JPH1062270A - 温度測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 レーザ光を用いて半導体基板の温度を非接触
で測定する温度測定方法及び装置に関し、被測定物の温
度を変化することなく、また、測定開始時から精度よく
温度の測定が可能な温度測定方法及び装置を提供する。 【解決手段】 被測定物に干渉性のある光を照射し、被
測定物を反射又は透過した干渉光の強度に基づいて、被
測定物の温度の変化量を測定する温度測定方法におい
て、温度測定前に、干渉性のある光を発する測定光発振
部の温度を変化して干渉性のある光の波長を変化するこ
とにより、干渉光の強度の極大値と極小値を予測する予
測過程と、温度測定時に、測定した干渉光の強度と、予
測した極大値と極小値に基づいて被測定物の温度の変化
量を測定する測定過程とにより温度測定を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被測定物にレーザ
光を照射して、被測定物の物理量を測定する測定方法に
関し、特に、レーザ光を用いて半導体基板の温度を非接
触で測定する温度測定方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の半導体集積回路の製造工程におい
ては、その特性がかなりの程度で温度制御に依存してお
り、半導体基板に対して非接触で、しかも正確な温度測
定が要求されている。このような非接触な半導体基板の
温度測定装置として、被測定基板の表面での反射光と裏
面での反射光による干渉光の強度が温度により変化する
ことを利用した温度測定方法が、特開平３−９６２４７
号公報に開示されている。温度が変化すると、被測定基
板の誘電率が変化すると共に、被測定基板が膨脹して厚
さが変化するので、干渉光の強度の変化を観測すること
により温度の変化を測定することができる。

【０００３】しかしながら、特開平３−９６２４７号公
報に開示された温度測定方法では、温度が上昇中である
か下降中であるか判定できなかった。特開平３−９６２
４７号公報に開示された温度測定方法と同様の原理によ
る測定方法であって、温度変化の方向をも測定できる温
度測定装置が、文献（K.L.Saenger, et al., "Waveleng
th-modulated interferometric thermometry for impro
ved substrate temperature measurement", Rev. Sci.
Instrum. Vol.63, No.8, pp.3862-3868, August 1992.
）に提案されている。

【０００４】この文献に記載された温度測定装置は、発
振波長が約１．５μｍの半導体レーザを使用し、その半
導体レーザに注入する電流を変化させることにより波長
変調したレーザ光を被測定基板に照射する。その被測定
基板からの反射光による干渉光を受光素子により受光し
て受光信号に変換し、さらに受光信号をロックインアン
プにより波長微分する。微分した受光信号と微分してい
ない受光信号とに基づいて温度が上昇中か下降中か判断
する。

【０００５】しかしながら、上記従来の温度測定装置に
よれば、レーザの変調装置やロックインアンプ等のよう
に多くの機器と装置が必要となり、装置の構成が複雑と
なり、コスト高となることがあった。また、１秒間に１
００℃以上変化するような急激な温度変化を正確に測定
するためには、更に高速な機器及び装置が必要となり、
更にコスト高となることがあった。また、従来の温度測
定装置によれば、干渉光波形の平均値を横切った時にし
か温度変化の方向を測定できないため、詳細な温度測定
が不可能であった。

【０００６】本願発明者等は、このような課題を解決す
る温度測定方法として、半導体レーザから発振されるレ
ーザ光の発振波長が立上がり時にシフトするという特徴
を有する半導体レーザを用いる温度測定方法を特願平６
−４０２７４号明細書において提案した。特願平６−４
０２７４号明細書記載の温度測定方法では、上記の半導
体レーザを用いることにより異なる波長のレーザ光を簡
単に得ることができるので、測定にあたって波長微分を
行う必要がなく、ロックインアンプも不要となり、簡単
な構成で安価な温度測定装置を実現することができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の温度測定方法では、被測定物の温度を変化させるこ
とによって生じる干渉光の変化を測定することにより、
温度測定の開始後に干渉光の最大値と最小値、及び測定
開始直後の干渉状態を得ていた。従って、従来の温度測
定方法により温度測定を行う場合、温度の計測に必要な
干渉光の最大値、最小値、及び干渉状態は、少なくとも
干渉状態が一周期以上変化する温度変化がなければ知る
ことはできなかった。また、測定開始時に得られている
干渉光がどの干渉状態（フェイズ）にあるかを知ること
はできなかった。

【０００８】また、被測定物の温度を変化すればこれら
所望の情報を得ることはできるが、温度測定のために被
測定物の温度を変化して干渉光を測定することは望まし
くなく、また、被測定物の温度を元に戻すためには更に
時間が必要であった。特に、高真空中に載置された被測
定物を測定するためにはその影響は大きかった。本発明
の目的は、被測定物の温度を変化することなく、また、
測定開始時から精度よく温度の測定が可能な温度測定方
法及び装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的は、被測定物に
干渉性のある光を照射し、前記被測定物を反射又は透過
した干渉光の強度に基づいて、前記被測定物の温度の変
化量を測定する温度測定方法において、温度測定前に、
前記干渉性のある光を発する測定光発振部の温度を変化
して前記干渉性のある光の波長を変化することにより、
前記干渉光の強度の極大値と極小値を予測する予測過程
と、温度測定時に、測定した干渉光の強度と、予測した
前記極大値と極小値に基づいて前記被測定物の温度の変
化量を測定する測定過程とを有することを特徴とする温
度測定方法によって達成される。このようにして温度測
定を行うことにより、測定開始後に干渉光強度の極大値
と極小値を測定する必要はないので、測定開始直後から
直ちに温度測定を行うことができる。また、被測定物の
温度を変化することなく干渉光強度の極大値と極小値と
を予測することができる。

【００１０】また、上記の温度測定方法において、前記
測定光発振部を所定の温度に設定し、前記測定過程にお
ける前記干渉光を所望の干渉状態とすることが望まし
い。このようにして温度測定を行うことにより、測定精
度を大幅に向上することができる。また、上記の温度測
定方法において、前記測定光発振部の前記所定の温度
は、目的とする測定温度が前記干渉光の強度の前記極大
値と前記極小値のほぼ中央に位置するように調節するこ
とが望ましい。このようにして温度測定を行うことによ
り、測定精度を大幅に向上することができる。

【００１１】また、上記の温度測定方法において、前記
干渉性のある光は、パルス状のレーザ光であることが望
ましい。また、上記の温度測定方法において、前記レー
ザ光を発振する光源は、パルス発振を行ったとき、パル
スの立ち上がり時の発振波長が、立ち上がりから０．５
ｍｓｅｃ経過した後の発振波長とは異なる波長のレーザ
光を発振することが望ましい。このようなレーザ光源を
用いれば、温度測定に用いる異なる波長のレーザ光を簡
単に得ることができる。

【００１２】また、上記目的は、被測定物に干渉性のあ
る光を照射し、前記被測定物を反射又は透過した干渉光
の強度に基づいて、前記被測定物の温度を測定する温度
測定装置において、前記被測定物に前記干渉性のある光
を照射する照射手段と、前記照射手段に設けられ、前記
照射手段の光発振部の温度を変化して前記干渉性のある
光の波長を変化する波長変化手段と、温度測定前に、前
記波長変化手段により前記被測定物に入射する前記干渉
性のある光の波長を変化することにより前記干渉光の強
度の極大値と極小値を予測する予測手段と、温度測定時
に、測定した干渉光の強度と、予測した前記極大値と極
小値に基づいて前記被測定物の温度を測定する測定手段
とを備えたことを特徴とする温度測定装置によっても達
成される。このようにして温度測定装置を構成すること
により、被測定物の温度を変化することなく、また、測
定開始時から精度よく被測定物の温度を測定することが
できる。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の第１実施形態による温度
測定方法及び装置について図１乃至図７を用いて説明す
る。図１に本実施形態による温度測定装置の構成を示
す。本実施形態の温度測定装置では、半導体基板の両面
研磨された部分であって、レーザ光に対して内部反射に
よる光の干渉を生じる部分にレーザ光を照射し、その反
射光による干渉光の強度変化を観察することにより被測
定基板の温度を決定する。

【００１４】被測定物である半導体基板６は、チャンバ
４内に収納され、半導体基板６を加熱するヒータ５上に
載置されている。半導体レーザ１にはパルス電源１１が
接続されている。パルス電源１１は例えば５０Ｈｚのパ
ルス電流を供給し、これにより、半導体レーザ１からは
パルス状のレーザ光が出射される。また、半導体レーザ
１には、後述のコンピュータ１０によって温度の制御が
可能なペルチェ素子１２が設けられており、半導体レー
ザ１の温度を調整できるようになっている。

【００１５】チャンバ４には、半導体レーザ１から出射
されたレーザ光をチャンバ４内に導入するための光学窓
（図示せず）が設けられている。半導体レーザ１から出
射されたパルス状のレーザ光は、光ファイバ２を介して
コリメート光学部３に導かれる。パルス状のレーザ光
は、コリメート光学部３により平行光線束とされ、チャ
ンバ４内の半導体基板６に照射される。

【００１６】半導体基板６による反射光は、光受光器７
により受光される。なお、光受光器７としては、立ち上
がり時間が５０μｓ以下であることが望ましい。光受光
器７により受光された受光信号は、データ信号線８を介
してＡ／Ｄ変換ユニット９に伝送される。Ａ／Ｄ変換ユ
ニット９はアナログ信号である受光信号をデジタル信号
に変換し、コンピュータ１０に出力する。

【００１７】コンピュータ１０は入力されたデジタル受
光信号から、反射光による干渉光の強度変化を計算し、
その計算結果に基づいて測定温度と共に温度変化方向を
決定する。本実施形態による温度測定方法は、半導体レ
ーザ１からパルス状のレーザ光を出射した場合、レーザ
光の波長がパルスの立上がり時には数オングストローム
だけ短くなり（第１波長ｐ１）、その後は長くなる（第
２波長ｐ２）ことを利用している。

【００１８】このことを明らかにするために、温度上昇
中の半導体基板６にパルス状のレーザ光を照射した時に
得られた干渉光強度を示す観測波形を図２に示す。図２
は、パルス幅が５ｍｓｅｃのパルス状のレーザ光を照射
した場合である。縦軸は電圧で１目盛当り２Ｖ、横軸は
時間で１目盛当り１ｍｓである。図２に示すように、パ
ルス状のレーザ光の立上がり直後は、干渉光強度が最も
強く、その後、徐々に減少し、約２ｍｓｅｃ以降は安定
している。この過渡的な変化は、チョッパによりレーザ
光をパルス状にしたときには見られない。図２の測定時
には半導体基板６の温度は一定である。

【００１９】半導体基板６の温度が一定の場合、干渉光
の強度はレーザ光の波長に依存するから、図２のグラフ
は、パルス状のレーザ光では発振波長が過渡的に変化し
ていることを示している。本実施形態では、パルス状の
レーザ光の立上がり直後に短い波長のレーザ光が出力さ
れる。本実施形態では、約１０ｍｓｅｃのパルス幅のレ
ーザ光を用い、第１波長ｐ１のレーザ光をパルスの立上
がり後０．１２ｍｓｅｃの時点でサンプリングし、第２
波長ｐ２のレーザ光をパルスの立上がり後８ｍｓｅｃの
時点でサンプリングしている。なお、第１波長ｐ１のレ
ーザ光としては、立上がり後の約０．５ｍｓｅｃ以内に
発振されるレーザ光を用いることが望ましい。

【００２０】このようなレーザ光を発する半導体レーザ
１としては、０．５μｍ以上、３μｍ以下の発振波長を
有するIII-V族半導体レーザを適用することができる。
本実施形態では、ＮＥＣ製ＮＤＬ５６００（１３１０ｎ
ｍ光ファイバ通信用のＩｎＧａＡｓＰ位相シフト型ＤＦ
Ｂ−ＤＣ−ＰＢＨレーザダイオード；出力約０．５ｍ
Ｗ）を使用した。なお、半導体レーザ１としては、１０
Ｈｚ以上のパルス発振が可能なＡＰＣ付の半導体レーザ
により構成することが望ましい。

【００２１】また、第１波長ｐ１のレーザ光と第２波長
ｐ２のレーザ光とを同一のパルスから得る必要はない。
第１波長ｐ１のレーザ光として、あるパルスの立上がり
後０．１２ｍｓｅｃの時点でサンプルしたレーザ光を用
い、第２波長ｐ２のレーザ光として、他のパルスの立上
がり後８ｍｓｅｃの時点でサンプルしたレーザ光を用い
てもよい。

【００２２】次に、本実施形態による温度測定装置の測
定原理について図３乃至図５を用いて説明する。図３
は、測定温度と干渉光強度の関係を示すグラフであり、
図４（ａ）乃至（ｃ）は、パルス状のレーザ光を用いた
場合の波長変化と干渉光強度の変化を示すグラフであ
り、図５（ａ）は第１波長ｐ１及び第２波長ｐ２による
干渉光強度を示すグラフであり、図５（ｂ）は半導体基
板６の温度の時間的変化を示すグラフであり、図５
（ｃ）は干渉光と半導体基板６の温度変化との関係を説
明する図である。

【００２３】本実施形態の温度測定装置において、ヒー
タ５の上に半導体基板６として例えばシリコン基板を載
置する。半導体レーザ１から出射されたレーザ光を半導
体基板６に照射すると、図１に示すように、半導体基板
６の上面と下面からそれぞれ反射されたレーザ光が干渉
し、その干渉光が半導体基板６の反射光となる。そし
て、ヒータ５により半導体基板６を加熱しながら、半導
体レーザ１から出射されたレーザ光をコリメータ光学部
３を介して半導体基板６に照射する。半導体基板６から
の反射光を光受光器７により受光し、その干渉光の強度
をコンピュータ１０により解析する。

【００２４】その結果、図３に実線で示すような温度・
干渉光強度特性が得られ、半導体基板６の温度を上昇さ
せていくと干渉光の強度は正弦波に似た周期波形形状に
変化する。その原理は次のようである。半導体基板６の
誘電率（屈折率）と厚さは温度上昇につれて増加するの
で、半導体基板６内での光学的距離が変化する。これに
より、半導体基板６の下面で反射して上面から出射する
レーザ光と、半導体基板６の上面で反射するレーザ光と
は、温度変化により位相変化を生じる。

【００２５】したがって、半導体基板６から反射された
干渉光の強度は温度変化によって正弦波状に変化し、１
周期の温度変化ΔＴ（Ｔ）［℃］は、半導体基板６の厚
さをＬ、屈折率をｎとすると、次式で計算できる。 ΔＴ＝λ／｛２ｎＬ（α＋β）｝ 但し、α＝（１／Ｌ）×（ｄＬ／ｄＴ） β＝（１／ｎ）×（ｄｎ／ｄＴ） ここで、αとβをそれぞれ求めることは難しい。したが
って、（α＋β）を実験により求めた。

【００２６】すなわち、実験の初期値からの差により計
算される干渉光の強度の周波数ｆと、測定温度の校正曲
線とから、１周期の温度変化ΔＴ（Ｔ）を、次に示す５
次の近似式として算出した。 ΔＴ（ｆ）＝１２．２７８＋１１．０１２×ｆ−０．１３２２２×ｆ2 ＋０．００１８３９９×ｆ3 −１．５８０３×１０-5×ｆ4 ＋５．５３６４×１０-8×ｆ5 したがって、半導体基板６の温度は、加熱開始時の温度
Ｔｏ［℃］と温度変化の周期数により決定される。

【００２７】一方、半導体基板６はヒータ５により加熱
されたり冷却されたりされ、温度が上昇する場合と下降
する場合がある。したがって、半導体基板６の温度を決
定するためには温度変化方向を知る必要がある。その判
別原理を説明する。パルス電源１１から５０Ｈｚ程度の
パルス状の電流を半導体レーザ１に注入して、半導体レ
ーザ１から５０Ｈｚのパルス状のレーザ光を半導体基板
６に照射する。そのとき、半導体レーザ１から出射され
るパルス状のレーザ光の波長は、図４（ａ）に示すよう
に、立上がり時が短く、定常状態になるまでに長くなる
という性質を有している。

【００２８】半導体レーザ１からのパルス状のレーザ光
の立上がり時の第１波長ｐ１（＝λ−Δλ）は、その後
の定常状態の第２波長ｐ２（＝λ）よりΔλだけ短くな
る。第１波長ｐ１（＝λ−Δλ）のレーザ光を半導体基
板６の反射光強度と温度の関係を示す温度・干渉光強度
特性は、図３に破線で示すように、第２波長ｐ２（＝
λ）の場合よりもφだけ位相が進んでいる。

【００２９】なお、半導体レーザ１からのパルス状のレ
ーザ光の立ち上がり後０．５ｍｓ以内に発振されるレー
ザ光の第１波長ｐ１（＝λ−Δλ）と、それ以後に発振
されるレーザ光の第２波長ｐ２（＝λ）の最大の差Δλ
は、半導体基板６の屈折率ｎ、半導体基板６の厚みｄに
対して、｜Δλ｜＜λ2 ／（２ｎｄ＋λ）の関係を満た
すようにすれば、適切な干渉が発生する。

【００３０】以上のことから、半導体基板６の温度が上
昇する過程において、干渉光強度が上昇していく場合に
は、第２波長ｐ２の干渉光強度Ｉ2 は、それより短い第
１波長ｐ１の干渉光強度Ｉ1 よりも小さくなり、干渉光
強度が下降していく場合には、逆に第２波長ｐ２の干渉
光強度Ｉ2 は、それより短い第１波長ｐ１の干渉光強度
Ｉ1 よりも大きくなることがわかる。

【００３１】また、これに対して、半導体基板６の温度
が下降する過程において、干渉光強度が上昇していく場
合には、第２波長ｐ２の干渉光強度Ｉ2 は、それより短
い第１波長ｐ１の干渉光強度Ｉ1 よりも大きくなり、干
渉光強度が下降していく場合には、逆に第２波長ｐ２の
干渉光強度Ｉ2 は、それより短い第１波長ｐ１の干渉光
強度Ｉ1 よりも小さくなることが分かる。

【００３２】図４（ａ）に示すパルス状のレーザ光の半
導体基板６からの反射光に対して、図４（ｂ）に示すよ
うにパルス状のレーザ光の立上がり時に干渉光強度が大
きくなる場合と、図４（ｃ）に示すようにパルス状のレ
ーザ光の立上がり時に干渉光強度が小さくなる場合があ
る。図４（ｂ）は、図３において温度Ｔ１の干渉光強度
の変化に対応し、図４（ｃ）は、図３において温度Ｔ２
の干渉光強度の変化に対応し、図３と図４（ｂ）及び
（ｃ）における○印と×印は対応している。

【００３３】したがって、図４（ａ）に示すパルス状の
レーザ光の半導体基板６からの反射光に対する干渉光強
度を立上り直後（×印）と一定時間後（○印）において
測定し、図４（ｂ）に示すようにパルス状のレーザ光の
立上がり時の干渉光強度がそれ以降の干渉光強度より小
さいか否かという点と、図４（ｃ）に示すように、パル
ス状のレーザ光の立上がり時の干渉光強度がそれ以降の
干渉光強度より大きいか否かという点と、第１波長ｐ１
の干渉光の強度Ｉ1 又は第２波長ｐ２の干渉光の強度Ｉ
2 の干渉波形がどちらに傾いているかという点とに基づ
いて、温度が上昇中であるか下降中であるか判断する。

【００３４】すなわち、干渉光の強度波形の尾根近傍と
谷近傍を除外して考えると、第１波長ｐ１の干渉光の強
度Ｉ1 又は第２波長ｐ２の干渉光の強度Ｉ2 が増加して
いる時点において、第１波長ｐ１の干渉光の強度Ｉ1 が
前記第２波長ｐ２の干渉光の強度Ｉ2 よりも大きい場合
（Ｉ1 ＞Ｉ2 ）は、半導体基板６の温度が上昇中である
と判断し、第１波長ｐ１の干渉光の強度Ｉ1 が第２波長
ｐ２の干渉光の強度Ｉ2 よりも小さい場合（Ｉ1 ＜Ｉ2
）は、半導体基板６の温度が下降中であると判断す
る。第１波長ｐ１の干渉光Ｉ1 又は第２波長ｐ２の干渉
光の強度Ｉ2 が減少している時点において、第１波長ｐ
１の干渉光の強度Ｉ1 が前記第２波長ｐ２の干渉光の強
度Ｉ2 よりも大きい場合（Ｉ1 ＞Ｉ2 ）は、半導体基板
６の温度が下降中であると判断し、第１波長ｐ１の干渉
光の強度Ｉ1 が第２波長ｐ２の干渉光の強度Ｉ2 よりも
小さい場合（Ｉ1 ＜Ｉ2 ）は、半導体基板６の温度が上
昇中であると判断する。

【００３５】本実施形態における判断方法について具体
的に説明する。まず、半導体レーザ１からパルス状のレ
ーザ光を周波数５０Ｈｚで半導体基板６に照射する。そ
の反射光を光受光器７により受け、干渉光の強度をコン
ピュータ１０によりパルス毎に記録する。この場合、図
４（ｂ）及び（ｃ）に示すように、パルス状のレーザ光
の立上がりから０．５ｍｓｅｃ以内の一時点で発振され
る第１波長ｐ１による干渉光強度Ｉ1 と、０．５ｍｓｅ
ｃ後に発振される第２波長ｐ２による干渉光強度Ｉ2 と
を抽出して、これを記憶する。

【００３６】例えば、ヒータ５により、半導体基板６の
温度を時間（ｔｏ〜ｔｍ）で上昇させた後に、時間（ｔ
ｍ〜ｔ２）で下降させ、半導体基板６からの反射光強度
と時間との関係を測定したところ、図５（ａ）に示すよ
うな測定結果が得られた。図５（ａ）において、正弦波
に似た周期波形形状の実線は第２波長ｐ２（＝λ）の干
渉光強度を示し、正弦波に似た周期波形形状の破線は第
１波長ｐ１（＝λ−Δλ）の干渉光強度を示す。

【００３７】このようにして得られた図５（ａ）に示す
干渉光強度から温度変化を求めると、図５（ｂ）に示す
ようになる。なお、干渉光の強度波形の尾根近傍と谷近
傍では、上記の物理的な関係とは逆になる。その部分で
は第２波長ｐ２と第１波長ｐ１の干渉光の強度差が小さ
いので、第２波長ｐ２と第１波長ｐ１の干渉光の強度差
に所定のしきい値を設け、所定値以上の干渉光の強度差
が生じた時にのみ温度の変化方向を決定する。

【００３８】例えば、第１波長ｐ１による干渉光強度Ｉ
1 の極大値をＩ1max、その時の第２波長による干渉光強
度をＩ2 ′とした時、干渉光強度の差に対してしきい値
Ｉth＝（Ｉ1max−Ｉ2 ′）を設け、｜Ｉ1 −Ｉ2 ｜≦Ｉ
thの場合と｜Ｉ1 −Ｉ2 ｜＞Ｉthとでは異なったアルゴ
リズムを使用することにより、温度変化の方向を正しく
判断するようにしている。

【００３９】また、別の方法として、干渉波形の尾根、
谷近傍にあるＩ1 −Ｉ2 ＝０の点とその尾根、谷の間は
温度変化方向を決定しないようにするか、又は、その間
は、図５（ｃ）に示す温度変化方向の判定条件を入れ換
えることにより、温度変化の方向を正しく判断すること
ができる。ここで、このような温度測定を行うためには
干渉光強度の極大値と極小値とを測定する必要がある。
従来は、干渉光の強度が少なくとも１周期変化するまで
被測定基板の温度を変化させ、干渉光の強度測定を行う
ことによって干渉光の極大値、極小値、干渉状態の測定
を行っていた。しかし、前述のように、被測定基板の温
度を変化することは望ましくない。

【００４０】そこで、本実施形態では以下の方法により
干渉光の極大値、極小値、干渉状態を得る。本実施形態
による温度測定方法では、半導体レーザ１の発光波長が
半導体レーザ１の温度変化によって変動することを利用
し、干渉光強度と半導体レーザの温度との関係から干渉
光の極大値、極小値、干渉状態を得ている。

【００４１】図６は、シリコンウェーハにレーザ光を照
射したときの、干渉光の光強度と測定光発光部の温度と
の関係を示したグラフである。測定光発光部の温度は、
ペルチェ素子１２によって半導体レーザ１を加熱するこ
とにより変化している。図示するように、測定光発光部
の温度を昇温すると、半導体レーザ１の発光波長が変化
し、干渉光の光強度は周期的に増減する。被測定物とし
て厚さ０．５３ｍｍのシリコンウェーハを用い、測定光
として１発振波長１３１０ｎｍのＭＱＷ−ＤＦＢレーザ
ダイオード（富士通株式会社製、ＦＬＤ３Ｆ７ＣＸ）か
ら発したレーザ光を用いた場合、曲線の周期は約１１℃
であった。

【００４２】このように得られる正弦波状の干渉光強度
曲線の極大値及び極小値は、前述の極大値Ｉmax及び極
小値Ｉminにそれぞれ対応する。そこで、半導体基板６
の温度測定に先立って、予め干渉光の光強度と測定光発
光部の温度との関係を測定しておけば、干渉光強度の極
大値Ｉmaxと極小値Ｉminを知ることができる。また、被
測定物の温度を変化する必要もない。

【００４３】従って、このように求めた干渉光強度の極
大値Ｉmaxと極小値Ｉminを記憶しておき、前述の温度測
定方法によって温度を測定する際にこれらの値を用いれ
ば、温度変化に伴って正弦波状に変化する干渉光強度曲
線の何処に測定値が位置するかを予測することができ
る。すなわち、温度測定を開始すると直ちに干渉光強度
曲線における現在の測定値の位相を知ることができる。

【００４４】一方、干渉光強度曲線の１周期の変化に相
当する温度変化量ΔＴ（Ｔ）［℃］は予め分かっている
ので、半導体基板６の温度が変化して干渉光強度の測定
値が変化すると、干渉光強度曲線における位相変化量が
わかり、その結果、温度変化量がわかる。したがって、
半導体基板６の温度は、加熱開始時の温度と温度変化量
により、干渉光強度の測定開始時から直ちに測定が可能
となる。

【００４５】図７に、干渉光強度の変化に対する本実施
形態による温度測定結果を、従来の測定方法による温度
測定結果と比較して示す。図７中に本測定時の干渉光強
度の極大値と極小値を示す。従来の温度測定方法では、
測定開始より約１周期の干渉光強度から極大値と極小値
とを得るため、干渉光強度の極大値及び極小値が得られ
た後に初めて測定が可能となる。また、本実施形態によ
る温度測定方法では予め極大値及び極小値が測定してお
くため、測定開始と同時に温度変化を測定できる。

【００４６】このように、本実施形態によれば、被測定
物の温度を変化させることなく干渉状態の極大値、極小
値、及び測定開始時の干渉状態を得ることができるの
で、温度測定開始時における温度測定精度を向上するこ
とができる。なお、上記実施形態では、III−V族化合物
半導体からなる半導体レーザを用いたため、高精度な温
度測定が実現できたが、III −Ｖ族化合物半導体の半導
体レーザの発振波長は最長でも１．６μｍ程度であるた
め、エネルギバンドギャップの比較的小さなシリコンや
ＧａＡｓ等の半導体ウエーハの測定温度範囲に上限があ
り、狭くなってしまう。

【００４７】そこで、このような問題を解決するため
に、発振波長範囲が広いII-VI族半導体レーザを用いる
ことも可能である。すなわち、ＮａＣｌ型の結晶構造を
有するＰｂＳｎＴｅ、ＰｂＴｅＳ、ＰｂＳＳｅ、ＰｂＳ
ｎＳｅ等のII−VI族化合物半導体は、０．０４〜０．３
ｅＶのエネルギバンドギャップを有している。そのよう
な半導体により構成された半導体レーザ１は、組成の相
違によって４〜３０μｍの波長範囲の発振が可能であ
る。

【００４８】第１実施形態で用いたIII-V族化合物半導
体からなる半導体レーザは、パルス状のレーザ光を出射
した場合、レーザ光の波長がパルスの立上がり時には数
オングストロームだけ短く、その後は長くなる特性を有
していたが、II−VI族化合物半導体からなる半導体レー
ザは、パルス状のレーザ光を出射した場合、レーザ光の
波長がパルスの立上がり時には数オングストローム以上
長く、その後は短くなるという逆の特性を有している。
従って、この点を考慮するだけで本実施形態による温度
測定方法を適用することができる。

【００４９】次に、本発明の第２実施形態による温度測
定方法について説明する。図８は本実施形態による温度
測定方法における干渉光強度と測定光発光部の温度との
関係を示すグラフ、図９は本実施形態による温度測定方
法における干渉光強度と被測定物の温度との関係を示す
グラフ、図１０は本実施形態による温度測定方法により
測定した結果を示すグラフである。

【００５０】本実施形態では、第１実施形態による温度
測定方法において測定温度の精度を向上する方法を示
す。図３に示す測定温度と干渉光強度との関係から明ら
かなように、干渉光強度の正弦波状曲線のうち尾根と谷
との間の領域では、温度の変化に対する干渉光強度の変
化が大きい。従って、測定温度が干渉光強度曲線の尾根
と谷のほぼ中央付近に位置するときには測定精度を大幅
に向上することが可能であり、ほぼ一定の温度に保たれ
た被測定物の温度を測定する際には非常に有効である。

【００５１】一方、干渉光の光強度曲線は、被測定物の
温度に対してほぼ一定の周期をもつ。従って、例えば第
１の温度から第２の温度まで昇温して第２の温度で一定
に保つような場合、第１の温度と第２の温度における干
渉光強度曲線の位相差が判れば、第２の温度を干渉光強
度曲線の尾根と谷のほぼ中央に位置させるために第１の
温度における干渉光強度曲線の位相をどのように制御す
ればよいかが判る。

【００５２】ところで、干渉光の光強度は、測定光発光
部の温度に対して正弦波状に変化する（図６参照）。従
って、測定光発光部の温度を所望の値に制御することに
より、干渉光強度曲線の位相を任意に変化することがで
きる。以上の関係から、第１の温度と第２の温度におけ
る干渉光強度の位相差を測定し、光源の発光部温度を変
化することによって第２の温度が干渉光強度曲線の尾根
と谷のほぼ中央に位置するように第１の温度における干
渉光強度曲線の位相を制御すれば、第２の温度における
温度の測定精度を向上することができる。

【００５３】以下に、本実施形態による温度測定方法を
詳細に説明する。ここでは、被測定物の温度を初期温度
Ｔ1から温度Ｔ2まで昇温し、温度Ｔ2において保持する
場合について説明する。まず、図１に示すように温度測
定装置を構成し、第１実施形態による温度測定方法と同
様にして干渉光強度曲線の極大値Ｉmax、極小値Ｉminを
測定する。同時に、ペルチェ素子１２により温度を制御
しない場合の発光部温度Ｔ0における干渉光強度曲線の
位相状態を測定する。

【００５４】この測定において、例えば図８に示す干渉
光強度曲線が得られたものとし、発光部温度Ｔ0におけ
る干渉光強度曲線はほぼ曲線の尾根部分に位置していた
ものとする。次いで、初期温度Ｔ1と、目的の温度Ｔ2と
における干渉光強度曲線の位相差を求める。前述のよう
に、干渉光強度曲線の１周期の変化に相当する温度変化
量ΔＴ（Ｔ）［℃］は予め分かっているので、温度Ｔ1
と温度Ｔ2との温度差に基づき、温度Ｔ1における干渉光
強度曲線の位相から温度Ｔ2における干渉光強度曲線の
位相を予測することができる。

【００５５】例えば、干渉光強度曲線における温度Ｔ1
と温度Ｔ2とが図９に点線で示す関係にあるとすると、
温度Ｔ1における位相と温度Ｔ2における位相とは半周期
ずれており（位相差φ）、温度Ｔ2における干渉光強度
曲線は曲線の谷の部分に位置することになる。この結
果、温度Ｔ2では高精度の温度測定が困難となる。そこ
で、温度Ｔ2における干渉光強度曲線が曲線の尾根と谷
のほぼ中央に位置するように温度Ｔ1における干渉光強
度曲線の位相を制御する。温度Ｔ1における干渉光強度
曲線の位相は、光源の発光部温度Ｔ0を変化することに
よって制御することができる。

【００５６】図８のグラフに基づき、発光部温度を温度
Ｔ0から温度Ｔ0′に増加すると、干渉光強度曲線の位相
を約１／４周期進めることができる。これにより、干渉
光強度曲線における温度Ｔ1と温度Ｔ2との関係は図９に
実線で示すように変化し、温度Ｔ2における干渉光強度
曲線は、曲線の尾根と谷のほぼ中央に位置することにな
る。この結果、温度Ｔ2では高精度の温度測定が可能と
なる。

【００５７】本実施形態による測定結果を図１０に示
す。図１０上部には、初期干渉状態を変化しない場合の
干渉光強度（点線）と変化した場合の干渉光強度（実
線）とを示し、図１０下部には、それぞれの曲線から得
られた半導体基板６の温度の計算値（点線、実線）と熱
電対による測定温度（一点鎖線）とを示す。図１０から
明らかなように、光源の発光部温度を調整して干渉光の
初期干渉状態を変化した場合、初期干渉状態を変化しな
い場合と比較して、温度の計算値と熱電対による測定温
度がよく一致していることが判る。

【００５８】このように、本実施形態によれば、光源の
発光部温度を調整することにより所望の温度における干
渉光強度曲線の位相を調整するので、その温度における
測定精度を大幅に向上することができる。なお、上記実
施形態では、被測定物の温度を初期温度Ｔ1から温度Ｔ2
まで昇温し、温度Ｔ2において保持する場合について説
明したが、本実施形態を適用できるのはこの場合に限ら
れない。

【００５９】例えば、目的とする測定温度がほぼ一定で
ある過程がある場合には、更に複数の温度過程を経るプ
ロセスにおいても、本実施形態による温度測定方法を用
いて被測定物の温度を測定することが可能である。本発
明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。例
えば、上記実施形態では半導体基板の温度を測定した
が、温度により厚さや誘電率が変化するものであれば、
他の材料の基板でもよい。また、基板形状に限らず、他
の形状の被測定物でもよい。

【００６０】また、上記実施形態では被測定物の温度を
測定したが、パルス状のレーザ光の立ち上がり直後に発
振される第１の波長を有する第１のレーザ光と、それ以
後に発振される第２の波長を有する第２のレーザ光とを
用いて測定するものであれば、温度以外の物理量を測定
する場合でもよい。

【００６１】

【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、被測定物
に干渉性のある光を照射し、被測定物を反射又は透過し
た干渉光の強度に基づいて、被測定物の温度の変化量を
測定する温度測定方法において、温度測定前に、干渉性
のある光を発する測定光発振部の温度を変化して干渉性
のある光の波長を変化することにより、干渉光の強度の
極大値と極小値を予測する予測過程と、温度測定時に、
測定した干渉光の強度と、予測した極大値と極小値に基
づいて被測定物の温度の変化量を測定する測定過程とに
より温度を測定するので、測定開始後に干渉光強度の極
大値と極小値を測定する必要はないので、測定開始直後
から直ちに温度測定を行うことができる。また、被測定
物の温度を変化することなく干渉光強度の極大値と極小
値とを予測することができる。

【００６２】また、上記の温度測定方法において、測定
光発振部を所定の温度に設定することにより測定過程に
おける干渉光を所望の干渉状態に調整するので、その温
度における測定精度を大幅に向上することができる。ま
た、上記の温度測定方法において、測定光発振部の所定
の温度を、目的とする測定温度が干渉光の強度の極大値
と極小値のほぼ中央に位置するように調節すれば、測定
精度を向上することができる。

【００６３】また、上記の温度測定方法において、干渉
性のある光としては、パルス状のレーザ光を用いること
ができる。また、上記の温度測定方法において、パルス
発振を行ったとき、パルスの立ち上がり時の発振波長
が、立ち上がりから０．５ｍｓｅｃ経過した後の発振波
長とは異なる波長のレーザ光を発振するレーザ光源を、
レーザ光を発振する光源として用いれば、温度測定に用
いるための異なる波長のレーザ光を簡単に得ることがで
きる。

【００６４】また、被測定物に干渉性のある光を照射
し、被測定物を反射又は透過した干渉光の強度に基づい
て、被測定物の温度を測定する温度測定装置において、
被測定物に干渉性のある光を照射する照射手段と、照射
手段に設けられ、照射手段の光発振部の温度を変化して
干渉性のある光の波長を変化する波長変化手段と、温度
測定前に、波長変化手段により被測定物に入射する干渉
性のある光の波長を変化することにより干渉光の強度の
極大値と極小値を予測する予測手段と、温度測定時に、
測定した干渉光の強度と、予測した極大値と極小値に基
づいて被測定物の温度を測定する測定手段とにより温度
測定装置を構成するので、被測定物の温度を変化するこ
となく、また、測定開始時から精度よく被測定物の温度
を測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態による温度測定装置の構
成図である。

【図２】被測定基板にパルス状のレーザ光を照射したと
きの干渉光強度の時間変化を示す波形である。

【図３】本発明の第１実施形態の温度測定装置における
測定温度と干渉光強度の関係を示すグラフである。

【図４】本発明の第１実施形態の温度測定装置における
パルス状のレーザ光を用いた場合の波長変化と干渉光強
度の変化を示すグラフである。

【図５】本発明の第１実施形態による温度測定装置の測
定原理の説明図である。

【図６】干渉光強度と測定光発光部の温度との関係を示
すグラフである。

【図７】本発明の第１実施形態による温度測定方法によ
り温度測定をした結果を示すグラフである。

【図８】本発明の第２実施形態による温度測定方法にお
ける干渉光強度と測定光発光部の温度との関係を示すグ
ラフである。

【図９】本発明の第２実施形態による温度測定方法にお
ける干渉光強度と被測定物の温度との関係を示すグラフ
である。

【図１０】本発明の第２実施形態による温度測定方法に
より測定した結果を示すグラフである。

【符号の説明】

１…半導体レーザ ２…光ファイバ ３…コリメート光学部 ４…チャンバ ５…ヒータ ６…被測定基板 ７…光受光器 ８…データ信号線 ９…Ａ／Ｄ変換ユニット １０…コンピュータ １１…パルス電源 １２…ペルチェ素子

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定物に干渉性のある光を照射し、前
   記被測定物を反射又は透過した干渉光の強度に基づい
   て、前記被測定物の温度の変化量を測定する温度測定方
   法において、 温度測定前に、前記干渉性のある光を発する測定光発振
   部の温度を変化して前記干渉性のある光の波長を変化す
   ることにより、前記干渉光の強度の極大値と極小値を予
   測する予測過程と、 温度測定時に、測定した干渉光の強度と、予測した前記
   極大値と極小値に基づいて前記被測定物の温度の変化量
   を測定する測定過程とを有することを特徴とする温度測
   定方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の温度測定方法において、 前記測定光発振部を所定の温度に設定し、前記測定過程
   における前記干渉光を所望の干渉状態とすることを特徴
   とする温度測定方法。
3. 【請求項３】 請求項２記載の温度測定方法において、 前記測定光発振部の前記所定の温度は、目的とする測定
   温度が前記干渉光の強度の前記極大値と前記極小値のほ
   ぼ中央に位置するように調節することを特徴とする温度
   測定方法。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３のいずれかに記載の温度
   測定方法において、 前記干渉性のある光は、パルス状のレーザ光であること
   を特徴とする温度測定方法。
5. 【請求項５】 請求項４記載の温度測定方法において、 前記レーザ光を発振する光源は、パルス発振を行ったと
   き、パルスの立ち上がり時の発振波長が、立ち上がりか
   ら０．５ｍｓｅｃ経過した後の発振波長とは異なる波長
   のレーザ光を発振することを特徴とする温度測定方法。
6. 【請求項６】 被測定物に干渉性のある光を照射し、前
   記被測定物を反射又は透過した干渉光の強度に基づい
   て、前記被測定物の温度を測定する温度測定装置におい
   て、 前記被測定物に前記干渉性のある光を照射する照射手段
   と、 前記照射手段に設けられ、前記照射手段の光発振部の温
   度を変化して前記干渉性のある光の波長を変化する波長
   変化手段と、 温度測定前に、前記波長変化手段により前記被測定物に
   入射する前記干渉性のある光の波長を変化することによ
   り前記干渉光の強度の極大値と極小値を予測する予測手
   段と、 温度測定時に、測定した干渉光の強度と、予測した前記
   極大値と極小値に基づいて前記被測定物の温度を測定す
   る測定手段とを備えたことを特徴とする温度測定装置。