JP5644007B2

JP5644007B2 - 温度センサ及び熱処理装置

Info

Publication number: JP5644007B2
Application number: JP2012027629A
Authority: JP
Inventors: 斎藤　孝規; 孝規斎藤; 弘治吉井; 努栗原; 智弥岡村
Original assignee: Tokyo Electron Ltd; Fenwal Controls of Japan Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd; Fenwal Controls of Japan Ltd
Priority date: 2012-02-10
Filing date: 2012-02-10
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2032-02-10
Also published as: KR20130092445A; JP2013164342A; US8821014B2; US20140211830A1; TW201339553A; TWI564551B; KR101730024B1

Description

本発明は、保護管内に装着される温度検出素子の固定方法を改良した温度センサ及び熱処理装置に関する。

従来の温度センサは、例えば特許文献１や特許文献２のように、温度検出素子としての熱電対を受熱体に固定して用い、保護管内に装着されて、所定位置で固定されていた。受熱体自体は、保護管内の設定位置に正確に装着されることはなく、熱電対と共に保護管内に装着されていた。

特開２００２−２９６１２２号公報特公２００１−２０８６１６号公報

しかし、上述のような従来の温度センサでは、受熱体を設けることにより検出精度が向上するが、この受熱体自体は正確な位置及び向きに設けられるものではなったため、高い精度で温度を測定する場合には、温度の立ち上がり特性に難点があった。

このため、半導体ウエハを高い精度で温度を制御して加熱処理する際には、温度センサでの検出温度と半導体ウエハの実際の温度との間に多少の誤差が生じて、所望の熱処理を迅速に行うことができないという問題があった。

また、被加熱物の温度特性と、温度センサの温度特性との誤差を小さくするには、受熱体のサイズも、ある程度の大きさが必要になる。そして、受熱体のサイズが大きくなると、必然的に自重も重くなるため、受熱体の自重の影響によって、受熱体及び熱電対を精度よく配置することが難しくなる。さらに、受熱体の自重のために、受熱体と熱電対の接着部分に負荷が掛かり、破損等の恐れがあるという問題がある。

また、多点温度センサにおいては、大径の本管から枝分かれする小径の支管が複数あるが、熱電対は複数の支管の先端部分に設けられるため、熱電対を正確な位置に確実に固定することが容易でないという問題がある。

本発明は、以上の点を考慮してなされたものであり、温度検出素子を正確な位置に確実に固定することができ、温度の立ち上がり特性を向上させて、高い精度での温度制御を可能にした温度センサ及び熱処理装置を提供することを目的とする。

かかる課題を解決するために、本願発明に係る温度センサは、支管内に、温度を検出する温度検出素子と、当該温度検出素子を位置決めして支持する位置決め支持機構とを備えた温度センサである。上記温度検出素子のコードに張力がかけられて、上記位置決め支持機構が、張力がかけられた上記コードで支持されて上記温度検出素子を位置決め支持し、上記位置決め支持機構が、上記支管内の支持部によって支持される本体支持部と、上記温度検出素子を支持する受熱体の一端部に嵌合して片持ち状態で支持する支持溝と、この支持溝の一方の面を構成すると共にこの面を延長して上記受熱体の一側面を支持する支持片と、この支持片の中に設けられ上記温度検出素子のコードを通すコード穴とを備えて構成されたことを特徴とする。

上記構成の発明により、温度検出素子を正確な位置に確実に固定して、温度の立ち上がり特性の向上及び高い精度での温度制御が可能になる。

本発明の第１実施形態に係る温度センサを示す正面断面図である。本発明の第１実施形態に係る温度センサの要部を示す拡大断面図である。本発明の第１実施形態に係る温度センサを組み込んだ縦型熱処理装置を示す概略断面図である。本発明の第２実施形態に係る温度センサを示す正面断面図である。本発明の第２実施形態に係る温度センサの要部を示す拡大断面図である。本発明の第２実施形態に係る温度センサの要部を示す正面図である。本発明の第２実施形態に係る温度センサの要部を示す側面図である。本発明の第２実施形態に係る温度センサの要部を示す背面図である。本発明の第１変形例を示す斜視図である。本発明の第２変形例を示す斜視図である。

以下に、本発明の実施形態に係る温度センサ及び熱処理装置について説明する。本実施形態に係る温度センサは、多点温度センサの保護管内における、温度検出素子を正確な位置に確実に固定することができると共に、各温度センサ先端に接続した受熱体の位置及び向きを正確に調整して支持できるように改良することで、温度変化に対する感度を向上させたものである。本発明の温度センサは、保護管内に温度検出素子を挿入した構成のすべての温度センサに適用することができる。本発明の温度センサは、例えば、半導体製造装置の拡散炉等の熱処理装置の温度制御のための温度測定等に適している。また、本発明の温度センサは、上記拡散炉以外にも種々の熱処理装置に組み込むことができる。

［第１実施形態］
本実施形態の温度センサ１を、図１，２に基づいて説明する。

本実施形態の温度センサ１は、多点温度センサであるため、大径の本管２と、この本管２から枝分かれする小径の支管３とを備えている。支管３は本管２に、測定対象点に合わせて複数本設けられている。温度センサ１は、図示するように主に、温度検出素子５と、位置決め支持機構６とを備えて構成されている。

温度検出素子５は、周囲の温度を検出する素子である。温度検出素子５としては、熱電対等の公知の素子を用いる。この熱電対等からなる温度検出素子５は、支管３の先端部に設けられている。この温度検出素子５からはコード５Ａ，５Ｂが延びている。このコード５Ａ，５Ｂは、支管３及び本管２を介して温度計測機（図示せず）側へ延びている。

位置決め支持機構６は、温度検出素子５を支持する支持管８と、当該支持管８を支持して支管３の設定位置に固定される位置決め部材９と、コード５Ａに張力をかけるテンショナー１０とから構成されている。

支持管８は、温度検出素子５を支持して、この温度検出素子５の位置を正確に規制するための管材である。支持管８は、セラミックス管等の剛性の高い管材で構成されている。これにより、支持管８は、位置決め部材９によって支持されることで、温度検出素子５をこの位置決め部材９を基準にして位置決めする。即ち、位置決め部材９が正確に位置決めされることで、この位置決め部材９に支持された剛性の高い支持管８の先端部も正確に位置決めされる。これにより、支持管８の先端の温度検出素子５も正確に位置決めされる。

位置決め部材９は、上述のように、温度検出素子５を位置決めするための部材である。支管３は、中空の管材で構成されて、その中心が温度検出素子５等を挿入する挿入孔３Ａとなっている。この挿入孔３Ａは断面円形状に形成されている。さらに、位置決め部材９が支持される設定位置（正確に位置決めされる位置）に段差が設けられている。即ち、上記設定位置を境にして挿入孔３Ａの内径を異ならせることで、この挿入孔３Ａ内に段差が設けられている。この段差を境に基端側（図２中の上方）が支持管挿入穴１１、先端側（図２中の下方）が位置決め部材支持穴１２となっている。これにより、位置決め部材９は支管３の先端側だけで移動できるようになっている。そして、位置決め部材支持穴１２は、位置決め部材９を上記設定位置に支持するように、当該設定位置まで設けられている。これにより、位置決め部材９が位置決め部材支持穴１２内の端部（上記段差）に位置した状態（図２の状態）で、この位置決め部材９が正確に位置決めされるようになっている。

テンショナー１０は、設定された力（通常は弱い力）でコード５Ａ，５Ｂに張力をかけるための機構である。テンショナー１０は、公知の種々の構成のものを用いることができる。例えば、スプリングの弾性力を利用して張力をかけるものや、電磁的な力を利用するもの等の公知のテンショナー１０を用いることができる。また、コード５Ａ，５Ｂに一定の張力をかけた状態でコード５Ａ，５Ｂを固定して張力をかけるようにしてもよい。

以上のように構成された温度センサ１は熱処理装置に組み込まれる。この熱処理装置の一例を図３に基づいて説明する。ここでは、半導体ウエハを加熱処理する縦型熱処理装置を例に説明する。この縦型熱処理装置においては、高さ方向（図３において、上下方向）に伸びるよう配置された、上端が開放されている直管状の内管５１と、その周囲に所定の間隔を隔てて同心状に配置された、上端が閉塞されている外管５２とからなる二重管構造を有する処理容器（プロセスチューブ）５３を備えており、処理容器５３の下方空間は、後述する被処理体保持具としてのウエハボート６０に対して、被処理体である半導体ウエハの移載等が行われるローディングエリアＬとされている。そして、内管５１および外管５２は、いずれも耐熱性および耐食性に優れた材料、例えば高純度の石英ガラスにより形成されている。

この処理容器５３における外管５２の下端部には、上端にフランジ部分５４を有する短円筒状のマニホールド５５が設けられており、当該フランジ部分５４には、例えばＯリングなどのシール手段（図示せず）を介して外管５２の下端部に設けられた下端フランジ部分６８がフランジ押え６９によって接合されて、処理容器５３の外管５２が固定された状態とされている。処理容器５３における内管５１は、外管５２の下端面より下方に延出して、マニホールド５５内に挿入された状態で、このマニホールド５５の内面に設けられた環状の内管支持部５６により支持されている。

この縦型熱処理装置の処理容器５３の縦断面において、マニホールド５５の一方の側壁には、処理容器５３内に処理ガスや不活性ガスを導入するためのガス供給配管５７が設けられており、このガス供給配管５７には、図示しないガス供給源が接続されている。また、マニホールド５５の他方の側壁には、処理容器５３内を排気する排気部５９が設けられており、この排気部５９には、例えば真空ポンプおよび圧力制御機構を有する排気機構（図示せず）が接続され、これにより、処理容器５３内が所定の圧力に制御される。

処理容器５３の下方には、上下方向に駆動されて被処理体保持具であるウエハボート６０を処理容器５３内に搬入、搬出する昇降機構６１が設けられており、この昇降機構６１は、処理容器５３の下端開口６２を開閉する円板状の蓋体６３を備えている。ウエハボート６０は、例えば高純度の石英ガラスよりなり、複数枚、例えば１００〜１５０枚程度の半導体ウエハが水平となる状態で上下に所定間隔（ピッチ）、例えば５．２〜２０．８ｍｍで多段に載置される。

昇降機構６１における蓋体６３には、処理容器５３と平行に上方に伸びる柱状の支持部材６４が蓋体６３を貫通する状態で設けられており、この支持部材６４には、その上部にウエハボート６０が載置される円板状のボートサポート６５が一体に設けられていると共に、蓋体６３の下部に設けられた回転駆動手段６６に接続されている。また、蓋体６３の上部には、例えば石英よりなる保温筒６７が、支持部材６４が挿通された状態で設けられている。

処理容器５３の外側には、処理容器５３内に収容された半導体ウエハを所定の処理温度に加熱するための加熱手段としての筒状ヒータ７０が処理容器５３の周囲を取り囲む状態で設置されている。筒状ヒータ７０には、線状の抵抗発熱体が内面に螺旋状または蛇行状に配設された円筒状の断熱材（図示せず）が設けられており、この抵抗発熱体は、温度検出器７１により検出された半導体ウエハの温度データに基づいて、当該半導体ウエハが予め設定された温度状態となるよう供給すべき電力の大きさを制御する制御部７２に接続されている。

この筒状ヒータ７０は、処理容器５３内を高さ方向に複数、図示の例では３つの加熱領域（ゾーン）Ｚ１〜Ｚ３に分けて、各々の加熱領域について独立して温度制御が可能な状態、すなわちゾーン制御が可能な状態とされている。

処理容器５３の上方には、処理容器５３内におけるウエハボート６０と対向する状態で筒状ヒータ７０の上端面と平行に配置された面状ヒータ７３が設けられており、これにより、処理容器５３の上方からの放熱が有効に防止され、半導体ウエハをその面内において高い均一性で加熱処理することができる。面状ヒータ７３は、例えば線状の抵抗発熱体が板状の基材上に配線されてなり、この抵抗発熱体は、制御部７２に接続されている。

以上のように構成された縦型熱処理装置では、制御部７２が、筒状ヒータ７０、面状ヒータ７３等を制御して、ウエハボート６０を加熱処理する。

この縦型熱処理装置においては、上記温度検出器７１として本実施形態の温度センサ１が配置されている。

この温度センサ１では、テンショナー１０で張力がかけられたコード５Ａが本管２の基端側へ引かれて支管３内で位置決め部材９を基端側（図１中の上方）へ引く。

これにより、位置決め部材９が上方へ引かれて位置決め部材支持穴１２の上端部で支持される。これにより、位置決め部材９の位置決めがなされる。

テンショナー１０と位置決め部材支持穴１２とで位置決めがなされた位置決め部材９は、支持管８を介して温度検出素子５を支持する。これにより、温度検出素子５は、その位置決めが正確になされる。

この温度検出素子５の位置決めは、すべての支管３でなされる。そして、温度センサ１が、拡散炉等に組み込まれる。

以上により、温度検出素子５を正確な位置に確実に固定することができる。これにより、温度検出素子５が周囲の温度の変化に迅速に追従することができ、温度の立ち上がり特性を向上させることができる。この結果、高い精度での温度制御が可能になる。

［第２実施形態］
次に本発明の第２実施形態について説明する。

本実施形態の特徴は、温度検出素子支持部２１を設けた点にある。この温度検出素子支持部２１は、図４，５に示すように、温度検出素子５が固定された受熱体２２を片持ち状態で支持して温度検出素子５を正確な位置に固定する。

温度検出素子支持部２１は、支管３の先端部に設けられている。温度検出素子支持部２１は、受熱体２２と、位置決め支持機構２３と、支持部２４と、テンショナー１０とから構成されている。

受熱体２２は、温度検出素子５を所定位置で固定して設定位置で支持されると共に、外部からの熱により加熱されるための板材である。受熱体２２は、温度検出素子５を固定して、検査対象位置に正確に支持される。さらに受熱体２２は、検査対象位置に向けて設けられ、この検査対象位置から伝わる熱を受けて加熱する。これにより、受熱体２２は、検査対象位置の熱の変化にも迅速に追従して、温度検出素子５に伝えるようになっている。

位置決め支持機構２３は、温度検出素子５及び受熱体２２を正確な位置に支持するための機構である。位置決め支持機構２３は、支持部２４によって支管３内の設定位置に取り付けられている。

位置決め支持機構２３は、図４〜８に示すように、支持部２４によって支持される本体支持部２６と、受熱体２２の一端部に嵌合してこの受熱体２２を片持ち状態で支持する支持溝２７と、この支持溝２７の一方の面を構成すると共にこの面を延長して上記受熱体２２の一側面を支持する支持片２８と、この支持片２８及び後述する部材２７Ａの中に設けられ上記温度検出素子５のコード５Ａ，５Ｂを通すコード穴２９とを有する。

本体支持部２６は六角柱状に形成されている。なお、本体支持部２６は他の多角柱状又は楕円状等の他の形状でもよい。これにより、本体支持部２６は、支持部２４に嵌合することで、この支持部２４によって設定位置に正確に且つ堅固に支持されるようになっている。

支持溝２７は、受熱体２２を正確に支持するための溝である。支持溝２７は、本体支持部２６から支管３の長手方向に延びた肉厚板状の部材２７Ａの先端側に設けられている。支持溝２７は、部材２７Ａの先端側の正確な位置に設けられている。これにより、受熱体２２の一端部が支持溝２７に嵌合して支持されて、コード５Ａ，５Ｂに張力をかけることで、受熱体２２が支持溝２７に確実に嵌合して位置ずれを起こすことなく、正確に位置決めされるようになっている。

支持片２８は受熱体２２の一側面を支持するが、受熱体２２の一側面には支持片２８を嵌合する嵌合溝３１が設けられている。嵌合溝３１は、支持片２８の幅とほぼ同じ幅に成形されている。これにより、嵌合溝３１が支持片２８を図６，８中の左右方向にずれないように支持している。支持片２８の先端では、温度検出素子５が接着剤３２等で受熱体２２に固定されている。これにより、受熱体２２が支持溝２７及び支持片２８に対して前後左右上下方向へずれるのを防止している。さらに、コード穴２９に通されてテンショナー１０で張力がかけられたコード５Ａ，５Ｂによって、受熱体２２がずれることなく支持溝２７及び支持片２８に確実に支持されている。

コード穴２９は、コード５Ａ，５Ｂを、温度検出素子５からテンショナー１０側へ配設するための穴である。コード穴２９は、上記部材２７Ａ及び支持片２８を貫通して設けられている。このコード穴２９を通したコード５Ａ，５Ｂによって、受熱体２２が支持溝２７及び支持片２８側に引き寄せられて支持されるようになっている。

テンショナー１０は、上述した第１実施形態のテンショナー１０と同様である。このテンショナー１０によって、コード５Ａ，５Ｂに一定の張力がかけられる。

支持部２４は、位置決め支持機構２３を支持するための部材である。支持部２４は、支管３の内壁を内側へ隆起させて、位置決め支持機構２３の本体支持部２６の形状に合わせて形成されている。具体的には、本体支持部２６の六角形状に合わせて六角形穴状にしたり、六角形状の本体支持部２６のうちの４面に接触して支持する四角形穴状にしたりする。この形状の支持部２４に位置決め支持機構２３の本体支持部２６が、その位置及び向きを正確に保ちながら設定位置に固定されるようになっている。この設定位置にはストッパや段差（図示せず）等が適宜設けられて、位置決め支持機構２３の本体支持部２６がこのストッパに当接することで位置決め支持機構２３の位置及び向きを正確に保ちながら設定位置に固定されるようになっている。

以上のように構成された温度センサでは、上記第１実施形態と同様の作用、効果を奏することができると共に、支持溝２７及び支持片２８等により、より正確に受熱体２２（温度検出素子５）を位置決めして支持することができるようになる。

また、支持片２８の支持構造が簡単になり、受熱体２２の寸法の違いに関係なく、種々の寸法の受熱体２２を容易に支持することができる。

また、上記各実施形態では、コード５Ａ，５Ｂに張力をかけているので、振動等によって受熱体２２（温度検出素子５）がずれるのを防止でき、温度センサに対する信頼性が向上する。

また、処理対象の被加熱物の温度特性と、上記温度センサの温度特性との誤差を小さくするために、受熱体２２のサイズがある程度の大きくなって、その自重が重くなっても、位置決め支持機構２３によって、受熱体２２が所定位置及び所定向きに正確に且つ確実に支持されるため、温度検出素子５と受熱体２２を精度よく配置することができ、高き精度で温度測定をすることができる。

［変形例］
上記第１実施形態では、位置決め部材９を断面円形状に形成したが、楕円状や多角形状等の他の形状にしてもよい。位置決め部材支持穴１２も位置決め部材９に合わせて楕円状や多角形状等の他の形状にする。また、位置決め部材９から先端の温度検出素子５まで支持管８によって支持する構成にしたが、位置決め部材９と温度検出素子５との間に支持管８を支持する支持手段を設けてもよい。例えば、図９に示すように、支持管８を支持する位置決め部材３５を設けてもよい。この位置決め部材３５は、回転を防止するために断面楕円状に形成している。なお、断面長方形等の他の形状でもよい。これに合わせて、位置決め部材支持穴３６は、縦の楕円形穴と横の楕円穴を合わせた形状の穴に形成する。楕円形でない場合は、長方形等の他の形状に合わせて縦横の穴の形状を設定する。これにより、位置決め部材３５は、位置決め部材支持穴３６に対して、適宜縦方向又は横方向に挿入することができるようになる。これにより、温度検出素子５をその位置及び向きを正確に調整して支持することができる。特に、受熱体を設ける場合は、その向きを正確に調整することができる。

また、図１０のように、受熱体２２をそのまま用いてもよい。即ち、支管３の内壁に、受熱体２２が嵌るスリット３７を設けて、受熱体２２をこのスリット３７に挿入するようにしてもよい。

また、上記各実施形態では、多点温度センサの保護管内に温度検出素子５を装着する場合を例に説明したが、多点温度センサ以外の温度センサでも支管３を備えたものであれば本願発明を適用することができる。

また、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で各構成要素を変形して具体化可能である。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１：温度センサ、２：本管、３：支管、５：温度検出素子、５Ａ，５Ｂ：コード、６：位置決め支持機構、８：支持管、９：位置決め部材、１０：テンショナー、１１：支持管挿入穴、１２：位置決め部材支持穴、２１：温度検出素子支持部、２２：受熱体、２３：位置決め支持機構、２４：支持部、２６：本体支持部、２７：支持溝、２８：支持片、２９：コード穴、３１：嵌合溝、３２：接着剤。

Claims

支管内に、温度を検出する温度検出素子と、当該温度検出素子を位置決めして支持する位置決め支持機構とを備えた温度センサであって、
上記温度検出素子のコードに張力がかけられて、
上記位置決め支持機構が、張力がかけられた上記コードで支持されて上記温度検出素子を位置決め支持し、
上記位置決め支持機構が、
上記支管内の支持部によって支持される本体支持部と、上記温度検出素子を支持する受熱体の一端部に嵌合して片持ち状態で支持する支持溝と、この支持溝の一方の面を構成すると共にこの面を延長して上記受熱体の一側面を支持する支持片と、この支持片の中に設けられ上記温度検出素子のコードを通すコード穴とを備えて構成されたこと
を特徴とする温度センサ。
対象物の温度を制御して熱処理を行う熱処理装置において
上記温度制御のための温度の測定を行う温度センサとして請求項１に記載の温度センサを用いたことを特徴とする熱処理装置。