JPH09257700A - ギャップ設定機構およびそれを用いた試料分析装置とその方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 この発明はプリズムを半導体ウエハに接触さ
せずに、このプリズム内を全反射して進行する測定光に
よって半導体ウエハを分析できるようにした試料分析装
置を提供することにある。 【解決手段】 上面が試料保持面４１ａに形成された盤
状体４１と、上面がプリズム３１を保持するプリズム保
持面２４ｄに形成された保持部材２４と、上記半導体ウ
エハとプリズムとの間隔を設定するギャップ用駆動素子
１８と、上記半導体ウエハとプリズムとの平行度を設定
する一対の揺動体１１、１２と、上記試料保持面と上記
プリズム保持面に保持されたプリズムとの平行度および
上記試料保持面と上記プリズムとの変位量とを測定する
測定用センサ６６と、この測定用センサの測定に基づい
て上記試料保持面と上記プリズム保持面に保持されたプ
リズムとの平行度および上記試料保持面と上記プリズム
との変位量とを制御する制御装置７５とを具備したこと
を特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明はフ−リエ変換全反
射赤外分光法を（以下ＡＴＲ法とする）用いて試料の分
析を行う際に好適するギャップ設定機構およびそれを用
いた試料分析装置とその方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】たとえば、試料としての半導体ウエハの
表面における原子レベルの情報を分析するような場合、
上記ＡＴＲ法が用いられる。このＡＴＲ法は、図１１に
示すように試料１０１の上面に接触されたスラブ状のプ
リズム１０２の長手方向一端の斜面から赤外光Ｌを入射
させる。この赤外光Ｌは上記プリズム１０２内を全反射
し、その他端の斜面から出射する。

【０００３】上記プリズム１０２内で赤外光Ｌが全反射
すると、その全反射部分からエバネッセント波Ｅが試料
１０１側にしみだし、その部分の試料１０１表面の物質
によって吸収される。そのため、上記プリズム１０２か
ら出射した赤外光Ｌの吸収スペクトルを求めることで、
この試料１の表面の分析、評価を行うことができる。

【０００４】しかしながら、上述した測定時にプリズム
１０２を試料１０１に接触させると、試料１０１に付着
した汚染物質がプリズム１０２に転移する。そのため、
プリズム１０２が汚れることになるから、その汚染され
たプリズム１０２を用いて新たな試料１０１を分析して
も、プリズム１０２に付着した汚染物質によって分析結
果に誤差が生じるということがある。

【０００５】しかも、試料１０１あるいはプリズム１０
２に付着した汚染物質によってこれら両者の接触状態が
一定とならないから、測定デ−タの再現性がないという
こともある。

【０００６】上記プリズム１０２と試料１０１とを非接
触とし、プリズムを汚染させることなく試料１０１を分
析することが考えられる。その場合、エバネッセント波
Ｅがプリズム１０２からしみだす距離の目安はその波長
程度であるから、上記プリズム１０２と試料１０１との
間隔を０．５μｍ程度以下に設定しなければ測定できな
いことになる。

【０００７】しかしながら、従来は上記プリズム１０２
を試料１０１に対して上述したような微小間隔で対向さ
せて設定するということが行われていないばかりか、そ
のための装置も開発されていなかった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このように、赤外光を
プリズム内で全反射させたときにしみでるエバネッセン
ト波を利用して試料を分析する場合、従来は上記プリズ
ムを上記試料に接触させていたので、プリズムに試料の
汚れが転移し、その汚れによって測定誤差が生じたり、
試料との接触状態が一定とならずに測定デ−タの再現性
が得られないなどのことがあった。また、上述したプリ
ズムや半導体ウエハなどのように、それぞれ厚さむらが
あり、しかも非常に薄いために自重によって撓みが生じ
やすい２つの部材をサブミクロンオ−ダの精度で対向さ
せて位置決めする位置決め機構も存在していなかった。

【０００９】この発明は上記事情に基づきなされたもの
で、その目的とするところは、プリズム内で測定光が全
反射することで発生するエバネッセント波が試料表面に
吸収されるよう、上記プリズムと上記試料との間隔を微
小に設定できるようにした〒ギャップ設定機構およびそ
れを用いた試料分析装置とその方法を提供することにあ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、第１
の部材の一面を第１の吸着面に吸着しこの第１の吸着面
を変形させ上記第１の部材の他の一面を平坦にする第１
の吸着手段と、上記第１の吸着体が挿通される開口部が
設けられた平坦な第２の吸着面に対し第２の部材の一面
を吸着する第２の吸着手段と、上記平坦にされた第１の
部材の一面と上記平坦にされた第２の部材の一面とを平
行にする平行化手段と、上記平坦にされた第１の部材の
一面と上記平坦にされた第２の部材の一面との距離を測
定する測距手段と、上記平坦にされた第１の部材の一面
と上記平坦にされた第２の部材の一面とを接離する方向
に変位させ上記測距手段からの上方に基づいて上記変位
を停止する接離手段とを具備したことを特徴とするギャ
ップ設定機構にある。

【００１１】請求項２の発明は、プリズムに測定光を入
射させ、このプリズムから出射する上記測定光のスペク
トルから試料の表面を分析する試料分析装置において、
開口部を有し上面が上記試料を保持する試料保持面に形
成された試料保持手段と、上面を上記開口部に対向させ
て配置されその上面が上記プリズムを保持するプリズム
保持面に形成されたプリズム保持手段と、このプリズム
保持手段に保持されたプリズムを上記開口部に臨ませた
上記試料に対して接離する方向に変位させ、上記試料と
プリズムとの間隔を設定するギャップ設定手段と、上記
試料と上記プリズムとの平行度を設定するチルト調整手
段と、上記試料を上記試料保持手段に保持する前に上記
試料保持面と上記プリズム保持面に保持されたプリズム
との平行度および上記試料保持面と上記プリズムとの変
位量とを測定する測定手段とこの測定手段の測定に基づ
いて上記試料保持面と上記プリズム保持面に保持された
プリズムとの平行度および上記試料保持面と上記プリズ
ムとの変位量とを制御する制御手段とを具備したことを
特徴とする。

【００１２】請求項３の発明は、請求項２の発明におい
て、上記試料保持手段は、上面が上記試料保持面に形成
された盤状体と、この試料保持面に形成されそれぞれ独
立して吸引制御される複数の環状吸引溝とを備えている
ことを特徴とする。

【００１３】請求項４の発明は、請求項２の発明におい
て、上記プリズム保持手段は、ベ−ス部材と、中央部が
上記ベ−ス部に接合される固定部に形成され両端部が上
記固定部に対して湾曲自在に連結された可動部に形成さ
れていて、上面が上記プリズム保持面に形成された保持
部材と、この保持部材の一対の可動部を湾曲変位させて
上記プリズム保持面に保持されたプリズムの上記試料に
対向する面が平坦になるよう矯正する駆動素子とを備え
ていることを特徴とする。

【００１４】請求項５の発明は、請求項４の発明におい
て、上記保持部材には、上記プリズム保持面に保持され
たプリズムの一端に測定光を導入する導入窓と、このプ
リズム内を反射し他端から出射する上記測定光を導出す
る導出窓が形成されていることを特徴とする。

【００１５】請求項６の発明は、請求項２の発明におい
て、上記ギャップ設定手段は、基部と、この基部に弾性
的に変位可能に設けられ上記プリズム保持手段が取り付
けられた取付部と、この取付部を変位させて上記プリズ
ムを上記試料に対して所定の間隔に設定するギャップ用
駆動素子とを備えていることを特徴とする。

【００１６】請求項７の発明は、請求項２または請求項
６の発明において、上記ギャップ設定手段には、上記試
料保持手段に試料を保持した後で、上記プリズムと上記
試料との間隔を検出するギャップセンサが設けられてい
ることを特徴とする。

【００１７】請求項８の発明は、請求項２の発明におい
て、上記チルト調整手段は、第１の揺動体と第２の揺動
体とを有し、各揺動体は、固定片と、この固定片に対し
て一端が揺動可能に連結された可動片と、この可動片を
揺動駆動する揺動用駆動素子とから構成され、上記第１
の揺動体の可動片と上記第２の揺動体の可動片とは揺動
方向をほぼ９０度ずらして配置されるとともに、上記第
２の揺動体の可動片には上記ギャップ設定手段が取り付
けられることを特徴とする。

【００１８】請求項９の発明は、請求項１の発明におい
て、上記測定手段は、上記試料保持手段の上方に配置さ
れたテ−ブルと、このテ−ブルに上記プリズムの長手方
向と幅方向のうちの少なくとも長手方向に沿って走行自
在に設けられた可動体と、この可動体に設けられ可動体
の走行に応じて上記試料保持手段の保持面とこの保持手
段の開口部に露出した上記プリズムとの平行度および変
位量を測定する測定センサとを具備したことを特徴とす
る。

【００１９】請求項１０の発明は、請求項１の発明にお
いて、上記プリズムに入射する測定光を出射する光源
と、上記プリズムから出射した測定光を受けてこの測定
光のスペクトルから上記プリズムに対向した試料の表面
を分析する分析装置とを具備したことを特徴とする。

【００２０】請求項１１の発明は、プリズムに測定光を
入射させ、このプリズムから出射する上記測定光のスペ
クトルから上記試料の表面を分析する試料分析方法にお
いて、上記試料を保持する保持面と上記プリズムの上面
との平行度および変位量を測定する第１の工程と、この
第１の工程の測定結果に基づいて上記保持面と上記プリ
ズムの上面との平行度を設定するとともに上記保持面に
対して上記プリズムの上面を所定量下方に変位した位置
に設定する第２の工程と、上記保持面に上記試料を保持
することで、この試料と上記プリズムとの互いに対向す
る面の間に上記保持面に対する上記プリズムの上面の変
位量に応じた間隔を形成する第３の工程とを具備したこ
とを特徴とする。

【００２１】請求項１の発明によれば、変形し易いよう
な部材であっても、そのような２つの部材をミクロンオ
−ダの精度のギャップで位置決め設定することができ
る。請求項２の発明によれば、試料保持手段によって保
持された試料と、プリズム保持手段によって保持された
プリズムとの間隔と平行度を設定する手段を有し、しか
も上記間隔と平行度を測定する手段およびその測定結果
に基づいてその間隔と平行度を制御する制御手段を有す
るから、上記試料に対して上記プリズムを所定の変位量
で、平行な状態に設定することができる。

【００２２】請求項３の発明によれば、試料保持手段の
試料保持面に独立して吸引制御される複数の環状溝を設
けたことで、上記試料保持面に吸着保持される上記試料
の保持状態を制御できる。

【００２３】請求項４の発明によれば、プリズム保持手
段のプリズムを保持するプリズム保持面が形成された保
持部材を、固定部と、この固定部の両端に湾曲可能に設
けられて駆動素子により湾曲させられる一対の可動部に
よって形成したことで、この可動部の湾曲状態によって
上記保持面に保持されたプリズムの試料に対向する面が
平坦面となるよう制御することができる。

【００２４】請求項５の発明によれば、請求項３の保持
部材に、この保持部材に保持されたプリズムに測定光を
導入する導入窓およびプリズム内を全反射した上記測定
光を導出する導出窓を形成したことで、上記プリズムに
対する測定光の導入および導出を確実に行える。

【００２５】請求項６の発明によれば、ギャップ設定手
段は、ギャップ用駆動素子によって変位させることがで
きる取付部を有し、この取付部にプリズム保持手段が取
り付けられるから、プリズム保持手段に保持されたプリ
ズムを、試料保持手段に保持された試料に対して所定の
間隔に設定できる。

【００２６】請求項７の発明によれば、ギャップ設定手
段は、試料保持手段に試料を保持した後で、試料とプリ
ズムとの間隔を検出するギャップセンサを有するから、
試料保持手段に試料を保持した後でも、試料とプリズム
との間隔を設定することが可能となる。

【００２７】請求項８の発明によれば、チルト調整手段
が揺動方向を９０度違えた第１の揺動体と第２の揺動体
とからなり、この第２の揺動体にギャップ設定手段を取
り付けたことで、このギャップ設定手段を介して保持手
段の保持面に保持されたプリズムの平行度を設定するこ
とができる。

【００２８】請求項９の発明によれば、測定手段は、測
定センサによって試料保持面と、この試料保持面に形成
された開口部から露出したプリズムの上面との平行度お
よび変位量を検出することができる。

【００２９】請求項１０の発明によれば、試料に対して
平行度および変位量が設定されたプリズムに対して測定
光を入射させる光源と、プリズムから出射した測定光を
分析する分析装置とを有するから、上記プリズムに対向
保持された試料を分析することができる。請求項１１の
発明によれば、プリズムを試料に対して平行に、しかも
所定の変位量となる非接触の状態で精密に位置決めする
ことができる。

【００３０】

【発明の実施形態】以下、この発明の一実施形態を図１
乃至図１０を参照して説明する。図３はこの発明のギャ
ップ設定機構が用いられた試料分析装置の分解斜視図
で、この分析装置はチルト調整手段１、ギャップ設定手
段２、プリズム保持手段３、試料保持手段４および測定
手段５を有する。

【００３１】上記チルト調整手段１は第１の揺動体１１
と第２の揺動体１２とを有する。各揺動体１１、１２は
たとえば板材の厚さ方向中途部をワイヤ放電加工するこ
とで、矩形平板状の固定片１１ａ、１２ａと可動片１１
ｂ、１２ｂとの一端が弾性薄肉部１１ｃ、１２ｃによっ
て連結された構造になっている。つまり、固定片１１
ａ、１２ａに対して可動片１１ｂ、１２ｂが弾性薄肉部
１１ｃ、１２ｃを支点として揺動自在になっている。

【００３２】固定片１１ａ、１２ａと可動片１１ｂ、１
２ｂとの間で、上記可動片の自由端側の部分にはそれぞ
れ圧電素子からなる揺動駆動素子１１ｄ、１２ｄが設け
られている。したがって、この揺動駆動素子１１ｄ、１
２ｄに電圧を印加することで、その電圧値に応じて可動
片１１ｂ、１２ｂを揺動させることができるようになっ
ている。

【００３３】図１と図２に示すように、上記第１の揺動
体１１の固定片１１ａはベ−ス盤２１の上面に固定され
ている。上記第２の揺動体１２の固定片１２ａは上記第
１の揺動体１１の可動片１１ｂの上面に、その可動片１
２ｂの揺動方向を上記第１の揺動体１１の可動片１１ｂ
の揺動方向と９０度ずらして固定されている。その結
果、上側に位置する第２の揺動体１２の可動片１２ｂは
水平面に対してＸ方向およびこのＸ方向と直交するＹ方
向とに揺動できるようになっている。

【００３４】上記ギャップ設定手段２はブロック１５を
有する。このブロック１５は、基部１５ａと、この基部
１５ａの上面側に形成された取付部１５ｂと、この取付
部１５ｂを上記基部１５ａに対して上下方向に弾性変位
自在に連結された一対の弾性ヒンジ部１５ｃとが一体形
成されている。上記取付部１５ｂには、長手方向両端部
に一対の第１の通孔１６ａが形成された取り付けフラン
ジ１６が取り付けられている。

【００３５】上記基部１５ａには、上記取付部１５ｂと
対向する部位に凹部１７が形成され、この凹部１７には
図２に示すように圧電素子からなるギャップ用駆動素子
１８が設けられている。このギャップ用駆動素子１８の
上端面には上面に断面Ｖ字状の溝１９ａが形成された保
持板１９が設けられ、その溝１９ａには上記取付部１５
ｂの下面に接する球体２１が保持されている。したがっ
て、上記ギャップ用駆動素子１８に通電すれば、その電
圧値に応じて伸縮するから、その伸縮によって上記取付
部１５ｂを上下方向に変位させることができるようにな
っている。

【００３６】上記プリズム保持手段３は、図６（ａ）、
（ｂ）に示すように上記取付フランジ１６と同じ大きさ
に形成された板状のベ−ス部材２３と、このベ−ス部材
２３の上面に設けられた保持部材２４とを有する。この
保持部材２４は直方体状をなしていて、その長手方向中
途部には上記ベ−ス部材２３に接合固定される固定部２
４ａに形成されている。

【００３７】上記固定部２４ａの両端部には弾性ヒンジ
部２４ｂを介して一対の可動部２４ｃが弾性的に揺動自
在に連結されている。各可動部２４ｃの自由端側とベ−
ス部材２３との間には圧電素子からなる矯正駆動素子２
５が設けられている。したがって、上記矯正駆動素子２
５に通電すれば、その電圧値に応じて伸縮するから、上
記可動部２４ｃを固定部２４ａに対して揺動させること
ができるようになっている。

【００３８】上記保持部材２４の上面２４ｄには矩形状
の３つの凹部２６が長手方向に沿って所定間隔で形成さ
れている。各凹部２６には上記保持部材２４に形成され
た吸引路２７が連通している。この吸引路２７は図示し
ない吸引ポンプに連通している。それによって、上記凹
部２６内を減圧できるようになっている。

【００３９】上記保持部材２４の上面２４ｄには図６
（ａ）に二点鎖線で示す帯板状のプリズム３１が載置さ
れる。プリズム３１を保持部材２４の上面に載置した状
態で上記凹部２６を減圧すれば、このプリズム３１を上
記上面２４ｄに吸引保持できるようになっている。つま
り、上記上面２４ｄはプリズム３１の保持面に形成され
ている。

【００４０】上記プリズム３１は薄い帯板状のゲルマニ
ウムを研磨加工して、たとえば長さ７０mm、幅１０mm、
厚さ０．５mmに形成される。研磨加工されたプリズム３
１は周辺部に「ダレ」が生じ易いから、通常は図８
（ａ）に示すように長手方向中途部が膨らんだ樽型にな
り易い。このプリズム３１を保持部材２４の上面２４ｄ
に吸着保持すると、図８（ｂ）に示すようにプリズム３
１は下面が上記上面に接合する状態に変形するから、上
面がさらに凸状に変形する。この状態で、図８（ｃ）に
示すように矯正駆動素子２５に通電してその素子を伸長
させ、一対の可動部２４ｃを上方へ揺動させれば、プリ
ズム３１の上面が平坦に矯正されることになる。

【００４１】上記ベ−ス部材２３には上記取り付けフラ
ンジ１６の第１の通孔１６ａに対応する位置に第２の通
孔２３ａが設けられ、上記保持部材２４には上記第２の
通孔に対応する位置に第３の通孔２４ｅが形成されてい
る。

【００４２】一対の第１の通孔１６ａの下方で、上記チ
ルト調整手段１の第２の揺動体１２の可動片１２ｂの上
面には図１に示すように第１の反射ミラ−３５と第２の
反射ミラ−３６とが反射面を４５度にして配置されてい
る。

【００４３】上記第１の反射ミラ−３５の反射面には光
源３７から出射された赤外光Ｌが水平に入射する。この
赤外光Ｌは上記第１の反射ミラ−３５の反射面で垂直方
向上方に反射し、プリズム３１の長手方向一端側に位置
する第１乃至第３の通孔１６ａ、２３ａ、２４ｄを順次
通過して上記プリズム３１の一端に入射する。

【００４４】プリズム３１に入射した赤外光Ｌはその内
部で全反射を繰り返して他端側に至り、そこから出射す
る。プリズム３１の他端から出射した赤外光Ｌはその他
端側に形成された第３乃至第１の通孔２４ｄ、２３ａ、
１６ａを順次通過して第２の反射ミラ−３６の反射面で
反射し、分析装置３８に入射する。この分析装置３８は
赤外光Ｌのスペクトルを解析することで、後述する試料
としての半導体ウエハＵの表面における、たとえば原子
レベルの情報をを分析できるようになっている。

【００４５】上記試料保持手段４は円形状の盤状体４１
を有する。この盤状体４１の中央部には上記プリズム保
持手段３の保持部材２４を挿通させることができる大き
さの開口部４２が設けられている。図７（ａ）、（ｂ）
に示すように、上記開口部４２の周辺部には矩形状の第
１の環状溝４３ａが形成され、この周囲には円形状の第
２の環状溝４３ｂと第３の環状溝４３ｃとが順次形成さ
れている。

【００４６】上記第１の環状溝４３ａにはその四隅部に
連通する第１の吸引路４４ａを介して第１の吸引ポンプ
４５ａに連通されている。上記第２の環状溝４３ｂはそ
の周方向２か所に連通した第２の吸引路４４ｂを介して
第２の吸引ポンプ４５ｂに連通され、さらに第３の環状
溝４３ｃは同じく周方向２か所に連通した第３の吸引路
４４ｃを介して第３の吸引ポンプ４５ｃに連通されてい
る。それによって、各環状溝４３ａ〜４３ｃはそれぞれ
独立して吸引制御されるようになっている。

【００４７】しかも、各環状溝４３ａ〜４３ｃには各吸
引路が複数箇所で連通しているので、これら環状溝は時
間的にほぼ均一に吸引力を発生させることができる。上
記盤状体４１の上面は、上記半導体ウエハＵを吸引保持
するための平坦な試料保持面４１ａになっている。この
試料保持面４１ａの平面度はたとえば０．３μｍ程度以
下に仕上げられている。この試料保持面４１ａに半導体
ウエハＵを吸引保持する場合、半導体ウエハＵを盤状体
４１の試料保持面４１ａに載置した後、第１の環状溝４
３ａに吸引力を発生させてその中央部分を吸引する。つ
いで、第２の環状溝４３ｂに吸引力を発生させることで
半導体ウエハＵの径方向中央部分を吸引し、最後に第３
の環状溝４３ｃに吸引力を発生させて周辺部を吸引す
る。

【００４８】このように、半導体ウエハＵを、径方向中
央部分から周辺部分へと順次吸着することで、半導体ウ
エハＵにたるみ（あそび）が生じるのを防止して、盤状
体４１の試料保持面４１ａに密着させて吸引保持でき
る。上記半導体ウエハＵは回路パタ−ンが形成される表
面、つまり高精度の平面度に研磨加工された表面を盤状
体４１の試料保持面４１ａに接合させて吸着される。そ
れによって、半導体ウエハＵは、その表面が上記盤状体
４１の試料保持面４１ａの平坦度に応じた平坦な状態で
保持することができる。

【００４９】図１に示すように上記盤状体４１は、上記
チルト調整手段１が設けられたベ−ス盤５０の上方に配
置される。つまり、上記ベ−ス盤５０には複数の第１の
支持脚５１が立設され、これら支持脚５１の上端に上記
盤状体４１の周辺部下面が接合され、ねじ５２によって
固定されて水平に保持されている。

【００５０】上記盤状体４１は、その開口部４２に上記
プリズム保持手段３の保持部材２４が入り込み、しかも
盤状体４１の試料保持面４１ａに上記保持部材２４のプ
リズム３１を吸着した上面２４ｄがほぼ同じ高さになる
よう配置されている。

【００５１】上記盤状体４１の上方には上記測定手段５
が配置されている。この測定手段５は矩形状のテ−ブル
５５を有する。このテ−ブル５５は上記ベ−ス盤２１に
立設された複数の第２の支持脚５６によって水平に支持
されている。テ−ブル５５には矩形状の開口部５７が形
成されていて、この開口部５７の両側には一対の第１の
レ−ル５８が所定方向（この方向をＸ方向とする）に沿
って設けられている。

【００５２】図３に示すように上記第１のレ−ル５８に
はＸ可動体５９が移動自在に設けられている。このＸ可
動体５９の上面にはその移動方向に対して直交するＹ方
向に沿って第２のレ−ル６１が設けられている。この第
２のレ−ル６１にはＹ可動体６２が移動自在に設けられ
ている。上記Ｘ可動体５９はモ−タなどのＸ駆動源６３
によって駆動され、Ｙ可動体６２はＹ駆動源６５によっ
て駆動されるようになっている。

【００５３】上記Ｙ可動体６２にはレ−ザ変位計などの
非接触式の測定センサ６６が設けられている。この測定
センサ６６は上記Ｘ可動体５９とＹ可動体６２とを駆動
することで、ＸＹ方向を水平に走行させることができる
ようになっている。それによって、上記測定センサ６６
は、半導体ウエハＵを保持する前の盤状体４１の試料保
持面４１ａと、この盤状体４１の開口部４２に露出した
プリズム３１の上面との平行度および変位量（高さの
差）を測定できるようになっている。

【００５４】その測定原理を図９（ａ）〜（ｃ）に基づ
いて説明する。図９（ａ）に示すように盤状体４１の試
料保持面４１ａに対してプリズム３１の上面の長手方向
が所定の角度で傾斜している場合、これらの面に対して
測定センサ６５を矢印Ｘで示す方向に走査させる。する
と、図９（ｂ）で示すように盤状体４１の上面を測定し
た出力Ａと、プリズム３１の上面を測定した出力Ｂとが
上記測定センサ６６によって検出される。

【００５５】上記出力ＡとＢとはそれぞれ直線近似でき
る。したがって、図９（ｂ）に鎖線で示すこれら出力Ａ
とＢの直線近似式Ａ₁ 、Ｂ₁ を求め、これらの近似式が
同じ傾き角度および所定の切片の差（この実施形態では
０．３μｍ）を持つよう設定する。この状態を図９
（ｃ）に示す。

【００５６】具体的には、チルト調整手段１の第１の揺
動体１１の可動片１１ｂの揺動角度を制御することで、
上記直線Ａ₁ と直線Ｂ₁ との傾きを同じにし、プリズム
３１上面を試料保持面４１ａと平行に設定する。つい
で、直線Ａ₁ と直線Ｂ₁ との出力が上記切片の差に応じ
た値となるように設定すれば、上記プリズム３１の上面
を試料保持面４１ａに対して平行で、しかも５〜６μｍ
低い高さ位置（図９（ｃ）に変位量として示す）に設定
されることになる。

【００５７】なお、プリズム３１の幅方向においても、
長手方向と同様に平行度および高さを設定すればよい
が、幅寸法は長さ寸法に比べて小さく、しかも測定光Ｌ
はプリズム３１の長手方向に進行するから、幅方向につ
いては行わなくて大きな支障はないが、第２の揺動体１
２の可動片１２ｂの揺動角度を制御することで同様に行
うようにしてもよい。

【００５８】上記プリズム保持手段３のベ−ス部材２３
には、図１に示すようにギャップセンサ７１が設けられ
ている。このギャップセンサ７１は上記ベ−ス部材２３
と、上記試料保持手段４の盤状体４１に、この試料保持
面４１ａと平行に形成されて設けられた測定面７２との
間隔を測定する。

【００５９】つまり、試料保持面４１ａに対して上述し
たようにプリズム３１の上面の平行度および高さを設定
した後、上記試料保持面４１ａに半導体ウエハＵを表面
を下向きにして保持した状態においては、半導体ウエハ
Ｕが試料保持面４１ａを覆うから、この試料保持面４１
ａ（半導体ウエハＵ）とプリズム３１との間隔を測定用
センサ６６によって測定することができない。

【００６０】そこで、上記ギャップセンサ７１によって
上記測定面７２の高さをモニタすることで、上記試料保
持面４１ａに半導体ウエハＵを保持した後でも、この半
導体ウエハＵとプリズム３１上面とのギャップを測定
し、その測定に基づいて調整することができる。

【００６１】図１０はギャップセンサ７１によって試料
保持面４１ａと測定面７２、つまりプリズム３１上面と
半導体ウエハＵの表面とのギャップを設定する原理を説
明する図で、同図において直線Ｅは試料保持面４１ａと
プリズム３１の上面とが平行で、高さが一致したときの
測定手段５の測定センサ６６の出力で、同図にＦで示す
直線はそのときのギャップセンサ７１の出力である。

【００６２】試料保持面４１ａとプリズム３１上面とが
同じ高さのときの上記ギャップセンサ７１の出力を求め
たならば、上記直線Ｆからそのときのギャップセンサ７
１の出力Ｄ₂ とギャップ用駆動素子１８への印加電圧Ｖ
₂ を確認し、さらにそこから上記プリズム３１が所定の
高さ、この実施形態では０．３μｍ低い位置におけるギ
ャップセンサ７１の出力Ｄ1 と印加電圧Ｖ₂ とを確認し
ておく。

【００６３】そして、上記ギャップセンサ７１の出力を
モニタしながらギャップ用駆動素子１８への印加電圧を
調整することで、試料保持面４１ａに半導体ウエハＵを
吸着保持した後でも、上記保持面４１ａと半導体ウエハ
Ｕ表面との間隔を０．３μｍの高精度に設定維持するこ
とが可能となる。

【００６４】上記測定用センサ６６とギャップセンサ７
１との出力は図４に示す制御装置７５に入力される。こ
の制御装置７５は上記センサ６６、７１からの出力を上
述したごとく処理し、その処理結果に基づいて上記チル
ト調整手段１の揺動駆動素子１１ｄ、１２ｄおよびギャ
ップ駆動用素子１８に印加する電圧を制御するようにな
っている。

【００６５】さらに、制御装置７５は上記測定手段５の
Ｘ駆動源６３とＹ駆動源６５とを駆動制御するととも
に、これら駆動源６３、６５からのフィ−ドバック信号
によって測定センサ６６のＸＹ座標を算出するようにな
っている。したがって、上記測定センサ６６は、その座
標位置とともに試料保持面４１ａとプリズム３１上面と
の平行度およびこれらの変位量を測定できるようになっ
ている。

【００６６】つぎに、上記構成の試料分析装置を用いて
半導体ウエハＵの表面を分析する手順を説明する。半導
体ウエハＵを試料保持手段４の試料保持面４１ａに吸着
保持する前に、プリズム３１をプリズム保持手段３の保
持部材２４の上面２４ｄに吸着保持したならば、この上
面の長手方向に沿って測定用センサ６６を走査させてそ
の平面度をチェックする。

【００６７】保持部材２４の上面２４ｄに吸着保持され
たプリズム３１の上面は、通常、上述したようにその上
面が図８（ｂ）に示すように凸面状となる。そこで、一
対の矯正駆動素子２５への通電を制御して保持部材２４
の可動部２４ｃを上方へ揺動させることで、上記プリズ
ム３１の上面を平坦となるよう矯正する。プリズム３１
の上面が平坦な場合、上記測定用センサ６６からの出力
は直線となる。

【００６８】このようにして、プリズム３１の上面を平
坦化したならば、試料保持面４１ａと、プリズム保持手
段３の保持部材２４の上面２４ｄに吸着保持されたプリ
ズム３１の上面との平行度および変位量とを設定する。

【００６９】すなわち、その設定は、測定手段５の測定
センサ６６を走査させ、その出力から上述したように上
記試料保持面４１ａとプリズム３１の上面との平行度を
設定し、ついでプリズム３１の上面を試料保持面４１ａ
に対して５〜６μｍ（圧電素子１８のストロ−クの範囲
内であればよい）低くなるよう設定する。この設定は、
上記測定センサ６６からの出力に基づいて高精度に設定
することができる。

【００７０】試料保持面４１ａとプリズム３１の上面と
の平行度および変位量との設定は、制御装置７５を用い
て自動的に行ってもよく、あるいは制御装置７５では測
定センサ６６からの測定結果だけを演算させ、その演算
に基づいて揺動駆動素子１１ｄ、１２ｄとギャップ駆動
用素子１８への印加電圧の制御は手動で行うようにして
もよい。

【００７１】上記試料保持面４１ａとプリズム３１の上
面との平行度および変位量とを設定したならば、上記試
料保持面４１ａに表面を下側にして半導体ウエハＵを載
置したのち、盤状体４１の第１乃至第３の環状溝４３ａ
〜４３ｃにそれぞれ接続された第１乃至第３の吸引ポン
プ４５ａ〜４５ｃを順次作動させる。つまり、第１の環
状溝４３ａに吸引力を発生させてから、第２の環状溝４
３ｂ、第３の環状溝４３ｃの順に吸引力を発生させる。

【００７２】それによって、半導体ウエハＵは、中央部
分が試料保持面に吸着保持されてから、周辺部が吸着保
持されため、半導体ウエハＵにたるみが生じることなく
上記試料保持面４１ａに吸着保持されることになる。つ
まり、半導体ウエハＵはその表面が試料保持面４１ａに
密着した状態で吸着保持されるから、半導体ウエハＵの
表面を試料保持面４１ａに対して同一面とすることがで
きる。

【００７３】このように、試料保持面４１ａに半導体ウ
エハＵを吸着保持したならば、ギャップセンサ７１によ
って試料保持面４１ａとプリズム３１の上面とのギャッ
プをモニタしながら、そのギャップを予め定た、０．３
μｍになるように圧電素子１８への印加電圧を調整す
る。

【００７４】試料保持面４１ａに対して、半導体ウエハ
Ｕの表面が０．３μｍのギャップに設定されていること
が上記ギャップセンサ７１によって確認されたならば、
その確認を継続しながら光源３７を作動させて赤外光Ｌ
を出力し、その光を第１の反射ミラ−３５で反射させて
プリズム３１の一端側から入射させる。

【００７５】プリズム３１に入射した赤外光Ｌは、その
内部を全反射して他端から出射する。赤外光Ｌがプリズ
ム３１内を全反射することで、その全反射部分から半導
体ウエハＵへエバネッセント波がしみだし、その部分の
物質の成分などに応じて吸収される。

【００７６】そのため、上記プリズム３１から出射し、
第２の反射ミラ−３６で反射して分析装置３８に入射す
る赤外光Ｌのスペクトルを分析することで、上記半導体
ウエハＵの表面における原子レベルの情報を分析するこ
とができる。

【００７７】このように、プリズム３１の上面を半導体
ウエハＵの表面に対して所定の間隔となるように設定し
て上記半導体ウエハＵを分析するようにしたことで、半
導体ウエハＵの表面に汚染物質が付着しているようなこ
とがあっても、その汚染物質がプリズム３１の上面に転
移するということが防止される。

【００７８】そのため、複数の半導体ウエハＵを順次分
析するような場合、プリズム３１に汚染物質が転移して
分析結果に誤差が生じるということが防止される。しか
も、プリズム３１と半導体ウエハＵとを接触させる場合
のように、プリズム３１に転移した汚染物質によってこ
れら両者の接触状態が均一とならずに測定デ−タの再現
性が得られなくなるということもない。

【００７９】また、プリズム３１と半導体ウエハＵとの
間のギャップは、分析の最中であっても、ギャップセン
サ７１によってモニタでき、そのモニタの結果に基づい
てギャップが一定になるよう、制御装置７５によってた
とえばギャップ駆動用素子１８への印加電圧が制御され
る。

【００８０】そのため、ギャップ駆動用素子１８への印
加電圧や温度などの外部要因の変動によってギャップが
変動しようとしても、そのギャップは一定に維持される
から、分析の最中にギャップが変動して分析結果に誤差
が生じるようなこともない。

【００８１】プリズム３１と半導体ウエハＵとの間のギ
ャップは、エバネッセント波の距離と強度の関係からで
きるだけ小さい方がよく、通常、３μｍ以内、さらに好
ましくは０．５μｍ以下がよい。

【００８２】この発明は上記一実施形態に限定されず、
発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。た
とえば、試料としては半導体ウエハに限られず、ほかの
材料であってもよく、また測定用センサやギャップセン
サはレ−ザ変位計でなく、他のセンサであってもよく、
要は非接触で距離をサブミクロンの精度で測定できるも
のであればよい。

【００８３】また、揺動駆動素子１１ｄ、１２ｄ、ギャ
ップ駆動用素子１８および矯正駆動素子２５に圧電素子
を用い、印加電圧を制御することでプリズム３１のＸＹ
方向のチルト角度、半導体ウエハＵ表面との間隔および
プリズム３１の平坦度を制御するようにしたが、その制
御を圧電素子に変わり調整ねじを用いて行うようにして
もよい。

【００８４】また、プリズム保持手段に複数のセンサを
設けることで、ギャップだけでなく、平行度もモニタで
きるようにしてもよい。さらに、プリズム保持手段のプ
リズムを吸引保持する保持面に、吸引力を発生させるた
めに環状溝を形成するようにしてもよい。また、半導体
ウエハを試料保持手段の試料保持面に吸引保持する際、
環状溝ぬ吸引力を発生する順序は半導体ウエハのクセな
どに応じて適宜設定すればよい。

【００８５】

【発明の効果】以上述べたように請求項１の発明によれ
ば、２つの部材をサブミクロンオ−ダの微小ギャップで
位置決めする場合、これら部材がたとえば非常に薄くて
撓みやすく、しかも少なくとも一方の部材の上下面が平
行平面に加工されていないような場合であっても、各部
材を平坦な吸着面に吸着保持するとともに、一方の部材
の他方の部材に対向する面を平行化できるから、上記２
つの部材を平行かつ微小ギャップで位置決めすることが
できる。

【００８６】請求項２の発明によれば、試料保持手段に
よって保持された試料と、プリズム保持手段によって保
持されたプリズムとの間隔と平行度を設定する手段を有
し、しかも上記間隔と平行度を測定する手段およびその
測定結果に基づいてその間隔と平行度を制御する制御手
段を有するから、上記試料に対して上記プリズムを平行
かつサブミクロンの微細な間隔で高精度に設定すること
ができる。

【００８７】それによって、上記試料の分析を、この試
料にプリズムを接触させずに行うことができるから、汚
染物質がプリズムに転移して分析に誤差が生じたり、汚
染物質の介在によって測定デ−タの再現性が得られない
などのことがなくなる。

【００８８】請求項３の発明によれば、試料保持手段の
試料保持面に独立して吸引制御される複数の環状溝を設
けたことで、上記試料保持面に吸着保持される上記試料
の保持状態を制御できる。

【００８９】そのため、上記試料保持面に対して上記試
料の中心部を吸着保持してから周辺部を吸着保持すれ
ば、その試料を上記試料保持面に対してたるみのない状
態で吸着保持することが可能となり、それによってプリ
ズムと試料との平行度やギャップを高精度に設定するこ
とができる。

【００９０】請求項４の発明によれば、プリズム保持手
段のプリズムを保持するプリズム保持面が形成された保
持部材を、固定部と、この固定部の両端に湾曲可能に設
けられて駆動素子により湾曲させられる一対の可動部に
よって形成したことで、この可動部の湾曲状態によって
上記プリズム保持面に保持されたプリズムの試料に対向
する面を平坦面になるよう制御することができる。

【００９１】そのため、プリズムを研磨加工する際、周
辺部のダレによって上下両面が凸面となっても、上記可
動部の揺動角度を制御することで、その上面を試料に対
して平行に対向するよう上記プリズム保持面に保持され
たプリズムの上面を平坦面に矯正することが可能とな
る。

【００９２】請求項５の発明によれば、請求項３の保持
部材に、この保持部材に保持されたプリズムに測定光を
導入する導入窓およびプリズム内を全反射した上記測定
光を導出する導出窓を形成した。

【００９３】そのため、保持部材のプリズム保持面に吸
着保持されたプリズムに対して測定光の導入および導出
を確実に行える。請求項６の発明によれば、ギャップ設
定手段は、ギャップ用駆動素子によって変位させること
ができる取付部を有し、この取付部にプリズム保持手段
を取り付けるようにした。

【００９４】そのため、プリズム保持手段に保持された
プリズムを、試料保持手段に保持された試料に対して所
定の間隔となるように設定することができる。請求項７
の発明によれば、ギャップ設定手段は、試料保持手段に
試料を保持した後で、試料とプリズムとの間隔を検出す
るギャップセンサを有するから、試料保持手段に試料を
保持した後でも、試料とプリズムとの間隔を設定するこ
とが可能となる。

【００９５】そのため、試料を試料保持面に保持してか
らでも、試料とプリズムとの間隔を設定することができ
るから、分析精度の向上を計ることができる。請求項８
の発明によれば、チルト調整手段が揺動方向を９０度違
えた第１の揺動体と第２の揺動体とからなり、この第２
の揺動体にギャップ設定手段を取り付けたことで、この
ギャップ設定手段を介して保持手段の保持面に保持され
たプリズムの平行度を設定することができる。

【００９６】請求項９の発明によれば、測定手段は、試
料保持面と、この試料保持面に形成された開口部から露
出したプリズムとの上面を走査することができる測定セ
ンサを有するから、上記試料保持面とプリズムとの上面
の平行度および変位量を検出することができる。

【００９７】請求項１０の発明によれば、試料に対して
平行度および変位量が設定されたプリズムに対して測定
光を入射させる光源と、プリズムから出射した測定光を
分析する分析装置とを有するから、上記試料をプリズム
と接触させることなく分析することができる。

【００９８】請求項１１の発明によれば、請求項１の発
明と同様、試料に対してプリズムを平行かつサブミクロ
ンの微細な間隔で高精度に設定することができる。それ
によって、上記試料の分析を、この試料にプリズムを接
触させずに行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施形態の全体構成を示す縦断面
図。

【図２】同じく図１のII−II線に沿う断面図。

【図３】同じく全体の分解斜視図。

【図４】同じく制御ブロック図。

【図５】同じくチルト調整手段の揺動体の側面図。

【図６】（ａ）はプリズム保持手段の平面図、（ｂ）は
同じく側面図。

【図７】（ａ）は試料保持手段の平面図、（ｂ）は同じ
く側面図。

【図８】（ａ）は加工されたプリズムの側面図、（ｂ）
はそのプリズムをプリズム保持面に着保持したときの説
明図、（ｃ）プリズムの上面が平坦面になるよう矯正し
たときの説明図。

【図９】（ａ）は試料保持面とプリズム上面との変位状
態を測定するときの説明図、（ｂ）はそのときの測定用
センサの出力の説明図、（ｃ）は試料保持面とプリズム
上面とが平行かつ所定の間隔で設定されたときの測定用
センサの出力の説明図。

【図１０】ギャップセンサによってプリズムと試料保持
面に保持された半導体ウエハとの間隔を測定する原理を
説明した説明図。

【図１１】従来のＡＴＲ法の説明図。

【符号の説明】

１…チルト調整手段、２…ギャップ設定手段、３…プリ
ズム保持手段、４…試料保持手段、５…測定手段、１１
…第１の揺動体、１２…第２の揺動体、１１ａ、１２ａ
…固定片、１１ｂ、１２ｂ…可動片、１１ｄ、１２ｄ…
揺動駆動素子、１５…ブロック（ギャップ設定手段
の）、１５ａ…基部、１５ｂ…取付部、１８…ギャップ
駆動用素子、２３…ベ−ス部材、２３ａ…第２の通孔
（導入窓、導出窓）、２４…保持部材、２４ａ…固定
部、２４ｂ…可動部、２４ｄ…プリズム保持面、２５…
矯正駆動素子、３１…プリズム、３７…光源、３８…分
析装置、４１…盤状体、４１ａ…試料保持面、４３ａ〜
４３ｃ…環状溝、５５…テ−ブル、５９…Ｘ可動体、６
２…Ｙ可動体、６６…測定用センサ、７１…ギャップセ
ンサ、７５…制御装置、Ｕ…半導体ウエハ（試料）、Ｌ
…赤外光（測定光）。

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の部材の一面を第１の吸着面に吸着
   しこの第１の吸着面を変形させ上記第１の部材の他の一
   面を平坦にする第１の吸着手段と、 上記第１の吸着体が挿通される開口部が設けられた平坦
   な第２の吸着面に対し第２の部材の一面を吸着する第２
   の吸着手段と、 上記平坦にされた第１の部材の一面と上記平坦にされた
   第２の部材の一面とを平行にする平行化手段と、 上記平坦にされた第１の部材の一面と上記平坦にされた
   第２の部材の一面との距離を測定する測距手段と、 上記平坦にされた第１の部材の一面と上記平坦にされた
   第２の部材の一面とを接離する方向に変位させ上記測距
   手段からの上方に基づいて上記変位を停止する接離手段
   とを具備したことを特徴とするギャップ設定機構。
2. 【請求項２】 プリズムに測定光を入射させ、このプリ
   ズムから出射する上記測定光のスペクトルから試料の表
   面を分析する試料分析装置において、 開口部を有し上面が上記試料を保持する試料保持面に形
   成された試料保持手段と、 上面を上記開口部に対向させて配置されその上面が上記
   プリズムを保持するプリズム保持面に形成されたプリズ
   ム保持手段と、 このプリズム保持手段に保持されたプリズムを上記開口
   部に臨ませた上記試料に対して接離する方向に変位さ
   せ、上記試料とプリズムとの間隔を設定するギャップ設
   定手段と、 上記試料と上記プリズムとの平行度を設定するチルト調
   整手段と、 上記試料を上記試料保持手段に保持する前に上記試料保
   持面と上記プリズム保持面に保持されたプリズムとの平
   行度および上記試料保持面と上記プリズムとの変位量と
   を測定する測定手段とこの測定手段の測定に基づいて上
   記試料保持面と上記プリズム保持面に保持されたプリズ
   ムとの平行度および上記試料保持面と上記プリズムとの
   変位量とを制御する制御手段とを具備したことを特徴と
   する試料分析装置。
3. 【請求項３】 上記試料保持手段は、上面が上記試料保
   持面に形成された盤状体と、この試料保持面に形成され
   それぞれ独立して吸引制御される複数の環状吸引溝とを
   備えていることを特徴とする請求項２記載の試料分析装
   置。
4. 【請求項４】 上記プリズム保持手段は、ベ−ス部材
   と、中央部が上記ベ−ス部材に接合される固定部に形成
   され両端部が上記固定部に対して湾曲自在に連結された
   可動部に形成されていて、上面が上記プリズム保持面に
   形成された保持部材と、この保持部材の一対の可動部を
   湾曲変位させて上記プリズム保持面に保持されたプリズ
   ムの上記試料に対向する面が平坦になるよう矯正する駆
   動素子とを備えていることを特徴とする請求項２記載の
   試料分析装置。
5. 【請求項５】 上記保持部材には、上記プリズム保持面
   に保持されたプリズムの一端に測定光を導入する導入窓
   と、このプリズム内を反射し他端から出射する上記測定
   光を導出する導出窓が形成されていることを特徴とする
   請求項４記載の試料分析装置。
6. 【請求項６】 上記ギャップ設定手段は、基部と、この
   基部に弾性的に変位可能に設けられ上記プリズム保持手
   段が取り付けられた取付部と、この取付部を変位させて
   上記プリズムを上記試料に対して所定の間隔に設定する
   ギャップ用駆動素子とを備えていることを特徴とする請
   求項２記載の試料分析装置。
7. 【請求項７】 上記ギャップ設定手段には上記試料保持
   手段に試料を保持した後で、上記プリズムと上記試料と
   の間隔を検出するギャップセンサが設けられていること
   を特徴とする請求項２または請求項６記載の試料分析装
   置。
8. 【請求項８】 上記チルト調整手段は、第１の揺動体と
   第２の揺動体とを有し、各揺動体は、固定片と、この固
   定片に対して一端が揺動可能に連結された可動片と、こ
   の可動片を揺動駆動する揺動用駆動素子とから構成さ
   れ、上記第１の揺動体の可動片と上記第２の揺動体の可
   動片とは揺動方向をほぼ９０度ずらして配置されるとと
   もに、上記第２の揺動体の可動片には上記ギャップ設定
   手段が取り付けられることを特徴とする請求項２記載の
   試料分析装置。
9. 【請求項９】 上記測定手段は、上記試料保持手段の上
   方に配置されたテ−ブルと、このテ−ブルに上記プリズ
   ムの長手方向と幅方向のうちの少なくとも長手方向に沿
   って走行自在に設けられた可動体と、この可動体に設け
   られ可動体の走行に応じて上記試料保持手段の保持面と
   この保持手段の開口部に露出した上記プリズムとの平行
   度および変位量を測定する測定センサとを具備したこと
   を特徴とする請求項２記載の試料分析装置。
10. 【請求項１０】 上記プリズムに入射する測定光を出射
    する光源と、上記プリズムから出射した測定光を受けて
    この測定光のスペクトルから上記プリズムに対向した試
    料の表面を分析する分析装置とを具備したことを特徴と
    する請求項２記載の試料分析装置。
11. 【請求項１１】 プリズムに測定光を入射させ、このプ
    リズムから出射する上記測定光のスペクトルから上記試
    料の表面を分析する試料分析方法において、 上記試料を保持する試料保持面と上記プリズムの上面と
    の平行度および変位量を測定する第１の工程と、 この第１の工程の測定結果に基づいて上記試料保持面と
    上記プリズムの上面との平行度を設定するとともに上記
    試料保持面に対して上記プリズムの上面を所定量下方に
    変位した位置に設定する第２の工程と、 上記試料保持面に上記試料を保持することで、この試料
    と上記プリズムとの互いに対向する面の間に上記試料保
    持面と上記プリズムとの上面の変位量に応じた間隔を形
    成する第３の工程とを具備したことを特徴とする試料分
    析定方法。