(57)【要約】      （修正有）【課題】高精度な放射測温が可能な放射温度測定装置を提供する。【解決手段】測定対象３に測定対象を透過しない測定波長の光を投光する光源１６と、測定対象からの反射光を異なる２つ以上の立体角で捕捉し、各々の反射光捕捉率の違いから、２方向反射率分布関数の近似式ｃｏｓｎθのｎを算出して方向半球反射率を推定し、放射率を求め、測定対象の温度を演算手段１４で演算するようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象に測定対象を透過しない測定波長の光を投光する光源と、測定対象からの反射光を捕捉する受光径の異なる少なくとも２つの石英ロッドと、受光した反射光を検出する検出器と、異なる少なくとも２つの石英ロッドの捕捉率の違いから２方向反射率分布関数の近似式ｃｏｓｎθのｎを算出して方向半球放射率を推定し、放射率を求め、測定対象の温度を演算する演算手段を備えた放射温度測定装置。
【請求項２】
測定対象に測定対象を透過しない測定波長の光を投光する光源と、測定対象からの反射光を捕捉するロッドと、ロッドと測定対象との距離を可変する可変手段と、受光した反射光を検出する検出器と、少なくとも２つの異なる距離における反射光捕捉率の違いから、２方向反射率分布関数の近似式ｃｏｓｎθのｎを算出して方向半球反射率を推定し、放射率を求め、測定対象の温度を演算する演算手段とを、備えた放射温度測定装置。
【請求項３】
前記測定対象がシリコン基板であり、前記測定波長が０．９μｍであることを特徴とする請求項１または請求項２記載の放射温度測定装置。
【請求項４】
前記ロッドと前記検出器との間で投光、受光の２つの光信号を伝送する光ファイバを備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項３記載の放射温度測定装置。
【請求項５】
前記ロッドを先端がレンズ状に加工されたロッドレンズとした請求項１乃至請求項４記載の放射温度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
測定対象の放射率および温度を測定する放射温度測定装置に関するものである。特にシリコンなど半導体基板の放射率および温度のその場測定に有用な放射温度測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン基板等の測定対象を各種処理中に、その表面温度を測定することは、プロセス上重要なことである。ＣＶＤ（化学蒸着）等の各種処理が行われるため、表面の粗さ、付着物が変化するなど、状態が変化して、放射率が変動する測定対象の放射温度測定装置が知られている。例えば本出願人による特公平６−７６９２２のように、測定対象（Ｓｉウェハ）に光（Ｉ０）を照射し、その反射光Ｉｒを測定しｒ＝Ｉｒ／Ｉ０より反射率ｒを求め、キルヒホッフの法則よりε＝１−ｒとし、放射率εを求め、放射率補正を行い測定対象の温度Ｔを決定していた。より具体的には、測定対象の裏面からの放射エネルギーに基づいて放射率を演算して、以後この放射率を用いて測定対象の温度を演算手段で演算するようにした放射温度測定装置がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記の方法では拡散反射の場合のみ正しい放射率を求めることができる。測定表面が鏡面性の測定対象では（削除）反射光を捕捉できないため測定温度誤差が大きくなるという問題点があった。また、測定対象が加熱される場合、加熱前に測定した放射率を加熱途中においても用いるため、加熱中に放射率が大きく変化した場合は、温度誤差が大きくなるという問題点があった。一方で半導体製造プロセスにおいては精密な温度制御の目的から、放射率、温度のその場測定が要求されている。本発明はかかる問題点を解決するためのもので、放射率および表面状態が未知の測定対象、特にシリコン基板などの表面状態が変動する半導体用基板であっても、その場測定により放射率を求めて高精度な放射測温が可能な放射温度測定装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この発明は測定対象に測定対象を透過しない測定波長の光を投光する光源と、測定対象からの反射光を異なる２つ以上の立体角で捕捉し、各々の反射光捕捉率の違いから、２方向反射率分布関数の近似式ｃｏｓｎθのｎを算出して方向半球反射率を推定し、放射率を求め、測定対象の温度を演算手段で演算するようにした放射温度測定装置である。
【０００５】
異なる２つ以上の立体角を得るために、請求項１の発明では、測定対象からの反射光を捕捉する受光径の異なる少なくとも２つの石英ロッドを設ける。
【０００６】
また、請求項２の発明では、測定対象からの反射光を捕捉するロッドと、ロッドと測定対象との距離を可変する可変手段を設ける。
【０００７】
請求項３の発明は、測定対象がシリコン基板であり、測定波長がシリコン基板を透過しない０．９μｍであることを特徴とする放射温度測定装置である。
【０００８】
請求項４の発明は、ロッドと検出器との間で投光、受光の２つの光信号を伝送する光ファイバを備えたの放射温度測定装置である。
【０００９】
請求項５の発明は、集光精度を高めるためにロッドを先端がレンズ状に加工されたロッドレンズとした放射温度測定装置である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の実施の形態を示す構成説明図である。図１において、３はシリコン基板等の測定対象物で、加熱装置４で加熱され所定のプロセス温度に制御される。１、２は測定対象に近接して照射光、反射光の光伝送手段を行うロッドで本実施例では石英ロッドを用いており、測定対象から所定の距離に位置する。５は光ファイバーで石英ロッドと光コネクタ６間で光信号を伝送する。７は反射光の光を集光させるためのレンズである。８はレンズ７とフォトダイオードなどの検出素子からなる検出器１０の間に設けられ、光を反射させるビームスプリッター等の光路切換手段であり、光路切換手段８と検出器１０の間には測定波長の光を透過するフィルター９が設けられている。検出器１０からの信号を増幅する増幅器１１、アナログ／デジタル信号変換器１３間には、幾つかの入力信号を、各々の入力信号に再生できるような方法で一つの出力信号にするマルチプレクサ１２が設けられ、演算手段１４はデジタル信号に基づいて、後述する演算方法で測定対象の放射率、温度を算出する。演算手段１４はマイクロプロセッサ等の制御回路１５に接続されており、測定対象に光を照射する光源１６のオンオフ制御などを行うようになっている。図１は受光径の異なる２つの石英ロッド１、２を用いた例である。
【００１１】
図２は図１の拡大図で測定対象と異なる２つの径（ｄ１、ｄ２）の石英ロッドにより２つの立体角θ１、θ２が設定される。測定波長は測定対象を透過しない波長を使用する。シリコン基板の場合は測定波長λｅ＝０．９μｍを使用する。光源としては、例えばＬＥＤ（発光ダイオード）、ＬＤ（レーザダイオード）、タングステンランプを使用する。測定対象のシリコン基板からの輻射を測定するために光源は点滅可能あるいは測定波長を遮蔽可能としてある。以下に本発明の放射率、温度の算出について石英ロッドが２つの場合を例に説明する。
【００１２】
石英ロッド１，２を介して受光し演算手段に入力される信号は、光源がオフ（ＯＦＦ）の時、入力信号Ｖ、測定対象の放射率ε、放射エネルギーＬ（λ、Ｔ）は以下の式で表される。λは測定波長、Ｔは測定対象の温度である。
石英ロッド１  Ｖ１０＝α１・εＬ（λ、Ｔ）      式（１）
石英ロッド２  Ｖ２０＝α２・εＬ（λ、Ｔ）      式（２）
光源がオン（ＯＮ）の時、
石英ロッド１  Ｖ１１＝α１｛εＬ（λ、Ｔ）＋（１−ε）Ｆ（θ１）β１・Ｉ０｝
石英ロッド２  Ｖ２１＝α２｛εＬ（λ、Ｔ）＋（１−ε）Ｆ（θ２）β２・Ｉ０｝
Ｆ（θ１）、Ｆ（θ２）は幾何学的諸量と測定対象面の２方向反射率分布によって決まる量であり、反射光の捕捉率とよばれる。α１、α２、β１、β２は光学的定数で、Ｉ０は照射エネルギーである。
【００１３】
入力信号の差の比Ｒは以下の式となる。
2004301614.tif 000003
式（３）
【００１４】
一方、２方向反射率分布係数をｆ＝ｋｃｏｓｎθで近似（第２２回ＳＩＣＥ学術講演会（昭和５８年）予稿集１９２頁）する。ｎ、ｋは定数である。ｎ＝０の場合が完全拡散面であり、鏡面反射の場合はｎ≫１である。θは測定部に対するロッドの立体角で、石英ロッドの径および測定距離ｌは既知であるので見込み角θは容易に算出可能である。よって入力信号の差の比Ｒと定数ｎの関係は一義的に決定できｎ＝Ｇ（Ｒ）となる。図４は入力信号の差の比Ｒと定数ｎの関係を示すグラフである。
【００１５】
入力信号の差の比Ｒは計測量から算出できるので、Ｒから定数ｎを求めることができ、次式でＦ（θ）を算出できる。
2004301614.tif 000004
式（４）
Ｆ（θ１）が求まることから、
2004301614.tif 000005
式（５）
2004301614.tif 000006
式（６）
の式から温度Ｔを求めることができる。
【００１６】
図３は、距離可変手段により、１つの石英ロッド１と測定対象３の距離を異なるようにしたときの説明図である。距離可変手段は測定対象３をあるいは石英ロッド１を移動させる。距離ｌ１、ｌ２において、２つの立体角θ１、θ２が設定される。放射率、温度の算出は上述の手順でと同様に行われる。
【００１７】
図５は、石英ロッド１、２の先端をレンズ状に加工したロッドレンズ１１、１２としたときの説明図である。ロッドレンズを用いることにより、ロッド内で散乱する光の集光精度を高められ、より高精度の温度測定が可能となる。
【００１８】
【発明の効果】
拡散反射面、鏡面反射面によらず、測定対象の表面状態を予め知ることなしに、その場測定により方向半球反射率を推定して、高精度の放射率測定、放射温度測定が可能となる。また、測定対象基板内に温度分布があったり、表面状態が部分的に異なる場合には、基板を回転（回転信号より）、あるいは移動させて同一個所を受光径の異なる２つのロッドで測定することで温度測定が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態を示す構成説明図。
【図２】立体角の説明図。
【図３】この発明の他の実施の形態を示す説明図。
【図４】入力信号の差の比Ｒと定数ｎの関係を示すグラフ。
【図５】この発明の他の実施の形態を示す説明図．
【符号の説明】
１，２  石英ロッド
３      測定対象
５      光ファイバ
８      光路切換手段
１０    検出器
１４    演算手段
１６    光源
【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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