特許 7565213 基板の表面温度を測定する装置および方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-02

(45)【発行日】2024-10-10

(54)【発明の名称】基板の表面温度を測定する装置および方法

(51)【国際特許分類】

   G01J 5/00 20220101AFI20241003BHJP

   G01J 5/60 20060101ALI20241003BHJP

   H01L 21/66 20060101ALI20241003BHJP

【ＦＩ】

G01J5/00 101C

G01J5/00 B

G01J5/60 D

H01L21/66 T

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2020528329

(86)(22)【出願日】2018-12-03

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2021-02-18

(86)【国際出願番号】 EP2018083376

(87)【国際公開番号】W WO2019110524

(87)【国際公開日】2019-06-13

【審査請求日】2021-11-12

(31)【優先権主張番号】17205566.7

(32)【優先日】2017-12-05

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】515075197

【氏名又は名称】レイザー システムズ アンド ソリューションズ オブ ヨーロッパ

【氏名又は名称原語表記】ＬＡＳＥＲ ＳＹＳＴＥＭＳ ＡＮＤ ＳＯＬＵＴＩＯＮＳ ＯＦ ＥＵＲＯＰＥ

(74)【代理人】

【識別番号】110001302

【氏名又は名称】弁理士法人北青山インターナショナル

(72)【発明者】

【氏名】ペロー，シルヴァン

【審査官】平田 佳規

(56)【参考文献】

【文献】米国特許第０５７２７０１７（ＵＳ，Ａ）

【文献】特開２００８－２１１１３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－１８７７６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０４９５６５３８（ＵＳ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０４８２２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２６３５８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０１－２０２６３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－２１６７３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－１１６２６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－２２５８８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－１８４４９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０４－２３３４２１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｊ ５／００ － Ｇ０１Ｊ ５／９０

Ｇ０１Ｊ １／０２ － Ｇ０１Ｊ １／０４

Ｇ０１Ｋ １３／００

Ｇ０１Ｎ ２５／００ － Ｇ０１Ｎ ２５／７２

Ｈ０１Ｌ ２１／２６８

Ｈ０１Ｌ ２１／６４ － Ｈ０１Ｌ ２１／６６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ほぼ平坦な処理表面（５）を有する基板（３）の表面温度（Ｔｓ）を測定するための装置（１）であって、前記処理表面（５）は、基板（３）の前記処理表面（５）の処理領域（１３）を加熱するように適合されたパルス光ビーム（９）によって照射され、前記装置（１）は：
前記基板（３）の処理表面（５）の処理領域（１３）に向かってプローブ光の第１の波長（λ_ＰＬ１）でプローブ光の第１のビーム（３９）を照射する第１の照明システム（３７）と；
第１の光学系（１９）であって：
熱放射の第１の方向（Ｄ_ＴＲ１ａ）における熱放射の第１の立体角（Ω_ＴＲ１ａ）にわたって、前記処理領域（１３）内の局所的に加熱された領域によって放射された熱放射（１６）の第１の放射ビーム（１７）を収集し；当該第１の放射ビーム（１７）を、第１の瞬間（ｔ_１）において、熱放射の第１の波長（λ_ＴＲ１）の周辺の第１の帯域幅内の前記第１の放射ビーム（１７）の第１の強度を表す熱放射の第１の信号（Ｓ_ＴＲ１ａ）を送信するように適合された熱放射の第１の検出チャネル（２３ａ）へと送出し；
プローブ光の第１の方向（Ｄ_ＰＬ１）におけるプローブ光の第１の立体角（Ω_ＰＬ１）にわたって、前記処理領域（１３）によって反射されたプローブ光（３９）の第１の反射ビーム（４７）を収集し；当該第１の反射ビーム（４７）を、第２の瞬間（ｔ_２）において、前記プローブ光の第１の波長（λ_ＰＬ１）で第１の反射ビーム（４７）の第１の強度を表すプローブ光の第１の信号（Ｓ_ＰＬ）を送るように適合されたプローブ光の第１の検出チャネル（４９）へと送出する、第１の光学系（１９）と；
処理手段（３５）であって：
前記熱放射の第１の信号（Ｓ_ＴＲ１ａ）と、前記プローブ光の第１の信号（Ｓ_ＰＬ）とを処理し；
前記熱放射の第１の処理された信号と、前記プローブ光の第１の処理された信号とに基づいて、前記第１の瞬間（ｔ_１）における前記処理領域（１３）の表面温度（Ｔｓ）を特定する、処理手段（３５）と
を具え、この装置（１）において、
前記熱放射の第１の検出チャネル（２３ａ）は：
前記熱放射の第１の波長（λ_ＴＲ１）に感応する放射熱の第１の検出器（３１ａ）と；
前記第１の放射ビーム（１７）を前記熱放射の第１の検出器（３１ａ）に中継する熱放射の第１の中継手段（２５ａ）と、を具え、
前記プローブ光の第１の検出チャネル（４９）は：
前記プローブ光の第１の波長（λ_ＰＬ１）に感応するプローブ光の第１の検出器（５５）と、
前記第１の反射ビーム（４７）を前記プローブ光の第１の検出器（５５）に中継するプローブ光の第１の中継手段（５１）と、を具え、
前記熱放射の第１の波長（λ_ＴＲ１）は、前記プローブ光の第１の波長（λ_ＰＬ１）に等しくなるように選択され；
前記熱放射の第１の検出チャネル（２３ａ）および前記プローブ光の第１の検出チャネル（４９）は、前記第１の瞬間（ｔ_１）および前記第２の瞬間（ｔ_２）が同時に生じるように同期され；
前記熱放射の第１の中継手段（２５ａ）は、前記熱放射の第１の検出器（３１ａ）が前記プローブ光（３９）の第１の反射ビーム（４７）の一部を受光しないように前記熱放射の第１の中継手段（５１）に対して配置され、ここで前記熱放射の第１の方向（Ｄ_ＴＲ１ａ）は、前記プローブ光の第１の方向（Ｄ_ＰＬ１）から、ゼロより大きく第１の所定の閾値よりも小さい第１の偏角（θ_Ｄｅｖ１）だけ隔てられていることを特徴とする装置。

【請求項2】

請求項１に記載の装置（１）において、前記プローブ光の第１の波長（λ_ＰＬ１）は０．９マイクロメートルから１．６マイクロメートルの範囲に含まれる、装置。

【請求項3】

請求項２に記載の装置（１）において、前記第１の帯域幅は１００ナノメートル以下である、装置。

【請求項4】

請求項１乃至３のいずれかに記載の装置（１）において、前記熱放射の第１の検出チャネル（２３ａ）は、前記第１の帯域幅を有する熱放射の第１のフィルタ（２９３ａ）を含む、装置。

【請求項5】

請求項１乃至４のいずれかに記載の装置（１）において、前記プローブ光の第１の検出チャネル（４９）は、プローブ光の第１のフィルタ（５３３）を含み、当該プローブ光の第１のフィルタ（５３３）は、前記第１の帯域幅以下の第２の帯域幅を有するバンドパスフィルタである、装置。

【請求項6】

請求項４または５に記載の装置（１）において、前記熱放射の第１のフィルタ（２９３ａ）または前記プローブ光の第１のフィルタ（５３３）は干渉フィルタである、装置。

【請求項7】

請求項１乃至５のいずれかに記載の装置（１）において、前記熱放射の第１の検出器（３１ａ）および前記プローブ光の第１の検出器（５５）は、同じ相対スペクトル感度を有する、装置。

【請求項8】

請求項１乃至７のいずれかに記載の装置（１）において、
前記基板（３）の処理表面（５）の処理領域（１３）に向けて、プローブ光の第２の波長（λ_ＰＬ２）で、プローブ光の第２のビーム（５９）を放射する第２の照明システム（５７）を具え；
前記第１の光学系は：
熱放射の第２の方向（Ｄ_ＴＲ２）における熱放射の第２の立体角（Ω_ＴＲ２）にわたって、前記処理領域（１３）の局所的に加熱された領域によって放射された熱放射（１６）の第２の放射ビーム（７５）を収集し；当該第２の放射ビーム（７５）を、熱放射の第２の検出チャネル（７７）であって：
第２の帯域幅に感応する熱放射の第２の検出器（８３）と；
前記熱放射の第２の方向（Ｄ_ＴＲ２）に放射された熱放射（１６）の第２のビーム（７５）を、前記熱放射の第２の検出器（８３）に中継する熱放射の第２の中継手段（７９）と、を具え、
前記第１の瞬間（ｔ_１）に、熱放射の第２の波長（λ_ＴＲ２）の周辺の前記第２の帯域幅内の第２の放射ビーム（７５）の第２の強度を表す熱放射の第２の信号（Ｓ_ＴＲ２）を配信するように適合された、熱放射の第２の検出チャネル（７７）に送信し；
プローブ光の第２の方向（Ｄ_ＰＬ２）におけるプローブ光の第２の立体角（Ω_ＰＬ２）にわたって、前記処理領域（１３）によって反射されたプローブ光（５９）の第２の反射ビーム（６５）を収集し；当該第２の反射ビーム（６５）を、プローブ光の第２の検出チャネル（６７）であって：
前記プローブ光の第２の波長（λ_ＰＬ２）に感応するプローブ光の第２の検出器（７３）と；
前記プローブ光の第２の方向（Ｄ_ＰＬ２）に反射されたプローブ光（５９）の第２のビーム（６５）を、前記プローブ光の第２の検出器（７３）に中継するプローブ光第２の中継手段（６９）と、
を具えるプローブ光の第２の検出チャネル（６７）に送出し、
前記プローブ光の第２の検出チャネル（６７）は、前記第２の瞬間（ｔ_２）に、前記プローブ光の第２の波長（λ_ＰＬ２）におけるプローブ光（５９）の第２のビーム（６５）の第２の強度を表すプローブ光の第２の信号（Ｓ_ＰＬ２）を送出するように構成され；
前記第２の帯域幅は、前記プローブ光の第２の波長（λ_ＰＬ２）を含み、所定の最大幅よりも小さく；
前記熱放射の第２の方向（Ｄ_ＴＲ２）は、前記プローブ光の第２の方向（Ｄ_ＰＬ２）から、ゼロより大きく第２の所定の閾値より小さい第２の偏角（θ_Ｄｅｖ２）だけ隔てられており；
前記処理手段（３５）は：
前記熱放射の第２の信号（Ｓ_ＴＲ２）および前記プローブ光の第２の信号（Ｓ_ＰＬ２）を処理し、
前記熱放射の第１の処理信号、プローブ光の第１の処理信号、熱放射の第２の処理信号、およびプローブ光の第２の処理信号に基づいて、前記第１の瞬間（ｔ_１）における表面温度（Ｔｓ）を特定するように構成される、装置。

【請求項9】

請求項１乃至８のいずれかに記載の装置（１）において、各中継（２５ａ、５１、６７、７９）は、対応する光学系（１９）と対応する検出器（３１ａ、５５、７３、８３）との間に配置された所定の長さの光ファイバのセグメントを含み、前記光学系（１９）は、対応するビーム（１７ａ、４７、６５、７５）を前記光ファイバのセグメントに結合するように設計されている、装置。

【請求項10】

請求項９に記載の装置（１）において、前記光ファイバのセグメントは、グループ化されてファイバ束（２７）を形成する、装置。

【請求項11】

ほぼ平坦な処理表面（５）を有する基板（３）の表面温度（Ｔｓ）を測定する方法であって、前記処理表面（５）は、前記基板（３）の処理表面（５）の処理領域（１３）を加熱するように適合されたパルス光ビーム（９）によって照射され、前記方法は：
前記基板（３）の処理表面（５）の処理領域（１３）に向けて、プローブ光の第１の波長（λ_ＰＬ１）でプローブ光の第１のビーム（３９）を放射するステップと、
第１の瞬間（ｔ_１）に、熱放射の第１の波長（λ_ＴＲ１ａ）の周辺の第１の帯域幅内で、熱放射の第１の方向（Ｄ_ＴＲ１ａ）の熱放射の第１の立体角（Ω_ＴＲ１ａ）にわたって前記処理領域（１３）によって放射された熱放射の第１の放射ビーム（１７）の第１の強度を表す熱放射の第１の信号（Ｓ_ＴＲ１ａ）を測定するステップと；
第２の瞬間（ｔ_２）に、プローブ光の第１の波長（λ_ＰＬ１）で、プローブ光の第１の方向（Ｄ_ＰＬ１）においてプローブ光の第１の立体角（Ω_ＰＬ１）にわたって前記処理領域（１３）によって前記プローブ光の第１の波長（λ_ＰＬ１）で反射された第１のプローブ光の第１の反射ビーム（４７）の第１の強度を表すプローブ光の第１の信号（Ｓ_ＰＬ１）を測定するステップと、
前記熱放射の第１の信号（Ｓ_ＴＲ１ａ）および前記プローブ光の第１の信号（Ｓ_ＰＬ１）を処理するステップと；
熱放射の第１の処理信号およびプローブ光の第１の処理信号に基づいて、前記第１の瞬間（ｔ_１）における前記処理領域（１３）の表面温度（Ｔｓ）を特定するステップと；
を具え、この方法において：
前記熱放射の第１の波長（λ_ＴＲ１ａ）は、前記プローブ光の第１の波長（λ_ＰＬ１）に等しくなるように選択され、
前記熱放射の第１の方向（Ｄ_ＴＲ１ａ）は、前記プローブ光の第１の方向（Ｄ_ＰＬ１）から、ゼロより大きく第１の所定の閾値よりも小さい第１の偏角（θ_Ｄｅｖ１）だけ隔てられており、
前記熱放射の第１の検出チャネル（２３ａ）および前記プローブ光の第１の検出チャネル（４９）は、前記プローブ光の第１の信号を測定するステップが前記熱放射の第１の信号を測定するステップと同時に実行されるように同期されることを特徴とする方法。

【請求項12】

請求項１１に記載の方法において、さらに、
前記基板（３）の処理表面（５）の処理領域（１３）に向けて、プローブ光の第２の波長（λ_ＰＬ２）でプローブ光の第２のビーム（５９）を放射するステップと、
第３の瞬間（ｔ_３）に、熱放射の第２の方向（Ｄ_ＴＲ２）における熱放射の第２の立体角（Ω_ＴＲ２）にわたって前記処理領域（１３）によって、熱放射の第２の波長（λ_ＴＲ２）の周辺の第２の帯域幅内で、放射された熱放射（１６）の第２の放射ビーム（７５）の第２の強度を表す熱放射の第２の信号（Ｓ_ＴＲ２）を測定するステップと、
第４の瞬間（ｔ_４）に、プローブ光の第２の方向（Ｄ_ＰＬ２）における第２のプローブ光の第２の立体角（Ω_ＰＬ２）にわたって前記処理領域（１３）によって、前記プローブ光の第２の波長（λ_ＰＬ２）で、反射されたプローブ光（３９）の第２の反射ビーム（４７）の第２の強度を表すプローブ光の第２の信号（Ｓ_ＰＬ２）を測定するステップと、
前記熱放射の第２の信号（Ｓ_ＴＲ２）および前記プローブ光の第２の信号（Ｓ_ＰＬ２）を処理するステップと、
熱放射の第１の処理信号、プローブ光の第１の処理信号、熱放射の第２の処理信号、およびプローブ光の第２の処理信号に基づいて、前記第１の瞬間（ｔ_１）における処理領域（１３）の表面温度（Ｔｓ）を特定するステップと、
を含み、当該方法において、
前記熱放射の第２の波長（λ_ＴＲ２）は、前記プローブ光の第２の波長（λ_ＰＬ２）に等しくなるように選択され、
前記熱放射の第２の方向（Ｄ_ＴＲ２）は、前記プローブ光の第２の方向（Ｄ_ＰＬ２）から、ゼロより大きく第２の所定の閾値より小さい第２の偏角（θ_Ｄｅｖ２）だけ隔てられており、
前記熱放射の第２の検出チャネル（７７）および前記プローブ光の第２の検出チャネル（６７）は、前記プローブ光の第２の信号（Ｓ_ＰＬ２）を測定するステップおよび前記熱放射の第２の信号（Ｓ_ＴＲ２）を測定するステップが、前記熱放射の第１の信号（Ｓ_ＴＲ１ａ）を測定するステップおよび前記プローブ光の第１の信号（Ｓ_ＰＬ１）を測定するステップと同時に実行されるように同期される、方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、熱処理を受けているウェーハの表面温度を監視するための装置に関する。

【0002】

より具体的には、本発明は、その熱放射および放射率を測定することにより、パルス光ビームに曝されたウェーハの表面温度を監視するための装置に関する。

【背景技術】

【0003】

半導体デバイスを製造するには、熱処理と呼ばれるプロセス中に半導体ウェーハがパルス光ビームに曝される。熱処理中、パルス光ビームに曝された領域の表面は、１ミリ秒未満から１マイクロ秒未満の期間、１０００℃を超えて加熱される。

【0004】

高温により、露出領域が構造的に変化する。構造変化の程度は温度に依存するため、温度を正確に監視することが重要である。

【0005】

露出領域の表面温度は、通常、その熱放射の測定に基づいて計算される。ただし、表面の熱放射は、その温度だけでなく、その放射率にも依存する。したがって、温度測定誤差を減らすために、熱放射の変化が実際の温度変化によるものか、放射率の変化によるものかを区別する必要がある。

【0006】

表面の放射率はその構造に依存する。熱処理により表面の構造が変化するため、露出領域の放射率は処理全体を通じて一定ではない。このため、できるだけ頻繁に測定することが重要である。また、放射率は方向性があることに注意することも重要である。

【0007】

実際には、温度を測定するために、光学系で熱放射を収集し、それを検出器に送る。熱放射は、通常は赤外線である所定の波長で測定される。

【0008】

放射率を測定するには、別の光線を露光領域に向け、反射光線（放射率を表す）をキャプチャする。熱放射と放射率はどちらも波長に依存するため、他の光線の波長は熱放射の所定の波長と同じである。

【0009】

ＨＡＴＡＮＯら（「Excimer laser-induced temperature field in melting and resolidification of silicon thin films」、Journal of applied Physics、２０００年１月１日、Ｖｏｌ．８７、Ｎｏ．１、３６～４３ページ）に記載のように、放射率の指向性のため、従来技術のデバイスは、同じ光学系および同じ検出器を使用して、露出領域の熱放射および放射率をキャプチャする。ただし、２つの信号が混ざらないように、熱放射測定と放射率測定は交互に行われる。熱放射の測定中は、多方の光線はオフになる。

【0010】

従来技術の装置で測定された温度の精度は、２つの信号の測定間の時間差による制限がある。

【0011】

マイクロ秒およびサブマイクロ秒の範囲の熱処理では、温度の誤差がさらに増大する。この時間スケールでは、レーザビームのパルスは数ナノ秒の持続時間を示す。従来技術の装置では、パルス光ビームへの曝露中に温度変化を追跡できる温度測定を実行することができない。

【発明の概要】

【0012】

したがって、本発明の目的の１つは、ほぼ平坦な処理表面を有する基板の表面温度を測定する装置を提供することであり、前記処理表面は、基板の前記処理表面の処理領域を加熱するように適合されたパルス光ビームによって照射され、前記装置は、
前記基板の処理表面の処理領域に向かってプローブ光の第１の波長でプローブ光の第１のビームを照射する第１の照明システムと；
第１の光学系であって：
熱放射の第１の方向における熱放射の第１の立体角にわたって、前記処理領域内の局所的に加熱された領域によって放射された熱放射の第１の放射ビームを収集し；当該第１の放射ビームを、第１の瞬間において、熱放射の第１の波長の周辺の第１の帯域幅内の前記第１の放射ビームの第１の強度を表す熱放射の第１の信号を送信するように適合された熱放射の第１の検出チャネルへと送出し；
プローブ光の第１の方向におけるプローブ光の第１の立体角にわたって、前記処理領域によって反射されたプローブ光の第１の反射ビームを収集し；当該第１の反射ビームを、第２の瞬間において、前記プローブ光の第１の波長で第１の反射ビームの第１の強度を表すプローブ光の第１の信号を送るように適合されたプローブ光の第１の検出チャネルへと送出する、第１の光学系と；
処理手段であって：
前記熱放射の第１の信号と、前記プローブ光の第１の信号とを処理し；
前記熱放射の第１の処理された信号と、前記プローブ光の第１の処理された信号とに基づいて、前記第１の瞬間における前記処理領域の表面温度を特定する、処理手段と
を具え、
本発明によると、熱検出の第１の検出チャネルは：
前記熱放射の第１の波長に感応する放射熱の第１の検出器と；
前記第１の放射ビームを前記熱放射の第１の検出器にルーティングする熱放射の第１のルーティング手段と、を具え、
前記プローブ光の第１の検出チャネルは：
前記プローブ光の第１の波長に感応するプローブ光の第１の検出器と、
前記第１の反射ビームを前記プローブ光の第１の検出器にルーティングするプローブ光の第１のルーティング手段と、を具え、
前記熱放射の第１の波長は、前記プローブ光の第１の波長に等しくなるように選択され；
前記熱放射の第１の検出チャネルおよび前記プローブ光の第１の検出チャネルは、前記第１の瞬間および前記第２の瞬間が同時に生じるように同期され；
前記熱放射の第１のルーティング手段は、前記熱放射の第１の検出器が前記プローブ光の第１の反射ビームの一部を受光しないように前記熱放射の第１のルーティング手段に対して配置され、ここで前記熱放射の第１の方向は、前記プローブ光の第１の方向から、ゼロより大きく第１の所定の閾値よりも小さい第１の偏角だけ隔てられている。

【0013】

２つの異なる検出チャネルとルーティング手段を使用して各信号を個別の検出器にルーティングすることにより、この装置は、処理領域の表面の熱放射とその放射率を同時に測定することができる。第１のルーティング手段は、処理表面のほぼ同じ領域の熱放射および放射率が測定されるように互いに関連して配置されるので、放射率の方向性を考慮することができる。したがって、熱放射と放射率に基づいて計算された温度の誤差が大幅に減少する。

【0014】

本発明による装置の他の有利で非限定的な特徴において：
前記プローブ光の第１の波長は０．９マイクロメートルから１．６マイクロメートルの範囲に含まれ、
第１の帯域幅は１００ナノメートル以下であり、
前記熱放射の第１の検出チャネルは、前記第１の帯域幅を有する熱放射の第１のフィルタを含み、
前記プローブ光の第１の検出チャネルは、プローブ光の第１のフィルタを含み、
前記プローブ光の第１のフィルタは、前記第１の帯域幅以下の第２の帯域幅を有するバンドパスフィルタであり、
前記熱放射の第１のフィルタまたは前記プローブ光の第１のフィルタは干渉フィルタであり、
前記熱放射の第１の検出器および前記プローブ光の第１の検出器は、同じ相対スペクトル感度を有し、
当該装置がさらに：
前記基板の処理表面の処理領域に向けて、プローブ光の第２の波長のプローブ光で、プローブ光の第２のビームを放射する第２の照明システムと；
第２の光学系であって：
熱放射の第２の方向における熱放射の第２の立体角にわたって、前記処理領域の局所的に加熱された領域によって放射された熱放射の第２の放射ビームを収集し；当該第２の放射ビームを、熱放射の第２の検出チャネルであって：
第２の帯域幅に感応する熱放射の第２の検出器と；
前記熱放射の第２の方向に放射された熱放射の第２のビームを、前記熱検出の第２の検出器にルーティングする熱放射の第２のルーティング手段と、を具え、
前記第１の瞬間に、熱放射の第２の波長の周辺の前記第２の帯域幅内の第２の放射ビームの第２の強度を表す熱放射の第２の信号を配信するように適合された、熱放射の第２の検出チャネルに送信し；
プローブ光の第２の方向におけるプローブ光の第２の立体角にわたって、前記処理領域によって反射されたプローブ光の第２の反射ビームを収集し；当該第２の反射ビームを、プローブ光の第２の検出チャネルであって：
前記プローブ光の第２の波長に感応するプローブ光の第２の検出器と；
前記プローブ光の第２の方向に反射されたプローブ光の第２のビームを、前記プローブ光の第２の検出器にルーティングするプローブ光第２のルーティング手段と、
を具えるプローブ光の第２の検出チャネルに送出し、
前記プローブ光の第２の検出チャネルは、前記第２の瞬間に、前記プローブ光の第２の波長におけるプローブ光の第２のビームの第２の強度を表すプローブ光の第２の信号を送出するように構成され；
前記第２の帯域幅は、前記プローブ光の第２の波長を含み、所定の最大幅よりも小さく；
前記熱放射の第２の方向は、前記プローブ光の第２の方向から、ゼロより大きく第２の所定の閾値より小さい第２の偏角だけ隔てられており；
前記処理手段は：
前記熱放射の第２の信号および前記プローブ光の第２の信号を処理し、
前記熱放射の第１の処理信号、プローブ光の第１の処理信号、熱放射の第２の処理信号、およびプローブ光の第２の処理信号に基づいて、前記第１の瞬間における表面温度を特定するように構成される。

【0015】

前記第２の光学系は、前記第１の光学系とは異なる。

【0016】

前記第２の光学系と前記第１の光学系は同じである。

【0017】

各ルーティング手段は、対応する光学系と対応する検出器との間に配置された所定の長さの光ファイバのセグメントを含み、前記光学系は、対応するビームを前記光ファイバのセグメントに結合するように設計されており、
前記光ファイバのセグメントは、グループ化されてファイバ束を形成する。

【0018】

本発明はまた、ほぼ平坦な処理表面を有する基板の表面温度を測定する方法に関し、前記処理表面は、前記基板の処理表面の処理領域を加熱するように適合されたパルス光ビームによって照射され、前記方法は：
前記基板の処理表面の処理領域に向けて、プローブ光の第１の波長でプローブ光の第１のビームを放射するステップと、
第１の瞬間に、熱放射の第１の波長の周辺の第１の帯域幅内で、熱放射の第１の方向の熱放射の第１の立体角にわたって前記処理領域によって放射された熱放射の第１の放射ビームの第１の強度を表す熱放射の第１の信号を測定するステップと；
第２の瞬間に、プローブ光の第１の波長で、プローブ光の第１の方向においてプローブ光の第１の立体角にわたって処理領域によって前記プローブ光の第１の波長で反射された第１のプローブ光の第１の反射ビームの第１の強度を表すプローブ光の第１の信号を測定するステップと、
前記熱放射の第１の信号および前記プローブ光の第１の信号を処理するステップと；
熱放射の第１の処理信号およびプローブ光の第１の処理信号に基づいて、前記第１の瞬間における前記処理領域の表面温度を特定するステップと；
を具え、この方法において：
前記熱放射の第１の波長は、前記プローブ光の第１の波長に等しくなるように選択され、
前記熱放射第１の方向は、前記プローブ光の第１の方向から、ゼロより大きく第１の所定の閾値よりも小さい第１の偏角だけ隔てられており、
前記熱放射の第１の検出チャネルおよび前記プローブ光の第１の検出チャネルは、前記プローブ光の第１の信号を測定するステップが前記熱放射の第１の信号を測定するステップと同時に実行されるように同期されることを特徴とする。

【0019】

本発明による方法の他の有利で非限定的な特徴において：
前記基板の処理表面の処理領域に向けて、プローブ光の第２の波長でプローブ光の第２のビームを放射するステップと、
第３の瞬間に、熱放射の第２の方向における熱放射の第２の立体角にわたって前記処理領域によって、熱放射の第２の波長の周辺の第２の帯域幅内で、放射された熱放射の第２の放射ビームの第２の強度を表す熱放射の第２の信号を測定するステップと、
第４の瞬間に、プローブ光の第２の方向における第２のプローブ光の第２の立体角にわたって前記処理領域によって、前記プローブ光の第２の波長で、反射されたプローブ光の第２の反射ビームの第２の強度を表すプローブ光の第２の信号を測定するステップと、
前記熱放射の第２の信号および前記プローブ光の第２の信号を処理するステップと、
熱放射の第１の処理信号、プローブ光の第１の処理信号、熱放射の第２の処理信号、およびプローブ光の第２の処理信号に基づいて、前記第１の瞬間における処理領域の表面温度を特定するステップと、
を含み、
前記熱放射の第２の波長は、前記プローブ光の第２の波長に等しくなるように選択され、
前記熱放射の第２の方向は、前記プローブ光の第２の方向から、ゼロより大きく第２の所定の閾値より小さい第２の偏角だけ隔てられており、
前記熱放射の第２の検出チャネルおよび前記プローブ光の第２の検出チャネルは、前記プローブ光の第２の信号を測定するステップおよび前記熱放射の第２の信号を測定するステップが、前記熱放射の第１の信号を測定するステップおよび前記プローブ光の第１の信号を測定するステップと同時に実行されるように同期される。

【図面の簡単な説明】

【0020】

以下に、本発明による装置および方法を、添付の図面を参照して説明する。

【図1】図１は、本発明による、基板の熱放射および放射率を測定することによって基板の表面温度を測定する装置の例示的な実施形態の概略図である。

【図2】図２は、装置によって試験される例示的な基板の概略図である。

【図3】図３は、追加要素によって第１の光学系の全長が変化可能になる、例示的な第１の光学系の拡大図である。

【図4】図４は、第１の光学系から収集された熱放射および反射されたプローブ光ビームをルーティングする装置のルーティング手段の図である。

【図5】図５は、図４のルーティング手段の入口端の断面図である。

【図6】図６は、ルーティング手段の後に配置された熱放射の第１のフィルタリングシステムを通る熱放射の伝播を示す。

【図7】図７は、ルーティング手段と、熱放射の第１のフィルタリングシステムと、熱放射の第１の検出器との概略図である。

【図8】図８は、装置内の熱放射および反射されたプローブ光ビームの伝播の概略図である。

【図9】図９は、装置が２つの照明源を具える、装置の別の例示的な実施形態の概略図である。

【図10】図１０は、図９の実施例における熱放射および反射されたプローブ光ビームの伝搬の概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

［装置］
図１を参照すると、本発明は、実質的に平坦な処理表面（processed surface）５を有する基板３の表面温度Ｔｓを測定するための装置１に関する。この装置１は、一般に、半導体製造工場などの機械環境で動作するため、体積の制限や機械的制約に準拠する必要がある。

【0022】

基板３は、例えばウェーハである。これは典型的に、半導体デバイス産業で一般的に使用されるようなシリコンウェーハまたは複合ウェーハである。基板３は、熱処理に適合された処理チャンバ２内に配置される。

【0023】

基板３は、可動プラットフォーム６上に配置されてもよい。可動プラットフォームは、Ｘ方向とＹ方向に移動して、基板３全体の熱処理を実現することができる。

【0024】

図２を参照すると、基板３は、所望の半導体デバイスを得るために様々な処理を受け得る処理表面５を有する。処理表面５は、（巨視的スケールで）実質的に平面であるが、（微視的スケールで）いくらかの表面粗さを示す。

【0025】

処理表面５の粗さは、それが前に受けた処理に依存する。さらに、表面の熱処理により、処理表面５の材料の物理的特性、特にその光学的特性が変化する場合がある。物理的性質の変化は特に、処理表面５の相転移中に生じる。結果として、処理表面５の放射率は、プロセスを通して変化する。

【0026】

基板３は、その処理表面５上で一連のダイ４を支持する。各ダイ４は複数の半導体デバイスを含み、各ダイはそれ自体の放射率を有し得る。

【0027】

図１を再び参照すると、装置１は、光軸Ａ１に沿ってパルス光ビーム９を放射する光源７を具える。光源７は、例えば紫外線（ＵＶ）光源である。この光源７は、エキシマレーザ光源であることが好ましい。放射の好ましい波長は、例えば３０８ｎｍである。

【0028】

光源７は、パルスモードで動作することができる。たとえば、１０ＨｚのレートでＦＷＨＭ１６０ｎｓのレーザパルスを生成することができる。

【0029】

パルス光ビーム９の光注入システム１１が、光軸Ａ１に沿って光源７の下流に配置されている。パルス光ビーム９の光注入システム１１は、パルス光ビーム９を受け取り、それを基板３の処理表面５に向ける。

【0030】

パルス光ビーム９の光注入システム１１は、例えば、パルス光ビーム９の空間均一性を保証するビームホモジナイザー（図示せず）と、パルス光ビーム９を処理表面５に集束させる複数のレンズ（図示せず）とを具える。

【0031】

パルス光ビーム９の光注入システム１１はまた、パルス光ビーム９に適切な配向を提供しながら装置１をよりコンパクトにするための折り畳みミラーまたはその組み合わせを具えてもよい。

【0032】

図２を参照すると、パルス光ビーム９は、処理表面５に入射し、そこで光スポット１３を形成する。スポットの寸法は設定可能である。スポットの寸法は、例えば、ダイ４の面積に対応する。光スポット１３の位置は、可動プラットフォーム６を動かして変更することができる。

【0033】

注入システム１１の折り畳みミラーは、基板３の表面全体にわたってパルス光ビーム９を走査可能であり得る。光スポット１３が形成される領域は、処理領域（treated zone）１３と呼ばれる。

【0034】

パルス光ビーム９への曝露下で、処理領域１３は、最大表面温度Ｔｍａｘまで加熱される。この処理において、処理領域１３の表面温度Ｔｓは、環境温度Ｔａ（処理チャンバ２内の温度）から最高温度Ｔｍａｘまで、ここでは８００℃～３０００℃の範囲で変化する。

【0035】

典型的に、熱放射１６はプランクの法則に従ったスペクトルで全方向に放射される（等方性放射）。ここでは、処理領域１３の表面温度Ｔｓが通常２５℃～１７００℃であるため、ほとんどの熱放射は１μｍ～１０μｍの赤外線範囲で放射される。

【0036】

装置１は、熱放射１６の下流に配置された第１の光学系１９をさらに具える。第１の光学系１９は、第３の光軸Ａ３を有する（図１を参照）。

【0037】

図３を参照すると、実際には、第１の光学系１９は、処理チャンバ２の外側に配置されている。処理チャンバ２の窓３１は、熱放射１６の一部を処理チャンバ２の外に伝播させる。熱放射の一部のみが第１の光学系１９に到達する。

【0038】

第１の光学系１９は、第１の熱放射の方向Ｄ_ＴＲＩにおいて第１の熱放射の立体角Ｑ_ＴＲＩにわたって熱放射１６の第１の放射ビーム１７を収集するように構成される。

【0039】

好ましい例では、第１の放射ビーム１７の伝搬（矢印で示す）に沿って順番に、第１の光学系１９は、第１の光学群１９１、第３の光学群１９５および第２の光学群１９３を具える。

【0040】

第１の光学群１９１は、第１の放射ビーム１７を収集するように適合された単一の収集レンズまたはレンズの組み合わせを具える。単一の集光レンズの例は、平凸レンズである。機械環境における機械的制約により、第１の光学群１９１をサンプルから遠くに配置する必要があるため、第１の光学群１９１の直径は大きく、その結果、焦点距離が長くなる。

【0041】

第３の光学群１９５は、第１の光学群１９１の焦点面の近くに配置される。第３の光学群１９５は、処理領域１３の画像を第２の光学群１９３の物体焦点面と共役させるように構成される。第３の光学群１９５は、第１の光学系１９の全長を選択することができ、機械環境における装置の統合を容易にする。

【0042】

焦点距離をさらに短くし、したがって機械環境の要件に準拠するために、第２の光学群１９３は、第１の光学系１９に、大きな開口、適度な視野、良好な空間分解能、赤外線の広いスペクトル帯域幅にわたる小さな色収差を与えるレンズの組み合わせを含むことが好ましい。

【0043】

処理領域１３の画像は、テレセントリックになるように第２の光学群１９３の物体焦点面に配置される。第１の光学群１９１は、第３の光学群１９５と組み合わせてこの共役を行う。

【0044】

ここで、第１の光学系１９は、第１の光学系１９をよりコンパクトにするために、第１の放射ビーム１７の伝搬方向を変更する折り返しミラー１９７を具える。あるいは、折り返しミラーの組み合わせを用いて、第１の光学系１９をよりコンパクトにすることができる。

【0045】

第１の光学系１９は、熱放射の第１の方向Ｄ_ＴＲＩにおいて、熱放射の第１の立体角Ω_ＴＲｉａにわたって第１の放射ビーム１７を収集する。熱放射の第１の立体角Ω_ＴＲｉａの範囲は、後で説明する熱放射の第１のルーティング手段２５ａの受容角によって決定される。

【0046】

別の例では、第１の光学系１９は、第１の光学群１９１および第２の光学群１９３のみを具える。

【0047】

図１を再び参照すると、装置１は、第１の光学系１９に機械的に接続され、第１の光学系１９の位置を変更するように構成された機械的アクチュエータ２１を具えることができる。

【0048】

機械式アクチュエータ２１は、第１の光学系１９の位置をＸ方向およびＹ方向に変更するように構成されている。このようにして、第１の光学系１９は、１つのダイ４内で測定される面積を変更することができ、またはダイ４を変更することができる。

【0049】

機械的アクチュエータ２１は、アクティブミラーまたはそれらの組み合わせを含み得る。

【0050】

代替的に、機械的アクチュエータ２１は、Ｘ方向に１つの並進軸とＹ方向に１つの並進軸を有するプラットフォームを具えてもよい。例えば、このプラットフォームは、０．５ｍｍのステップで両方向に３０ｍｍの範囲で移動することができる。

【0051】

装置１は、第１の光学系１９の下流に配置された熱放射の第１の検出チャネル２３ａをさらに具える。

【0052】

熱放射の第１の検出チャネル２３ａは、第２の光学群１９３の焦点面に配置された入口端（図５を参照）を有する熱放射の第１のルーティング手段２５ａを具える。

【0053】

図４を参照すると、熱放射の第１のルーティング手段２５ａは、所定の長さおよび所定の直径の光ファイバのセグメントを含む。長さの例は１５ｍである。直径の例は４００μｍである。光ファイバの受光角は８°～１５°である。

【0054】

熱放射の第１のルーティング手段２５ａは、ここではファイバ束、より正確には多分岐ファイバ束２７に構成される。ここで、光ファイバは、多分岐ファイバ束２７の入口端でまとめられ、多分岐ファイバ束２７の出口端で複数の分岐に分離される。

【0055】

多分岐ファイバ束２７は、装置１が測定する様々な信号をルーティングするための柔軟なメカニズムを提供する。

【0056】

熱放射の第１のルーティング手段２５ａは、第１の放射ビーム１７を中継する。

【0057】

図６を参照すると、熱放射の第１の検出チャネル２３ａは、熱放射の第１のルーティング手段２５ａの下流に配置された熱放射の第１のフィルタリングシステム２９ａをさらに具える。

【0058】

熱放射の第１のフィルタリングシステム２９ａにより、第１の放射ビーム１７の形状およびスペクトルをその後の測定に適合させることができる。第１の放射ビーム１７（矢印で示す）の伝播方向に沿って順番に、熱放射の第１のフィルタリングシステム２９ａは、熱放射の第１のコリメートグループ２９１ａ、熱放射の第１のフィルタ２９３ａ、および熱放射の第１の集束グループ２９５ａを具える。

【0059】

熱放射の第１のコリメートグループ２９１ａは、レンズまたはその組み合わせを含み、熱放射の第１のルーティング手段２５ａを出て発散する第１の放射ビーム１７を平行化する。

【0060】

熱放射の第１のフィルタ２９３は、第１の放射ビーム１７のスペクトル幅を制御し、望ましくない寄与を除去する。第１の帯域幅は、好ましくは熱放射の第１の波長λ_ＴＲ１を中心とする。熱放射の第１の波長λ_ＴＲ１は、後述するプローブ光の第１の波長λ_ＰＬ１に等しくなるように選択される。熱放射の第１のフィルタ２９３は、例えば１００ｎｍ以下の第１の帯域幅を有する。

【0061】

熱放射２９３の第１のフィルタの例は、干渉フィルタである。

【0062】

熱放射の第１の集束グループ２９５は、レンズまたはそれらの組み合わせを含み、第１の放射ビーム１７を焦点面ＦＰ１に集束させる。

【0063】

熱放射の第１の検出チャネル２３ａは、第１の集束グループ２９５ａの焦点面ＦＰ１上に配置された熱放射の第１の検出器３１ａをさらに具える。

【0064】

熱放射の第１の検出器３１ａは、前記熱放射の第１の波長λ_ＴＲ１に感応する。熱放射の第１の検出器３１ａは、好ましくは短赤外線（範囲例：０．９μｍ～１．６μｍ）で動作する。あるいは、熱放射の第１の波長λ_ＴＲ１に応じて、中波長赤外線（範囲例：３μｍ～５μｍ）、長波長赤外線（範囲例：８μｍ～１２μｍ）、または可視（範囲例：０．４μｍ～０．９μｍ）で動作する。短赤外線に感応する熱放射の第１の検出器３１の例は、ＩｎＧａＡｓで作られたフォトダイオードである。

【0065】

熱放射の第１の検出器３１ａは、第１の瞬間ｔ_１において、熱放射の第１の波長λ_ＴＲ１における第１の放射ビーム１７の第１の強度を表す熱放射の第１の信号Ｓ_ＴＲ１ａを伝達する。

【0066】

図１を再び参照すると、熱放射の第１の検出器３１ａは、コントローラ３３に機能的に連結されている。コントローラ３３は、例えばデジタイザボードを含む。コントローラ３３は、熱放射の第１の信号Ｓ_ＴＲ１ａをデジタル化する。コントローラ３３はまた、第１の放射ビーム１７の高速取得レートを実装するように構成される。取得レートの例は、毎秒５００メガサンプル（つまり、２００ＭＨｚ）である。この取得レートは、パルス光ビームのパルス持続時間よりも速いことに留意されたい。これにより、熱処理中の表面温度Ｔｓを正確に監視することができる。

【0067】

装置１は、処理装置３５をさらに具える。この処理装置３５は、コントローラ３３と機能的に連結されている。処理装置３５は、熱放射の第１の信号Ｓ_ＴＲ１を受け取り、それを後述する方法に従って処理する。処理装置３５は、例えば、ユーザインターフェースを具えるコンピュータである。ユーザインターフェースにより、ユーザがコントローラ３３を設定し、測定中にそれを監視することができる。ユーザインターフェースは、測定結果を表示するためにも利用できる。

【0068】

装置１はさらに、処理表面５の処理領域１３に向かってプローブ光の第１のビーム３９を放射する第１の照明システム３７（図１を参照）を具える。

【0069】

第１の照明システム３７は、第２の光軸Ａ２に沿ってプローブ光の第１のビーム３９を放射する第１の照明源４１を具える。第１の照明源４１の例は、０．９μｍ～１．６μｍの範囲に含まれるプローブ光の第１の波長λ_ＰＬ１で光を放射する赤外線スーパールミネセントダイオードである。プローブ光の第１の波長λ_ＰＬ１の例は、１．３１μｍまたは１．５５μｍである。

【0070】

第１の照明システム３７は、第２の光軸Ａ２に沿って第１の照明源４１の下流に配置された第１の照明注入システム４３も具える。

【0071】

第１の照明注入システム４３は、処理領域１３を照明するためにプローブ光の第１のビーム３９をコリメートするための１つの光学レンズを含む。

【0072】

第１の照明注入システム４３は、プローブ光の第１のビーム３９を折り返し、それを処理領域１３に向けるために、１つの折り返しミラーまたはそれらの組み合わせを具えてもよい。実際、説明の簡単のために、第１のプローブ光ビーム３９は、折り返さずに第２の光軸Ａ２に沿った１方向のみで示されている。しかしながら、実際には、プローブ光の第１のビーム３９は、第１の照明システム３７をよりコンパクトにし、機械環境に適合するように折り返されてもよい。

【0073】

図２を参照すると、プローブ光の第１のビーム３９は、処理表面５の処理領域１３に入射し、ここで熱放射１６およびプローブ光の第１のビーム３９の反射光が集められる収集領域１５よりも大きな寸法の第１の照明スポット４５を形成する。

【0074】

プローブ光の第１のビーム３９の光の一部は、処理表面５でプローブ光の第１の方向Ｄ_ＰＬに反射され、プローブ光３９の第１の反射ビーム４７を形成する。この反射は鏡面反射と見なされる。

【0075】

第１のプローブ光ビーム３９の光の別の部分は、基板３に吸収される。

【0076】

第１の放射ビーム１７ａを収集することに加えて、第１の光学系１９は、第１のプローブ光の立体角Ω_ＰＬ１にわたってプローブ光の第１の方向Ｄ_ＰＬ１の第１の反射ビーム４７を収集する。

【0077】

第１の光学系１９はまた、第１の反射ビーム４７の形状をその後の測定に適合させるように構成される。

【0078】

第１の光学系１９は、第１の反射ビーム４７を装置１のプローブ光の第１の検出チャネル４９に伝送する。

【0079】

プローブ光の第１の検出チャネル４９は、第２の光学群の焦点面１９３上に配置される。プローブ光の第１の検出チャネル４９は、第１の光学系１９からの第１の反射ビーム４７を受け取るためにプローブ光の第１のルーティング手段５１を具える。

【0080】

図５を参照すると、プローブ光の第１のルーティング手段５１は、多分岐ファイバ束２７の中心に配置されている。

【0081】

図８を参照すると、プローブ光の第１のルーティング手段５１は、第１の反射ビーム４７の一部が熱放射の第１のルーティング手段２５ａに入らないように、熱放射の第１のルーティング手段２５ａに関して配置される。第１の光学系１９に対する各ルーティング手段２５ａ、５１のそれぞれの位置は、各光ファイバがそれぞれ信号を収集できる方向を決定する。

【0082】

図８を参照すると、プローブ光の第１の方向Ｄ_ＰＬ１は、熱放射の第１の方向Ｄ_ＴＲ１ａから第１の偏角θ_Ｄｅｖ１だけ隔てられている。第１の偏角θ_Ｄｅｖ１は、ゼロより大きく、第１の所定の閾値より小さい。第１の所定の閾値の例は９°である。熱放射の第１のルーティング手段２５ａは、距離Ｓ１だけプローブ光の第１のルーティング手段５１から隔てられている。距離Ｓ１を大きくすると、第１の偏角度θ_Ｄｅｖ１が大きくなる。したがって、第１の反射ビーム４７が熱放射の第１のルーティング手段２５ａに入るリスクが低減される。しかしながら、表面温度Ｔｓの正確な測定には、第１の放射ビーム１７および第１の反射ビーム４７が近い方向で測定されることを要するので、第１の偏角 θ_Ｄｅｖ１は大きすぎてはならない。最初の偏角θ_Ｄｅｖ１の許容値は３～５度である。

【0083】

プローブ光の第１のルーティング手段５１はまた、第１の反射ビーム４７の鏡面放射がプローブ光の第１のルーティング手段５１に向けられるように、第１の光学系１９と正確に整列させてもよい。この整列は、例えば、第３の光軸Ａ３がプローブ光の第１の方向Ｄ_ＰＬ１と一致する場合に達成される。

【0084】

熱放射１６は等方性であるため、一部の熱放射はプローブ光の第１のルーティング手段５１に入ることに留意されたい。しかしながら、プローブ光の第１のルーティング手段５１に入る熱放射１６の強度は、第１の反射ビーム４７の強度よりもはるかに小さく、したがって無視することができる。

【0085】

プローブ光の第１の検出チャネル４９は、プローブ光の第１のルーティング手段５１の下流に配置されたプローブ光の第１のフィルタリングシステム５３をさらに具える。

【0086】

プローブ光５３の第１のフィルタリングシステムは、第１の反射ビーム４７の形状およびスペクトルを以降の測定に適合させる。第１の反射ビーム４７（矢印で示す）の伝播方向に沿って順番に、プローブ光の第１のフィルタリングシステム５３は、プローブ光の第１のコリメートグループ５３１、プローブ光の第１のフィルタ５３３、およびプローブ光の第１の集束グループ５３５を含む。

【0087】

プローブ光の第１のコリメートグループ５３１およびプローブ光の第１の集束グループ５３５は、それぞれ、熱放射の第１のコリメートグループ１９１および熱放射の第１の集束グループ１９５と同様である。

【0088】

プローブ光の第１のフィルタ５３３は、第１の反射ビーム４７のスペクトル幅を制御し、望ましくない寄与を除去する。プローブ光の第１のフィルタ５３３は、第１の帯域幅以下の第２の帯域幅を有する。第２の帯域幅は、好ましくは、プローブ光の第１の波長λ_ＰＬ１を中心とする。

【0089】

プローブ光の第１の検出チャネル４９は、プローブ光の第１の集束グループ５３５の焦点距離に配置される、プローブ光の第１の検出器５５をさらに具える。

【0090】

プローブ光の第１の検出器５５は、前記プローブ光の第１の波長λ_ＰＬ１に感応する。プローブ光の第１の検出器５５は、好ましくは短赤外線で動作する（範囲例：０．９μｍ～１．６μｍ）。あるいは、熱放射の第１の波長λ_ＴＲ１に応じて、中波長赤外線（範囲例：３μｍ～５μｍ）、長波長赤外線（範囲例：８μｍ～１２μｍ）、または可視（範囲例：０．４μｍ～０．９μｍ）で動作してもよい。プローブ光の第１の検出器５５の例は、ＩｎＧａＡｓで作られたフォトダイオードである。

【0091】

プローブ光の第１の検出器５５および熱放射の第１の検出器３１は、同じ相対スペクトル感度を有する。

【0092】

プローブ光の第１の検出器５５は、第２の瞬間ｔ_２で、プローブ光の第１の波長λ_ＰＬ１で第１の反射ビーム４７の第１の強度を表すプローブ光の第１の信号Ｓ_ＰＬ１を伝達する。

【0093】

プローブ光の第１の検出器５５は、コントローラ３３に機能的に連結されている。コントローラ３３は、プローブ光の第１の信号Ｓ_ＰＬ１をデジタル化する。コントローラ３３はまた、第１の反射ビーム４７の高速取得レートを実装する。取得レートの例は、毎秒５００メガサンプルである。

【0094】

さらに、コントローラ３３は、熱放射の第１の検出チャネル２３とプローブ光の第１の検出チャネル５３とを同期させて、前記第１の瞬間ｔ_１と前記第２の瞬間ｔ_２が同時に発生するようにする。

【0095】

熱放射１６と第１の反射ビーム４７（放射率を表す）の両方の測定を同時にすると、表面温度Ｔｓの測定における誤差を減らすのに役立つ。

【0096】

処理装置３５は、プローブ光の第１の信号Ｓ_ＰＬ１を受け取り、後述する方法に従ってそれを処理する。

【0097】

第１の放射ビーム１７および第１の反射ビーム４７の両方を収集する単一の第１の光学系１９と、それらを収集しそれぞれの検出器に別々にルーティングするルーティング手段とを有する装置１は、機械環境のボリューム制約を満たすことが重要である検出器の配置に大きな柔軟性を付与する。

【0098】

また、後述するように、検出器の数を増やすことができ、したがって表面温度Ｔｓの精度を上げることができる。

【0099】

第１の放射ビーム１７を測定する専用の熱放射の第１の検出器３１ａと、第１の反射ビーム４７を測定する専用のプローブ光の第１の検出器５５とを有することにより、両方の測定を同時に行うことができる。同時取得されたこれらの信号に基づいて決定された表面温度Ｔｓは、従来技術よりも正確である。

【0100】

好ましい実施例では、熱放射の第１の検出チャネル２３は、第２の光学群１９３の焦点距離に配置される追加の熱放射の第１のルーティング手段２５ｂをさらに具える。

【0101】

前述したように、熱放射１６は等方性である。次に、熱放射の第１のルーティング手段２５ｂは、熱放射の一部を受け取り、追加の第１の放射ビーム１７ｂを形成する。追加の第１の放射ビーム１７ｂは、追加の熱放射の第１の方向Ｄ_ＴＲ１ｂに伝播する。熱放射の第１の方向Ｄ_ＴＲ１ａおよび追加の第１の熱放射の方向Ｄ_ＴＲ１ｂは、例えば、それぞれのルーティング手段２５ａ、２５ｂの位置によってそれぞれ決定される。熱放射の第１の方向Ｄ_ＴＲ１ａと追加の第１の熱放射の方向Ｄ_ＴＲ１ｂとの間の偏角は、例えば３°～９°の範囲である。

【0102】

図４を参照すると、熱放射の追加の第１のルーティング手段２５ｂは、多分岐ファイバ束２７に配置されている。

【0103】

図８を参照すると、熱放射の第１の検出チャネル２３は、第１のフィルタリング光学系２９ａと同様の追加の第１のフィルタリング光学系２９ｂと、熱放射の第１の検出器３１ａと同様の追加の第１の熱放射検出器３１ｂとをさらに具える。

【0104】

多分岐ファイバ束２７の柔軟性により、追加の熱放射の第１の検出器３１ｂは、熱放射の第１の検出器３１ａから離れて配置することができる。

【0105】

追加の熱放射の第１の検出器３１ｂは、第１の瞬間ｔ_１において、前記熱放射の第１の波長λ_ＴＲ１における追加の第１の放射ビーム１７ｂの第１の強度を表す追加の熱放射の第１の信号Ｓ_ＴＲ１ｂを伝送する。

【0106】

追加の熱放射の第１の検出器３１ｂは、コントローラ３３に機能的に連結されている。

【0107】

処理装置３５が、追加の熱放射の第１の信号Ｓ_ＴＲ１ｂを受け取り、後述する方法に従ってそれを処理する。

【0108】

基板３の熱放射１６を表す２つの信号を測定することは、基板３の表面温度Ｔｓの計算における不確実性を減らすのに役立つ。

【0109】

別の実施例では、装置１はさらに、第１の反射ビーム４７を２つのビーム、すなわちｓ偏光の第１の反射ビームとｐ偏光の第１の反射ビームとに分離する第１の偏光セパレータを具える。偏光セパレータは、プローブ光の第１のルーティング手段５１の下流に配置される。より正確には、偏光セパレータは、プローブ光の第１のフィルタリングシステム５３内の、プローブ光の第１のコリメートグループ５３１の下流に配置される。偏光セパレーターの例は、偏光ビームスプリッタである。別の偏光セパレータの例はウォラストンプリズムである。偏光された第１の反射ビームはそれぞれ、それぞれの検出器に送出される。この設定により、偏光による放射率の変化に対処することができ、基板３の表面温度Ｔｓの計算における不確実性を減らすのに寄与する。

【0110】

別の実施例では、装置１は、追加の第１のフィルタリング光学系２９ｂに配置された第２の偏光セパレータを具えてもよい。この第２の偏光セパレータは、追加の第１のコリメートグループと追加の第１の集束グループとの間に配置される。この場合、一方の偏光のみが追加の熱放射の第１の検出器３１ｂに送られる。もう一方の偏光は、第２の偏光セパレーターに吸収される。このようにして、熱放射１６に対する偏光の影響を評価することができる。

【0111】

次に、本発明の別の実施形態を図９を参照して説明する。装置１は、処理表面５の処理領域１３に向かってプローブ光５９の第２のビームを放射する第２の照明システム５７を具える。

【0112】

第２の照明システム５７は、第４の光軸Ａ４に沿ってプローブ光の第２のビーム５９を放射する第２の照明源６１を含む。第２の照明源６１の例は、０．９μｍ～１．６μｍの範囲に含まれるプローブ光の第２の波長λ_ＰＬ２で光を放射する赤外線スーパールミネセントダイオードである。プローブ光の第２の波長λ_ＰＬ２の例は、１．３１μｍ～１．５５μｍである。好ましい例では、第１の照明源４１は１．３１μｍで光を放射し、第２の照明源６１は１．５５μｍで光を放射する。

【0113】

第２の照明システム５７は、第４の光軸Ａ４に沿って第２の照明源６１の下流に配置された第２の照明注入システム６３も具える。

【0114】

第２の照明注入システム６３は、第１と第２の照明注入システム４３と同様の要素を具え、同様の役割を果たす。

【0115】

好ましい実施形態（図示せず）では、第１の照明源４１および第２の照明源６１が、基板３から離れて配置される。

【0116】

第１の照明源４１は、第１の照明ルーティング手段の入口端に結合される。この結合は、第１の照明ルーティング手段の入口端を、第１の嵌合スリーブを介して第１の照明源の端部コネクタに直接結合することによって達成される。第１の照明ルーティング手段は、第１の照明光ファイバを具える。

【0117】

第２の照明源６１は、第２の照明ルーティング手段の入口端に結合される。この結合は、第２の照明ルーティング手段の入口端を、第２の嵌合スリーブを介して第２の照明源の端部コネクタに直接結合することによって達成される。第２の照明ルーティング手段は、第２の照明光ファイバを具える。

【0118】

第１の照明光ファイバと第２の照明光ファイバは、照明多分岐ファイバ束に構成され、それらの入口端が複数の分岐に分離され、照明多分岐ファイバ束の出口端で一緒に保持される。

【0119】

照明多分岐ファイバ束の出口端は、共通の照明注入システムの焦点面に配置される。

【0120】

照明多分岐ファイバ束の使用は、プローブ光の様々なビーム３９、５９をそれぞれの照明源から、基板３から短い距離にルーティングするための柔軟な機構を提供する。

【0121】

プローブ光の第２のビーム５９は、処理表面５の処理領域１３に入射し、ここで熱放射１６およびプローブ光３９の第１のビームからとプローブ光の第２のビーム５９からの反射光が収集される領域よりも大きな寸法の第１の照明スポット（図示せず）を形成する。

【0122】

プローブ光の第２のビーム５９の光の一部は、プローブ光の第２の方向Ｄ_ＰＬ２に処理表面５で反射されて、第２の反射ビーム６５を形成する。この反射は鏡面反射と見なされる。

【0123】

プローブ光の第２のビーム５９の光の別の部分は、基板３に吸収される。

【0124】

一例では、第１の光学系１９は、第１の放射ビーム１７および第１の反射ビーム４７を収集することに加えて、プローブ光の第２の立体角Ω_ＰＬ２にわたってプローブ光の第２の方向Ｄ_ＰＬ２の第２の反射ビーム６５を収集する。

【0125】

第１の光学系１９は、第２の反射ビーム６５の形状を適合させ、それを装置１のプローブ光６７の第２の検出チャネルに伝達する。

【0126】

プローブ光の第２の検出チャネル６７は、第２の光学群１９３の焦点距離に配置される。プローブ光の第２の検出チャネル６７は、第１の光学系１９から第２の反射ビーム６５を受け取るように構成されたプローブ光の第２のルーティング手段６９を具える。

【0127】

図４および図５を参照すると、プローブ光の第２のルーティング手段６９は、多分岐ファイバ束２７に構成された光ファイバである。

【0128】

前述のように、熱放射１６は等方性であるため、一部の熱放射はプローブ光の第２ルーティング手段６９に入る。しかしながら、測定において第２の反射ビーム６５に対するその影響は無視することができる。

【0129】

図１０を参照すると、プローブ光の第２の検出チャネル６７は、プローブ光の第２のルーティング手段６９の下流に配置されたプローブ光の第２のフィルタリングシステム７１をさらに具える。

【0130】

プローブ光の第２のフィルタリングシステム７１は、第２の反射ビーム６５の形状およびスペクトルをその後の測定に適合させる。

【0131】

他のフィルタリングシステム２９ａ、２９ｂ、５３について説明したように、プローブ光の第２のフィルタリングシステム７１は、第２の反射ビーム６５（矢印で示す）の伝播方向に沿って順番に、プローブ光の第２のコリメートグループ７１１、プローブ光の第２のフィルタ７１３、およびプローブ光の第２の集束グループ７１５とを含む。

【0132】

プローブ光の第２のコリメートグループ７１１は、第２の反射ビーム６５を平行化する。プローブ光の第２の集束グループ７１５は、その後の測定のために第２の反射ビーム６５を集束させる。

【0133】

プローブ光の第２のフィルタ７１３は、第２の反射ビーム６５のスペクトル幅を制御し、不要な寄与を除去する。

【0134】

プローブ光の第１のフィルタ７１３は、第１および第２の帯域幅と重複しない第３の帯域幅を有する。第３の帯域幅は、プローブ光の第２の波長λ_ＰＬ２を含む。第３の帯域幅は、所定の最大値よりも小さく、例えば１００ｎｍよりも小さい。

【0135】

プローブ光の第２の検出チャネル６７は、プローブ光の第２の集束グループ７１５の焦点距離に配置されたプローブ光の第２の検出器７３をさらに具える。

【0136】

プローブ光の第２の検出器７３は、前記プローブ光の第２の波長のλ_ＰＬ２に感応する。

【0137】

プローブ光の第２の検出器７３は、第２の瞬間ｔ_２において、前記プローブ光の第２の波長λ_ＰＬ２における第２の反射ビーム６５の第２の強度を表すプローブ光の第２の信号Ｓ_ＰＬ２を送出する。

【0138】

プローブ光の第２の検出器７３は、コントローラ３３に機能的に連結される。

【0139】

さらに、コントローラ３３は、プローブ光の第２の検出チャネル６７、熱放射の第１の検出チャネル２３、およびプローブ光の第１の検出チャネル５３を同期させて、３つの測定が同時に行われるようにする。

【0140】

処理装置３５は、プローブ光の第２の信号Ｓ_ＰＬ２を受信し、それを後述する方法に従って処理する。

【0141】

第１の光学群１９は、熱放射の第２の立体角Ω_ＴＲ２にわたって熱放射の第２の方向Ｄ_ＴＲ２に伝搬する第２の放射ビーム７５を収集することもできる。

【0142】

第１の光学群１９は、第２の放射ビーム７５を熱放射の第２の検出チャネル７７に送る。

【0143】

熱放射の第２の検出チャネル７７は、第２の光学群１９３の焦点距離に配置された熱放射の第２のルーティング手段７９を具える。

【0144】

前述のように、熱放射の第２のルーティング手段７９は、多分岐ファイバ束２７に構成された光ファイバを含む。熱放射の第２のルーティング手段７９は、第２の放射ビーム７５を伝達する。

【0145】

前述のように、熱放射の第２ルーティング手段７９は、第２反射ビーム６５の一部が熱放射の第２ルーティング手段７９に入るのを防ぐように、プローブ光の第２ルーティング手段６９に対して配置される。

【0146】

プローブ光の第２の方向Ｄ_ＰＬ２は、熱放射の第２の方向のＤ_ＴＲ２から第２の偏角θ_Ｄｅｖ２だけ離れている。第２の偏角θ_Ｄｅｖ２は、ゼロより大きく、第２の所定の閾値よりも小さい。第２の所定の閾値の例は９°である。

【0147】

熱放射の第２の検出チャネル７７は、熱放射の第２のルーティング手段７９の下流に配置された熱放射の第２のフィルタリングシステム８１をさらに具える。

【0148】

熱放射の第２のフィルタリングシステム８１は、その帯域幅を除いて、熱放射の第１のフィルタリングシステム２９と同様である。熱放射の第２のフィルタ８１３の帯域幅は、第３の帯域幅である。

【0149】

熱放射の第２の検出チャネル７５は、熱放射の第２の集束グループ８１５の焦点距離に配置された熱放射の第２の検出器８３をさらに具える。

【0150】

熱放射の第２の検出器８３は、熱放射の第２の波長λ_ＴＲ２に感応する。

【0151】

熱放射の第２の波長λ_ＴＲ２は、プローブ光の第２の波長λ_ＰＬ２に等しい。

【0152】

熱放射の第２の検出器８３は、第１の瞬間ｔ_１において、前記熱放射の第２の波長λ_ＴＲ２における第２の放射ビーム７５の第２の強度を表す熱放射の第２の信号Ｓ_ＴＲ２を送出する。

【0153】

熱放射の第２の検出器８３は、前述のように動作するコントローラ３３に機能的に連結されている。コントローラ３３は、第１の放射ビーム１７、第１の反射ビーム４７、第２の放射ビーム７５および第２の反射ビーム６５がすべて同時に測定されるように構成される。

【0154】

処理装置３５は、熱放射の第２の信号Ｓ_ＴＲ２を受け取り、それを後述する方法に従って処理する。

【0155】

２つの反射ビーム４７、６５および少なくとも２つの放射ビーム１７、１７ｂ、７５を使用して、処理領域１３の表面温度Ｔｓを決定することは、不確実性を低減するのに役立つ。

【0156】

別の実施例（図示せず）では、装置１は、第２の反射ビーム６５および第２の放射ビーム７５を収集するための第２の光学系を具える。

【0157】

この第２の光学系も、第２の反射ビーム６５および第２の放射ビーム７５を、前述とは別のまたは同じ多分岐ファイバ束２７に配置されたそれぞれのルーティング手段に送信する。

【0158】

別の実施形態（図示せず）では、装置１は、第２の照明システム５７に加えて、またはその代わりに、第３の照明システムを具える。

【0159】

第３の照明システムは、プローブ光の第３の波長λ_ＰＬ３でプローブ光の第３のビームを放射する第３の照明源を含む。プローブ光の第３の波長λ_ＰＬ３は、例えば６３３ｎｍの可視波長であり、例示的な第３の光源はＨｅＮｅレーザである。あるいは、プローブ光の第３の波長λ_ＰＬ３は、近ＵＶ波長用である。

【0160】

可視の第３の波長の場合、装置１は、プローブ光の第３の検出器、例えばＳｉフォトダイオードを具える。

【0161】

他のすべての要素は、前に説明したものと同様である。

【0162】

次に、図１２を参照して、本発明による基板３の表面温度Ｔｓを測定する方法を説明する。

【0163】

基板３の処理表面５は、パルス光ビーム９、例えば前述のようなパルスレーザビームによって照射される。このパルス光ビーム９は、処理表面５の処理領域１３を加熱する。次に、処理領域１３は、その表面温度Ｔｓを表す熱放射１６を放出する。

【0164】

この方法は、プローブ光の第１のビーム３９を処理領域１３に向けて放射するステップを含む。プローブ光の第１のビーム３９は、好ましくは赤外線の、プローブ光の第１の波長λ_ＰＬ１を有する。

【0165】

次に、別のステップで、熱放射の第１の検出器３１が、第１の瞬間ｔ_１における熱放射の第１の信号Ｓ_ＴＲ１ａを測定する。この測定は、コントローラ３３によって実施される。

【0166】

同時のステップにおいて、プローブ光の第１の検出器５５が、第２の瞬間ｔ_２においてプローブ光の第１の信号Ｓ_ＰＬ１を測定する。この測定は、コントローラ３３によって実施される。コントローラ３３は、第１の瞬間ｔ_１と第２の瞬間ｔ_２が同時発生するように、熱放射の第１の検出器３１およびプローブ光５５の第１の検出器を同期させる。

【0167】

次に、後のステップで、処理装置３５は、熱放射の第１の信号Ｓ_ＴＲ１およびプローブ光の第１の信号Ｓ_ＰＬ１を処理する。

【0168】

収集領域１５の放射率は、次の式で計算される。
（式１）

【0169】

ここで、Ｓ_ｒｅｆ１とＳ_ｒｅｆ２は、プローブ光の第１の検出器５５の較正前のステップ中に測定される。較正ステップ中、Ｒ_ｒｅｆ１は反射較正ビームの第１の期待値であり、Ｓ_ｒｅｆ１は反射較正ビームの対応する第１の測定値である。同様に、Ｒ_ｒｅｆ２は反射較正ビームの第２の期待値であり、Ｓ_ｒｅｆ２は反射較正ビームの対応する第２の測定値である。

【0170】

最終ステップにおいて、処理装置３５は、熱放射の第１の処理信号およびプローブ光の第１の処理信号に基づいて、前記第１の瞬間における処理領域１３の表面温度を決定する。

【0171】

表面温度の計算に使用される式は次の通りである：
（式２）

【0172】

ここで、ｈはプランク定数、ｃは光の速度、Ｋはボルツマン定数、Ｋ_{ｃａｌｉｂ}は熱放射の第１検出器３１ａの機器定数である。

【0173】

Ｋ_{ｃａｌｉｂ}の値は、最初に次の式でシステムの典型的な特性からおおまかに推定される。
（式３）

【0174】

ここで、Ｒ（λ）は熱放射の第１の検出器３１ａのスペクトル感度である。τは光伝送である。Ｇはエタンデュである。Δλはスペクトル帯域幅である。次に、その値が、較正ステップ中に各機器に対して細かく決定される。

【0175】

表面温度Ｔｓの計算を、熱放射の第１の信号Ｓ_ＴＲ１ａと、同時に取得された同じ方向のプローブ光の第１の信号Ｓ_ＰＬ１とに基づいて行うことにより、計算された表面温度の不確実性が大幅に減少する。

【0176】

この方法は、前述の装置１の他の実施形態に適用することができる。

【0177】

次に、この方法は、基板３の処理表面５の処理領域１３に向けて、プローブ光の第２の波長λ_ＰＬ２で第２のプローブ光５９を放射するステップをさらに含む。

【0178】

次に、別のステップで、熱放射の第２の検出器８３が、第３の瞬間ｔ_３において熱放射の第２の信号Ｓ_ＴＲ２を測定する。この測定は、コントローラ３３によって実施される。第３の瞬間ｔ_３は、第１の瞬間ｔ_１および第２の瞬間ｔ_２と同時である。

【0179】

同時のステップにおいて、プローブ光の第２の検出器７３が、第４の瞬間ｔ_４においてプローブ光の第２の信号Ｓ_ＰＬ２を測定する。この測定は、コントローラ３３によって実施される。

【0180】

コントローラ３３は、第１の瞬間ｔ_１、第２の瞬間ｔ_２、第３の瞬間ｔ_３および第４の瞬間ｔ_４が同時に生じるように、熱放射の第１の検出器３１、プローブ光の第１の検出器５５、熱放射の第２の検出器８３およびプローブ光の第２の検出器７３を同期させる。

【0181】

温度は次の式で計算される。
（式４）

【0182】

ここで、λ_{ＴＰｌｏｎｇ}は、熱放射の第１の波長λ_ＴＲ１と熱放射の第２の波長λ_ＴＲ２との間の最長波長に対応する。λ_{ＴＲｓｈｏｒｔ}は、熱放射の第１波長λ_ＴＲ１と熱放射の第２波長λ_ＴＲ２の間の最短波長に対応する。

【0183】

λ_{ＰＬｌｏｎｇ}は、プローブ光の第１の波長λ_ＰＬ１とプローブ光の第２の波長λ_ＰＬ２の間の最長波長に対応する。

【0184】

λ_{ＰＬｓｈｏｒｔ}は、プローブ光の第１の波長λ_ＰＬ１とプローブ光の第２の波長λ_ＰＬ２の間の最短波長に対応する。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】