KR20130007451A - 온도 계측 시스템, 기판 처리 장치 및 온도 계측 방법 - Google Patents

온도 계측 시스템, 기판 처리 장치 및 온도 계측 방법 Download PDF

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KR20130007451A
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타츠오 마츠도
켄지 나가이
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

(과제) 광간섭을 이용하여 온도를 적절히 측정할 수 있는 온도 계측 시스템, 기판 처리 장치 및 온도 계측 방법을 제공한다.
(해결 수단) 온도 계측 시스템(1)은, 광원(10), 분광기(14), 광전달 기구(11, 12), 광로 길이 산출부(16) 및 온도 산출부(20)를 구비한다. 광원(10)은, 측정광을 발생시킨다. 광전달 기구(11, 12)는, 측정 대상물(13)의 표면(13a) 및 이면(13b)으로부터의 반사광을 분광기(14)로 출사한다. 분광기(14)는, 반사광의 강도 분포인 간섭 강도 분포를 측정한다. 광로 길이 산출부(16)는, 푸리에 변환하여 광로 길이를 산출한다. 온도 산출부(20)는, 광로 길이와 온도와의 관계에 기초하여 측정 대상물(13)의 온도를 산출한다. 광원(10)은, 분광기(14)의 파장 스팬(Δw)에 기초한 조건을 충족시키는 반값 반폭 Δλ의 광원 스펙트럼을 갖는다. 분광기(14)는, 파장 스팬(Δw)과 계측 최대 두께(d)에 기초한 조건을 충족시키는 샘플링수(Nc)로 강도 분포를 측정한다.

Description

온도 계측 시스템, 기판 처리 장치 및 온도 계측 방법{TEMPERATURE MEASURING SYSTEM, SUBSTRATE PROCESSING APPARATUS AND TEMPERATURE MEASURING METHOD}
본 발명의 여러 가지의 측면 및 실시 형태는, 온도 계측 시스템, 기판 처리 장치 및 온도 계측 방법에 관한 것이다.　
특허문헌 1에는, 일종의 온도 계측 시스템이 기재되어 있다. 특허문헌 1에 기재된 온도 계측 시스템은, 광원, 스플리터, 미러, 구동 수단 및 수광 수단을 구비하고 있다. 광원으로부터 출사된 광은, 스플리터에 의해 측정광과 참조광으로 분리된다. 측정광은, 측정 대상의 양 단면(端面)에 의해, 각각 반사되고, 스플리터를 개재하여 수광 수단에 도달한다. 한편, 참조광은, 미러에 의해 반사되고, 스플리터를 개재하여 수광 수단에 도달한다. 구동 수단에 의해 미러가 이동하고, 스플리터에서 미러까지의 거리가 스플리터에서 측정 대상의 일단면까지의 거리와 동일해질 때, 간섭 피크가 발생한다. 간섭 피크간의 거리가, 측정 대상의 양 단면 간의 광로 길이가 된다. 얻어진 광로 길이로부터 측정 대상의 온도가 측정된다.
일본공개특허공보 2006-220461호
온도를 측정하는 경우에는, 높은 샘플링 레이트로 측정할 수 있는 것이 바람직하다. 그러나, 전술한 바와 같은 장치는, 미러의 구동 시간과 샘플링 레이트가 의존하기 때문에, 높은 샘플링 레이트를 실현하기 위해서는 미러의 구동 수단을 고속화할 필요가 있다. 한편, 높은 샘플링 레이트를 실현하기 위해, 피처리체의 표면 및 이면의 반사광의 강도에 기초하여 두께를 특정하는 수법을 생각할 수 있다. 그러나, 이 수법으로 온도 변화를 적절히 검출하기 위해서는 고정밀도의 두께 측정이 요구된다.
이 때문에, 당해 기술 분야에 있어서는, 광간섭을 이용하여 온도를 적절히 측정할 수 있는 온도 계측 시스템, 기판 처리 장치 및 온도 계측 방법이 요망되고 있다.
본 발명의 일측면에 따른 온도 계측 시스템은, 광간섭을 이용한 온도 계측 시스템이다. 이 온도 계측 시스템은, 광원, 분광기, 광전달 기구, 광로 길이 산출부 및 온도 산출부를 구비한다. 광원은, 측정 대상물을 투과하는 파장을 갖는 측정광을 발생시킨다. 광전달 기구는, 광원으로부터의 측정광을 측정 대상물의 제1 주면(主面)으로 출사한다. 또한, 광전달 기구는, 측정 대상물의 제1 주면 및 제2 주면으로부터의 반사광을 분광기로 출사한다. 분광기는, 파장 또는 주파수에 의존한 강도 분포를 나타내는 반사광의 강도 분포인 간섭 강도 분포를 측정한다. 광로 길이 산출부는, 제1 주면 및 제2 주면으로부터의 반사광의 강도 분포인 간섭 강도 분포를 푸리에 변환하여 광로 길이를 산출한다. 온도 산출부는, 산출된 광로 길이와, 미리 측정된 측정 대상물의 광로 길이와 온도와의 관계에 기초하여, 측정 대상물의 온도를 산출한다. 광원은, 분광기의 파장 스팬에 기초한 조건을 충족시키는 반값 반폭의 광원 스펙트럼을 갖는다. 분광기는, 당해 분광기의 파장 스팬과 당해 온도 계측 시스템이 계측 대상으로 하는 측정 대상물의 최대의 두께에 기초한 조건을 충족시키는 샘플링수로 강도 분포를 측정한다.
고정밀도의 두께 측정을 하기 위해서는, 구성 기기의 스펙을 적절히 정할 필요가 있다. 이 온도 계측 시스템에서는, 분광기의 파장 스팬을 무한으로서 취급하는 것이 아니라 유한으로서, 푸리에 변환 후의 데이터 간격 및, 계측 가능한 최대의 두께를 정함으로써, 요구되는 정밀도의 온도 측정에 필요한 스펙을 갖는 광원 및 분광기를 구비하고 있다. 즉, 파장 스팬에 기초한 조건을 충족시키는 광원, 그리고, 파장 스팬 및 계측 가능한 최대의 두께에 기초한 조건을 충족시키는 분광기를 가짐으로써, 광간섭을 이용하여 온도를 적절히 측정할 수 있다.
일 실시 형태에 있어서는, 파장 스팬이 광분산 소자의 분산각 및 광분산 소자와 수광 소자와의 거리에 기초하여 규정되어도 좋다. 또한, 일 실시 형태에 있어서는, 샘플링수가 수광 소자의 수에 기초하여 규정되어도 좋다. 이와 같이, 파장 스팬 및 샘플링수는 분광기의 기기 구성으로부터 특정할 수 있다.
일 실시 형태에 있어서는, 광원은, 파장 스팬을 Δw, 측정 대상물의 굴절률을 n, 광원 스펙트럼의 반값 반폭을 Δλ로 하면,
Figure pat00001
을 충족시키는 광원 스펙트럼을 가져도 좋다.
일 실시 형태에 있어서는, 분광기는, 광원의 중심 파장을 λ0, 분광기의 파장 스팬을 Δw, 측정 대상물의 굴절률을 n, 당해 온도 계측 시스템이 계측 대상으로 하는 상기 측정 대상물의 최대의 두께를 d, 샘플링수를 Ns로 하면,
Figure pat00002
를 충족시키는 샘플링수로 강도 분포를 측정해도 좋다.
일 실시 형태에 있어서는, 측정 대상물은, 실리콘, 석영 또는 사파이어라도 좋다.
일 실시 형태에 있어서는, 광로 길이 산출부는, 푸리에 변환부, 데이터 보간부 및 중심(重心) 계산부를 구비해도 좋다. 푸리에 변환부는, 간섭 강도 분포를 푸리에 변환하여 광로 길이에 의존한 강도 분포를 산출한다. 데이터 보간부는, 푸리에 변환 후의 데이터 간격을, 소정의 온도 정밀도로 정해지는 분할수로 분할하고, 분할수에 따른 데이터수를 선형 보간으로 보간한다. 중심 계산부는, 데이터 보간부에 의해 보간된 후의 데이터를 이용하여 가중치 부여 중심 계산을 행함으로써 광로 길이를 산출한다. 이와 같이, 소정의 온도 정밀도에 맞추어 데이터점을 보간함으로써, 정밀도 좋게 안정된 온도 계측을 할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 기판 처리 장치는, 온도 계측 시스템을 구비하는 기판 처리 장치이다. 기판 처리 장치는, 처리실, 광원, 분광기, 광전달 기구, 광로 길이 산출부, 온도 산출부 및 광원 스펙트럼을 구비하고 있다. 처리실은, 진공 배기 가능하게 구성되어, 기판을 수용한다. 광원은, 기판을 투과하는 파장을 갖는 측정광을 발생시킨다. 광전달 기구는, 광원으로부터의 측정광을 기판의 제1 주면으로 출사한다. 또한, 광전달 기구는, 기판의 제1 주면 및 제2 주면으로부터의 반사광을 분광기로 출사한다. 분광기는, 파장 또는 주파수에 의존한 강도 분포를 나타내는 반사광의 강도 분포인 간섭 강도 분포를 측정한다. 광로 길이 산출부는, 반사광의 강도 분포인 간섭 강도 분포를 푸리에 변환하여 광로 길이를 산출한다. 온도 산출부는, 산출된 광로 길이와, 미리 측정된 기판의 광로 길이와 온도와의 관계에 기초하여, 기판의 온도를 산출한다. 광원은, 분광기의 파장 스팬에 기초한 조건을 충족시키는 반값 반폭의 광원 스펙트럼을 갖는다. 분광기는, 당해 분광기의 파장 스팬과 계측 대상으로 하는 기판의 최대의 두께에 기초한 조건을 충족시키는 샘플링수로 강도 분포를 측정한다.
고정밀도의 두께 측정을 하기 위해서는, 구성 기기의 스펙을 적절히 정할 필요가 있다. 이 기판 처리 장치에서는, 분광기의 파장 스팬을 무한으로서 취급하는 것이 아니라 유한으로서, 푸리에 변환 후의 데이터 간격 및, 계측 가능한 최대의 두께를 정함으로써, 요구되는 정밀도의 온도 측정에 필요한 스펙을 갖는 광원 및 분광기를 구비하고 있다. 즉, 파장 스팬에 기초한 조건을 충족시키는 광원, 그리고, 파장 스팬 및 계측 가능한 최대의 두께에 기초한 조건을 충족시키는 분광기를 가짐으로써, 광간섭을 이용하여 온도를 적절히 측정할 수 있다. 또한, 진공 중에 배치된 기판의 온도도 계측할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 온도 계측 방법은, 온도 계측 시스템을 이용한 온도 계측 방법이다. 온도 계측 시스템은, 광원, 분광기, 광전달 기구를 구비한다. 광원은, 측정 대상물을 투과하는 파장을 갖는 측정광을 발생시킨다. 광전달 기구는, 광원으로부터의 측정광을 측정 대상물의 제1 주면으로 출사한다. 또한, 광전달 기구는, 측정 대상물의 제1 주면 및 제2 주면으로부터의 반사광을 분광기로 출사한다. 분광기는, 파장 또는 주파수에 의존한 강도 분포를 나타내는 반사광의 강도 분포인 간섭 강도 분포를 측정한다. 광원은, 분광기의 파장 스팬에 기초한 조건을 충족시키는 반값 반폭의 광원 스펙트럼을 갖는다. 분광기는, 분광기의 파장 스팬과 당해 온도 계측 시스템이 계측 대상으로 하는 측정 대상물의 최대의 두께에 기초한 조건을 충족시키는 샘플링수로 강도 분포를 측정한다. 온도 계측 방법은, 푸리에 변환 공정, 데이터 보간 공정, 중심 계산 공정 및 온도 산출 공정을 구비한다. 푸리에 변환 공정에서는, 제1 주면 및 제2 주면으로부터의 반사광의 강도 분포인 간섭 강도 분포를 푸리에 변환하여 광로 길이에 의존한 강도 분포를 산출한다. 데이터 보간 공정에서는, 푸리에 변환 후의 데이터 간격을, 소정의 온도 정밀도로 정해지는 분할수로 분할하고, 분할수에 따른 데이터수를 선형 보간으로 보간한다. 중심 계산 공정에서는, 데이터 보간 공정에서 보간된 후의 데이터를 이용하여 가중치 부여 중심 계산을 행함으로써 광로 길이를 산출한다. 온도 산출 공정에서는, 중심 계산 공정에서 산출된 광로 길이 및 미리 측정된 측정 대상물의 광로 길이와 온도와의 관계에 기초하여, 측정 대상물의 온도를 산출한다.
고정밀도의 두께 측정을 하기 위해서는, 구성 기기의 스펙을 적절히 정할 필요가 있다. 이 온도 계측 시스템에서는, 분광기의 파장 스팬을 무한으로서 취급하는 것이 아니라 유한으로서, 푸리에 변환 후의 데이터 간격 및, 계측 가능한 최대의 두께를 정함으로써, 요구되는 정밀도의 온도 측정에 필요한 스펙을 갖는 광원 및 분광기를 구비하고 있다. 즉, 파장 스팬에 기초한 조건을 충족시키는 광원, 그리고, 파장 스팬 및 계측 가능한 최대의 두께에 기초한 조건을 충족시키는 분광기를 가짐으로써, 광간섭을 이용하여 온도를 적절히 측정할 수 있다. 그리고, 이 온도 계측 방법에 의하면, 소정의 온도 정밀도에 맞추어 데이터점을 보간함으로써, 정밀도 좋게 안정된 온도 계측을 할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 여러 가지의 측면 및 실시 형태에 의하면, 광간섭을 이용하여 온도를 적절히 측정할 수 있는 온도 계측 시스템, 기판 처리 장치 및 온도 계측 방법이 제공된다.
도 1은 일 실시 형태에 따른 온도 계측 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 분광기 및 연산 장치의 기능 블록도이다.
도 3은 입사광 스펙트럼 및 반사광 스펙트럼을 설명하는 개요도이다.
도 4는 반사광 스펙트럼의 푸리에 변환을 설명하는 개요도이다.
도 5는 최대 계측 두께를 설명하는 개요도이다.
도 6은 최소 공간 분해능을 설명하는 개요도로, 도6(a)는, 위치에 의존한 강도 분포를 나타내는 스펙트럼이고, 도 6(b)는, 파수(波數)에 의존한 강도 분포를 나타내는 스펙트럼이다.
도 7은 코히어런스 길이를 설명하는 개요도로, 도 7(a)는, 파수에 의존한 강도 분포를 나타내는 스펙트럼이고, 도 7(b)는, 위치에 의존한 강도 분포를 나타내는 스펙트럼이다.
도 8은 위치에 의존한 강도 분포를 나타내는 스펙트럼에 있어서 데이터 간격을 설명하는 개요도로, 도 8(a)는, 코히어런스 길이의 범위에 3점의 데이터점을 갖는 스펙트럼이고, 도 8(b)는, 코히어런스 길이의 범위에 2점의 데이터점을 갖는 스펙트럼이다.
도 9는 코히어런스 길이 내의 데이터수와 스펙트럼 반값 반폭과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 10은 연산 장치의 동작을 나타내는 플로우 차트이다.
도 11은 연산 장치의 동작을 설명하기 위한 그래프로, 도 11(a)는 파장에 의존한 강도 분포를 나타내는 광원 스펙트럼이고, 도 11(b)는 파장에 의존한 강도 분포를 나타내는 반사광 스펙트럼이고, 도 11(c)는 파장의 역수에 의존한 강도 분포를 나타내는 반사광 스펙트럼이다.
도 12는 연산 장치의 동작을 설명하기 위한 그래프로, 도 12(a)는 파장의 역수에 의존한 강도 분포를 나타내는 반사광 스펙트럼을 선형 보간한 스펙트럼이고, 도 12(b)는 도 12(a)의 반사광 스펙트럼을 고속 푸리에 변환한 스펙트럼이고, 도 12(c)는 도 12(b)의 일부 확대도면이다.
도 13은 온도 교정 데이터의 일 예이다.
도 14는 일 실시 형태에 따른 기판 처리 장치의 일 예이다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
이하, 도면을 참조하여 여러 가지의 실시 형태에 대해서 상세하게 설명한다. 또한, 각 도면에 있어서 동일 또는 상당하는 부분에 대해서는 동일한 부호를 붙이기 한다.
도 1은, 일 실시 형태에 따른 온도 계측 시스템의 일 예를 나타내는 구성도면이다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 온도 계측 시스템(1)은, 측정 대상물(13)의 온도를 계측하는 시스템이다. 온도 계측 시스템(1)은, 광간섭을 이용하여 온도를 계측한다. 온도 계측 시스템(1)은, 광원(10), 광서큘레이터(11), 콜리메이터(12), 분광기(14) 및 연산 장치(15)를 구비하고 있다. 또한, 광원(10), 광서큘레이터(11), 콜리메이터(12) 및 분광기(14)의 각각의 접속은, 광파이버 케이블을 이용하여 행해진다.
광원(10)은, 측정 대상물(13)을 투과하는 파장을 갖는 측정광을 발생시킨다. 광원(10)으로서, 예를 들면 SLD(Super　Luminescent　Diode)가 이용된다. 또한, 측정 대상물(13)은, 예를 들면 판 형상을 나타내고, 제1 주면(13a) 및 제1 주면(13a)에 대향하는 제2 주면(13b)을 갖고 있다. 이하에서는, 필요에 따라서, 제1 주면(13a)을 표면(13a), 제2 주면(13b)를 이면(13b)이라고 칭하여 설명한다. 계측 대상으로 하는 측정 대상물(13)로서는, 예를 들면 Si(실리콘) 외에 SiO2(석영) 또는 Al2O3(사파이어) 등이 이용된다. Si의 굴절률은, 파장 4㎛에 있어서 3.4이다. SiO2의 굴절률은, 파장 1㎛에 있어서 1.5이다. Al2O3의 굴절률은, 파장 1㎛에 있어서 1.8이다.
광서큘레이터(11)는, 광원(10), 콜리메이터(12) 및 분광기(14)에 접속되어 있다. 광서큘레이터(11)는, 광원(10)에서 발생한 측정광을 콜리메이터(12)로 출사한다. 콜리메이터(12)는, 측정광을 측정 대상물(13)의 표면(13a)으로 출사한다. 콜리메이터(12)는, 평행 광선으로서 조정된 측정광을 측정 대상물(13)로 출사한다. 그리고, 콜리메이터(12)는, 측정 대상물(13)로부터의 반사광을 입사한다. 반사광에는, 표면(13a)의 반사광뿐만 아니라 이면(13b)의 반사광이 포함된다. 콜리메이터(12)는, 반사광을 광서큘레이터(11)로 출사한다. 광서큘레이터(11)는, 반사광을 분광기(14)로 출사한다. 또한, 광서큘레이터(11) 및 콜리메이터(12)를 구비하여 광전달 기구가 구성된다.
분광기(14)는, 광서큘레이터(11)로부터 얻어진 반사광의 스펙트럼(간섭 강도 분포)을 측정한다. 반사광 스펙트럼은, 반사광의 파장 또는 주파수에 의존한 강도 분포를 나타낸다. 도 2는, 분광기(14) 및 연산 장치(15)의 기능 블록도이다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 분광기(14)는, 예를 들면, 광분산 소자(141) 및 수광부(142)를 구비한다. 광분산 소자(141)는, 예를 들면, 회절 격자 등이고, 광을 파장마다 소정의 분산각으로 분산시키는 소자이다. 수광부(142)는, 광분산 소자(141)에 의해 분산된 광을 취득한다. 수광부(142)로서는, 복수의 수광 소자가 격자 형상으로 배열된 CCD(Charge　Coupled　Device)가 이용된다. 수광 소자의 수가 샘플링수가 된다. 또한, 광분산 소자(141)의 분산각 및 광분산 소자(141)와 수광 소자와의 거리에 기초하여, 파장 스팬이 규정된다. 이에 따라, 반사광은 파장 또는 주파수마다 분산되고, 파장 또는 주파수마다 강도가 취득된다. 분광기(14)는, 반사광 스펙트럼을 연산 장치(15)로 출력한다.
연산 장치(15)는, 반사광 스펙트럼에 기초하여 측정 대상물(13)의 온도를 계측한다. 연산 장치(15)는, 광로 길이 산출부(16), 온도 산출부(20) 및 온도 교정 데이터(21)를 구비하고 있다. 광로 길이 산출부(16)는, 푸리에 변환부(17), 데이터 보간부(18) 및 중심 계산부(19)를 구비하고 있다. 푸리에 변환부(17)는, 반사광 스펙트럼을 고속 푸리에 변환(FFT: Fast　Fourier　Transform)에 의해 푸리에 변환한다. 예를 들면, 시간 영역에 있어서의 푸리에 변환이면, 주파수(단위 시간당의 진동수)에 의존한 강도 분포를 나타내는 반사광 스펙트럼을, 시간에 의존한 강도 분포를 나타내는 반사광 스펙트럼으로 변환한다. 또한, 예를 들면, 공간 영역에 있어서의 푸리에 변환이면, 공간 주파수(단위 길이당의 진동수)에 의존한 강도 분포를 나타내는 반사광 스펙트럼을, 위치에 의존한 강도 분포를 나타내는 반사광 스펙트럼으로 변환한다. 데이터 보간부(18)는, 푸리에 변환 후의 반사광 스펙트럼의 소정의 피크값을 포함하는 범위에 있어서, 데이터점을 보간한다. 중심 계산부(19)는, 푸리에 변환 후의 반사광 스펙트럼의 소정의 피크값의 중심 위치를 계산한다. 광로 길이 산출부(16)는, 중심 위치에 기초하여 광로 길이를 산출한다.
온도 산출부(20)는, 광로 길이에 기초하여, 측정 대상물(13)의 온도를 산출한다. 온도 산출부(20)는, 온도 교정 데이터(21)를 참조하여 측정 대상물(13)의 온도를 산출한다. 온도 교정 데이터(21)는, 미리 측정된 데이터이고, 온도와 광로 길이와의 관계를 나타내는 것이다.
상기 구성을 갖는 온도 계측 시스템에 의해, 측정 대상물(13)의 표면(13a)과 이면(13b)과의 광간섭을 이용하여 온도를 측정한다(FFT 주파수 영역법). 이하, 광간섭의 원리에 대해서 설명한다. 도 3은, 입사광 스펙트럼 및 반사광 스펙트럼을 설명하는 개요도이다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 광원(10)으로부터의 측정광을 입사광으로 한다. 입사광 스펙트럼의 강도 S(k)는, 공간 주파수 1/λ(단위 길이당의 진동수)에 의존한다. 광원(10)의 파장을 λ로 하면 파수 k는 2π／λ이다. 측정 대상물(13)의 두께를 d, 굴절률을 n, 반사율을 R로 한다. 반사광 E는, 복수의 반사 성분을 겹친 것이 된다. 예를 들면, E1은, 표면(13a)에 있어서의 반사 성분이다. E2는, 이면(13b)에 있어서의 반사 성분이다. E3은, 표면(13a)에서 1회, 이면(13b)에서 2회 반사된 반사 성분이다. 또한, E4 이후의 반사 성분은 생략하고 있다. 복수의 성분이 겹쳐, 반사광 스펙트럼의 강도 I(k)가 얻어진다. 반사광 스펙트럼의 강도 I(k)는, 입사광 스펙트럼의 강도 S(k)와 이하의 수식으로 나타내는 관계가 있다.
Figure pat00003
상기의 식 (1)에 있어서, 제2항은 표리면 간섭의 항이다. 제3항은 표리면 다중 간섭의 항이다. 식 (1)을 푸리에 변환하면, 위치에 의존한 반사광 스펙트럼을 얻을 수 있다.
도 4는, 반사광 스펙트럼 I(k)의 푸리에 변환을 설명하는 개요도이다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 공간 영역 푸리에 변환에 의해, 공간 주파수 1/λ를 위치 x로 변환하고 있다. 위치 x로 변환된 반사광 스펙트럼의 강도 I(x)는, 식 (1)을 푸리에 변환함으로써, 이하와 같이 된다.
Figure pat00004
상기의 식 (2)에 나타내는 바와 같이, 2nd마다 피크값이 출현한다. 2nd는 표리면의 광로차이다. 즉 nd는, 표리면 간의 광로 길이이다. 전술한 바와 같이, 미리 계측된 광로 길이(nd)와 온도와의 관계로부터, 광로 길이(nd)를 특정함으로써 온도를 산출할 수 있다. 또한, 상기 설명에서는 공간 영역 푸리에 변환을 이용했지만, 시간 영역 푸리에 변환을 이용해도 좋다. 주파수를 ｖ로 하면 위치 x는 이하의 관계를 충족시킨다.
Figure pat00005
여기에서, FFT 주파수 영역법을 이용하여, 측정 대상물의 두께를 측정하는 경우와, 측정 대상물의 온도를 측정하는 경우와의 차이를 설명한다. 일반적으로는, FFT 주파수 영역법에 의해 측정되는 측정 대상물의 두께는, 수백 ㎛의 오더의 정밀도로 측정 가능하다. 그러나, 온도를 1℃ 단위로 측정하는 경우에는, 수백 Å의 오더의 정밀도가 필요하다. 즉, 단순하게 두께 측정 시스템을 온도 계측 시스템으로 하는 것은 곤란하고, 광원이나 분광기 등, 조건을 충족시키는 기기를 이용하여 계측할 필요가 있다. 이하에서는 각 구성 기기의 조건에 대해서 설명한다.
맨 처음에, 온도 계측 시스템(1)의 측정 가능한 최대의 두께(최대 계측 두께)와 반사광 스펙트럼의 푸리에 변환 후의 데이터 간격에 대해서 설명한다. 도 5는, 반사광에 대해서 설명하는 개요도이다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 두께(d), 굴절률(n)의 측정 대상물(13)에 있어서, 표면의 위치를 0, 이면의 위치를 x로 하고 있다. 이때, FFT에 있어서의 시간(Δτ)과 각주파수(Δω)와의 관계는, 이하와 같이 나타난다.
Figure pat00006
여기에서, 각주파수(ω, Δω)를, 광원 스펙트럼의 파장(λ), 반값 반폭(Δλ)으로 표현하면, 이하와 같이 된다.
Figure pat00007
주파수는 정(正)의 값이기 때문에,
Figure pat00008
따라서,
Figure pat00009
이다.
굴절률(n)(평균 굴절률(nave))의 측정 대상물(13) 안을 광이 시간(Δτ)으로 이동하는 거리를 Δx'로 하면, 거리 Δx'는, 상기 식 (3) 및 식 (5)를 이용하여, 이하와 같이 표현된다.
Figure pat00010
표면을 투과하여 이면에서 반사하기 때문에, 왕복 거리를 고려하여 Δx'＝2Δx로 한다. 이상으로부터, FFT 후의 반사 스펙트럼의 데이터 간격(Δx)은 이하와 같이 된다.
Figure pat00011
주파수 영역법에서는, 실제의 스펙트럼 강도 I(k)는, 파장축 방향의 샘플링수(Ns)의 이산적인 값이 된다. 따라서, FFT 후의 데이터는, Δx 간격의 Ns/2개의 이산적인 데이터가 된다. 따라서, 최대 계측 광학 두께(xmax)는, 이하의 식으로 나타낼 수 있다.
Figure pat00012
이것은 실(實)공간의 좌표로 변환했을 때의 값이고, FFT 후의 분광 스펙트럼의 데이터는 이값의 2nave배가 된다. 따라서, FFT 후의 공간에 있어서의 최대 계측 광학 두께(Xmax) 및, 데이터 간격(ΔX)은, 이하의 식으로 나타낼 수 있다.
Figure pat00013
Figure pat00014
이들은 매질의 굴절률에 의하지 않는 일반식이고, 측정계의 조건만으로 결정된다. 실제의 측정계에 있어서는, Δλ는 FFT의 최소 주기로 생각할 수 있기 때문에, 여기에서는, Δλ는 분광기의 측정 파장 범위, 또는 파장 스캔 레인지로 생각할 수 있다. 파장 스팬을 Δw, 분광기의 중심 파장을 λ0으로 하면, 식 (10), (11)은 이하의 식으로 나타난다.
Figure pat00015
Figure pat00016
따라서, 분광기의 파장 범위 Δw를 넓게 하면, FFT 후의 데이터 간격(ΔX)을 작게 할 수 있다. 또한 샘플링수(Ns)를 크게 하면, 보다 두꺼운 매질을 계측할 수 있다. 이에 따라, 데이터 간격을 작게 하는 것과, 계측 가능 두께를 두껍게 하는 것은, 양립되지 않는 것을 알 수 있다. 이상은, 굴절률에 의하지 않는 일반식이다. 따라서, 굴절률(nave)의 매질 중에 있어서의 실스케일로 변환하는 경우는, 각각 2nave로 제거하면 좋다.
여기에서, 최소 공간 분해능에 대해서 고찰한다. 도 6은, 최소 공간 분해능을 설명하는 개요도이다. 도 6의 (b)는, 가우스 함수로 근사할 수 있는 광원의 파수(k)에 의존한 강도 분포를 나타내는 스펙트럼이다. 도 6의 (b)에 나타내는 스펙트럼의 강도 S(k)는, 피크값의 파수를 k0, 피크값의 강도를 1/k·(π)1/2, 반값 반폭을 Δk로 하면, 이하의 식으로 나타낼 수 있다.
Figure pat00017
또한,
Figure pat00018
이다. 또한,
Figure pat00019
과의 관계가 성립된다. 식 (15), (16)을 이용하여 반값 반폭(Δk)은 이하와 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00020
한편, 도 6의 (b)에 나타내는 스펙트럼을 FFT 변환하면 도 6의 (a)에 나타내는 스펙트럼이 된다. 도 6의 (a)는, 위치 x에 의존한 강도 분포를 나타내는 가우스 함수의 스펙트럼이다. 도 6의 (a)에 나타내는 스펙트럼의 강도 S(x)는, 피크값의 위치를 0, 피크의 강도를 1로 하면, 이하의 식으로 나타낼 수 있다.
Figure pat00021
또한, 반값 반폭(Δk)과, S(x)의 반값 반폭(Δxg)은 이하의 관계를 충족시킨다.
Figure pat00022
반값 반폭을 lc로 하면, 식 (19)에 기초하여, S(x)의 반값 반폭(Δxg)은 이하의 식으로 표현할 수 있다.
Figure pat00023
강도 S(x)의 스펙트럼의 반값 반폭(lc)이 코히어런스 길이가 된다. 공간의 최소 분해능은, lc이고, 광원(10)의 스펙트럼의 중심 파장과 반값폭으로 결정된다.
다음으로, 전술한 최대 계측 광학 두께(xmax)에 기초하여, 분광기(14)에 필요한 샘플링수(Ns)의 조건을 도출한다. 광원(10)의 중심 파장을 λ0, 광원 스펙트럼의 반값 반폭을 Δλ, 분광기(14)의 파장 스팬을 Δw, 측정 대상물(13)의 굴절률을 n으로 하면, 식 (9)에 기초하여, 최대 계측 광학 두께(xmax)는 이하의 식으로 나타난다.
Figure pat00024
여기에서, 최대 계측 두께(d)와 최대 계측 광학 두께(xmax)는, 이하의 조건을 충족시킬 필요가 있다.
Figure pat00025
즉, 이하의 관계를 충족시키는 샘플링수(Ns)가 필요해진다.
Figure pat00026
예를 들면, 최대 계측 두께(d)＝0.775㎜, 광원(10)의 중심 파장(λ0)＝1550㎚, 측정 대상물(13)의 굴절률(n)＝3.7이면, 이하와 같이 된다.
Figure pat00027
또한, 파장 스팬 Δw[m]를 Δw'[㎚]로 변환하여 표현하면, 이하와 같이 된다.
Figure pat00028
온도 계측 시스템(1)은, 식 (25)에 나타내는 관계를 충족시키는 파장 스팬(Δw'[㎚])과 샘플링수(Ns)의 분광기(14)를 구비한다. 예를 들면, 파장 스팬(Δw'[㎚])이 40㎚인 경우에는, 샘플링수(Ns)가 200보다 큰 값을 갖는다. 즉, 파장 스팬(Δw'[㎚])이 40㎚인 경우에는, 200보다도 큰 수의 수광 소자를 배열시킨 수광부(142)가 필요해진다.
다음으로, 전술한 데이터 간격(Δx)에 기초하여, 광원(10)에 필요한 광원 스펙트럼의 반값 반폭(Δλ)의 조건을 도출한다. 도 7은, 코히어런스 길이를 설명하는 개요도이다. 도 7의 (a)는, 파수에 의존한 강도 분포를 나타내는 스펙트럼이다. 파수(k)＝1/e2의 피크값의 반값 반폭을 Δk로 하고 있다. 도 7의 (b)는, 위치에 의존한 강도 분포를 나타내는 스펙트럼이다. 도 7의 (b)는, 도 7의 (a)에 나타내는 스펙트럼을 푸리에 변환함으로써 얻어진다. 반값 전폭(全幅)인 코히어런스 길이(Lc)는, 광원(10)의 중심 파장을 λ0, 광원 스펙트럼의 반값 반폭을 Δλ로 하면, 이하의 식으로 표현된다.
Figure pat00029
여기에서, 상기의 코히어런스 길이(Lc)를 이용하여, 중심 피크를 적절히 구하기 위해 필요한 데이터 간격(Δx)을 고찰한다. 또한, 반값 전폭(Lc)은 FFT 후의 공간이기 때문에, 실스케일과는 상위하다. 마찬가지로, Δx는 실공간 스케일이기 때문에, FFT 후의 공간에 적합시키기 위해 ΔX를 이용하여 계산한다. 여기에서, ΔX＝2nΔx로 한다. FFT 후의 신호는, 광원(10)의 반값 반폭(Δλ)과 분광기(14)의 파장 스팬(Δw)으로 결정된다. 중심 피크를 정확하게 구하기 위해서는, FFT 후의 신호의 반값 전폭 내에 최저 3점의 데이터점이 포함될 필요가 있다. 예를 들면, 도 8의 (a)에 나타내는 바와 같이, 데이터점이 3점 포함될 필요가 있다. 또한, 도 8의 (b)에 나타내는 바와 같이, 반값 전폭 Lc＞2ΔX라는 조건에서는, 피크 위치와 데이터점이 어긋났을 때에, 반값 전폭에는 데이터점이 2점밖에 포함되지 않는다. 이 때문에, 최저 4점의 데이터점이 포함되는 것으로 하고, 반값 전폭 Lc＞3ΔX라는 조건을 충족시키도록 해야만 한다. 식 (26)을 이용하여, 반값 전폭(Lc)과 데이터 간격(ΔX)과의 사이에 이하의 부등식이 성립된다.
Figure pat00030
광원(10)의 반값 반폭(Δλ)에 대해서 식 (27)을 풀면, 이하와 같이 된다.
Figure pat00031
또한, 파장 스팬(Δw)과 광원(10)의 스펙트럼의 반값 반폭(Δλ)이 결정되면, 이하의 식으로부터 코히어런스 길이(Lc) 내의 데이터점수(Nc)를 알 수 있다.
Figure pat00032
도 9는, 코히어런스 길이 내의 데이터수와 스펙트럼 반값 반폭과의 관계를 나타내는 그래프이다. 횡축이 광원(10)의 스펙트럼의 반값 반폭(Δλ), 종축이 코히어런스 길이(Lc) 내의 데이터점수(Nc)이다. 광원(10)의 파장 스팬(Δw)＝42㎚로 하면, 식 (29)로부터, m＞3을 충족시키기 위해서는, Δλ＜6.18㎚가 될 필요가 있다. 온도 계측 시스템(1)은, 식 (28)에 나타내는 관계를 충족시키는 반값 반폭 Δλ의 광원(10)을 구비한다.
다음으로, 온도 계측 시스템(1)의 온도 계측 동작에 대해서 설명한다. 도 10은, 온도 계측 시스템(1)의 동작을 나타내는 플로우 차트이다. 도 10에 나타내는 제어 처리는, 예를 들면 광원(10) 및 연산 장치(15)의 전원이 ON이 된 타이밍으로부터 소정의 간격으로 반복하여 실행된다.
도 10에 나타내는 바와 같이, 반사광 스펙트럼의 입력 처리로부터 개시한다(S10). 광원(10)은, 측정광을 발생한다. 예를 들면, 도 11의 (a)에 나타내는 스펙트럼의 측정광이 된다. 분광기(14)는, 측정 대상물(13)의 표면(13a) 및 이면(13b)에서 반사한 반사광의 스펙트럼을 취득한다. 예를 들면, 도 11의 (b)에 나타내는 스펙트럼의 반사광이 된다. 광로 길이 산출부(16)는, 분광기(14)로부터 반사광의 스펙트럼을 입력한다. S10의 처리가 종료되면, 좌표 변화 처리로 이행한다(S12).
S12의 처리에서는, 광로 길이 산출부(16)가, S10의 처리에서 얻어진 스펙트럼의 좌표축을, 파장(λ)으로부터 공간 주파수(1/λ)로 변환한다. 예를 들면, 도 11의 (c)에 나타내는 스펙트럼이 된다. S12의 처리가 종료되면, 제1 데이터 보간 처리로 이행한다(S14).
S14의 처리에서는, 광로 길이 산출부(16)가, S12의 처리에서 얻어진 스펙트럼의 데이터 보간을 행한다. 예를 들면, 샘플링수를 Ns로 하고, 스펙트럼의 데이터로 하고, 공간 주파수의 배열을 (x0, x1, x2, …, xN －1)로 하고, 강도의 배열을 (y0, y1, y2, …, yN －1)로 한다. 우선, 광로 길이 산출부(16)는, 공간 주파수의 배열을 등간격으로 재배열한다. 예를 들면, 재배열 후의 공간 주파수의 배열에 포함되는 공간 주파수를 Xi로 하면, 이하의 식을 이용하여 재배열을 행한다.
Figure pat00033
다음으로, 광로 길이 산출부(16)는, 재배열 후의 공간 주파수(Xi)에 있어서의 강도를, 선형 보간으로 계산한다. 이때의 강도를 Yi로 하면, 이하의 식을 이용하여 산출한다.
Figure pat00034
단, j는 Xi＞xj가 되는 최대의 정수이다. 이에 따라, 예를 들면 도 12의 (a)에 나타내는 스펙트럼이 된다. S14의 처리가 종료되면, FFT 처리로 이행한다(S16).
S16의 처리에서는, 푸리에 변환부(17)가, S14의 처리에서 보간된 스펙트럼을 푸리에 변환한다(푸리에 변환 공정). 이에 따라, 예를 들면, 도 12의 (b)에 나타내는 바와 같이, 종축이 진폭, 횡축이 위상의 스펙트럼이 된다. S16의 처리가 종료되면, 필터링 처리로 이행한다(S18).
S18의 처리에서는, 광로 길이 산출부(16)가, S16의 처리에서 얻어진 스펙트럼으로부터 X＝0의 피크값을 필터링한다. 예를 들면, X＝0에서 X＝Z(소정값)까지의 범위의 강도 데이터 Y에 0을 대입한다. S18의 처리가 종료되면, 추출 처리로 이행한다(S20).
S20의 처리에서는, 광로 길이 산출부(16)가, S18의 처리에서 얻어진 스펙트럼으로부터 X＝2nd의 피크값을 추출한다. 예를 들면, 피크의 최대값을 Yi로 한 경우, Yi －10으로부터 데이터점을 20점 추출한다. 이것은, 피크의 중심으로부터 끝까지의 데이터를 추출하기 위해서이다. 예를 들면, 피크의 최대값을 1로 했을 때에, 최대값에서 0.5까지의 범위가 포함되도록 추출한다. 예를 들면, 도 12의 (c)에 나타내는 스펙트럼이 추출된다. S20의 처리가 종료되면, 제2 데이터 보간 처리로 이행한다(S22).
S22의 처리에서는, 데이터 보간부(18)가, S20의 처리에서 얻어진 2nd 피크의 데이터를 보간한다(데이터 보간 공정). 데이터 보간부(18)는, 예를 들면 데이터점간을 보간수(N)로 등간격으로 선형 보간한다. 보간수(NA)는, 예를 들면 필요한 온도 정밀도에 기초하여 미리 설정된다.
여기에서, 보간수(NA)에 대해서 개설(槪說)한다. 예를 들면, 측정 대상물(13)이 반경 300㎜의 Si 기판인 경우에는, FFT 후의 피크 간격 Δ2nd가 0.4㎛/℃가 된다. 따라서, 1℃의 정밀도가 필요한 경우에는, 데이터 간격이 0.4㎛가 되도록 보간수(NA)를 설정한다. 시스템이 갖는 노이즈 레벨을 고려하여 보간수(NA)를 결정해도 좋다. 여기에서, 분광기(14)가, 파장 스팬(Δw)＝42㎚, 샘플링수(Ns)＝640이라고 한다. 또한, 광원(10)이, 중심 파장(λ0)＝1560㎚라고 한다. 이 경우, FFT 후의 데이터 간격은, 식 (8)을 이용하여 Δx＝56㎚가 된다. 따라서, 0.4㎛의 데이터 간격이 되도록, 각 점의 간격을 140점 보간할 필요가 있다(보간수 NA＝140). 또한, 노이즈 레벨이 0.1℃ 정도인 경우에는, 0.1℃ 이하의 분해능은 불필요하다. 또한, Δx＝56㎚인 채 계산하면, 분해능이 140℃가 되는 점에서도 데이터 보간의 중요성을 이해할 수 있다. 예를 들면, 이하의 수식을 이용하여 데이터 보간을 행한다.
Figure pat00035
여기에서, j는 강도의 배열에 이용한 지표이다. 데이터 보간부(18)는, 상기식 32를 i＝0～N－1의 범위에서 실행한다. 즉, S20의 처리에서 얻어진 20점의 간격 모두를 대상으로 하여 산출한다. 이와 같이, 푸리에 변환 후의 데이터 간격을, 필요한 분할수(보간수(N))로 분할하여, 분할수에 따른 데이터수를 선형 보간한다. S22의 처리가 종료되면, 추출 처리로 이행한다(S24).
S24의 처리에서는, 중심 계산부(19)가, S22의 처리에서 보간된 데이터로부터 중심의 계산에 이용하는 데이터 범위만을 추출한다. 예를 들면, 중심 계산부(19)는, 중심 계산에 사용하는 문턱값을 A％로 하고, 피크의 최대 강도(YMAX×A) 이하의 강도 데이터(Y)에 0을 대입한다. S24의 처리가 종료되면, 중심 계산 처리로 이행한다(S26).
S26의 처리에서는, 중심 계산부(19)가, S24의 처리에서 보간된 데이터로부터 가중치 부여 중심을 계산한다(가중치 부여 중심 계산 공정). 예를 들면, 이하의 식을 이용한다.
Figure pat00036
또한, N은 중심 범위 추출 후의 데이터점수이다. 식 (33)을 이용함으로써 광로 길이(nd)를 산출할 수 있다. S26의 처리가 종료되면, 온도 계산 처리로 이행한다(S28).
S28의 처리에서는, 온도 산출부(20)가, S26의 처리에서 얻어진 광로 길이(nd)를 이용하여 온도를 산출한다(온도 산출 공정). 온도 산출부(20)는, 예를 들면 도 13에 나타내는 온도 교정 데이터(21)를 이용하여 온도를 산출한다. 도 13은, 횡축이 광로 길이(nd)이고, 종축이 온도이다. 온도 교정 데이터(21)는 미리 측정 대상물(13)마다 취득된다. 이하에서는, 온도 교정 데이터(21)의 사전 작성예에 대해서 설명한다. 예를 들면, 온도 제어에 흑체로(黑體爐)를 사용하여 실측(實測)한다. 온도(T)와 온도(T)에 있어서의 광로 길이(n·dT)를 동시에 계측한다. 온도(T)는, 열전대 등의 온도계를 이용하여 측정한다. 또한, 광로 길이(n·dT)는, 전술한 FFT를 이용한 수법으로 측정한다. 그리고, 온도계의 측정값이 40℃일 때의 광로 길이(n·d40)를 1000으로 하여 광로 길이(n·dT)를 규격화한다. 그리고, 온도와 규격화된 광로 길이(n·dT)를 100℃마다 구분하여, 3차식으로 근사함으로써, 근사 곡선의 계수를 도출한다. 도 13의 좌상에 나타내는 수식이 3차식의 수식이다. 또한, 온도(T)에 의존한 규격화된 광로 길이(n·dT)의 함수를 이하식으로 나타낸다.
Figure pat00037
또한, f(T)의 역함수를 이하와 같이 나타낸다.
Figure pat00038
광로 길이(n·d40)는, 이니셜 온도(T0)와 그때의 광로 길이(n·dT0)에 기초하여 이하의 수식에 의해 산출된다.
Figure pat00039
식 36에 기초하여 얻어진 광로 길이(n·d40) 및 광로 길이(n·dT)에 기초하여, 온도(T)를 전술한 식 (35)의 수식을 이용하여 도출한다. S28의 처리가 종료되면, 도 10에 나타내는 제어 처리를 종료한다.
이상에서 도 10에 나타내는 제어 처리를 종료한다. 도 10에 나타내는 제어 처리를 실행함으로써, 적은 데이터점이라도 고정밀도로 온도를 측정할 수 있다. 예를 들면, 2nd의 피크값의 근사 곡선을 구하여 위치 x를 구하는 수법도 생각할 수 있다. 그러나, 이 수법에서는, 광원(10)의 스펙트럼의 형상이나, 분광기(14)의 파장 스팬(Δw)과 광원(10)과의 관계로부터, FFT 후의 신호의 형태가 피크 중심에 대하여 좌우 비대칭이 될 우려가 있다. 예를 들면, 광원(10)이 대칭적인 가우스 함수가 되는 경우는 적고, FFT 후의 신호도 대칭적인 가우스 함수가 되는 경우는 적다. 이 때문에, 근사 곡선을 이용한 수법에서는, 정확하게 피크 위치를 구하는 것이 곤란하다. 이에 대하여, 도 10에 나타내는 데이터 보간 공정에서 직선 보간을 함으로써, FFT 후의 신호 프로파일에 의존하는 일 없이, 중심 위치를 결정할 수 있다. 또한, 온도 정밀도에 맞추어 데이터점을 보간할 수 있기 때문에, 정밀도 좋게 안정된 온도 계측을 할 수 있다.
이상, 일 실시 형태에 따른 온도 계측 시스템(1) 및 그 방법에 의하면, 푸리에 변환 후의 데이터 간격(ΔX) 및, 계측 가능한 최대의 두께(d)를 정함으로써, 요구되는 정밀도의 온도 측정에 필요한 스펙을 갖는 광원(10) 및 분광기(14)를 구비하고 있다. 즉, 파장 스팬(Δw)에 기초한 조건을 충족시키는 광원(10), 그리고, 파장 스팬(Δw) 및 계측 가능한 최대의 두께(d)에 기초한 조건을 충족시키는 분광기(14)를 가짐으로써, 광간섭을 이용하여 온도를 적절히 측정할 수 있다.
또한, 전술한 실시 형태는 온도 계측 시스템 및 온도 계측 방법의 일 예를 나타내는 것이고, 실시 형태에 따른 장치 및 방법을 변형하여, 또는 다른 것에 적용한 것이라도 좋다.
예를 들면, 기판 처리 장치에 일 실시 형태로 설명한 온도 계측 시스템(1)을 탑재시켜도 좋다. 도 14는, 기판 처리 장치의 일 예이다. 여기에서는, 예를 들면 플라즈마 에칭 장치 등의 기판 처리 장치에 있어서의 측정 대상물(13)의 예로서 웨이퍼(Tw)의 온도 측정에 적용하는 경우를 예로 들어 설명한다.
측정광의 기초가 되는 광원(10)으로서는, 측정 대상물인 웨이퍼(Tw)의 양 단면(S1, S2)을 투과하여 반사하는 광으로서, 웨이퍼(Tw)의 양 단면(S1, S2)에서 적어도 2회 이상 왕복 반사 가능한 광을 조사 가능한 것을 사용한다. 예를 들면 웨이퍼(Tw)는 실리콘으로 형성되기 때문에, 실리콘이나 실리콘 산화막 등의 실리콘재를 투과 가능한 1.0～2.5㎛의 파장을 갖는 광을 조사 가능한 것을 광원(10)으로서 사용한다.
기판 처리 장치(300)는, 도 14에 나타내는 바와 같이, 예를 들면 웨이퍼(Tw)에 대하여 에칭 처리나 성막 처리 등의 소정의 처리를 시행하는 처리실(310)을 구비한다. 즉 웨이퍼(Tw)는, 처리실(310)에 수용된다. 처리실(310)은 도시하지 않는 배기 펌프에 접속되어, 진공 배기 가능하게 구성되어 있다. 처리실(310)의 내부에는, 상부 전극(350)과, 상부 전극(350)에 대향하는 하부 전극(340)이 배설되어 있다. 하부 전극(340)은, 웨이퍼(Tw)를 올려놓는 재치대를 겸하고 있다. 하부 전극(340)의 상부에는, 예를 들면 웨이퍼(Tw)를 정전 흡착하는 정전척(도시하지 않음)이 설치되어 있다. 또한, 하부 전극(340)에는, 냉각 수단이 설치되어 있다. 이 냉각 수단은, 예를 들면, 하부 전극(340)에 냉매 유로는 대략 환상으로 형성되는 냉매 유로(342)에 냉매를 순환시켜 하부 전극(340)의 온도를 제어한다. 이에 따라, 웨이퍼(Tw)의 온도를 제어한다. 웨이퍼(Tw)는, 예를 들면 처리실(310)의 측면에 설치된 게이트 밸브(도시하지 않음)로부터 처리실(310) 내에 반입된다. 이들 하부 전극(340), 상부 전극(350)에는 각각 소정의 고주파 전력을 인가하는 고주파 전원(320, 330)이 접속되어 있다.
상부 전극(350)은, 최하부에 위치하는 전극판(351)을 전극 지지체(352)로 지지하도록 구성되어 있다. 전극판(351)은 예를 들면 실리콘재(실리콘, 실리콘 산화물 등)로 형성되고, 전극 지지체(352)는 예를 들면 알루미늄재로 형성된다. 상부 전극(350)의 상부에는, 소정의 처리 가스가 도입되는 도입관(도시하지 않음)이 설치되어 있다. 이 도입관으로부터 도입된 처리 가스가 하부 전극(340)에 올려놓여진 웨이퍼(Tw)를 향하여 균일하게 토출되도록, 전극판(351)에는 다수의 토출공(도시하지 않음)이 뚫려 설치되어 있다.
상부 전극(350)은, 냉각 수단이 설치되어 있다. 이 냉각 수단은, 예를 들면 상부 전극(350)의 전극 지지체(352) 내에 형성되는 냉매 유로에 냉매를 순환시킴으로써, 상부 전극(350)의 온도를 제어하는 것이다. 냉매 유로는 대략 환상으로 형성되어 있고, 예를 들면 상부 전극(350)의 면내 중 외측을 냉각하기 위한 외측 냉매 유로(353)와, 내측을 냉각하기 위한 내측 냉매 유로(354)의 2계통으로 나누어 형성된다. 이들 외측 냉매 유로(353) 및 내측 냉매 유로(354)는 각각, 도 5에 나타내는 화살표로 나타내는 바와 같이 냉매가 공급관으로부터 공급되고, 각 냉매 유로(353, 354)를 유통하여 배출관으로부터 배출되어, 외부의 냉동기(도시하지 않음)로 되돌아 와, 순환하도록 구성되어 있다. 이들 2계통의 냉매 유로에는 동일한 냉매를 순환시켜도 좋고, 또한 상이한 냉매를 순환시켜도 좋다. 또한, 상부 전극(350)의 냉각 수단으로서는, 도 5에 나타내는 2계통의 냉매 유로를 구비하는 것에 한정되지 않고, 예를 들면 1계통만의 냉매 유로를 구비하는 것이라도 좋고, 또한 1계통으로 2분기하는 냉매 유로를 구비하는 것이라도 좋다.
전극 지지체(352)는, 외측 냉매 유로(353)가 형성되는 외측 부위와, 내측 냉매 유로(354)가 형성되는 내측 부위와의 사이에, 저(低)열전달층(356)이 형성되어 있다. 이에 따라, 전극 지지체(352)의 외측 부위와 내측 부위와의 사이는 저열전달층(356)의 작용에 의해 열이 전해지기 어렵기 때문에, 외측 냉매 유로(353)와 내측 냉매 유로(354)와의 냉매 제어에 의해, 외측 부위와 내측 부위가 상이한 온도가 되도록 제어하는 것도 가능하다. 이렇게 하여, 상부 전극(350)의 면내 온도를 효율 좋고 적확(的確)하게 제어하는 것이 가능해진다.
이러한 기판 처리 장치(300)에서는, 웨이퍼(Tw)는 예를 들면 반송 아암 등에 의해 게이트 밸브를 개재하여 반입된다. 처리실(310)에 반입된 웨이퍼(Tw)는, 하부 전극(340) 상에 올려놓여지고, 상부 전극(350)과 하부 전극(340)에는 고주파 전력이 인가됨과 함께, 상부 전극(350)으로부터 처리실(310) 내에 소정의 처리 가스가 도입된다. 이에 따라, 상부 전극(350)으로부터 도입된 처리 가스는 플라즈마화 되고, 웨이퍼(Tw)의 표면에 예를 들면 에칭 처리 등이 시행된다.
상기 온도 계측 시스템(1)에 있어서의 참조광은, 콜리메이터(12)에 형성된 광파이버(F)를 개재하여, 하부 전극(340)으로부터 측정 대상물인 웨이퍼(Tw)를 향하여 조사하는 측정광 조사 위치까지 전송되도록 되어 있다. 구체적으로는, 광파이버(F)는 하부 전극(340)의 예를 들면 중앙부에 형성된 관통공(344)을 개재하여, 측정광이 웨이퍼(Tw)를 향하여 조사되도록 배설된다. 또한, 광파이버(F)를 배설하는 웨이퍼(Tw)의 면내 방향의 위치로서는, 측정광이 웨이퍼(Tw)로 조사되는 위치라면, 도 5에 나타내는 바와 같은 웨이퍼(Tw)의 중앙부가 아니라도 좋다. 예를 들면 측정광이 웨이퍼(Tw)의 단부로 조사되도록 광파이버(F)를 배설해도 좋다.
이상, 기판 처리 장치(300)에 온도 계측 시스템(1)을 탑재함으로써, 에칭 처리 중의 측정 대상물인 웨이퍼(Tw)의 온도를 계측할 수 있다. 또한, 전술한 이니셜 온도(T0)는, 웨이퍼(Tw)를 하부 전극(340)에 정전 흡착시켜, 소정의 처리 가스의 압력이 안정되었을 때에 측정한다. 예를 들면, 하부 전극(340)에 열전대를 장착하고, 하부 전극(340)의 온도를 웨이퍼(Tw)의 온도로 하여, 이때의 광로 길이(nd)를 이니셜 두께로 해도 좋다. 또한, 하부 전극(340)에 접촉식의 온도계를 구비하여, 웨이퍼 반송시에 측정해도 좋다. 또한, 여기에서는 웨이퍼의 온도를 계측하는 예를 설명했지만, 처리실 내에 수용되어 있는 상부 전극이나 포커스 링 등의 챔버 내 파트가 측정광에 대하여 투과성을 갖는 재질의 경우는, 당해 챔버 내 파트의 온도를 계측해도 좋다. 이 경우, 챔버 내 파트의 재질로서, 실리콘, 석영 또는 사파이어 등이 이용된다.
또한, 전술한 실시 형태에서는, 샘플링수를 CCD의 수광 소자의 수로서 설명했지만, 분광기(14)의 종류에 따라서는 별도의 것으로 규정되어도 좋다. 예를 들면, 분광기(14)가, 1개의 수광 소자와 파장 선택 필터인 튜너블 필터를 구비하고, 피크값의 중심 파장을 포함하는 범위를 스캔함으로써 반사광의 스펙트럼을 얻는 구성으로 되어 있는 경우도 있다. 이 경우에는, 샘플링수가 파장 선택 필터 및 수광 소자에 의해 행해지는 계측 스텝의 수에 기초하여 규정되어도 좋다.
또한, 전술한 실시 형태에서는, 광서큘레이터(11)을 구비하는 예를 설명했지만, 2×1 또는 2×2의 포토 커플러라도 좋다. 2×2의 포토 커플러를 채용하는 경우, 참조 미러는 구비하지 않아도 좋다.
1 : 온도 계측 시스템
10 : 광원
11 : 광서큘레이터(광전달 기구)
12 : 콜리메이터(광전달 기구)
14 : 분광기
15 : 연산 장치
16 : 광로 길이 산출부
17 : 푸리에 변환부
18 : 데이터 보간부
19 : 중심 계산부
20 : 온도 산출부
21 : 온도 교정 데이터
141 : 광분산 소자
142 : 수광부
300 : 기판 처리 장치
310 : 처리실

Claims (9)

  1. 제1 주면(主面) 및 상기 제1 주면에 대향하는 제2 주면을 갖는 측정 대상물의 온도를 계측하는 온도 계측 시스템으로서,
    상기 측정 대상물을 투과하는 파장을 갖는 측정광의 광원과,
    파장 또는 주파수에 의존한 강도 분포를 측정하는 분광기와,
    상기 광원 및 상기 분광기에 접속되고, 상기 광원으로부터의 측정광을 상기 측정 대상물의 상기 제1 주면으로 출사함과 함께, 상기 제1 주면 및 상기 제2 주면으로부터의 반사광을 상기 분광기로 출사하는 광전달 기구와,
    상기 분광기에 의해 측정된 상기 제1 주면 및 상기 제2 주면으로부터의 상기 반사광의 강도 분포인 간섭 강도 분포를 푸리에 변환하여 광로 길이를 산출하는 광로 길이 산출부와,
    상기 광로 길이 산출부에 의해 산출된 광로 길이 및 미리 측정된 상기 측정 대상물의 광로 길이와 온도와의 관계에 기초하여, 상기 측정 대상물의 온도를 산출하는 온도 산출부를 구비하고,
    상기 광원은, 상기 분광기의 파장 스팬에 기초한 조건을 충족시키는 반값 반폭의 광원 스펙트럼을 갖고,
    상기 분광기는, 상기 분광기의 파장 스팬과 당해 온도 계측 시스템이 계측 대상으로 하는 상기 측정 대상물의 최대의 두께에 기초한 조건을 충족시키는 샘플링수로 강도 분포를 측정하는 온도 계측 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분광기는,
    상기 반사광을 파장마다 분산시키는 광분산 소자와,
    상기 광분산 소자에 의해 분산된 광을 검출하는 수광 소자를 갖고,
    상기 파장 스팬은, 상기 광분산 소자의 분산각 및, 상기 광분산 소자와 상기 수광 소자의 거리에 기초하여 정해지는 온도 계측 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 분광기는, 복수의 수광 소자를 배열시킨 수광부를 갖고,
    상기 샘플링수는, 상기 수광 소자의 수에 기초하여 정해지는 온도 계측 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광원은,
    상기 파장 스팬을 Δw, 상기 측정 대상물의 굴절률을 n, 광원 스펙트럼의 반값 반폭을 Δλ로 하면, 다음 수학식
    Figure pat00040

    을 충족시키는 광원 스펙트럼을 갖는 온도 계측 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분광기는,
    상기 광원의 중심 파장을 λ0, 상기 파장 스팬을 Δw, 상기 측정 대상물의 굴절률을 n, 당해 온도 계측 시스템이 계측 대상으로 하는 상기 측정 대상물의 최대의 두께를 d, 샘플링수를 N으로 하면, 다음 수학식
    Figure pat00041

    를 충족시키는 샘플링수로 강도 분포를 측정하는 온도 계측 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 측정 대상물은, 실리콘, 석영 또는 사파이어로 이루어지는 온도 계측 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광로 길이 산출부는,
    상기 간섭 강도 분포를 푸리에 변환하여 광로 길이에 의존한 강도 분포를 산출하는 푸리에 변환부와,
    푸리에 변환 후의 데이터 간격을, 소정의 온도 정밀도로 정해지는 분할수로 분할하고, 분할수에 따른 데이터수를 선형 보간으로 보간하는 데이터 보간부와,
    상기 데이터 보간부에 의해 보간된 후의 데이터를 이용하여 가중치 부여 중심(重心) 계산을 행함으로써 광로 길이를 산출하는 중심 계산부를 구비하는 온도 계측 시스템.
  8. 제1 주면 및 상기 제1 주면에 대향하는 제2 주면을 갖는 기판에 대하여 소정의 처리를 행함과 함께, 상기 기판의 온도를 계측하는 기판 처리 장치로서,
    진공 배기 가능하게 구성되고, 상기 기판을 수용하는 처리실과,
    상기 기판을 투과하는 파장을 갖는 측정광의 광원과,
    파장 또는 주파수에 의존한 강도 분포를 측정하는 분광기와,
    상기 광원 및 상기 분광기에 접속되고, 상기 광원으로부터의 측정광을 상기 기판의 상기 제1 주면으로 출사함과 함께, 상기 제1 주면 및 상기 제2 주면으로부터의 반사광을 상기 분광기로 출사하는 광전달 기구와,
    상기 분광기에 의해 측정된 상기 제1 주면 및 상기 제2 주면으로부터의 상기 반사광의 강도 분포인 간섭 강도 분포를 푸리에 변환하여 광로 길이를 산출하는 광로 길이 산출부와,
    상기 광로 길이 산출부에 의해 산출된 광로 길이 및 미리 측정된 상기 기판의 광로 길이와 온도와의 관계에 기초하여, 상기 기판의 온도를 산출하는 온도 산출부를 구비하고,
    상기 광원은, 상기 분광기의 파장 스팬에 기초한 조건을 충족시키는 반값 반폭의 광원 스펙트럼을 갖고,
    상기 분광기는, 상기 분광기의 파장 스팬과 계측 대상으로 하는 상기 기판의 최대의 두께에 기초한 조건을 충족시키는 샘플링수로 강도 분포를 측정하는 기판 처리 장치.
  9. 온도 계측 시스템을 이용하여, 제1 주면 및 상기 제1 주면에 대향하는 제2 주면을 갖는 측정 대상물의 온도를 계측하는 온도 계측 방법으로서,
    당해 온도 계측 시스템은,
    상기 측정 대상물을 투과하는 파장을 갖는 측정광의 광원과,
    파장 또는 주파수에 의존한 강도 분포를 측정하는 분광기와,
    상기 광원 및 상기 분광기에 접속되고, 상기 광원으로부터의 측정광을 상기 측정 대상물의 상기 제1 주면으로 출사함과 함께, 상기 제1 주면 및 상기 제2 주면으로부터의 반사광을 상기 분광기로 출사하는 광전달 기구를 구비하고,
    상기 광원은, 상기 분광기의 파장 스팬에 기초한 조건을 충족시키는 반값 반폭의 광원 스펙트럼을 갖고,
    상기 분광기는, 상기 분광기의 파장 스팬과 당해 온도 계측 시스템이 계측 대상으로 하는 상기 측정 대상물의 최대의 두께에 기초한 조건을 충족시키는 샘플링수로 강도 분포를 측정하는, 온도 계측 시스템이며,
    당해 온도 계측 방법은,
    상기 제1 주면 및 상기 제2 주면으로부터의 상기 반사광의 강도 분포인 간섭 강도 분포를 푸리에 변환하여 광로 길이에 의존한 강도 분포를 산출하는 푸리에 변환 공정과,
    푸리에 변환 후의 데이터 간격을, 소정의 온도 정밀도로 정해지는 분할수로 분할하고, 분할수에 따른 데이터수를 선형 보간으로 보간하는 데이터 보간 공정과,
    상기 데이터 보간 공정에서 보간된 후의 데이터를 이용하여 가중치 부여 중심 계산을 행함으로써 광로 길이를 산출하는 중심 계산 공정과,
    상기 중심 계산 공정에서 산출된 광로 길이 및 미리 측정된 상기 측정 대상물의 광로 길이와 온도와의 관계에 기초하여, 상기 측정 대상물의 온도를 산출하는 온도 산출 공정을 구비하는 온도 계측 방법.
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