(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ランタン、ガリウム、及び、アルミニウムのすべての元素を含み、さらに、タンタル、及び／又は、ニオブを含むランガサイト構造を有する酸化物結晶からなる圧電振動子とコイルとからなる共振回路を備え、前記共振回路の共振周波数が温度変化に応じて変化することを利用する温度センサであって、
容器が容器本体と蓋とからなり、前記圧電振動子が前記容器本体に固定され、前記コイルが前記蓋に固定された構造であり、
前記圧電振動子を構成する振動板が、外側板と、内側板と、前記外側板と前記内側板を接続する支持部とからなり、前記外側板と前記内側板が、前記内側板の周囲に形成された前記振動板を貫通する溝により、前記支持部を除き、隔てられ、
前記圧電振動子と前記コイル、及び、前記圧電振動子と前記コイルを電気的に接続する導電性部材が、容器の内部に気密封止され、前記外側板を介して前記圧電振動子が前記容器に固定されていることを特徴とする温度センサ。
【請求項２】
前記圧電振動子と前記コイル、及び、前記圧電振動子と前記コイルを電気的に接続する導電性部材が、前記容器、及び、前記容器の外側に設けられた石英管の内部に気密封止され、前記圧電振動子が容器の内部に配置され、前記コイルが前記石英管の内部に配置された構造であることを特徴とする請求項１記載の温度センサ。
【請求項３】
前記容器の内壁部における前記コイルを除く部分の一部又は全部を、白金、イリジウム、ロジウム、及び、パラジウムからなる元素群の中から選択された1種類の元素からなる単体金属、又は、2種類以上の元素からなる合金によりコーティングした構造であることを特徴とする請求項１又は２記載の温度センサ。
【請求項４】
前記容器が、容器本体と蓋とからなり、前記容器本体と前記蓋がシリコン単結晶からなり、前記容器本体と前記蓋を接合する接合部にシリコンゲルマニウム合金からなる薄膜が形成された請求項１乃至３のいずれか1項記載の温度センサ。
【請求項５】
前記容器本体と前記蓋の間にゲルマニウムからなる薄膜を挟着して加熱することにより、前記容器本体と前記蓋を構成するシリコン単結晶と前記薄膜を構成するゲルマニウムを反応させ、前記容器本体と前記蓋の間にシリコンゲルマニウム合金からなる薄膜を形成することにより気密封止を行うことを特徴とする請求項４記載の温度センサ。
【請求項６】
前記圧電振動子と前記コイルを封入する容器が、容器本体と蓋とからなり、前記容器本体と前記蓋が石英からなり、前記容器本体と前記蓋を構成する石英を加熱融合することにより気密封止を行う請求項１乃至３のいずれか1項記載の温度センサ。
【請求項７】
前記電極、前記コイル、及び、前記導電性部材の材料が、白金、イリジウム、ロジウム、及び、パラジウムからなる元素群の中から選択された1種類の元素からなる単体金属、又は、2種類以上の元素からなる合金であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか1項記載の温度センサ。
【請求項８】
前記容器の内部の雰囲気が、真空、又は、不活性ガスであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか1項記載の温度センサ。
【請求項９】
測定対象物に接触し、温度測定装置と非接触となるように配置され、前記温度測定装置から送信される電磁波を受信し、前記電磁波に対する反射波を前記温度測定装置に送り返し、前記反射波の変化を検出することにより前記測定対象物の温度を測定する請求項１乃至８のいずれか1項記載の温度センサ。
【請求項１０】
測定対象物がウェハであり、測定対象ウェハ、又は、測定専用ウェハに埋め込まれたことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか1項記載の温度センサ。
【請求項１１】
前記測定対象ウェハ、又は、前記測定専用ウェハに、アンテナを埋め込んだウェハを接触させて温度を測定することを特徴とする請求項１０記載の温度センサ。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれか1項記載の温度センサと、該温度センサに対し無線で高周波信号を送信／受信して、該信号である周波数の変化を分析することにより測定温度を求める送受信装置とからなる温度測定システム。
【請求項１３】
請求項１２記載の温度測定システムを用いて測定対象物の温度を測定する温度測定方法。
【請求項１４】
請求項１２記載の温度測定システムを用いてウェハの温度制御及び／又は温度管理を行う
半導体装置の製造装置。
【請求項１５】
請求項１２記載の温度測定システムを用いてウェハの温度制御及び／又は温度管理を行う
半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度測定センサに関し、特に、極低温から1300℃程度の高温までの広い温度範囲を一つの素子で測定可能な温度測定センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
【特許文献１】特開2007-171047号公報
【特許文献２】特開2000-223993号公報
【特許文献３】WO/2006/106875
【０００３】
（ウェハ温度の測定方法）
半導体プロセスにおけるウェハ温度の測定手段としては、熱電対や放射温度計が広く用いられている。図１２は、拡散や酸化工程に用いられる電気炉の断面図である。電気炉の本体である石英管１０１内のボート１０２上に複数のウェハ１０３を配列し、ヒータにより石英管１０１を加熱する。石英管１０１に挿入された熱電対１０４により石英管１０１内部の温度を測定し加熱温度を制御する。
熱電対は、接触させた異なる金属材料間に発生する熱起電力が温度依存性を持つことを利用して温度を測定するセンサである。素子間の特性のばらつきが少なく、熱起電力が安定で寿命が長いという利点があるが、測定可能な温度範囲が狭いという欠点がある。そのため、測定温度範囲によって熱電対を使い分けたり、広範囲の温度測定には複数種類の熱電対を使用する必要がある。また、図１２に示すように、熱電対は、石英管１０１の外部に配置された電圧測定装置１０６とリード線１０５による有線の接続が必要であり、複数のウェハに熱電対を接触させて温度を測定することが困難である。そのため、ウェハ間、ウェハ内での温度のばらつきを測定することができず、拡散温度や酸化温度の精密制御ができないという問題がある。
一方、放射温度計は、有線による測定装置との接続は不要であるが、熱電対と同様にウェハと非接触で測定するために正確な温度測定ができない。また、ウェハ間、ウェハ内での温度のばらつきを測定することができないという問題がある。
特許文献１には、ウェハを複数の領域に区分し、区分された各領域に表面弾性波素子を備えた温度センサを配置し、外部の通信装置と表面弾性波素子との無線通信によりウェハの温度測定を行う温度センサが開示されている。特許文献１に開示された温度センサは、表面弾性波素子として、La3Ga5SiO14（ランガサイト）単結晶からなる振動板（圧電基板）を用い、その圧電特性の温度変化を利用して温度測定を行うものである。しかし、ランガサイトは、高温でCI値が変動し圧電特性が不安定になるため、測定可能な最高温度は1000℃程度である。そのため、半導体プロセスの中でも精密な温度制御が必要となる拡散や酸化など1000℃〜1300℃の高温工程で温度測定ができないという問題がある。
また、特許文献１に開示された表面弾性波素子は振動板の一方の面に対となる2枚の櫛型電極を配置した構造であるため、振動板の面積を小さくすることができず、温度センサの小型化が困難である。さらに、振動板の他に、整合回路とアンテナを備えているが、整合回路の耐熱性にも制限されて、高温領域での温度測定ができないという問題がある。実際に、特許文献１に記載された温度センサを使用するプロセスは、フォトリソグラフィー工程におけるプリベーキングやポストベーキングなど100℃〜200℃の比較的低い温度のプロセスであり、拡散や酸化工程のような高温プロセスではない。
【０００４】
（振動板の固定方法）
発振回路やセンサに用いる表面弾性波素子は、振動板に対しパーティクルの付着や振動板材料の変質により振動特性が変化しないように、一般に、振動板を容器に気密封止して使用する。振動板を容器に固定する従来の方法について、図１３(a)、(b)に断面図を示す表面弾性波素子の構造を用い説明する。図１３(a)に示す構造は、振動板１１３が容器本体１１１に対して、振動板の両端（接続部１１５と接続部１１６）において容器に固定されている。また、特許文献２に開示された圧電振動子は、図１３(b)に示すように、振動板１２３が容器本体１２１に対して、振動板の一端（接続部１２５）において容器に固定されている。振動板と容器の接着方法として、特許文献２では半田による接着が記載されており、他にも、金属バネや導電性接着剤で固定する方法が知られている。しかし、1000〜1300℃の高温領域で使用するためには、金属バネは高温での保持力が低下する問題があり、半田や導電性接着材は耐熱性に欠けるという問題がある。また、振動板を振動板と異なる材料の容器に振動板の一端又は両端において固定する構造では、振動板と容器の熱膨張率の差によって振動板に熱応力が発生するために、振動周波数が変動し、正確な温度の測定ができなくなる問題がある。導電性接着材を用いる場合は、熱応力が接着条件にも依存してくるので、正確な温度測定がより困難になる。
【０００５】
（容器、導電性部材の材料）
圧電振動子を用いた温度センサの容器は、一般に、金属ハーメティックやセラミックスが用いられている。しかし、金属ハーメティックは高温で軟化するなど耐熱性に問題があり、セラミックスは気孔を数％有するために外気遮断性に欠け、外気の条件によって結晶材料が変質する可能性がある。
また、圧電振動子に取り付ける電極やリード線、端子などの導電性部材として金や銀を用いる場合、金の融点が1064℃、銀の融点が961℃であるため、1100〜1300℃の高温領域では使用できないという問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、1000℃〜1300℃の高温領域でも高精度の温度測定が可能で、測定対象物に取り付け、測定装置に無線で測定データを送信することが可能で、さらに、極低温、高温、真空、高圧などの過酷な環境下でも使用可能な温度センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明（１）は、ランタン、ガリウム、及び、アルミニウムのすべての元素を含み、さらに、タンタル、及び／又は、ニオブを含むランガサイト構造を有する酸化物結晶からなる圧電振動子とコイルとからなる共振回路を備え、前記共振回路の共振周波数が温度変化に応じて変化することを利用する温度センサであって、
容器が容器本体と蓋とからなり、前記圧電振動子が前記容器本体に固定され、前記コイルが前記蓋に固定された構造であり、
前記圧電振動子を構成する振動板が、外側板と、内側板と、前記外側板と前記内側板を接続する支持部とからなり、前記外側板と前記内側板が、前記内側板の周囲に形成された前記振動板を貫通する溝により、前記支持部を除き、隔てられ、
前記圧電振動子と前記コイル、及び、前記圧電振動子と前記コイルを電気的に接続する導電性部材が、容器の内部に気密封止され、前記外側板を介して前記圧電振動子が前記容器に固定されていることを特徴とする温度センサである。
本発明（２）は、前記圧電振動子と前記コイル、及び、前記圧電振動子と前記コイルを電気的に接続する導電性部材が、前記容器、及び、前記容器の外側に設けられた石英管の内部に気密封止され、前記圧電振動子が容器の内部に配置され、前記コイルが前記石英管の内部に配置された構造であることを特徴とする請求項１記載の温度センサである。
本発明（３）は、前記容器の内壁部における前記コイルを除く部分の一部又は全部を、白金、イリジウム、ロジウム、及び、パラジウムからなる元素群の中から選択された1種類の元素からなる単体金属、又は、2種類以上の元素からなる合金によりコーティングした構造であることを特徴とする請求項１又は２記載の温度センサである。
本発明（４）は、前記容器が、容器本体と蓋とからなり、前記容器本体と前記蓋がシリコン単結晶からなり、前記容器本体と前記蓋を接合する接合部にシリコンゲルマニウム合金からなる薄膜が形成された請求項１乃至３のいずれか1項記載の温度センサである。
本発明（５）は、前記容器本体と前記蓋の間にゲルマニウムからなる薄膜を挟着して加熱することにより、前記容器本体と前記蓋を構成するシリコン単結晶と前記薄膜を構成するゲルマニウムを反応させ、前記容器本体と前記蓋の間にシリコンゲルマニウム合金からなる薄膜を形成することにより気密封止を行うことを特徴とする請求項４記載の温度センサである。
本発明（６）は、前記圧電振動子と前記コイルを封入する容器が、容器本体と蓋とからなり、前記容器本体と前記蓋が石英からなり、前記容器本体と前記蓋を構成する石英を加熱融合することにより気密封止を行う請求項１乃至３のいずれか1項記載の温度センサである。
本発明（７）は、前記電極、前記コイル、及び、前記導電性部材の材料が、白金、イリジウム、ロジウム、及び、パラジウムからなる元素群の中から選択された1種類の元素からなる単体金属、又は、2種類以上の元素からなる合金であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか1項記載の温度センサである。
本発明（８）は、前記容器の内部の雰囲気が、真空、又は、不活性ガスであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか1項記載の温度センサである。
本発明（９）は、測定対象物に接触し、温度測定装置と非接触となるように配置され、前記温度測定装置から送信される電磁波を受信し、前記電磁波に対する反射波を前記温度測定装置に送り返し、前記反射波の変化を検出することにより前記測定対象物の温度を測定する請求項１乃至８のいずれか1項記載の温度センサである。
本発明（１０）は、測定対象物がウェハであり、測定対象ウェハ、又は、測定専用ウェハに埋め込まれたことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか1項記載の温度センサである。
本発明（１１）は、前記測定対象ウェハ、又は、前記測定専用ウェハに、アンテナを埋め込んだウェハを接触させて温度を測定することを特徴とする請求項１０記載の温度センサである。
本発明（１２）は、請求項１乃至１１のいずれか1項記載の温度センサと、該温度センサに対し無線で高周波信号を送信／受信して、該信号である周波数の変化を分析することにより測定温度を求める送受信装置とからなる温度測定システムである。
本発明（１３）は、請求項１２記載の温度測定システムを用いて測定対象物の温度を測定する温度測定方法である。
本発明（１４）は、請求項１２記載の温度測定システムを用いてウェハの温度制御及び／又は温度管理を行う半導体装置の製造装置である。
本発明（１５）は、請求項１２記載の温度測定システムを用いてウェハの温度制御及び／又は温度管理を行う半導体装置の製造方法である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明（１）によれば、LTGAからなる振動板を用いているために、極低温から高温までの広い温度範囲で安定した発振動作を行うことが可能である。また、容器に固定された外側板と支持部により接続された内側板との間に熱膨張率の差がないために、高温領域でも熱応力による圧電特性の変化が少ない。
また、圧電振動子とコイルだけからなる温度センサとすることにより温度センサの小型化が可能になる。
容器に固定された外側板と支持部により接続された内側板との間に熱膨張率の差がないために、高温においても高精度の温度測定が可能である。
振動板に対するパーティクルの付着や外気との接触による変質を防ぐことができ、振動特性の長期信頼性が向上する。また、圧電振動子、コイル、導電性部材をすべて容器の中に封止することにより、容器外部へのパーティクルの放出を防止することができる。
振動板を容器本体に固定し、コイルを蓋に固定することにより、温度センサの小型化、組み立て作業性の向上に効果がある。
本発明（２）によれば、アンテナとして機能するコイルを容器の外側に設けることにより、温度センサから発せられる信号を効率的に外部の送受信装置で受信することが可能になる。
本発明（３）によれば、温度センサの容器内壁にコーティングした導電性膜がアースカバーとして機能するので、温度センサから発せられる信号に対するノイズの低減に効果がある。
本発明（４）によれば、一般的な半導体ウェハ材料であるシリコンと同じ材料で容器を作製することにより、ウェハに直接取り付けても汚染や熱応力の発生などの問題が生じない。外気遮断性も良好である。
本発明（５）によれば、薄膜の挿入、加熱により容易に容器本体と蓋の気密封止が可能である。
本発明（６）によれば、半導体ウェハ上に形成される一般的な薄膜材料である石英と同じ材料で容器を作製することにより、ウェハに直接取り付けても汚染や熱応力の発生などの問題が生じない。外気遮断性も良好である。また、加熱融合により容易に容器本体と蓋の気密封止が可能である。
本発明（７）によれば、白金族元素は融点が高いため1000〜1300℃の高温領域でも溶融することがなく、伝導率も高いので配線抵抗の低減にも効果がある。
本発明（８）によれば、酸素などの活性ガスによる振動板の変質を防止することが可能になる。
本発明（９）、（１２）、（１３）によれば、小型の温度センサを測定対象物に直接取り付けて、無線通信により測定データを収集することが可能である。また、収集したデータはデジタルデータ処理が可能である。そのため、温度のばらつきを測定して高精度の温度制御を行ったり、温度の経時変化を自動的に記録してプロセス管理をすることが可能である。また、一つの測定対象物に対し複数の製造装置による熱処理を連続して行う場合に測定対象物に温度センサを取り付けておくことにより、測定対象物の熱履歴を記録することも可能になる。
本発明（１０）によれば、熱伝導のばらつきによる測定誤差を低減できるので温度測定精度が向上する。
本発明（１１）によれば、温度センサから発せられる信号の受信感度が向上するので、より安定したSN比の高い高精度の温度測定が可能になる。
本発明（１４）、（１５）によれば、小型の温度センサをウェハに直接取り付けて、無線通信により測定データを収集することが可能である。また、収集したデータはデジタルデータ処理が可能である。そのため、温度のばらつきを測定して高精度の温度制御を行ったり、温度の経時変化を自動的に記録してプロセス管理をすることが可能である。また、一つのウェハに対し複数の製造装置による熱処理を連続して行う場合にウェハに温度センサを取り付けておくことにより、ウェハの熱履歴を記録することも可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の最良形態について説明する。
本願発明者は、さまざまな結晶材料からなる圧電振動子を評価、検討した結果、ガレート単結晶、特に、LTGA（ランタン酸タンタル酸ガリウムアルミニウム）と呼ばれるランタン、ガリウム、及び、アルミニウムのすべての元素を含み、さらに、タンタル、及び／又は、ニオブを含むランガサイト構造を有する酸化物結晶を用いると、常温から1000〜1300℃の高温までの広い温度範囲で安定した発振動作を示し、高温領域での精密な温度測定に用いることが可能であることを見出した。さらに、LTGAは、液体窒素温度（−196℃）や液体ヘリウム温度（−270℃）においても安定した発振動作を示すことが確認され、極低温から高温までの広い温度範囲での温度測定が可能であることがわかった。
LTGAはガリウムを多く含む酸化物であるガレート結晶の一種で、その製造方法は、特許文献３に開示されている。LTGAの中でも、特に、La3Ta0.5Ga5.3Al0.2O14、及び、La3Nb0.5Ga5.3Al0.2O14が高温でも安定動作が可能な圧電振動子の材料として優れていることがわかった。
LTGA（La3Ta0.5Ga5.3Al0.2O14）の主な物理特性は以下の通りである。
比重：6.10
結晶系：三方晶系
格子定数：a = b = 8.20, c = 5.10
融点：1470℃
電気機械結合係数k2：0.4
最高使用可能温度：1300℃
【００１０】
図８は、各種圧電結晶材料の比較表である。本発明の圧電振動子材料であるLTGAに対し比較を行った材料は、水晶、PZT（セラミックス）、LN（ニオブ酸リチウム）、LGS（La3Ga5SiO14、ランガサイト）である。図７に示されるように、LTGAは、水晶と比較して電気機械結合係数が大きく、発振特性に優れている。また、PZT、LN、LGSと比較して圧電発振のエージング特性が安定で素子の信頼性が高い。さらに、使用可能な最高温度が、水晶、PZT、LNがせいぜい300℃まで、LGSでも1000℃までであるのに対し、LTGAは、600℃付近までCI値の変化が観察されず、約1300℃でも安定した圧電動作を行うことが確認されている。
【００１１】
（温度センサの構造の第一の具体例）
図１(a)乃至(c)は、本発明の温度センサの実施の形態に係る第一の具体例の平面図である。温度センサは、振動板４、コイル８、振動板４とコイル８を電気的に接続する導電性部材をすべて容器本体１と蓋７とからなる容器に収納した構造を持つ。温度センサを構成する回路要素をすべて容器内に収納することにより、測定対象物に対する温度センサから発生するパーティクルの付着を防止できる。図１(a)は、容器本体１の平面図である。振動板４に取り付けられた電極と容器本体１に取り付けられた外部端子２、３がリード線５、６により接続されている。図１(b)は、蓋７の平面図である。蓋７上にはコイル８が形成されている。例えば、白金などの高融点金属からなる薄膜をスパッター等の方法で形成することにより、コイル８を形成する。コイル８の両端と外部端子５、６は図示しないリード線により接続される。
容器は、振動板等を収納してから、容器本体１と蓋７を溶融することにより内部を気密封止する。容器内の雰囲気は、真空、又は、N2、Ar、He、Xe等の不活性ガスとすることが好ましい。振動板の変質による振動特性の変化を防止することが可能である。
振動板を収納する容器本体、及び、蓋の材料は、シリコン単結晶、又は、石英を用いるのが好ましい。シリコンは融点が1414℃であり、高温領域での温度測定が可能になる。
図１(c)は、振動板の平面図である。電極１４、１５、リード線５、６、外部端子２、３からなる導電性部材とコイル８の材料は、白金、イリジウム、ロジウム、及び、パラジウムからなる元素群の中から選択された1種類の元素からなる単体金属、又は、2種類以上の元素からなる合金を用いるのが好ましい。融点が高いために1000〜1300℃の高温でも溶融することがなく、また、電気伝導度が高いので配線抵抗を小さくできる。
振動板９は、外側板１１、内側板１２、支持部１３からなり、外側板１１と内側板１２が支持部１３により接続され、溝１０により隔てられた構造とするのが好ましい。電極１４、１５は外側板１１上に取り付けられ、また、振動板９は容器本体に対し、外側板１１を介して固定される。このような構造では、内側板は外部から受ける熱応力をほとんど受けない。また、内側板と直接接触している支持部１３も内側板と同じ熱膨張率の材料である。そのため、高温領域でも熱応力による圧電特性の変化が少なく、温度センサとして圧電振動子を用いる場合は、高温でも高精度の温度測定が可能である。
【００１２】
（温度センサの構造の第二の具体例）
図２(a)及び(b)は、本発明の温度センサの実施の形態に係る第二の具体例の断面図である。図２(a)は、気密封止前の断面図であり、図２(b)は、気密封止後の断面図である。容器本体２１と蓋２６の材料はシリコン単結晶である。溝３０を備えた振動板２３は容器本体２１に取り付けられている。蓋２５上にはコイル２６が形成されている。容器本体２１は、3段構造になっており、振動板２３は、外側板を介して容器に取り付けられる。内側板は、容器の凹部２９上に配置されるので容器と直接接触することはない。外側板上に配置された電極と外部端子２２をリード線２４により接続し、外部端子２２とコイル２６をリード線２８により接続する。さらに、ゲルマニウム薄膜２７を容器本体２１上に置き、蓋２５をゲルマニウム薄膜２７の上に置き、加熱する。加熱により、シリコンとゲルマニウムが反応してシリコンゲルマニウム合金薄膜３１が形成され、容器本体２１と蓋２５が融合し、容器が気密封止される（図２(b)）。
【００１３】
（温度センサの構造の第三の具体例）
図２(c)は、本発明の温度センサの実施の形態に係る第三の具体例の断面図である。容器本体３２と蓋３６の材料は石英である。溝４０を備えた振動板３４は容器本体３２に取り付けられている。蓋３６上にはコイル３７が形成されている。外側板上に配置された電極と外部端子３３をリード線３５により接続し、外部端子３５とコイル３７をリード線３８により接続する。さらに、容器本体３２上に蓋３６を置き、加熱する。加熱により、容器本体３２と蓋３６が融合し、容器が気密封止される（図２(c)）。
【００１４】
（温度センサの構造の第四の具体例）
図３(a)乃至(c)は、本発明の温度センサの実施の形態に係る第四の具体例の平面図及び断面図である。図３(a)は、温度センサの容器の蓋２０２の平面図であり、図３(b)は、温度センサの断面図であり、図３(c)は、振動板の平面図である。蓋２０２上にはコイル２０３が、スパッターや印刷により形成されている。コイル２０３は、リード線２０４、２０５により振動板２０８に形成された外部端子２１４、２１５と接続されている。振動板は、図３(c)に示すように、平面形状が四角形であり、振動板内の４辺に溝２１６、２１７、２１８、２１９が形成されている。振動板２０８における溝の内側にある内側板には、表面に電極２１１が取り付けられている。電極２１１に対抗する裏面にも裏面電極が取り付けられている。電極２１１は、配線２１３により外部端子２１５に接続され、裏面電極は配線２１１により外部電極２１４に接続されている。振動板の表面と裏面に電極を配置することにより振動板の小型化に効果がある。
【００１５】
（温度センサの構造の第五の具体例）
図４(a)乃至(c)は、本発明の温度センサの実施の形態に係る第五の具体例の平面図及び断面図である。図４(a)は、温度センサの容器の蓋２２２の平面図であり、図４(b)は、温度センサの断面図であり、図４(c)は、振動板の平面図である。容器の外部には石英管２２５が取り付けられており、石英管２２５の中にコイル２２６が収納されている。石英管２２５と容器は、容器内部と石英管内部が気密封止されるように接合されている。石英はシリコンと比較して無線波が通りやすく、温度センサと送受信装置との無線通信効率や送受信感度が向上する。コイル２２６は、リード線２２３、２２４により振動板２２９に形成された外部端子２３５、２３６と接続されている。振動板は、図４(c)に示すように、平面形状が四角形であり、振動板内の４辺に溝２３７、２３８、２３９、２４０が形成されている。振動板２２９における溝の内側にある内側板には、表面に電極２３２が取り付けられている。電極２３２に対抗する裏面にも裏面電極が取り付けられている。電極２３２は、配線２３４により外部端子２３６に接続され、裏面電極は配線２３３により外部電極２３５に接続されている。
【００１６】
（温度センサの構造の第六の具体例）
図５(a)乃至(c)は、本発明の温度センサの実施の形態に係る第六の具体例の平面図及び断面図である。図５a)は、温度センサの容器の蓋２４２の平面図であり、図５(b)は、温度センサの断面図であり、図５(c)は、振動板の平面図である。蓋２４２上にはコイル２４３が、スパッターや印刷により形成されている。コイル２４３は、リード線２４４、２４５により振動板２４８に形成された外部端子２５４、２５５と接続されている。振動板は、図５(c)に示すように、平面形状が円形である。圧電振動子の形状としては、平面形状が四角形の薄板だけでなく、平面形状が円形の薄板も広く用いられている。振動板内の２辺に溝２５６、２５７が形成されている。振動板２４８における溝の内側にある内側板には、表面に電極２５１が取り付けられている。電極２５１に対抗する裏面にも裏面電極が取り付けられている。電極２５１は、配線２５３により外部端子２５５に接続され、裏面電極は配線２５２により外部電極２５４に接続されている。
【００１７】
（温度センサの構造の第七の具体例）
本発明の温度センサの実施の形態に係る第一の具体例、乃至、第六の具体例において、温度センサの内壁部における前記コイルを除く部分の一部又は全部を導電性膜によりコーティングするのが好ましい。導電性膜の材料は、白金、イリジウム、ロジウム、及び、パラジウムからなる元素群の中から選択された1種類の元素からなる単体金属、又は、2種類以上の元素からなる合金とするのが好ましい。
導電性膜はアース電位などの固定電位に電気的に接続するのが好ましい。温度センサから発せられる信号に対するノイズの低減に高い効果が得られる。
【００１８】
（温度センサの構造の第八の具体例）
本発明の温度センサの実施の形態に係る第一の具体例、乃至、第七の具体例に温度センサを検査対象物に埋め込むことも可能である。検査対象物がウェハの場合は、測定対象ウェハに埋め込んでもよいし、測定専用ウェハに埋め込んでもよい。温度センサを単にウェハに貼り付けた場合と比較し、熱伝導のばらつきによる測定誤差を小さくできるので、高精度の温度測定が可能である。
図６は、本発明の温度センサの実施の形態に係る第八の具体例の断面図である。図６において、センサ埋め込みウェハ（測定専用ウェハ）２６１に温度センサ２６２を埋め込んだ構造が示されている。センサ埋め込みウェハは、測定対象となるウェハの近傍に配置し、測定対象ウェハと同じ熱処理を行う。
図６に示すように、センサ埋め込みウェハ２６１に接触させて、アンテナ２６４を埋め込んだウェハ２６３を配置し、アンテナ２６４と受信機２６５を配線で接続するのが好ましい。センサ埋め込みウェハ２６１とアンテナ埋め込みウェハ２６３は、直径が同じウェハを用いるのが好ましい。温度センサの近傍に受信機のアンテナを配置できるので、温度センサから発せられる信号が微弱な場合でも、より安定して高い感度で信号を受信し、高い信頼性の温度測定が可能である。
【００１９】
（温度測定システム）
図７(a)乃至(c)は、本発明の温度測定システムの実施の形態に係る具体例の説明図である。温度センサは、図７(a)に示すように、並列に接続された圧電振動子４１とコイル４２から構成される。温度センサ自体には電源を備えておらず、部品数も少ないので、温度センサを極めて小さいチップ状の素子として作製することが可能である。図７(b)は、温度センサに対し無線で高周波信号を送信／受信するための送受信装置である。送受信装置４４は、アンテナ４３を備え、図７(c)に示すように、高周波信号４５を温度センサ４１に送信する。温度センサは、高周波信号４５をアンテナとしても機能するコイル４２により受信し、反射波４６を送受信装置４４に送り返す。圧電振動子の共振周波数が温度により変化し、これにより圧電振動子４１とコイル４２により構成される共振回路の共振周波数が変化するので、反射波４６が測定温度により変化し、この変化を送受信装置、あるいは、送受信装置に接続されたデータ処理装置により分析することにより測定温度を求めることができる。複数の温度センサに対し、複数の異なる無線周波数を同時に送信することにより、同時に複数個所の温度を測定することも可能である。
【００２０】
（ウェハ温度の測定システム）
図１１(a)及び(b)は、本発明のウェハの温度測定システムの実施の形態に係る具体例の説明図である。図１１(a)は、ウェハの平面図であり、ウェハ５１の表面の3か所に温度センサ５２、５３、５４を取りつけてある。このように温度センサを取りつけることにより、ウェハ内の温度変動を測定することが可能である。図１１(b)は、拡散や酸化プロセスに用いられる電気炉の断面図である。電気炉を構成する石英管５６の中には、複数のウェハ５７がボート５９上に配置され、高温の熱処理を行っている。ウェハ５７にはそれぞれ温度センサ５８が取り付けられている。複数のウェハに温度センサを取り付けることにより、電気炉内（ウェハ間）の温度変動を測定することが可能である。電気炉の外部に配置された送受信装置５５から無線波を温度センサ５８に無線波を送り、その反射波を受信することにより、複数の温度センサが検出する温度データを取りだすことができる。
温度センサの容器は、ウェハと同じシリコン又は石英でできている。また、温度センサは、極めて小型のチップ状にすることが可能である。そのため、温度センサをウェハに取り付けたまま、半導体プロセスを連続的に行うことが可能である。例えば、酸化、拡散、CVD、アニールなど複数の高温プロセスを行う半導体プロセスにおいて、ウェハの熱履歴を記録し、トレーサビリティーをとることにより、不良発生の際の原因調査等に有用なデータをとることが可能になる。
【実施例】
【００２１】
（電気抵抗の温度依存性）
図９は、圧電振動子の電気抵抗の温度依存性のグラフである。比較評価を行った圧電振動子の材料は、LTGA、LGSA、SNGS、LNGである。LGSAはLGSにアルミニウムをわずかに含む結晶である。SNGSは、Sr3Nb0.95Ga3.05Si2O14である。LNGはLa3Nb0.5Ga5.5O14である。
比較材料であるSNGS、LNGが、100~500℃の温度範囲で高温になるにつれて急激に電気抵抗が低下し、振動特性が悪化するのに対し、LTGA及び比較材料であるLGSAは、電気抵抗の低下が少なく、電気抵抗の温度依存性がより優れていることがわかった。
【００２２】
（CI値の温度依存性）
図１０は、圧電振動子のCI値温度依存性のグラフである。CI値は、圧電振動子の内部の等価抵抗成分で、振動損失に相当し発振のし易さの目安となる特性である。比較評価を行った圧電振動子の材料は、LTGAと水晶である。測定した温度範囲は0〜1000℃である。水晶が約250℃までしか発振せず、それ以上の温度ではCI値が急上昇し発振しなくなるのに対し、LTGAは、1000℃近辺の高温でも安定して発振することがわかった。
【００２３】
（圧電振動子）
LTGAからなる振動板を加工し、図１に示す構造の圧電振動子を試作した。振動板の大きさは、幅3mm、長さ5mm、厚さ130μmとした。この振動板に、製法エッチング又はサンドブラスト加工法により振動板を貫通する幅100μmの溝を形成した。試作した圧電振動子を用い高温条件下で動作確認をしたところ、1050℃での正常動作が確認できた。また、低温条件下では、-196℃での正常動作が確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
以上のように、本発明に係る温度センサ、温度測定方法は、特に、高温領域の高精度な温度測定が可能であるため、例えば、半導体プロセスのウェハの温度測定や内燃機関の温度測定等に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】(a)乃至(c)は、本発明の温度センサの実施の形態に係る第一の具体例の平面図である。
【図２】(a)及び(b)は、本発明の温度センサの実施の形態に係る第二の具体例の断面図である。(c)は、本発明の温度センサの実施の形態に係る第三の具体例の断面図である。
【図３】(a)乃至(c)は、本発明の温度センサの実施の形態に係る第四の具体例の平面図及び断面図である。
【図４】(a)乃至(c)は、本発明の温度センサの実施の形態に係る第五の具体例の平面図及び断面図である。
【図５】(a)乃至(c)は、本発明の温度センサの実施の形態に係る第六の具体例の平面図及び断面図である。
【図６】本発明の温度センサの実施の形態に係る第八の具体例の断面図である。
【図７】(a)乃至(c)は、本発明の温度測定システムの実施の形態に係る具体例の説明図である。
【図８】各種圧電結晶材料の比較表である。
【図９】圧電振動子の電気抵抗の温度依存性のグラフである。
【図１０】圧電振動子のCI値の温度依存性のグラフである。
【図１１】(a)及び(b)は、本発明のウェハの温度測定システムの実施の形態に係る具体例の説明図である。
【図１２】従来のウェハの温度測定システムの説明図である。
【図１３】(a)及び(b)は、従来の表面弾性波素子の断面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１  容器本体
２、３  電極
４  振動板
５、６  リード線
７  蓋
８  コイル
９  振動板
１０  溝
１１  外側板
１２  内側板
１３  支持部
１４、１５  電極
２１、３２  容器本体
２２、３３  外部端子
２３、３４  振動板
２４、２８、３５、３８  リード線
２５、３６  蓋
２６、３７  コイル
２７  ゲルマニウム薄膜
２９、３９  凹部
３０、４０  溝
３１  シリコンゲルマニウム合金薄膜
２０１、２２１、２４１  容器本体
２０２、２２２、２４２  蓋
２０３、２２６、２４３  コイル
２０４、２０５、２２３、２２４、２４４、２４５  リード線
２２５  石英管
２０６、２０７、２２７、２２８、２４６、２４７  シリコンゲルマニウム合金薄膜
２０８、２２９、２４８  振動板
２０９、２１０、２３０、２３１、２４９、２５０  溝
２１１、２３２、２５１  電極
２１２、２１３、２３３、２３４、２５２、２５３  配線
２１４、２１５、２３５、２３６、２５４、２５５  外部端子
２１６、２１７、２１８、２１９、２３７、２３８、２３９、２４０、２５６、２５７  溝
２６１  センサ埋め込みウェハ
２６２  温度センサ
２６３  アンテナ埋め込みウェハ
２６４  アンテナ
２６５  受信機
４１  圧電振動子
４２  コイル
４３  アンテナ
４４  送受信装置
４５  送信波形
４６  反射波形
５１  ウェハ
５２、５３、５４  温度センサ
５５  送受信装置
５６  石英管
５７  ウェハ
５８  温度センサ
５９  ボート
１０１  石英管
１０２  ボート
１０３  ウェハ
１０４  熱電対
１０５  リード線
１０６  測定装置
１１１、１２１  容器本体
１１２、１２２  蓋
１１３、１２３  圧電振動子
１１４、１２４  凹部
１１５、１１６、１２５、１２６  接続部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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