JPH0566976B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は半導体ウエハの温度を処理中に非接触
で測定する装置に関する。

〔発明の背景〕

半導体デバイスの微細化に伴い、製造工程のプ
ロセス管理は、高精度化が要求されている。中で
もCVD法やスパツタリング法による成膜工程で
は安定した膜を得るために温度管理が必要不可欠
である。この温度管理のためには、ウエハの温度
を処理中に非接触で測定することが最上である。

上記の目的で温度を測定する方法として測定対
象物に回折格子を設け、温度の上昇による回折格
子の熱膨張率を測定して温度の上昇分を知る方法
が特開昭56−10220および特開昭58−26235に開示
されている。

これらの方法では、光を照射して反射回折光の
角度変化を検出している。例えば、シリコンの10
℃の変化は、10秒ほどの角度変化に対応する。従
つて、10℃の変化を知るには10秒ほどの分解能で
角度を検出する必要がある。

ところが、これらの方法ではウエハの振動の影
響が考慮されていないため、測定中にウエハが振
動した場合、測定が困難となる。

従つて、治具の熱変形、真空ポンプの振動など
多くの振動モードを持つ処理中のウエハの温度を
測定することが事実上不可能であつた。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、振動の影響を除去して、処理
中のウエハの温度測定を可能とする装置を提供す
ることにある。

〔発明の概要〕

従来の方法では、回折光を集光する際、球面レ
ンズを用いている。その結果、光軸に垂直なｘ−
ｙ平面内のｘ、ｙ両方向について角度変化を拡大
してしまい、ウエハが振動すると光軸がセンサか
らはずれてしまい角度変化を検出できないことを
見出した。そこで、シリンドリカルレンズを用い
たフーリエ変換光学系を用い、一方向だけをフー
リエ変換し、輝線として結像する構成とした。こ
れにより振動に強く、光軸調整が不要で、多種の
ウエハに適用できる温度計とした。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図、第２図及び
第３図により説明する。

実施例は、パルスレーザ４、レンズ６及び７ハ
ーフミラー８より成る光照射部９、 干渉フイルタ２、円筒形レンズ１より成る採光
部３、 一次元固体撮像素子１０ないし１４、一時的記
憶部１５ないし１９、演算処理部２１、制御部２
０、表示部２２より成る検出処理部２３、により
構成される。

また測定対象物である基板２３は、窓２４の設
けられた処理室２５に載置されている。一次元固
体撮像素子にはラインセンサ等が適しよう。

以下、各構成要素の相互の関係を説明する。

光照射部９では、パルスレーザ４から波長0.6μ
ｍの空間的かつ時間的に可干渉性を持つ半値幅数
ｍ secの光が射出される。この光はレンズ６お
よび７によりビーム径を約２mm〜10mm程度に広げ
られる。広げられた光は反射対透過比約１：１の
ハーフミラー８で反射され基板２４上に照射され
る。

ここでパルスレーザ４は、より具体的には、
N₂レーザを励起源にした色素レーザが適する。
適切な色素を選択することにより波長0.6μｍ波長
半値幅５mm程度の光を射出する。この場合、波長
は0.6μｍに限定される必要はなく、後述するよう
に、対象のパターン幅などに応じて適切な値を選
択すべきである。また、パルスの半値幅について
も５mm程度に限定される必要はなく、後述するよ
うに、一次元固体撮像素子の感度、外的振動条
件、必要な測定精度により選択されるべきもので
ある。

さらにパルスレーザ４は、パルスレーザである
必要はなく、空間的かつ時間的に可干渉性を有す
るものであれば良い。より具体的には、He−Ne
レーザ、Arレーザ、He−Cdレーザ、半導体レー
ザ等の連続発振レーザ、YAGレーザ、ルビーレ
ーザ等、他のパルスレーザでも良い。

ウエハから反射された光は、採光部３にとりこ
まれる。採り込まれた光は、干渉フイルタ２によ
り信号光だけを通過させ円筒形レンズ１により、
一方向にのみフーリエ変換される。すなわち、円
筒形レンズ１の円筒方向に垂直な方向ｘのみフー
リエ変換される。

一次元固体撮像素子１０ないし１４が、フーリ
エ変換面２６上に、方向ｘに平行に設置される。
この時一次元固体撮像素子１０ないし１４は、図
示のように重複しながら並べられる。

一次元固体撮像素子１０ないし１４は、検出し
た信号を光電変換し、一次元固体撮像素子１０な
いし１４にそれぞれ設置された一時的記憶部１５
ないし１９に送る。一次元固体撮像素子１０ない
し１４は、一時的記憶部１５ないし１９を有した
ものもある。

ここでパルスレーザ４と、一次元固体撮像素子
１０ないし１４、一時的記憶部１５ないし１９は
制御部２０により制御される。すなわちパルスレ
ーザ４の発振と一次元固体撮像素子１０ないし１
４の感光は同期される。つまり感光時間中に発振
される。

一時的記憶部１０ないし１４に採りこまれた信
号は、演算処理部にとりこまれ、所定の演算がな
され、温度として表示部に表示される。

以下、実施例の動作の説明をする。

最初に原理と動作を説明し、次に振動の影響の
除去法を、光軸方向（ｘ方向）、光軸に垂直な平
面内（ｘ、ｙ方向）、ｘ軸まわりの回転、ｙ軸ま
わりの回転の４種に分けて説明する。複雑な振動
も上記の振動の重なつたものとして考えることが
できる。測定器側の振動も相対的に基板の振動と
同義である。

一般に基板２４（第１図）上のピツチｄなる繰
り返しパタンに波長λなる光を垂直に照射した場
合、以下の式(1)に示した方向θmに光が反射する。
この際、整数ｍを回折の次数という。

sinθm＝ｍ・λ／ｄ ……(1) ここで、基板の温度が上昇した場合、基板の熱
膨脹によりピツチｄが広がり、θmの値が変化す
る。基板の線膨脹係数をα（deg^-1）とすると、
ΛT（℃）の温度変化による回折光の角度変化Λθ
は以下の式(2)に従う。

Λθ＝sin^-1（mλ／ｄ）−sin¹（mλ／ｄ（１＋α
・ΛT））sin^-1（mλ／ｄ）・α・ΛT……(2) ここでの近似関係は、θmの値が小さい程精密
に成立し、例えば、θmが20°の時は４％、10°の時
は１％の誤差となる。

従つて、θmを10°程度とした場合、温度変化量
ΛTと回折光の広がり角度Λθの間には線形な関係
があるとして良い。ここで、さらに高精度の近似
を行う場合、θmを小さくする必要があり、逆に
粗い精度で良い場合はθmを大きく採れる。

光が入射角ｉで入射した場合の回折光の射出方
向θmは以下の式(3)に従う。

sin θm＝ｍ・λ／ｄ−sin ｉ ……(3) この場合、入射方向ｉに近い位置に射出する
θmを選択することができるが、Λθについては式
(2)のような近似は行なえず、以下の式(4)のように
なる。

Λθ＝sin^-1（mλ／ｄ）−sin^-1（mλ／ｄ（
１＋α・ΛT））……(4) 従つてこの式をそのまま用いて、ΛTを算出す
ることもできる。この場合、θmの方向を他の方
法で測定する必要がある。

本実施例では簡単のため、この入射方向に垂直
な方向26に出現する回折光を用いる構成とした。
一般の基板上のパタンは四方八方に回折するた
め、今まで考えていた平面に垂直で、入射光軸を
含む平面内で射出してくる光束をとりこむ。これ
らの光束は式(2)の近似を用いてさしつかえない。

基板２４（第１図）上の任意の位置にパルスレ
ーザ４から光を照射する。この際基板２４上には
たてよこにパタンが形成されているため四方八方
に回折光が回折する。光束の径をある程度の大き
さにすることにより、これらの回折パタンのうち
のいくつかが、干渉フイルタ２を通して円筒形レ
ンズ１にとりこまれる。円筒形レンズ１によりｙ
方向のみフーリエ変換され、一次元固体撮像素子
１０ないし１４上に結像される。ここでパルスレ
ーザ４と一次元固体撮像素子１０ないし１４は、
同期をとつてあり、検出した光を光電変換し、１
時記憶部１５ないし１９に送る。次に各１時記憶
部にとりこまれた情報を演算処理部２１にとりこ
む。

この第１回目の露光により、とりこまれた情報
から、光強度のピーク位置を検出する。このピー
ク位置の中で、なるべく、離れた一次元固体撮像
素子によりとりこまれたものを２つ以上選び位置
を記憶する。x₁、x₂とする。

第２回目の露光を同様に行い、ピーク位置を検
出する。この時、x₁の存在した一次元固体撮像素
子１０ないし１４あるいはその近くのものから検
出した位置をx₁′とする。次に、x₁′よりx₁−x₂だ
け差し引いた位置の近くにx₂′を選択する。この
時、第１回目の露光と第２回目の露光の時間差か
ら予想される基板温度の上昇あるいは下降分から
極端にはずれていない部分にx₂′を選択する必要
がある。温度上昇分は以下の式で求められる。

ΛT＝１／α（x₁′−x₂′）−（x₁−x₂）／x₁−x₂
……(5) 第３回目の露光についても同様に、温度差ΛT
が求められる。

この方法により、ｆ＝300mm、λ＝0.633μｍ、
α−4.2×10^-5、ｄ＝10μｍの場合、ｍ＝２、ｍ＝
−２の２つの回折光を検出すると、式２より５℃
当り15μｍの変化がある。従つて、５℃の分解能
で温度が測定できる。

本実施例は、入射光を含む平面と、一次元固体
撮像素子１０ないし１４が垂直になる構成とし
て、近似式(2)を用いて、温度の算出をしている。

しかしながら、入射光の角度を別の方法で測定
することで、近似しない式(4)を用いて温度を算出
することもできる。

回折光の広がり角度の変化を検出する手段とし
て、本実施例ではレンズによるフーリエ変換を利
用している。以下第２図を用いて説明する。

基板２４（第１図）から射出した回折光が、離
れたところにあるレンズ１に入射した場合を考え
る。この時、レンズの焦点距離をｆとする。ここ
で、測定点２７（第１図）には、空間的に可干渉
な光を平行な光束として照射しているため、反射
回折光も平行な光束として射出する。

この光束がレンズの中心を通り、レンズに対し
てθmの入射角で入射した場合を考える（第２
図）。通常の光学レンズでは、以下の式に示す位
置ｈに焦点を結ぶ。光軸に垂直で焦点を含む平面
はフーリエ変換面と呼ばれている。

ｈ＝ftanθmfsinθm ……(6) 従つて入射角θに応じて、焦点位置ｈは一義的
に決定される。

また、式(2)および式(6)によりパタンピツチｄと
ｈとの関係は以下の式(7)により決定される。

ｈｆ・mλ／ｄ ……(7) 従つて、ｄの変化に対しては次式(8)が成立す
る。

ΛTｆ・ｍ・λ・α・ΛT／ｄ ……(8) すなわち焦点位置ｈの変化が温度変化に対応し
ている。この際、光束がレンズの中央を通らない
場合も、θmの角度で入射したものは原則として
ｈの位置に焦点を結ぶことは、レンズの性質上自
明である。

式(6)は、ここに示した光学系が、測定対象の光
軸方向（ｚ方向）の振動の影響を受けないことを
示している。すなわち測定対象がｚ軸方向に振動
しても、光束のレンズに対する入射角θmは変わ
らないため焦点位置ｈは変わらない。

ここでフーリエ変換レンズと呼ばれる次式(9)に
示す結像式に従うレンズがある。

ｈ＝ｆ sin θ ……(9) このフーリエ変換レンズを用いると式(7)は近似
式でなくなるため、さらに高精度になる。特にθ
が大きくなつた場合に効果は大きい。式(8)を導く
にあたつて、式(7)と(8)間の近似だけになるため近
似の精度が向上する。

エフシータレンズと呼ばれている次式に示す結
像関係式に従うレンズも、通常の球面レンズ同様
に用いることができる。

ｈ＝ｆ・θｆ sinθ ……(10) 次に、光軸に垂直な平面内の振動について考え
る。

この平面内の振動が生じた場合は、光束の照射
位置が変わる。すなわち、同一ピツチのパタンが
広がつている場合は、測定に影響を及ぼさない。

しかしながら現実的には、基板上のパタンピツ
チは、完全に同一ではなく、従つて１つの次数の
回折光といつても完全に同一方向に射出せず、微
妙に異なる方向成分を有して射出する。すなわ
ち、任意の次数の回折光のフーリエ変換像は理想
的には点に結像するはずであるが、現実的には点
に結像しなくなる。従つて光束はできるだけ細い
方がより点に近い像が得られ、結像位置を決定し
やすくなる。しかし、反面、光束の照射位置が変
わつた時に、結像位置が変わつてしまう。すなわ
ち振動に対して弱いことになる。

そこで本実施例では光束の径を広げている。こ
の場合、光の照射された部分からの反射回折光
は、微妙に異なる各ピツチにより決定される方向
に射出するため、そのフーリエ変換像はある程度
の大きさを持つた像になる。しかしながら、ウエ
ハの振動があつても、照射部の一部が変わるだけ
になるため、回折光のフーリエ変換像の位置は大
きく変化することがない。すなわち、安定して像
の位置が決定できるため、軸に垂直な平面内の振
動に対して強い構成となる。

次にｘ軸まわりの振動の除去法について説明す
る。

円筒形レンズを用いることによりｘ軸まわりの
振動を除去している。円筒形レンズにより、例え
ば５mmの径の光束は長さ５mmの輝線になる。この
輝線は、一次元固体撮像素子１０ないし１４の軸
に垂直に結像される。ここで、基板がｘ軸まわり
で回転した場合でも、輝線の軸の位置は移動しな
い。すなわち、ｘ軸まわりの回転の影響が除去さ
れたことになる。輝線をある程度長くより具体的
には、照射光束の径を数mmとすることにより、角
振幅数＋ｍradまでの振動の影響が除去される。

最後にｙ軸まわりの振動の除去方法について説
明する。

基板のｙ軸まわりに仮に周波数70KHz振れ幅数
10ｍradの振動が存在した場合、フーリエ変換面
での像の最大速度は約30μｍ／μsecとなり、半値
幅5n sec程のパルスレーザ４の露光中には1.5μｍ
程度しか移動しない。したがつて、例えば画素の
大きさが15μｍの一次元固体撮像素子を考えれ
ば、十分振動の影響を除去できる。

また、パルスレーザを用いない場合、例えば
100μsec程の露光を行つた場合、フーリエ変換像
は、ピークのにぶいブロードなものになり、精度
はにぶるがピーク位置は検出できる。

次に基板のパタンの方向と、１次元固体撮像素
子の方向とが平行でない場合も、何ら手を加えな
いで温度測定が可能ですることを示す。

この場合、フーリエ変換像のパターン２８ａ，
２９ａは第３図に示すように、温度変化とともに
軸３０にそつて２８ｂ，２９ｂの位置に移動す
る。

本実施例では、式(5)に示したように、パタンの
広がりの比率を求めているため、実際の変化の比
と、検出された変化の比は、以下の式(11)に示すよ
うに等しくなる。すなわち、傾きの影響がない。

X′／Ｘ＝L′／Ｌ ……(11) 以上の様に、任意のパタンを表面に有する基板
について、光が任意の位置に照射されるように設
定するだけで、振動の影響を除いて、温度の測定
が可能になる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、任意の回折パタンが形成され
たウエハの上昇温度を、ウエハに振動が存在する
ような状態であつても、非接触で測定できるた
め、処理中の任意のパタンを有するウエハの温度
を測定できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す全体構成図、第
２図は光学系の原理説明図、第３図は固体撮像素
子に結像した輝線が温度変化に伴い移動すること
を説明する図である。 １……円筒形レンズ、２……干渉フイルタ、４
……パルスレーザ、１０〜１４……一次元固体撮
像素子、２０……制御部、２１……演算処理部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 空間的時間的に可干渉な光源と、光束を拡げ
   平行光束とし測定対象に照射する手段と、該測定
   対象から反射回折してくる光束を集光する手段
   と、該集光した位置に設けられた光検出手段と、
   該検出手段で検出した信号を処理する手段とから
   構成される非接触温度計であつて、前記集光する
   手段が円筒形レンズであり、前記光検出手段が、
   該円筒形レンズの円筒軸に垂直な軸上で、かつ該
   円筒形レンズのフーリエ変換面上に設置されてい
   ることを特徴とする半導体ウエハ用非接触温度
   計。