JP2005241266A - 信号処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象粒子の粒子密度分布を測定する際、レーザ光を測定対象粒子に照射して粒子密度分布を測定する測定時間を大幅に短縮するとともに、精度の高い測定結果を得ることができる粒子密度分布測定装置を提供する。
【解決手段】粒子密度分布測定装置１０は、複数のレーザ光を互いに光路が異なるように出射するレーザ光源部１２ａと、レーザ光の照射された測定対象粒子からの光信号を受信して受光信号を出力する受光部１４と、１ビットの信号値が所定長さで符号化され、かつ互いに直交する複数の符号化系列信号を制御信号として用いて前記複数のレーザ光のそれぞれに１対１に対応させて出射のオン/オフを制御する光源制御部１６ａと、受光部１４で出力された受光信号から、符号化系列信号を用いて測定対象物からの光信号を識別し、この光信号を発した測定対象粒子の位置を特定することで、粒子密度分布を測定する信号処理部１６ｂと、を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば半導体製造分野の、プラズマを利用したドライエッチング装置や成膜装置等をはじめとするプラズマ処理装置における処理室内の測定対象粒子の粒子密度分布を、レーザ光を用いて測定する粒子密度分布測定装置に関する。

今日、半導体プロセスにおいて、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）やＰＶＤ（Physical Vapor Deposition)、さらにはスパッタリングに用いる半導体製造装置では、処理室（チャンバ）内の気相中に生成されるプラズマを利用して薄膜の形成やエッチングに用いる。
近年、Ｓｉ基板等の大型化に伴って、ＣＶＤやＰＶＤさらにはスパッタリング等に用いる半導体製造装置のチャンバも大型化し、これらの装置において大型化したＳｉ基板に薄膜を均一に形成したり、均一にエッチングすることが強く求められている。このため、チャンバ内にプラズマ状態の活性化した分子等が均一に発生している否かを確認することが必要となっている。

一般に、プラズマ中の活性化した分子やイオン等の粒子を測定する場合、測定対象とする粒子にレーザ光を照射し、励起した粒子から発光する光を受光し、この受光信号を信号処理することでプラズマ状態の粒子の種類を観測するＬＩＦ（Laser Induced Fluorescence）法が知られている。
ＬＩＦ法では、非特許文献１に示されるように、プラズマ中の活性化した分子やイオン等の測定対象粒子を有する気相中の一点にレーザ光を照射して気相中の一点を測定する。
この場合、レーザ光を連続的に発振させて測定対象粒子に連続的に照射することによって測定対象粒子の発光する光を得るＣＷ法や、レーザ光をパルス発振させて測定対象粒子に短時間（数ナノ秒以下）照射することによって測定対象粒子が発光する光を得るパルス法がある。

上記ＣＷ法は、レーザ光による光エネルギを測定対象粒子に効率よく供給できるものの、測定対象粒子の発光する光から正確に測定結果を得ることが難しいといった問題があった。例えば、プラズマ自体の自然発光した光やレーザ光が処理室内の壁面等に反射して受光器に時間的に遅れて到達する（回り込む）、いわゆる回り込み光等が、目的とする光とは無関係に測定される。このため、測定結果の信頼性が低いばかりでなく、場合によっては測定自体が困難となる場合もある。

これに対して、パルス法では、パルスレーザ光の照射後の発光する光の強度（光強度）が高い短時間(数ナノ秒以下)のうちに、バックグランド光ノイズと区別して、しかも上記回り込み光が到達しない間に受光器で受光することができる。図６は、パルスレーザ光Ｐ_０を照射後、受光した測定対象粒子の発光する光Ｐ_１、上記回り込み光Ｐ_２およびバックグランド光ノイズＰ_３の例を示している。パルスレーザ光Ｐ_０の回り込み光Ｐ_２が受光される前に光Ｐ_１を受光器で受光してサンプリングすることで、精度の高い発光の信号を得ることができる。しかし、このパルス法による１回のパルスレーザ光による照射では、測定対象粒子が励起する程に光エネルギを供給することが難しく、同一の測定位置にパルスレーザ光を何回も照射しなければならないといった、照射効率の問題があった。特に、パルスレーザ光を回転ミラー等を用いて測定空間上をスキャンして測定対象粒子の空間分布を求める場合もあるが、この場合、パルスレーザ光を用いるパルス法では上述したように照射効率が低いため、極めて多大な計測時間を必要とする。
さらに、特許文献１では、試料媒体の標的粒子の特性を決定する際、一定の周期を持つ周期的に変調された光を照射することにより標的粒子の特性を決定するた装置および方法を提案している。しかし、この場合においても、同時に多数のレーザ光を標的粒子に照射するものではなく、レーザ光を１つの測定位置に照射するため、短時間のうちに標的粒子の特性を決定できないといった問題があった。多数のレーザ光を同時に照射すると、受光した信号から目的とする標的粒子の信号を識別して特定することができない。

「最新プラズマプロセスのモニタリング技術と解析・制御」、林康明編、株式会社リアライズ社、第２９〜３１頁、第２８０頁 特表２００１−５０９２５５号公報

本発明は、上記従来の問題点を解決するために、測定対象粒子の粒子密度分布を測定する際、レーザ光を測定対象粒子に照射して粒子密度分布を測定する測定時間を大幅に短縮するとともに、精度の高い測定結果を得ることができる粒子密度分布測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、測定室内の測定対象粒子の粒子密度分布を測定する粒子密度分布測定装置であって、複数のレーザ光を互いに光路が異なるように出射するレーザ光源部と、レーザ光の照射された測定対象粒子からの光信号を受信して受光信号を出力する受光部と、１ビットの信号値が所定長さで符号化され、かつ互いに直交する複数の符号化系列信号を制御信号として用いて前記複数のレーザ光のそれぞれに１対１に対応させて出射のオン/オフを制御する光源制御部と、前記受光部で出力された受光信号から、前記符号化系列信号を用いて測定対象物からの光信号を識別し、この光信号を発した測定対象粒子の位置を特定することで、粒子密度分布を測定する信号処理部と、を有することを特徴とする粒子密度分布測定装置を提供する。

その際、前記複数の符号化系列信号は、１つの符号化系列信号をビット方向にシフトして構成されたものであり、このシフトによって符号化系列信号が互いに直交するように構成されているのが好ましい。
また、前記レーザ光源部は、複数のレーザ光が１つの平面上で互いに平行な光路を持つようにレーザ光を出射し、前記受光部は、各光路上の１箇所の位置を測定位置として、各光路上の測定位置における測定対象粒子からの光信号を重ねて受光する受光器を備え、前記信号処理部は、前記受光器において複数のレーザ光からの光信号が重なって出力された受光信号から、レーザ光の出射に用いた符号化系列信号を用いて、各レーザ光に対する測定対象粒子からの光信号をそれぞれ識別して、光信号の発する測定対象粒子の測定位置を特定するのが好ましい。
また、前記受光部は、各光路上の互いに異なる位置を測定位置とする複数の受光器を備えるのが好ましい。

前記測定対象粒子は、レーザ光の照射により発光し、前記光源制御部は、前記符号化系列信号の前記ビット方向のシフト量と前記符号化系列信号の時間分解幅との積が発光時の発光緩和時間に比べて長くなるように設定して前記符号化系列信号を生成するのが好ましい。また、前記複数のレーザ光の波長はいずれも同じであるのが好ましい。ここで、時間分解幅とは、符号化系列信号の２値化されたデジタル信号値の隣り合う時間間隔をいう。
前記受光部は、測定対象粒子からの光信号を所定の波長帯域毎に分光する分光手段を備えるとともに、分光された光信号を波長帯域毎に受光する複数の受光器を備えるものであってもよい。

前記信号処理部は、前記光源制御部において前記符号化系列信号の生成に用いる時間分解幅を用いて前記受光信号のサンプリングを行うのが好ましい。前記信号処理部は、例えば４ナノ秒以下の時間分解幅で受光信号のサンプリングを行って受信信号の処理を行う。

前記測定対象粒子は、例えば、プラズマ流体中の活性化された分子あるいはイオンであって、前記粒子密度分布測定装置は、これらの分子あるいはイオンの密度分布の測定を行う。

本発明では、複数のレーザ光を互いに光路が異なるように出射するレーザ光源部において、１ビットの信号値が所定長さで符号化され、かつ互いに直交する複数の符号化系列信号を制御信号として用いて複数のレーザ光のそれぞれに１対１に対応させて出射のオン/オフが制御されるので、一度に多数のレーザ光を出射しても、各レーザ光で励起されて発光する測定対象粒子からの光は照射されたレーザ光の変調に応じて発光強度も変調する。このため、どのレーザ光の照射によって励起されて発光した光信号かを識別することができ、発光位置を特定することができる。また、多数のレーザ光を用いても発光した光信号を他の発光した光信号と識別することができるので、一度に多数のレーザ光を照射することができ、粒子密度分布を測定する測定時間を大幅に短縮するとともに、精度の高い測定結果を得ることができる。

以下、本発明の粒子密度分布測定装置を詳細に説明する。
図１（ａ）は、本発明の一実施形態である粒子密度測定装置（以降、本測定装置という）１０をプラズマＣＶＤ装置１に適用したときの概略構成図である。図１（ｂ）は、本装置１０から出射されるレーザ光の光路を説明する図である。
プラズマＣＶＤ装置（以降，ＣＶＤ装置という）１は、処理室２内に供給されるアルゴンガス等と反応性ガスとで構成されたの減圧雰囲気中に高周波電圧を印加してプラズマ状態とし、このプラズマ中の活性化分子を処理対象である基板３に付着させて膜を形成する成膜装置である。
ＣＶＤ装置１の処理室２の側壁には、透明性を有するガラス窓４が取り付けられ、処理室２の外部からレーザ光を取り入れ、レーザ光の照射により発光する光を外部に設けた受光部で取り込めるように構成されている。

本測定装置１０は、複数のレーザ光の光路が互いに異なるように、処理室２内のプラズマ中の活性化粒子に向けて複数のレーザ光を出射するレーザ光源部１２と、レーザ光の照射された活性化粒子から発光する光の光信号を受信して受光信号を出力する受光部１４と、レーザ光源部１２からのレーザ光の出射のオン/オフを制御する光源制御部１６ａおよび受光部１４で出力された受光信号を処理する信号処理部１６ｂを備える制御・処理部１６と、受光信号の処理結果を表示するディスプレイ１８と、を有する。なお、受光部１４は図１（ｂ）に示すようにレーザ光源部１２からのレーザの出射方向に対して直交する方向に配置されている。（図１（ａ）では、理解を容易にするために受光部１４はレーザ光源部１２に対して処理室２を挟んで対向する位置に図示されている。）

レーザ光源部１２は、同一波長のレーザ光、例えば波長３００〜４５０ｎｍ等の複数のレーザ光を出射する部分であり、レーザ光を発振する複数の半導体レーザ発振器１２ａと、レーザ発振器１２ａのそれぞれを後述するように時間変調して個別に駆動するレーザ光変調器１２ｂとを有する。
レーザ光変調器１２ｂは、制御・処理部１６に接続され、制御・処理部１６から供給される制御信号に基づいてレーザ光の出射のオン／オフを制御するドライバである。
レーザ光源部１２は、このレーザ光源部１２から出射されるレーザ光が図１（ｂ）に示すように１つの平面（図１（ｂ）中のｘ−ｙ平面）上で互いに平行な光路を成すようにレーザ発振器１２ａが一列でかつ等間隔でｙ方向に配列されている。したがって、出射するレーザ光は処理室２内のｘ−ｙ平面上にある活性化粒子を照射する。

受光部１４は、図２に示すように、レンズ系１４ａと、スリット板１４ｂと、分光器１４ｃと、光電変換器１４ｄと、増幅器１４ｅと、を有して構成される。
ここで、光電変換器１４ｄは、図１（ｂ）中のｘ方向に複数配置されており、各光電変換器１４ｄは、レーザ光の各光路上の１箇所の位置を測定位置として、各光路の測定位置における活性化粒子の発光する光を重ねて受光する。すなわち、光電変換器１４ｄは、レーザ光の光路方向（ｘ方向、図２中の紙面に垂直方向）に沿って一列に配列され、各光電変換器１４ｄが測定する光路上の測定位置が互いに異なるように構成されている。

さらに光電変換器１４ｄは、分光器１４ｃにより分光された光を波長毎に別々に受光するように、図２中の上下方向に複数配列されている。具体的には、レンズ系１４ａは、各光路上の測定位置で発光して到来する光を、スリット板１４ｂのスリット孔の位置で集束させ、このスリット孔を通過した光を分光器１４ｃを介して図２中の上下方向に分光させ、これらの分光した光が各波長帯域別に光電変換器１４ｄで受光されるように配置されている。本発明においては、分光器１４ｃの替わりにポリクロメータを用いることもできる。

光電変換器１４ｄは、受光面で受光した光の光子を電流に変換して受光信号を出力する素子を備え、例えば光電子増倍管が用いられる。光電変換器１４は、上述したように発光する光の分光に応じて図２中上下方向に複数配置されるとともに、レーザ光の光路方向（図２中紙面に垂直方向）に沿って一列に配列され、２次元アレイを成している。
光電変換器１４ｄのそれぞれは増幅器１４ｅと１対１に対応して接続され、受光信号が増幅器１４ｅにて増幅され、制御・処理部１６に出力されるように構成される。

制御・処理部１６は、図３に示すように、レーザ光源部２２のレーザ光の出射のオン／オフを制御する光源制御部１６ａ、および活性化粒子からの発光する光信号を識別する信号処理部１６ｂを有して構成された部分である。
光源制御部１６ａは、レーザ光の出射のオン／オフを制御する制御信号を生成し、この制御信号をレーザ光変調器１２ｂに供給するように構成される。
ここで生成される制御信号は、互いに直交する複数の符号化系列信号の中から選択された１つの符号化系列信号によって作られたものである。この符号化系列信号は、１ビットの信号値で構成され、所定の符号長さ（ビット数）で符号化されている。

具体的には、光源制御部１６ａは、系列符号Ｃ＝｛ａ_０，ａ_１，ａ_２，………，ａ_Ｎ−１｝（Ｎは自然数で符号長さを表す）を用いて基準となる符号化系列信号を生成するとともに、さらにこの系列符号Ｃをｑ1ビット、ビット方向にビットシフトさせた系列符号Ｔ_ｑ１・Ｃ（Ｔ_ｑ１は、ビット方向にｑ1ビット、ビットシフトする作用素である）を用いて符号化系列信号を生成する。ここで、系列符号Ｔ_ｑ１・Ｃは、{ａ_ｑ１，ａ_ｑ１＋１，ａ_ｑ１＋２，………，ａ_{ｑ１＋Ｎ−１}｝である。さらに、系列符号Ｃをｑ２ビット（例えば、ｑ２＝２×ｑ１）、ビット方向にビットシフトさせた系列符号Ｔ_ｑ２・Ｃを用いて符号化系列信号を生成する。これを繰り返して、系列符号Ｃをｑｎビット（例えば、ｑｎ＝ｎ×ｑ１）、ビット方向にビットシフトさせた系列符号Ｔ_ｑｎ・Ｃを用いて符号化系列信号を生成する。
この符号化系列信号を生成するために用いられる系列符号Ｃ，Ｔ_ｑ１・Ｃ，Ｔ_ｑ２・Ｃ，………, Ｔ_ｑn・Ｃは、互いに直交する特性を有するので、生成される符号化系列信号も互いに直交する。

系列符号Ｃの一例として、下記に示すように、例えば係数ｈ_ｊと（ｊ＝１〜８の整数）および初期値ａ_ｋ（ｋは０〜７の整数）とを用いて符号化されるＰＮ系列（Psuedorandaom Noise系列)が挙げられる。このＰＮ系列は、例えば下記式（１）により定義することができる。式（１）では次数を８次としている。ここで、Ｎは上記系列符号の符号長さであり、例えばＮ＝２５５（＝２⁸−１）ビットとされる。

系列符号ＣがＰＮ系列符号である場合、符号長さがＮの巡回符号となるので、ａ_N＝ａ₀，ａ_N+1＝ａ₁，………となる。また、系列符号Ｃと同じ符号長さＮの別の系列符号をＣ’＝｛ｂ₀，ｂ₁，ｂ₂，………,ｂ_N-1｝}とし、上記作用素Ｔ_ｑを系列符号Ｃ’へ作用させた系列符号Ｔ_ｑ・Ｃ’＝｛ｂ_q，ｂ_q+1，ｂ_q+2，………,ｂ_q+N-1｝}として、系列符号ＣとＣ’との間の相互相関関数Ｒ_cc'(q)を下記式（２）のように定義する。ここで、Ｎ_Aは系列符号における項a_iと項b_q+iの（ｉは０以上Ｎ−１以下の整数）一致する数であり、Ｎ_Dは系列符号における項a_iと項b_q+iの不一致の数である。また、Ｎ_AとＮ_Dの和は符号長さＮとなる（Ｎ_A＋Ｎ_D＝Ｎ）。ここで、iとｑ＋iはｍｏｄ（Ｎ）で考える。

上記ＰＮ系列において２つの系列符号を項毎にｍｏｄ（２）で加算した結果はもとのＰＮ系列を巡回シフトしたＰＮ系列になる性質があり、ＰＮ系列の値が０となる個数は値が１となる個数より１つだけ少ないので、Ｎ_A−Ｎ_D＝−１となる。これより、ＰＮ系列において下記式（３）および（４）に示す値を示す。

上記式（３）よりビットシフト量が０、すなわちｑ＝０の場合、式（３）に示すようにＲ_ｃｃ’（ｑ）の値は１となり、自己相関性を有する。一方、ビットシフト量が０でない、すなわちｑ＞０の場合、式（４）に示すようにＲ_ｃｃ’（ｑ）は−（１／Ｎ）となる。ここで符号長さＮを大きくすることにより、Ｒ_ｃｃ’（ｑ）（ｑ＞０）の値は０に近づく。
すなわち、系列符号ＣとＣ’は自己相関性を持ち、かつ直交性を有するといえる。

このような自己相関性および直交性を有する系列符号を用いて、値が０と値１の２値からなる系列符号化信号を生成する。
図４は、生成される系列符号化信号（コード１〜コード３）の例を示している。
コード１の系列符号化信号は、符号長さＮ＝２５５ビットの信号であり、符号長さＮと時間分解幅Δｔとの積は、図４中の時刻０〜ｔ_３の時間となる。この信号において値が１のときレーザ光を出射し、値が０のときレーザ光を出射しないようにして断続的にレーザ光源の出射のオン／オフが制御される。

ここで、コード２の系列符号化信号の時刻０における信号は、コード１の時刻ｔ_１における信号に対応しており、コード２の時刻０以降の信号が、コード１の時刻ｔ_１以降の信号に対応して生成されている。同様に、コード３の系列符号化信号の時刻０における信号は、コード１の時刻ｔ_２(例えば、ｔ_２＝２×ｔ_１）における信号に対応しており、コード３の時刻０以降の信号が、コード１の時刻ｔ_２以降の信号に対応して生成されている。
コードが４以上ある場合は同様にしてコードｎまで生成される。

光源制御部１６ａは、系列符号を用いて作られる系列符号化信号を巡回的に繰り返し生成し、コード１〜ｎは図１（ｂ）中のｙ方向に沿って並ぶｎ個のレーザ発振器１２ａを１対１に対応させて駆動するための制御信号として、レーザ光変調器１２ｂに供給するように構成される。

なお、本発明における符号化系列信号は上記ＰＮ系列の系列符号を用いて生成されるが、自己相関性および直交性を有する系列符号化信号の生成は、上記方法に限定されず、自己相関性および直交性を有する系列符号化信号を生成する限りにおいてどのような方法を用いてもよい。
光源制御部１６ａは、このような系列符号を用いて符号化系列信号を生成し、レーザ光の出射のオン／オフを制御する制御信号としてレーザ光変調器１２ｂに供給する。

信号処理部１６ｂは、光源制御部１６ａにおけるコードの生成のタイミングに同期して一定のクロック信号で駆動して、受光信号のＡ／Ｄ変換を行うＡ／Ｄ変換器１６ｃおよび一定のクロック信号で駆動して受光信号に所定の演算処理を施す演算処理部１６ｄを備える。
Ａ／Ｄ変換器１６ｃは、受光部１４の光電変換器１４ｄで生成され増幅された受光信号をＡ／Ｄ変換によりサンプリングする。サンプリングされた受光信号は演算処理部１６ｄにて演算処理に供される。なお、サンプリングの時間間隔は、後述するように符号化系列信号と受信信号との相関関数を効率良く演算するために、符号化系列信号の時間分解幅に一致させる、あるいはこの時間分解幅の整数分の１とするのが好ましい。例えば符号化系列信号の時間分解幅が２ナノ秒であれば受信信号のサンプリングの時間分解能も２ナノ秒、あるいは、１ナノ秒、０．５ナノ秒等とするのが好ましい。

演算処理部１６ｄは、光源制御部１６ａにおけるコードの生成のタイミングに同期して受光信号の演算処理を行うように構成され、受光部１４から出力された受光信号に含まれる光信号を識別して、どのレーザ光の照射により発光した光信号を含んでいるかを特定し、発光位置を特定する部分である。

活性化粒子の発光する光信号は、光源制御部１６ａで生成された既知の符号化系列信号に従って変調された（出射を制御した）レーザ光による光信号である。このため、発光する光信号も光源制御部１６ａで生成された符号化系列信号に従って光強度が変調した信号となっている。したがって、光源制御部１６ａで生成された入力信号であるコード（符号化系列信号）と応答信号である受光信号とを同期させて相関分析を行うことにより、受信信号がどのコードによって変調されたレーザ光により発光した光信号を含んでいるのかを知ることができる。すなわち、光源制御部１６ａで生成されたコードと応答信号である受光信号との相関処理を行う。相関が高いコードがある場合、受信信号はこのコード（符号化系列信号）と相関性を有し、このコードによって変調されたレーザ光により発光した光を光信号として含んでいるといえる。一方、相関が極めて低いか、無相関を示すコードは、このコードによって変調されたレーザ光により発光した光を光信号として含んでいないといえる。したがって、レーザ光源毎に異なるコードで変調したレーザ光を出射させることで、発光する光がどのレーザ光により、どの光路上から発したかを知ることができる。また、２次元アレイ状に並ぶ光電変換器のうち、光を受光した光電変換器がどの変換器であるかを特定できるので、レーザ光の光路中の測定位置（発光位置）および波長帯域も知ることができる。

演算処理部１６ｄは、受光信号をコードの巡回するコードの周期にしたがって繰り返し平均化処理して積算し、光子の各時刻での到来数ｎ（ｔ）からなる処理信号が得られる。この処理信号を応答信号として、入力信号であるコードとの間で相関を求める。これにより安定した相関結果を得る。得られた相関結果によって、発光する光がどのレーザ光により発光したものであるかを特定する。また、処理信号のレベルは光子の到来数が増大し光強度が高くなるほど大きくなるので、処理信号の信号レベルを用いて、測定位置における発光強度の高低を定量的に求めることができる。
さらに、演算処理部２８ｄは、レーザ光の出射を制御するコードを入力信号とし、光電変換器１２ａから出力される受光信号を応答信号とする伝達関数を算出し、レーザ光の照射に対する発光緩和特性を求める。

こうして、受光信号から、どのレーザ光の照射によりどの測定位置における活性化粒子が、どの波長帯域で、さらにはどの程度の発光強度で発光したか定量的に知ることができる。
このような符号化系列信号におけるビットシフト量と時間分解幅Δｔとの積である時刻０〜ｔ_１間の時間および時刻０〜ｔ_２間の時間、時刻０〜ｔ_ｎ間の時間のいずれも、上記発光緩和時間に比べて長いことが好ましい。すなわち、発光する光強度は発光緩和特性に従って時間と共に低減し、この時の光強度がバックグランド光ノイズに埋もれるまでの緩和時間をτとするとこの発光緩和時間τは、図４中の時刻０〜ｔ_１間の時間より短いことが好ましい。１回の測定の間に多数のパルスレーザ光を照射することにより、光エネルギを活性化粒子に効率よく与えて、発光を効率よく行わせることができる。なお、レーザ光のパルス幅は４ナノ秒以下であるので、符号化系列信号の時間分解幅Δｔもこれに合わせて４ナノ秒以下の時間分解幅とするのが好ましい。

制御・処理部１６は、以上のようにして、受光信号に含まれる発光した光信号を識別して、どのレーザ光の照射に基づくどの測定位置で発光した、どの波長帯域の光であるかについて発光強度とともに求める。すなわち、制御・処理部１６では、図１（ｂ）中のｘ−ｙ平面上における発光強度、すなわち発光強度の分布を波長帯域別に求めることができ、波長帯域別に求めた発光強度分布を内挿補間することで、滑らかな発光強度のスペクトルをｘ−ｙ平面上で得ることができる。処理結果は、接続されているディスプレイ１８にて表示される。

図５（ａ）〜（ｃ）には、ディスプレイ１８に処理結果として表示される一例が示されている。
図５（ａ）では、図１（ｂ）中のレーザ光の１つの光路に沿ってどのように発光強度のスペクトルが変化するかを示すグラフを示している。図５（ｂ）では、図５（ａ）に示すスペクトルのうち、波長λ_１におけるｘ−ｙ平面上の発光強度を示す分布を示している。この発光強度分布は、波長λ_１における発光強度分布であるので、レーザ光の発振波長と発光の波長λ_１から、発光した活性化粒子の種類を特定することができ、発光した活性化粒子の密度分布として表すことができる。図５（ｃ）は、レーザ光の照射により活性化粒子が発光する際の応答特性を模式的に表している。この応答特性は、パルスレーザ光が活性化粒子に照射された時の発光のインパルス応答を表す。この応答特性は、上述したように発光強度が時間と共に減衰する緩和特性を有する。
このように、制御・処理部１６の処理結果がディスプレイ１８に表示される。
本測定装置１０は以上のように構成される。

次に、本測定装置１０の動作を説明する。
本測定装置１０では、まず、制御・処理装置１６において、自己相関性を有し、かつ他の符号化系列信号と直交性を有する符号化系列信号が生成され、これが巡回的に繰り返される。この符号化系列信号は、レーザ光源部１２からのレーザ光の出射のオン／オフを制御する制御信号として用いられるため、レーザ光変調器１２ｂに供給される。
レーザ光源部１２では、この制御信号に従って各レーザ光の出射のオン／オフが制御され、符号化系列信号によって時間変調した信号情報を備えるレーザ光が出射される。これらのレーザ光は互いに異なる符号化系列信号によってそれぞれ変調されている。各レーザ光は、処理室２内のプラズマ中に、図１（ｂ）に示すようにｘ−ｙ平面に沿うように照射される。レーザ光の光路上に位置し、レーザ光によって励起された活性化粒子はこのレーザ光に照射されて励起し、その一部が基準状態に戻る際に発光する。この時の発光する光は、時間的に変調されたレーザ光に励起して生じるため、レーザ光の時間変調に対応して時間変調している。
こうして、巡回的に繰り返す符号化系列信号によって変調されたレーザ光が活性化粒子に断続的に照射され、励起された活性化粒子が発光（蛍光）する。この発光は受光部１４にて受光される。

受光部１４の光電変換器１２ａで受光されて出力される受信信号は、Ａ／Ｄ変換器１６ｃにおいて、光源制御部１６ａにて駆動されるクロック信号を用いて駆動され、生成された符号化系列信号の時間分解幅Δｔと同じサンプリング時間間隔で、受信信号のサンプリングが行われる。サンプリングは例えば８ビットのサンプリング（０〜２５５の階調のサンプリング）である。

演算処理部１６ｄでは、サンプリングされた受光信号がレーザ光の断続的な照射回数に対応して積算される。発光においては単一の光子（フォトン）が生成されて受光部１４で受光されるので、受光信号を積算して得られる処理信号は各時刻での光子の到来数ｎ（ｔ）を表す関数のような信号形態を呈する。さらに、この処理信号と、光源制御部１６ａで生成された自己相関性を有し、かつ直交性を有する符号化変調信号との相関処理が行われる。
処理信号は、コンピュータの内部（演算処理部１６ｄ）では、各時刻における光子の到来数を振幅とする時刻到来信号となるので、例えば相関処理で得られる相関係数が予め設定された閾値以上の場合、受信信号は符号化変調信号と相関ありと判定され、受信信号にはレーザ光の変調に用いた符号化系列信号と同じ信号情報を持った光信号が含まれるとされる。一方、上記相関係数が予め設定された閾値より低い場合、受信信号は符号化変調信号と無相関であると判定され、この受信信号にはレーザ光の変調に用いた符号化系列信号の信号情報を持った光信号が含まれないとされる。

さらに、受光信号を積算して得られる処理信号の信号レベルを利用して、受光部１４で得られたｘ−ｙ平面上の各測定位置における発光強度の分布が求められる。この発光強度は、測定位置にある活性化粒子の密度に比例することから、活性化粒子の密度を知ることができる。
また、受光部１４では、分光器１４ｃを用いて設定された波長帯域別に受光信号を得るので、波長帯域毎の発光強度の分布とともに、各測定位置による発光スペクトル分布を求めることができる。
処理結果はディスプレイ１８に供給されて表示される。

なお、レーザ光による活性化粒子の発する発光強度は極めて弱く、照射したレーザ光が受信部に回り込んでノイズとなるので（図６中の回り込み光Ｐ₂）時間軸上で活性化粒子からの光信号とノイズを分離することが有効である。そのために、例えば０．５ナノ秒〜４ナノ秒とパルス幅の短いパルスレーザ光が励起光として通常用いられる。これによって、レーザ光の回り込みや自然発光による光ノイズと分離して受光信号を得ることができる。しかし、パルス状レーザ光として出射するレーザ光の平均エネルギーはそれほど高くないため、計測可能な程度の発光強度を得ることができない場合も多い。本発明は、尖頭値のそれほど高くないパルスレーザ光の出射のオン／オフを断続的に行いながら一定時間照射することで、すなわち時間変調したレーザ光を照射することで、レーザ光を連続して照射する場合の約半分の光のエネルギーを蛍光色素に与えることができる。すなわち、有効な平均エネルギーを高くすることができる。これによって、活性化粒子を効率よく照射することができ、精度の高い発光強度分布、さらにはプラズマ中の活性化粒子の密度分布を求めることができる。

以上、本発明の粒子密度分布測定装置について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。

（ａ）は、本発明の粒子密度分布測定装置をプラズマＣＶＤ装置に用いたときの概略構成図であり、（ｂ）は、出射されるレーザ光の光路を説明する図である。 図１（ａ）に示す粒子密度分布測定装置における受光部の構成を示す概略構成図である。 図１（ａ）に示す粒子密度分布測定装置における光源制御部および信号処理部を示すブロック図である。 図３の光源制御部で生成される符号化系列信号の例を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図１（ａ）に示す粒子密度分布測定装置で得られる処理結果の例を示す図である。 パルス法および本発明を用いたときの発光を説明する図である。

符号の説明

１ プラズマＣＶＤ装置
２ 処理室
３ 基板
４ ガラス窓
１０ 粒子密度測定装置
１２ レーザ光源部
１２ａ レーザ発振器
１２ｂ レーザ光変調器
１４ 受光部
１４ａ レンズ系
１４ｂ スリット板
１４ｃ 分光器
１４ｄ 光電変換器
１４ｅ 増幅器
１６ 制御・処理部
１６ａ 光源制御部
１６ｂ 信号処理部
１６ｃ Ａ／Ｄ変換器
１６ｄ 演算処理部
１８ ディスプレイ

Claims (10)

1. 測定室内の測定対象粒子の粒子密度分布を測定する粒子密度分布測定装置であって、
   複数のレーザ光を互いに光路が異なるように出射するレーザ光源部と、
   レーザ光の照射された測定対象粒子からの光信号を受信して受光信号を出力する受光部と、
   １ビットの信号値が所定長さで符号化され、かつ互いに直交する複数の符号化系列信号を制御信号として用いて前記複数のレーザ光のそれぞれに１対１に対応させて出射のオン/オフを制御する光源制御部と、
   前記受光部で出力された受光信号から、前記符号化系列信号を用いて測定対象物からの光信号を識別し、この光信号を発した測定対象粒子の位置を特定することで、粒子密度分布を測定する信号処理部と、を有することを特徴とする粒子密度分布測定装置。
2. 前記複数の符号化系列信号は、１つの符号化系列信号をビット方向にシフトして構成されたものであり、このシフトによって符号化系列信号が互いに直交するように構成されている請求項１に記載の粒子密度分布測定装置。
3. 前記レーザ光源部は、複数のレーザ光が１つの平面上で互いに平行な光路を持つようにレーザ光を出射し、
   前記受光部は、各光路上の１箇所の位置を測定位置として、各光路上の測定位置における測定対象粒子からの光信号を重ねて受光する受光器を備え、
   前記信号処理部は、前記受光器において複数のレーザ光からの光信号が重なって出力された受光信号から、レーザ光の出射に用いた符号化系列信号を用いて、各レーザ光に対する測定対象粒子からの光信号をそれぞれ識別して、光信号の発する測定対象粒子の測定位置を特定する請求項１または２に記載の粒子密度分布測定装置。
4. 前記受光部は、各光路上の互いに異なる位置を測定位置とする複数の受光器を備える請求項１〜３のいずれか１項に記載の粒子密度分布測定装置。
5. 前記測定対象粒子は、レーザ光の照射により発光し、
   前記光源制御部は、前記符号化系列信号の前記ビット方向のシフト量と前記符号化系列信号の時間分解幅との積が発光時の発光緩和時間に比べて長くなるように設定して前記符号化系列信号を生成する請求項１〜４のいずれか１項に記載の粒子密度分布測定装置。
6. 前記複数のレーザ光の波長はいずれも同じである請求項１〜５のいずれか１項に記載の粒子密度分布測定装置。
7. 前記受光部は、測定対象粒子からの光信号を所定の波長帯域毎に分光する分光手段を備えるとともに、分光された光信号を波長帯域毎に受光する複数の受光器を備える請求項１〜６のいずれか１項に記載の粒子密度分布測定装置。
8. 前記信号処理部は、前記光源制御部において前記符号化系列信号の生成に用いる時間分解幅を用いて前記受光信号のサンプリングを行う請求項１〜７のいずれか１項に記載の粒子密度分布測定装置。
9. 前記信号処理部は、４ナノ秒以下の時間分解幅で受光信号のサンプリングを行って受信信号の処理を行う請求項１〜８のいずれか１項に記載の粒子密度分布測定装置。
10. 前記測定対象粒子は、プラズマ流体中の活性化された分子あるいはイオンであって、これらの分子あるいはイオンの密度分布の測定を行う請求項１〜９のいずれか１項に記載の粒子密度分布測定装置。

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