JP2008541133A - 鏡面の遠隔温度測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】鏡面の温度を間接的に測定するための方法及び装置を提供する。
【解決手段】方法は、表面のブルースター角又はその近傍において表面から放射されたＰ偏光放射線の２つの測定値を得ることを含む。第１の測定値（ＳＡ）は、表面部分から直接放射された第１の量の放射線を集光光学系を使用して集光・検出することにより得られる。第２の測定値（ＳＢ）は、第１の量の放射線と、ブルースター角又はその近傍において集光され、表面によって反射された放射線と、を含む。これは、往復透過率ｔ_２を有し、表面部分から受光した放射線を同一の表面部分に逆反射する逆光学系によって行われ、逆反射された放射線は集光光学系によって集光された第１の量の放射線量に反射され、合成される。測定値ＳＡ，ＳＢと透過率（％）は表面放射率（ＳＡ／ξ）を決定するために使用される。次に、第１の測定値ＳＡの表面放射率に対する比率（ＳＡ／ξ）を表面温度に関連付ける較正曲線を使用する（ＳＡ／ＳＡ／ξ）。次に、較正曲線をＳＡ／ＳＡ／ξから表面温度を決定するために使用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、鏡面の温度を間接的に測定するための装置及び方法に関し、放射線ビームを基板表面上で走査して表面を加熱するレーザー熱処理（ＬＴＰ）分野において特に有用であり、鏡面の温度を比較的高い精度で知ることが必要な熱処理に有用である。

ＬＴＰは集積回路（ＩＣ）等の半導体装置を製造するための技術である。ＬＴＰでは、ドーピングされた半導体ウエハ等の基板に放射線を照射し、基板全体の温度を迅速に低下させることができるように基板表面の温度を比較的低い温度（例えば４００℃）から比較的高い温度（例えば１，３００℃）まで急激に上昇させる。そのような急激な熱サイクルは、例えば効率的に基板内のドーパントを活性化させるために使用される。すなわち、基板の上面に非常に近い物質のみが放射線照射時に比較的高温に加熱されるためである。

米国特許第６，７４７，２４５号（２４５特許）に開示されているＬＴＰ法では、細長いレーザービームをウエハ表面上においてラスタパターンで前後に走査する。レーザービームがウエハ表面の所与の点上に留まる時間は「滞在時間（ｄｗｅｌｌ ｔｉｍｅ）」と呼ばれる。この走査方法を使用することにより、ミリ秒範囲の滞在時間で約１３５０℃のピーク表面温度を達成することができる。その結果、ドーピングされたウエハの高速熱アニーリングにおいて非常に低いドーパント拡散濃度で高い活性化レべルを得ることができる。トランジスタ回路を製造する場合には、急峻なドーパントプロファイルと低いシート抵抗を有するトランジスタを形成する。ＬＴＰでは、滞在時間が数秒である高速熱処理（ｒａｐｉｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）（ＲＴＰ）を使用する場合よりも非常に低いシート抵抗を得ることができる。

ＬＴＰプロセスは高速かつ有効ではあるが、基板表面において生成されるピーク温度に処理結果が左右される場合が多い。アニーリング温度の差が５℃であっても、望ましくないシート抵抗の差が生じる場合がある。

従って、ＬＴＰ時に基板表面温度を測定できることが有利である。ＬＴＰでは加熱・冷却サイクルが高速で行われ、走査幾何学も考慮すると、ピーク表面温度は間接的に測定することが最適である。最もロバストな従来の遠隔表面温度測定方法では、放射される放射線の測定を複数の異なる波長で行うことが必要である。これらの測定値の比率を異なる温度を推定するために使用する。そして、これらの推定値に重み付けを行った後で組み合わせ、最終的な推定温度を得る。しかし、この方法は比較的複雑であり、ＬＴＰにおける温度範囲と表面放射率の変動に対処するには十分に正確ではない。
米国特許第６，７４７，２４５号

本発明の目的は、鏡面の温度を間接的に測定するための装置及び方法を提供することにある。

本発明の一態様は、鏡面の表面温度を測定するための方法である。方法は、表面の一部から放射された第１の量のＰ偏光放射線を表面のブルースター角又はその近傍において測定することを含む。また、方法は、第２の量のＰ偏光放射線を測定することを含む。第２の量は、第１の量と、表面部分からブルースター角又はその近傍において集光され、同一の表面部分から逆反射されたＰ偏光放射線と、からなる。方法は、第１及び第２の量のＰ偏光放射線から表面部分の放射率ξを決定し、黒体の温度と第１の量のＰ偏光放射線の表面放射率ξに対する比率との関係（例えば較正曲線）を生成することをさらに含む。次に、上記関係を使用し、第１の量のＰ偏光放射線と放射率ξに基づいて表面温度を決定する。

本発明の別の態様は、物体の鏡面の温度を間接的に測定するための装置である。装置は受光器を有する集光光学系を含む。集光光学系は、表面の部分から放射されたＰ偏光放射線をブルースター角又はその近傍において受光・検出し、第１の信号ＳＡを生成する。温度測定装置は、往復透過率ｔ_２（ｔ_２には単位がない；ｔ_２はリサイクル光学系の往復透過率を表す０〜１の範囲の比率である）を有する逆光学系をさらに含む。逆光学系は、表面部分から放射されたＰ偏光放射線をブルースター角又はその近傍において受光し、受光したＰ偏光放射線を表面部分から反射によって集光光学系に逆反射し、受光器に第２の信号ＳＢを生成させる。また、温度測定装置はコントローラを含む。コントローラは、受光器に接続され、信号ＳＡ，ＳＢを受信・処理し、表面放射率をξ＝１−（ＳＢ／ＳＡ−１）／ｔ_２によって算出する。コントローラは比率ＳＡ／ξを表面温度に関連付ける較正データを含み、信号ＳＡと放射率ξから表面温度ＴＳを決定する。

本発明の別の態様は、受光器が表面部分にマッピングされる画素のアレイを含む上述した温度測定装置である。コントローラは、各画素に対応する表面温度を算出し、表面部分の表面温度マップを生成する。温度マップは様々な用途に使用することができる。用途の１つは、走査放射線ビームを使用してウエハの表面を加熱する走査装置の走査経路間の間隔を決定することである。別の用途は、放射線源によって表面に供給されるパワーを制御して表面温度を制御することである。

本発明の別の態様は、走査放射線ビーム内の放射線の分布を制御し、基板上のビーム経路において均一な最高温度を有する広い領域を得ることを含む。

次に、これらの態様及びその他の態様について詳細に説明する。

図面に示す構成要素は例示のみを目的とするものであり、縮尺に必ずしも制限されるものではない。ある構成要素の縮尺を誇張し、その他の構成要素を最小化している場合もある。図面は、当業者が理解し、適切に実施することができる本発明の様々な実施態様を例示することを意図するものである。

本発明は、鏡面の温度を間接的に測定するための装置及び方法に関し、特にレーザー熱処理（ＬＴＰ）分野において有用である。「鏡面」とは、実質的に粗面であって光散乱性を有する表面とは異なり、完全又は実質的に平坦で光反射性を有する表面を意味する。これらの基準は、表面の特性を測定するために使用される波長と角度に応じて異なる。

本発明の好適な実施形態では、比較的大きな入射角度及び基板上の表面起伏よりも長い波長を利用する。このように変数を選択することにより、短い波長と小さな（例えば、標準的又ほぼ標準的な）入射角を使用する場合よりも表面は鏡面的となり、拡散性又は散乱性が減少する。以下に説明する一実施形態では、基板はＬＴＰを行うシリコンウエハである。ただし、本発明は基板又はＬＴＰに限定されるものではない。

以下の説明では、表面からのＰ偏光の最小又はほぼ最小の反射角度としてブルースター角を使用する。厳密には、シリコンウエハ等の物体の表面上の膜の存在により、シリコンがドーピングされていない場合に反射率が０となる真のブルースター角は得られない。従って、基板に積層された様々な膜によって形成された鏡面の場合には、本明細書で使用するブルースター角は有効ブリュースター角（Ｐ偏光放射線の反射率が最小となる角度）を意味する。上記最小角度は、通常は基板の真のブルースター角と一致するか、真のブルースター角のほぼ近傍である。

図１は、表面温度測定装置２０の一実施形態を半導体基板（ウエハ）である物体３０との関係（上方）と共に示す平面図である。図１は方位角を定義しており、角度φによって示している。また、Ｘ軸とＹ軸を参考として示している。また、図１は方位角が０の位置に光軸Ａ３を有するＬＴＰ光学系２２を示している。ＬＴＰ光学系２２は、光軸Ａ３に沿って、放射線源Ｌと下流のビーム形成光学系２３とを含む。ビーム形成光学系２３は、放射線源Ｌから放射された放射線ＬＲからＬＴＰ放射線ビームＲＢを形成する。一実施形態によれば、ビーム形成光学系２３は、放射線ビームＲＢのエネルギー量（パワー）を調節するビーム調節装置５００を含む。ビーム調節装置５００については詳細に後述する。

一実施形態によれば、放射線源ＬはＣＯ_２レーザーであり、放射線ＬＲは１０．６μｍの波長を有する。ＬＴＰ放射線ビームＲＢは、ウエハ表面３２において像２４（線像等）をウエハ３０上に形成する。線像の長さ方向に直角にウエハを走査すると、線像２４によってウエハ表面が加熱され、ウエハのＬＴＰが行われる。

図２は、図１において矢印２７で示すＹ方向から見た装置２０の概略側面図である。は表面３２の法線に対して測定され、θで示している。説明を簡略化するために、図２ではＬＴＰ放射線ビームＲＢを省略している。ウエハ３０は、鏡面状の上面３２に加えて、下面３４と、本体部３６と、外縁３８と、を含む。

（集光光学系）
図１及び図２に示すように、測定装置２０は光軸Ａ１を有する集光光学系４０を含む。光軸Ａ１は表面法線Ｎに対して＋θ_Ｂの角度で設けられており、θ_ＢはほぼＰ偏光放射線（図２）に対する最小反射率の入射角を示す。一実施形態によれば、集光光学系４０は、光軸Ａ１に沿ってウエハから順に、集光レンズ６０と、光学フィルタ６２と、基板からの放射線のＰ偏光成分を透過するように配置されたｐ偏光板６４と、開口絞りＡＳ１と、集束レンズ６６と、受光面８２を有する受光器８０と、を含む。一実施形態によれば、各レンズ６０，６６は焦点距離Ｆ１を有し、開口絞りＡＳ１はレンズ６０，６６から距離Ｆ１の位置に設けられている。

受光器８０はコントローラ９０と動作的に接続されている。一実施形態によれば、コントローラ９０は、マイクロプロセッサ、フィールド・プログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）及び／又はロジック・制御演算を行うその他のロジックデバイスである（又は含む）。一実施形態によれば、コントローラ９０はコンピュータである。コントローラ９０は装置２０の動作を制御し、以下に説明する方法に従って受光器８０から受信した情報を処理する。

集光光学系４０の透過エレメントは赤外光（ＩＲ）又は可視光を透過する。一実施形態によれば、集光レンズ６０、光学フィルタ６２、ｐ偏光板６４は、融解石英、ＬａＳＦ９ガラス、フッ化カルシウム、シリコン等のＩＲ透過性材料で製造されている。一実施形態によれば、光学フィルタ６２は、ＩｎＧａＡｓの長波長検出限度に対応する約１．６μｍの波長を中心とした約０．２μｍのスペクトルバンド幅を有する。

集光光学系４０は、対物面ＯＰに位置する対物フィールドＯＦと、像面ＩＰに位置する対応する像フィールドＩＦとを有する。対物面ＯＰはウエハ表面３２の平面に位置する。図３は、集光光学系４０の矩形の対物フィールドＯＦの概略平面図である。線像２４は、対物フィールドＯＦ内において最大線像強度の割合を示す強度等高線８５によって表される。一実施形態によれば、対物フィールドＯＦは、線像２４の中心部（例えば、像の長さ方向における少なくとも８５％の強度等高線）を含むように形成される。矢印８７は、対物フィールドの左右の辺を越えて延びる線像２４の長さ方向を示す。像の短方向では、対物フィールドＯＦはウエハ表面の数ミリメートルに延在し、レーザーによる加熱前、加熱時、加熱後にウエハ表面を包含する。そのため、当該方向における強度等高線は、ウエハ大気温度からピーク温度及び表面温度が急速に低下する領域に及ぶ。

図２に示すように、受光器８０は像面ＩＰに配置され、対応する像フィールドＩＦにおける強度を検出する。図４の拡大図に示す実施形態によれば、受光器８０は傾斜した対物面ＯＰ及びウエハ表面３２の平面上に位置する傾斜した対物フィールドＯＦに対応して傾斜している。図４において、集光光学系４０の倍率が等倍である場合には、θ＝θ’であり、Ｎ８２は受光面８２の表面法線であり、θ’は軸Ａ１及び表面法線Ｎ８２によって形成される角度である。

一実施形態によれば、受光器８０は、表面３２上の最高温度を検出するように配置された単一素子受光器である。別の実施形態によれば、受光器８０は赤外光に対して感度を有する２次元検出器アレイ（例えば、インジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）受光器アレイ）である。光検出器アレイを使用する利点は、容易に入手できる点と、長波長検出限度とＩＣウエハの熱処理時に測定されると予想される温度によって生じる波長発光ピークとの整合性が高い点である。アレイ状の受光器８０の例としては、Ｉｎｄｉｇｏ Ｉｎｃ．（カリフォルニア州サンタバーバラ）から入手できるＡＬＰＨＡ ＮＩＲセンサーヘッドが挙げられる。ＡＬＰＨＡ ＮＩＲセンサーヘッドは、９００ｎｍ〜１７００ｎｍのスペクトルバンドで動作することができる３２０×２５６個のＩｎＧａＡｓ画素アレイを含む。受光器８０の別の例としては、５８０フレーム／秒で撮像することができるＫｏｄａｋ Ｃｏｒｐ．（ニューヨーク州ロチェスター）製のＫＡＣ−９６３０等のシリコンＣＭＯＳ受光器が挙げられる。ＣＭＯＳ光検出器アレイのアーキテクチャにより、検出される受光素子（画素）と検出周波数（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｉｏｎ）とのトレードオフが可能となる。本願では、最高温度の領域が最も重要であり、これらの領域は検出器アレイの中心の非常に小さな幅を占める。そのため、比較的少数の画素について検出することにより最も重要なデータを得ることができる。

一実施形態によれば、受光器８０は対物フィールドＯＦの像である像フィールドを検出することができる大きさを有する。そのため、ウエハ表面３２の最も加熱された領域の周囲の領域が受光器８０に結像され、表面温度分布マップを作成し、最高温度を決定することができる。温度分布マップを調べることにより、対物フィールドＯＦ内のウエハ表面３２のピーク表面温度を決定することができ、ピーク温度よりも幾分低い（例えば、９９％〜１００％）の強度を有する像２４の領域の幅と位置を決定することができる。この情報は、例えば、矢印１９０，１９１（図１）で示すように像２４に対してＸ方向において前後にウエハを走査することによってウエハ表面３２上の像２４を走査する際に隣接する走査経路ＳＰ１，ＳＰ２間の間隔ΔＳＰを設定するために使用することができる。走査間において、矢印１９３，１９５で示すようにウエハをＹ方向に移動させる。
延在する像２４の温度マッピングが必要な場合には、集光光学系４０と逆光学系１００（以下に説明する）にテレセントリック光学系を採用することが望ましい。そのような構成により、対物フィールドＯＦの各対物点を同一の開口数、入射角θ、方位角φで結像することができる。

（逆光学系）
図１及び図２に示すように、装置２０は、光軸Ａ２及び往復透過率ｔ_２を有する偏光保存逆反射光学系１００（以下、「逆光学系」という）をさらに含む。図１及び図２に示すように、逆光学系１００は集光光学系４の対物フィールドＯＦと一致する対物フィールドＯＦＲを有する。図２に示す逆光学系は、集光レンズ１０４と、レンズから１焦点距離Ｆｌだけ離れて瞳平面ＰＰＲに位置する瞳絞りＡＳ２とを採用し、テレセントリック光学系を構成している。逆光学系１００は、レンズ１０４の反対側で瞳絞りＡＳ２に隣接する偏光保存逆反射ミラー１１０も含む。

別の実施形態によれば、図５に示すように、逆光学系１００は、光軸Ａ２に沿って、コリメーティングレンズ１０４と、コリメーティングレンズから１焦点距離Ｆｌだけ離れて位置する瞳絞りＡＳ２とを含み、テレセントリック光学系を構成している。開口絞りＡＳ２は瞳平面ＰＰＲを定義している。この逆光学系（いわゆる「４Ｆリレー」）は、開口絞りから１焦点距離Ｆ２離れた別のコリメーティングレンズ１０６と、レンズ１０６から１焦点距離Ｆ２離れた平面鏡１１１（又は回折格子）とを有する。集光光学系４０も、視野にわたって同一の集光幾何学を維持しながらテレセントリック性を確保するために４Ｆ設計を有することができる。

図２に示すように、一実施形態によれば、逆光学系１００は、コントローラ９０と動作的に接続され、光を逆光学系に光を入射及び／又は逆光学系から光を出射させる又は防止するオンオフモジュレータ（シャッター）１２０を含む。図５の逆光学系１００では、シャッター１２０は平面鏡１１１に隣接して配置されている。図２の逆光学系１００では、シャッター１２０は光軸Ａ２に沿ってウエハ表面３２とコリメーティングレンズ１０４との間に配置されている。一実施形態によれば、シャッター１２０は、線像に沿った各点からの放射線を同時に妨げる回転開口ホイール又はチョッパである。別の実施形態によれば、シャッター１２０は電子光学シャッターである。光学シャッター１２０は１ｋＨｚ以上の速度でオンオフを行うことができることが好ましい。逆光学系１００は表面法線Ｎに対して光学系４０と同じ入射角範囲をカバーするように配置され、光軸Ａ１（図１）及び表面法線Ｎ（図２）と同じ平面に中心が配置されている。逆光学系１００によってカバーされる対物フィールドＯＦＲは、少なくとも受光器８０（すなわち、対物フィールドＯＦ）と同じ面積をカバーできる大きさを有し、一実施形態では受光器８０よりも僅かに大きい面積をカバーする。同様に、逆光学系１００の開口数は集光光学系４０と少なくとも同一であり、一実施形態では集光光学系４０よりも僅かに大きい。一実施形態によれば、対物フィールドＯＦ，ＯＦＲは同じ大きさで、完全にオーバラップしており、集光光学系４０と逆光学系１００はウエハ表面３２の同じ部分を視野に入れる。

動作時には、ウエハ表面３２から放射され、逆光学系１００で集光された放射線１６０（図２）は、逆反射ミラー１１０（例えば、偏光保存コーナーキューブミラー）によって逆反射され、光が放射された位置（対物フィールドＯＦＲ）においてウエハ表面に再び結像される。

（動作方法）
表面の放射率が既知である場合には、表面から放射された光子束（１秒あたりの単位面積あたりの光子）を測定し、この測定値を放射率で除算して等価黒体束（ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｂｌａｃｋ−ｂｏｄｙ ｆｌｕｘ）測定値を導出することによって遠隔表面温度測定値を得ることができる。等価測定値は、検出信号レベルを理想的な黒体の温度に関連付ける較正曲線等の予め導出した関係と共に使用することができる。しかし、半導体ウエハ等の基板の表面の放射率は高い精度で既知である場合は少なく、基板上の点間で変動する場合がある。そのため、ＩＣプロセスウエハの表面放射率を仮定すると、温度推定値が不正確となる。表面放射率を実際に測定し、放射率比率に対する測定光子束の比率を使用して表面温度ＴＳを決定することによって高い精度を実現することができる。

鏡面の場合には、表面放射率ξは以下の関係により表面反射率ｒに関連付けられる。
ξ＝ｌ−ｒ （１）
シリコンウエハ等の基板の反射率ｒは、Ｐ偏光放射線のブルースター角又はその近傍の入射角で最小となる。これは、例えばトランジスタ素子を形成するために使用される他の積層膜が存在していても同様である。ただし、パターニングされた基板の最小反射率はパターニングされていない基板ほどには０に近くならない場合がある。そのため、最小反射率に対応する入射角で放射されたＰ偏光放射線を測定し、基板が黒体であると仮定することにより、適度に正確な温度測定値を得ることができる。

反対の方位方向及び同一の入射角でウエハ表面から放射された放射線を逆光学系によって集光し、放射線を集光光学系に反射することができる基板に放射線を戻すことにより、直接放射された放射線のみに依存する測定値と比較して基板温度測定値の精度を向上させることができる。この場合、逆光学系は基板に戻されるＰ偏光放射線の偏光方向を保存することが必要である。

逆光学系１００からのリサイクル効率（透過率ｔ_２）を１００％と仮定すると、有効放射率ξ’は以下のように表される。
ξ’＝ξ＋ξ（ｌ−ξ） （２）
そのため、ξ＝０．９の場合には、ξ’＝０．９＋０．９（１−０．９）＝．９９であり、理想値である１に非常に近くなる。

２４５特許は、ＬＴＰ放射線がＰ偏光であり、基板材料のブルースター角θ_Ｂとほぼ等しい入射角θ又はその近傍の入射角でウエハ表面３２に入射する場合にはＬＴＰ放射線とウエハのカップリングが最大になることを教示している。ベアシリコンのブルースター角は約７５°であり、この角度ではＰ偏光放射線の反射率ｒは０となる。しかし、表面上に様々な積層薄膜を有するシリコンウエハ（ＩＣプロセスウエハの場合）には本来のブルースター角はなく、反射率が０となる角度もない。ＩＣプロセスウエハで見られるような積層膜の場合には、Ｐ偏光放射線の低い反射率はベアシリコン基板に対応するブルースター角又はその近傍において達成されるが、膜の組み合わせによっては２５％（ｒ＝０．２５）よりも高い最小反射率となり得る。

本発明の装置２０では、ウエハ表面３２から放射された放射線（光子束）１６０の２つの測定値を最小反射率の角度又はその近傍において得ることができる。２つの測定値は、表面放射率ξとウエハ表面温度ＴＳを決定するために使用される。

上述したように、光学系２２はウエハ表面３２に線像２４を形成する放射線ビームＲＢを生成する。ウエハ表面３２の熱処理では、例えば、図１の矢印１９０，１９１で示すように線像に対してＸ方向にウエハを移動させることによって線像２４は走査経路ＳＰｌ，ＳＰ２等を通ってウエハ表面３２上でラスタ走査され、線像はウエハ上で前後に走査される。なお、矢印１９３，１９５は走査経路を移動させるための走査間の＋Ｙ方向又は−Ｙ方向の移動を示す。一実施形態によれば、線像２４は非常に幅が狭く、小さな線像幅に対応する距離だけウエハを走査するために必要な短い時間で基板上のある点の温度は周囲温度から最大アニーリング温度まで上昇する。

測定装置２０は、集光光学系４０と逆光学系１００の軸Ａ１，Ａ２が線像２４において基板表面３２上で交差し、対物フィールドＯＦ，ＯＦＲがオーバーラップする（図１）ように設けられている。線像２４がウエハ表面３２上を走査され、表面が加熱されると、放射線１６０が加熱された表面から放射される。集光光学系４０によって適切に集光された場合に受光器８０で測定される放射線と以下で説明するようにコントローラ９０によって処理される測定値は、線像によって照射されたウエハ表面３２の特定部分の温度ＴＳを決定するために使用することができる。

上述したように、受光器８０が検出器アレイである場合には、アレイの画素２３４が集光光学系４０を介して対物フィールドＯＦに結像する。そのため、対物フィールドＯＦ上の温度分布マップを作成することができ、基板のピーク温度を決定することができる。また、温度マップにより、許容最高温度均一性が維持される距離及び良好な均一性を有する領域の位置を決定することができる。一実施形態によれば、これらのパラメータは、装置の動作状態を判断し、装置が容認できる状態で動作していない場合には装置の動作を制限する故障条件を生成するために使用される。

一方、受光器８０がアレイではない場合には、受光器は最高温度が発生する（又は発生すると予測される）基板の位置を向いていなければならない。単一素子検出器は実現が容易だが、温度均一性を決定するためには十分ではない。

図１及び図２に示すように、線像２４の走査を開始すると、コントローラ９０は、ウエハ表面から放射された放射線が逆光学系１００に入射又は逆光学系１００から出射することを防止するように光路を遮断させる信号Ｓ１をシャッター１２０に送信する。集光光学系４０は、対物フィールドＯＦによって囲まれたウエハ表面３２の加熱部分から放射された放射線（光子）１６０を集光する。ウエハ表面３２の対物フィールドＯＦは、集光光学系４０によって像フィールドＩＦとして受光器８０に結像される。

図６は、温度Ｔ（°Ｋ）と、走査線像２４に対するシリコン基板の表面上の点の位置（μｍ）を示すコンピュータシミュレーションのプロットである。シミュレーションでは、基板（ウエハ３２）をガウス強度プロファイルの線像２４（０．１ｍｍ幅）によって５００ｍｍ／秒で走査した。この走査速度では約２００μ秒の滞在時間が生じ、非常に急峻なピーク温度分布が得られる。５℃以内のピーク温度を検出するためには、受光器８０の大きさをピーク温度で５℃の範囲の温度分布とほぼ同じ幅に維持するか、各検出素子（画素）によって検出された温度分布を単純化する（ｄｅ−ｃｏｎｖｏｌｖｅ）ことが必要である。シリコン基板上の滞在時間が２００μ秒の場合には、ピーク温度の５℃以内の領域の幅が約１μｍである温度プロファイルが生成される。

線像２４の長さに沿った方向では、受光器８０の検出器アレイが例えば１０ｍｍ〜２０ｍｍの距離に及ぶことが望ましい。従って、一実施形態によれば、集光光学系４０を異なる軸に対する異なる倍率要件に対応することができるアナモルフィック光学系とすることができる。一実施形態によれば、線像２４の全長（５０ｍｍであることができる）は結像されない。これは、ほとんどの場合には線像の中央領域近傍の温度分布のみが重要であるためである。ＩＣウエハを熱処理する際には、重要な領域は温度が最高温度に近い（例えば最高温度の約９５％以内）領域である。

図７は、例えば受光器がシリコンＣＣＤアレイ、シリコンＣＭＯＳアレイ、ＩｎＧａＡｓ光検出器アレイ又はマイクロボロメータ光検出器アレイである場合の画素２３４のアレイを有する受光面８２の一実施形態の概略平面図である。一実施形態によれば、対物フィールドＯＦ（例えば図３に示す対物フィールド）は、強度等高線８５’で表される線像２４（図５）の像２４’を含む対応する像フィールドとして受光面８２に結像される。受光器８０は、受光器に結像された像フィールドＩＦに対応して電気信号ＳＡ（図２）を発生する。次に、受光器８０は電気信号ＳＡを処理のためにコントローラ９０に送信する。なお、アレイ型受光器の場合には、信号ＳＡは光検出器アレイ（図３）の各画素２３４の情報を含む信号の集まりである。

受光器８０が応答し、信号ＳＡを生成する（例えば、〜０．１ミリ秒）ために十分な時間にわたって対物フィールドＯＦが像フィールドＩＦとして受光器８０に結像されると、コントローラ９０はシャッターを開く信号Ｓ２をシャッター１２０に送信する。これにより、対物フィールドＯＦＲでカバーされたウエハ表面３２の部分から放射された光放射線１６０が逆光学系１００に入射する。逆光学系１００によって集光された放射線は、偏光保存逆反射ミラー１１０に結像される。逆反射ミラー１１０は放射線を集光レンズ１０４に向かって逆反射し、集光レンズ１０４は放射線を対物フィールドＯＦＲに再び結像させる。逆光学系は、逆光学系を通過するＰ偏光放射線の偏光方向を保存するように設計されている。逆反射された放射線１６０は対物フィールドＯＦＲで反射され、集光光学系４０に入る。放射線は、ウエハ表面３２によって直接放射され、集光光学系４０によって集光された放射線１６０に合成され、集光光学系４０は合成放射線ビーム１６０を増幅像フィールドＩＦ’として受光器８０に結像させる。合成ビームは共通のフィルタとｐ偏光板を通過する。受光器８０は増幅像フィールドＩＦ’からの情報を電気信号ＳＢ５に変換し、電気信号ＳＢ５を処理のためにコントローラ９０に送信する。そのため、受光器８０からの信号は、基板から直接放射されたＰ偏光放射線である第１のレべル（信号ＳＡ）と、直接放射されたＰ偏光放射線と、逆光学系１００によって集光・リサイクルされ、集光光学系４０に供給されたＰ偏光放射線とを含む第２のレべル（信号ＳＢ）との間で交互に変化するとみなすことができる。理想的には、信号ＳＡ、ＳＢの切り替えに要する時間は滞在時間よりも短いはずである。

逆光学系１００によって集光され、ウエハ表面３２から反射によって集光光学系４０に供給される放射線１６０は、基板上の点に応じて異なる場合が多い。ＩＣウエハ等の基板の場合には、表面３２は数μｍ〜約０．２５μｍ以下のゲート、多結晶シリコンパッド等の微小構造を含む。そのような基板の微小構造による回折・散乱効果を回避し、効率的に集光光学系４０に供給されるようにリサイクル放射線を鏡面反射させることが必要である。

本発明では、これは、放射線１６０の波長を表面３２上又は表面３２内の各微小構造よりも大きく維持することによって達成される。同様な理由から、入射角θをできるだけ大きく維持することが望ましい。これにより、上下の微小構造によって反射された光線の光路差を減少させることができる。ＬＴＰ実施形態において選択する１０．６μｍの波長と（有効）ブルースター角に対応する７５°以下の入射角は、これらの熱処理条件基準を満たすものである。ただし、上記波長は常に簡便に温度測定に使用される訳ではない。別の手段は、１．６μｍ領域で動作するＩｎＧａＡｓ光検出器アレイである受光器８０を使用することである。この波長は、熱アニーリングサイクル前に通常のウエハに存在する場合が多い構造の多くと比較してまだ大きい。約７５°の入射角度により、有効波長を１／ｃｏｓ（７５°）＝３．８６倍に効果的に増加させることができる。従って、通常のＩＣウエハにおける微小構造によるリサイクル放射線の回折と散乱は実質的になくなる。

像２４の長さの関数としての最高表面温度は、基板を熱処理する際に重要である。一実施形態によれば、最大表面温度はおそらく受光器の画素２３４の数列に含まれる。そのため、最高温度を含む数画素列のみを検出することで検出速度をｋＨｚ範囲に上昇させることができ、表面温度の高速な閉ループ制御を行うことができる。

信号ＳＢを生成するために十分な時間にわたって増幅像フィールドＩＦ’が受光器９０に供給されると、コントローラ９０はシャッター１２０内の光路を遮断する別の信号Ｓ１を再び送信する。ウエハ表面３２から放射された放射線は逆光学系１００に入射又は逆光学系１００から出射することを防止され、信号ＳＡが受光器９０によって生成され、コントローラ９０に送信される。次に、シャッター１２０内の光路を開き、受光器８０に増幅像フィールドＩＦ’を結像することによって別の信号ＳＢを生成する。測定信号ＳＡ，ＳＢを生成する上述したプロセスは、表面温度ＴＳを測定する所望のサンプリング時間間隔に対応する所望の周波数（例えば１０ｋＨｚ）で繰り返される。

（信号ＳＡ，ＳＢからの表面温度ＴＳの決定）
信号ＳＡ，ＳＢをコントローラ９０に供給し、処理することにより、表面放射率ξの点間ばらつきを考慮に入れた表面温度測定ＴＳを得る。信号ＳＡ，ＳＢから表面温度ＴＳを決定するための方法の一実施形態について説明する。
信号ＳＡは温度Ｔと放射率ξの関数である。
ＳＡ＝ξｆ（Ｔ） （３）

表面温度ＴＳと信号ＳＡとの正確な関係は、放射率１（ξ＝１）を有する黒体に近似する較正源を使用する較正法によって最適に確立することができる。典型的な関係は図８の例によって示される。図８は、黒体を測定する場合の温度Ｔ（°Ｋ）に応じて信号ＳＡがどのように変化するかを示すプロットである。測定対象の物体が黒体ではない場合には、信号はξに比例した量で黒体と関連付けられる信号よりも小さくなる。そのため、ξを算出することができれば、測定信号をξで除算し、等価黒体信号を得ることにより、黒体から得られたであろう信号と等価な信号を得ることができる。次に、等価黒体信号を図８に示す黒体較正曲線と共に使用して温度を決定することができる。そのため、ξを算出することにより、図８に示すような較正曲線を参照することができる信号レベルを算出することができ、表面温度を得ることができる。

信号ＳＡは、偏光板効率（ｐ偏光）、波長の関数としての受光器の応答、集光光学系４０の透過率、フィルタ６２のスペクトルバンド幅を考慮して、表面放射率ξと、放射面が完全な黒体である場合の信号ＳＡを表す関数ｆ（Ｔ）の積に比例する。

一実施形態によれば、表面温度ＴＳと信号ＳＡとの関係は、熱電対又はサーミスタによって正確に測定することができる制御可能温度を有する黒体を使用して決定する。この目的に使用することができる黒体は市販されている。ホットプレート又は同様な装置によって加熱したドープ及びパターニングされていないシリコンウエハを使用して黒体の非常に良い近似値を得ることができる。シリコンウエハは、ウエハ表面によって放射されたＰ偏光放射線をブルースター角又はその近傍において装置２０によって測定する場合に理想的な黒体に近づく。

図９は、表面３２Ｐを有する純粋でパターニングされていないシリコンウエハ３０Ｐを光学的に接続された集光光学系４０の側面図である。ウエハ３０Ｐは温度可変ホットプレート２００上に配置されている。コントローラ９０等のコントローラに接続された熱電対２０６を、熱電対電圧をウエハ表面３２Ｐの表面温度ＴＳに変換するために使用する。図９の装置は、黒体に非常に近い較正基板としてドープされていないシリコンウエハ３０Ｐを使用することにより、信号ＳＡと基板温度との関係を証明するために使用される。

黒体基板の場合には、仮定した条件下では黒体基板からの反射は全くないため、信号ＳＡ，ＳＢは等しい。得られた関係を図８の曲線によって示しており、放射率ξで除算した信号ＳＡを絶対基板温度（°Ｋ）の関数として示している。縦のスケールは任意であり、受光器８０に関連付けられた光検出回路（図示せず）の電子ゲインを含む多くのパラメータに応じて異なる。

測定対象の物体が１以外の放射率を有する場合には、信号ＳＢは信号ＳＡよりも大きくなり、逆光学系１００によって集光され、基板から反射によって集光光学系４０にリサイクルされた放射線１６０の量に対応する大きさだけ異なる。逆光学系１００の往復透過率がｔ_２である場合、基板反射率に式（１）を使用すると以下の式が得られる。
ＳＢ＝ξｆ（Ｔ）（１＋ｔ_２（ｌ−ξ）） （４）
信号ＳＢが信号ＳＡと等しい場合には、反射成分は存在せず、基板は完全な黒体である。

一方、測定対象の表面が黒体ではない場合には、放射率ξを算出するために式（３）及び式（４）を使用することができる。
ξ＝（１／ｔ_２）（ｌ＋ｔ_２−ＳＢ／ＳＡ） （５）
そのため、放射率ξを算出し、信号ＳＡを測定すると、式（３）によって表される較正曲線を基板表面温度ＴＳを決定するために使用する。例えば、放射率ξが０．５と算出され、信号ＳＡが１．０と測定された場合には、比率ＳＡ／ξは１／０．５＝２となる。これは、同一の温度で黒体から得られたであろう信号レベルである。図８のプロットを参照すると、２の黒体信号に対応する温度は約１４４６．５°Ｋ又は１１７３．５℃である。そのため、信号ＳＡ，ＳＢの比率の測定及び逆光学系１００の既知の透過率ｔ_２から表面放射率ξを正確に決定することができる。透過率ｔ_２は、以下に説明する技術を含む従来の光学較正技術を使用して正確に測定することができる。受光器８０が検出器アレイであり、信号ＳＡ，ＳＢを測定するために使用される場合には、アレイにおける各受光素子（画素２３４）の位置に対応する温度マップを導出することができる。図１０は、受光器８０が検出器アレイである場合にコントローラ９０によって作成することができる表面温度等高線マップ２６０の概略図である。線像２４の長さに沿った距離の関数としての基板の最高表面温度ＴＳは、温度マップから推測することができる。同様に、基板表面のある長さにわたる最高表面温度ＴＳの均一性を推測することができる。一実施形態によれば、この情報を、基板上の隣接走査間の間隔と基板に対する走査位置を決定するために使用する。また、均一性情報は、処理動作を継続するためにの継続／中止（ｇｏ／ｎｏ−ｇｏ）基準を導出するために使用することができる。

所望の表面温度ＴＤと測定最高表面温度ＴＭとの差は、以下に詳述するようにウエハに供給されるパワーを調節するために使用することができる。

（信号ＳＡ、放射率ξ、透過率ｔ_２の関数としての基板表面温度ＴＳの決定）
逆光学系１００の往復透過率ｔ_２はいくつかの異なる方法で測定することができる。図１１は、逆光学系１００の透過率ｔ_２を測定するための較正装置３００の概略図である。装置３００は、逆光学系１００の光軸Ａ１に沿って配置された黒体３０４を含む。開口部３０６と波長フィルタ３０８が黒体３０４に隣接して配置されている。ビームスプリッター３１０が波長フィルタ３０８の下流に配置され、逆光学系１００によって集光され、逆光学系１００から受光器３２０に供給される放射線の既知の部分の向きをそらす方向に設けられている。ビームスプリッター３１０と逆光学系１００との間に配置された集光レンズ３２２により、フィルタリングされた放射線３０３の逆光学系との間の移動が容易となる。受光器３２０における逆光学系１００を二度通過したフィルタリングされた放射線３０３は、逆光学系の往復透過率ｔ_２に応じて変化する信号Ｂを生成する。信号Ｂは以下のように表される。
Ｂ＝ｋｔ_２ （６）

図１２は、逆光学系１００が既知の反射率Ｒ_３３０を有する凹面ミラー３３０によって置き換えられた以外は図１１と同様な図である。受光器３２０における逆光学系１００を二度通過したフィルタリングされた放射線は、ミラーの反射率Ｒ_３３０に応じて変化する信号Ａを生成する。信号Ａは以下のように表される。
Ａ＝ｋＲ_３３０ （７）
比例定数ｋを削除し、透過率ｔ_２について式（６）及び式（７）を解くと以下の式が得られる。
ｔ_２＝ＢＲ_３３０／Ａ （８）

（透過率ｔ_２の別の決定方法）
逆光学系１００の往復透過率ｔ_２を決定する別の方法を図１３、図１４、図１５に示す。図１３は図９と同様な概略図であり、可変ホットプレート２００上に配置されたドープされていない（純粋）シリコンウエハ３０Ｐの測定を示す。図１４は図１３と同様であるが、ξ≪１の放射率を有する被覆及び／又はドーピングされたシリコンウエハ３０を測定する装置４０を示している。図１５は図１４と同様であるが、遮断されておらず、測定に寄与する逆光学系１００を示している。

この方法では、これらの３つの測定は全て同じ温度で行われる。図１３に示すように、第１の測定は、純粋な（ドーピングされていない）シリコンウエハ３０Ｐから放射される放射線１６０に対してブルースター角θ_Ｂの近傍の角度で行われる。この信号（ａ）は黒体からの信号に非常に近い。この測定で逆光学系を採用することにより、黒体へのさらなる近似を得ることができる。図１５に示すように、第２の測定は、実質的に１以外の放射率ξを有するとして知られる被覆ウエハ３０に対して行われ、信号（ｂ）を生成する。逆光学系１００は、使用されないか、シャッター１２０によって遮断され、図１４では説明の便宜上図示していない。信号ｂと信号ａの比率（ｂ／ａ）は被覆ウエハの放射率である。図１５に示すように、第３の測定は逆光学系１００は使用していること以外は第２の測定と同様であり、測定値（ｃ）を得ることができ、信号ｃの振幅は集光光学系４０へのリサイクル放射線の追加によって信号ｂよりも大きくなっている。

逆光学系１００の透過率ｔ_２は以下の関係によって算出される。
ｔ_２＝（ＳＢ／ＳＡ−１）／（１−ξ）＝（ｃ／ｂ−１）／（１−ｂ／ａ） （９）

（放射線源パワーの制御）
本発明の表面温度測定装置により、放射線ビームＲＢのパワーを放射線源Ｌに温度制御をフィードバックすることによってリアルタイムで調節することができ、一定の処理温度を実現することができる。これは、一実施形態によれば、コントローラ９０が制御信号ＳＣをＬＴＰ光学系２２の放射線源Ｌに送信し、放射線源の出力パワーを制御することによって達成される。制御信号ＳＣは、測定最高表面温度ＴＳＭとコントローラ９０によって決定された所望の最高表面温度ＴＳＤとの差に対応して生成される。

このような温度制御フィードバックにより、ウエハを熱処理する直前のウエハ表面の温度均一性に関する懸念を排除することができる。また、放射線源Ｌの変化（例えば、放射線源がレーザーである場合にはレーザーキャビティ温度の変化又は放射線源とウエハとの間に配置されたビーム形成光学２３の伝達効率の変化）によって生じ得るＬＴＰ放射線ビームＲＢの強度のばらつきを補償することができる。

同様に、温度制御フィードバックにより、ＩＣウエハの場合のウエハ表面上に形成された積層薄膜（図示せず）の偏在によるウエハ表面３２の反射率のばらつきを補償することができる。例えば、通常のウエハ走査速度は約１２５ｍｍ／秒であるため、約２５０Ｈｚの温度測定帯域幅により、１ｍｍの走査経路において発生する温度変動を温度制御フィードバックによって補償することができる。ウエハ表面（例えば、微小構造及び他の回路パターンによる）の差による反射率の変化に対応することができるようにさらに高い帯域幅が望ましい場合もある。アニーリングビームの滞在時間と比較して短い時間間隔における変化に対応するには、１ｋＨｚを超える温度制御帯域幅が必要となる。

（別の装置構成）
図１６は図１と同様な平面図であり、図１の装置２０の別の実施形態として表面温度測定装置３４０を示している。装置３４０は、逆光学系のシャッター１２０が省略された装置２０を含む。装置３４０は、アニーリング放射線源の光軸Ａ３に対して方位角φを有する光軸Ａ４に沿って配置された第２の集光光学系４１をさらに含む。一実施形態によれば、集光光学系４１は集光光学系４０と同一である。好適な実施形態では、光学系４１を放射線ビームＲＢに対して方位角Φで配置し、集光光学系４０を放射線ビームに対して角度Ｃ（１８０°−Φ）で配置する。これにより、光学系４０，４１の軸とＬＴＰ放射線ビーム軸Ａ３との通常ではない角度のために光学系４０，４１において像が等しい量で縮小される。

動作時には、装置３４０は、対物フィールドＯＦの放射線１６０（図２）を、第１集光光学系４０によって直接集光し、上述したように逆光学系１００によって基板から集光光学系４０へのリサイクル放射線の反射によって間接的に集光する。次に、装置３４０は受光器８０（図２）によって放射線を検出し、上述したように測定信号ＳＢを生成する。測定信号ＳＢはコントローラ９０に供給される。

光学系４０による放射線１６０の集光と同時に、集光光学系４１は同じ対物フィールドＯＦから放射された放射線１６０を集光する。次に、集光光学系４１は、シャッター１２０がリサイクル光学系１００の光路を遮断している場合に図１の装置２０に関連して説明したように測定信号ＳＡを生成する。測定信号ＳＡはコントローラ９０に供給される。信号ＳＡ，ＳＢを得るために使用される測定経路は異なるため、それらの応答が同等となる（すなわち、入力放射線束と生成信号の比例がいずれの場合でも同一となる）ように設定することが必要である。また、Ｐ偏光放射線のみが測定され、逆光学系がリサイクル放射線の偏光方向を回転させないようにすることが必要である。

次に、コントローラ９０は上述したように測定信号ＳＡ，ＳＢを処理する。表面温度測定装置３４０の利点は、シャッター１２０を有する装置２０のみを使用して順番に生成するのではなく、測定信号ＳＡ，ＳＢを同時に生成することができることである。また、同時測定により、放射線１６０はウエハ表面の同じ領域から集光される。信号を同時に生成することにより、最大周波数応答速度が２倍となり、信号ＳＡ，ＳＢを基板の同一の部分に由来するものとすることができる。ただし、信号ＳＡ，ＳＢは異なる光学系、フィルタ、偏光板、受光器を介して得られるため、それらの感度が同一となるようにすることが必要である。これは、整合性のあるフィルタ、偏光板等の構成要素を採用し、逆反射光学系の動作を遮断し、同一の黒体を使用して２つの光学系を較正し、正確に等しくなるまでそれらの相対ゲインを調節することによって行うことができる。

一実施形態によれば、装置３４０によって得られた信号ＳＡ，ＳＢで表される２つの測定値は、同一の面積（対物フィールド）、同一の入射角度、像の長さ方向に垂直な側について測定した等しく反対の方位角、同一の集光幾何学、同一の偏光で同一の受光器によって得られる。

（放射線ビームの調節）
放射線ビームが線像の可能な限り長い部分において均一の最高温度を生成するように基板の処理に使用される放射線ビームを調節する能力を設けることが望ましい。線像が長くなるほど、スループットが向上する。最大処理温度が均一になるほど、一貫した処理結果が得られる。

図１７は、ビーム形成光学系２３（図１）に関連して設けられたビーム調整装置５００の一実施形態の概略側面図である。図１７はＸ方向である（図１を参照）。ビーム調節装置５００は、放射線ビームＲＢを減衰を空間的に変化させるように調節することができる。

ビーム調整装置５００は複数のピボットアーム５１０を含み、各ピボットアーム５１０は近位端部５１２と遠位端部５１４を有する。各ピボットアームは遠位端部５１４又はその近傍に回転中心５２０を有する。また、ピボットアームは上面５３０と下面５３２を有する。各ピボットアームは、ピボットアームに取り付けられているか、ピボットアームと一体的に形成されたミラーセグメント５４０を近位端部５１２又はその近傍の上面５３０に含む。ピボットアーム５１０は、近位端部５１２とミラーセグメント５４０が互いに隣接し、ピボットアームがゼロ（静止）位置にある場合に中心軸Ａ６に沿って位置するように配置されている。隣接するピボットアームの遠位端部は軸Ａ６の両側に位置する。

また、ビーム調節装置５００はねじ調節装置５５０を含む。ねじ調節装置５５０は、各ピボットアーム５１０に対して、近位端部５３４又はその近傍でピボットアーム５１０の下面５３２と機械的に接触した調節ねじ５５４を有する。調節ねじ５５４は、装置５５０と動作的に接続された回転アクチュエータ５５６によって駆動される。回転アクチュエータ５５６はコントローラ９０と動作的に接続されている。一実施形態によれば、コントローラ９０は回転アクチュエータの動作を制御する。装置５５０のねじ５５４の移動によってピボットアーム５１０の対応する近位端部５１２が上昇又は下降し、ミラーセグメント５４０を放射線ビームＲＢの経路へさらに移動させる。また、図１７は断面ビーム強度のガウス分布５６０も示している。

一実施形態によれば、放射線ビームに挿入された各ミラーセグメント５４０によって放射線ビームＲＢから逸脱した放射線５６８は、逸脱した放射線を遮断・吸収するように配置された熱ダンプ５７０によって捕捉される。一実施形態によれば、ミラーセグメント５４０とピボットアーム５１０は、研磨することにより鏡面とすることができるモリブデンで一体的に形成されている。通常の使用では、各ミラーに入射するエネルギーの約５％が吸収される。そのため、一実施形態によれば、強制対流又は冷却導管６００及び各ピボットアーム５１０（説明の便宜上、１つの冷却されたピボットアームのみを示す）に形成された対応する入出力ポート６０２を介した液体冷却によって装置５００から熱が除去される。冷却ライン６１０が、冷却導管６００を介して冷却流体を供給・流入させる冷却装置６２０に入出力ポート６０２を接続している。冷却装置６２０は、ねじ調節装置５００と同様にコントローラ９０に動作的に接続されている。

放射線ビームＲＢの調節は以下の工程を使用して行われる。
１）全てのミラーセグメントをゼロ位置（放射線ビームの外部）に調節する。
２）試験ウエハを使用し、ビーム像の長さに沿って最高表面温度の分布を測定する。
３）温度分布が仕様内であれば中止し、仕様外であれば継続する。
４）最低の最高表面温度と対応するミラーセグメントを判断する。このミラーは調節されない。
５）調節量を算出し、他の全てのミラーセグメントを調節し、最低の最高表面温度と等しい最高温度とする。
６）２から開始する。

図１８は、ミラーセグメント５４０の調節に伴う放射線ビームＲＢの概略図である。図１８は図１のＹ方向から（放射線ビームＲＢの経路に沿って）見た図である。各ミラーセグメント５４０は、放射線ビームを基板に照射することによって生成される最高温度が放射線ビームによって形成される線像の長さにわたって一定となる量だけビームに突出している。各ミラーセグメント５４０の位置は、ガウス状放射線ビームの翼に含まれるエネルギーのより大きな部分又はより小さな部分を遮断することができるように、放射線ビームに対して個別に調節することができる。ミラーセグメントの向きは、各ミラーセグメントが、像の形状の長さにわたってではなく、像の形状に沿ったある点で単位長あたりのエネルギーに影響を与えるように設定されている。また、像の形状の局所幅に対する２次効果もあり、滞在時間に影響を与える。ただし、そのような滞在時間の小さな変化は重要ではない。

放射線ビームＲＢの形状はビームパワーの変化と共に僅かに変化することが考えられるため、ビーム均一性はプロセスに予想されるパワーレベルの近傍のパワーレベルで調節することが望ましい。

以上の詳細な説明では、各種特徴を容易に理解できるように各種実施形態に分類した。本発明の多くの特徴及び利点は詳細に記載した明細書から明らかであり、添付の請求項によって本発明の範囲内の上述した装置の特徴と利点を全て網羅することを意図するものである。また、当業者は多くの変形や変更に容易に想到するものと考えられ、本発明を上述した構造や動作のみに限定することは望ましいものではない。従って、その他の実施形態も添付の請求項の範囲に含まれるものとする。

図１は、鏡面を有する半導体ウエハ及びウエハ表面に線像を形成するＬＴＰレーザービームを生成してウエハ表面に照射するＬＴＰ装置と共に示す本発明の表面温度測定装置の実施形態の平面図である。 図２は、図１の装置の概略側面図である。 図３は、集光光学系と逆反射光学系の対物フィールド（ＯＦ，ＯＦＲ）の平面図であり、線像の一部を対物フィールド内の強度等高線として示している。 図４は、図１の集光光学系の拡大図であり、基板表面の面に位置する傾斜した対物フィールド（ＯＦ）を考慮して受光面が集光光学系の軸（Ａ１）に対して傾いている実施形態を示す。 図５は、４Ｆリレー逆光学系の別の実施形態の概略側面図である。 図６は、温度Ｔ（°Ｋ）と、像の幅において測定した場合にガウス強度プロファイルを有する０．ｌｍｍ幅の線像によって５００ｍｍ／秒で走査されるシリコン基板の表面上の点の距離（μｍ）を示すシミュレーションのプロットである。 図７は、画素のアレイを有する受光面の一実施形態の概略平面図であり、対物フィールドから集光光学系のみからの像フィールド（ＩＦ）又は集光光学系と逆光学系を使用した場合の増幅像フィールド（ＩＦ’）としての受光器への線像（強度等高線として示す）の結像を示す。 図８は、黒体からの検出信号ＳＡ（黒体ではξ＝１）又は灰色体の場合の信号比率ＳＡ／ξと測定大将の基板の絶対温度（°Ｋ）を比較した較正曲線のプロットである。 図９は、可変ホットプレート上に配置された純粋シリコン較正ウエハに光学的に接続された集光光学系をウエハ表面の正確な温度測定を行う熱電対と共に示す側面図であり、純粋シリコンウエハは黒体である。 図１０は、受光器が２次元受光器アレイである（又は含む）場合にコントローラによって作成することができる表面温度等高線マップの一例の概略図である。 図１１は、逆光学系の透過率を測定するための装置の概略側面図である。 図１２は、逆光学系が既知の反射率を有する凹面ミラーによって置き換えられた以外は図１１と同様な図である。 図１３は、図９と同様な装置の概略側面図であり、集光光学系のみを使用して純粋なシリコンウエハ（３０Ｐ）（黒体に近似）の放射率を測定することによって逆光学系の透過率を測定するために使用される場合を示す。 図１４は、図１３と同様であるが、純粋なシリコン較正ウエハの代わりに、１以外の放射率ξを有するドーピング及び／又は被覆されたシリコンウエハ（３０）を使用している。 図１５は、図１４と同様であるが、ドーピング又は被覆されたウエハからの光を集光し、集光光学系にリサイクルする逆光学系を使用している。 図１６は、図１の表面温度測定装置の別の実施形態の平面図であり、異なる方位角で配置された２つの集光光学系を含み、集光光学系の一方のみが逆光学系に光学的に接続されている。 図１７は、ビーム調整装置の一実施形態の概略側面図であり、空間的な可変減衰によって放射線ビームのエネルギー量を選択的に調節し、基板を熱処理する際の最高温度均一性を向上させる。 図１８は、放射線ビームの前面図であり、各ミラーセグメントが放射線ビームに突出し、基板に供給されるビームのパワーを調節するために放射線ビームを空間的に可変減衰させる。

符号の説明

２０…表面温度測定装置
２２…ＬＴＰ光学系
２３…ビーム形成光学系
２４…線像
３０、３０Ｐ…ウエハ
３２、３２Ｐ…ウエハ表面（上面）
３４…ウエハ下面
３６…ウエハ本体部
３８…外縁
４０、４１…集光光学系
６０…集光レンズ
６２…光学フィルタ
６４…ｐ偏光板
６６…集束レンズ
８０…受光器
８２…受光面
８５…強度等高線
９０…コントローラ
１００…偏光保存逆反射光学系
１０４…集光レンズ（コリメーティングレンズ）
１１１…平面鏡
１２０…オンオフモジュレータ（シャッター）
１６０…放射線（光子）
２００…温度可変ホットプレート
２０６…熱電対
２３４…画素
３００…較正装置
３０３…放射線
３０４…黒体
３０６…開口部
３０８…波長フィルタ
３１０…ビームスプリッター
３２０…受光器
３２２…集光レンズ
３３０…凹面ミラー
３４０…表面温度測定装置
５００…ビーム調節装置
５１０…ピボットアーム
５１２…近位端部
５１４…遠位端部
５２０…回転中心
５３０…ピボットアームの上面
５３２…ピボットアームの下面
５４０…ミラーセグメント
５５０…ねじ調節装置
５５４…調節ねじ
５５６…回転アクチュエータ
５６８…放射線
５７０…熱ダンプ
６００…冷却導管
６０２…入出力ポート
６１０…冷却ライン
６２０…冷却装置
Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ａ６…光軸
ＡＳ１、ＡＳ２…開口絞り
ＩＦ…像フィールド
ＩＰ…像面
Ｎ８２…表面法線
ＯＦ…対物フィールド
ＯＰ…対物面
ＳＡ，ＳＢ…測定信号
ＳＰ１，ＳＰ２…走査経路
ＲＢ…放射線ビーム

Claims (13)

1. ブルースター角と放射率ξを有する鏡面の表面温度を測定するための方法であって、
   ａ．前記表面の部分から放射された第１の量のＰ偏光放射線を前記ブルースター角又はその近傍において測定する工程と、
   ｂ．前記第１の量と、前記表面部分から前記ブルースター角又はその近傍において集光され、前記第１の量と合成されるように前記表面部分に逆反射されたＰ偏光放射線と、からなる第２の量のＰ偏光放射線を測定する工程と、
   ｃ．前記第１及び第２の量のＰ偏光放射線から前記表面部分の放射率ξを決定する工程と、
   ｄ．黒体の温度と前記第１の量のＰ偏光放射線の前記表面放射率ξに対する比率との関係を得る工程と、
   ｅ．前記関係を使用し、前記第１の量のＰ偏光放射線と前記表面放射率ξに基づいて前記表面温度を得る工程と、
   を含む方法。
2. 請求項１において、
   前記工程ａが、
   ｆ．集光光学系によって前記Ｐ偏光放射線を集光し、第１の信号ＳＡを生成する工程を含み、
   前記工程ｂが、
   ｇ．前記第１の量のＰ偏光放射線と、前記表面部分から反射によって前記集光光学系に光学的に接続され、往復透過率ｔ_２を有する偏光保存逆光学系によって逆反射された放射線とを集光する工程を含み、
   前記方法が、
   ｈ．前記第２の量のＰ偏光放射線に対応する第２の信号ＳＢを生成する工程と、
   ｉ．ξ＝１−（ＳＢ／ＳＡ−１）／ｔ_２を算出することにより前記表面放射率ξを決定する工程と、
   を含む方法。
3. 請求項２において、
   ｊ．前記工程ａを行う際に前記逆光学系を遮断する工程と、
   ｋ．前記工程ｂを行う際に前記逆光学系の遮断を解除する工程と、をさらに含む方法。
4. 請求項１において、
   ｆ．前記ブルースター角でドーピングされていないシリコンウエハを撮像して理想的な黒体を近似する工程をさらに含む方法。
5. 請求項１において、
   ｆ．前記工程ａ及び前記工程ｂを前記表面部分にマッピングされる画素のアレイを有する受光器を使用して行う工程と、
   ｇ． 各画素について表面温度を算出する工程と、
   ｈ．前記工程ｇの結果を使用して前記表面部分の表面温度マップを生成する工程と、
   をさらに含む方法。
6. 請求項１において、
   前記表面部分に前記表面部分を加熱する像を形成すること、
   前記加熱された表面部分の最高表面温度を決定すること、を含む方法。
7. ブルースター角と放射率ξを有する物体の鏡面の温度を間接的に測定するための装置であって、
   受光器を有し、前記表面の部分から放射されたＰ偏光放射線を前記ブルースター角又はその近傍において受光・検出し、第１の信号ＳＡを生成する集光光学系と、
   往復透過率ｔ_２を有し、前記表面部分から放射されたＰ偏光放射線を前記ブルースター角又はその近傍において受光し、前記受光したＰ偏光放射線を前記表面部分から反射によって前記集光光学系に逆反射し、前記受光器に第２の信号ＳＢを生成させるｐ−偏光保存逆光学系と、
   前記受光器に接続され、前記信号ＳＡ，ＳＢを受信・処理し、前記表面放射率ξ＝１−（ＳＢ／ＳＡ−１）／ｔ_２を算出するコントローラと、を含む装置。
8. 請求項７において、前記コントローラが、比率ＳＡ／ξを表面温度に関連付ける較正データを含み、前記比率から前記表面温度を決定する装置。
9. 請求項８において、前記受光器が前記表面部分にマッピングされる画素のアレイを含み、前記コントローラが各画素に対応する表面温度を算出し、前記表面部分の表面温度マップを生成する装置。
10. 請求項８において、前記コントローラに動作的に接続され、放射線ビームを生成して前記表面の部分に照射し、前記表面を加熱する放射線源をさらに含み、
    前記コントローラが前記放射線源に制御信号を供給し、前記決定された表面温度に基づいて前記放射線ビームの量を制御する装置。
11. 放射線源によって生成された放射線ビームのパワーを制御するための方法であって、
    ａ．最小反射率が得られる角度を有する鏡面の部分に放射線を照射する工程と、
    ｂ．前記表面部分から放射された第１の量ＳＡのＰ偏光放射線を前記最小反射率が得られる角度又はその近傍において測定する工程と、
    ｃ．前記第１の量と、前記表面部分から前記最小反射率が得られる角度又はその近傍において集光され、前記表面部分に逆反射されたＰ偏光放射線と、からなる第２の量ＳＢのＰ偏光放射線を測定する工程と、
    ｄ．前記第１及び第２の量ＳＡ，ＳＢのＰ偏光放射線から前記表面部分の放射率ξを決定する工程と、
    ｅ．比率ＳＡ／ξの値を対応する表面温度に関連付ける較正を生成する工程と、
    ｆ．前記工程ｅの較正を使用し、前記第１の量のＰ偏光放射線と前記決定された表面放射率ξに基づいて前記鏡面の温度ＴＳを得る工程と、
    ｇ．所望の表面温度と得られた前記表面温度ＴＳとの差に基づき、前記放射線ビームパワーを調節する制御信号を前記放射線源に供給する工程と、
    を含む方法。
12. 放射線源によって生成された放射線ビームのパワーの分布を制御するための方法であって、
    ａ．最小反射率が得られる角度を有する鏡面の部分に放射線を照射する工程と、
    ｂ．前記表面部分から放射された第１の量ＳＡのＰ偏光放射線を、前記鏡面を撮像する検出器アレイを使用して前記最小反射率が得られる角度又はその近傍において測定する工程と、
    ｃ．前記第１の量と、前記表面部分から前記最小反射率が得られる角度又はその近傍において集光され、前記表面部分に逆反射され、画素のアレイを有する受光器に結像された偏光放射線と、からなる第２の量のＰ偏光放射線を測定する工程と、
    ｄ．前記第１及び第２の量ＳＡ，ＳＢのＰ偏光放射線から前記表面部分の放射率ξを画素毎に決定する工程と、
    ｅ．表面温度に対する比率ＳＡ／ξの較正曲線を生成する工程と、
    ｆ．前記較正曲線を使用し、ＳＡ及びξに基づいて前記鏡面の温度ＴＳを得る工程と、
    ｇ．所望の表面温度分布と測定された表面温度分布との差に基づき、放射線ビームパワーの分布を調節する空間的に可変の減衰を前記放射線ビームに与える工程と、
    を含む方法。
13. 放射線ビームを生成する放射線源を使用する走査装置において隣接する走査間の間隔を決定するための方法であって、
    ａ．最小反射率が得られる角度を有する鏡面の部分に放射線を照射する工程と、
    ｂ．前記表面部分から放射された第１の量ＳＡのＰ偏光放射線を、前記鏡面を撮像する画素のアレイを有する光検出器アレイを使用して前記最小反射率が得られる角度又はその近傍において測定する工程と、
    ｃ．前記第１の量と、前記表面部分から前記最小反射率が得られる角度又はその近傍において集光され、前記表面部分に逆反射され、前記受光器アレイに結像された偏光放射線と、からなる第２の量のＰ偏光放射線を測定する工程と、
    ｄ．前記第１及び第２の量ＳＡ，ＳＢのＰ偏光放射線から前記表面部分の放射率ξを画素毎に決定する工程と、
    ｅ．表面温度に対する比率ＳＡ／ξの較正曲線を生成する工程と、
    ｆ．前記較正曲線を使用し、比率ＳＡ／ξに基づいて画素毎に表面温度ＴＳを得、表面温度マップを生成する工程と、
    ｇ．前記表面温度マップを使用して隣接走査間の間隔を決定する工程と、
    を含む方法。

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