JPH1019689A - 基板温度測定ユニット - Google Patents

基板温度測定ユニット

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JPH1019689A
JPH1019689A JP8197050A JP19705096A JPH1019689A JP H1019689 A JPH1019689 A JP H1019689A JP 8197050 A JP8197050 A JP 8197050A JP 19705096 A JP19705096 A JP 19705096A JP H1019689 A JPH1019689 A JP H1019689A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 真空成膜装置内の基板の温度を非接触で精度
高く測定し得て、かつ真空成膜装置への着脱が簡便で較
正機器としての使用も可能な基板温度測定装置を提供す
ること。 【解決手段】 覗き窓4付きのコンフラット・フランジ
5にレーザ1、一対のイメージセンサ2、3を固定して
真空チャンバ14のフランジポート16に取り付け、基
板11とレーザ1、イメージセンサ2、3とを所定の位
置関係におく。イメージセンサ2、3には相関計8、9
が接続され、これらにコンピュータ51が接続される。
レーザ光が基板11で散乱反射されて生じ、イメージセ
ンサ2、3で受像されるスペックル・パターンの加熱前
後における移動が相関計8、9で求められ、基板11の
温度がコンピュータ51で演算される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は真空成膜装置内の基
板の温度を測定するための装置に関するものであり、更
に詳しくは非接触で精度高く測定し得て真空成膜装置へ
の着脱容易な基板温度測定ユニットに関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】従来、真空成膜装置内で基板に薄膜を形
成させる場合の基板温度の測定には熱電対や放射型赤外
線温度計が使用されている。周知のように、熱電対は2
種の金属線の接点を測定対象に取りつけた時の起電力の
大きさから温度を測定する素子であり、放射型赤外線温
度計は測定対象から放射される赤外線の強度、すなわち
放射エネルギ密度が温度によって変化することから、特
定波長の強度変化を捉えて温度を測定する非接触タイプ
の温度計である。
【0003】熱電対はその接点と基板との接触具合によ
って指示温度が異なり、隙間があると実際の基板の温度
よりも低く指示し、場合によっては数十度の誤差を生ず
る。更には、基板の1枚、1枚に熱電対の接点を取り付
けることは煩雑な作業であり、真空成膜装置の成膜枚数
を低下させるという点において生産には向かない。
【0004】放射型赤外線温度計は、例えば真空成膜装
置内の基板から放射され覗き窓を透過する赤外線を装置
外において光学レンズでSiフォトダイオードなどの検
出素子に集光してその強度を求め得るが、測定波長の強
度が弱いと測定精度が低下するので、非接触タイプでは
あるが測定端子を基板に近接させる必要がある。しか
し、基板の表面への近接は成膜の障害になるので、図6
にその取り付けを示すように、基板11を載置する基板
ホールダ12’、及びこれと一体的なヒータ13’とか
らなるヒータ部に穿設した貫通孔に、他端を赤外線強度
測定装置45に接続した光ファイバ44の先端の石英ロ
ッド43をプローブとして挿入して赤外線の強度を求め
ることが行われ、基板11の裏面の温度が測定されてい
る。このプローブとしての石英ロッド43には基板11
からの赤外線のほかに、ヒータ13からの赤外線、石英
ロッド43自身が高温になることによって放射する赤外
線などが混在してくるので、その測定精度は必ずしも満
足なものではない。又、ヒータ部に貫通孔を設けること
は加熱分布の均一性を低下させるし、ましてや基板面の
温度を多点測定することは多くの貫通孔を要するので実
際上無理である。
【0005】更には、実際の真空成膜装置においては、
基板の温度を直接に測定することを行わず、ヒータ部に
熱電対の接点を埋め込んで、予めその指示値と基板温度
との差を測定しておき、実際の成膜に当たってはヒータ
部の温度から基板の温度を求めている装置も少なくな
い。そのような装置では、予め測定する基板温度が正確
であらねばならないが、前述の如く熱電対、放射型赤外
線温度計は基板温度の精度の高い測定には難があり、較
正機器としての信頼性に欠ける。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上述の問題に
鑑みてなされ、真空成膜装置に取り付けて、基板温度を
非接触で精度高く測定し得る基板温度測定ユニット、更
には真空成膜装置への着脱が容易で測温用の較正機器と
しても使用し得る基板温度測定ユニットを提供すること
を課題とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記の課題は、真空成膜
装置内の基板へ照射するレーザ、及び該レーザから照射
されるレーザ光の照射点から光軸の両側へ等角度で等距
離の対称位置に配置され前記レーザ光が前記基板で散乱
反射されて生ずるスペックル・パターンを受像するため
の一対のイメージセンサが真空フランジに対し固定され
た測定ヘッドと、前記一対のイメージセンサのそれぞれ
に接続され前記基板の加熱前後における前記スペックル
・パターンの移動量を求める相関計と、該相関計に接続
され前記スペックル・パターンの移動量の差、前記一対
のイメージセンサの配置されている前記角度と前記距
離、及び既知である前記基板の熱膨張係数から前記基板
の温度を演算するコンピュータとからなり、前記測定ヘ
ッドの前記真空フランジが前記真空成膜装置に対し直接
に又は必要な部材を介して取り付けられることを特徴と
する基板温度測定ユニット、によって達成される。
【0008】レーザ光の発振源から照射されるレーザ光
が基板で散乱反射されて生じ、所定の位置に対象的に配
置された一対のイメージセンサーに受像されるスペック
ル・パターンは基板の加熱によって移動するが、その移
動量が相関計で求められ、相関計に接続されたコンピュ
ータがスペックル・パターンの移動量の差、イメージセ
ンサの位置、既知である基板の熱膨張係数から基板の温
度を演算するので、真空成膜装置内の基板の温度を非接
触で精度高く測定し得る。又、レーザ光の発振源と一対
のイメージセンサとを真空フランジに固定して測定ヘッ
ドとしているので、直接に又は必要部材を介しての真空
成膜装置への着脱が極めて容易である。
【0009】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につ
き、図面を参照して説明する。
【0010】(実施の形態1)図1は基板温度測定ユニ
ット10の基本的な構成図であり、レーザ光の透過材で
成る覗き窓4付きのコンフラット・フランジ5に取り付
けられた固定枠6にレーザ光の発振源1(以下、レーザ
1と略す)と一対のイメージセンサ2、イメージセンサ
3がレーザ光の照射点Pを含む同一面内に固定されて測
定ヘッド7が形成されており、イメージセンサ2、3に
はそれぞれ相関計8、9が接続され、これら相関計8、
9にはコンピュータ51が接続されている。因みに、コ
ンフラット・フランジは金属ガスケットをナイフエッジ
で挟持してシールするフランジである。温度が測定され
る基板11は真空成膜装置の真空チャンバ14内におい
て、ヒータ13と一体的な基板ホールダ12上に載置さ
れており、基板11の温度の測定に当たっては、真空チ
ャンバ14に設けられているフランジポート16のコン
フラット・フランジ15に、測定ヘッド7のコンフラッ
ト・フランジ5が金属ガスケット17を介しボルト18
で接合される。なお、覗き窓4は熱膨張係数が金属に近
いコバール用ガラスが使用され、コンフラット・フラン
ジ5に対してコバール封じされている。
【0011】測定ヘッド7が真空チャンバ14に取り付
けられた状態において、レーザ1からのレーザ光は覗き
窓4を通して基板11へ照射され、レーザ光が基板11
の表面の微細な凹凸によって散乱反射されて生ずる干渉
模様、すなわちスペックル・パターンは同じく覗き窓4
を通してイメージセンサ2、3に受像される。レーザ1
に対してイメージセンサ2、3はレーザ光の照射点Pか
ら光軸Zの両側へ角度±θ、距離L0 の対称位置に配置
される。なお、レーザ1は基板11へ照射角度を調整し
得るように、又イメージセンサ2、3はその位置する角
度±θと距離L0 を調整し得るように固定されている。
そして、これらはICF203のコンフラット・フラン
ジに余裕をもって固定し得る程にコンパクトである。
【0012】基板11が加熱され伸びることによってス
ペックル・パターンは移動するが、イメージセンサ2、
3が並ぶX方向への基板11の伸びによるスペックル・
パターンの移動はイメージセンサ2、3で捉えられる。
2基のイメージセンサ2、3を使用するのは伸び以外の
要因によるスペックル・パターンの移動を排除するため
である。加熱前後における上記スペックル・パターンの
移動量はイメージセンサ2、3のそれぞれに接続されて
いる相関計8、9によって求められ、相関計8、9が接
続されているコンピュータ51によって基板11の加熱
前後におけるスペックル・パターンの移動量の差、イメ
ージセンサ2、3の位置する角度±θと距離L0 、及び
既知である基板11の熱膨張係数αから基板11の加熱
後の温度が演算されるようになっている。
【0013】すなわち、イメージセンサ2、3における
加熱前後におけるスペックル・パターンの移動量のX成
分をそれぞれA1 、A2 とするとA1 とA2 との差ΔA
は ΔA=−2ΔL/L・L0 tanθ・・・・(1) となる。ここにおいて、Lは加熱前の基板11のX方向
の長さ、ΔLは加熱による基板11の伸びである。加熱
前の温度T0 と加熱後の温度Tとの温度差ΔTと基板1
1の熱膨張係数αは次のように表される。 ΔL/L=α・ΔT・・・・・・・・・・・(2) 従って、式(1)、(2)から ΔT=−ΔA・L0 tanθ/2α・・・・(3) となる。このようにして、式(3)から基板11の加熱
前後の温度差ΔTが求められるので、加熱前の温度T0
を基準にして加熱後の温度Tを知り得る。
【0014】レーザ光のように干渉性の大きい光が粗面
で散乱反射した時に生ずるスペックル・パターンは物体
の微小な変位、変形量、移動速度、その他の測定に利用
されており(岩波理化学辞典、第4版、1987年)、
特開平4−132944号公報に係る「熱膨張係数測定
装置」には、図7に示すような測定原理図に基いて、加
熱前後におけるサンプルの長さ変化、すなわち熱膨張係
数をスペックル相関法で求める装置が開示されている。
しかし、レーザを温度測定に使用した装置機器は未だ知
られていない。
【0015】図2は基板温度測定ユニット10を分子線
エピタキシャル装置(MBE装置)30に取り付けた場
合の概略構成図である。このMBE装置30は全圧5×
10-6Torrの真空下において、GaAs(001)
基板19に対しAl、Ga、Asから成る薄膜を形成さ
せる装置である。
【0016】MBE装置30の真空チャンバ34のフラ
ンジポート35におけるコンフラット・フランジ36に
は基板温度測定ユニット10の測定ヘッド7における覗
き窓4付きのコンフラット・フランジ5が金属ガスケッ
ト17を介しボルト18で取り付けられる。測定ヘッド
7のイメージセンサ2、3にそれぞれ相関計8、9が接
続され、これらにコンピュータ52が接続されているこ
とに変わりはない。
【0017】真空チャンバ34内のヒータ13と基板ホ
ールダ12とからなるヒータ部に基板19が載置され、
基板19に対向してAl、Ga、Asのそれぞれに対応
する3個の“るつぼ”31、32、33が配置され、そ
れぞれのシャッタ31’、32’、33’はコンピュー
タ52の指令で独立して開閉されるようになっている。
【0018】又、真空チャンバ34のフランジポート3
7のコンフラット・フランジ38に金属ガスケット17
を介しボルト18で固定されているコンフラットフラン
ジ41にセラミック製の導入端子47、48が取り付け
られており、ヒータ13は外部の温度制御器41から導
入端子47を経由する加熱ケーブル49によって加熱さ
れ、ヒータ部に接点を埋め込んだ熱電対42は導入端子
48を経由して温度制御器41へ温度信号を入力し、そ
の温度は温度制御器41に表示される。又、温度制御器
41から温度信号がコンピュータ52へ入力され、コン
ピュータ52は各“るつぼ”のシャッタ31’、3
2’、33’を開閉する。なお、温度制御器41は基板
19の温度をプログラム制御し得るようになっている。
【0019】次に基板温度測定ユニット10の作用を説
明する。真空チャンバ34内で室温放置した基板19の
加熱前の温度T0 はヒータ部における熱電対42の指示
温度で求められる。基板19の温度とヒータ部の熱電対
42の指示温度との較正は次のように行なう。真空チャ
ンバ34を真空排気した後に温度制御器41を作動させ
約700℃の温度までの間の何点かにおいて、熱電対4
2の指示温度と基板温度測定モータ10で測定される基
板19の温度との差を記録する。この間、加熱によって
GaAs(001)基板19からAsが脱離することを
防ぐためにAsの“るつぼ”33のシャッタ33’を開
とし基板19の表面に十分なAs蒸気を照射充満させ
る。
【0020】上記のようにして室温から約700℃まで
の間の熱電対42の指示温度と基板温度測定ユニット1
0で測定される基板19の温度との差の較正曲線が得ら
れる。そしてこの温度差を温度制御器41のプログラム
に取り込んでおくことによって基板19の温度の正確な
プログラム制御が可能となる。較正曲線作成後は基板温
度測定ユニット10を真空チャンバ34から取りはず
し、盲コンフラット・フランジでフランジポート35を
密閉シールするようにしてもよい。
【0021】GaAs(001)基板19にAlGaA
s薄膜を形成させるに当たっては、予め熱電対42の指
示温度と基板温度測定ユニット10による基板19の温
度との差を取り込んでプログラムされている温度曲線に
従い、温度制御器41によって基板19の加熱が行われ
る。基板クリーニングの温度を630℃、成膜温度を6
00℃として、熱電対42の較正指示温度で基板19の
温度が630℃になった時点でコンピュータ52がAs
の“るつぼ”33のシャッタ33’を開とし1分間保持
することによりGaAs(001)基板19の清浄な表
面が得られる。その後、温度制御器41はプログラムに
従ってヒータ電力を調整し、熱電対42の較正指示温度
で基板19の温度が600℃になった時点で、その温度
を保持するように働く。そしてコンピュータ52はA
l、Ga、Asの“るつぼ”31、32、33のシャッ
タ31’、32’、33’を開とし、基板19上にAl
GaAs薄膜を成長させる。このようにして、基板19
の温度が正確に制御され、作業者の意図した通りの条件
でAlGaAs薄膜を形成させることができる。
【0022】図3は一般的なスパッタリング成膜装置4
0の概略図であり、図4はこのスパッタリング成膜装置
40に基板温度測定ユニット10を取り付けた場合の概
略図である。
【0023】図3において、スパッタリング装置40の
真空チャンバ24内にはヒータ13と一体的な基板ホー
ルダ12上に基板11が載置される。真空チャンバ24
内のメンテナンスのために真空チャンバ24は上蓋23
をあけて上部が開放されるようになっており、かつ上蓋
23に取付部材22を介してカソードとしてのターゲッ
ト21が取り付けられている。そして上蓋23を閉めた
時に、ターゲット21が基板11の直上方に位置するよ
うになっている。
【0024】真空チャンバ24内の基板11はヒータ1
3と一体的な基板ホールダ12上に載置される。又、ヒ
ータ13が外部の温度制御器41から導入端子47を経
由する加熱ケーブル49と接続されており、ヒータ部に
固定した熱電対42からの温度信号が導入端子48を経
由して温度制御器41に入力されていることは図2に示
したと同様である。図3に見られるように、スパッタリ
ング装置の真空チャンバ24内の基板11の直上にはタ
ーゲット21が存在するのが一般であり、基板温度測定
ユニット10を取り付け得るようなフランジポートは存
在しないことが多い。類似の形態はCVD成膜装置にお
いても見られる。
【0025】このような場合には図4に見られるよう
に、図3の上蓋23に代え得るコンフラット・フランジ
25’付きの交換上蓋23’を別途作成し、このコンフ
ラット・フランジ25’と基板温度測定ユニット10に
おける測定ヘッド7のコンフラット・フランジ5とを金
属ガスケット17と共にボルト18で接合しておく。
【0026】ヒータ部に取り付けた熱電対42の指示温
度と基板11の温度との較正を行なう際には、真空チャ
ンバ24から本来の上蓋23を取りはずし、図4に示す
ように基板温度測定ユニット10の測定ヘッド7を接合
した交換上蓋23’を取り付ける。その後は上述のMB
E装置30において行なったと同様な手順で熱電対42
の指示温度と基板温度測定ユニット10で測定される基
板11の温度との較正曲線を作成する。実際に成膜する
場合には基板温度測定ユニット10付きの交換上蓋2
3’を取りはずし、本来の上蓋23を取り付けて行な
う。このようにして基板温度測定ユニット10は真空成
膜装置に形状的制約がある場合でも、交換可能な部材を
利用し、これに取り付けての較正曲線の作成が可能であ
る。
【0027】(実施の形態2)実施の形態1の基板温度
測定ユニット10では、図1を参照して、測定ヘッド7
においてレーザ1、及び一対のイメージセンサ2、3が
真空チャンバ14の外部にあるように、覗き窓4付きの
コンフラット・フランジ5の大気面側の固定枠6に固定
したが、実施の形態2の基板温度測定ユニット20の測
定ヘッド7’は図1に対応する図5に示すように、レー
ザ1、及びイメージセンサ2、3を真空チャンバ14の
内部に配置するべく、セラミック製の導入端子27、2
8、29を取り付けた盲のコンフラット・フランジ5’
の真空面側において固定枠6’に固定している。従って
基板温度の測定では、レーザ1から照射されるレーザ
光、及びイメージセンサ2、3に受像されるスペックル
・パターンは覗き窓を透過しないので、測定精度を低下
させる要因としての光学的変動を回避し得る。なお、図
5の基板温度測定ユニット20の測定ヘッド7’以外の
構成要素は図1の基板温度測定ユニット10の構成要素
と全く同様であるので対応する要素には同じ符号を付し
てそれらの説明は省略する。
【0028】以上、本発明の各実施の形態について説明
したが、勿論、本発明はこれらに限定されることなく、
本発明の技術的思想に基いて種々の変形が可能である。
【0029】例えば、使用するレーザ光の波長は限定さ
れないが、発振波長が可視領域にあるHe−Neレーザ
が好適に使用されるし、小型化のためには半導体レーザ
を使用し得る。発振波長が非可視領域、例えば赤外線領
域にある場合には、照射の光軸を決めるために可視領域
のガイドビームを設けることが望ましい。
【0030】又、使用するイメージセンサは一次元また
は二次元の光電変換素子であり、スペックル・パターン
の移動を捉え得るものであればその種類は問わないが、
小型軽量の観点からは電荷転送方式のCCDイメージセ
ンサが好ましく使用される。
【0031】又、使用する覗き窓はレーザ光を透過させ
るものであれば、必ずしもコバール用ガラスでなくても
よい。更には、高温の基板から放射される赤外線がイメ
ージセンサに入射しノイズとなることを防ぐために、使
用するレーザの波長のみを選択的に透過させるフィルタ
を覗き窓4に取り付けることは好ましい処置である。な
お、この選択透過フィルタはイメージセンサ2、3に取
り付けてもよい。
【0032】又、本実施の形態では真空フランジ部にコ
ンフラットフランジを採用したが、O−リングでシール
する真空フランジとすることもできる。
【0033】又、各実施の形態においては、レーザ1と
イメージセンサ2、3とを照射点Pを含む同一面内にあ
るように配置したが、イメージセンサ2、3は散乱反射
されて生ずるスペックル・パターンを受像するものであ
るから、レーザ1とイメージセンサ2、3との配置に対
称性が維持される限りにおいて必ずしも同一面内に配置
しなくともよい。
【0034】
【発明の効果】以上述べたように、本発明の基板温度測
定ユニットによれば、その測定はレーザ光が基板で散乱
反射されて生ずるスペックル・パターンの加熱前後の移
動から求めるものである。すなわち、その測定は直接的
な測定でありながら非接触で基板に何らの変化損傷を与
えず、かつ他の要因による誤差を含みにくいので測定精
度が極めて高い。従って、成膜プロセス中に基板毎の温
度測定が可能であるし、基板の温度をそれに接するヒー
タ部の温度から求める間接的な測温方式の真空成膜装置
に対しても、基板温度とヒータ部の温度との差を正確に
求める際の較正機器として使用し得る。
【0035】更には、レーザ光の発振源と一対のイメー
ジセンサとを真空フランジに固定し測定ヘッドとしてま
とめているので、真空成膜装置へ直接に、又は必要な部
材を介して簡便に着脱し得る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1による基板温度測定ユニ
ットの基本構成図である。
【図2】実施の形態1の基板温度測定ユニットを取り付
けたMBE装置の概略図である。
【図3】一般的なスパッタリング成膜装置の概略図であ
る。
【図4】実施の形態1の基板温度測定ユニットを取り付
けた一般的なスパッタリング成膜装置の概略図であり、
図3に対応する。
【図5】本発明の実施の形態2による基板温度測定ユニ
ットの基本構成図であり、図1と対応する。
【図6】従来例の放射型赤外線温度計の基板温度測定時
における配置図である。
【図7】公開されている熱膨張係数測定の原理図であ
る。
【符号の説明】
1 レーザ 2 イメージセンサ 3 イメージセンサ 4 覗き窓 5 コンフラット・フランジ 6 固定枠 7 測定ヘッド 8 相関計 9 相関計 10 基板温度測定ユニット 11 基板 12 基板ホールダ 13 ヒータ 14 真空チャンバ 16 フランジポート 19 基板 20 基板温度測定ユニット 21 ターゲット 23 上蓋 24 真空チャンバ 30 MBE装置 34 真空チャンバ 40 スパッタリング成膜装置 41 温度制御器 42 熱電対 51 コンピュータ 52 コンピュータ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 清水 三郎 神奈川県茅ケ崎市萩園2500番地 日本真空 技術株式会社内 (72)発明者 君島 文雄 神奈川県茅ケ崎市萩園2500番地 日本真空 技術株式会社内

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 真空成膜装置内の基板へ照射するレーザ
    光の発振源及び該レーザ光の発振源から照射されるレー
    ザ光の照射点から光軸の両側へ等角度で等距離の対称位
    置に配置され前記レーザ光が前記基板で散乱反射されて
    生ずるスペックル・パターンを受像するための一対のイ
    メージセンサが真空フランジに対し固定された測定ヘッ
    ドと、前記一対のイメージセンサのそれぞれに接続され
    前記基板の加熱前後における前記スペックル・パターン
    の移動量を求める相関計と、該相関計に接続され前記ス
    ペックル・パターンの移動量の差、前記一対のイメージ
    センサの配置されている前記角度と前記距離、及び既知
    である前記基板の熱膨張係数から前記基板の温度を演算
    するコンピュータとからなり、前記真空フランジが前記
    真空成膜装置に対し直接に又は必要な部材を介して取り
    付けられることを特徴とする基板温度測定ユニット。
  2. 【請求項2】 前記測定ヘッドにおいて、前記レーザ光
    の発振源が前記基板への照射角度を調整し、前記一対の
    イメージセンサがその位置する前記角度と前記距離を調
    整し得るように前記真空フランジに固定されている請求
    項1に記載の基板温度測定ユニット。
  3. 【請求項3】 前記測定ヘッドにおいて、前記レーザ光
    の発振源及び前記一対のイメージセンサが前記真空フラ
    ンジの大気面側に取り付けられており、前記レーザ光の
    発振源による前記レーザ光の照射、及び前記一対のイメ
    ージセンサによる前記スペックル・パターンの受像が前
    記真空フランジに設けたレーザ光の透過材でなる窓を通
    して前記真空成膜装置の外部で行われる請求項1又は請
    求項2に記載の基板温度測定ユニット。
  4. 【請求項4】 前記測定ヘッドにおいて、前記レーザ光
    の発振源及び前記一対のイメージセンサが前記真空フラ
    ンジの真空面側に取り付けられており、前記レーザ光の
    発振源による前記レーザ光の照射、及び前記一対のイメ
    ージセンサによる前記スペックル・パターンの受像が前
    記真空成膜装置の内部で行われる請求項1又は請求項2
    に記載の基板温度測定ユニット。
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