JP4986495B2 - 加熱プレート温度測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウエハ等の加熱物を載せて高温に加熱する加熱プレートの温度を測定する装置に関し、特に加熱プレートの内部の温度を輻射温度計で非接触にて測定する加熱プレート温度測定装置に関する。

半導体ウェハ等の処理プロセスにおいて、その半導体ウェハ等の板状部材（以下「基板」と称する。）を加熱するための加熱手段として、加熱プレートに基板を載せて加熱する形式のヒータが使用されている。例えば、図４はシースヒータ２４を用いて加熱プレート２３を加熱し、その加熱プレート２３に載せた基板２６を加熱する方式の加熱ヒータである。

このような加熱ヒータでは、加熱プレート２３の温度を測定し、基板２６の加熱温度を適正に制御する必要がある。このような加熱プレート２３の温度測定手段として、従来では熱電対が使用されている。シースヒータ２４と共にシース形熱電対２５を真空チャンバ２６の中に引き込み、その先端の測温点を加熱プレート２３に埋め込み、真空チャンバ２６の外でアダプタを介して補償導線２７と接続し、前記測温点で温度を測定する。

図５は、高融点金属や黒鉛を渦巻き状にしたヒータ３４で加熱プレート３２を加熱する形式のものである。真空チャンバのテーブル３６の上に気密シールされた状態で設置された加熱容器３１の天板が加熱プレート３２となっており、その上に基板３７を載せて加熱する。ヒータ３４に電力を供給するリード端子３５、３５は、ヒータ３４を保持するサポートを兼ねており、テーブル３６に設けたセラミック端子３９、３９を通して加熱容器３１内に立設されている。加熱プレート３２の温度を測定するシース型熱電対３３は、その先端の測温点を加熱プレート３２の背面に埋め込み、テーブル３６を気密に貫通して真空チャンバの外に引き出されたリード側がアダプタを介して補償導線３８と接続され、前記測温点で温度を測定する。

しかしながら、背面電子衝撃加熱ヒータにおいては、加熱テーブル３１の背面側の加熱容器３１の中で熱電子が飛びかっているので、シース型熱電対３３を図５のように加熱容器３１の内部に入れると、電子がシース型熱電対３３のシースを通じアース側に流れてしまう。これにより、加熱プレート３２に衝突する電子の量にムラが出て、その温度分布が変わってしまう。

これに対し、シース形熱電対を使用して温度測定が出来ない場合は、図６に示すように、輻射温度計４６ａ、４６ｂを使用して非接触で温度の測定を行う。真空チャンバ４１にビューポート４５ａ、４５ｂを設け、このビューポート４５ａ、４５ｂを通して加熱容器４３の上に載った基板４４の温度を非接触で測定する。

熱電対は構造が簡単なため、コスト的に有利であり、加熱プレートの温度をその周囲の条件が変わっても測定出来る点に最大の利点がある。他方、輻射温度計は、コストが高いうえに、単色輻射温度計の場合は、測定物の輻射率が変わるごとに輻射率調整ボリュームによりアンプ倍率を調整しなければ正しい温度を測定することが出来ない。加えて、単色輻射温度計は、その測定波長（検出波長）が赤外に及ぶものが多く、よって、ビューポートのガラスの温度の影響を受けやすい。このため、２色（２波長）輻射温度計を用いる必要がある。

２色輻射温度計は、被測定物の輻射率の影響を受けずに温度測定することが出来、ビューポートのガラスの影響を受けないように、２波長とも同じ透過率を有するガラスを選択することにより、被測定物の温度を正しく測定出来る利点がある。またビューポートの大きさ等により制約はあるが、輻射温度計は、被測定物の温度測定位置をずらすことが出来るので、被測定物の温度分布も測定することが可能である。

しかし、輻射温度計の場合、図６から明らかなように、基板４４の温度を測定出来るものの、その下にある加熱プレートの温度を測定することは出来ない。すなわち、加熱プレートより遅れて温度変化が現れる基板４４の温度しか測定出来ず、加熱プレートの温度を直接測定してその温度制御を行えないため、加熱プレートの異常加熱が起こりやすく、加熱ヒータの損傷の原因となる。

さらに、２色輻射温度計には測定温度幅が限られており、上限２０００℃まで測定出来るものは下限が８００℃までであり、上限１０００℃まで測定出来るものは下限が４００℃までであり、上限５００℃まで測定出来るものは下限が２００℃までである。２色輻射温度計の測定下限値は２００℃程度で、これ以下の温度は測定することが出来ない。

図４〜図６は、基板を加熱プレートの上に直に置いて加熱する場合を示したが、加熱プレートの材質等により、基板の汚染が起こるような場合は、図７のように、トレイ状のサセプター５３の上に基板５４を載せ、このサセプター５４を加熱プレート５１の上に置く。また、図８に示すように、基板５４の温度を安定化させ、温度低下を防止するために蓋状の熱遮蔽板５５を設けることもある。

これらサセプター５４や熱遮蔽板５５を使用する場合に輻射温度計を使用すると、加熱プレート５１の温度変化に対してさらに遅れて生じる温度変化を測定することになる。このため、正確に加熱プレート５１の温度を制御することが出来ず、加熱プレート５１の異常加熱による損傷がさらに起こりやすくなる。図４や図５により前述したように、加熱プレート２３、３３の温度を直接測定出来る場合は、その温度測定値により加熱プレート２３、３３の加熱温度を制御出来るため、異常加熱等を起こさず、適正に制御することが出来る。これに対し、前述のように、基板、サセプター或いは熱遮蔽板の温度を測定する場合、それらは加熱プレートと３００℃程度の温度差があり、昇温、降温時にはさらに温度差が大きくなる。

前述した通り、被測定物の輻射率に関係なく温度測定出来る２色輻射温度計は、２００℃以下の温度測定は出来ないのに加え、熱遮蔽板がある場合は、基板の温度を輻射温度計で測定しながら加熱プレートとの相関を見ながら温度制御することが出来ない。そのため、例えば図８（ｂ）のように、熱遮蔽板５５に窓状の孔５６を設け、ここを通して基板５４の温度測定が出来るようにしている。この孔５６の径は、基板温度に影響を与えない範囲の必要最小限にする必要がある。この輻射温度計で温度を測定するための孔５６を複数明けて、基板５４の温度分布を測定することも出来る。

被測定物の輻射率の影響を受けない２色輻射温度計は、温度の測定範囲に制限がある。他方、赤外線帯域の波長を使用する単色輻射温度計は、赤外線の透過率が悪いビューポートのガラスにより温度測定値に誤差が生じる。そこで、図９（ａ）に示すように、基板５４の温度分布や加熱プレート５１との温度相関は、０．０５φ程度の極細の熱電対を取り付けた測温用基板５４を用いて測定している。このような測温用基板５４を用いた温度測定による基板と加熱プレートとの温度相関の把握は、基板を加熱プレートに直に置いたものでも行われる。また図９（ｂ）は吊り下げ式の熱遮蔽板５５’を用いた例を示す。この熱遮蔽板５５’には、輻射温度計で基板５４の温度を測定するための窓５６を有する。

実際のプロセス制御においては、前記の基板と加熱プレートとの温度相関に基づき、基板の温度測定をせずに、加熱プレートの温度測定で一連の基板の熱処理や薄膜形成の工程を行っている。
理想的には、加熱プレートに複数の熱電対の測温点を埋め込み、なお且つ基板の温度を２色輻射温度計により測定位置を変えながら基板の温度分布を測定し、プロセス制御と加熱監視をしていくのが望ましい。

しかしこれでは、プロセス制御のコストがかかり過ぎて現実的ではない。そのため実際のプロセス制御においては、加熱プレートには最小限の僅かな熱電対しか装着されていない。また、輻射温度計による基板の温度測定も、ビューポートに薄膜生成物質が付着してしまったり、腐食性の生成ガスの影響を避けるために、ビューポートにシャッタが付けられていることから、温度測定出来る時間も限られ、連続的ではない断続的な温度測定を余儀なくされるという問題がある。
特開２００４−１９３３４０号公報 特開２００４−１１１５８６号公報 特開２００２−２０８５８８号公報 特開平１１−２４８５３９号公報

本発明では、前記従来の加熱プレートによる半導体ウエハ等の基板加熱における温度測定手段が有する課題に鑑み、加熱プレートが基板、サセプタ或いは熱遮蔽板の陰に隠れてしまっている場合でも、輻射温度計を使用して加熱プレートの内部の温度を測定出来るようにすることを目的とする。

本発明では、前記の目的を達成するため、加熱プレート２に孔７を設け、この孔７の中にプラグ４を埋め込み、孔７を通して輻射温度計５でプラグ４の輻射熱を測定出来るようにしたものである。

すなわち、本発明による加熱プレート温度測定装置は、基板を載せて加熱する加熱プレート２の内部の温度を輻射温度計５により測定するものであって、加熱プレート２に同加熱プレート２の側面に開口する直線状の孔７を設け、この孔７の異なる位置に配置可能にその中にプラグ４を１個だけ加熱プレート２に密着して埋め込み、前記孔７を通してプラグ４の輻射熱を同孔７の外側に検知部を配置した輻射温度計５により測定するものである。

このような加熱プレート温度測定装置では、プラグ４が加熱プレート２の内部に埋め込まれているため、このプラグ４の温度は加熱プレート２の内部の温度と同じになる。従って、輻射温度計５により、孔７を通してプラグ４の温度を測定することにより、加熱プレート２の内部の温度を測定することができる。

プラグ４として輻射率が１．０に近い黒鉛からなるものを使用することにより、加熱プレート２の輻射率に係わらず、正確な温度測定が可能である。また、孔７を加熱プレート２の側面に開口することにより、加熱プレート２の上面に基板やサセプタを載せても、それらに邪魔されることなく輻射温度計５で温度測定が可能となる。プラグ４を加熱プレート２の異なる位置に配置して温度を測定することにより、加熱プレート２の温度分布を把握するのに有効である。

特に前述したように、背面電子衝撃加熱ヒータにおいては、加熱プレート２の背面側で熱電子が飛びかっている。このため、シース型熱電対の測温接点を加熱プレート２の背面に接触する構造では、電子がシース型熱電対のシースを通じアース側に流れてしまい、加熱プレート２の温度分布が変わってしまう。本発明による温度測定装置ではこのような問題はなく、よって背面電子衝撃加熱ヒータに採用するのに最適な温度測定手段と言える。

以上説明した通り、本発明による加熱プレート温度測定装置では、加熱プレート２の上面に基板やサセプタを載せても、それらに邪魔されることなく輻射温度計５で温度測定が可能になる。また、加熱プレート２の材質に係わらず、温度測定を行うためのプラグ４に任意の材質のものを使用出来れば、輻射率の高い黒鉛等を使用することで、正確な温度測定が可能となる。さらに、プラグ４を配置する位置により、加熱プレート２の任意の位置の温度を測定出来るので、加熱プレート２の温度分布の測定も可能である。また、本発明による温度測定装置は、背面電子衝撃加熱ヒータにおいて最適な温度測定手段となり得る。

本発明では、加熱プレート２に孔７を設け、これら孔７の中にプラグ４を埋め込み、孔７を通して輻射温度計５でプラグ４の輻射熱を測定するようにした。
以下、本発明を実施するための最良の形態について、実施例をあげて詳細に説明する。

図１〜図３は、基板加熱ヒータのうち、特に背面電子衝撃加熱方式のものを示す図である。背面電子衝撃加熱方式の基板加熱ヒータの他、シースヒータを使用した抵抗加熱方式や高周波加熱方式等、他の加熱方式の基板加熱ヒータにも適用が可能である。

図示していないが、ステンレス鋼等の金属からなるテーブル６の上に真空チャンバが載せて固定されており、この真空チャンバの中に加熱容器１が設置されている。この加熱容器１は、下面が開いた容器状のものであって、シリコンウエハ等の薄形板状の加熱物（基板）を載せる天板が平坦な加熱プレート２となったものである。より具体的には、加熱容器１は、加熱プレート２が天板となってその上面側が閉じられ、加熱プレート２の周囲の下方には、下面側が開口した円筒形状の周壁１３が設けられている。加熱容器１の周壁1３の下端部はフランジ状になっている。

テーブル６の加熱容器１のフランジ部分を載せる部分には、テーブル６の中心軸の周りに溝が設けられ、この溝に真空シール材８が嵌め込まれている。この溝に嵌め込まれた真空シール材８の上に、前記加熱容器１の周壁１３の下端部のフランジ部分が載せられ、固定されている。

さらに、この加熱容器１の内部には、テーブル６から支柱1４が立設され、この支柱1４の上端側に平板状のホルダ１２が支持されている。さらにこのホルダ１２からフィラメント支持柱１７が立設され、このフィラメント支持柱１７にフィラメント９が取り付けられている。このフィラメント９は、加熱容器１の中でその加熱プレート２の背後に設けられている。またこのフィラメント９には、フィラメント加熱電源1０が接続されている。さらに、このフィラメント９と加熱プレート２との間には、電子加速電源1１により加速電圧が印加される。なお加熱プレート２を有する加熱容器１は接地され、フィラメント９に対して正電位に保持される。

前記フィラメント支持柱１７の中間部には、フィラメント９の下方に位置するようにリフレクタ３が取り付けられている。このリフレクタ３は、フィラメント支持柱１７を介してフィラメント９に導通しており、同フィラメント９と同電位のマイナス電位とされる。

前記加熱容器１の天板となる加熱プレート２には、孔７が設けられている。この孔７は、加熱プレート２の側面に開口しており、図１〜図３に示した例では、加熱プレート２の一方の側面から加熱プレート２の中心を通り、他方の側面に開口する直線状の貫通孔である。この孔７の断面形状は円に限らず、加熱プレート２の幅方向或いは厚さ方向に幅のある孔であってもよいが、加熱プレート２の厚さ方向に熱抵抗を生じないように断面円形の小孔であるのがよい。

この孔７の中には、プラグ４が１個だけ埋め込まれている。このプラグ４は輻射率の高い材質、例えば黒鉛からなる。このプラグ４は孔７の中で加熱プレート２に密着して設けられ、加熱プレート２から円滑に熱伝達を受ける。図１では、プラグ４が加熱プレート２の中心に設けられている。図２では、プラグ４が加熱プレート２の中心から偏った位置に設けられている。図３では、プラグ４が加熱プレート２の周辺近くに設けられている。

さらに、前記孔７が開口した加熱プレート２の側方には、孔７の外側に輻射温度計５の受光部が配置されている。この輻射温度計５は、前記孔７を通してプラグ４の輻射熱を受光し、その温度を非接触で測定するものである。図１〜図３に示すように、プラグ４を加熱プレート２の異なった複数の位置にそれぞれ配置することにより、複数位置での温度測定が可能であり、加熱プレート２の温度分布を把握するのに有効である。

このような背面電子衝撃加熱ヒータでは、フィラメント９と加熱プレート２との間に電子加速電源1１により一定の高電圧の加速電圧を印加すると共に、フィラメント加熱電源1０によりフィラメント９に通電すると、フィラメント９から熱電子が放出され、この熱電子が前記加速電圧により加速されて加熱プレート２の下面に衝突する。このため、電子衝撃により加熱プレート２が加熱される。加熱プレート２に生じる熱と加熱プレートに照射されるべき熱電子は、フィラメント９の下方に設けられ、フィラメント９と同電位のマイナス電位としたリフレクタ３により反射され、出来る限り熱が不要な個所に拡散するのが防止される。

加熱プレート２が予め定められた温度に達すると、フィラメント加熱電源１０からフィラメント９に通電する電力が下げられ、加熱プレート２の温度が定められた温度に維持される。そして、予め定められた時間が経過すると、フィラメント９への通電が停止され、加熱プレート２の加熱を停止する。その後、テーブル６の冷却液通路７に通している冷却液によりテーブル６や加熱容器１が冷却され、加熱プレート２が降温される。
このようにして加熱プレート２が加熱制御される時に、前記の輻射温度計５でプラグ４の温度を測定し、これにより加熱プレート２の温度を把握しながら加熱制御を行う。

このように背面電子衝撃加熱ヒータでは、加熱容器１の中で熱電子が飛びかっているので、シース型熱電対を図５のように加熱容器１の内部に入れると、シースを通じ電子がアース側に流れてしまうので、加熱プレート２を温度分布が変わってしまう。これに比べて、本発明のように孔７にプラグ４を設置して輻射温度計によって加熱プレートの測温する方式は背面電子衝撃加熱ヒータに最適な温度測定手段である。

本発明による加熱プレート温度測定装置の一実施例を示す概略縦断面図である。 本発明による加熱プレート温度測定装置の他の実施例を示す概略縦断面図である。 本発明による加熱プレート温度測定装置の他の実施例を示す概略縦断面図である。 加熱プレート温度測定装置の従来例を示す概略縦断面図である。 加熱プレート温度測定装置の他の従来例を示す概略縦断面図である。 加熱プレート温度測定装置の他の従来例を示す概略縦断面図である。 加熱プレートにサセプタを載せ、その上に加熱する基板を載せた加熱ヒータの例を示す概略部分縦断面図である。 加熱プレートにサセプタを載せ、その上に加熱する基板を載せ、さらに熱遮蔽板を使用した加熱ヒータの例を示す概略部分縦断面図である。 加熱プレートにサセプタを載せ、その上に加熱する基板を載せ、さらに熱遮蔽板を使用した加熱ヒータのおける温度測定の例を示す概略部分縦断面図である。

符号の説明

２ 加熱プレート
４ プラグ
５ 輻射温度計
７ 孔

Claims (4)

1. 基板を載せて加熱する加熱プレート（２）の内部の温度を輻射温度計（５）により測定する加熱プレート温度測定装置であって、加熱プレート（２）に同加熱プレート（２）の側面に開口する直線状の孔（７）を設け、この孔（７）の異なる位置に配置可能にその中にプラグ（４）を１個だけ加熱プレート（２）に密着して埋め込み、前記孔（７）を通してプラグ（４）の輻射熱を同孔（７）の外側に検知部を配置した輻射温度計（５）により測定することを特徴とする加熱プレート温度測定装置。
2. プラグ（４）は輻射率が１．０に近い黒鉛からなることを特徴とする請求項１に記載の加熱プレート温度測定装置。
3. 孔（７）は、加熱プレート（２）の側面に開口していることを特徴とする請求項１または２に記載の加熱プレート温度測定装置。
4. 加熱プレート（２）を加熱する手段が背面電子衝撃加熱方式ヒータであることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の加熱プレート温度測定装置。

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