JPH0528331B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 本発明は音叉発振器を用いて光スペクトルにお
ける輝線または吸収ピークの測定感度を上昇させ
た波長変調分光器に関する。

［発明の技術的背景］ 例えば半導体のIC素子等の製造工程における
プラズマエツチング、プラズマアツシング、リア
クテイブイオンエツチング等において、エツチン
グ処理が終了したことを検出する手段として、エ
ツチング処理期間中に微量に放出されるエツチン
グされる物質のプラズマスペクトルの変化を検出
する方法がある。

例えばIC素子のアルミ配線パターンをプラズ
マエツチング処理する場合、第８図ａに示すよう
に、エツチング処理中に放出されるプラズマスペ
クトルにおける顕著な例えば3082Åの輝線スペク
トルＡの強度を、検出波長をこの輝線スペクトル
Ａの波長3082Åに固定した分光器でもつて連続測
定する。そして、第８図ｂに示すようにこの波長
3082Åの輝線スペクトルＡの強度が大きく変化し
た時刻をエツチング終了時刻としてエツチング処
理を停止する。

しかしながら、一般に上記プラズマスペクトル
には目的物質以外の物質からの種々の波長を有す
るスペクトルが含まれるので、これ等の物質によ
る妨害スペクトルが目標スペクトルに重畳してい
る。その結果、目標スペクトルの強度が正しく測
定されない場合がある。これ等の妨害スペクトル
は広帯域状のブロードスペクトルと線状の輝線ス
ペクトルが混在している。従つて、エツチング時
とエツチング終了時とで強度に明瞭な差が生じる
輝線スペクトルを全体のスペクトル特性から捜す
必要がある。このような考えでもつて第８図ａの
エツチング時のスペクトル特性と同図ｂのエツチ
ング終了時のスペクトル特性を比較すると、4000
Å近傍の波長λ₀の輝線スペクトルＢが発見され
る。したがつて、この輝線スペクトルＢの変化を
検出することによつて、エツチング処理終了を検
出できる。

［背景技術の問題点］ しかしながら、上記のように測定波長をλ₀に固
定した分光器でもつて輝線スペクトルＢの強度変
化を連続測定することによつて、プラズマエツチ
ング処理の終了を検出する場合においても、まだ
次のような問題がある。すなわち、波長λ₀の輝線
スペクトルＢは図示するように広いバツクグラウ
ンドスペクトルに重畳している場合が多い。例え
ば第８図ａにおいて輝線スペクトルＢ全体の強度
をｃ、バツクグラウンドスペクトルの強度をｂと
し、バツクグラウンドスペクトルから突出してい
る変動部分の強度をａとすると、エツチング終了
検出においては最終的に変動強度ａの変化量を測
定する必要がある。しかし、実際の分光器におい
てはバツクグラウンドスペクトル強度ｂを含んだ
全体のスペクトル強度ｃが測定される。

一般に、従来の分光器における光スペクトル強
度の測定精度は高々0.1％のオーダである。した
がつて、検出すべきスペクトルの変動強度ａがバ
ツクグラウンドスペクトルの強度ｂに対してａ／
ｂ＜10^-3である場合は、変動強度ａの変化を測定
することは不可能である。また、たとえデータ上
測定できたとしてもその測定値は信頼性に欠け
る。また、バツクグラウンドスペクトルの強度ｂ
が大きい程、たとえ測定すべき変動強度ａの値が
大きくてもこの変動強度ａの測定は困難である。

前述したように、半導体のプラズマエツチング
工程においては上記変動強度ａの値が第８図ｂに
示すように検出できなくなるとエツチング終了と
判断するので、上記したように変動強度ａの値が
正確に測定できない場合は、エツチング処理が終
了していないのに変動強度ａが零になつたと判断
してエツチング処理動作を中止してしまう場合が
ある。この場合、半導体表面にエツチング処理が
完全に実行されていない部分が残り、IC製品の
歩留りが低下する懸念があつた。

［発明の目的］ 本発明はこのような事情に基づいてなされたも
のであり、その目的とするところは、音叉発振器
を用いることによつて、たとえバツクグラウンド
スペクトルの強度が大きくとも、目標輝線スペク
トル又は吸収ピーク等の微少なスペクトル変化を
精度よく測定できる波長変調分光器を提供するこ
とにある。

［発明の概要］ 本発明の波長変調分光器は、測定すべき光の光
束を所定の周波数で振動させる音叉発振器と、該
音叉発振器により得られる変調された反射光束を
分散させて回折スペクトルを出力させるための回
折格子と、該回折格子より出力された回折スペク
トルを受光して前記回折スペクトルに含まれる光
変調信号を電気信号に変換する光電変換器と、該
光電変換器から出力された前記電気信号を前記音
叉発振器の振動周波数の２倍の周波数で同期検波
する同期検波回路とを備えた波長変調分光器具備
であつて、スペクトル強度を検出するものであ
る。

さらに、音叉発振器は、Ｕ字形音叉と、このＵ
字形音叉を振動駆動するための電磁コイルと、Ｕ
字形音叉の一方の自由端に装着され測定すべき光
の光束を反射させるための第１の平面鏡と、Ｕ字
形音叉の他方の自由端に装着され反射光の振動振
幅を検出するための第２の平面鏡と、この第２の
平面鏡へ反射光束の振動振幅検出用の検出光を照
射する発光装置と、第２の平面鏡にて反射された
検出光をポジシヨンセンサで受光し、該反射され
た検出光の振動振幅を変化検出回路で測定する振
幅測定器と、振幅測定器にて測定された振動振幅
値が常に一定値になるように電磁コイルの励磁を
制御する駆動回路とで構成している。

［発明の実施例］ 以下本発明の一実施例を図面を用いて説明す
る。

第１図は実施例の波長変調分光器の概略構成を
示す模式図である。図中１は半導体IC素子等に
おけるエツ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はケース３の入射窓に嵌込まれたコン
デンサレンズ４にて入口スリツト５を介して音叉
発振器６を構成するＵ字形音叉７の一方の自由端
に取付けられた第１の平面鏡８に集光される。そ
してこの第１の平面鏡８にて反射されてコリメー
タ９へ入射される。なお、Ｕ字形音叉７は音叉の
内側に配設された電磁コイル１０により音叉の形
状、重量等で定まる一定周波数Ｆおよび一定振幅
Ｗで振動されている。したがつて、第１の平面鏡
８にて反射された光束２は一定周波数、一定振幅
の振動光となる。

コリメータ９にて反射された振動光はブレーズ
型の回折格子１１へ入射される。この回折格子１
１にて、格子寸法等にて定まる波長のスペクトル
が分光されコレクタ１２へ入射される。このコレ
クタ１２にて反射された振動スペクトルが結像す
る位置に出口スリツト１３が配設されており、こ
の出口スリツト１３の裏面に隣接して、前記コレ
クタ１２にて反射され出口スリツト１３上に結像
した振動スペクトルを受光してこのスペクトルの
強度を電気信号に変換する光電変換器１４が設け
られている。この光電変換器１４から出力された
値流成分および交流成分を含んだ電気信号ｆは、
直流増幅器１５で増幅された後、測定スペクトル
の第８図における全強度Ｃを出力する出力端子１
６へ出力される。また、前記光電変換器１４の電
気信号ｆはコンデンサ１７からなるハイパスフイ
ルタでもつて直流成分が除去された後、同期検波
回路１８へ入力される。前記電気信号ｆの交流成
分は、この同期検波回路１８でもつて前記音叉発
振器６の振動周波数Ｆの２倍の周波数2Fで同期
検波されて、測定スペクトルの変動強度ａを出力
する出力端子１９へ出力される。

前記音叉発振器６においては、図示するように
前記Ｕ字形音叉７の他方の自由端に第２の平面鏡
２１が取付けられており、この第２の平面鏡２１
にコンデンサレンズ２２を介してLED等の発光
素子で構成された発光装置２３から出力される検
出光２４が入射される。そして、この第２の平面
鏡２１で反射された検出光２４は一定周波数Ｆの
振動光となり、この検出光２４の振動振幅を測定
するポジシヨンセンサ等で構成された振幅測定器
２５へ入力される。この振幅測定器２６にて測定
された検出光２４の振動振幅信号は、Ｕ字形音叉
７の内側に組込まれた電磁コイル１０を駆動する
音叉駆動回路２６へ入力される。この音叉駆動回
路２６は前記同期検波回路１８へ周波数2Fの同
期信号を送出するとともに前記発光装置２３を点
灯制御する。

第２図は前記Ｕ字形音叉７の概略構成を示す斜
視図であり、Ｕ字部３１は一例として、外径がほ
ぼ２mmのピアノ線であり、このＵ字形音叉７の脚
部３２も同一ピアノ線を使用している。そして、
Ｕ字部３１の長さはほぼ30mmであり、幅はほぼ10
mmである。このＵ字部３１の各自由端に７mm×５
mm形状の前記第１および第２の平面鏡８，２１が
取付けられている。このＵ字部３１の内側に配置
されたコア３３に電磁コイル１０が巻回されてい
る。このＵ字形音叉７の振動周波数ＦはＵ字部３
１の形状、材質等にて定まるが前述の寸法を採用
することによつて、振動周波数Ｆをほぼ2KHzに
設定することができる。

第３図は前記Ｕ字形音叉７を振動駆動する音叉
駆動回路２６を示すブロツク図である。図中３４
は発光装置２３のLED等の発光素子へ駆動電流
を供給する発光素子駆動回路である。図中３５は
振幅測定器２５を構成するポジシヨンセンサであ
り、このポジシヨンセンサ３５は、素子上の照射
スポツトの変位に比例した信号を出力する一種の
光電変換素子であり、検出光２４の振幅、すなわ
ち第２の平面鏡２１の振幅を直接照射スポツト移
動によつて検出するものである。ポジシヨンセン
サ３５の出力信号は変化検出回路３６へ入力さ
れ、第２の平面鏡２１の振動に伴なつて変化する
振動振幅信号としての交流信号e₁に変換される。
交流信号e₁は検波回路３７にて直流の出力電圧E₁
へ変換される。検波回路３７から出力される出力
電圧E₁は振幅設定器３８から出力される設定電
圧E₂とともに偏差検出回路３９へ入力される。
偏差検出回路３９は直流信号E₁と設定電圧E₂と
の偏差電圧E₃を出力する。偏差検出回路３９か
ら出力された偏差電圧E₃は積分回路４０で積分
され、ゲイン制御増幅器４１の制御信号電圧E₄
になる。

一方、変化検出回路３６から出力された交流信
号e₁は移相回路４２へ入力され、この移相回路４
２にてＵ字形音叉７の振動位相に整合される。移
相回路４２から出力された整合信号e₂は前記ゲイ
ン制御増幅器４１へ入力されると共に、波形整形
回路４３へ入力されて波形整形される。そして、
この波形整形回路４３から同期信号e₃とし前記同
期検波回路１８へ送出される。また、ゲイン制御
増幅器４１は入力した整合信号e₂を前記制御信号
電圧E₄で定ある増幅率で増幅して、前記Ｕ字形
音叉７の電磁コイル１０の駆動電源として出力
する。

このような一種のサーボ系構成の音叉駆動回路
２６において、第２の平面鏡２１の振幅、すなわ
ち検波回路３７の出力電圧E₁が振幅設定器３８
の設定電圧E₂に等しくなると、偏差検出回路３
９から出力される偏差電圧E₃が０となる。した
がつて、積分回路４０から出力される制御信号電
圧E₄値は変化しない。その結果、Ｕ字形音叉７
の振動振幅は変化することはない。また、検出回
路３７の出力電圧E₂が振幅設定器３８の設定電
圧E₃に等しくない場合は、その差に相当する偏
差電圧E₃が積分回路４０へ入力される。そして、
積分回路４０から出力される制御信号電圧E₄は
偏差電圧E₃に対応して変化する。その結果、Ｕ
字形音叉７の振動振幅は検波回路３７の出力電圧
E₁が振幅設定器３８の設定電圧E₂に等しくなる
ように変化する。したがつて、逆に振幅設定器３
８の設定電圧E₂を変更することによりＵ字型音
叉７の振幅Ｗを任意に変更できる。

このように構成された波長変調分光器の動作原
理を第４図ａ，ｂを用いて説明する。すなわち、
測定すべき輝線スペクトルＢの中心波長λ₀を中心
としてこの周辺（λ₀＋Δλ）で波長λを変調しな
がらスペクトル強度を測定する。このとき測定さ
れるスペクトル強度波形は図示するように平均直
流成分ｅに振幅ｄの交流成分（リツプル成分）重
畳した波形Ｄとなる。この波形Ｄの交流成分ｄの
周波数は波長変調周波数Ｆの２倍の周波数2Fと
なる。したがつて、この波形Ｄを周波数2Fで、
波長変調に同期させて検波すればもとのスペクト
ル強度が得られる。実際には測定輝線スペクトル
Ｂには第４図ａに示すように強度ｂの広帯域のバ
ツクグラウンドスペクトルが重畳されているの
で、同図ｂに示す直流成分ｅをハイパスフイルタ
で除去した後、同期検波すれば、輝線スペクトル
Ｂの変化分の変動強度ａに対応する強度ｄが得ら
れる。

この原理を第１図の波長変調分光器について説
明すると、入口スリツト５から入力した光束２は
Ｕ字形音叉７の一方の自由端に取付けられた第１
の平面鏡８で反射され、さらにコリメータ９にて
反射されて回折格子１１へ入力される。前記Ｕ字
形音叉７が一定振幅Ｗ、周波数Ｆで振動している
ので、この回折格子１１へ入射される光束２の入
射角θも一定の角度範囲（θ±Δθ）で振動する。
その結果、出口スリツト１３上には波長λ₀＋Δλ
の振動スペクトルが結像する。したがつて、その
振動スペクトルの中心位置に形成された出口スリ
ツト１３から漏出るスペクトルは第４図ｂの波形
Ｄに示すように、直流成分ｅに交流成分ｄが重畳
した波形となる。この波形Ｄは光電変換器１４に
て電気信号ｆに変換される。したがつて、コンデ
ンサ１７で直流成分ｅ除去され、同期検波回路１
８にて前記2Fの周波数を有する前記音叉駆動回
路２６からの同期信号e₃によつて同期検波された
信号は、第４図ａの輝線スペクトルＢの変動強度
ａに対応する直流信号となる。

なお、電気信号ｆを直接増幅する直流増幅器１
５の出力信号は輝線スペクトルＢのバツクグラウ
ンド強度ｂおよび変動強度ａを加えた全強度ｃに
対応した値となる。

このように、直流成分ｅを除去して変動成分ｄ
のみを分離して検出することが可能であるので、
輝線スペクトルＢにおけるバツクグラウンドの強
度ｂを除去して変動強度ａのみを精度よく測定で
きる。また、この測定方法であるとバツクグラウ
ンドの強度ｂが変動しても、この変動が輝線スペ
クトルＢの変動強度ａの測定精度に影響を及ぼす
ことはない。したがつて、従来分光器のように測
定する波長の値をλ₀に固定してスペクトル強度を
直接測定する場合に比較して、測定精度を格段に
向上することが可能である。

また、輝線スペクトルＢの変動強度ａを直流電
圧で得るためには、同期検出回路１８内におい
て、同期検波後の信号をローパスフイルタに印加
する必要がある。発明者等の実験によると、測定
された変動強度ａのＳ／Ｎ比を一定水準以上に保
つためにはこのローパスフイルタの時定数τの値
を、同期検波周波数2Fに対して最低、τ＞200／
2F以上の関係になるように大きく設定する必要
がある。前述した半導体IC素子のプラズマエツ
チングの終了点を素早く検出する為には、上記時
定数τをできるかぎり小さくする必要があるの
で、波長変調周波数Ｆを高くする必要がある。す
なわち、Ｕ字形音叉７に取付けられた第１の平面
鏡８の振動周波数Ｆを高くすればよい。

従来、高い周波数で平面鏡を振動させる装置と
してガルバノメータ型のものがあるが、この装置
には回転軸と軸受が存在するために長時間連続運
転した場合に耐久性等に問題があり、また振動振
幅を自由に制御することは困難である。

これに対して実施例の波長変調分光器に使用し
た音叉発振器６は、第２図に示すような形状およ
び寸法のＵ字形音叉７を振動源として用いている
ので、前述したように2KHz程度の高い振動周波
数を得ることが可能である。また、その振動の振
幅を第２の平面鏡２１および振幅測定器２５で測
定して音叉駆動回路２６にてＵ字形音叉７の振動
振幅Ｗを常に一定になるように制御できるととも
に、必要に応じてその振幅値Ｗを任意の値に変更
することも可能である。また、機械的可動部品を
採用していないので耐久性劣化に起因する信頼性
低下をきたすこともない。

なお、Ｕ字形音叉を用いた音叉発振器の振動振
幅を検出する手段としてピツアツプ用の磁気ヘツ
ドを使用したものが提案されているが（特開昭56
−14124号）、この提案では、磁気ヘツドの出力が
温度変化に大きく影響されやすく、振動振幅値と
磁気ヘツドの出力値が非直線である等の欠点があ
る。

さらに、発明者等は微量ガス分析を目的とした
分光器に、音叉を利用した振動スリツト（特許第
1247126号）又は音叉を利用した振動鏡（特開昭
56−14124号）を使用した。しかしながらこれ等
の分光器では、スリツト幅を任意に変更できな
い、また波長変調幅を精度よく制御することが困
難である等の問題があつた。

実施例の波長変調分光器は上述したように、振
動振幅を制御する手段として第２の平面鏡２１、
振幅測定器２５および音叉駆動回路２６を用いる
ことによつて上記欠点を解消することができた。

第５図は本発明の他の実施例に係わる波長変調
分光器の音叉発振器の振動振幅を制御する機構を
示したものである。発光装置２３から出力された
検出光２４はＵ字形音叉７の第２の平面鏡２１で
反射されて光電変換素子及び増幅器よりなる光量
検出器５４に入力され。第２の平面鏡２１と光量
検出器５４との間に図示するようにナイフエツジ
５１を置き、検出光２４の光路の一部を遮断する
ことにより、Ｕ字形音叉７の振動に伴つて検出さ
れる光量の交流成分は第２の平面鏡２１の振幅に
より変化する。この交流成分は第２の平面鏡２１
の振幅と対応して変化するため、前述の実施例と
同様にＵ字形音叉７の振動振幅Ｗを制御すること
が可能である。

第６図は本発明の術を応用した波長変調分光器
における音叉発振器６の振動振幅制御機構を示す
図である。この実施例においては、第２の平面鏡
２１の代わりにＵ字形音叉７の他方自由端にナイ
フエツジ５２を取付け、このナイフエツジ５２に
て発光装置２３から出力されて光量検出器５４へ
入射される検出光２４の一部を遮光するようにし
ている。このような構成であつても、Ｕ字形音叉
７の振動振幅Ｗに対応した信号を光量検出器５４
から取出すことができる。

第７図ａ，ｂは本発明の技術を応用したさらに
別の波長変調分光器の音叉発振器の振動振幅制御
機構を示す図である。この実施例においては、第
２の平面鏡２１の代わりに、Ｕ字形音叉７の一方
のＵ字部３１によつて発光装置２３から出力され
て光量検出器５４へ入射される検出光２４の一部
を遮光するようにしている。なお、第２の平面鏡
の代わりに重量のバランスを取るためのダミーの
鏡５３が取付けられている。このような構成であ
つても、Ｕ字形音叉７の振動振幅Ｗに対応した信
号を光量検出器５４から取出すことが可能であ
る。

特に、本発明の波長変調分光器を波長変調幅の
高い安定性を要求されるアモニア分析器（例えば
特公昭56−4349号）等に応用すると、その効果を
最大限に発揮することが可能である。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、音叉発振
器を用いることによつて、たとえバツクグラウン
ドスペクトルの強度が大きくとも、目標輝線スペ
クトル又は吸収ピーク等の微少なスペクトル変化
を精度よく測定できる。

さらに、測定光を振動させるＵ字形音叉の振幅
の絶対値をポシシヨンセンサ等の光学的手法を用
いて直接測定し、振幅が一定になるように制御し
ている。したがつて、例えば磁気ヘツド等を使用
した他の測定手法に比較して、Ｕ字形音叉の振幅
測定の安定性及び測定精度が上昇するので、最終
的なスペクトル変化の測定精度をさらに向上でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第４図は本発明の一実施例に係わる
波長変調分光器を示すものであり、第１図は全体
の概略構成を示す模式図、第２図はＵ字形音叉を
示す斜視図、第３図は音叉駆動回路を記すブロツ
ク図、第４図は動作原理を説明するための図であ
り、第５図は本発明のさらに別の実施例に係わる
波長変調分光器の音叉発振器における振動振幅制
御機構を示す図であり、第７図及び第６図は本発
明の技術を応用した波長変調分光器の音叉発振器
における振動振幅制御機構を示す図であり、第８
図はプラズマスペクトル図である。 １……プラズマ発生源、２……光束、３……ケ
ース、４，２２……コンデンサレンズ、５……入
口スリツト、６……音叉発振器、７……Ｕ字形音
叉、８……第１の平面鏡、９……コリメータ、１
０…電磁コイル、１１……回折格子、１２……コ
レクタ、１３……出口スリツト、１４……光電変
換器、１５……直流増幅器、１７……コンデン
サ、１８…同期検波回路、２１……第２の平面
鏡、２３……発光装置、２４…検出光、２５……
振幅測定器、２６……音叉駆動回路、３１……Ｕ
字部、３２……脚部、３４……発光素子駆動回
路、３５……ポジシヨンセンサ、３６……変化検
出回路、３７……検波回路、３８……振幅設定
器、３９……偏差検出回路、４０……積分回路、
４１……ゲイン制御増幅器、４２……移相回路、
４３……波形整形回路、５１，５２……ナイフエ
ツジ、５３……ダミー鏡、５４……光量検出器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 測定すべき光の光束を所定の周波数で振動さ
   せる音叉発振器６と、該音叉発振器から出力され
   た変調された光束を分散させて回折スペクトルを
   出力させる回折格子１１と、該回折格子より出力
   された回折スペクトルを受光して前記回折スペク
   トル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１４と、該光電変換器から出力された
   前記電気信号を前記音叉発振器の振動周波数の２
   倍の周波数で同期検波する同期検波回路１８とを
   備えた波長変調分光器において、 前記音叉発振器６は、Ｕ字形音叉３１と、該Ｕ
   字形音叉を振動駆動するための電磁コイル１０
   と、前記Ｕ字形音叉の一方の自由端に装着され前
   記測定すべき光の光束を反射させて出力する第１
   の平面鏡８と、前記Ｕ字形音叉の他方の自由端に
   装着され前記反射光の振動振幅を検出するための
   第２の平面鏡２１と、該第２の平面鏡へ前記反射
   光束の振動振幅検出用の検出光を照射する発光装
   置２３と、前記第２の平面鏡にて反射された前記
   検出光をポジシヨンセンサで受光し、該反射され
   た検出光の振動振幅を変化検出回路で測定する振
   幅測定器２５と、該振幅測定器にて測定された振
   動振幅値が常に一定値になるように前記電磁コイ
   ルの励磁を制御する駆動回路２６とを具備するこ
   とを特徴とする波長変調分光器。