(57)【要約】【課題】回折格子を被測定体に設けることによって、金属汚染を生ずることなく、温度の測定精度を大幅に向上させることが可能な温度測定装置を提供する。【解決手段】被測定体４２の温度を測定する温度測定装置５０において、被測定体に形成した回折格子６８と、温度測定用の測定光Ｌ１を発生する発光部７５と、測定光を回折格子まで導く第１の光導波路７０Ａ−１（７０）と、回折格子からの回折光を導く第２の光導波路７０Ａ−２（７０）と、第２の光導波路により導かれた回折光を受けて周波数を分析する周波数分析部７８と、周波数分析部の出力に基づいて被測定体の温度を求める温度分析部８０とを備える。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定体の温度を測定する温度測定装置において、
前記被測定体に形成した回折格子と、
温度測定用の測定光を発生する発光部と、
前記測定光を前記回折格子まで導く第１の光導波路と、
前記回折格子からの回折光を導く第２の光導波路と、
前記第２の光導波路により導かれた前記回折光を受けて周波数を分析する周波数分析部と、
前記周波数分析部の出力に基づいて前記被測定体の温度を求める温度分析部と、
を備えたことを特徴とする温度測定装置。
【請求項２】
前記回折格子は、前記被測定体の表面に直接的に形成されていることを特徴とする請求項１記載の温度測定装置。
【請求項３】
前記回折格子は、前記被測定体に形成された穴部の内面に形成されていることを特徴とする請求項１記載の温度測定装置。
【請求項４】
前記第１の光導波路と前記第２の光導波路とは前記回折格子に対して一定の角度をなして固定されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の温度測定装置。
【請求項５】
前記第１の光導波路と前記第２の光導波路とは一体的に接合されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の温度測定装置。
【請求項６】
前記第１の光導波路と前記第２の光導波路とは一本の光導波路により兼用されると共に、該兼用された光導波路の途中には前記回折光を分光するための分光器が設けられることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の温度測定装置。
【請求項７】
前記第１の光導波路と前記第２の光導波路は保護管内に収容されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の温度測定装置。
【請求項８】
前記測定光には変調が加えられていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の温度測定装置。
【請求項９】
前記測定光は一定の周波数幅を持つ広帯域の光であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の温度測定装置。
【請求項１０】
前記広帯域の光は白色光であることを特徴とする請求項９記載の温度測定装置。
【請求項１１】
排気可能になされた処理容器内にて被処理体に対して所定の熱処理を施すために前記被処理体を載置する不透明材料よりなる載置板を有する載置台構造において、
請求項１乃至１０のいずれか一項に記載された温度測定装置を有すると共に、前記載置板に前記温度測定装置の回折格子を設けるように構成したことを特徴とする載置台構造。
【請求項１２】
前記回折格子は前記載置板の裏面に形成されていることを特徴とする請求項１１記載の載置台構造。
【請求項１３】
前記回折格子は、前記載置板に形成された穴部の内面に形成されていることを特徴とする請求項１１記載の温度測定装置。
【請求項１４】
前記載置板は、不透明な石英ガラス或いは不透明なセラミック材よりなることを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれか一項に記載の載置台構造。
【請求項１５】
前記載置板は、支柱により支持された載置台本体上に設けられていることを特徴とする請求項１１乃至１４のいずれか一項に記載の載置台構造。
【請求項１６】
前記載置板は、その内径が前記載置板よりも大きくなされた円筒状の支柱の上端部より延在された複数の支持ロッドにより支持されていることを特徴とする請求項１１乃至１４のいずれか一項に記載の載置台構造。
【請求項１７】
被処理体に対して所定の熱処理を施す熱処理装置において、
排気が可能になされた処理容器と、
前記処理容器内へ所定のガスを供給するガス供給手段と、
請求項１１乃至１６のいずれか一項に記載の載置台構造と、
前記載置台構造に載置された前記被処理体を加熱する加熱手段と、
前記載置台構造に設けた温度測定装置の測定値に基づいて前記加熱手段を制御する温度制御部と、
を備えた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、半導体ウエハ等の被処理体を熱処理する際の温度測定装置、これを用いた載置台構造及び熱処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体集積回路を製造するには、半導体ウエハ等の被処理体に、成膜処理、エッチング処理、熱処理、改質処理、結晶化処理等の各種の枚葉処理を繰り返し行なって、所望する集積回路を形成するようになっている。上記したような各種の処理を行なう場合には、その処理の種類に対応して必要な処理ガス、例えば成膜処理の場合には成膜ガスやハロゲンガスを、改質処理の場合にはオゾンガス等を、結晶化処理の場合にはＮ２ ガス等の不活性ガスやＯ２ ガス等をそれぞれ処理容器内へ導入する。
【０００３】
例えば半導体ウエハに対して１枚毎に熱処理を施す枚葉式の処理装置を例にとれば、真空引き可能になされた処理容器内に、例えば抵抗加熱ヒータを内蔵した載置台を設置し、この上面に半導体ウエハを載置してウエハの温度を温度センサにより測定しつつ、所定の温度（例えば１００℃から１０００℃）で加熱した状態で所定の処理ガスを流し、所定のプロセス条件下にてウエハに各種の熱処理を施すようになっている（特許文献１〜６）。
【０００４】
この場合、熱処理中においてウエハ温度を精度良く所望する温度に加熱維持することは、ウエハ表面に対する熱処理の品質を高く維持する上から非常に重要なことである。
【０００５】
従来の温度測定方法は、ウエハに対しては直接的に温度センサを設けることができないことから、ウエハを支持する載置台の裏面側（ウエハを載置する上面の反対側面）に、温度センサとして熱電対や白金などの温度に依存して抵抗値が変化する測温抵抗体やＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ  Ｂｒａｇｇ  Ｇｒａｔｉｎｇ）等の接触型の温度センサを設けてウエハ温度を間接的に測定したり、或いは放射温度計を用いて半導体ウエハから放射される赤外光の特定波長の強度を観察することによりウエハ温度を測定するようにしていた。
【０００６】
【特許文献１】特開平０６−２６０４３０号公報
【特許文献２】特開２００４−３１９５３７号公報
【特許文献３】特開２００４−３５６６２４号公報
【特許文献４】特開２００６−２９５１３８号公報
【特許文献５】特開２００７−１１３１０３号公報
【特許文献６】特開２００７−１４１８９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上述したような温度センサに関して、熱電対や測温抵抗体等の接触型の温度センサの場合には、この温度センサと載置台との間に僅かな微少な空間が発生することは避けられず、このため、高真空の環境下で熱処理を行う時にはガスによる熱伝導が十分ではなくなり、測定温度の精度が低下する恐れがあった。また、熱電対を構成する金属により半導体ウエハ自体が金属汚染に晒される恐れもあった。
【０００８】
また、上述したＦＢＧは、光ファイバのコア中に回折格子を形成し、これに光フィルタとしての機能を持たせて温度を測定するものであるが、光ファイバの断面方向における熱伝導に熱抵抗が発生することから、この場合にも温度測定の精度が低下する問題があった。また、上述したようにこのＦＢＧの構造は複雑なので、比較的高価である、といった問題もあった。
【０００９】
また放射温度計の場合には、非接触型の温度センサであることから、金属汚染の問題は生じないが、上述した各温度センサと比較して温度の測定精度が低い、といった問題があった。
【００１０】
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、回折格子を被測定体に設けることによって、金属汚染を生ずることなく、温度の測定精度を大幅に向上させることが可能な温度測定装置、これを有する載置台構造及び熱処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１に係る発明は、被測定体の温度を測定する温度測定装置において、前記被測定体に形成した回折格子と、温度測定用の測定光を発生する発光部と、前記測定光を前記回折格子まで導く第１の光導波路と、前記回折格子からの回折光を導く第２の光導波路と、前記第２の光導波路により導かれた前記回折光を受けて周波数を分析する周波数分析部と、前記周波数分析部の出力に基づいて前記被測定体の温度を求める温度分析部と、を備えたことを特徴とする温度測定装置である。
【００１２】
このように、被測定体に形成した回折格子に対して測定光を照射して回折光を発生させ、回折格子からの回折光に基づいて被測定体の温度を求めることができる。従って、このように、回折格子を被測定体に設けることによって、金属汚染を生ずることなく、温度の測定精度を大幅に向上させることができる。
【００１３】
この場合、例えば請求項２に記載したように、前記回折格子は、前記被測定体の表面に直接的に形成されている。
また例えば請求項３に記載したように、前記回折格子は、前記被測定体に形成された穴部の内面に形成されている。
また例えば請求項４に記載したように、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路とは前記回折格子に対して一定の角度をなして固定されている。
【００１４】
また例えば請求項５に記載したように、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路とは一体的に接合されている。
また例えば請求項６に記載したように、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路とは一本の光導波路により兼用されると共に、該兼用された光導波路の途中には前記回折光を分光するための分光器が設けられる。
【００１５】
また例えば請求項７に記載したように、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路は保護管内に収容されている。
また例えば請求項８に記載したように、前記測定光には変調が加えられている。
また例えば請求項９に記載したように、前記測定光は一定の周波数幅を持つ広帯域の光である。
また例えば請求項１０に記載したように、前記広帯域の光は白色光である。
【００１６】
請求項１１に係る発明は、排気可能になされた処理容器内にて被処理体に対して所定の熱処理を施すために前記被処理体を載置する不透明材料よりなる載置板を有する載置台構造において、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載された温度測定装置を有すると共に、前記載置板に前記温度測定装置の回折格子を設けるように構成したことを特徴とする載置台構造である。
【００１７】
この場合、例えば請求項１２に記載したように、前記回折格子は前記載置板の裏面に形成されている。
また例えば請求項１３に記載したように、前記回折格子は、前記載置板に形成された穴部の内面に形成されている。
また例えば請求項１４に記載したように、前記載置板は、不透明な石英ガラス或いは不透明なセラミック材よりなる。
【００１８】
また例えば請求項１５に記載したように、前記載置板は、支柱により支持された載置台本体上に設けられている。
また例えば請求項１６に記載したように、前記載置板は、その内径が前記載置板よりも大きくなされた円筒状の支柱の上端部より延在された複数の支持ロッドにより支持されている。
【００１９】
請求項１７に係る発明は、被処理体に対して所定の熱処理を施す熱処理装置において、排気が可能になされた処理容器と、前記処理容器内へ所定のガスを供給するガス供給手段と、請求項１１乃至１６のいずれか一項に記載の載置台構造と、前記載置台構造に載置された前記被処理体を加熱する加熱手段と、前記載置台構造に設けた温度測定装置の測定値に基づいて前記加熱手段を制御する温度制御部と、を備えたことを特徴とする熱処理装置である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る温度測定装置、これを有する載置台構造及び熱処理装置によれば、次のような優れた作用効果を発揮することができる。
被測定体に形成した回折格子に対して測定光を照射して回折光を発生させ、回折格子からの回折光に基づいて被測定体の温度を求めることができる。従って、このように、回折格子を被測定体に設けることによって、金属汚染を生ずることなく、温度の測定精度を大幅に向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に、本発明に係る温度測定装置、これを用いた載置台構造及び熱処理装置の好適な一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明に係る温度測定装置を用いた載置台構造を有する熱処理装置を示す断面構成図、図２は温度測定装置を設けた載置台構造の一部を示す拡大図、図３は載置板の下面に設けた回折格子の一例を示す平面図、図４は回折格子による回折光の状態を説明する説明図、図５は測定光の射出と回折光の入射を同一の光導波路により行うようにした時の回折光の状態を示す図である。ここでは温度測定装置により温度を測定する対象物である被測定体として半導体ウエハを載置する載置板の温度を測定する場合を例にとって説明する。
【００２２】
図１に示すようにこの熱処理装置２は、例えば断面の内部が略円形状になされたアルミニウム製の処理容器４を有している。この処理容器４内の天井部には必要な処理ガス、例えば成膜ガスを導入するためにガス供給手段であるシャワーヘッド部６が設けられており、この下面のガス噴射面８に設けた多数のガス噴射孔１０Ａ、１０Ｂから処理空間Ｓに向けて処理ガスを吹き出すようにして噴射するようになっている。
【００２３】
このシャワーヘッド部６内には、中空状の２つに区画されたガス拡散室１２Ａ、１２Ｂが形成されており、ここに導入された処理ガスを平面方向へ拡散した後、各ガス拡散室１２Ａ、１２Ｂにそれぞれ連通された各ガス噴射孔１０Ａ、１０Ｂより吹き出すようになっている。すなわち、ガス噴射孔１０Ａ、１０Ｂはマトリクス状に配置されている。このシャワーヘッド部６の全体は、例えばニッケルやハステロイ（登録商標）等のニッケル合金、アルミニウム、或いはアルミニウム合金により形成されている。尚、シャワーヘッド部６としてガス拡散室が１つの場合でもよい。
【００２４】
そして、このシャワーヘッド部６と処理容器４との接合部には、例えばＯリング等よりなるシール部材１４が介在されており、処理容器４内の気密性を維持するようになっている。
【００２５】
また、処理容器４の側壁には、この処理容器４内に対して被処理体としての半導体ウエハＷを搬入搬出するための搬出入口１６が設けられると共に、この搬出入口１６には気密に開閉可能になされたゲートバルブ１８が設けられている。
【００２６】
そして、この処理容器４の底部２０の中央部は下方に凹部状に窪ませて排気室２２が設けられる。この排気室２２を区画する側壁には、排気口２４が設けられる。この排気口２４には、処理容器４内を排気するための排気系２６が接続されている。この排気系２６は、上記排気口２４に接続される排気通路２８を有しており、この排気通路２８には、圧力調整弁３０及び排気ポンプ３２が順次介設されており、処理容器４を所望する圧力に維持できるようになっている。この場合、処理の態様に応じて処理容器４内は高真空から大気圧程度までの幅広い圧力に設定される。
【００２７】
そして、この処理容器４内の排気室２２を区画する底部３４には、これより起立させて載置台構造３６が設けられる。具体的には、この載置台構造３６は、被処理体である半導体ウエハＷを載置する載置台３８と、この載置台３８を支持するために底部３４より起立された中空円筒状の支柱３９とにより主に構成されている。この載置台３８は、載置台本体４０と、この上に載置されてウエハＷの裏面と直接的に接する載置板４２とより構成される。
【００２８】
この載置台本体４０には、加熱手段４４として例えば内部に所定のパターン形状に配設された例えばカーボンヒータよりなる抵抗加熱ヒータ４６が埋め込まれている。この抵抗加熱ヒータ４６は、例えば内側ゾーン４６Ａと、その外側を同心円状に囲む外側ゾーン４６Ｂとに電気的に分割されており、各ゾーン毎に個別に電力制御できるようになっている。そして、上記各ゾーンの抵抗加熱ヒータ４６には、電力を供給する給電棒４８が２本ずつ接続されており、内側ゾーン４６Ａと外側ゾーン４６Ｂの２つのゾーンに対してこの給電棒４８は、実際には４本設けられるが、図示例では２本のみ記載している。そして、この給電棒４８はヒータ電源４９に接続されて、電力を供給するようになっている。
【００２９】
ここで上記支柱３９や載置台本体４０は、窒化アルミニウム等のセラミック材や石英ガラス等の耐熱材料よりなり、載置台本体４０の下面中央部に上記支柱３９の先端部が、例えば溶着接合される。そして、支柱３９内は密封状態になされると共に、この支柱３９の内部にはＡｒガス等の希ガスやＮ２ ガス等の不活性ガスが充填供給されている。
【００３０】
また、上記載置板４２は、耐熱性があり、且つウエハＷに対する汚染がない不透明材料よりなる。具体的には、この不透明材料としては、不透明な窒化アルミニウム（ＡｌＮ）やシリコンカーバイト（ＳｉＣ）や気泡等を含んだ不透明な石英ガラス等を用いることができる。この載置板４２は、抵抗加熱ヒータ４６からの熱を平面方向へ拡散する均熱板としての機能を有しており、ウエハＷを面内方向において均一な温度で加熱するようになっている。
【００３１】
この載置板４２の直径は、ウエハＷの直径よりも少し大きく設定されており、その厚さは処理の種類にもよるが、例えば２〜１０ｍｍ程度の範囲内である。そして、この載置台構造３６に、本発明に係る被測定体の温度測定装置５０が設けられることになる。この温度測定装置５０については後述する。
【００３２】
また、上記載置台３８には、この上下方向に貫通して複数、例えば３本のピン挿通孔５２が形成されており（図１においては２つのみ示す）、上記各ピン挿通孔５２に上下移動可能に遊嵌状態で挿通させた押し上げピン５４を配置している。この押し上げピン５４の下端には、円形リング形状の例えばアルミナのようなセラミックス製の押し上げリング５６が配置されており、この押し上げリング５６に、上記各押し上げピン５４の下端が乗っている。
【００３３】
この押し上げリング５６から延びるアーム部５８は、容器底部２０を貫通して設けられる出没ロッド６０に連結されており、この出没ロッド６０はアクチュエータ６２により昇降可能になされている。これにより、上記各押し上げピン５４をウエハＷの受け渡し時に各ピン挿通孔５２の上端から上方へ出没させるようになっている。また、アクチュエータ６２の出没ロッド６０の容器底部の貫通部には、伸縮可能なベローズ６４が介設されており、上記出没ロッド６０が処理容器４内の気密性を維持しつつ昇降できるようになっている。
【００３４】
ここで上記載置台構造３６に設けられた温度測定装置５０について説明する。ここでは、温度測定装置５０により温度測定の対象となる被測定体としては載置板４２が対応することになり、この載置板４２の温度を正確に測定することになる。この載置板４２は、載置台本体４０上に単に載置された状態となっているので、微視的に見れば、図２に示すようにこの載置台本体４０の上面と載置板４２の下面との間には僅かな隙間６６が部分的に発生している状態となっている。
【００３５】
そして、ここでは載置板４２の内側ゾーン４６Ａと、外側ゾーン４６Ｂとを別々に温度制御することから、各ゾーン４６Ａ、４６Ｂに対応させて同じ構造の温度測定装置５０が設けられることになる。尚、ゾーン数が１、或いは３以上の場合もある。
【００３６】
具体的には、上記温度測定装置５０は、上記載置板４２の裏面（下面）に上記各ゾーン４６Ａ、４６Ｂに対応させて設けた回折格子６８、すなわち回折格子６８Ａ、６８Ｂを有している。この回折格子６８Ａ、６８Ｂの格子溝６９（図３参照）はレーザ光等の光学的加工や機械加工により載置板４２の裏面に直接的に加工形成するようにしている。この格子溝６９の間隔（格子定数）ｄは数μｍ程度である。
【００３７】
そして、この回折格子６８Ａ、６８Ｂに対してそれぞれ１本の光導波路７０、すなわち光導波路７０Ａ、７０Ｂの各先端部を臨ませた状態で設けられている。各光導波路７０Ａ、７０Ｂはそれぞれ光ファイバよりなり、上記載置台本体４０に形成した挿通孔７２Ａ、７２Ｂに挿通させて、その先端部を上記各回折格子６８Ａ、６８Ｂに臨ませて固定されている。
【００３８】
ここで上記各挿通孔７２Ａ、７２Ｂは、載置台本体４０の厚さ方向に対して一定の角度αだけ傾斜して設けており、回折格子６８Ａ、６８Ｂに対して斜め方向から測定光を照射するようになっている。上記光導波路７０Ａ、７０Ｂは、中空状の支柱３９内に挿通されて排気室２２の底部３４より下方に延在されている。上記支柱３９内では、上記各光導波路７０Ａ、７０Ｂは、例えば石英ガラス管のような保護管７４Ａ、７４Ｂ内に通されている。そして、この光導波路７０Ａ、７０Ｂの基端部は測定光を発生する発光部７５に共通に接続されている。
【００３９】
この発光部７５では、上記測定光として、一定の周波数幅を持つ広帯域の光、例えば白色光を出力するようになっている。尚、回折光を検出し易くするために、測定光に変調を加えるのが好ましい。
【００４０】
ここでは上記各光導波路７０Ａ、７０Ｂは、温度測定用の測定光を上記回折格子６８Ａ、６８Ｂまで導く機能と、各回折格子６８Ａ、６８Ｂからの回折光を受けて導くための機能とを１本の光導波路で兼用している。そのため、上記各光導波路７０Ａ、７０Ｂの途中には、それぞれ分光器７６、すなわち分光器７６Ａ、７６Ｂが設けられており、上記回折格子６８Ａ、６８Ｂから戻ってくる回折光を分離し得るようになっている。そして、分離された各回折光は、周波数分析部７８、すなわち周波数分析部７８Ａ、７８Ｂへ入力されて、周波数の分析をしてここで光電変換するようになっている。
【００４１】
また、上記周波数分析部７８Ａ、７８Ｂには、それぞれ温度分析部８０、すなわち温度分析部８０Ａ、８０Ｂが接続されており、各回折光の周波数の変動に応じて載置板４２の温度を求めるようになっている。そして、この温度分析部８０Ａ、８０Ｂの各出力は温度制御部８２へ入力されており、この温度制御部８２はヒータ電源４９を制御することにより予め定められた各ゾーン毎の温度を維持するようになっている。
【００４２】
そして、この熱処理装置２の全体の動作、例えばプロセス圧力の制御、載置台３８の温度制御、処理ガスの供給や供給停止等は、例えばコンピュータ等よりなる装置制御部８４により行われることになる。そして、この装置制御部８４は、上記動作に必要なコンピュータプログラムを記憶する記憶媒体８６を有している。この記憶媒体８６は、フレキシブルディスクやＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ  Ｄｉｓｃ）やハードディスクやフラッシュメモリ等よりなる。
【００４３】
次に、以上のように構成された熱処理装置の動作について説明する。
まず、未処理の半導体ウエハＷは、図示しない搬送アームに保持されて開状態となったゲートバルブ１８、搬出入口１６を介して処理容器４内へ搬入され、このウエハＷは、上昇された押し上げピン５４に受け渡された後に、この押し上げピン５４を降下させることにより、ウエハＷを載置台構造３６の載置板４２の上面に載置してこれを支持する。
【００４４】
次に、シャワーヘッド部６へ各種の処理ガスを、それぞれ流量制御しつつ供給して、このガスをガス噴射孔１０Ａ、１０Ｂより吹き出して処理空間Ｓへ導入する。そして、排気系２６の排気ポンプ３２の駆動を継続することにより、処理容器４内の雰囲気を、例えば真空排気し、そして、圧力調整弁３０の弁開度を調整して処理空間Ｓの雰囲気を所定のプロセス圧力に維持する。この時、ウエハＷの温度は所定のプロセス温度に維持されている。
【００４５】
すなわち、載置台構造３６の載置台本体４０に設けた加熱手段４４を構成する抵抗加熱ヒータ４６にヒータ電源４９側より給電棒４８を介して電圧を印加することにより発熱させていると共に、被測定体である上記載置板４２の温度は、本発明に係る温度測定装置５０により精度良く測定されて、これに基づいて載置板４２の温度が制御されるので、この載置板４２の上面に載置されているウエハＷの温度を精度良く、且つ面内温度の均一性を高く制御することができる。
【００４６】
すなわち、発光部７５から出力された測定光である白色光は、光ファイバよりなる各光導波路７０Ａ、７０Ｂ内を導かれて、その先端よりそれぞれ放射される。この放射された測定光Ｌ１（図４参照）は、各ゾーン４６Ａ、４６Ｂの各回折格子６８Ａ、６８Ｂに入射し、これより回折されて回折光が反射されてくることになる。
【００４７】
この場合、載置板４２は温度に依存して熱伸縮するので上記回折格子６８Ａ、６８Ｂはそれぞれの温度に依存して間隔（格子穴数）ｄが変化しており、これによって各光導波路７０Ａ、７０Ｂに入射する回折光の周波数が変化することになる。この各光導波路７０Ａ、７０Ｂに入射した回折光は、この光導波路７０Ａ、７０Ｂを戻り、それぞれ分光器７６Ａ、７６Ｂにより回折光が取り出されるもとになる。ここで取り出された回折光は、それぞれ周波数分析部７８Ａ、７８Ｂにて回折光の周波数分析がなされ、この結果が、温度分析部８０Ａ、８０Ｂへ入力される。
【００４８】
この温度分析部８０Ａ、８０Ｂでは、温度に対応した基準となる周波数データを予め有しており、この周波数データと上記周波数分析部７８Ａ、７８Ｂから送られてくる分析結果とを比較することにより、各ゾーン毎の載置板４２の温度を精度良く求めることができる。そして、ここで求めた載置板４２の温度の測定値は温度制御部８２へ入力され、これに基づいて載置板４２の温度が予め定められた温度となるようにヒータ電源４９を制御することになる。
【００４９】
ここで図４及び図５を参照して回折格子における回折光の状態について説明する。図４は回折格子による回折光の状態を説明する説明図、図５は測定光の射出と回折光の入射を同一の光導波路により行うようにした時の回折光の状態を示す図である。図４（Ａ）は単色光の回折の状態を示し、図４（Ｂ）は白色光の回折の状態を示している。図５には回折格子の微小な領域における回折の状態の一例を拡大図として併記している。ここでは、図２中の一方の回折格子である内側ゾーン４６Ａに設けた回折格子６８Ａを例にとって説明する。尚、外側ゾーン４６Ｂの回折格子６８Ｂにおいても同様に作用するのは勿論である。
【００５０】
図４（Ａ）において、載置板４２の法線９０に対する入射角α（法線９０に対する角度）の単色光が回折格子６８Ａに入射すると、回折光が生ずる。ここでは、説明の簡単化のために＋１次光と−１次光の回折光のみを示している。＋１次の回折光の法線９０に対する回折角度をβ１’とし、−１次の回折光の法線９０に対する回折角度をβ１とする。また、０次光は、反射の法則に従った鏡面反射の方向９２に反射する。
【００５１】
図４（Ｂ）においては、白色光が入射しており、この場合には、白色光は一定の周波数幅（赤色〜紫色）をもっているので、−１次及び＋１次の各回折光の回折角度は共に一定の幅を有している。尚、実際には、±２次以上の回折光も発生している。
【００５２】
ここで実際に光ファイバよりなる光導波路７０Ａを設置する時の状況について説明する。図５に示すように、まず、光ファイバよりなる光導波路７０Ａから白色光よりなる測定光Ｌ１が回折格子６８Ａに向けて放射されると、この回折格子６８Ａから回折光が反射される。ここで測定光Ｌ１は回折格子６８Ａの主断面（格子溝６９に垂直な平面）に平行に入射し、その入射角をα（法線９０に対する角度）とする。ここで回折光は、１次、２次、３次…のように多く発生することになる。
【００５３】
そして、鏡面反射の方向９２（法線に対する角度はαとなる）を中心として、回折光は左右に、１次、２次、３次…のように広がって発生して行き、鏡面反射の方向９２よりも測定光Ｌ１と同じ側にある回折光が”＋”となり、反対側にある回折光が”−”となる。従って、鏡面反射の方向９２より左側に向かって”＋１次”、”＋２次”、”＋３次”…の回折光が順次発生しており、また、右側に向かって”−１次”、”−２次”、”−３次”…の回折光が順次発生している。
【００５４】
そして、測定光Ｌ１は、白色光なので上述のように各回折光の回折角度は一定の広がりを有している。ここで例えば−１次の回折光の回折角度はβ１であり、＋１次の回折光の回折角度はβ１’であり、−２次の回折光の回折角度はβ２であり、＋２次の回折光の回折角度はβ２’であり、−３次の回折光の回折角度はβ３であり、＋３次の回折光の回折角度はβ３’である。
【００５５】
そして、上記条件において、波長λの回折光の強度の主極大は以下の式を満たす回折角βの方向に生じる。尚、回折角βは、上記β１、β１’、β２、β２’、β３、β３’等を代表して表している。
ｄ（ｓｉｎα＋ｓｉｎβ）＝ｍλ（ｍ＝０、±１、±２…）
ここでは光導波路７０Ａで回折光を入射して検出するようにしているので、”＋３次”の回折光を測定対象としている。この場合、光導波路７０Ａは固定されているので、熱伸縮により回折格子６８Ａのピッチが変わると、光導波路７０Ａに入射する光の周波数が変化して行くことになる。
【００５６】
そして、図５に示す場合は、＋３次の回折光の周波数幅の内の特定の周波数が角度βで入射することになる。またｄは既知であり、”ｍ＝３”である。また基準となる既知の温度である、例えば室温での回折光の波長の波長λ０は予め求められているので、未知の温度の時の回折光の波長λを求めれば、これと載置板４２の構成材料の線膨張係数から、その時の温度を精度良く求めることができる。尚、この場合、測定する回折光の次数はいずれの次数の回折光を測定してもよく、具体的には、上記角度αは”０度＜α＜９０度”の範囲で取り付け固定することができる。
【００５７】
ここで具体的な数値例をもって上記関係について説明する。まず、回折格子９０の法線に対し、光導波路のなす角度をαとし、測定光と同じ光導波路に回折光を入射させる（α＝β）ものとする。
今仮にＡｌＮ［窒化アルミニウム］（膨張係数：５．６×１０−６）上に室温において回折格子のピッチ間ｄが０．４２μｍになるように作成した回折格子に対して、α＝３０度に固定した光導波路より白色光を入射させた場合、波長４２０ｎｍの青紫光の一次光が回折角度β＝−３０度の条件を満たすため、周波数分析部７８Ａでは波長４２０ｎｍの反射光が検出される。
【００５８】
ここで回折格子の温度が１００℃上昇するとｄは２．１８×１０−５μｍ伸びるため、β＝−３０度の条件を満たす回折光は長波長側に変位し周波数分析部７８Ａで検出される反射光は４２０．０２１８４ｎｍとなる。
一般に、室温における回折格子のピッチｄ０と昇温後のｄ１、室温における反射光の波長λ０と昇温後の反射光の波長λ１の関係は常に下記の関係を満たす。
ｄ１／ｄ０＝λ１／λ０
よって昇温前後の反射光の変化率を既知の回折格子のピッチｄに積算すれば昇温に伴うピッチｄの伸び量を正確に推算することが可能となる。
【００５９】
このように、本発明では、載置板４２自体に形成した回折格子６８Ａ、６８Ｂを用いることにより、何ら熱媒体を介することなく温度を測定することができるので、非接触で載置板４２の温度を直に精度良く測定することができ、しかも金属汚染が発生する恐れもない。
【００６０】
また、載置板４２の連続的な温度変化を測定することができ、例えば０℃〜１０００℃の広範囲に亘って連続的な温度測定を行うことができる。また、載置板４２としてセラミック材を用いれば、セラミック材は石英ガラスよりも線膨張率が１桁程度大きいので、その分、分解能を上げることが可能となる。
【００６１】
以上のように、被測定体、例えばここでは載置板４２に形成した回折格子６８Ａ、６８Ｂに対して測定光Ｌ１を照射して回折光を発生させ、回折格子６８Ａ、６８Ｂからの回折光に基づいて被測定体の温度を求めることができる。従って、このように、回折格子６８Ａ、６８Ｂを被測定体に設けることによって、金属汚染を生ずることなく、温度の測定精度を大幅に向上させることができる。
【００６２】
尚、上記実施形態では、載置板４２の下面（裏面）に回折格子６８を設けた場合を例にとって説明したが、これに限定されない。例えば図６に示す回折格子の取付構造の変形例のように、載置板４２自体を例えば厚さ１０ｍｍ程度に厚く設定し、その側面より、内径が５ｍｍ程度の取付穴９４を加工形成し、この取付穴９４の底面（側面）に上記回折格子６８を直接的に形成し、この取付穴９４内へ光導波路７０を挿入させて固定するようにしてもよい。
【００６３】
この場合には、前述した実施形態と同様な作用効果を発揮できるのみならず、測定光に変調を加えなくても迷光の影響を受け難く、しかも、光導波路の先端がプロセスガスにより汚れることがないので、透光性が低下することを防ぐことができる、という利点を有する。
また、上記実施形態では、例えば１本の光導波路（光ファイバ）７０Ａにより、測定光Ｌ１を回折格子７０まで導く機能と、この回折格子７０からの回折光を受けて周波数分析部７８Ａへ導く機能とを兼用させるようにしたが、これに限定されず、２本の光ファイバを設けてもよい。図７はこのような光導波路の変形の実施形態を示す概略構成図である。尚、図２に示す構成部分と同一構成部分については同一参照符号を付している。
【００６４】
すなわち、ここでは２本の光ファイバを例えば一体的に接合しており、その内の１本の光ファイバについて測定光Ｌ１を回折格子まで導く第１の光導波路７０Ａ−１として用い、他方の光ファイバを回折格子からの回折光Ｌ２を周波数分析部７８Ａへ導く第２の光導波路７０Ａ−２として用いている。
【００６５】
この場合には、図２において用いた分光器７６Ａを設ける必要がなくなり、その分、装置コストを削減することができる。尚、この図７に示す構成は、他方の光導波路７０Ｂ側に対しても同様に適用し得るのは勿論である。
【００６６】
また、この場合、第１と第２の光導波路７０Ａ−１、７０Ａ−２とを一体化しないで、第２の光導波路７０Ａ−２を、図４中の鏡面反射の方向９２よりも右側の領域に配置して、”−１次”〜”−３次”のいずれかの回折光を受けるようにしてもよい。
【００６７】
＜載置台構造の他の実施形態＞
先の図１及び図２に示す熱処理装置では載置台構造３６として、支柱３０の上端に、載置板４２とを載置台本体４０とよりなる載置台３８を支持させるようにした構成の載置台構造３６を例にとって説明したが、これに限定されず、加熱手段として加熱ランプを用いた枚葉式の熱処理装置に本発明を適用してもよい。図８はこのような加熱ランプを用いた枚葉式の熱処理装置の一例を示す構成図である。尚、図１乃至図４に示す構成部分と同一構成部分については同一参照符号を付して、その説明を省略する。
【００６８】
図８に示すように、この熱処理装置９９では、載置台構造３６として、処理容器４の底部２０に設置された大口径の円筒状の支柱１００を有しており、この支柱１００の内径は、被測定体である薄い載置板４２の直径よりも僅かに大きく設定されている。そして、この円筒状の支柱１００の上端部より複数本、例えば３本（図示例では２本のみ記す）の例えばＬ字状の支持ロッド１０２が中心方向へ延在させて設けられており、この支持ロッド１０２の先端部で上記載置板４２の周辺部を支持するようになっている。ここでは、図１及び図２の場合とは異なり、載置台本体４０を設けていない。
【００６９】
また、載置板４２の周辺部の上方には、ウエハＷを押し上げる押し上げピン５４にロッド１０４を介して連結されたクランプリング１０６が設けられており、これを押し上げピン５４と一体的に昇降させることができるようになっている。そして、このクランプリング１０６を降下させることによってウエハＷの周辺部を載置板４２側へ押さえ付けるようになっている。
【００７０】
また処理容器４の底部２０には、大口径の開口１０８が形成され、この開口１０８にシール部材１１０を介して透過板１１２が設けられている。そして、この透過板１１２の下方に、ウエハＷを加熱するための加熱手段４４が設けられている。ここでの加熱手段４４は、回転自在になされた反射板１１４に複数の加熱ランプ１１６を設けて構成されており、この加熱ランプ１１６から放射する熱線が透過板１１２を透過して不透明材料よりなる載置板４２の裏面に照射されてこれを加熱し、これによりこの載置板４２上に載置されているウエハＷを間接的に加熱することになる。
【００７１】
そして、この載置板４２の裏面（下面）に前述した回折格子６８を直接的に設け、更に、先端部を上記回折格子６８に臨ませて光導波路７０を設けるようにする。ここで光導波路７０は、保護管７４内に挿通させるのが好ましい。そして、この光導波路７０に、分光器７６、周波数分析部７８、温度分析部８０、温度制御部８２を設けている。
【００７２】
このような構成の場合にも、先に図１及び図２等を参照して説明した実施形態と同様の作用効果を発揮することができる。この場合には、特に、測定光を変調させることにより、加熱ランプ１１６からの回折光を容易に分離することができる。また載置板４２に対してゾーン加熱を行っている場合には、ゾーン毎に上記回折格子や光導波路を設けるようにする。更に、ここでも図６及び図７で説明したような変形の実施形態を適用することができる。
【００７３】
尚、以上の各実施形態においては、被処理体として半導体ウエハを例にとって説明したが、これに限定されず、ガラス基板、ＬＣＤ基板、セラミック基板等にも本発明を適用することができる。
また、ここでは温度測定の対象である被測定体としては、被処理体を載置する載置板４２を例にとって説明したが、これに限定されず、回折格子をその表面に直接形成できるものであれば、どのようなものでも被測定体として用いることができ、その温度を非接触で精度良く測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明に係る温度測定装置を用いた載置台構造を有する熱処理装置を示す断面構成図である。
【図２】温度測定装置を設けた載置台構造の一部を示す拡大図である。
【図３】載置板の下面に設けた回折格子の一例を示す平面図である。
【図４】回折格子による回折光の状態を説明する説明図である。
【図５】測定光の射出と回折光の入射を同一の光導波路により行うようにした時の回折光の状態を示す図である。
【図６】回折格子の取付構造の変形例を示す図である。
【図７】光導波路の変形の実施形態を示す概略構成図である。
【図８】加熱ランプを用いた枚葉式の熱処理装置の一例を示す構成図である。
【符号の説明】
【００７５】
２  熱処理装置
４  処理容器
６  シャワーヘッド部（ガス供給手段）
２６  排気系
３６  載置台構造
３８  載置台
３９  支柱
４０  載置台本体
４２  載置板（被測定体）
４４  加熱手段
４６  抵抗加熱ヒータ
４９  ヒータ電源
５０  温度測定装置
６８，６８Ａ，６８Ｂ  回折格子
７０，７０Ａ，７０Ｂ，７０Ａ−１，７０Ａ−２  光導波路
７４，７４Ａ，７４Ｂ  保護管
７５  発光部
７６，７６Ａ，７６Ｂ  分光器
７８，７８Ａ，７８Ｂ  周波数分析部
８０，８０Ａ，８０Ｂ  温度分析部
８２  温度制御部
８４  装置制御部
８６  記憶媒体
９９  熱処理装置
１００  支柱
１０２  支持ロッド
１１６  加熱ランプ
ｄ  間隔（格子定数）
Ｌ１  測定光
Ｌ２  回折光
Ｗ  半導体ウエハ（被処理体）
【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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