JP2012063149A - 温度測定装置及び温度測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より多くの測定ポイントの温度を簡易に測定できる温度測定装置及び温度測定方法を提供する。
【解決手段】光源と、光源からの光をｍ個の波長帯域に分波する第１の分波手段と、第１の分波手段からの光を、ｍ個の波長帯域毎にｎ個の光に分岐するｍ個の第１の分岐手段と、ｍ個の第１の分岐手段からの光を、測定対象物の各測定ポイントまで伝送する伝送手段と、各測定ポイントで反射された光を受光する受光手段と、受光手段で受光された光の波形に基づいて、各測定ポイントの温度を算出する温度算出手段と、を備えた。
【選択図】図１

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）の温度を非接触で測定可能な温度測定装置及び温度測定方法に関する。

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、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半導体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岐し、さらに、分岐された測定光を第２スプリッタによってｎ個の測定光に分岐して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）。

特開２００６−１１２８２６号公報

しかしながら、上記した従来の技術では、測定ポイント数が第２のスプリッタの分岐数に制限され、より多くの測定ポイントの温度を測定したい場合に対応することが困難であった。

本発明は、かかる従来の事情に対処してなされたもので、より多くの測定ポイントの温度を簡易に測定できる温度測定装置及び温度測定方法を提供することを目的とする。

本発明の温度測定装置は、光源と、光源からの光をｍ個の波長帯域に分波する第１の分波手段と、第１の分波手段からの光を、ｍ個の波長帯域毎にｎ個の光に分岐するｍ個の第１の分岐手段と、ｍ個の第１の分岐手段からの光を、測定対象物の各測定ポイントまで伝送する伝送手段と、各測定ポイントで反射された光を受光する受光手段と、受光手段で受光された光の波形に基づいて、各測定ポイントの温度を算出する温度算出手段と、を備える。

本発明の温度測定方法は、第１の分波手段で、光源からの光をｍ個の波長帯域に分波する工程と、ｍ個の第１の分岐手段で、第１の分波手段からの光を、ｍ個の波長帯域毎にｎ個の光に分岐する工程と、伝送手段で、ｍ個の第１の分岐手段からの光を、測定対象物の各測定ポイントまで伝送する工程と、受光手段で、各測定ポイントで反射された光を受光する工程と、受光手段で受光された光の波形に基づいて、各測定ポイントの温度を算出する工程と、を備える。

本発明によれば、光源に複数（ｍ個）の波長帯域の光を含む多波長光源を用い、該複数の波長帯域の光を、それぞれ複数（ｎ個）の光に分岐するようにしたので、より多くの測定ポイントの温度を簡易に測定できる。

第１の実施形態に係る温度測定装置の構成図。 信号処理装置の構成図。 受光手段の構成図。 温度算出手段の機能を示す図。 ＤＴＦ処理後の信号を示す図。 記憶手段に記憶されている光路長と温度との関係を示す図。 多波長光源から照射される光の波長と時間との関係を示す図。 基板処理装置に入力される測定光の波長と時間との関係を示す図。 基板処理装置から出力される反射光の波長と時間との関係を示す図。 分波器へ入力される反射光の波長と時間との関係を示す図。 マルチプレクサから出力される反射光の波長と時間との関係を示す図。 波長帯域λ_１の反射光を取り込んだ例を示す。 受光手段よる離散化を説明する図。 第１の実施形態の変形例に係る温度測定装置の構成図。 第２の実施形態に係る温度測定装置の構成図。 多波長光源から照射される測定光の波長と時間との関係を示す図。 基板処理装置に入力される測定光の波長と時間との関係を示す図。 各測定ポイントに入力される測定光と時間との関係を示す図。 基板処理装置から出力される反射光の波長と時間との関係を示す図。 第２の実施形態の変形例に係る温度測定装置の構成図。 第３の実施形態に係る温度測定装置の構成図。 第３の実施形態の変形例に係る温度測定装置の構成図。 第４の実施形態に係る温度測定装置の構成図。 第４の実施形態の変形例に係る温度測定装置の構成図。 第５の実施形態に係る温度測定装置の構成図。 第５の実施形態の変形例に係る温度測定装置の構成図。 その他の実施形態に係る温度測定装置の構成図。

以下、図面を参照して、本発明の各実施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。また、温度測定の対象として半導体ウエハを例に説明するが、温度測定の対象は、半導体ウエハに限られず、種々の物体の温度測定が可能である。

（第１の実施形態）
第１の実施形態では、複数の処理チャンバ内の半導体ウエハの複数ポイントの温度を一度に測定する実施形態について説明する。この第１の実施形態では、光源として多波長光源を使用し、この多波長光をＷＤＭ（wavelength division multiplexing）カプラにより複数（ｍ個：ｍは１以上の整数）の波長帯域λ_１〜λ_ｍに分波して、さらに波長帯域λ_１〜λ_ｍ毎に複数（ｎ個：ｎは１以上の整数）の光に分岐することにより、より多くの測定ポイントの温度測定を実現している。

図１は、第１の実施形態に係る温度測定装置１００の構成図である。温度測定装置１００は、複数（ｍ個）の波長帯域の光（以下、測定光と称する）を照射する多波長光源１１０と、光サーキュレータ１２０と、測定光をｍ個の波長帯域λ_１〜λ_ｍに分波する分波器１３０（第１の分波手段）と、分波器１３０で各波長帯域λ_１〜λ_ｍに分波された測定光をｎ個の第１〜第ｎ測定光に分岐するスプリッタ１４０（第１の分岐手段）と、光サーキュレータ１２０から出力される反射光から各測定ポイントの温度を算出する信号処理装置１５０とを備えている。

多波長光源１１０からは、所定の時間間隔、すなわち所定のタイムスロットで測定光が照射される。

多波長光源１１０は、任意の光を使用することが可能であるが、この第１の実施形態のように半導体ウエハＷの温度測定を行う場合には、少なくとも半導体ウエハＷの表面Ｈと裏面Ｒ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く、具体的には、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。なお、低コヒーレンス光の中心波長は、測定対象物が半導体ウエハ（Ｓｉ）であることから、Ｓｉを透過する波長、具体的には１０００ｎｍ以上であることが好ましい。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多波長光源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Ｈ、裏面Ｒ及び内部層からの反射光に基づく測定の干渉を容易に測定することができる。

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）を多波長光源１１０として用いることが好ましい。

光サーキュレータ１２０は、３つのポートＡ〜Ｃを備える、ポートＡに入力した光はポートＢから出力され、ポートＢから入力した光はポートＣから出力され、ポートＣに入力した光はポートＡから出力される特性を有する。すなわち、多波長光源１１０からの測定光は分波器１３０へ出力され、分波器１３０から測定対象物からの反射光は信号処理装置１５０へ入力される。

分波器１３０は、光サーキュレータ１２０から入力される測定光をｍ個の波長帯域λ_１〜λ_ｍに分波して出力する。分波器１３０は、例えば、ＷＤＭカプラである。分波された各波長帯域λ_１〜λ_ｍの測定光は、各々異なる処理チャンバＰＣ_１〜ＰＣ_ｍへ入力される。以下、処理チャンバＰＣ_１〜ＰＣ_ｍ内の構成について説明するが、各処理チャンバＰＣ_１〜ＰＣ_ｍの構成は、入力される測定光の波長帯域が異なるのみであるため、処理チャンバＰＣ_１についてのみ説明し、他の処理チャンバＰＣ_２〜ＰＣ_ｍについては説明を省略する。

処理チャンバＰＣ_１には、分波器１３０でｍ個の波長帯域λ_１〜λ_ｍに分波された測定光のうち波長帯域λ_１の測定光だけが入力される。このため、処理チャンバＰＣ_１には、波長帯域λ_１の測定光が所定の時間間隔（タイムスロット）で入力される。

スプリッタ１４０は、分波器１３０で分けられた波長帯域λ_１の測定光を第１〜第ｎ測定光に分岐する。スプリッタ１４０は、例えば、光ファイバカプラである。但し、これに限定されるものではなく測定光を分岐することが可能なものであればよく、例えば光導波路型分波器、半透鏡などを用いてもよい。

スプリッタ１４０からの第１〜第ｎ測定光は夫々コリメートファイバＦ₁〜Ｆ_nを介して、半導体ウエハＷの測定ポイントまで伝送される。図１に示すように、この第１の実施形態では、コリメートファイバＦ_１〜Ｆ_ｎの長さを変えることにより、第１〜第ｎ測定光におけるスプリッタ１４０から半導体ウエハＷまでの各光路長が異なるようして、各測定ポイントＰ_１〜Ｐ_ｎからの反射光が互いに重ならないように構成されている。

処理チャンバＰＣ_１のスプリッタ１４０からは、測定対象物である半導体ウエハＷの各測定ポイントＰ_１〜Ｐ_ｎの表面Ｈ及び裏面Ｒで反射した第１〜第ｎ測定光（以下、半導体ウエハＷの測定ポイントで反射した第１〜第ｎ測定光を第１〜第ｎ反射光と称する）が出力されるが、上述したように、各コリメートファイバＦ_１〜Ｆ_ｎは、長さが互いに異なるように構成されているため、第１〜第ｎ反射光は、互いに異なるタイミングでスプリッタ１４０から出力される。

なお、第１〜第ｎ測定光を伝送する手段としては、コリメートファイバＦ_１〜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。また、各処理チャンバＰＣ_１〜ＰＣ_ｍからの反射光は、分波器１３０で合波された後、光サーキュレータ１２０を介して、信号処理装置１５０へ入力される。

図２は、信号処理装置１５０の構成図である。
信号処理装置１５０は、分波器１５１（第２の分波手段）と、マルチプレクサ１５２（入力手段）と、スプリッタ１５３と、タイミング生成手段１５４と、受光手段１５５と、温度算出手段１５６とを備える。

分波器１５１は、光サーキュレータ１２０からの反射光をｍ個の波長帯域λ_１〜λ_ｍの反射光に分波して出力する。各処理チャンバＰＣ_１〜ＰＣ_ｍからの反射光は、分波器１３０で多重化される。このため、分波器１５１には、処理チャンバＰＣ_１〜ＰＣ_ｍからの反射光が合波された状態で入力され、ｍ個の波長帯域λ_１〜λ_ｍ毎に、第１〜第ｎ反射光が互いに異なるタイミングで入力されることになる。なお、分波器１５１は、例えば、ＷＤＭカプラである。

マルチプレクサ１５２は、光通信用マルチプレクサであり、分波器１５１でｍ個の波長帯域λ_１〜λ_ｍに分波された反射光のいずれかを選択して出力する。マルチプレクサ１５２は、所定の時間間隔で選択先を変更する。つまり、マルチプレクサ１５２により、各波長帯域λ_１〜λ_ｍの反射光が所定の時間間隔で切り替えて出力される。

分波器１５１に入力された反射光は、分波器１５１により各波長帯域λ_１〜λ_ｍに分波され、さらにマルチプレクサ１５２により波長帯域λ_１〜λ_ｍの反射光が切り替えて出力される。このため、マルチプレクサ１５２から出力される反射光は、選択された波長帯域の反射光が出力される。

スプリッタ１５３は、マルチプレクサ１５２からの反射光を２つに分岐する。スプリッタ１５３は、例えば、光ファイバカプラである。但し、これに限定されるものではなく反射光を分岐することが可能なものであればよく、例えば光導波路型分波器、半透鏡などを用いてもよい。

タイミング生成手段１５４は、スプリッタ１５３から入力される測定光のタイムスロットに基づいてタイミング信号を生成して温度算出手段１５６へ入力する。

図３は、受光手段１５５の構成図である。受光手段１５５は、スプリッタ１５３からの反射光を波長分解する回折格子１５５ａと、波長分解された反射光を電気信号に変換する光電変換素子１５５ｂとを備える。

受光手段１５５は、タイミング信号に基づいて、マルチプレクサ１５２からの反射光を取り込んで、複数の波長に離散化した離散化信号を生成して出力する。

光電変換素子１５５ｂとしては、種々のイメージセンサを使用することができるが、この実施形態では、測定光として波長が１０００ｎｍ以上の光を使用することから、波長が８００〜１７００ｎｍの光に感度を有するＩｎＧａＡｓ素子カメラを使用することが好ましい。

温度算出手段１５６は、例えば、コンピュータ（電算機）等であり、受光手段１５５からの信号を取り込み、該信号に基づいて半導体ウエハＷの温度を算出する。

図４は、温度算出手段１５６の機能を示す図である。温度算出手段１５６は、信号取得手段２０１と、離散フーリエ変換手段２０２と、光路長算出手段２０３と、記憶手段２０４と、温度演算手段２０５とを備える。なお、図４に示す機能は、温度算出手段１５６が備えるハードウェア（例えば、ＨＤＤ、ＣＰＵ、メモリ等）により実現される。具体的には、ＣＰＵが、ＨＤＤもしくはメモリに記録されているプログラムを実行することで実現される。

信号取得手段２０１は、受光手段１５５からの離散化信号を取り込む。

離散フーリエ変換手段２０２は、信号取得手段２０１が取得した離散化信号に対してＤＦＴ（discrete fourier transform）処理を行う。このＤＦＴ処理により、受光手段１５５からの離散化信号を振幅と距離との情報に変換する。図５は、ＤＦＴ処理後の信号を示す図である。図５の縦軸は振幅、横軸は距離である。

光路長算出手段２０３は、離散フーリエ変換手段２０２により変換された振幅と距離との情報に基づいて光路長を算出する。具体的には、図５に示すピークＡからピークＢまでの光路長を算出する。図５に示すピークＡとピークＢは、測定対象物である半導体ウエハＷの表面Ｈからの反射光と裏面Ｒからの反射光との干渉により生じ、この光路長の差は、半導体ウエハＷの温度に依存する。半導体ウエハＷの温度が変化すると、半導体ウエハＷの熱膨張及び屈折率の変化により、半導体ウエハＷの表面Ｈと裏面Ｒとの光路長が変化するためである。

記憶手段２０４には、図６に示す光路長と温度との関係が記憶されている。上述したように図５に示すピークＡからピークＢの光路長は、半導体ウエハＷの温度に依存する。そこで、予め、ピークＡからピークＢの光路長と半導体ウエハＷの温度との関係を記憶手段２０４に記憶しておくことで、光路長算出手段２０３で算出された光路長から半導体ウエハＷの温度を算出することができる。

なお、図６に示す光路長と温度との関係は、実際に実験等で測定したものを記憶手段２０４へ記憶してもよいし、半導体ウエハ（Ｓｉ）の物性値から計算したものを記憶手段２０４へ記憶してもよい。記憶手段２０４は、例えば、ｆｌａｓｈ ｍｅｍｏｒｙ（フラッシュメモリ）やＦｅＲＡＭ（強誘電体メモリ）等の不揮発性メモリである。

温度演算手段２０５は、記憶手段２０４を参照して、光路長算出手段２０３で算出された光路長から測定対象物である半導体ウエハＷの温度を算出する。

（温度測定装置１００の動作）
次に、第１の実施形態に係る温度測定装置１００の動作について説明する。
多波長光源１１０は、所定の時間間隔（タイムスロット）で測定光を照射する。

図７は、多波長光源１１０から照射される測定光の波長と時間との関係を示す図である。図７の縦軸は波長（ｎｍ）、横軸は時間（ｓ）である。図７に示すように、多波長光源１１０からは、所定の時間間隔で測定光が照射されるため、ｍ個の波長帯域λ_１〜λ_ｍの測定光が所定の時間間隔で照射される。

多波長光源１１０から照射された測定光は、光サーキュレータ１２０を介して分波器１３０へ入力される。

分波器１３０は、光サーキュレータ１２０から入力される多波長光をｍ個の波長帯域λ_１〜λ_ｍに分波して出力する。各波長帯域λ_１〜λ_ｍの測定光は、各々異なる処理チャンバＰＣ_１〜ＰＣ_ｍへ入力される。

図８は、処理チャンバＰＣ_１に入力される測定光の波長と時間との関係を示す図である。図８の縦軸は波長（ｎｍ）、横軸は時間（ｓ）である。処理チャンバＰＣ_１には、分波器１３０でｍ個の波長帯域λ_１〜λ_ｍに分波された測定光のうち波長帯域λ_１の測定光だけが入力される。このため、図８に示すように、処理チャンバＰＣ_１には、波長帯域λ_１の測定光が所定の時間間隔で繰り返し入力される。

スプリッタ１４０は、波長帯域λ_１の測定光を第１〜第ｎ測定光に分岐する。スプリッタ１４０からの第１〜第ｎ測定光は夫々コリメートファイバＦ₁〜Ｆ_nを介して、半導体ウエハＷの測定ポイントまで伝送される。

測定ポイントまで伝送された測定光は、各測定ポイントＰ_１〜Ｐ_ｎの表面Ｈ及び裏面Ｒで反射され、この反射光は、スプリッタ１４０を介して分波器１３０へ出力される。なお、上述したように、測定光が各測定ポイントＰ_１〜Ｐ_ｎの表面Ｈ及び裏面Ｒで反射される際に干渉が生じる。

図９は、処理チャンバＰＣ_１のスプリッタ１４０から分波器１３０へ入力される反射光の波長と時間との関係を示す図である。図９の縦軸は波長（ｎｍ）、横軸は時間（ｓ）である。上述したように、各コリメートファイバＦ_１〜Ｆ_ｎは、長さが互いに異なるように構成されているため、各コリメートファイバＦ_１〜Ｆ_ｎからの反射光は、図９に示すように互いに異なるタイミングでスプリッタ１４０から出力される。

分波器１３０には、各処理チャンバかＰＣ_１〜ＰＣ_ｍからの反射光が入力されて合波された後、光サーキュレータ１２０を介して、信号処理装置１５０へ入力される。

図１０は、光サーキュレータ１２０から信号処理装置１５０へ入力される反射光の波長と時間との関係を示す図である。図１０の縦軸は波長（ｎｍ）、横軸は時間（ｓ）である。信号処理装置１５０には、処理チャンバＰＣ_１〜ＰＣ_ｍからの反射光が合波された状態で入力され、図１０に示すように、ｍ個の波長帯域λ_１〜λ_ｍ毎に、第１〜第ｎ反射光が互いに異なるタイミングで入力される。

信号処理装置１５０の分波器１５１に入力された反射光は、分波器１５１により各波長帯域λ_１〜λ_ｍに分波され、さらにマルチプレクサ１５２により波長帯域λ_１〜λ_ｍの反射光が切り替えて出力される。

図１１は、マルチプレクサ１５２から出力される反射光の波長と時間との関係を示す図である。図１１の縦軸は波長（ｎｍ）、横軸は時間（ｓ）である。マルチプレクサ１５２から出力される反射光は、図１１に示すように、選択された波長帯域の反射光が出力される。なお、図１１では、マルチプレクサ１５２の選択先が波長帯域λ_１である場合を示している。

マルチプレクサ１５２から出力された反射光は、スプリッタ１５３に入力される。スプリッタ１５３に入力された反射光は、２つに分岐され、一方は、タイミング生成手段１５４に入力され、他方は、受光手段１５５に入力される。

タイミング生成手段１５４は、スプリッタ１５３から入力される測定光に基づいてタイミング信号を生成して温度算出手段１５６へ入力する。

受光手段１５５は、スプリッタ１５３からの反射光を取り込む。図１２に波長帯域λ_１の信号を取り込んだ例を示す。

受光手段１５５は、取り込んだ反射光を所定の波長に離散化した信号に変換し出力する。図１３は、受光手段１５５による離散化を説明する図である。受光手段１５５に入力される反射光（図１３（ａ）参照）は、受光手段１５５により、複数の波長に離散化された離散化信号（図１３（ｂ）参照）として出力される。

信号取得手段２０１は、受光手段１５５からの離散化信号を取り込む。

離散フーリエ変換手段２０２は、信号取得手段２０１で取得した信号に対してＤＦＴ処理を行う。

光路長算出手段２０３は、離散フーリエ変換手段２０２により変換された振幅と距離との情報に基づいて光路長を算出する。

温度演算手段２０５は、記憶手段２０４を参照して、光路長算出手段２０３で算出された光路長から測定対象物である半導体ウエハＷの温度を算出する。

以上のように、この第１の実施形態に係る温度測定装置１００は、光源に多波長光源１１０を使用し、この多波長光源１１０からの測定光を分波器１３０で複数（ｍ個）の波長帯域λ_１〜λ_ｍに分波し、この分波された各波長帯域λ_１〜λ_ｍの測定光を、さらにスプリッタ１３０により複数（ｎ個）に分岐しているので、より多くの測定ポイントの温度を簡易に測定することができる。また、各測定ポイントからの反射光を、受光手段１５５により離散化信号に変換し、この離散化信号をＤＦＴ処理して光路長を算出しているので、参照ミラーからの反射光との干渉により光路長を算出する場合と異なり、参照ミラーを機械的に動作させる必要がないので測定ポイントの温度測定が非常に早くなり、効率的に温度測定を行うことができる。

（第１の実施形態の変形例）
図１４は、第１の実施形態の変形例に係る温度測定装置１００Ａの構成図である。この第１の実施形態の変形例に係る温度測定装置１００Ａでは、光源として多波長光源１１０ではなく、単波長光源１１０Ａを使用する点、及び信号処理装置１５０Ａが分波器１５１とマルチプレクサ１５２を備えていない点が、第１の実施形態に係る温度測定装置１００と異なる。

分波器１５１とマルチプレクサ１５２を備えていないのは、光源として単波長光源１１０Ａを使用しているため、単波長光源１１０Ａからの光を分波する必要がないからである。その他の構成は、第１の実施形態に係る温度測定装置１００と同一であり、同一の構成に同一の符号を付している。

以上のように、この第１の実施形態の変形例に係る温度測定装置１００Ａは、光源として単波長光源１１０Ａを使用し、分波器とマルチプレクサを備えていないので簡易な構成で複数の測定ポイントの温度を測定することができる。また、第１の実施形態に係る温度測定装置１００と同様に、各測定ポイントからの反射光を受光手段１５５により離散化信号に変換し、この離散化信号をＤＦＴ処理して光路長を算出しているので、参照ミラーを機械的に動作させる必要がないので測定ポイントの温度測定が非常に早くなり、効率的に温度測定を行うことができる。その他の効果は、第１の実施形態に係る温度測定装置１００と同様である。

（第２の実施形態）
図１５は、第２の実施形態に係る温度測定装置２００の構成図である。第１の実施形態に係る温度測定装置１００では、多波長光源１１０から測定光を所定の時間間隔で照射することによりタイムスロットを形成していたが、この第２の実施形態に係る温度測定装置２００では、多波長光を連続して照射する多波長ＣＷ光源１１０Ｂを使用し、スプリッタ１４０の代わりにマルチプレクサ１４０Ａ（第１の分岐手段）を備え、このマルチプレクサ１４０Ａによりタイムスロットを形成している点が異なる。温度測定装置２００の他の構成については、第１の実施形態に係る温度測定装置１００と同一であるため同一の符号を付して重複説明を省略する。

次に、第２の実施形態に係る温度測定装置２００の動作について説明する。
多波長ＣＷ光源１１０Ｂは、複数（ｍ個）の波長帯域λ_１〜λ_ｍの光が多重化された測定光を連続して照射する。図１６は、多波長ＣＷ光源１１０Ｂから照射される測定光の波長と時間との関係を示す図である。図１６の縦軸は波長（ｎｍ）、横軸は時間（ｓ）である。図１６に示すように、多波長ＣＷ光源１１０Ｂからは、複数（ｍ個）の波長帯域λ_１〜λ_ｍの測定光が連続して照射される。この時点では、タイムスロットは形成されていない。

多波長ＣＷ光源１１０Ｂから照射された測定光は、光サーキュレータ１２０を介して分波器１３０へ入力される。

分波器１３０に入力された測定光は、ｍ個の波長帯域λ_１〜λ_ｍに分波されて出力される。各波長帯域λ_１〜λ_ｍの測定光は、それぞれ異なる処理チャンバＰＣ_１〜ＰＣ_ｍへ入力される。

図１７は、処理チャンバＰＣ_１のマルチプレクサ１４０Ａに入力される測定光の波長と時間との関係を示す図である。図１７の縦軸は波長（ｎｍ）、横軸は時間（ｓ）である。処理チャンバＰＣ_１には、分波器１３０でｍ個の波長帯域λ_１〜λ_ｍに分波された測定光のうち波長帯域λ_１の測定光だけが入力される。このため、図１７に示すように、処理チャンバＰＣ_１には、波長帯域λ_１の測定光が入力される。

処理チャンバＰＣ_１のマルチプレクサ１４０Ａは、分波器１３０から入力される波長帯域λ_１の測定光を、所定の時間間隔で出力先を切り替えながらコリメートファイバＦ₁〜Ｆ_nに順次入力する。

図１８は、各測定ポイントＰ_１〜Ｐ_ｎに入力される測定光と時間との関係を示す図である。図１８の縦軸は測定ポイント（１〜ｎ）、横軸は時間（ｓ）である。マルチプレクサ１４０Ａにより、所定の時間間隔で入力先が切り替えられるため、測定光は、図１８に示すように時分波されて各測定ポイントＰ_１〜Ｐ_ｎに入力される。すなわち、このマルチプレクサ１４０Ａによりタイムスロットが形成される。

測定ポイントまで伝送された測定光は、各測定ポイントＰ_１〜Ｐ_ｎの表面Ｈ及び裏面Ｒで反射され、この反射光は、マルチプレクサ１４０Ａを介して分波器１３０へ入力される。

図１９は、処理チャンバＰＣ_１のマルチプレクサ１４０Ａから分波器１３０へ入力される反射光の波長と時間との関係を示す図である。図１９の縦軸は波長（ｎｍ）、横軸は時間（ｓ）である。上述のように、マルチプレクサ１４０Ａによりタイムスロットを形成しているので、各測定ポイントＰ_１〜Ｐ_ｎからの反射光は、図１９に示すように互いに異なるタイミングで分波器１３０へ入力される。

分波器１３０には、各処理チャンバＰＣ_１〜ＰＣ_ｍからの反射光が入力されて合波された後、光サーキュレータ１２０を介して、信号処理装置１５０へ入力される。なお、信号処理装置１５０での動作は、第１の実施形態に係る温度測定装置１００の信号処理装置１５０動作と同じであるため重複した説明を省略する。

以上のように、この第２の実施形態に係る温度測定装置２００は、光源に多波長ＣＷ光源１１０を使用し、この多波長ＣＷ光源１１０からの測定光を分波器１３０で複数（ｍ個）の波長帯域λ_１〜λ_ｍに分波し、この分波された各波長帯域λ_１〜λ_ｍの測定光を、マルチプレクサ１４０Ａでさらに複数（ｎ個）に分岐しているので、より多くの測定ポイントの温度を簡易に測定することができる。また、各測定ポイントからの反射光を、受光手段１５５により離散化信号に変換し、この離散化信号をＤＦＴ処理して光路長を算出しているので、参照ミラーからの反射光との干渉により光路長を算出する場合と異なり、参照ミラーを機械的に動作させる必要がないので測定ポイントの温度測定が非常に早くなり、効率的に温度測定を行うことができる。その他の効果は、第１の実施形態に係る温度測定装置１００と同様である。

（第２の実施形態の変形例）
図２０は、第２の実施形態の変形例に係る温度測定装置２００Ａの構成図である。この第２の実施形態の変形例に係る温度測定装置２００Ａでは、光源として多波長ＣＷ光源１１０Ｂではなく、単波長ＣＷ光源１１０Ｃを使用する点、及び、信号処理装置１５０Ａが分波器１５１とマルチプレクサ１５２を備えていない点が、第２の実施形態に係る温度測定装置２００と異なる。

分波器１５１とマルチプレクサ１５２を備えていないのは、光源として単波長ＣＷ光源１１０Ｃを使用しているため、単波長ＣＷ光源１１０Ｃからの光を分波する必要がないからである。その他の構成は、第２の実施形態に係る温度測定装置２００と同一であり、同一の構成に同一の符号を付している。

以上のように、この第２の実施形態の変形例に係る温度測定装置２００Ａは、光源として単波長ＣＷ光源１１０Ｃを使用し、分波器とマルチプレクサを備えていないので簡易な構成で複数の測定ポイントの温度を測定することができる。また、第２の実施形態に係る温度測定装置２００と同様に、各測定ポイントからの反射光を受光手段１５５により離散化信号に変換し、この離散化信号をＤＦＴ処理して光路長を算出しているので、参照ミラーを機械的に動作させる必要がないので測定ポイントの温度測定が非常に早くなり、効率的に温度測定を行うことができる。その他の効果は、第２の実施形態に係る温度測定装置２００と同様である。

（第３の実施形態）
図２１は、第３の実施形態に係る温度測定装置３００の構成図である。第３の実施形態に係る温度測定装置３００は、光サーキュレータ１２０の代わりにスプリッタ１６０（第２の分岐手段）を備えた点、及び参照光反射手段１７０、光路長変化手段１８０を備えた点が第１の実施形態に係る温度測定装置１００と異なる。その他の構成は、第１の実施形態に係る温度測定装置１００と同一であるため同一の符号を付して重複した説明を省略する。

スプリッタ１６０は、多波長光源１１０からの測定光を温度測定用の光と参照光とに分岐する。スプリッタ１６０は、例えば、光ファイバカプラである。但し、これに限定されるものではなく測定光を温度測定用の光と参照光とに分岐することが可能なものであればよく、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１７０は、スプリッタ１６０からの参照光を反射する。参照光反射手段１７０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点に鑑みれば、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（後述するピエゾチューブ型ディレーライン等の光路変化手段と同様）などで構成してもよい。

光路長変化手段１８０は、参照光反射手段１７０を参照光の入射方向に平行な一方向へ駆動するモータなどの駆動手段により構成される。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。この光路長変化手段１８０が備える駆動手段は、信号処理装置１５０により制御される。

参照光反射手段１７０を駆動する駆動手段としては、例えば参照光の入射方向と平行な方向（図２１における矢印方向）に駆動させるステッピングモータにより構成することが好ましい。ステッピングモータを用いれば、モータの駆動パルスにより参照光反射手段１７０の移動距離を容易に検出することができる。

但し、光路長変化手段１８０としては、参照光反射手段１７０から反射する光の光路長を変化させることができれば、上記モータに限られることはなく、例えばボイスコイルモータを用いたボイスコイルモータ型ディレーラインの他、ピエゾチューブ型ディレーライン、直動ステージ型ディレーライン、積層ピエゾ型ディレーラインなどで光路長変化手段を構成してもよい。

この第３の実施形態に係る温度測定装置３００では、参照光反射手段１７０を備えるようにしたので、信号処理装置１５０で検出される干渉波形のピークが大きくなり、干渉波形のピークを容易に検出することができる。その他の効果は、第１の実施形態に係る温度測定装置１００と同様である。

なお、スプリッタ１６０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を設けるように構成してもよい。このアッテネータは、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。減衰率としては、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。

このようなアッテネータを具備した場合、参照光の反射光のレベルと、測定光の反射光のレベルとの差が、測定対象物である半導体ウエハＷの反射率の差のみとなり、実質的にスプリッタ１６０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、Ｓ／Ｎ比の低下を抑制することができる。

（第３の実施形態の変形例）
図２２は、第３の実施形態の変形例に係る温度測定装置３００Ａの構成図である。この第３の実施形態の変形例に係る温度測定装置３００Ａでは、光源として多波長光源ではなく、単波長光源１１０Ａを使用する点、光サーキュレータ１２０を備えていない点、及び信号処理装置１５０Ｃが分波器１５１とマルチプレクサ１５２を備えていない点が、第３の実施形態に係る温度測定装置３００と異なる。

光サーキュレータ１２０、分波器１５１及びマルチプレクサ１５２を備えていないのは、光源として単波長光源１１０Ａを使用しているため、単波長光源１１０Ａからの光を分波する必要がないからである。その他の構成は、第３の実施形態に係る温度測定装置３００と同一であり、同一の構成に同一の符号を付している。

以上のように、この第３の実施形態の変形例に係る温度測定装置３００Ａは、光源として単波長光源１１０Ａを使用し、分波器とマルチプレクサを備えていないので簡易な構成で複数の測定ポイントの温度を測定することができる。その他の効果は、第３の実施形態に係る温度測定装置３００と同様である。

（第４の実施形態）
図２３は、第４の実施形態に係る温度測定装置４００の構成図である。 第４の実施形態に係る温度測定装置４００は、光サーキュレータ１２０の代わりにスプリッタ１６０を備えた点、及び参照光反射手段１７０、光路長変化手段１８０を備えた点が第２の実施形態に係る温度測定装置２００と異なる。その他の構成は、第２の実施形態に係る温度測定装置２００又は第３の実施形態に係る温度測定装置３００の構成と同一であるため、同一の構成には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

この第４の実施形態に係る温度測定装置４００では、参照光反射手段１７０を備えるようにしたので、信号処理装置１５０で検出される干渉波形のピークが大きくなり、干渉波形のピークを容易に検出することができる。その他の効果は、第２の実施形態に係る温度測定装置２００と同様である。なお、スプリッタ１６０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を設けるように構成してもよいのは、第３の実施形態に係る温度測定装置３００と同様である。

（第４の実施形態の変形例）
図２４は、第４の実施形態の変形例に係る温度測定装置４００Ａの構成図である。この第４の実施形態の変形例に係る温度測定装置４００Ａでは、光源として多波長ＣＷ光源１１０Ｂではなく、単波長ＣＷ光源１１０Ｃを使用する点、及び、信号処理装置１５０Ｃが分波器１５１とマルチプレクサ１５２を備えていない点が、第４の実施形態に係る温度測定装置４００と異なる。

分波器１５１とマルチプレクサ１５２を備えていないのは、光源として単波長ＣＷ光源１１０Ｃを使用しているため、単波長ＣＷ光源１１０Ｃからの光を分波する必要がないからである。その他の構成は、第４の実施形態に係る温度測定装置４００と同一であり、同一の構成に同一の符号を付している。

以上のように、この第４の実施形態の変形例に係る温度測定装置４００Ａは、光源として単波長ＣＷ光源１１０Ｃを使用し、分波器とマルチプレクサを備えていないので簡易な構成で複数の測定ポイントの温度を測定することができる。その他の効果は、第４の実施形態４００に係る温度測定装置４００と同様である。

（第５の実施形態）
図２５は、第５の実施形態に係る温度測定装置５００の構成図である。この第５の実施形態に係る温度測定装置５００は、光サーキュレータ１２０と分波器１３０との間にマルチプレクサ１４０Ａをさらに備えるようにした点が第１の実施形態に係る温度測定装置１００と異なる。第５の実施形態に係る温度測定装置５００では、光サーキュレータ１２０と分波器１３０との間にマルチプレクサ１４０Ａをさらに備えるようにして、複数の処理チャンバをＴｒｅe状に接続したネットワークを構築することができる。そして、マルチプレクサ１４０Ａから出力される測定光の接続先を順次切り替えることにより、さらに多くの測定ポイントの温度を簡易に測定することができる。なお、光サーキュレータ１２０と分波器１３０との間のマルチプレクサ１４０Ａの数は１つに限られず、２以上のマルチプレクサを備えるようにしてもよい。また、この第５の実施形態に係る温度測定装置５００の構成は、第２，第３，第４の実施形態に係る温度測定装置２００，３００，４００にも適用可能である。

（第５の実施形態の変形例）
図２６は、第５の実施形態の変形例に係る温度測定装置５００Ａの構成図である。この第５の実施形態の変形例に係る温度測定装置５００Ａは、光サーキュレータ１２０と各処理チャンバＰＣ_１〜ＰＣ_ｍとの間にマルチプレクサ１４０Ａをさらに備えるようにした点が第１の実施形態の変形例に係る温度測定装置１００Ａと異なる。第５の実施形態の変形例に係る温度測定装置５００Ａでは、光サーキュレータ１２０と光サーキュレータ１２０と各処理チャンバＰＣ_１〜ＰＣ_ｍとの間にマルチプレクサ１４０Ａをさらに備えるようにして、複数の処理チャンバを接続したネットワークを構築することができる。そして、マルチプレクサ１４０Ａから出力される測定光の接続先を順次切り替えることにより、さらに多くの測定ポイントの温度を簡易に測定することができる。なお、光サーキュレータ１２０と各処理チャンバＰＣ_１〜ＰＣ_ｍとの間のマルチプレクサ１４０Ａの数は１つに限られず、２以上のマルチプレクサを備えるようにしてもよい。また、この第５の実施形態の変形例に係る温度測定装置５００Ａの構成は、第２，第３，第４の実施形態の変形例に係る温度測定装置２００Ａ，３００Ａ，４００Ａにも適用可能である。

（その他の実施形態）
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。例えば、図２７に示すように温度測定対象として、半導体ウエハＷ以外に、Ｆ／Ｒ（focus ring）の温度を測定するようにしてもよい。Ｆ／Ｒの温度は、半導体ウエハＷのプロセス結果に影響を及ぼすため、Ｆ／Ｒの温度をリアルタイムに測定することは非常に重要である。また、半導体ウエハＡを載置するステージの温度や、処理チャンバ自体の温度等を測定するようにしてもよい。

また、図１、１５、２１、２３及び２５に示す第１〜第５の実施形態では、多波長光源からの光をｍ個の波長帯域に分割して、波長帯域毎にｎ個に分岐しているが、例えば、波長帯域λ_１〜λ_ｍ−１の光をそれぞれｎ個に分岐し、波長帯域λ_ｍの光をｎ−１個に分岐する等、波長帯域λ_１〜λ_ｍ毎に異なる個数に分岐するように構成してもよい。

さらに、第１〜第５の実施形態の変形例におけるスプリッタ１４０もしくはマルチプレクサの代わりに半導体ウエハＷに対する第１〜第ｎ測定光の照射をオンオフ可能なシャッタ手段を設けてもよい。シャッタ手段を設けることにより、所望の測定ポイントに測定光を照射して、その測定ポイントのみの温度測定を行うことができる。

１００，２００，３００，４００，５００…温度測定装置、１００Ａ，２００Ａ，３００Ａ，４００Ａ，５００Ａ…温度測定装置、１１０…多波長光源、１１０Ａ…単波長光源、１１０Ｂ…多波長ＣＷ光源、１１０Ｃ…単波長ＣＷ光源、１２０…光サーキュレータ、１３０…分波器（第１の分波手段）、１４０…スプリッタ（第１の分岐手段）、１４０Ａ…マルチプレクサ（第１の分波手段）、１５０…信号処理装置、１５０Ａ…信号処理装置、１５１…分波器（第２の分波手段）、１５２…マルチプレクサ（入力手段）、１５３…スプリッタ、１５４…タイミング生成手段、１５５…受光手段、１５６…温度算出手段、１６０…スプリッタ（第２の分岐手段）、１７０…参照光反射手段、１８０…光路長変化手段、２０１…信号取得手段、２０２…離散フーリエ変換手段、２０３…光路長算出手段、２０４…記憶手段、２０５…温度演算手段、Ｆ_１〜Ｆ_ｎ＋１…コリメートファイバ、ＰＣ_１〜ＰＣ_ｍ…処理チャンバ、Ｐ_１〜Ｐ_ｎ…測定ポイント、λ_１〜λ_ｍ…波長帯域。

Claims (21)

1. 光源と、
   前記光源からの光をｍ個の波長帯域に分波する第１の分波手段と、
   前記第１の分波手段からの光を、前記ｍ個の波長帯域毎にｎ個の光に分岐するｍ個の第１の分岐手段と、
   前記ｍ個の第１の分岐手段からの光を、測定対象物の各測定ポイントまで伝送する伝送手段と、
   前記各測定ポイントで反射された光を受光する受光手段と、
   前記受光手段で受光された光の波形に基づいて、前記各測定ポイントの温度を算出する温度算出手段と、
   を備えたことを特徴とする温度測定装置。
2. 前記伝送手段は、前記ｍ個の第１の分岐手段からの光を、前記ｍ個の波長帯域毎に異なるｎ個の測定対象物の各測定ポイントまで伝送する伝送路を備えたことを特徴とする請求項１に記載の温度測定装置。
3. 前記各測定ポイントで反射された光をｍ個の波長帯域に分波する第２の分波手段と、
   前記第２の分波手段で分波された前記ｍ個の波長帯域の光を、所定の時間間隔で切り替えて前記受光手段へ入力する入力手段と、
   をさらに備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の温度測定装置。
4. 前記ｍ個の第１の分岐手段から前記ｍ個の測定対象物の各測定ポイントまでの光路長が互いに異なることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の温度測定装置。
5. 前記光源は、所定の時間間隔で前記光を繰り返し照射することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の温度測定装置。
6. 前記ｍ個の第１の分岐手段は、それぞれ前記第１の分波手段からの光を所定の時間間隔で切り替えて前記伝送手段へ入力することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の温度測定装置。
7. 前記受光手段は、前記各測定ポイントで反射された光を、前記各測定ポイント毎に複数の波長に離散化した波形信号を出力することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の温度測定装置。
8. 前記受光手段からの波形信号を離散フーリエ変換する変換手段をさらに備えたことを特徴とする請求項７に記載の温度測定装置。
9. 前記光源からの光を、測定光と参照光とに分岐する第２の分岐手段と、
   前記第２の分岐手段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される参照光の光路長を変化させる光路長変化手段と、
   をさらに備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の温度測定装置。
10. 前記参照光反射手段から反射する参照光の強度を、前記各測定ポイントで反射された光の強度に近づけるように減衰させるための光減衰手段をさらに備えたことを特徴とする請求項９に記載の温度測定装置。
11. 前記測定対象物は、半導体基板及び前記半導体基板の周りに配設されるフォーカスリングであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の温度測定装置。
12. 第１の分波手段で、光源からの光をｍ個の波長帯域に分波する工程と、
    ｍ個の第１の分岐手段で、前記第１の分波手段からの光を、前記ｍ個の波長帯域毎にｎ個の光に分岐する工程と、
    伝送手段で、前記ｍ個の第１の分岐手段からの光を、測定対象物の各測定ポイントまで伝送する工程と、
    受光手段で、前記各測定ポイントで反射された光を受光する工程と、
    前記受光手段で受光された光の波形に基づいて、前記各測定ポイントの温度を算出する工程と、
    を備えたことを特徴とする温度測定方法。
13. 前記伝送手段は、前記ｍ個の第１の分岐手段からの光を、前記ｍ個の波長帯域毎に異なるｎ個の測定対象物の各測定ポイントまで伝送する伝送路を備えることを特徴とする請求項１２に記載の温度測定方法。
14. 第２の分波手段で、前記各測定ポイントで反射された光をｍ個の波長帯域に分波する工程と、
    前記第２の分波手段で分波された前記ｍ個の光を、所定の時間間隔で切り替えて前記受光手段へ入力する工程と、
    をさらに備えたことを特徴とする請求項１２又は１３に記載の温度測定方法。
15. 前記光源からの光を、所定の時間間隔で繰り返し照射する工程をさらに備えたことを特徴とする請求項１２〜１４のいずれかに記載の温度測定方法。
16. 前記ｍ個の第１の分岐手段は、それぞれ前記第１の分波手段からの光を所定の時間間隔で切り替えて前記伝送手段へ入力することを特徴とする請求項１２〜１５のいずれかに記載の温度測定方法。
17. 前記受光手段で受光した光を、前記各測定ポイント毎に複数の波長に離散化した波形信号を生成する工程をさらに備えたことを特徴とする請求項１２〜１６のいずれかに記載の温度測定方法。
18. 前記波形信号を離散フーリエ変換する工程をさらに備えたことを特徴とする請求項１７に記載の温度測定方法。
19. 第２の分岐手段で、前記光源からの光を測定光と参照光とに分岐する工程と、
    参照光反射手段で、前記第２の分岐手段からの参照光を反射する工程と、
    光路長変化手段で、前記参照光反射手段から反射される参照光の光路長を変化させる工程と、
    をさらに備えたことを特徴とする請求項１２又は１３に記載の温度測定方法。
20. 前記参照光反射手段から反射する参照光の強度を、前記各測定ポイントで反射された光の強度に近づけるように減衰させる工程をさらに備えたことを特徴とする請求項１９に記載の温度測定方法。
21. 前記測定対象物は、半導体基板及び前記半導体基板の周りに配設されるフォーカスリングであることを特徴とする請求項１２〜２０のいずれかに記載の温度測定方法。

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