JP6180924B2 - 熱流束測定方法、基板処理システム及び熱流束測定用部材 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ処理装置の基板処理室内で発生させるプラズマのイオンフラックスを測定するために基板処理室内に配置される熱流束測定用部材、プラズマのイオンフラックスを熱流束として測定する熱流束測定方法、プラズマに晒される熱流束測定用部材の温度を測定することによってプラズマのイオンフラックスを熱流束として測定する熱流束測定装置を備える基板処理システムに関する。

半導体ウエハに対してプラズマエッチングやプラズマＣＶＤ等の各種のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、製品生産時のプロセスの安定性を高め、或いは、製品製造プロセスの開発を行うために、プラズマの状態を示すパラメータの１つであるイオンフラックスを知ることが重要である。

イオンフラックスを測定する方法として、プラズマソース電源及び高周波バイアス電源とは異なる発振周波数をプラズマ処理室内に発振するプローブ高周波発振部と、プローブ高周波発振手段から発振される高周波をプラズマに接する面で受信する高周波受信部とを設置し、プローブ高周波発振部と受信部で構成される電気回路内の発振周波数毎のインピーダンス、反射率及び透過率、高調波成分の変動を測定する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、真空処理空間内において被処理体が配置される領域に、全エネルギーフラックスの測定部と残留イオンの測定部とを有するチップ状の基材を配置し、イオンの入射に伴って測定部で発生する電流を測定することによってイオンフラックスを測定する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１１−０１４５７９号公報 特開２０１０−２３２５２７号公報

このようにイオンフラックスを測定する技術が種々提案されているが、半導体ウエハに入射するイオンフラックスはエネルギーの一種であり、半導体ウエハに入射したイオンフラックスは熱に変わることから、半導体ウエハ内の熱流束を求めることによってイオンフラックスを求めることができると考えられる。

本発明の目的は、プラズマのイオンフラックスを熱流束測定用部材を流れる熱流束として測定する熱流束測定方法を提供することにある。また本発明の目的は、プラズマに晒される熱流束測定用部材の温度を測定することによりプラズマのイオンフラックスを熱流束として測定する熱流束測定装置を備える基板処理システムを提供することにある。更に本発明の目的は、基板処理室内で発生させるプラズマのイオンフラックスを測定するために基板処理室内に基板に代えて配置される熱流束測定用部材を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の熱流束測定方法は、基板処理室内に発生させたプラズマのイオンフラックスを熱流束として測定する熱流束測定方法であって、第１層、第２層及び第３層がこの順で積層された構造を有し、少なくとも前記第２層は前記第１層及び前記第３層とは異なる材料からなる熱流束測定用部材をプラズマに晒した状態で、前記熱流束測定用部材に対して前記第１層乃至前記第３層の積層方向に低コヒーレンス光を照射したときの前記熱流束測定用部材からの反射光の光干渉を利用して、前記第１層内を厚さ方向に往復する低コヒーレンス光の前記第１層内での光路長と前記第３層内を厚さ方向に往復する低コヒーレンス光の前記第３層内での光路長とを測定する光路長測定ステップと、前記第１層及び前記第３層について、前記第１層及び前記第３層の温度と前記第１層内での前記低コヒーレンス光の光路長と前記第３層内での前記低コヒーレンス光の光路長との関係を示す校正データを作成するデータ作成ステップと、前記光路長測定ステップで測定した前記第１層内での前記低コヒーレンス光の光路長と前記第３層内での前記低コヒーレンス光の光路長とを前記データ作成ステップで作成した前記校正データに照らし合わせて前記部第１層及び前記第３層のそれぞれの温度を求める温度測定ステップと、前記温度測定ステップで求めた前記部第１層及び前記第３層のそれぞれの温度と、前記第２層の厚さ及び熱伝導率とから、前記熱流束測定用部材を流れる熱流束を算出する熱流束算出ステップとを有することを特徴とする。

請求項２記載の熱流束測定方法は、請求項１記載の熱流束測定方法において、前記熱流束測定用部材の前記第１層内での前記低コヒーレンス光の光路長と前記第３層内での前記低コヒーレンス光の光路長との差が、前記低コヒーレンス光の光源のコヒーレンス長よりも大きいことを特徴とする。

請求項３記載の熱流束測定方法は、請求項１又は２記載の熱流束測定方法において、前記熱流束測定用部材は、前記第１層及び前記第３層の厚さが前記第２層の厚さよりも薄いことを特徴とする。

請求項４記載の熱流束測定方法は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱流束測定方法において、前記熱流束測定用部材は、前記第１層及び前記第３層を形成する材料の熱伝導率が前記第２層を形成する材料の熱伝導率よりも大きいことを特徴とする。

請求項５記載の熱流束測定方法は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の熱流束測定方法において、前記光路長測定ステップでは、光源から出力される低コヒーレンス光を２つの光路に分け、前記２つの光路の一方を進む低コヒーレンス光を前記熱流束測定用部材に対して前記第１層乃至前記第３層の積層方向に照射したときの前記熱流束測定用部材からの反射光と前記２つの光路の他方を進む低コヒーレンス光を参照ミラーに照射すると共に前記参照ミラーを低コヒーレンス光の入射方向と平行な方向に移動させたときの前記参照ミラーからの反射光との干渉光と、前記参照ミラーの移動距離とから、前記第１層内での前記低コヒーレンス光の光路長と前記第３層内での前記低コヒーレンス光の光路長とを測定することを特徴とする。

請求項６記載の熱流束測定方法は、請求項５記載の熱流束測定方法において、前記熱流束測定用部材の前記第２層は、前記低コヒーレンス光を透過しない材料からなり、前記光路長測定ステップでは、前記２つの光路の一方を進む低コヒーレンス光を更に２つの光路を進むように分岐させ、更に分岐した一方を進む低コヒーレンス光を前記第１層側から前記第１層へを照射すると共に、更に分岐した他方を進む低コヒーレンス光を前記第３層側から前記第３層へ照射することを特徴とする。

請求項７記載の熱流束測定方法は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の熱流束測定方法において、前記光路長測定ステップでは、前記低コヒーレンス光を前記熱流束測定用部材に対して前記第１層乃至前記第３層の積層方向に照射したときの前記熱流束測定用部材からの反射光のスペクトルをフーリエ変換することによって、前記第１層内での前記低コヒーレンス光の光路長と前記第３層内での前記低コヒーレンス光の光路長とを測定することを特徴とする。

請求項８記載の熱流束測定方法は、請求項７記載の熱流束測定方法において、前記熱流束測定用部材の前記第２層は、前記低コヒーレンス光を透過しない材料からなり、前記光路長測定ステップでは、光源から出力される前記低コヒーレンス光を２つの光路に分け、前記２つの光路の一方を進む低コヒーレンス光を前記第１層側から前記第１層へ前記低コヒーレンス光を照射すると共に、前記２つの光路の他方を進む低コヒーレンス光を前記第３層側から前記第３層へ照射することを特徴とする。

請求項９記載の熱流束測定方法は、請求項５又は７記載の熱流束測定方法において、前記熱流束測定用部材の前記第２層には孔部が設けられており、前記光路長測定ステップでは、前記低コヒーレンス光を前記孔部を通過するように前記熱流束測定用部材に対して照射することを特徴とする。

上記目的を達成するために、請求項１０記載の基板処理システムは、収容した基板に対して所定のプラズマ処理を施す基板処理室と、第１層、第２層及び第３層がこの順で積層された構造を有し、少なくとも前記第２層は前記第１層及び前記第３層とは異なる材料からなり、前記第１層の表面又は前記第３層の表面が前記基板処理室内に発生させたプラズマに晒されるように前記基板処理室内に配置される熱流束測定用部材と、前記基板処理室内に発生させたプラズマのイオンフラックスを熱流束として測定する熱流束測定装置とを備える基板処理システムであって、前記熱流束測定装置は、前記熱流束測定用部材に対して前記第１層乃至前記第３層の積層方向に低コヒーレンス光を照射し、その反射光を取得する光学系と、前記熱流束測定用部材からの反射光の光干渉を利用して前記熱流束測定用部材を流れる熱流束を算出する解析装置とを有し、前記解析装置は、前記第１層内を厚さ方向に往復する低コヒーレンス光の前記第１層内での光路長と前記第３層内を厚さ方向に往復する低コヒーレンス光の前記第３層内での光路長とを測定し、測定した前記第１層内での前記低コヒーレンス光の光路長と前記第３層内での前記低コヒーレンス光の光路長とを事前に作成された前記第１層及び前記第３層の温度と前記第１層内での前記低コヒーレンス光の光路長と前記第３層内での前記低コヒーレンス光の光路長との関係を示す校正データに照らし合わせることで前記部第１層及び前記第３層のそれぞれの温度を求め、求められた前記部第１層及び前記第３層のそれぞれの温度と、前記第２層の厚さ及び熱伝導率とから、前記熱流束測定用部材を流れる熱流束を算出することを特徴とする。

請求項１１記載の基板処理システムは、請求項１０記載の基板処理システムにおいて、前記熱流束測定用部材の前記第１層内での前記低コヒーレンス光の光路長と前記第３層内での前記低コヒーレンス光の光路長との差が、前記低コヒーレンス光の光源のコヒーレンス長よりも大きいことを特徴とする。

請求項１２記載の基板処理システムは、請求項１１又は１２記載の基板処理システムにおいて、前記熱流束測定用部材は、前記第１層及び前記第３層の厚さが前記第２層の厚さよりも薄いことを特徴とする。

請求項１３記載の基板処理システムは、請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の基板処理システムにおいて、前記熱流束測定用部材は、前記第１層及び前記第３層を形成する材料の熱伝導率が前記第２層を形成する材料の熱伝導率よりも大きいことを特徴とする。

請求項１４記載の基板処理システムは、請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載の基板処理システムにおいて、前記光学系は、光源から出力される前記低コヒーレンス光を２つの光路を進むように分岐させ、前記２つの光路の一方を進む低コヒーレンス光を前記熱流束測定用部材に対して前記第１層乃至前記第３層の積層方向に照射したときの前記熱流束測定用部材からの反射光と前記２つの光路の他方を進む低コヒーレンス光を参照ミラーに照射すると共に前記参照ミラーを低コヒーレンス光の入射方向と平行な方向に移動させたときの前記参照ミラーからの反射光との干渉光を取得し、前記解析装置は、前記光学系が取得した干渉光と前記参照ミラーの移動距離とから、前記第１層内での前記低コヒーレンス光の光路長と前記第３層内での前記低コヒーレンス光の光路長とを測定することを特徴とする。

請求項１５記載の基板処理システムは、請求項１４記載の基板処理システムにおいて、前記熱流束測定用部材の前記第２層は、前記低コヒーレンス光を透過しない材料からなり、前記光学系は、前記２つの光路の一方を進む低コヒーレンス光を更に２つの光路を進むように分岐させ、更に分岐した一方を進む低コヒーレンス光を前記第１層側から前記第１層へを照射すると共に、更に分岐した他方を進む低コヒーレンス光を前記第３層側から前記第３層へ照射することを特徴とする。

請求項１６記載の基板処理システムは、請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載の基板処理システムにおいて、前記解析装置は、前記光学系から出力される低コヒーレンス光を前記熱流束測定用部材に対して前記第１層乃至前記第３層の積層方向に照射したときの前記熱流束測定用部材からの反射光のスペクトルをフーリエ変換することによって、前記第１層内での前記低コヒーレンス光の光路長と前記第３層内での前記低コヒーレンス光の光路長とを測定することを特徴とする。

請求項１７記載の基板処理システムは、請求項１６記載の基板処理システムにおいて、前記熱流束測定用部材の前記第２層は、前記低コヒーレンス光を透過しない材料からなり、前記光学系は、光源から出力される前記低コヒーレンス光を２つの光路に分け、前記２つの光路の一方を進む低コヒーレンス光を前記第１層側から前記第１層へ前記低コヒーレンス光を照射すると共に、前記２つの光路の他方を進む低コヒーレンス光を前記第３層側から前記第３層へ照射することを特徴とする。

請求項１８記載の基板処理システムは、請求項１４又は１６記載の基板処理システムにおいて、前記熱流束測定用部材の前記第２層には孔部が設けられており、前記光学系は、前記低コヒーレンス光を前記孔部を通過するように前記熱流束測定用部材に対して照射することを特徴とする。

上記目的を達成するために、請求項１９記載の熱流束測定用部材は、プラズマを発生させる基板処理装置内に配置される熱流束測定用部材であって、低コヒーレンス光を透過する第１層と、前記第１層上に積層された第２層と、前記第２層上に積層され、前記低コヒーレンス光を透過する第３層とを有し、少なくとも前記第２層は前記第１層及び前記第３層とは異なる材料からなり、前記第１層の表面又は前記第３層の表面が前記プラズマに晒されるように前記基板処理室内に配置されることを特徴とする。

請求項２０記載の熱流束測定用部材は、請求項１９記載の熱流束測定用部材において、前記第２層に前記低コヒーレンス光を透過させるための孔部が、前記第１層、前記第２層及び前記第３層の積層方向に貫通するように設けられていることを特徴とする。

請求項２１記載の熱流束測定用部材は、請求項１９又は２０記載の熱流束測定用部材において、前記第２層は、前記低コヒーレンス光を透過しない材料からなることを特徴とする。

請求項２２記載の熱流束測定用部材は、請求項１９又は２０記載の熱流束測定用部材において、前記第２層は、前記低コヒーレンス光を透過する材料からなることを特徴とする。

請求項２３記載の熱流束測定用部材は、請求項１９乃至２２のいずれか１項に記載の熱流束測定用部材において、前記第１層及び前記第３層はシリコンからなることを特徴とする。

請求項２４記載の熱流束測定用部材は、請求項１９乃至２３のいずれか１項に記載の熱流束測定用部材において、前記第１層内での前記低コヒーレンス光の光路長と前記第３層内での前記低コヒーレンス光の光路長との差が、前記低コヒーレンス光の光源のコヒーレンス長よりも大きいことを特徴とする。

請求項２５記載の熱流束測定用部材は、請求項１９乃至２４のいずれか１項に記載の熱流束測定用部材において、前記第１層及び前記第３層の厚さが前記第２層の厚さよりも薄いことを特徴とする。

請求項２６記載の熱流束測定用部材は、請求項１９乃至２５のいずれか１項に記載の熱流束測定用部材において、前記第１層及び前記第３層を形成する材料の熱伝導率が前記第２層を形成する材料の熱伝導率よりも大きいことを特徴とする。

本発明によれば、３層構造を有する熱流束測定用部材の表面側と裏面側の第１層及び第３層のそれぞれの温度をプラズマに晒された状態で測定することによって、熱流束測定用部材に入射したイオンフラックスを熱流束測定用部材を流れる熱流束として求めることができる。特に、本発明によれば、プロセスで最も重要なプラズマが定常状態にあるときに熱流束を測定することができ、こうして得られたイオンフラックスの情報を用いて、基板処理による製品生産時のプロセスを管理し、プロセスの安定性を高めて、製品の品質を高く維持することができる。また、得られたイオンフラックスの情報は、プラズマプロセスのプロセス開発にも有用である。また、本発明に係る熱流束測定方法によれば、簡易な構成で正確な熱流束を測定することができる。

本発明の実施の形態に係る熱流束測定用部材と熱流束測定装置とが適用される基板処理装置の概略構成を示す断面図である。 図１の基板処理装置のチャンバ内に収容される第１の熱流束測定用部材の概略構造を示す断面図と、第１の熱流束測定用部材を流れる熱流束を測定する原理を模式的に説明する図である。 図１の基板処理装置に適用可能な第１の熱流束測定装置の概略構成を示すブロック図である。 図２の第１の熱流束測定用部材に低コヒーレンス光を照射したときに得られる反射光を説明する図である。 図４に示す反射光を図３の第１の熱流束測定装置を用いて取得したときの干渉波形の例を示す図である。 図４に示す所定の反射光の光路差と第１の熱流束測定用部材の温度との関係を示す校正データの例を示す図である。 図１の基板処理装置に適用可能な第２の熱流束測定装置の概略構成を示すブロック図である。 図１の基板処理装置のチャンバ内に収容される第２の熱流束測定用部材の概略構造を示す断面図と、第２の熱流束測定用部材に低コヒーレンス光を照射したときに得られる反射光を説明する図である。 図８（ａ）の第２の熱流束測定用部材を流れる熱流束を測定するために基板処理装置に適用可能な第３の熱流束測定装置の概略構成を示すブロック図と、第３の熱流束測定装置を用いて図８（ｂ）に示す反射光を取得したときの干渉波形の例を模式的に示す図である。 図８（ａ）の第２の熱流束測定用部材を流れる熱流束を測定するために基板処理装置に適用可能な第４の熱流束測定装置の概略構成を示すブロック図と、第４の熱流束測定装置を用いて図８（ｂ）に示す反射光を取得し、フーリエ変換を行って得られるスペクトルの例を模式的に示す図である。 図１の基板処理装置のチャンバ内に収容される第３の熱流束測定用部材の概略構造を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。ここでは、本発明に係る熱流束測定用部材と、熱流束測定用部材の温度を測定することにより熱流束測定用部材を流れる熱流束を測定する熱流束測定装置とを、基板である半導体ウエハ（以下「ウエハ」と記す）に対してプラズマエッチング処理を施す基板処理装置に適用した基板処理システムを取り上げることとする。

図１は、本発明の実施の形態に係る熱流束測定用部材と、熱流束測定装置とが適用される基板処理装置の概略構成を示す断面図である。図１に示す基板処理装置１０は、例えば、直径がφ３００ｍｍの半導体デバイス用のウエハＷを収容するチャンバ１１を有し、チャンバ１１内にはウエハＷ又は図２を参照して後述する第１の熱流束測定用部材Ｓを載置する円柱状のサセプタ１２（載置台）が配置されている。基板処理装置１０では、チャンバ１１の内側壁とサセプタ１２の側面とによって側方排気路１３が形成され、側方排気路１３の途中には排気プレート１４が配置されている。

排気プレート１４は多数の貫通孔を有する板状部品であり、チャンバ１１内を上部と下部に仕切る仕切り板として機能する。排気プレート１４によって仕切られることによってチャンバ１１内の上部に形成される基板処理室１５において、後述するようにプラズマを発生させる。排気プレート１４によってチャンバ１１内の下部に形成される排気室（マニホールド）１６には、チャンバ１１内のガスを排出する排気管１７が接続されている。排気プレート１４は基板処理室１５に発生するプラズマを捕捉し又は反射してマニホールド１６への漏洩を防止する。

排気管１７には、不図示のＴＭＰ（Turbo Molecular Pump）及びＤＰ（Dry Pump）が接続され、これらのポンプはチャンバ１１内を真空引きして減圧する。具体的には、ＤＰは、チャンバ１１内を大気圧から中真空状態（例えば、１．３×１０Ｐａ（０．１Ｔｏｒｒ）以下）まで減圧する。そして、ＴＭＰは、ＤＰと協働してチャンバ１１内を中真空状態より低い圧力である高真空状態（例えば、１．３×１０^−３Ｐａ（１．０×１０^−５Ｔｏｒｒ）以下）まで減圧する。なお、チャンバ１１内の圧力は、不図示のＡＰＣバルブによって制御される。

チャンバ１１内のサセプタ１２には、第１の整合器１９を介して第１の高周波電源１８が接続されると共に、第２の整合器２１を介して第２の高周波電源２０が接続されている。第１の高周波電源１８は、比較的低い周波数、例えば、２ＭＨｚのイオン引き込み用の高周波電力をサセプタ１２に印加する。一方、第２の高周波電源２０は、比較的高い周波数、例えば、６０ＭＨｚのプラズマ生成用の高周波電力をサセプタ１２に印加する。これにより、サセプタ１２は電極として機能する。また、第１の整合器１９及び第２の整合器２１は、サセプタ１２からの高周波電力の反射を低減して高周波電力のサセプタ１２への印加効率を最大にする。

サセプタ１２の上部には、大径の円柱の先端から小径の円柱が同心軸に沿って突出した形状となるように、小径の円柱を囲う段差が形成されている。小径の円柱の先端には、静電電極板２２を内部に有するセラミックスからなる静電チャック２３が配置されている。静電電極板２２には直流電源２４が接続されており、静電電極板２２に正の直流電圧が印加されると、ウエハＷにおける静電チャック２３側の面（裏面）に負電位が発生し、静電電極板２２とウエハＷの裏面との間に電位差が生じる。こうして生じた電位差に起因するクーロン力又はジョンソン・ラーベック力により、ウエハＷは静電チャック２３に吸着保持される。

サセプタ１２の上部には、静電チャック２３に吸着保持されたウエハＷを囲うように、円環状の部品であるフォーカスリング２５が、サセプタ１２の上部における段差部へ載置されている。フォーカスリング２５は、例えば、シリコン（Ｓｉ）からなる。よって、フォーカスリング２５は半導電体からなるため、プラズマの分布域をウエハＷ上だけでなくフォーカスリング２５上まで拡大してウエハＷの周縁部上におけるプラズマの密度をウエハＷの中央部上におけるプラズマの密度と同程度に維持する。これにより、ウエハＷの全面に施されるプラズマエッチング処理の均一性を確保する。

サセプタ１２及び静電チャック２３を鉛直方向に貫通するように孔部３３が設けられている。孔部３３には、図３を参照して後述する第１のコリメータ５４或いは図７を参照して後述するコリメータ６４が配置されており、これらのコリメータから静電チャック２３上に載置されたウエハＷ又は第１の熱流束測定用部材Ｓへ低コヒーレンス光を照射することができるようになっている。

チャンバ１１の天井部には、サセプタ１２と対向するようにシャワーヘッド２６が配置される。シャワーヘッド２６は、上部電極板２７と、上部電極板２７を着脱可能に釣支するクーリングプレート２８と、クーリングプレート２８を覆う蓋体２９とを有する。上部電極板２７は厚み方向に貫通する多数のガス孔３０を有する円板状部品からなり、半導電体であるシリコン（Ｓｉ）で構成される。

クーリングプレート２８の内部にはバッファ室３１が設けられ、バッファ室３１には処理ガス導入管３２が接続されている。基板処理装置１０では、処理ガス導入管３２からバッファ室３１へ供給された処理ガスがガス孔３０を介して基板処理室１５内部へ導入される。基板処理室１５内部へ導入された処理ガスは、第２の高周波電源２０からサセプタ１２を介して基板処理室１５内部へ印加されたプラズマ生成用の高周波電力によって励起され、プラズマとなる。プラズマ中のイオンは、第１の高周波電源１８がサセプタ１２に印加するイオン引き込み用の高周波電力によってウエハＷに向けて引きこまれ、ウエハＷにプラズマエッチング処理を施す。

ウエハＷに対するプラズマエッチング処理中のプラズマのイオンフラックスを知ることは、ウエハＷの処理時のプロセスの安定性を高め、或いは、プロセス開発を行うために重要である。特に、プラズマが定常状態にあるときのエッチングレートは、処理品質に大きな影響を及ぼすため、プラズマが定常状態にあるときのイオンフラックスを知ることは有益である。ここで、ウエハＷに引き込まれたイオンフラックスは熱に変化するため、プラズマによってウエハＷに供給された熱量を測定することによってイオンフラックスを推定することができる。

しかし、ウエハＷからは静電チャック２３を介して熱が流出するため、単純にウエハＷの温度を測定することでは、ウエハＷを流れる熱流束を測定することはできない。そこで、本実施の形態では、ウエハＷに代えて第１の熱流束測定用部材Ｓを用い、イオンフラックスを第１の熱流束測定用部材Ｓを流れる熱流束として求める。

図２（ａ）は、第１の熱流束測定用部材Ｓの概略構造を示す断面図である。第１の熱流束測定用部材Ｓは、ウエハＷに代えて静電チャック２３上に載置され、プラズマに晒される。第１の熱流束測定用部材Ｓは、板状形状を有し、図２（ａ）には、その表裏面と直交する断面が示されている。第１の熱流束測定用部材Ｓの大きさ（表面の形状と面積）は、ウエハＷと同等の条件でプラズマに晒されるように、ウエハＷと同等であることが好ましい。

第１の熱流束測定用部材Ｓを静電チャック２３に載置してプラズマを発生させた状態で、第１層４１と第３層４３の温度を測定することにより第１の熱流束測定用部材Ｓを流れる熱流束を求める。なお、第１層４１と第３層４３の温度は、第１の熱流束測定用部材Ｓに対して照射された低コヒーレンス光の反射光の光干渉を利用して求めるが、その方法の詳細については、図３乃至図７を参照して後述する。

第１の熱流束測定用部材Ｓは、第１層４１、第２層４２及び第３層４３がこの順序で積層された３層構造を有する。少なくとも第１層４１及び第３層４３は、第１のコリメータ５４或いはコリメータ６４から照射される低コヒーレンス光を透過する特性を有する。第２層４２には、厚さ方向に貫通する孔部４２ａが設けられており、図４を参照して後述するように、第１のコリメータ５４或いはコリメータ６４からは孔部４２ａを透過するように第１の熱流束測定用部材Ｓの厚さ方向（第１層４１、第２層４２及び第３層４３の積層方向）に低コヒーレンス光が照射される。そのため、第２層４２は、低コヒーレンス光を透過する特性を有していてもよいし、透過しない特性を有していても構わない。なお、孔部４２ａの直径は、例えば、第１のコリメータ５４又はコリメータ６４からの低コヒーレンス光の照射口径がφ１ｍｍであれば、φ１．５ｍｍ〜φ３．０ｍｍとすることができる。

第１層４１と第３層４３は、熱伝導性に優れた材料で構成されていることが好ましく、例えば、シリコン（Ｓｉ）が用いられる。これは、後述するように、第１の熱流束測定用部材Ｓを流れる熱流束の測定では、第１層４１及び第３層４３では厚さ方向に温度勾配が生じていないことを前提とするため、第１層４１内及び第３層４３内で可能な限り温度勾配が生じないようにすることが好ましいからである。第１層４１内及び第３層４３内で可能な限り温度勾配が生じないようにするためには、後述する光路差（２ｎ_１ｄ_１，２ｎ_３ｄ_３）を測定することができる限りにおいて、第１層４１内及び第３層４３の厚さは薄いことが好ましい。

また、第２層４２は、第１層４１及び第３層４３とは異なる材料からなる。第２層４２は、第１層４１と第３層４３との間に温度差が生じるように、第１層４１及び第３層４３を構成する材料よりも熱伝導性に劣る（熱伝導率が小さい）材料で構成されていることが好ましく、例えば、各種のガラスやセラミックスを用いることができる。第２層４２の厚さは、第２層４２を構成する材料の熱伝導率にも依存するが、熱伝導率が小さいほど厚さを薄くすることができるが、厚さを厚くすることで第１層４１と第３層４３との間の温度差を大きくして、測定精度を高めることができる。

図２（ｂ）は、第１の熱流束測定用部材Ｓを流れる熱流束を測定する原理を模式的に示す図である。第１の熱流束測定用部材Ｓは、第３層４３がプラズマ側、第１層４１が静電チャック２３側となるように配置されているものとする。プラズマのイオンフラックスが第３層４３に入射し、イオンフラックスが熱に変わって第３層４３から第１層４１へ向けて流れるときの熱流束ｑは下記式１で表される。なお、式１において、“Ｑ”は、第３層４３から第１層４１へ向けて流れる熱量である。“Ａ”は、熱量Ｑが流れる面の伝熱面積であり、第１の熱流束測定用部材Ｓの表面の面積であるため、既知の値となる。

第３層４３の温度をＴ_２とし、第１層４１の温度をＴ_１として、第３層４３内では温度差がなく、第１層４１内でも温度差がないものと仮定する。第２層４２を構成する材料の熱伝導率を“ｋ”、第２層４２の厚さを“ｄｘ”とすると、第２層４２での温度勾配ｄｔ／ｄｘは“（Ｔ_１−Ｔ_２）／ｄｘ”となるため、下記式１は下記式２のように変形することができる。よって、第１層４１及び第３層４３のそれぞれの温度Ｔ_１，Ｔ_２を求めることによって、熱流束ｑを求めることができる。

［数１］
ｑ＝Ｑ／Ａ …式１
ｑ＝Ｑ／Ａ＝−ｋ×ｄｔ／ｄｘ＝−ｋ×（Ｔ_１−Ｔ_２）／ｄｘ …式２

次に、第１の熱流束測定用部材Ｓにおける第１層４１及び第３層４３のそれぞれの温度Ｔ_１，Ｔ_２を測定する方法について説明する。

なお、演算装置（パーソナルコンピュータ）は、ＣＰＵが、ＲＯＭやＲＡＭ或いはハードディスクドライブ等に格納された所定のソフトウエア（プログラム）を実行することにより各種の演算処理を行う。

図３は、第１の熱流束測定用部材Ｓを流れる熱流束を測定するために基板処理装置１０に適用可能な第１の熱流束測定装置の概略構成を示すブロック図である。第１の熱流束測定装置５０は、所謂、マイケルソン干渉計として構成されており、低コヒーレンス光源５１、光検出器５２、２×２カプラ５３、第１のコリメータ５４、第２のコリメータ５５、参照ミラー５６及び解析装置５７を備える。低コヒーレンス光源５１と２×２カプラ５３との間の接続、光検出器５２と２×２カプラ５３の間の接続、２×２カプラ５３と第１のコリメータ５４及び第２のコリメータ５５との間の接続はそれぞれ、光ファイバケーブルを用いて行われている。

低コヒーレンス光源５１は、第１の熱流束測定用部材Ｓの第１層４１及び第３層４３を透過する波長を有する低コヒーレンス光を出力する。前述の通り、第１層４１及び第３層４３はシリコンからなるため、低コヒーレンス光源５１としては、例えば、中心波長λ_０が１．５５μｍ又は１．３１μｍ、コヒーレンス長が約５０μｍの低コヒーレンス光を最大出力１．５ｍＷで出力するＳＬＤ（Super Luminescent Diode）等を用いることができる。

第１のコリメータ５４及び第２のコリメータ５５はそれぞれ、平行光線として調整された低コヒーレンス光を出力する。第１のコリメータ５４は第１の熱流束測定用部材Ｓへ低コヒーレンス光を照射してその反射光を受光し、第２のコリメータ５５は参照ミラー５６へ低コヒーレンス光を照射してその反射光を受光する。第１のコリメータ５４及び第２のコリメータ５５がそれぞれ受光した反射光は２×２カプラ５３へ伝送される。

２×２カプラ５３は、低コヒーレンス光源５１から出力される低コヒーレンス光を２つの光路に分岐させて、一方を第１のコリメータ５４へ伝送すると共に他方を第２のコリメータ５５へ伝送する。また、２×２カプラ５３は、第１のコリメータ５４から第１の熱流束測定用部材Ｓへ照射された低コヒーレンス光の第１の熱流束測定用部材Ｓからの反射光と、第２のコリメータ５５から参照ミラー５６へ照射された低コヒーレンス光の参照ミラー５６からの反射光とを受光して、光検出器５２へ伝送する。

参照ミラー５６は、第２のコリメータ５５から照射される低コヒーレンス光の照射方向と平行な方向に不図示の駆動装置によって移動可能となっており、参照ミラー５６の移動は解析装置５７により制御される。

光検出器５２は、例えば、Ｇｅフォトダイオードであり、受光した反射光の干渉波形を解析装置５７へ出力する。光検出器５２から解析装置５７へ出力される干渉波形の信号はアナログ電気信号である。そのため、解析装置５７は、光検出器５２から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、Ａ／Ｄ変換器から受信した干渉波形データから光路長を算出し、算出した光路長から温度を算出するパーソナルコンピュータ等の演算装置とを有する。

図４は、第１のコリメータ５４から第１の熱流束測定用部材Ｓに低コヒーレンス光を照射したときに得られる反射光を説明する図である。第１のコリメータ５４から第１の熱流束測定用部材Ｓの第１層４１へ低コヒーレンス光を第１の熱流束測定用部材Ｓの厚さ方向に照射すると、照射した低コヒーレンス光の一部は、第１層４１の外側表面で反射し、反射光Ａとなって第１のコリメータ５４へ入射し、２×２カプラ５３へ進む。第１層４１へ入射した低コヒーレンス光の一部は、第１層４１の第２層４２側の面（以下「内側表面」といい、第３層４３の第２層４２側の面も同様に称呼する）で反射し、反射光Ｂとなって第１のコリメータ５４へ入射し、２×２カプラ５３へ進む。また、第１層４１の内側表面で反射した低コヒーレンス光の一部は、第１層４１の外側表面で反射した後、再度、第１層４１の内側表面で反射し、反射光Ｃとなって第１のコリメータ５４へ入射し、２×２カプラ５３へ進む。

第２層４２に形成された孔部４２ａへ入射した低コヒーレンス光の一部は、第３層４３の内側表面で反射し、反射光Ｄとなって第１のコリメータ５４へ入射し、２×２カプラ５３へ進む。また、第３層４３の内側表面で反射した低コヒーレンス光の一部は第１層４１の外側表面で反射した後、再度、第１層４１の内側表面で反射し、反射光Ｅとなって第１のコリメータ５４へ入射し、２×２カプラ５３へ進む。

第３層４３へ入射した低コヒーレンス光の一部は、第３層４３の外側表面で反射し、反射光Ｆとなって第１のコリメータ５４へ入射し、２×２カプラ５３へ進む。なお、上記の反射光Ａ〜Ｆ以外にも反射光は生じるが、第１層４１及び第３層４３のそれぞれの温度Ｔ_１，Ｔ_２の測定には、反射光Ａ〜Ｆ（最小限、反射光Ｄ〜Ｆの３つ）があれば足りるため、説明を省略する。

第１層４１の厚さと屈折率をそれぞれ“ｄ_１”，“ｎ_１”とし、第３層の厚さと屈折率をそれぞれ“ｄ_３”，“ｎ_３”とすると、例えば、反射光Ａ，Ｂ間の光路差、反射光Ｂ，Ｃ間の光路差、反射光Ｄ，Ｅ間の光路差はそれぞれ“２×ｎ_１×ｄ_１（以下「２ｎ_１ｄ_１」と記す）”となり、反射光Ｄ，Ｆ間の光路差は“２×ｎ_３×ｄ_３（以下「２ｎ_３ｄ_３」と記す）”となる。換言すれば、光路差２ｎ_１ｄ_１は、第１層４１内をその厚さ方向に往復する低コヒーレンス光の第１層４１内での光路長であり、光路差２ｎ_３ｄ_３は、第３層４３内をその厚さ方向に往復する低コヒーレンス光の第３層４３内での光路長である。そこで、第１の熱流束測定装置５０を用いて、光路差２ｎ_１ｄ_１，２ｎ_３ｄ_３を測定する。

図５は、第１の熱流束測定装置５０を用いて図４に示す反射光を取得したときの干渉波形の例を示す図である。反射光Ａ〜Ｆと参照ミラー５６からの反射光とは、参照ミラー５６が特定の位置にあるとき、つまり、反射光Ａ〜Ｆのそれぞれの光路長と参照ミラー５６からの反射光の光路長とが一致したときに、強い干渉を示す。図５中の「Ａ」は反射光Ａと参照ミラー５６からの反射光との干渉によって現れた強い干渉波形を示しており、「Ｂ」〜「Ｆ」も同様である。なお、図５において、例えば、反射光Ｄ，Ｅの各ピーク間の距離は、光路差２ｎ_１ｄ_１の半分の値であるｎ_１ｄ_１である。よって、第１の熱流束測定用部材Ｓからの反射光を受光しながら参照ミラー５６を移動させたときの参照ミラー５６の移動距離に対して強い干渉波形が現れる位置を求めることにより、光路差２ｎ_１ｄ_１，２ｎ_３ｄ_３の半分の値であるｎ_１ｄ_１，ｎ_３ｄ_３を測定することができる。

ところで、第１層４１と第３層４３のそれぞれの厚さは、第１層４１と第３層４３をそれぞれ形成する材料の熱膨張率に依存して、温度によって変化する。よって、温度によって光路差２ｎ_１ｄ_１，２ｎ_３ｄ_３も変化する。そこで、事前に黒体炉等を用いて、第１の熱流束測定用部材Ｓでの低コヒーレンス光の反射光の光路差２ｎ_１ｄ_１，２ｎ_３ｄ_３（又はｎ_１ｄ_１，ｎ_３ｄ_３）と第１の熱流束測定用部材Ｓの温度との関係を測定することによって校正データを作成しておき、解析装置５７が備えるＲＯＭ、不揮発性ＲＡＭ或いはハードディスクドライブ等の記憶媒体に記憶させておく。

図６は、作成した校正データの一例を示す図である。ここでは、第１層４１と第３層４３とは同じ材料からなり、且つ、第１層４１の厚さｄ_１と第３層４３の厚さｄ_３とが同じである例を示している。第１層４１と第３層４３とが異なる材料からなる場合や厚さが異なる場合には、第１層４１と第３層４３とのそれぞれについて校正データを作成しておけばよい。なお、このような校正データは、後述する第２の熱流束測定装置６０、第３の熱流束測定装置７０及び第４の熱流束測定装置８０でも用いられる。

第１の熱流束測定用部材Ｓを静電チャック２３上に載置し、実際にウエハＷに対してプラズマ処理を施す条件でプラズマを発生させた状態で、反射光Ａ〜Ｆを取得しながら参照ミラー５６を移動させることによって、図５の干渉波形を取得する。そして、取得した干渉波形に基づき、プラズマ処理中の第１の熱流束測定用部材Ｓの第１層４１及び第３層４３のそれぞれの光路差２ｎ_１ｄ_１，２ｎ_３ｄ_３を求め、求めた光路差２ｎ_１ｄ_１，２ｎ_３ｄ_３と図６の校正データとから、第１層４１及び第３層４３のそれぞれの温度Ｔ_１，Ｔ_２を求める。こうして求めた温度Ｔ_１，Ｔ_２と上記式２と、第２層４２の厚さｄｘ（室温での厚さ）とから、イオンフラックスとして、第１の熱流束測定用部材Ｓを流れる熱流束ｑを求めることができる。更に、伝熱面積Ａが既知であるから、上記式１により熱量Ｑを求めることもできる。

なお、第２層４２の厚さｄｘもまた第２層４２を形成する材料の熱膨張率によって温度によって変化する。よって、熱流束ｑをより正確に求めるためには、第２層４２の室温での厚さを用いず、第２層４２の孔部４２ａの屈折率（つまり、空気の屈折率）を“ｎ_２”として、図５に示す反射光Ｂ，Ｄ間の光路差（２×ｎ_２×ｄｘ）を求め、この光路差から第２層４２の厚さｄｘを求めるようにしてもよい。この場合には、屈折率ｎ_２は温度に依存せずに一定であると仮定してよい。これに対して、第１層４１及び第３層４３がそれぞれ温度Ｔ_１，Ｔ_２にあるときの第２層４２の厚さを、室温での第２層４２の厚さと第２層４２を形成する材料の熱膨張率とから計算により求めて、上記式２に適用してもよい。

図７は、第１の熱流束測定用部材Ｓを流れる熱流束を測定するために基板処理装置１０に適用可能な第２の熱流束測定装置の概略構成を示すブロック図である。第２の熱流束測定装置６０は、低コヒーレンス光源６１、分光器６２、光サーキュレータ６３、コリメータ６４及び解析装置６５を備える。低コヒーレンス光源６１と光サーキュレータ６３との間の接続、分光器６２と光サーキュレータ６３との間、光サーキュレータ６３とコリメータ６４との間の接続はそれぞれ、光ファイバケーブルを用いて行われている。

低コヒーレンス光源６１は、第１の熱流束測定装置５０を構成する低コヒーレンス光源５１と同じである。光サーキュレータ６３は、低コヒーレンス光源６１から出力された低コヒーレンス光をコリメータ６４へ伝送し、また、コリメータ６４から伝送された第１の熱流束測定用部材Ｓからの反射光を解析装置６５へ伝送する。コリメータ６４は、第１の熱流束測定装置５０を構成する第１のコリメータ５４と同じ機能を有する。コリメータ６４が受光する第１の熱流束測定用部材Ｓからの反射光は、図４を参照して既に説明した通りである。

分光器６２は、大略的に、光分散素子と受光素子とで構成される。光分散素子は、光ファイバケーブルを通して伝送された反射光を波長毎に所定の分散角で分散させる。光分散素子には、例えば、回折格子を用いることができる。また、受光素子は、光分散素子により分散された反射光を受光することにより、受光した反射光スペクトル（強度ｖｓ波数）を検出する。受光素子としては、具体的には、複数のＣＣＤ素子が格子状に配置されたものが用いられる。

受光素子は、前述の通り、ＣＣＤ素子等の光電変換素子からなるため、分光器６２から解析装置６５へ出力される反射光スペクトルの信号はアナログ電気信号である。そのため、解析装置６５は、分光器６２から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、Ａ／Ｄ変換器から受信した反射光スペクトルを示すデジタル信号に対してフーリエ変換処理を行って光路長を算出し、算出した光路長から温度を算出するパーソナルコンピュータ等の演算装置とを有する。

第２の熱流束測定装置６０を用いてコリメータ６４から第１の熱流束測定用部材Ｓへ低コヒーレンス光を照射したときにも、図４に示した反射光Ａ〜Ｆが得られる。第２の熱流束測定装置６０では、反射光Ａ〜Ｆを分光器６２により、例えば、波数に依存する反射数スペクトルに分光し、得られた反射数スペクトルに対してフーリエ変換を施す。ここでのフーリエ変換とは、波数（又は周波数又は波長）が変数の関数を距離が変数の関数に変換する処理である。これにより、距離軸に反射光Ａ〜Ｆを示す各ピークが現れ、このとき、反射光Ｄ，Ｅの各ピーク間の距離が光路差２ｎ_１ｄ_１となり、反射光Ｄ，Ｆの各ピーク間の距離が光路差２ｎ_３ｄ_３となり、これらの光路差２ｎ_１ｄ_１，２ｎ_３ｄ_３と図６の校正データとから、第１層４１及び第３層４３のそれぞれの温度Ｔ_１，Ｔ_２を求めることができる。

なお、第２の熱流束測定装置６０を用いる場合、第１層４１内での低コヒーレンス光の光路長である光路差２ｎ_１ｄ_１と第３層４３内での低コヒーレンス光の光路長である光路差２ｎ_３ｄ_３との差は、低コヒーレンス光源６１のコヒーレンス長より大きいことが必要となる。これは、これらの光路長が同じ場合には、第１層４１に関わる反射光と第３層４３に関わる反射光の波形が重なって分離できなくなるからである。

次に、図８乃至図１０を参照して、第１の熱流束測定用部材Ｓの変形例である第２の熱流束測定用部材Ｓ１と、第２の熱流束測定用部材Ｓ１を流れる熱流束ｑを測定するための第３の熱流束測定装置７０及び第４の熱流束測定装置８０について説明する。

図８（ａ）は、第２の熱流束測定用部材Ｓ１の概略構造を示す断面図である。第２の熱流束測定用部材Ｓ１は、第１層４１、第２層４５び第３層４３がこの順序で積層された３層構造を有する。第１層４１及び第３層４３は、第１の熱流束測定用部材Ｓを構成する第１層４１及び第３層４３と同じであるため、ここでの詳細な説明は省略する。

第２層４５は、第２の熱流束測定用部材Ｓ１に対して照射される低コヒーレンス光を透過しない特性を有する材料からなり、例えば、アルミナ焼結体等の各種セラミックスの焼結体を用いることができる。

図８（ｂ）は、第２の熱流束測定用部材Ｓ１に低コヒーレンス光を照射したときに得られる反射光を説明する図である。第２層４５が低コヒーレンス光を透過しないために、第２の熱流束測定用部材Ｓ１に対しては、第１層４１側から低コヒーレンス光を照射すると共にその反射光を受光する第１のコリメータ５４が配置されると共に、第３層４３側から低コヒーレンス光を照射すると共にその反射光を受光する第３のコリメータ７１が配置される。第３のコリメータ７１は、図９（ａ）を参照して後述する第３の熱流束測定装置７０が備えるコリメータの１つであり、第１のコリメータ５４と同じものである。

第１のコリメータ５４から第２の熱流束測定用部材Ｓ１の第１層４１へ低コヒーレンス光を第２の熱流束測定用部材Ｓ１の厚さ方向に照射すると、照射した低コヒーレンス光の一部は、第１層４１の外側表面で反射し、反射光Ａ´となって第１のコリメータ５４へ入射する。第１層４１へ入射した低コヒーレンス光の一部は、第１層４１と第２層４５との界面で反射し、反射光Ｂ´となって第１のコリメータ５４へ入射する。また、第１層４１と第２層４５との界面で反射した低コヒーレンス光の一部は、第１層４１の外側表面で反射した後、再度、第１層４１と第２層４５との界面で反射し、反射光Ｃ´となって第１のコリメータ５４へ入射する。

同様に、第３のコリメータ７１から第２の熱流束測定用部材Ｓ１の第３層４３へ低コヒーレンス光を第２の熱流束測定用部材Ｓ１の厚さ方向に照射すると、照射した低コヒーレンス光の一部は、第３層４３の外側表面で反射し、反射光Ｇとなって第３のコリメータ７１へ入射する。第３層４３へ入射した低コヒーレンス光の一部は、第３層４３と第２層４５との界面で反射し、反射光Ｈとなって第３のコリメータ７１へ入射する。また、第３層４３と第２層４５との界面で反射した低コヒーレンス光の一部は、第３層４３の外側表面で反射した後、再度、第３層４３と第２層４５との界面で反射し、反射光Ｊとなって第３のコリメータ７１へ入射する。

図９（ａ）は、第２の熱流束測定用部材Ｓ１を流れる熱流束を測定するために基板処理装置１０に適用可能な第３の熱流束測定装置７０の概略構成を示すブロック図である。第３の熱流束測定装置７０は、第１の熱流束測定装置５０を第２の熱流束測定用部材Ｓ１に対して低コヒーレンス光を照射することができるように変形した構成となっており、そのため、第１の熱流束測定装置５０と共通する構成要素（低コヒーレンス光源５１、光検出器５２、２×２カプラ５３、第１のコリメータ５４、第２のコリメータ５５、参照ミラー５６、解析装置５７）については同じ符号を付して、ここでの説明を省略する。

第３の熱流束測定装置７０では、２×２カプラ５３からの１つの出力先にスプリッタ７２を接続し、スプリッタ７２において低コヒーレンス光を２つの経路に分離させて、それぞれ、第１のコリメータ５４と第３のコリメータ７１へ伝送している。第１のコリメータ５４及び第３のコリメータ７１はそれぞれ、図８（ｂ）を参照して説明したように第２の熱流束測定用部材Ｓ１に対して低コヒーレンス光を照射すると共にその反射光を受光する。第１のコリメータ５４及び第３のコリメータ７１がそれぞれ受光した反射光は、スプリッタ７２及び２×２カプラ５３を介して光検出器５２へ伝送される。

なお、第３のコリメータ７１は、プラズマに晒されない位置に配置する必要がある。そこで、例えば、基板処理装置１０では、上部電極板２７に孔部を設け、この孔部に第３のコリメータ７１を収容して、静電チャック２３上に載置された第２の熱流束測定用部材Ｓ１の第３層４３へ低コヒーレンス光を照射する構成とする。

図９（ｂ）は、第３の熱流束測定装置７０を用いて図８（ｂ）に示す反射光を取得したときの干渉波形の例を模式的に示す図である。なお、第３の熱流束測定装置７０における反射光の解析方法は、第１の熱流束測定装置５０における反射光の解析方法と同じであるので、ここでの説明を省略する。

図９（ｂ）には、第１層４１及び第３層４３は同じ材料からなるが、厚さｄ３＞厚さｄ１とした例が示されている。反射光Ａ´，Ｂ´の各ピーク間の距離と反射光Ｂ´，Ｃ´の各ピーク間の距離は共に光路差２ｎ_１ｄ_１の半分の値であるｎ_１ｄ_１となる。同様に、反射光Ｇ，Ｈの各ピーク間の距離と反射光Ｈ，Ｊの各ピーク間の距離は共に光路差２ｎ_３ｄ_３の半分の値であるｎ_３ｄ_３となる。よって、第３の熱流束測定装置７０により求めた光路差２ｎ_１ｄ_１，２ｎ_３ｄ_３と図６と同様の校正データ（ここでは、第１層４１と第３層４３のそれぞれの厚さｄ_１，ｄ_３が異なることから、光路差２ｎ_１ｄ_１，２ｎ_３ｄ_３のそれぞれについて準備したもの）とから、第１層４１及び第３層４３のそれぞれの温度Ｔ_１，Ｔ_２を求め、求めた温度Ｔ_１，Ｔ_２と上記式２と、第２層４５の厚さｄｘとから、イオンフラックスとして、第２の熱流束測定用部材Ｓ１を流れる熱流束ｑを求めることができる。

図１０（ａ）は、第２の熱流束測定用部材Ｓ１を流れる熱流束を測定するために基板処理装置１０に適用可能な第４の熱流束測定装置８０の概略構成を示すブロック図である。第４の熱流束測定装置８０は、第２の熱流束測定装置６０を、第２の熱流束測定用部材Ｓ１に対して低コヒーレンス光を照射することができるように変形した構成となっており、よって、第２の熱流束測定装置６０と共通する構成要素（低コヒーレンス光源６１、分光器６２、解析装置６５）については同じ符号を付して、ここでの説明を省略する。

第４の熱流束測定装置８０では、低コヒーレンス光源６１から出力された低コヒーレンス光を２×２カプラ５３（第１の熱流束測定装置５０が備えるものと同じ）に入力し、２×２カプラ５３から第１のコリメータ６４´と、第２のコリメータ７３へ出力する。なお、第１のコリメータ６４´は第２の熱流束測定装置６０が備えるコリメータ６４と同じであり、第２のコリメータ７３は第３の熱流束測定装置７０が備える第３のコリメータ７１と同じである。

第１のコリメータ６４´及び第２のコリメータ７３はそれぞれ、図８（ｂ）を参照して説明したように第２の熱流束測定用部材Ｓ１に対して低コヒーレンス光を照射すると共にその反射光を受光する。第１のコリメータ６４´及び第２のコリメータ７３がそれぞれ受光した反射光は、２×２カプラ５３を介して分光器６２へ伝送される。

図１０（ｂ）は、第４の熱流束測定装置８０を用いて図８（ｂ）に示す反射光を取得し、フーリエ変換を行うことで得られるスペクトルの例を模式的に示す図である。なお、第４の熱流束測定装置８０における反射光の解析方法は、第２の熱流束測定装置６０における反射光の解析方法と同じであるので、ここでの説明を省略する。

フーリエ変換により、距離ｘに対して反射光Ａ´，Ｂ´，Ｃ´，Ｇ，Ｈ、Ｊのそれぞれに対応するピークが現れる。反射光Ａ´，Ｂ´の各ピーク間の距離と反射光Ｂ´，Ｃ´の各ピーク間の距離は共に光路差２ｎ_１ｄ_１を示す。同様に、反射光Ｇ，Ｈの各ピーク間の距離と反射光Ｈ，Ｊの各ピーク間の距離は共に光路差２ｎ_３ｄ_３を示す。よって、第４の熱流束測定装置８０により求めた光路差２ｎ_１ｄ_１，２ｎ_３ｄ_３と図６と同様の校正データ（第１層４１と第３層４３のそれぞれの厚さｄ_１，ｄ_３が異なることから、光路差２ｎ_１ｄ_１，２ｎ_３ｄ_３毎に準備したもの）とから、第１層４１及び第３層４３のそれぞれの温度Ｔ_１，Ｔ_２を求め、求めた温度Ｔ_１，Ｔ_２と上記式２と、第２層４５の厚さｄｘとから、イオンフラックスとして、第２の熱流束測定用部材Ｓ１を流れる熱流束ｑを求めることができる。

次に、図１１を参照して、第１の熱流束測定用部材Ｓの変形例である第３の熱流束測定用部材Ｓ２について説明する。図１１は、第３の熱流束測定用部材Ｓ２の概略構造を示す断面図である。第３の熱流束測定用部材Ｓ２は、第１層４１、第２層４６び第３層４３がこの順序で積層された３層構造を有する。第１層４１及び第３層４３は、第１の熱流束測定用部材Ｓを構成する第１層４１及び第３層４３と同じであるため、ここでの詳細な説明は省略する。

第２層４６は、第３の熱流束測定用部材Ｓ２に対して照射される低コヒーレンス光を透過する特性を有し、且つ、第１層４１及び第３層４３とは異なる材料からなり、例えば、ＳｉＯ_２系ガラスやサファイア（単結晶）等を用いることができる。

第３の熱流束測定用部材Ｓ２は、第１の熱流束測定用部材Ｓと同様に用いられ、第３の熱流束測定用部材Ｓ２を流れる熱流束ｑの測定には、第１の熱流束測定装置５０又は第２の熱流束測定装置６０が用いられる。つまり、第３の熱流束測定用部材Ｓ２では、第２層４６が低コヒーレンス光を透過するため、第３の熱流束測定用部材Ｓ２の厚さ方向に低コヒーレンス光を照射することで、図４を参照して説明した反射光と同様の反射光が得られ、得られた反射光を解析することによって、光路差２ｎ_１ｄ_１，２ｎ_３ｄ_３を測定することができる。よって、測定した光路差２ｎ_１ｄ_１，２ｎ_３ｄ_３と図６の校正データとから、第１層４１及び第３層４３のそれぞれの温度Ｔ_１，Ｔ_２を求め、求めた温度Ｔ_１，Ｔ_２と上記式２と、第２層４６の厚さｄｘとから、イオンフラックスとして、第２の熱流束測定用部材Ｓ１を流れる熱流束ｑを求めることができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。上記実施の形態では、例えば、第１の熱流束測定用部材Ｓの第３層４３の表面がプラズマに晒される形態で説明したが、第１の熱流束測定用部材Ｓは、第１層４１の表面がプラズマに晒されるように静電チャック２３上に載置されてもよい。

また、上記実施の形態では、静電チャック２３上に第１の熱流束測定用部材Ｓを載置したが、これに限られず、静電チャック２３上に載置されたウエハＷ上に第１の熱流束測定用部材Ｓを重ねて載置してプラズマを発生させて第１の熱流束測定用部材Ｓを流れる熱流束ｑを測定してもよい。この場合には、ウエハＷの裏面と表面からの反射光が加わるため、測定される干渉波形はより複雑になるが、干渉波形から第１層４１及び第３層４３について光路差２ｎ_１ｄ_１，２ｎ_３ｄ_３（又はその半分のｎ_１ｄ_１，ｎ_３ｄ_３）を示す波形を抽出することによって、第１層４１及び第３層４３のそれぞれの温度Ｔ_１，Ｔ_２を測定することができることに変わりはない。また、この場合には、第１の熱流束測定用部材ＳとウエハＷと間の界面での熱伝達をよくする手法を取り入れる必要がある。

本発明の実施の形態に係る熱流束測定方法は、プラズマエッチングに限らず、ウエハＷにプラズマＣＶＤによる成膜等のプラズマを用いて各種の処理を行う基板処理装置に適用することができる。また、更に、基板処理装置は、ウエハＷをプラズマ処理するものに限定されるものではなく、例えば、であるＦＰＤ（Flat Panel Display）用ガラス基板やフォトマスク、ＣＤ基板、プリント基板等のウエハＷ以外の基板を処理する基板処理装置であってもよい。

１０ 基板処理装置
４１ 第１層
４２ 第２層
４２ａ 孔部
４３ 第３層
５０ 第１の熱流束測定装置
５１，６１ 低コヒーレンス光源
５２ 光検出器
５３ ２×２カプラ
５４ 第１のコリメータ
５５ 第２のコリメータ
５６ 参照ミラー
５７，６５ 解析装置
６０ 第２の熱流束測定装置
６２ 分光器
６３ 光サーキュレータ
６４ コリメータ
６４´ 第１のコリメータ
７０ 第３の熱流束測定装置
７１ 第３のコリメータ
７２ スプリッタ
７３ 第２のコリメータ
８０ 第４の熱流束測定装置
Ｓ 第１の熱流束測定用部材
Ｓ１ 第２の熱流束測定用部材
Ｓ２ 第３の熱流束測定用部材

Claims (26)

1. 基板処理室内に発生させたプラズマのイオンフラックスを熱流束として測定する熱流束測定方法であって、
   第１層、第２層及び第３層がこの順で積層された構造を有し、少なくとも前記第２層は前記第１層及び前記第３層とは異なる材料からなる熱流束測定用部材をプラズマに晒した状態で、前記熱流束測定用部材に対して前記第１層乃至前記第３層の積層方向に低コヒーレンス光を照射したときの前記熱流束測定用部材からの反射光の光干渉を利用して、前記第１層内を厚さ方向に往復する低コヒーレンス光の前記第１層内での光路長と前記第３層内を厚さ方向に往復する低コヒーレンス光の前記第３層内での光路長とを測定する光路長測定ステップと、
   前記第１層及び前記第３層について、前記第１層及び前記第３層の温度と前記第１層内での前記低コヒーレンス光の光路長と前記第３層内での前記低コヒーレンス光の光路長との関係を示す校正データを作成するデータ作成ステップと、
   前記光路長測定ステップで測定した前記第１層内での前記低コヒーレンス光の光路長と前記第３層内での前記低コヒーレンス光の光路長とを前記データ作成ステップで作成した前記校正データに照らし合わせて前記部第１層及び前記第３層のそれぞれの温度を求める温度測定ステップと、
   前記温度測定ステップで求めた前記部第１層及び前記第３層のそれぞれの温度と、前記第２層の厚さ及び熱伝導率とから、前記熱流束測定用部材を流れる熱流束を算出する熱流束算出ステップとを有することを特徴とする熱流束測定方法。
2. 前記熱流束測定用部材の前記第１層内での前記低コヒーレンス光の光路長と前記第３層内での前記低コヒーレンス光の光路長との差が、前記低コヒーレンス光の光源のコヒーレンス長よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の熱流束測定方法。
3. 前記熱流束測定用部材は、前記第１層及び前記第３層の厚さが前記第２層の厚さよりも薄いことを特徴とする請求項１又は２記載の熱流束測定方法。
4. 前記熱流束測定用部材は、前記第１層及び前記第３層を形成する材料の熱伝導率が前記第２層を形成する材料の熱伝導率よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱流束測定方法。
5. 前記光路長測定ステップでは、光源から出力される低コヒーレンス光を２つの光路に分け、前記２つの光路の一方を進む低コヒーレンス光を前記熱流束測定用部材に対して前記第１層乃至前記第３層の積層方向に照射したときの前記熱流束測定用部材からの反射光と前記２つの光路の他方を進む低コヒーレンス光を参照ミラーに照射すると共に前記参照ミラーを低コヒーレンス光の入射方向と平行な方向に移動させたときの前記参照ミラーからの反射光との干渉光と、前記参照ミラーの移動距離とから、前記第１層内での前記低コヒーレンス光の光路長と前記第３層内での前記低コヒーレンス光の光路長とを測定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の熱流束測定方法。
6. 前記熱流束測定用部材の前記第２層は、前記低コヒーレンス光を透過しない材料からなり、
   前記光路長測定ステップでは、前記２つの光路の一方を進む低コヒーレンス光を更に２つの光路を進むように分岐させ、更に分岐した一方を進む低コヒーレンス光を前記第１層側から前記第１層へを照射すると共に、更に分岐した他方を進む低コヒーレンス光を前記第３層側から前記第３層へ照射することを特徴とする請求項５記載の熱流束測定方法。
7. 前記光路長測定ステップでは、前記低コヒーレンス光を前記熱流束測定用部材に対して前記第１層乃至前記第３層の積層方向に照射したときの前記熱流束測定用部材からの反射光のスペクトルをフーリエ変換することによって、前記第１層内での前記低コヒーレンス光の光路長と前記第３層内での前記低コヒーレンス光の光路長とを測定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の熱流束測定方法。
8. 前記熱流束測定用部材の前記第２層は、前記低コヒーレンス光を透過しない材料からなり、
   前記光路長測定ステップでは、光源から出力される前記低コヒーレンス光を２つの光路に分け、前記２つの光路の一方を進む低コヒーレンス光を前記第１層側から前記第１層へ前記低コヒーレンス光を照射すると共に、前記２つの光路の他方を進む低コヒーレンス光を前記第３層側から前記第３層へ照射することを特徴とする請求項７記載の熱流束測定方法。
9. 前記熱流束測定用部材の前記第２層には孔部が設けられており、
   前記光路長測定ステップでは、前記低コヒーレンス光を前記孔部を通過するように前記熱流束測定用部材に対して照射することを特徴とする請求項５又は７記載の熱流束測定方法。
10. 収容した基板に対して所定のプラズマ処理を施す基板処理室と、
    第１層、第２層及び第３層がこの順で積層された構造を有し、少なくとも前記第２層は前記第１層及び前記第３層とは異なる材料からなり、前記第１層の表面又は前記第３層の表面が前記基板処理室内に発生させたプラズマに晒されるように前記基板処理室内に配置される熱流束測定用部材と、
    前記基板処理室内に発生させたプラズマのイオンフラックスを熱流束として測定する熱流束測定装置とを備える基板処理システムであって、
    前記熱流束測定装置は、
    前記熱流束測定用部材に対して前記第１層乃至前記第３層の積層方向に低コヒーレンス光を照射し、その反射光を取得する光学系と、
    前記熱流束測定用部材からの反射光の光干渉を利用して前記熱流束測定用部材を流れる熱流束を算出する解析装置とを有し、
    前記解析装置は、前記第１層内を厚さ方向に往復する低コヒーレンス光の前記第１層内での光路長と前記第３層内を厚さ方向に往復する低コヒーレンス光の前記第３層内での光路長とを測定し、測定した前記第１層内での前記低コヒーレンス光の光路長と前記第３層内での前記低コヒーレンス光の光路長とを事前に作成された前記第１層及び前記第３層の温度と前記第１層内での前記低コヒーレンス光の光路長と前記第３層内での前記低コヒーレンス光の光路長との関係を示す校正データに照らし合わせることで前記部第１層及び前記第３層のそれぞれの温度を求め、求められた前記部第１層及び前記第３層のそれぞれの温度と、前記第２層の厚さ及び熱伝導率とから、前記熱流束測定用部材を流れる熱流束を算出することを特徴とする基板処理システム。
11. 前記熱流束測定用部材の前記第１層内での前記低コヒーレンス光の光路長と前記第３層内での前記低コヒーレンス光の光路長との差が、前記低コヒーレンス光の光源のコヒーレンス長よりも大きいことを特徴とする請求項１０記載の基板処理システム。
12. 前記熱流束測定用部材は、前記第１層及び前記第３層の厚さが前記第２層の厚さよりも薄いことを特徴とする請求項１０又は１１記載の基板処理システム。
13. 前記熱流束測定用部材は、前記第１層及び前記第３層を形成する材料の熱伝導率が前記第２層を形成する材料の熱伝導率よりも大きいことを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の基板処理システム。
14. 前記光学系は、光源から出力される前記低コヒーレンス光を２つの光路を進むように分岐させ、前記２つの光路の一方を進む低コヒーレンス光を前記熱流束測定用部材に対して前記第１層乃至前記第３層の積層方向に照射したときの前記熱流束測定用部材からの反射光と前記２つの光路の他方を進む低コヒーレンス光を参照ミラーに照射すると共に前記参照ミラーを低コヒーレンス光の入射方向と平行な方向に移動させたときの前記参照ミラーからの反射光との干渉光を取得し、
    前記解析装置は、前記光学系が取得した干渉光と前記参照ミラーの移動距離とから、前記第１層内での前記低コヒーレンス光の光路長と前記第３層内での前記低コヒーレンス光の光路長とを測定することを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載の基板処理システム。
15. 前記熱流束測定用部材の前記第２層は、前記低コヒーレンス光を透過しない材料からなり、
    前記光学系は、前記２つの光路の一方を進む低コヒーレンス光を更に２つの光路を進むように分岐させ、更に分岐した一方を進む低コヒーレンス光を前記第１層側から前記第１層へを照射すると共に、更に分岐した他方を進む低コヒーレンス光を前記第３層側から前記第３層へ照射することを特徴とする請求項１４記載の基板処理システム。
16. 前記解析装置は、前記光学系から出力される低コヒーレンス光を前記熱流束測定用部材に対して前記第１層乃至前記第３層の積層方向に照射したときの前記熱流束測定用部材からの反射光のスペクトルをフーリエ変換することによって、前記第１層内での前記低コヒーレンス光の光路長と前記第３層内での前記低コヒーレンス光の光路長とを測定することを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載の基板処理システム。
17. 前記熱流束測定用部材の前記第２層は、前記低コヒーレンス光を透過しない材料からなり、
    前記光学系は、光源から出力される前記低コヒーレンス光を２つの光路に分け、前記２つの光路の一方を進む低コヒーレンス光を前記第１層側から前記第１層へ前記低コヒーレンス光を照射すると共に、前記２つの光路の他方を進む低コヒーレンス光を前記第３層側から前記第３層へ照射することを特徴とする請求項１６記載の基板処理システム。
18. 前記熱流束測定用部材の前記第２層には孔部が設けられており、
    前記光学系は、前記低コヒーレンス光を前記孔部を通過するように前記熱流束測定用部材に対して照射することを特徴とする請求項１４又は１６記載の基板処理システム。
19. プラズマを発生させる基板処理装置内に配置される熱流束測定用部材であって、
    低コヒーレンス光を透過する第１層と、
    前記第１層上に積層された第２層と、
    前記第２層上に積層され、前記低コヒーレンス光を透過する第３層とを有し、
    少なくとも前記第２層は前記第１層及び前記第３層とは異なる材料からなり、
    前記第１層の表面又は前記第３層の表面が前記プラズマに晒されるように前記基板処理室内に配置されることを特徴とする熱流束測定用部材。
20. 前記第２層に前記低コヒーレンス光を透過させるための孔部が、前記第１層、前記第２層及び前記第３層の積層方向に貫通するように設けられていることを特徴とする請求項１９記載の熱流束測定用部材。
21. 前記第２層は、前記低コヒーレンス光を透過しない材料からなることを特徴とする請求項１９又は２０記載の熱流束測定用部材。
22. 前記第２層は、前記低コヒーレンス光を透過する材料からなることを特徴とする請求項１９又は２０記載の熱流束測定用部材。
23. 前記第１層及び前記第３層はシリコンからなることを特徴とする請求項１９乃至２２のいずれか１項に記載の熱流束測定用部材。
24. 前記第１層内での前記低コヒーレンス光の光路長と前記第３層内での前記低コヒーレンス光の光路長との差が、前記低コヒーレンス光の光源のコヒーレンス長よりも大きいことを特徴とする請求項１９乃至２３のいずれか１項に記載の熱流束測定用部材。
25. 前記第１層及び前記第３層の厚さが前記第２層の厚さよりも薄いことを特徴とする請求項１９乃至２４のいずれか１項に記載の熱流束測定用部材。
26. 前記第１層及び前記第３層を形成する材料の熱伝導率が前記第２層を形成する材料の熱伝導率よりも大きいことを特徴とする請求項１９乃至２５のいずれか１項に記載の熱流束測定用部材。

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