JP3203936B2

JP3203936B2 - 温度測定方法およびその装置並びにそれを用いた薄膜形成方法およびその装置

Info

Publication number: JP3203936B2
Application number: JP04831494A
Authority: JP
Inventors: 俊彦中田; 茂樹平澤; 洋子斎藤; 隆典二宮; 峰生野本
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-03-18
Filing date: 1994-03-18
Publication date: 2001-09-04
Anticipated expiration: 2016-09-04
Also published as: KR950027375A; KR0178079B1; JPH07260592A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体デバイス製造に
用いるシリコンウェハなどの固体表面の温度を測定する
温度測定方法およびその装置に係り、特にマイクロメー
トルオーダの微小な領域の局所温度を非接触で測定する
ための温度測定方法およびその装置並びにそれを用いた
成膜方法およびその装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のシリコンウェハの非接触温度測定
装置としては、例えば、特開昭６２−２９９０３７号公
報及び特開平１−１２９９６６号公報に記載のように、
シリコンウェハから射出される赤外線の強度がシリコン
ウェハの温度によって変化する特性を利用してシリコン
ウェハの温度を測定する、いわゆる放射温度計がよく知
られている。

【０００３】また、ＩＥＥＥ１９９０Ｓｙｍｐｏｓ
ｉｕｍｏｎＶＬＳＩＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｐ．
１０５〜１０６，（１９９０年発行）に記載されている
ように、シリコンウェハの内部あるいは表面近傍を伝わ
る音響波の伝播速度がシリコンウェハの温度によって変
化する特性を利用して、シリコンウェハの温度を測定し
ていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記放射温度計による
従来技術では、半導体製造用スパッタ装置や、熱処理装
置などの成膜装置に適用した場合、プロセス条件によっ
てシリコンウェハの放射率が変化するため、温度測定誤
差が生じるという課題があった。また、射出される赤外
線の量が測定領域の面積に比例するため、マイクロメー
トルオーダの微小領域では赤外線の量が極めて微量にな
り、測定が困難になるという課題があった。

【０００５】また、上記音響波を用いた従来技術におい
ても、音響波の伝播する距離での平均温度が測定されて
しまい、マイクロメートルオーダの微小領域の温度を測
定することができなかった。

【０００６】本発明の目的は、固体試料表面のマイクロ
メートルオーダの微小領域の温度を非接触で精度よく測
定する温度測定方法及び装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、温度測定方法において、第１の光源か
らの光を試料表面の測定点に照射し、この光の照射によ
り測定点に生じた試料表面の熱膨張変位を電気信号とし
て検出し、試料の熱伝達率と線膨張係数との情報を用い
て電気信号から測定点の温度を求めるようにした。

【０００８】また、上記目的を達成するために、本発明
では、温度測定方法において、第１の光源からの光を所
望の周波数で強度変調し、この強度変調した光を試料表
面の測定点に照射し、この強度変調した光の照射により
測定点に生じた試料表面の熱膨張変位を電気信号として
検出し、試料の熱伝達率と線膨張係数との情報を用いて
電気信号から周波数成分を抽出し、この抽出した周波数
成分に基づき測定点の温度を求めるようにした。

【０００９】また、上記目的を達成するために、本発明
では、温度測定装置を、第１の光源と、この光源からの
光を試料表面の測定点に照射する照射手段と、この光の
照射により測定点に生じた試料表面の熱膨張変位を電気
信号として検出する検出手段と、試料の熱伝導率と熱膨
張係数との情報を用いて電気信号から測定点の温度を求
める温度検出手段を備えて構成した。

【００１０】また、上記目的を達成するために、本発明
では、温度測定装置を、第１の光源と、この第1の光源
からの光を所望の周波数で強度変調する強度変調手段
と、この強度変調手段により強度変調した光を試料表面
の測定点に照射する強度変調光照射手段と、この強度変
調した光の照射により測定点に生じた試料表面の熱膨張
変位を電気信号として検出する検出手段と、この検出手
段で検出した電気信号から周波数成分を抽出する周波数
成分抽出手段と、試料の熱伝導率と線膨張係数との情報
を用いて周波数成分抽出手段により抽出した周波数成分
に基づき測定点の温度を求める温度検出手段を備えて構
成した。

【００１１】

【作用】試料表面の温度測定位置に、光を照射すること
により、上記温度測定位置において、光エネルギーが熱
エネルギーに変換され、上記光の光軸方向に熱膨張変位
が生じる（光熱変位効果）。光源から出た光を２つに分
離し、一方の光をプローブ光として上記温度測定位置に
照射すると、その反射光の位相は、上記光軸方向の熱膨
張変位により変化する。従って、上記反射光と、上記２
つに分離された他方の光を参照光として、両者を干渉さ
せると、干渉光の強度は熱膨張変位の大きさに応じて変
化する。即ち、干渉光の強度から熱膨張変位量を求める
ことができる。この熱膨張変位量は、試料の熱伝導率及
び線膨張係数に依存して変化し、更に両者は試料の局所
温度に依存して変化するため、逆に、熱膨張変位量から
温度測定位置の局所温度を算出することができる。

【００１２】また、上記温度測定位置からごくわずか離
れた位置、即ち上記光軸方向の熱膨張変位によって生じ
た試料表面のごく微小な傾斜部分にプローブ光を照射す
ると、その反射光は入射方向とは異なる方向に反射し、
その偏向量は熱膨張変位の大きさに応じて変化する。従
って、偏向量から熱膨張変位量を求めることができる。
この熱膨張変位量は、試料の熱伝導率及び線膨張係数に
依存して変化し、更に両者は試料の局所温度に依存して
変化するため、逆に、熱膨張変位量から温度測定位置の
局所温度を算出することができる。

【００１３】試料表面の温度測定位置に、所望の周波数
で周期的に強度が変化する光を照射することにより、上
記温度測定位置において、光エネルギーが熱エネルギー
に変換され、上記光の光軸方向に、上記周波数と同期し
た周期的な熱膨張変位が生じる（光熱変位効果）。光源
から出た光を２つに分離し、一方の光をプローブ光とし
て上記温度測定位置に照射すると、その反射光の位相
は、上記光軸方向の熱膨張変位により周期的に変化す
る。上記反射光と、上記２つに分離された他方の光を参
照光として、両者を干渉させると、干渉光の強度は熱膨
張変位と同期して周期的に変化する。即ち、干渉光の強
度変化から熱膨張変位量を求めることができる。この熱
膨張変位量は、試料の熱伝導率及び線膨張係数に依存し
て変化し、更に両者は試料の局所温度に依存して変化す
るため、逆に、熱膨張変位量から温度測定位置の局所温
度を算出することができる。

【００１４】また、上記温度測定位置からごくわずか離
れた位置、即ち上記光軸方向の熱膨張変位によって生じ
た試料表面のごく微小な傾斜部分にプローブ光を照射す
ると、その反射光は入射方向とは異なる方向に反射し、
その偏向量は熱膨張変位と同期して周期的に変化する。
従って、偏向量から熱膨張変位量を求めることができ
る。この熱膨張変位量は、試料の熱伝導率及び線膨張係
数に依存して変化し、更に両者は試料の局所温度に依存
して変化するため、逆に、熱膨張変位量から温度測定位
置の局所温度を算出することができる。

【００１５】

【実施例】本発明の実施例を図１〜図１２に基づいて説
明する。

【００１６】まず、本発明の第１の実施例を図１〜図６
に基づいて説明する。図１は第１の実施例における温度
測定装置のシステム構成を示すブロック図である。本装
置は、熱膨張変位検出光学系１０１、表面反射率測定光
学系１０２、自動焦点検出光学系１０３、温度演算処理
系１０４から成る。

【００１７】熱膨張変位検出光学系１０１において、Ａ
ｒレーザ等の光源１（波長５１４．５ｎｍ）から出射し
たビーム２を、ドライバ１０からの周波数ｆ_Eの駆動信
号により駆動されている音響光学変調素子３により変調
周波数ｆ_Eで強度変調した後、ビームエキスパンダ４で
拡大し、拡大ビーム５を励起光として、ダイクロイック
プリズム４０（波長６００ｎｍ以下は反射、６００ｎｍ
以上は透過）で反射させた後、対物レンズ６により試料
７上の温度測定位置８に集光させて照射する。対物レン
ズ６のＮＡを０．４２とすると、試料上での励起光５の
スポット径は約１．５μｍとなり、マイクロメートルオ
ーダの微小領域の温度測定が可能である。図２に示すよ
うに、温度測定位置８において、光熱変位効果により、
試料表面に振幅Ａで、変調周波数ｆ_Eに同期した周期的
な熱膨張変位が生じる。尚、４６は上記励起光５の照射
によって吸収された光エネルギーが熱エネルギーに変換
され、拡散していく熱拡散領域を示しており、その大き
さ、熱拡散長μ_Sは、変調周波数ｆ_E、試料７の熱伝導率
κ、密度ρ及び比熱ｃより、（１）式で与えられる。

【００１８】

【数１】

【００１９】例えば、試料７がシリコンの場合、変調周
波数ｆ_E＝８８ｋＨｚとすると、μ_S＝１８μｍである。

【００２０】一方、Ｈｅ−Ｎｅレーザ等の可干渉性光源
１１（波長６３３ｎｍ）から出射したビーム１２をビー
ムエキスパンダ１３で拡大した後、拡大ビーム１４をビ
ームスプリッタ１５で２つのビーム１６及び１７に分離
する。ビーム１６をプローブ光として、ビームスプリッ
タ２０、及びダイクロイックプリズム４０を通して、対
物レンズ６により試料７上の温度測定位置８、即ち、励
起光５と同じ集光位置に集光させて照射する。対物レン
ズ６のＮＡを０．４２とすると、試料上でのプローブ光
１６のスポット径は約１．８μｍとなり、マイクロメー
トルオーダの微小領域の温度測定が可能である。温度測
定位置８からのプローブ反射光の位相は、上記周期的熱
膨張変位により、周波数ｆ_Eで周期的に変化する。上記
反射光は、再び同一の光路を経た後、参照光であるビー
ム１７の参照ミラー１８からの反射光とビームスプリッ
タ１５で合成され、両反射光は互いに干渉する。この干
渉光の強度は、周期的に変化する上記熱膨張変位と同期
して、周期的に変化する。干渉光９５を集光レンズ２１
で集光し、ホトダイオード等の光電変換素子２２で検出
する。ここで、プローブ光の波長をλ、その反射強度を
Ｉ_S、参照光の反射強度をＩ_R、熱膨張変位の振幅をＡ、
またその位相遅れをθ、プローブ光路と参照光路との間
の光路差に基づく位相差をφとすると、干渉光９５の強
度Ｉは（２）式で与えられる。

【００２１】

【数２】

【００２２】光電変換素子２２から出力される干渉信号
は温度演算処理系１０４内のロックインアンプ３６に送
られる。ロックインアンプ３６では、励起光の強度変調
に用いた周波数ｆ_Eの変調信号がドライバ１０から入力
されており、これをを参照信号として、同期検波によ
り、干渉信号に含まれる周波数ｆ_Eの振幅成分Ａと位相
遅れθが求められる。両者は、そのまま熱膨張成分の振
幅と位相遅れに１：１に対応しているので、以下の信号
処理では、上記振幅Ａ及び位相遅れθを、各々熱膨張成
分の振幅及び位相遅れとして扱う。

【００２３】ここで、図３は、試料を半導体製造用シリ
コンウェハとした時の、ウェハ温度Ｔとシリコンの熱伝
導率κ及び線膨張係数αとの関係を示したものである。
熱伝導率κはウェハ温度Ｔと逆比例の関係にあり、ま
た、線膨張係数αは温度上昇に伴い、微増する関係にあ
る。一方、（３）式に示すごとく、一般に熱膨張振幅Ａ
は熱伝導率κに逆比例し、線膨張係数αに正比例する関
係にある。

【００２４】

【数３】

【００２５】ここで、Ｐは試料に吸収される励起光５の
エネルギーである。図３及び（３）式の関係から、ウェ
ハ温度Ｔと熱膨張振幅Ａとの関係は、図４に示すごとく
の関係になる。従って、予め、シリコンウェハに関し
て、図４に示すウェハ温度Ｔと熱膨張振幅Ａとの関係
を、理論的にあるいは実験的に求めておき、これを参照
テーブルとしてメモリ等に格納しておけば、例えば、測
定された熱膨張振幅Ａが４ｎｍであったとすると、テー
ブルからウェハ温度Ｔは６５２．５Ｋ（ケルビン）と求
めることができる。図１おいて、温度演算処理系１０４
内の３８がこの参照テーブルに相当する。即ち、ロック
インアンプ３６で求められた熱膨張振幅Ａは温度算出回
路３７に送られ、参照テーブル３８に格納された図４に
示すごとくウェハ温度Ｔと熱膨張振幅Ａとの関係を参照
して、ウェハ温度Ｔが求められる。求められた温度Ｔは
表示器３９に表示される。

【００２６】一方、光電変換素子２２から出力される干
渉信号は、参照ミラー制御回路２３にも送られ、熱膨張
変位と同期した干渉信号の周期的変化が常に最大コント
ラストとなるように、ＰＺＴ素子１９を駆動して、参照
ミラー１８を光軸方向に微動制御する。具体的には、
（２）式におけるφが常にπ／２になるように制御す
る。

【００２７】また、プローブ光１６に対する反射光の一
部は、ビームスプリッタ２０で反射され、更に、ビーム
スプリッタ２５で２つのビームに分離される。一方のビ
ームは表面反射率測定光学系１０２に導かれ、集光レン
ズ２６で集光され、ホトダイオード等の光電変換素子２
７で検出される。（２）式より明らかなように、干渉信
号強度は、プローブ光の反射強度、即ち試料表面の反射
率に応じて変化するので、これを補正するため、光電変
換素子２７の出力信号を、反射率補正信号として、温度
演算処理系１０４内の温度算出回路３７に送り、熱膨張
変位量から温度を算出する際の表面反射率の補正に用い
る。

【００２８】ビームスプリッタ２５で分離されたもう一
方のビームは、自動焦点検出光学系１０３に導かれ、ビ
ームスプリッタ２８で２つのビームに分離される。各々
のビームは、集光レンズ２９及び３２により集光され、
ピンホール３０及び３３を通過した光が、ピンホール直
後に配置したホトダイオード等の光電変換素子３１及び
３４で検出される。ここで、ピンホール３０及び光電変
換素子３１は、集光レンズ２９の焦点距離Ｆａよりも後
側に、また、ピンホール３３及び光電変換素子３４は、
集光レンズ３２の焦点距離Ｆｂよりも前側に配置されて
いる。また、試料７上の測定位置８に励起光５とプロー
ブ光１６が最小のスポット径で集光された状態、即ち、
対物レンズ６が試料７表面に対して合焦状態の時に、２
つの光電変換素子３１及び３４の出力信号強度が同じ値
をとるように、両者の位置は調整されている。

【００２９】光電変換素子３１及び３４の出力信号は、
自動焦点検出回路３５に送られる。対物レンズ６が試料
７表面に対して合焦状態からはずれると、２つの光電変
換素子３１及び３４の出力信号強度は異なる値となり、
また、その大小関係から、対物レンズ６が上側かあるい
は下側にデフォーカスしているのかが判る。自動焦点検
出回路３５では、常時２つの信号強度の比較を行い、両
者が一致する方向に対物レンズ６を微調整すべく、ＰＺ
Ｔ素子から成る対物レンズアクチュエータ９用駆動信号
を出力する。これにより、常に励起光５が同じ最小のス
ポット径で集光されることになり、試料に吸収されるエ
ネルギーが一定となり、その結果安定した熱膨張変位が
生じ、温度測定精度が向上する。また、プローブ光１６
の集光スポット径も常に最小かつ一定の大きさとなるた
め、マイクロメートルオーダの微小領域の温度測定が可
能となり、また、測定精度も向上する。

【００３０】図５は、シリコンウェハを試料とし、熱電
対を接触させて測定したウェハ温度と、図１に示す本発
明の温度測定装置による温度測定値との関係を示したも
のである。熱電対による温度測定値は、真のウェハ温度
とみなすことができ、本発明の温度測定装置は、非接触
で±１０℃の精度で正確にウェハ温度が測定できること
が判る。

【００３１】温度測定精度は、主に熱膨張変位の測定精
度に依存している。例えば、図１に示す本発明の温度測
定装置の場合、熱膨張変位測定精度が０．１ｎｍ程度の
時、温度測定精度は上記の±１０℃である。振動、空気
の揺らぎ等の外乱の影響を低減し、熱膨張変位測定精度
を０．０１ｎｍに向上させれば、温度測定精度は±１℃
となり、従来法に比べ、極めて高い測定精度が実現でき
る。

【００３２】更に、本実施例によれば、上述したよう
に、励起光及びプローブ光を共にマイクロメートルオー
ダとすることにより、マイクロメートルオーダの微小領
域の温度測定が可能になる。

【００３３】上記実施例では、図１に示す熱膨張変位検
出光学系１０１において、Ａｒレーザ等の光源１（波長
５１４．５ｎｍ）から出射したビーム２を、音響光学変
調素子３により変調周波数ｆ_Eで強度変調し、この強度
変調ビーム５を励起光として、試料７上の温度測定位置
８に集光して照射していた。これに対し、音響光学変調
素子３を光路から除去し、一定強度の光をそのまま励起
光として使用することも可能である。その場合は、ドラ
イバ１０及びロックインアンプ３６は不要となり、光電
変換素子２２からの干渉信号は、直接温度算出回路３７
に入力される。

【００３４】まず、励起光照射前に、温度測定位置８に
おける熱膨張変位を、上記第１の実施例と同様、光干渉
により測定する。次に、温度測定位置８に励起光を照射
すると、照射開始と同時に熱膨張変位量が増加し始め、
ある時刻以上になると、定常状態に達し、熱膨張変位は
一定値となる。その時点で、上記実施例と同様、再び光
干渉によりこの熱膨張変位を測定する。励起光照射後の
熱膨張変位量から照射前の熱膨張変位量を減算し、得ら
れた差分熱膨張変位量に対し、予め、図４に示すごとく
試料７の温度Ｔと差分熱膨張変位量との関係を求めてお
き、これを参照テーブル３８に格納しておけば、測定さ
れた差分熱膨張変位量を参照テーブル３８を参照して、
ウェハ温度Ｔが求められる。求められた温度Ｔは表示器
３９に表示される。また、励起光照射開始後、常に一定
時間経過後に熱膨張変位量を測定するならば、定常状態
に達する前の増加状態にある熱膨張変位量を測定し、そ
の値を温度導出に用いることも可能である。

【００３５】図６は、本発明の温度測定装置１０６を、
ランプ加熱方式の半導体熱処理装置に適用した例のシス
テム構成を示すブロック図である。温度測定装置１０６
は、図１に示すと同様、熱膨張変位検出光学系１０１、
表面反射率測定光学系１０２、自動焦点検出光学系１０
３、温度演算処理系１０４、及びランプ制御系１０５か
ら成る。半導体熱処理装置において、シリコンウェハ１
２０は石英ガラス製の反応管４４の中に収納されてお
り、そのまわりに加熱用のハロゲンランプ４５が多数配
置されている。更に、その周囲には反射壁４３が配置さ
れている。ハロゲンランプ４５からの加熱光によって、
ウェハ１２０が約９００℃に１分間程度加熱され、反応
管４４の中を流れる処理ガス（例えば酸素）によって、
ウェハ１２０の表面に薄膜（例えば酸化膜ＳｉＯ₂）が
形成される。

【００３６】本発明の温度測定装置１０６によって、ウ
ェハ１２０の温度が正確に測定され、更に、温度演算処
理系１０４からの温度測定信号がランプ制御系１０５に
送られ、ハロゲンランプ４５の発熱量が高精度に制御さ
れ、ウェハ１２０を高い精度で規定の温度に保つことが
可能となる。その結果、膜質が良く、かつ膜厚精度の高
い薄膜がウェハ１２０表面に形成される。また、薄膜形
成の際は、温度測定点にも薄膜が形成されるため、膜内
多重干渉等により表面反射率が変化する。このような場
合でも、表面反射率測定光学系１０２による表面反射率
の補正により、正確に温度を測定することができる。

【００３７】尚、本実施例では、温度測定点は試料上の
１点としたが、励起光及びプローブ光を複数個設ける、
あるいは試料上を２次元走査し、かつ光電変換素子を複
数個設けるか光電変換素子が複数個アレイ状に並んだ、
例えばＣＣＤセンサなどを用いることにより、試料の面
内温度分布を測定することも可能である。更に、そのよ
うな温度測定装置を、上記のようなランプ加熱方式の半
導体熱処理装置に適用し、面内温度分布に基づいて、ハ
ロゲンランプの発熱量を１個ずつ制御することにより、
シリコンウェハの面内温度分布を均一にすることが可能
となり、ウェハ全面にわたって、膜質が良く、かつ膜厚
精度の高い膜をウェハ表面に形成することが可能とな
る。これは、大口径化するシリコンウェハの薄膜形成に
とって極めて有効である。

【００３８】また、本実施例による温度測定装置の適用
は、上記のようにランプ加熱方式の半導体熱処理装置に
限定されるものではなく、他の半導体製造用成膜装置、
好ましくはスパッタ装置への適用も、もちろん可能であ
り、上記と同様の効果を得ることができる。更に、ドラ
イエッチング装置に適用し、ウェハ面内温度分布の均一
化により、エッチング量のウェハ面内分布の均一化に役
立てることも可能である。

【００３９】本発明の第２の実施例を、図７〜図８に基
づいて説明する。図８は第２の実施例における温度測定
装置のシステム構成を示すブロック図である。本装置
は、熱膨張変位検出光学系１０７及び温度演算処理系１
０４から成る。第１の実施例では、熱膨張変位の検出に
参照ミラーを用いたマイケルソン形干渉計を用いている
のに対し、本実施例では、参照ミラーを用いない共通光
路形干渉計を用いている点に大きな特徴がある。

【００４０】第１の実施例と同様、熱膨張変位検出光学
系１０７において、Ａｒレーザ等の光源１（波長５１
４．５ｎｍ）から出射したビーム２を、音響光学変調素
子３により変調周波数ｆ_Eで強度変調した後、ビームエ
キスパンダ４で拡大し、拡大ビーム５を励起光として、
ダイクロイックプリズム４０（波長６００ｎｍ以下は反
射、６００ｎｍ以上は透過）で反射させた後、対物レン
ズ６により試料７上の温度測定位置８に集光させて照射
する。対物レンズ６のＮＡを０．４２とすると、試料上
での励起光５のスポット径は約１．５μｍとなり、マイ
クロメートルオーダの微小領域の温度測定が可能であ
る。図８に示すように、温度測定位置８において、光熱
変位効果により試料表面に振幅Ａ、周波数ｆ_Eで周期的
に変化する熱膨張変位が生じる。

【００４１】一方、Ｈｅ−Ｎｅレーザ等の可干渉性光源
１１（波長６３３ｎｍ）から出射した直線偏光ビーム１
２を４５°の偏光角で偏光ビームスプリッタ４６に入射
し、Ｐ偏光及びＳ偏光ビームに分離する。光周波数シフ
ト制御回路５２からの駆動信号に基づき、偏光ビームス
プリッタ４６を透過したＰ偏光ビームは音響光学変調素
子４７によりｆ₁の光周波数シフトを、また偏光ビーム
スプリッタ４６で反射したＳ偏光ビームは音響光学変調
素子４８によりｆ₂（ｆ₁≠ｆ₂）の光周波数シフトを、
各々受ける。各ビームは偏光ビームスプリッタ５１によ
り再び合成され、偏光角が互いに直交し、かつ、光周波
数が互いにｆ₁−ｆ₂だけ異なる２周波直交ビーム９６と
なる。

【００４２】この２周波直交ビーム９６の一部はビーム
スプリッタ５４で反射され、４５°方向に設置した偏光
板により、互いに偏光干渉し、ｆ_B＝ｆ₁−ｆ₂のビート
周波数から成るヘテロダイン干渉光が、光電変換素子５
７で検出される。この周波数ｆ_Bのビート信号は信号制
御回路７０に送られ、分周回路やＰＬＬ（PhaseLocked
Loop）回路を用いて、励起光のための周波数ｆ_Eの強度
変調信号の発生や、干渉信号から熱膨張成分を抽出する
際に用いる周波数ｆ_B−ｆ_Eの参照信号の発生のための基
準信号として用いる。

【００４３】この２周波直交ビーム９６を、ビームエキ
スパンダ５８で拡大した後、拡大ビーム５９をレンズ６
０により集光し、更に、ビームスプリッタ６１で反射さ
せ、レンズ６３により再び並行光にする。ここで、レン
ズ６３の直前には方解石等から成る複屈折プリズム（例
えばサバール板）６２が配置されており、２周波直交ビ
ーム５９を互いに直交するＰ偏光及びＳ偏光ビームに並
行分離する。Ｐ偏光ビーム６４（実線）は、ダイクロイ
ックプリズム４０を透過し、対物レンズ６により、プロ
ーブ光として、試料７上の温度測定位置８、即ち、励起
光５と同じ集光位置に集光させて照射する。対物レンズ
６のＮＡを０．４２とすると、試料上でのプローブ光１
６のスポット径は約１．８μｍとなり、マイクロメート
ルオーダの微小領域の温度測定が可能である。一方、Ｓ
偏光ビーム（破線）６５は、ダイクロイックプリズム４
０を透過し、対物レンズ６により、参照光として、試料
７上の温度測定位置８から少し離れた位置６６に集光さ
せて照射する。この様子を図８に示す。参照光（Ｓ偏光
ビーム（破線））６５は、温度測定位置８、即ち、プロ
ーブ光（Ｐ偏光ビーム（実線））６４照射位置から少な
くとも熱膨張変位が生じる領域以上、即ち、概ね熱拡散
長μ_S以上、例えば、変調周波数ｆ_Eを８８ｋＨｚとする
と約１８μｍ以上離れた位置６６に照射する。

【００４４】温度測定位置８からのプローブ反射光の位
相は、上記周期的熱膨張変位により周波数ｆ_Eで周期的
に変化する。上記プローブ光６４及び参照光６５に対す
る両反射光は、再び同一の光路を経た後、複屈折プリズ
ム（例えばサバール板）６２で合成され、合成された両
反射光６７はビームスプリッタ６１を透過し、各反射光
の偏光方向に対し、４５°方向に設置した偏光板によ
り、互いにヘテロダイン偏光干渉する。この干渉光の強
度は、周期的に変化する上記熱膨張変位と同期して、周
期的に変化する。干渉光はレンズ６３で集光され、ホト
ダイオード等の光電変換素子６９で検出される。ここ
で、プローブ光の波長をλ、その反射強度をＩ_S、参照
光の反射強度をＩ_R、また、両者の光周波数の差ｆ₁−ｆ
₂をｆ_B、熱膨張変位の振幅をＡ、またその位相遅れを
θ、プローブ光路と参照光路との間の光路差に基づく位
相差をφとすると、干渉光の強度Ｉは（４）式で与えら
れる。

【００４５】

【数４】

【００４６】第１項は直流成分、第２項は周波数ｆ_Bの
成分、第３項は周波数ｆ_B＋ｆ_Eの熱膨張成分、第４項は
周波数ｆ_B−ｆ_Eの熱膨張成分である。求めるべき成分
は、第３項あるいは第４項である。

【００４７】本実施例では、第４項、即ち周波数ｆ_B−
ｆ_Eの熱膨張成分を抽出する。光電変換素子６９から出
力される干渉信号は温度演算処理系１０４内のロックイ
ンアンプ３６に送られる。ロックインアンプ３６では、
信号制御回路７０で発生した周波数ｆ_B−ｆ_Eの信号を参
照信号として、同期検波により、干渉信号に含まれる周
波数ｆ_B−ｆ_Eの熱膨張成分の振幅Ａと位相遅れθが求め
られる。

【００４８】第１の実施例と同様、ロックインアンプ３
６で求められた熱膨張振幅Ａは温度算出回路３７に送ら
れ、参照テーブル３８に格納された図４に示すごとくウ
ェハ温度Ｔと熱膨張振幅Ａとの関係を参照して、ウェハ
温度Ｔが求められる。求められた温度Ｔは表示器３９に
表示される。

【００４９】本実施例によれば、第１の実施例と同様、
非接触でマイクロメートルオーダの微小領域の高精度な
温度測定が可能になる。

【００５０】本実施例では、熱膨張変位の検出に、参照
面を試料表面とする共通光路形干渉計を用いており、参
照光とプローブ光がほぼ同一の光路を通るため、光学
系、試料の振動や、試料周辺の気体の屈折率変化、ゆら
ぎ等の外乱の影響を受けにくいものとなっている。

【００５１】また、本実施例に、第１の実施例と同様、
表面反射率測定光学系１０２と自動焦点検出光学系１０
３を付加することにより、測定精度を向上させることも
可能である。

【００５２】また、第１の実施例と同様、本実施例によ
る温度測定装置を、ランプ加熱方式の半導体熱処理装
置、スパッタ装置、更に、エッチング装置に適用するこ
とはもちろん可能であり、第１の実施例と同様の効果を
得ることができる。特に、ランプ加熱方式の半導体熱処
理装置では、反応管内部の気体の温度上昇により、気体
の屈折率が変化し、光路長が変化して干渉強度に誤差が
生じることが予想されるが、本実施例では、参照光とプ
ローブ光がほぼ同一の光路を通るため、このような影響
を受けることなく、高精度に熱膨張変位を検出すること
ができる。

【００５３】上記実施例では、図７に示す熱膨張変位検
出光学系１０７において、Ａｒレーザ等の光源１（波長
５１４．５ｎｍ）から出射したビーム２を、音響光学変
調素子３により変調周波数ｆ_Eで強度変調し、この強度
変調ビーム５を励起光として、試料７上の温度測定位置
８に集光して照射していた。これに対し、第１の実施例
で説明したように、音響光学変調素子３を光路から除去
し、一定強度の光をそのまま励起光として使用すること
も可能である。その場合は、光電変換素子５７で検出さ
れた周波数ｆ_Bのビート信号は信号制御回路７０を経由
して、そのままロックインアンプ３６に送られ、参照信
号として用いられる。

【００５４】本実施例では、熱膨張変位の検出に、温度
測定位置から少し離れた位置での試料表面を参照面とす
る共通光路形干渉計を用いているため、検出される熱膨
張変位は、励起光照射によって生じた熱膨張変位のみで
ある。従って、前述の場合のように、励起光照射前後の
２回熱膨張変位を測定する必要はない。温度測定位置８
に励起光を照射すると、照射開始と同時に熱膨張変位が
生じ、その変位量が増加し始め、ある時刻以上になる
と、定常状態に達し、熱膨張変位は一定値となる。その
時点で、上記実施例と同様、光干渉によりこの熱膨張変
位を測定する。光電変換素子６９で検出される干渉信号
にはｆ_Bの周波数成分のみが含まれているので、この干
渉信号をロックインアンプ３６に入力すれば、信号制御
回路７０からの周波数ｆ_Bのビート信号を参照信号とし
て、熱膨張変位が検出される。予め、図４に示すごとく
試料７の温度Ｔと熱膨張変位量との関係を求めておき、
これを参照テーブル３８に格納しておけば、測定された
熱膨張変位量を参照テーブル３８を参照して、ウェハ温
度Ｔが求められる。求められた温度Ｔは表示器３９に表
示される。また、励起光照射開始後、常に一定時間経過
後に熱膨張変位量を測定するならば、定常状態に達する
前の増加状態にある熱膨張変位量を測定し、その値を温
度導出に用いることも可能である。

【００５５】本発明の第３の実施例を図９〜図１１に基
づいて説明する。図９は第３の実施例における温度測定
装置のシステム構成を示すブロック図である。本装置
は、熱膨張変位検出光学系１０８及び温度演算処理系１
０４から成る。

【００５６】第１及び第２の実施例では、熱膨張変位の
検出に干渉計を用いているのに対し、本実施例では、周
期的な熱膨張変位によって生じた試料の凸変形の傾斜部
分にプローブ光を照射し、その反射光の偏向量を検出す
る点に大きな特徴がある。

【００５７】第１の実施例と同様、熱膨張変位検出光学
系１０８において、Ａｒレーザ等の光源１（波長５１
４．５ｎｍ）から出射したビーム２を、音響光学変調素
子３により変調周波数ｆ_Eで強度変調した後、ビームエ
キスパンダ４で拡大し、拡大ビーム５を励起光として、
ダイクロイックプリズム４０（波長６００ｎｍ以下は反
射、６００ｎｍ以上は透過）で反射させた後、対物レン
ズ６により試料７上の温度測定位置８に集光させて照射
する。対物レンズ６のＮＡを０．４２とすると、試料上
での励起光５のスポット径は約１．５μｍとなり、マイ
クロメートルオーダの微小領域の温度測定が可能であ
る。図１０に示すように、温度測定位置８において、光
熱変位効果により試料表面に振幅Ａ、周波数ｆ_Eで周期
的に変化する熱膨張変位が生じる。

【００５８】一方、Ｈｅ−Ｎｅレーザ等の光源１１（波
長６３３ｎｍ）から出射したビーム１２をビームエキス
パンダ１３で拡大し、拡大ビーム１４をビームスプリッ
タ７５で反射させ、ダイクロイックプリズム４０を透過
させ、対物レンズ６により、プローブ光として、試料７
上の温度測定位置８から少し離れた位置７６に集光させ
て照射する。この様子を図１０に示す。プローブ光１４
は、熱膨張変位によって生じた試料の凸変形の傾斜部
分、即ち、温度測定位置８から熱拡散長μ_Sの約１／２
離れた位置、例えば、変調周波数ｆ_Eを８８ｋＨｚとす
ると約９μｍ離れた位置７６に、試料表面に対し垂直方
向から入射する。このプローブ光１４に対する反射光７
７は、熱膨張変位が生じていない時は、入射方向と同じ
方向、即ち垂直方向に反射していくが、熱膨張変位が生
じている時は、表面変形によりωだけ偏向して反射して
いく。従って、周波数ｆ_Eで強度変調された励起光５の
照射により周期的に生じた熱膨張変位により、プローブ
反射光７７は周波数ｆ_Eで周期的にωだけ偏向して反射
していく。対物レンズ６のＮＡを０．４２とすると、試
料上でのプローブ光１４のスポット径は約１．８μｍと
なり、マイクロメートルオーダの微小領域の温度測定が
可能である。

【００５９】図９に示すように、プローブ反射光７７
は、レンズ７８により集光され、レンズ７８の焦点距離
Ｆｃよりも手前に配置した位置検出素子７９に入射す
る。位置検出素子７９では、図１０に示す偏向角ωを、
反射光７７のビーム位置の周期的変化として検出する。
この様子を詳細に示したのが、図１１である。図中の各
破線は様々な偏向角で反射していくビーム７７の主光線
のみを示している。位置検出素子７９がレンズ７８の焦
点位置９７にある場合は、各ビームは点線で示すよう
に、総て焦点位置９７に集光してしまい、偏向角の違い
をビーム位置の違いとして検出することはできない。し
かし、位置検出素子７９がレンズ７８の焦点位置９７の
手前にある場合は、各ビームは各々９８ａ、９８ｂ、９
８ｃの位置に入射するため、各ビームの偏向角の違いを
ビーム位置の違いとして検出することが可能となる。プ
ローブ反射光７７のビーム位置の変化量は概ね図１０に
示す偏向角ωに比例しており、更に、この偏向角ωは概
ね熱膨張変位Ａに比例している。

【００６０】図９において、位置検出素子７９から出力
されるビーム位置検出信号は温度演算処理系１０４内の
ロックインアンプ３６に送られる。ロックインアンプ３
６では、励起光の強度変調に用いた周波数ｆ_Eの変調信
号を参照信号として、同期検波により、検出信号に含ま
れる周波数ｆ_Eで変化するビーム位置変位の振幅と位相
遅れθが求められる。

【００６１】上述したように、プローブ反射光７７のビ
ーム位置の変化量は概ね図１０に示す偏向角ωに比例し
ており、更に、この偏向角ωは概ね熱膨張変位Ａに比例
している。従って、第１の実施例と同様、図４に示すご
とく、例えば、試料を半導体製造用シリコンウェハとし
た時のウェハ温度Ｔと熱膨張振幅Ａとの関係の代わり
に、ウェハ温度Ｔとプローブ反射ビーム位置変位量との
関係を、理論的にあるいは実験的に求めておき、これを
参照テーブルとしてメモリ等に格納しておけば、測定さ
れたビーム位置変位からウェハ温度Ｔを求めることがで
きる。第１の実施例と同様、図９おいて、温度演算処理
系１０４内の３８がこの参照テーブルに相当する。即
ち、ロックインアンプ３６で求められたビーム位置変位
の振幅は温度算出回路３７に送られ、上記参照テーブル
３８を参照して、ウェハ温度Ｔが求められる。求められ
た温度Ｔは表示器３９に表示される。

【００６２】本実施例によれば、第１の実施例と同様、
非接触でマイクロメートルオーダの微小領域の高精度な
温度測定が可能になる。

【００６３】また、本実施例に、第１の実施例と同様、
表面反射率測定光学系１０２と自動焦点検出光学系１０
３を付加することにより、測定精度を向上させることも
可能である。

【００６４】また、第１の実施例と同様、本実施例によ
る温度測定装置を、ランプ加熱方式の半導体熱処理装
置、スパッタ装置、更に、エッチング装置に適用するこ
とはもちろん可能であり、第１の実施例と同様の効果を
得ることができる。

【００６５】本実施例においても、第１の実施例と同様
にして、励起光として、強度変調光ではなく、一定強度
の光を用いることが可能である。

【００６６】本発明の第４の実施例を図１２に基づいて
説明する。図１２は、第１〜第３の実施例における温度
測定装置をランプ加熱方式の半導体熱処理装置に適用
し、更に温度校正用測定系１１０を付加したものであ
る。本装置は、半導体熱処理装置１０９、熱膨張変位検
出光学系１０１あるいは１０７あるいは１０８、温度演
算処理系１０４、及びランプ制御系１０５から成る。

【００６７】本実施例では、半導体熱処理装置１０９内
のシリコンウェハ１２０の温度を測定する、いわゆる本
測定の前に、温度校正用測定系１１０により、検出系全
体の感度校正を行うことを特徴としている。即ち、温度
測定の前に、可動ミラー８１が光路内に挿入され、熱膨
張変位検出光学系（１０１、１０７、１０８）からの励
起光及びプローブ光が熱的、化学的に安定な試料、例え
ば白金薄膜等の校正用試料８３に照射され、第１〜第３
の実施例と同様にして、検出信号から、温度演算処理系
１０４内の温度算出回路３７により、白金試料８３の温
度が求められる。白金試料８３の裏面には熱電対８４が
装着されており、測定器８５から真の温度測定信号が出
力される。この測定信号は、温度算出回路３７に送ら
れ、熱膨張変位検出光学系（１０１、１０７、１０８）
で測定された温度測定値と比較され、熱膨張変位検出光
学系（１０１、１０７、１０８）での測定値が熱電対８
４による測定値と一致するように、参照テーブル３８の
内容、並びに温度算出回路３７内の各演算パラメータが
補正される。この後、可動ミラー８１は光路外に退避
し、シリコンウェハ１２０の温度測定が開始される。

【００６８】以上の感度校正を常に本測定前に行うこと
により、検出系全体の感度特性を常に一定に保つことが
可能となり、温度測定精度とその信頼性、及び測定の再
現性が向上する。

【００６９】尚、本実施例は、ランプ加熱方式の半導体
熱処理装置に適用が限定されるものではなく、スパッタ
装置等の他の成膜装置、更に、エッチング装置に適用す
ることももちろん可能である。

【００７０】本発明の第５の実施例を図１３に基づいて
説明する。第１〜第３の実施例で説明した温度測定装置
を、例えば、ランプ加熱方式の半導体熱処理装置に適用
した場合、図１３（ａ）に示すように、シリコンウェハ
１２０の表面の温度測定点８にも薄膜９０が形成され
る。この薄膜９０のために、熱膨張変位Ａ₁は、薄膜９
０が無い場合に比べて、わずかに変化し、これが測定誤
差になることが予想される。

【００７１】本実施例では、例えば、第１の実施例で説
明した温度測定装置を適用して、まず、図１３（ａ）に
示すように、ある変調周波数ｆ_E1で強度変調した励起光
５を照射し、得られた熱膨張変位をＡ₁とする。次に、
図１３（ｂ）に示すように、ｆ_E1よりも低い変調周波数
ｆ_E2で同様に励起光５を照射し、得られた熱膨張変位を
Ａ₂とする。２つの熱膨張変位Ａ₁及びＡ₂は、各々表面
の薄膜９０ａ及び９０ｂの影響を受けている。一方、熱
拡散領域の大きさは、図１３（ａ）と同図（ｂ）との比
較から判るように、変調周波数ｆ_E2の方がｆ_E1よりも大
きい。

【００７２】そこで、例えば、温度測定装置の各感度パ
ラメータ及び試料の熱特性を考慮した補正パラメータ
ａ、ｂを用いて、得られた２つの熱膨張変位Ａ₁、Ａ₂に
ついて、次式に示すように差分演算を施せば、

【００７３】

【数５】

【００７４】得られる物理量ΔＡ_Xは、図１３（ｃ）に
示すように、２つの変調周波数に対応した熱拡散領域９
１（図１３（ａ））及び９２（図１３（ｂ））の差分か
ら得られる熱拡散領域９３における熱膨張変位を反映し
たものとなり、また、薄膜の領域は９０ｃで示すように
小さくなり、図１３（ａ）及び（ｂ）に示す薄膜９０ａ
及び９０ｂに比べ、その影響を低減することができる。
前述の実施例と同様に、予め、差分によって得られる物
理量ΔＡ_Xと、ウェハ温度との関係を求めておけば、得
られた差分値から、ウェハ温度を求めることができる。

【００７５】また、差分演算ではなく、補正パラメータ
ｐ、ｑを用いて、２つの変調周波数に対応した熱膨張変
位Ａ₁、Ａ₂について、次式のように除算を施すことによ
っても、両熱膨張変位に係る表面薄膜の影響を相殺した
物理量ΔＡ_Yを得ることができる。

【００７６】

【数６】

【００７７】以上述べたように、本実施例によれば、温
度測定中にウェハ表面に生じた薄膜による測定誤差を低
減することができる。

【００７８】また、上記の説明では、第１の実施例で説
明した温度測定装置への適用例を述べたが、本実施例
は、第２及び第３の実施例にも適用可能である。

【００７９】また、本実施例は、ランプ加熱方式の半導
体熱処理装置への適用に限定されるものではなく、スパ
ッタ装置等、他の半導体成膜装置への適用も、もちろん
可能である。

【００８０】

【発明の効果】本発明によれば、固体表面の温度測定位
置に、一定強度の光、あるいは強度が一定の周波数で周
期的に変化する強度変調光をマイクロメートルオーダに
集光して照射することにより生じた熱膨張変位が、固体
の熱伝導率及び線膨張係数に依存して変化し、更に両者
が固体の局所温度に依存して変化することを利用し、熱
膨張変位量を光干渉もしくは光偏向を用いて高精度に測
定し、その値から温度測定位置の局所温度を算出するの
で、固体試料表面のマイクロメートルオーダの微小領域
の温度を非接触で高精度に求めることができる。

【００８１】また、本発明によれば、温度測定中にウェ
ハ表面に生じた薄膜による温度測定誤差を低減すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例における温度測定装置の
システム構成を示すブロック図である。

【図２】強度変調した励起光の照射により、周期的熱膨
張変位が生じる様子を示す試料の断面図である。

【図３】シリコンウェハの温度Ｔと、シリコンの熱伝導
率κ及び線膨張係数αとの関係を示す図である。

【図４】シリコンウェハの温度Ｔと熱膨張振幅Ａとの関
係を示す図である。

【図５】熱電対によるシリコンウェハの温度測定値と第
１の実施例の温度測定装置による測定値との関係を示す
図である。

【図６】第１の実施例の温度測定装置をランプ加熱方式
の半導体熱処理装置に適用した例のシステム構成を示す
ブロック図である。

【図７】本発明の第２の実施例における温度測定装置の
システム構成を示すブロック図である。

【図８】励起光の照射により周期的熱膨張変位が生じる
様子と、プローブ光及び参照光の照射位置関係を示す試
料の断面図である。

【図９】本発明の第３の実施例における温度測定装置の
システム構成を示すブロック図である。

【図１０】励起光の照射により周期的熱膨張変位が生じ
る様子と、プローブ光が偏向される様子を示す試料の断
面図である。

【図１１】反射プローブ光の偏向角の違いをビーム位置
の違いとして検出する様子を示す略断面図である。

【図１２】試料に対する温度測定の前に、検出系全体の
感度校正を行う温度校正用測定系を付加した本発明の第
４の実施例における温度測定装置のシステム構成を示す
ブロック図である。

【図１３】本発明の第５の実施例における基本原理を示
す試料の断面図である。

【符号の説明】

１…Ａｒレーザ、１１…Ｈｅ−Ｎｅレーザ、３、４７、
４８、５７…音響光学変調素子、６…対物レンズ、７…
試料、１８…参照ミラー、２２、２７、３１、３４、５
７、６９…光電変換素子、３０、３３…ピンホール、３
６…ロックインアンプ、３７…温度算出回路、３８…参
照テーブル、４３…反射壁、４４…反応管、４５…ハロ
ゲンランプ、５６、６８…偏光板、６２…複屈折プリズ
ム、７９…位置検出素子、８３…薄膜白金試料、１０
１、１０７、１０８…熱膨張変位検出光学系、１０２…
表面反射率測定光学系、１０３…自動焦点検出光学系、
１０４…温度演算処理系、１０５…ランプ制御系、１０
６…温度測定装置、１０７、１０９…ランプ加熱方式の
半導体熱処理装置、１２０…シリコンウェハ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者二宮隆典神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者野本峰生神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内 (56)参考文献特開平５−335397（ＪＰ，Ａ) 特開平４−273048（ＪＰ，Ａ) 特開平４−366744（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01K 5/52 G01B 11/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の光源からの光を試料表面の測定点に
照射し、該光の照射により前記測定点に生じた試料表面
の熱膨張変位を電気信号として検出し、前記試料の熱伝
達率と線膨張係数との情報を用いて前記電気信号から上
記測定点の温度を求めることを特徴とする温度測定方
法。
【請求項２】上記試料表面の熱膨張変位を電気信号とし
て検出する方法は、第２の光源からの光を２つに分離
し、一方の光をプローブ光として上記測定点に照射し、
その反射光を、他方の光である参照光と干渉させ、該干
渉光を光電変換して検出することを特徴とする請求項１
記載の温度測定方法。
【請求項３】上記試料表面の熱膨張変位を電気信号とし
て検出する方法は、第２の光源からの光をプローブ光と
して、上記第1の光源からの光の照射点からわずかに離
れた位置に照射し、その反射光の偏向量を光電変換して
検出することを特徴とする請求項１記載の温度測定方
法。
【請求項４】上記熱膨張変位を電気信号として検出し、
該電気信号から上記測定点の温度を求める方法は、予
め、熱膨張変位量と試料温度との関係を求めておき、検
出した熱膨張変位量を、上記関係に照らし合わせること
により、測定点の温度を求めることを特徴とする請求項
１記載の温度測定方法。
【請求項５】第１の光源からの光を所望の周波数で強度
変調し、該強度変調した光を試料表面の測定点に照射
し、該強度変調した光の照射により上記測定点に生じた
上記試料表面の熱膨張変位を電気信号として検出し、上
記試料の熱伝達率と線膨張係数との情報を用いて上記電
気信号から上記周波数成分を抽出し、該抽出した周波数
成分に基づき上記測定点の温度を求めることを特徴とす
る温度測定方法。
【請求項６】上記試料表面の熱膨張変位を電気信号とし
て検出する方法は、第２の光源からの光を２つに分離
し、一方の光をプローブ光として上記測定点に照射し、
その反射光を、他方の光である参照光と干渉させ、該干
渉光を光電変換して検出することを特徴とする請求項５
記載の温度測定方法。
【請求項７】上記試料表面の熱膨張変位を電気信号とし
て検出する方法は、第２の光源からの光をプローブ光と
して、上記強度変調した光の照射点からわずかに離れた
位置に照射し、その反射光の偏向量を光電変換して検出
することを特徴とする請求項５記載の温度測定方法。
【請求項８】上記周波数成分に基づき上記測定点の温度
を求める方法は、予め、熱膨張変位の上記周波数成分の
振幅と試料温度との関係を求めておき、抽出した上記周
波数成分の振幅を、上記関係に照らし合わせることによ
り、測定点の温度を求めることを特徴とする請求項５記
載の温度測定方法。
【請求項９】第１の光源と、該光源からの光を試料表面
の測定点に照射する照射手段と、該光の照射により上記
測定点に生じた試料表面の熱膨張変位を電気信号として
検出する検出手段と、上記試料の熱伝導率と熱膨張係数
との情報を用いて上記電気信号から上記測定点の温度を
求める温度検出手段を備えたことを特徴とする温度測定
装置。
【請求項１０】上記試料表面の熱膨張変位を電気信号と
して検出する検出手段は、第２の光源と、該光源から光
を２つに分離する分離手段と、上記分離された一方の光
をプローブ光として上記測定点に照射するプローブ光照
射手段と、その反射光を他方の光である参照光と干渉さ
せる光干渉手段と、該干渉光を光電変換して検出する干
渉光検出手段を備えたことを特徴とする請求項９記載の
温度測定装置。
【請求項１１】上記試料表面の熱膨張変位を電気信号と
して検出する検出手段は、第２の光源と、該光源からの
光をプローブ光として上記第1の光源からの光の照射点
からわずかに離れた位置に照射するプローブ光照射手段
と、その反射光の偏向量を光電変換して検出する偏向量
検出手段を備えたことを特徴とする請求項９記載の温度
測定装置。
【請求項１２】上記熱膨張変位を電気信号として検出
し、該電気信号から上記測定点の温度を求める温度検出
手段は、熱膨張変位量と試料温度との関係を示す参照テ
ーブルと、検出した熱膨張変位量を上記参照テーブルに
照らし合わせることにより測定点の温度を求める温度演
算手段とを備えたことを特徴とする請求項９記載の温度
測定装置。
【請求項１３】第１の光源と、該第1の光源からの光を
所望の周波数で強度変調する強度変調手段と、該強度変
調手段により強度変調した光を試料表面の測定点に照射
する強度変調光照射手段と、該強度変調した光の照射に
より上記測定点に生じた試料表面の熱膨張変位を電気信
号として検出する検出手段と、該検出手段で検出した電
気信号から上記周波数成分を抽出する周波数成分抽出手
段と、上記試料の熱伝導率と線膨張係数との情報を用い
て上記周波数成分抽出手段により抽出した周波数成分に
基づき上記測定点の温度を求める温度検出手段を備えた
ことを特徴とする温度測定装置。
【請求項１４】上記試料表面の熱膨張変位を電気信号と
して検出する検出手段は、第２の光源と、該光源から光
を２つに分離する分離手段と、上記分離された一方の光
をプローブ光として上記測定点に照射するプローブ光照
射手段と、その反射光を他方の光である参照光と干渉さ
せる光干渉手段と、該干渉光を光電変換して検出する干
渉光検出手段を備えたことを特徴とする請求項１３記載
の温度測定装置。
【請求項１５】上記試料表面の熱膨張変位を電気信号と
して検出する検出手段は、第２の光源と、該光源からの
光をプローブ光として上記強度変調した光の照射点から
わずかに離れた位置に照射するプローブ光照射手段と、
その反射光の偏向量を光電変換して検出する偏向量検出
手段を備えたことを特徴とする請求項１３記載の温度測
定装置。
【請求項１６】上記周波数成分に基づき上記測定点の温
度を求める温度検出手段は、熱膨張変位の上記周波数成
分の振幅と試料温度との関係を示す参照テーブルと、抽
出した上記周波数成分の振幅を上記参照テーブルに照ら
し合わせることにより測定点の温度を求める温度演算手
段とを備えたことを特徴とする請求項１３記載の温度測
定装置。
【請求項１７】半導体ウェハ表面に薄膜を形成する際
に、請求項１記載の温度測定方法に基づき、半導体ウェ
ハの温度を測定し、該測定温度に基づき、半導体ウェハ
の温度を制御し、薄膜形成量を制御することを特徴とす
る薄膜形成方法。
【請求項１８】半導体ウェハ表面に薄膜を形成する際
に、請求項５記載の温度測定方法に基づき、半導体ウェ
ハの温度を測定し、該測定温度に基づき、半導体ウェハ
の温度を制御し、薄膜形成量を制御することを特徴とす
る薄膜形成方法。
【請求項１９】半導体ウェハ表面に薄膜を形成する際
に、請求項９記載の温度測定装置に基づき、半導体ウェ
ハの温度を測定し、該測定温度に基づき、半導体ウェハ
の温度を制御し、薄膜形成量を制御することを特徴とす
る薄膜形成装置。
【請求項２０】半導体ウェハ表面に薄膜を形成する際
に、請求項１３記載の温度測定装置に基づき、半導体ウ
ェハの温度を測定し、該測定温度に基づき、半導体ウェ
ハの温度を制御し、薄膜形成量を制御することを特徴と
する薄膜形成装置。