WO2023175766A1 - 温度検出装置および半導体処理装置 - Google Patents

Abstract

高い精度で半導体ウエハの温度を検出可能な温度検出装置を提供する。コントローラは、光検出器で測定された光のスペクトルを規格する際に、絶対零度での半導体のバンドギャップエネルギーに相当する波長を極小波長として、極小波長よりも短波長領域における光強度の最小値を極小値に定め、温度測定範囲として想定される最高温度での半導体のバンドギャップエネルギーと熱エネルギーとの差に相当する波長を第１の最大波長として、第１の最大波長より短波長領域における光強度の最大値から極小値の差分をとった値を極大値に定め、測定された光のスペクトルに対して極小値との差分処理を行った上で極大値で除算することによって規格化する。

Description

温度検出装置および半導体処理装置

　本発明は、半導体ウエハの温度を検出する方法および装置に関し、特に、真空容器内部の処理室内に配置された試料台上面に半導体ウエハが載せられた状態で、当該半導体ウエハの温度を検出する方法および装置、或いはこのような温度検出機構を備えた半導体処理装置に関する。

　スマートフォン等のモバイル機器の普及やクラウド技術の進展に伴い、半導体デバイスの高集積化が世界中で推進されており、付随した高難度な半導体の加工技術が強く求められている。半導体の加工技術にはエッチング技術や露光技術など多岐に渡るものが含まれるが、例えば、結晶化や原子拡散を行う加熱技術は一つ重要な技術分野となっている。

　半導体の安定的な加工プロセスを実現するには、処理中に処理対象を適切な温度範囲内に維持するための温度制御の技術が重要である。しかし、熱電対を用いて温度を測定する従来の技術は、半導体デバイスを量産する半導体ウエハの処理工程に採用するには適していない。このため、半導体ウエハに対して非接触あるいは非侵襲で温度を検出する技術が求められる。

　このような技術として、半導体ウエハから放射される熱量を検知して温度を検出する放射温度計を用いるものが考えられる。しかしながら、半導体ウエハを処理してデバイスを製造する工程では、一般的に、種々の材料の融点などに制約を受ける。現在実施されている、典型的な半導体デバイスを製造する工程では、半導体ウエハの温度は、５００℃前後の値またはこれ以下の値に管理されている。このような温度では、放射温度計による温度の安定した検出が困難となるという問題があった。

　このような放射温度計を用いる技術の代替の技術としては、半導体が吸収する電磁波の周波数（波長）域における領域端の周波数の温度依存性を用いて安定して温度を検出する、バンド端評価技術が、近年注目されている。当該技術は、半導体ウエハを透過或いは散乱反射した光のスペクトルを測定し、当該スペクトルの吸収端を評価することで、半導体ウエハの温度を検出する技術である。

　ここで、光のスペクトルの吸収端が温度に依存するのは、半導体のバンドギャップは温度が高くなるにつれて小さくなり、より低エネルギーの光子の励起が可能となることで、結果として吸収端が長い波長の側にシフトするためである。半導体のバンドギャップは、デバイス温度近傍より高温では温度にほぼ比例して小さくなることが知られている。このため、バンド端評価技術を用いると、放射温度計では安定した検出が困難な５００℃以下の温度域においても、半導体ウエハの温度を相対的に高い精度で検出することが可能となる。

　ドライエッチング装置等の半導体デバイスを製造する製造装置において、上記のバンド端評価技術を用いて半導体ウエハの温度を高い精度で検出するものとして、特表２００３－５１９３８０号公報（特許文献１）や特開２０１８－７３９６２号公報（特許文献２）に記載のものが知られている。特許文献１では、専用の赤外線光源を設けることでバンド端が評価される。特許文献２では、処理対象の半導体ウエハを加熱する赤外光ランプを光源として、バンド端が評価される。

　半導体ウエハからの透過光を用いて評価する場合、光源と加熱源との干渉や装置スペースなどが問題となり、また散乱反射光を用いて評価する場合は、投光と分光を同時に行うための大きな穴が必要となるため、基板の温度均一性を確保することが困難となり得る。このため、特許文献２に示されるような、処理対象の半導体ウエハを加熱する赤外光ランプを光源とする構成を用いることで、半導体ウエハの温度を安定的に検出できる。

　また、ＵＳ９，２３９，２６５号公報（特許文献３）には、検出したスペクトルを光源のみのスペクトルで除算することによる規格化を行った上で、一次微分などを用いてバンド端を決定する方法が開示されている。

特表２００３－５１９３８０号公報 特開２０１８－７３９６２号公報 米国特許第９２３９２６５号明細書

W.E.Hoke et al., J.Vac. Sci. Technol. B28, C3F5(2010)

　しかしながら、上記の従来技術では、次のような点についての考慮が不十分であったため、問題が生じていた。

　すなわち、半導体ウエハ（以降、単にウエハとも呼ぶ）を加熱するために照射される電磁波あるいは光を、ウエハの温度の検出に用いた場合、当該照射される光の強度やスペクトルは、ウエハを加熱する条件に依存してしまう。このため、従来技術の方法では、温度の安定的な検出は困難となり、ウエハの温度を精度良く検出することができないおそれがあった。

　また、従来技術の方法では、予め、温度測定の対象となるものと同等の構成を備えたウエハを準備し、当該ウエハの温度と吸収端波長との相関データ、例えば検量式が算出される。その上で、実際の対象としてのウエハから検出されたデータから得られた吸収端波長と、先の相関データとに基づいて温度が検出される。しかしながら、この技術では、ウエハを加熱する条件ごとに、予め相関データを算出しておくことが必要となる。

　具体例として、１つの半導体処理装置を用いて複数の種類のウエハを処理する場合、半導体処理装置の使用者は、利用することが想定されるウエハの種類あるいは異なる処理の条件ごとに、予め、半導体処理装置が再利用可能な形態で、上述した相関データを算出し、記憶させておく必要がある。この場合、半導体処理装置による半導体デバイスの製造のための運転時間が短縮されたり、柔軟な利用が損なわれてしまうおそれがあった。

　さらに、上記従来技術、例えばW. E. Hoke et al., J. Vac. Sci. Technol. B 28, C3F5 (2010).（非特許文献１）には、測定したスペクトルを、光強度の最大値と最小値とで規格化することが開示されている。ただし、規格化を行う際に、光強度が最大値となる波長は、照射された光の強度、ウエハの基板抵抗、ウエハ上に形成された膜等に依存するため、規格化を行う際の波長の範囲を何らかの方法で規定する必要がある。しかしながら、当該波長の適切な範囲について、上記従来技術では詳細に考慮されていなかった。

　これらの結果、上記従来技術では、ウエハの温度検出の精度が損なわれる、或いはウエハの処理の歩留まりが低下してしまうという問題があった。或いは、半導体処理装置において、ウエハを処理して半導体デバイスを製造するための運転時間が損なわれ、処理の効率が損なわれてしまうという問題点について、考慮がされていなかった。

　本発明の目的の一つは、高い精度で半導体ウエハの温度を検出することが可能な温度検出装置を提供することにある。または、処理の効率を向上させることが可能な半導体処理装置を提供することにある。

　本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。

　本願において開示される発明のうち、代表的な実施の形態の概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

　本発明の代表的な実施の形態による温度検出装置は、半導体ウエハに光を照射する光源と、光の照射に応じて半導体ウエハから生じる透過光または散乱反射光を分光する分光器と、分光器にて分光された光を測定する光検出器と、光検出器にて得られる第１のスペクトルを数値処理することでバンド端波長を特定し、バンド端波長から半導体ウエハの温度を検出するコントローラと、を備える。コントローラは、規格化処理と、バンド端特定処理と、温度算出処理と、を実行する。規格化処理において、コントローラは、絶対零度での半導体のバンドギャップエネルギーに相当する波長を極小波長として、極小波長よりも短波長領域における光強度の最小値を極小値に定め、温度測定範囲として想定される最高温度での半導体のバンドギャップエネルギーと熱エネルギーとの差に相当する波長を第１の最大波長として、第１の最大波長より短波長領域における光強度の最大値から極小値の差分をとった値を極大値に定め、第１のスペクトルに対して極小値との差分処理を行った上で極大値で除算することによって規格化する。バンド端特定処理において、コントローラは、規格化処理で得られた第２のスペクトルに基づいてバンド端波長を特定する。温度算出処理において、コントローラは、予め取得された、温度とバンド端波長の値との相関データと、バンド端特定処理で特定されたバンド端波長とを比較することで、半導体ウエハの温度を検出する。

　本発明の代表的な実施の形態によって得られる効果を簡単に説明すれば、高い精度で半導体ウエハの温度を検出することが可能になる。

実施例１に係る半導体処理装置の概略構成例を示す断面図である。 図１Ａに示される半導体処理装置のより詳細な構成例を示す断面図である。 図１Ｂに示されるエッチング装置において、半導体ウエハが所定の温度である場合に半導体ウエハを透過した光のスペクトルの一例を示すグラフである。 図１Ｂに示されるエッチング装置において、図２に示されるスペクトルの中の高抵抗ウエハのスペクトルを、実施例１の方法で規格化することで得られたスペクトルの一例を示すグラフである。 図１Ｂに示されるエッチング装置において、図２に示されるスペクトルの中の高抵抗ウエハのスペクトルを、特許文献３記載の方法で規格化することで得られたスペクトルの一例を示すグラフである。 図３に示される規格化されたスペクトルと図４に示される規格化されたスペクトルとを比較した結果の一例を示すグラフである。 図３に示される規格化されたスペクトルの一部を示すグラフであり、バンド端波長の特定方法の一例を説明するグラフである。 図１Ｂに示されるエッチング装置において、赤外光ランプの出力電力または入力電力を４０乃至７０％の間で変化させた場合の、実施例１の方法を用いて検出された半導体ウエハの温度と接触熱電対を用いて検出された半導体ウエハの温度とを比較した一例を示すグラフである。 異なる種類の半導体ウエハについて、実施例１の方法で検出した半導体ウエハの温度と熱電対を用いて検出した半導体ウエハの温度とを比較した一例を示すグラフである。 図１Ｂに示されるエッチング装置において、低抵抗ウエハを対象に、実施例１の方法を用いて検出した半導体ウエハの温度と、熱電対を用いて検出した半導体ウエハの温度とを比較した一例を示すグラフである。 実施例２に係る半導体処理装置において、図３に示される規格化されたスペクトルの一部を示すグラフであり、バンド端波長の特定方法の一例を説明するグラフである。 図１０に示される方法で特定されたバンド端波長から得られたウエハの温度と、熱電対を用いて得られたウエハの温度とを比較した一例を示すグラフである。 実施例３に係る半導体処理装置の概略構成例を示す断面図である。 図１２に示される加熱装置から得られた、規格化されたスペクトルの分布の一例を示すグラフである。 図１２に示される加熱装置において、最大面積の０．５５倍の積分値を持つ波長をバンド端波長に定めることで得られたウエハの温度と、ホットプレートの温度とを比較した一例を示すグラフである。 図１２に示される加熱装置から得られた、規格化されたスペクトルの分布の一例を示すグラフであり、バンド端波長の特定方法の一例を説明するグラフである。 図１２に示される加熱装置において、基準温度での基準波長と測定温度での測定波長との波長差からバンド端波長を定めることで得られたウエハの温度と、ホットプレートの温度とを比較した一例を示すグラフである。 図１２に示される加熱装置から得られた、規格化されたスペクトルの分布の一例を示すグラフであり、バンド端波長の特定方法の一例を説明するグラフである。 図１２に示される加熱装置において、基準温度における第１のスペクトルの極大値を用いて規格化を行い、基準温度での基準波長と測定温度での測定波長との波長差からバンド端波長を定めることで得られたウエハの温度と、ホットプレートの温度とを比較した一例を示すグラフである。

　以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図面において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

　＜実施の形態の概要＞
　上述したように、半導体ウエハを加熱するために照射される電磁波あるいは光を、ウエハの温度の検出に用いた場合、当該照射される光の強度やスペクトルは、ウエハを加熱する条件に依存してしまう。このため、従来技術の方法では、ウエハの温度を安定して、精度良く検出することが困難になるという問題があった。

　また、従来技術の方法では、ウエハを加熱する条件ごとに、予め、温度測定の対象となるものと同等の構成を備えたウエハを準備し、温度と吸収端（バンド端）波長との相関データ、例えば検量式を算出する作業が必要であった。このため、半導体処理装置が半導体デバイスの製造を目的として運転される時間が短縮されたり、柔軟な利用が損なわれてしまうという問題点があった。さらに、温度を検出する過程で、測定された透過光のスペクトルを規格化する際に、規格化を行う波長の適切な範囲について、従来技術では考慮されていなかった。

　これらの結果、従来技術では、ウエハの温度検出の精度が損なわれる、或いはウエハの処理の歩留まりが低下してしまう、或いは、ウエハを処理して半導体デバイスを製造するための半導体処理装置の運転時間が損なわれ、処理の効率が損なわれてしまうという問題があった。このような問題に対して、発明者等はウエハを加熱するために用いられる赤外光を温度検出にも用いて、表面の膜の構造や種類あるいはウエハ構造を異ならせたものを含めた複数の種類のウエハを対象に、加熱中のウエハからの光の強度と温度との関係を評価した。

　その結果、透過光のスペクトルの形状は、ウエハに照射される光の強度やウエハの種類に依存して大きく変わるため、従来技術ではウエハの温度を安定的に高い精度で検出することが困難であることが判明した。その一方で、発明者らは、適切な波長域を限定して規格化処理を施すことにより、事前に単一の種類のウエハを単一の加熱条件で加熱することで取得した、バンド端波長の値と温度との相関データによって、種類が異なるまたは加熱条件が異なるウエハの温度を、共通の相関データを用いて、安定的に高い精度で検出できるという知見を得た。

　本発明は、このような知見に基づいて得られたものである。具体的には、ウエハを透過した光を測定することで得られた第１のスペクトルを、適切に定めた波長の範囲で平滑化および規格化する。そして、平滑化および規格化によって得られた第２のスペクトルを波長で一次微分することで、当該一次微分した値が最大になる波長を算出し、当該波長を含めたより長い側の波長の範囲において、特定の強度を有する波長をバンド端波長に定める。

　半導体デバイスを製造する際には、製造装置の運転に先立って、予め、単一の種類のウエハを用いて、温度と、ウエハを透過した光のバンド端波長の値との相関データ、例えば検量式を取得しておく。実際に半導体デバイスを製造する際、製造装置を用いてウエハを処理する運転中に、ウエハを透過した光を測定し、上記の方法でバンド端波長を特定し、当該特定したバンド端波長と、予め取得した上記相関データとを比較することで、ウエハの温度を検出あるいは判定する。

　バンド端波長を定める際、バンドギャップの温度変化が反映される波長の範囲において、規格された第２のスペクトル上に２点を取り、その２点を通る直線と波長軸との切片をバンド端波長に定めてもよい。このような２点は、それらの波長の差ができるだけ大きい点を選択することが望ましい。また、規格化された第２のスペクトルを波長で積分し、積分値が予め定めた基準値になる波長をバンド端波長に定めてもよい。

　規格化に適切な波長範囲は、半導体の吸収端に相当するバンド端波長が半導体のバンドギャップに強く依存するため、安定してバンド端波長を検出できるように、可能な限り狭い範囲であって且つバンドギャップの温度による変化を可能な限り反映できる程度に広い領域であることが望ましい。そこで、測定によって得られた第１のスペクトルから、光強度の極小値および極大値を定め、第１のスペクトルに対して極小値との差分処理を行った上で極大値で除算することによって、第１のスペクトルを規格化し、規格化された第２のスペクトルを得る。

　ここで、極小値は、第１のスペクトルにおいて、絶対零度でのバンドギャップに相当する波長より短い波長の範囲での光強度の最小値に設定される。その理由は、このような波長の範囲では、半導体は光を吸収するため、透過光のスペクトルが原理的に得られないためである。一方、極大値は、温度測定範囲として想定される最高温度での半導体のバンドギャップと熱エネルギーとの差に相当する波長を最大波長として、当該最大波長よりも短い波長の範囲における光強度の最大値から、上記極小値の差分をとった値に設定される。この理由は、半導体のバンドギャップは温度が上がると共に小さくなり、吸収端に影響するのは、当該温度におけるバンドギャップから当該温度における熱エネルギーの分だけずれたエネルギーの範囲と考えられるためである。

　（実施例１）
　実施例１について、図１から図８を用いて説明する。実施例１は、赤外光ランプによる加熱光源が敷設されたエッチング装置、すなわち半導体処理装置または半導体製造装置における、加熱時の半導体ウエハの温度評価に関するものである。

　＜半導体処理装置の概略構成＞
　図１Ａは、実施例１に係る半導体処理装置の概略構成例を示す断面図である。当該半導体処理装置は、例えば、エッチング装置等である。当該半導体処理装置は、半導体ウエハ１０３を処理するための処理室１０１と、ウエハステージ１０２と、光源または加熱光源である赤外光ランプ１０４と、プラズマ源１０５と、板部材１０６と、光路１０７と、分光器１０８と、光検出器１０９と、コントローラ１１０と、を備える。ウエハステージ１０２は、処理室１０１内に設置され、処理対象であり、温度の測定対象でもある半導体ウエハ１０３を搭載する。

　プラズマ源１０５は、ウエハステージ１０２の上方に設置され、処理用のガスを用いてプラズマを形成する。板部材１０６は、処理室１０１とプラズマ源１０５との間に設置され、処理用のガスが導入される複数の貫通孔を含んでいる。赤外光ランプ１０４は、板部材１０６の外周を囲むように設置され、ウエハ１０３に光を照射することでウエハ１０３を加熱する。光路１０７は、ウエハステージ１０２の内部に取り付けられる。

　分光器１０８は、赤外光ランプ１０４からの光の照射に応じてウエハ１０３から生じた透過光または散乱反射光、この例では、光路１０７を介して伝送された透過光を分光する。光検出器１０９は、分光器１０８にて分光された光を測定する。コントローラ１１０は、例えば、プロセッサおよびメモリを含むコンピュータによって実現され、半導体処理装置全体を制御する。

　その一つとして、コントローラ１１０は、光検出器１０９にて得られるスペクトル（第１のスペクトル）を数値処理することでバンド端波長を特定し、当該バンド端波長からウエハ１０３の温度を検出する。また、コントローラ１１０は、当該ウエハ１０３の温度の検出結果をフィードバックして赤外光ランプ１０４等を制御することで、ウエハ１０３の温度を制御してもよい。

　図１Ａにおいて、赤外光ランプ１０４は、ドーナツ型に配置されているが、透過光スペクトルが得られる限りにおいて、目的に応じてウエハステージ１０２の直上や横に設置されてもよい。また、ここでは、加熱源である赤外光ランプ１０４による赤外光を光源としても用いたが、ウエハ１０３を挟んで分光器１０８と反対側に外部赤外光源を設置してもよい。また、ウエハ１０３を基準として分光器１０８と同じ側に外部赤外光源を設置し、光路１０７を通じてウエハ１０３の裏面に光を照射することで得られた散乱反射光のスペクトルに基づいてバンド端波長を特定してもよい。

　また、図１Ａにおいて、赤外光ランプ１０４、分光器１０８、光検出器１０９およびコントローラ１１０は、ウエハ１０３の温度を検出する温度検出装置を構成する。図１Ａの例では、当該温度検出装置は、エッチング装置に組み込まれているが、エッチング装置に限らず、様々な半導体処理装置または半導体製造装置に組み込まれてよい。さらには、温度検出装置単体で用いることも可能である。

　図１Ｂは、図１Ａに示される半導体処理装置のより詳細な構成例を示す断面図である。図１Ｂに示す半導体処理装置は、エッチング装置１００である。図１Ｂにおいて、処理室１０１は、真空容器の下部を構成するベースチャンバ１１１内に配置された室であり、室内には、ウエハ１０３を上面に搭載するウエハステージ１０２が設置されている。また、放電室１０５は、真空容器の上部を構成する円筒型の石英チャンバ１１２内に配置された室であり、室内では、ＩＣＰ放電方式によりプラズマ１１３が形成可能となっている。放電室１０５は、図１Ａにおいて、処理室１０１の上方に設置されたプラズマ源でもある。

　石英チャンバ１１２の外側にはＩＣＰコイル１３４が設置されている。ＩＣＰコイル１３４にはプラズマ生成のための高周波電源１２０が整合器１２２を介して接続されている。高周波電力の周波数は、１３．５６ＭＨｚなど、数十ＭＨｚの周波数帯を用いるものとする。石英チャンバ１１２の上部には、真空容器の上部を構成すると共に放電室（プラズマ源）１０５の蓋を構成する天板１１８が、石英チャンバ１１２外側の雰囲気と減圧される内部との間を気密に封止するように載せられている。天板１１８の下方であって放電室１０５の上方には、ガス分散板１１７とシャワープレート１１９が設置されている。処理ガスは、ガス分散板１１７とシャワープレート１１９を介して放電室１０５内部を通して処理室１０１内に導入される。

　処理ガスは、ガス種毎に用意されたガス供給用の管路内を流れ、これら管路上に各々配置されたマスフローコントローラによって管路内を流れる種類ごとにガスの単位時間あたりの流量（流量速度）が調節される。図１Ｂの例では、これらの管路と各管路上のマスフローコントローラとは、１つの箱体の内部に配置されたマスフローコントローラユニット１５０として、真空容器の上部を構成する石英チャンバ１１２、ひいては放電室１０５に連結されている。

　また、マスフローコントローラユニット１５０と放電室１０５との間を連結する管路上には、少なくとも１つのガス分配器１５１が配置されている。ガス分配器１５１から伸びる管路は、円筒形を有した放電室１０５の容器中心付近とその外周とに接続される。これにより、これらの接続箇所の下方に位置する放電室１０５内部の中心部および外周部に供給する各々のガスの流量や組成を、それぞれ独立に制御して供給でき、放電室１０５内のラジカルの空間の分布を詳細に調節することができる。

　なお、図１Ｂの例では、マスフローコントローラユニット１５０内部には、処理ガスとしてＮＨ３、Ｈ２、ＣＨ２Ｆ２、ＣＨ３Ｆ、ＣＨ３ＯＨ、Ｏ２、ＮＦ３、Ａｒ、Ｎ２、ＣＨＦ３、ＣＦ４、Ｈ２Ｏの各ガス用の管路およびマスフローコントローラが並列に配置されている。ただし、エッチング装置１００では、ウエハ１０３の処理に求められる仕様に応じて、上記のガス以外のガスを用いてもよい。

　処理室１０１の下部は、処理室１０１内部を減圧するため、真空排気配管１１６を介して、排気ポンプ１１５に接続されている。排気ポンプ１１５は、例えば、ターボ分子ポンプやメカニカルブースターポンプやドライポンプで構成される。さらに、処理室１０１や放電室１０５内部の圧力を調整するため、真空排気配管１１６の流路断面積を変化させて単位時間あたりの排気の量（排気の流量速度）を調節するバルブを備えた調圧バルブ１１４が、排気ポンプ１１５の上流側の真空排気配管１１６上に配置されている。

　ウエハステージ１０２の上方には、放電室１０５と処理室１０１との間を連通して放電室１０５内に形成されたプラズマ１１３内の粒子を処理室１０１に向けて流すための流路１７５が配置されている。処理室１０１の上方であってＩＣＰコイル１３４の下方には、当該流路１７５の外周側でこれを囲むようにリング状に配置された、ウエハ１０３を加熱するための赤外光ランプユニットが設置されている。赤外光ランプユニットは、主に、赤外光ランプ１０４、赤外光ランプ１０４からの光または電磁波を反射する反射板１６３、石英等の透光性を有した部材で構成され、赤外光ランプ１０４の下方で処理室１０１の天井面を構成する部分および流路１７５の内周側壁を構成する部分を有する赤外光透過窓１７４からなる。

　赤外光ランプ１０４には、流路１７５の外周側でこれをリング状に囲むサークル型（円形状）を有したランプが用いられる。なお、赤外光ランプ１０４から放射される光または電磁波は、可視光領域から赤外光領域を主とする光を放出する。なお、赤外光ランプ１０４は、詳細には、水平方向において、内周側から外周側に向かって同心状に３重に配置された赤外光ランプ１０４－１，１０４－２，１０４－３を備える。ただし、３重構成に限らず、２重構成や、４重構成などであってもよい。反射板１６３は、赤外光ランプ１０４の上方に設置され、赤外光ランプ１０４から放射された光または電磁波を下方、すなわちウエハステージ１０２に搭載されたウエハ１０３に向けて反射する。

　赤外光ランプ１０４には、赤外光ランプ用電源１６４が電気的に接続されており、その途中には、プラズマ生成用の高周波電力に伴うノイズが赤外光ランプ用電源に流入しないようにするための高周波カットフィルタ１２５が設置されている。また、赤外光ランプ用電源１６４は、赤外光ランプ１０４－１，１０４－２，１０４－３に供給する電力をそれぞれ独立に制御できるような機能を備えており、ウエハ１０３を加熱する量の径方向分布を調節できるようになっている。なお、図１Ｂでは、当該機能に伴う一部の配線の図示は省略されている。

　なお、赤外光ランプユニットによって囲まれる箇所の中央部に位置する流路１７５には、複数の貫通孔またはスリットが所定の位置に形成された板部材１０６、詳細にはスリット板が設置されている。板部材１０６は、複数の貫通孔またはスリットによって、石英チャンバ１１２内部の放電室１０５で形成されたプラズマ１１３中のイオンや電子等の荷電粒子の通過を抑止し、中性のガスや中性のラジカルを通過させて処理室１０１内に導入してウエハ１０３上に供給する。

　ウエハステージ１０２には、ウエハステージ１０２の金属製の基材を冷却するために供給される冷媒の流路１３９が内部に配置されている。流路１３９は、冷媒の温度調節機構であるチラー１３８に接続され、温度が所定の範囲内の値に調節された冷媒が内部に循環供給されるように構成されている。また、ウエハ１０３を静電吸着によって固定するため、板状の電極板１３０がウエハステージ１０２内部に埋め込まれており、それぞれにＤＣ電源１３１が接続されている。

　ウエハ１０３の処理中には、ウエハ１０３の温度を処理に適した範囲内の値に効率よく調節するために、ウエハ１０３の裏面とウエハステージ１０２との間にＨｅガス等の熱伝達性を有するガスが供給される。また、ウエハ１０３をウエハステージ１０２の上面に吸着したまま、ウエハ１０３の加熱や冷却を行った際に、ウエハ１０３の裏面に傷がつかないようにするため、ウエハステージ１０２の上面は、ポリイミド等の樹脂でコーティングされている。

　ウエハステージ１０２の内部には、ウエハステージ１０２の温度を検出するための熱電対１７０が設けられ、この熱電対１７０は、熱電対温度計１７１に接続されている。さらに、ウエハステージ１０２内部には、石英ロッド１８５および貫通孔１９１が、基材を貫通するように複数個（この例では３個）配置されている。石英ロッド１８５および貫通孔１９１は、赤外光ランプ１０４から放射されウエハ１０３を透過した光を受光する受光器、および受光した光を伝送する図１Ａでの光路１０７を構成する。貫通孔１９１内には、石英ロッド１８５に接続された光ファイバ１９２が取り付けられる。図１Ｂの例では、貫通孔１９１は、ウエハ１０３の中心部付近、ウエハ径方向のミドル部付近、ウエハ外周付近の３箇所に対応したウエハステージ１０２の３箇所にそれぞれ配置されている。

　赤外光ランプ１０４から放射され赤外光透過窓１７４を透過して処理室１０１内のウエハステージ１０２上のウエハ１０３に照射された光は、ウエハ１０３を透過し、貫通孔１９１内部の石英ロッド１８５の上面に入射して、受光器で受光される。受光された光は、石英ロッド１８５に接続された光ファイバ１９２を通して、光ファイバ１９２の他端に接続された分光器１０８へ伝送され、予め定められた複数の波長毎に分光される。分光された光は、光検出器１０９に送られる。そして、光検出器１０９が各波長の光強度を測定することで、波長毎の光強度を表すスペクトル（第１のスペクトル）のデータが得られる。

　また、図１Ｂの例では、光ファイバ１９２の途中に、光マルチプレクサー１９８が設置されており、分光される光について、ウエハ１０３の中心部、ミドル部、外周部のどの箇所における光を分光するかを切り替え可能に構成されている。なお、分光器１０８および光検出器１０９の組を、中央部、ミドル部、外周部の各々用に設け、同時に、３箇所の受光器で受光した光からスペクトルのデータを検出するように構成されてもよい。

　さらに、図１Ｂに示されるエッチング装置１００は、エッチング装置１００全体を制御するコントローラ１１０を備える。コントローラ１１０は、高周波電源１２０や整合器１２２、ＤＣ電源１３１、調圧バルブ１１４、排気ポンプ１１５、マスフローコントローラユニット１５０、ガス分配器１５１、赤外光ランプ用電源１６４あるいは図示しないゲートバルブといった、各部位の動作、出力の大きさを制御する。

　また、コントローラ１１０は、熱電対温度計１７１や光検出器１０９の出力を受信し、当該出力が表す測定データに基づいて電源、バルブ、ポンプ等の動作を処理に適したものに調節するための指令信号を生成する。さらに、コントローラ１１０は、光検出器１０９からの信号に基づいて検出したウエハ１０３の温度に応じて、処理室１０１または放電室１０５に導入するガスの種類、組成や真空容器内の圧力等の処理の条件を変更、調節してもよい。

　ウエハステージ１０２の温度は、赤外光ランプ１０４とチラー１３８とを組み合わせて制御されることが望ましい。この際に、コントローラ１１０は、ウエハ１０３の温度と相関を持つウエハステージ１０２の温度を、光検出器１０９からの信号に基づいて得られるウエハ１０３の温度と、熱電対温度計１７１によって検出されたウエハステージ１０２の温度とを相補的に組み合わせて制御してもよい。また、コントローラ１１０は、光検出器１０９からの信号に基づいて得られるウエハ１０３の温度をフィードバックして赤外光ランプ用電源１６４を制御することで、ウエハ１０３の温度を調節してもよい。

　ウエハ１０３を処理する際には、例えば、アルゴンを処理室１０１内に導入して、ウエハ１０３の加熱が行われる。ただし、ガス分子による光の吸収波長は、半導体の吸収端波長と比較して長波長側に存在するため、実施例１で示すようなバンド端波長に基づく温度の検出に及ぼす影響は小さい。したがって、処理室１０１内に導入され、ウエハ１０３の加熱の際に用いられるガスは、複数の種類を用いることが可能である。

　＜半導体処理装置の概略動作＞
　図１Ｂに示したエッチング装置１００において、減圧された処理室１０１内のウエハステージ１０２上に載せられたウエハ１０３は、ウエハステージ１０２上で静電気を用いて吸着されて保持される。その後に、放電室１０５内に処理用のガスが供給され、放電室１０５内部で処理用のガスを用いてプラズマ１１３が形成される。プラズマ１１３中の活性種（ラジカル）等の中性の粒子は、板部材１０６の貫通孔またはスリットを通して放電室１０５から処理室１０１内に導入され、ウエハ１０３上面の処理対象の膜の表面に吸着して化合物層が形成される。

　処理室１０１内の処理用のガスあるいはプラズマの粒子が、排気ポンプ１１５の動作により排気されると、不活性ガスであるＡｒガスが放電室１０５を通して処理室１０１内に導入され、処理室１０１内は、ウエハ１０３の加熱に好適な範囲の圧力に調整される。その後、赤外光ランプ１０４に赤外光ランプ用電源１６４からの電力が供給され、赤外光ランプ１０４から放射された光がウエハ１０３に照射されることで、ウエハ１０３が加熱される。ウエハ１０３の温度が所定の範囲内の値になると、化合物層が昇華して処理対象の膜層の表面から脱離して除去され、動作を続けている排気ポンプ１１５により処理室１０１外部に排出されることで、処理対象の膜層のエッチングが進行する。

　ウエハ１０３に照射され、ウエハ１０３を透過した光は、石英ロッド１８５を含む受光器で受光され、分光器１０８に伝送されたのち、分光された光が光検出器１０９で測定されることで、波長毎の光強度を表すスペクトル（第１のスペクトル）のデータが得られる。コントローラ１１０は、当該スペクトルのデータに基づいて、光のバンド端波長を特定する。

　そして、コントローラ１１０は、特定したバンド端波長と、予め取得された、バンド端波長の値とウエハ１０３の温度との相関データ、例えば検量式とを比較することで、特定したバンド端波長に対応するウエハ１０３の温度を検出する。さらに、コントローラ１１０は、検出した温度の情報に基づいて、赤外光ランプ１０４の出力、あるいはチラー１３８が調節する冷媒の温度の設定を増減させることで、ウエハ１０３の温度を、上記化合物層の脱離、除去に適した範囲内となるように調整する。

　＜温度検出方法の詳細＞
　以下、コントローラ１１０が、光検出器１０９にて得られるスペクトル（第１のスペクトル）を数値処理することで、バンド端波長を特定し、当該バンド端波長から半導体ウエハ１０３の温度を検出する方法の詳細について説明する。

　図２は、図１Ｂに示されるエッチング装置において、半導体ウエハが所定の温度である場合に半導体ウエハを透過した光のスペクトルの一例を示すグラフである。すなわち、図２には、上記エッチング装置１００のウエハステージ１０２にシリコン製の半導体ウエハ１０３を搭載して、赤外光ランプ１０４によって加熱した際に、ウエハ１０３を透過した光を光検出器１０９で測定することで得られたスペクトル（第１のスペクトル）の一例が示される。図２において、横軸は波長であり、縦軸は光強度である。具体的には、図２には、ウエハ１０３の温度が６０℃のときのスペクトルが示される。

　図２において、使用した半導体ウエハ１０３の抵抗率は、３０Ωｃｍ（以下、高抵抗ウエハと呼ぶ）および０．０１９Ωｃｍ（以下、低抵抗ウエハと呼ぶ）であり、赤外光ランプ１０４の出力電力または入力電力は、最大値の７０％と４０％に設定されている。図２において、１３８０ｎｍ近傍に見られる凹みは、ウエハステージ１０２の内部に配置されウエハ１０３を透過した透過光を受光する受光器、すなわち図１Ｂにおける石英ロッド１８５の水分による吸収成分であり、当該吸収の量は無水石英を用いることで低減される。

　図２に示されるように、ウエハ１０３の温度が同じであっても、赤外光ランプ１０４から照射される光の強度やウエハ１０３の種類が異なると、透過光のスペクトルの形状は大きく異なる。特に、使用するウエハ１０３が高抵抗ウエハの場合において、光強度の最大値は、赤外光ランプ１０４の出力電力が７０％の場合には、丸印に示されるように１２８０ｎｍ近辺となるに対して、４０％の場合、三角印に示されるように１４５０ｎｍ近傍となる。つまり、赤外光ランプ１０４の出力電力、ひいては放射される光の強度や、ウエハ１０３の種類、すなわち構造や構成に応じて、光検出器１０９にて得られるスペクトルにおける最大の光強度となる波長が異なっている。

　このことから、例えば、非特許文献１のように光強度の極大値または極小値を用いて規格化を行う場合には適切な波長の範囲を設定して極大値または極小値を定める必要がある。また、赤外光ランプ１０４から放射された光が所定の波長毎に分けられてスペクトルとして検出されるまでの光路上の吸収などによって、測定されるスペクトルも、赤外光ランプ１０４からの光の強度に依って異なる。このため、特許文献２に記載されているような、赤外光ランプ１０４から放射される光のスペクトルを用いた規格化も容易でない。すなわち、ウエハ１０３の目標の温度等の条件によって光強度が変化する赤外光ランプ１０４からの光について、当該条件毎に基準となるスペクトルが必要となる。

　［規格化処理について］
　図３は、図１Ｂに示されるエッチング装置において、図２に示されるスペクトルの中の高抵抗ウエハのスペクトルを、実施例１の方法で規格化することで得られたスペクトルの一例を示すグラフである。すなわち、図３には、コントローラ１１０が図２に示される２個の高抵抗ウエハのスペクトル（第１のスペクトル）を対象にそれぞれ規格化処理を行うことによって得られた、２個のスペクトル（第２のスペクトル）が示される。図４は、図１Ｂに示されるエッチング装置において、図２に示されるスペクトルの中の高抵抗ウエハのスペクトルを、特許文献３記載の方法で規格化することで得られたスペクトルの一例を示すグラフである。

　実施例１の方法での規格化に際し、まず、極小値および極大値を定める。極小値に関し、絶対零度におけるシリコンのバンドギャップは１．１７ｅＶであり、波長としては１０６０ｎｍに相当する。このため、コントローラ１１０は、図２において、１０６０ｎｍより短波長領域での光強度の最小値、具体的には、例えば１０００ｎｍ以下の波長領域の光強度の平均値を極小値に定める。なお、明細書では、当該絶対零度におけるシリコンのバンドギャップに対応する波長である１０６０ｎｍを、極小波長と呼ぶ。

　一方、極大値に関し、ウエハ１０３が加熱されて到達する最高温度は、せいぜい５００℃前後である。言い換えれば、温度測定範囲として想定される最高温度は５００℃前後である。５００℃におけるシリコンのバンドギャップは１．０１ｅＶであり、波長としては１２３０ｎｍに相当する。明細書では、当該最高温度におけるシリコンのバンドギャップに対応する波長である１２３０ｎｍを、極大波長と呼ぶ。

　ここで、バンドギャップは、温度が高くなるに伴って熱エネルギーによりバンド端が広がる。そこで、コントローラ１１０は、５００℃におけるバンドギャップ１．０１ｅＶから５００℃における熱エネルギー０．０７ｅＶの差を取った０．９４ｅＶに相当する波長１３２０ｎｍを最大波長（第１の最大波長）として、当該最大波長より短波長領域における光強度の最大値から、上記極小値の差分を取った値を、極大値に定める。

　具体例として、図２において、高抵抗ウエハかつ７０％の場合の極大値は、丸印に示される光強度の最大値から、１０００ｎｍ以下の波長領域で定めた光強度の極小値の差分を取った値に定められる。一方、高抵抗ウエハかつ４０％の場合の極大値は、三角印に示される１４５０ｎｍ近傍の光強度ではなく、最大波長（第１の最大波長）１３２０ｎｍよりも短波長領域における光強度の最大値に基づいて定められる。

　コントローラ１１０は、このようにして定めた極小値および極大値を用いて規格化を行う。具体的には、コントローラ１１０は、規格化を行う前に、まず、光検出器１０９から得られたスペクトル（第１のスペクトル）に対して、スペクトルの最大値が判別できる程度に移動平均による平滑化処理を実行する。図２に示されるスペクトルは、より詳細には、当該平滑化処理が実行された後のものである。

　そして、コントローラ１１０は、光検出器１０９から得られたスペクトル（第１のスペクトル）、より詳細には、平滑化処理が実行された後のスペクトルに対して、上記極小値との差分処理を行った上で極大値で除算することによって、第１のスペクトルを規格化する。すなわち、極小値が０、極大値が１．０となるように規格化が行われる。その結果、図３に示されるような、規格化されたスペクトル（第２のスペクトル）が得られる。

　一方、図４において、特許文献３記載の方法で規格化する場合、例えば、赤外光ランプ１０４の出力電力が７０％の場合に放射される光のスペクトルを予め取得し、当該取得した光のスペクトルを共通に用いて、出力電力毎に光検出器１０９から得られたスペクトルがそれぞれ規格化される。図３と図４とを比較すると、特許文献３記載の方法では、ある出力電力に設定された赤外光ランプ１０４から放射された光のスペクトルを用いて、光検出器１０９にて得られたスペクトルを規格化しているため、赤外光ランプ１０４の出力電力、すなわち放射された光の強度が異なると、規格化されたスペクトルの形状も大きく異なることが判る。

　図５は、図３に示される規格化されたスペクトルと図４に示される規格化されたスペクトルとを比較した結果の一例を示すグラフである。図５には、図３に示されるスペクトルにおいて、赤外光ランプの出力電力が７０％の場合の波長毎の光強度を４０％の場合の波長毎の光強度で除算することで得られた値と、図４に示されるスペクトルにおいて、同様の演算によって得られた値とが示される。ここで、ウエハ１０３の温度は、赤外光ランプ１０４の出力電力が７０％と４０％の何れの場合も、熱電対をウエハ１０３に接触させることで、６０℃であることが確認されている。

　図５に示すように、実線で示される実施例１の方法で規格化したものは、破線で示される特許文献３記載の方法での規格化したものと比較して、赤外光ランプ１０４の出力電力が異なる場合に、各出力電力で得られる規格化されたスペクトル（第２のスペクトル）間の差分を著しく低減できることが判る。すなわち、実施例１の方法で規格化することで、赤外光ランプ１０４から放射される光の強度が異なる場合でも、ある温度、ここでは６０℃に対応して、より近い形状を持つ規格化されたスペクトルを得ることが可能になる。その結果、規格化されたスペクトルに基づいて検出されるウエハ１０３の温度も、放射される光の強度によらず、高い精度で得られる。

　［バンド端特定処理について］
　図６は、図３に示される規格化されたスペクトルの一部を示すグラフであり、バンド端波長の特定方法の一例を説明するグラフである。図６は、図３における、赤外光ランプ１０４の出力電力が７０％の場合の規格化されたスペクトルの中から、９００乃至１３００ｎｍの波長の範囲を抽出したものである。縦軸に採ったパラメータは、規格化されたスペクトルの大きさとしての強度であって、０乃至１．０の範囲内の値で表される。コントローラ１１０は、規格化されたスペクトルにおいて、上述した吸収端を反映する極小波長から極大波長の範囲、すなわち１０６０乃至１２３０ｎｍの範囲で、スペクトル強度が特定強度、この例では０．２となる波長をバンド端波長に定める。

　この特定強度を定める方法に関し、実施例１で用いたウエハ１０３は、円形を有する基材がシリコン（Ｓｉ）製であり、当該シリコンは間接遷移型のバンドギャップを持つため、短波長領域はフォノンによる吸収を反映してスペクトルの立ち上がりが鈍くなる。そこで、このようなフォノン吸収の影響を避けるため、コントローラ１１０は、境界条件処理を行う。境界条件処理において、コントローラ１１０は、規格化されたスペクトルを波長で１次微分することで、１次微分した値が最大となる変曲点を算出し、特定強度を、当該変曲点でのスペクトル強度に基づいて定める。

　具体的には、特定強度は、フォノン吸収の影響を避けるため、当該変曲点でのスペクトル強度以上の値、すなわち、短波長領域を除いた領域からバンド端波長を定めるための値であることが望ましい。言い換えれば、バンド端波長は、当該変曲点での波長を含めたより長い側の波長の範囲において、特定強度を有する波長に定められることが望ましい。一方で、特定強度が変曲点よりも大きくなり過ぎると、温度の変化に対するスペクトル強度の変化が小さくなり得る。ここで、想定されるウエハ１０３の温度測定範囲では、規格化されたスペクトルは、強度が０．１５乃至０．２の範囲内で変曲点を取る。このため、図６の例では、変曲点が取り得る強度の範囲の中から最も大きい強度である０．２を特定強度に定めている。

　［温度算出処理について］
　実施例１では、実際に半導体デバイスを製造するのに先立って、ウエハ１０３における温度とバンド端波長の値との相関データ、例えば、検量式を取得しておく。具体的には、例えば、処理対象のウエハ１０３と同じもの、または同等の構成を備えたウエハ１０３を準備する。そして、当該ウエハ１０３を、ホットプレート等の温度調節機を用いて所定の温度範囲内に維持した状態で、所定の光強度の赤外線光源を用いてウエハ１０３における温度とバンド端波長の値との相関データ、例えば検量式を算出しておく。

　その後、実際に半導体デバイスを製造する際には、処理対象となるウエハ１０３からの透過光のスペクトルが、図１Ｂに示した光検出器１０９によって測定される。コントローラ１１０は、当該測定されたスペクトルに対して図３で述べたような規格化処理を行ったのち、規格化されたスペクトルに対して、図６で述べたような方法でバンド端波長を特定する。この際に、バンド端波長を特定する際の特定強度、例えば、０．２は、予め固定的に定められる。そして、コントローラ１１０は、当該特定されたバンド端波長と上記相関データとを比較し、バンド端波長を温度に換算することで、ウエハ１０３の温度を検出する温度算出処理を実行する。

　なお、上述したホットプレートを用いた、ウエハ１０３の温度とバンド端波長の値との相関データの算出に関する詳細は、実施例３で後述する。また、上述した相関データは、ウエハ１０３の種類、例えば基板抵抗の値が同じであれば、赤外光ランプ１０４の出力電力、ひいては照射される光の強度に関わらず、共通に使用することが可能である。さらに、上述した相関データは、詳細は後述するが、ウエハ１０３の種類に関わらず、共通に使用できる。ただし、求められる温度の検出精度によっては、ウエハ１０３の種類に応じた複数の相関データを準備してもよい。

　＜実施例１による温度検出方法の検証結果＞
　図７は、図１Ｂに示されるエッチング装置において、赤外光ランプの出力電力または入力電力を４０乃至７０％の間で変化させた場合の、実施例１の方法を用いて検出された半導体ウエハの温度と接触熱電対を用いて検出された半導体ウエハの温度とを比較した一例を示すグラフである。接触熱電対を用いる場合、シリコン製のウエハ１０３に形成した切り込みの内側にセメントで熱電対を付着させてウエハ１０３の内側の温度を検出する。

　図７に示すように、実施例１の方法を用いて検出した温度と熱電対を用いて検出した温度は、赤外光ランプ１０４からの光強度の条件が異なる場合でも、両者を等しい温度とみなせる程度に小さい差の範囲内に収まっている。このように、実施例１の方法を用いることで、赤外光ランプ１０４からの光強度に依らず、高い精度でウエハ１０３の温度を検出することが可能になる。

　図８は、異なる種類の半導体ウエハについて、実施例１の方法で検出した半導体ウエハの温度と熱電対を用いて検出した半導体ウエハの温度とを比較した一例を示すグラフである。図８に示す例では、ウエハ１０３としては、０．０１９Ωｃｍの抵抗率を持つ低抵抗ウエハ、当該低抵抗ウエハ上にＬＰＣＶＤ法にて４００ｎｍ膜厚のＳｉＮ膜を製膜したウエハ、および当該低抵抗ウエハ上にＰＥＣＶＤ法にて１００ｎｍ膜厚のＳｉＮ膜を製膜したウエハが用いられた。また、これらのウエハ１０３について、バンド端波長を実施例１の方法を用いて特定し、高抵抗ウエハを用いて算出した相関データ、例えば検量式に基づいてバンド端波長を温度に換算する方法を用いた。

　図８に示すように、複数種類のウエハ１０３を透過した赤外光から、単一の検量式を用いて検出したウエハ１０３の温度と、接触熱電対を用いて検出した温度とは、両者を等しい温度とみなせる程度に小さい差の範囲内に収まっている。このように、実施例１の方法を用いることで、ウエハ１０３の種類が異なる場合でも、単一の検量式を用いて高い精度でウエハ１０３の温度を検出することが可能になる。

　図９は、図１Ｂに示されるエッチング装置において、低抵抗ウエハを対象に、実施例１の方法を用いて検出した半導体ウエハの温度と、熱電対を用いて検出した半導体ウエハの温度とを比較した一例を示すグラフである。図９では、各プロット点において、実施例１の方法を用いて検出した温度が横軸に示され、熱電対を用いて検出した温度が縦軸に示される。具体的には、まず、エッチング装置１００に、低抵抗ウエハを設置し、その温度が所定の温度、例えば、４０℃付近となるように、ウエハの温度を実施例１の方法を用いて検出しつつ、検出結果に基づいて赤外光ランプ１０４をフィードバック制御しながらウエハを加熱する。

　当該フィードバック制御に際しては、ウエハを透過した光のスペクトルが光検出器１０９で逐次測定され、測定されたスペクトルを対象に、図３で述べたような方法で規格化が行われる。また、規格化されたスペクトルを対象に、図６で述べたように、例えば、特定強度を０．２とすることでバンド端波長が特定され、当該バンド端波長が、単一の検量式を用いて温度に変換される。そして、このようなフィードバック制御が収束した時点でのフィードバック制御の目標温度が、図９の横軸における４０℃付近に黒三角印でプロットされる。また、当該フィードバック制御が収束した時点で、熱電対を用いてウエハの温度を検出した値が、図９の縦軸の値に示される。

　そして、このような動作を、図６で述べた特定強度の値を０．５および０．８に定めた上で行った結果が、それぞれ、図９の横軸における４０℃付近に示される丸印のプロットおよび四角印のプロットとなる。さらに、特定強度の値を変更しつつ、フィードバック制御の目標温度を変えながら同様の動作を行うことで、図９に示されるようなグラフが得られる。図９に示されるように、目標温度や特定強度を変えた場合でも、実施例１の方法を用いて検出した温度は熱電対を用いて検出した温度とほぼ等しいとみなせる範囲内の値となっていることが判る。

　＜実施例１の主要な効果＞
　以上の通り、実施例１では、加熱用の赤外光ランプ１０４によって照射され、半導体ウエハ１０３を透過した光のスペクトルを測定し、当該スペクトルを適切な波長の範囲を設定して規格化し、規格化されたスペクトルからバンド端波長を特定し、予め取得したバンド端波長の値とウエハ１０３の温度との相関データと比較することで、ウエハ１０３の温度が検出される。これにより、高い精度でウエハ１０３の温度を検出することが可能になる。また、半導体処理装置において、処理の効率を向上させることが可能になる。

　具体的には、ウエハ１０３に照射される光や電磁波の条件や、ウエハ１０３の種類やウエハ１０３上に形成される膜の種類や構造が変わっても、安定的に、言い換えればロバストに温度を検出できる。また、バンド端波長を特定する際の解析パラメータが変わった場合でも、ある程度安定的に温度を検出できる。さらに、単一のウエハ１０３において算出した検量式を用いて、種類が異なる複数のウエハ１０３の温度を高い精度で検出することが可能となる。そして、この際には、従来技術のように、ウエハ１０３の加熱条件ごとに赤外光ランプ１０４からの基準となるスペクトルを準備する作業や、ウエハ１０３の種類やウエハ１０３の加熱条件ごとに検量式を準備する作業等が不要となり、処理の効率が高まる。

　（実施例２）
　＜温度検出方法の詳細＞
　実施例２について、図１０、図１１を用いて説明する。実施例２では、実施例１における図１Ｂの場合と同様に、処理室１０１の上方に配置された赤外光ランプ１０４でウエハステージ１０２上に載せられた半導体ウエハ１０３を加熱することのできるエッチング装置１００を用いる。そして、赤外光ランプ１０４によって照射され、半導体ウエハ１０３を透過した光または電磁波のスペクトルに基づいて、ウエハ１０３の温度を検出する。

　詳細には、実施例２でも、実施例１の場合と同様に、ウエハステージ１０２内部に配置された受光器によりウエハ１０３を透過した赤外光ランプ１０４からの光または電磁波を受光し、当該光または電磁波を、分光器１０８によって複数の波長に分光し、光検出器１０９によって、波長毎の光強度を示すスペクトル（第１のスペクトル）を測定する。そして、コントローラ１１０は、当該測定されたスペクトルを規格化し、規格化されたスペクトル（第２のスペクトル）のデータからバンド端波長を特定し、予め取得されたバンド端波長の値とウエハ１０３の温度との相関データ、例えば検量式と比較することで、ウエハ１０３の温度を検出する。ただし、実施例２では、実施例１とは、このバンド端波長の特定方法が異なっている。

　［バンド端特定処理について］
　図１０は、実施例２に係る半導体処理装置において、図３に示される規格化されたスペクトルの一部を示すグラフであり、バンド端波長の特定方法の一例を説明するグラフである。図１０は、図６の場合と同様に、図３における、赤外光ランプ１０４の出力電力が７０％の場合の規格化されたスペクトルの中から、９００乃至１３００ｎｍの波長の範囲を抽出したものである。

　コントローラ１１０は、図１０に示されるように、規格化されたスペクトルのデータを対象に、実施例１にて説明した吸収端を反映する極小波長から極大波長の範囲、すなわち１０６０乃至１２３０ｎｍの波長の範囲で、特定のスペクトル強度を持つ２点を選択する。そして、コントローラ１１０は、選択した２点を通る線形１次の特性において光強度が０となる波長、すなわち、当該２点を通る直線と横軸との交点における波長の値をバンド端波長に定める。

　ここで、当該２点の内の短い波長の点は、実施例１における図６の場合と同様に、規格化されたスペクトルを波長で１次微分した値が最大となる点、すなわち変曲点に基づいて選択されることが望ましい。一方、当該２点の内の長い波長側の点に関し、実施例２では、ウエハ１０３の温度が到達する最高値はせいぜい５００℃前後であり、５００℃におけるシリコン（Ｓｉ）のバンドギャップは１．０１ｅＶであり、これは、極大波長である１２３０ｎｍに相当する。バンドギャップは、温度が高くなるに伴って熱エネルギーによりバンド端が広がる。このため、バンドギャップの値と５００℃における熱エネルギー値０．０７ｅＶとの和である１．０８ｅＶに相当する波長である１１５０ｎｍを最大波長（第２の最大波長）として、長い波長側の点は、当該最大波長に定められるか、または当該最大波長よりも短い波長の範囲で選択されることが好適である。

　＜実施例２による温度検出方法の検証結果＞
　図１１は、図１０に示される方法で特定されたバンド端波長から得られたウエハの温度と、熱電対を用いて得られたウエハの温度とを比較した一例を示すグラフである。ここでは、０．２乃至０．８の範囲内のスペクトル強度の値である３つの値の中から２つの値を選択し、選択した各々の組について、図１０に示される方法で特定したバンド端波長に基づいてウエハ１０３の温度を検出すると共に、ウエハ１０３に接触させた熱電対からの出力によっても温度を検出している。図１１の例には、この２通りの方法で検出された温度が示される。

　図１１に示されるように、スペクトル強度が０．２と０．４である組を用いた場合には、熱電対を用いて得られたウエハ１０３の温度にほぼ等しい温度が得られている。一方、スペクトルの強度が０．６と０．８である点の組を用いた場合には、スペクトル強度が０．２と０．４である組を用いた場合と比較して、バンド端波長に対応する温度の値が大きくばらついている。これは、ウエハ１０３を透過した光が通るウエハステージ１０２内部の光路を構成する物質によって光の吸収の度合いが異なり、また、ウエハ１０３（低抵抗ウエハ）の自由キャリアによって光の吸収の度合いが異なる結果、規格化されたスペクトルの線形性が崩れているためと考えられる。

　非特許文献１には、透過光のスペクトルに対して接線を用いてバンド端を特定する方法が記載されているが、上記のように狭い波長の範囲で定義された接線を用いる場合には、安定して半導体ウエハ１０３の温度を検出することが困難な波長の領域が存在する。また、図１１には、スペクトル強度が０．２と０．８である組を用いた場合に検出されたウエハ１０３の温度が示されている。スペクトル強度が０．２と０．８である点の組を用いた場合にも、熱電対を用いて得られたウエハ１０３の温度にほぼ等しい温度が得られている。

　以上のことから、スペクトル強度が０．２と０．８である組を用いると、狭い波長の範囲を用いたときには安定した検出が困難であった長い波長の範囲、すなわち、０．６と０．８の組を含んでいるにも関わらず、熱電対を用いて検出した温度との差が十分に小さくなり、両者がほぼ等しいとみなせる程度に一致した温度の値が得られることが判る。このような結果により、実施例２のように、規格化されたスペクトルの一部の範囲を１次直線で近似し、当該直線に基づいてバンド端波長を特定する場合には、可能な限り広い波長の範囲で近似する直線を定義することが、安定的に温度を検出する上で好ましい。

　一方で、吸収端より著しく乖離した波長の範囲では、温度による光のスペクトルの形状の変化が小さくなるため、安定したウエハ１０３の温度の検出がやはり困難となってしまう。故に、実施例２で示したように、バンドギャップと、ウエハ１０３の温度測定範囲として想定される最高温度での熱エネルギーとの和に相当する点、すなわち最大波長である１１５０ｎｍに対応する点、または、スペクトル強度が０．８である点を１点に含むように２点を選択することが好ましい。また、当該２点中の他の１点は、図６で述べた変曲点、例えば、スペクトル強度が０．２である点に基づいて定められることが好ましい。そして、当該２点を通る線に基づいてバンド端波長を特定することが好ましい。

　（実施例３）
　次に、実施例３について、図１２乃至１４を用いて説明する。実施例３では、実施例１で説明したエッチング装置１００の赤外光ランプ１０４に換えて、ウエハステージ内部に、半導体ウエハを加熱するためのヒータであるホットプレートが配置されている。このようなウエハステージを用いて、ウエハステージ上に載せられたウエハを透過した光または電磁波のスペクトルからバンド端波長を特定する場合であっても、ウエハの温度を検出することができる。

　＜半導体処理装置の概略構成＞
　図１２は、実施例３に係る半導体処理装置の概略構成例を示す断面図である。図１２に示される半導体処理装置、詳細には加熱装置３００は、ウエハステージ３０１と、赤外光源３０３と、光路３０４と、分光器３０５と、光検出器３０６と、コントローラ３０７とを備える。ウエハステージ３０１は、例えば、円柱の形状を備え、円形の上面に温度の被検出対象である半導体ウエハ３０２を搭載する。赤外光源３０３は、ウエハステージ３０１の上方に配置され、ウエハ３０２に光または電磁波を照射する。

　光路３０４は、ウエハステージ３０１の内部に取り付けられた光ファイバを備える。分光器３０５は、光路３０４に接続され、光ファイバの先端に取り付けられた透光性を持つ部材を有する受光部で受光した光を分光する。光検出器３０６は、分光器３０５で分光された光の強度を測定する。コントローラ３０７は、光検出器３０６にて得られるスペクトル（第１のスペクトル）を数値処理することでバンド端波長を特定し、当該バンド端波長からウエハ３０２の温度を検出する。

　図１２は、ヒータを含むホットプレートが内蔵されたウエハステージ３０１を用いて、その上面に載せられたウエハ３０２を加熱する構成となっている。ただし、加熱する構成は、ヒータ以外でも効果が変わらないことは言うまでもない。また、図１２は、ウエハ３０２の上面側の上方に配置された赤外光源３０３から放射され、ウエハ３０２を透過した光または電磁波からスペクトルを測定する構成となっている。ただし、ウエハ３０２の裏面側のウエハステージ３０１内部に赤外光源を配置して、ウエハ３０２の裏面に照射して得られる散乱反射スペクトルを測定する構成であってもよい。

　＜温度検出方法の詳細＞
　［バンド端特定処理について］
　図１３は、図１２に示される加熱装置から得られた、規格化されたスペクトルの分布の一例を示すグラフである。規格化に際しては、実施例１における図３で述べた方法と同様の方法が用いられる。すなわち、コントローラ３０７が、光検出器３０６にて得られるスペクトルを図３で述べた方法で規格化することで、図１３に示されるような、規格化されたスペクトル（第２のスペクトル）が得られる。ただし、実施例３では、当該規格化されたスペクトルからバンド端波長を特定する方法が、実施例１および実施例２とは異なっている。

　すなわち、実施例３では、図１３に示されるように、コントローラ３０７は、規格化されたスペクトルにおいて、上述の吸収端を反映する極小波長から極大波長の範囲、すなわち１０６０乃至１２３０ｎｍの範囲で区分求積法に従って波長による積分を行うことで、グラフ上の当該範囲の部分の面積を算出して、これを最大面積とする。また、コントローラ３０７は、当該基準面積に０＜Ｋ＜１の値である係数Ｋを乗算した値を基準面積とする。そして、コントローラ３０７は、極小波長からの積分値が当該基準面積となる波長をバンド端波長に定める。図１３の例では、係数Ｋとして、１／２の値が用いられる。

　実施例３では、シリコン（Ｓｉ）製のウエハ３０２上に、単一または複数層の膜から構成される特定の構造が形成されており、ウエハ３０２上の構造に由来する干渉パターンが生じ得る。特に、このような干渉パターンが生じる場合に、上記のような積分法を用いることで、干渉によるスペクトル強度の振動の効果を打ち消すことが可能である。

　なお、基準面積は、例えば、予め実験によって固定的に定められてもよい。この場合、実際にウエハ３０２の温度を測定する毎に、光検出器３０６にて得られるスペクトル（第１のスペクトル）に対して１０６０ｎｍを始点として積分を行い、積分値が基準面積に達した際の波長をバンド端波長として特定すればよい。または、実際にウエハ３０２の温度を測定する毎に、光検出器３０６にて得られるスペクトルに対して最大面積を算出し、当該最大面積から基準面積を算出し、当該基準面積からバンド端波長を特定してもよい。

　＜実施例３による温度検出方法の検証結果＞
　図１４は、図１２に示される加熱装置において、最大面積の０．５５倍の積分値を持つ波長をバンド端波長に定めることで得られたウエハの温度と、ホットプレートの温度とを比較した一例を示すグラフである。具体的には、赤外光源３０３から照射され、表面上に特定構造を有するシリコン製のウエハ３０２を透過した光のスペクトルに対して規格化を行い、規格化されたスペクトルから図１３に示される方法でバンド端波長を特定する。図１４には、当該特定されたバンド端波長と検量式との比較によって検出される温度の値と、その際に、ホットプレートに接続された熱電対等の温度センサからの出力を用いて検出された温度の値とが示される。

　ここで、実施例３では、ホットプレートで加熱を行ったのち、十分に時間をおいてからウエハ３０２の温度を検出しており、単結晶のシリコン製のウエハ３０２の熱伝導率は非常に高いため、ホットプレートの温度とウエハ３０２の温度とはほぼ等しいと考えられる。図１４に示されるように、積分法を用いて特定されたバンド端波長から得られるウエハ３０２の温度は、ホットプレートの温度とほぼ等しく、十分な精度でウエハ３０２の温度を非接触な方法で測定できていることが判る。

　なお、実施例３による積分法を用いたバンド端波長の特定方法の適用対象は、図１２に示されるような加熱装置３００に限らず、図１Ｂに示したようなエッチング装置１００であってもよい。また、図１２に示される加熱装置３００は、実施例１で述べた温度とバンド端波長の値との相関データ、例えば検量式を予め準備する際に使用されてもよい。すなわち、図１２に示されるような加熱装置３００を用いることで、ホットプレートに接続された熱電対等の温度センサに基づいて、簡素な構成かつ簡素の方法で、高精度な検量式を作成することが可能になる。

　（実施例４）
　＜温度検出方法の詳細＞
　実施例４について、図１５、図１６を用いて説明する。実施例４では、実施例３における図１２の場合と同様に、ウエハ３０２の上面側の上方に配置された赤外光源３０３から放射され、ウエハ３０２を透過した光または電磁波からスペクトルを測定する構成が用いられる。

　［バンド端特定処理について］
　図１５は、図１２に示される加熱装置から得られた、規格化されたスペクトルの分布の一例を示すグラフである。規格化に際しては、実施例１における図３で述べた方法と同様の方法が用いられる。すなわち、コントローラ３０７が、光検出器３０６にて得られるスペクトルを図３で述べた方法で規格化することで、図１５に示されるような、規格化されたスペクトル（第２のスペクトル）が得られる。ただし、実施例４では、当該規格化されたスペクトルからバンド端波長を特定する方法が、実施例１、実施例２および実施例３とは異なっている。

　すなわち、実施例４では、図１５に示されるように、コントローラ３０７は、基準温度Ｔｒにおける規格化されたスペクトルにおいて特定強度Ｉを持つ基準波長λｒと、測定対象となる任意の測定温度Ｔｍにおける規格化されたスペクトルにおいて特定強度Ｉを持つ測定波長λｍを算出し、基準波長λｒと測定波長λｍの波長差Δλをバンド端波長に定める。基準温度Ｔｒは定常状態における温度が望ましいが、加熱装置に合わせて任意の温度を設定しても良い。図１５の例では、基準温度Ｔｒとして、５０℃が用いられる。特定強度Ｉはウエハ３０２およびウエハ３０２上の膜による透過光の干渉を受けづらい０近傍の値が望ましく、実施例４では、特定強度Iとして０．２または０．０５が用いられる。

　実施例４では、使用したシリコン（Ｓｉ）製のウエハ３０２の抵抗率は０．００５Ωｃｍ（以下、極低抵抗ウエハと呼ぶ）である。特に、このような極低抵抗ウエハでは、高抵抗ウエハと比較してウエハによる光の吸収が大きく、スペクトルの形状が大きく異なり得る。そこで、上記のような差分法を用いることで、スペクトル形状の変化を打ち消すことが可能である。すなわち、ある極低抵抗ウエハと別の極低抵抗ウエハとでは、基準波長λｒや測定波長λｍにズレが生じ得るが、波長差Δλは、一定と考えられる。そこで、ウエハ３０２毎に、まず、定常状態で基準波長λｒを算出し、その後、温度を上昇させながら測定波長λｍおよび波長差Δλを算出し、当該波長差Δλを、予め準備した検量式に基づいて温度に変換することで、ウエハ３０２の測定温度Ｔｍを検出すればよい。

　＜実施例４による温度検出方法の検証結果＞
　図１６は、図１２に示される加熱装置において、基準温度での基準波長と測定温度での測定波長との波長差からバンド端波長を定めることで得られたウエハの温度と、ホットプレートの温度とを比較した一例を示すグラフである。図１６の例では、基準温度として５０℃が用いられ、基準波長λｒおよび測定波長λｍを算出する際の特定強度Ｉとして、０．２と０．０５とが用いられる。

　具体的には、赤外光源３０３から照射され、表面上に特定構造を有するシリコン製のウエハ３０２を透過した光のスペクトルに対して規格化を行い、規格化されたスペクトルから図１５に示される方法でバンド端波長を特定する。図１６には、当該特定されたバンド端波長と、図１５に示される方法で高抵抗ウエハのスペクトルを用いて策定した検量式との比較によって検出される温度の値と、その際に、ホットプレートに接続された熱電対等の温度センサからの出力を用いて検出された温度の値とが示される。

　ここで、実施例４では、ホットプレートで加熱を行ったのち、十分に時間をおいてからウエハ３０２の温度を検出しており、単結晶のシリコン製のウエハ３０２の熱伝導率は非常に高いため、ホットプレートの温度とウエハ３０２の温度とはほぼ等しいと考えられる。図１６に示されるように、基準波長λｒと測定波長λｍとの波長差Δλに基づいて特定されたバンド端波長から得られるウエハ３０２の温度は、ホットプレートの温度とほぼ等しく、高抵抗ウエハを用いて算出した検量式を用いても十分な精度で極低抵抗ウエハの温度を非接触な方法で測定できていることが判る。特定強度Ｉが０．２の場合でも２０℃以内の精度で温度測定ができているが、特定強度Ｉが０．０５の場合は１０℃以内の精度で温度測定ができている。このため、特定強度Ｉは、信号のノイズに左右されない程度に小さい方が望ましい。

　なお、実施例４による差分法を用いたバンド端波長の特定方法の適用対象は、図１２に示されるような加熱装置３００に限らず、図１Ｂに示したようなエッチング装置１００であってもよい。また、図１２に示される加熱装置３００は、実施例４で述べた温度とバンド端波長の値との相関データ、例えば検量式を予め準備する際に使用されてもよい。すなわち、図１２に示されるような加熱装置３００を用いることで、ホットプレートに接続された熱電対等の温度センサに基づいて、簡素な構成かつ簡素の方法で、高精度な検量式を作成することが可能になる。

　（実施例５）
　＜温度検出方法の詳細＞
　実施例５について、図１７、図１８を用いて説明する。実施例５では、実施例３における図１２の場合と同様に、ウエハ３０２の上面側の上方に配置された赤外光源３０３から放射され、ウエハ３０２を透過した光または電磁波からスペクトルを測定する構成が用いられる。

　［規格化処理について］
　図１７は、図１２に示される加熱装置から得られた、規格化されたスペクトルの分布の一例を示すグラフである。規格化に際しては、実施例１における図３で述べた方法と若干異なる方法が用いられ、図３の場合のようにスペクトル毎に最大値が定められるのではなく、基準となるスペクトルにて共通の最大値が定められる。

　すなわち、実施例５では、コントローラ３０７は、基準温度Ｔｒにおける第１のスペクトルから光強度の最大値を算出し、測定対象となる任意の測定温度Ｔｍ毎に、測定された第１のスペクトルから光強度の極小値を定め、測定温度Ｔｍ毎に、基準温度Ｔｒでの最大値と、当該定めた極小値との差分をとった値を極大値に定める。そして、コントローラ３０７は、測定温度Ｔｍにおける第１のスペクトルに対して、当該測定温度Ｔｍで定めた極小値との差分処理を行った上で、当該測定温度Ｔｍで共通の最大値を用いて定めた極大値で除算することによって第１のスペクトルを規格化する。このような規格化により、図１７に示されるように、基準温度Ｔｒでの第２のスペクトルは、極小値が０、極大値Ｉｍａｘが１．０となるように規格化される。一方、測定温度Ｔｍでの第２のスペクトルにおいては、極小値は０であるが、極大値は１．０であるとは限らない。

　［バンド端特定処理について］
　コントローラ３０７は、上記のような規格化処理を行ったのち、規格化された第２のスペクトルを対象に、実施例４で述べた差分法を用いてバンド端特定処理を行う。すなわち、図１７に示されるように、コントローラ３０７は、基準温度Ｔｒでの第２のスペクトルにおいて特定強度Ｉを持つ基準波長λｒと、測定温度Ｔｍでの第２のスペクトルにおいて特定強度Ｉを持つ測定波長λｍとを算出し、基準波長λｒと測定波長λｍとの波長差Δλをバンド端波長に定める。そして、コントローラ３０７は、予め準備した検量式に基づいて、当該波長差Δλを温度に変換する。基準温度Ｔｒは定常状態における温度が望ましいが、加熱装置に合わせて任意の温度を設定しても良い。実施例５では、基準温度Ｔｒとして５０℃が用いられ、特定強度Ｉとして０．１または０．００５が用いられる。

　実施例５では、シリコン（Ｓｉ）製のウエハ３０２上に、１００ｎｍの膜厚のＳｉＯと５００ｎｍ膜厚の多結晶Ｓｉが製膜されており、ウエハ３０２上の構造に由来する干渉パターンが生じ得る。特に、このような干渉パターンが生じる場合に、上記のような規格化法および差分法を用いることで、干渉によるスペクトル強度の振動の効果を打ち消すことが可能である。図１７に示す様に、ウエハ３０２上の構造に由来する干渉パターンが極大値を変化させる様な場合には、特定強度Ｉはウエハ３０２およびウエハ３０２上の膜による透過光の干渉を受けづらい０近傍の値が望ましい。

　＜実施例５による温度検出方法の検証結果＞
　図１８は、図１２に示される加熱装置において、基準温度における第１のスペクトルの極大値を用いて規格化を行い、基準温度での基準波長と測定温度での測定波長との波長差からバンド端波長を定めることで得られたウエハの温度と、ホットプレートの温度とを比較した一例を示すグラフである。図１８の例では、基準温度として５０℃が用いられ、基準波長λｒおよび測定波長λｍを算出する際の特定強度Ｉとして、０．１と０．００５とが用いられる。

　具体的には、赤外光源３０３から照射され、表面上に特定構造を有するシリコン製のウエハ３０２を透過した光のスペクトルに対して図１７に示される方法で規格化を行い、規格化されたスペクトルから図１７に示される方法でバンド端波長を特定する。図１８には、当該特定されたバンド端波長と、図１７に示される方法で高抵抗ウエハのスペクトルを用いて策定した検量式との比較によって検出される温度の値と、その際に、ホットプレートに接続された熱電対等の温度センサからの出力を用いて検出された温度の値とが示される。

　ここで、実施例５では、ホットプレートで加熱を行ったのち、十分に時間をおいてからウエハ３０２の温度を検出しており、単結晶のシリコン製のウエハ３０２の熱伝導率は非常に高いため、ホットプレートの温度とウエハ３０２の温度とはほぼ等しいと考えられる。図１８に示されるように、基準波長λｒと測定波長λｍとの波長差Δλに基づいて特定されたバンド端波長から得られるウエハ３０２の温度は、ホットプレートの温度とほぼ等しく、十分な精度でウエハ３０２の温度を非接触な方法で測定できていることが判る。特定強度Ｉが０．１の場合では温度測定の精度は悪いが、特定強度Ｉが０．００５の場合は３５℃以内の精度で温度測定ができている。このため、特定強度Ｉは、信号のノイズに左右されない程度に小さい方が望ましい。

　なお、実施例５による差分法を用いたバンド端波長の特定方法の適用対象は、図１２に示されるような加熱装置３００に限らず、図１Ｂに示したようなエッチング装置１００であってもよい。また、図１２に示される加熱装置３００は、実施例５で述べた温度とバンド端波長の値との相関データ、例えば検量式を予め準備する際に使用されてもよい。すなわち、図１２に示されるような加熱装置３００を用いることで、ホットプレートに接続された熱電対等の温度センサに基づいて、簡素な構成かつ簡素の方法で、高精度な検量式を作成することが可能になる。

　以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、前述した実施の形態は、本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

　１００…エッチング装置、１０１…処理室、１０２…ウエハステージ、１０３…半導体ウエハ、１０４，１０４－１～１０４－３…赤外光ランプ、１０５…プラズマ源（放電室）、１０６…板部材、１０７…光路、１０８…分光器、１０９…光検出器、１１０…コントローラ、１１１…ベースチャンバ、１１２…石英チャンバ、１１３…プラズマ、１１４…調圧バルブ、１１５…排気ポンプ、１１６…真空排気配管、１１７…ガス分散板、１１８…天板、１１９…シャワープレート、１２０…高周波電源、１２２…整合器、１２５…カットフィルタ、１３０…電極板、１３１…ＤＣ電源、１３４…ＩＣＰコイル、１３８…チラー、１３９…流路、１５０…マスフローコントローラユニット、１５１…ガス分配器、１６３…反射板、１６４…赤外光ランプ用電源、１７０…熱電対、１７１…熱電対温度計、１７４…赤外光透過窓、１７５…流路、１８５…石英ロッド、１９１…貫通孔、１９２…光ファイバ、１９８…光マルチプレクサー、３００…加熱装置、３０１…ウエハステージ、３０２…半導体ウエハ、３０３…赤外光源、３０４…光路、３０５…分光器、３０６…光検出器、３０７…コントローラ

Claims (18)

1. 　半導体ウエハに光を照射する光源と、
   　前記光の照射に応じて前記半導体ウエハから生じる透過光または散乱反射光を分光する分光器と、
   　前記分光器にて分光された光を測定する光検出器と、
   　前記光検出器にて得られる第１のスペクトルを数値処理することでバンド端波長を特定し、前記バンド端波長から前記半導体ウエハの温度を検出するコントローラと、
   を備える温度検出装置であって、
   　前記コントローラは、
   　絶対零度での半導体のバンドギャップエネルギーに相当する波長を極小波長として、前記極小波長よりも短波長領域における光強度の最小値を極小値に定め、温度測定範囲として想定される最高温度での半導体のバンドギャップエネルギーと熱エネルギーとの差に相当する波長を第１の最大波長として、前記第１の最大波長より短波長領域における光強度の最大値から前記極小値の差分をとった値を極大値に定め、前記第１のスペクトルに対して前記極小値との差分処理を行った上で前記極大値で除算することによって規格化する規格化処理と、
   　前記規格化処理で得られた第２のスペクトルに基づいて前記バンド端波長を特定するバンド端特定処理と、
   　予め取得された、温度とバンド端波長の値との相関データと、前記バンド端特定処理で特定された前記バンド端波長とを比較することで、前記半導体ウエハの温度を検出する温度算出処理と、
   を実行する、
   温度検出装置。
2. 　請求項１記載の温度検出装置において、
   　前記コントローラは、前記バンド端特定処理において、前記第２のスペクトル上で特定強度を持つ波長を前記バンド端波長に定める、
   温度検出装置。
3. 　請求項２記載の温度検出装置において、
   　前記コントローラは、前記最高温度での半導体のバンドギャップエネルギーに相当する波長を極大波長として、前記極小波長から前記極大波長までの波長領域に対応するスペクトル強度の中から前記特定強度を定める、
   温度検出装置。
4. 　請求項３記載の温度検出装置において、
   　前記コントローラは、前記第２のスペクトルを波長で１次微分することで、当該１次微分した値が最大となる変曲点を算出し、前記変曲点でのスペクトル強度以上の値となるように前記特定強度を定める、
   温度検出装置。
5. 　請求項１記載の温度検出装置において、
   　前記コントローラは、前記バンド端特定処理において、前記第２のスペクトル上の２点を通る線と波長軸との切片を前記バンド端波長に定め、前記最高温度での半導体のバンドギャップエネルギーと熱エネルギーとの和に相当する波長を第２の最大波長として、前記第２のスペクトル上の２点の一方を前記第２の最大波長に定める、
   温度検出装置。
6. 　請求項５記載の温度検出装置において、
   　前記コントローラは、前記第２のスペクトルを波長で１次微分することで、当該１次微分した値が最大となる変曲点を算出し、前記変曲点に基づいて前記第２のスペクトル上の２点の他方を定める、
   温度検出装置。
7. 　請求項１記載の温度検出装置において、
   　前記コントローラは、前記最高温度での半導体のバンドギャップエネルギーに相当する波長を極大波長として、前記バンド端特定処理において、前記第２のスペクトル上で前記極小波長から前記極大波長までの積分値に係数Ｋ（０＜Ｋ＜１）を乗算した値を基準面積として算出し、前記極小波長からの積分値が前記基準面積となる波長を前記バンド端波長に定める、
   温度検出装置。
8. 　請求項１記載の温度検出装置において、
   　前記コントローラは、前記バンド端特定処理において、予め定めた基準温度における前記第２のスペクトル上で特定強度を持つ基準波長と、測定温度における前記第２のスペクトル上で前記特定強度を持つ測定波長との波長差を、前記バンド端波長に定める、
   温度検出装置。
9. 　請求項１記載の温度検出装置において、
   　前記コントローラは、前記規格化処理において、予め定めた基準温度での前記第１のスペクトルに対して前記最大値を定め、測定温度毎に、前記第１のスペクトルに対して前記極小値を定め、前記最大値から前記極小値の差分をとった値を前記極大値に定め、前記測定温度毎に、前記第１のスペクトルに対して前記極小値との差分処理を行った上で前記極大値で除算することによって、前記測定温度毎の前記第１のスペクトルをそれぞれ規格化する、
   温度検出装置。
10. 　請求項９記載の温度検出装置において、
    　前記コントローラは、前記バンド端特定処理において、前記基準温度における前記第２のスペクトル上で特定強度を持つ基準波長と、前記測定温度毎に、前記第２のスペクトル上で前記特定強度を持つ測定波長との波長差を、前記バンド端波長に定める、
    温度検出装置。
11. 　請求項１～１０のいずれか１項に記載の温度検出装置において、
    　前記コントローラは、さらに、前記規格化処理を行う前に、前記第１のスペクトルに対して移動平均による平滑化処理を実行する、
    温度検出装置。
12. 　請求項１～７のいずれか１項に記載の温度検出装置において、
    　前記光源は、前記半導体ウエハに光を照射することで前記半導体ウエハを加熱する加熱光源である、
    温度検出装置。
13. 　半導体ウエハを処理するための処理室と、
    　前記処理室内に設置され、処理対象である前記半導体ウエハを搭載するウエハステージと、
    　処理用のガスを用いてプラズマを形成するプラズマ源と、
    　前記処理室と前記プラズマ源との間に設置され、前記処理用のガスが導入される複数の貫通孔を含んだ板部材と、
    　前記板部材の外周を囲むように設置され、前記半導体ウエハに光を照射することで前記半導体ウエハを加熱する加熱光源と、
    　前記光の照射に応じて前記半導体ウエハから生じる透過光または散乱反射光を分光する分光器と、
    　前記分光器にて分光された光を測定する光検出器と、
    　前記光検出器にて得られる第１のスペクトルを数値処理することでバンド端波長を特定し、前記バンド端波長から前記半導体ウエハの温度を検出するコントローラと、
    を備え、
    　前記コントローラは、
    　絶対零度での半導体のバンドギャップエネルギーに相当する波長を極小波長として、前記極小波長よりも短波長領域における光強度の最小値を極小値に定め、温度測定範囲として想定される最高温度での半導体のバンドギャップエネルギーと熱エネルギーとの差に相当する波長を第１の最大波長として、前記第１の最大波長より短波長領域における光強度の最大値から前記極小値の差分をとった値を極大値に定め、前記第１のスペクトルに対して前記極小値との差分処理を行った上で前記極大値で除算することによって規格化する規格化処理と、
    　前記規格化処理で得られた第２のスペクトルに基づいて前記バンド端波長を特定するバンド端特定処理と、
    　予め取得された、温度とバンド端波長の値との相関データと、前記バンド端特定処理で特定された前記バンド端波長とを比較することで、前記半導体ウエハの温度を検出する温度算出処理と、
    を実行する、
    半導体処理装置。
14. 　請求項１３記載の半導体処理装置において、
    　前記コントローラは、前記最高温度での半導体のバンドギャップエネルギーに相当する波長を極大波長として、前記極小波長から前記極大波長までの波長領域に対応するスペクトル強度の中から特定強度を定め、前記バンド端特定処理において、前記第２のスペクトル上で前記特定強度を持つ波長を前記バンド端波長に定める、
    半導体処理装置。
15. 　請求項１４記載の半導体処理装置において、
    　前記コントローラは、前記第２のスペクトルを波長で１次微分することで、当該１次微分した値が最大となる変曲点を算出し、前記変曲点でのスペクトル強度以上の値となるように前記特定強度を定める、
    半導体処理装置。
16. 　請求項１３記載の半導体処理装置において、
    　前記コントローラは、前記バンド端特定処理において、前記第２のスペクトル上の２点を通る線と波長軸との切片を前記バンド端波長に定め、前記最高温度での半導体のバンドギャップエネルギーと熱エネルギーとの和に相当する波長を第２の最大波長として、前記第２のスペクトル上の２点の一方を前記第２の最大波長に定める、
    半導体処理装置。
17. 　請求項１３記載の半導体処理装置において、
    　前記コントローラは、前記最高温度での半導体のバンドギャップエネルギーに相当する波長を極大波長として、前記バンド端特定処理において、前記第２のスペクトル上で前記極小波長から前記極大波長までの積分値に係数Ｋ（０＜Ｋ＜１）を乗算した値を基準面積として算出し、前記極小波長からの積分値が前記基準面積となる波長を前記バンド端波長に定める、
    半導体処理装置。
18. 　請求項１３～１７のいずれか１項に記載の半導体処理装置において、
    　前記コントローラは、さらに、前記規格化処理を行う前に、前記第１のスペクトルに対して移動平均による平滑化処理を実行する、
    半導体処理装置。

Images