KR101447340B1 - 온도 측정용 장치 - Google Patents

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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

본 발명에 관한 온도 측정용 장치는, 기판(2)과, 기판(2)의 한쪽의 면에 배치된 온도 센서(3)와, 온도 센서(3)를 사용하여 온도를 검출하는 회로와 온도 센서(3) 사이를 전기적으로 접속하도록 배치된 와이어(8)를 구비한다. 온도 센서(3)의 주위에 있어서의 기판(2)의 한쪽의 면에는, 기판(2)을 형성하는 물질보다도 열 용량이 작은 오목부(7)가 형성되어 있다. 오목부(7)는, 온도 센서(3)에 소정의 간격을 두고, 온도 센서(3)를 둘러싸도록, 또한, 소정의 폭 및 소정의 깊이를 갖도록 형성되어 있다. 바람직하게는, 저열 용량대는 단면이 오목 형상의 홈인 오목부(7)이다.

Description

온도 측정용 장치{TEMPERATURE MEASURING APPARATUS}
본 발명은, 반도체 제조 프로세스 등에 있어서의 가열 처리 유닛 내에서 가열되는 기판의 실제 온도를 측정하는 온도 측정용 장치에 관한 것이다.
반도체나 액정 디스플레이 등의 제품은, 반도체 기판의 세정, 레지스트 도포, 노광, 현상, 에칭, 층간 절연막의 형성, 가열 처리 및 다이싱 등의 일련의 처리 공정을 거쳐서 제조된다. 이들의 처리 중, 가열 처리는, 예를 들어 패턴의 노광 후, 층간 절연막의 재료인 SOG(Spin On Glass)재의 도포 후, 또는, 포토레지스트의 도포 후에 행해지는 처리이다. 가열 처리는, 반도체나 액정 디스플레이의 제조 프로세스에 필수적인 중요한 처리 공정이다.
기판의 가열 처리는, 가열 처리 유닛 내에 있어서 행해진다. 이때, 가열 처리 유닛 내의 온도 관리는 중요하다. 왜냐하면, 온도 관리가 나쁜 경우, 레지스트의 막 두께 불량이나 현상 불량을 야기하게 되기 때문이다. 또한, 현상, 에칭, 스퍼터링, CVD(Chemical Vapor Deposition) 등에 의한 반응에 있어서도, 기판의 표면 온도를 제어하는 것이 필요하다. 그로 인해, 온도 센서가 매립된 더미의 기판을 사용하여, 가열 처리 유닛 내의 온도가 아닌, 가열 처리 유닛 내에서 처리되는 기판의 실제 온도를 측정하는 기술이 사용되고 있다.
그러나, 상술한 측정 기술에서는, 더미의 기판에, 열 전도도나 비열이라고 하는 열 물성이 기판과는 다른 재질로 이루어지는 온도 센서 등이 매립되어 있다. 그로 인해, 기판의 실제 온도와, 더미의 기판에 의해 측정된 온도 사이에, 오차가 발생하는 경우가 있었다. 따라서, 기판의 실제 온도를, 가능한 한 정확하게 측정할 수 있는 온도 측정용 기판이 개발되고 있다.
예를 들어, 특허 문헌 1에는, 표면에 복수의 오목부가 형성된 기판과, 복수의 오목부에 접착되고, 수정 진동자를 갖는 복수의 검온 소자를 구비하는 온도 측정용 기판이 기재되어 있다. 또한, 특허 문헌 2에는, 기판의 파라미터(온도를 포함함)를 측정하기 위한 장치가 기재되어 있다. 특허 문헌 2에 기재되어 있는 기판의 온도를 측정하기 위한 장치에서는, 기판의 공동 내에 전자 처리 부품 등(집적 회로 등)을 배치할 때에, 특정한 열 특성을 갖는 충전 재료(본딩 재료 또는 포팅 재료)가 사용된다. 이에 의해, 상기 장치는, 전자 처리 부품이 없는 기판과 실질적으로 동일하도록, 기판의 온도 변화를 감지할 수 있다.
일본 특허 출원 공개 제2008-139067호 공보 일본 특허 출원 공표 제2007-536726호 공보
현재, 온도 측정 장치에는, RTD(Resistance Temperature Detector, 측온 저항체), 열전대(서모 커플), CMOS 온도 센서 혹은 서미스터가, 온도 센서로서 사용되고 있다. 전술한 특허 문헌 1에 기재된 온도 측정용 기판에서는, 검온 소자로서 수정 진동자를 사용하여 기판의 온도를 측정하고 있다. 그러나, 수정 진동자를 내장하는 패키지(검온 소자)를 오목부에 접착하기 위한 접착제, 및 패키지의 재질의 열 용량이나 비열 등의 열 물성이 원인이 되어, 검출 소자 주변의 열의 과도 특성이, 실제 기판의 열의 과도 특성과 비교해서 지연된다.
특허 문헌 2에 기재되어 있는 기판의 온도를 측정하는 장치는, 특정한 열 특성을 갖는 본딩 재료 또는 포팅 재료를 사용하므로, 전자 처리 부품이 없는 기판과 실질적으로 동일한 온도의 변화를 감지할 수 있다. 즉, 당해 장치는, 기판에, 실제 기판에 가까운 열의 과도 특성을 갖게 할 수 있다. 본딩 재료로서는, 열 전도율이 매우 높은 것이 바람직하다. 특허 문헌 2에서는, 다이아몬드의 미립자를 충전한 에폭시 재료를 예로 들 수 있다.
그러나, 이와 같은 재료를 본딩 재료로서 사용한 경우, 온도 측정 장치의 제조 비용이 높아진다. 또한, 전자 처리 부품을 구성하는 재질의 열 용량에 의해서도, 상기 온도 측정용 기판에서의 검출 소자 주변의 열의 과도 특성이, 실제 기판의 열의 과도 특성과 비교해서 지연된다.
본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것이며, 온도 센서 주변의 열의 과도 특성이 실제 기판의 열의 과도 특성에 근접하여, 가열 처리 유닛 내에서 처리되는 기판의 실제 온도를 높은 정밀도로 측정할 수 있는 온도 측정용 장치의 제공을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 관한 온도 측정용 장치는, 기판과, 상기 기판의 한쪽의 면에 배치된 적어도 1개의 온도 센서와, 상기 기판 상에 있어서, 상기 온도 센서에 소정의 거리를 두고, 상기 온도 센서를 둘러싸도록, 또한, 소정의 폭 및 소정의 깊이를 갖도록 형성되어 있는 저열 용량대를 구비하고, 상기 저열 용량대는, 상기 기판을 형성하는 물질보다도 열 용량이 작은 물질로 형성되어 있다.
바람직하게는, 상기 저열 용량대의 상기 온도 센서로부터의 소정의 거리, 소정의 폭 및 소정의 깊이는, 실제 기판의 열 용량과, 상기 온도 센서와 상기 온도 센서의 주변 부재의 열 용량의 합이, 동등해지도록 결정되어 있다.
바람직하게는, 상기 저열 용량대는, 단면이 오목 형상의 홈이다.
또한, 바람직하게는, 상기 저열 용량대는, 다공질 구조를 갖는 물질로 형성되어 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 저열 용량대는, 나노 결정 실리콘으로 형성되어 있다.
바람직하게는, 상기 기판의 한쪽의 면에는, 상기 온도 센서가 내부에 매립되는 구멍부가 형성되어 있고, 상기 온도 센서를 상기 구멍부의 내부에 고착시키는 접합재와, 내부에 상기 온도 센서가 고착된 상기 구멍부를 밀봉하는 밀봉재를 구비하고, 상기 저열 용량대는, 상기 구멍부에 소정의 간격을 두고, 상기 온도 센서 및 상기 구멍부를 둘러싸도록 형성되어 있다.
또한, 바람직하게는, 상기 온도 측정용 장치는, 웨이퍼 형상의 온도 측정용 장치이다.
더욱 바람직하게는, 상기 온도 센서는, RTD이다.
바람직하게는, 상기 기판 상에, 상기 온도 센서를 사용하여 온도를 검출하는 검출 수단과, 상기 회로에 의해 검출한 온도의 데이터를 기억하는 기억 수단과, 상기 회로에 전력을 공급하는 급전 수단을 구비한다.
본 발명의 온도 측정용 장치에 따르면, 온도 센서 주변의 열의 과도 특성이 실제 기판의 열의 과도 특성에 근접하여, 가열 처리 유닛 내에서 처리되는 기판의 실제 온도를 높은 정밀도로 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 관한 온도 측정용 웨이퍼의 구성예를 나타내는 개략도이다.
도 2는 도 1의 X 부분에 있어서의 확대도이다.
도 3은 도 2의 Y-Y'선으로 절단한 단면도이다.
도 4a는 실시 형태에 관한 온도 측정용 웨이퍼에 있어서 기판에 배선을 형성하는 제조 공정을 도시하는 단면도이다.
도 4b는 기판에 구멍부 및 오목부를 형성하는 제조 공정을 도시하는 단면도이다.
도 4c는 구멍부에 온도 센서를 매립하고, 와이어에 의해 배선과 접속하는 제조 공정을 도시하는 단면도이다.
도 4d는 구멍부에 매립한 온도 센서를 밀봉하는 제조 공정을 도시하는 단면도이다.
도 5는 실시 형태의 제1 변형예에 관한 온도 측정용 웨이퍼의 온도 센서 주변을 도시하는 단면도이다.
도 6은 실시 형태의 제2 변형예에 관한 온도 측정용 웨이퍼의 온도 센서 주변을 도시하는 확대도이다.
도 7은 본 발명의 구체예의 Model 3에 관한 온도 측정용 웨이퍼의 구성예를 나타내는 사시도이다.
도 8은 구체예의 Model 1에 관한 웨이퍼의 구성을 도시하는 단면도이다.
도 9는 구체예의 Model 2에 관한 온도 측정용 웨이퍼의 구성을 도시하는 단면도이다.
도 10은 구체예의 Model 3에 관한 온도 측정용 웨이퍼의 구성을 도시하는 단면도이다.
도 11은 구체예에 관한 Model 1 내지 Model 3의 가열 시간 0 내지 10(초)의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 12는 구체예에 관한 Model 1 내지 Model 3의 가열 시간 0 내지 60(초)의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 13은 구체예에 관한 Model 2 또는 Model 3과 Model 1과의 온도차(℃)의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해서 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 도면 중 동일 또는 상당 부분에는 동일한 부호를 부여한다.
(실시 형태)
본 실시 형태에 관한 온도 측정용 웨이퍼를 도 1을 참조하여 설명한다. 온도 측정용 웨이퍼(1)는, 기판(2)과, 복수의 온도 센서(3)와, 배선(4)과, 처리부(5)와, 전원부(6)와, 오목부(7)로 구성되어 있다. 각 온도 센서(3)의 주변에는, 그 밖의 온도 측정용 웨이퍼(1)를 구성하는 부재 등도 존재하지만, 이들에 대해서는 이후에 상세하게 서술한다. 온도 측정용 웨이퍼(1)는, 반도체 제조 프로세스에 있어서의 가열 처리 유닛 내에서 처리되는 웨이퍼의 실제 온도를 측정하기 위해 사용된다. 그 재질은, 실제로 처리되는 기판과 동일 재질이다.
기판(2)은, 실리콘으로 구성된다. 또한, 그 상면에 보호막으로서 SiO2층 또는 폴리이미드층 등이 형성되어 있어도 좋다. 그 밖에, 당해 분야에서 공지된 재료를 사용해도 좋다.
배선(4)은, 도체 재료로 구성되어 있다. 예를 들어, 알루미늄, 구리, 금, 티탄, 텅스텐, 몰리브덴, 또는, 이들의 합금 등으로 구성된다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 배선(4)은, 처리부(5)와 각 온도 센서(3)를 전기적으로 접속하도록, 기판(2)의 한쪽의 면 상에 연장되어 있다. 도 1의 파선 X의 개소를, 도 2에 확대해서 도시하는 바와 같이, 온도 센서(3)와 배선(4)은, 직접 전기적으로 접속되어 있지 않지만, 와이어(8)를 통하여 접속되어 있다. 도 1에는 상세하게 도시되어 있지 않지만, 배선(4)과 처리부(5)도, 와이어(8)를 개재하여 접속되어 있다.
처리부(5)는, 각 온도 센서(3)를 사용하여 온도를 검출하는 회로, 및 검출한 온도의 데이터를 기억하는 회로를 갖는다. 이들의 회로에는, MPU(Micro Processing Unit), A/D(Analog to Digital) 컨버터, 메모리, 아날로그 스위치(SW) 등이 실장되어 있다. 예를 들어, 처리부(5)는, 와이어 본드 기술에 의해 상술한 회로가 기판에 실장된 것이며, 열 압착에 의해 기판(2)에 부착된다. 기판(2)에 부착된 처리부(5)는, 와이어(8)를 개재하여 배선(4)과 전기적으로 접속된다. 또한, 처리부(5)는, 기판(2) 상이 아닌, 기판(2) 외부에 설치해도 좋다.
전원부(6)는, 처리부(5)와 와이어(8) 등의 도전체에 의해 전기적으로 접속되어 있고, 온도 측정용 웨이퍼(1)에 전원을 공급한다. 전원부(6)에는, 배터리 또는 DC 전원, 예를 들어, 박막 고체 전해질형 전지가 실장되어 있다. 전원부(6)는, 유선에 의해 충전된다. 전원부(6)도, 기판(2) 상에 설치해도 좋고, 기판(2) 외부에 설치해도 좋다.
복수의 온도 센서(3)가, 기판(2)의 한쪽의 면에 배치되어 있다. 도 2 및 도 2의 Y-Y'선의 단면도인 도 3에 도시하는 바와 같이, 온도 센서(3)는, 기판(2)의 한쪽의 면에 형성되어 있는 대략 원형 형상의 구멍부(9)의 내부에 매립되어 있다. 또한, 구멍부(9)의 저부에는, 온도 센서(3)를 고착시키기 위한 접합재(10)가 봉입되어 있다.
온도 센서(3)와 배선(4)은, 와이어 본드 기술에 의해 와이어(8)로 전기적으로 접속되어 있다. 온도 센서(3)가 매립된 구멍부(9)는, 밀봉재(11)에 의해 포팅된다. 온도 센서(3)가 매립된 구멍부(9)의 외주에는, 상면에서 보아 형상이, 대략 원형 형상이고, 단면이 오목 형상의 홈인 오목부(7)가 형성되어 있다. 오목부(7)는, 구멍부(9)와 소정의 간격을 두고, 온도 센서(3) 및 구멍부(9)를 완전히 둘러싸도록 형성되어 있다. 또한, 오목부(7)는, 기판(2)의 한쪽의 면으로부터 소정의 깊이를 갖는다. 오목부(7)와 온도 센서(3)의 간격, 당해 면으로부터의 깊이 및 오목부(7)의 수평 방향의 폭에 대해서는, 이후에 상세하게 서술한다.
접합재(10)의 재료는, 기판(2)을 구성하는 실리콘 등과 같이 열 전도도가 큰 쪽이 바람직하다. 또한, 접합체(10)의 재료는, 내열성을 갖는 동시에, 가열 승온되어도 가스를 거의 발생하지 않는 것을 사용할 필요가 있다. 예를 들어, 열 전도성 필러가 배합된 실리콘계 고무 등을 사용한다. 밀봉재(11)의 재료는, 기판(2)을 구성하는 실리콘 등과의 열 팽창률의 차이를 고려하여, 탄력성을 갖는 재질을 사용할 필요가 있다. 예를 들어, 접합재(10)와 마찬가지인 열 전도성 필러가 배합된 실리콘계 고무 등을 사용한다. 밀봉재(11)에 사용되는 재료는, 그 밖에 당해 분야에서 공지된 재료를 사용해도 상관없다. 또한, 본 실시 형태에서 사용되는 온도 센서(3)는 RTD이다. 바람직하게는, Pt(백금) RTD이다.
이하, 본 실시 형태에 관한 온도 측정용 웨이퍼(1)의 제조 방법에 대해서, 도 4a 내지 도 4d를 사용하여 간단히 설명한다. 본 발명은, 온도 측정용 웨이퍼(1)의 온도 센서(3) 주변의 영역에 관한 발명이다. 따라서, 그 밖의 웨이퍼 영역의 제조 방법에 대해서는 당해 분야에서 공지된 기술을 사용하여 제조하는 것으로 한다.
도 4a에 도시하는 바와 같이, 우선, 온도 측정용 웨이퍼(1)의 기판(2)을 선정하고, 그 한쪽의 면에, 도전체로 이루어지는 배선(4)을 패터닝한다. 다음에 도 4b에 도시하는 바와 같이, 샌드블라스트 또는 에칭에 의해 온도 센서(3)가 매립되는 구멍부(9), 및, 오목부(7)가 형성된다.
그리고, 도 4c에 도시하는 바와 같이, 구멍부(9)에 온도 센서(3)를 매립하고, 와이어(8)에 의해 온도 센서(3)와 배선(4)을 접속한다. 즉, 우선, 형성된 구멍부(9)의 내부에, 접합재(10)를 봉입하고, 온도 센서(3)를 고착시킨다. 다음에, 와이어 본드 기술에 의해 온도 센서(3)와 배선(4)이 와이어(8)를 통하여 전기적으로 접속된다. 또한, 도 4d에 도시하는 바와 같이, 구멍부(9)에 매립한 온도 센서(3)를 밀봉한다. 즉, 온도 센서(3)가 매립된 구멍부(9)를 밀봉재(11)로 포팅을 행한다.
이하, 본 실시 형태에 관한 온도 측정용 웨이퍼(1)의 사용 방법, 즉, 상기 온도 측정용 웨이퍼(1)를 사용하여, 가열 처리 유닛 내에서 처리되는 웨이퍼의 실제 온도의 측정 방법의 일례에 대해서 간단히 설명한다.
우선, 웨이퍼 반송 아암을 사용하여, 가열 처리 유닛 내에 온도 측정용 웨이퍼(1)가 반입된다. 그때, 예를 들어, PC를 사용하여 유선에 의해, 온도 측정 횟수, 측정 주기 등의 측정 조건을 설정하고, 처리부(5)에, 상기 조건을 기억시켜 둔다. 온도 측정용 웨이퍼(1)가, 가열 처리 유닛 내에서 가열되면, 온도 측정용 웨이퍼(1)의 각 온도 센서(3)(RTD)의 저항값이 변화된다. 처리부(5)는, 각 온도 센서(3)(RTD)의 저항값의 변화로부터 온도의 변화를 검출하고, 검출한 온도의 데이터를 기억해 간다. 온도 측정용 웨이퍼(1)의 전기 회로에의 급전은, 미리 충전된 전원부(6)가 행한다.
온도 측정이 종료되면, 온도 측정용 웨이퍼(1)에 의해 측정된 웨이퍼의 온도 측정 데이터는, 처리부(5)로부터, 온도의 디지털 데이터로서 PC에 유선으로 취출된다. 또한, 전원부(6)에도 유선으로 충전된다. 또한, 이와 같은 온도 측정용 더미 웨이퍼의 취급의 상세에 대해서는, 일본 특허 제3583665호 공보를 참조하기 바란다.
이와 같이 취출된 온도의 데이터는, 실제 프로세스에 있어서 가열 처리 유닛 내에서 사용되는 웨이퍼의 온도의 값에 매우 근접해진다. 이것은, 본 실시 형태에 관한 온도 측정용 웨이퍼(1)에는, 각 온도 센서(3) 주변에, 오목부(7)가 형성되어 있기 때문이다. 즉, 오목부(7)의 내부에는, 가열 처리 시에는 공기가 존재한다. 공기는, 기판(2)의 구성 재료인 실리콘보다도 열 용량이 작으므로, 오목부(7)는 저열 용량대로서 작용한다. 이로 인해, 온도 측정용 웨이퍼(1) 전체의 열 용량은, 오목부(7)가 없는 웨이퍼와 비교하여 작아진다. 오목부(7)가 있는 웨이퍼는, 오목부가 없는 웨이퍼와 동일한 열량이 주어졌을 때, 웨이퍼 전체의 열의 과도 특성이 향상된다. 따라서, 각 온도 센서(3) 주변에 있어서의 열의 과도 특성도 향상되어, 온도 센서(3) 부분의 열의 과도 특성을, 실제 온도 센서(3)가 없는 경우의 웨이퍼의 열의 과도 특성에 근접시킬 수 있다.
또한, 오목부(7)의 수평 방향의 폭, 깊이 및 형성 위치[온도 센서(3)와의 거리) 등은, 온도 센서(3) 주변의 열의 과도 특성이 실제 웨이퍼(기판)의 열의 과도 특성에 가능한 한 근접해지도록 미리 조정하여 형성해 둔다. 즉, 오목부(7)의 온도 센서(3)로부터의 거리, 폭 및 깊이는, 온도 센서(3)의 종류(재질) 및 크기, 접합재(10)의 재료 또는 기판(2)의 두께 등에 따라서, 각각 적합한 것으로 조정해 둔다. 오목부(7)의 최적 형상을 어림잡기 위해서는, 온도 측정용 웨이퍼(1)를 각 구성 부품으로 나누어서 각각의 열 용량을 계산해서 결정한다. 예를 들어, 온도 센서(3)의 열 용량을 CsJ/Kㆍ㎥, 본딩 재료의 열 용량을 CbJ/Kㆍ㎥, 오목부(7)의 재료의 열 용량을 CzJ/Kㆍ㎥, Si의 열 용량을 CsiJ/Kㆍ㎥, 그 밖에 전자 처리 부품 등의 열 용량을 CcJ/Kㆍ㎥로 정의한다. 실제 웨이퍼(기판)의 열 용량 CvJ/Kㆍ㎥가, 온도 센서(3)의 열 용량(CsJ/Kㆍ㎥)과 그 주변 부재인 예를 들어 본딩 재료, 오목부 재료, 다른 전자 부품 재료가 갖는 열 용량의 합(CbJ/Kㆍ㎥+CzJ/Kㆍ㎥+CsiJ/Kㆍ㎥+CcJ/Kㆍ㎥)과 동등해지도록 오목부(7)의 온도 센서(3)로부터의 위치, 수평 방향의 폭, 깊이 등을 조정한다.
본 실시 형태의 온도 측정용 웨이퍼(1)에 따르면, 온도 센서(3) 주변의 열의 과도 특성이 실제 웨이퍼의 열의 과도 특성에 근접하므로, 가열 처리 유닛 내에서 처리되는 웨이퍼의 실제 온도를 높은 정밀도로 측정할 수 있다. 특히, 본 실시 형태의 온도 측정용 더미 웨이퍼를 사용한 온도 측정은, 온도 센서(3) 주변의 열의 과도 특성을 실제 웨이퍼의 열의 과도 특성에 근접시킴으로써, 종래의 온도 측정용 웨이퍼와 비교하여, 가열(온도 변화) 개시 직후의 온도를 보다 정확하게 측정할 수 있다.
(실시 형태의 제1 변형예)
본 실시 형태의 제1 변형예를, 도 5를 참조하여 설명한다. 도 5에 있어서 도시되는 온도 측정용 웨이퍼(1)의 구성의 개략에 대해서는, 도 1에 도시한 실시 형태와 마찬가지이다. 온도 측정용 웨이퍼(1)의 각 구성 요소인 기판(2), 온도 센서(3), 배선(4), 처리부(5), 전원부(6), 와이어(8), 구멍부(9), 접합재(10) 및 밀봉재(11)의 상세에 대해서는, 전술한 실시 형태와 마찬가지이다.
제1 변형예에서는, 오목부(7) 대신해서, 대략 원형 형상의 다공질대(12)가, 오목부(7)와 마찬가지로, 대략 원형 형상의 구멍부(9)에 소정의 간격을 두고, 형성되어 있다. 다공질대(12)는, 온도 센서(3) 및 구멍부(9)의 주위를 완전히 둘러싸도록, 또한 기판(2)의 한쪽의 면으로부터 소정의 깊이를 갖도록 형성되어 있다. 도 5에 도시하는 온도 센서(3) 주변의 상방으로부터 본 다공질대(12)의 형상은, 도 2 및 도 3에 도시하는 오목부(7)와 마찬가지이다. 다공질대(12)는, 다공질 실리콘, 바람직하게는 나노 결정 실리콘 등의 물질로 구성되어 있다.
본 실시 형태의 제1 변형예에 관한 온도 측정용 웨이퍼(1)의 제조 방법은, 도 4a 내지 도 4d에 도시한 실시 형태에 관한 제조 방법과 거의 마찬가지이지만, 도 4b에 도시하는 제조 단계에서 오목부(7)를 형성하지 않는 점에 있어서 다르다. 전술한 바와 같이, 다공질대(12)는 다공질 실리콘(나노 결정 실리콘도 포함함)으로 구성된다. 예를 들어, 기판(2)(실리콘) 상의 다공질대(12)로 되는 부분을, 불화수소수 용액과 에탄올의 혼합액으로 이루어지는 전해액 중에서 양극 산화 처리함으로써 형성한다. 실리콘으로부터의 다공질 실리콘으로의 더욱 상세한 형성 방법에 대해서는, 일본 특허 출원 공개 제2005-73197호 공보를 참조하기 바란다.
또한, 다공질대(12)의 폭, 깊이 및 형성 위치[온도 센서(3)와의 거리] 등은, 온도 센서(3) 주변의 열의 과도 특성이 실제 웨이퍼(기판)의 열의 과도 특성에 가능한 한 근접해지도록 미리 조정하여 형성해 두는 것으로 한다. 즉, 다공질대(12)의 온도 센서(3)로부터의 거리, 폭 및 깊이는, 온도 센서(3)의 종류(재료) 및 크기, 접합재(10)의 재료 또는 기판(2)의 두께 등에 맞추어, 각각 적합한 것으로 조정해 둔다.
본 실시 형태의 제1 변형예의 온도 측정용 웨이퍼(1)에 있어서도, 온도 센서(3)의 주변에 기판(2)의 재료(실리콘)보다도 열 용량이 작은 재료[다공질 실리콘(나노 결정 실리콘도 포함함)]로 이루어지는 다공질대(12)가 형성되어 있고, 저열 용량대로서 작용한다. 그로 인해, 온도 센서(3) 주변의 열의 과도 특성이 실제 웨이퍼의 열의 과도 특성에 근접하여, 가열 처리 유닛 내에서 처리되는 웨이퍼의 실제 온도를 높은 정밀도로 측정할 수 있다.
(실시 형태의 제2 변형예)
본 실시 형태의 제2 변형예를 도 6을 참조하여 설명한다. 도 6에 있어서의 온도 측정용 웨이퍼(1)의 구성의 개략에 대해서는, 도 1에 도시한 실시 형태와 마찬가지이다. 온도 측정용 웨이퍼(1)의 각 구성 요소의 상세에 대해서도, 전술한 실시 형태와 마찬가지이다.
본 실시 형태의 제2 변형예에서는, 오목부(7)가 온도 센서(3) 및 구멍부(9)를 완전히 둘러싸여 있지 않은 점에 있어서, 전술한 실시 형태와 다르다. 즉, 도 6에 도시하는 바와 같이, 상면에서 보아 대략 사각 형상의 오목부(7)는, 배선(4)과 온도 센서(3)가 와이어(8)를 개재하여 접속되는 부분에는 형성되어 있지 않다.
그러나, 이와 같은 오목부(7)가 형성된 온도 측정용 웨이퍼(1)라도, 온도 센서(3)를 어느 정도 둘러싸도록 저열 용량대[오목부(7)]가 형성되어 있기 때문에, 온도 센서(3) 주변의 열의 과도 특성을 실제 웨이퍼의 열의 과도 특성에 근접시킬 수 있다. 그로 인해, 가열 처리 유닛 내에서 처리되는 웨이퍼의 실제 온도를 높은 정밀도로 측정할 수 있다. 또한, 오목부(7)는 배선(4)과 온도 센서(3)의 접속 부분에는 형성되어 있지 않기 때문에, 배선(4)의 연장 배치에 대해서도 종래와 같이 설계가 가능해진다.
이와 같이, 본 발명에 관한 온도 측정용 장치에서는, 저열 용량대[다공질대(12) 또는 오목부(7) 등]는, 온도 센서(3)에 소정의 간격을 두고, 온도 센서(3)를 어느 정도 둘러싸도록 형성되어 있으면 좋고, 저열 용량대는 전체 둘레에 걸쳐 연속해서 형성되어 있지 않아도 좋다.
예를 들어, 본 실시 형태의 제2 변형예 외에, 연속된 저열 용량대가 아닌, 단편적인 저열 용량대가, 온도 센서(3)를 어느 정도 둘러싸도록 형성되어 있어도 좋다. 그러나, 온도 센서(3) 주변의 열의 과도 특성을 상승시켜, 실제 웨이퍼(기판)의 열의 과도 특성에 근접해지도록, 저열 용량대의 폭, 깊이 및 형성 위치[온도 센서(3)와의 거리] 등을 적절하게 조정해 둘 필요가 있다.
전술한 실시 형태(제1 변형예 및 제2 변형예도 포함함)에서는, 배선(4) 및 와이어(8)에 의해 온도 센서(3)와 처리부(5)가 접속되어 있는 경우에 대해서 서술하였다. 그러나, 본 발명에 관한 온도 측정용 장치는, 온도 센서(3)와 처리부(5)가 전기적으로 접속되도록, 이들의 사이가 도전체에 의해 접속되어 있으면 어떠한 구성으로도 상관없다.
또한, 실시 형태에서 서술한 처리부(5) 및 전원부(6)에 대해서도 일례이며, 본 발명에 관한 온도 측정용 장치는, 온도 센서(3)를 사용하여 온도를 검출할 수 있는 당해 분야에 있어서 공지된 기술, 전자 부품 등을 사용하면 좋다. 예를 들어, 처리부(5)가 기억 수단을 구비하지 않고 직접 유선에 의해 온도 데이터를 취출해도 좋다. 전원부(6)를 구비하지 않고 상기 온도 측정용 장치에 직접 급전하는 구성을 취해도 좋다. 또는, 이들의 전자 부품을 기판(2) 상에 구비하지 않아도 상관없다.
전술한 실시 형태(제1 변형예 및 제2 변형예도 포함함)에서는, 온도 센서(3)가 RTD(측온 저항체)인 경우에 대해서 서술하였다. 그러나, 온도 센서(3)의 종류는, RTD(측온 저항체) 이외에도, 열전대 또는 서미스터 등의 공지의 온도 센서(3)라도 상관없다. 온도 센서(3)의 수에 대해서도 다수의 쪽이 바람직하지만, 도 1에 도시하는 수에 한정되지 않는다. 또한, 온도 센서(3)는 전술한 실시 형태(제1 변형예 및 제2 변형예도 포함함)에서 기재한 바와 같이, 기판(2)에 형성된 구멍부(9)의 내부에 완전히 매립된 형태로 구성되어 있을 필요는 없다.
도 3 등에 도시한 온도 센서(3) 주변의 구성은 일례이다. 예를 들어, 온도 센서(3)의 상반부가 기판(2) 상으로부터 돌출되어 있어도 좋다. 구멍부(9)의 최대한 내벽 근처에 온도 센서(3)가 매립되도록 구성해도 좋다. 또는, 구멍부(9)를 형성하지 않고 기판(2) 상에 직접 온도 센서(3)가 접합되어도 상관없다. 이 경우, 저열 용량대는, 온도 센서(3)에 소정의 간격을 두고, 온도 센서(3)만을 둘러싸도록 형성된다.
실시 형태(제1 변형예 및 제2 변형예도 포함함)에서는, 본 발명에 관한 온도 측정용 장치가 웨이퍼 형상인 경우에 대해서 서술하였다. 그러나, 그 밖의 가열 처리 유닛을 사용하여 제조하는 액정 디스플레이 등의 온도 측정용 장치에도 적용할 수 있다. 이 경우에는, 글래스 기판 등에, 글래스 기판 등보다 열 용량이 작은 저열 용량대로서 기능하는 오목부 또는 다공질 글래스 등을 형성하면 좋다.
또한, 오목부 또는 다공질 구조 이외에도, 기판(2)을 형성하는 물질보다도 열 용량이 작은 저열 용량대이면 좋다. 그리고, 이 저열 용량대가, 온도 센서(3)에 소정의 간격을 두고, 온도 센서(3)를 둘러싸도록, 기판(2)의 한쪽의 면으로부터 기판(2)의 내부 방향을 향하여 소정의 깊이를 갖도록 형성되어 있으면, 어떠한 구조라도 상관없다. 예를 들어, 오목부가 기판(2)의 이면측에 형성되어 있어도 좋다. 또한, 도 2 및 도 3에 도시하는 오목부(7) 내에 기판(2)을 형성하는 물질보다도 열 용량이 작은 저열 용량의 재질을 매립해도 좋다. 또는, 도 2 및 도 3에 도시하는 오목부(7)의 표면을 또한 단열벽으로 덮음으로써 오목부(7)에의 열을 차단하여, 온도 측정용 웨이퍼(1) 전체의 열의 과도 특성을 더욱 향상시켜도 좋다.
발명의 실시 형태에 대해서 설명하였지만, 본 발명은 상술한 실시 형태에 한정되지 않고, 본 발명의 범위 내에서 다양한 실시 형태가 가능하다. 예를 들어, 내열성이 있는 부품을 사용하여 센서를 구성하고, 500 내지 1000℃와 같은 고열 범위에 있어서 온도를 측정하는 경우도 마찬가지로 과도 특성을 향상시킬 수 있도록 해도 상관없다.
(구체예)
열 유체 해석 소프트 Fluent를 사용하여, 본 발명의 온도 측정용 웨이퍼(1)에 관한 열 전도 시뮬레이션을 행한 결과를 이하에 나타낸다.
Model 1은 실제 반도체 프로세스에 있어서의 웨이퍼, Model 2는 종래의 온도 측정용 웨이퍼, Model 3은 본 발명에 관한 온도 측정용 웨이퍼(1)로 하여 열 전도 시뮬레이션을 행하였다. 본 발명에 관한 온도 측정용 웨이퍼(1)(Model 3)에서는, 실시 형태에 기재되어 있는, 온도 센서(3) 주변에 오목부(7)를 형성한 온도 측정용 웨이퍼(1)에 대해서 시뮬레이션을 행하였다.
본 발명의 구체예의 Model 3에 관한 온도 측정용 웨이퍼의 구성을, 도 7을 참조하여 설명한다. 본 시뮬레이션의 Model 3에서는, 원형의 온도 측정용 웨이퍼(1)의 기판(2)의 중심에 온도 센서(3)를 배치하고, 그 주위를 오목부(7)가 둘러싸는 형상의 웨이퍼를 상정하여 시뮬레이션을 행하였다. Model 2는, 도 7에 도시하는 온도 센서(3)의 주위를 둘러싸는 오목부(7)가 형성되어 있지 않은 상태의(종래의) 온도 측정용 웨이퍼를 상정하여 시뮬레이션을 행하였다. Model 1은, 원형 웨이퍼의 기판(2)만의 상태의 웨이퍼를 상정하여 시뮬레이션을 행하였다.
Model 1 내지 Model 3에 관한 웨이퍼의 구성을, 도 8 내지 도 10을 참조하여, 상세하게 설명한다.
도 8에 도시하는 바와 같이, Model 1의 실제 반도체 프로세스에 있어서의 웨이퍼는, Si 기판(13)과, 그 위에 SiO2층(14)과, 또한 그 위의 폴리이미드층(15)으로 구성되어 있다. 당해 웨이퍼는, 스테이지(16)에 의해 가열[130도(℃)로 고정]된다. Si 기판(13)의 두께 a는 0.775㎜, Si 기판(13)과 스테이지(16)의 거리 b는 0.1㎜, 중심축으로부터의 웨이퍼의 단부까지의 거리(즉, 웨이퍼의 반경) c는 75㎜로 하였다. 온도를 시뮬레이션하는 웨이퍼의 모니터 지점(Monitor Point)은, 도 8에 도시하는 웨이퍼의 우측 단부로부터 0.1㎜의 장소로 하였다.
다음에, 도 9에 도시하는 바와 같이, Model 2에 관한 종래의 온도 측정용 웨이퍼는, Si 기판(13)과, 기재로 되는 Al2O3으로 이루어지는 온도 센서(3)와, 보호막으로 되는 SiO2층(14)과, 온도 센서(3)를 밀봉 및 접합하는 실리콘으로 이루어지는 내열 페이스트(17)로 구성되어 있다. 상기 웨이퍼는 스테이지(16)에 의해 가열[130도(℃)로 고정]된다. Si 기판(13)의 두께 a, Si 기판(13)과 스테이지(16)의 거리 b, 중심축으로부터의 웨이퍼의 단부까지의 거리 c는 Model 1과 마찬가지이다. 온도 센서(3)의 높이 d는, 0.5㎜로 하였다. 온도를 시뮬레이션하는 모니터 지점(Monitor Point)은, 도 9에 도시하는 바와 같이, 웨이퍼의 중심축 상에 있어서의 온도 센서(3)와 SiO2층(14)의 계면으로 하였다.
도 10에 도시하는 바와 같이, Model 3에 관한 본 발명의 온도 측정용 웨이퍼(1)는, Model 2와 마찬가지로, Si 기판(13)과, 온도 센서(3)와, SiO2층(14)과, 내열 페이스트(17)로 구성되어 있다. 그러나, 도 7에 도시하는 바와 같이, Si 기판(13) 상에는 온도 센서(3)의 주위를 둘러싸도록 오목부(7)가 형성되어 있다. 온도 측정용 웨이퍼(1)는 스테이지(16)에 의해 가열[130도(℃)로 고정]된다. Si 기판(13)의 두께 a, Si 기판(13)과 스테이지(16)의 거리 b, 중심축으로부터의 온도 측정용 웨이퍼(1)의 단부까지의 거리 c, 온도 센서(3)의 높이 d는 Model 1 및 Model 2와 마찬가지이다. 오목부(7)의 내열 페이스트(17)로부터의 거리 e는 1.25㎜, 오목부(7)의 폭 f는 1.25㎜, 오목부(7)의 깊이 g는 0.45㎜로 하였다. 온도를 시뮬레이션하는 모니터 지점(Monitor Point)은, Model 2와 마찬가지이다.
열 전도율은, Si 기판(13)이 148W/mㆍK, SiO2층(14)이 0.90W/mㆍK, 폴리이미드층(15)이 0.29W/mㆍK, 온도 센서(3)의 기재의 Al2O3이 30W/mㆍK, 온도 센서(3)의 보호막의 SiO2가 1.10W/mㆍK, 내열 페이스트(17)의 실리콘이 0.70으로서 시뮬레이션을 행하였다. 프록시미티ㆍ갭은 공기로 하였다. 즉, Si 기판(13)과 스테이지(16) 사이의 공간은 공기로 하였다. 또한, 오목부(7) 내부의 공간도 공기로 하고, 오목부(7)의 열 물성은 공기의 열 물성과 마찬가지이다.
도 11에 있어서는, Model 1 내지 Model 3에 대해서, 0 내지 10(초)의 가열의 경과 시간에 대한, 온도 센서에 의해 검지된 온도 변화의 시뮬레이션의 결과가 나타내어져 있고, 2초의 경과 시점에서, 온도가 높은 쪽으로부터 Model 1, Model 3, Model 2의 순서대로 나열되어 있다. 도 12에 있어서는, Model 1 내지 Model 3의 0 내지 60(초)의 가열의 경과 시간에 대한 시뮬레이션 결과가 나타내어져 있고, 5초의 경과 시점에서, 온도가 높은 쪽으로부터 Model 1과 Model 3이 거의 겹쳐져 있고, Model 2는 약간 온도가 낮게 되어 있다. 도 13에 있어서는, 구체예에 관한 Model 2 또는 Model 3과 Model 1과의 온도차(℃)의 시뮬레이션 결과가 나타내어져 있다. 이와 같이, 도 11에는, Model 1 내지 Model 3의 0 내지 10(초)의 시간 경과에 있어서의 모니터 온도, 도 12에는, Model 1 내지 Model 3의 0 내지 60(초)의 시간 경과에 있어서의 모니터 온도, 및, 도 13에는, Model 1의 모니터 온도와 Model 2 또는 Model 3의 모니터 온도의 온도차(Model 1 - Model 2 및 Model 1 - Model 3)가 나타내어져 있다.
도 11 내지 도 13에 도시하는 바와 같이, Model 3은, Model 1보다 과도 특성은 떨어진다. 한편, Model 2와 비교하여 Model 3은, 보다 빠른 시간 경과의 단계(10초 부근)에 있어서 Model 1과의 온도차의 값이 작게 되어 있고, 그 후 모니터 온도도 정상화하고 있다. 이것은, 온도 센서(3) 주변에 Si 기판(13)보다도 열 용량이 작은 저열 용량대로 되는 오목부(7)를 형성하였기 때문에, Model 3의 온도 센서(3) 주변을 거시적으로 본 경우의 열의 과도 특성이, Model 1의 경우의 열의 과도 특성에 보다 근접해졌다고 생각된다.
상술한 시뮬레이션의 결과로부터, Model 3에 나타낸 오목부(7)가 아닌, 온도 센서(3)의 주변에 기판을 형성하는 재료보다도 열 용량이 작은 재료로 이루어지는 저열 용량대를 형성함으로써도, 온도 센서(3) 주변의 열의 과도 특성을 실제 웨이퍼의 열의 과도 특성에 근접시킬 수 있는 것이 가능해진다. 이에 의해, 가열 처리 유닛 내에서 처리되는 웨이퍼의 실제 온도를 높은 정밀도로 측정할 수 있다. 또한, 종래의 온도 측정용 웨이퍼와 비교하여, 가열(온도 변화) 개시 직후의 온도를 보다 정확하게 측정할 수 있다.
또한, 본원 발명은, 명세서에 개시된 범위 내에 있어서, 발명의 목적을 달성하기 위해, 구성 요건의 임의의 조합이 가능하다.
본원은, 2009년 12월 18일에 출원된 일본 특허 출원 제2009-288410호에 기초한다. 본 명세서 중에 일본 특허 출원 제2009-288410호의 명세서, 특허청구의 범위, 및 도면 전체를 참조하여 인용하는 것으로 한다.
1 : 온도 측정용 웨이퍼
2 : 기판
3 : 온도 센서
4 : 배선
5 : 처리부
6 : 전원부
7 : 오목부
8 : 와이어
9 : 구멍부
10 : 접합재
11 : 밀봉재
12 : 다공질대
13 : Si 기판
14 : SiO2층
15 : 폴리이미드층
16 : 스테이지
17 : 내열 페이스트

Claims (9)

  1. 기판과,
    상기 기판의 한쪽의 면에 배치된 적어도 1개의 온도 센서와,
    상기 기판 상에 있어서, 상기 온도 센서에 소정의 거리를 두고, 상기 온도 센서를 둘러싸도록, 또한, 소정의 폭 및 소정의 깊이를 갖도록 형성되어 있는 저열 용량대를 구비하고,
    상기 저열 용량대는, 상기 기판을 형성하는 물질보다도 열 용량이 작은 물질로 형성되어 있고,
    상기 기판의 한쪽의 면에는, 상기 온도 센서가 내부에 매립되는 구멍부가 형성되어 있고,
    상기 온도 센서를 상기 구멍부의 내부에 고착시키는 접합재와, 내부에 상기 온도 센서가 고착된 상기 구멍부를 밀봉하는 밀봉재를 구비하고,
    상기 저열 용량대는, 상기 구멍부에 소정의 간격을 두고, 상기 온도 센서 및 상기 구멍부를 둘러싸도록 형성되어 있는, 온도 측정용 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 저열 용량대의 상기 온도 센서로부터의 소정의 거리, 소정의 폭 및 소정의 깊이는, 실제 기판의 열 용량과, 상기 온도 센서와 상기 온도 센서의 주변 부재의 열 용량의 합이 동등해지도록 결정되어 있는, 온도 측정용 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 저열 용량대는, 단면이 오목 형상의 홈인, 온도 측정용 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 저열 용량대는, 다공질 구조를 갖는 물질로 형성되어 있는, 온도 측정용 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 저열 용량대는, 나노 결정 실리콘으로 형성되어 있는, 온도 측정용 장치.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 온도 측정용 장치는, 웨이퍼 형상의 온도 측정용 장치인, 온도 측정용 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 온도 센서는, RTD인, 온도 측정용 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 기판 상에,
    상기 온도 센서를 사용하여 온도를 검출하는 검출 수단과,
    상기 회로에 의해 검출한 온도의 데이터를 기억하는 기억 수단과,
    상기 회로에 전력을 공급하는 급전 수단을 구비하는, 온도 측정용 장치.
KR1020127015541A 2009-12-18 2010-12-06 온도 측정용 장치 KR101447340B1 (ko)

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