(57)【要約】【課題】各種の処理が施される半導体ウェハ等の処理対象物の温度を，汚染を回避しつつ高精度で測定することができること。【解決手段】ウェハステージ２に形成された導波路１３を通じてウェハ１に対し超音波を出力し，ウェハ１に反射して前記導波路１３を通じて戻る反射超音波を検出し，その検出信号と予め設定されたウェハ１の厚みとに基づいて，ウェハ１の温度を算出する。例えば，超音波の周波数掃引を行い，超音波の掃引周波数と超音波の周波数掃引に応じて変化する反射超音波の検出信号の強度とに基づいて，ウェハ１内での超音波の共振周波数を特定し，その共振周波数とウェハ１の厚みとに基づいてウェハ１の温度を算出する。【選択図】図１
2008304453.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板状の処理対象物をその一の面において支持する支持台を備え，該支持台により支持された前記処理対象物の温度を測定する温度測定装置であって，
前記支持台側から前記処理対象物に対し超音波を出力する超音波出力手段と，
前記処理対象物に反射した反射超音波を検出する超音波検出手段と，
前記超音波検出手段の検出信号に基づいて前記処理対象物の温度を算出する温度算出手段と，
を具備してなることを特徴とする温度測定装置。
【請求項２】
前記温度算出手段が，
前記超音波検出手段の検出信号に基づいて前記処理対象物内での超音波の共振周波数の特定又は前記処理対象物内で伝播した超音波の伝播時間もしくは位相の検出を行い，その結果に応じて前記処理対象物の温度を算出してなる請求項１に記載の温度測定装置。
【請求項３】
前記超音波出力手段により出力される超音波の周波数掃引を行う周波数掃引手段を具備し，
前記温度算出手段が，
前記周波数掃引手段による超音波の掃引周波数と超音波の周波数掃引に応じて変化する前記超音波検出手段の検出信号の強度とに基づいて前記処理対象物内での超音波の共振周波数を特定し，その共振周波数に基づいて前記処理対象物の温度を算出してなる請求項２に記載の温度測定装置。
【請求項４】
前記超音波出力手段がパルス状の超音波を出力し，
前記温度算出手段が，
前記超音波検出手段の検出信号に基づいて，前記処理対象物における前記支持台により支持される面及びその反対側の面で反射した超音波それぞれの前記超音波検出手段への到達時点の差を検出し，その検出結果に基づいて前記処理対象物の温度を算出してなる請求項２に記載の温度測定装置。
【請求項５】
前記超音波出力手段がパルス状の超音波を出力し，
前記温度算出手段が，
前記超音波検出手段の検出信号の変化に基づいて，前記処理対象物内での超音波の共振周波数を特定し，その共振周波数に基づいて前記処理対象物の温度を算出してなる請求項２に記載の温度測定装置。
【請求項６】
前記超音波出力手段が複数の一定周波数のバースト波状の超音波を既定周期で出力し，
前記温度算出手段が，前記超音波検出手段の検出信号から前記処理対象物における前記支持台により支持される面及びその反対側の面である対向面の間で往復反射した前記反射超音波の位相を検出し，その位相に基づいて前記処理対象物の温度を算出してなる請求項２に記載の温度測定装置。
【請求項７】
前記温度算出手段が，前記超音波検出手段の検出信号と前記超音波出力手段により生成され前記超音波の周波数で発振する基準発振信号とのミキシングにより前記対向面の間で往復反射した超音波の位相を検出してなる請求項６に記載の温度測定装置。
【請求項８】
前記温度算出手段が，前記超音波検出手段の検出信号から前記超音波出力手段によるバースト波状の超音波の出力周期に同期した既定の時間帯の信号を抽出し，その抽出信号と前記基準発振信号とのミキシングにより前記対向面の間で複数回往復反射した超音波の位相を検出してなる請求項７に記載の温度測定装置。
【請求項９】
前記超音波出力手段が，前記支持台における複数の測定位置ごとに設けられた複数の超音波振動子と該超音波振動子に交流信号を供給する１つの交流信号供給部と有し，
前記超音波検出手段が，前記複数の測定位置ごとに設けられた複数の超音波振動子と該超音波振動子が出力する前記反射超音波の検出信号が入力される１つの信号入力部とを有し，
当該温度測定装置が，前記超音波出力手段における前記複数の超音波振動子と前記交流信号供給部との間の信号経路，及び前記超音波検出手段における前記複数の超音波振動子と前記信号入力部との間の信号経路を順次切り替える信号経路切替手段を具備し，
前記温度算出手段が，前記信号経路切替手段により信号経路が切り替えられるごとに前記信号入力部を通じて得られる前記反射超音波の検出信号に基づいて，前記処理対象物における前記複数の測定位置それぞれに対応する位置の温度を算出してなる請求項１〜８のいずれかに記載の温度測定装置。
【請求項１０】
前記支持台における前記超音波出力手段と前記処理対象物との間に形成された超音波の導波路を具備してなる請求項１〜９のいずれかに記載の温度測定装置。
【請求項１１】
平板状の処理対象物がその一の面において支持台により支持された状態で，前記処理対象物の温度を測定する温度測定方法であって，
超音波出力手段により前記支持台側から前記処理対象物に対して超音波を出力する超音波出力工程と，
超音波検出手段により前記処理対象物に反射した反射超音波を検出する超音波検出工程と，
演算手段により前記超音波検出工程での検出信号に基づいて前記処理対象物の温度を算出する温度算出工程と，
を有してなることを特徴とする温度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，支持台により支持された半導体ウェハ等の平板状の処理対象物の温度を測定する温度測定装置及びその方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの製造過程では，半導体ウェハ（主としてシリコンウェハ）に対し，成膜処理，エッチング処理，熱処理等の各種の処理が施されるが，その処理速度や処理結果（シリコンウェハの結晶性等）は，その処理プロセスにおける半導体ウェハの温度に大きく左右される。このため，半導体デバイスの製造過程において，歩留まり向上や製造効率向上の面から，処理中の半導体ウェハの温度を高精度で測定することが重要となる。
一般に，半導体デバイスの製造過程では，半導体ウェハがその下面においてヒータが内蔵されたウェハステージにより支持され，そのヒータにより温度が調節された半導体ウェハに対して各種の処理が施される。
ここで，半導体ウェハとウェハステージとの間に熱抵抗が存在することから，ウェハステージの温度とそれに支持された半導体ウェハとは必ずしも温度が一致しない。そのため，処理中の半導体ウェハの温度を直接測定することが必要である。
また，温度測定の手間の軽減や半導体ウェハの汚染防止のため，処理中の半導体ウェハの温度を，熱電対等の硬い突起物を接触させることなく測定することが望ましい。
例えば，特許文献１には，放射温度計により，プロセスチャンバーの上部に設けられた窓を通して，そのプロセスチャンバーに収容された半導体ウェハの温度を非接触で測定するにあたり，半導体ウェハの加工前の測定値によって放射率を校正することが示されている。
また，特許文献２には，半導体ウェハの下面（ウェハステージにより支持される面）にダイヤフラムを密着させ，そのダイヤフラムの温度を測定することによって半導体ウェハの温度を間接的に測定する技術が示されている。
【特許文献１】特開２００３−１０６９０２号公報
【特許文献２】特開２００３−２１４９５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら，物質の赤外線放射率は，その表面状態（表面粗さ等）によって大きく異なるため，特許文献１に示されるように放射温度計により半導体ウェハの温度を測定した場合，半導体ウェハの表面コーティングやエッチングの状態によって測定値が変化する。さらに，放射温度計は，測定部以外の周辺からの放射や反射の影響を受けやすい。これらのことから，放射温度計による半導体ウェハの測定は，安定かつ高精度での温度測定が難しいという問題点があった。特に，半導体ウェハの素材として採用されることが多いシリコンの赤外線放射率は非常に低いため，放射温度計による半導体ウェハの温度測定は，精度面で特に不利となる。
また，特許文献２に示されるように，半導体ウェハに接触させた物の温度測定によって間接的に半導体ウェハの温度を測定した場合，半導体ウェハとそれに対する接触物（前記ダイヤフラム等）との間の熱抵抗の存在により，やはり高精度での温度測定が難しいという問題点があった。
また，その他の温度測定手法として，半導体ウェハの反射率やラマン光の測定よって温度測定を行うことが考えられるが，前者については温度に対する反射率変化が微小であること，後者についてはラマン光強度そのものが微弱であることに起因して，安定かつ高精度の温度測定が難しいという問題点がある。
従って，本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり，その目的とするところは，各種の処理が施される半導体ウェハ等の平板状の処理対象物の温度を，温度計等の硬い突起物の接触による汚染を回避しつつ高精度で測定することができる温度測定装置及びその方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記目的を達成するために本発明に係る温度測定装置は，平板状の処理対象物（半導体ウェハがその典型例）をその一の面において支持する支持台を備え，その支持台により支持された前記処理対象物の温度を測定するものであり，以下の（１−１）〜（１−３）に示す各構成要素を備えるものである。
（１−１）前記支持台側から前記処理対象物に対し超音波を出力する超音波出力手段。
（１−２）前記処理対象物に反射した反射超音波を検出する超音波検出手段。
（１−３）前記超音波検出手段の検出信号に基づいて前記処理対象物の温度を算出する温度算出手段。
図７に示すように，物質中を伝播する超音波の速度（即ち，音速）は，その物質の温度と高い相関がある。例えば，半導体ウェハに採用されることが多いシリコンが超音波（縦波）の伝送媒体である場合，常温での超音波の伝播速度（音速）が８４３３[ｍ／ｓ]（縦波）であるのに対し，シリコンの温度変化に応じて−０．４[(ｍ／ｓ)／℃]の温度係数をもって超音波の伝播速度が変化する。このため，前記処理対象物に超音波を照射し，その処理対象物中における超音波の伝播速度（音速）を測定できれば，その速度に対応する処理対象物の温度を測定（算出）することができる。
一方，超音波を前記処理対象物に照射した場合，その超音波は前記処理対象物における超音波照射面とその反対側の面との両方に反射するため，その反射波を検出すれば，その検出信号と前記処理対象物の既知の厚み（超音波照射面とその反対側の面との間隔）とに基づいて，前記処理対象物内での超音波の伝播速度（音速）を高精度で算出することができる。
従って，前記温度算出手段により，前記超音波検出手段の検出信号に基づく処理を実行することによって前記処理対象物の温度を高精度で算出することができる。
しかも，超音波による測定は，前記処理対象物に汚染を生じさせない。
ここで，前記温度算出手段が，前記超音波検出手段の検出信号に基づいて前記処理対象物内での超音波の共振周波数の特定又は前記処理対象物内で伝播した超音波の伝播時間もしくは位相の検出を行い，その結果に応じて（即ち，その結果を前記処理対象物内での超音波の伝播速度の指標として）前記処理対象物の温度を算出することが考えられる。
【０００５】
本発明における前記温度算出手段としては，例えば，以下に示す４つの例が考えられる。
まず，第１の例は，本発明に係る温度測定装置が，前記超音波出力手段により出力される超音波の周波数掃引を行う周波数掃引手段を具備する場合の例である。
この場合，前記温度算出手段が，前記周波数掃引手段による超音波の掃引周波数と超音波の周波数掃引に応じて変化する前記超音波検出手段の検出信号の強度（振幅）とに基づいて前記処理対象物内での超音波の共振周波数を特定し，その共振周波数に基づいて前記処理対象物の温度を算出する。
前記処理対象物の表面（被支持面）に超音波を照射した場合，その処理対象物内において超音波照射面とその反対側の面との間で超音波が多重反射する。その際，超音波の周波数，その伝播速度及び前記処理対象物の厚みの関係が所定の共振条件を満たすと大きな超音波振動が発生し，前記超音波検出手段の検出信号の強度（反射超音波の強度）が相対的に大きくなる。従って，前記処理対象物に照射する超音波の周波数掃引を行えば，反射超音波の強度がピークとなるとき（前記共振条件を満たすとき）の掃引周波数から前記共振周波数を特定でき，その共振周波数に基づいて，前記処理対象物中の超音波の伝播速度（音速）に対応する前記処理対象物の温度を算出できる。
【０００６】
また，第２の例は，前記超音波出力手段がパルス状の超音波を出力する場合の例である。
この場合，前記温度算出手段が，前記超音波検出手段の検出信号に基づいて，前記処理対象物における前記支持台により支持される面及びその反対側の面で反射した超音波それぞれの前記超音波検出手段への到達時点の差を検出し，その検出結果に基づいて前記処理対象物の温度を算出する。
一般に，超音波の伝播速度を既知とし，反射超音波の検出信号におけるピーク間の時間間隔から測定対象物の厚みを測定することが行われる。これに対し，前記第２の例では，前記処理対象物の厚みを既知とし，反射超音波の検出信号におけるピーク間の時間間隔に基づいて，前記処理対象物内での超音波の伝播速度（音速）に対応する温度を算出する。
また，第３の例は，前記超音波出力手段がパルス状の超音波を出力する場合の例である。
この場合，前記温度算出手段が，前記超音波検出手段の検出信号の変化に基づいて，前記処理対象物内での超音波の共振周波数を特定し，その共振周波数に基づいて前記処理対象物の温度を算出する。
前述したように，超音波が前記処理対象物内で多重反射するため，前記共振条件を満たさなくても，前記超音波検出手段の検出信号の変化に前記共振周波数の成分が現れる。従って，前記超音波検出手段の検出信号の波形解析を行えば，前記共振周波数を特定し，その共振周波数及び前記処理対象物の既知の厚みに基づいて，前記処理対象物中の超音波の伝播速度（音速）に対応する前記処理対象物の温度を算出できる。
【０００７】
また，第４の例は，前記超音波出力手段が複数のパルス状の超音波を既定周期で出力する場合の例，即ち，超音波が既定周期で断続する（一定周波数の）いわゆるバースト波状の超音波を出力する例である。
この場合，前記温度算出手段が，前記超音波検出手段の検出信号から前記処理対象物における前記支持台により支持される面及びその反対側の面の間で往復反射した前記反射超音波の位相を検出し，その位相に基づいて前記処理対象物の温度を算出する。例えば，前記温度算出手段が，前記超音波検出手段の検出信号と前記超音波出力手段により生成され前記超音波の周波数で発振する基準発振信号とのミキシングにより前記往復反射した超音波の位相を検出する。
前述したように，前記処理対象物の内部を伝播する超音波の速度（音速）は，その処理対象物の温度と高い相関があり，また，前記処理対象物の内部を伝搬した超音波の位相は，その伝播時間（伝播に要した時間）に応じて定まる。
そこで，前記第４の例では，前記処理対象物の厚みを既知とし，前記反射超音波の検出信号の位相に基づいて，前記処理対象物内での超音波の伝播速度（音速）に対応する温度を算出する。
その際，前記温度算出手段が，前記超音波検出手段の検出信号から前記超音波出力手段により出力されるバースト波状の超音波の出力周期に同期した既定の時間帯の信号を抽出し，その抽出信号と前記基準発振信号とのミキシングにより前記対向面の間で複数回往復反射した超音波の位相を検出することが考えられる。
前記処理対象物の内部を伝搬する超音波の位相は，その伝播時間が長いほど大きく変化するため，前記対向面の間で複数回往復反射した（即ち，伝播時間の長い）超音波の位相を検出することにより，高感度での温度算出（温度検出）が可能となる。
【０００８】
また，前記超音波出力手段が，前記支持台における複数の測定位置ごとに設けられた複数の超音波振動子とその超音波振動子に交流信号を供給する１つの交流信号供給部とを有し，前記超音波検出手段が，前記複数の測定位置ごとに設けられた複数の超音波振動子とその超音波振動子が出力する前記反射超音波の検出信号が入力される１つの信号入力部とを有する場合に，本発明に係る温度測定装置が，さらに次の（１−４）に示す構成要素を備えることが考えられる。
（１−４）前記超音波出力手段における前記複数の超音波振動子と前記交流信号供給部との間の信号経路，及び前記超音波検出手段における前記複数の超音波振動子と前記信号入力部との間の信号経路を順次切り替える信号経路切替手段。
この場合，前記温度算出手段が，前記信号経路切替手段により信号経路が切り替えられるごとに前記信号入力部を通じて得られる前記反射超音波の検出信号に基づいて，前記処理対象物における前記複数の測定位置それぞれに対応する位置の温度を算出する。
これにより，比較的少ない構成機器により，前記処理対象物の複数箇所の温度の分布を測定することができる。
また，超音波を効率的に伝播させるため，前記支持台における前記超音波出力手段と前記処理対象物との間に形成された超音波の導波路を備えれば好適である。
【０００９】
また，本発明は，以上に示した本発明に係る温度測定装置を用いて前記処理対象物の温度を測定する温度測定方法として捉えることもできる。
即ち，本発明に係る温度測定方法は，所定の処理対象物がその一の面において支持台により支持された状態で，前記処理対象物の温度を測定する方法であり，次の（２−１）〜（２−３）に示す各工程を有する。
（２−１）超音波出力手段により前記支持台側から前記処理対象物に対して超音波を出力する超音波出力工程。
（２−２）超音波検出手段により前記処理対象物に反射した反射超音波を検出する超音波検出工程。
（２−３）演算手段により前記超音波検出工程での検出信号に基づいて前記処理対象物の温度を算出する温度算出工程。
本発明に係る温度測定方法も，前述した本発明に係る温度測定装置と同様の作用効果を奏する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば，各種の処理が施される半導体ウェハ等の処理対象物の温度を，接触による汚染を回避しつつ，安定かつ高精度で簡易に測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下添付図面を参照しながら，本発明の実施の形態について説明し，本発明の理解に供する。尚，以下の実施の形態は，本発明を具体化した一例であって，本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
ここに，図１は本発明の第１実施形態に係る半導体ウェハ温度測定装置Ｘ１の概略構成図，図２は半導体ウェハ温度測定装置Ｘ１による温度測定手順を表すフローチャート，図３は半導体ウェハ温度測定装置Ｘ１により得られる超音波周波数と反射超音波強度との関係を表す図，図４は本発明の第２実施形態に係る半導体ウェハ温度測定装置Ｘ２の概略構成図，図５は半導体ウェハ温度測定装置Ｘ２により得られる反射超音波の検出信号の変化を模式的に表した図，図６は本発明の第３実施形態に係る半導体ウェハ温度測定装置Ｘ３により得られる反射超音波の検出信号の変化を表すグラフ，図７は物質の温度とその物質内での縦波伝播速度との関係を表す図，図８は本発明の第４実施形態に係る半導体ウェハ温度測定装置Ｘ４の概略構成図，図９は半導体ウェハ温度測定装置Ｘ４により得られる反射超音波の検出信号の変化を模式的に表した図である。
【００１２】
［第１の実施形態］
まず，図１を参照しつつ，本発明の第１実施形態に係る半導体ウェハ温度測定装置Ｘ１（以下，温度測定装置Ｘ１という）の構成について説明する。
温度測定装置Ｘ１は，図１に示すように，ウェハステージ２，発振器３，セレクタ４，増幅器５，制御・演算装置６及び環境温度センサ７を備えている。
前記ウェハステージ２は，プロセスチャンバー８内に収容され，成膜処理，エッチング処理，熱処理等の各種の処理が施される平板状の処理対象物である半導体ウェハ１（以下，ウェハという）をその下面において支持する支持台である。前記ウェハステージ２を構成する材料は，例えば，テフロン（デュポン社の登録商標）やセラミック等である。
また，前記ウェハステージ２は，その複数の箇所に多数の吸引孔（不図示）が設けられている。前記吸引孔は，不図示のコンプレッサによって引き込まれる空気の通路を形成するものであり，前記ウェハステージ２上に載置されたウェハ１は，前記コンプレッサの吸引力によってウェハステージ２の支持面に吸着されて固定される。
さらに，前記ウェハステージ２には，不図示のヒータが内蔵されており，このヒータによってウェハステージ２上のウェハ１が所望の温度に加温される。
なお，前記ウェハステージ２は，それ自体の温度を検出する温度センサ，ウェハ１を保持して上下させる上下機構，ウェハ１への電圧印加機構等も備えるが（いずれも不図示），ここでへその説明を省略する。
そして，温度測定装置Ｘは，ウェハステージ２により支持されたウェハ１の温度を超音波を用いて測定する装置である。
【００１３】
さらに，前記ウェハステージ２には，その複数の箇所に超音波送受部１０が設けられている。
前記超音波送受部１０は，それぞれ送信用超音波振動子１１と，受信用超音波振動子１２と，導波路１３とを有している。
前記導波路１３は，前記ウェハステージ２における前記超音波送受部１０とウェハ１との間に形成され，ウェハ１に照射される超音波及びその反射波（反射超音波）の伝送路であり，前記ウェハステージ２の支持面（ウェハ１を支持する面）に形成された孔にシリコンゴム等の弾性部材が充填された部分である。 前記弾性部材の材料としては，超音波の伝播損失が少なく，ウェハ１に接触してもウェハ１を汚染しない材料を採用することが望ましい。また，図１における前記超音波送受部１０の拡大断面図（破線枠内）に示すように，前記ウェハステージ２の支持面にウェハ１が支持されたときに，そのウェハ１の被支持面と前記導波路１３との間に空隙が極力生じないよう，前記弾性部材は，前記ウェハ１はステージ２の支持面よりもわずかに突出するように，その支持面に設けられた孔に充填されている。これにより，超音波の伝播損失が小さくなる。
【００１４】
前記送信用超音波振動子１１は，前記ウェハステージ２の複数箇所に形成された前記導波路１３ごとに設けられ，前記発振器３（前記交流信号供給部の一例）から交流信号が供給されることによって発振し，前記導波路１３を通じてウェハ１に対してその被支持面側から超音波を出力する（照射する）ものである。なお，前記発振器３及び前記送信用超音波振動子１１が，前記超音波出力手段の一例である。
前記受信用超音波振動子１２は，複数の前記導波路１３ごとに設けられ，ウェハ１に反射して前記導波路１３を通じて戻る反射超音波を検出し，その検出信号（前記反射超音波の強度を表す電気信号）を出力するものである。その検出信号は，前記増幅器５（前記信号入力部の一例）に入力され，その増幅器５によって増幅された後に前記制御・演算装置６に伝送される。なお，前記受信用超音波振動子１２及び前記増幅器５が，前記超音波検出手段の一例である。
【００１５】
前記発振器３は，複数の前記送信用超音波振動子１１に対して１つ設けられるものであり，前記送信用超音波振動子１１に対して交流信号を供給するものである。温度測定装置Ｘ１における前記発振器３は，前記制御・演算装置６からの指令に従って前記交流信号の周波数を調節（変更）する機能を備え，その周波数調節により，前記送信用超音波振動子１１から出力される超音波の周波数掃引を実行できる（前記周波数掃引手段の一例）。もちろん，前記発振器３は，前記交流信号の周波数を固定することにより，前記送信用超音波振動子１１から出力される超音波の周波数を特定の周波数に固定することもできる。
前記セレクタ４は，複数の前記送信用超音波振動子１１と前記発振器３との間の信号経路，及び複数の前記受信用超音波振動子１２と前記増幅器５との間の信号経路を順次切り替える信号切替器である（前記信号経路切替手段の一例）。
前記環境温度センサ７は，前記プロセスチャンバー８内の雰囲気温度，即ち，ウェハ１の設置環境の温度を検出するセンサ（サーミスタや熱電対等）であり，その検出温度は前記制御・演算装置６に取り込まれる。
前記制御・演算装置６は，予めその記憶部に記憶された所定のプログラムを実行するプロセッサ（演算手段）を備え，そのプロセッサにより，前記発振器３の制御や，前記増幅器５を通じて得られる反射超音波の検出信号に基づくウェハ１の厚み算出処理及び温度算出処理等を実行する。
【００１６】
次に，図２に示すフローチャートを参照しつつ，温度測定装置Ｘ１によるウェハ１の温度測定の手順について説明する。以下，Ｓ１，Ｓ２，…は，処理手順（ステップ）の識別符号を表す。なお，以下に示すＳ１〜Ｓ１０の処理は，処理対象物であるウェハ１がその一方の面（下面）においてウェハステージ２により支持された状態で行われる。
まず，前記制御・演算装置６が，複数の前記超音波送受部１０のうちのいずれか１つを選択し，その超音波送受部１０における前記送信用超音波振動子１１と前記発振器３との間の信号経路が接続され，同じ超音波送受部１０における前記受信用超音波振動子１２と前記増幅器５との間の信号経路が接続されるように前記セレクタ４の設定（制御）を行う（Ｓ１）。
さらに，前記制御・演算装置６は，前記環境温度センサ７の検出温度（環境温度）を取得する（Ｓ２）。
次に，前記制御・演算装置６は，前記発振器３に対して超音波出力指令を出力する。これにより，前記発振器３及び前記送信用超音波振動子１１が，ウェハ１の被支持面（図１における下面）に対し，周波数掃引を行いながら超音波を出力する（Ｓ３）。これと並行して，前記制御・演算装置６は，超音波の掃引周波数とその超音波の周波数掃引に応じて変化する前記反射超音波の検出信号（前記受信用超音波振動子１２の検出信号）のデータとを，相互に関連付けて所定の記憶手段に記録する（Ｓ３）。超音波の掃引周波数の範囲は，例えば，１１．２[ＭＨｚ]〜１１．３[ＭＨｚ]程度の範囲である。
なお，温度測定装置Ｘ１において，前記制御・演算装置６は，前記反射超音波の検出信号をその波形を把握できる程度の分解能をもって取得及び記録する必要はなく，前記反射超音波の検出信号の強度ＩUS（振幅，実効値など）を検出及び記録できれば十分である。
【００１７】
次に，前記制御・演算装置６は，ステップＳ３で記録した超音波の掃引周波数及びその周波数掃引に応じて変化する前記反射超音波の強度ＩUS（前記受信用超音波振動子１２の検出信号の強度）とに基づいて，ウェハ１内での超音波の共振周波数ｆrを特定し，その共振周波数ｆrとステップＳ２で取得した環境温度Ｔaとに基づいて，その時点で選択されている前記超音波送受部１０に対応する位置におけるウェハ１の厚みＬを算出するとともに，その算出結果を所定の記憶手段に記録する（Ｓ４，前記厚み自動設定手段の一例）。このステップＳ４の処理は，後述する温度算処理（Ｓ８）で用いられるウェハ１の厚みを自動設定する処理である。なお，このステップＳ４の処理の詳細については後述する。
そして，前記制御・演算装置６は，複数箇所の前記超音波送受部１０全てに対応するウェハ１の厚み測定が終了するまで，前記セレクタ４の切り替え実績を判別（Ｓ５）しつつステップＳ１〜Ｓ４の処理を順次実行する。
以上に示したステップＳ１〜Ｓ５の処理により，複数の前記超音波送受部１０に対応する全ての測定部位ついて，後述する温度算出処理（Ｓ８）で用いられるウェハ１の厚みが事前に（温度測定前に）設定される。
【００１８】
そして，前記制御・演算装置６は，所定の温度測定開始条件が成立したことを検知（Ｓ６）した場合に，前記プロセスチャンバー８内で成膜処理，エッチング処理，熱処理等の各種の処理が施されているときのウェハ１の温度測定処理（ステップＳ７〜Ｓ１０）を実行する。
温度測定処理では，まず，前記制御・演算装置６は，ステップＳ１と同様に，複数の前記超音波送受部１０のうちのいずれか１つについて，前記送信用超音波振動子１１と前記発振器３との間の信号経路の接続，及び前記受信用超音波振動子１２と前記増幅器５との間の信号経路の接続を行う（Ｓ７）。
さらに，前記制御・演算装置６は，ステップＳ３と同様に，前記発振器３に対して超音波出力指令を出力することにより，前記発振器３及び前記送信用超音波振動子１１による超音波出力処理（ウェハ１の被支持面に対し，周波数掃引を行いながら超音波を出力する処理）を実行させる（Ｓ８）。これと並行して，前記制御・演算装置６は，超音波の掃引周波数と，その超音波の周波数掃引に応じて変化する前記反射超音波の検出信号（前記受信用超音波振動子１２の検出信号）のデータと，その時点の時刻とを，相互に関連付けて所定の記憶手段に記録する（Ｓ８）。なお，温度測定装置Ｘ１においては，前記反射超音波の検出信号をその波形を把握できる程度の分解能をもって取得及び記録する必要はなく，前記反射超音波の検出信号の強度ＩUS（振幅，実効値など）を検出及び記録できれば十分である。
【００１９】
次に，前記制御・演算装置６は，ステップＳ８で記録した超音波の掃引周波数及びその周波数掃引に応じて変化する前記反射超音波の強度ＩUS（前記受信用超音波振動子１２の検出信号の強度）とに基づいて，ウェハ１内での超音波の共振周波数ｆrを特定し，その共振周波数ｆrとステップＳ４で記録したウェハ１の厚みｄとに基づいて，ウェハ１の温度を算出するとともに，その算出結果を所定の記憶手段に記録する（Ｓ９，前記温度算出手段の一例）。なお，このステップＳ８の処理の詳細については後述する。
そして，前記制御・演算装置６は，所定の温度測定終了条件が成立するまで，その終了条件を判別（Ｓ１０）しつつステップＳ７〜Ｓ１０の処理を順次実行する。
このように，前記制御・演算装置６は，前記セレクタ４により信号経路が切り替えられるごとに前記増幅器５を通じて得られる前記反射超音波の検出信号に基づいて，ウェハ１における複数箇所の前記導波路１３それぞれに対応する位置の温度を算出する。以上に示したステップＳ７〜Ｓ１０の処理により，複数の前記超音波送受部１０に対応する全ての測定部位ついて，処理中のウェハ１の温度変化の実測値が記憶手段に記録される。
【００２０】
次に，温度測定装置Ｘ１における温度算出処理（Ｓ９）の詳細について説明する。
図７に示したように，半導体ウェハの材料として採用されることが多いシリコン単結晶内における音速は温度依存性を有する。その温度係数は，シリコン単結晶の場合−０．４[(ｍ／ｓ)/℃]程度である。
一方，超音波をウェハ１に対してその厚み方向から照射した場合，その超音波はウェハ１における超音波照射面とその反対側の面との間で多重反射する。そのときの超音波の波長をλ，ウェハ１の厚みをＬとすると，次の（ａ１）式で表される共振条件を満たす場合に，ウェハ１において大きな超音波振動が発生し，前記反射超音波の検出信号の強度が相対的に大きくなる。
λ＝２Ｌ／ｎ  （但し，ｎ＝１，２，…）  …（ａ１）
また，前記共振条件を満たすときの共振周波数をｆrとすると，ウェハ１内での音速（超音波伝播速度）Ｖtは次の（ａ２）式で表される。
Ｖt ＝ ｆr・（２Ｌ）／ｎ  （但し，ｎ＝１，２，…）  …（ａ２）
なお，「ｎ」は，ウェハ１の材質及び概略の厚み，及び超音波の掃引周波数の範囲から予め想定できる数値である。
【００２１】
図３は，超音波の周波数（横軸）と反射超音波の強度（縦軸）との関係を表すグラフである。図３に示すように，ウェハ１に照射する超音波の周波数掃引を行えば，反射超音波の強度が変化してある掃引周波数においてピークとなる。従って，ウェハ１に照射する超音波の周波数掃引を行い，反射超音波の強度がピークとなるとき（前記共振条件を満たすとき）の掃引周波数ｆpを特定すれば，その周波数ｆpがウェハ１の共振周波数ｆrであるといえる。
前記制御・演算装置６は，ステップＳ９において，まず，ウェハ１に照射する超音波の周波数掃引を行った場合に反射超音波の強度がピークとなるときの掃引周波数ｆpを特定することにより，前記共振周波数ｆrを特定する。さらに，前記制御・演算装置６は，図７に示した音速Ｖtと温度Ｔxとの関係を表す式（既知の関係式）に（ａ２）式を適用して得られる式に，前記共振周波数ｆr及びウェハ１の厚みＬを適用することによってウェハ１の温度Ｔxを算出する。
ここで，ウェハ１の厚みＬが０．８[ｍｍ]，温度係数が−０．４[(ｍ／ｓ)／℃]であるとすると，ウェハ１の測定温度について２[℃]の分解能を得るためには，ウェハ１内での音速を１[ｍ／ｓ]以下の精度で測定する必要がある。
また，（ａ２）式より，ウェハ１内での音速を１[ｍ／ｓ]以下の精度で測定するためには，掃引周波数の分解能（刻み幅）を１[ｋＨｚ]以下にする必要がある。
これに対し，ステップＳ８における掃引周波数の刻み幅（分解能）を１[ｋＨｚ]程度にすることは十分に可能である。従って，温度測定装置Ｘ１は，２[℃]以下の温度分解能により高精度でウェハ１の温度測定を行うことができる。しかも，超音波による非接触測定であるので，ごく簡易に温度測定を行うことができる上，ウェハ１に汚染を生じさせず，さらに，ウェハ１の表面状態（表面粗さ等）の影響を受けにくいため測定の安定性が高い。
【００２２】
ところで，温度測定前において，ウェハ１を加温しない常温状態や，ウェハ１を収容するプロセスチャンバー８内全体が所定の温度に維持されたような状態では，ウェハ１の温度が前記環境温度センサ７の検出温度（環境温度）と等しいとみなせる。
そこで，前記制御・演算装置６は，ウェハ１の温度測定前のステップＳ４において，前述した温度算出処理におけるウェハ１の厚みＬ（既知）及び温度Ｔx（未知）の既知と未知との関係を逆にした計算を行うことにより，既知の環境温度の下での前記反射超音波の検出信号と既知の環境温度とに基づいて，ウェハ１の厚みＬを算出して自動設定する。
なお，ウェハ１が加熱処理される場合，加熱中のウェハ１の厚みＬは，熱膨張によって加熱前に測定された厚みに対して変化するが，例えばシリコンの熱膨張係数は１０-6のであるため，通常はその影響をほぼ無視できる。また，ウェハ１の温度算出（Ｓ９）に用いるウェハ１の厚みＬを，ウェハ１の熱膨張分を考慮して補正することも考えられる。
【００２３】
［第２の実施形態］
次に，図４を参照しつつ，本発明の第２実施形態に係る半導体ウェハ温度測定装置Ｘ２（以下，温度測定装置Ｘ２という）について説明する。
温度測定装置Ｘ２は，前記温度測定装置Ｘ１の応用例であるので，以下，前記温度測定装置Ｘ１と異なる部分についてのみ説明する。なお，図４において，前記温度測定装置Ｘ１と同じ構成要素については同じ符号が付されている。
温度測定装置Ｘ２は，図４に示すように，ウェハステージ２，セレクタ４’，超音波信号処理装置９，制御・演算装置６’及び環境温度センサ７を備えている。
また，前記ウェハステージ２は，その複数の箇所に超音波送受部１０’が設けられている。
前記超音波送受部１０’は，それぞれ超音波振動子１１’と導波路１３とを有している。この超音波送受部１０’における超音波振動子１１’は，前記温度測定装置Ｘ１における前記送信用超音波振動子１１としての役割と，前記受信用超音波振動子１２としての役割とを兼用するものである。
また，前記超音波信号処理装置９は，前記温度測定装置Ｘ１における前記発振器３及び前記増幅器５の両機能を併せ持つものであるが，周波数掃引機能を有する必要はなく，前記超音波振動子１１’に対してパルス状の交流信号を供給することにより，前記超音波振動子１１’を通じてパルス状の超音波を出力させる。前記超音波信号処理装置９及び前記超音波振動子１１’により出力される超音波のパルス幅は，例えば，３０[ｎｓ]程度である。
さらに，前記超音波信号処理装置９は，ウェハステージ２により支持されたウェハ１に反射して前記導波路１３を通じて戻る反射超音波を前記超音波振動子１１’を通じて検出し，その検出信号を出力する。このように，前記超音波振動子１１’は，パルス状の超音波を出力し，その反射波を検出することにより，超音波の出力と検出とを時分割で行う。なお，前記超音波信号処理装置９及び前記超音波振動子１１’は，前記超音波出力手段及び前記超音波検出手段の両方を兼ねたものの一例である。
また，前記制御・演算装置６’は，前記温度測定装置Ｘ１における前記制御・演算装置６と同様に，予めその記憶部に記憶された所定のプログラムを実行するプロセッサ（演算手段）を備え，そのプロセッサにより，前記超音波信号処理装置９の制御や，その超音波信号処理装置９を通じて得られる反射超音波の検出信号に基づくウェハ１の厚み算出処理及び温度算出処理等を実行する。
【００２４】
次に，温度測定装置Ｘ２によるウェハ１の温度測定の手順について説明する。
温度測定装置Ｘ２において，前記制御・演算装置６’は，図２のフローチャートに示す手順と同様の手順で温度測定を実行する。
但し，温度測定装置Ｘ２においては，前記制御・演算装置６’が，ステップＳ３，Ｓ８で実行する超音波の出力制御及び反射超音波の検出処理の内容，ステップＳ４，Ｓ９で実行するウェハ１の厚み算出及び温度算出の内容は，前記温度測定装置Ｘ１において実行される内容と異なる。以下，その点について説明する。
ステップＳ３及びＳ８において，前記制御・演算装置６’は，前記超音波信号処理装置９に対してパルス超音波出力指令を出力する。これにより，前記超音波信号処理装置９が，ウェハ１の被支持面（図１における下面）に対し，パルス状の超音波を出力する。これと並行して，前記制御・演算装置６’は，前記反射超音波の検出信号（前記受信用超音波振動子１２の検出信号）のデータを所定の記憶手段に記録する。なお，温度測定装置Ｘ２において，前記制御・演算装置６’は，前記反射超音波の検出信号をその波形を把握できる程度の分解能をもって取得及び記録する。
また，ステップＳ９において，前記制御・演算装置６’は，まず，ステップＳ８で記録した前記反射超音波の検出信号に基づいて，ウェハ１における被支持面及びその反対側の面で反射した超音波それぞれの前記超音波振動子１１’への到達時点の差を検出する。
【００２５】
図５は，ウェハ１にパルス状の超音波を照射したときの反射超音波の検出信号の変化を模式的に表した図である。
ウェハ１に対し，その被支持面にほぼ垂直な方向から超音波を照射すると，その超音波の一部がウェハ１の被支持面に反射するとともに，残りの一部がウェハ１内に入って前記被支持面の反対側の面（図４における上面）と被支持面との間で多重反射する。このため，図５に示すように，前記超音波信号処理装置９により，前記超音波振動子１１’とウェハ１の被支持面との距離に応じた時間の経過後に，ウェハ１の被支持面で反射した反射超音波の信号（エコー信号）が検出され，その後，ウェハ１の厚みＬに応じた時間（２Ｌの距離を超音波が進む時間）が経過するごとに，ウェハ１の被支持面の反対側の面で反射した反射超音波の信号が検出される。
前記制御・演算装置６’は，ステップＳ９において，ステップＳ８で記録した前記反射超音波の検出信号のピーク間の時間間隔を検出することにより，ウェハ１における被支持面及びその反対側の面で反射した超音波それぞれの前記超音波振動子１１’への到達時点の差であるエコー時間差ｔppを検出する。
ここで，ウェハ１中の超音波の伝播速度（縦波音速）Ｖtは，ウェハ１の厚みＬ及び前記エコー時間差ｔppに基づく次の（ｂ１）式により表される。
Ｖt ＝ ２Ｌ／ｔpp  …（ｂ１）
従って，前記制御・演算装置６’は，ステップＳ９において，図７に示した音速Ｖtと温度Ｔxとの関係を表す式（既知の関係式）に（ｂ１）式を適用して得られる式に，反射超音波の検出信号に基づき検出した前記エコー時間差ｔppとステップＳ４で算出したウェハ１の厚みＬとを適用することによってウェハ１の温度Ｔxを算出する。
【００２６】
ところで，ウェハ１の厚みＬが０．８[ｍｍ]，温度係数が−０．４[(ｍ／ｓ)／℃]であるとすると，ウェハ１の測定温度について２[℃]の分解能を得るためには，ウェハ１内での音速を１[ｍ／ｓ]以下の精度で測定する必要がある。
また，（ｂ１）式より，ウェハ１内での音速を１[ｍ／ｓ]以下の精度で測定するためには，前記エコー時間差ｔppを２０[ｐｓ]以下の分解能で測定する必要がある。一般的な信号波形の観測機の時間分解能（サンプリング周期）は数百［ｐｓ］程度であるが，反射超音波の検出信号に対して遅延相関処理等の波形解析処理を施すことにより，２０[ｐｓ]以下の分解能で前記エコー時間差ｔppを測定することができる。
ここで，パルス状の超音波を出力した場合，ウェハ１の厚みが０．８[ｍｍ]程度であると，前記エコー時間差ｔppが２００[ｎｓ]以下となるため，超音波のパルス幅を０．１[μｓ]程度以下にする必要がある。
【００２７】
また，前述したように，温度測定前における常温状態やプロセスチャンバー８内全体が所定の温度に維持されたような状態では，ウェハ１の温度が前記環境温度センサ７の検出温度（環境温度）と等しいとみなせる。
そこで，前記制御・演算装置６’は，ウェハ１の温度測定前のステップＳ４において，前述した温度算出処理におけるウェハ１の厚みＬ（既知）及び温度Ｔx（未知）の既知と未知との関係を逆にした計算を行うことにより，既知の環境温度の下での前記反射超音波の検出信号と既知の環境温度とに基づいて，ウェハ１の厚みＬを算出して自動設定する。
【００２８】
［第３の実施形態］
次に，本発明の第３実施形態に係る半導体ウェハ温度測定装置Ｘ３（以下，温度測定装置Ｘ３という）について説明する。
温度測定装置Ｘ３の装置構成は，前記温度測定装置Ｘ２と同じである。この温度測定装置Ｘ３において，前記超音波信号処理装置９及び前記超音波振動子１１’により出力される超音波のパルス幅は，例えば，０．５[μｓ]程度である。
温度測定装置Ｘ３が前記温度測定装置Ｘ２と異なる点は，ステップＳ４，Ｓ９で実行するウェハ１の厚み算出及び温度算出の内容である。以下，その内容について説明する。
ステップＳ９において，前記制御・演算装置６’は，ステップＳ８で記録した前記反射超音波の検出信号の変化に基づいて，ウェハ１内での超音波の共振周波数ｆrを特定し，その共振周波数ｆrとウェハ１の厚みＬとに基づいて，ウェハ１の温度Ｔxを算出する。
図６（ｂ）は，ウェハ１にパルス状の超音波を照射したときの反射超音波の検出信号の変化を表したグラフである。
前述したように，超音波がウェハ１内で多重反射するため，（ａ１）式に示した共振条件を満たさなくても，前記反射超音波の検出信号の変化には，図６（ｂ）に示される区間Ｐｅの波形のように前記共振周波数ｆrの成分が現れる。
なお，図６（ａ）は，温度測定装置Ｘ２において，ウェハステージ２上にウェハ１が存在しない場合の反射超音波の検出信号の変化を表したグラフである。図６（ａ）から，共振媒体となるウェハ１が存在しない場合は前記反射超音波の検出信号に前記共振周波数ｆrの成分が生じないことがわかる。
従って，前記制御・演算装置６’は，ステップＳ９において，まず，前記反射超音波の検出信号の波形解析を行うことにより，前記共振周波数ｆr（区間Ｐｅの信号の周波数）を特定する。
さらに，前記制御・演算装置６’は，ステップＳ９において，図７に示した音速Ｖtと温度Ｔxとの関係を表す式（既知の関係式）に（ａ２）式を適用して得られる式に，前記共振周波数ｆr及びウェハ１の厚みＬを適用することによってウェハ１の温度Ｔxを算出する。
【００２９】
また，前述したように，温度測定前における常温状態やプロセスチャンバー８内全体が所定の温度に維持されたような状態では，ウェハ１の温度が前記環境温度センサ７の検出温度（環境温度）と等しいとみなせる。
そこで，前記制御・演算装置６’は，ウェハ１の温度測定前のステップＳ４において，前述した温度算出処理におけるウェハ１の厚みＬ（既知）及び温度Ｔx（未知）の既知と未知との関係を逆にした計算を行うことにより，既知の環境温度の下での前記反射超音波の検出信号と既知の環境温度とに基づいて，ウェハ１の厚みＬを算出して自動設定する。
【００３０】
以上に示した実施形態では，前記ウェハステージ２に前記導波路１３が形成された例を示した。
その他の実施形態としては，例えば，前記超音波送受部１０が前記ウェハステージ２の内部又は下面（ウェハ１の支持面と反対側の面）に設けられ，前記ウェハステージ２自体が超音波を伝播させる構成も考えられる。
また，前記超音波送受部１０の超音波出射面（上面）が，前記ウェハステージ２のウェハ１支持面と面一に形成され，前記超音波送受部１０からウェハ１に超音波を直接伝播させる構成等も考えられる。
【００３１】
［第４の実施形態］
次に，図８を参照しつつ，本発明の第４実施形態に係る半導体ウェハ温度測定装置Ｘ４（以下，温度測定装置Ｘ４という）について説明する。
温度測定装置Ｘ４は，前記温度測定装置Ｘ１及び前記温度測定装置Ｘ２の応用例であるので，以下，前記温度測定装置Ｘ１，Ｘ２と異なる部分についてのみ説明する。なお，図８において，前記温度測定装置Ｘ１，Ｘ２と同じ構成要素については同じ符号が付されている。
温度測定装置Ｘ４は，図８に示すように，前記ウェハステージ２，前記発振器３，前記セレクタ４’，増幅器５ａ，５ｂ，制御・演算装置６”，前記環境温度センサ７，分配器２０，バースト化回路２１，ゲート回路２２及び位相検波回路２３を備えている。
ここで，複数の箇所に前記超音波送受部１０’が設けられた前記ウェハステージ２，前記セレクタ４’及び前記環境温度センサ７は，前記温度測定装置Ｘ２が備えるものと同じものである。
【００３２】
また，温度測定装置Ｘ４において，前記発振器３，前記バースト化回路２１，前記増幅器及び前記超音波送受信部１０’が，超音波出力手段の一例を構成している。
即ち，前記発振器３が，一定の周波数ｆｏの正弦波状の信号である基準発振信号Ｓｏを出力し，前記バースト化回路２１が，その基準発振信号Ｓｏを周期的に断続させることにより，一定周波数ｆｏのバースト波が，予め定められた周期（以下，断続周期Ｔｐという）で表れるバースト信号Ｓｂに変換する。そのバースト信号Ｓｂは，前記増幅器５ａで増幅された後に前記セレクタ４’を通じて前記超音波送受部１０’における前記超音波振動子１１’（図４参照）に供給される。
これにより，前記超音波振動子１１’から，一定周波数ｆｏのバースト波状の超音波が前記断続周期Ｔｐで出力される。このように，温度測定装置Ｘ４は，一定の周波数ｆｏの超音波が前記断続周期Ｔｐで断続するいわゆるバースト波状の超音波を出力する。例えば，前記周波数ｆｏは２００ＭＨｚ程度，超音波のパルス幅は２〜１０波長分（０．０１〜０．１μｓ）程度，前記断続周期Ｔｐは１０μｓ程度等に設定される。
なお，前記発振器３により出力される前記基準発振信号Ｓｏは，前記分配器２０により２分岐され，分岐信号の一方は前記バースト化回路２１に伝送され，分岐信号の他方は前記位相検波回路２３に伝送される。
【００３３】
また，前記超音波振動子１１’が，ウェハステージ２により支持されたウェハ１内で反射して戻る反射超音波を検出し，その検出信号は，前記セレクタ４’及び前記増幅器５ｂを通じて前記ゲート回路２２に伝送される。このように，前記超音波振動子１１’は，バースト波状の超音波を出力し，その反射波を検出することにより，超音波の出力と検出とを時分割で行う。なお，前記超音波振動子１１’及び前記増幅器５ａ，５ｂは，前記超音波出力手段及び前記超音波検出手段の両方を兼ねたものの一例である。
図９は，温度測定装置Ｘ４により得られる反射超音波の検出信号の変化を模式的に表した図である。
図９に示されるように，温度測定装置Ｘ４においても，前記温度測定装置Ｘ２と同様に，ウェハ１内部に侵入することなくウェハ１の被支持面に反射した反射超音波を検出した１番目のエコー信号と，ウェハ１の被支持面及びその反対側の面（以下，その両面を対向面と総称する）の間で１回及び複数回に渡って往復反射（多重反射）した反射超音波それぞれに対応する２番目以降の複数のエコー信号とが検出される。以下，１つのパルス状の超音波（出力超音波）に対応する複数の前記エコー信号を総称してエコー信号ブロックＥｂｋという。
また，温度測定装置Ｘ４においては，前記断続周期Ｔｐで断続するバースト波状の超音波が出力されることから，図９に示されるように，複数の前記エコー信号ブロックＥｂｋが前記断続周期Ｔｐで検出される。
【００３４】
また，前記ゲート回路２２は，前記超音波振動子１１’の検出信号から，超音波出力の前記断続周期Ｔｐ（即ち，前記超音波振動子１１’により出力されるパルス状の超音波の出力周期）に同期した既定の時間帯（以下，抽出時間帯という）の信号を抽出する回路である。前記ゲート回路２２は，前記バースト化回路２１から，前記断続周期Ｔｐに同期したタイミング信号を取得し，そのタイミング信号を基準として前記抽出時間帯を設定する。
ここで，前記ゲート回路２２は，前記抽出時間帯の信号抽出により，前記対向面の間で複数回（例えば，２回乃至４回）往復反射した超音波（反射超音波）の検出信号を抽出する。なお，図８において，波線で囲まれた時間帯が前記抽出時間帯の一例である。
【００３５】
また，前記位相検波回路２３は，前記ゲート回路２２による抽出信号（反射超音波の検出信号の一部）と，前記発振器３から前記分配器２０を通じて得られる前記基準発振信号Ｓｏとをミキシングして検波することにより，前記対向面の間で複数回（例えば，２回乃至４回）往復反射した超音波の位相を検出し，その検出信号を出力する回路である。前記位相の検出信号は，前記制御・演算装置６”へ伝送される。この位相検波回路２３により検出される位相は，前記基準発振信号Ｓｏの位相を基準とした前記ゲート回路２２の抽出信号の位相（位相差）である。
例えば，前記基準発振信号Ｓｏの波形（時間ｔの時点における信号レベルＬso），及び前記エコー信号ブロックＥｂｋそれぞれにおけるｎ番目（ｎ＝１，２，３，…）のエコーの信号波形（時間ｔの時点における信号レベルＥn）は，それぞれ次の（ｃ１）式及び（ｃ２）式で表すことができる。
Ｌso ＝ Ａ・ｓｉｎ(２πｆｔ＋φo)  …（ｃ１）
Ｅn ＝ Ｂn・ｓｉｎ(２πｆｔ＋φn)  …（ｃ２）
（ｃ１）式において，Ａは前記基準発振信号Ｓｏの振幅，φoは前記基準発振信号Ｓｏの初期位相であり，Ａ，φoはいずれも前記発振器３によって設定可能な値である。また，（ｃ２）式において，Ｂnはｎ番目のエコーの振幅，φnはｎ番目のエコーの位相である。なお，初期位相φoは，前記発振器３によって設定可能
【００３６】
そして，前記基準発振信号Ｓｏとｎ番目のエコーの信号とのミキシング検波によって得られる検波信号のレベルＬdは，次の（ｃ３）式で表すことができる。
Ｌd ＝ Ｃ・Ｂn・ｃｏｓ(φn−φo)  …（ｃ３）
なお，（ｃ３）式におけるＣは定数である。
ここで，前記位相検波回路２３は，前記基準発振信号Ｓｏと複数のエコー信号（ｉ番目からｊ番目（２≦ｉ＜ｊ）とする）とのミキシング検波を行うため，前記位相検波回路２３により得られる実際の検波信号のレベルＬd'は，ｉ番目からｊ番目のエコーの平均的な振幅Ｂn'，及びｉ番目からｊ番目のエコーの平均的な位相φn'に基づく次の（ｃ４）式で表すことができる。
Ｌd' ＝ Ｃ・ Ｂn'・ｃｏｓ(φn'−φo)  …（ｃ４）
図７に示したように，ウェハ１の内部を伝播する超音波の速度（音速）は，そのウェハ１の温度と高い相関があり，また，そのウェハ１の内部を伝搬（往復反射）した超音波の位相は，その伝播時間（伝播に要した時間）に応じて定まる。そのことは，ｉ番目からｊ番目のエコーの平均的な位相φn'についても同様にいえる。
【００３７】
ところで，（ｃ４）式には，検出対象となるエコーの位相φn'の他に，未知の数値Ｃ・Ｂn'が含まれるが，前記発振器３により，前記基準発振信号Ｓｏの初期位相φoを変更して複数回の測定を行うことにより，（ｃ４）式に基づいて，エコーの位相をφn'を検出することができる。なお，前記基準発振信号Ｓｏの振幅Ａは一定とする。
そこで，前記位相検波回路２３は，前記基準発振信号Ｓｏの初期位相φoを変更した複数の条件下で検波を行い，その検波により得られる複数の検波信号（信号レベルＬd'）から，（ｃ４）式に基づいて前記反射超音波の検出信号の位相φn'（ｉ番目からｊ番目のエコーの平均的な位相）を検出する。
このように，前記位相検波回路２３は，前記ゲート回路２２による抽出信号と前記基準発振信号Ｓｏとのミキシングにより，前記対向面の間で複数回（例えば，２回乃至４回）往復反射した超音波の位相φn'を検出する。
ウェハ１の内部を伝搬する超音波の位相は，その伝播時間が長いほど大きく変化するため，前記対向面の間で複数回往復反射した（即ち，伝播時間の長い）超音波の位相φn'を検出することにより，高感度での位相検出が可能となり，ひいては高感度での温度算出（温度検出）が可能となる。
【００３８】
また，前記制御・演算装置６”は，前記温度測定装置Ｘ１，Ｘ２における前記制御・演算装置６と同様に，予めその記憶部に記憶された所定のプログラムを実行するプロセッサ（演算手段）を備え，そのプロセッサにより，前記発振器３の制御や，前記位相検波回路２３を通じて得られる位相φn'の検出信号に基づくウェハ１の厚み算出処理及び温度算出処理等を実行する。
ウェハ１の厚みＬが一定であれば，前記反射超音波の検出信号の位相φn'とウェハ１の温度との間に一定の相関がある。
そこで，前記制御・演算装置６”の記憶部に，厚みが既知のウェハ１の実測によって予め求められたウェハ１の厚みＬと温度と位相φn'との対応関係を表す厚み・温度・位相対応情報（対応テーブル或いは対応式等）を予め記憶させておく。
また，前述したように，温度測定前における常温状態やプロセスチャンバー８内全体が所定の温度に維持されたような定常状態では，ウェハ１の温度が前記環境温度センサ７の検出温度（環境温度）と等しいとみなせる。
そこで，前記制御・演算装置６”は，前記定常状態において，前記環境温度センサ７の検出温度と，前記位相検波回路２３により検出された位相φn'と，前記厚み・温度・位相対応情報とに基づいて，ウェハ１の厚みＬを算出して自動設定する（図２におけるステップＳ４の処理に相当）。
さらに，前記制御・演算装置６”は，ウェハ１の加温後に，前記位相検波回路２３により検出された位相φn'と，事前に設定したウェハ１の厚みＬと，前記厚み・温度・位相対応情報とに基づいて，ウェハ１の温度Ｔxを算出する（図２におけるステップＳ９の処理に相当）。
以上に示した温度測定装置Ｘ４によっても，ウェハ１等の処理対象物の温度を，接触による汚染を回避しつつ，安定かつ高精度で簡易に測定することができる。
なお，温度測定装置Ｘ４において，前記ゲート回路２２，前記位相検波回路２３及び前記制御・演算装置６”が，前記温度算出手段の一例である。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は，半導体ウェハ等の処理対象物の温度を測定する温度測定装置及びその方法に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る半導体ウェハ温度測定装置Ｘ１の概略構成図。
【図２】半導体ウェハ温度測定装置Ｘ１による温度測定手順を表すフローチャート。
【図３】半導体ウェハ温度測定装置Ｘ１により得られる超音波周波数と反射超音波強度との関係を表す図。
【図４】本発明の第２実施形態に係る半導体ウェハ温度測定装置Ｘ２の概略構成図。
【図５】半導体ウェハ温度測定装置Ｘ２により得られる反射超音波の検出信号の変化を模式的に表した図。
【図６】本発明の第３実施形態に係る半導体ウェハ温度測定装置Ｘ３により得られる反射超音波の検出信号の変化を表すグラフ。
【図７】物質の温度とその物質内での縦波伝播速度との関係を表す図。
【図８】本発明の第４実施形態に係る半導体ウェハ温度測定装置Ｘ４の概略構成図。
【図９】半導体ウェハ温度測定装置Ｘ４により得られる反射超音波の検出信号の変化を模式的に表した図。
【符号の説明】
【００４１】
Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４：半導体ウェハ温度測定装置
１  ：半導体ウェハ
２  ：ウェハステージ
３  ：発振器
４，４’：セレクタ
５，５ａ，５ｂ：増幅器
６，６’，６”：制御・演算装置
７  ：環境温度センサ
８  ：プロセスチャンバー
９  ：超音波信号処理装置
１０，１０’：超音波送受部
１１：送信用超音波振動子
１２：受信用超音波振動子
１１’：超音波振動子
１３：導波路
２０：分配器
２１：バースト化回路
２２：ゲート回路
２３：位相検波回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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