JPH0451538A - 温度測定装置及びそれを用いた気相成長装置 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、半導体ウェハ等の板状体の温度測定装置に関
する。

（従来の技術および 発明が解決しようとする課題） 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、複雑かつ精密な制御
が要求されている。特に、加工プロセスを実行している
際のウェハ温度は、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、半導体ウェハの表面温度が成
膜条件と密接な関係にあり、ウェ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うことが、緻密
な処理を行う上で不可欠となっている。

第６図および第７図は、従来のウェハの温度測定方法を
示したものである。第６図において、半導体ウェハ１０
は、チャック１２上に支持されており、このチャック１
２に温調機構が内蔵されている。また、このチャック１
２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１４が設けられている。

第６図による温度測定方式によれば、チャック１２の温
度を測定することで、半導体ウェハ１０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１２は
相当の体積があるため熱容量が大きくなってしまう。ま
た、この種の加工プロセスは真空中で行われる場合が多
いため、ウエハ１０とチャック１２との間の気体による
熱対流は期待できず、このためウェハ１０とチャック１
２との間に大きな温度差がある場合が多い。そして、こ
の温度差はウェハ１０とチャック１２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
という問題があった。

第７図は、ウェハ１０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、半導体ウェハ１
０は前記チャック１２に変えて、３本の支持用ピン１６
によって接触支持されている。また、このウェハ１０の
温調は、ウェハ１０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。ウェハ１０の温度測定
は、ウェハ１０より離れた位置に設置された放射温度計
１８により非接触で測定されることになる。

放射温度計１８は、温度をもった物体から放射される熱
線の波長分布から、その物体の温度を計算で求めるもの
である。しかしながら、この種の非接触温度測定法は、
物体表面の放射率（完全黒体からどの位置れているかを
示す数）に依存しており、この放射率はウェハ１０の種
類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現象で測定に
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。

そこで、本発明の目的とするところは、被測定体である
板状体と温度測定素子とを直接接触させ、かつこの温度
測定素子の熱容量を十分小さくすることで、測定精度を
向上し、かつ、各種プロセス条件に左右されることなく
安定した温度測定を実現することができる温度測定装置
を提供することにある。

［発明の構成コ （課題を解決するための手段） 本発明は、板状体を３カ所にて接触して支持する支持部
材と、 上記支持部材の少なくとも一つの絶縁された接触部上に
薄膜状４こ形成され、上記板状体の温度により起電力を
生ずる熱電対と、 を有することを特徴とする。

（作　用） 本発明によれば、被測定体である板状体は、この板状体
と３カ所にて接触する支持部材によって支持されている
ので、たとえ板状体にそり等が生じていても、常に安定
した支持を実現できる。

さらに、この支持部材の少なくとも１つの接触部には、
薄膜状に形成された熱電対が設けられている。この熱電
対には、板状体と直接接触し、かつ、板状体の温度によ
り起電力を生ずるので、この起電力に基づき板状体の温
度測定を直接行うことができる。しかも、この熱電対は
上記接触部に薄膜状に形成されているので、その熱容量
を十分低くすることができ、板状体と熱電対の温度は短
時間で等しくなり、板状体の温度測定を精度よく実現で
きる。

（実施例） 以下、本発明をＣＶＤ装置に適用した一実施例について
、図面を参照して具体的に説明する。

第３図に示すように、図示しない真空容器内部には、半
導体ウェハ１０が３本の支持用ピン２０によって３点支
持されている。この半導体ウェハ１０の下方には、複数
の赤外線ランプ２２が設けられ、半導体ウェハ１０が赤
外線加熱できるように構成されている。なお、この真空
容器内部は真空引きされ、かつ、プロセスガスが導入さ
れることで、半導体ウェハ１０に所定の膜を気相成長さ
せることが可能である。

第１図は、前記支持用ピン２ｏの上端接触部２０ａの拡
大図である。前記支持用ピン２ｏは、絶縁体で構成され
、好ましくは熱伝導性の悪い材質、例えば石英あるいは
セラミック等で構成されている。この支持用ピン２０の
上端接触部２０ａには、半導体ウェハ１０の温度を測定
する温度測定素子としての熱電対３０が設けられている
。この熱電対３０は、例えば白金（Ｐｔ）で構成された
第１の金属薄膜３２と、例えば白金ロジウム（ＰｔＲｄ
）で構成された第２の金属薄膜３４とで構成され、前記
半導体ウェハ１０の裏面と接触する部分では、上記第１
．第２の金属薄膜３２．３４が重なり合うように薄膜形
成されている。第２図の平面図に示すように、第１．第
２の金属薄膜３２．３４の重なり部分３２ａ、３４ａは
、前記支持用ビン２０の直径よりも小さい直径を有する
円形形状に形成され、この重なり部分３２ａ。

３４ａの直径は例えば０．１＋ｓｍ程度に小さくするこ
とも可能である。重なり部分３２ａ、３４ａより支持用
ビン２０の下方に沿って伸びる引出部３２ｂ、３４ｂの
幅は、例えば１０μｍ程度に形成することができる。

支持用ビン２０の表面に薄膜形成される前記第１　第２
の金属薄膜３２．３４は、好ましくはメツキ、スパッタ
あるいは蒸着等により形成することが可能である。また
、半導体ウェハ１０の裏面と接触する第２の金属薄膜３
４の頂点部分は、所定の曲率で球面形状に加工され、半
導体ウエノ＼１０の裏面と球面接触させるものが好まし
い。

第１　第２の金属薄膜３２．３４はそれぞれ例えば１μ
ｍの厚さて形成され、その引出部分３２ｂ、３４ｂには
それぞれ出カケープル３６．３８が接続されている。こ
の出カケープル３６．３８は、接続される第１の金属薄
膜３２または第２の金属薄膜３４と同一の材質により形
成されている。

この２本の出カケープル３６．３８は、それぞれ熱電温
度計４０に入力される。この熱電温度計４０は周知のよ
うに、前記熱電対３０での熱起電力により生ずる熱電流
をキャンセルする電流を生じ、このキャンセル電流の大
きさに基づき温度表示を行うものである。

本実施例では、熱電温度計４０の出力を赤外線ランプ２
２のランプ駆動回路４２にフィードバックし、半導体ウ
ェハ１０の前面にて均一な温度を得るように構成してい
る。この際、３本の支持用ビン２０にそれぞれ熱電対３
０を設けた場合には、３つの熱電対温度計４０より測定
温度が求められ、一方、半導体ウェハ１０の均一加熱温
度を得るためには、赤外線ランプ２２が複数例えば数十
個必要である。

このように、３種の熱電温度計４０の出力により、数十
個のランプ駆動回路４２を駆動制御する場合には、第４
図または第５図に示すフィードバック回路を挙げる二己
ができる。

第４図に示すものは、各支持用ビン２０に近接する領域
毎に赤外線ランプ２２を３つの群に分け、この群内に存
在する複数の赤外線ランプ２２と一つの駆動回路４２と
を接続する。そして、３つの熱電対温度計４０の出力線
を、それぞれ各群のランプ駆動回路４２に接続したもの
である。一方、第５図に示すものは、３つの熱電温度計
４０の出力を一括して１つのランプ駆動回路４４に接続
し、この１つのランプ駆動回路４４により数十個の全て
の赤外線ランプ２２を駆動制御するように構成したもの
である。

次に、作用について説明する。

このＣＶＤ装置では、図示しないアームによりウェハ１
０が処理容器内部に搬入され、３本の支持用ビン２０上
に載置される。この受入れの際に、支持用ビン２０を上
下動することも可能である。

その後、処理容器のゲートを閉鎖し、所定真空度まで真
空引きした後に、赤外線ランプ２２によりウェハ１０を
所定温度に加熱維持し、プロセスガスの導入により、ウ
ェハｌＯに対する気相成長処理を行うことになる。

ウェハ１０に対する成膜精度は、ウェハ１０の表面温度
と密接な関係を有する。従って、ウェハ１０の表面温度
を正確に測定し、これに基づき赤外線ランプ２２を駆動
制御する必要がある。

本実施例では、ウェハ１０の温度測定を、前記３本の支
持用ビン２０の接触部２０ａに薄膜状に形成した熱電対
３０により行っている。このような熱電対３０によれば
、ゼーベック効果により温度差に起因した熱電流が流れ
ることが知られており、第１．第２の金属薄膜３２．３
４の接合面（界面）に熱起電力が生ずる。

この熱電対３０に接続された熱電温度計４０は、前記熱
電流をキャンセルするキャンセル電流に基づき、ウェハ
１０の温度を測定するものである。

従って、上記キャンセル電流により、熱電対３０を構成
する第１．第２の金属薄膜３２．３４およびその出カケ
ープル３６．３８には電流が流れることがほとんどなく
、第１．第２の金属薄膜３２゜３４の厚さを、例えば１
μｍ程度に薄く形成することても十分耐久性が得られる
。

このように、本実施例ではウエノＸ１０に対して熱電対
３０を直接接触させているので、ウニ／％１０の温度測
定を精度良く実現することかできる。

また、このような直接接触により温度測定をするに際し
て、従来温度測定素子の熱容量が問題となっていたが、
本実施例の構成によればその熱容量を十分低減すること
が可能である。すなわち、第１、第２の金属薄膜３２．
３４は、電流がほどんど流れないことから１μｍ程度に
薄く形成でき、しかもその表面積は第２図に示すように
極めて小さいものとして構成できる。このように、温度
測定素子を形成する体積が十分小さくなるので、その熱
容量を従来よりも大幅に低減できる。この効果は、この
熱電対３０が形成される支持用ピン２０の材質を、熱伝
導性の悪い石英、セラミック等で構成することで、ウェ
ハ１０からの放熱を大幅に抑制することが可能となる。

しかも、本実施例では熱電対３０がウェハ１０の裏面に
３点接触しているものであるから、その接触面積が極め
て小さくなり、このことによってもウェハ１０からの放
熱を抑制できる。

ウェハ１０に対して熱電対３０を直接接触させ、正確な
温度測定を行うためには、その接触圧力が十分確保され
ることが不可欠である。本実施例の場合には、ウェハ１
０が３カ所の熱電対３０により３点接触され、しかも、
熱電対３０のウェハ１０に対する接触部は所定の曲率で
球面上に形成されているので、ウェハ１０の自重による
熱電対３０上への応力が極めて大きくなり、熱電対３０
の弾性変形により十分な接触を確保することか可能とな
る。

熱電温度計４０によりウェハ１０の正確な温度測定がで
きれば、これを赤外線ランプ２２を駆動するランプ駆動
回路４２．４４にフィードバックすることで、ウェハ１
０の均一な加熱を実現できる。特に、本実施例のような
ＣＶＤ装置では、ウェハ１０に対する成膜を行うに際し
て、支持用ピン２０が接触する部分での温度低下を抑え
る必要があり、本実施例のように熱容量の小さい部材に
よりウェハ１０との接触を確保しているので、支持用ピ
ン２０と対応する領域での膜厚が他の領域と異なるとい
う弊害を防止できる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、
本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。

ウェハ１０等の板状体を支持する支持部材としては、３
本の支持部材であることが不可欠であり、これ以上多く
ても少なくても板状体の安定した支持が実現できない。

この場合に、熱電対３０は必ずしも３本の支持部材の全
てに形成されるものでなく、少なくとも１つの支持部材
に形成されるものであってもよい。さらに、熱電対３０
を構成する２種の金属としては、上記実施例のような白
金−白金ロジウムの組合せに限らず、ゼーベック効果を
奏する他の２種の金属の組合せを採用することも可能で
ある。

また、本発明は上記実施例のようなＣＶＤ装置に適用さ
れるものに限らず、板状体として半導体ウェハを例に挙
げれば塗布装置におけるベーク機構、あるいは、プラズ
マ形成用電極をウェハと直接接触しない位置に配置した
スパッタ装置等にも同様に適用できる。さらに、被処理
体は半導体ウェハに限らず、例えば液晶基板でもよい。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、温度を測定すべき
板状体に熱電対を直接接触させ、かつ、この熱電対を構
成する第１．第２の金属薄膜の熱容量を十分小さく構成
できるため、板状体の正確な温度測定を安定性よく実現
することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を適用したＣＶＤ装置におけるウェハ
の支持部の拡大断面図、 第２図は、熱電対および支持用ピンの平面図、第３図は
、ウェハの支持状態を説明するための概略説明図、 第４図、第５図は、それぞれ熱電温度計によるフィード
バック制御回路のブロック回路図、第６図、第７図は、
従来の温度測定方法を説明するための概略斜視図である
。 １０・・・板状体、２０・・支持部材、２２・・・赤外
線ランプ、３０・・・熱電対、３２・・・第１の金属薄
膜、３４・・第２の金属薄膜、４０・・・熱電温度計。 代理人　弁理士　井　　上　　　−（他１名）第 図 ↑ ２２イータ）４ランプ・

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）板状体を３ヵ所にて接触して支持する支持部材と
   、 上記支持部材の少なくとも一つの絶縁された接触部上に
   薄膜状に形成され、上記板状体の温度により起電力を生
   ずる熱電対と、 を有することを特徴とする板状体の温度測定装置。