JP3192161B2 - 放射による被加熱物体温度の非接触測定方法およびシステム - Google Patents

放射による被加熱物体温度の非接触測定方法およびシステム

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般的に、温度および
放射率の測定に関連し、さらに詳しく言えば、可視赤外
光波長領域または他の可視光に近い波長領域の電磁放射
によって加熱される物体の高い処理温度の高温測定技術
に関連する。
【０００２】
【従来の技術】光学的に加熱する技術の応用について多
くの実例がある。第１の例は材料を試験する目的で材料
を加熱することである。さらに他のものはその物体を熱
処理するために加熱するものである。さらに他の実例は
半導体処理産業によって見い出される。この最後の例に
おいて、処理されるべきシリコンウェーハは、少なくと
も部分的に光学的に透明な材料からなる箱形の容器に配
置される。容器外からランプがその透明な壁を介してウ
ェーハ上に大量にエネルギーを照射する。ウェーハは前
記光学的放射を吸収した結果として加熱される。一般的
に、容器は石英容器、または光学的な窓を持つステンレ
ス鋼によって形成されている。加熱されたウェーハは、
容器内に適当なガスを導入し、前記ウェーハの加熱され
た表面と作用することによって処理される。
【０００３】これらの工程において、ウェーハの温度は
良い処理結果を得るために狭い領域の範囲内に保持され
る必要がある。したがって、ウェーハの温度をモニタす
るための技術が必要になる。１つの可能性として、ウェ
ーハに通常の熱電対を接触させて測定するということが
考えられるが、これは半導体ウェーハが加熱されている
物体である場合、測定精度の低さと汚染への配慮から排
除される。その他の物体に対しても、このような接触測
定技術は種々の現実的な配慮により排除されることが多
い。この技術は、異なる熱容量、熱接触が低いこと、お
よび熱電対と加熱された物体間の放射度の違いにより実
質的な誤差を招くことが多い。
【０００４】その結果として多くの光学熱応用において
は、長い波長の高温計が使用されている。この技術は半
導体ウェーハまたはその他光学的に加熱された物体の放
射率強度を狭い波長領域において測定するものである。
この放射強度はそれからその物体の温度に相関させられ
る。加熱されている物体から反射させられる加熱用の光
学放射を受ける高温計の誤差を除去するために、高温計
によってモニタを行うために選択される波長は加熱ラン
プの放射スペクトル外のものである。このように検出し
た波長領域は一般的には、ランプのスペクトルよりもか
なり長い領域となっている。
【０００５】このように現存する高温計についてはいく
つかの問題がある。まず第１に、より短い波長領域にお
いて測定するようなものの感度に比べれば、長い波長領
域の測定は僅かな部分にすぎないという問題がある。第
２に、光学的に加熱されるシリコンやその他の材料の放
射率は、測定時の波長に依存している。第３に、最も高
いＳＮ比をもつ光検出器はより短い波長領域の放射に応
答するものである。第４に、現存する光学的な高温計の
開口数は小さく、測定される物体の粗さおよび膜成長の
度合いにも依存する温度測定を行う。第５に、現存する
高温測定技術では応答が遅く、高速加熱システムにおい
てはこれが欠点となる。
【０００６】
【発明の目的】本発明の主たる目的は、温度および／ま
たは放射率測定の改良された高温測定技術を提供するこ
とであり、前述した問題点を解決するものである。
【０００７】
【発明の要約】この目的およびその他の目的は本発明に
より達成され、本発明により、物体を加熱する強力な光
学的放射源のものと一致する帯域にあっても、短い波長
で放射をモニタすることによって、物体の温度および／
または放射率を測定することができる。本発明の１つの
態様によれば、これはランプと物体間にある狭い領域の
波長を反射させる鏡を配置することによって、この領域
の波長を容器から排除することによって可能とするもの
である。１本の光パイプがその反射された帯域内にある
物体の放射光のみを集める。本発明の第２の態様によれ
ば、交流電流で駆動される加熱ランプの光学放射が物体
からの光と同時にモニタされ、これによって物体によっ
て反射された光に測定された値を比例させることによっ
て物体から反射させられた光を全体の信号から減算する
ことができる。いずれのケースにおいても、加熱光源の
自然現象を抑えて、加熱ランプの波長の領域における物
体の放射をモニタすることによって得られる温度信号を
圧倒する。本発明のこれらの２つの態様は別々にも、ま
たは一緒にも実現できるものである。本発明の付加的な
目的、利点および特徴は、添付の図面とともに参照する
本発明の好適な実施形態の以下の記載から明らかになる
であろう。
【０００８】
【実施例】ここに記述される本発明の実施例は、光学的
に物体を加熱するものの殆どの温度測定に利用されるも
のではあるが、重要な応用の１つである集積回路処理プ
ロセスにおける半導体ウェーハの加熱を例にして説明す
る。図１を参照すると、半導体ウェーハ１１が水晶の
炉、または処理室（容器）１３の中に配置されていると
ころが図示されている。ウェーハ１１の機械的支持部、
ウェーハ１１が配置されている処理室１５への処理ガス
の導入源や処理に必要なその他の装置は表現を簡潔する
ために省略されている。
【０００９】ウェーハ１１は、例えば、ウェーハ１１の
両側に配置されているランプのバンク１７と１９から加
熱される。各々の光のバンクは、例えば光のバンク１７
において反射鏡２１と複数の石英ランプ２３を含んでい
る。ウェーハ１１の温度を測定するために、曲げられた
光のパイプ２５によって温度依存の放射の部分を得るた
めに光のパイプは前記石英容器１３の中またはその近傍
で温度に充分に耐久できるようになっている。容器から
適当な距離のところで、光のパイプ２５はカプラ２７に
結合されて適切な光ファイバ２９に導かれる。光ファイ
バ２９は放射された信号を測定器３１に導き、そこでそ
れが検出されて電子的に処理され、温度と相関される。
ある場合においてまたは１つの最も強力なランプが使用
されるような場合において、光のバンク１９が利用され
ないようなときには、この方法は外見が変わるだけで同
様に用いられる。他の場合においては一般的に、物体１
１の放射を測定するためにランプ２３の放射の帯域の外
側の波長を強力な光学ランプの雑音の影響を避けるため
に用いられる。しかしながら、この発明の技術によれば
ランプ２３の頂点強度の波長の近くの波長の使用も許容
するものであって、それは高い感度とより良い放射を高
温測定にもたらすものである。
【００１０】図１の実施例においては、この重なり合わ
せの操作を各々の光のバンク１７、１９の表面にそれぞ
れ高い同調性を持つ鏡３３と３５を配置することによっ
て許容している。これらの鏡は非常に狭い、しかも鋭い
反射の帯域幅の光検出器の波長感度の近くにある波長帯
域をもつように選択される。ランプの放射波長における
特定の切込みの例は図３の曲線３７によって示されてい
る。ランプの放射の波長は曲線３９によって示されてい
る。この特定の実施例においてシリコンの検出器は計測
装置３１の中に設けられていて、物体１１からの放射を
ほぼ０．９５ミクロンの狭い幅でモニタしている。かく
して反射鏡３３、３５は各々ある領域の光をランプに反
射させて、この例においては、０．９５ミクロンの中心
波長に対して±１０ナノメータの範囲内である。その波
長内の光はランプから室内１５に入ることが許されな
い。光をこの狭い帯域において反射することにより、光
をこの狭い帯域において、それを吸収するというよりは
むしろ反射することによってフィルタ３３と３５の過熱
を避けている。これらの鏡の構造としては大出力レーザ
に用いられる多層鏡が好ましい。
【００１１】図２を参照すると、放射により加熱された
シリコンウェーハ１１のそれと共通する純粋シリコンの
放射率特性曲線を示すことによって本発明の利点が明ら
かにされる。図２の曲線は１ミクロンよりも長い波長領
域における温度の関数として表される放射率の変化を示
すものである。この領域における測定は物体の温度の関
数として放射率特性が変わるということにおいて非常な
困難を伴うものである。そうであったとしても、使用さ
れている高温測定技術において光学的に加熱された物体
を４、５ミクロンまたはそれ以上で測定することによ
り、加熱ランプのスペクトルとの衝突を避けるものであ
る。しかしながら、この放射源からの誤差は本発明の技
術において、例えば１ミクロンよりも低い波長帯域にお
いて物体の放射モニタすることによって温度の測定を可
能にするものである。
【００１２】図１の好ましい１施形態において、光パイ
プ２５はサファイヤで製造されている。その屈折率の故
にサファイヤの光パイプ２５は大きな放射の開口数（受
入れの角度）をもっており、物体１１からの加熱された
表面からの放射を受け入れる。この優れた光学的特性に
加えてサファイヤは容器１５内における高温に充分に耐
えるものである。キュービックジルコニアも同様にこの
ような好ましい特性を備えている。計測装置３１は好ま
しくは現在販売されているオレゴン州のビーバートンの
ラクストロンコーポレイションのアクファイバディビジ
ョンのモデル１００が望ましい。
【００１３】本発明の第２の実施形態が図４に示されて
いる。図４の構造的な要素は図１の実施形態に対応する
ものについては、同じ参照番号を付してあるが、（ '）
が付されている。電気的な電源装置４１は光のバンク１
７’と１９’のそれぞれの加熱ランプを駆動するための
ものである。これらのランプは交流電流、すなわち配電
周波数６０ヘルツ米国または５０ヘルツヨーロッパによ
って駆動される。
【００１４】図４の実施例においては光のバンクと加熱
されている物体１１の間に光学的なフィルタとか鏡を用
いない。したがって、光パイプ２５’は反射されたラン
プからの光と物体から放出された光の両者を含んだ信号
を受け入れる。この実施例においてランプの出力は物体
１１’からの放射の影響を受けることなく測定される。
そして得られた信号は光パイプ２５’からの信号から引
算されることによって、放射源からの反射によって生ず
る信号の影響を除去する。第２の光パイプ４３が容器１
５’内に設けられいるがその表面は光バンク１９’のラ
ンプの方向に向けられている。光のパイプ４３の中の光
学信号はカプラ４５により標準の光ファイバ４７に結合
されている。光ファイバ２９’と４７からの光の信号は
計測装置３１’の中の同じ形式の検出器によって検出さ
れる。これらの検出器の電気的な信号は光のパイプ２
５’によって集められた信号から加熱電球の影響を減算
するように処理される。この変形として１つの光のパイ
プと検出器が用意されていてそれらが物体に対面する位
置とランプに対面する位置間を回転するようにすること
もできる。
【００１５】この処理は図５に示されている曲線によっ
て説明される。曲線５１は光パイプ４３を介してのみ得
られるランプの光学信号を受入れた検出器の信号レベル
出力を示している。同様にして曲線５３は光パイプ２
５’によって受け入れられた物体からの放射と加熱用光
源からの光の結合されたものを受け入れた検出器出力を
示す。信号５１の交流成分（リップル）はΔＩL で示さ
れ、信号５３の中の交流成分はΔＩW で示されている。
図５の曲線はまた信号５５の安定状態が物体１１’（Ｅ
W ）の放射に比例していることを示している。そしてこ
れは、装置３１’内において信号５１と５３を処理する
ことによって得られたものである。
【００１６】光パイプ２５’と４３’は大変大きな開口
数をもつように選ばれるため、次の関係式が正しく成立
する。 ウェーハの反射率＝ΔＩW ／ΔＩL …（１）我 々はある状況下において物体の放射率は１からその反
射率を引いたものであることを知っているので 放射率＝１−（ΔＩW ／ΔＩL ） …（２） 式（２）は物体の放射率の測定を提供するものである。
もしその温度が計られるべきであるとき、反射要素ＩW
はそれから減算され、物体の放出信号のみが下記の式に
おいて与えられる。 ＥW ＝ＩW −ＩL （ΔＩW ／ΔＩL ） …（３） かくしてＥW の量は単に物体の放射のみであり、物体１
１’の温度に変換し得るものである。ＥW は信号５１と
５３の直流のレベルと交流のレベルを処理することによ
って得られる。
【００１７】図４と図５に説明されたシステムはそれ自
身でも良好に動作するものであって、ランプバンク１
７’と１９’の前に図１で説明したような反射鏡３３と
３５を配置することもできる。そのような形態は両方の
それぞれの具体例の特徴を結合させたものとなる。
【００１８】図６を参照すると、図４に示された実施例
の変形例を示している。ここにおいて光パイプ２５''と
４３’は容器１３''の外側に配置されている。
【００１９】本発明の種々の態様がそれぞれの好ましい
実施例に関連して説明されたのであるが、本発明の保護
は添付の請求の範囲の全範囲において与えられるべきも
のであると理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の態様による実施例を示す略図で
ある。
【図２】図１の実施例の動作を説明するための曲線群で
ある。
【図３】図１の実施例の動作を説明するための曲線群で
ある。
【図４】本発明の第２の態様に基づく本発明の実施例を
示す略図である。
【図５】図４の実施例の動作を説明するための曲線群で
ある。
【図６】図４の実施例の変形例を示す図である。
【符号の説明】
１１ 半導体ウェーハ １３、１３''、１５、１５’ 処理室（容器） １７、１７’、１９、１９’ 光のバンク ２１、３３、３５ 反射鏡 ２３、２５ 鏡 ２５’、２５”、４３’ 光のパイプ ２７ カプラ ２９、２９’、４７ 光ファイバ ３１、３１’ 計測装置 ３７、３９、５１、５３ ５５ 曲線 ４１ 電源装置 ４３ 光パイプ ４５ カプラ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アメリカ合衆国、97201、オレゴン州、 ポートランド、エス． ダブリュ． サ ーティーンス 3411 ブルース イー． アダムス (56)参考文献 特開 平２−287125（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−109315（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01J 5/00 - 5/62 H01L 21/66

Claims (21)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 物体の少なくとも一つの表面に対して経
    時強度変化要素をもつ加熱ランプから電磁放射を向ける
    ことで物体を加熱することを含む物体処理の過程におい
    て、 物体が処理されている間前記表面の温度または放射率を
    決定する非接触方法は、 所定の波長帯域内にある、物体表面から放射される放射
    と物体表面と作用した前記ランプからの放射との組み合
    わせを検出し、それにより第１の電気信号を発生し、前
    記第１の電気信号は、物体表面から放射される放射の定
    常放射部分と経時強度変化要素を含むランプ放射部分と
    の組み合わせを含むものである検出ステップと、 前記所定の波長帯域内にあり、経時強度変化要素を含む
    ランプの放射強度に関する電気信号を発生させ、その信
    号は前記物体表面と作用する前のものでありかつ前記物
    体表面から放射される放射のいかなる部分も実質的含ま
    ない第２の電気信号を発生するステップと、および 前記第１および第２の電気信号を組み合わせることであ
    り、ランプ放射の経時強度変化要素を利用して、物体表
    面の温度または放射率を決定する組み合わせステップと
    を含む物体表面の温度または放射率を決定する非接触方
    法。
  2. 【請求項２】 前記方法において、物体表面と作用させ
    た後に検出されるランプ放射は、物体表面から反射され
    るランプ放射である請求項１記載の物体の表面の温度ま
    たは放射率を決定する非接触方法。
  3. 【請求項３】 前記方法において、加熱ランプからの電
    磁放射の経時強度変化要素は、全強度の一部のみである
    請求項１記載の物体表面の温度または放射率を決定する
    非接触方法。
  4. 【請求項４】 前記方法において、物体は密閉容器で処
    理され、検出ステップは容器の外側に光検出器を位置づ
    けることと光検出器から前記容器に延びる光パイプとを
    含む請求項１記載の物体表面の温度または放射率を決定
    する非接触方法。
  5. 【請求項５】 前記方法において、第２の電気信号を発
    生させるステップは、加熱ランプからの放射の一部を光
    検出器に向けることを含み、それにより光検出器の出力
    に第２の電気信号を得る請求項１記載の物体表面の温度
    または放射率を決定する非接触方法。
  6. 【請求項６】 前記方法において、組み合わせステップ
    は、第１および第２の信号の経時強度変化要素の比を求
    めることを含む請求項１記載の物体表面の温度または放
    射率を決定する非接触方法。
  7. 【請求項７】 前記方法において、組み合わせステップ
    は、前記比をいずれか一つの信号から減算することで、
    表面の放射率に関する量を得ることをさらに含む請求項
    ６記載の物体表面の温度または放射率を決定する非接触
    方法。
  8. 【請求項８】 前記方法において、組み合わせステップ
    は、前記比を第２の信号で乗算し、その後その結果を第
    １の信号から減算することで、表面温度に関する量を得
    ることをさらに含む請求項６記載の物体表面の温度また
    は放射率を決定する非接触方法。
  9. 【請求項９】 前記方法において、決定された温度また
    は放射率は物体表面の放射率である請求項１乃至６記載
    のいずれかの物体表面の温度または放射率を決定する非
    接触方法。
  10. 【請求項１０】 前記方法において、決定された温度ま
    たは放射率は物体表面の温度である請求項１乃至６記載
    のいずれかの物体表面の温度または放射率を決定する非
    接触方法。
  11. 【請求項１１】 前記方法において、処理される物体は
    半導体ウェーハである請求項１乃至１０記載のいずれか
    の物体表面の温度または放射率を決定する非接触方法。
  12. 【請求項１２】 物品を処理するための容器と、前記容
    器内にある物品を所定の波長帯域内にある電磁放射を物
    品に対して向けることで物品を加熱するためのものであ
    り、ここでの放射は経時強度変化要素をもつものである
    加熱ランプをもつシステムにおいて、物品表面の温度ま
    たは放射率を測定するための器具は、 物品表面から放射される放射と物品表面で反射されるラ
    ンプからの放射とを組み合わせたものの経路に設けて、
    所定の波長帯域内にある組み合わされた放射を検出し
    て、反射された放射の経時強度変化要素を含む検出され
    組み合わされた放射に関する第１の電気信号を発生させ
    る手段と、 前記所定の波長帯域内にあり経時強度変化要素を含み物
    品表面に当たるランプの放射の強度に関する第２の電気
    信号を発生させる手段と、および 第１および第２の電気信号を受信して、前記信号の経時
    強度変化要素を使用することで物品表面の温度または放
    射率を測定する手段とを含む物品表面の温度または放射
    率を測定する器具。
  13. 【請求項１３】 前記器具において、組み合わされた放
    射検出手段は、容器の外側に位置する光検出器と光検出
    器から容器に延びる光パイプを含む請求項１２記載の物
    品表面の温度または放射率を測定する器具。
  14. 【請求項１４】 前記器具において、第２の電気信号発
    生手段は、容器の外側に位置する光検出器とランプから
    直接光検出器に放射を向けるように位置する光パイプと
    を含む請求項１２記載の物品表面の温度または放射率を
    測定する器具。
  15. 【請求項１５】 前記器具において、物品表面の温度ま
    たは放射率を測定する前記手段は、第１および第２の信
    号の経時強度変化要素の比を求める手段を含む請求項１
    ２記載の物品表面の温度または放射率を測定する器具。
  16. 【請求項１６】 前記器具において、物品表面の温度ま
    たは放射率を測定する前記手段は、前記比をいずれか一
    つの信号から減算することで物品表面の放射率に関する
    量を得る手段をさらに含む請求項１５記載の物品表面の
    温度または放射率を測定する器具。
  17. 【請求項１７】 前記器具において、物品表面の温度ま
    たは放射率を測定する前記手段は、前記比を第２の信号
    で乗算して、その後その結果を第１の信号から減算する
    ことで、物品表面の温度に関する量を得る手段を含む請
    求項１５記載の物品表面の温度または放射率を測定する
    器具。
  18. 【請求項１８】 前記器具において、処理システムの加
    熱ランプは所定の交流周波数をもつ交流電流の電力によ
    り駆動され、前記交流周波数によりランプ放射は前記経
    時強度変化要素をもつ請求項１２記載の物品表面の温度
    または放射率を測定する器具。
  19. 【請求項１９】 前記器具において、物品表面の温度ま
    たは放射率を測定する前記手段は、物品表面の放射率に
    関する信号を供給する請求項１２乃至１８記載のいずれ
    かの物品表面の温度または放射率を測定する器具。
  20. 【請求項２０】 前記器具において、物品表面の温度ま
    たは放射率を測定する前記手段は、物品表面の温度に関
    する信号を供給する請求項１２乃至１８記載のいずれか
    の物品表面の温度または放射率を測定する器具。
  21. 【請求項２１】 前記器具において、処理システムの容
    器は、前記物品として少なくとも一つの半導体ウェーハ
    を処理するのに特に適している請求項１２乃至１８記載
    のいずれかの物品表面の温度または放射率を測定する器
    具。
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