专利名称：温度测量装置以及利用它的热处理装置、温度测量方法
技术领域：
本发明涉及 一 种使用探测激光来测量温度的温度测量装 置以及利用它的热处理装置、温度测量方法，特别是涉及如同 半导体基板等基板的热处理那样在基板内产生较高的温度梯度 并在短时间内进行热处理的情况下的温度测量中优选使用的温 度测量装置以及利用它的热处理装置、温度测量方法。
背景技术：
为了在半导体基板等基板的热处理中高精确度且有效地 进行热处理，需要非接触测量基板温度的方法。以往作为非接 触型溫度测量装置而使用放射温度计，但是由于放射率随着基 板表面状态变化而发生变化，放射温度计难以测量基板的正确 温度，因此提出了利用激光器来测量基板温度的方法。例如，专利文献l中提出了如下方法从半导体激光器向 被测温体照射探测激光，并且还向参照用部件照射探测激光， 检测来自被测温体的反射光和来自参照用部件的反射光的合成 光，在该合成光的频谱中，求出对应于被测温体的温度而异常 地产生了强度变化的光成分的频率，根据该频率来掌握上述被 测温体的温度。另外，在专利文献2中提出了 一种通过对工件的表面温度 进行测量的表面温度测量装置来测量温度的方法，其中，所述 表面温度测量装置具备激光照射部，向上述工件的测f:点照 射激光；激光分离部，其将从该激光照射部照射的激光进行分 离，并平行地照射到上述工件的测量点以及从该测量点隔着规 定距离的位置的参照点；脉沖激光照射部，其对上述测量点照射脉冲激光，间歇地加热上述测量点；千涉仪，其聚集从上述 测量点以及参照点反射的反射光来检测千涉；以及运算部，其 根据由该干涉仪得到的上述测量点的超声波振动的频率来界出 上述测量点的温度。专利文献l:曰本特开2000—162048号7>净艮专利文献2:日本特开平11-190670号〃>才艮发明内容发明要解决的问题但是，这些温度测量方法是在炉内加热基板并使整个基板 的温度保持恒定来进行热处理的情况下的基板温度的测量方 法，因此不适合利用高功率密度的加热源从基板表面进行快速 加热来进行热处理这样的、基板内产生高的温度梯度并在短时 间内进行热处理的情况下的温度测量。另外，专利文献l中的方 法利用了由晶格振动引起的探测激光的调制，因此在基板是玻 璃这样的非晶体的情况下难以应用。并且，由于需要微小噪声 的频谱分析，因此存在时间分解能低、难以对温度快速变化的 基板进行温度测量的问题。因此，需要能正确测量如这种基板 的热处理那样以微秒为单位快速进行温度变化的基板表面、内 部温度的温度测量装置或者方法。本发明鉴于这种要求，其目的在于提供一种如下的温度测 量装置以及温度测量方法能够容易且高效地测量利用高功率 密度的加热源从基板表面进行快速加热来进行基板热处理时的 基板内的规定位置在规定时间下的温度。另外，本发明的目的 在于提供一种能够利用这种温度测量装置基于正确的温度控制 进行热处理的热处理装置。用于解决问题的方案本发明人注意到，利用干涉性强的探测激光来测量膜厚并 成膜时膜厚控制变得不稳定的问题的起因在于，成膜过程中伴 随成膜基板被加热而受光的探测激光的光量周期变动。并且，根据以下知识完成了本发明在利用等离子流进行基板的热处 理时，如果对基板照射探测激光并测量反射探测激光的强度， 则此时得到的探测激光反射率的时间变化状态，对应于基于基 板表面被快速加热而在基板内产生的温度分布的折射率的变化 状态。与本发明有关的温度测量方法，具有光强度测量部，其 对温度和折射率具有唯 一 相关关系的被加热体照射探测激光， 并测量光强度特性X,该光强度特性X表示在被加热体内部多重 反射的探测激光的干涉结果所产生的反射光或者透过光的光强 度和时间之间的关系；运算部，其用于获取再现;故加热体，当 对&有与上述被加热体相同的形状、热以及光学特性的虛拟被 加热体提供与对上述被加热体进行加热的条件相同的热负荷、 并照射具有与上述探测激光相同特性的探测激光时，求出具冇 从该虚拟被加热体得到的光强度特性与上述光强度特性X最一 致的光强度特性Z的虛拟#皮加热体而作为再现:帔加热体；以及 温度输出部，其才艮据上述再现被加热体求出上述被加热体的规 定部位在规定时间下的温度。在上述发明中，运算部可以具有数据输入部，其输入规 定的输入数据；热传导解析部，其根据该输入数据求出虛拟被 加热体的温度分布特性；变换部，其将求出的温度分布特性变 换为对应的折射率分布特性；光学解析部，其求出具有变换后 的折射率分布特性的虚拟被加热体的规定的光学特性Y;判断 部，其从上述光强度特性X提取规定的光学特性X，判别该光学 特性X和Y之间的差异，将直到使该差异成为最小为止进行校正得到的初始值重新输入到数据输入部来求出与上述光学特性x最一致的光学特性Z;以及再现被加热体输出部，其将具有与 这种光学特性Z对应的光强度特性Z以及温度分布特性的虛拟 被加热体作为再现一皮加热体而进行输出。另外，在上述发明中，光学特性可以是与关于被加热体以 及虛拟被加热体而得到的光强度特性有关的波形的振动数、相 位、波峰的峰点和波谷的谷点所相关的特性，或者是关于虛拟 被加热体而得到的光学厚度特性。判断部可以具有模式识别部，该模式识别部利用模式匹配 法、特征点法或者频率解析法来判别光强度特性X和光强度特 性Y之间的差异，另外，可以具有均方误差计算部，该均方误 差计界部利用均方误差法来判别光学厚度特性X和光学厚度特性Y之间的差异。光强度测量部可以具有探测激光光源、光路分路元件、探 测激光聚光透镜以及光强度测量仪，关于激光聚光透镜，其焦 点距离f相对于被加热体的厚度d最好具有1>2 d关系。上述发明能够优选地用于求出以lps 10s在室温 3000K范 闺内变化的被加热体温度的温度测量装置中。通过将与上述发明有关的温度测量装置附设到等离子流 发生装置中，能够高质量地进行半导体基板的热处理等。而且， 在该热处理装置中最好设置根据来自温度测量装置的信号来控 砵'J等离子流发生装置的输出的控制装置。与本发明有关的温度测量方法具有以下阶段求出光强度 特性X的阶段，对温度和折射率具有唯一相关关系的被加热体 照射探测激光，求出光强度特性X，该光强度特性X表示在被加 热体内部多重反射的探测激光的干涉结果所生成的反射光或者 透过光的光强度与时间之间的关系；求出虛拟被加热体的阶段，首先，求出对具有与上述被加热体相同形状、热、光学特性的 虛拟被加热体提供与对上述被加热体进行加热的条件相同的热 负荷时的温度分布特性，求出与该温度分布特性对应的折射率 分布特性，并且求出对具有这种折射率分布特性的虛拟被加热 体照射具有与上述探测激光相同特性的探测激光时所得到的光强度特性Y ，判别该光强度特性Y和上述光强度特性X之间的差 异，接着，对提供给上述虚拟被加热体的热负荷条件中的规定 条件进行校正，求出校正后的光强度特性，将具冇与上述光强 度特性X差异最小的被校正的光强度特性Z以及与这种光强度 特性Z对应的温度分布特性的虛拟被加热体作为再现被加热体 而求出；以及根据上述再现被加热体的温度分布特性来求出上 述被加热体的 >见定部位在头见定时间下的温度的阶"^殳。在上述温度测量方法的发明中，热负荷条件中的规定条件 拔好是设为功率传递效率或/及虛拟被加热体有效地接受所接 入的功率的区域大小。另外，与本发明有关的温度测量程序具有以下程序求出 光强度特性X的程序，当对温度和折射率具有唯一相关关系的 被加热体照射探测激光时，求出光强度特性X,该光强度特性X 表示在被加热体内部多重反射的探测激光的干涉结果所生成的 反射光或者透过光的光强度和时间之间的关系；热传导解析程 序，求出对具有与上述被加热体相同形状、热、光学特性的虛 拟被加热体提供与对上述被加热体进行加热的条件相同的热负 荷时的温度分布特性；求出与上述温度分布特性对应的折射率 分布特性的程序；光学解析程序，求出对具有上述折射率分布 特性的虛拟被加热体照射具有与上述探测激光相同特性的探测 激光时所得到的光强度特性Y;求出光强度特性Z的程序，判别 上述光强度特性X和上述光强度特性Y之间的差异，直到该J:异成为最小为止校正热负荷条件中的规定条件，并求出与该光强度特性X差异最小的光强度特性Z;将具有上述光强度特性Z并 具有与其对应的温度分布特性的虚拟被加热体作为再现被加热体而求出的程序；以及根据上述再现被加热体的温度分布特性 来求出上述被加热体的失见定部位在规定时间下的温度的程序。另外，与本发明有关的计算机可读取的记录介质记录有以 下程序求出光强度特性X的程序，当对温度和折射率具有唯 一相关关系的被加热体照射探测激光时，求出光强度特性X ， 该光强度特性X表示在被加热体内部多重反射的探测激光的干 涉结果所生成的反射光或者透过光的光强度和时间之间的关 系；热传导解析程序，求出对具有与上述被加热体相同形状、 热、光学特性的虚拟被加热体提供与对上述被加热体进行加热 的条件相同的热负荷时的温度分布特性；求出与上述温度分布 特性对应的折射率分布特性的程序；光学解析程序，求出对具 有上述折射率分布特性的虛拟被加热体照射具有与上述探测激 光相同特性的探测激光时所得到的光强度特性Y;求出光强度 特性Z的程序，判别上述光强度特性X和上述光强度特性Y之间 的差异，直到该差异成为最小为止校正热负荷条件中的规定条 件，并求出与该光强度特性X差异最小的光强度特性Z;将具有 上述光强度特性Z并具有与其对应的温度分布特性的虚拟被加 热体作为再现被加热体而求出的程序；以及根据上述再现被加 热体的温度分布特性来求出上述被加热体的》见定部位在规定时 间下的温度的程序。另外，与本发明有关的进行温度测量的LSI实施如下程序 来进行温度测量求出光强度特性X的程序，当对温度和折射 率具有唯 一 相关关系的被加热体照射探测激光时，求出光强度 特性X，该光强度特性X表示在被加热体内部多重反射的探测激光的干涉结果所生成的反射光或者透过光的光强度和时间之间的关系；热传导解析程序，求出对具有与上述被加热体相同形 状、热、光学特性的虛拟被加热体提供与对上述被加热体进行 加热的条件相同的热负荷时的温度分布特性；求出与上述温度 分布特性对应的折射率分布特性的程序；光学解析程序，求出 对具有上述折射率分布特性的虚拟被加热体照射具有与上述探 测激光相同特性的探测激光时所得到的光强度特性Y;求出光 强度特性Z的程序，判别上述光强度特性X和上述光强度特性Y 之间的差异，直到该差异成为最小为止校正热负荷条件中的规 定条件，并求出与该光强度特性X差异最小的光强度特性Z;将具有上述光强度特性Z并具有与其对应的温度分布特性的虚拟 被加热体作为再现被加热体而求出的程序；以及根据上述再现 被加热体的温度分布特性来求出上述被加热体的规定部位在规 定时间下的温度的程序。上述温度测量装置或者方法在非常短时间内完成了从被 加热体的光强度特性X的获取到再现被加热体的获取、以及被 加热体的规定部位在规定时间下的温度获取，因此虽然与通常 的温度测量方法没有特別不同，但是通过预先设置存储有光强 度特性X以及与其对应的再现被加热体所相关的数据的数据 库，能够实现温度测量的高速化、温度测量装置的小型化、简 单化等。即，与本发明有关的数据库具有输入部，其输入用于选 择测量对象的数据；记录部，其存储有与光强度特性有关的数 据群以及与具有对应于该数据群的温度分布特性的再现被加热 体有关的数据群，其中，所述光强度特性是根据与可输入到上 述输入部中的对象有关的规定的初始值以及使该初始值中的特定初始值变化的校正值而预先计算得到的；以及检索部，其从与上述光强度特性以及上述再现被加热体有关的数据群中，检索与从被加热体获取的光强度特性x最一致的光强度特性z以 及与该光强度特性z对应的再现被加热体。利用这种数据库，能够构成小型且结构简单的温度测量装置。即，该温度测量装置具有光强度测量部，对温度和折射 率具有唯一相关关系的被加热体照射探测激光，测量光强度特 性X，该光强度特性X表示在被加热体内部多重反射的探测激光 的干涉结果所产生的反射光或者透过光的光强度和时间之间的 关系；数据库；以及温度输出部，其根据上述再现被加热体来 求出上述^皮加热体的规定部位在规定时间下的温度，其中，上 述数据库具有输入部，其输入用于选择测量对象的数据；记 录部，其存储有与光强度特性有关的数据群以及与具有对应于 该数椐群的温度分布特性的再现被加热体有关的数据群，其中， 所述光强度特性是根据与可输入到上述输入部中的对象有关的 规定的初始值以及使该初始值中的特定初始值变化的校正值而 预先计算得到的；以及检索部，其从与上述光强度特性以及上 述再现被加热体有关的数据群中，检索与从被加热体获取的光 强度特性X最一致的光强度特性Z以及与该光强度特性Z对应的 再现纟皮加热体。另外，与本发明有关的温度测量装置也可以是如下结构。 即，具备被加热体光强度特性获取部，其求出第l光强度特性， 该第l光强度特性表示对任意部位的温度和折射率具有唯一相 关关系的被加热体照射规定的探测激光而得到的、干涉波的光 强度和时间之间的关系；虚拟被加热体温度特性获取部，其在 具有与上述被加热体相同形状、热特性和光学特性的第l虛拟被 加热体中，求出对该虛拟;故加热体提供与对上述被加热体进行 加热的条件相同的热负荷时的温度分布特性；虛拟^皮加热体折射率特性获取部，其求出上述虚拟被加热体中的与上述温度分布特性对应的折射率特性；虛拟被加热体光强度特性获取部， 其获取第2光强度特性，该第2光强度特性表示对具有与上述虚 拟被加热体相同折射率特性的第2虚拟被加热体照射上述探测 激光而得到的、干涉波的光强度和时间的关系；再现被加热体 确定部，其使用上述第l光强度特性和上述第2光强度特性来确 定再现被加热体，该再现被加热体具有与上述第l光强度特性最 一致的第3光强度特性；以及被加热体温度获取部，其根据上述 再现被加热体中的温度分布特性，求出上述被加热体的特定部 位中的温度。并且，与本发明有关的温度测量装置也可以在上述再现被 加热体确定部中调整上述第2虚拟加热体的光学厚度特性，使得 从上述第l光强度特性求出的波形的振动数与从上述第2光强度 特性求出的波形振动数之差最小，由此来求出上述第3光强度特性。发明的效果与本发明有关的温度测量方法或者装置，能够容易并且正 确地测量利用高功率密度的加热源从基板表面进行快速加热来 进行热处理时的基板内的规定位置的温度。另外，与本发明有 关的热处理装置的结构简单且小型，另外通过测量所用的基板 内细小部分的温度并根据该温度控制热处理条件，能够以较高 的处理温度稳定性来进行基板的热处理。
图1是表示与本发明有关的温度测量装置的结构的说明图。图2是表示附设了图l的温度测量装置的热处理装置的概要的设计图。图3是表示照射到被加热体上的探测激光的多重反射状态 的说明图。图4是光强度特性X的图，该光强度特性X表示对被加热体 照射探测激光时在被加热体内部多重反射的探测激光的干涉结 果所产生的反射光的光强度与时间之间的关系。图5是将图4示出的光强度特性X和关于虛拟被加热体而得 到的光强度特性Y进行重叠显示的图。图6是表示虚拟被加热体的光学厚度特性Y的图。图7是绘出了关于虚拟被加热体和再现被加热体所得到的 光学厚度特性Y,、 Y2、 Z、以及从图4示出的光强度特性X提取 出的光学厚度特性的图。图8是将图4示出的光强度特性X和关于再现被加热体所得 到的光强度特性Z进行重叠显示的图。图9是表示虚拟被加热体以及再现被加热体的温度分布特 性的图。图10是表示再现被加热体的热处理开始后5ms时的温度分 布特性的图。图11是表示再现被加热体的热处理开始后5ms时的折射率 分布特性的图。附图标记i兌明10:被加热体；20:探测激光；22:反射探测激光；50: 等离子流发生装置；51:等离子流；100:光强度测量部；105: 探测激光光源；106:光路分路元件；107:纟冢测激光聚光透镜； 108:光强度测量仪；109:滤波器；200:运算部；210:数据 输入部；220:热传导解析部；230:变换部；240:光学解析部； 250:判断部；270:再现被加热体输出部；300:温度输出部。
具体实施方式
下面说明与本发明有关的温度测量装置的实施方式。如图l所示，该温度测量装置具有光强度测量部100、运算部200以及 温度输出部300。光强度测量部100具有作为被加热体光强度特 性获取部的功能，该功能如下对温度和折射率具有唯一相关 关系的被加热体照射纟笨测激光，测量光强度特性X，该光强度 特性X表示在被加热体内部多重反射的探测激光的干涉结果所 产生的反射光或者透过光的光强度与时间之间的关系。运算部 200具有如下的用于获取再现;故加热体的功能向具有与被加热 体相同形状、热以及光学特性的虚拟被加热体提供与加热上述 被加热体的条件相同的热负荷，当照射具有与上述探测激光相 同特性的探测激光时，求出具有从该虚拟被加热体得到的光强 度特性与上述光强度特性X最一致的光强度特性Z的虛拟被加 热体而作为再现4支加热体。温度输出部300具有根据再现被加热 体来求出上述被加热体的规定部位在规定时间下的温度的功 能。此外，在本发明中表示各种特性的情况下，记号X、 Y或者 Z分别表示与被加热体、虛拟被加热体或者再现被加热体相关 的特性。光强度测量部100例如由图2所示的测量装置构成。本实施 例是在利用等离子体发生装置50的等离子流5l加热被加热体来 进行热处理的热处理装置中利用了上述温度测量装置的情况下 的实施例，光强度测量部100由探测激光光源105、光路分路元 件106、探测激光聚光透镜107、滤波器109以及光强度测量仪108 构成。在由该热处理装置进行被加热体10的热处理的情况下，当 探测激光2 0从纟笨测激光光源10 5通过光路分路元件10 6以及探测 激光聚光透镜107照射到被加热体10的里面时，如图3所示，所照射的探测激光20在被加热体10的表面和里面进行多重反射， 这些发生了干涉的探测激光22通过光路分路元件106、滤波器 109入射到光强度测量仪108。通过光强度测量仪108测量并记录 如图4所示的表示光强度与时间之间的关系的光强度特性X 。此外，在图4中，在以接入功率1.67kW、扫描速度700m/s 的等离子流对厚度为525pm的石英基板进行热处理时，从石英 基板里面垂直照射输出为10mW、波长为633nm的He-Ne探测激 光，测量并求出在该石英基板的表面和里面进行反射的反射探 测激光(探测激光22)的光量。图4的横轴表示热处理开始后的时量比而求出的反射率(相对光强度)。在这种情况下，也可以使 用根据向石英基4反的表面侧透过的透过光的光量而求出的透过 率，但是考虑到装置的结构/操作性，在实际应用中优选使用反 射率。如图4所示，反射率随着热处理的经过时间而反复增减， 光强度特性X表示振动波形。本发明利用这种光强度特性X来测 量被加热体的温度分布、温度的变化状态。因而，在本发明中， 被加热体10只要是温度和折射率具有唯一 的相关关系的物体即 可，但是必须是入射光和多重反射探测激光发生干涉、并能够 干涉到其干涉波产生振动波形程度的物体。因此，被加热体IO 最好具有大致平行的两个以上的反射面，平行度偏差最好在5。 以内。另外，被加热体最好具有50%以上的探测激光透过率。 在这种情况下，能够确保从被加热体的里面和表面反射的反射 探测激光相对于入射光的强度比为1/4以上，因此能够得到振幅 足够大的反射率的时间变化曲线数据。另外，关于^皮加热体10的形状，最好是被加热体10的面积 与其厚度相比足够大。这有如下优点平面方向的热扩散长度相对于厚度方向变长，加热期间的蓄热效果的影响变小，因此 能够以比较高的精确度进行温度测量。另外，由于相同的原因， 被加热体的厚度相对于热处理层的厚度舉好足够大。用于本光强度测量部100的探测激光20只要是具有干涉性 的激光并没有特别限定。例如，可以使用输出为10mW、波长 为63 3nm的He-Ne探测激光、输出为5OmW 、波长为532nm的YA G 高次谐波探测激光。为了减小测量温度误差，需要使照射探测 激光点与被加热体10的平面方向温度分布相比足够小，因此最 好利用透镜等集中到一点。但是，当使用透镜的焦点距离f相对 于被加热体厚度d为f〈2d的透镜时，来自被加热体里面的反射光 强度与来自表面的反射光强度相比变得极弱，会产生反射光的 干涉振幅变小的问题。因而，最好使用焦点距离为f^2d的透镜。不特别限定对被加热体10进行加热的加热源。该温度测量 装置可以用于使用任何加热源进行基板等的热处理的情况。然 而，该温度测量装置最好使用于通过等离子流、探测激光或者 Xc闪光灯、卣灯等高功率密度的加热源以微秒为单位快速加热 Si02基板、Si制的基板等来进行热处理时的温度测量中。这是 因为利用该温度测量装置能够容易地测量以往难以测量的以微 秒为单位快速变化的温度。该温度测量装置中的运算部200作为实现用于获取上述再 现被加热体的功能的结构，可以为如下的结构。即，如图l所示， 运算部200可以具有数据输入部210、热传导解析部220、变换部 230、光学解析部240、判断部250、再现被加热体输出部260。数据输入部210具有用于输入用来运算的初始值、它们的 校正值等规定的输入数据的功能。作为初始值，输入以下条件 与被加热体有关的厚度、面积、平行度等形状条件；初始温度、 初始反射率、热传导率、密度、比热、折射率的溫度依赖性等热以及光学条件；以及与加热源有关的种类、接入功率、接入 功率的时间分布(profile)、功率传递效率、虚拟一皮加热体有效地 接受所接入的功率的区域尺寸等条件。热传导解析部220具有用于根据输入数据来求出虛拟被加 热体的温度分布特性的功能，即具有作为虛拟被加热体温度特 性获取部的功能。热传导解析部220可以将应用了公知的热传导 解析方法的程序或者软件作为主体而构成。变换部230具有将通过热传导解析部220求出的温度分布特性变换为对应的折射率分布特性的功能，即具有作为虛拟被 加热体折射率特性获取部的功能。虛拟被加热体的温度和折射率具有唯一的相关关系，在虛拟被加热体中所产生的温度分布、 温度的时间变化能够唯一地变换为折射率分布、折射率的时间 变化。例如，在温度为T(。C)、探测激光波长为633nm的石英基 板的情况下，其折射率n以n-1.457+1.2xl(TST的关系式表示，在 Si制的基板的情况下，其折射率n以n=4.04+2.105 x 10_4T的关系 式表示，根据这种关系式能够将温度分布特性变换为折射率分 布特性。光学解析部240具有用于求出具有通过变换部230求出的 变换后的折射率分布特性的虛拟被加热体的规定光学特性的功 能，即具有用于求出具有上述折射率分布特性的虚拟被加热体 (光学结构体)的光学特性的功能。例如具有作为获取光强度特 性Y的光学结构体光强度特性获取部的功能。在这种情况下， 也可以将光学特性Y设为与由照射探测激光的基板厚度d和该 基板折射率n所定义的光学厚度(nxd)有关的光学厚度特性Y。可 以使用应用了公知光学解析方法的程序或者软件来求出这种光 学特性。判断部250具有如下功能从光强度特性X提取规定的光学特性X,判别该光学特性X和通过光学解析部240求出的光学特 性Y之间的差异。例如，在设为对象的光学特性是光强度特性-的情况下，判别由光强度测量部100求出的光强度特性X和由光 学解析部240求出的光强度特性Y的差异。在设为对象的光学特 性是光学厚度特性的情况下，判别从由光强度测量部IOO求出的 光强度特性X提取光学厚度特性而得到的光学厚度特性X与由 光学解析部240求出的光学厚度特性Y之间差异。具体地说，为了判别光强度特性X和光强度特性Y的差异， 利用表示这些特性的波形发生振动的情形。例如，如图5所示， 实际通过光强度测量部100得到的由实线表示的光强度特性X 的波形、与使用初始值通过光学解析部240求出的由虛线表示的 光强度特性Y的波形，通常其振动数和相位不同。关注这些点， 判别光强度特性X和光强度特性Y之间的差异。即，能够在判断部250中设置利用了模式匹配法、特征点 法或者频率解析法的模式识别部，提取光强度特性X与光强度 特性Y之间的振动数及相位的差异，通过由模式识別部进行解 析来容易地判断其差异。通常，被加热体的上升温度越高，振 动数越多，上升温度越低，振动数越少。此外，在图5中横轴表 示热处理开始后的时间，纵轴表示反射率。相对于利用这种光强度特性的方法，在利用光学厚度特性 的情况下，如以下那样判别光学厚度特性X和光学厚度特性Y 之间的差异。即，通过光学解析部240得到由如图6的实线所示 的光学厚度特性Y。在图6中横轴表示热处理开始后的时间，纵 轴表示光学厚度。另一方面，当关注图4所示的光强度特性X时，振动波形的 波峰的峰点和下一个波谷的谷点、或者波谷的谷点和下一个波 峰的峰点，表示光学结构体的光学厚度发生了(1/4)入(X是探测激光的波长)变化的时刻。当从表示图4所示的光强度特性X的波 形中提取该光学厚度每变化的时间并标绘到图6上时，如图6 的圆圏标记所示。在图6中，a g是在图4中表示光强度特性X的 波形表示波峰的峰点或者波谷的谷点的时刻。从图6可知，通过比较a g时间中的两者的光学厚度而容易 得到光学厚度特性X和光学厚度特性Y之间的差异。例如，能够 通过求出a g中的两者的光学厚度的均方误差的差异来进行判 别。重复这种由判断部250进行的光学特性差异的判别，直到 其差异成为最小。即，判断部250判别光学特性X和Y之间的差 异，将校正到使其差异为最小为止的初始值重新输入到数据输 入部，求出使光学特性X和Y的差异为最小的、即与光学特性X 最一致的光学特性Z。然后，通过再现被加热体输出部260求出 具有与具有由此得到的光学特性Z的光学结构体对应的光强度 特性Z以及温度分布特性的虛拟被加热体，将具有这种特性的 虛拟被加热体作为再现被加热体而输出到温度输出部300。该再 现被加热体将与^皮加热体的温度分布以及温度的时间变化最近 似的温度分布以及温度的时间变化再现在其内部。温度输出部300根据这种再现被加热体，求出被加热体的 规定位置以及时间(热处理开始后的时间)下的温度，作为被加 热体的测量温度而输出。以上说明了与本发明有关的温度测量装置。该温度测量装 置能够最佳地实施下面的温度测量方法。即，与本发明有关的 温度测量方法具有如下阶段对温度和折射率具有唯一相关关 系的被加热体照射探测激光，求出根据该入射光和反射光之间 的干涉得到的表示光强度和时间之间的关系的光强度特性X; 首先，求出对具有与上述被加热体相同的形状、热、光学特性的虛拟被加热体提供与上述被加热体被加热的条件相同的热负 荷时的温度分布特性，求出与该温度分布特性对应的折射率分 布特性，并且求出对具有这种折射率分布特性的虛拟被加热体 照射具有与上述探测激光相同特性的探测激光时所得到的光强度特性Y ，判别该光强度特性Y和上述光强度特性X之间的差 异，接着，对提供给上述虚拟被加热体的热负荷条件中的规定 条件进行校正，求出校正后的光强度特性，将具有与上述光强 度特性X差异最小的被校正的光强度特性Z以及与这种光强度 特性Z对应的温度分布特性的虛拟被加热体作为再现被加热体 而求出；以及根据上述再现被加热体的温度分布特性，求出上 述被加热体的规定部位在规定时间下的温度。在该温度测量方法中，为了求出校正为与光强度特性X差 异最小的光强度特性Z、即与光强度特性X最一致的光强度特性 Z而进行校正的热负荷条件，最好设为上述初始值中有效地接 受功率传递效率或/及接入虛拟被加热体的功率的区域(受热区 域)大小。例如，将功率传递效率s作为s+厶s,作为受热域的尺 寸而将等离子流的宽度W设为W+AW而输入，并重新计算。由 此能够有效地减小光强度特性X和Y之间的差异。能够通过下面的考呈序最佳地实施这种温度测量方法。即，与本发明有关的温度测量程序，具有以下程序求出光强度特 性X的程序，当对温度和折射率具有唯一相关关系的被加热体 照射探测激光时，求出根据该入射光和反射光之间的干涉所得 到的表示光强度和时间之间的关系的光强度特性X;热传导解 析程序，求出对具有与上述被加热体相同形状、热、光学特性 的虛拟被加热体提供与对上述被加热体进4亍加热的条件相同的 热负荷时的温度分布特性；求出与该温度分布特性对应的折射 率分布特性的程序；光学解析程序，求出对具有折射率分布特性的虛拟被加热体照射具有与上述探测激光相同特性的探测激光时所得到的光强度特性Y;求出光强度特性Z的程序，判别上 述光强度特性X和上述光强度特性Y之间的差异，校正热负荷条 件中的规定条件直到该差异为最小，并求出与该光强度特性X 差异最小的光强度特性Z;将具有上述光强度特性Z、并具有与 其对应的温度分布特性的虛拟;故加热体作为再现;陂加热体而求 出的程序；以及才艮据上述再现-陂加热体的温度分布特性来求出 上述被加热体的*见定部位在规定时间下的温度的程序。另外，该程序能够记录在计算机可读取的记录介质中。即， 与本发明有关的计算机可读取的记录介质记录有以下程序求 出光强度特性X的程序，当对温度和折射率具有唯一相关关系 的被加热体照射4笨测激光时，求出根据该入射光和反射光之间 的干涉所得到的表示光强度和时间之间的关系的光强度特性 X;热传导解析程序，求出对具有与上述被加热体相同形状、 热、光学特性的虛拟被加热体提供与对上述被加热体进行加热 的条件相同的热负荷时的温度分布特性；求出与该温度分布特 性对应的折射率分布特性的程序；光学解析程序，求出对具有折射率分布特性的虚拟被加热体照射具有与上述探测激光相同 特性的探测激光时所得到的干涉波的光强度特性Y;求出光强 度特性Z的程序，判别上述光强度特性X和上述光强度特性Y之 间的差异，校正热负荷条件中的规定条件直到该差异为最小， 并求出与该光强度特性X差异最小的光强度特性Z;将具有上述 光强度特性Z、并具有与其对应的温度分布特性的虛拟被加热 体作为再现被加热体而求出的程序；以及根椐上述再现被加热 体的温度分布特性来求出上述被加热体的规定部位在规定时间 下的温度的程序。另外，能够构成进行如下的温度测量的LSI。即，与本发明有关的测量温度的L SI是执行以下程序来进行温度测量的LSI:求出光强度特性X的程序，当对温度和折射率具有唯一相关关系的被加热体照射探测激光时，求出根据该入射光和反射光之间的干涉所得到的表示光强度和时间之间的关系的光强度特性X;热传导解析程序，求出对具有与上述被加热体相同形状、热、光学特性的虛拟被加热体提供与对上述被加热体进行加热的条件相同的热负荷时的温度分布特性；求出与上述温度分布特性对应的折射率分布特性的程序；光学解析程序，求出 对具有折射率分布特性的虚拟被加热体照射具有与上述探测激光相同特性的探测激光时所得到的光强度特性Y;求出光强度 特性Z的程序，判别上述光强度特性X和上述光强度特性Y之间 的差异，校正热负荷条件中的规定条件直到该差异为最小，并 求出与该光强度特性X差异最小的光强度特性Z;将具有上述光 强度特性Z、并具有与其对应的温度分布特性的虛拟被加热体 作为再现被加热体而求出的程序；以及根据上述再现被加热体 的温度分布特性来求出上述被加热体的规定部位在规定时间下 的温度的程序。以上说明了与本发明有关的温度测量装置以及温度测量 方法。在这些温度测量装置的结构或者温度测量方法的实施中， 最好设置下面说明的数据库。由此，能够进一步缩短从获取被 加热体光强度特性到求出该规定部位在规定时间下的温度的时 间，能够实现温度测量的高速化。即，该数据库具有输入部，其输入用于选择测量对象的 数据；记录部，其存储有与光强度特性相关的数据群、以及与 具有对应于该数据群的温度分布特性的再现^L加热体有关的数 据群，其中，所述光强度特性是根据与可输入到上述输入部的对象有关的规定的初始值以及使该初始值中的特定初始值变化后的校正值而预先计算得到的；以及检索部，其从与上述光强 度特性以及上述再现被加热体有关的数据群中检索与从被加热 体获取的光强度特性X最一致的光强度特性Z以及与该光强度 特性Z对应的再现净皮加热体。在上述数据库中，规定的初始值是与有关被加热体的被 加热体形状、初始温度、初始反射率、热传导率、密度、比热 以及折射率的温度依赖性相关的数据等；与有关加热源的加热 源的种类、接入功率、接入功率的时间分布、功率传递效率以 及受热区域的大小相关的数据等；以及与温度测量中使用的探 测激光有关的输出以及波长所相关的数据等。特定的初始值是 指与功率传递效率或/及等离子流的宽度有关的数据。另外，用于选择测量对象的数据，具体是指"石英基板"或"Si制基板"， 或者是"石英基板以及等离子流扫描速度"。用于选择测量对象 的数据内容根据生产现场的需要性而被决定，根据用于选择该 测量对象的数据大小来决定数据库的大小。设置了这种数据库的温度测量装置能够设为用该数据库 来置换上述温度测量装置的运算部200的结构。通过该温度测量 装置如下地进行温度测量。即，在快速加热被加热体、开始从 光强度测量部10 0获取与光强度特性X有关的数据时，检索部从 数据部检索与所获取的光强度特性X最一致的光强度特性Z。然 后，检索具有与该光强度特性Z对应的温度分布特性的再现被 加热体。几乎没有延时地输出与该再现^皮加热体有关的输出， 因此通过该温度测量装置能够测量被加热体加热后的瞬时瞬间 的温度，另外能够测量被加热体在任意位置上的温度变化状态。 另外，通过设置这种数据库，能够构成小型、简单结构的温度 测量装置。如上所述，该溫度测量装置能够正确地测量对半导体基板等以高功率密度的加热源进行热处理这样的、温度以微秒为单位快速变化的基寺反表面、内部的温度。因此，通过将该温度测 量装置附设在热处理装置上，能够进行高质量的热处理。另夕卜， 根据设置了通过来自该温度测量装置的信号来控制等离子流发 生装置输出的控制装置的热处理装置，能够进一步进行高质量 的热处理。另外，可以在这种热处理装置上设置使等离子流发 生装置的等离子流与半导体基板等进行相对移动的驱动装置。 实施例l使用图2所示的温度测量装置进行了用等离子流对厚度为 525pm的石英基板进行热处理时的石英基板的温度测量试验。 等离子流的接入功率为1.67kW,扫描速度为700m/s。在进行热 处理时，从该石英基板的里面垂直照射输出为10mW、波长为 633nm的He-Ne探测激光，测量光强度特性，该光强度特性表 示在被加热体内部进行多重反射的探测激光的干涉结果所产生 的反射光的光强度和时间之间的关系。再现被加热体的获取使 用了利用上述光学厚度特性的方法。图7 11表示试验结果。图7是表示光学厚度特性的图，表 示利用上述光学厚度特性来求出再现被加热体的情况的实施 例。图7的横轴表示热处理开始后的时间，纵轴表示光学厚度。 图8是表示光强度特性的图，横轴表示热处理开始后的时间，纵 轴表示反射率。图9是表示石英基板表面温度的图，横轴表示热 处理开始后的时间，纵轴表示表面温度。图10是表示再现被加 热体的热处理开始后5ms的温度分布特性的图，横轴表示再现 被加热体的位置，纵轴表示距离再现被加热体表面的深度位置。 图中的数字表示温度，箭头表示等离子流的照射位置。此外， 等离子流在图中从左向右方向扫描。图ll是表示将图IO示出的 各温度根据石英基板的温度与折射率的关系式n-1.457+1.2xl(TST变换为折射率的情况下的光学结构体(再现 被加热体)的折射率分布特性的图。图ll的横轴表示冉现被加热 体的位置，纵轴表示距离再现被加热体表面的深度位置。图中 的数值表示折射率，箭头表示等离子流的照射位置。在图7至9中，标记X表示与被加热体即石英基板有关的特 性。标记Y(Yb Y2)表示与虛拟被加热体有关的特性，标记Z表 示与再现被加热体有关的特性。另外，图7所示的圆圈标记是分 别标绘了从图8的与被加热体有关的光强度特性X提取出的光 学厚度特性(表示波形的波峰的峰点和波谷的谷点的时间和此 时的光学厚度)的标记。在图7中，光学厚度特性Y,曲线是将功率传递效率作为额 定值的45%而求出的。如图7所示，圆围标记处于光学厚度特性 Y,曲线的上部。因此，将功率传递效率作为额定值的90%来重新输入并重新计算从而得到光学厚度特性Y2曲线。但是，求出 的光学厚度特性Y2曲线处于圆圏标记的上部，因此将功率传递 效率作为额定值的64.5。/。来重新输入并重新计算而求出的就是 光学厚度特性Z。根据图7可知，关于第2至第6个圆圏标记，是分别相邻的圆圏标记之间的光学厚度差相等的(xy4)。这与在图8中光强度特性X表示明确的波峰波形或者波谷波形的情况有关。另外，根 据图7还可知，从图8的光强度特性X提取出的圆圏标记在再现 被加热体所相关的光学厚度特性Z曲线上非常一致。根据图8可知，与被加热体有关的光强度特性X和与再现被 加热体有关的光强度特性Z的波形(振动数、相位)非常一致。根 据图9所示温度分布特性可知，再现被加热体(石英基板)的表面 温度在5ms后达到1300°K。另外，根据图10可知，温度分布是 以等离子流的照射部为中心而形成年轮状的形状。而且，从表面到超过20nm的-果度为止都是1000K以上的温度，可知在本例 的条件下对石英基板充分地进行了热处理。实际上用光学显微 镜观察石英基4反的组织时，可知进行了充分的热处理。将图IO 和图11进行比较时，从石英基板的温度和折射率之间的关系具 有直线性比例关系的情形可知，温度分布形状和折射率分布形 状成为相似形状(相同)。
权利要求
1.一种温度测量装置，具有光强度测量部，其对温度和折射率具有唯一相关关系的被加热体照射探测激光，并测量光强度特性X，该光强度特性X表示在被加热体内部多重反射的探测激光的干涉结果所产生的反射光或者透过光的光强度和时间之间的关系；运算部，其用于获取再现被加热体，当对具有与上述被加热体相同的形状、热以及光学特性的虚拟被加热体提供与对上述被加热体进行加热的条件相同的热负荷、并照射具有与上述探测激光相同特性的探测激光时，求出具有从该虚拟被加热体得到的光强度特性与上述光强度特性X最一致的光强度特性Z的虚拟被加热体而作为再现被加热体；以及温度输出部，其根据上述再现被加热体求出上述被加热体的规定部位在规定时间下的温度。
2. 根据权利要求I所述的温度测量装罝，其特征在于， 运算部具有数据输入部，其输入规定的输入数据；热传导解析部，其根据该输入数据求出虛拟被加热体的温度分布特 性；变换部，其将求出的溫度分布特性变换为对应的折射率分 布特性；光学解析部，其求出具有变换后的折射率分布特性的 虛拟被加热体的规定的光学特性Y;判断部，其从上述光强度 特性X提取规定的光学特性X,判别该光学特性X和Y之间的差 异，将直到使该差异成为最小为止进行校正得到的初始值重新 输入到数据输入部来求出与上述光学特性X最 一 致的光学特性 Z;以及再现被加热体输出部，其将具有与这种光学特性Z对应 的光强度特性Z以及温度分布特性的虚拟被加热体作为再现被加热体而进行输出。
3. 根据权利要求2所述的温度测量装置，其特征在于，光学特性是与关于被加热体以及虛拟被加热体而得到的光强度特性有关的波形的振动数、相位、波峰的峰点和波谷的谷 点所相关的特性，或者是关于虚拟被加热体而得到的光学厚度 特性。
4. 根据权利要求2所述的温度测量装置，其特征在于， 判断部具有才莫式识别部，该模式识别部利用模式匹配法、特征点法或者频率解析法来判别光强度特性X和光强度特性Y之间的差异。
5. 根据权利要求2所述的温度测量装置，其特征在于， 判断部具有均方误差计算部，该均方误差计算部利用均方误差法来判别光学厚度特性X和光学厚度特性Y之间的差异。
6. 根据权利要求l所述的温度测量装置，其特征在于， 光强度测量部具有探测激光光源、光路分路元件、探测激光聚光透镜以及光强度测量仪。
7. 根据权利要求6所述的温度测量装置，其特征在于，关于激光聚光透镜，其焦点距离f相对于被加热体的厚度d 具冇I^2d关系。
8. 根据权利要求l所述的温度测量装置，其特征在于，求出以1(is 10s在室温 3000K的范围内变化的被加热体的 溫度。
9. 一种热处理装置，其中，在等离子流发生装置中附设有权利要求1所述的温度测量 装置。
10. 根据权利要求9所述的热处理装置，其特征在于， 设置有控制装罝，该控制装置根据来自温度测量装置的信兮来控制等离子流发生装置的输出。
11. 一种温度测量方法，具有以下阶段求出光强度特性X的阶段，对温度和折射率具有唯 一 相关关系的被加热体照射探测激光，求出光强度特性x，该光强度特性x表示在被加热体内部多重反射的探测激光的干涉结果所 生成的反射光或者透过光的光强度与时间之间的关系；求出虛拟被加热体的阶段，首先，求出对具有与上述被加 热体相同形状、热、光学特性的虚拟被加热体提供与对上述被 加热体进行加热的条件相同的热负荷时的温度分布特性，求出 与该温度分布特性对应的折射率分布特性，并且求出对具有这种折射率分布特性的虛拟被加热体照射具有与上述探测激光相 同特性的探测激光时所得到的光强度特性Y ，判别该光强度特 性Y和上述光强度特性X之间的差异，接着，对提供给上述虛拟 被加热体的热负荷条件中的规定条件进行校正，求出校正后的 光强度特性，将具有与上述光强度特性X差异最小的被校正的 光强度特性Z以及与这种光强度特性Z对应的温度分布特性的 虛拟#皮加热体作为再现#_加热体而求出；以及根据上述再现被加热体的温度分布特性来求出上述被加热 体的规定部位在规定时间下的温度的阶段。
12. 根据权利要求10所述的温度测量方法，其特征在于，热体有效地接受所接入的功率的区域大小。
13. —种温度测量程序，其特征在于，具有以下程序 求出光强度特性X的程序，当对温度和折射率具有唯一相关关系的被加热体照射探测激光时，求出光强度特性X,该光 强度特性X表示在被加热体内部多重反射的探测激光的干涉结 果所生成的反射光或者透过光的光强度和时间之间的关系；热传导解析程序，求出对具有与上述被加热体相间形状、 热、光学特性的虛拟被加热体提供与对上述被加热体进行加热 的条件相同的热负荷时的温度分布特性；求出与上述温度分布特性对应的折射率分布特性的程序；光学解析程序，求出对具有这种折射率分布特性的虚拟被 加热体照射具有与上述探测激光相同特性的探测激光时所得到的光强度特性Y;求出光强度特性Z的程序，判别上述光强度特性X和上述光 强度特性Y之间的差异，直到该差异成为最小为止校正热负荷 条件中的规定条件，并求出与该光强度特性X差异最小的光强 度特性Z;将具有上述光强度特性Z并具有与其对应的温度分布特性 的虛拟被加热体作为再现;陂加热体而求出的程序；以及根据上述再现被加热体的温度分布特性来求出上述被加热 体的规定部位在失见定时间下的温度的程序。
14. 一种计算才几可读取的记录介质，记录有以下程序求出光强度特性X的程序，当对温度和折射率具有唯一相 关关系的被加热体照射探测激光时，求出光强度特性X,该光 强度特性X表示在被加热体内部多重反射的探测激光的干涉结 果所生成的反射光或者透过光的光强度和时间之间的关系；热传导解析程序，求出对具有与上述被加热体相同形状、 热、光学特性的虚拟被加热体提供与对上述被加热体进行加热 的条件相同的热负荷时的温度分布特性；求出与上述温度分布特性对应的折射率分布特性的程序；光学解析程序，求出对具有这种折射率分布特性的虛拟被 加热体照射具有与上述探测激光相同特性的探测激光时所得到 的光强度特性Y;求出光强度特性Z的程序，判别上述光强度特性X和上述光 强度特性Y之间的差异，直到该差异成为最小为止校正热负荷 条件中的规定条件，并求出与该光强度特性X差异最小的光强度特性Z;将具有上述光强度特性Z并具有与其对应的温度分布特性 的虛拟5故加热体作为再现;故加热体而求出的程序；以及根据上述再现被加热体的温度分布特性来求出上述被加热 体的规定部位在^L定时间下的温度的程序。
15. —种LSI，实施如下程序来进^f亍温度测量 求出光强度特性X的程序，当对温度和折射率具有唯一相关关系的被加热体照射探测激光时，求出光强度特性X，该光 强度特性X表示在被加热体内部多重反射的探测激光的干涉结 果所生成的反射光或者透过光的光强度和时间之间的关系；热传导解析程序，求出对具有与上述被加热体相同形状、 热、光学特性的虚拟被加热体提供与对上述被加热体进行加热的条件相同的热负荷时的温度分布特性；求出与上述温度分布特性对应的折射率分布特性的程序； 光学解析程序，求出对具有这种折射率分布特性的虛拟被加热体照射具有与上述探测激光相同特性的探测激光时所得的光强度特性Y;求出光强度特性Z的程序，判别上述光强度特性X和上述光 强度特性Y之间的差异，直到该差异成为最小为止校正热负荷 条件中的规定条件，并求出与该光强度特性X差异最小的光强 度特性Z;将具有上述光强度特性Z并具有与其对应的温度分布特性 的虛拟;波加热体4乍为再现被加热体而求出的程序；以及根据上述再现被加热体的温度分布特性来求出上述被加热 体的规定部位在夫见定时间下的温度的程序。
16. —种数据库，具有输入部，其输入用于选择测量对象的数据；记录部，其存储有与光强度特性有关的数据群以及与具有 对应于该数据群的温度分布特性的再现被加热体有关的数据 群，其中，所述光强度特性是根据与可输入到上述输入部中的 对象有关的规定的初始值以及使该初始值中的特定初始值变化的校正值而预先计算得到的；以及检索部，其从与上述光强度特性以及上述再现被加热体冇 关的数据群中，检索与从被加热体获取的光强度特性X最一致 的光强度特性Z以及与该光强度特性Z对应的再现被加热体。
17. —种温度测量装置，具有光强度测量部，对温度和折射率具有唯 一 相关关系的被加 热体照射探测激光，测量光强度特性X,该光强度特性X表示在 被加热体内部多重反射的探测激光的干涉结果所产生的反射光 或者透过光的光强度和时间之间的关系；数据库；以及温度输出部，其根据上述再现被加热体来求出上述被加热 体的规定部位在妙L定时间下的温度，其中， 上述数据库具有输入部，其输入用于选择测量对象的数据； 记录部，其存储有与光强度特性有关的数据群以及与具冇 对应于该数据群的温度分布特性的再现被加热体有关的数据 群，其中，所述光强度特性是根据与可输入到上述输入部中的 对象有关的^L定的初始值以及使该初始值中的特定初始值变化 的校正值而预先计算得到的；以及检索部，其从与上述光强度特性以及上述再现被加热体有 关的数据群中，检索与从被加热体获取的光强度特性X最一致 的光强度特性Z以及与该光强度特性Z对应的再现被加热体。
全文摘要
提供一种适合进行快速加热来进行热处理的基板温度测量等的温度测量装置以及方法、热处理装置等。该温度测量装置具有光强度测量部，其对温度和折射率具有唯一相关关系的被加热体照射探测激光，并测量光强度特性X，该光强度特性X表示在被加热体内部多重反射的探测激光的干涉结果所产生的反射光或者透过光的光强度和时间之间的关系；运算部，其用于获取再现被加热体，当对具有与上述被加热体相同的形状、热以及光学特性的虚拟被加热体提供与上述被加热体被加热的条件相同的热负荷、并照射具有与上述探测激光相同特性的探测激光时，求出具有从该虚拟被加热体得到的光强度特性与上述光强度特性X最一致的光强度特性Z的虚拟被加热体而作为再现被加热体；以及温度输出部，其根据上述再现被加热体求出上述被加热体的规定部位在规定时间下的温度。
文档编号G01K11/12GK101218492SQ200680024509
公开日2008年7月9日 申请日期2006年7月4日 优先权日2005年7月5日
发明者东清一郎 申请人:国立大学法人广岛大学