JP4052514B2

JP4052514B2 - 放射温度測定装置

Info

Publication number: JP4052514B2
Application number: JP2003094033A
Authority: JP
Inventors: 利房鈴木; 亮夫中西
Original assignee: Chino Corp
Current assignee: Chino Corp
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2003-03-31
Publication date: 2008-02-27
Anticipated expiration: 2023-03-31
Also published as: JP2004301614A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
測定対象の放射率および温度を測定する放射温度測定装置に関するものである。特にシリコンなど半導体基板の放射率および温度のその場測定に有用な放射温度測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン基板等の測定対象を各種処理中に、その表面温度を測定することは、プロセス上重要なことである。ＣＶＤ（化学蒸着）等の各種処理が行われるため、表面の粗さ、付着物が変化するなど、状態が変化して、放射率が変動する測定対象の放射温度測定装置が知られている。例えば本出願人による特公平6−76922のように、測定対象（Ｓｉウェハ）に光（I₀）を照射し、その反射光Ｉ_ｒを測定しｒ＝Ｉ_ｒ／I₀より反射率ｒを求め、キルヒホッフの法則よりε＝１−ｒとし、放射率εを求め、放射率補正を行い測定対象の温度Ｔを決定していた。より具体的には、測定対象の裏面からの放射エネルギーに基づいて放射率を演算して、以後この放射率を用いて測定対象の温度を演算手段で演算するようにした放射温度測定装置がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記の方法では拡散反射の場合のみ正しい放射率を求めることができる。測定表面が鏡面性の測定対象では反射光を捕捉できないため測定温度誤差が大きくなるという問題点があった。また、測定対象が加熱される場合、加熱前に測定した放射率を加熱途中においても用いるため、加熱中に放射率が大きく変化した場合は、温度誤差が大きくなるという問題点があった。一方で半導体製造プロセスにおいては精密な温度制御の目的から、放射率、温度のその場測定が要求されている。本発明はかかる問題点を解決するためのもので、放射率および表面状態が未知の測定対象、特にシリコン基板などの表面状態が変動する半導体用基板であっても、その場測定により放射率を求めて高精度な放射測温が可能な放射温度測定装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この発明は、測定対象に測定対象を透過しない測定波長の光を投光する光源と、測定対象からの反射光を捕捉するロッドと、ロッドと測定対象との距離を可変する可変手段と、受光した反射光を検出する検出器と、少なくとも２つの異なる距離における反射光捕捉率の違いから、２方向反射率分布関数の近似式ｃｏｓ^ｎθのｎを算出して方向半球反射率を推定し、放射率を求め、測定対象の温度を演算する演算手段とを備えた放射温度測定装置である。
【０００５】
異なる２つ以上の立体角を得るために、請求項１の発明では、測定対象からの反射光を捕捉するロッドと、ロッドと測定対象との距離を可変する可変手段を設ける。
【０００６】
請求項２の発明は、ロッドと検出器との間で投光、受光の２つの光信号を伝送する光ファイバを備えた放射温度測定装置である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の実施の形態を示す構成説明図である。図１において、３はシリコン基板等の測定対象物で、加熱装置４で加熱され所定のプロセス温度に制御される。１は測定対象に近接して照射光、反射光の光伝送手段を行うロッドで本実施例では石英ロッドを用いており、測定対象から所定の距離に位置する。５は光ファイバーで石英ロッドと光コネクタ６間で光信号を伝送する。７は反射光の光を集光させるためのレンズである。８はレンズ７とフォトダイオードなどの検出素子からなる検出器１０の間に設けられ、光を反射させるビームスプリッター等の光路切換手段であり、光路切換手段８と検出器１０の間には測定波長の光を透過するフィルター９が設けられている。検出器１０からの信号を増幅する増幅器１１、アナログ／デジタル信号変換器１３間には、幾つかの入力信号を、各々の入力信号に再生できるような方法で一つの出力信号にするマルチプレクサ１２が設けられ、演算手段１４はデジタル信号に基づいて、後述する演算方法で測定対象の放射率、温度を算出する。演算手段１４はマイクロプロセッサ等の制御回路１５に接続されており、測定対象に光を照射する光源１６のオンオフ制御などを行うようになっている。距離可変手段は測定対象３をあるいは石英ロッド１を移動させる。距離ｌ _１、ｌ _２において、２つの立体角θ _１、θ _２が設定される。
【０００９】
図２は図１の拡大図で、距離可変手段による異なる２つの距離から２つの立体角θ_１、θ_２が設定される。測定波長は測定対象を透過しない波長を使用する。シリコン基板の場合は測定波長λｅ＝０．９μｍを使用する。光源としては、例えばＬＥＤ（発光ダイオード）、ＬＤ（レーザダイオード）、タングステンランプを使用する。測定対象のシリコン基板からの輻射を測定するために光源は点滅可能あるいは測定波長を遮蔽可能としてある。以下に本発明の放射率、温度の算出について石英ロッドが距離ｌ _１、ｌ _２の場合を例に説明する。
【００１０】
距離ｌ _１の場合に、石英ロッド１を介して受光し演算手段に入力される信号は、光源がオフ（ＯＦＦ）の時、入力信号Ｖ、測定対象の放射率ε、放射エネルギーＬ（λ、Ｔ）は以下の式で表される。λは測定波長、Ｔは測定対象の温度である。
距離ｌ _１
【数１】

距離ｌ _２
【数２】

光源がオン（ＯＮ）の時、
距離ｌ _１
【数３】

距離ｌ _２
【数４】

Ｆ（θ_１）、Ｆ（θ_２）は幾何学的諸量と測定対象面の２方向反射率分布によって決まる量であり、反射光の捕捉率とよばれる。α_１、α_２、β_１、β_２は光学的定数で、Ｉ_０は照射エネルギーである。
【００１１】
入力信号の差の比Ｒは以下の式となる。
【数５】

【００１２】
一方、２方向反射率分布係数をｆ＝ｋｃｏｓ^ｎθで近似（第２２回ＳＩＣＥ学術講演会（昭和５８年）予稿集１９２頁）する。ｎ、ｋは定数である。ｎ＝０の場合が完全拡散面であり、鏡面反射の場合はｎ≫１である。θは測定部に対するロッドの立体角で、石英ロッドの径および測定距離ｌは既知であるので見込み角θは容易に算出可能である。よって入力信号の差の比Ｒと定数ｎの関係は一義的に決定できｎ＝Ｇ（Ｒ）となる。図３は入力信号の差の比Ｒと定数ｎの関係を示すグラフである。
【００１３】
入力信号の差の比Ｒは計測量から算出できるので、Ｒから定数ｎを求めることができ、次式でＦ（θ）を算出できる。
【数６】

Ｆ（θ_１）が求まることから、
【数７】

【数８】

の式から温度Ｔを求めることができる。
【００１４】
図４は、石英ロッド１の先端をレンズ状に加工したロッドレンズ１１としたときの説明図である。ロッドレンズを用いることにより、ロッド内で散乱する光の集光精度を高められ、より高精度の温度測定が可能となる。
【００１５】
【発明の効果】
拡散反射面、鏡面反射面によらず、測定対象の表面状態を予め知ることなしに、その場測定により方向半球反射率を推定して、高精度の放射率測定、放射温度測定が可能となる。また、測定対象基板内に温度分布があったり、表面状態が部分的に異なる場合には、基板を回転（回転信号より）、あるいは移動させて同一個所で、測定対象とロッドの距離を可変させて測定することで温度測定が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態を示す構成説明図。
【図２】立体角の説明図。
【図３】入力信号の差の比Ｒと定数ｎの関係を示すグラフ。
【図４】この発明の他の実施形態を示す説明図。
【符号の説明】
１石英ロッド
３測定対象
５光ファイバ
８光路切換手段
１０検出器
１４演算手段
１６光源

Claims

測定対象に測定対象を透過しない測定波長の光を投光する光源と、測定対象からの反射光を捕捉するロッドと、ロッドと測定対象との距離を可変する可変手段と、受光した反射光を検出する検出器と、少なくとも２つの異なる距離における反射光捕捉率の違いから、２方向反射率分布関数の近似式ｃｏｓ^ｎθのｎを算出して方向半球反射率を推定し、放射率を求め、測定対象の温度を演算する演算手段とを、備えた放射温度測定装置。
前記ロッドと前記検出器との間で投光、受光の２つの光信号を伝送する光ファイバを備えたことを特徴とする請求項１記載の放射温度測定装置。