JP7360458B2 - 温調ユニット - Google Patents

Description

本発明は、温調対象物の温度を測定するための測温抵抗体を備える温調ユニットに適用される。

近年、半導体製造プロセスでの基板の微細加工には、ドライエッチングなどの真空又は減圧下で行われる乾式法が多く採用されている。プラズマを利用したドライエッチングの場合、基板にはプラズマからの入熱がある。基板の温度はエッチングレートに影響するため、その温度分布にむらがあるとエッチングの深さにばらつきが生じる。そのため、基板は面内で温度が均一になるよう調節される必要があり、正確な温度制御のためには基板温度の正確な把握が必要である。

特許文献１には、複数の冷媒溝が形成された基材と、基材上に形成された高抵抗層と、高抵抗層内に導電体を溶射することによって形成された複数のヒータと、高抵抗層内に導電体を溶射することによって形成された複数の静電吸着用電極を備える静電吸着装置が記載されている。この静電吸着装置では、基材にくぼみを設け、このくぼみに、温度情報を得るシース熱電対を固定冶具によって固定している。特許文献１には、シース熱電対をばねにより一定の押し付け加重で接触させているので、測定結果の信頼性は高いと記載されている。

特許文献２には、被処理基板を固定及び温度制御する基板載置装置の評価装置であって、気密チャンバと、発熱する抵抗加熱体を備えた評価用基板と、評価用基板の温度を測定する温度測定手段とを備える基板載置装置の評価装置が記載されている。抵抗加熱体には、複数の熱電対素子の温度測定子が取り付けられている。また、抵抗加熱体に埋め込まれた温度測定子を取り除いた開口から基材を露出させ、抵抗加熱体の開口部から放射される赤外光を気密チャンバ内、又は気密チャンバ外に設置した放射温度計で測定することも記載されている。

特開２００７－０８８４１１号公報 特開２０１１－１５５１４０号公報

特許文献１のように基材のくぼみにシース熱電対を設ける場合、及び特許文献２のように発熱する抵抗加熱体に複数の熱電対素子を取り付ける場合のいずれも、熱電対が配置された箇所が熱的に特異点となり、基板本来の温度と差異が生じるため、基板全体の平均温度を正確に測定することが困難である。さらに、これら熱電対は基材の背面側から設けられた穴を通して配置されることが多く、基板と距離が離れてしまい、測定温度と実際の基板温度との差異が大きい。また、気密チャンバ内、又は気密チャンバ外に設置した放射温度計により赤外光を検知し、基板温度を測定する方法では、プラズマ発光部材やハロゲンヒーターなどの他の熱源が存在する場合、これらの熱源が赤外光による温度測定の妨げとなり、基板の正確な温度を測定するのは困難である。なお、このような課題は半導体製造プロセス分野に限らず、他分野においても、熱電対を用いる場合や他の熱源が存在する場合に同様の課題が存在する。

本発明は従来技術の問題点に鑑み、温調面内の平均温度を正確に測定することができる温調ユニットを提供することを目的とする。

本発明の温調ユニットは、温調ユニット本体と、前記温調ユニット本体の内部に設けられ、温調対象物が位置する側の当該本体の表面温度を昇降温させる温度調節部と、前記温調ユニット本体の内部で、温調対象物が位置する側の面内の一定範囲に渡って形成されかつ、前記温度調節部よりも温調対象物に近い側に設けられた溶射皮膜からなる薄膜測温抵抗部と、を備えるものである。

本発明の温調ユニットによれば、測温抵抗部が温度調節部よりも温調対象物に近い側に設けられているので、測定温度と温調対象物の実際の温度との差異が殆ど生じない。また、測温抵抗部が溶射皮膜で形成されるので、測温抵抗部を薄く形成することができ、温調対象物と温度調節部との距離を短くすることができる。さらに、測温抵抗部が、温調ユニット本体の温調対象物が位置する側の面内の一定範囲に渡って形成されているため、熱電対を用いたときのような熱的な特異点が存在せず、温調面内の平均温度を正確に測定できる。さらに、得られた温度情報をフィードバックすれば、温調対象物の温度をより高い精度で制御できる。

前記薄膜測温抵抗部は、同一面上で折り返し部を有する帯状のパターンで形成してもよい。折り返し部の数は単数でもよいが、複数であることが好ましい。これにより、測温面を広範囲にわたって形成することができる。

前記薄膜測温抵抗部は、Ａｌを含む金属又は合金からなるものであることが好ましい。この場合、他の金属や合金と比べて、長時間使用したときの抵抗値の経時変化が少なく、測定の信頼性が高い。

前記温度調節部は、同一面上で折り返し部を有する帯状のパターンで形成された溶射皮膜としてもよい。折り返し部の数は単数でもよいが、複数であることが好ましい。これにより、温調面を広範囲にわたって形成することができる。また、温度調節部を薄膜で形成することができるので、温調ユニット全体の厚みを小さくすることが可能になる。

前記温度調節部が複数の構成部からなる場合は、当該複数の構成部のそれぞれの一部が、給電端子と接続される給電端子部を構成してもよく、前記薄膜測温抵抗部が複数の構成部からなる場合は、当該複数の構成部のそれぞれの一部が、抵抗値測定端子と接続される抵抗値測定端子部を構成してもよい。これにより、必要な範囲を温調制御及び温度測定することが可能となり、設計のバリエーションが増える。この場合、前記温度調節部の各構成部と、前記薄膜測温抵抗部の各構成部とは、当該温調ユニットの厚み方向においてそれぞれ対応するように配置されていることが好ましい。これにより、温調面を複数の領域に分割するとともに、当該領域ごとに測温することが可能になり、各領域を個別にかつ精密に温度制御することが可能となる。

前記温調ユニットは、例えば、前記温調ユニット本体を、基材部とこの基材部の表面に形成された絶縁層とを有するものとし、前記薄膜測温抵抗部を当該絶縁層内に設けてもよい。これにより、基材部に導電性の材質を用いることが可能になり、設計のバリエーションが増える。また、温調面に対し、絶縁性を付与し、あるいはさらに表面保護機能を付与することができる。

本発明によれば、測定温度と温調対象物の実際の温度との差異が殆ど生じない。また、熱電対を用いたときのような熱的な特異点が存在しないため、温調面内の平均温度を正確に測定できる。さらに、測温抵抗部から得られた正確な温度情報をフィードバックすれば、温調対象物の温度をより高い精度で制御できる。

本発明の一実施形態に係る温調ユニットの模式断面図である。 図１で示される温調ユニットの一部を切り取った斜視図である。 Ａｌ、Ｎｉ、Ｎｉ－Ａｌ合金の各溶射材料からそれぞれ形成した溶射皮膜からなる薄膜測温抵抗部の抵抗温度依存性（ａ）と、抵抗値経時変化（ｂ）を表すグラフである。 Ａｌ溶射皮膜からなる測温抵抗体を、１５０℃で５０時間加熱したとき（ａ）と、１００時間加熱したとき（ｂ）の温度変化の推移を表すグラフである。 （ａ）は温度調節部の１つのパターンを表す平面図であり、（ｂ）は薄膜測温抵抗部の１つのパターンを表す平面図である。 図５の温度調節部と薄膜測温抵抗部を備える温調ユニットの斜視図である。 温度調節部よりも温調対象物に近い側に薄膜測温抵抗部を設けた場合（ａ）と、温度調節部よりも温調対象物に遠い側に薄膜測温抵抗部を設けた場合（ｂ）の、それぞれの温調ユニットの構成を表す模式断面図である。 図７で表した各試験片による温度測定の比較結果である。 測温面内の任意の一点に設置した熱電対で測定した温度と、測温面内の全体に渡って広く形成した薄膜測温抵抗部で測定した平均温度とを比較したグラフである。 図９で示される温度変化を行ったときの薄膜測温抵抗部の赤外線サーモグラフィー（ＩＲ）写真である。 温調ユニットをリング状に形成した例を表す斜視図である。 温調ユニットを円盤状に形成した例を表す斜視図である。 温度調節部として溶射皮膜ではなく電熱線を使用した例を表す模式図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は一部を抜き出した斜視図である。 温度調節部として溶射皮膜ではなく冷媒流体を利用した例を表す模式図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は一部を抜き出した斜視図である。 温調ユニットを静電チャックに適用した例を表す模式断面図である。

本発明の温調ユニットの実施形態について説明する。図１は本発明の一実施形態に係る温調ユニット１の模式断面図であり、図２は図１で示される温調ユニット１の一部を切り取った斜視図である。この温調ユニット１は、温調ユニット本体２と、温調ユニット本体２の内部に設けられ、温調ユニット本体２の温調対象物１００が位置する側の表面温度を昇降温させる温度調節部３と、温調ユニット本体２の内部に設けられ、温調対象物１００が位置する側の表面温度を測定するための薄膜測温抵抗部４とを含んで構成されている。温度調節部３は、温調対象物１００を加熱する熱媒として機能してもよいし、温調対象物１００を冷却する冷媒として機能してもよい。温度調節部３が熱媒として機能するか冷媒として機能するかは、温調対象物１００の温度及びその周辺温度に依存する。

温調ユニット本体２は、基材部２ａとこの基材部２ａの表面に形成された絶縁層２ｂとを含んで構成されている。温度調節部３及び薄膜測温抵抗部４はともに、絶縁層２ｂ内に設けられている。温度調節部３及び薄膜測温抵抗部４は、一つの絶縁層の内部に埋め込まれていてもよいし、複数の絶縁層の層間に挟み込むように配置されてもよい。温調ユニット本体２の上面には温調対象物１００が載置されている。なお、これらの模式図は説明のために、要部である温度調節部３及び薄膜測温抵抗部４を設けた絶縁層２ｂを実際より厚く図示している。

図１及び図２に示す温調ユニット本体２は、所要高さ及び径を有する円柱状に構成されている。温調ユニット本体２の基材部２ａは、金属バルク体などの単一素材からなり、温調ユニット１の強度的な基本構造になるものである。本実施形態において、温調ユニット本体２は、円柱以外の他の柱状、板状、円盤状、椀状、筒状、リング状（円環状）、テーパー状などであってもよく、一部に段差がある立体形状であってもよい。温調ユニット本体２の形状に応じた態様で、温度調節部３及び薄膜測温抵抗部４が設けられる。内部をくり抜いた筒状に温調ユニット本体２が構成されている場合には、温度調節部３及び薄膜測温抵抗部４を、例えば温調ユニット本体２の内周側及び外周側にそれぞれ設けることもできる。

基材部２ａの構成材料としては、例えばアルミニウム合金、チタン合金、銅合金、ステンレスなどの導電性材料や、セラミック焼結体等の絶縁材料が挙げられる。絶縁層２ｂは、溶射法、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法等の成膜法で形成されたものであってもよいし、焼結体等を貼り付けたものであってもよい。絶縁層２ｂの構成材料は、絶縁特性を付与するものであれば特に限定されないが、所要の熱伝導性と絶縁性を両立させる材料や、耐プラズマ性、耐摩耗性を兼ね備えたものが好適である。絶縁層２ｂは単層である必要はなく、複数層からなるものであってもよい。

絶縁層２ｂの厚みは、例えば２０～２０００μｍである。絶縁層２ｂの厚みは、複数層を重ねることで、例えば１００～１００００μｍとしてもよい。絶縁層２ｂの厚みや材質を変更することによって抜熱効率を調整することができる。絶縁層２ｂの構成材料としては、酸化物系セラミックス、窒化物系セラミックス、フッ化物系セラミックス、炭化物系セラミックス、硼化物系セラミックス、若しくはそれらを含む化合物、又はこれらの混合物が挙げられる。

酸化物系セラミックスとしては、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、Ｃｒ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＣａＯ、Ｌａ_２Ｏ_３が挙げられる。窒化物系セラミックスとしては、ＴｉＮ、ＴａＮ、ＡｌＮ、ＢＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＨｆＮ、ＮｂＮ、ＹＮ、ＺｒＮ、Ｍｇ_３Ｎ_２、Ｃａ_３Ｎ_２が挙げられる。フッ化物系セラミックスとしては、ＬｉＦ、ＣａＦ_２、ＢａＦ_２、ＹＦ_３、ＡｌＦ_３、ＺｒＦ_４、ＭｇＦ_２が挙げられる。炭化物系セラミックスとしては、ＴｉＣ、ＷＣ、ＴａＣ、Ｂ_４Ｃ、ＳｉＣ、ＨｆＣ、ＺｒＣ、ＶＣ、Ｃｒ_３Ｃ_２が挙げられる。硼化物系セラミックスとしては、ＴｉＢ_２、ＺｒＢ_２、ＨｆＢ_２、ＶＢ_２、ＴａＢ_２、ＮｂＢ_２、Ｗ_２Ｂ_５、ＣｒＢ_２、ＬａＢ_６が挙げられる。

絶縁層２ｂ内に設けられた温度調節部３は、所定の電圧を印加して電流を流すことで、温調ユニット本体２の上面に載置された常温の温調対象物１００を所定の温度まで加熱する熱媒（ヒータ）として使用可能な固有抵抗値を有している。

本実施形態の温調ユニット１は、基材部２ａの内部に冷却流体（冷媒）を流通させる流路をさらに備えていてもよい。冷却流体の流量及び速度を調節することで、温調対象物１００の温度制御がより容易になる。

温度調節部３は、温調領域内の温度均一性を高める観点から、同一面上で複数の折り返し部を有する細長い帯状のパターンで形成されている。また、温度調節部３は、互いに所要間隔をおいて平行に配置された複数の繰り返しパターンを有している。これにより、温度調節部３による擬似的な温調面が形成されるので、温調対象物１００を広く均一に温度制御することができる。

温度調節部３の厚みは１０～１０００μｍの範囲が好適である。温度調節部３の厚みが１０μｍ未満であると、膜形成が安定しないおそれがある。また、温度調節部３の厚みが１０００μｍを超えると、発熱量が小さくなり、効率が落ちるおそれがある。

温度調節部３の線幅は１～５ｍｍの範囲が好適である。温度調節部３の線幅を１ｍｍ以上とすることで断線の可能性を低減することができ、５ｍｍ以下とすることで温調領域内の温度むらを低減することができる。

温度調節部３の線間距離は０．５～５０ｍｍの範囲が好適である。温度調節部３の線間距離を０．５ｍｍ以上とすることで短絡を回避することができ、５０ｍｍ以下とすることで温調領域内の温度むらを低減することができる。

温度調節部３の構成材料は、温調部材として使用可能なものであれば限定されず、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｔから選択される金属元素単体、これら金属元素の１種以上を含む合金、これら金属元素の１種以上を含む導電性化合物、又はこれらの混合物からなるものが好適である。

温度調節部３は、例えば溶射皮膜からなる。溶射法であれば、基材部２ａのサイズや形状に制限されず、連続的かつ均一に薄膜をコーティングできる。溶射法は、大気プラズマ溶射法、減圧プラズマ溶射法、水プラズマ溶射法、アーク溶射法、高速フレーム溶射法、低速フレーム溶射法、コールドスプレー法のいずれであってもよい。

温度調節部３のパターンは、基材部２ａ上に形成した絶縁層の表面を予めパターン状にマスキングし、全面を溶射することで作製してもよいし、全面に溶射してからその溶射皮膜の表面をパターン状にマスキングし、機械加工やブラスト加工によって不要な溶射皮膜を除去することで作製してもよい。

温度調節部３の一部は、基材部２ａの側方まで延設されており、その延設部分が給電端子部１１となって、給電端子と接続される。給電端子は、温度調節部３に電力を供給する外部電源と接続されている。これにより、基材部２ａを貫通するような給電機構を設けることなく、温度調節部３への給電が可能になる。

温度調節部３の給電端子部１１は、膜厚の薄い溶射皮膜からなるため、外部電源への接続方式は、外部の給電ケーブルの先が接合された接続構造、給電ケーブルの先が給電ソケットを介して接続された接続構造、給電ケーブルの先が直接的に押し当てられた接続構造が挙げられる。給電ケーブルを接合させる方法としては、はんだ付け、ろう付け、溶接などが挙げられる。給電ソケットを利用する場合は、給電ソケットが給電端子部１１に溶接されていることが好ましい。給電ケーブルを給電端子部１１に直接的に押し当てる場合は、給電ケーブルを固定するためのネジ止めなどの手段が必要になる。

温調対象物１００の温度を測定するための薄膜測温抵抗部４は、温調ユニット本体２の絶縁層２ｂの内部で、温調対象物１００が位置する側の面（測温面）内の一定範囲に渡って形成されている。この薄膜測温抵抗部４は、温度調節部３よりも温調対象物１００に近い側に設けられている。

薄膜測温抵抗部４は、測温抵抗体として使用可能な固有抵抗値を有している。測温抵抗体とは、直流電流を流した時の抵抗値に基づき温度測定を行うものであり、温度変化に伴う抵抗値の変化が一定であるものが使用される。使用する測温抵抗体の検量線をあらかじめ作成しておくことで、実際に測定した抵抗値から温度を求めることができる。薄膜測温抵抗部４の抵抗値を逐次、読み取ることで、温調ユニット本体２の上面（温調面）の温度をリアルタイムで測定できる。

薄膜測温抵抗部４は、広範囲での測温を可能にする観点から、同一面上で複数の折り返し部を有する細長い帯状のパターンで形成されている。また、薄膜測温抵抗部４は、互いに所要間隔をおいて平行に配置された複数の繰り返しパターンを有している。これにより、薄膜測温抵抗部４による擬似的な測温面が形成されるので、温調面内の平均温度をより正確に測定できる。

薄膜測温抵抗部４の厚みは１０～１０００μｍの範囲が好適である。薄膜測温抵抗部４の厚みが１０μｍ未満であると、膜形成が安定しないおそれがある。また、薄膜測温抵抗部４の厚みが１０００μｍを超えると、抵抗値が小さくなりすぎて適正な値が得られないことがある。

薄膜測温抵抗部４の線幅は１～５ｍｍの範囲が好適である。薄膜測温抵抗部４の線幅を１ｍｍ以上とすることで断線を低減でき、５ｍｍ以下とすることで適正な抵抗値を得やすくなる。

薄膜測温抵抗部４の線間距離は０．５～５０ｍｍの範囲が好適である。薄膜測温抵抗部４の線間距離を０．５ｍｍ以上とすることで短絡を回避することができ、５０ｍｍ以下とすることで適正な抵抗値を得やすくなる。

薄膜測温抵抗部４の構成材料は、測温抵抗体として使用可能なものであれば限定されず、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔａ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｗから選択される金属元素単体、これらの金属元素の１種以上を含む合金、これら金属元素単体及び合金の１種以上を含む導電性化合物、またはこれらを含む混合物が使用できる。その中でも、Ａｌを含む金属又は合金からなるものが特に好適である。Ａｌを含む金属又は合金は、他の金属又は合金に比べ、繰り返しの熱負荷による抵抗値の経時変化が少なく長時間使用しても測温の精度が落ちにくい。

薄膜測温抵抗部４は溶射皮膜からなる。溶射法であれば、基材部２ａのサイズや形状に制限されず、連続的かつ均一に薄膜をコーティングできる。溶射法は、大気プラズマ溶射法、減圧プラズマ溶射法、水プラズマ溶射法、アーク溶射法、高速フレーム溶射法、低速フレーム溶射法、コールドスプレー法のいずれであってもよい。

薄膜測温抵抗部４のパターンは、基材部２ａ上に形成した絶縁層の表面を予めパターン状にマスキングし、全面を溶射することで作製してもよいし、全面に溶射してからその溶射皮膜の表面をパターン状にマスキングし、機械加工やブラスト加工によって不要な溶射皮膜を除去することで作製してもよい。

薄膜測温抵抗部４の一部は、基材部２ａの側方まで延設されており、その延設部分が抵抗値測定端子部１２となって、抵抗値測定端子と接続される。抵抗値測定端子は、薄膜測温抵抗部４の抵抗値を読み取り、温度に換算する外部測定器と接続される。これにより、基材部２ａを貫通するような測定機構を設けることなく、薄膜測温抵抗部４の抵抗値測定が可能になる。

薄膜測温抵抗部４は、膜厚の薄い溶射皮膜からなるため、外部測定器への接続方式は、外部の接続ケーブルの先が接合された接続構造、接続ケーブルの先が接続ソケットを介して接続された接続構造、接続ケーブルの先が直接的に押し当てられた接続構造が挙げられる。接続ケーブルを接合させる方法としては、はんだ付け、ろう付け、溶接などが挙げられる。接続ケーブルを抵抗値測定端子部１２に直接的に押し当てる場合は、接続ケーブルを固定するためのネジ止めなどの手段が必要になる。

温度調節部３及び薄膜測温抵抗部４を形成するための溶射粉末は、例えば、粒径５～８０μｍの粒度範囲のものを採用することができる。粒径が小さすぎると、粉末の流動性が低下して安定した供給ができず、皮膜の厚みが不均一となりやすい。一方で粒径が大きすぎると、完全に溶融しないまま成膜され、過度に多孔質化されて膜質が粗くなるおそれがある。

温度調節部３及び薄膜測温抵抗部４を構成する溶射皮膜の平均気孔率は１～１０％の範囲が好適である。平均気孔率は、溶射法や溶射条件によって調整することができる。１％よりも小さい気孔率では、溶射皮膜内に存在する残留応力の影響が大きくなり、剥がれ又は割れが生じやすくなるおそれがある。１０％を超える気孔率では、例えば半導体製造プロセスに使用される各種のガスが溶射皮膜内へ侵入し易くなり、耐久性が低下するおそれがある。平均気孔率は、溶射皮膜の断面を光学顕微鏡で観察し、観察画像を２値化処理して、皮膜内部の黒色領域を気孔部分とみなし、その黒色領域の全体に占める面積の割合を算出することで、測定することができる。

温調ユニット１に対しては、薄膜測温抵抗部４で検知された検知信号が制御部に入力され、予め求めた検量線データに基づいてその検知信号が温度情報に変換され、その温度情報を基に温度調節部３へかける電圧が決められる制御機構をさらに設けることで、温調対象物１００の温度制御をより厳密に行うことができる。

図１、図２のように薄膜測温抵抗部４を、温度調節部３よりも温調対象物１００に近い側に設けることで、測定温度と温調対象物１００の実際の温度との差異を殆ど生じさせなくすることができる。薄膜測温抵抗部４が測温面内の一定範囲に渡って形成されるため、熱電対を用いたときのような熱的な特異点は存在せず、温調面の平均温度を正確に測定できる。また、得られた温度情報をフィードバックすることで、高い精度で温度制御ができる。

図３はＡｌ、Ｎｉ、Ｎｉ－Ａｌ合金の各溶射材料からそれぞれ形成した溶射皮膜からなる薄膜測温抵抗部の抵抗温度依存性（ａ）と抵抗値経時変化（ｂ）を表すグラフである。図３の抵抗温度依存性（ａ）を表すグラフでは、温度の変化に伴う抵抗値の変化率が一定であることを示しており、これが測温抵抗体における抵抗値からの温度換算のための検量線となる。表１に平均温度係数αを示す。

抵抗値経時変化（ｂ）の測定では、２００℃で一定時間加熱し、その後、８０℃で３０分間保持した後の抵抗値を測定し、値をプロットした。サンプリング時刻は、１時間、３時間、６時間、９時間、１２時間、１９時間、２６時間、３３時間の各時間の加熱後とした。図３のグラフの通り、Ｎｉ溶射皮膜の抵抗値の変化率は３３時間後で－１．６６％であった。この程度でも使用可能ではあるが、Ａｌ溶射皮膜の抵抗値の変化率は３３時間後で０．０３％、Ｎｉ－Ａｌ合金溶射皮膜の抵抗値の変化率は３３時間後で０．２４％と格段に小さく、Ａｌ溶射皮膜及びＮｉ－Ａｌ合金溶射皮膜の場合は、長時間の使用後であっても抵抗値の経時変化が少なく、より信頼性が高いことが認められた。

Ａｌ溶射皮膜からなる測温抵抗体の特性評価を行うために、測温抵抗体として規格化されているＰｔ１００（ＪＩＳ－Ｃ１６０４）との比較試験を行った。具体的には、恒温槽にＰｔ１００とＡｌ溶射皮膜からなる測温抵抗体の試験片とを配置し、恒温槽の温度が２５℃、５０℃、１００℃、１５０℃となるそれぞれの温度において、Ｐｔ１００で測定した温度と、Ａｌ溶射皮膜からなる測温抵抗体で測定した温度との差（誤差）を比較した。結果を表２に示す。Ｐｔ１００とＡｌ溶射皮膜からなる測温抵抗体との間で、測定した温度の誤差は殆ど無いことが認められた。

また、恒温槽にＰｔ１００とＡｌ溶射皮膜からなる測温抵抗体の試験片とを配置し、高温で一定時間保持したときの安定度試験を実施した。図４は、Ａｌ溶射皮膜からなる測温抵抗体を、１５０℃で５０時間加熱したとき（ａ）、及び１５０℃で１００時間加熱したとき（ｂ）のそれぞれの温度変化の推移を表すグラフである。図４のとおり、Ａｌ溶射皮膜からなる測温抵抗体を１５０℃で一定時間加熱したときに、５０時間経過後と１００時間経過後のいずれも、加熱前後で測定値に殆ど差は無かった。また、Ｐｔ１００に対しても同条件の試験を行い、加熱前後の測定温度の比較を行った。結果を表３に示す。Ｐｔ１００とＡｌ溶射皮膜からなる測温抵抗体との間で、加熱前後の測定温度の誤差は殆ど無いことが認められた。

図５（ａ）は温度調節部３の１つのパターンを表す平面図であり、（ｂ）は薄膜測温抵抗部４の１つのパターンを表す平面図である。図６は図５の温度調節部３と薄膜測温抵抗部４を備える温調ユニット１の斜視図である。同図では、説明のために薄膜測温抵抗部４及び温度調節部３が上から見えるように図示している。この例では、温度調節部３の一部が外方向に延設され、当該延設部分が同一面上で、給電端子と接続される給電端子部１１を構成している。また、薄膜測温抵抗部４の一部が外方向に延設され、当該延設部分が同一面上で、抵抗値測定端子と接続される抵抗値測定端子部１２を構成している。温度調節部３の折り返し部を有する帯状のパターン部分は、例えば、線幅：１．２ｍｍ、線間距離：２ｍｍ、抵抗値：２０Ωで形成される。また、薄膜測温抵抗部４の折り返し部を有する帯状のパターン部分は、例えば、線幅：１ｍｍ、線間距離：１ｍｍ、抵抗値１０Ωで形成される。また、温調ユニット１の厚み方向において薄膜測温抵抗部４と温度調節部３とは、絶縁層を介してそれぞれ対応するように配置されている。すなわち、温度調節部３が温調する領域と薄膜測温抵抗部４が測温する領域は平面的に見たときに一致しており、これにより、薄膜測温抵抗部４から得られた温度情報を温度調節部３にフィードバックすることで、高い精度での温度制御が可能となる。

図５及び図６に示すように、温度調節部３と薄膜測温抵抗部４とは、絶縁層を介して互いにオーバラップするように形成されているが、これらは互いに同一パターンで形成されているのではなく、異なる方向、長さのパターンで形成されている。具体的には、薄膜測温抵抗部４が、温度調節部３の存在する部分と存在しない部分の両方に跨がって、すなわち、温度調節部３の帯状部分と薄膜測温抵抗部４の帯状部分とが、平面的に見たときに交差するように存在しており、それにより、より正確に面内での平均的な温度測定が可能となる。

以下、本実施形態における温度調節部３と薄膜測温抵抗部４の位置関係を入れ替えたときの測温精度の比較検証を行った結果を示す。図７は、温度調節部３よりも温調対象物に近い側に薄膜測温抵抗部４を設けた場合（ａ）と、温度調節部３よりも温調対象物に遠い側に薄膜測温抵抗部４を設けた場合（ｂ）の、それぞれの温調ユニットの構成を表す模式断面図である。図７（ａ）の模式図では基材部２ａ上に複数層からなる絶縁層２ｂが形成されており、基材部２ａ側から順に、絶縁層２ｃ、温度調節部３、絶縁層２ｄ、薄膜測温抵抗部４、絶縁層２ｅがこの順に設けられ、さらに最表層である絶縁層２ｅの表面に熱電対２０が設置されている。図７（ｂ）の模式図では基材部２ａ上に複数層からなる絶縁層２ｂが形成されており、基材部２ａ側から順に、絶縁層２ｃ、薄膜測温抵抗部４、絶縁層２ｄ、温度調節部３、絶縁層２ｅがこの順に設けられ、さらに最表層である絶縁層２ｅの表面に熱電対２０が設置されている。図７（ａ）は本発明の一実施例であり、図７（ｂ）は比較例である。

図７（ａ）の模式図で表される試験片と、図７（ｂ）の模式図で表される試験片とを用意し、各試験片の温度調節部３の温度をそれぞれ５０℃、１００℃、１５０℃に調節し、一定時間保持した。各試験片において、温度調節部３、薄膜測温抵抗部４、絶縁層２ｂはいずれも溶射法によって形成し、絶縁層２ｃ、２ｄ、２ｅの材料はＡｌ_２Ｏ_３、温度調節部３の材料はＷ、薄膜測温抵抗部４の材料はＡｌとした。温度調節部３の厚みは１５０μｍ、薄膜測温抵抗部４の厚みは８０μｍ、絶縁層２ｃ、２ｄ、２ｅはいずれも１００μｍとし、合計で３００μｍとした。

図８は図７で表した各試験片による温度測定の比較結果である。図８のＴＣｓは熱電対２０で測定した温度、ＲＴＤは薄膜測温抵抗部４で測定した温度である。図８中、（ａ）は薄膜測温抵抗部４を上層、温度調節部３を下層としたとき、（ｂ）は温度調節部３を上層、薄膜測温抵抗部４を下層としたときを表している。絶縁層２ｂの厚みはわずか３００μｍと極薄であるにもかかわらず、５０℃保持、１００℃保持、１５０℃保持のいずれの場合でも、薄膜測温抵抗部４を上層にした場合の方が、ＴＣｓとＲＴＤの差が小さかった。すなわち、測温対象物との距離にかかわらず、温度調節部３と薄膜測温抵抗部４の位置関係は、温度調節部３よりも温調対象物に近い側に薄膜測温抵抗部４を設けた場合の方が、温調対象物の温度をより正確に測定できることが解る。

以下、本実施形態における薄膜測温抵抗部４の面内平均温度の測定精度を検証する実験を行った結果を示す。図９は測温面内の任意の一点に設置した熱電対で測定した温度と、温調面内の全体に渡って広く形成した薄膜測温抵抗部で測定した平均温度とを比較したグラフである。この試験で、加熱開始後２２０秒経過後の測定温度は、熱電対では１５０℃であり、薄膜測温抵抗部では２００℃を示していた。また、同じときに赤外線サーモグラフィー（ＩＲ）で測定した面内平均温度は２０５℃であった。このように一点の温度測定では実際の面内平均温度と大きく異なる場合が出てくるが、温調面内の広範囲に渡る薄膜測温抵抗部を使用することで正確な平均温度測定が可能となる。

図１０は図９で示される温度変化を行ったときの薄膜測温抵抗部４の赤外線サーモグラフィー（ＩＲ）写真である。熱電対は測温面の周縁部の一点（＋）に設置されており、図１０の３つの画像はそれぞれ熱電対で測定した温度が（ａ）５０℃、（ｂ）１００℃、（ｃ）１５０℃であるときの写真である。比較のために、熱電対で測定した温度と、本実施形態の薄膜測温抵抗部で測定した平均温度と、赤外線サーモグラフィー（ＩＲ）で測定した平均温度とを並べた結果を表４に示す。熱電対で測定した温度に対し、本実施形態の薄膜測温抵抗部及び赤外線サーモグラフィーはいずれも差があるが、本実施形態の薄膜測温抵抗部と赤外線サーモグラフィー（ＩＲ）とでは測定温度が近いことが認められる。このことは、本実施形態の薄膜測温抵抗部であれば、熱電対よりも面内平均温度を正確に測定できることを表している。また、本実施形態の薄膜測温抵抗部は、赤外線サーモグラフィー（ＩＲ）と異なり、プラズマ発光部材やハロゲンヒーターなどの他の熱源が存在する場合であっても測温が可能である。すなわち、本実施形態の薄膜測温抵抗部は、他の熱源が存在していたとしても、赤外線サーモグラフィー（ＩＲ）と同程度の精度で面内平均温度を測定することが可能である。

開示した実施形態、実施例は本発明に係る温調ユニットの例示であり制限的なものではない。実施形態、実施例の各々の特徴の一部を取り出して互いに組み合わせることも可能である。本発明の効果を損なわない限りにおいて、薄膜測温抵抗部、温度調節部、温調ユニット本体の大きさ、形状、構成素材は変更可能である。

図１１は温調ユニットをリング状に形成した例を表す斜視図である。同図では、説明のために薄膜測温抵抗部が上から見えるように図示している。温調ユニット２５では、均等に４分割されたそれぞれの領域に、薄膜測温抵抗部２６を構成する独立した構成部２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄが設けられている。それぞれの構成部２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄの一部は、基材部の側方に回り込むように延設されており、それらの先端部がそれぞれ独立して抵抗値測定用端子部２８ａ、２８ｂを構成している。また、薄膜測温抵抗部２６の構成部２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄのそれぞれの下層には、絶縁層を介して、互いに独立した異なる４つの温度調節部が設けられている。これにより、温調ユニット２５を構成するそれぞれ独立した４つの領域内で、個別に、かつ精密に温度制御をすることが可能になる。

図１２は温調ユニットを円盤状に形成した例を表す斜視図である。同図では、説明のために薄膜測温抵抗部が上から見えるように図示している。温調ユニット３０では、薄膜測温抵抗部３１が、互いに独立した４つの異なる構成部３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄで構成されている。具体的には、薄膜測温抵抗部３１は全体として円形を構成しており、円の中心を含む円形の構成部３１ｄと、その周囲を３分割する３つの構成部３１ａ、３１ｂ、３１ｃとで構成されている。図１２に示す温調ユニット３０の構成では、それぞれの構成部３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄの一部は、同一面上で外側に向けて延設されており、それらの先端部が独立して抵抗値測定用端子部３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄを構成している。また、薄膜測温抵抗部３１の構成部３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄのそれぞれの下層には、絶縁層を介して、互いに独立した異なる４つの温度調節部が設けられている。これにより、温調ユニット３０を構成するそれぞれ独立した４つの領域内で、個別に、かつ精密に温度制御をすることが可能になる。

図１３は温調ユニットが備える温度調節部として溶射皮膜ではなく電熱線を使用した例を表す模式図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は一部を抜き出した斜視図である。同図では、説明のために薄膜測温抵抗部が上から見えるように図示している。温調ユニット４０の形状はリング状であり、基材部２ａの内部に同じくリング状の電熱線５（４３）が３本埋め込まれている。電熱線５（４３）は、例えばニクロム線であり、外周は耐熱性の絶縁物で被覆されている。基材部２ａの上面には絶縁層２ｂが形成されており、絶縁層２ｂ内に溶射皮膜からなる薄膜測温抵抗部４１が形成されている。薄膜測温抵抗部４１の一部は、基材部２ａの側方に回り込むように延設されており、その先端部が抵抗値測定用端子部４２を構成している。図１３に示す態様でも、薄膜測温抵抗部４１は、温度調節部４３よりも温調対象物が位置する側に設けられており、同様に精度の高い温度測定が可能となる。

図１４は温調ユニットが備える温度調節部として溶射皮膜ではなく冷媒流体を利用した例を表す模式図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は一部を抜き出した斜視図である。同図では、説明のために薄膜測温抵抗部が上から見えるように図示している。温調ユニット５０の形状はリング状であり、基材部２ａの内部に同じくリング状の空洞が設けられており、その中を冷媒流体６（５３）が通過する。冷媒流体６（５３）は、液体であっても気体であってもよい。基材部２ａの一部には、冷媒流体６（５３）を流入及び排出できるように、空洞の両末端のそれぞれとつながる貫通孔が設けられている。基材部２ａの上面には絶縁層２ｂが形成されており、絶縁層２ｂ内に溶射皮膜からなる薄膜測温抵抗部５１が形成されている。薄膜測温抵抗部５１の一部は、基材部２ａの側方に回り込むように延設されており、その先端部が抵抗値測定用端子部５２を構成している。図１４に示す態様でも、薄膜測温抵抗部５１は、温度調節部５３よりも温調対象物が位置する側に設けられており、同様に精度の高い温度測定が可能となる。

図１５は温調ユニットを静電チャックに適用した例を表す模式断面図である。この図に示す温調ユニット６５では、基材部２ａの上面に形成された絶縁層２ｂ内において、基材部２ａ側から温度調節部３、薄膜測温抵抗部４、電極部６６がこの順に形成されている。電極部６６は、薄膜測温抵抗部４と同様に複数の折り返し部を有する帯状のパターンで形成された溶射皮膜からなり、当該電極部６６の一部は、基材部２ａの側方まで延設されており、その先端部が給電端子と接続される給電端子部６７を構成している。電極部６６に所定の電圧を印加することで、温調ユニット６５の上面に載置された温調対象物（例えばＳｉウェハ基板）１００が吸着され固定される。

本発明の範囲は実施形態、実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の範囲内の全ての変更が含まれる。

本発明の温調ユニットは、半導体製造プロセス分野のものに限定されず、面内で均一な温度制御が求められるものあれば、いずれの分野の製品にも適用することができる。

１、２５、３０、４０、５０、６５ 温調ユニット
２ 温調ユニット本体
２ａ 基材部
２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ 絶縁層
３、４３、５３ 温度調節部
４、２６、３１、４１、５１ 薄膜測温抵抗部
５ 電熱線
６ 冷媒流体
１１、６７ 給電端子部
１２、２８ａ、２８ｂ、３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ 抵抗値測定端子部
２０ 熱電対
２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ、３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ 薄膜測温抵抗部の構成部
６６ 電極部
１００ 測温対象物

Claims (9)

1. 温調ユニット本体と、
   前記温調ユニット本体の内部に設けられ、温調対象物が位置する側の当該本体の表面温度を昇降温させる温度調節部と、
   前記温調ユニット本体の内部で、前記温調対象物が位置する側の面内の一定範囲に渡って形成されかつ、前記温度調節部よりも温調対象物に近い側に設けられた溶射皮膜からなる薄膜測温抵抗部と、
   を備え、
   前記温調ユニット本体は、基材部を含んでおり、当該基材部の上方は、前記温調対象物が位置する側であり、
   前記温度調節部は、前記基材部よりも温調対象物に近い側に設けられており、
   前記薄膜測温抵抗部の一部は、前記基材部の側方まで延設されており、その延設部分が抵抗値測定端子部となって、抵抗値測定端子と接続されており、
   前記抵抗値測定端子は、前記薄膜測温抵抗部の抵抗値を読み取り、温度に換算する外部測定器と接続されている温調ユニット。
2. 前記温度調節部は、溶射皮膜からなり、
   前記温度調節部の一部は、前記基材部の側方まで延設されており、その延設部分が給電端子部となって、給電端子と接続される請求項1に記載の温調ユニット。
3. 前記薄膜測温抵抗部が、同一面上で折り返し部を有する帯状のパターンで形成されている請求項１又は２に記載の温調ユニット。
4. 前記薄膜測温抵抗部は、Ａｌを含む金属又は合金からなる請求項１～３のいずれかに記載の温調ユニット。
5. 前記温度調節部が、同一面上で折り返し部を有する帯状のパターンで形成された溶射皮膜からなる請求項１～４のいずれかに記載の温調ユニット。
6. 前記温度調節部が複数の構成部からなると共に、当該複数の構成部のそれぞれの一部が給電端子部を構成し、
   前記薄膜測温抵抗部が複数の構成部からなると共に、当該複数の構成部のそれぞれの一部が抵抗値測定端子部を構成している請求項１～５のいずれかに記載の温調ユニット。
7. 前記温度調節部の各構成部と、前記薄膜測温抵抗部の各構成部とが、前記温調ユニットの厚み方向においてそれぞれ対応するように配置されている請求項６に記載の温調ユニット。
8. 前記温調ユニット本体は、前記基材部の表面に形成された絶縁層を有しており、前記薄膜測温抵抗部が当該絶縁層内に設けられている請求項１～７のいずれかに記載の温調ユニット。
9. 前記温調ユニットは、静電チャックであり、
   前記基材部の上面に形成された絶縁層内において、当該基材部側から、前記温度調節部、前記薄膜測温抵抗部、及び電極部がこの順に形成されており、
   前記電極部は、溶射皮膜からなり、
   前記電極部の一部は、前記基材部の側方まで延設されており、その延設部分が給電端子部となって、給電端子と接続される請求項1～８のいずれかに記載の温調ユニット。

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