DE69526718T2

DE69526718T2 - Temperatursensoren und Verfahren zur Messung der Temperatur eines Werkstücks

Info

Publication number: DE69526718T2
Application number: DE69526718T
Authority: DE
Inventors: Akihiro Hosokawa; Masahiko Kowaka
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 1995-01-17
Filing date: 1995-12-28
Publication date: 2003-01-02
Anticipated expiration: 2015-12-29
Also published as: EP0723141A1; ATE217707T1; JPH08271346A; EP0723141B1; US5716133A; DE69526718D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Dünnfilmabscheidung und anderer Halbleiterbearbeitungssysteme.
Moderne Flüssigkristallanzeigen, wie zum Beispiel Aktiv-Matrix-Flüssigkristall- Anzeigen, die in manchen tragbaren Computern eingesetzt werden, werden typischerweise durch die Abscheidung dünner Filme auf Glassubstraten hergestellt. Diese dünnen Filme werden nachfolgend unter der Verwendung standardmäßiger fotolithographischer Verfahren zum Herstellen der Schaltungen bearbeitet, welche die Flüssigkristallanzeige ansteuern. Diese Schaltungen enthalten typischerweise amorphe Silizium-Feldeffekttransistoren und werden direkt auf der Oberfläche des Glassubstrats hergestellt, um die Integration dieser Anzeigen zu optimieren. Eine zufriedenstellende Leistung der dabei entstehenden Flüssigkristallanzeigen hängt oft von der Gleichmäßigkeit der Transistoreigenschaften über die Oberfläche des Glassubstrats und vom Leistungsniveau ab, das von den einzelnen Transistorelementen gezeigt wird. Zufriedenstellende Eigenschaften von Dünnfilm- Halbleitern, Isolatoren und Metallen auf Glassubstraten sind ihrerseits gegenüber der Temperatur des Glas-Abscheidungssubstrats extrem empfindlich. Zum Beispiel kann die Abscheidungstemperatur die Beweglichkeit von Trägerstoffen in abgeschiedenen amorphen Siliziumschichten stark beeinträchtigen und daher eine Auswirkung auf die Leistung der aus den abgeschiedenen amorphen Siliziumschichten gebildeten MOSFETs haben. Für viele Anwendungen ist es daher wichtig, dass das Abscheidungssubstrat auf einer geeigneten Temperatur gehalten wird sowie dass eine gleichmäßige Temperatur über die Oberfläche des Abscheidungssubstrats aufrechterhalten wird.
Bei einem Vakuumabscheidungssystem werden Glasabscheidungssubstrate typischerweise durch eine Vakuum-Ladeschleuse und eine Transferkammer in ein Dünnschichtabscheidungssystem geladen. Aufgrund der Empfindlichkeit des Dünnschichtabscheidungsvorgangs gegenüber der Temperatur des Abscheidungssubstrats wird oft eine Anzahl von Vorsichtsmaßnahmen ergriffen, um sicherzustellen, dass das Glassubstrat auf die entsprechende Temperatur gebracht wird, bevor die Abscheidung beginnt. Zum Beispiel werden, nachdem die Glassubstrate in das Abscheidungssystem aufgenommen wurden, die Substrate häufig in einer Vorheizungskammer erwärmt, bis sie eine Temperatur in der Nähe der Zielabscheidungstemperatur erreicht haben. Nachdem die Substrate bis zu einem ausreichenden Grad vorgeheizt wurden, wird eines der Substrate durch einen Substrat-Transferroboter zur Vorbereitung für die Dünnschichtabscheidung in die Abscheidungskammer überstellt. Auch wenn der Verbringungsvorgang schnell durchgeführt wird, kann sich das Glassubstrat während des Überstellungsvorgangs beträchtlich abkühlen. Daher muss das Substrat normalerweise noch einmal vorgeheizt werden, um sicherzustellen, dass das Substrat die geeignete Abscheidungstemperatur gleichmäßig angenommen hat.
Die Dauer dieses zweiten Vorwärmeschritts wird auch oft als "Soak"-Zeit bezeichnet. Das zweite Vorwärmen wird durch eine Auflage (Aufnahme) durchgeführt, die eine tischartige Struktur mit einer eingebauten Heizung ist. Das Abscheidungssubstrat wird vorzugsweise über eine Zeit erwärmt, die sicherstellt, dass die abgeschiedene Schicht die erwünschten Eigenschaften hat, sonst besteht nämlich die Gefahr, dass unter Verwendung der abgeschiedenen Schicht hergestellte Vorrichtungen schlechte oder ungleichmäßige Leistungscharakteristiken aufweisen. Die Soak-Zeit wirkt sich direkt auf den potenziellen Durchsatz eines bestimmten Dünnschichtabscheidungssystems aus, weil die Abscheidung während der Soak-Zeit normalerweise nicht stattfindet. Es ist daher wünschenswert, die Soak- Zeit zu minimieren, so dass der zweite Vorwärmschritt nur so lange dauert, wie notwendig ist, um sicherzustellen, dass das Substrat auf der geeigneten Temperatur ist.
Zur Verbesserung des Wirkungsgrads ist es vorzuziehen, die Temperatur des Abscheidungssubstrats an Ort und Stelle zu überwachen, um festzustellen, wann das Abscheidungssubstrat eine geeignete Abscheidungstemperatur erreicht hat. Außerdem ist es höchst wünschenswert, die Temperatur des Substrats während des Abscheidungsverfahrens zu überwachen. Es hat sich jedoch bisher als sehr schwierig herausgestellt, die Temperatur eines Substrats in der Abscheidungskammer exakt zu messen. Zum Beispiel ist es auf dem Gebiet der Waferverarbeitung bekannt, die Temperatur des Wafers dadurch zu messen, dass ein Wärmefühler in direktem Kontakt mit dem Wafer gebracht wird. Solche Verfahren mit einem direkten Kontakt sind in Dünnschichtverarbeitungssystemen oft unerwünscht, da der kontaktierende Wärmefühler die Tendenz hat, die Temperatur des Substrats am Kontaktpunkt zu verringern. Eine solche Temperaturveränderung kann sich nicht nur negativ auf die Exaktheit der Messung auswirken, sondern der Niedrigtemperaturpunkt an dem Kontaktpunkt kann eine Diskontinuität in der abgeschiedenen Schicht hervorrufen.
Damit das Substrat durch den Wärmefühler nicht kontaktiert werden muss, wurde vorgeschlagen, die Temperatur der Auflage, auf der das Substrat in der Abscheidungskammer liegt, zu messen. Da der Druck in der Abscheidungskammer typischerweise ungefähr 0,65 · 10&supmin;&sup5; Bar (5 m Torr) beträgt, tritt normalerweise ein zu kleiner Gas-Konvektions-Wärmetransfer zwischen dem Abscheidungssubstrat und der Auflage statt, um das Substrat und die Auflage in einem guten thermischen Kontakt zu halten, obwohl das Substrat in physischem Kontakt mit der Auflage ist. Die Temperatur der Auflage ist daher normalerweise eine schlechte Anzeige für die Temperatur des Abscheidungssubstrats.
Eine weitere Möglichkeit bestand darin, die Temperatur eines Substrats indirekt dadurch zu messen, dass ein Wärmefühler in physischer Nähe des Substrats jedoch in einem vorbestimmten Abstand von der Oberfläche des Substrats gebracht wurde. Hierbei wird zwar die Temperatur des Substrats nicht gestört und auch das Substrat durch eine Kontaktierung des Substrats nicht kontaminiert, doch waren die Exaktheit und Geschwindigkeit der Messung durch solche kontaktfreien Wärmefühler oft entsprechend verringert.
Außerdem ist es bei Dünnschichtverarbeitungssystemen normalerweise nicht praktisch umzusetzen, den Wärmefühler über dem Substrat zu positionieren, da der Wärmefühler höchstwahrscheinlich die Schichtabscheidung stören würde. Folglich wurden die Wärmefühler typischerweise auf der Auflage unter dem Substrat angebracht. Daher sind die Temperaturmessungen durch den Wärmefühler normalerweise nicht nur von der Temperatur des Substrats, sondern ebenfalls von der Temperatur der Auflage abhängig. Es können beträchtliche Unterschiede bei den Temperaturen des Substrats und der Auflage auftreten (z. B. 200º bzw. 250ºC), und die Auswirkungen der Auflagentemperatur können die Exaktheit der Substrattemperaturmessung beträchtlich verringern. Noch ein weiteres Problem bei kontaktfreien Sensoren ist, dass oft eine Zeitverzögerung auftritt, bevor eine Temperaturänderung erfasst werden kann. Sollte daher eine plötzliche Veränderung der Substrattemperatur auftreten, kann es sein, dass die Genauigkeit der Messung nachteilig beeinflusst wird.
Das US-Patent Nr. 5,106,200 mit dem Titel "Apparatus For Measuring Temperature Wafer" ("Vorrichtung zur Messung einer Wafertemperatur"), die dem gleichen Rechtsnachfolger wie der folgenden Anmeldung übertragen wurde und einem der Mitanmelder der vorliegenden Anmeldung erteilt wurde, beschreibt eine kontaktfreie Vorrichtung zum Messen der Temperatur eines Wafers, der von einem Roboterarm getragen wird. Dieses Patent offenbart einen Wärmesensor, der ein Temperaturelement aufweist, das einen Wärmekollektor hat, der zum effizienten Auffangen darauf auftreffender Strahlungswärme fähig ist. Zum Verbessern des Sammelns der Wärme durch den Wärmekollektor hat der Wärmesensor auch einen Wärmereflektor, der auf einer allgemein konischen Oberfläche unter dem Wärmekollektor ausgebildet ist. Es ist offenbart, dass ein Keramikmaterial mit einer Metallbeschichtung oder metallische Materialien, wie zum Beispiel Edelstahl, zu diesem Zweck verwendet werden können. Das Keramikmaterial, das zum Bilden des Wärmereflektors beschichtet wurde, dient dem zusätzlichen Zweck des Verringerns oder Eliminierens der thermischen Auswirkungen des auf das Thermoelement des Wärmesensors anliegenden Roboterarms. Auch wenn der in diesem Patent offenbarte Wärmesensor sowohl die Genauigkeit als auch die Antwortzeit im Vergleich zu vielen vorhergehenden kontaktfreien Sensoren beträchtlich verbessert hat, wäre für viele Anwendungen eine noch größere Genauigkeit und eine noch bessere Antwortzeit höchst vorteilhaft.
Noch ein weiterer kontaktfreier Wärmesensor, der bei der Wafer- und Dünnschichtverarbeitung eingesetzt wird, ist das Pyrometer, das die Temperatur eines Werkstücks durch Erfassen der vom Werkstück emittierten Infrarotstrahlung misst. In der EP-A-0612862 mit dem Titel "Measuring Wafer Temperatures" ("Messung von Wafertemperaturen") ist ein Pyrometersystem beschrieben, bei dem ein Hohlraum neben dem Wafer ausgebildet ist, dessen Temperatur zu Messen ist. Eine schwarze Strahlung innerhalb diesen Hohlraums wird abgetastet, um Information über die Temperatur des Wafers zu liefern. Unser US-A-5549756 mit dem Titel "Optical Pyrometer for a Thin Film Deposition System" ("Optisches Pyrometer für ein Dünnschichtabscheidungssystem") beschreibt ein Pyrometer, bei dem die Rückseite des Abscheidungssubstrats durch einen in der Auflage des Abscheidungssystem gebildeten Durchgang betrachtet wird. Strahlung von der Rückseite des Abscheidungssubstrats gelangt durch ein Infrarotfenster und auf einen Infrarotdetektor. Ein röhrenartiger Lichtleiter schirmt den Infrarotdetektor gegen die von der erwärmten Auflage erzeugte Hintergrundstrahlung ab. Auch wenn solche Pyrometer exakte Messungen mit zufriedenstellenden Antwortzeiten unter entsprechenden Bedingungen liefern, sind Pyrometer normalerweise, insbesondere im Vergleich zu Wärmesensoren mit Thermoelementen, relativ teuer. Außerdem sind Pyrometer allgemein nicht gut für eine Temperaturmessung während des Abscheidungsverfahrens geeignet, da das zur Abscheidung verwendete Plasma die Messungen oft negativ beeinflusst.
Die vorliegende Erfindung sieht eine Vorrichtung zum Erhitzen und Überwachen der Temperatur eines Werkstücks vor, mit einem Werkstück- Aufnahmeort, einem Gegenstand, der so angeordnet ist, dass das Werkstück an dem Ort erhitzt wird, und einem Wärme-Sensorelement, das im Bezug auf den Ort des Werkstücks so angeordnet ist, dass es Wärmestrahlung vom Werkstück an dem Ort empfängt und ein Ausgangssignal emittiert, das der Temperatur des Werkstücks entspricht, wobei der Gegenstand eine Auflage (Aufnahme) zur Aufnahme eines Substrats ist und eine zentrale Öffnung aufweist, in der Auflagenöffnung ein Wärmekollektor zum Sammeln der Wärme vom Substrat angeordnet ist, das Wärme- Sensorelement ein Thermoelement ist, das angrenzend an den Wärmekollektor angeordnet ist und die vom Wärmekollektor aufgenommene Wärme erfasst, und ein Wärmeschild vorgesehen ist, das ein zwischen dem Thermoelement und der Auflage angeordneter konischer Wärmereflektor ist und eine äußere spiegelartige reflektierende Oberfläche aufweist, die so angeordnet ist, dass sie von der Auflage emittierte Strahlung vom Thermoelement weg reflektiert, sowie eine innere spiegelartige Oberfläche, die so geformt und angeordnet ist, dass sie vom Substrat emittierte Strahlung zum Wärmekollektor reflektiert.
In der gezeigten Ausführungsform ist der Wärmeschild eine dünnwandige, allgemein konisch geformte Struktur mit einer hochglanzpolierten Außenoberfläche, die Wärme vom im Wärmeschild zum Messen der Temperatur des Werkstücks angeordneten Thermoelement weg reflektiert. Die höchst reflexionsfähige Außenoberfläche reflektiert Wärme, die von einer Auflage oder einer anderen Quelle, die nicht das Werkstück ist, emittiert wird, um so sich auf die Genauigkeit der Werkstücktemperaturmessung negativ auswirkende Effekte zu minimieren Außerdem wird auf Grund der dünnwandigen Konstruktion des Wärmeschilds die Antwortfähigkeit der Vorrichtung beträchtlich verbessert.
In einer bevorzugten Ausführungsform hat auch die Innenoberfläche des Wärmereflektors eine Hochglanzpolitur, um weiter die Sammlung der vom Werkstück emittierten Wärme zu verbessern. Aus dem Folgenden wird klar, dass ein Polieren sowohl der Innen- als auch der Außenoberfläche des Schilds ebenfalls die thermische Interaktion zwischen dem Thermoelement und dem Schild und zwischen dem Schild und der Auflage minimiert.
Erfindungsgemäß ist auch ein Verfahren zum Erfassen der Temperatur eines Werkstücks mit den folgenden Schritten vorgesehen: Anordnen eines Werkstücks angrenzend an einen Gegenstand, Erfassen der von einem Werkstück emittierten Strahlung mittels eines Wärme-Sensorelements und Anordnen eines Wärmeschilds in Bezug zum Gegenstand und zum Wärmesensor, so dass vom Gegenstand reflektierte Strahlung vom Wärme-Sensorelement weg reflektiert wird, wobei der Gegenstand eine Auflage zur Aufnahme eines Substrats ist und eine zentrale Öffnung aufweist, in der Auflagenöffnung ein Wärmekollektor zum Sammeln der Wärme vom Substrat angeordnet ist, das Wärme-Sensorelement ein Thermoelement ist, das angrenzend an den Wärmekollektor angeordnet ist und die vom Wärmekollektor aufgenommene Wärme erfasst, und der Wärmeschild ein zwischen dem Thermoelement und der Auflage angeordneter konischer Wärmereflektor ist und eine äußere spiegelartige reflektierende Oberfläche aufweist, die so angeordnet ist, dass sie von der Auflage emittierte Strahlung vom Thermoelement weg reflektiert, sowie eine innere spiegelartige Oberfläche, die so geformt und angeordnet ist, dass sie vom Substrat emittierte Strahlung zum Wärmekollektor reflektiert.
Es folgt eine Beschreibung einiger spezifischer Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnungen. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Bearbeitungskammer nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 eine Draufsicht auf die Kammer von Fig. 1,
Fig. 3 einen Schnitt durch einen Wärmesensor für das Substrat der Kammer von Fig. 1,
Fig. 4 eine Draufsicht auf den Wärmekollektor des Wärmesensors von Fig. 3,
Fig. 5 eine perspektivische Darstellung eines Haltestifts für den Wärmesensor von Fig. 3,
Fig. 6 eine Seitenansicht des Wärmesensors von Fig. 3,
Fig. 7 eine Seitenansicht eines Wärmesensors für den Schild der Kammer von Fig. 1,
Fig. 8 eine Kurvendarstellung, die Temperaturmessungen des Schilds der Kammer von Fig. 1 darstellt,
Fig. 9 eine Kurvendarstellung von Temperaturmessungen des Substrats und der Auflage der Kammer von Fig. 1,
Fig. 10 eine Kurvendarstellung, die kalibrierte Temperaturmessungen des Substrats mit einer kalten Auflage zeigt,
Fig. 11 eine Kurvendarstellung, die Temperaturmessungen eines auf eine heiße Auflage gelegten Substrats zeigt,
Fig. 12 eine Kurvendarstellung, die Temperaturmessungen eines Substrats während der Verarbeitung zeigt, und
Fig. 13 und 14 Schaltpläne eines Temperatursteuerungssystems für den Schild bzw. das Substrat der Kammer von Fig. 1.
Ein System gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in den Fig. 1 und 2 allgemein mit 1 bezeichnet. Wie unten noch detaillierter beschrieben wird, verwenden bevorzugte Ausführungsformen ein Wärmesensorelement zum Messen der Temperatur eines Werkstücks und einen Wärmeschild zum Reflektieren von Wärme, die von Quellen emittiert wird, die nicht das Werkstück sind, weg vom Wärmesensorelement. Eine solche Anordnung verbessert erfahrungsgemäß die Genauigkeit der Werkstücktemperaturmessung beträchtlich. Außerdem hat der Wärmeschild vorzugsweise eine dünnwandige Konstruktion, die erfahrungsgemäß die Antwortfähigkeit des Sensors beträchtlich verbessert.
In der gezeigten Ausführungsform ist das Werkstück ein Substrat 10 in einem physischen Dünnschichtabscheidungssystem (PVD-System). Es versteht sich, dass das Werkstück auch ein Halbleiterwafer, ein Kammerschild oder ein anderes Element in einem beliebigen Halbleiter-Verarbeitungssystem sein kann, bei dem der Bedarf nach einer Messung der Temperatur des Elements besteht. Daher wird zwar die gezeigte Ausführungsform im Zusammenhang mit einem Dünnschichtabscheidungssystem beschrieben, doch versteht es sich, dass die vorliegende Erfindung auch in Wafer- und anderen Halbleiterbearbeitungssystemen nützlich ist.
Das gezeigte System 1 ist so konfiguriert, dass eine dünne Schicht auf dem Abscheidungssubstrat 10 abgeschieden wird, wenn es auf der Oberfläche einer Auflage 12 und angrenzend und parallel zu einer Sputterzielplatte 14 liegt. Das Abscheidungssubstrat 10 kann ein Glasstück sein, das zum Herstellen einer Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung verarbeitet wird. Während der Sputterabscheidung wird zwischen der Sputterzielplatte 14 und der Auflage 12 und anderen Teilen der Kammer eine Spannung angelegt. Die Spannung ist so hoch, dass ein Gas, normalerweise Argon, im Zwischenraum in ein Plasma ionisiert wird, und die positiv geladenen Argonionen werden auf die Zielplatte 14 beschleunigt, wo sie mit relativ hohen Energien auf die Zielplatte 14 auftreffen. Ein durch einen (nicht gezeigten) Magneten erzeugtes Magnetfeld hinter der Zielplatte 14 konzentriert freie Elektronen auf die Zielplatte 14, so dass in deren Nähe ein hochdichtes Plasma gebildet werden kann. Aufgrund der Kollisionen werden Atome oder Gruppen ionisierter Atome des Zielmaterials von der Oberfläche des Ziels abgestoßen, wodurch das Zielmaterial im Wesentlichen in frei Atome oder Moleküle umgewandelt wird. Die meisten freien Atome, die von der Zieloberfläche in Richtung des Substrats entweichen, treffen auf das Substrat und bilden dort dünne Schichten auf dem Substrat 10. Ein solches Magnetron-Sputtersystem ist in größerem Detail in der US-A-5487822 mit dem Titel "Integrated Sputtering Target Assembly" ("Integrierte Sputterzielbaugruppe") und dem US-A-5518593 mit dem Titel "Shield Configuration for Vacuum Chamber" ("Schildkonfiguration für Vakuumkammer") beschrieben, auf die Bezug genommen werden sollte. Es versteht sich, dass das Temperaturmesssystem der vorliegenden Erfindung mit anderen physischen Dampfabscheidungsverfahren (PVD-Verfahren) und anderen Halbleiterverfahren einschließlich CVD und ETCH (Ätzen) eingesetzt werden kann.
Das Dünnschichtabscheidungssystem verwendet vorzugsweise einen massiven Aluminiumblock als die Auflage 12 zum Erwärmen des Substrats 10 auf eine zur Ermöglichung der Abscheidung geeignete Temperatur. Ein Schattenrahmen 16, der um das Substrat 10 herum angeordnet ist, verhindert, dass die Schicht sich auf den äußeren Kanten des Substrats 10 bildet. Vorzugsweise wird das Substrat 10 auf eine Abscheidungstemperatur von ungefähr 200ºC erwärmt, und die Auflagentemperatur wird auf ungefähr 250ºC gehalten. Ein Schild 20, der das Innere der Kammer schützt, wird ebenfalls auf eine Temperatur von ungefähr 300ºC erwärmt, was durch vier Kassetten-Heizvorrichtungen 22 geschieht, die eine Temperatur von ungefähr 800ºC erzielen.
Während des Betriebs werden neue Abscheidungssubstrate 10 von einer (nicht gezeigten) Vorwärmekammer durch einen Transfer-Roboter 18 auf die Auflage 12 verbracht. Die Temperatur des Abscheidungssubstrats 10 fällt, während das Substrat von der Vorwärmekammer auf die Oberfläche der Auflage 12 verbracht wird, und das Abscheidungssubstrat 10 wird vorzugsweise auf eine geeignete Temperatur wiedererwärmt, bevor die Abscheidung beginnt. In der gezeigten Ausführungsform überwacht ein verbessertes Temperaturmesssystem die Temperatur des Abscheidungssubstrats 10 sowie des Schildes 20. Das Ergebnis ist, dass das Substrat und der Schild zuverlässig auf ihre entsprechenden geeigneten Temperaturen erwärmt werden können, bevor der Abscheidungsvorgang beginnt.
Gegenstände mit Zimmertemperatur oder bei den mäßig erhöhten Temperaturen, bei welchen das Substrat 10 und die Auflage 12 während der Dünnschichtabscheidung gehalten werden, emittieren eine Strahlung hauptsächlich im infraroten Bereich. In anderen Worten werden sowohl das Abscheidungssubstrat 10 als auch die Auflage 12 eine Strahlung mit einem kontinuierlichen Wellenlängenspektrum emittieren, dessen meiste Energie im infraroten Bereich liegt.
Das in den Fig. 1 und 2 gezeigte System weist einen ersten Temperatursensor 24 auf, der zum Messen der Temperatur des Substrats 10 an zentraler Stelle in der Auflage 12 und in einem Abstand von der Unterseite des Abscheidungssubstrats 10 angeordnet ist. Außerdem weist das System einen zweiten Sensor 26 auf, der zwischen den Enden der zwei Kassetten-Heizvorrichtungen 22 angeordnet ist und zum Messen der Temperatur des Schilds 20 auf die Unterseite des Schilds 20 (Fig. 1) gerichtet ist. Die Wärmesensoren 24 und 26 sind unter dem Substrat 10 bzw. dem Schild 22 angeordnet, um die Sensoren gegen das während des Abscheidungsvorgangs zwischen dem Substrat 10 und dem Ziel gebildete Plasma zu schützen. Da die Auflage 12 zum Erwärmen des Substrats 10 vor und während des Abscheidungsvorgangs in direktem physischem Kontakt mit der Unterseite des Substrats 10 ist, sind die Auflage 12 und der Substratwärmesensor 24 in enger physischer Nachbarschaft. In ähnlicher Weise sind die Kassetten-Heizvorrichtungen 22 zum geeigneten Erwärmen des Schilds 20 nahe beim Schild 20 und daher auch in der Nähe des Schildtemperatursensors 26.
Wie oben erwähnt, kann die Temperatur der Auflage 12 wesentlich höher als die des Substrats 10 sein. Folglich kann von der Auflage 12 ausgestrahlte Wärme, wenn sie vom in der Nähe befindlichen Substrattemperatursensor 24 erfasst wird, die Genauigkeit der Temperaturmessung des Substrats 10 beträchtlich nachteilig beeinflussen. In ähnlicher Weise kann die von den Kassetten-Heizvorrichtungen 22 neben dem Schildtemperatursensor 26 ausgestrahlte höhere Temperaturwärme die Genauigkeit der Schildtemperaturmessung nachteilig beeinflussen.
Umgekehrt kann die Temperatur der Auflage 12 auch wesentlich niedriger als die des Substrats 10 sein. Diese Temperaturdifferenz kann auch die richtige Temperaturmessung des Substrats 10 stören.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung hat jeder der Temperatursensoren 24, 26 eine zum Reflektieren unerwünschter Wärme weg vom Wärmeerfassungselement des Wärmesensors positionierte Wärme reflektierende Oberfläche. Wie am besten in Fig. 3 zu sehen ist, weist zum Beispiel der Wärmesensor 24 einen allgemein konisch geformten Wärmeschild 30 auf, der um einen Thermoelementübergang 32 angeordnet ist, der auf einem Ende von Thermoelementleitungen 64 getragen wird, die durch die Thermoelementschutzhülle 34 verlegt sind. Das Ende der Hülle 34, das den Thermoelementübergang 32 trägt, ist in einer ringförmigen Öffnung eines Wärmekollektorelements 36 aufgenommen. Wärme (Infrarotstrahlung), die vom Substrat 10 abgegeben wird, das über dem Sensor 24 liegt, trifft entweder direkt auf das Wärmekollektorelement 36 oder wird von der Innenoberfläche 38 des Wärmeschilds 30 auf das Infrarotstrahlung absorbierende Wärmekollektorelement 36 reflektiert, um das Wärmekollektorelement 36 zu erwärmen, wie das durch den Hitzestrahl 40 repräsentiert ist.
Der Wärmesensor 24 ist in einem zylindrischen Loch 42 aufgenommen, das durch die Auflage 12 führt. Wegen der beträchtlichen Temperaturdifferenz zwischen der Auflage 12 und dem Substrat 10 kann die von der Auflage 12 abgegebene Wärme die Temperaturmessung des Substrats nachteilig beeinflussen. Zum Verringern der Auswirkung der Auflage 12 hat nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung der Wärmeschild 30 eine hochglanzpolierte, spiegelartige Außenoberfläche 44, die Infrarotstrahlung von der Auflage 12 vom Wärmekollektorelement 36 weg reflektiert, wie das durch den Hitzestrahl 46 repräsentiert ist. Zusätzlich verringert der Wärmeschild 30 die Auswirkung von der Auflage 12 übertragene Wärme aus anderen Medien, wie zum Beispiel Gasen und Plasma, die sich in der Kammeratmosphäre zwischen der zylindrischen Innenwand 42 der Auflage 12 und dem Wärmesensor 24 befinden können. Zusätzlich bietet der Schild 30 zumindest einen teilweisen Schutz gegen HF- und Plasmarauschen während des Dünnschichtabscheidungsvorgangs.
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung hat der Schild 30 eine sehr dünnwandige Konstruktion. In der gezeigten Ausführungsform hat die konisch geformte Wand 48 des Wärmeschilds 30 eine Dicke von vorzugsweise höchstens ungefähr 0,2 mm (0,008 Zoll). Aufgrund dieser dünnwandigen Konstruktion hat der Wärmeschild 30 eine sehr geringe thermische Masse und gleicht sich daher in einer relativ kurzen Zeit aus. (Eine Dicke von 0,4 mm sollte daher zu einer entsprechend erhöhten (doppelten) Antwortzeit führen.) Daher kann der Wärmesensor 24, nachdem das Substrat 10 in die Kammer gelegt wurde, fast unmittelbar (zum Beispiel innerhalb von weniger als einer Sekunde) die Temperatur des Substrats 10 exakt messen. Außerdem kann der Abstand zwischen dem Wärmesensor 24 und dem Substrat 10 erhöht werden, während die Sensorantwortzeiten ohne weiteres innerhalb akzeptabler Grenzwerte bleiben. Zum Beispiel hat sich herausgestellt, dass der Sensor 24 die Temperatur des Substrats 10 innerhalb weniger als einer Sekunde exakt messen kann, auch wenn das Substrat 10 mehr als 2,54 cm (1 Zoll) vom Sensor 24 entfernt ist. Allgemein sollte die Dicke der Schildwand des Wärmeschilds 30 so dünn wie möglich sein, um die thermische Masse des Wärmeschilds so viel wie möglich zu verringern, während eine ausreichende strukturelle Integrität aufrechterhalten wird und ohne dass die Wärmeabschirmungs- und die HF- und Plasma-Rauschen-Abschirmungsfunktionen negativ beeinflusst würden.
Wie zuvor erwähnt ist die Außenoberfläche 44 des Schilds 30 vorzugsweise in eine spiegelartige Oberfläche hochglanzpoliert, um die Wärmeabschirmungsfunktion zu maximieren. Außerdem ist bei der gezeigten Ausführungsform die Innenoberfläche 38 der Schildwand 48 in der Sichtlinie des Wärmekollektors 36 ebenfalls zu einer spiegelartigen Oberfläche hochglanzpoliert. In der gezeigten Ausführungsform ist der Wärmeschild 30 aus Edelstahl hergestellt und zu einer Glattheit von 34 · 10&supmin;&sup6; m (34 Ra) bearbeitet. Die Schildoberflächen 38 und 44 werden dann zu einer erhöhten Glattheit von 8 · 10&supmin;&sup6; m (8 Ra) mechanisch poliert. Schließlich werden diese Oberflächen zu einer Glattheit von 2 · 10&supmin;&sup6; m (2 Ra) elektropoliert und chemisch poliert, so dass der Wärmeschild sowohl innen als auch außen eine sehr glänzende, spiegelartige Oberflächenbearbeitung aufweist. Die feine Politur erzeugt ein hohes Reflexionsvermögen für optische Strahlung auf Wellenlängen in der Nähe der Spitze der Planck-Verteilung für die gemessene Temperatur, nämlich im Infrarotband in der Nähe von 5 um für typische PVD- Substrattemperaturen. Zwar wurde bei dem Wärmeschild 30 beschrieben, dass er aus einem Edelstahlmaterial hergestellt ist, doch versteht es sich, dass auch andere Werkstoffe verwendet werden können. Allgemein wird vorgezogen, dass höchst reflexionsfähige, eine geringe Strahlfähigkeit aufweisende Metalle verwendet werden, wie zum Beispiel Aluminium, Gold und Silber. Diese höchstreflektierenden Materialen können auf einen aus einem anderen Metall hergestellten Schild als Schicht aufgetragen werden.
Eine polierte Oberfläche reflektiert nicht nur Infrarotstrahlung (Wärme), sondern es ist auch wichtig festzustellen, dass die Oberfläche einer polierten Fläche außerdem Licht nicht effizient emittiert. Das führt dazu, dass die äußere polierte Oberfläche die thermische Isolation der Schildwand 48 gegenüber der Auflage erhöht. Wenn zum Beispiel die Innenoberfläche 38 poliert wäre, jedoch die Außenoberfläche 44 nicht, würde der Schild 30 die Tendenz haben, sich auf die Auflagentemperatur einzupendeln. Da die Politur der Schild-Innenoberfläche nicht perfekt ist, würde der Schild die Temperatur des Wärmesensors 24 beeinflussen. Im Endeffekt wird angenommen, dass, wenn das Substrat heißer als die Auflage ist, es einen Transport von Wärme vom Schild zur Auflage geben würde. Dieser Transport sollte so weit wie möglich minimiert werden. Es wird angenommen, dass eine Auswirkung der Politur beider Oberflächen 38, 44, des Schilds 30 eine Minimierung oder mindestens eine wesentliche Verringerung der thermischen Wechselwirkung zwischen dem Wärmesensor 24 und dem Schild 30 und zwischen dem Schild 30 und der Auflage 12 ist. Die Dünnheit der Wand 48 verringert die thermische Masse des Schilds, so dass er sich schnell auf eine Gleichgewichtstemperatur zwischen der Temperatur des Wärmesensors und der Temperatur der Auflage 12 einpendelt.
Wie oben angeführt, hat die Schildwand 48 des Wärmeschilds 30 eine allgemein konische Form, die in der gezeigten Ausführungsform im Verhältnis zur Zentralachse des Wärmeschilds 30 in einem Winkel von 45º geneigt ist. Es versteht sich, dass auch andere Formen, wie zum Beispiel eine Parabolform verwendet werden könnte. Allgemein werden Schüsselformen oder konkave Formen bevorzugt, die das Sammeln und das Umleiten der vom Substrat 10 emittierten Wärme zum Wärmekollektor 36 des Wärmesensors 24 fördern.
In der gezeigten Ausführungsform hat die Wärmeschildwand 48 einen Außendurchmesser von 8,89 mm (0,350 Zoll), und der Auflagenkanal 42, in dem der Wärmesensor 24 aufgenommen wird, hat einen Durchmesser von 9,93 mm (0,391 Zoll). Allgemein wird vorgezogen, dass der Auflagenkanal 42 und der Wärmesensor 24 so klein wie möglich sind, um ein ungleichmäßiges Erwärmen des Substrats 10 durch die Auflage 12 zu Minimieren. Außerdem verbessert ein Verringern der Größe des Wärmesensors die Antwortzeit.
Der Wärmeschild 30 wird vorzugsweise durch spanabhebende Bearbeitung hergestellt. Nach der Formung der Außenoberfläche 44 wird der teilweise geformte Wärmeschild durch eine geeignete weibliche Einspannvorrichtung gehalten, damit die Innenoberfläche 38 ausgebildet werden kann. Es versteht sich, dass auch andere Verfahren verwendet werden können. Zum Beispiel kann die sehr dünne Wand 48 des Wärmeschilds aus einem dünnen, planaren Metallblech ausgestanzt werden. Alternativ kann die Wand 48 auch aus dem dünnen Blech geschnitten und dann gebogen und entlang der entstehenden Naht zum Bilden einer konischen Form verschweißt werden. Die konische Wand 48 kann dann auf den massiveren ringförmigen Stamm 51 aufgeschweißt werden.
Das Wärmesammelelement 36 der gezeigten Ausführungsform ist allgemein ein ringförmiges, kappenförmiges Element, das in der oberen Wand des Wärmekollektorelements 36 eine Öffnung 50 (Fig. 4) aufweist. Das Ende der Hülle 34, das den Thermoelementübergang 32 enthält, wird im Wärmekollektorelement 36 aufgenommen. Die Öffnung 50 erlaubt es, dass die Thermoelementhülle 34 auf das Wärmekollektorelement 36 hartgelötet wird. Die Oberseite des Wärmekollektors 36 wird vorzugsweise spanabhebend abgeflacht, um überstehendes Hartlot zu entfernen. Der Wärmekollektor 36 wird mit einer schwarzen Farbe angestrichen, wie zum Beispiel Plasti-coat, HP-11-schwarz, um die Wärmeaufnahmefähigkeit des Wärmekollektorelements 36 zu erhöhen. In der gezeigten Ausführungsform hat der Wärmekollektor 36 einen Außendurchmesser von 2,1 mm (0,064 Zoll) und eine Länge von 1,3 mm (0,050 Zoll). Allgemein sollte der Wärmekollektor 36 relativ klein sein, was eine erhöhte Antwort erzeugt. Der Wärmekollektor 36 der gezeigten Ausführungsform ist aus einem sauerstofffreien Kupfer hergestellt. Es versteht sich natürlich, dass das Wärmekollektorelement 36 auch aus einer Vielzahl anderer Werkstoffe, wie zum Beispiel eloxiertem Aluminium hergestellt werden kann.
Allgemein wird vorgezogen, dass das Wärmekollektorelementmaterial eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit und Abstrahlungsfähigkeit hat.
Der ringförmige Stamm 51 des Wärmeschilds 30 ist außen an der Hülle 34 angebracht, vorzugsweise so, dass die obere Oberfläche des Wärmekollektors 36 leicht vertieft liegt, in der gezeigten Ausführungsform 1,25 um (0,005 Zoll) im Verhältnis zur Oberseite des Wärmeschilds 30, um den durch den Wärmeschild 30 gebotenen Schutz zu erhöhen. In der gezeigten Ausführungsform ist der Wärmeschild 30 unter Verwendung eines 604-VTG-Silberhartlots auf der Hülle 34 befestigt, um eine gute thermische Leitfähigkeit und ein niedriges Ausgasverhalten zu erzeugen. Es versteht sich natürlich, dass auch andere Verfahren zum Befestigen eines Werkstoffes auf einem anderen ebenso verwendet werden können.
Der Wärmesensor 24 wird durch einen Isolationsstift 52 im Auflagenkanal 42 gehalten, der, wie am besten in Fig. 5 zu sehen ist, einen allgemein stehenden zylindrischen Teil 54 aufweist, der entlang seiner Länge einen Schlitz 56 aufweist, damit die Hülle 34 des Wärmesensors 24 längs in den Stift 52 eingelegt werden kann. Eine allgemein bogenförmige Basisplatte 58 hat zwei Bohrungen 60, die es erlauben, dass der Stift 52 von der Rückseite in die Auflage 12 geschraubt werden kann, nachdem der zylindrische Teil 54 und der daran befestigte Wärmesensor 24 in den Auflagenkanal 42 eingeführt wurden. In der gezeigten Ausführungsform ist der Stift 52 aus Edelstahlmaterial, das eine relativ niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist. Der stehende Teil 54 des Stifts 52 hat eine relativ lange Länge von 2,53 cm (0,996 Zoll) in der gezeigten Ausführungsform, um die Basis des Wärmeschilds 30 von der Auflage 12 zu isolieren, die den Wärmesensorstift 52 trägt. Das Innere der zentralen Öffnung 62 des Stifts 52 hat in der gezeigten Ausführungsform einen Durchmesser von ungefähr 1,6 mm (0,063 Zoll), was ungefähr dem doppelten Außendurchmesser der Hülle 34 entspricht, um eine weitere Isolation zwischen dem Stift 52 und dem Wärmesensor 24 herzustellen. Der Wärmeschild 30 hat in der gezeigten Ausführungsform eine Länge von 7,6 mm (0,30 Zoll).
Der Thermoelementübergang 32 der gezeigten Ausführungsform ist ein Chromel-Alumel-Legierungs-Thermoelement, mit einem ungeerdeten Übergang, das unter der Marke Omega, Modell Nr. K vermarktet wird. Die Hülle 34 der gezeigten Ausführungsform hat einen Außendurchmesser von 0,81 mm (0,032 Zoll) und ist aus Edelstahl hergestellt. Natürlich versteht es sich, dass andere Typen von Wärmesensorelementen verwendet werden können, wie zum Beispiel andere Typen von Thermoelementen und Widerstandswärmesensorelemente, an Stelle des Thermoelements.
Die Hülle 34 bietet für das Thermoelement einen weiteren Schutz gegen HF- Plasma- und andere Rauschquellen. Der Thermoelementübergang und die Thermoelementleitungsdrähte 64 (Fig. 3) sind durch ein MgO-Pulver physisch gegenüber der Thermoelementhülle 34 isoliert, das in die Hülle gepackt wird. An den Enden der beiden Thermoelementdrähte, die aus dem Ende der Hülle 34 ragen, ist ein Zweikontaktstecker 66 (Fig. 6), der am unteren Ende der Hülle 34 aufgeschrumpft wird. Ein mit Alumium-Epoxidharz gefülltes Übergangselement 68 wird auf die Hülle 34 silber-hartgelötet, um die Hülle 34 vakuumdicht zu versiegeln.
Gemäß Fig. 7 ist der Wärmesensor 26 zum Messen der Temperatur des Schilds 20 (Fig. 1) im Wesentlichen ähnlich wie der oben beschriebene Auflagenwärmesensor 24 konstruiert. Der Wärmesensor 26 für den Wärmeschild 20 ist jedoch nicht auf der Auflage montiert, sondern in einer unteren Ecke der Bearbeitungskammer an einem Rahmenelement 70 befestigt. Der Wärmesensor 26 wird von einem Isolierstift 72 getragen, der durch eine Öffnung 74 durch das Rahmenelement 70 reicht. Der Stift 72 hat einen festen Kragen 76, der den Stift 72 auf der oberen Oberfläche des Rahmenelements 70 hält. Der Stift 72 ist durch eine Sechskantmutter 78 am Rahmenelement 70 befestigt. Eine Beilagscheiben/Dichtungs-Kombination 80, die zwischen die Sechskantmutter 78 und die untere Oberfläche des Kammerelements 70 geschraubt wird, dichtet die Verbindung ab.
Fig. 8 ist eine Kurvendarstellung von Daten, die von verschiedenen Sensoren in einem Experiment abgegriffen wurden, um die Wirksamkeit des Sensorwärmeschilds 30 des Wärmesensors 26 zum Messen der Temperatur des Kammerschilds 20 zu demonstrieren. Die Linie 90 repräsentiert Daten, die von einem herkömmlichen Kontakt-Thermoelement ausgegeben wurden, das zu Vergleichszwecken in einer Entfernung von ungefähr einem Zoll (2,54 cm) von den Kassetten-Heizelementen auf dem Kammerschild 20 installiert wurde. Außerdem wurde auch ein herkömmliches Kontakt-Thermoelement an der Außenoberfläche des Kammerschilds angebracht, um zu Vergleichszwecken die erfahrungsgemäß wohl genaueste Messung zu liefern. Wie oben erläutert, ist jedoch eine Platzierung eines Wärmesensors in einer Abscheidungskammer normalerweise nicht praktisch umzusetzen. Die durch dieses an der Außenoberfläche angebrachte Thermoelement gelieferten Daten sind durch die Linie 91 repräsentiert und werden für die "wahre" Temperatur des Schilds gehalten. Schließlich sind die vom Wärmesensor 26 der gezeigten Ausführungsform gelieferten Daten durch die Linie 92 repräsentiert. Zu Experimentzwecken wurde die Auflage 12 entfernt, um sie als eine Wärmequelle auszuschließen.
Wie in Fig. 8 gezeigt, zeigte die durch das Kontakt-Thermoelement gemessene Temperatur, das in der Nähe der Kassetten-Heizvorrichtungen positioniert war (Linie 90), einen beträchtlichen Versatz gegenüber den vom Kontakt- Thermoelement gemessenen Temperaturen (Linie 91), das von den Kassetten- Heizvorrichtungen entfernt positioniert war. So wird aus der Linie 90 ganz klar, dass die von den Kassetten ausgestrahlte Wärme die Genauigkeit der Temperaturmessungen negativ beeinflusste. Im Gegensatz dazu zeigen die vom Wärmesensor 26 durchgeführten Temperaturmessungen, die durch die Linie 92 repräsentiert werden, eine sehr genaue Übereinstimmung mit den Temperaturmessungen, die von dem Wärmesensor durchgeführt wurden, der von den Kassetten-Heizvorrichtungen entfernt war, wie sie durch die Linie 91 repräsentiert sind. Daher zeigt Fig. 8, dass der Wärmeschild 30 des Wärmesensors 26 der gezeigten Ausführungsform den nachteiligen Effekt sehr wirkungsvoll verringert, der durch die Wärme verursacht wird, die aus einer nicht durch das Werkstück dargestellten Quelle, hier der Kassetten-Heizvorrichtung, stammt. Daher ist die direkte Messung durch den Wärmesensor 26 für diese Anwendung zufrieden stellend.
Fig. 9 vergleicht Temperaturmessungen des Substrats 10, die durch den Wärmesensor 24 vorgenommen wurden, wie durch die Linie 94 repräsentiert, mit Temperaturmessungen des Substrats 10, die durch ein Kontakt-Thermoelement vorgenommen wurden, das physisch auf dem Substrat installiert wurde, wie durch die Linie 96 repräsentiert. Eine dritte Linie 98 repräsentiert Temperaturmessungen der Auflage 12.
Anfänglich (zur Zeit 9 : 39 : 41) ist die Substrattemperatur höher als die der Auflage. Zu diese Zeit ist das Substrat 10 2,54 cm (1 Zoll) über der Auflage angeordnet. 10 Minuten später (bei der 9 : 49 : 40) ist die Auflage angehoben, so dass die Auflage in direktem physischem Kontakt mit dem Substrat ist. Als eine Folge davon beginnt die Temperatur des Substrats 10, sich abzukühlen, wie in Fig. 9 gezeigt ist. 40 Minuten später (zur Zeit 10 : 29 : 40) beginnt die Temperatur 10 anzusteigen, da es von der Auflage und sekundär vom Schild 20 aufgewärmt wird. Weitere 10 Minuten später (zur Zeit 10 : 39 : 40) wird die Auflage um einen Zoll unter das Substrat 10 abgesenkt.
Der Wärmesensor 24 wird von allen Richtungen durch die Auflage 12 und das Substrat 10 aufgewärmt. Daher hat, wie in Fig. 9 gezeigt, die Temperatur der Auflage 12 (durch die Linie 98 repräsentiert) eine Auswirkung auf die Temperaturmessungen des Temperatursensors 24, die durch die Linie 94 repräsentiert sind. Es ist jedoch zu sehen, dass die Form der Linie 94 auch mit der Form der Linie 96 zusammenhängt, welche die "echte" Temperatur des Substrats 10 repräsentiert. Es ist daher klar, dass der Wärmeschild 30 wirksam die Auswirkung der Auflage auf die vom Wärmesensor 24 am Substrat 10 durchgeführten Temperaturmessungen verringert.
Durch eine richtige Kalibrierung der vom Wärmesensor 24 empfangenen Wärmetemperaturdaten kann die Auswirkung der Auflagentemperatur auf die Substrattemperaturmessungen weiter verringert werden, wie in den Fig. 10 und 11 gezeigt. Zum Kalibrieren der Vorrichtung wurde die folgende durch einen Kalibrator 120 (Fig. 14) durchgeführte Gleichung verwendet:
Tconv = (T - Tsus) · C + F (Tsus)
wobei Tconv die kalibrierte Substrattemperatur, T die Temperatur, die aus dem Wärmesensor 24 ausgelesen wird, Tsus die Auflagentemperatur, die durch ein Thermoelement 122 erfasst wird, das mit der Auflage 12 verbunden ist, und F (SUS) ein Wert ist, der in Abhängigkeit von der Auflagentemperatur ermittelt wurde. Wie durch die obrige Gleichung angegeben, wird zum Verringern oder Eliminieren der Auswirkung der Auflagentemperatur die Auflagentemperatur TSUS aus den durch Wärmesensoren gelieferten Temperaturen heraussubtrahiert. Zweitens wird zum Ausgleichen eines Versatzes, der von der Auflagentemperatur verursacht wird, der Wert F (Tsus) addiert. Schließlich wird zum Skalieren der Größen der Werte (T - TSUS) und F (TSUS) die Größe (T - Tsus) mit der Konstante C multipliziert.
Die Funktion F (TSUS) = 77,72e0,004508 · TSUS und die Konstante C = 7,0 wurden empirisch aus den Auflagentemperaturen in Grad Celsius, die in den Fig. 10 und 11 gezeigt sind, ermittelt. Die Linie 100 von Fig. 10 repräsentiert die kalibrierten Temperaturmessdaten, die vom Wärmesensor 24 geliefert werden, wenn das Substrat 10 mit einer kalten Auflage (185ºC) in Kontakt gebracht wird. Die Linie 100 zeigt eine ausgezeichnete Übereinstimmung mit der tatsächlichen Temperatur des Substrats 10, die durch die Linie 102 repräsentiert wird. Außerdem ist zu sehen, dass die Temperaturmessungen, die vom Temperatursensor 24 vorgenommen wurden, in sehr guter Übereinstimmung mit den tatsächlichen Temperaturen des Substrats bleiben, auch wenn das Substrat einen Zoll vom Wärmesensor 24 und der Auflage entfernt ist, wie das durch die Zeitintervalle 9:39:41-9:49:40 und 10:39:40- 10:49:40 repräsentiert wird.
Der Kalibrator 120 weist vorzugsweise einen Analog-Digital-Wandler zum Wandeln der analogen Temperatursignale von den Temperatursensoren in digitale Temperaturdaten auf. Die Lösungen zu den oben beschriebenen Kalibrierungsformeln werden vorzugsweise von einer in geeigneter Weise programmierten Workstation oder einem anderen Allzweckcomputer geliefert, der zum Steuern des Halbleiterbearbeitungssystems oder -subsystems in seiner Gänze verwendet wird.
Fig. 11 vergleicht Temperaturmessungen, die vom Temperatursensor 24 durchgeführt wurden, die durch die Linie 104 repräsentiert werden, mit tatsächlichen Temperaturen des Substrats 10, die durch die Linie 106 repräsentiert werden, während das Substrat 10 mit einer erwärmten Auflage (272ºC) in Kontakt gebracht wird. Fig. 12 zeigt die schnelle Antwort (innerhalb einer Sekunde) des erfindungsgemäßen Wärmesensors während der Verarbeitung. Während der ersten zehn Sekunden wird das Substrat in die Bearbeitungskammer verbracht und 2,54 cm (1 Zoll) über der Auflage positioniert. Nachdem es auf die Auflage gelegt wurde, beginnt das Substrat, sich abzukühlen (oder sich manchmal auch aufzuwärmen) und erreicht in der Folge das thermische Gleichgewicht. An diesem Punkt beginnt die Bearbeitung, die eine Umgebung mit einem starken Rauschen erzeugt.
Fig. 13 ist ein Schaltplan des Temperatursteuerungssystems für den Schild 20 und die Kassetten-Heizvorrichtung 22 von Fig. 1. Das Temperatursteuerungssystem weist eine Wechselstromquelle 110 auf, die über einen SCR (silicon controlled rectifier/Thyristor) 112 mit der Kassetten-Heizvorrichtung 22 verbunden ist, die eine Widerstands-Heizvorrichtung ist. Das Steuerungs-Eingangssignal (das hier als "Auslöser" bezeichnet wird) für den SCR 112 wird durch eine Steuerungsschaltung 114 gesteuert, welche die Temperaturen sowohl des Schilds 20 als auch der Heizvorrichtung 22 überwacht. Die Temperaturkassetten-Heizvorrichtung 22 wird durch ein Thermoelement 116 erfasst, dessen Ausgangssignal an einen Eingang der Steuerung 114 angelegt wird. In einer ähnlichen Weise wird die Temperatur des Schildes 20 durch den Wärmesensor 26, wie oben beschrieben, erfasst, die auch an einen Eingang der Steuerung 114 geleitet wird.
Während verschiedener Teile des gesamten Dünnschichtabscheidungsvorgangs wird der Schild durch die Kassetten- Heizvorrichtung 22 auf eine bestimmte Temperatur aufgewärmt und über einen vorbestimmten Zeitraum auf dieser Zieltemperatur gehalten. In der gezeigten Ausführungsform wird der Schild 20 während des Ausheizens zum Beispiel vorzugsweise auf einer Temperatur von ungefähr 450ºC und während des Sputterns vorzugsweise auf einer Temperatur von 300ºC gehalten. Da jedoch die thermische Masse des Schilds 20 relativ groß ist, steigt die Temperatur des Schilds relativ langsam an. Umgekehrt steigt die Temperatur der Heizvorrichtung 22 viel schneller an als diejenige des Schilds 20.
Um eine Beschädigung der Heizvorrichtung 22 durch Überhitzen der Heizvorrichtung zu verhindern, während die Temperatur des Schilds 20 auf ihre Zieltemperatur ansteigt, wird die Temperatur der Heizvorrichtung 22 normalerweise auf einen vorbestimmten Maximalwert eingeschränkt, der in der gezeigten Ausführungsform 800ºC ist. Daher löst die Steuerung 114 den SCR 112 vorzugsweise in einer solchen Weise aus, dass der Schild 20 so schnell wie möglich auf seine Zieltemperatur erwärmt wird, und er auf seiner Zieltemperatur gehalten wird, ohne dass dabei die Kassetten-Heizvorrichtung 22 über ihre maximale Temperatur erwärmt wird. Zusätzlich wird während des Sputtervorgangs durch das während des Sputterns erzeugte Plasma typischerweise zusätzliche Wärme an den Schild 20 übertragen. Daher sollte die Steuerungsschaltung 114 die Temperatur der Kassetten-Heizvorrichtung 22 während des Sputterns verringern, um die Schildtemperatur auf ihrer Zieltemperatur zu halten. In der gezeigten Ausführungsform ist die Steuerung mit einem Kaskaden-Controller des Modells 988, der von Watlow Controls, Winona, Minnesota hergestellt wird, realisiert. Solche Kaskadencontroller sind auf diesem Gebiet wohl bekannt und verwenden typischerweise primäre und sekundäre Steuerschleifen. Es versteht sich natürlich, dass auch andere Typen von Steuerungsschaltungen verwendet werden können und dass Leistungssteuerungsvorrichtungen verwendet werden können, die keine SCRs sind.
Fig. 14 ist ein Schaltplan des Temperatursteuerungssystems für das Substrat 10 und die Auflage 12 von Fig. 1. In einer ähnlichen Weise zu derjenigen des Steuerungssystems von Fig. 13, das oben beschrieben wurde, überwacht ein Kaskaden-Controller 114a die Temperatur des Substrats 10, die durch den Wärmesensor 24 angegeben wird, und löst einen SCR 112a zum Erwärmen (nicht gezeigter) Widerstandsheizvorrichtungen in der Auflage 12 aus, um das Substrat 10 auf der Zieltemperatur zu halten. Bevor das Sputtern einsetzt, wird in der gezeigten Ausführungsform das Substrat 10 auf einer Temperatur von 200ºC gehalten. Nachdem das Sputtern eingesetzt hat, wird jedoch durch das Plasma zusätzliche Wärme dem Substrat zugeführt. Demnach sollte der Controller 114a zum Minimieren des Temperaturanstieges des Substrats die Temperatur der Auflage verringern.
In der gezeigten Ausführungsform werden die durch die Temperatursensoren gelieferten Temperatursignale direkt von den Temperatursteuerungen 114 und 114a verwendet. Es versteht sich, dass eine verbesserte Temperatursteuerung des Substrats 10 und des Schilds 20 durch eine geeignete Kalibrierung der gemessenen Substrat- und Schildtemperaturen erreicht werden kann, bevor die Substrat- und Schildtemperaturen in die Steuerungen 114 und 114a eingegeben werden.
Aus dem Obigen ist ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung ein verbessertes Temperaturmesssystem vorsieht, bei dem ein Wärmeschild von unerwünschten Quellen emittierte Wärme vom Temperatur-Erfassungselement wegleitet, um die Genauigkeit von Temperaturmessungen in Hochtemperatur- und anderen Umgebungen zu verbessern. Außerdem wird die Antwortfähigkeit des Sensors beträchtlich verbessert, weil der Wärmeschild vorzugsweise eine niedrigere thermische Masse aufweist.
Es versteht sich natürlich, dass vom Fachmann Modifikationen der vorliegenden Erfindung in ihren verschiedenen Aspekten vorgenommen werden können. Zum Beispiel wurden zwar verschiedene Abmessungen und Werkstoffe offenbart, doch wird darauf hingewiesen, dass andere Größen, Formen und Werkstoffe ebenfalls eingesetzt werden können. Außerdem kann ein erfindungsgemäßer Sensor neben dem hier beschriebenen kontaktfreien Sensor auch ein Kontakt-Sensor sein.
Weitere Ausführungsformen sind ebenfalls möglich, wobei ihre spezifische Konstruktion von der jeweils angestrebten Anwendung abhängt. An sich sollte der Umfang der Erfindung nicht durch die hier beschriebenen spezifischen Ausführungsformen, sondern lediglich durch die nachfolgenden Ansprüche eingeschränkt sein.

Claims

1. Vorrichtung zum Erhitzen und Überwachen der Temperatur eines Werkstücks (10), mit einem Werkstück-Aufnahmeort, einem Gegenstand (12), der so angeordnet ist, dass das Werkstück an dem Ort erhitzt wird, und einem Wärme-Sensorelement (32, 36), das in Bezug auf den Ort des Werkstücks so angeordnet ist, dass es Wärmestrahlung vom Werkstück an dem Ort empfängt und ein Ausgangssignal emittiert, das der Temperatur des Werkstücks entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass

der Gegenstand eine Aufnahme (12) zur Aufnahme eines Substrats ist und eine zentrale Öffnung aufweist,

in der Aufnahmeöffnung ein Wärmekollektor (24) zum Sammeln der Wärme vom Substrat angeordnet ist,

das Wärme-Sensorelement ein Thermoelement (32) ist, das angrenzend an den Wärmekollektor angeordnet ist und die vom Wärmekollektor aufgenommene Wärme erfasst,

und ein Wärmeschild vorgesehen ist, das ein zwischen dem Thermoelement und der Aufnahme angeordneter konischer Wärmereflektor (39) ist und eine äußere spiegelartige reflektierende Oberfläche aufweist, die so angeordnet ist, dass sie von der Aufnahme emittierte Strahlung vom Thermoelement weg reflektiert, sowie eine innere spiegelartige Oberfläche, die so geformt und angeordnet ist, dass sie vom Substrat emittierte Strahlung zum Wärmekollektor reflektiert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierende Oberfläche (44) des Wärmeschilds eine Glattheit von wenigstens 2 · 10&supmin;&sup6; m (2 Ra) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand des Reflektors (30) eine Dicke von etwa 0,2 mm aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand (30) eine Dicke von nicht mehr als etwa 0,4 mm aufweist.

S. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kalibriereinrichtung zum Kalibrieren des Sensors entsprechend folgender Gleichung vorgesehen ist:

Tconv = (T - Tobj) · C + F (Tobj)

worin sind: Tconv die kalibrierte Temperatur, T die vom Sensor ausgegebene Temperatur, Tobj die gemessene Gegenstandstemperatur, C eine empirisch ermittelte Konstante und F (Tobj) ein als Funktion der Gegenstandstemperatur bestimmter Wert.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion F (Tobj) = 77, 72 e0,004508 · Tobj und die Konstante C = 7,0 ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmereflektor (30) eine konische Wand mit einer Dicke von weniger als 0,4 mm aufweist, wobei die innere und äußere Oberfläche der Wand poliert sind, so dass sie infrarote Strahlung reflektieren, und dass der Wärmesensor innerhalb des Reflektors innerhalb einer geometrischen Sichtlinie der inneren Oberfläche angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Infrarot absorbierender Körper vorgesehen ist, in dem der Wärmesensor angeordnet und der der inneren Oberfläche ausgesetzt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen auf eine Glattheit von wenigstens 2 · 10&supmin;&sup6; m (2 Ra) poliert sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen temperaturgesteuerten Körper mit einer darin vorgesehenen Öffnung, die sich von einer Hauptfläche derselben weg erstreckt, auf der das Substrat angeordnet werden kann, wobei der Reflektor in der Öffnung angeordnet und der Wärmefühler in der Öffnung zwischen der Hauptfläche und dem Reflektor angeordnet ist.

11. Verfahren zum Erfassen der Temperatur eines Werkstücks mit folgenden Schritten:

Anordnen eines Werkstücks angrenzend an einen Gegenstand,

Erfassen der von einem Werkstück emittierten Strahlung mittels eines Wärme- Sensorelements und

Anordnen eines Wärmeschilds in bezug zum Gegenstand und zum Wärmesensor, so dass vom Gegenstand reflektierte Strahlung vom Wärme-Sensorelement weg reflektiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Sensor nach folgender Gleichung kalibriert wird:

Tconv = (T - Tobj) · C + F (Tobj)

worin sind: Tconv die geeichte Temperatur, T die vom Sensor ausgegebene Temperatur, Tobj die gemessene Gegenstandstemperatur, C eine empirisch ermittelte Konstante und F (Tobj) eine Funktion der Gegenstandstemperatur bestimmter Wert.