(57)【要約】【課題】  多重干渉を引き起こす薄膜層があっても，複数層基板の温度を正確に測定する。【解決手段】  中心波長が異なった２以上の異なった低コヒーレンス光源５１，５２，５３からの低コヒーレンス光を測定対象物３１と参照光ミラー３２に照射し，その反射光の干渉波形から，干渉強度を各波長ごとに測定する。その後各波長ごとの相互比率を求め，予め取得していた膜厚−干渉比特性と比較して，測定対象物３１の薄膜層の膜厚を推定する。その後前記干渉波形から薄膜層の影響分を引いた後の光路長の変化から，測定対象物３１の温度を求める。【選択図】  図６
2005084019.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低コヒーレンス光を利用して，この低コヒーレンス光のコヒーレンス長よりも短い厚さの薄膜層を有する複数層基板の温度を測定する方法であって，
前記低コヒーレンス光を前記基板の表面又は裏面に照射し，前記基板からの反射光と参照光との干渉を測定し，その時の干渉波形を複数層基板全体のものとみなし，
温度変化前の前記複数層基板の干渉波形とのズレを測定し，それによって得られた光路長変化に基づいて前記基板の温度を求めることを特徴とする，基板の温度測定方法。
【請求項２】
低コヒーレンス光を利用して，この低コヒーレンス光のコヒーレンス長よりも短い厚さの薄膜層を有する複数層基板の温度を測定する方法であって，
前記低コヒーレンス光を前記基板の表面又は裏面に照射し，前記基板からの反射光と参照光との干渉を測定し，その時の干渉波形を複数層基板全体のものとみなして，
予め取得していた前記複数層基板の干渉波形の膜厚特性の波形パターンと比較することで，前記薄膜層の膜厚を推定し，
当該膜厚による多重干渉分を前記干渉波形から差し引き，
その結果から光路長変化を算出して前記基板の温度を求めることを特徴とする，
基板の温度測定方法。
【請求項３】
低コヒーレンス光を利用して，この低コヒーレンス光のコヒーレンス長よりも短い厚さの薄膜層を有する複数層基板の温度を測定する方法であって，
中心波長が異なった２以上の異なった低コヒーレンス光を前記基板の表面又は裏面に照射し，
前記基板からの反射光と参照光との干渉を各低コヒーレンス光ごとに測定し，
各干渉波形の差分波形から前記薄膜層の膜厚を推定して，当該薄膜層による多重干渉分を算出し，
これを前記干渉波形から差し引き，それによって得られた光路長変化に基づいて前記基板の温度を求めることを特徴とする，基板の温度測定方法。
【請求項４】
低コヒーレンス光を利用して，この低コヒーレンス光のコヒーレンス長よりも短い厚さの薄膜層を有する複数層基板の温度を測定する方法であって，
中心波長が異なった２以上の異なった低コヒーレンス光を前記基板の表面又は裏面に照射し，
各干渉波形の最大振幅値の相互比率をとって前記薄膜層の膜厚を推定して，当該薄膜層による多重干渉分を算出し，
これを前記干渉波形から差し引き，それによって得られた光路長変化に基づいて前記基板の温度を求めることを特徴とする，基板の温度測定方法。
【請求項５】
前記膜は前記基板の最上面に形成されていることを特徴とする，請求項１〜４のいずれかに記載の基板の温度測定方法。
【請求項６】
前記複数層基板は，３層以上の多層膜基板であることを特徴とする，請求項１〜５のいずれかに記載の基板の温度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，基板の温度測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
低コヒーレンス干渉計を用いて多層構造物の裏面側からの干渉波形を測定して，その位相変化から各層の温度を測定することが提案されている（非特許文献１参照。）。これは，試料に低コヒーレント光を照射した際に得られる反射光と参照光との干渉波形を測定して，温度変化前のものと比較することで当該試料の温度を測定するものである。
【０００３】
【非特許文献１】「光ファイバ型低コヒーレンス干渉計を用いた多層構造試料の温度測定法」（平成１３年電気関係学会関西支部連合会講演論文集）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら前記従来技術では，多層構造を有する構造体の中で，低コヒーレント光の波長より短い，極めて薄い薄膜層が存在すると，干渉波形相互が重畳して１つの干渉波形としか認識できず，各層の温度を測定できず，結果として基板の温度が測定できない場合が生ずる。
【０００５】
これを改善するため，低コヒーレント光の波長を短くすると，物質によっては吸収されてしまって反射せず，干渉波形が得られなくなるおそれがある。しかも現在入手しうる低コヒーレンス長の光源として，中心波長が１．３μｍで最も低コヒーレンスのものは，コヒーレンス長が２μｍ程度であり，これを使用すれば理論上８００ｎｍ程度の厚さのものであれば分離できるが，装置が非常に高価であり，実用上問題がある。
さらにまた，干渉波形のピークが重なると，本来正しく測定できる厚さのものまで正しく測定できないと言う問題が生ずる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり，測定対象基板に，極めて薄い膜が形成されていても，非接触で当該基板の温度を測定することをその目的としている。
【０００７】
そのため本発明の基板の温度測定方法は，低コヒーレンス光を利用して，前記低コヒーレンス光のコヒーレンス長よりも短い厚さの薄膜層を有する複数層基板の温度を測定する方法であって，前記低コヒーレンス光を前記基板の表面又は裏面に照射し，前記基板からの反射光と参照光との干渉を測定し，その時の干渉波形を複数層基板全体のものとみなし，温度変化前の前記複数層基板の同様な干渉波形とのズレ（例えばピーク間の長さ，位相のズレなど）を測定し，それによって得られた光路長変化に基づいて前記基板の温度を求めることを特徴とするものである。
【０００８】
干渉波形の測定による膜厚の測定については，たとえばマイケルソン干渉計等において知られているが，ここに低コヒーレンス光としてＳＬＤ（Super Luminescent Diode）を用いた際の原理について説明すると，例えば図１のように，低コヒーレンス光源１から出た光は，ビームスプリッタ２によって２つに分波される。一方は，参照光として参照光ミラーで反射され，他方は信号光として試料Ａで反射され，ビームスプリッタ２に戻る。両者はビームスプリッタ２で再び合波され干渉が生じ，その干渉光信号を受光器５で受信する。
【０００９】
このとき，低コヒーレンス光源のコヒーレンス長が数十μｍと短いため，干渉する範囲が狭く，参照光と信号光の光路長がコヒーレント長の範囲において一致した場合にのみ干渉を生じる。試料Ａが半導体基板のように層構造体である場合，各層で光が反射するため，参照光ミラー３を駆動機構６で一定速度で駆動させることによる連続的な参照光光路長の変化に伴い，各々の光学的距離がほぼ等しい位置でガウス型のピークを持った干渉波形が得られる。このことより，低コヒーレンス干渉計を用いて層構造体である試料Ａの深度方向，例えば各種の膜を分離し各膜についての測定が可能となる。
【００１０】
ここで，低コヒーレンス干渉計の干渉波形についてまず説明すると，参照光ミラー３を駆動させていない初期状態においてのビームスプリッタから試料，参照光ミラーまでの距離をそれぞれｌ１，ｌ２とし，参照光ミラーの移動距離をΔｌとする。
図１の干渉計において，参照光ミラー３と試料Ａから反射される光波の電界をそれぞれ，
【００１１】
【数１】
2005084019.tif 000003
【００１２】
受光器５に入射する合成電界Ｅは重ね合わせの原理より，
【００１３】
【数２】
2005084019.tif 000004
【００１４】
と書き表され，受光器５からの光電流ｉは次のように表される。
【数３】
2005084019.tif 000005
【００１５】
低コヒーレンス干渉計では，参照光ミラー３を駆動することで参照光光路長を変化させる。この参照光ミラー３を一定の速度Ｖで移動させるとき，参照光路長ｌ’１は，ｌ’１＝ｌ’１＋Ｖｔで変化することになる。ここで，ｌ’１はミラーの可動範囲の中心までの光路，ｔは中心からある点までの移動するときにかかる時間である。参照光の周波数がわずかに変化するのは，この参照光ミラー３が移動することにより，ドップラー効果のためである。参照光ミラー３が受ける周波数ｆ１は，
【００１６】
【数４】
2005084019.tif 000006
【００１７】
となり，このシフトした周波数を持つ光波が，さらに移動する参照光ミラーから反射されてビームスプリッタに向かい，これが参照光となる。したがって，参照光の周波数ｆ２は，
【００１８】
【数５】
2005084019.tif 000007
【００１９】
となり，ドップラーシフト周波数ｆｄは，
【００２０】
【数６】
2005084019.tif 000008
【００２１】
となる。式（１−３）から広帯域なスペクトル幅をもつ光源を用いた光干渉計での光干渉は，参照光ミラー３を一定の速度で移動させることから，参照光の周波数がわずかに異なる多数の正弦関数の和であると考えられる。その時のパワースペクトル密度を
【００２２】
【数７】
2005084019.tif 000009
【００２３】
とすると干渉光強度は，
【００２４】
【数８】
2005084019.tif 000010
【００２５】
となり，これを解くことにより，
【００２６】
【数９】
2005084019.tif 000011
【００２７】
と求められる。ここで，ｆ０は光源の中心周波数，Δｆは半値全幅とする。
【００２８】
また，式（１−６）からわかるように，参照光ミラー３の走査速度に比例してドップラーシフト周波数も高くなる。このとき，干渉光強度は，振幅強度をＡ（ｔ），干渉信号の位相をθ（ｔ）として式（１−５）を書き換えると，
【００２９】
【数１０】
2005084019.tif 000012
【００３０】
式（１−５），式（１−１０）より振幅強度Ａ（ｔ）は，
【００３１】
【数１１】
2005084019.tif 000013
【００３２】
と表すことができ，干渉光強度は参照光ミラー３の速度に依存しドップラーシフトしたビート周波数上で変化することがわかり，ガウス型のピークを持った干渉波形が検出される。
【００３３】
以上のように説明できる低コヒーレンス干渉計を用い，干渉波形にみられるガウス型ピークの頂点を求めることで，深度方向への各層境界間の距離，例えば基板上の膜厚を知ることができる。
【００３４】
次にそのような膜厚を測定することによって，基板の温度を測定する原理について説明する。前記したように，低コヒーレンス干渉計を用いることで，層構造体である測定対象物の深度方向についての測定可能である。したがって，ある温度においての線膨張による膜厚の変化と屈折率変化による各層の光路長の変化を検出することで温度変化の測定が可能になる。
【００３５】
図１に示した試料Ａが，試料Ａ１，試料Ａ２の層構造体を有している場合を例にとって説明すると，図１における（１）は試料１の表面，（２）は試料Ａ１と試料Ａ２の境界面，（３）は試料Ａ２の裏面を表している。また，参照光ミラー３を動かしていない初期状態でのビームスプリッタ２から参照光ミラー３までの距離をｌ１，測定対象物である試料Ａまでの距離をｌ２とし，参照光ミラー３の移動距離をΔｆｌとする。試料Ａ１，試料Ａ２それぞれの膜厚をｄ１，ｄ２，また屈折率をｎ１，ｎ２とすると，試料Ａ１の光路長Ｌ１は
【００３６】
【数１２】
2005084019.tif 000014
【００３７】
となる。
【００３８】
ここで，各試料に温度変化を与えると線膨張による膜厚の変化ならびに屈折率変化を受け光路長が変化する温度がΔＴ変化すると，
線膨張による膜厚の変化    ｄ１→ｄ１（１＋α１ΔＴ）    （２−２）
屈折率変化        ｎ１→ｎ１（１＋β１ΔＴ）    （２−３）
（α１：試料Ａ１の線膨張率
β１：試料Ａ１の屈折率変化の温度係数）
以上のように膜厚，屈折率共に変化する。ここで，αは波長に依存性は無いが，βは波長依存性がある。つまり，温度をΔＴ変化させたときの光路長をＬ１’とおくと，
Ｌ１’＝ｎ１（１＋β１ΔＴ）×（１＋α１ΔＴ）
＝ｎ１・ｄ１｛１＋（α１＋β１）ΔＴ｝                        （２−４）
となり，光路長の変化量は，
Ｌ１’− Ｌ１＝ｎ２｛１＋（α１＋β１）ΔＴ｝ｄ１−ｎ１・ｄ１
＝ｎ１・ｄ１（α１＋β１）ΔＴ                                （２−５）
で表すことができる。これらの式から，α１，β１が分かれば温度変化ΔＴを求めることができる。
【００３９】
また，試料Ａ１と試料Ａ２の重ね合わせた光路長Ｌ１＋２は，
【００４０】
【数１３】
2005084019.tif 000015
【００４１】
さらに試料の温度がΔＴ’変化すると，式（２−６），（２−７）より
【００４２】
【数１４】
2005084019.tif 000016
【００４３】
式（２−７）から明らかなように，Ｌ１’− Ｌ１は試料Ａ１の光路長変化から求められるので，α２，β２が分かれば，光路長変化から各層の膜厚と温度を測定できることになる。したがって，温度変化前のデータと照合し，その光路長変化を測定すれば，資料の温度を測定することが可能になるのである。
【００４４】
以上のことから，温度変化前と温度変化後とでは，干渉波形のピーク位置の幅が変化する。図１に示した試料Ａ１，試料Ａ２に即してより具体的に説明すると，図２に示したように，試料Ａを例えばヒータ７で加熱すると，温度変化前と変化後では，干渉波形の位相がずれるのである。この温度変化による位相のズレを読みとることで，各試料の温度変化を知ることが可能になるのである。
【００４５】
ただし，既述したように，多層構造を有する構造体の中で，低コヒーレント光の波長より短い，極めて薄い薄膜層が存在すると，干渉波形相互が重畳して１つの干渉波形としか認識できず，波形を分離する事はできない。
【００４６】
発明者らは，そのような薄膜層による温度に与える影響は，他の層と比べて極めて小さいことに着目した。すなわち低コヒーレント光の波長より短い，極めて薄い膜層は，その温度を測定するのは困難ではあるが，結局は極めて薄い膜層であるから，当該薄膜層のない基板や，他の層を合わせた基板全体の温度を，当該薄膜層を有する複数層基板全体の温度とみても，実用上は問題がない。したがって，低コヒーレンス光を前記基板の表面又は裏面に照射し，前記基板からの反射光と参照光との干渉を測定し，その時の干渉波形を複数層基板全体のものとみなし，重畳した（多重干渉した）波形によって得られる光路長を，対象基板の全体のものと擬制しても実用上差し支えないものとして扱い，変化前の光路長との変化によって得られる温度を，当該基板（すなわち，複数層基板全体）の温度として求めることが可能になる。
【００４７】
なお本明細書でいう低コヒーレンス光とは，コヒーレンス長は１〜１００μｍのものをいう。
【００４８】
薄膜層の存在により，反射光と参照光との干渉が多重干渉を起こした場合，重畳した部分では，多重干渉を起こさない場合と比べて，重畳した分，位相幅に変動が生ずる。通常は，干渉波の波形（各干渉波形のピーク値に沿って得られる包絡線の波形）カーブが緩慢なものとなる。
これを利用して，予め基板の膜厚−波形特性のパターンをとっておき，測定された干渉波形を当該パターンと比較することによって，多重干渉を引き起こす薄膜層の厚さを推定することができる。
その後は，当該薄膜の膜厚による多重干渉分を前記測定された干渉波形から差し引き，その結果から光路長変化を算出して前記基板の温度を割り出すことが可能である。
【００４９】
すなわち，多重干渉の影響を受けた干渉波形の包絡線は通常のガウス形状から崩れてくる。この波形解析から薄膜層の膜厚を求め，膜厚を基に計算した多重干渉の影響を元の干渉波形から取り除くことでガウス形状に補正して基板の温度を求めることができる。
【００５０】
これを図３に基づいて説明すると，薄膜基板の裏面入射の際における低コヒーレンス光源の薄膜層での多重干渉信号は，
【００５１】
【数１５】
2005084019.tif 000017
【００５２】
で表される。ここで，
【００５３】
【数１６】
2005084019.tif 000018
【００５４】
である。この式の第１項は基板と薄膜層の境界面における干渉信号を表し，第２項は薄膜層と大気層の境界面での干渉信号となる。そして，その以下の項は薄膜層での多重干渉による項である。
【００５５】
薄膜厚ｄ３が変化する場合，上記の式で第２項以下の干渉信号の強度が変化する。薄膜層の光路長が低コヒーレンス光源のコヒーレンス長より短い場合は，多重干渉による信号が重ね合され，得られる干渉信号の強度が変化する。そこで第２項以下の項を多重干渉信号から差し引くことにより，基板と薄膜層の境界面での干渉信号を補正でき，薄膜厚が変化するような条件においても基板の光路長を精度良く計測できる。そして，その光路長の変化から温度を計測することが可能である。
【００５６】
上部薄膜層の多重干渉が単なる膜厚だけでなく屈折率変化によるものも含まれる場合は，異なる波長の低コヒーレンス光源を用い同様に多重干渉の影響を受けた干渉波形の差が温度による影響が小さいことを利用して，その差のフリンジ形状（各干渉波形のピーク値に沿って得られる包絡線）から上部薄膜層の膜厚を求める。同様にこの膜厚から計算した多重干渉の影響を補正することで，基板の温度を求める。
【００５７】
この場合の具体的な計算は，前記した図３に即して説明した計算式と同様であり，基板厚ｄ２を求め，次いで当該計算式によって計算すればよい。
【００５８】
また中心波長が異なった２以上の異なった低コヒーレンス光を前記基板の表面又は裏面に照射し，各干渉波形の最大振幅値の相互比率，すなわち強度比をとって前記薄膜の膜厚を推定して，多重干渉分を算出し，これを前記干渉波形から差し引き，それによって得られた光路長変化に基づいて前記基板の温度を割り出すようにしてもよい。
【００５９】
発明者の知見によれば，中心波長が異なった２以上の異なった低コヒーレンス光を前記基板の表面又は裏面に照射したとき，干渉波形の強度が波長の異なった低コヒーレンス光ごとに異なることを発見した。したがって，その強度比−膜厚特性を予めとっておけば，多重干渉の原因となる薄膜層の膜厚を逆算して求めることができる。
【発明の効果】
【００６０】
本発明によれば，測定対象基板に，多重干渉を起こすような極めて薄い膜が形成されていても，非接触で当該基板の温度を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】
【００６１】
以下，本発明の好ましい実施の形態について説明すると，図４は，温度計測システムの一例の概要を示し，低コヒーレンス光源１１には，ＳＬＤを使用している。その中心波長は１．５μｍ，コヒーレンス長は４８μｍのものを使用した。また干渉波形のピークのズレ幅を測定するための変位測定用の光源１２には，波長が０．８５μｍのレーザーダイオードを使用している。すなわち前記干渉波形のピーク間に対するこのレーザ光の干渉波形の波数（フリンジ数）を調べることで，前記干渉波形の位相のズレを読みとることができる。このこのなお図４に示したシステムにおいて光の経路となり，各部材を接続して光の経路となる光ファイバケーブル１３には，全て０．８５μｍ帯用シングルモードファイバを使用している。
【００６２】
低コヒーレンス光源１１から出た低コヒーレンス光と，変位測定用の光源１２から出て光アイソレータ１４を経たレーザ光は，光ファイバカプラ２１で合波されて，光ファイバカプラ２２へと送られる。光ファイバカプラ２２では，低コヒーレンス光は分岐されて一方はコリメートファイバ２３から測定対象物３１へ，他方はコリメートファイバ２４から参照光ミラー３２へと照射される。本実施の形態では，測定対象物３１はＳｉ基板の上にＳｉＯ２膜が形成されたものを用意した。参照光ミラー３２は，スピーカーの駆動原理を応用したボイスコイルモータ３３によって，ミラーが前後方向に高精度，高速で移動が可能である。
【００６３】
測定対象物３１からの反射光と，参照光ミラー３２からの反射光とは，光ファイバカプラ２２を経由して，コリメートファイバ４１から，ボックス４２内にある多層膜ミラー４３に照射される。この多層膜ミラー４３において，測定用のレーザ光と，干渉波形をもった低コヒーレンス光とに分離されて，レーザ光は，フォトディテクタ４４で検出され，干渉波形をもった低コヒーレンス光は，フォトディテクタ４５で検出される。そしてフォトディテクタ４４，４５で検出された光信号は，ＤＡＱカード４６を介して，処理用のパソコン４７に取り込まれ，必要な演算プログラムによって，干渉波等がデータとして演算され，また画面上に表示されるようになっている。
【００６４】
このような温度測定システムを使用しての温度測定方法の例を説明する。
（測定例１）
例えば測定試料３１において，ＳｉＯ２膜がＳｉ基板に対して十分薄く，かつ膜厚が４８μｍより薄い場合には，ＳｉＯ２膜とＳｉ基板との間の境界面からの反射による干渉波形とＳｉＯ２の干渉波形のピークが分離できない。すなわち膜厚が厚い場合には，３つの干渉波形が測定できるはずであるが，干渉波形が重畳して多重干渉となっているため，干渉波のピークが２つしか測定できていない状態となっている。なお図５に示した干渉波形は，フリンジのピークを結んだ包絡線で表示し上半分のみを図示している。この場合には，例えばＳｉＯ２膜による温度に対する影響は，Ｓｉ基板のそれよりも十分小さいとみなして，温度変化前後の２つの干渉波のピークのズレを各々測定し，これから光路長の変化を割り出し，その結果に基づいて算出した温度を，ＳｉＯ２膜＋Ｓｉ基板全体の温度として扱うことにより，ＳｉＯ２膜＋Ｓｉ基板全体の温度を測定できることになる。なおピーク間の位置間隔の測定は，例えば測定用レーザ光の干渉波の波数の計測や，より高精度に測定するには，位相のズレまで含めて測定用レーザ光の干渉波を計測すればよい。
【００６５】
（測定例２）
ＳｉＯ２の薄い膜層が原因で多重干渉を起こし，そのためＳｉＯ２膜とＳｉ基板との間の境界面からの反射による干渉波形が重畳した場合，多重干渉起こしている干渉波形において，そのピークが分離できないが波形パターンが変化するとき，干渉波が重畳しているので，波形自体の形状には，当該薄膜の膜厚に応じた固有の形状を有しているはずである。
したがって，予め膜厚−波形パターンのデータをとっておき，測定された波形パターンとを比較することで，測定された干渉波形から薄膜の膜厚を推定することができる。
薄膜の膜厚が推定されると，基板自体の温度変化による光路長変化ががわかる。したがって当該膜厚による多重干渉分を，測定された多重干渉波形から差し引き，その結果から，膜厚の影響を除いた基板自体の温度を，基板のみの光路長変化から算出する。もともとピークが分離できないほど膜厚は薄いものであるから，その影響は基板と比べて極めて小さいものといえる。したがって，これを膜厚＋基板全体の温度として扱っても実用上差し支えはない。
【００６６】
次に中心波長の異なった２以上の低コヒーレンス光源を用いた温度測定システム例について説明する。なお，先に示した図４の温度測定システムと同一部材には，同一符号を付している。
【００６７】
図６は，そのときの温度計測システムの一例の概要を示し，低コヒーレンス光源には，その中心波長が１．５５μｍ，１．４０μｍ，１．３１μｍの異なった３つの低コヒーレンス光源５１〜５３を用いた。いずれもＳＬＤであり，またコヒーレンス長はいずれも４８μｍである。また干渉波形のピークのズレ幅を測定するための変位測定用の光源５４には，波長が０．８５μｍのレーザーダイオードを使用している。
【００６８】
３つの低コヒーレンス光源５１〜５３から出た低コヒーレンス光と，変位測定用の光源５４から出たレーザ光は，光ファイバカプラ２１で合波されて，さらに光ファイバカプラ２２へと送られ，コリメートファイバ２３から３つの異なった中心波長の低コヒーレンス光が測定対象物３１に対して照射され，また同時にコリメートファイバ２４から参照光ミラー３２へと照射される。
【００６９】
測定対象物３１からの反射光と，参照光ミラー３２からの反射光とは，光ファイバカプラ２２を経由して，コリメートファイバ４１から，ボックス４２内にある回折格子をもった分光器６１に照射される。この分光器６１において，測定用のレーザ光と，干渉波形をもった３つの波長の低コヒーレンス光とに分離されて，レーザ光は，フォトディテクタ６２で検出され，干渉波形をもった低コヒーレンス光は，各々波長ごとに，フォトディテクタ６３〜６５に検出される。そしてフォトディテクタ６２〜６５で検出された光信号は，ＤＡＱカード４６を介して，処理用のパソコン４７に取り込まれ，必要な演算プログラムによって，干渉波等がデータとして演算されるようになっている。
【００７０】
（測定例３）
前記基板からの反射光と参照光との干渉を各低コヒーレンス光ごとに測定し，各干渉波形の差分波形を算出して前記薄膜の膜厚を推定して，多重干渉分を算出し，これを前記干渉波形から差し引き，それによって得られた光路長変化に基づいて基板の温度を求める。
【００７１】
具体的に説明すると，例えば中心波長が１．５５μｍと１．３１μｍのＳＬＤを用いて１ｍｍ厚のＳｉＯ２基板上に，Ｓｉが２μｍ，５μｍ形成された時の，１．５５μｍＳＬＤ出力（干渉波形の出力）から，１．３１μｍＳＬＤ出力（干渉波形の出力）を差分した波形を図７（Ｓｉが２μｍ形成された時），図８（Ｓｉが５μｍ形成された時）に示す。これら図から明らかなように，波形パターンは，膜厚によって大きく変化する。一方温度によっては差分波形は変化しないため，これから基板上の膜厚が推定できる。ここで求めた膜厚を基に，図３に即した既述の多重干渉信号の説明に述べたように，多重干渉成分を計算し，観測波形（例えば１．５５μｍＳＬＤのみの波形）から多重干渉分を差し引けば，基板と薄膜の境界のみからの干渉波形が算出でき，そのピーク位置と，基板裏面ピーク位置の間隔から，既述した，膜厚を基に計算した多重干渉の影響を元の干渉波形から取り除いてガウス形状に補正して基板の温度を求める手法，すなわち（２−１）〜（２−７）の式を用いた手法によって求めることができる。
【００７２】
（測定例４）
各干渉波形の最大振幅値の相互比率をとって測定試料３１のＳｉＯ２薄膜の膜厚を推定して，多重干渉分を算出し，これを前記干渉波形から差し引き，それによって得られた光路長変化に基づいて前記基板の温度を求める。
【００７３】
（１）２波長を使用した場合
Ｓｉ膜（膜厚１ｎｍ〜５００ｎｍ）−厚さ５００ｎｍのＳｉＯ２基板に対して，中心波長１．５５μｍと１．３１μｍの低コヒーレンスを照射したときのＳｉ−ＳｉＯ２の境界面での干渉強度を計算して求めた膜厚−干渉強度比は，図９のようになった。ここで干渉強度（ａ．ｕ．）とは，既述した式（１−１１）によって求められるものである。すなわち各々の波長の干渉波形（包絡線）におけるピーク値である。なお干渉強度比とは，各々の波長の干渉波形（包絡線）におけるピーク値の比をとったものである。
【００７４】
図９に示したように，干渉強度は，各波長とも約０．１３〜約０．８の間をほぼ周期的に推移したような結果が得られるが，波長ごとにその周期はずれ，同じ膜厚でも干渉強度が異なっていることがわかる。
【００７５】
そこで各膜厚ごとに，その比（１．３１μｍ波長／１．５５μｍ波長）をとると，図１０に示したようになった。
【００７６】
次に膜と基板の材質を入れ替えて，ＳｉＯ２膜（膜厚１ｎｍ〜５００ｎｍ）−厚さ５００ｎｍのＳｉ基板に対して，中心波長１．５５μｍと１．３１μｍの低コヒーレンスを照射したときのＳｉ−ＳｉＯ２の境界面での干渉強度を計算して求めた膜厚−干渉強度比は，図１１のようになった。また各膜厚ごとに，その比（１．３１μｍ波長／１．５５μｍ波長）をとると，図１２に示したようになった。
【００７７】
これによれば，単純に比の値だけでは，どの膜厚のときか判断はできないが，膜厚が増加していく経過を辿れば，同じ値の時でも膜厚が特定できる。したがって，常時測定，計算しておけば，その前後の値や履歴から，膜厚を推定できる。すなわち，Ｓｉ膜のＳｉＯ２膜の薄膜層の膜厚を推定できる。なお十分膜厚が薄く，干渉強度比から一意に膜厚が決まる場合には常時測定する必要はない。
後は，Ｓｉ−ＳｉＯ２の境界面での干渉波形から，この膜厚分の多重干渉分を引くことにより，ＳｉＯ２基板，Ｓｉ基板のみの光路長変化を読みとることができ，それによって，ＳｉＯ２基板，Ｓｉ基板の温度を測定することができる。なお干渉波形から，この膜厚分の多重干渉分を引いて基板のみの光路長変化及び温度変化は，既述した，膜厚を基に計算した多重干渉の影響を元の干渉波形から取り除いてガウス形状に補正して基板の温度を求める手法によって求めることができる。
【００７８】
（２）３波長を使用した場合
Ｓｉ膜（膜厚１ｎｍ〜５００ｎｍ）−厚さ５００ｎｍのＳｉＯ２基板に対して，中心波長１．５５μｍ，１．４０μｍ，１．３１μｍの３つの低コヒーレンス光を各々照射したときのＳｉ−ＳｉＯ２の境界面での干渉強度を計算して求めた膜厚−干渉強度比は，図１３のようになった。
【００７９】
また各膜厚ごとに，その比（１．３１μｍ波長／１．５５μｍ波長，１．４０μｍ波長／１．５５μｍ波長，１．４０μｍ波長／１．５５μｍ波長）をとると，図１４に示したようになった。
【００８０】
次に膜と基板の材質を入れ替えて，ＳｉＯ２膜（膜厚１ｎｍ〜５００ｎｍ）−厚さ５００ｎｍのＳｉ基板に対して，中心波長１．５５μｍ，１．４０μｍ，１．３１μｍの３つの低コヒーレンスを照射したときのＳｉ−ＳｉＯ２の境界面での干渉強度を計算して求めた膜厚−干渉強度比は，図１５のようになった。また各膜厚ごとに，その比（１．３１μｍ波長／１．５５μｍ波長，１．４０μｍ波長／１．５５μｍ波長，１．４０μｍ波長／１．５５μｍ波長）をとると，図１６に示したようになった。
【００８１】
これによれば，いずれの場合も，３つの比の値を使用することで，単純に比の値だけで膜厚を推定することが可能になっている。したがって，膜厚の変化の経過，履歴を監視，測定することなく，特定時のみの測定によって，多重干渉を引き起こす薄膜層の膜厚をもとめることができる。その後は，薄膜層による多重干渉分を，前記干渉波形から差し引き，それによって求めた光路長と，温度変化前の光路長とを比較して，その変化分から温度を求める。なおＬＤ干渉波形は，最後の光路長変化分を求めるときに使用する。
【００８２】
なお温度変化が１００℃以上の場合には，波長が異なることによる屈折率差の温度による変化が，単なる屈折率の温度変化に比べ３桁ほど小さく無視できることを使って膜厚をより正確に測定することが可能である。
【００８３】
本発明は，多重干渉を起こす薄膜層が，基板の最上面に形成されている場合だけではなく，３層以上の多層膜構造を有する基板の中間層に当該薄膜層が存在する複数層基板に対しても適用できる。
【００８４】
また本発明では，極めて薄い膜厚層の膜厚を推定することができるので，本発明は，膜厚測定にも利用することができ，プロセスの途中でも測定可能であるから，膜厚堆積プロセスやエッチングプロセスにおいて，終点検出に利用できる。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明は，極めて薄い膜を有する基板の温度を非接触で測定することができるから，例えば半導体デバイスやＦＰＤの製造プロセスにおいて，エッチングやＣＶＤ処理における基板の温度を測定して，好適なプロセスを実現するのに適している。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】低コヒーレンス光干渉計の原理を示すための干渉計の概略図である。
【図２】低コヒーレンス光干渉計の原理を示すための干渉波の様子を示す説明図である。
【図３】多重干渉の様子を示す説明図である。
【図４】１波長の低コヒーレンス光源を用いた温度計測システムの概略を示す説明図である。
【図５】薄膜層を有する２層の構造体における多重干渉を起こしている干渉波形を示す説明図である。
【図６】２波長以上の低コヒーレンス光源を用いた温度計測システムの概略を示す説明図である。
【図７】１ｍｍ厚のＳｉＯ２基板上にＳｉが２ｍｍ形成された時の，１．５５μｍＳＬＤによる干渉波形出力から１．３１μｍＳＬＤによる干渉波形出力を差分した波形のグラフである。
【図８】１ｍｍ厚のＳｉＯ２基板上にＳｉが５ｍｍ形成された時の，１．５５μｍＳＬＤによる干渉波形出力から１．３１μｍＳＬＤによる干渉波形出力を差分した波形のグラフである。
【図９】Ｓｉ膜厚変化による２波長での膜厚−干渉強度特性のグラフである。
【図１０】図９の結果に基づいた膜厚−干渉強度比特性のグラフである。
【図１１】ＳｉＯ２膜厚変化による２波長での膜厚−干渉強度特性のグラフである。
【図１２】図１１の結果に基づいた膜厚−干渉強度比特性のグラフである。
【図１３】Ｓｉ膜厚変化による３波長での膜厚−干渉強度特性のグラフである。
【図１４】図１３の結果に基づいた膜厚−干渉強度比特性のグラフである。
【図１５】ＳｉＯ２膜厚変化による３波長での膜厚−干渉強度特性のグラフである。
【図１６】図１５の結果に基づいた膜厚−干渉強度比特性のグラフである。
【符号の説明】
【００８７】
１１，５１，５２，５３    低コヒーレンス光源
１２，５４    変位測定用の光源
２１，２２    光ファイバカプラ
３１    測定対象物
３２    参照光ミラー
４３    多層膜ミラー
４４，４５，６２，６３，６４，６５    フォトディテクタ
６１    分光器
【図１】
2005084019.tif 000019
【図２】
2005084019.tif 000020
【図３】
2005084019.tif 000021
【図４】
2005084019.tif 000022
【図５】
2005084019.tif 000023
【図６】
2005084019.tif 000024
【図７】
2005084019.tif 000025
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2005084019.tif 000028
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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