(57)【要約】【課題】光により非接触で温度を測定するに際し、光源の温度変化の影響や、光ファイバの曲がり度合い等の影響や、レンズ等の光学系のずれなどの影響を受けることなく、半導体ウェーハなどの温度を高精度に求める。【解決手段】光源６から出力された光は照射光用光ファイバ４３を通り半導体ウェーハ２に照射される。半導体ウェーハ２で反射した光は反射光用光ファイバ４４を通り反射光として出力される。照射光用光ファイバ４３、反射光用光ファイバ４４と経路が略同一の参照光用光ファイバ４５が設けられ、光源６から出力された光は参照光用光ファイバ４５内を、半導体ウェーハ２に照射も反射もすることなく通過し参照光として出力される。そして反射光用光ファイバ４４から出力される反射光と、参照光用光ファイバ４５から出力される参照光とに基づいて半導体ウェーハ２の温度が測定される。【選択図】　図１
2004020337.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源（６）から出力された光を温度測定対象物（２）に照射させ、温度測定対象物（２）で反射した光を反射光として出力させる照射・反射光用光導波路（４３、４４）と、
前記照射・反射光用光導波路（４３、４４）と経路が略同一であって、光源（６）から出力された光を温度測定対象物（２）に照射、反射させることなく参照光として出力させる参照光用光導波路（４５）と
を備え、
前記照射・反射光用光導波路（４３、４４）から出力される反射光と、前記参照光用光導波路（４５）から出力される参照光とに基づいて温度測定対象物（２）の温度を測定すること
を特徴とする温度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、温度測定装置に関し、特に、半導体ウェーハの製造プロセスにおいて、半導体ウェーハの温度を測定するに好適な温度測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
半導体ウェーハは各プロセスを経て製造される。各プロセスの中でも特にレジストのベーキング工程では、半導体ウェーハの温度を、±０．１゜Ｃ以下の誤差しか許容しない程度に高精度に測定することが、高精度な温度制御を行い半導体ウェーハの歩留まりを向上させる上で重要となる。
【０００３】
物体の温度を測定する方法には種々あるが、その中の一方法として、半導体ウェーハに熱電対などの温度測定機器を直接接触させて測定することが考えられる。
【０００４】
しかし半導体ウェーハに温度測定機器を直接接触させると、接触の仕方次第で半導体ウェーハの温度変化が誘発されて誤差が生じ半導体ウェーハの温度を高精度に測定することができない。したがって半導体ウェーハに温度測定機器を直接接触させる測定方法は、これを採用することができない。
【０００５】
また非接触で半導体ウェーハの温度を直接測定するために、放射温度計を用いることが考えられる。
【０００６】
しかし半導体ウェーハは２００゜Ｃ以下では殆ど輻射しないために、それよりも低温のベーキング工程の半導体ウェーハの温度測定には適さない。
【０００７】
そこで、光源からの光を光ファイバ、レンズ等の光学系を介して、半導体ウェーハに照射し反射させて、照射光の強度と反射光の強度を検出して光の反射率を求め、この光の反射率に基づき半導体の温度を測定するという光による非接触の温度測定方法が試みられている。この方法は物体の屈折率が温度によって変化するという性質を利用するというものであり、照射光強度と反射光強度から反射率を求め、スネルの法則から屈折率を計算し、この屈折率を、予め設定されている屈折率と温度との関係にあてはめ、温度を求めるというものである。
【０００８】
しかし、この光による非接触の温度測定方法も、以下のような理由で温度を高精度に測定することができなかった。
【０００９】
１）光源の温度変化によって光源の光強度は大きく変動する。このため照射光強度が変動しそれに伴って反射光強度も変動してしまう。反射光強度が変動するので見かけ上半導体ウェーハの温度が変動することになる。
【００１０】
２）光源から出射された光は光ファイバに導入されて照射光として半導体ウェーハに照射されるが、光ファイバの曲がり度合いや光ファイバの温度変化によって光ファイバの開口数が変動する。このため照射光強度が変動し、それに伴って反射光強度も変動してしまう。反射光強度が変動するので見かけ上半導体ウェーハの温度が変動することになる。
【００１１】
３）レンズ等の光学系のずれなどによって半導体ウェーハへ入射される光の入射角度等が変動する。このため反射光強度が変動し見かけ上半導体ウェーハの温度が変動することになる。
【００１２】
従来より、光源の直後にビームスプリッタを介在させ、ビームスプリッタによって半導体ウェーハに照射させる光とモニタ用の光とに分割し、モニタ用の光の強度変化を捕らえることにより見かけ上の半導体ウェーハの温度変動を捕らえ温度誤差を補正するという方法が考えられている。たとえば特開２００１−４４５２号公報に同様の発明が記載されている。
【００１３】
しかしこの方法はビームスプリッタにより光を分割する前の強度変化つまり光源の光強度変化を捕らえることはできても、ビームスプリッタにより光を分割した後の光ファイバを通過してきた照射光の光強度変化を捕らえることはできず、上記１）の問題は解決できても上記２）、３）の問題を解決することはできない。
【００１４】
本発明はこうした実状に鑑みてなされたものであり、光により非接触で温度を測定するに際し上記１）、２）、３）の問題を全て解決することを解決課題とするものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段及び作用、効果】
本発明は、
光源（６）から出力された光を温度測定対象物（２）に照射させ、温度測定対象物（２）で反射した光を反射光として出力させる照射・反射光用光導波路（４３、４４）と、
前記照射・反射光用光導波路（４３、４４）と経路が略同一であって、光源（６）から出力された光を温度測定対象物（２）に照射、反射させることなく参照光として出力させる参照光用光導波路（４５）と
を備え、
前記照射・反射光用光導波路（４３、４４）から出力される反射光と、前記参照光用光導波路（４５）から出力される参照光とに基づいて温度測定対象物（２）の温度を測定する温度測定装置であることを特徴とする。
【００１６】
図１に示すように、照射・反射光用光導波路４３、４４と参照光用光導波路４５は、経路が略同一であり、照射・反射光用光導波路４３、４４は半導体ウェーハ２に光が照射し反射する光導波路であるのに対して、参照光用光導波路４５は半導体ウェーハ２に光が照射も反射もしない光導波路である点で異なる。照射・反射光用光導波路４３、４４と参照光用光導波路４５は、図２に示すように別々の光ファイバで構成してもよく、図３に示すように半導体ウェーハに照射するまでの光導波路を共通の光ファイバ４３で構成し、半導体ウェーハで反射した後の光導波路のみを別々の光ファイバ４４、４５で構成してもよい。
【００１７】
照射・反射光用光導波路４３、４４から出力される反射光と、参照光用光導波路４５から出力される参照光とに基づいて半導体ウェーハ２の温度が測定される。具体的には、光検出器７で反射光の強度Ｌｗと参照光の強度Ｌｒが検出され、演算器８で反射光の強度Ｌｗと参照光の強度Ｌｒとに基づき、下記（１）式より、それらの比率Ｒを演算する。
【００１８】
Ｒ＝Ｌｗ／Ｌｒ　…（１）
そして上記比率Ｒを用いて下記（２）式から半導体ウェーハ２の温度Ｔを演算する。
【００１９】
Ｔ＝−７．８５Ｒ＾２＋１７５１Ｒ−９７４００　（ただし「＾２」は２乗を意味する）・・・（２）
照射・反射光用光導波路４３、４４と参照光用光導波路４５は、経路が略同一であるので、光源６の温度変化を原因とする照射光強度の変動成分、光ファイバの曲がり度合い、温度変化を原因とする照射光強度の変動成分は、上記（１）式で反射光の強度Ｌｗと参照光の強度Ｌｒに比をとることによって相殺される。そして、照射・反射光用光導波路４３、４４は半導体ウェーハ２に光が照射し反射する光導波路であるのに対して、参照光用光導波路４５は半導体ウェーハ２に光が照射も反射もしない光導波路である点で異なるので、上記（１）式で反射光の強度Ｌｗと参照光の強度Ｌｒとの比をとることによって、上記変動成分が取り除かれた光の反射率のみを抽出することができる。したがって上記（２）式から、光源６の温度変化の影響や、光ファイバの曲がり度合い等の影響や、レンズ等の光学系のずれなどの影響を受けることなく、半導体ウェーハ２の温度Ｔを高精度に求めることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明に係る温度測定装置の実施の形態について説明する。なお実施形態ではレジストのベーキング工程で半導体ウェーハ（シリコンウェーハ）の温度を測定する装置を想定する。
【００２１】
図１は実施形態の温度測定装置の構成を示し、図２は図１に示す凹型基板４１の内部構成を拡大して示している。
【００２２】
光源６は所定強度の光を出力するものであり、たとえばＬＥＤやＬＤ（半導体レーザ光源）などが使用される。なお光源６としては、半導体ウェーハ２で光を反射させることができるものであれば任意のものを使用することができる。
【００２３】
チャンバ１の内部には、ベーキングプレート３が設けられている。ベーキングプレート３の温度は、後述するように演算器８から演算出力される半導体ウェーハ２の温度をフィードバック量として図示しないコントローラによって制御される。ベーキングプレート３の図中上面である加熱面上には、複数のギャップピン５が設けられている。半導体ウェーハ２は複数のギャップピン５によってベーキングプレート３の加熱面から約５０〜１５０μｍ程度の高さ（ギャップ）を保つよう支持されている。ギャップピン５はセラミック等からなり誤差１０μｍ程度以下の精度で精密に加工されている。
【００２４】
凹型基板４１は半導体ウェーハ２の下面から所定距離離間されてベーキングプレート３の加熱面上に設けられている。
【００２５】
２本の光ファイバ４３、４５の一端は、光源６に接続されており、光源６で発光した光は、２本の光ファイバ４３、４５に導入される。光ファイバ４３は照射光用の光導波路を構成しており、この照射光用光ファイバ４３の他端は凹型基板４１に接続されている。照射光用光ファイバ４３の出射口４３ａは凹型基板４１の凹部底面４１ａで開口している。
【００２６】
光ファイバ４５は参照光（レファレンス光）の光導波路を構成しており、参照光用光ファイバ４５は凹型基板４１に接続されるとともに凹型基板４１の内部で折り曲げられている。参照光用光ファイバ４５の他端は光検出器７に接続されている。
【００２７】
光ファイバ４４は反射光用の光導波路を構成しており、反射光用光ファイバ４４の一端は凹型基板４１に接続されている。反射光用光ファイバ４４の導入口４４ａは凹型基板４１の凹部底面４１ａで開口している。反射光用光ファイバ４４の他端は光検出器７に接続されている。
【００２８】
照射光用光ファイバ４３、反射光用光ファイバ４４と、参照光用光ファイバ４５とは、内部を通過する光が略同一経路を辿るように配置されている。
【００２９】
図２は、凹型基板４１の内部構成を示している。
【００３０】
凹型基板４１は石英、シリコン、セラミックなどの絶縁体で構成されており、照射光用光ファイバ４３、反射光用光ファイバ４４の一端が内部で固定されているとともに、参照光用光ファイバ４５の折り曲げられた部分が内部で固定されている。
【００３１】
照射光用光ファイバ４３、反射光用光ファイバ４４は、照射光用光ファイバ４３の出射口４３ａから出射された光が半導体ウェーハ２に照射され半導体ウェーハ２で反射した光が反射光用光ファイバ４４の導入口４４ａに導入されるように、凹型基板４１の内部で、所定角度に曲げられている。
【００３２】
また参照光用光ファイバ４５は、同光ファイバ４５を通過する参照光が、照射光用光ファイバ４３、反射光用光ファイバ４４内を通過する照射光、反射光と同じ経路を辿るように凹型基板４１の内部で折り曲げられている。参照光用光ファイバ４５は、上記出射口４３ａ、導入口４４ａの近傍で折り曲げられている。参照光用光ファイバ４５の折り曲げ部４５ａには、参照光を全反射させる全反射ミラー薄膜４６が形成されている。
【００３３】
凹型基板４１の凹部底面４１ａはベーキングプレート３の表面と同一面上に設定されている。
【００３４】
このため光源６から照射光用光ファイバ４３に導入された光は、照射光用光ファイバ４３の出射口４３ａから出射され、照射光として半導体ウェーハ２に照射される。半導体ウェーハ２で反射された反射光は反射光用光ファイバ４４の導入口４４ａに導入され、反射光用光ファイバ４４を通過して光検出器７に導入される。
【００３５】
また光源６から参照光用光ファイバ４５に導入された参照光は、照射光用光ファイバ４３を通過する照射光と同一経路を辿り折り曲げ部４５ａに到達する。折り曲げ部４５ａに到達した参照光は参照光用光ファイバ４５内の全反射ミラー薄膜４６で全反射され、反射光用光ファイバ４４を通過する反射光と同一経路を辿り光検出器７に導入される。すなわち参照光用光ファイバ４５を通過する参照光は、照射光用光ファイバ４３、反射光用光ファイバ４４を通過する照射光、反射光と同一の経路を辿ることになるが、半導体ウェーハ２に照射したり半導体ウェーハ２で反射することなく参照光として光検出器７に導入されることになる。
【００３６】
図２では、光が光源６から凹型基板４１に到達するまでの経路として、別々の光ファイバ４３、４５で構成しているが、図３に示すように、光が光源６から凹型基板４１に到達するまでの経路を、共通の光ファイバ４３で構成してもよい。
【００３７】
図３の構成の場合、照射光、参照光が通過する経路として共通の光ファイバ４３が設けられ、この共通光ファイバ４３の一端は光源６に接続され、他端は凹型基板４１に接続されている。共通光ファイバ４３の出射口４３ａには、ビームスプリッタ４７が設けられている。ビームスプリッタ４７は共通光ファイバ４３の出射口４３ａに形成されている。
【００３８】
一方、参照光用光ファイバ４５の一端は凹型基板４１に接続され、他端は光検出器７に接続されている。参照光用光ファイバ４５は、ビームスプリッタ４７で反射された光がその導入口４５ｂに導入されるよう反射光用光ファイバ４４と同態様で凹型基板４１の内部で折り曲げられている。
【００３９】
このため光源６から共通光ファイバ４３に導入された光の一部は、ビームスプリッタ４７を透過して共通光ファイバ４３の出射口４３ａから出射され、照射光として半導体ウェーハ２に照射される。半導体ウェーハ２で反射された反射光は反射光用光ファイバ４４の導入口４４ａに導入され、反射光用光ファイバ４４を通過して光検出器７に導入される。
【００４０】
また光源６から光ファイバ４３に導入された光のうちビームスプリッタ４７を透過しなかった光はビームスプリッタ４７で反射され、参照光として参照光用光ファイバ４５の導入口４５ａに導入され、参照光用光ファイバ４４を通過して光検出器７に導入される。
【００４１】
すなわち共通光ファイバ４３、参照光用光ファイバ４５を通過する参照光は、照射光用光ファイバ４３、反射光用光ファイバ４４を通過する照射光、反射光と同一の経路を辿ることになるが、半導体ウェーハ２に照射したり半導体ウェーハ２で反射することなく参照光として光検出器７に導入されることになる。
【００４２】
図３の構成の場合には、光源６から凹型基板４１までの光ファイバ４３を共通化することができるので、図２の構成と比較して部品点数、コストを低減させることができる。
【００４３】
図１に示す光検出器７では、反射光用光ファイバ４４から出力される反射光の強度Ｌｗと参照光用光ファイバ４５から出力される参照光の強度Ｌｒが検出される。
【００４４】
演算器８では、反射光の強度Ｌｗと参照光の強度Ｌｒとに基づき、下記（１）式より、それらの比率Ｒが演算される。
【００４５】
Ｒ＝Ｌｗ／Ｌｒ　…（１）
そして上記比率Ｒを用いて下記（２）式から半導体ウェーハ２の温度Ｔが演算される。
【００４６】
Ｔ＝−７．８５Ｒ＾２＋１７５１Ｒ−９７４００　（ただし「＾２」は２乗を意味する）・・・（２）
演算器８で演算された温度Ｔは上述したコントローラに入力され温度Ｔをフィードバック量としてベーキングプレート３の温度が制御される。
【００４７】
ここで照射光、反射光が通過する照射用光ファイバ４３、反射光用光ファイバ４４（図３の構成の場合は共通光ファイバ４３、反射光用光ファイバ４４）と、参照光用光ファイバ４５（図３の構成の場合は共通光ファイバ４３、参照光用光ファイバ４５）とは、光が辿る経路として同一であるので、光源６の温度変化を原因とする照射光強度の変動成分、光ファイバの曲がり度合い等を原因とする照射光強度の変動成分は、上記（１）式で反射光の強度Ｌｗと参照光の強度Ｌｒに比をとることによって相殺される。そして、反射光は、半導体ウェーハ２に照射し、半導体ウェーハ２で反射した履歴を有する光であるのに対して、参照光は半導体ウェーハ２に照射も反射もしなかった履歴を有する光である点で異なるので、上記（１）式で反射光の強度Ｌｗと参照光の強度Ｌｒとの比をとることによって、上記変動成分が取り除かれた光の反射率のみを抽出することができる。したがって上記（２）式から、光源６の温度変化の影響や、光ファイバの曲がり度合い等の影響や、レンズ等の光学系のずれなどの影響を受けることなく、半導体ウェーハ２の温度Ｔを高精度に求めることができる。
【００４８】
なお図１では、ギャップピン５とは別に凹型基板４１を設けているが、図４（ａ）に示すように凹型基板４１で半導体ウェーハ２を支持するようにしてギャップピン５の機能を兼ねるようにしてもよい。
【００４９】
図１の構成の場合も図４（ａ）の構成の場合も凹型基板４１の凹部底面４１ａに形成された出射口４３ａ、導入口４４ａと半導体ウェーハ２との距離は概ね５０μｍ〜１５０μｍ程度であり非常に接近している。
【００５０】
このため照射光用光ファイバ４３（図３の構成の場合は共通光ファイバ４３）として直径１０μｍ程度の光ファイバを用い、反射光用光ファイバ４４としてそれよりも径の大きい５０〜１００μｍ程度の光ファイバを用いれば、半導体ウェーハ２で反射された光を漏れなく反射光用光ファイバ４４の導入口４４ａに集光させることができる。このためレンズ等の光学系は不要となる。
【００５１】
更に凹型基板４１を石英等の熱膨張が小さい材料で構成すれば、半導体ウェーハ２の温度擾乱を受けた場合であっても、凹型基板４１の変形を防止することができる。このため凹型基板４１の内部における光ファイバ４３、４４の曲がり角度や凹型基板４１の凹部の深さの変化が少なく、反射光を更に漏れなく反射光用光ファイバ４４の導入口４４ａに集光させることができる。
【００５２】
このように本実施形態によればレンズ等の光学系を用いることなく反射光を反射光用光ファイバ４４で確実に集光することができるので、レンズ等の光学系のぶれの影響を受けることなく温度Ｔを高精度に測定することができる。
【００５３】
なお実施形態では温度測定対象物として半導体ウェーハ２を想定しているが、これ以外の対象物の温度を測定する場合にも本発明を適用することができる。
【００５４】
また凹型基板４１は図４（ｂ）に示すようにベーキングプレート３の内部に設けてもよく、図４（ｃ）に示すように半導体ウェーハ２の上部に設けるようにしてもよい。
【００５５】
また実施形態では、反射光の強度Ｌｗと参照光の強度Ｌｒを検出することで温度Ｔを測定しているが、これは一例であり、温度Ｔを測定できる光パラメータを検出すればよく、たとえば光強度の代わりに光量、波長を検出してこれら光パラメータに基づき温度Ｔを測定してもよい。また実施形態では上記（１）式、（２）式に示すように反射光の強度Ｌｗと参照光の強度Ｌｒの比率Ｒを求めることで温度Ｔを測定しているが、反射光と参照光の比率をとる代わりに反射光と参照光の差分をとることで温度Ｔを測定してもよい。
【００５６】
また実施形態では基板４１を凹型にし光が出射、導入される面を取り囲むようにしているが、これに限定されるものではなく光が射出、導入される面が全面、平板状であってもよく球状であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の実施形態の温度測定装置を示す構成図である。
【図２】図２は図１に示す凹型基板の内部構成を示す図である。
【図３】図３は図２と異なる構成を示す図である。
【図４】図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は半導体ウェーハと凹型基板との位置関係をそれぞれ例示した図である。
【符号の説明】
２　半導体ウェーハ
６　光源
７　光検出器
８　演算器
４３　照射光用光ファイバ（共通光ファイバ）
４４　反射光用光ファイバ
４５　参照光用光ファイバ
【図１】
2004020337.tif 000003
【図２】
2004020337.tif 000004
【図３】
2004020337.tif 000005
【図４】
2004020337.tif 000006