温度制御装置および温度制御方法
【課題】自然対流の影響を回避でき、安定した制御指令変動および目標温度で温度制御できる温度制御装置を提供すること。
【解決手段】温度制御装置は、温調装置１と、温度制御対象物と接触して温度を測定する温度センサ１０と、温調装置１を制御するコントローラ３０とを備え、コントローラ３０は、温度制御対象物の載置状態を判定する載置状態判定手段３１と、この判定結果に応じて温調装置１の制御ゲインおよび目標温度を切り換える切換手段３４と、制御ゲイン、目標温度、および温度センサ１０の測定値に基づき制御指令を生成する制御指令生成手段３５とを備える。
【解決手段】温度制御装置は、温調装置１と、温度制御対象物と接触して温度を測定する温度センサ１０と、温調装置１を制御するコントローラ３０とを備え、コントローラ３０は、温度制御対象物の載置状態を判定する載置状態判定手段３１と、この判定結果に応じて温調装置１の制御ゲインおよび目標温度を切り換える切換手段３４と、制御ゲイン、目標温度、および温度センサ１０の測定値に基づき制御指令を生成する制御指令生成手段３５とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度制御装置および温度制御方法に係り、より具体的には、半導体ウェハ用の温度制御装置および温度制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体デバイスに対する高性能化および低価格化の要求に伴って、半導体の製造プロセスでは、微細化、歩留まり向上、高スループット化、および多品種少量生産が求められている。これら要求の達成には、回路の線幅に対する高い精度が必要とされ、線幅の精度は、熱処理工程におけるチャンバ内のウェハ温度に依存している。このため、半導体の製造プロセスにおいては、熱処理の際のウェハ温度を所定の値に保つことが重要な課題になっている。例えば、フォトリソグラフィでは、ウェハを加熱するためのホットプレートや、冷却するためのクーリングプレートの温度調節により、ウェハの温度が制御される。
【０００３】
特に、フォトリソグラフィにおいて、１５０ｎｍ以下の線幅の形成に使用される化学増幅型のレジスト剤は、温度変化の影響を受け易く、このレジスト剤を用いた場合の線幅は、露光後のＰＥＢ（Post Exposure Bake）処理の加熱温度に大きく依存する。この化学増幅型のレジスト剤を用いた場合には、ウェハの面内温度分布の均一性は、ＰＥＢ処理の定常状態において±０．１℃以内と非常に高い精度が要求される。このような要求を満足するためには、温度センサについても同程度の測定精度が確保される必要がある。
【０００４】
ところで、フォトリソグラフィでは、例えば図１６に示すように、ホットプレート１上にウェハ５０が載置され、ホットプレート１の内部に設けられたヒータ３によって、ウェハ５０が加熱される。その際、ホットプレート１を構成するプレート本体４との接触によってウェハ５０の裏面が汚染されるのを防止するため、ウェハ５０は、プレート本体４上に設けられた支持ピン５を介してホットプレート１上に載置される。そして、プレート本体４の表面からの支持ピン５の高さ寸法は、ホットプレート１の温度調節に対するウェハ５０の温度昇降の応答性を高めるために、約０．１ｍｍと非常に小さな値に設定されている。
【０００５】
このような状態でホットプレート１上に載置されたウェハ５０の面内温度分布の均一性は、プレート本体４の複数箇所に埋め込まれた温度センサ９０の測定値を用いて、各ヒータ３の多変数制御により調整される（例えば、特許文献２）。この場合には、制御対象であるウェハ５０の実際の温度が未知であるため、ウェハ５０の温度制御を精度良く実施することが困難となっている。
そこで、ウェハ５０の実際の温度を得るために、チャンバ内のウェハ５０に接触させることでウェハ５０の温度を直接測定する温度センサが開発されている（例えば、特許文献１，３〜６）。
また、温度センサをウェハに接触させてウェハの実際の温度を測定し、この測定値を用いてウェハの温度を制御する温度制御装置が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１００６０５号公報
【特許文献２】特開２００１−２３０１９９号公報
【特許文献３】特開平７−２２１１５４号公報
【特許文献４】特開平４−１４８５４５号公報
【特許文献５】特開平４−５１５３８号公報
【特許文献６】実開昭６２−４７１２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載の温度センサは、加熱プレート上の球状のスペーサに直接設けられており、加熱プレートの熱がスペーサを介して温度センサに伝わってしまう。このため、温度センサが、加熱プレートの熱を受けて温度を測定してしまい、ウェハ温度の測定精度が十分に確保されないという問題がある。
【０００８】
特許文献３に記載の温度センサは、石英ガラスで形成される支持ピンによって熱電対を支持し、この支持ピンの先端に熱電対と接合するアルミナ製のキャップを備えた構成となっている。しかし、支持ピンを構成する石英ガラスの熱伝導率は１．４Ｗ／ｍｋ程度と高く、かつ支持ピンの直径は２．５〜３．５ｍｍと大きいため、ウェハから多量の熱が支持ピンに流れ込んでしまう。このため、ウェハ温度の測定精度が十分に確保されないという問題がある。実際、特許文献３には、この温度センサの測定誤差が数℃程度であることが記載されている。
また、キャップのウェハとの接触面の直径が４ｍｍと大きいため、ウェハからキャップを介して放出される熱量が大きく、ウェハの面内温度の均一性に影響を与えてしまうという問題もある。
【０００９】
特許文献４に記載の温度センサは、熱電対を覆う棒状の被覆部材の外径が０．５〜０．８ｍｍ程度と大きいため、載置時のウェハおよびプレート間の隙間が０．１ｍｍ程度に設定されている場合には、この隙間内に温度センサを配置することができないという問題がある。また、たとえ温度センサを配置しても、ウェハと接触する部分である被覆部材の先端部が、幅０．５ｍｍ程度の平坦面でウェハとの接触面積が大きいため、ウェハから放出される熱量が大きく、ウェハの面内温度の均一性に影響を与えてしまう。
【００１０】
特許文献５に記載の温度センサは、金属薄膜を支持する支持用ピンが金属薄膜に対して非常に大きいため、支持用ピンへの放熱量が大きくなってしまう。このため、ウェハ温度の測定精度を十分確保することができないという問題がある。
また、支持用ピンへの放熱量が大きいため、ウェハの面内温度の均一性に影響を与えてしまうという問題もある。
【００１１】
特許文献６に記載の温度センサは、ヒータに固定されたばねに、ウェハに接触する円板が取り付けられ、この円板に熱電対が取り付けられる構成になっている。このような構成では、ヒータの熱がばねおよび円板を介して熱電対に伝わってしまい、熱電対が、ヒータの熱を受けて温度を測定してしまう。このため、ウェハ温度の測定精度が十分に確保されないという問題がある。
また、ウェハと接触する円板の接触面積が大きく、ウェハから円板およびばねに対して放出される熱量が大きいため、ウェハの面内温度の均一性に影響を与えてしまうという問題もある。
【００１２】
そして、温度センサをウェハに接触させてウェハの温度を測定する場合には、特許文献２のように温度センサがプレート本体内に埋め込まれている場合と異なり、温度センサがチャンバ内の気体に直接触れることになる。このため、ウェハを載置する前にホットプレート上に発生する自然対流の影響を受けて、温度センサの測定値が大きく変動し、これに伴ってホットプレートに対する制御指令も変動してしまう。この場合には、制御指令に従ってホットプレートの温度も大きく変動することになるため、その後の温度制御をスムーズに行うことが困難になるという問題がある。
【００１３】
本発明の目的は、自然対流の影響を回避することができ、安定した制御指令変動および整定時間で温度制御対象物の温度を制御できる温度制御装置および温度制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の請求項１に係る温度制御装置は、温度制御対象物の温度を制御する温度制御装置であって、載置された前記温度制御対象物の温度を調節する温調装置と、前記温調装置上に載置された前記温度制御対象物と接触して温度を測定する温度センサと、前記温調装置による加熱量または冷却量を制御するコントローラとを備え、前記コントローラは、前記温調装置上の前記温度制御対象物の載置状態を判定する載置状態判定手段と、前記載置状態判定手段の判定結果に応じて、前記温調装置の制御指令の生成に用いる制御ゲインおよび目標温度を切り換える切換手段と、前記制御ゲイン、前記目標温度、および前記温度センサの測定値に基づいて、前記制御指令を生成する制御指令生成手段とを備えていることを特徴とする。
【００１５】
本発明の請求項２に係る温度制御装置は、温度制御対象物の温度を制御する温度制御装置であって、載置された前記温度制御対象物の温度を調節する温調装置と、前記温調装置上に載置された前記温度制御対象物と接触して温度を測定する第１の温度センサと、前記温調装置の温度を測定する第２の温度センサと、前記温調装置による加熱量または冷却量を制御するコントローラとを備え、前記コントローラは、前記温調装置上の前記温度制御対象物の載置状態を判定する載置状態判定手段と、前記載置状態判定手段の判定結果に応じて、前記温調装置の制御指令の生成に用いる温度測定値を前記第１の温度センサの測定値および前記第２の温度センサの測定値間で切り換える切換手段とを備えていることを特徴とする。
【００１６】
本発明の請求項３に係る温度制御装置は、温度制御対象物の温度を制御する温度制御装置であって、載置された前記温度制御対象物の温度を調節する温調装置と、前記温調装置上に載置された前記温度制御対象物と接触して温度を測定する第１の温度センサと、前記温調装置の温度を測定する第２の温度センサと、前記温調装置による加熱量または冷却量を制御するコントローラとを備え、前記コントローラは、前記温調装置上の前記温度制御対象物の載置状態を判定する載置状態判定手段と、前記載置状態判定手段の判定結果に応じて、前記温調装置の制御指令の生成に用いる温度測定値を前記第１の温度センサの測定値および前記第２の温度センサの測定値間で切り換え、また、前記制御指令の生成に用いる制御ゲインおよび目標温度を切り換える切換手段と、前記温度測定値、前記制御ゲイン、および前記目標温度に基づいて、前記制御指令を生成する制御指令生成手段とを備えていることを特徴とする。
【００１７】
本発明の請求項４に係る温度制御方法は、載置された前記温度制御対象物の温度を調節する温調装置と、前記温調装置上に載置された前記温度制御対象物と接触して温度を測定する温度センサとを用いた前記温度制御対象物の温度制御方法であって、前記温度センサの測定値を取得するステップと、前記温調装置上の前記温度制御対象物の載置状態を判定するステップと、前記温度制御対象物の載置状態の判定結果に応じて、前記温調装置の制御指令の生成に用いる制御ゲインおよび目標温度を切り換えるステップと、前記制御ゲイン、前記目標温度、および前記温度センサの測定値に基づいて、前記制御指令を生成するステップとを備えていることを特徴とする。
【００１８】
本発明の請求項５に係る温度制御方法は、載置された前記温度制御対象物の温度を調節する温調装置と、前記温調装置上に載置された前記温度制御対象物と接触して温度を測定する第１の温度センサと、前記温調装置の温度を測定する第２の温度センサとを用いた前記温度制御対象物の温度制御方法であって、前記第１の温度センサおよび前記第２の温度センサの測定値を取得するステップと、前記温調装置上の前記温度制御対象物の載置状態を判定するステップと、前記温度制御対象物の載置状態の判定結果に応じて、前記温調装置の制御指令の生成に用いる温度測定値を前記第１の温度センサの測定値および前記第２の温度センサの測定値間で切り換えるステップと、前記温度測定値、制御ゲイン、および目標温度に基づいて、前記制御指令を生成するステップとを備えていることを特徴とする。
【００１９】
本発明の請求項６に係る温度制御方法は、載置された前記温度制御対象物の温度を調節する温調装置と、前記温調装置上に載置された前記温度制御対象物と接触して温度を測定する第１の温度センサと、前記温調装置の温度を測定する第２の温度センサとを用いた前記温度制御対象物の温度制御方法であって、前記第１の温度センサおよび前記第２の温度センサの測定値を取得するステップと、前記温調装置上の前記温度制御対象物の載置状態を判定するステップと、前記温度制御対象物の載置状態の判定結果に応じて、前記温調装置の制御指令の生成に用いる温度測定値を前記第１の温度センサの測定値および前記第２の温度センサの測定値間で切り換え、また、前記制御指令の生成に用いる制御ゲインおよび目標温度を切り換えるステップと、前記温度測定値、前記制御ゲイン、および前記目標温度に基づいて、前記制御指令を生成するステップとを備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１の温度制御装置に係る発明によれば、温度制御対象物の載置状態の判定結果に応じて、制御指令の生成に用いる制御ゲインおよび目標温度を切り換えるため、温度制御対象物が未載置の場合には、自然対流の影響を考慮して設定されている値を用いることができる。これにより、温度制御対象物が未載置の状態で、温度センサの測定値が自然対流の影響を受けて変動および低下するような場合であっても、温調装置に対する制御指令の変動を防ぎ、かつ、温度制御対象物の載置後に温調装置を適切な温度に維持することができる。これより、温度制御対象物の載置後の整定時間を安定させることができる。
【００２１】
請求項２の温度制御装置に係る発明によれば、温度制御対象物の載置状態の判定結果に応じて、制御指令の生成に用いる温度測定値を第１の温度センサの測定値および前記第２の温度センサの測定値間で切り換えるため、温度制御対象物が未載置の場合には、温度測定値が変動しづらい方の測定値を制御指令の生成に用いる温度測定値として用いることができる。これにより、温度制御対象物の温度を調節する温調装置への制御指令の変動を防ぐことができ、温度制御対象物の載置後の整定時間を安定させることができる。
【００２２】
請求項３の温度制御装置に係る発明によれば、温度制御対象物の載置状態の判定結果に応じて、制御指令の生成に用いる温度測定値を第１の温度センサの測定値および前記第２の温度センサの測定値間で切り換え、また、前記制御指令の生成に用いる制御ゲインおよび目標温度を切り換える。このため、温度制御対象物が未載置の場合には、温度測定値が変動しづらい方の測定値を制御指令の生成に用いる温度測定値として用いることができるとともに、制御指令の変動を抑制する制御ゲインを用いることができる。これにより、温度制御対象物の温度を調節する温調装置への制御指令の変動を効果的に防ぐことができ、温度制御対象物の載置後の整定時間を安定させることができる。
【００２３】
請求項４ないし請求項６のいずれかに記載の温度制御方法に係る発明によれば、それぞれ請求項１、請求項２、および請求項３の温度制御装置に係る発明と同様の効果を奏する温度制御方法が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る温度制御装置の全体構成を示す模式図。
【図２】前記第１実施形態に係るホットプレートの断面図。
【図３】前記第１実施形態に係るホットプレート上にウェハが載置されている状態を拡大して示す断面図。
【図４】前記第１実施形態に係る温度センサを示す斜視図。
【図５】前記第１実施形態に係る温度センサの感温部を示す平面図。
【図６】前記第１実施形態に係る温度センサを図５のＶＩ−ＶＩ線で断面して示す図。
【図７】前記第１実施形態に係る温度センサの製造方法を示す図。
【図８】前記第１実施形態に係るコントローラの制御ブロック図。
【図９】前記第１実施形態の制御フローを示すフローチャート。
【図１０】本発明の第２実施形態に係る温度センサを断面して示す図。
【図１１】本発明の第３実施形態に係る温度センサを断面して示す図。
【図１２】本発明の第４実施形態に係るホットプレートの断面図。
【図１３】前記第４実施形態に係るコントローラの制御ブロック図。
【図１４】前記第４実施形態の制御フローを示すフローチャート。
【図１５】本発明の第５実施形態に係るコントローラの制御ブロック図。
【図１６】従来のホットプレートの断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に本発明の各実施形態を、図面に基づいて説明する。なお、後述する第２実施形態以降において、次説する第１実施形態と同一の構成部分には同じ符合を付すとともに、その説明を省略する。
【００２６】
〔第１実施形態〕
〔１−１〕全体構成
本発明の第１実施形態に係る温度制御装置１００の全体構成を示す図１において、温度制御装置１００は、ホットプレート１（温調装置）、温度センサ１０、ストロークセンサ２０、およびコントローラ３０を備えて構成される。
ホットプレート１は、加熱によりウェハ（被測定物、温度制御対象物）５０の温度を調節する装置であり、加熱量を制御可能に構成されている。図示しない搬送用ロボットにより搬送されてきたウェハ５０は、ホットプレート１を貫通した状態で昇降可能に設けられているリフトピン６０の上に一旦載せられ、リフトピン６０の下降により、ホットプレート１上に載置される。
【００２７】
ホットプレート１の表面には温度センサ１０が取り付けられており、リフトピン６０の下降に伴い、下がってきたウェハ５０の裏面に接触する。温度センサ１０は、ウェハ５０との接触により、ウェハ５０の温度を測定する。なお、温度センサ１０は、ホットプレート１の表面上に複数設けられているが、見易くするために、図１にはそのうちの１つのみが示されている。一方、リフトピン６０の近傍にはストロークセンサ２０が配置されており、リフトピン６０の昇降方向のストロークを測定する。
【００２８】
温度センサ１０およびストロークセンサ２０の測定値はコントローラ３０に向けて出力され、これらの測定値に基づいて、コントローラ３０は、ウェハ５０の温度を制御するための制御指令を生成する。そして、ホットプレート１は、コントローラ３０からの制御指令に基づき、ウェハ５０に対する加熱量を調節する。
【００２９】
〔１−２〕ホットプレートの構成
図２において、ホットプレート１は、ケース２、ヒータ３、プレート本体４、支持ピン５、および温度センサ１０を備えて構成される。
【００３０】
平面円形状のケース２全体に設けられた凹状部分には、帯形で平面円弧状に分割された複数のヒータ３が同心円状に配置され、ヒータ３を覆ってプレート本体４がケース２に固定されている。これらヒータ３およびプレート本体４によってホットプレート１の加熱部４Ａが構成され、プレート本体４を介したヒータ３の放熱により、ウェハ５０を加熱する。
図３に示すように、プレート本体４の表面には、すなわちプレート本体４のウェハ５０を載置する側の面には、支持ピン５を取り付けるための支持ピン取付穴６および温度センサ１０を取り付けるためのセンサ取付穴７が、それぞれ適宜な位置に複数形成されている。
【００３１】
図３において、支持ピン５は、支持ピン取付穴６に取り付けられた状態でのプレート本体４の表面からの高さ寸法Ｈ１が約０．１ｍｍであり、この支持ピン５の上にウェハ５０が載置される。つまり、支持ピン５は、プレート本体４との間に０．１ｍｍ程度の隙間を保ってウェハ５０を支持しており、これによってウェハ５０の裏面の汚染を防止するとともに、ウェハ５０の温度分布の均一化にも貢献する。この高さ寸法Ｈ１は、一般に０．０５〜０．１５ｍｍに設定される。
【００３２】
温度センサ１０は、具体的な構造については後で説明するが、センサ取付穴７に取り付けられ、ウェハ５０が未載置の状態で、プレート本体４の表面からの高さ寸法Ｈ２が約０．１５ｍｍに設定されている。すなわち、プレート本体４の表面からの温度センサ１０の高さ寸法Ｈ２は、プレート本体４の表面からの支持ピン５の高さ寸法Ｈ１よりも高く設定されている。このため、ホットプレート１上にウェハ５０を載置した際に、温度センサ１０がウェハ５０の裏面に確実に接触してウェハ５０の温度を測定することができる。なお、センサ取付穴７の径が大きいと、特に過渡状態でのウェハ５０の面内温度分布の均一性に影響を与えてしまうため、センサ取付穴７の直径はできる限り小さいほうが良く、例えば、本実施形態では１ｍｍ程度としている。
【００３３】
このような構成のホットプレート１は、ヒータ３に流れる電流値をそれぞれ独立して制御することで、ホットプレート１上に載置されているウェハ５０の温度を制御することができる。また、ウェハ５０の裏面に接触する温度センサ１０の測定により、実処理中のウェハ５０の温度をリアルタイムでその場（In-Situ）計測できる。従って、温度センサ１０の測定値を用いてヒータ３に流す電流を制御することで、実処理中のウェハ５０の温度を高い精度で目標温度に保つことができる。
【００３４】
〔１−３〕温度センサの構成
図４に示すように、温度センサ１０は、温度を測定するための感温部１１、感温部１１を支持する支持部１２、および支持部１２を介して感温部１１を付勢するベローズ１３（付勢部材）を備えて構成される。すなわち、温度センサ１０は、感温部１１、支持部１２、およびベローズ１３の３層構造となっている。
【００３５】
感温部１１は、図５および図６に示すように、表面積が１ｍｍ２以下の平面状の白金測温抵抗体であり、層状の表面部１１１およびパターン形成部１１２を備えて構成される。
このうち、表面部１１１は、シリコン基板がダイカットされたもので、ウェハ５０に接触する研磨されたウェハ接触面（接触面）１１１Ａを有している。ここで、温度センサ１０の測定精度は、感温部１１の表面部１１１およびウェハ５０の裏面間の接触熱抵抗に依存する。この接触熱抵抗は、ウェハ５０の自重が非常に軽く、また、ウェハ５０および表面部１１１の表面硬度が非常に硬いため、表面部１１１の表面粗さに依存し、ウェハ５０との接触圧力には依存しない。従って、温度センサ１０の測定精度はウェハ接触面１１１Ａの表面粗さに依存することになるため、ウェハ接触面１１１Ａの表面は十分に研磨される必要がある。一方、ウェハ５０との接触圧力の制御は不要であり、表面部１１１がウェハ５０に接触してさえいればよい。
【００３６】
パターン形成部１１２は、電気絶縁膜１１２Ａおよび電気絶縁膜１１２Ａ内に形成された白金パターン１１２Ｂを備えている。なお、図５は、感温部１１を示す平面図であるが、白金パターン１１２Ｂについては、見易くするために実線で示してある。電気絶縁膜１１２Ａは、五酸化タンタル（Ta２O５）で成膜され、接着剤としての機能を兼ねている。そして、パターン形成部１１２の表面部１１１とは反対側の面には、４隅に穴１１２Ｃが設けられ、この穴１１２Ｃによって露出した白金部分に絶縁被膜されたワイヤ（導線）１４がボンディングされている。
【００３７】
このような構成の感温部１１では、表面部１１１を構成するシリコンの熱伝導率が１６８Ｗ／ｍＫと高く、ウェハ５０の熱が表面部１１１内を伝わり易いため、ウェハ５０の熱がパターン形成部１１２に効率良く伝達される。なお、感温部１１にボンディングされている非常に小さな直径のワイヤ１４からの伝熱は、感温部１１からの伝熱に比べ十分に小さいため、ワイヤ１４からの伝熱は温度センサ１０の測定精度に影響を与えるほどのものではなく、無視することができる。
【００３８】
支持部１２は、感温部１１およびベローズ１３間に設けられて感温部１１を支持する部分であり、補強部１２１および断熱部１２２を備えて構成される。
このうち、補強部１２１は、感温部１１の強度を補強するための薄膜で、熱伝導率の小さい二酸化珪素（SiO２）を用いて形成されている。そして、補強部１２１の４隅には、感温部１１のパターン形成部１１２に設けられた穴１１２Ｃに対応する位置に、パターン形成部１１２から断熱部１２２に向かって貫通する貫通孔１２１Ａが形成されている。
【００３９】
断熱部１２２は、断熱層を形成する部分であり、熱伝導率の小さい樹脂を用いて角筒状に形成されている。断熱部１２２の４隅には、内側に向けて厚肉とされた厚肉部１２２Ａが形成され、補強部１２１の貫通孔１２１Ａに対応する位置には、補強部１２１からベローズ１３に向かって貫通する貫通孔１２２Ｂが形成されている。そして、この断熱部１２２および補強部１２１によって、感温部１１に対応した部分の一部に空間Ｓが形成され、当該空間Ｓ内の空気によって、感温部１１の下側に空気層が形成される。
【００４０】
このような構成の支持部１２は、前述のように、主に熱伝導率の小さい樹脂で形成されており、補強部１２１および断熱部１２２で形成される空間Ｓ内の空気とともに、支持部１２の熱伝導率の低下に貢献する。その結果、空間Ｓ内の空気を含む支持部１２の熱伝導率が、空気の熱伝導率に近付き、断熱層を形成する。このため、感温部１１およびベローズ１３間が良好に断熱されるようになる。
【００４１】
また、これら感温部１１および支持部１２において、感温部１１の穴１１２Ｃと、支持部１２の貫通孔１２１Ａおよび貫通孔１２２Ｂとはそれぞれ一直線上に設けられ、ワイヤ挿通穴１５を構成する。そして、感温部１１においてパターン形成部１１２の白金パターン１１２Ｂにボンディングされたワイヤ１４は、このワイヤ挿通穴１５の中を通って、ベローズ１３側に引き出されている。このように、ワイヤ挿通穴１５を構成する穴１１２Ｃ、貫通孔１２１Ａ、および貫通孔１２２Ｂを、感温部１１および支持部１２の４隅に形成することで、感温部１１におけるワイヤ１４の集中およびこれに伴う熱の集中を防いでいる。
【００４２】
ベローズ１３は、金属製のマイクロベローズであり、伸縮方向の一端側には支持部１２が取り付けられ、他端側はセンサ取付穴７の底面に固定されている。具体的に、ベローズ１３の伸縮方向の一端側には上面部１３１が設けられ、上面部１３１にはベローズ１３の内外を貫通する貫通孔１３２が形成されている。支持部１２は、貫通孔１３２を覆って上面部１３１に取り付けられており、感温部１１からワイヤ挿通穴１５を通ってベローズ１３側に引き出されたワイヤ１４は、貫通孔１３２およびベローズ１３の内部を通って外部に導かれている。
【００４３】
なお、ベローズ１３のばね定数は、ホットプレート１上にウェハ５０を載置した際に、ホットプレート１表面からのウェハ接触面１１１Ａの高さが、ウェハ５０の自重に応じて０．０５〜０．１５ｍｍになるように設定されている。
また、前述のように、温度センサ１０の測定精度は感温部１１のウェハ接触面１１１Ａの表面粗さにのみ依存するため、感温部１１がウェハ５０に接触してさえいれば、測定温度は圧力には依存しない。このため、感温部１１のウェハ接触面１１１Ａに作用する押圧力を制御する必要はなく、このための押圧力制御機構を設ける必要はない。
【００４４】
次に、温度センサ１０の製造方法について、その中でも特に感温部１１および支持部１２の製造方法について説明する。
温度センサ１０は、その大きさが前述のようにマイクロオーダーと非常に小さいため、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を利用して製造される。
【００４５】
先ず、図７（Ａ）に示すように、シリコン基板７０の表面を研磨して２００μｍ厚とした後、シリコン基板７０の研磨面に、五酸化タンタルで厚さ５００ｎｍの電気絶縁膜１１２Ａを形成する。
次に、図７（Ｂ）に示すように、電気絶縁膜１１２Ａの上に、スパッタリングおよびエッチングを施して４５０ｎｍ厚の白金パターン１１２Ｂを形成し、図７（Ｃ）に示すように、さらにこの上に五酸化タンタルで厚さ１５０ｎｍの電気絶縁膜１１２Ａを成膜する。この時点で、電気絶縁膜１１２Ａおよび白金パターン１１２Ｂによりパターン形成部１１２が形成される。また、ここまでの工程で、感温部１１に相当する部分が形成される。
【００４６】
その後、図７（Ｄ）に示すように、電気絶縁膜１１２Ａの上に１０μｍ厚の二酸化珪素膜を成膜して補強部１２１を形成するとともに、ドライエッチングを施して、パターン形成部１１２および補強部１２１の４隅に、穴１１２Ｃおよび貫通孔１２１Ａをそれぞれ形成する。
次に、図７（Ｅ）に示すように、補強部１２１の上に樹脂のレジスト剤により数１０μｍ〜数１００μｍの厚膜を形成した後、エッチングを施して、厚肉部１２２Ａを含む断熱部１２２の角筒部分と、補強部１２１の貫通孔１２１Ａに連通する貫通孔１２２Ｂとを形成する。これにより断熱部１２２が形成され、既に形成されている補強部１２１と合わせて、空間Ｓを有する支持部１２が形成される。また、パターン形成部１１２の穴１１２Ｃ、補強部１２１の貫通孔１２１Ａ、および断熱部１２２の貫通孔１２２Ｂによって、ワイヤ挿通穴１５が設けられる。この時点で、シリコン基板７０は、ダイシングによりハーフカットされる。
【００４７】
その後、図７（Ｆ）に示すように、シリコン基板７０の表面を研磨して１０μｍ以下の厚さとし、この研磨によってシリコン基板７０のダイシングを完了させる。このダイシングの完了により、シリコン基板７０が表面部１１１となり、これにより感温部１１の形成工程が終了する。そして、図６に示すように、ワイヤ挿通穴１５にワイヤ１４を挿通して白金パターン１１２Ｂにボンディングし、最後に、支持部１２を感温部１１ごとベローズ１３に取り付けて、温度センサ１０の製造が完了する。
【００４８】
以上のような構成の温度センサ１０は、感温部１１が白金測温抵抗体として形成されているため、定電流の印加やブリッジ回路によって電気抵抗を測定し、電気抵抗と温度との関係を用いることで、温度を測定することができる。
【００４９】
温度センサ１０によれば、被測定物の接触面とは反対側から感温部１１を支持する支持部１２が、感温部１１に対応した部分の一部に空間を有しているため、当該空間内の空気が、支持部１２に空気層を形成する。このため、支持部１２の熱伝導率を低くすることができ、空気に近い熱伝導率を有する断熱層として支持部１２を機能させることができる。従って、被測定物の熱が支持部１２に流れ出ることを防ぐことができ、これによって十分な測定精度を確保できる。
【００５０】
また、支持部１２が熱伝導率の低い樹脂またはガラスで形成されているため、支持部１２の熱伝導率をさらに低下させることができる。これにより、支持部１２の熱伝導率を空気の熱伝導率に近付けることができ、断熱層としての機能をより効果的に発揮することができる。従って、被測定物の温度に対する測定精度を、一段と高められる。
【００５１】
また、感温部１１を被測定物側に付勢する付勢部材を備えているため、付勢部材の弾性力により、被測定物の自重に反して感温部１１を被測定物側に付勢することができる。従って、反り返りの程度が被測定物ごとに異なる場合であっても、感温部１１を被測定物に追従させて、被測定物に確実に接触させることができる。
【００５２】
また、支持部１２が感温部１１および付勢部材間に設けられているため、支持部１２が、感温部１１および付勢部材間を断熱する断熱層として機能する。このため、付勢部材の熱が感温部１１に伝わるのが防止され、感温部１１での温度測定に影響を与えるのを防ぐことができる。これにより、付勢部材の熱が感温部１１に伝わるのを防ぐことができ、測定精度を一層高めることができる。
【００５３】
また、付勢部材がベローズ１３であるため、付勢部材の構造を簡単にすることができる。このため、簡単な構成で感温部１１を被測定物に確実に接触させることができる。
【００５４】
また、導線が、感温部１１に対して接触面とは反対側で接続されているため、ウェハとの接触の際に、導線がウェハと接触することがない。このため、導線がウェハと接触して測定温度に誤差が生じるのを防ぐことができる。
【００５５】
また、被測定物の接触面とは反対側から感温部１１を支持する支持部１２と、感温部１１を付勢する付勢部材の端面部とにより、感温部１１に対応した部分の一部に空間が形成されるため、当該空間内の空気が支持部１２に空気層を形成することになる。これにより、支持部１２の熱伝導率を低下させ、空気に近い熱伝導率を有する断熱層として機能させることができる。従って、被測定物の熱が支持部１２に流れ出ることを防ぐとともに、付勢部材側からの熱が感温部１１に伝わるのを防止することができ、これにより十分な測定精度を確保できる。
【００５６】
また、被測定物を載置するためのプレート本体４に、前述した本発明の温度センサ１０が設けられているため、被測定物の温度調節中も被測定物の温度をリアルタイムで測定することができる。従って、この温度センサ１０の測定値を用いることで温調装置の制御が正確にでき、これにより被測定物の温度調節を高い精度で行うことができる。
【００５７】
〔１−４〕コントローラの制御構造
次に、図８を参照して、コントローラ３０による温度制御の制御構造について説明する。
図８において、コントローラ３０は、ウェハ５０の温度を制御する制御手段として構成され、コントローラ３０の入力側には、温度センサ１０およびストロークセンサ２０が電気的に接続されている。
【００５８】
一方、コントローラ３０の出力側には、ホットプレート１内に設けられたヒータ３が電気的に接続されている。コントローラ３０は、このヒータ３に流れる電流値をそれぞれ独立に制御することで、ヒータ３による加熱量を制御し、これによりウェハ５０の温度を制御することができる。
【００５９】
そして、コントローラ３０は、載置状態判定手段３１、目標温度記憶手段３２、制御ゲイン記憶手段３３、切換手段３４、および制御指令生成手段３５を備えて構成される。
載置状態判定手段３１は、ストロークセンサ２０の測定値に基づいて、ホットプレート１上のウェハ５０の載置状態を判定する。すなわち、ストロークセンサ２０の測定値から求まるリフトピン６０の上端の位置が、ホットプレート１の支持ピン５の上端位置よりも下側にあれば、ウェハ５０が載置されていると判定し、そうでない場合には、未載置状態にあると判定する。
【００６０】
目標温度記憶手段３２は、制御指令の生成に用いる目標温度Ｔとして、複数の値を記憶している。すなわち、目標温度記憶手段３２は、自然対流への対応に用いられる第１の目標温度Ｔ１と、ウェハ５０の載置中に用いられる第２の目標温度Ｔ２とを記憶している。
第１の目標温度Ｔ１は、自然対流用の影響を回避するために設定され、ウェハ５０が未載置の場合に用いられる。第１の目標温度Ｔ１の値は、ウェハ５０の載置中に用いられる第２の目標温度Ｔ２の値よりも低く、温度センサ１０の自然対流による測定温度の低下の影響を補償する値に設定されている。本補償がない場合には、ウェハ５０が未載置のときに目標温度Ｔは第２の目標温度Ｔ２に設定されたまま、温度センサ１０の測定温度が自然対流の影響により低下することから、ホットプレート１はヒータ３による加熱量を増加させるように制御される。この場合、プレート本体４の温度が目標温度Ｔよりもかなり高くなり、ウェハ５０の載置後にウェハ５０の温度がオーバーシュートしてしまう。一方、第２の目標温度Ｔ２は、実処理中のウェハ５０の目標温度であり、ウェハ５０の載置中に用いられる。
【００６１】
制御ゲイン記憶手段３３は、制御指令の生成に用いる制御ゲインＧとして、複数の値を記憶している。すなわち、制御ゲイン記憶手段３３は、自然対流への対応に用いられる第１の制御ゲインＧ１と、ウェハ５０の載置中に用いられる第２の制御ゲインＧ２および第３の制御ゲインＧ３とを記憶している。
第１の制御ゲインＧ１は、自然対流用の影響を回避するために設定され、ウェハ５０が未載置の場合に用いられる。第１の制御ゲインＧ１の値は、ウェハ５０の実処理中に用いられる第２、第３の制御ゲインＧ２，Ｇ３の値よりも小さく、温度センサ１０の自然対流による測定温度の変動の影響を受けづらい値に設定されている。第２、第３の制御ゲインＧ２，Ｇ３は、ウェハ５０の載置中に用いられ、第２の制御ゲインＧ２の方が第３の制御ゲインＧ３よりも大きな値に設定されている。
【００６２】
切換手段３４は、先ず、載置状態判定手段３１におけるウェハ５０の載置状態の判定結果に応じて、制御ゲイン記憶手段３３の記憶値から制御ゲインＧ１その他のうちのいずれかを選択するとともに、目標温度記憶手段３２の記憶値から第１、第２の目標温度Ｔ１，Ｔ２のうちのいずれかを選択し、制御指令の生成に用いる制御ゲインＧおよび目標温度Ｔとして切り換える。さらに、切換手段３４は、ウェハ５０が載置されていると判定された場合には、温度センサ１０の測定値と制御指令の生成に用いる目標温度Ｔとの温度偏差ｅの値に応じて、制御ゲイン記憶手段３３の記憶値から制御ゲインＧ２，Ｇ３のうちのいずれかを選択し、制御指令の生成に用いる制御ゲインＧとして切り換える。
【００６３】
制御指令生成手段３５は、ヒータ３の制御指令を生成し、ホットプレート１に出力する。具体的に、制御指令生成手段３５は、温度センサ１０の測定値と制御指令の生成に用いる目標温度Ｔとの温度偏差ｅの値を用いて、ＰＩＤ（Proportional Integral Differential）制御を行う。ここでは、載置状態判定手段３１の判定結果に応じて、切換手段３４により選択および切り換えがなされた値が、制御指令の生成に用いる制御ゲインＧとして用いられる。すなわち、制御指令生成手段３５では、制御指令の生成に用いる制御ゲインＧおよび目標温度Ｔが、状況に応じて切り換えられるゲインスケジュールド制御が実施される。
【００６４】
〔１−５〕コントローラの作用
次に、図９に示されるフローチャートに基づき、コントローラ３０の作用について説明する。
先ず、コントローラ３０は、温度センサ１０およびストロークセンサ２０の測定値を読み込む（ステップＳ１）。
【００６５】
次に、載置状態判定手段３１は、ストロークセンサ２０の測定値に基づいて、ホットプレート１上にウェハ５０が載置されているか否かを判定する（ステップＳ２）。
ホットプレート１上にウェハ５０が載置されていないと判定された場合に、切換手段３４は、自然対流への対応に用いられる第１の制御ゲインＧ１および第１の目標温度Ｔ１を選択し、制御指令の生成に用いる制御ゲインＧおよび目標温度Ｔとして切り換える（ステップＳ３）。そして、切換手段３４は、温度センサ１０の測定値と制御指令の生成に用いる目標温度Ｔとの温度偏差ｅを算出する（ステップＳ４）。
【００６６】
一方、ホットプレート１上にウェハ５０が載置されていると判定された場合に、切換手段３４は、ウェハ５０の目標温度である第２の目標温度Ｔ２を選択し、制御指令の生成に用いる目標温度Ｔとして切り換える（ステップＳ５）。その後、切換手段３４は、温度センサ１０の測定値と制御指令の生成に用いる目標温度Ｔとの温度偏差ｅを算出し（ステップＳ６）、この温度偏差ｅの絶対値が所定値より大きいか否か、つまり目標温度Ｔから温度センサ１０の測定値を引いた値の絶対値が所定値より大きいか否かの判定を行う（ステップＳ７）。そして、切換手段３４は、温度偏差ｅの絶対値が所定値より小さい場合には、制御指令の生成に用いる制御ゲインＧとして第２の制御ゲインＧ２に切り換え（ステップＳ８）、大きい場合には、第３の制御ゲインＧ３に切り換える（ステップＳ９）。
【００６７】
そして、制御指令生成手段３５は、切換手段３４により切り換えがなされた制御ゲインＧと、温度偏差ｅの値とを用いたＰＩＤ制御により、ホットプレート１に対する制御指令を生成し、ホットプレート１に出力する（ステップＳ１０）。
【００６８】
〔第２実施形態〕
次に、図１０に基づき、本発明の第２実施形態について説明する。
前述の第１実施形態では、温度センサ１０の支持部１２は、ベローズ１３の上面部１３１に直接取り付けられていた。
これに対し、第２実施形態では、支持部１２は、アダプタ１６を介してベローズ１３の上面部１３１に取り付けられている点が相違する。
【００６９】
具体的に、本実施形態の温度センサ１０は、図１０に示すように、感温部１１、支持部１２、ベローズ１３、およびアダプタ１６を備えて構成される。このうちのベローズ１３およびアダプタ１６により本実施形態の付勢部材が構成され、ベローズ１３の上面部１３１およびアダプタ１６により付勢部材の端面部が構成される。
【００７０】
アダプタ１６はセラミックス製であり、ベローズ１３の上面部１３１に取り付けられている。アダプタ１６の中央近傍には、図示しない空気孔が形成され、アダプタ１６における支持部１２の貫通孔１２２Ｂに対応する位置には、孔１６１が形成されている。すなわち、感温部１１の穴１１２Ｃ、支持部１２の各貫通孔１２１Ａ，１２２Ｂ、およびアダプタ１６の孔１６１は、それぞれ略一直線上に設けられている。そして、感温部１１から各貫通孔１２１Ａ，１２２Ｂを通ってベローズ１３側に引き出されたワイヤ１４は、孔１６１およびベローズ１３の内部を通って外部に導かれている。
【００７１】
このような構成の温度センサ１０では、支持部１２およびアダプタ１６によって、感温部１１に対応した部分の一部に空間Ｓが形成される。
なお、温度変化に伴って空間Ｓ内の空気が膨張した場合には、アダプタ１６に形成された空気孔を介して空間Ｓ内から空気が放出され、収縮した場合には、空気孔を介して空間Ｓ内に空気が導入される。
【００７２】
〔第３実施形態〕
次に、図１１に基づき、本発明の第３実施形態について説明する。
前述の第１および第２実施形態では、温度センサ１０において、感温部１１の穴１１２Ｃ、支持部１２の各貫通孔１２１Ａ，１２２Ｂ、およびアダプタ１６の孔１６１は、それぞれ略一直線上に設けられ、感温部１１の白金パターン１１２Ｂにボンディングされたワイヤ１４は、各貫通孔１２１Ａ，１２２Ｂおよび孔１６１を通って、ベローズ１３側に引き出されていた。
これに対し、第３実施形態では、感温部１１の白金パターン１１２Ｂからベローズ１３に向けて貫通電極１７が形成されるとともに、この貫通電極１７がアダプタ電極１６２によりベローズ１３の中央側に向けて延設されている点が相違する。
【００７３】
具体的に、本実施形態の温度センサ１０において、貫通電極１７は、図１１に示すように、感温部１１の白金パターン１１２Ｂから支持部１２の各貫通孔１２１Ａ，１２２Ｂを通り、アダプタ１６に向けて形成されている。アダプタ１６には孔１６１が形成され、孔１６１内にアダプタ電極１６２が設けられている。貫通電極１７は、アダプタ電極１６２によってアダプタ１６の面内方向に沿って延設され、アダプタ１６の中央寄りの位置でベローズ１３側に露出している。アダプタ電極１６２のベローズ１３側の露出部分には、ワイヤ１４がボンディングされ、ワイヤ１４は、ベローズ１３の内部を通って外部に導かれている。なお、貫通電極１７、アダプタ電極１６２、およびワイヤ１４により、本実施形態の導線が構成される。
【００７４】
このような構成の温度センサ１０においても、第２実施形態と同様に、支持部１２およびアダプタ１６によって仕切られた空間Ｓが形成され、感温部１１およびベローズ１３間が良好に断熱されるようになる。
また、温度センサ１０において、貫通電極１７は、支持部１２の４隅の位置から、アダプタ電極１６２によってアダプタ１６の中央寄りの位置まで延設されてベローズ１３側に露出しているため、アダプタ電極１６２の露出部分に接続されたワイヤ１４が、ベローズ１３の内壁と干渉するのを防止できる。
【００７５】
〔第４実施形態〕
次に、図１２〜図１４に基づき、本発明の第４実施形態について説明する。
前述の第１実施形態では、載置状態判定手段３１の判定結果に応じて、切換手段３４は、制御指令の生成に用いる制御ゲインＧおよび目標温度Ｔを切り換えていた。
【００７６】
これに対し、第４実施形態では、ホットプレート１内に第２の温度センサ４０が設けられ、切換判定手段が、制御指令の生成に用いる温度測定値を、プレート本体４の表面に設けられた第１の温度センサ１０の測定値およびホットプレート１内に設けられた第２の温度センサ４０の測定値間で切り換える点が異なる。なお、第１の温度センサ１０は、第１実施形態においてプレート本体４に取り付けられた温度センサと同じものである。
【００７７】
第２の温度センサ４０は、図１２に示すように、ホットプレート１のプレート本体４内に埋め込まれている。このため、第２の温度センサ４０は、チャンバ内の気体に直接触れることがなく、ウェハ５０が未載置の状態であっても、プレート上に発生する自然対流の影響を受けることがない。従って、第２の温度センサ４０は、ウェハ５０の温度ではなくプレート本体４の温度ではあるが、安定した測定信号を出力することになる。
【００７８】
コントローラ３０は、図１３に示すように、第１実施形態の場合の制御構造と比べた場合に、一部手段における入出力信号の構成が異なった制御構造となっている。これは、主に切換手段３４の機能が異なること、およびプレート本体４の表面に設けられた第１の温度センサ１０とは別に第２の温度センサ４０がホットプレート１内に設けられたことによるものであり、これに伴って、コントローラ３０の入力側には、第２の温度センサ４０が電気的に接続されている。なお、本実施形態では、制御を簡素化するために、制御ゲイン記憶手段３３に制御ゲインＧ４が１つだけ記憶され、制御指令生成手段３５が、該制御ゲインＧ４を制御指令の生成に用いる制御ゲインＧとして、制御ゲイン記憶手段３３から直接取得するように構成されている。
【００７９】
このようなコントローラ３０の制御構造において、切換手段３４は、載置状態判定手段３１の判定結果に応じて、温度センサ１０，４０のうちのいずれかを選択し、その測定値を、制御指令の生成に用いる温度測定値として切り換える。すなわち、切換手段３４は、温度センサ１０，４０のうちのいずれか選択された方の測定値を用いて、温度偏差ｅの値を算出する。
【００８０】
次に、図１４に示されるフローチャートに基づき、本実施形態のコントローラ３０の作用について説明する。
先ず、コントローラ３０が、第１の温度センサ１０、ストロークセンサ２０、および第２の温度センサ４０の測定値を読み込んだ後（ステップＳ１１）、載置状態判定手段３１は、ストロークセンサ２０の測定値に基づいて、ホットプレート１上にウェハ５０が載置されているか否かを判定する（ステップＳ１２）。
【００８１】
載置状態判定手段３１により、ホットプレート１上にウェハ５０が載置されていないと判定された場合に、切換手段３４は、制御指令の生成に用いる温度測定値を、第２の温度センサ４０の測定値に切り換える。つまり、切換手段３４は、第２の温度センサ４０の測定値を用いて、温度偏差ｅの値を算出する（ステップＳ１３）。
一方、ホットプレート１上にウェハ５０が載置されていると判定された場合に、切換手段３４は、制御指令の生成に用いる温度測定値を第１の温度センサ１０の測定値に切り換え、この値を用いて温度偏差ｅの値を算出する（ステップＳ１４）。
【００８２】
そして、制御指令生成手段３５は、制御ゲイン記憶手段３３に記憶されている制御ゲインＧ４を、制御指令の生成に用いる制御ゲインＧとして制御ゲイン記憶手段３３から取得し、温度偏差ｅの値を用いたＰＩＤ制御により、ホットプレート１に対する制御指令の生成および出力を行う（ステップＳ１５）。
【００８３】
〔第５実施形態〕
次に、図１５に基づき、本発明の第５実施形態について説明する。
前述の第１実施形態では、リフトピン６０のストローク量を測定するストロークセンサ２０が設けられ、載置状態判定手段３１が、ストロークセンサ２０の測定値に基づいてウェハ５０の載置状態を判定していた。すなわち、ストロークセンサ２０の測定値に基づいてウェハ５０の載置状態が判定され、この判定結果に基づき、制御指令の生成に用いる制御ゲインＧが切り換えられていた。
【００８４】
これに対し、第５実施形態では、図１３に示すように、載置状態判定手段３１が、温度センサ１０の測定値と前回の目標温度Ｔとの偏差の値に基づいてウェハ５０の載置状態を判定する点が異なる。つまり、この偏差の値に基づいてウェハ５０の載置状態が判定され、この判定結果に基づき、制御指令の生成に用いる制御ゲインＧおよび目標温度Ｔが切り換えられる。従って、ストロークセンサ２０は設けられておらず、コントローラ３０の入力側への電気的な接続もされていない。
【００８５】
具体的に、載置状態判定手段３１は、ウェハ５０を載置したときに顕著に見受けられる、温度センサ１０の測定値と前回の目標温度Ｔとの偏差の値の変化、すなわち、加熱前で温度の低いウェハ５０との接触による温度センサ１０の測定値の低下を監視することで、ウェハ５０の載置状態を判定する。
【００８６】
なお、このような制御構造におけるコントローラ３０の作用は、ウェハ５０の載置状態の判定が、ストロークセンサ２０の測定値に基づいてではなく、温度センサ１０の測定値と前回の目標温度Ｔとの偏差の値に基づいて行われる点が第１実施形態の場合と較べて異なるが、それ以降は同じであるため、ここでの説明を省略する。
【００８７】
〔実施形態の変形〕
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
前記各実施形態では、支持部１２およびベローズ１３やアダプタ１６は別部材で形成されていたがこれに限られず、例えば、発泡樹脂等により、１つの材料で一体形成されていてもよい。
【００８８】
前記各実施形態では、支持部１２は主にポリイミド樹脂やエポキシ樹脂で形成されていたがこれに限られず、同等以下の熱伝導率を有するものであれば、例えば、ピーク材やテフロン（登録商標）等の他の材料であってもよい。
また、樹脂に限られず、ガラスにより形成されものであってもよい。この場合には、例えば、支持部１２の断熱部１２２を貫通孔１２２Ｂの周辺部分のみ残した複数の柱状とすることで、支持部１２の熱伝導を小さくし、支持部１２を樹脂で形成した場合の熱伝導と同等にすることができる。
【００８９】
前記各実施形態では、支持部１２の補強部１２１および断熱部１２２は、異なった材料で形成されていたがこれに限られず、１つの材料で形成されていてもよい。また、表面部１１１およびパターン形成部１１２の強度が高ければ、補強部１２１は必ずしも必要ではない。要は、支持部１２が空間Ｓを有しており、熱伝導率の低い材料で形成されていれば、本発明の支持部を構成するものである。
【００９０】
前記第２および第３実施形態では、支持部１２は、アダプタ１６を介してベローズ１３の上面部１３１に取り付けられ、支持部１２およびアダプタ１６により空間Ｓが形成されていたがこれに限られず、例えば、貫通孔１３２を形成せずにベローズ１３の伸縮方向の端部を上面部で塞いだ形状とし、このような上面部および支持部１２によって空間Ｓを形成するようにしてもよい。
【００９１】
前記各実施形態では、温度センサ１０が支持ピン５とは別にホットプレート１に取り付けられていたがこれに限られず、例えば支持ピン５の内部に温度センサ１０を設けたり、支持ピン５を設けずに、支持ピン５の機能を温度センサ１０に兼用させたりしてもよい。
【００９２】
前記第１および第４実施形態では、ストロークセンサ２０の測定値に基づいて、また、前記第５実施形態では、温度センサ１０の測定値と前回の目標温度Ｔとの偏差の値に基づいてウェハ５０の載置状態が判定されていたが、これに限られない、要は、ウェハ５０の載置状態が判定できればよく、例えば、ストロークセンサ２０のかわりリフトピン６０の下方にスイッチを設け、リフトピン６０の下端がこのスイッチに接触したのを検出することで、ウェハ５０の載置状態を判定するようにしてもよい。
【００９３】
前記第４実施形態では、制御ゲイン記憶手段３３に制御ゲインＧ４が１つ記憶され、制御指令生成手段３５が、当該制御ゲインＧ４を制御指令の生成に用いる制御ゲインＧとして、制御ゲイン記憶手段３３から取得するように構成されていたがこれに限られず、第１実施形態のように、制御ゲイン記憶手段３３に制御ゲインＧ２，Ｇ３を記憶させておき、切換手段３４がいずれかの値を選択して、制御指令の生成に用いる制御ゲインＧとして切り換えるようにしてもよい。なお、この場合には、自然対流への対応に用いられる第１の制御ゲインＧ１を特に設定しておく必要はなく、例えば、制御ゲインＧ３を用いれば足りる。
【００９４】
前記各実施形態では、ヒータ３およびプレート本体４によってホットプレート１の加熱部４Ａが構成されていたがこれに限られず、例えば、プレート本体４を用いずにヒータ３のみで加熱部４Ａを構成し、ウェハ５０をヒータ３により直接加熱するようにしてもよい。
前記各実施形態では、ホットプレート１に温度センサ１０が取り付けられていたがこれに限られず、例えばフォトリソグラフィで用いられるクーリングプレートや、エッチング工程で用いられるサセプタなど、他の温調用のプレートに用いられてもよい。
その他、本発明の具体的な構造および形状等は、本発明の目的を達成できる範囲で他の構造等としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
本発明は、半導体の製造プロセスで用いられるホットプレートやクーリングプレート等の温調装置に利用することができるとともに、このような温調装置を用いてウェハの温度を制御する、半導体のあらゆる製造プロセスに利用することができる。
【符号の説明】
【００９６】
１…ホットプレート（温調装置）、１０…温度センサ、第１の温度センサ、１１…感温部、１２…支持部、１３…ベローズ（付勢部材）、１４…ワイヤ（導線）、３０…コントローラ、３１…載置状態判定手段、３４…切換手段、３５…制御指令生成手段、４０…第２の温度センサ、５０…ウェハ（被測定物、温度制御対象物）、１００…温度制御装置、１１１Ａ…ウェハ接触面（接触面）、Ｇ…制御ゲイン、Ｓ…空間、Ｔ…目標温度。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度制御装置および温度制御方法に係り、より具体的には、半導体ウェハ用の温度制御装置および温度制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体デバイスに対する高性能化および低価格化の要求に伴って、半導体の製造プロセスでは、微細化、歩留まり向上、高スループット化、および多品種少量生産が求められている。これら要求の達成には、回路の線幅に対する高い精度が必要とされ、線幅の精度は、熱処理工程におけるチャンバ内のウェハ温度に依存している。このため、半導体の製造プロセスにおいては、熱処理の際のウェハ温度を所定の値に保つことが重要な課題になっている。例えば、フォトリソグラフィでは、ウェハを加熱するためのホットプレートや、冷却するためのクーリングプレートの温度調節により、ウェハの温度が制御される。
【０００３】
特に、フォトリソグラフィにおいて、１５０ｎｍ以下の線幅の形成に使用される化学増幅型のレジスト剤は、温度変化の影響を受け易く、このレジスト剤を用いた場合の線幅は、露光後のＰＥＢ（Post Exposure Bake）処理の加熱温度に大きく依存する。この化学増幅型のレジスト剤を用いた場合には、ウェハの面内温度分布の均一性は、ＰＥＢ処理の定常状態において±０．１℃以内と非常に高い精度が要求される。このような要求を満足するためには、温度センサについても同程度の測定精度が確保される必要がある。
【０００４】
ところで、フォトリソグラフィでは、例えば図１６に示すように、ホットプレート１上にウェハ５０が載置され、ホットプレート１の内部に設けられたヒータ３によって、ウェハ５０が加熱される。その際、ホットプレート１を構成するプレート本体４との接触によってウェハ５０の裏面が汚染されるのを防止するため、ウェハ５０は、プレート本体４上に設けられた支持ピン５を介してホットプレート１上に載置される。そして、プレート本体４の表面からの支持ピン５の高さ寸法は、ホットプレート１の温度調節に対するウェハ５０の温度昇降の応答性を高めるために、約０．１ｍｍと非常に小さな値に設定されている。
【０００５】
このような状態でホットプレート１上に載置されたウェハ５０の面内温度分布の均一性は、プレート本体４の複数箇所に埋め込まれた温度センサ９０の測定値を用いて、各ヒータ３の多変数制御により調整される（例えば、特許文献２）。この場合には、制御対象であるウェハ５０の実際の温度が未知であるため、ウェハ５０の温度制御を精度良く実施することが困難となっている。
そこで、ウェハ５０の実際の温度を得るために、チャンバ内のウェハ５０に接触させることでウェハ５０の温度を直接測定する温度センサが開発されている（例えば、特許文献１，３〜６）。
また、温度センサをウェハに接触させてウェハの実際の温度を測定し、この測定値を用いてウェハの温度を制御する温度制御装置が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１００６０５号公報
【特許文献２】特開２００１−２３０１９９号公報
【特許文献３】特開平７−２２１１５４号公報
【特許文献４】特開平４−１４８５４５号公報
【特許文献５】特開平４−５１５３８号公報
【特許文献６】実開昭６２−４７１２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載の温度センサは、加熱プレート上の球状のスペーサに直接設けられており、加熱プレートの熱がスペーサを介して温度センサに伝わってしまう。このため、温度センサが、加熱プレートの熱を受けて温度を測定してしまい、ウェハ温度の測定精度が十分に確保されないという問題がある。
【０００８】
特許文献３に記載の温度センサは、石英ガラスで形成される支持ピンによって熱電対を支持し、この支持ピンの先端に熱電対と接合するアルミナ製のキャップを備えた構成となっている。しかし、支持ピンを構成する石英ガラスの熱伝導率は１．４Ｗ／ｍｋ程度と高く、かつ支持ピンの直径は２．５〜３．５ｍｍと大きいため、ウェハから多量の熱が支持ピンに流れ込んでしまう。このため、ウェハ温度の測定精度が十分に確保されないという問題がある。実際、特許文献３には、この温度センサの測定誤差が数℃程度であることが記載されている。
また、キャップのウェハとの接触面の直径が４ｍｍと大きいため、ウェハからキャップを介して放出される熱量が大きく、ウェハの面内温度の均一性に影響を与えてしまうという問題もある。
【０００９】
特許文献４に記載の温度センサは、熱電対を覆う棒状の被覆部材の外径が０．５〜０．８ｍｍ程度と大きいため、載置時のウェハおよびプレート間の隙間が０．１ｍｍ程度に設定されている場合には、この隙間内に温度センサを配置することができないという問題がある。また、たとえ温度センサを配置しても、ウェハと接触する部分である被覆部材の先端部が、幅０．５ｍｍ程度の平坦面でウェハとの接触面積が大きいため、ウェハから放出される熱量が大きく、ウェハの面内温度の均一性に影響を与えてしまう。
【００１０】
特許文献５に記載の温度センサは、金属薄膜を支持する支持用ピンが金属薄膜に対して非常に大きいため、支持用ピンへの放熱量が大きくなってしまう。このため、ウェハ温度の測定精度を十分確保することができないという問題がある。
また、支持用ピンへの放熱量が大きいため、ウェハの面内温度の均一性に影響を与えてしまうという問題もある。
【００１１】
特許文献６に記載の温度センサは、ヒータに固定されたばねに、ウェハに接触する円板が取り付けられ、この円板に熱電対が取り付けられる構成になっている。このような構成では、ヒータの熱がばねおよび円板を介して熱電対に伝わってしまい、熱電対が、ヒータの熱を受けて温度を測定してしまう。このため、ウェハ温度の測定精度が十分に確保されないという問題がある。
また、ウェハと接触する円板の接触面積が大きく、ウェハから円板およびばねに対して放出される熱量が大きいため、ウェハの面内温度の均一性に影響を与えてしまうという問題もある。
【００１２】
そして、温度センサをウェハに接触させてウェハの温度を測定する場合には、特許文献２のように温度センサがプレート本体内に埋め込まれている場合と異なり、温度センサがチャンバ内の気体に直接触れることになる。このため、ウェハを載置する前にホットプレート上に発生する自然対流の影響を受けて、温度センサの測定値が大きく変動し、これに伴ってホットプレートに対する制御指令も変動してしまう。この場合には、制御指令に従ってホットプレートの温度も大きく変動することになるため、その後の温度制御をスムーズに行うことが困難になるという問題がある。
【００１３】
本発明の目的は、自然対流の影響を回避することができ、安定した制御指令変動および整定時間で温度制御対象物の温度を制御できる温度制御装置および温度制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の請求項１に係る温度制御装置は、温度制御対象物の温度を制御する温度制御装置であって、載置された前記温度制御対象物の温度を調節する温調装置と、前記温調装置上に載置された前記温度制御対象物と接触して温度を測定する温度センサと、前記温調装置による加熱量または冷却量を制御するコントローラとを備え、前記コントローラは、前記温調装置上の前記温度制御対象物の載置状態を判定する載置状態判定手段と、前記載置状態判定手段の判定結果に応じて、前記温調装置の制御指令の生成に用いる制御ゲインおよび目標温度を切り換える切換手段と、前記制御ゲイン、前記目標温度、および前記温度センサの測定値に基づいて、前記制御指令を生成する制御指令生成手段とを備えていることを特徴とする。
【００１５】
本発明の請求項２に係る温度制御装置は、温度制御対象物の温度を制御する温度制御装置であって、載置された前記温度制御対象物の温度を調節する温調装置と、前記温調装置上に載置された前記温度制御対象物と接触して温度を測定する第１の温度センサと、前記温調装置の温度を測定する第２の温度センサと、前記温調装置による加熱量または冷却量を制御するコントローラとを備え、前記コントローラは、前記温調装置上の前記温度制御対象物の載置状態を判定する載置状態判定手段と、前記載置状態判定手段の判定結果に応じて、前記温調装置の制御指令の生成に用いる温度測定値を前記第１の温度センサの測定値および前記第２の温度センサの測定値間で切り換える切換手段とを備えていることを特徴とする。
【００１６】
本発明の請求項３に係る温度制御装置は、温度制御対象物の温度を制御する温度制御装置であって、載置された前記温度制御対象物の温度を調節する温調装置と、前記温調装置上に載置された前記温度制御対象物と接触して温度を測定する第１の温度センサと、前記温調装置の温度を測定する第２の温度センサと、前記温調装置による加熱量または冷却量を制御するコントローラとを備え、前記コントローラは、前記温調装置上の前記温度制御対象物の載置状態を判定する載置状態判定手段と、前記載置状態判定手段の判定結果に応じて、前記温調装置の制御指令の生成に用いる温度測定値を前記第１の温度センサの測定値および前記第２の温度センサの測定値間で切り換え、また、前記制御指令の生成に用いる制御ゲインおよび目標温度を切り換える切換手段と、前記温度測定値、前記制御ゲイン、および前記目標温度に基づいて、前記制御指令を生成する制御指令生成手段とを備えていることを特徴とする。
【００１７】
本発明の請求項４に係る温度制御方法は、載置された前記温度制御対象物の温度を調節する温調装置と、前記温調装置上に載置された前記温度制御対象物と接触して温度を測定する温度センサとを用いた前記温度制御対象物の温度制御方法であって、前記温度センサの測定値を取得するステップと、前記温調装置上の前記温度制御対象物の載置状態を判定するステップと、前記温度制御対象物の載置状態の判定結果に応じて、前記温調装置の制御指令の生成に用いる制御ゲインおよび目標温度を切り換えるステップと、前記制御ゲイン、前記目標温度、および前記温度センサの測定値に基づいて、前記制御指令を生成するステップとを備えていることを特徴とする。
【００１８】
本発明の請求項５に係る温度制御方法は、載置された前記温度制御対象物の温度を調節する温調装置と、前記温調装置上に載置された前記温度制御対象物と接触して温度を測定する第１の温度センサと、前記温調装置の温度を測定する第２の温度センサとを用いた前記温度制御対象物の温度制御方法であって、前記第１の温度センサおよび前記第２の温度センサの測定値を取得するステップと、前記温調装置上の前記温度制御対象物の載置状態を判定するステップと、前記温度制御対象物の載置状態の判定結果に応じて、前記温調装置の制御指令の生成に用いる温度測定値を前記第１の温度センサの測定値および前記第２の温度センサの測定値間で切り換えるステップと、前記温度測定値、制御ゲイン、および目標温度に基づいて、前記制御指令を生成するステップとを備えていることを特徴とする。
【００１９】
本発明の請求項６に係る温度制御方法は、載置された前記温度制御対象物の温度を調節する温調装置と、前記温調装置上に載置された前記温度制御対象物と接触して温度を測定する第１の温度センサと、前記温調装置の温度を測定する第２の温度センサとを用いた前記温度制御対象物の温度制御方法であって、前記第１の温度センサおよび前記第２の温度センサの測定値を取得するステップと、前記温調装置上の前記温度制御対象物の載置状態を判定するステップと、前記温度制御対象物の載置状態の判定結果に応じて、前記温調装置の制御指令の生成に用いる温度測定値を前記第１の温度センサの測定値および前記第２の温度センサの測定値間で切り換え、また、前記制御指令の生成に用いる制御ゲインおよび目標温度を切り換えるステップと、前記温度測定値、前記制御ゲイン、および前記目標温度に基づいて、前記制御指令を生成するステップとを備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１の温度制御装置に係る発明によれば、温度制御対象物の載置状態の判定結果に応じて、制御指令の生成に用いる制御ゲインおよび目標温度を切り換えるため、温度制御対象物が未載置の場合には、自然対流の影響を考慮して設定されている値を用いることができる。これにより、温度制御対象物が未載置の状態で、温度センサの測定値が自然対流の影響を受けて変動および低下するような場合であっても、温調装置に対する制御指令の変動を防ぎ、かつ、温度制御対象物の載置後に温調装置を適切な温度に維持することができる。これより、温度制御対象物の載置後の整定時間を安定させることができる。
【００２１】
請求項２の温度制御装置に係る発明によれば、温度制御対象物の載置状態の判定結果に応じて、制御指令の生成に用いる温度測定値を第１の温度センサの測定値および前記第２の温度センサの測定値間で切り換えるため、温度制御対象物が未載置の場合には、温度測定値が変動しづらい方の測定値を制御指令の生成に用いる温度測定値として用いることができる。これにより、温度制御対象物の温度を調節する温調装置への制御指令の変動を防ぐことができ、温度制御対象物の載置後の整定時間を安定させることができる。
【００２２】
請求項３の温度制御装置に係る発明によれば、温度制御対象物の載置状態の判定結果に応じて、制御指令の生成に用いる温度測定値を第１の温度センサの測定値および前記第２の温度センサの測定値間で切り換え、また、前記制御指令の生成に用いる制御ゲインおよび目標温度を切り換える。このため、温度制御対象物が未載置の場合には、温度測定値が変動しづらい方の測定値を制御指令の生成に用いる温度測定値として用いることができるとともに、制御指令の変動を抑制する制御ゲインを用いることができる。これにより、温度制御対象物の温度を調節する温調装置への制御指令の変動を効果的に防ぐことができ、温度制御対象物の載置後の整定時間を安定させることができる。
【００２３】
請求項４ないし請求項６のいずれかに記載の温度制御方法に係る発明によれば、それぞれ請求項１、請求項２、および請求項３の温度制御装置に係る発明と同様の効果を奏する温度制御方法が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る温度制御装置の全体構成を示す模式図。
【図２】前記第１実施形態に係るホットプレートの断面図。
【図３】前記第１実施形態に係るホットプレート上にウェハが載置されている状態を拡大して示す断面図。
【図４】前記第１実施形態に係る温度センサを示す斜視図。
【図５】前記第１実施形態に係る温度センサの感温部を示す平面図。
【図６】前記第１実施形態に係る温度センサを図５のＶＩ−ＶＩ線で断面して示す図。
【図７】前記第１実施形態に係る温度センサの製造方法を示す図。
【図８】前記第１実施形態に係るコントローラの制御ブロック図。
【図９】前記第１実施形態の制御フローを示すフローチャート。
【図１０】本発明の第２実施形態に係る温度センサを断面して示す図。
【図１１】本発明の第３実施形態に係る温度センサを断面して示す図。
【図１２】本発明の第４実施形態に係るホットプレートの断面図。
【図１３】前記第４実施形態に係るコントローラの制御ブロック図。
【図１４】前記第４実施形態の制御フローを示すフローチャート。
【図１５】本発明の第５実施形態に係るコントローラの制御ブロック図。
【図１６】従来のホットプレートの断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に本発明の各実施形態を、図面に基づいて説明する。なお、後述する第２実施形態以降において、次説する第１実施形態と同一の構成部分には同じ符合を付すとともに、その説明を省略する。
【００２６】
〔第１実施形態〕
〔１−１〕全体構成
本発明の第１実施形態に係る温度制御装置１００の全体構成を示す図１において、温度制御装置１００は、ホットプレート１（温調装置）、温度センサ１０、ストロークセンサ２０、およびコントローラ３０を備えて構成される。
ホットプレート１は、加熱によりウェハ（被測定物、温度制御対象物）５０の温度を調節する装置であり、加熱量を制御可能に構成されている。図示しない搬送用ロボットにより搬送されてきたウェハ５０は、ホットプレート１を貫通した状態で昇降可能に設けられているリフトピン６０の上に一旦載せられ、リフトピン６０の下降により、ホットプレート１上に載置される。
【００２７】
ホットプレート１の表面には温度センサ１０が取り付けられており、リフトピン６０の下降に伴い、下がってきたウェハ５０の裏面に接触する。温度センサ１０は、ウェハ５０との接触により、ウェハ５０の温度を測定する。なお、温度センサ１０は、ホットプレート１の表面上に複数設けられているが、見易くするために、図１にはそのうちの１つのみが示されている。一方、リフトピン６０の近傍にはストロークセンサ２０が配置されており、リフトピン６０の昇降方向のストロークを測定する。
【００２８】
温度センサ１０およびストロークセンサ２０の測定値はコントローラ３０に向けて出力され、これらの測定値に基づいて、コントローラ３０は、ウェハ５０の温度を制御するための制御指令を生成する。そして、ホットプレート１は、コントローラ３０からの制御指令に基づき、ウェハ５０に対する加熱量を調節する。
【００２９】
〔１−２〕ホットプレートの構成
図２において、ホットプレート１は、ケース２、ヒータ３、プレート本体４、支持ピン５、および温度センサ１０を備えて構成される。
【００３０】
平面円形状のケース２全体に設けられた凹状部分には、帯形で平面円弧状に分割された複数のヒータ３が同心円状に配置され、ヒータ３を覆ってプレート本体４がケース２に固定されている。これらヒータ３およびプレート本体４によってホットプレート１の加熱部４Ａが構成され、プレート本体４を介したヒータ３の放熱により、ウェハ５０を加熱する。
図３に示すように、プレート本体４の表面には、すなわちプレート本体４のウェハ５０を載置する側の面には、支持ピン５を取り付けるための支持ピン取付穴６および温度センサ１０を取り付けるためのセンサ取付穴７が、それぞれ適宜な位置に複数形成されている。
【００３１】
図３において、支持ピン５は、支持ピン取付穴６に取り付けられた状態でのプレート本体４の表面からの高さ寸法Ｈ１が約０．１ｍｍであり、この支持ピン５の上にウェハ５０が載置される。つまり、支持ピン５は、プレート本体４との間に０．１ｍｍ程度の隙間を保ってウェハ５０を支持しており、これによってウェハ５０の裏面の汚染を防止するとともに、ウェハ５０の温度分布の均一化にも貢献する。この高さ寸法Ｈ１は、一般に０．０５〜０．１５ｍｍに設定される。
【００３２】
温度センサ１０は、具体的な構造については後で説明するが、センサ取付穴７に取り付けられ、ウェハ５０が未載置の状態で、プレート本体４の表面からの高さ寸法Ｈ２が約０．１５ｍｍに設定されている。すなわち、プレート本体４の表面からの温度センサ１０の高さ寸法Ｈ２は、プレート本体４の表面からの支持ピン５の高さ寸法Ｈ１よりも高く設定されている。このため、ホットプレート１上にウェハ５０を載置した際に、温度センサ１０がウェハ５０の裏面に確実に接触してウェハ５０の温度を測定することができる。なお、センサ取付穴７の径が大きいと、特に過渡状態でのウェハ５０の面内温度分布の均一性に影響を与えてしまうため、センサ取付穴７の直径はできる限り小さいほうが良く、例えば、本実施形態では１ｍｍ程度としている。
【００３３】
このような構成のホットプレート１は、ヒータ３に流れる電流値をそれぞれ独立して制御することで、ホットプレート１上に載置されているウェハ５０の温度を制御することができる。また、ウェハ５０の裏面に接触する温度センサ１０の測定により、実処理中のウェハ５０の温度をリアルタイムでその場（In-Situ）計測できる。従って、温度センサ１０の測定値を用いてヒータ３に流す電流を制御することで、実処理中のウェハ５０の温度を高い精度で目標温度に保つことができる。
【００３４】
〔１−３〕温度センサの構成
図４に示すように、温度センサ１０は、温度を測定するための感温部１１、感温部１１を支持する支持部１２、および支持部１２を介して感温部１１を付勢するベローズ１３（付勢部材）を備えて構成される。すなわち、温度センサ１０は、感温部１１、支持部１２、およびベローズ１３の３層構造となっている。
【００３５】
感温部１１は、図５および図６に示すように、表面積が１ｍｍ２以下の平面状の白金測温抵抗体であり、層状の表面部１１１およびパターン形成部１１２を備えて構成される。
このうち、表面部１１１は、シリコン基板がダイカットされたもので、ウェハ５０に接触する研磨されたウェハ接触面（接触面）１１１Ａを有している。ここで、温度センサ１０の測定精度は、感温部１１の表面部１１１およびウェハ５０の裏面間の接触熱抵抗に依存する。この接触熱抵抗は、ウェハ５０の自重が非常に軽く、また、ウェハ５０および表面部１１１の表面硬度が非常に硬いため、表面部１１１の表面粗さに依存し、ウェハ５０との接触圧力には依存しない。従って、温度センサ１０の測定精度はウェハ接触面１１１Ａの表面粗さに依存することになるため、ウェハ接触面１１１Ａの表面は十分に研磨される必要がある。一方、ウェハ５０との接触圧力の制御は不要であり、表面部１１１がウェハ５０に接触してさえいればよい。
【００３６】
パターン形成部１１２は、電気絶縁膜１１２Ａおよび電気絶縁膜１１２Ａ内に形成された白金パターン１１２Ｂを備えている。なお、図５は、感温部１１を示す平面図であるが、白金パターン１１２Ｂについては、見易くするために実線で示してある。電気絶縁膜１１２Ａは、五酸化タンタル（Ta２O５）で成膜され、接着剤としての機能を兼ねている。そして、パターン形成部１１２の表面部１１１とは反対側の面には、４隅に穴１１２Ｃが設けられ、この穴１１２Ｃによって露出した白金部分に絶縁被膜されたワイヤ（導線）１４がボンディングされている。
【００３７】
このような構成の感温部１１では、表面部１１１を構成するシリコンの熱伝導率が１６８Ｗ／ｍＫと高く、ウェハ５０の熱が表面部１１１内を伝わり易いため、ウェハ５０の熱がパターン形成部１１２に効率良く伝達される。なお、感温部１１にボンディングされている非常に小さな直径のワイヤ１４からの伝熱は、感温部１１からの伝熱に比べ十分に小さいため、ワイヤ１４からの伝熱は温度センサ１０の測定精度に影響を与えるほどのものではなく、無視することができる。
【００３８】
支持部１２は、感温部１１およびベローズ１３間に設けられて感温部１１を支持する部分であり、補強部１２１および断熱部１２２を備えて構成される。
このうち、補強部１２１は、感温部１１の強度を補強するための薄膜で、熱伝導率の小さい二酸化珪素（SiO２）を用いて形成されている。そして、補強部１２１の４隅には、感温部１１のパターン形成部１１２に設けられた穴１１２Ｃに対応する位置に、パターン形成部１１２から断熱部１２２に向かって貫通する貫通孔１２１Ａが形成されている。
【００３９】
断熱部１２２は、断熱層を形成する部分であり、熱伝導率の小さい樹脂を用いて角筒状に形成されている。断熱部１２２の４隅には、内側に向けて厚肉とされた厚肉部１２２Ａが形成され、補強部１２１の貫通孔１２１Ａに対応する位置には、補強部１２１からベローズ１３に向かって貫通する貫通孔１２２Ｂが形成されている。そして、この断熱部１２２および補強部１２１によって、感温部１１に対応した部分の一部に空間Ｓが形成され、当該空間Ｓ内の空気によって、感温部１１の下側に空気層が形成される。
【００４０】
このような構成の支持部１２は、前述のように、主に熱伝導率の小さい樹脂で形成されており、補強部１２１および断熱部１２２で形成される空間Ｓ内の空気とともに、支持部１２の熱伝導率の低下に貢献する。その結果、空間Ｓ内の空気を含む支持部１２の熱伝導率が、空気の熱伝導率に近付き、断熱層を形成する。このため、感温部１１およびベローズ１３間が良好に断熱されるようになる。
【００４１】
また、これら感温部１１および支持部１２において、感温部１１の穴１１２Ｃと、支持部１２の貫通孔１２１Ａおよび貫通孔１２２Ｂとはそれぞれ一直線上に設けられ、ワイヤ挿通穴１５を構成する。そして、感温部１１においてパターン形成部１１２の白金パターン１１２Ｂにボンディングされたワイヤ１４は、このワイヤ挿通穴１５の中を通って、ベローズ１３側に引き出されている。このように、ワイヤ挿通穴１５を構成する穴１１２Ｃ、貫通孔１２１Ａ、および貫通孔１２２Ｂを、感温部１１および支持部１２の４隅に形成することで、感温部１１におけるワイヤ１４の集中およびこれに伴う熱の集中を防いでいる。
【００４２】
ベローズ１３は、金属製のマイクロベローズであり、伸縮方向の一端側には支持部１２が取り付けられ、他端側はセンサ取付穴７の底面に固定されている。具体的に、ベローズ１３の伸縮方向の一端側には上面部１３１が設けられ、上面部１３１にはベローズ１３の内外を貫通する貫通孔１３２が形成されている。支持部１２は、貫通孔１３２を覆って上面部１３１に取り付けられており、感温部１１からワイヤ挿通穴１５を通ってベローズ１３側に引き出されたワイヤ１４は、貫通孔１３２およびベローズ１３の内部を通って外部に導かれている。
【００４３】
なお、ベローズ１３のばね定数は、ホットプレート１上にウェハ５０を載置した際に、ホットプレート１表面からのウェハ接触面１１１Ａの高さが、ウェハ５０の自重に応じて０．０５〜０．１５ｍｍになるように設定されている。
また、前述のように、温度センサ１０の測定精度は感温部１１のウェハ接触面１１１Ａの表面粗さにのみ依存するため、感温部１１がウェハ５０に接触してさえいれば、測定温度は圧力には依存しない。このため、感温部１１のウェハ接触面１１１Ａに作用する押圧力を制御する必要はなく、このための押圧力制御機構を設ける必要はない。
【００４４】
次に、温度センサ１０の製造方法について、その中でも特に感温部１１および支持部１２の製造方法について説明する。
温度センサ１０は、その大きさが前述のようにマイクロオーダーと非常に小さいため、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を利用して製造される。
【００４５】
先ず、図７（Ａ）に示すように、シリコン基板７０の表面を研磨して２００μｍ厚とした後、シリコン基板７０の研磨面に、五酸化タンタルで厚さ５００ｎｍの電気絶縁膜１１２Ａを形成する。
次に、図７（Ｂ）に示すように、電気絶縁膜１１２Ａの上に、スパッタリングおよびエッチングを施して４５０ｎｍ厚の白金パターン１１２Ｂを形成し、図７（Ｃ）に示すように、さらにこの上に五酸化タンタルで厚さ１５０ｎｍの電気絶縁膜１１２Ａを成膜する。この時点で、電気絶縁膜１１２Ａおよび白金パターン１１２Ｂによりパターン形成部１１２が形成される。また、ここまでの工程で、感温部１１に相当する部分が形成される。
【００４６】
その後、図７（Ｄ）に示すように、電気絶縁膜１１２Ａの上に１０μｍ厚の二酸化珪素膜を成膜して補強部１２１を形成するとともに、ドライエッチングを施して、パターン形成部１１２および補強部１２１の４隅に、穴１１２Ｃおよび貫通孔１２１Ａをそれぞれ形成する。
次に、図７（Ｅ）に示すように、補強部１２１の上に樹脂のレジスト剤により数１０μｍ〜数１００μｍの厚膜を形成した後、エッチングを施して、厚肉部１２２Ａを含む断熱部１２２の角筒部分と、補強部１２１の貫通孔１２１Ａに連通する貫通孔１２２Ｂとを形成する。これにより断熱部１２２が形成され、既に形成されている補強部１２１と合わせて、空間Ｓを有する支持部１２が形成される。また、パターン形成部１１２の穴１１２Ｃ、補強部１２１の貫通孔１２１Ａ、および断熱部１２２の貫通孔１２２Ｂによって、ワイヤ挿通穴１５が設けられる。この時点で、シリコン基板７０は、ダイシングによりハーフカットされる。
【００４７】
その後、図７（Ｆ）に示すように、シリコン基板７０の表面を研磨して１０μｍ以下の厚さとし、この研磨によってシリコン基板７０のダイシングを完了させる。このダイシングの完了により、シリコン基板７０が表面部１１１となり、これにより感温部１１の形成工程が終了する。そして、図６に示すように、ワイヤ挿通穴１５にワイヤ１４を挿通して白金パターン１１２Ｂにボンディングし、最後に、支持部１２を感温部１１ごとベローズ１３に取り付けて、温度センサ１０の製造が完了する。
【００４８】
以上のような構成の温度センサ１０は、感温部１１が白金測温抵抗体として形成されているため、定電流の印加やブリッジ回路によって電気抵抗を測定し、電気抵抗と温度との関係を用いることで、温度を測定することができる。
【００４９】
温度センサ１０によれば、被測定物の接触面とは反対側から感温部１１を支持する支持部１２が、感温部１１に対応した部分の一部に空間を有しているため、当該空間内の空気が、支持部１２に空気層を形成する。このため、支持部１２の熱伝導率を低くすることができ、空気に近い熱伝導率を有する断熱層として支持部１２を機能させることができる。従って、被測定物の熱が支持部１２に流れ出ることを防ぐことができ、これによって十分な測定精度を確保できる。
【００５０】
また、支持部１２が熱伝導率の低い樹脂またはガラスで形成されているため、支持部１２の熱伝導率をさらに低下させることができる。これにより、支持部１２の熱伝導率を空気の熱伝導率に近付けることができ、断熱層としての機能をより効果的に発揮することができる。従って、被測定物の温度に対する測定精度を、一段と高められる。
【００５１】
また、感温部１１を被測定物側に付勢する付勢部材を備えているため、付勢部材の弾性力により、被測定物の自重に反して感温部１１を被測定物側に付勢することができる。従って、反り返りの程度が被測定物ごとに異なる場合であっても、感温部１１を被測定物に追従させて、被測定物に確実に接触させることができる。
【００５２】
また、支持部１２が感温部１１および付勢部材間に設けられているため、支持部１２が、感温部１１および付勢部材間を断熱する断熱層として機能する。このため、付勢部材の熱が感温部１１に伝わるのが防止され、感温部１１での温度測定に影響を与えるのを防ぐことができる。これにより、付勢部材の熱が感温部１１に伝わるのを防ぐことができ、測定精度を一層高めることができる。
【００５３】
また、付勢部材がベローズ１３であるため、付勢部材の構造を簡単にすることができる。このため、簡単な構成で感温部１１を被測定物に確実に接触させることができる。
【００５４】
また、導線が、感温部１１に対して接触面とは反対側で接続されているため、ウェハとの接触の際に、導線がウェハと接触することがない。このため、導線がウェハと接触して測定温度に誤差が生じるのを防ぐことができる。
【００５５】
また、被測定物の接触面とは反対側から感温部１１を支持する支持部１２と、感温部１１を付勢する付勢部材の端面部とにより、感温部１１に対応した部分の一部に空間が形成されるため、当該空間内の空気が支持部１２に空気層を形成することになる。これにより、支持部１２の熱伝導率を低下させ、空気に近い熱伝導率を有する断熱層として機能させることができる。従って、被測定物の熱が支持部１２に流れ出ることを防ぐとともに、付勢部材側からの熱が感温部１１に伝わるのを防止することができ、これにより十分な測定精度を確保できる。
【００５６】
また、被測定物を載置するためのプレート本体４に、前述した本発明の温度センサ１０が設けられているため、被測定物の温度調節中も被測定物の温度をリアルタイムで測定することができる。従って、この温度センサ１０の測定値を用いることで温調装置の制御が正確にでき、これにより被測定物の温度調節を高い精度で行うことができる。
【００５７】
〔１−４〕コントローラの制御構造
次に、図８を参照して、コントローラ３０による温度制御の制御構造について説明する。
図８において、コントローラ３０は、ウェハ５０の温度を制御する制御手段として構成され、コントローラ３０の入力側には、温度センサ１０およびストロークセンサ２０が電気的に接続されている。
【００５８】
一方、コントローラ３０の出力側には、ホットプレート１内に設けられたヒータ３が電気的に接続されている。コントローラ３０は、このヒータ３に流れる電流値をそれぞれ独立に制御することで、ヒータ３による加熱量を制御し、これによりウェハ５０の温度を制御することができる。
【００５９】
そして、コントローラ３０は、載置状態判定手段３１、目標温度記憶手段３２、制御ゲイン記憶手段３３、切換手段３４、および制御指令生成手段３５を備えて構成される。
載置状態判定手段３１は、ストロークセンサ２０の測定値に基づいて、ホットプレート１上のウェハ５０の載置状態を判定する。すなわち、ストロークセンサ２０の測定値から求まるリフトピン６０の上端の位置が、ホットプレート１の支持ピン５の上端位置よりも下側にあれば、ウェハ５０が載置されていると判定し、そうでない場合には、未載置状態にあると判定する。
【００６０】
目標温度記憶手段３２は、制御指令の生成に用いる目標温度Ｔとして、複数の値を記憶している。すなわち、目標温度記憶手段３２は、自然対流への対応に用いられる第１の目標温度Ｔ１と、ウェハ５０の載置中に用いられる第２の目標温度Ｔ２とを記憶している。
第１の目標温度Ｔ１は、自然対流用の影響を回避するために設定され、ウェハ５０が未載置の場合に用いられる。第１の目標温度Ｔ１の値は、ウェハ５０の載置中に用いられる第２の目標温度Ｔ２の値よりも低く、温度センサ１０の自然対流による測定温度の低下の影響を補償する値に設定されている。本補償がない場合には、ウェハ５０が未載置のときに目標温度Ｔは第２の目標温度Ｔ２に設定されたまま、温度センサ１０の測定温度が自然対流の影響により低下することから、ホットプレート１はヒータ３による加熱量を増加させるように制御される。この場合、プレート本体４の温度が目標温度Ｔよりもかなり高くなり、ウェハ５０の載置後にウェハ５０の温度がオーバーシュートしてしまう。一方、第２の目標温度Ｔ２は、実処理中のウェハ５０の目標温度であり、ウェハ５０の載置中に用いられる。
【００６１】
制御ゲイン記憶手段３３は、制御指令の生成に用いる制御ゲインＧとして、複数の値を記憶している。すなわち、制御ゲイン記憶手段３３は、自然対流への対応に用いられる第１の制御ゲインＧ１と、ウェハ５０の載置中に用いられる第２の制御ゲインＧ２および第３の制御ゲインＧ３とを記憶している。
第１の制御ゲインＧ１は、自然対流用の影響を回避するために設定され、ウェハ５０が未載置の場合に用いられる。第１の制御ゲインＧ１の値は、ウェハ５０の実処理中に用いられる第２、第３の制御ゲインＧ２，Ｇ３の値よりも小さく、温度センサ１０の自然対流による測定温度の変動の影響を受けづらい値に設定されている。第２、第３の制御ゲインＧ２，Ｇ３は、ウェハ５０の載置中に用いられ、第２の制御ゲインＧ２の方が第３の制御ゲインＧ３よりも大きな値に設定されている。
【００６２】
切換手段３４は、先ず、載置状態判定手段３１におけるウェハ５０の載置状態の判定結果に応じて、制御ゲイン記憶手段３３の記憶値から制御ゲインＧ１その他のうちのいずれかを選択するとともに、目標温度記憶手段３２の記憶値から第１、第２の目標温度Ｔ１，Ｔ２のうちのいずれかを選択し、制御指令の生成に用いる制御ゲインＧおよび目標温度Ｔとして切り換える。さらに、切換手段３４は、ウェハ５０が載置されていると判定された場合には、温度センサ１０の測定値と制御指令の生成に用いる目標温度Ｔとの温度偏差ｅの値に応じて、制御ゲイン記憶手段３３の記憶値から制御ゲインＧ２，Ｇ３のうちのいずれかを選択し、制御指令の生成に用いる制御ゲインＧとして切り換える。
【００６３】
制御指令生成手段３５は、ヒータ３の制御指令を生成し、ホットプレート１に出力する。具体的に、制御指令生成手段３５は、温度センサ１０の測定値と制御指令の生成に用いる目標温度Ｔとの温度偏差ｅの値を用いて、ＰＩＤ（Proportional Integral Differential）制御を行う。ここでは、載置状態判定手段３１の判定結果に応じて、切換手段３４により選択および切り換えがなされた値が、制御指令の生成に用いる制御ゲインＧとして用いられる。すなわち、制御指令生成手段３５では、制御指令の生成に用いる制御ゲインＧおよび目標温度Ｔが、状況に応じて切り換えられるゲインスケジュールド制御が実施される。
【００６４】
〔１−５〕コントローラの作用
次に、図９に示されるフローチャートに基づき、コントローラ３０の作用について説明する。
先ず、コントローラ３０は、温度センサ１０およびストロークセンサ２０の測定値を読み込む（ステップＳ１）。
【００６５】
次に、載置状態判定手段３１は、ストロークセンサ２０の測定値に基づいて、ホットプレート１上にウェハ５０が載置されているか否かを判定する（ステップＳ２）。
ホットプレート１上にウェハ５０が載置されていないと判定された場合に、切換手段３４は、自然対流への対応に用いられる第１の制御ゲインＧ１および第１の目標温度Ｔ１を選択し、制御指令の生成に用いる制御ゲインＧおよび目標温度Ｔとして切り換える（ステップＳ３）。そして、切換手段３４は、温度センサ１０の測定値と制御指令の生成に用いる目標温度Ｔとの温度偏差ｅを算出する（ステップＳ４）。
【００６６】
一方、ホットプレート１上にウェハ５０が載置されていると判定された場合に、切換手段３４は、ウェハ５０の目標温度である第２の目標温度Ｔ２を選択し、制御指令の生成に用いる目標温度Ｔとして切り換える（ステップＳ５）。その後、切換手段３４は、温度センサ１０の測定値と制御指令の生成に用いる目標温度Ｔとの温度偏差ｅを算出し（ステップＳ６）、この温度偏差ｅの絶対値が所定値より大きいか否か、つまり目標温度Ｔから温度センサ１０の測定値を引いた値の絶対値が所定値より大きいか否かの判定を行う（ステップＳ７）。そして、切換手段３４は、温度偏差ｅの絶対値が所定値より小さい場合には、制御指令の生成に用いる制御ゲインＧとして第２の制御ゲインＧ２に切り換え（ステップＳ８）、大きい場合には、第３の制御ゲインＧ３に切り換える（ステップＳ９）。
【００６７】
そして、制御指令生成手段３５は、切換手段３４により切り換えがなされた制御ゲインＧと、温度偏差ｅの値とを用いたＰＩＤ制御により、ホットプレート１に対する制御指令を生成し、ホットプレート１に出力する（ステップＳ１０）。
【００６８】
〔第２実施形態〕
次に、図１０に基づき、本発明の第２実施形態について説明する。
前述の第１実施形態では、温度センサ１０の支持部１２は、ベローズ１３の上面部１３１に直接取り付けられていた。
これに対し、第２実施形態では、支持部１２は、アダプタ１６を介してベローズ１３の上面部１３１に取り付けられている点が相違する。
【００６９】
具体的に、本実施形態の温度センサ１０は、図１０に示すように、感温部１１、支持部１２、ベローズ１３、およびアダプタ１６を備えて構成される。このうちのベローズ１３およびアダプタ１６により本実施形態の付勢部材が構成され、ベローズ１３の上面部１３１およびアダプタ１６により付勢部材の端面部が構成される。
【００７０】
アダプタ１６はセラミックス製であり、ベローズ１３の上面部１３１に取り付けられている。アダプタ１６の中央近傍には、図示しない空気孔が形成され、アダプタ１６における支持部１２の貫通孔１２２Ｂに対応する位置には、孔１６１が形成されている。すなわち、感温部１１の穴１１２Ｃ、支持部１２の各貫通孔１２１Ａ，１２２Ｂ、およびアダプタ１６の孔１６１は、それぞれ略一直線上に設けられている。そして、感温部１１から各貫通孔１２１Ａ，１２２Ｂを通ってベローズ１３側に引き出されたワイヤ１４は、孔１６１およびベローズ１３の内部を通って外部に導かれている。
【００７１】
このような構成の温度センサ１０では、支持部１２およびアダプタ１６によって、感温部１１に対応した部分の一部に空間Ｓが形成される。
なお、温度変化に伴って空間Ｓ内の空気が膨張した場合には、アダプタ１６に形成された空気孔を介して空間Ｓ内から空気が放出され、収縮した場合には、空気孔を介して空間Ｓ内に空気が導入される。
【００７２】
〔第３実施形態〕
次に、図１１に基づき、本発明の第３実施形態について説明する。
前述の第１および第２実施形態では、温度センサ１０において、感温部１１の穴１１２Ｃ、支持部１２の各貫通孔１２１Ａ，１２２Ｂ、およびアダプタ１６の孔１６１は、それぞれ略一直線上に設けられ、感温部１１の白金パターン１１２Ｂにボンディングされたワイヤ１４は、各貫通孔１２１Ａ，１２２Ｂおよび孔１６１を通って、ベローズ１３側に引き出されていた。
これに対し、第３実施形態では、感温部１１の白金パターン１１２Ｂからベローズ１３に向けて貫通電極１７が形成されるとともに、この貫通電極１７がアダプタ電極１６２によりベローズ１３の中央側に向けて延設されている点が相違する。
【００７３】
具体的に、本実施形態の温度センサ１０において、貫通電極１７は、図１１に示すように、感温部１１の白金パターン１１２Ｂから支持部１２の各貫通孔１２１Ａ，１２２Ｂを通り、アダプタ１６に向けて形成されている。アダプタ１６には孔１６１が形成され、孔１６１内にアダプタ電極１６２が設けられている。貫通電極１７は、アダプタ電極１６２によってアダプタ１６の面内方向に沿って延設され、アダプタ１６の中央寄りの位置でベローズ１３側に露出している。アダプタ電極１６２のベローズ１３側の露出部分には、ワイヤ１４がボンディングされ、ワイヤ１４は、ベローズ１３の内部を通って外部に導かれている。なお、貫通電極１７、アダプタ電極１６２、およびワイヤ１４により、本実施形態の導線が構成される。
【００７４】
このような構成の温度センサ１０においても、第２実施形態と同様に、支持部１２およびアダプタ１６によって仕切られた空間Ｓが形成され、感温部１１およびベローズ１３間が良好に断熱されるようになる。
また、温度センサ１０において、貫通電極１７は、支持部１２の４隅の位置から、アダプタ電極１６２によってアダプタ１６の中央寄りの位置まで延設されてベローズ１３側に露出しているため、アダプタ電極１６２の露出部分に接続されたワイヤ１４が、ベローズ１３の内壁と干渉するのを防止できる。
【００７５】
〔第４実施形態〕
次に、図１２〜図１４に基づき、本発明の第４実施形態について説明する。
前述の第１実施形態では、載置状態判定手段３１の判定結果に応じて、切換手段３４は、制御指令の生成に用いる制御ゲインＧおよび目標温度Ｔを切り換えていた。
【００７６】
これに対し、第４実施形態では、ホットプレート１内に第２の温度センサ４０が設けられ、切換判定手段が、制御指令の生成に用いる温度測定値を、プレート本体４の表面に設けられた第１の温度センサ１０の測定値およびホットプレート１内に設けられた第２の温度センサ４０の測定値間で切り換える点が異なる。なお、第１の温度センサ１０は、第１実施形態においてプレート本体４に取り付けられた温度センサと同じものである。
【００７７】
第２の温度センサ４０は、図１２に示すように、ホットプレート１のプレート本体４内に埋め込まれている。このため、第２の温度センサ４０は、チャンバ内の気体に直接触れることがなく、ウェハ５０が未載置の状態であっても、プレート上に発生する自然対流の影響を受けることがない。従って、第２の温度センサ４０は、ウェハ５０の温度ではなくプレート本体４の温度ではあるが、安定した測定信号を出力することになる。
【００７８】
コントローラ３０は、図１３に示すように、第１実施形態の場合の制御構造と比べた場合に、一部手段における入出力信号の構成が異なった制御構造となっている。これは、主に切換手段３４の機能が異なること、およびプレート本体４の表面に設けられた第１の温度センサ１０とは別に第２の温度センサ４０がホットプレート１内に設けられたことによるものであり、これに伴って、コントローラ３０の入力側には、第２の温度センサ４０が電気的に接続されている。なお、本実施形態では、制御を簡素化するために、制御ゲイン記憶手段３３に制御ゲインＧ４が１つだけ記憶され、制御指令生成手段３５が、該制御ゲインＧ４を制御指令の生成に用いる制御ゲインＧとして、制御ゲイン記憶手段３３から直接取得するように構成されている。
【００７９】
このようなコントローラ３０の制御構造において、切換手段３４は、載置状態判定手段３１の判定結果に応じて、温度センサ１０，４０のうちのいずれかを選択し、その測定値を、制御指令の生成に用いる温度測定値として切り換える。すなわち、切換手段３４は、温度センサ１０，４０のうちのいずれか選択された方の測定値を用いて、温度偏差ｅの値を算出する。
【００８０】
次に、図１４に示されるフローチャートに基づき、本実施形態のコントローラ３０の作用について説明する。
先ず、コントローラ３０が、第１の温度センサ１０、ストロークセンサ２０、および第２の温度センサ４０の測定値を読み込んだ後（ステップＳ１１）、載置状態判定手段３１は、ストロークセンサ２０の測定値に基づいて、ホットプレート１上にウェハ５０が載置されているか否かを判定する（ステップＳ１２）。
【００８１】
載置状態判定手段３１により、ホットプレート１上にウェハ５０が載置されていないと判定された場合に、切換手段３４は、制御指令の生成に用いる温度測定値を、第２の温度センサ４０の測定値に切り換える。つまり、切換手段３４は、第２の温度センサ４０の測定値を用いて、温度偏差ｅの値を算出する（ステップＳ１３）。
一方、ホットプレート１上にウェハ５０が載置されていると判定された場合に、切換手段３４は、制御指令の生成に用いる温度測定値を第１の温度センサ１０の測定値に切り換え、この値を用いて温度偏差ｅの値を算出する（ステップＳ１４）。
【００８２】
そして、制御指令生成手段３５は、制御ゲイン記憶手段３３に記憶されている制御ゲインＧ４を、制御指令の生成に用いる制御ゲインＧとして制御ゲイン記憶手段３３から取得し、温度偏差ｅの値を用いたＰＩＤ制御により、ホットプレート１に対する制御指令の生成および出力を行う（ステップＳ１５）。
【００８３】
〔第５実施形態〕
次に、図１５に基づき、本発明の第５実施形態について説明する。
前述の第１実施形態では、リフトピン６０のストローク量を測定するストロークセンサ２０が設けられ、載置状態判定手段３１が、ストロークセンサ２０の測定値に基づいてウェハ５０の載置状態を判定していた。すなわち、ストロークセンサ２０の測定値に基づいてウェハ５０の載置状態が判定され、この判定結果に基づき、制御指令の生成に用いる制御ゲインＧが切り換えられていた。
【００８４】
これに対し、第５実施形態では、図１３に示すように、載置状態判定手段３１が、温度センサ１０の測定値と前回の目標温度Ｔとの偏差の値に基づいてウェハ５０の載置状態を判定する点が異なる。つまり、この偏差の値に基づいてウェハ５０の載置状態が判定され、この判定結果に基づき、制御指令の生成に用いる制御ゲインＧおよび目標温度Ｔが切り換えられる。従って、ストロークセンサ２０は設けられておらず、コントローラ３０の入力側への電気的な接続もされていない。
【００８５】
具体的に、載置状態判定手段３１は、ウェハ５０を載置したときに顕著に見受けられる、温度センサ１０の測定値と前回の目標温度Ｔとの偏差の値の変化、すなわち、加熱前で温度の低いウェハ５０との接触による温度センサ１０の測定値の低下を監視することで、ウェハ５０の載置状態を判定する。
【００８６】
なお、このような制御構造におけるコントローラ３０の作用は、ウェハ５０の載置状態の判定が、ストロークセンサ２０の測定値に基づいてではなく、温度センサ１０の測定値と前回の目標温度Ｔとの偏差の値に基づいて行われる点が第１実施形態の場合と較べて異なるが、それ以降は同じであるため、ここでの説明を省略する。
【００８７】
〔実施形態の変形〕
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
前記各実施形態では、支持部１２およびベローズ１３やアダプタ１６は別部材で形成されていたがこれに限られず、例えば、発泡樹脂等により、１つの材料で一体形成されていてもよい。
【００８８】
前記各実施形態では、支持部１２は主にポリイミド樹脂やエポキシ樹脂で形成されていたがこれに限られず、同等以下の熱伝導率を有するものであれば、例えば、ピーク材やテフロン（登録商標）等の他の材料であってもよい。
また、樹脂に限られず、ガラスにより形成されものであってもよい。この場合には、例えば、支持部１２の断熱部１２２を貫通孔１２２Ｂの周辺部分のみ残した複数の柱状とすることで、支持部１２の熱伝導を小さくし、支持部１２を樹脂で形成した場合の熱伝導と同等にすることができる。
【００８９】
前記各実施形態では、支持部１２の補強部１２１および断熱部１２２は、異なった材料で形成されていたがこれに限られず、１つの材料で形成されていてもよい。また、表面部１１１およびパターン形成部１１２の強度が高ければ、補強部１２１は必ずしも必要ではない。要は、支持部１２が空間Ｓを有しており、熱伝導率の低い材料で形成されていれば、本発明の支持部を構成するものである。
【００９０】
前記第２および第３実施形態では、支持部１２は、アダプタ１６を介してベローズ１３の上面部１３１に取り付けられ、支持部１２およびアダプタ１６により空間Ｓが形成されていたがこれに限られず、例えば、貫通孔１３２を形成せずにベローズ１３の伸縮方向の端部を上面部で塞いだ形状とし、このような上面部および支持部１２によって空間Ｓを形成するようにしてもよい。
【００９１】
前記各実施形態では、温度センサ１０が支持ピン５とは別にホットプレート１に取り付けられていたがこれに限られず、例えば支持ピン５の内部に温度センサ１０を設けたり、支持ピン５を設けずに、支持ピン５の機能を温度センサ１０に兼用させたりしてもよい。
【００９２】
前記第１および第４実施形態では、ストロークセンサ２０の測定値に基づいて、また、前記第５実施形態では、温度センサ１０の測定値と前回の目標温度Ｔとの偏差の値に基づいてウェハ５０の載置状態が判定されていたが、これに限られない、要は、ウェハ５０の載置状態が判定できればよく、例えば、ストロークセンサ２０のかわりリフトピン６０の下方にスイッチを設け、リフトピン６０の下端がこのスイッチに接触したのを検出することで、ウェハ５０の載置状態を判定するようにしてもよい。
【００９３】
前記第４実施形態では、制御ゲイン記憶手段３３に制御ゲインＧ４が１つ記憶され、制御指令生成手段３５が、当該制御ゲインＧ４を制御指令の生成に用いる制御ゲインＧとして、制御ゲイン記憶手段３３から取得するように構成されていたがこれに限られず、第１実施形態のように、制御ゲイン記憶手段３３に制御ゲインＧ２，Ｇ３を記憶させておき、切換手段３４がいずれかの値を選択して、制御指令の生成に用いる制御ゲインＧとして切り換えるようにしてもよい。なお、この場合には、自然対流への対応に用いられる第１の制御ゲインＧ１を特に設定しておく必要はなく、例えば、制御ゲインＧ３を用いれば足りる。
【００９４】
前記各実施形態では、ヒータ３およびプレート本体４によってホットプレート１の加熱部４Ａが構成されていたがこれに限られず、例えば、プレート本体４を用いずにヒータ３のみで加熱部４Ａを構成し、ウェハ５０をヒータ３により直接加熱するようにしてもよい。
前記各実施形態では、ホットプレート１に温度センサ１０が取り付けられていたがこれに限られず、例えばフォトリソグラフィで用いられるクーリングプレートや、エッチング工程で用いられるサセプタなど、他の温調用のプレートに用いられてもよい。
その他、本発明の具体的な構造および形状等は、本発明の目的を達成できる範囲で他の構造等としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
本発明は、半導体の製造プロセスで用いられるホットプレートやクーリングプレート等の温調装置に利用することができるとともに、このような温調装置を用いてウェハの温度を制御する、半導体のあらゆる製造プロセスに利用することができる。
【符号の説明】
【００９６】
１…ホットプレート（温調装置）、１０…温度センサ、第１の温度センサ、１１…感温部、１２…支持部、１３…ベローズ（付勢部材）、１４…ワイヤ（導線）、３０…コントローラ、３１…載置状態判定手段、３４…切換手段、３５…制御指令生成手段、４０…第２の温度センサ、５０…ウェハ（被測定物、温度制御対象物）、１００…温度制御装置、１１１Ａ…ウェハ接触面（接触面）、Ｇ…制御ゲイン、Ｓ…空間、Ｔ…目標温度。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度制御対象物の温度を制御する温度制御装置であって、
載置された前記温度制御対象物の温度を調節する温調装置と、
前記温調装置上に載置された前記温度制御対象物と接触して温度を測定する温度センサと、
前記温調装置による加熱量または冷却量を制御するコントローラとを備え、
前記コントローラは、
前記温調装置上の前記温度制御対象物の載置状態を判定する載置状態判定手段と、
前記載置状態判定手段の判定結果に応じて、前記温調装置の制御指令の生成に用いる制御ゲインおよび目標温度を切り換える切換手段と、
前記制御ゲイン、前記目標温度、および前記温度センサの測定値に基づいて、前記制御指令を生成する制御指令生成手段とを備えている
ことを特徴とする温度制御装置。
【請求項２】
温度制御対象物の温度を制御する温度制御装置であって、
載置された前記温度制御対象物の温度を調節する温調装置と、
前記温調装置上に載置された前記温度制御対象物と接触して温度を測定する第１の温度センサと、
前記温調装置の温度を測定する第２の温度センサと、
前記温調装置による加熱量または冷却量を制御するコントローラとを備え、
前記コントローラは、
前記温調装置上の前記温度制御対象物の載置状態を判定する載置状態判定手段と、
前記載置状態判定手段の判定結果に応じて、前記温調装置の制御指令の生成に用いる温度測定値を前記第１の温度センサの測定値および前記第２の温度センサの測定値間で切り換える切換手段とを備えている
ことを特徴とする温度制御装置。
【請求項３】
温度制御対象物の温度を制御する温度制御装置であって、
載置された前記温度制御対象物の温度を調節する温調装置と、
前記温調装置上に載置された前記温度制御対象物と接触して温度を測定する第１の温度センサと、
前記温調装置の温度を測定する第２の温度センサと、
前記温調装置による加熱量または冷却量を制御するコントローラとを備え、
前記コントローラは、
前記温調装置上の前記温度制御対象物の載置状態を判定する載置状態判定手段と、
前記載置状態判定手段の判定結果に応じて、前記温調装置の制御指令の生成に用いる温度測定値を前記第１の温度センサの測定値および前記第２の温度センサの測定値間で切り換え、また、前記制御指令の生成に用いる制御ゲインおよび目標温度を切り換える切換手段と、
前記温度測定値、前記制御ゲイン、および前記目標温度に基づいて、前記制御指令を生成する制御指令生成手段とを備えている
ことを特徴とする温度制御装置。
【請求項４】
載置された前記温度制御対象物の温度を調節する温調装置と、前記温調装置上に載置された前記温度制御対象物と接触して温度を測定する温度センサとを用いた前記温度制御対象物の温度制御方法であって、
前記温度センサの測定値を取得するステップと、
前記温調装置上の前記温度制御対象物の載置状態を判定するステップと、
前記温度制御対象物の載置状態の判定結果に応じて、前記温調装置の制御指令の生成に用いる制御ゲインおよび目標温度を切り換えるステップと、
前記制御ゲイン、前記目標温度、および前記温度センサの測定値に基づいて、前記制御指令を生成するステップとを備えている
ことを特徴とする温度制御方法。
【請求項５】
載置された前記温度制御対象物の温度を調節する温調装置と、前記温調装置上に載置された前記温度制御対象物と接触して温度を測定する第１の温度センサと、前記温調装置の温度を測定する第２の温度センサとを用いた前記温度制御対象物の温度制御方法であって、
前記第１の温度センサおよび前記第２の温度センサの測定値を取得するステップと、
前記温調装置上の前記温度制御対象物の載置状態を判定するステップと、
前記温度制御対象物の載置状態の判定結果に応じて、前記温調装置の制御指令の生成に用いる温度測定値を前記第１の温度センサの測定値および前記第２の温度センサの測定値間で切り換えるステップと、
前記温度測定値、制御ゲイン、および目標温度に基づいて、前記制御指令を生成するステップとを備えている
ことを特徴とする温度制御方法。
【請求項６】
載置された前記温度制御対象物の温度を調節する温調装置と、前記温調装置上に載置された前記温度制御対象物と接触して温度を測定する第１の温度センサと、前記温調装置の温度を測定する第２の温度センサとを用いた前記温度制御対象物の温度制御方法であって、
前記第１の温度センサおよび前記第２の温度センサの測定値を取得するステップと、
前記温調装置上の前記温度制御対象物の載置状態を判定するステップと、
前記温度制御対象物の載置状態の判定結果に応じて、前記温調装置の制御指令の生成に用いる温度測定値を前記第１の温度センサの測定値および前記第２の温度センサの測定値間で切り換え、また、前記制御指令の生成に用いる制御ゲインおよび目標温度を切り換えるステップと、
前記温度測定値、前記制御ゲイン、および前記目標温度に基づいて、前記制御指令を生成するステップとを備えている
ことを特徴とする温度制御方法。
【請求項１】
温度制御対象物の温度を制御する温度制御装置であって、
載置された前記温度制御対象物の温度を調節する温調装置と、
前記温調装置上に載置された前記温度制御対象物と接触して温度を測定する温度センサと、
前記温調装置による加熱量または冷却量を制御するコントローラとを備え、
前記コントローラは、
前記温調装置上の前記温度制御対象物の載置状態を判定する載置状態判定手段と、
前記載置状態判定手段の判定結果に応じて、前記温調装置の制御指令の生成に用いる制御ゲインおよび目標温度を切り換える切換手段と、
前記制御ゲイン、前記目標温度、および前記温度センサの測定値に基づいて、前記制御指令を生成する制御指令生成手段とを備えている
ことを特徴とする温度制御装置。
【請求項２】
温度制御対象物の温度を制御する温度制御装置であって、
載置された前記温度制御対象物の温度を調節する温調装置と、
前記温調装置上に載置された前記温度制御対象物と接触して温度を測定する第１の温度センサと、
前記温調装置の温度を測定する第２の温度センサと、
前記温調装置による加熱量または冷却量を制御するコントローラとを備え、
前記コントローラは、
前記温調装置上の前記温度制御対象物の載置状態を判定する載置状態判定手段と、
前記載置状態判定手段の判定結果に応じて、前記温調装置の制御指令の生成に用いる温度測定値を前記第１の温度センサの測定値および前記第２の温度センサの測定値間で切り換える切換手段とを備えている
ことを特徴とする温度制御装置。
【請求項３】
温度制御対象物の温度を制御する温度制御装置であって、
載置された前記温度制御対象物の温度を調節する温調装置と、
前記温調装置上に載置された前記温度制御対象物と接触して温度を測定する第１の温度センサと、
前記温調装置の温度を測定する第２の温度センサと、
前記温調装置による加熱量または冷却量を制御するコントローラとを備え、
前記コントローラは、
前記温調装置上の前記温度制御対象物の載置状態を判定する載置状態判定手段と、
前記載置状態判定手段の判定結果に応じて、前記温調装置の制御指令の生成に用いる温度測定値を前記第１の温度センサの測定値および前記第２の温度センサの測定値間で切り換え、また、前記制御指令の生成に用いる制御ゲインおよび目標温度を切り換える切換手段と、
前記温度測定値、前記制御ゲイン、および前記目標温度に基づいて、前記制御指令を生成する制御指令生成手段とを備えている
ことを特徴とする温度制御装置。
【請求項４】
載置された前記温度制御対象物の温度を調節する温調装置と、前記温調装置上に載置された前記温度制御対象物と接触して温度を測定する温度センサとを用いた前記温度制御対象物の温度制御方法であって、
前記温度センサの測定値を取得するステップと、
前記温調装置上の前記温度制御対象物の載置状態を判定するステップと、
前記温度制御対象物の載置状態の判定結果に応じて、前記温調装置の制御指令の生成に用いる制御ゲインおよび目標温度を切り換えるステップと、
前記制御ゲイン、前記目標温度、および前記温度センサの測定値に基づいて、前記制御指令を生成するステップとを備えている
ことを特徴とする温度制御方法。
【請求項５】
載置された前記温度制御対象物の温度を調節する温調装置と、前記温調装置上に載置された前記温度制御対象物と接触して温度を測定する第１の温度センサと、前記温調装置の温度を測定する第２の温度センサとを用いた前記温度制御対象物の温度制御方法であって、
前記第１の温度センサおよび前記第２の温度センサの測定値を取得するステップと、
前記温調装置上の前記温度制御対象物の載置状態を判定するステップと、
前記温度制御対象物の載置状態の判定結果に応じて、前記温調装置の制御指令の生成に用いる温度測定値を前記第１の温度センサの測定値および前記第２の温度センサの測定値間で切り換えるステップと、
前記温度測定値、制御ゲイン、および目標温度に基づいて、前記制御指令を生成するステップとを備えている
ことを特徴とする温度制御方法。
【請求項６】
載置された前記温度制御対象物の温度を調節する温調装置と、前記温調装置上に載置された前記温度制御対象物と接触して温度を測定する第１の温度センサと、前記温調装置の温度を測定する第２の温度センサとを用いた前記温度制御対象物の温度制御方法であって、
前記第１の温度センサおよび前記第２の温度センサの測定値を取得するステップと、
前記温調装置上の前記温度制御対象物の載置状態を判定するステップと、
前記温度制御対象物の載置状態の判定結果に応じて、前記温調装置の制御指令の生成に用いる温度測定値を前記第１の温度センサの測定値および前記第２の温度センサの測定値間で切り換え、また、前記制御指令の生成に用いる制御ゲインおよび目標温度を切り換えるステップと、
前記温度測定値、前記制御ゲイン、および前記目標温度に基づいて、前記制御指令を生成するステップとを備えている
ことを特徴とする温度制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１２−１８１８７０（Ｐ２０１２−１８１８７０Ａ）
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１２０２６２（Ｐ２０１２−１２０２６２）
【出願日】平成２４年５月２５日（２０１２．５．２５）
【分割の表示】特願２００７−１７２９６４（Ｐ２００７−１７２９６４）の分割
【原出願日】平成１９年６月２９日（２００７．６．２９）
【出願人】（０００００１２３６）株式会社小松製作所 (1,686)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年５月２５日（２０１２．５．２５）
【分割の表示】特願２００７−１７２９６４（Ｐ２００７−１７２９６４）の分割
【原出願日】平成１９年６月２９日（２００７．６．２９）
【出願人】（０００００１２３６）株式会社小松製作所 (1,686)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]