JP2002350342A - 表面状態測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被測定基板の局所的な表面状態の高感度測定
を簡単且つ低廉に実現し、被測定基板表面の有機汚染物
質等の分布を測定しうる表面状態測定方法及び装置を提
供する。 【解決手段】 広帯域赤外光源１４から被測定基板１０
に照射した赤外線を、機械的チョッパー２０によってパ
ルス化し、被測定基板１０で反射される赤外線をパルス
化のタイミングと同期して複数回検出し、検出結果の加
算平均に基づいて被測定基板１０の所定位置における表
面状態を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、赤外線分光法によ
り被測定基板の表面状態の二次元分布を製造現場におい
てその場測定（in-situ monitoring）しうる表面状態測
定方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体ウェハや液晶ガラス基板等の基板
の有機汚染等の表面状態を知ることは、それらの基板を
用いて製造されるデバイスの歩留まり、品質の信頼性を
確保する上で非常に重要なことである。例えば、半導体
ウェハ表面の有機汚染は、製造プロセスにおける成膜異
常や界面抵抗の増加を引き起こす原因となることが知ら
れている。

【０００３】このような基板表面の有機汚染を検出する
測定方法としては、例えば、被測定基板を透過した赤外
線をフーリエ分光することにより有機汚染を測定するフ
ーリエ変換分光分析（Fourier Transformation Infrare
d Spectroscopy : ＦＴ−ＩＲ）装置が、米国ニコレー
社等によって商品化されている（以下、透過方式とい
う）。

【０００４】また、本願発明者等は、赤外多重内部反射
法によって半導体ウェハの表面状態を測定する方法を提
案している（例えば、特願平１１−９５８５３号明細書
を参照。以下、多重内部反射方式という）。半導体ウェ
ハの一端に赤外線を特定の入射角度で入射すると、赤外
線は半導体ウェハ内部を両表面で内部反射を繰り返しな
がら伝搬する。このとき、半導体ウェハ表面で赤外線が
反射するときに滲み出る光（エバネッセント光）の周波
数成分が半導体ウェハ表面に付着した有機汚染物質の分
子振動周波数と一致していると共鳴吸収される。従っ
て、そのスペクトルを分析することにより、半導体ウェ
ハ表面に付着した有機汚染物質の種類と量を特定するこ
とができる。この方法によれば、半導体ウェハ内部を繰
り返し多重反射をした赤外線、すなわち、表面に付着し
た有機汚染物質の情報を累積した赤外線を分光分析する
ため、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）が向上され、検出感度
を高くすることができる。

【０００５】また、例えば、特開平８−２３３７４６号
公報、特開平７−２２１１４８号公報には、赤外線を被
測定基板表面に照射し、表面で反射した赤外線をフーリ
エ分光して被測定基板表面に付着した有機汚染を検出す
る方法が開示されている（以下、反射方式という）。こ
の方法では、有機汚染が被測定基板表面に均一に分布し
ていることを前提に、測定室の壁に設けられた鏡により
赤外線を被測定基板表面の異なる場所で順次反射するこ
とによりＳ／Ｎ比の向上が図られている。そして、被測
定基板表面の異なる場所で複数回反射した赤外線を分光
分析することにより、高感度で有機汚染を検出すること
が可能となっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、透過方
式では、被測定基板を一回のみ透過する赤外線の基板表
面に付着した有機汚染物質による吸収を分析することに
より有機汚染を検出するため、装置の検出系のＳ／Ｎ比
が悪く、有機汚染の検出感度は低くなってしまってい
た。また、被測定基板を透過した赤外線を分光分析する
ため、被測定基板の表裏両面の情報を同時に検出するこ
ととなり、片面のみの表面状態を測定することはできて
いなかった。

【０００７】また、多重内部反射方式では、通常円板状
の半導体ウェハのほぼ中心の径に沿って赤外線が内部を
多重反射する。このため、赤外線の光路上の表面に付着
した有機物質を平均値として検出することとなり、表面
に付着した有機汚染物質の分布を詳細に測定することは
できなかった。すなわち、付着した有機汚染物質の表面
における分布を測定しようとしても、半導体ウェハの赤
外線の光路上の平均値を知ることしかできなかった。ま
た、この方法では、半導体ウェハ内部で多重反射した赤
外線、すなわち半導体ウェハの両面で内部反射を繰り返
した赤外線を分析するため、表面と裏面との識別ができ
ず、測定結果が両面の表面状態を反映したものとなって
いた。更に、赤外線が半導体ウェハ内部で多重反射をす
る結果その光路長が長くなるため、赤外線の透過波長帯
域が狭くなり有機汚染物質の同定に必要な情報が欠落し
ていた。

【０００８】一方、従来の反射方式では、被測定基板の
片面を反射した赤外線を分光分析するので表面と裏面と
を区別して表面状態の測定を行うことができる。しかし
ながら、従来の反射方式は、片方の表面の汚染状態を平
均値として評価するものであり、被測定基板表面に付着
した有機汚染物質の二次元分布を取得することを意図し
たものではなかった。

【０００９】上述のように、従来の赤外線を用いた表面
状態の測定方法は、基板表面の状態を表面全体或いは表
裏両面の平均値として評価する手法であるため、クリー
ンルーム中における基板の汚染状態の測定などについて
は有用なものであった。これは、クリーンルームにおい
ては、有機汚染物質はほぼ均一に基板表面に付着するも
のと考えられるからである。このような均一な汚染状態
であれば、表面全体或いは表裏両面の平均値として評価
することによっても、ある程度的確に表面状態を把握す
ることができる。

【００１０】しかし、基板の表面状態は、例えば洗浄ム
ラなどのように常に均一であるわけではない。従って、
表面状態の測定結果を半導体製造ライン等にフィードバ
ックして生産歩留まりの向上等を図るためには、平均値
的な手法で得られた基板表面の情報では必ずしも十分な
ものとはいえなかった。このため、洗浄ムラなどのよう
に基板表面に不均一に付着した分子の二次元的分布を測
定できる表面状態の測定方法の開発が望まれていた。

【００１１】また、従来の赤外線を利用した表面状態の
測定方法では、通常、窒素温度に冷却したＩｎＳｂやＨ
ｇＣｄＴｅ等の素子に検出すべき赤外線を照射して電気
信号に変換することが行われていた。しかしながら、こ
れら検出素子自身の有する１／ｆ雑音が、赤外線を検出
する感度を制約する一因となっていた。

【００１２】本発明の目的は、被測定基板の局所的な表
面状態の高感度測定を簡単且つ低廉に実現し、被測定基
板表面の有機汚染物質等の分布を測定しうる表面状態測
定方法及び装置を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的は、被測定基板
の所定位置に赤外線を照射し、前記被測定基板の表面で
反射される赤外線を検出し、検出した赤外線に基づいて
前記被測定基板の表面の状態を測定する表面状態測定方
法であって、赤外線をパルス化し、前記被測定基板から
放出される赤外線をパルス化のタイミングと同期して複
数回検出し、検出結果の加算平均に基づいて前記被測定
基板の前記所定位置における表面状態を測定することを
特徴とする表面状態測定方法により達成される。

【００１４】また、上記の表面状態測定方法において、
前記被測定基板の表面に付着した有機分子の吸収帯域を
含む波長成分を有する赤外線を照射し、検出した赤外線
を分光分析することにより、前記有機分子の種類を同定
し及び／又は前記有機分子の存在量を算出するようにし
てもよい。

【００１５】また、上記の表面状態測定方法において、
前記被測定基板の表面に付着した特定の有機分子の吸収
帯域を含む波長成分を有する赤外線を照射し、前記特定
の有機分子の吸収帯域の赤外線のみをバンドパスフィル
タを介して検出し、検出した赤外線の強度を分析するこ
とにより、前記特定の有機分子の存在量の算出を行うよ
うにしてもよい。

【００１６】また、上記の表面状態測定方法において、
前記被測定基板の表面に付着した特定の有機分子が吸収
する特定波長の赤外線を照射し、検出した赤外線の強度
を分析することにより、前記特定の有機分子の存在量の
算出を行うようにしてもよい。

【００１７】また、上記の表面状態測定方法において、
前記被測定基板の表面で反射される赤外線をヘテロダイ
ン方式により検出するようにしてもよい。

【００１８】また、上記の表面状態測定方法において、
前記被測定基板表面に照射する赤外線の位置を変化しな
がら前記被測定基板の表面状態を測定することを繰り返
し、前記被測定基板の所定の範囲における表面状態の測
定を行うようにしてもよい。

【００１９】また、上記目的は、被測定基板の表面に赤
外線を照射する赤外線照射手段と、赤外線をパルス化す
る赤外線パルス化手段と、前記赤外線パルス化手段によ
るパルス化のタイミングと同期して前記被測定基板の表
面で反射した赤外線を複数回検出する赤外線検出手段
と、前記赤外線検出手段により検出された赤外線を分析
し、前記被測定基板の赤外線を照射した位置の表面状態
を測定する表面状態測定手段とを有することを特徴とす
る表面状態測定装置により達成される。

【００２０】また、上記の表面状態測定装置において、
前記表面状態測定手段は、前記赤外線検出手段による検
出結果を加算平均し、検出結果の加算平均に基づいて前
記被測定基板の赤外線を照射した位置の表面状態を測定
するようにしてもよい。

【００２１】また、上記の表面状態測定装置において、
前記赤外線照射手段は、前記被測定基板の表面に付着し
た有機分子の吸収帯域を含む赤外線を照射し、前記表面
状態測定手段は、前記赤外線検出手段により検出された
赤外線を分光分析することにより前記有機分子の種類を
同定し及び／又は前記有機分子の存在量を算出するよう
にしてもよい。

【００２２】また、上記の表面状態測定装置において、
前記赤外線照射手段は、前記被測定基板の表面に付着し
た特定の有機分子の吸収帯域を含む波長成分を有する赤
外線を照射し、前記赤外線照射手段より照射された赤外
線のうち前記特定の有機分子の吸収帯域の赤外線のみを
透過するバンドパスフィルタを更に有し、前記表面状態
測定手段は、前記赤外線検出手段により検出された赤外
線の強度を分析することにより、前記特定の有機分子の
存在量を算出するようにしてもよい。

【００２３】また、上記の表面状態測定装置において、
前記赤外線照射手段は、前記被測定基板表面に付着した
特定の有機分子が吸収する特定波長の赤外線を照射し、
前記表面状態測定手段は、前記赤外線検出手段により検
出された赤外線の強度を分析することにより、前記特定
の有機分子の存在量を算出するようにしてもよい。

【００２４】また、上記の表面状態測定装置において、
前記赤外線検出手段は、ヘテロダイン方式によって赤外
線を検出するものであるようにしてもよい。

【００２５】また、上記の表面状態測定装置において、
前記被測定基板に照射する赤外線の位置を変化する位置
変化手段と、赤外線を照射した前記被測定基板の位置情
報と前記表面状態測定手段の測定結果とを関連付けて記
憶する記憶手段とを更に有するようにしてもよい。

【００２６】

【発明の実施の形態】［第１実施形態］本発明の第１実
施形態による表面状態測定方法及び装置について図１乃
至図３を用いて説明する。図１は、本実施形態による表
面状態測定装置の構造を示す概略断面図、図２は、ヘテ
ロダイン赤外検出方式の一般的な装置構成を示す概略
図、図３は、赤外線検出部の構成を示す概略図である。

【００２７】〔１〕 表面状態測定装置 まず、本実施形態による表面状態測定装置の全体構成に
ついて図１を用いて説明する。

【００２８】可動式基板搭載台１２上には、測定すべき
表面を上に向けて被測定基板１０が載置されている。被
測定基板１０上方には、被測定基板１０の測定すべき表
面に所定の角度で赤外線を集光して照射する広帯域赤外
光源１４と、被測定基板１０表面で反射された赤外線を
集光して赤外線検出部１６へと導く反射光集光系１８と
が設けられている。

【００２９】広帯域赤外光源１４と被測定基板１０との
間には、機械的チョッパー２０が配置され、広帯域赤外
光源１４より放出された赤外線をパルス化できるように
なっている。機械的チョッパー２０には、チョッパー駆
動回路２２が接続されている。

【００３０】また、被測定基板１０と反射光集光系１８
との間には、被測定基板１０表面で反射した赤外線のう
ち、所定の波長域の赤外線のみを透過するバンドパスフ
ィルタ２４が配置されている。

【００３１】反射光集光系１８により集光された赤外線
を検出する赤外線検出部１６には、解析部２６が接続さ
れている。

【００３２】解析部２６は、赤外線検出部１６より入力
された検出信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器２８と、
Ａ／Ｄ変換された検出結果を記憶する記憶装置３０と、
記憶装置３０に記憶された検出結果の演算・解析及び可
動式基板搭載台１２と機械的チョッパー２０の駆動制御
を行う演算・制御装置３２と、演算・制御装置３２によ
る解析結果を表示する表示装置３４とから構成されてい
る。演算・制御装置３２には、可動式基板搭載台１２と
チョッパー駆動回路２２とが接続されている。

【００３３】このように、本実施形態による表面状態測
定装置は、照射される赤外線に対する被測定基板１０の
位置を変化する可動式基板搭載台１２を有することに特
徴がある。これにより、被測定基板１０表面に付着した
汚染物質等の特定の官能基を有する分子の二次元的な分
布を測定することができる。また、被測定基板１０表面
に照射される赤外線を機械的チョッパー２０によりパル
ス化し、検出信号を機械的チョッパー２０と同期して取
り込み、加算平均することに特徴がある。これにより、
Ｓ／Ｎ比を向上することができ、検出感度を高めること
ができる。あわせて、赤外線検出部１６にヘテロダイン
赤外検出方式によるものを用いることにより、赤外線検
出器に用いられる素子自身による１／ｆ雑音を回避する
ことができ、さらに検出感度を向上することができる。

【００３４】次に、本実施形態による表面状態測定装置
の各構成要素について図１乃至図３を用いて詳述する。

【００３５】（ａ）可動式基板搭載台１２ 可動式基板搭載台１２は、被測定基板１０を搭載して測
定に供するものであり、ＸＹＺ方向への移動及び回転が
可能である。これにより、広帯域赤外光源１４から照射
される赤外線に対して被測定基板１４表面の位置を変化
することが可能である。可動式基板搭載台１２には駆動
回路（図示せず）が内蔵されており、演算・制御装置３
２より駆動回路に入力される制御信号によって、可動式
基板搭載台１２のＸＹＺ方向への移動及び回転が制御さ
れる。

【００３６】このように、可動式基板搭載台１２によっ
て被測定基板１０の位置を変化することにより、被測定
基板１０表面の全面或いは全位置にわたって赤外線を照
射することができ、被測定基板１０の表面状態の二次元
分布を測定することが可能となる。

【００３７】（ｂ）広帯域赤外光源１４ 広帯域赤外光源１４は、表面状態測定のプローブ光とな
る赤外線を集光して被測定基板１０の表面に照射するも
のである。広帯域赤外光源１４により照射される赤外線
は、測定すべき汚染物質等の有機分子の特定官能基の赤
外吸収帯域を含む広い波長成分（例えば２〜２０μｍ）
をもつ赤外線である。広帯域赤外光源１４が被測定基板
１０表面に照射する赤外線のスポットサイズは、表面状
態の二次元分布測定における分解能を決定するものであ
るため、要求される分解能に応じ、被測定基板１０に照
射する赤外線のスポットサイズを調整することが望まし
い。

【００３８】（ｃ）機械的チョッパー２０、チョッパー
駆動回路２２ 機械的チョッパー２０は、広帯域赤外光源１４より被測
定基板１０表面に向けて照射された赤外線を断続的に遮
断することにより時間的にパルス化するものである。機
械的チョッパー２０によるチョッピングのタイミング
は、演算・制御装置３２より同期信号が入力されたチョ
ッパー駆動回路２２によって決定される。

【００３９】チョッパー駆動回路２２は、演算・制御装
置３２から入力された同期信号に基づき、機械的チョッ
パー２０を駆動し、赤外線のパルス化と記憶装置３０に
よる検出信号の取り込みとを同期する。このように、赤
外線のパルス化と検出信号の取り込みとを同期し、取り
込んだ検出信号を加算平均することによりＳ／Ｎ比の向
上を図ることができる。

【００４０】（ｄ）バンドパスフィルタ２４ バンドパスフィルタ２４は、被測定基板１０表面で反射
された赤外線のうち、例えばＣ−Ｈ基のような検出すべ
き特定の官能基の振動波長域の赤外線のみを透過するも
のである。

【００４１】特定の官能基の振動波長域に対応したバン
ドパスフィルタは、例えば米国のスペクトロゴン（SPEC
TROGON）社より販売されている。同社からは、例えば、
Ｏ−Ｈ基の分子振動に対応する波長域を透過するフィル
タや、Ｃ−Ｈ基の分子振動に対応する波長域を透過する
フィルタ、Ｓｉ−Ｈ基の分子振動に対応する波長域を透
過する波長域を透過するフィルタ等が入手可能となって
いる。本実施形態による表面状態装置のバンドパスフィ
ルタ２４は、このようなフィルタを適用することができ
る。

【００４２】本実施形態による表面状態測定装置では、
検出すべき特定の官能基に応じて、対応する透過波長域
のバンドパスフィルタ２４を選択する。これにより、被
測定基板１０表面における検出すべき特定の官能基の二
次元分布を迅速かつ簡便に測定することができる。特定
の官能基を検出するために必要な波長域の赤外線のみを
分析するので、測定データの処理に長時間要することも
ない。また、このように表面状態測定装置を構成するこ
とにより、高価な赤外干渉計（ＦＴ−ＩＲ装置）を用い
る必要がないので、装置価格を低廉なものにすることが
できる。

【００４３】（ｅ）反射光集光系１８、赤外線検出部１
６ 反射光集光系１８は、凹面鏡、反射鏡等で構成され、被
測定基板１０表面で反射しバンドパスフィルタ２４を透
過した赤外線を集光して赤外線検出部１６に導くもので
ある。

【００４４】赤外線検出部１６は、赤外線検出器に通常
用いられる窒素冷却されたＩｎＳｎ、ＨｇＣｄＴｅ等の
素子自身のもつ１／ｆ雑音を回避して検出感度を向上す
べく、ヘテロダイン赤外検出方式によるものである。

【００４５】一般に、ヘテロダイン赤外検出方式の装置
構成は、図２に示すように、検出すべき赤外線が入射さ
れるハーフミラー３６と、ハーフミラー３６を透過した
赤外線の＋１次回折光の周波数をシフトする音響光学的
周波数シフタ３８と、音響光学的周波数シフタ３８によ
ってシフトする周波数の設定を行う変調用発振器４０
と、音響光学的周波数シフタ３８により周波数シフトさ
れた＋１次回折光を集光してもとの光路に周波数を２倍
にして戻す凹面鏡４２と、周波数シフトされもとの光路
に戻された＋１次回折光をハーフミラー３６を介して検
出する赤外線検出器４４と、赤外線検出器４４による検
出信号を変調用発振器４０の発振周波数の２倍の周波数
で同期検波するロックインアンプ４６とからなる。

【００４６】音響光学周波数シフタ３８は、物質に超音
波を印加すると屈折率が正弦波的に変化し位相回折格子
として振る舞うという現象を利用したものである。この
とき、＋１次回折光の周波数変位は、印加された超音波
の周波数に等しいものとなる。

【００４７】検出すべき赤外線は、ハーフミラー３６を
透過した後、音響光学的周波数シフタ３８によりその＋
１次回折光の周波数がシフトされる。このときシフトさ
れる周波数は、窒素冷却されたＩｎＳｎ、ＨｇＣｄＴｅ
等の素子自身のもつ１／ｆ雑音が白色雑音と交差する周
波数ｆ_cより高い周波数となるように、変調用発振器４
０により設定される。

【００４８】上述のように周波数シフトされた＋１次回
折光は、凹面鏡４２により反射されてもとの光路に導か
れる。このとき、＋１次回折光の周波数は、反射前と比
べて２倍となる。凹面鏡４２によってもとの光路に導か
れた＋１次回折光は、ハーフミラー３６を介して赤外線
検出器４４により検出されて電気信号に変換される。

【００４９】赤外線検出器４４により得られた電気信号
は、変調用発振器４０の発振周波数の２倍で周波数変調
されているので、その出力をロックインアンプ４６によ
り変調用発振器４０の発振周波数の２倍の周波数で同期
検波する。こうして、赤外線検出器に通常用いられる素
子自身のもつ１／ｆ雑音を回避した検出信号を得ること
ができる。

【００５０】なお、有機物質の基本振動に対応する２〜
２０μｍの波長域にわたって有効に働く音響光学的周波
数シフタ３８は存在しない。そこで、本実施形態による
表面状態測定装置では、図３に示すように、赤外線検出
部１６を、ドップラー周波数シフトを利用するヘテロダ
イン赤外検出方式の装置構成とする。図３に示す赤外検
出部１６の構成は、図２の音響光学的周波数シフタ３８
の代わりに移動回折格子４８を用いる点以外は、図２に
示す一般的な装置構成とほほ同じものとなっている。

【００５１】ハーフミラー３６には、表面状態測定装置
の反射光集光系１８により被測定基板１０表面で反射し
た赤外線が導かれる。ハーフミラー３６を透過した赤外
線は、図示するように、赤外線の入射方向に対して垂直
に振動している移動回折格子４８に導かれ、移動回折格
子４８により回折される。この際、赤外線の＋１次回折
光の周波数がシフトする。移動回折格子４８には、回折
格子駆動回路５０を介して変調用発振器４０が接続され
ている。これにより、＋１次回折光の周波数シフトが周
波数ｆ_cより高い周波数となるように、移動回折格子４
８の振動が制御されている。こうして周波数シフトした
＋１次回折光は、図２の場合と同様に、凹面鏡４２によ
り再びもとの光路に導かれ、ハーフミラー３６を介して
赤外線検出器４４により検出される。

【００５２】赤外線検出器４４により得られた電気信号
は、変調用発振器４０の発振周波数の２倍で周波数変調
されているので、その出力をロックインアンプ４６によ
り変調用発振器４０の発振周波数の２倍の周波数で同期
検波する。

【００５３】こうしてロックインアンプ４６により同期
検波された検出信号は、表面状態測定装置の解析部２６
に送られる。

【００５４】上述のようにして、ヘテロダイン赤外検出
方式の赤外線検出部１６を用いることにより、赤外線検
出器４４に用いられる窒素冷却されたＩｎＳｎ、ＨｇＣ
ｄＴｅ等の素子自身のもつ１／ｆ雑音に起因する制約を
取り除くことができる。従って、赤外線の検出感度を向
上することが可能となる。

【００５５】（ｆ）解析部２６（Ａ／Ｄ変換器２８、記
憶装置３０、演算・制御装置３２、表示装置３４） Ａ／Ｄ変換器２８は、赤外線検出部１６からの検出信号
をアナログ−デジタル変換してデジタル化するものであ
る。

【００５６】記憶装置３０は、演算・制御装置３２から
の制御信号に基づき、Ａ／Ｄ変換器２８によってデジタ
ル化された検出信号を機械的チョッパー２０による赤外
線のパルス化と同期して所定の回数取り込んで記憶す
る。また、記憶装置３０には、有機分子の種類や検量
線、参照スペクトル等が別途データベースとして蓄えら
れており、測定データは、それらのデータを参照して定
量化される。

【００５７】演算・制御装置３２は、記憶装置３０に所
定の回数取り込んで記憶された検出信号を加算平均す
る。これによりＳ／Ｎ比を向上することができる。この
とき、Ｓ／Ｎ比の向上は、加算平均回数の平方根に比例
することが知られている。

【００５８】また、演算・制御装置３２は、機械的チョ
ッパー２０の駆動と記憶装置３０の検出信号の取り込み
とを同期する制御信号をチョッパー駆動回路２２及び記
憶装置３０に入力する。また、可動式基板搭載台１２の
位置を変化する制御信号を可動式基板搭載台１２の駆動
回路に入力する。

【００５９】〔２〕 表面状態測定方法 次に、本実施形態による表面状態測定方法について図１
を用いて説明する。

【００６０】本実施形態による表面状態測定方法は、被
測定基板１０表面に付着した分子の特定の官能基による
赤外線の吸光度の大きさに基づき、特定の官能基の表面
における濃度を算出する。したがって、特定の官能基の
表面における濃度と吸光度との関係を示す検量線を表面
状態の測定に先立ち作成しておく必要がある。

【００６１】まず、表面の清浄な被測定基板１０を可動
式基板搭載台１２上に載置する。

【００６２】続いて、広帯域赤外光源１４によって、赤
外線を被測定基板１０表面の所定の位置に向けて照射す
る。同時に機械的チョッパー２０を記憶装置３０の検出
信号を取り込むタイミングと同期して駆動し、被測定基
板１０表面に照射する赤外線をパルス化する。

【００６３】次いで、被測定基板１０表面で反射した赤
外線を、バンドパスフィルタ２４を介して反射光集光系
１８により集光して赤外線検出部１６に導く。ここで、
バンドパスフィルタ２４は、検出すべき特定の官能基の
吸収波長域のみを透過するものとする。

【００６４】次いで、反射光集光系１８からの赤外線を
赤外線検出部１６により検出し、検出信号として電気信
号に変換してから解析部２６に入力する。

【００６５】次いで、解析部２６において、赤外線検出
部１６から入力された検出信号をＡ／Ｄ変換器２８によ
りデジタル化する。そして、デジタル化した検出信号
を、機械的チョッパー２０による赤外線のパルス化と同
期して記憶装置３０に所定の回数取り込む。このとき検
出信号を取り込む回数は、要求される測定精度、測定時
間との関係等から適宜調整することができる。

【００６６】続いて、所定の回数取り込んだ検出信号
を、演算・制御装置３２により加算平均する。こうし
て、分子の付着していない清浄な状態の被測定基板１０
表面について検出信号の平均強度Ｉ₀を算出する。

【００６７】次いで、特定の官能基を有する分子を希釈
して、一定の濃度にして定量を表面の被測定対象領域に
均一に塗布する。この被測定基板１０表面について、上
述の清浄な状態の場合と同様にして検出信号の平均強度
Ｉ_s1を算出する。

【００６８】同様に、特定の官能基を有する分子の濃度
を順次一桁ずつ変えて測定を行い、得られた検出信号の
平均強度を、Ｉ_s2、Ｉ_s3、Ｉ_s4、…、Ｉ_sn、…とする。

【００６９】続いて、それぞれの場合について、吸光度
Ｉ_abs1、Ｉ_abs2、Ｉ_abs3、…、Ｉ_{ab sn}、…を以下の式に
従い算出する。

【００７０】Ｉ_absn＝−ｌｏｇ（Ｉ_sn／Ｉ₀） 次いで、得られた吸光度と、そのときの基板表面の分子
の濃度とをプロットすることにより、特定の官能基を有
する分子の基板表面における濃度と吸光度との関係を示
す検量線が得られる。

【００７１】上述のようにして求めた検量線を参照する
ことにより、表面状態を測定すべき被測定基板１０表面
の所定の位置について得られた吸光度から、所定の位置
における特定の官能基の濃度を決定することができる。

【００７２】次に、測定すべき被測定基板１０表面にお
ける特定の官能基の濃度の二次元分布の測定手順につい
て以下に説明する。

【００７３】まず、表面状態を測定すべき表面を上向き
にして、被測定基板１０を可動式基板搭載台１２上に載
置する。

【００７４】続いて、検量線を作成したときと同様にし
て、被測定基板１０表面を反射した赤外線のうち検出す
べき特定の官能基の吸収波長域の赤外線の検出信号の平
均強度を算出する。この算出結果と、予め同様にして清
浄表面について測定しておいた検出信号の平均強度Ｉ₀
とから、現在測定している被測定基板１０表面の位置で
の赤外線の吸光度を算出する。

【００７５】次いで、算出された吸光度を、予め作成し
ておいた特定の官能基の基板表面における濃度と吸光度
との関係を示す検量線と比較する。この比較結果から現
在赤外線を照射している被測定基板１０表面の位置にお
ける特定の官能基の基板表面での濃度を決定する。

【００７６】こうして被測定基板１０表面の所定の位置
について得られた測定結果を、その位置情報とともに記
憶装置３０に記憶する。

【００７７】続いて、可動式基板搭載台１２により被測
定基板１０の位置を移動して、赤外線の照射位置を変え
て同様の測定を行う。被測定基板１０表面の別の位置に
おける測定すべき官能基の濃度を算出し、位置情報とと
もに記憶装置３０に記憶する。こうして、被測定基板１
０表面の全面、或いは所定の領域にわたって順次測定す
べき特定の官能基の濃度を算出し、被測定基板１０表面
における位置情報とともに記憶装置３０に記憶してい
く。

【００７８】次いで、測定すべき特定の官能基の濃度
を、同時に記録した位置情報をもとに、被測定基板１０
表面における二次元分布図として表示装置３４に表示す
る。こうして、表面状態の測定を終了する。

【００７９】なお、本実施形態による表面状態測定方法
及び装置では、上述のように被測定基板１０表面で反射
した赤外線を分析することにより表面状態の測定を行う
ので、被測定基板１０の赤外透過性の有無を問題としな
い。従って、例えばガラス基板等のように、赤外線を透
過しない基板であっても、その表面状態を測定すること
ができる。

【００８０】このように、本実施形態によれば、機械的
チョッパー２０によりパルス化された赤外線を被測定基
板１０表面に照射し、表面で反射した赤外線の検出信号
を赤外線のパルス化と同期して取り込んで加算平均を行
うので、Ｓ／Ｎ比を向上することができる。また、可動
式基板搭載台１２により赤外線の被測定基板への照射位
置を変化することにより、表面に付着した特定の有機分
子の存在量の二次元分布を測定することができる。更
に、赤外検出部１６にヘテロダイン赤外検出方式による
ものを用いることにより、１／ｆ雑音を回避して検出感
度を向上することができる。

【００８１】なお、上記実施形態では、広帯域赤外光源
１４を用いて、検出すべき官能基の分子振動に等しい波
長域の赤外線をバンドパスフィルタ２４を介して検出し
ていたが、特定の波長域の赤外線を放出する赤外光源を
用いて、バンドパスフィルタを用いない構成としてもよ
い。すなわち、図４に示すように、検出すべき特定の官
能基の分子振動と等しい波長域の赤外線を放出する特定
波長域赤外光源５２を用いることにより、上記実施形態
では必要であったバンドパスフィルタ２４が不要とな
る。特定波長域赤外光源５２としては、例えば、半導体
レーザや、ＹＡＧレーザ励起型ＬｉＮｂＯ₃ドメイン反
転型赤外光源などを用いることができる。このような構
成により、予め検出すべき官能基が明確である場合等
に、その濃度の二次元分布を簡便に測定することができ
る。

【００８２】［第２実施形態］本発明の第２実施形態に
よる表面状態測定方法及び装置について図５を用いて説
明する。図５は、本実施形態による表面状態測定装置の
構造を示す概略断面図である。なお、第１実施形態によ
る表面状態測定方法及び装置と同一の構成要素について
は同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡略にする。

【００８３】図５に示すように、本実施形態による表面
状態測定方法及び装置は、基本的な構成は、第１実施形
態によるものと同一である。本実施形態では、被測定基
板１０と反射光集光系１８との間に配置されていたバン
ドパスフィルタ２４が省かれ、赤外線検出部１６の前段
に、反射光集光系１８により集光された赤外線をスペク
トル成分に分解する赤外分光光度計５４が設けられてい
る。

【００８４】このように本実施形態による表面状態測定
装置は、赤外分光光度計５４を設けることにより、被測
定基板１０表面で反射した赤外線を分光分析し、被測定
基板１０表面に存在する分子種の同定及び／又はその濃
度の算出が可能であることに特徴がある。

【００８５】次に、本実施形態による表面状態測定方法
について図５を用いて説明する。

【００８６】まず、可動式基板搭載台１２上に載置した
被測定基板１０表面の所定の位置に向けて広帯域赤外光
源１４より赤外線を照射する。同時に、機械的チョッパ
ー２０を、記憶装置３０の検出信号を取り込むタイミン
グと同期して駆動し、被測定基板１０表面に照射する赤
外線をパルス化する。

【００８７】機械的チョッパー２０によりパルス化され
た赤外線が被測定基板１０表面で反射するとき、その赤
外線のうち表面に付着した分子の振動数と一致する振動
数の赤外線が共鳴吸収される。

【００８８】次いで、被測定基板１０表面で反射した赤
外線を反射光集光系１８により集光して赤外分光光度計
５４に導いてスペクトル成分に分解する。

【００８９】次いで、赤外分光光度計５４によりスペク
トル成分に分解された赤外線を赤外線検出部１６により
検出し、検出信号として電気信号に変換してから解析部
２６に入力する。

【００９０】次いで、解析部２６において、赤外線検出
部１６から入力された検出信号をＡ／Ｄ変換器２８によ
りデジタル化した後、機械的チョッパー２０と同期して
記憶装置３０に所定の回数取り込む。このとき検出信号
を取り込む回数は、要求される測定精度、測定時間との
関係等から適宜調整することができる。

【００９１】上述のようにして、被測定基板１０表面で
反射した赤外線の各波長成分毎に検出信号を加算平均を
することにより、Ｓ／Ｎ比を向上した赤外分光分析スペ
クトルを得ることができる。

【００９２】このように、本実施形態では、従来の赤外
多重内部反射法において赤外線を被測定基板内部を多重
反射することによりＳ／Ｎ比を光学的に向上していたも
のを、パルス化した赤外線の検出信号を加算平均するこ
とにより電気的に行うものである。

【００９３】従来の赤外多重内部反射法では、被測定基
板内部での赤外線の反射回数が多くなり光路が長くなる
につれて、長波長側の赤外線が被測定基板に吸収される
ため、赤外線の透過波長域が狭くなる。この結果、分子
種同定のために必要な赤外線の長波長側の情報が欠落す
るということが起きていた。しかし、本実施形態によれ
ば、被測定基板の反射光を測定し、電気的に検出信号の
加算平均を行うことによりＳ／Ｎ比の向上を図るので、
従来の赤外多重内部反射法にみられた赤外線の長波長側
の情報の欠落を回避することができる。これにより、よ
り精度の高い分子種の同定を実現することができる。

【００９４】上述のようにして得られた赤外分光分析ス
ペクトルより、現在赤外線を照射している位置に存在す
る分子種の同定を行い、あわせて第１実施形態と同様に
してその分子種の濃度を算出する。こうして得られた測
定結果を位置情報とともに、記憶装置３０に記憶する。

【００９５】続いて、可動式基板搭載台１２により被測
定基板１０の位置を移動して、赤外線の照射位置を変え
て同様の測定を行い、被測定基板１０表面の別の位置に
おける分子種の同定及びその濃度の算出を行い、位置情
報とともに記憶装置３０に記憶する。こうして、被測定
基板１０表面の全面、或いは特定の領域にわたって順次
分子種の同定及びその濃度の算出を行い、被測定基板１
０表面における位置情報とともに記憶装置３０に記憶し
ていく。

【００９６】次いで、同定された分子種とその濃度を、
同時に記録した位置情報をもとに、被測定基板１０表面
における二次元分布図として表示装置３４に表示する。
こうして、表面状態の測定を終了する。

【００９７】このように、本実施形態によれば、機械的
チョッパー２０によりパルス化された赤外線を被測定基
板１０表面に照射し、表面で反射した赤外線の検出信号
を赤外線のパルス化と同期して取り込んで加算平均を行
うので、Ｓ／Ｎ比を向上した赤外分光分析スペクトルを
得ることができる。また、可動式基板搭載台１２により
赤外線の被測定基板への照射位置を変化することによ
り、表面に付着した有機分子の種類及び／又はその存在
量の二次元分布を測定することができる。更に、赤外検
出部１６にヘテロダイン赤外検出方式によるものを用い
ることにより、１／ｆ雑音を回避して検出感度を向上す
ることができる。

【００９８】［変型実施形態］本発明の上記実施形態に
よらず種々の変形が可能である。

【００９９】例えば、上記実施形態では、機械的チョッ
パー２０を広帯域赤外光源１４と被測定基板１０との間
の赤外線の入射側の光路に配置し、バンドパスフィルタ
２４を被測定基板１０と反射光集光系１８のと間の赤外
線の反射側の光路に配置しているが、機械的チョッパー
２０及びバンドパスフィルタ２４の配置は、赤外線の入
射側の光路又は反射側の光路のいずれであってもよい。
例えば、機械的チョッパー２０及びバンドパスフィルタ
２４の両者を広帯域赤外光源１４と被測定基板１０との
間の赤外線の入射側の光路に配置してもよい。

【０１００】また、上記実施形態では、機械的チョッパ
ー２０を用いて赤外線を断続的に遮断することにより、
赤外線のパルス化を行っていたが、赤外線のパルス化の
方法は、これに限定されるものではない。例えば、電気
的な強度変調器を用いて、広帯域赤外光源１４より放出
される赤外線のパルス化を行ってもよい。この場合も、
電気的な強度変調器による赤外線のパルス化と検出信号
の記憶装置３０への取り込みとが同期される。

【０１０１】また、上記実施形態では、赤外線検出部１
６として、ドップラー周波数シフトを利用するヘテロダ
イン赤外検出方式のものを用いている。しかし、有機物
質の基本振動に対応する２〜２０μｍの波長域にわたっ
て有効に働く音響光学的周波数シフタが入手可能となれ
ば、音響光学的周波数シフタを用いたヘテロダイン赤外
検出方式としてよい。なお、赤外線線検出部１６は、ヘ
テロダイン赤外検出方式によるものに限定されるもので
はない。例えば、赤外線検出部１６として、窒素冷却さ
れたＩｎＳｎ、ＨｇＣｄＴｅ等の素子からなる通常の赤
外線検出器そのものを用いてもよい。

【０１０２】また、上記実施形態では、表面状態測定装
置を単独で用いているが、半導体製造ライン等に組み込
み、他の製造工程で用いられる装置と組み合わせて使用
してもよい。例えば、基板の洗浄処理装置と組み合わせ
て使用し、表面状態測定装置による基板の表面状態の測
定結果に基づき、洗浄処理を制御するようにしてもよ
い。

【０１０３】

【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、赤外線を
パルス化し、被測定基板で反射される赤外線をパルス化
のタイミングと同期して複数回検出し、検出結果の加算
平均に基づいて被測定基板の所定位置における表面状態
を測定するので、被測定基板の局所的な表面状態の高感
度測定を簡単且つ低廉に実現することができる。

【０１０４】また、被測定基板表面に照射する赤外線の
位置を変化しながら被測定基板の表面状態を測定するこ
とを繰り返し、被測定基板の所定の範囲における表面状
態の測定を行うので、被測定基板表面の有機汚染物質等
の分布を測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態による表面状態測定装置
の構造を示す概略図である。

【図２】ヘテロダイン赤外検出方式の一般的な装置構成
を示す概略図である。

【図３】本発明の第１実施形態による表面状態測定装置
における赤外線検出部の構成を示す概略図である。

【図４】本発明の第１実施形態による表面状態測定装置
の変形例を示す概略図である。

【図５】本発明の第２実施形態による表面状態測定装置
の構造を示す概略図である。

【符号の説明】

１０…被測定基板 １２…可動式基板搭載台 １４…広帯域赤外光源 １６…赤外線検出部 １８…反射光集光系 ２０…機械的チョッパー ２２…チョッパー駆動回路 ２４…バンドパスフィルタ ２６…解析部 ２８…Ａ／Ｄ変換器 ３０…記憶装置 ３２…演算・制御装置 ３４…表示装置 ３６…ハーフミラー ３８…音響光学的周波数シフタ ４０…変調用発振器 ４２…凹面鏡 ４４…赤外線検出器 ４６…ロックインアンプ ４８…移動回折格子 ５０…回折格子駆動回路 ５２…特定波長域赤外光源 ５４…赤外分光光度計

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2G051 AA51 AA73 AB01 BA06 BA08 BA10 BC01 CA02 CA03 CB01 DA07 DA08 EA12 EA14 EC03 FA10 2G059 AA05 BB08 BB16 DD13 EE02 GG01 GG08 HH01 HH06 JJ01 JJ02 JJ05 JJ18 JJ22 JJ24 KK01 MM01 MM03 MM09 MM10 MM12 NN01 PP04 4M106 AA01 BA08 CA42 CB02 DB02 DB07 DB11 DH13 DJ01 DJ03 DJ05 DJ06 DJ12 DJ21

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定基板の所定位置に赤外線を照射
   し、前記被測定基板の表面で反射される赤外線を検出
   し、検出した赤外線に基づいて前記被測定基板の表面の
   状態を測定する表面状態測定方法であって、 赤外線をパルス化し、 前記被測定基板から放出される赤外線をパルス化のタイ
   ミングと同期して複数回検出し、 検出結果の加算平均に基づいて前記被測定基板の前記所
   定位置における表面状態を測定することを特徴とする表
   面状態測定方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の表面状態測定方法におい
   て、 前記被測定基板の表面に付着した有機分子の吸収帯域を
   含む波長成分を有する赤外線を照射し、 検出した赤外線を分光分析することにより、前記有機分
   子の種類を同定し及び／又は前記有機分子の存在量を算
   出することを特徴とする表面状態測定方法。
3. 【請求項３】 請求項１記載の表面状態測定方法におい
   て、 前記被測定基板の表面に付着した特定の有機分子の吸収
   帯域を含む波長成分を有する赤外線を照射し、 前記特定の有機分子の吸収帯域の赤外線のみをバンドパ
   スフィルタを介して検出し、 検出した赤外線の強度を分析することにより、前記特定
   の有機分子の存在量の算出を行うことを特徴とする表面
   状態測定方法。
4. 【請求項４】 請求項１記載の表面状態測定方法におい
   て、 前記被測定基板の表面に付着した特定の有機分子が吸収
   する特定波長の赤外線を照射し、 検出した赤外線の強度を分析することにより、前記特定
   の有機分子の存在量の算出を行うことを特徴とする表面
   状態測定方法。
5. 【請求項５】 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の
   表面状態測定方法において、 前記被測定基板の表面で反射される赤外線をヘテロダイ
   ン方式により検出することを特徴とする表面状態測定方
   法。
6. 【請求項６】 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の
   表面状態測定方法において、 前記被測定基板表面に照射する赤外線の位置を変化しな
   がら前記被測定基板の表面状態を測定することを繰り返
   し、前記被測定基板の所定の範囲における表面状態の測
   定を行うことを特徴とする表面状態測定方法。
7. 【請求項７】 被測定基板の表面に赤外線を照射する赤
   外線照射手段と、 赤外線をパルス化する赤外線パルス化手段と、 前記赤外線パルス化手段によるパルス化のタイミングと
   同期して前記被測定基板の表面で反射した赤外線を複数
   回検出する赤外線検出手段と、 前記赤外線検出手段により検出された赤外線を分析し、
   前記被測定基板の赤外線を照射した位置の表面状態を測
   定する表面状態測定手段とを有することを特徴とする表
   面状態測定装置。
8. 【請求項８】 請求項７記載の表面状態測定装置におい
   て、 前記表面状態測定手段は、前記赤外線検出手段による検
   出結果を加算平均し、検出結果の加算平均に基づいて前
   記被測定基板の赤外線を照射した位置の表面状態を測定
   することを特徴とする表面状態測定装置。
9. 【請求項９】 請求項７又は８記載の表面状態測定装置
   において、 前記赤外線照射手段は、前記被測定基板の表面に付着し
   た有機分子の吸収帯域を含む赤外線を照射し、 前記表面状態測定手段は、前記赤外線検出手段により検
   出された赤外線を分光分析することにより前記有機分子
   の種類を同定し及び／又は前記有機分子の存在量を算出
   することを特徴とする表面状態測定装置。
10. 【請求項１０】 請求項７又は８記載の表面状態測定装
    置において、 前記赤外線照射手段は、前記被測定基板の表面に付着し
    た特定の有機分子の吸収帯域を含む波長成分を有する赤
    外線を照射し、 前記赤外線照射手段より照射された赤外線のうち前記特
    定の有機分子の吸収帯域の赤外線のみを透過するバンド
    パスフィルタを更に有し、 前記表面状態測定手段は、前記赤外線検出手段により検
    出された赤外線の強度を分析することにより、前記特定
    の有機分子の存在量を算出することを特徴とする表面状
    態測定装置。
11. 【請求項１１】 請求項７又は８記載の表面状態測定装
    置において、 前記赤外線照射手段は、前記被測定基板表面に付着した
    特定の有機分子が吸収する特定波長の赤外線を照射し、 前記表面状態測定手段は、前記赤外線検出手段により検
    出された赤外線の強度を分析することにより、前記特定
    の有機分子の存在量を算出することを特徴とする表面状
    態測定装置。
12. 【請求項１２】 請求項７乃至１１のいずれか１項に記
    載の表面状態測定装置において、 前記赤外線検出手段は、ヘテロダイン方式によって赤外
    線を検出するものであることを特徴とする表面状態測定
    装置。
13. 【請求項１３】 請求項７乃至１２のいずれか１項に記
    載の表面状態測定装置において、 前記被測定基板に照射する赤外線の位置を変化する位置
    変化手段と、 赤外線を照射した前記被測定基板の位置情報と前記表面
    状態測定手段の測定結果とを関連付けて記憶する記憶手
    段とを更に有することを特徴とする表面状態測定装置。