JPH05335284A - 温度測定装置とこれを用いた温度測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡単な構造で測定精度の高い温度測定装置と
その測定方法を提供すること。 【構成】 シリコン板２の所定位置に温度測定部３を設
けた温度測定装置１で、温度測定部３として、シリコン
板２の上面に所定容量の窪み４を穿設し、この窪み４上
に薄膜５を被着することで窪み４内の空間を密封状態と
し、この空間内に気体を所定圧力で封入する。このシリ
コン板２を加熱して、窪み４内の気体を膨張させること
で、この窪み４上に被着した薄膜５を膨出させ、この薄
膜５の膨らんだ高さを計測することでシリコン板２の温
度を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、シリコン板に設けられ
た温度測定部の熱膨張を利用した温度測定装置とこれを
用いた温度測定方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】シリコン等のウエハを用いた半導体製造
工程では、このウエハの温度を制御することが処理上の
重要な要素の一つである。特に、大口径のウエハに均一
な処理を施すためには、その温度の均一化が重要であ
り、例えばウエハの温度を５００℃に設定する場合、±
５℃程度の範囲内にそのばらつきを抑える必要がある。

【０００３】このように、ウエハの温度を制御する場合
において、半導体製造装置内の処理チャンバ等、所定の
雰囲気中に配置されるウエハの温度を予め測定しておく
必要がある。従来、このウエハの温度を測定する装置と
して、試験用のウエハに１〜９本の熱電対を張りつけた
ものを用いている。これを用いて温度を測定するには、
この試験用のウエハを処理チャンバ内のウエハ搭載位置
に配置して所定の処理温度に設定し、その際に得られる
各熱電対からの出力を計測することで、試験用のウエハ
上の温度分布を測定している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな温度測定装置とこれを用いた温度測定方法には、次
のような問題がある。すなわち、試験用のウエハに張り
つけた熱電対には、その出力を取り出すための配線が接
続されている。このため、処理チャンバ内に配線を引き
回さなければならないとともに、熱電対を張りつける位
置や個数が限定されてしまい、測定精度の低下につなが
る。また、この配線を処理チャンバ内から外へ引き出す
ため、処理チャンバに穴やコネクタ等を設ける必要があ
る。この穴やコネクタ等には、特に処理チャンバ内を気
密状態に保ちたい場合に十分なシール処理を施す必要が
あり、処理チャンバの構造の複雑化を招く。よって、本
発明は簡単な構造で測定精度の高い温度測定装置とその
測定方法を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、このような課
題を解決するために成された温度測定装置とこれを用い
た温度測定方法である。すなわち、この温度測定装置
は、シリコン板の所定位置に温度測定部が設けられたも
ので、この温度測定部として、シリコン板の上面に所定
容量の窪みを穿設し、この窪み上に薄膜を被着すること
で窪み内の空間を密封状態とし、この空間内に気体を所
定の圧力で封入するものである。

【０００６】また、この温度測定装置を用いた温度測定
方法は、所定容量の窪みが形成されたシリコン板を加熱
して、この窪み内に封入された気体を膨張させること
で、この窪み上に被着した薄膜を膨出させ、次いで、こ
の薄膜が膨らんだ高さを計測することで、この高さに基
づくシリコン板の温度を測定するものである。また、空
間の膨張により薄膜を膨出した状態で保持した後、薄膜
が膨らんだ高さを計測するものでもよい。

【０００７】

【作用】シリコン板の上面に所定の大きさと深さとから
成る窪みが穿設されており、この窪み上に薄膜を被着す
ることで、窪みの大きさと深さに応じた容量の空間が形
成される。この空間内に所定圧力の気体が封入されてい
るため、シリコン板を加熱すると、この気体の体積が膨
張し、窪み上に被着する薄膜の略中央部が押し上げられ
ることになる。この押し上げにより薄膜が膨らんだ高さ
を計測し、この高さと温度との関係からシリコン板の温
度を測定することができる。

【０００８】

【実施例】以下に、本発明の温度測定装置とこれを用い
た温度測定方法を図に基づいて説明する。先ず、本発明
の温度測定装置の説明をする。図１は本発明の温度測定
装置を説明する斜視図、図２は本発明の温度測定装置の
模式断面図である。この温度測定装置１は、温度測定専
用のシリコン板２の上面に温度測定部３が設けられたも
ので、この温度測定装置１をそのまま半導体製造装置の
処理チャンバ内に配置するものである。このため、シリ
コン板２として、処理を施すウエハと等しいサイズのも
のが用いられており、ウエハの搭載位置にそのまま取り
付けられるものである。

【０００９】この温度測定部３は、所定の大きさと深さ
とから成る窪み４と、この窪み４の上方に被着する薄膜
５とから構成されており、窪み４と薄膜５との間に形成
される空間に、気体４１が所定の圧力で封入されてい
る。

【００１０】図３の模式断面図に示すように、温度測定
部３の窪み４は、例えば直径Ｒの平面視略円形で、深さ
ｄの凹状に穿設されたものである。具体的な大きさの一
例として、直径Ｒとして約１００μｍ、深さｄを約１μ
ｍとし、この窪み４上に厚さ約０．１μｍの薄膜５が被
着されている。薄膜５の材質としては、例えばシリコン
が用られ、この薄膜５と窪み４との間の空間に、例えば
窒素やアルゴン等から成る気体４１が封入されている。
また、この気体４１の圧力は、測定する処理チャンバ内
の圧力と等しくなっており、加熱されない状態では、窪
み４上の薄膜５がシリコン板２の表面と略同一平面とな
っている。

【００１１】このような温度測定装置１を加熱すると、
図４の模式断面図に示すように、窪み４内の気体４１が
膨張する。この膨張による体積増加は、窪み４の直径Ｒ
と深さｄ、および気体４１の圧力により決まるもので、
温度上昇に比例して増加するものである（薄膜５の厚さ
を一定とする）。この体積増加により窪み４上の薄膜５
の略中央部が弾性変形して押し上げられ、シリコン板２
の表面から高さｔだけ膨らむことになる。

【００１２】次に、この温度測定装置１を用いた温度測
定方法について説明する。この温度測定方法は、先に述
べたように、シリコン板２の温度上昇に比例した気体４
１の体積増加を利用したものである。すなわち、温度測
定装置１を測定しようとする処理チャンバ内のウエハ搭
載部に配置し、処理チャンバ内を加熱する。これによ
り、シリコン板２に設けられた温度測定部３が加熱さ
れ、窪み４内の気体４１が加熱膨張する。

【００１３】この加熱膨張により窪み４上の薄膜５の略
中央部が押し上げられ、高さｔだけ膨らむ。この高さｔ
を、例えばレーザ光等の反射率変化を利用して計測す
る。そして、この計測結果に基づいて、シリコン板２に
設けられた温度測定部３の温度を測定する。なお、予め
温度測定部３の温度と、その温度により薄膜５が膨らむ
高さｔとの関係を求めておき、これに基づいて高さｔか
ら測定温度を決定すればよい。

【００１４】このような温度測定部３をシリコン板２の
温度を測定したい位置に設けておけば、処理を施すウエ
ハと等しい条件でその温度を測定することができる。し
かも、シリコン板２の全体に配置すればシリコン板２表
面の温度分布を測定することができる。

【００１５】先に述べたように、薄膜５は気体４１の膨
張により弾性変形するため、正確な温度を測定する場合
には、その温度のままの状態、すなわち、処理チャンバ
内で薄膜５が膨らんだ高さｔを測定する必要がある。そ
こで、本発明の温度測定方法の他の例として、薄膜５を
膨出させた状態で保持した後、膨らんだ高さｔを測定す
る方法がある。

【００１６】この方法は、薄膜５として燐ガラス等の塑
性変形温度の低い材質を用いた温度測定装置１を処理チ
ャンバ内のウエハ搭載位置に配置して加熱するものであ
る。この温度に応じて気体４１の体積が膨張し、薄膜５
を押し上げる。この押し上げにより薄膜５が塑性変形を
起こし、高さｔだけ膨らんだ状態で保持される。例え
ば、薄膜５として燐ガラスを用いた場合には、６００℃
以上で塑性変形を起こすことになる。そして、この温度
測定装置１を処理チャンバ内から取り出して、この薄膜
５の膨らんだ高さｔを測定する。処理チャンバ内から温
度測定装置１を取り出した際、外気により気体４１が冷
やされても、薄膜５が塑性変形を起こしているため、こ
の高さｔが変わることがない。

【００１７】この温度測定方法により、薄膜５が膨出し
た高さｔの測定を処理チャンバの外で行うことがきるた
め、この高さｔを容易に計測できる。この計測として、
先に述べたレーザ光等の反射率変化を利用する方法や、
触針式段差計を用いて計測も行うことができる。なお、
このような薄膜５を用いた温度測定方法では、塑性変形
により各温度測定部３の最高温度を記録することにな
る。

【００１８】次に、本発明の温度測定装置１の製造方法
について説明する。図５は、温度測定装置１の製造方法
を（Ａ）〜（Ｃ）の工程順に説明する模式断面図であ
る。先ず、図５（Ａ）に示すように、シリコン板２の所
定位置に窪み４を穿設する。窪み４は、シリコン板２上
の温度を測定したい位置に設け、例えばフォトレジスト
でこの窪み４のパターンを形成した後、反応性イオンエ
ッチング等により加工する。

【００１９】次に、図５（Ｂ）に示すように、シリコン
板２の窪み４が設けられた面側に他のシリコン板２１を
張り合わせる。張り合わせとして、シリコン板２と他の
シリコン板２１とを重ねた状態で１０００℃程度の熱処
理を施し密着させる。これにより、窪み４内の空間を密
封状態とするとともに、気体４１が所定の圧力で封入さ
れることになる。

【００２０】そして、図５（Ｃ）に示すように、張り合
わせた他のシリコン板２１を研磨して、所定の厚さの薄
膜５を形成する。このようにして、窪み４上に薄膜５を
被着した温度測定装置１を製造する。なお、温度測定装
置１の窪み４の大きさおよび深さは、測定する温度範囲
や測定精度に応じて自由に選択すればよく、例えば、窪
み４の深さｄ（図３参照）を深くすれば測定精度は上が
るが、測定できる温度範囲が限定される。一方、窪み４
の深さｄを浅くすれば測定できる温度範囲は広くなる
が、測定精度が低下する。

【００２１】また、先に述べた他の温度測定装置１の製
造方法を、図６（Ａ）〜（Ｃ）の工程順に説明する。先
ず、図６（Ａ）に示すように、シリコン板２の所定位置
に窪み４を形成する。この形成方法は、前述と同様、反
応性イオンエッチング等により行う。

【００２２】次に、図６（Ｂ）に示すように、他のシリ
コン板２１の裏面側に燐ガラス膜５１を成膜しておき、
燐ガラス膜５１とシリコン板２とを重ね合わせるように
して、シリコン板２と他のシリコン板２１とを、前述の
熱処理と同様の方法で張り合わせる。

【００２３】そして、図６（Ｃ）に示すように、他のシ
リコン板２１を研磨して全て除去し、さらに燐ガラス膜
５１を研磨して、所定の厚さの薄膜５を形成する。この
ようにして、窪み４上に燐ガラス膜５１から成る薄膜５
が被着した温度測定装置１を製造する。

【００２４】これらの温度測定装置１は、いずれも処理
を施すウエハと等しいサイズのシリコン板２を用いてい
るとともに、多数の温度測定部３を形成できるため、半
導体製造工程における諸条件とほぼ等しい状態で緻密な
温度測定や温度分布の測定を行うことができる。なお、
本実施例において示した数値は、具体的な一例であり、
本発明はこれに限定されるものではない。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の温度測定
装置とこれを用いた温度測定方法によれば、次のような
効果がある。すなわち、気体の加熱膨張により薄膜が膨
出した高さから温度を測定するため、温度測定部から配
線を引き回す必要がないとともに、配線を処理チャンバ
内から外へ引き出すための穴やコネクタ等を設ける必要
がない。また、シリコン板の大きさに対して温度測定部
の大きさが微小で済むため、温度測定部を多数設けるこ
とができ、緻密な温度分布を測定することが可能とな
る。さらに、この温度測定装置は、処理するウエハとほ
ぼ同様な形状であるため、製造条件に等しい状態での温
度測定を行うことが可能となる。また、この温度測定装
置を用いた温度測定方法によれば、薄膜の上昇高さの計
測結果に基づいて温度を測定するため、正確な測定を容
易に行うことが可能となる。これらは、大口径のウエハ
上の温度分布を測定する場合において特に有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の温度測定装置を説明する斜視図であ
る。

【図２】本発明の温度測定装置を説明する模式断面図で
ある。

【図３】温度測定部の模式断面図である。

【図４】温度測定部が膨張した状態を説明する模式断面
図である。

【図５】本実施例の製造方法を（Ａ）〜（Ｃ）の工程順
に示す模式断面図である。

【図６】他の実施例の製造方法を（Ａ）〜（Ｃ）の工程
順に示す模式断面図である。

【符号の説明】

１ 温度測定装置 ２ シリコン板 ３ 温度測定部 ４ 窪み ５ 薄膜 ４１ 気体

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリコン板の所定位置に温度測定部が設
   けられた温度測定装置であって、 前記温度測定部は、前記所定位置に穿設された所定容量
   の窪みと、 前記窪み内の空間を密封状態で覆う薄膜とから成り、 前記空間内に所定圧力の気体が封入されていることを特
   徴とする温度測定装置。
2. 【請求項２】 所定容量の窪みが形成されたシリコン板
   を加熱して、前記窪み内の気体を膨張させる温度測定装
   置を用いた温度測定方法であって、 前記気体の膨張により、前記窪み上に被着した薄膜を膨
   出させ、 次いで、前記薄膜が膨らんだ高さを計測することで、前
   記高さに基づく前記シリコン板の温度を測定することを
   特徴とする温度測定装置を用いた温度測定方法。
3. 【請求項３】 前記気体の膨張により前記薄膜を膨出し
   た状態で保持した後、 前記薄膜が膨らんだ高さを計測するようにしたことを特
   徴とする請求項２記載の温度測定装置を用いた温度測定
   方法。