JP3600873B2

JP3600873B2 - Substrate temperature measurement unit

Info

Publication number: JP3600873B2
Application number: JP19705096A
Authority: JP
Inventors: 一郎山口; 耕不破; 三郎清水; 文雄君島
Original assignee: Ulvac Inc; RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: Ulvac Inc; RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 1996-07-08
Filing date: 1996-07-08
Publication date: 2004-12-15
Anticipated expiration: 2016-07-08
Also published as: JPH1019689A

Description

【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Ｌ_０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Ｌ_０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Ｌ_０、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Ａ_１、Ａ_２とするとＡ_１とＡ_２との差ΔＡは
ΔＡ＝−２ΔＬ／Ｌ・Ｌ_０ｔａｎθ・・・・（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Ｔ_０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・Ｌ_０ｔａｎθ／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Ｔ_０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Ｔ_０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
３０ＭＢＥ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[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an apparatus for measuring the temperature of a substrate in a vacuum film forming apparatus, and more particularly to a substrate temperature measuring unit that can measure non-contact with high accuracy and can be easily attached to and detached from the vacuum film forming apparatus. It is.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a thermocouple or a radiation infrared thermometer has been used for measuring a substrate temperature when a thin film is formed on the substrate in a vacuum film forming apparatus. As is well known, a thermocouple is an element that measures the temperature from the magnitude of the electromotive force when a contact point of two kinds of metal wires is attached to a measurement target, and a radiation type infrared thermometer is an infrared thermometer radiated from the measurement target. This is a non-contact type thermometer that measures a temperature by detecting a change in intensity at a specific wavelength because the intensity of the laser beam, that is, the radiant energy density changes with temperature.
[0003]
The indicated temperature of the thermocouple differs depending on the degree of contact between the contact and the substrate. If there is a gap, the indicated temperature is lower than the actual temperature of the substrate, and an error of several tens degrees may occur in some cases. Further, attaching a thermocouple contact to each of the substrates is a complicated operation, and is not suitable for production in terms of reducing the number of films formed by the vacuum film forming apparatus.
[0004]
The radiation type infrared thermometer, for example, can collect the intensity of infrared light emitted from a substrate in a vacuum film forming apparatus and transmitted through a viewing window to a detection element such as a Si photodiode with an optical lens outside the apparatus, and obtain the intensity thereof. If the intensity of the measurement wavelength is weak, the measurement accuracy is reduced. Therefore, it is necessary to bring the measurement terminal close to the substrate although it is a non-contact type. However, since the proximity to the surface of the substrate is an obstacle to film formation, as shown in FIG. 6, the substrate holder 12 'on which the substrate 11 is mounted and a heater 13' integrated therewith. A quartz rod 43 at the tip of an optical fiber 44 having the other end connected to an infrared intensity measuring device 45 is inserted into a through hole formed in the heater portion as a probe to determine the intensity of infrared rays. Is measured. In addition to the infrared rays from the substrate 11, the infrared rays from the heater 13 and the infrared rays emitted by the quartz rod 43 itself when the quartz rod 43 itself becomes high temperature are mixed in the quartz rod 43 as the probe. Not satisfactory. Also, providing a through hole in the heater section lowers the uniformity of the heating distribution, and it is practically impossible to measure the temperature of the substrate surface at multiple points since many through holes are required.
[0005]
Furthermore, in an actual vacuum film forming apparatus, the temperature of the substrate is not directly measured, but the contact of the thermocouple is embedded in the heater portion, and the difference between the indicated value and the substrate temperature is measured in advance. In many cases, in actual film formation, the temperature of the substrate is obtained from the temperature of the heater. In such an apparatus, the substrate temperature to be measured must be accurate in advance, but as described above, thermocouples and radiation type infrared thermometers have difficulty in measuring the substrate temperature with high accuracy, and the reliability as a calibration device Lack.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and is provided with a substrate temperature measuring unit which can be attached to a vacuum film forming apparatus to measure a substrate temperature with high accuracy in a non-contact manner. It is an object of the present invention to provide a substrate temperature measuring unit that can be used also as a calibration device.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The above-mentioned problem is that a laser for irradiating a substrate in a vacuum film forming apparatus, and a laser beam emitted from the laser are disposed at symmetrical positions at equal angles and at equal distances to both sides of an optical axis from an irradiation point of the laser light. A pair of image sensors for receiving a speckle pattern generated by being scattered and reflected by the substrate; a measurement head fixed to a vacuum flange; and a pair of image sensors connected to each of the pair of image sensors, before and after heating the substrate. A correlator for calculating the amount of movement of the speckle pattern, a difference in the amount of movement of the speckle pattern connected to the correlator, the angle and the distance at which the pair of image sensors are arranged, and a known value. And a computer for calculating the temperature of the substrate from the coefficient of thermal expansion of the substrate, wherein the vacuum flange of the measurement head is provided with respect to the vacuum film forming apparatus. Substrate temperature measuring unit, characterized in that mounted over the contact or the required members, it is accomplished by.
[0008]
The laser light emitted from the laser light source is scattered and reflected by the substrate, and the speckle pattern received by a pair of image sensors symmetrically arranged at a predetermined position moves due to heating of the substrate. The amount of movement is obtained by the correlator, and the computer connected to the correlator calculates the substrate temperature from the difference in the amount of movement of the speckle pattern, the position of the image sensor, and the known coefficient of thermal expansion of the substrate. In addition, the temperature of the substrate in the vacuum film forming apparatus can be accurately measured without contact. In addition, since the oscillation head of the laser beam and the pair of image sensors are fixed to the vacuum flange to form the measurement head, it is extremely easy to attach or detach the device directly or via necessary members.
[0009]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0010]
(Embodiment 1) FIG. 1 is a basic configuration diagram of a substrate temperature measuring unit 10 in which a laser beam is applied to a fixed frame 6 attached to a conflat flange 5 having a viewing window 4 made of a laser beam transmitting material. An oscillation source 1 (hereinafter abbreviated as laser 1), a pair of image sensors 2, and an image sensor 3 are fixed in the same plane including the irradiation point P of the laser light to form a measurement head 7, and the image sensor 2 , 3 are respectively connected to correlators 8 and 9, and a computer 51 is connected to these correlators 8 and 9. Incidentally, the conflat flange is a flange that clamps and seals a metal gasket with a knife edge. The substrate 11 whose temperature is to be measured is placed on a substrate holder 12 integrated with the heater 13 in a vacuum chamber 14 of a vacuum film forming apparatus. When measuring the temperature of the substrate 11, the substrate 11 is provided in the vacuum chamber 14. The conflat flange 5 of the measuring head 7 is joined to the conflat flange 15 of the flange port 16 by a bolt 18 via a metal gasket 17. The viewing window 4 is made of Kovar glass having a thermal expansion coefficient close to that of metal, and is sealed with the conflat flange 5 by Kovar.
[0011]
In a state where the measuring head 7 is attached to the vacuum chamber 14, the laser light from the laser 1 is applied to the substrate 11 through the viewing window 4, and the laser light is scattered and reflected by minute irregularities on the surface of the substrate 11 to form an interference pattern. That is, the speckle pattern is also received by the image sensors 2 and 3 through the viewing window 4. The image sensor 2 with respect to the laser 1 is an angle ± theta from the irradiation point P of the laser beam on both sides of the optical axis Z, are arranged symmetrically at a distance L _0. The laser 1 is fixed so as so to be able to adjust the irradiation angle to the substrate 11, and the image sensor 2 can adjust the angle ± theta and the distance L ₀ to the position. These are so compact that they can be fixed to the conflat flange of the ICF 203 with a margin.
[0012]
Although the speckle pattern moves as the substrate 11 is heated and stretched, the movement of the speckle pattern due to the extension of the substrate 11 in the X direction where the image sensors 2 and 3 are arranged is captured by the image sensors 2 and 3. The use of the two image sensors 2 and 3 is to eliminate the movement of the speckle pattern due to factors other than elongation. The amount of movement of the speckle pattern before and after heating is determined by the correlators 8 and 9 connected to the image sensors 2 and 3, respectively, and the computer 51 to which the correlators 8 and 9 are connected heats the substrate 11. The temperature of the substrate 11 after heating is calculated from the difference in the amount of movement of the speckle pattern before and after, the angle ± θ at which the image sensors 2 and 3 are located, the distance L ₀ , and the known thermal expansion coefficient α of the substrate 11. It has become so.
[0013]
That is, if the X components of the movement amount of the speckle pattern before and after heating in the image sensors 2 and 3 are A ₁ and A ₂ respectively, the difference ΔA between A ₁ and A ₂ is ΔA = −2ΔL / L·L ₀ tan θ ... (1)
It becomes. Here, L is the length of the substrate 11 in the X direction before heating, and ΔL is the elongation of the substrate 11 due to heating. The temperature difference ΔT between the temperature T ₀ before heating and the temperature T after heating and the coefficient of thermal expansion α of the substrate 11 are expressed as follows.
ΔL / L = α · ΔT (2)
Therefore, from Expressions (1) and (2), ΔT = −ΔA · L ₀ tan θ / 2α (3)
It becomes. In this way, since the temperature difference ΔT before and after heating of the formula (3) from the substrate 11 is required, it may know the temperature T after heating the temperature T ₀ before heating based on.
[0014]
The speckle pattern generated when light with high coherence, such as laser light, is scattered and reflected on a rough surface is used for measuring minute displacement, deformation, movement speed, and other factors of an object (Iwanami Science Dictionary, No. 1). 4th edition, 1987) and Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-132944 discloses a "thermal expansion coefficient measuring apparatus", which is based on a measurement principle diagram as shown in FIG. An apparatus for determining an expansion coefficient by a speckle correlation method is disclosed. However, an apparatus using a laser for temperature measurement is not yet known.
[0015]
FIG. 2 is a schematic configuration diagram when the substrate temperature measuring unit 10 is attached to a molecular beam epitaxy apparatus (MBE apparatus) 30. The MBE apparatus 30 is an apparatus for forming a thin film made of Al, Ga, and As on a GaAs (001) substrate 19 under a vacuum of a total pressure of 5 × 10 ⁻⁶ Torr.
[0016]
The conflat flange 5 with the observation window 4 in the measuring head 7 of the substrate temperature measuring unit 10 is attached to the conflat flange 36 at the flange port 35 of the vacuum chamber 34 of the MBE apparatus 30 by a bolt 18 via a metal gasket 17. . Correlators 8 and 9 are connected to the image sensors 2 and 3 of the measuring head 7, respectively, and a computer 52 is still connected to these.
[0017]
The substrate 19 is placed on a heater section including the heater 13 and the substrate holder 12 in the vacuum chamber 34, and three “crucibles” 31, 32 corresponding to Al, Ga, and As are opposed to the substrate 19. A shutter 33 is provided, and each of the shutters 31 ′, 32 ′, and 33 ′ is opened and closed independently by a command from the computer 52.
[0018]
In addition, ceramic introduction terminals 47 and 48 are attached to a conflat flange 41 fixed to a conflat flange 38 of a flange port 37 of a vacuum chamber 34 by a bolt 18 via a metal gasket 17. The thermocouple 42 heated from the external temperature controller 41 by the heating cable 49 passing through the introduction terminal 47 and having a contact embedded in the heater section inputs a temperature signal to the temperature controller 41 via the introduction terminal 48, The temperature is displayed on the temperature controller 41. Further, a temperature signal is input from the temperature controller 41 to the computer 52, and the computer 52 opens and closes the shutters 31 ', 32', 33 'of each "crucible". Note that the temperature controller 41 can program-control the temperature of the substrate 19.
[0019]
Next, the operation of the substrate temperature measuring unit 10 will be described. Temperature T ₀ before heating of substrate 19 was allowed to stand at room temperature in the vacuum chamber 34 is obtained by the indicated temperature of the thermocouple 42 in the heater unit. Calibration between the temperature of the substrate 19 and the temperature indicated by the thermocouple 42 of the heater section is performed as follows. After the vacuum chamber 34 is evacuated, the temperature controller 41 is operated to activate the temperature of the thermocouple 42 and the temperature of the substrate 19 measured by the substrate temperature measuring motor 10 at some points up to a temperature of about 700 ° C. Record the difference between During this time, in order to prevent As from desorbing from the GaAs (001) substrate 19 by heating, the shutter 33 'of the "crucible" 33 of As is opened, and the surface of the substrate 19 is irradiated and filled with sufficient As vapor.
[0020]
As described above, a calibration curve of the difference between the indicated temperature of the thermocouple 42 from room temperature to about 700 ° C. and the temperature of the substrate 19 measured by the substrate temperature measuring unit 10 is obtained. By incorporating this temperature difference into the program of the temperature controller 41, accurate program control of the temperature of the substrate 19 becomes possible. After the calibration curve is created, the substrate temperature measurement unit 10 may be removed from the vacuum chamber 34, and the flange port 35 may be hermetically sealed with a blind conflat flange.
[0021]
In forming an AlGaAs thin film on the GaAs (001) substrate 19, a temperature controller is set in accordance with a temperature curve programmed by taking in advance the difference between the indicated temperature of the thermocouple 42 and the temperature of the substrate 19 by the substrate temperature measuring unit 10. The substrate 19 is heated by 41. Assuming that the substrate cleaning temperature is 630 ° C. and the film forming temperature is 600 ° C., when the temperature of the substrate 19 becomes 630 ° C. at the calibration instruction temperature of the thermocouple 42, the computer 52 opens the shutter 33 ′ of the “crucible” 33 of As. By opening and holding for one minute, a clean surface of the GaAs (001) substrate 19 is obtained. Thereafter, the temperature controller 41 adjusts the heater power according to the program, and operates so as to maintain the temperature when the temperature of the substrate 19 reaches 600 ° C. at the calibration instruction temperature of the thermocouple 42. Then, the computer 52 opens the shutters 31 ′, 32 ′, and 33 ′ of the “crucibles” 31, 32, and 33 of Al, Ga, and As, and grows an AlGaAs thin film on the substrate 19. In this way, the temperature of the substrate 19 is accurately controlled, and the AlGaAs thin film can be formed under the conditions intended by the operator.
[0022]
FIG. 3 is a schematic view of a general sputtering film forming apparatus 40, and FIG. 4 is a schematic view of a case where the substrate temperature measuring unit 10 is attached to the sputtering film forming apparatus 40.
[0023]
In FIG. 3, a substrate 11 is placed on a substrate holder 12 integrated with a heater 13 in a vacuum chamber 24 of a sputtering apparatus 40. For maintenance in the vacuum chamber 24, the upper part of the vacuum chamber 24 is opened with an upper lid 23 opened, and a target 21 as a cathode is mounted on the upper lid 23 via a mounting member 22. Then, when the upper lid 23 is closed, the target 21 is located directly above the substrate 11.
[0024]
The substrate 11 in the vacuum chamber 24 is placed on the substrate holder 12 integrated with the heater 13. Further, the heater 13 is connected to a heating cable 49 via an introduction terminal 47 from an external temperature controller 41, and a temperature signal from a thermocouple 42 fixed to the heater section is transmitted via the introduction terminal 48 to the temperature controller. What is input to 41 is the same as that shown in FIG. As shown in FIG. 3, a target 21 is generally present directly above the substrate 11 in the vacuum chamber 24 of the sputtering apparatus, and there is no flange port to which the substrate temperature measuring unit 10 can be attached. Many. A similar form can be found in a CVD film forming apparatus.
[0025]
In such a case, as shown in FIG. 4, a replacement upper lid 23 'having a conflat flange 25' which can be replaced with the upper lid 23 of FIG. The conflat flange 5 of the measuring head 7 in the unit 10 is joined together with the metal gasket 17 by bolts 18.
[0026]
When calibrating the indicated temperature of the thermocouple 42 attached to the heater section and the temperature of the substrate 11, the original upper lid 23 is removed from the vacuum chamber 24, and the measuring head of the substrate temperature measuring unit 10 as shown in FIG. 7 is attached with the replacement upper lid 23 '. Thereafter, a calibration curve between the indicated temperature of the thermocouple 42 and the temperature of the substrate 11 measured by the substrate temperature measuring unit 10 is created in the same procedure as that performed in the MBE apparatus 30 described above. When actually forming a film, the replacement upper lid 23 'with the substrate temperature measuring unit 10 is removed, and the original upper lid 23 is attached. In this way, even when the substrate temperature measuring unit 10 has a shape limitation in the vacuum film forming apparatus, it is possible to use a replaceable member and create a calibration curve by attaching it to the replaceable member.
[0027]
(Embodiment 2) In a substrate temperature measuring unit 10 of Embodiment 1, referring to FIG. 1, a laser head 1 and a pair of image sensors 2 and 3 are arranged outside a vacuum chamber 14 in a measuring head 7. The measurement head 7 'of the substrate temperature measurement unit 20 according to the second embodiment is fixed to the fixing frame 6 on the atmosphere side of the conflat flange 5 with the viewing window 4 as shown in FIG. 5 corresponding to FIG. In order to arrange the laser 1 and the image sensors 2 and 3 inside the vacuum chamber 14, a fixing frame is provided on the vacuum surface side of the blind conflat flange 5 'to which ceramic introduction terminals 27, 28 and 29 are attached. It is fixed to 6 '. Therefore, in the measurement of the substrate temperature, the laser light emitted from the laser 1 and the speckle pattern received by the image sensors 2 and 3 do not pass through the viewing window, so that the optical fluctuation as a factor that decreases the measurement accuracy is reduced. Can avoid. The components other than the measurement head 7 'of the substrate temperature measurement unit 20 of FIG. 5 are completely the same as the components of the substrate temperature measurement unit 10 of FIG. 1, and the corresponding components are denoted by the same reference numerals. Description is omitted.
[0028]
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is, of course, not limited to these, and various modifications can be made based on the technical idea of the present invention.
[0029]
For example, the wavelength of the laser light to be used is not limited, but a He-Ne laser whose oscillation wavelength is in the visible region is preferably used, and a semiconductor laser can be used for miniaturization. When the oscillation wavelength is in the non-visible region, for example, in the infrared region, it is desirable to provide a guide beam in the visible region to determine the optical axis of irradiation.
[0030]
The image sensor to be used is a one-dimensional or two-dimensional photoelectric conversion element. Any type can be used as long as it can capture the movement of the speckle pattern. An image sensor is preferably used.
[0031]
In addition, the viewing window to be used may not necessarily be Kovar glass as long as it transmits laser light. Further, in order to prevent infrared rays emitted from the high-temperature substrate from being incident on the image sensor and causing noise, it is preferable to attach a filter to the viewing window 4 that selectively transmits only the wavelength of the laser to be used. . The selective transmission filter may be attached to the image sensors 2 and 3.
[0032]
In this embodiment, a conflat flange is used for the vacuum flange portion, but a vacuum flange sealed with an O-ring may be used.
[0033]
Further, in each embodiment, the laser 1 and the image sensors 2 and 3 are arranged so as to be in the same plane including the irradiation point P. Therefore, as long as symmetry is maintained in the arrangement of the laser 1 and the image sensors 2 and 3, they need not necessarily be arranged in the same plane.
[0034]
【The invention's effect】
As described above, according to the substrate temperature measuring unit of the present invention, the measurement is obtained from the movement of the speckle pattern caused by the laser light being scattered and reflected by the substrate before and after heating. That is, although the measurement is a direct measurement, it does not cause any change and damage to the substrate in a non-contact manner and hardly includes an error due to other factors, so that the measurement accuracy is extremely high. Therefore, the temperature of each substrate can be measured during the film forming process, and the substrate temperature and the heater can be measured for an indirect temperature measuring type vacuum film forming apparatus in which the temperature of the substrate is obtained from the temperature of the heater section in contact with the substrate. It can be used as a calibration device in accurately determining the difference between the temperature of the part.
[0035]
Furthermore, since the laser beam oscillation source and the pair of image sensors are fixed to the vacuum flange and integrated as a measuring head, they can be easily attached to and detached from the vacuum film forming apparatus directly or via necessary members.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a basic configuration diagram of a substrate temperature measuring unit according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram of an MBE apparatus to which the substrate temperature measuring unit according to the first embodiment is attached.
FIG. 3 is a schematic view of a general sputtering film forming apparatus.
FIG. 4 is a schematic diagram of a general sputtering film forming apparatus to which the substrate temperature measuring unit of the first embodiment is attached, and corresponds to FIG.
FIG. 5 is a basic configuration diagram of a substrate temperature measuring unit according to a second embodiment of the present invention, and corresponds to FIG.
FIG. 6 is a layout diagram of a conventional radiation type infrared thermometer when measuring a substrate temperature.
FIG. 7 is a diagram showing the principle of published thermal expansion coefficient measurement.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laser 2 Image sensor 3 Image sensor 4 Viewing window 5 Conflat flange 6 Fixed frame 7 Measurement head 8 Correlator 9 Correlator 10 Substrate temperature measurement unit 11 Substrate 12 Substrate holder 13 Heater 14 Vacuum chamber 16 Flange port 19 Substrate 20 Substrate Temperature measuring unit 21 Target 23 Top lid 24 Vacuum chamber 30 MBE device 34 Vacuum chamber 40 Sputtering film forming device 41 Temperature controller 42 Thermocouple 51 Computer 52 Computer

Claims

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。An oscillation source of laser light for irradiating a substrate in a vacuum film forming apparatus, and the laser disposed at an equal angle and equidistant symmetrical position on both sides of an optical axis from an irradiation point of laser light emitted from the oscillation source of the laser light. A pair of image sensors for receiving a speckle pattern generated by light being scattered and reflected by the substrate are connected to a measurement head fixed to a vacuum flange, and a pair of image sensors are connected to each of the pair of image sensors before and after heating the substrate. And a correlator for determining the amount of movement of the speckle pattern in the above, a difference in the amount of movement of the speckle pattern connected to the correlator, the angle and the distance at which the pair of image sensors are arranged, and a known value. A computer for calculating the temperature of the substrate from the coefficient of thermal expansion of the substrate, wherein the vacuum flange is directly or indispensable to the vacuum film forming apparatus. Substrate temperature measuring unit, characterized in that attached via a member.

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。In the measurement head, the oscillation source of the laser light adjusts an irradiation angle to the substrate, and the pair of image sensors are fixed to the vacuum flange so that the angle and the distance at which the pair of image sensors are located can be adjusted. The substrate temperature measurement unit according to claim 1.

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。In the measuring head, the oscillation source of the laser light and the pair of image sensors are attached to the atmosphere side of the vacuum flange, and the irradiation of the laser light by the oscillation source of the laser light, and the pair of image sensors 3. The substrate temperature measuring unit according to claim 1, wherein the image of the speckle pattern is received outside the vacuum film forming apparatus through a window made of a laser light transmitting material provided on the vacuum flange.

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。In the measuring head, the laser light oscillation source and the pair of image sensors are attached to the vacuum surface side of the vacuum flange, and the laser light irradiation by the laser light oscillation source, and the pair of image sensors 3. The substrate temperature measurement unit according to claim 1, wherein the image of the speckle pattern is received inside the vacuum film forming apparatus.