KR20140060525A - 진공 챔버에서 기판의 온도를 측정하기 위한 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 온도 센서와 기준 바디를 포함하는 온도 측정 시스템에 관한 것으로, 상기 시스템에서 기준 바디의 온도 변화를 검출하기 위한 및/또는 기준 바디의 온도를 조절하기 위한 수단이 제공되고, 이 경우 기준 바디는, 온도 측정 시스템이 진공에서 사용되는 경우에 온도 센서에 대해 실질적으로 재료 열교를 형성하지 않고, 기준 바디는, 기준 바디의 표면으로부터 방사하고 온도가 검출되어야 하는 표면으로부터 방사하는 복사만이 온도 센서의 표면에 도달하도록 온도 센서를 주변에 대해 차폐한다.

Description

진공 챔버에서 기판의 온도를 측정하기 위한 방법{METHOD FOR THE TEMPERATURE MEASUREMENT OF SUBSTRATES IN A VACUUM CHAMBER}
본 발명은 챔버에서 기판의 처리 중에, 특히 진공 챔버에서 예컨대 가열, 에칭, CVD- 및/또는 PVD-코팅과 같은 표면 처리 중에 기판의 온도를 무접촉으로 측정하기 위한 방법에 관한 것이다.
CVD- 및또는 PVD-코팅 공정의 실행 중에 기판 온도의 조절은 매우 중요하다. 이는 예를 들어 온도 감응 기판에 기능성 코팅이 제공되거나 또는 코팅 중의 온도가 층 재료의 특성에 영향을 미치는 경우이고, 이는 일반적인 경우이다.
코팅 중에 코팅될 부품들은 균일한 코팅을 위해 흔히 이동된다. 대개, 특히 부품의 구조가 복잡한 경우에는 2번 또는 3번 회전이 이루어진다. 이는 코팅될 부품에 직접 온도 센서를 장착하는 것을 어렵게 만든다.
이와 관련해서 기판 온도를 측정하기 위해 주로 하기의 온도 측정 방법들이 이용된다:
1. 외부에서 적외선 센서를 이용해서 기판 온도를 측정하는 방법: 지나가는 기판의 온도는 적외선 온도 측정 장치를 이용해서 적외선 투과성인 특수 윈도우에 의해 측정된다. 이러한 온도 측정 방법의 단점들은 이와 관련해서 다음과 같다: a) 표면의 방사율이 공지되어 있어야 한다, b) 윈도우는 코팅 중에 코팅 침전물로부터 보호되어야 하고 및/또는 규칙적으로 코팅 제거되어야 한다.
2. 챔버 내 열소자를 이용한 측정:
2.1 함께 회전하는 열소자: 열 소자는 기판 캐리어 상에서 함께 이동하도록 장착어야 하고, 열 소자의 케이블은 회전 피드스루를 통해 진공 수용 장치로부터 안내되어야 한다. 따라서 측정은 일반적으로 기판 온도를 매우 양호하게 반영하지만, 회전 피드스루를 위한 비용이 상당하다.
2.2 고정 열소자: 열소자는 챔버 내에 고정식으로 진공 챔버벽과 이동 기판 사이에 고정 장착된다. 선행기술에 따라 해당 측정은 시간이 경과함에 따라 그리고 절대 온도값에서 제한적으로 정확한 결과를 제공한다. 어느 정도 정확한 측정 결과를 얻기 위해, 진공 챔버와 기판이 열평형 상태가 될 때까지 기다려야 한다. 또한, 실험은 측정 결과가 센서의 위치에 매우 의존적임을 보여준다.
본 발명의 과제는 허용된 측정 방법에 따라 진공 챔버에서 이동되는 기판의 온도의 확실한 측정 방법을 제공하는 것이다. 바람직하게 진공 챔버 내에 고정 장착된 온도 센서들이 이용될 수 있다. 선행기술에 비해 확실한 값을 제공하는 측정 방법이 제공되어야 한다.
상기 과제는 본 발명에 따라, 고정식 온도 센서에 추가하여 센서 근처에 공지된 및/또는 조절 가능한 온도의 기준 바디가 챔버 내에 제공됨으로써 해결된다. 기준 바디는, 기준 바디의 표면으로부터 방사하고 온도가 검출되어야 하는 표면으로부터 방사하는 복사만이 온도 센서의 표면에 도달하도록, 온도 센서를 주변에 대해 차폐한다. 예를 들어 이는, 기준 바디가 컵 형태로 구현되고, 상기 기준 바디의 베이스에 온도 센서의 표면이 서로 열 절연되어 장착되고, 컵 형태는 그 개구가 측정될 기판을 향하도록 정렬됨으로써 달성될 수 있다.
본 발명을 더 자세히 설명하기 위해, 바람직하게 배경이 되는 이론이 간단히 언급된다. 무한 확장되는 표면의 이론적인 상황에서, 기준면과 기판면 사이에 센서면이 배치되고 시스템이 열 평형 상태인 경우에 기판-, 센서- 및 기준면의 온도는 다음과 같은 특성을 갖는다:
방정식 1 : T기판면 4 = 2 ·T센서면 4 - T기준면 4
이로써 기판 온도는 기준면의 공지된 온도와 센서의 측정된 온도에서(센서면의 온도) 방정식 1의 간단한 관계식에 의해 결정될 수 있다.
기준면의 온도가 매우 낮은 특수한 경우에, 즉 T기준면 4 << T센서면 4 일 때, 방정식 1은 간단해진다:
방정식 2 : T기판면 4 = 1.1892·T센서면
팩터 1.1892(
Figure pct00001
21/4)은 무한 확장되는 플레이트의 경우에 형상 계수(view factors)라고도 한다. 다른 실제 형상에 다른 형상 계수가 적용되고, 상기 형상 계수의 결정을 위해 상이한 방법, 예를 들어 유한요소법 또는 라디오시티법이 이용될 수 있다. 이와 관련해서 공지된 유한요소 소프트웨어는 앤시스(Ansys)라는 명칭으로 공개되어 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예를 도시한 도면.
도 2는 온도 변화 곡선을 도시한 도면.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예를 도시한다. 이 실시예에 따라 기준면(7)을 갖고 컵 형태로 구현된 기준 바디(3)가 진공 챔버(도시되지 않음) 내에 장착되고, 이 경우 컵의 베이스에 센서면(6)을 가진 온도 센서(5)가 제공된다. 온도 센서의 온도 감응 표면에는 컵 벽(기준면;7)의 내부에 소스를 포함하거나 도 1에 파선으로 도시된 원추형의 내부에 위치한 방향으로부터 방사하는 복사만이 도달할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이 컵 개구가 기판(9)을 향해 정렬되면, 센서 표면은 실질적으로 기준 표면과 기판면으로부터 방사하는 복사만을 받는다.
제 1 실시예에 따라 기준면과 온도 센서의 표면의 온도가 측정되고, 기준면의 온도를 온도 센서의 표면의 온도로 조절하려고 한다. 기준면의 온도가 기판면의 온도에 상응하지 않는 한, 기준면에서 온도의 변화는 기준면으로부터 방사하는 복사에 의해 온도 센서의 표면의 온도 변화를 야기한다. 기판 온도에 도달했을 때, 기준면, 센서면 및 기판면은 일정하게 동일한 온도를 갖는다. 기준 바디 온도의 트래킹에 의해 본 발명에 따라 매우 정확하게 기판의 온도가 측정될 수 있다. 이는 특히, 전체 방법이 진공 상태에서 실시되고 주변 대기의 간섭 영향이 작용하지 않기 때문에 특히 양호하게 이루어진다. 이러한 방법은 특히, 예를 들어 플라스틱 기판의 코팅 시 유지되어야 하는 적당한 기판 온도의 측정에 적합하다.
기판의 온도가 더 높은 경우, 즉 예를 들어 기판 온도가 200℃보다 높은 경우에, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 방법이 바람직하다. 기본적으로, 기준 바디의 온도와 센서의 온도가 검출되면, 기판 온도가 최종 산출될 수 있다. 한편으로 전술한 시뮬레이션을 이용해서 해당 함수가 결정될 수 있다. 다른 한편으로 열소자가 회전 가능하게(장착되어) 기판과 함께 이동되어 상기 기판의 온도가 달라짐으로써, 시스템이 보정될 수도 있다. 이러한 경우에 기준면은 바람직하게 일정한 온도로 유지되고, 센서면에서 측정된 온도는 함께 회전하는 열소자에서 측정된 온도와 관련된다.
본 발명의 전술한 제 2 실시예의 특수한 상황은, T기준면 4 << T센서면 4 이 되도록 기준면의 온도가 기판면의 온도에 비해 작게 선택될 때, 구현된다. 방정식 2와 유사하게 기준면의 값은 무시될 수 있고, 기판 온도는 측정된 센서 온도와 간단히 관련된다. 기준면의 온도가 무시될 정도로 충분히 작은 경우에, 온도 변화는 방정식 3에 의해 매우 양호하게 설명될 수 있음이 실험에 의해 입증될 수 있었다:
방정식 3: T기판면 = k * T센서면,
상기 식에서 k는 실제 형상비에 대한 형상 팩터이다.
이는 도 2에 표시되고, 상기 도 2는,
- 보정을 위해 기판과 함께 회전하는 열소자에 의해 측정된 "실제" 기판 온도(파선)
- 본 발명에 따라 진공 챔버 내에 고정 배치된 온도 센서에 의해 측정된 센서 표면의 온도(T센서면)(점선)및
- 방정식 3에 따라 산출되어, 본 발명에 따라 계산된 기판 온도(T기판면)(실선)의 온도 변화를 시간에 따라 나타낸다.
기판 온도(T기판면)의 본 발명에 따른 계산을 위해 형상 팩터 k= 1.4가 이용되고, 상기 팩터는 공지된 유한요소 소프트웨어 앤시스를 이용하여 결정되었다.
온도 변화는 기판의 가열에 의해 달성되었다. 도 2에, 500℃의 기판 온도부터 80℃였던 기준면의 온도는 무시될 수 있는 것이 명확시 도시된다.
온도 센서와 기준 바디를 포함하는 온도 측정 시스템이 공개되었고, 상기 시스템에서 기준 바디의 온도 변화를 검출하기 위한 및/또는 기준 바디의 온도를 조절하기 위한 수단이 제공되고, 이 경우 기준 바디는, 온도 측정 시스템이 진공에서 사용되는 경우에 온도 센서에 대해 실질적으로 재료 열교를 형성하지 않고, 기준 바디는, 온도 센서의 표면에 기준 바디의 표면으로부터 방사하고 온도가 검출되어야 하는 표면으로부터 방사하는 복사만이 도달하도록 온도 센서를 주변에 대해 차폐한다.
온도 측정 시스템에서 기준 바디는 컵 베이스를 가진 컵으로서 형성될 수 있고, 온도 센서는 컵 베이스 근처에 상기 컵 베이스로부터 열 절연되어 배치될 수 있다.
진공 처리 장치에 상기 온도 측정 시스템이 장착될 수 있다. 바람직하게 기준 바디는, 실질적으로 온도 센서의 표면에 기준 바디의 표면으로부터 그리고 진공 장치에서 처리될 기판의 표면 및 경우에 따라서 기판 캐리어로부터 방사하는 복사만이 도달하도록 정렬될 수 있다.
진공 처리 챔버에서 기판의 온도를 측정하기 위한 방법이 공개되었고, 상기 방법은 하기 단계들을 포함한다:
- 온도 센서의 제 1 센서 측정값을 검출하는 단계
- 기준 바디의 제 1 기준 측정값을 검출하는 단계
- 센서 측정값 및 온도 측정값을 이용해서 기판 온도를 검출하는 단계.
센서 측정값은 센서의 온도에 상응할 수 있고, 기준 측정값은 기준 바디의 실제 온도에 상응할 수 있다. 센서의 온도에 기준 바디의 온도가 반복적으로 근사해짐으로써, 기판 온도가 안정적인 경우에 기준 바디의 온도는 센서의 온도와 동일하게 안정적이고, 이로 인해 센서, 기준 바디 및 기판이 동일한 온도인 것이 달성된다.
3 기준 바디
5 온도 센서
6 센서면
7 기준면
9 기판

Claims (5)

  1. 온도 센서와 기준 바디를 포함하는 온도 측정 시스템에 있어서,
    상기 기준 바디의 온도 변화를 검출하기 위한 및/또는 상기 기준 바디의 온도를 조절하기 위한 수단이 제공되고, 상기 기준 바디는, 상기 온도 측정 시스템이 진공에서 사용되는 경우에 온도 센서에 대해 실질적으로 재료 열교를 형성하지 않고, 상기 기준 바디는, 온도 센서의 표면에 기준 바디의 표면으로부터 방사하고 온도가 검출되어야 하는 표면으로부터 방사하는 복사만이 도달하도록 온도 센서를 주변에 대해 차폐하는 것을 특징으로 하는 온도 측정 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 기준 바디는 컵 베이스를 가진 컵으로서 형성되고, 상기 온도 센서는 상기 컵 베이스 근처에 상기 컵 베이스로부터 열 절연되어 배치되는 것을 특징으로 하는 온도 측정 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 온도 측정 시스템을 포함하는 진공 처리 장치로서,
    상기 기준 바디는, 상기 온도 센서의 표면에 실질적으로 상기 기준 바디의 표면으로부터 그리고 진공 장치에서 처리될 기판의 표면 및 그리고 경우에 따라서 기판 캐리어로부터 방사하는 복사만이 도달하도록 정렬되는 것을 특징으로 하는 온도 측정 시스템.
  4. 진공 처리 챔버에서 기판의 온도 측정을 위한 방법으로서, 하기 단계들,
    - 온도 센서의 제 1 센서 측정값을 검출하는 단계
    - 기준 바디의 제 1 기준 측정값을 검출하는 단계
    - 센서 측정값 및 온도 측정값을 이용해서 기판 온도를 검출하는 단계를 포함하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 센서 측정값은 센서의 온도에 상응하고, 기준 측정값은 기준 바디의 실제 온도에 상응하고, 센서 온도에 기준 바디의 온도가 반복적으로 근사해짐으로써, 기판 온도가 안정적인 경우에 기준 바디의 온도는 센서의 온도와 동일하게 안정적고, 이로 인해 센서, 기준 바디 및 기판이 동일한 온도인 것이 달성되는 것을 특징으로 하는 방법.
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