JP4905290B2 - Temperature measuring device for semiconductor manufacturing apparatus and semiconductor manufacturing apparatus equipped with the same - Google Patents
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Description
本発明は、半導体製造装置に搭載する測温装置、特に装置内に装着されるサセプタなどの被測温体の温度測定に標準的に用いられる測温装置、及びそれを用いた半導体製造装置に関するものである。 The present invention relates to a temperature measuring device mounted on a semiconductor manufacturing apparatus, and more particularly to a temperature measuring apparatus used as a standard for measuring the temperature of a temperature measuring object such as a susceptor mounted in the apparatus, and a semiconductor manufacturing apparatus using the same. Is.
半導体製造装置では、例えば、サセプタにウエハを保持して加熱しながら、成膜やエッチングなどの各種の処理を行っている。その際、成膜用、アッシング用、エッチング用、クリーニング用等の各種のガスを使用することから、チャンバ内の大気を排出した後、これらのガスを導入しているが、ガスを使用した処理には所定の温度に制御する必要があるため、ウエハを保持したサセプタなどの温度を正確に測定する必要がある。 In a semiconductor manufacturing apparatus, for example, various processes such as film formation and etching are performed while holding and heating a wafer on a susceptor. At that time, since various gases for film formation, ashing, etching, cleaning, etc. are used, these gases are introduced after exhausting the atmosphere in the chamber. Therefore, it is necessary to accurately measure the temperature of the susceptor or the like holding the wafer.
従来から、半導体製造工程ではウエハなどの被加熱体の温度を制御するために、半導体製造装置のチャンバに装着するシース型熱電対を備えた測温装置が使用されている。従来の一般的な測温装置では、例えば図1に示すように、熱電対1の先端部1aを、ウエハなどを載置したサセプタのような被加熱体2に当接させると共に、チャンバ1との間で気密を確保するためにシース部1bにOリング4を配置した気密構造を有している。
Conventionally, in a semiconductor manufacturing process, in order to control the temperature of an object to be heated such as a wafer, a temperature measuring device including a sheath type thermocouple attached to a chamber of a semiconductor manufacturing apparatus has been used. In a conventional general temperature measuring device, for example, as shown in FIG. 1, the
しかしながら、半導体製造装置のチャンバ内における温度測定は、反応ガスの投入や排気等による圧力の変動等により、温度測定素子周囲のガスによる熱移動の影響を受け、温度の変化によるサセプタ支持材料と測温装置のシース材料との膨張係数の違いにより、測温部の接触環境が変化を受けるため、正確な温度測定が困難であった。また、サセプタなどの温度制御を熱電対の温度を基に制御しているため、熱電対の温度測定誤差によって、異常発熱や場合によってはサセプタ等の装置破損をまねくこともあった。 However, the temperature measurement in the chamber of the semiconductor manufacturing apparatus is affected by the heat transfer caused by the gas around the temperature measurement element due to pressure fluctuations caused by the reaction gas being charged or exhausted. Due to the difference in expansion coefficient from the sheath material of the temperature device, the contact environment of the temperature measuring unit is subject to change, making accurate temperature measurement difficult. Further, since the temperature control of the susceptor and the like is controlled based on the temperature of the thermocouple, the temperature measurement error of the thermocouple may cause abnormal heat generation and possibly cause the susceptor or the like to be damaged.
しかも、近年では、ウエハが大口径になるに伴い、半導体製造装置で製造される製品の歩留まり向上のために、サセプタのウエハ加熱面の温度管理が厳しく要求されるようになってきている。そのためには、ウエハ加熱面の温度を均一で且つ正確に制御することが必要であり、サセプタの抵抗発熱体の出力を制御している測温装置の温度測定精度が重要になってきている。 Moreover, in recent years, as the diameter of the wafer becomes larger, temperature control of the wafer heating surface of the susceptor has been strictly demanded in order to improve the yield of products manufactured by the semiconductor manufacturing apparatus. For this purpose, it is necessary to uniformly and accurately control the temperature of the wafer heating surface, and the temperature measurement accuracy of the temperature measuring device that controls the output of the resistance heating element of the susceptor has become important.
そこで、測温装置の測温精度の向上策として、例えば、特開平4−84722号公報には、熱電対先端のシース部分をサセプタにガラス接合することにより、測温装置の応答速度と測温精度を向上する方法が提案されている。また、特開2004−132702号公報には、測温精度向上のため、熱電対素子の先端部にネジを形成して、螺合により被測温体に確実に押し付ける対策が提案されている。 Therefore, as a measure for improving the temperature measurement accuracy of the temperature measuring device, for example, in JP-A-4-84722, the thermocouple tip sheath portion is glass-bonded to a susceptor, so that the response speed and temperature measurement of the temperature measuring device are measured. Methods for improving accuracy have been proposed. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-132702 proposes a measure for forming a screw at the tip of a thermocouple element and for reliably pressing the thermocouple element against the temperature-measured body by screwing in order to improve temperature measurement accuracy.
しかし、上記特開平4−84722号公報記載の測温装置では、熱電対先端のシース先端部が被測温体(サセプタ)とガラスにより接合固定されているため、測温素子もしくはシース熱電対自体が破損したとき、もしくは長期使用により劣化して故障等が生じたときに、熱電対が接合されているサセプタ等の部品の全てを交換する必要があるため、交換に伴うコストの上昇が大きいと言う問題があった。 However, in the temperature measuring device described in Japanese Patent Laid-Open No. 4-84722, the sheath tip at the tip of the thermocouple is bonded and fixed by the temperature sensing element (susceptor) and glass, so that the temperature measuring element or the sheath thermocouple itself When the battery is damaged, or when a failure or the like occurs due to long-term use, it is necessary to replace all parts such as the susceptor to which the thermocouple is joined. There was a problem to say.
また、上記特開2004−132702号公報記載の測温装置では、例えば図2に示すように、熱電対1とチャンバ壁部3との間で気密を確保するためにOリング4による気密構造を有すると共に、熱電対1の先端部1aをネジにより被測温体2に固定しているが、被測温体2がセラミックス等の脆性材の場合にはネジが緩みやすい傾向にあるため、信頼性や温度の測定精度に問題があった
Moreover, in the temperature measuring device described in the above Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-132702, as shown in FIG. 2, for example, an airtight structure by an O-
本発明は、このような従来の事情に鑑み、熱電対が破損又は劣化しても簡単に交換が可能であるうえ、被測温体への接触を確実且つ安定した状態にすることにより、測定温度の精度上昇と、安定状態になるまでの時間の短縮が可能であり、信頼性の高い測温装置、及びそれを搭載した半導体製造装置を供給することを目的とする。 In view of such a conventional situation, the present invention can be easily replaced even if a thermocouple is broken or deteriorated, and the measurement is performed by ensuring that the contact with the temperature-measured body is reliable and stable. An object of the present invention is to provide a highly reliable temperature measuring device and a semiconductor manufacturing apparatus equipped with the temperature measuring device, which can increase the accuracy of temperature and shorten the time required to reach a stable state.
上記の目的を達成するため、本発明が提供する半導体製造装置用測温装置は、半導体製造装置のチャンバに装着するシース型熱電対を備え、そのシース型熱電対が、大気環境の外部から真空もしくは減圧環境のチャンバ内に対して封止構造を有すると共に、ベローズのバネ性を利用して熱電対の先端部を確実に被測定部に押し当てる押し付け構造を有している。 In order to achieve the above object, a temperature measuring device for a semiconductor manufacturing apparatus provided by the present invention includes a sheathed thermocouple attached to a chamber of the semiconductor manufacturing apparatus, and the sheathed thermocouple is vacuumed from outside the atmospheric environment. Or it has a sealing structure with respect to the inside of the chamber of pressure reduction environment, and has the pressing structure which presses the front-end | tip part of a thermocouple reliably to a to-be-measured part using the spring property of a bellows.
即ち、本発明による半導体製造装置用測温装置は、半導体製造装置のチャンバに装着するシース型熱電対と、当該シース型熱電対の先端部をチャンバ内の被測温体に押し当てるためのバネ性を有するベローズとを備えた測温装置であって、前記ベローズはチャンバの外側に設置されると共に両端にフランジ部を有し、該フランジ部のうちシース型熱電対の先端部側と反対側の後端フランジ部がシース型熱電対に気密に接続されると共に、先端部側の先端フランジ部にはチャンバ固定部材が設けてあり、このチャンバ固定部材は、該チャンバ固定部材の先端部に形成された固定用フランジ部を複数のネジでチャンバ壁部に固定することによりチャンバ壁部に機械的に固定されており、且つ該チャンバ固定部材とチャンバ壁部の間にOリングを配置することにより該チャンバ固定部材とチャンバ壁部の間を気密封止することを特徴とするものである。また、本発明による半導体製造装置用測温装置においては、上記チャンバ固定部材が、該チャンバ固定部材が有するパイプ部分の外周にリング状金具を設け、該リング状金具に設けた雄ネジをチャンバ壁部に形成された雌ネジに螺合することによりチャンバ壁部に機械的に固定されており、且つ該チャンバ固定部材の先端部に形成されたツバ状部が前記螺合時にリング状金具によって押されることによって、ツバ状部とチャンバ壁部との間に配置したOリングをこれらツバ状部とチャンバ壁部に密着させることにより該チャンバ固定部材とチャンバ壁部の間を気密封止するものでもよい。さらに、本発明による半導体製造装置用測温装置においては、上記チャンバ固定部材が、該チャンバ固定部材に設けた雄ネジをチャンバ壁部に形成された雌ネジに螺合することによりチャンバ壁部に機械的に固定されており、且つ該チャンバ固定部材の先端部に形成されたテーパー面をチャンバ壁部の底部に形成されたテーパー面に圧着させることにより該チャンバ固定部材とチャンバ壁部の間を気密封止するものでもよい。 That is, a temperature measuring device for a semiconductor manufacturing apparatus according to the present invention includes a sheath-type thermocouple to be mounted in a chamber of the semiconductor manufacturing apparatus, and a spring for pressing the tip of the sheath-type thermocouple against a temperature-measured body in the chamber. The bellows is installed on the outside of the chamber and has flange portions at both ends, and the flange portion has a flange portion opposite to the distal end side of the sheathed thermocouple. with the rear end flange portion is hermetically connected to the sheath-type thermocouple, the tip flange of the front end portion is provided with a chamber fixed member, the chamber fixing member is formed on the tip portion of the chamber stationary member has been provided a fixing flange with a plurality of screws are mechanically fixed to the chamber wall by fixing to the chamber walls, and distribution of the O-ring between the chamber stationary member and the chamber wall And it is characterized in hermetically sealed to Rukoto between the chamber stationary member and the chamber walls by. In the temperature measuring device for a semiconductor manufacturing apparatus according to the present invention, the chamber fixing member is provided with a ring-shaped metal fitting on the outer periphery of a pipe portion of the chamber fixing member, and the male screw provided on the ring-shaped metal fitting is connected to the chamber wall. It is mechanically fixed to the chamber wall by being screwed into a female screw formed on the portion, and the flange-like portion formed at the tip of the chamber fixing member is pressed by the ring-shaped metal fitting during the screwing. Therefore, an O-ring disposed between the flange-like portion and the chamber wall portion is tightly sealed to the flange-like portion and the chamber wall portion, thereby hermetically sealing between the chamber fixing member and the chamber wall portion. Good. Furthermore, in the temperature measuring device for a semiconductor manufacturing apparatus according to the present invention, the chamber fixing member is engaged with the chamber wall portion by screwing a male screw provided on the chamber fixing member with a female screw formed on the chamber wall portion. A taper surface that is mechanically fixed and that is formed at the tip of the chamber fixing member is pressure-bonded to a taper surface that is formed at the bottom of the chamber wall portion so that the space between the chamber fixing member and the chamber wall portion is It may be hermetically sealed.
また、本発明が提供する半導体製造装置用測温装置は、外部からの力に対して少なくとも熱電対のベローズを保護し、更にはシース部の変形を防ぐことによって、高い信頼性を保障するために、シース型熱電対の少なくともベローズを保護する保護プレート及び/又は筒状の保護カバーを備えることができる。 The temperature measuring device for semiconductor manufacturing apparatus provided by the present invention protects at least the bellows of the thermocouple against an external force, and further ensures the high reliability by preventing the deformation of the sheath portion. Further, a protective plate and / or a cylindrical protective cover for protecting at least the bellows of the sheath type thermocouple can be provided.
本発明によれば、経時変化による熱電対のシース部の歪みや、チャンバ構成材料と熱伝対のシース材料との膨張係数差による長さの変化が生じても、ベローズのバネ性により補償されるため、高精度で常に安定した温度測定が可能である。また、熱電対が脱着可能であるため、破損しても簡単に交換することができる。更に、被測温体の被測温部からの熱が熱電対の測温接点に伝わりやすいため、測定温度が安定するまでの時間を短くすることができる。 According to the present invention, even if the deformation of the thermocouple sheath due to changes over time and the length change due to the difference in expansion coefficient between the chamber constituent material and the thermocouple sheath material occur, they are compensated by the spring property of the bellows. Therefore, highly accurate and always stable temperature measurement is possible. Further, since the thermocouple can be detached, it can be easily replaced even if it is damaged. Furthermore, since the heat from the temperature measurement part of the temperature measurement object is easily transmitted to the temperature measurement contact of the thermocouple, the time until the measurement temperature is stabilized can be shortened.
また、保護カバーや保護プレートを備えることにより、少なくとも熱電対のベローズ、好ましくはシース部分を、外部の応力から保護することができる。そのため、例えば、装置のメンテナンス時の不注意などによって、熱電対補償導線等に引っ張り応力が加わった場合あるいは装置の振動等で応力が加わった場合などにも、熱電対のベローズやシース部が変形したり破損したりすることを防止することができる。 Further, by providing a protective cover and a protective plate, at least the bellows of the thermocouple, preferably the sheath portion, can be protected from external stress. Therefore, for example, when a tensile stress is applied to the thermocouple compensating lead wire due to carelessness during maintenance of the device, or when stress is applied due to vibration of the device, etc., the bellows and sheath of the thermocouple are deformed. Can be prevented from being damaged or damaged.
従って、本発明の測温装置を搭載することによって、シース型熱電対の交換が容易であると同時に、優れた均熱性を保ちながら、短時間で測温して抵抗発熱体の出力を制御し、正確な温度に維持することが可能な半導体製造装置を提供することができる。 Therefore, by mounting the temperature measuring device of the present invention, it is easy to replace the sheath type thermocouple, and at the same time, while maintaining excellent thermal uniformity, temperature is measured in a short time to control the output of the resistance heating element. A semiconductor manufacturing apparatus capable of maintaining an accurate temperature can be provided.
本発明の半導体製造装置用測温装置は、半導体製造装置のチャンバに装着するシース型熱電対を備え、そのシース型熱電対とチャンバ壁部との間で封止構造を有すると共に、シース型熱電対に設けたベローズのバネ性を利用して、シース型熱電対の測温接点を有する先端部を被測温体の被測定部に常に所定の圧力で押し当てる押し付け構造を備えている。 A temperature measuring device for a semiconductor manufacturing apparatus of the present invention includes a sheath type thermocouple to be mounted in a chamber of a semiconductor manufacturing apparatus, and has a sealing structure between the sheath type thermocouple and a chamber wall, and a sheath type thermocouple. By using the spring property of the bellows provided in the pair, a pressing structure is provided that always presses the distal end portion having the temperature measuring contact of the sheath type thermocouple against the measured portion of the temperature measuring body with a predetermined pressure.
そのため、チャンバに対して気密性を確保することができ、且つ熱電対の先端部を被測温体に対して常に所定の圧力で押し付け続けることができるため、正確な温度測定が可能である。しかも、被測温体の昇降温時にも、それぞれの構成部材の熱膨張係数差による長さや厚みの変化をベローズが有するバネ性を用いて吸収できるため、熱電対の先端部が柔軟に対応でき、常に被測温体を所定の圧力で押し当てた状態で測温することができる。 Therefore, airtightness can be ensured with respect to the chamber, and the tip of the thermocouple can always be pressed against the temperature-measuring body at a predetermined pressure, so that accurate temperature measurement is possible. In addition, the temperature and temperature of the object to be measured can be absorbed using the spring property of the bellows because of changes in length and thickness due to differences in the coefficient of thermal expansion of each component, making the tip of the thermocouple flexible. Thus, the temperature can be measured in a state where the temperature object is always pressed with a predetermined pressure.
本発明の測温装置について、被測温体を備えた半導体製造装置に搭載した状態を示す図3を参照して、具体的に説明する。測温装置のシース型熱電対1は、チャンバ外部の大気環境からチャンバ内部にシース部1bが挿入され、その先端部1aが被測温体2の被測温部に接触して被測温体2の温度を測定する。通常は、被測温体2に深さ10mm程度の穴を設け、この穴に熱電対1の先端部1aを挿入して穴の底部に接触させる。
The temperature measuring device of the present invention will be specifically described with reference to FIG. 3 showing a state in which the temperature measuring device is mounted on a semiconductor manufacturing apparatus equipped with a temperature-measured body. In the
このシース型熱電対1は、バネ性を有するベローズ5を備えている。ベローズ5は両端にはシース部1bが挿通できるフランジ部6a、6bを有し、シース型熱電対1の先端部側と反対側の後端フランジ部6bはシース型熱電対1のシース部1bに溶接やロウ付け等により気密に接続されている。一方、シース型熱電対1の先端部側の先端フランジ部6aにはチャンバ固定部材7が設けてあり、このチャンバ固定部材7がネジなどを用いてチャンバ壁部2に機械的に固定され且つOリング4により気密に封止される。尚、上記チャンバ固定部材7及びチャンバ壁部3は、熱電対1のシース部1bの直径よりも大きい貫通穴を有し、その間津穴内をシース部1bがスライドできる構造となっている。
This
上記シース型熱電対1と被測温体2との接触部では、ベローズ5が有するバネの圧力により、熱電対1の先端部1aが常に安定した圧力で被測温体2に押し付けられている。また、シース型熱電対1のベローズ5はチャンバの外に設置されているため、チャンバ内を減圧もしくは真空にすることにより、大気圧がベローズ5の下部を押し付けるので、熱電対1を被測温体2に押し付ける圧力が増大する。
At the contact portion between the sheath-
このシース型熱電対と被測温体との押し付け構造によって、経時変化による熱電対のシース部に歪みが生じたり、チャンバを構成する材料と熱伝対のシース材料との膨張係数差によって長さの変化が生じたりしても、バネ性を有するベローズが吸収して補償することができる。そのため、本発明の測温装置では、高精度の温度測定ができると同時に、チャンバ内の温度変化などに対しても常に安定した測温が可能である。 Due to the pressing structure between the sheath-type thermocouple and the temperature-measured body, the sheath portion of the thermocouple is distorted due to changes over time, or the length depends on the expansion coefficient difference between the material constituting the chamber and the sheath material of the thermocouple. Even if this change occurs, the bellows having a spring property can be absorbed and compensated. Therefore, the temperature measuring device of the present invention can perform temperature measurement with high accuracy, and at the same time, can stably measure temperature even with respect to temperature changes in the chamber.
シース型熱電対とチャンバとの封止構造の具体例としては、図3及び図4に示すように、先端フランジ部6aに接合されたチャンバ固定部材7が複数のネジ等によりチャンバ壁部2に機械的に固定され、且つチャンバ固定部材7とチャンバ壁部2の間に配置したOリング4によって気密性が保持されている。また、ベローズ5に接合された後端フランジ部6bは、熱電対1のシース部1bに溶接やロウ付け等により気密に接合される。尚、この後端フランジ部6bでの構造は、下記図5〜6の場合を含め、後述する全ての封止構造において同一である。
As a specific example of the sealing structure of the sheath type thermocouple and the chamber, as shown in FIGS. 3 and 4, the
また、別の封止構造としては、チャンバ固定部材に設けた雄ネジをチャンバ壁部に形成された雌ネジに螺合すると共に、チャンバ固定部材とチャンバ壁部の間にOリングを配置することができる。この封止構造によれば、スペース等の制約が必要な場合にも、ベローズの外径の範囲内で取り付けが可能であるという利点を有している。 As another sealing structure, a male screw provided on the chamber fixing member is screwed into a female screw formed on the chamber wall portion, and an O-ring is disposed between the chamber fixing member and the chamber wall portion. Can do. This sealing structure has an advantage that it can be mounted within the range of the outer diameter of the bellows even when space is required.
具体的には、例えば図5に示すように、チャンバ固定部材7のパイプ部分の外周に配置したリング状金具8に雄ネジを設け、チャンバ壁部3の雌ネジと螺合する。チャンバ固定部材7は先端部分にツバ状部を有し、このツバ状部を螺合時にリング状金具8が押すことにより、チャンバ壁部3に固定される。この時、チャンバ壁部3の雌ネジ穴底部とチャンバ固定部材7のツバ状部の間にOリング4が配置され、螺合の圧力により密着してチャンバ内の気密が確保される。
Specifically, for example, as shown in FIG. 5, a male screw is provided on the ring-shaped
更に別の封止構造としては、チャンバ固定部材に設けた雄ネジをチャンバ壁部に形成された雌ネジに螺合すると共に、チャンバ固定部材の先端部に形成されたテーパー面をチャンバ壁部の底部に形成されたテーパー面に圧着し、チャンバ固定部材とチャンバ壁部の間を封止することができる。この封止構造は、Oリングを使用する必要がないいため、チャンバの温度がOリングの耐熱温度以上に上昇する場合に好適である。 As another sealing structure, a male screw provided on the chamber fixing member is screwed into a female screw formed on the chamber wall portion, and a tapered surface formed on the tip portion of the chamber fixing member is formed on the chamber wall portion. It is possible to seal between the chamber fixing member and the chamber wall by pressure-bonding to a tapered surface formed at the bottom. Since this sealing structure does not require the use of an O-ring, it is suitable when the temperature of the chamber rises above the heat resistance temperature of the O-ring.
具体的には、例えば図6に示すように、チャンバ壁部3に取付穴を設け、その側面に雌ネジを加工すると共に、取付穴の底部に所定の角度で傾斜したテーパー面を形成する。また、チャンバ固定部材7の先端部にも、上記と同じ角度で逆に傾斜したテーパー面を形成する。そして、外周面に雄ネジを設けたリング状金具8をチャンバ固定部材7の外周に配置し、チャンバ壁部3の取付穴にリング状金具8を螺合することにより、チャンバ壁部3側とチャンバ固定部材7側のテーパー面が密着して気密を確保できる構造となっている。
Specifically, for example, as shown in FIG. 6, a mounting hole is provided in the
本発明の測温装置においては、シース型熱電対とチャンバ壁部とがネジの螺合によって固定されるため、容易に着脱することが可能である。従って、シース型熱電対が劣化したり、破損もしくは故障したりした場合に、簡単に取り外して交換することができ、修理時間のロスを軽減できるため、スループットの低下を招くことは少ない。また、シース型熱電対のみの交換が可能なため、サセプタ等の被測温体全体を交換する必要がない。 In the temperature measuring device of the present invention, the sheath-type thermocouple and the chamber wall are fixed by screwing, so that they can be easily attached and detached. Therefore, when the sheath type thermocouple is deteriorated, broken or broken, it can be easily removed and replaced, and the loss of repair time can be reduced, so that the throughput is hardly lowered. In addition, since only the sheath type thermocouple can be replaced, it is not necessary to replace the entire temperature-measured body such as the susceptor.
また、従来の測温装置では、熱電対に外部からの力、例えば、装置のメンテナンス時の不注意や、熱電対補償導線等の線が引っ張られ、あるいは装置の振動等により応力が加わったとき、シース部が湾曲もしくは屈曲することがしばしばであった。例えば、チャンバ下部に熱電対端子や接続子、電極部品、あるいは真空排気弁やガス吸入口、ウエハリフト用昇降装置の機械類等多数存在するため、装置のメンテナンス時には作業員が誤って熱電対端子接続部やシース部分を折り曲げることが多かった。実際に熱電対のシース部の変形度合いから推定したところ、3〜5N位の横向きの力が加わっていることが分かった。 Also, in conventional temperature measuring devices, when external force is applied to the thermocouple, for example carelessness during maintenance of the device, wires such as thermocouple compensating lead wires are pulled, or stress is applied due to vibration of the device, etc. Often, the sheath portion was curved or bent. For example, there are many thermocouple terminals, connectors, electrode parts, vacuum exhaust valves, gas inlets, and lift lift machinery in the lower part of the chamber. In many cases, the sheath and the sheath were bent. When it was actually estimated from the degree of deformation of the sheath portion of the thermocouple, it was found that a lateral force of about 3 to 5N was applied.
そこで、本発明の測温装置では、シース型熱電対のチャンバの外側に存在する部分に保護プレートや保護カバーを取り付けることにより、少なくともベローズの部分、好ましくはシース部全体を保護することができる。 Therefore, in the temperature measuring device of the present invention, at least the bellows portion, preferably the entire sheath portion, can be protected by attaching a protective plate or a protective cover to a portion existing outside the chamber of the sheath type thermocouple.
例えば、図7に示すように、シース部1bが挿通する穴を有する保護プレート9を、シース型熱電対1のシース部1bと直角方向に、且つ少なくともベローズ5より後端側の位置に配置し、この保護プレート9をチャンバ壁部3に複数本の支柱10又は長尺ネジにより固定する。尚、保護プレート9の後端側に保護筒部11を延長することにより、シース型熱電対1のシース部全体を保護することができる。
For example, as shown in FIG. 7, a protective plate 9 having a hole through which the
また、例えば図8に示すように、上記図7と同様に保護プレート9をシース型熱電対1のシース部1bと直角方向に、且つ少なくともベローズ5より後端側の位置し、この保護プレート9上にシース型熱電対1の少なくともベローズ5を収納する筒状の保護カバー12を複数のネジで固定する。そして、この保護カバー12の上端部をチャンバ壁部3又はチャンバ壁部3に固定されたチャンバ固定部材7に複数のネジで固定する。
Further, for example, as shown in FIG. 8, the protective plate 9 is positioned in a direction perpendicular to the
更に、図9に示すように、シース型熱電対1の少なくともベローズ5を収納する筒状の保護カバー13を設け、この保護カバー13の上端側に形成した雌ネジを、チャンバ壁部3又はチャンバ壁部3に固定されているチャンバ固定部材7に形成した雄ネジに螺合することにより固定する。尚、図9では、チャンバ固定部材7の外周に配置したリング状金具8に雄ネジを設け、これに保護カバー13の雌ネジを螺合している。
Further, as shown in FIG. 9, a cylindrical
本発明の測温装置によれば、熱電対とサセプタ等の被測温体との接触部に一定の圧力を常に安定して加えることが可能となり、温度測定のレスポンスの向上と測定精度の向上を達成できる。この優れた温度測定に基づいて抵抗発熱体への出力を制御することで、被測温体の温度制御を安定させることができる。また、本発明による測温装置を搭載することにより、温度測定精度が高く、且つスループットや歩留に優れた半導体製造装置を提供することができる。 According to the temperature measuring device of the present invention, it becomes possible to constantly apply a constant pressure to the contact portion between a thermocouple and a temperature-measured body such as a susceptor, thereby improving temperature measurement response and measurement accuracy. Can be achieved. By controlling the output to the resistance heating element based on this excellent temperature measurement, the temperature control of the temperature measuring object can be stabilized. Further, by mounting the temperature measuring device according to the present invention, it is possible to provide a semiconductor manufacturing apparatus with high temperature measurement accuracy and excellent throughput and yield.
[実施例1]
窒化アルミニウム(AlN)粉末100重量部に対し、焼結助剤として0.5重量部のイットリア(Y2O3)を添加し、更に所定量の押し出し用有機バインダを加え、ボールミル混合法により混合した後、スプレードライヤーにより造粒した。得られた造粒粉末を、焼結後の寸法が直径350mm、厚さ20mmの円盤状となるように、一軸成形プレスにより2枚成形した。この2枚の円盤状成形体を温度900℃の窒素雰囲気中で脱脂し、更に窒素雰囲気中にて温度1900℃で5時間焼結した。得られたAlN焼結体の熱伝導は170W/mKであった。
[Example 1]
To 100 parts by weight of aluminum nitride (AlN) powder, 0.5 part by weight of yttria (Y 2 O 3 ) is added as a sintering aid, and a predetermined amount of an organic binder for extrusion is added, followed by mixing by a ball mill mixing method. And granulated with a spray dryer. Two pieces of the obtained granulated powder were molded by a uniaxial molding press so that the size after sintering was a disk shape having a diameter of 350 mm and a thickness of 20 mm. The two disc shaped compacts were degreased in a nitrogen atmosphere at a temperature of 900 ° C., and further sintered in a nitrogen atmosphere at a temperature of 1900 ° C. for 5 hours. The heat conduction of the obtained AlN sintered body was 170 W / mK.
1枚の円盤状AlN焼結体の表面に、W粉末に焼結助剤とエチルセルロース系バインダを添加混練したスラリーを用いて抵抗発熱体回路を印刷し、900℃の窒素雰囲気中で脱脂した後、1850℃で1時間加熱して焼き付けた。もう1枚の円盤状のAlN焼結体上には、接合用のガラスにエチルセルロース系のバインダを添加混練したスラリーを塗布し、900℃の窒素雰囲気中で脱脂した。この2枚のAlN焼結体の接合用ガラス面と抵抗発熱体面を重ね合わせ、5kg/cm2の荷重をかけた状態で、1800℃で2時間加熱して接合することにより、内部に抵抗発熱体が埋設されたセラミックスヒータを作製した。 After the resistance heating element circuit is printed on the surface of one disc-like AlN sintered body using a slurry obtained by adding and kneading a sintering aid and an ethylcellulose binder to W powder and degreasing in a nitrogen atmosphere at 900 ° C. And baked at 1850 ° C. for 1 hour. On another disk-shaped AlN sintered body, a slurry obtained by adding and kneading an ethylcellulose binder to glass for bonding was applied and degreased in a nitrogen atmosphere at 900 ° C. The two AlN sintered body bonding glass surfaces and the resistance heating element surfaces are overlapped and heated at 1800 ° C. for 2 hours in a state where a load of 5 kg / cm 2 is applied, thereby generating resistance heating inside. A ceramic heater with an embedded body was fabricated.
このセラミックスヒータの加熱面の反対側(裏面)に、抵抗発熱体に接続されたW電極端子を接合し、電力供給用の引き出し線を接続して系外の電源に接続した。これらの電極端子と引き出し線を、熱伝導率1W/mKのムライト焼結体からなる筒状部材の内部に収納した後、その一端面に接合用のB−Si系ガラスを塗布してセラミックスヒータの裏面にあてがい、50g/cm2の加重をかけた状態で、800℃で1時間加熱して接合した。得られたAlNセラミックスヒータを、チャンバ内に設置可能な加工を施して発熱可能な被測温体とした。 A W electrode terminal connected to the resistance heating element was joined to the opposite side (back side) of the heating surface of the ceramic heater, and a lead wire for power supply was connected to connect to a power supply outside the system. These electrode terminals and lead wires are housed in a cylindrical member made of a mullite sintered body having a thermal conductivity of 1 W / mK, and then a B-Si glass for bonding is applied to one end face thereof to form a ceramic heater. In a state where a load of 50 g / cm 2 was applied, bonding was performed by heating at 800 ° C. for 1 hour. The obtained AlN ceramic heater was processed to be installed in the chamber to obtain a temperature-measuring body capable of generating heat.
また、測温装置に用いるシース型熱電対として、2つのフランジ部の間にバネ性を有するベローズを備えたシース型熱電対を準備した。上記被測温体には、その中心から直径50mmの中に、シース型熱電対の先端部を挿入するため、シース径より大きい穴を開けた。一方、チャンバ壁部には、シース型熱電対のチャンバ固定部材を取り付けるため、直径3.4mm、深さ10mmのザグリ穴を4ヶ所設けるか、あるいは深さ10mmのM8タップ穴1ヶ所を加工した。 Moreover, the sheath type | mold thermocouple provided with the bellows which have a spring property between two flange parts was prepared as a sheath type | mold thermocouple used for a temperature measuring device. A hole larger than the sheath diameter was formed in the temperature-measured body in order to insert the distal end portion of the sheath type thermocouple into the diameter of 50 mm from the center. On the other hand, in order to attach the chamber fixing member of the sheath type thermocouple to the chamber wall, four counterbores with a diameter of 3.4 mm and a depth of 10 mm are provided, or one M8 tapped hole with a depth of 10 mm is processed. .
まず、図4の封止構造となるように、シース型熱電対の先端フランジ部6aに接合したチャンバ固定部材7を、4個のネジにてOリング4を挟んでチャンバ壁部3に接続した。また、図5及び図6の封止構造となるように、チャンバ固定部材7の外周に配置したリング状金具8をチャンバ壁部3のザグリ穴に螺合した。尚、図5の封止構造ではOリング4を用い、図6の封止構造ではチャンバ固定部材7とチャンバ壁部3のテーパー面により気密に封止した。
First, the
上記図4〜6の封止構造の場合、シース型熱電対の先端部を被測温体の穴に挿入して押し当て、更にベローズが有するバネ圧が確実に加えられるように取り付けることにより、それぞれ本発明による測温装置を構成した。比較のために、図1に示す従来一般的なOリングのみを用いた封止構造と、図2に示すようにネジによる締め付けを用いた封止構造(特開2004−132702号公報参照)による測温装置も準備した。 In the case of the sealing structure shown in FIGS. 4 to 6, the tip of the sheath-type thermocouple is inserted into the hole of the temperature-measured body and pressed, and further attached so that the spring pressure of the bellows is applied reliably. Each comprised the temperature measuring device by this invention. For comparison, a sealing structure using only a conventional general O-ring shown in FIG. 1 and a sealing structure using tightening with screws as shown in FIG. 2 (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-132702). A temperature measuring device was also prepared.
上記5種類の測温装置について、抵抗発熱体に通電することによって被測温体を加熱し、200℃と500℃のヒートサイクルによる温度変化を繰り返した。その際の昇温条件は、20℃/分で昇降温し、200℃及び500℃でそれぞれ30分間キープした。各回のヒートサイクルの500℃キープ時に、各測温装置で被測温体の温度を測定し、得られた結果を下記表1に示した。 With respect to the above five types of temperature measuring devices, the temperature-measured body was heated by energizing the resistance heating element, and temperature changes due to heat cycles of 200 ° C. and 500 ° C. were repeated. In this case, the temperature was raised at a rate of 20 ° C./min, and kept at 200 ° C. and 500 ° C. for 30 minutes. Table 1 below shows the results obtained by measuring the temperature of the temperature-measuring body with each temperature-measuring device during each heat cycle at 500 ° C.
本発明による図4〜6の封止構造を有する各測温装置では、温度測定データに経時変化は見られなかった。一方、図1の従来一般のOリングのみを用いた封止構造、及び図2の従来のネジによる締め付けを用いた封止構造では、50回程度から徐々に測定温度が低く表示された。 In each temperature measuring device having the sealing structure shown in FIGS. 4 to 6 according to the present invention, no change with time was observed in the temperature measurement data. On the other hand, in the sealing structure using only the conventional general O-ring in FIG. 1 and the sealing structure using the conventional screw tightening in FIG. 2, the measured temperature was displayed gradually from about 50 times.
図1及び図2の封止構造で正確な測温ができない理由として、以下のことが考えられる。図1の場合、シイース型熱電対のシースはSUSなどの金属製であるため、昇温時には膨張によりシースの長さが伸びて被測温体の穴の底部を押す状態になるが、伸び量を吸収できずに伸びた分がチャンバ壁部のOリング封止部分でスライドする。そして、ヒートサイクルにより降温時になるとシースが縮み、先端部の測温部と被測温体との間に隙間を生じて正確な測温ができなくなる。また、シースが温度上昇により熱膨張で伸びたとき、Oリングでの固定が強固であれば、シースが曲がってしまう場合もある。また、図2においては、ネジ部分が脆性材でできているため、ヒートサイクルによる膨張と収縮の影響でネジに緩みが生じ、正確な測定ができなくなったものと推測される。 The reason why accurate temperature measurement cannot be performed with the sealing structure of FIGS. 1 and 2 can be considered as follows. In the case of FIG. 1, the sheath of the sheath type thermocouple is made of metal such as SUS. Therefore, when the temperature rises, the length of the sheath expands due to the expansion, and the bottom of the hole of the measured temperature body is pushed. The portion that extends without being absorbed can slide at the O-ring sealing portion of the chamber wall. When the temperature is lowered due to the heat cycle, the sheath contracts, and a gap is formed between the temperature measuring unit at the tip and the temperature measuring object, and accurate temperature measurement cannot be performed. Further, when the sheath is expanded by thermal expansion due to temperature rise, the sheath may be bent if the fixing with the O-ring is strong. Further, in FIG. 2, since the screw portion is made of a brittle material, it is assumed that the screw is loosened due to the expansion and contraction due to the heat cycle, and accurate measurement cannot be performed.
[実施例2]
上記実施例1と同じ5種類の封止構造による測温装置を用い、チャンバ内を真空(10−3Pa以下)にして、被測温体の温度を500℃まで加熱した。その状態でチャンバに内圧1気圧までN2ガスを投入し、再度真空に排気する操作を10回繰り返して行った。
[Example 2]
Using the temperature measuring device having the same five types of sealing structure as in Example 1 above, the inside of the chamber was evacuated (10 −3 Pa or less), and the temperature of the temperature measurement object was heated to 500 ° C. In this state, the operation of injecting N 2 gas into the chamber to an internal pressure of 1 atm and evacuating again to vacuum was repeated 10 times.
それぞれのガスの投入時と排気時に、各測温装置の示す温度が安定するまでの時間(平均)を測定した。尚、その際に被測温体自身の温度変化をなくすために、ウエハ加熱面上に熱容量の大きな材料からなる円盤状のブロックを載置した。得られた測定結果を下記表2に示した。 When each gas was introduced and exhausted, the time (average) until the temperature indicated by each temperature measuring device was stabilized was measured. In this case, a disk-shaped block made of a material having a large heat capacity was placed on the wafer heating surface in order to eliminate the temperature change of the temperature-measured body itself. The obtained measurement results are shown in Table 2 below.
この結果から分るように、本発明による図4〜6の測温装置と図2のネジで締め付けた構造の測温装置では、ほとんど変わらない結果が得られ、温度が安定するまでの時間(平均)は2〜3秒となり、図1の従来の測温装置に比べて反応速度が速く、正確な温度測定に有効なことが実証された。 As can be seen from this result, the temperature measuring device of FIGS. 4 to 6 according to the present invention and the temperature measuring device tightened with the screw of FIG. The average) was 2 to 3 seconds, and the reaction rate was faster than that of the conventional temperature measuring device of FIG. 1, and it was proved that it was effective for accurate temperature measurement.
[実施例3]
上記実施例1の図4又は図5と同じ封止構造を有し、更に保護構造として図7〜9の保護プレート及び/又は保護リング(共に材質はSUS304)備えた測温装置を作製した。
[Example 3]
A temperature measuring device having the same sealing structure as in FIG. 4 or 5 of Example 1 and further including the protective plate and / or the protective ring (both made of SUS304) of FIGS.
各測温装置について、熱電対のシースのうちチャンバ壁部から大気側に露出した部分に、横方向から補償導線接続部にワイヤーを引っ掛けて、横方向に5Nの力で引っ張り、シース部分の破損ないし湾曲状況を確認し、その結果を下記表3に示した。また、比較のために、保護プレート及び/又は保護リングを備えない以外は上記と同じ構造の熱電対についても、同様の実験を行った。 For each temperature measuring device, the sheath of the thermocouple is exposed to the atmosphere side from the chamber wall, and the wire is hooked from the lateral direction to the compensating lead wire connecting portion and pulled in the lateral direction with a force of 5 N. The bending state was confirmed, and the results are shown in Table 3 below. For comparison, a similar experiment was performed on a thermocouple having the same structure as described above except that the protective plate and / or the protective ring were not provided.
保護なしのローズ付き熱電対は、ベローズとシースの溶接部でシースが極端に変形し、その変形がベローズ内部のシースにまで及び、曲がったシース部がベローズのフランジ部と接触してベローズによるバネの圧力を伝えることができない状況になった。一方、本発明による図7〜9に示す保護プレートや保護リングを装着した構造では、外部から圧力が加えられても、熱電対のシース部の変形を極力少なくすることができた。 An unprotected rose thermocouple has an extremely deformed sheath at the welded portion of the bellows and sheath, the deformation extends to the sheath inside the bellows, and the bent sheath comes into contact with the flange portion of the bellows so It became a situation that can not convey the pressure of. On the other hand, in the structure equipped with the protective plate and the protective ring shown in FIGS. 7 to 9 according to the present invention, the deformation of the sheath portion of the thermocouple could be minimized as much as possible even when pressure was applied from the outside.
1 熱電対
1a 先端部
1b シース部
2 被測温体
3 チャンバ壁部
4 Oリング
5 ベローズ
6a 上端フランジ
6b 加担フランジ
7 チャンバ固定部材
8 リング状金具
9 保護プレート
10 支柱
11 保護筒部
12、13 保護カバー
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