JP3257986B2 - 半導体処理装置用温度センサー及び熱電対 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体処理装置に
おいて、シリコンウエーハ等をはじめとする被処理対象
の温度を測定するための温度センサーと、該温度センサ
ーに用いることができる熱電対に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体の製造や分析等の半導体処理にお
いては、シリコンウエーハの表面に薄膜の蒸着を行うＣ
ＶＤ装置、あるいはスパッタリング装置、イオン注入装
置等、シリコンウエーハをはじめとする被処理対象を高
温の状態で処理して半導体回路を製造する工程が多い。
このような高温の処理工程においては、シリコンウエー
ハ等被処理対象の温度を正確に制御することが要求され
る。被処理対象の温度を正確に制御するためには、該被
処理対象の温度を直接測定することが好ましい。

【０００３】例えば、シリコンウエーハを高温に加熱す
る製造工程においては、シリコンウエーハそのものを温
度センサーとして用いることができる。該温度センサー
の被測温物としてのシリコンウエーハの温度測定部位に
非貫通孔を設け、熱電対の温接点を該非貫通孔の底部に
当接するように挿入し、ガラス質あるいはセラミック質
の接着剤を該非貫通孔に充填して熱電対を被測温物に固
定する。このように熱電対を固定した被測温物を半導体
処理装置のシリコンウエーハ処理炉に挿入し、被測温物
の温度を測定しながら炉内温度を調整することによって
炉内におけるシリコンウエーハ表面温度を正確に制御す
る。炉内に温度センサーを挿入して温度を測定しながら
炉内温度分布が最適になるように温度制御条件の設定を
行い、温度を最適に設定した後に温度センサーを炉内か
ら取り出し、実際に半導体を製造するための対象として
シリコンウエーハを挿入して半導体製造を行う。

【０００４】被測温物に固定した熱電対は、その素線を
通して熱伝導が発生すること及び熱電対が持つ熱容量の
ため、太い熱電対素線を用いると、熱電対が持つ熱容量
が大きくなり、熱伝導によって、熱電対自身が炉内の被
測温物の温度を乱す要因となる。また、温度センサーを
ハンドリング中に熱電対の接着部分から接着剤ごと剥離
しやすくなる。そのため、被測温物に固定する熱電対の
素線はできるだけ細い素線を用い、温度の乱れを防止す
るとともに素線の可撓性を高める必要がある。

【０００５】熱電対素線は、温接点から冷接点及び測定
装置端子までの間を絶縁する必要がある。セラミック製
の絶縁碍子等は熱容量が大きいので温度測定の外乱因子
となる。従って、１２００℃以下の温度においては、熱
電対素線を筒状の繊維質絶縁材で被覆することにより絶
縁することが多い。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】熱電対を装着した温度
センサーを半導体処理装置の炉室内に挿入しまた取り出
す過程で、熱電対素線には素線を変形させようとする外
力が働くことがある。また、処理装置内での温度測定中
に熱電対素線の振動などによる衝撃が発生することがあ
る。素線には直径０．１ｍｍ程度の極細素線を用いてお
り、該素線の温接点部が被測温物に接着剤で固定され、
接着剤層の表面から素線が露出している。素線に外力が
働くと、接着剤表面から露出した部位の素線に過大な応
力が作用し、繰り返し温度センサーを使用する過程で該
露出部において図３（ｂ）に示すように素線が折損する
ため、温度センサーの寿命が低下するという問題があっ
た。

【０００７】また、熱電対素線の絶縁に用いられる筒状
の繊維質絶縁体は、図３（ｃ）に示すように多数回の使
用とともにその端部の切断部分がほつれ、内部の素線が
露出して絶縁不良となるために温度センサーの寿命が低
下すると共に、繊維屑が脱落して発塵し、高い清浄度を
要求される半導体処理装置の炉室内を汚染するという問
題を有していた。

【０００８】本発明は、半導体処理装置の温度センサー
に極細熱電対素線を用いても素線が折損しない温度セン
サー及び熱電対を提供すること、及び熱電対素線の繊維
質絶縁体の端部のほつれが発生しない温度センサー及び
熱電対を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明の要旨とす
るところは、第１に、熱電対素線１を筒状の繊維質絶縁
材３で被覆し、熱電対温接点２近傍の該繊維質絶縁材３
の端部を前記熱電対素線と同材質の極細素線又は薄板若
しくは被測温物や処理装置に影響を与えない材質の極細
素線又は薄板を用いて前記熱電対素線周囲に巻き固めた
ことを特徴とする熱電対である。

【００１０】繊維質絶縁材３の端部を極細素線を用いて
巻き固め部７を形成することにより、該繊維質絶縁材３
の端部がほぐれて発塵することを防止できる。巻き固め
に用いる素線には熱電対素線と同様の極細素線を用い
る。巻き固めに用いる素線が熱電対素線に比較して太す
ぎると、巻き固め時に熱電対素線の剛性が不十分で安定
した巻き固めが困難であり、温度センサー用熱電対とし
て使用するに際しても熱電対に不要な外力を及ぼす原因
となる。一方、巻き固めに用いる素線が熱電対素線に比
較して細すぎると、繊維質絶縁材の端部を巻き固めるた
めの剛性が不足することとなる。巻き固めには、極細素
線にかえて同じ材質の薄板を用いてもよい。

【００１１】熱電対素線は、予め該半導体処理装置にお
いて半導体を汚染しない材質であることを確認して種類
が選択される。従って、本発明のように巻き固めに用い
る素線として熱電対素線と同材質の極細素線を用いるこ
とにより、本発明の熱電対を温度センサーに用いた場合
に、処理する半導体の重金属汚染を防止することができ
る。予め被測温物や処理装置を汚染しない材質が判明し
ている場合は、熱電対素線と異なった材質であっても、
該汚染しない材質の極細素線又は薄板を用いることがで
きる。

【００１２】本発明は第２に、上記第１の発明の熱電対
であって、熱電対用極細素線１の＋極線１ａ及び−極線
１ｂの先端部をそれぞれ同じ種類の極細素線どうし撚り
合わせ、前記＋極線及び−極線の該撚り合わせた端部を
溶着して熱電対の温接点２を形成してなることを特徴と
する熱電対である。

【００１３】測温点固定のための接着剤６部分から該熱
電対素線１が露出する部位に外力の影響が集中して折損
が発生しやすいが、本発明では熱電対用極細素線の先端
部を極細素線どうし撚り合わせているため、当該熱電対
を温度センサーに用いた場合において、接着剤部分から
露出する部位を撚り合わせ部とすることにより該部位の
熱電対の剛性を高めることができ、当該部分における折
損の発生を防止することができる。一方、撚り合わせを
行うのは熱電対素線の先端部のみであり、先端部以外は
従来通り極細素線の単線を用いているため、素線を通じ
ての熱伝導は従来同様に低く抑えられ、被測温物の温度
測定精度を高く保つことができる。また、熱電対の極細
単線部分は高い可撓性を有するので、熱電対素線の剛性
によってシリコンウエーハ等軽量の被測温物が半導体処
理装置内で変位を受ける等の弊害を避けることができ
る。

【００１４】本発明は第３に、被測温物の温度測定部位
に上記第１又は第２の発明の熱電対の温接点を固定した
ことを特徴とする温度センサーである。

【００１５】上記第１又は第２の発明の熱電対を温度セ
ンサーに用いることにより、該熱電対が有する効果を発
揮することができる。

【００１６】本発明は第４に、半導体処理装置用温度セ
ンサーであって、被測温物の温度測定部位に上記第２の
発明の熱電対の温接点２を固定したことを特徴とする温
度センサーである。

【００１７】これにより、上記第２の発明の効果を有す
る。巻き固め部７を熱電対素線の撚り合わせ部において
行うことができるので、巻き固め部７が撚り合わせ部の
凹凸に食い込んで素線に固く結合するとともに、剛性の
高い撚り合わせ部において巻き固めを行うので巻き固め
部が安定するという効果を有する。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の温度センサーは、半導体
の各種処理装置、例えばスパッタリング装置で処理され
るシリコンウエーハの温度分布を予め測定するために使
用される。この場合、温度センサーの被測温物４として
シリコンウエーハを用いる。また、シリコンウエーハ以
外でも、ＬＣＤ用ガラス基板、ガラス板、あるいは合成
樹脂板等の板状のものや、その他種々の半導体処理装置
における温度分布を測定するために用いることができ
る。

【００１９】熱電対の種類は、測定する温度範囲、使用
する半導体処理装置が許容する金属の種類によって選択
される。主に使用される熱電対の種類としてＲ型と称さ
れる白金−白金ロジウムや、Ｋ型と称されるアルメル−
クロメル等がある。

【００２０】本発明の熱電対を用いた温度センサーの断
面図を図１、２に示す。

【００２１】熱電対素線１の直径は、温度測定における
外乱を防止するため、極細素線が用いられる。一般に使
用可能な極細素線として、直径０．１ｍｍの素線を用い
ることができる。＋極線および−極線の先端部を、それ
ぞれ同種の素線どうしを撚り合わせた撚り合わせ部を形
成する。撚り合わせ部の長さと回数は、＋極側と−極側
とを同回数とすることが重要である。その後、撚り合わ
せた先端部の更に端部において＋極線と−極線とを突き
合わせて溶接し、温接点２として熱電対を形成する。

【００２２】測温用シリコンウエーハ４の測温すべき箇
所には熱電対の温接点２を固定するための非貫通孔５を
配置する。非貫通孔を設けないで直接シリコンウエーハ
の表面に熱電対の温接点を固定することも可能であり、
あるいはシリコンウエーハに貫通孔を設置して該貫通孔
内に温接点を固定してもよい。非貫通孔は上記撚り合わ
せた先端部を有する熱電対の温接点が挿入可能な大きさ
とする。例えば、直径０．５ｍｍφ、深さが０．３５ｍ
ｍ程度の非貫通孔をシリコンウエーハ上の温度を測定す
べき箇所に配置する。熱電対の温接点を該非貫通孔の底
部に当接するように挿入し、セラミック質等の接着剤６
を該非貫通孔５に充填して熱電対をシリコンウエーハ４
に固定する。固定に際しては、撚り合わせた熱電対の＋
極線１ａと−極線１ｂとが接触しないように接着剤を充
填することが重要である。接着剤充填後に最適な加熱処
理温度と時間で熱処理を行うと、被測温物であるシリコ
ンウエーハ４と一体化された温度センサーが形成され
る。

【００２３】＋極線−極線それぞれの熱電対素線を被覆
する絶縁材３としては、被測温物４の温度が１２００℃
以下の場合はアルミナ繊維等の筒状の絶縁材が用いられ
る。本発明においては、図２に示すように、熱電対の温
接点近傍におけるこの絶縁材の端部を、熱電対素線と同
じ材質の極細素線を用いて巻き固める。該巻き固め用の
素線の直径は、熱電対素線と同じ程度の直径とすること
が好ましい。

【００２４】巻き固めは、巻き固める素線に最適な張力
を与え、隣り合った巻き固め素線の間に隙間がないよう
にスパイラル状に巻き上げる。巻き固め部７は、絶縁材
３の端部の直近から絶縁材の上に約５ｍｍの長さで形成
する。巻き固め部を熱電対素線の撚り合わせ部の上にお
いて行えば、巻き固め部が撚り合わせ部の凹凸に食い込
んで熱電対素線に固く結合するとともに、剛性の高い撚
り合わせ部において巻き固めを行うので巻き固め時の張
力を増やすことが可能であり、その結果巻き固め部がよ
り強固で安定したものとなる。

【００２５】

【実施例】直径８インチのシリコンウエーハを処理する
スパッタリング装置において本発明の熱電対を用いた温
度センサーを適用した。温度センサーの断面図を図２に
示す。厚み０．７２ｍｍの８インチシリコンウエーハ４
の表面に９箇所の温度側定点を設定し、各温度側定点に
おいて直径０．５ｍｍφ、深さが０．３５ｍｍの非貫通
孔５を配置する。温度測定のための熱電対には素線径
０．１ｍｍのＫ型（アルメル−クロメル）熱電対を用い
た。＋極線１ａ、−極線１ｂの先端部に１０ｍｍの長さ
で撚り合わせ部を設け、同材質同一直径の熱電対素線ど
うしを同じ回数撚り合わせた。撚り合わせ部の端部にお
いて＋極線と−極線とを溶着し、熱電対の温接点２を形
成した。該熱電対の温接点を上記非貫通孔５の底部に当
接し、セラミック質接着剤６を該非貫通孔に充填し、次
いで加熱して固着させた。各熱電対素線１はアルミナ繊
維等の筒状の絶縁材３により被覆し、温接点側の絶縁材
端部において各熱電対素線と同一材質同一直径の素線を
用いて長さ５ｍｍの巻き固め部７を形成した。これによ
り、温度センサーが形成された。

【００２６】比較例として、図３に示すように、撚り合
わせ部を持たない熱電対素線１を用い、更にアルミナ繊
維等の筒状の絶縁材３の端部を処理していない温度セン
サーを用意した。

【００２７】本発明の温度センサーと比較例の温度セン
サーとをスパッタリング装置の温度測定に用いた。比較
例においては、平均４２回の使用によって熱電対素線の
断線が発生したのに対し、本発明例では断線にいたるま
での使用回数が１１０回であり、熱電対の寿命を延長す
ることができた。また、比較例においては２０回使用後
に絶縁材の端部が図３（ｃ）に示すようにほぐれ、該ほ
ぐれに起因した発塵が増大し、スパッタリング装置の炉
内を汚染する問題が発生したのに対し、本発明例におい
ては発塵の発生を防止することができた。

【００２８】

【発明の効果】本発明においては熱電対用極細素線の先
端部を極細素線どうし撚り合わせているため、当該熱電
対を温度センサーに用いた場合において、接着剤部分か
ら露出する部位を撚り合わせ部とすることにより熱電対
の剛性を高めることができ、当該部分における折損の発
生を防止することができる。

【００２９】繊維質絶縁材の端部を極細素線を用いて巻
き固めることにより、該繊維質絶縁材の端部がほぐれて
発塵することを防止できる。巻き固めに用いる素線とし
て熱電対素線と同材質の極細素線を用いることにより、
本発明の熱電対を温度センサーに用いた場合に、処理す
る半導体の重金属汚染を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の熱電対を用いた温度センサーの断面図
である。

【図２】本発明の熱電対を用いた温度センサーの断面図
である。

【図３】従来の熱電対を用いた温度センサーの断面図で
あり、（ａ）は使用開始時、（ｂ）は断線発生時、
（ｃ）は絶縁材端部がほぐれた状況を示す図である。

【符号の説明】

１ 熱電対素線 ２ 熱電対の温接点 ３ 絶縁材 ４ 被測温物（シリコンウエーハ） ５ 非貫通孔 ６ 接着剤 ７ 巻き固め部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−136357（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−292775（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−137836（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−223647（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−150075（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−124061（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭63−149017（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01K 7/00 - 7/02

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱電対素線を筒状の繊維質絶縁材で被覆
   し、熱電対温接点近傍の該繊維質絶縁材の端部を前記熱
   電対素線と同材質の極細素線又は薄板若しくは被測温物
   や処理装置に影響を与えない材質の極細素線又は薄板を
   用いて前記熱電対素線周囲に巻き固めたことを特徴とす
   る熱電対。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の熱電対であって、熱電
   対用極細素線の＋極線及び−極線の先端部をそれぞれ同
   じ種類の極細素線どうし撚り合わせ、前記＋極線及び−
   極線の該撚り合わせた端部を溶着して熱電対の温接点を
   形成してなることを特徴とする熱電対。
3. 【請求項３】 被測温物の温度測定部位に請求項１又は
   ２に記載の熱電対の温接点を固定したことを特徴とする
   温度センサー。
4. 【請求項４】 半導体処理装置用温度センサーであっ
   て、被測温物の温度測定部位に請求項２に記載の熱電対
   の温接点を固定したことを特徴とする温度センサー。