JPS6288929A - 半導体ウエハ用非接触温度計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は半導体ウェハの温度を処理中に非接触で測定す
る装置に関する。

〔発明の背景〕

半導体デバイスの微細化に伴い、製造工程のプロセス管
理は、高精宜化が要求されている。

゛　中でもＣＶＤ法やスパッタリング法による成膜工程
では安定した換を得るために温度管理が必要不可欠であ
る。この温度管理のためには、ウニへの温度を処理中に
非接触で測定することが最。

上である。

上記の目的で温度を測定する方法として測定。

対象物に回折格子を設け、温度の上昇による回。

折格子の熱＃張車を測定して温度の上昇分を知。

る方法が！！＃開昭５６−　ｆ０２２０および特開昭５
８−７２６２５５に開示されている。

これらの方法では、光を照射して反射回折光。

の角度変化を検出している。例えば、シリコン。

の１０ｏｅの変化は、１０秒はどの角度変化に対応する
。従って、１００Ｃの変化を知るには１０秒はどの、分
解能で角度を検出する必要がある。

ところが、これらの方法ではウェハの振動の影傅が考憲
されていないため、測定中にウェハが振動した場合、測
定が困難となる。

従って、治具の熱変形、真空ポンプの振動な。

ど多くの振動モードを持つ処理中のウェハの温度を測定
することが事実上不可能であった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、振動の影響を除去して、処理中のウェ
ハの温度測定を可能とする装置を僕供することにある。

〔発明の概要〕

従来の方法では、回折光を集光する際、球面。

レンズを用いている。その結果、光軸に垂直な。

ｘ　−ｙ平面内のｘ、ｙ両方向について角度変化ζ拡大
してしまい、ウェハが振動すると光軸がセ。

ンサからはずれてしまい角度変化を検出でき諷いことを
見出した。そこで、シリンドリカルレ。

ンズを用いたフーリエ変換光学系を用い、一方。

向だけをフーリエ変換し、１４線として結縁す包溝成と
した。これにより振動に強く、元軸調整が不要で、多種
のウェハに適用できる温度計とした。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図、第２図Ａび第５図に
より説明する。

実施例は、パルスレーザ４．レンズ６及び７ハーフミラ
ー８より成る光照射部９゜ 干渉フィルタ２９円筒形レンズ１より成る採光部５゜ 一次元固体撮像素子１０ないし１４．一時的目己憶部１
５ないし１９．演算処理部２１．制御部２０．。

表示部２２より成る検出処理部２５．により構成さ。

れる。

また測定対象物である基板２５は、窓２４の設げ、。

られた処理室２５に戟ｉされている。−次元固体撮像素
子にはラインセンサ等が適しよう。

以下、各構成要素の相互の関係を説明する。

光照射部９では、パルスレーザ４から波長０．６μ扉の
空間的かつ時間的に可干渉性を持つ半値幅数ｍ　ｓｅｃ
の元が射出される。この元はレンズ６および７によりビ
ーム径を約２ｍｍ〜１０ｒｒＬｒｎ程度に広げられる。

広げられた元は反射対透過。

比約１：１のハーフミラ−８で反射され基板２４上に照
射される。

ココテパルスレーザ４は、より具体的には、Ｎ、レーザ
を励起源にした色素レーザが適する。

適切な色素を選択することにより波長０．６μ扉波長半
値幅５ｒｎｍ程度の光を射出する。この場合、波長は０
．６μｍに限定される必要はなく、後述するように、対
象のパターン幅などに応じて適切な値を選択すべきであ
る。また、パルスの半値幅についても５ｒｎｒｎ程度に
限定される必要はなく、後述するように、−次元固体撮
像素子の感度、外的振動条件、必要な測定精度により選
択されるべきものである。

さらにパルスレーザ４は、パルスレーザテする必要はな
く、空間的かつ時間的に可干渉性を有するものであれば
良い。より具体的には、Ｈａ。

−Ｎｇレーザ、Ａｒレーザ、　Ｈａ　−Ｃｄ　ｖ−ザ、
半導。

体レーザ等の連続発振レーザ、　ＹＡＧレーザ、ルビー
レーザ等、他のパルスレーザでも良い。

ウェハから反射された光は、採光部５にとりこまれる。

採りこまれた光は、干渉フィルタ２により信号光だけを
通過させ円筒形レンズ１により、一方向にのみフーリエ
変換される。すな。

わち、円筒形レンズ１の円筒方向に垂直な方向Ｘのみフ
ーリエ変換される。

一次元固体撮像素子１０ないし１４が、フーリエ変換面
２６上に、方向Ｘに平行に設置される。

この時−次元固体撮像素子１０ないし１４ヲ工、図示の
ように重複しながら並べられる。

−次元固体撮像素子１０ないし１４は、検出し。

た信号を光電変換し、−次元固体撮像素子１０な。

いし１４にそれぞれ設置された一時的記憶部１５偽。

いし１９に送る。−次元固体＃Ｌ像素子１０ないし１４
゜は、一時的記憶部１５ないし１９を有したものもある
。

ここでパルスレーザ４と、−次元固体撮像素子１０ない
し１４、一時的記憶部１５ないし１９は制御部２０によ
り制＃される。すなわちパルスレーザ４の発振と一次元
固体撮像累子１０ないし１グの感光は同期される。つま
り感光時間中て発振される。

一時的記憶部１０ないし１４に採りこまれた信号は、演
算処理部にとりこまれ、所定の演算がなされ、温度とし
て表示部に表示される。

以下、実施例の動作の説明をする。

最初に原理と動作を説明し、次に振動の影響の除去法を
、光軸方向（２方向）、光軸に垂直な平面内（ｘ、ｙ方
向）、ｘ軸まわりの回転、ｙ軸まわりの回転の４種に分
けて説明する。複雑な振動も上記の振動の重なったもの
として考えることができる。測定器側の振動も相対的に
基板の振動と同義である。

一般に基板２４（第１図）上のピッチｄなる繰り返しパ
タンに波長λなる光を垂直に照射した場合、以下の式ｆ
ｉｌ　Ｋ示した方向θｍに光が反射する。この際、整数
ｍを回折の次数という。

ハ九θｍ＝ｍ−λ／ｄ　　　　　　、侑）ここで、基板
の温度が上昇した場合、基板の熱膨張によりピッチｄが
広がり、０ｍの値が変化する。基板の線膨張係数なα（
ｄリーＩ）とすると、ΔＴ（ｔ：　）の温度変化による
回折光の角度変化Ａθは以下の式（２）に従う。

ここでの近似関係は、θ扉の値が小さい程精密に成立し
、例えば、θ扉が２００の時は４％、　１００の時は１
％の誤差となる。

従って、０ｍを１００程度とした場合、温度変化量ＪＴ
と回折光の広がり角度Ａθの間には線形な関係があると
して良い。ここで、さらに高精度の近似を行う場合、θ
扉を小さくする必要があり、逆に粗い精度で良い場合は
０ｍを大きく採ｎる。

光が入射角ｉで入射した場合の回折光の射出方向θｍは
以下の式（３）に従う。

％式％（３） この場合、入射方向ｉに近い位置に射出する０ｍを選択
することができるが、Ａθについては式（２１のような
近似は行なえず、以下の式（４）のようになる。

Ａθ＝ａＬｔｒ”　（ｍλ／ｄ　）−ａｂｎ−’　（悔
（１＋αｘＴ））鳴従ってこの式をそのまま用いて１，
４Ｔを算出す。

ることもできる。この場合、０ｍの方向を他の方法で測
定する必要がある。

本実施例では簡単のため、この入射方向に垂。

直な方向２６に出現する回折光を用いる溝成とし。

た。一般の基板上のパタンは四方六方に回折す。

るため、今まで考えていた平面に垂直で、入射。

光軸を含む平面内に射出して（る光束をとりこ。

む。これらの光束は式（２）の近似を用いてさし２かえ
ない。

基板２４（第１図）上の任意の位置にパルスレーザ４か
ら光を照射する。この際基板２４上にはたてよこにパタ
ンか形成されているため四方へ。

方に回折光が回折する。光束の径をある程度の。

大きさにすることにより、これらの回折パタンのうちの
いくつかが、干渉フィルタ２を通して円筒形レンズ１に
とりこまれる。円筒形レンズ１によりｙ方向のみフーリ
エ変換され、−次元固体撮像素子１０ないし１４上に結
像される。ここでパルスレーザ４と一次元固体撮像素子
１ｏない加 し１４は、同期をとってあり、検出した光を光電。

変換し、１時記憶部１５ないし１９に送る。次に各１時
記憶部にとりこまれた情報を演算処理部２１にとりこむ
。

この第１回目の露光により、とりこまれた情、報から、
光強度のピーク位置を検出する。この。

ピーク位置の中で、なるべ（、離れた一次元固。

体熾像素子によりとりこまれたものを２つ以上選び位置
を記憶する。”１　ｅ”！とする。

第２回目の露光を同様に行い、ピーク位置へ。

検出する。この時、ｘｌの存在した一次元固体撮像素子
１０ないし１４あるいはその近（のものから検出した位
置をｘｌ・とする。次に、円′　より。

”ｔ　　”ｔだけ差し引いた位置の近くにｚ、　Ｆを選
択。

する。この時、第１回目の露光と第２回目の蕗光の時間
差から予想される基板温度の上昇あるいは下降分から極
端にはずれていない部分にｘ！ｌ　を選択する必要があ
る。温度上昇分は以下の式で求められる。

第５回目の露光についても同様に、温度差Ａ′ｒ。

が求められる。

コｃｒ）方法ｖｃＪ、ｒ）、ｆ　＝　５００ｍｍ、λ：
　０．６５５ｆｉｍα：　４．２　Ｘ　１０’　　、　
ｄ　＝　ＩＱ、ｕｎの場合、ｍ＝２゜ｍ＝−２の２つの
回折光を検出すると、式２より。

５℃当り１５μｍの変化がある。従りて、５℃の分解。

能で温度が測定できる。

本実施例は、入射光を含む平面と、−久元具体＃Ｌ＠索
子１０ないし１４が垂直になる溝成とし。

て、近似式１２）を用いて、温度の算出をしている、し
かしながら、入射光の角度を別の方法で測。

定することで、近似しない式（４）を用いて温度を。

算出することもできる。

回折光の広がり角度の変化を検出する手段と。

して、本実施例ではレンズによるフーリエ麦焦を利用し
ている。以下第２図を用いて説明する。

基板２４（第１図）から射出した回折光が、離れたとこ
ろにあるレンズ１に入射した場合を考えろ。この時、レ
ンズの焦点距離をｆとする。。

ここで、測定点２７（第１図）＆Ｃ＆Ｘ、空間的Ｋ”Ｔ
ｌ。

干渉な元を平行な光束として照射しているため、。

反射回折光も平行な光束として射出する。

この光束がレンズの中心を通り、レンズに対。

して０ｍの入射角で入射した場合を考える（第２゜図）
。通常の光学レンズでは、以下の式に示す。

位ｆｈに焦点を結ぶ。元軸に垂直で焦点を含む平面はフ
ーリエ変換面と呼ばれている。

ル＝　ｆｌ、７Ｌｆ）ｍ　＝　ｆｉＬｎθｒｎ　　　　
−１ｌｌ従って入射角θに応じて、焦点位置んは一義的
に決定される。

また、式（２）および式（６）よりバタンピッチｄと。

ｈとの関係は以下の式（７）により決定される。

ｈユｆ−ｍλ／ｄ　　　　　　　・・・（７）従って、
己の変化に対しては次式（８）が成立する。

ＡＡ　＝　ｆ−ｎｓ・λ・αｙＴ　／　ｃｌ　　　　・
＝　ｉ８１すなわち焦点位ｍｈの変化が温度変化に対唄
している。この際、光束がレンズの中央を通ら。

ない場合も、θ風の角度で入射したものは原則と。

してんの位置に焦点を結ぶことは、レンズの鴫。

買上自明である。

式（６）は、ここに示した光学系が、測定対象の。

光軸方間（２万回）の奈動の影響を受けないこ。

とを示している。すなわち測定対象が２軸方向。

に振動しても、光束のレンズに対する入射角θ１は変わ
らないため焦点位置んは変わらない。　。

ここでフーリエ変換レンズと呼ばれる次式（９！に示す
結像式に従うレンズがある。

ル＝ｆｊ↓九〇　　　　　　　・・・（９）このフーリ
エ変換レンズを用いると式（７）は４似式でな（なるた
め、さらに高精度になる。特にθが大きくなった場合に
効果は大きい。式（８１を専くにあたって、式（７）と
式（８）間の近似だけ鴨なるため近似の精度が向上する
。

ニアシータレンズと呼ばれている次式に示す結像関係式
に従うレンズも、通常の球面レンズ同様に用いることか
できる。

ｈ−４・θ　’：：　ｆ　　ｔｉｒｎθ　　　　　　　
　　・１１１次に、元軸に垂直な平面内の磯動について
考える。

この平面内の振動が生じた場合は、光束の照。

対位置が変わる。すなわち、同一ピッチのバタ。

ンが広がっている場合は、測定に影響を及ぼさ。

ない。

しかしながら現実的には、基板上のバタンピ。

ッチは、完全に同一ではなく、従って１つの次。

数の回折光といっても完全に同一方向に射出せ。

ず、微妙に異なる方向成分を有して射出する。。

すなわち、任意の次数の回折光のフーリエ変換像は理想
的には点に結像するはずであるが、牌。

実的には点に結像しなくなる。従って光束はスきるだけ
細い方がより点に近い像が得られ、精像位置を決定しや
す（なる。しかし、反面、鴻束の照射位置が変わった時
に、結像位置が変峡ってしまう。すなわち振動に対して
弱いことになる。

そこで本実施例では光束の径を広げている。

この場合、元の照射された部分からの反射回折光は、微
妙に異なる各ピッチにより決定される方向に射出するた
め、そのフーリエ変換像はへる程度の大きさを持った鐵
になる。しかしながら、ウェハの振動があっても、照射
部の一部が変わるだけになるため、回折光のフーリエ変
換像の位置は大きく変化することがない。すなわち、安
定して像の位置が決定できるため、軸く垂直な平面内の
振動に対して強い構成となる。

次にＸ軸まわりの振動の除去法について説明。

する。

円筒形レンズを用いることによりＸ軸まわりの撮動を除
去している。円筒形レンズにより、例えば５ｍｍの径の
光束は長さ５ｍｍの輝線になる。

この輝線は、−次元固体撮像素子１０ないし１４の軸に
垂直に結像される。ここで、基板がＸ軸まわりで回転し
た場合でも、輝線の軸の位置は移動しない。すなわち、
Ｘ軸まわりの回転の影響が除去されたことになる。輝線
をある程度長くより兵体的には、照射光束の径を数ｍｍ
とすることにより、角振幅数＋ｍｒａｒＬまでの振動の
影響が除去される。

最後にｙ＠まわりの振動の除去方法について説明する。

基板のｙ軸まわりに仮に周波数７０１０（ｚ振れ幅数１
０ｒＩＬｒｃＬＬｉの振動が存在した場合、フーリエ変
換面での像の最大速度は約５０μＶμｊ４Ｇとなり、半
値幅５ルＪ４０　程のパルスレーザ４の露光中には１．
５μＦ７１程度しか移動しない。したがって、例えば画
素の大きさが１５μｍの一次元固体熾像素子を考えれば
、十分振動の影響な除去できる。

また、パルスレーザな用いない場合、例えば１００μｍ
６４６程の露光を行った場合、フーリエ変換像は、ピー
クのにぷいブロードなものになり、精度はにぶるがピー
ク位置は検出できる。

次に基板のパタンの方向と、１欠元固体撮像累子の方向
とが平行でない場合も、河ら手を加えないで温度測定が
可能ですることを示す。

この場合、フーリエ変換隊のパターン２８α。

２９αは第５図に示すように、温度変化とともに軸５０
にそって２８Ａ、２９Ａの立置に移動する。

本実施例では、式（５）に示したように、パタンの広が
りの比率を求めこいるため、実際の変化の比と、検出さ
れた変化の比は、以下の式αυに示すように等しくなる
。すなわち、傾きの影響がない。

χ　Ｌ 以上の様に、任意のバタンを表面に有する基板につい℃
、光が任意の位置に照射されるように設定するだけで、
撮動の影響を除いて、温度の測定が可能になる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、任意の回折パタンか形成されたウェハ
の上昇温度を、ウェハにｒｉ動が存在するような状態で
あっても、非接触で測定できるため、処理中の任意のバ
タンを有するウェハの温度を測定できる。

【図面の簡単な説明】

Ｘ１図は本発明の実施例を示す全体碑成図、第２図は光
学系の原理説明図、第５図は固体撮像素子に結像した輝
線が温度変化に伴い移動することを説明する図である。 １・・・円筒形レンズ ２・・・干渉フィルタ ４・・・パルスレーザ １０〜１４・・・−次元固体撮像素子 ２０・・・制御部 ２１・・・演算処理部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、空間的時間的に可干渉な光源と、光束を拡げ平行光
   束とし測定対象に照射する手段と、該測定対象から反射
   回折してくる光束を集光する手段と、該集光した位置に
   設けられた光検出手段と、該検出手段で検出した信号を
   処理する手段とから構成される非接触温度計であって、
   前記集光する手段が円筒形レンズであり、前記光検出手
   段が、該円筒形レンズの円筒軸に垂直な軸上で、かつ該
   円筒形レンズのフーリエ変換面上に設置されていること
   を特徴とする半導体ウェハ用非接触温度計。