JPWO2009081748A1 - 放射測温方法及び放射測温システム - Google Patents

Abstract

放射測温方法及び放射測温システム（１０）において、基板（１）上に薄膜（２）を形成し、この薄膜（２）から放射される偏光放射輝度成分を放射率が変化しない角度θeic範囲内において測定し、この偏光放射輝度成分の測定結果に基づき薄膜（２）の温度を演算する。偏光放射輝度成分は偏光素子（３）により偏光されたｐ波偏光放射輝度成分であり、このｐ波偏光放射輝度成分は放射計（４）により測定される。放射計（４）に対して鏡面対称となる位置には擬似黒体（５）が配設され、放射計（４）への背景放射が遮蔽される。更に、擬似黒体（５）の温度が測定され、この測定された温度は薄膜（２）の温度の演算に参酌される。

Description

本発明は、放射測温方法及び放射測温システムに関し、特に基板上の薄膜の温度計測を非接触において行う放射測温方法及びその方法を実施するための放射測温システムに関する。特に、本発明は、例えば半導体製造プロセスにおいて基板上に成膜される薄膜の表面のその場における温度測定（in-situ temperature measurement）を非接触状態により行う放射測温方法及びその方法を実施するための放射測温システムに適用して有効な技術に関する。

半導体製造プロセスにおいて、ウエーハの表面上に絶縁性薄膜、導電性薄膜等の薄膜を成膜する成膜技術は半導体デバイスの性能を決定する上で重要である。特に、薄膜の成膜温度（プロセス温度）は薄膜の物性を大きく左右する。

半導体製造プロセス中の温度の計測方法は、熱電対温度計等を利用する接触測温方法や放射温度計等を利用する非接触測温方法等、多く存在する。例えば、熱電対温度計は、温度の測定対象となる薄膜に熱電対を接触させ、熱エネルギを電気信号に変換する。この電気信号から温度を計測することができる。このような接触測温方法においては、温度計を成膜系内に設置する必要があり、薄膜の物性や半導体デバイスの性能を大きく左右する汚染（contamination）が発生し易い。

一方、非接触測温方法は、成膜中や成膜後の薄膜の熱放射（光を含む電磁波）を放射計を用いて測定し、この測定結果に基づき薄膜の温度を計測する。成膜生成プロセス系外に放射計を設置することができるので、非接触測温方法においては温度測定に起因する汚染の発生を防止することができる。

なお、温度測定技術において、ハイブリッド型表面温度計に関しては下記特許文献１に、非接触温度計に関しては下記特許文献２及び特許文献３に開示がなされている。
特開２００７−２１８５９１号公報 特開平１０−９９５８号公報 特開平１０−２８１８７８号公報

前述の非接触測温方法においては、汚染の発生を防止することができるので、特に微細加工が要求される例えばシリコン半導体製造プロセスの薄膜の成膜温度の測定には有効である。しかしながら、成膜される薄膜の膜厚や材質により基板表面の放射率が変化するので、薄膜の温度測定を正確に行うことが難しい。このため、薄膜の実際の成膜温度に誤差が生じるので、薄膜の物性を変化させ、或いは半導体デバイスの性能を劣化することが危ぶまれる。

本発明は上記課題を解決するためになされたものである。従って、本発明は、基板上の薄膜の温度を非接触状態において正確に測定することができる放射測温方法及び放射測温システムを提供することである。

上記課題解決するために、本発明の実施例に係る第１の特徴は、放射測温方法において、基板上に薄膜を形成し薄膜付基板を形成する工程と、薄膜から放射される偏光放射輝度成分を、測定する方向を基板面法線からの角度として放射率が変化しない角度範囲内において測定する工程と、偏光放射輝度成分の測定結果に基づき薄膜付基板の温度を演算する工程とを備える。

第１の特徴に係る放射測温方法において、偏光放射輝度成分を測定する工程は、薄膜の表面の法線と測定される偏光放射輝度成分の測定方向とを含む放射面内に対して平行なｐ波偏光放射輝度成分を測定する工程であることが好ましい。また、第１の特徴に係る放射測温方法において、偏光放射輝度成分を測定する工程は、基板が不透明体となる波長域において、薄膜から放射される偏光放射輝度成分を測定する工程であることが好ましい。

第１の特徴に係る放射測温方法において、薄膜付基板を形成する工程は、基板上にシリコン酸化薄膜を形成し、薄膜付基板を形成する工程であり、ｐ波偏光放射輝度成分を測定する工程は、シリコン酸化薄膜付基板から放射されるｐ波偏光放射輝度成分を、薄膜付基板の表面に垂直な法線に対して５５度を中心にして５３度から５７度の角度範囲内において測定する工程であることが好ましい。第１の特徴に係る放射測温方法において、薄膜付基板を形成する工程は、基板上にシリコン窒化薄膜を形成し、薄膜付基板を形成する工程であり、ｐ波偏光放射輝度成分を測定する工程は、シリコン窒化薄膜から放射されるｐ波偏光放射輝度成分を、薄膜付基板面の法線に対して中心を６３度とし、６１度から６５度の角度範囲内において測定する工程であることが好ましい。第１の特徴に係る放射測温方法において、薄膜付基板を形成する工程は、基板上にシリコンオキシナイトライド薄膜を形成し、薄膜付基板を形成する工程であり、ｐ波偏光放射輝度成分を測定する工程は、シリコンオキシナイトライド薄膜から放射されるｐ波偏光放射輝度成分を、薄膜付基板面の法線に対して中心を５７度とし、５５度から５９度の角度範囲内において測定する工程であることが好ましい。

本発明の実施例に係る第２の特徴は、放射測温方法において、基板上に薄膜を形成し、薄膜付基板を形成する工程と、薄膜付基板から放射される第１の偏光放射輝度成分の放射率が変化しない角度範囲内の放射方向に対して、薄膜付基板の表面に垂直な法線を軸にして鏡面対称となる入射軸上に背景放射を吸収遮蔽し、かつ一定の放射輝度を放射する擬似黒体を配設し、この擬似黒体の温度を測定する工程と、第１の偏光放射輝度成分及び擬似黒体から入射軸上に放射され薄膜の表面で反射され、放射方向へ向かう第２の偏光放射輝度成分を測定する工程と、第１の偏光放射輝度成分及び第２の偏光放射輝度成分の測定結果と擬似黒体の温度の測定結果とに基づき薄膜の温度を演算する工程とを備える。

第１の特徴又は第２の特徴に係る放射測温方法において、薄膜付基板の薄膜の表面に薄膜接触子の表面を接触させ、薄膜接触子の表面と対向する裏面から放射される放射輝度を計測する工程と、この計測された放射輝度に基づき薄膜の表面温度を測定する工程とを更に備えることが好ましい。また、第１の特徴又は第２の特徴に係る放射測温方法において、薄膜付基板の表面温度を薄膜接触子の裏面から放射される放射輝度に基づき測定する第１の工程の後に、薄膜付基板から放射される偏光放射輝度成分又は第１の偏光放射輝度成分を測定する方向を基板面法線からの角度として放射率が変化しない角度範囲内において測定し、この測定結果に基づき薄膜付基板の温度を演算する第２の工程を行い、第１の工程の薄膜の表面温度の測定結果に対して、第２の工程の薄膜付基板の温度の演算結果が許容範囲内であるか否かを判定し、許容範囲内であれば、薄膜付基板の温度の測定に第２の工程を使用することが好ましい。

本発明の実施例に係る第３の特徴は、放射測温システムにおいて、基板上に薄膜を形成した薄膜付基板から放射される偏光放射輝度成分を放射率が変化しない角度範囲内において測定する放射計と、放射計により測定された偏光放射輝度成分に基づき薄膜付基板の温度を演算する演算ユニットとを備える。

第３の特徴に係る放射測温システムにおいて、基板を内部に配設するチャンバと、基板を加熱する熱発生源と、薄膜付基板と放射計との間に配設され、薄膜付基板の熱放射から偏光放射輝度成分を抽出する偏光素子とを更に備えることが好ましい。

本発明の実施例に係る第４の特徴は、放射測温システムにおいて、薄膜付基板から放射される第１の偏光放射輝度成分の放射率が変化しない角度範囲内の放射方向に対して、薄膜付基板の表面に垂直な法線を軸にして鏡面対称となる入射軸上に配設され、背景放射を吸収遮蔽し、かつ一定の放射輝度を放射する擬似黒体と、擬似黒体の温度を測定する温度測定計と、第１の偏光放射輝度成分及び擬似黒体から入射軸上に放射され薄膜の表面で反射され、前記放射方向へ向かう第２の偏光放射輝度成分を測定する放射計と、第１の偏光放射輝度成分及び第２の偏光放射輝度成分の測定結果と温度測定計により測定された擬似黒体の温度とに基づき薄膜の温度を演算する演算ユニットとを備える。

第３の特徴又は第４の特徴に係る放射測温システムにおいて、薄膜付基板の薄膜の表面に接触させる薄膜接触子を有する接触センサと、接触センサの薄膜接触子の表面に対向する裏面から放射される放射輝度を計測し、この計測結果を演算ユニットに出力する放射輝度計測センサとを更に備えることが好ましい。

本発明によれば、基板上の薄膜の温度を非接触状態において正確に測定することができる放射測温方法及び放射測温システムを提供することができる。

図１は本発明の実施例１に係る放射測温方法及び放射測温システムの第１の基本原理を説明するための基本構成図である。 図２は実施例１に係るｐ波偏光放射率と放射角度との関係を示す図である。 図３は実施例１に係るｓ波偏光放射率と放射角度との関係を示す図である。 図４は実施例１に係る放射測温方法及び放射測温システムの第２の基本原理を説明するための基本構成図である。 図５は実施例１に係る放射測温システムの具体的構成を示す概略図である。 図６は実施例１に係る放射測温システムにおいて薄膜の温度を演算するフローを示す図である。 図７は本発明の実施例３に係る放射測温システムの具体的構成を示す概略図である。 図８は実施例３に係る放射測温システムに組み込まれるハイブリッド表面温度計測システムの具体的構成を示す概略図である。

次に、図面を参照して、本発明の実施例を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、現実のものとは異なる。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。

また、以下に示す実施例はこの発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は各構成部品の配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

本発明は、本発明者等の基礎研究によって発見された事実、すなわち基板上の薄膜から発せられる熱放射において偏光を利用して放射率が変化しない条件（放射率不変条件：emissivity invariant condition）が存在する事実に基づきなされたものである。

［第１の基本原理］
本発明の実施例１に係る放射測温方法並びに放射測温システムの第１の基本原理は以下の通りである。

図１に示すように、実施例１に係る放射測温方法及び放射測温システムを実現する第１の基本構成は、基板１と、この基板１の表面上に成膜される薄膜２と、薄膜２から放射される偏光放射輝度成分を放射率が変化しない角度θeicを中心角として微小な角度範囲内の放射方向Ｅ_A上に配設された放射計４と、放射方向Ｅ_A上において薄膜２と放射計４との間に配設され熱放射の光の偏光成分を透過させる偏光素子３とを備えている。

基板１は、例えば半導体技術分野において多用されているシリコン（Si）基板である。この基板１は、半導体製造プロセスの前処理に使用されるウエーハ（wafer）、後処理に使用されるチップ（chip）のいずれの状態であってもよい。薄膜２は、実施例１において、シリコン系絶縁性薄膜、具体的にはシリコン酸化（SiO₂）膜である。ここで、熱酸化法、CVD法等、シリコン酸化膜の成膜方法は限定されない。また、薄膜２の成膜中であるか、成膜後であるかは限定されるものではない。また、実施例１においては、薄膜２が成膜された基板１を薄膜付基板と表現する場合がある。

放射率が変化しない角度θeicとは、薄膜２或いは薄膜付基板の表面に垂直な面法線Ｎ_Lと、この面法線Ｎ_Lから薄膜２の表面側に傾けた放射方向Ｅ_Aとがなす角度である。また、ここで、薄膜２の表面に垂直であって、面法線Ｎ_L及び放射方向Ｅ_Aを含む仮想面を放射面Ｓ_Eと定義する。放射率が変化しない角度θeicの詳細は後述する。

偏光素子３は、薄膜２の表面からの熱放射により放射される光（主として可視光線及び赤外線）を入力し、それから偏光放射輝度成分を抽出し、この偏光放射輝度成分を放射計４に出力する。ここで、偏光素子３はｐ波（parallel polarized wave）偏光放射輝度成分を抽出する。ｐ波偏光放射輝度成分とは、放射面Ｓ_Eに対して電界成分が平行な偏光放射輝度成分である。換言すれば、ｐ波偏光放射輝度成分とは、放射面Ｓ_Eに電場の振動面を一致させた偏光放射輝度成分である。

放射計４は、偏光素子３を経て抽出されたｐ波偏光放射輝度成分を入力し、この入力に応じて電気信号を生成しそして出力する。つまり、放射計４には種々の光センサ、光電変換素子を使用することができる。実施例１において、放射計４は、薄膜２の成膜温度例えば８００Ｋ以上の温度において、基板１が不透明体となる波長域を受光波長領域として設定されている。この波長域は例えばシリコン半導体の場合、バンドギャップエネルギより大きなエネルギに相当する０．９μm以下の短波長域である。また、温度が上昇するにつれて基板１が不透明体となる波長域は長波長側にシフトすることが知られている。

図２は、薄膜２において波長０．９μmにおけるｐ波偏光放射率と放射角度との関係を示す。ここでのデータは、本発明者が実施した実験に基づく実測値である。図２中、縦軸はｐ波偏光放射率ε_pであり、横軸は放射角度θである。測定サンプルの基板１にはシリコン基板が使用され、薄膜２にはシリコン酸化膜が使用された。そして、基板１の表面上に成膜された薄膜２の膜厚ｄが異なる５種類の測定サンプルが準備された。それぞれの薄膜２の膜厚ｄは、０ｎｍ（薄膜２が成膜されておらず、基板１の表面が露出されている状態）、３５０ｎｍ、５５０ｎｍ、７５０ｎｍ、９５０ｎｍである。

図２に示すように、面法線Ｎ_Lに対して５５度（詳細には５５.２度）に測定誤差のマージン±２度を加えた角度範囲内つまり５３度から５７度の角度範囲内において、薄膜２の膜厚ｄに関係なく、ｐ波偏光放射率が一定になる。換言すれば、薄膜２の０度から９０度までの角度範囲内のｐ波偏光放射率を示すそれぞれの膜厚ｄにおける曲線が、５３度から５７度の角度範囲内において、１点に収斂（又は収束：focus）される。これは、薄膜２と大気（又は真空）との間のブリュースタ角（Brewster angle）により生じる。実施例１において、この５３度から５７度の角度範囲内が、ｐ波偏光放射輝度成分の放射率が変化しない角度θeic範囲内である。本発明者が実施した更なる実験の結果によれば、温度変化によってもｐ波偏光放射率は５３度から５７度の角度範囲内において変化しないことが確認されている。

すなわち、基板１上に成膜される薄膜２内において多重反射する光の挙動を利用し、薄膜２の膜厚ｄに関係なく、ｐ波偏光放射率が一定になる条件を使用することにより、放射率の変動を回避することができ、正確に放射温度を測定することができる放射測温方法並びに放射測温システムを構築することができる。

図３は、薄膜２においてｓ波（senkrecht polarized wave）偏光放射率と放射角度との実験的関係を示す。ｓ波偏光放射輝度成分とは、放射面Ｓ_Eに対して電界成分が垂直な偏光放射輝度成分である。図３中、縦軸はｓ波偏光放射率であり、横軸は放射角度θである。図３に示すように、薄膜２の膜厚ｄに関係なく、ｓ波偏光放射率が一定になる現象は存在しなかった。

次に、放射計４のｐ波偏光放射輝度成分の検出結果に基づく、薄膜２の温度の演算方法について、図１を参照しながら説明する。

放射率が変化しない角度θeic範囲内においてｐ波偏光放射輝度成分を検出する放射計４の出力信号Ｌ₁は次式（１）により表される。

ここで、εp（θeic）は放射率が変化しない角度（例えば５５度）におけるｐ波偏光放射率である。Ｌ_λ、b（Ｔ₁）は薄膜２の温度Ｔ₁の黒体分光放射輝度であり、温度Ｔ₁と黒体分光放射輝度Ｌ_λ、b（Ｔ₁）との間にはプランク（Planck）の黒体放射法則に基づく一対一の対応関係がある。

ｐ波偏光放射率εp（θeic）が一定であれば、式（１）の出力信号Ｌ₁を既知のｐ波偏光放射率εp（θeic）で割ることにより、式（１）は次式（２）に書き直すことができる。

この式（２）の右辺は温度Ｔ₁の黒体分光放射輝度Ｌ_λ、b（Ｔ₁）を表しているので、式（２）を逆算すれば、薄膜２の温度Ｔ₁を正確に演算することができる。

［第２の基本原理］
本発明の実施例１に係る放射測温方法並びに放射測温システムを例えば半導体製造プロセスに実際に応用する場合には、付帯的な基本構成が更に必要となる。この付帯的な基本構成を備えた第２の基本原理は以下の通りである。

図４に示すように、実施例１に係る放射測温方法及び放射測温システムを実現する第２の基本構成は、前述の図１に示す第１の基本構成に加えて、基板１上の薄膜２から放射される偏光放射輝度成分の放射率が変化しない角度θeic範囲内の放射方向Ｅ_Aに対して、薄膜２の表面或いは薄膜付基板の表面に垂直な面法線Ｎ_Lを中心に鏡面対称となる入射軸Ｉ_A上に配設され、背景放射を吸収遮蔽する擬似黒体５と、擬似黒体５の温度を測定する温度測定計６とを備えている。

ここで、入射軸Ｉ_Aは放射方向Ｅ_Aに対して面法線Ｎ_Lを中心に鏡面対称となる光軸であるので、面法線Ｎ_Lと入射軸Ｉ_Aとのなす角度θeic‘は放射方向Ｅ_Aと同様に５３度から５７度の範囲内である。また、放射面Ｓ_Eにおいて、放射方向Ｅ_Aと面法線Ｎ_Lを介して入射軸Ｉ_Aとのなす角度は２θeicに等価である。

擬似黒体５は、入射軸Ｉ_A上の背景放射、擬似黒体５とその周辺に存在する背景放射を実質的にすべて吸収する。例えば実際の半導体製造プロセスにおいては、薄膜２を成膜する際に加熱処理が行われ、この加熱処理を行うランプ等の周囲の熱発生源からの熱放射が背景放射（外乱光）として薄膜２の表面に反射して放射計４に受光される。薄膜２からの放射輝度成分に比べて背景放射の放射輝度成分は遙かに大きいので、大きな測温誤差が発生する。

つまり、擬似黒体５は、入射軸Ｉ_A上を通り薄膜２の表面において反射され、放射方向Ｅ_A上を通って放射計４に受光される背景放射を遮蔽するとともに擬似黒体５からはその温度に対応する一定の放射輝度を放射する。すなわち、擬似黒体５は、少なくとも入射軸Ｉ_A上において外部から入射される光や電磁波による熱放射等をあらゆる波長に渡って完全に吸収し、みずからは、一定の放射輝度を放射する。擬似黒体５には、例えばアルミナ（Al₂O₃）セラミックス系黒体、SiCなどの耐熱半導体、人造黒鉛系黒体等を実用的に使用することができる。

温度測定計６は、擬似黒体５の温度を測定し、擬似黒体５からの放射輝度を既知の基準光源として、薄膜２の温度測定を実現するためのレファレンスの生成に使用される。温度測定計６には、例えば放射計４とは別の放射計や熱電対温度計、蛍光温度計等を実用的に使用することができる。

次に、放射計４のｐ波偏光放射輝度成分の検出結果に基づく、薄膜２の温度の演算方法について、図４を参照しながら説明する。

放射率が変化しない角度θeic範囲内において放射計４は、前述の式（１）に示す出力信号Ｌ₁の出力に代えて、次式（３）により表される出力信号Ｌ₂を出力する。

ここで、右辺第一項のεp（θeic）・Ｌ_λ、b（Ｔ₁）は、薄膜２からの放射率が変化しない角度（例えば５５度）におけるｐ波偏光放射率に基づく薄膜２から放射される温度Ｔ₁の分光放射輝度である。右辺第二項の｛１−εp（θeic）・Ｌ_λ、b（Ｔ₂）｝は、擬似黒体５から放射される黒体分光輝度Ｌ_λ、b（Ｔ₂）のうち、薄膜２の表面で反射して１−εp（θeic）の割合で放射計４で検出される放射輝度成分である。

式（３）において、右辺第一項のｐ波偏光放射率εp（θeic）は一定であり、右辺第二項のｐ波偏光放射率｛１−εp（θeic）｝は一定である。更に、擬似黒体５の温度Ｔ₂は温度測定計６によって計測されているので、結局｛１−εp（θeic）・Ｌ_λ、b（Ｔ₂）｝は既知である。従って、式（３）は次式（４）に書き直すことができる。

この式（４）の右辺は温度Ｔ₁の黒体分光放射輝度Ｌ_λ、b（Ｔ₁）を表しているので、式（４）の左辺を演算すれば、背景放射の影響を取り除き、薄膜２の温度Ｔ₁を演算することができる。そして、この第２の基本原理に基づき、薄膜２の膜厚ｄに関係なく、ｐ波偏光放射輝度成分の放射率が一定になる条件を使用することにより、放射率の変動並びに背景放射の影響を回避することができ、正確に放射温度を測定することができる放射測温方法並びに放射測温システムを構築することができる。

［放射測温システムの構成及び放射測温方法］
次に、本発明の実施例１に係る放射測温システムの具体的な構成を説明する。図５に示すように、放射測温システム１０は、基板１上の薄膜２から放射される第１の偏光放射輝度成分の放射率が変化しない角度θeic範囲内の放射方向Ｅ_Aに対して、薄膜２の表面に垂直な面法線Ｎ_Lを中心に鏡面対称となる入射軸Ｉ_A上に配設され、背景放射を吸収し遮蔽する擬似黒体５と、擬似黒体５の温度Ｔ₂を測定する温度測定計６と、第１の偏光放射輝度成分及び擬似黒体５から入射軸Ｉ_A上に放射され薄膜２の表面で反射された第２の偏光放射輝度成分を測定する放射計４と、第１の偏光放射輝度成分及び第２の偏光放射輝度成分の測定結果と温度測定計６により測定された温度Ｔ₂とに基づき薄膜２の温度Ｔ₁を演算する演算ユニット１５とを備えている。

更に、放射測温システム１０は、基板１を内部に配設し大気系又は真空系を生成することができるチャンバ１１と、基板１を加熱する熱発生源１３と、基板１上に形成される薄膜２と放射計４との間に配設され、薄膜２の熱放射から偏光輝度成分を抽出する偏光素子３と、演算ユニット１５により演算された薄膜２の温度Ｔ₁を表示する表示ユニット１６とを備えている。

チャンバ１１内部において、基板１は支持体１２に着脱自在に支持されている。熱発生源１３は、チャンバ１１内部において、石英等の支持体１２により支持された基板１の表面（図５中、上側）に対向する箇所と基板１の裏面（図５中、下側）に対向する箇所とに少なくとも配設されている。実施例１において、熱発生源１３にはハロゲンランプ等の赤外線ランプが使用されている。

基板１上の薄膜２から放射される第１の偏光放射輝度成分（ｐ波偏光放射輝度成分）の放射率が変化しない角度θeic範囲内の放射方向Ｅ_A上において、チャンバ１１には薄膜２からの放射光を透過する透過窓１１０が配設されている。更に、チャンバ１１の外周囲において透過窓１１０の近傍には、放射方向Ｅ_A上に偏光素子３、放射計４のそれぞれが配設されている。放射計４は演算ユニット１５に接続されており、放射計４の出力信号は演算ユニット１５に出力される。

放射方向Ｅ_A上に対して鏡面対称となる入射軸Ｉ_A上において、チャンバ１１内には擬似黒体５が配設されている。擬似黒体５は支持部材５１を介してチャンバ１１内に取り付けられている。また、入射軸Ｉ_A上において、チャンバ１１には擬似黒体５からの熱放射を透過する透過窓１１１が配設されている。更に、チャンバ１１の外周囲において透過窓１１１の近傍には入射軸Ｉ_A上に温度測定計６が配設されている。温度測定計６は演算ユニット１５に接続されており、温度測定計６の出力信号は演算ユニット１５に出力される。

演算ユニット１５においては、図６に示す演算処理が実行され、放射計４の出力信号Ｌ₂と温度測定計６の出力信号Ｌ₃とに基づき、薄膜２の温度Ｔ₁が算出される。この演算処理は以下のステップに従って実行される。

放射測温システム１０の放射計４から出力信号Ｌ₂が演算ユニット１５に出力され（ステップＳ１：以下「ステップ」は省略する。）、一方、温度測定計６から出力信号Ｌ₃が演算ユニット１５に出力される（Ｓ２）。出力信号Ｌ₂、出力信号Ｌ₃のそれぞれの出力順は、いずれか一方が最初でいずれか他方が後であっても、双方同時であってもよい。出力信号Ｌ₂は、薄膜２から放射され偏光素子３により抽出（偏光）されたｐ波偏光放射輝度成分（第１の偏光放射輝度成分）及び擬似黒体５から放射され薄膜２の表面において反射され偏光素子３により抽出されたｐ波偏光放射輝度成分（第２の偏光放射輝度成分）を、放射率が変化しない角度θeic範囲内の放射方向Ｅ_A上において放射計４により受光し、この放射計４により電気信号に変換されものである。出力信号Ｌ₃は、擬似黒体５から放射され入射軸Ｉ_A上において温度測定計６により測定された温度情報（ここでは、熱放射輝度成分）を受光し、この温度測定計６により電気信号に変換されたものである。

演算ユニット１５においては、放射計４の出力信号Ｌ₂に対して、ｐ波偏光放射輝度成分の放射率が設定される（Ｓ３）。この放射率は、角度θeic範囲内の放射方向Ｅ_A上に放射計４を配設しているので、一定である。同様に、演算ユニット１５においては、温度測定計６の出力信号Ｌ₃に対して、放射率が設定される（Ｓ４）。

演算ユニット１５において、温度測定計６の出力信号Ｌ₃と設定された放射率とに基づき、演算信号Ｌ₄が生成される（Ｓ５）。演算信号Ｌ₄は、前述の式（３）の右辺第二項に示す擬似黒体５の温度Ｔ₂の黒体分光放射輝度のうち薄膜２で反射され、放射計４で検出される成分を示す信号である。更に、演算ユニット１５において、放射計４の出力信号Ｌ₂と設定された放射率と演算信号Ｌ₄とに基づき、演算信号Ｌ₅が生成される（Ｓ６）。演算信号Ｌ₅は、前述の式（４）に示す薄膜２の温度Ｔ₁の黒体分光放射輝度を示す信号である。この演算信号Ｌ₅は温度変換出力信号Ｔ_１として演算ユニット１５から表示ユニット１６に出力される（Ｓ７）。

表示ユニット１６は温度変換出力信号Ｔ₁をアナログ的に表示又はデジタル的に表示する。表示ユニット１６には、例えば温度表示計、パーソナルコンピュータに連結されたディスプレイ、直接温度の数値をプリントアウトするプリンタ等を実用的に使用することができる。

以上説明したように、実施例１に係る放射測温システム１０及び放射測温方法においては、放射率が変化しない条件を利用することにより、基板１上の薄膜２の膜厚ｄや薄膜２の成膜温度に関係なく、薄膜２の温度Ｔ₁を非接触状態において正確に測定することができる。

更に、実施例１に係る放射測温システム１０及び放射測温方法においては、放射方向Ｅ_Aに対して鏡面対称となる入射軸Ｉ_A上に擬似黒体５を備え、この擬似黒体５により背景放射を吸収し、放射計４への背景放射を遮蔽することができるので、薄膜２の温度Ｔ₁を非接触状態においてより一層正確に測定することができる。

更に、実施例１に係る放射測温システム１０及び放射測温方法においては、擬似黒体５の温度Ｔ₂を測定し、この測定結果を放射計４により測定された偏光放射輝度成分のレファレンスとして使用しているので、背景放射の影響を回避し、薄膜２の温度Ｔ₁を非接触状態においてより一層正確に測定することができる。

本発明の実施例２は、前述の実施例１に係る放射測温方法及び放射測温システム１０において使用される薄膜付基板の変形例を説明するものである。

前述の実施例１においては、基板１上の薄膜２にシリコン酸化膜を使用した例を説明したが、それに限定されるものではない。シリコン窒化薄膜やオキシナイトライド薄膜等のシリコン系絶縁性薄膜においても放射率が一定の角度範囲が存在するので、これらの薄膜を実施例２における薄膜２とし、放射測温システム１０及び放射測温方法においてこの薄膜２の温度を測定することができる。

具体的には、シリコン窒化薄膜の場合、その表面から放射されるｐ波偏光輝度成分は、薄膜付基板面の法線に対して中心を６３度とし、６１度から６５度の角度範囲内において測定される。また、シリコンオキシナイトライド薄膜の場合、その表面から放射されるｐ波偏光輝度成分は、薄膜付基板面の法線に対して中心を５７度とし、５５度から５９度の角度範囲内において測定される。

実施例２に係る放射測温システム１０及び放射測温方法においては、実施例１に係る放射測温システム１０及び放射測温方法において得られる作用効果と同様の作用効果を奏することができる。

本発明の実施例３は、前述の実施例１又は実施例２に係る放射測温システム１０及び放射測温方法において、ハイブリッド表面温度測定システムを更に備え、ハイブリッド温度測定方法を更に組み合わせた例を説明するものである。

［放射測温システムの構成］
図７に示すように、実施例３に係る放射測温システム１０は、前述の図５に示す実施例１に係る放射測温システム１０に加えて、更にハイブリッド表面温度測定システム３０を備える。このハイブリッド表面温度測定システム３０は、接触センサ３１と、放射輝度計測センサ３２と、駆動制御ユニット３３とを備えている。

ハイブリッド表面温度測定システム３０の接触センサ３１は、図８に示すように、薄膜付基板の薄膜２の表面に適度な圧力において表面を接触させる薄膜接触子（接触センサ先端）３１１と、薄膜接触子３１１を支持し薄膜接触子３１１に熱的に影響を及ぼさない断熱性に優れた支持体３１２と、薄膜接触子３１１の表面と対向する裏面に離間して配設されその裏面から放射される放射輝度（radiance）を伝搬損失を極力小さくして伝搬する透過体３１３とを備えている。更に、接触センサ３１には放射輝度計測センサ３２に連結するためのケーブル３１４が配設されている。

薄膜接触子３１１は、測定対象物となる薄膜２に接触させたときに速やかな熱平衡状態を実現することができる材料により構成され、ここでは薄膜又は非常に薄い金属プレートにより構成されている。薄膜接触子３１１は、例えば３ｍｍ−７ｍｍの幅寸法と１５ｍｍ−２０ｍｍの長さ寸法とを有する長方形形状の薄膜又は板材により構成され、表面と裏面との間に速やかな熱平衡状態を実現するために３μｍ−３０μｍの薄さに形成されている。薄膜接触子３１１の厚さを薄く設定することによって、速やかな熱平衡状態を実現することができ、例えば１秒以内の高速な温度測定を実現することができる。薄膜接触子３１１には、ハステロイ、アルミニウム、ステンレス、インコネル、チタン、タングステン等の卑金属若しくはその合金、又は金、白金、イリジウム等の貴金属を使用することができる。また、薄膜接触子３１１には薄膜シリコンを使用することができる。シリコンは、基板１としてシリコン基板を用いた場合に同一材料であり、更に薄膜２としてシリコン酸化膜を用いた場合に同一材料が含まれるので、薄膜接触子３１１の材料として理想的である。薄膜接触子３１１に使用される材料は、主に測定する温度領域や製作コストの観点から選択される。

接触センサ３１の薄膜接触子３１１は、熱接触抵抗を小さくし、温度の測定精度を高めるために、適度な圧力を持って薄膜２の表面に接触させる（押圧させる）。この圧力は例えば５×１０³Ｐａ以上である。

支持体３１２には例えば２枚の石英板を使用することができる。２枚の石英板は透過体３１３を中心に対向して配設され、石英板の一方に薄膜接触子３１１の一端が連結され、石英板の他方に薄膜接触子３１１の他端が連結される。なお、支持体３１２には、他に断熱性に優れたセラミックスを使用することができる。

実施例３において、透過体３１３は、細長い円柱形状を有し、薄膜接触子３１１の裏面から放射される放射輝度を狭い範囲内において小さな伝搬損失でケーブル３１４に伝搬させる。透過体３１３には、例えば１．１ｍｍ−１．５ｍｍの直径を有するサファイアロッドを使用することができる。また、透過体３１３には石英ロッド、フッ化カルシウム（CaF₂）ロッド、フッ化バリウム（BaF₂）ロッド等を使用してもよい。透過体３１３の一端の端面は薄膜接触子３１１の裏面に対向させ、透過体３１３の他端はケーブル３１４に接続される。透過体３１３の一端の端面と薄膜接触子３１１の裏面との間は例えば１ｍｍの間隙を有している。ケーブル３１４には例えば光ファイバが使用される。

接触センサ３１の薄膜接触子３１１の裏面から放射される放射輝度は透過体３１３、ケーブル３１４のそれぞれを通して放射輝度計測センサ３２に入力される。放射輝度計測センサ３２は、ここでは、ハーフミラー３２１を透過し、第１のフィルタ３２２を通して放射輝度を入力する第１の計測センサ３２３と、ハーフミラー３２１で反射され、第２のフィルタ（ロングパスフィルタ）３２５を通して放射輝度を入力する第２の計測センサ３２６とを備える。第１の計測センサ３２３には例えば高温度域に感度を有するＳｉセンサが使用され、第２の計測センサ３２６には低温度域に感度を有するＩｎＧａＡｓセンサが使用される。つまり、実施例３において、放射輝度計測センサ３２には複数種類の第１の計測センサ３２３及び第２の計測センサ３２６を備えた複合センサ（compound sensor）が使用されている。

駆動制御ユニット３３は、図示しない駆動系とその制御を行う制御系とを備え、いずれもチャンバ１１の外部に配設される。駆動制御ユニット３３の駆動系はチャンバ１１内に配設される接触センサ３１に連結される。駆動制御ユニット３３は、温度測定のときに、接触センサ３１の薄膜接触子３１１を薄膜付基板の薄膜２の表面に接触させる（押圧させる）。また、駆動制御ユニット３３は、温度測定を行わないときに、接触センサ３１の薄膜接触子３１１を薄膜付基板の薄膜２の表面から退避させる。

このように構成されるハイブリッド表面温度測定システム３０の接触センサ３１は、薄膜付基板の薄膜２の表面に薄膜接触子３１１を接触させ、この薄膜接触子３１１の裏面から放射される放射輝度を透過体３１３、ケーブル３１４のそれぞれを通して放射輝度計測センサ３２に出力する。放射輝度計測センサ３２においては、ケーブル３１４を通して入力された放射輝度が第１の計測センサ３２３、第２の計測センサ３２６に入力され、入力された放射輝度に応じて電気信号が発生する。この電気信号は演算ユニット１５に出力され、薄膜２の表面温度が求められる。

ハイブリッド表面温度測定システム３０においては、温度の測定対象となる薄膜２に熱電対を溶接したり、黒体テープや黒体塗料を付着させる必要がなく、接触センサ３１を薄膜２の表面に接触させるという簡易な操作手法により、薄膜２の表面温度を正確にかつ即座に測定することができる。従って、半導体製造プロセスにおいて、ウエーハやその表面に成膜された薄膜の温度測定に威力を発揮することができる。

［放射測温方法］
前述の図７及び図８を用いて、実施例３に係る放射測温方法を説明する。まず最初に、放射測温システム１０のチャンバ１１内に配置された薄膜付基板の薄膜２の表面温度が、オフラインにおいて、ハイブリッド表面温度測定システム３０を用いて測定される。ハイブリッド表面温度測定システム３０においては、接触センサ３１が駆動制御ユニット３３によってチャンバ１１内を移動し、接触センサ３１の薄膜接触子３１１の表面が薄膜付基板の薄膜２の表面に接触する。薄膜接触子３１１は薄膜２との接触によって熱平衡状態になり、薄膜接触子３１１の裏面から放射輝度が放射される。この放射輝度は接触センサ３１の透過体３１３、ケーブル３１４を通して放射輝度計測センサ３２に出力される。放射輝度計測センサ３２においては、入射される放射輝度に基づき薄膜２の表面温度を測定し、その測定結果が演算ユニット１５に出力される。演算ユニット１５においては、放射輝度計測センサ３２からの測定結果に基づき、薄膜２の表面温度を算出し、その算出結果は表示ユニット１６に薄膜２の表面温度として表示される。

次に、同様にオフラインにおいて、前述の実施例１の放射測温方法を用いて薄膜付基板の薄膜２の温度が測定され、最終的に表示ユニット１６に薄膜２の温度が表示される。

ここで、ハイブリッド表面温度測定システム３０により得られた薄膜２の表面温度に対して、実施例１に係る放射測温方法により得られた薄膜２の温度が許容範囲内であるか否かが判定される。放射測温方法により得られた薄膜２の温度が、許容範囲内において、ハイブリッド表面温度測定システム３０により得られた薄膜２の表面温度と一致する場合には、放射測温方法に基づく薄膜２の温度測定の正確さが実証される。

この実証結果を踏まえて、インラインにおいて、放射測温システム１０並びに放射測温方法を用いて、薄膜付基板の薄膜２の温度が随時測定される。

以上説明したように、実施例３に係る放射測温システム１０及び放射測温方法においては、ハイブリッド表面温度測定システム３０をキャリブレーション用として使用し、放射測温システム１０及び放射測温システムの立ち上げや新規の材料の温度測定の際の基準温度の測定に使用することができる。そして、この基準温度に基づき、放射測温システム１０を稼動し、放射測温方法を実施することができるので、温度測定の精度を向上することができる。

なお、実施例３に係る放射測温方法においては、ハイブリッド表面温度測定システム３０を用いた温度測定を最初に実施しているが、最初に実施例１に係る放射測温方法を用いた温度測定を実施してもよい。

（その他の実施例）
上記のように、本発明を実施例１によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものでない。本発明は様々な代替の実施例及び運用技術に適用することができる。

例えば、本発明は、シリコン基板に限定されるものではなく、化合物半導体を含め一般の半導体製造プロセス等において薄膜を成膜する基板に広く適用可能である。ただし、その場合、放射率不変条件である角度θeicは半導体の種類によって一般に異なる。

産業上の利用の可能性

本発明は、基板上の薄膜の温度を非接触状態において正確に測定することができる放射測温方法及び放射測温システムに広く利用可能である。

Claims (13)

1. 基板上に薄膜を形成し薄膜付基板を形成する工程と、
   前記薄膜付基板から放射される偏光放射輝度成分を測定する方向を基板面法線からの角度として放射率が変化しない角度範囲内において測定する工程と、
   前記偏光放射輝度成分の測定結果に基づき前記薄膜付基板の温度を演算する工程と、
   を備えたことを特徴とする放射測温方法。
2. 前記偏光放射輝度成分を測定する工程は、前記薄膜付基板の表面に対する法線と前記偏光放射輝度成分の測定方向とを含む放射面内に対して平行なｐ波偏光放射輝度成分を測定する工程であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の放射測温方法。
3. 前記偏光放射輝度成分を測定する工程は、前記基板が不透明体となる波長域において、前記薄膜付基板から放射される偏光放射輝度成分を測定する工程であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の放射測温方法。
4. 前記薄膜付基板を形成する工程は、基板上にシリコン酸化薄膜を形成し、薄膜付基板を形成する工程であり、前記ｐ波偏光放射輝度成分を測定する工程は、前記シリコン酸化薄膜から放射されるｐ波偏光輝度成分を、前記薄膜付基板面の法線に対して中心を５５度とし、５３度から５７度の角度範囲内において測定する工程であることを特徴とする請求の範囲第２項に記載の放射測温方法。
5. 前記薄膜付基板を形成する工程は、基板上にシリコン窒化薄膜を形成し、薄膜付基板を形成する工程であり、前記ｐ波偏光放射輝度成分を測定する工程は、前記シリコン窒化薄膜付基板から放射されるｐ波偏光放射輝度成分を、前記薄膜付基板面の法線に対して中心を６３度とし、６１度から６５度の角度範囲内において測定する工程であることを特徴とする請求の範囲第２項に記載の放射測温方法。
6. 前記薄膜付基板を形成する工程は、基板上にシリコンオキシナイトライド薄膜を形成し、薄膜付基板を形成する工程であり、前記ｐ波偏光放射輝度成分を測定する工程は、前記シリコンオキシナイトライド薄膜から放射されるｐ波偏光放射輝度成分を、前記薄膜付基板面の法線に対して中心を５７度とし、５５度から５９度の角度範囲内において測定する工程であることを特徴とする請求の範囲第２項に記載の放射測温方法。
7. 基板上に薄膜を形成し、薄膜付基板を形成する工程と、
   前記薄膜付基板から放射される第１の偏光放射輝度成分の放射率が変化しない角度範囲内の放射方向に対して、前記薄膜付基板の表面に垂直な法線を軸にして鏡面対称となる入射軸上に背景放射を吸収遮蔽し、かつ一定の放射輝度を放射する擬似黒体を配設し、この擬似黒体の温度を測定する工程と、
   前記放射軸方向上において前記第１の偏光放射輝度成分及び前記擬似黒体から前記入射軸上に放射され前記薄膜付基板の表面で反射され、前記放射方向へ向かう第２の偏光放射輝度成分を測定する工程と、
   前記第１の偏光放射輝度成分及び前記第２の偏光放射輝度成分の測定結果と前記擬似黒体の温度の測定結果とに基づき前記薄膜付基板の温度を演算する工程と、
   を備えたことを特徴とする放射測温方法。
8. 前記薄膜付基板の前記薄膜の表面に薄膜接触子の表面を接触させ、前記薄膜接触子の表面と対向する裏面から放射される放射輝度を計測する工程と、
   この計測された前記放射輝度に基づき前記薄膜の表面温度を測定する工程と、
   を更に備えたことを特徴とする請求の範囲第１項又は第７項に記載の放射測温方法。
9. 前記薄膜付基板の表面温度を前記薄膜接触子の裏面から放射される放射輝度に基づき測定する第１の工程の後に、前記薄膜付基板から放射される前記偏光放射輝度成分又は前記第１の偏光放射輝度成分を測定する方向を基板面法線からの角度として放射率が変化しない角度範囲内において測定し、この測定結果に基づき前記薄膜付基板の温度を演算する第２の工程を行い、
   前記第１の工程の前記薄膜の表面温度の測定結果に対して、前記第２の工程の前記薄膜付基板の温度の演算結果が許容範囲内であるか否かを判定し、
   許容範囲内であれば、前記薄膜付基板の温度の測定に前記第２の工程を使用することを特徴とする請求の範囲第８項に記載の放射測温方法。
10. 基板上に薄膜を形成した薄膜付基板から放射される偏光放射輝度成分を放射率が変化しない角度範囲内において測定する放射計と、
    前記放射計により測定された前記偏光放射輝度成分に基づき前記薄膜付基板の温度を演算する演算ユニットと、
    を備えたことを特徴とする放射測温システム。
11. 前記基板を内部に配設するチャンバと、
    前記基板を加熱する熱発生源と、
    前記薄膜付基板と前記放射計との間に配設され、前記薄膜付基板の熱放射から偏光放射輝度成分を抽出する偏光素子と、
    を更に備えたことを特徴とする請求の範囲第１０項に記載の放射測温システム。
12. 薄膜付基板から放射される第１の偏光放射輝度成分の放射率が変化しない角度範囲内の放射方向に対して、前記薄膜付基板の表面に垂直な法線を軸にして鏡面対称となる入射軸上に配設され、背景放射を吸収遮蔽し、かつ一定の放射輝度を放射する擬似黒体と、
    前記擬似黒体の温度を測定する温度測定計と、
    前記放射方向に配設され、前記第１の偏光放射輝度成分及び前記擬似黒体から前記入射軸上に放射され前記薄膜付基板の表面で反射され、前記放射方向へ向かう第２の偏光放射輝度成分を測定する放射計と、
    前記放射計により測定された前記第１の偏光放射輝度成分及び前記第２の偏光放射輝度成分と前記温度測定計により測定された前記擬似黒体の温度とに基づき前記薄膜付基板の温度を演算する演算ユニットと、
    を備えたことを特徴とする放射測温システム。
13. 前記薄膜付基板の前記薄膜の表面に接触させる薄膜接触子を有する接触センサと、
    前記接触センサの前記薄膜接触子の前記表面に対向する裏面から放射される放射輝度を計測し、この計測結果を前記演算ユニットに出力する放射輝度計測センサと、
    を更に備えたことを特徴とする請求の範囲第１０項又は第１２項に記載の放射測温システム。

Images