JPH04359125A - 温度測定装置とこれを用いた被加熱体の温度測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、温度測定装置とこれを
用いた被加熱体の温度測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体の進歩は著しいものがあり
、これに伴って半導体を製造する加工プロセスも複雑且
つ精密な制御が要求されている。特に、加工プロセスを
実行している際のウエハ温度は、加工プロセスの結果に
重大な影響を与える。例えば、ＣＶＤ装置では、半導体
ウエハの表面温度が成膜条件と密接な関係にあり、ウエ
ハ温度を正確に測定し、これに基づいて温度の正確な制
御を行なうことが、緻密な処理を行なう上で不可欠とな
っている。図６及び図７は、従来のウエハの温度測定方
法を示したものである。図６において、半導体ウエハ２
は、チャック４上に支持されており、このチャック４に
温度調整機構が内蔵されている。また、このチャック４
の例えば側壁には、チャック温度を測定するための熱電
対６が設けられており、チャック温度を検出することに
よりウエハ温度を求めるようになっている。

【０００３】図７は、ウエハ２の温度を非接触により測
定する一例を示したものである。同図において、半導体
ウエハ２は前記チャック４に変えて、３本の支持用ピン
８によって接触支持されている。また、このウエハ２の
温度調整は、ウエハ２の下方に設置された赤外線ランプ
（図示せず）によって実現される。ウエハ２の温度測定
は、ウエハ２より離れた位置に設置された放射温度計１
０により非接触で測定されることになる。放射温度計１
０は、温度をもった物体から放射される熱線の波長にお
ける放射強度から、その物体の温度を計算で求めるもの
である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図６による温度測定方
式によれば、チャック４の温度を測定することで、半導
体ウエハ２の温度測定に代用していることになる。しか
しながら、チャック４は相当の体積があるため熱容量が
大きくなってしまい、応答性が良好でないという改善点
を有する。また、この種の加工プロセスは真空中で行な
われる場合が多いため、、ウエハ２とチャック４との間
の気体による熱対流は期待できず、このためウエハ２と
チャック４との間に大きな温度差がある場合が多く、正
確なウエハ温度を検出できない場合があった。そして、
この温度差はウエハ２とチャック４との接触圧力の大き
さにより変化するため、温度測定にばらつきが生ずると
いう改善点があった。また、図７に示す非接触温度測定
法は、物体表面の放射率（完全黒体からどのくらい離れ
ているかを示す数）に依存しており、この放射率はウエ
ハ１０の種類によって或いはウエハ裏面の仕上げ状態に
よって異なっている。しかも、物体表面に薄い膜等が付
着しているとこの膜による光の回折或いは干渉現象で放
射率が変わって測定に誤差が生じ、正しい温度測定を実
現できないという問題が生じていた。また、ウエハにド
ープされた不純物の温度変化やその濃度によっても放射
率が変わり、正確なウエハ温度を測定できないという改
善点があった。

【０００５】更に、支持用ピン８を介して半導体ウエハ
２の熱が熱伝導によって部分的に逃げていくので半導体
ウエハの面内において温度分布が不均一になり、この状
態で成膜処理を行なうと成膜が面内において不均一にな
る場合すらあった。本発明は、以上のような問題点に着
目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。 本発明の目的は、伝導による熱の移動を生ずることなく
被測定値の温度を測定することができる温度測定装置と
これを用いた被加熱体の温度測定装置を提供することに
ある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、上記問題
点を解決するために、被測定体の温度を測定する温度測
定装置において、先端部が前記被測定体と接触する棒状
部材と、前記棒状部材の実質的に前記先端部の温度を測
定する第１温度測定手段と、前記先端部より前記棒状部
材の長手方向に沿って適宜間隔だけ離間された測定部の
温度を測定する第２温度測定手段と、前記測定部に熱を
供給する加熱手段と、前記第１温度測定手段の検出値と
前記第２温度測定手段の検出値とが同じになるように前
記加熱手段を制御する制御手段とを備えるようにしたも
のである。第２の発明は、上記問題点を解決するために
、被加熱体の温度を測定する温度測定装置において、前
記被加熱体を加熱する被加熱体加熱手段と、前記被加熱
体を少なくとも３か所にて接触して支持する支持部材と
を備え、前記支持部材の少なくとも１つが、先端部が前
記被加熱体と接触する棒状部材と、前記棒状部材の実質
的に前記先端部の温度を測定する第１温度測定手段と、
前記先端部より前記棒状部材の長手方向に沿って適宜間
隔だけ離間された測定部の温度を測定する第２温度測定
手段と、前記測定部に熱を供給する加熱手段と、前記第
１温度測定手段の検出値と前記第２温度測定手段の検出
値とが同じになるように前記加熱手段を制御する制御手
段とを有するようにしたものである。

【０００７】

【作用】第１の発明は、以上のように構成したので、棒
状部材の先端部の温度は第１温度測定手段により測定さ
れ、この先端部より少し離れた部分の測定部は第２温度
測定手段により測定される。そして、両測定手段からの
検出値が一致するように制御手段は加熱手段を動作し、
上記測定部に熱を加える。これにより、熱安定時には棒
状部材の先端部と上記測定部との温度は同一に維持され
るので上記先端部から上記測定部への熱の移動がほとん
どなくなり、結果的に被測定体から温度測定装置側への
熱伝導がなくなるので正確な被測定体の温度を測定する
ことが可能となる。第２の発明は、前述のように構成し
たので、少なくとも３つの支持部材により支持された被
加熱体は被加熱体加熱手段により加熱されており、この
支持部材のうちの少なくとも１つは、前記第１の発明に
係る温度測定装置と同様に形成されているので、前述の
ごとく熱の移動をほとんど生ずることなく被加熱体の温
度を測定することが可能となる。

【０００８】

【実施例】以下に、本発明の一実施例を添付図面に基づ
いて詳述する。図１は本発明の第１の発明に係る温度測
定装置の一実施例を示す構成図である。図示するごとく
この温度測定装置１２は、電気的絶縁体よりなる棒状部
材１４を有しており、この棒状部材１４は、熱伝導性の
悪い材料、例えば石英あるいはセラミックス等により構
成されている。そして、この棒状部材１４の先端部１８
は、被測定体１６と直接接触する接触部として構成され
ており、所定の曲率を有する球面形状に成形されている
。この先端部１８には、この部分に設けられる後述する
熱電対の磨耗及び汚染を防止するために、例えば水晶等
がスパッタにより厚さ１μｍほど形成されている。そし
て、この先端部１８の近傍には、上記被処理体１６の温
度を測定する第１温度測定手段２０が設けられると共に
、この先端部１８より適宜間隔だけ上記棒状部材１４の
長手方向に沿って離間された測定部２２には第２温度測
定手段２４が設けられている。これら各測定手段２０、
２４は、それぞれ温度測定素子としての熱電対により構
成されている。この熱電対は、例えば白金（Ｐｔ）で構
成された第１の金属薄膜２６と、例えば白金ロジウム（
ＰｔＲｄ）で構成された第２の金属薄膜２８とをその一
部が重なり合うように、例えばスパッタ、メッキ或いは
蒸着などにより厚さ１μｍ程度に薄膜形成することによ
り構成されている。

【０００９】尚、これら熱電対としては、スパッタによ
る薄膜成形により形成することなく、市販されている熱
電対を取付けるようにしてもよい。そして、上記第２温
度測定手段２４の近傍、具体的には上記第１温度測定手
段２０の反対側の部分の上記棒状部材１４には、この測
定部２２に熱を供給するための加熱手段４２が形成され
ている。この加熱手段４２は、上記棒状部材１４に巻回
された加熱ヒータ４４よりなり、このヒータ４４の両端
に接続されたヒータ駆動部４６にて電力を調整すること
により発熱量を調整し得るようになっている。

【００１０】一方、上記第１温度測定手段２０の第１の
金属薄膜２６及び第２の金属薄膜２８には、それぞれ出
力ケーブル３０、３２が接続されると共に、これらケー
ブル３０、３２の出力側は温度表示器３４に接続されて
いる。また、同様に上記第２温度測定手段２４の第１の
金属薄膜２６及び第２の金属薄膜２８には、それぞれ出
力ケーブル３６、３８が接続されると共に、これらケー
ブル３６、３８の出力側は温度表示器４０に接続されて
いる。そして、上記各温度表示器３４、４０の出力は、
これらからの出力値が同じになるように上記加熱手段４
２を制御する制御手段５０へ入力されている。具体的に
は、この制御手段５０は、上記各温度表示器３４、４０
の出力値、すなわち上記第１及び第２温度測定手段２０
、２４の検出値を入力して、これらの値を比較する比較
部５２と、この比較部５２の出力値に基づいて上記ヒー
タ駆動部４６を制御する制御部５４と、上記加熱手段４
２に電力を供給するヒータ駆動部４６とにより主に構成
されており、上記制御部５４は、上記第１及び第２温度
測定手段２０、２４の検出温度値が同じになるように加
熱手段４２への供給電力を制御するように構成されてい
る。すなわち、第１温度測定手段２０を設けた先端部１
８、すなわち被測定体１６の温度と第２温度測定手段２
４を設けた測定部２２の温度とを等しくして、熱の移動
すなわち熱流がなくなるように加熱手段４２を制御する
。

【００１１】尚、この時の応答性を良好にするためには
、棒状部材１４を熱伝導性の良好な材料で構成すると共
に、この棒状部材１４の先端部１８を平面形状にしてこ
れと被測定体１６との接触面積を大きく設定すればよい
。更に、第１及び第２温度測定手段２０、２４間の距離
及び第２温度測定手段２４と加熱手段４２との間の距離
も短くすれば、応答性は良好となる。

【００１２】次に、以上のように構成された第１の発明
の本実施例の動作について説明する。まず、被測定体１
６を棒状部材１４の先端部１８に接続させ、この棒状部
材１４の熱は、一時的には熱伝導により、熱電対よりな
る第１温度測定手段２０へ伝導されてこれを、例えば加
熱し、ゼーベック効果により第１及び第２の金属薄膜２
６、２８の接合面に、温度差に起因した熱起電力が生じ
、熱電流が流れる。この熱電対に接続された温度表示器
３４は、上記熱電流をキャンセルするキャンセル電流に
基づいて温度を測定するものであり、従って、第１及び
第２の金属薄膜２６、２８及び出力ケーブル３０、３２
には電流がほとんど流れない。一方、第２温度測定手段
２４によって検出された温度も、上記したと同様に温度
表示器４０にて表示される。各温度表示器３４、４０に
おける温度値は、制御手段５０の比較部５２へ入力され
てこれらの差値が求められ、この差値が零になるように
、すなわち両温度値が同じになるように制御部５４はヒ
ータ駆動部４６を介して加熱ヒータ４４への電力供給量
を制御する。

【００１３】従って、第１温度測定手段２０を設けた先
端部１８と第２温度測定手段２４を設けた測定部２２と
の温度は、熱安定時には常に同じになるので、被測定体
１６から棒状部材１４側への熱の移動、すなわち熱流は
なくなり、被測定体１６の温度が局部的に低くなること
なく、この温度を正確に測定することができる。すなわ
ち、もし加熱手段４２を設けない場合には、被測定体１
６の熱は棒状部材１４を介して次第に移動して行くため
に、被測定体１６の温度は局部的に低くなってしまうの
で正確な温度を測定できないが、本実施例によればフィ
ードバック制御により、被測定体１６からの熱移動が生
じないように加熱手段４２により熱を供給しているので
、前述のごとく被測定体１６を部分的に温度低下させる
ことなくこの正確な温度を測定することが可能となる。 また、加熱手段４２としては、加熱ヒータ４４に限らず
、他の手段、例えば棒状部材１４として炭化ケイ素（Ｓ
ｉＣ）を使用した場合には、この棒状部材１４自身の一
部に電流を流すことによりこれを抵抗体として使用し、
ジュール熱を得るようにしてもよい。

【００１４】次に、本発明の第２の発明の一実施例につ
いて説明する。この第２の発明は、上記第１の発明であ
る温度測定装置を被加熱体の温度測定装置としてＣＶＤ
装置に適用したものである。図２に示すようにＣＶＤ装
置６０は、例えばアルミニウム等により筐体状に成形さ
れた真空容器６２を有しており、この真空容器６２の側
壁には、この内部に処理ガスを導入するための処理ガス
導入管６４及び内部を真空排気するための真空排気管６
６が接続されている。そして、この真空容器６２の上部
及び底部には、例えば石英などにより形成された透過窓
６８、７０がシール材７１、７３により気密に取り付け
られている。そして、各透過窓６８、７０の外側には、
上記真空容器６２内に支持された半導体ウエハのごとき
被加熱体７２を加熱するための被加熱体加熱手段７４、
７６が設けられている。これら各被加熱体加熱手段７４
、７６は、例えばハロゲンランプのような加熱用ランプ
７４ａ、７６ａにより構成されており、これらランプ７
４ａ、７６ａからの熱線が上記透過窓６８、７０を透過
して上記被加熱体７２の表裏からこれを加熱し得るよう
に構成されている。これら各加熱用ランプ７４ａ、７６
ａは、図示しないランプ駆動部に接続されており、後述
する温度測定装置の出力に基づいて上記被加熱体７２を
所定の温度にて均一加熱し得るように構成されている。

【００１５】そして、上記真空容器６２内には、図３に
も示すように上記被加熱体７２が、少なくとも３本の支
持部材８０によりその裏面が３点で支持されており、各
支持部材８０の下部はほぼ直角に屈曲されて真空容器６
２の内壁に取り付けられている。そして、上記支持部材
８０の少なくとも１つが、図１に示す前記第１の発明の
温度測定装置と全く同様に構成されている。尚、図示例
にあっては、３つの全ての支持部材８０が図１に示す温
度測定装置と同様に構成されている。すなわち、各支持
部材８０は、図４に示すように先端部１８が被加熱体７
２と接触する棒状部材１４と、上記棒状部材１４の実質
的に先端部１８の温度を測定する第１温度測定手段２０
と、上記先端部１８より棒状部材１４の長手方向に沿っ
て適宜間隔だけ離間された測定部２２の温度を測定する
第２温度測定手段２４と、上記測定部２２に熱を供給す
る加熱手段４２と、上記第１温度検出手段２０の検出値
と上記第２温度測定手段２４の検出値とが同じ値になる
ように上記加熱手段４２を制御する制御手段５０とによ
り主に構成されている。これら各構成要素の詳細は図１
に示す装置と同様なので、同一部分については同一符号
を付してその説明を省略する。尚、図示されていないが
、上記第１或いは第２温度測定手段２０、２４の検出温
度値に基づいて、上記加熱用ランプ７４ａ、７６ａの出
力を調整して、上記被加熱体７２の温度を制御し得るよ
うに構成されている。

【００１６】次に、以上のように構成された本実施例の
動作について説明する。まず、このＣＶＤ装置６０内に
、図示しないアームにより半導体ウエハのごとき被加熱
体７２が搬入され、３本の支持部材８０上に載置される
。この受け入れの際に、支持部材８０を上下動すること
も可能である。その後、真空容器６２のゲートを閉鎖し
、真空排気管６６を介して所定の真空度まで真空引きし
た後に、被加熱体加熱手段７４、７６の加熱用ランプ７
４ａ、７６ａにより上記被加熱体７２を所定の温度に加
熱維持し、処理ガス導入管６４を介して処理ガスを導入
して、被加熱体７２に薄膜成長処理を施す。この時、被
加熱体７２に対する成膜の精度は、被加熱体７２の表面
温度と密接な関係を有し、従って、被加熱体加熱手段７
６の駆動を適性に制御するためには、上記被加熱体７２
の温度を正確に測定する必要がある。

【００１７】被加熱体７２の温度は、先端部１８を介し
て直接第１温度測定手段２０に伝導してこの温度値が出
力されるが、熱の移動が生ずると言うことは、被加熱体
７２の温度が局部的に僅かではあるが低下することを意
味し、その低下した温度が検出されていることになるの
で、被加熱体７２の全体の正確な温度を測定していない
ことになる。そこで、本実施例にあっては、上記熱移動
を阻止するために、第１温度測定手段２０の出力値と、
これより僅かに下方に設けた第２温度測定手段２４の出
力値とを制御手段５０の比較部５２にて比較し、これら
出力値が正確に同一になるように制御部５４はヒータ駆
動部４６を介して加熱手段４２の加熱ヒータ４４への供
給電力を制御している。従って、熱安定時には第１温度
測定手段２０を設けた部分と第２温度測定手段２４を設
けた測定部２２との温度がほぼ正確に同一になるので、
これらの間の熱移動がなくなり、これにより被加熱体７
２から第１温度測定手段２０を設けた部分への熱移動、
すなわち熱流もほとんどなくなり、上記第１温度測定手
段２０は、被加熱体７２に局部的に温度低下を生ぜしめ
ることなく、この全体の真に正確な温度を検出すること
が可能となる。

【００１８】また、本実施例にあっては、第１及び第２
温度測定手段２０、２４として、スパッタ等により形成
した第１及び第２金属薄膜２６、２８の一部を重ね合わ
せて構成する熱電対を用いているので、これらの熱容量
を十分に低減することができ、従って、被加熱体７２の
温度が僅かに変化した場合にあっても、その変動を迅速
に捕らえてこれに対応することができ、熱応答性を向上
させることが可能となる。また、本実施例にあっては、
棒状部材１４の先端部１８を被加熱体７２へ直接接触さ
せているので、上記した理由と相俟って、被加熱体７２
の温度を一層精度よく測定することができる。更に、被
加熱体７２以外の熱源、例えば加熱用ランプ７４ａ、７
６ａから支持部材８０へ入る熱に関係なく、すなわち外
乱に対して影響を受けることがなく、被加熱体７２の全
体の正確な温度を測定することができる。

【００１９】このように、第１温度測定手段２０により
被加熱体７２の正確な温度を測定することができるので
、これを被加熱体加熱手段７６の駆動部へフィードバッ
クすることにより、被加熱体の均一な加熱を実現するこ
とが可能となる。特に、ＣＶＤ装置では、被加熱体（半
導体ウエハ）７２に対する成膜を行なうに際して、支持
部材８０が接触する部分での局部的な温度低下を抑制す
る必要があるが、本実施例によれば被加熱体７２から支
持部材８０への伝導による熱の移動を阻止することがで
きるので、上述したような被加熱体７２の局部的な温度
低下を防止でき、面内均一性の良好な薄膜を形成するこ
とが可能となる。上記実施例にあっては、熱電対を構成
する２種の金属として白金と白金ロジウムの組合せを用
いたが、これに限定されず、ゼーベック効果を生ずる他
の２種の金属の組合せを採用することも可能である。

【００２０】また、ＣＶＤ装置のように処理温度が、例
えば６００℃以上の高温となるような場合には、伝導よ
りも輻射による熱移動が多くなるので、このような場合
には、支持部材８０をできるだけ短くし、第１および第
２温度測定手段２０、２４の間の距離を短くする。更に
、上記実施例にあっては、第２の発明をＣＶＤ装置に適
用した場合について説明したが、これに限定されず、正
確な温度測定を必要とする装置、例えばアニール等を行
なう高温誘導熱処理装置、塗布装置におけるベーク機構
、プラズマによるスパッタ装置等にも適用することがで
きる。

【００２１】また、前記第１及び第２の発明の実施例に
おいては、第１及び第２温度測定手段２０、２４として
、熱電対を棒状部材に直接取付けるようにしたが、これ
に限定されず、例えば図５に示すように、放射温度計９
０と角度変動自在の鏡９２を設け、この鏡９２を角度変
化させることにより棒状部材１４の先端部１８の温度お
よび前記第２温度測定手段２４が取り付けられた位置に
相当する測定部２２の温度を非接触により測定するよう
にしてもよい。この場合には、１台の放射温度計９０に
より温度測定を行なうので、２台の測定器を使用する場
合に比較して測定器相互間の誤差を排除することが可能
となる。この場合には、上記放射温度計９０が、第１及
び第２温度測定手段の両方を兼ねることになる。また、
この場合、鏡９２を用いることなく２台の放射温度計を
用いて、先端部１８と測定部２２の温度を別個に測定す
るようにしてもよい。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば次
のような優れた作用効果を発揮することができる。 第１の発明によれば、伝導による熱移動を生ずることな
く温度を測定することができるので、被測定体に局部的
な温度低下を生ぜしめることなく正確な温度を測定する
ことができる。 第２の発明によれば、上記効果に加え、外乱の原因とな
る熱源の影響を受けることなく、被加熱体の温度を正確
に測定することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の発明に係る温度測定装置を示す
構成図である。

【図２】本発明の第２の発明に係る被加熱体の温度測定
装置をＣＶＤ装置に適用した状態を示す図である。

【図３】図２中の装置の要部を示す斜視図である。

【図４】本発明の第２の発明に係る被加熱体の温度測定
装置を示す構成図である。

【図５】本発明の変形実施例を示す構成図である。

【図６】従来の温度測定装置を示す斜視図である。

【図７】従来の他の温度測定装置を示す斜視図である。

【符号の説明】

１２　　　　温度測定装置 １４　　　　棒状部材 １６　　　　被測定体 １８　　　　先端部 ２０　　　　第１温度測定手段 ２２　　　　測定部 ２４　　　　第２温度測定手段 ２６　　　　第１の金属薄膜 ２８　　　　第２の金属薄膜 ４２　　　　加熱手段 ４６　　　　ヒータ駆動部 ５０　　　　制御手段 ５２　　　　比較部 ５４　　　　制御部 ６０　　　　ＣＶＤ装置 ６２　　　　真空容器 ６４　　　　処理ガス導入管 ６６　　　　真空排気管 ６８、７０　　　　透過窓 ７２　　　　被加熱体 ７４、７６　　　　被加熱体加熱手段 ８０　　　　支持部材

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　被測定体の温度を測定する温度測定装
   置において、先端部が前記被測定体と接触する棒状部材
   と、前記棒状部材の実質的に前記先端部の温度を測定す
   る第１温度測定手段と、前記先端部より前記棒状部材の
   長手方向に沿って適宜間隔だけ離間された測定部の温度
   を測定する第２温度測定手段と、前記測定部に熱を供給
   する加熱手段と、前記第１温度測定手段の検出値と前記
   第２温度測定手段の検出値とが同じになるように前記加
   熱手段を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする
   温度測定装置。
2. 【請求項２】　　被加熱体の温度を測定する温度測定装
   置において、前記被加熱体を加熱する被加熱体加熱手段
   と、前記被加熱体を少なくとも３か所にて接触して支持
   する支持部材とを備え、前記支持部材の少なくとも１つ
   が、先端部が前記被加熱体と接触する棒状部材と、前記
   棒状部材の実質的に前記先端部の温度を測定する第１温
   度測定手段と、前記先端部より前記棒状部材の長手方向
   に沿って適宜間隔だけ離間された測定部の温度を測定す
   る第２温度測定手段と、前記測定部に熱を供給する加熱
   手段と、前記第１温度測定手段の検出値と前記第２温度
   測定手段の検出値とが同じになるように前記加熱手段を
   制御する制御手段とを有することを特徴とする被加熱体
   の温度測定装置。
3. 【請求項３】　　前記被加熱体加熱手段は、加熱用ラン
   プを有することを特徴とする請求項２記載の被加熱体の
   温度測定装置。