JPS61219840A - 波長走査型発光スペクトル分析器 - 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】 ［発明の技術分野］ 本発明は音叉発振器を用いて光スペクトル強度測定にお
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
走査型発光スペクトル分析器に関する。

［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、プラズマアッシング、リアクティブイオン
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６図（ａ）に示すように、発光ス
ペクトル分析器を用いてエツチング処理中に放出される
プラズマスペクトル特性を測定する。そして、測定され
たスペクトル特性中における顕著な例えば３０８２人の
輝線スペク１〜ルＡに検出波長λを固定してこの輝線ス
ペクトルＡの強度を連続測定する。そして、第６図（ｂ
）に示すようにこの波長３０８２人の輝線スペクトル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。

しかしなかから、一般にプラズマスペクトル特性には目
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
妨害スペクトルに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。従って、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中から捜す必要が
ある。このよう゛な考えでもって第６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人近傍の波
長λ０の輝線スペクトルＢが発見される。したがって、
発光スペクトル分析器の検出波長λをこの輝線スペクト
ルＢの中心波長λ０に合せて、この輝線スペクトルＢの
強度変化を検出することによって、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λをλ０に固定し
て発光スペクトル分析器でもって輝線スペクトルＢの強
度変化を連続測定することによって、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２口の輝線スペクトルＢ
は図示するように広いバックグラウンドスペクトルにｆ
ｆ１ｉ２している場合が多い。例えば第６図（ａ）にお
いて輝線スペクトルＢ全体の強度をＣ、バックグラウン
ドスペクトルの強度をｂとし、バッ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、実際の発光スペクト
ル分析器においてはバックグラウンドスペクトル強度す
を含んだ全体のスペクトル強度Ｃが測定される。

一般に、従来の発光スペクトル分析器におけるスペクト
ル強度の測定精度は高々０．１％のオーダである。した
がって、検出すべきスペクトルの変動強度ａがバックグ
ラウンドスペクトルの強度すに対してａ／ｂ＜１０’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、バックグラウンドスペ
クトルの強度すが大きい程、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ＩＣ素子のプラズマアッシング
工程においては上記変動強度ａの直が第６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が零になっ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った。

［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
よって、たとえバッ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、精度よくかつ応答特性よく測定で
きる波長走査型発光スペクトル分析器を提供することに
ある。

［発明の概要］ 本発明の波長走査型発光スペクトル分析器は、測定すべ
き光の光束を反射させるための平面鏡を有し、該平面鏡
により反射された反射光束を所定の周波数で振動させる
とともに該所定の周波数で振動させた前記反射光束の振
動振幅を検出する振動振幅検出装置を有する音叉発振器
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、該回折格子を回動させて前記反射光束の前記回折格
子に対する入射角度を連続変化させる波長走査機構と、
前記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走査型発
光スペクトル分析器であって、各波長におけるスペクト
ル強度を検出するものである。

［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図は実施例の波長走査型発光スペクトル分析器の概
略構成を示す模式因である。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１Ｉｉ１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にて入口スリット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
ｌｔ８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２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。したがって、第１の平面＆！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固定部に対して回
動自在に取付けられたブレーズ型の回折格子１１へ入射
される。この回折格子１１にて、格子寸法等にて定まる
波長のスベ′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ット１３が配設されており、こ
の出口スリット１３の裏面に隣接して、前記コレクタ１
２にて反射され出口スリット１３上に結像した振動スペ
クトルを受光してこのスペク１−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から出力された直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６図における全強度Ｃを出力する出力端
子１６へ出力される。また、前記光電変換器１４の電気
信号ではコンデンサ１７からなるバイパスフィルタでも
っ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でもって前記音叉発振器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。

また、図中２０は回折格子１１を回動させてコリメータ
９からこの回折格子１１へ入射される振動光の中心入射
角度θａを連続変化させる波長走査機構であり、この波
長走査機構２０において、ケース３に刻設されたネジ穴
に螺合するネジ棒２０ａの一端に取付けられた調節つま
み２０ｂを回転させると、ネジ棒２０ａの他端近傍に取
付けられた係止部材２０ｃの水平位置が移動する。係止
部材２０Ｃの水平位置が移動すると、回動輪２０ｄにて
固定部に対して回動自在に取付けられた回折格子１１の
回動アーム２０ｅが移動して、回折格子１１が回動する
。その結果、上記振動光の中心入射角度θ０が変化する
。中心入射角度６口が変化すると、この回折格子１１か
ら出力されコレクタ１２へ入射する振動回折スペクトル
の中心波長２口の値が変化する。

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１２１にコンデンサレンズ２
２を介してＬＥＤ等の発光素子で構成された発光装置２
３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！１２１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
定するポジショ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２５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ｅ３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、０字部３１は一例として外径がほぼ２ｍ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、０字部３１の長さはほぼ３０Ｉ
ＩＩＩＩであり、幅はほぼ１０顛である。この０字部３
１の各自由端に７ＭＸ５ｍ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０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０字部３１
の形状、材質等にて定まるが前述の寸法を採用すること
によって、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を示すブロック図である。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
ジションセンサであり、このポジションセンサ３５は、
素子上の照射スポッ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ット移動によ
って検出するものである。ポジションセンサ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
の振動に伴なって変化する振動振幅信号としての交流信
号０里に変換される。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
りされる出力電圧Ｅｉ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は出力電圧Ｅｌ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ｅｌは
移相回路４２へ入力され、この移相回路４２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、ゲイン副葬増幅器４１は入力した整合
信号ｅ２を前記制御信号電圧Ｅ４で定まる増幅率で増幅
して、前記Ｕ字形音叉７の電磁コイル１０の駆ｉｌｌ電
流Ｉ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つから出力される偏差電圧Ｅ
３がＯとなる。したがって、積分回路４０から出力され
る制御信号電圧Ｅ４の値は変化しない。その結果、Ｕ字
形音叉７の振動振幅Ｗ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Ｅ
３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Ｗ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。したがって、逆に振幅設定器３８の設定電圧Ｅ２を
変更することによりＵ字型音叉７の振動振幅Ｗを任意に
変更できる。

このように構成された波長走査型発光スペクトル分析器
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ｌｌｌ１ｌスペクトルＢの中心波
長λａを中心としてこの周辺（λ口±、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（リップル成分）が重畳した
波形りとなる。この波形りの交流成分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。したがって、
この波形りを周波数２Ｆで、波長変調に同期させて検波
すればち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）に示すように強度す
の広帯域のバッ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をバイパスフィル
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。

また、バイパスフィルタを通さずに直接直流増幅器で増
幅すると輝線スペクトルＢの全強度Ｃを得ることができ
る。

この原理を第１図の波長走査型発光スペクトル分析器に
ついて説明すると、入口スリット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Ｍ８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Ｗ２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も中心入射角度θ８を中
心として一定の角度範囲（θ口±Δθ）で振動する。そ
の結果、出口スリット１３上には波長２口±Δλの振動
スペクトルが結像する。したがって、その振動スペクト
ルの中心位置に形成された出口スリット１３から漏出る
スペクトルは第４図（ｂ）の波形りに示すように、直流
成分ｅに交流成分ｄが重畳した波形となる。この波形り
は光電変換器１４にて電気信号ｆに変換される。したが
って、コンデンサ１７で直流成分ｅ除去され、同期検波
回路１８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によっ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。

また、電気信号ｆを直接増幅する直流増幅器１５の出力
信号は輝線スペクトルＢのバックグラウンド強度すおよ
び変動強度ａを加えた全強度Ｃに対応した値となる。

次に波長走査機構２０の調節つまみ２０ｂを回転すると
、回折スペクトルの中心波長λａが順次ずれていく。そ
の結果、第６図に示した広い波長範囲のスペクトル特性
が得られる。

第５図はその実測例である。第５図のＥは直流増幅器１
５の出力信号から得られたスペクトルであり、Ｆは同期
検波回路１８から得られたスペクトルであって、スペク
トルＥにあるビークＧはスペクトルＦ上の大きなビーク
Ｈとして検出されていることが理解できる。

このように、第４図の直流成分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におけるバックグラウンドの強度すを除去し
て変動強度ａのみを精度よく測定できる。また、この測
定方法であるとバックグラウンドの強度すが変動しても
、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。したがって、従来光スペク
トル分析器のように測定する波長の値を２口に固定して
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、同期検波回路１８内において、同期検波後の
信号をローパスフィ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
一定水準以上に保っためには、このローパスフィルタの
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太き（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Ｍ８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走査型発光スペクトル分析器
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２Ｋ）１２程度の高い振動周波数を得
ることが可能である。従って応答特性を改善することが
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ｌ！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。

このように構成された波長走査型発光スペクトル分析器
でもって半導体ＩＣ素子のプラズマエツチング処理工程
におけるエツチング終了を検出する場合、まず、第１図
の波長走査機構２０にて調定波長λを短波長から長波長
まで変化させて、直流増幅器１５を介した出力端子１６
から出力されるエツチング処理動作時における第６図（
ａ＞に示すプラズマスペクトル特性を求める。次に同様
の操作手順にて明らか、にエツチング処理が終了したと
考えられる時刻における第６図（ｂ）に示すプラズマス
ペクトル特性を求める。そして、両特性間の差が最も顕
著な輝線スペクトルＢを求める。

そして、波長走査機構２０にて分析器の測定波長λをＩ
ＩＷＡスペクトルＢの中心波長λ０に設定する。

以上の準備作業が終了すると、実際のプラズマエツチン
グ処理開始からの輝線スペクトルＢの変動強度ａを同期
検波回路１８を介した出力端子からの直流電圧を連続測
定する。そして、その出力特性値が零に変化した時をエ
ツチング終了時刻と判断する。

このように本発明によって、高速な波長変調を可能にし
たので発光スペクトルの変化が速いプラズマエツチング
、プラズマＣＶＤ等における微少なスペクトル変動をも
精度よくかつ応答特性よく測定することが可能である。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
い。コンデンサレンズ４の前に吸収セルを配置して、ガ
ス又は液体の吸収スペクトル変化から上述したアンモニ
ア分析器のようにガス濃度。

液体濃度の測定を行なうことも可能である。

［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
ることによって、たとえパックグラウンドスペクトルの
強度が大きくとも、目８１１１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、精度よくかつ応答特
性の感度よく測定できる。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の一実施例に係わる波長走査型発光スペクト
ル分析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ック図、第４図は動作原理を
説明するための図、第５図は実測例を示す図、第６図は
プラズマスペクトル特性図である。 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・・・入ロス
リッ１〜．６・・・音叉発振器、７・・・Ｕ字形ｇ叉、
８・・・第１の平面鏡、９・・・コリメータ、１ｏ・・
・電磁コイル、１１・・・回折格子、１２・・・コレク
タ、１３・・・出口スリット、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、２０・・・波長走査機構、２１・・
・第２の平面鏡、２３・・・発光装置、２４・・・検出
光、２５・−・振幅測定器、２６・・・音叉駆勅回路、
３１・・・Ｕ字部、３２・・・脚部、３４・・・発光素
子駆動回路、３５・・・ポジションセンサ、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、４
３・・・波形整形回路。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第４図 （ａ）　　　　　　（ｂ）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）測定すべき光の光束を反射させるための平面鏡を
   有し、該平面鏡により反射された反射光束を所定の周波
   数で振動させるとともに該所定の周波数で振動させた前
   記反射光束の振動振幅を検出する振動振幅検出装置を有
   する音叉発振器と；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； 該回折格子を回動させて前記反射光束の前記回折格子に
   対する入射角度を連続変化させる波長走査機構と； 前記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
   波回路とを備えたことを特徴とする波長走査型発光スペ
   クトル分析器。
2. （２）音叉発振器は、Ｕ字形音叉と； 該Ｕ字形音叉を駆動するための電磁コイルと；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
   束を反射させるための第１の平面鏡と； 前記Ｕ字形音叉の他方の自由端に装着され前記反射光束
   の振動振幅を検出するための第２の平面鏡と； 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と； 前記第２の平面鏡にて反射された前記検出光を受光し、
   該反射された検出光の振動振幅を測定する振幅測定器と
   ； 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と
   を具備することを特徴とする特許請求の範囲第（１）項
   記載の波長走査型発光スペクトル分析器。