JPH1123374A - 熱処理炉用温度計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高温でも長時間使用可能な熱処理炉用温度計
を提供する。 【解決手段】 先端部に白金と白金ロジウムからなる熱
電対１９を配した絶縁管１８を炭化ケイ素からなる保護
管２０内に収容してなる熱処理炉用温度計１６Ａにおい
て、上記絶縁管１８の先端部に、上記熱電対１９を覆う
白金または白金ロジウムからなるキャップ本体２５と、
このキャップ本体２５の外面を被覆するイリジウムまた
はイリジウム合金からなる被覆層２６とを有する保護キ
ャップ２１を取付けている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱処理炉用温度計
に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の製造においては、被処理体
である半導体ウエハに酸化、拡散、アニールなどの熱処
理を施すために、各種の熱処理炉が使用されている。そ
して、この熱処理炉の炉内温度を測定するために、図１
０に示すような温度計１６が使用されている。

【０００３】この温度計１６は、絶縁管１８と、この絶
縁管１８の先端部に配した熱電対１９と、この熱電対１
９を含む絶縁管１８を収容する保護管２０とから主に構
成されている。上記熱電対１９としては、高温領域例え
ば１０５０〜１２５０℃での温度測定が可能な熱電対、
例えば白金と白金ロジウムからなる熱電対が好ましい。
また、上記保護管２０の材料としては、石英材の常用温
度以上の高温領域で安定した性能で使用できる材料とし
て半導体製造装置等に使用されている炭化ケイ素が好ま
しい。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記熱
処理炉用温度計においては、１０５０〜１２５０℃の高
温領域では熱電対１９の白金または白金ロジウムが保護
管２０の成分であるケイ素と反応して低融点合金化す
る。このため、熱電対１９が短時間で起電力低下や断線
を引き起こしやすくなり、温度測定ができなくなる場合
がある。

【０００５】そこで、本発明は、上記課題を解決すべく
なされたものである。本発明の目的は、高温でも長時間
使用可能な熱処理炉用温度計を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明のうち請求項１に係る発明は、先端部に白金と
白金ロジウムからなる熱電対を配した絶縁管を炭化ケイ
素からなる保護管内に収容してなる熱処理炉用温度計に
おいて、上記絶縁管の先端部に、上記熱電対を覆う白金
または白金ロジウムからなるキャップ本体と、このキャ
ップ本体の外面を被覆するイリジウムまたはイリジウム
合金からなる被覆層とを有する保護キャップを取付けた
ことを特徴とする。上記温度計によれば、絶縁管の先端
部に取付けた保護キャップが熱電対と同じ材質である白
金または白金ロジウムからなるキャップ本体の外面に、
保護管の成分であるケイ素に対して化学的に安定なイリ
ジウムまたはイリジウム合金からなる被覆層を設けてな
るため、熱処理炉の使用温度が１２５０℃と高温になっ
ても、ケイ素と白金または白金ロジウムが反応すること
がなく、熱電対の低融点合金化を防止することができ、
高温での長期使用が可能となる。

【０００７】請求項２に係る発明は、先端部に白金と白
金ロジウムからなる熱電対を配した絶縁管を炭化ケイ素
からなる保護管内に収容してなる熱処理炉用温度計にお
いて、上記絶縁管の先端部に、上記熱電対を覆う白金ま
たは白金ロジウムからなる内側キャップと、この内側キ
ャップの外側を覆うイリジウムまたはイリジウム合金か
らなる外側キャップとを有する二重の保護キャップを取
付けたことを特徴とする。上記温度計によれば、絶縁管
の先端部に取付けた保護キャップが熱電対と同じ材質で
ある白金または白金ロジウムからなる内側キャップと、
保護管の成分であるケイ素に対して化学的に安定なイリ
ジウムまたはイリジウム合金からなる外側キャップとの
二重構造からなるため、熱処理炉の使用温度が１２５０
℃と高温になっても、ケイ素と白金または白金ロジウム
が反応することがなく、熱電対の低融点合金化を防止す
ることができ、高温での長期使用が可能となる。

【０００８】請求項３に係る発明は、先端部に白金と白
金ロジウムからなる熱電対を配した絶縁管を炭化ケイ素
からなる保護管内に収容してなる熱処理炉用温度計にお
いて、上記絶縁管の先端部に、上記熱電対を覆う白金ま
たは白金ロジウムからなるキャップ本体と、このキャッ
プ本体の外面を被覆するアルミナからなる被覆層とを有
する保護キャップを取付けたことを特徴とする。上記温
度計によれば、絶縁管の先端部に取付けた保護キャップ
が熱電対と同じ材質である白金または白金ロジウムから
なるキャップ本体の外面に、保護管の成分であるケイ素
に対して化学的に安定なアルミナからなる被覆層を設け
てなるため、熱処理炉の使用温度が１２５０℃と高温に
なっても、ケイ素と白金または白金ロジウムが反応する
ことがなく、熱電対の低融点合金化を防止することがで
き、高温での長期使用が可能となる。

【０００９】

【実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を添付図面
に基づいて詳述する。図１は本発明の第１の実施の形態
に係る熱処理炉用温度計を示す一部断面側面図、図２は
図１の熱処理炉用温度計が使用される熱処理炉の一例を
示す断面図、図３は図１の熱処理炉用測温計の要部拡大
断面図である。

【００１０】先ず、本発明の実施の形態に係る熱処理炉
用温度計が使用される熱処理炉の一例について説明す
る。図２において、１は被処理体である半導体ウエハＷ
を高温下で処理する縦型の熱処理炉で、この熱処理炉１
は下端が開口した縦長円筒状の反応管２を有している。
この反応管２は、例えば石英により形成されており、そ
の下端側面部には、処理ガスを導入する導入管部３と、
処理後の廃ガスを排出する図示しない排出管部が設けら
れている。上記反応管２は、中央に開口部を有するベー
スプレート４に取付具５を介して取付けられている。な
お、反応管２は、内管と外管の二重管構造になっていて
もよい。

【００１１】上記反応管２の周囲には、反応管２内を加
熱するヒータ６が設けられている。このヒータ６は、反
応管２の周囲を取り囲む断熱材７と、この断熱材７の内
周に螺旋状等に配設された抵抗発熱線８とから主に構成
されている。ヒータ６には、温度センサ９が設けられて
いる。ヒータ６は、高さ方向に複数のゾーンに分割さ
れ、各ゾーン毎に独立して温度制御されるように構成さ
れていることが好ましい。上記ヒータ６は、上記ベース
プレート４上に設置されている。反応管２とヒータ６の
間には、均熱管１０が設けられていることが好ましい。

【００１２】上記反応管２の下方には、その開口端を開
閉する蓋体１１が配置され、この蓋体１１上には多数枚
の半導体ウエハＷを水平状態で上下方向に所定間隔で多
段に支持するウエハボート１２が保温筒１３を介して載
置されている。上記蓋体１１は、昇降機構１４の昇降台
１５上に取付けられている。この昇降機構１４により、
反応管２内へのウエハボート１２の搬入搬出、及び上記
蓋体１１の開閉が行われる。

【００１３】このように構成された熱処理炉１の炉内の
温度を検出するために、反応管２内や反応管２と均熱管
１０の間に熱処理炉用温度計（熱処理炉用温度センサと
もいう。以下、単に温度計という。）１６Ａが挿入配置
される。図２には、反応管２と均熱管１０の間に挿入配
置するタイプと、反応管２内に下方から蓋体１１を貫通
して挿入配置するタイプの温度計１６Ａが示されてい
る。後者のタイプの温度計１６Ａは、昇降台１５にブラ
ケット１７を介して取付けられている。上記温度計１６
Ａは、炉内の温度を計測する場合の他に、ヒータ６に設
けられた温度センサ９の検査や較正を行う場合にも使用
可能である。

【００１４】上記温度計１６Ａは、図１に示すように、
長尺な絶縁管１８と、この絶縁管１８の先端部に配した
熱電対１９と、この熱電対１９を含む絶縁管１８を収容
する保護管２０とを備えており、その絶縁管１８の先端
部に後述する如く熱電対１９を覆って保護する保護キャ
ップ２１を取付けたことを特徴としている。上記絶縁管
１８は、絶縁性および耐熱性に優れた材料例えばアルミ
ナ（Ａｌ₂Ｏ₃）のセラミックにより形成されていること
が好ましい。この絶縁管１８には、熱電対１９の素線１
９ａ，１９ｂを個別に挿通する挿通孔２２が軸方向に設
けられている。絶縁管１８の先端部には、熱電対１９と
保護キャップ２１とが直接触れないように熱電対１９を
収容する凹部２３または切欠部が形成されていることが
好ましい。

【００１５】上記熱電対１９としては、高温領域を安定
して精度よく測定することができる白金と白金ロジウム
からなる熱電対、具体的には、純白金線と白金（Ｐｔ）
８７％、ロジウム（Ｒｈ）１３％の合金線の組合せから
なるＲ熱電対が用いられる。上記保護管２０は、石英よ
りも高い温度領域での使用に耐え、かつ半導体ウエハに
対して汚染源にならない材料として炭化ケイ素（Ｓｉ
Ｃ）により形成されている。保護管２０は、一端が開口
しており、その開口端より上記絶縁管１８が保護管２０
と非接触状態で挿入される。温度計１６Ａが反応管２と
均熱管１０の間に挿入配置されるタイプの場合、保護管
２０の開口端は、例えばアルミナ接着剤（商品名：アロ
ンセラミック、スミセラム等）よりなる封止材２４によ
り封止されることが好ましい。

【００１６】上記絶縁管１８の先端部に被せて取付けら
れる保護キャップ２１は、図３にも示すように、熱電対
１９と同じ材質である白金または白金ロジウムからなる
キャップ本体２５と、このキャップ本体２５の外面に被
覆されたイリジウムまたはイリジウム合金からなる被覆
層２６とから主に構成されている。上記保護キャップ２
１の母材であるキャップ本体２５は、絶縁管１８の先端
部に嵌合被冠されるキャップ状に形成されている。

【００１７】このキャップ本体２５の外表面にイリジウ
ムまたはイリジウム合金の被覆層２６を形成する方法と
しては、例えばスパッタや蒸着により膜付けする方法
や、イリジウム化合物を塗布する方法が好適である。こ
のように構成された保護キャップ２１を上記絶縁管１８
の先端部に嵌合装着したなら、保護キャップ２１の脱落
防止、キャップ本体２５の露出端面の保護およびケイ素
の浸入防止のために、保護キャップ２１の端縁部を絶縁
管１８上に接着材２７で接着封止しておくことが好まし
い。

【００１８】このように構成された第１の実施の形態に
係る熱処理炉用温度計１６Ａによれば、絶縁管１８の先
端部に取付けた保護キャップ２１が熱電対１９と同じ材
質である白金または白金ロジウムからなるキャップ本体
２５の外面に、保護管２０の成分であるケイ素に対して
化学的に安定な性質を有するイリジウムまたはイリジウ
ム合金からなる被覆層２６を設けてなるため、熱処理炉
１の使用温度が１２５０℃と高温になっても、ケイ素と
白金または白金ロジウムが反応することがなく、熱電対
１９の低融点合金化を防止することができ、高温での長
期使用が可能となる。なお、上記被覆層２６により、熱
電対１９だけでなく、保護キャップ２１のキャップ本体
２５自体の低融点合金化をも防止することができ、耐久
性の向上が図れる。

【００１９】図４および図５は、本発明の第２および第
３の実施の形態に係る熱処理炉用温度計を示す要部拡大
断面図であり、これらの図において上記図３と同一部分
には同一参照符合を付してある。先ず、図４の熱処理炉
用温度計１６Ｂにおいては、絶縁管１８の先端部に取付
けられる保護キャップ２１が、熱電対１９と同じ材質で
ある白金または白金ロジウムからなるキャップ本体２５
と、このキャップ本体２５の外面を被覆するアルミナか
らなる被覆層２６とから主に構成されている。上記キャ
ップ本体２５の外表面にアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）からなる
被覆層２６を形成する方法としては、ペースト状のアル
ミナであるアルミナペーストを塗布する方法が好適であ
る。

【００２０】上述の第２の実施の形態に係る熱処理炉用
温度計１６Ｂにおいても、絶縁管１８の先端部に取付け
た保護キャップ２１が熱電対１９と同じ材質である白金
または白金ロジウムからなるキャップ本体２５の外面
に、保護管２０の成分であるケイ素に対して化学的に安
定な性質を有するアルミナからなる被覆層２６を設けて
なるため、熱処理炉１の使用温度が１２５０℃と高温に
なっても、ケイ素と白金または白金ロジウムが反応する
ことがなく、熱電対１９の低融点合金化を防止すること
ができ、高温での長期使用が可能となる。なお、上記保
護キャップ２１の外径が大きくなるのを防止するため
に、絶縁管１８の先端部に絶縁管１８の外径よりも小さ
い小径部２８を形成し、この小径部２８に対応する大き
さの保護キャップ２１を形成して取付けるようにしても
よい。

【００２１】図５の熱処理炉用温度計１６Ｃにおいて
は、絶縁管１８の先端部に取付けられる保護キャップ２
１が、熱電対１９と同じ材質の白金または白金ロジウム
からなる内側キャップ２１ａと、この内側キャップ２１
ａの外側を覆うイリジウムまたはイリジウム合金からな
る外側キャップ２１ｂとを有する二重の保護キャップと
して形成されている。内側キャップ２１ａと外側キャッ
プ２１ｂは、それぞれ０．１〜０．３ｍｍの薄肉キャッ
プとして作製し、その外側キャップ２１ｂ内に内側キャ
ップ２１ａを挿入して溶接により接合することが好まし
い。

【００２２】上記第３の実施の形態に係る熱処理炉用温
度計１６Ｃによれば、絶縁管１８の先端部に取付けた保
護キャップ２１が熱電対１９と同じ材質である白金また
は白金ロジウムからなる内側キャップ２１ａと、保護管
２０の成分であるケイ素に対して化学的に安定な性質を
有するイリジウムまたはイリジウム合金からなる外側キ
ャップ２１ｂとの二重構造からなるため、熱処理炉１の
使用温度が１２５０℃と高温になっても、ケイ素と白金
または白金ロジウムが反応することがなく、熱電対１９
の低融点合金化を防止することができ、高温での長期使
用が可能となる。

【００２３】熱電対劣化比較試験用として図６ないし図
７に示すような熱処理炉用温度計１６Ｔを作製し、この
熱処理炉用温度計１６Ｔを用いて大気中１２５０℃にて
熱起電力劣化試験を行い、それらを比較した。この熱処
理炉用温度計１６Ｔは、一つの保護管２０内に上記第１
〜第３の実施の形態に係る温度計１６Ａ〜１６Ｃの保護
キャップ２１を有する３本の絶縁管１８と従来の温度計
１６の保護キャップを有しない絶縁管１８とを挿入して
構成されている。上記熱電対劣化試験の結果、図８に示
すように、従来の熱処理炉用温度計１６は、１２５０℃
に到達してから３．５時間後に起電力劣化が見られ、４
時間後に断線してしまった。これに対して、上記第１〜
第３の実施の形態に係る熱処理炉用温度計１６Ａ〜１６
Ｃの方は、１２５０℃で１０００時間の使用においても
起電力の値はほとんど一定であり、断線もなかった。な
お、試験終了後の熱処理炉用温度計の状態については、
保護キャップ２１の被覆層２６表面や二重キャップの外
側キャップ２１ｂ表面に若干の変色が見られたが、熱電
対への影響はほとんどなかった。

【００２４】以上、本発明の実施の形態を図面により詳
述してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるも
のではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲での種々の
設計変更等が可能である。例えば、絶縁管１８の先端部
には、熱電対１９を収容する凹部２３ないし切欠部が設
けられていることが望ましいが、設けられていなくても
よい。

【００２５】上記実施の形態では、反応管２と均熱管１
０の間に挿入するタイプとして保護管２０の開口端を封
止材２４で封止した温度計が示されているが、反応管２
内に挿入するタイプの場合には、図９に示すように、例
えばシリコン系の素材からなる第１の熱収縮チューブ３
０で保護管２０の開口端を封止するように絶縁管１８を
被覆し、更にブラケット１７と保護管２０と第１の熱収
縮チューブ３０を同様に第２の熱収縮チューブ３１で被
覆し、保護管２０の開口端と絶縁管１８およびブラケッ
ト１７を封止固定することが好ましい。

【００２６】

【発明の効果】以上要するに本発明によれば、次のよう
な効果を奏することができる。

【００２７】（１）請求項１の熱処理炉用温度計によれ
ば、絶縁管の先端部に取付けた保護キャップが熱電対と
同じ材質である白金または白金ロジウムからなるキャッ
プ本体の外面に、保護管の成分であるケイ素に対して化
学的に安定なイリジウムまたはイリジウム合金からなる
被覆層を設けてなるため、熱処理炉の使用温度が１２５
０℃と高温になっても、ケイ素と白金または白金ロジウ
ムが反応することがなく、熱電対の低融点合金化を防止
することができ、高温での長期使用が可能となる。

【００２８】（２）請求項２の熱処理炉用温度計によれ
ば、絶縁管の先端部に取付けた保護キャップが熱電対と
同じ材質である白金または白金ロジウムからなる内側キ
ャップと、保護管の成分であるケイ素に対して化学的に
安定なイリジウムまたはイリジウム合金からなる外側キ
ャップとの二重構造からなるため、熱処理炉の使用温度
が１２５０℃と高温になっても、ケイ素と白金または白
金ロジウムが反応することがなく、熱電対の低融点合金
化を防止することができ、高温での長期使用が可能とな
る。

【００２９】（３）請求項３の熱処理炉用温度計によれ
ば、絶縁管の先端部に取付けた保護キャップが熱電対と
同じ材質である白金または白金ロジウムからなるキャッ
プ本体の外面に、保護管の成分であるケイ素に対して化
学的に安定なアルミナからなる被覆層を設けてなるた
め、熱処理炉の使用温度が１２５０℃と高温になって
も、ケイ素と白金または白金ロジウムが反応することが
なく、熱電対の低融点合金化を防止することができ、高
温での長期使用が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る熱処理炉用温
度計を示す一部断面側面図である。

【図２】図１の熱処理炉用温度計が使用される熱処理炉
の一例を示す断面図である。

【図３】図１の熱処理炉用測温計の要部拡大断面図であ
る。

【図４】本発明の第２の実施の形態に係る熱処理炉用温
度計を示す要部拡大断面図である。

【図５】本発明の第３の実施の形態に係る熱処理炉用温
度計を示す要部拡大断面図である。

【図６】熱電対劣化比較試験用に作製した熱処理炉用温
度計を示す一部断面側面図である。

【図７】図６の熱処理炉用温度計の先端部側から見た平
面図である。

【図８】熱起電力劣化試験の試験結果を示すグラフであ
る。

【図９】熱処理温度計における基端部の封止構造の他の
例を示す一部断面側面図である。

【図１０】従来の熱処理炉用温度計の一例を示す一部断
面側面図である。

【符号の説明】

１ 熱処理炉 １６Ａ〜１６Ｃ 熱処理炉用温度計 １８ 絶縁管 １９ 熱電対 ２０ 保護管 ２１ 保護キャップ ２５ キャップ本体 ２６ 被覆層 ２１ａ 内側キャップ ２１ｂ 外側キャップ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松下 桂一郎 茨城県下館市大字森添島字森添島1915 株 式会社フルヤ金属つくば工場内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 先端部に白金と白金ロジウムからなる熱
   電対を配した絶縁管を炭化ケイ素からなる保護管内に収
   容してなる熱処理炉用温度計において、上記絶縁管の先
   端部に、上記熱電対を覆う白金または白金ロジウムから
   なるキャップ本体と、このキャップ本体の外面を被覆す
   るイリジウムまたはイリジウム合金からなる被覆層とを
   有する保護キャップを取付けたことを特徴とする熱処理
   炉用温度計。
2. 【請求項２】 先端部に白金と白金ロジウムからなる熱
   電対を配した絶縁管を炭化ケイ素からなる保護管内に収
   容してなる熱処理炉用温度計において、上記絶縁管の先
   端部に、上記熱電対を覆う白金または白金ロジウムから
   なる内側キャップと、この内側キャップの外側を覆うイ
   リジウムまたはイリジウム合金からなる外側キャップと
   を有する二重の保護キャップを取付けたことを特徴とす
   る熱処理炉用温度計。
3. 【請求項３】 先端部に白金と白金ロジウムからなる熱
   電対を配した絶縁管を炭化ケイ素からなる保護管内に収
   容してなる熱処理炉用温度計において、上記絶縁管の先
   端部に、上記熱電対を覆う白金または白金ロジウムから
   なるキャップ本体と、このキャップ本体の外面を被覆す
   るアルミナからなる被覆層とを有する保護キャップを取
   付けたことを特徴とする熱処理炉用温度計。