JP2011080813A - 熱電対装着測温板 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接が出来ない基板にも容易に熱電対の測温接点を取り付けることが出来ると共に、基板と熱電対の測温接点との間の温度伝達性に優れ、誤差や時間ずれの小さな温度の測定を可能とする。
【解決手段】熱電対装着測温板は、対となった孔１２、１３を有する基板２と、素線４ａ、４ｂの先端を接合して測温接点５とした熱電対１とを有する。前記測温接点５に溶接玉６、７’、７”を設け、測温接点５と異なる他の１個所にも溶接玉７、６’、６”を設け、前記基板２の対となった一方の孔１２に溶接玉６、６’、６”を嵌め込み、他方の孔１３にも他の溶接玉７、７’、７”を嵌め込む。対となった孔１２、１３の間に延長ワイヤ８、８ａ，８ｂ，１５を張り、この延長ワイヤ８で前記孔１２、１３に嵌め込んだ溶接玉６、７を基板２に固定する。
【選択図】図２

Description

本発明は半導体ウエハ等の基板の温度を測定するために使用される測温板に関し、さらに詳しく言うと半導体ウエハ等の基板またはそれに擬して作られた板体に温度測定用の熱電対の測温接点を取り付け、半導体ウエハ等の加熱すべき基板と共に熱処理炉等に導入される熱電対装着測温板に関する。

半導体ウエハは一般的にはシリコン単結晶等からなる薄い円板状の板体である。この半導体ウエハの上に薄膜コーティング、エッチング、洗浄等の行程を繰り返し、半導体を製造する。そして最後にチップ状に裁断し、半導体チップを得る。
このような半導体製造プロセスにおいては、半導体ウエハ等の基板に成膜する時の加熱や、成膜後に熱拡散処理する工程も含まれる。この中で加熱は、半導体ウエハ等の基板上に酸化膜等の均一な薄膜を形成するために行われるものであり、ＣＶＤ装置や、エピタキシャル装置等の成膜装置において用いられている。成膜後の熱拡散装置において使用される熱処理炉としては、複数枚の基板を水平姿勢で上下に積層状に配列する水平型熱処理炉と、複数枚のウエハを起立姿勢にて列設する縦型熱処理炉が一般に使用されている。

半導体製造プロセスにおける半導体ウエハの加熱や熱処理のためには高精度な温度制御が必要とされる他、高温下で出来るだけ均一な面内温度分布が得られること、金属汚染がないこと、温度制御が容易であること等の特性が要求される。
半導体ウエハの加熱や熱処理行程における温度測定には、熱電対等の測温素子を使用するのが一般的である。しかし、半導体ウエハを５００℃以上の温度に加熱する条件の下では、半導体ウエハが熱電対を構成するアルメルやクロメル或いはそれらのシースを形成するステンレスと化学反応してしまい、金属汚染を生じる不都合がある。また、化学的に安定した白金系の熱電対では、成膜に使うソースガスや成膜後のウエハから汚染によって出力が大きく変化するので実用的ではない。従って、実際に半導体ウエハを測温しながら加熱や熱処理をする事は無く、前もって細い熱電対が多数取り付けられたウエハによって均一な温度になる様に、炉内ヒータの温度制御を行いその条件を確認しておき、この条件でもって見込み運転を行ってウエハに成膜や熱処理を行っている。

そこで半導体ウエハに代わって加熱や熱処理炉に装填して模擬的に温度測定が可能な測温板を使用する。例えば半導体ウエハ等の加熱すべき基板と同じ材質の同じ形状の板体かまたは物性が近似する材料からなる同じ形状の板体を測温板として使用し、これに熱電対の測温接点を取り付けて温度を測定する。この熱電対の測温接点は、測温板上の複数の位置に配置される。この測温板を半導体ウエハと共に熱処理炉に装填し、半導体ウエハと同時に加熱しながら半導体ウエハの温度を推計する。

前述の通り測温板は半導体ウエハ等の加熱すべき基板と同じ材質の同じ形状の板体かまたは物性が近似する材料からなる同じ形状の板体が使用されるため、熱電対の測温接点を溶接することが出来ない非金属材料の板体が多く使用される。このような測温板に熱電対の測温接点を取り付ける手段として、従来では下記特許文献に記載されたように、基板に穴を明け、この穴に熱電対の測温接点を挿入し、さら穴にセラミック系の耐熱セメントを充填して前記測温接点を固定する手段がある。

しかしながら、前記従来の熱電対の測温接点の取り付け構造では、耐熱セメントの充填やその硬化等に時間と手数がかかり、基板の多くの個所に測温接点を取り付けるには相当の時間と手数を要することになる。しかも、測温接点と基板との間に熱伝導率が低い耐熱セメントが介在するため、基板と測温接点との間の温度伝達性が悪く、温度測定値に誤差や時間的なずれが生じ、精度良く温度を測定することが出来ない。さらに、耐熱セメントには接着性を良くする為にアルカリ金属の酸化物が多く含まれている場合が多く、炉やウエハを汚染してしまうので、耐熱セメントの選定には十分注意しなければならない。

特開２００４−４０９６号公報 特開２００３−２４７８９６号公報 特開２００２−２５７６３５号公報 特開２０００−１１１４１８号公報 特開平１１−５１７７６公報

本発明は、前記従来の熱電対の測温接点を取り付けた測温板における課題に鑑み、溶接が出来ない基板にも容易に熱電対の測温接点を取り付けることが出来ると共に、基板と熱電対の測温接点との間の温度伝達性に優れ、誤差や時間ずれの小さな温度の測定が可能な熱電対装着測温板を提供することを目的とする。

本発明では、前記の目的を達成するため、基板２に対となる孔１２、１３を設けると共に、熱電対１の素線４ａ、４ｂの先端を接合し、且つその接合点を測温接点５として、さらに延長ワイヤ８に溶接し、この延長ワイヤ８をリーダーとして前記基板２の孔１２、１３に通し、何れか一方の孔１２、１３に測温接点５の溶接玉６を嵌め込み、他方の孔１２、１３にも延長ワイヤ８に設けた溶接玉７を嵌め込んだものである。

すなわち本発明による熱電対装着測温板は、基板２に熱電対１の測温接点５を装着したものであって、対となった孔１２、１３を有する基板２と、素線４ａ、４ｂの先端を接合して測温接点５とした熱電対１とを有し、前記測温接点５に溶接玉６、７’、７”を設け、測温接点５と異なる他の１個所にも溶接玉７、６’、６”を設け、前記基板２の対となった一方の孔１２に溶接玉６、６’、６”を嵌め込み、他方の孔１３にも他の溶接玉７、７’、７”を嵌め込んだものである。

対となった孔１２、１３の間に延長ワイヤ８を張り、この延長ワイヤ８で前記孔１２、１３に嵌め込んだ溶接玉６、７を基板２にしっかりと固定する。基板２の孔１２、１３は、溶接玉６、７を嵌め込む側の開口径が他方の開口径より大となるようにテーパを施し、そこに溶接玉６、７を嵌め込んで押し当て、定着させる。

このような構成を有する測温板では、一方の孔１２、１３に挿入した測温接点５を孔１２、１３に嵌め込んだ溶接玉６、７’、７”で基板２に固定するため、溶接が出来ない基板２にも容易に熱電対１の測温接点５を取り付けることが出来る。さらに他方の孔１２、１３にも他の溶接玉７、６’、６”を嵌め込んでいるため、孔１２、１３に嵌め込んだ溶接玉６、６’、６”と溶接玉７、７‘、７“が抜けることもなく、測温接点５を基板２に安定して取り付けることが可能となる。熱電対１の測温接点５に設けた溶接玉６、７’、７”はセラミック系セメントに比べて熱伝導率の良好な金属のため、熱電対１の測温接点５と基板２との電熱性も良好となる。

特に対となった孔１２、１３の間にワイヤ８を張り、このワイヤ８を前記孔１２、１３に嵌め込んだ溶接玉６、７で基板２に固定することにより、一方の孔１２、１３に嵌め込んだ溶接玉６、６’、６”と他方の孔１３に嵌め込んだ溶接玉７、７’、７”とで測温接点５をしっかりと孔１２に定着することが出来る。加えて基板２の孔１２、１３に、溶接玉６、６’、６”、７、７’、７”を嵌め込む側の開口径が他方の開口径より大となるようにテーパを施し、そこに溶接玉６、６’、６”、７、７’、７”を嵌め込んで定着を図ることにより、よりしっかりと測温接点５を定着することが出来る。

以上説明した通り、本発明による熱電対装着測温板では、溶接が出来ない基板２にも容易に熱電対１の測温接点５を安定して取り付けることが出来る。熱電対１の測温接点５と基板２との伝熱性も良好であり、測定誤差や時間的な測定値のずれ等を低く抑えることも可能となる。

本発明による熱電対装着測温板の一実施例を示す要部平面図である。 図１に示した熱電対装着測温板の熱電対の測温接点を基板に取り付ける過程と取り付けた状態の部分拡大縦断側面図である。 本発明による熱電対装着測温板の他の実施例を示す要部平面図である。 図３に示したの熱電対装着測温板の熱電対の測温接点を基板に取り付ける過程と取り付けた状態の部分拡大縦断側面図である。 本発明による熱電対装着測温板の他の実施例を示すシース型熱電対の断面図、その側面図、そのシース型熱電対を基板への取り付けた状態の部分拡大縦断側面図である。

本発明ではその目的を達成するため、熱電対１の素線４ａ、４ｂに測温接点５を儲け、さらに延長ワイヤ８を溶接し、この延長ワイヤ８をリーダーとして基板２に設けた孔１２、１３に通し、これらの孔１２、１３に嵌め込んだ溶接玉６と７で測温接点５を基板２に完全に固定した。
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら以下に説明する。

図１に示すように、熱電対１は金属線の種類により、アルメル−クロメル、イリジウム−ロジウム、タングステン−レニウム、ニッケル−モリブデン等のように、材質の異なる２つの素線４ａ、４ｂの先端を接合し、測温接点５としたものである。絶縁チューブ３の一端から引き出された素線４ａ、４ｂは、絶縁スリーブ１０、１０に通して互いに絶縁を図った状態で基板２に導かれ、その先端が接合されて測温接点５として基板１の所定の位置に装着される。絶縁チューブ３の他の端から引き出された素線４ａ、４ｂは補償導線９ａ、９ｂに接続され、この補償導線９ａ、９ｂを介して図示していない温度測定器に接続される。補償導線９ａ、９ｂは絶縁チューブ１１、１１で互いに絶縁されている。

図２に示すように、基板２は対となる孔１２、１３を有する。これらの孔１２、１３は、図２において上側の開口径が下側の開口径より大となるような勾配を有する。
図２（Ａ）に示すように、前記熱電対１の絶縁チューブ３の一端から引き出された素線４ａ、４ｂの先端を接合し、測温接点５とする時に素線４ａ，４ｂのいずれかを延長ワイヤ８として接続しておく。また測温接点５は熱電対１の素線４ａ、４ｂと延長ワイヤ８により溶接玉６を形成しておく。

前記基板２の一方の孔１２に延長ワイヤ８を通し、測温接点５の溶接玉６を孔１２の中に嵌め込む。このとき測温接点５を形成する溶接玉６は孔１２の径の大きな開口部、すなわち図２では上側の開口部から孔１２の中に挿入し、そのテーパ面に押し当てて定着させる。

さらに孔１２から基板２の下側に引き出した延長ワイヤ８の自由端は、基板２の下側の径の小さな開口部から孔１３に通し、基板２の上側の径の大きな開口部から引き出す。そして図２（Ｂ）に示すように、この孔１３から引き出した部分に溶接玉７を設け、これを孔１３のテーパ面に押し当てて安定させる。基板２の下側の面では延長ワイヤ８が孔１２、１３の間に張った状態で設けられる。ここで基板２の上下とは図２における上下を意味しており、基板２の絶対的な上下を意味しない。

図２（Ｂ）に示されたように、溶接玉６、７は基板２の孔１２、１３に丁度嵌め込む大きさとし、これらの溶接玉６、７がそれぞれ基板２の孔１２、１３に嵌め込まれ、孔１２、１３のテーパに押し当てられる。基板２の孔１２、１３との間の延長ワイヤ８の張りも加わり、溶接玉６で接合された熱電対１の測温接点５が安定して基板２に取り付けられる。熱電対１の素線４ａ，４ｂは放熱部材としても機能し、測温接点５から熱を放出し、測温接点５に蓄熱させないので、測温値は他の部分より低い値を示し、測温値に時間の遅れが生じる。これを防止する為には、測温接点５は溶接玉６ではなく熱電対１の素線４ａ，４ｂより離れた溶接玉７であった方が良い。溶接玉７を測温接点にしたものを図３以降に示す。図３以降に示す孔１２と１３の距離は、熱計算により熱電対１の素線４ａ，４ｂの径やシース型熱電対の径の１０倍以上にすると、放熱部材として機能する熱電対１の素線４ａ，４ｂやシース熱電対による影響がなくなり、正確な測温が出来る。

図３は、熱電対１の素線４ａ、４ｂにそれぞれ溶接玉６‘、６’を作り、測温接点を溶接玉７‘とし、さらに絶縁スリーブ１０、１０に代えてセラミックコーティング１４、１４をそれぞれ施した例である。図１と同じ部分は同じ符合で示している。勿論、セラミックコーティング１４，１４を用いず、絶縁スリーブ１０，１０を用いても良い。
絶縁チューブ３の一端から引き出された素線４ａ、４ｂは、セラミックコーティング１４、１４により互いに絶縁を図った状態で基板２に導かれ、セラミックコーティング１４、１４から露出された部分をそのまま延長リーダとして途中の熱電対１の素線４ａ，４ｂに溶接玉６‘、６’を作り、先端を測温接点７‘とす。溶接玉６’、６’と測温接点７‘が基板２の所定の位置に埋め込まれる。

図４（Ａ）に示すように、前記熱電対１のセラミックコーティング１４、１４から露出された素線４ａ、４ｂの途中に溶接玉６’、６’をそれぞれ形成し、そのほかは延長ワイヤ８ａ，８ｂとする。

図４（Ｂ）に示すように、基板２は対となる孔１２、１３を有するが、一方の孔１２は２つ設けられている。これらの孔１２、１３は図４（Ｂ）において上側の開口径が下側の開口径より大となるような勾配を有するのは前述した実施例と同様である。

図４（Ｂ）に示すように、前記延長ワイヤ８ａ，８ｂを基板２の一方の孔１２、１２から通して溶接玉６’、６’を孔１２、１２に嵌め込む。このとき溶接玉６’、６’は孔１２、１２の径の大きい開口部、すなわち図４（Ｂ）では上側の開口部から孔１２、１２に挿入し、そのテーパ面に押し当てて安定させる。

さらに延長ワイヤ８ａ，８ｂの自由端は基板２の他方の孔１３に通し、引き出す。このとき、延長ワイヤ８ａ，８ｂの自由端は基板２の径の小さな開口部から大きな開口部に向けて孔１３に通し、図４（Ａ）の様に延長ワイヤ８ａ，８ｂを捩って1本にする。そして図４（Ｂ）に示すように、この孔１３から引き出した部分に溶接玉７’を設け測温接点とし、これを孔１３のテーパ面に押し当てて安定させる。すなわち図４（Ｂ）においては延長ワイヤ８を孔１３の下側の開口部から通し、上側の開口部から引き出し、この引き出した部分に溶接玉７を形成し測温接点として、これを孔１３の中に嵌め込んでそのテーパ面に押し当て、定着させる。

図４（Ｂ）に示されたように、溶接玉６‘、７’は基板２の孔１２、１３に丁度嵌め込む大きさとし、これらの溶接玉６‘、７’がそれぞれ基板２の孔１２、１３に嵌め込まれ、孔１２、１３のテーパに押し当てられるのは前述した実施例と同様である。また図４（Ｂ）において基板２の下側の面では延長ワイヤ８ａ，８ｂが孔１２、１３の間に張った状態で設けられることも同様である。

図５は、熱電対１としてシース型熱電対を使用した例である。このシース型熱電対は、図５（Ａ）に示すように、一対の素線４ａ、４ｂを金属細管であるシース１８の中に収納し、先端を測温接点５とし、これをシース１８の中に充填したマグネシア粉末等の無機絶縁材１９、２０で素線４ａ、４ｂ及びシース１８を互いに絶縁したものである。

図５（Ｂ）に示すように、このシース型熱電対１の先端で前記素線４ａ、４ｂを接合して測温接点５として、さらにシース１８の先端に溶接チップ１７を溶接する。またそれより手前のシース１８の外周に溶接ボス１６を設ける。
図５（Ｃ）に示すように、基板２は対となる孔１２、１３を有する。これらの孔１２、１３は図４（Ｃ）において上側の開口径が下側の開口径より大となるような勾配を有する。

図５（Ｃ）に示すように、シース型熱電対１を基板２の一方の孔１２に上側から下側へと通し、さらに基板２の下面側を通し、先端の溶接チップ１７を他方の孔１３に通して基板２の下側から上側へと引き上げる。これにより測温接点５が孔１３の開口部に位置する様にして、中間部の溶接ボス１６を孔１２に嵌め込む。この状態で溶接ボス１６と溶接チップ１７を利用し、それらを溶解した後、硬化させてそれぞれ溶接玉６”、７”とし、これら溶接玉６”、７”をそれぞれ孔１２、１３に嵌め込む。

図５（Ｃ）に示されたように、溶接玉６”、７”は基板２の孔１２、１３に丁度嵌め込む大きさとし、これらの溶接玉６”、７”がそれぞれ基板２の孔１２、１３に嵌め込まれ、孔１２、１３のテーパに押し当てられる。基板２の孔１２、１３との間のシース型熱電対１の張りも加わり、溶接玉７”により接合された熱電対１の測温接点５が安定して基板２に取り付けられる。

本発明による熱電対装着測温板は、例えば半導体ウエハ等の基板をバッチ式熱処理炉に複数枚収納して熱処理するに当たり、基板と共に熱処理炉に収納して温度測定をするのに使用することが出来る。これにより半導体ウエハ等の基板の熱処理工程における温度制御を目的とする温度測定に適用することが出来る。

１ 熱電対
２ 基板
４ａ 熱電対の素線
４ｂ 熱電対の素線
５ 熱電対の測温接点
５ａ 熱電対の測温接点
５ｂ 熱電対の測温接点
６ 溶接玉
６’ 溶接玉
６” 溶接玉
７ 溶接玉
７’ 溶接玉
７” 溶接玉
８ ワイヤ

Claims (4)

1. 基板２に熱電対１の測温接点５を装着した熱電対装着測温板において、対となった孔１２、１３を有する基板２と、素線４ａ、４ｂの先端を接合して測温接点５とした熱電対１とを有し、前記測温接点５に溶接玉６、７’、７”を設け、測温接点５と異なる他の１個所にも溶接玉７、６’、６”を設け、前記基板２の対となった一方の孔１２に溶接玉６、６’、６”を嵌め込み、他方の孔１３にも他の溶接玉７、７’、７”を嵌め込んだことを特徴とする熱電対装着測温板。
2. 対となった孔１２、１３の間に延長ワイヤ８を張り、このワイヤ８により前記孔１２、１３に嵌め込んだ溶接玉６、７を基板２に固定したことを特徴とする請求項１に記載の熱電対装着測温板。
3. 基板２の孔１２、１３は、溶接玉６、７を嵌め込む側の開口径が他方の開口径より大となるようにテーパを施し、そこに溶接玉６、７を嵌め込んで固定したことを特徴とする請求項１または２に記載の熱電対装着測温板。
4. 測温接点７‘、７“が取り付けられている孔１３と、冷却機能を発揮する熱電対素線４ａ，４ｂやシース型熱電対に設けられた溶接玉６’、６”を嵌め込む孔１２との距離が、熱電対素線径やシース熱電対径の10倍以上の長さ特徴とする請求項1〜３の何れかに記載の熱電対装着測温板。

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