JP2011107103A - 温度検出装置、及び温度検出装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の温度測定装置は、測定面が加工されていたり、ウェハとは異なる材質の小片を温度センサのためのスペーサとして用いられているので、接合装置におけるウェハの温度管理にはそのまま用いることができなかった。
【解決手段】上記課題を解決するために、シース管の内部に少なくとも一対の熱電対素線を配置してなるシース型熱電対と、２枚のワークシリコンウェハと、２枚のワークシリコンウェハに厚み方向で挟持され、シース型熱電対を収容する空間を形成するスペーサシリコンウェハとを備える温度検出装置を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、温度検出装置、及び温度検出装置の製造方法に関する。

各々に素子、回路等が形成されたウェハを積層して製造された積層型半導体装置がある（特許文献１参照）。積層型半導体装置は、立体的な構造により、素子面積を拡大することなく実効的に高い集積密度を有する。ウェハを貼り合わせる場合には、互いに平行に保持された一対のウェハを、半導体回路の線幅精度で精密に位置決めして積層した後、接合装置により基板全体に加熱、加圧して接合させる。

一方、従来より半導体製造工程においては、ウェハが熱処理される工程を多く含んでおり、そのような工程において熱処理されるウェハの温度を検出することが、工程の管理上重要であった。このような要請に対し、例えば、ウェハと同じ面形状を有する治具内部に熱電対を埋め込んだ温度測定装置が知られている（特許文献２参照）。

特開平１１−２６１０００号公報 特開平２−１１２２５４号公報

接合装置においては、少なくとも２枚のウェハが重ねあわされて加熱、加圧される。したがって、加熱による温度分布、熱膨張及び加圧による耐圧、圧力分布等を十分に考慮する必要がある。しかしながら、従来の温度測定装置は、測定面が加工されていたり、ウェハとは異なる材質の小片を温度センサのためのスペーサとして用いられているので、接合装置におけるウェハの温度管理にはそのまま用いることができなかった。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様における温度検出装置は、温度センサと、２枚のワークシリコンウェハと、２枚のワークシリコンウェハに厚み方向で挟持され、温度センサを収容する空間を形成するスペーサシリコンウェハと、を備える。

また、本発明の第２の態様における温度検出装置の製造方法は、温度センサと、２枚のワークシリコンウェハと、スペーサシリコンウェハとを備える温度検出装置の製造方法であって、２枚のワークシリコンウェハのうち一方のワークシリコンウェハの外周部に接するように配置された複数の位置決めピンに、スペーサシリコンウェハを押し当てて位置決めする位置決め工程と、位置決め工程により位置決めされたスペーサシリコンウェハを、２枚のワークシリコンウェハで厚さ方向に挟み込んで接合する接合工程と、接合工程に先立って、又は、接合工程の後に実行される工程であって、位置決め工程によって形成された２枚のワークシリコンウェハとスペーサシリコンウェハの間の空間に温度センサを収容する収容工程とを備える。

また、本発明の第３の態様における温度検出装置の製造方法は、温度センサと、２枚のワークシリコンウェハと、スペーサシリコンウェハとを備える温度検出装置の製造方法であって、２枚のワークシリコンウェハのうち一方のワークシリコンウェハの表面に位置決め部を設ける設定工程と、設定工程により設けられた位置決め部に、スペーサシリコンウェハを押し当てて位置決めする位置決め工程と、位置決め工程により位置決めされたスペーサシリコンウェハを、２枚のワークシリコンウェハで厚さ方向に挟み込んで接合する接合工程と、接合工程に先立って、又は、接合工程の後に実行される工程であって、位置決め工程によって形成された２枚のワークシリコンウェハとスペーサシリコンウェハの間の空間に温度センサを収容する収容工程とを備える。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

第１の実施形態に係る温度検出装置１００の外観斜視図である。 ワークシリコンウェハ１０１を剥がした状態の、温度検出装置１００の上面外略図である。 スペーサシリコンウェハ１１０に設けたスリット３２０の拡大斜視図である。 スペーサシリコンウェハ１１０に設けた溝部４２０の拡大斜視図である。 スペーサシリコンウェハ１１０に設けたスリット５２０の拡大斜視図である。 スペーサシリコンウェハ１１０に設けた溝部６２０の拡大斜視図である。 スペーサシリコンウェハ１１０を分割して形成した空間を説明するための、温度検出装置１００の上面外略図である。 スペーサシリコンウェハ１１１を、ワークシリコンウェハ１０２上に位置決めする方法の説明図である。 スペーサシリコンウェハ１１１を、ワークシリコンウェハ１０３上に位置決めする方法の説明図である。 シース型熱電対が配置された空間の断面図である。 シース型熱電対が配置された空間の他の断面図である。 シース型熱電対が配置された空間の他の断面図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本実施形態に係る温度検出装置１００の外観斜視図である。温度検出装置１００は、加熱、加圧を受ける２枚のワークシリコンウェハ１０１、１０２が、スペーサシリコンウェハ１１０を厚み方向に挟み込む構成を採用する。

本実施形態における温度検出装置１００は、ワークシリコンウェハ１０１、１０２の中心部の１点及び周辺部の４点の温度検出領域において温度を検出する。温度検出領域の数および位置は、測定目的に応じて任意に設定され得る。スペーサシリコンウェハ１１０には、それぞれの温度検出領域に対応して後述のスリットが設けられており、各スリットからケーブル１２１、１２２、１２３、１２４、１２５が引き出されている。引き出されたケーブル１２１、１２２、１２３、１２４、１２５は、配線ケーブル１９０の一端に設けられたコネクタで一纏めにされる。配線ケーブル１９０の他端に設けられたコネクタは、所定の回路、演算装置等に接続される。

ワークシリコンウェハ１０１、１０２は、形状、材質において、実際のウェハに忠実であることが望ましい。そのため、ワークシリコンウェハ１０１、１０２は、例えば直径２００ｍｍ、厚さ７６０μｍの、規格化されたウェハと同じ外形となるように、単結晶シリコンインゴットからスライス切断して製作する。特に、図示するように、ワークシリコンウェハ１０１、１０２の温度検出面は、平滑化された均質な平面であって、凹凸を発生させる追加加工、別体の構造物の貼着などはなされていないことが好ましい。

スペーサシリコンウェハ１１０は、温度検出面を有しないが、広い面積で直接的にワークシリコンウェハ１０１、１０２に接触するため、熱分布への影響等を考慮して、規格化されたウェハと同じ外形となるように、単結晶シリコンインゴットからスライス切断して製作する。なお、ワークシリコンウェハ１０１、１０２とスペーサシリコンウェハ１１０の接着には、シリカ及びアルミナを主成分とする耐熱性に優れた無機質の耐熱セメントが用いられる。

図２は、ワークシリコンウェハ１０１を剥がした状態の、温度検出装置１００の上面外略図である。スペーサシリコンウェハ１１０には、５つの温度検出領域に対応してシース型熱電対１３１、１３２、１３３、１３４、１３５を配置する空間、及びケーブル１２１、１２２、１２３、１２４、１２５を外部に引き出す空間を形成するために、５つのスリット１４１、１４２、１４３、１４４、１４５が設けられている。

シース型熱電対１３１、１３２、１３３、１３４、１３５は、ステンレスシース管の内部に一対の熱電対素線を配置して、シース管中に無機絶縁物を高圧で充填している。これらは、熱電対先端の感温部がステンレスで覆われているので機械的強度にすぐれており、加圧される温度検出装置１００への適用に好ましい。また、シース管内で熱電対に接続され、シース管から外部に導かれるケーブル１２１、１２２、１２３、１２４、１２５には、耐熱性に優れたシリコン被膜加工がされている。

なお、本実施形態においては、温度センサとして上記のシース型熱電対を例として説明するが、温度センサはこれに限られるものではない。熱電対は異種金属間に発生する熱起電力の現象であるゼーベック効果を利用した温度センサであるが、これ以外にも金属の抵抗値が温度と一定の関係にある現象を利用した測温抵抗体の温度センサ等も利用できる。シース型熱電対の場合は、熱電対がシース管の内部に配置されているので、その外形の高さ方向はシース管の直径となるが、他の温度センサの場合には、例えばセンサ部分とケーブルの接続部が高さ方向の最大値になることもある。この最大値が温度センサの最大厚さとなる。したがって、温度センサを配置する空間のうちワークシリコンウェハの厚み方向である高さは、少なくともその温度センサの最大厚さ以上であることが求められる。

次に、スペーサシリコンウェハ１１０に設ける、シース型熱電対を配置する空間のバリエーションについて説明する。図３は、スペーサシリコンウェハ１１０に設けたスリット３２０の拡大斜視図である。スリット３２０は、スペーサシリコンウェハ１１０の外周部から内側へ向かって直線状に設けられており、このスリット３２０にシース型熱電対１３６を矢印方向に挿入する。スリット３２０は直線状であるので、加工が容易である。また、後述の溝部と異なり、温度検出装置１００をワークシリコンウェハ１０１、１０２の表面に対して、厚み方向に対称に製作することができるので、温度検出面の違いによる熱分布の偏りが生じにくい。

図４は、スペーサシリコンウェハ１１０に設けた溝部４２０の拡大斜視図である。溝部４２０は、外周部から内側へ向かって直線状に設けられており、この溝部４２０にシース型熱電対１３６を矢印方向に挿入する。溝部４２０は直線状であるので、加工が容易である。また、スリットと異なり、スペーサシリコンウェハ１１０の底部は円形を保っており、高い剛性を有する。

図５は、スペーサシリコンウェハ１１０に設けたスリット５２０の拡大斜視図である。スリット５２０は、スペーサシリコンウェハ１１０の外周部から内側へ向かって、内側へ進むほど幅が狭くなるように設けられており、このスリット５２０にシース型熱電対１３６を矢印方向に挿入する。スリット５２０は、内側へ進むほど幅が狭くなるので、挿入されたシース型熱電対１３６が目標位置でスリットの両側面とはじめて接するように形成すれば、温度検出装置１００の組み立てが容易になる。また、溝部と異なり、温度検出装置１００をワークシリコンウェハ１０１、１０２の表面に対して、厚み方向に対称に製作することができるので、温度検出面の違いによる熱分布の偏りが生じにくい。

図６は、スペーサシリコンウェハ１１０に設けた溝部６２０の拡大斜視図である。溝部６２０は、スペーサシリコンウェハ１１０の外周部から内側へ向かって、内側へ進むほど浅くなるように設けられており、この溝部６２０にシース型熱電対１３６を矢印方向に挿入する。溝部６２０は、内側へ進むほど浅くなるので、挿入されたシース型熱電対１３６が目標位置で溝部６２０の底面及びワークシリコンウェハ１０１の面とはじめて接するように形成すれば、温度検出装置１００の組み立てが容易になる。また、スリットと異なり、スペーサシリコンウェハ１１０の底部は円形を保っており、高い剛性を有する。なお、図５及び図６で示した空間は、外周部から内側へ向かって狭くなるように作られる空間であるが、例えば溝部６２０の側面についても、内側へ進むほど幅が狭くなるように構成しても良い。また、シース型熱電対１３６のシース管形状に合わせて、溝部及びスリットの壁面が円弧状になるように構成しても良い。

図７は、スペーサシリコンウェハ１１０を分割して形成した空間を説明するための、温度検出装置１００の上面外略図である。単結晶シリコンインゴットからスライス切断して作成されたスペーサシリコンウェハ１１０を、さらに複数に分割して、これらを並べて配置することで、シース型熱電対を配置する空間を形成している。具体的には、スペーサシリコンウェハ１１０を、扇形状の５つのスペーサシリコンウェハ１１１、１１２、１１３、１１４、１１５に分割する。分割は、ワークシリコンウェハ１０２上に、外周部が一致するようにスペーサシリコンウェハ１１１、１１２、１１３、１１４、１１５を互いに離間させて載置したときに、シース型熱電対１３１、１３２、１３３、１３４、１３５を配置する空間が確保されるように行う。

図８は、扇形状のスペーサシリコンウェハ１１１を、ワークシリコンウェハ１０２上に位置決めする方法の説明図である。上述のように、扇形状のスペーサシリコンウェハ１１１の円弧部である外周部を、ワークシリコンウェハ１０２の外周部に一致させる。外周部を一致させるには、まず、治具上に設けられた位置決めピン８０１、８０２に対し、ワークシリコンウェハ１０２の外周部が接するように押し当てる。そして、ワークシリコンウェハ１０２上で、スペーサシリコンウェハ１１１の外周部を位置決めピン８０１、８０２に押し当てる。他のスペーサシリコンウェハ１１２、１１３、１１４、１１５も同様に、各々に用意された位置決めピンを利用して外周部を一致させる。このようにして、ワークシリコンウェハ１０２上の適切な位置に、扇形状の５つのスペーサシリコンウェハ１１１、１１２、１１３、１１４、１１５を配置することができる。

５つのスペーサシリコンウェハ１１１、１１２、１１３、１１４、１１５を位置決めする方法は、上記の方法に限らない。図９は、スペーサシリコンウェハ１１１を、ワークシリコンウェハ１０３上に位置決めする方法の説明図である。ここでの方法を実現するため、ワークシリコンウェハ１０２に替えて、スペーサシリコンウェハと接する側を加工したワークシリコンウェハ１０３を用いる。具体的には、スペーサシリコンウェハ１１１、１１２、１１３、１１４、１１５を押し当てるための隆起した位置決め部９０１を、ワークシリコンウェハ１０３上に設ける。図示するワークシリコンウェハ１０３は、エッチング加工により、位置決め部９０１が所定の深さとなるように、他の部分を除去することで位置決め部９０１を形成している。これに限らず、位置決め部９０１を別体として製作しておき、平坦なワークシリコンウェハ１０２に別体である位置決め部９０１を取り付けてワークシリコンウェハ１０３としても良い。

例えば、エッチングにより除去された面は、それぞれのスペーサシリコンウェハ１１１、１１２、１１３、１１４、１１５の外形にほぼ一致する。したがって、例えばスペーサシリコンウェハ１１１を、矢印方向に位置決め部９０１へ押し当てるだけで、外周部を一致させることができる。

シース型熱電対を配置する空間は、位置決め部９０１と、スペーサシリコンウェハ１１１、１１２、１１３、１１４、１１５と、ワークシリコンウェハ１０１に囲まれた空間である。したがって、位置決め部９０１の高さは、スペーサシリコンウェハ１１１、１１２、１１３、１１４、１１５の厚さより小さく、その差はシース管の直径以上でなければならない。なお、図３ないし図８を用いて説明したスペーサシリコンウェハ１１１、１１２、１１３、１１４、１１５の厚さは、スリットを用いてシース型熱電対を配置する空間を形成する場合は、シース管の直径以上であり、溝部を用いてシース型熱電対を配置する空間を形成する場合は、シース管の直径よりも大きい。一方で、スペーサシリコンウェハ１１１、１１２、１１３、１１４、１１５の厚さが大きすぎると、温度検出面からシース型熱電対１３１、１３２、１３３、１３４、１３５までの距離が大きくなってしまうので、上記の条件を満たす限りで薄くする方が好ましい。そのため、スペーサシリコンウェハは、予め適切な厚さで切り出したものを用いるか、もしくは、ＣＭＰなどにより研磨して薄くして用いることが好ましい。その結果、シース管の直径にもよるが、スペーサシリコンウェハはワークシリコンウェハよりも薄くすることができる場合もある。

次に、上記のように形成された空間内に、シース型熱電対を固定する方法について説明する。図１０は、シース型熱電対が配置された空間の断面図である。例えば、ワークシリコンウェハ１０１、１０２及びスペーサシリコンウェハ１１０に囲まれて形成された空間に配置されたシース型熱電対１３７は、ワークシリコンウェハ１０１側に接するように寄せられて、少なくともシース管が密封されるように、その隙間が充填材９１０により充填される。充填材９１０は、ワークシリコンウェハ１０１、１０２と同等の熱膨張係数を有するシリコン系樹脂が用いられる。このようにして、シース型熱電対１３７は空間内部で固定される。

固定方法は上記に限らない。図１１は、シース型熱電対が配置された空間の他の断面図である。ここでは充填材９１０を用いる代わりに、付勢部材９１１を用いて、シース型熱電対１３７をワークシリコンウェハ１０１側に押し付けることにより固定する。付勢部材９１１としては、スプリングコイル、板バネ、耐熱性ゴム等を用いることができる。

シース型熱電対の空間への配置は、上記に限らない。図１２は、シース型熱電対が配置された空間の他の断面図である。シース型熱電対１３７は、図示するようにシース管１５１の内部に一対の熱電対素線１５２を収めて構成されている。

シース型熱電対１３７を空間に配置しようとする場合、シース管１５１の直径Ｄは、スペーサシリコンウェハ１１０の高さｔよりも小さくなければならない。しかしながら、用いたいシース型熱電対が常にこの条件を満たすとは限らない。そのような場合であっても、熱電対素線１５２が外部に露出しない程度にシース管１５１をカットすれば、空間に収めることができる場合がある。具体的には、シース管１５１の内径をｄとしたときに、（Ｄ＋ｄ）／２がｔよりも小さければ、熱電対素線１５２を外部に露出させないように肉厚を残して、シース管１５１の一部をカットすることができる。

このように予め加工されたシース型熱電対１３７を用いれば、スペーサシリコンウェハ１１０をワークシリコンウェハ１０２に位置決めした後にこのシース型熱電対１３７を収容し、その上からワークシリコンウェハ１０１を覆い被せて温度検出装置１００を完成させることができる。このように構成することにより、シース型熱電対１３７は、上下のワークシリコンウェハ１０１、１０２の両方と密着するので、より正確に温度を測定することができる。

なお、以上の説明においてはいずれにおいても、スペーサシリコンウェハ１１０を位置決めする位置決め工程の後に、スペーサシリコンウェハ１１０を２枚のワークシリコンウェハ１０１、１０２で挟み込んで接合する接合工程を行う。一方、シース型熱電対１３１、１３２、１３３、１３４、１３５を配置する空間は、位置決め工程によって形成されるので、これらを収容する収容工程は、接合工程の前に行っても、後に行っても良い。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１００ 温度検出装置、１０１、１０２ ワークシリコンウェハ、１１０、１１１、１１２、１１３、１１４、１１５ スペーサシリコンウェハ、１２１、１２２、１２３、１２４、１２５ ケーブル、１３１、１３２、１３３、１３４、１３５、１３６、１３７ シース型熱電対、１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、３２０、５２０ スリット、１５１ シース管、１５２ 熱電対素線、１９０ 配線ケーブル、４２０、６２０ 溝部、８０１、８０２ 位置決めピン、９０１ 位置決め部、９１０ 充填材、９１１ 付勢部材

Claims (21)

1. 温度センサと、
   ２枚のワークシリコンウェハと、
   前記２枚のワークシリコンウェハに厚み方向で挟持され、前記温度センサを収容する空間を形成するスペーサシリコンウェハと、
   を備える温度検出装置。
2. 前記空間は、前記スペーサシリコンウェハに溝部を設けることにより形成される請求項１に記載の温度検出装置。
3. 前記空間は、前記スペーサシリコンウェハにスリットを設けることにより形成される請求項１に記載の温度検出装置。
4. 前記空間は、前記スペーサシリコンウェハを複数に分割して、互いに離間した状態で前記２枚のワークシリコンウェハで挟持することにより形成される請求項１に記載の温度検出装置。
5. 互いに離間した複数のスペーサシリコンウェハの間に位置決め部が形成された請求項４に記載の温度検出装置。
6. 前記位置決め部の高さは前記スペーサシリコンウェハの厚さよりも小さい請求項５に記載の温度検出装置。
7. 前記スペーサシリコンウェハは、前記２枚のワークシリコンウェハよりも薄い請求項１ないし６のいずれか１項に記載の温度検出装置。
8. 前記スペーサシリコンウェハは、前記温度センサの最大厚さ以上の厚さを有する請求項１ないし７のいずれか１項に記載の温度検出装置。
9. 前記空間は、外周部から内側へ向かって狭くなる請求項１ないし８のいずれか１項に記載の温度検出装置。
10. 前記空間は、外周部から内側へ向かって、前記厚み方向である高さが小さくなるように狭くなる請求項９に記載の温度検出装置。
11. 前記空間は、外周部から内側へ向かって、前記厚み方向に直交する方向である幅が小さくなるように狭くなる請求項９または１０に記載の温度検出装置。
12. 前記温度センサと前記２枚のワークシリコンウェハとの隙間が充填材で密封される請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の温度検出装置。
13. 前記温度センサを前記２枚のワークシリコンウェハのいずれかの面に付勢する付勢部材を前記空間に備える請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の温度検出装置。
14. 前記温度センサは、熱電対であることを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の温度検出装置。
15. 前記熱電対は、シース管と、前記シース管の内部に少なくとも一対の熱電対素線を配置してなるシース型熱電対であることを特徴とする請求項１４に記載の温度検出装置。
16. 前記シース管は、前記空間の形状に合わせて、かつ、前記一対の熱電対素線が外部空間に露出しないように、一部がカットされていることを特徴とする請求項１５に記載の温度検出装置。
17. 温度センサと、２枚のワークシリコンウェハと、スペーサシリコンウェハとを備える温度検出装置の製造方法であって、
    前記２枚のワークシリコンウェハのうち一方のワークシリコンウェハの外周部に接するように配置された複数の位置決めピンに、前記スペーサシリコンウェハを当接させて位置決めする位置決め工程と、
    前記位置決め工程により位置決めされた前記スペーサシリコンウェハを、前記２枚のワークシリコンウェハで厚さ方向に挟み込んで接合する接合工程と、
    前記接合工程に先立って、又は、前記接合工程の後に実行される工程であって、前記位置決め工程によって形成された前記一方のワークシリコンウェハと前記スペーサシリコンウェハの間の空間に前記温度センサを収容する収容工程と
    を備える温度検出装置の製造方法。
18. 温度センサと、２枚のワークシリコンウェハと、スペーサシリコンウェハとを備える温度検出装置の製造方法であって、
    前記２枚のワークシリコンウェハのうち一方のワークシリコンウェハの表面に位置決め部を設ける設定工程と、
    前記設定工程により設けられた前記位置決め部に、前記スペーサシリコンウェハを当接させて位置決めする位置決め工程と、
    前記位置決め工程により位置決めされた前記スペーサシリコンウェハを、前記２枚のワークシリコンウェハで厚さ方向に挟み込んで接合する接合工程と、
    前記接合工程に先立って、又は、前記接合工程の後に実行される工程であって、前記位置決め工程によって形成された前記一方のワークシリコンウェハと前記スペーサシリコンウェハの間の空間に前記温度センサを収容する収容工程と
    を備える温度検出装置の製造方法。
19. 前記設定工程は、前記一方のワークシリコンウェハの表面をエッチングすることにより前記位置決め部を設ける請求項１８に記載の温度検出装置の製造方法。
20. 前記設定工程は、前記一方のワークシリコンウェハの表面に別体の位置決め部材を取り付けることにより前記位置決め部を設ける請求項１８に記載の温度検出装置の製造方法。
21. 前記温度センサは、シース管と、前記シース管の内部に少なくとも一対の熱電対素線を配置してなるシース型熱電対であり、
    前記収容工程に先立って、前記シース管を、前記空間の形状に合わせて、かつ、前記一対の熱電対素線が外部空間に露出しないように、一部をカットする加工工程を実行する請求項１７ないし２０のいずれか１項に記載の温度検出装置の製造方法。

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