JP2011524535A - 熱電対 - Google Patents

Abstract

半導体処理リアクタ内で使用される熱電対について記載される。熱電対は、端部に測定先端と、他端に開口部と、を有する、シースを含む。長さに沿って形成されるボアを有する支持部材は、シース内に配置される。異種金属から形成される一対のワイヤは、ボア内に配置され、ワイヤの端部は、融合され、接点を形成する。ワイヤは、ボアの長さに沿って延在する。ワイヤが、ボアから延出するにつれて、空間的または物理的に分離され、その間の短絡を防止する。また、ボアから延出するワイヤの両端は、長手方向に自由に熱膨張し、それによって、ワイヤが微量の滑動によって故障する潜在性を低減または排除する。

Description

（発明の分野）
本発明は、温度センサに関し、より具体的には、半導体処理装置における温度制御の精度を高めるように構成される温度センサに関する。

（発明の背景）
高温半導体処理チャンバは、種々の材料層を基材表面または複数の表面上に蒸着するために使用される。シリコンウエハ等の、１つ以上の基材または工作物が、処理チャンバ内の工作物支持材上に配置される。基材および工作物支持材の両方は、所望の温度まで加熱される。典型的処理ステップでは、反応ガスが、各加熱された基材に上を通過することよって、化学蒸着法（ＣＶＤ）反応により、反応ガス中の反応材料の薄層を基材表面上に蒸着させる。後続の処理を通して、これらの層は、集積回路、ならびに、基材のサイズおよび回路の複雑性に応じて、数千または数百万もの集積デバイスにされる。

結果として生じる蒸着層の高品質を確保するように、種々の処理パラメータが慎重に制御されなければならない。１つのそのような重要パラメータは、各処理ステップ中の基材の温度である。ＣＶＤ中に、例えば、蒸着ガスが特定の温度で反応して、基材上に薄層を蒸着させる。温度が基材の表面にわたって大きく変動する場合は、蒸着層が不均等である可能性があり、それは、完成した基材の表面上の使用不可能な領域をもたらす場合がある。したがって、反応性ガスが処理チャンバに導入される前に、基材温度が安定しており、所望の温度で均一であることが重要である。

同様に、他の熱処理中の基材にわたる温度の不均一性または不安定性は、基材の表面上の結果として生じる構造の均一性に影響を及ぼし得る。温度制御が重要となり得る他の処理は、酸化、窒化物形成、ドーパント拡散、スパッタ蒸着、フォトリソグラフィ、乾式エッチング、プラズマ法、および高温アニールを含むが、それらに限定されない。

処理されている基材の付近にあり、および直接隣接する種々の場所で、温度を測定するための方法およびシステムが公知である。典型的には、熱電対が処理されている基材の付近の種々の場所に配置され、これらの熱電対は、基材の表面全体にわたってより均一な温度を提供するのを支援するように、制御器に動作可能に接続される。例えば、Ｖａｎ Ｂｉｌｓｅｎに発行された特許文献１は、基材の前縁付近に配置される熱電対、後縁付近の別の熱電対、および基材の中心より下の別の熱電対を含む、基材を包囲する種々の点で温度を測定する、複数の温度センサを教示している。

しかしながら、高温処理チャンバ内の温度を測定する際に採用される熱電対は、熱電対内で使用されるワイヤの微量の滑動による故障が認められている。熱電対は、典型的には、その中に長手方向ボアを有する、細長いセラミック部材を含む。一対のワイヤが、ボアの長さにわたって延在し、ワイヤの端部は、融合され、温度測定目的のために、基材に隣接して位置付けられ、対向するワイヤの両端は、コントローラに接続される。典型的には、温度測定端の反対側のワイヤの両端は、セラミック部材のボアから延出し、屈曲または圧着され、略固定されるように、セラミック部材を囲繞するシースに固着される。蒸着処理ステップが行なわれる場合、処理リアクタが加熱され、それによって、熱電対のセラミック部材およびワイヤを加熱する。加熱されると、ワイヤは、セラミックと異なる速度で長手方向に膨張し、それによって、ワイヤ内に長手方向応力を生じさせる。ワイヤの両端は、加熱および冷却の反復サイクル後、略固定されるため、ワイヤ内の長手方向応力によって、ワイヤ内に微量の滑動が生じ、熱電対の故障をもたらす。故に、セラミック部材の長手方向膨張に対して、セラミック部材内に位置決定されるワイヤを自由に膨張させる熱電対設計が、必要とされる。

米国特許第６，１２１，０６１号明細書

本発明の一局面では、半導体処理リアクタ内で使用される熱電対が、提供される。熱電対は、その端部に測定先端を有する、シース含む。熱電対は、シース内に配置される支持部材であって、それを通して形成される少なくとも２つのボアを有する、支持部材をさらに含む。一対のワイヤは、異種金属から形成され、別個のボア内に配置される。接点は、ワイヤそれぞれの端部間に形成され、接点は、支持部材の端部に隣接して位置決定される。対のワイヤは、支持部材に対して、自由に熱膨張または収縮可能である。

本発明の別の局面では、半導体処理リアクタ内で使用される熱電対が、提供される。熱電対は、シースと、少なくとも部分的に内シースに配置される支持部材と、を含む。支持部材は、第１のボアと、第２のボアと、を含み、第１および第２のボアは、支持部材の長手方向軸と略平行に形成される。熱電対は、第１のボア内に配置される、第１のワイヤと、第２のボア内に配置される第２のワイヤと、をさらに含む。第１および第２のワイヤは、異種金属から形成される。接点は、第１のワイヤの端部と、第２のワイヤの端部との間に形成され、接点は、支持部材の端部に隣接して位置決定される。第１のループは、第１のワイヤが、接点の反対側の支持部材の端部に隣接する、第１のボアから延出する位置に隣接する、第１のワイヤの一部によって形成される。第２のループは、第２のワイヤが、接点の反対側の支持部材の端部に隣接する、第２のボアから延出する位置に隣接する、第２のワイヤの一部によって形成される。第１および第２のループは、支持部材内において、第１および第２のワイヤを長手方向に自由に熱膨張させるように構成される。

本発明のさらに別の局面では、半導体処理リアクタ内で使用される熱電対が、提供される。熱電対は、その中に形成される少なくとも１つのボアを有する、支持部材を含む。第１のワイヤは、第１のボア内に配置され、第２のワイヤは、離間するように、第１のワイヤに隣接して配置される。第１および第２のワイヤは、異種金属から形成される。また、熱電対は、第１のワイヤの端部と、第２のワイヤの端部との間に形成される、接点を含み、接点は、支持部材の端部に隣接して位置決定される。第１のループは、接点の反対側の支持部材の端部に隣接する、第１のワイヤの一部によって形成され、第２のループは、第１のループに隣接する第２のワイヤの一部によって形成される。第１および第２のループは、第１および第２のループは、支持部材に対して、第１および第２のワイヤを自由に熱膨張または収縮させるように構成される。

本発明の利点は、例証として示され、説明されている、本発明の実施形態の以下の説明から、当業者にとってより明白となるであろう。認識されるように、本発明は、他の実施形態および異なる実施形態が可能であり、その詳細は、種々の点で修正が可能である。したがって、図面および説明は、本来、制限的ではなく例証的として見なされるものである。

図１は、化学蒸着法リアクタのある実施形態の断面図である。 図２は、温度制御システムのある実施形態の概略図である。 図３は、本発明の熱電対のある実施形態の斜視図である。 図４は、図３の熱電対の分断された断面図である。 図５Ａは、支持部材のある実施形態である。 図５Ｂは、支持部材の別の実施形態である。 図５Ｃは、支持部材のさらに別の実施形態である。 図５Ｄは、支持部材のさらなる実施形態である。 図５Ｅは、支持部材の別の実施形態である。 図６は、シースのある実施形態である。 図７Ａは、単一接合熱電対の拡張斜視図である。 図７Ｂは、二重接合熱電対の拡張斜視図である。 図７Ｃは、二重接合熱電対の代替実施形態の側面図である。 図８Ａは、リテーナアセンブリおよび支持部材のある実施形態の拡大断面図である。 図８Ｂは、リテーナアセンブリおよび支持部材の別の実施形態の拡大断面図である。

図１を参照すると、化学蒸着法（「ＣＶＤ」）リアクタ１０の例示的実施形態が示されている。図示した実施形態は単一基材、水平流、冷水壁リアクタであるが、本明細書で説明される熱電対技術は、他の種類の半導体処理リアクタ、ならびに正確な温度センサを必要とする他の用途で使用されてもよいことが、当業者によって理解されるはずである。リアクタ１０は、反応空間１４を画定する反応チャンバ１２と、反応チャンバ１２の対向側に位置する発熱体１６と、基材支持機構１８とを含む。反応チャンバ１２は、反応性ガスが反応空間１４に流入することを可能にするための入口２０と、それを通して反応性ガスおよびプロセス副生成物が反応空間１４から退出する出口２２とを有する、細長い部材である。実施形態では、反応チャンバ１２は、透明な水晶で形成される。反応チャンバ１２は、反応チャンバ１２中に導入される反応ガスおよび処理反応から生じる処理副産物に対して、十分に略無反応性である任意の他の材料から形成されてもよいことが、当業者によって理解されるはずである。

発熱体１６は、図１に示されるように、上バンクおよび下バンクを形成する。発熱体１６は、同じバンク内で隣接する発熱体１６に対して離間するように配向される。実施形態では、上バンクの発熱体１６は、下バンクの発熱体１６に対して略垂直に配向される。発熱体１６は、反応チャンバ１２の壁によって大量に吸収されることなく、放射エネルギーを反応チャンバ１２に提供する。発熱体１６は、処理されている基材２４ならびに基材支持機構１８の複数部分によって吸収される波長の放射熱を提供するように構成される。ある実施形態では、複数のスポットランプ２６は、基材支持機構１８の裏面に集中熱を提供し、反応チャンバ１２の底壁を通して上方に延在する冷温基材支持構造によって生じる放熱板効果に対処する。

基材支持機構１８は、図１に示されるように、基材２４が配置され得る、基材ホルダ２８と、支持スパイダ３０と、を含む。支持スパイダ３０は、反応チャンバ１２の下壁から垂下するチューブ３４を通して下方に延在する、シャフト３２に接続される。モータ（図示せず）は、シャフト３２を回転させるように構成され、それによって、スパイダ３０、基材ホルダ２８、および基材２４を蒸着プロセス中に同様に回転させる。

図１〜２に例証されるように、化学蒸着法リアクタ１０のための温度制御システム３６は、処理される基材２４に隣接して位置決定される、複数の温度センサを含み、温度センサは、特定の位置における温度データを温度コントローラ３８に提供するために、温度コントローラ３８に動作可能に接続される。温度コントローラ３８は、基材２４に隣接して配置される、少なくとも１つの発熱体１６、２６に動作可能に接続される。温度コントローラ３８は、温度センサによって提供されるデータに応答して、発熱体１６、２６から放出されるエネルギーを選択的に調節し、処理される基材２４全体にわたって、略均一温度分布を維持するように構成される。温度制御システム３６は、データを温度コントローラ３８に提供するために、異なる位置に配置される、任意の数の温度センサを含んでもよいことが、当業者によって理解されるはずである。例証される実施形態では、温度制御システム３６は、基材ホルダ２８の下表面に隣接して位置決定される、中心温度センサ４０と、前縁温度センサ４２と、後縁温度センサ４４と、少なくとも１つの側縁温度センサ４６と、を含む。前縁および後縁温度センサ４２、４４は、反応空間１４内の反応性ガスの流れの方向Ａに対して、基材２４の前後縁に隣接して位置する。温度センサは、温度センサの位置を直囲繞する局所面積内の温度を測定するように構成される。

ある実施形態では、温度センサ４０、４２、４４、４６のうちの少なくとも１つは、図３〜８に例証されるように、熱電対５０である。他の温度センサは、光高温計、当技術分野において既に周知の熱電対、またはそれらの任意の組み合わせとして形成されてもよいことが、当業者によって理解されるはずである。ある実施形態では、熱電対５０は、図３〜８に示されるように、シース５２と、支持部材５４と、第１のワイヤ５６と、第２のワイヤ５８と、カラー６０と、偏向機構６２と、リテーナアセンブリ６４と、コネクタ６６と、を含む。ある実施形態では、支持部材５４は、図５Ａ〜５Ｃに例証されるように、長手方向軸Ｂを有する、略細長い円筒形部材である。支持部材５４は、第１の遠位端６８と、対向する第２の遠位端７０と、を含む。支持部材５４は、第１の遠位端６８から延在する支持部材５４の略全長に沿って延在する、略円形断面を有する。

図６を参照すると、支持部材５４の一部を保護および封入するためのシース５２のある実施形態が、示される。シース５２は、開口部８６と、測定先端７８と、を有する、細長い部材である。支持部材５４は、支持部材５４の第１の遠位端６８が、測定先端７８に隣接して位置決定され、支持部材５４の第２の遠位端７０が、シース５２の開口部８６を越えて延在し得るように、開口部８６内に挿入される。ある実施形態では、シース５２は、略線形部材として形成されてもよいが、また、シース５２は、非線形部材として形成されてもよいことが、当業者によって理解されるはずである。

ある実施形態では、支持部材５４は、図５Ａに示されるように、一対の対向する切り欠き７２を含む。切り欠き７２は、第２の遠位端７０近傍に、支持部材５４の略矩形断面を形成する。各切り欠き７２は、第２の遠位端７０から離間される位置間と、第２の遠位端７０との間の距離全体にわたって延在する。各切り欠き７２は、支持部材５４の外側表面から、その長手方向軸Ｂに向かって延在する、湾曲部分７４を含む。各切り欠き７２は、湾曲部分７４から第２の遠位端７０まで延在する、略平面表面７６をさらに含む。代替実施形態では、切り欠き７２は、略線形テーパとして形成され、テーパ表面全体は、第２の遠位端７０から離間される位置と、第２の遠位端７０との間において、略平面である。切り欠き７２によって、第１および第２のワイヤ５６、５８は、離間関係のまま残され、第１および第２のワイヤ５６、５８は、対向する切り欠き７２間に位置決定される、支持部材５４の一部によって離間される。

別の実施形態では、支持部材５４は、図５Ｂに例証されるように、単一切り欠き７２を含む。切り欠き７２は、第２の遠位端７０の近傍に、支持部材５４の略半円形断面形状を形成する。切り欠き７２は、第２の遠位端７０から離間される位置と、第２の遠位端７０との間の距離全体にわたって延在する。切り欠き７２は、支持部材５４の外側表面から、その長手方向軸Ｂに向かって延在する、湾曲部分７４を含む。切り欠き７２は、湾曲部分７４から第２の遠位端７０まで延在する、略平面表面７６をさらに含む。切り欠き７２によって、第１および第２のワイヤ５６、５８は、離間関係のまま残され、ワイヤが短絡するのを防止する。

さらに別の実施形態では、支持部材５４は、図５Ｃに例証されるように、一対の対向する切り欠き７２を含む。各切り欠き７２は、第２の遠位端７０の近傍の支持部材５４内に、戻り止めを形成する。各切り欠き７２は、支持部材５４の外側表面から、その長手方向軸Ｂに向かって延在する、一対の湾曲部分７４を含む。各切り欠き７２は、湾曲部分７４間に延在する、略平面表面７６をさらに含む。切り欠き７２によって、第１および第２のワイヤ５６、５８は、離間関係のまま残され、第１および第２のワイヤ５６、５８は、対向する切り欠き７２間に位置決定される、支持部材５４の一部によって分離される。切り欠き７２は、任意の形状として形成可能であるが、但し、第１および第２のワイヤ５６、５８は、分離されたまま残されることが、当業者によって理解されるはずである。

さらなる実施形態では、支持部材５４は、図５Ｄに例証されるように、その中に形成される、一対の層状切り欠き７２を有する、細長い部材である。第１の対の切り欠き７２は、図５Ａに例証される対の切り欠き７２に類似し、第１の対の切り欠き７２は、支持部材５４の第２の遠位端７０まで延在する。第２の対の切り欠き７２’は、第１の対の切り欠き７２の平面表面７６中に形成される。第２の対の切り欠き７２’は、支持部材５４の第２の遠位端７０まで延在する。第１の対の切り欠き７２は、支持部材５４の中心部分によって分離され、第２の対の切り欠き７２’は、支持部材５４の中心部分のより薄い区分によって分離される。図５Ｅに例証される別の実施形態では、支持部材５４は、その中に形成される、任意の切り欠きを含まない。支持部材５４は、支持部材５４の長さに沿って、またはその遠位端に隣接する、任意の位置に位置決定される、任意の数の切り欠きを含んでもよいことが、当業者によって理解されるはずである。

ある実施形態では、支持部材５４は、セラミックから形成される。支持部材５４は、循環温度変動ならびに熱電対５０が曝露される温度範囲に耐えるために十分な任意の種類の材料から形成されてもよいことが、当業者によって理解されるはずである。また、例証される熱電対５０は、略線形であるが、熱電対５０は、熱電対５０の測定先端７８が、局所温度測定のために、所定の位置に配置されるために十分な任意の形状から形成されてもよいことが、当業者によって理解されるはずである。

ある実施形態では、支持部材５４は、図５Ａに示されるように、第１のボア８０と、第２のボア８２と、をさらに含む。第１および第２のボア８０、８２は、第１の遠位端６８内に形成され、支持部材５４を通して、長手方向軸Ｂと略平行に延在する。第１および第２のボア８０、８２はそれぞれ、第１の遠位端６８から切り欠き７２まで延在する。第１および第２のワイヤ５６、５８は、第１および第２のワイヤ５６、５８が、第２の遠位端７０から離間される位置において、支持部材５４の対応するボア８０、８２から延出し、対向する切り欠き７２間の支持部材５４の一部によって、離間関係に維持されるように、第１および第２のボア８０、８２が、切り欠き７２と交差する位置において、第１および第２のボア８０、８２から延出する。

図５Ｂに例証される実施形態では、支持部材５４は、第１のボア８０と、第２のボア８２と、を含む。第２のボア８２は、第１の遠位端６８と第２の遠位端７０との間の支持部材５４の全長にわたって延在し、第１のボア８０は、支持部材５４の長手方向距離の一部のみにわたって延在し、第１のボア８０は、支持部材５４の第１の遠位端６８から、第１のボア８０が、切り欠き７２と交差する位置まで延在する。第１のボア８０は、第１のワイヤ５６を受容するように構成され、第２のボア８２は、第２のワイヤ５８を受容するように構成される。第１のワイヤ５６は、支持部材の第２の遠位端７０に対して、離間された位置において、第１のボア８０から延出し、第２のワイヤ５８は、第２のボア８２から延出する。第１および第２のワイヤ５６、５８が、対応するボア８０、８２から延出する離間関係は、ワイヤ５６、５８間の短絡の可能性の低減または排除を補助すうｒ。

図５Ｃは、第１のボア８０と、それを通して形成される、第２のボア８２と、を含む、支持部材５４の別の実施形態を例証する。各ボア８０、８２は、支持部材５４の第１の遠位端６８から、第２の遠位端７０から離間される位置まで延在し、第１および第２のボア８０、８２は、支持部材５４中に形成される、対応する切り欠き７２と交差する。ボア８０、８２は、切り欠き７２間の支持部材５４の中心部分によって離間される。各ボア８０、８２は、第１または第２のワイヤ５６、５８のうちの一方を受容するように構成され、ワイヤは、ボア８０、８２が、切り欠き７２と交差する位置において、対応するボア８０、８２から延出する。

図５Ｄに例証されるさらに別の実施形態では、支持部材５４は、その長手方向軸に沿って形成される、第１のボア８０と、第２のボア８２と、第３のボア８１と、第４のボア８３と、を含む。各ボア８０、８２、８１、８３は、その中にワイヤ５６、５８、５７、５９を受容するように構成される（図７Ｃ）。例えば、図７Ｂに示される実施形態では、第１のボア８０は、第１のワイヤ５６を受容するように構成され、第２のボア８２は、第２のワイヤ５８を受容するように構成され、第３のボア８１は、第３のワイヤ５７を受容するように構成され、第４のボア８３は、第４のワイヤ５９を受容するように構成される。ボア８０、８２、８１、８３はそれぞれ、支持部材５４の第１の遠位端６８から延在する。第１および第４のボア８０、８３は、第１の遠位端６８から、ボア８０、８３と対応する第１の切り欠き７２との間の交点まで延在し、第２および第３のボア８２、８１は、第１の遠位端６８から、ボア８２、８１と対応する第２の切り欠き７２’との間の交点まで延在する。第１および第４のワイヤ５６、５９は、支持部材５４の第２の遠位端７０から離間される位置において、ボア８０、８３から延出し、第１の対の切り欠き７２間の支持部材５４の一部によって、離間関係に維持され、第２および第３のワイヤ５８、５７は、第１および第４のワイヤ５６、５９が、その対応するボアから延出し、ワイヤ５６、５９が、第２の対の切り欠き７２’間の支持部材５４の一部によって分離される位置より短距離にわたって、第２の遠位端７０から離間される位置において、ボア８２、８１から延出する。

図５Ｅに例証される別の実施形態では、その長手方向軸に沿って形成される、単一ボア８０を含む。ボア８０は、その中に単一ワイヤを受容するように構成され、少なくとも１つの他のワイヤは、ボア８０内の第１のワイヤと略平行に整合される、支持部材５４の外側表面に隣接して位置決定可能である。ボア８０内に受容されるワイヤと、外部から支持部材５４まで延在するワイヤは、支持部材５４の第１の遠位端６８に隣接して融合され、その間に接点８４を形成可能である。

図７Ａに例証される実施形態では、支持部材５４の第１のボア８０は、第１のワイヤ５６を受容するように構成され、第２のボア８２は、第２のワイヤ５８を受容するように構成される。ある実施形態では、第１および第２のワイヤ５６、５８の一部は、支持部材５４の第１の遠位端６８を越えて延在する。第１の遠位端６８を越えて延在する第１および第２のワイヤ５６、５８の一部は、融合され、その間に電気接続または接点８４を形成する。

図５Ｄおよび７Ｂに例証される実施形態では、支持部材５４は、その中に形成される、４つのボア８０、８２、８１、８３を含み、各ボアは、ワイヤ５６、５８、５７、５９を受容するように構成される。第１の対のワイヤ５６、５８は、支持部材５４の第１の遠位端６８に隣接して融合され、第１の接点８４を形成し、第２の対のワイヤ５７、５９は、支持部材５４の第１の遠位端６８に隣接して融合され、第１の接点８４から離間され、その間の短絡を防止する、第２の接点８４’を形成する。ある実施形態では、ワイヤの両端５６、５８（および、５７、５９）は、溶融合される。第１および第２のワイヤ５６、５８および／または第３および第４のワイヤ５７、５９の両端を融合し、その間に電気接続を使用する任意の方法が、使用可能であることが、当業者によって理解されるはずである。任意の数の接点８４が、支持部材５４の第１の遠位端６８に隣接して形成可能であるが、但し、接点８４は、離間されたまま残され、その間の短絡を防止することが、当業者によって理解されるはずである。

図７Ｃに例証される別の実施形態では、支持部材５４は、その長さに沿って位置決定される、切り欠き７２を含んでもよい。切り欠き７２は、支持部材５４を通して形成される、２つのボアのみと交差するように構成される。例えば、例証される切り欠き７２は、第３および第４のワイヤ５７、５９が、ボア８１、８３が、切り欠き７２と交差する位置において、ボア８１、８３から延出するように、第３および第４のボア８１、８３と交差する。例証される実施形態では、第１および第２のワイヤ５６、５８は、融合され、支持部材５４の第１の遠位端６８に隣接して配置される、第１の接点８４を形成し、第３および第４のワイヤ５７、５９は、融合され、支持部材５４の長さに沿って形成される、切り欠き７２に隣接して位置決定される、第２の接点８４’を形成する。第２の接点８４’は、相互から離間された２つの異なる局所温度を測定するために、または二重接合熱電対を形成するために、熱電対５０に第２の接点を提供する。第２の接点８４’は、支持部材５４の第１の遠位端６８に隣接して（図７Ｂ）、あるいは支持部材５４の長さに沿った任意の位置において（図７Ｃまたはそれに類似）、形成可能であることが、当業者によって理解されるはずである。また、任意の数の接点が、支持部材５４の長さに沿って形成され、熱電対５０の長さに沿った異なる位置における局所温度測定を提供可能であることが、当業者によって理解されるはずである。

図７Ａに示されるように、結合されたワイヤは、支持部材５４の第１の遠位端６８に直隣接して位置決定される、接点８４を形成する。ある実施形態では、第１および第２のワイヤ５６、５８は、異種金属から形成され、その間に熱電対を形成する。ある実施形態では、第１のワイヤ５６は、白金から形成され、第２のワイヤ５８は、１３％ロジウムを有する、白金合金から形成される。第１および第２のワイヤ５６、５８は、その間に熱電対を形成するために十分な任意の異種金属から形成可能であることが、当業者によって理解されるはずである。別の実施形態では、３つのワイヤは、支持部材５４の長さにわたって延在し、接点は、３つのワイヤ間に形成される。第１および第２のワイヤは、白金または白金−ロジウム合金の一方から形成され、第３のワイヤ（図示せず）は、白金または白金−ロジウム合金の他方から形成される。接点は、同一材料から形成される２つのワイヤの一方が故障する場合に備えて、熱電対が、冗長ワイヤを含むように、３つのワイヤ間に形成される。第３のワイヤは、支持部材５４を通して形成される第３のボア（図示せず）によって受容されてもよく、または第３のワイヤは、支持部材５４の外側表面に隣接して位置決定され、第３のワイヤは、第１および第２のワイヤ５６、５８から離間されたまま残される。また、熱電対は、その間に任意の数の接点を形成可能な任意の数のワイヤを含んでもよいことが、当業者によって理解されるはずである。

ある実施形態では、第１と第２のワイヤ５６、５８との間の接点８４は、離間関係において、かつ測定先端７８において、シース５２の内側表面に隣接して、配置される。ある実施形態では、接点８４は、測定先端７８において、シース５２の内側表面と接触する。接点８４が、測定される特定の位置に配置される測定先端７８から離間される距離が大きいほど、特定の位置における温度測定の精度は低くなることが、当業者によって理解されるはずである。

ある実施形態では、第１および第２のワイヤ５６、５８それぞれの直径は、約０．０１０インチである。別の実施形態では、第１および第２のワイヤ５６、５８それぞれの直径は、約０．０１４インチある。第１および第２のワイヤ５６、５８は、任意の直径から形成可能であることが、当業者によって理解されるはずである。また、第１のワイヤ５６および第２のワイヤ５８は、異なる直径を有してもよいことが、当業者によって理解されるはずである。第１および第２のボア８０、８２は、それぞれ、第１および第２のワイヤ５６、５８を受容する一方、第１および第２のワイヤ５６、５８をその中で半径方向および軸方向に熱膨張または収縮させるように、定寸ならびに成形される。故に、第１および第２のボア８０、８２は、第１および第２のワイヤ５６、５８の断面積より若干大きい断面積を有する。

支持チューブ５４は、図３〜４に示されるように、少なくとも部分的に保護シース５２内に配置される。支持部材５４の第２の遠位端７０は、シース５２の開口部８６を越えて、外向きに延在する。ある実施形態では、シース５２は、透明石英材料から形成される。シース５２は、その中に配置される支持部材５４と同一全体断面形状を有するが、シース５２は、若干大きい断面形状を有し、シース５２の内側表面と支持部材５４の外側表面との間に空隙を提供する。シース５２は、その端部に測定先端７８と、その対向端に開口部８６と、を含む。別の実施形態では、シース５２は、窒化ケイ素（ＳｉＮ）によって塗膜される、それに塗布される他の表面処理を有し、反応チャンバ１２内での化学蒸着法（「ＣＶＤ」）処理の間、シースの寿命を延長させてもよい。さらに別の実施形態では、炭化ケイ素（ＳｉＣ）キャップ等のキャップ（図示せず）が、シース５２の測定先端７８に塗布され、周囲環境と第１および第２のワイヤ５６、５８との間に、良好な熱伝達を提供する。

第１および第２のワイヤ５６、５８は、図４、７、および８Ａ〜８Ｂに示されるように、接点８４から、支持部材５４内に形成される離間ボア８０、８２を通して延在し、支持部材５４の切り欠き７２または第２の遠位端７０との第１および第２のボア８０、８２の交点に隣接する、第１および第２のボア８０、８２から延出する。図３〜４に示されるように、カラー６０は、支持部材５４の第２の遠位端７０から離間された距離において、支持部材５４の外側表面に動作可能に接続される。ある実施形態では、カラー６０は、支持部材５４から別個に形成され、後に、支持部材５４に着設される。別の実施形態では、支持部材５４およびカラー６０は、単一部材として形成される。ある実施形態では、カラー６０の少なくとも一部は、シース５２の内側表面に接触し、支持部材５４が、例えあったとしても、シース５２内で側方にほとんど移動しないことを確実にする。

リテーナアセンブリ６４は、図３〜４および８Ａ〜８Ｂに示されるように、シース５２の開口部８６内に配置され、第１および第２のワイヤ５６、５８の一部を固着するように構成される。ある実施形態では、リテーナアセンブリ６４は、プラグ８８と、リング９０と、を含む。プラグ８８は、シース５２の開口部８６中に挿入されるように構成されるが、プラグ８８の一部は、シース５２の端部を越えて延在する。プラグ８８は、支持部材５４を受容するように適合される、開口９１を含む。シース５２の開口部８６中に挿入される、プラグ８８の一部の厚さは、支持部材５４の外側表面とシース５２の内側表面との間の距離より若干短く、それによって、支持部材５４の長手方向軸Ｂに沿って、支持部材５４を自由にプラグ８８内で平行移動させる。

ある実施形態では、リテーナアセンブリ６４のリング９０は、図４および８Ａ〜８Ｂに示されるように、プラグ８８ならびに開口部８６に隣接するシース５２の端部を封入するように構成される。リング９０は、収縮リング９２によって、プラグ８８およびシース５２に固着される。収縮リング９２は、リング９０の外側表面に圧縮力を提供し、それによって、リング９０内のシース５２およびプラグ８８を圧搾する。同様に、収縮リング９２によって印加される圧縮力は、プラグ８８をシース５２内に固着し、それによって、シース５２内のプラグ８８の一部が、シース５２の開口部８６から係脱するのを防止するが、依然として、支持部材５４を自由にプラグ８８内で平行移動させる。別の実施形態では、熱電対５０は、リテーナアセンブリ６４または偏向機構６２（後述のような）を含まないが、代わりに、支持部材５４は、略固定されるように（図示せず）、シース５２に動作可能に固着され、支持部材５４が、シース５２に対して、偏移または除去されるのを防止する一方、支持部材５４に対して、ワイヤ５６、５８を自由に熱膨張または収縮させる。リテーナアセンブリ６４は、シース５２に対して、支持部材５４を支持部材５４の実質的除去を防止するように固着可能な方法の例示的実施形態として、図示および記載されていることが、当業者によって理解されるはずである。

図４に例証されるように、バネ等の偏向機構６２は、シース５２内に位置決定され、支持部材５４の一部を囲繞する。偏向機構６２は、シース５２内に位置決定されるカラー６０と、プラグ８８の一部の端部との間に延在する。プラグ８８は、シース５２の端部に固着され、支持部材５４は、プラグ８８に対して、自由に平行移動可能であるため、偏向機構６２は、支持部材５４に固着されるカラー６０に抗する偏向力を提供する。偏向機構６２の偏向力は、支持部材５４の第１の遠位端６８に隣接する第１および第２のワイヤ５６、５８の接点８４が、測定先端７８において、シース５２の内側表面に接触するまで、支持部材をシース５２の測定先端７８に向かって偏向させる。偏向機構６２は、十分な量の偏向力を提供し、測定先端７８において、接点８４をシース５２の内側表面と接触したまま維持する。リテーナアセンブリ６４の上述の説明は、プラグ８８およびリング９０のみ含むが、リテーナアセンブリ６４は、単一部材または３つ以上の部材から形成されてもよいことが、当業者によって理解されるはずである。リテーナアセンブリ６４は、シース５２に固着され、測定先端７８において、シース５２の内側表面に抗する接点８４の偏向を補助する一方、また、支持部材５４から延出するにつれて、熱電対のワイヤの露出された部分間の分離の維持を補助するように構成されることが、当業者によって理解されるはずである。

第１および第２のワイヤ５６、５８の端部は、融合され、支持部材の第１の遠位端６８に隣接する接点８４を形成するが、第１および第２のワイヤ５６、５８は、第１および第２のワイヤ５６、５８の対向端が、コネクタ６６（図３）に接続されるように、支持部材５４の第２の遠位端７０に隣接する支持部材５４の第１および第２のボア８０、８２から延出する。図８Ａに示される実施形態に例証されるように、第１のワイヤ５６は、第１のボア８０と切り欠き７２との間の交点において、第１のボア８０から延出し、第２のワイヤ５８は、第２のボア８２と対向する切り欠き７２との間の交点において、第２のボア８２から延出する。図８Ｂに示される実施形態に例証されるように、第１のワイヤ５６は、第１のボア８０と切り欠き７２との間の交点において、第１のボア８０から延出し、第２のワイヤ５８は、支持部材５４の第２の遠位端７０において、第２のボアから延出する。

Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）チューブ９４は、支持部材５４とコネクタ６６との間に位置決定される、第１および第２のワイヤ５６、５８両方の露出された部分の略全体にわたって配置される。チューブ９４は、その中に配置されるワイヤの保護および／または絶縁被覆を提供するために十分な任意の材料から形成可能であることが、当業者によって理解されるはずである。チューブ９４は、第１および第２のボア８０、８２外に位置決定される第１および第２のワイヤ５６、５８の一部を露出されたまま残す。第１および第２のワイヤ５６、５８は、支持部材５４の長手方向軸Ｂに沿って、熱膨張および収縮するため、露出されたワイヤの一部は、チューブ９４がその膨張および収縮に干渉することなく、ワイヤを膨張ならびに収縮させる。露出されたまま残される第１および第２のワイヤ５６、５８の量は、可変であってもよいが、露出されたまま残される量は、第１および第２のワイヤ５６、５８の露出された部分が接触し、短絡を生じさせる可能性を低減または排除するように、最小限にされるべきである。

図８Ａは、組み立てられた熱電対５０の一実施形態を例証し、支持部材５４は、支持部材５４の第２の遠位端７０から離間される位置において、第１および第２のボア８０、８２と交差する、対向する切り欠き７２を含む。Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）チューブ９４は、ワイヤが、第１および第２のボア８０、８２から延出するにつれて、第１および第２のワイヤ５６、５８を囲繞するが、第１および第２のワイヤ５６、５８の一部は、露出されたまま残される。第１および第２のワイヤ５６、５８それぞれの露出された部分は、対向する切り欠き７２間に延在する支持部材５４を介して、他方から分離されたまま残される。切り欠き７２間の本支持部材５４の一部は、第１および第２のワイヤ５６、５８それぞれの露出された部分が、相互に接触不可能であって、それによって、短絡を防止することを確実にする。さらに、チューブ９４は、第１および第２のワイヤ５６、５８の一部を露出させたまま残し、それによって、半径方向ならびに長手方向に、第１および第２のワイヤ５６、５８を自由に熱膨張および収縮させる。第１および第２のワイヤ５６、５８が、支持部材５４から延在するにつれて、第１および第２のワイヤ５６、５８は、収縮リング９２を介して、リング９０の外側表面上の同一位置に固着され、それによって、パッケージングのため、ならびにワイヤ５６、５８を自由に熱膨張させるために、ワイヤ５６、５８を固着する。第１および第２のワイヤ５６、５８はそれぞれ、第１および第２のボア８０、８２から延出する位置と、リング９０に固着される位置との間に、ループ９６を形成する。両ループ９６は、略類似曲率半径を有する。ある実施形態では、ループ９６の曲率半径は、約２〜２５ｍｍである。ループ９６の曲率半径は、より大きい、またはより小さくてもよいことが、当業者によって理解されるはずである。また、第１のワイヤ５６によって形成されるループ９６の曲率半径は、第２のワイヤ５８によって形成されるループ９６の曲率半径と異なってもよいことが、当業者によって理解されるはずである。

図８Ｂは、組み立てられた熱電対５０の別の実施形態を例証し、支持部材５４は、支持部材５４の第２の遠位端７０から離間される位置において、第２のボア８２と交差する、単一切り欠き７２を含む。Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）チューブ９４は、ワイヤが、第１および第２のボア８０、８２から延出するにつれて、第１および第２のワイヤ５６、５８を囲繞するが、第１および第２のワイヤ５６、５８の一部は、露出されたまま残される。第１および第２のワイヤ５６、５８それぞれの露出された部分は、支持部材５４を介して、かつ第１および第２のワイヤ５６、５８が、第１および第２のボア８０、８２から延出する位置間の距離にわたって、他方から分離されたまま残される。第１および第２のワイヤ５６、５８の露出された部分間の距離は、第１および第２のワイヤ５６、５８それぞれの露出された部分が、相互に接触不可能であって、それによって、短絡を防止することを確実にする。さらに、チューブ９４は、第１および第２のワイヤ５６、５８の一部を露出されたまま残し、それによって、半径方向ならびに長手方向に、第１および第２のワイヤ５６、５８を自由に熱膨張および収縮させる。第１および第２のワイヤ５６、５８が、支持部材５４から延在するにつれて、第１および第２のワイヤ５６、５８は、リング９０の外側表面上の対向する位置に固着され、それによって、第１および第２のワイヤ５６、５８それぞれの露出された部分を離間するように維持する。第１および第２のワイヤ５６、５８はそれぞれ、第１および第２のボア８０、８２から延出する位置と、リング９０に固着される位置との間に、ループ９６を形成する。両ループ９６は、略類似曲率半径を有する。ある実施形態では、ループ９６の曲率半径は、約２〜２５ｍｍである。ループ９６の曲率半径は、より大きくてもよいことが、当業者によって理解されるはずである。また、第１のワイヤ５６によって形成されるループ９６の曲率半径は、第２のワイヤ５８によって形成されるループ９６の曲率半径と異なってもよいことが、当業者によって理解されるはずである。

第１および第２のワイヤ５６、５８は、ワイヤが、熱膨張および収縮の結果、半径および軸の両方向に、自由に膨張および収縮可能であるように、支持部材５４のボア内に受容される。従来、第１および第２のワイヤ５６、５８は、支持部材５４のボアから延出直後に屈曲および固着され、それによって、ワイヤが、長手方向に膨張可能となることを防止していた。ワイヤは、長手方向に適度に膨張不可能であったため、熱電対５０の反復加熱および冷却は、支持部材５４内のワイヤ中の微量の滑動を生じさせ、それによって、熱電対５０の故障をもたらしていた。ワイヤが支持部材内のボアから延出するにつれて形成される、ループ９６は、ワイヤが、軸方向および長手方向の両方向に、自由に膨張および収縮可能であることを確実にし、支持部材５４内の両端に固定されるワイヤによる微量の滑動が排除される。さらに、各ワイヤの露出された部分は、ワイヤが、支持部材５４から延出するにつれて、支持部材５４（図８Ａ）等の物理的障壁によって、露出された部分間の偏移等（図８Ｂ）、空間的に、または任意の他の手段によって、他方のワイヤの露出された部分から分離され、それによって、露出された部分は、熱電対５０の動作の間、分離されたまま残される。

本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明がそのように限定されず、本発明から逸脱することなく修正が行われ得ることを理解されたい。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義され、文字通りに、または均等に、特許請求の範囲の意義の範囲内となる全てのデバイス、プロセス、および方法は、その中に包含されることを意図する。

Claims (28)

1. 半導体処理リアクタ内で使用される熱電対であって、
   シースであって、該シースの端部に測定先端を有する、シースと、
   該シース内に配置される支持部材であって、該支持部材は、該支持部材を通って形成される少なくとも２つのボアを有する、支持部材と、
   異種金属から形成される一対のワイヤであって、該一対のワイヤの各ワイヤは、別個のボア内に配置される、一対のワイヤと、
   各ワイヤの端部において該一対のワイヤの間に形成される接点であって、該接点は、該支持部材の端部に隣接して位置決定される、接点と
   を備え、該一対のワイヤは、該支持部材に対して、自由に熱膨張可能または熱収縮可能である、熱電対。
2. 前記一対のワイヤが、前記対応するボアから延出するにつれて、該一対のワイヤの各ワイヤによって形成されるループをさらに備える、請求項１に記載の熱電対。
3. 前記ループは、２ｍｍより大きい曲率半径を有する、請求項２に記載の熱電対。
4. 前記一対のワイヤの各ワイヤは、該一対のワイヤの各ワイヤが前記対応するボアから延出するにつれて、保護チューブによって被覆される、請求項１に記載の熱電対。
5. 前記一対のワイヤの各ワイヤが前記対応するボアから延出するにつれて、該一対のワイヤの各ワイヤの一部は、露出されたまま残される、請求項４に記載の熱電対。
6. 前記複数のワイヤの各ワイヤの前記露出された部分は、該複数のワイヤの各ワイヤの該露出された部分のもう一方から、空間的または物理的に分離されたまま残される、請求項５に記載の熱電対。
7. 前記対応するボアから延出する前記ワイヤは、前記一対のワイヤ間に位置決定される前記支持部材の一部によって分離される、請求項１に記載の熱電対。
8. 前記ワイヤは、前記支持部材の端部に対して、異なる距離で前記対応するボアから延出する、請求項１に記載の熱電対。
9. 半導体処理リアクタ内で使用される熱電対であって、該熱電対は、
   シースと、
   少なくとも部分的に該シース内に配置される支持部材であって、該支持部材は、第１のボアと第２のボアとを有し、該第１のボアおよび該第２のボアは、該支持部材の長手方向軸に実質的に平行に形成される、支持部材と、
   該第１のボア内に配置される第１のワイヤと、
   該第２のボア内に配置される第２のワイヤであって、該第２のワイヤは、該第１のワイヤの異種金属から形成される、第２のワイヤと、
   該第１のワイヤの端部と、該第２のワイヤの端部との間に形成される接点であって、該接点は、該支持部材の端部に隣接して位置決定される、接点と、
   該第１のワイヤが、該接点の反対側の該支持部材の端部に隣接する該第１のボアから延出する位置に隣接する、該第１のワイヤの一部によって形成される、第１のループと、
   該第２のワイヤが、該接点の反対側の該支持部材の端部に隣接する、該第２のボアから延出する位置に隣接する、該第２のワイヤの一部によって形成される、第２のループと
   を備え、該第１のループおよび該第２のループは、該支持部材内において、該第１のワイヤおよび該第２のワイヤが長手方向に自由に熱膨張可能であるように構成される、熱電対。
10. 前記第１のループは、前記第２のループの曲率半径と実質的に等しい曲率半径を有する、請求項９に記載の熱電対。
11. 前記第１のループは、前記第２のループの曲率半径と異なる曲率半径を有する、請求項９に記載の熱電対。
12. 前記第１のループおよび前記第２のループの曲率半径は、少なくとも２ｍｍである、請求項９に記載の熱電対。
13. 前記第１のループおよび前記第２のループの曲率半径は、２ｍｍ〜２５ｍｍである、請求項１２に記載の熱電対。
14. 前記支持部材内に形成される互いに対向する切り欠きをさらに備え、前記第１のワイヤは、前記第１のボアと該切り欠きの一方との間の交点において、該第１のボアから延出し、前記第２のワイヤは、前記第２のボアと該切り欠きのもう一方との間の交点において、該第２のボアから延出する、請求項９に記載の熱電対。
15. 前記第１のボアと前記切り欠きの一方との間の前記交点は、前記第２のボアと該切り欠きのもう一方との間の前記交点と実質的に等しい距離だけ、前記支持部材の端部から間隔を空けられる、請求項１４に記載の熱電対。
16. 前記第１のボアと前記切り欠きの一方との間の前記交点は、前記第２のボアと該切り欠きの他方との間の前記交点と異なる距離だけ、前記支持部材の端部から間隔を空けられる、請求項１４に記載の熱電対。
17. 前記第１のワイヤは、前記第２のワイヤが、前記支持部材の端部に対して、前記第２のボアから延出するにつれて、前記支持部材の端部から実質的に同一の距離にわたって、前記第１のボアから延出する、請求項９に記載の熱電対。
18. 前記第１のワイヤは、前記第２のワイヤが、前記支持部材の端部に対して、前記第２のボアから延出するにつれて、前記支持部材の端部から異なる距離にわたって、前記第１のボアから延出する、請求項９に記載の熱電対。
19. 前記支持部材中に形成される切り欠きをさらに備え、該切り欠きは、前記第１のボアが、該支持部材の全長より短い距離だけ延在し、前記第２のボアが、該支持部材の全長にわたって延在するように、該支持部材の端部から間隔を空けられる位置において、該第１のボアと交差する、請求項９に記載の熱電対。
20. 前記第１のワイヤは、第１の位置において、前記第１のボアから延出し、前記第２のワイヤは、第２の位置において、前記第２のボアから延出し、該第１の位置は、該第２の位置から空間的または物理的に分離されることにより、該第１のワイヤと該第２のワイヤとの間の短絡を防止する、請求項９に記載の熱電対。
21. 半導体処理リアクタ内で使用される熱電対であって、
    支持部材であって、該支持部材は、該支持部材内に形成される少なくとも１つのボアを有する、支持部材と、
    該第１のボア内に配置される第１のワイヤと、
    該第１のワイヤから間隔を空けるように、該第１のワイヤに隣接して配置される第２のワイヤであって、該第２のワイヤは、該第１のワイヤと異種金属から形成される、第２のワイヤと、
    該第１のワイヤと該第２のワイヤとの間に形成される接点と、
    該シースから延在する該支持部材の端部に隣接する該第１のワイヤの一部によって形成される第１のループと、
    該第１のループに隣接する該第２のワイヤの一部によって形成される第２のループと
    を備え、該第１のループおよび該第２のループは、該支持部材に対して、該第１のワイヤおよび該第２のワイヤが自由に熱膨張または熱収縮可能であるように構成される、熱電対。
22. 前記支持部材は、該支持部材の中に形成される、単一のボアを含む、請求項２１に記載の熱電対。
23. 前記第２のワイヤは、前記第１のワイヤに対して、間隔を空ける関係で、前記支持部材の外側表面に隣接して配置される、請求項２２に記載の熱電対。
24. 前記支持部材は、該支持部材の中に形成される、２つのボアを含む、請求項２１に記載の熱電対。
25. 前記支持部材は、該支持部材の中に形成される、４つのボアを含む、請求項２１に記載の熱電対。
26. 第３のワイヤと第４のワイヤとをさらに備え、前記第１のワイヤ、前記第２のワイヤ、該第３のワイヤおよび該第４のワイヤは、それぞれ、別個のボア内に受容され、第２の接点が、該第３のワイヤおよび該第４のワイヤのそれぞれの端部の間に形成される、請求項２５に記載の熱電対。
27. 前記支持部材を通して形成されるボア内に受容される少なくとも３つのワイヤをさらに備える、請求項２１に記載の熱電対。
28. 前記少なくとも３つのワイヤのうちの少なくとも２つのワイヤの間に形成される、２つ以上の接点をさらに備える、請求項２７に記載の熱電対。

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