JPS60120235A - 斜入射反射分光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

〔発明の利用分野〕 本発明は試料表面に対して砲斜めに光を入射させ、その
反射光を検出することによって試料表面に吸着した化学
種の吸収スペクトルを高感度に測定する斜入射反射分光
装置に関するものである。 〔発明の背景〕 半導体素子等の製造における微細加工プロセスのドライ
化が進むにつれて、同相−気相界面での反応機構を正確
に理解することが要求されてきつつある。そこで、その
表面反応の初期過程である吸着現象を非破壊で観測する
方法・装置の検討がいく・つかなされている。 これらのなかで、入射光の進行方向を試料表面に対して
平行に近い角度に設定して測定する方法は、例えば、用
材、原町の解説（分光研究、第３１巻第４号１９８２年
２６９ページ）に述べられているように、Ｘ線領域での
全反射−ブラッグ反射測定においてすでに用いられてい
る。この方法によれば、試料表面近傍の結晶構造、試料
表面の層状吸着膜の構造や結合状態に関する情報を得る
ことが可能である。しかしながら、このような測定方法
では試料表面に非層状に吸着している化学種の電子状態
についての詳しい知見を得ることは困難である。 ここで、試料とはことわらない限り、その表面に化学種
が吸着していない、平滑な表面を備える基板を指し、ま
た、試料表面に吸着した化学種とは通常の物理吸着、化
学吸着を含めて試料表面との相互作用のある化学種を意
味している（以下同様）。 また、入射光として偏光面が入射面に平行な直線偏光を
用い、入射光と試料面とのなす角度を２０″から３０″
程度に設定して、試料表面での電場振幅を大きくする測
定方法が、金属試料表面の吸着分子種の赤外領域の反射
分光法に用いられている（末高、分光研究、第３１巻３
号１９８２年１９５ページ）、この測定方法によると、
吸着分子種の振動スペクトルから、吸着分子種と試料と
の結合状態に関する知見が得られる。しかしながら、こ
の測定方法のみからでは、試料の表面反応の機構に関連
するような、電子状態に対する詳細な情報を得ることは
困難である。しかも、この測定方法には、試料が金属の
場合に限られ、その上に吸着種は分子でなければならな
いという、適用範囲上の制限がある。 （発明の目的） したがって、本発明の目的は、試料表面に吸着した化学
種による吸収スペクトルを入射光の試料への透過や試料
での減衰にほとんど影響させることなく、充分な感度で
測定し得る斜入射反射分光装置を提供することにある。 〔発明の概要］ 上記目的を達成するため僧本発明においては、ている物
質の電子吸収スペクトルを測定するものであって、入射
光が可視光あるいは紫外光であり。 かつ、入射光は試料表面に対して所定の視射角度を有す
るようにして斜入射反射分光装置を構成したことを特徴
としている。 かかる本発明の特徴的な構成によって、試料表面に吸着
している化学種の電子吸収スペクトルを高感度に測定で
きる。その上、試料が非光透過性材に限らず光透過性材
であってもよく、また、吸着している化学種が分子でも
原子であっても電子吸収スペクトルを高感度に測定でき
るようになる。

【発明の実施例〕

以下、本発明を図にもとづいて詳細に述べる。 はじめに、本発明の原理について述べる。 物質に、可視、および紫外領域の光が吸収される機構は
、物質中の電子が、その光のエネルギーにより高いエネ
ルギー状態へ遷移する過程として理解できる。したがっ
て、可視、および紫外領域の光の吸収スペクトルは電子
吸収スペクトルと言われる。 試料の表面に吸着されている化学種の電子吸収スペクト
ルは試料の表面に可視、および紫外領域の光を入射させ
、試料表面で反射される光の強度を測定することによっ
てめられることが種々の実験・検討の結果判明した。ま
た、この場合、試料表面に吸着している化学種が原子、
分子のどちらであってもその電子吸収スペクトルを測定
することができることが確認された。しかし、上述の電
子吸収スペクトルは原理的には測定可能材であることが
確認できたものの、測定感度が極めて低いという不都合
を有している。すなわち、試料表面に吸着した化学種の
可視−光あるいは紫外光の定法は、試料での吸収のため
、充分な透過光強度が得られないので適用できない、ま
た、ガラスなどの光透過性材料が試料である場合にも、
二次元的に分布している吸着化学種の光路中の総数がわ
ずかであるため検出感度の点で通常の吸収測定法の適用
が困難である。 そこで、試料での入射光の反射率が充分ｌに近くなるよ
うに視射角の限定を行って１反射光から吸収スペクトル
を測定することによりこの不都合点を解決している。 さらに実験・検討した結果、検出感度を上げるためには
以下のような条件にすればよいことが判明した。 この条件を第１図に示した本発明による装置の強度に対
する反射光３の相対強度は試料１の複素屈折率の実数成
分と虚数成分、試料ｌと入射光２とがなす角０、入射光
２と反射光３とを含む平面５に対する入射光２の偏光方
向に依存する。以下、上記の角θを視射角０、平面５を
入射面５と称する。入射光２が入射面５に対して垂直な
方向６に偏光している場合と、平行な方向７に偏光して
いる場合どについて、相対反射光強度の視射角θに対す
る依存性を計算した結果の例を第２図、第３図に示す。 第２図においては、複素屈折率の実数成分を３．４６．
ｊＪｌ数成分成分、２５としである。また、！Ｊ３図で
は複素屈折率の実数成分を１．５２とし、虚数成分を０
としている。これらの複素屈折率は、第２図の場合はタ
ングステン、第３図の場合はガラスの可視光に対する値
にほぼ対応している。第２図のカーブ８と第３図のカー
ブ９は第１図における入射光２が入射面５に対し垂直方
向６に偏光している場合のものである。第２図のカーブ
１０と第３図のカーブ１１は第１図における入射光２が
入射面５に対し平行方向７に偏光している場合のもので
ある。第２図、第３図かられかるように、第１図におけ
る入射面５に対して垂直方向６に偏光した入射光２を用
いると、視射角θの広い範囲にわたって１に近い相対反
射光強度を得ることができる。これを実際に確認するた
めに、種々の材質の試料１について実験した結果、試料
ｌが半導体、金属などの非光透過性材質の場合、この視
射角θを５°以内にしておけば、入射光２の９０％以上
が試料１から反射されるので、試料１自身に起因する光
の損失は実用上無視できることがわかった。また、視射
角θが上記の範囲の場合、第１図における試料１の光照
射部分１２の面積が入射光２の断面１３の面積の１０倍
以上となる。さらに試料１の材料として、ガラスなどの
光透過性材質のものを対象とする場合には、視射角θを
１＠以内に設定することにより、上記と同様な条件が得
られる。このことは入射光２が紫外光であっても全く同
様であった。このような条件下で、入射光２の波長を変
えながら、相対反射光強度を記録すると、第１図におけ
る試料１上の広い面積に吸着した化学種１４の吸収スペ
クトルを、試料１による光の損失に影響されることなく
、充分な感度で測定できることが確認された。 次に、本発明による斜入射反射分光装置の具体的な実施
例を図を用いて説明する。第４図は、本発明による分光
装置の基本構成を示したものである。入射光供給部Ａは
波長範囲が約２００μｍから約７００ＪＩＩ１１ノ可視
、紫外波長可変光Ｆｓ１５、偏光子１６、ピンホール１
７．１８より構成される。 試料部Ｂは両端に石英材の光学窓１９，２０、試料ｌを
保持する試料保持台２１を備えた真空容器２２から成る
１反射光検出部Ｃはピンホール２３、偏光子２４、光検
出器２５から構成される。試料１に対する入射光２の視
斜角θは上述の条件を満たすように設定される。入射光
供給部Ａから出た入射光２は石英窓１９を通り真空容器
２２の中の試料１に照射され、その反射光３は石英窓２
０、偏光子２４を経て、光検出器２５で受光される。 第４図における入射光供給部Ａでは光源１５から出た光
のうち、偏光子１６により偏光面が入射面に対して垂直
な直線偏光成分のみを取り出し、これをピンホール１７
．１８により平行光としている。この入射光供給部Ａの
別の実施例を第５図に示す。光＠１５、レンズ２６，２
７．２Ｂ、ピンホール２９、偏光子３０、光チヨツパ−
３１から成るこの入射光供給部Ａにおいては、光ｗＡ１
５から出た光はレンズ２６によりピンホール２９上に集
光され、レンズ２７．２８によって平行光とされる。こ
の平行光を偏光子３０に導き、偏光成分の分離を行う。 偏光成分の一方３２は大村光強度の参照用とし、他方を
試料】への入射光２とする。 入射光２は光チヨツパ−３１により断続し、位相検出法
を用いることにより検出感度の向上を行う。 第６図、第７図、第８図は光源１５の具体的な実流側で
ある。第６図において、光源１５はホローカソードラン
プ３３、電磁石３４．１／４波長板３５から成る。磁場
中の原子準位に対するゼーマン効果を利用したこの光源
１５では、ホローカソードランプ３３を電磁石３４の中
に挿入し、電磁石３４に流す′ｒ！ｉ流を変えて、上記
効果により原子の線スペクトルの波長を変化させる。第
６図に示すように、光軸と平行に磁場を印加する場合は
、得られる光が一般に円偏光であるので、１／４波長板
を通し、直線偏光を得る。光軸に垂直に磁場を印加する
こともできることは言うまでもない、。 第７図において、電源１５はキセノンアークランプ３６
、ｊノノズ３フ、分光器３８から成る。キセノンアーク
ランプ３６から出る連続光を、レンズ３７により分光器
３８のスリットーヒに集光して単色光を得る。第８図に
おいて、光源１５は、波長可変の色素レーザー、あるい
は波長可変のエキシマ−レーザー３９により構成される
。 以上に述べた装置によると、面密度が１０１３個／ｃ１
１２程度、すなわち平均間隔が３０人程度の吸着化学種
であっても、充分な感度でその電子吸収スペクトルが得
られた。 〔発明の効果〕 このように、本発明によれば、試料表面に吸着した化学
種の可視、紫外光領域の電子吸収スペクトルを、試料に
より阻害されることなく、充分な感度で測定することが
できる。 本５発明を利用して得られる吸着化学種の電子吸収スペ
クトルを、同じ化学種が自由に存在している場合の電子
吸収スペクトルと比較すると、そのスペクトルの差異か
ら吸着によってひき起こさハる電子状態の変化について
詳しい知見が得られるこのような情報は、例えば半導体
ドライプロセス技術の基礎である、表面反応の初期過程
を理解する上で重要な手がかりとなるものであり、より
高度なプロセス技術をＭＭする上において、不可欠なも
のである。 また、本発明では、試料表面への電子線、イオン線など
の粒子線の照射を行わず、しかも試料表面からの電子放
出、イオン放出なども併わない、という特徴がある。し
たがって１本発明は、光電子分光装置、および電子線や
イオン線を用いた表面計測装置と比較して、表面状態を
乱すことが少ないという点ですぐれたものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のＪＩＫ理を説明するだめの原理構Ｖ図
、第４図は本発明による斜入射反射分光装置の一実施例
の基本構成を示すブロック図、第５図は本発明の入射光
供給部Ａの別の実施例を示す構成図、第６図、第７図、
第８図は本発明の光源１５の実施列を示す構成図である
。。 ■・・・試料、２・・・入射光、３・・・反射光、θ・
・斜射角、５・・・入射面、トド・・吸着化学種、１５
・・・光源。 １６．２ノ１．３０・・・偏光子、１７．１８，２３゜
２９・・・ピンホール、１９．２０・・・石英窓、２１
・・・試料保持台、２２・・・真空容器、２５・・・光
検出器、２Ｇ、２７，２８．３７・・・レンズ、３１・
・・光チヨツパ−，３２・・・参照光、３３・・・ホロ
ーカソードランプ、３４・・・電磁石、３５・・・１／
４波長板、３６・・・キセノンアークランプ、３８・・
・分光器、３９・・・波長可変エキシマ−レーザー、あ
るいは波長可変色素レーザー。 萼２呂 ネ克　槍１馬　０　（魔　） 茅３０ ネｕ”ｒ内６＜ＩＬ　＞ ′４４−図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、試料の表面に光を入射させ、上記試料表面で反射さ
   れる光の強度を検出することによって上記試料表面に吸
   着されている物質の電子吸収スペクトルを測定するもの
   であって、上記入射光が可視光あるいは紫外光であり、
   かつ、上記入射光は上記試料表面に対して所定の視射角
   度を有してなることを特徴とする斜入射反射分光装置。 ２、上記入射光は偏光面が入射面に対して垂直な直線偏
   光であることを特徴とする第１項の斜入射反射分光装置
   。 ３、上記試料が非光透過材からなり、かつ、上記視射角
   度が５°を越えないことを特徴とする第２項の斜入射反
   射分光装置。 ４、上記試料が光透過材からなり、かつ、上記視斜角度
   が１°を越えないことを特徴とする第２項の斜入射反射
   分光装置。