JP2016008821A - 熱処理炉温度測定治具及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐熱接着剤で覆った熱電対の温接点を確実に固定し、熱処理炉の温度分布を測定できる熱処理炉温度測定治具及びその製造方法を提供する。
【解決手段】熱処理炉温度測定治具（温度測定治具）は、基板１に形成された複数の凹部２のそれぞれに、熱電対４の温接点２４が固定された熱処理炉温度測定治具であって、熱電対４は、熱電対素線６が凹部２に形成された一対の貫通孔３を通過すると共に、温接点２４が凹部２の底面７に配置され、かつ、凹部２において、少なくとも２層の耐熱接着部材８、１０を有する充填部材２５により固定されたことを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、半導体装置の熱処理炉の測温を測定する温度測定治具に関するものである。

特許文献１には、半導体ウエハの熱処理炉の温度を測定する測温ウエハが記載されている。特許文献１において、熱処理炉の温度は、８００℃〜１０００℃を想定している。測温ウエハは、基板に多数個形成された凹部の２つの貫通孔に熱電対素線を通すと共に熱電対の温接点をこの凹部に収め、この状態で凹部に耐熱固着剤を充填することで、熱電対の温接点を固定していた。

特開平１１−５１７７６号公報（００１８段〜００２２段、図２）

産業機器から家電や情報端末まであらゆる製品にパワーモジュールが普及しつつあり、自動車用機器については、小型軽量化とともに多品種に対応できる高い生産性と高い信頼性が求められる。また、パワーモジュールに搭載されるパワー半導体素子として、動作温度が高く、効率に優れているＳｉＣ（炭化珪素）パワー半導体素子が、今後の主流となる可能性が高い。ＳｉＣパワー半導体素子の品質を管理するために、ＳｉＣパワー半導体素子の熱処理炉を例えば１６００℃〜１８００℃にする場合がある。この場合、１６００℃〜１８００℃の温度を測定できる温度測定治具が必要である。

特許文献１の温度測定治具である測温ウエハは、８００℃〜１０００℃の温度を測定することを想定し、耐熱固着剤は無機質の耐熱セメントが好ましいとしている。特許文献１の測温ウエハは、１６００℃〜１８００℃で加熱すると耐熱接着剤が収縮することで耐熱接着剤と基板との間に隙間が発生する。この隙間のため、耐熱接着剤に覆われた温接点が外力により外れてしまう問題があった。また、基板表面に対して耐熱接着剤部に収縮による窪みが発生するため、基板を熱処理する際の温度分布を正確に測定できない問題もあった。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、耐熱接着剤で覆った熱電対の温接点を確実に固定し、熱処理炉の温度分布を測定することを目的とする。

本発明の熱処理炉温度測定治具は、基板に形成された複数の凹部のそれぞれに、熱電対の温接点が固定された熱処理炉温度測定治具であって、熱電対は、熱電対素線が凹部に形成された一対の貫通孔を通過すると共に、温接点が凹部の底面に配置され、かつ、凹部において、少なくとも２層の耐熱接着部材を有する充填部材により固定されたことを特徴とする。

本発明の熱処理炉温度測定治具は、熱電対の温接点が少なくとも２層の耐熱接着部材を有する充填部材により凹部において固定されたので、熱電対の温接点を確実に固定でき、熱処理炉の温度分布を測定することができる。

本発明の熱処理炉温度測定治具の平面図である。 図１の熱処理炉温度測定治具の側面図である。 図１の凹部の拡大図である。 実施の形態１の熱処理炉温度測定治具における凹部の断面図である。 実施の形態１の熱処理炉温度測定治具における要部の製造過程を説明する図である。 実施の形態１の熱処理炉温度測定治具における要部の製造過程を説明する図である。 実施の形態２の熱処理炉温度測定治具における凹部の断面図である。 実施の形態３の熱処理炉温度測定治具における凹部の断面図である。

実施の形態１．
図面に基づいて本発明の実施の形態を詳述する。図１は本発明の熱処理炉温度測定治具の平面図であり、図２は図１の熱処理炉温度測定治具の側面図である。図３は、図１の凹部の拡大図である。図４は、実施の形態１の熱処理炉温度測定治具における凹部の断面図であり、図３のＡ−Ａ断面を示している。温度測定治具２０は、基板１と、凹部２に充填部材２５により固定された複数の熱電対４を備える。図１では、熱電対４の熱電対素線６が、コネクタ５を経由して熱処理装置（図示せず）における熱処理炉の外に出さる例を示した。なお、図３では、熱電対４を省略した。

図１において、基板１の表面２１には、複数の凹部２が点在するように形成されている。図１の場合、基板１の表面２１の中心部の凹部２と、この凹部を中心とする所定半径の円周上に所定間隔をあけて配置された４個の凹部２の合計５個の凹部２がほぼ均等に配置されており、これら５個の凹部２に対応して、熱電対４が設けられている。熱処理炉温度測定治具である温度測定治具２０は、基板１にほぼ均等に配置された複数の熱電対４を備えており、基板１の全体にわたる温度分布を測定可能となるように構成している。なお、基板１の表面２１に設ける熱電対４の測温点（温接点２４）の数は５点に限定されるものではなく、５点未満であってもかまわないし、５点を超えるものであってもかまわない。また、その配置形態が図１に限定されるものではない。

図４に示すように、凹部２のそれぞれには熱電対４の温接点２４が挿入され、温接点２４を凹部２の底面７に接触させた状態で、凹部２に耐熱接着剤を充填する。熱電対４の温接点２４は、耐熱接着剤が固化した充填部材２５中に埋設されている。熱電対４の一対の熱電対素線６は貫通孔３を通過して基板１の裏面２２から出て、コネクタ５を経由して熱処理装置における熱処理炉の外に出され、データーロガーに接続される。図１の場合、中心部の凹部２と基板１の上側及び右側の周縁部に設けられた２個の凹部２の合計３個の凹部２の貫通孔３から熱電対４が一方（右側）に引き出される。また、下側及び左側の周縁部に設けられた２個の凹部２の貫通孔３から熱電対４がもう一方（左側）に引き出されている。なお、貫通孔３を通過した熱電対素線６は、適宜、耐熱性の絶縁管により被覆することが望ましい。また、基板１は、例えば、焼結した炭化珪素基板や化学気相成長法により形成された炭化珪素基板がスライス切断された直径１００ｍｍφ、厚さ１ｍｍの円板状である。凹部２、貫通孔３は、例えば切削加工により形成される。凹部２の内面は研磨された状態である。

図４〜図６を用いて、温度測定治具２０の要部である熱電対４の固定部を説明する。図５及び図６は、実施の形態１の熱処理炉温度測定治具における要部の製造過程を説明する図である。温度測定治具２０は、少なくとも２つの耐熱接着部材８、耐熱接着部材１０を有する充填部材２５により熱電対４が凹部２に固定されている。図５は、図３におけるＡ−Ａ断面であって、凹部２に熱電対素線６を耐熱接着部材８で固定した状態を示している。図６は、図３におけるＡ−Ａ断面であって、凹部２に熱電対素線６を耐熱接着部材８で固定した製造途中の治具を１６００℃〜１８００℃で加熱した際に、隙間９ができた状態を示している。

温度測定治具２０の要部である熱電対４の固定部の形成方法を説明する。図３のように、基板１の凹部２の底面７には、相互に間隔をあけて貫通する一対の貫通孔３が形成されており、一対の貫通孔３は凹部２の直径方向に位置し且つ凹部２の周縁近傍に設けられている。熱電対４の熱電対素線６の各々を基板１の表面２１の側から貫通孔３に挿入し、基板の裏面２２の側に熱電対素線６を通過させる（熱電対配置手順）。その後、図５のように、温接点２４を凹部２の底面７に接触させた状態で、凹部２に耐熱接着剤を充填し、耐熱接着剤からなる耐熱接着部材８中に温接点２４を埋設する（耐熱接着部材形成手順）。

炭化珪素基板の熱処理炉の場合、通常、炉内温度が１６００℃〜１８００℃である。このため、凹部２の温接点２４の埋設に用いる耐熱接着部材８、１０の耐熱接着剤は、無機質の耐熱接着剤が好ましく、特に、ジルコニアを主成分とする耐熱接着剤を用いれば、１６００℃〜１８００℃の耐熱温度を満足する。

しかし、このジルコニアを主成分とする耐熱接着剤を用いた図５の状態の温度測定治具を、１６００℃〜１８００℃で加熱すると、耐熱接着剤の溶媒である珪酸ナトリウムが昇華するため、熱電対４の温接点２４が埋設されている耐熱接着部材８が収縮してしまう。このため、図６に示すように、凹部２内で耐熱接着部材８と基板１との間に隙間９が発生したり、基板１の表面２１に対して耐熱接着部材８の表面２８が沈下して、窪み２９が発生したりする。図６では、凹部２の側面２７と耐熱接着部材８の上側において隙間９が発生し、耐熱接着部材８の上側に、基板１の表面２１に対して耐熱接着部材８の表面２８が沈下した窪み２９が発生している例を示した。

実施の形態１の温度測定治具２０は、耐熱接着部材形成手順の後に、温度測定対象の炉と同じ温度で加熱する（加熱手順）。加熱手順により発生した凹部２における隙間９及び窪み２９に、耐熱接着剤を充填し、耐熱接着部材８と耐熱接着部材１０からなる充填部材２５を形成する（充填部材形成手順）。充填部形成手順が完了すると、図４のように、凹部２における隙間９及び窪み２９が消滅し、充填部材２５の表面と基板１の表面を略同一または同一にすることができる。なお、さらに加熱手順を行い、その結果、耐熱接着部材８の上に形成した耐熱接着部材１０の表面が希望する平坦度になっていない場合は、耐熱接着部材１０の上に再度耐熱接着部材１０を形成する充填部形成手順を行い、充填部材２５の平坦度を向上させることができる。すなわち、加熱手順及び充填部形成手順を繰り返すことで、充填部材２５の表面と基板１の表面を同一にすることができる。

凹部２内で耐熱接着部材８と基板１（凹部２の側面２７）との間に隙間９が発生すると、基板１から熱電対素線６の温接点２４を埋設した耐熱接着部材８が外力により外れるおそれがある。外力は、例えば、温度測定治具２０の取付けや取り外し時の引張り等で発生したり、炉内の高温による温度測定治具２０の熱振動等により発生するものである。この耐熱接着部材８と温接点２４が凹部２から脱落することを防止するため、また、後述する熱処理炉のグラファイトサセプターとの熱抵抗を十分に下げるために、図４のように、凹部２内で耐熱接着部材８と基板１との間にできた隙間９や、窪み２９に耐熱接着剤を充填し、耐熱接着部材８と耐熱接着部材１０を有する充填部材２５を形成する。充填部材２５を形成することで、温度測定治具２０は、熱処理温度が１６００℃〜１８００℃であっても熱電対４の温接点２４を凹部２に確実に固定することができ、外力により温接点２４が脱落するおそれはなくなる。

図６に示したように、基板１の表面２１に対して耐熱接着部材８の表面２８が沈下して、窪み２９が発生すると、次のような問題が発生する。図５に示した耐熱接着部材８のみで熱電対４の温接点２４が固定された温度測定治具を用いて、基板１の表面２１が、熱処理炉のグラファイトサセプターと接触するようにして炉内温度を測定する場合を考える。この場合、炉内で高温にさらされると、グラファイトサセプターと耐熱接着部材８との間に、基板１表面２１と耐熱接着部材８の表面２８との段差による窪み２９が発生し、グラファイトサセプターからの熱が耐熱接着部材８を通して熱電対４の温接点２４に良好に伝達されない。このため、基板１を熱処理する際の温度分布を確実に測定することができない。なお、熱処理炉のヒーターはグラファイトサセプターの下もしくはウエハが置かれたグラファイトサセプターの上にある場合でも構わない。

これに対して、図４に示した熱電対４が充填部材２５により固定された固定部を備えた温度測定治具２０は、基板１の表面２１に対して充填部材２５の露出した表面がほぼ平坦になるように耐熱接着部材１０を形成することで、すなわち、充填部材２５の露出した表面が基板１の表面と略同一または同一の高さにすることで、充填部材２５がグラファイトサセプターと接触するようになり、グラファイトサセプターからの熱が充填部材２５を通して熱電対４の温接点２４に良好に伝達される。少なくとも、凹部２の側面２７に接触した外縁部における露出した表面が基板１の表面２１と同一の高さであればよい。充填部材２５における外縁部よりも内側の中央部が多少低くなっていても、基板１の表面２１と同一の高さとなる外縁部の面積が広いので、基板１を熱処理する際の温度分布を確実に測定することができる。

このように、実施の形態１の温度測定治具２０は、加熱手順により収縮した耐熱接着部材８と基板１との間に、すなわち隙間９及び窪み２９に、耐熱接着材を充填して耐熱接着部材８を覆うように耐熱接着部材１０を形成することで、複数層の耐熱接着部材８、１１を有する充填部材２５を形成する。この充填部材２５により、実施の形態１の温度測定治具２０は、耐熱接着剤に覆われた温接点２４が外力により外れることがなく、充填部材２５の表面が基板１の表面２１に対してほぼ平坦または平坦なので、基板１を熱処理する際の温度分布を、正確に測定することができる。

なお、基板１と耐熱接着部材８との間にできた隙間９、及び基板１の表面２１に対して沈下した窪み２９の発生した耐熱接着部材８に充填する耐熱接着剤、すなわち耐熱接着部材１０を形成する耐熱接着剤は、ジルコニアを主成分とする耐熱接着剤を用いてもよいが、炭化珪素ポリマー（ポリカルボシラン）をベースにした接着剤が好ましい。炭化珪素ポリマー（ポリカルボシラン）をベースにした接着剤に用いれば、加熱後に収縮しにくく、炭化珪素となるためである。

耐熱接着部材８、耐熱接着部材１０に、ジルコニアを主成分とする耐熱接着剤、または炭化珪素ポリマーをベースにした耐熱接着剤を用いることで、実施の形態１の温度測定治具２０は、熱電対４の温接点２４を凹部２に確実に固定することができ、基板１から耐熱接着剤で覆った温接点２４が外力により脱落することなく、凹部２に確実に固定させることができる。また、実施の形態１の温度測定治具２０は、基板１と充填部材２５が熱処理装置のグラファイトサセプターと接触することができるため、グラファイトサセプターからの熱が熱電対４の温接点２４に良好に伝達され、被測温点の温度１６００℃〜１８００℃を正確に測定できる。

以上のように、実施の形態１の温度測定治具２０は、基板１に形成された複数の凹部２のそれぞれに、熱電対４の温接点２４が固定された熱処理炉温度測定治具であって、熱電対４が、熱電対素線６が凹部２に形成された一対の貫通孔３を通過すると共に、温接点２４が凹部２の底面７に配置され、かつ、凹部２において、少なくとも２層の耐熱接着部材８、１０を有する充填部材２５により固定されたことを特徴とする。実施の形態１の温度測定治具２０は、上記特徴を有するので、熱電対４の温接点２４を確実に固定でき、熱処理炉の温度分布を測定することができる。

実施の形態１の温度測定治具２０を製造する製造方法は、基板１に形成された複数の凹部２のそれぞれに、熱電対４の温接点２４が固定された熱処理炉温度測定治具を、製造する製造方法である。この製造方法は、基板１の凹部２に形成された一対の貫通孔３に熱電対素線６を通過させると共に、温接点２４を凹部２の底面７に配置する熱電対配置手順と、凹部２において、温接点２４を覆うように耐熱接着剤を充填して第１の耐熱接着部材（耐熱接着部材８）を形成する耐熱接着部材形成手順と、第１の耐熱接着部材（耐熱接着部材８）が形成された熱処理炉温度測定治具の中間製造物を、当該熱処理炉温度測定治具の測定対象温度に加熱する加熱手順と、加熱手順により収縮した第１の耐熱接着部材（耐熱接着部材８）を覆うように耐熱接着剤を充填して、第１の耐熱接着部材（耐熱接着部材８）と第２の耐熱接着部材（耐熱接着部材１０）を有する充填部材２５を凹部２に形成する充填部材形成手順と、を含むことを特徴とする。実施の形態１の温度測定治具２０を製造する製造方法は、上記特徴を有するので、熱電対４の温接点２４を確実に固定でき、熱処理炉の温度分布を測定することができる温度測定治具２０を確実に製造できる。

実施の形態２．
実施の形態１では基板１に穴加工にて作製した凹部２の内面は研磨された状態であったが、凹部２の表面（側面２７）に研削加工により凹凸を施してもよい。図７は、実施の形態２の熱処理炉温度測定治具における凹部の断面図である。図７に示す例では、基板１に凹部２の側面２７に研削工具によりねじ山加工を施して、凹凸部であるねじ部１２を形成している。なお、ねじ部１２の形成方法は、研削工具によりねじ山加工に限らない。

このように構成された実施の形態２の温度測定治具２０は、凹部２の側面２７にねじ部１２が形成されているので、凹部２の側面２７にねじ部１２が形成されていないものに比べて、凹部２における側面２７の表面積が大きくなる。このため、加熱手順により耐熱接着部材８が収縮し、凹部２と耐熱接着部材８との間に隙間が発生しても、充填部材形成手順にてねじ部１２に耐熱接着剤が入り、凹部２の側面２７との接触面積が大きな耐熱接着部材１０が形成できる。実施の形態２の温度測定治具２０は、接触面積が大きな耐熱接着部材１０が形成できるので、凹部２の側面２７にねじ部１２が形成されていないものに比べて、熱電対４の温接点２４を埋める充填部材２５が基板１と強固に接着することができる。

実施の形態２の温度測定治具２０は、凹部２の側面２７にねじ部１２を有するので、実施の形態１よりも熱電対４の温接点２４を確実に固定でき、熱処理炉の温度分布を正確に測定することができる。

実施の形態３．
実施の形態１では基板１に穴加工にて作製した凹部２の内面は研磨された状態であったが、凹部２の表面（側面２７）に表面粗さを粗くする加工を施してもよい。図８は、実施の形態３の熱処理炉温度測定治具における凹部の断面図である。図８に示す例では、基板１に凹部２の側面２７にブラスト加工を施して、表面が粗い粗面部１３を形成している。

このように構成された実施の形態３の温度測定治具２０は、凹部２の側面２７に粗面部１３が形成されているので、凹部２の側面２７に粗面部１３が形成されていないものに比べて、凹部２における側面２７の表面積が大きくなる。このため、加熱手順により耐熱接着部材８が収縮し、凹部２と耐熱接着部材８との間に隙間が発生しても、充填部材形成手順にて粗面部１３に耐熱接着剤が接触し、凹部２の側面２７との接触面積が大きな耐熱接着部材１０が形成できる。実施の形態３の温度測定治具２０は、接触面積が大きな耐熱接着部材１０が形成できるので、凹部２の側面２７に粗面部１３が形成されていないものに比べて、熱電対４の温接点２４を埋める充填部材２５が基板１と強固に接着することができる。

実施の形態３の温度測定治具２０は、凹部２の側面２７に粗面部１３を有するので、実施の形態１よりも熱電対４の温接点２４を確実に固定でき、熱処理炉の温度分布を正確に測定することができる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。また、本発明の熱処理炉温度測定治具は、グラファイトサセプターを備えた熱処理炉以外にも使用でき、バッチ処理炉において使用しても構わない。

１…基板、２…凹部、３…貫通孔、４…熱電対、５…コネクタ、６…熱電対素線、７…底面、８…耐熱接着部材、９…隙間、１０…耐熱接着部材、１２…ねじ部（凹凸部）、１３…粗面部、２０…温度測定治具、２１…表面、２２…裏面、２４…温接点、２５…充填部材、２７…側面、２８…表面、２９…窪み。

Claims (8)

1. 基板に形成された複数の凹部のそれぞれに、熱電対の温接点が固定された熱処理炉温度測定治具であって、
   前記熱電対は、
   熱電対素線が前記凹部に形成された一対の貫通孔を通過すると共に、前記温接点が前記凹部の底面に配置され、かつ、前記凹部において、少なくとも２層の耐熱接着部材を有する充填部材により固定されたことを特徴とする熱処理炉温度測定治具。
2. 前記充填部材は、前記凹部の側面に接触した外縁部における露出した表面が前記基板の表面と同一の高さであることを特徴とする請求項１記載の熱処理炉温度測定治具。
3. 前記充填部材は、露出した表面が前記基板の表面と同一の高さであることを特徴とする請求項１記載の熱処理炉温度測定治具。
4. 前記凹部における側面の上側に、凹凸部が形成されたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の熱処理炉温度測定治具。
5. 前記凹部における側面の上側に、前記側面よりも荒い粗面部が形成されたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の熱処理炉温度測定治具。
6. 前記充填部材は、当該熱処理炉温度測定治具の測定対象温度に加熱したことにより収縮した第１の耐熱接着部材と、前記第１の耐熱接着部材を覆うように形成された第２の耐熱接着部材を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の熱処理炉温度測定治具。
7. 前記第１の耐熱接着部材は、ジルコニアを主成分とする耐熱接着剤が固化したものであり、前記第２の耐熱接着部材は、ジルコニアを主成分とする耐熱接着剤、または炭化珪素ポリマーをベースにした耐熱接着剤が固化したものであることを特徴とする請求項６記載の熱処理炉温度測定治具。
8. 基板に形成された複数の凹部のそれぞれに、熱電対の温接点が固定された熱処理炉温度測定治具を、製造する熱処理炉温度測定治具の製造方法であって、
   前記基板の前記凹部に形成された一対の貫通孔に熱電対素線を通過させると共に、前記温接点を前記凹部の底面に配置する熱電対配置手順と、
   前記凹部において、前記温接点を覆うように耐熱接着剤を充填して第１の耐熱接着部材を形成する耐熱接着部材形成手順と、
   前記第１の耐熱接着部材が形成された前記熱処理炉温度測定治具の中間製造物を、当該熱処理炉温度測定治具の測定対象温度に加熱する加熱手順と、
   前記加熱手順により収縮した前記第１の耐熱接着部材を覆うように耐熱接着剤を充填して、前記第１の耐熱接着部材と第２の耐熱接着部材を有する充填部材を前記凹部に形成する充填部材形成手順と、を含むことを特徴とする熱処理炉温度測定治具の製造方法。

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