(57)【特許請求の範囲】
【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。
【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。
【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。
【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。
【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１１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３７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’、３２’、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４２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１０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ＡｌＧａＡｓ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６００℃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Ａｌ、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ＡｌＧａＡｓ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４０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１３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ＭＢＥ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２３’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、２８、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
【図１】
0003600873.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
0003600873.tif 000005
【図５】
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【図６】
0003600873.tif 000007
【図７】
0003600873.tif 000008