JPH10206246A - 物体温度の非接触測定装置及び方法 - Google Patents

物体温度の非接触測定装置及び方法

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JPH10206246A
JPH10206246A JP9346525A JP34652597A JPH10206246A JP H10206246 A JPH10206246 A JP H10206246A JP 9346525 A JP9346525 A JP 9346525A JP 34652597 A JP34652597 A JP 34652597A JP H10206246 A JPH10206246 A JP H10206246A
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conductive element
adjusting
zero
heat flux
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    • G—PHYSICS
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Abstract

(57)【要約】 【課題】熱フラックスの測定に基づいて非接触モードに
おいて物体の温度を測定するためのシステム及び方法を
得ること。 【解決手段】このシステムは、物体の温度を測定するた
めの、物体に接近して配置されるべき温度測定装置を有
する。この温度測定装置は、熱伝導素子２０４、第１と
第２の温度センサ２０６と２０８、及び温度調節手段を
含む。第１と第２の温度センサは伝導素子２０４に取付
けられ、その各々が伝導素子の温度を測定する。温度調
節手段は、第１と第２の温度センサにおける温度が実質
的に同じになるまで伝導素子の温度をヒータ２１０によ
り調節する。これらの温度が等しくされたとき、伝導素
子への熱フラックスはゼロになり、伝導素子の温度が物
体の温度を表す。これにより、この装置は物体の温度を
非接触で正確に測ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の利用分野】本発明は、一般に、物体温度を非接
触測定するための方法および装置に関し、特に集積回路
の製造中に半導体ウェハの温度を非接触で測定する方法
および装置に関する。
【０００２】
【発明の背景】半導体処理において、ある製造プロセス
中に半導体ウェハの正確な温度測定をする必要がある。
正確な温度測定は、製造プロセスの制御の重要な一部で
ある。前面の温度がプロセス特性を決定するので、ウェ
ハの前面の温度測定は、しばしば望ましいことである
ら、その温度測定はウェハ表面に接触することなく行わ
れなければならない。ウェハの前面に対して接触する
と、ウェハは汚染され、製造されたデバイスは損傷され
る。更に、ウエハの面に接触することにより、局部的に
ウェハの温度の望ましくない乱れが起きる。輻射による
高温測定法は、波長のある制限された帯域で高温物体に
よって放射される輻射を測定する非接触の温度測定技術
である。この技術は、一般に正確に、速く、しかも容易
に行われる。しかし、製造プロセスが低温処理へ移るに
従って、高温測定法を用いる温度測定は適当でなくな
る。この高温測定技術の１つの欠点は、温度測定が低温
（６００℃以下）において益々雑音的になる。代表的な
冷たい壁の化学的気相堆積法が４５０℃から８５０℃の
温度範囲で動作する場合、６００℃以下の温度測定の正
確性がどうしても必要である。高温測定法の他の欠点
は、それがスプリアスな輻射に敏感であり、またウェハ
から放射される輻射とウェハから反射され、或いはウェ
ハをとおして伝達される輻射の間で区別することができ
ないことである。ウェハ製造において、ウェハはしばし
ば背面に対して加熱されるので、加熱源からウェハを通
して伝達される輻射は、高温測定法の温度測定を実質的
に不明瞭にする。従って、高温測定法は、多くのウェハ
処理ステップ中に実行できる温度測定技術ではない。
【０００３】半導体処理の外に、他の製造プロセスが元
の場所で非接触モードで物体の正確な温度測定をしばし
ば必要とする。従って、少なくとも０℃から１０００℃
までの温度範囲にわてって正確な温度測定を行うことが
できる非接触温度測定方法および装置に対する必要性が
ある。
【０００４】
【本発明の概要】本発明は、熱フラックスをゼロにする
技術を用いることによって、少なくとも０℃から１００
０℃までの温度範囲で正確な非接触温度測定を可能にす
る、非接触温度測定方法および装置である。本発明の温
度測定装置は、物体の温度を測定するために、物体に接
近して第１端に位置されるべき熱伝導性素子を含む。熱
伝導性素子は、熱フラックスが伝導性素子の第１端に導
びかれるように、物体からの熱エネルギーを吸収する。
温度調節装置が伝導性素子の温度を調節するように配置
される。温度調節装置は、伝導性素子の第１端への熱フ
ラックスがゼロに減少されるように、伝導性素子が物体
と熱平衡にされるまで、伝導性素子の温度を調節する。
【０００５】２つの温度センサーが伝導性素子の異なる
位置に取付けられる。第１の温度センサーは、第２の温
度センサーより伝導性素子の第１端に接近して取り付け
られる。温度調節装置を制御するために温度調節制御が
行われる。調節制御は、調節装置を作動させて、２つの
温度センサーが実質的に同じ温度（例えば、±０．５
℃）を測定するまで、伝導性素子の温度を調節する。そ
の点で、伝導性素子は物体と熱平衡にあり、その結果伝
導性素子への正味の熱フラックスはゼロであり、且つ温
度センサーにおける温度は物体の温度を表す。
【０００６】
【実施の形態】図１を参照すると、例えば半導体ウェハ
のような物体の温度を測定するためのシステム１００の
好適な実施の形態が示されている。このシステム１００
は、ゼロ熱フラックスに基づく非接触温度測定を達成す
る。システム１００は、温度測定装置１０４、冷却液源
１０６、及びデータプロセッサ１１４とメモリ１０８を
含む制御装置１０７を有する。メモリ１０８は動作シス
テム１１０と制御プログラム１１２を含む。図１の好適
な実施形態において、測定装置１０４がウェハ１０２の
温度を測定するために配置される場合、その装置１０４
はウェハに１０２に接近して配置されるべきである。測
定装置１０４は第１の温度出力１２２と第２の温度出力
１２４を連続して発生し、各々の出力は装置１０４の温
度を表す。２つの温度出力１２２と１２４はインタフェ
ース１１６へ供給され、そしてメモリ１０８に記憶され
る。
【０００７】データプロセッサ１１４は制御プログラム
１１２を実行し、第１と第２の温度出力１２２と１２４
の値に基づいたヒータ電力信号１２０に対する適切な値
を計算する。好適な実施の形態において、冷却液供給ラ
イン１２６を介して測定装置をとおる冷却液の流れは一
定である。測定装置への冷却液の流れはウェハ１０２の
温度で、或いはその温度以下で装置の温度を維持するよ
うに働く。ヒータコイル２１０（図２参照）によって測
定装置へ伝達される熱の量は、ヒータ電力信号１２０を
介してヒータコイル２１０へ伝達される電力の量によっ
て支配される。測定装置１０４によって測定された熱フ
ラックスが、測定装置１０４がウェハ１０２と熱平衡に
あることを指示するゼロになるまで、冷却液の循環とヒ
ータ電力信号１２０は、測定装置１０４の温度を調節す
るために協力して動作する。ゼロの熱フラックス状態
は、第１の温度出力１２２と第２の温度出力１２４が実
質的に等しい（例えば、±０．５℃）場合に達成され
る。ゼロの熱フラックス状態に達すると、ウェハ１０２
の温度は第１と第２の温度出力１２２と１２４によって
表される。温度測定装置１０４の動作は図２を参照する
ことによって明らかになるであろう。
【０００８】要求される温度装置の精度と測定装置が用
いられるべき環境に依存して、熱平衡と一致するセンサ
の温度測定の最大の差は測定されている温度に依存して
変化する。代表的には、６００℃以下のような低い温度
測定に対して、センサの測定の小さな差は高い温度測定
に対してよりも必要とされる。例えば、±０．５℃のセ
ンサの最大差は６００℃以下の温度に対して用いられて
よい。第２の好適な実施の形態において、測定装置をと
おる冷却液の流れが可変で、データプロセッサ１１４は
冷却液の循環制御信号１１８を計算して、冷却液源１０
６から冷却液の供給ライン１２６を介して測定装置１０
４への冷却液の循環を調節する。冷却液の循環制御信号
１１８は、ウェハ１０２の温度、或いはそれ以下に測定
装置１０４の温度を維持するように動作する。
【０００９】図２を参照すると、温度測定装置１０４の
断面図が示されている。温度測定装置１０４は、この実
施形態において円筒状に形成された熱伝導素子２０４を
有する。好適な実施形態において、熱伝導素子はアルミ
ナ（アルミニウム酸化物）から形成される。応用によれ
ば、熱伝導素子は良好な熱伝導体であるが、しかし制御
装置が温度センサ２０６、２０８間で熱の平衡および非
平衡の間で区別することができるように、充分な熱勾配
を生じることができるものの材料から形成される必要が
ある。図２に示されるように、測定装置１０４は、その
端部の一方、即ち第１の端部でウェハ１０２から距離δ
に配置されるべきである。距離δは伝導素子２０４の直
径より非常に小さくなければならない。第１の温度セン
サ２０６は第１の端部近くの伝導素子２０４に取り付け
られる。第２の温度センサ２０８は、第１の端部からは
なれ、しかも第１の温度センサ２０６から離間されて伝
導素子２０４に取り付けられる。好適な実施の形態にお
いて、電気ヒータコイル２１０が伝導素子２０４に取付
けられて、第２の温度センサ２０８に近接するゾーンを
加熱する。冷却液の入口２１４と出口２１６は、冷却液
供給ライン１２６に接続されて、冷却液源１０６から測
定装置１０４へ冷却液２１２の循環を与える。冷却液２
１２は、伝導素子２０４の第１の端部の反対側で循環さ
れ、伝導素子２０４の温度を下げるように働く。冷却液
２１２と電気ヒータ２１０は、伝導素子２０４の温度を
調節するために共に機能する。
【００１０】図２を参照すると、測定装置１０４は伝導
素子２０４と冷却液２１２を取り囲む絶縁シース２０２
も有する。この絶縁シースは、測定装置１０４の熱安定
性と温度測定の精度を向上するように、同軸状の熱フラ
ックスに対して絶縁するのに充分な材料で具現化される
べきである。例えば、絶縁シースはクォーツ、即ち融解
石英から形成された中空のチューブである。更に、融解
石英、即ちクォーツのチューブは、追加の熱絶縁を与え
る小さな空隙によって、棒状の伝導素子から分離されて
もよい。温度測定装置１０４の動作は図１と図２を参照
して理解することができる。測定装置１０４をウェハか
ら距離δだけ離して位置決めした後、伝導素子２０４は
ウェハ１０２から放射される熱エネルギーを吸収する。
第１と第２の温度センサ２０６と２０８は、伝導素子２
０４の第１の温度と第２の温度を測定する。好適な実施
の形態において、伝導素子２０４は、ウェハ１０２の温
度、或いはそれより僅か下の温度に維持される必要があ
る。その結果、第１の温度の初期値は第２の温度の初期
値より大きく、熱フラックスは伝導素子２０４をとおっ
て導通する。第１と第２の温度読み取りはメモリ１０８
に順に供給される第１と第２の温度出力１２２と１２４
に結合される。データプロセッサ１１４は制御プログラ
ムを実行し、第１と第２の温度出力１２２と１２４に基
づいて、ヒータ電力信号１２０の適切な値を計算する。
その後、ヒータ電力信号１２０は電気ヒータコイル２１
０を作動して、伝導素子２０４の温度を、第１の温度が
第２の温度と実質的に等しく（例えば、±０．５℃）ま
で上昇する。これら２つの温度が等しくなると、伝導素
子２０４はウェハ１０２と熱平衡にあると言われ、ウェ
ハから伝導素子への熱フラックスはゼロにである。熱フ
ラックスがゼロになると、伝導素子２０４の温度はウェ
ハの温度と等しくなる。ウェハ１０２の温度は、メモリ
１０８に記憶された第１の温度出力１２２、或いは第２
の温度出力１２４の何れかに等しい。
【００１１】このようにして、温度測定装置１０４は正
確な非接触温度測定を行うことができる。この測定装置
の利点は、それがウェハ１０２の温度で動作して、ウェ
ハ１０２の表面温度の乱れを最小にすることである。こ
の測定装置の他の利点は、高温（例えば、１０００℃或
いはそれより高い温度）ばかりでなく、低温（例えば、
０℃或いはそれより低い温度）において正確であること
である。本発明は、幾つかの特定の実施形態に関して説
明されたが、それは本発明の例示であり、本発明を限定
して解釈されるべきでない。当業者は、請求項によって
定義された本発明の真の精神および範囲から逸脱するこ
となく、いろいろな変更を行なうことができるであろ
う。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱フラックス測定に基づいた非接触温度測定装
置の好適な実施形態のブロック図である。
【図２】本発明の温度測定システムに含まれる温度測定
装置の断面図である。

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】温度測定装置であって、 第１の端部を有する熱伝導素子、前記第１の端部が物体
    から離れて、接触しない距離に配置され、前記物体は前
    記伝導素子の方向に熱エネルギーを放射し、前記距離は
    第１の端部の大きさより小さいことを特徴とし、 前記第１の端部への熱フラックスがゼロであるように、
    前記伝導素子を前記物体と熱平衡にするために、前記熱
    伝導素子の温度を調節するための温度調節手段、及び前
    記第１への熱フラックスがゼロであるとき、前記第１の
    温度は前記物体の温度を表すように、前記伝導素子の第
    １の温度を測定するための、前記伝導素子に取付けられ
    た第１の温度センサ、を有することを特徴とする装置。
  2. 【請求項２】更に、前記伝導素子の第２の温度を測定す
    るための、前記伝導素子に取付けられた第２の温度セン
    サ、前記第１の温度センサは、前記第２の温度センサよ
    り前記第１の端部に接近して配置され、及び前記伝導素
    子は前記物体と熱平衡にあり、前記第１の端部への熱フ
    ラックスがゼロであるように、前記第１と第２の温度を
    等しくするために、前記温度調節手段を作動するための
    温度調節制御装置、を有することを特徴とする請求項１
    に記載の装置。
  3. 【請求項３】前記温度調節手段は、前記第２の温度セン
    サに接近したゾーンを加熱するための、前記伝導素子に
    取付けられた電気ヒータ、 前記装置に冷却液を循環するための冷却液の入口と出
    口、及び前記物体の温度、或いはそれ以下に前記装置の
    温度を維持するために、前記装置へ冷却液を導くため
    の、前記冷却液の入口と出口に結合された冷却液源、を
    有することを特徴とする請求項２に記載の装置。
  4. 【請求項４】更に、前記装置を熱的に安定するために、
    前記第１の端部を除いて前記装置の全てを実質的に取り
    囲む熱的に絶縁するシース、を有することを特徴とする
    請求項３に記載の装置。
  5. 【請求項５】前記熱伝導素子はアルミナから作られた円
    筒状の棒であることを特徴とする請求項１に記載の装
    置。
  6. 【請求項６】前記第１と第２の温度センサは熱伝対を含
    むことを特徴とする請求項２に記載の装置。
  7. 【請求項７】更に、互いに離間し、且つ第１の温度セン
    サから離間した前記伝導素子に取付けられた複数の温度
    センサを有し、 前記温度調節手段は、第１の温度センサと複数の温度セ
    ンサの温度を等しくすることによって、前記伝導素子を
    前記物体と熱平衡にすることを特徴とする請求項１に記
    載の装置。
  8. 【請求項８】非接触温度測定システムであって、 物体の温度を測定するための、熱伝導素子及び第１の温
    度センサを有する温度測定装置、 前記熱伝導素子は、前記物体から離れた距離に位置され
    るべき第１の端部を有し、前記距離は前記第１の端部の
    大きさより小さく、 第１の温度センサは前記熱伝導素子に取付けられて、前
    記第１の端部への熱フラックスがゼロであるとき前記物
    体の温度を表すように、前記熱伝導素子の第１の温度を
    測定し、 前記第１の端部に吸収された熱フラックスがゼロである
    ように、前記伝導素子を前記物体と熱平衡にするため
    に、前記伝導素子の温度を調節するための温度調節手
    段、 前記温度調節手段を調節するための、温度調節制御信号
    を発生するデータプロセッサ、及び前記第１の温度セン
    サからの第１の温度を受信し、前記温度調節手段を調節
    するために、命令を含む前記データプロセッサによって
    実行のための制御プログラムを記憶するメモリであっ
    て、更に前記第１の温度を表すデータを記憶するメモ
    リ、を有することを特徴とするシステム。
  9. 【請求項９】前記第１の温度センサが前記第２の温度セ
    ンサより前記第１の端部に接近して配置された場合に、
    前記温度測定装置は、更に前記伝導素子の第２の温度を
    測定するための、前記伝導素子に取付けられた第２の温
    度センサを有し、 前記メモリは、更に前記第２の温度の値を更に記憶し、 前記データプロセッサは、前記第１と第２の温度に基づ
    いて、前記温度調節制御信号を発生し、且つ前記温度調
    節制御信号は、前記第１の端部への熱フラックスがゼロ
    であるように、第１と第２の温度を等しくするように、
    前記温度調節手段を調節する、ことを特徴とする請求項
    ８に記載のシステム。
  10. 【請求項１０】前記温度調節手段は、 前記伝導素子の温度を上昇するための、ヒータ電力制御
    信号によって制御された電気ヒータ、及び前記装置へ冷
    却液の循環を与えるための、冷却循環制御信号によって
    制御された冷却液源を備え、 前記データプロセッサは、前記第１の端部への熱フラッ
    クスがゼロであるように、第１と第２の温度を等しくす
    るように、前記ヒータ電力と冷却液の循環制御信号を発
    生することを特徴とする請求項９に記載のシステム。
  11. 【請求項１１】前記温度測定装置は、前記装置を熱的に
    安定するために、前記第１の端部を除いて絶縁シースに
    よって実質的に囲まれていることを特徴する請求項１０
    に記載のシステム。
  12. 【請求項１２】温度測定システム上で実行されるプログ
    ラムによってアクセスするためのデータを記憶するメモ
    リであって、 温度測定装置と温度調節手段を制御するための命令を含
    む制御手順、前記装置は物体の温度を測定するために用
    いられ、且つ熱伝導素子と前記伝導素子に取付けられた
    複数の温度センサからなり、 前記制御手順は、前記伝導素子へ吸収される熱フラック
    スがゼロであるように、前記複数の温度センサにおける
    温度を等しくするように、前記複数の温度センサと命令
    によってなされた温度測定を表すデータを記憶し、前記
    温度調節手段の動作を調節するための少なくとも１つの
    制御信号を計算する命令を含む、ことを特徴とするメモ
    リ。
  13. 【請求項１３】前記温度調節手段は、電気ヒータと冷却
    液源を含み、 前記制御手順は、複数の温度センサにおける温度を等し
    くするために、ヒータ電力を調節することによって前記
    ヒータを調節する第１の制御信号を発生する命令を含
    み、且つ前記制御手順は、更に前記物体の温度或いはそ
    れ以下に前記装置の温度を維持するための前記装置に、
    冷却液の循環を制御することによって前記冷却源を調節
    するために、第２の制御信号を発生する命令を含む、こ
    とを特徴とする請求項１２に記載のメモリ。
  14. 【請求項１４】物体の温度を測定する方法であって、 前記物体に接近するが、接触しないで温度測定装置を位
    置するステップであって、前記装置は熱伝導素子と前記
    熱伝導素子に取付けられた複数の温度センサを有し、 前記複数の温度センサから複数の温度測定を得るステッ
    プ、及び前記伝導素子への熱フラックスがゼロであり、
    前記複数の温度測定が前記物体の温度を表すことを指示
    して、前記複数の温度測定が実質的に等しくなるまで、
    前記伝導素子の温度を調節するステップ、を有すること
    を特徴とする方法。
  15. 【請求項１５】更に、前記伝導素子の温度を調節するた
    めに、電気ヒータと冷却液源を設けるステップと、 複数の温度測定が同じになるまで前記伝導素子の温度を
    上昇するように電気ヒータを調節するステップと、 前記物体の温度、或いはそれ以下に前記装置の温度を維
    持するために、前記装置への冷却液の循環を制御するス
    テップ、を有することを特徴とする請求項１４に記載の
    方法。
JP9346525A 1996-12-17 1997-12-16 物体温度の非接触測定装置及び方法 Pending JPH10206246A (ja)

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