JPH07311093A

JPH07311093A - 温度測定装置

Info

Publication number: JPH07311093A
Application number: JP10244794A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Hirasawa; 茂樹平澤; Toshihiko Nakada; 俊彦中田; Irario Haruomi Kobayashi; イラリオ治臣小林; Yoko Saito; 洋子斉藤; Tomoji Watanabe; 智司渡辺
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-05-17
Filing date: 1994-05-17
Publication date: 1995-11-28

Abstract

(57)【要約】【目的】固体試料表面の微小領域の温度を非接触で精度
良く測定する温度測定装置とそれを用いて精度良く薄膜
形成を行う半導体熱処理装置。【構成】強いレーザ光源２からの光線が変調器３によっ
て強度が周期的に変化する光線１４となり、試料表面の
温度測定点２１の微小領域を周期的に加熱膨張させる。
さらに、弱いレーザ光源１からの光線は二つの光線１
２，１３に分離され、それぞれ試料上の点２１，２２に
集光して照射され、両者の点からの反射光が重ねられ
て、検出器９に達し、干渉光の強度変化が測定される。
干渉光の強度変化から温度測定点２１の温度を求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体製造用シリコンウ
エハなど固体表面の温度を測定する温度測定装置に係
り、特に、ミクロンオーダー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装置およびその温度測
定装置を設けた半導体熱処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のシリコンウエハの非接触の温度測
定装置として、例えば IEEE 1990 Symposium on VLSI
Technology，105頁〜106頁,(1990年発行）に記載のよ
うに、シリコンウエハの内部あるいは表面近傍を伝わる
振動波の伝播速度がシリコンウエハの温度によって変化
する特性を利用してシリコンウエハの温度を測定してい
た。

【０００３】また、特開昭60ー131430号公報に記載のよ
うに、シリコンウエハから射出される赤外線の強度がシ
リコンウエハの温度によって変化する特性を利用してシ
リコンウエハの温度を測定する、いわゆる、放射温度計
があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】第１の従来技術は、振
動波の伝播する距離での平均温度が測定されてしまい、
ミクロンオーダーの微小領域の局所温度を測定すること
ができなかった。また、第２の従来技術でも、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、赤外線
の量が小さくなりミクロンオーダーの微小領域の温度を
測定することができなかった。

【０００５】本発明の目的は、固体試料表面のミクロン
オーダーの微小領域の温度を非接触で精度良く測定する
温度測定装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、固体表面の温度測定位置に周期的に強度が変化す
るレーザ光を集光させて照射する。さらに、一つのレー
ザ光源から出た光線を分離して形成した二つの弱いレー
ザ光の一方を前記の温度測定装置に照射し、他方を温度
測定位置から少し離れた位置に照射し、両者の反射光を
重ねて検出器に導く。検出器にて二つの反射光の干渉光
の強度変化を測定する。

【０００７】

【作用】温度測定位置に周期的に発光するレーザ光を照
射することにより、温度測定位置を周期的に加熱し、温
度測定位置のごく近傍だけが周期的な熱膨張を繰り返
す。温度測定位置からの弱いレーザ光の反射光は、熱膨
張量の信号が加わったものとなる。一方、温度測定位置
から少し離れた位置からの反射光は、熱膨張に関係のな
いものとなる。両者の反射光を干渉させると、両者の差
を取り出すことができ、すなわち、干渉光の強度変化か
ら熱膨張量の信号だけを取り出すことができる。熱膨張
量は固体の局所温度に依存して変化するため、熱膨張量
の信号から温度測定位置の局所温度を算出することがで
きる。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１から図５によ
り説明する。図１は温度測定装置の原理図を示す。図２
はランプ加熱方式の半導体熱処理装置に使用した垂直断
面図を示す。

【０００９】本発明の温度測定装置は弱いレーザ光源１
（たとえばヘリウム・ネオン・レーザの出力１０ｍ
Ｗ），強いレーザ光源２(たとえばアルゴンレーザの出
力１Ｗ)，通過するレーザ光の強度を周期的に変化させ
る変調器３，半透明鏡４，５，全反射鏡６，レンズ７，
８，検出器（たとえばシリコンホトダイオード）９，演
算機１０により構成されている。弱いレーザ光源１から
の光線１１は、半透明鏡４によって二つの光線１２，１
３に分離される。強いレーザ光源２からの光線１４は変
調器３により、強度が周期的に変化する光線（たとえば
周波数５０ｋＨｚ）となり、半透明鏡５によって、光線
１２と重なり、レンズ７で集光され、試料２０（たとえ
ば半導体シリコンウエハ）上の点２１に垂直に照射され
る。点２１で光線の直径はたとえば２μｍである。試料
２０上の点２１で反射された光線１５は、半透明鏡５を
通過し、半透明鏡４によって反射され、検出器９に達す
る。一方、光線１３は全反射鏡６を経て、レンズ８で集
光され、試料２０上の点２２に垂直に照射される。点２
１と２２との距離はたとえば５μｍである。試料２０上
の点２２で反射された光線１６は、半透明鏡４を通過
し、反射光線１５と重なった光線１７となり検出器９に
達する。

【００１０】上記の構成で動作させた場合、試料上の点
２１は周期的に強度が変化する強いレーザ光の照射によ
って、周期的に加熱され局所的な膨張と収縮が繰り返さ
れる。試料２０の局所的な形状変化の垂直断面図を図３
に示す。局所的に加熱され膨張する範囲はたとえば半径
３μｍ，深さ３μｍであり、膨張量はたとえば２ｎｍで
ある。点２２は弱いレーザ光のみの照射でありほとんど
膨張しない。また点２１と点２２の距離はたとえば５μ
ｍであり、点２２は点２１の膨張する範囲外に位置す
る。

【００１１】従って、点２１で反射される光線１５と点
２２で反射される光線１６は、点２１の膨張量だけ、光
線の光路の距離が短くなって反射している。一つのレー
ザ光源から出た光線が二つの光線に分離され、再び重な
ると二つの光線が干渉し、その干渉光の強度から二つの
光線の光路差を求めることができる。従って、検出器９
に達する干渉光の強度変化から点２１の膨張量を測定す
ることができる。一定量で加熱された時の試料の膨張量
は、試料の局所領域の熱伝導率に逆比例する。一方、試
料の熱伝導率は試料の温度によって変化する。図４にシ
リコンの熱伝導率の温度変化を示す。あらかじめ、試料
の温度と干渉光の強度変化の関係の校正表を求めてお
き、演算機１０に入れておく。以上より、検出器９に達
する干渉光の強度変化から点２１の局所温度を求めるこ
とができる。二つの光線が当る点２１と２２は、近いた
め、試料２０が多少動いたとしても、点２１と２２は同
時に動くためそれによって光路差が生じることはない。
また、弱いレーザ光１の波長を強いレーザ光２や他の光
源の波長と異なるように定めれば、強いレーザ光や他の
光源が測定誤差となることはない。また、レンズ７，８
に焦点位置の自動調整機構を設けて、常に点２１と点２
２の光線の照射される直径を等しくなるよう調整するこ
とは精度向上になる。

【００１２】図５は、シリコンウエハを試料とし、熱電
対を接触させて測定したウエハ温度と、本発明の温度測
定装置によって非接触で測定したウエハ温度の関係を示
す。熱電対を接触させて測定したウエハ温度は真のウエ
ハ温度とみなすことができ、本発明の温度測定装置は非
接触で測定精度±１０℃で正確に測定できていることが
わかる。

【００１３】図２は、本発明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使った例を示す。多数のハ
ロゲンランプ３０に囲まれた中にシリコンウエハ３１が
入れられ、ウエハ３１は石英ガラス製の反応管３２の中
に収納されており、周囲に反射壁３３がある。ランプ３
０からの加熱光によってウエハ３１が約１０００℃に１
分間程度加熱され、反応管３２の中を流れる処理ガス
（たとえば酸素）によってウエハ３１の表面に薄膜（た
とえば酸化膜）が形成される。本発明の温度測定装置３
４によってウエハ３１の温度を正確に測定され、演算機
１０のウエハ温度信号が、コントローラ３６に伝わりラ
ンプ３０の発熱量が制御され、ウエハ３１の温度を規定
の値に正確に保つことができ、精度の良い膜厚の膜がウ
エハ表面に形成される。

【００１４】以上の説明では、検出器９を１点測定セン
サとしたが、検出器をＣＣＤカメラのように多数のセン
サが列をなしていて同時に複数点を測定するものにすれ
ば、試料の面内温度分布を同時に測定できる。

【００１５】本発明の他の実施例の温度測定装置を図６
に示す。一つのレーザ光源２，変調器３，半透明鏡４，
４７，全反射鏡６，４６，フィルタ４０，レンズ７，
８，４４，４５，検出器９，演算機１０によって構成さ
れている。レーザ光源２からの光線４１は半透明鏡４に
よって二つの光線４２，４３に分離される。光線４２は
変調器３によって強度が周期的に変化する光線となり、
レンズ７で集光され、試料２０の点２１に当り、反射光
線が半透明鏡４７によって検出器９に達する。一方、光
線４３はフィルタ４０によって弱い光線となり、試料２
０の点２２に当たりその反射光が、半透明鏡４７を透過
し検出器９に達する。点２１では周期的な加熱によって
膨張と収縮を繰り返すが、点２２は弱い光線のためほと
んど膨張することがなく、両者の反射光の干渉光の強度
変化によって点２１の膨張量と温度を求めることができ
る。本実施例では、レーザ光源が一つでも良い。

【００１６】

【発明の効果】本発明によれば、固体試料表面のミクロ
ンオーダーの微小領域の温度を非接触で精度良く求める
ことができる。本発明を半導体熱処理装置に用いること
により、シリコンウエハに正確に制御した膜厚の薄膜を
形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す温度測定装置の原理
図。

【図２】本発明を半導体熱処理装置に用いた断面図。

【図３】試料の温度測定点近傍の膨張を示す断面図。

【図４】シリコンの熱伝導率と温度との関係を示す特性
図。

【図５】本発明の温度測定装置による温度測定値の実験
結果を示す特性図。

【図６】本発明の他の実施例を示す温度測定装置の説明
図。

【符号の説明】

１…弱いレーザ光源、２…強いレーザ光源、３…変調
器、４，５…半透明鏡、６…全反射鏡、７，８…レン
ズ、９…検出器、１０…演算機、１１〜１７…光線、２
０…試料、２１，２２…点。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者斉藤洋子茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者渡辺智司茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体試料表面の温度測定点の位置に、強度
が周期的に変化する強い光線を集光して照射し、前記温
度測定点のごく近傍のみを周期的に加熱し、さらに前記
温度測定点の位置および前記固体試料表面の他の点位置
の二ヶ所の位置に、一つのレーザ光源から出て二つに分
離されたレーザ光線をそれぞれ照射し、両者の位置から
の前記レーザ光線の反射光線を重ねてできる干渉光の強
度変化を検出器で測定し、前記干渉光の強度変化から、
前記固体試料表面の温度測定点位置の温度を求めること
を特徴とする温度測定装置。