JP5292630B2 - 歪み及び温度の測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、被計測対象物に接触して設けられる配線の電気特性を利用して被計測対象物の歪み及び温度を計測する歪み及び温度の計測装置に関する。

半導体基板の製造にあたっては一部製造工程の最適な製造条件を抽出するために試験が行われる。試験ではダミーの基板に例えば実際の製造工程に見立てた熱処理や成膜処理が施される。そして熱処理や成膜処理に伴う基板の温度変化や歪みが計測され、計測されたデータに基づき熱条件や成膜条件が判定される。

基板の温度を計測する場合は主に測温抵抗体又は熱電対が使用される。測温抵抗体は抵抗素子を備えた配線からなる感熱部を有し、熱電対は異種金属の一端同士が接続された配線からなる感熱部を有する。測温抵抗体又は熱電対の感熱部は基板の温度を計測したい箇所、例えば基板表面や表層、に接触するように設けられる。

基板の歪みを計測する場合は主に歪みゲージが使用される。歪みゲージは所定パターンでレイアウトされた配線からなる歪み検出部を有する。歪みゲージの歪み検出部は測温抵抗体や熱電対の感熱部と同様に基板の歪みを計測したい箇所、例えば基板表面や表層、に接触するように設けられる。

特許文献１には、ポリイミド樹脂のゲージベースに歪みゲージの歪み検出部と熱電対の感熱部とを互いに近接させて配設し、歪みゲージの温度による見かけひずみを補正する技術が開示されている。

特開平７−１９０７０９号公報

基板の温度と歪みの両者を計測する場合は測温抵抗体や熱電対と歪みゲージをそれぞれ別々に設けるしかない。基板の温度や歪みを計測する場合は一箇所だけでなく複数箇所を計測するのが一般的なやり方であるため、温度と歪みの両者を同時に計測するには多くの感熱部及び歪み検出部を基板に設けることになる。すなわち、感熱部及び歪み検出部の配線及び配線に接続されるリード線を多数要することになる。すると、配線及びリード線の管理が煩雑になり、また配線のレイアウトが制限される。

また、歪みゲージは配線の伸縮に応じて配線の抵抗が変化する現象を利用するものであるが、こうした歪みゲージを基板の歪みの計測に使用することには問題がある。熱処理の試験時に基板は常温から高温に昇温される。当然、基板の表面に設けられた配線も常温から高温に昇温される。高温時の配線は常温時の配線と比較して熱膨張し抵抗が変化する。つまり、基板の歪みを歪みゲージで計測した場合の計測結果には、基板の歪みに起因する抵抗変化分と配線の熱膨張に起因する抵抗変化分とが重畳されていることになる。したがって、計測結果は正確であるとは言えない。

本発明はこうした実状に鑑みてなされたものであり、被計測対象物、ここでは基板、の温度と歪みを簡素な構造で正確に計測することを解決課題とするものである。

第１発明は、
被計測対象物に接触してその被計測対象物の歪み及び温度を検出する検出部を備えた歪み及び温度の計測装置において、
前記検出部は、金属、半金属、半導体の何れからなる異種の導線の一端同士が当該検出部中心で接続される配線を備えており、
前記配線の両端から第１の電気信号を検出して当該配線の抵抗を求め、
前記導線同士の接続部を含み前記配線の内側にある配線中心部の両端から第２の電気信号を検出して当該配線中心部の抵抗を求め、
前記配線の抵抗と前記配線中心部の抵抗を用いて被計測対象物の歪みを求め、
前記配線の両端又は前記配線中心部の両端から第３の電気信号を検出して被計測対象物の温度を求めること
を特徴とする。

第１発明を図２を参照して説明する。
検出部２０は異種の導線２２、２３の一端同士が中心部２０ｃで接続される配線２１を備える。配線２１の両端から第１の電気信号として通電時の電圧Ｖ_１が検出され、電圧降下法によって配線２１の抵抗Ｒ_ε＋Ｔが求められる。また導線２２、２３同士の接続部を含み配線２１の内側にある配線中心部２１ｃの両端から第２の電気信号として通電時の電圧Ｖ_２が検出され、電圧降下法によって配線中心部２１ｃの抵抗Ｒ_Ｔが求められる。そして、配線２１の抵抗Ｒ_ε＋Ｔと配線中心部２１ｃの抵抗Ｒ_Ｔを用いて被計測対象物である基板１０の歪みＲ_εが求められる。また、配線２１の両端又は配線中心部２１ｃの両端から第３の電気信号である熱起電力Ｖ_３又は熱起電力Ｖ_４が検出され、被計測対象物である基板１０の温度Ｔ_１が求められる。こうした処理によって基板１０の歪みＲ_ε及び表面温度Ｔ_１が求められる。

第２発明は第１発明において、
前記配線の抵抗と前記配線中心部の抵抗と被計測対象物の歪みと温度を求める演算処理部を備えること
を特徴とする。

第３発明は第２発明において、
前記演算処理部は、
前記配線の両端間に通電する通電部と、
前記配線の両端間の電圧を検出する第１電圧検出部と、
前記配線中心部の両端間の電圧を検出する第２電圧検出部と、
前記通電部で通電した電流値と前記第１電圧検出部で検出した通電時の電圧値を用いて前記配線の抵抗を求め、前記通電部で通電した電流値と前記第２電圧検出部で検出した通電時の電圧値を用いて前記配線中心部の抵抗を求め、前記配線の抵抗−｛前記配線中心部の抵抗×（前記配線の長さ／前記配線中心部の長さ）｝なる関係によって被計測対象物の歪みを求める演算部を備えること
を特徴とする。

第２発明及び第３発明を図４を参照して説明する。
検出部２０は第１〜第４端子３１、３２、３３、３４を介して演算処理部４０に電気的に接続される。演算処理部４０は通電部４１と第１電圧検出部４２と第２電圧検出部４３と演算部４４を備える。

通電部４１は第１端子３１と第２端子３２との間に電流Ｉを通電する。第１電圧検出部４２は第１端子３１と第２端子３２との間の通電時の電圧Ｖ_１および非通電時の熱起電力Ｖ_３を検出する。第２電圧検出部４３は第３端子３３と第４端子３４との間の通電時の電圧Ｖ_２および非通電時の熱起電力Ｖ_４を検出する。演算部４４は電流Ｉと電圧Ｖ_１を用いて電圧降下法によって配線２１のＲ_ε＋Ｔを求め、また電流Ｉと電圧Ｖ_２を用いて電圧降下法によって配線中心部２１ｃの抵抗Ｒ_Ｔを求める。さらに、配線の抵抗Ｒ_ε＋Ｔ−｛配線中心部２１ｃの抵抗Ｒ_Ｔ×（配線２１の長さ／配線中心部２１ｃの長さ）｝なる関係によって基板１０の歪みＲ_εを求める。また、熱起電力Ｖ_３又は熱起電力Ｖ_４から基板１０の温度Ｔを求める。

第４発明は第１乃至第３発明において、
前記配線はミアンダ状のパターンで薄膜に形成されること
を特徴とする。

第４発明を図２を参照して説明する。
配線２１は可撓性を有する薄膜部材２５にミアンダ状のパターンにしてプリントされる。この薄膜部材２５が基板１０に接着されることで配線２１が基板１０に設けられる。

本発明によれば、一つの配線を熱電対と歪みゲージとして利用するため、一つの配線で基板の温度と歪みの両者を計測することができる。このため基板に設ける配線の数を減らすことが可能となり、配線及びリード線の管理が簡素化しまた配線のレイアウトの自由度が増す。
さらに、温度変化成分と歪み成分が含まれる配線の抵抗から歪み成分の抵抗を分離しこれを基板の歪みとするので、基板の歪みを精度よく求めることが可能になる。

図１は、半導体基板に歪み及び温度の計測装置を設けた様子を示す斜視図である。 図２は、歪み及び温度の計測装置の検出部を示す平面図である。 図３（ａ）〜（ｃ）は、異種の導線同士の接続形態を示す図である。 図４は、歪み及び温度の計測装置の演算処理部の機能を示すブロック図である。 図５は、演算処理部で行われる処理フローを示す図である。 図６は、図４とは異なる実施形態を示す図である。

以下、図面を参照して本発明に係る歪み及び温度の計測装置の実施形態について説明する。

図１は、半導体基板に歪み及び温度の計測装置を設けた様子を示す斜視図である。図１では半導体基板に設けられる複数の検出部のうちの一つが示される。

図１で示されるように歪み及び温度の計測装置の検出部２０は半導体基板１０の表面１０ａに接触して設けられる。検出部２０は演算処理部４０と電気的に接続される。

図２は、歪み及び温度の計測装置の検出部を示す平面図である。

検出部２０は配線２１を有する。配線２１は金属、半金属、半導体の何れからなる第１導線２２と、第１導線２２とは異種の金属、半金属、半導体の何れからなる第２導線２３を有する。第１導線２２の一端と第２導線２３の一端は検出部２０の中心部２０ｃで互いに接続される。第１導線２２と第２導線２３の接続では、図３（ａ）で示されるように互いの端部の先端同士が接続されていてもよいし、図３（ｂ）、（ｃ）で示されるように互いの端部同士が部分的に重なり合うように接続されていてもよい。第１導線２２の他端は第１端子３１に接続され、第２導線２２の他端は第２端子３２に接続される。さらに、第１導線２２の中途部２２ａは第３端子３３に接続され、第２導線２３の中途部２３ａは第４端子３４に接続される。

第１導線２２の長さと第２導線２３の長さは同一である。また、第１導線２２の全体の長さは一端から中途部２２ａまでの長さのＸ倍であり、同様に、第２導線２３の全体の長さは一端から中途部２３ａまでの長さのＸ倍である。したがって、配線２１の全体の長さは、第１導線２２の中途部２２ａから第２導線２３の中途部２３ａまでの配線中心部２１ｃの長さのＸ倍であり、（配線２１の長さ／配線中心部２１ｃの長さ）＝Ｘである。

第１導線２２と第２導線２３は共に接続部すなわち検出部２０の中心部２０ｃを中心に線対象にしたミアンダ状のパターンにして形成される。配線２１は可撓性を有する薄膜部材２５にプリントされる。この薄膜部材２５が基板１０に接着されることで配線２１が基板１０に設けられる。このように本実施形態では検出部２０の配線２１が薄膜部材２５を介して基板１０に設けられるが、薄膜部材２５が設けられることなく、検出部２０の配線２１が基板１０に直接プリントされるようにする実施形態も可能である。

図４は、歪み及び温度の計測装置の演算処理部の機能を示すブロック図である。

演算処理部４０は、第１端子３１と第２端子３２との間に電流Ｉを通電する通電部４１と、第１端子３１と第２端子３２との間の通電時の電圧Ｖ_１および非通電時の熱起電力Ｖ_３を検出する第１電圧検出部４２と、第３端子３３と第４端子３４との間の通電時の電圧Ｖ_２および非通電時の熱起電力Ｖ_４を検出する第２電圧検出部４３と、電圧Ｖ_１と電圧Ｖ_２を用いて基板１０の歪みを演算しまた熱起電力Ｖ_３又は熱起電力Ｖ_４から基板の温度Ｔを演算する演算部４４を有する。

図５は、演算処理部で行われる処理フローを示す図である。

通電部４１は第１端子３１と第２端子３２との間に電流Ｉを通電する（ステップＳ０１）。すると、配線２１の全体に電流Ｉが流れる。この状態で第１電圧検出部４２は第１端子３１と第２端子３２との間の電圧Ｖ_１を検出し、第２電圧検出部４３は第３端子３３と第４端子３４との間の電圧Ｖ_２を検出する（ステップＳ０２）。演算部４４は電流Ｉと電圧Ｖ_１を用いて電圧降下法（Ｖ_１／Ｉ）によって配線２１の抵抗Ｒ_ε＋Ｔを求め、電流Ｉと電圧Ｖ_２用いて電圧降下法（Ｖ_２／Ｉ）によって配線中心部２１ｃの抵抗Ｒ_Ｔを求める（ステップＳ０３）。さらに演算部４４は「配線２１の抵抗−｛配線中心部２１ｃの抵抗×（配線２１の長さ／配線中心部２１ｃの長さ）｝」すなわち「Ｒ_ε＋Ｔ−（Ｒ_Ｔ×Ｘ）」なる演算を行って抵抗Ｒ_εを求める（ステップＳ０４）。

配線２１の抵抗Ｒ_ε＋Ｔには温度変化成分と基板１０の歪み成分が含まれる。一方、配線中心部２１ｃの抵抗Ｒ_Ｔには温度変化成分が含まれるが、その一方で基板１０の歪み成分は抵抗Ｒ_ε＋Ｔよりも少ない。配線中心部２１ｃに基板１０の歪み成分が少ない理由は、配線２１よりも長さが短いので、配線２１よりも基板１０の歪みの影響を受けにくいためである。配線中心部２１ｃは長さが短いほど基板１０の歪みの影響を受けにくい。この抵抗Ｒ_ＴのＸ倍の値は主として温度変化成分が含まれる配線２１の抵抗と等価になる。したがって「Ｒ_ε＋Ｔ−（Ｒ_Ｔ×Ｘ）」なる演算によって求められる抵抗Ｒ_εは、温度変化成分が除かれているので、主として基板１０の歪み成分が含まれる抵抗であると考えられる。一般の歪みゲージと同様に抵抗は歪みの指標であることから、抵抗Ｒ_εは基板１０のほぼ純粋な歪みを表していると言える。

ステップＳ０１からステップＳ０４の処理とは別に、演算処理部４０では次のような処理も行われる。通電部４１が第１端子３１と第２端子３２との間に電流Ｉを通電しない状態で、第１電圧検出部４２は第１端子３１と第２端子３２との間の熱起電力Ｖ_３を検出する。これは熱電対の原理を利用する温度計測である。演算部４４は熱起電力Ｖ_３に対応する半導体基板１０の表面温度Ｔ_１を求める（ステップＳ０５）。なお通電部４１が第１端子３１と第２端子３２との間に電流Ｉを通電しない状態で、第２電圧検出部４３が第３端子３３と第４端子３４との間の熱起電力Ｖ_４を検出するようにしてもよい。この場合、演算部４４は熱起電力Ｖ_４に対応する半導体基板１０の表面温度Ｔ_１を求める
ステップＳ０１からステップＳ０５の処理を複数回行い、求めた歪みＲ_ε及び表面温度Ｔ_１の平均を求めるようにすれば、より精度が増す。

以上のように本実施形態では、配線２１の両端から第１の電気信号として通電時の電圧Ｖ_１を検出して配線２１の抵抗Ｒ_ε＋Ｔを求める。また、導線２２、２３同士の接続部を含み配線２１の内側にある配線中心部２１ｃの両端から第２の電気信号として通電時の電圧Ｖ_２を検出して配線中心部２１ｃの抵抗Ｒ_Ｔを求める。そして、配線２１の抵抗Ｒ_Ｔと配線中心部２１ｃの抵抗Ｒ_Ｔを用いて被計測対象物である基板１０の歪みＲ_εを求める。また、配線２１の両端又は配線中心部２１ｃの両端から第３の電気信号である熱起電力Ｖ_３又は熱起電力Ｖ_４を検出して被計測対象物である基板１０の温度Ｔ_１を求める。こうした処理によって基板１０の歪みＲ_ε及び表面温度Ｔ_１が求められる。

図６は、図４とは異なる実施形態を示す図である。

電流源５１は第１端子３１と第２端子３２に電気的に接続される。第１電圧計５２は第１端子３１と第２端子３２に電気的に接続される。第２電圧計５３は第３端子３３と第４端子３４に電気的に接続される。スイッチ５４は電流源５１と第１端子３１と第２端子３２が接続される回路内に設けられる。

図６に示されるような構成にして、スイッチ５４をオンにし、電流源５１から通電される電流Ｉと、第１電圧計５２で検出される電圧Ｖ_１と、第２電圧計５３で検出される電圧Ｖ_２から、抵抗Ｒ_ε＋Ｔ及び抵抗Ｒ_Ｔを求め、「Ｒ_ε＋Ｔ−（Ｒ_Ｔ×Ｘ）」なる演算を行って抵抗Ｒ_εを求めることも可能である。またスイッチ５４をオフにし、第１電圧計５２で検出される熱起電力Ｖ_３又は第２電圧計５３で検出される熱起電力Ｖ_４から基板１０の温度Ｔを求めることも可能である。

上述した実施形態では、配線２１の全体が基板１０の表面１０ａに接着するが、配線中心部２１ｃの接着力を弱くすれば、配線中心部２１ｃは基板１０の歪みの影響を更に受けにくくなり、より精度が増す。

上述した実施形態は配線２１のパターンがミアンダ状であるが、別のパターンにすることも可能である。

上述した実施形態は基板１０の歪み及び温度を検出するものであるが、本発明に係る歪み及び温度の計測装置は基板以外の被計測対象物の歪み及び温度を検出することも可能である。

１０ 基板、１０ｃ 中心部、２０ 検出部、２１ 配線、 ２１ｃ 配線中心部、２２ 第１導線、２３ 第２導線、２５ 薄膜部材、３１ 第１端子、３２ 第２端子、３３ 第３端子、３４ 第４端子、４０ 演算処理部、４１ 通電部、４２ 第１電圧検出部、４３ 第２電圧検出部、４４ 演算部

Claims (4)

1. 被計測対象物に接触してその被計測対象物の歪み及び温度を検出する検出部を備えた歪み及び温度の計測装置において、
   前記検出部は、金属、半金属、半導体の何れからなる異種の導線の一端同士が当該検出部中心で接続される配線を備えており、
   前記配線の両端から第１の電気信号を検出して当該配線の抵抗を求め、
   前記導線同士の接続部を含み前記配線の内側にある配線中心部の両端から第２の電気信号を検出して当該配線中心部の抵抗を求め、
   前記配線の抵抗と前記配線中心部の抵抗を用いて被計測対象物の歪みを求め、
   前記配線の両端又は前記配線中心部の両端から第３の電気信号を検出して被計測対象物の温度を求めること
   を特徴とする歪み及び温度の計測装置。
2. 前記配線の抵抗と前記配線中心部の抵抗と被計測対象物の歪みと温度を求める演算処理部を備えること
   を特徴とする請求項１記載の歪み及び温度の計測装置。
3. 前記演算処理部は、
   前記配線の両端間に通電する通電部と、
   前記配線の両端間の電圧を検出する第１電圧検出部と、
   前記配線中心部の両端間の電圧を検出する第２電圧検出部と、
   前記通電部で通電した電流値と前記第１電圧検出部で検出した通電時の電圧値を用いて前記配線の抵抗を求め、前記通電部で通電した電流値と前記第２電圧検出部で検出した通電時の電圧値を用いて前記配線中心部の抵抗を求め、前記配線の抵抗−｛前記配線中心部の抵抗×（前記配線の長さ／前記配線中心部の長さ）｝なる関係によって被計測対象物の歪みを求める演算部を備えること
   を特徴とする請求項２記載の歪み及び温度の計測装置。
4. 前記配線はミアンダ状のパターンで薄膜に形成されること
   を特徴とする請求項１乃至３記載の歪み及び温度の計測装置。

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