JP7240971B2

JP7240971B2 - アンテナ装置及び温度検出方法

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Publication number: JP7240971B2
Application number: JP2019119616A
Authority: JP
Inventors: 同呉; 朋秀南
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2019-06-27
Filing date: 2019-06-27
Publication date: 2023-03-16
Anticipated expiration: 2039-06-27
Also published as: US11460355B2; US20200408612A1; CN112151941A; JP2021005827A

Description

本開示の例示的実施形態は、アンテナ装置及び温度検出方法に関する。

コンパクトなサイズのアンテナ（タグアンテナ）が種々開発されている。このようなアンテナに係る技術は、例えば、特許文献１に開示されている。このアンテナは、誘電体と金属層と放射素子層と非接触給電素子とを備える。金属層は、誘電体層の一方の面に設けられる。放射素子層は、誘電体層の他方の面に設けられる。放射素子層は、スリット部を有する。スリット部は、放射素子層の中央部に設けられる。非接触給電素子は、スリット部の上部に設けられる。

特開２０１６－１４６５５８号公報

静電チャック上に載置されたウエハの温度を検出する場合、温度の検出はウエハに設けられた温度検出器を用いて行われ、検出結果はウエハに設けられたアンテナを介して外部の受信装置に無線で送られ場合があり得る。本開示は、ウエハに設けたアンテナを用いてウエハの温度の検出結果を好適に送信し得る技術を提供する。

一つの例示的実施形態において、アンテナ装置が提供される。アンテナ装置は、第１金属層と、第１金属層上に設けられた第１誘電体層と、第１誘電体層上に設けられた第２金属層と、第２金属層上に設けられた第２誘電体層とを備える。アンテナ装置は、更に、第２誘電体層上に設けられた第１金属端子及び第２金属端子と、第２誘電体層上に設けられた温度検出器とを備える。第１金属端子と第２金属端子とは、互いに離隔して配置される。温度検出器の一対の入出力端子の各々は、第１金属端子及び第２金属端子の各々に電気的に接続される。第２金属層は、第１誘電体層上に配置された第１部分と第２部分とを有する。第１部分と第２部分とは、互いに離隔して配置される。第１金属端子は、第１部分の上方に配置される。第２金属端子は、第２部分の上方に配置される。第１誘電体層は、FR-4樹脂よりも、高い熱伝導率と高い耐熱性とを有する。

本開示によれば、ウエハに設けたアンテナを用いてウエハの温度の検出結果を好適に送信し得る技術を提供できる。

一つの例示的実施形態に係るアンテナ装置の外観を例示する図である。図１に示すアンテナ装置の断面の構成を例示する図である。図１に示すアンテナ装置の表面上の構成を例示する図である。図１に示すアンテナ装置の断面の他の構成を例示する図である。一つの例示的実施形態に係る温度検出方法を示すフローチャートである。図１に示すアンテナ装置がウエハに設けられている状態の断面を例示する図である。図１に示すアンテナ装置の効果を説明するための図である。

以下、種々の例示的実施形態について説明する。一つの例示的実施形態において、アンテナ装置が提供される。アンテナ装置は、第１金属層と、第１金属層上に設けられた第１誘電体層と、第１誘電体層上に設けられた第２金属層と、第２金属層上に設けられた第２誘電体層とを備える。アンテナ装置は、更に、第２誘電体層上に設けられた第１金属端子及び第２金属端子と、第２誘電体層上に設けられた温度検出器とを備える。第１金属端子と第２金属端子とは、互いに離隔して配置される。温度検出器の一対の入出力端子の各々は、第１金属端子及び第２金属端子の各々に電気的に接続される。第２金属層は、第１誘電体層上に配置された第１部分と第２部分とを有する。第１部分と第２部分とは、互いに離隔して配置される。第１金属端子は、第１部分の上方に配置される。第２金属端子は、第２部分の上方に配置される。第１誘電体層は、FR-4樹脂よりも、高い熱伝導率と高い耐熱性とを有する。従って、アンテナ装置は熱伝導率及び耐熱性が比較的に優れているので、アンテナ装置は比較的に高い温度環境下においても、良好に動作し得る。更に、アンテナ装置が例えば金属板等の金属部材の上方に載置されて用いられる態様であっても、第１金属層を金属部材に向けてアンテナ装置を配置することによって、アンテナ装置が金属部材から受け得る影響を低減し得る。

一つの例示的実施形態において、第１誘電体層の材料は、窒化アルミニウムを有する。従って、アンテナ装置は熱伝導率及び耐熱性が比較的に優れた窒化アルミニウムを有しているので、アンテナ装置は比較的に高い温度環境下においても、良好に動作し得る。更に、アンテナ装置が例えば金属板等の金属部材の上方に載置されて用いられる態様であっても、第１金属層を金属部材に向けてアンテナ装置を配置することによって、アンテナ装置が金属部材から受け得る影響を低減し得る。

一つの例示的実施形態において、第１誘電体層は、第１金属層上に設けられた第１層と、第１層上に設けられた第２層と、第２層上に設けられた第３層とを有する。第２金属層は、第３層上に設けられる。第１層及び第３層の材料は、何れも、SiO₂を含有するガラスである。第２層の材料は、シリコンである。従って、アンテナ装置は、熱伝導率及び耐熱性が比較的に優れた三層構造（SiO₂を含有するガラス／シリコン／SiO₂を含有するガラス）を有しているので、比較的に高い温度環境下においても、良好に動作し得る。更に、アンテナ装置が例えば金属板等の金属部材の上方に載置されて用いられる態様であっても、第１金属層を金属部材に向けてアンテナ装置を配置することによって、アンテナ装置が金属部材から受け得る影響を低減し得る。

一つの例示的実施形態において、第１層及び前記第３層の材料は、石英である。このように、第１層及び第３層の材料であるSiO₂を含有するガラスとしては、石英が用いられ得る。

一つの例示的実施形態に係るアンテナ装置において、温度検出器は、弾性表面波を用いた無給電の温度センサであり得る。このように温度検出器は、無給電の温度センサなので、給電が困難な密閉空間内（例えばプラズマ処理装置内）の任意の場所においてアンテナ装置の利用が可能となる。

一つの例示的実施形態に係るアンテナ装置において、第１金属端子及び第２金属端子は、第２誘電体層の表面の中央又は縁端に配置され得る。

一つの例示的実施形態において、温度検出方法が提供される。温度検出方法は、静電チャック上のウエハの温度を検出する方法である。温度検出方法は、温度検出器を有するアンテナ装置が設けられたウエハを、静電チャック上に載置する。温度検出方法は、この後更に、外部アンテナからアンテナ装置に送られる第１信号を温度検出器が受け、温度検出器が第１信号に応じて第２信号を出力し、アンテナ装置が第２信号を外部アンテナに送る。第１信号は、温度をを検出するため温度検出器を励振する信号である。第２信号は、温度検出器によって検出された温度を示す信号である。アンテナ装置は、第１金属層と、第１金属層上に設けられた第１誘電体層と、第１誘電体層上に設けられた第２金属層と、第２金属層上に設けられた第２誘電体層とを備える。アンテナ装置は、更に、第２誘電体層上に設けられた第１金属端子及び第２金属端子と、第２誘電体層上に設けられた温度検出器とを備える。第１金属端子と第２金属端子とは、互いに離隔して配置される。温度検出器の一対の入出力端子の各々は、第１金属端子及び第２金属端子の各々に電気的に接続される。第２金属層は、第１誘電体層上に配置された第１部分と第２部分とを有する。第１部分と第２部分とは、互いに離隔して配置される。第１金属端子は、第１部分の上方に配置される。第２金属端子は、第２部分の上方に配置される。第１誘電体層は、FR-4樹脂よりも、高い熱伝導率と高い耐熱性とを有する。従って、アンテナ装置は熱伝導率及び耐熱性が比較的に優れているので、アンテナ装置はプラズマ処理時等の比較的に高い温度環境下においても、良好に動作し得る。更に、アンテナ装置が例えば金属板等の金属部材（静電チャック等）の上方に載置されて用いられる態様であっても、第１金属層を金属部材に向けてアンテナ装置を配置することによって、アンテナ装置が金属部材から受け得る影響を低減し得る。従って、プラズマ処理装置等の静電チャックに載置されプラズマ処理されるウエハ上にアンテナ装置を載置することによって、アンテナ装置は、比較的に高い温度環境下にある処理中のウエハの温度の検出にも、好適に利用され得る。

一つの例示的実施形態に係る温度検出方法において、温度検出器６は、弾性表面波を用いた無給電の温度センサであり得る。このように温度検出器は、無給電の温度センサなので、給電が困難な密閉空間内（例えばプラズマ処理装置内）の任意の場所においてアンテナ装置の利用が可能となる。

以下、図面を参照して種々の例示的実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。

図１、図２及び図３を参照して、一つの例示的実施形態に係るアンテナ装置１０の構成を説明する。図２には、図１に示すＡ－Ａ線に沿ったアンテナ装置１０の断面が示されている。アンテナ装置１０は、第１金属層１、第１誘電体層２、第２金属層３、第２誘電体層４、一対の金属端子（第１金属端子５ａ、第２金属端子５ｂ）、温度検出器６を有する。第１金属層１、第１誘電体層２、第２金属層３、第２誘電体層４は、この順に積層される。

第１金属層１は、アンテナ装置１０の裏面ＲＳ１を有する。第１誘電体層２は、第１金属層１上に設けられ、第１金属層１に接する。第２金属層３は、第１誘電体層２上に設けられ、第１誘電体層２に接する。第２誘電体層４は、第２金属層３上に設けられ、第２金属層３に接する。第２誘電体層４は、アンテナ装置１０の主面ＰＳ１を有する。

第１誘電体層２は、FR-4（Flame Retardant Type 4）樹脂よりも、高い熱伝導率と高い耐熱性とを有し得る。第１誘電体層２は、シリコン（Si）と同程度の熱伝導率を有し得る。例えば、第１誘電体層２の材料は、窒化アルミニウム（AlN）であり得る。

また、第１誘電体層２は、窒化アルミニウムに代えて、図４に示す三層構造を有し得る。図４に示す第１誘電体層２は、第１層２ａ、第２層２ｂ、第３層２ｃを有する。第３層２ｃは、第１層２ａと第２層２ｂとの間に設けられる。第１層２ａ、第２層２ｂ、第３層２ｃは、この順に積層される。

第１層２ａは、第１金属層１上に設けられ、第１金属層１に接する。第２層２ｂは、第１層２ａ上に設けられ、第１層２ａに接する。第３層２ｃは、第２層２ｂ上に設けられ、第２層２ｂに接する。第２金属層３は、第３層２ｃ上に設けられ、第３層２ｃに接する。

第１層２ａ及び第３層２ｃの材料は、何れも、SiO₂を含有するガラスであり、好ましくは石英であり得る。第２層２ｂの材料は、シリコン（Si）であり得る。

アンテナ装置１０の寸法について、主面ＰＳ１は、例えば10～30 mm×30～60 mmの程度の矩形形状であり得る。第１誘電体層２の材料が窒化アルミニウムの場合、第１誘電体層２の厚みは、例えば0.60～0.80 mmの程度であり得る。第１誘電体層２が図４に示すような三層構造の場合、第１層２ａ及び第３層２ｃの各々の厚みは例えば0.10～0.25 mmの程度であり、第２層２ｂの厚みは例えば0.20～0.60 mmの程度であり得る。第２誘電体層４の厚みは、例えば0.5～0.7 mmの程度であり得る。

図１～図３に戻って説明する。第２金属層３は、第１誘電体層２上に配置された第１部分３ａと第２部分３ｂとを有する。第１部分３ａと第２部分３ｂとは、第１誘電体層２と第２誘電体層４との間に配置される。第１部分３ａと第２部分３ｂとは、互いに離隔して配置される。第１部分３ａと第２部分３ｂとの間の空隙は、スリットＳＬを画定する。

第１金属端子５ａ及び第２金属端子５ｂは、第２誘電体層４上に設けられ（第２誘電体層４の主面ＰＳ１に設けられ）、第２誘電体層４に接する。第１金属端子５ａと第２金属端子５ｂとは、互いに離隔して配置される。第１金属端子５ａと第２金属端子５ｂとの間の空隙は、スリットＳＬの上方に画定される。第１金属端子５ａは、第１部分３ａの上方に配置される。第２金属端子５ｂは、第２部分３ｂの上方に配置される。

第１金属端子５ａ及び第２金属端子５ｂは、図３に示すように、第２誘電体層４の主面ＰＳ１の中央ＣＡ又は縁端ＥＡに配置され得る。

温度検出器６は、第２誘電体層４上に設けられ（第２誘電体層４の主面ＰＳ１に設けられ）、第２誘電体層４に接する。温度検出器６の一対の入出力端子（入出力端子６ａ、入出力端子６ｂ）の各々は、第１金属端子５ａ及び第２金属端子５ｂの各々に電気的に接続される。入出力端子６ａと第１金属端子５ａ、及び、入出力端子６ｂと第２金属端子５ｂは、共に、例えばワイヤボンディング等によって電気的に接続され得る。

温度検出器６は、弾性表面波を用いた無給電の温度センサである。温度検出器６は、信号処理回路を有さない。

温度検出器６は、より具体的に、SAW（Surface Acoustic Wave）センサであり得る。SAWセンサの温度検出器６は、圧電基板と、この圧電基板上に設けられた櫛歯電極（InterdigitalTransducer：IDT）及び反射器（Reflector）とを有する（図示略）。櫛歯電極は、入出力端子６ａ及び入出力端子６ｂに電気的に接続され、反射回路と離隔して配置される。櫛歯電極と反射器とは、櫛歯電極と反射回路との間において圧電基板の表面にSAWが伝搬されるように、配置される。SAWセンサの温度検出器６は、バッテリーが不要なので、バッテリーの動作温度範囲に限定されず、動作温度の範囲が比較的に広く、例えば-100～250 ℃程度であり得る。

図５を参照して、温度検出器６を有するアンテナ装置１０による温度検出方法を説明する。図５に示すフローチャートは、温度検出方法の一つの例示的実施形態に係る方法ＭＴを表している。方法ＭＴは、例えば、プラズマ処理装置等の処理空間内に配置されたウエハＷの温度の検出方法であり得る。

まず、図５に示す方法ＭＴにおいて、ウエハＷ（図６）が処理空間内の静電チャック（Electro Static Chuck：ESC）上に載置される（工程ＳＴ１）。この場合、ウエハＷには、温度検出器６を有するアンテナ装置１０が設けられる。ウエハＷの裏面ＲＳ２は、静電チャックに接触する。温度検出器６を有するアンテナ装置１０は、ウエハＷの主面ＰＳ２に設けられた凹部ＧＬ内に配置される。アンテナ装置１０の裏面ＲＳ１は凹部ＧＬの底面に接触する。温度検出器６は、外部の解析装置（コンピュータ）に接続され静電チャックの周囲に予め配置された外部アンテナＯＡとの間で、信号の送受信が行われる。

工程ＳＴ１に引き続く工程ＳＴ２において、温度検出器６は、外部アンテナＯＡからアンテナ装置１０に送られる第１信号ＳＧ１を、第２金属層３と、第１金属端子５ａ及び第２金属端子５ｂと介して、受ける（工程ＳＴ２）。第１信号ＳＧ１は、温度を検出するために温度検出器６を励振する信号である。

工程ＳＴ２に引き続く工程ＳＴ３において、温度検出器６は、第１信号ＳＧ１に応じて第２信号ＳＧ２を出力する。第２信号ＳＧ２は、温度検出器６によって検出された温度を示す信号である。温度検出器６がSAWセンサの場合、第２信号ＳＧ２は、第１信号ＳＧ１に応じて温度検出器６の圧電基板に生じるSAWによって、生成され得る。

工程ＳＴ３に引き続く工程ＳＴ４において、アンテナ装置１０は、第２信号ＳＧ２を外部アンテナＯＡに送る。

以上説明した構成のアンテナ装置１０は、温度検出器６を搭載する。アンテナ装置１０の第１誘電体層２の材料は窒化アルミニウムであり得る。又は、第１誘電体層２は、窒化アルミニウムに代えて、SiO₂を含有するガラスである第１層２ａ、シリコンの第２層２ｂ、SiO₂を含有するガラスである第３層２ｃが第１金属層１の上に順次積層された三層構成を有し得る。このように、第１誘電体層２は、FR-4樹脂よりも、高い熱伝導率と高い耐熱性とを有し、特に、シリコンと同程度の熱伝導率を有し得る。従って、アンテナ装置１０はFR-4樹脂が用いられたタグアンテナよりも熱伝導率及び耐熱性が優れた窒化アルミニウム又は三層構造（SiO₂を含有するガラス／シリコン／SiO₂を含有するガラス）有している。このため、アンテナ装置１０は（プラズマ処理時等の）比較的に高い温度環境下においても良好に動作し得る。更に、温度検出器６は無給電の温度センサなので、給電が困難な密閉空間内（例えばプラズマ処理装置内）の任意の場所においてアンテナ装置１０の利用が可能となる。

更に、アンテナ装置１０が例えば金属板等の金属部材（静電チャック等）の上方に載置されて用いられる態様であっても、第１金属層１を金属部材に向けてアンテナ装置１０を配置することによって、アンテナ装置１０が金属部材から受け得る影響を低減し得る。金属部材の有無による影響を図７に示す。図７において、横軸は周波数（Frequency）を表し、縦軸はVSWR（Voltage Standing Wave Ratio）を表す。線ＧＡ１は、金属部材が設けられていない態様で得られたアンテナ装置１０のVSWRの実測結果を表す。線ＧＢ１は、金属部材が設けられた態様で得られたアンテナ装置１０のVSWRの実測結果を表す。線ＧＡ２は、金属部材が設けられていない態様で得られたアンテナ装置１０のVSWRのシミュレーション（simulation）結果を表す。線ＧＢ２は、金属部材が設けられた態様で得られたアンテナ装置１０のVSWRのシミュレーション結果を表す。図７によれば、アンテナ装置１０のVSWRが金属部材から受け得る影響は、実測、シミュレーションの何れによっても、比較的に低いことがわかる。

アンテナ装置１０は、少なくとも上記した効果を奏し得る。従って、例えば、プラズマ処理装置等の静電チャックに載置されプラズマ処理されるウエハ上にアンテナ装置１０を載置することによって、アンテナ装置１０は、比較的に高い温度環境下にある処理中のウエハの温度の検出にも、好適に利用され得る。

以上、種々の例示的実施形態について説明してきたが、上述した例示的実施形態に限定されることなく、様々な省略、置換、及び変更がなされてもよい。また、異なる例示的実施形態における要素を組み合わせて他の例示的実施形態を形成することが可能である。

以上の説明から、本開示の種々の例示的実施形態は、説明の目的で本明細書で説明されており、本開示の範囲及び主旨から逸脱することなく種々の変更をなし得ることが、理解されるであろう。したがって、本明細書に開示した種々の例示的実施形態は限定することを意図しておらず、真の範囲と主旨は、添付の特許請求の範囲によって示される。

１…第１金属層、１０…アンテナ装置、２…第１誘電体層、２ａ…第１層、２ｂ…第２層、２ｃ…第３層、３…第２金属層、３ａ…第１部分、３ｂ…第２部分、４…第２誘電体層、５ａ…第１金属端子、５ｂ…第２金属端子、６…温度検出器、６ａ…入出力端子、６ｂ…入出力端子、ＣＡ…中央、ＯＡ…外部アンテナ、ＥＡ…縁端、ＧＡ１…線、ＧＡ２…線、ＧＢ１…線、ＧＢ２…線、ＧＬ…凹部、ＭＴ…方法、ＰＳ１…主面、ＰＳ２…主面、ＲＳ１…裏面、ＲＳ２…裏面、ＳＧ１…第１信号、ＳＧ２…第２信号、ＳＬ…スリット、Ｗ…ウエハ。

Claims

第１金属層と、
前記第１金属層上に配置された第１誘電体層と、
前記第１誘電体層上に配置された第２金属層であり、前記第２金属層は互いに離隔した第１部分及び第２部分を含む、該第２金属層と、
前記第２金属層上に配置された第２誘電体層と、
前記第２誘電体層上に互いに離隔して配置された第１金属端子及び第２金属端子であり、該第１金属端子及び該第２金属端子は、前記第１部分及び前記第２部分の上方にそれぞれ配置される、該第１金属端子及び該第２金属端子と、
前記第２誘電体層上に配置された温度検出器であり、該温度検出器は、該第１金属端子及び該第２金属端子の各々に電気的に接続された一対の入出力端子を有する、該温度検出器と、
を備え、
前記第１誘電体層は、FR-4樹脂よりも、高い熱伝導率と高い耐熱性とを有する、
アンテナ装置。
前記第１誘電体層は、窒化アルミニウムで構成される、
請求項１に記載のアンテナ装置。
前記第１誘電体層は、
前記第１金属層上に配置された第１層と、
前記第１層上に配置された第２層と、
前記第２層上に配置された第３層と、
を有し、
前記第１層及び前記第３層は、何れも、SiO₂含有ガラスで構成され、
前記第２層は、シリコンで構成される、
請求項１に記載のアンテナ装置。
前記第１層及び前記第３層は、石英で構成される、
請求項３に記載のアンテナ装置。
前記温度検出器は、弾性表面波により動作可能な無給電の温度センサで構成される、
請求項１～４の何れか一項に記載のアンテナ装置。
前記第１金属端子及び前記第２金属端子は、前記第２誘電体層の中央領域に配置される、
請求項１～４の何れか一項に記載のアンテナ装置。
前記第１金属端子及び前記第２金属端子は、前記第２誘電体層の表面のエッジ領域に配置される、
請求項１～４の何れか一項に記載のアンテナ装置。
請求項１～７の何れか一項に記載のアンテナ装置を備えたウエハの温度を検出する温度検出方法であって、
前記ウエハを、静電チャック上に配置する工程と、
外部アンテナからの第１信号を前記アンテナ装置を介して前記温度検出器で受信する工程であり、該第１信号は、温度を検出するため該温度検出器を励振する、該工程と、
前記第１信号に応じて前記温度検出器から第２信号を出力する工程であり、該第２信号は、該温度検出器によって検出された温度を示す、該工程と、
前記第２信号を前記アンテナ装置から前記外部アンテナに送る工程と、
を有する、
温度検出方法。
前記温度検出器は、弾性表面波により動作可能な無給電の温度センサで構成される、
請求項８に記載の温度検出方法。