WO2025258574A1 - 温度測定装置、温度測定方法及びプログラム - Google Patents

温度測定装置、温度測定方法及びプログラム

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Hiroshima University NUC
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    • G01K11/12—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in colour, translucency or reflectance

Definitions

  • the present invention relates to a temperature measurement device, a temperature measurement method, and a program.
  • Patent Document 1 when solving the heat conduction equation, the heat input distribution from the outside and the heat transfer efficiency from the heat source are used as fitting parameters, and the most likely temperature distribution is found by manually fitting the measured waveform of the reflected wave.
  • fitting is performed on the measured waveform, which requires a lot of time and effort, making it difficult to find the temperature distribution in real time.
  • the present invention was made in consideration of the above circumstances, and aims to provide a temperature measurement device, a temperature measurement method, and a program that can measure the temperature distribution of a sample to be measured in real time.
  • a temperature measuring device comprises: a light emitting unit that generates a continuous light beam for measurement having coherence; a light detection unit that detects reflected light or transmitted light of the continuous measurement light irradiated onto the sample to be measured; an analysis unit that calculates a temperature distribution of the measurement sample based on the intensity of the reflected light or the transmitted light detected by the light detection unit, The analysis unit calculating an optical thickness of the sample to be measured from a change in the intensity of the reflected light or the transmitted light over time; The temperature distribution of the sample to be measured is calculated based on the refractive index distribution in the thickness direction of the sample to be measured and the optical thickness when the temperature changes.
  • the analysis unit calculating the refractive index distribution from the optical thickness using a refractive index distribution model that represents a relationship between the refractive index distribution in the thickness direction of the sample under temperature change and the optical thickness; calculating a temperature distribution of the sample to be measured by converting the refractive index distribution into a temperature distribution based on the thermo-optic coefficient of the sample to be measured; This may also be the case.
  • the refractive index distribution model is The time change in the temperature distribution in the thickness direction calculated based on the thermal diffusion model of the sample to be measured is converted into the time change in the refractive index distribution based on the thermo-optic coefficient. This may also be the case.
  • the light emitting portion is A light source and A collimator; an optical fiber connecting the light source and the collimator, the light source generates laser light with a linewidth of 10 MHz or less;
  • the optical fiber is a single-mode optical fiber or a multi-mode optical fiber having a core diameter of 50 ⁇ m or less. This may also be the case.
  • the light emitting portion is A light source and A collimator; an optical fiber connecting the light source and the light detection unit to the collimator, the light source generates laser light with a linewidth of 10 MHz or less;
  • the optical fiber is a bundle of a single-mode optical fiber or a multi-mode optical fiber having a core diameter of 50 ⁇ m or less and a multi-mode optical fiber. This may also be the case.
  • a temperature measurement method Irradiating a coherent continuous light beam for measurement onto a sample to be measured; Detecting reflected or transmitted light of the continuous measurement light; calculating an optical thickness of the sample to be measured from a change in the intensity of the reflected light or the transmitted light over time; The temperature distribution of the sample to be measured is calculated based on the refractive index distribution in the thickness direction of the sample to be measured and the optical thickness when the temperature changes.
  • a program comprises: Computer, calculating an optical thickness of the sample to be measured from a change over time in intensity of reflected light or transmitted light of the coherent continuous measurement light irradiated onto the sample to be measured;
  • the analyzer is operated as an analyzer that calculates the temperature distribution of the sample to be measured based on the refractive index distribution in the thickness direction of the sample to be measured and the optical thickness when the temperature changes.
  • the temperature measurement device, temperature measurement method, and program of the present invention calculate the optical thickness of the sample from fluctuations in reflectance or transmittance caused by temperature changes in the sample, and calculate the temperature distribution of the sample based on the refractive index distribution and optical thickness in the thickness direction of the sample as the temperature changes, making it possible to measure temperature quickly and accurately.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram showing multiple reflections of light within a sample to be measured according to the measurement principle of the present invention
  • 1 is a diagram showing a schematic configuration of a temperature measuring device according to a first embodiment
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an experimental device for investigating laser linewidth.
  • 10A and 10B show examples of the relationship between temperature change and intensity change of transmitted light for measurement light with different laser linewidths, where (A) is for a laser linewidth of 100 Hz, (B) is for a laser linewidth of 2 MHz, and (C) is for a laser linewidth of 15 MHz.
  • FIG. 1A and 1B are diagrams showing examples of the relationship between temperature change and intensity change of transmitted light for optical fibers with different core diameters, where (A) is a case where a single-mode optical fiber with a core diameter of 10 ⁇ m is used, and (B) is a case where a multi-mode optical fiber with a core diameter of 50 ⁇ m is used.
  • FIG. 2 is a functional block diagram of an analysis unit according to the first embodiment.
  • 1 is a schematic diagram illustrating a configuration example of a temperature measuring device according to a first embodiment. 4 is a flowchart showing a flow of temperature measurement according to the first embodiment.
  • FIG. 10A and 10B are diagrams showing data conversion related to temperature measurement processing, in which (A) is an example of reflectance, (B) is an example of optical thickness, (C) is an example of refractive index distribution, and (D) is an example of temperature distribution.
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of a change over time in a refractive index distribution calculated based on a refractive index distribution model.
  • FIG. 10 is a diagram showing a schematic configuration of a temperature measuring device according to a second embodiment.
  • 1A and 1B show examples of fiber bundles, in which (A) shows one single-mode fiber and one multimode fiber bundled together, and (B) shows a bundle of single-mode fibers surrounded by multimode fibers.
  • FIG. 10 is a diagram showing the configuration of an experiment for evaluating the light collection efficiency of a fiber bundle.
  • 10A and 10B are diagrams showing examples of measurement results of the light collection efficiency of a fiber bundle.
  • 10A and 10B are graphs showing examples of results when temperature measurement is performed using a fiber bundle, where (A) is a graph of reflectivity and (B) is a graph of measured temperature.
  • 1A and 1B are diagrams showing examples of the arrangement of the light emitting unit, the sample to be measured, and the light detecting unit, where (A) is for normal reflection measurement, (B) is for normal transmission measurement, (C) is for oblique reflection measurement, and (D) is for oblique transmission measurement.
  • FIG. 10 is a diagram showing a schematic configuration of a temperature measuring device for measuring temperatures at a plurality of measurement points.
  • thermo-optic coefficient ( n(T)), which represents the temperature dependence of the refractive index of the sample to be measured, is obtained in advance by experiment, etc.
  • the temperature distribution within the sample is calculated based on the heat conduction equation.
  • the temperature distribution can also be converted into a refractive index distribution based on the thermo-optic coefficient.
  • Conventional methods (Publication No. 2007-4644) calculate the temperature distribution of the sample by calculating the time change in transmittance or reflectance using an optical simulation that takes multiple reflections and interference into account, and then matching (fitting) the waveform of the actually measured transmittance or reflectance.
  • the change in apparent thickness is calculated from the measured phase change. Then, the temperature distribution within the sample is calculated based on the refractive index distribution and optical thickness in the thickness direction of the sample as the temperature changes.
  • a temperature measurement device 1 According to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
  • the case of measuring the temperature of a SiC (silicon carbide) wafer, which is a sample 50 to be measured, when the SiC wafer is subjected to heat treatment in an atmospheric pressure plasma device will be described as an example.
  • the temperature measuring device 1 comprises a light emitting unit 10, a beam splitter 20, a light detecting unit 30, and an analysis unit 40.
  • the SiC wafer which is the sample 50 to be measured, is a flat sample with a front and back surface that are parallel to each other, and its front surface is heated by a micro-plasma jet ( ⁇ -TPJ), which is an atmospheric pressure thermal plasma jet (TPJ) with a plasma size densified to less than a millimeter.
  • ⁇ -TPJ micro-plasma jet
  • TPJ atmospheric pressure thermal plasma jet
  • the light emitting unit 10 is an optical system device that generates continuous measurement light, which is coherent collimated light used for measurement, and is equipped with a light source 11, an optical fiber 12, and a collimator 13.
  • the light source 11 is a laser oscillator that generates continuous measurement light (hereinafter also referred to as measurement light).
  • Requirements for the measurement light of the temperature measurement device 1 according to the present invention include a certain level of output power (approximately 10 mW) and optical coherence. Furthermore, in order to miniaturize the temperature measurement device 1, it is preferable that the light source 11 be small, for example, 100 mm square or less. These conditions generally involve a trade-off. For example, making the light source 11 smaller reduces the output power and weakens the optical coherence.
  • the characteristics of the measurement light suitable for measurement will be explained using the laser linewidth as a reference.
  • the laser linewidth is the width of the laser spectrum and is expressed as the full width at half maximum. The smaller the laser linewidth, the higher the coherence of the laser light.
  • Figure 3 is a schematic diagram of the experimental equipment used to study the laser linewidth. While changing the temperature of the sample 50, measurement light emitted from the light emission unit 10 is irradiated onto the sample 50, and the transmitted measurement light is detected by the light detection unit 30. This allows the change in intensity of the transmitted light caused by changes in the refractive index associated with temperature changes in the sample 50 to be measured. In this experiment, the laser linewidth of the measurement light was changed by changing the light source 11, and the laser linewidth required for temperature measurement was studied.
  • Figures 5(A) and (B) show examples of the relationship between temperature change and intensity change of transmitted light for optical fibers 12 with different core diameters.
  • Figure 5(A) is a graph when a single-mode optical fiber with a core diameter of 10 ⁇ m is used
  • Figure 5(B) is a graph when a multi-mode optical fiber with a core diameter of 50 ⁇ m is used.
  • the intensity change of the measurement light decreases as the core diameter increases.
  • the optical fiber 12 be a single-mode optical fiber or a multi-mode optical fiber with a core diameter of 50 ⁇ m or less, so that the coherence of the measurement light is not lost during transmission.
  • the collimator 13 converts the incident measurement light into parallel light.
  • the parallel measurement light that passes through the collimator 13 is emitted to the beam splitter 20.
  • the connector connecting the optical fiber 12 and the collimator 13 is preferably a connector with a PC/APC structure to suppress reflected light that occurs at the connection.
  • the beam splitter 20 is positioned on the optical path of the measurement light emitted from the collimator 13, and separates the incident light from the collimator 13 from the reflected light from the measured sample 50. More specifically, the beam splitter 20 transmits the incident light from the collimator 13 and irradiates it onto the measured sample 50, and separates the reflected light from the measured sample 50 and directs it into the light detection unit 30.
  • the analysis unit 40 is, for example, a computer device, and as shown in the functional block diagram of Figure 6, includes an analog interface 41, an analysis unit 42, a memory unit 43, a display unit 44, and an input unit 45.
  • the analog interface 41 converts the voltage signal input from the voltage output unit 32 into a digital signal and transmits it to the analysis unit 42.
  • the analysis unit 42 is composed of a CPU (Central Processing Unit), ROM (Read Only Memory), RAM (Random Access Memory), etc.
  • the analysis unit 42 loads various operating programs and data stored in the ROM of the analysis unit 42, the storage unit 43, etc. into the RAM and operates the CPU, thereby realizing the various functions of the analysis unit 42 shown in Figure 6.
  • the analysis unit 42 operates as a phase calculation unit 421, an optical thickness calculation unit 422, and a temperature distribution calculation unit 423, and analyzes the temperature distribution of the measured sample 50 based on the digital signal received from the analog interface 41.
  • the phase calculation unit 421 calculates the phase from the digital signal of the reflected light intensity, which is the vibration signal received from the analog interface 41.
  • the temperature distribution calculation unit 423 calculates the refractive index distribution from the optical thickness using a refractive index distribution model that represents the relationship between the refractive index distribution in the thickness direction of the measured sample 50 and the optical thickness when the temperature changes.
  • the temperature distribution calculation unit 423 also calculates the temperature distribution of the measured sample 50 by converting the refractive index distribution into a temperature distribution based on the thermo-optic coefficient of the measured sample 50.
  • the storage unit 43 is a non-volatile memory such as a hard disk or flash memory, and stores programs related to phase calculations and optical thickness calculations, thermo-optic coefficients, refractive index distribution models, etc.
  • the display unit 44 is a display device provided in the analysis unit 40, which is a computer device, and is, for example, a liquid crystal panel.
  • the display unit 44 displays the measured reflectance, temperature distribution, etc.
  • the input unit 45 is an input device for inputting instructions to start and stop measurement in the temperature measuring device 1, changes to various measurement conditions, etc.
  • the input unit 45 is a keyboard, touch panel, mouse, etc. provided in the analysis unit 40.
  • Temperature measurement method A temperature measurement method using the temperature measurement device 1 will be described in detail below.
  • the silicon wafer which is the sample 50 to be measured, is placed on a lower electrode with a measurement hole (2 mm in diameter).
  • the plasma generator which is the heating means for heating the sample 50 to be measured, generates plasma by applying a high frequency of 13.56 MHz to the upper electrode.
  • the temperature measurement device 1 can also measure the temperature rise due to ion bombardment by applying a DC bias (negative) to the lower electrode.
  • the measurement light (wavelength 1310 nm) emitted from the light emitting unit 10 is irradiated onto the sample 50 under measurement from below the lower electrode through a quartz window in the vacuum chamber.
  • the measurement light reflected by the sample 50 under measurement is detected by the light detecting unit 30, and a signal of the detected reflected light is sent to the analysis unit 40.
  • the phase calculation section 421 removes noise using a Gaussian filter, moving average method, or the like (step S11).
  • the phase calculation section 421 acquires phase information from the temporal change in the reflected light intensity (step S12). If the temperature is rising, the phase advances (the value increases), and if the temperature is falling, the phase returns (the value decreases).
  • the phase is expressed by the following equation (4) from the above equation (3).
  • the optical thickness calculation unit 422 obtains the time change in the optical thickness n(T)d of the wafer ( Figure 9(B)) from the time change in the phase (step S13).
  • the temperature measurement device and temperature measurement method can calculate the temperature distribution using a refractive index distribution model, thermo-optic coefficient, etc., derived in advance through measurements, etc., making it possible to accurately measure the temperature of the sample 50 to be measured, including the surface temperature.
  • the beam splitter 20 is disposed between the collimator 13 and the measured sample 50, and the reflected light is split from the optical path of the measurement light emitted from the collimator 13 and incident on the light detection unit 30.
  • the method for separating the incident light on the measured sample 50 from the reflected light is not limited to this.
  • the measurement light and the reflected light may be separated by changing the structure of the optical fiber 12.
  • a temperature measurement device 1′ is described in which the optical path of the measurement light and the optical path of the reflected light are separated by using an optical fiber 12′ having a different configuration from the optical fiber 12 according to the first embodiment instead of the beam splitter 20.
  • light emitted from the light source 11 is coupled into an optical fiber 12', passes through a collimator 13 near the sample 50 to form roughly parallel light, and is then irradiated onto the sample 50.
  • the reflected light is coupled back into the optical fiber 12' via the collimator 13 and separated from the light from the light source 11.
  • the reflected light separated by the optical fiber 12' is incident on the photodiode 31 of the light detection unit 30.
  • the photocurrent generated by the photodiode 31 is converted into a voltage signal by the voltage output unit 32.
  • the voltage signal is converted into a digital signal by the analog interface 41 of the analysis unit 40 and sent to the analysis unit 42 for analysis. This allows the temperature measurement device 1' to calculate temperature information of the sample 50 in real time.
  • optical fiber 12' Possible methods for using optical fiber 12' to emit and collect measurement light include using a three-port single-mode fiber circulator or a double-clad fiber.
  • the optical fiber 12' used in both the three-port single-mode fiber circulator and the double-clad fiber is expensive, making them less versatile.
  • a fiber bundle made up of multiple optical fibers is used. This allows for more inexpensive emission and collection of measurement light. More specifically, a fiber bundle is made up of a single-mode fiber or a multi-mode fiber with a diameter of 50 ⁇ m or less that transmits incident light from the light source 11 to the measured sample 50, and a multi-mode fiber that transmits reflected light from the measured sample 50 (Figure 12(A)). Alternatively, a fiber bundle with a central single-mode fiber or a multi-mode fiber with a diameter of 50 ⁇ m or less, surrounded by multi-mode fiber, can be used as the optical fiber 12' ( Figure 12(B)).
  • the light intensity at each point shown in Figure 13 was measured using a power meter. More specifically, an infrared laser light source was coupled with a single-mode fiber SM, and the light intensity of the light emitted from the collimator and reflected by an aluminum mirror was measured at measurement point P1 in Figure 13. In addition, the light intensity of the reflected light collected by the multi-mode fiber MM via the collimator was measured at measurement point P2. The light collection efficiency of the reflected light by the fiber bundle can be evaluated based on the ratio of the light intensity at measurement point P2 to the light intensity at measurement point P1.
  • Figure 14 shows the measurement results of the light collection efficiency in fiber bundles with different arrangements of single-mode fiber SM and multi-mode fiber MM.
  • the Rate (%) on the vertical axis of Figure 14 is the light intensity ratio obtained by dividing the light intensity at measurement point P2 by the light intensity at measurement point P1.
  • a light collection efficiency of approximately 60% which shows that sufficient light intensity can be obtained for temperature measurement.
  • Figure 15 is a graph showing an example of the results of temperature measurement using the fiber bundle of this example. More specifically, a silicon wafer was placed in the position of the aluminum mirror in Figure 13, and reflectivity measurements and temperature analysis were performed while heating with a halogen lamp. As shown in Figure 15(A), it can be seen that a clear reflectivity signal was obtained that oscillated with changes in the temperature of the silicon wafer. Furthermore, as shown in Figure 15(B), it can be seen that real-time temperature measurement is possible using the fiber bundle of this example.
  • the temperature measurement device 1' can be configured so that the collimator 13, which emits measurement light toward the sample 50 under measurement, and the light detection unit 30 are separated and connected by an optical fiber 12'.
  • the measurement light is irradiated perpendicularly onto one surface of the sample 50 under test, and the temperature is measured from the change in intensity of the reflected light.
  • the temperature may be measured from the change in intensity of the transmitted light.
  • the measurement light may be irradiated obliquely onto one surface of the sample 50 under test, and the temperature may be measured from the change in intensity of the reflected light or the transmitted light. This increases the degree of freedom in the arrangement of the light emitting unit 10 and the light detecting unit 30.
  • the measurement location is one, but this is not limited to this.
  • the configuration of the fiber bundle may be changed to emit multiple measurement beams.
  • the head unit can be made smaller, making it possible to easily measure the temperature at multiple measurement locations.
  • the temperature measurement methods according to the above embodiments can be implemented using a conventional computer system.
  • a computer program for executing the above-described temperature measurement operations can be distributed over a network, and by installing the computer program on a computer, the computer can function as an analysis unit for the above-described temperature measurement device.
  • the present invention is suitable for temperature measurement devices that measure the temperature distribution of a sample at high speed. It is particularly suitable for temperature measurement devices that measure temperature changes during heat treatment of semiconductor wafers, where temperature changes occur rapidly in a short period of time.

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Abstract

温度測定装置（１）は、可干渉性を有する測定用連続光を発生する光出射部（１０）と、被測定試料（５０）に照射された測定用連続光の反射光又は透過光を検出する光検出部（３０）と、光検出部（３０）で検出された反射光又は透過光の強度に基づいて被測定試料（５０）の温度分布を演算する解析部（４２）と、を備える。解析部（４２）は、反射光又は透過光の強度の時間変化から被測定試料（５０）の光学厚みを演算し、温度変化時の被測定試料（５０）の厚み方向の屈折率分布と光学厚みとの関係を表す屈折率分布モデルを用いて、光学厚みから屈折率分布を演算し、被測定試料（５０）の熱光学係数に基づいて、屈折率分布を温度分布に変換することにより、被測定試料（５０）の温度分布を演算する。

Description

温度測定装置、温度測定方法及びプログラム
　本発明は、温度測定装置、温度測定方法及びプログラムに関する。
　従来、レーザ光等の可干渉光を被測定試料に照射して、被測定試料からの反射光を用いて被測定試料の温度分布を測定する温度測定装置が開発されている（例えば、特許文献１）。
再表２００７－４６４４号公報
　特許文献１では、熱伝導方程式を解く際に、外部からの入熱分布と熱源からの熱伝達効率をフィッティングパラメータとして、手作業で反射波の測定波形にフィッティングすることにより、最も確からしい温度分布を求めることとしている。しかしながら、この方法では、測定波形に対してフィッティングを行うので、処理にかかる時間と手間が大きく、リアルタイムで温度分布を求めることは難しい。
　本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、被測定試料の温度分布をリアルタイムで測定可能な温度測定装置、温度測定方法及びプログラムを提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、この発明の第１の観点に係る温度測定装置は、
　可干渉性を有する測定用連続光を発生する光出射部と、
　被測定試料に照射された前記測定用連続光の反射光又は透過光を検出する光検出部と、
　前記光検出部で検出された前記反射光又は前記透過光の強度に基づいて前記被測定試料の温度分布を演算する解析部と、を備え、
　前記解析部は、
　前記反射光又は前記透過光の強度の時間変化から前記被測定試料の光学厚みを演算し、
　温度変化時の前記被測定試料の厚み方向の屈折率分布及び前記光学厚みに基づいて、前記被測定試料の温度分布を演算する。
　また、前記解析部は、
　温度変化時の前記被測定試料の厚み方向の屈折率分布と前記光学厚みとの関係を表す屈折率分布モデルを用いて、前記光学厚みから前記屈折率分布を演算し、
　前記被測定試料の熱光学係数に基づいて、前記屈折率分布を温度分布に変換することにより、前記被測定試料の温度分布を演算する、
　こととしてもよい。
　また、前記屈折率分布モデルは、
　前記被測定試料の熱拡散モデルに基づいて演算された厚み方向の温度分布の時間変化を、前記熱光学係数に基づいて前記屈折率分布の時間変化に換算して導出される、
　こととしてもよい。
　また、前記光出射部は、
　光源と、
　コリメータと、
　前記光源と前記コリメータとを接続する光ファイバと、を備え、
　前記光源は、１０ＭＨｚ以下の線幅のレーザ光を発生し、
　前記光ファイバは、シングルモード光ファイバ又はコア径が５０μｍ以下のマルチモード光ファイバである、
　こととしてもよい。
　また、前記光出射部は、
　光源と、
　コリメータと、
　前記光源及び前記光検出部と前記コリメータとを接続する光ファイバと、を備え、
　前記光源は、１０ＭＨｚ以下の線幅のレーザ光を発生し、
　前記光ファイバは、シングルモード光ファイバ又はコア径が５０μｍ以下のマルチモード光ファイバと、マルチモード光ファイバとを束ねたものである、
　こととしてもよい。
　また、本発明の第２の観点に係る温度測定方法では、
　被測定試料に可干渉性を有する測定用連続光を照射し、
　前記測定用連続光の反射光又は透過光を検出し、
　前記反射光又は前記透過光の強度の時間変化から前記被測定試料の光学厚みを演算し、
　温度変化時の前記被測定試料の厚み方向の屈折率分布及び前記光学厚みに基づいて、前記被測定試料の温度分布を演算する。
　また、本発明の第３の観点に係るプログラムは、
　コンピュータを、
　被測定試料に照射された可干渉性を有する測定用連続光の反射光又は透過光の強度の時間変化から前記被測定試料の光学厚みを演算し、
　温度変化時の前記被測定試料の厚み方向の屈折率分布及び前記光学厚みに基づいて、前記被測定試料の温度分布を演算する解析部、として動作させる。
　本発明の温度測定装置、温度測定方法及びプログラムによれば、被測定試料の温度変化によって生じる反射率又は透過率の変動から被測定試料の光学厚みを演算し、温度変化時の被測定試料の厚み方向の屈折率分布及び光学厚みに基づいて、被測定試料の温度分布を演算するので、高速で精度よく温度を測定することが可能である。
本発明の測定原理に係る被測定試料内での光の多重反射を示す概念図である。 実施の形態１に係る温度測定装置の概略構成を示す図である。 レーザ線幅の検討のための実験装置の概略構成を示す図である。 レーザ線幅の異なる計測光ごとの温度変化と透過光の強度変化との関係の例を示す図であり、（Ａ）はレーザ線幅１００Ｈｚの場合、（Ｂ）はレーザ線幅２ＭＨｚの場合、（Ｃ）はレーザ線幅１５ＭＨｚの場合である。 コア径の異なる光ファイバごとの温度変化と透過光の強度変化との関係の例を示す図であり、（Ａ）はコア径１０μｍのシングルモード光ファイバを用いた場合、（Ｂ）はコア径５０μｍのマルチモード光ファイバを用いた場合である。 実施の形態１に係る解析ユニットの機能ブロック図である。 実施の形態１に係る温度測定装置の構成例を示す概略図である。 実施の形態１に係る温度測定の流れを示すフローチャートである。 温度測定処理に係るデータ変換を示す図であり、（Ａ）は反射率、（Ｂ）は光学厚み、（Ｃ）は屈折率分布、（Ｄ）は温度分布の例である。 屈折率分布モデルに基づいて計算された屈折率分布の時間変化の例を示す図である。 実施の形態２に係る温度測定装置の概略構成を示す図である。 ファイババンドルの例を示す図であり、（Ａ）は１本のシングルモードファイバと１本のマルチモードファイバとを束ねた場合、（Ｂ）はシングルモードファイバの周辺をマルチモードファイバで囲ったものを束にした場合である。 ファイババンドルの集光効率評価実験法の構成を示す概略図である。 ファイババンドルの集光効率の計測結果の例を示す図である。 ファイババンドルを用いて温度測定を行った場合の結果の例を示すグラフであり、（Ａ）は反射率のグラフ、（Ｂ）は測定温度のグラフである。 光出射部、被測定試料及び光検出部の配置例を示す図であり、（Ａ）は垂直反射測定の場合、（Ｂ）は垂直透過測定の場合、（Ｃ）は斜め反射測定の場合、（Ｄ）は斜め透過測定の場合である。 複数の測定箇所の温度測定を行う場合の温度測定装置の概略構成を示す図である。
（測定原理）
　まず、本発明の温度測定原理について説明する。図１に示すように、被測定試料に入射した光は、被測定試料内で多重反射し干渉する。したがって、透過率及び反射率は、これらの光束の位相合成により決定される。被測定試料の物理的厚さをｄ、温度をＴ、屈折率をｎ（Ｔ）とする。一般的に物質の屈折率は、温度依存性を有する。被測定試料以外の部分は空気又は真空であるものとして、その屈折率を１とする。光の入射角をθ１、被測定試料内での屈折・反射角をθ２とすると、これらの関係は以下の式（１）で表される。
　被測定試料内で多重反射して透過、反射する各光束間の光路長の差は、以下のように表される。
　したがって、計測光の波長をλとすると、光路長の差に相当する位相は以下の式（３）で表される。
　すなわち、被測定試料の温度Ｔが時間的に変化すると、屈折率ｎ（Ｔ）が変化するとともに、位相も変化する。したがって、透過率及び反射率に、干渉条件の変化に伴う時間的な振動（強めあい、弱めあい）が生じる。ここで、被測定試料に計測光を垂直入射させる場合、cosθ2＝１となる。被測定試料の屈折率の温度依存性を表す熱光学係数（＝ｎ（Ｔ））は、予め実験等によって取得される。
　被測定試料に対して外部から入熱が生じた場合の被測定試料内の温度分布は、熱伝導方程式に基づいて演算される。また、温度分布は、熱光学係数に基づいて屈折率分布に変換することができる。従来の方法（再表２００７－４６４４号公報）では、多重反射と干渉を考慮した光学シミュレーションにより透過率又は反射率の時間変化を計算し、実測された透過率又は反射率の波形と一致させる（フィッティングする）ことによって、被測定試料の温度分布を演算することとしている。
　本発明に係る温度測定方法では、測定された位相変化から見かけの厚み（光学厚み）の変化を演算する。そして、温度変化時の被測定試料の厚み方向の屈折率分布及び光学厚みに基づいて、被測定試料内の温度分布を演算する。
（実施の形態１）
　以下、図を参照しつつ、本発明の実施の形態に係る温度測定装置１について説明する。本実施の形態では、被測定試料５０であるＳｉＣ（炭化ケイ素）ウエハに大気圧プラズマ装置で熱処理を行う際のＳｉＣウエハの温度を測定する場合を例として説明する。
　図２に示すように、本実施の形態に係る温度測定装置１は、光出射部１０、ビームスプリッタ２０、光検出部３０、解析ユニット４０を備える。また、被測定試料５０であるＳｉＣウエハは、互いに平行な表面と裏面とを有する平板状の試料であり、大気圧熱プラズマジェット（ＴＰＪ：Thermal Plasma Jet）のプラズマサイズをミリメートル以下に高密度化したマイクロプラズマジェット（μ－ＴＰＪ）で、表面を加熱される。そして、温度測定装置１は、被測定試料５０の裏面側で検出されるレーザ光の反射率の変化に基づいて被測定試料５０の温度を測定する。
　光出射部１０は、測定に用いる可干渉性を有するコリメート光である測定用連続光を発生する光学系の装置であり、光源１１、光ファイバ１２、コリメータ１３を備える。光源１１は、測定用連続光（以下、計測光ともいう。）を発生するレーザ発振器である。
　本発明に係る温度測定装置１の計測光に求められる条件として、一定以上の出力（１０ｍＷ程度）を有すること、光干渉性を有することが挙げられる。また、温度測定装置１の小型化のために、光源１１が小型であること、例えば１００ｍｍ角以下であることが好ましい。これらの条件は、一般的にはトレードオフの関係にある。例えば、光源１１を小型化すると出力が小さくなり、光干渉性は弱くなる。本実施の形態では、測定に適した計測光の特性について、レーザ線幅を基準として説明する。レーザ線幅は、レーザスペクトルの幅であり、半値全幅で表される。レーザ線幅の数値が小さいほど、レーザ光の可干渉性は高くなる。
　図３は、レーザ線幅の検討のための実験装置の概略図である。被測定試料５０の温度を変化させながら、光出射部１０から出射される計測光が被測定試料５０に照射され、透過された計測光は光検出部３０で検出される。これにより、被測定試料５０の温度変化に伴う屈折率変化によって生じる透過光の強度変化が計測される。本実験では、光源１１を変えることで、計測光のレーザ線幅を変化させ、温度計測に求められるレーザ線幅を検討することとした。
　図４（Ａ）～（Ｃ）は、レーザ線幅の異なる計測光ごとに、被測定試料５０の温度変化と透過光の強度変化との関係の例を示した図である。図４（Ａ）はレーザ線幅１００Ｈｚ程度のＨｅ－Ｎｅレーザの場合、図４（Ｂ）はレーザ線幅２ＭＨｚ程度の半導体レーザの場合、図４（Ｃ）はレーザ線幅１５ＭＨｚ程度の半導体レーザの場合のグラフである。図４（Ａ）～（Ｃ）に示すように、レーザ線幅が大きくなるほど計測光の強度変化が小さくなり、レーザ線幅１５００ＧＨｚ程度の半導体レーザの場合では、振動が観測できないほど変化が小さくなった（不図示）。本発明のように、計測光の強度変化に基づいて温度を計測するためには、振動の振幅が十分に大きいこと、具体的には５％以上の透過率変動があることが求められる。本実験結果から、安定して５％以上の透過率変動を観測するためには、計測光のレーザ線幅は１０ＭＨｚ以下であることが好ましいと考えられる。
　光ファイバ１２は、光源１１とコリメータ１３とを接続し、光源１１から出射された計測光をコリメータ１３へ入射させる。光ファイバ１２に要求される条件としては、光源１１との結合効率が高いこと、計測光の可干渉性を保持すること、戻り光による計測光の不安定化を避けられること等が挙げられる。コア径の小さいシングルモード光ファイバを用いると、計測光の可干渉性を保持することができる。しかしながら、光源１１との結合効率は、コア径の大きいマルチモード光ファイバの方が高くなる。
　図３の概略図に示す実験装置を用いて、光ファイバ１２のコア径の検討のための実験を行った。被測定試料５０の温度を変化させながら、光出射部１０から出射される計測光が被測定試料５０に照射され、透過された計測光は光検出部３０で検出される。これにより、被測定試料５０の温度変化に伴う屈折率変化によって生じる透過光の強度変化が計測される。本実験では、コア径の異なる光ファイバ１２を用いて、透過光の強度変化に与える影響を検証した。尚、光源１１としては、可干渉性が高いＨｅ－Ｎｅレーザを用いた。
　図５（Ａ）、（Ｂ）は、コア径の異なる光ファイバ１２ごとの温度変化と透過光の強度変化との関係の例を示す図である。図５（Ａ）はコア径１０μｍのシングルモード光ファイバを用いた場合、図５（Ｂ）はコア径５０μｍのマルチモード光ファイバを用いた場合のグラフである。図５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、コア径が大きくなるほど計測光の強度変化が小さくなっている。図５（Ｂ）に示すように、コア径５０μｍのマルチモード光ファイバを用いた場合、図５（Ａ）のシングルモード光ファイバを用いた場合より透過光の強度変化の振幅が小さいものの、温度変化に伴う透過率変化を観測することができる。本実験の結果から、計測光が伝送によって可干渉性を損なわないように、光ファイバ１２は、シングルモード光ファイバ又はコア径が５０μｍ以下のマルチモード光ファイバであることが好ましいと考えられる。
　コリメータ１３は、入射された計測光を平行光とする。コリメータ１３を通過した平行光の計測光は、ビームスプリッタ２０へと出射される。光ファイバ１２とコリメータ１３とを接続するコネクタは、接続部で発生する反射光を抑制するため、ＰＣ／ＡＰＣ構造のコネクタであることが好ましい。
　ビームスプリッタ２０は、コリメータ１３から出射された計測光の光路上に配置され、コリメータ１３からの入射光と、被測定試料５０からの反射光とを分離する。より具体的には、ビームスプリッタ２０は、コリメータ１３からの入射光を透過して被測定試料５０に照射し、被測定試料５０からの反射光を分離して光検出部３０へ入射させる。
　光検出部３０は、図２に示すように、フォトダイオード３１、電圧出力部３２を備え、被測定試料５０からの反射光を検出する。フォトダイオード３１は、ビームスプリッタ２０から入射された被測定試料５０からの反射光を受光して、光電流を発生させる。
　電圧出力部３２は、負荷抵抗を有しており、フォトダイオード３１で発生した光電流を電圧信号に変換する。電圧出力部３２は、変換した電圧信号を解析ユニット４０へ出力する。
　解析ユニット４０は、例えばコンピュータ装置であり、図６の機能ブロック図に示すように、アナログインタフェイス４１、解析部４２、記憶部４３、表示部４４、入力部４５を備える。
　アナログインタフェイス４１は、電圧出力部３２から入力された電圧信号をデジタル信号に変換し、解析部４２へ送信する。
　解析部４２は、受信したデジタル信号から反射光の強度変動を解析することにより、被測定試料５０の屈折率の変化を演算し、被測定試料５０の温度分布を解析する。被測定試料５０の温度分布の詳細な解析手順については、後述する。
　解析部４２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等から構成されている。解析部４２は、解析部４２のＲＯＭ、記憶部４３等に記憶されている各種動作プログラム及びデータをＲＡＭに読み込んでＣＰＵを動作させることにより、図６に示される解析部４２の各機能を実現させる。これにより、解析部４２は、位相演算部４２１、光学厚み演算部４２２、温度分布演算部４２３として動作し、アナログインタフェイス４１から受信したデジタル信号に基づいて、被測定試料５０の温度分布を解析する。
　位相演算部４２１は、アナログインタフェイス４１から受信した振動信号である反射光強度のデジタル信号から位相を演算する。
　光学厚み演算部４２２は、位相演算部４２１で演算された位相から、被測定試料５０の光学厚みを演算する。光学厚みは、上述の測定原理（式（３））に基づいて演算される。
　温度分布演算部４２３は、温度変化時の被測定試料５０の厚み方向の屈折率分布と光学厚みとの関係を表す屈折率分布モデルを用いて、光学厚みから屈折率分布を演算する。また、温度分布演算部４２３は、被測定試料５０の熱光学係数に基づいて、屈折率分布を温度分布に変換することにより、被測定試料５０の温度分布を演算する。
　記憶部４３は、ハードディスク、フラッシュメモリ等の不揮発性メモリであり、位相演算、光学厚み演算に係るプログラム、熱光学係数、屈折率分布モデル等を記憶する。
　表示部４４は、コンピュータ装置である解析ユニット４０に備えられた表示用デバイスであり、例えば液晶パネルである。表示部４４は、測定された反射率、温度分布等を表示する。
　入力部４５は、温度測定装置１における測定の開始、終了指示、各種測定条件の変更等を入力するための入力デバイスである。入力部４５は、解析ユニット４０に備えられたキーボード、タッチパネル、マウス等である。
（温度測定方法）
　以下、温度測定装置１を用いた温度測定方法について、具体的に説明する。本実施の形態では、図７に示す平行平板型プラズマ中のシリコンウエハの温度を測定する場合について説明する。被測定試料５０であるシリコンウエハは、計測用の穴（直径２ｍｍ）が開けられた下部電極上に設置される。被測定試料５０を加熱する加熱手段であるプラズマ発生装置は、１３．５６ＭＨｚの高周波を上部電極に印加することでプラズマを発生する。温度測定装置１は、下部電極に直流バイアス（負）を印加することにより、イオン衝撃による温度上昇を計測することも可能である。
　光出射部１０から出射された計測光（波長１３１０ｎｍ）は、下部電極の下方から真空チャンバの石英窓を通して被測定試料５０に照射される。被測定試料５０で反射された測定光は、光検出部３０で検出され、検出された反射光の信号は、解析ユニット４０へと送信される。
　解析ユニット４０の解析部４２の処理の流れを図８のフローチャートに示す。光検出部３０から送信された反射光の信号（図９（Ａ））である電圧信号は、測定環境に依存してノイズを含むので、位相演算部４２１はガウシアンフィルタ、移動平均法等を用いてノイズ除去を行う（ステップＳ１１）。位相演算部４２１は、反射光強度の時間変化から、位相情報を取得する（ステップＳ１２）。温度が上昇している場合は位相が進み（値が増加する）、温度が下降している場合は位相が戻る（値が減少する）。計測光を被測定試料５０へ垂直入射し、垂直反射光を計測する場合、上述の式（３）から、位相は以下の式（４）となる。
　上記式（４）に基づいて、光学厚み演算部４２２は、位相の時間変化からウエハの光学厚みｎ（Ｔ）ｄの時間変化（図９（Ｂ））を得る（ステップＳ１３）。
　続いて、ステップＳ１３で演算した光学厚みの変化量を屈折率分布モデルに入力して屈折率分布を得る（ステップＳ１４）。温度分布演算部４２３は、記憶部４３に記憶されている屈折率分布モデルを用いて、光学厚みから屈折率分布を演算する。
　以下、予め記憶部４３に記憶されている屈折率分布モデルの導出方法について説明する。まず、被測定試料５０に対して外部から入熱が生じた場合の温度分布の時間変化を、熱伝導方程式で表される熱拡散モデルに基づいて演算する。本実施の形態では、被測定試料５０の厚み方向の温度分布について考える。演算された温度分布を、被測定試料５０の熱光学係数に基づいて、屈折率分布に換算する。これにより、被測定試料５０に入熱が生じた場合における、屈折率分布の時間変化を表す屈折率分布モデルを導出することができる。
　図１０は、被測定試料５０の厚みが５２５μｍである場合の屈折率分布の時間変化（温度変化による屈折率分布の変化）の例である。図１０のグラフは、屈折率分布モデルから計算されたものであり、光学厚みと屈折率分布との関係を表している。具体的には、図１０のグラフにおいて、縦軸、横軸及び屈折率の値を示す線で囲まれた部分の面積は、光学厚みに相当する。したがって、屈折率分布モデルを用いてステップＳ１３で算出された光学厚みを屈折率分布（図９（Ｃ））に変換することができる。
　続いて、温度分布演算部４２３は、熱光学係数に基づいて屈折率分布を温度分布に変換する（図９（Ｄ））。ここで上述の解析によって得られるのは、初期温度に対する温度変化である。したがって、実際の被測定試料５０の温度分布を測定するため、算出された温度変化分に初期温度を加える。初期温度は、熱電対、放射温度計等により予め測定して設定することとすればよい。以上の手順により、ウエハ内部の温度分布を取得することができる（ステップＳ１５）。本実施の形態に係る温度測定の応答速度は、１ｍｓ以下であった。
　以上説明したように、本実施の形態に係る温度測定装置及び温度測定方法によれば、被測定試料５０の温度変化によって生じる反射率変動から被測定試料５０の光学厚みを演算し、温度変化時の被測定試料の厚み方向の屈折率分布と光学厚みとの関係を表す屈折率分布モデルを用いて、光学厚みから屈折率分布を演算する。また、被測定試料５０の熱光学係数に基づいて、屈折率分布を温度分布に変換することにより、被測定試料５０の温度分布を演算する。したがって、反射率変動又は透過率変動に対するフィッティング処理を行うことなく、温度分布を高速に演算することができるので、リアルタイムで温度測定を行うことが可能である。
　また、本実施の形態に係る温度測定装置及び温度測定方法では、予め測定等によって導出された屈折率分布モデル、熱光学係数等を用いて温度分布を演算することができるので、表面温度を含む被測定試料５０の温度を精度よく測定することが可能である。
　本実施の形態に係る温度測定装置は、上述の通り、反射光又は透過光の強度の時間変化から被測定試料の光学厚みを演算し、温度変化時の被測定試料の厚み方向の屈折率分布と光学厚みとの関係を表す屈折率分布モデルを用いて、光学厚みから屈折率分布を演算する。そして、温度測定装置は、被測定試料の熱光学係数に基づいて、屈折率分布を温度分布に変換することにより、被測定試料の温度分布を演算することとしている。一般的に、様々な温度変化の状態に対して、光学厚みと温度分布との関係は一意に決定されない。これに対し、本発明では、反射光又は透過光の強度の時間変化から、熱拡散過程を刻々と計算し、これに基づいて逐次光学厚み及び温度分布に換算することとしている。したがって、加熱速度及び冷却速度が様々に変化した場合であっても、精度よく被測定試料の温度を測定することが可能である。
　また、本実施の形態に係る温度測定装置は、屈折率分布モデルを用いて、光学厚みから屈折率分布を演算し、被測定試料の熱光学係数に基づいて、屈折率分布を温度分布に変換することとしているが、温度分布の導出方法は、これに限られない。例えば、同じ材質、同じ厚みの被測定試料について熱処理を行い、同様の温度測定を繰り返し行う場合、温度測定装置は、温度変化時の被測定試料の厚み方向の屈折率分布と光学厚みとの関係から、被測定試料の温度分布を演算する関数、変換テーブル等を用いて温度測定を行うこととしてもよい。この場合、温度測定装置は、測定された温度分布等のデータに基づいて予め作成され、記憶部４３に記憶された、温度分布を導出する関数、変換テーブル等を用いて、被測定試料の温度を測定することとすればよい。
（実施の形態２）
　上記実施の形態１では、コリメータ１３と被測定試料５０との間にビームスプリッタ２０を配置して、コリメータ１３から出射された測定光の光路から、反射光を分岐して光検出部３０へ入射させることとしたが、被測定試料５０への入射光と反射光との分離方法は、これに限られない。例えば、光ファイバ１２の構造を変えることによって、測定光と反射光とを分離させることとしてもよい。本実施の形態では、ビームスプリッタ２０に換えて、実施の形態１に係る光ファイバ１２と異なる構成の光ファイバ１２’を用いることによって、測定光の光路と反射光の光路とを分ける場合の温度測定装置１’について説明する。
　具体的には、図１１に示すように、光源１１から出射した光は光ファイバ１２’に結合され、被測定試料５０近くでコリメータ１３を通して概ね平行光とされ、被測定試料５０に照射される。反射光はコリメータ１３を介して再び光ファイバ１２’に結合され、光源１１からの光とは分離される。光ファイバ１２’により分離された反射光は、光検出部３０のフォトダイオード３１に入射される。フォトダイオード３１で発生した光電流は、電圧出力部３２によって電圧信号に変換される。電圧信号は、解析ユニット４０のアナログインタフェイス４１でデジタル信号に変換され、解析部４２に送信され、解析される。これにより、温度測定装置１’は、被測定試料５０の温度情報をリアルタイムで演算することができる。
　光ファイバ１２’を用いて測定光の出射と収集とを行う方法として、３ポートシングルモードファイバサーキュレータを用いる方法、ダブルクラッドファイバを用いる方法等が考えられる。３ポートシングルモードファイバサーキュレータを用いる方法、ダブルクラッドファイバを用いる方法は、いずれも光ファイバ１２’が高価であるので、汎用性は低い。
　本実施の形態では、複数の光ファイバを束にしたファイババンドルを用いる。これにより、より安価に測定光の出射と収集とを行うことができる。より具体的には、光源１１から被測定試料５０への入射光を通すシングルモードファイバ又は直径５０μｍ以下のマルチモードファイバと、被測定試料５０からの反射光を通すマルチモードファイバとを束ねてファイババンドルとする（図１２（Ａ））。また、シングルモードファイバ又は直径５０μｍ以下のマルチモードファイバを中心として、その周辺をマルチモードファイバで囲ったものを束にした構造のファイババンドルを光ファイバ１２’として用いることとしてもよい（図１２（Ｂ））。
　光源１１からの測定光を結合させた光ファイバ１２’はシングルモード又は直径５０μｍ以下のマルチモードファイバであり、測定光の可干渉性は保持される。光ファイバ１２’の端部から出射した測定光は、コリメータ１３で平行光となり、被測定試料５０に照射される。被測定試料５０から反射した光は、再びコリメータ１３に入射し、光ファイバ１２’の端部に集光される。反射光は、干渉性を有する必要がないので、コア径の大きいマルチモードファイバで光検出部３０へ導光することができる。
　上記のファイババンドルを用いてどの程度の信号を収集できるのかを評価するために、図１３に示す各ポイントにおける光強度を、パワーメータを用いて測定した。より具体的には、光源である赤外レーザ光をシングルモードファイバＳＭと結合させ、コリメータから出射された光をアルミミラーで反射させた光強度を図１３中の測定ポイントＰ１で測定した。また、コリメータを介して、マルチモードファイバＭＭで収集した反射光の光強度を、測定ポイントＰ２で測定した。測定ポイントＰ１の光強度に対する測定ポイントＰ２の光強度の割合によって、ファイババンドルによる反射光の集光効率を評価することができる。
　図１４は、シングルモードファイバＳＭ及びマルチモードファイバＭＭの配置が異なるファイババンドルにおける集光効率の計測結果を示す図である。図１４の縦軸のＲａｔｅ（％）は、測定ポイントＰ２の光強度を測定ポイントＰ１の光強度で除した光強度比である。図１４に示すように、ファイババンドルにおけるシングルモードファイバＳＭ及びマルチモードファイバＭＭの配置にずれが生じていたとしても、概ね６０％程度の集光効率を得ることが可能であり、温度計測において十分な光強度を得られることがわかる。
　図１５は、本例のファイババンドルを用いて、温度測定を行った場合の結果の例を示すグラフである。より具体的には、図１３のアルミミラーの位置にシリコンウエハを設置して、ハロゲンランプで加熱しつつ、反射率の測定と温度解析を実施した。図１５（Ａ）に示すように、シリコンウエハの温度変化に伴って振動する明瞭な反射率の信号を得られていることがわかる。また、図１５（Ｂ）に示すように、本例のファイババンドルを用いて、リアルタイムでの温度測定が可能であることがわかる。
　以上説明したように、本実施の形態に係る温度測定装置１’によれば、被測定試料５０に対して測定光を出射するコリメータ１３と、光検出部３０とを分離して光ファイバ１２’で接続されるように構成することができる。これにより、被測定試料５０の近傍に配置するヘッドユニットをコリメータ１３及び光ファイバ１２’の接続端部のみで構成し、小型化することができる。したがって、測定対象、測定箇所等の自由度を高めることが可能となる。
（変形例）
　上記の実施の形態１では、図１６（Ａ）に示すように、測定光を被測定試料５０の一方の面に垂直に照射し、反射光の強度変化から温度測定を行うこととしたが、これに限られない。例えば、図１６（Ｂ）に示すように、透過光の強度変化から温度測定を行うこととしてもよい。また、図１６（Ｃ）、（Ｄ）に示すように、測定光を被測定試料５０の一方の面に斜めから照射し、反射光又は透過光の強度変化から温度測定を行うこととしてもよい。これにより、光出射部１０及び光検出部３０の配置の自由度を高めることができる。
　また、実施の形態２では、測定箇所を１箇所としていたが、これに限られない。図１７に示すように、ファイババンドルの構成を変更して、測定光を複数出射させることとしてもよい。実施の形態２に係る温度測定装置１’では、ヘッドユニットを小型化することができるので、容易に複数の測定箇所の温度測定を行うことが可能となる。
　また、上記の各実施の形態に係る温度測定方法は、通常のコンピュータシステムを用いて実現可能である。例えば、上記の温度測定に係る動作を実行するためのコンピュータプログラムを、ネットワークを介して配布し、当該コンピュータプログラムをコンピュータにインストールすることにより、コンピュータ装置を上記の温度測定装置に係る解析部として機能させることができる。
　この発明は、この発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、この発明の範囲を限定するものではない。すなわち、この発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。
　本発明は、高速で被測定試料の温度分布を測定する温度測定装置に好適である。特に、短時間で急速に温度変化が生じる半導体ウエハの熱処理時の温度変化を測定する温度測定装置に好適である。
１，１’　温度測定装置、１０　光出射部、１１　光源、１２，１２’　光ファイバ、１３　コリメータ、２０　ビームスプリッタ、３０　光検出部、３１　フォトダイオード、３２　電圧出力部、４０　解析ユニット、４１　アナログインタフェイス、４２　解析部、４２１　位相演算部、４２２　光学厚み演算部、４２３　温度分布演算部、４３　記憶部、４４　表示部、４５　入力部、５０　被測定試料

Claims (7)

  1. 　可干渉性を有する測定用連続光を発生する光出射部と、
    　被測定試料に照射された前記測定用連続光の反射光又は透過光を検出する光検出部と、
    　前記光検出部で検出された前記反射光又は前記透過光の強度に基づいて前記被測定試料の温度分布を演算する解析部と、を備え、
    　前記解析部は、
    　前記反射光又は前記透過光の強度の時間変化から前記被測定試料の光学厚みを演算し、
    　温度変化時の前記被測定試料の厚み方向の屈折率分布及び前記光学厚みに基づいて、前記被測定試料の温度分布を演算する、
    　ことを特徴とする温度測定装置。
  2. 　前記解析部は、
    　温度変化時の前記被測定試料の厚み方向の屈折率分布と前記光学厚みとの関係を表す屈折率分布モデルを用いて、前記光学厚みから前記屈折率分布を演算し、
    　前記被測定試料の熱光学係数に基づいて、前記屈折率分布を温度分布に変換することにより、前記被測定試料の温度分布を演算する、
    　ことを特徴とする請求項１に記載の温度測定装置。
  3. 　前記屈折率分布モデルは、
    　前記被測定試料の熱拡散モデルに基づいて演算された厚み方向の温度分布の時間変化を、前記熱光学係数に基づいて前記屈折率分布の時間変化に換算して導出される、
    　ことを特徴とする請求項２に記載の温度測定装置。
  4. 　前記光出射部は、
    　光源と、
    　コリメータと、
    　前記光源と前記コリメータとを接続する光ファイバと、を備え、
    　前記光源は、１０ＭＨｚ以下の線幅のレーザ光を発生し、
    　前記光ファイバは、シングルモード光ファイバ又はコア径が５０μｍ以下のマルチモード光ファイバである、
    　ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の温度測定装置。
  5. 　前記光出射部は、
    　光源と、
    　コリメータと、
    　前記光源及び前記光検出部と前記コリメータとを接続する光ファイバと、を備え、
    　前記光源は、１０ＭＨｚ以下の線幅のレーザ光を発生し、
    　前記光ファイバは、シングルモード光ファイバ又はコア径が５０μｍ以下のマルチモード光ファイバと、マルチモード光ファイバとを束ねたものである、
    　ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の温度測定装置。
  6. 　被測定試料に可干渉性を有する測定用連続光を照射し、
    　前記測定用連続光の反射光又は透過光を検出し、
    　前記反射光又は前記透過光の強度の時間変化から前記被測定試料の光学厚みを演算し、
    　温度変化時の前記被測定試料の厚み方向の屈折率分布及び前記光学厚みに基づいて、前記被測定試料の温度分布を演算する、
    　ことを特徴とする温度測定方法。
  7. 　コンピュータを、
    　被測定試料に照射された可干渉性を有する測定用連続光の反射光又は透過光の強度の時間変化から前記被測定試料の光学厚みを演算し、
    　温度変化時の前記被測定試料の厚み方向の屈折率分布及び前記光学厚みに基づいて、前記被測定試料の温度分布を演算する解析部、として動作させる、
    　ことを特徴とするプログラム。
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