JP5341381B2

JP5341381B2 - Piezoelectric vibrator, temperature sensor, and temperature measuring method

Info

Publication number: JP5341381B2
Application number: JP2008100787A
Authority: JP
Inventors: 雄一町田
Original assignee: FUKUDA CRYSTAL LABORATORY LTD.
Current assignee: FUKUDA CRYSTAL LABORATORY LTD.
Priority date: 2008-04-08
Filing date: 2008-04-08
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2028-04-08
Also published as: JP2009250843A

Description

本発明は、温度測定センサに関し、特に、極低温から1300℃程度の高温までの広い温度範囲を一つの素子で測定可能な温度測定センサに関する。 The present invention relates to a temperature measurement sensor, and more particularly to a temperature measurement sensor capable of measuring a wide temperature range from a very low temperature to a high temperature of about 1300 ° C. with one element.

特開2007-171047号公報JP 2007-171047 A 特開2000-223993号公報JP 2000-223993 A WO/2006/106875WO / 2006/106875

（ウェハ温度の測定方法）
半導体プロセスにおけるウェハ温度の測定手段としては、熱電対や放射温度計が広く用いられている。図１２は、拡散や酸化工程に用いられる電気炉の断面図である。電気炉の本体である石英管１０１内のボート１０２上に複数のウェハ１０３を配列し、ヒータにより石英管１０１を加熱する。石英管１０１に挿入された熱電対１０４により石英管１０１内部の温度を測定し加熱温度を制御する。
熱電対は、接触させた異なる金属材料間に発生する熱起電力が温度依存性を持つことを利用して温度を測定するセンサである。素子間の特性のばらつきが少なく、熱起電力が安定で寿命が長いという利点があるが、測定可能な温度範囲が狭いという欠点がある。そのため、測定温度範囲によって熱電対を使い分けたり、広範囲の温度測定には複数種類の熱電対を使用する必要がある。また、図１２に示すように、熱電対は、石英管１０１の外部に配置された電圧測定装置１０６とリード線１０５による有線の接続が必要であり、複数のウェハに熱電対を接触させて温度を測定することが困難である。そのため、ウェハ間、ウェハ内での温度のばらつきを測定することができず、拡散温度や酸化温度の精密制御ができないという問題がある。
一方、放射温度計は、有線による測定装置との接続は不要であるが、熱電対と同様にウェハと非接触で測定するために正確な温度測定ができない。また、ウェハ間、ウェハ内での温度のばらつきを測定することができないという問題がある。
特許文献１には、ウェハを複数の領域に区分し、区分された各領域に表面弾性波素子を備えた温度センサを配置し、外部の通信装置と表面弾性波素子との無線通信によりウェハの温度測定を行う温度センサが開示されている。特許文献１に開示された温度センサは、表面弾性波素子として、La₃Ga₅SiO₁₄（ランガサイト）単結晶からなる振動板（圧電基板）を用い、その圧電特性の温度変化を利用して温度測定を行うものである。しかし、ランガサイトは、高温でCI値が変動し圧電特性が不安定になるため、測定可能な最高温度は1000℃程度である。そのため、半導体プロセスの中でも精密な温度制御が必要となる拡散や酸化など1000℃〜1300℃の高温工程で温度測定ができないという問題がある。
また、特許文献１に開示された表面弾性波素子は振動板の一方の面に対となる2枚の櫛型電極を配置した構造であるため、振動板の面積を小さくすることができず、温度センサの小型化が困難である。さらに、振動板の他に、整合回路とアンテナを備えているが、整合回路の耐熱性にも制限されて、高温領域での温度測定ができないという問題がある。実際に、特許文献１に記載された温度センサを使用するプロセスは、フォトリソグラフィー工程におけるプリベーキングやポストベーキングなど100℃〜200℃の比較的低い温度のプロセスであり、拡散や酸化工程のような高温プロセスではない。 (Wafer temperature measurement method)
Thermocouples and radiation thermometers are widely used as means for measuring the wafer temperature in semiconductor processes. FIG. 12 is a cross-sectional view of an electric furnace used for diffusion and oxidation processes. A plurality of wafers 103 are arranged on a boat 102 in a quartz tube 101 which is a main body of an electric furnace, and the quartz tube 101 is heated by a heater. The temperature inside the quartz tube 101 is measured by a thermocouple 104 inserted in the quartz tube 101 to control the heating temperature.
A thermocouple is a sensor that measures temperature by utilizing the temperature dependence of thermoelectromotive force generated between different metal materials in contact with each other. There are advantages in that there is little variation in characteristics between elements, the thermoelectromotive force is stable, and the lifetime is long, but there is a disadvantage that the measurable temperature range is narrow. Therefore, it is necessary to use different thermocouples depending on the measurement temperature range, or to use a plurality of types of thermocouples for a wide range of temperature measurements. In addition, as shown in FIG. 12, the thermocouple requires a wired connection with the voltage measuring device 106 arranged outside the quartz tube 101 and the lead wire 105, and the thermocouple is brought into contact with a plurality of wafers so that the temperature is reduced. Is difficult to measure. Therefore, there is a problem that the temperature variation between wafers and within the wafer cannot be measured, and the diffusion temperature and the oxidation temperature cannot be precisely controlled.
On the other hand, the radiation thermometer does not need to be connected to a wired measuring device, but cannot measure the temperature accurately because it measures in a non-contact manner with the wafer, like a thermocouple. In addition, there is a problem that temperature variations between wafers and within wafers cannot be measured.
In Patent Document 1, a wafer is divided into a plurality of regions, a temperature sensor including a surface acoustic wave element is disposed in each of the divided regions, and the wafer is separated by wireless communication between an external communication device and the surface acoustic wave element. A temperature sensor for measuring temperature is disclosed. The temperature sensor disclosed in Patent Document 1 uses a diaphragm (piezoelectric substrate) made of a single crystal of La ₃ Ga ₅ SiO ₁₄ (Langasite) as a surface acoustic wave element, and utilizes the temperature change of its piezoelectric characteristics. Temperature measurement is performed. However, in Langasite, the CI value fluctuates at high temperatures and the piezoelectric characteristics become unstable, so the maximum measurable temperature is about 1000 ° C. Therefore, there is a problem that temperature measurement cannot be performed in a high-temperature process of 1000 ° C. to 1300 ° C. such as diffusion and oxidation that require precise temperature control even in a semiconductor process.
In addition, since the surface acoustic wave element disclosed in Patent Document 1 has a structure in which two comb-shaped electrodes are arranged on one surface of the diaphragm, the area of the diaphragm cannot be reduced. It is difficult to downsize the temperature sensor. Furthermore, in addition to the diaphragm, a matching circuit and an antenna are provided. However, the heat resistance of the matching circuit is limited, and there is a problem that temperature measurement in a high temperature region cannot be performed. Actually, the process using the temperature sensor described in Patent Document 1 is a process at a relatively low temperature of 100 ° C. to 200 ° C., such as pre-baking and post-baking in a photolithography process, such as a diffusion or oxidation process. It is not a high temperature process.

（振動板の固定方法）
発振回路やセンサに用いる表面弾性波素子は、振動板に対しパーティクルの付着や振動板材料の変質により振動特性が変化しないように、一般に、振動板を容器に気密封止して使用する。振動板を容器に固定する従来の方法について、図１３(a)、(b)に断面図を示す表面弾性波素子の構造を用い説明する。図１３(a)に示す構造は、振動板１１３が容器本体１１１に対して、振動板の両端（接続部１１５と接続部１１６）において容器に固定されている。また、特許文献２に開示された圧電振動子は、図１３(b)に示すように、振動板１２３が容器本体１２１に対して、振動板の一端（接続部１２５）において容器に固定されている。振動板と容器の接着方法として、特許文献２では半田による接着が記載されており、他にも、金属バネや導電性接着剤で固定する方法が知られている。しかし、1000〜1300℃の高温領域で使用するためには、金属バネは高温での保持力が低下する問題があり、半田や導電性接着材は耐熱性に欠けるという問題がある。また、振動板を振動板と異なる材料の容器に振動板の一端又は両端において固定する構造では、振動板と容器の熱膨張率の差によって振動板に熱応力が発生するために、振動周波数が変動し、正確な温度の測定ができなくなる問題がある。導電性接着材を用いる場合は、熱応力が接着条件にも依存してくるので、正確な温度測定がより困難になる。 (How to fix the diaphragm)
In general, a surface acoustic wave element used for an oscillation circuit or a sensor is used by hermetically sealing a diaphragm to a container so that vibration characteristics do not change due to adhesion of particles to the diaphragm or alteration of diaphragm material. A conventional method for fixing the vibration plate to the container will be described using the structure of the surface acoustic wave device shown in cross-sectional views in FIGS. In the structure shown in FIG. 13 (a), the diaphragm 113 is fixed to the container at both ends (connecting portion 115 and connecting portion 116) of the diaphragm with respect to the container body 111. Further, in the piezoelectric vibrator disclosed in Patent Document 2, as shown in FIG. 13B, the diaphragm 123 is fixed to the container with respect to the container body 121 at one end (connecting portion 125) of the diaphragm. Yes. As a method for bonding the diaphragm and the container, Patent Document 2 describes bonding by solder, and other methods are known in which the plate is fixed with a metal spring or a conductive adhesive. However, in order to use in a high temperature region of 1000 to 1300 ° C., the metal spring has a problem that the holding power at a high temperature is lowered, and the solder and the conductive adhesive have a problem that the heat resistance is insufficient. In the structure in which the diaphragm is fixed to a container made of a material different from that of the diaphragm at one or both ends of the diaphragm, thermal stress is generated in the diaphragm due to the difference in thermal expansion coefficient between the diaphragm and the container. It fluctuates and there is a problem that accurate temperature measurement cannot be performed. When a conductive adhesive is used, accurate temperature measurement becomes more difficult because the thermal stress also depends on the bonding conditions.

（容器、導電性部材の材料）
圧電振動子を用いた温度センサの容器は、一般に、金属ハーメティックやセラミックスが用いられている。しかし、金属ハーメティックは高温で軟化するなど耐熱性に問題があり、セラミックスは気孔を数％有するために外気遮断性に欠け、外気の条件によって結晶材料が変質する可能性がある。
また、圧電振動子に取り付ける電極やリード線、端子などの導電性部材として金や銀を用いる場合、金の融点が1064℃、銀の融点が961℃であるため、1100〜1300℃の高温領域では使用できないという問題がある。 (Material for containers and conductive members)
In general, a metal sensor or ceramics is used for a container of a temperature sensor using a piezoelectric vibrator. However, metal hermetics have a problem in heat resistance, such as softening at high temperatures, and ceramics have a few percent of pores, and thus lack the ability to block outside air, and there is a possibility that the crystalline material may be altered depending on the conditions of the outside air.
Also, when using gold or silver as a conductive member such as an electrode, lead wire, or terminal to be attached to the piezoelectric vibrator, the melting point of gold is 1064 ° C and the melting point of silver is 961 ° C. There is a problem that cannot be used.

本発明は、1000℃〜1300℃の高温領域でも高精度の温度測定が可能で、測定対象物に取り付け、測定装置に無線で測定データを送信することが可能で、さらに、極低温、高温、真空、高圧などの過酷な環境下でも使用可能な温度センサを提供することを目的とする。 The present invention enables high-precision temperature measurement even in a high temperature region of 1000 ° C. to 1300 ° C., can be attached to a measurement object, and can transmit measurement data wirelessly to a measurement device. An object of the present invention is to provide a temperature sensor that can be used in harsh environments such as vacuum and high pressure.

本発明（１）は、ランタン、ガリウム、及び、アルミニウムのすべての元素を含み、さらに、タンタル、及び／又は、ニオブを含むランガサイト構造を有する酸化物結晶からなる圧電振動子とコイルとからなる共振回路を備え、前記共振回路の共振周波数が温度変化に応じて変化することを利用する温度センサであって、
容器が容器本体と蓋とからなり、前記圧電振動子が前記容器本体に固定され、前記コイルが前記蓋に固定された構造であり、
前記圧電振動子を構成する振動板が、外側板と、内側板と、前記外側板と前記内側板を接続する支持部とからなり、前記外側板と前記内側板が、前記内側板の周囲に形成された前記振動板を貫通する溝により、前記支持部を除き、隔てられ、
前記圧電振動子と前記コイル、及び、前記圧電振動子と前記コイルを電気的に接続する導電性部材が、容器の内部に気密封止され、前記外側板を介して前記圧電振動子が前記容器に固定されていることを特徴とする温度センサである。
本発明（２）は、前記圧電振動子と前記コイル、及び、前記圧電振動子と前記コイルを電気的に接続する導電性部材が、前記容器、及び、前記容器の外側に設けられた石英管の内部に気密封止され、前記圧電振動子が容器の内部に配置され、前記コイルが前記石英管の内部に配置された構造であることを特徴とする請求項１記載の温度センサである。
本発明（３）は、前記容器の内壁部における前記コイルを除く部分の一部又は全部を、白金、イリジウム、ロジウム、及び、パラジウムからなる元素群の中から選択された1種類の元素からなる単体金属、又は、2種類以上の元素からなる合金によりコーティングした構造であることを特徴とする請求項１又は２記載の温度センサである。
本発明（４）は、前記容器が、容器本体と蓋とからなり、前記容器本体と前記蓋がシリコン単結晶からなり、前記容器本体と前記蓋を接合する接合部にシリコンゲルマニウム合金からなる薄膜が形成された請求項１乃至３のいずれか1項記載の温度センサである。
本発明（５）は、前記容器本体と前記蓋の間にゲルマニウムからなる薄膜を挟着して加熱することにより、前記容器本体と前記蓋を構成するシリコン単結晶と前記薄膜を構成するゲルマニウムを反応させ、前記容器本体と前記蓋の間にシリコンゲルマニウム合金からなる薄膜を形成することにより気密封止を行うことを特徴とする請求項４記載の温度センサである。
本発明（６）は、前記圧電振動子と前記コイルを封入する容器が、容器本体と蓋とからなり、前記容器本体と前記蓋が石英からなり、前記容器本体と前記蓋を構成する石英を加熱融合することにより気密封止を行う請求項１乃至３のいずれか1項記載の温度センサである。
本発明（７）は、前記電極、前記コイル、及び、前記導電性部材の材料が、白金、イリジウム、ロジウム、及び、パラジウムからなる元素群の中から選択された1種類の元素からなる単体金属、又は、2種類以上の元素からなる合金であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか1項記載の温度センサである。
本発明（８）は、前記容器の内部の雰囲気が、真空、又は、不活性ガスであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか1項記載の温度センサである。
本発明（９）は、測定対象物に接触し、温度測定装置と非接触となるように配置され、前記温度測定装置から送信される電磁波を受信し、前記電磁波に対する反射波を前記温度測定装置に送り返し、前記反射波の変化を検出することにより前記測定対象物の温度を測定する請求項１乃至８のいずれか1項記載の温度センサである。
本発明（１０）は、測定対象物がウェハであり、測定対象ウェハ、又は、測定専用ウェハに埋め込まれたことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか1項記載の温度センサである。
本発明（１１）は、前記測定対象ウェハ、又は、前記測定専用ウェハに、アンテナを埋め込んだウェハを接触させて温度を測定することを特徴とする請求項１０記載の温度センサである。
本発明（１２）は、請求項１乃至１１のいずれか1項記載の温度センサと、該温度センサに対し無線で高周波信号を送信／受信して、該信号である周波数の変化を分析することにより測定温度を求める送受信装置とからなる温度測定システムである。
本発明（１３）は、請求項１２記載の温度測定システムを用いて測定対象物の温度を測定する温度測定方法である。
本発明（１４）は、請求項１２記載の温度測定システムを用いてウェハの温度制御及び／又は温度管理を行う半導体装置の製造装置である。
本発明（１５）は、請求項１２記載の温度測定システムを用いてウェハの温度制御及び／又は温度管理を行う半導体装置の製造方法である。 The present invention (1) comprises a piezoelectric vibrator and a coil comprising an oxide crystal having a langasite structure containing all elements of lanthanum, gallium, and aluminum, and further containing tantalum and / or niobium. A temperature sensor comprising a resonance circuit and utilizing the fact that the resonance frequency of the resonance circuit changes according to a temperature change,
Container consists of a container body and the lid, the piezoelectric vibrator is fixed to the container body, Ri structures der which the coil is fixed to the lid,
The diaphragm constituting the piezoelectric vibrator includes an outer plate, an inner plate, and a support portion that connects the outer plate and the inner plate, and the outer plate and the inner plate are disposed around the inner plate. By the groove that penetrates the formed diaphragm, it is separated, except for the support part,
A conductive member that electrically connects the piezoelectric vibrator and the coil, and the piezoelectric vibrator and the coil is hermetically sealed inside a container, and the piezoelectric vibrator is connected to the container via the outer plate. a temperature sensor characterized that you have been fixed.
The present invention ( 2 ) includes a quartz tube in which the piezoelectric vibrator and the coil, and a conductive member that electrically connects the piezoelectric vibrator and the coil are provided outside the container and the container. 2. The temperature sensor according to claim 1 , wherein the temperature sensor is hermetically sealed, wherein the piezoelectric vibrator is arranged inside a container, and the coil is arranged inside the quartz tube.
According to the present invention ( 3 ), a part or all of a portion of the inner wall portion of the container excluding the coil is made of one element selected from the group consisting of platinum, iridium, rhodium, and palladium. 3. The temperature sensor according to claim 1 , wherein the temperature sensor has a structure coated with a single metal or an alloy composed of two or more elements.
According to the present invention ( 4 ), the container is composed of a container body and a lid, the container body and the lid are composed of a silicon single crystal, and a thin film composed of a silicon germanium alloy at a joint portion for joining the container body and the lid. The temperature sensor according to any one of claims 1 to 3 , wherein is formed.
According to the present invention ( 5 ), a thin film made of germanium is sandwiched between the container main body and the lid and heated, whereby the silicon single crystal constituting the container main body and the lid and the germanium constituting the thin film are obtained. 5. The temperature sensor according to claim 4 , wherein the temperature sensor is hermetically sealed by forming a thin film made of a silicon germanium alloy between the container body and the lid.
In the present invention ( 6 ), the container enclosing the piezoelectric vibrator and the coil is composed of a container body and a lid, the container body and the lid are composed of quartz, and the quartz constituting the container body and the lid is composed of 4. The temperature sensor according to claim 1 , wherein the temperature sensor is hermetically sealed by heat fusion.
In the present invention ( 7 ), the material of the electrode, the coil, and the conductive member is a single metal composed of one element selected from the group consisting of platinum, iridium, rhodium, and palladium. The temperature sensor according to any one of claims 1 to 6 , wherein the temperature sensor is an alloy composed of two or more kinds of elements.
The present invention ( 8 ) is the temperature sensor according to any one of claims 1 to 7 , wherein the atmosphere inside the container is a vacuum or an inert gas.
The present invention ( 9 ) is arranged so as to be in contact with the measurement object and not in contact with the temperature measuring device, to receive the electromagnetic wave transmitted from the temperature measuring device, and to transmit the reflected wave with respect to the electromagnetic wave to the temperature measuring device. The temperature sensor according to any one of claims 1 to 8 , wherein the temperature of the object to be measured is measured by sending back to the apparatus and detecting a change in the reflected wave.
The present invention ( 10 ) is the temperature sensor according to any one of claims 1 to 8 , wherein the measurement object is a wafer and is embedded in the measurement object wafer or the measurement-dedicated wafer.
The present invention (11), the measurement target wafer, or, in the measurement only wafer, a temperature sensor according to claim 1 0, wherein the contacting the wafer with an embedded antenna for measuring the temperature.
According to the present invention ( 12 ), the temperature sensor according to any one of claims 1 to 11 , and a radio frequency signal is transmitted / received wirelessly to the temperature sensor to analyze a change in frequency as the signal. It is a temperature measurement system which consists of a transmission / reception apparatus which calculates | requires measurement temperature by this.
The present invention (13) is a temperature measuring method for measuring the temperature of the object to be measured using the temperature measuring system according to claim 1 wherein.
The present invention (14) is an apparatus for manufacturing a semiconductor device which performs temperature control and / or temperature control of the wafer by using the temperature measuring system according to claim 1 wherein.
The present invention (15) is a method for manufacturing a semiconductor device which performs temperature control and / or temperature control of the wafer by using the temperature measuring system according to claim 1 wherein.

本発明（１）によれば、LTGAからなる振動板を用いているために、極低温から高温までの広い温度範囲で安定した発振動作を行うことが可能である。また、容器に固定された外側板と支持部により接続された内側板との間に熱膨張率の差がないために、高温領域でも熱応力による圧電特性の変化が少ない。
また、圧電振動子とコイルだけからなる温度センサとすることにより温度センサの小型化が可能になる。
容器に固定された外側板と支持部により接続された内側板との間に熱膨張率の差がないために、高温においても高精度の温度測定が可能である。
振動板に対するパーティクルの付着や外気との接触による変質を防ぐことができ、振動特性の長期信頼性が向上する。また、圧電振動子、コイル、導電性部材をすべて容器の中に封止することにより、容器外部へのパーティクルの放出を防止することができる。
振動板を容器本体に固定し、コイルを蓋に固定することにより、温度センサの小型化、組み立て作業性の向上に効果がある。
本発明（２）によれば、アンテナとして機能するコイルを容器の外側に設けることにより、温度センサから発せられる信号を効率的に外部の送受信装置で受信することが可能になる。
本発明（３）によれば、温度センサの容器内壁にコーティングした導電性膜がアースカバーとして機能するので、温度センサから発せられる信号に対するノイズの低減に効果がある。
本発明（４）によれば、一般的な半導体ウェハ材料であるシリコンと同じ材料で容器を作製することにより、ウェハに直接取り付けても汚染や熱応力の発生などの問題が生じない。外気遮断性も良好である。
本発明（５）によれば、薄膜の挿入、加熱により容易に容器本体と蓋の気密封止が可能である。
本発明（６）によれば、半導体ウェハ上に形成される一般的な薄膜材料である石英と同じ材料で容器を作製することにより、ウェハに直接取り付けても汚染や熱応力の発生などの問題が生じない。外気遮断性も良好である。また、加熱融合により容易に容器本体と蓋の気密封止が可能である。
本発明（７）によれば、白金族元素は融点が高いため1000〜1300℃の高温領域でも溶融することがなく、伝導率も高いので配線抵抗の低減にも効果がある。
本発明（８）によれば、酸素などの活性ガスによる振動板の変質を防止することが可能になる。
本発明（９）、（１２）、（１３）によれば、小型の温度センサを測定対象物に直接取り付けて、無線通信により測定データを収集することが可能である。また、収集したデータはデジタルデータ処理が可能である。そのため、温度のばらつきを測定して高精度の温度制御を行ったり、温度の経時変化を自動的に記録してプロセス管理をすることが可能である。また、一つの測定対象物に対し複数の製造装置による熱処理を連続して行う場合に測定対象物に温度センサを取り付けておくことにより、測定対象物の熱履歴を記録することも可能になる。
本発明（１０）によれば、熱伝導のばらつきによる測定誤差を低減できるので温度測定精度が向上する。
本発明（１１）によれば、温度センサから発せられる信号の受信感度が向上するので、より安定したSN比の高い高精度の温度測定が可能になる。
本発明（１４）、（１５）によれば、小型の温度センサをウェハに直接取り付けて、無線通信により測定データを収集することが可能である。また、収集したデータはデジタルデータ処理が可能である。そのため、温度のばらつきを測定して高精度の温度制御を行ったり、温度の経時変化を自動的に記録してプロセス管理をすることが可能である。また、一つのウェハに対し複数の製造装置による熱処理を連続して行う場合にウェハに温度センサを取り付けておくことにより、ウェハの熱履歴を記録することも可能になる。 According to the present invention (1 ), since the diaphragm made of LTGA is used, stable oscillation operation can be performed in a wide temperature range from extremely low temperature to high temperature. In addition, since there is no difference in thermal expansion coefficient between the outer plate fixed to the container and the inner plate connected by the support portion, the change in piezoelectric characteristics due to thermal stress is small even in a high temperature region .
Also, it is possible to miniaturize the temperature sensor by the temperature sensor consisting of only the coil and the piezoelectric vibrator.
Since there is no difference in thermal expansion coefficient between the fixed outer plate and the container and the support portion by the connected inner side plate, it is possible to temperature measurement also with high accuracy at high temperatures.
Deterioration due to contact with adhesion and external air of particles against vibration plate can be prevented, thereby improving the long-term reliability of the vibration characteristics. Further, by sealing all of the piezoelectric vibrator, coil, and conductive member in the container, it is possible to prevent particles from being released to the outside of the container .
The vibration rotation plate fixed to the container body, by fixing the coil to the lid, the miniaturization of the temperature sensor is effective in improving the assembling workability.
According to the present invention ( 2 ), by providing the coil functioning as an antenna outside the container, it is possible to efficiently receive a signal emitted from the temperature sensor by an external transmission / reception device.
According to the present invention ( 3 ), the conductive film coated on the inner wall of the temperature sensor functions as a ground cover, which is effective in reducing noise with respect to a signal emitted from the temperature sensor.
According to the present invention ( 4 ), since the container is made of the same material as silicon, which is a general semiconductor wafer material, problems such as contamination and generation of thermal stress do not occur even if the container is directly attached to the wafer. The outside air blocking property is also good.
According to the present invention ( 5 ), the container body and the lid can be hermetically sealed easily by inserting and heating the thin film.
According to the present invention ( 6 ), the container is made of the same material as quartz, which is a general thin film material formed on a semiconductor wafer, so that problems such as contamination and generation of thermal stress occur even when directly attached to the wafer. Does not occur. The outside air blocking property is also good. In addition, the container body and the lid can be hermetically sealed easily by heat fusion.
According to the present invention ( 7 ), since the platinum group element has a high melting point, it is not melted even in a high temperature region of 1000 to 1300 ° C., and its conductivity is high, so that it is effective in reducing wiring resistance.
According to the present invention ( 8 ), it is possible to prevent the diaphragm from being altered by an active gas such as oxygen.
According to the present invention ( 9 ), (1 2 ), (1 3 ), it is possible to directly attach a small temperature sensor to a measurement object and collect measurement data by wireless communication. The collected data can be digitally processed. Therefore, it is possible to perform temperature control with high accuracy by measuring variations in temperature, or to manage the process by automatically recording changes with time in temperature. In addition, when a heat treatment is continuously performed on a single measurement target by a plurality of manufacturing apparatuses, a thermal history of the measurement target can be recorded by attaching a temperature sensor to the measurement target.
According to the present invention (1 0 ), measurement errors due to variations in heat conduction can be reduced, so that temperature measurement accuracy is improved.
According to the present invention (1 1 ), since the reception sensitivity of the signal emitted from the temperature sensor is improved, it is possible to perform a more accurate temperature measurement with a higher stable SN ratio.
According to the present invention (1 4 ) and ( 15 ), it is possible to attach a small temperature sensor directly to the wafer and collect measurement data by wireless communication. The collected data can be digitally processed. Therefore, it is possible to perform temperature control with high accuracy by measuring variations in temperature, or to manage the process by automatically recording changes with time in temperature. In addition, when heat treatment is continuously performed on a single wafer by a plurality of manufacturing apparatuses, a thermal history of the wafer can be recorded by attaching a temperature sensor to the wafer.

以下、本発明の最良形態について説明する。
本願発明者は、さまざまな結晶材料からなる圧電振動子を評価、検討した結果、ガレート単結晶、特に、LTGA（ランタン酸タンタル酸ガリウムアルミニウム）と呼ばれるランタン、ガリウム、及び、アルミニウムのすべての元素を含み、さらに、タンタル、及び／又は、ニオブを含むランガサイト構造を有する酸化物結晶を用いると、常温から1000〜1300℃の高温までの広い温度範囲で安定した発振動作を示し、高温領域での精密な温度測定に用いることが可能であることを見出した。さらに、LTGAは、液体窒素温度（−196℃）や液体ヘリウム温度（−270℃）においても安定した発振動作を示すことが確認され、極低温から高温までの広い温度範囲での温度測定が可能であることがわかった。
LTGAはガリウムを多く含む酸化物であるガレート結晶の一種で、その製造方法は、特許文献３に開示されている。LTGAの中でも、特に、La₃Ta_0.5Ga_5.3Al_0.2O₁₄、及び、La₃Nb_0.5Ga_5.3Al_0.2O₁₄が高温でも安定動作が可能な圧電振動子の材料として優れていることがわかった。
LTGA（La₃Ta_0.5Ga_5.3Al_0.2O₁₄）の主な物理特性は以下の通りである。
比重：6.10
結晶系：三方晶系
格子定数：a = b = 8.20, c = 5.10
融点：1470℃
電気機械結合係数k²：0.4
最高使用可能温度：1300℃ The best mode of the present invention will be described below.
As a result of evaluating and examining piezoelectric vibrators made of various crystal materials, the inventor of the present application has found that all elements of gallate single crystal, in particular, lanthanum, gallium, and aluminum called LTGA (gallium aluminum tantalate lanthanate) are included. In addition, when an oxide crystal having a langasite structure containing tantalum and / or niobium is used, a stable oscillation operation is exhibited in a wide temperature range from room temperature to a high temperature of 1000 to 1300 ° C. It was found that it can be used for precise temperature measurement. In addition, LTGA has been confirmed to show stable oscillation even at liquid nitrogen temperatures (-196 ° C) and liquid helium temperatures (-270 ° C), enabling temperature measurement in a wide temperature range from extremely low to high temperatures. I found out that
LTGA is a kind of gallate crystal that is an oxide containing a large amount of gallium, and its manufacturing method is disclosed in Patent Document 3. Among LTGAs, especially La ₃ Ta _0.5 Ga _5.3 Al _0.2 O ₁₄ and La ₃ Nb _0.5 Ga _5.3 Al _0.2 O ₁₄ were found to be excellent as piezoelectric vibrator materials capable of stable operation even at high temperatures. .
The main physical characteristics of LTGA (La ₃ Ta _0.5 Ga _5.3 Al _0.2 O ₁₄ ) are as follows.
Specific gravity: 6.10
Crystalline system: Trigonal lattice constant: a = b = 8.20, c = 5.10
Melting point: 1470 ° C
Electromechanical coupling coefficient k ² : 0.4
Maximum usable temperature: 1300 ℃

図８は、各種圧電結晶材料の比較表である。本発明の圧電振動子材料であるLTGAに対し比較を行った材料は、水晶、PZT（セラミックス）、LN（ニオブ酸リチウム）、LGS（La₃Ga₅SiO₁₄、ランガサイト）である。図７に示されるように、LTGAは、水晶と比較して電気機械結合係数が大きく、発振特性に優れている。また、PZT、LN、LGSと比較して圧電発振のエージング特性が安定で素子の信頼性が高い。さらに、使用可能な最高温度が、水晶、PZT、LNがせいぜい300℃まで、LGSでも1000℃までであるのに対し、LTGAは、600℃付近までCI値の変化が観察されず、約1300℃でも安定した圧電動作を行うことが確認されている。 FIG. 8 is a comparison table of various piezoelectric crystal materials. The materials compared with LTGA which is the piezoelectric vibrator material of the present invention are quartz, PZT (ceramics), LN (lithium niobate), and LGS (La ₃ Ga ₅ SiO ₁₄ , langasite). As shown in FIG. 7, LTGA has a larger electromechanical coupling coefficient than quartz and has excellent oscillation characteristics. Compared with PZT, LN, and LGS, the aging characteristics of piezoelectric oscillation are stable and the reliability of the element is high. Furthermore, the maximum usable temperature is at most 300 ° C for quartz, PZT, and LN, and up to 1000 ° C for LGS, whereas LTGA does not observe a change in CI value near 600 ° C, and is about 1300 ° C. However, it has been confirmed that stable piezoelectric operation is performed.

（温度センサの構造の第一の具体例）
図１(a)乃至(c)は、本発明の温度センサの実施の形態に係る第一の具体例の平面図である。温度センサは、振動板４、コイル８、振動板４とコイル８を電気的に接続する導電性部材をすべて容器本体１と蓋７とからなる容器に収納した構造を持つ。温度センサを構成する回路要素をすべて容器内に収納することにより、測定対象物に対する温度センサから発生するパーティクルの付着を防止できる。図１(a)は、容器本体１の平面図である。振動板４に取り付けられた電極と容器本体１に取り付けられた外部端子２、３がリード線５、６により接続されている。図１(b)は、蓋７の平面図である。蓋７上にはコイル８が形成されている。例えば、白金などの高融点金属からなる薄膜をスパッター等の方法で形成することにより、コイル８を形成する。コイル８の両端と外部端子５、６は図示しないリード線により接続される。
容器は、振動板等を収納してから、容器本体１と蓋７を溶融することにより内部を気密封止する。容器内の雰囲気は、真空、又は、N₂、Ar、He、Xe等の不活性ガスとすることが好ましい。振動板の変質による振動特性の変化を防止することが可能である。
振動板を収納する容器本体、及び、蓋の材料は、シリコン単結晶、又は、石英を用いるのが好ましい。シリコンは融点が1414℃であり、高温領域での温度測定が可能になる。
図１(c)は、振動板の平面図である。電極１４、１５、リード線５、６、外部端子２、３からなる導電性部材とコイル８の材料は、白金、イリジウム、ロジウム、及び、パラジウムからなる元素群の中から選択された1種類の元素からなる単体金属、又は、2種類以上の元素からなる合金を用いるのが好ましい。融点が高いために1000〜1300℃の高温でも溶融することがなく、また、電気伝導度が高いので配線抵抗を小さくできる。
振動板９は、外側板１１、内側板１２、支持部１３からなり、外側板１１と内側板１２が支持部１３により接続され、溝１０により隔てられた構造とするのが好ましい。電極１４、１５は外側板１１上に取り付けられ、また、振動板９は容器本体に対し、外側板１１を介して固定される。このような構造では、内側板は外部から受ける熱応力をほとんど受けない。また、内側板と直接接触している支持部１３も内側板と同じ熱膨張率の材料である。そのため、高温領域でも熱応力による圧電特性の変化が少なく、温度センサとして圧電振動子を用いる場合は、高温でも高精度の温度測定が可能である。 (First specific example of temperature sensor structure)
FIGS. 1A to 1C are plan views of a first specific example according to the embodiment of the temperature sensor of the present invention. The temperature sensor has a structure in which a diaphragm 4, a coil 8, and a conductive member that electrically connects the diaphragm 4 and the coil 8 are all housed in a container composed of a container body 1 and a lid 7. By storing all the circuit elements constituting the temperature sensor in the container, it is possible to prevent adhesion of particles generated from the temperature sensor to the measurement object. FIG. 1A is a plan view of the container body 1. The electrodes attached to the diaphragm 4 and the external terminals 2 and 3 attached to the container body 1 are connected by lead wires 5 and 6. FIG. 1B is a plan view of the lid 7. A coil 8 is formed on the lid 7. For example, the coil 8 is formed by forming a thin film made of a refractory metal such as platinum by a method such as sputtering. Both ends of the coil 8 and the external terminals 5 and 6 are connected by lead wires (not shown).
The container is hermetically sealed by melting the container body 1 and the lid 7 after housing the diaphragm and the like. The atmosphere in the container is preferably a vacuum or an inert gas such as N ₂ , Ar, He, Xe. It is possible to prevent a change in vibration characteristics due to the alteration of the diaphragm.
It is preferable to use a silicon single crystal or quartz as the material of the container main body and the lid for housing the diaphragm. Silicon has a melting point of 1414 ° C., and temperature measurement in a high temperature region becomes possible.
FIG. 1C is a plan view of the diaphragm. The conductive member composed of the electrodes 14 and 15, the lead wires 5 and 6, the external terminals 2 and 3 and the material of the coil 8 are one kind of material selected from the group of elements composed of platinum, iridium, rhodium and palladium. It is preferable to use a single metal composed of an element or an alloy composed of two or more elements. Since the melting point is high, it does not melt even at a high temperature of 1000 to 1300 ° C., and since the electrical conductivity is high, the wiring resistance can be reduced.
The diaphragm 9 is preferably composed of an outer plate 11, an inner plate 12, and a support portion 13, and the outer plate 11 and the inner plate 12 are connected by the support portion 13 and separated by the groove 10. The electrodes 14 and 15 are mounted on the outer plate 11, and the diaphragm 9 is fixed to the container body via the outer plate 11. In such a structure, the inner plate receives little thermal stress from the outside. Further, the support portion 13 that is in direct contact with the inner plate is also a material having the same thermal expansion coefficient as that of the inner plate. For this reason, there is little change in piezoelectric characteristics due to thermal stress even in a high temperature region, and when a piezoelectric vibrator is used as a temperature sensor, highly accurate temperature measurement is possible even at high temperatures.

（温度センサの構造の第二の具体例）
図２(a)及び(b)は、本発明の温度センサの実施の形態に係る第二の具体例の断面図である。図２(a)は、気密封止前の断面図であり、図２(b)は、気密封止後の断面図である。容器本体２１と蓋２６の材料はシリコン単結晶である。溝３０を備えた振動板２３は容器本体２１に取り付けられている。蓋２５上にはコイル２６が形成されている。容器本体２１は、3段構造になっており、振動板２３は、外側板を介して容器に取り付けられる。内側板は、容器の凹部２９上に配置されるので容器と直接接触することはない。外側板上に配置された電極と外部端子２２をリード線２４により接続し、外部端子２２とコイル２６をリード線２８により接続する。さらに、ゲルマニウム薄膜２７を容器本体２１上に置き、蓋２５をゲルマニウム薄膜２７の上に置き、加熱する。加熱により、シリコンとゲルマニウムが反応してシリコンゲルマニウム合金薄膜３１が形成され、容器本体２１と蓋２５が融合し、容器が気密封止される（図２(b)）。 (Second specific example of temperature sensor structure)
2A and 2B are cross-sectional views of a second specific example according to the embodiment of the temperature sensor of the present invention. 2A is a cross-sectional view before hermetic sealing, and FIG. 2B is a cross-sectional view after hermetic sealing. The material of the container body 21 and the lid 26 is a silicon single crystal. The diaphragm 23 provided with the groove 30 is attached to the container main body 21. A coil 26 is formed on the lid 25. The container body 21 has a three-stage structure, and the diaphragm 23 is attached to the container via an outer plate. Since the inner plate is disposed on the recess 29 of the container, it does not come into direct contact with the container. The electrode disposed on the outer plate and the external terminal 22 are connected by a lead wire 24, and the external terminal 22 and the coil 26 are connected by a lead wire 28. Further, the germanium thin film 27 is placed on the container body 21, and the lid 25 is placed on the germanium thin film 27 and heated. By heating, silicon and germanium react to form a silicon germanium alloy thin film 31, the container body 21 and the lid 25 are fused, and the container is hermetically sealed (FIG. 2 (b)).

（温度センサの構造の第三の具体例）
図２(c)は、本発明の温度センサの実施の形態に係る第三の具体例の断面図である。容器本体３２と蓋３６の材料は石英である。溝４０を備えた振動板３４は容器本体３２に取り付けられている。蓋３６上にはコイル３７が形成されている。外側板上に配置された電極と外部端子３３をリード線３５により接続し、外部端子３５とコイル３７をリード線３８により接続する。さらに、容器本体３２上に蓋３６を置き、加熱する。加熱により、容器本体３２と蓋３６が融合し、容器が気密封止される（図２(c)）。 (Third example of temperature sensor structure)
FIG.2 (c) is sectional drawing of the 3rd example based on embodiment of the temperature sensor of this invention. The material of the container body 32 and the lid 36 is quartz. The diaphragm 34 provided with the groove 40 is attached to the container main body 32. A coil 37 is formed on the lid 36. The electrode arranged on the outer plate and the external terminal 33 are connected by a lead wire 35, and the external terminal 35 and the coil 37 are connected by a lead wire 38. Further, a lid 36 is placed on the container body 32 and heated. By heating, the container body 32 and the lid 36 are fused, and the container is hermetically sealed (FIG. 2 (c)).

（温度センサの構造の第四の具体例）
図３(a)乃至(c)は、本発明の温度センサの実施の形態に係る第四の具体例の平面図及び断面図である。図３(a)は、温度センサの容器の蓋２０２の平面図であり、図３(b)は、温度センサの断面図であり、図３(c)は、振動板の平面図である。蓋２０２上にはコイル２０３が、スパッターや印刷により形成されている。コイル２０３は、リード線２０４、２０５により振動板２０８に形成された外部端子２１４、２１５と接続されている。振動板は、図３(c)に示すように、平面形状が四角形であり、振動板内の４辺に溝２１６、２１７、２１８、２１９が形成されている。振動板２０８における溝の内側にある内側板には、表面に電極２１１が取り付けられている。電極２１１に対抗する裏面にも裏面電極が取り付けられている。電極２１１は、配線２１３により外部端子２１５に接続され、裏面電極は配線２１１により外部電極２１４に接続されている。振動板の表面と裏面に電極を配置することにより振動板の小型化に効果がある。 (Fourth example of temperature sensor structure)
3A to 3C are a plan view and a sectional view of a fourth specific example according to the embodiment of the temperature sensor of the present invention. 3A is a plan view of the lid 202 of the temperature sensor container, FIG. 3B is a cross-sectional view of the temperature sensor, and FIG. 3C is a plan view of the diaphragm. A coil 203 is formed on the lid 202 by sputtering or printing. The coil 203 is connected to external terminals 214 and 215 formed on the diaphragm 208 by lead wires 204 and 205. As shown in FIG. 3C, the diaphragm has a quadrangular planar shape, and grooves 216, 217, 218, and 219 are formed on four sides of the diaphragm. An electrode 211 is attached to the inner plate on the inner side of the groove in the diaphragm 208. A back electrode is also attached to the back surface facing the electrode 211. The electrode 211 is connected to the external terminal 215 by the wiring 213, and the back electrode is connected to the external electrode 214 by the wiring 211. By arranging electrodes on the front and back surfaces of the diaphragm, the diaphragm can be reduced in size.

（温度センサの構造の第五の具体例）
図４(a)乃至(c)は、本発明の温度センサの実施の形態に係る第五の具体例の平面図及び断面図である。図４(a)は、温度センサの容器の蓋２２２の平面図であり、図４(b)は、温度センサの断面図であり、図４(c)は、振動板の平面図である。容器の外部には石英管２２５が取り付けられており、石英管２２５の中にコイル２２６が収納されている。石英管２２５と容器は、容器内部と石英管内部が気密封止されるように接合されている。石英はシリコンと比較して無線波が通りやすく、温度センサと送受信装置との無線通信効率や送受信感度が向上する。コイル２２６は、リード線２２３、２２４により振動板２２９に形成された外部端子２３５、２３６と接続されている。振動板は、図４(c)に示すように、平面形状が四角形であり、振動板内の４辺に溝２３７、２３８、２３９、２４０が形成されている。振動板２２９における溝の内側にある内側板には、表面に電極２３２が取り付けられている。電極２３２に対抗する裏面にも裏面電極が取り付けられている。電極２３２は、配線２３４により外部端子２３６に接続され、裏面電極は配線２３３により外部電極２３５に接続されている。 (Fifth example of temperature sensor structure)
4 (a) to 4 (c) are a plan view and a cross-sectional view of a fifth specific example according to the embodiment of the temperature sensor of the present invention. 4A is a plan view of the lid 222 of the temperature sensor container, FIG. 4B is a cross-sectional view of the temperature sensor, and FIG. 4C is a plan view of the diaphragm. A quartz tube 225 is attached to the outside of the container, and a coil 226 is accommodated in the quartz tube 225. The quartz tube 225 and the container are joined so that the inside of the container and the inside of the quartz tube are hermetically sealed. Quartz is easier for radio waves to pass than silicon, improving the radio communication efficiency and transmission / reception sensitivity between the temperature sensor and the transmission / reception device. The coil 226 is connected to external terminals 235 and 236 formed on the diaphragm 229 by lead wires 223 and 224. As shown in FIG. 4C, the diaphragm has a quadrangular planar shape, and grooves 237, 238, 239, and 240 are formed on four sides of the diaphragm. An electrode 232 is attached to the surface of the inner plate inside the groove of the diaphragm 229. A back electrode is also attached to the back surface facing the electrode 232. The electrode 232 is connected to the external terminal 236 by the wiring 234, and the back electrode is connected to the external electrode 235 by the wiring 233.

（温度センサの構造の第六の具体例）
図５(a)乃至(c)は、本発明の温度センサの実施の形態に係る第六の具体例の平面図及び断面図である。図５a)は、温度センサの容器の蓋２４２の平面図であり、図５(b)は、温度センサの断面図であり、図５(c)は、振動板の平面図である。蓋２４２上にはコイル２４３が、スパッターや印刷により形成されている。コイル２４３は、リード線２４４、２４５により振動板２４８に形成された外部端子２５４、２５５と接続されている。振動板は、図５(c)に示すように、平面形状が円形である。圧電振動子の形状としては、平面形状が四角形の薄板だけでなく、平面形状が円形の薄板も広く用いられている。振動板内の２辺に溝２５６、２５７が形成されている。振動板２４８における溝の内側にある内側板には、表面に電極２５１が取り付けられている。電極２５１に対抗する裏面にも裏面電極が取り付けられている。電極２５１は、配線２５３により外部端子２５５に接続され、裏面電極は配線２５２により外部電極２５４に接続されている。 (Sixth example of temperature sensor structure)
5A to 5C are a plan view and a cross-sectional view of a sixth specific example according to the embodiment of the temperature sensor of the present invention. 5A) is a plan view of the lid 242 of the container of the temperature sensor, FIG. 5B is a sectional view of the temperature sensor, and FIG. 5C is a plan view of the diaphragm. A coil 243 is formed on the lid 242 by sputtering or printing. The coil 243 is connected to external terminals 254 and 255 formed on the diaphragm 248 by lead wires 244 and 245. As shown in FIG. 5C, the diaphragm has a circular planar shape. As the shape of the piezoelectric vibrator, not only a rectangular thin plate but also a thin circular plate is widely used. Grooves 256 and 257 are formed on two sides in the diaphragm. An electrode 251 is attached to the inner plate on the inner side of the groove in the diaphragm 248. A back electrode is also attached to the back surface facing the electrode 251. The electrode 251 is connected to the external terminal 255 by a wiring 253, and the back electrode is connected to the external electrode 254 by a wiring 252.

（温度センサの構造の第七の具体例）
本発明の温度センサの実施の形態に係る第一の具体例、乃至、第六の具体例において、温度センサの内壁部における前記コイルを除く部分の一部又は全部を導電性膜によりコーティングするのが好ましい。導電性膜の材料は、白金、イリジウム、ロジウム、及び、パラジウムからなる元素群の中から選択された1種類の元素からなる単体金属、又は、2種類以上の元素からなる合金とするのが好ましい。
導電性膜はアース電位などの固定電位に電気的に接続するのが好ましい。温度センサから発せられる信号に対するノイズの低減に高い効果が得られる。 (Seventh example of temperature sensor structure)
In the first specific example to the sixth specific example according to the embodiment of the temperature sensor of the present invention, a part or all of the portion excluding the coil in the inner wall portion of the temperature sensor is coated with a conductive film. Is preferred. The material of the conductive film is preferably a single metal composed of one element selected from the group of elements composed of platinum, iridium, rhodium, and palladium, or an alloy composed of two or more elements. .
The conductive film is preferably electrically connected to a fixed potential such as a ground potential. A high effect can be obtained in reducing noise with respect to a signal emitted from the temperature sensor.

（温度センサの構造の第八の具体例）
本発明の温度センサの実施の形態に係る第一の具体例、乃至、第七の具体例に温度センサを検査対象物に埋め込むことも可能である。検査対象物がウェハの場合は、測定対象ウェハに埋め込んでもよいし、測定専用ウェハに埋め込んでもよい。温度センサを単にウェハに貼り付けた場合と比較し、熱伝導のばらつきによる測定誤差を小さくできるので、高精度の温度測定が可能である。
図６は、本発明の温度センサの実施の形態に係る第八の具体例の断面図である。図６において、センサ埋め込みウェハ（測定専用ウェハ）２６１に温度センサ２６２を埋め込んだ構造が示されている。センサ埋め込みウェハは、測定対象となるウェハの近傍に配置し、測定対象ウェハと同じ熱処理を行う。
図６に示すように、センサ埋め込みウェハ２６１に接触させて、アンテナ２６４を埋め込んだウェハ２６３を配置し、アンテナ２６４と受信機２６５を配線で接続するのが好ましい。センサ埋め込みウェハ２６１とアンテナ埋め込みウェハ２６３は、直径が同じウェハを用いるのが好ましい。温度センサの近傍に受信機のアンテナを配置できるので、温度センサから発せられる信号が微弱な場合でも、より安定して高い感度で信号を受信し、高い信頼性の温度測定が可能である。 (Eighth specific example of temperature sensor structure)
It is also possible to embed the temperature sensor in the inspection object in the first specific example or the seventh specific example according to the embodiment of the temperature sensor of the present invention. When the inspection object is a wafer, it may be embedded in a measurement target wafer or may be embedded in a measurement dedicated wafer. Compared with the case where the temperature sensor is simply attached to the wafer, the measurement error due to the variation in heat conduction can be reduced, so that highly accurate temperature measurement is possible.
FIG. 6 is a sectional view of an eighth example according to the embodiment of the temperature sensor of the present invention. FIG. 6 shows a structure in which a temperature sensor 262 is embedded in a sensor embedded wafer (measurement dedicated wafer) 261. The sensor-embedded wafer is arranged in the vicinity of the wafer to be measured, and is subjected to the same heat treatment as the measurement target wafer.
As shown in FIG. 6, it is preferable to place a wafer 263 in which an antenna 264 is embedded in contact with the sensor embedded wafer 261 and connect the antenna 264 and the receiver 265 with wiring. The sensor embedded wafer 261 and the antenna embedded wafer 263 are preferably wafers having the same diameter. Since the antenna of the receiver can be arranged in the vicinity of the temperature sensor, even when the signal emitted from the temperature sensor is weak, the signal can be received more stably and with high sensitivity, and highly reliable temperature measurement is possible.

（温度測定システム）
図７(a)乃至(c)は、本発明の温度測定システムの実施の形態に係る具体例の説明図である。温度センサは、図７(a)に示すように、並列に接続された圧電振動子４１とコイル４２から構成される。温度センサ自体には電源を備えておらず、部品数も少ないので、温度センサを極めて小さいチップ状の素子として作製することが可能である。図７(b)は、温度センサに対し無線で高周波信号を送信／受信するための送受信装置である。送受信装置４４は、アンテナ４３を備え、図７(c)に示すように、高周波信号４５を温度センサ４１に送信する。温度センサは、高周波信号４５をアンテナとしても機能するコイル４２により受信し、反射波４６を送受信装置４４に送り返す。圧電振動子の共振周波数が温度により変化し、これにより圧電振動子４１とコイル４２により構成される共振回路の共振周波数が変化するので、反射波４６が測定温度により変化し、この変化を送受信装置、あるいは、送受信装置に接続されたデータ処理装置により分析することにより測定温度を求めることができる。複数の温度センサに対し、複数の異なる無線周波数を同時に送信することにより、同時に複数個所の温度を測定することも可能である。 (Temperature measurement system)
FIGS. 7A to 7C are explanatory diagrams of specific examples according to the embodiment of the temperature measurement system of the present invention. As shown in FIG. 7A, the temperature sensor includes a piezoelectric vibrator 41 and a coil 42 connected in parallel. Since the temperature sensor itself does not include a power source and the number of components is small, the temperature sensor can be manufactured as an extremely small chip-like element. FIG. 7B shows a transmission / reception apparatus for transmitting / receiving a high-frequency signal wirelessly to a temperature sensor. The transmission / reception device 44 includes an antenna 43 and transmits a high-frequency signal 45 to the temperature sensor 41 as shown in FIG. The temperature sensor receives the high-frequency signal 45 by the coil 42 that also functions as an antenna, and sends the reflected wave 46 back to the transmission / reception device 44. Since the resonance frequency of the piezoelectric vibrator changes with temperature, and this changes the resonance frequency of the resonance circuit composed of the piezoelectric vibrator 41 and the coil 42, the reflected wave 46 changes with the measurement temperature. Alternatively, the measured temperature can be obtained by analyzing with a data processing device connected to the transmission / reception device. By simultaneously transmitting a plurality of different radio frequencies to a plurality of temperature sensors, it is also possible to measure a plurality of temperatures at the same time.

（ウェハ温度の測定システム）
図１１(a)及び(b)は、本発明のウェハの温度測定システムの実施の形態に係る具体例の説明図である。図１１(a)は、ウェハの平面図であり、ウェハ５１の表面の3か所に温度センサ５２、５３、５４を取りつけてある。このように温度センサを取りつけることにより、ウェハ内の温度変動を測定することが可能である。図１１(b)は、拡散や酸化プロセスに用いられる電気炉の断面図である。電気炉を構成する石英管５６の中には、複数のウェハ５７がボート５９上に配置され、高温の熱処理を行っている。ウェハ５７にはそれぞれ温度センサ５８が取り付けられている。複数のウェハに温度センサを取り付けることにより、電気炉内（ウェハ間）の温度変動を測定することが可能である。電気炉の外部に配置された送受信装置５５から無線波を温度センサ５８に無線波を送り、その反射波を受信することにより、複数の温度センサが検出する温度データを取りだすことができる。
温度センサの容器は、ウェハと同じシリコン又は石英でできている。また、温度センサは、極めて小型のチップ状にすることが可能である。そのため、温度センサをウェハに取り付けたまま、半導体プロセスを連続的に行うことが可能である。例えば、酸化、拡散、CVD、アニールなど複数の高温プロセスを行う半導体プロセスにおいて、ウェハの熱履歴を記録し、トレーサビリティーをとることにより、不良発生の際の原因調査等に有用なデータをとることが可能になる。 (Wafer temperature measurement system)
FIGS. 11A and 11B are explanatory diagrams of specific examples according to the embodiment of the wafer temperature measurement system of the present invention. FIG. 11A is a plan view of the wafer, in which temperature sensors 52, 53, and 54 are attached at three locations on the surface of the wafer 51. By attaching the temperature sensor in this way, it is possible to measure the temperature fluctuation in the wafer. FIG. 11B is a cross-sectional view of an electric furnace used for diffusion and oxidation processes. In the quartz tube 56 constituting the electric furnace, a plurality of wafers 57 are arranged on a boat 59 and subjected to high-temperature heat treatment. A temperature sensor 58 is attached to each wafer 57. By attaching temperature sensors to a plurality of wafers, it is possible to measure temperature fluctuations in the electric furnace (between wafers). By transmitting a radio wave from the transmitting / receiving device 55 arranged outside the electric furnace to the temperature sensor 58 and receiving the reflected wave, temperature data detected by the plurality of temperature sensors can be taken out.
The container of the temperature sensor is made of the same silicon or quartz as the wafer. Further, the temperature sensor can be formed into an extremely small chip. Therefore, it is possible to continuously perform the semiconductor process with the temperature sensor attached to the wafer. For example, in semiconductor processes that perform multiple high-temperature processes such as oxidation, diffusion, CVD, annealing, etc., record the thermal history of the wafer and take traceability to obtain data useful for investigating the cause of defects. Is possible.

（電気抵抗の温度依存性）
図９は、圧電振動子の電気抵抗の温度依存性のグラフである。比較評価を行った圧電振動子の材料は、LTGA、LGSA、SNGS、LNGである。LGSAはLGSにアルミニウムをわずかに含む結晶である。SNGSは、Sr₃Nb_0.95Ga_3.05Si₂O₁₄である。LNGはLa₃Nb_0.5Ga_5.5O₁₄である。
比較材料であるSNGS、LNGが、100~500℃の温度範囲で高温になるにつれて急激に電気抵抗が低下し、振動特性が悪化するのに対し、LTGA及び比較材料であるLGSAは、電気抵抗の低下が少なく、電気抵抗の温度依存性がより優れていることがわかった。 (Temperature dependence of electrical resistance)
FIG. 9 is a graph of the temperature dependence of the electrical resistance of the piezoelectric vibrator. The materials of piezoelectric vibrators that have been comparatively evaluated are LTGA, LGSA, SNGS, and LNG. LGSA is a crystal containing a slight amount of aluminum in LGS. SNGS is Sr ₃ Nb _0.95 Ga _3.05 Si ₂ O ₁₄ . LNG is La ₃ Nb _0.5 Ga _5.5 O ₁₄ .
Compared with SNGS and LNG, which are comparative materials, the electrical resistance suddenly decreases and the vibration characteristics deteriorate as the temperature rises in the temperature range of 100 to 500 ° C, whereas LTGA and the comparative material LGSA It was found that there was little decrease and the temperature dependence of electrical resistance was better.

（CI値の温度依存性）
図１０は、圧電振動子のCI値温度依存性のグラフである。CI値は、圧電振動子の内部の等価抵抗成分で、振動損失に相当し発振のし易さの目安となる特性である。比較評価を行った圧電振動子の材料は、LTGAと水晶である。測定した温度範囲は0〜1000℃である。水晶が約250℃までしか発振せず、それ以上の温度ではCI値が急上昇し発振しなくなるのに対し、LTGAは、1000℃近辺の高温でも安定して発振することがわかった。 (CI value temperature dependence)
FIG. 10 is a graph of the CI value temperature dependency of the piezoelectric vibrator. The CI value is an equivalent resistance component inside the piezoelectric vibrator, and is a characteristic that corresponds to vibration loss and is a measure of ease of oscillation. The materials of the piezoelectric vibrators that have been comparatively evaluated are LTGA and quartz. The measured temperature range is 0 to 1000 ° C. The quartz crystal oscillates only up to about 250 ° C, and at higher temperatures, the CI value suddenly increases and stops oscillating, whereas LTGA oscillates stably even at high temperatures around 1000 ° C.

（圧電振動子）
LTGAからなる振動板を加工し、図１に示す構造の圧電振動子を試作した。振動板の大きさは、幅3mm、長さ5mm、厚さ130μmとした。この振動板に、製法エッチング又はサンドブラスト加工法により振動板を貫通する幅100μmの溝を形成した。試作した圧電振動子を用い高温条件下で動作確認をしたところ、1050℃での正常動作が確認できた。また、低温条件下では、-196℃での正常動作が確認できた。 (Piezoelectric vibrator)
A diaphragm made of LTGA was processed to produce a piezoelectric vibrator having the structure shown in FIG. The size of the diaphragm was 3 mm in width, 5 mm in length, and 130 μm in thickness. On this diaphragm, a groove having a width of 100 μm penetrating the diaphragm was formed by manufacturing etching or sandblasting. When operation was confirmed under high temperature conditions using the prototype piezoelectric vibrator, normal operation at 1050 ° C was confirmed. Also, normal operation at -196 ° C was confirmed under low temperature conditions.

以上のように、本発明に係る温度センサ、温度測定方法は、特に、高温領域の高精度な温度測定が可能であるため、例えば、半導体プロセスのウェハの温度測定や内燃機関の温度測定等に利用可能である。 As described above, the temperature sensor and the temperature measuring method according to the present invention are capable of measuring a temperature with high accuracy particularly in a high temperature region. Is available.

(a)乃至(c)は、本発明の温度センサの実施の形態に係る第一の具体例の平面図である。(a) thru | or (c) is a top view of the 1st specific example which concerns on embodiment of the temperature sensor of this invention. (a)及び(b)は、本発明の温度センサの実施の形態に係る第二の具体例の断面図である。(c)は、本発明の温度センサの実施の形態に係る第三の具体例の断面図である。(a) And (b) is sectional drawing of the 2nd specific example which concerns on embodiment of the temperature sensor of this invention. (c) is sectional drawing of the 3rd example based on embodiment of the temperature sensor of this invention. (a)乃至(c)は、本発明の温度センサの実施の形態に係る第四の具体例の平面図及び断面図である。(a) thru | or (c) are the top views and sectional drawings of the 4th example which concerns on embodiment of the temperature sensor of this invention. (a)乃至(c)は、本発明の温度センサの実施の形態に係る第五の具体例の平面図及び断面図である。(a) thru | or (c) are the top views and sectional drawings of the 5th example which concerns on embodiment of the temperature sensor of this invention. (a)乃至(c)は、本発明の温度センサの実施の形態に係る第六の具体例の平面図及び断面図である。(a) thru | or (c) are the top views and sectional drawings of the 6th specific example which concerns on embodiment of the temperature sensor of this invention. 本発明の温度センサの実施の形態に係る第八の具体例の断面図である。It is sectional drawing of the 8th example which concerns on embodiment of the temperature sensor of this invention. (a)乃至(c)は、本発明の温度測定システムの実施の形態に係る具体例の説明図である。(a) thru | or (c) is explanatory drawing of the specific example which concerns on embodiment of the temperature measurement system of this invention. 各種圧電結晶材料の比較表である。It is a comparison table of various piezoelectric crystal materials. 圧電振動子の電気抵抗の温度依存性のグラフである。It is a graph of the temperature dependence of the electrical resistance of a piezoelectric vibrator. 圧電振動子のCI値の温度依存性のグラフである。It is a graph of the temperature dependence of CI value of a piezoelectric vibrator. (a)及び(b)は、本発明のウェハの温度測定システムの実施の形態に係る具体例の説明図である。(a) And (b) is explanatory drawing of the specific example which concerns on embodiment of the temperature measurement system of the wafer of this invention. 従来のウェハの温度測定システムの説明図である。It is explanatory drawing of the conventional temperature measurement system of a wafer. (a)及び(b)は、従来の表面弾性波素子の断面図である。(a) And (b) is sectional drawing of the conventional surface acoustic wave element.

Explanation of symbols

１容器本体
２、３電極
４振動板
５、６リード線
７蓋
８コイル
９振動板
１０溝
１１外側板
１２内側板
１３支持部
１４、１５電極
２１、３２容器本体
２２、３３外部端子
２３、３４振動板
２４、２８、３５、３８リード線
２５、３６蓋
２６、３７コイル
２７ゲルマニウム薄膜
２９、３９凹部
３０、４０溝
３１シリコンゲルマニウム合金薄膜
２０１、２２１、２４１容器本体
２０２、２２２、２４２蓋
２０３、２２６、２４３コイル
２０４、２０５、２２３、２２４、２４４、２４５リード線
２２５石英管
２０６、２０７、２２７、２２８、２４６、２４７シリコンゲルマニウム合金薄膜
２０８、２２９、２４８振動板
２０９、２１０、２３０、２３１、２４９、２５０溝
２１１、２３２、２５１電極
２１２、２１３、２３３、２３４、２５２、２５３配線
２１４、２１５、２３５、２３６、２５４、２５５外部端子
２１６、２１７、２１８、２１９、２３７、２３８、２３９、２４０、２５６、２５７溝
２６１センサ埋め込みウェハ
２６２温度センサ
２６３アンテナ埋め込みウェハ
２６４アンテナ
２６５受信機
４１圧電振動子
４２コイル
４３アンテナ
４４送受信装置
４５送信波形
４６反射波形
５１ウェハ
５２、５３、５４温度センサ
５５送受信装置
５６石英管
５７ウェハ
５８温度センサ
５９ボート
１０１石英管
１０２ボート
１０３ウェハ
１０４熱電対
１０５リード線
１０６測定装置
１１１、１２１容器本体
１１２、１２２蓋
１１３、１２３圧電振動子
１１４、１２４凹部
１１５、１１６、１２５、１２６接続部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Container body 2, 3 Electrode 4 Diaphragm 5, 6 Lead wire 7 Lid 8 Coil 9 Diaphragm 10 Groove 11 Outer plate 12 Inner plate 13 Support part 14, 15 Electrode 21, 32 Container main body 22, 33 External terminal 23, 34 Diaphragm 24, 28, 35, 38 Lead wire 25, 36 Lid 26, 37 Coil 27 Germanium thin film 29, 39 Recess 30, 40 Groove 31 Silicon germanium alloy thin film 201, 221, 241 Container body 202, 222, 242 Lid 203, 226, 243 Coils 204, 205, 223, 224, 244, 245 Lead wire 225 Quartz tube 206, 207, 227, 228, 246, 247 Silicon germanium alloy thin film 208, 229, 248 Vibration plates 209, 210, 230, 231 249, 250 Grooves 211, 232, 251 Electrodes 212, 213, 233 234, 252, 253 Wiring 214, 215, 235, 236, 254, 255 External terminal 216, 217, 218, 219, 237, 238, 239, 240, 256, 257 Groove 261 Sensor embedded wafer 262 Temperature sensor 263 Antenna embedded Wafer 264 Antenna 265 Receiver 41 Piezoelectric vibrator 42 Coil 43 Antenna 44 Transmitter / receiver 45 Transmitted waveform 46 Reflected waveform 51 Wafer 52, 53, 54 Temperature sensor 55 Transmitter / receiver 56 Quartz tube 57 Wafer 58 Temperature sensor 59 Boat 101 Quartz tube 102 Boat 103 Wafer 104 Thermocouple 105 Lead wire 106 Measuring device 111, 121 Container body 112, 122 Lid 113, 123 Piezoelectric vibrator 114, 124 Recess 115, 116, 125, 126 Connection part

Claims

A resonance circuit including a piezoelectric vibrator and a coil including an oxide crystal having a langasite structure including all elements of lanthanum, gallium, and aluminum, and further including tantalum and / or niobium; A temperature sensor that utilizes the fact that the resonant frequency of a circuit changes according to a temperature change,
Container consists of a container body and the lid, the piezoelectric vibrator is fixed to the container body, Ri structures der which the coil is fixed to the lid,
The diaphragm constituting the piezoelectric vibrator includes an outer plate, an inner plate, and a support portion that connects the outer plate and the inner plate, and the outer plate and the inner plate are disposed around the inner plate. By the groove that penetrates the formed diaphragm, it is separated, except for the support part,
A conductive member that electrically connects the piezoelectric vibrator and the coil, and the piezoelectric vibrator and the coil is hermetically sealed inside a container, and the piezoelectric vibrator is connected to the container via the outer plate. temperature sensor characterized that you have been fixed.

The piezoelectric vibrator and the coil, and a conductive member that electrically connects the piezoelectric vibrator and the coil are hermetically sealed inside the container and a quartz tube provided outside the container. the piezoelectric vibrator is arranged in the interior of the vessel, the temperature sensor of claim 1, wherein said coil is disposed inside the structure of the quartz tube.

Part or all of the portion of the inner wall portion of the container excluding the coil is a single metal consisting of one element selected from the group of elements consisting of platinum, iridium, rhodium, and palladium, or two types 3. The temperature sensor according to claim 1 , wherein the temperature sensor has a structure coated with an alloy composed of the above elements.

Said container consists of a container body and a lid, the container body and the lid is a silicon single crystal, according to claim thin film made of silicon-germanium alloy is formed at the junction joining the lid and the container body 1 4. The temperature sensor according to any one of items 1 to 3 .

By sandwiching and heating a thin film made of germanium between the container body and the lid, the container body, the silicon single crystal constituting the lid, and the germanium constituting the thin film are reacted, and the container body The temperature sensor according to claim 4, wherein hermetic sealing is performed by forming a thin film made of a silicon germanium alloy between the lids.

The container enclosing the piezoelectric vibrator and the coil is composed of a container body and a lid, the container body and the lid are composed of quartz, and the container body and the quartz constituting the lid are heat-sealed so as to be hermetically sealed. The temperature sensor according to any one of claims 1 to 3 , wherein the temperature sensor is stopped.

The electrode, the coil, and the conductive member are made of a single metal composed of one element selected from the group consisting of platinum, iridium, rhodium, and palladium, or two or more kinds The temperature sensor according to any one of claims 1 to 6 , wherein the temperature sensor is an alloy made of an element.

The temperature sensor according to any one of claims 1 to 7 , wherein an atmosphere inside the container is a vacuum or an inert gas.

The electromagnetic wave transmitted from the temperature measuring device is received and contacted with the object to be measured and is not in contact with the temperature measuring device, and the reflected wave with respect to the electromagnetic wave is sent back to the temperature measuring device. temperature sensor according to any one of claims 1 to 8 for measuring the temperature of the measurement object by detecting the change.

9. The temperature sensor according to claim 1, wherein the measurement object is a wafer and is embedded in the measurement object wafer or a measurement dedicated wafer.

The measurement target wafer, or the temperature sensor according to claim 1 0, wherein the in measuring only the wafer, contacting the wafer with an embedded antenna and measuring the temperature.

The temperature sensor according to any one of claims 1 to 11 , and a transmission / reception device that obtains a measured temperature by wirelessly transmitting / receiving a high-frequency signal to the temperature sensor and analyzing a change in the frequency that is the signal. A temperature measurement system consisting of

Temperature measuring method for measuring the temperature of the object to be measured using the temperature measuring system according to claim 1 wherein.

Apparatus for manufacturing a semiconductor device which performs temperature control and / or temperature control of the wafer by using the temperature measuring system according to claim 1 wherein.

The method of manufacturing a semiconductor device which performs temperature control and / or temperature control of the wafer by using the temperature measuring system according to claim 1 wherein.