(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザーからレーザー光を被測温体に照射するとともに参照用部材にも照射し、被測温体からの反射光と参照用部材からの反射光との合成光を検出し、この合成光のスペクトルにおいて、被測温体の温度に対応して特異的に強度変化を生じた光成分の周波数を求め、その周波数から前記被測温体の温度を把握することを特徴とする温度測定方法。
【請求項２】
前記参照用部材は、前記被測温体と実質的に同じ材料で構成されてい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】
前記合成光のスペクトルにおいて、被測温体の温度と特異的に強度変化を生じた光成分の周波数との関係を予め求めておき、この関係に前記特異的に強度変化を生じた光成分の周波数を照合することにより前記被測温体の温度を把握することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の温度測定方法。
【請求項４】
前記試料は結晶質であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の温度測定方法。
【請求項５】
前記参照用部材は、略一定の温度に保持されることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の温度測定方法。
【請求項６】
被測温体に対してレーザー光を照射するための半導体レーザーと、
前記被測温体に対するレーザー光照射と同時にレーザー光が照射される参照用部材と、
前記半導体レーザーから射出された光を被測温体側と参照用部材側とに分離する分離手段と、
被測温体からの反射光と参照用部材からの反射光を合成する合成手段と、
前記合成手段により合成された合成光を検出する検出手段と、
検出手段からの情報に基づいて合成光の周波数分布を求めるスペクトラムアナライザーと、
前記スペクトラムアナライザーにより求められた合成光のスペクトルにおいて、被測温体の温度に対応して特異的に強度変化を生じた光成分の周波数を求め、その周波数から前記被測温体の温度を把握する計測部と
を具備することを特徴とする温度測定装置。
【請求項７】
前記参照用部材は、前記被測温体と実質的に同じ材料で構成されている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】
前記参照部材を収容する恒温槽をさらに有することを特徴とする請求項６または請求項７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、半導体ウエハ等の試料に接触することなく温度を測定する温度測定方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイス等の製造プロセスにおいては、アニール工程のように様々な熱処理工程が実施される。それら熱処理工程においては、その処理温度が最終的に製造される半導体デバイスの特性に大きな影響を及ぼす。すなわち、半導体ウエハの温度を所望値に制御することができない場合、半導体デバイスに要求される特性を実現することが不可能となるおそれがある。したがって、半導体ウエハ等の被処理体の温度を正確に把握することが必要である。
【０００３】
上述した熱処理工程において、半導体ウエハの温度の測定を、温度計をウエハに直接接触させることにより行うことは困難である。そのため、従来、半導体ウエハの加熱を行うサセプタ等の温度をモニターすることにより、半導体ウエハの温度を間接的に求めていた。
【０００４】
しかしながら、そのような接触型の温度計を用いた場合、測定値は測定点等に応じてばらつきを生じてしまう。また、接触型の温度計はチャンバー内に設置する必要があるため、既設のチャンバーに取り付ける場合、チャンバーの大幅な改造が必要である。
【０００５】
上記接触型の温度計とは別に、非接触型の温度計として放射温度計が知られている。放射高温計は、高温物体からの熱放射を集束し、観察することにより温度を測定する装置である。放射高温計は、上述した接触型の温度計とは異なり、チャンバー内に設置する必要がない。また、放射温度計によると、チャンバーに窓が形成されていれば、チャンバーを改造することなく試料の温度を測定することが可能である。
【０００６】
しかしながら、試料の放射率は、試料の表面状態に大きく影響される。そのため、試料の表面状態の僅かな変化が、試料の放射率に大きく影響してしまい、試料の正確な温度を把握することは困難である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、試料に接触することなく高精度でその温度を把握することが可能な温度測定方法および温度測定装置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】
上記課題を解決するために、本発明は、半導体レーザーからレーザー光を被測温体に照射するとともに参照用部材にも照射し、被測温体からの反射光とと参照用部材からの反射光との合成光を検出し、この合成光のスペクトルにおいて、被測温体の温度に対応して特異的に強度変化を生じた光成分の周波数を求め、その周波数から前記被測温体の温度を把握することを特徴とする温度測定方法を提供する。
【０００９】
また、本発明は、被測温体に対してレーザー光を照射するための半導体レーザーと、
前記被測温体に対するレーザー光照射と同時にレーザー光が照射される参照用部材と、
前記半導体レーザーから射出された光を被測温体側と参照用部材側とに分離する分離手段と、
被測温体からの反射光と参照用部材からの反射光を合成する合成手段と、
前記合成手段により合成された合成光を検出する検出手段と、
検出手段からの情報に基づいて合成光の周波数分布を求めるスペクトラムアナライザーと、
前記スペクトラムアナライザーにより求められた合成光のスペクトルにおいて、被測温体の温度に対応して特異的に強度変化を生じた光成分の周波数を求め、その周波数から前記被測温体の温度を把握する計測部と
を具備することを特徴とする温度測定装置を提供する。
【００１０】
本発明においては、被測温体の温度を測定するに当たり、まず、半導体レーザーからレーザー光を射出する。単一モード発振している半導体レーザーのレーザー光は、（Ａ）自然放出光ゆらぎによる量子ノイズ、（Ｂ）キャリヤ密度ゆらぎによる量子ノイズ、（Ｃ）レーザー阻止の温度ゆらぎによる量子ノイズの全ての寄与によって発振周波数の変調を受けている。これらのノイズはホワイトノイズ的であるため、レーザー光の周波数成分には、発振周波数の他に、無数のサイドバンドスペクトルが現れる。これが入射光の電界の振幅のスペクトルである。
【００１１】
一方、結晶質の物質は、温度に対応して固有の格子振動周波数を有しているため、熱が与えられて所定の温度にされると、所定の周波数の格子振動が生じる。したがって、入射光はこの格子振動により変調を受けて、サイドバンドスペクトルのうち、その格子振動周波数の位置のスペクトル強度に変化を生じる。そのため、このような変調を受けた反射光をスペクトラムアナライザーで解析すると、格子振動周波数の位置にディップが現れ、そのディップの周波数を特定することにより、被測温体の温度を把握することが可能であるはずである。
【００１２】
ところが、その振動数はかなり大きいと考えられるため、実際にはスペクトラムアナライザーを用いても観測することができない。
【００１３】
そこで、本発明では、上記原理を用いつつ、さらに半導体レーザーからレーザー光を参照用部材にも照射し、被測温体からの反射光と参照用部材からの反射光との合成光を検出する。これら反射光を合成した合成光のスペクトルでは、被測温体の格子振動周波数に対応する位置、および、参照部材の格子振動周波数に対応する位置に強度変調が生じる。この信号をスペクトラムアナライザーを用いて解析すると、高周波数成分は観測されず、被測温体の格子振動周波数と参照用部材の格子振動周波数との差信号（ビート）のみが検出される。したがって、このビート周波数の温度依存性を予め把握しておけば、このビートを検出することにより高精度で温度を測定することができる。なお、参照用部材としては、被測温体と実質的に同じ材料のものを用いることが好ましい。これにより、被測温体の格子振動周波数と参照部材の格子振動周波数がより近くなり、より高精度で温度を測定することができる。
【００１４】
上述のようにして求めたビート周波数から被測温体の温度を把握するには、例えば、上記被測温体と参照部材を用いてビート周波数の温度依存性を予め実験的に求め、テーブルを作成し、検出されたビート周波数をこのテーブルに参照することや、この温度依存性を計測部に設定しておき、検出されたビート周波数の情報を計測部に入力して自動的に計算することが考えられる。
【００１５】
このように、本発明の方法では、格子振動を利用して被測温体の温度測定が行われるため、少なくとも測定部分は結晶質であることが必要であり、特に、その全体が結晶質であることが好ましい。全体が結晶質であれば、いずれの位置でも上記原理に基づいて、温度に対応する格子振動周波数を検出することができ、より容易に高精度で被測温体の温度を測定することが可能となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。ここでは、試料として半導体ウエハを用いた場合について説明する。
【００１７】
図１は、本発明の実施形態に係る温度測定方法に用いられる温度測定装置を概略的に示す図である。図１に示すように、温度測定装置１は、半導体ウエハ２にレーザー光を照射するレーザーダイオード３と、レーザーダイオード３の下流側に配置された偏光子４と、偏光子４と半導体ウエハ２との間に設けられた２つのビームスプリッター５，６と、ビームスプリッター６と半導体ウエハ２との間に配置された偏光子７と、ビームスプリッター５により分離されたレーザー光が照射される参照用ウエハ８と、ビームスプリッター６を経た半導体ウエハ２の反射光と参照用ウエハ８の反射光を合成する合成手段としてのミラー９と、この合成光を検出する検出器１１と、検出器１１に接続されたスペクトラムアナライザー１２と、スペクトラムアナライザ１２の分析結果に基づいて温度を計測する計測部１３と、必要な表示がなされる表示部１４と、ビームスプリッター５，６、参照用ウエハ８、およびミラー９を収容する恒温槽１０とで構成されている。検出器１１としては、高速フォトダイオード（アバランシェ・フォトダイオード、またはピンフォトダイオードなど）が好適である。
【００１８】
このような温度測定装置１により半導体ウエハ２の温度を測定する際には、まず、レーザーダイオード３からレーザー光が射出され、このレーザー光は偏光子４により直線偏光Ｌ１となって、ビームスプリッター５に至る。ビームスプリッター５では半導体ウエハ２に向かうレーザー光Ｌ２と参照用ウエハ８に向かうレーザー光Ｌ３に分離される。
【００１９】
レーザー光Ｌ２は、ビームスプリッター６を通過し、偏光子７を経て半導体ウエハ２に照射され、その反射光は再び偏光子７を経てビームスプリッター６により反射され、レーザー光Ｌ４となりハーフミラー９へ至る。
【００２０】
一方、ビームスプリッター５で分離されたもう一方のレーザー光Ｌ３は参照用ウエハ８で反射され、その反射したレーザー光Ｌ５がハーフミラー９に至る。
【００２１】
レーザー光Ｌ４はハーフミラー９を透過し、レーザー光Ｌ５はハーフミラー９で反射されるから、これらは合成されてレーザー光Ｌ６となり、検出器１１で検出される。検出器１１で検出されたスペクトルは、後述するように、半導体ウエハ２および参照用ウエハ８の格子振動によりその周波数に対応する部分で変調を受けており、その検出信号がスペクトラムアナライザー１２に入力され、参照ウエハ８の格子振動により変調を受けた周波数と半導体ウエハ２の格子振動により変調を受けた周波数の差周波数（ビート）が検出される。そして、計測部１３でその信号から半導体ウエハＷの温度を求め、表示部１４に表示する。
【００２２】
次に、この際の温度測定について、さらに詳細に説明する。
半導体レーザーであるレーザーダイオード３から射出された光は、（Ａ）自然放出光ゆらぎによる量子ノイズ、（Ｂ）キャリヤ密度ゆらぎによる量子ノイズ、（Ｃ）レーザー阻止の温度ゆらぎによる量子ノイズの全ての寄与によって発振周波数の変調を受けている。これらのノイズはホワイトノイズ的であるため、レーザー光の周波数成分には、図２に示すように、発振周波数ｆ＝ｆ０の他に、周波数ｆ＝ｆ０±ｆｉ、電界強度Ｅ＝Ｅ±ｉの無数のサイドバンドスペクトルが現れる。これが入射光の電界振幅スペクトルである。そして、これをスペクトラムアナライザーで解析すると図３に示すようになる。
【００２３】
次に、被測温体である半導体ウエハ２の熱による格子振動周波数をｆＬとすると、入射光は格子振動により変調を受けてｆ０−ｆＬとｆ０＋ｆＬの周波数のスペクトル強度に変化を生じ、図４に示すようなスペクトルとなる。これは、周波数変調分光法の原理に基づいている。したがって、このスペクトルをスペクトラムアナライザーで解析すると、図５に示すようにｆＬの位置にディップが現れるはずである。
【００２４】
ところが、その振動数はかなり大きいため、実際にはスペクトラムアナライザーを用いても観測することができない。
【００２５】
そこで、上述したように、レーザーダイオード３からのレーザー光をビームスプリッター５で分離し、一方を被測温体である半導体ウエハ２に照射し、他方を参照用ウエハ８に照射して、半導体ウエハ２からの反射光と参照用ウエハ８からの反射光とを合成し、その合成したレーザー光を検出器１１で検出する。
【００２６】
ここで、参照用ウエハ８の格子振動周波数をｆｗとし、被測温体である半導体ウエハ２の格子振動周波数をｆｓとすれば、検出されたスペクトルは図６に示すようになる。すなわち、周波数がｆ０−ｆｗ、ｆ０−ｆｓ、ｆ０＋ｆｓ、ｆ０＋ｆｗの部分で変調を受ける。
【００２７】
この検出信号をスペクトラムアナライザー１２に通すと、図７に示すように、ｆｓ、ｆｗといった高周波成分は観測されず、ｆｗ−ｆｓという差信号（ビート）だけが検出される。
【００２８】
したがって、実験等により予めビート周波数と温度との関係を求めておけば、検出されたビート周波数をその関係に照合することにより、温度を求めることができる。本実施形態では、このビート周波数の温度依存性を計測部１３に設定しておき、スペクトラムアナライザー１２からの信号に基づいて計測部１３が自動的に温度を算出する。計測部１３で算出された温度は、表示部１４に表示される。
【００２９】
このようにして温度を測定することにより、半導体ウエハ２に接触することなく高精度でその温度を把握することができる。この場合に、参照用ウエハ８が恒温槽１０内に設けられているので、参照用ウエハ８をほぼ一定の温度に管理することができ、特に高精度の温度測定が実現される。
【００３０】
なお、半導体ウエハ２の温度と反射光スペクトルとの関係を調べるに当たり、ウエハ２の温度測定には既知の様々な方法を用いることができる。また、計測部１３を用いることなく、スペクトルアナライザー１２の分析結果に基づいて、オペレータがビート周波数の特定作業、および特定された周波数を予め把握されたビート周波数と温度との関係を示すテーブルに照合する作業を行うようにしてもよい。
【００３１】
以上の温度測定方法は、半導体装置等の製造における熱処理を伴うプロセスに適用することができる。以下、被測温体として半導体ウエハを用い、半導体ウエハに熱処理を伴うプロセスとしてＣＶＤ成膜処理を実施する場合について説明する。
【００３２】
図８は、半導体ウエハ上に対するＣＶＤ成膜処理を行うための成膜装置の一例を概略的に示す図である。図８において、成膜処理装置２５は、チャンバー２６と、チャンバー２６内に配置され、半導体ウエハ２を載置する載置台２９と、載置台２９に埋設されたヒーター３０と、チャンバー２６内に所定の成膜ガスを供給するガス供給源３１と、ガス供給源３１から供給された成膜ガスを半導体ウエハ２に向けて吐出させるシャワーヘッド３２と、チャンバー２６内を排気する排気系３３と、半導体ウエハ２の温度を測定する温度測定装置３４と、温度測定装置１の測定値に基づいてヒーター３０の電源３５を制御してヒーターの出力を制御する制御系３６とで構成されている。また、チャンバー２６の上部には、チャンバー２６の天壁およびシャワーヘッド３２を貫通してレーザー光導入部２７が設けられている。
【００３３】
上記成膜装置２５において、温度測定装置３４は、図１に示した温度測定装置１と同様の構造を有している。すなわち、この温度測定装置３４では、レーザーダイオード３からレーザー光が射出され、このレーザー光は偏光子４により直線偏光Ｌ１となって、恒温槽１０内に導かれ、ビームスプリッター５に至る。ビームスプリッター５では半導体ウエハ２に向かうレーザー光Ｌ２と参照用ウエハ８に向かうレーザー光Ｌ３に分離される。レーザー光Ｌ２は、ビームスプリッター６を通過し、偏光子７を経てレーザー光導入部２７からチャンバー２６内の半導体ウエハ２に照射され、その反射光は再び偏光子７を経てビームスプリッター６により反射され、レーザー光Ｌ４となりハーフミラー９へ至る。ビームスプリッター５で分離されたもう一方のレーザー光Ｌ３は参照用ウエハ８で反射され、その反射したレーザー光Ｌ５がハーフミラー９に至る。ハーフミラー９にてレーザー光Ｌ４とＬ５が合成されてレーザー光Ｌ６となり、検出器１１で検出される。
【００３４】
検出器１１での検出結果はスペクトラムアナライザー１２へと送られ、そこで周波数解析が行われて、上述のビートが検出される。スペクトラムアナライザー１２からの信号は計測部１３に送られる。計測部１３には予め求められたビート周波数の温度依存性が設定されており、スペクトラムアナライザー１２からの信号とこの設定情報に基づいて自動的に半導体ウエハ２の温度を算出する。
【００３５】
計測部１３で得られた測定値は、表示部１４に表示されるとともに、制御系３６へと送られ、制御系３６は、この測定値に基づいて、半導体ウエハ２の温度が設定値と等しくなるようにヒータ３０の出力を制御する。以上のようにして温度測定装置３４により測定した温度に基づいて温度制御することにより、半導体ウエハ２上に供給された成膜ガスが適切に反応し、半導体ウエハ２上に所望の膜が形成される。
【００３６】
以上の成膜プロセスにおいては、半導体ウエハ２の温度が設定値と等しくなるようにヒータ３０の出力を制御したが、昇温速度を制御することもできる。さらに、温度測定装置３４により得られた測定値に基づいて、ガスの流量等のように他の処理条件を制御することも可能である。
【００３７】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく種々変形が可能である。例えば、上記実施の形態では半導体ウエハの温度測定について示したが、これに限らず、様々な試料に対して用いることができる。また、本発明の温度測定方法および温度測定装置は成膜の他種々の熱処理における温度測定に用いることができるし、熱処理に限らず、あらゆる分野の温度測定に適用することができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、半導体レーザーからレーザー光を被測温体に照射するとともに参照用部材にも照射し、被測温体からの反射光と参照用部材からの反射光との合成光を検出し、この合成光のスペクトルにおいて、被測温体の温度に対応して特異的に強度変化を生じた光成分の周波数を求め、その周波数から前記被測温体の温度を把握するので、被測温体に接触することなく高い精度でその温度を把握することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る温度測定方法に用いられる温度測定装置を概略的に示す図。
【図２】半導体レーザーから射出されたレーザー光の電界の振幅のスペクトルの一例を概略的に示すグラフ。
【図３】図２のスペクトルをスペクトラムアナライザーにより解析した結果を概略的に示すグラフ。
【図４】熱による格子振動により変調を受けたレーザー光の電界の振幅のスペクトルを概略的に示すグラフ。
【図５】図４のスペクトルをスペクトラムアナライザーにより解析した際に得られることが予想されるスペクトルを概略的に示すグラフ。
【図６】本発明に基づいて、それぞれ被測定体および参照用部材で反射後に合成されたレーザー光の電界の振幅のスペクトルを概略的に示すグラフ。
【図７】図６のスペクトルをスペクトラムアナライザーにより解析した結果を概略的に示すグラフ。
【図８】本発明の実施形態に係る温度測定装置が適用された半導体ウエハの成膜装置を概略的に示す図。
【符号の説明】
１，３４；温度測定装置
２；半導体ウエハ
３；レーザーダイオード
４，７；偏光子
５；ビームスプリッター（分離手段）
８；参照用ウエハ
９；ハーフミラー（合成手段）
１１；検出器
１２；スペクトラムアナライザ
１３；計測部
２５；成膜処理装置
Ｌ１〜Ｌ６；レーザー光
【図１】
0004267112.tif 000002
【図２】
0004267112.tif 000003
【図３】
0004267112.tif 000004
【図４】
0004267112.tif 000005
【図５】
0004267112.tif 000006
【図６】
0004267112.tif 000007
【図７】
0004267112.tif 000008
【図８】
0004267112.tif 000009