JPH0363534A - 温度測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、温度測定方法、特に、対象物体から放射され
る放射エネルギーに依存する温度を測定する高温測定方
法に関する。

［従来の技術］ 被加熱体から放射される放射エネルギー量は、その被加
熱体の温度１こ比例することが知られており、ステファ
ン・ボルツマンの法則及び／又はブランクの放射公式を
使用して計算することができる。反対に、被加熱体の温
度は、被加熱体により放射される放射エネルギー量を測
定し、測定した放射量を放射公式を使用して温度に関係
づけることにより、計算できる。たいていの従来の高温
測定装置は、この動作原理を使用している。しかし、こ
れらの装置は、その放射公式の計算を行う際に、見積放
射係数を使用するので、これらの装置の精度には限界が
ある。

高温測定装置を使用するほとんどの場合、高精度の測定
は必要ないので、見積放射係数を使用することには問題
がない。しかし、半導体ウエーノ＼のある製造工程では
、使用する不純物の拡散特性の温度依存性が高いために
、半導体ウェー７％を形成する材料の薄い層への不純物
の拡散を制御するために、半導体材料の温度について正
確な情報を必要とする。この様な工程では、拡散効果を
適当に制御するために一５〜＋５°Ｃの範囲で材料の温
度を測定できることが必要である。このレベルの精度は
、たいていの従来の高温測定器の性能より相当高い。

更に、半導体ウェーハの温度測定で、高温測定技術を使
用することは、これらのウェーハの周囲環境が、製造工
程の間ウェーハの温度を上昇させ、且つ維持する際に使
用する放射性素子からの光を頻繁に受けるということに
より、面倒になる。更に、ウェーハの温度測定には、ウ
ェーハ自体の異なる層からの放出の相互作用に起因する
干渉効果によるウェーハの放射係数の実質的変動のため
に、もっと困難になる。多くの従来の高温測定器は、そ
の示度が漂遊放射により悪影響を受け、且つ見積放射係
数の誤差により悪影響を受ける。

したがって、本発明の目的は、従来よりも正確な温度示
度を得る温度測定方法の提供にある。

本発明の他の目的は、温度測定の対象物体に関する放射
係数を正確に求める温度測定方法の提供にある。

本発明の他の目的は、ウェーハ製造中の半導体材料の温
度を正確に測定し、製造環境に存在する放射エネルギー
に関連する妨害を防止する温度測定方法の提供にある。

［課題を解決するための手段及び作用コ本発明は、被加
熱体からの放射エネルギーに依存する温度を測定するた
めの温度測定方法であり、温度を測定する物体の放射率
を求めることにより、高い精度が得られる。この温度測
定方法は、間欠的に被加熱体を照明する光源と、被加熱
体により反射された光及び放射された光を結合した光の
量、及び被加熱体により放射された光の量を別々に測定
するためのフォトダイオードの様な放射エネルギー検出
機構とを使用する。温度測定方法は、更に、マイクロプ
ロセッサの様な信号処理ユニットを使用して、放射エネ
ルギー検出機構により得た情報を処理し、被加熱体の放
射率を求め、最終的に被加熱体の温度を求める。

動作において、光源は、温度測定の対象となる被加熱体
を間欠的に照明し、一方、放射エネルギー検出機構は、
被加熱体が光源により照明されるときに、被加熱体が反
射及び放射する光の量、及び被加熱体が照明されないと
きに、被加熱体が放射する光の量を別々に測定する。次
に、信号処理ユニットは、被加熱体の反射率及びそれに
対応する放射率を計算する。信号処理ユニットは、被加
熱体が放射した光の量及び予め計算した放射率に基づき
、ステファン・ボルツマンの法則及びブランクの放射公
式を使用して、被加熱体の温度を求める。

好適な実施例では、温度測定方法は、製造中の半導体ウ
ェーハの温度測定に使用される。赤外線光源は、被加熱
体を照明する光を発生するために使用され、光ファイバ
・ケーブルは、赤外線光源から被加熱体に光を伝達する
ために使用される。

帯域通過フィルタは、放射エネルギー検出機構と組み合
わせて使用され、測定される放射光を、波長５．０及び
０．８μｍの間に中心が合わされた帯域内の赤外線光に
制限する。光ファイバ・ケーブルは、光源からの光を処
理中の半導体ウェーハ上に集中させ、一方、帯域通過フ
ィルタは、ウェーハ製造中に存在する他の光源からの漂
遊光による光測定の妨害を防止するように作用する。

本発明の温度測定方法は、被加熱体に光を照射し、被加
熱体から反射及び放射される第１の光の量を測定し、被
加熱体に光を照射しないときに、被加熱体から放射され
る第２の光の量を測定し、第１及び第２の光の量を使用
して、被加熱体の反射率を測定し、反射率から被加熱体
の放射率を求め、放射率及び第２の光の量を使用して、
被加熱体の温度を求めることを特徴とする。

［実施例コ 第１１ｆｆｌに示す本発明を実現するための温度測定装
置（１０）は、アルゴン・アーク灯（１４）からの放射
光を使用して製造及び加熱する工程中の半導体ウェーハ
（１２）の温度を測定するように構成されている。アル
ゴン灯（１４）は、ａ常、１５０ｋＷの電力レベルであ
る３２００にで動作し、製造工程中、ウェーハ（１２）
に対し放射エネルギニを照射すると共に、必要な加熱を
行う。

アルゴン灯（１４）は、ウェーハ・ジャケット（１６）
で囲まれていることに留意されたい。このウェーハ・ジ
ャケット　（１６）は、灯（１４）を冷却するように作
用するが、更に、灯（１４）から放射された放射光の波
長にも影響を及ぼす。

特に、ジャケット（１６）内の水は、灯（１４）から放
射される約１．４〜１．５μｍの波長又は約１．９〜５
．０μｍの波長の範囲の放射光の量を大幅に減少させる
。

この装置の光源（２０）は、水晶ハロゲン電球（２２）
、反射体（２４）及びレンズ（２６〉を含み、電球（２
２）から放射された光は、反射体（２４〉により反射さ
れて、レンズ（２６）に向けられる。レンズ（２６）は
、光ファイバ・ケーブル（２８〉の隣接する端部（２７
）に放射光を集束させる。光源（２０）は、後述する本
発明の動作原理に基づいて有効な十分な量の赤外線放射
光を供給するように選ばれる。光ファイバ・ケーブル（
２８）は、光源（２０）からの放射光を回転盤（３０）
の下側に伝達する一束の光フアイバ要素を含み、放射光
はその末端部（２９）から回転盤（３０）を介して半導
体（１２）に向かう。

回転盤（３０）は、その中心から放射方向の異なる距離
に位置する内側及び外側の２組の細長い開口即ちスロッ
ト状開口を有する。各組の隣接する全ての開口は、円周
方向で互いに等間隔に位置する。開口は、光信号が交互
に、回転盤（３０）の本体で遮断され、回転盤（３０）
の開口を通過するので、回転盤（３０）上の放射方向の
位置に向けられた光信号は、回転盤（３０）の回転速度
に応じて変調される。光ファイバ・ケーブル（２８）か
らの光は、矢印（３１）に示す様に、内側の組の開口を
通って半導体ウェーハ（１２）に向い、一方、ウェーハ
（１２）により反射光及び放射された光は、矢印（３３
）に示す様に外側の組の開口を通って、フィルタ（４０
）に伝達される。回転盤（３０）を通過する各光信号は
、盤（３０〉の回転速度に応じて変調されるが、内側の
組の孔は５個のスロット状開口を含み、外側の組の孔は
６個のスロット状孔を含むので、これらの信号は異なる
周波数で変調される。これにより、信号情報を単一光学
チャンネルで時間多重伝送できる。光信号が適当に変調
されれば、内側及び外側の組の孔は、夫々５個及び６個
より多くても、少なくてもよい。ただし、この場合は、
異なる信号パターンが生じる。

フィルタ（４０）は、灯（１４）の水吸収帯域内の赤外
線光のみを通過させるように選択した光学帯域通過フィ
ルタを含み、測定しようとする光に灯（１４）から不要
な光が混入することを防止する。フィルタ（４０）は、
約ＩＱｎｍ狭帯域幅を有し、灯（１４）の水吸収帯域内
のピークに対応する波長１．４６μｍ又は１．９０μｍ
のいずれかに中心が合った光を通過させる。フィルタ（
４０）を通過する半導体ウェーハ（１２〉からの光は、
赤外線光の検出に適したゲルマニウム・ダイオードの様
なフォトダイオード（４２）により受光される。このフ
ォトダイオード（４２）は、受光した光の量に比例する
信号を信号処理ユニッ）（５０）に伝達する。

タイミング・ユニット（５２）は、小さい光源と、この
光源に対して回転盤（３０）の反対側に配置された関連
する光検出器とを含み、回転盤（３０）の周縁部に沿っ
て配置され、回転盤（３０）の周縁部に形成した切り欠
き部の通過を検出する。タイミング・ユニット（５２〉
は、回転盤（３０）の角度位置及び回転速度を表すタイ
ミング信号を発生する。この信号は、信号処理ユニット
（５０）に供給され、フォトダイオード（４２〉から供
給された信号を判断する際に使用する。もう１つの光検
出器（５４）は、光源（２０）に隣接して配置され、光
源（２０）で発生した光の一定割合の量を受光するよう
に位置決めされる。検出器（５４）は、光源（２０〉が
発生した光の性質及び量を表す信号を信号処理ユニット
　（５０）に供給する。

信号処理ユニツ）（５０）は、フォトダイオード（４２
）からの信号情報をデジタル形式に変換するために、こ
の信号を処理するアナログ・デジタル変換器、タイミン
グ・ユニット（５２）及び光検出器（５４）を含み、更
に、この情報を処理するマイクロプロセッサ・システム
を含んで、放射信号及び最終的な観察のためにデジタル
表示器（５６）に供給される温度信号を得る。

第２図は、４つの基本動作から戒る本発明の装置の動作
を示す。第１ステツプ（６２）では、光源（２０）、光
ファイバ・ケーブル（２８）及び回転盤（３０）は協動
し、半導体ウェーハ（１２）に赤外線光を間欠的に照射
する。第２ステツプ（６４）では、ウェーハ（１２）か
ら反射及び放射され、フィルタ（４０）を通過する帯域
内の光の選択された量が、フォトダイオード（４２〉に
より測定される。放射された光信号及び反射された光信
号は、回転盤（３０）の回転に応じて別々に変調され、
特に、内側及び外側の組の開口の数は異なるので、これ
らの信号は互いに位相がずれて変調される。

第３図に示す様に、変調のパターンの結果、３つの別個
の信号レベルが、フォトダイオード（４２）にまり生成
及び測定される。信号は互いに“ビート”を生じるので
、反射及び放射された光に対応する信号レベルＲＥＡ、
放射された信号のみに対応する信号レベルＲＡ及びバッ
クグラウンド放射光に対応する信号レベルＮＬは、回転
盤（３０）の回転の各サイクルＣＬの過程の間に生成さ
れる。これらの異なる放射信号は、タイミング・ユニッ
ト　（５２）から供給されたタイミング信号ＴＭに応じ
て、信号処理ユニツ）（５０）により探し当てられてサ
ンプルされ、これにより信号処理動作は簡単に行われる
。信号処理ユニット（５０〉は、３つの別個の信号レベ
ル、即ち反射光及び放射光を結合した光の量を表すレベ
ルＲＥＡ１放射光の量を表すレベルＲＡ及びバックグラ
ウンド放射光の量を表すレベルＮＬを適当に得る。

第３ステツプで−は、信号処理ユニット（５０）は、信
号レベルＲＥＡから信号レベルＲＡ及びＮＬを減算して
、ウェーハ（１２〉により反射された光の量を求める。

この光の量は、反射率略１００％の対象物体に関する基
準レベルＲＥＦと比較される。この基準レベルは、ウェ
ーハ（１２）の反射率を正確に測定するために、光検出
器（５４）が検出した光＃（２０）−の性質に従って、
調整されている。この反射率の値は、ウェーハ（１２）
の放射率を求めるために、１．００から減算される。

第４ステツプ（６８〉では、処理ユニット（５０）は、
放射エネルギー信号のレベルＲＡからヌル信号レベルＮ
Ｌを減算し、ウェーハ（１２）から放射されるエネルギ
ーの量を表す数値を求める。この数値を、予め計算され
た放射率で除算し、更に、装置（１０）の校正定数Ｃで
除算することで、半導体ウェーハ（１２）の温度の４乗
に相当する信号レベルが得られる。ウェーハ（１２）の
温度に関係する信号値を求めるために、この信号レベル
を１／４乗する。以上の動作により、次に示すステファ
ン・ボルツマンの法則に従って、ウェーハの温度に相関
する信号値が生成される。

ここで、Ｔは、絶対温度（Ｋｏ） ＲＡは、エネルギー・レベル ＮＬは、バックグラウンド・エネルギー・レベル Ｃは、装置の校正定数 ＲＥＡは、放射及び反射されたエネルギー・レベル ＲＥＦは、反射率基準レベル この信号レベルは、ブランクの放射公式に従って、温度
を有する放射光のスペクトル分布の変化、特に、温度に
直接に対応する信号を求めるためにフィルタ（４０〉に
より決められる帯域で放射される総放射エネルギーの百
分率のずれを補正するために、値を調整するル°ツクア
ップ表に照合される。この信号レベルが示す対象物体の
温度の値は、表示器（５６）に温度示度として表示され
る。信号処理ユニット　（５ｏ）のマイクロプロセッサ
・システムは、要求動作を行うのに必要な命令を与える
システム・ソフトウェアに従ってデジタル信号の処理を
行い、以上の動作を実行できる。半導体材料の放射率の
正確な値を使用して、半導体ウェーハの正確な温度示度
が求められる。

ン・アーク灯、（２０）は光源、（４２）はフォトダイ
オード、（５０）は信号処理ユニット、（５４〉は光検
出器である。

［発明の効果コ 本発明によれば、被加熱体の光の反射率を求め、この反
射率から放射率を求め、更にこの放射率及び被加熱体が
放射した光の量を使用して、ステファン・ボルツマンの
法則及びブランクの放射公式を基づき、被加熱体の温度
を正確に求めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による温度測定方法を実現するための温
度測定装置示す構成図、第２図は本発明の温度測定方法
を説明するための流れ図、第３図は本発明において検出
する信号を示す波形図である。 代　　理　　人 松　　隈　　秀　　盛

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 被加熱体に光を照射し、 上記被加熱体から反射及び放射される第１の光の量を測
   定し、 上記被加熱体に光を照射しないときに、該被加熱体から
   放射される第２の光の量を測定し、上記第１及び第２の
   光の量を使用して、上記被加熱体の反射率を測定し、 上記反射率から上記被加熱体の放射率を求め、該放射率
   及び上記第２の光の量を使用して、上記被加熱体の温度
   を求めること を特徴とする温度測定方法。