JP6647647B1 - ウエハ型温度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】温度センサの測温部を、ウエハに設けた凹部に対して従来よりも安定的に固定することができるウエハ型温度センサを提供する。【解決手段】本発明のウエハ型温度センサ１００は、表面に凹部１０を有するウエハ１と、凹部に配置される測温部２２、及び測温部２２に接続されるケーブル２３を有する温度センサ２と、凹部１０に挿入可能な一対の側部２４、及び側部２４同士を連結する頂部２５を有し、測温部２２が配置された凹部１０に側部２４が挿入されて測温部２２を頂部２５で覆った状態で接着剤５によって凹部１０に固着されるハウジング３と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、ウエハに温度センサを設けたウエハ型温度センサに関する。

半導体デバイスの製造工程においては、例えばシリコンウエハを所定温度に加熱、冷却するための装置（例えば高温チャンバなど）が使用されている。このような装置は一般に、ウエハの表面や裏面に接する部位に、加熱用の加熱板や冷却用の冷却板を備えている。

このような装置では、加熱、冷却されるウエハの温度分布を測定して加熱板等の温度特性を把握しておき、その温度特性に応じて適宜補正を行うことでウエハを均一に加熱、冷却している。従来、装置内にセットされたウエハの温度分布を測定するものとしては、例えば特許文献１に示された温度センサが知られている。

特開２０１３-１７２０５０号公報

ところで特許文献１の温度センサは、ウエハに対して温度を測定したい箇所に凹部を設け、温度センサの測温部をこの凹部に挿入し、凹部内に接着剤を注入することによって測温部を凹部に固定するものである。しかし、この温度センサ付きのウエハに対して加熱や冷却を行うと、温度変化による膨張や収縮によってウエハが繰り返し変形するため、固着した接着剤にも変形が及んで次第に剥がれることがある。このようにして接着剤が剥がれる結果、測温部が凹部から外れてしまうおそれがあった。

このような従来の問題に鑑み、本発明のウエハ型温度センサでは、温度センサの測温部を、ウエハに設けた凹部に対して従来よりも安定的に固定することを課題とする。

本発明は、表面に凹部を有するウエハと、前記凹部に配置される測温部、及び該測温部に接続されるケーブルを有する温度センサと、前記凹部に挿入可能な側部、及び該側部に接続された頂部を有し、前記測温部が配置された該凹部に該側部が挿入され該頂部が該測温部を覆った状態で接着剤によって該凹部に固着されるハウジングと、を備え、前記側部は、前記凹部に挿入される側から前記頂部に向かって幅方向内側に傾く側部傾斜部を有するウエハ型温度センサである。

このようなウエハ型温度センサにおいて、前記凹部は、口元に対して穴底の幅が大きいことが好ましい。

そして前記側部は、前記凹部に挿入される先端部の幅が、前記凹部の口元の幅よりも小さいことが好ましい。

また、前記ウエハの表面に設けられ前記ケーブルが配置される第二凹部と、前記第二凹部に挿入可能な第二側部、及び該第二側部に接続された第二頂部を有し、前記ケーブルが配置された該第二凹部に該第二側部が挿入され該第二頂部が該ケーブルを覆った状態で接着剤によって該第二凹部に固着される第二ハウジングと、を備えることが好ましい。

そして、前記ケーブルに対して前記測温部とは逆側に設けられ、該ケーブルに接続される導体と、該導体を間に挟む一対の絶縁性フィルムとを有するフラットケーブルを備えることが好ましい。

本発明のウエハ型温度センサによれば、凹部に固定されるハウジングによって測温部をより安定的に固定することができ、ウエハからの測温部の外れを防止することができる。

本発明に従うウエハ型温度センサの一実施形態を示した図である。 測温部を配置した凹部（第一凹部）に固着されるハウジング（第一ハウジング）を示した図であって、（ａ）は図１のＡ−Ａに沿う断面図であり、（ｂ）は図１のＢ−Ｂに沿う断面図である。 ケーブルを配置した第二凹部に固着される第二ハウジングを示した図であって、（ａ）は図１のＣ−Ｃに沿う断面図であり、（ｂ）は図１のＤ−Ｄに沿う断面図である。

以下、添付した図面を参照しながら本発明に従うウエハ型温度センサの一実施形態を説明する。なお本明細書等では、下記に説明するウエハ１の表面（図２（ａ）におけるウエハ１の上面）が位置する側を上方とし、ウエハ１の裏面（図２（ａ）におけるウエハ１の下面）が位置する側を下方として説明する。

本実施形態のウエハ型温度センサ１００は、ウエハ１と、温度センサ２と、ハウジング（第一ハウジング）３と、第二ハウジング４と、接着剤５と、フラットケーブル６と、コネクタ７とを備えている。

ウエハ１は、円形薄板状をなすものであって、本実施形態ではシリコンを素材とする円柱状のインゴットを薄くスライスして形成されたシリコンウエハを使用している。なおウエハ１は、シリコンウエハに限定されるものではなく、シリコンカーバイドウエハやサファイアウエハ、化合物半導体ウエハなど、素材の種類を問わず適用可能である。

ウエハ１の表面には、温度測定を行う場所（或いはその近傍）に、表面から裏面に向かって凹む凹部（第一凹部）１０が設けられている。第一凹部１０の深さは、例えばウエハ１の板厚の０.２〜０.８倍程度に設定されるが、第一凹部１０におけるウエハ１の強度や第一凹部１０に収容される温度センサ２の厚み等に応じて適宜変更される。本実施形態の第一凹部１０は、図１の部分拡大図に示すように平面視において細長の矩形状となるものである。また第一凹部１０は、いわゆるアリ溝と称される形状で形作られている。具体的に説明すると、第一凹部１０の口元において長手方向に延在して互いに対向する１組の上縁部１１の幅Ｗ１は、図２（ａ）に示すように、上縁部１１と同じ向きに延在する穴底の下縁部１２の幅Ｗ２よりも小さくなっていて、第一凹部１０における上縁部１１と下縁部１２が位置する側の側部は、上縁部１１から下縁部１２に向かって幅方向外側に傾くように傾斜している。以下の説明においては、この傾斜する側部を凹部傾斜側部１３と称する。なお、第一凹部１０の口元において短手方向に延在して互いに対向する１組の上縁部１４の幅は、図２（ｂ）に示すように、上縁部１４と同じ側に延在する穴底の下縁部１５の幅と略同じである。

またウエハ１の表面には、上記の第一凹部１０とは別に、表面から裏面に向かって凹む第二凹部１６が設けられている。図１に示すように本実施形態では、第一凹部１０と同数の第二凹部１６が、ウエハ１の外縁部に近い場所に一列に並ぶように設けられている。第二凹部１６の深さは、第一凹部１０と同程度である。また第二凹部１６は、図１の部分拡大図に示すように、平面視において矩形状をなすものである。第二凹部１６も、図３（ａ）に示すようにいわゆるアリ溝と称される形態をなすものであって、口元における対向する１組の上縁部１７の幅Ｗ３は、上縁部１７と同じ向きに延在する穴底の下縁部１８の幅Ｗ４よりも小さくなっている。また上縁部１７と下縁部１８との間には、上縁部１７から下縁部１８に向かって幅方向外側に傾くように傾斜する第二凹部傾斜側部１９が設けられている。そして第二凹部１６の口元において、上縁部１７と直交する側の上縁部２０の幅は、上縁部２０と同じ側に延在する穴底の下縁部２１の幅と略同じである。

温度センサ２は、図１の部分拡大図に示すように、第一凹部１０に配置されて第一凹部１０における温度を測定する測温部２２と、測温部２２に接続されるケーブル２３とを備えている。本実施形態の温度センサ２は測温抵抗体であって、測温部２２として抵抗体素子を使用している。またケーブル２３は、例えば金属のような導電性を有する素線を絶縁材で被覆したものである。そしてケーブル２３の先端から素線を露出させ、これを抵抗体素子に電気的に接続する（例えば半田付けなど）ことによって温度センサ２として機能させている。なお抵抗体素子と素線との結線方式は、２線式、３線式、４線式等があるが、本実施形態の温度センサ２では３線式を採用している。またケーブル２３は、一つの絶縁材で複数の素線を被覆するものでもよいが、本実施形態では一つの絶縁材で一つの素線を被覆していて、１つの温度センサ２について３本のケーブル２３を持たせている。なお温度センサ２は、測温抵抗体に限られず、例えば熱電対であってもよい。

第一ハウジング３は、平面視で矩形状をなすものであって、図２（ａ）に示すように、第一凹部１０に挿入可能であって、第一凹部１０の上縁部１１が設けられた側に位置する一対の側部２４と、側部２４同士を上端部で連結した頂部２５とを備えていて、横断面形状は下方を開放した「コ」字状になるものである。側部２４は、それらの内側に測温部２２が収まる程度の間隔をあけて頂部２５に連結している。なお、図２（ｂ）に示すように第一ハウジング３における第一凹部１０の上縁部１４が設けられた側は、側部２４に相当するものは設けられておらず、開放されている。

第一ハウジング３の側部２４は、図２（ａ）に示すように、第一凹部１０に挿入される側から頂部２５に向かって幅方向内側に傾く側部傾斜部２６を備えている。本実施形態の側部傾斜部２６は、第一凹部１０に挿入される先端部２７（側部２４の下端部）を起点として頂部２５に向かって傾斜しているが、先端部２７から上方に向けて垂直に延在し、そこから頂部２５に向かって傾斜するように構成してもよい。また、先端部２７における一方の側部２４から他方の側部２４までの幅Ｗ５は、第一凹部１０の口元における上縁部１１の幅Ｗ１よりも小さくなっている。そして、側部２４と頂部２５との連結部において、側部傾斜部２６の上端部の幅方向外側には、水平方向に延在する段部２８が設けられている。なお図２（ａ）に示すように、一方の段部２８における幅方向外側端部から他方の段部２８における幅方向外側端部までの幅Ｗ６は、上縁部１１の幅Ｗ１よりも大きくなっている。

第二ハウジング４は、第一ハウジング３と似た形状になるものであって、平面視で矩形状をなし、第二凹部１６に挿入されるように形成されている。第二ハウジング４は、図３（ａ）に示すように、第二凹部１６の上縁部１７が設けられた側に位置する一対の第二側部２９と、第二側部２９同士を上端部で連結した第二頂部３０とを備えていて、横断面形状は下方を開放した「コ」字状になるものである。第二側部２９は、それらの内側にケーブル２３が収まる程度の間隔をあけて第二頂部３０に連結している。第一ハウジング３と同様に、第二ハウジング４における第二凹部１６の上縁部２０が位置する側も、図３（ｂ）に示すように、第二側部２９に相当するものは設けられておらず、開放されている。

第二ハウジング４の第二側部２９にも、第一ハウジング３の側部２４と同様に、先端部３１から第二頂部３０に向かって幅方向内側に傾く側部傾斜部３２が設けられている（図３（ａ）参照）。側部傾斜部３２の上端部の幅方向外側には、水平方向に延在する段部３３が設けられている。なお図示したように、第二側部２９の先端部３１（第二側部２９の下端部）における一方の第二側部２９から他方の第二側部２９までの幅Ｗ７は、第二凹部１６の口元における上縁部１７の幅Ｗ３よりも小さくなっている。また一方の段部３３における幅方向外側端部から他方の段部３３における幅方向外側端部までの幅Ｗ８は、上縁部１７の幅Ｗ３よりも大きくなっている

このような第一ハウジング３、第二ハウジング４は、何れも同一の素材で形成してもよいし、互いに異なる素材で形成してもよいが、例えば金属等の耐熱性に優れるものが好ましい。本実施形態における第一ハウジング３と第二ハウジング４は、何れもセラミックで形成している。

接着剤５は、ウエハ１、温度センサ２、第一ハウジング３、第二ハウジング４を固着するものである。接着剤５の種類は特に限定されるものではなく、固化するまでの時間や第一ハウジング３等への固着性、ウエハ型温度センサ１００を使用する温度環境等を考慮して最適なものを選定すればよい。一例としては、耐熱性を有するセラミック系の接着剤５が使用される。なお接着剤５は、第一ハウジング３と第二ハウジング４に対して同一のものを使用することが好ましいが、互いに異なるものを使用してもよい。

図１に示したフラットケーブル６は、いわゆるＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）やＦＦＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｆｌａｔ Ｃａｂｌｅ）と称されるものであって、厚みの薄い導体を一対の絶縁性フィルムで挟んだものである。本実施形態のフラットケーブル６は、ケーブル２３に対して測温部２２とは逆側で電気的に接続される導体と、導体を間に挟む一対の絶縁性フィルムで構成されている。ケーブル２３とフラットケーブル６の導体とを電気的に接続するにあたっては、例えばフラットケーブル６の導体に対してケーブル２３の素線を半田付けしてもよいし、フラットケーブル６の端部を挿入することによって導体と電気的に接続されるフラットケーブル用コネクタをケーブル２３に取り付けてもよい。

コネクタ７は、フラットケーブル６におけるケーブル２３が取り付けられた側の逆側に設けられている。コネクタ７は、温度センサ２に対応する各種計測器に接続される。

このような部材によって構成されるウエハ型温度センサ１００は、例えば下記のようにして製造される。

まず、上記のような形態になるウエハ１、温度センサ２、第一ハウジング３、第二ハウジング４、接着剤５、フラットケーブル６を準備する。ここで、ウエハ１には第一凹部１０と第二凹部１６を形成しておき、温度センサ２は測温部２２とケーブル２３を電気的に接続しておき、フラットケーブル６にはコネクタ７を接続しておく。

そして、第一凹部１０に測温部２２を収容し、測温部２２の周囲に接着剤５を塗布し、更に第一ハウジング３をその上に被せる。また第二凹部１６には、ウエハ１の表面を所定の経路で這わせたケーブル２３を収容し、ケーブル２３の周囲に接着剤５を塗布し、更に第二ハウジング４をその上に被せる。なお、第一ハウジング３や第二ハウジング４をウエハ１に向けて押し込んだとしても、図２（ａ）、図３（ａ）に示すように、段部２８や段部３３がウエハ１の上面に当接して更なる押し込みが防止されるため、第一ハウジング３や第二ハウジング４が測温部２２やケーブル２３を強く押し込んでこれらを故障させることはない。

その後は、接着剤５に応じた時間や温度に従って接着剤５を固化させることによって、測温部２２と第一ハウジング３、及びケーブル２３と第二ハウジング４をウエハ１に固定する。なお接着剤５の塗布は、第一ハウジング３や第二ハウジング４を被せた後に行ってもよい。また図示した例で接着剤５は、第一凹部１０や第二凹部１６の内側が全て満たされるように塗布されているが、第一ハウジング３や第二ハウジング４の周辺のみに塗布するようにしてもよい。また接着剤５は、第一凹部１０や第二凹部１６から盛り上がるようにして塗布してもよいし、第一ハウジング３や第二ハウジング４の周辺から若干はみ出すように塗布してもよい。

このような形態になるウエハ型温度センサ１００によれば、第一ハウジング３が測温部２２に被さるように設けられているため、測温部２２を固定している接着剤５がウエハ１から剥がれにくくなる。このため、接着剤のみで測温部を固定していた従来のものに比して、測温部２２を安定的に固定することができるため、ウエハ１からの測温部２２の外れを防止することができる。

また第一凹部１０は、口元における上縁部１１の幅Ｗ１が穴底の下縁部１２の幅Ｗ２よりも小さくなっているため、第一凹部１０に塗布された接着剤５は第一凹部１０から抜け出しにくくなる。すなわち、第一凹部１０に収容した測温部２２や第一ハウジング３が外れ難くなるため、ウエハ１対して測温部２２をより安定的に固定することができる。

そして、第一凹部１０の側部２４には側部傾斜部２６が設けられているため、接着剤５は、図２（ａ）に示したように側部傾斜部２６に被さるようにして設けられることになる。このため、第一ハウジング３が外れ難くなるため、ウエハ１対して測温部２２を固定する効果がより確実に得られる。

また、図２（ａ）に示したように、一方の側部２４から他方の側部２４までの最大幅Ｗ５は、第一凹部１０の口元における上縁部１１の幅Ｗ１よりも小さいため、第一ハウジング３を第一凹部１０に挿入する際、第一ハウジング３を撓ませることがない。このため、第一ハウジング３を取り付ける際に、第一ハウジング３や第一凹部１０を傷つけたり、第一ハウジング３が割れたりする不具合を防止することができる。なお、例えば第一ハウジング３が撓みやすい素材で形成されているなどのように、このような不具合が生じにくい場合は、一方の側部２４から他方の側部２４までの最大幅Ｗ５を、第一凹部１０の口元における上縁部１１の幅Ｗ１よりも若干大きくして、第一ハウジング３が第一凹部１０から外れ難くなるようにしてもよい。

また本実施形態のウエハ型温度センサ１００は、第二凹部１６にケーブル２３を収容して第二ハウジング４でこれを固定しているため、ケーブル２３が引っ張られたり捩られたりしても、測温部２２には負荷がかかりにくくなっている。このため、このような場合でも測温部２２の外れを防止できるとともに、測温部２２とケーブル２３との接続部における断線を防止することができる。

また第二凹部１６や第二ハウジング４も、第一凹部１０や第一ハウジング３の如き形態で形作られているため、上述した第一凹部１０や第一ハウジング３と同様の効果を得ることができる。従ってウエハ１に対してケーブル２３を、より安定的に且つ確実に固定することができる。

なお、特許文献１のウエハ型温度センサでは、測温部に接続されるケーブルに対し、これとは別のケーブルを巻付けるなどしてこれをウエハに固定しているが、巻付け具合によって固定される状態が変わってしまうことになる。またケーブルが十分に固定できていない場合は、測温部に負荷がかかることになる。また別のケーブルを巻付ける作業も手間を要している。一方、本実施形態のように第二ハウジング４によってケーブル２３を固定する場合は、作業にばらつきが生じにくくて安定した品質が確保されるうえ、簡単に取り付けることができるため、従来のものに比して作業工数の削減にも寄与する。

ウエハ型温度センサ１００は、例えば高温チャンバや真空チャンバ内の温度分布を計測する際に使用され、これらの装置には、装置内部から熱が漏れることや装置外部から外気が侵入するのを防ぐためのシール部（パッキン等）が設けられている。本実施形態のウエハ型温度センサ１００は、フラットケーブル６を備えていて、シール部でフラットケーブル６を挟むことができるため、これらの装置からの熱の漏れ出しや外気の侵入を防止しつつ、温度センサ２からの信号を外部の計測器に接続することができる。なお、装置に僅かな隙間が設けられている場合は、この隙間から外部に向けてフラットケーブル６を引き出すようにしてもよい。

以上、本発明に従うウエハ型温度センサについて具体的な実施形態を示しながら説明したが、本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に従う範疇で種々の変更を加えたものも含まれる。例えば平面視における第一凹部１０の長さ（対向する上縁部１４同士の距離）は、本実施形態では第一ハウジング３に対して十分に長くなっていたが、第一ハウジング３と同程度であってもよい。また第一凹部１０は、口元の上縁部１１と穴底の下縁部１２との間にアリ溝と称される形状が設けられるものであって、上縁部１４と下縁部１５との間にはこれが設けられていなかったが、上縁部１４と下縁部１５との間でもアリ溝が形成されるようにしてもよい。また図示しないその他の部材（例えばケーブル２３を束ねる金具など）をウエハ１に固定する必要がある場合は、上記の第一凹部１０（第二凹部１６）と第一ハウジング３（第二ハウジング４）を利用してこれを固定してもよい。

１：ウエハ
２：温度センサ
３：第一ハウジング（ハウジング）
４：第二ハウジング
５：接着剤
６：フラットケーブル
７：コネクタ
１０：第一凹部（凹部）
１６：第二凹部
２２：測温部
２３：ケーブル
２４：側部
２５：頂部
１００：ウエハ型温度センサ

Claims (5)

1. 表面に凹部を有するウエハと、
   前記凹部に配置される測温部、及び該測温部に接続されるケーブルを有する温度センサと、
   前記凹部に挿入可能な一対の側部、及び該側部同士を連結する頂部を有し、前記測温部が配置された該凹部に該側部が挿入されて該測温部を該頂部で覆った状態で接着剤によって該凹部に固着されるハウジングと、を備え、
   前記側部は、前記凹部に挿入される側から前記頂部に向かって幅方向内側に傾く側部傾斜部を有するウエハ型温度センサ。
2. 前記凹部は、穴底に対して口元の幅が小さい請求項１に記載のウエハ型温度センサ。
3. 一方の前記側部から他方の前記側部までの最大幅は、前記凹部の口元の幅よりも小さい請求項１又は２に記載のウエハ型温度センサ。
4. 前記ウエハの表面に設けられ前記ケーブルが配置される第二凹部と、
   前記第二凹部に挿入可能な一対の第二側部、及び該第二側部同士を連結する第二頂部を有し、前記ケーブルが配置された該第二凹部に該第二側部が挿入され該第二頂部が該ケーブルを覆った状態で接着剤によって該第二凹部に固着される第二ハウジングと、を備える請求項１〜３の何れか一項に記載のウエハ型温度センサ。
5. 前記ケーブルに対して前記測温部とは逆側で接続される導体、及び該導体を間に挟む一対の絶縁性フィルムを有するフラットケーブルを備える請求項１〜４の何れか一項に記載のウエハ型温度センサ。

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