JP2014532164A - 真空室内における基板の温度測定方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、温度センサと基準体とを有する温度測定システムに関し、基準体の温度変化の検出のための手段および／または基準体の温度制御のための手段が設けられており、温度測定システムが真空内で使用されると基準体が温度センサに対して実質的に熱の逃げ道をなさず、温度センサの表面には基準体の表面からの、および温度検出が行われる表面からの放射のみが到達するよう、基準体が温度センサを周囲から遮蔽する。

Description

本発明は、室内における処理の際、特にたとえば真空室における加熱、エッチング、ＣＶＤおよび／またはＰＶＤコーティングのような表面処理の際の基板の温度の非接触測定の方法に関する。

多くの場合、ＣＶＤおよび／またはＰＶＤコーティング工程の実施中における基板温度の確認は非常に重要である。これはたとえば、温度に敏感な基板に機能性コーティングが施される場合、またはこれは一般的に該当することであるが、コーティング処理中の温度がコーティング材料の特性に影響を及ぼす場合である。

コーティングの際には、均一にコーティングを行うためにコーティングが施される部品は度々動かされる。多くの場合、特に部品の形状が複雑である場合、二重、三重に回転される。これにより、コーティングされる部品に温度センサを直接取り付けることは困難である。

この関連で、基板温度の検出には以下のような温度測定方法が用いられることが多い。
１．外側から赤外線センサを使用した基板温度の測定：通過する基板の温度を赤外線温度測定装置により、赤外線放射を透過させる特殊な窓から測定する。この関連での温度測定方法には主に以下の短所がある。
ａ）表面の放射率が分かっていなければならない、ｂ）コーティング時に窓が被膜堆積から保護されなければならない、および／または定期的に被覆除去を行わなければならない。
２．室内における熱電対による測定
２．１ 共に回転する熱電対：熱電対は基板キャリア上に共に移動するよう取り付けられ、熱電対のケーブルは回転貫通部を介して真空室から出されなくてはならない。このような測定は通常、基板温度を非常によく反映するが、回転貫通部を設ける手間が著しい。
２．２ 固定式の熱電対：熱電対は、室内で真空室壁部と動かされる基板との間に固定的に取り付けられる。従来技術では、この測定により経時的にも、絶対温度の値に限定しても正確な結果が得られている。ある程度正確な測定結果を得るためには、真空室および基板が熱平衡状態になるまで待つ必要がある。また、経験上、センサの位置が測定結果に大きく影響を与えることが分かっている。

発明の課題
したがって、真空室内で動かされる基板の信頼性の高い温度測定方法が必要となる。その際、真空室内に固定的に取り付けられる温度センサを利用できることが望ましい。また、従来技術に比べてより信頼性の高い値が得られる測定方法を提供するものとする。

課題の解決
この課題は、本発明に係り、固定式の温度センサに加えて、温度が既知のおよび／または制御可能である基準体が真空室内でセンサの付近に設けられることにより解決される。基準体は、温度センサの表面には基準体の表面からの、および温度が測定されるべき表面からの放射のみが到達するよう温度センサを周囲から遮蔽する。これはたとえば、基準体がカップ状に構成され、その底部に温度センサの表面が熱的に互いに絶縁されて取り付けられており、測定される基板の方向にカップの開口部が向けられていることにより達成可能である。

発明の説明
本発明を詳しく説明するため、その背景にある理論に手短に触れることが有意義である。理論的には無限に広がる面において、センサ面が基準面と基板面との間に配置されており、システムが熱平衡状態にある場合、基板面、センサ面および基準面の温度は以下の通りとなる。

式１：Ｔ_基板面 ^４＝２・Ｔ_センサ面 ^４−Ｔ_基準面 ^４
これにより、基準面の温度が分かっている場合、基板温度はセンサの測定温度（センサ面の温度）により、数式１により簡単に計算される。

特殊な場合で基準面が極めて冷たい、すなわちＴ_基準面 ^４＜＜Ｔ^４ _センサ面の場合、数式１は以下の通り簡略化される。

式２：Ｔ_基板面＝１．１８９２・Ｔ_センサ面
係数１．１８９２（≒２^１／４）は、無限の面の場合の放射係数とされる。その他の実際の形状においては別の放射係数が適用されるが、その決定にはたとえば、有限要素法やラジオシティ法のような様々な方法が用いられる。この関連では公知の有限要素法ソフトウエアは、アンシスという名で知られている。

図１は本発明の第１の実施形態を示している。この実施形態では、基準面７を有するカップ状の基準体３が真空室（不図示）内に取り付けられており、このカップの底部にはセンサ面６を有する温度センサ５が設けられている。温度センサの感温性の表面には、カップ壁部（基準面７）の内側から生じるか、または図１で点線により示される円錐内にある方向からの放射のみが到達可能である。図１に示されるようにカップ開口部が基板９の方向に向けられている場合、センサ表面は実質的に基準体の表面および基板面からの放射のみを受けることになる。

第１実施形態に係り、基準面および温度センサの表面の温度を測定し、基準面の温度を温度センサの表面の温度に設定することを試みる。基準面における温度変化は基準面からの放射により、基準面の温度が基板面の温度に合致していない限り、温度センサの表面の温度の変化につながることとなる。基板温度に達して初めて、基準面、センサ面、基板面が一定的に同じ温度となる。基準温度の監視により、本発明に係り基板温度が極めて正確に検出される。これは、この工程すべてが真空条件下で行われ、妨害となる周囲雰囲気からの影響がないため、特に効果的に機能する。この方法は特に、たとえばプラスチック基板のコーティングの際に必要である中温の基板温度の測定に適している。

基板温度がさらに高い場合、たとえば２００℃より高い基板温度の場合は、本発明の第２実施形態の工程が好ましい。基本的には、基準体およびセンサの温度が分かれば基板温度を算出できる。一方で上述のシミュレーションによりその従属関係が算出されることが可能である。他方ではしかし、まず熱電対を回転可能に（共に回転するよう）基板と共に動かし、これが異なる温度にもたらされるよう、システムの校正を行うことも可能である。この場合、基準面は好適には一定の温度に維持され、センサ面で測定される温度は共に回転する熱電対で測定された温度と関連付けられる。

本発明の上記の第２実施形態の特殊な例が、基準面の温度が基板面の温度に対して、Ｔ_基準面 ^４＜＜Ｔ_センサ面 ^４であるように低く選択されている場合に見られる。数式２と同様に、基準面の値はあまり重要ではなく、その際基板温度は測定されたセンサ温度と単純な関係にある。基準面の温度が無視できるほど低い場合、温度推移が以下の数式３により表されることが実験により確認された。

式３：Ｔ_基板面＝ｋ・Ｔ_センサ面
その際、ｋ：実際の幾何学的関係に対する放射係数
これを図２に示しており、そこでは以下の温度推移が時間の経過と共に表されている。
・基板と共に回転する熱電対により校正のため測定された「実際の」基板温度（破線）
・固定されてはいるが、本発明に係り真空室内に配置される温度センサにより測定されたセンサ表面（Ｔ_センサ面）の温度（点線）
・数式３に基づき、本発明に係り算出された基板温度（Ｔ_基板面）（実線）
本発明に係る基板温度（Ｔ_基板面）の算出のためには放射係数ｋ＝１．４が用いられ、これは公知の有限要素法ソフトウエアであるアンシスにより計算された。

この温度の推移は基板の加熱により得られたものである。図２からは、基板温度が５００℃を超えると、約８０℃であった基準面の温度は無視できるものであることが明らかになる。

温度センサと基準体とを有する温度測定システムを開示したが、これには基準体の温度変化の検出のための手段および／または基準体の温度制御のための手段が設けられており、温度測定システムが真空内で使用される場合、基準体が温度センサに対して実質的に熱の逃げ道をなさず、温度センサの表面には基準体の表面からの、および温度が検出されるべき表面からの放射のみが到達するよう基準体は温度センサを周囲から遮蔽する。

この温度測定システムでは、基準体はカップ底部を有するカップ状に構成されることが可能であり、温度センサはカップ底部の付近で、しかしこれから熱的に絶縁されて配置されることが可能である。

真空処理装置にこのような温度測定システムを装備することが可能である。好適には基準体は、実質的に基準体の表面および真空装置内で処理されるべき基板および場合によっては基板キャリアの表面からの放射のみが温度センサの表面に到達するよう構成されている。

以下のステップを備える、真空室内における基板の温度測定方法を開示する。
・温度センサの第１センサ測定値の検出
・基準体の第１基準測定値の検出
・センサ測定値および温度測定値を用いた基板温度の検出
その際、センサ測定値はセンサの温度に対応し、基準測定値は基準体の実際の温度に対応することが可能である。基準体の温度を繰り返しセンサの温度に近付けることにより、安定した基板温度の際に基準体の温度が安定的にセンサの温度と同じであり、これによってセンサ、基準体、基板が同じ温度になることが達成される。

図１は、本発明の第１の実施形態を示す。 図２は、時間に依存する温度を示す。

Claims (5)

1. 温度センサと基準体とを有する温度測定システムにおいて、前記基準体の温度変化の検出のための手段および／または前記基準体の温度制御のための手段が設けられており、前記温度測定システムが真空内で使用される場合、前記基準体が前記温度センサに対して実質的に熱の逃げ道をなさず、前記温度センサの表面には前記基準体の表面からの、および温度検出が行われるべき表面からの放射のみが到達するよう前記基準体が前記温度センサを周囲から遮蔽することを特徴とする温度測定システム。
2. 請求項１に記載の温度測定システムにおいて、前記基準体がカップ底部を有するカップとして構成されており、前記温度センサが前記カップ底部の付近で、しかしこれと熱的に絶縁されて配置されていることを特徴とする温度測定システム。
3. 先の請求項のいずれか一項に記載の温度測定システムを有する真空処理装置において、実質的に前記基準体の表面からの、および前記真空装置内で処理されるべき基板および場合によっては基板キャリアからの放射のみが前記温度センサの表面に到達するよう、前記基準体が構成されていることを特徴とする真空処理装置。
4. 温度センサの第１センサ測定値を検出するステップと、
   基準体の第１基準測定値を検出するステップと、
   前記センサ測定値および温度測定値を用いて基板温度を検出するステップと、
   を備える、真空処理室内で基板の温度を測定するための方法。
5. 請求項４に記載の方法において、前記センサ測定値が前記センサの温度に対応し、前記基準測定値が前記基準体の実際の温度に対応し、前記基準体の温度を繰り返し前記センサの温度に近付けることにより、安定した基板温度の場合、前記基準体の温度が安定して前記センサの温度と同じになり、これにより前記センサ、前記基準体、前記基板が同じ温度になることを特徴とする方法。