JP2006078478A - フィルム温度センサ及び温度測定用基板 - Google Patents

Abstract

【課題】
半導体ウエハの表面における複数箇所の温度をより精度良く測定する。
【解決手段】
フィルム温度センサ６００は、絶縁材料製のベースフィルム５７と、温度を測定するための薄膜状の複数の感熱素子５５と、それらの感熱素子に接続された薄膜状の複数のリード５６と、それらのリードの末端に接続された薄膜状の複数の端子５８とを備える。感熱素子５５とリード５６と端子５８は、ベースフィルム５７の表面上又は厚み内に一体形成されている。ベースフィルム５７は、パドル状の平面形状を有し、半導体ウエハ６０１の表面に貼り付けられるヘッド部５７Aと、半導体ウエハ６０１の外へ延び出るストリップ状のテイル部５７Bからなる。複数の感熱素子５５はヘッド部５７A上に同心円状、螺旋上、マトリックス状又はラスタ状に配列され、複数の端子５８はテイル部５７B上に配置される。
【選択図】 図９

Description

本発明は、半導体ウエハ等の基板の温度又はそのような基板を加熱および冷却する温度調節ステージの温度を測定するために好適な温度センサ及び温度測定用基板に関する。

例えば半導体製品の製造工程では、加熱及び冷却能力をもった温度調節ステージの上に半導体ウエハを載置し、温度調節ステージにより半導体ウエハの温度を調節しつつ、その半導体ウエハにレジスト液を塗布してコーティングしたりその後にエッチングを施したり等の処理が行われる。上記半導体製造プロセスを開始する前の準備段階において、半導体ウエハをむらなく最適温度に制御するように、温度調節ステージの制御パラメータが設定される必要がある。この設定のプロセスにおいては、温度調節ステージ上に、温度センサが複数箇所に設けられた温度測定用の半導体ウエハ（以下、温度測定用基板と言う）が載置され、温度調節ステージが、所与の制御パラメータを用いて試験的に駆動されて、加熱、冷却動作を行い、その時の温度測定用基板の温度が測定され、測定された温度が最適であるか否かがチェックされる。その結果、最適でなければ、制御方法（例えば、目標温度や制御演算などの各種のパラメータ）が修正され、修正された制御パラメータを用いて再び上記試験的駆動が行われる。

このように温度調節ステージに温度測定用基板を載置して温度を測定する際、温度測定用基板の温度をなるべく正確に測定することが大事である。従来、温度測定用基板の温度を測定するための方法として、温度測定用基板上に温度センサを接着して、温度センサからワイヤーのリードを通じて信号を取り出す方法や、温度測定用基板上に温度センサとしての抵抗体とリードとを密着し、その温度測定用基板の表面上に設置されたリード端子部からワイヤーのリードを通じて信号を取り出す方法（特許文献１）等が知られている。

特開２０００−２４１２５７号公報

特許文献１に記載する技術によれば、温度測定用基板上にセンサとリードとをスクリーン印刷でパターニングすることができる。しかし、温度測定用基板上に印刷でセンサとリードとをパターニングした場合、リード端子部がウエハ上にあるので、結局は温度測定用基板上のリード端子部とワイヤーのリードとの接合処理が必要になる。また、複数のワイヤーのリードが温度測定用基板上を這っているので、温度測定用基板上方の熱分布及び気流を乱し、温度測定用基板の温度に影響を与えてしまう。また、洗浄が困難になるため、装置全体のクリーン度が低下してしまう。

また、上述した設定プロセス中に、又は、半導体ウエハを処理する半導体製造プロセス中に、温度調節ステージの温度を測定したいという場合もある。この場合にも、上述した従来の温度センサでは、上記と同様の理由により、温度測定能力が落ちる。

従って、本発明の目的は、温度測定対象物がもつ広い表面における複数箇所の温度をより精度良く測定することができるようにすることにある。

本発明の別の目的は、半導体ウェハのような基板の温度をより精度良く測定することができるようにすることにある。

本発明の更なる目的は、後述する実施の形態の記載から明らかになるであろう。

本発明の第１の側面に従うフィルム温度センサは、絶縁材料製のベースフィルムと、ベースフィルムの表面上又は内部に一体的に形成される薄膜状の複数の感熱素子と、ベースフィルムの表面上又はその厚み内に一体的に形成され、前記複数の感熱素子と接続される薄膜状の複数のリードと、ベースフィルムの表面上又は内部に一体的に形成され、前記複数のリードと接続される複数の端子とを備える。

上記ベースフィルムの平面形状は、対象物の表面に接触、好ましくは密着、させて使用されるヘッド部と、そのヘッド部から外方へ延び出たテイル部とを含むようなパドル形とすることができる。その場合、複数の感熱素子はヘッド部に配置され、複数の端子はテイル部に配置され、そして、複数のリードが感熱素子と端子とを接続するようにしてヘッド部とテイル部の双方に配置されることができる。複数の感熱素子は、ベースフィルム上に同心円状、螺旋状、マトリックス状又はラスタ状に配列されることができる。

上述した複数の感熱素子の各々には、ベースフィルム上の複数の温度測定ゾーンをカバーするような、温度により変化する電気抵抗をもつ薄膜状の蛇行した抵抗体ラインから形成される抵抗体パターンを採用することができる。このような抵抗体パターンは、エッチング、印刷、スパッタリング又はめっき等の方法で、ベースフィルム上に形成することができる。この抵抗体パターンを形成する際には、その抵抗体パターンの測定温度範囲における代表的な抵抗値をＲ、その抵抗体パターンがカバーする温度測定ゾーンの長手方向での寸法をＨ、抵抗ラインの薄膜の厚さをＴ、導電材料の抵抗率をρ、その抵抗ラインの幅をＡ、抵抗ラインの幅Ａに対する隣り合う抵抗ライン間のスペースの幅の比率をｋ、任意に選択される係数をＣとしたとき、その抵抗ラインの幅Ａは、
Ａ^２＝Ｃ・Ｈ^２・ρ／（１＋ｋ）・Ｔ・Ｒ
１≧Ｃ≧２／３
の範囲から選ぶことができる。係数Ｃは、抵抗体パターンがカバーする温度測定ゾーンの形状（例えば、正方形、正円形、長方形又は楕円形など）に応じて選択することができる。

本発明に従うフィルム温度センサは、半導体製造プロセスにおける温度測定の用途、特に例えば半導体ウェハの表面の温度分布を計測する用途に使用されるように構成されることができる。この用途のための一つの実施形態にかかるフィルム温度センサでは、そのベースフィルムは、パドル状の平面形状を有する。このパドル形のベースフィルムのヘッド部は、半導体ウェハまたは温度調節ステージの表面の全体領域をカバーするようなサイズをもつ円形であり、半導体ウェハの表面に貼り付けられるか、温度調節ステージの表面に貼り付けられるか、又は、半導体ウェハと温度調節ステージとの間に挟みこまれた状態で使用される。ベースフィルムの円形のヘッド部にはストリップ状のテイル部が一体的に接続されており、このテイル部は、使用時には半導体ウェハ又は温度調節ステージの外方へ延び出て、外部装置に接続することができるようになっている。

本発明の第２の側面に従う温度測定用基板は、温度測定対象物である基板と、基板に取り付けられるフィルム温度センサとを備える。フィルム温度センサは、絶縁材料製のベースフィルムと、ベースフィルムの表面上又は内部に一体的に形成される薄膜状の１以上の感熱素子と、ベースフィルムの表面上又はその厚み内に一体的に形成され、前記１以上の感熱素子と接続される薄膜状の１以上のリードと、ベースフィルムの表面上又は内部に一体的に形成され、前記１以上のリードと接続される１以上の端子とを備える。

本発明に従う温度測定用基板は、半導体製造プロセスにおける温度測定の用途、特に例えば半導体ウェハの表面の温度分布を把握する用途に使用されるように構成されることができる。この用途のための一つの実施形態にかかる温度測定基板は、基板としての半導体ウェハと、この半導体ウェハの表面に取り付けられた上記フィルム温度センサとを備える。

本発明に従うフィルム温度センサによれば、半導体ウェハ、温度調節ステージ又はその他の対象物の表面における複数箇所の温度をより精度良く測定することができる。

本発明に従う温度測定用基板によれば、半導体ウェハのような基板の温度をより精度良く測定することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１は、半導体製造工程で、半導体ウエハの温度制御のために用いられる温度調節ステージの一例を示す。具体的には、図１Ａは、温度調節ステージの平面図であり、図１Ｂは、その温度調節ステージのＸ−Ｘ断面図である。

温度調節ステージ４００は、半導体ウエハを載置するための載置プレート４０３と、多数の熱電変換素子を有しペルチェ効果によって載置プレート４０３側及び後述の熱交換プレート５５０側を加熱又は冷却する熱電変換部４０５と、熱電変換部４０５と外部との間の熱交換を行うための熱交換プレート５５０とを備える。

載置プレート４０３は、上面と下面を有し、上面に、半導体ウエハを載置するための複数の突起（以下、これを「支持ピン」と言う）６０７、６０７、…が設けられている。半導体製造プロセスでは、処理対象の半導体ウエハが、これら複数の支持ピン６０７、６０７、…上に載置される。一方、半導体製造プロセスが開始する前に、温度調節ステージの制御パラメータを設定する準備段階では、本発明に従う１以上のフィルム温度センサ６００が取り付けられた温度測定用の半導体ウエハ（温度測定用基板）４０２が、支持ピン６０７、６０７…上に載置されることになる。

載置プレート４０３の下面に熱電モジュール４０５が設けられている。熱電変換部４０５は、１又は複数の熱電変換モジュールを有する（図１Ｂには一つの熱電変換モジュールを例示している）。各熱電モジュールは、２次元配列された複数の熱電変換素子と、それら複数の熱電変換素子（４０１Ｎ、４０１Ｐ）を電気的に接続して両側の熱交換面を構成している複数の電極（５１４Ａ、５１４Ｂ）とを持ち、それらが２枚の平板５１１Ａ、５１１Ｂの間に挟まれた構成となっている。具体的に言うと、上側の薄型の平板（例えば厚さ０．１ｍｍ程度のセラミックス又はポリイミド樹脂から成る接着剤シート）５１１Ａの下面上に備えられている上側の各電極（例えば銅板又は銅箔）５１４Ａに、１つのＰ型半導体素子４０１Ｐと１つのＮ型半導体素子４０１Ｎが半田付けされたパイ型のユニット形成されており、更に、各パイ型ユニットのＰ型半導体素子４０１Ｐとその隣のパイ型ユニットのＮ型半導体素子４０１Ｎとが、下側の平板５１１Ｂの上面に備えられている下側の各電極５１４Ｂに半田付けされている。こうして、複数のＰ型半導体素子４０１Ｐと複数のＮ型半導体素子４０１Ｐが上側と下側の電極（５１４Ａ、５１４Ｂ）によって電気的に直列に接続されている。そして、このＰ型半導体素子４０１ＰとＮ型半導体素子４０１Ｎの直列接続体に直流電流を流すと、電流の方向に応じて、上側の面（上側熱交換面）で吸熱し、下側の面（下側熱交換面）で放熱をするか、又は下側熱交換面で吸熱し、上側熱交換面で放熱をする。

熱交換プレート５５０は、内部に熱媒流体（例えば冷却水）を流すための流路５５１を有する。その流路５５１は、単純な形状をしたもの（例えば直方体状の空間）であっても良いし、熱交換プレート５５０の実質的全面に亘ってサーペンタイン状に巡っていても良い。なお、特に図示しないが、この熱交換プレート５５０の下方に、又は熱交換プレート５５０に代えて、空冷フィンが備えられていても良い。

本発明の一実施形態に従う温度測定用基板４０２は、半導体製造工程で用いられる処理対象の半導体ウエハと同じ仕様をもつ温度測定用の半導体ウエハ６０１と、その半導体ウエハ６０１の表面の温度を測定されるべき１以上の箇所（通常は数箇所以上）に、それぞれ貼り付けられた１以上のフィルム状の温度センサ（以下、フィルム温度センサと言う）６００とから構成される。

フィルム温度センサ６００は、後に具体的に説明するように、可撓な絶縁材料製のベースフィルムと、温度を測定するための１以上の薄膜状の感熱素子と、その感熱素子で検知した温度情報を電気信号として外部へ出力するための複数の端子と、感熱素子からの電気信号を端子へ伝達するための複数の薄膜状のリードとを備えている。そして、感熱素子と端子とリードとは、上記ベースフィルムの表面上又はその厚み内に一体的に形成されている。ベースフィルムはパドル形の平面形状を有していて、ヘッド部とそのヘッド部から外へ延び出たテイル部とを有する。このベースフィルムのヘッド部に感熱素子が設けられており、このヘッド部は、温度測定対象物である半導体ウエハ６０１の表面に密着するように貼り付けられる。また、ベースフィルムのテイル部には端子が設けられており、このテイル部は半導体ウエハ６０１の外へ延び出ている。このテイル部の端子に、外部装置（フィルム温度センサ６００に電流を流して温度を示す電気信号を受け取る装置）が接続されることになる。

さて、前述した感熱素子の構成には、いくつかのバリエーションが考えられる。温度に応じて抵抗値が変わる測温抵抗体やサーミスタなどの感温素子・感温デバイスのように抵抗値の温度依存性があるものや、熱電対などを温度センサとして利用することができる。本発明の実施形態の中では、例として測温抵抗体を使用する。

図２は、本発明のフィルム温度センサ６００の一実施形態の平面図を示す。このフィルム温度センサ６００は、図２に示されるように、感熱素子としての抵抗体パターン５５とこれに接続されたリード５６とが、例えば合成樹脂製、とりわけ例えばポリイミド製、のベースフィルム５７の表面上又はその厚み内に一体的に形成されている。

抵抗体パターン５５は、温度によって電気抵抗率が変化する導電材料（例えば銅等の金属）製の薄膜状のサーペンタインな（蛇行した）抵抗ラインのパターンであって、所定の温度測定ゾーンをカバーしている。抵抗体パターン５５に一定電流を流した場合、抵抗体パターン５５の両端子間の電圧は、抵抗体パターン５５の温度によって異なる。そのため、抵抗体パターン５５の両端子間電圧の測定結果に基づいて、半導体ウエハ６０１の温度を測定することができる。

抵抗体パターン５５は、ベースフィルム５７上に、エッチングや、印刷や、スパッタリングや、めっき等の方法で所定の導体薄膜の蛇行した抵抗体パターンを形成するという方法で形成されることができる。その場合、抵抗体パターン５５を構成する抵抗ラインの幅Ａは、次式、
Ａ^２＝Ｃ・Ｈ^２・ρ／（１＋ｋ）・Ｔ・Ｒ
１≧Ｃ≧２／３
で示される範囲内から選ぶことができる。ここで、Ｒは、抵抗体パターン５５の測定温度範囲内での代表的な抵抗値である。Ｈは、図２に示すように、抵抗体パターン５５がカバーする温度測定ゾーンの長手方向における寸法である。ｋは、抵抗ラインの幅Ａに対する隣り合う抵抗ライン間のスペースの幅Ｂの比率（つまり、Ｂ／Ａ）であり、通常、ｋは１．０前後（つまり、ＢはＡとはほぼ同じ）であり、それより小さい場合でもほぼ０．５以上である。ρは、抵抗体パターン５５に使用される導電材料の電気抵抗率である。Ｔは、抵抗ラインの薄膜の厚さである。また、Ｃは、任意に選択できる係数であり、抵抗体パターン５５がカバーする温度測定ゾーンの形状に応じて決めることができる。例えば、図２に示した例のように、温度測定ゾーンの形状（つまり、抵抗体パターン５５の全体形状）がほぼ正方形の場合、Ｃ＝１とすることができる。温度測定ゾーンの形状がほぼ正方形以外、例えば長方形や円形である場合、Ｃは１より小さくすることができ、例えば正円形の場合にはＣは約３／４とすることができ、また、やや細長い長方形や楕円形の場合にはＣは２／３に近い値にすることができる。

各リード５６は、抵抗体パターン５５に電流を流し、そして抵抗体パターン５５の両端子間電圧を外部装置へ出力する導体ラインである。そして、このリード５６も、抵抗体パターン５５と同時に同じ方法で、その一端にて抵抗体パターン５５と一体につながった薄膜状の導体ラインのパターンとして形成されている。リード５６には、抵抗体パターン５５の抵抗値の大きさや、リード５６自体の抵抗キャンセルなどの目的に応じて、２導線式、３導線式、４導線式といった異なった種類の配線形式等があるが、図２の実施例では、リード５６は４導線式である。リード５６の末端には、図示しない外部装置と電気的に接続するための端子５８が設けられる。端子５８も、抵抗体パターン５５やリード５６と同時に同じ方法で、薄膜ラインであるリード５６と一体につながった薄膜状の導体片のパターンとして形成されている。

ベースフィルム５７は、図２に示すようにパドル形の平面形状をもつ可撓な例えばポリイミドのフィルムであり、上述した抵抗体パターン５５が形成されたヘッド部５７Aと、このヘッド部５７Aから外方へ延び出たテイル部５７Bとを有する。ヘッド部５７Aに、上述した抵抗体パターン５５が形成され、テイル部５７Bに、上述した端子５８が形成されている。リード５６は、ヘッド部５７Aとテイル部５７Bの双方に形成されて、ヘッド部５７A上の抵抗体パターン５５とテイル部５７B上の端子５８とを接続している。

ベースフィルム５７のヘッド部５７Aは、半導体ウエハ６０１の温度測定用箇所の表面に密着して貼り付けられている。また、ベースフィルム５７のテイル部５７Bは、半導体ウエハ６０１の外まで延び出ており、その先端部に端子５８が配置されている。

従来、半導体ウエハの温度を測定する際は、半導体ウエハの表面の複数箇所にそれぞれ複数の円筒形の井戸のような穴をあけ、各穴内に温度センサを接着し固定している。さらに穴近傍にワイヤーのリード線をとりつけ、取り付けられたワイヤーリード線から抵抗体パターン５５の両端子間電圧を外部へ出力している。そのため、ワイヤーリード線の存在が基板上に微妙な気流の変化を生じさせてしまい、結果的に微妙な温度変化を生じさせてしまい正確な温度を測定できなかった。そして、ワイヤーリード線を基板上にハンダ等で固定していたため、リード線が壊れやすく、そのような従来の温度測定用半導体ウエハはハンディではない。

また、特許文献１に記載された温度センサを用いた場合でも、半導体ウエハ上の端子部にワイヤーリード線を接続する必要があり、やはり上記と同様の問題がある。

これに対して、本実施形態のように、抵抗体パターン５５とリード５６と端子５８がベースフィルム５７に一体的に形成されている場合だと、抵抗体パターン５５とリード５６との接続部分の耐久性が高い。また、半導体ウエハ６０１の外へ延び出ているリード５６が半導体ウエハ６０１の表面に密着したベースフィルム５７と一体になっているため、半導体ウエハ６０１上に気流の乱れを造ってしまう恐れが少ない。よって、このフィルム温度センサ６００は半導体ウェハ６０１の表面の温度を正確に計ることを可能とする。さらに、このフィルム温度センサ６００は、可撓性のフィルムなので容易に曲がることができるので、平面だけでなく、曲面に貼ることもできる。よって、このフィルム温度センサ６００は、半導体ウェハだけでなく、他の物体の曲がった表面の温度の測定にも利用できる。

図３は、本発明のフィルム温度センサ６００の別の実施形態を示す平面図である。

リード５６は、図３に示されているように、二導線式であって、二本のラインパターンから構成される。リード５６は、抵抗体パターン５５と同様にベースフィルム５７上又は内部に一体形成されて実装されている。他の部分の構成は、図２に記載したフィルム温度センサ６００と同じである。

図４は、本発明のフィルム温度センサ６００のまた別の実施形態を示す平面図である。

リード５６は、図４に示されているように、三導線式であって、三本のラインパターンから構成される。他の部分の構成は、図２に示したフィルム温度センサ６００と同じである。

図２〜図４に示したフィルム温度センサ６００は、一つの感熱素子をもつものであり、半導体ウエハ６０１上での温度を測定したい複数の箇所の各々に貼り付けられる。これに対して、以下に説明する図５〜図８に示すフィルム温度センサ６００は、複数の感熱素子を有していて、それ１枚で半導体ウエハ６０１の表面の異なる箇所の温度を同時に測定することができる。

図５は、そのようなフィルム温度センサ６００の一つの実施形態を示す。

ベースフィルム５７は、パドル形の平面形状をもち、半導体ウエハ６０１の表面全体に密着するように貼り付け可能な正円形のヘッド部５７Aを有する。ベースフィルム５７のヘッド部５７Aの全体領域内に、マトリックス状配列された複数の扇形の温度測定ゾーンが設けられており、それら複数の温度測定ゾーンをそれぞれカバーするような各扇形の複数個の感熱素子５５、５５、…が、ヘッド部５７Aの表面上またはその厚み内に形成されている。ベースフィルム５７は、また、上述した円形のヘッド部５７Aから外方へ延び出た長いストリップ状のテイル部５７B分を有する。そして、ヘッド部５７Aとテイル部５７Bの双方の表面上又はその厚み内に、上述した複数の抵抗体パターン５５、５５、…とそれぞれ一体につながった複数本のリード５６、５６、…が形成されている。さらに、テイル部５７Bの表面上又はその厚み内に、上述した複数本のリード５６、５６、…とそれぞれ一体につながった複数の端子５８、５８、…が形成されている。各感熱素子５５、各端子５８及び各リード５６は、図２を参照して説明したような薄膜状の抵抗体または導体のパターンであり、それらの形成方法としては、前述したように、貼り付け、印刷など種々の方法が採用し得る。複数の抵抗体パターン５５はそれぞれの扇形ゾーンの温度を測定し、それらの温度測定値から、半導体ウエハ６０１表面全体の温度分布が判る。

尚、抵抗体パターン５５の数は、図示のように４つに限らず、それ以上でも以下でもいい。また、抵抗体パターン５５の形状は、図５に示されているように扇形でなく、他の形でも構わない。また、ベースフィルム５７は、抵抗体パターン５５毎に分離されていても良い。

図６は、本発明のフィルム温度センサのまた別の実施形態の平面図を示す。

図６に示されているように、ベースフィルム５７は、半導体ウエハ６０１の表面全体に密着するように貼り付けられる正円形のヘッド部５７Aと、ヘッド部５７Aから外方へ延び出たストリップ状のテイル部５７Bとを有する。ヘッド部５７Aの全体領域内に、マトリックス状又はラスター状に配列された多数の矩形の温度測定ゾーンが設けられ、それら多数の温度測定ゾーンをそれぞれカバーするような多数の感熱素子５５，５５，…が、ヘッド部５７Aの表面上またはその厚み内に形成される。また、ベースフィルム５７のテイル部５７Bには、複数個の端子５８、５８、…が形成され、さらに、ヘッド部５７Aとテイル部５７Bの双方に、感熱素子５５、５５、…と端子５８、５８、…を接続する複数本のリード５６、５６、…が形成されている。各感熱素子５５、各端子５８及び各リード５６は、図２を参照して説明したような薄膜状の抵抗体または導体のパターンである。各抵抗体パターン５５は、図示のように、複数の矩形ゾーンの全てに設けられても良いし、任意に選択された１又は２以上のゾーンのみに設けられても良い。リード５６は、抵抗体パターン５５と一体的につながって形成され、ベースフィルム５７のヘッド部５７Aから延び出たストリップ状のテイル部５７Bの表面上又は内部に形成されている。

図７は、本発明のまた別の実施形態の平面図を示す。

図７に示されているように、ベースフィルム５７の正円形のヘッド部５７Aの全体領域内に、同心円状に配列された複数の矩形の温度測定ゾーンが設けられ、それらの温度測定ゾーンをそれぞれカバーするような感熱素子５５、５５、…が、ヘッド部５７Aの表面上またはその厚み内に形成されている。また、ベースフィルム５７のテイル部５７Bには、複数個の端子５８、５８、…が形成され、さらに、ヘッド部５７Aとテイル部５７Bの双方に、感熱素子５５、５５、…と端子５８、５８、…を接続する複数本のリード５６、５６、…が形成されている。各感熱素子５５、各端子５８及び各リード５６は、図２を参照して説明したような薄膜状の抵抗体または導体のパターンである。尚、抵抗体パターン５５、５５、…の円状の配列のバリエーションには、図７に示されているような同心円状だけでなく、螺旋状等のような他の配列があり得る。複数本のリード５６、５６、…は、ベースフィルム５７のヘッド部５７A上では、同心の複数円に沿って延びて、ベースフィルム５７のテイル部５８Bに集まり、テイル部５８Bに沿って外方へ延びる。

図８は、さらにまた別の実施形態の実施形態の平面図を示す。

図８に示されているように、ベースフィルム５７の正円形のヘッド部５７Aの全体領域内に、中央の円形の温度測定ゾーンとその周囲の三つの円弧帯形の温度測定ゾーンとが設けられ、これらの同心円状に配列された複数の温度測定ゾーンをそれぞれカバーするような感熱素子５５、５５、…が、ヘッド部５７Aの表面上またはその厚み内に形成されている。また、ベースフィルム５７のテイル部５７Bには、複数個の端子５８、５８、…が形成され、さらに、ヘッド部５７Aとテイル部５７Bの双方に、感熱素子５５、５５、…と端子５８、５８、…を接続する複数本のリード５６、５６、…が形成されている。各感熱素子５５、各端子５８及び各リード５６は、図２を参照して説明したような薄膜状の抵抗体または導体のパターンである。尚、図８の例では、ベースフィルム５７上の中心に、一つの円形のゾーン、その外縁の外に、同心円レイヤの一部分となった円弧帯状の三つの温度測定ゾーンが備えられるが、これに限らず、処理目的等に応じて温度測定ゾーンの形状、個数及び配列をアレンジすることができる。また、温度測定ゾーン毎に、そこに設けられる抵抗体パターン５５の形態や抵抗値をアレンジすることができる。

図９は、さらにまた別の実施形態の実施形態の平面図を示す。

図９に示されているように、ベースフィルム５７の正円形のヘッド部５７Aの全体領域内に、同心円状に配列された複数の矩形の温度測定ゾーンが設けられ、それらの温度測定ゾーンをそれぞれカバーするような感熱素子５５、５５、…が、ヘッド部５７Aの表面上またはその厚み内に形成されている。また、ベースフィルム５７のテイル部５７Bには、複数個の端子５８、５８、…が形成され、さらに、ヘッド部５７Aとテイル部５７Bの双方に、感熱素子５５、５５、…と端子５８、５８、…を接続する複数本のリード５６、５６、…が形成されている。各感熱素子５５、各端子５８及び各リード５６は、図２を参照して説明したような薄膜状の抵抗体または導体のパターンである。複数本のリード５６、５６、…は、ベースフィルム５７のヘッド部５７A上では、抵抗体パターン５５、５５、…を通る複数の半径線にそれぞれ沿って延びて一つの円周上に集まり、その一つの円周に沿って延びてベースフィルム５７のテイル部５８Bに集まり、テイル部５８Bに沿って外方へ延びる。なお、変形例として、ベースフィルム５７の形状は、パドル形ではなくて、抵抗パターン５５、５５、…、リード５６、５６、…及び端子５８、５８、…に相当する領域の平面形状と同じか、又は、その領域の平面形状を外方へ若干のマージン分だけ拡張させた形状とすることもできる。

次に、上で紹介したフィルム温度センサ６００の製造方法について説明する。

製造方法の概略は、次の通りになる。まず、接着、スパッタ、印刷、めっき等の方法で金属（例えば、Ni, Cu, Ptなど）の薄膜が表面に形成された絶縁材料製のフィルム、例えばポリイミドフィルムを用意する。次に、そのポリイミドフィルム表面の金属箔に対して、抵抗体パターン５５及びリード５６を形成するためのパターンエッチングをする。パターンエッチングの流れは工程順に、（１）レジスト処理（感光性樹脂塗布またはドライフィルムのラミネート）、（２）露光（導体パターン焼き付け）、（３）現像（不要感光性樹脂除去）、（４）エッチング（不要銅箔溶解除去）、（５）剥離（エッチングレジスト除去）である。パターンエッチングにより、ポリイミドフィルム上に金属薄膜の抵抗体パターンとリードが同時に一体形成されたフィルムセンサができる。

上述した製造方法のいくつかの実施形態を、以下、図１０以降を参照して説明する。

図１０は、フィルム温度センサ６００の製造方法の第１の実施形態を示す説明図である。

図１０に示すように、円形のヘッド部５７Aとそこから延び出たストリップ状のテイル部５７Bからなるパドル形の一枚のベースフィルム５７上に、抵抗体パターン(感熱素子）５５及びリード５６と端子５８がパターンエッチングにより一体的に形成される。ベースフィルム５７は、例えばポリイミドフィルムであって、変性ポリイミドのように変性層があるものでも変性層がないものでも、いずれも利用できる。そして、ベースフィルム５７の抵抗体パターン５５及びリード５６が形成された側の表面には、薬品による防錆処理、又はめっき又は電着などの方法による樹脂コーティングにより、抵抗体パターン５５及びリード５６を保護するための処理が施される。

図１１は、フィルム温度センサ６００の製造方法の第２の実施形態を示す説明図である。

図１１に示すように、図１０に示した方法が行われた後に、さらにベースフィルム５７の抵抗体パターン５５及びリード５６が形成された側の表面に、ベースフィルム５７と同じパドル形のカバーレイ７０１が積層される。

カバーレイ７０１は、抵抗体パターン５５やリード５６の絶縁、防錆及び機械的保護の役目を持つ。カバーレイ７０１の材料としては、接着剤あるいは接着層を持つフィルム状の樹脂や、ポリイミドやワニス等の液状樹脂や、ソルダレジスト、感光性樹脂や、めっきなどが採用出来る。カバーレイ７０１にフィルム状の樹脂を用いる場合、それは、変性ポリイミドのように変性層があるものでも、ポリイミド、ポリエチレン、PETなどのように接着剤層がないものでも、両方利用できる。そして、これらの材料を用いてカバーレイ７０１を実装する方法としては、加熱加圧、印刷、電着、塗布などがある。

図１２は、フィルム温度センサ６００の製造方法の第３の実施形態を示す説明図である。

図１２に示すように、図１１に示す方法でカバーレイ７０１をベースフィルム５７に積層する際、接着シート７０２が両者間に挟み込まれ、この三者が積層される。

接着シート７０２には、樹脂系接着シート及び接着剤が採用でき、その種類としては例として、ポリイミド系、エポキシ系、シリコーン系、アクリル系等がある。そして、ベースフィルム５７、接着シート７０２、カバーレイ７０１の順に積層し、加熱・加圧処理を行うことで、フィルム温度センサ６００が製作される。なお、接着シート７０２は、必ずしもシート状である必要はなく、液状体を接着対象物に塗布することで代替することができる。

図１３は、フィルム温度センサ６００の製造方法の第４の実施形態を示す説明図である。

図１３に示すように、半導体ウエハ６０１の表面上で、図１１に示した方法でフィルム温度センサ６００が製造される。すなわち、半導体ウエハ６０１、ベースフィルム５７、カバーレイ７０１が順に積層され、加熱・加圧処理が行われ、それにより温度測定用基板４０２が製作される。この場合、ベースフィルム５７及びカバーレイ７０１に変性層をもつ合成樹脂フィルムが用いられ、その変性層が融着性を有する機能を利用して、半導体ウエハ６０１、ベースフィルム５７及びカバーレイ７０１の接着が行われる。

図１４は、フィルム温度センサ６００の製造方法の第５の実施形態を示す説明図である。

図１４に示すように、半導体６０１、接着シート７０２、ベースフィルム５７が順に積層され、加熱・加圧処理が行われることで、温度測定用基板４０２が製作される。ベースフィルム５７の下面（接着シート７０２の側の面）上に抵抗体パターン５５、リード５６及び端子５８が形成される。接着シート７０２は電気絶縁層も兼ねている。ベースフィルム５７がカバーレイ７０１としての機能も兼ねる。

図１５は、フィルム温度センサ６００の製造方法の第６の実施形態を示す説明図である。

図１５に示すように、半導体ウエハ６０１、接着シート７０２、ベースフィルム５７、カバーレイ７０１の順に積層し、加熱・加圧処理を行い温度測定用基板を製作する。

図１６は、フィルム温度センサ６００の製造方法の第７の実施形態を示す説明図である。

図１６に示すように、半導体ウエハ６０１、接着シート７０２、ベースフィルムセンサ５７、接着シート７０２、カバーレイ７０１の順に積層し、加熱・加圧処理を行い温度測定用基板を製作する。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、これらは本発明の説明のための例示であって、本発明の範囲をこれらの実施例にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨を逸脱することなく、他の種々の形態でも実施することができる。

樹脂フィルムに抵抗体パターン５５及びリード５６等の導体膜を一体形成する方法として、（１）スパッタ膜＋エッチング、（２）銅めっき膜＋パターンエッチング、（３）パターン銅めっき、（４）スクリーン印刷などが採用できる。

また、２以上の感熱素子を同一位置で積層し、熱流束センサとして機能させても良い。例えば、両面に金属箔が接着されたフレキシブル基板を利用して上下同じ位置に抵抗体パターン（抵抗体）を作り、これを温度センサとして機能させれば、上下の温度差データからその位置を通る熱流束を計算することが出来る。

本発明のフィルム温度センサは、温度調節ステージに貼ることで、温度調節ステージの温度の測定にも利用できる。また、本発明のフィルム温度センサは、温度調節ステージ上に配置されることで、その上に載せられた半導体ウェハの温度の測定に利用されてもよい。温度測定のための試験的な半導体製造プロセスではなく、半導体ウェハ上で半導体回路を形成する本番の半導体製造プロセスにおいて、半導体ウェハと温度調節ステージとの間に本発明のフィルム温度センサを介装することにより、本番の半導体製造プロセスで実処理されている半導体ウェハの温度計測（in-situ温度計測）が可能である。

図１Ａは、温度調節ステージの平面図、図１Ｂは、その温度調節ステージのＸ−Ｘ断面図である。 フィルム温度センサ６００の一実施形態の平面図。 フィルム温度センサ６００の別の実施形態の平面図。 フィルム温度センサ６００のまた別の実施形態の平面図。 フィルム温度センサ６００のさらに別の実施形態の平面図。 フィルム温度センサ６００のさらにまた別の実施形態の平面図。 フィルム温度センサ６００のさらにまた別の実施形態の平面図。 フィルム温度センサ６００のさらにまた別の実施形態の平面図。 フィルム温度センサ６００のさらにまた別の実施形態の平面図。 フィルム温度センサ６００の製造方法の第１の実施形態を示す説明図。 フィルム温度センサ６００の製造方法の第２の実施形態を示す説明図。 フィルム温度センサ６００の製造方法の第３の実施形態を示す説明図。 フィルム温度センサ６００の製造方法の第４の実施形態を示す説明図。 フィルム温度センサ６００の製造方法の第５の実施形態を示す説明図。 フィルム温度センサ６００の製造方法の第６の実施形態を示す説明図。 フィルム温度センサ６００の製造方法の第７の実施形態を示す説明図。

符号の説明

４００…温度調節ステージ、４０１Ｎ…Ｎ型熱電変換素子、４０１Ｐ…Ｐ型熱電変換素子、４０２…温度測定用基板、４０３…載置プレート、４０５…熱電変換部、５１１Ａ…上側プレート、５１１Ｂ…下側プレート、５１４Ａ…上側電極、５１４Ｂ…下側電極、５５０…熱交換プレート、５５１…流路、５５…感熱素子（抵抗体パターン）、５６…リード、５７…ベースフィルム５７A…ヘッド部、５７B…テイル部、５８…端子、６００…フィルム温度センサ、６０１…半導体ウェハ、６０７…支持ピン、７００…フィルムセンサ、７０１…カバーレイ、７０２…接着シート。

Claims (12)

1. 絶縁材料製のベースフィルム（５７）と、
   前記ベースフィルム（５７）の表面上又は内部に一体的に形成される薄膜状の複数の感熱素子（５５）と、
   前記ベースフィルム（５７）の表面上又はその厚み内に一体的に形成され、前記複数の感熱素子（５５）と接続される薄膜状の複数のリード（５６）と、
   前記ベースフィルム（５７）の表面上又は内部に一体的に形成され、前記複数のリード（５６）と接続される複数の端子（５８）と
   を備えたフィルム温度センサ（６００)。
2. 請求項１記載のフィルム温度センサ（６００）において、
   前記ベースフィルム（５７）が、パドル形の平面形状を有し、温度測定対象物の表面に接触するためのヘッド部（５７A）と、前記ヘッド部から外方へ延び出たテイル部（５７B）とを含み、
   前記複数の感熱素子（５５）が前記ヘッド部（５７A)に配置され、前記複数の端子（５８）が前記テイル部（５７B）に配置され、複数のリード（５６）が前記ヘッド部（５７A)と前記テイル部（５７B）の双方に配置されるフィルム温度センサ（６００）。
3. 請求項１または２記載のフィルム温度センサ（６００）において、
   前記複数の感熱素子（５５）が同心円状又は螺旋状に配列されているフィルム温度センサ。
4. 請求項１または２記載のフィルム温度センサ（６００）において、
   前記複数の感熱素子（５５）がマトリックス状又はラスタ状に配列されているフィルム温度センサ。
5. 請求項１記載のフィルム温度センサ（６００）において、
   前記感熱素子（５５）の各々は、前記ベースフィルム（５７）上の複数の温度測定ゾーンの各々をカバーする、温度により変化する電気抵抗率をもつ薄膜状の蛇行した抵抗体ラインからなる抵抗体パターンであり、
   前記抵抗体パターンの測定温度範囲内での代表的な抵抗値をＲ、前記温度測定ゾーンの長手方向での寸法をＨ、前記抵抗体ラインの薄膜の厚さをＴ、前記導電材料の電気抵抗率をρ、前記抵抗ラインの幅をＡ、前記抵抗体ラインの幅Ａに対する隣り合う抵抗体ライン間のスペースの幅の比率をｋ、としたとき、前記抵抗体パターンの前記抵抗体ラインの幅Ａが、
   (２／３）（Ｈ^２ρ／（１＋ｋ）・Ｔ・Ｒ）≦Ａ^２≦（Ｈ^２ρ／（１＋ｋ）・Ｔ・Ｒ）
   の範囲内から選ばれているフィルム温度センサ。
6. 請求項１に記載のフィルム温度センサ（６００）において、
   半導体製造プロセスにおける温度測定に使用されるためのフィルム温度センサ（６００）。
7. 温度測定対象物である基板（６０１）と、
   前記基板（６０１）に取り付けられるフィルム温度センサ（６００）とを備え、
   前記フィルム温度センサ（６００）は、
   前記基板（４０２）に接触する絶縁材料製のベースフィルム（５７）と、
   前記ベースフィルム（５７）の表面上又は内部に一体的に形成される薄膜状の感熱素子（５５）と、
   前記ベースフィルム（５７）の表面上又はその厚み内に一体的に形成され、前記感熱素子（５５）と接続される薄膜状のリード（５６）と、
   前記ベースフィルム（５７）の表面上又は内部に一体的に形成され、前記リード（５６）と接続される端子（５８）と
   を備えた温度測定用基板。
8. 請求項７に記載の温度測定用基板において、
   複数の前記感熱素子（５５）と、前記複数の感熱素子（５５）に接続された複数の前記リード（５６）と、前記複数のリードに接続された複数の前記端子（５８）とを備えた温度測定用基板。
9. 請求項７に記載の温度測定用基板において、
   前記フィルム温度センサ（６００）の前記ベースフィルム（５７）が、パドル形の平面形状を有し、前記基板（６０１）の表面に密着するヘッド部（５７A）と、前記ヘッド部から外方へ延び出て前記基板（６０１）の外方へ出ているテイル部（５７B）とを含み、
   前記感熱素子（５５）が前記ヘッド部（５７A)に配置され、前記端子（５８）が前記テイル部（５７B）に配置され、前記リード（５６）が前記ヘッド部（５７A)と前記テイル部（５７B）の双方に配置される温度測定用基板。
10. 請求項７に記載の温度測定用基板において、
    前記基板（６０１）が半導体ウェハである温度測定用基板。
11. 絶縁材料製のベースフィルム（５７）を用意するステップと、
    前記ベースフィルム（５７）の表面上又はその厚み内に複数の抵抗体パターン（５５）を形成するステップであって、複数の抵抗体パターン（５５）の各々が、前記ベースフィルム（５７）上の複数の温度測定ゾーンの各々をカバーする、温度により変化する電気抵抗率をもつ薄膜状の蛇行した抵抗体ラインから形成される、前記抵抗体パターン（５５）を形成するステップと、
    前記ベースフィルム（５７）の表面上又はその厚み内に複数のリードパターン（５６）を形成するステップであって、前記複数のリードパターン（５６）の各々が、前記複数の抵抗体パターン（５５）の各々に接続された、薄膜状の導体ラインから形成される、前記リードパターン（５６）を形成するステップと、
    前記ベースフィルム（５７）の表面上又はその厚み内に複数の端子パターン（５８）を形成するステップであって、前記複数の端子パターン（５８）の各々が、前記リードパターン（５６）にそれぞれ接続された、薄膜状の導体片から形成される、前記端子パターン（５８）を形成するステップと
    を有するフィルム温度センサの製造方法。
12. 請求項１１記載の製造方法において、
    前記抵抗体パターン（５５）を形成するステップでは、前記抵抗体パターン（５５）の測定温度範囲内での代表的な抵抗値をＲ、前記温度測定ゾーンの長手方向での寸法をＨ、前記抵抗体ラインの薄膜の厚さをＴ、前記導電材料の電気抵抗率をρ、前記抵抗ラインの幅をＡ、前記抵抗体ラインの幅Ａに対する隣り合う抵抗体ライン間のスペースの幅の比率をｋ、任意に選択される係数をＣとしたとき、前記抵抗体パターンの前記抵抗体ラインの幅Ａが、
    Ａ^２＝Ｃ・Ｈ^２・ρ／（１＋ｋ）・Ｔ・Ｒ
    １≧Ｃ≧２／３
    の範囲内から選ばれているフィルム温度センサの製造方法。

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