JP5203801B2

JP5203801B2 - 温度測定方法、温度測定具および温度測定装置

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Publication number: JP5203801B2
Application number: JP2008134297A
Authority: JP
Inventors: 雅夫水野; 貴之平野; 勝文富久
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2007-07-09
Filing date: 2008-05-22
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2028-05-22
Also published as: CN101344438B; JP2009036756A; CN101344438A

Description

本発明は、例えば半導体や液晶の製造分野などにおける基板温度の測定技術に関し、詳しくは、測温対象物が受けた温度履歴のうち最高到達温度を測定する方法、ならびに、その方法に用いる、温度測定具および温度測定装置に関する。

測温対象物の温度を測定するための測定具として代表的なものは、気体や液体の熱膨張率変化を利用するもの、金属の電気抵抗の温度変化を測定するもの（白金抵抗温度センサ）、半導体特性の温度変化を測定するもの（サーミスタ）、異種合金の接触点で生じる熱起電力を測定するもの（熱電対）、測温対象物の放射する赤外線の強度を測定するもの（赤外線放射温度計）、測温対象物に磁場を印加してその磁化状態を測定するものなどが挙げられる（例えば、特許文献１、２参照）。また、物質の融点を利用したシール型の温度測定具も市販されている。

温度測定は様々な場面で行われており、測温対象に応じて適切な温度測定具が選択されている。特に、熱電対は多くの分野で精密な温度測定具として利用されている。

ところで、半導体や液晶の製造分野においても、温度測定は至るところで行われている。液晶製造分野では基板が主にガラスであるため、ガラスの耐熱温度以下である１５０〜４００℃付近での熱処理が多用されており、半導体製造分野ではそれよりやや高温までの、１５０℃から６００℃程度までの熱処理が多用されている。

ところが、これらの製造分野における生産ライン上では通常、基板が熱処理炉内を搬送されていくため、基板の温度を熱電対等で直接測定することは難しく、通常、炉内雰囲気の温度を測定することによって、基板の温度の推定を行っている。

もし、基板の温度を直接に正確に測定できれば、プロセスの制御の精度が向上し、製品の高性能化に寄与する。このような事情は半導体や液晶の製造分野に限らず、多くの製造分野で共通に認められる。

測温対象物が搬送される（すなわち、連続的に移動する）などして、熱電対など配線を必要とする温度測定具が使用できない場合に、測温対象物の温度測定を行うことができる温度測定具の一つは、放射温度計などの非接触式温度計である。

しかし、非接触式温度計を用いる場合でも、熱処理炉内を搬送される測定対象物が受ける温度履歴を測定するためには、非接触式温度計自体も測定対象物の搬送に合わせて移動させるか、あるいは非接触式温度計を測定対象物の搬送方向に沿って多数設置する必要があり、設備が複雑化し、設備コストが過大となる問題がある。

配線を必要としない別の温度測定具としては、シール型の温度測定具も挙げられる。シール型の温度測定具は、あらかじめ１０℃刻み、あるいは２５℃刻み等、所定の到達温度ごとに変色する複数の顔料を、樹脂で挟んでシール状にした温度測定具であり、簡易かつ精度に優れた温度測定具であるが、樹脂部材を含むために２００℃以上の高温での測定が難しく、また、材料の溶融現象を利用していることから溶融物質の蒸発を起因とする不純物発生のおそれがあり、不純物による基板の汚染が懸念される環境では使用がためらわれる。

また、最近、基板内部に温度センサ、ＩＣレコーダ、および電池を組み込んだウエハセンサが開発されている。このウエハセンサを用いれば搬送される基板の温度履歴を計測することができる。しかし、電池や半導体素子を使用するため、この基板で測定できる温度範囲は１５０℃程度が限界であり、それより高温の温度測定が難しい。

この他、電気的な配線を使用しない最高到達温度測定具として、セラミックの焼結時の体積変化を利用したもの、セラミックの軟化を利用したもの（ゼーゲルコーン）なども利用されているが、これらセラミックを用いた測定具で測定しうる温度は８００〜１０００℃以上の高温用であり、半導体や液晶の製造分野で求められる１５０〜６００℃程度での温度測定には適していない。

したがって、外部配線を有することなく、１５０〜６００℃程度の最高到達温度の測定が可能で、なおかつ、雰囲気による基板の汚染の懸念が少なく、小型薄型で搬送可能な温度測定具が望まれている。
特開平９−５１６６号公報特開平９−１１３３７９号公報

そこで本発明は、温度測定のために配線などの付加的な機構を不要としつつ、不純物の発生がなく、１５０〜６００℃程度の最高到達温度の測定を可能とする温度測定方法、ならびに、その方法に用いる、温度測定具および温度測定装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明者らは、種々検討を行った結果、シリコンウエハやガラス基板などの硬質の基板上に、アルミニウム薄膜（以下「アルミ薄膜」または、単に「薄膜」と略称する場合あり。）を成膜した基板を加熱した場合、熱処理によってアルミ薄膜表面に突起が形成され、その突起の形成量は基板が受けた温度履歴のうち最高到達温度だけに依存し、昇温時の昇温速度や、加熱処理後の温度保持時間に影響を受けないことを見出した。そして、上記突起の形成は反射率の変化（低下）をもたらすことから、加熱処理前後のアルミ薄膜表面の反射率の変化量（低下量）を測定することで、最高到達温度を推定することができると考え、さらに検討を進め、以下の発明を完成するに至った。

請求項１に記載の発明は、シリコン、ガラス、石英、グラファイト、サファイヤおよびセラミックからなる群から選ばれたいずれか１種の材料からなる基板上に、スパッタ法または蒸着法で膜厚２００ｎｍ以上１８００ｎｍ以下のアルミニウム薄膜を成膜してなる温度測定具を用い、この温度測定具が受けた温度履歴に伴って前記アルミニウム薄膜の表面に形成された突起に起因する、前記アルミニウム薄膜の反射率の低下量を測定し、この反射率の低下量に基づいて、前記温度履歴のうち最高到達温度を推定することを特徴とする温度測定方法である。

請求項２に記載の発明は、前記反射率として、２５０ｎｍ以上８５０ｎｍ以下の波長の入射光に対する反射率を用いる請求項１に記載の温度測定方法である。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の温度測定方法に用いる温度測定具であって、前記成膜直後のアルミニウム薄膜の反射率が、４００ｎｍの波長の入射光に対して８０％以上であることを特徴とする温度測定具である。

請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の温度測定方法に用いる温度測定装置であって、請求項３に記載の温度測定具を設置するための温度測定具設置部と、この温度測定具の前記アルミニウム薄膜の表面に向けて、２５０ｎｍ以上８５０ｎｍ以下の波長を含む入射光を発する発光部と、前記アルミニウム薄膜の表面からの反射光を受ける受光部と、前記入射光の強度と前記反射光の強度とから前記アルミニウム薄膜の表面の反射率を算出する反射率演算部と、前記温度測定具の受けた温度履歴のうち最高到達温度を推定するために、前記算出された反射率を温度に換算する温度換算部と；を備えたことを特徴とする温度測定装置である。

本発明によれば、基板上にアルミニウム薄膜を成膜させた温度測定具を用い、温度履歴に伴って生じた、上記アルミニウム薄膜の反射率の低下量を測定し、これに基づいて最高到達温度を推定することで、配線などの付加的な機構を不要とし、また、樹脂部材を使用しないので、不純物の発生を懸念することなく、１５０〜６００℃程度の最高到達温度の測定を簡便かつ高精度に測定できるようになった。

以下、本発明について、実施形態を例示しつつ、さらに詳細に説明する。

（本発明に係る温度測定具の構成）
本発明に係る温度測定具は、シリコン基板、ガラス基板およびセラミック基板からなる群から選ばれたいずれか１種の基板上に、スパッタ法または蒸着法で膜厚２００ｎｍ以上１８００ｎｍ以下のアルミニウム薄膜を成膜してなることを特徴とする。

以下に、上記構成に至った理由について詳述する。

一般に知られているように、シリコン基板やガラス基板に蒸着法やスパッタ法あるいはめっき法などによって金属薄膜を形成した基板を加熱すると、基板と金属薄膜の熱膨張率の違いによって金属薄膜に応力が加わる。加熱を始めると、まず、金属薄膜は基板と金属膜の熱膨張率の差に起因した応力に応じて弾性変形する。さらに温度が高くなって金属薄膜に加わる応力が大きくなり、限界値に達すると金属薄膜は塑性変形を起こすようになる。その際に、金属薄膜の表面に加わる力が圧縮方向であればその表面に突起が形成される。逆に、強い引張り方向の力が働けば穴が形成されることになる。

加熱時に金属薄膜に加わる応力が圧縮応力になるか引張応力になるかは基板と金属薄膜の組み合わせによって決まるが、例えば、シリコン基板にアルミニウム薄膜を形成した場合には、アルミニウムの方がシリコンより熱膨張率が大きい場合が多いので、アルミニウム薄膜には圧縮応力が加わり、アルミニウム薄膜の表面には突起が形成される。

一度、表面に突起が形成されると薄膜の応力は緩和されるために、その後温度を一定値に保持しても突起の数密度が増加することはない。さらに温度を上昇させれば、上記熱膨張率の差に起因する圧縮応力が生じ、再び突起が形成される。加熱が終了し、基板が冷却されると薄膜に加わる応力は、通常、加熱時とは逆方向の応力が加わるものの、一度形成された突起が消失して平滑になることはないため、突起は室温に冷却されても残存する（図３参照）。

ここで、上記のような、基板上に金属薄膜を形成したものを温度測定具として実用的なものとするためには、薄膜表面上に形成された突起数が最高到達温度だけに依存して、昇温速度や温度一定での保持時間には依存しないことが望ましい。

ところが、これまで突起発生が最高到達温度だけに依存して、昇温速度や温度保持時間に依存するかどうかは不明であった。通常、突起の発生状況は成膜条件や基板の種類によって大きく変化すると考えられ、測定されている突起数密度は実験条件によってまちまちであると考えられる。一般的に、金属薄膜中には空孔や不純物に起因した欠陥があり、その欠陥は熱処理によって拡散していくと考えられており、拡散現象は、温度を一定にして長時間保持すれば進行する。このような拡散現象の影響が大きく、熱処理による突起発生にも大きな影響を与える場合には、温度保持するだけでも突起の形成数が変化してしまう可能性がある。そのような場合、突起発生現象を温度測定に応用することは難しい。また、上記欠陥の拡散速度が昇温速度と同程度であれば、突起の発生は昇温速度にも大きく依存する可能性もある。

そこで、本発明者らは、シリコン基板上およびガラス基板上にスパッタリング法で成膜したアルミニウム薄膜を用い、加熱によってアルミニウム薄膜の表面に突起がどのように形成されるかを調査することで、この突起形成現象を温度測定に応用できるかどうかについて以下のような調査を行った。

まず、突起の形成速度と昇温速度との関係を詳細に調査した結果、突起形成は時間的に速い現象であり、突起の形成開始温度は昇温速度にほとんど影響されないことがわかった。つぎに、突起が形成される温度に達した後、温度上昇を止めてその温度に長時間保持した実験を行った結果、一定温度保持中には突起の増加がないこともわかった。このように成膜条件が適切に選択された金属薄膜を用いれば、昇温速度や、一定温度保持時間によらず、金属薄膜表面への突起形成状態と、基板に印加された最高到達温度との間には一定の関係が存在しうると考えられる。

さらに、上記金属薄膜表面への突起の形成は、金属薄膜表面の反射率の変化量（低下量）と密接な関係があると考え、熱処理前後の金属薄膜の反射率の変化を調査した結果、昇温速度や、一定温度保持時間によらず、金属薄膜表面の反射率の変化量（低下量）と、基板に印加された最高到達温度との間には一定の関係が存在することを見出した。

また、上記のような、シリコンまたはガラスの基板上にアルミニウム薄膜を形成したものを温度測定具として実用性のあるものとするためには以下のような各条件が好適ないし必須であることを見出した。

まず、初期の（温度測定前の）金属薄膜表面ができるだけ平滑であることが好ましい。そのためには、スパッタリング法においては成膜中のＡｒガス圧を１０ｍＴｏｒｒ以下にすることが推奨される。ガス圧が高すぎると、成膜直後にアルミニウム薄膜の表面に凹凸が発生しやすくなるためである。

アルミニウム薄膜の膜厚は、薄すぎると、熱処理による突起形成量が少なくなるため、熱処理後の反射率変化が少なくなって測定が難しい。一方、膜厚が厚すぎると、熱処理による突起形成量は増加し、熱処理による反射率低下量は大きくなるが、成膜時に表面が凹凸化し易くなり、薄膜の表面が白濁して反射率の測定に利用できなくなる。このため、アルミニウム薄膜には適切な膜厚の範囲が存在し、それは２００ｎｍ以上１８００ｎｍ以下である。好ましくは３００ｎｍ以上１６００ｎｍ以下、さらに好ましくは５５０ｎｍ以上１２００ｎｍ以下である。

なお、成膜中の基板温度が上昇しても表面が凹凸化するので、成膜中の基板温度は１００℃以下に保つ必要がある。また、到達真空度が低い低真空の場合にも不純物の混入によって表面が白濁化するので、到達真空度としては２．０×１０^−６Ｔｏｒｒ［ここに、１Ｔｏｒｒ＝（１０１３２５／７６０）Ｐａ］以下の高真空が必要である。

このように成膜条件を制御しながら、シリコンまたはガラスの基板上に所定膜厚範囲のアルミニウム薄膜を成膜することによって、温度測定具として実用しうるものが得られる。

（本発明に係る温度測定方法）
つぎに、本発明に係る温度測定方法は、上記のような温度測定具を用い、この温度測定具が受けた温度履歴に伴って前記アルミニウム薄膜の表面に形成された突起に起因する、前記アルミニウム薄膜の反射率の低下量を測定し、この反射率の低下量に基づいて、前記温度履歴のうち最高到達温度を推定することを特徴とする。

以下、この温度測定方法について、０．６２５ｍｍ厚のシリコン基板上に６００ｎｍ厚のアルミニウム薄膜を成膜した温度測定具を用いて温度測定を実施する場合を例にとって詳細に説明する。
成膜直後の、アルミニウム薄膜（膜厚６００ｎｍ）を成膜したシリコン基板（板厚０．６２５ｍｍ）は、アルミ薄膜側を凹状にして若干そった形となり、アルミ薄膜には引張応力が加わっている。この温度測定具を真空中で加熱していくと、アルミ薄膜が熱膨張するとともに温度測定具は基板側に凹状にそりはじめ、アルミ薄膜には圧縮力が加わって弾性変形して行く。１５０℃付近で薄膜に加わる圧縮力が最大となるとともに、塑性変形が始まる。温度をさらに上昇させると、薄膜表面に直径が０．３〜１μｍ、高さが０．３〜１μｍの突起が形成され始める。突起の形成とともに圧縮応力は減少していき、３５０℃付近で応力がゼロに漸近する。さらに温度を上昇させても応力の変化は認められないが、突起は増加していく。温度測定具の冷却後、薄膜の表面には突起が残存しており、この突起生成に起因して薄膜表面の反射率が低下する。

そこで、上記温度測定具に対して、真空熱処理炉によりアルゴン気流中にて昇温速度５℃／ｍｉｎの条件下で熱処理を施した場合の例を説明する。熱処理前のアルミ薄膜表面の反射率は、波長２５０ｎｍで８６．６％、４００ｎｍで９０．８％、６００ｎｍで９０．３％、８５０ｎｍで８５．０％であり、熱処理開始後から１５０℃までは変化がみられない。

１５０℃以上になると、波長２５０ｎｍから８５０ｎｍのすべての領域で徐々に上記反射率が低下し始め、３４０℃においては、それぞれ７０．０％、７７．５％、８０．７％、７７．８％に低下した。

本例の場合、４００ｎｍの波長の入射光に対する反射率を用いるとした場合、最高到達温度Ｔ（℃）と上記反射率Ｘ（％）との間には、下記式（１）の関係があることがわかった。

Ｘ＝１０１−Ｔ×０．０７（１５０℃以上４００℃以下） …式（１）

また、３４０℃まで加熱した後、その温度における保持時間については、保持時間の有無および長短で反射率に変化は認められなかった。

つぎに、昇温速度を５０℃／ｍｉｎに高めて同様の実験を行ったところ、上記式（１）と同じ関係式が得られることがわかった。さらに、ＲＴＡ（急速熱処理装置）により１０秒間で３００℃まで加熱した場合にも、上記式（１）と同じ関係式が得られることがわかった。

一般に、膜厚などの成膜条件が変更された場合や、基板の種類や厚みが変更された場合には、突起の生成状態が変わるので、本発明方法を用いて温度測定を実施する場合には、測定に供する温度測定具の基板と成膜条件は決定しておかなければならない。しかしながら、一度、成膜条件を定めれば、突起の生成は昇温速度や温度の保持時間に依存せず、最高到達温度のみを反映する結果を得ることができる。したがって、予備実験により、上記式（１）と同形式の関係式を求めておくことで、突起が出現し始める１５０℃から、アルミが溶融する６６０℃までの範囲の温度測定が可能となり、半導体や液晶の製造分野で多用される、１５０℃から６００℃程度までの温度測定に適用できる。

また、本例では、雰囲気をアルゴン気流中から、窒素気流中、大気中にそれぞれ変更した場合にも、上記式（１）に示す、最高到達温度と反射率との関係は維持されることを確認した。したがって、本発明に係る温度測定法を用いれば、雰囲気の種類に依存することなく温度測定が可能となる。

上記反射率の測定を簡便に行うためには、可視光の領域の近辺で行うのが推奨され、その波長の範囲は２５０ｎｍ以上８５０ｎｍ以下の範囲とするのが好ましい。

また、上記反射率をより安定して測定するためには、成膜直後のアルミニウム薄膜の反射率はできるだけ高くするのがよく、４００ｎｍの波長の光に対して８０％以上、さらには９０％以上とするのが望ましい。アルミニウム薄膜の膜厚が４６０ｎｍの場合、成膜直後の反射率が９０％以上となるのは、波長が３５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の範囲であるため、反射率を安定して測定するという観点からは、この波長の範囲内で測定するのが推奨される。いっぽう、熱処理による反射率の低下は、波長が短くなるほど顕著となるため、反射率の低下を明確に検知するという観点からは、波長はできるだけ短くするのが望ましい。しかしながら、波長が短くなると、反射率の測定値のばらつきがやや大きくなる欠点もある。したがって、これらのことを総合的に勘案すると、最も好ましい波長の範囲は３００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲である。

（本発明に係る温度測定装置）
次に、本発明に係る温度測定装置は、以下のように構成すればよい。

すなわち、上記本発明に係る温度測定具を設置するための温度測定具設置部と、この温度測定具のアルミニウム薄膜の表面に向けて、２５０ｎｍ以上８００ｎｍ以下の波長を含む入射光を発する発光部と、上記アルミニウム薄膜の表面からの反射光を受ける受光部と、上記入射光の強度と上記反射光の強度とから上記アルミニウム薄膜の表面の反射率を算出する反射率演算部と、上記温度測定具の受けた温度履歴のうち最高到達温度を推定するために、上記算出された反射率を温度に換算する温度換算部とを備えたものとすればよい。

ここで、上記温度測定具設置部、上記発光部、上記受光部および上記反射率演算部からなる構成は、市販の一般的な反射率測定装置の構成を採用すればよい。

また、上記温度換算部における、反射率を温度に換算する手段としては、上記本発明に係る温度測定方法の項で例示したように、予備実験により求めた式（１）のような形式の関係式に反射率の値を代入して温度（最高到達温度）を算出する手段を用いることができる。

（変形例）
上記実施形態では、基板の材料として、シリコンまたはガラスを例示したが、アルミニウム薄膜の成膜に適した硬質かつ表面が平滑な材料であって、アルミニウムより熱膨張率の小さい材料であればよく、例えば、石英、グラファイト、サファイヤの他、半導体や液晶の基板として一般的に用いられるセラミック（例えば、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム等）を用いてもよい。なお、基板表面は、熱処理によって形成される突起よりも平滑であれば良いため、Ｒａで１μｍ以下とするのが望ましい。

また、上記実施形態では、基板上へのアルミニウム薄膜の成膜手段として、スパッタ法を例示したが、蒸着法を用いてもよい。

（反射率に及ぼす熱処理温度の影響［その１］）
マグネトロンスパッタ装置を用いて、直径６インチ（約１５ｍｍ）、厚さ０．６２５ｍｍのシリコン基板の表面に純度９９．９質量％のアルミ薄膜を６００ｎｍ形成して、温度測定具を作製した。同装置による成膜条件としては、到達真空度：１．２×１０^−６Ｔｏｒｒ、成膜ガス（雰囲気ガス）：Ａｒガス、成膜ガス（雰囲気ガス）圧力：２ｍＴｏｒｒ、投入電力：２Ｗ／ｃｍ^２、基板ターゲット間距離：１００ｍｍ、放電形式：ＤＣ放電、とした。

つぎに、反射率測定装置を用いて、上記温度測定具のアルミ薄膜側の表面に垂直な方向から見て入射角５度、反射角５度の条件で、波長範囲２５０ｎｍから８５０ｎｍまでの領域の反射率測定を行った。その測定結果を図１の「熱処理なし」の曲線に示す。波長４００ｎｍでの反射率は９０．８％であった。

ついで、真空中熱処理装置で、昇温速度５℃／分の昇温速度条件で上記温度測定具の加熱を行った。１５０℃から４００℃までの範囲内で５種類の最高到達温度に対する熱処理実験を行い、各最高到達温度に到達した後、その温度で３０分間保持を行った。上記温度測定具の温度は、センサレー社製の熱電対付き温度ウエハで測定した。各熱処理後に、上記熱処理前と同様の条件で、反射率の測定を行った。その測定結果を、上記熱処理なしのデータとともに図１に併せて示す。同図から明らかなように、最高到達温度１５０℃以上の熱処理によって、アルミ薄膜表面の反射率の低下が生じ、最高到達温度の上昇とともに反射率がより低下することがわかった。

図２に、入射波長４００ｎｍに対する、反射率と最高到達温度との関係を示す。同図より、４００ｎｍの波長に対しては、反射率Ｘ（％）と最高到達温度Ｔ（℃）との関係は下記に再掲する式（１）で表される。

したがって、本温度測定具を、計測したい温度雰囲気下に設置して熱処理した後、波長４００ｎｍでの反射率Ｘを測定し、このＸの値を上記式（１）に代入することによって、最高到達温度Ｔを算出することができる。

上記熱処理前後の温度測定具について、アルミニウム薄膜の表面を微分干渉顕微鏡およびＳＥＭで観察した結果を図３に示す。同図から明らかなように、熱処理前には、薄膜表面は非常に平滑でほとんど凹凸が存在しないのに対し、最高到達温度１５０℃での熱処理後には、薄膜表面に突起が形成され始めているのが認められ、最高到達温度の上昇とともに、薄膜表面の突起数が増加しているのがわかる（なお、同図中、（ａ）〜（ｅ）は微分干渉顕微鏡で観察したものであるが、これらの図中の多数の白っぽい点は突起および穴のいずれであるか不明瞭であった。そこで、（ｅ）の試料についてＳＥＭで観察した結果、同図（ｆ）から明らかなように、ほとんど全部が突起であることが確認された。）以上のことから、熱処理温度（最高到達温度）の上昇による、反射率の低下量の増加は、突起数の増加によるものと推認される。

（反射率に及ぼす昇温速度の影響）
つぎに、上記実施例１と同一の温度測定具を用いて、昇温速度３０℃／分の昇温速度条件で、最高到達温度３４０℃、および、４００℃の各条件で熱処理を行い、反射率を測定した。その測定結果を図４に示す。昇温速度の違いによる反射率の差異は、最高到達温度３４０℃、４００℃の両条件ともに、入射波長が２５０〜８００ｎｍの全範囲内で１％以内に収まっており、また、入射波長が２５０〜５００ｎｍの範囲内では０．５％以内に収まっている。したがって、本温度測定具は、任意の昇温速度条件に適用可能であり、波長４００ｎｍの波長での反射率測定を行う場合、上記式（１）を適用できる。

（反射率に及ぼすアルミニウム薄膜の膜厚の影響）
上記実施例１と同様の成膜条件でアルミニウム薄膜の膜厚を種々変更して温度測定具を作成し、これらを真空中熱処理装置で昇温速度５℃／分で３４０℃まで加熱し、その温度で３０分間の保持を行った。熱処理前後の各温度測定具について、アルミニウム薄膜表面の反射率を測定した結果を表１に示す。なお、同表中の反射率は波長４００ｎｍに対する反射率である。

Ｎｏ．１の膜厚が１００ｎｍの場合は、熱処理による反射率の低下量が小さいため、温度測定に適さない比較例である。Ｎｏ．２〜９の膜厚が２００〜１８００ｎｍの場合は、熱処理前の反射率が８０％以上あることに加え、熱処理による反射率の低下量が３％以上存在し、温度測定に適した発明例である。これらの発明例のなかでも、膜厚が１６００ｎｍ以下の場合は、熱処理前の反射率が８５％以上、さらには、膜厚が１２００ｎｍ以下の場合は、熱処理前の反射率は９０％以上となり、より好ましい。膜厚が５５０ｎｍ以上１２００ｎｍ以下であれば、熱処理前の反射率が９０％以上あり、３４０℃の熱処理による反射率の低下量が１０％以上存在し、最も好適である。

（反射率に及ぼす基板の種類の影響）
上記実施例１のシリコン基板に代えて、直径２インチ（約５ｍｍ）、厚さ０．７ｍｍのコーニング社製＃１７３７ガラス基板を用い、上記実施例１と同様の成膜条件で膜厚６００ｎｍのアルミニウム薄膜を形成して、温度測定具を作製した。この温度測定具を、大気熱処理装置で、昇温速度５℃／分および３０℃／分で、最高到達温度を種々変更して加熱を行った。

熱処理前後の温度測定具について、アルミニウム薄膜表面の反射率を測定し、波長４００ｎｍに対する反射率を図５に示す。いずれの昇温速度についても、１５０℃以上４００℃以下の範囲で、最高到達温度と反射率の低下量にはほぼ同一の比例関係が認められ、温度測定具として使用できることがわかる。

（反射率に及ぼす熱処理温度の影響［その２］）
上記実施例１では、反射率に及ぼす熱処理温度の影響について、４００℃以下の温度範囲においてのみ調査を行ったが、本実施例では、本発明に係る温度測定具を適用しうる温度範囲を確認するため、４００℃を超える高い温度範囲をも含めて再度調査を行った。

温度測定具は、上記実施例１と同じ装置、同じ成膜条件で作製したが、アルミニウム薄膜の膜厚は本実施例では３００ｎｍとした。

つぎに、反射率測定装置を用いて、上記温度測定具のアルミニウム薄膜側の表面に垂直な方向から見て入射角５度、反射角５度の条件で、入射光の波長４００ｎｍでの反射率測定を行った。

ついで、本実施例では、上記実施例１とは異なり大気熱処理炉を用い、昇温速度は上記実施例１と同じ５℃/分の昇温速度条件で上記温度測定具の加熱を行った。１５０℃から７００℃までの範囲内で１０種類の最高到達温度に対する熱処理実験を行い、上記実施例１と同様、各最高到達温度に到達した後、その温度で３０分間保持を行った。炉内の雰囲気温度は熱電対で計測し、上記温度測定具の最高到達温度は、上記実施例１と同じくセンサレー社製の熱電対つき温度ウエハを用いて測定した。各熱処理後に、上記熱処理前と同様の条件で、反射率の測定を行った。その測定結果を、上記熱処理なしのデータとともに図６に併せて示す。同図から明らかなように、最高到達温度（熱処理温度）が１５０℃以上４５０℃以下の範囲においては、最高到達温度（熱処理温度）の上昇に伴って反射率は直線的に低下することが認められ、４５０℃を超え６５０℃までの範囲においては、反射率は、直線的ではなくなるものの、依然として低下する傾向を示すことが認められる。ただし、最高到達温度（熱処理温度）が６５０℃を超えると、反射率の低下は認められなくなる。したがって、本温度測定具は、１５０〜６５０℃の範囲内において温度測定具として使用しうることが確認できた。

（不均一熱処理実験）
本実施例では、温度測定具は上記実施例１および５と同じ装置、同じ成膜条件で作製したが、アルミニウム薄膜の膜厚は上記実施例５と同じく３００ｎｍとし、図７に示すように、メタルマスクを用いて、シリコン基板２上に１０ｍｍ角の正方形のアルミニウム薄膜３を千鳥状に多数並べたような配置で形成した。

そして、模擬的に不均一な熱処理状態にて熱処理実験を行うために、図８に示すように、熱処理炉内のヒータ４と温度測定具１との間に厚さ５ｍｍのアルミナ焼結板５を、温度測定具１の片側２／３ほどと接触するように挟み込み、温度測定具１の残りの１／３ほどが宙に浮いた状態となるように配置した。

この配置状態で、炉内の雰囲気温度６００℃にて最高到達温度で１０分間の保持を行った後、冷却した。

熱処理後、反射率測定装置で、基板鉛直方向からみて入射角５度、反射角５度の条件で、入射光の波長４００ｎｍでの反射率測定を行った。そして、各薄膜ごとに、その反射率から最高到達温度を算出した結果、図９に示すような最高到達温度分布が得られた。なお、上記反射率からの最高到達温度の算出は、上記実施例５で得られた、図６に示す反射率と最高到達温度との関係を定式化した式を用いて行った。

図９より明らかなように、アルミナ焼結板５の中央近傍の上方に位置するアルミニウム薄膜３ａは５９０〜６１０℃に到達しているのに対し、完全に宙に浮いている部分のアルミニウム薄膜３ｂは５５０℃にも到達していないことがわかる。したがって、本温度測定方法を用いることで、基板の設置状態によって生じる最高到達温度分布を忠実にかつ精度良く測定しうることが確認できた。

実施例１における、最高到達温度ごとの、入射波長とアルミニウム薄膜表面の反射率との関係を示すグラフ図である。実施例１における、最高到達温度とアルミニウム薄膜表面の反射率との関係を示すグラフ図である。実施例１における、熱処理前後のアルミニウム薄膜表面の様子を示す平面図である。実施例２における、最高到達温度と昇温速度の組み合わせごとの、入射波長とアルミニウム薄膜表面の反射率との関係を示すグラフ図である。実施例４における、昇温速度ごとの、入射波長とアルミニウム薄膜表面の反射率との関係を示すグラフ図である。実施例５における、最高到達温度とアルミニウム薄膜表面の反射率との関係を示すグラフ図である。実施例６で用いた温度測定具を示す平面図である。実施例６における、熱処理炉内での温度測定具の設置状態を示す縦断面図である。実施例６における、温度測定具の最高到達温度分布を示す平面図である。

符号の説明

１…温度測定具
２…基板（シリコン基板）
３…アルミニウム薄膜
４…ヒータ
５…アルミナ焼結板

Claims

シリコン、ガラス、石英、グラファイト、サファイヤおよびセラミックからなる群から選ばれたいずれか１種の材料からなる基板上に、スパッタ法または蒸着法で膜厚２００ｎｍ以上１８００ｎｍ以下のアルミニウム薄膜を成膜してなる温度測定具を用い、この温度測定具が受けた温度履歴に伴って前記アルミニウム薄膜の表面に形成された突起に起因する、前記アルミニウム薄膜の反射率の低下量を測定し、この反射率の低下量に基づいて、前記温度履歴のうち最高到達温度を推定することを特徴とする温度測定方法。
前記反射率として、２５０ｎｍ以上８５０ｎｍ以下の波長の入射光に対する反射率を用いる請求項１に記載の温度測定方法。
請求項１または２に記載の温度測定方法に用いる温度測定具であって、前記成膜直後のアルミニウム薄膜の反射率が、４００ｎｍの波長の入射光に対して８０％以上であることを特徴とする温度測定具。
請求項２に記載の温度測定方法に用いる温度測定装置であって、
請求項３に記載の温度測定具を設置するための温度測定具設置部と、
この温度測定具の前記アルミニウム薄膜の表面に向けて、２５０ｎｍ以上８５０ｎｍ以下の波長を含む入射光を発する発光部と、
前記アルミニウム薄膜の表面からの反射光を受ける受光部と、
前記入射光の強度と前記反射光の強度とから前記アルミニウム薄膜の表面の反射率を算出する反射率演算部と、
前記温度測定具の受けた温度履歴のうち最高到達温度を推定するために、前記算出された反射率を温度に換算する温度換算部と；
を備えたことを特徴とする温度測定装置。