(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光ダイオードと、
この発光ダイオードから発せられた光を収束させるための光学レンズと、
この光学レンズからの光を受光して、校正対象の放射温度計に導くための光路部材と、
既知の温度の黒体が放射する光の強度と同じ強度の光を前記光路部材から出射させるために、前記光路部材の入射面に対して、前記光学レンズによって収束される光の焦点の位置を光軸に沿って移動させる焦点位置調整部と、を具備することを特徴とする擬似黒体放射装置。
【請求項２】
前記光学レンズは、発光ダイオードから発せられた発散光をコリメート光に変換する第１のレンズと、前記コリメート光を収束させる第２のレンズとを含むことを特徴とする請求項1記載の擬似黒体放射装置。
【請求項３】
複数の放射温度計と、
被測定対象物から放射された光を各放射温度計に導く複数の光導波路と、
変調された擬似黒体放射光を発する請求項１または２記載の擬似黒体放射装置と、
その擬似黒体放射装置から発せられた擬似黒体放射光を、被測定対象物の放射光に合流させるための光合流手段と、を具備することを特徴とする放射温度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオード（以下、ＬＥＤとする）を用いた擬似黒体放射装置及びその擬似黒体放射装置を用いた放射温度測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造プロセスの一つとして半導体ウエハ（以下、ウエハとする）の短時間アニール処理があり、例えばランプを熱源とした用いた枚葉式ランプアニール装置が用いられている。このアニール装置では、ウエハの面内温度を均一に保つため、ウエハの面内温度を測定し、それに基づいて加熱量を調整するようになっている。
【０００３】
温度測定にあたっては、近時、非接触性でメタルコンタミネーション等を回避でき、かつ反応性及び精度等に優れるという長所を具えた放射温度計が用いられるようになってきている。しかし、短時間アニール処理のように、高温プロセスで急速に加熱及び降温を行う環境下では、放射温度計自体のドリフトが起こり得るという欠点がある。そのため、ある程度の期間使用したら放射温度計の校正を行う必要がある。
【０００４】
放射温度計の校正方法には、一般に、標準黒体炉の温度を放射温度計で測定し、その測定値と黒体炉温度の真値とを比較することにより校正を行う方法や、標準黒体炉から放射される黒体放射光の代わりに、ＬＥＤの発光強度を調整することにより所定温度での黒体放射光を擬似的に作り出し、それを利用することにより校正を行う方法がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、標準黒体炉を用いて校正を行う場合には、黒体炉の温度が安定するのに１点につき１〜２時間かかるため、例えば５点以上の温度で校正を行おうとすると半日以上の時間を要するという不都合がある。また黒体炉が大型で重いため、不便であるという問題もある。
【０００６】
一方擬似黒体放射光を利用する場合には、所定の温度に対応した黒体放射光を作り出すためにＬＥＤの駆動電流を変化させて所望の光強度を得るため、ＬＥＤの劣化が速い、ＬＥＤの放射安定度が悪い、調整幅が狭いという問題点がある。
【０００７】
更にランプアニール装置のチャンバの底面に多数の光ファイバが垂直に設けられており、ウエハからの放射光をこれら光ファイバを介して夫々の放射温度計に導くようにしているが、放射温度計の校正を行うときに擬似黒体放射装置からの放射光をいかにして放射温度計に導くかという点について工夫する必要がある。即ち光ファイバの径が例えば６００〜８００μｍと細く、しかもウエハの多点の温度を検出するために放射温度計を多数設けているため、擬似黒体放射装置からの放射光の光軸に放射温度計側の各光ファイバの光軸を合わせることが困難であるという課題もある。
【０００８】
本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は、擬似黒体放射装置において光源の駆動電流を変化させずに所望の光強度を得ることができ、それによって光源の短命化を防ぎ、また放射安定度の改善を図ることができる擬似黒体放射装置を提供するとともに、それを利用した放射温度測定装置を提供することにある。
【０００９】
本発明に係る擬似黒体放射装置は、
発光ダイオードと、
この発光ダイオードから発せられた光を収束させるための光学レンズと、
この光学レンズからの光を受光して、校正対象の放射温度計に導くための光路部材と、
既知の温度の黒体が放射する光の強度と同じ強度の光を前記光路部材から出射させるために、前記光路部材の入射面に対して、前記光学レンズによって収束される光の焦点の位置を光軸に沿って移動させる焦点位置調整部と、を具備することを特徴とする。
前記光学レンズは、例えば発光ダイオードから発せられた発散光をコリメート光に変換する第１のレンズと、前記コリメート光を収束させる第２のレンズとを含む。
【００１０】
本発明に係る放射温度測定装置は、複数の放射温度計と、
被測定対象物から放射された光を各放射温度計に導く複数の光導波路と、
変調された擬似黒体放射光を発する本発明の擬似黒体放射装置と、
その擬似黒体放射装置から発せられた擬似黒体放射光を、被測定対象物の放射光に合流させるための光合流手段と、を具備することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図示した一実施形態に基づいて本発明を詳細に説明する。図１は、本発明に係る擬似黒体放射装置の一例を示す概略図である。この擬似黒体放射装置１０は、例えばＬＥＤからなる発光部１と、例えばサファイアロッドからなる受光部２と、発光部１から発せられた発散光を収束させるための光学部３と、光学部３により収束される光の焦点位置を受光部２に対して前後させる焦点位置調整部４とを備えている。
【００１３】
発光部１は、有底筒状の保持部材１１の底部分に固定されている。保持部材１１は、その底部分に、発光部１を囲むように埋め込まれたヒータ１２を備えているとともに、発光部１の近傍に、例えば熱電対１３からなる温度測定手段を備えている。ヒータ１２は、熱電対１３により得られた温度情報に基づいて温度コントローラ１４により温度制御されており、それによって発光部１は所定温度に保持される。
【００１４】
また発光部１は、特に図示しないが、例えばＬＥＤの発光強度をモニタするフォトダイオード等を備えており、電源部１５の供給電流量に対するフィードバック制御により、常時一定強度の光を発する。
【００１５】
光学部３は、本実施の形態では例えば２枚の光学レンズ３１，３２からなる構成となっている。発光部１寄りに配置された第１のレンズ３１は、発光部１から発せられた発散光をコリメート光に変換するレンズであり、発光部１とともに保持部材１１に固定されている。また受光部２寄りに配置された第２のレンズ３２は、コリメート光を収束光に変換するレンズであり、その一方の開口端が保持部材１１にスライド自在に外嵌する鏡筒４１の内部に固定されている。
【００１６】
鏡筒４１は、そのもう一方の開口端を、受光部２を保持する別の保持部材２１にスライド自在に外嵌しており、鏡筒４１は、それら両端の保持部材１１，２１によって外光が漏れ入らないように密閉される。第１のレンズ３１、第２のレンズ３２、発光部１及び受光部２は、それぞれの光軸が一致するように調整されている。
【００１７】
鏡筒４１は、駆動部４３から電力が供給されるサーボモータ４２により、光軸に沿って前後に移動可能になっている。従って駆動部４３の供給電力を制御することにより、鏡筒４１の移動量を調整することができ、第２のレンズ３２の位置を変えることができる。第２のレンズ３２の位置が変わることによって、受光部２に入射する光の焦点位置が変わる。焦点が受光部２の受光面に一致する時に受光強度が最も高くなり（図２（ａ）参照）、焦点が受光面からずれると受光強度が低くなる（図２（ｂ）参照）。従って、第２のレンズ３２、鏡筒４１、サーボモータ４２及び駆動部４３は、焦点位置調整部４を構成する。
【００１８】
図１は、例えば放射温度計の校正を行うために、上述した構成の擬似黒体放射装置１０に放射温度計５を接続した状態を示しており、受光部２は、例えば光ファイバー等の光導波路２２を介して放射温度計５に接続する。放射温度計５で得られたアナログ信号は、例えばアナログ−ディジタル変換器５１でディジタル信号に変換され、信号処理部５２で信号処理されて表示部５３に温度情報として表示される。
【００１９】
次に、上述した構成の擬似黒体放射装置１０を用いて放射温度計５の校正を行う作業の流れについて説明する。図３は、放射温度計の校正作業の流れを示すフローチャートである。まずレファレンスとして用いるための放射温度計を用いて、例えば１００℃〜１０００℃の適当な５点の温度（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４およびＴ５とする）についてそれぞれ標準黒体炉の温度測定を行い、各温度に対する放射温度計の電流値を読み取り、記憶する（ステップＳ１）。例えばＴ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４およびＴ５の各温度に対応する電流値をそれぞれＩ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４およびＩ５とする。
【００２０】
続いて、この放射温度計を擬似黒体放射装置１０に光ファイバー等の導波路２２を介して接続し、ヒータ１２により所定温度Ｔ１に加熱保持する（ステップＳ２）。この状態で発光部１から一定強度の光を放射しながら第２のレンズ３２を移動させ、その所定温度Ｔ１に対応する電流値Ｉ１が得られる位置でレンズ３２を止めて、その時のレンズ３２の位置Ｘ１を読み取り、記憶する。同様にして、温度Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４およびＴ５についても、それぞれの温度に対応する電流値Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４およびＩ５が得られる位置でレンズ３２を止め、その時のレンズ３２の位置Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４，Ｘ５を記憶する（ステップＳ３）。ここまでで擬似黒体放射装置１０の初期設定が終了する。
【００２１】
実際に放射温度計の校正を行う場合には、初期設定が済んだ擬似黒体放射装置１０に校正対象の放射温度計を接続し、各温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４およびＴ５に対応するレンズ位置Ｘ１、Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４，Ｘ５に第２のレンズ３２を移動させ、それぞれの位置での放射温度計５の温度ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４，ｔ５を読み取る。そして、温度ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４，ｔ５と温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５とのずれがそれぞれゼロになるように放射温度計５の表示値を校正する（ステップＳ４）。
【００２２】
上述実施の形態によれば、第２のレンズ３２の位置を調整し、受光部に入射する収束光の焦点位置を前後させることによって、所定温度の黒体放射光に相当する光強度を具えた擬似黒体放射光が得られるため、擬似黒体放射装置１０の光源の駆動電流を常時一定に保つことができるので、光源の短命化を防止できるとともに、放射安定度を改善することができ、また発光強度の調整幅を大きくとることができる。
【００２３】
図４は、放射温度計を使用した熱処理装置の一例を示す概略図である。この熱処理装置は、チャンバー６１内のウエハ保持部６２上に載置された基板であるウエハＷを、Ｎ2ガス雰囲気下で加熱手段である複数のランプ６３により上方から加熱するとともに、複数のサファイアロッド６４及び光導波路である光ファイバー６５を介して、ウエハＷの裏面の光学情報を得、それを放射温度計５及びアナログ−ディジタル変換器５１を介して信号処理部５２にて処理するようになっている。なお図中７１はガス供給管、７２はシャワーヘッドなどと呼ばれるガス供給部、７３は排気管、７４はサファイアロッド６４の支持部材、７５はランプ６３からの輻射熱を透過する透過窓である。
【００２４】
ここで前記ランプ６３は、適切な位置に置かれたウエハＷの中心を中心とする３つの同心円に沿って配置されており、最も内側の同心円に沿って例えば２個のランプ６３ａが、その外側の同心円に沿って例えば６個のランプ６３ｂが、更にその外側の同心円に沿って例えば１５個のランプ６３ｃが設けられている。一方サファイアロッド６４についてもウエハＷの中心に対応する位置に１本のサファイアロッド６４ａが、前記中心を中心とした２つの同心円に沿って夫々サファイアロッド６４ｂ、６４ｃが複数設けられている。即ちこの例ではランプ６３ａ〜６３ｃによってウエハＷの中心部、その外側のリング状領域、更にその外側のリング状領域を加熱するようにしており、これら３つの分割領域について夫々サファイアロッド６４ａ〜６４ｃが輻射光を取り込むようにしている。
【００２５】
この熱処理装置では、先ず既述のようにして放射温度計５を校正した後、ウエハＷをチャンバー６１内に搬入し、例えばＮ2ガスを流しながらランプ６３により所定温度までウエハＷを加熱してアニール処理を行う。そして放射温度計５により温度を測定し、信号処理部５２により例えば一つの領域からの複数の温度検出値の平均をとることにより上述の各領域の温度を求め、予め設定した各領域毎の設定温度と検出温度との比較結果に基づいて、各領域毎にランプ６３の発熱量を制御し、以ってウエハＷの温度を制御する。
【００２６】
図５は、擬似黒体放射装置を利用した放射温度測定装置の一例を示す模式図である。この放射温度測定装置は、複数のサファイアロッド６４を介して入力されたウエハ裏面の放射光に、擬似黒体放射装置１０から放射された光を重畳し、それを放射温度計５に入力させる構成となっている。光の合流手段としては、例えばハーフミラー６０が用いられており、サファイアロッド６４と放射温度計５との間の複数の光路にそれぞれ介設される。またその複数の光路に向けて擬似黒体放射装置１０の放射光を分岐する手段としては、図示省略したが、光カプラやスイッチャが用いられる。
【００２７】
この例では、擬似黒体放射装置１０は、例えばＬＥＤの駆動をオン・オフする等の手段によって変調した光を放射する。この変調された光は、放射温度計及びアナログ−ディジタル変換器５１を介して信号処理部にて処理することによって、ウエハ裏面の放射光と区別して認識される。従って放射温度計５のドリフトなどの原因により複数の放射温度計５において温度測定値の誤差にばらつきがあっても、擬似黒体放射装置１０の放射光に対する各放射温度計５の温度測定値を基準にすることによって、各放射温度計５の誤差のばらつきを修正することができる。すなわち擬似黒体放射装置１０の放射光に対する温度測定によって、装置間誤差を補償するための絶対温度が得られる。
【００２８】
そして図５に示す構造を図４に示す熱処理装置に組み込み、ウエハＷに対して熱処理を行って既述のようにランプ６３の発熱量を制御しながら、擬似黒体放射装置１０を用いて各放射温度計５の温度測定値の誤差を把握し、温度検出値を修正するようにしてもよい。即ちこの場合は、温度検出値が修正されながら、その修正値に基づいてウエハＷの温度制御が行われることになる。
【００２９】
以上において本発明は、単一のレンズ構成とし、そのレンズ位置を移動させるようにしてもよいし、光学部３を固定した構成とし、その光学部３に対して受光部２を前後に移動させるようにしてもよい。また図５に示す実施の形態において、擬似黒体放射装置としては、上述の装置に限らず、ＬＥＤの駆動電流を変化させて所望の光強度を得る装置であってもよいし、ＬＥＤの環境温度を変化させることで所望の光強度を得る装置であってもよいし、ハーフミラー６０の代わりに光カプラなどを用いてもよい。
【００３０】
次に擬似黒体放射装置１０の他の例及び擬似黒体放射装置１０を用いた放射温度校正装置について図６〜図８を参照しながら説明する。この例の擬似黒体放射装置１０では、発光ダイオード（ＬＥＤ）からなる発光部１を囲むように例えばペルチェ素子からなる温度調整手段８が設けられると共に、発光部１の近傍に発光部１の環境温度を測定する温度測定手段８１が設けられている。８２は温度コントローラであり、後述の温度目標値と温度測定手段８１により得られた温度測定値とに基づいて温度調整手段８への供給電流を調整して、発光部１が目標温度になるようにコントロールする。図６中８３は電源部であり、発光部１に電流を供給する。
【００３１】
８４は制御部であり、発光強度設定部８５により設定された発光強度（この発光強度は黒体の温度に対応している）に対応する目標環境温度と目標電流値とを記憶部であるメモリ８６から読み出して、夫々温度コントローラ８２及び電源部８３に供給する。ＬＥＤの発光強度は電流に応じて変わるが、図７に示すように環境温度によっても変化するため、予め電流値と環境温度との組み合わせと発光強度との関係を調べておき、その関係がメモリ８６に書き込まれている。
【００３２】
擬似黒体放射装置１０の光学系に関しては、鏡筒４４内に集光レンズ３３が固定されており、２枚のレンズが相対的に移動できるように構成されていない点で図１に示す擬似黒体放射装置１０と構造が異なる。また受光部２で受光した光を導く光導波路２３の先端部には、後述するようにコネクタ９が設けられ、このコネクタ９からの光が空間Ｓを介して放射温度計５側の光導波路であるサファイアロッド６４に入光するようになっている。光導波路２３として光ファイバを用いる場合、コネクタ９はＪＩＳに規格されているＦＣコネクタやＳＣコネクタが用いられる。
【００３３】
図８は図６に示す擬似黒体放射装置１０を用いて、既述の図４に示す熱処理装置に組み込まれた放射温度計の校正を行うための校正装置を示す。熱処理装置は、ウエハ保持部６２を取り外して、プレートよりなる治具６６がサファイアロッド６４の支持部材７４に近接して対向配置されるように構成されている。６７はチャンバー６１の内壁に設けられ、治具６６を例えば位置合わせした状態で支持する突起部である。
【００３４】
前記治具９には、各サファイアロッド６４に対向する位置に孔部６８が夫々透設されており、治具９の上面側には孔部６８に対応する位置に例えばＦＣコネクタであるコネクタ９の雌型コネクタ部９１が例えばネジ止めにより固定される。一方擬似黒体放射装置１０側の光導波路２３の先端部には、コネクタ９の雄型コネクタ部９２が設けられている。雄型コネクタ９２部は先端から光導波路２３の先端２３ａが突出しており、雌型コネクタ部９１は、雄型コネクタ部９２から突出している光導波路２３の先端２３ａに嵌合する図では見えない孔部が形成されている。両コネクタ部９１、９２を接続すると、光導波路２３の先端２３ａと雌型コネクタ９１の孔部が嵌合し、光導波路２３の先端が位置決めされる。雌型コネクタ部９１は、光導波路２３の先端２３ａの光軸がサファイアロッド６４の光軸と一致するように位置設定される。
【００３５】
続いて図６に示す擬似黒体放射装置１０を用いて図８に示す熱処理装置に設けられた放射温度計５を校正する方法について説明する。先ずチャンバー６１を分解し、図１に示したウエハ保持台６２を取り外して治具６６を突起部６７の上に載せ、次いで擬似黒体放射装置１０の光導波路２３に設けられた雄型コネクタ部９２を雌型コネクタ部９１に差し込む。そして例えば既述の例のように１００℃〜１０００℃の適当な５点の温度（Ｔ１〜Ｔ５）に対応する発光強度で発光部１を発光させる。即ち標準黒体炉の温度Ｔ１に対応する発光を行う場合には、発光強度設定部８５により、対応する発光強度Ｐ１の入力を行い（この入力は「温度Ｔ１」の入力であってもよい）、制御部８４がメモリ８６から発光強度Ｐ１に対応する目標環境温度ｔＡと目標電流値Ｉ１とを読み出し、夫々温度コントローラ８２及び電源部８３に与える。この結果温度コントローラ８２は温度測定値が目標環境温度になるように温度調整部８例えばペルチェ素子の供給電力を調整し、また電源部８３が発光部１であるＬＥＤへの供給電流を調整し、以って発光部１が発光強度Ｐ１で発光する。この放射光はレンズ３３で集光され、受光部２から光導波路２３を通じて雄型コネクタ部９２から雌型コネクタ部９１へ送られる。そして前記放射光は雌型コネクタ部９１から治具６６の孔部６８を通り、更に治具６６とサファイアロッド６４との間の空間Ｓを通ってサファイアロッド６４に入り、放射温度計５に送られる。こうして標準黒体炉の他の温度Ｔ２〜Ｔ５についても同様にして発光部１を発光させ、放射温度計５の温度表示値とＴ１〜Ｔ５とのずれが夫々ゼロになるように放射温度計５の表示値を校正する。一つの放射温度計５の校正が終了した後、雄型コネクタ部９２を雌型コネクタ部９１から取り外し、次の放射温度計５に対応する雌型コネクタ部９１に差し込んで同様に校正を行う。
【００３６】
このような実施の形態によればＬＥＤの投入電流と環境（周辺）温度とを変えているので発光強度の変化幅が大きく、従って校正温度範囲が広いという効果がある。特にペルチェ素子を利用して環境温度を下げることにより発光強度を高くできるので、高温側の校正温度範囲を広くとれ、高温の熱処理装置に対して有効である。
【００３７】
そしてコネクタ９の一方のコネクタ部例えばＦＣコネクタやＳＣコネクタなどの雌型コネクタ部９１を予め位置合わせして治具６６に取り付けておき、この治具６６がチャンバー６１に対して位置合わせされた状態で支持されるので、サファイアロッド６４に対して雌型コネクタ部９１が位置合わせされることになる。従ってサファイアロッド６４は例えば６００〜８００μｍと非常に細いが雄型コネクタ部９２を雌型コネクタ部９１に差し込むことにより擬似黒体放射装置１０側の光導波路２３とサファイアロッド６４との光軸がほぼ一致し、擬似黒体放射装置１０と放射温度計５との光学的結合が容易で正確であり、温度の校正作業が容易である。
【００３８】
なお擬似黒体放射装置１０としては、図１のようにレンズ移動型の擬似黒体放射装置を用いてもよいし、図１の擬似黒体放射装置と組み合わせてもよい。更に温度調整手段８としてはペルチェ素子とヒータとを組み合わせ、環境温度の調整幅を大きくとれるようにしてもよい。
【００３９】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、擬似黒体放射装置において光源の駆動電流を変化させずに所望の光強度を得ることができ、従って光源の短命化を防ぎ、また放射安定度を改善することができる。更にＬＥＤからなる発光部の環境温度と供給電流とを変化させて発光部の発光強度を変化させることにより、校正温度の調整幅を広くとることができる。また複数の放射温度計を備えた放射温度測定装置において、放射温度計間の誤差を補償することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る擬似黒体放射装置の一例を示す概略図である。
【図２】その擬似黒体放射装置における収束光の焦点位置と光強度との関係を示す模式図である。
【図３】本発明に係る擬似黒体放射装置を用いて放射温度計の校正を行う作業の手順を示すフローチャートである。
【図４】放射温度計を使用した熱処理装置の一例を示す概略図である。
【図５】本発明に係る放射温度測定装置の一例を示す模式図である。
【図６】本発明に係る擬似黒体放射装置の他の例を示す概略図である。
【図７】ＬＥＤの発光強度と環境温度との関係を示す特性図である。
【図８】擬似黒体放射装置を用いて放射温度計の校正を行う様子を示す説明図である。
【符号の説明】
１０    擬似黒体放射装置
１    発光部
１２    ヒータ
１３    熱電対
２    受光部
２２、２３    光導波路
３    光学部
３１    第１のレンズ
３２    第２のレンズ
４    焦点位置調整部
４１    鏡筒
４２    サーボモータ
４３    駆動部
５    放射温度計
６０    ハーフミラー（光合流手段）
６４    サファイアロッド
６５    光ファイバー（光導波路）
６６    治具
８    温度調整手段
８２    温度コントローラ
８３    電源部
８４    制御部
８６    メモリ
９    コネクタ
９１    雌型コネクタ部
９２    雄型コネクタ部
【図１】
0004137314.tif 000002
【図２】
0004137314.tif 000003
【図３】
0004137314.tif 000004
【図４】
0004137314.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
0004137314.tif 000008
【図８】
0004137314.tif 000009