JPH0463276A - 真空内被処理物の温度測定方法並びに温度制御方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野〕 本発明は真空内被処理物の温度制御方法並ひに温度制御
方法及び装置に関する。

〔従来の技術〕

従来のスパッタやＣＶＤやドライエッチなどの真空的処
理において処理中の被処理物の温度は重要な処理条件の
ひとつであり、真空内被処理物（基板）の温度測定方法
としては熱電対などの温度センサを利用した接触式が簡
便であって多用されており、この従来測定法は特開昭６
２−５０４６２号公報に記載のように処理中の基板に温
度センサを一定の力で押しつけ、センサ先端の測温部の
温度を基板温度に近づけて測温しようとするものが一般
的である。しかし同業者にはよく知られているように真
空内では接触熱抵抗が大きく、温度センサの表示値と基
板温度とには大きな誤差がでることがあった。

また従来の基板の温度制御方法としては、例えば特開昭
６０−１１５２２６号公報に記載のように一定温度に保
たれている保持台に基板を静電吸着し、さらに保持台と
基板間に熱伝導用ガスを介在させることにより基板温度
を制御する方法が知られている。この方法は真空内被処
理物の温度制御方法として有効であるが、対象基板の温
度を実測していないため入射熱量などの熱条件が変動す
ると、基板温度も変動してより正確な温度制御が望まれ
ていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は対象基板の温度測定に際して基板と温度
センサとの間の熱抵抗が不明であるため、これによって
生ずる温度誤差を考慮できないという問題があった。ま
た基板ごとに温度制御条件を調節して正確に温度制御す
ることができないという問題があった。

本願発明者らは従来技術の問題点となる真空内での大き
な接触熱抵抗による温度センサ表示値と基板温度との誤
差について次のように計算検討している。第２図は基板
および測温部への熱の出入りを模式的に示す。ここで保
持台１の上に基板２が保持され、保持台１の一部に設け
られた穴３より温度センサ４が貫通し、一定の力で基板
２に押しつけられている。基板２には単位面積当りｑ。

の熱量が入射し、熱伝達率αい　（熱抵抗の逆数）に比
例して保持台Ｉに流出した熱量の残余の熱量により基板
１は昇温する。一方の温度センサ４には基板２と温度セ
ンサ４との間の熱伝達率α、に比例した熱量が流入し、
温度センサ４の測温部５が熱容量ＹＪに応じて昇温する
。ここでｑ、は基板２内で一様で面方向への熱流がない
１次元流とする。またセンサ先端の測温部５は微小であ
って測温部内は一様温度とし、さらに測温部５より下流
の温度センサ部は熱伝導率が低くて測温部より下流への
熱流出はないと仮定する。この仮定にもとづく計算は実
際より誤差の少ない結果を示す。

第３図に第２図の計算結果の基板２と温度センサ４の指
示温度の応答例を示す。この横軸に時間τで縦転に温度
をとった時に、ｑｂ　、ＴＨ，ＹＪ。

α−２α１の一定値の場合の実線で示す基板温度変化に
対して破線で示すセンサ温度は基板温度との差が大きく
、α１が小さい程この差は大きい。

この第３図の温度センサ４の応答を経験的に判断すると
、α４は１５０Ｗ／ｎ（”ｃ程度以下と考えられ、真空
内接触式温度測定は誤差が大きいことが判る。しかもこ
の誤差は入射熱量や基板２と保持台１との接触状態など
の熱的条件が変動することにより変化するため、温度セ
ンサ指示値に誤差相当分として一定値を加えた値を真の
基板温度と考えることができない結果となる。

本発明は対象基板の温度を正確に測定して所定の温度に
正確に制御できる真空内被処理物の温度測定方法並びに
温度制御方法及び装置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〕

上記目的を達成するために、本発明の真空内被処理物の
温度測定方法並びに温度制御方法及び装置は、真空内被
処理物の接触式温度測定において複数回の測定データよ
り被処理物と温度センサとの間の熱平衡式の中の未知数
を算出することにより被処理物の温度を算出するように
したものである。

また真空内被処理物の接触式温度測定において、複数回
の測定データから作成した未知変数と同数個以上の熱平
衡式を連立させて解くことにより被処理物の温度を算出
するようにしたものである。

さらに真空内被処理物の温度制御において上記温度測定
方法における被処理物の温度算出データに基づいて被処
理物（基板）の温度制御条件を変更可能にしたものであ
る。

〔作用〕

上記の真空内被処理物の温度測定方法並びに温度制御方
法及び装置は、接触式温度測定による複数回の測定デー
タより被処理物と温度センサとの間の熱平衡式の中の未
知数を算出することにより、あるいは複数回の測定デー
タから作った未知変数と同数個以上の熱平衡式を連立さ
せて解くことにより、誤差を含む測定データから熱抵抗
などの誤差要因とともに被測定物（基板）の温度を正確
に算出することができる。

また上記の被処理物の温度測定により算出されたデータ
を基に所定の時期の被処理物（基板）温度を推定して目
標値と比較することにより、被処理物（基板）温度の制
御条件を変えて被処理物（基板）温度を目標値に正確に
近づけるように制御できる。

〔実施例］ 以下に本発明の一実施例を第１図から第３図により説明
する。

第１図は本発明による真空内被処理物の温度測定方法並
びに温度制御方法および装置の一実施例を示す成膜装置
の構成図である。

まずこの成膜装置の構成を説明する。真空容器１１の上
部に成膜手段１２が配置され、成膜手段１２に対向した
位置にあるベース１３上に保持台１が配置されており、
図示しない搬送手段により基板（被処理物）２は保持台
１の上に載置される。

ベース１３および保持台１の中央の穴３を貫通して温度
センサ４が基板２と一定圧力で接触可能に取り付けられ
る。保持台１は静電吸着電極１４を内蔵しており、保持
電源１５からの供給電圧により基ｖｉ２を保持台１に吸
着できる。配管１６より導入された冷却ガスは穴３を経
由して、基板２と一定温度に維持された保持台１との間
に入り、基板２と保持台１との間で熱伝達を行なう。こ
の配管１６内のガス圧力は真空計１７からの圧力信号を
うけた冷却圧力制御部１８の出す弁開度指令により開度
を調節する流量制御弁１９により一定圧力に保たれる。

温度センサ４の例えば熱電対２０は測温・演算部２１に
接続される。保持電源１５と冷却圧力制御部１８と測温
・演算部２１はそれぞれ温調部２２に接続され、温調部
２２はさらに中央制御部２３に接続される。また中央制
御部２３は成膜手段１２に成膜電力を供給する成膜電源
２４に接続する。真空容器１１内は図示しない真空排気
手段および処理ガス供給手段により基板２の成膜処理に
好適な圧力に保たれる。

つぎに上記構成の成膜装置の動作を説明する。

保持台１上に基板２を載置後に中央制御部２３の成膜指
令により成膜電源２４から成膜手段１２に成膜電力を供
給して基板２上に成膜する。また中央制御部２３の温調
指令により温調部２２からの測温指令をうけた測温・演
算部２Ｉで温度センサ４の熱電対２０からの温度信号に
より基板２の温度測定およびその他の熱条件の演算を行
ない、その演算データを温調部２２に送る。温調部２２
は演算データを設定温度と比較したのち必要に応して保
持電源１５に保持指令を送り、保持電源１５からの供給
電圧により基板２を保持台１に吸着するとともに、冷却
圧力制御部１８に圧力制御指令を送り、冷却圧力制御部
１８からの真空計１７の圧力信号に応じた弁開度指令に
より、配管１６の流量制御弁１９を制御して冷却ガスの
圧力を所定の値に保つことにより、基板２を所定の温度
に制御する。

つぎに上記構成の成膜装置の動作における測温・演算部
２１の演算例を説明する。この測温・演算部２１での演
算は時間対温度センサ指示値の複数個のデータより熱平
衡式の中の未知数を算出することにより基板温度を算出
するか、あるいは未知変数と同数個以上の熱平衡式を作
りこれを連立させて解くことにより熱抵抗および基板温
度までを算出するものである。ここでは基板２と温度セ
ンサ４の各々に関する熱平衡式を連立させて解く場合を
示す。

第２図は第１図の基板２および温度センサ４の測温部５
の部分を拡大して熱の流れを示す模式図である。第２図
に示す通り、 ｑ、・・・基板２への単位面積当りの入射熱量α８・・
・基板２と保持台１との間の熱伝達率Ｔｗ・・・基板温
度 Ｔ、・・・保持台温度 とし、また、 Ｙ８・・・基板１の単位面積当りの熱容量τ　・・・時
間 とすると、基板温度Ｔ。に関する熱平衡式は、となる。

α− τ となる。ここに、 ＴＷＯ：τ＝０のときのＴｗ である。また、 Ｔ　１．ｌａｎ　：τ＝ωのときのＴ１．ｌとすると、 ＴニーＴ、＝ −（ま α− となる。ここでα。は、 αＣ：介在ガスによる熱伝達率 α１　：ふく射による熱伝達率 とおき、 α−；αε＋α随 とすることにより、ふく射伝熱の影響を考慮した値とす
ることができる。つぎに、 αＪ　：基板２と温度センサ４との間の熱伝達率ＴＪ　
：温度センサ指示値 Ｅ　：センサ温調部５によりセンサ背面へ流出する熱量
の大きさを示す定数 Ｔ８　：センサ末端の温度 Ｙ４　：センサ温調部５の熱容量 とすると、温度センサ４に関する熱平衡式は、αｊ　　
（Ｔ１．ｌ　−ＴＪ　）−Ｅ　　（Ｔ、−Ｔ、）＝とな
る。

つぎにこの熱平衡式中の未知数の較正法について説明す
る。（４）式でＴＪはセンサ指示値であり、時間当りの
温度変化ΔＴＪ／Δτとともに実測できる。また基板温
度Ｔ。は別個の測温手段を用いて測定すれば、（４）式
の未知数α、、　Ｅ、　Ｔ、、　ＹＪは次のようにして
求める。

時間τ＝ｉ、ｉ＋１．ｉ＋２．ｉ＋３の時の各々のデー
タはそれぞれ添字ｉ、ｉ＋１．ｉ＋２゜ｉ＋３をつけて
表わすと、 αＪ　（Ｔ、、−Ｔ、１） Ｋ４　曲 Δτ　　。

Ｅ　　（Ｔ、−Ｔ、）＝ αＪ　（Ｔ、、、−Ｔｊ、、、） ｙ、　（ＡＴ＝） Δτ　　　、。、 Ｅ　　（Ｔｊｉ、、−Ｔ、　　）　　−α、　（Ｔ８、
。ｚ　　Ｔｉ；、ｚ）　　　Ｅ　　（Ｔ；、。２−Ｔ、
）＝Ｙ、（主Ｌ） Δτ　　　１・２ 未知変数はα、、α；　、Ｔｗ、、ｑ）およびＴ、１゜
Ｔ　ｔｉｉ＋＋＋　　Ｔ、１Ｈ＋Ｚ＋　　Ｔｗｒ−３の
８個で、式も８個となって解を求められる。

τ　。

τ。

±Ｔ。

Ｋい 十ＴＨ となる。

この４式を連立させて解くことにより、温度センサ４の
定数Ｅ、Ｔ、、Ｔ、が求まる。この値を（４）式に代入
すると、実際の測定系において（４）弐の未知変数はα
４とＴ１．ｌの２個となる。そこで処理中の基板温度Ｔ
。について複数回の測定を行ない、（２）式と（４）式
に関する複数個の式を得る。

たとえばα５．α；　、Ｔｗ　、Ｔｗｏ、　　ｑｂが未
知の時には４回の測定を行うと、次式に示すようにＫ。

十ＴＨ Ｋ１．ｌ 十Ｔ）ｌ αｊ　　（Ｔ１．ｌｌ−Ｔｊｉ）　　−Ｅ　　（ＴＪ、
−Ｔ、　　）−ｙ、（−ＬＴ、；） Δτ α、　（Ｔ、ｉ、、−Ｔｊｉ、、）−Ｅ　　（Ｔｊｉ、
、−Ｔ、　　）＝Ｙ、ＰＬ） Δτ　　　、＋ 表　１　未知項目数と必要測定回数 この方法により一度すべての未知変数を演算した後、引
き続いて次の基ｖｉ２を処理する時に、前回測定と一定
値とみなせる項目がある場合には測定回数を減らすこと
ができる。この関係を次の表１に示す。

この演算によりα、、α、（それぞれ熱抵抗の逆数）お
よび基Ｆｉ温度の瞬時値Ｔおを求め、さらに（２）式に
代入することにより任意の時刻τ、の温度Ｔ　Ｗ　ｉを
求め、（３）弐に代入することにより鉋和温度Ｔ。−を
求めることができる。

なお上記の演算ではα８．α４を一定としたが、Ｔ１．
Ｉが高くなると絶対温度の４乗に比例するふく射の影響
が大きくなり、この場合にはα。、α。

と温度の関係を示す式の中の定数を求めるのに必要なだ
け測定回数をふやして上記と同様に定数を算出すればよ
い。

つぎに測温・演算部２１で算出したＴ。、あるいはＴ’
ｗｏが目標値と異なる時には温調部２２は次の方法によ
り温度制御する。（２）式から明らかなように基板温度
Ｔ、１は入射熱量ｑ、または基板２と保持台１との間の
熱伝達率αいあるいは保持台１の温度Ｔ、によって変化
する。ここでｑｂは処理条件によって定まり、またＴＨ
は保持台１の熱容量のため短時間では変えられず、した
がってＴ１．ｌの制御にはα。を変えることが有効であ
る。このためには基板２と保持台１とのすきまδまたは
保持台１へ基板２を押しつける力Ｆあるいは基板２と保
持台１との間に介在させる熱伝導用ガスの圧力Ｐを変え
ればよく、通常にはＦまたはＰによる。

このＦまたはＰを大きくすればα８は大きくなるが、こ
の関係をあらかじめ較正しておくことにより、目的とす
るＴいに制御するために必要な力Ｆまたは圧力Ｐに設定
し、目的とする基板温度Ｔ。

に制御できる。

これにより保持台１への基板２を押し付ける力Ｆは例え
ば静電吸着方式の場合には調整部２２からの保持指令に
より吸着電極１４に供給する電圧によって変えられる。

さらにこのとき基板２内の温度分布を測定しておき、吸
着電極１４を分割してその各々に供給する電圧を変える
ことにより、基板２の温度分布に対応した熱伝達率αい
にして所望の温度分布に制御することができる。

上記の測温・演算部２１および温調部２２の動作は基板
２から保持台１に熱を奪って基板２を冷却する場合を説
明したが、この他に保持台１の方を加熱して基板２を加
熱する場合あるいは保持台１に赤外線などのふく射熱発
生手段を内蔵して基板２を加熱する場合などにも同様に
基板２の温度測定および温度制御ができる。

上記の実施例は基板２上に薄膜を形成する成膜装置の場
合を示したが、この他に基板上の薄膜を加工する加工装
置または薄膜に特定の不純物を打ち込む打込み装置ある
いはプラズマ表面改質装置などにも適用できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、真空内被処理物の接触式測定に際して
被処理物と温度センサとの間の熱平衡式の中の未知数を
算出することにより被処理物の温度を正確に測定できる
。

また被処理物の温度測定データをもとに温度制御条件を
調節することにより所定の温度に正確に制御することが
できる。そのさい被処理物の温度分布に対応して温度制
御条件を変えることにより所定の温度分布に制御するこ
ともできる。

このように成膜、加工、イオン打込み、プラズマ表面改
質などの真空的処理において、その特性に影響を与える
被処理物の温度の精密制御により処理の高性能化および
高精度化ができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す成膜装置の構成図、第
２図は第１図の基板および温度センサ部を拡大して熱の
流れを示す模式図、第３図は第２図の基板と温度センサ
の指示温度の応答を示す説明図である。 １・・・保持台、２・・・基板、３・・・穴、４・・・
温度センサ、訃・・測温部、１１・・・真空容器、１２
・・・成膜手段、１３・・・ベース、１４・・・吸着電
極、１５川保持電源、１６・・・配管、１７・・・真空
計、１８・・・冷却圧力制御部、１９・・・流量制御弁
、２０・・・熱電対、２１・・・測温・演算部、２２・
・・温調部、２３・・・中央制御部、２４・・・成膜電
源。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. １．真空内被処理物の接触式温度測定において複数回の
   温度測定データより被処理物と温度センサとの間の熱平
   衡式の中の未知数を算出することにより被処理物の温度
   を算出する真空内被処理物の温度測定方法。
2. ２．真空内被処理物の接触式温度測定において複数回の
   温度測定データから作成した未知変数と同数個以上の熱
   平衡式を連立させて解くことにより被処理物の温度を算
   出する真空内被処理物の温度測定方法。
3. ３．請求項１または請求項２記載の真空内被処理物の温
   度測定方法により算出した被処理物の温度を目標値と比
   較して、被処理物に流入もしくは被処理物から流出する
   熱量を調節することにより被処理物の温度を制御する真
   空内被処理物の温度制御方法。
4. ４．請求項１または請求項２記載の真空内被処理物の温
   度測定方法により算出した被処理物の複数位置の温度を
   目標値と比較して、被処理物の複数位置で被処理物に流
   入もしくは被処理物から流出する熱量を調節することに
   より被処理物の温度分布を制御する真空内被処理物の温
   度制御方法。
5. ５．被処理物に流入もしくは被処理物から流出する熱量
   を被処理物とその保持台間のガス伝導もしくは保持台か
   らのふく射加熱により調節する請求項３または請求項４
   記載の真空内被処理物の温度制御方法。
6. ６．真空容器内に設けられた真空内処理手段と、真空内
   処理手段と好適な位置関係を有する被処理物の保持手段
   と、保持手段の一部に載置された被処理物の測温手段と
   、保持手段の内部あるいは外部に設けられた温度制御手
   段とを有し、測温手段は真空内処理物の接触式温度測定
   における複数回の温度測定データより被処理物と温度セ
   ンサとの間の熱平衡式のなかの未知数を算出することに
   より、あるいは複数回の温度測定データから作成した未
   知変数と同数個以上の熱平衡式を連立させて解くことに
   より被処理物の温度を算出し、測温手段により算出され
   た測定結果に基づいて動作する温度制御手段により被処
   理物の温度を制御する構成とした真空内被処理物の温度
   制御装置。
7. ７．測温手段は被処理物の複数位置の温度を算出し、測
   温手段により算出された測定結果に基づいて動作する温
   度制御手段により被処理物の複数位置の温度分布を制御
   する構成とした請求項６記載の真空内被処理物の温度制
   御装置。
8. ８．保持手段は機械的クランプもしくは静電吸着により
   被処理物を保持し、温度制御手段は被処理物と保持手段
   の保持台との間のガス伝導もしくは保持台からのふく射
   加熱により制御する構成とした請求項６または請求項７
   記載の真空内被処理物の温度制御装置。