JPH07318426A - ラマン散乱による温度計測装置とその方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 背景光の影響を消去しながら、優れた精度で
加熱被測温物の温度を測定することができるラマン散乱
による温度計測装置(1) と方法(2) を提供する。 【構成】 (1) パルスレーザー光源１と、パルスレーザ
ー光９を加熱被測温物２に照射して生じるラマン散乱光
をストークス光とアンチストークス光に分光する分光器
３と、前記ストークス光とアンチストークス光の各強度
を同時に検出するマルチチャンネル検出器４と、検出し
た光強度の出力比を演算する演算手段５を含む装置にお
いて、パルスレーザー光の発光と検出を同期させるため
のゲートパルサー７をパルスレーザー光源１とマルチチ
ャンネル検出器４に接続した構造。 (2) 加熱被測温物にパルスレーザー光を照射し、パルス
レーザー発光時のみ発生するラマン散乱光をストークス
光とアンチストークス光に分光しながら同時に計測する
方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばアニーリング中
のＳｉウエハーのような加熱されている被測温物にパル
スレーザー光を照射し、発生するラマン散乱光を分光・
検出することにより優れた精度で被測温物の温度測定を
行うことができるラマン散乱による温度計測装置と該装
置を用いた温度計測方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】Ｓｉ半導体を製造する過程で用いられる
各種のプロセス装置において、例えばアニーリング中の
Ｓｉウエハーの温度を測定する方法としては、ウエハー
に接点を接合した熱電対を用いて測温する方法、ウエハ
ーの放射率を装置外から放射温度計を用いて非接触状態
で測温する方法、あるいはウエハーに被せたホルダーの
温度を機器測定して予め求めた検量線により補正して測
温する方法等が知られている。しかしながら、これらの
温度測定手段にはそれぞれ次のような問題点がある。

【０００３】すなわち、熱電対を用いる方法では接点を
直接にシリコンウエハーに埋設、あるいは接合剤により
固定する必要があるためウエハー表面に傷が付く致命的
な欠点がある。放射温度計による測定は、ウエハーの表
面状態が変化した場合には放射率に変動を生じるうえ、
ウエハー以外からの外乱光の影響を受け易く、特にシリ
コンのような赤外域で透過性を有するような被測温物に
ついては正確な温度を検知することができなくなること
がある。またウエハーホルダーを用いる方法では、ウエ
ハーとホルダーの平坦度が僅かでも変化すると接触度合
が変動して大きな測温誤差を生じる。

【０００４】このような問題を解消するために、被測温
物にレーザー光を照射して生じるラマン散乱の強度を検
知することにより非接触状態で加熱物体の温度を測定し
たり制御する技術が数多く開発されている。例えば特開
昭５９−１４０５２４号公報には、蒸着基板等の温度制
御されるべき対象物にレーザー光を照射する光源と、前
記対象物からのラマン光を測定する分光器と、その分光
器による分光スペクトルを検知する受光部（ラインセン
サ）と、受光部の出力信号を増幅する増幅部（マルチチ
ャネルアナライザ）と、この増幅信号を演算して温度情
報に変換する変換部（マイクロコンピュータ）と、変換
部からの温度情報に基づいて前記対象物の加熱手段を制
御する制御部（サイリスタ）とを有する温度制御装置が
提案されている。

【０００５】特開昭６２−１１２３２２号公報には、対
象物にレーザ光を集光照射して集光点のアニール温度を
適確に制御するためのレーザアニール装置として、レー
ザ光の照射により対象物から生ずるラマン散乱光のうち
ストークス光とアンチストークス光の強度を各々検出す
る光検出手段と、検出されたストークス光の強度とアン
チストークス光の強度との関係を検出する検出手段と、
検出された関係があらかじめ設定された関係になるよう
にアニーリング条件を制御する制御手段とを含む機構の
装置が開示されている。特開平２−９００２８号公報に
は、ラマン効果を利用して切削工具の表面温度を測定す
る装置として、切削工具表面に単色光を照射する手段
と、照射された単色光の切削工具表面からの散乱光を入
射して分光する手段と、分光された入射光から切削工具
の構成材料のフォノンが関与するラマン・スペクトルを
測定する手段と、測定されたラマン・スペクトルから前
記フォノンのストークス線及びアンチストークス線の各
ピーク強度を求める手段と、ストークス線とアンチスト
ークス線のピーク強度比及び周波数比に基づいて切削工
具の表面温度を求める手段とを具備する温度測定装置が
提案されている。

【０００６】また、特開平６−３２０３号公報には、ス
トークスラマン光とアンチストークス光の強度を同時に
測定する際に、レーリ光を遮断除去して正確な測温がで
きる顕微ラマン分光光度計を用いた温度測定装置とし
て、レーザ光源と、試料にレーザを照射して散乱光を導
出する顕微鏡的光学手段と、散乱光をストークスラマン
光とアンチストークスラマン光とに分光する分光器と、
分光された各ラマン光の強度を検出する光検出器と、光
強度の検出出力比を求める演算手段とを有し、前記光学
手段と前記分光器との間の光路上にレーリ光を遮断する
ノッチフィルタを配設して、ラマン光を分光する前に予
め光路からレーリ光を除去するようにした装置構成が提
案されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来技
術においてはラマン散乱光に比べて強度が高く、レーザ
ー光と同波長域に生じて検出誤差や測定不能の原因とな
るレーリ散乱光の除去については対策が採られている
が、被測温物から生じる熱放射等の背景光の除去につい
ては全く配慮されていない。この背景光は、測温時に大
きな影響を与える有害因子で、例えば赤熱した高温材料
を測温する場合やプラズマ発光下のような背景光が多い
測温環境ではラマン散乱光が背景光に隠蔽され、検出さ
れるラマン散乱強度のベースが持ち上がる現象が生じて
測温不能を招くことがある。

【０００８】このほか、従来技術によるラマン散乱によ
る温度計測装置ではラマン散乱光のバンド形状の変化を
考慮していないため、ラマンスペクトルが温度変化に伴
って大きく変化する場合には、正確な散乱強度を求める
ことが困難であった。

【０００９】本発明の目的は、従来技術による上記の欠
点を解消し、熱放射等の背景光の影響を効果的に消去
し、かつラマンスペクトルの温度変動に係わりなく常に
優れた精度で加熱被測温物の温度測定が可能なラマン散
乱による温度計測装置とその方法を提供することにあ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明によるラマン散乱による温度計測装置は、パ
ルスレーザー光源と、パルスレーザー光を加熱中の被測
温物に照射して生じるラマン散乱光をストークス光とア
ンチストークス光に分光する分光器と、前記ストークス
光とアンチストークス光の各強度を同時に検出するマル
チチャンネル検出器と、検出した光強度の出力比を演算
するための演算手段を含む温度計測装置において、パル
スレーザー光の発光と検出を同期させるためのゲートパ
ルサーを前記パルスレーザー光源およびマルチチャンネ
ル検出器に接続してなることを機構上の特徴とする。

【００１１】また、上記のラマン散乱による温度計測装
置を用いる本発明の温度計測方法は、加熱中の被測温物
にパルスレーザー光を照射し、パルスレーザー発光時に
のみ発生するラマン散乱光をストークス光とアンチスト
ークス光に分光し、同時に計測することを構成上の特徴
とするものである。

【００１２】図１は本発明に係るラマン散乱による温度
計測装置の構成図を示したもので、１はレーザー光源、
２は被測温物、３は分光器、４はマルチチャンネル検出
器、５は演算装置、６は表示装置である。レーザー光源
１としては、Ｈｅ−Ｎｅレーザー、Ａｒレーザー、Ｎd:
ＹＡＧレーザー、半導体レーザー(LD)などを挙げること
ができるが、本発明の目的にはＮd:ＹＬＦレーザーやＮ
d:ＹＡＧレーザーなどのパルスレーザーが好適に用いら
れる。レーザー光源１からのレーザー光９は、例えば真
空炉等の内部で加熱されている被測温物２に照射される
が、レーザー光９の光路には第２高調波を発生する非線
形光学材料からなる高調波発生器８を配設することもで
きる。この種の高調波発生器８としては、リン酸２水素
カリウム(KDP) 系の非線形光学結晶により形成されたも
のが好適に使用される。

【００１３】レーザー光の照射により被測温物２から誘
起されたラマン散乱光１０は分光器３に入射され、スト
ークス光とアンチストークス光に分光される。ラマン散
乱光１０が入射する分光器３の光路前面には、レーリ光
を除去するためのノッチフィルター１１を配設しておく
ことが好ましい。分光器３によりストークス光とアンチ
ストークス光に分光されたラマン散乱光は、マルチチャ
ンネル検出器４により各強度が同時に検出され電気信号
に変換される。マルチチャンネル検出器４としては、例
えばフォトダイオードアレイ、ＣＣＤ（電荷結合素子）
などが用いられる。マルチチャンネル検出器４により検
出された電気信号は演算手段５に入力され、ここでラマ
ン散乱光強度比が算出されて温度データーとして表示装
置６に表示される。

【００１４】本発明の主要な特徴は、上記の構成におい
て、レーザー光源１およびマルチチャンネル検出器４に
ゲートパルサー７を接続した構成部分にある。ゲートパ
ルサー７は、マルチチャンネル検出器４においてパルス
レーザー光の発光と検出を同期させるために機能する装
置である。該ゲートパルサー７を作動させることによ
り、誘起されたパルスレーザー発光時のみ発生する被測
温物２のラマン散乱光をマルチチャンネル検出器４によ
り検知する。

【００１５】光強度の測定にあたっては、ラマン散乱光
を検出して得られる各波長のラマン散乱強度データを、
予め実験的に検定されたラマンスペクトルの波形にフィ
ッティングさせて求めることが好ましく、この方法を採
ることによって一層正確な温度計測を行うことができ
る。

【００１６】

【作用】本発明に係るラマン散乱による温度計測装置お
よび方法によれば、パルスレーザー光を加熱中の被測温
物に照射し、パルスレーザー発光時のみのラマン散乱光
を分光器でストークス光とアンチストークス光に分光さ
せながらマルチチャンネル検出器で同時かつ選択的に計
測されるから、背景光の影響に基づくラマン散乱強度ベ
ースの持ち上がり現象は効果的に消去され、レーザー光
強度の揺らぎに起因する誤差が除去される。例えば、パ
ルスレーザーの繰り返し周波数を１kHz 、パルス巾を１
０nsとすると、１秒当たりに実際にレーザーが発光して
いる時間は１０μs となる。背景光の影響は検出器の露
光時間に比例するため、レーザー光が強く発光し、ラマ
ン散乱光が発生している短い間だけ選択的に検出するこ
とにより、連続発振に比べて１０万分の１程度まで背景
光を減少させることが可能となる。そのうえ、ストーク
ス光とアンチストークス光を同時に検出するため、レー
ザー光強度の変動誤差がなくなる。このような作用を介
して、高温状態に加熱されている被測温物からの熱放射
スペクトル、ランプアニール時の加熱ランプや表面処理
時のプラズマ光などの外乱光に基づく悪影響は効果的に
除去され、測定不能または測定誤差等の発生が十分に阻
止される。

【００１７】また、予め実験的にラマン散乱の波形を検
知しておき、各波長で得られる散乱強度をフィティング
することにより正確なラマン散乱ピークおよび散乱強度
を求めることができ、常に正確な温度計測を行うことが
できる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明を実施例を比較例と対比して具
体的に説明する。しかし、本発明の態様は実施例に限ら
れるものではない。

【００１９】実施例 図１の構成図に示すラマン散乱による温度計測装置を組
み立てた。レーザー光源１にはＮd:ＹＬＦ（波長;1047n
m 、レーザー出力;10mW)の発振器を用い、高調波発生器
８としてはリン酸２水素カリウム(KDP) 系の非線形光学
結晶のものを使用し、波長５２３．５nmの第２高調波と
してラマン励起させた。分光器３はシングルポリクロメ
ーターを用い、マルチチャンネル検出器４には７００チ
ャンネルフォトダイオードアレイを用いた。分光器３の
前面光路にはレーリ光遮断用のノッチフィルター１１を
配設した。演算手段５および表示装置６としては、パー
ソナルコンピュータ〔ＮＥＣ（株）製、PC9801〕を用い
た。また、ゲートパルサー７にはPrinceton Instrument
s Inc.製、ＦＧ−１００の装置を用い、１KHz 、パルス
巾１０nsの条件に設定した。

【００２０】上記の温度計測装置により、真空炉中で常
温から１３００Ｋまで加熱されているＳｉウエハーを被
測温物２として温度測定を行った。図２に温度変化によ
るラマンシフトとストークス光のラマン散乱強度との関
係を、また図３に温度変化によるラマンシフトとアンチ
ストークス光のラマン散乱強度との関係をグラフとして
示した。なお、ラマンシフトとは、入射レーザーの波数
とラマン散乱光の波数の差を示し、物質固有の値を有す
る。Ｓｉ結晶のラマンシフトは、常温で５２０cm^-1であ
る。これら図から、本発明に従えば１３００Ｋの高温加
熱時にも熱放射等の背景光の影響によるベースの持ち上
がり現象が発生せずにラマン散乱強度が測定でき、同時
に温度上昇に伴ってラマン散乱ピークは低波数側にシフ
トして線幅が広くなる非調和性の傾向が認められた。

【００２１】図４は、図２に相当するラマン散乱強度の
温度差によるストークスラマンスペクトルの実測値とフ
ィティングの説明図である。マルチチャンネル検出器の
各チャンネルから得られる散乱強度データは図中の◇、
○で示されるように波数に対して離散的に得られるが、
このデータからフィティングにより実線で示す正確で連
続的な波形を計算し、得られた波形からラマン散乱強度
を得る。図５は、このようにして得られた本実施例によ
るストークス光およびアンチストークス光のラマン散乱
強度比と被測温物温度の関係グラフである。したがっ
て、ストークス光とアンチストークス光のラマン散乱強
度比を予め検知しておくことにより、図５から直ちに正
確な測温結果を求めることができる。

【００２２】比較例 パルスレーザーを連続発振レーザーに変え、ゲートパル
サー７を組み込まないほかは、実施例と同一のラマン散
乱による温度計測装置を用いた。この装置を用い、波長
５１４．５nmのＡr レーザー光を真空炉中で室温から１
２００Ｋまで加熱されているＳｉウエハーの温度計測を
行った。この例により得られた温度変化によるラマンシ
フトとストークス光のラマン散乱強度との関係を図６
に、また同様にラマンシフトとアンチストークス光のラ
マン散乱強度との関係を図７に示した。これら図から判
るように、温度の上昇とともに熱照射の影響でラマンス
ペクトルのベースが持ち上がって波形ピークが減少し、
１２００Ｋの高温域では熱放射のみで信号が飽和して温
度計測が不能となった。

【００２３】

【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば断続的に
強く発光するパルスレーザー光を加熱被測温物に照射す
ることにより強度の高いラマン散乱光を誘発し、ラマン
散乱光が発生している際のパルス信号のみからストーク
ス光とアンチストークス光を同時かつ選択的に検知する
ことにより、赤熱している高温の被測温物の温度を非接
触状態で精度よく測定することが可能となる。また、予
め実験的にラマン散乱波形を検知しておき、マルチチャ
ンネル検知器の各チャンネルに相当する波長で実測され
るラマン散乱強度をフィティングさせる方法を採ること
により、正確なラマンスペクトルが求められるから、ラ
マン散乱強度比により常に精度よく温度計測を行うこと
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による温度計測装置を示した構成図であ
る。

【図２】実施例によるラマンシフトとストークス光のラ
マン散乱強度との関係グラフである。

【図３】実施例によるラマンシフトとアンチストークス
光のラマン散乱強度との関係グラフである。

【図４】実施例によるラマン散乱強度の温度差によるス
トークスラマンスペクトルの実測値とフィッティングの
説明図である。

【図５】実施例によるラマン散乱強度比と被測温物温度
との関係グラフである。

【図６】比較例によるラマンシフトとストークス光のラ
マン散乱強度との関係グラフである。

【図７】比較例によるラマンシフトとアンチストークス
光のラマン散乱強度との関係グラフである。

【符号の説明】

１ レーザー光源 ２ 被測温物 ３ 分光器 ４ マルチチャンネル検出器 ５ 演算手段 ６ 表示装置 ７ ケートパルサー ８ 高調波発生器 ９ レーザー光 10 ラマン散乱光 11 ノッチフィルター

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 パルスレーザー光源と、パルスレーザー
   光を加熱中の被測温物に照射して生じるラマン散乱光を
   ストークス光とアンチストークス光に分光する分光器
   と、前記ストークス光とアンチストークス光の各強度を
   同時に検出するマルチチャンネル検出器と、検出した光
   強度の出力比を演算するための演算手段を含む温度計測
   装置において、パルスレーザー光の発光と検出を同期さ
   せるためのゲートパルサーを前記パルスレーザー光源お
   よびマルチチャンネル検出器に接続してなるラマン散乱
   による温度計測装置。
2. 【請求項２】 ラマン散乱光が入射する分光器の光路前
   面にノッチフィルターを配設する請求項１記載のラマン
   散乱による温度計測装置。
3. 【請求項３】 加熱中の被測温物にパルスレーザー光を
   照射し、パルスレーザー発光時のみ発生するラマン散乱
   光をストークス光とアンチストークス光に分光し、同時
   に計測することを特徴とするラマン散乱による温度計測
   方法。
4. 【請求項４】 ラマン散乱光を検出して得られる各波長
   のラマン散乱強度データを、予め検定されたラマンスペ
   クトルの波形にフィッティングさせてラマン散乱光強度
   を測定する請求項３記載のラマン散乱による温度計測方
   法。