(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象の基板表面に楕円偏光を入射するステップと、基板表面による反射光を、回転検光子をとおして検出し、基準温度で回転周波数の２倍の信号がゼロになるように入射楕円偏光を調整するステップと、基準温度からの温度変化に伴う回転周波数の２倍周波数の信号を検出するステップとを含み、回転周波数の２倍周波数の信号に基づいて測定対象の基板表面の温度を算出することを特徴とする基板表面温度の計測方法。
【請求項２】
測定対象の基板は、シリコン基板であることを特徴とする請求項１に記載の基板表面温度の計測方法。
【請求項３】
発光手段と、発光手段からの光を楕円偏光とする楕円偏光調整手段とを有し、処理装置中に置かれた基板に向けて楕円偏光で投光する投光部、該基板からの反射光を、回転検光子をとおして検出する検出手段を有する受光部、及び基準温度における該検出手段の出力信号について回転周波数の２倍の信号がゼロになるように該楕円偏光調整手段を調整する手段と、基準温度からの温度変化に伴い観測される回転周波数の２倍周波数の信号を検出し、該回転周波数の２倍周波数の信号に基づいて測定対象の基板表面の温度を算出する手段を有する温度算出部を備えた基板表面温度の計測装置。
【請求項４】
上記処理装置は、プラズマ処理装置であり、上記基板は、シリコン基板であることを特徴とする請求項３に記載の基板表面温度の計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面温度の非接触測定方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に非接触の温度測定技術としては、対象からの熱放射を捉える放射温度計測と対象表面での光学反射を捉えるサーモリフレクタンス法による測定とがある。
プラズマエッチング装置等ではシリコン基板表面の温度異状が製品欠陥をもたらし、信頼性確保・歩留り向上の観点から製造ラインにおける温度モニタ技術の開発が求められている。
【０００３】
従来、プラズマエッチング装置等で使用できる非接触表面温度計はなかった。
接触型の測定としては基板サセプタ温度を熱電対でモニタしているが、求めたい基板表面の温度とは必ずしも一致しない。熱電対つきのダミーウェハによる測定もあるが、パターンや膜構造のある実ウェハでの測定はできないし、シリコンウェハ一枚ごとの製品全ての測定もできない。
【０００４】
放射温度計による非接触測定は、プラズマが背景光となり困難であるほか、常温〜２００℃ぐらいの温度を測定するには赤外で熱放射を捉える必要があるが、半導体基板は赤外では透明で放射測温には適さない。
サーモリフレクタンスによる非接触温度測定は通常１０-5オーダの微小な反射率変化を測定することから、実験室のような環境が管理された場合に限られてきた。しかも測定表面に接近して測定光学系を設けることから、半導体製造装置の内部への設置が必要で、既存装置への適用は困難である。
【０００５】
サーモリフレクタンスを２偏光で行い、微小な反射率差を高感度で行う方法は、非特許文献１に開示されている。この方法による表面温度の非接触測定装置の構成図を図６に示す。
He-Neレーザを出射した光をＰＥＭ（Photo Elastic Modulator）に透過させ、そこでｐ偏光とｓ偏光の位相差を正弦波状に変調することにより、出射光の楕円偏光形状を周期的に変調する。次にこの出射光を、ガラス平板を透過させた後に測定対象表面に斜めから入射し、反射光強度を検出器で検出する。
この方法では検出信号に含まれる変調周波数の２倍周波数の成分に着目する。ガラス平板の傾きを調節することで、測定対象が基準温度にあるときの２倍周波数の信号強度をゼロにすることができる。測定対象温度を変化させると、２倍周波数の信号強度はゼロではなくなり、この信号強度と測定対象温度変化を対応させることで非接触の温度測定が可能になる。
【０００６】
しかし、この非接触測定装置ではＰＥＭ（Photo Elastic Modulator）を用いるため高価である。またこの非接触測定装置では２偏光の反射率差補正をガラス板で行うため、入射角が８８°近辺で感度最大となり、８５°以下では感度が得られない。浅い入射角で測定できることはプラズマ電極を避けて測定光学系を配置できるメリットにはなるものの、８８°となるとほとんど表面をなめるような入射角であるため実用性のある光学系を組むことは極めて困難である。
【０００７】
表面光学特性の非接触測定方法としてエリプソメトリーが広く使われており、測定された光学特性（複素屈折率）の温度依存性から温度を求める方法が知られている。
光源からの光を例えば楕円偏光に調整し斜めに対象に入射し、反射光を回転検光子をとおして光検出器で検出する方法（回転検光子法）や、回転検光子の代わりにグラントムソン偏光子を用い、入射楕円偏光と出射グラントムソン偏光子を調整し検出光信号がゼロになるようにし、その時の光学素子の方位角から複素屈折率を求める方法（消光法）がある。（非特許文献２参照）
回転検光子法は回転検光子回転周波数の２倍周波数の信号を検出するが、信号自体が大きいため、その僅かな変化を精度良く捉えることができず、特に入射角が大きくて温度変化に対して大きな感度得られにくい場合、温度測定には感度が足りない。
また、消光法は製造現場の例えばプラズマ中での測定を行うには背景光に敏感であり不向きである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Lee & Norris: A new optical method for measuring surface temperature at large incident angle, Rev. Sci. Instrum. 68 (2) 1307-1311, 1997
【非特許文献２】R. M. A. Azzam & N. M. Bashara: Ellipsometry and Polarized light, Elsevier Science B.V., Amsterdam (1987)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、サーモリフレクタンス法による温度測定が製造現場で可能な表面温度の非接触測定方法及び装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、次のような表面温度の非接触測定方法及び装置を提供する。
（１）測定対象の基板表面に楕円偏光を入射するステップと、基板表面による反射光を、回転検光子をとおして検出し、基準温度で回転周波数の２倍の信号がゼロになるように入射楕円偏光を調整するステップと、基準温度からの温度変化に伴う回転周波数の２倍周波数の信号を検出するステップとを含み、回転周波数の２倍周波数の信号に基づいて測定対象の基板表面の温度を算出することを特徴とする基板表面温度の計測方法。
（２）測定対象の基板は、シリコン基板であることを特徴とする（１）に記載の基板表面温度の計測方法。
（３）発光手段と、発光手段からの光を楕円偏光とする楕円偏光調整手段とを有し、処理装置中に置かれた基板に向けて楕円偏光で投光する投光部、該基板からの反射光を、回転検光子をとおして検出する検出手段を有する受光部、及び基準温度における該検出手段の出力信号について回転周波数の２倍の信号がゼロになるように該楕円偏光調整手段を調整する手段と、基準温度からの温度変化に伴い観測される回転周波数の２倍周波数の信号を検出し、該回転周波数の２倍周波数の信号に基づいて測定対象の基板表面の温度を算出する手段を有する温度算出部を備えた基板表面温度の計測装置。
（４）上記処理装置は、プラズマエッチング装置であり、上記基板は、シリコン基板であることを特徴とする（３）に記載の基板表面温度の計測装置。
【発明の効果】
【００１１】
サーモリフレクタンス法による温度測定が製造現場で可能になり、常温から２００℃の温度域でのＳｉ半導体等の表面温度の非接触計測が可能になる。
また約７５°〜８５°の浅い入射角で測定用の光学系を組むことができるため、既存のプラズマエッチング装置等の製造装置の対向する２つの観測窓に取り付けることで、すでに製造に使用されている装置にも条件を乱すことなく容易に取付け可能である。
一方、基準温度で検出信号をゼロにする調整手段が広い範囲の入射角に対応可能であるため、垂直入射以外であれば原理的には入射角の制約はない。これにより、プラズマエッチング装置等において、シリコン半導体等の基板表面温度が常時モニタ可能になり、熱不良による欠陥が減少し製品の信頼性が高まり歩留まりが向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】プラズマエッチング装置への本発明の適用図
【図２】本発明に係る表面温度の非接触測定方法説明図
【図３】本発明に係る表面温度の非接触測定装置の構成写真
【図４】本発明の表面温度の非接触測定方法による測定例
【図５】本発明の表面温度の非接触測定方法による検出信号波形の例
【図６】従来の表面温度の非接触測定装置の構成図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（本発明の原理）
本発明ではサーモリフレクタンスを２偏光で行う。測定対象の基板に楕円偏光を入射する。ＰＥＭは用いず、受光系に回転検光子を用いて信号変調する。２偏光の反射率の違いの補正はガラス板ではなく位相補償板で行う。基準温度で回転検光子の透過光をフォトダイオードで検出し、回転周波数の２倍の信号がゼロになるように、（すなわち、基板で反射した光が完全な円偏光になるように）入射楕円偏光を調整する。基準温度から温度が変化すると、回転周波数の２倍周波数の信号が現れ、この信号強度を捉えて基板表面温度をモニタする。
【００１４】
（実施例）
図１にプラズマエッチング装置に対して製造現場で可能なシリコン基板表面温度の非接触測定装置の一例を示す。
図１において、発光手段ＬＤからの光を円偏光とする円偏光手段は、偏光板、グラントムソンプリズム及び１／４波長板が相当する。次に、該円偏光手段からの光を楕円偏光とする楕円偏光調整手段は、グラントムソンプリズム及び１／４波長板が相当する。
【００１５】
さらに処理装置中に置かれたＳｉウェハからの反射光を、回転検光子をとおして検出する手段は、回転グラントムソンプリズム及び検出ＰＤが相当する。
基準温度において回転周波数の２倍の信号がゼロになるように該楕円偏光調整手段を調整する手段と、基準温度からの温度変化に伴い観測される回転周波数の２倍周波数の信号を検出し、該回転周波数の２倍周波数の信号に基づいて測定対象の基板表面の温度を算出する手段は、ロックインアンプ及び図示しない周知の調整手段が相当する。
【００１６】
偏光反射温度計投光部から出射した投光ビームは、プラズマ電極とシリコン基板の間隙からシリコン基板に入射する。
反射したビームは、偏光反射温度計受光部で検出される。投光部、受光部はプラズマエッチング装置の既設観測ポートの石英ガラス窓の外に設置される。投光部・受光部の詳細を含む表面温度の非接触測定方法の説明図を図２に示す。
また図３に実際の表面温度の非接触測定装置の構成写真を示す。
【００１７】
可視光ＬＤ光源から出射したビームは光量調整用の偏光板を透過し、さらにグラントムソン偏光プリズムと1/4波長板により偏光が調整され円偏光が作られている。
このビームがさらにグラントムソン偏光プリズムと1/4波長板を透過し楕円偏光となり、測定対象のＳｉウェハに８５°の角度で入射する。
反射光は回転グラントムソンプリズムからなる回転検光子を透過し、シリコンフォトダイオードで検出される。
検出信号は増幅器で増幅され、ロックインアンプで回転検光子回転トリガパルス周波数の２倍周波数の信号成分を検出し出力する。
【００１８】
表面温度の非接触測定方法による測定例を図４に示す。
図４は、シリコン基板温度を上げ下げしたときの基盤温度と出力された信号との関係を示すものである。温度変化に追随して出力信号が変化していることがわかる。
このときの検出信号波形の例を図５に示す。図５では、ロックインアンプに入力する信号をオシロスコープで観察した信号波形の変化を示すものである。
【００１９】
４０℃の基準温度で、波形は図５中の「Ａ」のようにＡＣ成分を持たないように、入射楕円偏光を調整する。
次にその状態でシリコン基板の温度を少しずつ昇温させると、反射光はもはや完全な円偏光ではなくなってくる。そして、徐々に回転検光子の回転周波数の２倍の周波数の成分が見られるようになる（「Ｂ」）。
今度はシリコン基板の温度を元に戻すと、偏光は完全な円偏光になり検出信号のＡＣ成分もゼロに戻る（「Ｃ」）。
したがって回転検光子の回転周波数の２倍の周波数の成分を温度変化分に対応付けることにより、シリコン基板の表面温度の計測が可能となる。
【００２０】
信号のAC成分をゼロになるように予め基準温度で調整し、温度変化に伴うこの信号のゼロからのずれだけを捉らえればよいため高感度に信号の微小変化を捉えることができ、温度の測定に適用できる。AC成分の測定であるので背景光の影響や振動や光路の揺らぎの影響も受けにくく、測定対象と光源部・受光部をある程度離して配置することが可能であり、現場測定に適している。
シリコン基板は微細なパターン構造を持つものでもよく、表面に金属その他の膜が施されていてもよい。
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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