温度測定装置、熱処理装置及び温度測定方法
【課題】 マイクロ波を用いて被測定体の温度を測定することができる温度測定装置を提供する。
【解決手段】 被測定体Ｗに測定波を照射して表面から反射する第１の反射波Ｍ１と裏面から反射する第２の反射波Ｍ２との伝搬路差に基づいて温度を測定する温度測定装置において、マイクロ波を測定波Ｓ１と参照波Ｒ１とに分割する分割器５０と、測定波を入力する方向性結合器５２と、測定波を放射するアンテナ部４４と、参照波の位相を変化させつつ出力する位相器５４と、第１及び第２の反射波の干渉波と位相器からの位相が変化された参照波とを結合して干渉波を形成する結合器５６と、この出力を検出する電力検出部５８と、温度に対する伝搬路差の基準値を予め有すると共に、電力検出部の検出結果に基づいて被測定体の温度を求める温度演算部６０とを備える。
【解決手段】 被測定体Ｗに測定波を照射して表面から反射する第１の反射波Ｍ１と裏面から反射する第２の反射波Ｍ２との伝搬路差に基づいて温度を測定する温度測定装置において、マイクロ波を測定波Ｓ１と参照波Ｒ１とに分割する分割器５０と、測定波を入力する方向性結合器５２と、測定波を放射するアンテナ部４４と、参照波の位相を変化させつつ出力する位相器５４と、第１及び第２の反射波の干渉波と位相器からの位相が変化された参照波とを結合して干渉波を形成する結合器５６と、この出力を検出する電力検出部５８と、温度に対する伝搬路差の基準値を予め有すると共に、電力検出部の検出結果に基づいて被測定体の温度を求める温度演算部６０とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウエハ等の被処理体の温度を測定するための温度測定装置、その温度測定方法及びこれを用いた熱処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体製品の集積回路を形成するには、半導体ウエハ等の被処理体に対して、成膜処理、改質処理、酸化拡散処理、アニール処理、エッチング処理等の各種の処理が繰り返し行われる。この場合、上記した各種の処理中において、半導体ウエハ自体の温度を正確に測定し、且つこれを所望する温度に精度良く維持するようにウエハの温度管理を行うことは、形成される薄膜等の電気的特性を高く維持する上から非常に重要な事項である。
従来、処理中のウエハの温度を計測する手段としては、熱電対を用いたり、測定対象の特定波長帯域の放射輝度から温度を測定する放射温度計を用いたりする方法が存在する。この場合、接触型の熱電対を用いる場合には、これを処理容器内へ設置しなければならないことから装置構成が複雑化するので、このような問題が比較的少ない非接触型の放射温度計を用いる傾向にある。
【０００３】
ところで、この放射温度計は、比較的高温の半導体ウエハに対しては、非接触で精度良く温度を測定することができるが、比較的低温の場合、例えば４００℃以下の場合には、その特性上、温度測定が困難になってしまう。
そこで、測定対象物に対して測定光を照射してその反射光により測定対象物の温度を測定するようにした新たな温度測定方法が提案された（特許文献１）。この温度測定方法は、測定対象物の熱膨張変化や熱による屈折率変化を測定光の光路差として捉え、この光路差に基づいて測定対象物の温度を求めるようになっている。
【０００４】
この点について説明する。図１０は測定光を用いた従来の温度測定装置を示す概略構成図である。図示するように、この温度測定装置では、光源であるＳＬＤ（Ｓｕｐｅｒ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ Ｄｉｏｄｅ）２から発するコヒーレント光を２×２光ファイバカプラ４にて２分割し、分割した一方の光を測定光としてコリメータ６より測定対象の半導体ウエハＷに向けて照射し、ウエハ表面で反射した反射光Ｌ１とウエハ内に侵入してその裏面で反射した反射光Ｌ２とを上記コリメータ６で受ける。
【０００５】
また分割した他方の光は参照光として別のコリメータ８より参照ミラー１０に向けて照射し、この反射光を上記コリメータ８で受ける。この参照ミラー１０は、例えばボイスコイルモータ１２により光軸方向に沿って微小位置調整可能になされており、光路長を変えられるようになっている。そして、上記カプラ４からの戻り光は光検出器（Ｐｈｏｔｏ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）１４にて検出されることになる。これにより、上記ウエハＷからの２つの反射光Ｌ１、Ｌ２の光路差は、温度に依存して変化するウエハの屈折率の変化量と熱膨張量とに依存して変化して両反射光Ｌ１、Ｌ２の位相差となって現れ、この位相差を上記参照ミラー１０側からの反射波により測定することにより、ウエハ温度を算出するようになっている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−３０７４５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記したような従来の温度測定装置にあっては、参照光を用いることから参照ミラー１０やボイスコイルモータ１２といった付属設備を設ける必要があることから、装置自体が大型化して設備コストが上昇するのみならず、上記ボイスコイルモータ１２の変動位置精度も高い精度が要求されることから、設備コストの高騰を一層招くことになる。
更に、上記ボイスコイルモータ１２は、機械的駆動要素を含んでいることから、経年変化の程度も大きく、その分、メンテナンスも煩雑になる、といった問題があった。特に、半導体集積回路の製造工程におけるプロセス温度が、例えば４００℃以下に低温化する傾向にある今日において、上記した問題点の早期の解決が望まれている。
【０００８】
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、マイクロ波を用いて被測定体の温度を測定することにより、設備コストを抑制し、且つ装置も小型化することができる温度測定装置、熱処理装置及び温度測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に係る発明は、所定の厚さを有する被測定体に測定波を照射して前記被測定体の表面から反射する第１の反射波と前記被測定体内を通って裏面から反射する第２の反射波との伝搬路差に基づいて前記被測定体の温度を測定する温度測定装置において、マイクロ波を出力するマイクロ波発生器と、前記マイクロ波を測定波と参照波とに分割する分割器と、前記分割器に接続されて前記測定波を入力する方向性結合器と、前記方向性結合器に接続されて前記被測定体に対して前記測定波を放射するアンテナ部と、前記分割器に接続されて前記参照波を入力してその位相を連続的に変化させつつ出力する位相器と、前記方向性結合器を介して出力される前記第１及び第２の反射波の干渉波と前記位相器からの位相が連続的に変化された参照波とを結合して干渉波を形成する結合器と、前記結合器からの出力を検出する電力検出部と、温度に対する伝搬路差の基準値を予め有すると共に、前記電力検出部の検出結果に基づいて前記被測定体の温度を求める温度演算部と、を備えたことを特徴とする温度測定装置である。
【００１０】
請求項２に係る発明は、所定の厚さを有する被測定体に測定波を照射して前記被測定体の表面から反射する第１の反射波と前記被測定体内を通って裏面から反射する第２の反射波との伝搬路差に基づいて前記被測定体の温度を測定する温度測定装置において、マイクロ波を出力するマイクロ波発生器と、前記マイクロ波を測定波と参照波とに分割する分割器と、前記分割器に接続されて前記測定波を入力する方向性結合器と、前記方向性結合器に接続されて前記被測定体に対して前記測定波を放射するアンテナ部と、前記分割器に接続されて前記参照波を入力してその位相を連続的に変化させつつ出力する位相器と、前記方向性結合器を介して出力される前記第１及び第２の反射波の干渉波と前記位相器からの位相が連続的に変化された参照波との位相を比較する位相比較器と、温度に対する伝搬路差の基準値を予め有すると共に、前記位相比較器の比較結果に基づいて前記被測定体の温度を求める温度演算部と、を備えたことを特徴とする温度測定装置である。
【００１１】
このように、マイクロ波を用いて測定波と参照波を形成し、上記測定波を被測定体に照射した時の第１及び第２の反射波の位相差（伝搬路差）を、上記位相が連続的に変えられる参照波を用いて検出し、この検出結果に基づいて被測定体の温度を求めるようにしたので、従来装置で用いていた参照ミラーやボイスコイルモータ等を不要にでき、装置自体を小型化してその設備コストを大幅に削減することができる。
また機械的駆動要素を含まないことから、経年変化も少なく、且つメンテナンスも容易化することができる。
【００１２】
この場合、例えば請求項３に規定するように、前記アンテナ部は、高指向性のアンテナよりなる。
また例えば請求項４に規定するように、前記アンテナ部は、パッチアンテナまたは八木アンテナよりなる。
請求項５に係る発明は、所定の厚さを有する被処理体に対して所定の熱処理を施す熱処理装置において、前記被処理体を収容するために排気可能になされた筒体状の処理容器と、前記被処理体を載置するための載置台と、前記被処理体を加熱するための加熱手段と、前記処理容器内へ所定のガスを供給するためのガス供給手段と、前記処理容器の天井部に設けられてマイクロ波に対して透過性を有するマイクロ波導入窓と、前記処理容器内へ測定波を導入するために設けられた請求項１乃至４のいずれかに記載の温度測定装置と、装置全体の動作を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする熱処理装置である。
【００１３】
請求項６に係る発明は、所定の厚さを有する被測定体に測定波を照射して前記被測定体の表面から反射する第１の反射波と前記被測定体内を通って裏面から反射する第２の反射波との伝搬路差に基づいて前記被測定体の温度を測定するようにした温度測定方法において、マイクロ波を測定波と参照波とに分割して前記参照波の位相を連続的に変化させると共に、前記測定波を前記被処理体に照射し、前記被測定体より反射する第１及び第２の反射波の干渉波と前記位相が連続的に変化された参照波とを干渉させて、該干渉結果を測定することによって前記被測定体の温度を求めるようにしたことを特徴とする温度測定方法である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の温度測定装置、熱処理装置及び温度測定方法によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
マイクロ波を用いて測定波と参照波を形成し、上記測定波を被測定体に照射した時の第１及び第２の反射波の位相差（伝搬路差）を、上記位相が連続的に変えられる参照波を用いて検出し、この検出結果に基づいて被測定体の温度を求めるようにしたので、従来装置で用いていた参照ミラーやボイスコイルモータ等を不要にでき、装置自体を小型化してその設備コストを大幅に削減することができる。
また機械的駆動要素を含まないことから、経年変化も少なく、且つメンテナンスも容易化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、本発明に係る温度測定装置、熱処理装置及び温度測定方法の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明に係る熱処理装置の一例を示す概略構成図、図２は本発明に係る温度測定装置の第１実施例を示すブロック構成図、図３はアンテナ部を示す平面図、図４はアンテナ部を示す側面図、図５は被測定体の温度と伝搬路差との関係を示すグラフ、図６は第１及び第２の反射波が相互に干渉した時の状態を示す波形の模式図である。
【００１６】
まず、図１を参照して本発明に係る熱処理装置について説明する。この熱処理装置１４は、例えば耐食アルミニウムよりなる筒体状の処理容器１６を有している。この処理容器１６内には容器底部より起立させて載置台１８が設けられており、この載置台１８上に所定の厚さを有する被処理体である円板状の半導体ウエハＷが載置される。この載置台１８には、ウエハＷを加熱するための加熱手段として例えば抵抗ヒータ２０が設けられており、ウエハＷを所定の温度に維持するようになっている。尚、上記加熱手段として加熱ランプを用いる場合もある。またこの載置台１８には、ウエハＷを搬出入する際にこのウエハＷを昇降させる昇降ピン（図示せず）が設けられる。
【００１７】
この処理容器１６の側壁には、上記ウエハＷを処理容器１６内へ搬出入させる際に開閉させるゲートバルブ２２が設けられる。またこの処理容器１６の側壁には、この処理容器１６内へ熱処理に必要なガスを供給するためのガス供給手段としてガスノズル２４が設けられており、上記ガスを図示しないマスフローコントローラのような流量制御器により流量制御しつつ供給できるようになっている。このガスノズル２４は、供給するガスの種類に応じて複数個設けることができる。また、このガス供給手段として、上記ガスノズルに替えて、多数のガス噴射孔を有するシャワーヘッドを容器内の天井部近傍に設けるようにしてもよい。
【００１８】
また処理容器１６の底部には、容器内の雰囲気を排気するための排気口２６が設けられている。この排気口２６には、途中に圧力調整弁２８や排気ポンプ３０等が介設された排気系３２が接続されており、上記処理容器１６内の雰囲気を排気できるようになっている。この場合、ウエハの処理態様に応じて、処理容器１６内は真空雰囲気になされたり、常圧程度の雰囲気になされたりする。また後述する温度測定装置を含むこの熱処理装置１４の全体の動作は、例えばマイクロコンピュータ等よりなる制御手段３４により制御される。
【００１９】
またこの処理容器１６の天井部にはマイクロ波導入口３６が形成されており、このマイクロ波導入口３６に、Ｏリング等のシール部材３８を介してマイクロ波に対して透過性を有するマイクロ波導入窓４０が気密に設けられている。このマイクロ波導入窓４０は、その比誘電率が既知の例えば石英ガラスよりなる。この場合、上記マイクロ波導入窓４０は、その垂直方向下方に上記ウエハＷを臨むような位置に設けられている。
そして、マイクロ波導入窓４０の外側に、アンテナ部４４を含む本発明に係る温度測定装置４２が設けられる。この温度測定装置４２は、装置本体４６と上記アンテナ部４４とよりなる。また上記マイクロ波導入口３６、マイクロ波導入窓４０を処理容器１６の底部に設けてもよい。この場合は、載置台１８に孔を設けて、ウエハ裏面からウエハ温度を測定することになる。このようにすれば、熱処理時の処理ガスなどによる影響を排除することができる。
【００２０】
＜第１実施例＞
次に、図２〜図４も参照して上記温度測定装置４２の第１実施例について説明する。
図２に示すように、この温度測定装置４２は、例えば０．５〜５０００ＧＨｚ程度のマイクロ波帯域内の特定の周波数のマイクロ波を発生して出力するマイクロ波発生器４８と、発生したマイクロ波を２つに分割して測定波Ｓ１と参照波Ｒ１とを形成する分割器（ｄｅｖｉｄｅｒ）５０と、上記分割器５０に接続されて上記測定波Ｓ１を入力する方向性結合器５２と、上記方向性結合器５２に接続されて被測定体である半導体ウエハＷに対して上記測定波Ｓ１を照射するアンテナ部４４と、上記分割器５０に接続されて、これより出力される上記参照波Ｒ１を入力してこの位相を連続的に変化させつつ出力する位相器（ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔｅｒ）５４と、この位相器５４と上記方向性結合器５２とに接続されて、上記位相が変化された参照波Ｒ１と上記ウエハＷからの反射波とを結合して干渉させる結合器（ｃｏｕｐｌｅｒ）５６と、この結合器５６から出力される干渉波の電力を検出する電力検出部５８と、この電力検出部５８の検出結果に基づいて上記被測定体であるウエハＷの温度を求める例えばマイクロコンピュータ等よりなる温度演算部６０とにより主に構成されている。尚、上記マイクロ波は、それぞれ同軸線のようなケーブルを用いて伝搬される。
【００２１】
具体的には、上記マイクロ波発生器４８からは例えば１０ＧＨｚのマイクロ波が出力され、このマイクロ波を分割器５０で測定波Ｓ１と参照波Ｒ１とに２つに分割する。上記方向性結合器５２は、進行波である測定波Ｓ１をアンテナ部４４に向けて出力し、アンテナ部４４から反射してくる反射波は上記結合器５６に向けて出力する。この方向性結合器５２としては、例えば２孔形方向性結合器、多孔形方向性結合器、ベーテ孔方向性結合器、ループ方向性結合器等を用いることができる。
上記アンテナ部４４は、例えば後述するように高指向性を有するパッチアンテナ等を用いることができ、このアンテナ部４４にコネクタ４４Ａを介して測定波Ｓ１が入力される。このアンテナ部４４は、図１に示すようにマイクロ波導入窓４０の直上に取り付け固定され、処理容器１６内のウエハＷに向けてマイクロ波を測定波として照射するようになっている。
【００２２】
ここで図３及び図４を参照して、上記アンテナ部４４の一例を説明する。図３及び図４はパッチアンテナを示しており、長方形状に成形された例えばガラスエポキシ基板６２上に、複数の正方形状の銅パターン６４を所定のピッチで複数個、例えばｎ個（ｎ：正数）直列状に配置して設け、各銅パターン６４を、その側方に設けた銅製の配線ライン６６で接続して形成している。そして、上記配線ライン６６の長さ方向の略中央部にコネクタ４４Ａを設け、ここに測定波Ｓ１を給電するようになっている。この場合、各銅パターン６４のピッチＰ１は、マイクロ波である測定波Ｓ１のガラスエポキシ基板６２中の波長λｇと等しくし、また各銅パターン６４の縦横の長さをそれぞれλｇ／２とする。ここで波長λｇは以下のようになる。
【００２３】
λｇ＝λ・１／√ε
λ：測定波Ｓ１の真空中の波長
ε：ガラスエポキシ樹脂の比誘電率
ここでマイクロ波の周波数を１０ＧＨｚと仮定すると、ガラスエポキシ樹脂の比誘電率は４．２であるから波長λｇは以上のようになる。
λｇ＝２．９９８×１０８ ×１０２ ／（１０×１０９ ×√４．２）
≒１．４６３ｃｍ
これにより、紙面垂直方向（Ｚ方向）よりもｘ−ｙ方向の指向性を向上させることができ、特にｙ方向（図中、右方向）の指向性をｎ倍向上させることができる。
【００２４】
ここで、図２へ戻って、上記のように構成したアンテナ部４４より放射されたマイクロ波よりなる測定波により、ウエハＷの表面で反射する第１の反射波Ｍ１と、ウエハＷ内を厚さ方向へ通ってその裏面から反射する第２の反射波Ｍ２とが形成され、両反射波Ｍ１、Ｍ２がアンテナ部４４に戻り、更に先の方向性結合器５２に向けて戻って行く。ここで上記第１と第２の反射波Ｍ１、Ｍ２との間には、上記半導体ウエハＷの厚さの２倍の長さに相当する電磁的な伝搬路差が生じ、この場合、第１と第２の反射波Ｍ１、Ｍ２との間には、上記伝搬路差に相当する位相差が生ずることになる。
【００２５】
従って、両反射波Ｍ１、Ｍ２が結合した干渉波には、伝搬路差に相当する位相差でピークが生ずることになる。ここで注意されたい点は、上記ウエハは例えばシリコン基板よりなり、温度に応じてその厚さが線膨張係数に従って熱膨張し、また温度に応じて屈折率も変化するのでウエハ伝搬中のマイクロ波の波長も変化する。また、シリコンウエハの比誘電率に応じて、ウエハ伝搬中のマイクロ波の波長が短縮される。従って、上記伝搬路差とは、上記したように温度に依存して変化する実効的な伝搬路差を指す。すなわち、ウエハＷは温度変化に応じてその厚さやマイクロ波に対する屈折率が変化するので、その変動量に応じて上記実効的な伝搬路差（ウエハの厚さの２倍に対応）も変動することになり、結果的にウエハ温度と実効的な伝搬路差とは相関関係を有することになる。
【００２６】
また上記結合器５６は、例えばウィルキンソンカプラ等を用いることができ、この結合器５６では上記方向性結合器５２より伝搬されてくる上記第１及び第２の反射波Ｍ１、Ｍ２の干渉波Ｘ１と、上記位相器５４より伝搬されてくる位相が連続的に変化される参照波Ｒ１とを結合して干渉させ、干渉波Ｘ２を出力する。上記電力検出部５８は、例えばダイオード検出器よりなり、上記干渉波Ｘ２の電力を検出する。
上記温度演算部６０では、予め求められた上記ウエハＷの温度に対する伝搬路差の基準値が図示しないＲＯＭ等の記憶部に予め記憶されている。そして、この基準値と上記電力検出部５８での検出結果とに基づいてウエハ温度を算出するようになっている。図５は被処理体の温度と伝搬路差（実効値）との関係を示しており、例えばこのグラフが予め実測で求められて、この結果が、上記温度演算部６０の記憶部に記憶されている。
【００２７】
このグラフは、このグラフ全体を記憶しなくても、特定の温度、例えばウエハ温度４０℃の時の伝搬路差を予め求めて記憶し、この４０℃の時の値を基準として、ウエハＷを構成する材料、例えばシリコンの線膨張係数（既知）及び温度に対する屈折率の変化量（既知）より演算によって上記図５に示す特性を求めるようにしてもよい。いずれにしても、ウエハの熱処理時の伝搬路差を求めることにより、図５に示すグラフを参照してその時のウエハ温度を演算で求めることができるようになっている。
【００２８】
次に、以上のように構成された熱処理装置及び温度測定装置の動作について説明する。
まず、図１において、例えば半導体ウエハＷ上にＣＶＤ等により成膜処理する場合には、ウエハＷを載置台１８上に載置した状態で、加熱手段２０でウエハＷを所定の温度に加熱昇温すると共に、ガス供給手段のガスノズル２４より所定の成膜ガスを処理容器１６内へ供給する。そして、排気系３２も同時に駆動してこの処理容器１６内を所定のプロセス圧力に維持し、ウエハＷ上に所定の薄膜を堆積させる。この成膜処理中においては、温度測定装置４２が動作してウエハＷの温度が検出されており、この検出値に基づいて、制御手段３４は加熱手段２０を制御して、ウエハＷの温度を所定のプロセス温度に維持する。
【００２９】
次に、上記プロセス中のウエハ温度の測定動作について、図２から図６も参照して説明する。
図２に示すように、マイクロ波発生器４８からは、例えば１０ＧＨｚのマイクロ波が伝搬されて、このマイクロ波が分割器５０にて測定波Ｓ１と参照波Ｒ１とに２つに分割される。上記測定波Ｓ１は、図３及び図４に示すように構成されたアンテナ部４４へ伝搬されて、このアンテナ部４４から高い指向性を持って照射され、この照射されたマイクロ波はマイクロ波導入窓４０（図１参照）を透過して載置台１８上のウエハＷに垂直方向から入射し、そして、ウエハＷの表面からは第１の反射波Ｍ１が反射し、裏面からは第２の反射波Ｍ２が反射する。この両反射波Ｍ１、Ｍ２は干渉波Ｘ１となって元の経路を戻り、アンテナ部４４及び方向性結合器５２を介して結合器５６に伝搬される。
【００３０】
一方、分割器５０より出力された参照波Ｒ１は、位相器５４にて、その位相が変化しつつ出力されて上記結合器５６へ入力されている。そして、この結合器５６にて上記干渉波Ｘ１と位相が変化しつつ入力された参照波Ｒ１とが干渉するように結合されてその干渉波Ｘ２が出力される。この結合器５６より出力された上記干渉波Ｘ２はその電力が電力検出部５８によって検出され、この検出結果に基づいて温度演算部６０では、ウエハ温度が演算により求められることになる。
ここで、第１及び第２の反射波Ｍ１、Ｍ２と干渉波Ｘ１との関係を説明すると、図６（Ａ）に示すように、第２の反射波Ｍ２の電力のピークは、第１の反射波Ｍ１の電力のピークに対して、ウエハＷの厚さの往復に伴って発生する搬送路差ΔＨ（実効値）に相当する遅れが生ずる。この時の例えば第１の反射波Ｍ１のピーク間の距離（波長）Ｈは、マイクロ波の周波数を１０ＧＨｚと仮定したならば、１．４６３ｃｍに対応することになる。
【００３１】
前述したように、この搬送路差ΔＨの大きさは、ウエハＷが線膨張係数に従って熱膨張し、且つ温度に依存してその屈折率が変化することから、ウエハ温度に依存して変動している。この時の両反射波Ｍ１、Ｍ２の干渉波Ｘ１は図６（Ｂ）に示されている。そして、上記干渉波Ｘ１に表されている搬送路差ΔＨは、その位相が変化しつつ供給される参照波Ｒ１によって検出されることになる。すなわち、上記干渉波Ｘ１にその位相が変化する参照波Ｒ１を結合器５６にて干渉させると、その位相が合致した所では電力検出部５８の出力がピークを示すので、そのピーク点を検出すれば搬送路差ΔＨを求めることができる。そして、得られた搬送路差ΔＨに基づいて、図５に示すグラフを参照することにより、演算でその時のウエハ温度を求めることができる。
【００３２】
この場合、測定波Ｓ１の波長が１．４６３ｃｍであるのに対して、ウエハＷの厚さは一般的には０．７ｍｍ程度なので、十分に波長の方が長く、その厚さ変動（搬送路差の変動）を測定することができる。またこの場合、周波数の上限は、０．７ｍｍの２倍程度の波長でよく、１００ＧＨｚ程度である。
このように、マイクロ波を用いて測定波と参照波を形成し、上記測定波Ｓ１を被測定体に照射した時の第１及び第２の反射波Ｍ１、Ｍ２の位相差（伝搬路差）を、上記位相が連続的に変えられる参照波Ｒ１を用いて検出し、この検出結果に基づいて被測定体の温度を求めるようにしたので、従来装置で用いていた参照ミラーやボイスコイルモータ等を不要にでき、装置自体を小型化してその設備コストを大幅に削減することができる。また機械的駆動要素を含まないことから、経年変化も少なく、且つメンテナンスも容易化することができる。
【００３３】
また温度測定に当たっては、予め処理すべき各ウエハの特定温度、例えば４０℃における搬送路差（実効値）を測定して求めて記憶するようにしてもよいし、ウエハＷの厚さ精度が非常に高い場合には、代表として１枚のウエハの搬送路差（実効値）を測定して求めて記憶し、これを基準として用いるようにしてもよい。
【００３４】
＜実施例２＞
次に本発明の温度測定装置の第２実施例について説明する。
図７は本発明に係る温度測定装置の第２実施例を示すブロック構成図である。尚、図２に示す構成部分と同一構成部分については同一符号を付してその説明を省略する。
ここでは図２に示す装置で用いた結合器５６及び電力検出部５８に替えて、位相比較器７０を設けている。この位相比較器７０では第１及び第２の反射波Ｍ１、Ｍ２の干渉波Ｘ１と、位相器５４から伝搬される位相が連続的に変化された参照波Ｒ１との位相を比較し、その比較結果を上記温度演算部６０へ向けて出力するようになっている。上記位相比較器７０では、位相の比較結果が電圧の高低として出力され、位相が一致すると高い出力がなされる。すなわち、位相のずれ量が電圧の変化として出力される。このような位相比較器７０としては、例えばチャージポンプ回路等を用いることができる。
【００３５】
この第２実施例の場合にも、先に説明した第１実施例と同様な作用効果を発揮することができる。また、この第２実施例では第１実施例の場合よりも装置構成部品を１つ減らすことができるので、その分、装置コストを更に低減することができる。
【００３６】
上記第１及び第２実施例では、アンテナ部４４として例えばパッチアンテナを用いた場合を例にとって説明したが、これに限定されず、他の高指向性アンテナを用いてもよい。このような他のアンテナとして例えば図８に示すような八木アンテナを用いることができる。この八木アンテナは、長方形状になされた例えばガラスエポキシ基板７２の上面に、複数の短冊状の銅パターン７４を互いに並列となるように一方向に向けて配置している。この場合、図中最も左側の銅パターン７４Ａの長さＹ１を、測定波Ｓ１のガラスエポキシ基板７２中の波長λｇの１／２よりも少し大きく設定し（Ｙ１＞λｇ／２）、マイクロ波を反射する反射板として機能させる。この銅パターン７４Ａの右隣りの銅パターン７４Ｂの長さＹ２はλｇ／２とする。更に、これより右側の銅パターン７４の長さはλｇ／２より小さく、且つ右側へ行くに従って徐々にその長さが短くなされている。また、各銅パターン７４間のピッチＰ２はλｇとする。これにより、図中、右方向へ高い指向性を発揮することができる。
【００３７】
また、コネクタ４４Ａを接続する銅パターンは、上記反射板の機能を有する銅パターン７４Ａの１つ右隣りの銅パターンとし、更に、その給電点は、短冊状の銅パターンの長さ方向の中心点よりもλｇ／４だけオフセットした位置とする。その理由は、図９に示すように、定在波の発生時は、電流分布と電圧分布とがλｇ／４だけ位相がずれ、その結果、もし長さ方向の中心へ給電を行うと、電圧”ゼロ”の点が給電点となって電流を供給できなくなるからである。
尚、ここでは熱処理として成膜装置を例にとって説明したが、これに限定されず、改質処理、酸化拡散処理、アニール処理、エッチング処理等のウエハ温度を管理する必要がある全ての処理に対して本発明を適用することができる。
また、ここでは被処理体及び被測定体として半導体ウエハを例にとって説明したが、これに限定されず、ガラス基板、ＬＣＤ基板、セラミックス基板等にも本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に係る熱処理装置の一例を示す概略構成図である。
【図２】本発明に係る温度測定装置の第１実施例を示すブロック構成図である。
【図３】アンテナ部を示す平面図である。
【図４】アンテナ部を示す側面図である。
【図５】被測定体の温度と伝搬路差との関係を示すグラフである。
【図６】第１及び第２の反射波が相互に干渉した時の状態を示す波形の模式図である。
【図７】本発明に係る温度測定装置の第２実施例を示すブロック構成図である。
【図８】八木アンテナを示す構成図である。
【図９】八木アンテナに定在波がたった時の電流と電圧の分布の関係を示す図である。
【図１０】測定光を用いた従来の温度測定装置を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００３９】
１４ 熱処理装置
１６ 処理容器
１８ 載置台
２０ 加熱ヒータ（加熱手段）
２４ ガスノズル（ガス供給手段）
３４ 制御手段
４０ マイクロ波導入窓
４２ 温度測定装置
４４ アンテナ部
４８ マイクロ波発生器
５０ 分割器
５２ 方向性結合器
５４ 位相器
５６ 結合器
５８ 電力検出部
６０ 温度演算部
７０ 位相比較器
Ｒ１ 参照波
Ｓ１ 測定波
Ｍ１ 第１の反射波
Ｍ２ 第２の反射波
Ｘ１，Ｘ２ 干渉波
Ｗ 半導体ウエハ（被測定体，被処理体）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウエハ等の被処理体の温度を測定するための温度測定装置、その温度測定方法及びこれを用いた熱処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体製品の集積回路を形成するには、半導体ウエハ等の被処理体に対して、成膜処理、改質処理、酸化拡散処理、アニール処理、エッチング処理等の各種の処理が繰り返し行われる。この場合、上記した各種の処理中において、半導体ウエハ自体の温度を正確に測定し、且つこれを所望する温度に精度良く維持するようにウエハの温度管理を行うことは、形成される薄膜等の電気的特性を高く維持する上から非常に重要な事項である。
従来、処理中のウエハの温度を計測する手段としては、熱電対を用いたり、測定対象の特定波長帯域の放射輝度から温度を測定する放射温度計を用いたりする方法が存在する。この場合、接触型の熱電対を用いる場合には、これを処理容器内へ設置しなければならないことから装置構成が複雑化するので、このような問題が比較的少ない非接触型の放射温度計を用いる傾向にある。
【０００３】
ところで、この放射温度計は、比較的高温の半導体ウエハに対しては、非接触で精度良く温度を測定することができるが、比較的低温の場合、例えば４００℃以下の場合には、その特性上、温度測定が困難になってしまう。
そこで、測定対象物に対して測定光を照射してその反射光により測定対象物の温度を測定するようにした新たな温度測定方法が提案された（特許文献１）。この温度測定方法は、測定対象物の熱膨張変化や熱による屈折率変化を測定光の光路差として捉え、この光路差に基づいて測定対象物の温度を求めるようになっている。
【０００４】
この点について説明する。図１０は測定光を用いた従来の温度測定装置を示す概略構成図である。図示するように、この温度測定装置では、光源であるＳＬＤ（Ｓｕｐｅｒ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ Ｄｉｏｄｅ）２から発するコヒーレント光を２×２光ファイバカプラ４にて２分割し、分割した一方の光を測定光としてコリメータ６より測定対象の半導体ウエハＷに向けて照射し、ウエハ表面で反射した反射光Ｌ１とウエハ内に侵入してその裏面で反射した反射光Ｌ２とを上記コリメータ６で受ける。
【０００５】
また分割した他方の光は参照光として別のコリメータ８より参照ミラー１０に向けて照射し、この反射光を上記コリメータ８で受ける。この参照ミラー１０は、例えばボイスコイルモータ１２により光軸方向に沿って微小位置調整可能になされており、光路長を変えられるようになっている。そして、上記カプラ４からの戻り光は光検出器（Ｐｈｏｔｏ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）１４にて検出されることになる。これにより、上記ウエハＷからの２つの反射光Ｌ１、Ｌ２の光路差は、温度に依存して変化するウエハの屈折率の変化量と熱膨張量とに依存して変化して両反射光Ｌ１、Ｌ２の位相差となって現れ、この位相差を上記参照ミラー１０側からの反射波により測定することにより、ウエハ温度を算出するようになっている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−３０７４５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記したような従来の温度測定装置にあっては、参照光を用いることから参照ミラー１０やボイスコイルモータ１２といった付属設備を設ける必要があることから、装置自体が大型化して設備コストが上昇するのみならず、上記ボイスコイルモータ１２の変動位置精度も高い精度が要求されることから、設備コストの高騰を一層招くことになる。
更に、上記ボイスコイルモータ１２は、機械的駆動要素を含んでいることから、経年変化の程度も大きく、その分、メンテナンスも煩雑になる、といった問題があった。特に、半導体集積回路の製造工程におけるプロセス温度が、例えば４００℃以下に低温化する傾向にある今日において、上記した問題点の早期の解決が望まれている。
【０００８】
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、マイクロ波を用いて被測定体の温度を測定することにより、設備コストを抑制し、且つ装置も小型化することができる温度測定装置、熱処理装置及び温度測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に係る発明は、所定の厚さを有する被測定体に測定波を照射して前記被測定体の表面から反射する第１の反射波と前記被測定体内を通って裏面から反射する第２の反射波との伝搬路差に基づいて前記被測定体の温度を測定する温度測定装置において、マイクロ波を出力するマイクロ波発生器と、前記マイクロ波を測定波と参照波とに分割する分割器と、前記分割器に接続されて前記測定波を入力する方向性結合器と、前記方向性結合器に接続されて前記被測定体に対して前記測定波を放射するアンテナ部と、前記分割器に接続されて前記参照波を入力してその位相を連続的に変化させつつ出力する位相器と、前記方向性結合器を介して出力される前記第１及び第２の反射波の干渉波と前記位相器からの位相が連続的に変化された参照波とを結合して干渉波を形成する結合器と、前記結合器からの出力を検出する電力検出部と、温度に対する伝搬路差の基準値を予め有すると共に、前記電力検出部の検出結果に基づいて前記被測定体の温度を求める温度演算部と、を備えたことを特徴とする温度測定装置である。
【００１０】
請求項２に係る発明は、所定の厚さを有する被測定体に測定波を照射して前記被測定体の表面から反射する第１の反射波と前記被測定体内を通って裏面から反射する第２の反射波との伝搬路差に基づいて前記被測定体の温度を測定する温度測定装置において、マイクロ波を出力するマイクロ波発生器と、前記マイクロ波を測定波と参照波とに分割する分割器と、前記分割器に接続されて前記測定波を入力する方向性結合器と、前記方向性結合器に接続されて前記被測定体に対して前記測定波を放射するアンテナ部と、前記分割器に接続されて前記参照波を入力してその位相を連続的に変化させつつ出力する位相器と、前記方向性結合器を介して出力される前記第１及び第２の反射波の干渉波と前記位相器からの位相が連続的に変化された参照波との位相を比較する位相比較器と、温度に対する伝搬路差の基準値を予め有すると共に、前記位相比較器の比較結果に基づいて前記被測定体の温度を求める温度演算部と、を備えたことを特徴とする温度測定装置である。
【００１１】
このように、マイクロ波を用いて測定波と参照波を形成し、上記測定波を被測定体に照射した時の第１及び第２の反射波の位相差（伝搬路差）を、上記位相が連続的に変えられる参照波を用いて検出し、この検出結果に基づいて被測定体の温度を求めるようにしたので、従来装置で用いていた参照ミラーやボイスコイルモータ等を不要にでき、装置自体を小型化してその設備コストを大幅に削減することができる。
また機械的駆動要素を含まないことから、経年変化も少なく、且つメンテナンスも容易化することができる。
【００１２】
この場合、例えば請求項３に規定するように、前記アンテナ部は、高指向性のアンテナよりなる。
また例えば請求項４に規定するように、前記アンテナ部は、パッチアンテナまたは八木アンテナよりなる。
請求項５に係る発明は、所定の厚さを有する被処理体に対して所定の熱処理を施す熱処理装置において、前記被処理体を収容するために排気可能になされた筒体状の処理容器と、前記被処理体を載置するための載置台と、前記被処理体を加熱するための加熱手段と、前記処理容器内へ所定のガスを供給するためのガス供給手段と、前記処理容器の天井部に設けられてマイクロ波に対して透過性を有するマイクロ波導入窓と、前記処理容器内へ測定波を導入するために設けられた請求項１乃至４のいずれかに記載の温度測定装置と、装置全体の動作を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする熱処理装置である。
【００１３】
請求項６に係る発明は、所定の厚さを有する被測定体に測定波を照射して前記被測定体の表面から反射する第１の反射波と前記被測定体内を通って裏面から反射する第２の反射波との伝搬路差に基づいて前記被測定体の温度を測定するようにした温度測定方法において、マイクロ波を測定波と参照波とに分割して前記参照波の位相を連続的に変化させると共に、前記測定波を前記被処理体に照射し、前記被測定体より反射する第１及び第２の反射波の干渉波と前記位相が連続的に変化された参照波とを干渉させて、該干渉結果を測定することによって前記被測定体の温度を求めるようにしたことを特徴とする温度測定方法である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の温度測定装置、熱処理装置及び温度測定方法によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
マイクロ波を用いて測定波と参照波を形成し、上記測定波を被測定体に照射した時の第１及び第２の反射波の位相差（伝搬路差）を、上記位相が連続的に変えられる参照波を用いて検出し、この検出結果に基づいて被測定体の温度を求めるようにしたので、従来装置で用いていた参照ミラーやボイスコイルモータ等を不要にでき、装置自体を小型化してその設備コストを大幅に削減することができる。
また機械的駆動要素を含まないことから、経年変化も少なく、且つメンテナンスも容易化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、本発明に係る温度測定装置、熱処理装置及び温度測定方法の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明に係る熱処理装置の一例を示す概略構成図、図２は本発明に係る温度測定装置の第１実施例を示すブロック構成図、図３はアンテナ部を示す平面図、図４はアンテナ部を示す側面図、図５は被測定体の温度と伝搬路差との関係を示すグラフ、図６は第１及び第２の反射波が相互に干渉した時の状態を示す波形の模式図である。
【００１６】
まず、図１を参照して本発明に係る熱処理装置について説明する。この熱処理装置１４は、例えば耐食アルミニウムよりなる筒体状の処理容器１６を有している。この処理容器１６内には容器底部より起立させて載置台１８が設けられており、この載置台１８上に所定の厚さを有する被処理体である円板状の半導体ウエハＷが載置される。この載置台１８には、ウエハＷを加熱するための加熱手段として例えば抵抗ヒータ２０が設けられており、ウエハＷを所定の温度に維持するようになっている。尚、上記加熱手段として加熱ランプを用いる場合もある。またこの載置台１８には、ウエハＷを搬出入する際にこのウエハＷを昇降させる昇降ピン（図示せず）が設けられる。
【００１７】
この処理容器１６の側壁には、上記ウエハＷを処理容器１６内へ搬出入させる際に開閉させるゲートバルブ２２が設けられる。またこの処理容器１６の側壁には、この処理容器１６内へ熱処理に必要なガスを供給するためのガス供給手段としてガスノズル２４が設けられており、上記ガスを図示しないマスフローコントローラのような流量制御器により流量制御しつつ供給できるようになっている。このガスノズル２４は、供給するガスの種類に応じて複数個設けることができる。また、このガス供給手段として、上記ガスノズルに替えて、多数のガス噴射孔を有するシャワーヘッドを容器内の天井部近傍に設けるようにしてもよい。
【００１８】
また処理容器１６の底部には、容器内の雰囲気を排気するための排気口２６が設けられている。この排気口２６には、途中に圧力調整弁２８や排気ポンプ３０等が介設された排気系３２が接続されており、上記処理容器１６内の雰囲気を排気できるようになっている。この場合、ウエハの処理態様に応じて、処理容器１６内は真空雰囲気になされたり、常圧程度の雰囲気になされたりする。また後述する温度測定装置を含むこの熱処理装置１４の全体の動作は、例えばマイクロコンピュータ等よりなる制御手段３４により制御される。
【００１９】
またこの処理容器１６の天井部にはマイクロ波導入口３６が形成されており、このマイクロ波導入口３６に、Ｏリング等のシール部材３８を介してマイクロ波に対して透過性を有するマイクロ波導入窓４０が気密に設けられている。このマイクロ波導入窓４０は、その比誘電率が既知の例えば石英ガラスよりなる。この場合、上記マイクロ波導入窓４０は、その垂直方向下方に上記ウエハＷを臨むような位置に設けられている。
そして、マイクロ波導入窓４０の外側に、アンテナ部４４を含む本発明に係る温度測定装置４２が設けられる。この温度測定装置４２は、装置本体４６と上記アンテナ部４４とよりなる。また上記マイクロ波導入口３６、マイクロ波導入窓４０を処理容器１６の底部に設けてもよい。この場合は、載置台１８に孔を設けて、ウエハ裏面からウエハ温度を測定することになる。このようにすれば、熱処理時の処理ガスなどによる影響を排除することができる。
【００２０】
＜第１実施例＞
次に、図２〜図４も参照して上記温度測定装置４２の第１実施例について説明する。
図２に示すように、この温度測定装置４２は、例えば０．５〜５０００ＧＨｚ程度のマイクロ波帯域内の特定の周波数のマイクロ波を発生して出力するマイクロ波発生器４８と、発生したマイクロ波を２つに分割して測定波Ｓ１と参照波Ｒ１とを形成する分割器（ｄｅｖｉｄｅｒ）５０と、上記分割器５０に接続されて上記測定波Ｓ１を入力する方向性結合器５２と、上記方向性結合器５２に接続されて被測定体である半導体ウエハＷに対して上記測定波Ｓ１を照射するアンテナ部４４と、上記分割器５０に接続されて、これより出力される上記参照波Ｒ１を入力してこの位相を連続的に変化させつつ出力する位相器（ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔｅｒ）５４と、この位相器５４と上記方向性結合器５２とに接続されて、上記位相が変化された参照波Ｒ１と上記ウエハＷからの反射波とを結合して干渉させる結合器（ｃｏｕｐｌｅｒ）５６と、この結合器５６から出力される干渉波の電力を検出する電力検出部５８と、この電力検出部５８の検出結果に基づいて上記被測定体であるウエハＷの温度を求める例えばマイクロコンピュータ等よりなる温度演算部６０とにより主に構成されている。尚、上記マイクロ波は、それぞれ同軸線のようなケーブルを用いて伝搬される。
【００２１】
具体的には、上記マイクロ波発生器４８からは例えば１０ＧＨｚのマイクロ波が出力され、このマイクロ波を分割器５０で測定波Ｓ１と参照波Ｒ１とに２つに分割する。上記方向性結合器５２は、進行波である測定波Ｓ１をアンテナ部４４に向けて出力し、アンテナ部４４から反射してくる反射波は上記結合器５６に向けて出力する。この方向性結合器５２としては、例えば２孔形方向性結合器、多孔形方向性結合器、ベーテ孔方向性結合器、ループ方向性結合器等を用いることができる。
上記アンテナ部４４は、例えば後述するように高指向性を有するパッチアンテナ等を用いることができ、このアンテナ部４４にコネクタ４４Ａを介して測定波Ｓ１が入力される。このアンテナ部４４は、図１に示すようにマイクロ波導入窓４０の直上に取り付け固定され、処理容器１６内のウエハＷに向けてマイクロ波を測定波として照射するようになっている。
【００２２】
ここで図３及び図４を参照して、上記アンテナ部４４の一例を説明する。図３及び図４はパッチアンテナを示しており、長方形状に成形された例えばガラスエポキシ基板６２上に、複数の正方形状の銅パターン６４を所定のピッチで複数個、例えばｎ個（ｎ：正数）直列状に配置して設け、各銅パターン６４を、その側方に設けた銅製の配線ライン６６で接続して形成している。そして、上記配線ライン６６の長さ方向の略中央部にコネクタ４４Ａを設け、ここに測定波Ｓ１を給電するようになっている。この場合、各銅パターン６４のピッチＰ１は、マイクロ波である測定波Ｓ１のガラスエポキシ基板６２中の波長λｇと等しくし、また各銅パターン６４の縦横の長さをそれぞれλｇ／２とする。ここで波長λｇは以下のようになる。
【００２３】
λｇ＝λ・１／√ε
λ：測定波Ｓ１の真空中の波長
ε：ガラスエポキシ樹脂の比誘電率
ここでマイクロ波の周波数を１０ＧＨｚと仮定すると、ガラスエポキシ樹脂の比誘電率は４．２であるから波長λｇは以上のようになる。
λｇ＝２．９９８×１０８ ×１０２ ／（１０×１０９ ×√４．２）
≒１．４６３ｃｍ
これにより、紙面垂直方向（Ｚ方向）よりもｘ−ｙ方向の指向性を向上させることができ、特にｙ方向（図中、右方向）の指向性をｎ倍向上させることができる。
【００２４】
ここで、図２へ戻って、上記のように構成したアンテナ部４４より放射されたマイクロ波よりなる測定波により、ウエハＷの表面で反射する第１の反射波Ｍ１と、ウエハＷ内を厚さ方向へ通ってその裏面から反射する第２の反射波Ｍ２とが形成され、両反射波Ｍ１、Ｍ２がアンテナ部４４に戻り、更に先の方向性結合器５２に向けて戻って行く。ここで上記第１と第２の反射波Ｍ１、Ｍ２との間には、上記半導体ウエハＷの厚さの２倍の長さに相当する電磁的な伝搬路差が生じ、この場合、第１と第２の反射波Ｍ１、Ｍ２との間には、上記伝搬路差に相当する位相差が生ずることになる。
【００２５】
従って、両反射波Ｍ１、Ｍ２が結合した干渉波には、伝搬路差に相当する位相差でピークが生ずることになる。ここで注意されたい点は、上記ウエハは例えばシリコン基板よりなり、温度に応じてその厚さが線膨張係数に従って熱膨張し、また温度に応じて屈折率も変化するのでウエハ伝搬中のマイクロ波の波長も変化する。また、シリコンウエハの比誘電率に応じて、ウエハ伝搬中のマイクロ波の波長が短縮される。従って、上記伝搬路差とは、上記したように温度に依存して変化する実効的な伝搬路差を指す。すなわち、ウエハＷは温度変化に応じてその厚さやマイクロ波に対する屈折率が変化するので、その変動量に応じて上記実効的な伝搬路差（ウエハの厚さの２倍に対応）も変動することになり、結果的にウエハ温度と実効的な伝搬路差とは相関関係を有することになる。
【００２６】
また上記結合器５６は、例えばウィルキンソンカプラ等を用いることができ、この結合器５６では上記方向性結合器５２より伝搬されてくる上記第１及び第２の反射波Ｍ１、Ｍ２の干渉波Ｘ１と、上記位相器５４より伝搬されてくる位相が連続的に変化される参照波Ｒ１とを結合して干渉させ、干渉波Ｘ２を出力する。上記電力検出部５８は、例えばダイオード検出器よりなり、上記干渉波Ｘ２の電力を検出する。
上記温度演算部６０では、予め求められた上記ウエハＷの温度に対する伝搬路差の基準値が図示しないＲＯＭ等の記憶部に予め記憶されている。そして、この基準値と上記電力検出部５８での検出結果とに基づいてウエハ温度を算出するようになっている。図５は被処理体の温度と伝搬路差（実効値）との関係を示しており、例えばこのグラフが予め実測で求められて、この結果が、上記温度演算部６０の記憶部に記憶されている。
【００２７】
このグラフは、このグラフ全体を記憶しなくても、特定の温度、例えばウエハ温度４０℃の時の伝搬路差を予め求めて記憶し、この４０℃の時の値を基準として、ウエハＷを構成する材料、例えばシリコンの線膨張係数（既知）及び温度に対する屈折率の変化量（既知）より演算によって上記図５に示す特性を求めるようにしてもよい。いずれにしても、ウエハの熱処理時の伝搬路差を求めることにより、図５に示すグラフを参照してその時のウエハ温度を演算で求めることができるようになっている。
【００２８】
次に、以上のように構成された熱処理装置及び温度測定装置の動作について説明する。
まず、図１において、例えば半導体ウエハＷ上にＣＶＤ等により成膜処理する場合には、ウエハＷを載置台１８上に載置した状態で、加熱手段２０でウエハＷを所定の温度に加熱昇温すると共に、ガス供給手段のガスノズル２４より所定の成膜ガスを処理容器１６内へ供給する。そして、排気系３２も同時に駆動してこの処理容器１６内を所定のプロセス圧力に維持し、ウエハＷ上に所定の薄膜を堆積させる。この成膜処理中においては、温度測定装置４２が動作してウエハＷの温度が検出されており、この検出値に基づいて、制御手段３４は加熱手段２０を制御して、ウエハＷの温度を所定のプロセス温度に維持する。
【００２９】
次に、上記プロセス中のウエハ温度の測定動作について、図２から図６も参照して説明する。
図２に示すように、マイクロ波発生器４８からは、例えば１０ＧＨｚのマイクロ波が伝搬されて、このマイクロ波が分割器５０にて測定波Ｓ１と参照波Ｒ１とに２つに分割される。上記測定波Ｓ１は、図３及び図４に示すように構成されたアンテナ部４４へ伝搬されて、このアンテナ部４４から高い指向性を持って照射され、この照射されたマイクロ波はマイクロ波導入窓４０（図１参照）を透過して載置台１８上のウエハＷに垂直方向から入射し、そして、ウエハＷの表面からは第１の反射波Ｍ１が反射し、裏面からは第２の反射波Ｍ２が反射する。この両反射波Ｍ１、Ｍ２は干渉波Ｘ１となって元の経路を戻り、アンテナ部４４及び方向性結合器５２を介して結合器５６に伝搬される。
【００３０】
一方、分割器５０より出力された参照波Ｒ１は、位相器５４にて、その位相が変化しつつ出力されて上記結合器５６へ入力されている。そして、この結合器５６にて上記干渉波Ｘ１と位相が変化しつつ入力された参照波Ｒ１とが干渉するように結合されてその干渉波Ｘ２が出力される。この結合器５６より出力された上記干渉波Ｘ２はその電力が電力検出部５８によって検出され、この検出結果に基づいて温度演算部６０では、ウエハ温度が演算により求められることになる。
ここで、第１及び第２の反射波Ｍ１、Ｍ２と干渉波Ｘ１との関係を説明すると、図６（Ａ）に示すように、第２の反射波Ｍ２の電力のピークは、第１の反射波Ｍ１の電力のピークに対して、ウエハＷの厚さの往復に伴って発生する搬送路差ΔＨ（実効値）に相当する遅れが生ずる。この時の例えば第１の反射波Ｍ１のピーク間の距離（波長）Ｈは、マイクロ波の周波数を１０ＧＨｚと仮定したならば、１．４６３ｃｍに対応することになる。
【００３１】
前述したように、この搬送路差ΔＨの大きさは、ウエハＷが線膨張係数に従って熱膨張し、且つ温度に依存してその屈折率が変化することから、ウエハ温度に依存して変動している。この時の両反射波Ｍ１、Ｍ２の干渉波Ｘ１は図６（Ｂ）に示されている。そして、上記干渉波Ｘ１に表されている搬送路差ΔＨは、その位相が変化しつつ供給される参照波Ｒ１によって検出されることになる。すなわち、上記干渉波Ｘ１にその位相が変化する参照波Ｒ１を結合器５６にて干渉させると、その位相が合致した所では電力検出部５８の出力がピークを示すので、そのピーク点を検出すれば搬送路差ΔＨを求めることができる。そして、得られた搬送路差ΔＨに基づいて、図５に示すグラフを参照することにより、演算でその時のウエハ温度を求めることができる。
【００３２】
この場合、測定波Ｓ１の波長が１．４６３ｃｍであるのに対して、ウエハＷの厚さは一般的には０．７ｍｍ程度なので、十分に波長の方が長く、その厚さ変動（搬送路差の変動）を測定することができる。またこの場合、周波数の上限は、０．７ｍｍの２倍程度の波長でよく、１００ＧＨｚ程度である。
このように、マイクロ波を用いて測定波と参照波を形成し、上記測定波Ｓ１を被測定体に照射した時の第１及び第２の反射波Ｍ１、Ｍ２の位相差（伝搬路差）を、上記位相が連続的に変えられる参照波Ｒ１を用いて検出し、この検出結果に基づいて被測定体の温度を求めるようにしたので、従来装置で用いていた参照ミラーやボイスコイルモータ等を不要にでき、装置自体を小型化してその設備コストを大幅に削減することができる。また機械的駆動要素を含まないことから、経年変化も少なく、且つメンテナンスも容易化することができる。
【００３３】
また温度測定に当たっては、予め処理すべき各ウエハの特定温度、例えば４０℃における搬送路差（実効値）を測定して求めて記憶するようにしてもよいし、ウエハＷの厚さ精度が非常に高い場合には、代表として１枚のウエハの搬送路差（実効値）を測定して求めて記憶し、これを基準として用いるようにしてもよい。
【００３４】
＜実施例２＞
次に本発明の温度測定装置の第２実施例について説明する。
図７は本発明に係る温度測定装置の第２実施例を示すブロック構成図である。尚、図２に示す構成部分と同一構成部分については同一符号を付してその説明を省略する。
ここでは図２に示す装置で用いた結合器５６及び電力検出部５８に替えて、位相比較器７０を設けている。この位相比較器７０では第１及び第２の反射波Ｍ１、Ｍ２の干渉波Ｘ１と、位相器５４から伝搬される位相が連続的に変化された参照波Ｒ１との位相を比較し、その比較結果を上記温度演算部６０へ向けて出力するようになっている。上記位相比較器７０では、位相の比較結果が電圧の高低として出力され、位相が一致すると高い出力がなされる。すなわち、位相のずれ量が電圧の変化として出力される。このような位相比較器７０としては、例えばチャージポンプ回路等を用いることができる。
【００３５】
この第２実施例の場合にも、先に説明した第１実施例と同様な作用効果を発揮することができる。また、この第２実施例では第１実施例の場合よりも装置構成部品を１つ減らすことができるので、その分、装置コストを更に低減することができる。
【００３６】
上記第１及び第２実施例では、アンテナ部４４として例えばパッチアンテナを用いた場合を例にとって説明したが、これに限定されず、他の高指向性アンテナを用いてもよい。このような他のアンテナとして例えば図８に示すような八木アンテナを用いることができる。この八木アンテナは、長方形状になされた例えばガラスエポキシ基板７２の上面に、複数の短冊状の銅パターン７４を互いに並列となるように一方向に向けて配置している。この場合、図中最も左側の銅パターン７４Ａの長さＹ１を、測定波Ｓ１のガラスエポキシ基板７２中の波長λｇの１／２よりも少し大きく設定し（Ｙ１＞λｇ／２）、マイクロ波を反射する反射板として機能させる。この銅パターン７４Ａの右隣りの銅パターン７４Ｂの長さＹ２はλｇ／２とする。更に、これより右側の銅パターン７４の長さはλｇ／２より小さく、且つ右側へ行くに従って徐々にその長さが短くなされている。また、各銅パターン７４間のピッチＰ２はλｇとする。これにより、図中、右方向へ高い指向性を発揮することができる。
【００３７】
また、コネクタ４４Ａを接続する銅パターンは、上記反射板の機能を有する銅パターン７４Ａの１つ右隣りの銅パターンとし、更に、その給電点は、短冊状の銅パターンの長さ方向の中心点よりもλｇ／４だけオフセットした位置とする。その理由は、図９に示すように、定在波の発生時は、電流分布と電圧分布とがλｇ／４だけ位相がずれ、その結果、もし長さ方向の中心へ給電を行うと、電圧”ゼロ”の点が給電点となって電流を供給できなくなるからである。
尚、ここでは熱処理として成膜装置を例にとって説明したが、これに限定されず、改質処理、酸化拡散処理、アニール処理、エッチング処理等のウエハ温度を管理する必要がある全ての処理に対して本発明を適用することができる。
また、ここでは被処理体及び被測定体として半導体ウエハを例にとって説明したが、これに限定されず、ガラス基板、ＬＣＤ基板、セラミックス基板等にも本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に係る熱処理装置の一例を示す概略構成図である。
【図２】本発明に係る温度測定装置の第１実施例を示すブロック構成図である。
【図３】アンテナ部を示す平面図である。
【図４】アンテナ部を示す側面図である。
【図５】被測定体の温度と伝搬路差との関係を示すグラフである。
【図６】第１及び第２の反射波が相互に干渉した時の状態を示す波形の模式図である。
【図７】本発明に係る温度測定装置の第２実施例を示すブロック構成図である。
【図８】八木アンテナを示す構成図である。
【図９】八木アンテナに定在波がたった時の電流と電圧の分布の関係を示す図である。
【図１０】測定光を用いた従来の温度測定装置を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００３９】
１４ 熱処理装置
１６ 処理容器
１８ 載置台
２０ 加熱ヒータ（加熱手段）
２４ ガスノズル（ガス供給手段）
３４ 制御手段
４０ マイクロ波導入窓
４２ 温度測定装置
４４ アンテナ部
４８ マイクロ波発生器
５０ 分割器
５２ 方向性結合器
５４ 位相器
５６ 結合器
５８ 電力検出部
６０ 温度演算部
７０ 位相比較器
Ｒ１ 参照波
Ｓ１ 測定波
Ｍ１ 第１の反射波
Ｍ２ 第２の反射波
Ｘ１，Ｘ２ 干渉波
Ｗ 半導体ウエハ（被測定体，被処理体）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の厚さを有する被測定体に測定波を照射して前記被測定体の表面から反射する第１の反射波と前記被測定体内を通って裏面から反射する第２の反射波との伝搬路差に基づいて前記被測定体の温度を測定する温度測定装置において、
マイクロ波を出力するマイクロ波発生器と、
前記マイクロ波を測定波と参照波とに分割する分割器と、
前記分割器に接続されて前記測定波を入力する方向性結合器と、
前記方向性結合器に接続されて前記被測定体に対して前記測定波を放射するアンテナ部と、
前記分割器に接続されて前記参照波を入力してその位相を連続的に変化させつつ出力する位相器と、
前記方向性結合器を介して出力される前記第１及び第２の反射波の干渉波と前記位相器からの位相が連続的に変化された参照波とを結合して干渉波を形成する結合器と、
前記結合器からの出力を検出する電力検出部と、
温度に対する伝搬路差の基準値を予め有すると共に、前記電力検出部の検出結果に基づいて前記被測定体の温度を求める温度演算部と、
を備えたことを特徴とする温度測定装置。
【請求項２】
所定の厚さを有する被測定体に測定波を照射して前記被測定体の表面から反射する第１の反射波と前記被測定体内を通って裏面から反射する第２の反射波との伝搬路差に基づいて前記被測定体の温度を測定する温度測定装置において、
マイクロ波を出力するマイクロ波発生器と、
前記マイクロ波を測定波と参照波とに分割する分割器と、
前記分割器に接続されて前記測定波を入力する方向性結合器と、
前記方向性結合器に接続されて前記被測定体に対して前記測定波を放射するアンテナ部と、
前記分割器に接続されて前記参照波を入力してその位相を連続的に変化させつつ出力する位相器と、
前記方向性結合器を介して出力される前記第１及び第２の反射波の干渉波と前記位相器からの位相が連続的に変化された参照波との位相を比較する位相比較器と、
温度に対する伝搬路差の基準値を予め有すると共に、前記位相比較器の比較結果に基づいて前記被測定体の温度を求める温度演算部と、
を備えたことを特徴とする温度測定装置。
【請求項３】
前記アンテナ部は、高指向性のアンテナよりなることを特徴とする請求項１または２記載の温度測定装置。
【請求項４】
前記アンテナ部は、パッチアンテナまたは八木アンテナよりなることを特徴とする請求項３記載の温度測定装置。
【請求項５】
所定の厚さを有する被処理体に対して所定の熱処理を施す熱処理装置において、
前記被処理体を収容するために排気可能になされた筒体状の処理容器と、
前記被処理体を載置するための載置台と、
前記被処理体を加熱するための加熱手段と、
前記処理容器内へ所定のガスを供給するためのガス供給手段と、
前記処理容器の天井部に設けられてマイクロ波に対して透過性を有するマイクロ波導入窓と、
前記処理容器内へ測定波を導入するために設けられた請求項１乃至４のいずれかに記載の温度測定装置と、
装置全体の動作を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする熱処理装置。
【請求項６】
所定の厚さを有する被測定体に測定波を照射して前記被測定体の表面から反射する第１の反射波と前記被測定体内を通って裏面から反射する第２の反射波との伝搬路差に基づいて前記被測定体の温度を測定するようにした温度測定方法において、
マイクロ波を測定波と参照波とに分割して前記参照波の位相を連続的に変化させると共に、前記測定波を前記被処理体に照射し、前記被測定体より反射する第１及び第２の反射波の干渉波と前記位相が連続的に変化された参照波とを干渉させて、該干渉結果を測定することによって前記被測定体の温度を求めるようにしたことを特徴とする温度測定方法。
【請求項１】
所定の厚さを有する被測定体に測定波を照射して前記被測定体の表面から反射する第１の反射波と前記被測定体内を通って裏面から反射する第２の反射波との伝搬路差に基づいて前記被測定体の温度を測定する温度測定装置において、
マイクロ波を出力するマイクロ波発生器と、
前記マイクロ波を測定波と参照波とに分割する分割器と、
前記分割器に接続されて前記測定波を入力する方向性結合器と、
前記方向性結合器に接続されて前記被測定体に対して前記測定波を放射するアンテナ部と、
前記分割器に接続されて前記参照波を入力してその位相を連続的に変化させつつ出力する位相器と、
前記方向性結合器を介して出力される前記第１及び第２の反射波の干渉波と前記位相器からの位相が連続的に変化された参照波とを結合して干渉波を形成する結合器と、
前記結合器からの出力を検出する電力検出部と、
温度に対する伝搬路差の基準値を予め有すると共に、前記電力検出部の検出結果に基づいて前記被測定体の温度を求める温度演算部と、
を備えたことを特徴とする温度測定装置。
【請求項２】
所定の厚さを有する被測定体に測定波を照射して前記被測定体の表面から反射する第１の反射波と前記被測定体内を通って裏面から反射する第２の反射波との伝搬路差に基づいて前記被測定体の温度を測定する温度測定装置において、
マイクロ波を出力するマイクロ波発生器と、
前記マイクロ波を測定波と参照波とに分割する分割器と、
前記分割器に接続されて前記測定波を入力する方向性結合器と、
前記方向性結合器に接続されて前記被測定体に対して前記測定波を放射するアンテナ部と、
前記分割器に接続されて前記参照波を入力してその位相を連続的に変化させつつ出力する位相器と、
前記方向性結合器を介して出力される前記第１及び第２の反射波の干渉波と前記位相器からの位相が連続的に変化された参照波との位相を比較する位相比較器と、
温度に対する伝搬路差の基準値を予め有すると共に、前記位相比較器の比較結果に基づいて前記被測定体の温度を求める温度演算部と、
を備えたことを特徴とする温度測定装置。
【請求項３】
前記アンテナ部は、高指向性のアンテナよりなることを特徴とする請求項１または２記載の温度測定装置。
【請求項４】
前記アンテナ部は、パッチアンテナまたは八木アンテナよりなることを特徴とする請求項３記載の温度測定装置。
【請求項５】
所定の厚さを有する被処理体に対して所定の熱処理を施す熱処理装置において、
前記被処理体を収容するために排気可能になされた筒体状の処理容器と、
前記被処理体を載置するための載置台と、
前記被処理体を加熱するための加熱手段と、
前記処理容器内へ所定のガスを供給するためのガス供給手段と、
前記処理容器の天井部に設けられてマイクロ波に対して透過性を有するマイクロ波導入窓と、
前記処理容器内へ測定波を導入するために設けられた請求項１乃至４のいずれかに記載の温度測定装置と、
装置全体の動作を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする熱処理装置。
【請求項６】
所定の厚さを有する被測定体に測定波を照射して前記被測定体の表面から反射する第１の反射波と前記被測定体内を通って裏面から反射する第２の反射波との伝搬路差に基づいて前記被測定体の温度を測定するようにした温度測定方法において、
マイクロ波を測定波と参照波とに分割して前記参照波の位相を連続的に変化させると共に、前記測定波を前記被処理体に照射し、前記被測定体より反射する第１及び第２の反射波の干渉波と前記位相が連続的に変化された参照波とを干渉させて、該干渉結果を測定することによって前記被測定体の温度を求めるようにしたことを特徴とする温度測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００６−２８４５４２（Ｐ２００６−２８４５４２Ａ）
【公開日】平成１８年１０月１９日（２００６．１０．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１０８７５２（Ｐ２００５−１０８７５２）
【出願日】平成１７年４月５日（２００５．４．５）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１０月１９日（２００６．１０．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年４月５日（２００５．４．５）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
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