測定装置及びプラズマ処理装置
【課題】波長分解能を上げ、測定可能な被検体の範囲を広げた測定装置とプラズマ処理装置の提供。
【解決手段】厚さＤのウエハＷの表面を反射した光とウエハＷの裏面を反射した光とを入射光として分光する回折格子１０４と、回折格子１０４により分光された光を受光し、受光した光のパワーを検出するフォトダイオードをアレイ状に複数設けたフォトダイオードアレイ１０８と、フォトダイオードアレイ１０８に取り付けられ、入力された電圧を力に変換する圧電素子２００と、を備え、フォトダイオードアレイ１０８は、圧電素子２００により変換された力によって前記アレイ方向の各フォトダイオードの幅ｄに対してｄ／ｍ（ｍは２以上の整数）の変位まで移動したとき、前記受光した光のパワーを検出する、ことを特徴とする。
【解決手段】厚さＤのウエハＷの表面を反射した光とウエハＷの裏面を反射した光とを入射光として分光する回折格子１０４と、回折格子１０４により分光された光を受光し、受光した光のパワーを検出するフォトダイオードをアレイ状に複数設けたフォトダイオードアレイ１０８と、フォトダイオードアレイ１０８に取り付けられ、入力された電圧を力に変換する圧電素子２００と、を備え、フォトダイオードアレイ１０８は、圧電素子２００により変換された力によって前記アレイ方向の各フォトダイオードの幅ｄに対してｄ／ｍ（ｍは２以上の整数）の変位まで移動したとき、前記受光した光のパワーを検出する、ことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定装置及びプラズマ処理装置に関する。特に、被検体を光学的に測定する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、半導体ウエハ（以下、ウエハと称呼する。）にエッチングや成膜等を施す場合、ウエハの温度制御は、ウエハの成膜レートやエッチングレートに関与し、ウエハに形成される膜の性質やホールの形状等に影響を与える。よって、ウエハの温度制御の精度を高めることは、ウエハの加工精度を高め、歩留まりを良好にし、生産性を向上させるために極めて重要である。
【０００３】
このため、従来から、ウエハ裏面の温度を測定する蛍光式温度計や抵抗温度計等を用いたウエハの温度測定方法が提案されている。特許文献１には、光源と、光源からの光を測定光と参照光とに分ける手段と、分けられた参照光を反射させるとともに前記反射した参照光の光路長を変化させる手段と、ウエハに測定光を照射させ、ウエハを反射した測定光と前記参照光との干渉状態を検出する光検出器とを有し、測定光及び参照光の干渉状態からウエハの温度を測定する装置が開示されている。
【０００４】
一方、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）アレイやフォトダイオードアレイを検出器に用いた分光器を用いれば、アレイ状に並んだ光検出素子によって瞬時に分光データを取得することができる。分光データは、分光器に入射された光の特性を示すから、これを利用してウエハの温度を測定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１９９５２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ＣＣＤアレイやフォトダイオードアレイを用いた分光器では、素子数により波長分解能又は波長軸のサンプリング数が決まり、素子数以上に波長分解能を上げることは物理的に無理であった。また、波長分解能は、可視領域で３６４８個、赤外領域で５１２個〜１０２４個と限られ、それ以上に波長分解能を上げることはできなかった。このため、特に、赤外光を用いると、可視光に比べて高分解の分光ができなかった。
【０００７】
一方、波長分解能と測定可能な被検体の厚さとには相関関係があり、波長分解能が低いほど、測定可能な被検体の厚さが限られてしまう。その結果、現状では、通常のＣＣＤアレイやフォトダイオードアレイで測定可能な被検体の厚さはかなり薄いものに限られていた。例えば、プラズマ処理装置では、ウエハの厚さ程度なら測定できるが、フォーカスリング等、ある程度厚みのある部材は測定できなかった。
【０００８】
上記課題に対して、本発明の目的とするところは、波長分解能を上げ、測定可能な被検体の範囲を広げることが可能な、測定装置及びプラズマ処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、厚さＤの被検体の表面を反射した光と前記被検体の裏面を反射した光とを入射光として分光する波長分散素子と、前記波長分散素子により分光された光を受光し、受光した光のパワーを検出する光検出素子をアレイ状に複数設けた検出器と、前記検出器に取り付けられ、入力された電圧を力に変換する圧電素子と、を備え、前記検出器は、前記圧電素子により変換された力によって前記アレイ方向の各光検出素子の幅ｄに対してｄ／ｍ（ｍは２以上の整数）変位したとき、前記受光した光のパワーを検出する、ことを特徴とする測定装置が提供される。
【００１０】
前記検出器は、前記検出器の変位がｄより小さい場合であって、前記変位が０に等しいとき、及びｄ／ｍ（ｍは２以上の整数）だけ変位する毎に、前記受光した光のパワーを検出してもよい。
【００１１】
前記光検出素子により検出された光のパワーの周波数解析に基づき、前記被検体の温度を測定する測定部を更に備えてもよい。
【００１２】
前記圧電素子は、前記アレイ状に設けられた複数の光検出素子の端部に取り付けられていてもよい。
【００１３】
前記検出器は、ＣＣＤアレイ又はフォトダイオードアレイであってもよい。
【００１４】
前記測定装置は、ツェルニーターナー型の分光器であってもよい。
【００１５】
前記測定部は、前記被検体の厚さが次の式で表される最大値Ｘｍａｘ以内の場合、前記被検体の温度を測定可能である。
【数１】
ただし、λ０２は光源の中心波長、ｎａｖｅは被検体の屈折率、Δｗは測定装置の波長スパン、Ｎは光検出素子の個数（サンプリング数）である。
【００１６】
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、内部にて被処理体にプラズマ処理を施すチャンバと、前記チャンバ内にて被処理体を載置するサセプタと、前記サセプタに載置された被処理体の温度を測定する測定装置と、を備え、前記測定装置は、厚さＤの被検体の表面を反射した光と前記被検体の裏面を反射した光とを入射光として分光する波長分散素子と、前記波長分散素子により分光された光を受光し、受光した光のパワーを検出する光検出素子をアレイ状に複数設けた検出器と、前記検出器に取り付けられ、入力された電圧を力に変換する圧電素子と、を備え、前記検出器は、前記圧電素子により変換された力によって前記アレイ方向の各光検出素子の幅ｄに対してｄ／ｍ（ｍは２以上の整数）変位したとき、前記受光した光のパワーを検出する、ことを特徴とするプラズマ処理装置が提供される。
【００１７】
前記光検出素子により検出された光のパワーの周波数解析に基づき、前記被検体の温度を測定する測定部を更に備えてもよい。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように本発明によれば、波長分解能を上げることが可能な、測定装置及びプラズマ処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係る測定システムの全体構成図である。
【図２】一実施形態に係る測定装置の概略構成図である。
【図３】一実施形態に係るフォトダイオードアレイの変位を説明するための図である。
【図４】一実施形態に係る測定装置による温度測定方法を説明するための図である。
【図５】一実施形態に係る測定装置を組み込んだプラズマ処理装置の縦断面図である。
【図６】比較例に係る可動ミラーを用いた測定システムである。
【図７】比較例に係る干渉波形の例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００２１】
（はじめに）
はじめに、後述する本実施形態に係る測定システムとの比較例として、可動ミラーを用いた測定システムについて、図６を参照しながら説明する。比較例に係る測定システム９９では、タイムドメインに着目した温度測定方法を提供する。
【００２２】
まず、光源９２から出力された光は、スプリッタ９４にて測定光Ｌｓと参照光Ｌｒとに分けられる。参照光Ｌｒは、可動ミラー９６にて反射する。測定光Ｌｓは、ウエハＷに照射され、ウエハＷにて反射し、更にスプリッタ９４にて反射する。フォトダイオード９０（フォトディテクタ）は、ウエハＷを反射した測定光Ｌｓと可動ミラー９６を反射した参照光Ｌｒを入射光として受光する。可動ミラー９６は、上下に可動させながら前記反射する参照光Ｌｒの光路長を変化させる。スプリッタ９４から可動ミラー９６までの距離と、スプリッタ９４からウエハＷまでの距離が等しくなると干渉が起こる。可動ミラー９６を可動させ、移動量に対してフォトダイオード９０で得られる光強度変化をモニターする。図７は、モニター結果として、測定光Ｌｓの長さに対するフォトダイオード９０（フォトディテクタ）の出力を示す。図７では、ｎＤ毎に干渉波形が得られることが示されている。ここでは、可動ミラー９６を移動させ、参照光Ｌｒの光路長を変化させることにより、ウエハＷの表面及び裏面で反射した測定光Ｌｓと参照光Ｌｒが干渉する。このようにして、測定光Ｌｓと参照光Ｌｒの光路長とが一致した場所で強く干渉が起こり、それ以外の場所では干渉は実質的に低減されるという特質を利用して、ウエハＷの表面での干渉と裏面での干渉の間隔ｎＤを検出し、検出結果からウエハＷの温度を測定する。
【００２３】
しかしながら、上記比較例では、可動ミラー９６は、可動による振動を小さく抑えるためにゆっくりとしか動かせなかった。この結果、測定時間内のサンプリング数が少なくなり、計測のインターバルが長くなるという問題があった。更に、この測定装置では、光路長を１０−１ｍｍのオーダーで合わせる必要があり、そのためにシステムが大きくなるという問題もあった。
【００２４】
これに対して、本実施形態に係る測定システムは、図１に示したように、可動ミラーが存在しない。よって、可動ミラーの振動に関する問題が生じない。また、図１の下側に拡大図で示したように、本実施形態に係る測定システムは、ウエハＷの表面を反射する光Ｌ１と裏面を反射する光Ｌ２との干渉を測定していて、比較例のような光路長の干渉の測定ではない。よって、本実施形態にかかる測定装置では、可動ミラーによる光路長のずれが生じないため、温度測定精度が低くなるという問題も生じない。また、これにより測定装置をコンパクトに作製でき、製造コストを低く抑えることができる。
【００２５】
一方、本実施形態に係る測定装置では、アレイ状の検出器を持つ分光器が必要である。例えば、ＣＣＤアレイやフォトダイオードアレイを検出器に用いた分光器を用いれば、アレイ状に並んだ光検出素子により瞬時に分光データを取得することができる。
【００２６】
しかしながら、ＣＣＤアレイやフォトダイオードアレイを用いた分光器では、光検出素子の数により波長分解能又は波長軸のサンプリング数が決まり、素子数以上に波長分解能を上げることは物理的に無理であった。
【００２７】
一方、波長分解能と測定可能な被検体の厚さとには相関関係があり、波長分解能が低いほど、測定可能な被検体の厚さが限られてしまう。その結果、現状では、通常のＣＣＤアレイやフォトダイオードアレイで測定可能な被検体の厚さはかなり薄いものに限られていた。例えば、プラズマ処理装置では、ウエハの厚さ程度なら測定できるが、フォーカスリング等、ある程度厚みのある部材は測定できなかった。
【００２８】
［測定システムの構成］
これに対して、本実施形態に係る測定システムでは、アレイ状の検出器の波長分解能を上げ、ある程度厚みのある部材の測定を可能とする。以下に、本実施形態に係る測定システム及び測定システム内に設けられた測定装置について説明する。
【００２９】
本実施形態に係る測定システムでは、周波数ドメインに着目した温度測定方法を提供する。図１は、本実施形態に係る測定システム１０の全体構成を示し、図２は本実施形態に係る測定装置１５０の構成を示す。
【００３０】
測定システム１０は、光源１０５、ハーフミラー１１０及び測定装置１５０を有している。測定装置１５０は、分光器１００及び制御器１２０を有する。ここでは、測定装置１５０は、被検体の温度を測定する非接触温度計として使用されるが、用途はこれに限らず、測定された光の特性に基づき被検体の状態を測定するために用いることができる。
【００３１】
光源１０５から出力された光は、ハーフミラー１１０を透過して被検体としてのウエハＷに照射され、ウエハＷを反射する。反射光には、ウエハＷの表面を反射した反射光Ｌ１と、ウエハＷの裏面を反射した反射光Ｌ２とがある。反射光Ｌ１と反射光Ｌ２とは、ウエハＷの厚さＤの往復の長さ２Ｄだけずれている。反射光Ｌ１、Ｌ２は、ハーフミラー１１０を反射して分光器１００に入射される。
【００３２】
分光器１００は、図２に示したように、ツェルニーターナー型の分光器であり、波長分散素子を用いて測定光を波長毎に分光し、任意の波長幅に存在する光のパワーを求め、求められた光のパワーから測定光の特性を測定する機能を有する。
【００３３】
分光器１００は、入力スリット１０１、ミラー１０２、回折格子１０４、ミラー１０６及びフォトダイオードアレイ１０８を有している。ミラー１０２及びミラー１０６は、入射光を所望の方向に反射するように設置されている。ミラー１０６で反射された光は、フォトダイオードアレイ１０８に入射する。
【００３４】
入力スリット１０１から入射された光は、凹面状のミラー１０２を反射し、回折格子１０４に照射される。回折格子１０４は、厚さＤのウエハＷの表面を反射した光とウエハＷの裏面を反射した光とを入射光として分光する。反射光または回折光のうち、特定波長の光は平面状のミラー１０６により反射されてフォトダイオードアレイ１０８に入光する。フォトダイオードアレイ１０８は、その光のパワーを検出する。
【００３５】
回折格子１０４は、厚さＤのウエハＷの表面を反射した光とウエハＷの裏面を反射した光とを入射光として分光する波長分散素子の一例である。波長分散素子の他の例としては、プリズムが挙げられる。
【００３６】
フォトダイオードアレイ１０８は、分光された光を受光し、受光した光のパワーを検出する光検出素子(フォトダイオード)をアレイ状に複数設けた検出器の一例である。フォトダイオードアレイ１０８としては、例えば、アレイ状のＳｉフォトダイオード、ＩｎＧａＡｓフォトダイオード、Ｇｅフォトダイオードなどを用いたＰＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）により構成される。図３のフォトダイオードアレイ１０８では、１２個の短冊状のフォトダイオード１０８ａがアレイ方向に配列されているが、点状のフォトダイオード１０８ａがアレイ方向に複数個配列されていてもよい。検出器の他の例としては、ＣＣＤアレイが挙げられるが、これらに限らず、アレイ状の光検出素子を有する検出器であればいずれを用いることもできる。
【００３７】
フォトダイオードアレイ１０８の各光検出素子は、受光した光のパワーに応じた電流（光電流）を発生し、この光電流を分光器の検出結果として出力する。各素子には、予め特定の波長が割り付けられている。各素子に割り付ける特定の波長は、光が回折格子１０４によって波長毎に分光されて、フォトダイオードアレイ１０８にて収束する位置と対応している。よって、各素子は、各素子に割り付けられた特定の波長の光のパワーに応じた電流（光電流）を発生する。
【００３８】
フォトダイオードアレイ１０８の端部には、圧電素子２００が取り付けられている。圧電素子２００は、圧電体を２枚の電極で挟んだ素子であり、電極に所望の電圧を印加することにより、その電圧を力に変換する機能を有する。圧電素子２００は、所定のタイミングに所定量だけフォトダイオードアレイ１０８を振動させる。
【００３９】
制御器１２０は、分光器１００の各部を駆動するとともに、分光器１００により検出された各波長の光のパワーに基づき、被検体の温度を測定する。制御器１２０は、同期部１２１、ドライバ１２２、駆動部１２４、測定部１２６及び記憶部１２８を有している。同期部１２１は、同期信号を出力する。ドライバ１２２は、同期信号に従って圧電素子２００に所望の電圧を印加する。
【００４０】
図３は、圧電素子２００に所望の電圧を印加したときのフォトダイオードアレイ１０８の状態を模式的に示した図である。フォトダイオード１０８ａがアレイ状に並んだ方向（図３では紙面の左右方向）をアレイ方向とする。ここでは、フォトダイオード１０８ａのアレイ方向の幅をｄで示す。圧電素子２００は、加えられた電圧を力に変換し、フォトダイオードアレイ１０８をアレイ方向に動かす。例えば、図３では、フォトダイオードアレイ１０８が、圧電素子２００により加えられた力によって、変位０の状態からアレイ方向にｄ／２だけ変位した状態まで動いたことを示している。
【００４１】
駆動部１２４は、同期部１２１から出力された同期信号に従って、フォトダイオードアレイ１０８の接続を各フォトダイオード１０８ａに順番に切り替え、各フォトダイオード１０８ａにて検出された光パワーの検出信号（光電流）を所望の電気信号に変換して出力する。
【００４２】
測定部１２６は、検出された光のパワーに基づき、入射光の特性を測定する。本実施形態では、測定部１２６は、検出された光のパワーのＦＦＴ（ＦＦＴ：Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）方式の周波数解析に基づき、被検体であるウエハＷの温度を測定する。計測結果は、記憶部１２８に記憶される。以下に具体的な温度測定方法を説明する。
【００４３】
フォトダイオードアレイ１０８による検出結果は、図４（ａ）に示したように、光パワー（光強度）を波長λの関数としてプロットすることにより、光スペクトル（光のパワー）として得られる。
【００４４】
図４（ａ）では、図３の上側のフォトダイオードアレイ１０８の位置（変位０）で、各素子にて検出された分光データと、図３の下側のフォトダイオードアレイ１０８の位置（変位ｄ／２）で、各フォトダイオード１０８ａにて検出された分光データとを簡略化して示した図である。
【００４５】
図４（ａ）では、４個のフォトダイオード１０８ａにて検出された光パワーのみが示されている。変位０では、４個のフォトダイオード１０８ａは、波長λ１、λ２、λ３、λ４の光のパワーを検出している。
【００４６】
図３の下側のフォトダイオードアレイ１０８の位置（変位ｄ／２）では、４個のフォトダイオード１０８ａは、波長λ１−Δλ／２、λ２−Δλ／２、λ３−Δλ／２、λ４−Δλ／２の光のパワーを検出している。つまり、フォトダイオードアレイ１０８をｄ／２だけずらすと、Ｎ個の素子数のフォトダイオードアレイ５０８で２Ｎ個の分光データをサンプリングすることができることがわかる。これは、波長分解能が素子数の２倍になったことに等しくなる。
【００４７】
波長分解能が２倍になった分光データをＦＦＴ方式で周波数解析すると、図４（ｂ）に示したように、厚さＤのウエハＷの表面で反射した反射光Ｌ１と裏面で反射した反射光Ｌ２とのシリコン中の往復の光路長２Ｄの整数倍ｎ（ｎ＝１以上の整数）の位置で、光の振幅の光スペクトラムが出力される。
【００４８】
図４（ｃ）に示したように、ウエハＷの厚さＤの整数倍ｎと温度Ｔｓとの関係は予め算出されている。ここで、ウエハＷが加熱されると熱膨張によりウエハＷの厚さＤは厚くなり、屈折率が大きくなる。よって、温度が上がるとシリコン中の片道の光路長Ｄの整数倍ｎの長さｎＤがずれる。この値ｎＤのずれ量Ｃから温度Ｔを検出する。このようにして、分光データの周波数解析により求められた各光スペクトラムからウエハＷの温度を測定することができる。
【００４９】
なお、駆動部１２４及び測定部１２６の機能は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）が記憶部１２８に格納されたプログラムに従って動作することによって実現されうる。このプログラムは、記憶媒体に格納して提供され、記憶部１２８に読み込まれるものであってもよく、また、図示しないネットワークからダウンロードされて記憶部１２８に格納されるものであってもよい。また、上記各部の機能を実現するために、ＣＰＵに代えてＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）が用いられてもよい。記憶部１２８は、例えば半導体メモリ、磁気ディスク、または光学ディスクなどを用いるＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）またはＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）として実現されうる。また、駆動部１２４及び測定部１２６の機能は、ソフトウエアを用いて動作することにより実現されてもよく、ハードウエアを用いて動作することにより実現されてもよい。
【００５０】
［測定可能な厚さ］
以上に説明した測定装置１５０を用いて測定できる被検体の厚さについて説明する。ＦＦＴ方式の周波数解析で図れる被検体の厚さの最大値Ｘｍａｘは次のようにして算出することができる。
【００５１】
まず、ＦＦＴにおける時間と周波数の関係により、次式が成り立つ。
Δτ＝２π／Δｗ
【００５２】
ここで、ｗを波長λで表すと、
ｗ＝２πｖ＝２πｃ／λ
Δｗ＝−２πｃ（Δλ／λ２）
【００５３】
屈折率ｎａｖｅのサンプル中を時間Δτで移動する距離Δｘ’は、
Δｘ’＝（ｃ／ｎａｖｅ）×Δτ＝λ２／（ｎａｖｅΔλ）
【００５４】
サンプル中の裏面を反射する光がサンプル中を移動する距離は往復であることを考慮して、Δｘ’＝２Δｘとする。
【００５５】
以上より、ＦＦＴ後の間隔Δｘは、
Δｘ＝λ２／（２ｎａｖｅΔλ）
【００５６】
また、ナイキストの定理より、被検体の厚さの最大値Ｘｍａｘは次のようになる。
Ｘｍａｘ＝（Ｎ／２）×Δｘ＝（λ２／４ｎａｖｅΔλ）×Ｎ
【００５７】
次に、実測結果から、アレイ状の検知器の測定可能な波長域が有限な場合についてのＸｍａｘ及びΔｘがどのような値を取るかについて考える。Ｇａｕｓｓｉａｎの計算システムを用いた場合、Ｇａｕｓｓｉａｎが１／ｅになる幅を基準に取る。Ｇａｕｓｓｉａｎの裾まできれいに計測される場合、例えば、光源スペクトルのＧａｕｓｓｉａｎの１／ｅ半幅はΔλ／√（ｌｎ２）となる。ここで、３×１／ｅ幅を検知する幅とする（６×１／ｅ半幅）。
【００５８】
検知する波長域がΔｗ、サンプリング数がＮである場合、波長分解能はΔｗ／Ｎで表される。
Δｗ＝６×１／ｅ＝６σ’半幅のときに、Ｘｍａｘの式を満たすとすれば、次の式が成り立つ。
Δｗ／Ｎ＝６σ’／Ｎ’
Ｎ’＝６σＮ／Δｗ
【００５９】
Ｎ’を上記Ｘｍａｘの式に代入すると、
【数２】
【数３】
【数４】
【数５】
【００６０】
【数６】
ただし、λ０２は光源の中心波長、ｎａｖｅは被検体の屈折率、Δｗは測定装置の波長スパン、Ｎは光検出素子の個数（サンプリング数）である。
【数７】
【００６１】
以上により導き出されたＸｍａｘの式のうち、Δｗ／Ｎで表される波長分解能から、波長分解能が高いと厚い被検体を測定可能となることがわかる。より詳しくは、次のことが考察される。
１．計測スパンΔｗが大きいほどΔｘを小さくとることができるため、ピーク位置精度を向上させることができる。
２．計測スパンΔｗ内のサンプリング数Ｎが大きいほど厚いサンプルを測定することができる。
【００６２】
しかし、ＣＣＤアレイやフォトダイオードアレイの素子数は、１３００ｎｍ〜１５００ｎｍの帯域で１０２４が限界である。よって、Δｗを大きく取りすぎると、素子数が少ないため波長分解能が悪くなり、ＦＦＴ解析後の信号にノイズが多く購入する結果となる。
【００６３】
したがって、上記１、２を満たすためには、光スペクトル解析を使用する、又は、波長スキャン方式を使用することが好ましい。ＦＦＴ方式の周波数解析では、必ずしも光源が低コヒーレンスである必要はない。
【００６４】
以上に説明したように、波長分解能と測定可能な被検体の厚さとには相関関係があり、波長分解能が低いほど、測定可能な被検体の厚さが限られてしまう。その結果、いままでは、通常のＣＣＤアレイやフォトダイオードアレイで測定可能な被検体の厚さはかなり薄いものに限られていた。例えば、プラズマ処理装置では、ウエハの厚さ程度なら測定できるが、フォーカスリング等、ある程度厚みのある部材は測定できなかった。
【００６５】
これに対して、本実施形態に係る測定装置１５０では、フォトダイオードアレイ１０８を変位させることにより、波長分解能を上げることができる。よって、本実施形態に係る測定装置１５０によれば、後述するプラズマ処理装置に設けられたウエハだけでなく、フォーカスリングや上部電極(シリコン電極)等、ある程度厚みのある部材を測定することができる。
【００６６】
［測定システムを組み込んだプラズマ処理装置］
最後に、本実施形態に係る測定システム１０を組み込んだプラズマ処理装置について、図５を参照しながらその一例を説明する。
【００６７】
図５は、測定システム１０を組み込んだプラズマ処理装置５００の左縦断面図である。プラズマ処理装置５００は、ウエハＷを収容してプラズマにより処理するための真空チャンバ５０５を具備している。真空チャンバ５０５内には、ウエハＷを載置するためのサセプタ５１０が設けられている。サセプタ５１０は、導電性材料から構成され、高周波電力が印加されるＲＦプレート５１０ａと、ＲＦプレート５１０ａ上に設けられ、ウエハＷを吸着するための静電チャック機構５１０ｂとを具備しており、ＲＦプレート５１０ａの中央部には、図示しない高周波電源と電気的に接続された給電棒５１５が接続されている。
【００６８】
サセプタ５１０の周囲には、サセプタ５１０の周囲を囲むように、環状に形成されたバッフル板５２０が設けられている。また、真空チャンバ５０５の底部には、ベースプレート５２５が設けられており、ＲＦプレート５１０ａとベースプレート５２５との間には、空隙が形成されている。
【００６９】
サセプタ５１０の上方には、サセプタ５１０と間隔を設けて対向するように対向電極５３０が設けられている。対向電極５３０は、シャワーヘッドによって構成されており、サセプタ５１０上に載置されたウエハＷに対して、シャワー状に所定の処理ガスを供給するようになっている。対向電極５３０は、接地電位とされるか或いは高周波電力が印加されるようになっている。サセプタ５１０上のウエハＷの周囲には、フォーカスリング５３５が設けられている。フォーカスリング５３５は、ウエハＷのプラズマ処理の面内均一性を向上させる。
【００７０】
サセプタ５１０には、４つの温度測定用窓５４０ａ〜５４０ｄが形成されている。温度測定用窓５４０ａ〜５４０ｄは、サセプタ５１０の上面と下面とを測定光が透過可能なように光学的に連通し、かつ、気密封止された構造となっている。
【００７１】
本実施形態にかかるプラズマ処理装置５００では、温度測定用窓５４０ａ〜５４０ｄのうち、サセプタ５１０の最も外周側の位置に設けられた温度測定用窓５４０ｄは、フォーカスリング５３５の温度を測定するためのものであり、他の温度測定用窓５４０ａ〜５４０ｃは、ウエハＷの温度を測定するためのものである。
【００７２】
温度測定用窓５４０ａ〜５４０ｄに対応して、ベースプレート５２５には、貫通孔５４５ａ〜５４５ｄが設けられており、これらの貫通孔には、測定システム１０から測定光を導くための光ファイバ５５０ａ〜５５０ｄの出口部分に設けられたコリメータ５５５ａ〜５５５ｄが固定されている。
【００７３】
光ファイバ５５０ａ〜５５０ｄは、測定システム１０に接続されている。測定システム１０は、光源１０５と、光源１０５からの光を透過又は反射するハーフミラー１１０と、ハーフミラー１１０を透過した光を、４本の光ファイバ５５０ａ〜５５０ｄにそれぞれ切り替えるためのマルチプレクサ１０９とを備えている。
【００７４】
測定装置１５０は、分光器１００及び制御器１２０を有している。分光器１００は、４つの測定光をウエハＷ及びフォーカスリング５３５等の４つの測定ポイントに照射したときに、ウエハＷ及びフォーカスリング５３５の表面側及び裏面側をそれぞれ反射する反射光Ｌ１、Ｌ２の干渉を測定する。制御器１２０は、測定結果に基づき、ウエハＷの温度及びフォーカスリング５３５の温度を測定する。前述したように、測定中、分光器１００のフォトダイオードアレイ１０８は圧電素子２００によりアレイ方向に変位している。これにより、本実施形態にかかる測定システム１０によれば、素子数の２倍以上の波長分解能の分光データを得ることができる。この結果、ウエハＷの温度だけでなく、比較的厚みのあるフォーカスリング５３５であっても、その温度を精度良く測定することができる。このようにして、本実施形態にかかる測定システム１０を組み込むことにより、プラズマ処理装置５００の内部パーツの温度を、比較的厚みのある部材であっても測定することができる。
【００７５】
上記一実施形態及びその変形例において、各部の動作は互いに関連しており、互いの関連を考慮しながら、一連の動作及び一連の処理として置き換えることができる。これにより、測定装置の実施形態を、温度測定方法の実施形態とすることができる。
【００７６】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００７７】
例えば、本発明に係るプラズマ処理装置は、上記実施形態に示したエッチング装置に限られず、成膜装置、マイクロ波プラズマ処理装置等のあらゆるプラズマ処理装置であってもよい。また、本発明に係る測定装置は、プラズマ処理装置だけでなく、内部に入熱のある装置に使用することができる。
【００７８】
また、本発明に係る測定装置は、周波数領域光コヒーレンストモグラフィにて特に有用である。測定サンプルでの反射光を分光器にて分光する場合、波長軸のサンプリング数Ｎと分光器の波長スパンΔｗで、測定厚さの限界が定まるので、サンプリング数が多いほうがより厚い検体を測定することができる。
【００７９】
本発明に係るプラズマ処理装置は、上記実施形態に示した平行平板型のプラズマ処理装置に限られず、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）プラズマ処理装置、マイクロ波プラズマ処理装置等いずれのプラズマ処理装置のガス系統にも使用することができる。
【符号の説明】
【００８０】
１０ 測定システム
１００ 分光器
１０１ 入力スリット
１０２，１０６ ミラー
１０４ 回折格子
１０５ 光源
１０８ フォトダイオードアレイ
１０８ａ フォトダイオード
１０９ マルチプレクサ
１１０ ハーフミラー
１２０ 制御器
１２１ 同期部
１２２ ドライバ
１２４ 駆動部
１２６ 計測部
１２８ 記憶部
１５０ 測定装置
５４０ａ〜５４０ｄ 温度測定用窓
５５０ａ〜５５０ｄ 光ファイバ
５５５ａ〜５５５ｄ コリメータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定装置及びプラズマ処理装置に関する。特に、被検体を光学的に測定する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、半導体ウエハ（以下、ウエハと称呼する。）にエッチングや成膜等を施す場合、ウエハの温度制御は、ウエハの成膜レートやエッチングレートに関与し、ウエハに形成される膜の性質やホールの形状等に影響を与える。よって、ウエハの温度制御の精度を高めることは、ウエハの加工精度を高め、歩留まりを良好にし、生産性を向上させるために極めて重要である。
【０００３】
このため、従来から、ウエハ裏面の温度を測定する蛍光式温度計や抵抗温度計等を用いたウエハの温度測定方法が提案されている。特許文献１には、光源と、光源からの光を測定光と参照光とに分ける手段と、分けられた参照光を反射させるとともに前記反射した参照光の光路長を変化させる手段と、ウエハに測定光を照射させ、ウエハを反射した測定光と前記参照光との干渉状態を検出する光検出器とを有し、測定光及び参照光の干渉状態からウエハの温度を測定する装置が開示されている。
【０００４】
一方、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）アレイやフォトダイオードアレイを検出器に用いた分光器を用いれば、アレイ状に並んだ光検出素子によって瞬時に分光データを取得することができる。分光データは、分光器に入射された光の特性を示すから、これを利用してウエハの温度を測定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１９９５２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ＣＣＤアレイやフォトダイオードアレイを用いた分光器では、素子数により波長分解能又は波長軸のサンプリング数が決まり、素子数以上に波長分解能を上げることは物理的に無理であった。また、波長分解能は、可視領域で３６４８個、赤外領域で５１２個〜１０２４個と限られ、それ以上に波長分解能を上げることはできなかった。このため、特に、赤外光を用いると、可視光に比べて高分解の分光ができなかった。
【０００７】
一方、波長分解能と測定可能な被検体の厚さとには相関関係があり、波長分解能が低いほど、測定可能な被検体の厚さが限られてしまう。その結果、現状では、通常のＣＣＤアレイやフォトダイオードアレイで測定可能な被検体の厚さはかなり薄いものに限られていた。例えば、プラズマ処理装置では、ウエハの厚さ程度なら測定できるが、フォーカスリング等、ある程度厚みのある部材は測定できなかった。
【０００８】
上記課題に対して、本発明の目的とするところは、波長分解能を上げ、測定可能な被検体の範囲を広げることが可能な、測定装置及びプラズマ処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、厚さＤの被検体の表面を反射した光と前記被検体の裏面を反射した光とを入射光として分光する波長分散素子と、前記波長分散素子により分光された光を受光し、受光した光のパワーを検出する光検出素子をアレイ状に複数設けた検出器と、前記検出器に取り付けられ、入力された電圧を力に変換する圧電素子と、を備え、前記検出器は、前記圧電素子により変換された力によって前記アレイ方向の各光検出素子の幅ｄに対してｄ／ｍ（ｍは２以上の整数）変位したとき、前記受光した光のパワーを検出する、ことを特徴とする測定装置が提供される。
【００１０】
前記検出器は、前記検出器の変位がｄより小さい場合であって、前記変位が０に等しいとき、及びｄ／ｍ（ｍは２以上の整数）だけ変位する毎に、前記受光した光のパワーを検出してもよい。
【００１１】
前記光検出素子により検出された光のパワーの周波数解析に基づき、前記被検体の温度を測定する測定部を更に備えてもよい。
【００１２】
前記圧電素子は、前記アレイ状に設けられた複数の光検出素子の端部に取り付けられていてもよい。
【００１３】
前記検出器は、ＣＣＤアレイ又はフォトダイオードアレイであってもよい。
【００１４】
前記測定装置は、ツェルニーターナー型の分光器であってもよい。
【００１５】
前記測定部は、前記被検体の厚さが次の式で表される最大値Ｘｍａｘ以内の場合、前記被検体の温度を測定可能である。
【数１】
ただし、λ０２は光源の中心波長、ｎａｖｅは被検体の屈折率、Δｗは測定装置の波長スパン、Ｎは光検出素子の個数（サンプリング数）である。
【００１６】
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、内部にて被処理体にプラズマ処理を施すチャンバと、前記チャンバ内にて被処理体を載置するサセプタと、前記サセプタに載置された被処理体の温度を測定する測定装置と、を備え、前記測定装置は、厚さＤの被検体の表面を反射した光と前記被検体の裏面を反射した光とを入射光として分光する波長分散素子と、前記波長分散素子により分光された光を受光し、受光した光のパワーを検出する光検出素子をアレイ状に複数設けた検出器と、前記検出器に取り付けられ、入力された電圧を力に変換する圧電素子と、を備え、前記検出器は、前記圧電素子により変換された力によって前記アレイ方向の各光検出素子の幅ｄに対してｄ／ｍ（ｍは２以上の整数）変位したとき、前記受光した光のパワーを検出する、ことを特徴とするプラズマ処理装置が提供される。
【００１７】
前記光検出素子により検出された光のパワーの周波数解析に基づき、前記被検体の温度を測定する測定部を更に備えてもよい。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように本発明によれば、波長分解能を上げることが可能な、測定装置及びプラズマ処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係る測定システムの全体構成図である。
【図２】一実施形態に係る測定装置の概略構成図である。
【図３】一実施形態に係るフォトダイオードアレイの変位を説明するための図である。
【図４】一実施形態に係る測定装置による温度測定方法を説明するための図である。
【図５】一実施形態に係る測定装置を組み込んだプラズマ処理装置の縦断面図である。
【図６】比較例に係る可動ミラーを用いた測定システムである。
【図７】比較例に係る干渉波形の例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００２１】
（はじめに）
はじめに、後述する本実施形態に係る測定システムとの比較例として、可動ミラーを用いた測定システムについて、図６を参照しながら説明する。比較例に係る測定システム９９では、タイムドメインに着目した温度測定方法を提供する。
【００２２】
まず、光源９２から出力された光は、スプリッタ９４にて測定光Ｌｓと参照光Ｌｒとに分けられる。参照光Ｌｒは、可動ミラー９６にて反射する。測定光Ｌｓは、ウエハＷに照射され、ウエハＷにて反射し、更にスプリッタ９４にて反射する。フォトダイオード９０（フォトディテクタ）は、ウエハＷを反射した測定光Ｌｓと可動ミラー９６を反射した参照光Ｌｒを入射光として受光する。可動ミラー９６は、上下に可動させながら前記反射する参照光Ｌｒの光路長を変化させる。スプリッタ９４から可動ミラー９６までの距離と、スプリッタ９４からウエハＷまでの距離が等しくなると干渉が起こる。可動ミラー９６を可動させ、移動量に対してフォトダイオード９０で得られる光強度変化をモニターする。図７は、モニター結果として、測定光Ｌｓの長さに対するフォトダイオード９０（フォトディテクタ）の出力を示す。図７では、ｎＤ毎に干渉波形が得られることが示されている。ここでは、可動ミラー９６を移動させ、参照光Ｌｒの光路長を変化させることにより、ウエハＷの表面及び裏面で反射した測定光Ｌｓと参照光Ｌｒが干渉する。このようにして、測定光Ｌｓと参照光Ｌｒの光路長とが一致した場所で強く干渉が起こり、それ以外の場所では干渉は実質的に低減されるという特質を利用して、ウエハＷの表面での干渉と裏面での干渉の間隔ｎＤを検出し、検出結果からウエハＷの温度を測定する。
【００２３】
しかしながら、上記比較例では、可動ミラー９６は、可動による振動を小さく抑えるためにゆっくりとしか動かせなかった。この結果、測定時間内のサンプリング数が少なくなり、計測のインターバルが長くなるという問題があった。更に、この測定装置では、光路長を１０−１ｍｍのオーダーで合わせる必要があり、そのためにシステムが大きくなるという問題もあった。
【００２４】
これに対して、本実施形態に係る測定システムは、図１に示したように、可動ミラーが存在しない。よって、可動ミラーの振動に関する問題が生じない。また、図１の下側に拡大図で示したように、本実施形態に係る測定システムは、ウエハＷの表面を反射する光Ｌ１と裏面を反射する光Ｌ２との干渉を測定していて、比較例のような光路長の干渉の測定ではない。よって、本実施形態にかかる測定装置では、可動ミラーによる光路長のずれが生じないため、温度測定精度が低くなるという問題も生じない。また、これにより測定装置をコンパクトに作製でき、製造コストを低く抑えることができる。
【００２５】
一方、本実施形態に係る測定装置では、アレイ状の検出器を持つ分光器が必要である。例えば、ＣＣＤアレイやフォトダイオードアレイを検出器に用いた分光器を用いれば、アレイ状に並んだ光検出素子により瞬時に分光データを取得することができる。
【００２６】
しかしながら、ＣＣＤアレイやフォトダイオードアレイを用いた分光器では、光検出素子の数により波長分解能又は波長軸のサンプリング数が決まり、素子数以上に波長分解能を上げることは物理的に無理であった。
【００２７】
一方、波長分解能と測定可能な被検体の厚さとには相関関係があり、波長分解能が低いほど、測定可能な被検体の厚さが限られてしまう。その結果、現状では、通常のＣＣＤアレイやフォトダイオードアレイで測定可能な被検体の厚さはかなり薄いものに限られていた。例えば、プラズマ処理装置では、ウエハの厚さ程度なら測定できるが、フォーカスリング等、ある程度厚みのある部材は測定できなかった。
【００２８】
［測定システムの構成］
これに対して、本実施形態に係る測定システムでは、アレイ状の検出器の波長分解能を上げ、ある程度厚みのある部材の測定を可能とする。以下に、本実施形態に係る測定システム及び測定システム内に設けられた測定装置について説明する。
【００２９】
本実施形態に係る測定システムでは、周波数ドメインに着目した温度測定方法を提供する。図１は、本実施形態に係る測定システム１０の全体構成を示し、図２は本実施形態に係る測定装置１５０の構成を示す。
【００３０】
測定システム１０は、光源１０５、ハーフミラー１１０及び測定装置１５０を有している。測定装置１５０は、分光器１００及び制御器１２０を有する。ここでは、測定装置１５０は、被検体の温度を測定する非接触温度計として使用されるが、用途はこれに限らず、測定された光の特性に基づき被検体の状態を測定するために用いることができる。
【００３１】
光源１０５から出力された光は、ハーフミラー１１０を透過して被検体としてのウエハＷに照射され、ウエハＷを反射する。反射光には、ウエハＷの表面を反射した反射光Ｌ１と、ウエハＷの裏面を反射した反射光Ｌ２とがある。反射光Ｌ１と反射光Ｌ２とは、ウエハＷの厚さＤの往復の長さ２Ｄだけずれている。反射光Ｌ１、Ｌ２は、ハーフミラー１１０を反射して分光器１００に入射される。
【００３２】
分光器１００は、図２に示したように、ツェルニーターナー型の分光器であり、波長分散素子を用いて測定光を波長毎に分光し、任意の波長幅に存在する光のパワーを求め、求められた光のパワーから測定光の特性を測定する機能を有する。
【００３３】
分光器１００は、入力スリット１０１、ミラー１０２、回折格子１０４、ミラー１０６及びフォトダイオードアレイ１０８を有している。ミラー１０２及びミラー１０６は、入射光を所望の方向に反射するように設置されている。ミラー１０６で反射された光は、フォトダイオードアレイ１０８に入射する。
【００３４】
入力スリット１０１から入射された光は、凹面状のミラー１０２を反射し、回折格子１０４に照射される。回折格子１０４は、厚さＤのウエハＷの表面を反射した光とウエハＷの裏面を反射した光とを入射光として分光する。反射光または回折光のうち、特定波長の光は平面状のミラー１０６により反射されてフォトダイオードアレイ１０８に入光する。フォトダイオードアレイ１０８は、その光のパワーを検出する。
【００３５】
回折格子１０４は、厚さＤのウエハＷの表面を反射した光とウエハＷの裏面を反射した光とを入射光として分光する波長分散素子の一例である。波長分散素子の他の例としては、プリズムが挙げられる。
【００３６】
フォトダイオードアレイ１０８は、分光された光を受光し、受光した光のパワーを検出する光検出素子(フォトダイオード)をアレイ状に複数設けた検出器の一例である。フォトダイオードアレイ１０８としては、例えば、アレイ状のＳｉフォトダイオード、ＩｎＧａＡｓフォトダイオード、Ｇｅフォトダイオードなどを用いたＰＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）により構成される。図３のフォトダイオードアレイ１０８では、１２個の短冊状のフォトダイオード１０８ａがアレイ方向に配列されているが、点状のフォトダイオード１０８ａがアレイ方向に複数個配列されていてもよい。検出器の他の例としては、ＣＣＤアレイが挙げられるが、これらに限らず、アレイ状の光検出素子を有する検出器であればいずれを用いることもできる。
【００３７】
フォトダイオードアレイ１０８の各光検出素子は、受光した光のパワーに応じた電流（光電流）を発生し、この光電流を分光器の検出結果として出力する。各素子には、予め特定の波長が割り付けられている。各素子に割り付ける特定の波長は、光が回折格子１０４によって波長毎に分光されて、フォトダイオードアレイ１０８にて収束する位置と対応している。よって、各素子は、各素子に割り付けられた特定の波長の光のパワーに応じた電流（光電流）を発生する。
【００３８】
フォトダイオードアレイ１０８の端部には、圧電素子２００が取り付けられている。圧電素子２００は、圧電体を２枚の電極で挟んだ素子であり、電極に所望の電圧を印加することにより、その電圧を力に変換する機能を有する。圧電素子２００は、所定のタイミングに所定量だけフォトダイオードアレイ１０８を振動させる。
【００３９】
制御器１２０は、分光器１００の各部を駆動するとともに、分光器１００により検出された各波長の光のパワーに基づき、被検体の温度を測定する。制御器１２０は、同期部１２１、ドライバ１２２、駆動部１２４、測定部１２６及び記憶部１２８を有している。同期部１２１は、同期信号を出力する。ドライバ１２２は、同期信号に従って圧電素子２００に所望の電圧を印加する。
【００４０】
図３は、圧電素子２００に所望の電圧を印加したときのフォトダイオードアレイ１０８の状態を模式的に示した図である。フォトダイオード１０８ａがアレイ状に並んだ方向（図３では紙面の左右方向）をアレイ方向とする。ここでは、フォトダイオード１０８ａのアレイ方向の幅をｄで示す。圧電素子２００は、加えられた電圧を力に変換し、フォトダイオードアレイ１０８をアレイ方向に動かす。例えば、図３では、フォトダイオードアレイ１０８が、圧電素子２００により加えられた力によって、変位０の状態からアレイ方向にｄ／２だけ変位した状態まで動いたことを示している。
【００４１】
駆動部１２４は、同期部１２１から出力された同期信号に従って、フォトダイオードアレイ１０８の接続を各フォトダイオード１０８ａに順番に切り替え、各フォトダイオード１０８ａにて検出された光パワーの検出信号（光電流）を所望の電気信号に変換して出力する。
【００４２】
測定部１２６は、検出された光のパワーに基づき、入射光の特性を測定する。本実施形態では、測定部１２６は、検出された光のパワーのＦＦＴ（ＦＦＴ：Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）方式の周波数解析に基づき、被検体であるウエハＷの温度を測定する。計測結果は、記憶部１２８に記憶される。以下に具体的な温度測定方法を説明する。
【００４３】
フォトダイオードアレイ１０８による検出結果は、図４（ａ）に示したように、光パワー（光強度）を波長λの関数としてプロットすることにより、光スペクトル（光のパワー）として得られる。
【００４４】
図４（ａ）では、図３の上側のフォトダイオードアレイ１０８の位置（変位０）で、各素子にて検出された分光データと、図３の下側のフォトダイオードアレイ１０８の位置（変位ｄ／２）で、各フォトダイオード１０８ａにて検出された分光データとを簡略化して示した図である。
【００４５】
図４（ａ）では、４個のフォトダイオード１０８ａにて検出された光パワーのみが示されている。変位０では、４個のフォトダイオード１０８ａは、波長λ１、λ２、λ３、λ４の光のパワーを検出している。
【００４６】
図３の下側のフォトダイオードアレイ１０８の位置（変位ｄ／２）では、４個のフォトダイオード１０８ａは、波長λ１−Δλ／２、λ２−Δλ／２、λ３−Δλ／２、λ４−Δλ／２の光のパワーを検出している。つまり、フォトダイオードアレイ１０８をｄ／２だけずらすと、Ｎ個の素子数のフォトダイオードアレイ５０８で２Ｎ個の分光データをサンプリングすることができることがわかる。これは、波長分解能が素子数の２倍になったことに等しくなる。
【００４７】
波長分解能が２倍になった分光データをＦＦＴ方式で周波数解析すると、図４（ｂ）に示したように、厚さＤのウエハＷの表面で反射した反射光Ｌ１と裏面で反射した反射光Ｌ２とのシリコン中の往復の光路長２Ｄの整数倍ｎ（ｎ＝１以上の整数）の位置で、光の振幅の光スペクトラムが出力される。
【００４８】
図４（ｃ）に示したように、ウエハＷの厚さＤの整数倍ｎと温度Ｔｓとの関係は予め算出されている。ここで、ウエハＷが加熱されると熱膨張によりウエハＷの厚さＤは厚くなり、屈折率が大きくなる。よって、温度が上がるとシリコン中の片道の光路長Ｄの整数倍ｎの長さｎＤがずれる。この値ｎＤのずれ量Ｃから温度Ｔを検出する。このようにして、分光データの周波数解析により求められた各光スペクトラムからウエハＷの温度を測定することができる。
【００４９】
なお、駆動部１２４及び測定部１２６の機能は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）が記憶部１２８に格納されたプログラムに従って動作することによって実現されうる。このプログラムは、記憶媒体に格納して提供され、記憶部１２８に読み込まれるものであってもよく、また、図示しないネットワークからダウンロードされて記憶部１２８に格納されるものであってもよい。また、上記各部の機能を実現するために、ＣＰＵに代えてＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）が用いられてもよい。記憶部１２８は、例えば半導体メモリ、磁気ディスク、または光学ディスクなどを用いるＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）またはＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）として実現されうる。また、駆動部１２４及び測定部１２６の機能は、ソフトウエアを用いて動作することにより実現されてもよく、ハードウエアを用いて動作することにより実現されてもよい。
【００５０】
［測定可能な厚さ］
以上に説明した測定装置１５０を用いて測定できる被検体の厚さについて説明する。ＦＦＴ方式の周波数解析で図れる被検体の厚さの最大値Ｘｍａｘは次のようにして算出することができる。
【００５１】
まず、ＦＦＴにおける時間と周波数の関係により、次式が成り立つ。
Δτ＝２π／Δｗ
【００５２】
ここで、ｗを波長λで表すと、
ｗ＝２πｖ＝２πｃ／λ
Δｗ＝−２πｃ（Δλ／λ２）
【００５３】
屈折率ｎａｖｅのサンプル中を時間Δτで移動する距離Δｘ’は、
Δｘ’＝（ｃ／ｎａｖｅ）×Δτ＝λ２／（ｎａｖｅΔλ）
【００５４】
サンプル中の裏面を反射する光がサンプル中を移動する距離は往復であることを考慮して、Δｘ’＝２Δｘとする。
【００５５】
以上より、ＦＦＴ後の間隔Δｘは、
Δｘ＝λ２／（２ｎａｖｅΔλ）
【００５６】
また、ナイキストの定理より、被検体の厚さの最大値Ｘｍａｘは次のようになる。
Ｘｍａｘ＝（Ｎ／２）×Δｘ＝（λ２／４ｎａｖｅΔλ）×Ｎ
【００５７】
次に、実測結果から、アレイ状の検知器の測定可能な波長域が有限な場合についてのＸｍａｘ及びΔｘがどのような値を取るかについて考える。Ｇａｕｓｓｉａｎの計算システムを用いた場合、Ｇａｕｓｓｉａｎが１／ｅになる幅を基準に取る。Ｇａｕｓｓｉａｎの裾まできれいに計測される場合、例えば、光源スペクトルのＧａｕｓｓｉａｎの１／ｅ半幅はΔλ／√（ｌｎ２）となる。ここで、３×１／ｅ幅を検知する幅とする（６×１／ｅ半幅）。
【００５８】
検知する波長域がΔｗ、サンプリング数がＮである場合、波長分解能はΔｗ／Ｎで表される。
Δｗ＝６×１／ｅ＝６σ’半幅のときに、Ｘｍａｘの式を満たすとすれば、次の式が成り立つ。
Δｗ／Ｎ＝６σ’／Ｎ’
Ｎ’＝６σＮ／Δｗ
【００５９】
Ｎ’を上記Ｘｍａｘの式に代入すると、
【数２】
【数３】
【数４】
【数５】
【００６０】
【数６】
ただし、λ０２は光源の中心波長、ｎａｖｅは被検体の屈折率、Δｗは測定装置の波長スパン、Ｎは光検出素子の個数（サンプリング数）である。
【数７】
【００６１】
以上により導き出されたＸｍａｘの式のうち、Δｗ／Ｎで表される波長分解能から、波長分解能が高いと厚い被検体を測定可能となることがわかる。より詳しくは、次のことが考察される。
１．計測スパンΔｗが大きいほどΔｘを小さくとることができるため、ピーク位置精度を向上させることができる。
２．計測スパンΔｗ内のサンプリング数Ｎが大きいほど厚いサンプルを測定することができる。
【００６２】
しかし、ＣＣＤアレイやフォトダイオードアレイの素子数は、１３００ｎｍ〜１５００ｎｍの帯域で１０２４が限界である。よって、Δｗを大きく取りすぎると、素子数が少ないため波長分解能が悪くなり、ＦＦＴ解析後の信号にノイズが多く購入する結果となる。
【００６３】
したがって、上記１、２を満たすためには、光スペクトル解析を使用する、又は、波長スキャン方式を使用することが好ましい。ＦＦＴ方式の周波数解析では、必ずしも光源が低コヒーレンスである必要はない。
【００６４】
以上に説明したように、波長分解能と測定可能な被検体の厚さとには相関関係があり、波長分解能が低いほど、測定可能な被検体の厚さが限られてしまう。その結果、いままでは、通常のＣＣＤアレイやフォトダイオードアレイで測定可能な被検体の厚さはかなり薄いものに限られていた。例えば、プラズマ処理装置では、ウエハの厚さ程度なら測定できるが、フォーカスリング等、ある程度厚みのある部材は測定できなかった。
【００６５】
これに対して、本実施形態に係る測定装置１５０では、フォトダイオードアレイ１０８を変位させることにより、波長分解能を上げることができる。よって、本実施形態に係る測定装置１５０によれば、後述するプラズマ処理装置に設けられたウエハだけでなく、フォーカスリングや上部電極(シリコン電極)等、ある程度厚みのある部材を測定することができる。
【００６６】
［測定システムを組み込んだプラズマ処理装置］
最後に、本実施形態に係る測定システム１０を組み込んだプラズマ処理装置について、図５を参照しながらその一例を説明する。
【００６７】
図５は、測定システム１０を組み込んだプラズマ処理装置５００の左縦断面図である。プラズマ処理装置５００は、ウエハＷを収容してプラズマにより処理するための真空チャンバ５０５を具備している。真空チャンバ５０５内には、ウエハＷを載置するためのサセプタ５１０が設けられている。サセプタ５１０は、導電性材料から構成され、高周波電力が印加されるＲＦプレート５１０ａと、ＲＦプレート５１０ａ上に設けられ、ウエハＷを吸着するための静電チャック機構５１０ｂとを具備しており、ＲＦプレート５１０ａの中央部には、図示しない高周波電源と電気的に接続された給電棒５１５が接続されている。
【００６８】
サセプタ５１０の周囲には、サセプタ５１０の周囲を囲むように、環状に形成されたバッフル板５２０が設けられている。また、真空チャンバ５０５の底部には、ベースプレート５２５が設けられており、ＲＦプレート５１０ａとベースプレート５２５との間には、空隙が形成されている。
【００６９】
サセプタ５１０の上方には、サセプタ５１０と間隔を設けて対向するように対向電極５３０が設けられている。対向電極５３０は、シャワーヘッドによって構成されており、サセプタ５１０上に載置されたウエハＷに対して、シャワー状に所定の処理ガスを供給するようになっている。対向電極５３０は、接地電位とされるか或いは高周波電力が印加されるようになっている。サセプタ５１０上のウエハＷの周囲には、フォーカスリング５３５が設けられている。フォーカスリング５３５は、ウエハＷのプラズマ処理の面内均一性を向上させる。
【００７０】
サセプタ５１０には、４つの温度測定用窓５４０ａ〜５４０ｄが形成されている。温度測定用窓５４０ａ〜５４０ｄは、サセプタ５１０の上面と下面とを測定光が透過可能なように光学的に連通し、かつ、気密封止された構造となっている。
【００７１】
本実施形態にかかるプラズマ処理装置５００では、温度測定用窓５４０ａ〜５４０ｄのうち、サセプタ５１０の最も外周側の位置に設けられた温度測定用窓５４０ｄは、フォーカスリング５３５の温度を測定するためのものであり、他の温度測定用窓５４０ａ〜５４０ｃは、ウエハＷの温度を測定するためのものである。
【００７２】
温度測定用窓５４０ａ〜５４０ｄに対応して、ベースプレート５２５には、貫通孔５４５ａ〜５４５ｄが設けられており、これらの貫通孔には、測定システム１０から測定光を導くための光ファイバ５５０ａ〜５５０ｄの出口部分に設けられたコリメータ５５５ａ〜５５５ｄが固定されている。
【００７３】
光ファイバ５５０ａ〜５５０ｄは、測定システム１０に接続されている。測定システム１０は、光源１０５と、光源１０５からの光を透過又は反射するハーフミラー１１０と、ハーフミラー１１０を透過した光を、４本の光ファイバ５５０ａ〜５５０ｄにそれぞれ切り替えるためのマルチプレクサ１０９とを備えている。
【００７４】
測定装置１５０は、分光器１００及び制御器１２０を有している。分光器１００は、４つの測定光をウエハＷ及びフォーカスリング５３５等の４つの測定ポイントに照射したときに、ウエハＷ及びフォーカスリング５３５の表面側及び裏面側をそれぞれ反射する反射光Ｌ１、Ｌ２の干渉を測定する。制御器１２０は、測定結果に基づき、ウエハＷの温度及びフォーカスリング５３５の温度を測定する。前述したように、測定中、分光器１００のフォトダイオードアレイ１０８は圧電素子２００によりアレイ方向に変位している。これにより、本実施形態にかかる測定システム１０によれば、素子数の２倍以上の波長分解能の分光データを得ることができる。この結果、ウエハＷの温度だけでなく、比較的厚みのあるフォーカスリング５３５であっても、その温度を精度良く測定することができる。このようにして、本実施形態にかかる測定システム１０を組み込むことにより、プラズマ処理装置５００の内部パーツの温度を、比較的厚みのある部材であっても測定することができる。
【００７５】
上記一実施形態及びその変形例において、各部の動作は互いに関連しており、互いの関連を考慮しながら、一連の動作及び一連の処理として置き換えることができる。これにより、測定装置の実施形態を、温度測定方法の実施形態とすることができる。
【００７６】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００７７】
例えば、本発明に係るプラズマ処理装置は、上記実施形態に示したエッチング装置に限られず、成膜装置、マイクロ波プラズマ処理装置等のあらゆるプラズマ処理装置であってもよい。また、本発明に係る測定装置は、プラズマ処理装置だけでなく、内部に入熱のある装置に使用することができる。
【００７８】
また、本発明に係る測定装置は、周波数領域光コヒーレンストモグラフィにて特に有用である。測定サンプルでの反射光を分光器にて分光する場合、波長軸のサンプリング数Ｎと分光器の波長スパンΔｗで、測定厚さの限界が定まるので、サンプリング数が多いほうがより厚い検体を測定することができる。
【００７９】
本発明に係るプラズマ処理装置は、上記実施形態に示した平行平板型のプラズマ処理装置に限られず、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）プラズマ処理装置、マイクロ波プラズマ処理装置等いずれのプラズマ処理装置のガス系統にも使用することができる。
【符号の説明】
【００８０】
１０ 測定システム
１００ 分光器
１０１ 入力スリット
１０２，１０６ ミラー
１０４ 回折格子
１０５ 光源
１０８ フォトダイオードアレイ
１０８ａ フォトダイオード
１０９ マルチプレクサ
１１０ ハーフミラー
１２０ 制御器
１２１ 同期部
１２２ ドライバ
１２４ 駆動部
１２６ 計測部
１２８ 記憶部
１５０ 測定装置
５４０ａ〜５４０ｄ 温度測定用窓
５５０ａ〜５５０ｄ 光ファイバ
５５５ａ〜５５５ｄ コリメータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚さＤの被検体の表面を反射した光と前記被検体の裏面を反射した光とを入射光として分光する波長分散素子と、
前記波長分散素子により分光された光を受光し、受光した光のパワーを検出する光検出素子をアレイ状に複数設けた検出器と、
前記検出器に取り付けられ、入力された電圧を力に変換する圧電素子と、を備え、
前記検出器は、前記圧電素子により変換された力によって前記アレイ方向の各光検出素子の幅ｄに対してｄ／ｍ（ｍは２以上の整数）変位したとき、前記受光した光のパワーを検出する、
ことを特徴とする測定装置。
【請求項２】
前記検出器は、前記検出器の変位がｄより小さい場合であって、前記変位が０に等しいとき、及びｄ／ｍ（ｍは２以上の整数）だけ変位する毎に、前記受光した光のパワーを検出する、
ことを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
【請求項３】
前記光検出素子により検出された光のパワーの周波数解析に基づき、前記被検体の温度を測定する測定部を更に備える、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の測定装置。
【請求項４】
前記圧電素子は、前記アレイ状に設けられた複数の光検出素子の端部に取り付けられている、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項５】
前記検出器は、ＣＣＤアレイ又はフォトダイオードアレイである、
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項６】
前記測定装置は、ツェルニーターナー型の分光器である、
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項７】
前記測定部は、前記被検体の厚さが次の式で表される最大値Ｘｍａｘ以内の場合、前記被検体の温度を測定可能である、
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の測定装置。
【数８】
ただし、λ０２は光源の中心波長、ｎａｖｅは被検体の屈折率、Δｗは測定装置の波長スパン、Ｎは光検出素子の個数（サンプリング数）
【請求項８】
内部にて被処理体にプラズマ処理を施すチャンバと、
前記チャンバ内にて被処理体を載置するサセプタと、
前記サセプタに載置された被処理体の温度を測定する測定装置と、を備え、
前記測定装置は、
厚さＤの被検体の表面を反射した光と前記被検体の裏面を反射した光とを入射光として分光する波長分散素子と、
前記波長分散素子により分光された光を受光し、受光した光のパワーを検出する光検出素子をアレイ状に複数設けた検出器と、
前記検出器に取り付けられ、入力された電圧を力に変換する圧電素子と、を備え、
前記検出器は、前記圧電素子により変換された力によって前記アレイ方向の各光検出素子の幅ｄに対してｄ／ｍ（ｍは２以上の整数）変位したとき、前記受光した光のパワーを検出する、
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項９】
前記光検出素子により検出された光のパワーの周波数解析に基づき、前記被検体の温度を測定する測定部を更に備える、
ことを特徴とする請求項８に記載のプラズマ処理装置。
【請求項１】
厚さＤの被検体の表面を反射した光と前記被検体の裏面を反射した光とを入射光として分光する波長分散素子と、
前記波長分散素子により分光された光を受光し、受光した光のパワーを検出する光検出素子をアレイ状に複数設けた検出器と、
前記検出器に取り付けられ、入力された電圧を力に変換する圧電素子と、を備え、
前記検出器は、前記圧電素子により変換された力によって前記アレイ方向の各光検出素子の幅ｄに対してｄ／ｍ（ｍは２以上の整数）変位したとき、前記受光した光のパワーを検出する、
ことを特徴とする測定装置。
【請求項２】
前記検出器は、前記検出器の変位がｄより小さい場合であって、前記変位が０に等しいとき、及びｄ／ｍ（ｍは２以上の整数）だけ変位する毎に、前記受光した光のパワーを検出する、
ことを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
【請求項３】
前記光検出素子により検出された光のパワーの周波数解析に基づき、前記被検体の温度を測定する測定部を更に備える、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の測定装置。
【請求項４】
前記圧電素子は、前記アレイ状に設けられた複数の光検出素子の端部に取り付けられている、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項５】
前記検出器は、ＣＣＤアレイ又はフォトダイオードアレイである、
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項６】
前記測定装置は、ツェルニーターナー型の分光器である、
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項７】
前記測定部は、前記被検体の厚さが次の式で表される最大値Ｘｍａｘ以内の場合、前記被検体の温度を測定可能である、
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の測定装置。
【数８】
ただし、λ０２は光源の中心波長、ｎａｖｅは被検体の屈折率、Δｗは測定装置の波長スパン、Ｎは光検出素子の個数（サンプリング数）
【請求項８】
内部にて被処理体にプラズマ処理を施すチャンバと、
前記チャンバ内にて被処理体を載置するサセプタと、
前記サセプタに載置された被処理体の温度を測定する測定装置と、を備え、
前記測定装置は、
厚さＤの被検体の表面を反射した光と前記被検体の裏面を反射した光とを入射光として分光する波長分散素子と、
前記波長分散素子により分光された光を受光し、受光した光のパワーを検出する光検出素子をアレイ状に複数設けた検出器と、
前記検出器に取り付けられ、入力された電圧を力に変換する圧電素子と、を備え、
前記検出器は、前記圧電素子により変換された力によって前記アレイ方向の各光検出素子の幅ｄに対してｄ／ｍ（ｍは２以上の整数）変位したとき、前記受光した光のパワーを検出する、
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項９】
前記光検出素子により検出された光のパワーの周波数解析に基づき、前記被検体の温度を測定する測定部を更に備える、
ことを特徴とする請求項８に記載のプラズマ処理装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−２０８０５０（Ｐ２０１２−２０８０５０Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７４９７９（Ｐ２０１１−７４９７９）
【出願日】平成２３年３月３０日（２０１１．３．３０）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３０日（２０１１．３．３０）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
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