TW202044463A - 溫度調節單元 - Google Patents

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川村隆太郎
田口研良
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日商Ｔｏｃａｌｏ股份有限公司
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Abstract

本發明的溫度調節單元(1)包括：一溫度調節單元本體(2)；一溫度調節部(3)，其設置在該溫度調節單元本體(2)的內部，對一溫度調節對象(100)所在側的該溫度調節單元本體(2)的表面溫度進行升降溫；及一薄膜測溫電阻部(4)，其形成在該溫度調節單元本體(2)的內部、該溫度調節對象(100)所在側的面內的一定範圍內，並且設置在比該溫度調節部(3)更靠近該溫度調節對象(100)的一側，由熱噴塗皮膜形成。該溫度調節單元可準確地測定溫度調節面內的平均溫度。

Description

溫度調節單元
本發明適用於溫度調節單元，該溫度調節單元包括用於測定溫度調節對象的溫度的測溫電阻器。
近年來，在半導體製造工藝中，基板的微細加工通常採用乾式蝕刻等在真空或減壓下進行的方法。在使用等離子體的乾式蝕刻的情況下，基板會從等離子體輸入熱量。由於基板的溫度影響蝕刻率，因此若其溫度分布不均勻，則蝕刻的深度會產生偏差。因此，需要進行調節以使基板在面內溫度均勻，並且需要準確地把握基板溫度以進行準確的溫度控制。
專利文獻1中記載一種靜電吸引裝置，其包括：形成有複數個冷媒槽的基材、形成在基材上的高電阻層、透過在高電阻層內熱噴塗導電體而形成的複數個加熱器、及透過在高電阻層內熱噴塗導電體而形成的複數個靜電吸引用電極。在該靜電吸引裝置中，基材上設置有凹陷，在該凹陷內透過固定夾具固定有獲取溫度訊息的鎧裝熱電偶。專利文獻1中記載，由於透過彈簧以一定的按壓載荷接觸鎧裝熱電偶，因此測定結果的可靠性高。
專利文獻2中記載一種對被處理基板進行固定及溫度控制的基板載置裝置的評價裝置，其包括氣密室、具備發熱的電阻加熱體的評價用基板、及測定評價用基板的溫度測定機構。在電阻加熱體上安裝有複數個熱電偶元件的溫度探針。另外，還記載從將埋入電阻加熱體中的溫度探針取出的開口露出基材，透過設置於氣密室內或氣密室外的輻射溫度計測定從電阻加熱體的開口部射出的紅外光。
現有技術文獻： 1.        專利文獻1：日本特開2007-088411號公報 2.        專利文獻2：日本特開2011-155140號公報
-發明所需解決的問題-
在如專利文獻1所示在基材的凹陷處設置鎧裝熱電偶的情況以及如專利文獻2所示在發熱的電阻加熱體上安裝複數個熱電偶元件的情況下，配置熱電偶的位置均會成為熱異常點，與基板原本的溫度產生差異，因此難以準確地測定整個基板的平均溫度。進而，這些熱電偶通常透過從基材背面側設置的孔進行配置，與基板隔開距離，測定溫度與基板的實際溫度之間有很大的差異。另外，在透過設置在氣密室內或氣密室外的輻射溫度計檢測紅外光以測定基板溫度的方法中，當存在等離子體發光部件或鹵素加熱器等其他熱源時，這些熱源會阻礙透過紅外光進行的溫度測定，難以測定基板的準確溫度。應予說明，這樣的問題不僅限於半導體製造工藝領域，其他領域中當使用熱電偶時或者存在其他熱源時也會有同樣的問題。
本發明鑑於現有技術的問題，目的在於提供可以準確地測定溫度調節面內的平均溫度的溫度調節單元。 -用於解決問題的方案-
本發明的溫度調節單元包括：一溫度調節單元本體；一溫度調節部，其設置在該溫度調節單元本體的內部，對一溫度調節對象所在側的該溫度調節單元本體的表面溫度進行升降溫；及一薄膜測溫電阻部，其形成在該溫度調節單元本體的內部、該溫度調節對象所在側的面內的一定範圍內，並且設置在比該溫度調節部更靠近該溫度調節對象的一側，由熱噴塗皮膜形成。
根據本發明的溫度調節單元，由於測溫電阻部設置在比溫度調節部更靠近溫度調節對象的一側，因此測定溫度與溫度調節對象的實際溫度之間幾乎沒有差異。另外，由於測溫電阻部由熱噴塗皮膜形成，因此可以形成較薄的測溫電阻部，從而縮短溫度調節對象與溫度調節部之間的距離。進而，由於測溫電阻部形成在溫度調節單元本體的溫度調節對象所在側的面內的一定範圍內，因此不存在使用熱電偶時會產生的熱異常點，從而可以準確地測定溫度調節面內的平均溫度。進而，如果反饋所獲得的溫度訊息，則可更高精度地控制溫度調節對象的溫度。
所述薄膜測溫電阻部可形成為在同一面上具有折疊部的帶狀圖案。折疊部的數量可為單個，但較佳為複數個。由此，可大範圍地形成測溫面。
於一較佳實施例中，所述薄膜測溫電阻部由含有鋁(Al)的金屬或合金構成。在此情況下，與其他金屬或合金相比，長時間使用時電阻值的經時變化較小，測定的可靠性高。
所述溫度調節部可以是形成為在同一面上具有折疊部的帶狀圖案的熱噴塗皮膜。折疊部的數量可為單個，但較佳為複數個。由此，可大範圍地形成溫度調節面。另外，由於可由薄膜形成溫度調節部，因此能夠減少溫度調節單元整體的厚度。
在所述溫度調節部由複數個結構部構成的情況下，該複數個結構部各自的一部分可構成與供電端子連接的供電端子部，在所述薄膜測溫電阻部由複數個結構部構成的情況下，該複數個結構部各自的一部分可構成與電阻值測定端子連接的電阻值測定端子部。由此，可在所需範圍內進行溫度調節控制和溫度測定，增加設計的變化。在此情況下，所述溫度調節部的各結構部和所述薄膜測溫電阻部的各結構部較佳係配置成在該溫度調節單元的厚度方向上彼此對應。由此，可將溫度調節面劃分為複數個區域，並且測定每個區域的溫度，從而能夠單獨精密地對各區域進行溫度控制。
在所述溫度調節單元中，例如，所述溫度調節單元本體可具有一基材部和形成在該基材部的表面上的一絕緣層，所述薄膜測溫電阻部可設置在該絕緣層內。由此，該基材部可使用導電性材質，增加設計的變化。另外，可賦予溫度調節面絕緣性，或者進一步賦予表面保護功能。 -發明的效果-
根據本發明，測定溫度與溫度調節對象的實際溫度之間幾乎沒有差異。另外，由於不存在使用熱電偶時會產生的熱異常點，因此可準確地測定溫度調節面內的平均溫度。進而，如果反饋從測溫電阻部獲得的準確的溫度訊息，則可更高精度地控制溫度調節對象的溫度。
以下，對本發明的溫度調節單元的實施方式進行說明。圖1是本發明的一實施方式所述的溫度調節單元1的剖面示意圖，圖2是將圖1所示的溫度調節單元1的一部分切去的立體圖。溫度調節單元1包括：溫度調節單元本體2；溫度調節部3，其設置在溫度調節單元本體2的內部，對溫度調節單元本體2的溫度調節對象100所在側的表面溫度進行升降溫；及薄膜測溫電阻部4，其設置在溫度調節單元本體2的內部，用於測定溫度調節對象100所在側的表面溫度。溫度調節部3可用作將溫度調節對象100加熱的熱媒，也可用作將溫度調節對象100冷卻的冷媒。溫度調節部3用作熱媒或用作冷媒取決於溫度調節對象100的溫度及其周圍溫度。
溫度調節單元本體2的構成包括基材部2a及形成在該基材部2a的表面上的絕緣層2b。溫度調節部3和薄膜測溫電阻部4均設置在絕緣層2b內。溫度調節部3和薄膜測溫電阻部4可埋入一個絕緣層的內部，也可配置成夾入複數個絕緣層的層間。溫度調節對象100載置於溫度調節單元本體2的上表面。應予說明，為了說明這些示意圖，在圖示中將設置作為主要部分的溫度調節部3和薄膜測溫電阻部4的絕緣層2b繪製得比實際更厚。
圖1和圖2所示的溫度調節單元本體2具有規定高度和直徑的圓柱狀。溫度調節單元本體2的基材部2a由金屬塊體(metal bulk body)等單一材料製成，是溫度調節單元1的堅固的基本結構。在本實施方式中，溫度調節單元本體2除了圓柱狀以外，也可以是柱狀、板狀、圓盤狀、碗狀、筒狀、環狀(圓環狀)、錐狀等其他形狀，還可以是局部有台階的立體形狀。溫度調節部3和薄膜測溫電阻部4以與溫度調節單元本體2的形狀相對應的形態設置。當溫度調節單元本體2構成為內部中空的筒狀時，可將溫度調節部3和薄膜測溫電阻部4分別設置在例如溫度調節單元本體2的內周側和外周側。
基材部2a的構成材料，例如可列舉出鋁合金、鈦合金、銅合金、不銹鋼等導電性材料，或陶瓷燒結體等絕緣材料。絕緣層2b可透過熱噴塗、物理氣相沉積(physical vapor deposition, PVD)、化學氣相沉積(chemical vapor deposition, CVD)等成膜方法形成，也可透過將燒結體等貼合而形成。絕緣層2b的構成材料沒有特別限定，只要是賦予絕緣特性的材料即可，但較佳為兼顧所需熱傳導性和絕緣性的材料，或兼具耐等離子體性、耐磨性的材料。絕緣層2b無需為單層，也可由多層構成。
絕緣層2b的厚度為例如20-2000 μm。絕緣層2b的厚度在層疊多層的情況下可為例如100-10000 μm。透過改變絕緣層2b的厚度或材質，可調整除熱效率。絕緣層2b的構成材料，可列舉出氧化物系陶瓷、氮化物系陶瓷、氟化物系陶瓷、碳化物系陶瓷、硼化物系陶瓷、含有它們的化合物、或其混合物。
氧化物系陶瓷可列舉出氧化鋁(Al2 O3 )、二氧化鈦(TiO2 )、二氧化矽(SiO2 )、三氧化二鉻(Cr2 O3 )、氧化鋯(ZrO2 )、氧化釔(Y2 O3 )、氧化鎂(MgO)、氧化鈣(CaO)、氧化鑭(La2 O3 )。氮化物系陶瓷可列舉出氮化鈦(TiN)、氮化鉭(TaN)、氮化鋁(AlN)、氮化硼(BN)、氮化矽(Si3 N4 )、氮化鉿(HfN)、氮化鈮(NbN)、氮化釔(YN)、氮化鋯(ZrN)、氮化鎂(Mg3 N2 )、氮化鈣(Ca3 N2 )。氟化物系陶瓷可列舉出氟化鋰(LiF)、氟化鈣(CaF2 )、氟化鋇(BaF2 )、氟化釔(YF3 )、氟化鋁(AlF3 )、氟化鋯(ZrF4 )、氟化鎂(MgF2 )。碳化物系陶瓷可列舉出碳化鈦(TiC)、碳化鎢(WC)、碳化鉭(TaC)、碳化硼(B4 C)、碳化矽(SiC)、碳化鉿(HfC)、碳化鋯(ZrC)、碳化釩(VC)、碳化鉻(Cr3 C2 )。硼化物系陶瓷可列舉出硼化鈦(TiB2 )、硼化鋯(ZrB2 )、硼化鉿(HfB2 )、硼化釩(VB2 )、硼化鉭(TaB2 )、硼化鈮(NbB2 )、硼化鎢(W2 B5 )、硼化鉻(CrB2 )、硼化鑭(LaB6 )。
設置在絕緣層2b內的溫度調節部3具有可用作熱媒(加熱器)的固有電阻值，透過施加規定電壓使電流流過，將載置於溫度調節單元本體2的上表面上的常溫的溫度調節對象100加熱至規定溫度。
本實施方式的溫度調節單元1還可包括使冷卻流體(冷媒)在基材部2a的內部流通的流路。透過調節冷卻流體的流量和速度，使得溫度調節對象100的溫度控制更加容易。
從提高溫度調節區域內的溫度均勻性的觀點出發，溫度調節部3形成為在同一面上具有複數個折疊部的細長帶狀圖案。另外，溫度調節部3具有彼此隔開規定間隔平行配置的複數個重複圖案。由此，由溫度調節部3形成偽溫度調節面，因此可大範圍且均勻地控制溫度調節對象100的溫度。
溫度調節部3的厚度較佳為介於10-1000 μm的範圍。如果溫度調節部3的厚度小於10 μm，則膜形成有可能不穩定。另外，如果溫度調節部3的厚度大於1000 μm，則有可能導致發熱量減少、效率下降。
溫度調節部3的線寬較佳為介於1-5 mm的範圍。透過將溫度調節部3的線寬設為1 mm以上可降低斷線的可能性，透過將線寬設為5 mm以下可減少溫度調節區域內的溫度不均。
溫度調節部3的線間距離(interlinear distance)較佳為介於0.5-50 mm的範圍。透過將溫度調節部3的線間距離設為0.5 mm以上可避免短路，透過將線間距離設為50 mm以下可減少溫度調節區域內的溫度不均。
溫度調節部3的構成材料只要是可用作溫度調節部件的材料則沒有限制，但較佳係由選自鉬(Mo)、鎢(W)、鉭(Ta)、鉻(Cr)、鈦(Ti)、鋁(Al)、矽(Si)、鎳(Ni)、鈮(Nb)、鐵(Fe)、銅(Cu)、銀(Ag)、鉑(Pt)中的金屬元素單體、含有一種以上這些金屬元素的合金、含有一種以上這些金屬元素的導電性化合物、或其混合物構成的材料。
溫度調節部3由例如熱噴塗皮膜形成。透過熱噴塗法，可連續且均勻地塗覆薄膜而不受基材部2a的尺寸和形狀的限制。熱噴塗法可為大氣等離子體噴塗法、減壓等離子體噴塗法、水等離子體噴塗法、電弧噴塗法、高速火焰噴塗法、低速火焰噴塗法、冷噴塗法中的任一種。
溫度調節部3的圖案可透過預先將基材部2a上形成的絕緣層的表面掩蔽成圖案狀，再對整個表面進行熱噴塗而製作，也可透過對整個表面進行熱噴塗之後將該熱噴塗皮膜的表面掩蔽成圖案狀，再利用機械加工或噴射加工將不需要的熱噴塗皮膜除去而製作。
溫度調節部3的一部分延設至基材部2a的側方，其延設部分成為一供電端子部11，與供電端子連接。供電端子與向溫度調節部3提供電力的外部電源連接。由此，無需設置貫穿基材部2a的供電機構，即可向溫度調節部3供電。
溫度調節部3的供電端子部11由膜厚較薄的熱噴塗皮膜形成，因此與外部電源的連接方式可列舉出：外部的供電電纜的端部接合的連接結構、供電電纜的端部透過供電插座連接的連接結構、供電電纜的端部直接壓緊的連接結構。接合供電電纜的方法可列舉出軟焊(soldering，又稱釺焊)、硬焊(brazing，又稱銅焊)、焊接(welding)等。在使用供電插座的情況下，較佳係將供電插座焊接在供電端子部11上。在將供電電纜直接壓到供電端子部11上的情況下，需要用於固定供電電纜的螺釘止動部等結構。
用於測定溫度調節對象100的溫度的薄膜測溫電阻部4在溫度調節單元本體2的絕緣層2b的內部跨越溫度調節對象100所在側的面(測溫面)內的一定範圍而形成。薄膜測溫電阻部4設置在比溫度調節部3更靠近溫度調節對象100的一側。
薄膜測溫電阻部4具有可用作測溫電阻器的固有電阻值。測溫電阻器是根據流過直流電流時的電阻值進行溫度測定的裝置，使用電阻值隨著溫度變化而恆定變化的電阻器。透過預先繪製所用的測溫電阻器的標準曲線，可從實際測定的電阻值求出溫度。透過逐次讀取薄膜測溫電阻部4的電阻值，可實時測定溫度調節單元本體2的上表面(溫度調節面)的溫度。
從能夠大範圍地測量溫度的觀點出發，薄膜測溫電阻部4形成為在同一面上具有複數個折疊部的細長帶狀圖案。另外，薄膜測溫電阻部4具有彼此隔開規定間隔平行配置的複數個重複圖案。由此，由薄膜測溫電阻部4形成偽測溫面(pseudo temperature measuring surface)，因此可以更準確地測定溫度調節面內的平均溫度。
薄膜測溫電阻部4的厚度較佳為介於10-1000 μm的範圍。如果薄膜測溫電阻部4的厚度小於10 μm，則膜形成有可能不穩定。另外，如果薄膜測溫電阻部4的厚度大於1000 μm，則電阻值變得太小而無法獲得適當的值。
薄膜測溫電阻部4的線寬較佳為介於1-5 mm的範圍。透過將薄膜測溫電阻部4的線寬設為1 mm以上，可減少斷線，透過將線寬設為5 mm以下，容易獲得適當的電阻值。
薄膜測溫電阻部4的線間距離(interline distance)較佳為介於0.5-50 mm的範圍。透過將薄膜測溫電阻部4的線間距離設為0.5 mm以上，可避免短路，透過將線間距離設為50 mm以下，容易獲得適當的電阻值。
薄膜測溫電阻部4的構成材料只要是可用作測溫電阻器的材料則沒有限制，可使用選自鉑(Pt)、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、鉭(Ta)、鋁(Al)、鈦(Ti)、鈮(Nb)、鐵(Fe)、鉬(Mo)、鎢(W)中的金屬元素單體、含有一種以上這些金屬元素的合金、含有一種以上這些金屬元素的導電性化合物、或含有它們的混合物。其中，特別是由含有鋁的金屬或合金構成較佳。含有鋁的金屬或合金與其他金屬或合金相比，由於重複的熱負荷而導致的電阻值的經時變化較小，即使長期使用，測溫的精度也很難下降。
薄膜測溫電阻部4由熱噴塗皮膜形成。透過熱噴塗法，可連續且均勻地塗覆薄膜而不受基材部2a的尺寸和形狀的限制。熱噴塗法可為大氣等離子體噴塗法、減壓等離子體噴塗法、水等離子體噴塗法、電弧噴塗法、高速火焰噴塗法、低速火焰噴塗法、冷噴塗法中的任一種。
薄膜測溫電阻部4的圖案可透過預先將基材部2a上形成的絕緣層的表面掩蔽成圖案狀，再對整個表面進行熱噴塗而製作，也可透過對整個表面進行熱噴塗之後將該熱噴塗皮膜的表面掩蔽成圖案狀，再利用機械加工或噴射加工將多餘的熱噴塗皮膜除去而製作。
薄膜測溫電阻部4的一部分延設至基材部2a的側方，其延設部分成為一電阻值測定端子部12，與電阻值測定端子連接。電阻值測定端子讀取薄膜測溫電阻部4的電阻值，與將電阻值換算為溫度的外部測定器連接。由此，無需設置貫穿基材部2a的測定機構即可測定薄膜測溫電阻部4的電阻值。
薄膜測溫電阻部4由膜厚較薄的熱噴塗皮膜形成，因此與外部電源的連接方式可列舉出：外部的連接電纜的端部接合的連接結構、連接電纜的端部透過連接插座而連接的連接結構、連接電纜的端部直接壓緊的連接結構。接合連接電纜的方法可列舉出軟焊(soldering)、硬焊(brazing)、焊接(welding)等。在將連接電纜直接壓到電阻值測定端子部12上的情況下，需要用於固定連接電纜的螺釘止動部等結構。
用於形成溫度調節部3和薄膜測溫電阻部4的熱噴塗粉末可採用例如粒徑介於5-80 μm的粒度範圍的熱噴塗粉末。如果粒徑過小，則粉末的流動性下降而無法穩定供給，皮膜的厚度容易變得不均勻。另一方面，如果粒徑過大，則在未完全熔融的狀態下成膜，有可能過度多孔化而導致膜質變粗糙。
構成溫度調節部3和薄膜測溫電阻部4的熱噴塗皮膜的平均孔隙率較佳為介於1-10%的範圍。平均孔隙率可透過熱噴塗方法或熱噴塗條件進行調整。如果孔隙率小於1%，則熱噴塗皮膜內存在的殘留應力的影響增大，有可能易發生剝落或破裂。如果孔隙率大於10%，則例如半導體製造工藝中使用的各種氣體容易侵入熱噴塗皮膜內，耐久性有可能下降。平均孔隙率可如下進行測定：用光學顯微鏡觀察熱噴塗皮膜的剖面，對觀察圖像進行二值化處理，將皮膜內部的黑色區域視為孔隙部分，計算出該黑色區域在整個區域中所佔的面積比率。
對於溫度調節單元1，透過進一步設置控制機構，可以更嚴密地進行溫度調節對象100的溫度控制，該控制機構將由薄膜測溫電阻部4檢測到的檢測信號輸入控制部，基於預先求出的標準曲線數據將該檢測信號轉換成溫度訊息，基於該溫度訊息決定向溫度調節部3施加的電壓。
如圖1、圖2所示，透過將薄膜測溫電阻部4設置在比溫度調節部3更靠近溫度調節對象100的一側，可使測定溫度與溫度調節對象100的實際溫度之間幾乎沒有差異。由於薄膜測溫電阻部4形成在測溫面內的一定範圍內，因此不存在使用熱電偶時會產生的熱異常點，從而可以準確地測定溫度調節面的平均溫度。另外，透過反饋所得的溫度訊息，可以高精度地進行溫度控制。
圖3表示由熱噴塗皮膜形成的薄膜測溫電阻部的曲線圖，該熱噴塗皮膜分別由鋁、鎳、鎳-鋁合金的各熱噴塗材料所形成，圖3(a)表示薄膜測溫電阻部的電阻溫度依存性，圖3(b)表示薄膜測溫電阻部的電阻值經時變化。在圖3(a)的表示電阻溫度依存性的曲線圖中，顯示出電阻值隨溫度變化的變化率是恆定的，該曲線成為用於將測溫電阻器的電阻值換算為溫度的標準曲線。表1中示出平均溫度係數α。
表1
  α (1/℃)
鋁熱噴塗 3.05×10-3
鎳熱噴塗 6.72×10-3
鎳-鋁合金熱噴塗 1.42×10-3
在圖3(b)的電阻值經時變化的測定中，測定在200℃下加熱一定時間，然後在80℃下保持30分鐘之後的電阻值，對該電阻值作圖。抽樣時間分別為加熱1小時、3小時、6小時、9小時、12小時、19小時、26小時、33小時之後。如圖3的曲線圖所示，鎳熱噴塗皮膜的電阻值的變化率在33小時之後為-1.66%。雖然在此程度下也可以使用，但鋁熱噴塗皮膜的電阻值的變化率在33小時之後為0.03%、鎳-鋁合金熱噴塗皮膜的電阻值的變化率在33小時之後為0.24%，均特別小，可見在鋁熱噴塗皮膜和鎳-鋁合金熱噴塗皮膜的情況下，即使長時間使用後電阻值的經時變化也較少，可靠性更高。
為了對由鋁熱噴塗皮膜形成的測溫電阻器進行特性評價，與標準化的測溫電阻器Pt100(日本工業標準JIS-C1604)進行比較試驗。具體而言，將Pt100和由鋁熱噴塗皮膜形成的測溫電阻器的試驗片配置在恆溫槽中，在恆溫槽的溫度分別達到25℃、50℃、100℃、150℃的溫度下，比較Pt100所測定的溫度與由鋁熱噴塗皮膜形成的測溫電阻器所測定的溫度的差異(誤差)。結果示於表2中。可見在Pt100和由鋁熱噴塗皮膜形成的測溫電阻器之間，測定溫度幾乎沒有誤差。
表2
(℃)
標準溫度/TPt100 測定溫度/T熱噴塗 誤差
24.50 24.48 0.02
49.80 49.80 0.00
99.95 99.97 0.02
149.55 149.53 0.02
另外，將Pt100和由鋁熱噴塗皮膜形成的測溫電阻器的試驗片配置在恆溫槽中，進行在高溫下保持一定時間時的穩定度試驗。圖4表示由鋁熱噴塗皮膜形成的測溫電阻器在150℃下加熱時的溫度變化趨勢的曲線圖，圖4(a)表示在150℃下加熱50小時時的溫度變化趨勢，圖4 (b)表示在150℃下加熱100小時時的溫度變化趨勢。如圖4所示，在150℃下將由鋁熱噴塗皮膜形成的測溫電阻器加熱一定時間時，經過50小時之後和經過100小時之後，加熱前後的測定值均幾乎沒有差異。另外，對於Pt100也進行相同條件的試驗，比較加熱前後的測定溫度。結果示於表3中。可見在Pt100和由鋁熱噴塗皮膜形成的測溫電阻器之間，加熱前後的測定溫度幾乎沒有誤差。
表3
    加熱前 加熱後 誤差(℃) 誤差的差異(℃)
150℃ × 50h 標準溫度/TPt100 24.43 24.49 0.06 0.01
測定溫度/T熱噴塗 24.42 24.47 0.05
150℃ × 100h 標準溫度/TPt100 24.50 24.51 0.01 0.03
測定溫度/T熱噴塗 24.48 24.52 0.04
圖5(a)表示溫度調節部3的一個圖案的俯視圖，圖5(b)表示薄膜測溫電阻部4的一個圖案的俯視圖。圖6是具備圖5的溫度調節部3和薄膜測溫電阻部4的溫度調節單元1的立體圖。在圖6中，為了便於說明，圖示中可以從上方看到薄膜測溫電阻部4和溫度調節部3。在該例中，溫度調節部3的一部分向外延設，該延設部分在同一面上構成與供電端子連接的一供電端子部11。另外，薄膜測溫電阻部4的一部分向外延設，該延設部分在同一面上構成與電阻值測定端子連接的一電阻值測定端子部12。溫度調節部3的具有折疊部的帶狀圖案部分形成為例如：線寬1.2 mm、線間距離2 mm、電阻值20 Ω。另外，薄膜測溫電阻部4的具有折疊部的帶狀圖案部分形成為例如：線寬1 mm、線間距離1 mm、電阻值10 Ω。另外，在溫度調節單元1的厚度方向上，薄膜測溫電阻部4和溫度調節部3配置成隔著絕緣層彼此對應。即，俯視時溫度調節部3調節溫度的區域與薄膜測溫電阻部4測定溫度的區域一致，由此，透過將由薄膜測溫電阻部4獲得的溫度訊息反饋給溫度調節部3，可以高精度地進行溫度控制。
如圖5和圖6所示，雖然溫度調節部3和薄膜測溫電阻部4形成為隔著絕緣層彼此重疊，但溫度調節部3和薄膜測溫電阻部4不是以相同的圖案形成，而是以不同方向、長度的圖案形成。具體而言，薄膜測溫電阻部4跨越存在溫度調節部3的部分和不存在溫度調節部3的部分，即溫度調節部3的帶狀部分和薄膜測溫電阻部4的帶狀部分在俯視時彼此交叉配置，由此，能夠更準確地測定面內的平均溫度。
以下，示出更換本實施方式中溫度調節部3和薄膜測溫電阻部4的位置關係時進行測溫精度的比較驗證的結果。圖7表示溫度調節單元的結構的剖面示意圖，圖7(a)表示薄膜測溫電阻部4設置在比溫度調節部3更靠近溫度調節對象的一側時溫度調節單元的結構，圖7(b)表示薄膜測溫電阻部4設置在比溫度調節部3更遠離溫度調節對象的一側時溫度調節單元的結構。在圖7(a)的示意圖中，在基材部2a上形成有由多層構成的絕緣層2b，從基材部2a側依次設置有絕緣層2c、溫度調節部3、絕緣層2d、薄膜測溫電阻部4、絕緣層2e，進而在最表層即絕緣層2e的表面設置有熱電偶20。在圖7(b)的示意圖中，在基材部2a上形成有由多層構成的絕緣層2b，從基材部2a側依次設置有絕緣層2c、薄膜測溫電阻部4、絕緣層2d 、溫度調節部3、絕緣層2e，進而在最表層即絕緣層2e的表面設置有熱電偶20。圖7(a)是本發明的一實施例，圖7(b)是比較例。
準備圖7(a)的示意圖所示的試驗片和圖7(b)的示意圖所示的試驗片，將各試驗片的溫度調節部3的溫度分別調節至50℃、100℃、150℃，保持一定時間。在各試驗片中，溫度調節部3、薄膜測溫電阻部4、絕緣層2b均由熱噴塗法形成，絕緣層2c、2d、2e的材料為氧化鋁(Al2 O3 )，溫度調節部3的材料為鎢，薄膜測溫電阻部4的材料為鋁。溫度調節部3的厚度為150 μm，薄膜測溫電阻部4的厚度為80 μm，絕緣層2c、2d、2e的厚度均為100 μm、總厚度為300 μm。
圖8是由圖7所示的各試驗片進行的溫度測定的比較結果。圖8的TCs為由熱電偶20測定的溫度，RTD是由薄膜測溫電阻部4測定的溫度。圖8中，圖8(a)示出以薄膜測溫電阻部4為上層、溫度調節部3為下層的情況，圖8(b)示出以溫度調節部3為上層、薄膜測溫電阻部4為下層的情況。儘管絕緣層2b的厚度極薄，僅為300 μm，但在保持於50℃、保持於100℃、保持於150℃的各情況下，當以薄膜測溫電阻部4為上層時TCs和RTD的差均很小。即，可知無論與測溫對象的距離如何，溫度調節部3和薄膜測溫電阻部4的位置關係均是：在比溫度調節部3更靠近溫度調節對象的一側設置薄膜測溫電阻部4時，可以更準確地測定溫度調節對象的溫度。
以下，示出對本實施方式中薄膜測溫電阻部4的面內平均溫度的測定精度進行驗證實驗的結果。圖9是由設置於測溫面內的任意一點的熱電偶測定的溫度與由大範圍地形成在整個測溫面內的薄膜測溫電阻部測定的平均溫度進行比較的曲線圖。在該試驗中，加熱開始後經過220秒之後的測定溫度在熱電偶的情況下顯示為150℃，在薄膜測溫電阻部的情況下顯示為200℃。另外，在同一時刻由紅外線熱像儀(IR)測定的面內平均溫度為205℃。由此，雖然在一個點的溫度測定中，有時與實際的面內平均溫度會有很大的差異，但透過在溫度調節面內大範圍地使用薄膜測溫電阻部可以準確地測定平均溫度。
圖10是進行圖9所示的溫度變化時薄膜測溫電阻部4的紅外線熱像儀(IR)照片。熱電偶設置在測溫面的周緣部的一個點(+)上，圖10的三個圖像分別是由熱電偶測定的溫度為(a)50℃、(b)100℃、(c)150℃時的照片。為了便於比較，由熱電偶測定的溫度、由本實施方式的薄膜測溫電阻部測定的平均溫度、及由紅外線熱像儀(IR)測定的平均溫度的結果一併示於表4中。可見，雖然相對於由熱電偶測定的溫度，本實施方式的薄膜測溫電阻部和紅外熱像儀均有差異，然而在本實施方式的薄膜測溫電阻部與紅外線熱像儀的情況下測定的溫度相近。這表明使用本實施方式的薄膜測溫電阻部比熱電偶更能準確測定面內平均溫度。另外，本實施方式的薄膜測溫電阻部不同於紅外線熱像儀(IR)，即使在存在等離子體發光部件或鹵素加熱器等其他熱源的情況下也能測定溫度。即，本實施方式的薄膜測溫電阻部即使在存在其他熱源的情況下也能以與紅外線熱像儀同等程度的精度測定面內平均溫度。
表4
  測定溫度(平均)(℃)
熱電偶 50 100 150
熱噴塗測溫電阻器 59 128 201
紅外線熱像儀 60 127 205
所公開的實施方式、實施例為本發明所涉及的溫度調節單元的示例，並不是限制性的。可將實施方式、實施例的各個特徵的一部分抽出並相互組合。只要不損害本發明的效果，薄膜測溫電阻部、溫度調節部、溫度調節單元本體的大小、形狀、結構材料均可改變。
圖11表示溫度調節單元形成為環狀之例的立體圖。在圖11中，為了便於說明，示出從上方觀察時的薄膜測溫電阻部。在溫度調節單元25中，在四等分的各個區域內設置有構成薄膜測溫電阻部26的獨立的結構部26a、26b、26c、26d。各個結構部26a、26b、26c、26d的一部分繞入基材部的側方延伸設置，它們的前端部分別獨立地構成電阻值測定用端子部28a、28b。另外，在薄膜測溫電阻部26的結構部26a、26b、26c、26d各自的下層，隔著絕緣層設置有彼此獨立的四個不同的溫度調節部。由此，可以在構成溫度調節單元25的彼此獨立的四個區域內，單獨精密地進行溫度控制。
圖12表示溫度調節單元形成為圓盤狀之例的立體圖。在圖12中，為了便於說明，示出從上方觀察時的薄膜測溫電阻部。在溫度調節單元30中，薄膜測溫電阻部31由彼此獨立的四個不同的結構部31a、31b、31c、31d構成。具體而言，薄膜測溫電阻部31整體呈圓形，由包含圓中心的圓形的結構部31d以及將結構部31d的周圍分成三份的三個結構部31a、31b、31c構成。在圖12所示的溫度調節單元30的結構中，各個結構部31a、31b、31c、31d的一部分在同一面上向外側延設，它們的前端部獨立地構成電阻值測定用端子部32a、 32b、32c、32d。另外，在薄膜測溫電阻部31的結構部31a、31b、31c、31d各自的下層，隔著絕緣層設置有彼此獨立的四個不同的溫度調節部。由此，可以在構成溫度調節單元30的彼此獨立的四個區域內，單獨精密地進行溫度控制。
圖13表示使用電熱絲代替熱噴塗皮膜作為溫度調節單元所具備的溫度調節部之例的示意圖，圖13(a)是剖視圖，圖13(b)是取出一部分的立體圖。在圖13中，為了便於說明，示出從上方觀察時的薄膜測溫電阻部。溫度調節單元40的形狀為環狀，在基材部2a的內部同樣埋設有三根環狀的電熱絲5(43)。電熱絲5(43)例如為鎳鉻合金線，外周被耐熱性絕緣體覆蓋。在基材部2a的上表面形成有絕緣層2b，在絕緣層2b內形成有由熱噴塗皮膜形成的薄膜測溫電阻部41。薄膜測溫電阻部41的一部分繞入基材部2a的側方延伸設置，其前端部構成電阻值測定用端子部42。在圖13所示的實施方式中，薄膜測溫電阻部41也設置在比溫度調節部43更靠近溫度調節對象的一側，同樣能高精度地進行溫度測定。
圖14表示使用冷媒流體代替熱噴塗皮膜作為溫度調節單元所具備的溫度調節部之例的示意圖，圖14(a)是剖視圖，圖14(b)是取出一部分的立體圖。在圖14中，為了便於說明，示出從上方觀察時的薄膜測溫電阻部。溫度調節單元50的形狀為環狀，基材部2a的內部同樣設置有環狀的空洞，冷媒流體6(53)從其中通過。冷媒流體6(53)可以是液體也可以是氣體。在基材部2a的一部分設置有與空洞的兩個末端分別連接的通孔，冷媒流體6(53)可從該通孔流入和排出。在基材部2a的上表面形成有絕緣層2b，在絕緣層2b內形成有由熱噴塗皮膜形成的薄膜測溫電阻部51。薄膜測溫電阻部51的一部分繞入基材部2a的側方延伸設置，其前端部構成電阻值測定用端子部52。在圖14所示的實施方式中，薄膜測溫電阻部51也設置在比溫度調節部53更靠近溫度調節對象的一側，同樣可以高精度地進行溫度測定。
圖15表示溫度調節單元應用於靜電吸盤之例的剖面示意圖。在圖15所示的溫度調節單元65中，在形成於基材部2a的上表面上的絕緣層2b內，從基材部2a側依次形成有溫度調節部3、薄膜測溫電阻部4、電極部66。電極部66由熱噴塗皮膜形成，該熱噴塗皮膜形成為與薄膜測溫電阻部4同樣具有多個折疊部的帶狀圖案，該電極部66的一部分延設至基材部2a的側方，其前端部構成與供電端子連接的供電端子部67。透過對電極部66施加規定的電壓，吸引並固定載置於溫度調節單元65的上表面上的溫度調節對象(例如矽晶片基板)100。
本發明的範圍並不限於實施方式、實施例，在申請專利範圍的均等範圍內的所有改變均包含在本發明的保護範圍之內。 -產業上的可利用性-
本發明的溫度調節單元不限於半導體製造工藝領域，只要是需要在面內進行均勻的溫度控制，即可適用於任何領域的產品。
1、25、30、40、50、65:溫度調節單元 2:溫度調節單元本體 2a:基材部 2b、2c、2d、2e:絕緣層 3、43、53:溫度調節部 4、26、31、41、51:薄膜測溫電阻部 5:電熱絲 6:冷媒流體 11、67:供電端子部 12、28a、28b、32a、32b、32c、32d:電阻值測定端子部 20:熱電偶 26a、26b、26c、26d、31a、31b、31c、31d:薄膜測溫電阻部的結構部 66:電極部 100:測溫對象
圖1是本發明的一實施方式所述的溫度調節單元的剖面示意圖。 圖2是將圖1所示的溫度調節單元的一部分切去後的立體圖。 圖3表示由熱噴塗皮膜形成的薄膜測溫電阻部的曲線圖，該熱噴塗皮膜分別由鋁、鎳、鎳-鋁合金的各熱噴塗材料所形成，圖3(a)表示薄膜測溫電阻部的電阻溫度依存性，圖3(b)表示薄膜測溫電阻部的電阻值經時變化。 圖4表示由鋁熱噴塗皮膜形成的測溫電阻器在150℃下加熱時的溫度變化趨勢的曲線圖，圖4(a)表示在150℃下加熱50小時的溫度變化趨勢，圖4(b)表示在150℃下加熱100小時的溫度變化趨勢。 圖5(a)表示溫度調節部的一個圖案的俯視圖，圖5(b)表示薄膜測溫電阻部的一個圖案的俯視圖。 圖6是具備圖5的溫度調節部和薄膜測溫電阻部的溫度調節單元的立體圖。 圖7表示溫度調節單元的結構的剖面示意圖，圖7(a)表示薄膜測溫電阻部設置在比溫度調節部更靠近溫度調節對象的一側時溫度調節單元的結構，圖7(b)表示薄膜測溫電阻部設置在比溫度調節部更遠離溫度調節對象的一側時溫度調節單元的結構。 圖8是由圖7所示的各試驗片進行的溫度測定的比較結果。 圖9是由設置於測溫面內的任意一點的熱電偶測定的溫度與由大範圍地形成在整個測溫面內的薄膜測溫電阻部測定的平均溫度進行比較的曲線圖。 圖10是進行圖9所示的溫度變化時薄膜測溫電阻部的紅外線熱像儀(IR)照片。 圖11表示溫度調節單元形成為環狀之例的立體圖。 圖12表示溫度調節單元形成為圓盤狀之例的立體圖。 圖13表示使用電熱絲代替熱噴塗皮膜作為溫度調節部之例的示意圖，圖13(a)是剖視圖，圖13(b)是取出一部分的立體圖。 圖14表示使用冷媒流體代替熱噴塗皮膜作為溫度調節部之例的示意圖，圖14(a)是剖視圖，圖14(b)是取出一部分的立體圖。 圖15表示溫度調節單元應用於靜電吸盤之例的剖面示意圖。
無。
1:溫度調節單元
2:溫度調節單元本體
2a:基材部
2b:絕緣層
3:溫度調節部
4:薄膜測溫電阻部
11:供電端子部
12:電阻值測定端子部
100:測溫對象

Claims (7)

  1. 一種溫度調節單元，其包括： 一溫度調節單元本體； 一溫度調節部，其設置在該溫度調節單元本體的內部，對一溫度調節對象所在側的該溫度調節單元本體的表面溫度進行升降溫；及 一薄膜測溫電阻部，其形成在該溫度調節單元本體的內部、該溫度調節對象所在側的面內的一定範圍內，並且設置在比該溫度調節部更靠近該溫度調節對象的一側，由熱噴塗皮膜形成。
  2. 如請求項1之溫度調節單元，其中該薄膜測溫電阻部形成為在同一面上具有折疊部的帶狀圖案。
  3. 如請求項1或2之溫度調節單元，其中該薄膜測溫電阻部包含含有鋁(Al)的金屬或合金。
  4. 如請求項1或2之溫度調節單元，其中該溫度調節部由熱噴塗皮膜形成，該熱噴塗皮膜形成為在同一面上具有折疊部的帶狀圖案。
  5. 如請求項1或2之溫度調節單元，其中，該溫度調節部包括複數個結構部，並且該複數個結構部各自的一部分構成供電端子部；該薄膜測溫電阻部包括複數個結構部，並且該複數個結構部各自的一部分構成電阻值測定端子部。
  6. 如請求項5之溫度調節單元，其中該溫度調節部的各結構部及該薄膜測溫電阻部的各結構部配置成在該溫度調節單元的厚度方向上彼此對應。
  7. 如請求項1或2之溫度調節單元，其中該溫度調節單元本體具有一基材部和形成在該基材部的表面上的一絕緣層，該薄膜測溫電阻部設置在該絕緣層內。
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