KR101851954B1 - 온도 측정 장치 및 온도 측정 방법 - Google Patents

Abstract

(과제) 복수의 처리 챔버 내의 온도 측정 대상물의 온도를 동시에 측정할 수 있는 온도 측정 장치 및 온도 측정 방법을 제공한다.
(해결 수단) 광원으로부터의 광을 복수의 측정용의 광으로 나누기 위한 제1 광분리 수단과, 복수의 측정용의 광을 각각 측정광과 참조광으로 나누기 위한 복수의 제2 광분리 수단과, 측정광을 n개의 제1∼제n 측정광으로 나누기 위한 제3 광분리 수단과, 복수의 참조광을 각각 반사하기 위한 참조광 반사 수단과, 참조광 반사 수단으로부터 반사하는 참조광의 광로 길이를 변화시키기 위한 1개의 광로 길이 변화 수단과, 온도 측정 대상물로부터 반사하는 제1∼제n 측정광과, 참조광 반사 수단으로부터 반사하는 복수의 참조광과의 간섭을 측정하기 위한 복수의 광검출기를 구비한 온도 측정 장치.

Description

온도 측정 장치 및 온도 측정 방법{TEMPERATURE MEASURING APPARATUS AND TEMPERATURE MEASURING METHOD}

본 발명은, 온도 측정 장치 및 온도 측정 방법에 관한 것이다.

플라즈마 처리 장치에 의해 처리되는 기판, 예를 들면 반도체 웨이퍼나 액정 표시 장치용 기판의 온도를 정확히 측정하는 것은, 성막이나 에칭 등 여러 가지 처리 결과에 의해 반도체 웨이퍼나 액정 표시 장치용 기판 상에 형성되는 막이나 홀 등의 형상, 물성 등을 정확히 컨트롤하는 점에서도 매우 중요하다. 이 때문에, 예를 들면 저항 온도계나, 기판 이면(裏面)의 온도를 측정하는 형광식 온도계 등을 이용한 계측법 등의 여러 가지 방법에 따라 반도체 웨이퍼나 액정 표시 장치용 기판의 온도를 계측하는 것이 종래부터 행해지고 있다.

최근에는, 전술한 바와 같은 종래의 온도 계측 방법에서는 곤란했던 기판의 온도를 직접 계측할 수 있는 저(低)코히어런스 간섭계를 이용한 온도 계측 기술이 알려져 있다. 또한, 상기의 저코히어런스 간섭계를 이용한 온도 계측 기술에 있어서, 제1 스플리터에 의해 광원으로부터의 광을 온도 측정용의 측정광과 참조광으로 나누고, 또한, 나누어진 측정광을 제2 스플리터에 의해 n개의 측정광으로 나누어 n개의 측정광을 n개의 측정 포인트에 조사하고, 이들 n개의 측정광의 반사광과, 참조광 반사 수단으로 반사된 참조광의 반사광과의 간섭을 측정하여, 복수의 측정 포인트의 온도를 동시에 측정할 수 있게 한 기술도 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조). 이러한 기술에 의하면, 간단한 구성으로 복수의 측정 포인트의 온도를 한번에 측정할 수 있다. 또한, 측정광을 멀티플렉서에 의해 전환하여 복수의 처리 챔버에 공급하고, 복수의 처리 챔버 내의 기판 등의 온도를 계측할 수 있게 한 저코히어런스 간섭계를 이용한 온도 계측 기술이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 2 참조).

일본공개특허공보 2006-112826호 일본공개특허공보 2008-216182호

상기한 측정광을 멀티플렉서에 의해 전환하여 복수의 처리 챔버에 공급하고, 복수의 처리 챔버 내의 기판 등의 온도를 계측할 수 있게 한 온도 계측 기술에서는, 멀티플렉서에 의해 전환하여 측정광을 공급하기 때문에, 복수의 처리 챔버 내의 기판 등의 온도를 동시에 측정할 수 없다.

본 발명은, 상기 종래의 사정에 대처하여 이루어진 것으로, 복수의 처리 챔버 내의 온도 측정 대상물의 온도를 동시에 측정할 수 있는 온도 측정 장치 및 온도 측정 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 온도 측정 장치의 일 실시 형태는, 광원과, 상기 광원으로부터의 광을 복수의 측정용의 광으로 나누기 위한 제1 광분리 수단과, 상기 제1 광분리 수단으로부터의 복수의 측정용의 광을, 각각 측정광과 참조광으로 나누기 위한 복수의 제2 광분리 수단과, 상기 제2 광분리 수단으로부터의 각각의 측정광을, 추가로 n개의 제1∼제n 측정광으로 나누기 위한 상기 제2 광분리 수단과 동일한 수의 제3 광분리 수단과, 상기 복수의 제2 광분리 수단으로부터의 참조광을 각각 반사하기 위한 참조광 반사 수단과, 상기 참조광 반사 수단으로부터 반사하는 참조광의 광로 길이를 변화시키기 위한 광로 길이 변화 수단과, 상기 제2 광분리 수단으로부터의 각각의 참조광을, 상기 참조광 반사 수단에 조사하는 위치까지 전송하는 상기 제2 광분리 수단과 동일한 수의 참조광 전송 수단과, 상기 제3 광분리 수단으로부터의 상기 제1∼제n 측정광을, 각각 온도 측정 대상물의 각 측정 포인트에 조사하는 측정광 조사 위치까지 전송하는 제1∼제n 측정광 전송 수단과, 상기 온도 측정 대상물로부터 반사하는 상기 제1∼제n 측정광과, 상기 참조광 반사 수단으로부터 반사하는 복수의 참조광과의 간섭을 측정하기 위한 상기 제2 광분리 수단과 동일한 수의 광검출기를 구비하고, 상기 제1∼제n 측정광에 있어서의 상기 제3 광분리 수단으로부터 상기 온도 측정 대상물까지의 각 광로 길이를 각각 서로 상이하게 하고, 그리고, 1개의 상기 광로 길이 변화 수단에 의해, 상기 참조광 반사 수단으로부터 반사하는 참조광의 광로 길이를 변화시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 온도 측정 방법의 일 실시 형태는, 광원과, 상기 광원으로부터의 광을 복수의 측정용의 광으로 나누기 위한 제1 광분리 수단과, 상기 제1 광분리 수단으로부터의 복수의 측정용의 광을, 각각 측정광과 참조광으로 나누기 위한 복수의 제2 광분리 수단과, 상기 제2 광분리 수단으로부터의 각각의 측정광을, 추가로 n개의 제1∼제n 측정광으로 나누기 위한 상기 제2 광분리 수단과 동일한 수의 제3 광분리 수단과, 상기 복수의 제2 광분리 수단으로부터의 참조광을 각각 반사하기 위한 참조광 반사 수단과, 상기 참조광 반사 수단으로부터 반사하는 참조광의 광로 길이를 변화시키기 위한 광로 길이 변화 수단과, 상기 제2 광분리 수단으로부터의 각각의 참조광을, 상기 참조광 반사 수단에 조사하는 위치까지 전송하는 상기 제2 광분리 수단과 동일한 수의 참조광 전송 수단과, 상기 제3 광분리 수단으로부터의 상기 제1∼제n 측정광을, 각각 온도 측정 대상물의 각 측정 포인트에 조사하는 측정광 조사 위치까지 전송하는 제1∼제n 측정광 전송 수단과, 상기 온도 측정 대상물로부터 반사하는 상기 제1∼제n 측정광과, 상기 참조광 반사 수단으로부터 반사하는 복수의 참조광과의 간섭을 측정하기 위한 상기 제2 광분리 수단과 동일한 수의 광검출기를 구비하고, 상기 제1∼제n 측정광에 있어서의 상기 제3 광분리 수단으로부터 상기 온도 측정 대상물까지의 각 광로 길이를 각각 서로 상이하게 한 온도 측정 장치를 이용하여 상기 온도 측정 대상물의 온도를 측정하는 온도 측정 방법으로서, 1개의 상기 광로 길이 변화 수단에 의해, 상기 참조광 반사 수단으로부터 반사하는 참조광의 광로 길이를 변화시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 복수의 처리 챔버 내의 온도 측정 대상물의 온도를 동시에 측정할 수 있는 온도 측정 장치 및 온도 측정 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 온도 측정 장치의 개략 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 온도 측정 장치에 있어서의 간섭 파형의 예를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 온도 측정 장치의 개략 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 온도 측정 장치의 개략 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 제4 실시 형태에 따른 온도 측정 장치의 개략 구성을 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5의 온도 측정 장치에 있어서의 간섭 파형의 예를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 제5 실시 형태에 따른 온도 측정 장치의 개략 구성을 나타내는 도면이다.
도 8은 도 7의 온도 측정 장치에 있어서의 간섭 파형의 예를 나타내는 그래프이다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 형태에 대해서 설명한다. 또한, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 기능 구성을 갖는 구성 요소에 대해서는, 동일한 부호를 붙여 중복된 설명을 생략한다.

도 1은, 제1 실시 형태의 온도 측정 장치(100)의 구성을 개략적으로 나타내는 것이다. 도 1에 있어서, PC1∼PC6은, 플라즈마 에칭 장치의 처리 챔버를 나타내고 있다. 또한, 도 1에 있어서, 스페이스의 형편상 PC3∼PC6에 대해서는, PC1, PC2에 비하여 도시를 간략화했지만, PC3∼PC6은, PC1, PC2와 동일한 구성으로 되어 있다. 본 제1 실시 형태에 있어서, 온도 측정 장치(100)는, 이들 PC1∼PC6 내에 배설된 재치대(10) 상에 올려 놓여진 반도체 웨이퍼(W)의 중앙부 및 주연부(周緣部)의 온도를, 그 이면측으로부터 측정하는 구성으로 되어 있다. 즉, 본 제1 실시 형태에서는, 온도 측정 대상물이 반도체 웨이퍼(W)로 되어 있다. 또한, 반도체 웨이퍼(W) 온도 외에, 예를 들면, 도 1 중에 나타내는 포커스 링(11)의 온도를 측정하는 구성으로 해도 좋다.

온도 측정 장치(100)는, 광원(110)과, 이 광원(110)으로부터의 광을 복수(N)의 측정용의 광으로 나누기 위한 제1 광분리 수단(120)과, 제1 광분리 수단(120)으로부터의 복수의 측정용의 광을, 각각 측정광과 참조광으로 나누기 위한 복수(본 실시 형태에서는 3개)의 제2 광분리 수단(130)과, 제2 광분리 수단(130)으로부터의 각각의 측정광을, 추가로 n개(본 실시 형태에서는 n＝4)의 제1∼제n 측정광(본 실시 형태에서는 제1∼제4 측정광)으로 나누기 위한 제2 광분리 수단(130)과 동일한 수(본 실시 형태에서는 3개)의 제3 광분리 수단(140)을 구비하고 있다.

또한, 온도 측정 장치(100)는, 복수의 제2 광분리 수단(130)으로부터의 참조광을 각각 반사하기 위한 참조광 반사 수단(150)과, 참조광 반사 수단(150)으로부터 반사하는 참조광의 광로 길이를 변화시키기 위한 광로 길이 변화 수단(160)과, 제2 광분리 수단(130)으로부터의 각각의 참조광을, 참조광 반사 수단(150)에 조사하는 위치까지 전송하는 제2 광분리 수단(130)과 동일한 수(본 실시 형태에서는 3개)의 참조광 전송 수단(170)과, 제3 광분리 수단(140)으로부터의 제1∼제4 측정광을, 각각 온도 측정 대상물의 각 측정 포인트에 조사하는 측정광 조사 위치까지 전송하는 제1∼제4 측정광 전송 수단(180a∼180d)과, 온도 측정 대상물로부터 반사하는 제1∼제4 측정광과, 참조광 반사 수단(150)으로부터 반사하는 복수의 참조광과의 간섭을 측정하기 위한 제2 광분리 수단(130)과 동일한 수의 광검출기(190)를 구비하고 있다.

또한, 온도 측정 장치(100)에서는, 제1∼제4 측정광에 있어서의 제3 광분리 수단(140)으로부터 온도 측정 대상물로서의 반도체 웨이퍼(W)까지의 각 광로 길이가, 각각 서로 상이하게 설정되어 있다. 또한, 온도 측정 장치(100)에서는, 1개의 광로 길이 변화 수단(160)에 의해, 참조광 반사 수단(150)으로부터 반사하는 3개의 참조광의 광로 길이를 변화시키게 되어 있다.

광원(110)으로서는, 측정광과 참조광과의 간섭을 측정할 수 있으면, 임의의 광을 사용하는 것이 가능하다. 반도체 웨이퍼(W)의 온도 측정을 행하는 경우에는, 적어도 반도체 웨이퍼(W)의 표면과 이면과의 사이의 거리(통상은 800∼1500㎛ 정도)로부터의 반사광이 간섭을 발생시키지 않는 정도의 광이 바람직하다. 구체적으로는 예를 들면 저코히어런스 광을 이용하는 것이 바람직하다. 저코히어런스 광이란, 코히어런스 길이가 짧은 광을 말한다. 저코히어런스 광의 중심 파장은 예를 들면 0.3∼20㎛가 바람직하고, 또한 0.5∼5㎛가 보다 바람직하다. 또한, 코히어런스 길이로서는, 예를 들면 0.1∼100㎛가 바람직하고, 또한 3㎛ 이하가 보다 바람직하다. 이러한 저코히어런스 광을 광원(110)으로서 사용함으로써, 불필요한 간섭에 의한 장해를 회피할 수 있으며, 반도체 웨이퍼(W)의 표면 또는 내부층으로부터의 반사광에 기초하는 참조광과의 간섭을 용이하게 측정할 수 있다.

상기 저코히어런스 광을 사용한 광원으로서는, 예를 들면 SLD(Super Luminescent Diode), LED, 고휘도 램프(텅스텐 램프, 크세논 램프 등), 초광대역 파장 광원 등을 사용할 수 있다. 이들 저코히어런스 광원 중에서도, 도 1에 나타낸 휘도가 높은 SLD(파장, 예를 들면 1300㎚)를 광원(110)으로서 이용하는 것이 바람직하다.

제1 광분리 수단(120)으로서는, 예를 들면 광파이버 커플러를 이용할 수 있다. 단, 이것에 한정되는 것이 아니고, 복수(N)의 측정용의 광으로 나누는 것이 가능한 것이라면 어떠한 광분리 수단을 이용해도 좋다. 또한, 제2 광분리 수단(130)에 대해서도, 동일하게 예를 들면 광파이버 커플러를 이용할 수 있다. 단, 이것에 한정되는 것이 아니고, 참조광과 측정광으로 나누는 것이 가능한 것이라면 어떠한 광분리 수단을 이용해도 좋다. 제3 광분리 수단(140)으로서는, 예를 들면 광파이버 커플러를 이용할 수 있다. 단, 이것에 한정되는 것이 아니고, 복수(본 실시 형태에서는 4개)의 측정광으로 나누는 것이 가능한 것이라면 어떠한 광분리 수단을 이용해도 좋다. 제1 광분리 수단(120), 제2 광분리 수단(130), 제3 광분리 수단(140)으로서는, 예를 들면 광도파로형 분파기, 반투경 등을 이용해도 좋다.

참조광 반사 수단(150)은, 예를 들면 참조 미러에 의해 구성된다. 참조 미러로서는 예를 들면 코너 큐브 프리즘, 평면 미러 등을 이용할 수 있다. 본 실시 형태에서는, 1개의 평면 미러에 의해, 3개의 참조광을 반사하는 구성으로 되어 있다.

광로 길이 변화 수단(160)은, 상기한 참조광 반사 수단(150)을, 참조광의 입사 방향에 평행한 방향으로 이동시키기 위한 것이다. 상기와 같이, 본 실시 형태에서는, 3개의 참조광을, 1개의 평면 미러로 이루어지는 참조광 반사 수단(150)에 의해 반사하게 되어 있고, 이 참조광 반사 수단(150)을 1개의 광로 길이 변화 수단(160)에 의해 참조광의 입사 방향에 평행한 방향으로 이동시키게 되어 있다. 이와 같이, 참조광 반사 수단(150)을 한 방향으로 구동시킴으로써, 참조광 반사 수단(150)으로부터 반사하는 참조광의 광로 길이를 변화시킬 수 있다. 광로 길이 변화 수단(160)은, 리니어 스테이지(161), 서보 모터(162), 레이저 간섭계(163) 등으로 구성되어 있다. 서보 모터(162)는, 모터 컨트롤러(165) 및 모터 드라이버(166)를 개재하여 컴퓨터 등으로 이루어지는 컨트롤러(200)에 의해 제어된다. 또한, 레이저 간섭계(163)로부터의 신호는, A/D 변환기(201)에서 디지털 신호로 변환되어 컨트롤러(200)에 입력된다.

광검출기(190)로서는, 저가격성, 컴팩트성을 고려하면, 예를 들면 포토 다이오드를 이용하여 구성하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 예를 들면 Si 포토 다이오드, InGaAs 포토 다이오드, Ge 포토 다이오드 등을 이용한 PD(Photo Detector)에 의해 구성한다. 단, 온도 측정 대상물로부터의 측정광과 참조광 반사 수단(150)으로부터의 참조광과의 간섭을 측정할 수 있으면, 상기의 것에 한정되지 않고, 예를 들면 어발란체 포토 다이오드(abalanche photodiode), 광전자 증배관 등을 이용하여 광검출기(190)를 구성해도 좋다. 광검출기(190)의 검출 신호는, 증폭기(191)를 개재하여 A/D 변환기(201)에 입력되고, 디지털 신호로 변환되어 컨트롤러(200)에 의해 처리된다.

제2 광분리 수단(130)으로부터의 참조광은, 제2 광분리 수단(130)과 동일한 수(본 실시 형태에서는 3개)의 참조광 전송 수단(170)에 의해 참조광 반사 수단(150)에 조사하는 참조광 조사 위치까지 전송되게 되어 있다. 참조광 전송 수단(170)은, 각각 광파이버 및 콜리메이터 등으로 구성되어 있다.

또한, 제3 광분리 수단(140)으로부터의 제1∼제4 측정광은, 제1∼제4 측정광 전송 수단(180a∼180d)에 의해, 각각 온도 측정 대상물(본 실시 형태에서는 반도체 웨이퍼(W))에 조사하는 측정광 조사 위치까지 전송되게 되어 있다. 제1∼제4 측정광 전송 수단(180a∼180d)은, 각각, 광파이버 및 콜리메이터 등으로 구성되어 있다.

상기 온도 측정 장치(100)에서는, 제1∼제4 측정광에 있어서의 제3 광분리 수단(140)으로부터 온도 측정 대상물까지의 각 광로 길이가 각각 서로 상이하게 구성되어 있다. 구체적으로는, 예를 들면, 제1∼제4 측정광 전송 수단(180a∼180d)의 광파이버의 길이가 각각 동일한 경우는, 예를 들면 콜리메이터의 선단면, 즉 측정광 조사 위치가, 온도 측정 대상물로부터 조사 방향에 대략 평행한 방향으로 각각 어긋나게 배치된다. 또한, 콜리메이터의 선단면을 어긋나게 하는 일 없이, 광파이버의 길이를 바꿈으로써, 상기 제1∼제4 측정광에 있어서의 제3 광분리 수단(140)으로부터 온도 측정 대상물까지의 각 광로 길이가 상이하게 해도 좋다.

또한 제1∼제4 측정광에 있어서의 제3 광분리 수단(140)에서 온도 측정 대상물까지의 각 광로 길이의 차이는, 적어도 각 측정 포인트마다 측정되는 제1∼제4 측정광과 참조광과의 간섭파가 각각 겹치지 않게 할 필요가 있다. 예를 들면 광원(110)으로서 저코히어런스 광원을 사용하는 경우에는, 적어도 간섭파의 코히어런스 길이 이상 각 광로 길이의 차이가 있으면, 간섭파가 겹치는 것을 방지할 수 있다. 또한, 이러한 각 광로 길이의 차이는, 온도 측정 대상물의 두께나 두께의 변화율, 측정하는 온도 범위, 참조광 반사 수단(150)의 이동 거리 등을 고려하여 결정하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 예를 들면 0.7㎜ 정도의 두께가 있는 실리콘 웨이퍼에서는, 상온에서 200℃ 정도까지의 온도 범위에서의 참조광 반사 수단(150)의 이동 거리는 0.04㎜ 정도이기 때문에, 제1∼제4 측정광에 있어서의 광로 길이의 차이를 각각 0.1㎜ 정도 형성하면, 각 측정 포인트마다의 간섭파가 겹치지 않게 할 수 있다.

이에 따라, 참조광 반사 수단(150)을 한번 주사하는 것만으로 각 제1∼제4 측정광이 조사된 측정 포인트의 간섭파를 한번에 검출할 수 있다. 또한, 본 실시 형태에 있어서, 참조광 반사 수단(150)은, 3개의 제2 광분리 수단(130)으로부터의 3개의 참조광을 각각 반사하게 되어 있다. 따라서, 이들 3개의 참조광을 이용한 6개의 각 처리 챔버(PC1∼PC6)에 있어서의 온도 측정을, 참조광 반사 수단(150)을 한번 주사하는 것만으로 행할 수 있다. 이 때문에, 온도 계측에 걸리는 시간을 최대한 짧게 할 수 있다.

상기와 같이, 온도 측정 장치(100)에 있어서는, 광원(110)으로부터의 광은, 제1 광분리 수단(120)에 입사되고, 복수(3개 이상)의 측정용의 광으로 나누어진다. 이들 측정용의 광은, 각각 복수(본 실시 형태에서는 3개)의 제2 광분리 수단(130)에 입사되어, 측정광과 참조광으로 나누어진다. 이 중, 측정광은, 제3 광분리 수단(140)에 의해 제1∼제4 측정광으로 나누어지고, 각 처리 챔버(PC1∼PC6)에 있어서, 측정광 조사 위치로부터 온도 측정 대상물인 반도체 웨이퍼(W)의 각 측정 포인트를 향하여 조사되어, 반도체 웨이퍼(W)의 이면, 각 층의 경계면, 표면에서 반사된다.

한편, 참조광은, 참조광 반사 수단(150)에 의해 반사된다. 그리고, 제1∼제4 측정광의 각 반사광은, 제3 광분리 수단(140)을 통해서 제2 광분리 수단(130)에 입사하고, 참조광의 반사광과 함께, 광검출기(190)로 검출된다.

그리고, 광로 길이 변화 수단(160)에 의해 참조광 반사 수단(150)을 주사함으로써, 간섭 파형이 얻어진다. 여기에서, 광원(110)으로서는, 전술한 바와 같은 저코히어런스 광원을 이용하고 있다. 저코히어런스 광원에 의하면, 광원(110)으로부터의 광의 코히어런스 길이가 짧기 때문에, 통상은 측정광의 광로 길이와 참조광의 광로 길이가 일치한 장소에서 강하게 간섭이 일어나며, 그 이외의 장소에서는 간섭은 실질적으로 저감된다는 특징이 있다. 이 때문에, 참조광 반사 수단(150)을 이동시켜, 참조광의 광로 길이를 변화시킴으로써, 온도 측정 대상물의 표면 및 이면 외에, 내부에 추가로 층이 있으면 그 각 층에 대해서도, 이들 굴절률차에 의해 반사된 측정광과 참조광이 간섭한다.

상기의 간섭파의 파형의 예를, 종축을 간섭 강도(V), 횡축을 참조 미러 이동거리(㎛)로 한 도 2의 그래프에 나타낸다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 반도체 웨이퍼(W)의 굴절률을 n, 반도체 웨이퍼(W)의 두께를 d로 했을 때에, nd에 상당하는 거리만큼 떨어진 위치에, 반도체 웨이퍼(W)의 이면에서 반사된 측정광의 간섭파와, 반도체 웨이퍼(W)의 표면측에서 반사된 측정광의 간섭파가 검출된다. 그리고, 각 측정 포인트까지의 광로 길이가 상이하게 설정되어 있는 점에서, 광로 길이의 차이에 상당하는 거리만큼 떨어진 위치에 각각의 측정 포인트의 간섭파의 피크가 검출된다.

상기의 온도 측정 장치(100)에 의해 반도체 웨이퍼(W) 등의 온도 측정을 행할 때에는, 온도 측정에 앞서, 온도 측정 대상물인 반도체 웨이퍼(W) 등의 초기 두께 측정을 행한다. 이때, 도 2에 나타낸 바와 같은 간섭파의 파형이 얻어지고, 피크의 간격으로서, 반도체 웨이퍼(W) 등의 초기 두께가 얻어진다. 그리고, 반도체 웨이퍼(W) 등의 온도는, 이 초기 두께에 대한 두께의 변화, 즉, 피크 간격의 변화에 의해 검출한다.

다음으로, 측정광과 참조광과의 간섭파에 기초하여, 온도 변화에 기초하는 광로 길이 변화를 이용하여 온도를 측정하는 방법에 대해서 더욱 상세히 설명한다.

반도체 웨이퍼(W) 등의 온도 측정 대상물이 플라즈마 등의 작용에 의해 가열되면, 반도체 웨이퍼(W) 등은 팽창함과 함께 굴절률이 변화하기 때문에, 온도 변화 전과 온도 변화 후에는, 간섭 파형의 위치가 어긋나, 간섭 파형의 피크간 폭이 변화한다. 이때, 각 측정 포인트마다 온도 변화가 있으면, 측정 포인트마다 간섭 파형의 위치가 어긋나, 간섭 파형의 피크간 폭이 변화한다. 이러한 측정 포인트마다 간섭 파형의 피크간 폭을 측정함으로써 온도 변화를 검출할 수 있다. 예를 들면 도 1에 나타내는 바와 같은 온도 측정 장치(100)라면, 간섭 파형의 피크간 폭은, 참조광 반사 수단(150)의 이동 거리에 대응하고 있기 때문에, 간섭 파형의 피크간 폭에 있어서의 참조광 반사 수단(150)의 이동 거리를 측정함으로써, 온도 변화를 검출할 수 있다.

반도체 웨이퍼(W)의 두께를 d로 하고, 굴절률을 n으로 한 경우, 간섭 파형에 대한 피크 위치의 어긋남은, 두께 d에 대해서는 각 층 고유의 선팽창 계수 α에 의존하고, 또한 굴절률 n의 변화에 대해서는 주로 각 층 고유의 굴절률 변화의 온도 계수 β에 의존한다. 또한, 굴절률 변화의 온도 계수 β에 대해서는 파장에도 의존하는 것이 알려져 있다.

따라서, 어느 측정 포인트 P에 있어서의 온도 변화 후의 반도체 웨이퍼(W)의 두께 d'는 수식에서 나타내면 하기 수식 (1)로 나타내게 된다. 또한, 수식 (1)에 있어서, ΔT는 측정 포인트의 온도 변화를 나타내고, α는 선팽창률, β는 굴절률 변화의 온도 계수를 나타내고 있다. 또한, d, n은, 각각 온도 변화 전의 측정 포인트 P에 있어서의 두께, 굴절률을 나타내고 있다.

d'＝d·(1＋αΔT), n'＝n·(1＋βΔT) … (1)

상기 수식 (1)에 나타내는 바와 같이, 온도 변화에 의해 측정 포인트 P를 투과하는 측정광의 광로 길이가 변화한다. 광로 길이는 일반적으로, 두께 d와 굴절률 n과의 곱으로 나타난다. 따라서, 온도 변화 전의 측정 포인트 P를 투과하는 측정광의 광로 길이를 L로 하고, 측정 포인트에 있어서의 온도가 각각 ΔT 만큼 변화한 후의 광로 길이를 L'로 하면, L, L'는 각각 하기의 수식 (2)에 나타내게 된다.

L＝d·n, L'＝d'·n' … (2)

따라서, 측정 포인트에 있어서의 측정광의 광로 길이의 온도 변화 전후의 차이(L'－L)는, 상기 수식 (1), (2)에 의해 계산하여 정리하면, 하기 수식(3)에 나타내게 된다. 또한, 하기 수식 (3)에서는, α·β≪α, α·β≪β를 고려하여 미소항을 생략하고 있다.

L'－L＝d'·n'－d·n＝d·n·(α＋β)·ΔT

＝L·(α＋β)·ΔT₁ … (3)

여기에서, 각 측정 포인트에 있어서의 측정광의 광로 길이는, 참조광과의 간섭 파형의 피크간 폭에 상당한다. 따라서, 선팽창률 α, 굴절률 변화의 온도 계수 β를 미리 조사해 두면, 각 측정 포인트에 있어서의 참조광과의 간섭 파형의 피크간 폭을 계측함으로써, 상기 수식 (3)을 이용하여, 각 측정 포인트의 온도로 환산할 수 있다.

이와 같이, 간섭 파형의 피크 간격으로부터 온도로의 환산을 하는 경우, 전술한 바와 같이 간섭 파형의 피크 사이에서 나타나는 광로 길이가 선팽창률 α 및 굴절률 변화의 온도 계수 β에 의해 변하기 때문에, 이들 선팽창률 α 및 굴절률 변화의 온도 계수 β를 미리 조사해 둘 필요가 있다. 반도체 웨이퍼(W)를 포함한 물질의 선팽창률 α 및 굴절률 변화의 온도 계수 β는 일반적으로, 온도대에 따라서는, 온도에 의존하는 경우도 있다. 예를 들면 선팽창률 α에 대해서는 일반적으로, 물질의 온도가 0∼100℃ 정도의 온도 범위에서는 그만큼 변화하지 않기 때문에, 일정한 것으로 간주해도 지장이 없지만, 100℃ 이상의 온도 범위에서는 물질에 따라서는 온도가 높아질수록 변화율이 커지는 경우도 있기 때문에, 그러한 경우에는 온도 의존성을 무시할 수 없게 된다. 굴절률 변화의 온도 계수 β에 대해서도 동일하게 온도 범위에 따라서는, 온도 의존성을 무시할 수 없게 되는 경우가 있다.

예를 들면 반도체 웨이퍼(W)를 구성하는 실리콘(Si)의 경우는, 0∼500℃의 온도 범위에 있어서 선팽창률 α 및 굴절률 변화의 온도 계수 β는 예를 들면 2차 곡선에서 근사할 수 있는 것이 알려져 있다. 이와 같이, 선팽창률 α 및 굴절률 변화의 온도 계수 β는 온도에 의존하기 때문에, 예를 들면 온도에 따른 선팽창률 α 및 굴절률 변화의 온도 계수 β를 미리 조사해 두고, 그 값을 고려하여 온도 환산하면, 보다 정확한 온도로 환산할 수 있다.

다음으로, 다른 실시 형태에 대해서 설명한다. 도 3은, 제2 실시 형태의 구성을 나타내는 것이다. 도 3에 나타내는 온도 측정 장치(100a)는, 3개의 처리 챔버(PC1∼PC3)에 대해서, 각각 4점의 온도를 측정하는 구성으로 한 것으로, 제3 광분리 수단(140)으로 분리된 4개의 제1∼제4 측정광을, 처리 챔버(PC1∼PC3) 내의 반도체 웨이퍼(W)의 3점 및 포커스 링(11)의 1점에 조사하여 이들 부위의 온도를 측정하는 구성으로 한 것이다.

또한, 도 4는, 제3 실시 형태의 구성을 나타내는 것이다. 도 4에 나타내는 온도 측정 장치(100b)에서는, 광원(110)으로서, 단(單)파장의 광원이 아니고, SC(Supercontinuum) 광원 등의 연속적 파장을 갖는 광원을 사용하며, 제1 광분리 수단(120)으로서 상이한 파장의 광으로 나누는 파장 분리 스플리터 등을 사용하여 상이한 파장의 3개의 측정용의 광으로 나누어, 각 처리 챔버(PC1∼PC3)마다 상이한 파장의 측정광으로 온도를 측정하는 구성으로 한 것이다.

또한, 도 5는, 제4 실시 형태의 구성을 나타내는 것이다. 도 5에 나타내는 온도 측정 장치(100c)에서는, 광검출기(190)와 증폭기(191)와의 사이에, 광검출기(190)의 출력 신호로부터 교류 성분(AC 성분)을 뽑아내는 교류 성분 추출 수단(192)을 제공한 구성으로 되어 있다. 이와 같이, 교류 성분 추출 수단(192)을 제공함으로써, 종축을 간섭 강도(V), 횡축을 참조 미러 이동 거리(㎛)로 한 도 6의 그래프에 그 파형을 나타내는 바와 같이, 측정 신호 중의 직류 성분의 영향을 배제할 수 있어, 이에 따라 보다 정밀도 좋게 온도 측정을 행할 수 있다.

또한, 도 7은, 제5 실시 형태의 구성을 나타내는 것이다. 도 7에 나타내는 온도 측정 장치(100d)에서는, 참조광 전송 수단(170)의 도중에 어테뉴에이터(171)를 개재시킨 구성으로 되어 있다. 이와 같이, 참조광 전송 수단(170)의 도중에 어테뉴에이터(171)를 개재시킴으로서, 참조광의 강도를, 제3 광분리 수단(140)에 의해 4분할된 제1∼제4 측정광의 강도에 가까워지도록 할 수 있다. 이에 따라, 종축을 간섭 강도(V), 횡축을 참조 미러 이동 거리(㎛)로 한 도 8의 그래프에 그 파형을 나타내는 바와 같이, 도 2에 나타낸 어테뉴에이터가 없는 경우에 비하여 간섭 파형을 확대할 수 있어, 보다 정밀도 좋게 온도 측정을 행할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시 형태에서는, 복수의 처리 챔버(PC1∼PC6)에 대해서, 그 내부에 제공된 온도 측정 대상물의 온도를, 멀티플렉서에 의한 전환을 행하는 일 없이 동시에 측정할 수 있다. 또한, 온도 측정의 기준이 되는 참조광을 반사하는 참조광 반사 수단(150) 및 이 참조광 반사 수단(150)을 이동시켜 참조광의 광로 길이를 변화시키는 광로 길이 변화 수단(160)을 공용하는 구성으로 했기 때문에, 기차(機差)의 발생을 없앨 수 있어, 장치 구성도 간략화할 수 있다.

이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 실시 형태에 대해서 설명했지만, 본 발명은 이러한 실시 형태에 한정되지 않는 것은 말할 필요도 없다. 당업자라면, 특허 청구 범위에 기재된 범주 내에 있어서, 각종 변경예 또는 수정예에 상도 할 수 있는 것은 분명하고, 그들에 대해서도 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것으로 이해된다.

PC1∼PC4 : 처리 챔버
10 : 재치대
11 : 포커스 링
100 : 온도 측정 장치
110 : 광원
120 : 제1 광분리 수단
130 : 제2 광분리 수단
140 : 제3 광분리 수단
150 : 참조광 반사 수단
160 : 광로 길이 변화 수단
170 : 참조광 전송 수단
180a∼180d : 제1∼제4 측정광 전송 수단
190 : 광검출기
200 : 컨트롤러
W : 반도체 웨이퍼

Claims (6)

1. 광원과,
   상기 광원으로부터의 광을 복수의 측정용의 광으로 나누기 위한 제1 광분리 수단과,
   상기 제1 광분리 수단으로부터의 복수의 측정용의 광을, 각각 측정광과 참조광으로 나누기 위한 복수의 제2 광분리 수단과,
   상기 제2 광분리 수단으로부터의 각각의 측정광을, 추가로 n개의 제1∼제n 측정광으로 나누기 위한 상기 제2 광분리 수단과 동일한 수의 제3 광분리 수단과,
   상기 복수의 제2 광분리 수단으로부터의 참조광을 각각 반사하기 위한 참조광 반사 수단과,
   상기 참조광 반사 수단으로부터 반사하는 참조광의 광로 길이를 변화시키기 위한 광로 길이 변화 수단과,
   상기 제2 광분리 수단으로부터의 각각의 참조광을, 상기 참조광 반사 수단에 조사하는 위치까지 전송하는 상기 제2 광분리 수단과 동일한 수의 참조광 전송 수단과,
   상기 제3 광분리 수단으로부터의 상기 제1∼제n 측정광을, 각각 온도 측정 대상물의 각 측정 포인트에 조사하는 측정광 조사 위치까지 전송하는 제1∼제n 측정광 전송 수단과,
   상기 온도 측정 대상물로부터 반사하는 상기 제1∼제n 측정광과, 상기 참조광 반사 수단으로부터 반사하는 복수의 참조광과의 간섭을 측정하기 위한 상기 제2 광분리 수단과 동일한 수의 광검출기를 구비하고,
   상기 제1∼제n 측정광에 있어서의 상기 제3 광분리 수단으로부터 상기 온도 측정 대상물까지의 각 광로 길이를 각각 서로 상이하게 하고,
   그리고, 1개의 상기 광로 길이 변화 수단에 의해, 상기 참조광 반사 수단으로부터 반사하는 참조광의 광로 길이를 변화시키는 것을 특징으로 하는 온도 측정 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 참조광 반사 수단을 1개의 평면 미러에 의해 구성한 것을 특징으로 하는 온도 측정 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제1 광분리 수단이, 상기 광원으로부터의 광을, 상이한 파장역(波長域)의 복수의 상기 측정용의 광으로 나누는 것을 특징으로 하는 온도 측정 장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 광검출기로부터의 출력 신호로부터 교류 성분을 뽑아내는 교류 성분 추출 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 온도 측정 장치.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 참조광 반사 수단으로부터 반사하는 참조광의 강도를, 상기 온도 측정 대상물로부터 반사하는 상기 제1∼제n 측정광의 강도에 가까워지도록 감쇠시키기 위한 어테뉴에이터를 구비한 것을 특징으로 하는 온도 측정 장치.
6. 광원과,
   상기 광원으로부터의 광을 복수의 측정용의 광으로 나누기 위한 제1 광분리 수단과,
   상기 제1 광분리 수단으로부터의 복수의 측정용의 광을, 각각 측정광과 참조광으로 나누기 위한 복수의 제2 광분리 수단과,
   상기 제2 광분리 수단으로부터의 각각의 측정광을, 추가로 n개의 제1∼제n 측정광으로 나누기 위한 상기 제2 광분리 수단과 동일한 수의 제3 광분리 수단과,
   상기 복수의 제2 광분리 수단으로부터의 참조광을 각각 반사하기 위한 참조광 반사 수단과,
   상기 참조광 반사 수단으로부터 반사하는 참조광의 광로 길이를 변화시키기 위한 광로 길이 변화 수단과,
   상기 제2 광분리 수단으로부터의 각각의 참조광을, 상기 참조광 반사 수단에 조사하는 위치까지 전송하는 상기 제2 광분리 수단과 동일한 수의 참조광 전송 수단과,
   상기 제3 광분리 수단으로부터의 상기 제1∼제n 측정광을, 각각 온도 측정 대상물의 각 측정 포인트에 조사하는 측정광 조사 위치까지 전송하는 제1∼제n 측정광 전송 수단과,
   상기 온도 측정 대상물로부터 반사하는 상기 제1∼제n 측정광과, 상기 참조광 반사 수단으로부터 반사하는 복수의 참조광과의 간섭을 측정하기 위한 상기 제2 광분리 수단과 동일한 수의 광검출기를 구비하고,
   상기 제1∼제n 측정광에 있어서의 상기 제3 광분리 수단으로부터 상기 온도 측정 대상물까지의 각 광로 길이를 각각 서로 상이하게 한 온도 측정 장치를 이용하여 상기 온도 측정 대상물의 온도를 측정하는 온도 측정 방법으로서,
   1개의 상기 광로 길이 변화 수단에 의해, 상기 참조광 반사 수단으로부터 반사하는 참조광의 광로 길이를 변화시키는 것을 특징으로 하는 온도 측정 방법.

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