(57)【要約】【課題】熱処理装置において加熱対象となる被処理基板の温度を当該被処理基板の全面にわたって一度で測定する。【解決手段】温度測定機構は、ウェハＷを撮像する撮像部６０と、撮像部６０とウェハＷとの間に配置された、第１の波長と同じかまたはそれよりも短い波長の光を透過させる第１のフィルタと、撮像部６０とウェハＷとの間に配置された、第２の波長と同じかまたはそれよりも長い波長の光を透過させる第２のフィルタと、予め求められた、ウェハＷの温度と、撮像部６０で撮像したウェハの撮像画像の画素値との相関関係を記憶する記憶部１００と、加熱処理中のウェハＷの撮像画像から抽出された画素値と、記憶部１００に記憶された相関関係Ｆに基づいて、加熱処理中のウェハＷの温度を算出する演算部１０１と、を有し、第１の波長は、前記第２の波長よりも長い波長である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理基板を加熱処理する熱処理装置において、被処理基板の温度を測定する温度測定機構であって、
被処理基板を撮像する撮像部と、
前記撮像部と前記被処理基板との間に配置された、所定の波長と同じかまたはそれよりも短い波長の光を透過させる光学フィルタと、
予め求められた、前記被処理基板の温度と、前記撮像部で撮像した被処理基板の撮像画像の画素値との相関関係を記憶する記憶部と、
加熱処理中の前記被処理基板の撮像画像から抽出された画素値と、前記記憶部に記憶された相関関係に基づいて、前記加熱処理中の被処理基板の温度を算出する演算部と、を有していることを特徴とする、温度測定機構。
【請求項２】
前記記憶部に記憶された相関関係は、温度測定用の温度センサを複数内蔵した測定用基板を所定の温度で加熱して撮像した撮像画像から抽出された、前記温度センサに対応する領域の画素値と、前記温度センサによる測定温度とに基づいて求められることを特徴とする、請求項１に記載の温度測定機構。
【請求項３】
前記光学フィルタと、前記被処理基板との間に配置された、前記被処理基板の直径よりも小さく且つ視野角内に前記被処理基板の全面が収まるレンズを備えた光学部と、
前記撮像部で撮像された撮像画像の歪みを座標変換により補正する画像処理部と、をさらに有し、
前記画像処理部における撮像画像の歪みの補正は、前記測定用基板に予め施された所定のマークの実座標に、前記撮像画像中の前記所定のマークの座標を一致させることにより行われることを特徴とする、請求項２に記載の温度測定機構。
【請求項４】
前記演算部における前記被処理基板の温度の算出は、前記画像処理部で補正後の撮像画像に基づいて行われることを特徴とする、請求項３に記載の温度測定機構。
【請求項５】
前記測定用基板に内蔵された複数の温度センサは、前記測定用基板と同心円状に配置されていることを特徴とする、請求項２〜４のいずれか一項に記載の温度測定機構。
【請求項６】
前記撮像部と前記被処理基板との間に配置された、前記光学フィルタが透過しない波長の光よりも短い波長の光を遮蔽する他の光学フィルタをさらに有していることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の温度測定機構。
【請求項７】
前記所定の波長は１１００ｎｍであり、
前記他の光学フィルタが遮蔽する光の波長は８００ｎｍまたはそれよりも短いことを特徴とする、請求項６に記載の温度測定機構。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の温度測定機構を備えた、被処理基板を加熱処理する熱処理装置であって、
前記被処理基板を加熱する加熱部と、
前記演算部で算出された被処理基板の温度に基づいて、前記加熱部の出力を制御する温度制御部と、を有することを特徴とする、熱処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に、被処理基板を加熱処理する熱処理装置において被処理基板の温度を測定する温度測定機構、及び熱処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば半導体デバイスの製造工程では、例えば基板としての半導体ウェハ（以下、「ウェハ」という。）上に成膜を行う成膜処理や熱処理などの各種処理が順次行われる。イオン注入後の熱処理においては、不純物の拡散を最小限に抑えることが好ましい。そこで近年、マイクロ波を用いた加熱方法が提案されている。マイクロ波を用いて加熱することで、マイクロ波が不純物であるイオンに直接作用するので、低い温度で不純物を活性化させ、且つ拡散層が広がることを抑制できる。
【０００３】
例えば特許文献１には、マイクロ波を用いた加熱処理装置が開示されている。この加熱処理装置では、処理容器内の支持ピンにウェハを載置し、マイクロ波を基板に照射して加熱を行ながら、例えば放射温度計により基板の温度を測定する。そして、測定された基板の温度に応じて処理容器内に供給する冷却ガスの量を制御することで、基板の温度制御が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１９１１５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、放射温度計による温度測定では、ウェハのごく一部の領域の温度を測定しているに過ぎず、加熱時に生じるウェハの面内の温度差を検出することができていない。そのため、ウェハ面内の温度制御を精密に行うことができていないという問題がある。
【０００６】
かかる場合、加熱処理装置内に放射温度計を複数配置し、ウェハの全面にわたって温度を測定することが考えられるが、放射温度計を複数設けることは、費用的な観点からも、物理的な配置の観点からも現実的ではない。したがって、ウェハ全面にわたって一度に温度測定を行う手法の開発が望まれている。
【０００７】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、熱処理装置において加熱対象となる被処理基板の温度を当該被処理基板の全面にわたって一度で測定することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明は、被処理基板を加熱処理する熱処理装置において、被処理基板の温度を測定する温度測定機構であって、被処理基板を撮像する撮像部と、前記撮像部と前記被処理基板との間に配置された、所定の波長と同じかまたはそれよりも短い波長の光を透過させる光学フィルタと、予め求められた、前記被処理基板の温度と、前記撮像部で撮像した被処理基板の撮像画像の画素値との相関関係を記憶する記憶部と、加熱処理中の前記被処理基板の撮像画像から抽出された画素値と、前記記憶部に記憶された相関関係に基づいて、前記加熱処理中の被処理基板の温度を算出する演算部と、を有していることを特徴としている。
【０００９】
本発明によれば、光学フィルタを透過した撮像画像から画素値を抽出し、当該抽出した画素値と予め求められた相関関係に基づいて、被処理基板の温度を算出する演算部を有しているので、被処理基板の撮像画像から、当該画素値を抽出した領域に対応する被処理基板の温度を算出することができる。したがって、複数点の画素値に基づいて被処理基板の温度を算出することで、当該被処理基板の全面にわたって一度で温度を測定することができる。
【００１０】
前記記憶部に記憶された相関関係は、温度測定用の温度センサを複数内蔵した測定用基板を所定の温度で加熱して撮像した撮像画像から抽出された、前記温度センサに対応する領域の画素値と、前記温度センサによる測定温度とに基づいて求められてもよい。
【００１１】
前記光学フィルタと、前記被処理基板との間に配置された、前記被処理基板の直径よりも小さく且つ視野角内に前記被処理基板の全面が収まるレンズを備えた光学部と、前記撮像部で撮像された撮像画像の歪みを座標変換により補正する画像処理部と、をさらに有し、前記画像処理部における撮像画像の歪みの補正は、前記測定用基板に予め施された所定のマークの実座標に、前記撮像画像中の前記所定のマークの座標を一致させることにより行われてもよい。なお、前記撮像部と前記被処理基板との間に配置された、前記光学フィルタが透過しない波長の光よりも短い波長の光を遮蔽する他の光学フィルタをさらに有していてもよい。
【００１２】
前記演算部における前記被処理基板の温度の算出は、前記画像処理部で補正後の撮像画像に基づいて行われてもよい。
【００１３】
前記測定用基板に内蔵された複数の温度センサは、前記測定用基板と同心円状に配置されていてもよい。
【００１４】
前記所定の波長は１１００ｎｍであり、前記他の光学フィルタが遮蔽する光の波長は８００ｎｍまたはそれよりも短くてもよい。
【００１５】
別の観点による本発明は、前記の温度測定機構を備えた、被処理基板を加熱処理する熱処理装置であって、前記被処理基板を加熱する加熱部と、前記演算部で算出された被処理基板の温度に基づいて、前記加熱部の出力を制御する温度制御部と、を有することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、熱処理装置において加熱対象となる被処理基板の温度を当該被処理基板の全面にわたって一度で測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施の形態に係る熱処理装置の構成の概略を示す縦断面図である。
【図２】マイクロ波ユニットの構成の概略を示す説明図である。
【図３】電源部の構成の概略を示す説明図である。
【図４】処理容器の天井板の下面を示す下面図である。
【図５】天井板の開口の形状を示す説明図である。
【図６】光学部及び撮像部近傍の構成の概略を示す説明図である。
【図７】撮像画像の画素値とウェハ温度の測定値との相関関係を示すグラフである。
【図８】測定用ウェハの構成の概略を示す平面の説明図である。
【図９】歪みを含んだ撮像画像を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。図１は、本実施の形態にかかる温度測定機構を備えた熱処理装置１を概略的に示した縦断面図である。なお、本実施の形態では、熱処理装置１が例えばマイクロ波により被処理基板の加熱を行うマイクロ波加熱処理装置であり、シリコン基板であるウェハＷに対して加熱処理を施す場合を例にして説明する。また、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１９】
図１に示すように、熱処理装置１は、被処理基板としてのウェハＷを収容する処理容器１０と、処理容器１０の内部にマイクロ波を導入するマイクロ波導入機構１１と、処理容器１０の内部に所定のガスを供給するガス供給機構１２と、処理容器１０内でウェハＷを支持する支持機構１３と、熱処理装置１の各機器を制御する制御ユニット１４を備えている。処理容器１０は、例えばアルミニウム、ステンレス等の金属により形成されている。
【００２０】
処理容器１０は、全体として、例えば略直方体状の容器であり、平面視が例えば正方形の筒状の側壁２０と、側壁２０の上端を覆う略正方形状の天井板２１と、側壁２０の下端を覆う略正方形状の底板２２を有している。これら側壁２０、天井板２１、底板２２により囲まれた領域に、処理容器１０の処理空間が形成される。また、側壁２０、天井板２１、底板２２の処理空間側の面は鏡面加工されており、マイクロ波を反射させる反射面として機能する。これにより、鏡面加工されていない場合と比較して、ウェハＷを加熱処理する際の到達温度を高くすることができる。
【００２１】
処理容器１０の側壁２０にはウェハＷの搬入出口２０ａが形成されている。搬入出口２０ａにはゲートバルブ２３が設けられており、このゲートバルブ２３は図示しない駆動機構により開閉自在となっている。ゲートバルブ２３と側壁２０との間には、マイクロ波の漏えいを防止するための、図示しないシール部材やチョークが設けられている。また、処理容器１０の側壁２０には、ガス供給機構１２が供給管２４を介して接続されている。なお、ガス供給機構１２からは、例えば処理ガス又は冷却ガスとして、例えば窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス、ネオンガス、窒素ガス、水素ガス、酸素ガスといったガスが供給される。
【００２２】
処理容器１０の底板２２には、排気口２２ａが形成されており、この排気口２２ａには排気管２５を介して、例えば真空ポンプなどの排気機構３０が接続されている。また、底板２２には支持機構１３が設けられている。
【００２３】
支持機構１３は底板２２の中央を上下方向に貫通して処理容器１０の外部まで延伸するシャフト３１と、シャフト３１の上端近傍に設けられ、水平方向に延伸するアーム３２と、アーム３２の上端に設けられ、ウェハＷを支持する支持ピン３３を有している。シャフト３１の下端には、当該シャフト３１を、回転及び昇降させる駆動機構３４が接続されている。処理容器１０内におけるウェハＷの高さ方向の位置は、ウェハＷを支持する支持ピン３３を駆動機構３４により昇降動作させることにより調整される。駆動機構３４は、例えば処理容器１０の外部に配置されている。なお、シャフト３１と底板２２との間は、図示しないシール部材及びチョークにより気密に且つマイクロ波が外部に漏洩しないように塞がれている。
【００２４】
処理容器１０の天井板２１には、当該処理容器１０内にマイクロ波を導入するためのマイクロ波導入ポートとして機能する開口３６が形成されており、この開口３６を塞ぐように透過窓３７が設けられている。マイクロ波導入機構１１はこの透過窓３７の上部に設けられており、当該マイクロ波導入機構１１は、マイクロ波を発生させるマイクロ波ユニット４０とマイクロ波ユニットに接続された電源部４１とを有している。本実施の形態では、例えば透過窓３７及びマイクロ波ユニット４０はそれぞれ４つずつ、電源部４１は１つ設けられている。また、天井板２１の中心部、即ちウェハＷの中心部の鉛直上方には、ウェハＷを撮像する撮像ユニット４２が設けられている。
【００２５】
透過窓３７は、例えば石英、セラミックス等の誘電体により形成されている。透過窓３７と天井板２１との間は、図示しないシール部材により気密に塞がれている。なお、透過窓３７の下面から処理容器１０内で加熱処理されるウェハＷとの距離は、ウェハＷにマイクロ波が直接放射されることを抑制する観点から、例えば２５ｍｍ以上５０ｍｍ以下となるように設定されている。
【００２６】
また、天井板２１に形成された４つの開口３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄは、例えば図４に示すように、概ね中心線Ｍに沿って略十字状に配置されている。図４は、天井板２１を下面から見た状態を示す図である。図４において、符号Ｏはウェハ及び天井板２１の中心を表している。また、符号Ｍは、天井板２１と側壁２０との境界となる４つの辺において、対向する辺の中点同士を結んだ線である。なお、ウェハＷの中心と天井板２１の中心とは、必ずしも一致している必要はない。
【００２７】
各開口３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄは、図４及び図５に示すように長方形状に形成されており、長辺の長さＬ１と短辺の長さＬ２との比は、例えば２以上１００以下の範囲に設定されており、好ましくは５以上２０以下の範囲に設定される。長辺の長さＬ１と短辺の長さＬ２との比を２以上とするのは、各開口３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄから処理容器１０内に放射されるマイクロ波の指向性を開口３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄの長辺と垂直な方向に強めるためである。長辺の長さＬ１と短辺の長さＬ２との比が２未満の場合、開口３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄの直下の方向に対してもマイクロ波の指向性が強くなるため、透過窓３７とウェハＷとの間の距離とが短い場合に、ウェハＷの一部にマイクロ波が直接照射され、ウェハＷが局所的に昇温してしまう。その一方、長辺の長さＬ１と短辺の長さＬ２との比が２０を超えると、開口３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄの直下や開口３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄの長辺と平行な方向へ向かうマイクロ波の指向性が弱くなりすぎ、ウェハＷの加熱効率が低下してしまう。
【００２８】
なお、各開口３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄの長辺の長さＬ１は、例えば導波管４４の管内波長λｇに対してＬ１＝ｎ×λｇ／２（ｎは正の整数）とすることが好ましい。なお、各開口３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄの大きさや、長さＬ１とＬ２との比は、各開口３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄ毎に異なっていてもよいが、ウェハＷに対してマイクロ波を均等に照射して均一な加熱処理を行うことを考慮すると、各開口３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄの大きさや、長さＬ１、Ｌ２は同一であることが好ましい。
【００２９】
また、本実施の形態では、各開口３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄは、ウェハＷ上面近傍の電界分布を均一にする観点から、各開口３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄの中心Ｏｐが、例えば図４に示すように、例えばウェハＷより小さく異なる直径を有し、ウェハＷの中心Ｏを中心とする２つの同心円のいずれかに重なるように配置されている。この際に、各開口３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄの全ての中心Ｏｐの位置が、同一の円周上に配置されないようにしている。本実施の形態では、例えば図４に示すように、例えば二つの開口３６ａ、３６ｃを半径ＲＩＮの円周上に配置し、開口３６ｂ、３６ｄを半径ＲＩＮより大きな半径ＲＯＵＴを有する円周上に配置している。
【００３０】
なお、図４に示すように、各開口３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄは、それぞれの長辺と短辺が、側壁２０の内側面と平行になるように配置されている。図４では、二つの開口３６ａ、３６ｃの長辺がＸ方向正方向側と負方向側の側壁２０と平行で、且つ他の二つの開口３６ｂ、３６ｄの長辺がＹ方向正方向側と負方向側の側壁２０と平行になるように配置された状態を描図している。
【００３１】
また、各開口３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄは、それぞれの長辺と垂直な方向に平行移動させた場合に、他の開口と干渉しない位置に配置されている。例えば、図４に示す開口３６ａは、その長辺と垂直な方向、即ちＸ方向に移動させても、開口３６ｂ、３６ｄとは干渉せず、当然開口３６ｃとも干渉しない。このような条件で各開口３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄを略十字状に配置することによって、各開口３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄから、その長辺に対して垂直な方向へ強い指向性を持って放射されるマイクロ波及びその反射波が、他の開口３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄに進入することを抑制できる。その結果、マイクロ波及びその反射波が各開口３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄへ進入することによる損失を抑え、マイクロ波による効率的な加熱処理を行うことができる。
【００３２】
また、本実施の形態では、略十字状に配置された開口３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄのうち、互いに隣接していない２つの開口はそれぞれの中心Ｏｐが、中心線Ｍに平行な同一の直線状に位置しないように配置されている。例えば長辺の方向が同じ開口３６ａと開口３６ｃの中心Ｏｐは、それぞれ異なる方向に中心線Ｍから所定の距離だけずれている。このように開口３６ａと開口３６ｃを配置することによって、開口３６ａと開口３６ｃとの間で、それぞれに短辺に垂直な方向に放射されたマイクロ波が進入し合い、電力損失が生じることを抑制できる。なお、例えば開口３６ａと開口３６ｃの中心Ｏｐが同一の直線状に位置していなければ、いずれか一方の開口の中心Ｏｐが中心線Ｍと重なっていてもよい。各開口３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄの配置は本実施の形態に限定されるものではなく、上記の関係を満たすような配置であれば、任意に設定が可能である。
【００３３】
マイクロ波ユニット４０は、例えば図２に示すように、マイクロ波を生成するためのマグネトロン４３と、マイクロ波を伝送する導波管４４と、導波管４４と透過窓３７の間に設けられたサーキュレータ４５、検出器４６、チューナ４７と、サーキュレータ４５に接続されたダミーロード４８を有している。
【００３４】
マグネトロン４３は、電源部４１により高電圧を印加するための図示しない陽極及び陰極を有している。マグネトロン４３としては、種々の周波数のマイクロ波を発振することができるものを用いることができる。なお、マグネトロンにより生成されるマイクロ波の周波数は、被処理基板としてのウェハＷの処理に最適な周波数が適宜選択される。
【００３５】
導波管４４は、断面が矩形であって且つ筒状の形状を有し、処理容器１０の天井板２１及び透過窓３７の上面から上方に向けて延伸している。マグネトロン４３は、この導波管４４の上端部近傍に接続されており、マグネトロン４３で生成されたマイクロ波は、導波管４４と透過窓３７を介して処理容器１０の処理空間内に伝送される。
【００３６】
サーキュレータ４５、検出器４６及びチューナ４７は、導波管４４の上端部から下端部に向けてこの順で設けられている。サーキュレータ４５及びダミーロード４８は、処理容器１０内に導入されたマイクロ波の反射波を分離するアイソレータとして機能する。換言すれば、処理容器１０からの反射波はサーキュレータ４５によりダミーロード４８に伝送され、ダミーロード４８はサーキュレータ４５により伝送された反射波を熱に変換する。
【００３７】
検出器４６は、導波管４４における処理容器１０からの反射波を検出するものであり、例えばインピーダンスモニタ、より具体的には、導波管４４における定在波の電界を検出する定在波モニタにより構成されている。なお、検出器４６は、進行波と反射波を検出することが可能な、例えば方向性結合器により構成されていてもよい。
【００３８】
チューナ４７は、インピーダンスを調整するものであり、マグネトロン４３と処理容器１０との間のインピーダンスはチューナ４７により整合される。チューナ４７によるインピーダンス整合は、検出器４６における反射波の検出結果に基づいて行われる。
【００３９】
電源部４１は、マグネトロン４３に対し、マイクロ波を生成するための高電圧を印加する。電源部４１は、例えば図３に示すように、商用電源に接続されたＡＣ−ＤＣ変換回路５０と、ＡＣ−ＤＣ変換回路５０に接続されたスイッチング回路５１と、スイッチング回路５１の動作を制御するスイッチングコントローラ５２と、スイッチング回路５１に接続された昇圧トランス５３と、昇圧トランス５３に接続された整流回路５４とを有している。昇圧トランス５３とマグネトロン４３とは、整流回路５４を介して接続されている。
【００４０】
ＡＣ−ＤＣ変換回路５０では、商用電源からの例えば三相２００Ｖの交流電圧が整流され、直流に変換される。スイッチング回路５１は、ＡＣ−ＤＣ変換回路５０により変換された直流のオン、オフを制御する回路である。スイッチング回路５１では、スイッチングコントローラ５２によりパルス幅変調（ＰＷＭ：Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）またはパルス振幅変調（ＰＡＭ：Ｐｕｌｓｅ  Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）が行われ、パルス状の電圧が生成される。スイッチング回路５１から出力されるパルス状の電圧は、昇圧トランス５３により昇圧される。昇圧されたパルス状の電圧は、整流回路５４により整流されてマグネトロン４３に供給される。
【００４１】
撮像ユニット４２は、図６に示すように、ウェハＷを撮像する撮像部６０と、撮像部６０とウェハＷとの間に配置された、所定の波長の光を透過させる光学フィルタとしての第１のフィルタ６１及び他の光学フィルタとしての第２のフィルタ６２と、フィルタ６１、６２とウェハＷとの間に配置された、複数のレンズにより構成された光学部６３と、を有している。
【００４２】
撮像部６０は、光学部６３及びフィルタ６１、６２通った光を撮像する、例えばＣＣＤカメラである。
【００４３】
光学部６３は、例えば図６に示すように、透過窓３７が設けられた開口３６とは別に天井板２１に形成された他の開口６４を塞ぐように設けられた第１のレンズ６５と、第１のレンズ６５の上方に配置された第２のレンズ群６６と、第２のレンズ群６６よりもさらに上方に配置された第３のレンズ群６７を有している。
【００４４】
第１のレンズ６５の直径は、例えばウェハＷの直径よりも小さく、その曲率は、第１のレンズ６５より下方のウェハＷ全面が視野角内に収まるように設定されている。第２のレンズ群６６は、第１のレンズ６５に入射した光を平行光に変換する例えばコリメータレンズである。また、第３のレンズ群６７は、撮像部６０に入光する光の量を調整する絞り調整用のレンズである。なお、光学部６３に曲率の大きな第１のレンズ６５を設けているのは、上述の通り、透過窓３７とウェハＷとの距離が概ね２５ｍｍ〜５０ｍｍに設定されており、撮像部６０の視野角内にウェハＷの全面を収めることができないからである。したがって、例えばウェハＷと天井板２１との間の距離が十分に確保されており、撮像部６０の視野角内にウェハＷの全面を収めることができるような場合は、光学部６３の構成は必ずしも本実施の形態の内容に限定されるものではなく、適宜最適な構成を選択することができる。
【００４５】
第１のフィルタ６１は、所定の波長としての第１の波長と同じかまたはそれよりも短い波長の光を透過する、換言すれば第１の波長よりも長い波長の光を遮蔽する分光フィルタであり、いわゆるハイパスフィルタ（ショートパスフィルタ）である。また、第２のフィルタ６２は、第２の波長と同じかまたはそれよりも長い波長の光を透過する、換言すれば第２の波長よりも短い波長の光を遮蔽する分光フィルタであり、いわゆるローパスフィルタ（ロングパスフィルタ）である。そして、第１の波長は、第２の波長よりも長い波長である。したがって、第２のフィルタ６２は、第１のフィルタ６１が遮蔽する（透過しない）波長の光よりも短い波長の光を遮蔽し、この第１のフィルタ６１と第２のフィルタ６２により、所定範囲の波長の光のみを透過させるバンドパスフィルタが構成される。
【００４６】
ここで、本実施の形態では、第１の波長は、例えばシリコン基板であるウェハＷのバンドギャップのエネルギー（概ね１．１ｅＶ）に対応する波長（概ね１１２７ｎｍ）に若干余裕を持たせた１１００ｎｍに設定されている。そのため、例えば撮像部６０から見てウェハＷの背面に位置する処理容器１０や、アーム３２、支持ピン３３などがマイクロ波により加熱されると、それらの発熱に由来する光のうちウェハＷのバンドギャップよりも小さなエネルギーの光はウェハＷを透過するが、透過した光は第１のフィルタ６１により遮蔽（吸収）または反射される。また、本実施の形態では、第２の波長は、例えば可視光域の波長よりもやや長い８００ｎｍに設定されている。そのため、例えばマイクロ波加熱に由来しない、バックグランドノイズとしての可視光は、第２のフィルタ６２により遮蔽（吸収）または反射される。したがって、第１のフィルタ６１と第２のフィルタ６２により構成されるバンドパスフィルタを透過して撮像部６０に入射する光は、マイクロ波により加熱されたウェハＷ由来のものとなる。なお、第１の波長及び第２の波長は本実施の形態に限定されるものではなく、例えば第１の波長であれば、ウェハＷの材質、より具体的にはウェハＷのバンドギャップに応じて適宜設定され、第２の波長であれば、熱処理装置１におけるバックグランドノイズとしての光の波長に応じて適宜設定される。かかる場合、熱処理装置１におけるバックグランドノイズが無視できる程度に小さければ、第２のフィルタは必ずしも設ける必要はない。また、バンドパスフィルタを構成するにあたり、必ずしも２つのフィルタ６１、６２を設ける必要はなく、汎用のバンドパスフィルタを用いてもよい。
【００４７】
第１のフィルタ６１及び第２のフィルタ６２は、当該フィルタ６１、６２で反射した光がウェハＷに照射されたり、撮像部６０へ入射したりしないように、例えば水平方向から概ね３０度〜４５度下方に傾けて設置されている。
【００４８】
光学部６３及び第１のフィルタ６１及び第２のフィルタ６２を透過した光は、撮像部６０に取り込まれて撮像される。撮像部６０で撮像されたウェハＷの撮像画像は、例えば制御ユニット１４に入力される。
【００４９】
制御ユニット１４は、例えば図１に示すように、記憶部１００、撮像部６０による撮像画像に基づいてウェハＷの温度を算出する演算部１０１、撮像画像を処理する画像処理部１０２、演算部１０１で算出された温度に基づいて、加熱部としてのマイクロ波ユニット４０からの処理容器１０内に導入されるマイクロ波の出力を制御する温度制御部１０３と、を有している。制御ユニット１４は、記憶部１００に記憶されたレシピに従い、熱処理装置１の各機構を制御する。なお、制御ユニット１４への指令は、専用の制御デバイスあるいはプログラムを実行するＣＰＵ(図示せず)により実行される。プロセス条件を設定したレシピは、ＲＯＭや不揮発性メモリ(ともに図示せず)に予め記憶されていて、ＣＰＵが、これらのメモリからレシピの条件を読み出し実行する。また、記憶部１００は、演算部１０１において撮像画像からウェハＷの温度を算出するための相関関係Ｆも記憶されている。
【００５０】
この制御ユニット１４の機能について、相関関係Ｆ及び本発明の原理の概要と共に説明する。相関関係Ｆは、例えば図７に示すように、ウェハＷの温度Ｔ（測定温度）と、当該ウェハＷを撮像部６０により撮像した撮像画像の画素値（輝度）Ｎとを対応づけたグラフとして表される。当該相関関係Ｆの算出方法について説明する。
【００５１】
相関関係Ｆの算出にあたっては、例えば図８に示すような、測定用基板としての測定用ウェハＺが用いられる。測定用ウェハＺには、温度センサＳが複数内蔵されている。温度センサＳとしては、例えば熱電対などを用いることができる。温度センサＳで検出された温度は、制御ユニット１４に入力される。なお、図８では、測定用ウェハＺの中心と同心円で１３か所に温度センサＳ１〜Ｓ１３が内蔵されている状態を描図しているが、温度センサＳの配置は本実施の形態の内容に限定されるものではない。また、測定用ウェハＺは、ウェハＷと同一の材料により、同一形状に形成されており、例えば測定用ウェハＺをウェハＷと同一条件下で加熱した場合、その温度上昇率や温度分布は概ね同一となる。
【００５２】
そして、相関関係Ｆの算出にあたっては、先ず、測定用ウェハＺを熱処理装置１の処理容器１０内の支持ピン３３上に載置し、ウェハＷを加熱処理する際と同一の条件で加熱する。測定用ウェハＺが加熱されると、測定用ウェハＺに内蔵された各温度センサＳ１〜Ｓ１３から制御ユニット１４に温度測定値が入力される。それと共に、例えば温度センサＳ１〜Ｓ１３の温度測定値が所定の温度だけ変化する毎に、撮像部６０により測定用ウェハＺの撮像が行われる。撮像部６０で撮像された撮像画像は、適宜制御ユニット１４に入力される。なお、実際には測定用ウェハＺを厳密に面内均一に加熱することは困難であり、そのため、温度センサＳ１〜Ｓ１３での温度測定値は必ずしも同一にはならない。したがって、撮像部６０による撮像のタイミングを決定する際にあたっては、温度センサＳ１〜Ｓ１３のうち、任意の一つについて温度測定値の変化幅を監視しておき、当該変化幅が所定の値に達する毎に撮像部６０による撮像を行うようにすればよい。以下では、例えば測定用ウェハＺの中心部に配置された温度センサＳ１の温度が、例えば温度Ｔ１〜Ｔ７に変化した場合に、撮像部６０による撮像画像の取得、及び各温度センサＳ２〜Ｓ１３による温度測定を行ったものとして説明する。
【００５３】
制御ユニット１４に撮像画像及び温度センサＳ１の温度測定値が入力されると、制御ユニット１４の例えば画像処理部１０２では、各温度Ｔ１〜Ｔ７において取得した各撮像画像から、温度センサＳ１に対応する領域の画素値Ｎを抽出する。そして、各温度Ｔ１〜Ｔ７と、それに対応する画素値Ｎから、図７に示すような相関関係Ｆが生成される。なお、図７では、例えば温度Ｔ１〜Ｔ３では、画素値Ｎは概ね変化せずＮ１に、温度Ｔ４では、画素値ＮはＮ２に、温度Ｔ５、Ｔ６、Ｔ７では、それぞれ画素値ＮがＮ３、Ｎ４、Ｎ５となった場合について例示している。生成された相関関係Ｆは、記憶部１００に記憶される。
【００５４】
この相関関係Ｆは、ウェハＷ又は測定用ウェハＺの温度Ｔが所定の値であった場合、撮像画像における画素値Ｎがどのような値となるかを表すものである。したがって、相関関係Ｆを用いることで、例えばウェハＷの加熱処理中に撮像部６０により取得した撮像画像から、そのときの温度センサＳ１に対応する領域の温度を推定できる。
【００５５】
具体的には、例えば撮像画像の温度センサＳ１に対応する領域から抽出した画素値が例えばＮ４であった場合は、温度センサＳ１に対応する領域のウェハＷの温度Ｔは、相関関係ＦにおいてはＴ６である。したがって、撮像画像の温度センサＳ１に対応する領域から画素値Ｎ４が得られた場合、当該撮像画像を撮像した時における当該ウェハＷの温度センサＳ１に対応する領域の温度は、Ｔ６であると推定できる。このような演算は、例えば演算部１０１で行われる。これが、本発明の基本的な原理である。なお、本実施の形態では、制御ユニット１４、撮像部６０、フィルタ６１、６２及び光学部６３により、本発明の温度測定機構が構成されている。
【００５６】
なお、撮像部６０における感度ムラや各温度センサＳ１〜Ｓ１３間の誤差、あるいは光学部６３の組み付け誤差といったものが無視できる程度に小さければ、温度センサＳ１〜Ｓ１３のうち任意の１つの温度センサを選択し、当該選択された温度センサに基づいて相関関係Ｆを生成すれば、他の温度センサに対応する領域の温度を画素値Ｎに基づいて算出する際に、この相関関係Ｆを用いることができる。即ち、１つの相関関係Ｆに基づいて、ウェハＷの全面について温度Ｔを算出することができる。しかしながら、通常は、撮像部６０における感度ムラや各温度センサＳ１〜Ｓ１３間の測定誤差は避けがたいものである。したがって、相関関係Ｆは、各温度センサＳ１〜Ｓ１３毎に生成することが好ましい。そして、各相関関係Ｆに基づいて、各温度センサＳ１〜Ｓ１３に対応する領域の温度Ｔを算出することで、より正確な温度Ｔを求めることができる。なお、上記したように、撮像部６０による撮像のタイミングは、温度センサＳ１の温度Ｔに基づいて決定されているので、各温度センサＳ２〜Ｓ１３における温度測定値は必ずしも温度センサＳ１における温度測定値とは一致しないが、相関関係Ｆの生成においては特に問題とはならない。
【００５７】
なお、本実施の形態では、ウェハＷの全面を撮像部６０の視野角内に収めるために、光学部６３に、曲率の大きな第１のレンズ６５を用いている。そのため、撮像部６０による撮像画像に歪みが生じる。そうすると、撮像画像上の各温度センサＳ１〜Ｓ１３に対応する位置と、実際のウェハＷまたは測定用ウェハＺにおける各温度センサＳ１〜Ｓ１３に対応する位置とが異なったものとなってしまう。かかる場合、例えば画像処理部１０２により、撮像画像の歪みを補正するようにしてもよい。
【００５８】
撮像画像の歪みを補正するにあたっては、例えば図８に示すように、測定用ウェハＺの表面に、所定形状のマークＱを形成しておく。なお、図８では、測定用ウェハＺの中心と同心円の位置に、複数の円形のマークＱ１〜Ｑ６が等間隔で形成されている状態を描図している。マークＱは、撮像部６０で撮像した撮像画像上で視認可能であればその形成方法は任意に決定でき、例えば測定用ウェハＺの上面に、下に凸に形成された溝などを用いることができる。
【００５９】
マークＱ１〜Ｑ６を形成した測定用ウェハＺを撮像部６０で撮像すると、例えば図９に示すように、撮像画像Ｅにおいては、当該撮像画像Ｅの歪みに応じて等間隔であったマークＱ１〜Ｑ６間のピッチが変化する。そこで、画像処理部１０２では、撮像画像Ｅから各マークＱ１〜Ｑ６のＸ座標及びＹ座標を抽出する。そして、測定用ウェハＺに形成された各マークＱ１〜Ｑ６の実座標は既知であるため、画像処理部１０２では、当該実座標と撮像画像Ｅにおける各マークＱ１〜Ｑ６の座標とを比較することで、撮像画像Ｅにおける歪みを求めることができる。したがって、例えばウェハＷの画像を撮像した際に、画像処理部１０２により、各マークＱ１〜Ｑ６のＸ座標及びＹ座標を実座標に一致させるように座標変換を行うことで、歪みを補正した撮像画像Ｅを取得することができる。なお、撮像画像Ｅの歪みを補正する際のマークＱ１〜Ｑ６の形状は本実施の形態のように必ずしも円形であったり、連続した線であったりする必要はなく、適切に座標変換が行えるような形状であれば、任意に設定が可能である。なお、マークＱを連続した円形状のように、撮像画像Ｅの全面にわたって歪みを求められる形状とすることで、レンズの曲率に依存する歪みのみではなく、例えば光学部６３や撮像部６０、フィルタ６１、６２といった各機器の据え付け精度に起因する、ノイズ的な歪みについても補正することができるので、より正確にウェハＷ面内の温度を算出することができる。
【００６０】
なお、画像処理部１０２で座標変換を行うにために各マークＱ１〜Ｑ６を撮像する場合、例えばウェハＷは常温状態であってもよいが、かかる場合、第２のフィルタ６２の設定によっては撮像部６０で測定用ウェハＺを撮像できないことが考えられる。したがって、座標変換のために測定用ウェハＺを撮像する際には、第２のフィルタ６２を設置しないようにしてもよい。また、第２のフィルタ６２を設置したまま撮像を行う場合は、第２のフィルタ６２で遮蔽される波長よりも長い波長の光、例えば近赤外のＬＥＤなどにより測定用ウェハＺを照らすようにしてもよい。
【００６１】
また、既述のように、熱処理装置１においてバックグランドノイズとしての可視光域の光が無視できる程度に小さければ、例えば第２のフィルタ６２を、可視光域の光も透過するように設定してもよい。換言すれば、第２のフィルタ６２を、紫外光を遮蔽するように設定してもよい。そして、座標変換を行うために各マークＱ１〜Ｑ６を撮像する際に、可視光の光源でウェハＷを照らすことで、適切にマークＱ１〜Ｑ６の撮像を行うことができる。また、例えばウェハＷを熱処理装置１に搬入出する際に、可視光の光源でウェハＷを照らせば、ウェハＷの受け渡しが行われたか否かを確認するための監視装置としても機能する。
【００６２】
本実施の形態にかかる熱処理装置１は以上のように構成されている。次に、熱処理装置１によるウェハＷの加熱処理及び加熱処理における温度の測定方法について説明する。
【００６３】
ウェハＷの加熱処理にあたっては、先ずゲートバルブ２３が開操作されて、搬送機構（図示せず）により処理容器１０内にウェハＷが搬入される。搬入されたウェハＷは、支持ピン３３上に載置される。次いで、ゲートバルブ２３が閉操作され、排気機構３０により処理容器１０内が排気されて減圧雰囲気となる。次に、ガス供給機構１２から所定の流量で処理ガス及び冷却ガスが処理容器１０内に供給される。
【００６４】
次に、電源部４１からマグネトロン４３に対して電圧が印加され、マグネトロン４３で生成されたマイクロ波が導波管４４を伝搬して、透過窓３７を介して処理容器１０内の処理空間に導入される。この際、駆動機構３４によりシャフト３１が回転され、支持ピン３３に載置されているウェハＷも所定の速度で回転する。
【００６５】
処理容器１０内に導入されたマイクロ波は、ウェハＷの表面に照射されて、ウェハＷが所定温度で所定の期間加熱処理される。それと共に、撮像部６０では適宜ウェハＷが撮像される。
【００６６】
そして制御ユニット１４では、光学部６３に起因する撮像画像Ｅの歪みを補正すると共に、当該補正された撮像画像と相関関係Ｆに基づいて、適宜ウェハＷ面内の温度を算出する。なお、ウェハＷを回転させながら加熱処理を行う場合、測定用ウェハＺの中心部に設けられていた温度センサＳ１を除く、温度センサＳ２〜Ｓ１３に対応する領域の温度を正確に算出するためには、制御ユニット１４により撮像画像中のノッチの位置に基づいて温度センサＳ２〜Ｓ１３に対応する領域を特定することが好ましい。そして、例えばウェハＷ面内の温度に偏りが生じていれば、温度制御部１０３により、各マイクロ波ユニット４０から処理容器１０内に照射されるマイクロ波の出力が調整される。これにより、ウェハＷ面内で均一な加熱処理が行われる。
【００６７】
なお、本実施の形態のように、第１のフィルタ６１と第２のフィルタ６２で構成されるバンドパスフィルタが、例えば近赤外の波長の光を透過するように構成されている場合、温度測定機構は、加熱処理中にウェハＷに割れや位置ずれが生じていないかを確認する監視装置としても機能する。
【００６８】
マイクロ波によるウェハＷの加熱処理が終了すると、電源部４１からマグネトロン４３への電圧の印加が停止され、処理容器１０内に導入されるマイクロ波も停止する。それと共に、駆動機構３４も停止し、ウェハＷの回転が停止する。また、ガス供給機構１２からの処理ガスの供給も停止される。その後、ゲートバルブ２３が開操作されてウェハＷが処理容器１０から外部に搬出される。これにより、一連のウェハＷの加熱処理が終了する。
【００６９】
以上の実施の形態によれば、加熱処理中のウェハＷを撮像部６０により撮像して撮像画像Ｅを取得し、当該撮像画像Ｅから抽出した画素値Ｎと、記憶部１００に記憶された相関関係Ｆに基づいて、演算部１０１でウェハＷの温度を算出するので、撮像画像Ｅから抽出した画素値Ｎに対応する位置のウェハＷ温度を算出することができる。したがって、複数箇所、より具体的には、ウェハＷの全面をカバーするように画素値Ｎを抽出し、当該画素値Ｎに基づいてウェハＷの温度を算出することで、ウェハ全面の温度を、一度に求めることができる。その結果、ウェハＷ面内の温度のばらつきを把握して、例えば各マイクロ波ユニット４０から処理容器１０内に照射されるマイクロ波の出力を調整することで、面内均一な加熱処理を行うことができる。
【００７０】
また、撮像画像Ｅは、第１のフィルタ６１及び第２のフィルタ６２を透過した、測定用ウェハＺやウェハＷの温度に由来する波長の光のみを撮像することにより得られるものであるため、ウェハＷや測定用ウェハＺ以外に由来するノイズ成分を除去した撮像画像Ｅを得ることができる。そして、当該撮像画像Ｅから抽出された画素値Ｎに基づいて、演算部１０１で温度Ｔを算出することで、より正確な温度Ｔを求めることができる。
【００７１】
なお、演算部１０１によって撮像画像Ｅを抽出するにあたっては、例えば撮像画像Ｅ上のノイズ等により不正確な温度が算出されることを防止するため、温度センサＳに対応する領域中から複数点の画素値Ｎを抽出し、その平均値を求めるようにすることが好ましい。画素値Ｎの平均値に基づいて温度Ｔを算出することで、ノイズの影響を相対的に小さくすることができる。
【００７２】
なお、以上の実施の形態では、撮像部６０はウェハＷの中心部の鉛直上方に設けられていたが、ウェハＷの全面をその視野角に収めてウェハＷ全面の撮像画像Ｅを取得できれば、その配置は本実施の形態の内容に限定されるものではなく、任意に設定が可能である。
【００７３】
また、以上の実施の形態では、第１のフィルタ６１及び第２のフィルタ６２により所定の波長の光を透過させるバンドパスフィルタを構成したが、分光フィルタを可変式として、透過させる光の波長やその幅を任意に設定できるようにしてもよい。そうすることで、例えば、加熱温度が異なるウェハＷについてもフィルタ６１、６２を交換することなく温度Ｔの算出が可能となる。また、ウェハＷの温度や、ウェハＷの表面に成膜された膜の種類や膜厚によりウェハＷからの輻射率が異なる場合があるが、２色法を用いてウェハＷの輻射率の違いに影響を受けることなく温度Ｔを算出できるようにバンドパスフィルタを設定することで、より正確な温度Ｔを求めることが可能となる。
【００７４】
なお、以上の実施の形態では、画像処理部１０２で撮像画像Ｅの歪みを補正するにあたり、測定用ウェハＺにマークＱを設け、当該測定用ウェハＺの撮像画像Ｅ中のマークＱと実際のマークＱの座標とを座標変換により一致させたが、歪みの補正にあたっては必ずしも測定用ウェハＺのマークＱを撮像する必要はない。即ち、例えばウェハＷの大きさ、ウェハＷから光学部６３の各レンズの距離や各レンズの曲率、光学部６３の各レンズと撮像部６０との距離などが予め分かっていれば、これらの数値に基づいて撮像画像Ｅの歪みを算出し、当該算出結果に基づいて撮像画像Ｅを補正することができる。但し、既述の通り、撮像画像Ｅ中のマークＱに基づいて撮像画像Ｅの補正を行うことで、光学部６３や各機器の据え付け誤差に基づくノイズとしての歪み成分も除去できるので、より正確な温度測定を行う場合には、マークＱの撮像画像Ｅに基づいて補正を行うことが好ましい。
【００７５】
また、上述の通り、ウェハＷを回転させながら加熱処理及び撮像部６０による撮像画像Ｅの取得を行い、当該撮像画像Ｅに基づいてウェハＷの温度を算出する場合は、ウェハＷのノッチ位置に基づいて各温度センサＳ２〜Ｓ１３に対応する領域を特定することが好ましいが、その一方で、例えば温度センサＳ２〜Ｓ５のように、同心円上に配置された温度センサＳ間の測定値の誤差が無視できる程度に小さければ、例えば温度センサＳ２〜Ｓ５のうち、任意の１つの温度センサＳに対応する領域の温度を算出し、当該算出した温度を、他の同心円上に配置された温度センサＳに対応する領域の温度であるものとして扱ってもよい。
【００７６】
以上の実施の形態では、マイクロ波加熱処理装置である熱処理装置１においてウェハＷの温度を測定する場合を例として説明したが、本発明にかかる温度測定機構による温度測定は、マイクロ波加熱処理装置以外の装置においても行うことができる。即ち、例えばウェハＷの全面を撮像して撮像画像Ｅを取得できる装置であれば、例えばプラズマ処理装置などにも適用することができる。具体的には、例えばアンテナの下面に透明な誘電体板を有するような形式の、いわゆるマイクロ波プラズマ処理装置などにおいては、誘電体板を介してウェハＷの撮像を行うことができるので、本発明の温度測定機構を適用できる。
【００７７】
以上の実施の形態では、第２のフィルタ６２で遮蔽する波長の光として、熱処理装置１におけるバックグランドノイズとしての可視光を挙げたが、第２のフィルタ６２で遮蔽する光の波長としては本実施の形態の内容に限定されるものではなく、例えばマイクロ波プラズマ処理装置においては、プラズマを構成する元素に起因する波長の光を第２のフィルタ６２で遮蔽することが好ましい。また、例えば熱処理装置の加熱源が、マイクロ波以外の、例えばＬＥＤやハロゲンランプであった場合は、加熱源に起因する波長の光を第２のフィルタ６２で遮蔽することが好ましい。
【００７８】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。また、本発明は、基板が半導体ウェハ以外のＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）、フォトマスク用のマスクレチクルなどの他の基板である場合にも適用できる。
【符号の説明】
【００７９】
１    熱処理装置
１０  処理容器
１１  マイクロ波導入機構
１２  ガス供給機構
１３  支持機構
１４  制御ユニット
２０  側壁
２１  天井板
２２  底板
３０  排気機構
３７  透過窓
４０  マイクロ波ユニット
４１  電源部
６０  撮像部
６１  第１のフィルタ
６２  第２のフィルタ
６３  光学部
１００  記憶部
１０１  演算部
１０２  画像処理部
１０３  温度制御部
Ｅ    撮像画像
Ｑ    マーク
Ｓ    温度センサ
Ｗ    ウェハ
【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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