JP5591565B2 - 温度測定用プローブ、温度測定システム及びこれを用いた温度測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、低コヒーレンス光の干渉を利用した温度測定用プローブ、温度測定システム及びこれを用いた温度測定方法に関する。

半導体ウエハ（以下、単に「ウエハ」という。）をはじめとする各種基板にプラズマ処理等の各種処理を施す場合、処理の確実を図る観点から、ウエハ又はプラズマ処理装置の各種構成部材の温度を測定することが行われており、近年、温度測定対象物に低コヒーレンス光を照射して表面及び裏面からの反射光と参照光との干渉を測定することによって、温度測定対象物の温度を測定する低コヒーレンス光干渉温度計に関する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−３０７４５８号公報

しかしながら、従来の低コヒーレンス光干渉温度計を用いた温度測定技術においては、温度測定対象物が測定光の一部を透過できること、測定部位の表面と裏面の平行度が高いこと、及び表面及び裏面が鏡面研磨されていること等の要件を満たさねばならず、温度測定対象物となるための制約が多いことから、低コヒーレンス光干渉温度計の適用範囲は必ずしも広くはなかった。また、低コヒーレンス光を照射するコリメータから温度測定対象物までの距離、すなわち光路長を正確に設定する必要があり、光路長が適正光路長から少しでもずれると正確な温度測定を行うことができないために、光路長設定操作が煩雑になるという問題があった。

本発明の目的は、光路長を設定するための煩雑な操作が不要で、且つ温度測定対象物の制約が少なく、適用範囲の広い温度測定用プローブ、温度測定システム及びこれを用いた温度測定方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１記載の温度測定用プローブは、低コヒーレンス光の干渉を利用した温度測定用プローブであって、温度測定対象物の表面に当接されて前記温度測定対象物と熱的に同化する温度取得部材と、該温度取得部材に前記低コヒーレンス光からなる測定光を照射し、該温度取得部材の表面からの反射光及び裏面からの反射光をそれぞれ受光する光照射・受光部と、前記温度取得部材及び前記光照射・受光部との間隔を所定の長さに規定すると共に、前記測定光及び前記反射光の光路を前記温度測定対象物が置かれた雰囲気から隔離する筒状部材と、を有することを特徴とする。

請求項２記載の温度測定用プローブは、請求項１記載の温度測定用プローブにおいて、前記筒状部材は、前記光照射・受光部から照射された前記測定光が、前記温度取得部材の表面に垂直に入射するように前記温度取得部材と前記光照射・受光部との位置関係を規定することを特徴とする。

請求項３記載の温度測定用プローブは、請求項１又は２記載の温度測定用プローブにおいて、前記温度取得部材は、前記低コヒーレンス光を透過させる熱伝導性材料からなる板状体であり、表裏両面が互いに平行で、且つ表裏両面がそれぞれ鏡面研磨されていることを特徴とする。

請求項４記載の温度測定用プローブは、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の温度測定用プローブにおいて、前記温度取得部材は、前記温度測定対象物の表面に対向して開口し前記温度取得部材の厚み方向に貫通する貫通孔を有し、該貫通孔を介して前記温度測定対象物の表面に向かって空気又は不活性ガスを供給するガス供給手段を備えていることを特徴とする。

請求項５記載の温度測定用プローブは、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の温度測定用プローブにおいて、前記温度取得部材と前記光照射・受光部との間隔を微調整する調整ねじが設けられていることを特徴とする。

上記目的を達成するために、請求項６記載の温度測定システムは、低コヒーレンス光干渉温度測定システムであって、請求項１乃至５のいずれか１項記載の温度測定用プローブと、該温度測定用プローブの前記光照射・受光部が光学的に接続された、低コヒーレンス光の光学系からなる受光装置と、を備えていることを特徴とする。

上記目的を達成するために、請求項７記載の温度測定方法は、請求項１に記載の温度測定用プローブを用いた温度測定方法であって、前記温度取得部材を前記温度測定対象物に当接させる当接ステップと、前記光照射・受光部から前記温度取得部材に対して測定光を照射し、前記温度取得部材の表面で反射した反射光及び裏面で反射した反射光をそれぞれ前記光照射・受光部で受光する光照射・受光ステップと、前記光照射・受光ステップで受光した前記２つの反射光を前記光照射・受光部に接続された低コヒーレンス光干渉温度測定システムに伝送し、前記２つの反射光の光路長差と、予め求めた前記２つの反射光の光路長差と前記温度取得部材の温度との関係とに基づいて前記温度測定対象物の温度を算出する温度算出ステップと、を有することを特徴とする。

請求項８記載の温度測定方法は、請求項７記載の温度測定方法において、前記当接ステップの後に、前記温度取得部材の温度が前記温度測定対象物の温度と同化するまで待機する待機ステップを有することを特徴とする。

請求項９記載の温度測定方法は、請求項７又は８記載の温度測定方法において、前記当接ステップにおいて、前記温度取得部材と前記温度測定対象物との間に、熱伝導シートを介在させることを特徴とする。

請求項１０記載の温度測定方法は、請求項９記載の温度測定方法において、前記熱伝導シートの外周部をシール部材でシールし、シールされた領域内に、前記温度取得部材に設けられた貫通孔を介して空気又は不活性ガスを充填することを特徴とする。

請求項１１記載の温度測定方法は、請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の温度測定方法において、前記光照射・受光ステップにおいて、前記測定光を前記温度取得部材に照射する際、前記光照射・受光部と前記温度取得部材との間隔を微調整することを特徴とする。

本発明によれば、光路長が筒状部材によって予め規定されているので、光路長を設定するための煩雑な操作が不要で、且つ温度測定対象物の温度を温度取得部材に伝導させて間接的に測定するので、温度測定対象物の制約が少なく、適用範囲を広げることができる。

低コヒーレンス光干渉温度測定システムの概略構成を示すブロック図である。 図１における低コヒーレンス光光学系の温度測定動作を説明するための図である。 図２におけるＰＤによって検出される温度測定対象物であるウエハからの反射光と参照ミラーからの反射光との干渉波形を示すグラフである。 本発明の第１の実施の形態に係る温度測定用プローブの概略構成を示す説明図である。 第１の実施の形態に係る温度測定用プローブを用いた温度測定方法のフローチャートである。 温度測定用プローブと測定対象物との位置関係を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る温度測定用プローブの概略構成を示す図である。 第１の実施の形態に係る温度測定用プローブを用いた温度測定方法の変形例を示す説明図である。 第２の実施の形態に係る温度測定用プローブを用いた温度測定方法の変形例を示す説明図である。 測定対象物における温度測定用プローブの当接位置を示す平面図である。

以下に、まず、本発明に係る温度測定用プローブが適用される低コヒーレンス光干渉温度測定システムについて説明する。

図１は、低コヒーレンス光干渉温度測定システムの概略構成を示すブロック図である。

図１において、低コヒーレンス光干渉温度測定システム４６は、温度測定対象物６０に低コヒーレンス光を照射し且つ該低コヒーレンス光の反射光を受光する低コヒーレンス光光学系４７と、該低コヒーレンス光光学系４７が受光した反射光に基づいて温度測定対象物６０の温度を算出する温度算出装置４８とを備える。低コヒーレンス光とは、１つの光源から照射されてその後２つに分割された場合に、該２つの光の波連が重なりにくい（２つの光が干渉しにくい）光であり、可干渉距離（コヒーレンス長）が短い光である。

低コヒーレンス光光学系４７は、低コヒーレンス光源としてのＳＬＤ（Super Luminescent Diode）４９と、該ＳＬＤ４９に接続された２×２のスプリッタとして機能する光ファイバ融着カプラ５０（以下、「カプラ」という。）と、該光カプラ５０に接続されたコリメータ５１，５２と、カプラ５０に接続された受光素子としての光検出器（ＰＤ：Photo Detector）５３と、各構成要素間をそれぞれ接続する光ファイバ５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，５４ｄとを備える。

ＳＬＤ４９は、例えば、中心波長が１．５５μｍ又は１．３１μｍであって、コヒーレンス長が約５０μｍの低コヒーレンス光を出力１．５ｍＷで照射する。カプラ５０はＳＬＤ４９からの低コヒーレンス光を２つに分割し、該分割された２つの低コヒーレンス光をそれぞれ光ファイバ５４ｂ，５４ｃを介してコリメータ５１，５２に伝送する。コリメータ５１，５２は、カプラ５０によって分けられた低コヒーレンス光（後述する測定光６４及び参照光６５）をそれぞれ温度測定対象物６０及び参照ミラー５５に照射する。ＰＤ５３は、例えばＩｎＧａＡｓフォトダイオードから成る。

また、低コヒーレンス光光学系４７は、コリメータ５２の前方に配置された参照ミラー５５と、参照ミラー５５をコリメータ５２からの低コヒーレンス光の照射方向に沿うようにサーボモータ５６ａによって水平移動させる参照ミラー駆動ステージ５６と、該参照ミラー駆動ステージ５６のサーボモータ５６ａを駆動するモータドライバ５７と、ＰＤ５３に接続されて該ＰＤ５３からの出力信号を増幅させるアンプ５８とを備える。参照ミラー５５は反射面を有するコーナキューブプリズム又は平面ミラーからなる。

コリメータ５１は、温度測定対象物６０の表面に対向するように配置され、温度測定対象物６０の表面に向けて、カプラ５０によって２つに分けられた低コヒーレンス光の一方を測定光（後述する測定光６４）として照射すると共に、温度測定対象物６０の表面及び裏面からの反射光（後述する反射光６６ａ及び反射光６６ｂ）をそれぞれ受光してＰＤ５３に伝送する。

コリメータ５２は、参照ミラー５５に向けて、光ファイバカプラ５０によって２つに分けられたもう１つの低コヒーレンス光（後述する参照光６５）を照射すると共に、参照ミラー５５からの低コヒーレンス光の反射光（後述する反射光６８）を受光してＰＤ５３に伝送する。

参照ミラー駆動ステージ５６は、参照ミラー５５を図１に示す矢印Ａ方向、すなわち、参照ミラー５５の反射面がコリメータ５２からの照射光に対して常に垂直となるように水平移動させる。参照ミラー５５は矢印Ａの方向（コリメータ５２からの低コヒーレンス光の照射方向）に沿って往復移動可能である。

温度算出装置４８は、温度算出装置４８全体を制御するＰＣ４８ａと、参照ミラー５５を移動させるサーボモータ５６ａをモータドライバ５７を介して制御するモータコントローラ６１と、低コヒーレンス光光学系４７のアンプ５８を介して入力されたＰＤ５３の出力信号を、モータコントローラ６１からモータドライバ５７へ出力される制御信号（例えば駆動パルス）、または参照ミラー５５の位置を正確に計測するために設けられたレーザーエンコーダやリニアスケールから出力される制御信号に同期してアナログデジタル変換するＡ／Ｄ変換器とを備える。

図２は、図１における低コヒーレンス光光学系の温度測定動作を説明するための図である。

低コヒーレンス光光学系４７は、マイケルソン干渉計の構造を基本構造として有する低コヒーレンス干渉計を利用した光学系であり、図２に示すように、ＳＬＤ４９から照射された低コヒーレンス光は、スプリッタとして機能するカプラ５０によって測定光６４と参照光６５とに分けられ、測定光６４は温度測定対象物６０に向けて照射され、参照光６５は参照ミラー５５に向けて照射される。

温度測定対象物６０に照射された測定光６４は温度測定対象物６０の表面及び裏面のそれぞれにおいて反射し、温度測定対象物６０の表面からの反射光６６ａ及び温度測定対象物６０の裏面からの反射光６６ｂは同一光路６７でカプラ５０に入射する。また、参照ミラー５５に照射された参照光６５は反射面において反射し、該反射面からの反射光６８もカプラ５０に入射する。ここで、上述したように、参照ミラー５５は参照光６５の照射方向に沿うように水平移動するため、低コヒーレンス光光学系４７は参照光６５及び反射光６８の光路長を変化させることができる。

参照ミラー５５を水平移動させて参照光６５及び反射光６８の光路長を変化させ、測定光６４及び反射光６６ａの光路長が参照光６５及び反射光６８の光路長と一致したときに、反射光６６ａと反射光６８とは干渉を起こす。また、測定光６４及び反射光６６ｂの光路長が参照光６５及び反射光６８の光路長と一致したときに、反射光６６ｂと反射光６８とは干渉を起こす。これらの干渉はＰＤ５３によって検出される。ＰＤ５３は干渉を検出すると出力信号を出力する。

図３は、図２におけるＰＤによって検出される温度測定対象物６０からの反射光と参照ミラーからの反射光との干渉波形を示すグラフであり、（Ａ）は温度測定対象物６０の温度変化前に得られる干渉波形を示し、（Ｂ）は温度測定対象物６０の温度変化後に得られる干渉波形を示す。なお、図３（Ａ）、（Ｂ）では縦軸が干渉強度を示し、横軸が参照ミラー５５が所定の基点から水平移動した距離（以下、単に「参照ミラー移動距離」という。）を示す。

図３（Ａ）のグラフに示すように、参照ミラー５５からの反射光６８が温度測定対象物６０の表面からの反射光６６ａと干渉を起こすと、例えば、干渉位置Ａ（干渉強度のピーク位置：約４２５μｍ）を中心とする幅約８０μｍに亘る干渉波形６９が検出される。また、参照ミラー５５からの反射光６８が温度測定対象物６０の裏面からの反射光６６ｂと干渉を起こすと、例えば、干渉位置Ｂ（干渉強度のピーク位置：約３２８５μｍ）を中心とする幅約８０μｍに亘る干渉波形７０が検出される。干渉位置Ａは測定光６４及び反射光６６ａの光路長に対応し、干渉位置Ｂは測定光６４及び反射光６６ｂの光路長に対応するため、干渉位置Ａ及び干渉位置Ｂの差Ｄは反射光６６ａの光路長と反射光６６ｂの光路長との差（以下、単に「光路長差」という。）に対応する。反射光６６ａの光路長と反射光６６ｂの光路長との差は温度測定対象物６０の光学的厚さに対応するため、干渉位置Ａ及び干渉位置Ｂの差Ｄは温度測定対象物６０の光学的厚さに対応する。すなわち、反射光６８及び反射光６６ａ、並びに反射光６８及び反射光６６ｂの干渉を検出することによって温度測定対象物６０の光学的厚さを計測することができる。

ここで、温度測定対象物６０に温度変化が生じると、温度測定対象物６０の厚さが熱膨張（圧縮）によって変化すると共に屈折率も変化するために、測定光６４及び反射光６６ａの光路長、並びに測定光６４及び反射光６６ｂの光路長も変化する。したがって、反射光６８と反射光６６ａの干渉位置Ａ、及び反射光６８と反射光６６ｂの干渉位置Ｂが図３（Ａ）に示す各干渉位置から変化する。具体的には、図３（Ｂ）のグラフに示すように、干渉位置Ａ及び干渉位置Ｂは図３（Ａ）に示す各干渉位置から移動する。干渉位置Ａ及び干渉位置Ｂは温度測定対象物６０の温度に応じて移動するため、干渉位置Ａ及び干渉位置Ｂの差Ｄ、引いては、光路長差を算出し、該光路長差に基づいて温度測定対象物６０の温度を測定することができる。なお、光路長の変化要因としては上述した温度測定対象物６０の光学的厚さの変化の他、低コヒーレンス光光学系４７の各構成要素の位置変化（伸び等）が挙げられる。

低コヒーレンス光干渉温度測定システム４６では、温度測定対象物６０の温度を測定する前に、光路長差と温度測定対象物６０の温度とを関係付けた温度換算用データベース、例えば、温度測定対象物６０の温度及び光路長差を各軸とするテーブル形式のデータベースや、ウエハＷの温度及び光路長差の回帰式を予め準備して温度算出装置４８のＰＣ４８ａが備えるメモリ（図示省略）等に格納しておく。そして、温度測定対象物６０の温度を測定するときには、まず、低コヒーレンス光光学系４７がＰＤ５３の出力信号、すなわち、図３に示す干渉位置Ａ及び干渉位置Ｂを示す信号を温度算出装置４８に入力する。次いで、温度算出装置４８は入力された信号から光路長差を算出し、さらに、光路長差を温度換算用データベースに基づいて温度に換算する。これにより、温度測定対象物６０の温度を求める。

本発明の実施の形態に係る温度測定用プローブは、上述の低コヒーレンス光干渉温度測定システムの低コヒーレンス光光学系４７の一部を占めるものであり、コリメータ５１と、温度の測定対象物Ｗに当接して熱的に同化する温度取得部材（以下、「当接部材」という。）と、を備える。

以下に、本発明の第１の実施の形態に係る温度測定用プローブについて図面を参照しつつ説明する。

図４は、本発明の第１の実施の形態に係る温度測定用プローブの概略構成を示す説明図である。

図４において、この温度測定用のプローブ８０は、温度取得部材としての当接部材７１と、該当接部材７１に測定光７４を照射し、反射光７５を受光する光照射・受光部としてのピッグテールコリメータ７２（以下、単に「コリメータ」という。）と、当接部材７１及びコリメータ７２をそれぞれ両端部で固定する筒状部材７３とから主として構成されている。コリメータ７２は、固定部材７６によって筒状部材７３の一端に固定されており、固定部材７６には、コリメータ７２の位置、ひいてはコリメータ７２の先端部と当接部材７１との間隔を微調整する調整ねじ７７が設けられている。コリメータ７２は、光ファイバを介して図１の低コヒーレンス光干渉温度測定システム４６のカプラ５０に光学的に接続されている。

当接部材７１は、低コヒーレンス光を透過させる、熱伝導性材料、例えばシリコン（Ｓｉ）からなる円板状の部材であり、その表面と裏面は互いに平行に形成されている。また、表面と裏面には、それぞれ鏡面研磨処理が施されている。当接部材７１は温度測定対象物に当接して該温度測定対象物から熱伝達を受けることによって、温度測定対象物と温度的に同化して同じ温度になる。

コリメータ７２は、低コヒーレンス光干渉温度測定システム４６のＳＬＤ４９から照射され、カプラ５０によって２分割された低コヒーレンス光のうちの一方を、筒状部材７３で温度測定対象物が置かれた雰囲気と隔離された光路を通じて当接部材７１に照射する。当接部材７１とコリメータ７２とは、コリメータ７２から照射された測定光が当接部材７１の表面に垂直に入射するように、いわゆる垂直度が得られるように位置決めされている。また、コリメータ５２の先端部から当接部材７１の表面までの間隔である光路長（所定の長さ）は、当接部材７１の材質及び使用する低コヒーレンス光の波長等によって決まる特有の値であり、温度測定対象物から伝熱を受けた当接部材７１の温度を正確に求めることができる長さに予め規定されている。なお、当接部材７１としては、例えばシリコン（Ｓｉ）板が使用される。

コリメータ７２から照射された測定光７４は、当接部材７１の表面に垂直に入射し、当接部材７１の表面で反射した反射光７５ａ及び裏面で反射した反射光７５ｂは、測定光７４と同じ光路を経てコリメータ７２に受光される。コリメータ７２で受光された反射光７５は、カプラ５０を介して低コヒーレンス光干渉温度測定システム４６のＰＤ５３に伝送され、反射光７５ａ及び７５ｂの光路長差に基づいて、温度算出装置４８が当接部材７１の温度、ひいては測定対象物Ｗの温度を算出する。

以下、このような構成の温度測定用プローブを用いた第１の実施の形態に係る温度測定方法について説明する。

図５は、温度測定用プローブを用いた第１の実施の形態に係る温度測定方法のフローチャートである。

図５において、温度測定用プローブを用いた温度測方法における温度測定処理は、以下のように行われる。

すなわち、まず、Ｓｉなどからなる当接部材７１と同種の材質に対し、反射光の光路長差と温度とを関係づけた温度換算用データベースを作成し、予め低コヒーレンス光干渉温度測定システム４６の温度算出装置４８のメモリに記憶させる（ステップＳ１）。

次いで、温度測定用プローブ８０の当接部材７１の先端部を、例えば、円環状の熱伝導シート７８を介して測定対象物Ｗの表面に当接する（ステップＳ２）。図６は、温度測定用プローブ８０と測定対象物Ｗとの位置関係を示す図である。図６において、温度測定用プローブ８０の当接部材７１が円環状の熱伝導シート７８を介して測定対象物Ｗの表面に当接されている。

次いで、図６に示した状態で、測定対象物Ｗの温度が熱伝導シート７８を介して当接部材７１に伝達することによって、当接部材７１の温度が測定対象物Ｗの温度と同化するまで待機する（ステップＳ３）。なお、待機時間は、例えば、同種の温度測定を複数回繰り返した経験値から求められる。

次に、所定の待機時間経過後、コリメータ７２から当接部材７１に向かって測定光７４を照射する（ステップＳ４）。次いで、測定光７４が当接部材７１の表面で反射した反射光７５ａ及び裏面で反射した反射光７５ｂをそれぞれコリメータ７２によって受光する（ステップＳ５）。

次いで、受光した反射光７５ａ及び反射光７５ｂを、光ファイバを介して低コヒーレンス光干渉温度測定システム４６のカプラ５０及びＰＤ５３に伝送し、ＰＤ５３の出力信号に基づいて温度算出装置４８によって光路長差を求め、該光路長差に基づいて測定対象物Ｗの温度を算出し（ステップＳ６）、その後、必要に応じ、経験的に求めた補正値を用いて補正して本処理を終了する。

図５の処理によれば、測定対象物Ｗの温度を、表裏両面が互いに平行で、且つそれぞれ鏡面研磨された当接部材７１に伝達させた後、当接部材７１の温度を測定して間接的に測定対象物Ｗの温度を求めることができる。

本実施の形態によれば、当接部材として、例えばシリコン（Ｓｉ）からなる円板状の部材であって、表面と裏面が互いに平行で、且つ表面と裏面にそれぞれ鏡面研磨処理が施されているものを適用したので、従来測定対象物に求められていた制約のほとんどが不要となり、低コヒーレンス光干渉温度測定システムの適用範囲が著しく広くなる。

本実施の形態によれば、当接部材７１とコリメータ７２との間の距離で規定される光路長が、予め正確な測定結果が求められる所定長さに規定されているので、温度測定ごとに光路長を設定する初期化設定（イニシャライズ）が不要となる。また、コリメータ７２から照射された測定光が当接部材７１に垂直に入射するように照射光と当接部材との垂直度が正確に設定されているので、測定光の角度調整が不要で、温度測定対象物と測定光の垂直度を調整するイニシャライズが不要となる。なお、予め温度換算用データベースを作成しておくことにより、温度変化前のウエハ温度を測定するイニシャライズも不要となる。

本実施の形態によれば、コリメータ７２から照射された測定光及び当接部材７１から反射する反射光の光路を筒状部材７３によって区画し、測定対象物Ｗが置かれた雰囲気から隔離したので、外因による測定光及び反射光のゆらぎを抑制することができ、測定精度が向上する。

また、本実施の形態によれば、コリメータ７２の先端部と当接部材７１との間隔を微調整する調整ねじ７７が設けられているので、光路長がずれた際は、随時最適光路長に設定し直すことができる。

また、本実施の形態に係る温度測定用プローブ８０は、高周波の影響を受けないので、高周波電力が印加される雰囲気にある測定対象物Ｗであってもその温度を正確に測定することができる。

本実施の形態において、当接部材７１の温度が測定対象物Ｗの温度と一致するまでの待機時間として長時間を要する場合は、温度が一致するまでの時間よりも短い所定の時間における光路長差を求め、該光路長差に基づいて測定対象物Ｗの温度を算出し、その後、経験的に求められる補正値を用いて算出結果を補正するようにしてもよい。

本実施の形態において、当接部材７１は、低コヒーレンス光を透過するものであって、温度依存性、すなわち温度変化に伴って厚さ又は屈折率が変化するもの、好適にはシリコンが適用されるが、シリコン以外に、例えばサファイア、石英、ＺｎＳｅ等を使用することができる。

本実施の形態において、筒状部材７３の内部は真空であっても、空気又は不活性ガスが充填されていてもよい。また、温度測定用プローブ８０を構成する筒状部材７３の外形は、できるだけ小さいことが好ましく、例えば２〜６ｍｍφに設定される。

本実施例において、当接部材７１と測定対象物Ｗとの当接部に介在する熱伝導シートとして円環状の熱伝導シート７８を使用したが、円環状の熱伝導シートに代えて、円板状の熱伝導シートを用いることもできる。この場合も上記実施の形態と同様の効果が得られる。

次に、本発明の第２の実施の形態に係る温度測定用プローブ及び温度測定方法について説明する。

上述の第１の実施の形態に係る温度測定方法は、測定対象物Ｗが大気中に置かれた場合の温度測定方法である。測定対象物Ｗが大気圧以下の減圧状態（以下、「真空中」という。）に置かれた場合は、以下の温度測定用プローブを用いて以下のように温度測定が行われる。

図７は、本発明の第２の実施の形態に係る温度測定用プローブの概略構成を示す図であり、図７（Ａ）は縦断面図、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）の当接部材の平面図である。

図７（Ａ）において、この温度測定用プローブ８０が第１の実施の形態の係る温度測定用プローブ（図４参照）と異なるところは、当接部材７１ａが、その厚さ方向に貫通する複数の貫通孔７１ｂを有し、且つ固定部材７６に、空気又は不活性ガスを筒状部材７３に導入するガス導入手段としてのガス供給管７９が設けられている点である。

ガス供給管７９は、図示省略したガス供給源から、例えば空気又は不活性ガスを筒状部材７３内に導入する。なお、図７（Ｂ）においては貫通孔７１ｂを４個として本実施形態の説明を行うが、貫通孔７１ｂの個数は、特に限定されるものではなく、１つ又は２つ以上のいずれでもよい。

このような構成の温度測定用プローブを用い、真空雰囲気、例えば基板処理装置のチャンバ内に置かれた測定対象物Ｗの温度は、以下のように測定される。

すなわち、予め当接部材７１ａと同種の材質（Ｓｉなど）に対し、光路長差と温度とを関係づけた温度換算用データベースを作成し、低コヒーレンス光干渉温度測定システム４６の温度算出装置４８のメモリに記憶させる。

次いで、温度測定用プローブ８０の当接部材７１ａと測定対象物Ｗとの間に、図７（Ａ）に示したように、当接部材７１ａの外形よりも小さく、且つ貫通孔７１ｂの全てを囲む大きさの円環状の熱伝導シート７８ａ、及び該熱伝導シート７８ａの外周部を囲むシール部材としてのＯリング８１を介在させて、当接部材７１ａと測定対象物Ｗとを当接させる。次いで、ガス供給管７９から筒状部材７３内に、例えば空気を導入し、当接部材７１ａの貫通孔７１ｂを介して当該当接部材７１ａと測定対象物ＷとＯリング８１とで囲まれた空間に空気を導入して空気層８２を形成する。

次いで、空気層８２を介して測定対象物Ｗの温度が当接部材７１ａに伝達され、当接部材７１ａの温度が測定対象物Ｗの温度と同化するまで待機し、その後、第１の実施の形態と同様に、コリメータ７２から測定光７４を照射し、以下、第１の実施の形態に係る温度測定方法と同様にして測定対象物Ｗの温度を求める。

本実施の形態によれば、当接部材７１ａの外形よりも小さく、貫通孔７１ｂの全てを囲む大きさの円環状の熱伝導シート７８ａ、及び該熱伝導シート７８ａの外周部を囲むシール部材としてのＯリング８１を介在させて、当接部材７１ａと測定対象物Ｗとを当接させ、当接部材７１ａと測定対象物ＷとＯリング８１とで囲まれた空間に空気を導入して空気層８２を形成した後、測定対象物Ｗの温度測定を行うようにしたので、空気層８２が伝熱層として機能し、これによって真空断熱層による熱抵抗を解消し、もって、真空雰囲気内に置かれた測定対象物Ｗであってもその温度を正確に測定することができる。

本実施の形態において、熱伝導シートとして、当接部材７１ａの複数の貫通孔７１ｂを囲む円環状の熱伝導シートを適用したが、熱伝導シートとして、複数の貫通孔７１ｂに囲まれた領域に収まる大きさの円板状の熱伝導シートを適用し、該円板状の熱伝導シートとＯリング８１との間に円環状の空間を設け、該円環状の空間に空気を充填することによって空気層を形成するようにしてもよい。これによっても第２の実施の形態に係る温度測定方法と同様の効果が得られる。

次に、第１の実施の形態に係る温度測定用プローブ（図４参照）を用いた温度測定方法の変形例について説明する。

図８は、第１の実施の形態に係る温度測定用プローブを用いた温度測定方法の変形例を示す説明図である。

図８において、測定対象物Ｗの表面には、例えば、ザグリに相当する凹部８３が形成されている。このように、温度測定対象物の表面が平坦でない場合は、例えば円環状の熱伝導シート７８で当該凹部８３の周りを囲み、該円環状の熱伝導シート７８を介して当接部材７１を測定対象物Ｗに当接し、以下第１の実施の形態に係る温度測定方法と同様にして測定対象物Ｗの温度を測定することができる。

本実施の形態の変形例によれば、測定対象物Ｗの表面に凹部８３があっても、該凹部８３を円環状の熱伝導シート７８によってとり囲んだ状態で当接部材７１と測定対象物Ｗとを当接させることにより、凹部の影響を最小限にして、ウエハの温度を測定することができる。

次に、第２の実施の形態に係る温度測定用プローブを用いた温度測定方法の変形例について説明する。

図９は、第２の実施の形態に係る温度測定用プローブを用いた温度測定方法の変形例を示す説明図であり、図９（Ａ）は縦断面図、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）の当接部材の平面図である。また、図１０は、測定対象物Ｗにおける温度測定用プローブの当接位置を示す平面図である。

図９において、この温度測定方法が図８に示した温度測定方法と異なるところは、測定対象物Ｗが真空雰囲気に置かれており、熱伝導シート７８に代えて外形が小さい熱伝導シート７８ａを用い、該熱伝導シート７８ａの外周部をＯリング８１で囲み、当接部材７１ａと、測定対象物Ｗの凹部８３とＯリング８１とで囲まれた空間にガス供給管７９から導入された空気を充填して空気層８２ａを形成した点である。

図１０において、凹部８３の回りにＯリング溝８１ａが設けられている。このように、予め測定対象物Ｗの表面にシール部材であるＯリング８１が嵌合する溝８１ａを設けておき、該Ｏリング溝８１ａにＯリング８１を嵌合させた状態で、当接部材７１ａと測定対象物Ｗとを当接させることもできる。これによってシール性が向上する。なお、凹部８３の形状は円形に限らず、またその数は、１つでも２つ以上であってもよい。

温度測定用プローブ８０の当接部材７１ａを測定対象物Ｗに当接させ、所定の待機時間が経過した後、上記実施の形態と同様に操作して測定対象物Ｗの温度を求める。

本実施の形態の変形例によれば、凹部８３を有する測定対象物Ｗが真空雰囲気に置かれた場合であっても、凹部８３に空気を充填した空気層８２ａを形成し、この空気層８２ａと熱伝導シート７８ａを介して測定対象物Ｗの温度が当接部材７１ａに効率よく伝導するので、測定対象物Ｗの温度を間接的に正確に測定することができる。

本実施の形態の変形例において、測定対象物Ｗが１つの凹部を有する場合の温度測定方法について説明したが、測定対象物Ｗの凹部は１つでなく２つ以上あってもよい。この場合、複数の凹部をＯリング８１で囲み、凹部以外の面を熱伝導シートを介して当接部材７１ａに当接させ、且つ当接部材７１ａ、測定対象物Ｗ及びＯリング８１で囲まれた空間内に空気又は不活性ガスを充填して伝熱層を形成し、その後、上記実施の形態と同様にして測定対象物Ｗの温度を測定することができる。

この実施の形態の変形例によれば、測定対象物Ｗに２つ以上の凹部があっても、凹部を利用して伝熱層を形成し、これによって測定対象物Ｗの温度を確実に当接部材７１ａに伝導して、良好に測定することができる。

以上、本発明について、実施の形態を用いて説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。

Ｗ 測定対象物
４６ 低コヒーレンス光干渉温度測定システム
４７ 低コヒーレンス光光学系
４８ 温度算出装置
４９ ＳＬＤ
５０ 光ファイバ融着カプラ
５１、５２ コリメータ
５３ 光検出器（ＰＤ）
５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄ 光ファイバ
５５ 参照ミラー
６０ 温度測定対象物
６４、７４ 測定光
６５ 参照光
６６ａ、６６ｂ，６８、７５、７５ａ、７５ｂ 反射光

Claims (11)

1. 低コヒーレンス光の干渉を利用した温度測定用プローブであって、
   温度測定対象物の表面に当接されて前記温度測定対象物と熱的に同化する温度取得部材と、
   該温度取得部材に前記低コヒーレンス光からなる測定光を照射し、該温度取得部材の表面からの反射光及び裏面からの反射光をそれぞれ受光する光照射・受光部と、
   前記温度取得部材及び前記光照射・受光部との間隔を所定の長さに規定すると共に、前記測定光及び前記反射光の光路を前記測定対象物が置かれた雰囲気から隔離する筒状部材と、を有することを特徴とする温度測定用プローブ。
2. 前記筒状部材は、前記光照射・受光部から照射された前記測定光が、前記温度取得部材の表面に垂直に入射するように前記温度取得部材と前記光照射・受光部との位置関係を規定することを特徴とする請求項１記載の温度測定用プローブ。
3. 前記温度取得部材は、前記低コヒーレンス光を透過させる熱伝導性材料からなる板状体であり、表裏両面が互いに平行で、且つ表裏両面がそれぞれ鏡面研磨されていることを特徴とする請求項１又は２記載の温度測定用プローブ。
4. 前記温度取得部材は、前記温度測定対象物の表面に対向して開口し前記温度取得部材の厚み方向に貫通する貫通孔を有し、該貫通孔を介して前記温度測定対象物の表面に向かって空気又は不活性ガスを供給するガス供給手段を備えていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の温度測定用プローブ。
5. 前記温度取得部材と前記光照射・受光部との間隔を微調整する調整ねじが設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の温度測定用プローブ。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項記載の温度測定用プローブと、該温度測定用プローブの前記光照射・受光部が光学的に接続された、低コヒーレンス光の光学系からなる受光装置と、を備えていることを特徴とする低コヒーレンス光干渉温度測定システム。
7. 請求項１に記載の温度測定用プローブを用いた温度測定方法であって、
   前記温度取得部材を前記温度測定対象物に当接させる当接ステップと、
   前記光照射・受光部から前記温度取得部材に対して前記測定光を照射し、前記温度取得部材の表面で反射した反射光及び裏面で反射した反射光をそれぞれ前記光照射・受光部で受光する光照射・受光ステップと、
   前記光照射・受光ステップで受光した前記２つの反射光を前記光照射・受光部に接続された低コヒーレンス光干渉温度測定システムに伝送し、前記２つの反射光の光路長差と、予め求めた前記２つの反射光の光路長差と前記温度取得部材の温度との関係とに基づいて前記温度測定対象物の温度を算出する温度算出ステップと、
   を有することを特徴とする温度測定方法。
8. 前記当接ステップの後に、前記温度取得部材の温度が前記温度測定対象物の温度と同化するまで待機する待機ステップを有することを特徴とする請求項７記載の温度測定方法。
9. 前記当接ステップにおいて、前記温度取得部材と前記温度測定対象物との間に、熱伝導シートを介在させることを特徴とする請求項７又は８記載の温度測定方法。
10. 前記熱伝導シートの外周部をシール部材でシールし、シールされた領域内に、前記温度取得部材に設けられた貫通孔を介して空気又は不活性ガスを充填することを特徴とする請求項９記載の温度測定方法。
11. 前記光照射・受光ステップにおいて、前記測定光を前記温度取得部材に照射する際、前記光照射・受光部と前記温度取得部材との間隔を微調整することを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の温度測定方法。

Images