JP2957046B2 - 被測定体への熱電対固定方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被測定体への熱電対固
定方法の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体製品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、且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、そして、半導体の量産技術の
段階では、ウエハ全体の温度を均一にすることが要求さ
れる。従って、あるプロセスを実施するにあたり、ウエ
ハ上の温度のバラツキをどのように評価するかが重要な
技術となる。従来、ウエハ上の温度分布を測定する場合
には、ウエハ上の各ポイントに熱電対を、例えばアロン
セラミック（登録商標）や酸化アルミニウム（アルミ
ナ）を主成分とする接着剤などの耐熱性無機接着剤等に
より接着固定し、そして、各ポイントに固定した熱電対
からの温度値によりウエハ上の温度分布を求めるように
していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】この種の熱電対固定方
法は、安価で、構造的な改良もなく手軽に使用すること
ができ、しかも高い耐熱性を有しているので、非常に便
利な方法であった。ところで、上記方法により熱電対を
接着してほぼ常圧、或いは常圧に比較的近い圧力の雰囲
気下でウエハの温度分布を測定する場合には、上記方法
により計測を行なっても問題が生じなかったが、半導体
製品の進歩に伴ってウエハの温度分布をかなり圧力の低
い減圧雰囲気下でも測定しなければならず、しかも高い
測定精度を要求される場合が発生してきた。

【０００４】このような場合において、上述したように
無機接着剤を用いて熱電対をウエハ表面に接着固定して
測定を行なう場合、測定操作に伴って雰囲気圧力を徐々
に下げて真空状態にすると、仮にウエハ全体が均熱状態
であったとしても、熱電対の接着状態、例えばウエハと
熱電対の接触の仕方、接着剤の量、接着剤内の気泡の量
等に起因して２０〜３０℃の測定値誤差が発生してお
り、必要とする高い測定精度が得られないという改善点
を有していた。

【０００５】例えば、図５及び図６は、熱電対を従来方
法によって接着固定した場合の温度測定の精度を評価し
た結果を示し、共にいずれのウエハに対しても接着剤の
量等を注意して全く同じに設定し、熱電対の接着固定位
置も全く同じ位置になるように設定した。図５は、３枚
のウエハを用いて測定値の再現性を調べた結果であり、
それぞれ３つの熱電対を中央部、３５Ｒの位置、ウエハ
周縁部に近い７０Ｒの位置に接着固定し、温度３００〜
４００℃において圧力を変えた場合の測定値のバラツキ
をＭＡＸ−ＭＩＮ法、すなわち、式（Ｍａｘ−Ｍｉｎ）
／平均×１００（％）により求めた値で示す。これによ
れば、圧力１０Ｔｏｒｒ以上の環境では測定値のバラツ
キは±１％以下となって比較的良好であるが、圧力１０
Ｔｏｒｒ以下になると、バラツキが例えば１．７％程度
まで急激に上昇してしまい、上述のように低圧側におい
て所望の測定精度を得ることができない。

【０００６】また、図６は、同じウエハの各ポイントで
５回繰り返し測定したときの測定値のバラツキを示し、
このバラツキの程度は図５に示す異なるウエハ間で行な
った場合の約半分の値になるが、実際の量産時において
は図５に示す繰り返し誤差と図６に示す繰り返し誤差と
の相乗的な誤差が生ずることになるため、従って、上述
のように低圧側における測定精度はかなり劣ることにな
る。また、従来方法にあっては、上述したような低圧下
における測定精度の劣化の他に、急激な温度の立ち上が
りを繰り返したり、高真空にしたりすると熱電対そのも
のがウエハから剥離してしまい、温度が測れなくなると
いう改善点を有していた。また更に、図７は減圧下にお
けるウエハの実際の温度と熱電対の測定値を示すもので
あるが、減圧下においては接着固定部における熱抵抗が
大きくなって、熱電対の熱応答性が劣化するという改善
点を有していた。

【０００７】この減圧時における応答性の劣化の原因
は、真空度を上げて圧力１０Ｔｏｒｒ以下になると接着
剤中に混入していた気泡が破裂して気泡内のガスが排気
されガスによる熱の移動がなくなって熱伝導による熱移
動と放射による熱移動だけとなり、或いは接着剤とウエ
ハとの線膨張率の差に起因して一部にハガレが生じたり
して、熱抵抗が大きくなって熱の時定数が大きくなるか
らであると考えられる。例えば、常温にて接着剤中に含
まれた１気圧の気泡は、例えば約６００℃に加熱される
と気体の膨張によりその圧力が３気圧程度まで上昇し、
接着剤の耐圧にもよるが、この破壊の原因となる。ま
た、熱電対を接着するための接着剤としてアルミナを主
成分としたものを用いると、この種の接着剤は乾燥する
と白く濁って白色となるために接着剤の内部が見えなく
なる。

【０００８】例えば図８はアルミナを主成分とする接着
剤を用いて熱電対を接着した状態を示す拡大図である
が、ウエハ３の表面にアルミナ接着剤５を用いて熱電対
９を接着すると、このアルミナ接着剤５が乾燥すると白
色になってしまい、内部に、例えばクラックや気泡７が
含まれてしまっても、これを見い出すことはできない。
そのために、接着状況を視認できなくなってしまい、例
えば上述のように乾燥した接着剤中に気泡が含まれてい
たりクラックが発生して熱電対が完全には接着されてい
ないような場合でも、この接着不良を確認することがで
きず、前記した問題点を助長していた。本発明は、以上
のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案
されたものである。本発明の目的は、減圧下においても
温度測定精度を高く維持することができる熱電対固定方
法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記問題点を
解決するために、減圧下で被測定体の温度を熱電対によ
り測定するに際して、前記熱電対を前記被測定体に、低
温溶融ガラスを用いて固定するように構成したものであ
る。

【００１０】

【作用】本発明は、以上のように構成したので、低温溶
融ガラスの接着部には気体が混入せず、従って、減圧下
でも気泡等の破裂もなく、熱抵抗増加の原因となるミク
ロな空隙の発生を抑制する。従って、高真空において
も、被測定体と熱電対との間の熱伝導性が阻害されず、
測定値のバラツキを抑制することが可能となる。また、
溶融ガラスは接着完了後においても透明状態となってい
るので、内部を視認することができ、従って、仮に接着
部に気泡が混入したり、或いはクラックが発生したりし
ていてもこれを容易に発見することができ、接着不良を
未然に排除することができる。

【００１１】

【実施例】以下に、本発明に係る熱電対固定方法の一実
施例を添付図面に基づいて詳述する。図１は本発明に係
る熱電対固定方法を説明するための説明図、図２は本発
明方法を使用してＣＶＤ装置により温度測定を行なう状
態を示す説明図である。尚、本実施例においては、溶融
ガラスとして溶融温度の比較的低い、低温溶融ガラスを
用いた場合について説明する。図示するようにこのＣＶ
Ｄ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉ
ｏｎ）装置２は、例えばアルミニウム等により筐体状に
成形された真空容器４を有しており、この真空容器４の
側壁には、この内部に処理ガスを導入するための処理ガ
ス導入管６及び内部を真空排気するための真空排気管８
が接続されている。そして、この真空容器４の上部及び
底部には、例えば石英などにより形成された透明窓１
０、１２がそれぞれシール部材１４、１６を介して気密
に取り付けられている。そして、各透明窓１０、１２の
外側には、上記真空容器４内に支持された被測定体とし
ての半導体ウエハ１８を加熱するための加熱手段２０、
２２が設けられている。これら各加熱手段２０、２２
は、例えばハロゲンランプのような加熱用ランプ２０
ａ、２２ａにより構成されており、これらランプ２０
ａ、２２ａからの熱線が上記透明窓１０、１２を透過し
て半導体ウエハ１８の表裏からこれを加熱し得るように
構成されている。これら各加熱用ランプ２０ａ、２２ａ
は、図示しないランプ駆動部に接続されており、上記半
導体ウエハ１８を所定の温度にてほぼ均一加熱し得るよ
うに構成されている。

【００１２】ここで、加熱用ランプにより加熱されるウ
エハ１８の高温状態は、後述する低温溶融ガラス中に例
えば１気圧の空気等の気泡が含まれた場合に加熱による
気体の膨張に起因して溶融ガラスが割れるような圧力と
なる温度状態も含むものとする。そして、上記真空容器
４内には上記半導体ウエハ１８が、少なくとも３本の支
持部材２４により支持されており、各支持部材２４の下
部は、ほぼ直角に屈曲されて真空容器４の内壁に取り付
けられている。そして、上記半導体ウエハ１８の上面の
所定の箇所には、温度測定素子としての熱電対２６が本
発明の特長とする低温溶融ガラス２８により接着固定さ
れている。この熱電対２６は、例えば線径０．１ｍｍ程
度の線状の白金と同じ線径の線状の白金ロジウムとの先
端部を結合することにより構成されており、この熱電対
２６はリード線３０を介して温度測定器３２へ接続され
ている。

【００１３】上記、低温溶融ガラス２８は、溶着前にお
いては粉状体となっており、この粉状体を水等に溶いて
適当量だけ半導体ウエハ１８の表面に載置した熱電対２
６に付着させる。そして、これを加熱用ランプにより封
着温度７５０℃まで加熱して、この温度で封着時間３０
分間維持する。この加熱時においては、ガラス部分のみ
を加熱するのではなく、ウエハ全体を均一に加熱する。
その理由は、ウエハ面内の温度分布の不均一性が少ない
状態で加熱しないと、ウエハ自体に大きな熱ストレスが
発生してウエハの破壊等を生ずるからである。これによ
り、低温溶融ガラス２８が結晶固化して熱電対２６は半
導体ウエハ１８の表面に接着固定される。この場合、半
導体ウエハ１８の素材である珪素の線膨張率は約３．５
×１０^-6〜４．１×１０^-6程度であることからこれと同
程度の線膨張率を有する低温溶融ガラス２８を使用する
のが好ましい。このように低温溶融ガラス２８は一旦溶
融して結晶化することから、封着温度付近まで再溶融す
ることなく温度上昇が可能であり、また、接着強度も格
段に向上する。本実施例においては、溶融温度が約７５
０℃のいわゆる低温溶融ガラスを用いたが、これに限定
されず、例えば溶融温度が約１２００℃の通常のガラス
を用いてもよく、加熱温度は使用するガラス材料の溶融
温度に応じて適宜選択する。

【００１４】次に、以上に説明したような熱電対固定方
法を用いた場合の温度測定時の作用について説明する。
ＣＶＤ装置による実際の成膜処理にあっては、図示しな
いアームにより半導体ウエハ１８を真空容器４内に搬入
してこれを支持部材２４上に載置し、その後、真空容器
４のゲートを閉鎖し、真空排気管８を介して所定の真空
度まで真空引きした後に、加熱用ランプ２０ａ、２２ａ
により半導体ウエハ１８を所定の温度に加熱維持し、処
理ガス導入管６より処理ガスを導入して半導体ウエハ１
８上に薄膜成長処理を施すことになる。本実施例におけ
る温度測定は、上記した実際の量産段階の成膜処理に入
る前に、予めウエハ面内の温度分布等のデータを得るた
めに行なわれるものである。前述のような方法で第１及
び第２の２つの熱電対を半導体ウエハ１８の表面中心部
に相互に接近させて接着固定し、圧力を数ｍＴｏｒｒ、
例えば１．５ｍＴｏｒｒに維持し、半導体ウエハをラン
プ加熱により２００℃程度に設定して温度測定を行なっ
た結果、図３に示すような結果を得た。

【００１５】図中、Ｌは加熱用ランプ２０ａ、２２ａの
電力を示し、最初フルパワーでランプを駆動することに
より半導体ウエハ１８を急激に加熱し、途中でこのラン
プパワーをフルパワーの１４％程度に設定して半導体ウ
エハの温度をほぼ２００℃に維持している。そして、Ｔ
Ｃ１は第１の熱電対の測定値を示し、ＴＣ２は第２の熱
電対の測定値を示す。これによれば、両熱電対からの測
定値の温度差は、半導体温度ほぼ２００℃の点におい
て、ほぼ２〜３℃程度と非常に少なく、従来方法の接着
固定の場合は２０〜３０℃の温度差が生じた点を考慮す
ると、本発明の固定方法によれば格段に測定精度を向上
させることができることが判明する。この理由は、本発
明の固定方法によれば接着剤である低温溶融ガラス２８
中に気泡が混入することを阻止できることから、真空容
器４内を１．５ｍＴｏｒｒの比較的高い真空度にして
も、従来方法のときに生じていた気泡の破裂等が生ずる
ことがなく、熱電対２６と半導体ウエハ１８との間の熱
伝導性が十分に維持されているからであると思慮され
る。

【００１６】本実施例では、特に確認のために、温度に
依存して色が変化するサーモラベルを半導体ウエハに付
着させていたところ、図中ＴＬ１が２１０℃となりＴＬ
２が１９８℃となって、この温度範囲内に両熱電対から
の測定値ＴＣ１、ＴＣ２が収まっており、上記測定値は
正確な値であることが保証された。また更に、イオン注
入後の半導体ウエハの熱処理温度とシート抵抗とがある
相関関係を持つことが知られているが、イオン注入後の
半導体ウエハを、本発明の固定方法を用いて加熱温度測
定したところ、シート抵抗から得られた処理温度と熱電
対から得られた測定値とがほぼ一致しており、この点よ
りも前記測定値ＴＣ１、ＴＣ２が正確な値であることが
保証された。このように、本発明方法の固定方法は、機
械的強度も、従来方法の場合と比較してかなり強くな
り、熱電対のハガレを防止できる。特に、半導体ウエハ
１８と同様な線膨張率の低温溶融ガラスを選択すること
により、一層その機械的強度が増し、上記ハガレの発生
を一層防止することが可能となる。

【００１７】また、上述のように減圧下における気泡等
の破裂もなくなり、しかも、熱電対の部分的なハガレ等
も阻止することができるので、熱時定数も小さいまま維
持することができ、高温加熱時における熱応答性も良好
に維持することが可能となる。そして、本発明に使用す
る低温溶融ガラス２８の主成分はシリコンであり、特に
汚染を嫌う熱処理装置には最適な接着剤である。更に、
本発明に使用する低温溶融ガラス２８は、最高７５０℃
程度まで耐えることができるので、プロセス温度が最大
６００℃前後であるＣＶＤ装置或いはＰＶＤ装置の温度
領域を十分にカバーしており、これらの装置に適応する
ことができる。また、従来方法にあっては、熱電対を接
着するための時間として約１日を要していたが、本発明
方法によれば前述のように、例えば１時間程度で接着作
業が終了し、従って、測定作業を迅速に完了させること
が可能となる。

【００１８】更に、本実施例にあっては、図４に示すよ
うに、ウエハ１８の表面に低温溶融ガラス２８を用いて
熱電対２６を接着するようにしたので、接着後にガラス
２８は透明状態となって内部が視認できるようになり、
従って、接着剤の内部に気泡７が含まれていたり、或い
はこれにクラック９が発生していたりして接着不良が存
在した場合にも、この接着不良を容易に発見することが
できる。尚、本発明は、上記したＰＶＤ装置、ＣＶＤ装
置に限らず他の減圧下において強固な接着力を必要とす
る装置、例えば静電チャック装置の高温状態での評価を
行なうときに、半導体ウエハを線材により吊下する場合
にも適用することができる。また、上記実施例にあって
は、半導体ウエハ１８に熱電対２６を直接接着固定して
いるが、これに限らず、例えば被測定体として支持部材
２４を用い、この上端部に熱電対２６を低温溶融ガラス
２８により接着固定して半導体ウエハの温度を測定する
ようにしてもよい。また、熱電対として白金と白金ロジ
ウムの組合せに限定されず、ゼーベック効果を生ずる他
の２種の金属の組合せを採用することもできる。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば次
のような優れた作用効果を発揮することができる。気泡
等が接着部に混入することがなく、しかも接着力を向上
させることができるので、減圧下、特に１０Ｔｏｒｒ以
下の真空下においても、気泡の破裂や部分ハガレが生ず
ることがなく、従って、減圧高温下の被測定体の温度を
精度よく測定することが可能となり、しかも、繰り返し
測定しても測定値に誤差がなく、再現性を良好にするこ
とができる。また、上述のように部分ハガレや気泡の破
裂を排除できるので、熱抵抗が大きくなることを阻止で
き、熱時定数が大きくなって熱応答性が劣化することを
防止することができる。また、溶融ガラスは接着後にお
いて透明状態になることから、これに含まれる気泡やク
ラックの発生を容易に発見することができ、接着不良の
発生を未然に防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る熱電対固定方法を説明するための
説明図でる。

【図２】本発明方法を使用してＣＶＤ装置により温度測
定を行なう状態を示す説明図である。

【図３】本発明方法を使用して被測定体の温度を測定し
たときの測定結果を示すグラフである。

【図４】図１に示す熱電対の接着部を示す拡大図であ
る。

【図５】従来の固定方法を使用して半導体ウエハの温度
測定を行なった場合のウエハ間の測定誤差を示すグラフ
である。

【図６】従来の固定方法を使用して半導体ウエハの温度
測定を行なった場合の同一ウエハ間の繰り返し測定誤差
を示すグラフである。

【図７】従来の固定方法を使用して温度測定を行なった
場合の応答性の劣化を示すグラフである。

【図８】熱電対の従来の接着部を示す拡大図である。

【符号の説明】

２ ＣＶＤ装置 ４ 真空容器 ６ 処理ガス導入管 ７ 気泡 ８ 真空排気管 ９ クラック １０、１２ 透明窓 １８ 半導体ウエハ（被測定体） ２０、２２ 加熱手段 ２０ａ、２２ａ 加熱用ランプ ２４ 支持部材 ２６ 熱電対 ２８ 低温溶融ガラス ３０ リード線

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 減圧下で被測定体の温度を熱電対により
   測定するに際して、前記熱電対を前記被測定体に、溶融
   ガラスを用いて固定するように構成したことを特徴とす
   る被測定体への熱電対固定方法。
2. 【請求項２】 高温下で被測定体の温度を熱電対により
   測定するに際して、前記熱電対を前記被測定体に、溶融
   ガラスを用いて固定するように構成したことを特徴とす
   る被測定体への熱電対固定方法。
3. 【請求項３】 減圧高温下で被測定体の温度を熱電対に
   より測定するに際して、前記熱電対を前記被測定体に、
   溶融ガラスを用いて固定するように構成したことを特徴
   とする被測定体への熱電対固定方法。