レーザプロセッシングのための光干渉非接触温度計測技術の超高精度化に関する研究
広島大学 先進理工系科学研究科教授 東 清一郎（2019 年度 一般研究開発助成 AF-2019223-B3）
キーワード：急速熱処理，非接触温度測定，光学干渉

１．研究の目的と背景
レーザプロセッシングの高精度化には、被処理物内部の温度分布変化を高時間分解で計測し、これを加工条件にフィードバックすることが重要である。半導体デバイス作製プロセスでもマイクロ秒時間のレーザーアニール技術は極めて重要で、結晶成長や不純物活性化に不可欠であるが、残留応力による基板の反りや割れがしばしば大きな問題となる。一例として 8K 有機 EL ディスプレイの画素トラン
ジスタにはこれまで IGZO（Indium Gallium Zinc Oxide）などの酸化物半導体が最有力とされてきたが、電子移動度

図１．超急速熱処理中にガラス基板内に発生した深さ方向温度分布の OICT による計測例。

が～10 cm2V-1s-1 程度では十分な電流駆動能力が得られないことが明らかになり、～100 cm2V-1s-1 の移動度が得られはシリコンウエハを透過するため、ウエハ内で多重反射し、るレーザ結晶化ポリシリコンが改めて脚光を浴びている。

それら光束の位相、すなわちシリコンの屈折率 n とウエハ

一方、超 LSI の不純物活性化プロセスにはレーザスパイク

厚み d の２倍の光路長 2nd によって反射率 R が決まる。前

アニールが不可欠とされ、ガラスと半導体薄膜の複合材料

述の通り、n は温度依存性を有するためレーザーアニールにとどまらず単結晶シリコンウエハのレーザプロセッシによる温度変化に起因する干渉は実時間反射率の振動とングにおいてもマイクロ秒時間での温度計測と残留応力して観測される。熱伝導解析と光学干渉解析を組み合わせ解析が極めて重要な技術課題となっている。

たシミュレーションにより実験結果を再現することで、ウミリ秒時間分解で温度を非接触計測する技術としてはエハ内温度分布のマイクロ秒変化を可視化することがで放射温度計が広く使われている。被処理サンプルの放射率きる。以上の通り、OICT は被処理サンプル内部の温度をさえ分かれば比較的容易に温度計測可能である反面、裏面から非接触で計測できるという特徴を有する。

① マイクロ秒時間領域の温度計測では精度が低下する② サンプル最表面温度は分かるが深さ方向の温度分布やその時間変化は計測できない③ 低温領域では温度精度が著しく低下するため適用可能な温度領域に制約があるといった課題を有する。

そこで本研究では、以下の 3 項目を目的として研究を推進した。
１．OICT における測定温度の超高精度化
本計測技術の基盤となる TOC の精密計測法を確立するとともに長時間領域における熱電対との比較から、±１℃の精度を達成する。

本 研 究 で は 光 干 渉 非 接 触 温 度 測 定 法 （ Optical

２．光干渉波形解析シミュレーション技術の高精度化

Interference Contactless Thermometer : OICT）の高精

現在二次元で行っている解析を三次元に拡張し面内方度化により上記課題の解決を図り、実用化へと展開するた向の温度分布まで考慮することで、レーザ強度の空間分めの基盤構築を目指す。OICT は、温度変化に伴うサンプ

布および横方向への熱拡散を考慮した解析を可能とす

ルの屈折率変化に起因する干渉波形を解析することで、サる。

ンプル厚さ方向の温度分布をマイクロ秒時間分解で可視３．OICT に基づく残留応力モデルの構築化する技術である（図１参照）。物質の屈折率 n は温度依

局所レーザーアニール技術へ OICT を適用し得られたサ

存 性 を も っ て お り 、 こ の 係 数 （ dn⁄dT ） を 熱 光 学 係 数

ンプル内温度分布のマイクロ秒温度変化に基づき、残留（Thermo-Optic Coefficient : TOC）と呼ぶ。例えばシリ応力を定量的に計算可能な物理モデル構築を目指す。

コンウエハに急速熱処理をおこなう際に 1310 nm のプローブレーザーを裏面より照射し、実時間反射強度をフォトダ

２．実験方法および実験結果

イオードで測定すると、干渉波形が得られる。赤外レーザ

2・1

TOC の測定 1)

（a）

（b）

（c）

図２．TOC 測定実験の概略図。シリコンウエハを測定する場合の例と測定結果を示す。

図３．OICT を用いた急速熱処理時のシリコンウエハ温度の測定実験の概略図。シリコンウエハ裏面に熱電対を貼付け，測定温度の比較をおこなった。

図２（a）にシリコンの TOC 測定に使用した装置の概略を示す。両面研磨シリコンウエハをヒーターユニットに密着し、真空チャンバ内に設置する。ヒーターユニットには光を透過させるための穴が空いており、シリコンウエハ温度を熱電対で計測する。測定用のプローブレーザー光は真空チャンバの石英窓から入射し、シリコンウエハを透過して逆方向にある石英窓から出射し、強度測定用のフォトダイオードに入射する。ヒーター温度を変えながら透過光強度を計測すると、図２（b）に示すような振動波形が観測される。この山と谷から光学厚みの変動を抽出し、これから屈折率の温度依存性を求めた結果を図２（c）に示す。
正確な測定を実現するためにはシリコンウエハ内の温度分布を可能な限り小さくする必要があり、結果的にはヒーターブロックを二重にし、試料を挟む形で測定をおこなった。また、昇温過程と降温過程の両方で測定をおこない、振動の山谷の温度が一致するよう、5℃/min のゆっくりとした温度スイープレートでの計測をおこなった。この結果、図２（c）赤丸で示す本研究の結果は、他研究よりバラつきが少ない結果となった。この実験データにフィッティングをおこなった結果、シリコンの TOC として、図４．OICT によりシリコンウエハ温度を測定する実験結果の一例。V = 1500 mm/s の測定結果を示す。
を計測するために、図３に示す実験をおこなった。レーザーアニールを模擬するために、熱源として我々が所有するなる値を得た（T は絶対温度）。同様の測定法によって、シリコンカーバイドの TOC も求め、大気圧熱プラズマジェットを用いた。Ar ガスの DC アー
ク放電により１万度程度の高温熱流である熱プラズマジェットを発生し、直径 2mm のノズルから噴出させつつ、シリコンウエハおよび OICT 光学系を設置したサンプルステージを速度 v = 10 ～1500 mm/s で一軸走査した。こなる値を得た。これによって、OICT の解析で温度を求める精度を高める基礎データの取得を完了した。
2・2

シリコンウエハの温度測定 1)

OICT により急速熱処理時のシリコンウエハ内の温度のときシリコンウエハ裏面の温度変化を熱電対で計測し、OICT の結果との比較をおこなった。
一例として、v = 1500 mm/s で計測をおこなった結果を図４に赤線で示す。シリコンウエハの加熱・冷却に伴う反射率の振動が明瞭に観測され、図４上図に示す通り最長

表面および裏面の温度にはほとんど差が見られないのに対して、ミリ秒スケールではウエハ厚さ方向に温度分布が生じていることが分かった。このようにして得られたウエハ温度を裏面熱電対の結果と比較したところ、 v = 10mm/s では 1.5 K と小さい値であったのに対して、v = 1500mm/s では熱電対で計測した温度は OICT で計測した裏面温度より 77 K も低くなった。これは接触式で得ある熱電対では接触部分の熱容量あるいは熱抵抗が無視できないため、早い温度変化には追随できないことを示している。
このことから、OICT は試料内部温度が分かることに加えて、応答速度が速い点においても大きな優位性を有するこ
図５．急速熱処理時のシリコンウエハ温度を OICT により測定した結果の一例。
15 秒程度まで振動が続いた。特にシリコンウエハの温度とが明らかになった。解析プログラムによるフィッティン
グに伴う温度誤差を見積もったところ、ミリ秒時間の温度計測であっても±2 K 以下で温度を求められることが明らかになった。

が急上昇している部分を見ると、図４の各拡大図に示す通り多数の振動が見られ、1 ms 以下の時間スケールでの振動が観測されていることが分かった。この様な広いレンジの計測結果を可能な限り正確に再現するために、解析モデ

2・3

三次元温度分布の計測 2,3)

前述のとおり、OICT による非接触温度測定の基礎技術は構築できたため、これを更に三次元温度分布のイメージルの改善をおこなった。熱プラズマジェットからの入熱プングに拡張する研究を実施した。図３に示す OICT 測定系

ロファイルは３つの異なる半値幅をもつガウス分布の重において、プローブレーザー光をビームエキスパンダで拡ね合わせを仮定し、更にウエハ表面および裏面からの熱の散逸をモデルに取り入れた。この解析プログラムによりフィッティングをおこなった結果を図４に青点線で示す。秒からミリ秒までの時間スケールにおいて、全ての振動を正確に再現することができた。この結果、得られたシリコンウエハ内の温度分布を図５に示す。秒スケールではウエハ大して試料に照射するようにした点と、フォトダイオードに代えてハイスピードカメラを導入した点が三次元イメージングをおこなう上での変更点である。従来はプローブレーザー光を照射した１点の温度変化が実時間反射率の振動として計測されたのに対して、三次元イメージングに拡張した計測システムでは反射光の干渉縞を観測するこ

（a）

（c）

（b）

（d）

図６．OICT イメージング測定系で得られた干渉縞の実測結果（a）とシミュレーション結果（b）。解析の結果得られた試料表面における温度分布（c）および試料深さ方向断面における温度分布（d）。

ととなる。この干渉縞から温度分布を抽出するために、解析プログラムを従来の二次元から三次元のシミュレーションに拡張し、試料内の温度分布が三次元で計測できるように変更した。
OICT イメージングにより得られた実験データおよび三次元へと拡張した解析プログラムにより再現した干渉縞イメージの比較を図６（a）（b）に示す。新たな光学系で極めて鮮明な干渉像を取得することができ、対物レンズで拡大して捉えた像では 10 m の空間分解能で干渉縞分布を得られることが明らかになった。専用コンピューター
により三次元シミュレーションも実用的な時間内で実行可能となり、図６に示す通り実測の干渉縞数（スキャン方向前方２５本、後方１１本、スキャン垂直方向２７本）を完全に再現することができた。この結果、TPJ 熱処理中

図７．OICT イメージングを SiC ショットキのサンプル表面および内部の温度分布を図６（c）（d）にーバリアダイオード動作時の温度計測に適示す通り取得することができた。OICT イメージングによ用する実験の概略図。

り高い空間分解能と 100 s の高い時間分解能を同時に達成しつつ、三次元温度分布を得られることが実証できた。

再び電極中心部に向かって収束していった。これは電流密以上の成果を踏まえ、OICT の新たな可能性として半導度が高い電極中心部から温度上昇が始まり、電極周辺部へ体デバイス動作時の自己発熱過程の観測への適用を試みの熱拡散に伴う温度変化を捉えたものである。これを三次た 4)。図７は OICT イメージングを半導体デバイス（4H

元シミュレーションにより再現した結果が同図（B）であSiC ショットキーバリアダイオード：SBD）の温度測定にる。デバイスの発熱をモデルに取り入れることで測定結果適用する方法を示す。光学系の構成に関しては、デバイスを極めて良く再現できる。この結果、デバイス内部の温度を拡大するために対物レンズが高倍率になっていることを図８（右）に示す通り、三次元で可視化することができを除けば従来法と同じである。SBD に順方向のパルス（１た。従来のデバイス温度測定技術では表面温度やジャンクｍｓ）を印加し、デバイスの裏面側から OICT イメージンション部などの局所的温度は計測できていたが、内部温度グをおこなう。印加するバイアス電圧（ VF）を増加させをマイクロ秒の時間分解能で計測できる技術は初めてのると SBD に大きな電流が流れデバイス自体の自己発熱に試みである。。

よる温度上昇が発生する。図８に示す通り、SBD 動作時の OICT イメージングにより発熱に伴う明瞭な干渉縞が2・4OICT に基づく残留応力モデルの構築見られた。VF = 30 V における観測例を図８（A）に示す。

急速熱処理時には試料表面が高い昇温レートで加熱さパルス印加と同時に電極中心部から周辺部へ向かって拡れる一方、深さ方向へは熱拡散に伴う温度分布が生じる。

がる干渉縞の輪が確認され、パルス印加終了と同時に縞は基板表面と内部の温度差は加熱速度が速いほど大きくな

図８．VF = 30V において観測された OICT イメージ（A）と三次元シミュレーションにより得られた干渉像（B）。
TPJ 熱処理時の温度を OICT により計測する様子。写真中心の黒い板がサンプルステージであり、下方にある光学系により裏面から温度測定をおこなう。

図９．OICT により得られた温度分布から熱応力を導出する基礎方程式（上）と、計算過程の概要（下）。

図１１．急速熱処理時の投入パワーに対する最高到達温度（上）と、基板表面における熱応力の表面温度依存性（下）。
通り、①の条件での最表面到達温度は～1600 K となる一方、基板内部はほぼ室温である領域が三分の二程度の深さに渡って存在することが明らかになった。これに伴う応力分布をみると、温度分布とほぼ同様となり、特に温度勾配が大きい基板表面付近に 700 MPa 程度の大きな圧縮応力が発生することが明らかになった。一方、極端な条件を適用して計算した②の場合においては表面温度は
図１０．OICT により得られた温度分布（a）、（c）から2800 K、応力は 1400GPa を超える値を示した。以上の熱応力を導出した結果（b）、（d）。

通り、走査速度が速く、且つ表面到達温度が高い場合に最表面において大きな熱応力が発生することが明らかにり、表面側が熱膨張する一方で内部の体積変化は小さいたなった。

め、歪が生じる。この結果として発生するのが熱応力であ様々な条件下で同様の計算をおこなった結果、投入パワる。よって、OICT により得られた温度分布を基に、熱応ーと表面到達温度、この時の最大応力を調査した結果を図力を求める手法の構築に取り組んだ。

１１にまとめる。試料表面の最高到達温度と熱応力の間に解析法の概要を図９に示す。OICT の解析モデルで用いはよい比例関係が見て取れる。例えばレーザーアニールにたメッシュを利用して、各交点となるノードにおける変異よってアモルファスシリコン薄膜の結晶化をおこなう場と歪（ε）の関係を求める（図９（上））。ここでは石英の合にはシリコンの融点以上に加熱されるため、基板表面もヤング率、ポアソン比、熱膨張係数を用いた。実際に OICT1867 K 以上に達する。この場合、基板表面の熱応力は 900により求めた温度分布を用いて、これから図９（下）に示MPa 近くになることが分かる。この様な大きな応力はクす手順で熱応力分布を求めた。計算では、実際の実験条件

ラック発生を誘発し、ガラス基板でしばしばみられる現象である①投入電力 1500W、走査速度 700mm/s の場合と、につながるものと考えられる。OICT を用いた超急速熱処

これより高い②60kW の投入電力および 5000m/s の走査理中の温度計測により得られた温度分布から、試料内部の速度の場合の２種類を検討した。その結果、図１０に示す熱応力分布を求める手法を構築した。熱応力に伴うクラッ参考文献

ク抑制や試料破壊といった課題に対して、定量的な評価手法を提供できるものと期待される。

1) A. Kameda, Y. Mizukawa, H. Hanafusa, and S. Higashi,“Precise measurement of the temperature of a

３．結論

silicon

本研究では、OICT における測定温度の超高精度化、光wafer

contactlessbyanoptical-interference

thermometer

duringrapid

plasma干渉波形解析シミュレーション技術の高精度化、OICT にprocessing,” J. Appl. Phys., 127 (203302), (2020)基づく残留応力モデルの構築の３点に重点を置いて実203302-1.

験・解析をおこなった。結果として、ミリ秒時間の温度計

2) S. Higashi, K. Matsuguchi, T. Sato, and H. Hanafusa,

測で±2 K 以下の精度で温度を求められることが明らかに“Millisecond Annealing by Atmospheric Pressure

なった。また OICT を三次元イメージングに拡張すること

Thermalで、10 m の空間分解能と 100 s の時間分解能を同時にTemperature達成しつつ、三次元温度分布を得られることが実証できた。

Interference Contactless Thermometry (OICT),” ECS.

この技術は超急速熱処理時の試料温度測定に加え、半導体

Trans., 104, (2021) pp. 63.

デバイス動作時の自己発熱温度測定にも適用可能である

PlasmaJetandDirectDistribution

ImagingusingofOptical

3) Jiawen Yu, Hiroaki Hanafusa, and S. Higashi,

ことが明らかになった。更に OICT を応力解析に適用する“Developmentためのモデル構築をおこない、OICT が超急速熱処理中のmeasurementtechniquefor

試料表面における応力測定に適用可能であることを明らultra-rapid

thermalannealing

かにした。

optical-interferenceofareal-time
SiC

contactless

temperaturewafer

duringbased

onthermometry(OICT),” Jpn. J. Appl. Phys., 62, (2023) SC1075-1.

謝 辞
本研究の実施にあたり実験、解析等に尽力してくれた研究室の学生諸君に感謝いたします。

4) K. Fujimoto, H. Hanafusa, T. Sato, and S. Higashi,“Direct observation of three-dimensional transient
temperature distribution in SiC Schottky barrierdiode under operation by optical-interferencecontactless thermometry imaging,” Appl. Phys.
Express, 15, (2022) 026502-1.