JPS63198837A - 半導体基板の温度測定方法および装置 - 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】 （産業上の利用分野） この発明は、半導体基板（以下「ウェハ」という）の温
度を測定する方法および装置に関し、特にウェハを加熱
手段によって熱処理する装置において、そのウェハの温
度を非接触で測定する方法および装置に関する。

（従来の技術とその問題点） 半導体基板の製造工程で実施される種々の熱処理におい
ては、ウェハの表面温度を正確に測定して熱処理を行な
う必要がある。従来、ウェハの温度測定方法としては、
例えば特開昭５６−１００４１２号公報に開示されてい
るように、ウェハの表面に熱電対を当接させてウェハの
表面温度を測定する方法が知られている。しかしながら
このような従来の測定方法にあっては、ウェハ表面に測
温接点を設けなければならず、この接触測定に起因して
ウェハ表面を屓傷させてしまうといったことが起こった
り、測温接点そのものの温度上野がウェハ表面温度に影
響を与える外乱要因となる等の不都合がある。また、炉
内の加熱により熱雷対の金属が一部蒸発してこれがつＩ
ハに付着し、ウェハを汚染するといった問題も為してい
た。

そこで本出願人は、ウェハに非接触で、かつ熱電対の金
属によるウェハの汚染を防止しながら、正確にウェハの
表面温度を測定する方法として、特願昭５８−２４０４
７４号明細書や実願昭５９−６５９３１号明１［１書に
記載したように、光照射によって加熱されるウェハ自体
が放射する輻射エネルギーを、フィルターを介して検知
する方法及びレンズによりウェハ表面の輻射光のみを集
光させて検知する方法を先に提案した。

ところが、特願昭５８−２４０４７４号明細書や実願昭
５９−６５９３１号明細１に記載したようなウェハの温
度測定方法においては、ウェハが収容されている熱処理
炉内に検知手段もしくはガイ□ド筒を挿入する必要があ
り、このため熱処理炉の壁面に通孔を穿設しなければな
らず、その加工に手間を要するとともに、加工部での構
造および強度上の問題から真空熱処理炉への対応が困難
であった。また、熱処理炉の壁面に通孔を穿設し、その
通孔を介して検知手段もしくはガイド筒を炉内に挿入す
る方法をとるため、それに起因して熱処理炉内の雰囲気
が部位によって変化することがあり、ウェハの熱処理結
果に悪影響を及ぼすといった問題がある。さらに、室温
付近の低湿域では、ウェハから放出される温度に依存し
た輻射エネルギーに対して、加熱手段であるランプから
放射される雑音成分としての輻射エネルギーの割合が高
くなり、低温域での温度測定ができないという問題も有
していた。

（発明の目的） この発明は、上記問題を解決するためになされたもので
、ウェハに非接触で、かつウェハの金属汚染を防止しな
がら正確にウェハの温度測定を行ない、しかも熱処理炉
自体には何ら加工を施す必要がなく、真空熱処理炉に容
易に対応できて、測温範囲の制約も受【プない半導体基
板の温度測定方法およびその装置を提供することを目的
とする。

（目的を達成するための手段） 第１の発明である半導体基板の温度測定方法は、熱処理
炉内に収容され、加熱手段によって熱処理される半導体
基板の温度を測定する方法であって、上記目的を達成す
るために、半導体基板の表面に温度測定用光を照射して
その透過光を分光し、その分散光に現われる半導体基板
の基礎吸収端波長を検出して、半導体基板の温度を求め
るようにしている。

また、第２の発明である″￥導体基板の温度測定装置は
上記方法を実施するための装置であって、上記目的を達
成するために、熱処理炉内に収容される半導体基板の表
面と央面に対向して発光手段と受光手段を配設し、上記
受光手段により受光された光を分光してその分散光に含
まれる半導体基板の基礎吸収端波長を検出する基１楚吸
収端波長検出部を設け、上記基礎吸収端波長検出部によ
り検出された基礎吸収端波長に基づいて半導体基板の温
度を求めるように構成している。

（発明の原理） 半導体に、その半導体の禁制帯幅（エネルギーギャップ
）Ｅｇに相当もしくｔよそれ以上のエネルギーの光を照
射すると、゛ヒ導体内部の励起に起因して基礎吸収が起
こる。このとき、禁制帯幅Ｅｇに等しいエネルギーをも
つ光の波長を基礎吸収端波長λ０といい、λｏ＝ｈＣ／
Ｅｇ　（但し、ｈはブランク定数、Ｃは光速）で表わさ
れる。また、禁制帯幅Ｅｇはその半導体の温度に依存し
、すなわち第２図に示すように半導体の温度が高くなる
程小さくなる。従って、基礎吸収端波長λ。も半導体温
度に依存し、第３図に示すように半導体の温度の１胃に
伴って長波長側ヘシノトすることになる。半導体による
光の吸収は、この基礎吸収端波長λ０を境として、その
λ。よりわずかに短波長側にずれるに従って急激に増加
し、ついには半導体中を光がほとｌυど透過しなくなる
。一方、基礎吸収端波長λ。より長波長の光に対しては
、半導体による光の吸収はほとんどなくなり、半導体は
ほぼ透明な状態となる。

そこで、半導体に光を照射して、その透過光に含まれる
基礎吸収端波長を検出すれば、半導体の温度を測定する
ことが原理的に可能となる。この発明は、上記原理を応
用して半導体基板の温度測定を行なうものであり、すな
わち半導体基板に所要波長の光を照射してその透過光を
分光させ、その分散光に含まれる基礎吸収端波長を検出
して半導体基板の温度を求めるようにしている。

なお、半導体の禁制帯幅Ｅｇおよびその温度依存性は、
半導体の結晶性や不純物濃度および半導体材料の種類に
よって異なる。したがって、半導体の基板に品質のばら
つきがあると、基礎吸収端波長のみによって−よ温度を
正確に測定することはできない。しかしながら現在用い
られているＳｉやＧａＡｓなどの半導体基板は、その上
に形成される回路の諸特性の向上や製作上の歩留りの向
上のために安定した品質の材料のものが使用されており
、基礎吸収端波長と温度の関係は安定に保たれているも
のと考えられる。

（実施例） 第１図は、この発明の一実施例である半導体基板の温度
測定装置の概略構成を熱処理炉の模式図とともに示すブ
ロック図である。

熱処理￥ｉ置のハウジング１内には石英ガラス製の熱処
理炉２が配設され、その上下両面には互いに対向してハ
ロゲンランプ等の加熱用光源３が列設され、各加熱用光
源３の背後には反射板４が設けられている。熱処理炉２
の内部にはシリコン基板等のつＩハ５が支持器６上にｇ
ｉ置されて収容されている。支持器６は熱処理炉２と同
様石英ガラスからなり、図示しないアームを介して駆ｖ
Ｊ装置によって熱処理炉２へ搬入される。また、熱処理
炉２は、前面側の炉壁部が開閉自在に構成されており、
その開口を介してウェハ５の搬入および搬出が行なわれ
る。

熱処理炉２の上方および下方には、互いに対向して発光
手段Ｐおよび受光部への光伝送手段Ｑの一端が配設され
ている。発光手段Ｐは、光源７゜凹面鏡８．メカニカル
テコツバ９．光ファイバ１０およびコリメータレンズ１
１で構成され、受光手段Ｑは、コンデンサレンズ１２．
光ファイバ１３およびコリメータレンズ１４で構成され
る。発光手段Ｐの光源７はハロゲンランプ等で構成され
、光源７より照射された光は凹面鏡８で反射されてメカ
ニカルチョッパ９に集光される。メカニカルチョッパ９
は、周縁部に周方向に沿ってスリットを等間隔に配列し
た遮光板９ａを有し、等速回転される遮光板９ａにより
、凹面鏡８により集光された光を断続的に遮断および透
過させて、所定の周波数で点滅する点減光を作成する。

この点減光は光ファイバ１０の一端側に入射され、その
他端側より熱処理炉２に向は温度測定用光として照射さ
れる。この際、照射光はコリメータレンズ１１によりほ
ぼ平行な光となって、シリコン基板等のウェハ５の表面
側に照射される。

上記温度測定用光のうちウェハ５を透過した光は、コン
デンサレンズ１２を介し光ノアイバ１３の一端側に受光
される。そして、光ファイバ１３の他端側より取出され
て、コリメータレンズ１４によりほぼ平行な光となって
分光器１５に入射される。したがって、分光器１５の入
射光に含まれる基礎吸収端波長λ。を検出すれば、上記
発明の詳細な説明したように、その基礎吸収端波長λ。

からウェハ５の温度を求めることが可能となる。

ここで、光ファイバ１３の一端には、温度測定用光のウ
ェハ５での透過光ばかりでなく、熱処理炉２の加熱用光
源３からの光、言い換えれば温度測定周光以外の温度測
定の邪魔になる光も入り込んでいる点に注意する必要が
ある。第４図は光ファイバ１３に受光された光の、波長
と光強度の関係特性図を示す。同図において、仮想線で
示す特性曲線Ａは、温度測定用光が消灯状態にある期間
での光ファイバ１３の受光特性、言い換えれば加熱用光
源３のみの光による受光特性を示す。また、特性曲線Ｂ
は、温度測定用光が点灯状態にある期間での光ファイバ
１３の受光特性、古い換えれば、加熱用光源３からの温
度測定に邪魔になる光と、温度測定用光のウェハ５での
透過光とが重畳された光による受光特性を示す。したが
って、特性曲線Ｂから特性曲線Ａを差し引いた特性が温
度測定用光のウェハ５での透過光の光特性を表しており
、同図からも分るように、温度測定用光のうちウェハ５
を透過する光成分は、基礎吸収端波長λ。よりも長波長
側のもののみである。これは、発明の原理で・も述べた
ように、ウェハ５が、基礎吸収端波長λ。よりも長波長
の光に対しては透明な状態となり、逆に短波長の光に対
しては不透明な状態となることによる。なお、この基礎
吸収端波長λ０は、ウェハ５の温度に依存してシフトし
、すなわちウェハ５の温度が上界すれば長波長側ヘシフ
トし、逆に温度が下降すれば短波長側ヘシフトする。発
光手段Ｐの温度測定用光は、メカニカルチョッパ９のチ
ョッピング周波数の周期で点滅を繰り返すため、受光手
段Ｑには、上記特性曲線Ａで表わされる光と、上記特性
曲線Ｂで表わされる光が交ｎに受光されることとなる。

このように、受光手段Ｑには、温度測定用光のつ１ハ５
での透過光ばかりでなく、加熱用光源３からの温度測定
に邪魔になる光も受光されるため、これら不要な光によ
る影響を排除しつつ、基礎吸収端波長λ。！ｊ：粘度良
く検出して、ウェハ５の温度測定を正確に行なう必要が
ある。本実施例においては、かかる不要な光等の影響を
排除しつつ基礎吸収端波長λ。を精度良く検出する手段
として、分光器１５．光強度差検出部１６．ロックイン
アンプ１７．基準設定部１８．比例・積分演算部１９お
よび波長掃引部２０からなる基礎吸収端波長検出部Ｍを
設けている。以下その構成と動作について順次説明する
。

分光器１５は、回折［−やプリズム等で構成される分光
手段１５ａを内蔵しており、光ファイバ１３から入射さ
れた光を上記分光手段１５ａにより分光して、その分散
光Ｒを分光器１５の光取出口１５ｂより次段の光強度検
出部１６へ出射するように構成している。そして、この
分光器１５は、波長婚引部２０から出力される波長掃引
信号ａくその訂細は後述する）に基づいて分光手段１５
ａを、例えば微少角度傾ける等の動作をすることにより
、光強度検出部１６へ出射された分散光Ｒの波長領域が
長波長側又は短波長側へシフトされるように構成された
ものであり、この分散光Ｒの波長領域を前記波長掃引信
号ａに対応した掃引波長λを中心とした波長領域とする
ように機能する。

分光器１５より取り出された分散光Ｒは、光強度差検出
部１６に与えられる。光強度差検出部１６は、第５図（
ａ）に示すように、４個のフォトダイオードＰＤ　　、
ＰＤｂ、ＰＤｏ、ＰＤ、からなるノオトダイオード７レ
イを、分光器１５の光取出口１５ｂに対向して配回して
いる。この場合、フォトダイオードＰＤａが分散光Ｒの
長波長側に、フォトダイオードＰＤ、が分散光Ｒの短波
長側に位置するように配列され、かつフォトダイオード
ＰＤｂとＰＤｏのほぼ中間位置に分光器１５の掃引波長
λが、位置するように配置される。このフォトダイオー
ドＰＤａ−ＰＤｄｔ、を第５図（ｂ）に示すように回路
構成されて、プリアンプ２１に接続される。これにより
、分光器１５の掃引波長λにほぼ対応する波長領域の光
が中央のフォトダイオードｐｏｂ、ＰＤｏに受光され、
上記フォトダイオードＰＤ、ＰＤ、に受光される光の前
後の波す 長領域の光が、両端のフォトダイオードＰＤａ。

ＰＤｄに受光される。そして、両端のフォトダイオード
ＰＤ、ＰＤｄの光電流（言い換えれば光強度）と、中央
のフォトダイオードＰＤ、ＰＤ。

で検出された光電流（言い換えれば光強度）の差に応じ
た電圧値をもつ信ｓｂが、プリアンプ２１から出力され
る。これを、数式的に表わすと、フォトダイオードＰＤ
　　、ＰＤｂ、ＰＤ　　、ＰＤｄＣ の光電流をｊ　ａ　、ｊ　ｂ、ｊ　　、ｊ　ｄ−プリア
ンプ２１の出力端子と一方の入力端子間に接続される抵
抗をＲｆ、信号すの電圧をＶ。とした場合、ＶＯ＝Ｒ（
（（ｉ８＋１ｄ）−（ｉ、＋ｉｃ＞）・・・（１） となる。

いま。分光器１５の掃引波長λが第４図に示す塁礎吸収
喘波ｌ処λ０に一致している場合を考える。

第６図はそのときの分散光Ｒの分光特性（特性曲線Ａお
よびＢ、ただし、八は温度測定用光消灯時、Ｂは点灯時
とする。）と、光電流ｉ、〜１．の関係を示した図であ
る。温度測定用光の点灯時（特性曲線Ｂ）における光電
流ｉ、〜ｆｄの大きさは、同図の斜線領域で囲まれる面
積値により表わされる。同図からも分るように、掃引波
長λが基礎吸収端波長λ０に一致しているときは（ｉａ
→−１ｄ）（＋　ｂ＋　＋　ｃ　）は零となり、上記（
１）式よりプリアンプ２１の出力信号すの電圧Ｖ。は零
となる。

これに対し、例えば第７図に示すように、基礎吸収端波
長λ。が掃引波長λよりも長波長側に変位していると、
（ｉａ＋１ｄ）−（ｉｂ＋ｉｃ）＞０となり、電圧■。

が正で、その電圧値は掃引波長λと基礎吸収端波長λ。

の変位に応じた値をとる。逆に、掃引波長λが基礎吸収
端波長λ。から短波長側に変位していると、（ｉａ＋ｉ
、）−（ｉｂ＋ｉｏ）＜Ｑとなり、電圧Ｖ。が負でその
電圧１直も両波長λとλ。の変位に応じた値をとる。

なお、以上は温度測定用光が点灯時（特性曲線Ｂ）の場
合について説明したが、消灯時（特性曲線Ａ）の場合も
、プリアンプ２１の出力信＠ｂの電圧■。は、加熱用光
′ｒＡ３ヤ熱処理炉２の壁面からの光のように温度測定
用光取外の光（以下、外乱光と称する）のうちつＴハ５
を透過した光によって、温度測定用光点灯時のように、
両波長λとλ。の変位に応じた値となる。ただし、その
１直（よ次の理由から、温度測定用光点灯時より零に近
い値である。外乱光は温度測定用光の点滅と無関係で連
続した光であるから、ウェハ５を透過する光は、温度測
定月光点灯時には外乱光と温度測定用光の両方から成る
に対し、温度測定周光消灯時には外乱光だけから成る。

したがって、第６図や第７図に示すように、ウェハ５の
基礎吸収端波長λ。前後における特性曲線の傾きは、消
灯時では点灯時よりしゆるやかであるから、プリアンプ
２１の出力信号すの電圧Ｖ。は、消灯時では点灯時より
零に近い値となる。

以上より、上記プリアンプ２１の出力信号ｂ１言い換え
れば光強度差検出部１６（第１図）の出力信号すは、第
８図（ｉ）に示すような交流信号となり、メカニカルチ
ョッパ９のチョッピング周波数に等しい周波数と、両波
良λとλ。の変位に応じた振幅をもつ。ただし、同図に
示された信号すは、直流分である外乱成分を含めて図示
しである。

この外乱成分は、ウェハ５を透過した外乱光による掃引
波長λと基礎吸収端波長λ。の変位に応じた直流成分の
電圧や、またプリアンプ２１等のアンプ部分で発生した
ノイズ等である。そのため、この外乱成分は以下のよう
にして、ロックインアンプ１７で除かれる。このロック
インアンプ１７は、周知技術であるため、ここではその
動作のみ簡単に説明することにする。

■まず、第８図（ｉ）ず信号すから外乱成分である直流
成分が除去されて、第８図（ｉｉ）に示すように交流成
分のみの信号ｂ′が作成される。

■一方、ロックインアンプ１７には、上記信号ｂ′の他
に、メカニカルチョッパ９のチョッピング周波数に周期
した周波数をｂつ同期信号Ｃ（第８図（ｉｉｉ）　）が
入力される。この同期信号Ｃは、メカニカルチョッパ９
の遮光板９ａを挟んで発光素子と受光素子を対向配置し
たフォトカプラ２２により作成された信号であり、この
同期信号Ｃは、ロックインアンプ１７にて、第８図（ｉ
ｉ）の信号ｂ′と位相が一致するように位相調整される
（第８図（１ｖ）参照）。

■位相調整後の同期信号（第８図（ｉＶ））を用いて、
第８図（ｉｉ）の信号が第８図（Ｖ）に示すように同期
整流される。

■同期整流された信号（第８図（■））がローパスフィ
ルタに通されて、掃引波長と基礎吸収端波長の変位に応
じた極性と電圧地をもつりよくりゅう信号ｄ（第８図（
Ｖｉ））が作成される。この場合、信号ｄの極性は、基
礎吸収端波長が掃引波長よりも長波長側に変位している
ときは「＋」、短波長側に変位しているときは「−」と
なる。

このようにして作成された信号ｄは、ロックインアンプ
１７から出力され、基準設定部１８から与えられる基準
設定電圧値との差が演算されて、比例・積分演算部１９
に入力される。この場合、基準設定部１８は、掃引波長
λと基礎吸収端波長λ０とが一致したときに、比例・積
分演９部１９に入力される信号ｅの電圧値が零となるよ
うに調整するためのものである。

比例・積分演Ｑ部１９では、入力信号ｅの電圧値をε、
比例定数をα、積分定数をβとした場合、α（ε＋βｆ
εｄｔ）　　　　　　　　・・・（２）で表わされる比
例・積分演算処理を行ない、その演算処理された信号ｆ
を波長掃引部２０に出力する。比例・積分演算部１９で
の積分演算の意味を概念的に説明すると、基礎吸収端波
長λ。が分光器１５の掃引波長λよりも長波長側に変位
している間は、比例・積分演算部１９の入力信号ｅには
正の電圧が与えられるので積分演算値は上昇を続け、基
礎吸収端波長λ。が掃引波長λに一致した時点で、信号
ｅの電圧値が零となって積分演算値が一定値に保たれる
。一方、基礎吸収端波長λ０が掃引波長λよりも短波長
側に変位している間は、上記と逆に積分演算値は下降を
続け、両波長λとλ０が一致した時点で積分演算値が一
定に保たれる。なお、比例・積分演算部１９での比例演
算は、波長掃引部２０のザーボ動作に必要なゲインを与
える目的で行なわれる。

比例・積分演算部１９の出力信号ｆは、波長（吊用部２
０に与えられる。波長掃引部２０では、比例・積分演算
部１９からの信号ｆに基づき、波長掃引信号ａを分光器
１５に与え、信号ｆの比例・積分演算値に応じ分光手段
１５ａを適当な角度だけ傾けさせて分光器１５の波長掃
引を行なう。この波長掃引は、分光器１５の掃引波長λ
が基礎吸収端波長λ。に−敗して、比例・積分演算部１
つの入力信号ｅが零となるように行なわれる。

このように、基礎吸収端波長検出部Ｍでは、受光手段Ｑ
から基礎吸収端波長λ。を含む光が分光器１５に入射さ
れると、分光器１５の掃引波長λが基礎吸収喘波長λ。

に一致するように系が作用する６言い換えれば、熱処理
炉２内に収容されたつＬハ５の温度変化により基礎吸収
端波長λ。が変動すると、その変動に追随するように基
礎吸収端波長検出部Ｍが動作して分光器１５の掃引波長
λが基礎吸収端波長λ。に一致するようにｍ″！！ｌさ
れ、ウェハ５の温度変化に応じた時々朗々の基礎吸収端
波長λ。が検出されることとなる。こうして、基礎吸収
端波長λ。が検出されると、波長掃引部２０かうその基
礎吸収端波長λ。ｋ：ｒｌＪ達した信号９が出力される
。この信号ｑは、リニアライザ２３に与えられて温度に
関連した信号りに変換される。この信号りは、例えば図
示を省略した温度指示器に惇えられて、その温度指示器
によりウェハ５の時々刻々の温度が表示される。また、
上記信号りは、加熱用光源３の駆動部にフィードバック
して、熱処理炉２の温度制御に利用してもよい。しつと
ら、波長掃引部２０から出力される基礎吸収端波長λ。

に関連した信号９は、それ自体が温度に関連した信号で
もあるため、上記のりニアライザ２３は必ずしも必要な
ものではなく、信号りではなく信＠ｑを用いて上記の温
度表示や温度制御を行なうように構成してムよい。

この実施例によれば、次のような効果が得られる。

（１）　　ウェハ５に非接触で、その温度測定を行なう
ことができ、従来の熱雷対を用いた温度測定の場合のよ
うに、熱電対の接触接点によりウェハ表面を傷つけたり
、熱雷対の金属によりウェハ表面が汚染されるといつた
問題が解消される。

（２）　　従来の輻射エネルギーを利用した湿度測定の
場合のように、熱処理炉２の壁面に孔加工を施す必要が
なく、真空熱処理炉にも容易に対応できる。また、熱処
理炉２内のウェハ５に近接してガイド筒やセンサを付設
する必要がないため、熱処理炉２内の雰囲気を均一に保
つことができて、温度測定に伴って熱処理効果に悪影響
を及ぼすといった心配もない。さらに、基礎吸収端波長
λ０の検出は、高温域はもちろんのこと室温付近の低温
域においてら、加熱用光源３等の外乱光の影響を受けず
に精度良＜　Ｉ’ｒなうことができ、測温範囲に制約を
受けない。

（３）　　発光手段Ｐを所定の周期で点滅さゼることに
よって光強度差検出部１６の出力信号すを交流状とし、
その出力信ｑｂに含まれる外乱成分をロックインアンプ
１７により除去するように構成しているため、加熱用光
源３から放射される光エネルギーや、アンプノイズ等の
影響をなくして、基礎吸収喘波長λ。を正確に測定する
ことができ、温度測定粘度が高まる。

この発明の半導体基板の温度測定方法および装置は、上
記実施例に限定されるものではなく、例えば下記に述べ
るような種々の変形態様が考えられる。

（１）　　光強度差検出部１６として、第５図の構成の
ものに代え、第９図の構成のものを使用する。

この光強度差検出部２４は、４本の光ファイバＦ−３，
Ｆ５．Ｆｏ、Ｆｄの一端を、分光器１５の光取出口１５
ｂに対応して、分散光Ｒの長波長側がら短波長側に向け
て縦列配置し、中央の２本の光ファイバＦｂ、Ｆ、で分
光器１５の掃引波長λにほぼ対応する波長領域の光を受
光して、コンデンサレンズ２５を介し一方の光電変換素
子２６（フォトダイオード等）に導くとともに、両端の
２本の光ファイバＦ、Ｆｄで上記光ファイバＦｂ。

Ｆ、で受光された光の面接の波長領域に対応する光を受
光して、コンデンサレンズ２７を介し他方の光電変換素
子２８（）Ａトダイオード等）に導く。そして、光電変
換素子２８で発生した光電流ｉ　と、光電変換素子２６
で発生した光電流１１の差（ｉｏ−ｉｆ）をプリアンプ
２９で演算して、Ｖｏ＝Ｒ，（ｉｏ−ｉｒ　）で表わさ
れる電圧値をもつＩ、ｆ　ｇ　ｂ　ｒ　を出力する。こ
うして得られた信号ｂ′は、第５図の信号すと同様、メ
カニカルチョッパ９のブヨッピング周波数に等しい周波
数と、掃引波長λと基礎吸収端波長λ。の変位に応じた
振幅とをもつ交流信号である。

（２）　　上記実施例においては、発光手段Ｐの温度測
定用光をメカニカルチョッパ９により所定の周期で点滅
させているが、発光素ｆに発振回路を接続し、その発振
回路により所定の周期で点滅する温度測定用光を作成す
るようにしてしよい。この場合は、ロックインアンプ１
７に入力する同期信号Ｃは、上記発振回路から取り出す
ことは言うまでもない。

（３）　　上記実施例においては、発光手段Ｐの温度測
定用光をメカニカルチョッパ９により所定の周期で点滅
させているが、このメカニカルチョッパ９を取り除いて
温度測定用光を連続点灯させるようにしてもよい。この
場合は、ロックインアンプ１７は省略される。

（４）　　上記実施例においては、比例・積分演算部１
９での比例・積分演幹値と、分光器１５での分光手段１
５ａの回転角とを対応させて、分光器１５の波長掃引を
行なっているが、他の方法で分光器１５の波長掃引を行
なうようにしてもよい。

例えば、信号ｅの電圧値が「正Ｊ、ｒｏｂ、ｒ負」のい
ずれの状態にあるかを判断する比較部を比例・積分演算
部１９に代えて挿入し、「正」または「負」のときには
掃引波長λが基礎吸収端波長λ０に一致する方向に分光
手段１５ａを回転させるとともに、「０」になるとその
回転を停止させるように、波長掃引部２０で分光器１５
の波長掃引を制御するようにしてもよい。また、温度変
化に対する応答性を高めるために、比例・積分演算部１
９での演算値が大きくなるほど、古い換えれば、掃引波
長λと基礎吸収端波長λ。どの変位が大きくなるほど、
分光手段１５ａの回転速度が速くなるように、波長掃引
部２０で分光器１５の波長掃引を制御するようにしても
よい。

（５）　　発光手段Ｐや受光手段Ｑは、必ずしも光ファ
イバを使用する必要はなく、これらを直接熱処理炉２に
取付けるようにしてもよい。また、上記実施例にて使用
した発光手段Ｐに付設のコリメータレンズ１１や、受光
手段Ｑに付設の」ンデンサレンズ１２およびコリメータ
レンズ１４は必ずしも使用する必要はなく、設計の態様
により他のものを代用してもよい。

（６）　　上記実施例においては、熱処理対象となるウ
ェハ５に温度測定用光を照射してその温度測定を行うよ
うにしているが、これらの熱処理装置に付設されること
がある王二タウエバ、すなわち熱処理対象となるつＴハ
５と同じ半導体からなり、このウェハ５の近傍位置にて
熱処理装置に付設され、熱処理対象となる・り１ハ５に
代って温度を測定するために用いられる小さなウェハに
温度測定用光を照射して、上記方法による温度測定を行
なってもよいことは言うまでもない。

（発明の効果） 以上のように、この発明の半導体基板の温度測定方法お
よびその装置によれば、ウェハの表面に温度測定用光を
照射してその透過光を分光し、その分散光に含まれる基
礎吸収端波長を検出してウェハの温度を求めるようにし
たため、ウェハに非接触で、かつウェハの金属汚染を防
止しながら正確にウェハの温度測定を行なえ、しかも熱
処理炉自体には何らの加工を施す必要もなく、真空熱処
理炉に容易に対応できて、測温範囲の制約も受けないと
いう効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例である半導体基板の温度測
定装置の概略構成を熱処理炉の模式図とともに示すブロ
ック図、第２図は半導体の温度と禁制帯幅の関係を示す
図、第３図は半導体の温度と基礎吸収端波長の関係を示
す図、第４図は受光手段に入射される波長と光強度の関
係を示す図、第５図は光強度差検出部の一例を示す構成
図、第６図は掃引波長と基礎吸収端波長が一致している
ときの分散光の分光特性と光電流の関係を示す図、第７
図は基礎吸収端波長が掃引波長よりも長波長側に変位し
ているときの分散光の分光特性と光電流の関係を示す図
、第８図はロックインアンプで行なわれる各信号処理過
程での信号波形を示す図、第９図は光強度差検出部の他
の例を示す構成図である。 ２・・・熱！！！１１！Ｉ！炉、　　　　　　３・・・
加熱用光源、５・・・ウェハ、　　　　　　　７・・・
光源、９・・・メカニカルチョッパ、 １０．１３・・・光ファイバ、　１５・・・分光器、１
６・・・光強度差検出部、 １７・・・ロックインアンプ、 １９・・・比例・積分演算部、　２０・・・波長揺引部
、２１．２９・・・プリアンプ、 ２６．２８・・・受光素子、 Ｐ・・・発光手段、　　　　　　Ｑ品受光手段、Ｍ・・
・基礎吸収端波長検出部、 ＰＤ８．ＰＤｂ、ＰＤ　　、ＰＤｄ・・・フォトダイオ
ード、

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）熱処理炉内に収容され、加熱手段によって熱処理
   される半導体基板の温度を測定する半導体基板の温度測
   定方法において、 半導体基板の表面に温度測定用光を照射してその透過光
   を分光し、その分散光に含まれる半導体基板の基礎吸収
   端波長を検出して温度を求めることを特徴とする半導体
   基板の温度測定方法。
2. （２）熱処理炉内に収容され、加熱手段によって熱処理
   される半導体基板の温度を測定する半導体基板の温度測
   定装置において、 前記半導体基板の表面と裏面に対向して配置された発光
   手段および受光手段と、 前記受光手段により受光された光を分光して、その分散
   光に含まれる半導体基板の基礎吸収端波長を検出する基
   礎吸収端波長検出部とを備え、前記基礎吸収端波長検出
   部により検出された基礎吸収端波長に基づいて温度を求
   めることを特徴とする半導体基板の温度測定装置。
3. （３）基礎吸収端波長検出部は、 受光手段により受光された光を分光する分光器と、 分光器の掃引波長にほぼ対応する波長領域の光強度と、
   その前後の波長領域の光強度を比較して、光強度差に応
   じた極性と電圧値をもつ信号を出力する光強度差検出部
   と、 前記光強度差検出部の出力信号を比例・積分演算処理す
   る比例・積分演算部と、 前記比例・積分演算部の出力信号に基づき、前記光強度
   差検出部での光強度差が零となるように前記分光器を波
   長掃引する波長掃引部とを備え、前記波長掃引部による
   掃引波長から基礎吸収端波長を求める特許請求の範囲第
   ２項記載の半導体基板の温度測定装置。
4. （４）発光手段は、光源と、この光源の光を所定の周波
   数で点滅されるメカニカルチョッパと、このメカニカル
   チョッパに通した光を熱処理炉に導く第１の光ファイバ
   とを備え、 基礎吸収端波長検出部は、光強度差検出部と前記比例・
   積分演算部との間に接続されたロックインアンプをさら
   に備え、このロックインアンプにおいて、前記メカニカ
   ルチョッパから取り出された同期信号と、前記光強度差
   検出部の出力信号とに基づいて、前記分光器の掃引波長
   に対する基礎吸収端波長の変位に応じた信号を出力する
   特許請求の範囲第２項または第３項記載の半導体基板の
   温度測定装置。
5. （５）基礎吸収端波長検出部は、波長掃引部の出力側に
   リニアライザを接続し、このリニアライザにおいて、前
   記波長掃引部から出力される基礎吸収端波長に関連した
   信号を温度に関連した信号に変換する特許請求の範囲第
   ２項ないし第４項のいずれかに記載の半導体基板の温度
   測定装置。
6. （６）光強度差検出部は、分光器の掃引波長にほぼ対応
   する波長領域の光を光電変換する一対の第１のフォトダ
   イオードと、前記第１のフォトダイオードにより受光さ
   れる光の前後の波長領域の光を光電変換する一対の第２
   のフォトダイオードと、前記第２のフォトダイオードと
   前記第１のフォトダイオードの光電流の差に応じた電圧
   値をもつ信号を出力する第１のプリアンプを備える特許
   請求の範囲第２項ないし第５項のいずれかに記載の半導
   体基板の温度測定装置。
7. （７）光強度差検出部は、分光器の掃引波長にほぼ対応
   する波長領域の光を受光する一対の第２の光ファイバと
   、前記第２の光ファイバにより受光される光の前後の波
   長領域の光を受光する一対の第３の光ファイバと、前記
   第２の光ファイバおよび前記第３の光ファイバに受光さ
   れた光をそれぞれ光電変換する第３および第４のフォト
   ダイオードと、前記第４のフォトダイオードと前記第３
   のフォトダイオードの光電流の差に応じた電圧値をもつ
   信号を出力する第２のプリアンプを備える特許請求の範
   囲第２項ないし第５項のいずれかに記載の半導体基板の
   温度測定装置。