(57)【要約】【課題】低温プロセスにおいてもウエハ温度をその場で精度良く温度測定することができる非接触方式のウエハ温度測定装置を提供する。【解決手段】このウエハ温度測定装置は、温度測定対象であるウエハに照射された光の反射光に基づいてウエハ温度を測定する装置であって、波長が４００ｎｍ以下のＰ偏光成分を含む光を発生してウエハ１００に照射する光源部１１０と、ウエハによって反射された光を受光して、少なくとも、反射光に含まれる波長が４００ｎｍ以下のＰ偏光成分の強度を検出する受光部１３０と、該受光部によって検出された波長が４００ｎｍ以下のＰ偏光成分の強度に基づいて、温度測定対象の温度を算出する信号処理部１５０とを含む。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度測定対象であるウエハに照射された光の反射光に基づいてウエハ温度を測定する方法であって、
波長が４００ｎｍ以下のＰ偏光成分を含む光を発生して、前記温度測定対象に照射するステップ（ａ）と、
前記温度測定対象によって反射された反射光を受光して、少なくとも、前記反射光に含まれる波長が４００ｎｍ以下のＰ偏光成分の強度を検出するステップ（ｂ）と、
少なくとも、ステップ（ｂ）において検出された波長が４００ｎｍ以下のＰ偏光成分の強度に基づいて、前記温度測定対象の温度を算出するステップ（ｃ）と、
を具備するウエハ温度測定方法。
【請求項２】
ステップ（ａ）が、波長が４００ｎｍ以下のＰ偏光成分と共に、波長が４００ｎｍ以下のＳ偏光成分、又は、波長が４００ｎｍより長いＰ偏光成分若しくはＳ偏光成分を含む光を発生して前記温度測定対象に照射することを含み、
ステップ（ｂ）が、波長が４００ｎｍ以下のＳ偏光成分、又は、波長が４００ｎｍより長いＰ偏光成分若しくはＳ偏光成分の強度を検出することを含み、
ステップ（ｃ）が、波長が４００ｎｍ以下のＰ偏光成分の強度を検出値とし、波長が４００ｎｍ以下のＳ偏光成分、又は、波長が４００ｎｍより長いＰ偏光成分若しくはＳ偏光成分の強度を参照値とすることにより、前記温度測定対象の温度を算出することを含む、
請求項１記載のウエハ温度測定方法。
【請求項３】
温度測定対象であるウエハに照射された光の反射光に基づいてウエハ温度を測定する方法であって、
４００ｎｍ以下の波長成分を含む光、及び、４００ｎｍより大きい波長成分を含む光を前記温度測定対象に照射するステップ（ａ）と、
前記温度測定対象によって反射された光を受光し、（ｉ）波長が４００ｎｍ以下のＰ偏光成分の強度、（ii）波長が４００ｎｍより大きいＰ偏光成分の強度、及び、（iii）波長が４００ｎｍ以下のＳ偏光成分の強度と波長が４００ｎｍより大きいＳ偏光成分の強度との内の少なくとも１つを検出するステップ（ｂ）と、
波長が４００ｎｍ以下のＰ偏光成分の強度といずれかのＳ偏光成分の強度との相対値と、波長が４００ｎｍより大きいＰ偏光成分の強度といずれかのＳ偏光成分の強度との相対値とに基づいて、ウエハ表面に形成された被膜による誤差を補正する演算を行うステップ（ｃ）と、
を具備するウエハ温度測定方法。
【請求項４】
ステップ（ｃ）が、波長が４００ｎｍ以下のＰ偏光成分の強度と波長が４００ｎｍ以下のＳ偏光成分の強度との相対値と、波長が４００ｎｍより大きいＰ偏光成分の強度と波長が４００ｎｍより大きいＳ偏光成分の強度との相対値とに基づいて誤差を補正することを含む、請求項３記載のウエハ温度測定方法。
【請求項５】
温度測定対象であるウエハに照射された光の反射光に基づいてウエハ温度を測定する方法であって、
４００ｎｍ以下の波長成分を含む光、及び、４００ｎｍより大きい波長成分を含む光を、入射角がブリュースター角を含む所定の範囲内となるように前記温度測定対象に照射するステップ（ａ）と、
前記温度測定対象により反射された光を受光し、波長が４００ｎｍ以下のＰ偏光成分の強度、及び、波長が４００ｎｍより大きいＰ偏光成分の強度を検出するステップ（ｂ）と、
ステップ（ｂ）において検出された、波長が４００ｎｍ以下のＰ偏光成分の強度、及び、波長が４００ｎｍより大きいＰ偏光成分の強度に基づいて、前記温度測定対象の温度を算出するステップ（ｃ）と、
を具備するウエハ温度測定方法。
【請求項６】
ステップ（ａ）が、入射角が４５°以上６０°以下となるように、４００ｎｍ以下の波長成分を含む光、及び、４００ｎｍより大きい波長成分を含む光を前記温度測定対象に照射することを含む、請求項５記載のウエハ温度測定方法。
【請求項７】
波長が４００ｎｍ以下のＰ偏光成分を含む光、及び、波長が４００ｎｍ以下のＳ偏光成分又は波長が４００ｎｍより大きいＰ偏光成分若しくはＳ偏光成分を含む光を、入射角がブリュースター角より大きくなるように前記温度測定対象に照射するステップ（ａ２）と、
ステップ（ａ２）において照射された光が前記温度測定対象により反射された光を受光し、波長が４００ｎｍ以下のＰ偏光成分の強度、及び、波長が４００ｎｍ以下のＳ偏光成分又は波長が４００ｎｍより大きいＰ偏光成分若しくはＳ偏光成分の強度を検出するステップ（ｂ２）と、
をさらに具備し、
ステップ（ｃ）が、ステップ（ｂ）において検出された、波長が４００ｎｍ以下のＰ偏光成分の強度、及び、波長が４００ｎｍより大きいＰ偏光成分の強度と、ステップ（ｂ２）において検出された、波長が４００ｎｍ以下のＰ偏光成分の強度、及び、波長が４００ｎｍ以下のＳ偏光成分又は波長が４００ｎｍより大きいＰ偏光成分若しくはＳ偏光成分の強度とに基づいてウエハ温度を算出することを含む、
請求項５又は６記載のウエハ温度測定方法。
【請求項８】
ステップ（ｂ２）が、入射角が６０°より大きくなるように、波長が４００ｎｍ以下のＰ偏光成分を含む光、及び、波長が４００ｎｍ以下のＳ偏光成分又は波長が４００ｎｍより大きいＰ偏光成分若しくはＳ偏光成分を含む光を前記温度測定対象に照射することを含む、請求項７記載のウエハ温度測定方法。
【請求項９】
温度測定対象であるウエハに照射された光の反射光に基づいてウエハ温度を測定する装置であって、
波長が４００ｎｍ以下のＰ偏光成分を含む光を発生して、前記温度測定対象に照射する光照射手段と、
前記温度測定対象によって反射された反射光を受光して、少なくとも、前記反射光に含まれる波長が４００ｎｍ以下のＰ偏光成分の強度を検出する受光手段と、
前記受光手段によって検出された波長が４００ｎｍ以下のＰ偏光成分の強度に基づいて、前記温度測定対象の温度を算出する演算手段と、
を具備するウエハ温度測定装置。
【請求項１０】
前記光照射手段が、波長が４００ｎｍ以下の光を発生する光源と、前記光源から発生した光を前記温度測定対象に導く光学系とを含み、
前記受光手段が、受光した光をＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分離する偏光素子と、前記偏光素子によって分離されたＰ偏光成分及びＳ偏光成分の強度をそれぞれ検出する複数の光検出手段とを含み、
前記演算手段が、前記複数の光検出手段によって検出されたＰ偏光成分の強度を検出値とし、Ｓ偏光成分の強度を参照値とすることにより、前記温度測定対象の温度を算出する、
請求項９記載のウエハ温度測定装置。
【請求項１１】
前記光照射手段が、波長が４００ｎｍ以下の光を発生する第１の光源と、波長が４００ｎｍより長い光を発生する第２の光源と、第１の光源からの出射光のＰ偏光成分と、第２の光源からの出射光のＰ偏光成分又はＳ偏光成分とを前記温度測定対象に導く光学系とを含み、
前記受光手段が、受光した光を波長又は偏光方向に応じて分離する分光手段と、前記分光手段によって分離された波長が４００ｎｍ以下のＰ偏光成分、及び、波長が４００ｎｍより長いＰ偏光成分又はＳ偏光成分の強度をそれぞれ検出する複数の光検出手段とを含み、
前記演算手段が、前記複数の光検出手段によって検出された波長が４００ｎｍ以下のＰ偏光成分の強度を検出値とし、波長が４００ｎｍより長いＰ偏光成分又はＳ偏光成分の強度を参照値とすることにより、前記温度測定対象の温度を算出する、
請求項９記載のウエハ温度測定装置。
【請求項１２】
前記光照射手段が、波長が４００ｎｍ以下の光を発生する光源と、前記光源から発生した光を前記温度測定対象に導く光学系とを含み、
前記受光手段が、受光した光の偏光方向を所定の時間間隔で変化させる光変調手段と、所定の偏光成分を透過させる偏光素子と、前記光変調手段及び前記偏光素子を介して光を受光することにより、前記温度測定対象によって反射された光に含まれるＰ偏光成分及びＳ偏光成分の強度を時分割で検出する光検出手段とを含み、
前記演算手段が、前記光検出手段によって検出されたＰ偏光成分の強度を検出値とし、Ｓ偏光成分の強度を参照値とすることにより、前記温度測定対象の温度を算出する、
請求項９記載のウエハ温度測定装置。
【請求項１３】
温度測定対象であるウエハに照射された光の反射光に基づいてウエハ温度を測定する装置であって、
４００ｎｍ以下の波長成分を含む光、及び、４００ｎｍより大きい波長成分を含む光を前記温度測定対象に照射する光照射手段と、
前記温度測定対象によって反射された光を受光し、（ｉ）波長が４００ｎｍ以下のＰ偏光成分の強度、（ii）波長が４００ｎｍより大きいＰ偏光成分の強度、及び、（iii）波長が４００ｎｍ以下のＳ偏光成分の強度と波長が４００ｎｍより大きいＳ偏光成分の強度との内の少なくとも１つを検出する受光手段と、
波長が４００ｎｍ以下のＰ偏光成分の強度といずれかのＳ偏光成分の強度との相対値、及び、波長が４００ｎｍより大きいＰ偏光成分の強度といずれかのＳ偏光成分の強度との相対値に基づいて、ウエハ表面に形成された被膜による誤差を補正する演算を行う演算手段と、
を具備するウエハ温度測定装置。
【請求項１４】
前記光照射手段が、時分割で動作する波長が４００ｎｍの光を発生する第１の光源と、波長が４００ｎｍより大きい光を発生する第２の光源とを含み、
前記受光手段が、受光した光をＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分離する分離手段と、前記分離手段により分離されたＰ偏光成分の強度を検出するための第１の光検出手段と、前記分離手段により分離されたＳ偏光成分の強度を検出するための第２の光検出手段とを含み、
前記演算手段が、（ｉ）第１の光検出手段により時分割で検出された波長が４００ｎｍ以下のＰ偏光成分の強度、（ii）波長が４００ｎｍより大きいＰ偏光成分の強度、及び、（iii）第２の光検出手段により時分割で検出された波長が４００ｎｍ以下のＳ偏光成分の強度と波長が４００ｎｍより大きいＳ偏光成分の強度との内の少なくとも１つに基づいて演算を行う、
請求項１３記載のウエハ温度測定装置。
【請求項１５】
前記光照射手段が、４００ｎｍ以下の波長成分及び４００ｎｍより大きい波長成分を含む光を発生する光源を含み、
前記受光手段が、受光した光を４００ｎｍ以下の波長成分と４００ｎｍより大きい波長成分とに分離する第１の分離手段と、前記分離手段によって分離された４００ｎｍ以下の波長成分及び４００ｎｍより大きい波長成分の各々をＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分離する複数の第２の分離手段と、前記複数の第２の分離手段によって分離された複数の成分の強度をそれぞれ検出する複数の光検出手段とを含み、
前記演算手段が、（ｉ）前記複数の光検出手段によってそれぞれ検出された波長が４００ｎｍ以下のＰ偏光成分の強度、（ii）波長が４００ｎｍより大きいＰ偏光成分の強度、及び、（iii）波長が４００ｎｍ以下のＳ偏光成分の強度と波長が４００ｎｍより大きいＳ偏光成分の強度との内の少なくとも１つに基づいて演算を行う、
請求項１３記載のウエハ温度測定装置。
【請求項１６】
前記光照射手段が、時分割で動作する波長が４００ｎｍの光を発生する第１の光源と、波長が４００ｎｍより大きい光を発生する第２の光源とを含み、
前記受光手段が、受光した光の偏光方向を所定の時間間隔で変化させる光変調手段と、所定の偏光成分を透過させる偏光素子と、前記光変調手段及び前記偏光素子を介して光を受光することにより、前記温度測定対象によって反射された光に含まれるＰ偏光成分及びＳ偏光成分の強度を時分割で検出する光検出手段とを含み、
前記演算手段が、（ｉ）前記光検出手段により時分割で検出された波長が４００ｎｍ以下のＰ偏光成分の強度、（ii）波長が４００ｎｍより大きいＰ偏光成分の強度、及び、（iii）波長が４００ｎｍ以下のＳ偏光成分の強度と波長が４００ｎｍより大きいＳ偏光成分との内の少なくとも１つに基づいて演算を行う、
請求項１３記載のウエハ温度測定装置。
【請求項１７】
温度測定対象であるウエハに照射された光の反射光に基づいてウエハ温度を測定する装置であって、
４００ｎｍ以下の波長成分を含む光、及び、４００ｎｍより大きい波長成分を含む光を、入射角がブリュースター角を含む所定の範囲内となるように前記温度測定対象に照射する光照射手段と、
前記温度測定対象により反射された光を受光し、波長が４００ｎｍ以下のＰ偏光成分の強度、及び、波長が４００ｎｍより大きいＰ偏光成分の強度を検出する受光手段と、
前記受光手段によって検出された、波長が４００ｎｍ以下のＰ偏光成分の強度、及び、波長が４００ｎｍより大きいＰ偏光成分の強度に基づいて、前記温度測定対象の温度を算出する演算手段と、
を具備するウエハ温度測定装置。
【請求項１８】
前記光照射手段が、入射角が４５°以上６０°以下となるように、４００ｎｍ以下の波長成分を含む光、及び、４００ｎｍより大きい波長成分を含む光を前記温度測定対象に照射する、請求項１７記載のウエハ温度測定装置。
【請求項１９】
波長が４００ｎｍ以下のＰ偏光成分を含む光、及び、波長が４００ｎｍ以下のＳ偏光成分又は波長が４００ｎｍより大きいＰ偏光成分若しくはＳ偏光成分を含む光を、入射角がブリュースター角より大きくなるように前記温度測定対象に照射する第２の光照射手段と、
前記第２の光照射手段によって照射された光が前記温度測定対象により反射された光を受光し、波長が４００ｎｍ以下のＰ偏光成分の強度、及び、波長が４００ｎｍ以下のＳ偏光成分又は波長が４００ｎｍより大きいＰ偏光成分若しくはＳ偏光成分の強度を検出する第２の受光手段と、
をさらに具備し、
前記演算手段が、前記第１の受光手段によって検出された、波長が４００ｎｍ以下のＰ偏光成分の強度、及び、波長が４００ｎｍより大きいＰ偏光成分の強度と、前記第２の受光手段によって検出された、波長が４００ｎｍ以下のＰ偏光成分の強度、及び、波長が４００ｎｍ以下のＳ偏光成分又は波長が４００ｎｍより大きいＰ偏光成分若しくはＳ偏光成分の強度とに基づいてウエハ温度を算出する、
請求項１７又は１８記載のウエハ温度測定装置。
【請求項２０】
前記第２の光照射手段が、入射角が６０°より大きくなるように、波長が４００ｎｍ以下のＰ偏光成分を含む光、及び、波長が４００ｎｍ以下のＳ偏光成分又は波長が４００ｎｍより大きいＰ偏光成分若しくはＳ偏光成分を含む光を前記温度測定対象に照射する、請求項１９記載のウエハ温度測定装置。
【請求項２１】
前記第１又は第２の光照射手段が、
紫外光を射出する光源装置と、
前記光源装置の動作を制御する駆動回路と、
前記光源装置から出射した紫外光源を透過させることにより平行ビームを形成するコリメートレンズと、
該平行ビームを分割することにより、該平行ビームの一部を前記温度測定対象に導くビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタにより前記温度測定対象に導かれた平行ビームを所定のタイミング又は周波数でチョップする光チョッパと、
前記ビームスプリッタによって分割された平行ビームの他の一部を検出する光検出器とを有する、請求項９〜２０のいずれか１項記載のウエハ温度測定装置。
【請求項２２】
前記受光手段が、
前記測定対象から反射された紫外光の内の所定の波長成分を透過させる波長選択フィルタと、
前記波長選択フィルタを透過した紫外光をＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分離する偏光ビームスプリッタと、
前記偏光ビームスプリッタによって分離されたＰ偏光成分を所定の位置に集光する第１の集光レンズと、
前記第１の集光レンズによって集光されたＰ偏光成分を検出する第１の光検出器と、
前記偏光ビームスプリッタによって分離されたＳ偏光成分を所定の位置に集光する第２の集光レンズと、前記第１の集光レンズによって集光されたＳ偏光成分を検出する第２の光検出器と、
を有する請求項９〜２１のいずれか１項記載のウエハ温度測定装置。
【請求項２３】
前記受光手段によって検出された少なくとも、前記反射光に含まれる波長が４００ｎｍ以下のＰ偏光成分の強度を表す信号を増幅する信号増幅器をさらに具備し、
前記演算手段が、前記信号増幅器によって増幅された信号に基づいて、前記温度測定多少の温度を算出する、
請求項９〜２２のいずれか１項記載のウエハ温度測定装置。
【請求項２４】
前記光照射手段から発生した光を前記温度測定対象に導く第１のプリズムと、
前記温度測定対象から反射された光を前記受光手段に導く第２のプリズムと、
をさらに具備する請求項９〜２３のいずれか１項記載のウエハ温度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造プロセスにおいてウエハの温度を制御するために用いられるウエハ温度測定方法及びウエハ温度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体デバイスの微細化に伴い、半導体製造プロセスにおいてウエハ温度を精密に制御することがますます重要になっている。
現在、ウエハ温度測定方法として主流となっているのは、放射温度計を用いる方法である。この測定方法は、測定対象物から発せられる熱放射光を検出することにより温度を測定する方法であり、ウエハに対して非接触で温度を測定することができる。この測定方法によれば、約３００℃以上の範囲においては精度良く温度測定することができるので、主に、８００℃〜１０００℃程度の高温プロセスにおいては採用されている。しかしながら、この測定方法においては、測定対象の温度が低くなるにつれて精度が加速度的に低下することが問題となっている。例えば、測定対象が２００℃以下になるとほとんど温度を計測することができなってしまう。その理由は、低温においては熱放射光の波長ピークが赤外領域となるのに対して、シリコン半導体はその領域において透明であるので、シリコン半導体からの熱放射光を検出し難くなるからである。
【０００３】
そのため、現状では、１００℃〜２００℃程度の低温プロセスにおいては、温度センサを測定対象であるウエハの近傍に配置することによってウエハ温度が測定されている。しかしながら、この測定方法においては、接触熱抵抗により、高い精度で温度測定できないことが問題となっている。例えば、液体中や固体中においては、測定対象であるウエハと温度センサとの接触が多少悪くても、液体や固体が熱伝導の役割を果たすので、ある程度の精度を維持することは可能である。しかしながら、大気中や真空中においては、そのような熱伝導は行われないので、接触熱抵抗が極めて大きな値となってしまう。また、ウエハごとに接触熱抵抗が異なることも、誤差が大きくなる一因となっている。
【０００４】
この他にも、様々なウエハ温度測定方法の研究が為されている。以下に、現在検討されているウエハ温度測定方法の特徴及び問題点について述べる。
（１）赤外透過率測定による方法
シリコン半導体は、約１．１μｍ付近の波長を有する光に対して急峻に透明となる。吸収特性におけるそのような波長領域は、吸収端と呼ばれている。吸収端は温度に応じて変化するので、赤外線の透過率を観察して吸収端を検出することにより、ウエハ温度を測定することができる。しかしながら、吸収端の波長は、温度だけではなく、シリコン半導体に含まれる不純物濃度等の他の要素にも依存している。そのため、様々な不純物濃度を有するシリコン半導体が通過する半導体製造プロセスにおいては、あまり実用的ではない。また、通常の半導体製造プロセスにおいては、ウエハ上にレジスト膜を塗布したり、他の材料を堆積させることが行われるが、ウエハに他の物質の膜が付着している場合には、吸収端を正確に検出できなくなってしまう。
【０００５】
（２）反射率測定による方法
物質の反射率は温度に応じて変化する。そこで、既知の強度を有する光をウエハに照射し、その反射光を検出して反射率を算出することにより、ウエハ温度を測定することができる。非特許文献１には、シリコン反射率の変化に基づいて温度を測定する方法が開示されている。しかしながら、このようなウエハ温度測定方法においては、温度による反射率の変化が非常に小さいために、精度の良い測定が困難であるという問題が生じている。
【０００６】
そのような問題を改善するために、特許文献１には、温度測定対象物表面の複数の波長の光に対する反射率を測定する測定工程と、該測定工程で測定された反射率の比を求める工程と、求めた反射率に基づいて温度測定対象物の温度を特定する工程とを備える温度測定方法が開示されている。また、その際には、４３０ｎｍ〜８００ｎｍの波長を有する光が用いられることが開示されている（第２頁）。しかしながら、複数の波長を有する光を用いることによっても、温度による反射率の変化は１０−５／℃程度であり、やはり温度係数が小さいので、精度を改善することは困難である。
【０００７】
（３）スペクトルピーク位置測定による方法
反射光スペクトルのピーク位置は、反射体である物質の温度に応じて変化する。また、シリコン半導体においては、直接遷移準位Ｅ１及びＥ２に対応する紫外領域の波長に反射光スペクトルのピークが現れる。そこで、反射光のスペクトルを観察してピーク位置を検出することにより、ウエハ温度を測定することができる。この測定方法においては、温度依存性の高い紫外光の偏光特性を利用しているので、使用されるスペクトラムアナライザの精度が高い場合には、精密な温度測定が可能である。しかしながら、そのようなスペクトラムアナライザは高価であるので、コストが上昇してしまうことが問題となっている。
【０００８】
関連する技術として、特許文献２には、シリコンデバイスの製造プロセスにおいて、ワークピースの温度を制御するために、ワークピース支持体と、紫外線光を含む偏光した光のビームをワークピース上へと照射する光源と、ワークピースから反射したビームを受けるスペクトル解析装置と、スペクトル解析装置から反射したビームのスペクトルを表す情報を受け、その情報からワークピースの温度を評価するコンピュータとを有するシリコンワークピースを処理する装置が開示されている。
【０００９】
また、特許文献３には、シリコンワークピークの温度を、低温を含む広い範囲で正確に測定するために、（ａ）スペクトルデータを温度の値に変換する変換システムを提供する工程と、光反射型温度計を用いて、上記シリコンワークピースの温度を測定する工程において、（ｉ）紫外線を含めた偏光ビームを、紫外線が上記ワークピースに向ける工程、（ｉｉ）上記スペクトル分析器を用いて上記ワークピースから反射した光のスペクトルを分析して、スペクトルデータを獲得する工程、（ｉｉｉ）上記変換システムを用いて、上記スペクトルデータを温度値に変換する工程とを含むシリコンワークピースの温度を測定する方法が開示されている。
【００１０】
ところで、通常、シリコンウエハの表面には酸化膜が自然に形成される。また、半導体製造プロセスにおいては、シリコンウエハの表面に様々な厚さの酸化膜を形成する場合がある。しかしながら、ウエハからの反射光に基づいてウエハ温度を測定する場合に、ウエハの表面に酸化膜が形成されていると、次のような問題が生じる。即ち、ウエハに光を照射することにより、酸化膜表面において光が反射したり、酸化膜表面とシリコン表面との間において光の多重反射が起こるので、光の干渉により反射強度が変化してしまう。このような望ましくない反射によって生じる反射強度の変動は、酸化膜の厚さに対して敏感であると共に、ウエハの種類等の物性によって異なっているので、ウエハの温度を正確に測定することができなくなってしまう。
【特許文献１】特開２００１−４４５２号公報
【特許文献２】特開２０００−２５９７号公報
【特許文献３】特開２０００−３５６５５４号公報
【非特許文献１】へラー（J.Heller）等、「波長６３３ｎｍ及び１０４７ｎｍにおける酸化被膜付きシリコン反射率の温度依存性（Temperature dependence of the reflectivity of silicon with surface oxide at wavelengths of 633 and 1047nm）」、アプライド・フィジックス・レタース（Applied Physics Letters）、１９９９年７月、第７５巻、第１号、ｐ．４３−４５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記の点に鑑み、本発明は、低温プロセスにおいてもウエハ温度をその場で（in situ）精度良く温度測定することができる非接触方式のウエハ温度測定方法、及び、それを用いたウエハ温度測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、本発明の１つの観点に係るウエハ温度測定方法は、波長が４００ｎｍ以下のＰ偏光成分を含む光を発生して、温度測定対象であるウエハに照射するステップ（ａ）と、温度測定対象によって反射された光を受光して、少なくとも、反射光に含まれる波長が４００ｎｍ以下のＰ偏光成分の強度を検出するステップ（ｂ）と、ステップ（ｂ）において検出された波長が４００ｎｍ以下のＰ偏光成分の強度に基づいて、温度測定対象の温度を算出するステップ（ｃ）とを具備する。
【００１３】
また、本発明の１つの観点に係るウエハ温度測定装置は、波長が４００ｎｍ以下のＰ偏光成分を含む光を発生して、温度測定対象であるウエハに照射する光照射手段と、温度測定対象によって反射された光を受光して、少なくとも、反射光に含まれる波長が４００ｎｍ以下のＰ偏光成分の強度を検出する受光手段と、該受光手段によって検出された波長が４００ｎｍ以下のＰ偏光成分の強度に基づいて、温度測定対象の温度を算出する演算手段とを具備する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、温度測定対象から反射された光の内で、波長が４００ｎｍ以下のＰ偏光成分を検出し、その強度に基づいて測定対象の温度を算出する。この紫外光のＰ偏光成分の反射強度においては、温度に対する依存性が、Ｓ偏光や可視光に比較して非常に大きい。従って、測定対象の温度を非接触で精度良く測定することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
まず、本発明の第１〜第９の実施形態に係るウエハ温度測定装置において用いられているウエハ温度測定方法の原理について説明する。
【００１６】
本発明においては、温度測定対象であるウエハにＰ偏光成分を含む紫外光（波長が４００ｎｍ以下の光）を入射させ、ウエハによって反射された反射光を検出することによりウエハ温度を測定する。
ここで、シリコン基板の反射強度の変化に基づいて温度を測定する試みはなされているが、一般には、可視光よりも長波長側しか検出光として用いられていない。しかしながら、エリソン（G. E. Ellison）等、「高温における１．７ｅＶから４．７ｅＶの間のシリコン光学関数（Optical functions of silicon between 1.7 and 4.7eV at elevated temperatures）」（フィジカル・レビューＢ（Physical Review B）、１９８３年６月１５日、第２７巻、第１２号）に記載されているように、シリコンの直接遷移準位であるＥ１を含む紫外領域においては、誘電関数が温度に応じて大きな変化を見せることは知られている。また、安達定雄（Sadao Adachi）、「シリコン及びゲルマニウムの誘電定数モデル（Model dielectric constants of Si and Ge）」（フィジカル・レビューＢ（Physical Review B）、１９８８年１２月１５日、第３８巻、第１８号）においては、シリコンの誘電関数についての計算モデルが提唱されている。
【００１７】
そこで、本願発明者らは、紫外領域におけるシリコン誘電関数の特性に注目して、光学的に温度を測定する方法を模索した。その際に、安達による計算モデルを用いて計算を行ったところ、紫外光のＰ偏光成分が、紫外光のＳ偏光成分及び可視光と比較して、大きな温度依存性を示すことを見出した。
【００１８】
図１は、シリコンに対するＰ偏光成分の反射強度の変化率を表すグラフであり、所定の温度のシリコンに対してＰ偏光成分を入射させ、その反射光について、分光器を用いて波長成分を分析することにより得られたものである。ここで、図１の縦軸に示す変化率とは、温度変化前の反射スペクトル強度を１とした場合に、温度を１０℃上昇させた後の反射スペクトル強度のことを示す。
【００１９】
図１に示すように、波長が４００ｎｍより大きい領域（可視領域）において、反射強度の変化率は１．００前後に留まっているため、試料（シリコン）の温度変化に対する反射強度の感度はあまり高くないと言える。それに対して、波長が４００ｎｍよりも短い紫外領域においては、変化率が１．００から大きく離れているため、試料の温度変化に対して反射強度が顕著に変化すると言える。特に変化の大きい波長領域（変化率が１から離れている波長領域であり、測定範囲内においては、３６０ｎｍ〜３７０ｎｍ付近、及び、２６０ｎｍ付近）においては、反射強度が２％以上変化していることを確認することができる。
【００２０】
また、図２は、シリコンウエハに対するＳ偏光成分の反射率を示しており、図３は、シリコンウエハに対するＰ偏光成分の反射率を示している。これらのグラフは、モデル誘電関数（ＭＤＦ：Model Dielectric Function）と、分光エリプソメトリによって実測されたＭＤＦのパラメータの温度特性とを用いて、所定の試料温度におけるＰ偏光成分及びＳ偏光成分のスペクトル強度を求めることによって得られたものである。図２及び図３において、実線は試料温度が２０℃である場合の反射率の変化を示しており、破線は試料温度が１００℃である場合の反射率の変化を示しており、一点鎖線は試料温度が２００℃である場合の反射率の変化を示している。
【００２１】
ここで、分光エリプソメトリとは、試料に対するＰ偏光成分の反射率と、Ｓ偏光成分の反射率の絶対値の比と、それらの位相変化の比とに基づいて、薄膜の厚さ及び屈折率を評価する方法のことである。また、ＭＤＦについては、安達、「単結晶材料のモデル誘電関数（ＭＤＦ）理論」、表面科学、第１８巻、第１１号、ｐ．６６９−６７５（１９９７年）を参照されたい。
【００２２】
図２に示すように、Ｓ偏光成分の反射率については、どの波長領域においても試料温度に応じた違いはあまり見られない。一方、図３に示すように、Ｐ偏光成分の反射率については、紫外領域において試料温度に応じた違いが現れている。特に、４００ｎｍ以下の領域において、試料温度に対するＰ偏光成分の反射率の変化が大きい。
【００２３】
そこで、本願発明者らは、紫外光のＰ偏光成分の反射強度が試料の温度変化に敏感であるという現象を利用し、紫外光のＰ偏光成分を含む光を試料に照射すると共に、試料から反射された紫外光のＰ偏光成分を検出することにより試料の温度を測定する方法及び装置を発明した。
【００２４】
以下に説明する第１〜第９の実施形態においては、温度測定のために、反射光スペクトルのピークが現れる直接遷移準位Ｅ１又はＥ２に対応する波長を含む紫外光を用いることが望ましい。例えば、シリコンの場合には、３７０ｎｍ付近に第１のピークが現れ、２５０ｎｍ付近に第２のピークが現れるので、１５０ｎｍ〜４００ｎｍ程度、望ましくは、２００ｎｍ〜４００ｎｍ程度、さらに望ましくは、３００ｎｍ〜４００ｎｍ程度の紫外線が用いられる。従って、以下の実施形態においては、高圧水銀ランプ、高圧水銀キセノンランプ、紫外発光ダイオード（ＬＥＤ）、紫外レーザダイオード（ＬＤ）等の１５０ｎｍ〜４００ｎｍ程度の紫外光を発生する光源装置が、装置の構成に応じて使用される。なお、波長の下限については、紫外光の波長が短くなるに従って受光側装置の劣化が激しくなり、また、波長が２００ｎｍ以下になるとＯ２による紫外光吸収が生じて検出精度が落ちてくるため、実用的な範囲として定めている。
【００２５】
図４は、本発明の第１の実施形態に係るウエハ温度測定装置の構成を示す模式図である。本実施形態に係るウエハ温度測定装置は、検出光として紫外光のＰ偏光成分を用い、参照光として、検出光と同じ波長を有する紫外光のＳ偏光成分を用いることにより、ウエハ１００の温度を測定する装置である。ここで、参照光としてＳ偏光成分を用いるのは、Ｓ偏光成分の反射光は温度依存性が比較的小さいので、参照光を用いることにより、検出光（Ｐ偏光成分）の検出精度を高くするためである。
【００２６】
図４に示すように、本実施形態に係るウエハ温度測定装置は、光源部１１０と、プリズム１２１及び１２２と、受光部１３０と、信号増幅器（ＡＭＰ）１４０と、信号処理部１５０とを含んでいる。
【００２７】
光源部１１０は、駆動回路（ＤＲ）１１１と、光源装置（ＬＳ）１１２と、コリメートレンズ１１３と、ビームスプリッタ１１４と、偏光素子（ポーラライザ）１１５と、光チョッパ１１６と、光検出器（ＰＤ）１１７とを含んでおり、ウエハ１００に照射する光を出射する。
駆動回路１１１は、光源装置１１２の動作を制御している。また、光源装置１１２は、例えば、波長が３６５ｎｍ付近の紫外光を発生する発光ダイオード（ＬＥＤ）である。ＬＥＤは、無偏光光を発生する光源装置である。
【００２８】
コリメートレンズ１１３は、光源装置１１２から出射した紫外光を透過させることにより平行ビームを形成する。ビームスプリッタ１１４は、入射光の一部を透過させることにより偏光素子１１５に導くと共に、残りの入射光を反射することにより光検出器１１７に導く。
偏光素子１１５は、ビームスプリッタ１１４を介して入射した紫外光を透過させることによって直線偏光させる。なお、光源装置１１２として、直線偏光した光を出射する光源（例えば、ＬＤ）を用いる場合には、偏光素子１１５を省略しても良い。
【００２９】
ここで、本実施形態においては、Ｐ偏光成分及びＳ偏光成分が、検出光及び参照光としてそれぞれ用いられるので、ウエハ１００によって反射された後の紫外光において、Ｐ偏光成分の強度とＳ偏光成分の強度とが同程度になっていることが望ましい。しかしながら、Ｓ偏光成分の反射率はＰ偏光成分の反射率よりも大きく、約３倍である。そのため、ウエハ１００に対する入射光においてＰ偏光成分の方が多くなるように、偏光方向を予め調節しておくことが望ましい。具体的には、ウエハ１００に対する入射光において、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分との比が３対１程度となるように、偏光素子１１５の角度を調節する。
【００３０】
光チョッパ１１６は、偏光素子１１５によって直線偏光させられた紫外光を所定のタイミング又は周波数でチョップすることにより、光源部１１０からの紫外光出射タイミングを制御する。また、光チョッパ１１６は、オン／オフ信号を信号増幅器１４０に出力する。
光検出器１１７は、ビームスプリッタ１１４によって反射された紫外光の強度を検出する。光検出器１１７からの出力信号は駆動回路１１１にフィードバックされて、光源装置１１２から出射する紫外光の光量調節のために用いられる。
【００３１】
プリズム１２１は、光源部１１０から出射した紫外光ＬＩの方向を変えることにより、ウエハ１００に紫外光ＬＩを入射させる。また、プリズム１２２は、ウエハ１００によって反射された紫外光ＬＲの方向を変えることにより、紫外光ＬＲを受光部１３０に導く。プリズム１２１及び１２２としては、プリズム内において入射光が全反射する全反射プリズムが用いられている。これは、偏光素子１１５によって直線偏光させられた光、及び、ウエハ１００からの反射光において、偏光面の回転等の偏光状態の変化が生じないようにするためである。また、プリズム１２１及び１２２は、光の入射面ａ及び出射面ｂが入射光及び出射光の光軸に対してそれぞれ垂直になるように位置及び角度が調節されている。それにより、プリズム１２１及び１２２への入射光及び出射光の偏光状態が変化するのを防いでいる。
【００３２】
受光部１３０は、波長選択フィルタ１３１と、偏光ビームスプリッタ１３２と、集光レンズ１３３及び１３５と、光検出器（ＰＤ）１３４及び１３６とを含んでおり、ウエハ１００によって反射された光を受光する。
波長選択フィルタ１３１は、光源装置１１２に対応して、３６５ｎｍ付近の波長成分を選択的に透過させるフィルタである。波長選択フィルタ１３１を設けることにより、ウエハ１００によって反射され、プリズム１２２を介して入射した紫外光ＬＲを受光部１３０内の後段に入射させ、それ以外の光をカットできるので、不要な光の混入を防いで検出精度を向上させることができる。
【００３３】
偏光ビームスプリッタ１３２は、例えば、グランレーザプリズムやウォラストンプリズムであり、偏光方向に応じて入射光を反射又は透過することにより、紫外光ＬＲをＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分離する。図４においては、偏光ビームスプリッタ１３２により、Ｐ偏光成分ＬＰは集光レンズ１３３の方向に導かれ、Ｓ偏光成分ＬＳは集光レンズ１３５の方向に導かれる。
【００３４】
集光レンズ１３３は、偏光ビームスプリッタ１３２によって分離されたＰ偏光成分ＬＰを集光して光検出器１３４に導く。この集光レンズ１３３を設けることにより、光路の位置や方向に多少の変動が生じた場合においても、その変動による影響を最小限にして、Ｐ偏光成分ＬＰを確実に光検出器１３４に入射させることができる。
【００３５】
光検出器１３４は、例えば、フォトダイオード（ＰＤ）等の光電変換素子を含んでおり、集光レンズ１３３によって集光されたＰ偏光成分（検出光）ＬＰを検出することにより、光の強度に応じた電気信号を生成する。この電気信号は、検出信号Ｙ１として受光部１３０から出力される。
【００３６】
集光レンズ１３５は、偏光ビームスプリッタ１３２によって分離されたＳ偏光成分ＬＳを集光して光検出器１３４に導く。集光レンズ１３５も、集光レンズ１３３と同様に、光路の変動による影響を低減するために設けられている。
光検出器１３６は、集光レンズ１３５によって集光されたＳ偏光成分（参照光）ＬＳを検出することにより、光の強度に応じた電気信号を生成する。この電気信号は、参照信号Ｙ２として受光部１３０から出力される。
【００３７】
これらの光源部１１０、プリズム１２１及び１２２、ウエハ１００、並びに、受光部１３０は、光源部１１０から出射した紫外光ＬＩがウエハ１００に入射する際に、入射角が３５°〜８５°程度となるように、位置及び角度関係が調節されている。ここで、入射角とは、ウエハ１００の反射面の法線と入射光との為す角度のことである。その理由は、入射角が小さくなるに従って、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分との間における反射率の差が小さくなるので、温度の測定精度が低下するからである。反対に、入射角が大きすぎる場合にはウエハ１００の見込み幅が紫外光ＬＩの光線の幅を上回ってしまい、紫外光ＬＩにケラレ（意図しない影が現れること）が発生してしまうからである。そのため、本実施形態においては、実用的な範囲として、入射角を３５°〜８５°程度としており、さらに望ましくは、６０°〜７５°程度としている。
【００３８】
信号増幅器１４０は、受光部１３０から出力された検出信号Ｙ１及び参照信号Ｙ２を増幅して信号処理部１５０に入力させる。その際に、信号増幅器１４０は、光チョッパ１１６から出力されたオン／オフ信号に基づいてロックイン動作することにより、検出光ＬＰ及び参照光ＬＳ以外の光に基づく信号が混入するのを防いでいる。なお、光検出器１３４及び１３６に検出光ＬＰ及び参照光ＬＳ以外の光信号が混入するするおそれがない場合には、信号増幅器１４０にロックイン動作させなくても良い。その場合には、光チョッパ１１６も不要となる。
【００３９】
信号処理部１５０は、ウエハ温度測定装置の各部を制御すると共に、検出信号Ｙ１及び参照信号Ｙ２に基づいて、ウエハ１００の温度を算出する。信号処理部１５０は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）によって構成しても良いし、マイコンチップ、ディジタルマルチメータ等を用いて構成しても良い。
【００４０】
次に、ウエハ１００の温度測定方法について、図５〜図７を参照しながら詳しく説明する。図５は、図４に示す信号処理部１５０の機能を説明するためのブロック図であり、図６は、パラメータの校正方法を示すフローチャートであり、図７は、温度の算出方法を示すフローチャートである。
【００４１】
ここで、本実施形態においては、ウエハ１００から反射されたＰ偏光成分等の強度を表す検出信号を所定の関数に代入することにより、ウエハ１００の温度が算出される。そのために、温度算出に先立って、使用される関数のパラメータが校正される。この校正は、ウエハ１００の温度測定を行う度に行っても良いし、定期的に行っても良い。
【００４２】
また、温度算出に用いられる関数ｆ（Ｙ）は、ｆ（Ｙ）＝ａＹ＋ｂ、ｆ（Ｙ）＝ａＹ２＋ｂＹ＋ｃ、…等の多項式になる。このような関数ｆ（Ｙ）は、図４に示す温度測定装置において、例えば、接触方式によりテスト用ウエハの温度を測定しながら検出光及び参照光を検出し、温度の実測値と検出信号Ｙ１及び参照信号Ｙ２とを用いて演算（例えば、回帰分析等）を行うことにより求められる。本実施形態においては、関数ｆ（Ｙ）＝ａＹ２＋ｂＹ＋ｃを用いて温度測定を行う。
【００４３】
図５に示すように、信号処理部１５０は、校正コントローラ１１と、ウエハ温度指示部１２と、校正データ格納部１３と、校正値計算部１４と、校正パラメータ格納部１５と、相対値計算部２１と、温度計算部２２と、温度信号出力部２３とを有している。図５において、破線は、パラメータの校正時における動作の流れを示しており、実線は、温度測定時における情報の流れを示している。
【００４４】
パラメータの校正を行う際には、まず、図６のステップＳ１１において、温度センサが備えられたテスト用ウエハ（温度センサ付きウエハ）が、温度測定装置のステージにセットされる。
次に、ステップＳ１２において、校正コントローラ１１（図５）は、校正用温度ＴＳを０℃に設定する。それに応じて、ウエハ温度指示部１２は、ステップＳ１３において、温度測定装置のステージ温度をＴＳ（＝０℃）に設定する。
【００４５】
次に、ステップＳ１４において、温度センサ付きウエハの温度Ｔと、このウエハから反射されたＰ偏光成分ＬＰの強度ＩＰと、Ｓ偏光成分ＬＳの強度ＩＳとを測定する。温度センサ付きウエハの温度Ｔは、校正データ格納部１３に格納される。また、光検出器１３４によって検出されたＰ偏光成分の強度ＩＰを表す検出信号Ｙ１は、信号増幅器１４０により増幅されて相対値計算部２１に入力される。一方、光検出器１３６によって検出されたＳ偏光成分の強度ＩＳを表す参照信号Ｙ２として、信号増幅器１４０により増幅されて相対値計算部２１に入力される。相対値計算部２１は、検出信号Ｙ１と参照信号Ｙ２と相対値Ｙ＝Ｙ１／Ｙ２を算出し、校正データ格納部１３に格納させる。この相対値Ｙは、Ｐ偏光成分の強度ＩＰとＳ偏光成分の強度ＩＳとの相対値を表している。
【００４６】
次に、ステップＳ１５において、校正コントローラ１１は、校正用温度ＴＳを２０℃上昇させた温度を計算する。そして、求められた校正用温度ＴＳが２００℃未満である場合には、ステップＳ１６において、再び、ステージ温度の設定、並びに、温度センサ付きウエハの温度Ｔ、Ｐ偏光成分の強度ＩＰ、及び、Ｓ偏光成分の強度ＩＳの測定を繰り返させる（ステップＳ１３〜Ｓ１６）。一方、校正用温度ＴＳが２００℃以上になった場合には、校正コントローラ１１は、これらの測定を終了させて、パラメータの校正値の算出を開始させる（ステップＳ１７）。
【００４７】
ステップＳ１７において、校正値計算部１４は、校正データ格納部１３に格納されている複数のウエハの温度Ｔと、それに対応する相対値Ｙ(＝Ｙ１／Ｙ２)を取得し、それらの値を関数Ｔ＝ｆ（Ｙ）＝ａＹ２＋ｂＹ＋ｃに代入することにより、複数の式を作成する。そして、それらの式を用いて、最小二乗法により、パラメータａ、ｂ、ｃを求める。これらの校正されたパラメータは、校正パラメータ格納部１５に格納される。
【００４８】
ウエハの温度を測定する際には、まず、図７のステップＳ２１において、ウエハ１００（図４）から反射されたＰ偏光成分ＬＰの強度ＩＰと、Ｓ偏光成分ＬＳの強度ＩＰとが測定される。Ｐ偏光成分の強度ＩＰを表す検出信号Ｙ１は、信号増幅器１４０により増幅されて相対値計算部２１に入力される。また、Ｓ偏光成分の強度ＩＳを表す参照信号Ｙ２は、信号増幅器１４０により増幅されて相対値計算部２１に入力される。
【００４９】
次に、ステップＳ２２において、相対値計算部２１は、Ｐ偏光成分の強度ＩＰとＳ偏光成分の強度ＩＳとの相対値Ｙ（＝Ｙ１／Ｙ２）を算出する。ステップＳ２３において、温度計算部２２は、校正パラメータ格納部１５から校正されたパラメータａ、ｂ、ｃを取得し、関数Ｔ＝ｆ（Ｙ）＝ａＹ２＋ｂＹ＋ｃと、相対値計算部２１によって算出された相対値Ｙとを用いて、ウエハ１００の温度Ｔを算出する。
【００５０】
ステップＳ２４において、温度信号出力部２３は、算出された温度Ｔを表す信号をモニタ等に出力することにより、温度Ｔを表示させる。そして、更に温度測定を継続する場合には（ステップＳ２５）、再び、Ｐ偏光成分の強度ＩＰ及びＳ偏光成分の強度ＩＳが測定される。
【００５１】
以上の説明においては、相対値Ｙとして、検出信号Ｙ１と参照信号Ｙ２との単純な比Ｙ１／Ｙ２を用いたが、オフセットを取った後の値の比（Ｙ１−α）／（Ｙ２−α）を用いても良い。また、適切な関数を用いることにより相対値を求めても良い。例えば、相対値Ｙを、Ｙ＝（ａＹ１２＋ｂＹ１＋ｃ）／（ａＹ２２＋ｂＹ２＋ｃ）により求めても良い。
【００５２】
また、検出信号Ｙ１と参照信号Ｙ２との相対値Ｙを用いて温度を算出する替わりに、検出信号Ｙ１及び参照信号Ｙ２を変数とする関数ｇ（Ｙ１，Ｙ２）を用いて、温度を直接算出しても良い。この関数ｇ（Ｙ１，Ｙ２）及びそのパラメータも、関数ｆ（Ｙ）の場合と同様に、接触方式により得られた温度の実測値を用いることにより求めることができる。
【００５３】
以上説明した本実施形態においては、検出光（Ｐ偏光成分ＬＰ）及び参照光（Ｓ偏光成分ＬＳ）は、受光部１３０に入射するまで同一の光路を取る。そのため、温度測定対象であるウエハ１００の傾きに起因する光路の変動や、光路中における気体の熱的擾乱等の影響は、分離される直前まで検出光と参照光とにおいて同一となる。従って、検出光と参照光との相対値（例えば、両者の比）を取ることにより、そのような影響をキャンセルできるという利点がある。それにより、他の方法（例えば、ウエハ１００への入射光と反射光との比である反射率を用いる方法）よりも高い精度で温度測定を行うことができる。
【００５４】
本実施形態において、ウエハ温度を簡易に測定する場合には、検出光（Ｐ偏光成分）の強度のみを用いても良い。この場合には、図４に示す受光部１３０の光検出器１３４から出力された検出信号Ｙ１を、所定の式を用いて温度に換算すれば良い。先にも述べたように、紫外光のＰ偏光成分の反射強度は、試料の温度変化に対して敏感なので、参照光を用いることなくウエハ温度を測定することも可能である。
【００５５】
次に、本発明の第２の実施形態に係るウエハ温度測定装置について説明する。図８は、本実施形態に係るウエハ温度測定装置の構成を示す模式図である。本実施形態においては、検出光として紫外光のＰ偏光成分を用い、参照光として、検出光とは波長が異なるＳ偏光成分を用いることによりウエハ１００の温度を測定する。参照光としては、反射強度の温度依存性が比較的低い可視光を用いることが望ましい。
【００５６】
図８に示すように、本実施形態に係るウエハ温度測定装置は、光源部２１０と、プリズム１２１及び１２２と、受光部２３０と、信号増幅器１４０と、信号処理部１５０とを含んでいる。プリズム１２１及び１２２、信号増幅器１４０、並びに、信号処理部１５０の構成及び動作については、図４に示すウエハ温度測定装置におけるものと同様である。
【００５７】
光源部２１０は、駆動回路（ＤＲ）２１１及び２１６と、光源装置（ＬＳ）２１２及び２１７と、コリメートレンズ２１３及び２１８と、ビームスプリッタ２１４及び２１９と、光検出器（ＰＤ）２１５及び２２０と、偏光ビームスプリッタ２２１と、光チョッパ２２２と、光量比較部（ＣＭＰ）２２３とを含んでいる。
駆動回路２１１は、光源装置２１２の動作を制御している。また、光源装置２１２は、例えば、波長が３６５ｎｍ付近の紫外光を発生するＬＤである。ＬＤは、直線偏光された光を出射する。
【００５８】
コリメートレンズ２１３は、光源装置２１２から出射した紫外光ＬＵＶを透過させることにより、平行ビームを形成する。ビームスプリッタ２１４は、入射光の一部を透過させることにより偏光ビームスプリッタ２２１に導くと共に、残りの入射光を反射して光検出器２１５に導く。光検出器２１５からの出力信号は駆動回路２１１にフィードバックされて、光源装置２１２から出射する紫外光の光量調節のために用いられる。
【００５９】
一方、駆動回路２１６は、光源装置２１７の動作を制御している。また、光源装置２１７は、光源装置２１２の出射光とは波長が異なる光を出射する光源装置である。光源装置２１７から出射する光は、紫外光でも良いし可視光でも良い。本実施形態においては、波長が６５０ｎｍ付近の可視光ＬＶＳを出射するＬＤが用いられている。
【００６０】
コリメートレンズ２１８は、光源装置２１７から出射した光ＬＶＳを透過させることにより、平行ビームを形成する。ビームスプリッタ２１９は、入射光の一部を透過させることにより偏光ビームスプリッタ２２１に導くと共に、残りの入射光を反射して光検出器２２０に導く。光検出器２２０からの出力信号は駆動回路２１６にフィードバックされて、光源装置２１７から出射する光の光量調節のために用いられる。
【００６１】
偏光ビームスプリッタ２２１は、入射したＰ偏光成分をそのまま透過させると共に、Ｓ偏光成分を反射して光路を変化させる。
ここで、本実施形態においては、光源装置２１２から出射した紫外光ＬＵＶのＰ偏光成分が検出光として用いられ、光源装置２１７から出射した可視光ＬＶＳのＳ偏光成分が参照光として用いられる。そのため、光源部２１０内の光学系は、紫外光ＬＵＶが偏光ビームスプリッタ２２１に対してＰ偏光の状態で入射し、可視光ＬＶＳが偏光ビームスプリッタ２２１に対してＳ偏光の状態で入射するように、位置及び角度が調節されている。それにより、紫外光のＰ偏光成分と可視光のＳ偏光成分とが混合された光ビームが形成されて、光チョッパ２２２の方向に導かれる。
【００６２】
光チョッパ２２２は、偏光ビームスプリッタ２２１によって形成された光ビームを所定のタイミング又は周波数でチョップすることにより、光源部２１０からの光出射タイミングを制御する。また、光チョッパ２２２から出力されたオン／オフ信号は、信号増幅器１４０に入力され、信号増幅器１４０におけるロックイン動作のために用いられる。
【００６３】
光量比較部２２３は、光検出器２１５及び２２０からの出力信号に基づいて、光源装置２１２及び２１７からそれぞれ出射された光の光量比を求め、光量比を表す信号を信号処理部１５０に出力する。この光量比を表す信号は、算出されたウエハ温度を補正する際に用いられる。
【００６４】
ここで、光源部２１０、プリズム１２１及び１２２、ウエハ１００、並びに、受光部２３０は、光源部２１０から出射した光ビームに含まれる紫外光ＬＵＶがＰ偏光の状態でウエハ１００に入射すると共に、可視光ＬＶＳがＳ偏光の状態でウエハ１００に入射するように、位置及び角度が調節されている。また、ウエハ１００への入射角については、第１の実施形態において説明したのと同様に、３５°〜８５°とすることが望ましい。
【００６５】
受光部２３０は、偏光ビームスプリッタ２３１と、波長選択フィルタ２３２及び２３５と、集光レンズ２３３及び２３６と、光検出器（ＰＤ）２３４及び２３７とを含んでいる。
偏光ビームスプリッタ２３１は、ウエハ１００からプリズム１２２を介して受光部に入射した反射光ＬＲを、偏光方向に応じて反射又は透過させることにより、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とに分離する。偏光ビームスプリッタ２３１によって分離された紫外光のＰ偏光成分ＬＵＶＰは、波長選択フィルタ２３２を透過することによって波長選択フィルタ２３２の方向に導かれ、可視光のＳ偏光成分ＬＶＳＳは、波長選択フィルタ２３２により反射されて波長選択フィルタ２３５の方向に導かれる。
【００６６】
波長選択フィルタ２３２は、光源装置２１２に対応して、３６５ｎｍ付近の波長成分を選択的に透過させるフィルタである。波長選択フィルタ２３２は、不要な外乱光が後段に混入するのを防止するために設けられている。集光レンズ２３３は、波長選択フィルタ２３２を透過した紫外光のＰ偏光成分ＬＵＶＰを集光して光検出器２３４に導く。光検出器２３４は、このＰ偏光成分ＬＵＶＰを検出し、光の強度に応じた電気信号（検出信号Ｙ１）を生成して出力する。
【００６７】
一方、波長選択フィルタ２３５は、光源装置２１７に対応して、６５０ｎｍ付近の波長成分を選択的に透過させるフィルタである。集光レンズ２３６は、波長選択フィルタ２３４を透過した可視光のＳ偏光成分ＬＶＳＳを集光して光検出器２３７に導く。光検出器２３７は、このＳ偏光成分ＬＶＳＳを検出し、光の強度に応じた電気信号（参照信号Ｙ２）を生成して出力する。
【００６８】
信号処理部１５０においては、信号増幅器１４０を介して入力された検出信号Ｙ１及び参照信号Ｙ２に基づいて、ウエハ１００の温度が算出される。この算出方法については、第１の実施形態において説明したのと同様である。その際には、光源部２１０の光量比較部２２３から出力された光量比を表す信号に基づいて、検出信号Ｙ１及び参照信号Ｙ２の信号強度が補正される。
【００６９】
以上説明した本実施形態においては、互いに異なる波長を有する光ＬＵＶ及びＬＶＳを混合する際、及び、ウエハ１００からの反射光をＰ偏光成分ＬＵＶＰとＳ偏光成分ＬＶＳＳとに分離する際に、偏光ビームスプリッタを用いているが、それ以外の光学素子や光学機器等を用いても構わない。例えば、図８に示す偏光ビームスプリッタ２２１の替わりに、波長応じて光を反射又は透過するダイクロイックミラーを利用しても良い。この場合には、光源装置２１７から出射される可視光ＬＶＳのダイクロイックミラーに対する偏光方向は、Ｓ偏光でなくても構わない。
【００７０】
本実施形態においては、異なる光源装置２１２及び２１７から出射した光を一旦混合させるので、検出光ＬＵＶＰと参照光ＬＶＳＳとは、受光部２３０の偏光ビームスプリッタ２３１によって分離されるまで同一の光路を通る。そのため、検出光と参照光との相対値を取ることにより、光路の変動等の影響をキャンセルできるので、精度の高い温度測定を行うことが可能となる。
【００７１】
次に、本発明の第３の実施形態に係るウエハ温度測定装置について説明する。図９は、本実施形態に係るウエハ温度測定装置の構成を示す模式図である。このウエハ温度測定装置は、検出光として紫外光のＰ偏光成分を用い、参照光として、検出光と同じ波長を有する紫外光のＳ偏光成分を用いることによりウエハ１００の温度を測定する装置である。
【００７２】
図９に示すように、本実施形態に係るウエハ温度測定装置は、光源部３１０と、チャンバ３２０と、受光部３３０と、信号増幅器１４０と、信号処理部１５０と、支持部３４０と、メカニカルステージ３４１と、オートコリメータ３４２と、メカニカルステージ駆動部３４３とを含んでいる。信号増幅器１４０及び信号処理部１５０の構成及び動作については、図４に示すウエハ温度測定装置におけるものと同様である。
【００７３】
光源部３１０は、駆動回路（ＤＲ）３１１と、光源装置（ＬＳ）３１２と、コリメートレンズ３１３と、波長選択フィルタ３１４とを含んでいる。
駆動回路３１１は、光源装置３１２の動作を制御している。また、光源装置３１２は、例えば、水銀輝線である３６５ｎｍ付近の波長成分を含む紫外光を発生する高圧水銀ランプ又は水銀キセノンランプである。或いは、波長が３７５ｎｍ付近の紫外光を発生するＬＥＤを用いても良い。これらの光源は、非偏光光を発生する。
【００７４】
或いは、光源装置３１２として、紫外レーザ等のように、偏光光を発生する光源を用いても良い。その場合には、ウエハ１００からの反射光においてＰ偏光成分とＳ偏光成分とが同程度になるように、ウエハ１００に対する入射光において、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分との比が３対１程度となるように、偏光方向を調節することが望ましい。
【００７５】
コリメートレンズ３１３は、光源装置３１２から出射した紫外光を透過させることにより、平行ビームを形成する。波長選択フィルタ３１４は、コリメートレンズ３１３を透過した平行ビームについて、３６５ｎｍ付近の波長成分を切り出して透過させるバンドパスフィルタである。
【００７６】
チャンバ３２０内には、半導体製造プロセスにおいてウエハ１００を所定の温度に維持するためのヒータ３２２及び３２３が設けられている。ウエハ温度を測定するために用いられる光は、窓３２１を通ってチャンバ３２０内に導入され、ヒータ３２２及び３２３内にそれぞれ形成されている光路用通路３１及び３４を通過し、窓３２４を通ってチャンバ３２０外に導出される。
【００７７】
ヒータ３２２内に設けられている光路用通路３１は、ヒータ３２２に空孔を形成し、その両端に窓３２及び３３を配置することによって形成されている。同様に、ヒータ３２３内の光路用通路３４は、ヒータ３２３に空孔を形成し、その両端に窓３５及び３６を配置することによって形成されている。これらの窓３２、３３、３５、３６、及び、チャンバ３２０の窓３２１及び３２６は、そこを通過する入射光ＬＵＶ及び反射光ＬＲに対して垂直又はほぼ垂直になるように配置されている。その理由は、窓等の境界面にわずかでも不純物が付着していたり、温度変化が生じている場合には、そこを通過する光の透過率が変化してしまうが、境界面に対して光が垂直に入射する限り、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分との比は保たれるからである。
さらに、窓３２１と窓３２との間、及び、窓３６と窓３２４との間には、不純物付着防止用カバー３２５及び３２６がそれぞれ設けられている。
【００７８】
受光部３３０は、ウォラストンプリズム３３１と、積分球３３２及び３３５と、光検出器（ＰＤ）３３３及び３３６と、ビームスプリッタ３３４と、位置検出センサ３３７とを含んでいる。
ウォラストンプリズム３３１は、垂直に直交する直線偏光を分岐する偏光プリズムであり、ウエハ１００からの反射光ＬＲをＰ偏光成分ＬＰとＳ偏光成分ＬＳとに分離して、積分球３３２及びビームスプリッタ３３４の方向にそれぞれ導く。
【００７９】
積分球３３２及び３３５は、入射光用、検出器用等の開口を備えており、光を拡散する材料が内面全面に塗布されている中空の球である。積分球３３２及び３３５の検出器用開口には、光検出器３３３及び３３６がそれぞれ配置されており、積分球に入射した光は、入射する際の向きにかかわらず、光検出器３３３及び３３６の検出面に導かれる。
【００８０】
このような積分球３３２及び３３５を使用する理由は次の通りである。例えば、温度変化による熱膨張等の影響により、ウエハ１００から光検出器３３３及び３３６までの光路に変動が生じる場合がある。そのような場合に、光検出器の検出面に対して入射光の位置ズレが生じると、検出面における光感度の不均一性等の理由によって、光の検出強度が変化してしまうおそれがある。仮に、そのような変化が検出光（Ｐ偏光成分）と参照光（Ｓ偏光成分）との間において等しければ、それらの比を取ることにより誤差をキャンセルすることができる。しかしながら、ウォラストンプリズム３３１によって検出光と参照光とに分離された後にそのような変化が生じた場合には、変化の違いが温度の測定精度に現れてしまう。そのため、本実施形態においては、光検出器３３３及び３３６の前段に積分球３３２及び３３５を配置することにより、光路の変動による影響を最小限に抑えている。
【００８１】
ウォラストンプリズム３３１によって分離された紫外光のＰ偏光成分ＬＰは、積分球３３２を介して光検出器３３３に入射する。光検出器３３３は、入射した光を検出し、光の強度に応じた電気信号を検出信号Ｙ１として出力する。
【００８２】
また、ウォラストンプリズム３３１によって分離された紫外光のＳ偏光成分ＬＳは、ビームスプリッタ３３４によって２つの方向に分離される。分離された一方のＳ偏光成分ＬＳは、積分球３３５を介して光検出器３３６に入射する。光検出器３３６は、入射した光の強度を検出し、光の強度に応じた電気信号を参照信号Ｙ２として出力する。また、ビームスプリッタ３３４によって分離された他方のＳ偏光成分は、位置検出センサ３３７に入射する。位置検出センサ３３７は、入射光に基づいて、その入射光の位置ズレを検出して検出信号を出力する。信号処理部１５０は、信号増幅器１４０を介して入力された検出信号Ｙ１及び参照信号Ｙ２に基づいてウエハ１００の温度を算出すると共に、位置検出センサ３３７から出力された検出信号に基づいて、ウエハ１００と受光ユニット３３０との相対位置の位置ズレを算出し、さらに、受光ユニット３３０位置の補正量を求める。
【００８３】
支持部３４０は、インバー（低膨張合金）や多結晶ガラスのように、熱膨張係数が非常に小さい材料によって形成されており、光源部３１０と受光部３３０とを、互いの位置関係を維持するように支持している。また、支持部３４０には、メカニカルステージ３４１と、オートコリメータユニット３４２と、メカニカルステージ駆動部（ＭＴＤ）３４３とが備えられている。
【００８４】
メカニカルステージ３４１は、支持部３４０について、上下方向（ウエハ１００との距離方向）の位置調節、及び、傾き方向の２軸の角度調節を行う。それにより、光源部３１０から出射してウエハ１００に入射する紫外光ＬＵＶの位置及び角度、並びに、ウエハ１００から反射されて受光部３３０に受光される反射光ＬＲの位置及び角度が調整される。
【００８５】
オートコリメータユニット３４２は、チャンバ３２０に設けられている窓３２７を介してウエハ１００に光を照射し、ウエハ１００によって反射された光の位置及び角度を検出して検出信号を信号処理部１５０に出力する。信号処理部１５０は、この検出信号に基づいて、ウエハ１００に対する支持部３４０の位置及び角度のズレを算出し、さらに、支持部３４０の補正量を求める。
【００８６】
メカニカルステージ駆動部３４３は、オートコリメータユニット３４２の検出信号に基づいて算出された補正量と、位置検出センサ３３７の検出信号に基づいて算出された補正量とに基づいてメカニカルステージ３４１を制御することにより、光源部３１０及び受光部３３０とウエハ１００との位置合わせを行う。
【００８７】
以上説明した本実施形態においては、光源装置３１２として高圧水銀ランプ等を用いることにより、ウエハ１００に非偏光光を入射させている。しかしながら、光源部３１０の内部、又は、チャンバ３２０の前段に偏光素子を挿入することにより、偏光光をウエハ１００に入射させるようにしても良い。その場合には、先にも述べたように、ウエハ１００からの反射光においてＰ偏光成分とＳ偏光成分とが同程度になるように、ウエハ１００に対する入射光において、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分との比が３対１程度となるように、挿入される偏光素子の角度を調節する。
【００８８】
図１０は、本発明の第３の実施形態に係るウエハ温度測定装置の変形例を説明するための図である。図９に示すウエハ温度測定装置においては、図９に示す入射窓３２〜出射窓３３及び入射窓３５〜出射窓３６を含む光路用通路の替わりに、図１０に示すように、周囲にヒータ３５１が形成されたロッド３５０を配置しても良い。ロッド３５０は、石英等の紫外線を透過させる材料によって作製されている。このようなロッド３５０を用いることにより、光路の途中（例えば、窓３２の両端面）に不純物が付着したり、光路における環境変化（例えば、気体の熱擾乱等）を抑制することができるので、そこを通過する紫外光に含まれるＰ偏光成分とＳ偏光成分との比が変動するのを防ぐことができる。
【００８９】
次に、本発明の第４の実施形態に係るウエハ温度測定装置について説明する。図１１は、本実施形態に係るウエハ温度測定装置の構成を示す模式図である。このウエハ温度測定装置は、検出光としてＰ偏光成分を含む紫外光を用い、参照光としてＳ偏光成分を含む紫外光を用いると共に、ウエハ１００への入射光とウエハ１００からの反射光とにおいて同一の光路を取ることを特徴としている。
【００９０】
図１１に示すように、本実施形態に係るウエハ温度測定装置は、駆動回路（ＤＲ）４０１と、光源装置（ＬＳ）４０２と、コリメートレンズ４０３と、アパーチャ（開口部）４０４と、分光部４０５と、反射素子４０６と、光変調器４０７と、偏光素子４０８と、集光レンズ４０９と、積分球４１０と、光検出器（ＰＤ）４１１と、光変調器駆動部（ＰＣＤ）４１２と、信号増幅器１４０と、信号処理部１５０とを含んでいる。信号増幅器１４０及び信号処理部１５０の動作については、図４に示すウエハ温度測定装置におけるものと同様である。
【００９１】
駆動回路４０１は、光源装置４０２を制御している。また、光源装置４０２は、例えば、水銀輝線である３６５ｎｍ付近の波長成分を含む紫外光を発生する高圧水銀ランプ又は水銀キセノンランプである。或いは、光源装置４０２として、波長が３７５ｎｍ付近の紫外光を発生するＬＥＤを用いても良い。これらの光源装置は非偏光光を発生する光源であるが、光源装置４０２の後段に偏光素子を設けることにより偏光光を出射するようにしても良いし、偏光光を発生する光源装置を用いるようにしても良い。これら場合には、第３の実施形態において説明したのと同様に、ウエハ１００への入射光においてＰ偏光成分とＳ偏光成分とが所定の比率となるように、偏光方向を調節する必要がある。
【００９２】
コリメートレンズ４０３は、光源装置４０２から出射した紫外光を透過させることにより、平行ビームを形成する。また、アパーチャ４０４は、平行ビームを通過させることにより、所定の径を有するビームを形成する。
【００９３】
分光部４０５は、同一の材料によって形成されていると共に、近接して配置されることにより、熱的に同一の環境下に置かれている複数のビームスプリッタ４１〜４３を有している。ビームスプリッタ４１〜４３の各々は、第１の方向から入射した光を第２の方向に通過させると共に、第２の方向から戻ってくる反射光を第１の方向とは別の第３の方向に通過させる。また、ビームスプリッタ４１とビームスプリッタ４２とは、光軸を回転軸として互いに９０°を為すように配置されており、ビームスプリッタ４２とビームスプリッタ４３とは、光軸を回転軸として互いに９０°を為すように配置されている。このような分光部４０５に、光源装置４０２から出射してコリメートレンズ４０３及びアパーチャ４０４を通過した光を導入すると、その光は、ビームスプリッタ４１及び４２を透過してウエハ１００の方向に導かれる。また、ウエハ１００からの戻り光は、ビームスプリッタ４２及び４３によって反射され、光変調器４０７の方向に導かれる。
【００９４】
このように複数のビームスプリッタ４１〜４３を配置することの利点は次の通りである。一般に、ビームスプリッタ等の光学素子は偏光依存性を有しているため、光を反射又は透過させることにより、反射又は透過後の光において偏光状態（Ｐ偏光成分とＳ偏光成分との比）が変化してしまう。そこで、本実施形態においては、次のような原理に基づいて偏光状態の変化を防いでいる。
【００９５】
ビームスプリッタ４１におけるＰ偏光成分の透過率をＴＰ、Ｓ偏光成分の透過率ＴＳとすると、それに対して９０°回転している配置されているビームスプリッタ４２において、Ｐ偏光成分の透過率ＴＰ'及びＳ偏光成分の透過率ＴＳ'は、ＴＰ'＝ＴＳ、及び、ＴＳ'＝ＴＰとなる。
【００９６】
また、ビームスプリッタ４１に入射する光のＰ偏光成分の強度をＩＰ、Ｓ偏光成分の強度をＩＳとすると、それらの偏光成分の強度は、ビームスプリッタ４１を透過することにより、ＩＰ×ＴＰ（Ｐ偏光成分）、ＩＳ×ＴＳ（Ｓ偏光成分）に変化する。そのような光に、ビームスプリッタ４２をさらに透過させると、透過後の光の強度は次のように変化する。
Ｐ偏光成分：ＩＰ×ＴＰ×ＴＰ'＝ＩＰ×ＴＰ×ＴＳ
Ｓ偏光成分：ＩＳ×ＴＳ×ＴＳ'＝ＩＳ×ＴＳ×ＴＰ
結局、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分との比は、ビームスプリッタ４１に入射する前と、ビームスプリッタ４２を透過した後とにおいて変化しない。
【００９７】
また、ビームスプリッタ４２のＰ偏光成分の反射率をＲＰ、Ｓ偏光成分の反射率をＲＳとすると、それに対して９０°回転して配置されているビームスプリッタ４３において、Ｐ偏光成分の反射率ＲＰ'及びＳ偏光成分の反射率ＲＳ'は、ＲＰ'＝ＲＳ、及び、ＲＳ'＝ＲＰとなる。そのため、ウエハ１００からの戻り光は、ビームスプリッタ４２及び４３から反射されることにより、次のように変化する。ここで、ウエハ１００からの戻り光におけるＰ偏光成分の強度をＩＰ'、Ｓ偏光成分の強度をＩＳ'とする。
Ｐ偏光成分：ＩＰ'×ＲＰ×ＲＰ'＝ＩＰ'×ＲＰ×ＲＳ
Ｓ偏光成分：ＩＳ'×ＲＳ×ＲＳ'＝ＩＳ'×ＲＳ×ＲＰ
やはり、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分との比は、ビームスプリッタ４２に入射する前と、ビームスプリッタ４３によって反射された後とにおいて変化しない。
さらに、ビームスプリッタ４１〜４３を近接して熱的に同一の環境下におくことにより、それらの偏光依存性が揃えられるので、偏光状態の変化が効果的に抑制される。
【００９８】
反射素子４０６は、分光部４０５の方向からウエハ１００に入射し、ウエハ１００によって反射された光をさらに反射することにより、再度ウエハ１００に入射させる。反射素子４０６としては、全反射ミラーや直角プリズムやコーナーキューブプリズム等が用いられる。その内でも、コーナーキューブプリズムは、直交する３面の内部全反射を利用することにより、入射方向にかかわらず、入射光を入射方向に向けて１８０°折り返すことができるため、ウエハ１００の変形等によって生じた入射角の変化に対応できるので望ましい。
【００９９】
光変調器４０７は、例えば、ポッケルスセルによって形成されており、供給される電気信号に応じて、そこを透過する光の偏光方向を変化させる。ここで、ポッケルスセルとは、結晶に電界を印加することにより結晶の屈折率や異方性が変化するというＥＯ効果（electro optic：電気光学効果）を利用した光学素子である。ポッケルスセルに印加される電界を制御することにより、それを透過する光の偏光面を所望の角度（例えば、９０°）だけ回転させることができる。このような光変調器４０７の動作は、光変調器駆動部４１３から供給される電気信号によって制御されている。
【０１００】
偏光素子４０８は、光変調器４０６を透過した光に含まれる所定の偏光成分を透過させる。本実施形態において、偏光素子４０８は、偏光素子４０８に対してＰ偏光で入射する成分を透過する。
集光レンズ４０９は、偏光素子４０８を透過した光を集光して積分球４１０に入射させる。また、積分球４１０は、その入射光を光検出器４１１の検出面に導く。これらの集光レンズ４０９及び積分球４１０は、温度による光路変化等に起因して検出信号の強度が変化するのを抑制するために設けられている。さらに、光検出器４１１は、入射光を検出して、光の強度に応じた電気信号を出力する。
【０１０１】
光変調器駆動部４１２は、信号処理部１５０の制御の下で、光変調器４０７を活性化させるための電気信号を所定の間隔で発生し、光変調器４０７に供給する。
光変調器４０７が非活性状態にある場合に、ウエハ１００から反射され、分光部４０５を介して光変調器４０７に入射した光は、偏光方向を変えられることなく、光変調器４０７をそのまま透過する。それにより、ウエハ１００からの反射光に含まれるＰ偏光成分は、偏光素子４０８を透過する。一方、光変調器４０７が活性化されている場合に、ウエハ１００からの反射光は、光変調器４０７によって偏光方向を９０°回転させられる。それにより、偏光方向の回転後のＰ偏光成分（即ち、ウエハ１００からの反射光に含まれるＳ偏光成分）が、偏光素子４０８を透過する。このように、光変調器４０７の活性状態を切り換えることにより、ウエハ１００からの反射光に含まれるＰ偏光成分とＳ偏光成分とが集光レンズ４０９及び積分球４１０を介して、信号検出器４１１によって交互に検出される。それにより、Ｐ偏光成分を表す信号（検出信号Ｙ１）とＳ偏光成分（参照信号Ｙ２）を表す信号とが、信号処理部１５０に時分割で入力される。
【０１０２】
信号処理部１５０は、光変調器駆動部４１２による信号発生タイミングに同期して信号増幅器１４０から検出信号の取り込みを行う。そして、光変調器４０７が非活性状態にあるときに検出された信号（検出信号Ｙ１）と、光変調器４０７が活性化されているときに検出された信号（を参照信号Ｙ２）とに基づいて、ウエハ１００の温度を算出する。温度の算出方法については、第１の実施形態において説明したのと同様である。
【０１０３】
以上説明したように、本実施形態によれば、ウエハ１００によって２回反射された反射光に基づいてウエハ温度を測定するので、１回反射された反射光を用いる場合に比較して２倍の感度を得ることができる。また、検出光と参照光とは、光源装置４０２から出射してから光検出器４１１によって検出されるまで同一の光路を取るので、光路の変動等によって生じる誤差を高い精度でキャンセルすることができる。なお、反射プリズム４０６等の光学系をさらに設けることにより、ウエハ１００によって３回以上反射された反射光に基づいてウエハ温度を測定しても良い。
【０１０４】
次に、本発明の第５の実施形態に係るウエハ温度測定装置について説明する。
ここで、以下に説明する第５〜第８の実施形態に係るウエハ温度測定装置は、温度測定対象の表面状態（例えば、シリコンウエハに酸化膜が形成されている場合）にかかわらず、低温プロセスにおいてもウエハ温度をその場で（in situ）精度良く温度測定するためのものである。
【０１０５】
先に図１〜図３を参照しながら説明したように、本願発明者らは、紫外光のＰ偏光成分を含む光を試料に照射すると共に、試料から反射された紫外光のＰ偏光成分を検出することにより試料の温度を測定することを検討した際に、紫外光のＰ偏光成分の反射強度が、温度測定対象の表面状態に大きな影響を受けることも確認した。具体的には、シリコン表面に酸化膜が形成されることにより、酸化膜表面とシリコン表面との間において光が多重反射するので、酸化膜の厚さに応じて反射強度が大きく変動してしまう。また、温度測定対象の種類によって酸化膜の物性が変わってくるので、変動の様子も一様ではない。
【０１０６】
そこで、本願発明者らは、測定対象の温度を正確に算出するために、測定対象の温度変化に敏感な紫外光のＰ偏光成分の反射強度ＡＵＶＰと、温度変化の影響をあまり受けないＳ偏光成分ＡＳ１との比であるＡＵＶＰ／ＡＳ１と、温度変化の影響をあまり受けない可視光のＰ偏光成分ＡＶＳＰとＳ偏光成分ＡＳ２との比であるＡＶＳＰ／ＡＳ２に着目した。比ＡＵＶＰ／ＡＳ１は、測定対象の温度と表面状態（酸化膜の厚さ）との関数になるが、比ＡＶＳＰ／ＡＳ２は、ほとんど表面状態のみの関数となるので、これらの比を用いることにより、ウエハの表面状態が温度測定に与える影響を除去することができる。
【０１０７】
図１２は、本発明の第５の実施形態に係るウエハ温度測定装置の構成を示す模式図である。図１２に示すように、本実施形態に係るウエハ温度測定装置は、光源部５１０と、プリズム１２１及び１２２と、受光部５３０と、信号増幅器（ＡＭＰ）１４０と、信号処理部１５０とを含んでいる。プリズム１２１及び１２２、信号増幅器１４０、並びに、信号処理部１５０の装置構成については、図４に示すウエハ温度測定装置におけるものと同様である。
【０１０８】
光源部５１０は、駆動回路（ＤＲ）５１１及び５１４と、光源装置（ＬＳ）５１２及び５１５と、コリメートレンズ５１３及び５１６と、波長合成素子５１７と、偏光素子（ポーラライザ）５１８と、光チョッパ５１９とを含んでおり、ウエハ１００に照射するための光を出射する。
【０１０９】
駆動回路５１１及び５１４は、光源装置５１２及び５１５の動作をそれぞれ制御している。
光源装置５１２は、例えば、波長が３６５ｎｍ付近である紫外光（波長が４００ｎｍ以下の光）ＬＵＶを発生する発光ダイオード（ＬＥＤ）である。また、光源装置５１５は、例えば、波長が６５０ｎｍ付近である可視光（波長が４００ｎｍより大きい光）ＬＶＳを発生する発光ダイオードである。
【０１１０】
コリメートレンズ５１３は、光源装置５１２から出射した紫外光ＬＵＶを透過させることにより平行ビームを形成する。また、コリメートレンズ５１６は、光源装置５１５から出射した可視光ＬＶＳを透過させることにより平行ビームを形成する。
波長合成素子５１７は、例えば、所定の波長成分のみを反射するダイクロイックミラーによって構成されており、光源装置５１２の方向から伝播した紫外光ＬＵＶを反射することにより偏光素子５１８の方向に導くと共に、光源装置５１５の方向から伝播した可視光ＬＶＳを透過させることにより偏光素子５１８の方向に導く。
【０１１１】
偏光素子５１８は、波長合成素子５１７介して入射した光を透過させることにより直線偏光させる。
ここで、ウエハ１００からの反射光において、Ｐ偏光成分の強度とＳ偏光成分の強度とを同程度にするためには、ウエハ１００に対する入射光においてＰ偏光成分の方が多くなるように偏光方向を予め調節しておくことが望ましい。そのため、本実施形態においては、ウエハ１００に対する入射光において、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分との比が３対１程度となるように、偏光素子５１８の角度を調節する。
【０１１２】
なお、光源装置５１２及び５１５として、レーザダイオード（ＬＤ）のように、予め偏光された光を出射するものを用いる場合には、偏光素子５１８を設ける必要はない。その場合には、ウエハ１００に対して適切な偏光状態で光が入射するように、光源装置５１２及び５１５の配置を調節する必要がある。
【０１１３】
光チョッパ５１９は、偏光素子５１８によって直線偏光させられた紫外光を所定のタイミング又は周波数でチョップすることにより、光源部５１０からの光が出射するタイミングを制御する。また、光チョッパ５１９は、オン／オフ信号を信号増幅器１４０に出力する。
【０１１４】
受光部５３０は、偏光ビームスプリッタ（偏光プリズム）５３１と、集光レンズ５３２及び５３５と、積分球５３３及び５３６と、光検出器（ＰＤ）５３４及び５３７とを含んでおり、ウエハ１００により反射された光ＬＲを受光する。
偏光ビームスプリッタ５３１は、そこに入射した光ＬＲを偏光方向に応じて分離し、その内のＰ偏光成分ＬＰを集光レンズ５３２の方向に導き、Ｓ偏光成分ＬＳを集光レンズ５３５の方向に導く。
【０１１５】
集光レンズ５３２は、そこに入射したＰ偏光成分ＬＰを集光して、積分球５３３に導く。また、集光レンズ５３５は、そこに入射したＳ偏光成分ＬＳを集光して、積分球５３６に導く。これらの集光レンズ５３２及び５３５を設けることにより、光路の位置や方向に多少の変動が生じた場合においても、その変動による影響を最小限にして、Ｐ偏光成分ＬＰ及びＳ偏光成分ＬＳを後段の光学系に確実に入射させることができる。
【０１１６】
積分球５３３及び５３６の検出器用開口には、光検出器５３４及び５３７がそれぞれ配置されており、積分球に入射した光は、入射する際の向きにかかわらず、光検出器５３４及び５３７の検出面に導かれる。これらの積分球５３３及び５３６により、偏光ビームスプリッタ５３１によって分岐された後のＰ偏光成分ＬＰとＳ偏光成分ＬＳとの間における光路変動の影響が最小限に抑えられる。
【０１１７】
光検出器５３４及び５３７は、例えば、フォトダイオード（ＰＤ）等の光電変換素子を含んでいる。光検出器５３４は、Ｐ偏光成分ＬＰの強度を表す電気信号（検出信号）生成して出力する。また、光検出器５３７は、Ｓ偏光成分ＬＳの強度を表す電気信号（検出信号）生成して出力する。
【０１１８】
これらの光源部５１０、プリズム１２１及び１２２、ウエハ１００、並びに、受光部５３０は、第１の実施形態において説明したのと同様の理由により、光源部５１０から出射した光ＬＩがウエハ１００に入射する際に、入射角が望ましくは３５°〜８５°程度、さらに望ましくは、６０°〜７５°程度となるように、位置及び角度関係が調節されている。
【０１１９】
信号処理部１５０は、ウエハ温度測定装置の各部を制御すると共に、ウエハ温度の算出を行う。信号処理部１５０が光源部５１０の駆動回路５１１及び５１４が時分割で交互に動作するように制御することにより、一方の光検出器５３４からは、紫外光のＰ偏光成分の強度を表す検出信号ＤＵＶＰと可視光のＰ偏光成分の強度を表す検出信号ＤＶＳＰとが交互に出力される。また、他方の光検出器５３７からは、紫外光のＳ偏光成分の強度を表す検出信号ＤＵＶＳと可視光のＳ偏光成分の強度を表す検出信号ＤＶＳＳとが交互に出力される。信号処理部１５０は、そのようにして取得された検出信号ＤＵＶＰ、ＤＵＶＳ、ＤＶＳＰ、及び、ＤＶＳＳに基づいてウエハ１００の温度を算出する。
【０１２０】
ウエハ１００の温度Ｔは、４つの検出信号ＤＵＶＰ、ＤＵＶＳ、ＤＶＳＰ、及び、ＤＶＳＳを変数とする関数ｆ（ＤＵＶＰ，ＤＵＶＳ，ＤＶＳＰ，ＤＶＳＳ）と、予め校正されたパラメータを用いて算出される。この関数ｆ及びパラメータは、図１２に示す温度測定装置において、例えば、接触方式によりテスト用ウエハの温度を測定しながら検出光及び参照光を検出し、温度の実測値と検出信号ＤＵＶＰ、ＤＵＶＳ、ＤＶＳＰ、及び、ＤＶＳＳとを用いて演算（例えば、回帰分析等）を行うことにより求めるられる。
【０１２１】
具体的には、例えば、次のような算出方法が挙げられる。
まず、次式（１）及び（２）を用いることにより、ウエハ１００からの反射光の内で、紫外光のＰ偏光成分の強度とＳ偏光成分の強度との相対値ＲＵＶ、及び、可視光のＰ偏光成分の強度とＳ偏光成分の強度との相対値ＲＶＳを求める。
ＲＵＶ＝（ａ１ＤＵＶＰ２＋ａ２ＤＵＶＰ＋ａ３）／（ａ４ＤＵＶＳＰ２＋ａ５ＤＵＶＳ＋ａ６）…（１）
ＲＶＳ＝（ｂ１ＤＶＳＰ２＋ｂ２ＤＶＳＰ＋ｂ３）／（ｂ４ＤＶＳＳＰ２＋ｂ５ＤＶＳＰ＋ｂ６）…（２）
式（１）及び（２）において、ａ１〜ａ６及びｂ１〜ｂ６は予め校正されたパラメータである。
【０１２２】
次に、式（２）によって求められた相対値ＲＶＳを用いることにより、次式（３）〜（５）により補正用パラメータｘ１〜ｘ３を算出する。
ｘ１＝ｃ１ＲＶＳ２＋ｃ２ＲＶＳ＋ｃ３  …（３）
ｘ２＝ｄ１ＲＶＳ２＋ｄ２ＲＶＳ＋ｄ３  …（４）
ｘ３＝ｅ１ＲＶＳ２＋ｅ２ＲＶＳ＋ｅ３  …（５）
式（３）〜（５）において、ｃ１〜ｃ３、ｄ１〜ｄ３、ｅ１〜ｅ３は予め校正されたパラメータである。
【０１２３】
さらに、式（１）によって求められたＲＵＶと補正用パラメータｘ１〜ｘ３を用いて、次式（６）により温度Ｔが算出される。
Ｔ＝ｘ１ＲＵＶ２＋ｘ２ＲＵＶ＋ｘ３  …（６）
【０１２４】
ここで、式（１）によって表される相対値ＲＵＶは、ウエハの温度変化に敏感であり、且つ、ウエハの表面状態（酸化膜の厚さ）にも影響を受ける紫外光のＰ偏光成分と、ウエハの温度変化にはあまり影響を受けないが、ウエハの表面状態には影響を受ける紫外光のＳ偏光成分との関係を表しているので、ウエハの温度及び表面状態の関数と言える。一方、式（２）によって表される相対値ＲＶＳは、ウエハの温度変化にはあまり影響を受けないが、ウエハの表面状態には影響を受ける可視光のＰ偏光成分とＳ偏光成分との関係を表しているので、ほとんどウエハの表面状態の関数と言える。そこで、相対値ＲＵＶ、及び、相対値ＲＶＳに基づいて得られた補正用パラメータｘ１〜ｘ３を用いることにより、ウエハ表面に形成された酸化膜等の影響を除去して、正確なウエハ温度を算出することができる。
【０１２５】
本実施形態においては、ウエハ１００からの反射光ＬＵＶ及びＬＶＳにおけるＰ偏光成分とＳ偏光成分との相対値ＲＵＶ及びＲＶＳを式（１）及び（２）に基づいて算出したが、相対値は、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分との単なる比であっても良いし、式（１）及び（２）に示すような２次関数以外の関数に基づいて算出しても良い。
【０１２６】
また、相対値についても、本実施形態において説明した組み合わせに限定することなく参照値及び補正値として利用できる。即ち、基準値（相対値の分母）となるＳ偏光成分は、必ずしもＰ偏光成分の波長と同じでなくても良い。具体的には、２つの相対値の間において同じＳ偏光成分を基準値としても良いし（例えば、ＤＵＶＰ／ＤＶＳＳとＤＶＳＰ／ＤＶＳＳ、又は、ＤＵＶＰ／ＤＵＶＳとＤＶＳＰ／ＤＵＶＳ）、２つの相対値の間においてＰ偏光成分とＳ偏光成分とをたすきがけにしても良い（ＤＵＶＰ／ＤＶＳＳとＤＶＳＰ／ＤＵＶＳ）。紫外光のＰ偏光成分以外はウエハの温度変化による影響をあまり受けず、専らウエハの表面状態の変化を表しているといえるからである。
【０１２７】
本実施形態においては、補正用パラメータを別途求めることにより、温度Ｔを相対値ＲＵＶの関数ｆ（ＲＵＶ）として算出したが、温度Ｔを相対値ＲＵＶ及びＲＶＳの関数ｆ'（ＲＵＶ，ＲＶＳ）により算出しても良いし、さらには、検出信号ＤＵＶＰ、ＤＵＶＳ、ＤＶＳＰ、及び、ＤＶＳＳの関数ｆ''（ＤＵＶＰ，ＤＵＶＳ，ＤＶＳＰ，ＤＶＳＳ）に基づいて算出しても良い。
【０１２８】
また、温度Ｔの関数及び補正用パラメータを求める式については、必ずしも式（３）〜（６）に示す２次関数である必要はなく、１次関数、又は、他の多次元関数を利用しても良い。ウエハ１００に照射される紫外光及び可視光の波長の大きさや、波長の組み合わせによっては、複雑な関数となる場合もある。また、厳密には、ウエハからの反射光に含まれるＳ偏光成分や紫外光のＰ偏光成分も、酸化膜の厚さに加えて、温度や、ウエハと酸化膜との界面の状態に影響を受けるので、実測値に基づいてＳ偏光成分の強度等を校正する場合には、さらに複雑な関数になると考えられる。しかしながら、そのような影響は、波長が紫外光のＰ偏光成分の温度依存性に比較すると非常に小さいので、実用的には本実施形態において説明した方法を用いても問題はない。
【０１２９】
以上においては、紫外光のＰ偏光成分に基づいて得られるウエハ１００の温度を、ウエハ１００の表面状態（酸化膜の付着等）に応じて補正する場合について説明した。しかしながら、酸化膜の膜厚の変化がない等、新たに補正を行う必要がない場合には、信号処理部１５０の制御の下で駆動回路５１１のみを動作させても良い。また、所定のタイミング又は周期で駆動回路５１４を動作させることにより、必要に応じて補正を行うようにしても良い。
【０１３０】
次に、本発明の第６の実施形態に係るウエハ温度測定装置について説明する。図１３は、本実施形態に係るウエハ温度測定装置の構成を示す模式図である。本実施形態においては、紫外光を含む３種類の光をウエハ１００に照射することにより、測定精度をさらに高くすることを特徴としている。
【０１３１】
図１３に示すように、本実施形態に係るウエハ温度測定装置は、光源部６１０と、プリズム１２１及び１２２と、受光部５３０と、信号増幅器１４０と、信号処理部１５０とを含んでいる。プリズム１２１及び１２２、受光部５３０、信号増幅器１４０、並びに、信号処理部１５０の構成及び動作については、図１２に示すウエハ温度測定装置におけるものと同様である。
【０１３２】
光源部６１０は、駆動回路（ＤＲ）６１１、６１６、及び、６２０と、光源装置（ＬＳ）６１２、６１７、及び、６２１と、コリメートレンズ６１３、６１８、及び、６２２と、偏光素子６１４、６１９、及び６２３と、波長合成素子６１５及び６２４と、光チョッパ６２５とを含んでいる。
【０１３３】
駆動回路６１１、６１６、及び、６２０は、光源装置６１２、６１７、及び、６２１の動作をそれぞれ制御している。また、これらの駆動回路６１１、６１６、及び、６２０の動作は、時分割で順次動作するように、信号処理部１５０によって制御されている。
【０１３４】
光源装置６１２は、例えば、波長が３６５ｎｍ付近の紫外光ＬＵＶを発生する。また、光源装置６１７は、第１の波長を有する可視光ＬＶ１を発生する。さらに、光源装置６２１は、第１の波長とは異なる第２の波長を有する可視光ＬＶ２を発生する。本実施形態においては、光源装置６１２、６１７、及び６２１として、無偏光光を発生する発光ダイオードが用いられている。
【０１３５】
なお、光源装置６１２、６１７、及び、６２１としては、レーザダイオード（ＬＤ）のように、予め偏光された光を出射するものを用いても良く、その場合には、後段の偏光素子６１４、６１９、及び、６２３を省略することができる。また、その場合には、後述するように、各光源装置から出射した光が後段の波長合成素子に対して適切な偏光状態で入射するように、各光源装置の配置を調節する必要がある。
【０１３６】
コリメートレンズ６１３、６１８、及び、６２２は、光源装置６１２、６１７、及び、６２１から出射した光をそれぞれ透過させることにより平行ビームを形成する。
偏光素子６１４、６１９、及び、６２３は、コリメートレンズを介して入射した平行ビームを透過させることによって直線偏光させる。
【０１３７】
波長合成素子（ダイクロイックミラー）６１５は、偏光素子６１４を介して入射した紫外光ＬＵＶを反射することにより光チョッパ６２５の方向に導くと共に、それ以外の光を透過させる。このような波長合成素子６１５に対して、偏光素子６１４は、偏光素子６１４によって直線偏光された光の内のＰ偏光成分又はＳ偏光成分のいずれかが入射するように、偏光方向を調節されている。その理由は、ダイクロイックミラーにおいて温度等の環境変化が生じることにより、ダイクロイックミラーに反射され、又は、透過する光の偏光状態（Ｐ偏光成分とＳ偏光成分との比）が影響を受けてしまうが、いずれかの成分のみを入射させる場合には、偏光状態は変化しないからである。
【０１３８】
波長合成素子６２４は、可視光ＬＶ１を反射することにより光チョッパ６２５の方向に導くと共に、それ以外の波長成分、即ち、可視光ＬＶ２を透過させることにより光チョッパ６２５の方向に導く。このような波長合成素子６２４に対して、偏光素子６１９及び６２３は、波長合成素子６２４における偏光状態の変化を防ぐために、直線偏光された光の内のＰ偏光成分又はＳ偏光成分のいずれかが入射するように、偏光方向を調節されている。
【０１３９】
さらに、波長合成素子６１５及び６２４は、第５の実施形態において説明したのと同様に、プリズム１２１を介してウエハ１００に入射する光において、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分との比が、望ましくは３対１程度となるように配置されている。
【０１４０】
光チョッパ６２５は、波長合成素子６１５及び６２４によって導かれた紫外光ＬＵＶ並びに可視光ＬＶ１及びＬＶ２を所定のタイミング又は周波数でチョップすることにより、光源部６１０から光が出射するタイミングを制御する。また、光チョッパ６２５は、信号増幅器１４０にロックイン動作させるために用いられるオン／オフ信号を出力する。
【０１４１】
本実施形態においては、光源部６１０に、時分割で順次動作する３系統の光源を設けている。そのため、受光部の光検出器５３４からは、ウエハ１００により反射された紫外光ＬＵＶのＰ偏光成分の強度を表す検出信号ＤＵＶＰと、第１の可視光ＬＶ１のＰ偏光成分の強度を表す検出信号ＰＶ１Ｐと、第２の可視光ＬＶ２のＰ偏光成分の強度を表す検出信号ＤＶ２Ｐとが順次出力される。また、光検出器５３７からは、ウエハ１００により反射された紫外光ＬＵＶのＳ偏光成分の強度を表す検出信号ＤＵＶＳと、第１の可視光ＬＶ１のＳ偏光成分の強度を表す検出信号ＰＶ１Ｓと、第２の可視光ＬＶ２のＳ偏光成分の強度を表す検出信号ＤＶ２Ｓとが順次出力される。信号処理部１５０は、それらの６種類の検出信号に基づいて、ウエハ１００の温度を算出する。
【０１４２】
具体的には、例えば、次のような算出方法が挙げられる。
まず、本発明の第５の実施形態において説明したのと同様に、式（１）等によりウエハ１００からの反射光ＬＵＶ、ＬＶ１、ＬＶ２におけるＰ偏光成分とＳ偏光成分との相対値ＲＵＶ、ＲＶ１、ＲＶ２をそれぞれ求める。相対値は、検出信号の単なる比ＤＵＶＰ／ＤＵＶＳ、ＤＶ１Ｐ／ＤＶ１Ｓ、ＤＶ２Ｐ／ＤＶ２Ｓであっても良いし、第５の実施形態におけるのと同様に、所定の関数の比であっても良い。
【０１４３】
次に、式（３）〜（５）を利用することにより、相対値ＲＶ１に基づく補正用パラメータｘ１〜ｘ３、及び、相対値ＲＶ２に基づく補正用パラメータｙ１〜ｙ３を算出する。さらに、次式に基づいて、補正用パラメータの平均値ｚ１〜ｚ３を求める。
ｚ１＝（ｘ１＋ｙ１）／２
ｚ２＝（ｘ２＋ｙ２）／２
ｚ３＝（ｘ３＋ｙ３）／２
これらの平均された補正用パラメータｚ１〜ｚ３を用いて、次式（７）によりウエハ１００の温度Ｔが算出される。
Ｔ＝ｚ１ＲＵＶ２＋ｚ２ＲＵＶ＋ｚ３  …（７）
【０１４４】
このように、本発明の第６の実施形態においては、補正用に用いられる検出信号を増やすことにより、ウエハ１００の温度測定において、より正確な補正を行うことができる。また、図１３に示す光源部６１０に、可視光を発生する光源の系統をさらに設けることにより、補正の精度をさらに高くすることが可能である。
【０１４５】
本実施形態においても、第５の実施形態におけるのと同様に、相対値ＲＵＶ等を求める際のＰ偏光成分とＳ偏光成分との組み合わせは、同じ波長のものに限定されない。即ち、紫外光のＰ偏光成分に対する相対値を、温度Ｔを求める関数（式（７））の変数とし、それ以外の相対値を、補正用パラメータの算出に用いれば良い。また、温度Ｔの関数及び補正用パラメータを算出する式は２次関数以外の種々の関数を利用することができる。さらに、相対値ＲＵＶ、ＲＶ１、及び、ＲＶ２や、検出信号ＤＵＶＰ、ＤＵＶＳ、ＤＶ１Ｐ、ＤＶ１Ｓ、ＤＶ２Ｐ、及び、ＤＶ２Ｓを変数とすることにより、直接的に温度Ｔが算出される関数を利用しても良い。
【０１４６】
次に、本発明の第７の実施形態に係るウエハ温度測定装置について説明する。図１４は、本実施形態に係るウエハ温度測定装置の構成を示す模式図である。本実施形態においては、１つの光源を用いてウエハ１００からの反射光に基づいて温度を測定すると共に、ウエハ１００に対する入射光及び反射光の光軸を調整する機構を設けていることを特徴としている。
【０１４７】
図１４に示すように、本実施形態に係るウエハ温度測定装置は、光源部７１０と、ウエハ支持台７２１と、位置調整機構７２２〜７２４と、受光部７３０と、信号増幅器１４０と、信号処理部１５０と、位置検出ユニット７６０とを含んでいる。信号増幅器１４０及び信号処理部１５０の構成及び動作については、図１２に示すウエハ温度測定装置におけるものと同様である。
【０１４８】
光源部７１０は、駆動回路（ＤＲ）７１１と、光源装置（ＬＳ）７１２と、コリメートレンズ７１３とを含んでいる。
駆動回路７１１は、光源装置７１２の動作を制御している。光源装置７１２は、例えば、低圧又は高圧水銀ランプや水銀キセノンランプを含んでおり、紫外領域の波長成分及び可視領域の波長成分を含む光を出射する。
コリメートレンズ７１３は、光源装置７１２から出射した光を透過させることにより平行ビームを形成する。
【０１４９】
ウエハ支持台７２１は、例えば、静電チャック付きヒータであり、ウエハ１００を固定すると共に所定の温度に保っている。ウエハ支持台７２１には、光源部７１０から出射した光をウエハ１００に入射させると共に、ウエハ１００からの反射光を受光部７３０に導くための光路用通路７０が形成されている。
【０１５０】
位置調整機構は、支持部材７２２〜７２４を含んでいる。支持部材７２２は、光源部７１０と受光部７３０とを結合しており、支持部材７２３及び７２４は、支持部材７２２とウエハ支持台７２１とを結合している。これらの支持部材７２２〜７２４は、インバー、合成石英、ゼロデュア（ＺＥＲＯＤＵＲ（登録商標））、石英ガラス、低膨張多結晶ガラスのように、熱膨張率の小さい材料によって形成することが望ましい。それにより、熱の影響により光源部７１０等の相対的な位置関係が変化して光路が変動するのを抑制することができる。
【０１５１】
各支持部材７２２〜７２４の結合部分には位置調整部７２２ａ、７２２ｂ、７２３ａ、及び、７２４ａが設けられている。位置調整部７２２ａ、７２２ｂ、７２３ａ、及び、７２４ａを後述する位置検出ユニット７６０の検出結果に基づいて機械的に調節することにより、光源部７１０と受光部７３０とウエハ支持台７２１との相対的な位置が調節される。
【０１５２】
受光部７３０は、波長分離フィルタ群７３１と、偏光プリズム７３２及び７３３と、複数の拡散板７３４と、複数のレンズ７３５と、光検出器７３６〜７３９とを含んでいる。
波長分離フィルタ群７３１は、同一の特性を有する３つの波長分離フィルタ７１〜７３を含んでいる。各波長分離フィルタ７１〜７３は、波長成分λＵＶを透過させ、波長成分λ１を全反射すると共に、波長成分λ２に対してはハーフミラーとして機能する。波長分離フィルタ群７３１において、ウエハ１００からの反射光に含まれる波長成分λＵＶは、波長分離フィルタ７１及び７３を透過することにより、偏光プリズム７３２の方向に導かれる。また、波長成分λ１は、波長分離フィルタ７１及び７２から反射されることにより、偏光プリズム７３３の方向に導かれる。さらに、波長成分λ３は、波長分離フィルタ７１を透過し、波長分離フィルタ７３から反射されることにより、位置検出ユニット７６０の方向に導かれる。
【０１５３】
ここで、一般に、波長分離フィルタは偏光依存性を有しているため、単に、光を反射又は透過させることにより、反射又は透過後の光において偏光状態（Ｐ偏光成分とＳ偏光成分との比）が変化してしまう。そこで、本実施形態においては、波長分離フィルタ７１と波長分離フィルタ７２とを、光軸を回転軸として互いに９０°を為すように配置し、波長分離フィルタ７１と波長分離フィルタ７３とを、光軸を回転軸として互いに９０°を為すように配置することにより、次のような原理に基づいて偏光状態の変化を防いでいる。
【０１５４】
ウエハ１００に反射されたＰ偏光、Ｓ偏光の光に対して、波長分離フィルタ７１におけるＰ偏光成分の反射率をＲＰ、Ｓ偏光成分の反射率をＲＳとすると、それに対して９０°回転して配置されている波長分離フィルタ７２において、Ｐ偏光成分の反射率ＲＰ'及びＳ偏光成分の反射率ＲＳ'は、ＲＰ'＝ＲＳ、及び、ＲＳ'＝ＲＰとなる。
【０１５５】
また、波長分離フィルタ７１に入射する光のＰ偏光成分の強度をＩＰ、Ｓ偏光成分の強度をＩＳとすると、波長分離フィルタ７１によって反射された後に、それらの偏光成分の強度は、ＩＰ×ＲＰ（Ｐ偏光成分）、ＩＳ×ＲＳ（Ｓ偏光成分）に変化する。そのような光を、波長分離フィルタ７２によって更に反射させると、反射後の光における各偏光成分の強度は次のように変化する。
Ｐ偏光成分：ＩＰ×ＲＰ×ＲＰ'＝ＩＰ×ＲＰ×ＲＳ
Ｓ偏光成分：ＩＳ×ＲＳ×ＲＳ'＝ＩＳ×ＲＳ×ＲＰ
結局、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分との比は、波長分離フィルタ７１に入射する前と、波長分離フィルタ７２によって反射された後とにおいて変化しない。
【０１５６】
また、波長分離フィルタ７１のＰ偏光成分の透過率をＴＰ、Ｓ偏光成分の透過率をＴＳとすると、それに対して９０°回転して配置されている波長分離フィルタ７３において、Ｐ偏光成分の透過率ＴＰ'及びＳ偏光成分の透過率ＴＳ'は、ＴＰ'＝ＴＳ、及び、ＴＳ'＝ＴＰとなる。従って、波長分離フィルタ７１及び７３を透過した光の強度は、次のように変化する。
Ｐ偏光成分：ＩＰ×ＴＰ×ＴＰ'＝ＩＰ×ＴＰ×ＴＳ
Ｓ偏光成分：ＩＳ×ＴＳ×ＴＳ'＝ＩＳ×ＴＳ×ＴＰ
結局、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分との比は、波長分離フィルタ７１に入射する前と、波長分離フィルタ７３を透過した後とにおいて変化しない。
さらに、波長分離フィルタ７１〜７３を近接させて熱的に同一の環境下におくことにより、それらの偏光依存性を揃えることができるので、偏光状態の変化を効果的に抑制できる。
【０１５７】
偏光プリズム７３２は、波長分離フィルタ群７３１により分離された紫外光（波長成分λＵＶ）を偏光方向に応じて分離し、Ｐ偏光成分λＵＶＰを光検出器７３６の方向に導き、Ｓ偏光成分λＵＶＳを光検出器７３７の方向に導く。また、偏光プリズム７３３は、波長分離フィルタ群７３１により分離された可視光（波長成分λ１）を偏光方向に応じて分離し、Ｐ偏光成分λ１Ｐを光検出器７３８の方向に導き、Ｓ偏光成分λ１Ｓを光検出器７３９の方向に導く。
【０１５８】
拡散板７３４は、例えば、すりガラス又はフライアイレンズである。拡散板７３４及びその後段に配置されているレンズ７３５は、光の照射面における強度を均一化するために設けられている。それにより、光が光検出器７３６〜７３９に入射した際に、光軸変動によって生じる誤差を最小限に抑えている。なお、拡散板７３４と光検出器７３６〜７３９との距離が長い場合には、レンズ７３５を省略しても同様の効果を得ることができる。
【０１５９】
光検出器７３６〜７３９は、紫外光のＰ偏光成分λＵＶＰを表す検出信号、紫外光のＳ偏光成分λＵＶＳを表す検出信号、可視光のＰ偏光成分λ１Ｐを表す検出信号、及び、可視光のＳ偏光成分λ１Ｓを表す検出信号をそれぞれ出力する。これらの検出信号は、増幅器１４０を介して信号処理部１５０に入力され、ウエハ１００の温度を算出するために用いられる。ウエハ温度の算出方法については、第５の実施形態において説明したのと同様である。
【０１６０】
これらの光検出器７３６〜７３９は、波長分離フィルタ７１からの光路長が同一となるように配置されている。それにより、受光部７３０に入射する光の光軸に変動が生じた場合においても、その影響が光検出器７３６〜７３９の間で同等になるので、光検出器７３６〜７３９からそれぞれ出力された検出信号において変動の影響をキャンセルすることにより誤差の発生を抑制することができる。
【０１６１】
位置検出ユニット７６０は、集光レンズ７６１と位置検出素子（ＰＳＤ：position sensitive device）７６２とを含んでいる。集光レンズ７６１は、受光部７３０の波長分離フィルタ７１を透過し、波長選択フィルタ７２によって反射された光（波長成分λ２）を集光して位置検出素子７６２に導く。位置検出素子７６２は、受光した光の位置を検出し、検出信号を生成して信号処理部１５０に出力する。信号処理部１５０は、この検出信号に基づいてウエハ１００に照射された光の位置ズレや角度ズレを検出し、位置調整部７２２ａ、７２２ｂ、７２３ａ、及び、７２４ａを動作させることによりアライメントを行う。
なお、位置検出ユニット７６０は、受光部７３０から着脱できるようにして、アライメントを行う際のみに取り付けて使用するようにしても良い。
【０１６２】
以上説明したように、本実施形態においては、ウエハ１００により反射された光の一部を利用してアライメントを行うことにより、ウエハ１００の適切な位置に適切な入射角で光を照射させることができるようになる。なお、本発明の第５及び第６の実施形態においても、受光した光の一部を分岐する光学系を受光部に追加すると共に、本実施形態におけるような位置検出ユニットを設けることにより、アライメントを行うようにしても良い。
【０１６３】
次に、本発明の第８の実施形態に係るウエハ温度測定装置について説明する。図１５は、本実施形態に係るウエハ温度測定装置の構成を示す模式図である。本実施形態においては、１つの光検出器により時分割で複数種類の検出信号を取得することを特徴としている。
図１５に示すように、本実施形態に係るウエハ温度測定装置は、光源部８１０と、プリズム１２１及び１２２と、受光部８３０と、信号増幅器１４０と、信号処理部１５０とを含んでいる。プリズム１２１及び１２２、信号増幅器１４０、並びに、信号処理部１５０の構成及び動作については、図１２に示すウエハ温度測定装置におけるものと同様である。
【０１６４】
光源部８１０は、駆動回路（ＤＲ）８１１及び８１４と、光源装置（ＬＳ）８１２及び８１５と、コリメートレンズ８１３及び８１６と、偏光プリズム８１７とを含んでいる。
駆動回路８１１及び８１４は、光源装置８１２及び８１５の動作をそれぞれ制御している。また、これらの駆動回路８１１及び８１４の動作は、時分割で交互に動作するように、信号処理部１５０によって制御されている。
【０１６５】
光源装置８１２は、例えば、波長が３６５ｎｍ付近の紫外光ＬＵＶを発生するレーザダイオード（ＬＤ）であり、そこから出射した光がＰ偏光の状態で偏光プリズム８１７に入射するように配置されている。
光源装置８１５は、例えば、波長が６５０ｎｍ付近である可視光ＬＶＳを発生するレーザダイオードであり、そこから出射した光がＳ偏光の状態で偏光プリズム８１７に入射するように配置されている。
コリメートレンズ８１３及び８１６は、光源装置８１２及び８１５からそれぞれ出射した光を透過させることにより、平行ビームを形成する。
【０１６６】
偏光プリズム８１７は、偏光方向に応じて入射光を反射又は透過させる。本実施形態においては、Ｐ偏光成分を反射すると共にＳ偏光成分を透過させるものが用いられている。それにより、光源装置８１２から出射した紫外光ＬＵＶが偏光プリズム８１７により反射されてプリズム１２１の方向に導かれると共に、光源装置８１５から出射した可視光ＬＶＳが偏光プリズム８１７を透過してプリズム１２１の方向に導かれる。また、偏光プリズム８１７に入射する光の偏光状態をＰ偏光成分のみ、又は、Ｓ偏光成分のみとすることにより、偏光プリズム８１７において温度等の環境変化が生じた場合においても、偏光プリズム８１７により反射され、又は、透過した光の偏光状態（Ｐ偏光成分とＳ偏光成分との比）の変化を防ぐことができる。
【０１６７】
また、偏光プリズム８１７は、プリズム１２１を介してウエハ１００に入射する光において、ウエハ１００に対するＰ偏光成分とＳ偏光成分との比が、１対１程度となるように配置されている。
なお、偏光プリズムは、環境変化に対する耐久性を有していると共に、多層膜によって形成されている波長選択フィルタと比較して長期安定性に優れている。また、光プリズム８１７の替わりに、ウォラストンプリズムを用いても良い。
【０１６８】
受光部８３０は、光変調器８３１と、偏光素子８３２と、拡散板８３３と、レンズ８３４と、光検出器（ＰＤ）８３５とを含んでいる。
光変調器８３１は、例えば、ポッケルスセルによって形成されており、供給される電気信号に応じて、そこを透過する光の偏光状態を変化させる。ここで、ポッケルスセルとは、結晶に電界を印加することにより結晶の屈折率や異方性が変化するというＥＯ効果（electro optic：電気光学効果）を利用した光学素子である。ポッケルスセルに印加される電界を制御することにより、それを透過する光の偏光面を所望の角度（例えば、９０°）だけ回転させることができる。このような光変調器８３１の動作は、信号処理部１５０によって制御されている。
或いは、光変調器８３１を、光軸を回転軸として波長板等の素子を機械的に回転させる駆動機構とによって構成しても良い。
【０１６９】
偏光素子８３２は、光変調器８３１を透過した光に含まれる所定の偏光成分（本実施形態においては、Ｐ偏光成分）を透過させる。
拡散板８３３は、例えば、すりガラス又はフライアイレンズであり、その後段に配置されているレンズ８３４と共に、光の照射面における強度を均一化するために設けられている。
【０１７０】
このウエハ温度測定装置において、光源部８１０の駆動回路８１１及び８１４を交互に動作させることにより、光源部８１０から出射してウエハ１００により反射された紫外光及び可視光が、受光部８３０により交互に受光される。
ここで、光変調器８３１が非活性状態にある場合に、ウエハ１００からの反射光（光ＬＲ）は、偏光方向を変えられることなく、光変調器８３１をそのまま透過する。それにより、光ＬＲに含まれるＰ偏光成分が偏光素子８３２を透過する。一方、光変調器８３１が活性化されている場合に、光ＬＲは光変調器８３１によって偏光方向を９０°回転させられる。それにより、偏光方向が回転した後のＰ偏光成分（即ち、光ＬＲに含まれるＳ偏光成分）が偏光素子８３２を透過する。このように、光変調器８３１の活性状態を切り換えることにより、光ＬＲに含まれるＰ偏光成分とＳ偏光成分とが、拡散板８３３及びレンズ８３４を介して、光検出器８３５により交互に検出される。
【０１７１】
従って、駆動回路８１１及び８１４の動作タイミングと、光変調器８３１の活性化タイミングとを同期させることにより、紫外光ＬＵＶのＰ偏光成分を表す検出信号と、紫外光ＬＵＶのＳ偏光成分を表す検出信号と、可視光ＬＶＳのＰ偏光成分を表す検出信号と、可視光ＬＶＳのＳ偏光成分を表す検出信号とが、信号増幅器１４０を介して、信号処理部１５０に順次入力される。信号処理部１５０は、これらの検出信号に基づいて、ウエハ１００の温度を算出する。ウエハ温度の算出方法については、第５の実施形態において説明したのと同様である。
【０１７２】
このように、本実施形態によれば、１つの光検出器によって４種類の検出信号を取得することができるので、デバイス数を低減して装置の小型化を図ることができる。また、光の損失が低減されるので、効率良く温度を測定することができるる。また、ウエハ１００により反射されてから光検出器８３５により検出されるまでの光路が、全ての光の成分において同一となるので、光路の変動や、光検出器における感度の不均一性により生じる誤差を最小限に留めることができる。
なお、本実施形態においても、本発明の第７の実施形態におけるのと同様に、ウエハ１００により反射された光の一部を利用することにより、アライメントを行っても良い。
【０１７３】
以上説明した本発明の実施形態に係るウエハ温度測定装置を用いてウエハの温度を測定する際には、温度を算出するために用いられる数式において必要となる校正されたパラメータを予め求めておかなくてはならない。また、光学素子の特性変化等に対応して、これらのパラメータを修正することが望ましい。そのために、パラメータを校正又は修正する方法について以下に説明する。
【０１７４】
図１６は、本発明の実施形態に係るウエハ温度測定装置におけるパラメータ校正方法を説明するための図であり、（ａ）は装置正面の一部断面図であり、（ｂ）は平面図である。温度測定装置においてパラメータの校正及び修正を行う際には、まず、複数の膜厚を有するウエハ等の校正用試験片５６３に測温抵抗体等の温度センサ５６２を取り付けたものを用意し、これを、上下方向に移動するアクチュエータ５６１を介して、回転モータ５６５によって回転可能なアーム５６４に取り付ける。なお、温度センサ５６２は、校正用試験片５６３の近傍に取り付けるようにしても良い。
【０１７５】
次に、校正用試験片５６３をウエハ支持台５５０上に設置し、温度センサ５６２によって感知される温度を観察しながら、校正用試験片５６３が熱平衡状態に到達するまで時間をおく。校正用試験片５６３が熱平衡状態に到達したことを確認したら、光源部５１０、６１０、７１０、又は、８１０によって校正用試験片５６３に光を照射して、受光部５３０、７３０、又は、８３０に含まれている光検出器の出力信号に基づいて温度を測定する。
【０１７６】
さらに、温度調節を行うことにより校正用試験片５６３の温度を変化させながら、それぞれの温度において、上記と同様に光検出器の出力信号に基づいて温度を測定する。これにより、複数の膜厚及び複数の温度における光検出器の出力信号に基づく複数種類の測定データを求めることができる。このようにして得られた複数種類の測定データに基づいて、最小二乗法等の手法を用いることにより、温度を算出するために用いられる数式において必要となるパラメータの校正を行うことができる。
【０１７７】
また、紫外光及び可視光におけるＰ偏光成分とＳ偏光成分との比は、光学素子における光軸の変動や特性の劣化、光検出器の温度特性や特性の劣化、電気回路の温度依存性等により変化するので、最初に決定したパラメータを用いていると、温度測定値に誤差が生じてくる。従って、上記の校正方法又はその一部を定期的に繰り返すことにより、パラメータを修正することが望ましい。例えば、１種類の膜厚を有する校正用試験片５６３について光検出器の出力信号に基づいて温度を測定することにより、パラメータを修正するようにしても良い。
【０１７８】
さらに、第５、第６、及び、第８の実施形態においては、受光部５３０又は８３０において紫外光と可視光又は赤外光との間で、反射光を検出する光学素子、光検出器、及び、電気回路が同一であるから、パラメータを校正するために用いた校正用試験片５６３と同一の膜厚を有するウエハについて可視光又は赤外光による光検出器の出力を測定すれば、温度センサ５６２を用いた温度の感知を省略しても、パラメータの修正は可能となる。
【０１７９】
次に、本発明の第５〜第８の実施形態に係るウエハ温度測定装置における別のパラメータ校正方法について説明する。反射率が温度によってあまり変わらない安定な材質（例えば、金又は銀等）によってウエハをコーティングしたもの、又は、そのように安定な材質で作られたウエハを、最初にパラメータを校正するための測定を行う際に同時に測定しておく。その後、そのウエハを定期的に測定することによって、パラメータ校正時からの特性変化を知ることができるので、パラメータの修正が可能となる。
【０１８０】
このように、温度による変化の少ない安定な材質を用いる場合には、温度によって紫外光及び可視光におけるＰ偏光成分とＳ偏光成分との比はあまり変化しないので、先の校正方法において必要であった温度の測定値が不要となり、作業時間を短縮することができる。
【０１８１】
このような校正又は修正を行う際には、半導体製造プロセスにおいて加工されるウエハの中に校正用試験片を混ぜて、定期的に測定を行うようにしても良い。あるいは、加工されるウエハとは別に校正用試験片を用意して、加工されるウエハの替わりに校正用試験片を定期的に装置にセットして、測定を行うようにしても良い。さらに、予め装置内に、校正用試験片をウエハ支持台にセットする機構を設けても良い。その場合に、加工されるウエハと校正用試験片とは、必ずしも同一寸法である必要はない。
【０１８２】
以上説明したように、本発明の第５〜第８の実施形態によれば、温度に対する依存性が非常に大きい紫外光のＰ偏光成分の反射強度と、温度に対する依存性が小さいそれ以外の成分（即ち、紫外光のＳ偏光成分や可視光のＰ偏光成分及びＳ偏光成分）の反射強度との比に基づいて温度測定対象の温度を算出するので、温度測定対象の表面に形成された酸化膜等による影響をキャンセルすることができる。従って、温度測定対象であるウエハの表面状態、即ち、酸化膜の厚さや物性によらず、ウエハの種類ごとに、誤差が低減された正確な温度測定を行うことができる。
【０１８３】
次に、本発明の第９の実施形態に係るウエハ温度測定装置について説明する。本実施形態に係るウエハ温度測定装置は、温度測定対象の表面状態（例えば、酸化膜が形成されている場合）にかかわらず、低温プロセスにおいてもウエハ温度をその場で（in situ）精度良く温度測定するためのものである。
【０１８４】
ここで、先にも述べたように、本願発明者らは、測定対象（ウエハ）表面に酸化膜が形成されることにより、酸化膜表面における反射や、酸化膜表面とシリコン表面との間における多重反射が生じるので、光の干渉により、検出される反射強度が大きく変動してしまうことを確認した。そのため、温度の絶対値が不明確になってしまうおそれがある。
【０１８５】
ところで、図１７は、シリコン酸化膜に対するＰ偏光成分及びＳ偏光成分の反射率を示す表であり、シリコン酸化膜の屈折率をｎ＝１．４６、入射光の波長を３６５ｎｍとしてシミュレーションにより得られたものである。また、図１８は、シリコン酸化膜に対するＰ偏光成分及びＳ偏光成分の反射率の入射角依存性を表すグラフであり、図１７に基づいて作成されたものである。
【０１８６】
一般に、互いに異なる屈折率を有する２つの媒質の境界面に光を入射させる場合に、電気ベクトルが入射面（反射面の法線及び光の進行方向を含む面）内に含まれる成分（即ち、Ｐ偏光成分）の反射率がゼロになるような入射角が存在する。そのような角は、ブリュースター角（ブリュースターアングル：Ｂｒｅｗｓｔｅｒ'ｓ  ａｎｇｌｅ）と呼ばれている。図１７及び図１８より、屈折率がｎ＝１．４６程度のシリコン酸化膜においては、Ｐ偏光成分の反射率が極めて低くなる５５°付近がブリュースター角であると見られる。また、ブリュースター角を含む所定の範囲内（例えば、ブリュースター角を含むΔ２５°未満の範囲である４０°＜θ＜６５°、望ましくは、ブリュースター角を含むΔ１５°程度の範囲である４５°≦θ≦６０°）においても、Ｐ偏光成分の反射率は他の範囲よりもかなり低くなっている。
【０１８７】
そこで、本願発明者らは、測定対象の温度を正確に算出するために、測定対象の温度変化に敏感な紫外光のＰ偏光成分を、入射角がブリュースター角近傍（ブリュースター角を含む所定の範囲）となるように測定対象に照射することを検討した。それにより、酸化膜の表面や、測定対象と酸化膜との間における反射を抑制して、測定対象のみからの反射強度を検出することができるからである。
【０１８８】
図１９は、本発明の第９の実施形態に係るウエハ温度測定装置の構成を示す模式図である。図１９に示すように、本実施形態に係るウエハ温度測定装置は、光源部９１０及び受光部９２０を含む第１の光学系と、光源部９３０及び受光部９５０を含む第２の光学系と、信号増幅器（ＡＭＰ）１４０と、信号処理部１５０とを含んでいる。信号増幅器１４０及び信号処理部１５０の装置構成については、図４に示すウエハ温度測定装置におけるものと同様である。
【０１８９】
第１の光学系においては、光源部９１０から出射した光が、入射角がブリュースター角よりも大きくなるように（望ましくは、入射角が約６０°より大きく、約８５°以下）ウエハ１００に入射し、その反射光が受光部９２０に受光されるように、光源部９１０とウエハ１００と受光部９２０との位置及び角度が調節されている。一方、第２の光学系においては、光源部９３０から出射した光が、入射角がブリュースター角近傍（例えば、約４５°以上約６０°以下）となるようにウエハ１００に入射し、その反射光が受光部９５０に受光されるように、光源部９３０とウエハ１００と受光部９５０との位置及び角度が調節されている。
【０１９０】
本実施形態において、これらの光学系を設ける理由は次のとおりである。先にも述べたように、ウエハ１００の表面に形成された酸化膜の影響を除去するためには、Ｐ偏光成分をブリュースター角近傍となるようにウエハ１００に入射させる必要があるので、第２の光学系が設けられている。しかしながら、入射角が小さくなるに従って、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分との間における反射率の差は小さくなるので、第２の光学系においてはあまり高い測定精度を得ることができない。そこで、本実施形態においては、ブリュースター角よりも大きい入射角でウエハ１００を照射する第１の光学系をさらに設け、第１の光学系によって測定されたウエハ温度の精密な変化と、第２の光学系によって測定された温度の絶対値とによって、ウエハ１００の温度を正確に求めることとしている。
【０１９１】
なお、第１の光学系における入射角の上限値については、入射角が大きすぎる場合にはウエハ１００の見込み幅が入射光の光線の幅を上回ってしまい、ケラレ（意図しない影が現れること）が発生してしまうので、それを避けるために設けられている。本実施形態においては、第１の光学系における入射角を、実用的な範囲として約６０°より大きく約８５°以下としており、望ましくは、約６０°より大きく約７５°以下としている。
【０１９２】
光源部９１０は、駆動回路（ＤＲ）９１１と、光源装置（ＬＳ）９１２と、コリメートレンズ９１３とを含んでいる。駆動回路９１１は、光源装置９１２の動作を制御している。また、光源装置９１２は、例えば、波長が３７５ｎｍ付近である紫外光を発生する発光ダイオード（ＬＥＤ）である。さらに、コリメートレンズ９１３は、光源装置９１２から出射した紫外光を透過させることにより、平行ビームを形成する。
【０１９３】
このような光源部９１０を動作させることにより、Ｐ偏光成分及びＳ偏光成分を含む紫外光がウエハ１００を照射する。
なお、光源装置９１２としては、レーザダイオード等の直線偏光された光を出射する光源装置を用いても良い。その場合には、ウエハ１００からの反射光におけるＰ偏光成分とＳ偏光成分との強度を同程度にするために、ウエハ１００に対する入射光において、Ｐ偏光成分及びＳ偏光成分の比が望ましくは３対１程度となるように、光源装置の位置及び角度を調節する。
【０１９４】
受光部９２０は、波長選択フィルタ９２１と、偏光ビームスプリッタ９２２と、積分球９２３及び９２５と、光検出器９２４及び９２６とを含んでいる。波長選択フィルタ９２１は、所定の波長成分を透過させることにより、検出される光に外乱光が混入するのを低減する。また、偏光ビームスプリッタ９２２は、そこに入射した光を偏光方向に応じて分離し、その内のＰ偏光成分ＬＰを光検出器９２４の方向に導き、Ｓ偏光成分ＬＳを光検出器９２６の方向に導く。
【０１９５】
積分球９２３及び９２５の検出器用開口には、光検出器９２４及び９２６がそれぞれ配置されており、積分球に入射した光は、入射する際の向きにかかわらず、光検出器９２４及び９２６の検出面に導かれる。これらの積分球９２３及び９２５により、偏光ビームスプリッタ９２２によって分岐された後のＰ偏光成分ＬＰとＳ偏光成分ＬＳとの間における光路変動の影響が、最小限に抑えられる。
【０１９６】
光検出器９２４及び９２６は、例えば、フォトダイオード（ＰＤ）等の光電変換素子を含んでいる。光検出器９２４によって生成された電気信号は、Ｐ偏光成分ＬＰの強度を表す検出信号ＲＰとして出力される。また、光検出器９２６によって生成された電気信号は、Ｓ偏光成分ＬＳの強度を表す検出信号（参照信号）ＲＳとして出力される。
【０１９７】
光源部９３０は、駆動回路（ＤＲ）９３１及び９３６と、光源装置（ＬＳ）９３２及び９３７と、コリメートレンズ９３３及び９３８と、ビームスプリッタ９３４及び９３９と、光検出器（ＰＤ）９３５及び９４０と、波長合成素子（波長合成フィルタ）９４１と、光量比較部（ＣＭＰ）９４２とを含んでいる。駆動回路９３１及び９３６は、光源装置９３２及び９３７の動作をそれぞれ制御している。
【０１９８】
光源装置９３２は、例えば、波長が３６５ｎｍ付近の紫外光を発生するレーザダイオード（ＬＤ）である。また、直線コリメートレンズ９３３は、光源装置９３２から出射した紫外光ＬＵＶを透過させることにより、平行ビームを形成する。さらに、ビームスプリッタ９３４は、入射光の一部を透過させて波長合成素子９４１の方向に導くと共に、残りの入射光を反射して光検出器９３５の方向に導く。光検出器９３５は、入射した光の強度に応じた電気信号を生成する。
【０１９９】
一方、光源装置９３７は、例えば、波長が６５０ｎｍ付近の可視光を発生するレーザダイオードである。また、コリメートレンズ９３８は、光源装置９３７から出射した可視光ＬＶＳを透過させることにより、平行ビームを形成する。さらに、ビームスプリッタ９３９は、入射光の一部を透過させて波長合成素子９４１の方向に導くと共に、残りの入射光を反射して光検出器９４０の方向に導く。光検出器９４０は、入射した光の強度に応じた検出信号を出力する。
【０２００】
波長合成素子（例えば、ダイクロイックミラー）９４１は、光源装置９３２の方向から伝播した紫外光ＬＵＶを透過させると共に、光源装置９３７の方向から伝播した可視光ＬＶＳを反射する。それにより、紫外光ＬＵＶ及び可視光ＬＶＳが合成されて光源部９３０から出射する。
【０２０１】
光量比較部９４２は、光検出器９３５及び９４０から出力された検出信号に基づいて、出射された紫外光ＬＵＶと可視光ＬＶＳとの強度比（光量比）を求める。光量比較部９４２によって求められた光量比を表す信号は増幅され、後述する信号処理部１５０に補正信号ＲＲとして出力される。
【０２０２】
このような光源部９３０においては、光源装置９３２及び９３７から出射した光が波長合成素子９４１に対してＰ偏光成分のみ、又は、Ｓ偏光成分のみの状態で入射するように、各光学系の位置及び角度が調節されている。その理由は、波長合成素子９４１において温度等の環境変化が生じることにより、波長合成素子９４１に反射され、又は、透過する光の偏光状態（Ｐ偏光成分とＳ偏光成分との比）は影響を受けるが、Ｐ偏光又はＳ偏光のいずれかの成分のみを入射させる場合には、偏光状態は変化しないからである。また、光源部９３０は、そこから出射した光がウエハ１００に対してＰ偏光の状態で入射するように、位置及び角度が調節されている。
【０２０３】
受光部９５０は、レンズ９５１と、アパーチャ（開口部）９５２及び９５３と、波長分離素子９５４と、積分球９５５及び９５７と、光検出器（ＰＤ）９５６及び９５８とを含んでいる。レンズ９５１は、ウエハ１００からの反射光の広がりを抑制する。アパーチャ９５２及び９５３は、不要な外乱光を除去するために設けられている。
【０２０４】
波長分離素子（例えば、ダイクロイックミラー）９５４は、ウエハ１００からの反射光に含まれる紫外光ＬＵＶＰを透過させて光検出器９５６の方向に導くと共に、可視光ＬＶＳＰを反射して光検出器９５８の方向に導く。この波長分離素子９５４は、波長分離素子９５４を透過し、又は、反射される光の偏光状態の変化を防ぐために、ウエハ１００からの反射光がＰ偏光成分のみ、又は、Ｓ偏光成分のみの状態で入射するように、位置及び角度が調節されている。
【０２０５】
光検出器９５６は、積分球９５５を介して光を受光し、紫外光のＰ偏光成分ＬＵＶＰの強度を表す検出信号ＲＵＶＰを出力する。また、光検出器９５８は、積分球９５７を介して光を受光し、可視光のＰ偏光成分ＬＶＳＰの強度を表す検出信号（参照信号）ＲＶＳＰを出力する。
【０２０６】
次に、信号処理部１５０におけるウエハ温度の算出方法の具体例を説明する。
まず、信号処理部１５０は、受光部９２０から出力された検出信号ＲＰ及び参照信号ＲＳに基づいて温度Ｔ１を算出し、また、受光部９５０から出力された検出信号ＲＵＶＰ及び参照信号ＲＶＳＰに基づいて温度Ｔ２を算出する。
【０２０７】
温度Ｔ１を求めるために、まず、検出信号ＲＰと参照信号ＲＳとの相対値Ｒ１を求める。相対値Ｒ１は、検出信号ＲＰと参照信号ＲＳとの単純な比ＲＰ／ＲＳであっても良いし、オフセットを取った後の値の比（ＲＰ−α）／（ＲＳ−α）であっても良い。また、適切な関数を用いることにより相対値を求めても良い。例えば、Ｒ１＝（ａＲＰ２＋ｂＲＰ＋ｃ）／（ａＲＳ２＋ｂＲＳ＋ｃ）としても良い。
【０２０８】
次に、相対値Ｒ１を変数とする所定の関数ｆ（Ｒ１）及び予め校正されたパラメータを用いることにより、温度Ｔ１を算出する。この関数Ｔ１＝ｆ（Ｒ１）は、ｆ（Ｒ１）＝ａＲ＋ｂ、ｆ（Ｒ１）＝ａＲＳ＋ｂＲ＋ｃ、…等の多項式又は多次式になる。関数ｆ（Ｒ１）及びパラメータａ、ｂ、…は、図１９に示す温度測定装置において、例えば、接触方式によりテスト用ウエハの温度を測定しながら検出光及び参照光を検出し、温度の実測値と検出信号ＲＰ及び参照信号ＲＳとを用いて演算（例えば、回帰分析等）を行うことにより求めることができる。
【０２０９】
或いは、相対値Ｒ１を用いる替わりに、検出信号ＲＰ及び参照信号ＲＳを変数とする関数ｆ'（ＲＰ，ＲＳ）を用いて温度Ｔ１を直接算出しても良い。この関数Ｔ１＝ｆ'（ＲＰ，ＲＳ）及びそのパラメータも、関数ｆ（Ｒ１）の場合と同様に、接触方式により得られた温度の実測値を用いることにより求められる。
【０２１０】
一方、温度Ｔ２については、まず、補正信号ＲＲに基づいて検出信号ＲＵＶＰ及び参照信号ＲＶＳＰを補正することにより、真の検出信号ＲＵＶＰ'及び真の参照信号ＲＶＳＰ'を求める。なお、図１９に示す光源部９３０においては、２つの光源装置９３２及び９３７が用いられているので、このような補正が必要となる。従って、波長成分の強度比が変動しない、広帯域な光源装置を１つのみ用いる場合には、この補正が不要となる場合もある。
【０２１１】
そして、真の検出信号ＲＵＶＰ'と真の参照信号ＲＶＳＰ'との相対値Ｒ２を求め、温度Ｔ１の算出方法と同様に、関数ｇ（Ｒ２）及び予め校正されたパラメータを用いることにより、温度Ｔ２を算出する。なお、関数ｇ（Ｒ２）についても、テスト用ウエハを用いた温度測定と演算（例えば、回帰分析等）とにより求めることができる。或いは、真の検出信号及び参照信号を変数とする関数ｇ'（ＲＵＶＰ'，ＲＶＳＰ'）を用いて温度Ｔ２を算出しても良い。
【０２１２】
次に、温度Ｔ２と温度Ｔ１との差ΔＴ＝Ｔ２−Ｔ１を算出し、この差ΔＴに基づいて関数ｆ（Ｒ１）のパラメータを校正する。具体的には、誤差ΔＴが０に近づくように関数ｆ（Ｒ１）のパラメータを変更する。
それによって得られた校正済みのパラメータ及び関数ｆ（Ｒ１）と、第１の光学系によって得られた検出信号ＲＰ及び参照信号ＲＳとを用いることにより、表面酸化膜に起因する誤差が低減されたウエハ１００の温度を求めることができる。
【０２１３】
以上説明した本発明の第９の実施形態においては、誤差ΔＴを求める際に用いられる温度Ｔ２として、第２の光学系を複数回動作させることによって得られた複数の検出信号ＲＵＶＰ及び複数の参照信号ＲＶＳＰのそれぞれの平均値を用いることにより、測定精度をさらに上げることができる。
また、第２の光学系を用いた関数ｆ（Ｒ１）のパラメータの校正は、定期的に行っても良いし、温度測定対象となるウエハを交換する毎に行っても良い。後者の場合には、本実施形態に係るウエハ温度測定装置の外部から供給されるウエハ交換信号に基づいて、第２の光学系の動作が自動的に制御されるようにしても良い。
【０２１４】
さらに、本実施形態においては、第１の光学系において紫外光のＳ偏光成分を参照光として用いているが、反射強度が測定対象の温度にあまり依存しない成分であれば、それ以外の成分を用いても良い。例えば、可視光のＰ偏光成分又はＳ偏光成分を用いることもできる。
【０２１５】
以上説明したように、本発明の第９の実施形態によれば、反射強度が測定対象の温度に大きく依存する紫外光のＰ偏光成分を、入射角がブリュースター角近傍となるように測定対象に照射し、その反射光の反射強度に基づいて測定対象の温度を算出するので、温度測定対象であるウエハの表面状態、即ち、酸化膜の厚さや物性に起因する誤差が低減された正確な温度測定を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【０２１６】
本発明は、半導体製造プロセスにおいてウエハの温度を制御するために用いられるウエハ温度測定方法及び装置において利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０２１７】
【図１】シリコンに対するＰ偏光成分の反射強度の変化率を表すグラフである。
【図２】シリコンウエハに対するＳ偏光成分の反射率を示すグラフである。
【図３】シリコンウエハに対するＰ偏光成分の反射率を示すグラフである。
【図４】本発明の第１の実施形態に係るウエハ温度測定装置の構成を示す模式図である。
【図５】図４に示す信号処理部の機能を説明するためのブロック図である。
【図６】本発明の第１の実施形態におけるパラメータの校正方法を示すフローチャートである。
【図７】本発明の第１の実施形態における温度の算出方法を示すフローチャートである。
【図８】本発明の第２の実施形態に係るウエハ温度測定装置の構成を示す模式図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係るウエハ温度測定装置の構成を示す模式図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係るウエハ温度測定装置の変形例を説明するための図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態に係るウエハ温度測定装置の構成を示す模式図である。
【図１２】本発明の第５の実施形態に係るウエハ温度測定装置の構成を示す模式図である。
【図１３】本発明の第６の実施形態に係るウエハ温度測定装置の構成を示す模式図である。
【図１４】本発明の第７の実施形態に係るウエハ温度測定装置の構成を示す模式図である。
【図１５】本発明の第８の実施形態に係るウエハ温度測定装置の構成を示す模式図である。
【図１６】本発明の実施形態に係るウエハ温度測定装置におけるパラメータ校正方法を説明するための図である。
【図１７】シリコン酸化膜に対するＰ偏光成分及びＳ偏光成分の反射率を示す表である。
【図１８】シリコン酸化膜に対するＰ偏光成分及びＳ偏光成分の反射率の入射角依存性を示すグラフである。
【図１９】本発明の第９の実施形態に係るウエハ温度測定装置の構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【０２１８】
１１…校正コントトーラ、１２…ウエハ温度指示部、１３…校正データ格納部、１４…校正値計算部、１５…校正パラメータ格納部、２１…相対値計算部、２２…温度計算部、２３…温度信号出力部、１００…ウエハ、１１０、２１０、３１０、５１０、６１０、７１０、８１０、９１０、９３０…光源部、１１１、２１１、２１６、３１１、４０１、５１１、５１４、６１１、６１６、６２０、７１１、８１１、８１４、９１１、９３１、９３６…駆動回路（ＤＲ）、１１２、２１２、２１７、３１２、４０２、５１２、５１５、６１２、６１７、６２１、７１２、８１２、８１５、９１２、９３２、９３７…光源装置（ＬＳ）、１１３、２１３、２１８、３１３、４０３、５１３、５１６、６１３、６１８、６２２、７１３、８１３、８１６、９１３、９３３、９３８…コリメートレンズ、１１４、２１４、２１９、３３４、４１、４２、４３、９３４、９３９…ビームスプリッタ、１１５、４０８、５１８、６１４、６１９、６２３、８３２…偏光素子（ポーラライザ）、１１６、２２２、５１９、６２５…光チョッパ、１１７、１３４、１３６、２１５、２２０、２３４、２３７、３３３、３３６、４１１、５３４、５３７、７３６〜７３９、８３５、９２４、９２６、９３５、９４０、９５６、９５８…光検出器（ＰＤ）、１２１、１２２…プリズム、１３０、２３０、３３０、５３０、７３０、８３０、９２０、９５０…受光部、１３１、２３２、２３５、３１４、９２１…波長選択フィルタ、１３２、２２１、２３１、５３１、７３２、７３３、８１７、９２２…偏光ビームスプリッタ（偏光プリズム）、１３３、１３５、２３３、２３６、４０９、５３２、５３５…集光レンズ、１４０…信号増幅器（ＡＭＰ）、１５０…信号処理部（ＰＣ）、２２３、９４２…光量比較部（ＣＭＰ）、３２０…チャンバ、３２、３３、３５、３６、３２１、３２４、３２７…窓、３２２、３２３、３５１…ヒータ、３２５、３２６…不純物防止付着用カバー、３１、３４…光路用通路、３３１…ウォラストンプリズム、３３２、３３５、４１０、５３３、５３６、９２３、９２５、９５５、９５７…積分球、３３７…位置検出センサ、３４０…支持部、３４１…メカニカルステージ、３４２…オートコリメータユニット、３４３…メカニカルステージ駆動部（ＭＴＤ）、３５０…ロッド、４０４…アパーチャ（開口部）、４０５…分光部、４０７、８３１…光変調器、４１２…光変調器駆動部（ＰＣＤ）、５１７、６１４、６２４、９４１…波長合成素子、５５０…ウエハ支持台、５６１…アクチュエータ、５６２…温度センサ、５６３…校正用試験片、５６４…アーム、５６５…回転モータ、７０…光路用通路、７１〜７３…波長分離フィルタ、７２１…ウエハ支持台、７３１…波長分離フィルタ群、７２２〜７２４…支持部材、７２２ａ、７２２ｂ、７２３ａ、７２４ａ…位置調整部、７３４、８３３…拡散板、７３５、８３４、９５１…レンズ、７６０…位置検出ユニット、７６１…集光レンズ、７６２…位置検出素子、９５２、９５３…アパーチャ（開口部）、９５４…波長分離素子
【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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【図１０】
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【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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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