JP4515509B2 - 基板表面温度計測方法、及び、これを用いた基板処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体集積回路や表示装置用の電子源などの電子デバイスの製造工程で基板の加熱および冷却を実施する装置において、基板表面温度をイン−サイチュ（in-situ）で測定する基板表面温度計測方法と、該方法を用いた基板処理装置に関する。

半導体集積回路の製造工程には、例えばフォトリソグラフィー工程におけるベーキング処理、成膜処理、アッシング処理などの種々の熱処理工程がある。従来、このような熱処理工程においては、被処理基板に対向して配置されたハロゲンランプや、被処理基板を支持する支持体中に内蔵されたヒーターを使って、この被処理基板を昇温する。

このような場合、被処理基板を挟んでハロゲンランプと反対側に放射温度計を配置して、被処理基板の温度を非接触で測定する。そして、この測定結果に基づいてハロゲンランプの光量を調節して被処理基板への加熱温度を制御していた。

また基板表面温度の測定に関しては、被処理基板の裏面の近傍に熱流束計および温度センサを設けて、その位置から基板表面までの熱抵抗を使って表面温度を計測していた（特許文献１参照）。

あるいは、被処理基板の真空処理室であるチャンバーの壁の一部に窓を設けて、該チャンバーの壁の外側から放射温度計を使って被処理基板の表面温度を計測していた（特許文献２参照）。

あるいは、熱電対のような接触式のセンサを直接基板表面に接触させて計測していた。

あるいは、基板の側面に接触式の距離センサを設置し、その基板の膨張量を計測することで基板の平均温度を求めて表面温度としていた（特許文献３参照）。
「電子材料」第32巻、第33号、第75〜79ページ、1993年 特開2002-170775号公報 特開昭60-253939号公報 特開平7-27634号公報

ところで、温度測定に用いられる放射温度計は、物体表面から放射される波長分布を持った光をサーモパイルなどのセンサを使って計測することで、非接触で物体の表面温度を測定できるという利点があった。

しかし、放射温度計を使って基板表面を計測する場合においては基板の組成や表面状態によって放射率が変化することから、正確に基板の表面温度を測定する場合にはその基板の組成および表面状態毎に校正を行う必要があった。また、観測するための観測窓が成膜用のガスで汚染されることによっても誤差が発生した。また、放射温度計そのものが高価であることから基板処理装置そのものの価格を押し上げる要因になっていた。

特に成膜装置において放射温度計を使う場合、刻々と変化する成膜の状態の変化に応じて校正パラメータを変更する必要があるが、成膜中の膜厚やその組成を正確に知ることは非常に困難なため校正パラメータを正確に設定することが難しかった。

ここで、放射温度計を使った従来の技術を図９で説明する。

図９において、符号101は真空容器、符号102は、成膜するための原料となるガスを供給する原料ガス供給装置、符号103はバルブ、符号104は真空ポンプ、符号105は原料ガスの濃度を調整する流量調整器、符号106は処理対象となる基板、を示す。符号107は基板106を所定の位置に固定する静電チャック、符号108は静電チャック107の変形を抑制する基板ステージ、符号109は基板ステージ108と真空容器101を接続する取り付け部材、を示す。符号111は基板106の表面を放射熱で加熱するハロゲンヒーター、符号112はハロゲンヒーター111と真空容器101とを接続する取り付け部材、符号113はハロゲンヒーターコントローラを示している。さらに、符号30１は真空容器101の外に設置された放射温度計、符号302は基板106からの放射を透過させる取り出し窓を示しており、放射温度計301により、取り出し窓302を透過した放射を計測することが出来る。

このように放射温度計を使う場合、仮に基板106の表面温度が同じであっても、基板106の表面に成膜される組成の変化によって、放射温度計301で計測される放射量は異なるのが一般である。

また、取り出し窓302の真空容器内側は原料ガスによって絶えず汚染されるため清掃が欠かせず、取り出し窓302の光線透過率によって補正を行う必要もある。

また、取り出し窓302を透過する光線には基板106からの放射によるもの以外に、真空容器101の壁などで反射された光もある。さらには、ハロゲンヒーター111からの光が基板106で直接反射して取り出し窓302に届く迷光もある。そのため、このことへの対策も必要となる。

このように、放射温度計を使った計測は非接触で観測できるという利点もあるが、様々な計測誤差により精度が劣化するし、機器が高価であるという課題があった。

また、その他の技術として、基板の温度を基板の膨張量から換算する方法もある。この方法は、基板の平均的な温度を算出することは可能でも、基板内部に温度分布を持っている場合には基板の平均的な温度と表面温度との温度差が大きくなるため誤差が大きくなるという課題があった。

ここで、基板の膨張量から基板温度を換算する従来の技術を図１０で説明する。

図１０において、符号401はランプ、符号402は基板、符号403は可動石英ピン、符号404は光学式マイクロメータ、符号405は支持ピン、を示す。さらに符号406はプロセスチャンバ、符号407はランプパワー制御ユニット、符号408は変位/温度換算器、符号409はプロセスレシピを示している。尚、図１０は基板表面を上から見た図である。

図１０の装置において、ランプ401から放射された光が、プロセスチャンバ406に置かれた基板402を加熱する。基板402が加熱されると基板402が膨張する。基板402の片側は支持ピン405で拘束されているので、基板402の膨張量は、基板402に設けられた可動石英ピン403の移動量そのものになる。この可動石英ピン403の移動量を光学式マイクロメータ404で読み取ることで、基板402の膨張量を算出する。算出された膨張量を受け取って、変位/温度換算器408は基板402の温度を算出し、ランプパワー制御ユニット407に送る。ランプパワー制御ユニット407は、送られてきた基板温度とプロセスレシピ409を参照してランプ401を制御する。

しかしながら、可動石英ピン403は基板402と接触しているために当該基板の熱が可動石英ピン403に移動して加熱され、その結果可動石英ピン403自体も膨張する。この結果、可動石英ピン403の光学式マイクロメータ404に面する面の移動量と、可動石英ピン403が接触しない状態での基板402の端面の移動量と、が異なり、これが温度測定の誤差の原因となる。

また、基板402の内部に温度分布がある場合、基板の膨張量から算出できるのは基板全体の平均的な温度であり、必ずしも基板の表面温度は計測できない。例えば図１０のようにランプを使い、基板402の表面側から加熱する場合には基板402の裏面に熱が移動する。あるいは、基板402の裏面側からヒーターを使って加熱する場合は表面側に熱が移動する。その結果、基板402の表面と裏面の間には温度差が生じ、基板の膨張量からだけでは正確な基板表面温度を計測することは困難である。

また、別の技術として、直接、熱電対のような接触式のセンサを基板に接触させて計測する方法がある。このように基板の表面を接触させる場合、基板の温度変化によって基板が膨張などした場合にセンサと基板との接触状態を維持することが困難である。さらには、熱電対そのものがヒーターによって加熱されることから生じる誤差、また接触させた部分は成膜されないことから基板の一部が無駄になるなどの課題があった。

本発明は、上述したような課題のいずれか一つを解決できる表面温度計測方法およびこれを利用した基板処理装置を提供することを目的としている。その目的の一つは、基板表面温度の計測精度を向上させることである。

上記の課題を解決すべく、本発明の一態様は、基板の膨張量を測定する工程と、その基板の膨張量を用いて前記基板の中立面の温度（即ち、基板の平均的な温度）を算出し、前記基板の中の熱流束と熱抵抗とから前記基板の中立面と表面との温度差を算出し、該温度差と前記基板の中立面の温度とを用いて前記基板の表面の温度を求める工程と、を含む基板表面温度計測方法である。

また本発明の他の態様は、基板を加熱する加熱手段と、前記加熱手段を制御する制御手段と、前記基板の膨張量を測定する膨張量測定手段と、前記基板の中の熱流束を測定する熱流束測定手段とを備えた基板処理装置である。そして前記制御手段は、測定された前記膨張量を用いて前記基板の中立面の温度を算出し、測定された前記熱流束と熱抵抗とから前記基板の中立面と表面との温度差を算出し、該温度差と前記基板の中立面の温度とを用いて前記基板の表面の温度を求め、該表面の温度に基づいて前記加熱手段を制御する。

本発明によれば、基板表面温度の計測精度を向上させることができる。

本発明では、基板の膨張量、基板を通過する熱流束、および基板の熱抵抗を用いて、基板の表面温度を計測する。なお、本明細書において、基板の表面とは基板において成膜などのプロセスを行う面、裏面とはその反対側の面、エッジ面とは表面と裏面以外の面を指すものとする。

基板の膨張量は基板のエッジ面を非接触センサ、例えば光を使った測距センサで検出することも出来るし、基板上に形成されたマークをマーク画像認識機能のあるアライメントスコープで検出することで計測することが出来る。

このとき、アライメントスコープを載せるスコープステージの膨張が計測精度に影響する場合は、当該スコープステージの線膨張率を予め求めておき、温度を随時計測することでスコープステージの膨張の影響をキャンセルすることが出来る。

また、このとき被処理基板の線膨張率は基板の処理中殆ど変化しないことが重要である。一般的に基板の厚さが1ｍｍ程度あるのに対して、基板上に成膜される層の厚みは数μｍ程度であり基板全体の線膨張率を母材の線膨張率で置き換えても誤差は非常に小さい。

したがって、基板の膨張量と線膨張率から基板の平均的な温度を算出することが出来る。しかも基板の線膨張率は基板の物性値から決定されるため、絶対的な温度を知るのに大変都合がよい。しかしながらこれだけでは、基板中に熱流束があり温度分布がある場合に基板の表面温度を算出することが出来ない。そこで、基板内に温度分布を発生させている熱流束を計測することで基板内の温度勾配を算出する。さらに基板のエッジ部分から散逸する熱量が無視できる程度に小さい場合、基板中の温度勾配は一定とみなしてよいため、基板の平均温度は基板の中立面の温度と合致する。このことを利用して、基板の膨張量から求めた基板の平均的な温度（すなわち基板の中立面の温度）と、熱流束から算出される温度勾配（すなわち基板の中立面と表面との相対的な温度差）と、を加減算することで、基板表面の絶対的な温度を決定するのが本発明の眼目である。

このとき、基板は基板の表面側からハロゲンヒーターなどを使って加熱される場合と、基板の裏面からヒーターを使って加熱される場合などがあるが、基板が全体から見ると薄板であるため、基板のエッジ面から放散される熱は無視できる程度である。そのため、いずれの場合においても基板を通過する熱流束は近似的に、基板を支持するステージもしくは静電チャックを通過する熱流束と等しいとみなして良い。

このようにして計測された熱流束の大きさと、基板の熱抵抗とから、基板内部の温度分布（温度勾配）を計算することが可能になり、この温度勾配と、膨張量から計算された基板の平均的な温度とを加減算することで基板の表面温度が得られる。

なお、基板の「中立面」とは、基板の表面及び裏面から等距離にある仮想の面をいう。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

［第一実施例］
図１は、本発明の第一実施例に係る熱CVD装置の構成を模式的に示す。

本実施例の熱CVD装置として使用された基板処理装置は真空容器101を備え、真空容器101内で基板106に成膜処理を行う。真空容器101には、成膜するための原料となるガスを真空容器101内に供給する原料ガス供給装置102、および真空ポンプ104が配設されている。その原料ガスの供給路には、バルブ103と、原料ガスの濃度を調整する流量調整器105とが備わる。

真空容器101の内底部には、基板106を所定の位置に固定する静電チャック107と、静電チャック107の変形を抑制する基板ステージ108とが設けられ、取り付け部材109で基板ステージ108と真空容器101が接続されている。真空容器101が熱や真空度の変化によって変形してもその影響が静電チャック107に及ばないように、基板ステージ108は十分剛性の高い部材で構成され、取り付け部材109との間にバネ弾性を利用した構造物が介在している。

真空容器101の内部天井の、基板106の表面と対向する所に、基板106を加熱するハロゲンヒーター111が位置しており、取り付け部材112で真空容器101に接続されている。ハロゲンヒーター111の温度や供給熱量がヒーターコントローラ113で制御される。ヒーターコントローラ113は、メインコントローラ114と接続されている。

静電チャック107には、静電チャック中を基板表面に対して垂直な方向に移動する熱流束を検出する熱流束検出手段である熱流束センサ110が設けられている。また、基板106の対向するエッジ面のそれぞれに面する所に、基板106のエッジ位置を観察して該エッジ面までの距離を計測する測距センサとしてのスコープ115a,115bが設置固定されている。熱流束センサ110およびスコープ115a,115bはそれぞれの計測情報を通知するためにメインコントローラ114に接続されている。

各々のスコープ115a,115bの設置固定はスコープステージ（支持体）116で行われている。スコープステージ116は、取り付け部材117で真空容器101に接続されている。真空容器101の変形による形状がスコープステージ116に及ばないように、スコープステージ116は十分剛性の高い部材で構成され、取り付け部材117との間にバネ弾性を利用した構造物を介在している。

図２を使って、基板106の表面温度の計測方法についてより具体的に説明する。図２は図１の装置の主要部分を抜粋したものに、以下の説明に必要な変数を記載した図である。

ここで、Oa、Ob、Lscp、Xa、Xb、Lwafをそれぞれ、
Oa、Ob：スコープ位置基準
Lscp：スコープ115aおよびスコープ115bの位置基準間の距離
Xa、Xb：それぞれのスコープ115a,115bが計測した基板106のエッジ面の変位量（ただし、スコープ位置基準Oa,Obを原点（基準点）として、基板の外側に向かう方向を正にとる。）
Lwaf：基板長
と定義する。

このとき基板長Lwafは、スコープ位置基準間距離Lscpと二つのスコープの計測値Xa,Xbを使って、
Lwaf = Lscp + Xa + Xb−−（式１）
と表すことが出来る。

また、変数T0w、Lwaf0、Twaf、ρwafをそれぞれ、
T0w：基板基準長を計測した際の温度
Lwaf0：温度T0wにおける基板長Lwaf
Twaf：基板の平均温度
ρwaf：基板106の線膨張率
と定義する。

このときも同様に、基板長Lwafは、
Lwaf ＝ Lwaf0 ＊ （１＋ρwaf ＊（Twaf − T0w））−−（式２）
と表すことが出来るので、基板の平均温度Twafは上記の式１および式２から、
Twaf ＝ （（Lscp + Xa + Xb）/ Lwaf0 −１）/ ρwaf ＋ T0w −−（式３）
と表すことが出来る。

ここで、図２、図３において、
Jst：静電チャック107を通過する熱流束［W/cm^2］
Jwaf：基板106を通過する熱流束［W/cm^2］（Jst,Jwafともに基板表面から裏面方向を正にとる。）
Tb：基板の裏面（静電チャック108側の面）の温度
Tc：基板の中立面の温度
Tt：基板の表面の温度
と定義する。

ところで、図２において、ヒーター111から与えられる熱の一部は基板106から静電チャック107を通過して放出されるが、このとき、静電チャック107を通過する熱流束Jstは熱流束センサ110で計測することが出来る。基板106は静電チャック107に吸着されているので、基板106中を通過する熱流束Jwafは、計測された熱流束Jstで代用できる。

さらに、前記の熱の流れにおいて、基板106の内部では基板を通過する熱流束Jwafに応じて温度勾配が生じる。しかし基板106内部の熱流束は基板の厚さ方向には全ての場所でほぼ一定と考えられるので、基板の表面から裏面にかけての温度は直線の勾配になり、温度勾配は図３のように一定と考えてよい。すると、基板の平均温度Twafはその中立面での温度Tcと同じになる。

よって、
Tc ＝ Twaf −−（式４）
と表せる。

また、R：基板の中立面から表面までの熱抵抗［K・cm^2/W］
と定義すれば、基板の中立面と基板表面との温度差は、
Tt−Tc＝Jwaf * R −−（式５）
で与えられる。

そこで、基板の表面温度Ttは上記の式１，２，３，４を使って
Tt= Tc＋Jwaf*R
＝ Twaf＋Jwaf*R
＝（（Lscp + Xa + Xb）/ Lwaf0 −１）/ ρwaf ＋ T0w ＋ Jst*R −−（式６）
と、算出される。

したがって、図１の装置で説明すると、基板処理中、スコープ115a,115bにより基板106の膨張量である計測値Xa,Xbを得て、メインコントローラ114に知らせる。そしてメインコントローラ114は、該膨張量と、予め測定された基板106の初期長（基板基準長Lwaf0）、該Lwaf0を測定したときの温度T0w、および基板106の線膨張率ρwafとに基づいて、基板106の中立面の温度Tc（基板平均温度Twaf）を算出する（式３，式４参照）。基板基準長Lwaf0、温度T0w、および線膨張率ρwafは固定されたパラメータであるので、基板処理の前に予めメインコントローラ114に記憶しておく必要がある。

さらにこのTc算出工程とともに、熱流束センサ110により基板106内部の熱流束Jwaf（静電チャック107中の熱流束Jstで代用。）を計測して、メインコントローラ114に知らせる。そしてメインコントローラ114は、その計測された熱流束Jstと、予め入力された基板106の熱抵抗Rとに基づいて、基板106の中立面と基板表面との温度差Tt−Tcを算出する（式５参照）。基板106の熱抵抗Rについては、製品化されたウェハなどの基板では熱抵抗値が分かっているのでその値を予めメインコントローラ114に記憶しておく。

最後にメインコントローラ114は、算出した基板106の中立面の温度Tcと、基板106の中立面と基板表面との温度差Tt−Tcとを使って基板の表面温度Ttを求める。この測定結果によりハロゲンヒーター111の熱量が調節される。

このように本実施例の装置では、基板の表面温度Ttを、スコープ115a,115bの計測値Xa,Xbおよび熱流束センサ110の計測値Jstを使って算出することが出来る。

図４は熱流束センサ110の具体例を示す模式図である。

熱流束センサは、熱抵抗を有する板状の形状を有するものの表面及び裏面に熱電対部を配し、それを熱流束が通過するときに生じる温度差(T1-T2)を測定することにより熱流束の大きさを測定するものである。熱流束センサ面の熱電対により測定される温度差(T1-T2)は、熱流束（W/cm^2）と熱抵抗（K・cm^2/W）の積の値となる関係があり、予め熱抵抗を求めておけば、測定された温度差より熱流束が分る。ここで、感度を上げる手法としては、図４のように熱電対を直列の繋いだものがある。

［第二実施例］
図５は、本発明の第二実施例に係る熱CVD装置の構成を模式的に示す。

本実施例の装置では図１の構成に対して、スコープステージ116の温度を検出する支持体温度検出手段であるスコープステージ温度センサ118が追加されている。そのうえ、スコープステージ116の温度を調節するためにスコープステージ116内部に配管されたスコープステージ温調配管119と、該配管の中を流す冷媒の循環動作を制御するスコープステージ温調コントローラ120とが追加されている。

スコープステージ温調配管119中を冷媒が循環するのでスコープステージ内部の温度ムラを、配管119の無い場合と比較して小さくすることが可能であり、スコープステージ温度センサ118の計測誤差を抑制することが出来る。

また、スコープステージ温度センサ118はメインコントローラ114に接続され、スコープステージ116の温度をメインコントローラ114に通知する。

以上のような構成においては、例えばスコープステージ116が周囲雰囲気との熱の交換により温度が変化してスコープステージ116そのものの長さが変化した場合にも、基板106の長さLwafおよび基板表面温度Ttを正確に算出することが出来る。以下において詳細に説明する。

ここで新たに、
T0s：スコープ基準長を計測した際の温度
Tscp：スコープステージ温度センサ118が計測したスコープステージ温度
Lscp0：温度T0sにおける、スコープ115a,115bの位置基準間の距離Lscp
ρscp：スコープステージ116の線膨張率
を定義する。すると、スコープ位置基準間距離Lscpは、
Lscp = Lscp0 ＊（１＋ρscp ＊（Tscp−T0s）） −−（式７）
と表すことが出来る。

よって、基板表面温度Ttは、前述の式６と合わせて、
Tt =（（（Lscp0 ＊（１＋ρscp ＊（Tscp−T0s））） + Xa + Xb）/ Lwaf0 −１）/ ρwaf ＋ T0w ＋ Jwaf*R −−（式８）
と、算出される。

このように図５の装置では、基板の表面温度Ttを、スコープ115a,115bの計測値Xa,Xb、熱流束センサ110の計測値Jst、およびスコープステージの温度（Tscp）を使って算出することが出来る。

［第三実施例］
図６は、本発明の第三実施例に係る熱CVD装置の構成を模式的に示す。本実施例の説明においては、図１および図５に示す装置の構成部品と同じものには同一符号を付し、その説明は割愛する。

本実施例では基板表面の上方にハロゲンヒータ（図１，２の符号111参照）を設けておらず、図６に示すように、基板106は、基板ステージ108中に設けられたヒーター121によって加熱されている。ヒーター121はヒーターコントローラ122に接続される。ヒーターコントローラ122はメインコントローラ114に接続されている。

基板106の表面の複数箇所にはアライメントマーク126があり、それぞれは上方のアライメントスコープ123a、123bによって位置を検出することが出来る。アライメントスコープ123a、123bはスコープステージ124に取り付けられている。スコープステージ124は、取り付け部材125によって真空容器101の天井に接続されている。スコープステージ124の内部にスコープステージ温調配管119が配され、該配管の中を流れる冷媒の循環動作がスコープステージ温調コントローラ120で制御される。

図７は、アライメントスコープ123a、123bによって、基板106上に形成されたアライメントマーク126を観察した様子を模式的に表したものである。アライメントスコープ123a、123bは各アライメントマーク126の変位量を計測することが出来る。

ここで、
Oa,Ob ：アライメントスコープ位置基準
Xa,Xb：アライメントスコープ123a、123bが計測したアライメントマーク126の変位量（ただし、アライメントスコープ位置基準Oa,Obを原点として、基板の外側に向かう方向を正にとる。）
Lwaf：アライメントマーク126間の距離
と定義すれば、基板の表面温度を求めるにあたって、前述した式１〜式６が同様に適用できる。

よって、基板の表面温度Ttは式６を使って算出される。
Tt＝（（Lscp + Xa + Xb）/ Lwaf0 −１）/ ρwaf ＋ T0w ＋ Jst*R −−（式６）
本実施例においては、第一実施例や第二実施例とは基板106中の熱の移動方向が逆になるので、図２で示された熱流束Jst,Jwafは負となるが、式１〜６は同様に適用することが出来る。

［第四実施例］
図８は、本発明の第四実施例に係る熱CVD装置の構成を模式的に示す。

本実施例の装置では図６の構成に対して、ヒーター121が設けられた基板支持体である基板ステージ108と静電チャック107を覆う断熱材127が追加され、ヒーター121からの熱がほぼ全て基板106を通過するように構成されている。

このような構成をとると、基板106を通過する熱流束Jwafは、ヒーター121に与えた投入エネルギーに十分等しくなる。

そのため、熱流束Jwafは、
Pw：ヒーター121に供給されたエネルギー［J/s］
S：基板106の面積[m^2]
とすれば、
Jwaf ＝ Pw／S −−（式９）
とすることが出来る。

したがって、基板の表面温度Ttは、式１〜６および式９を使って、
Tt= （（Lscp + Xa + Xb）/ Lwaf0 −１）/ ρwaf ＋ T0w ＋ （Pw／S ）*R −−（式１０）
と、算出される。

上記の式１０から分かるように、本実施例においては、図６の装置に必要であった熱流束センサ110が不要になるというメリットがある。

以上の各実施例についてさらに言及すると、基板の母材として例えばガラスを使用した場合、線膨張率は小さいものでも3E-6程度ある。仮に基板の長さが1mの場合、基板長さを1μｍ程度の誤差で計測出来れば、その温度を0.3℃程度の小さい誤差で計測することが出来る。

ガラスの場合、熱伝導率は1W/(ｍ・K)程度であり、2ｍｍ厚の場合の熱抵抗は20K・cm^2/W程度になる。このとき仮に1W/cm^2の熱流束があれば基板の表面と裏面では20Kの温度差があり、基板の中立面と表面では10Kの温度差がある。このような場合でも熱流束を計測することで基板内部の温度分布を算出することが出来る。

また、高温ポリシリコンTFTの基板としては、石英ガラスが使用される。石英ガラスの場合、熱伝導率は1.4W/(ｍ・K)程度であり、1ｍｍ厚の場合の熱抵抗は7K・cm^2/W、2ｍｍ厚の場合の熱抵抗は14K・cm^2/Wになる。このとき仮に1W/cm^2の熱流束があれば、1ｍｍ厚の場合基板の表面と裏面では7Kの温度差があり、基板の中立面と表面では3.5Kの温度差がある。同様に2ｍｍ厚の場合は基板の表面と裏面では14Kの温度差があり、基板の中立面と表面では７Kの温度差がある。

また、折り曲げが自在のTFTの材料として期待されているポリエーテルスルホン(PES)の場合、熱伝導率は0.18W/(ｍ・K)程度であり、1ｍｍ厚の場合の熱抵抗は56K・cm^2/W、0.3ｍｍ厚の場合の熱抵抗は17K・cm^2/Wになる。このとき仮に1W/cm^2の熱流束があれば、1ｍｍ厚の場合基板の表面と裏面では56Kの温度差があり、基板の中立面と表面では28Kの温度差がある。同様に0.3ｍｍ厚の場合は基板の表面と裏面では17Kの温度差があり、基板の中立面と表面では8.5Kの温度差がある。

尚、熱抵抗の値は、熱伝導率(W/ cm・K)をC、材料の厚さ(cm)をｔと定義するとｔ／Ｃで表わされる式で導出することが出来る。

上記のように、基板の平均的な温度を基板の膨張量に基づいて算出し、さらに基板の中立面と表面との間の相対的な温度差を基板中の熱流束に基づいて算出することで、基板の表面温度を正確に知ることが出来る。

以上説明したように本発明によれば、基板の表面温度を非常に正確にしかも、基板に対して非接触のため本来行うべき成膜等のプロセスに影響を与えることなく計測することが出来る。したがって、プロセスの再現性や安定性を高めることが出来、成膜品質や歩留まりの向上によるコスト低減に効果がある。

また、本発明において表面温度を非接触で得るために用意する非接触式センサには一般的なレーザーを使った測距センサや安価な画像処理装置付のアライメントスコープが使えるので、放射温度計を使った場合よりも大幅に安価に計測系を構成することが出来る。

本発明の第一実施例の装置構成を模式的に示す図である。 第一実施例による基板表面温度の求め方を説明するための図である。 基板内の温度勾配を説明するためのグラフである。 本発明の装置に使用される熱流束センサの構成例を示す模式図である。 本発明の第二実施例の装置構成を模式的に示す図である。 本発明の第三実施例の装置構成を模式的に示す図である。 第三実施例において、アライメントスコープによって、基板上に形成されたアライメントマークを観察した様子を模式的に説明するための図である。 本発明の第四実施例の装置構成を模式的に示す図である。 背景技術の第一の装置構成を模式的に示す図である。 背景技術の第二の装置構成を模式的に示す図である。

符号の説明

101：真空容器
102：原料ガス供給装置
103：バルブ
104：真空ポンプ
105：流量調整器
106：基板（被処理基板）
107：静電チャック
108：基板ステージ
109：取り付け部材
110：熱流束センサ
111：ハロゲンヒーター
112：取り付け部材
113：ヒーターコントローラ
114：メインコントローラ
115a、115b：スコープ
116：スコープステージ
117：取り付け部材
118：スコープステージ温度センサ
119：スコープステージ温調配管
120：スコープステージ温調コントローラ
121：ヒーター
122：ヒーターコントローラ
123a、123b：アライメントスコープ
124：アライメントスコープステージ
125：取り付け部材
126：アライメントマーク
127：断熱材

Claims (24)

1. 基板の膨張量を測定する工程と、
   前記基板の膨張量を用いて前記基板の中立面の温度を算出し、前記基板の中の熱流束と熱抵抗とから前記基板の中立面と表面との温度差を算出し、該温度差と前記基板の中立面の温度とを用いて前記基板の表面の温度を求める工程と、
   を含む基板表面温度計測方法。
2. 前記基板の中立面の温度は、前記膨張量と、予め測定された前記基板の初期長、該初期長を測定したときの温度、および前記基板の線膨張率とに基づいて算出する請求項１に記載の基板表面温度計測方法。
3. 前記基板の複数の基準点からの変位量により前記基板の膨張量を測定する請求項１または２に記載の基板表面温度計測方法。
4. 前記変位量を複数のセンサで検出する請求項３に記載の基板表面温度計測方法。
5. 前記センサが非接触式のセンサである請求項４に記載の基板表面温度計測方法。
6. 前記複数のセンサが一つの支持体に固定されている請求項４に記載の基板表面温度計測方法。
7. 前記支持体の温度を計測して前記支持体の膨張量を算出し、該支持体の膨張量を使って、前記センサで検出された前記変位量を補正する請求項６に記載の基板表面温度計測方法。
8. 前記支持体の中に冷媒を循環させる請求項６に記載の基板表面温度計測方法。
9. 前記基板のエッジ面を観測して、前記基板の複数の基準点からの変位量を得る請求項３に記載の基板表面温度計測方法。
10. 前記基板のマークを観測して、前記基板の複数の基準点からの変位量を得る請求項３に記載の基板表面温度計測方法。
11. 前記基板を支持する基板支持体の熱流束を計測して前記基板の中の熱流束を得る請求項１に記載の基板表面温度計測方法。
12. 前記基板を支持する基板支持体に、前記基板を加熱するヒーターを設ける場合、該ヒーターが設けられた基板支持体を断熱材で覆い、該ヒーターへの投入エネルギーから前記基板の中の熱流束を算出する請求項１に記載の基板表面温度計測方法。
13. 基板を加熱する加熱手段と、
    前記加熱手段を制御する制御手段と、
    前記基板の膨張量を測定する膨張量測定手段と、
    前記基板の中の熱流束を測定する熱流束測定手段と、を備え、
    前記制御手段は、
    前記膨張量測定手段で測定された膨張量を用いて前記基板の中立面の温度を算出し、前記熱流束測定手段で計測された熱流束と熱抵抗とから前記基板の中立面と表面との温度差を算出し、該温度差と前記基板の中立面の温度とを用いて前記基板の表面の温度を求め、該表面の温度に基づいて前記加熱手段を制御することを特徴とする基板処理装置。
14. 基板を支持する基板支持体と、
    前記基板支持体に設けられた基板加熱手段と、
    前記基板支持体を覆う断熱手段と、
    前記基板加熱手段を制御する制御手段と、
    前記基板の膨張量を測定する膨張量測定手段と、を備え、
    前記制御手段は、
    前記膨張量測定手段で測定された膨張量を用いて前記基板の中立面の温度を算出し、
    前記基板加熱手段への投入エネルギーから前記基板の中の熱流束を算出し、
    該算出された熱流束と熱抵抗とから前記基板の中立面と表面との温度差を算出し、該温度差と前記基板の中立面の温度とを用いて前記基板の表面の温度を求め、該表面の温度に基づいて前記加熱手段を制御することを特徴とする基板処理装置。
15. 前記制御手段は、前記基板の中立面の温度を、前記膨張量と、予め測定された前記基板の初期長、該初期長を測定したときの温度、および前記基板の線膨張率とに基づいて算出する請求項１３または１４に記載の基板処理装置。
16. 前記膨張量測定手段は前記基板の複数の基準点からの変位量により前記基板の膨張量を測定する請求項１３から１５のいずれか１項に記載の基板処理装置。
17. 前記膨張量測定手段は前記変位量を検出する複数のセンサである請求項１６に記載の基板処理装置。
18. 前記センサが非接触式のセンサである請求項１７に記載の基板処理装置。
19. 前記複数のセンサが一つの支持体に固定されている請求項１７に記載の基板処理装置。
20. 前記支持体の温度を検出する支持体温度検出手段を有し、
    前記制御手段は、検出された前記支持体の温度を用いて前記支持体の膨張量を算出し、該支持体の膨張量を使って、前記センサで検出された前記変位量を補正する請求項１９に記載の基板処理装置。
21. 前記支持体の中に冷媒を循環させる手段を有する請求項１９に記載の基板処理装置。
22. 前記膨張量測定手段は前記基板のエッジ面を観測して、前記基板の複数の基準点からの変位量を得る請求項１７に記載の基板処理装置。
23. 前記膨張量測定手段は前記基板のマークを観測して、前記基板の複数の基準点からの変位量を得る請求項１７に記載の基板処理装置。
24. 前記基板を支持する基板支持体の熱流束を検出して前記基板の中の熱流束を測定する熱流束検出手段を有する請求項１３に記載の基板処理装置。

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