JPH05256706A

JPH05256706A - 狭スペクトルバンド高温計

Info

Publication number: JPH05256706A
Application number: JP4304405A
Authority: JP
Inventors: Michelangelo Delfino; ミケランジェロ・デルフィノ; David T Hodul; デビッド・ティー・ホデュル
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1991-10-18
Filing date: 1992-10-19
Publication date: 1993-10-05
Also published as: US5203631A

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】吸収帯をもつフィルムでコーティングされた半
導体ウエーハなどのような物体の温度を測定するための
狭スペクトルバンド高温計を提供する。【構成】本高温計は物体から発せられる熱放射をレンズ
３、アパーチャ４、フィルタ５に通過させて放射検出器
６に集め、放射の強さを測定する。フィルタ５はフィル
ム２の吸収帯の範囲に包含される通過帯域をもつ。検出
される放射は加熱された物体が実質的に不透明である波
長にあり、温度測定における放射率の不確かさの影響は
最小化される。フィルム２はフィルタ５の通過帯域を包
含する吸収帯をもち、物体１がフィルタ５を通して見た
時不透明に見えるのに十分大きな厚さをもつものとす
る。或いは、フィルム２は放射率が一定で通過帯の波長
範囲で正確に知られているような材料と厚さとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の技術分野】本発明は温度測定装置と温度測定方
法に関するもので、より具体的には赤外領域の狭スペク
トルバンドを利用する高温計に関するものである。

【０００２】

【背景技術】赤外高温計は魅力的な温度測定技術であ
る。それは速いし、温度を測定しようとする物体との物
理的接触を要しない。高温計は、加熱された物体により
発せられる熱放射を検知して、この検出された放射線の
強さを使って物体の温度を測定することにより作動す
る。

【０００３】完全な放射及び吸収物体（“黒体”）につ
いて、この決定は周知の“黒体スペクトル”を使ってな
される。このスペクトルはプランクの放射則によって与
えられ、これは放射線の強さをすべての物質につき同じ
である温度と波長の単一関数として記述する。しかし、
現実の物体において、放射される熱放射は材料表面の性
状にも依存する。これら性状は通常材料の放射率として
表わされ、それは実際に発せられた放射線の強さと、そ
の材料が完全な黒体であったら発せられたであろう強さ
との比である。放射率はまた、放射線の波長と材料温度
との関数でもある。検出された放射線の強さから物体の
温度を決定するためには放射率の値を知らなければなら
ない。高温計の方式においては、放射率の不確かさが温
度を測定し得る正確度の基本的制約となっている。

【０００４】例えば赤外高温計は、半導体ウエーハの温
度を測定するのにラピッド・サーマル・プロセッサ（Ｒ
ＴＰ）で普通に使用されている。この技術の現状は、エ
ル・ピーターズの論文“ザ・ホッテスト・トピック・イ
ンＲＴＰ”（セミコンダクター・インターナショナル、
Ｖｏｌ．１４、Ｎｏ．９、１９９１年８月、５６−６２
ページ）で概説されている。この論文は種々の有効なＲ
ＴＰシステムと高温計温度モニターについて述べてい
る。放射率変動の効果を最小化することによる温度制御
の改良は重要な目標であると認められる。

【０００５】狭帯域（狭通過帯域）高温計は、システム
により測定される放射線波長の範囲を制限するのに濾波
技術を利用する。このようなシステムにおいて、放射率
の値は濾波器の通過帯域においてのみ重要である。放射
率がよく知られていて一定である波長の範囲について帯
域を選ぶことが望ましい。しかし、一般に放射率は物体
の温度及び表面特性と共に変化する。

【０００６】珪素の場合、帯域の縁より長い波長での放
射率は電荷搬送体の濃度の強い関数である。この濃度は
温度に依存する。一般に低い搬送体濃度に相当する低温
において、珪素は透明に近い。温度を約５００℃に上げ
ることにより、合理的厚さのシリコンウエーハの放射率
は約０．７の値で実質的に一定になる。このようにして
５００℃以下の温度でのシリコンの正常高温計方式の正
確度は放射率の値の不確かさにより制限される。これら
温度におけるシリコンの透明度はウエーハを通じて透過
される他の給源からの放射による誤差を許すことにな
る。

【０００７】高温計方式における他の制約は、ディ・ダ
ブリュー・ペティボーン、ジェイ・アール・スアレズ及
びエイ・ガットの共著論文“ジ・イフェクト・オブ・シ
ン・ダイエレクトリック・フィルムズ・オン・ジ・アキ
ュラシー・オブ・パイロメトリック・テンペラチュア・
メジャメント”（マテリアルズ・リサーチ・ソサイエテ
ィ・シンポジウム・プロシーディングズ、Ｖｏｌ．５
２、２０９−２１６ページ、１９８８年）に記述されて
いる。著者らは酸化物及び窒化物フィルムのシリコン放
射率についての実質的効果、並びにその結果の高温計温
度測定における誤差について論じている。特に、この論
文は種々な厚さの酸化物フィルムをもつシリコンウエー
ハについて３．５ミクロン付近の波長の狭帯域高温計測
定の結果を報告している。６５０℃から１１００℃の間
の温度について、これら測定誤差は１０から５０℃のオ
ーダーであった。著者らはこれら測定を６５０℃以下で
行うことができなかった。

【０００８】

【発明の開示】本発明は、半導体ウエーハ（１）、すな
わち吸収帯域をもつフィルム（２）で被覆されたウエー
ハなどのような物体の温度を測定するための狭帯域高温
計システムを提供する。被覆された物体（１）により発
せられる熱放射はレンズ（３）とアパーチャ（４）を通
過し、ついでフィルタ（５）を通過する。このフィルタ
（５）の通過帯域はフィルム（２）の吸収帯域の範囲内
に入る。透過された放射はついで放射検出器（６）に集
められて強さを測定される。

【０００９】検出された放射は、加熱された物体が実質
的に不透明で一定放射率をもつ波長にあり、従って温度
測定に対する放射率の不確かさの効果が最小化される。
こうして、このシステムの方法は、フィルタの通過帯域
を包含する吸収帯域をもち、フィルタを通じて見た時物
体が不透明に見えるよう十分大きい厚さをもつ材料のフ
ィルムで物体を被覆することである。フィルムの材料と
厚さは、放射率が一定で、通過帯域波長領域で正確に知
られているようなものでなければならない。或いは、与
えられた被覆材料について、フィルタは被覆材料の吸収
帯域の中に入る波長帯域を通過させるように選ばれる。

【００１０】

【好適実施例】図１の略示立面図は、加熱された物体の
温度を測定するための高温計システムの基本要素を示し
ている。以下の記述における例示の目的で、この物体は
シリコンウエーハ１であるとする。ウエーハ１は高温計
検出器６に面している放射表面上に二酸化珪素のフィル
ム２を被覆されている。ウエーハ１の反対側の面も同様
なフィルム７で被覆してもよい。このフィルム７は測定
結果に大きい効果をもたない。フィルム２を通じてウエ
ーハ１から放射される熱放射はレンズ３とアパーチャ４
により集められ、フィルタ５を通じて集束されて高温計
検出器６（光導電セルであり得る）に集まる。検出器６
の出力はこの放射の強さを表わす。

【００１１】シリコンウエーハ１は典型的に厚さ５００
ミクロンである。ウエーハ１の正面側の酸化フィルム２
の厚さは典型的に１．３ミクロン又はそれより大であ
る。ここで説明する実施例において、シリコン基板はｎ
−タイプで〈１１１〉配向をもち、燐でドーピングされ
て約０．７−２．０×１０¹⁵ドナー／立方センチの電荷
搬送体濃度とされている。

【００１２】図２は、両フィルム２，７をもつ酸化ウエ
ーハ１の透過率スペクトルを示す。約８．５から９．８
ミクロンにわたる強い吸収帯がＳｉ−Ｏ非対称振動スト
レッチモードから生じ、これはすべての酸化珪素材料の
特質である。この吸収帯は、近隣の珪素原子と酸素原子
がそれらの均衡原子間距離の周りで互いに振動している
酸化物分子内の振動の正規モードの励起による放射エネ
ルギーの吸収に相当する。Ｓｉ−Ｏ結合のパラメータが
吸収の起こる波長を決定する。吸収係数は約３０，００
０／センチメートルで、フィルム成長方法又はドーパン
トの存在に多いに影響されることはない。

【００１３】図３はフィルタ５の透過率を本発明に従っ
て波長の関数として示す。通過帯域は９．４ミクロンを
中心として０．６ミクロンの幅をもつ。こうして、通過
帯域は図２の吸収帯の幅の中に完全に入る。このフィル
タ５は、カリフォルニア州サンタ・ローザのオプティカ
ル・コーティング・ラボラトリーズから入手したもの
で、この通過帯域の仕様に合致するよう注文製作された
ものである。フィルタ５は所望のフィルタ特性を生じる
材料でコーティングしたゲルマニウムスラブから成って
いる。

【００１４】比較のため図４は広帯域フィルタ、すなわ
ち１１．０ミクロンに通過帯域の中心があり、帯域幅
６．０ミクロンのフィルタの透過率を示す。フィルタ５
に替えた時、高温測定は約８〜１４ミクロンの波長に拡
がり、ここでコーティングしたウエーハの透過率は無視
できないものとなった。この場合、放射率の変動は温度
測定の正確度に影響を及ぼす。

【００１５】図５は、図３と図４の２つの異なるフィル
タについてウエーハ温度の関数として正規化されたウエ
ーハの放射率を示すグラフである。放射率の値は、シリ
コンが実質的に不透明である５００℃で測定されたもの
にすべて正規化されている。図４の広帯域フィルタにつ
いて放射率はその最大値０．６６に約４３０℃で近づ
き、少なくとも６００℃までのより高温で一定を維持し
ている。図３の狭帯域フィルタでは、放射率はその最大
値０．４０に２７０℃で達し、ついでより高温で一定を
保っている。

【００１６】この図は、狭帯域フィルタ５を使用するこ
とにより、ウエーハ１の放射率が実質的に一定になる温
度範囲が１６０℃だけ延長されることを示している。こ
れにより、放射率の不確かさにより正確度を犠牲にする
ことなく、シリコンが通常透明である温度まで下がって
高温法による測定をすることが可能になる。ウエーハは
実質的に不透明のまゝであるから、シリコンウエーハを
通過して検出器に至る外部源泉の迷走放射線からの追加
的誤差も最小化される。

【００１７】この方法は、放射率がフィルム吸収帯に支
配されるのを保証するのに十分酸化物フィルムが厚いこ
とを要求する。もしフィルム２，７の厚さが０．１ミク
ロンに減少されたら、その結果の放射率の変動は、広帯
域フィルタに比べ狭帯域フィルタ５について著しく減少
するが、この減少はシリコンが通常透明である低い温度
における温度測定の正確度を改良するのに有効であると
認めるには十分大きいものではない。

【００１８】ウエーハ１の背面の酸化物フィルム７はこ
れらの結果に小さい効果しかもたない。このフィルム７
を除くと狭帯域フィルタシステムにおける放射率が最大
になる温度は、最大放射率の値に影響することなく、２
７０℃から２８５℃に上昇する。

【００１９】本発明に係るフィルム２，７は珪素の酸化
物に限定されるものではない。窒化珪素でコーティング
したシリコンウエーハ１も、Ｓｉ−Ｎの吸収帯の範囲に
入る通過帯域をもつ狭帯域フィルタ５を使うことにより
同様な方法で測定することができる。より一般的に、強
い吸収帯域をもつどのようなフィルム２，７もフィルタ
５をこの吸収帯の範囲に入る通過帯域をもつものとして
選定することにより使用することができる。

【００２０】以上の好適実施例の説明は例示と説明の目
的でなされたものである。本発明はこれら実施例に尽く
されるものでも、限定されるものでもなく、多くの修正
変形が上記教示のもとで可能である。従って本発明の範
囲は特許請求の範囲によってのみ規定されることはいう
までもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明に係る高温計システムの要素を分
解して示す略示立面図である。

【図２】図２は酸化シリコンウエーハ（１）の赤外透過
率スペクトルを示すグラフである。

【図３】図３は９．４ミクロン狭帯域フィルタ（５）
（帯域幅０．６ミクロン）の赤外透過率スペクトルを示
すグラフである。

【図４】図４は１１ミクロンの広帯域フィルタ（帯域幅
６ミクロン）の赤外透過率スペクトルを示すグラフであ
る。

【図５】図５は図２のスペクトルをもつウエーハ（１）
の温度の関数として、高温計波長をパラメータとする、
正規化されたウエーハ放射率の比較グラフである。

【符号の説明】

１…半導体ウエーハ（物体）２…フィルム３…レンズ４…アパーチャ５…狭スペクトルバンド・フィルタ６…放射検出器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】放射線に対し吸収帯をもつ材料から構成
された表面をもつ物体の温度を測定するための高温計で
あって、前記物体により発せられる電磁放射を集め集束させる集
束手段と、前記集束される放射の領域内にあって、前記表面材料の
もつ吸収帯の範囲に入る通過帯域をもつ狭通過帯域フィ
ルタと、前記フィルタを通過する放射の量を測定する放射検出器
とから成る狭スペクトルバンド高温計。
【請求項２】前記表面材料が珪素酸化物から成り、前
記通過帯域が約９．４ミクロンの波長を中心に集まって
いる請求項１に記載の高温計。
【請求項３】前記通過帯域が実質的に０．６ミクロン
より大きくない幅をもつ請求項２に記載の高温計。
【請求項４】前記表面材料が実質的に１．３ミクロン
より小さくない厚さをもつ請求項２に記載の高温計。
【請求項５】前記表面材料が珪素の窒化物から成る請
求項１に記載の高温計。
【請求項６】前記放射検出器が光導電セルから成る請
求項１に記載の高温計。
【請求項７】吸収帯をもつ材料から成る表面をもつ物
体の温度を測定するための方法であって、前記物体により発せられる電磁放射を集め集束させるこ
と、前記集束された放射を前記材料の吸収帯の範囲内の通過
帯域をもつ狭通過帯域フィルタで濾波すること、及び前
記狭通過帯域フィルタを通った前記放射の量を測定する
ことから成る方法。
【請求項８】物体の温度を測定するための方法であっ
て、前記物体を吸収帯をもつ材料のフィルムで被覆するこ
と、前記フィルムを通じ前記物体から発せられる電磁放射を
集め集束させること、前記集束された放射を、前記フィルム材料の吸収帯の範
囲内の通過帯域をもつ狭通過帯域フィルタを通じ濾波す
ること、前記狭通過帯域フィルタを通過した前記放射の量を測定
すること、及び前記放射の測定量及び前記フィルタと前
記フィルム材料により生じる放射率から前記物体の温度
を決定することから成る方法。
【請求項９】前記フィルム材料が珪素の酸化物から成
る請求項８に記載の方法。
【請求項１０】前記通過帯域は実質的に９．４ミクロ
ンを中心に集まっている請求項９に記載の方法。
【請求項１１】前記通過帯域は０．６ミクロンより大
きくない波長幅をもつ請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】前記被覆材料のフィルムは実質的に
１．３ミクロンより小さくない厚さをもつ請求項９に記
載の方法。
【請求項１３】前記フィルム材料は珪素の窒化物から
成る請求項８に記載の方法。
【請求項１４】前記吸収帯は前記フィルム材料が構成
されている分子の振動ストレッチモードから生じる請求
項８に記載の方法。
【請求項１５】前記フィルムで被覆された前記表面は
前記物体の全表面の一部から成り、該部分は前記集束さ
れた放射が通過する表面の全部を含む請求項８に記載の
方法。