JP2019185876A

JP2019185876A - 熱電対固定治具

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Publication number: JP2019185876A
Application number: JP2018071480A
Authority: JP
Inventors: 山▲崎▼　英亮; Hideaki Yamasaki; 英亮山▲崎▼; 望月　隆; Takashi Mochizuki; 隆望月; 剛司板谷; Takeshi Itatani
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2018-04-03
Filing date: 2018-04-03
Publication date: 2019-10-24
Anticipated expiration: 2038-04-03
Also published as: JP7018809B2; CN110346056A; KR102227870B1; US20190301947A1; US11150142B2; TW201944037A; KR20190116076A; CN110346056B

Abstract

【課題】線状ヒータの温度を熱電対により測定する際に、線状ヒータの出力のばらつきを抑制することができる熱電対固定治具を提供する。【解決手段】熱電対固定治具２００は、線状ヒータ４１に熱電対２０６を固定し、線状ヒータ４１の熱を熱電対２０６に伝熱するためのものであり、線状ヒータ４１を挟むように設けられる第１挟持部材２０２および第２挟持部材２０３とを有し、第２挟持部材２０３は、熱電対２０６の温度検知部を挟持する第１挟持部２０５ａおよび第２挟持部２０５ｂを有する。【選択図】図４

Description

本開示は、熱電対固定治具に関する。

例えば、半導体デバイスの製造工程においては、種々の薄膜を成膜するプロセスが存在し、このような成膜を行う成膜装置では、被処理体や部材を加熱するためにシースヒータのような線状ヒータが用いられる。

特許文献１には、成膜処理を行う処理容器内に処理ガスを供給するシャワープレートの周囲に円環状の絶縁部材が設けられ、絶縁部材の内部に全周にわたって線状ヒータを設けた成膜装置が記載されている。特許文献１では、線状ヒータにより絶縁部材を所定温度に加熱することにより、絶縁部材に付着した膜の膜剥がれを防止している。このようにヒータにより加熱を行う際には、一般的に、熱電対を固定する治具に熱電対を差し込んでヒータの温度測定を行い、その測定結果に基づいてヒータの出力を制御する。

一方、熱電対の温度測定ばらつき等を抑える技術として、特許文献２には、均熱板に形成された凹部にシース型熱電対の測温部を配置し、金属製チップおよび押さえ治具により測温部を押圧固定する技術が記載されている。

特開２０１５−２１４７１６号公報特開２００２−１１０５２４号公報

本開示は、線状ヒータの温度を熱電対により測定する際に、線状ヒータの出力のばらつきを抑制することができる熱電対固定治具を提供する。

本開示の一態様に係る熱電対固定治具は、線状ヒータに熱電対を固定する熱電対固定治具であって、前記線状ヒータを挟むように設けられる第１部材および第２部材とを有し、前記第２部材は、熱電対の温度検知部を挟持する第１挟持部および第２挟持部を有する。

本開示によれば、線状ヒータの温度を熱電対により測定する際に、線状ヒータの出力のばらつきを抑制することができる熱電対固定治具が提供される。

一実施形態に係る熱電対固定治具が適用される成膜装置の一例を示す断面図である。図１の成膜装置において、一実施形態に係る熱電対固定治具が用いられる線状ヒータの配置部分を示す断面図である。図１の成膜装置において、一実施形態に係る熱電対固定治具が用いられる線状ヒータを示す平面図である。一実施形態に係る熱電対固定治具の装着状態を説明するための斜視図である。一実施形態に係る熱電対固定治具を示す正面図である。一実施形態に係る熱電対固定治具を示す平面図である。一実施形態に係る熱電対固定治具を示す側面図である。一実施形態に係る熱電対固定治具において、第１挟持部材および第２挟持部材をねじ止めした際の状態を説明するための図である。従来の熱電対固定治具の装着状態を説明するための斜視図である。線状ヒータに対して、従来の熱電対固定治具を用いた場合と、一実施形態に係る熱電対固定治具を用いた場合とで、ヒータパワーのばらつきを比較した図である。

以下、添付図面を参照して実施の形態について具体的に説明する。

＜成膜装置＞
最初に、一実施形態に係る熱電対固定治具が適用される成膜装置の一例について説明する。ここでは、プラズマＣＶＤにより被処理体である半導体ウエハ（単にウエハとも記す）Ｗ上にＴｉ膜を成膜する場合を例にとって説明する。

図１は、一実施形態の熱電対固定治具が適用される成膜装置の一例を示す断面図である。成膜装置１は、有底で上部が開口した略円筒状の処理容器１０と、処理容器１０内に設けられた、ウエハＷを載置する載置台１１とを有している。処理容器１０は接地線１２により接地されている。

載置台１１は、例えばＡｌＮ等のセラミックスにより形成されており、その表面には導電性材料による被膜（図示せず）が形成されている。載置台１１の下面は、導電性材料により形成された支持部材１３により支持され、かつ電気的に接続されている。支持部材１３の下端は、処理容器１０の底面により支持され、かつ電気的に接続されている。したがって、載置台１１は処理容器１０を介して接地されており、後述する上部電極３０と対をなす下部電極として機能する。

載置台１１にはヒータ２０が内蔵されており、ヒータ２０により、載置台１１に載置されるウエハＷが所定の温度に加熱される。また、載置台１１には、ウエハＷの外周部を押圧して載置台１１上に固定するクランプリング（図示せず）や、処理容器１０の外部に設けられた図示しない搬送機構との間でウエハＷを受け渡すための昇降ピン（図示せず）が設けられている。

処理容器１０の上部には、下部電極である載置台１１に対向して略円盤状をなす上部電極３０が設けられている。上部電極３０は、例えばニッケル（Ｎｉ）などの導電性の金属により形成されている。

上部電極３０には、複数のガス供給孔３０ａが形成されている。また、上部電極３０の外周縁部全周には、上方に突出する突出部３０ｂが形成されている。上部電極３０の突出部３０ｂは蓋体３１に取り付けられ、当該蓋体３１と上部電極３０とで囲まれた空間がガス拡散室３２となる。

蓋体３１の上面には、その外周部から外方に向けて係止部３１ａが突出しており、係止部３１ａが円環状の支持部材３３を介して処理容器１０の上端に係止される。蓋体３１と係止部３１ａにより天壁が構成される。蓋体３１および係止部３１ａも、上部電極３０と同様に、ニッケルなどの導電性の金属により形成されている。

支持部材３３は、例えば石英などの絶縁材料により形成されている。そのため、上部電極３０と処理容器１０とは電気的に絶縁されている。また、蓋体３１の上面には、ヒータ３４が設けられている。このヒータ３４により、蓋体３１および上部電極３０を所定の温度に加熱するようになっている。

上部電極３０の突出部３０ｂの外方には、当該上部電極３０の外周部を囲うように、線状ヒータ４１を内蔵する円環状の絶縁部材４０が設けられている。

蓋体３１には、当該蓋体３１を介して上部電極３０に高周波電力を供給してプラズマを生成するための高周波電源６０が整合器６１を介して電気的に接続されている。高周波電源は、例えば１００ｋＨｚ〜１００ＭＨｚの周波数、本実施の形態では、例えば４５０ｋＨｚの高周波電力を出力するように構成されている。整合器６１は、高周波電源６０の内部インピーダンスと負荷インピーダンスをマッチングさせるものである。

ガス拡散室３２には、蓋体３１を貫通してガス供給管５１が接続されている。ガス供給管５１には、ガス供給機構５０が接続されている。ガス供給機構５０から供給された処理ガスは、ガス供給管５１を介してガス拡散室３２に供給される。ガス拡散室３２に供給された処理ガスは、ガス供給孔３０ａを通じて処理容器１０内に導入される。したがって、上部電極３０は、処理容器１０内に処理ガスを導入するシャワープレートとして機能する。

ガス供給機構５０は、例えば、Ｔｉ膜の成膜用の原料ガスであるＴｉＣｌ_４ガス、還元ガスであるＨ_２（水素）ガス、プラズマ生成用のＡｒガス等のガス供給源と、これらをガス供給管に導く個別配管、個別配管に設けられたバルブや流量制御器を有している。

処理容器１０の底面には、処理容器１０内を排気する排気機構７０が排気管７１を介して接続されている。排気管７１には、処理容器１０内の圧力を制御するための自動圧力制御弁（ＡＰＣ）７２が設けられている。

成膜装置１は、制御部１００を有する。制御部１００は、コンピュータからなり、成膜装置１の各構成部、例えば、ヒータ２０、線状ヒータ４１、高周波電源６０、整合器６１、排気機構７０、自動圧力制御弁７２、他のバルブ類、流量制御器等を制御する、ＣＰＵからなる主制御部と、キーボードやマウス等の入力装置、出力装置、表示装置、記憶装置とを有している。制御部１００の主制御部は、記憶装置に処理レシピが記憶された記憶媒体をセットすることにより、記憶媒体から呼び出された処理レシピに基づいて成膜装置１に所定の動作を実行させる。

次に、上述した絶縁部材４０について説明する。
絶縁部材４０は、例えば石英により形成されている。絶縁部材４０の下端面は、図２に示すように上部電極３０の下端面と鉛直方向の高さが同じになるように設定されており、下部電極と上部電極３０との間に高周波を印加した際に、処理容器１０内に生成されるプラズマが偏在しないようになっている。絶縁部材４０は、上述した支持部材３３により支持されており、その外側面と処理容器１０の内側面との間に所定の間隔の隙間が生じるように配置されている。また、上部電極３０と絶縁部材４０との間には隙間が形成されている。

図２に示すように、絶縁部材４０の内部の空間４０ａには、図３に示すように、全周にわたって線状ヒータ４１が渦巻き状に配置されている。線状ヒータ４１はシースヒータとして構成される。線状ヒータ４１はヒータ電源（図示せず）から給電されることにより発熱し、その熱により絶縁部材４０が所定の温度に加熱されるようになっている。

以上のように構成される成膜装置においては、まず、処理容器１０内にウエハＷを搬入し、載置台１１上に載置する。このとき、載置台１１はヒータ２０により所定温度に保持されており、載置台１１に載置されたウエハＷが所定の温度に加熱される。そして、排気機構７０により処理容器１０内を排気して所定の圧力に制御しつつ、ガス供給機構５０から例えばＴｉＣｌ_４ガス、Ｈ_２ガスおよびＡｒガスを所定の流量で処理容器１０内に供給する。

この状態で、高周波電源６０から上部電極３０に高周波電力を印加し、上部電極３０と下部電極である載置台１１との間に高周波電界を形成する。この高周波電界により処理ガスがプラズマ化され、プラズマＣＶＤによりウエハＷ表面にＴｉ膜が生成される。

このとき、上部電極３０や絶縁部材４０には、成膜の際の反応生成物が付着し、膜が形成される。この膜の膜質が悪いと剥がれてパーティクルとなる。上部電極３０は蓋体３１に設けられたヒータ３４により加熱されるため、付着した膜の膜質はよく剥がれにくい。しかし、絶縁部材４０はヒータ３４では十分に加熱されないため、ヒータ３４のみでは絶縁部材４０に形成された膜の膜質が悪くなってはがれやすくなる。このため、線状ヒータ４１を設けて絶縁部材４０を所定温度に加熱することにより、絶縁部材４０に付着する膜の膜質を向上させる。

線状ヒータ４１の温度制御は、一実施形態の熱電対固定治具で熱電対を線状ヒータに固定し、熱電対からの温度信号に基づいて制御部１００がヒータ電源（図示せず）の出力を制御することにより行われる。

＜熱電対固定治具＞
次に、一実施形態に係る熱電対固定治具について説明する。
図４は一実施形態に係る熱電対固定治具の装着状態を説明するための斜視図、図５は一実施形態に係る熱電対固定治具を示す正面図、図６は一実施形態に係る熱電対固定治具を示す平面図、図７は一実施形態に係る熱電対固定治具を示す側面図である。

本実施形態の熱電対固定治具２００は、線状ヒータ４１の温度を測定する熱電対を線状ヒータ４１に固定し、線状ヒータ４１の熱を熱電対に伝熱するためのものであり、耐熱性および耐食性の高い金属材料、例えばニッケル合金で構成されている。熱電対固定治具２００は、線状ヒータ４１の下側に設けられるベース部材２０１（第１部材）と、線状ヒータ４１を挟んでベース部材２０１の上側に設けられ、熱電対の温度検知部を挟持する挟持部材２０４（第２部材）とを有する。

ベース部材２０１は、線状ヒータ４１の下側に線状ヒータ４１の長手方向に沿って設けられる。ベース部材２０１の上側には、線状ヒータ４１が嵌め込まれる溝２０１ａが形成されている。また、ベース部材２０１の上部には線状ヒータ４１の長手方向に直交する方向にねじ穴２０１ｂおよび２０１ｃが形成されている。

挟持部材２０４は、線状ヒータ４１の長手方向中央で第１挟持部材２０２および第２挟持部材２０３に分割されている。挟持部材２０４の下側には線状ヒータ４１が嵌め込まれる溝２０４ａが、第１挟持部材２０２および第２挟持部材２０３に亘って形成されている。第１挟持部材２０２および第２挟持部材２０３には、それぞれねじ穴２０２ａおよび２０３ａが線状ヒータ４１の長手方向に直交する方向に貫通して設けられている。

ねじ穴２０２ａおよびねじ穴２０１ｂ、ならびにねじ穴２０３ａおよびねじ穴２０１ｃに皿ねじ２０７を螺合させることにより、第１挟持部材２０２および第２挟持部材２０３がベース部材２０１に締結される。

第１挟持部材２０２には、その前面から突出して第１挟持部２０５ａが形成されており、第２挟持部材２０３には、その前面から突出して第２挟持部２０５ｂが形成されている。これら第１挟持部２０５ａおよび第２挟持部２０５ｂは、熱電対２０６の温度検知部を挟み込む溝が線状ヒータ４１に対して垂直に形成された長尺体として構成されている。そして、第１挟持部材２０２および第２挟持部材２０３をベース部材２０１に締結した際に、第１挟持部２０５ａおよび第２挟持部２０５ｂの溝の間に熱電対２０６が挟持されるようになっている。第１挟持部２０５ａおよび第２挟持部２０５ｂは、少なくとも熱電対２０６の温度検知部（測温部）より長い長さを有する。

第１挟持部材２０２と第２挟持部材２０３は鏡面対称形状であり、これらは線状ヒータ４１から均等に伝熱され、温度が均等になるようになっている。

ベース部材２０１の前面中央部には凹部２０１ｄが形成されており、凹部２０１ｄを規定する一方側および他方側の面は、落とし込みテーパ面２０１ｅおよび２０１ｆ（第１テーパ面および第２テーパ面）となっている。一方、第１挟持部材２０２および第２挟持部材２０３の下部には、これらの合わせ面近傍部分に、それぞれ下方に突出する凸部２０２ｂおよび２０３ｂが形成されている。凸部２０２ｂおよび２０３ｂには、それぞれテーパ面２０２ｃおよび２０３ｃ（第３テーパ面および第４テーパ面）が形成されている。そして、第１挟持部材２０２および第２挟持部材２０３がベース部材２０１に皿ねじ２０７によりねじ止めされて下側に移動する際に、テーパ面２０２ｃおよび２０３ｃがそれぞれ落とし込みテーパ面２０１ｅおよび２０１ｆにガイドされる。その結果、図８に示すように、第１挟持部材２０２および第２挟持部材２０３が自動的に落とし込まれ、これらに互いに近づく方向に移動する力が作用し、位置出しができるようになっている。つまり、第１挟持部材２０２および第２挟持部材２０３をねじ止めした際に、第１挟持部２０５ａおよび第２挟持部２０５ｂが熱電対２０６の温度検知部を所定位置で挟持する。

従来の熱電対固定治具は例えば図９に示すようなものである。すなわち、図９に示す従来の熱電対固定治具３００は、線状ヒータ４１の下側に設けられるベース部材３０１と、線状ヒータ４１を挟んでベース部材３０１の上側に設けられたキャップ部材３０２を有する。ベース部材３０１には熱電対挿入部３０１ａが形成されており、熱電対挿入部３０１ａに熱電対が挿入される。そして、キャップ部材３０２が皿ねじ２０７によりベース部材に固定された際に、キャップ部材３０２から突出して形成されたキャップ部３０２ａが熱電対２０６の先端部に被せられる。なお、３０１ｂ、３０２ｂは線状ヒータ４１が嵌め込まれる溝である。

しかし、このような熱電対固定治具３００では、熱電対２０６の取り付けごとに、熱電対２０６と固定治具３００、固定治具３００と線状ヒータ４１の接触状態が変化してしまう。その結果、熱電対２０６の測定温度が変化し、処理容器１０内のアイドル時に、線状ヒータ４１に給電されるパワーにばらつきが生じてしまう。このようなパワーのばらつきは、特許文献２のような熱電対の測温部（温度検知部）を押圧固定する技術によっても解消することは困難である。

これに対して、本実施形態では、線状ヒータ４１の熱を熱電対２０６に伝熱する従来のキャップ部材３０２に相当する部材を、中央で第１挟持部材２０２および第２挟持部材２０３に分割された挟持部材２０４として構成する。そして、第１挟持部材２０２および第２挟持部材２０３をベース部材２０１にねじ止めした際に、第１挟持部材２０２の第１挟持部２０５ａと第２挟持部材２０３の第２挟持部２０５ｂで熱電対２０６の温度検知部を挟み込むようにした。これにより、熱電対２０６と熱電対固定治具２００との接触性が良好であり、第１挟持部２０５ａおよび第２挟持部２０５ｂを熱電対２０６に均等に接触させることができる。このため、熱電対２０６の差し込み位置や、線状ヒータ４１と熱電対固定治具２００が接触する場所がずれたとしても、測定温度のばらつきを抑制することができる。

また、第１挟持部材２０２と第２挟持部材２０３は鏡面対称形状であり、これらは線状ヒータ４１から均等に伝熱され、温度が均等になる結果、熱容量に起因した測定温度のばらつきを抑制することができる。

さらに、ベース部材２０１に落とし込みテーパ面２０１ｅおよび２０１ｆが形成されているので、第１挟持部材２０２および第２挟持部材２０３が自動的に落とし込まれて内側に移動する力が作用し、位置出しされる。このため、熱電対固定治具２００の組み付けの再現性を確保することができ、組み付けのばらつきによる測定温度のばらつきを抑制することができる。

実際に、図１の線状ヒータ４１に対して、図９に示す従来の熱電対固定治具３００を用いた場合と、図４〜７に示す一実施形態に係る熱電対固定治具２００を用いた場合とで、複数回熱電対の取り付けを行い、その都度線状ヒータ４１のパワーを測定した。その結果を図１０に示す。図１０に示すように、従来は、ヒータパワーが７１〜８８％の範囲でばらついていたが、一実施形態では７１〜８０％の範囲でのばらつきに抑えることができた。

＜他の適用＞
以上、実施形態について説明したが、今回開示された実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の特許請求の範囲およびその主旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。

例えば、上記実施形態では、成膜装置のシャワープレートの周囲に設けられた円環状の絶縁部材に用いられる線状ヒータに本発明を適用する場合を示したが、これに限ることなく、線状ヒータに熱電対を固定する用途であれば適用可能である。

また、上記実施形態では、ベース部材の上に挟持部を有する挟持部材を設けた例を示したが、これに限らずベース部材に挟持部を形成してもよく、挟持部のみ２分割するようにしてもよい。

１；成膜装置
４１；線状ヒータ
２００；熱電対固定部材
２０１；ベース部材（第１部材）
２０１ａ；溝
２０１ｅ，２０１ｆ；落とし込みテーパ面
２０２；第１挟持部材
２０２ｃ，２０３ｃ；テーパ面
２０３；第２挟持部材
２０４；挟持部材（第２部材）
２０５ａ；第１挟持部
２０５ｂ；第２挟持部
２０６；熱電対
２０７；皿ねじ

Claims

線状ヒータに熱電対を固定する熱電対固定治具であって、
前記線状ヒータを挟むように設けられる第１部材および第２部材とを有し、
前記第２部材は、熱電対の温度検知部を挟持する第１挟持部および第２挟持部を有する、熱電対固定治具。
前記第２部材は、前記線状ヒータの長手方向に２分割され、第１挟持部材と第２挟持部材とを構成し、前記第１挟持部材は前記第１挟持部を有し、前記第２挟持部材は前記第２挟持部を有し、前記第１挟持部材および前記第２挟持部材が前記第１部材にねじ止めされた際に、前記第１挟持部および前記第２挟持部により熱電対が挟持される、請求項１に記載の熱電対固定治具。
前記第１挟持部材および前記第２挟持部材は鏡面対称形状である、請求項２に記載の熱電対固定治具。
前記第１部材には第１テーパ面および第２テーパ面が形成され、前記第１挟持部材および前記第２挟持部材には、それぞれ前記第１テーパ面に対応する第３テーパ面および前記第２テーパ面に対応する第４テーパ面が形成され、前記第１挟持部材および前記第２挟持部材がねじ止めされて、前記第１部材に近づく方向に移動する際に、前記第１挟持部および前記第２挟持部の前記第３テーパ面および前記第４テーパ面が、それぞれ前記第１テーパ面および前記第２テーパ面にガイドされ、前記第１挟持部材および前記第２挟持部材に、これらが互いに近づく方向に移動する力が作用し、前記第１および第２の挟持部により前記熱電対の温度検知部を所定位置で挟持する、請求項２または請求項３に記載の熱電対固定治具。
前記第１挟持部および前記第２挟持部は、少なくとも熱電対の温度検知部より長い長さを有する、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の熱電対固定治具。
前記第１挟持部および前記第２挟持部は、前記熱電対の温度検知部を挟み込む溝を有する、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の熱電対固定治具。
前記第１挟持部および前記第２挟持部は、前記線状ヒータに対して垂直に延びる長尺体として構成され、前記熱電対の温度検知部を挟み込む溝が前記線状ヒータに対して垂直に形成されている、請求項６に記載の熱電対固定治具。