JP2015163850A - 温度検出装置及び半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】精度良く温度を測定可能とする温度検出装置、及びその温度検出装置を備える半導体製造装置を提供する。【解決手段】温度検出装置２は、複数の熱電対１０、絶縁部材１４及び外装保護管１５を有する。熱電対１０は、２本の測定素線１１，１２を１対として構成されている。２本の測定素線１１，１２は、測温接点１３で接合されている。絶縁部材１４は、複数の貫通孔が形成されている。絶縁部材１４は、測定素線１１，１２がそれぞれ異なる貫通孔に挿入されて測定素線１１，１２同士が絶縁された複数の熱電対１０を保持する。外装保護管１５は、熱電対１０及び絶縁部材１４が内部に収納されている。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、温度検出装置及び半導体製造装置に関する。

半導体製造装置の熱処理炉（熱処理成膜装置）には、反応管内の温度を制御するヒータが設けられている。成膜反応の速度が温度に応じて異なることとなるため、熱処理炉は、基板が配置される位置による温度差が、生成される膜の厚さにばらつきを生じさせることになる。複数の基板に対して均一な温度分布を確保するために、ヒータは、温度検出装置での検出結果に応じて、反応管への熱の供給を制御する。

半導体製造装置の熱処理炉に用いられる温度検出装置としては、熱電対を備えるものが知られている。鉛直方向における複数の位置での温度を測定する温度検出装置として、温度を測定する位置に熱電対の測温接点の位置が合うようにそれぞれ長さが調整された複数の熱電対を備えるものがある。複数の熱電対は、各熱電対の測定素線を互いに絶縁させた状態として、円筒状の保護管に収納されている。各測定素線は、測定素線同士の接触による導通を防ぐための絶縁碍子管にそれぞれ通されている。

複数の熱電対は、保護管内における位置が固定されていないことで、保護管内の周方向における互いの位置関係が変化する場合がある。この場合、温度検出装置は、ヒータに対する各熱電対の位置が随時変化する可能性があることで、測定精度の厳格な管理が困難となる。

特開２００９−７４９７８号公報

本発明の一つの実施形態は、精度良く温度を測定可能とする温度検出装置、及びその温度検出装置を備える半導体製造装置を提供することを目的とする。

本発明の一つの実施形態によれば、温度検出装置は、複数の熱電対、絶縁部材及び外装保護管を有する。熱電対は、２本の測定素線を１対として構成されている。２本の測定素線は、測温接点で接合されている。絶縁部材は、複数の貫通孔が形成されている。絶縁部材は、測定素線がそれぞれ異なる貫通孔に挿入されて測定素線同士が絶縁された複数の熱電対を保持する。外装保護管は、熱電対及び絶縁部材が内部に収納されている。

図１は、第１の実施形態にかかる温度検出装置を備える半導体製造装置の構成を示す断面模式図である。 図２は、温度検出装置の構成を示す図である。 図３は、第１の実施形態における絶縁部材の構成を示す斜視図である。 図４は、温度検出装置の断面構成とヒータからの熱の伝播の様子とを示す図である。 図５は、実施形態の比較例にかかる温度検出装置の断面構成とヒータからの熱の伝播の様子とを示す図である。 図６は、熱電対の位置の変化と、温度の測定結果の変化とを示す図である。 図７は、第２の実施形態にかかる温度検出装置の構成を示す図である。 図８は、第３の実施形態にかかる温度検出装置の構成を示す図である。

以下に添付図面を参照して、実施形態にかかる温度検出装置及び半導体製造装置を詳細に説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態にかかる温度検出装置を備える半導体製造装置の構成を示す断面模式図である。半導体製造装置は、外管１、温度検出装置２、ヒータ３、基板支持部４、内管６、炉口フランジ７及びキャップ８を備える。半導体製造装置は、基板５の表面に結晶膜を気相成長させる。

反応管である内管６は、外管１の内部に配置されている。内管６は、基板５に対する反応プロセスが実施される空間を構成する。外管１及び内管６は、例えば、石英部材を使用して構成されている。半導体製造装置は、基板５への成膜のための反応ガスを、ガス導入管９−１を通じて内管６へ導入する。

外管１は、炉口フランジ７の上に支持される。キャップ８は、炉口フランジ７の下部開口を密閉する。排気口９−２は、炉口フランジ７に設けられている。内管６へ導入された反応ガスは、排気口９−２から排気経路へ排出される。

基板支持部４は、内管６の内部であってキャップ８の上に配置されている。基板支持部４は、反応プロセスが実施される内管６内の空間において、基板５を支持する。基板支持部４は、水平姿勢とされた複数の基板５を載置可能な多段棚構造を備える。基板支持部４は、複数の基板５を鉛直方向へ配列させた状態で保持する。

ヒータ３は、外管１の周囲に設けられている。ヒータ３は、外管１及び内管６を介して、内管６の内部の基板５へ熱を供給する。温度検出装置２は、内管６の内部に設けられている。温度検出装置２は、温度を検出する。

半導体製造装置は、反応ガスとして、例えばＳｉＨ_４等を内管６へ導入する。半導体製造装置は、内管６内の空間にて、反応ガスを使用する反応プロセスを実施することで、ヒータ３を用いて加熱されている基板５上に膜を生成する。半導体製造装置は、内管６内に設置された複数の基板５に対して一括して成膜処理を施す。

図２は、温度検出装置の構成を示す図である。温度検出装置２は、複数の熱電対１０、絶縁部材１４及び外装保護管１５を備える。外装保護管１５は、円筒形状を備える。外装保護管１５は、例えば石英部材を使用して構成されている。

外装保護管１５は、複数の熱電対１０及び絶縁部材１４が内部に収納されている。なお、図２は、温度検出装置２の側面構成を示している。かかる側面構成において、外装保護管１５の内部に配置されている複数の熱電対１０と、熱電対１０のそれぞれを覆う絶縁部材１４とを、実線で示している。

熱電対１０は、２本の測定素線１１，１２を１対として構成されている。測定素線１１の一端と測定素線１２の一端とは、測温接点１３で接合されている。測定素線１１，１２は、金属材料で構成された導線である。測定素線１１と測定素線１２とは、互いに異なる金属材料を用いて構成されている。測定素線１１，１２は、測温接点１３から下方へ平行に伸びている。

いずれの熱電対１０も、測温接点１３が絶縁部材１４の内部に位置している。測定素線１１，１２のうち測温接点１３とは反対側は、絶縁部材１４及び外装保護管１５の外へ引き出されている。測定素線１１，１２は、それぞれ補償導線を介して測定回路（いずれも図示省略）に接続されている。

図３は、第１の実施形態における絶縁部材の構成を示す斜視図である。絶縁部材１４は、円柱形状を備える。絶縁部材１４は、例えば石英部材を使用して構成されている。絶縁部材１４には、複数の貫通孔１６が形成されている。各貫通孔１６は、それぞれ、絶縁部材１４の上端面２１から下端面２２へ、絶縁部材１４を上下に貫通している。各貫通孔１６は、互いに平行に形成されている。なお、絶縁部材１４は、絶縁性及び熱伝導性を備えるいずれの部材からなるものであっても良い。

各貫通孔１６には、それぞれ測定素線１１，１２が１本ずつ挿入される。絶縁部材１４は、互いに異なる貫通孔１６へ挿入された測定素線１１，１２同士を絶縁させる。絶縁部材１４は、互いに絶縁された複数の熱電対１０を保持する。絶縁部材１４の側面２３には、導入口１７が形成されている。導入口１７は、絶縁部材１４の側面２３から、一対の熱電対１０の２本の測定素線１１，１２がそれぞれ挿入される各貫通孔１６へ通じて形成された開口である。なお、図２には、貫通孔１６及び導入口１７の図示を省略している。

ヒータ３は、例えば、外管１を鉛直方向に複数の領域に分けて、領域ごとに加熱を制御可能であるものとする。複数の熱電対１０は、それぞれ鉛直方向における測温接点１３の位置を異ならせて配置されている。

複数の熱電対１０のうち、熱電対１０−１は、測温接点１３が上端面２１から最も近い位置となるように配置されている。この測温接点１３の、鉛直方向における位置は、例えば、ヒータ３による加熱が制御される複数の領域のうち、最も上に位置する領域に合わせて設定されている。

熱電対１０−２は、測温接点１３の位置が、熱電対１０−１の測温接点１３より下に位置するように配置されている。熱電対１０−２の測温接点１３の、鉛直方向における位置は、例えば、ヒータ３による加熱が制御される複数の領域のうち、中央に位置する領域に合わせて設定されている。

熱電対１０−３は、測温接点１３の位置が、熱電対１０−２の測温接点１３より下に位置するように配置されている。熱電対１０−３の測温接点１３の、鉛直方向における位置は、例えば、ヒータ３による加熱が制御される複数の領域のうち、最も下に位置する領域に合わせて設定されている。

温度検出装置２は、複数の熱電対１０として、鉛直方向における測温接点１３の位置が互いに異なる熱電対１０−１，１０−２，１０−３を備えるものに限られない。熱電対１０の数、及び測温接点１３の位置は、適宜変更しても良い。各熱電対１０は、測温接点１３が所望の位置となるように、測定素線１１，１２の長さが適宜設定されている。

絶縁部材１４には、複数の熱電対１０の測定素線１１，１２がそれぞれ貫通孔１６に挿入されている。これにより、絶縁部材１４は、熱電対１０同士を絶縁させるとともに、複数の熱電対１０を内部に保持する。

導入口１７は、例えば、熱電対１０−１，１０−２，１０−３の各測温接点１３の位置に合わせて形成されている。熱電対１０−１，１０−２，１０−３は、測定素線１１，１２が導入口１７から貫通孔１６へ挿入されることで、それぞれ絶縁部材１４内部の所定の位置に設置されている。なお、導入口１７の数及び位置は、熱電対１０の数及び位置に応じて、適宜変更可能である。

図４は、温度検出装置の断面構成とヒータからの熱の伝播の様子とを示す図である。図５は、実施形態の比較例にかかる温度検出装置の断面構成とヒータからの熱の伝播の様子とを示す図である。

比較例にかかる温度検出装置３０は、絶縁碍子管３１を備える。絶縁碍子管３１は、例えば、アルミナ等のセラミック部材で構成されている。測定素線１１，１２のそれぞれに対して、複数の絶縁碍子管３１が連ねられている。各熱電対１０は、測定素線１１，１２のそれぞれが複数の絶縁碍子管３１を通されて、外装保護管１５内に入れられている。絶縁碍子管３１は、熱電対１０の測定素線１１と測定素線１２とを絶縁させるとともに、熱電対１０同士を絶縁させる。

温度検出装置３０における熱伝導率は、温度検出装置３０を構成する要素の熱透過性に応じたものとなる。外装保護管１５を構成する石英部材に比べて、絶縁碍子管３１を構成するアルミナは熱透過性が低い。外装保護管１５内において、ヒータ３からの熱が伝播する経路が他の熱電対１０に遮られる位置にある熱電対１０は、当該他の熱電対１０に設けられた絶縁碍子管３１の熱容量の影響を受けることとなる。

測定素線１１，１２は、ヒータ３からの熱を受けて温度が上昇することによって伸長する。その後、測定素線１１，１２は、ヒータ３からの熱の供給が停止され温度が低下することによって収縮する。各熱電対１０にてこのような伸長及び収縮が繰り返し生じることで、絶縁碍子管３１の移動による影響を各熱電対１０が受けるため、各熱電対１０は、外装保護管１５内の周方向における互いの測定位置が変化する場合がある。

各熱電対１０の位置が変化することで、各熱電対１０は、他の熱電対１０に設けられた絶縁碍子管３１の熱容量の影響の受け方にも変化が生じることになる。この場合、温度検出装置３０は、測定精度の厳格な管理が困難となる。

図４に示す実施形態にかかる温度検出装置２は、測定素線１１，１２の絶縁に絶縁部材１４を用いることで、各熱電対１０の位置関係の変化を抑制させる。石英部材により構成された絶縁部材１４が適用されることで、温度検出装置２は、外装保護管１５内において、熱電対１０同士の間における良好な絶縁性及び熱透過性を得ることができる。かかる絶縁部材１４を用いることで、温度検出装置２は、絶縁碍子管３１を用いる場合に比べて、熱容量の影響を少なくすることができる。これにより、温度検出装置２は、測定精度の厳格な管理が可能となり、精度良く温度を測定できるという効果を奏する。

次に、熱透過性が高い石英部材を絶縁部材１４とすることによる効果について説明する。図６は、熱電対の位置の変化と、温度の測定結果の変化とを示す図である。ここでは、外装保護管１５の断面の方向における熱電対１０の位置の変化を、外装保護管１５の中心位置を中心とする振れ角（回転角）として表す。

図中、実線の曲線は、本実施形態の温度検出装置２における測定結果と振れ角との関係を表している。一点鎖線の曲線は、絶縁部材１４に代えて絶縁碍子管３１を用いる場合における測定結果と振れ角との関係を表している。

絶縁碍子管３１を構成するアルミナに比べて熱透過性が高い石英部材を絶縁部材１４とすることで、温度検出装置２は、振れ角の変化に対する測定結果の変化を抑制できる。例えば、測定結果の変化幅をΔＴ（例えば０．３℃）以内とする測定精度が温度検出装置２に求められている場合に、温度検出装置２は、かかる測定精度を十分に得ることができる。

（第２の実施形態）
図７は、第２の実施形態にかかる温度検出装置の構成を示す図である。第１の実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。温度検出装置４０は、複数の熱電対１０、複数の絶縁部材４１及び外装保護管１５を備える。外装保護管１５は、複数の熱電対１０、複数の絶縁部材４１及び複数の絶縁碍子管４２が内部に収納されている。

絶縁部材４１は、複数の熱電対１０の測温接点１３の各位置に配置されている。絶縁部材４１は、円板形状を備える。絶縁部材４１は、例えば石英部材を使用して構成されている。絶縁部材４１には、複数の貫通孔（図示省略）が形成されている。各貫通孔は、それぞれ、絶縁部材４１の上面４３から下面４４へ、絶縁部材４１を上下に貫通している。各貫通孔は、互いに平行に形成されている。なお、絶縁部材４１は、絶縁性及び熱伝導性を備えるいずれの部材からなるものであっても良い。

各貫通孔には、それぞれ測定素線１１，１２が１本ずつ挿入される。絶縁部材４１は、貫通孔へ挿入された測定素線１１，１２同士を絶縁させるとともに、熱電対１０を保持する。

測定素線１１，１２のうち絶縁部材４１内を通された部分以外の部分は、複数の絶縁碍子管４２に通されている。測定素線１１，１２のそれぞれに対して、複数の絶縁碍子管４２が連ねられている。絶縁碍子管４２は、例えば、アルミナ等のセラミック部材で構成されている。絶縁碍子管４２は、熱電対１０の測定素線１１と測定素線１２とを絶縁させるとともに、熱電対１０同士を絶縁させる。

絶縁部材４１は、例えば、熱電対１０−１，１０−２，１０−３の各測温接点１３の位置に配置されている。いずれの熱電対１０−１，１０−２，１０−３も、測温接点１３がそれぞれ絶縁部材４１の内部に位置している。

第２の実施形態によると、温度検出装置４０は、各熱電対１０の測温接点１３の位置に石英部材で構成された絶縁部材４１を配置することで、測温接点１３の位置における熱容量の影響を少なくすることができる。第２の実施形態においても、温度検出装置４０は、測定精度の厳格な管理が可能となり、精度よく温度を測定できるという効果を奏する。なお、絶縁部材４１の数及び位置は、熱電対１０の数、及び測温接点１３の位置に応じて、適宜変更しても良い。

（第３の実施形態）
図８は、第３の実施形態にかかる温度検出装置の構成を示す図である。第１の実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。温度検出装置５０は、複数の熱電対１０、絶縁部材である複数の絶縁碍子管５１及び外装保護管１５を備える。

絶縁碍子管５１は、石英部材で構成されている。測定素線１１，１２のそれぞれに対して、複数の絶縁碍子管５１が連ねられている。各熱電対１０は、測定素線１１，１２のそれぞれが複数の絶縁碍子管５１を通されて、外装保護管１５内に入れられている。絶縁碍子管５１は、熱電対１０の測定素線１１と測定素線１２とを絶縁させるとともに、熱電対１０同士を絶縁させる。

第３の実施形態によると、温度検出装置５０は、石英部材で構成された絶縁碍子管５１を適用することで、アルミナで構成された絶縁碍子管を適用する場合に比べて、熱容量の影響を少なくすることができる。第３の実施形態においても、温度検出装置５０は、測定精度の厳格な管理が可能となり、精度よく温度を測定できるという効果を奏する。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ 外管、２ 温度検出装置、３ ヒータ、４ 基板支持部、５ 基板、６ 内管、７ 炉口フランジ、８ キャップ、９−１ ガス導入管、９−２ 排気口、１０，１０−１，１０−２，１０−３ 熱電対、１１ 測定素線、１２ 測定素線、１３ 測温接点、１４ 絶縁部材、１５ 外装保護管、１６ 貫通孔、１７ 導入口、２１ 上端面、２２ 下端面、２３ 側面、４０ 温度検出装置、４１ 絶縁部材、４２ 絶縁碍子管、４３ 上面、４４ 下面、５０ 温度検出装置、５１ 絶縁碍子管。

Claims (5)

1. 測温接点で接合された２本の測定素線を１対として構成された複数の熱電対と、
   複数の貫通孔が形成されており、前記測定素線がそれぞれ異なる前記貫通孔に挿入されて前記測定素線同士が絶縁された複数の前記熱電対を保持する絶縁部材と、
   前記熱電対及び前記絶縁部材が内部に収納される外装保護管と、を有することを特徴とする温度検出装置。
2. 前記絶縁部材の側面に、少なくとも一対の前記熱電対の２本の測定素線がそれぞれ挿入される各貫通孔へ通じた導入口が形成され、
   前記熱電対は、前記測定素線が前記導入口から前記貫通孔へ挿入されることで、前記絶縁部材の内部に設置されていることを特徴とする請求項１に記載の温度検出装置。
3. 前記絶縁部材は、複数の前記熱電対の前記測温接点の各位置に分散配置されて構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の温度検出装置。
4. 前記絶縁部材は、石英材料で構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の温度検出装置。
5. 収納された基板に対する反応プロセスが実施される反応管と、
   前記反応管の内部の前記基板へ熱を供給するヒータと、
   前記反応管の内部に設けられ、温度を検出する温度検出装置と、を有し、
   前記温度検出装置は、
   測温接点で接続された２本の測定素線を１対として構成された複数の熱電対と、
   複数の貫通孔が形成されており、前記測定素線がそれぞれ異なる前記貫通孔に挿入されて前記測定素線同士を絶縁された複数の前記熱電対を保持する絶縁部材と、
   前記熱電対及び前記絶縁部材が内部に収納される外装保護管と、を有することを特徴とする半導体製造装置。

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