JP2009236631A - Temperature measurement apparatus, mounting platform structure having the same, and heat treatment apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体ウエハ等の被処理体を熱処理する際の温度測定装置、これを用いた載置台構造及び熱処理装置に関する。 The present invention relates to a temperature measuring device for heat-treating an object to be processed such as a semiconductor wafer, a mounting table structure and a heat treatment device using the same.
一般に、半導体集積回路を製造するには、半導体ウエハ等の被処理体に、成膜処理、エッチング処理、熱処理、改質処理、結晶化処理等の各種の枚葉処理を繰り返し行なって、所望する集積回路を形成するようになっている。上記したような各種の処理を行なう場合には、その処理の種類に対応して必要な処理ガス、例えば成膜処理の場合には成膜ガスやハロゲンガスを、改質処理の場合にはオゾンガス等を、結晶化処理の場合にはN2 ガス等の不活性ガスやO2 ガス等をそれぞれ処理容器内へ導入する。 In general, in order to manufacture a semiconductor integrated circuit, it is desired to repeatedly perform various single wafer processes such as a film forming process, an etching process, a heat treatment, a modification process, and a crystallization process on a target object such as a semiconductor wafer. An integrated circuit is formed. When performing various processes as described above, a necessary processing gas corresponding to the type of the process, for example, a film forming gas or a halogen gas in the case of a film forming process, and an ozone gas in the case of a reforming process. In the case of crystallization treatment, an inert gas such as N 2 gas or O 2 gas is introduced into the treatment container.
例えば半導体ウエハに対して1枚毎に熱処理を施す枚葉式の処理装置を例にとれば、真空引き可能になされた処理容器内に、例えば抵抗加熱ヒータを内蔵した載置台を設置し、この上面に半導体ウエハを載置してウエハの温度を温度センサにより測定しつつ、所定の温度(例えば100℃から1000℃)で加熱した状態で所定の処理ガスを流し、所定のプロセス条件下にてウエハに各種の熱処理を施すようになっている(特許文献1〜6)。
For example, in the case of a single wafer processing apparatus that performs heat treatment on each semiconductor wafer, for example, a mounting table with a built-in resistance heater is installed in a processing container that can be evacuated. A semiconductor wafer is placed on the upper surface, and the temperature of the wafer is measured by a temperature sensor, and a predetermined process gas is flowed in a state heated at a predetermined temperature (for example, 100 ° C. to 1000 ° C.), under predetermined process conditions Various heat treatments are performed on the wafer (
この場合、熱処理中においてウエハ温度を精度良く所望する温度に加熱維持することは、ウエハ表面に対する熱処理の品質を高く維持する上から非常に重要なことである。 In this case, it is very important to maintain the wafer temperature accurately at a desired temperature during the heat treatment in order to maintain high quality of the heat treatment on the wafer surface.
従来の温度測定方法は、ウエハに対しては直接的に温度センサを設けることができないことから、ウエハを支持する載置台の裏面側(ウエハを載置する上面の反対側面)に、温度センサとして熱電対や白金などの温度に依存して抵抗値が変化する測温抵抗体やFBG(Fiber Bragg Grating)等の接触型の温度センサを設けてウエハ温度を間接的に測定したり、或いは放射温度計を用いて半導体ウエハから放射される赤外光の特定波長の強度を観察することによりウエハ温度を測定するようにしていた。 In the conventional temperature measurement method, since a temperature sensor cannot be provided directly on the wafer, a temperature sensor is provided on the back side of the mounting table that supports the wafer (the side opposite to the top surface on which the wafer is mounted). A temperature measuring resistor whose resistance value changes depending on the temperature of a thermocouple, platinum, or the like, or a contact type temperature sensor such as Fiber Bragg Grating (FBG) is provided to indirectly measure the wafer temperature or radiation temperature. The wafer temperature was measured by observing the intensity of a specific wavelength of infrared light emitted from the semiconductor wafer using a meter.
ところで、上述したような温度センサに関して、熱電対や測温抵抗体等の接触型の温度センサの場合には、この温度センサと載置台との間に僅かな微少な空間が発生することは避けられず、このため、高真空の環境下で熱処理を行う時にはガスによる熱伝導が十分ではなくなり、測定温度の精度が低下する恐れがあった。また、熱電対を構成する金属により半導体ウエハ自体が金属汚染に晒される恐れもあった。 By the way, regarding the temperature sensor as described above, in the case of a contact type temperature sensor such as a thermocouple or a resistance temperature detector, it is avoided that a slight minute space is generated between the temperature sensor and the mounting table. For this reason, when heat treatment is performed in a high vacuum environment, the heat conduction by the gas is not sufficient, and the accuracy of the measurement temperature may be reduced. Further, the semiconductor wafer itself may be exposed to metal contamination by the metal constituting the thermocouple.
また、上述したFBGは、光ファイバのコア中に回折格子を形成し、これに光フィルタとしての機能を持たせて温度を測定するものであるが、光ファイバの断面方向における熱伝導に熱抵抗が発生することから、この場合にも温度測定の精度が低下する問題があった。また、上述したようにこのFBGの構造は複雑なので、比較的高価である、といった問題もあった。 The FBG described above forms a diffraction grating in the core of an optical fiber and measures the temperature by giving it a function as an optical filter. However, the FBG has a thermal resistance to heat conduction in the cross-sectional direction of the optical fiber. In this case, there is a problem that the accuracy of temperature measurement is lowered. In addition, as described above, the structure of the FBG is complicated, so that it is relatively expensive.
また放射温度計の場合には、非接触型の温度センサであることから、金属汚染の問題は生じないが、上述した各温度センサと比較して温度の測定精度が低い、といった問題があった。 In the case of a radiation thermometer, since it is a non-contact type temperature sensor, there is no problem of metal contamination, but there is a problem that the temperature measurement accuracy is low compared to the above-described temperature sensors. .
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、回折格子を被測定体に設けることによって、金属汚染を生ずることなく、温度の測定精度を大幅に向上させることが可能な温度測定装置、これを有する載置台構造及び熱処理装置を提供することにある。 The present invention has been devised to pay attention to the above problems and to effectively solve them. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a temperature measuring device capable of greatly improving the temperature measurement accuracy without causing metal contamination by providing a diffraction grating on the object to be measured, a mounting table structure and a heat treatment device having the temperature measuring device. Is to provide.
請求項1に係る発明は、被測定体の温度を測定する温度測定装置において、前記被測定体に形成した回折格子と、温度測定用の測定光を発生する発光部と、前記測定光を前記回折格子まで導く第1の光導波路と、前記回折格子からの回折光を導く第2の光導波路と、前記第2の光導波路により導かれた前記回折光を受けて周波数を分析する周波数分析部と、前記周波数分析部の出力に基づいて前記被測定体の温度を求める温度分析部と、を備えたことを特徴とする温度測定装置である。
The invention according to
このように、被測定体に形成した回折格子に対して測定光を照射して回折光を発生させ、回折格子からの回折光に基づいて被測定体の温度を求めることができる。従って、このように、回折格子を被測定体に設けることによって、金属汚染を生ずることなく、温度の測定精度を大幅に向上させることができる。 In this way, it is possible to generate the diffracted light by irradiating the diffraction grating formed on the measured object with the measurement light, and obtain the temperature of the measured object based on the diffracted light from the diffraction grating. Therefore, by providing the diffraction grating on the object to be measured in this way, the temperature measurement accuracy can be greatly improved without causing metal contamination.
この場合、例えば請求項2に記載したように、前記回折格子は、前記被測定体の表面に直接的に形成されている。
また例えば請求項3に記載したように、前記回折格子は、前記被測定体に形成された穴部の内面に形成されている。
また例えば請求項4に記載したように、前記第1の光導波路と前記第2の光導波路とは前記回折格子に対して一定の角度をなして固定されている。
In this case, for example, as described in
For example, as described in claim 3, the diffraction grating is formed on an inner surface of a hole formed in the measurement object.
Further, for example, as described in claim 4, the first optical waveguide and the second optical waveguide are fixed at a fixed angle with respect to the diffraction grating.
また例えば請求項5に記載したように、前記第1の光導波路と前記第2の光導波路とは一体的に接合されている。
また例えば請求項6に記載したように、前記第1の光導波路と前記第2の光導波路とは一本の光導波路により兼用されると共に、該兼用された光導波路の途中には前記回折光を分光するための分光器が設けられる。
For example, as described in claim 5, the first optical waveguide and the second optical waveguide are integrally joined.
Further, for example, as described in
また例えば請求項7に記載したように、前記第1の光導波路と前記第2の光導波路は保護管内に収容されている。
また例えば請求項8に記載したように、前記測定光には変調が加えられている。
また例えば請求項9に記載したように、前記測定光は一定の周波数幅を持つ広帯域の光である。
また例えば請求項10に記載したように、前記広帯域の光は白色光である。
For example, as described in claim 7, the first optical waveguide and the second optical waveguide are accommodated in a protective tube.
For example, as described in
For example, as described in claim 9, the measurement light is a broadband light having a certain frequency width.
For example, as described in claim 10, the broadband light is white light.
請求項11に係る発明は、排気可能になされた処理容器内にて被処理体に対して所定の熱処理を施すために前記被処理体を載置する不透明材料よりなる載置板を有する載置台構造において、請求項1乃至10のいずれか一項に記載された温度測定装置を有すると共に、前記載置板に前記温度測定装置の回折格子を設けるように構成したことを特徴とする載置台構造である。
According to an eleventh aspect of the present invention, there is provided a mounting table having a mounting plate made of an opaque material on which the object to be processed is mounted in order to perform a predetermined heat treatment on the object to be processed in a processing container that can be evacuated. A mounting table structure characterized by having the temperature measuring device according to any one of
この場合、例えば請求項12に記載したように、前記回折格子は前記載置板の裏面に形成されている。
また例えば請求項13に記載したように、前記回折格子は、前記載置板に形成された穴部の内面に形成されている。
また例えば請求項14に記載したように、前記載置板は、不透明な石英ガラス或いは不透明なセラミック材よりなる。
In this case, for example, as described in claim 12, the diffraction grating is formed on the back surface of the mounting plate.
For example, as described in claim 13, the diffraction grating is formed on the inner surface of the hole formed in the mounting plate.
For example, as described in
また例えば請求項15に記載したように、前記載置板は、支柱により支持された載置台本体上に設けられている。
また例えば請求項16に記載したように、前記載置板は、その内径が前記載置板よりも大きくなされた円筒状の支柱の上端部より延在された複数の支持ロッドにより支持されている。
Further, for example, as described in claim 15, the mounting plate is provided on a mounting table main body supported by a support column.
Further, for example, as described in
請求項17に係る発明は、被処理体に対して所定の熱処理を施す熱処理装置において、排気が可能になされた処理容器と、前記処理容器内へ所定のガスを供給するガス供給手段と、請求項11乃至16のいずれか一項に記載の載置台構造と、前記載置台構造に載置された前記被処理体を加熱する加熱手段と、前記載置台構造に設けた温度測定装置の測定値に基づいて前記加熱手段を制御する温度制御部と、を備えたことを特徴とする熱処理装置である。 According to a seventeenth aspect of the present invention, there is provided a heat treatment apparatus for performing a predetermined heat treatment on an object to be processed, a processing container that can be evacuated, a gas supply unit that supplies a predetermined gas into the processing container, The mounting table structure according to any one of Items 11 to 16, a heating unit that heats the object to be processed mounted on the mounting table structure, and a measurement value of a temperature measuring device provided in the mounting table structure And a temperature control unit for controlling the heating means based on the heat treatment apparatus.
本発明に係る温度測定装置、これを有する載置台構造及び熱処理装置によれば、次のような優れた作用効果を発揮することができる。
被測定体に形成した回折格子に対して測定光を照射して回折光を発生させ、回折格子からの回折光に基づいて被測定体の温度を求めることができる。従って、このように、回折格子を被測定体に設けることによって、金属汚染を生ずることなく、温度の測定精度を大幅に向上させることができる。
According to the temperature measuring device, the mounting table structure, and the heat treatment device having the same according to the present invention, the following excellent operational effects can be exhibited.
It is possible to generate a diffracted light by irradiating the diffraction grating formed on the measured object with the measuring light, and obtain the temperature of the measured object based on the diffracted light from the diffraction grating. Therefore, by providing the diffraction grating on the object to be measured in this way, the temperature measurement accuracy can be greatly improved without causing metal contamination.
以下に、本発明に係る温度測定装置、これを用いた載置台構造及び熱処理装置の好適な一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図1は本発明に係る温度測定装置を用いた載置台構造を有する熱処理装置を示す断面構成図、図2は温度測定装置を設けた載置台構造の一部を示す拡大図、図3は載置板の下面に設けた回折格子の一例を示す平面図、図4は回折格子による回折光の状態を説明する説明図、図5は測定光の射出と回折光の入射を同一の光導波路により行うようにした時の回折光の状態を示す図である。ここでは温度測定装置により温度を測定する対象物である被測定体として半導体ウエハを載置する載置板の温度を測定する場合を例にとって説明する。
Hereinafter, a preferred embodiment of a temperature measuring device, a mounting table structure and a heat treatment device using the same according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a sectional view showing a heat treatment apparatus having a mounting table structure using a temperature measuring device according to the present invention, FIG. 2 is an enlarged view showing a part of the mounting table structure provided with the temperature measuring device, and FIG. 4 is a plan view showing an example of the diffraction grating provided on the lower surface of the mounting plate, FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining the state of the diffracted light by the diffraction grating, and FIG. It is a figure which shows the state of the diffracted light when it is made to perform. Here, a case where the temperature of a mounting plate on which a semiconductor wafer is mounted is measured as an object to be measured by a temperature measuring device as an object to be measured will be described as an example.
図1に示すようにこの熱処理装置2は、例えば断面の内部が略円形状になされたアルミニウム製の処理容器4を有している。この処理容器4内の天井部には必要な処理ガス、例えば成膜ガスを導入するためにガス供給手段であるシャワーヘッド部6が設けられており、この下面のガス噴射面8に設けた多数のガス噴射孔10A、10Bから処理空間Sに向けて処理ガスを吹き出すようにして噴射するようになっている。
As shown in FIG. 1, the
このシャワーヘッド部6内には、中空状の2つに区画されたガス拡散室12A、12Bが形成されており、ここに導入された処理ガスを平面方向へ拡散した後、各ガス拡散室12A、12Bにそれぞれ連通された各ガス噴射孔10A、10Bより吹き出すようになっている。すなわち、ガス噴射孔10A、10Bはマトリクス状に配置されている。このシャワーヘッド部6の全体は、例えばニッケルやハステロイ(登録商標)等のニッケル合金、アルミニウム、或いはアルミニウム合金により形成されている。尚、シャワーヘッド部6としてガス拡散室が1つの場合でもよい。
In the
そして、このシャワーヘッド部6と処理容器4との接合部には、例えばOリング等よりなるシール部材14が介在されており、処理容器4内の気密性を維持するようになっている。
A sealing
また、処理容器4の側壁には、この処理容器4内に対して被処理体としての半導体ウエハWを搬入搬出するための搬出入口16が設けられると共に、この搬出入口16には気密に開閉可能になされたゲートバルブ18が設けられている。
In addition, a loading /
そして、この処理容器4の底部20の中央部は下方に凹部状に窪ませて排気室22が設けられる。この排気室22を区画する側壁には、排気口24が設けられる。この排気口24には、処理容器4内を排気するための排気系26が接続されている。この排気系26は、上記排気口24に接続される排気通路28を有しており、この排気通路28には、圧力調整弁30及び排気ポンプ32が順次介設されており、処理容器4を所望する圧力に維持できるようになっている。この場合、処理の態様に応じて処理容器4内は高真空から大気圧程度までの幅広い圧力に設定される。
And the center part of the
そして、この処理容器4内の排気室22を区画する底部34には、これより起立させて載置台構造36が設けられる。具体的には、この載置台構造36は、被処理体である半導体ウエハWを載置する載置台38と、この載置台38を支持するために底部34より起立された中空円筒状の支柱39とにより主に構成されている。この載置台38は、載置台本体40と、この上に載置されてウエハWの裏面と直接的に接する載置板42とより構成される。
A mounting
この載置台本体40には、加熱手段44として例えば内部に所定のパターン形状に配設された例えばカーボンヒータよりなる抵抗加熱ヒータ46が埋め込まれている。この抵抗加熱ヒータ46は、例えば内側ゾーン46Aと、その外側を同心円状に囲む外側ゾーン46Bとに電気的に分割されており、各ゾーン毎に個別に電力制御できるようになっている。そして、上記各ゾーンの抵抗加熱ヒータ46には、電力を供給する給電棒48が2本ずつ接続されており、内側ゾーン46Aと外側ゾーン46Bの2つのゾーンに対してこの給電棒48は、実際には4本設けられるが、図示例では2本のみ記載している。そして、この給電棒48はヒータ電源49に接続されて、電力を供給するようになっている。
In the mounting table
ここで上記支柱39や載置台本体40は、窒化アルミニウム等のセラミック材や石英ガラス等の耐熱材料よりなり、載置台本体40の下面中央部に上記支柱39の先端部が、例えば溶着接合される。そして、支柱39内は密封状態になされると共に、この支柱39の内部にはArガス等の希ガスやN2 ガス等の不活性ガスが充填供給されている。
Here, the
また、上記載置板42は、耐熱性があり、且つウエハWに対する汚染がない不透明材料よりなる。具体的には、この不透明材料としては、不透明な窒化アルミニウム(AlN)やシリコンカーバイト(SiC)や気泡等を含んだ不透明な石英ガラス等を用いることができる。この載置板42は、抵抗加熱ヒータ46からの熱を平面方向へ拡散する均熱板としての機能を有しており、ウエハWを面内方向において均一な温度で加熱するようになっている。
The mounting
この載置板42の直径は、ウエハWの直径よりも少し大きく設定されており、その厚さは処理の種類にもよるが、例えば2〜10mm程度の範囲内である。そして、この載置台構造36に、本発明に係る被測定体の温度測定装置50が設けられることになる。この温度測定装置50については後述する。
The diameter of the mounting
また、上記載置台38には、この上下方向に貫通して複数、例えば3本のピン挿通孔52が形成されており(図1においては2つのみ示す)、上記各ピン挿通孔52に上下移動可能に遊嵌状態で挿通させた押し上げピン54を配置している。この押し上げピン54の下端には、円形リング形状の例えばアルミナのようなセラミックス製の押し上げリング56が配置されており、この押し上げリング56に、上記各押し上げピン54の下端が乗っている。
The mounting table 38 is formed with a plurality of, for example, three pin insertion holes 52 penetrating in the vertical direction (only two are shown in FIG. 1). A push-up
この押し上げリング56から延びるアーム部58は、容器底部20を貫通して設けられる出没ロッド60に連結されており、この出没ロッド60はアクチュエータ62により昇降可能になされている。これにより、上記各押し上げピン54をウエハWの受け渡し時に各ピン挿通孔52の上端から上方へ出没させるようになっている。また、アクチュエータ62の出没ロッド60の容器底部の貫通部には、伸縮可能なベローズ64が介設されており、上記出没ロッド60が処理容器4内の気密性を維持しつつ昇降できるようになっている。
The
ここで上記載置台構造36に設けられた温度測定装置50について説明する。ここでは、温度測定装置50により温度測定の対象となる被測定体としては載置板42が対応することになり、この載置板42の温度を正確に測定することになる。この載置板42は、載置台本体40上に単に載置された状態となっているので、微視的に見れば、図2に示すようにこの載置台本体40の上面と載置板42の下面との間には僅かな隙間66が部分的に発生している状態となっている。
Here, the
そして、ここでは載置板42の内側ゾーン46Aと、外側ゾーン46Bとを別々に温度制御することから、各ゾーン46A、46Bに対応させて同じ構造の温度測定装置50が設けられることになる。尚、ゾーン数が1、或いは3以上の場合もある。
Since the
具体的には、上記温度測定装置50は、上記載置板42の裏面(下面)に上記各ゾーン46A、46Bに対応させて設けた回折格子68、すなわち回折格子68A、68Bを有している。この回折格子68A、68Bの格子溝69(図3参照)はレーザ光等の光学的加工や機械加工により載置板42の裏面に直接的に加工形成するようにしている。この格子溝69の間隔(格子定数)dは数μm程度である。
Specifically, the
そして、この回折格子68A、68Bに対してそれぞれ1本の光導波路70、すなわち光導波路70A、70Bの各先端部を臨ませた状態で設けられている。各光導波路70A、70Bはそれぞれ光ファイバよりなり、上記載置台本体40に形成した挿通孔72A、72Bに挿通させて、その先端部を上記各回折格子68A、68Bに臨ませて固定されている。
Each of the
ここで上記各挿通孔72A、72Bは、載置台本体40の厚さ方向に対して一定の角度αだけ傾斜して設けており、回折格子68A、68Bに対して斜め方向から測定光を照射するようになっている。上記光導波路70A、70Bは、中空状の支柱39内に挿通されて排気室22の底部34より下方に延在されている。上記支柱39内では、上記各光導波路70A、70Bは、例えば石英ガラス管のような保護管74A、74B内に通されている。そして、この光導波路70A、70Bの基端部は測定光を発生する発光部75に共通に接続されている。
Here, the
この発光部75では、上記測定光として、一定の周波数幅を持つ広帯域の光、例えば白色光を出力するようになっている。尚、回折光を検出し易くするために、測定光に変調を加えるのが好ましい。
The
ここでは上記各光導波路70A、70Bは、温度測定用の測定光を上記回折格子68A、68Bまで導く機能と、各回折格子68A、68Bからの回折光を受けて導くための機能とを1本の光導波路で兼用している。そのため、上記各光導波路70A、70Bの途中には、それぞれ分光器76、すなわち分光器76A、76Bが設けられており、上記回折格子68A、68Bから戻ってくる回折光を分離し得るようになっている。そして、分離された各回折光は、周波数分析部78、すなわち周波数分析部78A、78Bへ入力されて、周波数の分析をしてここで光電変換するようになっている。
Here, each of the
また、上記周波数分析部78A、78Bには、それぞれ温度分析部80、すなわち温度分析部80A、80Bが接続されており、各回折光の周波数の変動に応じて載置板42の温度を求めるようになっている。そして、この温度分析部80A、80Bの各出力は温度制御部82へ入力されており、この温度制御部82はヒータ電源49を制御することにより予め定められた各ゾーン毎の温度を維持するようになっている。
The
そして、この熱処理装置2の全体の動作、例えばプロセス圧力の制御、載置台38の温度制御、処理ガスの供給や供給停止等は、例えばコンピュータ等よりなる装置制御部84により行われることになる。そして、この装置制御部84は、上記動作に必要なコンピュータプログラムを記憶する記憶媒体86を有している。この記憶媒体86は、フレキシブルディスクやCD(Compact Disc)やハードディスクやフラッシュメモリ等よりなる。
The overall operation of the
次に、以上のように構成された熱処理装置の動作について説明する。
まず、未処理の半導体ウエハWは、図示しない搬送アームに保持されて開状態となったゲートバルブ18、搬出入口16を介して処理容器4内へ搬入され、このウエハWは、上昇された押し上げピン54に受け渡された後に、この押し上げピン54を降下させることにより、ウエハWを載置台構造36の載置板42の上面に載置してこれを支持する。
Next, the operation of the heat treatment apparatus configured as described above will be described.
First, the unprocessed semiconductor wafer W is loaded into the processing container 4 through the
次に、シャワーヘッド部6へ各種の処理ガスを、それぞれ流量制御しつつ供給して、このガスをガス噴射孔10A、10Bより吹き出して処理空間Sへ導入する。そして、排気系26の排気ポンプ32の駆動を継続することにより、処理容器4内の雰囲気を、例えば真空排気し、そして、圧力調整弁30の弁開度を調整して処理空間Sの雰囲気を所定のプロセス圧力に維持する。この時、ウエハWの温度は所定のプロセス温度に維持されている。
Next, various processing gases are supplied to the
すなわち、載置台構造36の載置台本体40に設けた加熱手段44を構成する抵抗加熱ヒータ46にヒータ電源49側より給電棒48を介して電圧を印加することにより発熱させていると共に、被測定体である上記載置板42の温度は、本発明に係る温度測定装置50により精度良く測定されて、これに基づいて載置板42の温度が制御されるので、この載置板42の上面に載置されているウエハWの温度を精度良く、且つ面内温度の均一性を高く制御することができる。
That is, the
すなわち、発光部75から出力された測定光である白色光は、光ファイバよりなる各光導波路70A、70B内を導かれて、その先端よりそれぞれ放射される。この放射された測定光L1(図4参照)は、各ゾーン46A、46Bの各回折格子68A、68Bに入射し、これより回折されて回折光が反射されてくることになる。
That is, the white light that is the measurement light output from the
この場合、載置板42は温度に依存して熱伸縮するので上記回折格子68A、68Bはそれぞれの温度に依存して間隔(格子穴数)dが変化しており、これによって各光導波路70A、70Bに入射する回折光の周波数が変化することになる。この各光導波路70A、70Bに入射した回折光は、この光導波路70A、70Bを戻り、それぞれ分光器76A、76Bにより回折光が取り出されるもとになる。ここで取り出された回折光は、それぞれ周波数分析部78A、78Bにて回折光の周波数分析がなされ、この結果が、温度分析部80A、80Bへ入力される。
In this case, since the mounting
この温度分析部80A、80Bでは、温度に対応した基準となる周波数データを予め有しており、この周波数データと上記周波数分析部78A、78Bから送られてくる分析結果とを比較することにより、各ゾーン毎の載置板42の温度を精度良く求めることができる。そして、ここで求めた載置板42の温度の測定値は温度制御部82へ入力され、これに基づいて載置板42の温度が予め定められた温度となるようにヒータ電源49を制御することになる。
The
ここで図4及び図5を参照して回折格子における回折光の状態について説明する。図4は回折格子による回折光の状態を説明する説明図、図5は測定光の射出と回折光の入射を同一の光導波路により行うようにした時の回折光の状態を示す図である。図4(A)は単色光の回折の状態を示し、図4(B)は白色光の回折の状態を示している。図5には回折格子の微小な領域における回折の状態の一例を拡大図として併記している。ここでは、図2中の一方の回折格子である内側ゾーン46Aに設けた回折格子68Aを例にとって説明する。尚、外側ゾーン46Bの回折格子68Bにおいても同様に作用するのは勿論である。
Here, the state of the diffracted light in the diffraction grating will be described with reference to FIGS. FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining the state of diffracted light by the diffraction grating, and FIG. 5 is a diagram showing the state of diffracted light when measurement light is emitted and diffracted light is incident on the same optical waveguide. FIG. 4A shows a state of monochromatic light diffraction, and FIG. 4B shows a state of white light diffraction. FIG. 5 also shows an example of the diffraction state in a minute region of the diffraction grating as an enlarged view. Here, a
図4(A)において、載置板42の法線90に対する入射角α(法線90に対する角度)の単色光が回折格子68Aに入射すると、回折光が生ずる。ここでは、説明の簡単化のために+1次光と−1次光の回折光のみを示している。+1次の回折光の法線90に対する回折角度をβ1’とし、−1次の回折光の法線90に対する回折角度をβ1とする。また、0次光は、反射の法則に従った鏡面反射の方向92に反射する。
In FIG. 4A, when monochromatic light having an incident angle α (angle with respect to the normal line 90) with respect to the
図4(B)においては、白色光が入射しており、この場合には、白色光は一定の周波数幅(赤色〜紫色)をもっているので、−1次及び+1次の各回折光の回折角度は共に一定の幅を有している。尚、実際には、±2次以上の回折光も発生している。 In FIG. 4B, white light is incident. In this case, since the white light has a certain frequency width (red to purple), the diffraction angles of the −1st order and + 1st order diffracted lights are shown. Both have a certain width. Actually, diffracted light of ± 2nd order or higher is also generated.
ここで実際に光ファイバよりなる光導波路70Aを設置する時の状況について説明する。図5に示すように、まず、光ファイバよりなる光導波路70Aから白色光よりなる測定光L1が回折格子68Aに向けて放射されると、この回折格子68Aから回折光が反射される。ここで測定光L1は回折格子68Aの主断面(格子溝69に垂直な平面)に平行に入射し、その入射角をα(法線90に対する角度)とする。ここで回折光は、1次、2次、3次…のように多く発生することになる。
Here, the situation when the
そして、鏡面反射の方向92(法線に対する角度はαとなる)を中心として、回折光は左右に、1次、2次、3次…のように広がって発生して行き、鏡面反射の方向92よりも測定光L1と同じ側にある回折光が”+”となり、反対側にある回折光が”−”となる。従って、鏡面反射の方向92より左側に向かって”+1次”、”+2次”、”+3次”…の回折光が順次発生しており、また、右側に向かって”−1次”、”−2次”、”−3次”…の回折光が順次発生している。
Then, with the specular reflection direction 92 (the angle with respect to the normal is α) as the center, the diffracted light is generated to spread from side to side as primary, secondary, tertiary, etc., and the direction of specular reflection Diffracted light on the same side as the measurement light L1 with respect to 92 becomes “+”, and diffracted light on the opposite side becomes “−”. Therefore, “+ 1st order”, “+ 2nd order”, “+ 3rd order”... Diffracted light is sequentially generated from the
そして、測定光L1は、白色光なので上述のように各回折光の回折角度は一定の広がりを有している。ここで例えば−1次の回折光の回折角度はβ1であり、+1次の回折光の回折角度はβ1’であり、−2次の回折光の回折角度はβ2であり、+2次の回折光の回折角度はβ2’であり、−3次の回折光の回折角度はβ3であり、+3次の回折光の回折角度はβ3’である。 Since the measurement light L1 is white light, the diffraction angle of each diffracted light has a certain spread as described above. Here, for example, the diffraction angle of the −1st order diffracted light is β1, the diffraction angle of the + 1st order diffracted light is β1 ′, the diffraction angle of the −2nd order diffracted light is β2, and the + 2nd order diffracted light. Has a diffraction angle of β2 ′, a diffraction angle of −3rd order diffracted light is β3, and a diffraction angle of + 3rd order diffracted light is β3 ′.
そして、上記条件において、波長λの回折光の強度の主極大は以下の式を満たす回折角βの方向に生じる。尚、回折角βは、上記β1、β1’、β2、β2’、β3、β3’等を代表して表している。
d(sinα+sinβ)=mλ(m=0、±1、±2…)
ここでは光導波路70Aで回折光を入射して検出するようにしているので、”+3次”の回折光を測定対象としている。この場合、光導波路70Aは固定されているので、熱伸縮により回折格子68Aのピッチが変わると、光導波路70Aに入射する光の周波数が変化して行くことになる。
Under the above conditions, the main maximum of the intensity of the diffracted light having the wavelength λ occurs in the direction of the diffraction angle β that satisfies the following expression. Note that the diffraction angle β represents the β1, β1 ′, β2, β2 ′, β3, β3 ′, and the like.
d (sin α + sin β) = mλ (m = 0, ± 1, ± 2...)
Here, since diffracted light is incident and detected by the
そして、図5に示す場合は、+3次の回折光の周波数幅の内の特定の周波数が角度βで入射することになる。またdは既知であり、”m=3”である。また基準となる既知の温度である、例えば室温での回折光の波長の波長λ0は予め求められているので、未知の温度の時の回折光の波長λを求めれば、これと載置板42の構成材料の線膨張係数から、その時の温度を精度良く求めることができる。尚、この場合、測定する回折光の次数はいずれの次数の回折光を測定してもよく、具体的には、上記角度αは”0度<α<90度”の範囲で取り付け固定することができる。
In the case shown in FIG. 5, a specific frequency within the frequency width of the + 3rd order diffracted light is incident at an angle β. Further, d is known and “m = 3”. Further, since the wavelength λ0 of the wavelength of the diffracted light at a room temperature, for example, which is a known reference temperature, is obtained in advance, if the wavelength λ of the diffracted light at an unknown temperature is obtained, this and the mounting
ここで具体的な数値例をもって上記関係について説明する。まず、回折格子90の法線に対し、光導波路のなす角度をαとし、測定光と同じ光導波路に回折光を入射させる(α=β)ものとする。
今仮にAlN[窒化アルミニウム](膨張係数:5.6×10−6)上に室温において回折格子のピッチ間dが0.42μmになるように作成した回折格子に対して、α=30度に固定した光導波路より白色光を入射させた場合、波長420nmの青紫光の一次光が回折角度β=−30度の条件を満たすため、周波数分析部78Aでは波長420nmの反射光が検出される。
Here, the relationship will be described with specific numerical examples. First, it is assumed that the angle formed by the optical waveguide with respect to the normal line of the
Suppose that α = 30 degrees with respect to a diffraction grating created on AlN [aluminum nitride] (expansion coefficient: 5.6 × 10 −6 ) so that the pitch d between the diffraction gratings is 0.42 μm at room temperature. When white light is incident from the fixed optical waveguide, the primary light of the blue-violet light with a wavelength of 420 nm satisfies the condition that the diffraction angle β = −30 degrees, and thus the reflected light with a wavelength of 420 nm is detected by the
ここで回折格子の温度が100℃上昇するとdは2.18×10−5μm伸びるため、β=−30度の条件を満たす回折光は長波長側に変位し周波数分析部78Aで検出される反射光は420.02184nmとなる。
一般に、室温における回折格子のピッチd0と昇温後のd1、室温における反射光の波長λ0と昇温後の反射光の波長λ1の関係は常に下記の関係を満たす。
d1/d0=λ1/λ0
よって昇温前後の反射光の変化率を既知の回折格子のピッチdに積算すれば昇温に伴うピッチdの伸び量を正確に推算することが可能となる。
Here, when the temperature of the diffraction grating rises by 100 ° C., d increases by 2.18 × 10 −5 μm, so that the diffracted light satisfying the condition of β = −30 degrees is displaced to the long wavelength side and detected by the
In general, the relationship between the pitch d0 of the diffraction grating at room temperature and d1 after temperature rise, and the relationship between the wavelength λ0 of reflected light at room temperature and the wavelength λ1 of reflected light after temperature rise always satisfy the following relationship.
d1 / d0 = λ1 / λ0
Therefore, if the rate of change of the reflected light before and after the temperature rise is integrated with the known pitch d of the diffraction grating, it is possible to accurately estimate the amount of extension of the pitch d accompanying the temperature rise.
このように、本発明では、載置板42自体に形成した回折格子68A、68Bを用いることにより、何ら熱媒体を介することなく温度を測定することができるので、非接触で載置板42の温度を直に精度良く測定することができ、しかも金属汚染が発生する恐れもない。
As described above, in the present invention, the temperature can be measured without using any heat medium by using the
また、載置板42の連続的な温度変化を測定することができ、例えば0℃〜1000℃の広範囲に亘って連続的な温度測定を行うことができる。また、載置板42としてセラミック材を用いれば、セラミック材は石英ガラスよりも線膨張率が1桁程度大きいので、その分、分解能を上げることが可能となる。
Moreover, the continuous temperature change of the mounting
以上のように、被測定体、例えばここでは載置板42に形成した回折格子68A、68Bに対して測定光L1を照射して回折光を発生させ、回折格子68A、68Bからの回折光に基づいて被測定体の温度を求めることができる。従って、このように、回折格子68A、68Bを被測定体に設けることによって、金属汚染を生ずることなく、温度の測定精度を大幅に向上させることができる。
As described above, the measurement light L1 is irradiated to the object to be measured, for example, the
尚、上記実施形態では、載置板42の下面(裏面)に回折格子68を設けた場合を例にとって説明したが、これに限定されない。例えば図6に示す回折格子の取付構造の変形例のように、載置板42自体を例えば厚さ10mm程度に厚く設定し、その側面より、内径が5mm程度の取付穴94を加工形成し、この取付穴94の底面(側面)に上記回折格子68を直接的に形成し、この取付穴94内へ光導波路70を挿入させて固定するようにしてもよい。
In the above embodiment, the case where the
この場合には、前述した実施形態と同様な作用効果を発揮できるのみならず、測定光に変調を加えなくても迷光の影響を受け難く、しかも、光導波路の先端がプロセスガスにより汚れることがないので、透光性が低下することを防ぐことができる、という利点を有する。
また、上記実施形態では、例えば1本の光導波路(光ファイバ)70Aにより、測定光L1を回折格子70まで導く機能と、この回折格子70からの回折光を受けて周波数分析部78Aへ導く機能とを兼用させるようにしたが、これに限定されず、2本の光ファイバを設けてもよい。図7はこのような光導波路の変形の実施形態を示す概略構成図である。尚、図2に示す構成部分と同一構成部分については同一参照符号を付している。
In this case, not only can the same effects as the above-described embodiment be exhibited, it is difficult to be affected by stray light without modulating the measurement light, and the tip of the optical waveguide may be contaminated by the process gas. Since there is no, it has the advantage that it can prevent that translucency falls.
In the above embodiment, for example, the function of guiding the measurement light L1 to the
すなわち、ここでは2本の光ファイバを例えば一体的に接合しており、その内の1本の光ファイバについて測定光L1を回折格子まで導く第1の光導波路70A−1として用い、他方の光ファイバを回折格子からの回折光L2を周波数分析部78Aへ導く第2の光導波路70A−2として用いている。
That is, here, for example, two optical fibers are integrally joined, and one of the optical fibers is used as the first
この場合には、図2において用いた分光器76Aを設ける必要がなくなり、その分、装置コストを削減することができる。尚、この図7に示す構成は、他方の光導波路70B側に対しても同様に適用し得るのは勿論である。
In this case, it is not necessary to provide the
また、この場合、第1と第2の光導波路70A−1、70A−2とを一体化しないで、第2の光導波路70A−2を、図4中の鏡面反射の方向92よりも右側の領域に配置して、”−1次”〜”−3次”のいずれかの回折光を受けるようにしてもよい。
In this case, the first and second
<載置台構造の他の実施形態>
先の図1及び図2に示す熱処理装置では載置台構造36として、支柱30の上端に、載置板42とを載置台本体40とよりなる載置台38を支持させるようにした構成の載置台構造36を例にとって説明したが、これに限定されず、加熱手段として加熱ランプを用いた枚葉式の熱処理装置に本発明を適用してもよい。図8はこのような加熱ランプを用いた枚葉式の熱処理装置の一例を示す構成図である。尚、図1乃至図4に示す構成部分と同一構成部分については同一参照符号を付して、その説明を省略する。
<Another embodiment of mounting table structure>
In the heat treatment apparatus shown in FIG. 1 and FIG. 2, the mounting
図8に示すように、この熱処理装置99では、載置台構造36として、処理容器4の底部20に設置された大口径の円筒状の支柱100を有しており、この支柱100の内径は、被測定体である薄い載置板42の直径よりも僅かに大きく設定されている。そして、この円筒状の支柱100の上端部より複数本、例えば3本(図示例では2本のみ記す)の例えばL字状の支持ロッド102が中心方向へ延在させて設けられており、この支持ロッド102の先端部で上記載置板42の周辺部を支持するようになっている。ここでは、図1及び図2の場合とは異なり、載置台本体40を設けていない。
As shown in FIG. 8, this heat treatment apparatus 99 has a large-diameter
また、載置板42の周辺部の上方には、ウエハWを押し上げる押し上げピン54にロッド104を介して連結されたクランプリング106が設けられており、これを押し上げピン54と一体的に昇降させることができるようになっている。そして、このクランプリング106を降下させることによってウエハWの周辺部を載置板42側へ押さえ付けるようになっている。
In addition, a
また処理容器4の底部20には、大口径の開口108が形成され、この開口108にシール部材110を介して透過板112が設けられている。そして、この透過板112の下方に、ウエハWを加熱するための加熱手段44が設けられている。ここでの加熱手段44は、回転自在になされた反射板114に複数の加熱ランプ116を設けて構成されており、この加熱ランプ116から放射する熱線が透過板112を透過して不透明材料よりなる載置板42の裏面に照射されてこれを加熱し、これによりこの載置板42上に載置されているウエハWを間接的に加熱することになる。
A large-
そして、この載置板42の裏面(下面)に前述した回折格子68を直接的に設け、更に、先端部を上記回折格子68に臨ませて光導波路70を設けるようにする。ここで光導波路70は、保護管74内に挿通させるのが好ましい。そして、この光導波路70に、分光器76、周波数分析部78、温度分析部80、温度制御部82を設けている。
The above-described
このような構成の場合にも、先に図1及び図2等を参照して説明した実施形態と同様の作用効果を発揮することができる。この場合には、特に、測定光を変調させることにより、加熱ランプ116からの回折光を容易に分離することができる。また載置板42に対してゾーン加熱を行っている場合には、ゾーン毎に上記回折格子や光導波路を設けるようにする。更に、ここでも図6及び図7で説明したような変形の実施形態を適用することができる。
Even in the case of such a configuration, the same operational effects as those of the embodiment described above with reference to FIGS. In this case, in particular, the diffracted light from the
尚、以上の各実施形態においては、被処理体として半導体ウエハを例にとって説明したが、これに限定されず、ガラス基板、LCD基板、セラミック基板等にも本発明を適用することができる。
また、ここでは温度測定の対象である被測定体としては、被処理体を載置する載置板42を例にとって説明したが、これに限定されず、回折格子をその表面に直接形成できるものであれば、どのようなものでも被測定体として用いることができ、その温度を非接触で精度良く測定することができる。
In each of the above embodiments, a semiconductor wafer has been described as an example of the object to be processed. However, the present invention is not limited to this, and the present invention can be applied to a glass substrate, an LCD substrate, a ceramic substrate, and the like.
In addition, here, the object to be measured, which is the object of temperature measurement, has been described by taking the mounting
2 熱処理装置
4 処理容器
6 シャワーヘッド部(ガス供給手段)
26 排気系
36 載置台構造
38 載置台
39 支柱
40 載置台本体
42 載置板(被測定体)
44 加熱手段
46 抵抗加熱ヒータ
49 ヒータ電源
50 温度測定装置
68,68A,68B 回折格子
70,70A,70B,70A−1,70A−2 光導波路
74,74A,74B 保護管
75 発光部
76,76A,76B 分光器
78,78A,78B 周波数分析部
80,80A,80B 温度分析部
82 温度制御部
84 装置制御部
86 記憶媒体
99 熱処理装置
100 支柱
102 支持ロッド
116 加熱ランプ
d 間隔(格子定数)
L1 測定光
L2 回折光
W 半導体ウエハ(被処理体)
2 Heat treatment equipment 4
26
44 heating means 46
L1 Measurement light L2 Diffracted light W Semiconductor wafer (object to be processed)
Claims (17)
前記被測定体に形成した回折格子と、
温度測定用の測定光を発生する発光部と、
前記測定光を前記回折格子まで導く第1の光導波路と、
前記回折格子からの回折光を導く第2の光導波路と、
前記第2の光導波路により導かれた前記回折光を受けて周波数を分析する周波数分析部と、
前記周波数分析部の出力に基づいて前記被測定体の温度を求める温度分析部と、
を備えたことを特徴とする温度測定装置。 In a temperature measuring device that measures the temperature of a measured object,
A diffraction grating formed on the object to be measured;
A light emitting section for generating measurement light for temperature measurement;
A first optical waveguide for guiding the measurement light to the diffraction grating;
A second optical waveguide for guiding diffracted light from the diffraction grating;
A frequency analyzer that receives the diffracted light guided by the second optical waveguide and analyzes the frequency;
A temperature analysis unit for determining the temperature of the measurement object based on the output of the frequency analysis unit;
A temperature measuring device comprising:
請求項1乃至10のいずれか一項に記載された温度測定装置を有すると共に、前記載置板に前記温度測定装置の回折格子を設けるように構成したことを特徴とする載置台構造。 In a mounting table structure having a mounting plate made of an opaque material for mounting the object to be processed in order to perform a predetermined heat treatment on the object to be processed in a processing container made evacuable,
A mounting table structure comprising the temperature measuring device according to any one of claims 1 to 10 and a diffraction grating of the temperature measuring device provided on the mounting plate.
排気が可能になされた処理容器と、
前記処理容器内へ所定のガスを供給するガス供給手段と、
請求項11乃至16のいずれか一項に記載の載置台構造と、
前記載置台構造に載置された前記被処理体を加熱する加熱手段と、
前記載置台構造に設けた温度測定装置の測定値に基づいて前記加熱手段を制御する温度制御部と、
を備えたことを特徴とする熱処理装置。 In a heat treatment apparatus for performing a predetermined heat treatment on a workpiece,
A processing vessel that can be evacuated;
Gas supply means for supplying a predetermined gas into the processing container;
The mounting table structure according to any one of claims 11 to 16,
Heating means for heating the object mounted on the mounting table structure;
A temperature control unit for controlling the heating means based on the measured value of the temperature measuring device provided in the mounting table structure;
A heat treatment apparatus comprising:
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