JP4842175B2 - 温度測定装置及び温度測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、測定対象物例えば半導体ウエハや液晶基板等の表面、裏面、内部層などの温度を正確に測定可能な温度測定装置及び温度測定方法に関する。

例えば、基板処理装置により処理される被処理基板、例えば半導体ウエハの温度を正確に測定することは、成膜やエッチングなど種々の処理の結果により半導体ウエハ上に形成される膜やホールなどの形状、物性等を正確にコントロールする点からも極めて重要である。このため、例えば抵抗温度計や、基材裏面の温度を測定する蛍光式温度計等を利用した計測法など様々な方法によって半導体ウエハの温度を計測することが従来から行われている。

近年では、上述したような従来の温度計測方法では困難だったウエハの温度を直接計測することができる低コヒーレンス干渉計を利用した温度計測技術が知られている。さらに、上記の低コヒーレンス干渉計を利用した温度計測技術において、第１スプリッタによって光源からの光を温度測定用の測定光と参照光とに分け、さらに、分けられた測定光を第２スプリッタによってｎ個の測定光に分けてｎ個の測定光をｎ個の測定ポイントへ照射し、これらのｎ個の測定光の反射光と、参照光反射手段で反射された参照光の反射光との干渉を測定し、複数の測定ポイントの温度を同時に測定できるようにした技術も提案されている（例えば、特許文献１参照。）。このような技術によれば、簡単な構成で複数の測定ポイントの温度を一度に測定できる。
特開２００６−１１２８２６号公報

上記した従来の技術では、簡単な構成で複数の測定ポイントの温度を一度に測定することができる。しかしながら、上記した従来の技術では、第１スプリッタによって光源からの光を温度測定用の測定光と参照光とに分けた後、さらに、分けられた測定光を第２スプリッタによってｎ個の測定光に分けている。このため、測定ポイントの数が多いような場合、多数に分割された測定光の反射光と、参照光反射手段で反射された参照光の反射光のレベルの差が大きくなり、これらの干渉信号のＳ／Ｎ比が低下して、精度良い測定が行えないという問題があることが判明した。

本発明は、かかる従来の事情に対処してなされたもので、従来に比べてより精度良く複数の測定ポイントの温度を同時に測定することができ、より精度良くかつ効率良く基板処理等を行うことのできる温度測定装置及び温度測定方法を提供しようとするものである。

請求項１の温度測定装置は、光源と、前記光源からの光を測定用の光と参照光とに分けるための第１スプリッタと、前記第１スプリッタからの測定用の光を、さらにｎ個の第１〜第ｎ測定光に分けるための第２スプリッタと、前記第１スプリッタからの参照光を反射するための参照光反射手段と、前記参照光反射手段から反射する参照光の光路長を変化させるための光路長変化手段と、前記第１スプリッタからの参照光を、前記参照光反射手段へ照射する参照光照射位置まで伝送する参照光伝送手段と、前記第２スプリッタからの第１〜第ｎ測定光を夫々、温度測定対象物の各測定ポイントへ照射する測定光照射位置まで伝送する第１〜第ｎ測定光伝送手段と、前記温度測定対象物から反射する前記第１〜第ｎ測定光と、前記参照光反射手段から反射する参照光との干渉を測定するための光検出器とを備え、前記第１〜第ｎ測定光における前記第２スプリッタから前記温度測定対象物までの各光路長を夫々互いに異なるようにした温度測定装置において、前記光検出器からの出力信号から交流成分を抜き出す交流成分抽出手段を具備したことを特徴とする。

請求項２の温度測定装置は、請求項１記載の温度測定装置であって、前記温度測定対象物は、基板処理装置によって処理される被処理基板であり、前記第１〜第ｎ測定光伝送手段は、前記被処理基板の面内における複数の測定ポイントへ夫々前記第１〜第ｎ測定光が照射されるように前記基板処理装置に配設されることを特徴とする。

請求項３の温度測定装置は、請求項１又は２記載の温度測定装置であって、前記温度測定対象物は、基板処理装置によって処理される被処理基板であり、前記基板処理装置は、前記被処理基板に対して所定の処理を施す複数の処理室を具備し、前記第１〜第ｎ測定光伝送手段は、前記被処理基板の面内における複数の測定ポイントへ夫々前記第１〜第ｎ測定光が照射されるように前記処理室毎に配設されるとともに、前記第２スプリッタは、複数の前記処理室毎に夫々設けられ、これらの第２スプリッタと前記第１スプリッタとの間に、使用する第２スプリッタを選択するための切り替え手段が設けられ、各前記処理室における前記被処理基板の温度を測定可能とされたことを特徴とする。

請求項４の温度測定装置は、請求項１又は２記載の温度測定装置であって、前記温度測定対象物は、基板処理装置によって処理される被処理基板であり、前記基板処理装置は、前記被処理基板に対して所定の処理を施す複数の処理室を具備し、前記第１〜第ｎ測定光伝送手段は、前記被処理基板の面内における複数の測定ポイントへ夫々前記第１〜第ｎ測定光が照射されるように前記処理室毎に配設されるとともに、前記第２スプリッタは、複数の前記処理室毎に夫々設けられ、これらの第２スプリッタと前記第１スプリッタとの間に、第１スプリッタからの前記測定用の光を夫々の第２スプリッタに分けて供給する第３スプリッタが設けられ、各前記処理室における前記被処理基板の温度を測定可能とされたことを特徴とする。

本発明によれば、従来に比べてより精度良く複数の測定ポイントの温度を同時に測定することができ、より精度良くかつ効率良く基板処理等を行うことのできる温度測定装置及び温度測定方法を提供することができる。

以下、図面を参照して、本発明を実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図１は、本実施形態にかかる温度測定装置１００の概略構成を示すものである。図１に示すように、温度測定装置１００は、光源１１０と、この光源１１０からの光を温度測定用の測定光と参照光とに分けるための第１スプリッタ１２０と、この第１スプリッタ１２０からの測定光を、さらにｎ個の第１〜第ｎ測定光に分けるための第２スプリッタ１３０と、上記第１スプリッタ１２０からの参照光を反射するための参照光反射手段１４０と、参照光反射手段１４０から反射する参照光の光路長を変化させるための光路長変化手段１５０とを備えている。

光路長変化手段１５０は、例えば参照ミラーなどで構成される参照光反射手段１４０を参照光の入射方向に平行な一方向へ移動させるためのリニアステージ１５１、モータ１５２、Ｈｅ−Ｎｅレーザエンコーダ１５３等から構成されている。このように、参照ミラーを一方向へ駆動させることにより、参照ミラーから反射する参照光の光路長を変化させることができる。モータ１５２は、モータコントローラ１５５、モータドライバ１５４を介して、コントローラ１７０により制御される。また、Ｈｅ−Ｎｅレーザエンコーダ１５３からの信号は、Ａ／Ｄ変換器１７２でデジタル信号に変換されてコントローラ１７０に入力される。

また、温度測定装置１００は、上記第１〜第ｎ測定光を例えば半導体ウエハ等の温度測定対象物１０における第１〜第ｎ測定ポイントに照射したときに温度測定対象物１０から反射する第１〜第ｎ測定光と、上記参照光を参照光反射手段１４０に照射したときに参照光反射手段１４０から反射する参照光との干渉を測定するための光検出器１６０を備えている。

光源１１０としては、測定光と参照光との干渉が測定できれば、任意の光を使用することが可能である。温度測定対象物１００として例えば半導体ウエハの温度測定を行う場合には、少なくとも半導体ウエハの表面と裏面との間の距離（通常は８００〜１５００μｍ程度）からの反射光が干渉を生じない程度の光が好ましい。具体的には例えば低コヒーレンス光を用いることが好ましい。低コヒーレンス光とは、コヒーレンス長の短い光をいう。低コヒーレンス光の中心波長は例えば０．３〜２０μｍが好ましく、更に０．５〜５μｍがより好ましい。また、コヒーレンス長としては、例えば０．１〜１００μｍが好ましく、更に３μｍ以下がより好ましい。このような低コヒーレンス光を光源１１０として使用することにより、余計な干渉による障害を回避でき、半導体ウエハの表面又は内部層からの反射光に基づく参照光との干渉を容易に測定することができる。

上記低コヒーレンス光を使用した光源としては、例えばＳＬＤ（Super Luminescent Diode）、ＬＥＤ、高輝度ランプ（タングステンランプ、キセノンランプなど）、超広帯域波長光源等を使用することができる。これらの低コヒーレンス光源の中でも、輝度の高いＳＬＤ（波長、例えば１３００ｎｍ）を光源１１０として用いることが好ましい。

第１のスプリッタ１２０としては、例えば光ファイバカプラを用いる。但し、これに限定されるものではなく、参照光と測定光とに分けることが可能なものであればよい。また、第２のスプリッタ１３０についても、例えば光ファイバカプラを用いる。但し、これに限定されるものではなく、第１〜第ｎの測定光に分けることが可能なものであればよい。第１のスプリッタ１２０、第２のスプリッタ１３０としては、例えば光導波路型分波器、半透鏡などを用いてもよい。

参照光反射手段１４０は、例えば参照ミラーにより構成される。参照ミラーとしては例えばコーナーキューブプリズム、平面ミラー等などが適用可能である。これらの中でも、反射光の入射光との平行性の観点からは、コーナーキューブプリズムを用いることが好ましい。但し、参照光を反射できれば、上記のものに限られず、例えばディレーラインなどで構成してもよい。

光検出器１６０としては、低価格性、コンパクト性を考慮すれば、例えばフォトダイオードを用いて構成することが好ましい。具体的には例えばＳｉフォトダイオード、ＩｎＧａＡｓフォトダイオード、Ｇｅフォトダイオードなどを用いたＰＤ（Photo Detector）により構成する。但し、温度測定対象物１０からの測定光と参照光反射手段１４０からの参照光との干渉を測定できれば、上記のものに限られず、例えばアバランシェフォトダイオード、光電子増倍管などを用いて光検出器１６０を構成してもよい。光検出器１６０の検出信号は、増幅器１７１を介してＡ／Ｄ変換器１７２に入力され、デジタル信号に変換されてコントローラ１７０によって処理される。

第１スプリッタ１２０からの参照光は、参照光伝送手段例えばコリメートファイバＦ_Zを介して参照光反射手段１４０へ照射する参照光照射位置まで伝送されるようになっており、第２スプリッタ１３０からの第１〜第ｎ測定光は夫々、第１〜第ｎ測定光伝送手段例えばコリメートファイバＦ₁〜Ｆ_nを介して、温度測定対象物１０へ照射する測定光照射位置まで伝送されるようになっている。なお、第１〜第ｎ測定光伝送手段としては、上記コリメートファイバＦ₁〜Ｆ_nに限られるものではなく、例えば光ファイバの先端にコリメータを取り付けたコリメータ付光ファイバであってもよい。

上記温度測定装置１００では、第１〜第ｎ測定光における第２スプリッタ１３０から温度測定対象物１０までの各光路長が夫々互いに異なるように構成されている。具体的には例えばコリメートファイバＦ₁〜Ｆ_nの長さが夫々同一の場合は、例えばコリメートファイバＦ₁〜Ｆ_nの先端面、すなわち測定光照射位置が、温度測定対象物１０から照射方向に略平行な方向に夫々ずれるように配置される。また、コリメートファイバＦ₁〜Ｆ_nの先端面をずらすことなく、コリメートファイバＦ₁〜Ｆ_nの長さ又は光ファイバの長さを変えることにより、上記第１〜第ｎ測定光における第２スプリッタ１３０から温度測定対象物１０までの各光路長が異なるようにしてもよい。

なお、第１〜第ｎ測定光伝送手段を温度測定対象物１０からずらして配設する場合には、少なくとも各測定ポイント毎に測定される第１〜第ｎ測定光と参照光との干渉波が夫々重ならないようにする必要がある。例えば光源１１０として低コヒーレンス光源を使用する場合には、第１〜第ｎ測定光伝送手段を温度測定対象物１０から、少なくとも干渉波のコヒーレンス長以上ずつずらして配設すれば、干渉波の重なりを防止することができる。また、このような第１〜第ｎ測定光伝送手段を配設する位置は、温度測定対象物の厚さや厚さの変化率、測定する温度範囲、参照ミラーの移動距離などを考慮して決定することが好ましい。具体的には例えば０．７ｍｍ程度の厚みがあるシリコンウエハでは、常温から２００℃くらいまでの温度範囲での参照ミラーの移動距離は０．０４ｍｍ程度であるため、第１〜第ｎ測定光伝送手段を温度測定対象物１０から０．１ｍｍ程度ずつずらして配設することが好ましい。これにより、各測定ポイント毎の干渉波が重ならないようにすることができる。

これにより、参照光反射手段１４０を一度走査するだけで各第１〜第ｎ測定光が照射された測定ポイントの干渉波を一度に検出することができる。このため、温度計測にかかる時間を極力短くすることができる。

本実施形態の温度測定装置１００では、更に第１スプリッタ１２０によって分けられた参照光の光路に、光減衰手段としてアッテネータ１８０が設けられている。このアッテネータ１８０は、参照光の反射光の強度を、第１〜第ｎ測定光の反射光の強度に近づけるように、参照光を減衰させるためのものである。具体的には、図１に図示されているとおり、通過する光のレベルを、例えば（１／ｎ）^1/2程度に減衰させるものが好適に使用できる。

上記のようなアッテネータ１８０を具備した場合、光検出器１６０に入射する参照光の反射光のレベルは、光源１１０から放出された光を１とした場合、第１スプリッタ１２０を２度通ることにより、（１／２）²となり、アッテネータ１８０を２度通ることにより、１／ｎとなるので、略（１／２）²×１／ｎとなる。なお、参照光反射手段１４０の反射率を略１としている。

一方、光検出器１６０に入射する測定光の反射光は、温度測定対象物１０の反射率をＲとして、第１スプリッタ１２０を２度通ることにより、（１／２）²となり、第２スプリッタ１３０を２度通ることにより、（１／ｎ）²となり（例えば、ｎ＝４の場合１／１６）、反射率Ｒでｎ個あるので、略（１／２）²×（１／ｎ）²×Ｒ×ｎ＝（１／２）²×１／ｎ×Ｒとなる。

したがって、参照光の反射光のレベルと、第１〜第ｎ測定光の反射光のレベルとの差は、温度測定対象物１０の反射率Ｒの差のみとなり、実質的に第２スプリッタ１３０が無い場合、つまり、１点計測の場合と同じとすることができる。

すなわち、図２（ａ）に示すように、１点計測の場合、参照光の反射光の強度を１とすると、測定光の反射光の強度はＲとなり、計測する波形に含まれる参照光と測定光の比率は、「参照光：測定光＝１：Ｒ」となる。

一方、図２（ｂ）に示すように、従来のｎ点計測の場合、参照光の反射光の強度を１とすると、測定光の反射光の強度はＲ×（１／ｎ）となり、計測する波形に含まれる参照光と測定光の比率は、「参照光：測定光＝１：Ｒ×（１／ｎ）」となる。このため、ｎの数が増えた場合、参照光と測定光のレベルの差が大きくなる。そして、干渉強度は測定光の強度で決まるため、参照光と測定光のレベルの差が大きくなると、干渉強度が参照光強度に埋もれてしまい、Ｓ／Ｎ比が低下してしまう。

これに対して、図２（ｃ）に示すように、本実施形態の温度測定装置１００では、アッテネータ１８０により、参照光の反射光の強度が１／ｎに減衰されているため、計測する波形に含まれる参照光と測定光の比率は、「参照光：測定光＝１：Ｒ」となり、１点計測の場合と同様になるので、図２（ｂ）の場合に比べてＳ／Ｎ比を向上させることができる。なお、本実施形態では、アッテネータ１８０として、光のレベルを（１／ｎ）^1/2に減衰させる場合について説明したが、これに限られるものではなく、減衰させるレベルは適宜選択することができる。

次に、図３を参照して第２の実施形態について説明する。図３に示される温度測定装置２００は、光源１１０からの光を分けるために、スプリッタ２２０を１つのみ使用している。このスプリッタ２２０は、光源１１０からの光を、第１〜第ｎ測定光と、参照光のｎ＋１の光に分けるようになっている。その他の構成は、図１の温度測定装置１００と同様になっている。

この温度測定装置２００の場合は、図２（ｄ）に示すように、計測する波形に含まれる参照光と測定光の比率は、「参照光：測定光＝１：Ｒ×ｎ」となる。

次に、図４を参照して第３の実施形態について説明する。図４に示される温度測定装置３００は、図１に示した温度測定装置１００において、アッテネータ１８０を設ける代わりに、光検出器１６０の検出信号中から交流成分（ＡＣ成分）を抜き出す交流成分抽出手段３１０を設けたものである。なお、交流成分抽出手段３１０は、ＤＣレベル（光の強度）の確認ができるように、スイッチ３１１によって交流成分抽出する状態と、全信号を通過させる状態とを切り替え可能となっている。その他の構成は、図１の温度測定装置１００と同様になっている。

この温度測定装置３００の場合、交流成分抽出手段３１０によって、交流成分を抜き出すことによって、ＤＣレベルの大小にかかわらず、ＡＣレベルでの干渉強度を測定することができる。これによって、図２（ｂ）の場合に比べてＳ／Ｎ比を向上させることができる。

次に、図５、図６を参照して、複数の処理チャンバを有する基板処理装置の各処理チャンバ内の温度を計測可能とした温度測定装置４００、温度測定装置５００について説明する。図５に示した温度測定装置４００は、複数、例えば６つの処理チャンバＰＣ１、ＰＣ２、……ＰＣ６について、切り替え器４１０、例えば光通信用マルチプレクサ（OADM：optical add/drop multiplexer）によって切り替えて、その内部に置かれた被処理基板及び必要に応じてフォーカスリングＦ／Ｒの温度を測定できるようにしたものである。すなわち、第２スプリッタ１３０及び第１〜第ｎ測定光伝送手段例えばコリメートファイバＦ₁〜Ｆ_n（図５，６ではｎ＝４）は、各処理チャンバＰＣ１、ＰＣ２、……ＰＣ６に設けられており、これらの６つの第２スプリッタ１３０と、第１スプリッタ１２０との間に、切り替え器４１０が設けられている。そして、切り替え器４１０により、温度測定を行う処理チャンバＰＣ１、ＰＣ２、……ＰＣ６を選択することによって、各処理チャンバＰＣ１、ＰＣ２、……ＰＣ６の温度を計測できるようになっている。なお、各処理チャンバＰＣ１、ＰＣ２、……ＰＣ６内では、被処理基板、例えば半導体ウエハに、エッチングや成膜等の処理が行われる。

また、図６に示した温度測定装置５００は、複数、例えば６つの処理チャンバＰＣ１、ＰＣ２、……ＰＣ６について、第１スプリッタ１２０と第２スプリッタ１３０との間に、第３スプリッタ５１０を挿入して、光源からの光を分けて６つの処理チャンバＰＣ１、ＰＣ２、……ＰＣ６の第２スプリッタ１３０に供給し、その内部に置かれた被処理基板及びフォーカスリングの温度を測定できるようにしたものである。

上記の温度測定装置４００、温度測定装置５００では、光源１１０、第１スプリッタ１２０、参照光反射手段１４０、光路長変化手段１５０、光検出器１６０、コントローラ１７０等を各処理チャンバＰＣ１、ＰＣ２、……ＰＣ６で共用して温度を測定できるので、処理チャンバ毎に夫々温度測定装置を設けた場合に比べてコストの上昇を抑制することができる。また、計測に関するデータを１台のコントローラ１７０で一元管理できるので、データ管理に要する手間やコストを低減することができる。

この場合、コントローラ１７０は、予め各処理チャンバＰＣ１、ＰＣ２、……ＰＣ６毎の干渉位置についてのデータを記憶しておき、この干渉位置のデータを処理チャンバＰＣ１、ＰＣ２、……ＰＣ６毎に呼び出して使用する。また、各処理チャンバＰＣ１、ＰＣ２、……ＰＣ６において、複数の測定ポイントにおける温度測定を行う場合、各測定ポイント毎の干渉位置についてのデータを記憶しておき、この干渉位置のデータを処理チャンバＰＣ１、ＰＣ２、……ＰＣ６毎に呼び出して使用する。

次に、各測定ポイントの干渉位置（イニシャルピーク位置）の測定方法について説明する。まず、図７に示すように、ウエハ載置台６０１上に、測定を行う測定ポイント（図７ではチャンネル１）のみから反射光が検出されるように、ウエハ片６０２を置く。または、図８に示すように、他の測定ポイントについては、穴が開いていて他の測定ポイントからの反射光がなく、測定を行う測定ポイント（図８ではチャンネル１）のみから反射光が検出されるようにした穴あきウエハ６０３をウエハ載置台６０１上に置く。あるいは、図９に示すように、他の測定ポイントについては光の反射が少なくなり、測定を行う測定ポイント（図９ではチャンネル１）のみから強い反射光が検出されるようにした裏面に加工を施した裏面加工ウエハ６０４を、ウエハ載置台６０１上に置く。等して、測定を行う１つの測定ポイント（チャンネル１）からの反射光のみを検出可能とする。

次に、コントローラ１７０の制御により、イニシャルピーク位置を以下のようにして検出する。図１０のフローチャートに示すように、まず、チャンネル数、ステージ速度、測定ピッチ、イニシャル温度、ポート番号、ピーク検出範囲、ピーク近似の範囲、第何ピークまで使用するか、測定するチャンネル、予想到達温度等の測定条件を入力し（７０１）、測定を開始する（７０２）。

次に、コントローラ１７０は、まず、リニアステージ１５１を反モータ側リミット（参照光の光路長が最短光路長となる位置）まで移動させるように移動を開始し、ステージ位置、駆動状態の監視を行い（７０３）、移動が完了すると駆動を停止する（７０４）。

次に、リニアステージ１５１をモータ側リミット方向へ移動させるように移動を開始し（７０５）、Ａ／Ｄ変換器１７２からのサンプリングを開始する（７０６）。この時、リミット手前でサンプリングを停止するように、サンプリング数を計算しておく。

サンプリングが完了すると（７０７）、リニアステージ１５１の減速停止動作を開始し（７０８）、リニアステージ１５１の駆動を停止する（７０９）。

次に、リニアステージ１５１を、反モータ側リミットまで移動させるように移動を開始する（７１０）。

そして、波形解析を行い、イニシャルピーク位置、ステージ初期位置、波形計測距離を算出する。なお、
ピーク検出最大距離−ピーク検出最小距離＋ステージ加減速距離＝波形計測距離
となる。上記結果をチャンネル毎に記憶し、波形を表示する（７１１）。

次に、ピーク位置重なりがあるか否かの判定を行い（７１２）、ピーク位置重なりが無い場合は正常を表示し（７１３）、ピーク重なりがある場合はアラームを表示する（７１４）。

次に、他チャンネルの測定を行うか判断し（７１５）、他チャンネルの測定を行う場合は、上記の処理を繰り返して行う。そして、他に測定を行うチャンネルがなくなると、処理を終了する（７１６）。

図１１は、上記のようにして１つの測定ポイント（チャンネル）について得られた測定波形の例を示すものである。なお、図１１において縦軸は光検出器の出力、横軸は参照光反射手段としてのミラーの移動距離である。上記のイニシャルピーク位置の検出方法では、リニアステージ１５１を、一方（図１等の反モータ側）のリミット位置（参照光の光路長が最短光路長となる位置）から、全駆動範囲についてデータのサンプリングを行うので、温度測定対象物１０の厚さがわからなくても、ピーク位置の検出を行うことができる。そして、第１ピークについては、全データの中から最大値を検出し、この最大値の位置±任意の値（μｍ）の幅でピーク中心を検出してピーク位置とする。第２ピークについては、第１ピーク検出幅の終値の次からの全データの中で最大値を検出し、この最大値の位置±任意の値（μｍ）の幅でピーク中心を検出してピーク位置とする。第３ピークについては、第２ピーク検出幅の終値の次からの全データの中で最大値を検出し、この最大値の位置±任意の値（μｍ）の幅でピーク中心を検出してピーク位置とする。上記のピーク中心の検出は、例えば、生波形を２乗した２乗折り返し波形の重心位置を求めること等によって行う。

図１２は、上記のようにして各測定ポイント（ＣＨ１〜３）毎に得た波形データの例を示すものである。なお、図１２において縦軸は光検出器の出力、横軸は参照光反射手段としてのミラーの移動距離である。同図に示すように、ピーク位置の重なりがないように、光路長を調整しておくことにより、図１２の最下部に示すように、各測定ポイントからのピークを識別することができる。

上記のようにして、イニシャルピーク位置を検出した後、温度測定に先立って、温度測定対象物の初期厚さ測定を行う。温度測定対象物の温度は、この初期厚さに対する温度測定対象物の厚さの変化によって検出する。この初期厚さ測定について、図１３を参照して説明する。まず、チャンネル数、ステージ速度、測定ピッチ、ポート番号、イニシャル温度を入力し、何回で平均するかを選択する（８０１）。

次に、初期厚さ、温度を手入力するかを判断し（８０２）、初期厚さ、温度が既知で手入力する場合は、後述するステップ８１６の処理からの処理を行う。一方、手入力しない場合は、測定を開始し（８０３）、測定ポイント（チャンネル）毎のイニシャル位置データ、計測距離データを呼び出す（８０４）。

次に、チャンネル間最小スタート位置へのリニアステージ１５１の移動を開始し（８０５）、リニアステージ１５１がチャンネル間最小スタート位置へ到達すると、次にリニアステージ１５１のモータ側リミット方向への移動を開始する（８０６）。

そして、Ａ／Ｄ変換器１７２をスタートさせ（８０７）、サンプリングを開始する（８０８）。この時、チャンネル間最大波形計測距離＋αで、サンプリングを停止するように、サンプリング数を計算しておく。

サンプリングが完了すると（８０９）、リニアステージ１５１の減速を開始し（８１０）、リニアステージ１５１の駆動を停止する（８１１）。

次に、リニアステージ１５１を、チャンネル間最小スタート位置へ移動させるように移動を開始する（８１２）。

そして、各測定チャンネル毎のイニシャルピーク位置を呼び出し、波形解析を行い、ピーク位置、ピーク位置間隔、波形表示を行う（８１３）。

次に、リニアステージ１５１がチャンネル間最小スタート位置に到達したか否か（８１４）、設定回数繰り返して測定を行ったかを判定し（８１５）、設定回数繰り返して上記測定を行った後、ピーク間隔の平均を求め（８１６）、温度計測開始待ち状態となる（８１７）。

また、上記のようにした測定した初期厚さ及び温度が分かっている場合は、これを手入力することによって（８０２）、ピーク間隔の平均を求め（８１６）、温度計測開始待ち状態となる（８１７）。

上記のようにして、イニシャルピーク位置の検出、初期厚さ測定の後、温度測定が可能となる。この温度測定について、図１４を参照して説明する。この場合、上記した初期厚さ測定の設定状態を保持した状態で温度計測開始待ち状態となっている（９０１）。そして、まず、データ保存先、測定回数、ピーク近似の範囲を入力する（９０２）。

上記入力が完了すると、測定を開始し（９０３）、リニアステージ１５１のチャンネル間最小スタート位置への移動を開始し（９０４）、リニアステージ１５１がチャンネル間最小スタート位置へ到達すると、リニアステージ１５１のモータ側リミット方向への移動を開始する（９０５）。

そして、Ａ／Ｄ変換器をスタートさせ（９０６）、サンプリングを開始する（９０７）。この時、チャンネル間最大波形計測距離＋αで、サンプリングを停止するように、サンプリング数を計算しておく。

サンプリングが完了すると（９０８）、リニアステージ１５１の減速を開始し（９０９）、リニアステージ１５１の駆動を停止する（９１０）。

次に、リニアステージ１５１を、チャンネル間最小スタート位置へまで移動させるように移動を開始する（９１１）。

そして、波形解析を行い、ピーク位置からピーク位置間隔を算出し、ピーク位置間隔から温度計算を行うとともに、波形表示を行い、測定データを保存する（９１２）。

次に、リニアステージ１５１がチャンネル間最小スタート位置に到達したか否か（９１３）、設定された測定回数繰り返して測定を行ったかを判定し（９１４）、設定された測定回数繰り返して上記測定を行った後、測定を終了する（９１５）。

次に、図５、図６に示したように、複数の処理チャンバ内の温度を計測可能とした温度測定装置４００、温度測定装置５００における処理について説明する。図１５は、前述したコントローラ１７０の制御によるイニシャルピーク位置の検出方法を示すものである。この場合、まず、処理チャンバー（ＰＣ）のナンバーを選択する（７５０）。この後の処理のステップ７５１〜７６５は、実質的に図１０に示したステップ７０１〜７１５と同一である。但し、ステップ７６１において、イニシャルピーク位置等のデータは、選択した処理チャンバー（ＰＣ）のナンバーに対して測定チャンネル毎に記憶する。そして、一連の処理の最後に、他の処理チャンバー（ＰＣ）の測定を行うか判断し（７６６）、測定を終了する（７６７）。

図１６は、複数の処理チャンバ内の温度を計測可能とした温度測定装置４００、温度測定装置５００における前述したコントローラ１７０の制御による初期厚さ測定の検出方法を示すものである。この場合、まず、処理チャンバー（ＰＣ）のナンバーを選択する（８５０）。この後の処理のステップ８５１〜８６６は、実質的に図１３に示したステップ８０１〜８１６と同一である。但し、ステップ８５４において、選択した処理チャンバー（ＰＣ）のナンバーに対応した測定チャンネル毎のイニシャル位置データ等が呼び出される。また、ステップ８６３において、選択した処理チャンバー（ＰＣ）のナンバーに対応した測定チャンネル毎のイニシャルピーク位置を呼び出す。そして、一連の処理の最後に、他の処理チャンバー（ＰＣ）の測定を行うか判断し（８６７）、温度計測開始待ち状態となる（８６８）。

そして、上記の図１６の温度計測開始待ち状態（８６８）からの温度測定については、複数の処理チャンバ内の温度を計測可能とした温度測定装置４００、温度測定装置５００においても、前述した図１４に示した処理ステップと同様にして行われる。

上記の温度測定装置１００等においては、光源１１０からの光は、第１のスプリッタ１２０に入射され、第１のスプリッタ１２０により測定光と参照光とに分けられる。このうち、測定光は、第２のスプリッタ１３０により第１〜第ｎ測定光に分けられて、夫々の測定ポイントにおいて半導体ウエハなどの温度測定対象物１０等に照射され、各層の表面、境界面や裏面によって反射される。

一方、参照光は、参照光反射手段１４０によって反射される。そして、第１〜第ｎ測定光の各反射光は第２のスプリッタ１３０を介して第１のスプリッタ１２０へ入射し、参照光の反射光とともに、光検出器１６０で検出される。

そして、参照光反射手段１４０を走査することによって、縦軸を光検出器１６０の出力、横軸を参照光反射手段１４０の移動距離とした図１２に示したような干渉波形が得られる。ここで、光源１１０としては、上述したような低コヒーレンス光源を用いている。低コヒーレンス光源によれば、光源１１０からの光のコヒーレンス長が短いため、通常は測定光の光路長と参照光の光路長とが一致した場所で強く干渉が起こり、それ以外の場所では干渉は実質的に低減するという特質がある。このため、参照光反射手段１４０を移動させ、参照光の光路長を変化させることにより、温度測定対象物１０の表面及び裏面の他、内部にさらに層があればその各層についても、これらの屈折率差によって反射した測定光と参照光が干渉する。

図１２の例では、参照光反射手段１４０を走査していくと、先ず温度測定対象物１０の測定ポイントＰ1の一方の面（表面或いは裏面）からの反射光と参照光の反射光との干渉波が現れ、次に測定ポイントＰ2の一方の面（表面或いは裏面）、測定ポイントＰ3の一方の面（表面或いは裏面）からの反射光と参照光の反射光との干渉波が現れる。さらに、参照光反射手段１４０を走査していくと、測定ポイントＰ1，Ｐ2，Ｐ3の中間層の界面からの反射光と参照光の反射光との干渉波が現れる。そして、最後に、測定ポイントＰ1，Ｐ2，Ｐ3の他方の面（裏面又は表面）からの反射光と参照光の反射光との干渉波が現れる。このように、参照光反射手段１４０を一度走査するだけで各測定ポイントにおける干渉波を一度に検出することができる。

次に、測定光と参照光との干渉波に基づいて温度を測定する方法について説明する。干渉波に基づく温度測定方法としては、例えば温度変化に基づく光路長変化を用いる温度換算方法がある。ここでは、上記干渉波形の位置ズレを利用した温度換算方法について説明する。

半導体ウエハなどの温度測定対象物１０がヒータ等によって温められると、温度測定対象物１０は膨張して屈折率が変化するため、温度変化前と温度変化後では、干渉波形の位置がずれて、干渉波形のピーク間幅が変化する。このとき、各測定ポイントごとに温度変化があれば、測定ポイントごとに干渉波形の位置がずれて、干渉波形のピーク間幅が変化する。このような測定ポイントごとに干渉波形のピーク間幅を測定することにより温度変化を検出することができる。例えば図１に示すような温度測定装置１００であれば、干渉波形のピーク間幅は、参照光反射手段１４０の移動距離に対応しているため、干渉波形のピーク間幅における参照ミラーの移動距離を測定することにより、温度変化を検出することができる。

温度測定対象物１０の厚さをｄとし、屈折率をｎとした場合、干渉波形についてのピーク位置のずれは、厚さｄについては各層固有の線膨張係数αに依存し、また屈折率ｎの変化については主として各層固有の屈折率変化の温度係数βに依存する。なお、屈折率変化の温度係数βについては波長にも依存することが知られている。

従って、ある測定ポイントＰにおける温度変化後のウエハの厚さｄ′を数式で表すと下記数式（１）に示すようになる。なお、数式（１）において、ΔＴは測定ポイントの温度変化を示し、αは線膨張率、βは屈折率変化の温度係数を示している。また、ｄ、ｎは、夫々温度変化前の測定ポイントＰにおける厚さ、屈折率を示している。

ｄ′＝ｄ・（１＋αΔＴ）、ｎ′＝ｎ・（１＋βΔＴ） …（１）
上記数式（１）に示すように、温度変化によって測定ポイントＰを透過する測定光の光路長が変化する。光路長は一般に、厚さｄと屈折率ｎとの積で表される。従って、温度変化前の測定ポイントＰを透過する測定光の光路長をＬとし、測定ポイントにおける温度が夫々ΔＴだけ変化した後の光路長をＬ′とすると、Ｌ、Ｌ′は夫々下記の数式（２）に示すようになる。

Ｌ＝ｄ・ｎ 、 Ｌ′＝ｄ′・ｎ′ …（２）
従って、測定ポイントにおける測定光の光路長の温度変化前後の差（Ｌ′−Ｌ）は、上記数式（１）、（２）により計算して整理すると、下記数式（３）に示すようになる。なお、下記数式（３）では、α・β≪α、α・β≪βを考慮して微小項を省略している。

Ｌ′−Ｌ＝ｄ′・ｎ′−ｄ・ｎ＝ｄ・ｎ・（α＋β）・ΔＴ
＝Ｌ・（α＋β）・ΔＴ_１ …（３）

ここで、各測定ポイントにおける測定光の光路長は、参照光との干渉波形のピーク間幅に相当する。従って、線膨張率α、屈折率変化の温度係数βを予め調べておけば、各測定ポイントにおける参照光との干渉波形のピーク間幅を計測することによって、上記数式（３）を用いて、各測定ポイントの温度に換算することができる。

このように、干渉波から温度への換算する場合、上述したように干渉波形のピーク間で表される光路長が線膨張率α及び屈折率変化の温度係数βによって変るため、これら線膨張率α及び屈折率変化の温度係数βを予め調べておく必要がある。半導体ウエハを含めた物質の線膨張率α及び屈折率変化の温度係数βは一般に、温度帯によっては、温度に依存する場合もある。例えば線膨張率αについては一般に、物質の温度が０〜１００℃くらいの温度範囲ではそれほど変化しないので、一定とみなしても差支えないが、１００℃以上の温度範囲では物質によっては温度が高くなるほど変化率が大きくなる場合もあるので、そのような場合には温度依存性が無視できなくなる。屈折率変化の温度係数βについても同様に温度範囲によっては、温度依存性が無視できなくなる場合がある。

例えば半導体ウエハを構成するシリコン（Ｓｉ）の場合は、０〜５００℃の温度範囲において線膨張率α及び屈折率変化の温度係数βは例えば二次曲線で近似することができることが知られている。このように、線膨張率α及び屈折率変化の温度係数βは温度に依存するので、例えば温度に応じた線膨張率α及び屈折率変化の温度係数βを予め調べておき、その値を考慮して温度換算すれば、より正確な温度に換算することができる。

なお、測定光と参照光との干渉波に基づく温度測定方法としては上述したような方法に限られることはなく、例えば温度変化に基づく吸収強度変化を用いる方法であってもよく、上記温度変化に基づく光路長変化と温度変化に基づく吸収強度変化とを組み合わせた方法であってもよい。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明の実施形態にかかる温度測定装置の概略構成を示すブロック図。 参照光の強度と測定光の強度の関係を説明するための図。 本発明の他の実施形態にかかる温度測定装置の概略構成を示すブロック図。 本発明の他の実施形態にかかる温度測定装置の概略構成を示すブロック図。 本発明の他の実施形態にかかる温度測定装置の概略構成を示すブロック図。 本発明の他の実施形態にかかる温度測定装置の概略構成を示すブロック図。 イニシャルピーク位置を検出する方法を説明するための図。 イニシャルピーク位置を検出する方法を説明するための図。 イニシャルピーク位置を検出する方法を説明するための図。 イニシャルピーク位置を検出する方法を説明するためのフローチャート。 イニシャルピーク位置を検出する方法を説明するための図。 イニシャルピーク位置を検出する方法を説明するための図。 初期厚さを検出する方法を説明するためのフローチャート。 温度を検出する方法を説明するためのフローチャート。 複数処理チャンバにおけるイニシャルピーク位置を検出する方法を説明するためのフローチャート。 複数処理チャンバにおける初期厚さを検出する方法を説明するためのフローチャート。

符号の説明

１０……温度測定対象物、１００……温度測定装置、１１０……光源、１２０……第１スプリッタ、１３０……第２スプリッタ、１４０……参照光反射手段、１５０……光路長変化手段、１５１……リニアステージ、１５２……モータ、１５３……Ｈｅ−Ｎｅレーザエンコーダ、１５４……モータドライバ、１５５……モータコントローラ、１６０……光検出器、１７０……コントローラ、１７１……増幅器、１７２……Ａ／Ｄ変換器、１８０……アッテネータ。

Claims (4)

1. 光源と、
   前記光源からの光を測定用の光と参照光とに分けるための第１スプリッタと、
   前記第１スプリッタからの測定用の光を、さらにｎ個の第１〜第ｎ測定光に分けるための第２スプリッタと、
   前記第１スプリッタからの参照光を反射するための参照光反射手段と、
   前記参照光反射手段から反射する参照光の光路長を変化させるための光路長変化手段と、
   前記第１スプリッタからの参照光を、前記参照光反射手段へ照射する参照光照射位置まで伝送する参照光伝送手段と、
   前記第２スプリッタからの第１〜第ｎ測定光を夫々、温度測定対象物の各測定ポイントへ照射する測定光照射位置まで伝送する第１〜第ｎ測定光伝送手段と、
   前記温度測定対象物から反射する前記第１〜第ｎ測定光と、前記参照光反射手段から反射する参照光との干渉を測定するための光検出器とを備え、
   前記第１〜第ｎ測定光における前記第２スプリッタから前記温度測定対象物までの各光路長を夫々互いに異なるようにした温度測定装置において、
   前記光検出器からの出力信号から交流成分を抜き出す交流成分抽出手段を具備したことを特徴とする温度測定装置。
2. 請求項１記載の温度測定装置であって、
   前記温度測定対象物は、基板処理装置によって処理される被処理基板であり、前記第１〜第ｎ測定光伝送手段は、前記被処理基板の面内における複数の測定ポイントへ夫々前記第１〜第ｎ測定光が照射されるように前記基板処理装置に配設されることを特徴とする温度測定装置。
3. 請求項１又は２記載の温度測定装置であって、
   前記温度測定対象物は、基板処理装置によって処理される被処理基板であり、
   前記基板処理装置は、前記被処理基板に対して所定の処理を施す複数の処理室を具備し、
   前記第１〜第ｎ測定光伝送手段は、前記被処理基板の面内における複数の測定ポイントへ夫々前記第１〜第ｎ測定光が照射されるように前記処理室毎に配設されるとともに、前記第２スプリッタは、複数の前記処理室毎に夫々設けられ、
   これらの第２スプリッタと前記第１スプリッタとの間に、使用する第２スプリッタを選択するための切り替え手段が設けられ、
   各前記処理室における前記被処理基板の温度を測定可能とされたことを特徴とする温度測定装置。
4. 請求項１又は２記載の温度測定装置であって、
   前記温度測定対象物は、基板処理装置によって処理される被処理基板であり、
   前記基板処理装置は、前記被処理基板に対して所定の処理を施す複数の処理室を具備し、
   前記第１〜第ｎ測定光伝送手段は、前記被処理基板の面内における複数の測定ポイントへ夫々前記第１〜第ｎ測定光が照射されるように前記処理室毎に配設されるとともに、前記第２スプリッタは、複数の前記処理室毎に夫々設けられ、
   これらの第２スプリッタと前記第１スプリッタとの間に、第１スプリッタからの前記測定用の光を夫々の第２スプリッタに分けて供給する第３スプリッタが設けられ、
   各前記処理室における前記被処理基板の温度を測定可能とされたことを特徴とする温度測定装置。

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