JP4563728B2 - 熱流束測定基板 - Google Patents

Description

本発明は、半導体熱処理プロセスで用いられる、プロセスチャンバ内の熱環境を測定するための技術に関する。

例えば、半導体プロセスにおいて、被処理基板（例えば半導体ウエハ）は、一般に、プロセスチャンバと呼ばれる熱処理容器内で処理される。プロセスチャンバ（以下、チャンバ）内には、被処理基板の温度を調節する例えばプレート状の温度調節装置（以下、温度調節プレート）が備えられる。温度調節プレートには、一定の距離（例えば５０μｍ）を隔てて被処理基板が載置される。この場合、被処理基板の裏面は、温度調節プレートから発生した熱を受ける入熱面となり、それの表面は、熱を発する放熱面となる。

被処理基板の温度は、模試的には、裏面からの入熱流量と、表面からの放熱流量（換言すれば表面熱流束）との和で表すことができる。そして、被処理基板の温度分布は、入熱流量と表面熱流束とのバランスによって決定される。

通常、半導体プロセスでは、製品の歩留まりを向上する等の理由から、被処理基板の温度分布を均一にすることが要求される。また、温度調節プレートと被処理基板とが離れているために、被処理基板の温度に遅れが生じる。

例えば、特許文献１（特許２９８４０６０号公報）には、複数の温度センサを搭載した温度測定用基板が開示されている。このような温度測定用基板を温度調節プレートに載置し、温度調節プレートの制御状態に基づく基板温度を前もって測定しておくことで、その測定結果を基に、実プロセスにおいて、被処理基板の温度分布が均一になるように温度調節プレートを制御することが図れる。

また、例えば、特許文献２（特許第２７５９１１６号公報）には、温度調節プレートに温度センサを取り付け、被処理基板から離れた場所に熱流束センサを取り付け、それらによって、温度調節プレートの温度と、被処理基板への入熱とを擬似的にモニタすることにより、被処理基板の温度の遅れを回避することが開示されている。

特許２９８４０６０号公報 特許２７５９１１６号公報

ところで、通常、被処理基板の裏面は、温度調節プレートから熱を受ける入熱面となり、それの表面は、熱を発する放熱面となる。

被処理基板表面の各単位面積当りの温度は、模試的には、その単位面積への入熱流量と、その単位面積からの放熱量（換言すれば表面熱流束）との和で表すことができる。そして、被処理基板の温度分布は、それの入熱流量と表面熱流束とのバランスによって決定される。

しかし、被処理基板では、場所によって、入熱流量と表面熱流束とのバランスが異なることがある。また、被処理基板では、例えば以下の理由（１）〜（４）の少なくとも１つによって、被処理基板の表面熱流束が不均一になることがある。

（１）被処理基板表面に塗布されたレジストから発生したガス（以下、レジストガス）をチャンバ外に排出するためのパージガスをチャンバ内に流入させることがある。そのため、被処理基板の表面の気体の流れが不均一になり、それ故に、被処理基板の表面熱流束が不均一になる。

（２）半導体プロセスにおいて複数のチャンバが使用される場合、それら複数のチャンバが、予め用意されたラック内の異なる位置に搭載されることがあり、ラックの外側では、或る方向（例えば下方向）への気流が生じていることがある。この場合、チャンバが搭載された場所、ラック外側の気流、及びチャンバ同士の熱干渉によって、被処理基板の表面熱流束が不均一になる。

（３）チャンバ内の被処理基板表面の上方には、温度調節プレートのリッドが備えられることがある。リッドの温度は、被処理基板の表面熱流束に影響を与える。被処理基板の温度分布は、リッドからの温度を受けることで、ばらつく場合があり、それにより、被処理基板の表面熱流束が不均一になる。

（４）パージガスの流量に異常が生じた等の原因によって、被処理基板の表面熱流束が不均一になる。

また、被処理基板の入熱流量も不均一になってしまうことがある。それは、例えば、以下の（Ａ）〜（Ｂ）の少なくとも一方の原因による。

（Ａ）温度調節プレート内の温度センサが時間経過によって変化（例えば劣化）した場合、その温度センサによって検出された温度に基づいて温度調節プレートが制御されるため、被処理基板への入熱流量が変化してしまう。

（Ｂ）温度調節プレート表面の或る場所にゴミが付着した等によって、被処理基板と温度調節プレートとの間の間隙距離が場所によって違った場合（例えば、被処理基板が温度調節プレートに対して傾いてしまった場合）、被処理基板への入熱流量が変化してしまう。

例えば特許文献１に開示の技術によれば、温度測定用基板の温度分布が不均一になってしまった場合、それを検出することができるであろう。しかし、温度分布が不均一になった原因が、表面熱流束と入熱流量のどちらのばらつきによるものかを特定するためには、温度だけでなく、表面熱流束と入熱流量の少なくとも一方を測定することができる新たな測定基板を提供する必要があると考えられる。なぜなら、被処理基板の温度は、上述したように、模式的に、被処理基板への入熱流量と表面熱流束との和で表すことができるため、基板温度の他に、表面熱流束と入熱流量の少なくとも一方が分かれば、他方も分かるからである。

しかし、特許文献１及び２のいずれに開示の技術でも、基板での表面熱流束と入熱流量の少なくとも一方を測定することはできない。なぜなら、特許文献１の技術では、基板温度のみしか測定できるようになっていないからである。また、特許文献２の技術では、被処理基板から離れた場所に熱流束センサがあるので、基板表面の熱流束を測定できるようになっておらず、そもそも、この特許文献２の技術は、制御の遅れを回避するためのものであり、基板の面内分布を均一にすることは困難であるからである。そのため、従来は、温度測定基板表面の温度分布がばらついた場合、例えば、まず、温度測定基板表面にゴミが付着したことを疑って、その基板表面をクリーニングし、それでも、温度分布がばらついている場合には、次に、別の原因を疑ってというように、考えられる原因を疑いそれを解消するための処理を行うということを繰り返す必要が生じ得る。

基板の表面熱流束を測定する方法として、従来知られている熱流束センサを、特許文献２に開示のような温度測定基板に搭載することが考えられる。

しかし、従来の熱流束センサは、それ自体を単体で使用することが前提になっており、大きさや熱容量等の点で、温度測定基板に搭載するには不適切である（例えば、従来の熱流束センサの大きさはセンチメートルオーダである）。このような熱流束センサを温度測定基板に搭載してしまうと、例えば誤差０．１度以内という厳密な温度制御が要求された場合には、それを実現することはできない。なぜなら、その熱流束センサの影響で、温度測定基板の面内温度分布が、要求される誤差よりも大きく変化してしまうためである。

従って、本発明の目的は、基板の温度に加えて、基板の表面熱流束も測定することができるようにすることにある。

本発明の他の目的は、後の記載から明らかになるであろう。

この欄の記述において、カッコ内の符号は、添付の図面に記載の要素との対応関係を例示するものであるが、これは、単なる説明のための例示にすぎず、本発明の技術的範囲を限定する趣旨ではない。

本発明に従う熱流束測定基板は、半導体用の基板（５）であって、前記基板（５）の表面からの熱流束を測定するための熱流束センサ（１１）を備える。前記熱流束センサ（１１）は、第１温度センサ（１１Ａ）と第２温度センサ（１１Ｂ）とを有する。なお、第１の温度センサ（１１Ａ）により測定される温度は、そのまま熱流束測定基板（５）の温度とすることができる。

本発明の第１の実施態様では、前記第１温度センサ（１１Ａ）は、前記第２温度センサ（１１Ｂ）に対し、前記熱流束測定基板（５）の面方向にずれた位置に備えられる。

本発明の第２の実施態様では、前記熱流束センサ（１１）は、前記熱流束測定基板（５）の異なる位置に複数個備えられる。

本発明の第３の実施態様では、前記第１温度センサ（１１Ａ）と前記第２温度センサ（１１Ｂ）とは、同一の場所に重ねて備えられ、且つ、前記第２温度センサ（１１Ｂ）よりも前記第１温度センサ（１１Ａ）が下方に備えられる。

本発明の第４の実施態様では、前記第１温度センサ（１１Ａ）は、放熱面の第１面積（Ｓ１）を有し、前記第２温度センサ（１１Ｂ）は、放熱面の第２面積（Ｓ２）を有し、前記第１温度センサ（１１Ａ）と前記熱流束測定基板との間の第１熱抵抗（９１Ａ）の値（Ｋ１）を前記第１面積（Ｓ１）で除算した値よりも、前記第２温度センサ（１１Ｂ）と前記熱流束測定基板との間の第２熱抵抗（９１Ｂ）の値（Ｋ２）を前記第２面積（Ｓ２）で除算した値の方が大きくなっている。

本発明の第５の実施態様では、前記第１温度センサ（１１Ａ）と前記第２温度センサ（１１Ｂ）との間の距離は、１ｃｍ以内である。

本発明の第６の実施態様では、前記第１温度センサ（１１Ａ）及び前記第２温度センサ（１１Ｂ）の少なくとも一方が、前記熱流束測定基板（５）の表面からはみ出ないように備えられる。

本発明の第７の実施態様では、前記第２温度センサ（１１Ｂ）は、前記熱流束測定基板（５）の熱抵抗値よりも大きな第２の熱抵抗値（Ｋ２）を有する第２熱抵抗（９１Ｂ）を介して前記熱流束測定基板（５）に備えられる。

本発明の第８の実施態様では、前記第１温度センサ（１１Ａ）と前記第２温度センサ（１１Ｂ）とは、同一の場所に重ねて備えられ、且つ、前記第２温度センサ（１１Ｂ）よりも前記第１温度センサ（１１Ａ）が下方に備えられる。前記第１温度センサ（１１Ａ）と前記熱流束測定基板（５）との間には、第１の熱抵抗値（Ｋ１）を有する第１熱抵抗（９１Ａ）が介在し、前記第１温度センサ（１１Ａ）と前記第２温度センサ（１１Ｂ）との間には、前記第１の熱抵抗値（Ｋ１）よりも大きな第２の熱抵抗値（Ｋ２）を有する第２熱抵抗（９１Ｂ）が介在する。

本発明によれば、表面熱流束を測定することができる測定基板（５）が提供される。

本発明の第１の実施態様によれば、第１温度センサ（１１Ａ）が、第２温度センサ（１１Ｂ）に対し、熱流束測定基板（５）の面方向にずれた位置に備えられるので、熱流束測定基板（５）の面方向の異なる位置の温度に基づいて熱流束を測定することができる。また、第１の温度センサ（１１Ａ）により測定される温度は、そのまま熱流束測定基板（５）の温度とすることができる。

本発明の第２の実施態様によれば、熱流束センサ（１１）が複数個備えられるので、熱流束測定基板（５）における熱流束の分布を調べることができる。

本発明の第３の実施態様によれば、第１温度センサ（１１Ａ）と第２温度センサ（１１Ｂ）とが同一の場所に重ねて備えられるので、熱流束センサ（１１）の面積を抑えることができる。

本発明の第４の実施態様によれば、第１温度センサ（１１Ａ）と熱流束測定基板との間の第１熱抵抗（９１Ａ）の値（Ｋ１）を第１面積（Ｓ１）で除算した値よりも、第２温度センサ（１１Ｂ）と熱流束測定基板との間の第２熱抵抗（９１Ｂ）の値（Ｋ２）を第２面積（Ｓ２）で除算した値の方が大きくなっているので、第１温度センサ（１１Ａ）と第２温度センサ（１１Ｂ）が同一付近の場所にあっても、検出される温度を異ならせることができる。

本発明の第５の実施態様によれば、第１温度センサ（１１Ａ）と第２温度センサ（１１Ｂ）との間の距離が１ｃｍ以内というように短いので、第１温度センサ（１１Ａ）が存在する場所の表面熱流束と、第２温度センサ（１１Ｂ）が存在する場所の表面熱流束との値を実質的に同じであるとして、第１温度センサ（１１Ａ）によって検出された第１温度と、第２温度センサ（１１Ｂ）によって検出された第２温度とに基づいて、表面熱流束を求めることができる。

本発明の第６の実施態様によれば、第１温度センサ（１１Ａ）及び第２温度センサ（１１Ｂ）の少なくとも一方が、熱流束測定基板（５）の表面からはみ出ないようになっているので、基板温度の分布をばらつかせないようにすることに貢献することができる。

本発明の第７の実施態様によれば、第２温度センサ（１１Ｂ）によって検出される温度を、実際の基板温度よりも低くすることができる。

本発明の第８の実施態様によれば、第３の実施態様と同様に、熱流束センサ（１１）の面積を抑えることができ、且つ、第４の実施態様と同様に、第１温度センサ（１１Ａ）と第２温度センサ（１１Ｂ）によって検出される温度を異ならせることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の一実施形態の全体構成図である。

チャンバ１内には、プロセス空間８が設けられる。プロセス空間８内には、プレート状の温度調節装置（以下、温度調節プレート）７が備えられる。半導体プロセスでは、プロセス空間８内において、温度調節プレート７によって、図示しない被処理基板が温度調節されつつ処理される。

温度調節プレート７は、表面と裏面とを有する。温度調節プレート７の表面には、被処理基板や後述する測定基板等の基板５を載置するための複数（例えば３つ）の支持ピン９が搭載されている。温度調節プレート７に載置される基板５は、それら複数の支持ピン９によって支持される。すなわち、温度調節プレート７には、それの表面から一定の距離（換言すれば、支持ピン９が有する高さ）を隔てて、基板５が載置される。その距離は、例えば数十〜数百μｍ（一例として約５０〜１００μｍ）である。

温度調節プレート７は、種々のタイプを採用することができる。例えば、温度調節プレート７は、それの内部に空洞を有し、その空洞内に、温度調節された熱媒体（例えば気体又は液体）が通過することで、表面を介して基板５に対し、加熱又は冷却を行っても良い。また、例えば、温度調節プレート７は、それの表面に、フォイルヒータ（箔状のパターン配線された電熱線ヒータ）が貼付され、そのフォイルヒータに流す電流量を制御することによって、基板５に対して加熱を行っても良い。また、例えば、温度調節プレート７は、直列且つ二次元に配列されたＰ型半導体素子とＮ型半導体素子とを有し、ペルチェ効果によって、基板５に対し、加熱或いは吸熱を行う熱交換プレートであっても良い。また、例えば、温度調節プレート７は、互いに独立した複数の温度調節領域を備え、それにより、基板５の温度を各領域毎に調節しても良い。

プロセス空間８は、基板５が載置された温度調節プレート７の上空を覆うリッド３によって、チャンバ１内の別の空間と仕切られることで、形成されている。なお、リッド３の温度が、基板５に輻射の影響を与え、それにより、基板５表面の熱流束も影響を受けてしまう。

また、このプロセス空間８には、気体流入口７２及び気体流出口７４が備えられる。気体流入口７２及び気体流出口７４の少なくとも一方は、例えば、後述する温度コントローラによって開閉可能に構成されていても良い。気体流入口７２から所定成分の気体（例えばパージガス）が入り、プロセス空間８内の気体（例えばパージガス）が気体流出口７４から流出することで、基板５の表面上に気体の流れ（換言すれば風）が生じ、それにより、基板５の表面熱流束に変化が生じる。

基板５は、表面と裏面とを有する。基板５の裏面は、温度調節プレート７から熱を受ける入熱面となり、基板５の表面は、基板５からの放熱面となる。基板５表面の各単位面積の温度は、模式的には、その単位面積への入熱流量と、その単位面積における熱流束（つまり、その単位面積から流れ出る熱流量）との和で表すことができる。

本実施形態では、基板５の種類の一つとして、基板表面における各所定位置の熱流束を測定することができるように構成された測定基板５が使用される。以下、その測定基板５について詳述する。

図２（Ａ）は、本実施形態に係る測定基板５の上面図を示す。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示した測定基板５のＢ−Ｂ切断面を示す。なお、図２（Ａ）及び（Ｂ）では、後述する各温度センサ１１Ａ及び１１Ｂと、後述する温度調節コントローラ４９との間の接続構成（例えば配線パターン）の図示は実質的に省略している。

測定基板５は、１又は複数種類の所定の材質で構成された基板、例えば半導体ウェハである。測定基板５には、複数の熱流束センサ１１が配置されている。複数の熱流束センサ１１は、例えば、測定基板５の実質的に全域に亘って、例えば密に配置される。各熱流束センサ１１と、それと直近の熱流束センサ１１との距離は、例えば５０ｍｍ（ミリメートル）、換言すれば、複数の熱流束センサ１１は５０ｍｍビッチで配置される。各熱流束センサ１１は、測定基板５の表面に載置されても良いし、測定基板５の内部に埋め込まれても良い。

各熱流束センサ１１は、複数の温度センサ、例えば、第１の温度センサ１１Ａと、第２の温度センサ１１Ｂとを備える。第２の温度センサ１１Ｂは、第１の温度センサ１１Ａの近傍に備えられる。また、第２の温度センサ１１Ｂと測定基板５との間には、第１の温度センサ１１Ａと測定基板５との間に存在する第１熱抵抗（図示せず）の値Ｋ１よりも大きな第２熱抵抗値Ｋ２を有する第２熱抵抗９１Ｂが介在する。第２熱抵抗９１Ｂは、例えば、第１の温度センサ１１Ａと測定基板５との間の第１熱伝導率よりも小さな第２熱伝導率を有する低熱伝導材１３である。低熱伝導材１３は、例えば、測定基板５の熱伝導率よりも小さい材料、具体例として、ポリイミド、セラミックス、二酸化ケイ素、空気或いはそれらの組合せである。より具体的には、例えば、測定基板５の表面に、第２の温度センサ１１Ｂを埋め込むための第２センサ穴（或いは溝）１５が形成され、その第２センサ穴１５の底に、低熱伝導材１３が敷かれ、その低熱伝導材１３の上に、第２の温度センサ１１Ｂが搭載されて、第２の温度センサ１１Ｂが低熱伝導材１３を介して測定基板５に接合される。

以上の構成により、例えば、或る熱流束センサ１１を含んだ測定基板５領域の温度は同じであっても、その或る熱流束センサ１１において、第１の温度センサ１１Ａによって検出されて出力される第１温度Ｔ１（単位は例えば「℃」或いは「Ｋ（ケルビン）」）と、第２の温度センサ１１Ｂによって検出されて出力される第２温度Ｔ２とは異なる。各熱流束センサ１１によって検出された各熱流束値Ｑは、各熱流束センサ１１から出力された第１温度Ｔ１及び第２温度Ｔ２と、第１熱抵抗値Ｋ１及び第２熱抵抗値Ｋ２とを用いて、第１熱抵抗値Ｋ１は第２熱抵抗値Ｋ２に比べて非常に小さいとして、以下の（１）式、
Ｑ＝（Ｔ１−Ｔ２）／Ｋ２・・・・（１）
によって算出することができる。なお、この（１）式は、表面と裏面とを有する第１温度センサ１１Ａの表面積Ｓ１（例えば放熱面の面積）と、表面と裏面とを有する第２温度センサ１１Ｂの表面積Ｓ２（例えば放熱面の面積）とが同一の場合の式である。この（１）式を用いた計算は、例えば、各熱流束センサ１１の温度センサ１１Ａ及び１１Ｂに導線等を介して接続された温度調節コントローラ４９が行うことができる。温度調節コントローラ４９は、例えば、ＣＰＵとメモリとを備え、そのメモリに、例えば以下の（Ａ）〜（Ｄ）のデータ、
（Ａ）複数の熱流束センサ１１の各々を識別するための熱流束センサＩＤ、
（Ｂ）複数の熱流束センサ１１の各々の位置を表す位置データ、
（Ｃ）第１熱抵抗値Ｋ１（複数の第１温度センサ１１Ａについて第１熱抵抗値Ｋ１が異なっている場合には、各第１熱抵抗値Ｋ１）、
（Ｄ）第２熱抵抗値Ｋ２（複数の第２温度センサ１１Ｂについて第２熱抵抗値Ｋ２が異なっている場合には、各第２熱抵抗値Ｋ２）、
の少なくとも１つが記憶される。温度調節コントローラ４９のＣＰＵは、メモリに記憶された（Ａ）〜（Ｄ）の情報と、各熱流束センサ１１からの各第１温度Ｔ１及び第２温度Ｔ２とに基づいて、測定基板５における各場所での表面熱流束値を算出したり、その算出結果に基づいて、表面熱流束の分布を測定したりする。なお、例えば、第１温度センサ１１Ａが測定基板５に接触している場合、第１熱抵抗Ｋ１の値を無限小（実質的にゼロ）と取扱うことができる。その場合、例えば上記（Ｃ）のデータは記憶されていなくても良い。また、その場合、例えば、温度調節コントローラ４９のＣＰＵは、各第１温度センサ１１Ａから入力された各第１温度Ｔ１を、測定基板５の各位置における実際の温度として取扱い、各第１温度Ｔ１や、各表面熱流束値の算出結果に基づいて、温度調節プレート７を制御する（例えば、温度調節プレート７の測定基板５に対する加熱量を制御する）。また、温度調節コントローラ４９のＣＰＵは、第１の温度センサ１１Ａにより測定された第１温度（Ｔ１）を、そのまま測定基板（５）の温度として制御を行うことができる。

以下、熱流束センサ１１について更に説明する。

図３は、熱流束センサ１１の構成を示す。

前述したように、第２温度センサ１１Ｂは、第１温度センサ１１Ａの近傍に配置されている。第１温度センサ１１Ａと第２温度センサ１１Ｂとの距離Ｄは、例えば、１０ｍｍ以内（例えば、２〜３ｍｍ）、或いは、１０ｍｍ〜２０ｍｍである。第２温度センサ１１Ｂは、第１温度センサ１１Ａに対して、測定基板５の表面方向或いは測定基板５表面を横切る方向（例えば直交方向）に隣り合うように配置することができる。

第１温度センサ１１Ａ及び第２温度センサ１１Ｂとしては、例えば、電気抵抗体、熱電対、熱電素子、又はサーミスタを採用することができる。電気抵抗体としては、例えば、金属薄膜の抵抗体や、測定基板５表面に不純物をドーピングして抵抗体としたものであってもよい。なお、必ずしも、第１温度センサ１１Ａと第２温度センサ１１Ｂとの種類が同一でなくても良い。

第１温度センサ１１Ａも第２温度センサ１１Ｂも面積を有する。ここで、第１温度センサ１１Ａの面積を第１面積Ｓ１とし、第２温度センサ１１Ｂの面積を第２面積Ｓ２とする。第１面積Ｓ１と第２面積Ｓ２は、同じであっても異なっていても良い。

第２熱抵抗値Ｋ２は、第２温度センサ１１Ｂと測定基板５との間の、測定基板５の厚さ方向に介在する介在部材（ここでは低熱伝導材１３）の厚さを、その介在部材の熱伝導率で除算して求められる値である。なお、第１熱抵抗値Ｋ１の値も同様に、第１温度センサ１１Ａと測定基板５との間の、測定基板５の厚さ方向に介在する介在部材の厚さを、その介在部材の熱伝導率で除算することで求めることができる。なお、図３に例示するように、第１温度センサ１１Ａと測定基板５との間に介在部材が存在しない場合、換言すれば、第１温度センサ１１Ａが測定基板５に接触している場合は、第１抵抗値Ｋ１の値を実質的にゼロとして取扱うことができる。

以上の構成により、熱流束センサ１１の第１温度センサ１１Ａを、例えば、測定基板５の基板温度を検出する温度センサとして取扱うことができる。すなわち、各第１温度センサ１１Ａによって検出された各第１温度Ｔ１を、測定基板５の各位置における基板温度として取扱うことができる。これにより、測定基板５の温度分布を把握することができる。

また、第１温度センサ１１Ａと第２温度センサ１１Ｂは近接しているので、第１温度センサ１１Ａが存在する領域の熱流束Ｑ１と、第２温度センサ１１Ｂが存在する領域の熱流束Ｑ２とは、完全に或いは実質的に同じであると考えられる。これにより、上述した（１）式を用いて、熱流束センサ１１が存在する場所における熱流束Ｑを算出することができる。なお、第２温度Ｔ２の値よりも第１温度Ｔ１の値の方が大きい場合には、測定基板５の表面から熱が放出されていることを意味し、逆に、第１温度Ｔ１の値よりも第２温度Ｔ２の値の方が大きい場合には、測定基板５の表面を介して吸熱が行われていることを意味する。

また、第１温度センサ１１Ａと第２温度センサ１１Ｂについて、以下の（２）式の関係、
Ｋ２／Ｓ２＞Ｋ１／Ｓ１・・・・（２）
が成り立つ。なぜなら、第２熱抵抗値Ｋ２は第１熱抵抗値Ｋ１よりも大きく、且つ、第２面積Ｓ２と第１面積Ｓ１とを同じ値にすることができるからである。なお、Ｋ２／Ｓ２の値は、例えば、Ｋ１／Ｓ１の値の少なくとも２倍以上である。

この実施形態によれば、測定基板５の各位置の基板温度と表面熱流束とを一緒に測定することができる。

また、この実施形態によれば、測定基板５の熱流束センサ１１は、測定基板５の温度分布に実質的に影響を与えない複数の温度センサ（換言すれば、測定基板５の温度測定に適した複数の温度センサ）によって構成される。このため、測定基板５の温度分布に大きな影響を与えることなく、測定基板５の各位置の表面熱流束を測定することができる。

ところで、熱流束センサ１１の搭載方法には、幾つかのバリエーションが考えられる。また、測定基板５の基板温度を測定するための温度センサを、上述した熱流束センサ１１とは別体で備えることも考えられる。更に、温度調節コントローラ４９の制御方法にも、幾つかのバリエーションが考えられる。以下、それらについて、説明する。

図４は、熱流束センサの搭載方法の第１のバリエーションを示す。

第１の実施例では、測定基板５の表面に、第１温度センサ１１Ａを埋め込むための第１センサ穴（或るいは溝等の凹み）２１が形成される。第１センサ穴２１には、第１温度センサ１１Ａが置かれて、ドータイト等の接着剤２３が流し込まれる。これにより、第１温度センサ１１Ａの裏面が、測定基板５に接触しつつ、第１温度センサ１１Ａが測定基板５に対して固定される。

第２温度センサ１１Ａは、低熱伝導材１３を介して、測定基板５の表面に接合（例えば接着）される。

図５は、熱流束センサの搭載方法の第２のバリエーションを示す。

第２の実施例では、第１温度センサ１１Ａは、第１実施例と同様の方法で搭載される。

そして、第２温度センサ１１Ｂは、上述した実施形態と同用の方法で搭載される。

以上の構成により、測定基板５の表面は平らになる。

図６（Ａ）は、熱流束センサの搭載方法の第３のバリエーションを示す。図６（Ｂ）は、第２センサ穴１５の上面図である。

第３の実施例では、第１温度センサ１１Ａは、第１実施例と同様の方法で搭載される。

測定基板５の表面には、第２センサ穴１５が形成される。この第３実施例における第２センサ穴１５は、エッチング加工等によって形成された空洞である。第２センサ穴１５の入口には、第２温度センサ１１Ｂを測定基板５に接合するための橋２５が備えられる。第２温度センサ１１Ｂは、橋２５を介して、測定基板５に接合（例えば接着）される。そして、第２温度センサ１１Ｂの裏面と、第２センサ穴１５の底との間には、低熱伝導材として空気が介在する。

すなわち、第２温度センサ１１Ｂと測定基板５との間には、２種類の熱抵抗体として、橋２５と空気とが存在する。ここで、橋２５の熱抵抗値をＫ２１とし、空気の熱抵抗値をＫ２２とすると、上述した第２熱抵抗値Ｋ２は、以下の（３）式、
Ｋ２＝１／{（１／Ｋ２１）＋（１／Ｋ２２）}・・・・（３）
によって算出することができる。

図７は、熱流束センサの搭載方法の第４のバリエーションを示す。

第４の実施例では、第１温度センサ１１Ａも第２温度センサ１１Ｂも、熱伝導材を介して測定基板５に接合される。しかし、その場合、第１熱抵抗値Ｋ１よりも第２熱抵抗値Ｋ２の方が大きくなるようにされる。第１温度センサ１１Ａに使用される熱伝導材１２と、第２温度センサ１１Ｂに使用される熱伝導材１４とは、同じ種類であっても異なる種類であっても良い。

例えば、２つの熱伝導材１２及び１４は、材質が同じ低熱伝導材である。そして、第１温度センサ１１Ａに使用される熱伝導材１２よりも、第２温度センサ１１Ｂに使用される熱伝導材１４の方が厚くされる。換言すれば、第１温度センサ１１Ａと測定基板５表面との間には、薄い低熱伝導材１２が介在され、第２温度センサ１１Ｂと測定基板５表面との間には、厚い低熱伝導材１４が介在される。

この第４の実施例では、第１温度センサ１１Ａに対して低熱伝導材が使用されても、その低熱伝導材は薄いので、第１温度センサ１１Ａによって検出された第１温度Ｔ１を基板温度として採用しても差し支えない。

図８は、熱流束センサの搭載方法の第５のバリエーションを示す。

第５実施例では、測定基板５の表面に、第１温度センサ１１Ａ及び第２温度センサ１１Ｂの両方が入るための共通センサ穴２７が設けられる。すなわち、第５実施例では、同一の位置（例えば１つの穴２７）に、温度センサ１１Ａ及び１１Ｂ（つまり１つの熱流束センサ１１）が搭載される。なお、必ずしも穴２７を形成する必要は無く、例えば、測定基板５表面に、この図８に示す熱流束センサ１１が載置されても良い。

この第５実施例では、熱流束センサ１１は積層構造を有している。測定基板５の表面側を上側とし、それの裏面側を下側とすると、具体的には、第１温度センサ１１Ａは、最下位に位置し、第２温度センサ１１Ｂは、最上位に位置し、低熱伝導材１３は、第１温度センサ１１Ａと第２温度センサ１１Ｂとの間の層に位置する。より具体的には、第１温度センサ１１Ａの裏面は、測定基板５に接触し、第１温度センサ１１Ａの表面に、低熱伝導材１３が接合（例えば接着）され、低熱伝導材１３の表面に、第２温度センサ１１Ｂが接合（例えば接着）される。この場合、例えば、最上位に位置する第２温度センサ１１Ｂの表面が、測定基板５の表面に凹凸を形成させないように搭載される。換言すれば、それを実現できるように、低熱伝導材１３の厚さ、及び、共通センサ穴２７の深さの少なくとも一方が調節される。

この第５実施例によれば、熱流束センサ１１の面積を抑えることができるので、熱流束センサ１１をより密に測定基板５表面に配備することができる。

図９は、熱流束センサの搭載方法の第６のバリエーションを示す。

第６実施例では、第１温度センサ１１Ａは、半導体加工技術を用いて、測定基板５表面に、金属等（例えば白金やニッケル）を蒸着して作成されたものである。一方、第２の温度センサ１１Ｂは、第１実施例と同様に、ポリイミド等の低熱伝導材１３を介して測定基板５に接合（例えば接着）されたものである。

図１０は、各熱流束センサ１１の各温度センサ１１Ａ及び１１Ｂと、温度調節コントローラ４９との間の接続構成のバリエーションの説明図である。

上述した実施形態では、各温度センサ１１Ａ及び１１Ｂから出力された信号（以下、温度検出信号）が、配線を介して温度調節コントローラ４９に送信されるようになっているが、この第７実施例では、温度検出信号が無線で温度調節コントローラ４９に送信されるようになっている。

例えば、測定基板５には、各温度センサ１１Ａ及び１１Ｂに接続された検出器３１が備えられる。検出器３１は、図示しないが、信号処理部と、メモリと、無線通信部とを備える。信号処理部は、各温度センサ１１Ａ及び１１Ｂからの温度検出信号を処理して、処理結果に関するデータ（例えば、測定基板５の各位置の基板温度及び熱流束値）をメモリに格納する。無線通信部は、メモリに格納されているデータを、温度調節コントローラ４９等の外部機器に無線送信する。

なお、各温度センサ１１Ａ及び１１Ｂで検出された温度は、これまでに説明した方法とは別の方法で、有線で或いは無線で、所定の外部機器、例えば温度調節コントローラ４９に送信されても良い。

図１１は、本発明の第８実施例に係る測定基板の上面図を示す。図１２は、本発明の第８実施例に係る温度制御システムの構成を示す。なお、図１１では、一例として、７つの熱流束センサ１１−１〜１１−７を示し、且つ、温度調節コントローラ４９との接続機構は図示を省略する。図１２には、図１１のＡ−Ａ断面図が含まれる。

この第８実施例では、温度調節プレート７には、互いに独立した複数の温度調節領域（以下、単に「ゾーン」と言う）、例えば３つのゾーンＺ１〜Ｚ３が備えられている。具体的には、例えば、第１ゾーンＺ１は、温度調節プレート７の中央を含んだ領域である。第２ゾーンＺ２は、温度調節プレート７から第１ゾーンＺ１を除いた、温度調節プレート７の周縁を含んだドーナツ状の領域の半分である。第３ゾーンＺ３は、そのドーナツ状の領域のもう半分である。温度調節プレート７には、複数のゾーンＺ１〜Ｚ３の各々に、そのゾーンの温度を検出するためのゾーン温度センサ６１を備えている。図１２の参照番号６１Ａは、第１ゾーンＺ１に対応したゾーン温度センサであり、参照番号６１Ｂは、第２ゾーンＺ２に対応したゾーン温度センサであり、参照番号６１Ｃは、第３ゾーンＺ３に対応したゾーン温度センサである。

温度調節コントローラ４９は、温度調節プレート７を制御する装置である。温度調節コントローラ４９は、記憶部４０と、ゾーン温度測定部６３と、基板温度測定部４１と、熱流束測定部４５と、基板熱状態分析部４７と、基板温度制御部４３とを備える。

記憶部４０は、メモリ或いはハードディスク等であり、データを記憶する。記憶部４０のデータ構成を図１３に例示する。図１３に示した例によれば、記憶部４０は、各熱流束センサ１１−１〜１１−７のＩＤと、その熱流束センサの第１温度センサ１１Ａによって検出された基板温度と、その熱流束センサによって検出された熱流束値と、各ゾーン毎のＩＤと、そのゾーンの温度（各ゾーン温度センサ６１Ａ〜６１Ｃによって検出された温度）とを記憶する。記憶部４０は、それらを、履歴として記憶し続けることができる。また、図１３に示した例によれば、記憶部４０は、各ゾーン毎に、それのＩＤと、それの目標温度と、そのゾーンに属する熱流束センサのＩＤとを記憶する。また、記憶部４０は、格別図示しないが、各ゾーンＺ１〜Ｚ３の領域範囲を示す位置情報や、各熱流束センサ１１−１〜１１−７の位置を表す位置情報を記憶しても良い。

再び図１１及び図１２を参照する。ゾーン温度測定部６３は、複数のゾーン温度センサ６１Ａ〜６１Ｃに接続されており、複数のゾーン温度センサ６１Ａ〜６１Ｃの各々によって検出されたゾーン温度を表すゾーン温度信号を、各ゾーン温度センサ６１Ａ〜６１Ｃから受信する。ゾーン温度測定部６３は、受信した各ゾーン温度信号が表すゾーン温度を、記憶部４０に書き込む。

基板温度測定部４１は、各熱流束センサ１１−１〜１１−７の各第１温度センサ１１Ａに接続されており、各第１温度センサ１１Ａによって検出された第１温度（この第８実施例では基板温度）を表す第１温度信号を、各第１温度センサ１１Ａから受信する。基板温度測定部４１は、受信した各第１温度信号が表す第１温度を、記憶部４０に書き込む。

熱流束測定部４５と、各熱流束センサ１１−１〜１１−７の双方の温度センサ１１Ａ及び１１Ｂに接続されており、各温度センサ１１Ａ及び１１Ｂによって検出された第１温度及び第２温度をそれぞれ表す第１温度信号及び第２温度信号を、各温度センサ１１Ａ及び１１Ｂから受信する。そして、熱流束測定部４５は、各熱流束センサ１１−１〜１１−７毎に、受信した第１温度信号が表す第１温度と、第２温度信号が表す第２温度とに基づいて、上述した（１）式から熱流束値を算出し、算出された熱流束値を、記憶部４０に書き込む。

基板熱状態分析部４７は、記憶部４０に記憶されているデータ、例えば、複数の熱流束センサ１１−１〜１１−７にそれぞれ対応した複数の基板温度及び熱流束値に基づいて、測定基板５の温度分布、入熱流量分布、及び熱流束分布の少なくとも１つの分布を特定し（入熱流量は、例えば、基板温度と熱流束値との差を算出することによって求めることができる）、特定された分布を記憶部４０に書き込む。また、例えば、基板熱状態分析部４７は、特定された分布から、その分布の要素値（基板温度、入熱流量、又は熱流束値）にばらつきが生じていることが検出された場合、例えば、複数の熱流束センサ１１−１〜１１−７にそれぞれ対応した複数の基板温度及び熱流束値等に基づいて、そのばらつきが生じた原因を推定し、推定結果を図示しないディスプレイ画面（例えば温度調節コントローラ４９のモニタ画面）に表示しても良い。

基板温度制御部４３は、記憶部４０に記憶されているデータ、例えば、複数の熱流束センサ１１−１〜１１−７にそれぞれ対応した複数の基板温度及び熱流束値や、各ゾーンＩＤに対応した各目標温度や、各ゾーン温度に基づいて、温度調節プレート７の各ゾーンＺ１〜Ｚ３（別の観点から言えば、各ゾーンＺ１〜Ｚ３に対応した、測定基板５上の各領域に対する加熱量又は吸熱量）を制御する。例えば、基板温度制御部４３は、上記複数の基板温度及び熱流束値にばらつきが生じないように、各ゾーンＺ１〜Ｚ３を制御する。

以下、この第８実施例について、幾つか例を採り、より詳細に説明する。

（１）第１の例。

３つのゾーンＺ１〜Ｚ３にそれぞれ対応した３つの目標温度を全て１１０℃とした場合、各熱流束センサ１１−１〜１１−７によって検出される基板温度及び熱流束値の正常値の一例が、図１４に示した通りであったとする。この図１４からは、基板温度と熱流束値とは、一定の相関があることがわかる。すなわち、例えば、熱流束値が１０〔Ｗ／ｍ^２〕異なると、基板温度が約０．１℃変わることがわかる。

この場合、例えば人間が、図１５に示すように、第１ゾーンＺ１の目標温度を１０９．０℃、第２ゾーンＺ２の目標温度を１１０．５℃、第３ゾーンＺ３の目標温度を１１０．５℃に設定し直したとする。そうすると、上記の理論に従って、図１５に例示するように、熱流束センサ１１−７において検出される基板温度は略１１０．０℃になり、他の熱流束センサ１１−１〜１１−６において検出される各基板温度は略０．５℃上昇し、それ故、基板温度分布は±０．２℃の範囲内に収まる。

この第８実施例によれば、少ない測定回数（例えば１回の測定）で、換言すれば、短時間で、温度調節プレート７の各ゾーンＺ１〜Ｚ３の目標温度を適切な値に設定することができる。

（２）第２の例。

第２の例は、半導体熱プロセス装置の立ち上げ時の検査や定期診断等で、測定基板５の基板温度に異常が発生した場合の例である。

各ゾーンＺ１〜Ｚ３の目標温度を、図１５に例示した値に設定し直した後に、各基板温度及び熱流束値が、図１６（Ａ）に例示した値になったとする。

図１６（Ａ）によれば、熱流束センサ１１−１及び１１−６の基板温度が０．３℃低下し、基板温度分布が、目標誤差±０．２℃の範囲よりも大きくばらついてしまった。

しかし、図１６（Ａ）によれば、熱流束センサ１１−１及び１１−６に基づいて測定された各熱流束値は、変化してない。

このことから、熱流束センサ１１−１及び１１−６における基板温度は、基板表面からの熱流束値が変化したために低下したのではなく、温度調節プレート７からの入熱流量に変化があったために低下したと考えられる。入熱流量の変化の原因として、第２ゾーンＺ２内のゾーン温度センサ６１Ｂが経時変化を起こしたか、第２ゾーンＺ２と測定基板５とのギャップが何らかの原因で変わったかのいずれかが考えられる。

ここで、前者が原因であれば、熱流束センサ１１−５における基板温度にも変化が生じるはずであるが、その基板温度には変化が生じていないので、前者の原因である可能性は低い。従って、後者の原因、例えば、測定基板５と第２ゾーンＺ２との間に、その初期のギャップよりも大きなゴミが付着し、これが、そのギャップを大きくしてしまったことが原因である可能性が高いと判定することができる。この判定は、上記のような実測値に基づいて、基板熱状態分析部４７（例えば、或るコンピュータプログラムを読み込んだＣＰＵ）が行うが、それに代えて、人間が行っても良い。このような判定が行われた場合、例えば、温度調節プレート７の第２ゾーンＺ２の表面を、メタノール等の薬品でクリーニングすればよい。

（３）第３の例。

第３の例は、半導体熱プロセス装置の立ち上げ時の検査や定期診断等で、測定基板５の基板温度に異常が発生した場合の別の例である。

各ゾーンＺ１〜Ｚ３の目標温度を、図１５に例示した値に設定し直した後に、各基板温度及び熱流束値が、図１７（Ａ）に例示した値になったとする。

図１７（Ａ）によれば、熱流束センサ１１−２及び１１−３の基板温度が０．５℃〜０．７℃低下し、基板温度分布が、目標誤差±０．２℃の範囲よりも大きくばらついてしまった。

また、図１６（Ａ）によれば、熱流束センサ１１−２及び１１−３に基づいて測定された各熱流束値が増加した。

また、図１６（Ａ）によれば、熱流束センサ１１−７に基づいて測定された熱流束値が減少した。

以上の結果からすぐに分かることは、測定基板５表面からの熱流束が変化したことが原因で、基板温度が変化したということである。熱流束センサ１１−２及び１１−３において、熱流束値が５０〔Ｗ／ｍ^２〕ほど増加しているのは、測定基板５表面上に空気流れの擾乱が発生したと考えられる。特に、熱流束センサ１１−２及び１１−３においては、熱流束は増加しそれに伴って基板温度は減少しているのに対して、熱流束センサ１１−７においては、逆に、熱流束は減少しそれに伴って基板温度は上昇している。これは、図１７（Ｂ）に示すように、例えば、リッド３の傾きが変化し、外部から空気流れが入り込んでしまったことが考えられる。従って、リッド３の傾きを早急に直すことが必要であることがわかる。

このような判断は、上記のような実測値に基づいて、基板熱状態分析部４７（例えば、或るコンピュータプログラムを読み込んだＣＰＵ）が行うが、それに代えて、人間が行っても良い。

以上のように、第８実施例によれば、測定基板５の温度分布に異常が生じた場合、測定基板５の複数の場所にそれぞれ対応した複数の基板温度測定値及び熱流束測定値から、その異常の原因を迅速に特定することができる。例えば、その異常が、熱流束によるものなのか入熱流量によるものなのかを迅速に特定し、それによって、その異常に対する対処方法を早く判断することができる。

図１８は、第８実施例の一変形例を示す。

第９実施例では、熱流束センサ１１とは別に、その熱流束センサ１１近傍の基板温度を測定するための基板温度センサ５１が測定基板５に備えられる。

基板温度センサ５１は、第１温度センサ１１Ａと同様の種類であっても良い。また、基板温度センサ５１は、測定基板５に埋め込まれていても良いし、表面に接合されていても良い。

一方、熱流束センサ１１の搭載方法としては、例えば、上述した実施形態及び第１〜第８実施例のうちの１つを採用することができる。ちなみに、図１８に示した熱流束センサ１１は、第５実施例の搭載方法を採用した場合のものである。

以上、上述した実施形態及び第１実施例〜第９実施例のいずれにおいても、上述した（１）式によって熱流束値を算出することができる。また、上述した（２）式の関係も常に成り立つ。また、熱流束センサ１１の搭載方法（例えば、第１温度センサ１１Ａ及び第２温度センサ１１Ｂの搭載方法）は、上述した実施形態及び第１実施例〜第９実施例を適宜に組み合わせることもできる。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、これは本発明の説明のための例示であって、本発明の範囲をこの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、他の種々の形態でも実施することが可能である。例えば、各温度センサ１１Ａ及び１１Ｂの配線は、測定基板５の内部に埋め込まれていても良い。

本発明の一実施形態の全体構成図である。 図２（Ａ）は、本実施形態に係る測定基板５の上面図を示す。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示した測定基板５のＢ−Ｂ切断面を示す。 熱流束センサ１１の構成を示す。 熱流束センサの搭載方法の第１のバリエーションを示す。 熱流束センサの搭載方法の第２のバリエーションを示す。 図６（Ａ）は、熱流束センサの搭載方法の第３のバリエーションを示す。図６（Ｂ）は、第２センサ穴１５の上面図である。 熱流束センサの搭載方法の第４のバリエーションを示す。 熱流束センサの搭載方法の第５のバリエーションを示す。 熱流束センサの搭載方法の第６のバリエーションを示す。 各熱流束センサ１１の各温度センサ１１Ａ及び１１Ｂと、温度調節コントローラ４９との間の接続構成のバリエーションの説明図である。 本発明の第８実施例に係る測定基板の上面図を示す。 本発明の第８実施例に係る温度制御システムの構成を示す。 記憶部のデータ構成例を示す。 各ゾーンの目標温度が１１０℃の場合の各値の一例。 図１４に示した各目標温度を設定し直した後の各値の一例。 図１６（Ａ）は、図１５に例示した各目標温度に設定し直した後に異常が発生した場合の各値の一例を示す。図１６（Ｂ）は、図１６（Ａ）に例示した各値から分析される状態例を示す。 図１７（Ａ）は、図１５に例示した各目標温度に設定し直した後に異常が発生した場合の各値の一例を示す。図１７（Ｂ）は、図１７（Ａ）に例示した各値から分析される状態例を示す。 本発明の第８実施例の一変形例を示す。

符号の説明

１…チャンバ、３…リッド、５…測定基板、７…温度調節プレート、１１…熱流束センサ、１１Ａ…第１温度センサ、１１Ｂ…第２温度センサ、１３…低熱伝導材、４０…記憶部、４１…熱流束測定部、４３…基板温度制御部、４５…基板温度測定部、４７…基板熱状態分析部、４９…温度調節コントローラ、６１Ａ〜６１Ｃ…ゾーン温度センサ、６３…ゾーン温度測定部、９１Ａ…第１熱抵抗、９１Ｂ…第２熱抵抗、Ｚ１…第１温度調節領域（第１ゾーン）、Ｚ２…第２温度調節領域（第２ゾーン）、Ｚ３…第３温度調節領域（第３ゾーン）

Claims (5)

1. 半導体プロセスにおいて熱処理される被処理基板と同じ素材で形成された熱流束測定基板（５）であって、
   前記熱流束測定基板（５）は、その表面からの熱流束を測定するための熱流束センサ（１１）を備え、
   前記熱流束センサ（１１）は、第１温度センサ（１１Ａ）と、第２温度センサ（１１Ｂ）と、前記第２の温度センサと前記熱流束測定基板（５）の間に介在する熱抵抗（９１Ｂ）と、を備え、
   前記第１温度センサ（１１Ａ）は、前記熱流束測定基板（５）に直接配置され、
   前記第２温度センサ（１１Ｂ）は、前記熱流束測定基板（５）の表面に形成された穴（１５）の内部に、前記熱抵抗（９１Ｂ）を介し、前記熱流束測定基板（５）の表面と平らになるように配置される、
   熱流束測定基板。
2. 前記第２温度センサ（１１Ｂ）は、熱流束測定基板（５）の表面に形成された穴（１５）の内部に、前記穴（１５）の側壁に接触しないように配置される、
   請求項１に記載の熱流束測定基板。
3. 前記第１温度センサ（１１Ａ）は、前記第２温度センサ（１１Ｂ）に対し、前記熱流束測定基板（５）の面方向にずれた位置に備えられる、
   請求項１又は２記載の熱流束測定基板。
4. 前記熱流束センサ（１１）は、前記熱流束測定基板（５）の異なる位置に複数個備えられる、
   請求項１又は２記載の熱流束測定基板。
5. 前記第１温度センサ（１１Ａ）と前記第２温度センサ（１１Ｂ）との間の距離は、１ｃｍ以内である、
   請求項１又は２記載の熱流束測定基板。
   

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