DE19638117A1 - Oberflächentemperatursondenkopf, Verfahren zu dessen Herstellung und Vorrichtungen unter Verwendung eines derartigen Sondenkopfs - Google Patents

Description

Innerhalb der Halbleiterherstellungstechnik existieren zahlreiche Prozesse, bei denen Wafer bei erhöhter Temperatur zu behandeln sind. Beispiele für derartige Prozesse sind: Plasmaveraschung von Photoresist, chemische Dampf­ niederschlagung und Tempern. Es ist erwünscht, die Temperatur von Wafern, die derartige Herstellprozesse durchlaufen, eng zu überwachen.

Bei Temperaturmessungsanwendungen bei der Halbleiterherstellung werden Halbleiter häufig mit beachtlicher Geschwindigkeit erwärmt. Bei derartigen Anwendungen ist es wichtig, daß der Sensor verzögerungsfrei die Temperatur eines Wafers aufzeichnet, der gerade erwärmt wird.

Es existieren kontaktfreie, optische Temperaturmeßtechniken innerhalb des Stands der Technik. Optische Techniken beruhen auf Änderungen des Reflexi­ ons- und des Transmissionsvermögens von Halbleiterwafern abhängig von der Temperatur, und sie leiden unter dem Nachteil, daß Variationen dieser optischen Eigenschaften von einem Wafer zum nächsten der Genauigkeit ab­ träglich sind, mit der die Messungen ausgeführt werden können.

Kontaktfreie Techniken, die sich auf Wärmestrahlungsübergänge zwischen einem Objekt (z. B. einem Halbleiterwafer) und einem Sensor stützen, wie z. B. im US-Patent Nr. 5,106,200 offenbart, haben von Natur aus Beschrän­ kungen hinsichtlich der Ansprechgeschwindigkeit, und zwar wegen der relativ geringen Leistung, wie sie bei den Temperaturen abgestrahlt wird, die typi­ scherweise bei der Halbleiterverarbeitung verwendet werden. In diesem Zu­ sammenhang ist zu beachten, daß die im Patent ′200 erörterten Versuche sehr niedrige Erwärmungsraten (-2,3°C/s) verwenden, wobei jedoch die bei tatsächlicher Halbleiterverarbeitung verwendeten Erwärmungsraten das 10- fache oder mehr betragen können.

Kontaktierende Temperaturmessung ist eine sehr zuverlässige Temperaturmes­ sung. Jedoch ist kontaktierende Temperaturmessung nicht ohne eigene Nach­ teile. Ein Schlüsselnachteil bei kontaktierender Temperaturmessung besteht darin, daß ebenfalls ein Problem hinsichtlich der Ansprechgeschwindigkeit besteht, d. h., daß eine Verzögerung zwischen der tatsächlichen Temperatur und der vom kontaktierenden Temperatursensor abgelesenen Temperatur exis­ tiert, wenn sich die Temperatur des Objekts ändert. Dieses Problem ist im US-Patent Nr. 5,106,200 erkannt, wo unter Bezugnahme auf Fig. 6 des Patents dargestellt ist, daß bei einem mit einem kontaktierenden Temperatursensor ausgeführten Versuch eine Temperaturdifferenz über 60°C zwischen der tat­ sächlichen Temperatur und der durch einen kontaktierenden Temperatursensor abgelesenen Temperatur am Ende eines Erwärmungsprozesses von 30 Sekunden bestand, durch den ein Wafer mit der sehr mäßigen Rate von ungefähr 2,8°C/s erwärmt wurde.

Der Verzug rührt davon her, daß Wärme zwischen der Sonde und dem gemesse­ nen Objekt fließen muß, um deren Temperaturen auszugleichen. Da die Sonde eine bestimmte Wärmemasse und eine bestimmte endliche Wärmeleitfähigkeit aufweist und da auch der Wärmekontakt zwischen der Sonde und dem Objekt eine bestimmte endliche Wärmeleitfähigkeit aufweist, ist der Wärmefluß nicht momentan und der Verzug weicht demgemäß von null ab. Die Erfinder haben erkannt, daß es zum Minimieren dieses Verzugs wesentlich ist, 1) die Wärmemasse der Sonde zu minimieren, 2) den Wärmewiderstand des Kontakts zwischen der Sonde und dem Objekt zu minimieren und 3) Wärmeentweichungs­ pfade aus der Sonde zu minimieren.

Beim Schaffen der Erfindung erkannten die Erfinder die Wichtigkeit des Auflagedrucks am Kontakt zwischen der Temperatursonde und dem Halbleiterwa­ fer. Es ist nicht praxisgerecht, eine Kraft auf den Wafer auszuüben, um den Auflagedruck zu erhöhen, da ein Wafer sehr zerbrechlich ist. Die Gewichts­ kraft des Wafers selbst ist sehr klein und sorgt für keinen großen Druck, wenn das Gewicht des Wafers auf dem Kontaktpunkt abgestützt wird.

Die Erfinder standen vor dem Problem, eine extrem leichte kontaktierende Temperatursonde mit sehr ebener Fläche zu schaffen, die ein Thermoelement sicher in gutem Wärmekontakt hält.

In der Mikrolithographieindustrie wird Plasmaverarbeitung zu verschiedenen Zwecken verwendet, wie zur plasmaunterstützten chemischen Dampfniederschla­ gung und bei der Plasmaveraschung. Bei diesen Anwendungen existiert eben­ falls ein Bedarf, die Temperatur zu messen. Wenn ein Thermoelement oder eine andere elektrische Temperaturmesseinrichtung dazu verwendet wird, die Temperatur zu messen, ist es erforderlich, über elektrische Leitungen zu verfügen, die von der am Wafer positionierten Temperaturmesseinrichtung aus der Bearbeitungskammer herausführen. Solange die Kammer nicht so konzipiert ist, daß der Wafer an der Wand derselben liegt, müssen die Leitungen durch einen Teil der Kammer laufen. Dann entsteht in Plasmabearbeitungskammern das Problem, daß das Plasma entweder elektrisch oder thermisch mit den Leitungen wechselwirkt und zu falschen Ablesewerten führt. Unter dem Be­ griff "thermisch" ist zu verstehen, daß das Plasma die Leitungen erwärmt und daß die Leitungen ihrerseits Wärme zur temperaturempfindlichen Ein­ richtung liefern. Die elektrische Wechselwirkung ist komplizierter und weniger gut verstanden, jedoch kann das elektrisch aktive Plasma Ströme und Spannung in den Drähten hervorrufen, was zu falschen Signalen führt. Die Erfinder haben falsche Signale beobachtet, wenn sie eine Sonde in einer Plasmaumgebung betrieben.

Gemäß einer Erscheinungsform der Erfindung ist eine kontaktierende Tempera­ turmeßsonde zum Messen der Temperatur eines Halbleiterwafers geschaffen, die auch als einer der Halter zum Halten des Halbleiterwafers dienen kann. Die Sonde kann einen Sondenkopf aufweisen, der sehr klein ist und niedrige Wärmekapazität aufweist, mit einer ebenen Fläche, die zur ebenen Fläche des Halbleiterwafers paßt, und der mechanisch so gelagert ist, daß er sich unter dem Gewicht des Wafers frei so dreht, daß die ebene Fläche flächig am gehaltenen Halbleiterwafer zur Anlage kommt.

Gemäß einer weiteren Erscheinungsform der Erfindung umfaßt der Sondenkopf eine Kontaktfläche mit bestimmter Abmessung (z. B. Durchmesser) für Anpas­ sung an die ebene Fläche des Halbleiterwafers, und er ist mechanisch so gelagert, daß er sich unter dem Gewicht des Wafers so frei dreht, daß seine ebene Fläche koplanar am gehaltenen Halbleiterwafer anliegt, wobei die Sonde ferner dadurch gekennzeichnet ist, daß das Drehzentrum um einen solchen Abstand von der Kontaktfläche entfernt liegt, der kleiner als unge­ fähr die Abmessung der Kontaktfläche ist.

Gemäß einer weiteren Erscheinungsform der Erfindung wird ein Halbleiterwa­ fer durch mehrere Halter gehalten, zu denen eine kontaktierende Temperatur­ meßsonde oder mehrere gehören, und diese Halter sind gemäß den Gesetzen der Statik so ausgebildet, daß mindestens eine der kontaktierenden Tempe­ ratursonden einen größeren Anteil des Gewichts des Wafers trägt, als es dem gleich verteilten Anteil entspricht.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Halbleiter durch eine kontaktierende Temperatursonde und zwei gewöhnliche Halterungsstifte gehal­ ten, wobei die drei Halterungsstifte nicht kolinear sind, so daß sie den Wafer stabil halten, und wobei die kontaktierende Temperatursonde näher am Zentrum des Wafers als die üblichen Halterungsstifte liegt.

Gemäß einer anderen Erscheinungsform der Erfindung umfaßt ein kontaktie­ render Temperaturmeßsondenkopf, in den eine temperaturempfindliche Ein­ richtung (z. B. ein Thermoelement) eingeführt ist, eine im wesentlichen ebene Kontaktfläche, die im wesentlichen parallel zu einer bestimmten Pro­ jektionsebene verläuft und sich im wesentlichen zusammen mit der projizier­ ten Fläche des Sondenkopfs, entsprechend der bestimmten Projektionsebene, erstreckt, wobei die bestimmte Projektionsebene dadurch gekennzeichnet ist, daß die auf diese bestimmte Projektionsebene projizierte Fläche die größte Fläche oder nahezu die größte Fläche in bezug auf alle denkbaren Projekti­ onsebenen des Sondenkopfs ist.

Gemäß einer weiteren Erscheinungsform der Erfindung umfaßt eine kontaktie­ rende Temperatursonde einen Sondenkopf mit einer temperaturempfindlichen Einrichtung und einer Kontaktfläche sowie eine den Sondenkopf haltende Konstruktion, wobei die Verbindung zwischen dem Sondenkopf und seiner Hal­ tekonstruktion durch hohen Wärmewiderstand und eine freie Drehbewegung des Sondenkopfs innerhalb eines bestimmten Raumwinkels gekennzeichnet ist.

Gemäß einer weiteren Erscheinungsform der Erfindung besteht die Verbindung zwischen dem Sondenkopf und der Haltekonstruktion aus einem punkt- oder linienförmigen Kontakt. In der Praxis verfügen linien- und punktförmige Kontakte über eine endliche Fläche, jedoch ist diese Fläche sehr klein, und infolgedessen ist der Wärmewiderstand am Kontakt hoch.

Gemäß einer weiteren Erscheinungsform der Erfindung umfaßt die Haltekon­ struktion einen Abschnitt mit hohem Wärmewiderstand, der sich ausgehend von der Verbindung erstreckt.

Gemäß einer weiteren Erscheinungsform der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines kontaktierenden Temperatursondenkopfs mit den folgenden Schritten geschaffen: 1) vorläufigen Schritten des Herstellens eines Roh­ sondenkopfs, wobei ein Loch in den Rohsondenkopf gebohrt wird, 2) Einführen eines Thermoelements in das Loch, 3) Anwenden einer Klemmkraft auf den Rohsondenkopf, um das Loch um das Thermoelement herum zu verengen und das Thermoelement im Sondenkopf in gutem Wärmekontakt innerhalb des Lochs fest­ zuhalten, und 4) Feinbarbeitung des Rohsondenkopfs, um eine flache, glatte Wärmekontaktfläche herzustellen.

Gemäß einer weiteren Erscheinungsform der Erfindung sind Wärme- und elek­ trische Abschirmungseinrichtungen vorhanden, die elektrische Leitungen umgeben, die von einer Temperaturmesseinrichtung benachbart zu einem Wafer in einer Plasmabearbeitungskammer herführen.

Demgemäß ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine kontaktierende Temperatur­ sonde zu schaffen, die der Temperatur eines Halbleiterwafers, wobei sich diese Temperatur schnell ändert, eng folgen kann, wobei nur das Gewicht des Wafers für die Kontaktdruckkraft zwischen dem Wafer und der Sonde sorgt.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Halbleiterwaferhalter/Kon­ takttemperatursonde-Kombination mit selbstausrichtendem, schwenkendem Sondenkopf zu schaffen, wobei die Schwenkwirkung desselben nicht mehr Kraft benötigt als denjenigen Teil der Gewichtskraft des Wafers, die vom Halter abgestützt wird.

Es ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Halbleiterwaferhal­ ter/Kontakttemperatursonde-Kombination zu schaffen, die der sich ändernden Temperatur eines Wafers, an dem sie verwendet wird, eng folgt.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine kontaktierende Temperatursonde zu schaffen, die Temperaturmessungen mit schnellem Ansprechverhalten (kleiner Verzug) eines Gegenstands ausführen kann, dessen Temperatur sich in einer Vakuumumgebung ändert, d. h. ohne den Nutzen der Wärmeleitung eines Gases.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine kontaktierende Temperatursonde zu schaffen, die ein großes Verhältnis der Wärmeleitfähigkeit am Kontakt zur Wärmekapazität erzielt.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine kontaktierende Temperatursonde zu schaffen, die in einer Plasmabearbeitungseinrichtung verwendet werden kann und deren Ablesewerte hinsichtlich der Genauigkeit durch das Plasma nicht nachteilig beeinflußt werden.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen besser zu verstehen sein.

Fig. 1 ist eine vollständige Draufsicht auf eine kontaktierende Temperatur­ sonde gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 2 ist eine perspektivische Zeichnung des in Fig. 1 dargestellten Son­ denkopfs, zusammen mit Projektionsebenen und projizierten Flächen.

Fig. 3 ist eine perspektivische Zeichnung zum Stand der Technik, mit Pro­ jektionsebenen und projizierten Flächen.

Fig. 4 ist eine Vorderansicht einer Halteeinrichtung für einen kontaktie­ renden Temperatursondenkopf gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung.

Fig. 5 ist eine teilweise durchdringende Ansicht einer Kontakttemperatur­ sonde/Waferhalter-Kombination gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 6 ist eine schematische Veranschaulichung einer Halbleiterbearbei­ tungskammer, in der die Erfindung verwendet wird.

Fig. 7 ist eine schematische Ansicht eines Wafers, und sie zeigt die Anord­ nung von Waferhalterungsstiften und einer Kontakttemperatursonde/Waferhalt­ er-Kombination.

Fig. 8 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 9 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 10 zeigt eine kontaktierende Temperatursonde zusammen mit einer Wärme­ abschirmung.

Fig. 11 zeigt einen Sondenkopf gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 12 zeigt eine kontaktierende Temperatursonde gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung einschließlich des in Fig. 11 dargestell­ ten Sondenkopfs.

Fig. 13 zeigt eine Spanneinrichtung zur Verwendung bei der Herstellung des kontaktierenden Temperatursondenkopfs gemäß dem bevorzugten Ausführungsbei­ spiel der Erfindung.

Fig. 14 zeigt den Aufbau zur Verwendung der in Fig. 13 dargestellten Spann­ einrichtung.

Fig. 15 ist ein Kurvenbild, das zwei Sätze von Temperaturmeßdaten bei schnellem Temperaturanstieg zeigt.

Fig. 1 ist eine vollständige Vorderansicht eines kontaktierenden Tempera­ tursondenkopfs 1. Der Sondenkopf umfaßt einen oberen Plattenabschnitt 2, dessen Oberfläche 3 die Wärmekontaktfläche ist. Die Kante der Oberfläche 3 kann durch eine kleine Schräge 4 gebrochen sein. Durch den Plattenabschnitt 2 ist ein Radialloch 5 hindurchgebohrt. Dieses Radialloch nimmt ein Thermo­ element auf, wie es weiter unten erörtert wird. Mit der Mitte des Bodens des Plattenabschnitts 2 ist ein sich axial erstreckender Stiel 6 verbunden. Der Stiel verfügt über ein axiales Sackloch 7, das von seinem freien Ende her zum Plattenabschnitt 2 hin eingebohrt ist. Das Ende 8 des Sacklochs 7 verfügt über Kegelform, wie es allgemein mit einem gewöhnlichen Zentrier­ bohrer erhalten wird. Das Ende 8 des Sacklochs 7 liegt leicht unter dem Plattenabschnitt 2.

Bei einem tatsächlich aufgebauten Realisierungsbeispiel wies der obere Plattenabschnitt 2 einen Durchmesser von 0,411 mm und eine Dicke von 0,102 mm auf. Der Stiel 6 hatte eine Länge von 0,762 mm und einen Durchmes­ ser von 0,147 mm. Das Sackloch 7 wies einen Durchmesser von 0,114 mm und eine Tiefe von 0,711 mm auf. Die mittlere Dicke des Sondenkopfs in der Richtung rechtwinklig zur Oberfläche 3 betrug einschließlich dem Stielab­ schnitt 0,145 mm. Die Kontaktfläche entspricht dem Durchmesser des oberen Plattenabschnitts.

In Fig. 2 ist der Sondenkopf perspektivisch dargestellt. Es sind zwei Pro­ jektionsebenen, nämlich eine horizontale Projektionsebene p1 und eine ver­ tikale Projektionsebene p2 dargestellt. Die auf die horizontale Projekti­ onsebene p1 projizierte Fläche ist die größere Fläche, und sie stimmt (mit Ausnahme der Schräge) mit der von der Schräge 4 umschlossenen Fläche (nicht dargestellt) überein. Diese Konstruktion ist von Vorteil, da sie zu einem großen Verhältnis zwischen der Kontaktfläche und der Wärmekapazität führt, was schließlich zu gutem Sondenfunktionsvermögen, d. h. minimiertem An­ sprechverzug führt. In dieser Ansicht ist erkennbar, wie die Thermoelement­ drähte 6a, 6b aus dem radialen Loch 5 im Plattenabschnitt 2 des Sondenkopfs 1 heraustreten.

In Fig. 3 ist der im US-Patent Nr. 4,355,911 für Tymkewicz offenbarte Son­ denkopf wiedergegeben. Eine vertikale Projektionsebene p2′ und eine hori­ zontale Projektionsebene p1′ sind wie in Fig. 2 dargestellt. Die auf die horizontale Projektionsebene p1′ projizierte Fläche ist eine Kreisfläche, deren Durchmesser dem Außendurchmesser der Oberseite 102 entspricht. Die auf die vertikale Ebene p1′ projizierte Fläche ist ein unregelmäßig geform­ tes Gebiet, das ungefähr so groß ist wie das, das auf die horizontale Ebene p2′ projiziert ist. Die Kontaktfläche 103 ist ein ringförmiger Bereich, der sich ausgehend von der Außenkante 104 der Oberseite 102 erstreckt. Die Kontaktfläche erstreckt sich nicht gemeinsam mit der auf die horizontale Projektionsebene p1′ projizierten Fläche. Während die projizierte Fläche einen vollkommenen Kreis ausfüllt, ist der vertiefte Bereich 105 der Ober­ fläche 102 kein Teil des Kontaktbereichs 103. Dieses Design ist vom Stand­ punkt der Lehren der Erfindung aus nicht gut. Der vertiefte Bereich 105 trägt zur Wärmekapazität des Sondenkopfs 101 bei, ohne zur Kontaktfläche beizutragen. Dadurch besteht die Tendenz, daß das Ansprechverhalten der Sonde verschlechtert ist.

Fig. 4 zeigt eine Halteeinrichtung 11 für einen kontaktierenden Temperatur­ sondenkopf. Die Halteeinrichtung 11 besteht aus mehreren Abschnitten. Der untere Abschnitt 10 wird normalerweise auf dem Boden einer Bearbeitungskam­ mer abgestützt, wie unten beschrieben. Ganz oben am untersten Abschnitt 10 befindet sich ein mittlerer Abschnitt 11 mit kleinerem Durchmesser. Ganz oben am mittleren Abschnitt 11 befindet sich ein oberer Abschnitt 12 mit noch kleinerem Durchmesser. Es ist erwünscht, daß der Halter einen Quer­ schnitt mit hohem Wärmewiderstand aufweist, wobei jedoch darauf hingewiesen ist, daß bereits die Verbindung zwischen dem Sondenkopf 1 und der Halte­ einrichtung 9 hohen Wärmewiderstand aufweist, so daß hoher Wärmewiderstand des Halters einfach den gesamten Wärmewiderstand des Wärmeabführpfads durch den Halter 9 erhöht. Im Interesse eines hohen thermischen Widerstands soll­ te die Halteeinrichtung eine kleinere mittlere Querschnittsfläche aufweisen und/oder aus einem Material mit hohem thermischem Widerstand bestehen.

Die Spitze 14 des Sondenkopfhalters 9 kann entweder abgerundet sein, wie dargestellt, oder kegelförmig mit einem kleineren Kegelwinkel, als es das kegelförmige Ende 8 des Bodens des axialen Lochs 7 im Stiel 6 der kontak­ tierenden Sonde 1 aufweist.

In Fig. 5 ist die zusammengebaute Kontakttemperatursonde/Waferhalter-Kombi­ nation dargestellt. Der obere Abschnitt 12 des Halters 9 paßt in den Frei­ raum im axialen Loch 7 des Sondenkopfs 1. Der einzige Kontakt zwischen dem Sondenkopf 1 und dem Halter 9 ist eine kreisförmige Kontaktlinie zwischen der abgerundeten Spitze 14 des Halters 9 und dem kegelförmigen Ende 8 des axialen Lochs 7. Der Sondenkopf kann innerhalb eines bestimmten Raumwinkel­ bereichs Ω gegenüber der Vertikalen frei verschwenken. Dieser Bereich ist durch die Länge des axialen Lochs 7 und die Durchmesser des oberen Ab­ schnitts 12 und des axialen Lochs 7 begrenzt.

In Fig. 6 ist in schematischer Veranschaulichung eine beispielhafte Halb­ leiterwafer-Bearbeitungskammer 15 dargestellt. Die Bearbeitungskammer um­ faßt einen Bearbeitungsgaseinlaß 16, eine Gasverteilerplatte 18 und einen Gasauslaß 17. Das Gas kann z. B. Silan für einen CVD-Prozeß oder Sauer­ stoff zum Abheben von Photoresist sein. Der Boden 19 der Kammer 18 besteht aus Glas. Heizlampen 20, 20′, die mit größerer Anzahl vorhanden sein kön­ nen, sind so unter dem Boden der Kammer 15 angeordnet, daß sie Strahlungs­ energie durch den Kämmerboden 19 auf einen in der Kammer positionierten Halbleiterwafer 21 richten. Der Halbleiterwafer 21 wird durch drei Halter am Boden der Kammer 19 abgestützt. Zwei der Halter, nämlich 22a, 22b, sind Glasstifte, die sich ausgehend vom Boden 19 erstrecken. Der dritte Halter ist die Kontakttemperatursonde/Waferhalter-Kombination, die in Fig. 5 zu­ sammengebaut dargestellt ist. Die drei Halter können den Wafer stabil hal­ ten. Unter Verwendung nur dreier Halter ist es möglich, das Gewicht zu erhöhen, das von der kontaktierenden Temperatursonde abgestützt wird.

Die Thermoelementdrähte (nicht dargestellt) erstrecken sich aus dem diame­ tralen Loch 4 in der oberen Scheibe 2 des Sondenkopfs und durch eine Durch­ führung in der Kammerwand nach außen, wo sie mit einer geeigneten Tempera­ turmeßschaltung zur Verwendung mit Thermoelementen verbunden sind.

In Fig. 7 ist eine schematische Wiedergabe der Anordnung der Waferhalter dargestellt. Das Zentrum des Wafers ist mit X markiert. Der Ort der übli­ chen Waferhalter 22a, 22b ist durch die Punkte bei e1 und e2 gekennzeich­ net. Der Ort des kontaktierenden Temperatursensors ist mit cs bezeichnet. Der Durchmesser des Wafers ist mit D gekennzeichnet. Der kontaktierende Temperatursensor liegt näher am Zentrum des Wafers bei X als die anderen Halter. Daher trägt der kontaktierende Temperatursensor mehr des Gewichts des Wafers als die Waferhalter 22a, 22b. Dies führt zu einer Erhöhung des Kontaktdrucks zwischen der Oberfläche des Wafers und der Kontaktfläche 3 des Sensors, was zu größerer thermischer Leitfähigkeit zwischen dem Sensor und dem Wafer führt. Dies führt wiederum zu kleinerem Temperaturverzug zwischen der tatsächlichen Temperatur des Wafers und der vom kontaktieren­ den Temperatursensor gelesenen Temperatur.

Fig. 8 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel. Bei diesem Ausführungsbei­ spiel umfaßt ein Sondenkopf 201 einen ebenen Scheibenabschnitt 202 und einen axialen Stiel 206, der sich vom Zentrum des Bodens des Scheibenab­ schnitts aus erstreckt. Der Sondenkopf wird von einem Quarzrohr 209 gehal­ ten, das einen sich verjüngenden Bereich 213 aufweist, dessen Durchmesser an seinem Ende 214 auf einen Durchmesser verringert ist, der kleiner als der Durchmesser des ebenen Scheibenabschnitts 202 des Sondenkopfs ist. So ruht der Boden des Scheibenabschnitts auf dem Rohrende 214, während sich der Stiel 206 in das Rohrende hinein erstreckt. Es ist zu beachten, daß die Passung zwischen dem Stiel 206 und dem Rohr an seinem Ende 214 etwas locker ist, so daß der Sondenkopf auf dem Rohrende 214 kippen kann, wenn das Gewicht eines Wafers auf ihm ruht. Abhängig davon, in welcher Richtung der Sondenkopf kippt, bewegt sich das Rotationszentrum in der Kipprichtung zu einem Punkt am Ende 214. Selbst wenn die Ausrichtung der Waferhalter exakt ist und die Oberfläche des Wafers vollkommen eben ist, so daß der Sondenkopf 201 nicht verkippt wird, existiert nur Linienkontakt zwischen dem Sondenkopf 201 und dem Halterohrende 214.

Fig. 9 zeigt noch ein anderes Ausführungsbeispiel. Bei diesem Ausführungs­ beispiel liegt ein Sondenkopf 301 in Form eines relativ ebenen Kugelab­ schnitts vor. Eine Kontaktfläche 303 und die ihr abgewandte Fläche 304 sind parallel zueinander. Die Außenkante 305 des Sondenkopfs 301 ist so abgerun­ det, daß das Zentrum C leicht über der Kontaktfläche 303 liegt. Der Son­ denkopfhalter ist ein vertikal ausgerichtetes Quarzrohr 309. Der Sondenkopf wird auf dem polierten Ende 310 des Rohrs 309 gehalten, wobei die abgerun­ dete Außenkante 305 der Sonde auf dem polierten Ende des Rohrs ruht. Bei dieser Anordnung kann der Sondenkopf unter dem Gewicht des Wafers frei auf dem Rohr so verkippen, daß die Kontaktfläche 303 koplanar zur Oberfläche des gehaltenen Wafers ausgerichtet wird.

Fig. 10 zeigt eine Wärmeabschirmung 50, die an der in Fig. 5 dargestellten zusammengebauten Kontakttemperatursonde/Waferhalter-Kombination angebracht ist. Die Wärmeabschirmung 50 kann von Vorteil sein, wenn die Sonde die Tendenz zeigt, sich schneller als der Wafer zu erwärmen, wenn sie Wärme­ strahlung bei einer Anordnung wie der in Fig. 6 dargestellten oder irgend­ einer anderen Anordnung unterworfen wird. Die Wärmeabschirmung 50 verfügt über Tassenform mit einem Loch 51 an ihrem Boden 52, das den Durchmesser des mittleren Abschnitts 11 des Sondenkopfhalters 9 aufweist. Die Wärmeab­ schirmung paßt so auf die kontaktierende Temperatursonde (wie darge­ stellt), daß das Loch um den mittleren Abschnitt 11 positioniert ist und der Boden 52 auf dem unteren Abschnitt 10 des Sondenkopfhalters 9 ruht.

In Fig. 11 ist das bevorzugte Ausführungsbeispiel des Sondenkopfs 61 darge­ stellt. Der Sondenkopf ist im wesentlichen scheibenförmig. Er verfügt über eine kontaktierende Oberseite 62 und eine kleinere Unterseite 63. Die Rand­ wand 64 zwischen der Oberseite 62 und der Unterseite 63 ist notwendigerwei­ se abgewinkelt. Dieser Winkel erhöht das Verhältnis der Kontaktfläche zur Wärmekapazität des kontaktierenden Temperatursondenkopfs. Wie es mit ge­ strichelten Linien dargestellt ist, existiert ein zentrisches, axiales Sackloch 65, das sich ausgehend von der Unterseite 63 erstreckt. Dieses Loch nimmt eine temperaturempfindliche Einrichtung wie ein Thermoelement auf. In der fertiggestellten Form ist dieses Loch durch einen Klemmvorgang, wie es beschrieben wird, um die temperaturempfindliche Einrichtung herum verkleinert.

In Fig. 12 ist eine kontaktierende Temperatursonde dargestellt. Der Sonden­ kopf 61 von Fig. 11 wird durch ein Quarzelement 66 gehalten. Das Quarzele­ ment 66 hat Rohrform, und sein distales Ende 66a ist geschlossen. Das Quarzrohr ist horizontal ausgerichtet. In der Rohrwand existiert eine Öff­ nung 66b mit erhöhter Lippe, die durch Bearbeiten des Quarzes hergestellt wurde. Die erhöhte Lippe der Öffnung 66b weist einen wesentlich kleineren Durchmesser auf als die Unterseite 63 der kontaktierenden Temperatursonde. Demgemäß kann der Sondenkopf 61 frei auf dieser erhöhten Lippe unter der Einwirkung des Gewichts eines Wafers verkippen. Auch ist der Kontakt zwi­ schen der Unterseite 63 des Sondenkopfs 61 und der erhöhten Lippe der Öff­ nung 66b entweder ein linien- oder punktförmiger Kontakt, was von der Aus­ richtung des Sondenkopfs 61 abhängt, und er weist daher relativ niedrige Wärmeleitfähigkeit auf. Drähte 67 (z. B. Thermoelementdrähte) von der tem­ peraturempfindlichen Einrichtung erstrecken sich ausgehend von der Öffnung 65 im Sondenkopf 61 durch die Öffnung 66B in das Quarzelement 66. Die Dräh­ te dienen, zusätzlich zum Weiterleiten des Temperatursignals, zum Halten des Sondenkopfs am Ort über der Öffnung 66B. Innerhalb des Quarzelements 66 liegt ein Rohr 68 aus rostfreiem Stahl, das sich von nahe der Öffnung 66B bis zum proximalen Ende des Rohrs 66C erstreckt. Innerhalb des Rohrs 68 aus rostfreiem Stahl befindet sich ein Keramikisolator 69 vom Typ, wie er all­ gemein für Thermoelemente verwendet wird. Am proximalen Ende erstreckt sich das Rohr aus rostfreiem Stahl aus dem Quarzelement 66 heraus. Der Keramik­ isolator 69 erstreckt sich bis über das proximale Ende des Rohrs aus rost­ freiem Stahl hinaus. Zum Abdichten zwischen dem Quarzelement 66, dem Rohr 68 aus rostfreiem Stahl und dem Keramikisolator 69 ist am proximalen Ende der Sonde Epoxidharz mit niedrigem Dampfdruck verwendet. Die Sonde kann dadurch in einen Plasmareaktor eingesetzt werden, daß eine Druckfassung seitens der Reaktorbefestigung am Quarzelement 66 verwendet wird, wie es in der Technik bekannt ist.

Die Kombination aus dem isolierenden Quarzelement 66 und dem Luftspalt zwischen dem Quarzelement und dem Rohr aus rostfreiem Stahl dient zum ther­ mischen Isolieren der Drähte der temperaturempfindlichen Einrichtung gegen das Plasma, und sie verhindert, daß die Drähte durch das Plasma elektrisch geladen werden. Das Rohr aus rostfreiem Stahl dient dazu, die Drähte der temperaturempfindlichen Einrichtung gegen durch das Plasma erzeugte elek­ tromagnetische Störungen abzuschirmen.

Nun erfolgt eine Beschreibung für ein Verfahren zum Herstellen von Sonden­ köpfen in geeigneter Weise, insbesondere zum Herstellen der in den Fig. 11 und 12 dargestellten Sondenköpfe. Die Figur zeigt eine Spanneinrichtung, die dazu geeignet ist, die in den Fig. 1, 8 dargestellten Sondenköpfe her­ zustellen.

In Fig. 13 ist eine zweiteilige Spanneinrichtung zum Halten eines noch nicht fertiggestellten oder Rohsondenkopfs, während er in einer Presse zusammengeklemmt wird, dargestellt. Der Rohsondenkopf verfügt grob über die Abmessungen des fertiggestellten Sondenkopfs und über beinahe dasselbe Metallvolumen. Der Rohsondenkopf hat Zylinderform, ohne sich verjüngende Wände, und er ist 1/3 höher als der fertiggestellte Sondenkopf. Der Rohson­ denkopf enthält das axiale Loch 65. Die Spanneinrichtung umfaßt einen Träger 70. Der Träger 70 verfügt an seiner Oberseite über eine Vertiefung 71, deren Tiefe die Höhe des fertiggestellten Sondenkopfs bestimmt. Am Boden der Vertiefung 71 befindet sich ein zentriertes Vertikalloch 72, das zu einer Radialnut 73 im Boden des Trägers 70 hinunterführt.

Der zweite Teil der Spanneinrichtung ist eine Unterlegscheibe 75. Die Un­ terlegscheibe 75 verfügt über eine Höhe, die der Tiefe der Vertiefung 71 im Träger entspricht, und über einen Außendurchmesser, der dem Innendurchmes­ ser der Vertiefung entspricht. Das Loch 76 in der Unterlegscheibe 75 ver­ jüngt sich, und es entspricht den Abmessungen des fertiggestellten Sonden­ kopfs.

Nun wird unter Bezugnahme auf Fig. 14 der Aufbau zum Stauchen des Sonden­ kopfs beschrieben. Die Unterlegscheibe 75 wird in den Träger 70 eingelegt.

Der noch nicht fertiggestellte Sondenkopf wird in das Loch 76 in der Unter­ legscheibe 75 so eingelegt, daß die Unterseite 63 nach unten zeigt und die temperaturempfindliche Einrichtung im Loch 65 verläuft und die Drähte sich durch das Loch 72 und die Nut 73 im Träger erstrecken.

Nun wird die Spanneinrichtung mit dem noch nicht fertiggestellten Sonden­ kopf und dem Thermoelement unter den Pressenstempel einer Presse 80 gelegt. Zwischen der Spanneinrichtung und dem Pressenstempel 80 wird ein Kalibrier­ block 78 angeordnet, der auf dem Sondenkopf 61 ruht.

Der Stauchvorgang wird dadurch ausgeführt, daß die Presse so betätigt wird, daß der Kalibrierblock gegen den Sondenkopf gedrückt wird, wodurch die Scheibe auf eine Dicke zusammengedrückt wird, die der Höhe der Vertie­ fung entspricht und die axiale Bohrung 65 auf das Thermoelement hin verengt wird. Dies erzeugt eine starke mechanische sowie gute Wärmeverbindung zwi­ schen dem Sondenkopf und dem Thermoelement, ohne daß dessen empfindlicher Aufbau zerstört wird.

Nach dem Stauchvorgang wird die Kontaktfläche 62 des Sondenkopfs auf ein glattes Finish hin endbearbeitet. Dies kann dadurch erzielt werden, daß mit Schleifpapier der Körnung 600 geschliffen wird.

BEISPIEL

Um die Funktionsfähigkeit des kontaktierenden Temperatursensors zu prüfen, wurde ein von Sensarray Corporation, Santa Clara, Kalifornien, USA herge­ stelltes Wafer mit der Handelsbezeichnung Sensarray^TM verwendet. Das Sens­ array-Wafer verfügt über in seine Oberfläche eingebettete Thermoelemente. Der Mittelwert der Ablesewerte der Thermoelemente am Sensarray-Wafer wurde als tatsächliche Temperatur des Wafers verwendet. Der Sensarray-Wafer wurde in eine Plasmaveraschungs-Verarbeitungskammer, wie in Fig. 6 dargestellt, eingesetzt. Bei diesem Test waren der kontaktierende Temperatursensor und die Waferhaltestifte aus Quarz symmetrisch angeordnet, so daß das Waferge­ wicht auf alle drei gleichmäßig verteilt war. Zum Beheizen des Wafers wur­ den Heizlampen verwendet, wie in Fig. 6 dargestellt. Wie es in Fig. 13 gezeigt ist, wurde die Temperatur des Wafers von 50°C bei t = 2 s auf 25°C bei t = 15 s mit einer kontanten Rate von ungefähr 13,5°C/s erhöht. Wie es aus dem Kurvenbild ersichtlich ist, folgte die von der kontaktierenden Temperatursonde gemessene Temperatur, wie durch die mit Dreiecken markierte Linie gezeigt, der Temperatur, wie sie mittels der Sensarray^TM-Thermoele­ mente während dieses Temperaturanstiegs abgelesen wurde. Nachdem die Tempe­ ratur stabilisiert war, trat eine kleine Abweichung von weniger als 10° auf.

Diese Ergebnisse sind viel besser als diejenigen, die im obenangegebenen US-Patent Nr. 5,106,200 mitgeteilt sind und die im Abschnitt zur hinter­ grundbildenden Technik erörtert sind, und zwar hinsichtlich des Punkts, wie eng die von der Sonde nachgefahrene Temperatur einem vorgegebenen Tempera­ turanstieg folgt. Die Anstiegsrate (Grad/Sekunde) ist höher, und die Abwei­ chung der Sondentemperatur von der tatsächlichen Temperatur ist kleiner.

Claims (20)

1. Kontaktierender Temperatursondenkopf (1; 201; 301), dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich seine Kontaktfläche im wesentlichen in Übereinstimmung mit einer Projektionsfläche dieses Sondenkopfs erstreckt und diese Projek­ tionsfläche der größten Projektionsfläche des Sondenkopfs entspricht oder nahezu entspricht.

2. Kontaktierende Temperatursonde (1; 201; 301) gekennzeichnet durch einen ebenen Kontaktabschnitt, eine ebene Kontaktfläche auf dem ebenen Kontaktabschnitt, einen Hohlraum (5) im ebenen Kontaktabschnitt und eine temperaturempfindliche Einrichtung (6a, 6b) in diesem Hohlraum.

3. Kontaktierende Temperatursonde mit einem Sondenkopf (1; 201; 301) und einem Sondenkopfhalter (2; 209; 309), dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Sondenkopf und dem Sondenkopfhalter punkt- oder linienförmiger Kontakt besteht.

4. Sonde nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausrichtung des Sondenkopfs (1; 201; 301) innerhalb eines bestimmten Raumwinkelbereichs unbeschränkt ist.

5. Kontaktierende Temperatursonde, gekennzeichnet durch:

• - einen kontaktierenden Temperatursondenkopf (1; 201; 301) mit einem ebenen Kontaktabschnitt, einer ebenen Kontaktfläche am ebenen Kontaktabschnitt, einem Hohlraum (5) im ebenen Kontaktabschnitt und einer temperaturempfind­ lichen Einrichtung (6a, 6b) innerhalb des Hohlraums; und
• - eine Einrichtung (2; 209; 309) zum Halten des Sondenkopfs, ohne seine Ausrichtung innerhalb eines bestimmten Raumwinkels zu beschränken, so daß die Sonde innerhalb dieses Raumwinkels frei schwenken kann.

6. Sonde nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sondenkopf (1; 201; 301) so gehaltert ist, daß er um ein Zentrum schwenkt, das näher an der Kontaktfläche liegt, als es der charakteristischen Abmessung der Kon­ taktfläche entspricht.

7. Sonde nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (2; 209; 309) zum Halten der Sonde (1; 201; 301) hohen Wärmewiderstand in bezug auf den Wärmewiderstand des Kontakts zwischen der Kontaktfläche und einem zu messenden Gegenstand aufweist.

8. Sonde nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmewider­ stand des Kontakts zwischen der Einrichtung (2; 209; 309) zum Halten der Sonde (1; 201; 301) und dem Sondenkopf größer als der Wärmewiderstand des Kontakts zwischen der Kontaktfläche und einem zu messenden Gegenstand ist.

9. Kontakttemperatursonde/Waferhalter-Kombination, gekennzeichnet durch einen Sondenkopf (1; 201; 301) mit einer temperaturempfindlichen Einrich­ tung (6a, 6b) und einem Sondenkopfhalter (2; 209; 309), wobei der Sonden­ kopf so vom Sondenkopfhalter gehaltert wird, daß zwischen diesen ein li­ nien- oder punktförmiger Kontakt ausgebildet ist.

10. Kombination nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Sonden­ kopf (201) einen ebenen Boden aufweist und der Sondenkopfhalter (209) ein Quarzrohr (213) mit einer Öffnung mit erhöhter Lippe aufweist und der Son­ denkopf auf der erhöhten Lippe gehaltert ist.

11. Kontakttemperatursonde/Waferhalter-Kombination, gekennzeichnet durch einen Sondenkopf (1; 201; 301), ein im Sondenkopf angebrachtes Thermoele­ ment (6a, 6b) und einen Sondenkopfhalter (2; 209; 309), der den Sondenkopf so haltert, daß dieser innerhalb eines bestimmten Raumwinkelbereichs frei schwenken kann.

12. Kontaktierender Temperatursondenkopf, gekennzeichnet durch eine tempe­ raturempfindliche Einrichtung (6a, 6b), eine im wesentlichen ebene Kontakt­ fläche, die im wesentlichen parallel zu einer bestimmten Projektionsebene verläuft und sich im wesentlichen gemeinsam mit einer projizierten Fläche des Sondenkopfs, die der bestimmten Projektionsebene entspricht, erstreckt, wobei sich die bestimmte Projektionsebene dadurch auszeichnet, daß die auf diese bestimmte Projektionsebene projizierte Fläche im wesentlichen die größte projizierte Fläche unter allen auf denkbare Projektionsebenen des Sondenkopfs projizierten Flächen ist.

13. Halbleiterbearbeitungsmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß ein bear­ beiteter Wafer an mehreren Punkten gehalten wird und an mindestens einem dieser Punkte eine kontaktierende Temperatursonde zu diesem Zweck verwendet wird, wobei dieser mindestens eine Punkt, an dem die kontaktierende Tempe­ ratursonde verwendet ist, näher am Zentrum (X) des Wafers als mindestens ein anderer der mehreren Punkte liegt.

14. Halbleiterbearbeitungsmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich­ net, daß der Wafer nur an drei Punkten gehalten wird.

15. Verfahren zum Herstellen eines kontaktierenden Temperatursondenkopfs (1; 201; 301) mit einer Kontaktfläche, einem zusammengedrückten Loch (5) und einer in diesem zusammengedrückten Loch liegenden temperaturempfindli­ chen Einrichtung (6a, 6b), gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

• - Herstellen eines Rohsondenkopfs mit dem Loch;
• - Einführen der temperaturempfindlichen Einrichtung in das Loch;
• - Ausüben einer Klemmkraft auf den Rohsondenkopf auf solche Weise, daß das Loch zusammengedrückt wird; und
• - Bearbeiten der Kontaktfläche.

16. Plasmabearbeitungsvorrichtung mit

• - einer temperaturempfindlichen Einrichtung, die in einer Plasmabearbei­ tungskammer der Plasmabearbeitungsvorrichtung liegt; und
• - Temperatursignalleitungen, die von der temperaturempfindlichen Einrich­ tung weg aus der Kammer herausführen;

gekennzeichnet durch:

• - eine elektrisch leitende Abschirmung, die um die Leitungen herum angeord­ net ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch eine elektrisch oder wärmemäßig isolierende Abschirmung (69) um die elektrisch leitende Abschirmung (68) herum.

18. Herstellvorrichtung für Halbleiterbauteile, mit

• - einer Einrichtung zum Halten eines Halbleiterwafers und
• - einer Einrichtung zum Zuführen von Wärme zum Halbleiterwafer;

dadurch gekennzeichnet, daß die Halteeinrichtung eine kontaktierende Tem­ peratursonde mit einem Sondenkopf (1; 201; 301) aufweist, der sich unter dem Gewicht des Wafers so selbstausrichtet, daß die Kontaktfläche koplanar zur Fläche des Wafers bleibt.