JP2011002242A

JP2011002242A - 温度センサ

Info

Publication number: JP2011002242A
Application number: JP2009143192A
Authority: JP
Inventors: Keiichiro Asakawa; 慶一郎浅川
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2009-06-16
Filing date: 2009-06-16
Publication date: 2011-01-06

Abstract

【課題】赤外線ランプを備えた加熱炉にて温度測定に用いられても、保護管が失透することがなく、高い精度でかつ再現性よく温度測定できる温度センサを提供する。
【解決手段】２本の異種金属からなる熱電対５２と、熱電対を収容する透明な保護管５１とを備える。熱電対の測温部が所定の金属部材５３で覆われ、保護管に屈曲部５１ａが形成され、この屈曲部に、保護管の一方に挿通された熱電対の測温部を位置させると共にこの屈曲部が加熱炉Ｆ内で処理対象物Ｗに近接配置されるように構成される。そして、保護管の一端から所定の気体を供給してその他端から排出するように気体を流す気体供給手段６を設けている。
【選択図】図１

Description

本発明は、赤外線ランプを備えた加熱炉にて処理対象物の温度を非接触で測定する温度センサに関する。

半導体装置の製造工程においては、処理対象物たる半導体ウエハ（以下、「ウエハ」という）に対して、熱処理や熱酸化処理等の所定の処理を施すために、抵抗加熱式ヒータや赤外線ランプなどの熱源を備えた各種の加熱炉が使用される。そして、この加熱炉にてウエハを処理する際にウエハ温度を測定するために温度センサが用いられる。

この種の温度センサとして、融点が比較的高い白金（Ｐｔ）と白金ロジウム（Ｐｔ、Ｒｈ）との２本の異種金属からなる熱電対（Ｒ熱電対）が一般に用いられる。この場合、加熱炉内が汚染されることを防止する等のため、上記熱電対を保護管に挿設した後、この保護管を更に別体の管体に収容し、この管体の入口部を封止材（例えばセラミックス製の接着剤）で封止した状態で温度センサを加熱炉内でウエハの近傍に配置し、ウエハに非接触で温度測定するものが特許文献１で知られている。

ところで、赤外線ランプを備えた加熱炉では、熱電対の異種金属の接続部たる測温部が赤外線の吸収のみで加熱される。このため、保護管は、透明でかつ高温領域（例えば１０００℃）で安定した性能を有する石英等の材料から構成する必要がある。

然しながら、赤外線ランプを備えた加熱炉にて石英製の保護管内に熱電対を収納してウエハの温度を測定する場合、１０００℃を超えた高温領域で加熱すると（例えば、パワーデバイス用のＳｉＣウエハの熱酸化処理）、熱電対の素線等からアウトガスが発生して保護管の内壁に付着する。このアウトガスが付着した部分では赤外線の吸収率が局所的に増加して急速に温度上昇し、この部分が失透することが判明した。このように保護管が失透すると、精度よく温度測定ができず、その再現性が悪化するという問題がある。

特開２００１−３３３１４号公報

本発明は、以上の点に鑑み、赤外線ランプを備えた加熱炉にて温度測定に用いられても、保護管が失透することがなく、高い精度でかつ再現性よく温度測定できる温度センサを提供することをその課題とするものである。

上記課題を解決するために、本発明は、赤外線ランプを備えた加熱炉にて処理対象物の温度を非接触で測定する温度センサにおいて、２本の異種金属からなる熱電対と、熱電対を収容する透明な保護管とを備え、前記熱電対の測温部が所定の金属部材で覆われ、前記保護管に屈曲部または湾曲部が形成され、この屈曲部または湾曲部に、保護管の一方に挿通された熱電対の測温部を位置させると共にこの屈曲部または湾曲部が加熱炉内で処理対象物に近接配置されるように構成され、前記保護管の一端から所定の気体を供給してその他端から排出するように気体を流す気体供給手段を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、保護管の一端から所定の気体を供給してその他端から排出するように気体を流す気体供給手段を設けたため、１０００℃を超えた高温領域で加熱することで熱電対の素線等からアウトガスが発生しても、このアウトガスは、保護管内を流れる気体と共にその他端から排出される。結果として、アウトガスの保護管内壁への付着が防止され、保護管のいずれかで赤外線の吸収率が局所的に増加する等の不具合は生じない。

また、保護管が屈曲部または湾曲部を備える構成を採用したため、この温度センサを加熱炉内に設置する際に、処理対象物の外方から熱電対を侵入させ、保護管の屈曲部または湾曲部、ひいては、熱電対の測温部を処理対象物にその外方から近接配置できるようになる。このため、保護管の一部が処理対象物を跨いでこの処理対象物の加熱効率を局所的に悪くする等の不具合は生じない。

ところで、赤外線ランプを備えた加熱炉では、熱電対の測温部が透明な保護管を透過した赤外線の吸収のみで加熱される。このため、測温部が露出していると、赤外線ランプの稼働開始時には急速に加熱される一方で、赤外線ランプの稼働停止時には急速に冷却されるようになり、処理対象物の加熱または冷却時の温度上昇や下降の勾配とかけ離れることになる。この場合、熱電対で測定した温度と、実際の処理対象物の温度との間で相関がとれず、精度よくかつ再現性よく処理対象物の温度測定ができない虞がある。それに対して、本発明では、測温部が所定の金属部材で覆われているため、この金属部材の体積を適宜設定して熱容量を増加させて、処理対象物の加熱または冷却時の温度上昇や下降の勾配と略一致させて相関を持たせ易くできる。これにより、アウトガスの保護管内壁への付着が防止されると共に熱電対の測温部のみを加熱炉内の処理対象物に近接配置できることと相俟って、高い精度でかつ再現性よく処理対象物の温度測定が可能となる。

なお、本発明においては、熱電対で測定した温度と、実際の処理対象物の温度との間で確実に相関を持たせるには、前記金属部材は、前記加熱炉にて処理対象物を保持する金属製の保持手段と同材料で形成されていることが好ましい。

本発明の温度センサを備えた加熱炉を説明する断面図。本発明の温度センサの平面図。

以下、図面を参照して、赤外線ランプを備えた加熱炉にて処理対象物たるウエハＷを加熱しながら所定の処理を行う際に、ウエハＷの温度を非接触で測定することに適した本発明の実施形態の温度センサを説明する。

図１に示すように、加熱炉Ｆは、図示省略の炉内に上下方向に所定間隔で配置した一対の熱源１を備える。熱源１は、下面に凹部が形成された上ホルダ１１ｕと、上面に凹部が形成された下ホルダ１１ｄとを備え、上ホルダ１１ｕ及び下ホルダ１１ｄの各凹部１２には、公知の構造を有する赤外線ランプ１３が設置されている。赤外線ランプ１３の作動は、図示省略の制御手段により行われる。

また、上ホルダ１１ｕと下ホルダ１１ｄとの間には、例えば石英からなる透明な管体２が挿設されている。管体２は、その両端に設けられ、炉に固定可能な左右一対のフランジ２１ｌ、２１ｒで支持されている。そして、この管体２が加熱時の処理室を構成する。図１中、右側のフランジ２１ｒには、管体２の内方へと水平にのびる支持板３が設けられ、支持板３の先端上面には、処理対象物たるウエハＷを保持するサセプタ（保持手段）４が設けられている。

サセプタ４の材料は、加熱炉Ｆ内で行う処理（例えば、熱酸化処理）に応じて適宜選択され、例えばＳｉＣ製である。ここで、管体２を左右一対のフランジ２１ｌ、２１ｒで支持させたとき、管体２内部が密閉されるように構成することができる。この場合、図示省略したが、右側のフランジ２１ｒに、管体２内にアルゴンや窒素などの不活性ガスや酸素などの反応ガスを所定流量で導入するガス導入管が接続されていてもよく、また、管体２内を所定真空度に真空排気できるように、真空ポンプに通じる排気管が接続されていてもよい。

他方、左側のフランジ２１ｌには、本発明の実施形態の温度センサ５が取り付けられている。図２を参照して説明すれば、温度センサ５は、Ｕ字形状に形成された保護管５１を備える。保護管５１は、透明でかつ１０００℃以上の高温領域で安定した性能を有するように、例えば石英製である。保護管５１には、例えば白金と白金ロジウムとの２本の異種金属からなる公知の構造を有する熱電対（Ｒ熱電対）５２が挿設されている。

熱電対５２の先端部に位置する異種金属相互の接合部たる測定部は、所定体積の金属部材５３で覆われている。この場合、金属部材５３は、サセプタ４と同材料から構成されていることが好ましく、また、その体積は、サセプタ４の表面積や加熱炉Ｆ内での処理温度等に応じて適宜設定され、加熱または冷却時の温度上昇や下降の勾配と略一致させて相関を持たせ易くしている。以下に、本実施形態の温度センサ５の組付を説明する。

先ず、保護管５１の屈曲部５１ａ側からウエハＷを指向するように挿入した後、左側のフランジ２１ｌに形成した平行な２個の貫通孔５５に保護管５１の両端を挿入し、片持支持させる（この場合、貫通孔５５は、サセプタ４の位置や保護管５１の径等を考慮して適宜形成されている）。そして、屈曲部５１ａがウエハＷの側面に近接するように（例えば、屈曲部５１ａと基板Ｗとの間の距離が５〜２０ｍｍとなるように）位置決め固定する（このとき、保護管５１は、その両端が左側のフランジ２１ｌの貫通孔５５から外方に突出しないように定寸されている）。

次に、金属部材５３側から熱電対５２を保護管５１の一方に挿入し、Ｕ字をなすべく屈曲させた保護管５１の一方の屈曲部５１ａに金属部材５３で覆われた測温部を位置決め配置する。この状態で、左側のフランジ２１ｌに、各貫通孔を臨む孔（図示せず）が形成された支持部材５４を固定し、熱電対５２を固定する。そして、熱電対５２の端部が制御手段に接続される。

次に、保護管５１の一端に通じる支持部材５４の一方の孔には導入管６１が接続され、保護管５１の他端に通じる支持部材５４の他方の孔には排気管６２が接続される。導入管６１はガス源６２に連通し、マスフロコントローラ６３が介設されており、これらの部品が気体供給手段６を構成する。そして、加熱炉ＦにてウエハＷを加熱等の処理をする間、気体供給手段６により空気、アルゴンや窒素等の不活性ガスが導入され、排気管６２を介して排出される。この場合、排気管６２が真空ポンプに接続されていてもよい。

上記実施形態の温度センサ５によれば、加熱炉ＦにてウエハＷを１０００℃を超えた高温領域で加熱等の処理をする間、熱電対５２からアウトガスが発生しても、このアウトガスは、保護管５１内を流れる気体と共にその他端から排出されるため、アウトガスの保護管５１内壁への付着が防止され、保護管５１のいずれかで赤外線の吸収率が局所的に増加する等の不具合は生じない。しかも、保護管５１が屈曲部５１ａを備えていることで、保護管５１内の熱電対の測温部５３をウエハＷに近接配置する場合に、保護管５１の一部がウエハＷ処理対象物を跨ぐことがなく、ウエハＷの加熱効率を局所的に悪くする等の不具合は生じない。

更に、熱電対５２の測温部をウエハＷを支持するサセプタ４と同材料かつ所定体積の金属材料５３で覆っていることで、ウエハＷを加熱または冷却する時の温度上昇や下降の勾配と略一致させて相関を持たせ易くできる。これにより、アウトガスの保護管５１内壁への付着が防止されると共に熱電対５２の測温部のみを加熱炉Ｆ内の処理対象物に近接配置できることと相俟って、高い精度でかつ再現性よく温度測定できる。

以上、本発明の実施形態の温度センサ５について説明したが、これに限定されるものではない。上記実施形態では、保護管５１を２回屈曲させてＵ字状に形成したものを例に説明したが、例えばＶ字状に屈曲または湾曲させて構成することができる。

また、保護管５１の材料は、透明でかつ高温領域（例えば１０００℃）で安定した性能を有するものであれば、石英に限られるものではなく、さらに、熱電対は、上記例示したＲ熱電対に限定されるものではない。

Ｆ…加熱炉、１３…赤外線ランプ、５…温度センサ、５１…保護管、５１ａ…屈曲部、５２…熱電対、５３…金属部材（測温部を覆うもの）、６…気体供給手段、Ｗ…ウエハ（処理対象物）

Claims

赤外線ランプを備えた加熱炉にて処理対象物の温度を非接触で測定する温度センサにおいて、
２本の異種金属からなる熱電対と、熱電対を収容する透明な保護管とを備え、
前記熱電対の測温部が所定の金属部材で覆われ、前記保護管に屈曲部または湾曲部が形成され、この屈曲部または湾曲部に、保護管の一方に挿通された熱電対の測温部を位置させると共にこの屈曲部または湾曲部が加熱炉内で処理対象物に近接配置されるように構成され、前記保護管の一端から所定の気体を供給してその他端から排出するように気体を流す気体供給手段を設けたことを特徴とする温度センサ。
前記金属部材は、前記加熱炉にて処理対象物を保持する金属製の保持手段と同材料で形成されていることを特徴とする請求項１記載の温度センサ。