(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
同時にＯＮ／ＯＦＦすることにより変調された複数の光源からの波長の異なる複数の光を温度測定対象物に照射する照射工程と、
前記温度測定対象物に照射した光の強度を測定する照射強度測定工程と、
前記温度測定対象物からの複数の反射光の強度を測定する反射強度測定工程と、
前記照射強度測定工程と前記反射強度測定工程との測定結果から、前記温度測定対象物の前記複数の光の反射率を求める反射率判別工程と、
判別した反射率に基づいて測定対象物の温度を特定する工程と、
を備え、
前記測定対象物の温度を特定する工程は、
求めるべき温度を絶対温度T2と表すとき、
判別した前記複数の光の反射率を用いて、
以下の数式
T2＝T1+{(R2'/R1')/(R2/R1)-1}/[4{q(λ2)/(p2(λ2)-1)-q(λ1)/(p2(λ1)-1)}]
この式で、
T1は測定対象物の既知の絶対温度であり、基準温度、
T2は測定対象物の未知の絶対温度であり、求めるべき温度、
λ1、λ2は波長、
R1は、既知の絶対温度T1に対する波長λ1における振幅反射率の絶対値の２乗、
R2は、既知の絶対温度T1に対する波長λ2における振幅反射率の絶対値の２乗、
R1'は、未知の絶対温度T2に対する波長λ1における振幅反射率の絶対値の２乗、
R2'は、未知の絶対温度T2に対する波長λ2における振幅反射率の絶対値の２乗、
p(λ1)、q(λ1)は測定対象物の絶対温度Tに対する波長λ1における屈折率n(λ1，T)をn(λ1，T)＝p(λ1)＋q(λ1)Tと表すことによって定まる定数、
p(λ2)、q(λ2)は測定対象物の絶対温度Tに対する波長λ2における屈折率n(λ2，T)をn(λ2，T)＝p(λ2)＋q(λ2)Tと表すことによって定まる定数、
を用いて、測定対象物の温度を特定する、
ことを特徴とする温度測定方法。
【請求項２】
前記照射工程は、波長の異なる複数の光束を発生させ、各光束を分割して一方を温度測定対象物に照射し、
前記照射強度測定工程は、分割された光束の他方の強度を測定し、
前記反射強度測定工程は、前記温度測定対象物からの反射光の各強度を測定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の温度測定方法。
【請求項３】
前記照射工程は、波長の異なる複数の光束を光ファイバで導いて温度測定対象物に照射し、
前記反射強度測定工程は、前記温度測定対象物からの反射光を光ファイバで導いて各強度を測定する、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の温度測定方法。
【請求項４】
前記照射工程は、基準クロック信号を生成する工程と、該基準クロックに従って前記光源を点滅し、発生した光を温度測定対象物に照射する工程とを備え、
前記反射強度測定工程は、前記温度測定対象物からの反射光を基準クロックを用いてロックイン増幅する工程を備える、
ことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の温度測定方法。
【請求項５】
前記光源として、同時に点滅される２つのＬＥＤが備えられる、
ことを特徴とする請求項１に記載の温度測定方法。
【請求項６】
同時にＯＮ／ＯＦＦすることにより変調された複数の光源からの波長の異なる複数の光を、温度測定対象物に照射する照射手段と、
前記温度測定対象物からの複数の反射光の強度を測定し、測定結果に基づいて、温度測定対象物の波長別の反射率を求める反射率測定手段と、
前記反射率測定手段により測定された反射率の比を求め、この比から被測定対象物の温度を特定する温度判別手段と、
を備え、
前記温度判別手段は、
求めるべき温度を絶対温度T2と表すとき、
求めた前記反射率の比を用いて、
以下の数式
T2＝T1+{(R2'/R1')/(R2/R1)-1}/[4{q(λ2)/(p2(λ2)-1)-q(λ1)/(p2(λ1)-1)}]
この式で、
T1は測定対象物の既知の絶対温度であり、基準温度、
T2は測定対象物の未知の絶対温度であり、求めるべき温度、
λ1、λ2は波長、
R1は、既知の絶対温度T1に対する波長λ1における振幅反射率の絶対値の２乗、
R2は、既知の絶対温度T1に対する波長λ2における振幅反射率の絶対値の２乗、
R1'は、未知の絶対温度T2に対する波長λ1における振幅反射率の絶対値の２乗、
R2'は、未知の絶対温度T2に対する波長λ2における振幅反射率の絶対値の２乗、
p(λ1)、q(λ1)は測定対象物の絶対温度Tに対する波長λ1における屈折率n(λ1，T)をn(λ1，T)＝p(λ1)＋q(λ1)Tと表すことによって定まる定数、
p(λ2)、q(λ2)は測定対象物の絶対温度Tに対する波長λ2における屈折率n(λ2，T)をn(λ2，T)＝p(λ2)＋q(λ2)Tと表すことによって定まる定数、
を用いて、前記被測定対象物の温度を特定する、
ことを特徴とする温度測定装置。
【請求項７】
前記照射手段は、複数波長の光を発光する前記光源と、前記光源の発光した複数波長の光のそれぞれを分割して、一方を温度測定対象物に照射する分割手段を有し、
前記反射率測定手段は、前記温度測定対象物からの複数の反射光の強度を測定する反射強度測定手段と、前記分割手段により分割された複数波長の光の他方の強度を求める照射強度測定手段と、前記照射強度測定手段により測定された照射強度と前記反射強度測定手段により測定された反射強度とから、波長別に前記温度測定対象物の反射率を求める反射率検出手段と、を有す、
ことを特徴とする請求項６に記載の温度測定装置。
【請求項８】
前記照射手段は、複数波長の光を発光する前記光源と、
光を導く第１の光ファイバを備え、
前記反射率測定手段は、前記温度測定対象物からの複数の反射光を導く第２の光ファイバを備える、
ことを特徴とする請求項６又は７に記載の温度測定装置。
【請求項９】
測定対象物を載置したチャンバと、該チャンバに装着されたビューポートをさらに備え、該ビューポートには前記第１と第２の光ファイバの光ファイバヘッドが装着され、
該ビューポートには、厚さが連続的に変化しているウインドウが配置されている、
ことを特徴とする請求項８に記載の温度測定装置。
【請求項１０】
前記照射手段は、波長が４３０ｎｍ〜８００ｎｍの光を照射する、
ことを特徴とする請求項６乃至９のいずれか１項に記載の温度測定装置。
【請求項１１】
前記照射手段は、基準クロックに従って点滅する前記光源を備え、
前記反射率測定手段は、前記温度測定対象物からの反射光を基準クロックを用いてロックイン増幅するロックイン増幅器を備える、
ことを特徴とする請求項６乃至１０に記載の温度測定装置。
【請求項１２】
前記照射手段は、前記光源として、同時に点滅される２つのＬＥＤを備える、
ことを特徴とする請求項６に記載の温度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハなどの被測定物の温度を非接触で測定する温度測定装置及び温度測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の製造過程においては、様々な場面で、各種の温度を測定する必要がある。
【０００３】
半導体製造装置において、温度を測定する方法としては、測定対象物に熱電対を接触させて温度を測定する方法、放射温度計により測定対象物の温度を測定する方法、被測定対象物に光を照射して、その反射率から温度を測定する方法などが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
熱電対を用いた温度測定方法は、熱電対を被測定対象物に接触させる必要があり、例えば、半導体ウエハの平均的な温度の測定などは可能であるが、表面温度の測定などには使用できない。また、熱電対と測定対象物との接触状況によって、測定値が変化し、正確な測定が困難である。
【０００５】
放射温度計を用いる方法は、非接触で被測定対象物の温度を測定可能である。しかし、放射温度計は、一般に、２００℃程度以上の物体の温度測定を対象としており、比較的低温、例えば、６０℃〜１６０℃程度の温度の測定には適していない。このため、例えば、半導体装置の製造時に、フォトレジストをベークする際のシリコンウエハの表面温度の測定などには使用することができない。
【０００６】
反射率を測定することによる温度測定も、非接触で被測定対象物の温度を測定可能であり、測定温度の制限もない。しかし、反射率の正確な測定が困難である。例えば、温度の読取精度を１００℃で０．１℃程度とすると、反射率の測定精度（許容誤差）を十万分の１以下にしなければならない。このため、例えば、光学系のずれなどにより被測定物への光の入射角がわずかに変化しただけで、検出器への反射光の入射量が変化し、見かけの反射率が変化して、測定値が大きくずれれしまう。また、加熱されている対象を測定する際に、空気対流などにより揺らぎなどが発生し、測定誤差を生じてしまう。
【０００７】
本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、簡単な構成で、正確に被測定対象物の温度を非接触で測定することができる温度測定装置及び温度測定方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、比較的低温の物質の温度を非接触で測定することができる温度測定装置及び温度測定方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、半導体ウエハの表面温度を正確に測定することができる温度測定装置及び温度測定方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の第１の観点にかかる温度測定方法は、
同時にＯＮ／ＯＦＦすることにより変調された複数の光源から照射された複数波長の光に対する温度測定対象物表面の反射率を測定する測定工程と、
前記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、
を備えることを特徴とする。
この構成においては、温度測定対象物の温度は、複数波長の光の反射率の比の一次関数となる。従って、反射率の比を求めることにより、温度測定対象物の温度を非接触で求めることができる。
しかも、複数波長の光に対する検出系及び計測系の損失がほぼ等しいとすれば、反射率の比を求めることにより、その損失の影響を除去でき、正確な温度測定が可能となる。
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明の第２の観点にかかる温度測定方法は、
同時にＯＮ／ＯＦＦすることにより変調された光源からの波長の異なる複数の光を温度測定対象物に照射する照射工程と、
前記温度測定対象物に照射した光の強度を測定する照射強度測定工程と、
前記温度測定対象物からの複数の反射光の強度を測定する反射強度測定工程と、
前記照射強度測定工程と前記反射強度測定工程との測定結果から、前記温度測定対象物の前記複数の光の反射率を求める反射率判別工程と、
判別した反射率に基づいて測定対象物の温度を特定する工程と、
を備えることを特徴とする。
この構成においても、反射率の比を求めることにより、温度測定対象物の温度を非接触で求めることができる。しかも、複数波長の光に対する検出系及び計測系の損失がほぼ等しいとすれば、反射率の比を求めることにより、その損失の影響を除去でき、正確な温度測定が可能となる。
【００１０】
例えば、前記照射工程は、波長の異なる複数の光束を発生させ、各光束を分割して一方を温度測定対象物に照射し、前記照射強度測定工程は、分割された光束の他方の強度を測定し、前記反射強度測定工程は、前記温度測定対象物からの反射光の各強度を測定する。
【００１１】
前記照射工程は、例えば、波長の異なる複数の光束を光ファイバで導いて温度測定対象物に照射し、前記反射強度測定工程は、例えば、前記温度測定対象物からの反射光を光ファイバで導いて各強度を測定する。
加熱又は冷却されている物体の温度を測定するような場合、温度測定対象物の周囲では空気の対流が発生する。光ファイバを使用することにより、この種の外乱の影響を除去することができる。
【００１２】
前記照射工程は、基準クロック信号を生成する工程と、該基準クロックに従って前記光源を点滅し、発生した光を温度測定対象物に照射する工程とを備え、
前記反射強度測定工程は、前記温度測定対象物からの反射光を基準クロックを用いてロックイン増幅する工程を備えてもよい。ロックイン増幅を行うことにより、高いＳ／Ｎで、反射強度を測定することができる。
前記光源として、例えば、同時に点滅される２つのＬＥＤが備えられる。
前記測定対象物の温度を特定する工程は、例えば、判別した前記複数の光の反射率を用いて、
以下の数式
T1-T2≒{(R2'/R1')/(R2/R1)-1}/[4{q(λ2)/(p(λ2)2-1)-q(λ1)/(p(λ1)2-1)}]
この式で、T1、T2は絶対温度、
λ1、λ2は波長、
R1は、温度T1に対する波長λ1における振幅反射率の絶対値の２乗、
R2は、温度T1に対する波長λ2における振幅反射率の絶対値の２乗、
R1'は、温度T2に対する波長λ1における振幅反射率の絶対値の２乗、
R2'は、温度T2に対する波長λ2における振幅反射率の絶対値の２乗、
p(λ1)、q(λ1)は測定対象物の絶対温度Tに対する波長λ1における屈折率n(λ1，T)をn(λ1，T)＝p(λ1)＋q(λ1)Tと表すことによって定まる定数、
p(λ2)、q(λ2)は測定対象物の絶対温度Tに対する波長λ2における屈折率n(λ2，T)をn(λ2，T)＝p(λ2)＋q(λ2)Tと表すことによって定まる定数、
を用いて、測定対象物の温度を特定する。
【００１３】
上記目的を達成するため、本発明の第３の観点にかかる温度測定装置は、
同時にＯＮ／ＯＦＦすることにより変調された光源から照射された複数波長に対する温度測定対象物の反射率を求める反射率測定手段と、
前記反射率測定手段により測定された反射率の比を求める手段と、
この比から被測定対象物の温度を判別する温度判別手段と、
を備えることを特徴とする。
温度測定対象物の温度は、複数波長の光の反射率の比の一次関数となる。従って、反射率の比を求めることにより、温度測定対象物の温度を非接触で求めることができる。
しかも、複数波長の光に対する測定系の損失がほぼ等しいとすれば、反射率の比を求めることにより、その損失の影響を除去でき、正確な温度測定が可能となる。
【００１４】
上記目的を達成するため、本発明の第４の観点にかかる温度測定装置は、
同時にＯＮ／ＯＦＦすることにより変調された光源からの波長の異なる複数の光を、温度測定対象物に照射する照射手段と、
前記温度測定対象物からの複数の反射光の強度を測定し、測定結果に基づいて、温度測定対象物の波長別の反射率を求める反射率測定手段と、
前記反射率測定手段により測定された反射率の比を求め、この比から被測定対象物の温度を特定する温度判別手段と、
を備えることを特徴とする。
この構成によっても、温度測定対象物の温度を非接触で求めることができる。しかも、損失の影響を除去でき、正確な温度測定が可能となる。
【００１５】
前記照射手段は、例えば、複数波長の光を発光する前記光源と、前記光源の発光した複数波長の光のそれぞれを分割して、一方を温度測定対象物に照射する分割手段を備え、
前記反射率測定手段は、例えば、前記温度測定対象物からの複数の反射光の強度を測定する反射強度測定手段と、前記分割手段により分割された複数波長の光の他方の強度を求める照射強度測定手段と、前記照射強度測定手段により測定された照射強度と前記反射強度測定手段により測定された反射強度とから、波長別に前記温度測定対象物の反射率を求める反射率検出手段と、を備える。
【００１６】
前記照射手段は、複数波長の光を発光する前記光源と、光を導く第１の光ファイバを備えてもよく、前記反射率測定手段は、前記温度測定対象物からの複数の反射光を導く第２の光ファイバを備えてもよい。
光ファイバを使用することにより、測定値から雰囲気の影響を低減できる。
【００１７】
測定対象物が半導体ウエハなどの場合、測定対象物を載置したチャンバにビューポートを形成し、この該ビューポートに前記第１と第２の光ファイバの光ファイバヘッドを装着（挿入・脱着）するようにしてもよい。また、ビューポート内の窓には、厚さが連続的に変化している、例えば、断面がくさび形のウインドウが配置される。
この構成によれば、光ファイバの光ファイバヘッドをビューポートに装着することにより、容易に温度測定が可能となる。さらに、ビューポートを複数配置し、光ファイバを装着するビューポートを順次取り替えながら、測定すれば、測定対象物の複数箇所の表面温度を容易に測定することができる。
また、ビューポート内の窓に配置するウインドの断面を、厚さが連続的に変化する形状とすることにより、温度に依存する干渉縞が発生して測定に影響を与える事態を防止できる。
【００１８】
前記照射手段は、例えば、波長が４３０ｎｍ〜８００ｎｍの光を照射する。
前記照射手段は、例えば、基準クロックに従って点滅するＬＥＤなどの光源を備え、前記反射率測定手段は、前記温度測定対象物からの反射光を基準クロックを用いてロックイン増幅するロックイン増幅器を備える。
ロックイン増幅を行うことにより、高Ｓ／Ｎで信号を抽出することができる。
前記照射手段は、例えば、前記光源として、同時に点滅される２つのＬＥＤを備える。
前記温度判別手段は、例えば、求めた前記反射率の比を用いて、
以下の数式
T1-T2≒{(R2'/R1')/(R2/R1)-1}/[4{q(λ2)/(p(λ2)2-1)-q(λ1)/(p(λ1)2-1)}]
この式で、T1、T2は絶対温度、
λ1、λ2は波長、
R1は、温度T1に対する波長λ1における振幅反射率の絶対値の２乗、
R2は、温度T1に対する波長λ2における振幅反射率の絶対値の２乗、
R1'は、温度T2に対する波長λ1における振幅反射率の絶対値の２乗、
R2'は、温度T2に対する波長λ2における振幅反射率の絶対値の２乗、
p(λ1)、q(λ1)は測定対象物の絶対温度Tに対する波長λ1における屈折率n(λ1，T)をn(λ1，T)＝p(λ1)＋q(λ1)Tと表すことによって定まる定数、
p(λ2)、q(λ2)は測定対象物の絶対温度Tに対する波長λ2における屈折率n(λ2，T)をn(λ2，T)＝p(λ2)＋q(λ2)Tと表すことによって定まる定数、
を用いて、前記被測定対象物の温度を特定する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態にかかる半導体ウエハの温度測定装置及び温度測定方法について説明する。
温度測定対象の半導体ウエハ、例えば、シリコン（Ｓi）ウエハの表面の屈折率ｎは、各波長λに関して、図６に示すように、温度に対してほぼ線形に変化する。
従って、波長λの光に対する屈折率ｎ（λ）は数式１で表すことができる。
【数１】
ｎ（λ）＝ｐ（λ）＋ｑ（λ）Ｔ
ここで、ｐ（λ）：波長に対して固有な値（Ｔ＝０での屈折率）
ｑ（λ） ：波長に対して固有な値
Ｔ       ：絶対温度
【００２０】
屈折率ｎと、反射率Ｒとの関係は、数式２で表される。
【数２】
Ｒ＝｛（ｎ−１）／（ｎ＋１）｝２
数式１と数式２とから、α（λ）が十分に小さいとすると、温度Ｔでの波長λの光の反射率は数式３で表される。
【００２１】
【数３】
Ｒ（λ，Ｔ）
＝Ｒ０（λ）＋４（ｐ（λ）−１）ｑ（λ）Ｔ／（ｐ（λ）＋１）３
ここで、α０（λ）：Ｔ＝０Ｋでの反射率
従って、反射率Ｒも屈折率の温度依存性を反映して、図７に示すように、温度Ｔに関する一次関数になっている。
【００２２】
一例を示すと、Ｈｅ−Ｎｅレーザの波長０．６３２８μｍにおけるシリコン（Ｓｉ）の屈折率ｎsiと反射率Ｒsiは数式４で表される。
【００２３】
【数４】
ｎsi（λ＝０．６３２８μｍ，Ｔ）
＝３．９＋５．９７×１０−４Ｔ
Ｒsi（λ＝０．６３２８μｍ，Ｔ）
＝０．３５＋５．８８×１０−５Ｔ
【００２４】
ここで、温度の読みとり精度を１００℃で０．１℃とすると、
【数５】
Ｒ１（λ＝０．６３２８μｍ，Ｔ＝３７３）＝０．３７２１５４２
Ｒ２（λ＝０．６３２８μｍ，Ｔ＝３７３．１）＝０．３７２１６０１
となる。
ΔＲ＝│Ｒ１−Ｒ２│とすると、ΔＲ／Ｒ１＝１．５９×１０−５となり、反射率の測定精度が十万分の１以下でないと、０．１℃の精度が得られない。
【００２５】
一方、反射率Ｒの波長λに対する変化は、図８に示すようになり、温度の変化に伴って特性曲線全体がシフトする。
【００２６】
ここで、２つの波長に対する反射率比の温度依存性を求める。温度Ｔ１に対する波長λ１における反射率（振幅反射率）をｒ１，波長λ２における反射率をｒ２，温度Ｔ２に対する波長λ１における反射率をｒ１’，波長λ２における反射率をｒ２’とし、光を無偏光とすると、それらは、屈折率を用いて、それぞれ数式６で表される。
【００２７】
【数６】
ｒ１  ＝｛ｎ（λ１，Ｔ１）−１｝／｛ｎ（λ１，Ｔ１）＋１｝
ｒ２  ＝｛ｎ（λ２，Ｔ１）−１｝／｛ｎ（λ２，Ｔ１）＋１｝
ｒ１’＝｛ｎ（λ１，Ｔ２）−１｝／｛ｎ（λ１，Ｔ２）＋１｝
ｒ２’＝｛ｎ（λ２，Ｔ２）−１｝／｛ｎ（λ２，Ｔ２）＋１｝
【００２８】
一方、屈折率ｎは波長λと温度Ｔにより決定され、数式７で近似できる。
【数７】
ｎ（λ１，Ｔ１）＝ｐ（λ１）＋ｑ（λ１）Ｔ１
ｎ（λ２，Ｔ１）＝ｐ（λ２）＋ｑ（λ２）Ｔ１
ｎ（λ１，Ｔ２）＝ｐ（λ１）＋ｑ（λ１）Ｔ２
ｎ（λ１，Ｔ２）＝ｐ（λ２）＋ｑ（λ２）Ｔ２
ここで、ｐ（λｉ）とｑ（λｉ）とは固有の値であり、例えば、シリコンの場合、ｐ（λｉ）＝３．３５＋０．２２λi−２、ｑ（λｉ）＝（６．０５λi−１／２−１．６４）×１０−４  である。
【００２９】
数式６に数式７を代入すると数式８が成立する。
【数８】
r2'/r1'≒(r2/r1)×[1+2(T2-T1)×{q(λ2)/(p2(λ2)-1)-q(λ1)/(p2(λ1)-1)}]
【００３０】
数式８から、強度反射率比は数式９で表される。
【数９】
R2'/R1'≒R2/R1[1+4(T2-T1){q(λ2)/(p2(λ2)-1)-q(λ1)/(p2(λ1)-1)}]
ここで、Ｒｉ＝│ｒｉ│２である。
数式９から明らかなように、２つの波長の光の反射率の比は、温度に対して線形になる。従って、反射率比を求めることにより、反射面の温度を測定することが可能になる。
【００３１】
数式９を変形すると、数式１０が成立する。
【数１０】
T2-T1'≒{(R2'/R1')/(R2/R1)-1}/[4{q(λ2)/(p2(λ2)-1)-q(λ1)/(p2(λ1)-1)}]
この式で、T1、T2は絶対温度、
λ1、λ2は波長、
R1は、温度T1に対する波長λ1における振幅反射率の絶対値の２乗、
R2は、温度T1に対する波長λ2における振幅反射率の絶対値の２乗、
R1'は、温度T2に対する波長λ1における振幅反射率の絶対値の２乗、
R2'は、温度T2に対する波長λ2における振幅反射率の絶対値の２乗、
p(λ1)、q(λ1)は測定対象物の絶対温度Tに対する波長λ1における屈折率n(λ1，T)をn(λ1，T)＝p(λ1)＋q(λ1)Tと表すことによって定まる定数、
p(λ2)、q(λ2)は測定対象物の絶対温度Tに対する波長λ2における屈折率n(λ2，T)をn(λ2，T)＝p(λ2)＋q(λ2)Tと表すことによって定まる定数、
従って、基準温度における反射率比と、各定数を予め求めておけば、強度反射率比から基準温度との差を求めることができ、ひいては、その温度を求めることができる。
【００３２】
例えば、波長λ１＝０．５２５μｍ、λ２＝０．６６０μｍ、Ｔ０を基準温度とすれば、測定対象物の温度Ｔは数式１１から求めることができる。
【数１１】
T≒［{(R1'/R2')/(R2/R1)-1}/(4.96×10-6)］+T0
【００３３】
反射率を測定するための光学系を数式１２のモデルで表すとする。
【数１２】
［反射光強度Ｉ］＝
［１−（検出系損失ηdetect）］×［１−（出射光学系損失ηoutput）］
×［ウエハー反射率Ｒ（λ）］×［１−入射光学系損失ηinput］
×［入射光強度Ｉ０（λ）］
【００３４】
数式１２を波長λ１とλ２について示すと、数式１３のようになる。
【数１３】
Ｉ（λ１）＝（１−ηdetect）（１−ηoutput）Ｒ（λ１）（１−ηinput）Ｉ０（λ１）
Ｉ（λ２）＝（１−ηdetect）（１−ηoutput）Ｒ（λ２）（１−ηinput）Ｉ０（λ２）
これらの比を計算すると、Ｉ０がそれぞれの波長で規格化されているならば、
Ｉ（λ１）／Ｉ（λ２）＝Ｒ（λ１）／Ｒ（λ２）
となる。従って、システムの損失を無視する事ができる。
【００３５】
以上説明したように、複数波長の光に対するシリコンの反射率の比を測定することにより、システムの損失を無視して、反射面（表面）の温度を非接触で測定することができる。
【００３６】
次に、上述の方法を用いて、半導体ウエハの表面温度を測定するシステムの実施の形態を説明する。
図１は、この実施の形態の温度測定装置を示す。この温度測定装置は、図示するように、発光部１１と、発光部１１からの光を被測定対象物であるシリコンウエハＷに導く光ファイバ１２と、シリコンウエハＷが載置されたチャンバ２１の上壁（上蓋）に取り付けられたビューポート１３と、ビューポート１３で検出した反射光を導く光ファイバ１４と、光ファイバ１４からの光を電気信号に変換する光電変換部１５と、光電変換部１５の出力信号を処理する計測システム１６と、ロックインアンプ１７と、信号処理部１８と、電源部１９とより構成される。
【００３７】
チャンバ２１は、例えば、シリコンウエハＷの表面にコートされたフォトレジストを硬化させるためのホットプレートなどから構成され、内部に加熱ヒータ２２とシリコンウエハ載置用のテーブルを備える。実際の半導体装置の製造工程では、シリコンウエハＷの表面には種々の加工が施され、さらに、フォトレジストがコートされているため、その表面温度を直接測定することは困難である。そこで、シリコンウエハＷの表面温度の測定用に、未加工のシリコンウエハＷが載置され、例えば、その温度変化や温度分布などが測定される。
【００３８】
発光部１１は、波長の異なる光を発光する第１と第２のＬＥＤ１１１，１１２と、ビームスプリッタ１１３、光学レンズ系Ｌ１及びＣＣＤアレイシステム１１４とを備える。
【００３９】
第１のＬＥＤ１１１と第２のＬＥＤ１１２とは、その光軸を直交させて配置され、電源部１９から供給されるパルス状の電力により、同期してオンオフし、それぞれ、５２５ｎｍ、６６０ｎｍの波長の光をほぼ無偏光で発光する。
【００４０】
ビームスプリッタ１１３は、ハーフミラー、ダイクロイックミラーなどから構成され、ＬＥＤ１１１と１１２の光軸の交差部に配置され、第１のＬＥＤ１１１からの光束φ１の２分の１の光束φ１１をそのまま通過させて光学レンズ系Ｌ１に導き、残りの１／２の光束φ１２をＣＣＤアレイシステム１１４に導く。また、ビームスプリッタ１１３は、第２のＬＥＤ１１２からの光束φ２の２分の１の光束φ２１をそのまま通過させてＣＣＤアレイシステム１１４に導き、残りの１／２の光束φ２２を光学レンズ系Ｌ１に導く。
【００４１】
光学レンズ系Ｌ１は、ビームスプリッタ１１３により分割されて生成された波長５２５ｎｍの光束φ１１と、波長６６０ｎｍの光束φ２２とを光ファイバ１２に導く。
ＣＣＤアレイシステム１１４は、ＣＣＤとその前面に配置されたプリズムなどから構成され、入射光を分光し、波長５２５ｎｍの光束φ１２と、波長６６０ｎｍの光束φ２１との強度を示す信号を生成し、信号処理部１８に供給する。
【００４２】
第１の光ファイバ１２は、光学レンズ系Ｌ１から導入された５２５ｎｍの光束φ１１と６６０ｎｍの光束φ２２の合成光をチャンバ２１のビューポート１３に導く。
【００４３】
ビューポート１３は、図２に断面で示すように、チャンバ２１の上壁に形成され、光ファイバ１２と１４の光ファイバヘッド（端部）Ｈが装着される装着部２１１と、ビューポート１３の開口内に、光ファイバヘッドＨと対向して配置されたレンズＬ３とＬ４と、ウインドウ１３１とから構成される。
レンズＬ３は、光ファイバ１２から出射した光を、シリコンウエハＷの表面上に集光する。レンズＬ４は、シリコンウエハＷからの反射光を光ファイバ１４に導出する。
【００４４】
ウインドウ１３１は、熱膨張率の小さい石英ガラスなどから構成され、温度変化に伴う入射光と反射光との干渉を防止するため、図２に示すようにくさび形（ウエッジシェープ）の断面形状を有する。このような形状とすることにより、図３に模式的に示すように、入射光の一面での反射光と、他面での反射光との間での干渉が起こりにくい。これに対し、ウインドウ１３１の上面と下面が平行であると、加熱ヒータ２２の加熱によるシリコンウエハＷの温度変化に伴って、石英ガラスも膨張又は収縮し、厚みが変化するため、反射光強度に温度依存の干渉パターンが生じる。このような形状とすることにより、温度依存の干渉を防止することができる。
【００４５】
反射光導出用の光ファイバ１４は、レンズＬ３を介して供給された反射光を光電変換部１５に導く。
【００４６】
光電変換部１５は、光ファイバ１４により導かれた反射光をＣＣＤアレイシステム１５１により、分光し、波長帯（５２５ｎｍと６６０ｎｍ）別の光の強度を表す信号を出力する。ＬＥＤ１１１と１１２が点滅するため、この信号もクロック状の波形信号となる。
【００４７】
計測システム１６は、光電変換部１５からの各信号を増幅し、ノイズを除去して、ロックインアンプ１７に供給する。
ロックインアンプ１７は、電源部１９から供給される参照信号（ＬＥＤ１１１，１１２のオン・オフに同期した信号）ＳＲＥＦを用いて、計測システム１６から供給されるノイズを含む信号から、反射光に対応する信号成分を抽出して出力する。
【００４８】
信号処理部１８は、実験などにより予め求められていた半導体ウエハＷの基準温度における反射率比や各定数、さらに、数式１０を予め記憶している。
信号処理部１８は、ロックインアンプ１７から供給された信号（反射光の強度を示す信号）をＡ／Ｄ変換し、さらに、ＣＣＤアレイシステム１１４から供給される基準信号から、２つの波長の光のシリコンウエハＷ上の反射率を求め、この反射率から、予め内部に格納しておいた基準値に基づいて、数式１０に従って、その表面温度を特定し、出力する。
【００４９】
電源部１９は、７０〜９０Ｈｚ（商用電源周波数の非正数倍）で発振する発振回路を備え、この発振信号に同期してＬＥＤ１１１と１１２に発光用の電力を供給し、ＬＥＤ１１１と１１２を点滅させる。また、電源部１９は、この発振信号をロックインアンプ１７に参照信号ＳＲＥＦとして供給する。
【００５０】
次に、上記構成の温度測定システムの動作を説明する。
チャンバ２１内に載置されたシリコンウエハＷの表面の温度を測定する場合、まず、電源部１９をオンし、ＬＥＤ１１１と１１２とを同期させながらオン・オフする。
このオン・オフにより、ＬＥＤ１１１と１１２とは、基準信号に同期して、点滅する。
オンしたＬＥＤ１１１と１１２から照射された波長５２５ｎｍと６６０ｎｍの光束φ１とφ２は、それぞれ、ビームスプリッタ１１３により２分割される。分割された一方の光束φ１２とφ２１とはＣＣＤアレイシステム１１４に入射し、分光されて、それぞれ、その強度を示す信号Ｉdirect（λ＝５２５ｎｍ）とＩdirect（λ＝６６０ｎｍ）に変換されて信号処理回路１８に供給される。
【００５１】
一方、ビームスプリッタ１３で分割された他方の光束φ１１とφ２２は、光学レンズ系Ｌ１を介して光ファイバ１２に入射し、加熱ヒータ２２による空気の対流などの影響を受けずに伝達され、図２に示すように、光ファイバヘッドＨから出射し、ビューポート１３内のレンズＬ３によりシリコンウエハＷの表面に照射される。シリコンウエハＷの表面で反射した光は、集光レンズＬ３を介して光ファイバ１４に入射し、光ファイバ１４内を伝達する。
【００５２】
なお、光ファイバ１２から出射した光、シリコンウエハＷで反射した光は、ウインドウ１３１の表面で、屈折率の差により、反射するが、ウインドウ１３１がウエッジシェープをしているため、温度に依存する特有の干渉パターンは発生しない。
【００５３】
光ファイバ１４を通過した光は、レンズＬ２を介してＣＣＤアレイシステム１５１に入射する。ＣＣＤアレイシステム１５１は入射光を分光し、波長５２５ｎｍと６６０ｎｍの光に分光し、それぞれ光電変換することにより、波長５２５ｎｍと６６０ｎｍの反射光の強度に対応する信号ＩＮ（λ＝５２５ｎｍ）とＩＮ（λ＝６６０ｎｍ）を出力する。
【００５４】
計測システム１６は、信号ＩＮ（λ＝５２５ｎｍ）とＩＮ（λ＝６６０ｎｍ）の増幅、ノイズ除去などを適宜行った後、ロックインアンプ１７に供給する。
ロックインアンプ１７は、電源部１９から供給される参照信号ＳＲＥＦを用いて、ノイズの多い入力信号ＩＮ（λ＝５２５ｎｍ）とＩＮ（λ＝６６０ｎｍ）の中から、ノイズ成分を除去して波長λ＝５２５ｎｍの反射光に対応する信号成分と波長λ＝６６０ｎｍの反射光に対応する信号成分とを抽出して出力する。
【００５５】
信号処理回路１８は、ロックインアンプ１７から出力されたＯＵＴ（λ＝５２５ｎｍ）とＯＵＴ（λ＝６６０ｎｍ）と、ＣＣＤアレイシステム１１４から供給されたＩdirect（λ＝５２５ｎｍ）とＩdirect（λ＝６６０ｎｍ）とより、波長が５２５ｎｍの光のシリコンウエハＷの表面での反射率Ｒ（λ＝５２５ｎｍ）とＲ（λ＝６６０ｎｍ）とを求める。
【００５６】
なお、ＣＣＤアレイシステム１１４から供給されたＩdirect（λ＝５２５ｎｍ）とＩdirect（λ＝６６０ｎｍ）とも、オン・オフ信号である。従って、必要に応じてエンベローブ信号を求めるなどの処置を行う。また、ロックインアップ１７でＩdirect（λ＝５２５ｎｍ）とＩdirect（λ＝６６０ｎｍ）とを検波し、光束φ１２，φ２１の強度に対応する信号成分を抽出し、抽出した信号を反射率の計算に使用してもよい。
【００５７】
即ち、損失を無視するならば、シリコンウエハＷに照射された光の強度は、Ｉdirect（λ＝５２５ｎｍ）とＩdirect（λ＝６６０ｎｍ）に等しい。従って、シリコンウエハＷ表面の反射率Ｒ（λ＝５２５ｎｍ）とＲ（λ＝６６０ｎｍ）とは、数式１４で求められる。
【００５８】
【数１４】
R(λ=525nm)=OUT(λ=525nm)/Idirect(λ=525nm)
R(λ=660nm)=OUT(λ=660nm)/Idirect(λ=660nm)
信号処理回路１８は、さらに、数式１５に示す反射率の比を求める。
【００５９】
【数１５】
R(λ=525nm)／R(λ=660nm)
=OUT(λ=525nm)Idirect(λ=660nm)/OUT(λ=660nm)Idirect(λ=525nm)
さらに、信号処理回路１８は、この反射率比と予め内部に記憶しておいた基準値とを用いて、数式１０又は１１に基づいて、シリコンウエハＷの表面の温度を計算し、出力する。
【００６０】
このようにして、２つの波長（５２５ｎｍ、６６０ｎｍ）の光の反射率の比から、非接触で、シリコンウエハＷの表面温度を測定することができる。
【００６１】
ここで、ビューポート１３の取り付けが不適切で、図４に示すように、シリコンウエハへＷへの照射光の照射角度が本来の値θからθ’にずれたと仮定する。この場合、シリコンウエハＷでの出射角度もθからθ’にずれてしまい、一部の光がビューポート１３に入射できなくなる。このため、見かけ上、反射率が低下してしまう。しかし、この実施の形態によれば、ビューポート１３が傾いていたとしても、その影響は、２つの波長の光に均等に影響するので、反射率の比R(λ=525nm)／R(λ=660nm)には影響がない。従って、ビューポート１３の取り付け誤差等による測定誤差を抑えることができる。
【００６２】
また、発光部１１からの光の導出、光電変換部１５への反射光の導出に、光ファイバ１２，１４を使用しているため、加熱ヒータ２２により加熱された外気の対流になどによる外乱が測定値に影響を与えない。
【００６３】
なお、この発明は上記実施の形態に限定されず、種々の変形及び応用が可能である。
例えば、上記実施の形態においては、５２５ｎｍの光と６６０ｎｍの光を使用したが、使用する光の波長は任意である。ただし、波長が１０００ｎｍ（１μｍ）を超えると、シリコンが透明になってしまうため、１μｍ未満の波長光を使用する必要がある。また、高反射率を確保する上から、９００ｎｍ未満の波長光を使用することが望ましい。
また、波長が短すぎても、温度測定が困難であるため、波長が４３０ｎｍ以上の光を使用することが望ましい。
【００６４】
また、上記実施の形態では、理解を容易にするため、ＬＥＤ１１１と１１２の出射光φ１とφ２を、ビームスプリッタ１１３で、それぞれ、等しい強度の２つの光束φ１１とφ１２、φ２１，φ２２に分割したが、分割する強度比は任意である。
【００６５】
例えば、ＬＥＤ１１１から出射する波長λ１の光のｘ％が、光ファイバ１２に入射し、残りの（１００−ｘ）％がＣＣＤアレイシステム１１４に入射し、ＬＥＤ１１２から出射光する波長λ２の光のｙ％が、光ファイバ１２に入射し、残りの（１００−ｙ）％がＣＣＤアレイシステム１１４に入射するような場合には、各波長の反射率Ｒは次式で求められる。
Ｒ（λ１）＝OUT（λ１）・（１００−ｘ）／Ｉdirect（λ１）・ｘ
Ｒ（λ２）＝OUT（λ２）・（１００−ｙ）／Ｉdirect（λ２）・ｙ
【００６６】
さらに、上記実施の形態においては、チャンバ２１の上壁にビューポート１３を１つ配置したが、図５に示すように、複数のビューポート１３を配置して、光ファイバヘッドＨを適宜、任意のビューポート１３に挿入して測定を行うようにしてもよい。
また、図１に示す発光部１１と光電変換部１５とを複数セット配置しておき、複数のビューポート１３にそれぞれ光ファイバヘッドＨを装着し、シリコンウエハＷの複数箇所の温度を同時に測定できるように構成してもよい。
【００６７】
上記実施の形態においては、光源としてＬＥＤを使用し、電源部１９からの断続的な電力供給によりこれを点滅した。従って、消費電力が小さい。ただし、半導体レーザ、ランプなどの任意の光源を使用可能である。ただし、測定精度を高めるため、できるだけ無偏光の光を照射する光源が望ましい。
また、光源を点滅し、検出光をロックインアンプ１７で検波しているので、簡単な構成で、高いＳ／Ｎでの増幅が可能である。
【００６８】
上記実施の形態においては、電源の供給の断続により、光源をオン・オフしているが、この例に限定されず、光源からの連続光をチョッパを用いて断続化したりしてもよい。
また、光源の発光強度を正弦波状の変調信号に従って正弦波状に変調し、正弦波状の反射光を変調信号を用いて復調することにより、反射光の強度を測定するなど、してもよい。
また、ロックインアンプを使用しない場合には、連続光を使用してもよい。
【００６９】
上記実施の形態において、信号処理部１８は、入力アナログ信号をＡ／Ｄ変換し、ディジタル信号処理を行ったが、アナログ信号処理により、反射率比を求め、温度を示す信号に変換してもよい。また、反射率を求める工程と反射率の比を求める工程を順次行う必要はなく、１つの工程で行ってもよい。例えば、各反射率の特定と反射率比の特定とを多入力の演算回路や並列演算回路等を利用して、一時に行ってもよい。
さらに、測定システム１６で、光電変換部１５の出力信号をディジタル化し、後は、ＤＳＰなどを用いたディジタル信号処理により、ロックイン増幅や、反射率及び反射率比の特定等をおこなってもよい。
【００７０】
上記実施の形態においては、シリコンウエハの表面温度を測定する場合を例にこの発明を説明したが、光反射性の物体ならば測定対象は任意である。例えば、ウエハ表面に形成された絶縁膜などの温度を測定することも可能である。
【００７１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、被測定対象物の温度を非接触で比較的正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかる温度測定装置の全体の構成を示す図である。
【図２】ビューポートの断面構成を示す図である。
【図３】ウインドウでの反射の様子を示す模式図である。
【図４】ビューポートの取り付けが不適切な場合のシリコンウエハへの入射光と反射光の関係を示す図である。
【図５】チャンバに複数のビューポートを配置した例を示す図である。
【図６】屈折率と温度及び波長との関係を示すグラフである。
【図７】反射率と温度との関係を示すグラフである。
【図８】反射率と波長との特性カーブが温度に応じてシフトする様子を示すグラフである。
【符号の説明】
１１                発光部
１２                光ファイバ
１３                ビューポート
１４                光ファイバ
１５                光電変換部
１６                計測システム
１７                ロックインアンプ
１８                信号処理部
１９                電源部
【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】
0004124389.tif 000007
【図７】
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【図８】
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