JPH11248539A

JPH11248539A - 非接触温度測定装置

Info

Publication number: JPH11248539A
Application number: JP10050615A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Uno; 徹也宇野
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1998-03-03
Filing date: 1998-03-03
Publication date: 1999-09-17

Abstract

(57)【要約】【課題】放射温度計において、温度を測定する物体の
温度によって変化する放射率にかかわらず温度と分光放
射輝度に基づいて高精度で物体の温度を検出すること。【解決手段】測定温度に対応する波長の光を投光部よ
り光ファイバ３を介してシリコンウエハ２に照射する。
この投光部からの光のうち測定物体を透過する光を受光
部５で受光する。投光部より光を照射しない間に受光部
５はシリコンウエハ２からの放射光を受光する。受光部
５より得られる受光レベルに基づいて透過率を求め、こ
れに基づいて放射輝度を補正し、シリコンウエハ２の温
度を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製造装置等
に取付けて用いられ、半導体基板等の温度を非接触で測
定する非接触温度測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造装置、特に成膜やエッチング
等の半導体ウエハ上のパターン形成に関わる工程の装置
において、ウエハの温度を正確に管理することは特に重
要である。しかしながら従来の半導体製造装置には、工
程の最中にウエハの温度を直接測定する装置はなかっ
た。

【０００３】これに代わる方法として、接触式の熱電対
でウエハの温度を測定する方法や、ウエハを温めるヒー
タの温度を熱電対で測定する方法等が用いられていた。
また放射温度計を用いた非接触温度測定装置もある。こ
れは、放射光をサーモパイルを用いて熱に変換し、サー
ミスタなどの感温素子によって放射温度を測定するもの
である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】これらの方法のうち、
ウエハを直接熱電対と接触させる測定方法では、熱電対
とウエハとの間に微妙な隙間が生じ、正確に温度を測定
できないという欠点があった。また熱源の温度から間接
的にウエハの温度をモニタする方法の場合は、測定結果
はあくまでも予想値であり、測定の異常を発見できない
という欠点があった。

【０００５】また放射温度計にあっては、測定の対象物
体であるシリコンウエハは温度によってその放射率又は
透過率が変化する。即ち、放射率も理論値に対して変動
する。また各温度に対応した放射率又は透過率を予め測
定しておき、その表を基に補正をしようとしても、ウエ
ハのロット毎のばらつきが大きく、温度測定の精度が向
上しないという問題点があった。

【０００６】本発明は、このような従来の問題点に鑑み
てなされたものであって、高精度の温度制御を行う半導
体製造装置において、放射温度計を用いて半導体基板等
の温度を非接触で正確に測定することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本願の請求項１の発明
は、物体の温度に対応した放射光に基づいて非接触で物
体の温度を測定する非接触温度測定装置において、対象
物体の測定温度に対応する波長の光を前記対象物体に照
射する投光部と、前記投光部から照射され対象物体を透
過した光を受光する第１の受光部と、前記対象物体から
放射される放射光を受光する第２の受光部と、物体の有
無及び前記投光部の光の断続に基づいて前記第１の受光
部の受光量により前記対象物体の透過率を算出し、算出
された透過率によって補正した前記第２の受光部からの
受光量に基づいて測定物体の温度を測定する信号処理部
と、を具備することを特徴とするものである。

【０００８】本願の請求項２の発明は、請求項１記載の
非接触温度測定装置において、前記第１，第２の受光部
は、同一の受光部としたことを特徴とするものである。

【０００９】放射光に基づく温度測定装置では、測定対
象となる物体は完全黒体でなく、温度によって放射率及
びこれに対応した吸収率が変化し、温度と分光放射輝度
との関係が理論値通りとはならない。これを補正するた
めに本発明では、測定対象となる温度に対応する波長の
光を投光部より投光し、その光のうち物体を透過した光
を第１の受光部で受光する。又第２の受光部で物体から
の放射光を受光する。第１の受光部で受光できるレベル
は物体の有無及び投光部の光の断続によって透過率を測
定することができるため、透過率により補正した物体か
らの放射輝度を算出する。このように放射輝度に基づい
て物体の放射率にかかわらず正確な温度を測定すること
ができる。

【００１０】又請求項２の発明では、第１，第２の受光
部を共通の１つの受光部として構成したものである。又
第１，第２の受光部と投光部とを一体化し、光ファイバ
等によって検知領域に所定の波長の光を導き、その反射
光と反射光以外の光から補正により物体の透過率と温度
とを測定するようにすることもできる。又１つの受光部
と複数の第２の受光部とを設け、複数の第２の受光部の
温度分布から測定対象となる物体の温度分布を測定する
ことができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】（実施の形態１）本発明の実施の
形態１における非接触温度測定装置について説明する。
ここでは測定対象物体を半導体製造装置中にあるシリコ
ンウエハとする。図１は半導体製造装置であるＣＶＤ装
置の内部構造の説明図である。ＣＶＤ装置１のチャンバ
１ａ内には、高周波プラズマを発生させる複数の高周波
電極１ｂ、シリコンウエハ２を所定の温度に加熱するヒ
ータ１ｃが設けられている。このヒータ１ｃは、シリコ
ンウエハ２を例えば１００℃〜７００℃の範囲で加熱す
る。またガス供給口１ｄを介してプラズマ用のガスを供
給する。

【００１２】本実施の形態１の非接触温度測定装置とし
て、チャンバ１ａの上部に投光用ファイバ３を取り付
け、チャンバ１ａの下部に受光部４を取り付ける。投光
用ファイバ３は赤外光を導光する光ファイバであり、シ
リコンウエハ２の上部表面に近接する位置に取り付けら
れる。受光部４は投光部より投光した光と対象物体から
の放射光とを同時に受光する第１，第２の受光部であ
り、レンズ５、レンズホルダ５ａ、受光用ファイバ６を
有し、シリコンウエハ２を挟んで投光用ファイバ３と対
向する位置に取り付けられる。そして投光用ファイバ３
のみが視野に納まるように位置決めされる。尚、ヒータ
１ｃにおいて、受光部４の位置する部分はくり抜かれて
いる。

【００１３】図２は本体部１０の構成を示す概略図であ
る。本体部１０は測定用の赤外光を投光用ファイバ３に
出力し、受光部４からの赤外光を受光し、後述する各条
件で受光した赤外光の強度を演算処理することにより、
シリコンウエハ２の温度を検出するものである。図２に
示すように、本体部１０は投光部１１、受光処理部１
２、演算処理部１３、メモリ部１４を含んで構成され
る。

【００１４】投光部１１は、ハロゲンランプ１１ａ、バ
ンドパスフィルタ１１ｂ、チョッパ１１ｃ、コントロー
ラ１１ｄを含んで構成される。ハロゲンランプ１１ａは
遠赤外光〜可視光の範囲を含む光を放射する光源（熱
源）である。バンドパスフィルタ１１ｂはハロゲンラン
プ１１ａから放射される光の内、特定の中心波長λの光
を選択するフィルタである。フィルタ１１ｂの中心波長
λは測定対象となる物体で吸収が起きる帯域の波長、例
えば９μｍ帯の赤外成分が選択される。チョッパ１１ｃ
はバンドパスフィルタ１１ｂを介して出力される直流の
赤外線を断続するもので、その周期はコントローラ１１
ｄによって制御される。

【００１５】受光処理部１２は、レンズ１２ａ、サーモ
パイル１２ｂ、サーミスタ１２ｃ、Ａ／Ｄ変換部１２ｄ
を含んで構成される放射温度計である。レンズ１２ａ
は、受光部４で検出され、受光用ファイバ６を介して導
光された赤外光を集束してサーモパイル１２ｂに与え
る。サーモパイル１２ｂは赤外光を熱エネルギに変換す
る。この熱はサーミスタ１２ｃによって温度に変換さ
れ、Ａ／Ｄ変換部１２ｄに与えられる。

【００１６】演算処理部１３は、マイクロコンピュータ
で構成され、後述する演算処理によりシリコンウエハ２
の温度を算出する。メモリ部１４は、シリコンウエハ２
のフレネル透過率をγとし、シリコンウエハ２が無い場
合の受光部４の受光量をｃとするとき、γやｃの値を記
憶するメモリである。

【００１７】このように構成された実施の形態１におけ
る非接触温度測定装置の動作について説明する。図３は
パルス投光された投光部１１の赤外光と、シリコンウエ
ハ２を介して受光部４で得られる赤外光との関係を示す
説明図である。また図４は演算処理部１３の動作を示す
フローチャートである。本図のステップＳ１において、
シリコンウエハに対する既知のフレネル透過率γを入力
し、メモリ部１４に記憶する。つぎのステップＳ２で
は、シリコンウエハ２をヒータ１ｃに載置しない状態、
即ち投光用ファイバ３から直接得られるパルス投光のピ
ーク値を受光部４が検出する。図３（ａ）は投光部１１
で生成された赤外光の強度を示す波形図である。図３
（ｂ）の時刻ｔ₀〜ｔ₁で示すように、上記のパルス光
が直接受光部４に入力されるので、この値がｃとしてメ
モリ部９に格納される。

【００１８】次に時刻ｔ₁からヒータ１ｃ上にシリコン
ウエハ２を載置し、ヒータで加熱する。図５はシリコン
ウエハ２の吸収特性の一例を示したグラフである。シリ
コンウエハ２を７５０℃に加熱すると、加熱当初におい
て、波長λに対する相対透過強度を測定すると、９μｍ
帯で大きな急峻な吸収が見られ、続いて１９μｍ帯で小
さな吸収が見られる。またシリコンウエハ２の温度を変
化させた場合の吸収特性（図示せず）においても、吸収
スペクトルの形状は大幅に変化する。いずれにしても、
９μｍ帯の透過率は加熱温度によって変化する。

【００１９】さて図４のステップＳ３では、ヒータ１ｃ
上にシリコンウエハ２を載置し、図２に示した投光部１
１より９μｍ帯を含む赤外光を断続して投光する。投光
を遮断したときの受光量、即ちシリコンウエハ２自身に
よる発光成分をａとし、このａに対してシリコンウエハ
２の透過光成分を加算した値をｂとする。こうすると図
３（ｂ）の時間ｔ１以降に示すように、チョッパ１１ｃ
がオンのときには、受光部４は光量ｂの光を検出し、チ
ョッパ１１ｃがオフのときには、光量ａの光を検出する
ことになる。そしてこれらの値をメモリ部１４に一時保
持する。

【００２０】シリコンウエハ２の表面でのフレネル損を
無視すれば、シリコンウエハ２の透過率は（ｂ−ａ）／ｃになる。本実施の形態ではフレネル損を考慮するので、フレネル
透過率をγとすると、受光部４での受光量は、ａ／｛（（ｂ−ａ）／ｃ）×γ^-2｝となる。このような演算をステップＳ４で行う。こうすれば受光
量から理論値に基づいて温度を測定することができる。

【００２１】一方、ステップＳ５において、投光部より
光を投光しない状態での受光量ａを求める。そしてステ
ップＳ６に進み、ステップＳ４で得られた受光量と、ス
テップＳ５で得られた受光量との比を算出し、合致する
理論温度曲線を探し出す。こうすれば以後は受光量のａ
から正確な温度を算出することができる。

【００２２】図２の受光処理部１２として、サーモパイ
ル１２ｂとサーミスタ１２ｃを用いた放射温度計が一般
的に用いられるが、２色温度計を用いてもよい。図６は
２色温度計１５の構成を示す概略図である。この２色温
度計１５はダイクロイックミラー１５ａ、第１の受光素
子１５ｂ、第２の受光素子１５ｃ、Ａ／Ｄ変換部１５ｄ
を含んで構成される。ダイクロイックミラー１５ａは受
光部４で得られた赤外光の内、波長λ１を中心波長に持
つ成分をｆ（λ１）とするとき、ｆ（λ１）のみを反射
させ、波長λ２を中心波長に持つ成分ｆ（λ２）を通過
させるミラーである。受光素子１５ｂは成分ｆ（λ１）
を光電変換し、受光素子１５ｃはｆ（λ２）を光電変換
する。Ａ／Ｄ変換部１５ｄはこれらの信号ｆ（λ１）、
ｆ（λ２）をデジタル変換し、図２の演算処理部１３に
出力する。

【００２３】ここで２色温度計の動作原理について説明
する。全ての物体は絶対０度（−２７３．１７°Ｋ）よ
り高い温度を有している。又絶対０度より高い温度にあ
る物体は、その温度と表面の状態に応じて光を放射して
いる。絶対温度Ｔ°Ｋと分光放射輝度分布の関係を図７
に示す。

【００２４】図７から判るように、全ての物体はＸ線か
ら遠赤外線まで非常に範囲の広い波長範囲の光を放射し
ている。特に室温から数百度（°Ｋ）までの温度領域で
は、赤外線を中心に放射している。

【００２５】このような測定の対象物体から放射される
赤外線の量を測定する場合を考える。物体の温度をＴ１
とすると、中心波長λ１のバンドパスフィルタの出力特
性をｆ（λ１）とし、中心波長λ２のバンドパスフィル
タの出力特性をｆ（λ２）とするとき、温度Ｔ１°Ｋに
おけるバンドパスフィルタの出力に基づいて、ｆ１（λ
１）／ｆ１（λ２）を演算し、この値をσ（Ｔ１）とす
る。σ（Ｔ１）の値は、吸収がないと仮定すれば物体の
温度Ｔ１によって一義的に決定される。

【００２６】同様に物体の温度をＴ２とすると、σ（Ｔ
２）＝ｆ２（λ１）／ｆ２（λ２）を演算する。σ（Ｔ
２）の値は、光の吸収がないとすると物体の温度Ｔ２に
よって一義的に決定される。こうすると物体の表面状
態、物体の取付状態、受光部の位置合わせ、などに変動
があっても、物体の温度を高精度に測定できる。

【００２７】以上のような演算処理によれば、温度変化
に伴うシリコンウエハ２の透過率も同時に測定し、その
影響を補正することができる。そしてその値を基に、図
２に示した放射温度計や、図６に示した２色温度計を用
いて、シリコンウエハ２の正確な温度を非接触で測定す
ることができる。

【００２８】尚この実施の形態では、受光部として投光
部より光を照射しない時点のシリコンウエハからの赤外
の放射光と投光部より光を照射したときの透過光とを同
時に測定するようにしているが、透過光を測定する第１
の受光部と放射光を測定する第２の受光部とを分離する
ようにしてもよい。この場合には、第２の受光部の設置
場所は投光部からの光が入射しない任意の位置とするこ
とができる。

【００２９】（実施の形態２）次に本発明の実施の形態
２の非接触温度測定装置について説明する。図８は半導
体製造装置の内部構造の要部説明図である。ＣＶＤ装置
１のチャンバ１ａ内には、高周波プラズマを発生させる
複数の高周波電極１ｂ、シリコンウエハ２を所定の温度
に保持するヒータ１ｃが設けられていることは図１と同
様である。

【００３０】本実施の形態の非接触温度測定装置とし
て、チャンバ１ａの下部に投受光部２０を取り付け、シ
リコンウエハ２を挟んでこれと対向する高周波電極１ｂ
の表面に反射板２１を取り付ける。この反射板２１は赤
外光を反射するもので、鏡面研磨されたものや、赤外領
域で反射率の高い金（Ａｕ）が蒸着されたものでもよ
い。投受光部２０は、対物レンズ２０ａ、投受光用ファ
イバ２０ｂ、ホルダ２０ｃを有している。こうして図１
の受光部を反射型にし、チャンバ１ａに挿入する投受光
用ファイバ２０ｂを１本にしている。

【００３１】図７に示すように本体部２２は、ハロゲン
ランプ２２ａ、バンドパスフィルタ２２ｂ、ハーフミラ
ー２２ｃ、集光レンズ２２ｄ、受光素子２２ｅを含んで
構成される。尚、受光素子２２ｅに接続された演算処理
部１３、メモリ部１４は図２に示すものと同様であり、
ここでは図示を省略している。

【００３２】ハロゲンランプ２２ａは遠赤外光〜可視光
の範囲を含む光を放射する光源である。バンドパスフィ
ルタ２２ｂはハロゲンランプ２２ａから放射される光の
内、９μｍ帯の赤外光成分を選択するフィルタである。
この赤外光はハーフミラー２２ｃにより反射され、投受
光用ファイバ２０ｂに入射される。また投受光部２０を
介して投受光用ファイバ２０ｂで導光された検出光は、
ハーフミラー２２ｃを直進し、集光レンズ２２ｄで集光
されて受光素子２２ｅに入力される。

【００３３】信号処理の方法は、実施の形態１と同様で
ある。ここでは投写した赤外光がシリコンウエハ２を２
回透過することと、シリコンウエハ２でのフレネル反射
の回数が２倍になることを考慮すればよい。

【００３４】（実施の形態３）次に本発明の実施の形態
３の非接触温度測定装置について説明する。図９は半導
体製造装置の内部構造の要部説明図である。ＣＶＤ装置
１のチャンバ１ａ内には、高周波プラズマを発生させる
複数の高周波電極１ｂ、シリコンウエハ２を所定の温度
に保持するヒータ１ｃが設けられていることは図１と同
様である。

【００３５】本実施の形態の非接触温度測定装置とし
て、チャンバ１ａの下部に１つの投受光部３０と、複数
の第２の受光部３２ａ・・・３２ｎを取り付ける。そし
てシリコンウエハ２を挟んで投受光部３０と対向する高
周波電極１ｂの表面に、赤外光を反射する反射板３１を
取り付ける。投受光部３０は投光部と、第１の受光部と
を一体にしたものであり、投受光部３０と反射板３１の
取り付け位置は、シリコンウエハ２の温度が最も高いと
思われる部分とする。投受光部３０の構成は、図８に示
すものと同一である。受光部３２ａ・・・３２ｎは、受
光用ファイバで構成され、シリコンウエハ２の表面から
放射される赤外光を受光し、後述する各受光素子に導光
する。

【００３６】図１０は本体部３３の構成を示す概略図で
ある。本体部３３は、測定用の赤外光を投受光部３０に
出力し、Ｓｉエウハ２からの赤外光を受光し、投光した
赤外光に対する受光した赤外光の強度を演算処理するこ
とにより、シリコンウエハ２の温度を測定する。更に本
体部３３は、複数の受光部３２ａ・・・３２ｎから得ら
れた放射赤外光の検出値に基づいて補正処理を行い、シ
リコンウエハ２の温度分布を演算する。

【００３７】図１０に示すように本体部３３は、投光部
３４、受光処理部３５、演算処理部３６、メモリ部３７
を含んで構成される。投光部３４は図１の場合と同様、
ハロゲンランプ３４ａ、バンドパスフィルタ３４ｂ、チ
ョッパ３４ｃ、コントローラ３４ｄに加えて、ハーフミ
ラー３４ｅを含んで構成される。ハロゲンランプ３４ａ
は遠赤外光〜可視光の範囲を含む光を放射する光源であ
る。バンドパスフィルタ３４ｂはハロゲンランプ３４ａ
から放射される光の内、９μｍ帯の赤外成分を選択する
フィルタである。チョッパ３４ｃはバンドパスフィルタ
３４ｂを介して出力される直流の赤外線を断続するもの
で、その周期はコントローラ３４ｄによって制御され
る。

【００３８】受光処理部３５は、レンズ３５ａ、受光素
子３５ｂ、受光素子３５ｃ・・・３５ｎ、Ａ／Ｄ変換部
３５ｐを含んで構成される放射温度計である。レンズ３
５ａは、受光部３０で検出された赤外光を集束して受光
素子３５ｂに与える。またシリコンウエハ２の複数部分
の放射赤外光は、受光部３２ａ〜３２ｎで捕捉され、夫
々の受光用ファイバを介して受光素子３５ｃ〜３５ｎに
与えられる。Ａ／Ｄ変換部３５ｐはこれらの受光素子の
検出出力をデジタル化し、演算処理部３６に与える。

【００３９】演算処理部３６は、マイクロコンピュータ
で構成され、前述した演算処理によりシリコンウエハ２
の温度を算出する。メモリ部３７は、シリコンウエハ２
のフレネル透過率γや各種の測定値を記憶する。

【００４０】以上のように構成すると、最も高温と予想
されるポイントのシリコンウエハ２の透過率が測定でき
る。この場合、シリコンウエハ２を熱して最適な温度に
上昇させるとき、透過率の温度特性を測定し、メモリ部
３７に記憶しておく。そしてこの値を用いてシリコンウ
エハ２全体の温度分布の測定値を補正すれば、温度分布
の計測値がより正確になる。

【００４１】図１１は複数の受光部を安定に保持する方
法を示した断面図である。シリコンウエハ２の保持台で
あるヒータ１ｃの上部に、複数の支持ピン４０ａ，４０
ｂ，４０ｃ・・・を取り付ける。このうちピンの１つの
内部に受光部を挿入する。こうすると受光部に対する外
乱光の影響が無くなり、またＣＶＤ装置で発生する各種
の雰囲気ガスから受光部を守ることができる。この場合
は受光部の対物レンズの汚れは一層少なくなる。

【００４２】ここで説明した各実施の形態では、ＣＶＤ
装置に対する非接触温度測定装置として説明したが、他
の半導体製造装置についても、本発明を適用することが
できる。

【００４３】

【発明の効果】本発明によれば、投光部より光を照射
し、照射したタイミングで対象物体を透過した光を第１
の受光部で受光する。その受光レベルによって透過率を
算出し、それに基づいて第２の受光部で得られる受光レ
ベルによって物体の温度を測定する。こうすれば物体の
吸収がある場合にも、又吸収特性が温度によって変化す
る場合も正確に物体の温度を測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態による非接触温度測
定装置のＣＶＤ装置内の構成を示す概略図である。

【図２】実施の形態１による非接触温度測定装置の本体
部の構成を示すブロック図である。

【図３】実施の形態１による投光部及び受光部の投受光
レベルを示すタイムチャートである。

【図４】実施の形態１における補正処理を示すフローチ
ャートである。

【図５】シリコンウエハの吸収特性を示すグラフであ
る。

【図６】実施の形態１における二色温度計の受光処理部
を示すブロック図である。

【図７】物体の温度と放射輝度との関係を示すグラフで
ある。

【図８】実施の形態２による非接触温度測定装置の光学
系及びチャンバー内の構成を示す図である。

【図９】実施の形態３による非接触温度測定装置の光学
系及びチャンバー内の構成を示す図である。

【図１０】実施の形態３における投光部及び受光処理部
の構成を示すブロック図である。

【図１１】複数の受光部を安定に保持する方法を示した
断面図である。

【符号の説明】

１ＣＶＤ装置１ａチャンバ２ウエハ３投光用光ファイバ４受光部５レンズ６受光用光ファイバ１０，２２本体部１１，３４投光部１２，３５受光処理部１３，３６演算処理部１４，３７メモリ部２０投受光部２１，３１反射板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】物体の温度に対応した放射光に基づいて
非接触で物体の温度を測定する非接触温度測定装置にお
いて、対象物体の測定温度に対応する波長の光を前記対象物体
に照射する投光部と、前記投光部から照射され対象物体
を透過した光を受光する第１の受光部と、前記対象物体から放射される放射光を受光する第２の受
光部と、物体の有無及び前記投光部の光の断続に基づいて前記第
１の受光部の受光量により前記対象物体の透過率を算出
し、算出された透過率によって補正した前記第２の受光
部からの受光量に基づいて測定物体の温度を測定する信
号処理部と、を具備することを特徴とする非接触温度測
定装置。
【請求項２】前記第１，第２の受光部は、同一の受光
部としたことを特徴とする請求項１記載の非接触温度測
定装置。