JP5476114B2 - 温度測定用装置 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体製造プロセス等における加熱処理ユニット内で処理される基板の実際の温度を測定する温度測定用装置に関する。
半導体や液晶ディスプレイなどの製品は、半導体基板を洗浄、レジスト塗布、露光、現像、エッチング、層間絶縁膜の形成、加熱処理およびダイシング等の一連の諸処理を施すことにより製造されている。これらのうち加熱処理は、例えばパターンの露光後、層間絶縁膜の材料であるＳＯＧ（Spin On Glass）材の塗布後、または、フォトレジストの塗布後に行われる処理であり、半導体や液晶ディスプレイの製造プロセスに必須の重要な処理工程である。
基板の加熱処理は、加熱処理ユニットにおいて行われる。この際、加熱処理ユニット内の温度管理は非常に重要である。温度管理が悪い場合、レジストの膜厚不良や現像不良を引き起こすからである。また、現像、エッチング、スパッタリングまたはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）等による反応においても、基板の表面の温度を制御することが必要である。そのため、温度センサが埋め込まれたダミーの基板を用いて、加熱処理ユニット内の温度ではなく、加熱処理ユニット内で処理される基板の実際の温度を測定する技術が用いられている。
しかし、ダミーの基板に、熱伝導度や比熱といった熱物性が基板とは異なる材質からなる温度センサ等を埋め込むことにより、基板の実際の温度と、ダミーの基板により測定された温度とに誤差が生じる場合がある。そこで、基板の実際の温度を、なるべく正確に測定することができる温度測定用基板が開発されている。
例えば、特許文献１には、表面に複数の凹部が形設された基板と、複数の凹部に嵌着され水晶振動子を有する複数の検温素子とを備える温度測定用基板について記載されている。また、特許文献２には、パラメータ（温度を含む）を測定するための装置について記載されている。特許文献２に記載されている温度を測定するための装置では、空洞中に電子処理部品等（集積回路等）を配置する際に、特定の熱特性を有する充填材料（ボンディング材料またはポッティング材料）を使用している。これにより、電子処理部品のない場合の基板と実質的に同じように、該装置が温度の変化を感知できるように構成している。
現在、温度測定装置には、ＲＴＤ（Resistance Temperature Detector、測温抵抗体）、熱電対（サーモカップル）、ＣＭＯＳ温度センサあるいはサーミスタが、温度センサとしてよく使用されている。前述した特許文献１に記載の温度測定用基板では、検温素子に水晶振動子を用いて温度測定を行っている。しかし、検温素子を凹部に嵌着する際の接着剤および検温素子のパッケージの材質の熱容量や比熱といった熱物性によって、実際の基板の熱の過渡特性と比較して、検出素子周辺の熱の過渡特性が遅延することが想定される。
特許文献２に記載されている温度を測定するための装置は、特定の熱特性を有するボンディング材料またはポッティング材料を用いることで、電子処理部品のない場合の基板と実質的に同じような温度の変化を感知できるよう構成されている。すなわち、実際の基板に近い熱の過渡特性を持たせ、感知される温度を実際の基板の温度と近づけている。ボンディング材料としては、熱伝導率が極めて高いものが好ましく、ダイアモンドの微粒子を充填したエポキシ材料が挙げられている。
しかし、このような材料をボンディング材料として用いた場合、製造コストが高くかかってしまう。さらに、電子処理部品を構成する材質の熱容量によっても、該温度測定用基板での検出素子周辺の熱の過渡特性が、実際の基板の熱の過渡特性と比較して遅延する場合も想定される。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、温度センサ周辺の熱の過渡特性が実際の基板の熱の過渡特性に近く、加熱処理ユニット内で処理される基板の実際の温度を高い精度にて測定することができる温度測定用装置の提供を目的とする。
上記目的を達成するため、本発明に係る温度測定用装置は、
一方の主面にザグリ部が形成されている基板と、
前記基板の一方の主面の前記ザグリ部の内部に埋め込まれる温度センサと、
前記温度センサを前記ザグリ部の内部に固着させる接合材と、
内部に前記温度センサが固着された前記ザグリ部を封止する封止材と、
前記温度センサを用いて温度を検出する回路と前記温度センサとの間を電気的に接続するよう配置された導電体とを備え、
前記温度センサの周囲における前記基板の一方の主面には、前記基板を形成する物質よりも熱容量が小さい低熱容量帯が形成されており、
前記低熱容量帯は、前記温度センサおよび前記ザグリ部に所定の間隔をおき、前記温度センサおよび前記ザグリ部を取り囲むように、前記基板の一方の主面から前記基板の内部方向に向かって所定の深さを有するように形成されていることを特徴とする。
一方の主面にザグリ部が形成されている基板と、
前記基板の一方の主面の前記ザグリ部の内部に埋め込まれる温度センサと、
前記温度センサを前記ザグリ部の内部に固着させる接合材と、
内部に前記温度センサが固着された前記ザグリ部を封止する封止材と、
前記温度センサを用いて温度を検出する回路と前記温度センサとの間を電気的に接続するよう配置された導電体とを備え、
前記温度センサの周囲における前記基板の一方の主面には、前記基板を形成する物質よりも熱容量が小さい低熱容量帯が形成されており、
前記低熱容量帯は、前記温度センサおよび前記ザグリ部に所定の間隔をおき、前記温度センサおよび前記ザグリ部を取り囲むように、前記基板の一方の主面から前記基板の内部方向に向かって所定の深さを有するように形成されていることを特徴とする。
好ましくは、前記低熱容量帯は、断面が凹状の溝であることを特徴とする。
また、好ましくは、前記低熱容量帯は、多孔質構造を有する物質で形成されていることを特徴とする。
さらに好ましくは、前記低熱容量帯は、ナノ結晶シリコンで形成されていることを特徴とする。
また、好ましくは、前記温度測定用装置は、ウェーハ状の温度測定用装置であることを特徴とする。
さらに好ましくは、前記温度センサは、ＲＴＤであることを特徴とする。
好ましくは、前記基板上に、
前記温度センサを用いて温度を検出する回路と、
前記回路で検出した温度のデータを記憶する記憶手段と、
前記回路に電力を供給する給電手段と、
を備えることを特徴とする。
前記温度センサを用いて温度を検出する回路と、
前記回路で検出した温度のデータを記憶する記憶手段と、
前記回路に電力を供給する給電手段と、
を備えることを特徴とする。
本発明の温度測定用装置によれば、温度センサ周辺の熱の過渡特性が実際の基板の熱の過渡特性に近く、加熱処理ユニット内で処理される基板の実際の温度を高い精度にて測定することができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図中同一または相当部分には同一符号を付す。
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る温度測定用ウェーハの構成例を示す概略図である。図１に示す図では、温度測定用ウェーハ１は、基板２と、複数の温度センサ３と、配線４と、処理基板５と、電源基板６とから構成されている。各温度センサ３の周辺には、その他の温度測定用ウェーハ１を構成する部材等も存在するが、これらについては後に詳細に述べる。温度測定用ウェーハ１は、半導体製造プロセスにおいて用いられる加熱処理ユニット内で処理されるウェーハの実際の温度を測定するための、実際の被処理基板と同一材質の基板である。
図１は、本発明の実施の形態に係る温度測定用ウェーハの構成例を示す概略図である。図１に示す図では、温度測定用ウェーハ１は、基板２と、複数の温度センサ３と、配線４と、処理基板５と、電源基板６とから構成されている。各温度センサ３の周辺には、その他の温度測定用ウェーハ１を構成する部材等も存在するが、これらについては後に詳細に述べる。温度測定用ウェーハ１は、半導体製造プロセスにおいて用いられる加熱処理ユニット内で処理されるウェーハの実際の温度を測定するための、実際の被処理基板と同一材質の基板である。
基板２は、シリコンから構成される。また、その上面に保護膜としてＳｉＯ２層またはポリイミド層等が形成されていてもよい。その他、当該分野で公知の材料でも構わない。
配線４は、導体材料から構成されていればよく、例えば、アルミニウム、銅、金、チタン、タングステン、モリブデン、または、これらの合金等から構成されている。配線４は、処理基板５と各温度センサ３とを電気的に接続するよう、図１に示すように、基板２の一方の主面上に延在している。図２は、図１のＸ部分における拡大図である。図２に示すように、温度センサ３と配線４とは、直接電気的に接続されているわけではなく、ワイヤ７を介在して接続されている。図１には詳細に示していないが、同様に、配線４と処理基板５とも、ワイヤ７を介在して接続されている。
処理基板５は、各温度センサ３を用いて温度を検出する回路および検出した温度のデータを記憶する回路を有する。回路には、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）、Ａ／Ｄ（Analog to Digital）コンバータ、メモリ、アナログスイッチ（ＳＷ）等が実装されている。例えば、処理基板５は、ワイヤボンド技術によってこれらの回路素子が基板に実装されたものであり、熱圧着により基板２に貼付される。基板２に貼付された処理基板５は、ワイヤ７を介在して配線４と電気的に接続される。
電源基板６は、処理基板５とワイヤ７等の導電体により電気的に接続されており、温度測定用ウェーハ１に電源を供給する。電源基板６には、バッテリまたはＤＣ電源、例えば、薄膜固体電解質型電池が実装されており、有線により充電される。
温度センサ３は、基板の一方の主面に複数個配置されている。図３は、図２のＹ−Ｙ’線で切断した断面図である。図２および図３に示すように、温度センサ３は、基板の一方の主面に形成されている略円形状のザグリ部９の内部に埋め込まれている。さらに、ザグリ部９の底部には、温度センサ３を固着させるための接合材１０が封入されている。
温度センサ３と配線４とは、ワイヤボンド技術によってワイヤ７で電気的接続がなされており、温度センサ３が埋め込まれたザグリ部９は封止材１１によりポッティングされている。温度センサ３が埋め込まれたザグリ部９の周辺には、略円形状に断面が凹状の溝である凹部８が形成されている。凹部８は、ザグリ部９に所定の間隔をおき、温度センサ３およびザグリ部９を完全に取り囲むように、かつ基板２の一方の主面から所定の深さを有するよう形成されている。凹部８の温度センサ３との間隔、深さおよび幅の詳細については後に述べる。
接合材１０の材料は、基板２を構成するシリコン等のように熱伝導度が大きい方が好ましいが、耐熱性を有するとともに、加熱昇温されてもガスをほとんど発生しないものを使用する必要がある。例えば、熱伝導性フィラーが配合されたシリコーン系ゴム等を使用する。封止材１１の材料は、基板２を構成するシリコン等との熱膨張率の差を考慮して、弾力性を有する材質を使用する必要がある。例えば、接合材１０同様熱伝導性フィラーが配合されたシリコーン系ゴム等を使用する。これらの材料は、その他当該分野で公知の材料を用いても構わない。なお、本実施の形態に係る温度センサ３はＲＴＤである。好ましくは、Ｐｔ（白金）ＲＴＤである。
以下、本実施の形態に係る温度測定用ウェーハ１の製造方法について、図４Ａないし図４Ｄを用いて簡単に説明する。なお、本発明は、温度測定用ウェーハ１の温度センサ３周辺の領域に係る発明であるため、その他の領域の製造方法については当該分野で公知の技術を用いて製造するものとする。
図４Ａは、実施の形態に係る温度測定用ウェーハにおいて基板に配線を形成する製造工程を示す断面図である。まず、温度測定用ウェーハ１の基板２を選定し、その一方の主面に、導電体からなる配線４をパターニングする。図４Ｂは、基板にザグリ部および凹部を形成する製造工程を示す断面図である。図４Ｂに示すように、サンドブラストまたはエッチングにより温度センサ３が埋め込まれるザグリ部９、および、凹部８を形成する。
図４Ｃは、ザグリ部に温度センサを埋め込み、ワイヤにより配線と接続する製造工程を示す断面図である。まず、形成されたザグリ部９の内部に、接合材１０を封入し、温度センサ３を固着させる。次に、ワイヤボンド技術により温度センサ３と配線４とをワイヤ７を介して電気的に接続させる。図４Ｄは、ザグリ部に埋め込んだ温度センサを封止する製造工程を示す断面図である。図４Ｄに示すように、温度センサ３が埋め込まれたザグリ部９を封止材１１でポッティングを行う。
以下、本実施の形態に係る温度測定用ウェーハ１の使用方法、すなわち、該温度測定用ウェーハ１を用いた加熱処理ユニット内で処理されるウェーハの実際の温度の測定方法の一例について簡単に説明する。
まず、ウェーハ搬送アームを用いて、加熱処理ユニット内に温度測定用ウェーハ１が搬入される。その際、例えば、ＰＣを用いて有線で、温度測定回数、測定周期等の測定条件を設定し、処理基板５に記憶させておく。加熱処理ユニット内で加熱されると、温度測定用ウェーハ１の各温度センサ３（ＲＴＤ）の抵抗値が変化する。処理基板５は、各温度センサ３（ＲＴＤ）の抵抗値の変化から温度（の変化）を検出し、検出した温度のデータを記憶していく。温度測定用ウェーハ１の電気回路への給電は、予め充電された電源基板６が行う。
温度測定が終了すると、温度測定用ウェーハ１によるウェーハの温度測定のデータは、処理基板５から、温度のデジタルデータとしてＰＣに有線で取り出される。また、電源基板６にも有線で充電が行われる。なお、このような温度測定用ダミーウェーハの取り扱いの詳細については、特許第３５８３６６５号公報を参照されたい。
このように取り出された温度のデータは、実際のプロセスにおいて加熱処理ユニット内で使用されるウェーハの温度に極めて近くなる。これは、本実施の形態に係る温度測定用ウェーハ１には、各温度センサ３周辺に、凹部８が形成されているためである。すなわち、凹部８の内部は使用の際には空気が存在することになり、空気は基板２の構成材料であるシリコンよりも熱容量が小さく、凹部８は低熱容量帯として働く。このため、温度測定用ウェーハ１全体の熱容量は凹部８がないときに比べ小さくなり、同じ熱量が与えられたとき、ウェーハ全体の過渡特性が向上する。したがって、各温度センサ３周辺における熱の過渡特性も上昇し、温度センサ３部分の熱の過渡特性を、実際の温度センサ３がない場合のウェーハの熱の過渡特性に近づけることができる。
なお、凹部８の幅、深さおよび形成位置（温度センサ３との距離）等は、温度センサ３周辺の熱の過渡特性が実際のウェーハ（基板）の熱の過渡特性になるべく近くなるように予め調整して形成しておくものとする。すなわち、凹部８の温度センサ３からの距離、幅および深さは、温度センサ３の種類（材質）および大きさ、接合材１０の材料または基板２の厚さ等に合わせ、それぞれ適したものに調整しておく。凹部８の最適形状を見積もるには、温度測定用ウェーハ１を各構成部品に分けてそれぞれの熱容量から計算する。例えば、温度センサ３の熱容量をＣｓＪ／Ｋ・ｍ３、ボンディング材料の熱容量をＣｂＪ／Ｋ・ｍ３、凹部８の材料の熱容量をＣｚＪ／Ｋ・ｍ３、Ｓｉの熱容量をＣｓｉＪ／Ｋ・ｍ３、その他電子処理部品等の熱容量をＣｃＪ／Ｋ・ｍ３と置き、実際のウェーハ（基板）の熱容量ＣｖＪ／Ｋ・ｍ３がこれらの和に等しくなるように凹部８の幅、深さ等を調整する。
本実施の形態の温度測定用ウェーハ１によれば、温度センサ３周辺の熱の過渡特性が実際のウェーハの熱の過渡特性に近く、加熱処理ユニット内で処理されるウェーハの実際の温度を高い精度にて測定することができる。特に、温度センサ３周辺の熱の過渡特性を実際のウェーハの熱の過渡特性に近づけることによって、温度測定用ダミーウェーハを用いた温度測定において、従来の温度測定用ウェーハと比較して、加熱（温度変化）開始直後の温度をより正確に測定することができる。
（実施の形態の変形例１）
図５は、実施の形態の変形例１に係る温度測定用ウェーハの温度センサ周辺を示す断面図である。温度測定用ウェーハ１の構成の概略については、図１に示した実施の形態と同様である。温度測定用ウェーハ１の各構成要素である基板２、温度センサ３、配線４、処理基板５、電源基板６、ワイヤ７、ザグリ部９、接合材１０および封止材１１の詳細については、前述した実施の形態と同様である。
図５は、実施の形態の変形例１に係る温度測定用ウェーハの温度センサ周辺を示す断面図である。温度測定用ウェーハ１の構成の概略については、図１に示した実施の形態と同様である。温度測定用ウェーハ１の各構成要素である基板２、温度センサ３、配線４、処理基板５、電源基板６、ワイヤ７、ザグリ部９、接合材１０および封止材１１の詳細については、前述した実施の形態と同様である。
実施の形態の変形例１では、凹部８に換えて、略円形状の多孔質帯１２が、同様に略円形状のザグリ部９に所定の間隔をおき、温度センサ３およびザグリ部９を完全に取り囲むように、かつ基板２の一方の主面から所定の深さを有するよう形成されている。図５に示す温度センサ３周辺の上方から見た多孔質帯１２の形状は、図２および図３に示す凹部８と同様である。多孔質帯１２は、多孔質シリコン、好ましくはナノ結晶シリコン等の物質から構成されている。
本実施の形態の変形例１に係る温度測定用ウェーハ１の製造方法は、図４Ａないし図４Ｄに示した実施の形態に係る製造方法とほぼ同様であるが、図４Ｂに示す段階で凹部８を形成しない点において異なる。前述したように、多孔質帯１２は多孔質シリコン（ナノ結晶シリコンも含む）から構成されるため、例えば、基板２（シリコン）上の多孔質帯１２となる部分を、フッ化水素水溶液とエタノールとの混合液からなる電解液中で陽極酸化処理することで形成する。シリコンからの多孔質シリコンへのさらに詳細な形成方法については、特開２００５−７３１９７号公報を参照されたい。
なお、多孔質帯１２の幅、深さおよび形成位置（温度センサ３との距離）等は、温度センサ３周辺の熱の過渡特性が実際のウェーハ（基板）の熱の過渡特性になるべく近くなるように予め調整して形成しておくものとする。すなわち、多孔質帯１２の温度センサ３からの距離、幅および深さは、温度センサ３の種類（材料）および大きさ、接合材１０の材料または基板２の厚さ等に合わせ、それぞれ適したものに調整しておく。
本実施の形態の変形例１の温度測定用ウェーハ１においても、温度センサ３の周辺に基板２の材料（シリコン）よりも熱容量が小さい材料（多孔質シリコン（ナノ結晶シリコンも含む））からなる多孔質帯１２が形成されており、低熱容量帯として働く。そのため、温度センサ３周辺の熱の過渡特性が実際のウェーハの熱の過渡特性に近く、加熱処理ユニット内で処理されるウェーハの実際の温度を高い精度にて測定することができる。
（実施の形態の変形例２）
図６は、実施の形態の変形例２に係る温度測定用ウェーハの温度センサ周辺を示す拡大図である。温度測定用ウェーハ１の構成の概略については、図１に示した実施の形態と同様である。温度測定用ウェーハ１の各構成要素の詳細についても、前述した実施の形態と同様である。
図６は、実施の形態の変形例２に係る温度測定用ウェーハの温度センサ周辺を示す拡大図である。温度測定用ウェーハ１の構成の概略については、図１に示した実施の形態と同様である。温度測定用ウェーハ１の各構成要素の詳細についても、前述した実施の形態と同様である。
本実施の形態の変形例２では、凹部８が温度センサ３およびザグリ部９を完全に取り囲んでいない点において、前述した実施の形態と異なる。すなわち、図６に示すように、略四角形状の凹部８は、配線４と温度センサ３とがワイヤ７を介在して接続される部分には形成されていない。
しかし、このような凹部８が形成された温度測定用ウェーハ１であっても、温度センサ３をある程度取り囲むように低熱容量帯（凹部８）が形成されているため、温度センサ３周辺の熱の過渡特性を実際のウェーハの熱の過渡特性に近づけることができる。そのため、加熱処理ユニット内で処理されるウェーハの実際の温度を高い精度にて測定することができる。また、凹部８は配線４と温度センサ３との接続部分には形成されていないため、配線４の延在配置についても従来どおりの設計が可能となる。
このように、本発明に係る温度測定用装置では、低熱容量帯（多孔質帯１２または凹部８等）は、温度センサ３に所定の間隔をおき、温度センサ３をある程度取り囲むように形成されていればよく、低熱容量帯は全周にわたって連続して形成されていなくてもよい。
例えば、本実施の形態の変形例２の他に、連続した低熱容量帯ではなく、断片的な低熱容量帯が、温度センサ３をある程度取り囲むように形成されていてもよい。しかし、温度センサ３周辺の熱の過渡特性を上昇させ、実際のウェーハ（基板）の熱の過渡特性に近くなるよう、低熱容量帯の幅、深さおよび形成位置（温度センサ３との距離）等を適宜調整しておく必要がある。
前述した実施の形態（変形例１および２も含む）では、配線４およびワイヤ７によって温度センサ３と処理基板５とが接続されている場合について述べた。しかし、本発明に係る温度測定用装置は、温度センサ３と処理基板５とが電気的に接続されるよう、これらの間を導電体により接続されていればどのような構成でも構わない。
さらには、実施の形態で述べた処理基板５および電源基板６についても一例であり、本発明に係る温度測定用装置は、温度センサ３を用いて温度を検出することができる当該分野において公知の技術、電子部品等を用いればよい。例えば、処理基板５が記憶手段を備えず直接有線によって温度データを取り出したり、電源基板６を備えず該温度測定用装置に直接給電するような構成をとっていたり、または、これらの電子部品を基板２上に備えなくとも構わない。
前述した実施の形態（変形例１および２も含む）では、温度センサ３がＲＴＤ（測温抵抗体）の場合について述べた。しかし、温度センサ３の種類は、ＲＴＤ（測温抵抗体）以外にも、熱電対またはサーミスタ等の公知の温度センサ３でも構わない。温度センサ３の数についても多数の方が好ましいが、図１に示す数に限られない。また、温度センサ３は前述した実施の形態（変形例１および２も含む）で記載したように、基板２に形成されたザグリ部９の内部に完全に埋め込まれた形で構成されている必要はない。
図３等に示した温度センサ３周辺の構成は一例であり、例えば、温度センサ３の上半分が基板２上から突出していても、ザグリ部９の内壁ぎりぎりに温度センサ３が埋め込まれるよう構成しても、さらには、ザグリ部９を形成せずに基板２上に直接温度センサ３が接合されても構わない。この場合、低熱容量帯は、温度センサ３に所定の間隔をおき、温度センサ３のみを取り囲むように形成される。
実施の形態（変形例１および２も含む）では、本発明に係る温度測定用装置がウェーハ状である場合について述べた。しかし、その他の加熱処理ユニットを用いて製造する液晶ディスプレイ等の温度測定用装置にも適用することができる。この場合には、ガラス基板等に、ガラス基板等より熱容量が小さい低熱容量帯として機能する凹部８または多孔質ガラス等を形成すればよい。
また、凹部８または多孔質構造以外でも、基板２を形成する物質よりも熱容量が小さい低熱容量帯が、温度センサ３に所定の間隔をおき、温度センサ３を取り囲むように、基板２の一方の主面から基板２の内部方向に向かって所定の深さを有するように形成されていればどのような構造でも構わない。例えば、凹部８が基板２の裏側に形成されていてもよいし、図２および図３に示す凹部８の中に基板２を形成する物質よりも熱容量が小さい低熱容量の材質を埋め込んでもよいし、または、図２および図３に示す凹部８の表面をさらに断熱壁で覆うことで凹部８への熱を遮断しさらに温度測定用ウェーハ１全体の熱の過渡特性を向上させても構わない。
発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述した実施の形態に限定されることはなく、本発明の範囲内で種々の実施形態が可能である。例えば、耐熱性のある部品を使用してセンサを構成し、５００〜１０００℃のような高熱範囲において温度を測定する場合も同様に過渡特性を向上させることができるようにしても構わない。
（具体例）
熱流体解析ソフトFluentを用いて、本発明の温度測定用ウェーハ１に関する熱伝導シミュレーションを行った結果を以下に示す。
熱流体解析ソフトFluentを用いて、本発明の温度測定用ウェーハ１に関する熱伝導シミュレーションを行った結果を以下に示す。
Model１は実際の半導体プロセスにおけるウェーハ、Model２は従来の温度測定用ウェーハ、Model３は本発明に係る温度測定用ウェーハ１として熱伝導シミュレーションを行った。Model３の本発明に係る温度測定用ウェーハ１では、実施の形態に記載した、温度センサ３周辺に凹部８を形成した温度測定用ウェーハ１についてシミュレーションを行った。
図７は、本発明の具体例のModel３に係る温度測定用ウェーハの構成例を示す斜視図である。本シミュレーションのModel３では、図７に示すように、円形の温度測定用ウェーハ１の基板２の中心に温度センサ３を配置し、その周囲を凹部８が取り囲むような形状を想定して行った。Model２は、図７に示す温度センサ３の周囲を取り囲む凹部８が形成されていない状態の（従来の）温度測定用ウェーハを想定して行った。Model１は、円形のウェーハの基板２のみの状態のウェーハを想定して行った。
図８は、具体例のModel１に係るウェーハの構成例を示す断面図である。図９は、具体例のModel２に係る温度測定用ウェーハの構成例を示す断面図である。図１０は、具体例のModel３に係る温度測定用ウェーハの構成例を示す断面図である。いずれの図も、図７に示す円形ウェーハの中心軸からの断面図を示している。
図８に示すように、Model１に係る半導体プロセスにおけるウェーハは、Ｓｉ基板１３と、その上のＳｉＯ２層１４と、さらにその上のポリイミド層１５とから構成されている。該ウェーハはステージ１６（１３０度に固定）によって加熱される。Ｓｉ基板１３の厚さａは０．７７５ｍｍ、Ｓｉ基板１３とステージ１６との距離ｂは０．１ｍｍ、中心軸からのウェーハの端部までの距離（すなわち、ウェーハの半径）ｃは７５ｍｍとした。温度をシミュレーションするウェーハのMonitor Pointは、図８に示すウェーハの右端から０．１ｍｍの場所とした。
図９に示すように、Model２に係る従来の温度測定用ウェーハは、Ｓｉ基板１３と、基材となるＡｌ２Ｏ３からなる温度センサ３と、保護膜となるＳｉＯ２層１４と、温度センサ３を封止および接合するシリコーンからなる耐熱ペースト１７とから構成されている。該ウェーハはステージ１６（１３０度に固定）によって加熱される。Ｓｉ基板１３の厚さａ、Ｓｉ基板１３とステージ１６との距離ｂ、中心軸からのウェーハの端部までの距離ｃはModel１と同様である。温度センサ３の高さｄは、０．５ｍｍとした。温度をシミュレーションするMonitor Pointは、図９に示すように、ウェーハの中心軸上における温度センサ３とＳｉＯ２層１４との界面とした。
図１０に示すように、Model３に係る本発明の温度測定用ウェーハ１は、Model２と同様に、Ｓｉ基板１３と、温度センサ３と、ＳｉＯ２層１４と、耐熱ペースト１７とから構成されている。しかし、図７に示したように、Ｓｉ基板１３上には温度センサ３の周囲を取り囲むように凹部８が形成されている。温度測定用ウェーハ１はステージ１６（１３０度に固定）によって加熱される。Ｓｉ基板１３の厚さａ、Ｓｉ基板１３とステージ１６との距離ｂ、中心軸からの温度測定用ウェーハ１の端部までの距離ｃ、温度センサ３の高さｄはModel１およびModel２と同様である。凹部８の耐熱ペースト１７からの距離ｅは１．２５ｍｍ、凹部８の幅ｆは１．２５ｍｍ、凹部８の深さｇは０．４５ｍｍとした。温度をシミュレーションするMonitor Pointは、Model２と同様である。
熱伝導率は、Ｓｉ基板１３が１４８Ｗ／ｍ・Ｋ、ＳｉＯ２層１４が０．９０Ｗ／ｍ・Ｋ、ポリイミド層１５が０．２９Ｗ／ｍ・Ｋ、温度センサ３の基材のＡｌ２Ｏ３が３０Ｗ／ｍ・Ｋ、温度センサ３の保護膜のＳｉＯ２が１．１０Ｗ／ｍ・Ｋ、耐熱ペースト１７のシリコーンが０．７０としてシミュレーションを行った。プロキシミティ・ギャップは空気とした。すなわち、Ｓｉ基板１３とステージ１６との間の空間は空気とした。また、凹部８内部の空間も空気とし、凹部８の熱物性は空気の熱物性と同様である。
図１１は、具体例に係るModel１ないしModel３の０〜１０（秒）のシミュレーション結果を示す図である。２秒の時点で温度が高い方からModel１、Model３、Model２の順に並んでいる。図１２は、具体例に係るModel１ないしModel３の０〜６０（秒）のシミュレーション結果を示す図である。５秒の時点で温度が高い方からModel１とModel３がほとんど重なっており、Model２は若干温度が低くなっている。図１３は、具体例に係るModel２またはModel３のModel１との温度差（℃）のシミュレーション結果を示す図である。すなわち、各図中には、Model１ないしModel３の０〜１０（秒）の時間経過におけるモニター温度、Model１ないしModel３の０〜６０（秒）の時間経過におけるモニター温度、および、Model１のモニター温度とModel２またはModel３のモニター温度との温度差（Model１−Model２およびModel１−Model３）が示されている。
図１１ないし図１３に示すように、Model３はModel１より過渡特性に劣るが、Model２と比較してModel３の方が、より早い時間経過の段階（１０秒付近）においてModel１との温度差の値が小さくなっており、その後モニター温度も定常化している。これは、温度センサ３周辺にＳｉ基板１３よりも熱容量が小さい低熱容量帯となる凹部８を形成したため、Model３の温度センサ３周辺をマクロで見た場合の熱の過渡特性が、Model１の場合の熱の過渡特性により近くなったと考えられる。
上述のシミュレーションの結果から、Model３に示した凹部８以外でも、温度センサ３の周辺に基板を形成する材料よりも熱容量が小さい材料からなる低熱容量帯を形成することによって、温度センサ３周辺の熱の過渡特性を実際のウェーハの熱の過渡特性に近づけ得ることが想定される。これにより、加熱処理ユニット内で処理されるウェーハの実際の温度を高い精度にて測定することができ、また、従来の温度測定用ウェーハと比較して加熱（温度変化）開始直後の温度をより正確に測定することができる。
１ 温度測定用ウェーハ
２ 基板
３ 温度センサ
４ 配線
５ 処理基板
６ 電源基板
７ ワイヤ
８ 凹部
９ ザグリ部
１０ 接合材
１１ 封止材
１２ 多孔質帯
１３ Ｓｉ基板
１４ ＳｉＯ２層
１５ ポリイミド層
１６ ステージ
１７ 耐熱ペースト
２ 基板
３ 温度センサ
４ 配線
５ 処理基板
６ 電源基板
７ ワイヤ
８ 凹部
９ ザグリ部
１０ 接合材
１１ 封止材
１２ 多孔質帯
１３ Ｓｉ基板
１４ ＳｉＯ２層
１５ ポリイミド層
１６ ステージ
１７ 耐熱ペースト
Claims (7)
- 一方の主面にザグリ部が形成されている基板と、
前記基板の一方の主面の前記ザグリ部の内部に埋め込まれる温度センサと、
前記温度センサを前記ザグリ部の内部に固着させる接合材と、
内部に前記温度センサが固着された前記ザグリ部を封止する封止材と、
前記温度センサを用いて温度を検出する回路と前記温度センサとの間を電気的に接続するよう配置された導電体とを備え、
前記温度センサの周囲における前記基板の一方の主面には、前記基板を形成する物質よりも熱容量が小さい低熱容量帯が形成されており、
前記低熱容量帯は、前記温度センサおよび前記ザグリ部に所定の間隔をおき、前記温度センサおよび前記ザグリ部を取り囲むように、前記基板の一方の主面から前記基板の内部方向に向かって所定の深さを有するように形成されていることを特徴とする温度測定用装置。 - 前記低熱容量帯は、断面が凹状の溝であることを特徴とする請求項１に記載の温度測定用装置。
- 前記低熱容量帯は、多孔質構造を有する物質で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の温度測定用装置。
- 前記低熱容量帯は、ナノ結晶シリコンで形成されていることを特徴とする請求項１または３に記載の温度測定用装置。
- 前記温度測定用装置は、ウェーハ状の温度測定用装置であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の温度測定用装置。
- 前記温度センサは、ＲＴＤであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の温度測定用装置。
- 前記基板上に、
前記温度センサを用いて温度を検出する回路と、
前記回路で検出した温度のデータを記憶する記憶手段と、
前記回路に電力を供給する給電手段と、
を備えることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の温度測定用装置。
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