JPH1140510A - 温度計測装置および温度計測方法ならびに基板熱処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 基板の温度計測誤差が少なく、処理コストを
抑えることができる温度計測装置および温度計測方法な
らびに基板熱処理方法を提供する。 【解決手段】 加熱処理時において基板Ｗから放射され
た熱放射は基板Ｗと第１および第２半透鏡５２０，５２
１やそれらの周囲の反射板５１０の表面により多重反射
された後、透過率ｔ1，ｔ2が互いに異なる第１および第
２半透鏡５２０，５２１のそれぞれを透過し第１および
第２放射温度計５４０，５４１に至る。そして、それら
によりそれぞれ第１および第２放射強度Ｌ1，Ｌ2が計測
され、それらを基に演算部５５０により基板Ｗの放射率
およびそれを用いて基板Ｗの温度が算出される。そのた
め、加熱処理中の基板Ｗの温度計測の誤差を少なくする
ことができ、さらに、基板Ｗ毎に予め放射率を求める処
理が必要ないので処理コストを抑えることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、半導体ウエハ、
フォトマスク用ガラス基板、液晶表示用ガラス基板、光
ディスク用基板等の基板（以下「基板」という。）から
の熱放射を基に基板の温度を計測する温度計測装置およ
び温度計測方法ならびに、そのような温度計測を行いつ
つ基板に熱処理を施す基板熱処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から基板熱処理装置の一種であるラ
ンプアニール装置においては基板の温度制御の精度が重
要な問題であり、そのため以前は基板の温度計測方法と
して接触方式が行われていた。すなわち、熱電対を金属
汚染がないようにＳｉＣ（炭化珪素）等のチューブに入
れ、基板に熱的に接触させて温度を計測していた。

【０００３】ところが、この接触方式では基板との接触
状態を良好に保てないために計測誤差が大きく、計測結
果が基板の真温度に対して１０数℃の誤差を有する場合
もあった。

【０００４】そのため、最近では非接触方式によって基
板の温度の計測を行っている。すなわち、光ファイバー
等よりなるプローブの一端を基板から離れた位置で基板
に向け、それにより受けた基板からの熱放射を放射温度
計（パイロメータ）に供給して基板の温度を算出してい
る。しかし、この基板の温度の算出には基板の放射率を
正確に求める必要があり、そのため、従来から主に特開
平７−２２１１５３の技術のように各基板ごとに加熱処
理の前にその放射率を求めている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、基板の放射
率は温度依存性が高く、ランプアニール装置のように基
板を加熱する処理においては基板の放射率を処理温度の
全範囲について予め求めておくことは困難であり、その
ため測定結果に誤差を多く含んでいた。

【０００６】また、各基板の加熱処理ごとにその放射率
を求める工程が必要となるため、処理工程が増え、処理
コストがかさんでいた。

【０００７】この発明は、従来技術における上述の問題
の克服を意図しており、基板の温度計測誤差が少なく、
処理コストを抑えることができる温度計測装置および温
度計測方法ならびに基板熱処理方法を提供することを目
的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、この発明の請求項１の装置は、基板からの熱放射を
基に基板の温度を計測する温度計測装置であって、基板
に対向して配置され，かつ基板からの熱放射を反射する
反射板と、基板に対して非接触に反射板に設けられると
ともに互いに透過率が異なる第１および第２半透鏡と、
第１および第２半透鏡のそれぞれを透過した基板からの
熱放射を受けて、それぞれ第１および第２放射強度を計
測する第１および第２放射強度計測手段と、第１および
第２放射強度を基に基板の温度を求める温度算出手段
と、を備える。

【０００９】また、この発明の請求項２の装置は、請求
項１の温度計測装置であって、第１および第２半透鏡が
それぞれ反射板に設けられた第１および第２穴に設けら
れていることを特徴とする。

【００１０】また、この発明の請求項３の装置は、請求
項１の温度計測装置において、基板を回転させつつ温度
計測を行うものであって、第１および第２の放射強度計
測手段が基板の回転中心を中心とする円周に沿って設け
られていることを特徴とする。

【００１１】また、この発明の請求項４の装置は、基板
からの熱放射を基に基板の温度を計測する温度計測装置
であって、基板に対向して配置され、かつ基板からの熱
放射を反射する反射板と、基板に対して非接触の状態で
反射板に設けられるとともに、互いに異なる第１および
第２波長領域を主成分とする熱放射に対する透過率が互
いに異なる半透鏡と、半透鏡を透過した基板からの熱放
射のうち主に第１および第２波長領域を主成分とする熱
放射のそれぞれの放射強度である第１および第２放射強
度とを個別に計測する放射強度計測手段と、第１および
第２放射強度を基に基板の温度を求める温度算出手段
と、を備える。

【００１２】また、この発明の請求項５の装置は、請求
項４の温度計測装置であって、放射強度計測手段が、半
透鏡を透過した基板からの熱放射を受けるとともに、第
１波長領域を主成分とする熱放射は透過し、第２波長領
域を主成分とする熱放射は反射する別の半透鏡と、別の
半透鏡により透過された熱放射を検知する第１検知手段
と、別の半透鏡により反射された熱放射を検知する第２
検知手段と、を備える。

【００１３】また、この発明の請求項６の装置は、請求
項４または請求項５の温度計測装置であって、半透鏡が
反射板に設けられた穴に設けられていることを特徴とす
る。

【００１４】また、この発明の請求項７の装置は、基板
からの熱放射を基に基板の温度を計測しつつ基板に熱処
理を施す基板熱処理装置であって、基板に対向して配置
され、かつ基板からの熱放射を反射する反射板と、基板
に対して非接触に反射板に設けられるとともに互いに透
過率が異なる第１および第２半透鏡と、第１および第２
半透鏡のそれぞれを透過した基板からの熱放射を受け
て、その第１および第２放射強度のそれぞれを計測する
第１および第２放射強度計測手段と、第１および第２放
射強度を基に基板の温度を求める温度算出手段と、基板
に熱を供給する熱源と、温度算出手段により算出された
基板の温度に基づき熱源の温度を制御する制御手段と、
を備える。

【００１５】また、この発明の請求項８の装置は、基板
からの熱放射を基に基板の温度を計測しつつ基板に熱処
理を施す基板熱処理装置であって、基板に対向して配置
され、かつ基板からの熱放射を反射する反射板と、基板
に対して非接触の状態で反射板内に設けられるととも
に、互いに異なる第１および第２波長領域を主成分とす
る熱放射に対する透過率が互いに異なる半透鏡と、半透
鏡を透過した基板からの熱放射のうち主に第１および第
２波長領域を主成分とする熱放射のそれぞれの放射強度
である第１および第２放射強度とを個別に計測する放射
強度計測手段と、第１および第２放射強度とを基に基板
の温度を求める温度算出手段と、基板に熱を供給する熱
源と、温度算出手段により算出された基板の温度に基づ
き熱源の温度を制御する制御手段と、を備える。

【００１６】また、この発明の請求項９の方法は、請求
項１の温度計測装置を用いた温度計測方法であって、第
１および第２半透鏡を透過した基板からの熱放射の第１
および第２放射強度を計測する工程と、第１および第２
放射強度を基に基板の温度を算出する工程と、を備え
る。

【００１７】また、この発明の請求項１０の方法は、請
求項４の温度計測装置を用いた温度計測方法であって、
半透鏡を透過した基板からの熱放射の第１および第２放
射強度を放射強度計測手段により計測する工程と、第１
および第２放射強度を基に基板の温度を算出する工程
と、を備える。

【００１８】また、この発明の請求項１１の方法は、請
求項９の温度計測方法において、前記の各工程の前にさ
らに、基板とほぼ同寸および同形状の黒体板を加熱しつ
つ、基準放射温度計により当該黒体板からの熱放射を直
接捉えて、それを基に当該黒体板の温度を算出する工程
と、第１および第２放射強度計測手段により黒体板から
の熱放射の互いに異なる第１および第２放射強度を計測
する工程と、計測された黒体板の温度と第１および第２
放射強度とを基に、基板と第１および第２放射強度測定
手段のそれぞれとの間の第１および第２幾何光学的因子
を決定する工程と、を備える。

【００１９】さらに、この発明の請求項１２の方法は、
請求項１０の温度計測方法において、前記の各工程の前
にさらに、基板とほぼ同寸および同形状の黒体板を加熱
しつつ、基準放射温度計により当該黒体板からの熱放射
を直接捉えて、それを基に当該黒体板の温度を算出する
工程と、第１および第２放射強度計測手段により黒体板
からの熱放射の第１および第２放射強度を計測する工程
と、計測された黒体板の温度と第１および第２放射強度
とを基に、基板と放射強度測定手段との間の第１および
第２幾何光学的因子を決定する工程と、を備える。

【００２０】

【発明の実施の形態】

【００２１】

【１．発明の原理】各実施の形態の説明の前に、以下に
おいてこの発明の温度計測原理について説明していく。

【００２２】一般に、黒体から放射される電磁波の放射
発散度の分光密度はプランクの放射公式で与えられる
が、放射温度計により黒体を計測する場合には、そのプ
ランクの放射公式をもとに、放射温度計により計測され
る特定の波長領域における黒体の温度Ｔと計測される熱
放射の放射強度Ｌb（Ｔ）との関係は放射温度計の光学
系等によって決まる計測器定数Ａを用いて次式で近似さ
れる。

【００２３】

【数１】

【００２４】ここで放射指数ｎは一般に波長λ、プラン
クの第２定数Ｃ2を用いて次式で近似される。

【００２５】

【数２】

【００２６】なお、放射指数ｎおよび計測器定数Ａは放
射温度計に固有の値として予め求められている。この式
を温度Ｔについて解くと次式となる。

【００２７】

【数３】

【００２８】また、一般に、温度Ｔの灰色体の放射強度
Ｌ（Ｔ）と黒体の放射強度Ｌb（Ｔ）の関係は次式で表
される。

【００２９】

【数４】

【００３０】ここで、εは灰色体の放射率であり、一般
にε＜１である。

【００３１】ところで、この実施の形態では基板を灰色
体と捉え、さらにその基板を反射板に非接触の状態で対
向させ、その反射板内またはそれに接する位置に半透
鏡、および基板からの熱放射を半透鏡を介して受光する
プローブを設け、そのプローブを通じてその熱放射を放
射温度計に導いて基板の温度Ｔを計測する。

【００３２】なお、この発明において半透鏡とは必ずし
も反射率が５０％である鏡を意味するものではなく、反
射率および透過率が０％および１００％以外のその間の
反射率の鏡を意味するものであり、光や熱放射等の電磁
波を不完全に反射および透過するものを意味している。

【００３３】また、この実施の形態では後述の第１の実
施の形態および第２の実施の形態で示すように基板と半
透鏡との間およびその近傍の反射板との間の空間を併せ
て、以下、「多重反射空洞」と呼ぶ。

【００３４】そのため、多重反射空洞において基板と半
透鏡またはその近傍の反射板表面との間において複数回
の反射である多重反射が生じる（図２に矢符で例示）
が、その場合に多重反射の後に半透鏡を透過してプロー
ブに捉えられる熱放射の放射強度Ｌt（Ｔ）と黒体の放
射強度Ｌb（Ｔ）との関係式（井内徹：温度と放射率の
同時計測法とその鉄鋼プロセスへの応用，鉄と鋼，65(1
979)1，p.98）は次式で表すことができる。

【００３５】

【数５】

【００３６】ここでｆ（ε）は多重反射空洞による基板
の見かけの放射率であり、次式で表される。

【００３７】

【数６】

【００３８】ここでｇ（ｒ…）は半透鏡の反射率ｒ、反
射板の反射率Ｒ、穴の形状Ｓ（穴の深さと径の比等で表
される）および基板の反射特性係数ｐ（表面状態、粗度
等に関係する）等に依存する定数であり、以下、光学幾
何形状反射率と呼ぶ。

【００３９】そして、この実施の形態では基板の温度を
数５の式により、放射温度計で計測した基板の放射強度
Ｌtから黒体の放射強度Ｌbを求め、それを数３の式に用
いて基板の温度Ｔを求めるのである。

【００４０】ところで、数５の式から黒体の放射強度Ｌ
bを求めるためには予め見かけの放射率ｆ（ε）を求め
る必要があるが、数６の式に示すように見かけの放射率
ｆ（ε）は光学幾何形状反射率ｇ（ｒ…）に依存してい
るためそれを予め求めておく必要がある。

【００４１】そのため、この実施の形態では予め放射率
εrefが求められている基準黒体板を加熱し、その温度
Ｔrefをその基準黒体板に非常に近接させた基準放射温
度計および反射板内に設けられ、光学幾何形状反射率ｇ
の互いに異なる第１および第２放射温度計のそれぞれに
より基準黒体板の放射強度Ｌr、Ｌ1、Ｌ2を計測し、そ
れらを基に光学幾何形状反射率ｇ1，ｇ2を予め求めてい
る。すなわち、基準放射温度計で捉えた放射強度Ｌrは
数４の式より次式となる。

【００４２】

【数７】

【００４３】また、第１および第２放射温度計で捉えた
放射強度Ｌ1，Ｌ2は数５の式より次式となる。なお、以
下の各式において添え字「１」および「２」はそれぞれ
第１および第２放射温度計およびそれらに付随する多重
反射空洞に関するパラメータを示す。

【００４４】

【数８】

【００４５】

【数９】

【００４６】ここで、第１および第２放射温度計それぞ
れによる見かけの放射率ｆ1，ｆ2は数６の式より次式と
なる。

【００４７】

【数１０】

【００４８】

【数１１】

【００４９】さらに、これらをそれぞれ光学幾何形状反
射率ｇ1，ｇ2について解くと次式となる。

【００５０】

【数１２】

【００５１】

【数１３】

【００５２】そして、この発明の実施の形態の基板熱処
理装置では基準黒体板の計測により得られた放射強度Ｌ
r（Ｔref）および既知である基準黒体板の放射率εref
を数７の式に用いて黒体の放射強度Ｌb（Ｔref）を求
め、それと計測された放射強度Ｌ1（Ｔref）、Ｌ2（Ｔr
ef）を数８および数９の式に用いて見かけの放射率ｆ
1、ｆ2を求めておく。さらに、それらを用いて光学幾何
形状反射率ｇ1、ｇ2を求めておく。

【００５３】つぎに、実際に基板の加熱処理を行う際の
温度計測について述べる。加熱処理時の基板の温度計測
のためには数６の式により見かけの放射率ｆを求めるた
めに基板の温度Ｔに依存する放射率εを求める必要があ
る。そのため、まず数５および数６の式より放射強度Ｌ
1、Ｌ2は次式となる。

【００５４】

【数１４】

【００５５】

【数１５】

【００５６】ここで、ｔ1およびｔ2はそれぞれ第１およ
び第２放射温度計に入力される熱放射が透過された半透
鏡の透過率である。これら２式を連立して黒体の放射強
度Ｌbを消し、基板の放射率εについて解くと次式とな
る。

【００５７】

【数１６】

【００５８】ここでパラメータαは次式で定義される。

【００５９】

【数１７】

【００６０】さらに、数１４の式を黒体の放射強度Ｌb
について解くと次式となる。

【００６１】

【数１８】

【００６２】そして、第１および第２放射温度計による
放射強度Ｌ1、Ｌ2と、上記の基板の放射率εおよび予め
求めておいた光学幾何形状反射率ｇ1、ｇ2を数１８の式
に用いて黒体の放射強度Ｌbを求め、それを数３の式に
用いることで最終的に基板温度Ｔを求める。

【００６３】以上のようにして、この実施の形態では加
熱処理中の基板の正確な温度を求め、それを基に基板の
加熱の制御を行っている。

【００６４】

【２．第１の実施の形態】 ＜２−１．機構的構成および動作＞図１はこの発明の第
１の実施の形態である基板熱処理装置１の縦断面図であ
る。以下、図１を参照しつつこの装置の構成を説明して
いく。

【００６５】第１の実施の形態である基板熱処理装置１
は主に炉体１０、ランプ２０、石英ガラス３０、基板支
持回転部４０、温度計測部５０、制御部６０、ランプド
ライバ８０、モータドライバ９０を備えている。

【００６６】炉体１０は上部をリフレクター１１０、下
部をハウジング１２０とする円筒形状の炉体であり、そ
れらの内部には多数の冷却管１３０（図１には一部にの
み参照番号を記載）が設けられている。また、炉体１０
の側面には基板搬出入口ＥＷが設けられており、加熱処
理の際には図示しない外部搬送装置により基板Ｗの搬出
入が行われる。

【００６７】ランプ２０は「熱源」に相当し、リフレク
ター１１０の下面に多数設けられ（図１，図３には一部
にのみ参照番号を記載）点灯時にはその熱放射により基
板Ｗを加熱する。

【００６８】石英ガラス３０はランプ２０の下方に設け
られ、それによる熱放射を透過する。

【００６９】基板支持回転部４０は、基板Ｗの周縁部分
を支持する支持リング４１０が円筒の支持脚４２０によ
り支持されるとともにそれら支持脚４２０の下方にはベ
アリングが設けられている。そして、ベアリング４３０
の外周に設けられたギアに基板回転モータ４４０の回転
軸のギア４４１がかみ合っており、その駆動により支持
リング４１０が鉛直方向を軸として回転可能となってい
る。

【００７０】温度計測部５０は「温度計測装置」に相当
し、後に詳述するが基板Ｗからの熱放射強度を計測し、
それを基に基板Ｗの温度Ｔ等を求め、それらの信号を制
御部６０に送る。

【００７１】制御部６０は後に詳述するように、後述の
ランプドライバ８０にランプ２０の温度制御信号を送っ
たり、後述のモータドライバ９０に所定のタイミングで
駆動信号を送ったりする。

【００７２】ランプドライバ８０は制御部６０からの温
度制御信号を受けて、それに応じた電力をランプ２０に
供給する。

【００７３】モータドライバ９０は制御部６０からの駆
動信号を受けて、それに応じた電力を基板回転モータ４
４０に供給する。

【００７４】つぎに、要部についてさらに詳細に説明し
ていく。

【００７５】図１に示すように温度計測部５０は反射板
５１０、第１および第２半透鏡５２０，５２１、第１お
よび第２プローブ５３０，５３１、基準プローブ５３
２、第１および第２放射温度計５４０，５４１、基準放
射温度計５４２、演算部５５０を備えている。

【００７６】図２は第１および第２プローブ５３０，５
３１、基準プローブ５３２の設置位置付近の断面図であ
る。ハウジング１２０上面には反射板５１０が設けられ
ており、その反射板５１０にはそれぞれ円筒形状の第１
穴５１０ａおよび第２穴５１０ｂが設けられ、さらにそ
れらの内部底面には互いに透過率の異なる半透鏡５２
０，５２１が設けられている。そしてその半透鏡５２
０，５２１の下方のハウジング１２０内には第１および
第２プローブ５３０，５３１が設けられている。

【００７７】図中に示した矢印のように基板Ｗからの下
方への熱放射のうちの一部は第１穴５１０ａまたは第２
穴５１０ｂあるいはそれぞれの近傍の反射板５１０上面
に入射すると第１穴５１０ａまたは第２穴５１０ｂの内
周面、半透鏡５２０，５２１または近傍の反射板５１０
上面により反射され基板Ｗとの間で多重反射を起こした
後、半透鏡５２０，５２１を透過してそれぞれ第１およ
び第２プローブ５３０，５３１に入射する。

【００７８】また、ハウジング１２０と反射板５１０に
はそれらを貫通するように基準プローブ５３２を取り付
けるための取付け穴ＡＨが設けられている。

【００７９】また、第１および第２プローブ５３０，５
３１、基準プローブ５３２は入射する熱放射を伝えるた
めに、石英ロッドあるいは、サファイアロッドと光ファ
イバーからなり、基板Ｗからの熱放射をそれぞれ第１お
よび第２放射温度計５４０，５４１、基準放射温度計５
４２に送る。

【００８０】なお、基準プローブ５３２はハウジング１
２０に設けられた取付け穴ＡＨに着脱自在となってお
り、基板Ｗの加熱処理前の光学幾何形状反射率ｇ1，ｇ2
の計測の際には作業者により取り付けられ、基板Ｗの加
熱処理時には取り外される。そして、図示のように基準
プローブ５３２は取付け穴ＡＨに取り付けられた状態で
は基板Ｗの下面近傍にその先端が位置するようになって
いる。これにより基準放射温度計５４２により放射強度
を計測する際には基板Ｗとの間に多重反射を起こさない
で直接熱放射を捉えられるようになっている。

【００８１】また、図１において第１および第２放射温
度計５４０，５４１、基準放射温度計５４２はそれぞれ
各プローブを介して入射する基板Ｗからの熱放射を受け
て電圧すなわち、それぞれ放射強度Ｌr、第１および第
２放射強度Ｌ1，Ｌ2を表す電気信号に変換し、演算部５
５０に送る。

【００８２】なお、反射板５１０、第１半透鏡５２０、
第１プローブ５３０、第１放射温度計５４０を第１計測
部と呼び、反射板５１０、第２半透鏡５２１、第２プロ
ーブ５３１、第２放射温度計５４１を第２計測部と呼
び、さらに第１計測部、第２計測部に基準プローブ５３
２、基準放射温度計５４２および演算部５５０を併せた
ものが本発明の温度計測装置に相当する温度計測部５０
である。

【００８３】図３は第１の実施の形態である基板熱処理
装置１の平面的な構成を示す図である。ランプ２０は長
尺のタングステンハロゲンランプがその長手方向を平行
として複数本並設された加熱ゾーンＺ１〜Ｚ５に分割さ
れている。そして各加熱ゾーンＺ１〜Ｚ５に対応する反
射板５１０およびハウジング１２０には各加熱ゾーンＺ
１〜Ｚ５に対応してそれぞれ第１および第２穴５１０
ａ，５１０ｂ、第１および第２プローブ５３０，５３
１、取付け穴ＡＨ、第１および第２放射温度計５４０，
５４１、基準放射温度計５４２が１組ずつ設けられてい
る。なお、これらは図１においては１組のみ表示してい
る。また、取付け穴ＡＨに取り付ける基準プローブ５３
２も加熱ゾーンの数だけ用意されている。そして、各加
熱ゾーン毎に後述のようなランプ２０の温度制御を行っ
ている。

【００８４】図４は各加熱ゾーンＺ１〜Ｚ５の第１およ
び第２プローブ５３０，５３１ならびに基準プローブ５
３２の設置位置関係を示す図である。図示のように、各
加熱ゾーンＺ１〜Ｚ５の基準プローブ５３２の取付け穴
ＡＨ、ならびに第１および第２プローブ５３０，５３１
はそれぞれ基板Ｗの回転中心を中心とした円周上に位置
するように設けられている。そして、基準プローブ５３
２の取付け穴ＡＨには基準プローブ５３２が着脱自在と
なっている。これにより、後述する光学幾何形状反射率
ｇ1，ｇ2の決定および基板Ｗの加熱処理時には制御部６
０が基板Ｗの回転と同じ速度でそれぞれの計測タイミン
グをずらすことによって基板Ｗの同じ位置からの熱放射
の放射強度を捉えることができるようになっている。す
なわち、基板Ｗ上の計測対象位置を共通にしている。そ
のため、より精度の高い温度計測を行うことができる。

【００８５】＜２−２．処理および制御＞第１の実施の
形態である基板熱処理装置１は前述の発明の原理に基づ
いて加熱する基板Ｗの温度を求め、その結果に基づいて
ランプ２０のフィードバック制御を行いつつ、基板Ｗの
加熱処理を行っていくのである。そのためこの装置で
は、基板Ｗの加熱処理の前に、実際に加熱処理を施す基
板Ｗとほぼ同寸、同形状であってほぼ黒体と見なせるＣ
（炭素）や放射率既知のＳｉＣ製円板や黒体塗料を塗布
された素材からなる放射率εrefが既知である基準黒体
板を、炉体１０内で加熱して、予め光学幾何形状反射率
ｇ1，ｇ2を求めている。なお、基準黒体板は放射率εre
fが既知で０．１〜１の範囲であれば他の素材でもよ
い。

【００８６】また、基準放射温度計５４２は事前に黒体
炉により校正を受けたものを使用している。

【００８７】図５は光学幾何形状反射率ｇ1，ｇ2の計測
処理手順を示すフローチャートである。以下、図５を用
いて光学幾何形状反射率ｇ1，ｇ2の計測処理手順につい
て説明する。

【００８８】まず、基板熱処理装置１の取付け穴ＡＨに
基準プローブ５３２を取り付ける（ステップＳ１）。

【００８９】つぎに、図示しない外部搬送装置が基準黒
体板を炉体１０内に搬入する（ステップＳ２）。

【００９０】つぎに、基準黒体板を加熱する（ステップ
Ｓ３）。すなわち、制御部６０はランプドライバ８０に
制御信号を送り、ランプ２０を点灯して加熱を開始す
る。それと同時にモータドライバ９０に駆動信号を送
り、基板回転モータ４４０を駆動して基板支持回転部４
０を回転させることによって基準黒体板を回転させる。
なお、以下の加熱処理中において基準黒体板の回転は続
けられる。

【００９１】そして、ランプ２０から発せられた放射熱
は石英ガラス３０を透過して基準黒体板に至り、それに
より基準黒体板は加熱され、その温度に対応する熱放射
が発生する。

【００９２】つぎに、第１および第２放射温度計５４
０，５４１、基準放射温度計５４２により基準黒体板の
放射強度Ｌ1（Ｔref），Ｌ2（Ｔref）、Ｌr（Ｔref）を
計測する（ステップＳ４）。すなわち、基準黒体板から
の熱放射は第１および第２プローブ５３０，５３１、基
準プローブ５３２に入射し、それぞれ第１および第２放
射温度計５４０，５４１、基準放射温度計５４２に導か
れる。そして、第１および第２放射温度計は放射強度Ｌ
1（Ｔref）、Ｌ2（Ｔref）を、基準放射温度計５４２は
放射強度Ｌr（Ｔref）を計測してそれぞれ結果信号を演
算部５５０に送るのである。

【００９３】つぎに、演算部５５０において見かけの放
射率ｆ1（εref），ｆ2（εref）を算出する（ステップ
Ｓ５）。すなわち、基準黒体板の計測により得られた放
射強度Ｌr（Ｔref）および既知である基準黒体板の放射
率εrefを数７の式に用いて黒体の放射強度Ｌb（Ｔre
f）を求め、それと計測された放射強度Ｌ1（Ｔref）、
Ｌ2（Ｔref）を数８、数９の式に用いて見かけの放射率
ｆ1（εref），ｆ2（εref）を求めておく。

【００９４】つぎに、演算部５５０において得られた見
かけの放射率ｆ1（εref），ｆ2（εref）を数１２およ
び数１３の式を用いて光学幾何形状反射率ｇ1（ｒ1，
Ｒ，Ｓ1，ｐ），ｇ2（ｒ2，Ｒ，Ｓ2，ｐ）を算出し（ス
テップＳ６）、この処理を終了する。

【００９５】さらに、基板Ｗの加熱処理手順を示すフロ
ーチャートである図６を用いて、基板Ｗの処理手順につ
いて説明していく。

【００９６】まず、図示しない外部搬送装置が基板Ｗを
炉体１０内に搬入する（ステップＳ１１）。

【００９７】つぎに、基板Ｗの熱処理を開始する（ステ
ップＳ１２）。すなわち、前述の光学幾何形状反射率ｇ
1，ｇ2の算出処理と同様にランプ２０を点灯して加熱し
つつ、基板支持回転部４０を回転させることによって基
板Ｗを回転させる。これにより、加熱された基板Ｗから
温度Ｔに対応する熱放射が発生する。なお、以下の加熱
処理中において基板Ｗの回転は続けられる。

【００９８】つぎに、第１および第２放射温度計５４
０，５４１により放射強度Ｌ1（Ｔ），Ｌ2（Ｔ）を計測
する（ステップＳ１３）。すなわち、第１半透鏡５２０
を透過した基板Ｗからの熱放射は第１プローブ５３０に
入射し、第１放射温度計５４０に導かれる。同様に、第
２半透鏡５２１を透過した基板Ｗからの熱放射は第２プ
ローブ５３１に入射し、第２放射温度計５４１に導かれ
る。

【００９９】そして、第１および第２放射温度計５４
０，５４１はそれぞれ放射強度Ｌ1（Ｔ），Ｌ2（Ｔ）を
計測してその結果信号を演算部５５０に送るのである。

【０１００】つぎに、演算部５５０は数１６の式に得ら
れた放射強度Ｌ1（Ｔ），Ｌ2（Ｔ）を用いて基板Ｗの放
射率εを算出し、それを用いて数１４および数１５の式
により基板Ｗの温度Ｔを算出する（ステップＳ１４）。

【０１０１】つぎに、得られた基板Ｗの温度Ｔと設定温
度とを比較して、両者が一致するようにランプ２０のフ
ィードバック制御を行う（ステップＳ１５）。すなわ
ち、演算部５５０で求められた基板Ｗの温度Ｔは温度信
号として制御部６０に送られ、それを基に制御部６０は
基板Ｗの温度を所定値に保つために制御信号をランプド
ライバ８０に送り、ランプドライバ８０はその温度制御
信号に応じた電力をランプ２０に供給するのである。

【０１０２】そして、制御部６０は処理時間の終了の判
定を行い（ステップＳ１６）、設定されていた処理時間
が経過するまでステップＳ１１〜ステップＳ１５の処理
を継続して行う。そして、処理時間が経過すると、外部
搬送装置がその基板Ｗを搬出する（ステップＳ１７）。

【０１０３】つぎに、制御部６０は外部の基板搬送装置
からの信号により準備されていた全基板Ｗの加熱処理の
終了の判定を行い（ステップＳ１８）、全基板Ｗの加熱
処理が終了していなければステップＳ１１に戻り、外部
搬送装置が次の基板Ｗを搬入し、逆に終了していれば一
連の加熱処理を終了する。

【０１０４】以上説明したように、第１の実施の形態で
は透過率ｔ1，ｔ2が互いに異なる第１および第２半透鏡
５２０，５２１のそれぞれを透過した基板Ｗからの熱放
射を受けて、第１および第２放射温度計５４０，５４１
によりそれぞれ放射強度Ｌ1，Ｌ2を計測し、それらを基
に演算部５５０により基板Ｗの温度Ｔを求めるため、基
板Ｗの温度計測誤差を少なくすることができる。

【０１０５】また、複数の基板Ｗを順次熱処理していく
場合においても放射強度Ｌ1，Ｌ2を用いて基板Ｗの放射
率εを求めつつ加熱処理を行うので、基板Ｗ毎に予め放
射率εを求める処理が必要ないので処理工程を少なくす
ることができ、処理コストを抑えることができる。

【０１０６】また、演算部５５０により算出された基板
Ｗの温度Ｔに基づきランプ２０の温度を制御するため、
温度誤差の少ない加熱処理を行うことができる。

【０１０７】さらに、光学幾何形状反射率ｇ1，ｇ2を互
いに異なるものとするために第１および第２半透鏡５２
０，５２１の透過率ｔ1，ｔ2を互いに異なるものとして
いるため、第１穴５１０ａおよび第２穴５１０ｂの形状
を互いに異なるものにすることによる場合に比べて、よ
り容易に感度を向上することができる。すなわち、第１
および第２半透鏡の透過率ｔ1，ｔ2は数１４、数１５の
式の分子に直接掛けられているのでそれらの値の大小は
放射強度Ｌ1，Ｌ2の大小に直接影響を与えるため、第１
および第２半透鏡５２０，５２１の透過率ｔ1，ｔ2の値
を互いに大きく異なることにすることで放射強度Ｌ1，
Ｌ2を大きく異なるものとすることができ、それにより
温度計測の感度を容易に向上することができる。

【０１０８】ところで、穴の形状は図４に示したものに
限られない。図７は変形例における第１および第２計測
部の断面図である。第１の変形例として、図７（ａ）の
ように第１または第２計測部の穴の形状を逆円錐台形状
とすることもできる。また、第２の変形例として、図７
（ｂ）のように反射板に穴を設けないで第１および第２
計測部において反射板上面に半透鏡を設け、基板Ｗと半
透鏡およびその周囲の反射板との間の空間を多重反射空
洞としてもよい。

【０１０９】

【３．第２の実施の形態】図８はこの発明における第２
の実施の形態である基板熱処理装置２の断面図である。
第２の実施の形態である基板熱処理装置２では第１の実
施の形態に対しプローブ５３５および２色温度計５４５
を１組のみ備えるものとしている点が異なっている。

【０１１０】すなわち、この装置では反射板５１０には
円筒形状の穴５１０ｃが１つだけ設けられ、さらにその
内部底面には半透鏡５２５が設けられている。そしてそ
の半透鏡５２５の下方のハウジング内にはプローブ５３
５が設けられている。そして、基板Ｗからの下方への熱
放射のうちの一部は穴５１０ｃに入射するとその内周面
または半透鏡５２５により反射され基板Ｗとの間で多重
反射を起こした後、半透鏡５２５を透過してプローブ５
３５に入射する。

【０１１１】また、ハウジング１２０には第１の実施の
形態と同様に基準プローブ５３２を取り付ける取付け穴
ＡＨが設けられ、後述するように、予め光学幾何形状反
射率ｇ1，ｇ2を求める際にはその下方の基準放射温度計
５４２に基板Ｗからの熱放射を導く。

【０１１２】図９は基板熱処理装置２の平面的な構成を
示す図である。この装置でも第１の実施の形態と同様に
ランプ２０は加熱ゾーンＺ１〜Ｚ５に分割されている。
（ランプ２０は図８および図９においてその一部にのみ
参照符号を記載）そして各加熱ゾーンＺ１〜Ｚ５に対応
する反射板５１０およびハウジング１２０には穴５１０
ｃ、半透鏡５２５、プローブ５３５、取付け穴ＡＨ、放
射温度計５４５が１組ずつ設けられている。なお、これ
らは図８においては１組のみ表示されている。また、取
付け穴ＡＨに取り付ける基準プローブ５３２も加熱ゾー
ンの数だけ用意されている。

【０１１３】そして、これらも第１の実施の形態と同様
に図示のように、各加熱ゾーンＺ１〜Ｚ５の取付け穴Ａ
Ｈ、およびプローブ５３５はそれぞれ基板Ｗの回転中心
を中心とした円周上に位置するように設けられている。
そして、取付け穴ＡＨには基準プローブ５３２が着脱自
在となっている。これにより、第２実施の形態でも光学
幾何形状反射率ｇ1，ｇ2の決定および基板Ｗの加熱処理
時には制御部６０が基板Ｗの回転と同じ速度でそれぞれ
の計測タイミングをずらすことによって基板Ｗの同じ位
置からの熱放射の放射強度を捉えることができ、より精
度の高い温度計測を行うことができる。

【０１１４】図１０は半透鏡５２５の波長による分光特
性を示す図である。第２の実施の形態では半透鏡５２５
は図中の分光特性ＣＤ１またはＣＤ２のいずれかのよう
に２つの波長λ1，λ2との間で透過率ｔ1，ｔ2が互いに
異なるものが用いられている。すなわち、分光特性ＣＤ
１では波長λ2の透過率ｔ2が波長λ1の透過率ｔ1より大
きくほぼ「１」となっている。逆に分光特性ＣＤ２では
波長λ1の透過率ｔ1が波長λ2の透過率ｔ2より大きくな
っている。

【０１１５】また、図１１は２色温度計５４５の構造を
示す図である。図示のようにこの２色温度計５４５では
ハーフミラー５４５ａ（「別の半透鏡」に相当）を光軸
に対して４５゜の角度を設けており、図示のようにハー
フミラー５４５ａで分岐した光軸の一方に第１検知器５
４５ｂを、他方に第２検知器５４５ｃを設けている（こ
れらがそれぞれ「第１および第２検知手段」に相当）。
第１および第２検知器５４５ｂ，５４５ｃはフォトセル
やサーモパイルといった熱放射を受けて電気信号を生じ
る素子により構成することができる。

【０１１６】そして、ハーフミラー５４５ａは波長λ1
の熱放射は反射し、波長λ2の熱放射は透過するものと
なっている。この様に構成された２色温度計５４５によ
り半透鏡５２５を透過することによって波長λ1と波長
λ2とでその成分比率が異なった熱放射を分離して第１
および第２検知器５４５ｂ，５４５ｃで捉え、それらを
それぞれ放射強度Ｌ1，Ｌ2として発明の原理で説明した
方法に用いることにより光学幾何形状反射率ｇ1，ｇ2を
予め求めたり、基板Ｗの温度Ｔを求めたりするのであ
る。

【０１１７】ただし、第２の実施の形態では波長λ1、
λ2として近接した波長を採用し、さらにそのため基板
Ｗの波長λ1およびλ2における放射率ε1，ε2をいずれ
も基板Ｗの全波長の放射率εに等しい（ε＝ε1＝ε2）
と近似し、第１検知器５４５ｂと第２検知器５４５ｃの
出力を発明の原理における放射強度Ｌ1、Ｌ2として基板
Ｗの温度を計測している。

【０１１８】なお、その他の構成および処理手順および
効果も第１の実施の形態と同様である。ただし、その場
合に放射強度Ｌ1，Ｌ2は２色温度計５４５による波長λ
1，λ2を主成分とするものを用いる。

【０１１９】さらに、第２の装置では第１の実施の形態
の構成と比べてプローブが１つで済むので装置の製造コ
ストを一層抑えることができる。

【０１２０】ところで、第２の実施の形態でも多重反射
空洞の形状は図８に示したものに限られない。すなわ
ち、穴の形状を図７（ａ）のように逆円錐台形状とした
り、図７（ｂ）のように穴がなく、基板Ｗと半透鏡およ
びその周囲の反射板との間の空間を多重反射空洞とする
ものとしてもよい。

【０１２１】

【４．変形例】第１および第２の実施の形態では穴を円
筒形状や逆円錐台形状等としたが、この発明はこれに限
られず、円錐台や多角柱状等のその他の形状とするもの
であってもよい。

【０１２２】また、第１および第２の実施の形態では基
板熱処理装置として基板Ｗを加熱する装置を対象とした
が、この発明はこれに限られず、冷却や製膜処理等、温
度制御を伴うその他の処理を行うものとしてもよい。

【０１２３】また、第１および第２の実施の形態では温
度制御を行う単位を加熱ゾーンＺ１〜Ｚ５として５つの
領域に分割するものとしたが、この発明はこれに限られ
ず、分割しない構成や、「２」〜「４」または「６」以
上の領域に分割するものとしてもよい。

【０１２４】また、第１および第２の実施の形態では加
熱処理の間においては基板Ｗを回転させつつ加熱するも
のとしたが、この発明はこれに限られず、静止した状態
で加熱するものとしてもよい。

【０１２５】さらに、第１および第２の実施の形態では
半透鏡を透過した熱放射をプローブで放射温度計または
２色温度計に導いて計測するものとしたが、この発明は
これに限られず、半透鏡の下に放射温度計または２色温
度計を設けて直接計測するものとしてもよい。

【０１２６】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１〜請求項
３、請求項７、請求項９および請求項１１の発明によれ
ば、透過率が互いに異なる第１および第２半透鏡のそれ
ぞれを透過した基板からの熱放射を受けて、第１および
第２放射強度計測手段によりそれぞれ第１および第２放
射強度を計測し、それらを基に温度算出手段により基板
の温度を求めるため、また、請求項４〜請求項６、請求
項８、請求項１０および請求項１２の発明によれば、第
１および第２波長領域を主成分とする熱放射に対する透
過率が互いに異なる半透鏡を透過した熱放射のうち第１
および第２波長領域を主成分とする第１および第２放射
強度とを放射強度計測手段により個別に計測し、それら
を基に温度算出手段により基板の温度を求めるため、基
板の温度計測誤差を少なくすることができる。

【０１２７】また、複数の基板を順次熱処理していく場
合においても基板毎に予め放射率を求める処理が必要な
いので処理工程を少なくすることができ、処理コストを
抑えることができる。

【０１２８】さらに、請求項７および請求項８の発明に
よれば、算出された基板の温度に基づき熱源の温度を制
御するため、温度誤差の少ない熱処理を行うことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態である基板処理装置
の縦断面図である。

【図２】第１および第２プローブ、基準プローブの設置
位置付近の断面図である。

【図３】第１の実施の形態である基板熱処理装置の平面
的な構成を示す図である。

【図４】各加熱ゾーンの基準プローブ、第１および第２
放射温度計プローブの設置位置関係を示す図である。

【図５】光学幾何形状反射率の計測処理手順を示すフロ
ーチャートである。

【図６】基板の加熱処理手順を示すフローチャートであ
る。

【図７】変形例における第１または第２計測部の断面図
である。

【図８】第２の実施の形態である基板熱処理装置２の断
面図である。

【図９】基板熱処理装置２の平面的な構成を示す図であ
る。

【図１０】半透鏡の波長による分光特性を示す図であ
る。

【図１１】２色温度計の構造を示す図である。

【符号の説明】

１，２ 基板熱処理装置 ２０ ランプ（熱源） ５０ 温度計測部（温度計測装置） ６０ 制御部 ５１０ 反射板 ５１０ｃ 穴 ５２０，５２１，５２５ 半透鏡 ５４０，５４１， 第１および第２放射温度計、放射温
度計 ５４２ 基準放射温度計 ５４５ 放射温度計 ５４５ａ ハーフミラー（別の半透鏡） ５４５ｂ，５４５ｃ 第１および第２検知器（第１およ
び第２検知手段） ５５０ 演算部（温度算出手段） Ｗ 基板

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板からの熱放射を基に基板の温度を計
   測する温度計測装置であって、 基板に対向して配置され、かつ基板からの熱放射を反射
   する反射板と、 基板に対して非接触に前記反射板に設けられるとともに
   互いに透過率が異なる第１および第２半透鏡と、 前記第１および第２半透鏡のそれぞれを透過した基板か
   らの熱放射を受けて、それぞれ第１および第２放射強度
   を計測する第１および第２放射強度計測手段と、 前記第１および第２放射強度を基に前記基板の温度を求
   める温度算出手段と、を備えることを特徴とする温度計
   測装置。
2. 【請求項２】 請求項１の温度計測装置であって、 前記第１および第２半透鏡がそれぞれ前記反射板に設け
   られた第１および第２穴に設けられていることを特徴と
   する温度計測装置。
3. 【請求項３】 請求項１の温度計測装置において、基板
   を回転させつつ温度計測を行うものであって、 前記第１および第２の放射強度計測手段が基板の回転中
   心を中心とする円周に沿って設けられていることを特徴
   とする温度計測装置。
4. 【請求項４】 基板からの熱放射を基に基板の温度を計
   測する温度計測装置であって、 基板に対向して配置され、かつ基板からの熱放射を反射
   する反射板と、 基板に対して非接触の状態で前記反射板に設けられると
   ともに、互いに異なる第１および第２波長領域を主成分
   とする熱放射に対する透過率が互いに異なる半透鏡と、 前記半透鏡を透過した基板からの熱放射のうち主に前記
   第１および第２波長領域を主成分とする熱放射のそれぞ
   れの放射強度である第１および第２放射強度とを個別に
   計測する放射強度計測手段と、 前記第１および第２放射強度を基に基板の温度を求める
   温度算出手段と、を備えることを特徴とする温度計測装
   置。
5. 【請求項５】 請求項４の温度計測装置であって、 前記放射強度計測手段が、 前記半透鏡を透過した基板からの熱放射を受けるととも
   に、前記第１波長領域を主成分とする熱放射は透過し、
   前記第２波長領域を主成分とする熱放射は反射する別の
   半透鏡と、 前記別の半透鏡により透過された熱放射を検知する第１
   検知手段と、 前記別の半透鏡により反射された熱放射を検知する第２
   検知手段と、を備えることを特徴とする温度計測装置。
6. 【請求項６】 請求項４または請求項５の温度計測装置
   であって、 前記半透鏡が前記反射板に設けられた穴に設けられてい
   ることを特徴とする温度計測装置。
7. 【請求項７】 基板からの熱放射を基に基板の温度を計
   測しつつ基板に熱処理を施す基板熱処理装置であって、 基板に対向して配置され、かつ基板からの熱放射を反射
   する反射板と、 基板に対して非接触に前記反射板に設けられるとともに
   互いに透過率が異なる第１および第２半透鏡と、 前記第１および第２半透鏡のそれぞれを透過した基板か
   らの熱放射を受けて、その第１および第２放射強度のそ
   れぞれを計測する第１および第２放射強度計測手段と、 前記第１および第２放射強度を基に基板の温度を求める
   温度算出手段と、 前記基板に熱を供給する熱源と、 前記温度算出手段により算出された基板の温度に基づき
   前記熱源の温度を制御する制御手段と、を備えることを
   特徴とする基板熱処理装置。
8. 【請求項８】 基板からの熱放射を基に基板の温度を計
   測しつつ基板に熱処理を施す基板熱処理装置であって、 基板に対向して配置され、かつ基板からの熱放射を反射
   する反射板と、 基板に対して非接触の状態で前記反射板内に設けられる
   とともに、互いに異なる第１および第２波長領域を主成
   分とする熱放射に対する透過率が互いに異なる半透鏡
   と、 前記半透鏡を透過した基板からの熱放射のうち主に前記
   第１および第２波長領域を主成分とする熱放射のそれぞ
   れの放射強度である第１および第２放射強度とを個別に
   計測する放射強度計測手段と、 前記第１および前記第２放射強度とを基に基板の温度を
   求める温度算出手段と、 前記基板に熱を供給する熱源と、 前記温度算出手段により算出された基板の温度に基づき
   前記熱源の温度を制御する制御手段と、を備えることを
   特徴とする基板熱処理装置。
9. 【請求項９】 請求項１の温度計測装置を用いた温度計
   測方法であって、 前記第１および第２半透鏡を透過した基板からの熱放射
   の第１および第２放射強度を計測する工程と、 前記第１および第２放射強度を基に前記基板の温度を算
   出する工程と、を備えることを特徴とする温度計測方
   法。
10. 【請求項１０】 請求項４の温度計測装置を用いた温度
    計測方法であって、 前記半透鏡を透過した基板からの熱放射の第１および第
    ２放射強度を前記放射強度計測手段により計測する工程
    と、 前記第１および第２放射強度を基に基板の温度を算出す
    る工程と、を備えることを特徴とする温度計測方法。
11. 【請求項１１】 請求項９の温度計測方法において、前
    記の各工程の前にさらに、 基板とほぼ同寸および同形状の黒体板を加熱しつつ、基
    準放射温度計により当該黒体板からの熱放射を直接捉え
    て、それを基に当該黒体板の温度を算出する工程と、 前記第１および第２放射強度計測手段により前記黒体板
    からの熱放射の互いに異なる第１および第２放射強度を
    計測する工程と、 計測された前記黒体板の温度と前記第１および第２放射
    強度とを基に、基板と前記第１および第２放射強度測定
    手段のそれぞれとの間の第１および第２幾何光学的因子
    を決定する工程と、を備えることを特徴とする温度計測
    方法。
12. 【請求項１２】 請求項１０の温度計測方法において、
    前記の各工程の前にさらに、 基板とほぼ同寸および同形状の黒体板を加熱しつつ、基
    準放射温度計により当該黒体板からの熱放射を直接捉え
    て、それを基に当該黒体板の温度を算出する工程と、 前記第１および第２放射強度計測手段により前記黒体板
    からの熱放射の第１および第２放射強度を計測する工程
    と、 計測された前記黒体板の温度と前記第１および第２放射
    強度とを基に、基板と前記放射強度測定手段との間の第
    １および第２幾何光学的因子を決定する工程と、を備え
    ることを特徴とする温度計測方法。