は、同じ直径を有する円形である構造。
【請求項１２】
請求項９記載の構造において、
ウェーハは、カバーよりも非常に大きい構造。
【請求項１３】
請求項９〜１２のいずれか記載の構造において、
ウェーハとカバーは、実質的に同じ熱特性を有する構造。
【請求項１４】
請求項９〜１２のいずれか記載の構造において、
ウェーハとカバーは、共通した素材から造られる構造。
【請求項１５】
請求項１４記載の構造において、
共通した素材は、シリコンである構造。
【請求項１６】
請求項９〜１２のいずれか記載の構造において、
ウェーハとカバーは、腔所内部のセンサと光ファイバを８ワット／ｃｍ2 のプラズマイオン衝撃から保護する構造。
【請求項１７】
請求項９〜１２のいずれか記載の構造において、
ウェーハとカバーは、１．１ミクロンより小さい波長領域内の光放射に対して不透明である構造。
【請求項１８】
請求項１記載の構造において、
腔所の第１端は、構造の外部への開口を個々に形成する構造。
【請求項１９】
請求項１記載の構造において、
個々の腔所の第１端は、光ファイバが基板の外部から腔所の第１端内を通って入る入口通路に基板内部で共に結合される構造。
【請求項２０】
請求項１８または１９記載の構造において、
腔所内部で光ファイバ上の歪みを解放するように腔所の外側で基板に取り付けられる光ファイバのアタッチメントをさらに備える構造。
【請求項２１】
請求項１８または１９記載の構造において、
基板の両外表面は、互いに平行な平坦面である構造。
【請求項２２】
請求項２１記載の構造において、
細長い腔所は、外表面と平行である構造。
【請求項２３】
プラズマ処理室内部で全域にわたって温度分布を計測するテスト構造であって、
平坦で互いに平行な両外表面を有する基板と、
両外表面間の基板内部で表面に平行な方向に延びた複数の細長い腔所であって、第１端と第２端によって限定された長さを個々に有し、腔所の第２端が表面を横切る方向で互いに隔設される複数の細長い腔所と、
個々の腔所内部でそれぞれの第２端に位置決めされた複数の光学式温度センサと、
基板の外側から複数の腔所の各々の第１端に入り込み、腔所の第２端に隣接した位置までそのそれぞれの腔所の長さに沿って延び、そこで光学式温度センサに結合された少なくとも１本の光ファイバを含む複数の光ファイバと、
光がテスト構造の外側からセンサに到達するのを阻止するように個々の光学式温度センサに対して位置決めされた光不透明材と、
を備える構造。
【請求項２４】
請求項２３記載の構造において、
光学センサは、その温度に依存して放射線を放射する燐光性材を個々に含む構造。
【請求項２５】
請求項２３記載の構造において、
光学センサは、黒体構造を個々に有する構造。
【請求項２６】
請求項２４または２５記載の構造において、
光学センサは、それぞれの腔所の内壁に取り付けられる構造。
【請求項２７】
請求項２４または２５記載の構造において、
光学センサは、それぞれの光ファイバの端に取り付けられる構造。
【請求項２８】
請求項２３記載の構造において、
基板が共に取り付けられたそれぞれの内面を有するウェーハとカバーから形成され、腔所がウェーハの内面の溝を覆って位置決めされたカバーの内面により形成される構造。
【請求項２９】
請求項２８記載の構造において、
ウェーハとカバーの内面は、同じ寸法と形状を有する構造。
【請求項３０】
請求項２９記載の構造において、
ウェーハとカバーの内面は、同じ直径を有する円形である構造。
【請求項３１】
請求項２８記載の構造において、
ウェーハは、カバーよりも非常に大きい構造。
【請求項３２】
請求項２８〜３１のいずれか記載の構造において、
ウェーハとカバーは、実質的に同じ熱特性を有する構造。
【請求項３３】
請求項２８〜３１のいずれか記載の構造において、
ウェーハとカバーは、共通した素材から造られる構造。
【請求項３４】
請求項３３記載の構造において、
共通した素材は、シリコンである構造。
【請求項３５】
請求項２８〜３１のいずれか記載の構造において、
ウェーハとカバーは、腔所内部のセンサとファイバを８ワット／ｃｍ2 のプラズマイオン衝撃から保護する構造。
【請求項３６】
請求項２３記載の構造において、
ウェーハとカバーは、１．１ミクロンより小さい波長領域内の光放射に対して不透明である構造。
【請求項３７】
請求項２３記載の構造において、
腔所の第１端は、構造の外部への開口を個々に形成する構造。
【請求項３８】
請求項２３記載の構造において、
個々の腔所の第１端は、光ファイバが基板の外部から腔所の第１端内を通って入る入口通路に基板内部で共に結合される構造。
【請求項３９】
請求項３７または３８記載の構造において、
腔所内部で光ファイバ上の歪みを解放するように腔所の外側で基板に取り付けられる光ファイバのアタッチメントをさらに備える構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、一般に温度計測の分野に関する。特に、本発明は、統合された（埋設された）ウェーハ温度計測器具と、温度の特徴付けと較正をするプロセスとに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ウェーハ温度計測器具を使用することは、半導体製造業者には公知である。過去には、温度計測値は、サーモカップルのリードをウェーハの頂面に、又は前記頂面に開放した腔部内に取り付けることで、又はウェーハを支持する台座のアクセス孔を通してウェーハの座に取り付けることで半導体ウェーハから採取される。例えば、従来の半導体ウェーハ温度計測システムは、一般に、アレーパターンを決めるようにテストウェーハの頂面に複数のサーモカップルを接着している。サーモカップルのリードは、処理室から真空フランジのフイードスルーの電気コネクタを介して、又はフラットケーブル又はＯ−リングシールの下方に設けられたインターコネクトを介して配線されている。
【０００３】
この技術に関する問題は、多くのウェーハ処理工程がプラズマの使用を含んでいることであった。それは、もし、温度計測が活性のあるプラズマ雰囲気内で行われれば有益である。しかし、プラズマ雰囲気は、周囲の無線周波数（ＲＦ）の電力と、高ＲＦ電圧と、直流電流（Ｄｃ）の電圧によって、サーモカップルとは両立し得ないものである。サーモカップルは、受信アンテナとして機能でき、リードに沿って流れるＲＦ電流によってそれらの溶融点まで加熱されることが起き得る。さらに、サーモカップルのワイヤによって検出される大きなＲＦ電圧は、サーモカップルによって発生される非常に小さなＤＣ電圧を乱す。プラズマ雰囲気内に搭載されたサーモカップルのもう一つ別の短所は、ＲＦエネルギが、処理室からリードを介して導出されて、これが器具のオペレータに対して潜在的な安全上の障害と成り、また設備の作動を乱すことになる点である。従って、必要とされることは、プラズマ雰囲気と両立できるウェーハ温度計測の解決策である。
【０００４】
もう一つ別の問題は、外部のサーモカップルのリードが計測接続部や又は基板から熱を排出したり、又はそれらに熱を導くことであった。周囲と基板との間の温度勾配は、接続部や基板から又はそれらへサーモカップルリードを介して熱が流れるようにするものであり。エラーのもう一つ別の源は、サーモカップルを基板に取り付けるために使用される接着剤の熱伝導特性と、エネルギ吸収特性と、放射特性に関連している。基板温度の変動は、基板と接着剤の間の放射エネルギの利得又は損失の差から起きるものである。
【０００５】
この問題に対処する以前のアプローチは、米国特許第５，７４６，５１３号に述べられており、その全内容は、参考用に組み込まれており、それは、計測された温度のずれを最小にするために検知接続部の近くでのセンサリードにおける温度勾配を小さくする事を述べている。しかし、このアプローチは、それ自身では熱損失や利得の問題を解消しておらず、センサー材の局部的過熱と腐食を惹起するイオン爆撃からの防護を行っていない。従って、更に必要とされるものは、センサリードを通過した際の熱損失や利得を低くし、温度検知のためにほぼ等温な領域を設け、イオン爆撃によるセンサ材の腐食とセンサの過熱に関連した早い故障からセンサ組立体を保護する解決策である。
【０００６】
この故障に関するもう一つ別の問題は、温度計測器具を搭載する人がセンサリードをフィードスルーのコネクターに接続するのが難し点であった。一般に、処理室内部へのアクセスは、一つの孔に制限されており、またセンサリードと真空フィードスルーとの間の電気接続を行うことは不便であって、時間のかかるものである。この問題には、ウェーハセンサ組立体の処理室に対する搭載と取り外しの両方において遭遇する。さらに、必要とされるものは、従って、搭載と取り外しがより容易なシステムを結果的に与えてくれるウェーハ温度計測の解決策である。
【０００７】
この技術に関するもう一つ別の問題は、サーモカップルのリードの物理的存在がウェーハを陰で被うことである。ウェーハを加熱するのに利用されるエメルギの実質的な部分は、処理室内の台座上にそれが着座するとウェーハ上方になる位置から起こりやすいものである。サーモカップルのリードの存在は、熱源からウェーハへのエネルギ流を弱めて、それによって、サーモカップルリードが無い状況と比較してウェーハの温度を変えることになる。例えば、放射（例えば、赤外線ランプ）によって与えられる加熱レベルは、サーモカップルリードによって影響される。サーモカップルリードによって投げかけられる陰が存在しているウェーハのそれら表面領域上での放射は、より少なくなろう。かくして、サーモカップルリードの存在は、サーモカップルリードが存在していない状況と比較してウェーハの温度を変えることになる。陰についてのもう一つ別の例としては、イオン爆撃によって与えられる加熱レベルが、サーモカップルリードの存在によって影響される事である。サーモカップルリードは、単位時間当りのウェーハに当るイオン数を減らし、それによってウェーハに伝達される運動エネルギを減らす。結果的に、ウェーハ温度は、サーモカップルリードが存在していない状況に比較してより低くなる。従って、さらに必要とされることは、ウェーハを陰で覆わないウェーハ温度計測の解決策である。
【０００８】
しばらくして、温度を光学方式で計測する方法が判った。例えば、米国特許第４，４３７，７７２号は、温度計測のための発光減衰時間技法を開示している。光学式高温測定法は、ウェーハ表面から放出される放射強さに基づいて温度を計測するのに使用されてきた。
【０００９】
光ファイバの温度計測センサを使用することは、当業者には公知であり、光ファイバの温度計測センサは、用意に市場で入手できる。米国特許第４，４４８，５４７号は、燐を利用した光学式温度計測技術を開示している。米国特許第５，４７０，１５５号は、時間シーケンスで励起される発光方式の温度センサを使用して複数の場所で温度計測する装置と方法を開示している。
【００１０】
これらの光ファイバの検出器は、ウェーハ表面に取り付けられてその温度を計測する時には幾つかの問題を有している。センサーが厚い絶縁材内に包囲されていて、それは、ウェーハの表面と悪い接触を行うのでウェーハ温度の正確な計測ではない。ウェーハ表面上方を通っている緩く保持されたセンサリードは、基板によってヒートシンクされておらず、イオン爆撃によって過度に加熱され、それらの寿命を短くし、表面劣化を起こす。
【００１１】
しばらくして、ウェーハから放射される放射線の強さを計測することで光学的に温度を計測する仕方（高温計）がわかった。それは、本システムに固定設備を必要とすると言う他の検出器の問題を分担している。付加的な問題は、高温計の検出器は、ウェーハの放熱の未知の変動に敏感であり、またそれらが反射されたり、ウェーハを通して伝導される周囲の放射線に敏感であると言う点である。
【００１２】
これによって、ウェーハの温度計測に必要な要件は、完全にかなえられないことに成る。必要とされる事は、次の事項である。耐久性、信頼性、計測精度、搭載及び取り外しの容易さ、陰になるのを回避、ウェーハからセンサリードを介した熱移動の回避、プラズマ雰囲気との両立性の全てに同時に対処する解決策である。
【００１３】
【発明の概要】
本発明の目的は、ウェーハ温度の計測値を得る装置を提供するものである。もう一つ別の本発明の目的は、ウェーハ温度の計測値を得る手順を提供するものである。もう一つ別の本発明の目的は、ウェーハ温度の計測値を得る装置を造る手順を提供するものである。
【００１４】
これらの目的に従って、ウェーハに埋設されたセンサ（即ち、統合されたウェーハ温度センサ）に基づいた従来技術の場合には同時に満足されていなかった耐久性、信頼性、計測精度、搭載及び取り外しの容易さ、陰になるのを回避、ウェーハからセンサリードを介した熱移動の回避、プラズマ雰囲気との両立性についての上述の必要事項を同時に満足することが可能になる。
【００１５】
本発明の第１局面は、基板と、前記基板に形成された配置手段と、前記配置手段に配置されたセンサリードであって、前記センサーリードが第１端と第２端とを有しているものと、前記センサリードの上記第１端に結合されかつ前記配置手段に配置されたセンサと、前記基板に結合された、センサー及びリードのカバーとから構成されている統合されたウェーハ温度計測装置に基づいた実施例で実施される。本発明の第２局面は、前記統合されたウェーハ温度計測装置を用意する工程と、ウェーハ処理設備と相互作用する位置に前記統合されたウェーハ温度計測装置を位置決めする工程と、前記統合されたウェーハ温度計測装置から前記計測システムに温度計測信号を伝送する工程とから構成されている統合されたウェーハ温度計測装置でウェーハ温度計測値を得る方法に基づいた実施例で実施される。本発明の第３局面は、第１側面と第２側面とを有した基板を用意する工程と、前記基板に配置手段を形成する工程と、前記配置手段内にセンサ及びセンサリードを位置決めする工程と、前記センサ及びセンサリードを前記基板に取り付ける工程と、センサと前記センサリード及び前記配置手段の一部分とを覆うカバーを取り付ける工程とから構成されている統合されたウェーハ温度計測装置を造る方法に基づいた実施例で実施される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明のこれらの、また他の目的及び局面は、次の説明と添付図面との関連で考えるとより良く察知され、理解されるであろう。しかし、次の説明は、発明の好適な実施例と多くの具体的詳細を示しているが、図解によって提供されているものであって、限定的なものではない事を理解すべきである。多くの変更や改造が、本発明の技術的範囲内において、その精神から逸脱することなく行われ、本発明は、全てのそのような改造をも包含しているものである。
【００１７】
本発明を構成する長所及び特長の明確なコンセプション及び本発明で与えられるモデルシステムの構成要素と作動の明確なコンセプションは、例と、添付図面に図解され、この明細書の一部分を形成している非限定の実施例とを参照することでより容易に明らかになるであろう。そこで、同じ参照文字（もし、それらが一つ以上の図で出てくれば）は、同じ部品を示している。図面に図解された特長は、必ずしも尺度通りに描かれていない。
【００１８】
本発明と、その色々な特長及び有利な詳細は、添付図面に図解され、次に詳述されている非限定の実施例を参照してより完全に説明されている。公知の構成要素と技法の説明は、本発明を不必要に詳しく、かえって判りにくくしないように省かれている。
【００１９】
本発明は、ウェーハの本体へのセンサの埋設に基づいている。埋設は、ウェーハに形成されたチャンネル及び／若しくはトレンチ及び／若しくは溝で行われる。これらのチャンネル及び／若しくはトレンチ及び／若しくは溝は、結果的に達成される装置が装備と取り外しが信頼性と容易性の両方でより高まるようにセンサ及びセンサリードがウェーハに通されるようにするものである。さらに、これらの通されたセンサリードは、計測される温度を決める熱伝達プロセスや、処理室内でウェーハを支持する台座と顕著に干渉しないようになっている。これらのチャンネル及び／若しくはトレンチ及び／若しくは溝は、ウェーハに機械加工されたり又はエッチングされる。カバーは、センサと、溝に据え付けられたセンサリードとを覆うように設置される。さらに、それは、センサがウェーハ本体と同じ温度に確実になるようにしている。カバーは、更に、光バリヤとして、またセンサ及びセンサリードを高エネルギプラズマイオン爆撃から保護するシールドとして機能する。
【００２０】
本発明のコンテキストは、半導体ウェーハ処理室内で、特にプラズマ処理室内での半導体ウェーハ温度計測である。本発明は、さらに、例えば、ヒータやプラズマ発生器や真空ポンプ等の互いに接続された別々のハードウェア要素を作動させたり、又は釣り合いよく制御するようにセンサ信号を変換するデータ処理方法を利用している。
【００２１】
図面を参照にして、本発明の幾つかの局面の詳細な説明が、図面に示された図について行われている。図１〜４は、統合されたウェーハ温度計測装置の４つの好適な実施例を示している。図５Ａ〜５Ｄ及び図６Ａ〜６Ｄは、異なった設置手段の構成の８つの例を示している。
【００２２】
第１実施例
さて、図１を参照すると、統合されたウェーハ温度センサ装置の第１実施例が図示されている。真空フィードスルーのフランジ１０１０に接続された光ケーブル１０８０には、コネクタ１０２０が取り付けられている。光ケーブル１０８０の第１端は、例えば、コンピュータ等のデータ取得手段（図示されていない）に次に結合される信号調整器（図示されていない）に結合されている。信号調整器は、励起エネルギ源と、放出エネルギ検出器とを有している。光ケーブル１０８０の第２端は、コネクタ１０２０を介して複数の光ファイバ１０３０に結合される。
【００２３】
少なくとも一本の光ファイバ１０３０は、ウェーハ１０４０に結合されている。要語の結合されるは、接続されるとして定義されているが、しかし、必ずしも直接の必要が無い（また必ずしも機械的である必要がない）。この実施例では、複数の光ファイバ１０３０が機械的にウェーハ１０４０に接続されているが、それらは、後の実施例で説明されているように、光学的に結合される。
【００２４】
少なくとも一本の光ファイバ１０３０は、ウェーハ１０４０に形成された配置手段に配置されている。この実施例では、配置手段は、ウェーハ１０４０にエッチングされた４つの平行なトレンチを有している。フレーズの配置手段は、基板の上面の下に一本以上のセンサリードの長さの少なくとも一部分を収容するための物理的構造として定義されている。この実施例では、基板はウェーハ１０４０となっている。配置手段のコンセプトは、特に図５Ａ〜５Ｄと図６Ａ〜６Ｄに対して、後でより詳細に説明する。
【００２５】
複数の光ファイバ１０３０は、例えばエポキシやポリイミド等の接着剤（図示されていない）でウェーハ１０４０に取り付けられている。接着剤や接着材は、中間位置に塗られている。代わりに、接着剤又は接着材は、複数の光ファイバ１０３０に沿って連続して塗られている。接着剤とセンサリードの両方は、それらがウェーハ１０４０の上面によって限定された面の上方に突出しないように配置手段によって限定された容積内に収容されるべきである。
【００２６】
複数の光ファイバ１０３０の各々は、機械的保護のためにバッファで取り囲まれている。このバッファは、ポリイミドとできる。
【００２７】
複数の光ファイバ１０３０の各々は、検知エレメント１０５０で終結している。検知エレメント１０５０は、温度感知対照物である。検知エレメント１０５０も、配置手段によって限定された容積内に収容されるべきである。
【００２８】
図１に描かれた実施例では、複数の光ファイバ１０３０がウェーハ１０４０に接続された後で、カバー１０６０はウェーハ１０４０に結合される。この実施例では、カバー１０６０は、接着剤の一様な薄い層や又は溶着接合によってウェーハ１０４０に機械的に接続されている。カバー１０６０をウェーハ１０４０に結合することで、複数の光ファイバ１０３０の内の少なくとも一部分と、検知エレメント１０５０の全てと、接着剤の全てと（図示されていない）は、それら複数の光ファイバ１０３０の少なくとも一部分と、検知エレメント１０５０の全てとが配置手段内に収容されていたので、埋設（統合）されることになる。
【００２９】
ウェーハと同じ寸法及び形状となっているカバーの使用で（カバー合わせで）、結果的に得られる組立体が、多数のセンサを埋設することができるようにしている事が察知される。例えば、合わせたカバーを使用して、ウェーハの全表面に及ぶアレー状のセンサは一度に全てが覆われ、埋設され、統合されるようにしている。
【００３０】
ひずみ解放装置１０７０は、複数の光ファイバ１０３０とウェーハ１０４０に結合されている。ひずみ解放装置１０７０は、複数の光ファイバ１０３０を所定位置に保持する助けをする。ひずみ解放装置１０７０は、さらに複数の光ファイバ１０３０上に加えられる応力も最小化する。この実施例では、ひずみ解放装置は、さらに、ウェーハ１０４０と同じ寸法及び形状のカバープレートが使用されているので、配置手段内に収容されるべきである。代わりに、カバープレートは、ひずみ解放装置１０７０の外形を収容するために切欠きリリーフを有することができる。
【００３１】
第２実施例
さて図２を参照すると、統合されたウェーハ温度センサ装置の第２実施例が描かれている。この実施例では、複数の光ファイバ１０３０は、ウェーハ１０４０に機械加工された一組で４つのほぼ平行な溝を有した配置手段内に配置されている。
【００３２】
一般に、ウェーハ１０４０は、基板と呼ばれる。基板は、Ｓｉや添加されたＳｉ等の半導体材料や、アルミやガラス等の誘電材や、更に金属等の導電材とすることができる。基板は、例えば平坦パネルや丸ドラム等のいずれかの形状にできる。どんな寸法でもよい。基板は、センサリードの機能要素（例えば、光ファイバ）を物理的に収容するいずれの厚さとすることもできる。
【００３３】
不透明コーティング層２０９０は、周囲から検知エレメント１０５０の領域内への光の侵入を更に減らすために、検知エレメント１０５０上に直接位置決めされている。不透明コーティング層２０９０は、内部カバーとして形成されている。この内部カバーは、プロセスと両立できる薄い金属箔片や、薄いＳｉディスク片や、不透明なポリマーフィルム片や、別の不透明材片とできる。
【００３４】
シリコンカバー２０６０は、ウェーハ１０４０に結合されている。この実施例では、シリコンカバーは、接着剤層２０８０によってシリコンウェーハ１０４０に機械的に取り付けられている。接着剤層２０８０は、低粒度シリコンや、感圧シリコンや、エポキシとできる。接着剤無しでの取り付けのための融着も使用される。更に、ＳｉＯ2 の薄層は、高温（例えば、１２００℃に及ぶ）でも両立する融着や陽極（マロリ - Mallory）接合のための接合剤として使用される。
【００３５】
ひずみ解放装置２０７０は、シリコンウェーハ１０４０に結合されていて、複数の光ファイバ１０３０の上を跨いでいる。この実施例では、ひずみ解放装置２０７０は、シリコンカバー２０６０がひずみ解放装置２０７０を覆わないので、配置手段によって形成された容積内に収容される必要がない。
【００３６】
第３実施例
図３を参照すると、統合されたウェーハ温度センサ装置の第３実施例が図示されている。外衣を有した単一センサリード３０００は、ウェーハ３０１０に結合されている。単一センサリード３０００は、光ファイバ３０２０を有している。光ファイバ３０２０は、バッファでコーティングされているが、しかし、その外衣から剥ぎ出さなければならない。配置手段３０２５は、図３に明瞭に見られる。この実施例では、配置手段は、ウェーハ３０１０に形成された単一の溝を含んでいる。光ファイバ３０２０は、それが配置手段３０２５によって形成された容積内に収容されるように配置手段３０２５に配置されている。配置手段は、丸められた終端部３０３５を有している。
【００３７】
光ファイバ３０２０は、室壁の外部の延長ケーブル１０８０まで連続して通っている。
【００３８】
代わりに光ファイバ３０２０は、ウェーハ３０１０（リード無しセンサウェーハ）の輪郭近くで終結している。この場合、光ファイバ３０２０は、ファイバ３０２０の終端近くで、しかし接触せずに第２光ファイバに結合されている。第２ファイバは、処理室の外部に通され、信号調整器と直接に又は延長ケーブルを介してインターフェースしている。若干異なった実施例では、光ファイバ３０２０からの信号は、例えばレンズ（図示されていない）を介して、自由スペースを横切って光学的に結合されている。
【００３９】
光ファイバ３０２０は、接着剤３０３０で基板３０１０に結合されている。検知エレメント３０５０は、光ファイバ３０２０の端に配置されている。検知エレメント３０５０は、反射コーティング３０６０に近接している。
【００４０】
コーティング３０６０は、まず第１に配置手段３０２５の端に取り付けられる。検知エレメント３０５０は、次にコーティング３０６０に取り付けられる。それで、光ファイバ３０２０は、検知エレメント３０５０に接近される。代わりに、検知エレメント３０５０は、検知エレメント外表面に施された反射コーティングでファイバ３０２０の端にまず取り付けられる。光ファイバは、次に溝に配置される。ひずみ解放装置３０８０は、次に基板３０１０に取り付けられる。ひずみ解放装置３０８０は、基板３０１０とセンサリード３００の両方に接続されている。リード保護スリーブ３０９０は、外衣付きセンサリード３０００を覆い、ひずみ解放装置に接合される。光ファイバ３０２０は、配置手段３０２５に接合される。カバー（図示されていない）は、次に、反射コーティング３０６０の全てと、検知エレメント３０５０の全てと、配置手段３０２５の全てと、センサリード３０００の一部分と、光ファイバ３０２０の大部分を埋設するようにウェーハ３０１０に結合される。光阻止のための黒エポキシコーティングが、次にカバーの端とひずみ解放装置との間で光ファイバ３０２０の一部分に渡って塗布されている。エポキシがプラズマによってエッチングされるのを防護するセラミックコーティング３０７０が、次に光ファイバ３０２０と基板３０１０を覆うように形成される。
【００４１】
保護鞘３０９０は、信号センサリード３０００の一部分を取り囲んでいる。保護鞘３０９０の目的は、ウェーハ３０１０の縁近くの領域での外衣付きファバーの直接的な爆撃を制限するものである。鞘３０９０の目的は、さらに、センサリード３０００を支持することでもあり、それは、ファイバコーティングの劣化による可撓強度を低減しているかも知れない。鞘３０９０は、セラミック材から造られる。
【００４２】
第４実施例
さて、図４を参照すると、統合されたウェーハ温度センサ装置の第４実施例が図示されている。４本のセンサリード４０２０は、Ｓｉ基板４０１０に結合されている。センサリード４０２０の各々は、光ファイバを有している。センサリード４０２０の全ては、ひずみ解放装置４０３０の下を通っている。センサリード４０２０を構成している光ファイバ４０４０は、次に、セラミックコーティング４０４０の下を通っている。センサリード４０２０の埋設された部分は、配置手段（図示されていない）内で、シリコンカバー４０５０の下に配置されている。シリコンカバー４０５０は、機械的に接着剤で基板４０１０に接続されている。
【００４３】
接着剤に使用される特定の材料は、センサによって特徴付けられる温度範囲の下で安定していなければならない。好都合なことには、本発明の接着剤は、どんな接着材からも造られる。その材料は化学的に安定していることが好ましい。この層を通過する光が最小化されかつカバーと基板との間の熱移動が最適化されるように非常に薄い接着層を得るように低い粒度の接着剤を使用するのが有利である。
【００４４】
しかし、接着剤として選択された特定の材料は、それが述べた機能を発揮する限り本発明に対しては必須ではない。通常、本発明を実施したり、利用する人は、費用と利便の経済性と、期待される最終製品の適用要件と、全体の製造プロセスの要求とに基づいて最も経済的に利用できる材料を選択することになる。
【００４５】
ひずみ解放装置４０３０は、図４に示されているような別の構造によって提供される。この構造は、エポキシによって基板４０１０に接着されるＵ−形状の導管である。この構造は、シリコンや、アルミナなどのセラミックから造られる。代わりに、ひずみ解放装置の機能は、一体構造によって与えられる。この場合、ひずみ解放構造は、基板と同じ材料から構成されるであろう。
【００４６】
概説
特定の図面を参照せずに、今度は本発明の色々な局面をより詳細に説明する。これらの局面は、幾つかの副章にグループ化されている。
【００４７】
１．センサ
好ましくは、本発明は、光ファイバの温度センサを利用している。これらセンサは、半導体ウェーハが暴されるプラズマ雰囲気にとって理想的である。
【００４８】
本発明と両立する光ファイバの温度センサは、カリフォルニアのサンタクララのラクストロン社や、カナダのノルテック社から容易に商取引で入手できる。ラクストロン社から入手できる光ファイバセンサは、燐光性素材を利用している。その素材からの放出信号は、温度関数となっている。放出信号の減衰時間は、温度関数となっている。具体的には、温度が増大するに従って減衰は、より急速に起きる。ノルテック社からの光ファイバセンサは、半導体材を使用している。光学的に計測されたその素材の帯域ギャップのずれは、温度関数となっている。
【００４９】
これらの燐光性素材は、ユーロピウムの添加されたランタニュムのオキシサルファイドや、マンガン添加のマグネシウムのフルオロゲルマニュウム塩や、クロム添加のガーネットを含んでいる。一般に、燐光性素材は、米国特許第４，４４８，５４７号に記載されているいずれかの組成を有することができる。半導体センサ材は、ＧａＡｓや、ＧａＡｌＡｓや、Ｓｉとすることができる。
【００５０】
一般に、温度計測中の燐光性センサに関する本発明の上部温度範囲は、約３００℃のオーダと成る。この上部範囲は、光ファイバケーブルとの関連で燐光性素材を使用することで、容易に満足される。燐光性素材は、約４００℃の温度までは十分に機能する。他の燐光性素材は、本発明の上部温度範囲を５００℃を越すまで拡大するのに使用される。しかし、本発明の上部温度範囲は、光ファイバや、他の温度感応構成部品を取り囲んだバッファ材によって制限される。
【００５１】
開示された実施例は、温度検知機能を実施する構成として光ファイバセンサを示しているが、しかし、温度検知構成は、温度計測データを発生する機能を実行できる他のいずれかの構成とすることができる。例えば、本発明は、抵抗熱検知（ＲＴＤ）の温度センサを使用できる。これらは、抵抗が装置の温度関数となっている、例えば、プラチナなどから造られた薄膜抵抗装置と成っている。もし、雰囲気の両立性が問題でなければ、本発明は、さらにサーモカップルや、サーミスターや、リード付きの他のいずれかの温度センサを使用できる。
【００５２】
本発明は、さらに、例えばＹＡＧ（イットリウム  アルミニユウム  ガーネット）などのレーザ水晶をベースにした光ファイバ温度センサも使用できる。その温度センサは、さらに、例えばファブリペロット(Fabry-Perot) 構造などの干渉計の腔部をベースにしている。その光ファイバの温度計測も、配置手段とカバーとによって造られた空間に形成された、放射率が１（黒体）に近い閉鎖構造体から放射され放射線量に基づいて、高温計測としても実施される。
【００５３】
さらに、センサは、温度計測するためのものでなければならない訳では無い。センサは、ただ温度ばかりで無く、関心のあるいずれの特性をも特徴付けるものとできる。例えば、センサは、イオン電流や、イオンエネルギや、フィルム厚さや、光放射や吸収や、熱流束や、エッチング率や、他の関心のあるいずれの特性をも検出するものとできる。
【００５４】
２．本装置の製造
本発明を実施するプロセスでは、まず溝が形成され、第２にセンサが設けられ、第３にセンサが取り付けられ、第４にカバーが、センサ及びセンサリードを収容したウェーハ部分に取り付けられる。最後に、ひずみ解放装置は、カバーの端部近くで、カバーから延びたファイバを覆うように搭載される。
【００５５】
本発明の一実施例では、副組立体は、次のように結合される。束は、ファイバから構成され形成される。埋設されることに成るファイバ部分の外衣は、次に剥かれる。溝が、半導体ウェーハに形成される。溝の端は、まずセラミック（反射層）によってコーティングされ、次いで薄い燐光体層でコーティングされる。ファイバは、次にあらかじめコーティングされた燐光体材に近接される。ファイバは、エポキシなどの接着剤を使用して溝に固定される、カバープレートは、次にエポキシやシリコンや感圧接着剤を使用して溝を覆うように配置され固定される。
【００５６】
溝は、ｉ）センサが取り付けられるようにし、ｉｉ）温度の増大や減少中にひずみ解放できるようにするために、若干オーバサイズにされるべきである。溝は、機械的切削によって形成される。代わりに、溝は、超音波加工や、レーザ切削や、酸エッチングによっても形成される。
【００５７】
トレンチを機械加工するのにいくつかの方法がある。トレンチは、砥石車で所望の深さに切削される。代わりに、穴が、ほら洞を形成するようにウェーハの側面にドリル加工される。代わりに、凹み、基板にミーリング加工される。凹みの場合、カバープレートが、凹みに嵌合するように成形され、それによって、ウェーハによって限定される面に沿った同一の上面を与える。
【００５８】
溝は、ウェーハに渡って割れが広がるのを回避するために平坦な底が形成されている。これは、割れの尖端として機能する惧れがある小さな半径の湾曲丸底と対照的である。
【００５９】
トレンチを造る時には、ウェーハが応力を受けた時に裂けるリスクを減らすためにウェーハにおける特定の結晶面に沿った切削を回避することが望ましい。更に、欠陥の発生を回避することも望ましい。欠陥は、応力伝搬を起こす。
【００６０】
配置手段を形成するのに使用される特定の製造プロセスは、廉価で再現性がなければならない。従来から、本発明の配置手段は、いずれかの素材除去法を使用して実施される。そのプロセスは、きれいで、欠陥を発生することが無いのが好ましい。製造作業のために、エッチング法を使用するのが有利である。
【００６１】
しかし、配置手段を形成するのに使用される特定の製造プロセスは、それが説明した転換を行う限り、本発明には必須ではない。通常、本発明を実施し使用する人は、工具や外形の必要事項や、最終製品の予想される適用の必要事項や、全体の製造プロセスの需要等に基づいて製造プロセスを選択する。
【００６２】
検知材料や、又は放射面は、トレンチの端部近くに設けられている。センサリードは、ひずみ解放装置によってウェーハに取り付けられている。リードの端部は、検知材に結合されている。センサリードは、トレンチの内部に接合されている。光阻止材は、次にセンサ先端を覆ったり、又は放射面領域を覆って配置される。カバーは、接着材によってウェーハに取り付けられる。セラミックコーティングは、ひずみ解放装置の近くに設けられる。低粘度接着材の使用は、カバーと基板との間に非常に薄い接着層を設けるのを助ける。このことは、基板へのカバーの密接な取付けを結果的に達成して、光透過を減らす。
【００６３】
３．光ケーブルを介した統合ウェーハセンサの信号調整器への結合
センサリードは、フィードスルーが処理室の壁に設けられることを必要としている。これを行う一つの方法は、ウェーハ上のファイバと処理室のフィードスルーに取り付けられた光学機械との間で光結合するものである。この方法で、光結合が行われる。処理室の外部からの励起エネルギーは、光路長に渡るフィードスルーを通してセンサファイバ内に導かれる。結果的に、センサからの放射信号は、光学的にフィードスルーに結合され、処理室から通される。
【００６４】
さらに、本光結合のコンセプトは、多重伝送に拡張される。例えば、一連のセンサは、時間多重化スキームを介して一回に一つづつ対処される。代わりに、一連のセンサは、光分割多重伝送を利用して同時に対処される。結合孔は、例えば、イオン電流や、イオンエネルギや、フィルム厚さや、光放射又は吸収スペクトルや、熱流束や、エッチング率などの付加パラメータデータを搬送するために拡張される。
【００６５】
いずれの特定性能インジケータや、診断識別器に限定されるものではないが、本発明の好適な実施例は、正確な温度計測をテストすることで一回に一つずつ識別される。正確な温度計測のテストは、簡単な従来の較正実験を利用することで不適当な実験を行わずに実施される。
【００６６】
例
本発明の特定の実施例は、ここでさらに、重要な色々な配置手段の特長を幾分詳細に図解する役目の次の非限定例によって説明される。例は、単に、本発明が実施される方法の理解を容易にしかつさらに当業者が本発明を実施できるように意図されているものである。従って、例は、本発明の技術的範囲を限定するものとして構成されるべきではない。
【００６７】
さて、図５Ａ〜５Ｄを参照すると、基板５０００内部における配置手段の４例が描かれている。図５Ａ〜５Ｄに示されている配置手段の断面図は、配置手段プロフィールと呼ばれている。図５Ａは、４つの丸い隅を有した逆Ｔ−形状溝５０１０を示している。図５Ｂは、傾斜溝を有した傾斜溝５０２０を示している。図５Ｃは、小さな半径の縁部を有した真っ直な側壁溝５０３０を示している。図５Ｄは丸いベース隅を有したアンダーカット溝５０４０を示している。
【００６８】
さて、図６Ａ〜６Ｄを参照すると、本発明に係る配置手段を組織化する配列の４例が描かれている。図５Ａ〜５Ｄに示されている配置手段の平面図は、配置手段のパターンと呼ばれている。図６Ａは、配置手段を配列する並列パターンを示している。並列パターン６０１０は、徐々に長さを減じた複数のほぼ平行な溝によって形成されている。図６Ｂは、配置手段を配列するためのブドウのつるを示している。ブドウのつるのパターン６０２０は、複数の小さな溝を任意で変わる曲率半径に沿って延ばしている主溝によって限定されている。図６Ｃは、配置手段を配列するブッシュパターン６０３０を示している。ブッシュパターン６０３０は、複数組の小さな溝を各組毎に異なった曲率半径に沿って延ばしている主溝によって限定されている。図６Ｄは、配置手段を配列する星爆発パターン６０４０を示している。星爆発パターン６０４０は、単一領域に向かって収束する複数のほぼ非平行な溝手段によって限定されている。
【００６９】
いずれの特定の図面にも無関係ではあるが、溝容積が過度に小さい場合には、代表的なデータを得る上で十分なセンサを収容する十分な容量が無いかも知れない。例えば、１６チャンネルセンサのアレーは、１６本のセンサを収容するのに十分な容積を限定するために十分な溝容積を必要としている。他方、溝容積が過度に大きい場合、基板は弱くなる。これは、溝のいくつかが、又は全てが、基板の厚さの１／３よりもより深い場合に起き易くなる。
【００７０】
もし、ウェーハ内部でのセンサリードの長さが余りにも長ければ、ウェーハは、除去の必要がある材料量によって弱化されている。逆に、もし、ウェーハ内部でのセンサリードの長さが余りにも短かければ、センサリードに沿った温度勾配は、計測された温度を変えるであろう。一般に、センサリードがウェーハ（基板）から出ているので、センサリードに対して急な温度変化が存在する。もし、ウェーハ内部におけるリードの沈め深さが不十分であれば、その勾配はセンサ材料に余りにも近くなるであろう。配置手段は、温度勾配が温度センサに影響しないように十分に長いファイバを通さなければならない。かくして、ウェーハ内部における最適なセンサリード長さ（沈め深さ）を限定するように配置手段を配列するのが、有利である。更に、複数のセンサリードに対する相対的な沈め深さを釣り合わせ及び／若しくは調整することは、有利である。
【００７１】
覆われる配置手段の長さは、計測精度にとって重要である。配置手段の形成で材料を除去すると、基板の強度を低下させる。しかし、基板において配置手段を覆うカバーを接合すると、その強度の幾分かを回復する。余りにも長く且つ余りにも多い配置手段は、基板を弱化するし、また基板の平均的な材料組成と熱的条件も変えることになる。他方、覆われたセンサリードの長さが余りにも短い場合は、熱勾配をセンサ自身に近づけることに成り、それによってセンサの温度に影響し、結果的に温度計測の精度に影響する。
【００７２】
本発明の実際の適用
技術的作為内に値を有している本発明の実際の適用は、処理室でのウェーハの温度計測である。更に、本発明は、プラズマ雰囲気（エッチングやコーティングの目的に使用されるような）での温度計測に関連して役立つものである。事実上数え切れない程の本発明の用途があり、それらの全てはここでは詳細に述べる必要が無い。
【００７３】
本発明の効果
本発明の実施例を代表する統合されたウェーハ温度計測装置は、少なくとも次の理由で有利である。センサを基板の配置手段内に配置し、かつカバーをファイバセンサを覆うように配置することで、周囲の光が、センサとそのリードの感光領域内に入り込むのを防止される。さらに、カバーは、センサリードが高いエネルギ雰囲気によってエッチングされたり、又は過熱されるのを防止する。さらに、センサへの熱移動が高められ、従って精度が改善される。センサを埋設しなければ、センサは、対流と放射と爆撃とで周囲の構造体や気体と熱交換を行って異なった温度を有することになる。
【００７４】
基板に埋設された光ファイバの温度センサをカバーと組み合わせて使用すると、ウェーハがプラズマ雰囲気（即ち、エッチングや析出の雰囲気）内に入れられている間、センサからデータが採取されることになる。プラズマ雰囲気は、発光性である。プラズマは、光ファイバの信号にノイズを持ち込む。シリコンカバーは、約１．１ミクロンより短い波長の放射線には実質的に不透明である。多くの発光性素材からの放射信号は、１ミクロンの波長よりも短い可視光線及び近赤外線となっている。従って、シリコンカバーは、発光プラズマが光ファイバセンサにノイズを持ち込むのを効果的に阻止する。
【００７５】
酸化物エッチングプラズマにおけるエネルギ量は、８Ｗ／ｃｍ２である。もし、センサ及びリードが不活性カバーによって保護されていなければ、このエッチング加工は、非常に早くセンサとリードの素材をエッチング加工してしまうであろう。そのような雰囲気で、Ｓｉカバーは、基板に埋設されたセンサを安全に保護する。
【００７６】
もし、カバーが、基板と同じ素材から構成されていれば、熱特性は、同じになる。熱特性を合わせることで、カバーと基板の両方は、加熱機構に同等に反応することに成る。
【００７７】
もし、光ファイバの温度計測が、ウェーハから放射される放射線量に依存していれば、近赤外線に不透明なカバーは、次の長所を有する。即ち、１の公知の放射率の黒体がウェーハ内部に形成され、また、ウェーハから放射された放射線が、周囲の放射線よりもしばしば遥かに小さいので、ファイバは、０．８〜２μｍの範囲の波長ではいずれの高温の光ファイバ計測をも強烈に乱す周囲の放射線から遮蔽される。
【００７８】
ここで説明された本発明の全ての開示実施例は、不適当な実験を行わずに実現され、実施される。本発明者によって案出された本発明を実施するベストモードは、上記のように開示されているが、本発明の実施は、それには限定されない。従って、本発明は、ここで具体的に説明されたのとは違うようにも実施され得ることは、当業者によって察知されよう。
【００７９】
例えば、個々の構成要素は、開示された形状に形成されたり、開示された構成に組立てられる必要がないが、しかし、実質的にいずれの形状にもでき、また実質的にいずれの構成にも組立てられる。さらに、個々の構成要素は、開示された素材から造られる必要がないが、しかし、実質的にいずれの素材からも造られる。さらに、ここに説明された統合されたウェーハ温度センサは、物理的に別のモジュールではあるが、統合されたウェーハ温度センサは、それが関連した装置内部に統合されることが分かる。さらに、各々の開示された実施例の全ての開示エレメントと特長は、そのようなエレメントと特長が互いに排他的である場合を除いて、他の開示された実施例の開示されたエレメントと特長とに結合され、代替される。
【００８０】
本発明の特長の色々な付加、改造及び再配列が、上記発明のコンセプトの精神及び技術的範囲から逸脱しない限り行われることは、明瞭である。添付の特許請求の範囲によって定義されているような技術的範囲とそれらの等価物は、全てのそのような付加、改造及び再配列を含むように意図されている。添付の特許請求の範囲は、『・・の手段』と言うフレーズを使用して所定の特許請求の範囲に明示的に引用されていなければ、手段＋機能の限定を含むものとして解釈されるべきではない。本発明の好都合な実施例は、添付の従属項によって差別化されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例を示した、第１の統合されたウェーハ温度計測装置の概略的な部分展開斜視図を示している。
【図２】  本発明の実施例を示した、第２の統合されたウェーハ温度計測装置の概略的な部分展開斜視図を示している。
【図３】  本発明の実施例を示した、第３の統合されたウェーハ温度計測装置の概略的な平面図を示している。
【図４】  本発明の実施例を示した、第４の統合されたウェーハ温度計測装置の概略的な平面図を示している。
【図５Ａ〜５Ｄ】  本発明の実施例を示した、温度センサリードを収容する各種の配置手段プロフィールの概略的な横断面図を示している。
【図６Ａ〜６Ｄ】  本発明の実施例を示した、温度センサリードを収容する各種の配置手段プロフィールの概略的な平面図を示している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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