JP2860144B2

JP2860144B2 - 板状体の温度測定装置

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Publication number: JP2860144B2
Application number: JP16242190A
Authority: JP
Inventors: 一成今橋
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1990-06-19
Filing date: 1990-06-19
Publication date: 1999-02-24
Anticipated expiration: 2014-02-24
Also published as: JPH0451538A

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、半導体ウエ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
る際のウエハ温度は、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、半導体ウエハの表面温度が成
膜条件と密接な関係にあり、ウエ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、従来のウエハの温度測定方法
を示したものである。第６図において、半導体ウエハ10
は、チャック12上に支持されており、このチャック12に
温調機構が内蔵されている。また、このチャック12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、半導体ウエハ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、このためウエハ10とチャック12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
エハ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、ウエハ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、半導体ウエハ10
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、このウエハ10の温調は、
ウエハ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。ウエハ10の温度測定は、ウエハ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。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離れているかを示
す数）に依存しており、この放射率はウエハ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
置及びそれを用いた気相成長装置を提供することにあ
る。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）請求項１に記載の発明に係る温度測定装置は、被処理
体を３ヵ所にて支持する支持部材と、少なくとも一つの
絶縁された前記支持部材に、前記被処理体に接触するよ
うに薄膜状に形成され、前記被処理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。

請求項２に記載の発明に係る温度測定装置は、請求項
１において、前記支持部材は、石英にて形成されること
を特徴とする。

請求項３に記載の発明に係る温度測定装置は、請求項
１において、前記支持部材は、セラミックにて形成され
ることを特徴とする。

請求項４に記載の発明に係る温度測定装置は、請求項
１において、前記熱電対は、所定の曲率で球面状に形成
され、前記被処理体の裏面と球面接触されることを特徴
とする。

請求項５に記載の発明に係る気相成長装置は、真空状
態でプロセスガスを導入し、被処理体に対して気相成長
処理を行う真空容器と、前記真空容器内の前記被処理体
の裏面に配設され、前記被処理体を３ヶ所にて支持する
支持部材と、少なくとも一つの絶縁された前記支持部材
に、前記被処理体に接触するように薄膜状に形成され、
前記被処理体の温度により起電力を生ずる熱電対と、前
記被処理体を加熱する加熱手段と、各前記熱電対の検出
温度に基づいて、前記加熱手段を駆動制御する駆動手段
と、を有し、前記駆動手段により前記加熱手段を制御
し、前記被処理体の表面温度を均一に調整することを特
徴とする。

（作用）請求項１に記載の発明によれば、従来の例えば実願昭
58−201902号（実開昭60−111047号）等では、支持部材
の内部に温度検出部が内蔵されているために、支持部材
の体積分だけ熱容量が大きくなり、ウエハの実温度が測
定できないばかりか、熱損失も生じる。また、例えば特
開平１−153596号等でも、被処理体の裏面にはカーボン
板及びタンタル板等を介して熱電対が配設されるので、
上記カーボン板及びタンタル板の体積分の熱容量が大き
くなる。

これに対し請求項１では、支持部材の少なくとも一つ
には、熱電対が被処理体と直接接触するように設けられ
ている。この熱電対は、被処理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被処理体の温度を測定
を直接測定できる。

従って、支持部材等の体積分の熱容量の影響はなく、
被処理体と熱電対の温度は短時間で等しくなり、被処理
体の温度を直接測定して、被処理体の温度測定を精度よ
く実現できる。

しかも、熱電対は薄膜状に形成され、かつ、熱電対と
被処理体との接触面積も極めて小さく、温度測定素子を
形成する体積を十分に小さく形成できる観点からも、熱
容量を大幅に低減できる。

請求項２及び３に記載の各発明によれば、支持部材の
材質を石英・セラミクにて形成することで、石英・セラ
ミックが熱伝導性の悪い材質であることから、被処理体
からの放熱を大幅に抑制することが可能となる。

請求項４に記載の発明によれば、熱電対は、所定の曲
率で球面上に形成されているので、被処理体の自重によ
る熱電対上への応力が極めて大きくなり、熱電対の弾性
変形により十分な接触を確保することが可能となり、正
確な温度測定を行うことができる。

さらに、球面接触させることで、３点接触の各接触部
の接触面積が極めて小さく形成できることから、被処理
体の放熱を抑制できる。

請求項５に記載の発明では、真空容器内を所定真空度
まで真空引きにした後、加熱手段により被処理体を所定
温度に加熱維持し、プロセスガスの導入により、被処理
体に対する気相成長処理を行うことになる。ここで、被
処理体の成膜精度は、被処理体の表面温度と密接な関係
があるので、被処理体の温度を正確に測定し、これに基
づき加熱手段を駆動制御する必要がある。

請求項５の発明では、被処理体の裏面に熱電対を直接
接触させているので、温度測定を精度良く実現すること
ができる。加えて、熱電対は、薄肉であっても十分に耐
久性が得られる。

しかも、熱電対は、薄肉状に形成され、かつ、熱電対
と被処理体との接触面積も極めて小さいことから、温度
測定素子を形成する体積を十分に小さく形成できるの
で、熱容量を従来よりも大幅に低減できる。特に、請求
項５のような気相成長装置では、被処理体に対する成膜
を行うに際して、支持部材が接触する部分での温度低下
を抑える必要があり、熱容量の小さい熱電対により被処
理体との接触を確保しているので、支持部材と対応する
領域での膜厚が他と異なるという弊害を防止できる。

ここで、３種の熱電対の出力により、複数例えば数十
個の加熱手段を駆動制御する場合には、３つの熱電対の
出力を一括して１つの駆動手段に接続し、この１つの駆
動手段により数十個の全ての加熱手段を駆動制御するよ
うにした構成でも良い。また、各支持部材に近接する領
域毎に、加熱手段を３つの群に分け、この各群内に存在
する複数の加熱手段と一つの駆動手段とを、それぞれの
各群の駆動手段に接続した構成であっても良い。

これにより、駆動手段により複数の加熱手段を制御
し、被処理体の表面温度を均一に調整することができ
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、
半導体ウエハ10が３本の支持用ピン20によって３点支持
されている。この半導体ウエハ10の下方には、複数の加
熱手段としての赤外線ランプ22が設けられ、半導体ウエ
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、半導体ウエハ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20の上端接触部20aの拡大
図である。前記支持用ピン20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、半導体ウエハ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、前記半導体ウエハ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,3
4aは、前記支持用ピン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0.1mm程度に小さくすることも可能である。重
なり部分32a,34aより支持用ピン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。

支持用ピン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、好ましくはメッキ，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
体ウエハ10の裏面と接触する第２の金属薄膜34の頂点部
分は、所定の曲率で球面形状に加工され、半導体ウエハ
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１μｍの
厚さで形成され、その引出部分32b,34bにはそれぞれ出
力ケーブル36,38が接続されている。この出力ケーブル3
6,38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
出力ケーブル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22
の駆動手段としてのランプ駆動回路42にフィードバック
し、半導体ウエハ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本の支持用ピン20にそれぞれ
熱電対30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、半導体ウエハ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ことが
できる。

第４図に示すものは、各支持用ピン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エハ10
が処理容器内部に搬入され、３本の支持用ピン20上に載
置される。この受入れの際に、支持用ピン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
によりウエハ10を所定温度に加熱維持し、プロセスガス
の導入により、ウエハ10に対する気相成長処理を行うこ
とになる。

ウエハ10に対する成膜精度は、ウエハ10の表面温度と
密接な関係を有する。従って、ウエハ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、ウエハ10の温度測定を、前記３本の支
持用ピン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32,34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、ウエハ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3
2,34およびその出力ケーブル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１μｍ程度に薄く形成することでも十分耐久
性が得られる。

このように、本実施例ではウエハ10に対して熱電対30
を直接接触させているので、ウエハ10の温度測定を精度
良く実現することができる。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、ウエハ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がウエハ
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エハ10
からの放熱を抑制できる。

ウエハ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、ウエハ10が
３ヵ所の熱電対30により３点接触され、しかも、熱電対
30のウエハ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、ウエハ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が可能となる。

熱電温度計40によりウエハ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、ウエハ10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、ウエハ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エハ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。

ウエハ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エハを例に挙
げれば塗布装置におけるベーク機構、あるいは、プラズ
マ形成用電極をウエ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
体は半導体ウエハに限らず、例えば液晶基板でもよい。

［発明の効果］請求項１の発明によれば、温度を測定すべき被処理体
に熱電対を直接接触させ、かつ、薄肉状に形成して、熱
電対の熱容量を十分小さく構成できるため、被処理体の
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。

請求項２及び３の各発明いよれば、支持部材を熱伝導
性の悪い材質である石英・セラミックにて形成すること
で、被処理体からの放熱を大幅に抑制できる。

請求項４の発明によれば、熱電対は、所定の曲率で球
面上に形成されているので、被処理体の自重による熱電
対上への応力が大きくなり、十分な接触を確保して、正
確な温度測定を行うことができる。

請求項５の発明によれば、被処理体の裏面に熱電対を
直接接触させて、温度測定を精度良く実現しつつ、駆動
手段により複数の加熱手段を制御し、被処理体の表面温
度を均一に調整することができる。

また、熱電対は、表面積も極めて小さいことから、温
度測定素子の体積を小さく形成し、熱容量を従来よりも
大幅に低減できる。これにより、被処理体の成膜を行う
に際して、膜厚を均一にすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を適用したCVD装置におけるウエハの
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、ウエ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。

フロントページの続き (56)参考文献特開昭59−121821（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−74546（ＪＰ，Ａ) 特開平１−274445（ＪＰ，Ａ) 特開平２−126648（ＪＰ，Ａ) 実開昭60−111047（ＪＰ，Ｕ) 実開昭62−26037（ＪＰ，Ｕ) 実開昭62−118427（ＪＰ，Ｕ) 実開昭63−102238（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 21/66 G01R 31/26

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】被処理体を３ヵ所にて支持する支持部材
と、少なくとも一つの絶縁された前記支持部材に、前記被処
理体に接触するように薄膜状に形成され、前記被処理体
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温度測定装置。
【請求項２】請求項（１）において、前記支持部材は、石英にて形成されることを特徴とする
温度測定装置。
【請求項３】請求項（１）において、前記支持部材は、セラミックにて形成されることを特徴
とする温度測定装置。
【請求項４】請求項（１）において、前記熱電対は、所定の曲率で球面状に形成され、前記被
処理体の裏面と球面接触されることを特徴とする温度測
定装置。
【請求項５】真空状態でプロセスガスを導入し、被処理
体に対して気相成長処理を行う真空容器と、前記真空容器内の前記被処理体の裏面に配設され、前記
被処理体を３ヶ所にて支持する支持部材と、少なくとも一つの絶縁された前記支持部材に、前記被処
理体に接触するように薄膜状に形成され、前記被処理体
の温度により起電力を生ずる熱電対と、前記被処理体を加熱する加熱手段と、各前記熱電対の検出温度に基づいて、前記加熱手段を駆
動制御する駆動手段と、を有し、前記駆動手段により前記加熱手段を制御し、前記被処理
体の表面温度を均一に調整することを特徴とする気相成
長装置。