物理状態測定装置及び物理状態測定方法
【課題】従来に比べて高速に測定対象物の物理状態を測定できる物理状態測定装置及び物理状態測定方法を提供する。
【解決手段】光源と、光源からの光を測定対象物の測定ポイントまで伝送する伝送手段と、測定ポイントで反射した光の波長を異なる波長に変換する非線形光学素子と、波長変換後の光を受光する受光手段と、受光手段で受光された光の波形に基づいて、測定ポイントにおける測定対象物の物理状態を測定する測定手段と、を備える。
【解決手段】光源と、光源からの光を測定対象物の測定ポイントまで伝送する伝送手段と、測定ポイントで反射した光の波長を異なる波長に変換する非線形光学素子と、波長変換後の光を受光する受光手段と、受光手段で受光された光の波形に基づいて、測定ポイントにおける測定対象物の物理状態を測定する測定手段と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象物の物理状態を非接触で測定可能な物理状態測定装置及び物理状態測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
基板処理装置により処理される被処理基板（例えば、半導体ウエハ）の物理状態（例えば、内部構造や温度等）を正確に測定することは、成膜やエッチングなど種々の処理の結果により半導体ウエハ上に形成される膜やホールなどの形状、物性等を正確にコントロールする点からも極めて重要である。このため、ＦＩＢ−ＳＥＭや蛍光式温度計等様々な手法により半導体ウエハの内部構造や温度等を計測することが従来から行われている。
【０００３】
近年では、上述したような従来の温度計測方法では困難だった半導体ウエハの内部構造や温度等を直接計測することができる低コヒーレンス干渉計を利用した計測技術が知られている。このような低コヒーレンス干渉計を利用した計測技術において、第１スプリッタによって光源からの光を温度測定用の測定光と参照光とに分岐し、さらに、分岐された測定光を第２スプリッタによってｎ個の測定光に分岐してｎ個の測定光をｎ個の測定ポイントへ照射し、これらのｎ個の測定光の反射光と、参照光反射手段で反射された参照光の反射光との干渉を測定し、複数の測定ポイントの温度を同時に測定できるようにした技術も提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１１２８２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように光源からの光を測定対象物に照射し、反射光により測定対象物の物理状態を測定する技術では、測定対象物及び測定する物理状態に応じて光源から照射する光の波長を選択する必要がある。例えば、上記した従来の技術では、半導体ウエハの温度を測定するためには、半導体ウエハ（Ｓｉ）を透過する波長帯域の光（例えば、１０００ｎｍ以上）を使用する必要がある。このため、受光手段として、波長が１０００ｎｍ以上の光に感度を有する受光素子（例えば、ＩｎＧａＡｓフォトダイオード）を使用する必要がある。しかしながら、ＩｎＧａＡｓフォトダイオードは、Ｓｉフォトダイオードに比べて応答性が低いため、測定対象物の物理状態の測定を高速に行えないという問題があった。
【０００６】
本発明は、かかる従来の事情に対処してなされたもので、波長が１０００ｎｍ以上の長波長の光を使用しなければならない場合であっても、従来に比べて高速に測定対象物の物理状態を測定できる物理状態測定装置及び物理状態測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の物理状態測定装置は、光源と、光源からの光を測定対象物の測定ポイントまで伝送する伝送手段と、測定ポイントで反射した光の波長を異なる波長に変換する非線形光学素子と、波長変換後の光を受光する受光手段と、受光手段で受光された光の波形に基づいて、測定ポイントにおける測定対象物の物理状態を測定する測定手段と、を備える。
【０００８】
本発明の物理状態測定方法は、光源からの光を測定対象物の測定ポイントまで伝送する工程と、測定ポイントで反射した光の波長を異なる波長に変換する工程と、波長変換後の光を受光する工程と、受光された光の波形に基づいて、測定ポイントにおける測定対象物の物理状態を測定する工程と、を備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、従来に比べて高速に測定対象物の物理状態を測定できる物理状態測定装置及び物理状態測定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施形態に係る物理状態測定装置の構成図。
【図２】温度算出手段の機能を示す図。
【図３】干渉波形の具体例。
【図４】第２の実施形態に係る物理状態測定装置の構成図。
【図５】受光手段の構成図。
【図６】温度算出手段の機能を示す図。
【図７】ＤＴＦ処理後の信号を示す図。
【図８】記憶手段に記憶されている光路長と温度との関係を示す図。
【図９】第３の実施形態に係る物理状態測定装置の構成図。
【図１０】波長選択の説明図。
【図１１】第４の実施形態に係る物理状態測定装置の構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明の各実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付して重複した説明を省略する。また、測定対象物として半導体ウエハを、物理状態として半導体ウエハの温度を例に説明するが、測定対象物は、半導体ウエハに限られず、種々の対象物を測定することができる。また、物理状態についても、温度に限られず、種々の物理状態（例えば、内部構造等）を測定することができる。
【００１２】
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態にかかる物理状態測定装置１００の構成図である。第１の実施形態にかかる物理状態測定装置１００は、ＣＷ光源１１０と、ＣＷ光源１１０からの光を温度測定用の光（測定光）と参照光とに分岐するスプリッタ１２０と、測定光を測定対象物Ｗ（例えば、半導体ウエハ）の測定ポイントＰへ伝送するコリメートファイバＦ１と、スプリッタ１２０からの参照光を反射するための参照光反射手段１３０と、スプリッタ１２０で分岐された参照光を、参照光反射手段１３０まで伝送するコリメートファイバＦ２と、参照光反射手段１３０から反射する参照光の光路長を変化させるための光路長変化手段１４０と、測定対象物Ｗの測定ポイントＰ及び参照光反射手段１３０からの反射光の波長を変換する波長変換手段１５０と、波長変換手段１５０で波長変換された測定光及び参照光の反射光による干渉波形に基づいて、測定対象物Ｗの測定ポイントＰの温度を測定する信号処理装置１６０とを備える。信号処理装置１６０は、受光手段１６１及び温度算出手段１６２を備える。
【００１３】
ＣＷ光源１１０は、連続光を発生する光源である。ＣＷ光源１１０は、測定光と参照光との干渉が測定できれば、任意の光を使用することが可能であるが、この第１の実施形態では、測定対象物Ｗとして半導体ウエハの温度測定を行うので、少なくとも測定対象物Ｗである半導体ウエハの表面Ｈと裏面Ｒとの間の距離（通常は８００〜１５００μｍ程度）からの反射光が干渉を生じない程度の光が好ましい。
【００１４】
具体的には例えば低コヒーレンス光を用いることが好ましい。低コヒーレンス光とは、コヒーレンス長の短い光をいう。低コヒーレンス光の中心波長は、測定対象物Ｗである半導体ウエハの主成分であるシリコン（Ｓｉ）を透過する１０００ｎｍ以上であることが好ましい。また、コヒーレンス長としては、例えば０．１〜１００μｍが好ましく、更に３μｍ以下がより好ましい。このような低コヒーレンス光をＣＷ光源１１０として使用することにより、余計な干渉による障害を回避でき、ウエハの表面又は内部層からの反射光に基づく参照光との干渉を容易に測定することができる。
【００１５】
スプリッタ１２０は、例えば光ファイバカプラである。但し、これに限定されるものではなく、参照光と測定光とにスプリットすることが可能なものであればよい。スプリッタ１２０は、例えば光導波路型分波器、半透鏡などを用いてもよい。
【００１６】
参照光反射手段１３０には、例えば、コーナーキューブプリズム、平面ミラー等などを使用することができる。これらの中でも、反射光の入射光との平行性の点に鑑みれば、コーナーキューブプリズムを用いることが好ましい。但し、参照光を反射できれば、上記のものに限られず、例えばディレーラインなどで構成してもよい。
【００１７】
光路長変化手段１４０は、例えば、参照ミラーなどで構成される参照光反射手段１３０を参照光の入射方向に平行な一方向へ駆動するモータなどの駆動手段により構成される。このように、参照ミラーを一方向へ駆動させることにより、参照ミラーから反射する参照光の光路長を変化させることができる。
【００１８】
波長変換手段１５０は、測定対象物Ｗの測定ポイントＰで反射した測定光及び参照光反射手段１３０で反射した参照光の波長を受光手段１６１で受光可能な波長（具体的には、１０００ｎｍ未満）に変換する。
【００１９】
波長変換手段１５０としては、例えば、入力された光の波長（λ）の半波長（λ／２）の二次高調波を放射する非線形光学結晶を使用することができる。非線形光学結晶を使用することで、光の位相を保ったまま、波長を変換することができる。このような非線形光学結晶としては、例えば、ＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）結晶、ＫＴＰ結晶、ＢＢＯ結晶、ＬＢＯ結晶、ＡｇＧａＳ２結晶、ＡｇＧａＳｅ２結晶、ＰＰＬＮ（周期分極反転ニオブ酸リチウム）結晶等を使用することができる。
【００２０】
受光手段１６１は、波長変換手段１５０で波長変換された測定光及び参照光の反射光を受光し、電気信号に変換する。この第１の実施形態では、受光手段１６１は、Ｓｉフォトダイオードを用いたＣＣＤイメージセンサにより構成されている。
【００２１】
上述したように、波長が１０００ｎｍ以上の光に感度を有するＩｎＧａＡｓフォトダイオードは、Ｓｉフォトダイオードに比べて応答性が低いため測定対象物Ｗの温度測定を高速に行えないという問題がある。そこで、この第１の実施形態では、波長変換手段１５０により、Ｓｉフォトダイオードを用いたＣＣＤイメージセンサで構成される受光手段１６１で受光可能な波長に変換することにより、温度測定の高速化を実現している。また、Ｓｉフォトダイオードを用いたＣＣＤイメージセンサは、フォトダイオードを高密度に形成できるため解像度、すなわちサンプリング数を向上させることができる。なお、ＣＣＤイメージセンサの替わりにＣＭＯＳイメージセンサを用いても同様に解像度を向上させることができ、また、サンプリング速度の高速化、小型化、省電力化を実現できる。
【００２２】
図２は、温度算出手段１６２の機能を示す図である。温度算出手段１６２は、例えば、コンピュータ（電算機）等であり、受光手段１６１で検出される干渉波形に基づいて測定対象物Ｗの温度を算出する。温度算出手段１６２は、信号取得手段１０１と、記憶手段１０２と、温度演算手段１０３とを備える。なお、図２に示す機能は、温度算出手段１６２が備えるハードウェア（例えば、ＨＤＤ、ＣＰＵ、メモリ等）により実現される。具体的には、ＣＰＵが、ＨＤＤもしくはメモリに記録されているプログラムを実行することで実現される。
【００２３】
信号取得手段１０１は、受光手段１６１からの波形信号及び光路長変化手段１４０からの参照光反射手段１３０の駆動距離信号を取り込む。
【００２４】
記憶手段１０２は、例えば、Ｆｌａｓｈ Ｍｅｍｏｒｙ（フラッシュメモリ）やＦｅＲＡＭ（強誘電体メモリ）等の不揮発性メモリである。記憶手段１０２には、測定ポイントＰの温度を算出するための物性値、および数式が記憶されている。具体的には、測定対象物Ｗの温度に応じた線膨張率α及び屈折率変化の温度係数βや、後述する数式が記憶されている。
【００２５】
温度演算手段１０３は、記憶手段１０２を参照して、受光手段１６１からの波形信号及び光路長変化手段１４０からの参照光反射手段１３０の駆動距離信号に基づいて、測定対象物Ｗの測定ポイントＰにおける温度を算出する。具体的な算出方法については、後述の「干渉光に基づく温度測定方法」で説明する。
【００２６】
（物理状態測定装置１００の動作）
図１に示すように、物理状態測定装置１００においては、ＣＷ光源１１０からの光は、スプリッタ１２０に入射され、スプリッタ１２０により２分岐される。このうち、一方（測定光）は、コリメートファイバＦ１を介して測定対象物Ｗに照射され、表面Ｈや裏面Ｒ及び内部の層や構造物によって反射される。
【００２７】
スプリッタ１２０で分岐された他方（参照光）は、コリメートファイバＦ２から出射され、参照光反射手段１３０によって反射される。そして、反射光はスプリッタ１２０へ入射し、測定光の反射光と再び合波されて波長変換手段１５０で波長変換された後、信号処理装置１６０で干渉波形が検出され、この検出された干渉波形に基づいて測定ポイントＰの温度が算出される。
【００２８】
（測定光と参照光との干渉波形の具体例）
ここで、物理状態測定装置１００により得られる干渉波形の具体例を図３に示す。図３は、測定光が、測定対象物Ｗの面内における測定ポイントＰに照射されるようにした場合における測定光と参照光との干渉波形を示したものである。図３（ａ）は温度変化前の干渉波形を示したものであり、図３（ｂ）は温度変化後の干渉波形を示したものである。図３において縦軸は干渉強度、横軸は参照ミラーの移動距離をとっている。
【００２９】
図３（ａ）、（ｂ）によれば、参照光反射手段（例えば参照ミラー）１３０を一方向へ走査していくと、先ず測定対象物Ｗの測定ポイントＰの表面Ｈと参照光との干渉波Ａが現れ、次いで測定対象物Ｗの測定ポイントＰの裏面Ｒと参照光との干渉波Ｂが現れる。
【００３０】
（干渉光に基づく温度測定方法）
次に、測定光と参照光との干渉波に基づいて温度を測定する方法について説明する。干渉波に基づく温度測定方法としては、例えば温度変化に基づく光路長変化を用いる温度換算方法がある。ここでは、上記干渉波形の位置ズレを利用した温度換算方法について説明する。
【００３１】
測定対象物Ｗがヒータ等によって温められると、測定対象物Ｗは膨張するとともに屈折率が変化するため、温度変化前と温度変化後では、干渉波形の位置がずれて、干渉波形のピーク間幅が変化する。このような測定ポイントの干渉波形のピーク間幅を測定することにより温度変化を検出することができる。例えば図１に示すような物理状態測定装置１００であれば、干渉波形のピーク間幅は、参照光反射手段１３０の移動距離に対応しているため、干渉波形のピーク間幅における参照光反射手段１３０の移動距離を測定することにより、温度変化を検出することができる。
【００３２】
温度測定対象物の厚さをｄとし、屈折率をｎとした場合、干渉波形についてのピーク位置のずれは、厚さｄについては各層固有の線膨張係数αに依存し、また屈折率ｎの変化については主として各層固有の屈折率変化の温度係数βに依存する。なお、屈折率変化の温度係数βについては波長にも依存することが知られている。
【００３３】
従って、ある測定ポイントＰにおける温度変化後のウエハの厚さｄ′と屈折率ｎ′を数式で表すと下記数式（１）に示すようになる。なお、数式（１）において、ΔＴは測定ポイントの温度変化を示し、αは線膨張率、βは屈折率変化の温度係数を示している。また、ｄ、ｎは、夫々温度変化前の測定ポイントＰにおける厚さ、屈折率を示している。
【００３４】
ｄ′＝ｄ・（１＋αΔＴ）、ｎ′＝ｎ・（１＋βΔＴ） …（１）
上記数式（１）に示すように、温度変化によって測定ポイントＰを透過する測定光の光路長が変化する。光路長は一般に、厚さｄと屈折率ｎとの積で表される。従って、温度変化前の測定ポイントＰを透過する測定光の光路長をＬとし、測定ポイントにおける温度がΔＴだけ変化した後の光路長をＬ′とすると、Ｌ、Ｌ′は夫々下記の数式（２）に示すようになる。
【００３５】
Ｌ＝ｄ・ｎ 、 Ｌ′＝ｄ′・ｎ′ …（２）
従って、測定ポイントにおける測定光の光路長の温度変化前後の差（Ｌ′−Ｌ）は、上記数式（１）、（２）により計算して整理すると、下記数式（３）に示すようになる。なお、下記数式（３）では、α・β≪α、α・β≪βを考慮して微小項を省略している。
【００３６】
Ｌ′−Ｌ＝ｄ′・ｎ′−ｄ・ｎ＝ｄ・ｎ・（α＋β）・ΔＴ
＝Ｌ・（α＋β）・ΔＴ …（３）
【００３７】
ここで、測定ポイントにおける測定光の光路長は、参照光との干渉波形のピーク間幅に相当する。従って、線膨張率α、屈折率変化の温度係数βを予め調べておけば、測定ポイントにおける参照光との干渉波形のピーク間幅を計測することによって、上記数式（３）を用いて、測定ポイントの温度に換算することができる。
【００３８】
このように、干渉波から温度への換算する場合、上述したように干渉波形のピーク間で表される光路長が線膨張率α及び屈折率変化の温度係数βによって変るため、これら線膨張率α及び屈折率変化の温度係数βを予め調べておく必要がある。半導体ウエハを含めた物質の線膨張率α及び屈折率変化の温度係数βは一般に、温度帯によっては、温度に依存する場合もある。例えば線膨張率αについては一般に、物質の温度が０〜１００℃くらいの温度範囲ではそれほど変化しないので、一定とみなしても差支えないが、１００℃以上の温度範囲では物質によっては温度が高くなるほど変化率が大きくなる場合もあるので、そのような場合には温度依存性が無視できなくなる。屈折率変化の温度係数βについても同様に温度範囲によっては、温度依存性が無視できなくなる場合がある。
【００３９】
例えば半導体ウエハを構成するシリコン（Ｓｉ）の場合は、０〜５００℃の温度範囲において線膨張率α及び屈折率変化の温度係数βは例えば二次曲線で近似することができることが知られている。このように、線膨張率α及び屈折率変化の温度係数βは温度に依存するので、例えば温度に応じた線膨張率α及び屈折率変化の温度係数βを予め調べておき、その値を考慮して温度換算すれば、より正確な温度に換算することができる。
【００４０】
なお、測定光と参照光との干渉波に基づく温度測定方法としては上述したような方法に限られることはなく、例えば温度変化に基づく吸収強度変化を用いる方法であってもよく、記温度変化に基づく光路長変化と温度変化に基づく吸収強度変化とを組み合わせた方法であってもよい。
【００４１】
以上のように、第１の実施形態に係る物理状態測定装置１００は、測定対象物Ｗの測定ポイントＰで反射した測定光及び参照光反射手段１３０で反射した参照光の波長（１０００ｎｍ以上）を、Ｓｉフォトダイオードを用いたＣＣＤイメージセンサで構成される受光手段１６１で受光可能な波長に変換する波長変換手段１５０を備えるようにしたので、物理状態測定装置１００における温度測定をより高速化できる。また、Ｓｉフォトダイオードを用いたＣＣＤイメージセンサは、高密度化できるため解像度、すなわちサンプリング数が向上する。また、ＣＣＤイメージセンサの替わりにＣＭＯＳイメージセンサを用いても同様の効果を得ることができる。
【００４２】
（第２の実施形態）
第１の実施形態では、ＣＷ光源１１０で発生する光を測定光と参照光とに分岐し、測定対象物Ｗの測定ポイントＰで反射された測定光と、参照光反射手段１３０で反射された参照光を干渉させて測定対象物Ｗ（例えば、半導体ウエハ）の測定ポイントの温度を測定する実施形態について説明した。この第２の実施形態では、参照光を使用しない実施形態について説明する。
【００４３】
図４は、第２の実施形態に係る物理状態測定装置２００の構成図である。物理状態測定装置２００は、ＣＷ光源１１０と、光サーキュレータ１７０と、コリメートファイバＦ１と、波長変換手段１５０と、信号処理装置１８０とを備える。信号処理装置１８０は、受光手段１８１及び温度算出手段１８２を備える。以下、第２の実施形態に係る物理状態測定装置２００の構成について説明するが、第１の実施形態に係る物理状態測定装置１００と同一の構成には同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００４４】
光サーキュレータ１７０は、３つのポートＡ〜Ｃを備える、ポートＡに入力した光はポートＢから出力され、ポートＢから入力した光はポートＣから出力され、ポートＣに入力した光はポートＡから出力される特性を有する。すなわち、ＣＷ光源１１０から入力される測定光はコリメートファイバＦ１を介して測定対象物Ｗへ照射され、測定対象物Ｗからの反射光は信号処理装置１８０の受光手段１８１へ入力される。
【００４５】
図５は、受光手段１８１の構成図である。受光手段１８１は、光サーキュレータ１７０からの反射光を波長分解する回折格子１８１ａと、波長分解された反射光を電気信号に変換するＳｉフォトダイオードを用いたＣＣＤイメージセンサ１８１ｂとを備え、光サーキュレータ１７０からの反射光を複数の波長に離散化した離散化信号を生成して出力する。
【００４６】
図６は、温度算出手段１８２の機能を示す図である。温度算出手段１８２は、例えば、コンピュータ（電算機）等であり、受光手段１８１から入力される離散化信号に基づいて測定対象物Ｗの温度を算出する。温度算出手段１８２は、信号取得手段２０１と、離散フーリエ変換手段２０２と、光路長算出手段２０３と、記憶手段２０４と、温度演算手段２０５とを備える。なお、図６に示す機能は、温度算出手段１８２が備えるハードウェア（例えば、ＨＤＤ、ＣＰＵ、メモリ等）により実現される。具体的には、ＣＰＵが、ＨＤＤもしくはメモリに記録されているプログラムを実行することで実現される。
【００４７】
信号取得手段２０１は、受光手段１８１からの離散化信号を取り込む。
【００４８】
離散フーリエ変換手段２０２は、信号取得手段２０１で取得した信号に対してＤＦＴ（discrete fourier transform）処理を行う。このＤＦＴ処理により、受光手段１８１からの離散化信号を振幅と距離との情報に変換する。図７は、ＤＴＦ処理後の信号を示す図である。図７の縦軸は振幅、横軸は距離である。
【００４９】
光路長算出手段２０３は、離散フーリエ変換手段２０２により変換された振幅と距離との情報に基づいて光路長を算出する。具体的には、図７に示すピークＡからピークＢまでの距離を算出する。図７に示すピークＡとピークＢは、測定対象物である測定対象物Ｗの表面Ｈからの反射光と裏面Ｒからの反射光との干渉により生じ、この光路長の差は、測定対象物Ｗの温度に依存する。測定対象物Ｗの温度が変化すると、測定対象物Ｗの熱膨張と屈折率との変化により、測定対象物Ｗの表面Ｈと裏面Ｒとの光路長が変化するためである。
【００５０】
記憶手段２０４には、図８に示す光路長と温度との関係が記憶されている。上述したように図７に示すピークＡからピークＢの光路長は、測定対象物Ｗの温度に依存する。そこで、予め、ピークＡからピークＢの光路長と測定対象物Ｗの温度との関係を記憶手段２０４に記憶しておくことで、光路長算出手段２０３で算出された光路長から測定対象物Ｗの温度を算出することができる。
【００５１】
なお、図８に示す光路長と温度との関係は、実際に実験等で測定したものを記憶手段２０４へ記憶してもよいし、半導体ウエハ（Ｓｉ）の物性値から計算したものを記憶手段２０４へ記憶してもよい。記憶手段２０４は、例えば、Ｆｌａｓｈ Ｍｅｍｏｒｙ（フラッシュメモリ）やＦｅＲＡＭ（強誘電体メモリ）等の不揮発性メモリである。
【００５２】
温度演算手段２０５は、記憶手段２０４を参照して、光路長算出手段２０３で算出された光路長から測定対象物である測定対象物Ｗの温度を算出する。
【００５３】
以上のように、この第２の実施形態に係る物理状態測定装置２００は、測定ポイントＰからの反射光を、受光手段により離散化信号に変換し、この離散化信号をＤＦＴ処理して光路長を算出しているので、参照ミラーからの反射光との干渉により光路長を算出する場合と異なり、参照ミラーを機械的に動作させる必要がないので測定ポイントの温度測定が非常に早くなり、効率的に温度測定を行うことができる。その他の効果は、第１の実施形態に係る物理状態測定装置１００の効果と同じである。
【００５４】
（第３の実施形態）
図９は、第３の実施形態に係る物理状態測定装置３００の構成 図である。この第３の実施形態に係る物理状態測定装置３００は、ＣＷ光源１１０の代わりに、広い波長帯域の光を発生する多波長ＣＷ光源１１０Ａを使用し、この多波長ＣＷ光源１１０Ａで発生する多波長光（測定光）を分波器１９０で複数の波長λ１〜λｍに分波し、この分波された測定光を測定対象物Ｗ（例えば、半導体ウエハ）の互いに異なる測定ポイントＰ１〜Ｐｍへ照射している点が、第２の実施形態に係る物理状態測定装置２００と異なる。
【００５５】
なお、多波長ＣＷ光源１１０Ａで発生する光の波長間隔、すなわち波長λ１〜λｍの間隔は、互いに異なる不等間隔であることが望ましい。波長変換手段１５０で二次高調波を発生させる際に、差周波が同時に発生しＳＮＲ（signal-noise ratio）が劣化するのを抑制するためである。
【００５６】
また、受光手段１８１には、各測定ポイントＰ１〜Ｐｍからの波長λ１〜λｍの反射光が合波された状態で入力されるが、温度算出手段１８２で処理したい波長の反射光のみを受光手段１８１のＣＣＤイメージセンサ１８１ｂから取り出すようにすればよい。
【００５７】
上記以外にも、図１０（ａ）に示すように回折格子１８１ａを回転させることにより、波長変換手段１５０から入力される多波長光（反射光）から特定の波長を分離してＣＣＤイメージセンサ１８１ｂへ取り込むように構成してもよい。この場合、波長変換手段１５０により、受光手段１８１へ入射される波長が半分（λ／２）の波長に変化されているため、回折格子１８１ａの回転角度も半分で済む、このため、回折格子１８１ａを回転させて特定の波長を分離するために必要な時間を短縮することができる。
【００５８】
また、図１０（ｂ）に示すように波長変換手段１５０として、二次高調波の波長を選択可能な機能を有するＰＰＬＮ（周期分極反転ニオブ酸リチウム）結晶を使用するように構成してもよい。その他の構成は、第２の実施形態に係る物理状態測定装置２００の構成と同一であるため重複した説明を種略する。
【００５９】
以上のように、この第３の実施形態に係る物理状態測定装置３００によれば、多波長ＣＷ光源１１０Ａを使用し、この多波長ＣＷ光源１１０Ａで発生する多波長光（測定光）を分波器１９０で複数の波長λ１〜λｍに分波し、この分波された測定光を互いに異なる測定ポイントＰ１〜Ｐｍへ照射しているので複数の測定ポイントの温度を簡易に測定できる。
【００６０】
なお、この第３の実施形態では、特定の測定対象物Ｗの互いに異なる測定ポイントＰ１〜Ｐｍの物理状態を測定しているが、分波器１９０で分波された各波長λ１〜λｍの測定光を異なる測定対象物Ｗの物理状態を測定するように構成してもよい。
【００６１】
（第４の実施形態）
図１１は、第４の実施形態に係る物理状態測定装置４００の構成図である。この第４の実施形態に係る物理状態測定装置４００は、ＣＷ光源１１０の代わりに、広い波長帯域の光を発生する多波長ＣＷ光源１１０Ａを使用し、この多波長ＣＷ光源１１０Ａで発生する多波長光（測定光）を分波器１９０で複数の波長λ１〜λｍに分波して互いに異なる測定ポイントＰ１〜Ｐｍへ照射するように構成した点が、第１の実施形態に係る物理状態測定装置１００と異なる。その他の構成については、第１の実施形態に係る物理状態測定装置１００と同一であるため、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００６２】
この第４の実施形態に係る物理状態測定装置４００は、多波長ＣＷ光源１１０Ａを使用し、この多波長ＣＷ光源１１０Ａで発生する多波長光を分波器１９０で複数の波長λ１〜λｍに分波して互いに異なる測定ポイントＰ１〜Ｐｍへ照射するようしたので、複数の測定ポイントの温度を簡易に測定できる。その他の効果は、第１の実施形態に係る物理状態測定装置１００と同じである。
【００６３】
なお、複数の波長λ１〜λｍから特定の波長を取り出すためには、第３の実施形態で述べたように、受光手段１６１から特定の波長を取り出すように構成してもよいし、受光手段１６１の手前に回折格子を備えるように構成してもよい。また、波長変換手段１５０として、二次高調波の波長を選択可能な機能を有するＰＰＬＮ（周期分極反転ニオブ酸リチウム）結晶を使用するように構成してもよい。
【００６４】
（その他の実施形態）
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。例えば、上記実施形態では、測定対象物Ｗの温度を測定する実施形態について説明した。しかし、測定対象物Ｗ内に屈折率が異なる層や構造物が存在する場合、測定光は該層や構造物でも反射して干渉光を生ずる。このため、測定対象物Ｗの他の物理状態（例えば、内部構造）を測定することも可能である。また、測定光の波長を変更すれば、半導体ウエハ（Ｓｉ）以外にも種々の構造体（例えば、人体）の物理状態を測定することもできる。
【符号の説明】
【００６５】
１００，２００，３００…物理状態測定装置、１１０…光源、１２０…スプリッタ、１３０…参照光反射手段、１４０…光路長変化手段、１５０…波長変換手段、１６０…信号処理手段、１６１…受光手段、１６２…温度算出手段、１７０…光サーキュレータ、１８０…信号処理装置、１８１…受光手段、１８２…温度算出手段、Ｆ１〜Ｆｎ＋１…コリメートファイバ、Ｐ１〜Ｐｍ…測定ポイント、λ１〜λｍ…波長。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象物の物理状態を非接触で測定可能な物理状態測定装置及び物理状態測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
基板処理装置により処理される被処理基板（例えば、半導体ウエハ）の物理状態（例えば、内部構造や温度等）を正確に測定することは、成膜やエッチングなど種々の処理の結果により半導体ウエハ上に形成される膜やホールなどの形状、物性等を正確にコントロールする点からも極めて重要である。このため、ＦＩＢ−ＳＥＭや蛍光式温度計等様々な手法により半導体ウエハの内部構造や温度等を計測することが従来から行われている。
【０００３】
近年では、上述したような従来の温度計測方法では困難だった半導体ウエハの内部構造や温度等を直接計測することができる低コヒーレンス干渉計を利用した計測技術が知られている。このような低コヒーレンス干渉計を利用した計測技術において、第１スプリッタによって光源からの光を温度測定用の測定光と参照光とに分岐し、さらに、分岐された測定光を第２スプリッタによってｎ個の測定光に分岐してｎ個の測定光をｎ個の測定ポイントへ照射し、これらのｎ個の測定光の反射光と、参照光反射手段で反射された参照光の反射光との干渉を測定し、複数の測定ポイントの温度を同時に測定できるようにした技術も提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１１２８２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように光源からの光を測定対象物に照射し、反射光により測定対象物の物理状態を測定する技術では、測定対象物及び測定する物理状態に応じて光源から照射する光の波長を選択する必要がある。例えば、上記した従来の技術では、半導体ウエハの温度を測定するためには、半導体ウエハ（Ｓｉ）を透過する波長帯域の光（例えば、１０００ｎｍ以上）を使用する必要がある。このため、受光手段として、波長が１０００ｎｍ以上の光に感度を有する受光素子（例えば、ＩｎＧａＡｓフォトダイオード）を使用する必要がある。しかしながら、ＩｎＧａＡｓフォトダイオードは、Ｓｉフォトダイオードに比べて応答性が低いため、測定対象物の物理状態の測定を高速に行えないという問題があった。
【０００６】
本発明は、かかる従来の事情に対処してなされたもので、波長が１０００ｎｍ以上の長波長の光を使用しなければならない場合であっても、従来に比べて高速に測定対象物の物理状態を測定できる物理状態測定装置及び物理状態測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の物理状態測定装置は、光源と、光源からの光を測定対象物の測定ポイントまで伝送する伝送手段と、測定ポイントで反射した光の波長を異なる波長に変換する非線形光学素子と、波長変換後の光を受光する受光手段と、受光手段で受光された光の波形に基づいて、測定ポイントにおける測定対象物の物理状態を測定する測定手段と、を備える。
【０００８】
本発明の物理状態測定方法は、光源からの光を測定対象物の測定ポイントまで伝送する工程と、測定ポイントで反射した光の波長を異なる波長に変換する工程と、波長変換後の光を受光する工程と、受光された光の波形に基づいて、測定ポイントにおける測定対象物の物理状態を測定する工程と、を備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、従来に比べて高速に測定対象物の物理状態を測定できる物理状態測定装置及び物理状態測定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施形態に係る物理状態測定装置の構成図。
【図２】温度算出手段の機能を示す図。
【図３】干渉波形の具体例。
【図４】第２の実施形態に係る物理状態測定装置の構成図。
【図５】受光手段の構成図。
【図６】温度算出手段の機能を示す図。
【図７】ＤＴＦ処理後の信号を示す図。
【図８】記憶手段に記憶されている光路長と温度との関係を示す図。
【図９】第３の実施形態に係る物理状態測定装置の構成図。
【図１０】波長選択の説明図。
【図１１】第４の実施形態に係る物理状態測定装置の構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明の各実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付して重複した説明を省略する。また、測定対象物として半導体ウエハを、物理状態として半導体ウエハの温度を例に説明するが、測定対象物は、半導体ウエハに限られず、種々の対象物を測定することができる。また、物理状態についても、温度に限られず、種々の物理状態（例えば、内部構造等）を測定することができる。
【００１２】
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態にかかる物理状態測定装置１００の構成図である。第１の実施形態にかかる物理状態測定装置１００は、ＣＷ光源１１０と、ＣＷ光源１１０からの光を温度測定用の光（測定光）と参照光とに分岐するスプリッタ１２０と、測定光を測定対象物Ｗ（例えば、半導体ウエハ）の測定ポイントＰへ伝送するコリメートファイバＦ１と、スプリッタ１２０からの参照光を反射するための参照光反射手段１３０と、スプリッタ１２０で分岐された参照光を、参照光反射手段１３０まで伝送するコリメートファイバＦ２と、参照光反射手段１３０から反射する参照光の光路長を変化させるための光路長変化手段１４０と、測定対象物Ｗの測定ポイントＰ及び参照光反射手段１３０からの反射光の波長を変換する波長変換手段１５０と、波長変換手段１５０で波長変換された測定光及び参照光の反射光による干渉波形に基づいて、測定対象物Ｗの測定ポイントＰの温度を測定する信号処理装置１６０とを備える。信号処理装置１６０は、受光手段１６１及び温度算出手段１６２を備える。
【００１３】
ＣＷ光源１１０は、連続光を発生する光源である。ＣＷ光源１１０は、測定光と参照光との干渉が測定できれば、任意の光を使用することが可能であるが、この第１の実施形態では、測定対象物Ｗとして半導体ウエハの温度測定を行うので、少なくとも測定対象物Ｗである半導体ウエハの表面Ｈと裏面Ｒとの間の距離（通常は８００〜１５００μｍ程度）からの反射光が干渉を生じない程度の光が好ましい。
【００１４】
具体的には例えば低コヒーレンス光を用いることが好ましい。低コヒーレンス光とは、コヒーレンス長の短い光をいう。低コヒーレンス光の中心波長は、測定対象物Ｗである半導体ウエハの主成分であるシリコン（Ｓｉ）を透過する１０００ｎｍ以上であることが好ましい。また、コヒーレンス長としては、例えば０．１〜１００μｍが好ましく、更に３μｍ以下がより好ましい。このような低コヒーレンス光をＣＷ光源１１０として使用することにより、余計な干渉による障害を回避でき、ウエハの表面又は内部層からの反射光に基づく参照光との干渉を容易に測定することができる。
【００１５】
スプリッタ１２０は、例えば光ファイバカプラである。但し、これに限定されるものではなく、参照光と測定光とにスプリットすることが可能なものであればよい。スプリッタ１２０は、例えば光導波路型分波器、半透鏡などを用いてもよい。
【００１６】
参照光反射手段１３０には、例えば、コーナーキューブプリズム、平面ミラー等などを使用することができる。これらの中でも、反射光の入射光との平行性の点に鑑みれば、コーナーキューブプリズムを用いることが好ましい。但し、参照光を反射できれば、上記のものに限られず、例えばディレーラインなどで構成してもよい。
【００１７】
光路長変化手段１４０は、例えば、参照ミラーなどで構成される参照光反射手段１３０を参照光の入射方向に平行な一方向へ駆動するモータなどの駆動手段により構成される。このように、参照ミラーを一方向へ駆動させることにより、参照ミラーから反射する参照光の光路長を変化させることができる。
【００１８】
波長変換手段１５０は、測定対象物Ｗの測定ポイントＰで反射した測定光及び参照光反射手段１３０で反射した参照光の波長を受光手段１６１で受光可能な波長（具体的には、１０００ｎｍ未満）に変換する。
【００１９】
波長変換手段１５０としては、例えば、入力された光の波長（λ）の半波長（λ／２）の二次高調波を放射する非線形光学結晶を使用することができる。非線形光学結晶を使用することで、光の位相を保ったまま、波長を変換することができる。このような非線形光学結晶としては、例えば、ＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）結晶、ＫＴＰ結晶、ＢＢＯ結晶、ＬＢＯ結晶、ＡｇＧａＳ２結晶、ＡｇＧａＳｅ２結晶、ＰＰＬＮ（周期分極反転ニオブ酸リチウム）結晶等を使用することができる。
【００２０】
受光手段１６１は、波長変換手段１５０で波長変換された測定光及び参照光の反射光を受光し、電気信号に変換する。この第１の実施形態では、受光手段１６１は、Ｓｉフォトダイオードを用いたＣＣＤイメージセンサにより構成されている。
【００２１】
上述したように、波長が１０００ｎｍ以上の光に感度を有するＩｎＧａＡｓフォトダイオードは、Ｓｉフォトダイオードに比べて応答性が低いため測定対象物Ｗの温度測定を高速に行えないという問題がある。そこで、この第１の実施形態では、波長変換手段１５０により、Ｓｉフォトダイオードを用いたＣＣＤイメージセンサで構成される受光手段１６１で受光可能な波長に変換することにより、温度測定の高速化を実現している。また、Ｓｉフォトダイオードを用いたＣＣＤイメージセンサは、フォトダイオードを高密度に形成できるため解像度、すなわちサンプリング数を向上させることができる。なお、ＣＣＤイメージセンサの替わりにＣＭＯＳイメージセンサを用いても同様に解像度を向上させることができ、また、サンプリング速度の高速化、小型化、省電力化を実現できる。
【００２２】
図２は、温度算出手段１６２の機能を示す図である。温度算出手段１６２は、例えば、コンピュータ（電算機）等であり、受光手段１６１で検出される干渉波形に基づいて測定対象物Ｗの温度を算出する。温度算出手段１６２は、信号取得手段１０１と、記憶手段１０２と、温度演算手段１０３とを備える。なお、図２に示す機能は、温度算出手段１６２が備えるハードウェア（例えば、ＨＤＤ、ＣＰＵ、メモリ等）により実現される。具体的には、ＣＰＵが、ＨＤＤもしくはメモリに記録されているプログラムを実行することで実現される。
【００２３】
信号取得手段１０１は、受光手段１６１からの波形信号及び光路長変化手段１４０からの参照光反射手段１３０の駆動距離信号を取り込む。
【００２４】
記憶手段１０２は、例えば、Ｆｌａｓｈ Ｍｅｍｏｒｙ（フラッシュメモリ）やＦｅＲＡＭ（強誘電体メモリ）等の不揮発性メモリである。記憶手段１０２には、測定ポイントＰの温度を算出するための物性値、および数式が記憶されている。具体的には、測定対象物Ｗの温度に応じた線膨張率α及び屈折率変化の温度係数βや、後述する数式が記憶されている。
【００２５】
温度演算手段１０３は、記憶手段１０２を参照して、受光手段１６１からの波形信号及び光路長変化手段１４０からの参照光反射手段１３０の駆動距離信号に基づいて、測定対象物Ｗの測定ポイントＰにおける温度を算出する。具体的な算出方法については、後述の「干渉光に基づく温度測定方法」で説明する。
【００２６】
（物理状態測定装置１００の動作）
図１に示すように、物理状態測定装置１００においては、ＣＷ光源１１０からの光は、スプリッタ１２０に入射され、スプリッタ１２０により２分岐される。このうち、一方（測定光）は、コリメートファイバＦ１を介して測定対象物Ｗに照射され、表面Ｈや裏面Ｒ及び内部の層や構造物によって反射される。
【００２７】
スプリッタ１２０で分岐された他方（参照光）は、コリメートファイバＦ２から出射され、参照光反射手段１３０によって反射される。そして、反射光はスプリッタ１２０へ入射し、測定光の反射光と再び合波されて波長変換手段１５０で波長変換された後、信号処理装置１６０で干渉波形が検出され、この検出された干渉波形に基づいて測定ポイントＰの温度が算出される。
【００２８】
（測定光と参照光との干渉波形の具体例）
ここで、物理状態測定装置１００により得られる干渉波形の具体例を図３に示す。図３は、測定光が、測定対象物Ｗの面内における測定ポイントＰに照射されるようにした場合における測定光と参照光との干渉波形を示したものである。図３（ａ）は温度変化前の干渉波形を示したものであり、図３（ｂ）は温度変化後の干渉波形を示したものである。図３において縦軸は干渉強度、横軸は参照ミラーの移動距離をとっている。
【００２９】
図３（ａ）、（ｂ）によれば、参照光反射手段（例えば参照ミラー）１３０を一方向へ走査していくと、先ず測定対象物Ｗの測定ポイントＰの表面Ｈと参照光との干渉波Ａが現れ、次いで測定対象物Ｗの測定ポイントＰの裏面Ｒと参照光との干渉波Ｂが現れる。
【００３０】
（干渉光に基づく温度測定方法）
次に、測定光と参照光との干渉波に基づいて温度を測定する方法について説明する。干渉波に基づく温度測定方法としては、例えば温度変化に基づく光路長変化を用いる温度換算方法がある。ここでは、上記干渉波形の位置ズレを利用した温度換算方法について説明する。
【００３１】
測定対象物Ｗがヒータ等によって温められると、測定対象物Ｗは膨張するとともに屈折率が変化するため、温度変化前と温度変化後では、干渉波形の位置がずれて、干渉波形のピーク間幅が変化する。このような測定ポイントの干渉波形のピーク間幅を測定することにより温度変化を検出することができる。例えば図１に示すような物理状態測定装置１００であれば、干渉波形のピーク間幅は、参照光反射手段１３０の移動距離に対応しているため、干渉波形のピーク間幅における参照光反射手段１３０の移動距離を測定することにより、温度変化を検出することができる。
【００３２】
温度測定対象物の厚さをｄとし、屈折率をｎとした場合、干渉波形についてのピーク位置のずれは、厚さｄについては各層固有の線膨張係数αに依存し、また屈折率ｎの変化については主として各層固有の屈折率変化の温度係数βに依存する。なお、屈折率変化の温度係数βについては波長にも依存することが知られている。
【００３３】
従って、ある測定ポイントＰにおける温度変化後のウエハの厚さｄ′と屈折率ｎ′を数式で表すと下記数式（１）に示すようになる。なお、数式（１）において、ΔＴは測定ポイントの温度変化を示し、αは線膨張率、βは屈折率変化の温度係数を示している。また、ｄ、ｎは、夫々温度変化前の測定ポイントＰにおける厚さ、屈折率を示している。
【００３４】
ｄ′＝ｄ・（１＋αΔＴ）、ｎ′＝ｎ・（１＋βΔＴ） …（１）
上記数式（１）に示すように、温度変化によって測定ポイントＰを透過する測定光の光路長が変化する。光路長は一般に、厚さｄと屈折率ｎとの積で表される。従って、温度変化前の測定ポイントＰを透過する測定光の光路長をＬとし、測定ポイントにおける温度がΔＴだけ変化した後の光路長をＬ′とすると、Ｌ、Ｌ′は夫々下記の数式（２）に示すようになる。
【００３５】
Ｌ＝ｄ・ｎ 、 Ｌ′＝ｄ′・ｎ′ …（２）
従って、測定ポイントにおける測定光の光路長の温度変化前後の差（Ｌ′−Ｌ）は、上記数式（１）、（２）により計算して整理すると、下記数式（３）に示すようになる。なお、下記数式（３）では、α・β≪α、α・β≪βを考慮して微小項を省略している。
【００３６】
Ｌ′−Ｌ＝ｄ′・ｎ′−ｄ・ｎ＝ｄ・ｎ・（α＋β）・ΔＴ
＝Ｌ・（α＋β）・ΔＴ …（３）
【００３７】
ここで、測定ポイントにおける測定光の光路長は、参照光との干渉波形のピーク間幅に相当する。従って、線膨張率α、屈折率変化の温度係数βを予め調べておけば、測定ポイントにおける参照光との干渉波形のピーク間幅を計測することによって、上記数式（３）を用いて、測定ポイントの温度に換算することができる。
【００３８】
このように、干渉波から温度への換算する場合、上述したように干渉波形のピーク間で表される光路長が線膨張率α及び屈折率変化の温度係数βによって変るため、これら線膨張率α及び屈折率変化の温度係数βを予め調べておく必要がある。半導体ウエハを含めた物質の線膨張率α及び屈折率変化の温度係数βは一般に、温度帯によっては、温度に依存する場合もある。例えば線膨張率αについては一般に、物質の温度が０〜１００℃くらいの温度範囲ではそれほど変化しないので、一定とみなしても差支えないが、１００℃以上の温度範囲では物質によっては温度が高くなるほど変化率が大きくなる場合もあるので、そのような場合には温度依存性が無視できなくなる。屈折率変化の温度係数βについても同様に温度範囲によっては、温度依存性が無視できなくなる場合がある。
【００３９】
例えば半導体ウエハを構成するシリコン（Ｓｉ）の場合は、０〜５００℃の温度範囲において線膨張率α及び屈折率変化の温度係数βは例えば二次曲線で近似することができることが知られている。このように、線膨張率α及び屈折率変化の温度係数βは温度に依存するので、例えば温度に応じた線膨張率α及び屈折率変化の温度係数βを予め調べておき、その値を考慮して温度換算すれば、より正確な温度に換算することができる。
【００４０】
なお、測定光と参照光との干渉波に基づく温度測定方法としては上述したような方法に限られることはなく、例えば温度変化に基づく吸収強度変化を用いる方法であってもよく、記温度変化に基づく光路長変化と温度変化に基づく吸収強度変化とを組み合わせた方法であってもよい。
【００４１】
以上のように、第１の実施形態に係る物理状態測定装置１００は、測定対象物Ｗの測定ポイントＰで反射した測定光及び参照光反射手段１３０で反射した参照光の波長（１０００ｎｍ以上）を、Ｓｉフォトダイオードを用いたＣＣＤイメージセンサで構成される受光手段１６１で受光可能な波長に変換する波長変換手段１５０を備えるようにしたので、物理状態測定装置１００における温度測定をより高速化できる。また、Ｓｉフォトダイオードを用いたＣＣＤイメージセンサは、高密度化できるため解像度、すなわちサンプリング数が向上する。また、ＣＣＤイメージセンサの替わりにＣＭＯＳイメージセンサを用いても同様の効果を得ることができる。
【００４２】
（第２の実施形態）
第１の実施形態では、ＣＷ光源１１０で発生する光を測定光と参照光とに分岐し、測定対象物Ｗの測定ポイントＰで反射された測定光と、参照光反射手段１３０で反射された参照光を干渉させて測定対象物Ｗ（例えば、半導体ウエハ）の測定ポイントの温度を測定する実施形態について説明した。この第２の実施形態では、参照光を使用しない実施形態について説明する。
【００４３】
図４は、第２の実施形態に係る物理状態測定装置２００の構成図である。物理状態測定装置２００は、ＣＷ光源１１０と、光サーキュレータ１７０と、コリメートファイバＦ１と、波長変換手段１５０と、信号処理装置１８０とを備える。信号処理装置１８０は、受光手段１８１及び温度算出手段１８２を備える。以下、第２の実施形態に係る物理状態測定装置２００の構成について説明するが、第１の実施形態に係る物理状態測定装置１００と同一の構成には同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００４４】
光サーキュレータ１７０は、３つのポートＡ〜Ｃを備える、ポートＡに入力した光はポートＢから出力され、ポートＢから入力した光はポートＣから出力され、ポートＣに入力した光はポートＡから出力される特性を有する。すなわち、ＣＷ光源１１０から入力される測定光はコリメートファイバＦ１を介して測定対象物Ｗへ照射され、測定対象物Ｗからの反射光は信号処理装置１８０の受光手段１８１へ入力される。
【００４５】
図５は、受光手段１８１の構成図である。受光手段１８１は、光サーキュレータ１７０からの反射光を波長分解する回折格子１８１ａと、波長分解された反射光を電気信号に変換するＳｉフォトダイオードを用いたＣＣＤイメージセンサ１８１ｂとを備え、光サーキュレータ１７０からの反射光を複数の波長に離散化した離散化信号を生成して出力する。
【００４６】
図６は、温度算出手段１８２の機能を示す図である。温度算出手段１８２は、例えば、コンピュータ（電算機）等であり、受光手段１８１から入力される離散化信号に基づいて測定対象物Ｗの温度を算出する。温度算出手段１８２は、信号取得手段２０１と、離散フーリエ変換手段２０２と、光路長算出手段２０３と、記憶手段２０４と、温度演算手段２０５とを備える。なお、図６に示す機能は、温度算出手段１８２が備えるハードウェア（例えば、ＨＤＤ、ＣＰＵ、メモリ等）により実現される。具体的には、ＣＰＵが、ＨＤＤもしくはメモリに記録されているプログラムを実行することで実現される。
【００４７】
信号取得手段２０１は、受光手段１８１からの離散化信号を取り込む。
【００４８】
離散フーリエ変換手段２０２は、信号取得手段２０１で取得した信号に対してＤＦＴ（discrete fourier transform）処理を行う。このＤＦＴ処理により、受光手段１８１からの離散化信号を振幅と距離との情報に変換する。図７は、ＤＴＦ処理後の信号を示す図である。図７の縦軸は振幅、横軸は距離である。
【００４９】
光路長算出手段２０３は、離散フーリエ変換手段２０２により変換された振幅と距離との情報に基づいて光路長を算出する。具体的には、図７に示すピークＡからピークＢまでの距離を算出する。図７に示すピークＡとピークＢは、測定対象物である測定対象物Ｗの表面Ｈからの反射光と裏面Ｒからの反射光との干渉により生じ、この光路長の差は、測定対象物Ｗの温度に依存する。測定対象物Ｗの温度が変化すると、測定対象物Ｗの熱膨張と屈折率との変化により、測定対象物Ｗの表面Ｈと裏面Ｒとの光路長が変化するためである。
【００５０】
記憶手段２０４には、図８に示す光路長と温度との関係が記憶されている。上述したように図７に示すピークＡからピークＢの光路長は、測定対象物Ｗの温度に依存する。そこで、予め、ピークＡからピークＢの光路長と測定対象物Ｗの温度との関係を記憶手段２０４に記憶しておくことで、光路長算出手段２０３で算出された光路長から測定対象物Ｗの温度を算出することができる。
【００５１】
なお、図８に示す光路長と温度との関係は、実際に実験等で測定したものを記憶手段２０４へ記憶してもよいし、半導体ウエハ（Ｓｉ）の物性値から計算したものを記憶手段２０４へ記憶してもよい。記憶手段２０４は、例えば、Ｆｌａｓｈ Ｍｅｍｏｒｙ（フラッシュメモリ）やＦｅＲＡＭ（強誘電体メモリ）等の不揮発性メモリである。
【００５２】
温度演算手段２０５は、記憶手段２０４を参照して、光路長算出手段２０３で算出された光路長から測定対象物である測定対象物Ｗの温度を算出する。
【００５３】
以上のように、この第２の実施形態に係る物理状態測定装置２００は、測定ポイントＰからの反射光を、受光手段により離散化信号に変換し、この離散化信号をＤＦＴ処理して光路長を算出しているので、参照ミラーからの反射光との干渉により光路長を算出する場合と異なり、参照ミラーを機械的に動作させる必要がないので測定ポイントの温度測定が非常に早くなり、効率的に温度測定を行うことができる。その他の効果は、第１の実施形態に係る物理状態測定装置１００の効果と同じである。
【００５４】
（第３の実施形態）
図９は、第３の実施形態に係る物理状態測定装置３００の構成 図である。この第３の実施形態に係る物理状態測定装置３００は、ＣＷ光源１１０の代わりに、広い波長帯域の光を発生する多波長ＣＷ光源１１０Ａを使用し、この多波長ＣＷ光源１１０Ａで発生する多波長光（測定光）を分波器１９０で複数の波長λ１〜λｍに分波し、この分波された測定光を測定対象物Ｗ（例えば、半導体ウエハ）の互いに異なる測定ポイントＰ１〜Ｐｍへ照射している点が、第２の実施形態に係る物理状態測定装置２００と異なる。
【００５５】
なお、多波長ＣＷ光源１１０Ａで発生する光の波長間隔、すなわち波長λ１〜λｍの間隔は、互いに異なる不等間隔であることが望ましい。波長変換手段１５０で二次高調波を発生させる際に、差周波が同時に発生しＳＮＲ（signal-noise ratio）が劣化するのを抑制するためである。
【００５６】
また、受光手段１８１には、各測定ポイントＰ１〜Ｐｍからの波長λ１〜λｍの反射光が合波された状態で入力されるが、温度算出手段１８２で処理したい波長の反射光のみを受光手段１８１のＣＣＤイメージセンサ１８１ｂから取り出すようにすればよい。
【００５７】
上記以外にも、図１０（ａ）に示すように回折格子１８１ａを回転させることにより、波長変換手段１５０から入力される多波長光（反射光）から特定の波長を分離してＣＣＤイメージセンサ１８１ｂへ取り込むように構成してもよい。この場合、波長変換手段１５０により、受光手段１８１へ入射される波長が半分（λ／２）の波長に変化されているため、回折格子１８１ａの回転角度も半分で済む、このため、回折格子１８１ａを回転させて特定の波長を分離するために必要な時間を短縮することができる。
【００５８】
また、図１０（ｂ）に示すように波長変換手段１５０として、二次高調波の波長を選択可能な機能を有するＰＰＬＮ（周期分極反転ニオブ酸リチウム）結晶を使用するように構成してもよい。その他の構成は、第２の実施形態に係る物理状態測定装置２００の構成と同一であるため重複した説明を種略する。
【００５９】
以上のように、この第３の実施形態に係る物理状態測定装置３００によれば、多波長ＣＷ光源１１０Ａを使用し、この多波長ＣＷ光源１１０Ａで発生する多波長光（測定光）を分波器１９０で複数の波長λ１〜λｍに分波し、この分波された測定光を互いに異なる測定ポイントＰ１〜Ｐｍへ照射しているので複数の測定ポイントの温度を簡易に測定できる。
【００６０】
なお、この第３の実施形態では、特定の測定対象物Ｗの互いに異なる測定ポイントＰ１〜Ｐｍの物理状態を測定しているが、分波器１９０で分波された各波長λ１〜λｍの測定光を異なる測定対象物Ｗの物理状態を測定するように構成してもよい。
【００６１】
（第４の実施形態）
図１１は、第４の実施形態に係る物理状態測定装置４００の構成図である。この第４の実施形態に係る物理状態測定装置４００は、ＣＷ光源１１０の代わりに、広い波長帯域の光を発生する多波長ＣＷ光源１１０Ａを使用し、この多波長ＣＷ光源１１０Ａで発生する多波長光（測定光）を分波器１９０で複数の波長λ１〜λｍに分波して互いに異なる測定ポイントＰ１〜Ｐｍへ照射するように構成した点が、第１の実施形態に係る物理状態測定装置１００と異なる。その他の構成については、第１の実施形態に係る物理状態測定装置１００と同一であるため、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００６２】
この第４の実施形態に係る物理状態測定装置４００は、多波長ＣＷ光源１１０Ａを使用し、この多波長ＣＷ光源１１０Ａで発生する多波長光を分波器１９０で複数の波長λ１〜λｍに分波して互いに異なる測定ポイントＰ１〜Ｐｍへ照射するようしたので、複数の測定ポイントの温度を簡易に測定できる。その他の効果は、第１の実施形態に係る物理状態測定装置１００と同じである。
【００６３】
なお、複数の波長λ１〜λｍから特定の波長を取り出すためには、第３の実施形態で述べたように、受光手段１６１から特定の波長を取り出すように構成してもよいし、受光手段１６１の手前に回折格子を備えるように構成してもよい。また、波長変換手段１５０として、二次高調波の波長を選択可能な機能を有するＰＰＬＮ（周期分極反転ニオブ酸リチウム）結晶を使用するように構成してもよい。
【００６４】
（その他の実施形態）
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。例えば、上記実施形態では、測定対象物Ｗの温度を測定する実施形態について説明した。しかし、測定対象物Ｗ内に屈折率が異なる層や構造物が存在する場合、測定光は該層や構造物でも反射して干渉光を生ずる。このため、測定対象物Ｗの他の物理状態（例えば、内部構造）を測定することも可能である。また、測定光の波長を変更すれば、半導体ウエハ（Ｓｉ）以外にも種々の構造体（例えば、人体）の物理状態を測定することもできる。
【符号の説明】
【００６５】
１００，２００，３００…物理状態測定装置、１１０…光源、１２０…スプリッタ、１３０…参照光反射手段、１４０…光路長変化手段、１５０…波長変換手段、１６０…信号処理手段、１６１…受光手段、１６２…温度算出手段、１７０…光サーキュレータ、１８０…信号処理装置、１８１…受光手段、１８２…温度算出手段、Ｆ１〜Ｆｎ＋１…コリメートファイバ、Ｐ１〜Ｐｍ…測定ポイント、λ１〜λｍ…波長。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源からの光を測定対象物の測定ポイントまで伝送する伝送手段と、
前記測定ポイントで反射した光の波長を異なる波長に変換する非線形光学素子と、
前記波長変換後の光を受光する受光手段と、
前記受光手段で受光された光の波形に基づいて、前記測定ポイントにおける前記測定対象物の物理状態を測定する測定手段と、
を備えたことを特徴とする物理状態測定装置。
【請求項２】
前記光源は、複数の波長の光を発生し、
前記変換後の光から特定の波長の光を選択して前記受光手段へ入力する波長選択手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の物理状態測定装置。
【請求項３】
前記複数の波長の間隔が不等間隔であることを特徴とする請求項２に記載の物理状態測定装置。
【請求項４】
前記波長選択手段は、ＰＰＬＮ（periodically poled lithium niobate）結晶または音響光学素子から構成されることを特徴とする請求項２又は３に記載の物理状態測定装置。
【請求項５】
前記測定対象物は、半導体ウエハであり、
前記物理状態は、前記半導体ウエハの温度であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の物理状態測定装置。
【請求項６】
前記光源は、波長が１０００ｎｍ以上の光を発生し、
前記受光手段は、ＣＣＤイメージセンサまたはＣＭＯＳイメージセンサから構成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の物理状態測定装置。
【請求項７】
前記光源からの光を、測定光と参照光とに分岐する分岐手段と、
前記分岐手段からの参照光を反射するための参照光反射手段と、
前記参照光反射手段から反射される参照光の光路長を変化させる光路長変化手段と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の物理状態測定装置。
【請求項８】
光源からの光を測定対象物の測定ポイントまで伝送する工程と、
前記測定ポイントで反射した光の波長を異なる波長に変換する工程と、
前記波長変換後の光を受光する工程と、
前記受光された光の波形に基づいて、前記測定ポイントにおける前記測定対象物の物理状態を測定する工程と、
を備えたことを特徴とする物理状態測定方法。
【請求項９】
前記光源は、複数の波長を含む光を発生し、
前記変換後の光から特定の波長の光を選択して出力する工程をさらに備えたことを特徴とする請求項８に記載の物理状態測定方法。
【請求項１０】
前記複数の波長の間隔が不等間隔であることを特徴とする請求項９に記載の物理状態測定方法。
【請求項１１】
前記測定対象物は、半導体ウエハであり、
前記物理状態は、前記半導体ウエハの温度であることを特徴とする請求項８〜１０のいずれかに記載の物理状態測定方法。
【請求項１２】
前記光源からの光を、測定光と参照光とに分岐する工程と、
前記分岐された参照光を反射する工程と、
前記反射される参照光の光路長を変化させる工程と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項８〜１１のいずれかに記載の物理状態測定方法。
【請求項１】
光源と、
前記光源からの光を測定対象物の測定ポイントまで伝送する伝送手段と、
前記測定ポイントで反射した光の波長を異なる波長に変換する非線形光学素子と、
前記波長変換後の光を受光する受光手段と、
前記受光手段で受光された光の波形に基づいて、前記測定ポイントにおける前記測定対象物の物理状態を測定する測定手段と、
を備えたことを特徴とする物理状態測定装置。
【請求項２】
前記光源は、複数の波長の光を発生し、
前記変換後の光から特定の波長の光を選択して前記受光手段へ入力する波長選択手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の物理状態測定装置。
【請求項３】
前記複数の波長の間隔が不等間隔であることを特徴とする請求項２に記載の物理状態測定装置。
【請求項４】
前記波長選択手段は、ＰＰＬＮ（periodically poled lithium niobate）結晶または音響光学素子から構成されることを特徴とする請求項２又は３に記載の物理状態測定装置。
【請求項５】
前記測定対象物は、半導体ウエハであり、
前記物理状態は、前記半導体ウエハの温度であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の物理状態測定装置。
【請求項６】
前記光源は、波長が１０００ｎｍ以上の光を発生し、
前記受光手段は、ＣＣＤイメージセンサまたはＣＭＯＳイメージセンサから構成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の物理状態測定装置。
【請求項７】
前記光源からの光を、測定光と参照光とに分岐する分岐手段と、
前記分岐手段からの参照光を反射するための参照光反射手段と、
前記参照光反射手段から反射される参照光の光路長を変化させる光路長変化手段と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の物理状態測定装置。
【請求項８】
光源からの光を測定対象物の測定ポイントまで伝送する工程と、
前記測定ポイントで反射した光の波長を異なる波長に変換する工程と、
前記波長変換後の光を受光する工程と、
前記受光された光の波形に基づいて、前記測定ポイントにおける前記測定対象物の物理状態を測定する工程と、
を備えたことを特徴とする物理状態測定方法。
【請求項９】
前記光源は、複数の波長を含む光を発生し、
前記変換後の光から特定の波長の光を選択して出力する工程をさらに備えたことを特徴とする請求項８に記載の物理状態測定方法。
【請求項１０】
前記複数の波長の間隔が不等間隔であることを特徴とする請求項９に記載の物理状態測定方法。
【請求項１１】
前記測定対象物は、半導体ウエハであり、
前記物理状態は、前記半導体ウエハの温度であることを特徴とする請求項８〜１０のいずれかに記載の物理状態測定方法。
【請求項１２】
前記光源からの光を、測定光と参照光とに分岐する工程と、
前記分岐された参照光を反射する工程と、
前記反射される参照光の光路長を変化させる工程と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項８〜１１のいずれかに記載の物理状態測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−６３１５０（Ｐ２０１２−６３１５０Ａ）
【公開日】平成２４年３月２９日（２０１２．３．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０５４０２（Ｐ２０１０−２０５４０２）
【出願日】平成２２年９月１４日（２０１０．９．１４）
【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２４年３月２９日（２０１２．３．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月１４日（２０１０．９．１４）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]