JP2012181870A - 温度制御装置および温度制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】温度制御装置は、温調装置1と、温度制御対象物と接触して温度を測定する温度センサ10と、温調装置1を制御するコントローラ30とを備え、コントローラ30は、温度制御対象物の載置状態を判定する載置状態判定手段31と、この判定結果に応じて温調装置1の制御ゲインおよび目標温度を切り換える切換手段34と、制御ゲイン、目標温度、および温度センサ10の測定値に基づき制御指令を生成する制御指令生成手段35とを備える。
【選択図】図8
Description
そこで、ウェハ50の実際の温度を得るために、チャンバ内のウェハ50に接触させることでウェハ50の温度を直接測定する温度センサが開発されている(例えば、特許文献1,3〜6)。
また、温度センサをウェハに接触させてウェハの実際の温度を測定し、この測定値を用いてウェハの温度を制御する温度制御装置が望まれている。
また、キャップのウェハとの接触面の直径が4mmと大きいため、ウェハからキャップを介して放出される熱量が大きく、ウェハの面内温度の均一性に影響を与えてしまうという問題もある。
また、支持用ピンへの放熱量が大きいため、ウェハの面内温度の均一性に影響を与えてしまうという問題もある。
また、ウェハと接触する円板の接触面積が大きく、ウェハから円板およびばねに対して放出される熱量が大きいため、ウェハの面内温度の均一性に影響を与えてしまうという問題もある。
〔1−1〕全体構成
本発明の第1実施形態に係る温度制御装置100の全体構成を示す図1において、温度制御装置100は、ホットプレート1(温調装置)、温度センサ10、ストロークセンサ20、およびコントローラ30を備えて構成される。
ホットプレート1は、加熱によりウェハ(被測定物、温度制御対象物)50の温度を調節する装置であり、加熱量を制御可能に構成されている。図示しない搬送用ロボットにより搬送されてきたウェハ50は、ホットプレート1を貫通した状態で昇降可能に設けられているリフトピン60の上に一旦載せられ、リフトピン60の下降により、ホットプレート1上に載置される。
図2において、ホットプレート1は、ケース2、ヒータ3、プレート本体4、支持ピン5、および温度センサ10を備えて構成される。
図3に示すように、プレート本体4の表面には、すなわちプレート本体4のウェハ50を載置する側の面には、支持ピン5を取り付けるための支持ピン取付穴6および温度センサ10を取り付けるためのセンサ取付穴7が、それぞれ適宜な位置に複数形成されている。
図4に示すように、温度センサ10は、温度を測定するための感温部11、感温部11を支持する支持部12、および支持部12を介して感温部11を付勢するベローズ13(付勢部材)を備えて構成される。すなわち、温度センサ10は、感温部11、支持部12、およびベローズ13の3層構造となっている。
このうち、表面部111は、シリコン基板がダイカットされたもので、ウェハ50に接触する研磨されたウェハ接触面(接触面)111Aを有している。ここで、温度センサ10の測定精度は、感温部11の表面部111およびウェハ50の裏面間の接触熱抵抗に依存する。この接触熱抵抗は、ウェハ50の自重が非常に軽く、また、ウェハ50および表面部111の表面硬度が非常に硬いため、表面部111の表面粗さに依存し、ウェハ50との接触圧力には依存しない。従って、温度センサ10の測定精度はウェハ接触面111Aの表面粗さに依存することになるため、ウェハ接触面111Aの表面は十分に研磨される必要がある。一方、ウェハ50との接触圧力の制御は不要であり、表面部111がウェハ50に接触してさえいればよい。
このうち、補強部121は、感温部11の強度を補強するための薄膜で、熱伝導率の小さい二酸化珪素(SiO2)を用いて形成されている。そして、補強部121の4隅には、感温部11のパターン形成部112に設けられた穴112Cに対応する位置に、パターン形成部112から断熱部122に向かって貫通する貫通孔121Aが形成されている。
また、前述のように、温度センサ10の測定精度は感温部11のウェハ接触面111Aの表面粗さにのみ依存するため、感温部11がウェハ50に接触してさえいれば、測定温度は圧力には依存しない。このため、感温部11のウェハ接触面111Aに作用する押圧力を制御する必要はなく、このための押圧力制御機構を設ける必要はない。
温度センサ10は、その大きさが前述のようにマイクロオーダーと非常に小さいため、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術を利用して製造される。
次に、図7(B)に示すように、電気絶縁膜112Aの上に、スパッタリングおよびエッチングを施して450nm厚の白金パターン112Bを形成し、図7(C)に示すように、さらにこの上に五酸化タンタルで厚さ150nmの電気絶縁膜112Aを成膜する。この時点で、電気絶縁膜112Aおよび白金パターン112Bによりパターン形成部112が形成される。また、ここまでの工程で、感温部11に相当する部分が形成される。
次に、図7(E)に示すように、補強部121の上に樹脂のレジスト剤により数10μm〜数100μmの厚膜を形成した後、エッチングを施して、厚肉部122Aを含む断熱部122の角筒部分と、補強部121の貫通孔121Aに連通する貫通孔122Bとを形成する。これにより断熱部122が形成され、既に形成されている補強部121と合わせて、空間Sを有する支持部12が形成される。また、パターン形成部112の穴112C、補強部121の貫通孔121A、および断熱部122の貫通孔122Bによって、ワイヤ挿通穴15が設けられる。この時点で、シリコン基板70は、ダイシングによりハーフカットされる。
次に、図8を参照して、コントローラ30による温度制御の制御構造について説明する。
図8において、コントローラ30は、ウェハ50の温度を制御する制御手段として構成され、コントローラ30の入力側には、温度センサ10およびストロークセンサ20が電気的に接続されている。
載置状態判定手段31は、ストロークセンサ20の測定値に基づいて、ホットプレート1上のウェハ50の載置状態を判定する。すなわち、ストロークセンサ20の測定値から求まるリフトピン60の上端の位置が、ホットプレート1の支持ピン5の上端位置よりも下側にあれば、ウェハ50が載置されていると判定し、そうでない場合には、未載置状態にあると判定する。
第1の目標温度T1は、自然対流用の影響を回避するために設定され、ウェハ50が未載置の場合に用いられる。第1の目標温度T1の値は、ウェハ50の載置中に用いられる第2の目標温度T2の値よりも低く、温度センサ10の自然対流による測定温度の低下の影響を補償する値に設定されている。本補償がない場合には、ウェハ50が未載置のときに目標温度Tは第2の目標温度T2に設定されたまま、温度センサ10の測定温度が自然対流の影響により低下することから、ホットプレート1はヒータ3による加熱量を増加させるように制御される。この場合、プレート本体4の温度が目標温度Tよりもかなり高くなり、ウェハ50の載置後にウェハ50の温度がオーバーシュートしてしまう。一方、第2の目標温度T2は、実処理中のウェハ50の目標温度であり、ウェハ50の載置中に用いられる。
第1の制御ゲインG1は、自然対流用の影響を回避するために設定され、ウェハ50が未載置の場合に用いられる。第1の制御ゲインG1の値は、ウェハ50の実処理中に用いられる第2、第3の制御ゲインG2,G3の値よりも小さく、温度センサ10の自然対流による測定温度の変動の影響を受けづらい値に設定されている。第2、第3の制御ゲインG2,G3は、ウェハ50の載置中に用いられ、第2の制御ゲインG2の方が第3の制御ゲインG3よりも大きな値に設定されている。
次に、図9に示されるフローチャートに基づき、コントローラ30の作用について説明する。
先ず、コントローラ30は、温度センサ10およびストロークセンサ20の測定値を読み込む(ステップS1)。
ホットプレート1上にウェハ50が載置されていないと判定された場合に、切換手段34は、自然対流への対応に用いられる第1の制御ゲインG1および第1の目標温度T1を選択し、制御指令の生成に用いる制御ゲインGおよび目標温度Tとして切り換える(ステップS3)。そして、切換手段34は、温度センサ10の測定値と制御指令の生成に用いる目標温度Tとの温度偏差eを算出する(ステップS4)。
次に、図10に基づき、本発明の第2実施形態について説明する。
前述の第1実施形態では、温度センサ10の支持部12は、ベローズ13の上面部131に直接取り付けられていた。
これに対し、第2実施形態では、支持部12は、アダプタ16を介してベローズ13の上面部131に取り付けられている点が相違する。
なお、温度変化に伴って空間S内の空気が膨張した場合には、アダプタ16に形成された空気孔を介して空間S内から空気が放出され、収縮した場合には、空気孔を介して空間S内に空気が導入される。
次に、図11に基づき、本発明の第3実施形態について説明する。
前述の第1および第2実施形態では、温度センサ10において、感温部11の穴112C、支持部12の各貫通孔121A,122B、およびアダプタ16の孔161は、それぞれ略一直線上に設けられ、感温部11の白金パターン112Bにボンディングされたワイヤ14は、各貫通孔121A,122Bおよび孔161を通って、ベローズ13側に引き出されていた。
これに対し、第3実施形態では、感温部11の白金パターン112Bからベローズ13に向けて貫通電極17が形成されるとともに、この貫通電極17がアダプタ電極162によりベローズ13の中央側に向けて延設されている点が相違する。
また、温度センサ10において、貫通電極17は、支持部12の4隅の位置から、アダプタ電極162によってアダプタ16の中央寄りの位置まで延設されてベローズ13側に露出しているため、アダプタ電極162の露出部分に接続されたワイヤ14が、ベローズ13の内壁と干渉するのを防止できる。
次に、図12〜図14に基づき、本発明の第4実施形態について説明する。
前述の第1実施形態では、載置状態判定手段31の判定結果に応じて、切換手段34は、制御指令の生成に用いる制御ゲインGおよび目標温度Tを切り換えていた。
先ず、コントローラ30が、第1の温度センサ10、ストロークセンサ20、および第2の温度センサ40の測定値を読み込んだ後(ステップS11)、載置状態判定手段31は、ストロークセンサ20の測定値に基づいて、ホットプレート1上にウェハ50が載置されているか否かを判定する(ステップS12)。
一方、ホットプレート1上にウェハ50が載置されていると判定された場合に、切換手段34は、制御指令の生成に用いる温度測定値を第1の温度センサ10の測定値に切り換え、この値を用いて温度偏差eの値を算出する(ステップS14)。
次に、図15に基づき、本発明の第5実施形態について説明する。
前述の第1実施形態では、リフトピン60のストローク量を測定するストロークセンサ20が設けられ、載置状態判定手段31が、ストロークセンサ20の測定値に基づいてウェハ50の載置状態を判定していた。すなわち、ストロークセンサ20の測定値に基づいてウェハ50の載置状態が判定され、この判定結果に基づき、制御指令の生成に用いる制御ゲインGが切り換えられていた。
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
前記各実施形態では、支持部12およびベローズ13やアダプタ16は別部材で形成されていたがこれに限られず、例えば、発泡樹脂等により、1つの材料で一体形成されていてもよい。
また、樹脂に限られず、ガラスにより形成されものであってもよい。この場合には、例えば、支持部12の断熱部122を貫通孔122Bの周辺部分のみ残した複数の柱状とすることで、支持部12の熱伝導を小さくし、支持部12を樹脂で形成した場合の熱伝導と同等にすることができる。
前記各実施形態では、ホットプレート1に温度センサ10が取り付けられていたがこれに限られず、例えばフォトリソグラフィで用いられるクーリングプレートや、エッチング工程で用いられるサセプタなど、他の温調用のプレートに用いられてもよい。
その他、本発明の具体的な構造および形状等は、本発明の目的を達成できる範囲で他の構造等としてもよい。
Claims (6)
- 温度制御対象物の温度を制御する温度制御装置であって、
載置された前記温度制御対象物の温度を調節する温調装置と、
前記温調装置上に載置された前記温度制御対象物と接触して温度を測定する温度センサと、
前記温調装置による加熱量または冷却量を制御するコントローラとを備え、
前記コントローラは、
前記温調装置上の前記温度制御対象物の載置状態を判定する載置状態判定手段と、
前記載置状態判定手段の判定結果に応じて、前記温調装置の制御指令の生成に用いる制御ゲインおよび目標温度を切り換える切換手段と、
前記制御ゲイン、前記目標温度、および前記温度センサの測定値に基づいて、前記制御指令を生成する制御指令生成手段とを備えている
ことを特徴とする温度制御装置。 - 温度制御対象物の温度を制御する温度制御装置であって、
載置された前記温度制御対象物の温度を調節する温調装置と、
前記温調装置上に載置された前記温度制御対象物と接触して温度を測定する第1の温度センサと、
前記温調装置の温度を測定する第2の温度センサと、
前記温調装置による加熱量または冷却量を制御するコントローラとを備え、
前記コントローラは、
前記温調装置上の前記温度制御対象物の載置状態を判定する載置状態判定手段と、
前記載置状態判定手段の判定結果に応じて、前記温調装置の制御指令の生成に用いる温度測定値を前記第1の温度センサの測定値および前記第2の温度センサの測定値間で切り換える切換手段とを備えている
ことを特徴とする温度制御装置。 - 温度制御対象物の温度を制御する温度制御装置であって、
載置された前記温度制御対象物の温度を調節する温調装置と、
前記温調装置上に載置された前記温度制御対象物と接触して温度を測定する第1の温度センサと、
前記温調装置の温度を測定する第2の温度センサと、
前記温調装置による加熱量または冷却量を制御するコントローラとを備え、
前記コントローラは、
前記温調装置上の前記温度制御対象物の載置状態を判定する載置状態判定手段と、
前記載置状態判定手段の判定結果に応じて、前記温調装置の制御指令の生成に用いる温度測定値を前記第1の温度センサの測定値および前記第2の温度センサの測定値間で切り換え、また、前記制御指令の生成に用いる制御ゲインおよび目標温度を切り換える切換手段と、
前記温度測定値、前記制御ゲイン、および前記目標温度に基づいて、前記制御指令を生成する制御指令生成手段とを備えている
ことを特徴とする温度制御装置。 - 載置された前記温度制御対象物の温度を調節する温調装置と、前記温調装置上に載置された前記温度制御対象物と接触して温度を測定する温度センサとを用いた前記温度制御対象物の温度制御方法であって、
前記温度センサの測定値を取得するステップと、
前記温調装置上の前記温度制御対象物の載置状態を判定するステップと、
前記温度制御対象物の載置状態の判定結果に応じて、前記温調装置の制御指令の生成に用いる制御ゲインおよび目標温度を切り換えるステップと、
前記制御ゲイン、前記目標温度、および前記温度センサの測定値に基づいて、前記制御指令を生成するステップとを備えている
ことを特徴とする温度制御方法。 - 載置された前記温度制御対象物の温度を調節する温調装置と、前記温調装置上に載置された前記温度制御対象物と接触して温度を測定する第1の温度センサと、前記温調装置の温度を測定する第2の温度センサとを用いた前記温度制御対象物の温度制御方法であって、
前記第1の温度センサおよび前記第2の温度センサの測定値を取得するステップと、
前記温調装置上の前記温度制御対象物の載置状態を判定するステップと、
前記温度制御対象物の載置状態の判定結果に応じて、前記温調装置の制御指令の生成に用いる温度測定値を前記第1の温度センサの測定値および前記第2の温度センサの測定値間で切り換えるステップと、
前記温度測定値、制御ゲイン、および目標温度に基づいて、前記制御指令を生成するステップとを備えている
ことを特徴とする温度制御方法。 - 載置された前記温度制御対象物の温度を調節する温調装置と、前記温調装置上に載置された前記温度制御対象物と接触して温度を測定する第1の温度センサと、前記温調装置の温度を測定する第2の温度センサとを用いた前記温度制御対象物の温度制御方法であって、
前記第1の温度センサおよび前記第2の温度センサの測定値を取得するステップと、
前記温調装置上の前記温度制御対象物の載置状態を判定するステップと、
前記温度制御対象物の載置状態の判定結果に応じて、前記温調装置の制御指令の生成に用いる温度測定値を前記第1の温度センサの測定値および前記第2の温度センサの測定値間で切り換え、また、前記制御指令の生成に用いる制御ゲインおよび目標温度を切り換えるステップと、
前記温度測定値、前記制御ゲイン、および前記目標温度に基づいて、前記制御指令を生成するステップとを備えている
ことを特徴とする温度制御方法。
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