JP2652940B2 - 波長変調分光器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は波長変調分光器に関し、
特に、振動子としてバイモルフ型アクチュエータ等を用
いて光スペクトルにおける輝線の測定感度およびＳ／Ｎ
比を上昇させ、また当該アクチュエータを所定周波数で
駆動する周波信号を最適周波数に調整する機構を有した
波長変調分光器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】現在の半導体製造プロセスでは、プラズ
マエッチング、プラズマＣＶＤ、プラズマスッパタ等の
種々のプラズマプロセスが利用されている。プラズマか
ら出射される発光スペクトルにはプラズマ状態に関する
情報が含まれているので、プラズマを用いた上記半導体
製造プロセスにおいてプラズマ発光スペクトルを観測す
ることは非常に重要な意味がある。

【０００３】ここで例えば集積回路製造プロセスにおい
てアルミニウム配線パターンをプラズマエッチング処理
する場合を考える。図９の（ａ），（ｂ）は各々エッチ
ング中とエッチングが終了した後でのプラズマ発光スペ
クトルの様子を示している。図９（ａ），（ｂ）の両ス
ペクトルを比較すると、エッチング中には波長３９６ｎ
ｍ付近にアルミニウム原子の輝線スペクトルが見られる
のに対し、エッチングが終了した時点ではこの輝線スペ
クトルは見られないことがわかる。つまり、エッチング
プロセス中にこの３９６ｎｍの発光強度を測定していれ
ば、エッチングの進行と共にこの輝線スペクトルの発光
強度が弱くなり、エッチングの終了時期をおよそ知るこ
とができる

【０００４】しかしながら、プラズマ発光スペクトル中
には目的とする物質以外の物質からのスペクトルが存在
する場合が多くあり、しかも、これらの目標以外のスペ
クトルが目標とするスペクトルに重畳し、目標とするス
ペクトルの強度を正確に測定することを難しくすること
がある。図９の例でも３９６ｎｍのアルミニウムの輝線
スペクトルは帯域の広いブロードスペクトルに重畳して
いる。従って、ブロードスペクトルの発行強度がエッチ
ング時間の経過と共に変化すれば、３９６ｎｍの光の強
度を測定しただけでは正確なエッチングの終了を知るこ
とができなくなる。このような場合には、目的とする波
長のスペクトルとして妨害スペクトルの影響がないもの
を選定しなければならない。

【０００５】また、目的とする波長の輝線スペクトルの
他にその輝線が重畳しているスペクトル、例えば図９の
例では３９６ｎｍの輝線スペクトルの他に３９６ｎｍ付
近のブロードスペクトルの発光強度を同時に測定し、２
つの発光の信号強度を演算処理することによって３９６
ｎｍのアルミニウム輝線スペクトル強度のみを求めるこ
とも可能である。しかしこの場合、２つの発光の強度が
一様な経時変化を示さない場合や、信号強度比が余りに
大きい場合などには正確に３９６ｎｍの輝線スペクトル
強度を求めるのは困難である。

【０００６】上記に対し従来よく知られた波長変調方式
による分光器では、発光スペクトルを波長に関して二回
微分した値が出力として得られるため、ブロードスペク
トルに重畳した輝線スペクトルを観測してもブロードス
ペクトルの発光強度変化は測定出力に現れず、輝線スペ
クトルの発光強度のみが測定出力に現れるという特徴を
有している。これはブロードスペクトルのスペクトル曲
線の曲率が輝線スペクトルのスペクトル曲線の曲率より
も無視できる程度に小さいためである。従って、隣接し
た波長に複数の発光が存在するような場合であっても、
それらの発光スペクトル曲線の曲率が異なっていれば発
光スペクトルは分離することができ、各々の発光の強度
を高感度で測定することができる。

【０００７】波長変調方式による分光器において、分光
器内部で測定光を変調するためには、分光器に入射した
光束の光路を振動させる必要がある。従って例えば、分
光器に設けた光入射用スリットを振動させたりあるいは
分光器内部に設けた入射光を反射するための平面鏡を振
動させる等の操作を行えば、光路は変化し、測定光は変
調される。しかしながら一方で、波長変調方式による分
光器は、これらの動作を行うための部品を分光器内部に
組み込む必要があるため、分光器の構造が複雑化すると
いう問題がある。

【０００８】 図１０に従って、従来の波長変調分光器
の構成の一例を示し（特開昭６１−２１９８３９号公
報）、その要部を説明する。図１０に示した例では、測
定光を変調する手段として例えばＵ字型音叉３１等の振
動子の一方の自由端に平面鏡３２を取り付け、このＵ字
型音叉３１を一定周波数で振動させることによってその
平面鏡３２で反射される測定光３３を変調している。さ
らにこの例では、Ｕ字型音叉３１に取り付けた第２の平
面鏡３４にＬＥＤ等の発光素子３５の光を反射させ、そ
の反射光をポジションセンサ２８で測定することによっ
てＵ字型音叉３１の振幅および位相の検出を行ってい
る。また例えば特開昭６２−１３５７３７号公報では振
動子としてＵ字型音叉３１の代りに同様な圧電型アクチ
ュエータを使用できることも開示している。なお図１０
中３８はプラズマ発生源、３９，４０はコリメータ、４
１は回析格子、４２は光電変換器である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来の波長変調分光器
で振動子として使用されたＵ字型音叉３１は一般的にか
なり高いＱ（共振の鋭さを表す値）を持っているため、
音叉固有の共振周波数と異なる周波数で振動させると振
幅は極端に減少してしまう。従って上記Ｕ字型音叉３１
において、電磁コイル３７の駆動周波数とＵ字型音叉３
１の固有振動周波数が僅かに異なると、平面鏡３２の振
幅は極端に減少し、その結果十分な測定光の変調が得ら
れなくなる可能性がある。そのために、波長変調分光器
の使用環境や音叉の経時変化による測定精度への影響が
懸念される。また、分光器内部にＬＥＤ等の光源が配置
することは測定光への迷光（測定光に混入する他の光）
を増やす可能性がある上に、分光器の構造がさらに複雑
化し、製造コストを引き上げる原因となる。

【００１０】 上記のＵ字型音叉に関する問題は、同様
な振動特性を有する他の振動子、すなわち上記圧電型ア
クチュエータにおいても一般的に発生する問題である。

【００１１】本発明の目的は、振動子の振動特性を安定
して望ましい状態に保持し、光スペクトルにおける輝線
の測定感度およびＳ／Ｎ比を高め、使用環境や振動子の
経時変化による測定精度への影響を排除し、さらに分光
器内部に光源を設けないことにより測定光への迷光をな
くし、分光器の構造を単純な構造とし、安価に製作でき
る高性能な波長変調分光器を提供するものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明に係る波長変調分
光器は、スリットを通して入射した光を反射させるため
の平面鏡と、この平面鏡を所定周波数で振動させるため
の圧電型アクチュエータと、この圧電型アクチュエータ
を前記所定周波数で駆動する周波信号を出力する駆動回
路と、圧電型アクチュエータによって変調された平面鏡
からの前記光を分散させその回折スペクトルを取り出す
ための回折スペクトル取出しユニットと、この回折スペ
クトル取出しユニットによって分散された前記光の特定
波長成分のみを受光し、受光した前記光に含まれる光変
調信号を電気信号に変換する光電変換器と、この光電変
換器からの出力信号を、圧電型アクチュエータを駆動す
る周波信号の２倍の周波数を有する周波信号で同期検波
してスペクトル強度信号を得るための同期検波回路とを
有するものにおいて、さらに、前述の圧電型アクチュエ
ータにバイモルフ型アクチュエータを用い、このバイモ
ルフ型アクチュエータの振動周波数を常に共振周波数に
保持するための発振周波数制御回路を備えるように構成
される。

【００１３】前記の構成において、バイモルフ型アクチ
ュエータの代りにモノモルフ型アクチュエータまたはマ
ルチモルフ型アクチュエータを用いることができる。

【００１４】前記の構成において、好ましくは、発振周
波数制御回路は駆動回路に設けられた位相検出回路であ
る。

【００１５】

【作用】本発明による波長変調分光器では、振動子とし
て振動周波数の制御を比較的簡単に行えるバイモルフ型
アクチュエータ等を使用し、かつバイモルフ型アクチュ
エータ等の振動周波数が共振周波数からずれたときに自
動的に共振周波数に戻す発振周波数制御回路を設け、振
動周波数を常に望ましい周波数に安定に設定すると共
に、分光器内に光源を設けないで迷光をなくし、内部構
造を簡素化した。

【００１６】

【実施例】以下に、本発明の好適実施例を添付図面に基
づいて説明する。

【００１７】図１は本発明に係る波長変調分光器の基本
実施例の構成を示す。図中、１はエッチング処理部等の
プラズマ発生源であり、このプラズマ発生源１から放射
された被測定光の光束２は、分光器ケース３に光取入れ
口として形成されたスリット４を介してバイモルフ型ア
クチュエータ５の一端に取り付けた平面鏡６に入射され
る。バイモルフ型アクチュエータ５は、分光器ケース３
の外部に取り付けられたアクチュエータ駆動回路７から
出力される一定周波数（Ｆ）および一定振幅（Ｗ）の周
波信号に基づいて振動を行い、振動子として使用され
る。このため、バイモルフ型アクチュエータ５の振動に
よって平面鏡６も振動し、振動状態にある平面鏡６によ
って反射された光束２は、変調を受け、上記一定周波数
および一定振幅を有する振動光となる。

【００１８】振動光となった光束２は、コリメータ８で
反射された後に回折格子９へ入射される。この回折格子
９では、格子寸法等によって定まる波長のスペクトルが
分光され、コリメータ１０へ入射される。このコリメー
タ１０で反射された振動スペクトルは平面鏡１１で再び
反射し、スペクトルが結像する位置に配置された取出し
口としてのスリット１２を介して光電変換器１３に入射
する。光電変換器１３では入射した振動スペクトルの強
度が電気信号に変換される。光電変換器１３の出力信号
は直流成分および交流成分を含んだ電気信号である。こ
の電気信号は電流・電圧変換増幅器１４によって増幅さ
れた後、ハイパスフィルタ１５によって交流成分のみが
同期検波回路１６に入力される。また同期検波回路１６
にはアクチュエータ駆動回路７から周波数２Ｆの周波信
号が供給される。この周波数２Ｆの周波信号は、バイモ
ルフ型アクチュエータ５を振動させるための周波信号の
周波数Ｆの２倍の周波数を有している。同期検波回路１
６に入力された交流信号はこの同期検波回路１６におい
て周波数２Ｆの周波信号を用いて同期検波され、この結
果、端子１７に測定スペクトルの変動強度に関する信号
が取り出される。

【００１９】上記の構成において、アクチュエータ駆動
回路７の内部には、少なくとも、バイモルフ型アクチュ
エータ５を振動させるための発振器と、当該バイモルフ
型アクチュエータ５の振動を安定して共振周波数の状態
に保持するための発振周波数制御手段が設けられる。

【００２０】次に、図２〜図５を参照してバイモルフ型
アクチュエータ５の構造および電気的特性を説明する。

【００２１】図２はバイモルフ型アクチュエータの概略
縦断面図である。バイモルフ型アクチュエータは圧電セ
ラミックスの薄板１８を２枚の電極板１９で挟み、それ
をさらに弾性シム板２０と重ね合わせて接着剤２１で接
着した構造の屈曲変位型アクチュエータである。バイモ
ルフ型アクチュエータ５では、電極板１９に電圧を印加
することによって各圧電セラミックス板１８を伸縮さ
せ、結果として板全体を屈曲させる。従って交流電圧を
印加すれば振動が発生する。このバイモルフ型アクチュ
エータは素子の寸法や材質に依存して決定される共振周
波数を有し、その共振周波数においては振幅が最大とな
るという特徴がある。

【００２２】バイモルフ型アクチュエータ５について
は、その構造からわかるように電気的にはコンデンサに
近い特性を有する。バイモルフ型アクチュエータ５が共
振点近傍で振動しているとき、その電気的等価回路は、
図３で示される電気回路で表される。ここでＣｄはアク
チュエータの誘電率と電極寸法から決まる容量、Ｌ１，
Ｃ１はそれぞれアクチュエータの振動モード、素子の寸
法、弾性定数、密度、圧電定数等によって決まる圧電的
機械振動要素、Ｒ１は機械的振動損失を表している。

【００２３】図３の等価回路で示されるバイモルフ型ア
クチュエータ５の動アドミッタンスを複素平面上に表す
と、図４に示すように、中心が（１／２Ｒ１，ωＣｄ）
である円となる。この動アドミッタンス特性を表す円上
でｆｓで示した周波数は機械的直列共振周波数と呼ば
れ、バイモルフ型アクチュエータ５が共振周波数で振動
するときには、図３中で示された誘導性インピーダンス
Ｌ１と容量性インピーダンスＣ１がお互いに打消し合う
ため、バイモルフ型アクチュエータ５の等価回路は図５
に示すようにＣｄとＲ１のみの並列等価回路で表され
る。

【００２４】上記の並列等価回路で表されるバイモルフ
型アクチュエータ５に対して図６に示すごとくアクチュ
エータ駆動回路７に含まれる前述の発振器２２から発振
電力を供給すると、容量性インピーダンスＣｄによって
無効電力が生じてしまうが、この点については、アクチ
ュエータ駆動回路７の内部にて１／ωＣｄと絶対値が等
しいωＬｐを有するチョークコイルＬｐを発振器２２に
対して並列に接続することにより１／ωＣｄを打ち消す
ように構成しているので、バイモルフ型アクチュエータ
５のインピーダンスはＲ１のみとなり、発振器２２から
の供給電力を有効に消費することができ、このためにバ
イモルフ型アクチュエータ５の振動において大きい振幅
を得ることができる。

【００２５】しかし一方で、上記構成に基づいてバイモ
ルフ型アクチュエータ５を共振周波数で振動させていて
も、温度や湿度などの使用環境の変化によってＬ１やＣ
１が変化し、結果として共振周波数が変動し、振動の振
幅が減少してしまうことがある。そこで、図１に示した
本実施例のアクチュエータ駆動回路７では、図７で示す
ごとく実際に発振器２２に対して位相検出回路２３を組
み込んでいる。

【００２６】すなわち、バイモルフ型アクチュエータ５
の振動において共振状態を保てなくなると、そのインピ
ーダンスは容量性または誘導性の成分を含むことになる
が、当該容量性または誘導性の成分を位相検出回路２３
で検出することによって発振器２２の発振周波数を補正
し、バイモルフ型アクチュエータ５で共振周波数が保持
されるように制御を行うように構成される。例えばバイ
モルフ型アクチュエータ５のインピーダンスが誘導性に
移行すると、位相検出回路２３はバイモルフ型アクチュ
エータ５に流れる電流の位相が電圧の位相よりも遅れて
いることを検出し、同時に発振器２２の発振周波数を下
げる作用を生じる。また、当該インピーダンスが容量性
に移行した場合は電流の位相が電圧の位相よりも進むの
で、位相検出回路２３は発振器２２の発振周波数を上げ
る作用を生じる。これによってバイモルフ型アクチュエ
ータ５を、その使用環境や経時変化に関係なく、常に共
振周波数の状態で安定して振動させることが可能とな
る。

【００２７】なお図６および図７では、同期検波回路１
６に供給される周波数２Ｆの周波信号の生成部の図示を
省略している。

【００２８】類似した圧電型アクチュエータとして図８
に示した１枚の圧電セラミックス板で構成されるモノモ
ルフ型アクチュエータや、その他に４枚以上の圧電セラ
ミックス板を貼合わせて構成するマルチモルフ型アクチ
ュエータがある。これらのアクチュエータを、本実施例
で示したバイモルフ型アクチュエータの代用として使用
することが可能である。

【００２９】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、波長変調分光器の振動子としてバイモルフ型アク
チュエータ等を使用し、その振動周波数を常に共振周波
数に保持するための発振周波数制御回路を設けることで
自動制御を行うように構成したため、安定して共振周波
数に保持され、単純な構造で高性能な波長変調分光器を
実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る波長変調分光器の実施例を示す構
成図である。

【図２】バイモルフ型アクチュエータの概略縦断面図で
ある。

【図３】バイモルフ型アクチュエータの共振点近傍にお
ける電気的等価回路を示す回路図である。

【図４】バイモルフ型アクチュエータの動アドミッタン
ス円を示す図である。

【図５】バイモルフ型アクチュエータが機械的直列共振
周波数で振動しているときの電気的等価回路図である。

【図６】アクチュエータ駆動回路の第１の構成を示す説
明図である。

【図７】アクチュエータ駆動回路の第２の構成を示す説
明図である。

【図８】モノモルフ型アクチュエータの概略縦断面図で
ある。

【図９】プラズマスペクトルを示す説明図である。

【図１０】従来の波長変調分光器を説明するための構成
図である。

【符号の説明】

１ プラズマ発生源 ２ 測定光の光束 ３ 分光器ケース ４，１２ スリット ５ バイモルフ型アクチュエータ ６，１１ 平面鏡 ８，１０ コリメータ ９ 回折格子 １３ 光電変換器 １４ 電流・電圧変換増幅器 １５ ハイパスフィルタ １６ 同期検波回路

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 スリットを通して入射した光を反射させ
   るための平面鏡と、この平面鏡を所定周波数で振動させ
   るための圧電型アクチュエータと、この圧電型アクチュ
   エータを前記所定周波数で駆動する周波信号を出力する
   駆動回路と、前記圧電型アクチュエータによって変調さ
   れた前記平面鏡からの前記光を分散させその回折スペク
   トルを取り出すための回折スペクトル取出し手段と、こ
   の回折スペクトル取出し手段によって分散された前記光
   の特定波長成分のみを受光し、受光した前記光に含まれ
   る光変調信号を電気信号に変換する光電変換器と、この
   光電変換器からの出力信号を、前記圧電型アクチュエー
   タを駆動する前記周波信号の２倍の周波数を有する周波
   信号で同期検波してスペクトル強度信号を得るための同
   期検波回路とを有する波長変調分光器において、 前記圧電型アクチュエータにはバイモルフ型アクチュエ
   ータを用い、このバイモルフ型アクチュエータの振動周
   波数を常に共振周波数に保持するための発振周波数制御
   回路を備えたことを特徴とする波長変調分光器。
2. 【請求項２】 請求項１記載の波長変調分光器におい
   て、前記バイモルフ型アクチュエータの代りにモノモル
   フ型アクチュエータまたはマルチモルフ型アクチュエー
   タを用いることを特徴とする波長変調分光器。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載の波長変調分光器
   において、前記発振周波数制御回路は前記駆動回路に設
   けられた位相検出回路であることを特徴とする波長変調
   分光器。