JPH0528769B2 - - Google Patents

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JPH0528769B2
JPH0528769B2 JP60275967A JP27596785A JPH0528769B2 JP H0528769 B2 JPH0528769 B2 JP H0528769B2 JP 60275967 A JP60275967 A JP 60275967A JP 27596785 A JP27596785 A JP 27596785A JP H0528769 B2 JPH0528769 B2 JP H0528769B2
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light
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frequency
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Takusuke Izumi
Masayuki Kanai
Tsuneo Suzuki
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は波長変調装置を用いて光スペクトル強
度測定における輝線ピークの変化量を制度良く測
定できるとともに絶対量も同時に測定できる波長
変調型微分分計に関する。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention provides a wavelength modulation type differential sensor that can accurately measure the amount of change in a bright line peak in optical spectrum intensity measurement using a wavelength modulation device, and can also measure the absolute amount at the same time. Regarding the meter.

[従来の技術] 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。
[Prior Art] For example, in plasma etching, plasma ashing, reactive ion etching, etc. in the manufacturing process of semiconductor IC devices, changes in the plasma spectrum of the material being etched are used as a means of detecting the completion of the etching process. There is a way to detect.

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7図aに示すよう
に、スペクトル分光計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3082Åの輝線スペクトルAに検出波長を
固定して輝線スペクトルAの強度を連続測定す
る。そして、第7図bに示すようにこの波長3082
Å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。
For example, when an aluminum wiring pattern of an IC element is subjected to plasma etching, a spectrometer is used to measure the plasma spectrum emitted during the etching process, as shown in FIG. 7a. Then, the intensity of the bright line spectrum A is continuously measured by fixing the detection wavelength to the bright line spectrum A, for example, 3082 Å, which is prominent in the measured spectral characteristics. Then, as shown in Figure 7b, this wavelength 3082
The etching process is stopped at the time when the intensity of the bright line spectrum A of Å changes significantly.

しかしながら、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中から捜
す必要がある。このような考えでもつて第7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とを比較すると、
4000Å近傍の輝線スペクトルBは発見される。し
たがつて、スペクトル分光計の検出波長λをこの
輝線スペクトルBの中心波長λO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つ
て、エツチング処理終了を検出できる。
However, since plasma spectral characteristics generally include spectra having various wavelengths from substances other than the target substance, interference spectra due to these substances are superimposed on the target spectrum. As a result, the intensity of the target spectrum may not be measured correctly. These interference spectra include a wide band broad spectrum and a linear emission line spectrum. Therefore, it is necessary to search the entire spectral characteristic for a bright line spectrum that shows a clear difference in intensity between the time of etching and the time of completion of etching. Even with this kind of thinking, Figure 7a
Comparing the spectral characteristics at the time of etching and the spectral characteristics at the end of etching in Figure b,
An emission line spectrum B near 4000 Å is discovered. Therefore, by adjusting the detection wavelength λ of the spectrometer to the center wavelength λ O of the bright line spectrum B and detecting the change in the intensity of the bright line spectrum B, it is possible to detect the end of the etching process.

[発明が解決しようとする問題点] しかしながら、上記のように測定波長λをλO
固定してスペクトル分光計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、また次のような問題がある。すなわち、
波長λO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7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として、バツクグラウンドスペクトル
から突出している変動分の強度を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
スペクトル分光計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。
[Problems to be Solved by the Invention] However, as described above, by fixing the measurement wavelength λ to λ O and continuously measuring the intensity change of the bright line spectrum B with a spectrometer, it is possible to solve the problem of plasma etching treatment. There are also the following problems when detecting the end. That is,
As shown in the figure, the emission line spectrum B of wavelength λ O is often superimposed on a wide background spectrum. For example, in Fig. 7a, if the intensity of the entire emission line spectrum B is c, the intensity of the background spectrum is b, and the intensity of the variation that protrudes from the background spectrum is a, then in the end of etching detection, the final variation intensity is a
It is necessary to measure the amount of change in However, in an actual spectrum spectrometer, the total spectral intensity c including the background spectral intensity b
is measured.

一般に、従来のスペクトル分光計におけるスペ
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に比
較して小さい場合は、変動強度aの変化を精度よ
く測定することは不可能であつた。
Generally, the measurement accuracy of spectral intensity in conventional spectrometers is on the order of 0.1% at most. Therefore, when the fluctuation intensity a of the spectrum to be detected is smaller than the intensity b of the background spectrum, it has been impossible to accurately measure changes in the fluctuation strength a.

前述したように、半導体IC素子のプラズマエ
ツチング工程においては上記変動強度aの値が第
7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の値が正確に判定できない場合は、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。
As mentioned above, in the plasma etching process of semiconductor IC elements, when the value of the fluctuation intensity a becomes undetectable as shown in FIG. 7b, it is determined that etching has ended. If the determination cannot be made accurately, it may be determined that the fluctuation strength a has become zero even though the etching process has not been completed, and the etching process may be stopped. In this case, there was a concern that some portions of the semiconductor surface would remain where the etching process had not been completely performed, resulting in a decrease in the yield of IC products.

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、波長変調装
置およびサンプリング回路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、輝線スペクトルにおける微少なスペ
クトル変化を精度よく測定できるとともにスペク
トルの絶対値も同時に測定でき、目標とする輝線
スペクトルを容易に判別しその変化量を適確に把
握できる波長変調型微分分光計を提供することに
ある。
The present invention has been made based on the above circumstances, and its purpose is to use a wavelength modulation device and a sampling circuit to reduce minute intensities in the emission line spectrum even if the intensity of the background spectrum is large. To provide a wavelength modulation type differential spectrometer that can accurately measure spectral changes and simultaneously measure the absolute value of the spectrum, easily discriminate a target emission line spectrum, and accurately grasp the amount of change.

[問題点を解決するための手段] 本発明の波長変調型微分分光計は、測定すべき
光の光束を所定の周波数で振動させる波長変調装
置と、波長変調装置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
格子と、回折格子を回動させて出力された光束の
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、回折格子より出力された回折スペク
トルを受光して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、光電変
換器から出力された電気信号を波長変調装置の振
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、光電変換器から出力された電気信号を増
幅する直流増幅器と、直流増幅器の出力信号を波
長変調装置の振動周波数又は2倍の周波数に同期
してサンプリングするサンプリング回路とで構成
している。
[Means for Solving the Problems] The wavelength modulation type differential spectrometer of the present invention includes a wavelength modulation device that vibrates a luminous flux of light to be measured at a predetermined frequency, and a modulated luminous flux output from the wavelength modulation device. A wavelength scanning mechanism that rotates the diffraction grating to continuously change the incident angle of the output light beam to the diffraction grating, and a wavelength scanning mechanism that receives the diffraction spectrum output from the diffraction grating. a photoelectric converter that converts an optical modulation signal included in a diffraction spectrum into an electrical signal; a synchronous detection circuit that synchronously detects the electrical signal output from the photoelectric converter at a frequency twice the vibration frequency of the wavelength modulation device; It consists of a DC amplifier that amplifies the electrical signal output from the photoelectric converter, and a sampling circuit that samples the output signal of the DC amplifier in synchronization with the vibration frequency of the wavelength modulation device or twice the frequency.

さらに、前記波長変調装置を、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
と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、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。
Furthermore, the wavelength modulation device includes a U-shaped tuning fork;
An electromagnetic coil for vibrating the U-shaped tuning fork, a first plane mirror attached to one free end of the U-shaped tuning fork to reflect a beam of light to be measured, and the other free end of the U-shaped tuning fork. a second plane mirror attached to the camera for detecting the reflected light and vibration amplitude; a light emitting device for irradiating the second plane mirror with detection light for detecting the vibration amplitude of the reflected light beam; The amplitude measuring device receives the detected light with a position sensor and measures the vibration amplitude of the reflected detected light with a change detection circuit. It consists of a drive circuit that controls the excitation of the electromagnetic coil.

[作用] このように構成された波長変調型微分分光計で
あれば、測定すべき光の光束は波長変調装置にて
所定の周波数Fで振動されて回折格子へ入力され
る。したがつて、回折格子への入射角θが中心入
射角θOを中心に周波数Fで振動するので、この回
折格子の出力スペクトルを受光する光電変換器に
て得られる電気信号は前記中心入射角θOで測定中
心波長λO対して周波数Fで波長がλO±Δλで振動
する振動スペクトル信号となる。この振動スペク
トル信号をハイパスフイルタを介して周波数2F
で同期検波すると、測定中心波長λOにおけるスペ
クトルの変動分が得られる。
[Operation] In the wavelength modulation type differential spectrometer configured as described above, the beam of light to be measured is vibrated at a predetermined frequency F by the wavelength modulation device and input to the diffraction grating. Therefore, since the angle of incidence θ on the diffraction grating oscillates at a frequency F around the central incidence angle θ O , the electrical signal obtained by the photoelectric converter that receives the output spectrum of this diffraction grating is at the central incidence angle θ O. With respect to the measurement center wavelength λ O at θ O , it becomes a vibration spectrum signal that oscillates at a frequency F and a wavelength of λ O ±Δλ. This vibration spectrum signal is passed through a high-pass filter at a frequency of 2F.
When synchronous detection is performed at , the variation of the spectrum at the measurement center wavelength λ O can be obtained.

また、光電変換器の出力電気信号を直流像幅器
を介して周波数2Fでサンプリングすると、中心
波長λOにおけるスペクトルの直流成分が得られ
る。さらに、波長走査機構を駆動すると、振動さ
れた光束の回折格子に対する中心入射角θOが変化
するので、測定中心波長λOが変化する。
Furthermore, when the output electrical signal of the photoelectric converter is sampled at a frequency of 2F via a DC imager, a DC component of the spectrum at the center wavelength λ O is obtained. Furthermore, when the wavelength scanning mechanism is driven, the central incident angle θ O of the oscillated light beam with respect to the diffraction grating changes, so the measurement center wavelength λ O changes.

[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型微分分光計の概
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の入射窓に嵌入ま
れたコンデンサレンズ4にて入口スリツト5を介
して波長変調装置6を構成する振動子7の一対の
振動片の一方に取付けられた第1の平面鏡8に集
光される。
[Example] An example of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a wavelength modulation type differential spectrometer according to an embodiment. 1 in the diagram is a semiconductor IC
This is a plasma generation source such as an etching processing section in a device, etc., and a luminous flux 2 of the light to be measured emitted from this plasma generation source 1 is passed through an entrance slit 5 by a condenser lens 4 fitted into an entrance window of a case 3. The light is focused on a first plane mirror 8 attached to one of a pair of vibrating pieces of a vibrator 7 constituting the wavelength modulator 6 .

この振動子7は例えば第2図に示すように構成
されている。すなわち、U字形音叉9の内部に電
磁コイル10が配置されており、この電磁コイル
10の軸心にコア11が挿入されている。そし
て、U字形音叉9の一対の自由端、すなわち一対
の振動片にそれぞれ前記第1の平面鏡8および第
2の平面鏡12が取付けられている。しかして、
この振動子7はU字形音叉9の形状、重量等で定
まる一定周波数Fおよび電磁コイル10に流れる
励磁電流値で定まる振幅Wで振動する。
This vibrator 7 is configured as shown in FIG. 2, for example. That is, an electromagnetic coil 10 is disposed inside the U-shaped tuning fork 9, and a core 11 is inserted into the axis of the electromagnetic coil 10. The first plane mirror 8 and the second plane mirror 12 are attached to a pair of free ends of the U-shaped tuning fork 9, that is, a pair of vibrating pieces, respectively. However,
This vibrator 7 vibrates at a constant frequency F determined by the shape and weight of the U-shaped tuning fork 9, and at an amplitude W determined by the value of the excitation current flowing through the electromagnetic coil 10.

振動子7の第1の平面鏡8にて反射された光束
2はコリメータ13へ入射される。前述したよう
に振動子7は一定周波数F、一定振幅Wで振動し
ているので、第1の平面鏡8にて反射された光束
2は一定周波数Fおよび一定振幅Wで振動する振
動光になる。コリメータ13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14へ入射される。この回折格
子14にて、格子寸法、入射角θ等にて定まる波
長λのスペクトルが分光されてコレクタ15へ入
射される。このコレクタ15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16が
配設されており、この出口スリツト16の裏面に
隣接して、前記コレクタ15で反射され出口スリ
ツト16上に結像した振動スペクトルを受光する
光電変換器17が設けられている。この光電変換
器17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18で増幅され
た後、サンプリング回路19へ入力される。この
サンプリング回路19は入力した増幅後の電気信
号fをタイミング回路20から出力される周波数
2Fのサンプリングパルスgでサンプリングする。
なお、タイミング回路20には前記波長変調装置
6の振動子7を駆動する振動子駆動回路21から
出力された振動子7の振動周波数Fの2倍の周波
数2Fを有する同期信号hが入力されており、タ
イミング回路20は同期信号hの出力タイミング
を調整してサンプリングパルスgとしてサンプリ
ング回路19へ送出する。サンプリング回路19
にて周波数2Fでサンプリングされた電気信号f
のサンプリングデータは測定スペクトルの直流成
分強度eとしてマイクロプロセツサ等で構成され
た制御演算回路22へ入力される。
The light beam 2 reflected by the first plane mirror 8 of the vibrator 7 is incident on the collimator 13. As described above, since the vibrator 7 vibrates at a constant frequency F and a constant amplitude W, the light beam 2 reflected by the first plane mirror 8 becomes oscillating light that vibrates at a constant frequency F and a constant amplitude W. The oscillating light reflected by the collimator 13 is incident on a blazed diffraction grating 14 rotatably attached to a fixed part. The diffraction grating 14 separates a spectrum of wavelength λ determined by the grating dimensions, the incident angle θ, etc., and enters the collector 15 . An exit slit 16 is disposed at a position where the vibration spectrum reflected by the collector 15 forms an image, and adjacent to the back surface of the exit slit 16, the vibration spectrum reflected by the collector 15 forms an image on the exit slit 16. A photoelectric converter 17 is provided to receive the vibration spectrum. The electrical signal f containing a DC component and an AC component output from the photoelectric converter 17 is amplified by a DC amplifier 18 and then input to a sampling circuit 19 . This sampling circuit 19 converts the input amplified electrical signal f to a frequency output from the timing circuit 20.
Sample with 2F sampling pulse g.
Note that a synchronization signal h having a frequency 2F, which is twice the vibration frequency F of the vibrator 7 output from the vibrator drive circuit 21 that drives the vibrator 7 of the wavelength modulation device 6, is input to the timing circuit 20. The timing circuit 20 adjusts the output timing of the synchronization signal h and sends it to the sampling circuit 19 as a sampling pulse g. sampling circuit 19
Electrical signal f sampled at frequency 2F at
The sampling data is input as the DC component intensity e of the measured spectrum to a control calculation circuit 22 comprised of a microprocessor or the like.

また、光電変換器17から出力された電気信号
fはコンデンサ23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2
4へ入力される。電気信号fの交流成分は、この
同期検波回路24でもつて振動子駆動回路21か
ら放出された同期信号h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として制御
演算回路22へ入力される。
Further, the electrical signal f output from the photoelectric converter 17 is passed through a high-pass filter consisting of a capacitor 23 to remove the DC component, and then sent to a synchronous detection circuit 2.
4. The alternating current component of the electric signal f is synchronously detected by this synchronous detection circuit 24 at the frequency 2F of the synchronous signal h emitted from the vibrator drive circuit 21, and is inputted to the control calculation circuit 22 as the fluctuation intensity a of the measurement spectrum. Ru.

また、図中25は回折格子14を回動させてコ
リメータ13からこの回折格子14へ入射される
振動光の中心入射角θO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25において、ケ
ース3に該設されたネジ穴に螺合するネジ棒25
aの一端に取付けられた駆動モータ25bを制御
演算回路22にて制御されるモータ駆動回路25
cでもつて回転させると、ネジ棒25aが回転
し、ネジ棒25aの他端近傍に取付けられた係止
部材25dの水平位置が移動する。係止部材25
dの水平位置が移動すると、回動軸25eにて固
定部に対して回動自在に取付けられた回折格子1
4の回動アーム25fが移動して、回折格子14
が回動する。その結果、上記振動光の中心入射角
θOが変化する。中心入射角θOが変化すると、この
回折格子14から出力されコレクタ15へ入射す
る振動回折スペクトルの中心波長λOの値が変化す
る。
In addition, 25 in the figure is a wavelength scanning mechanism that rotates the diffraction grating 14 to continuously change the central incident angle θ O of the oscillating light incident on the diffraction grating 14 from the collimator 13. In this wavelength scanning mechanism 25, A threaded rod 25 that is screwed into a screw hole provided in the case 3
A motor drive circuit 25 that controls a drive motor 25b attached to one end of a by a control calculation circuit 22.
When the threaded rod 25a is rotated, the horizontal position of the locking member 25d attached near the other end of the threaded rod 25a is moved. Locking member 25
When the horizontal position of d moves, the diffraction grating 1, which is rotatably attached to the fixed part at the rotation axis 25e,
The rotation arm 25f of No. 4 moves, and the diffraction grating 14
rotates. As a result, the central incident angle θ O of the oscillating light changes. When the central incidence angle θ O changes, the value of the center wavelength λ O of the vibrational diffraction spectrum output from the diffraction grating 14 and incident on the collector 15 changes.

なお、前記回折格子14の回転角度は回転角度
検出器26にて検出され、制御演算回路22へ入
力される。
Note that the rotation angle of the diffraction grating 14 is detected by a rotation angle detector 26 and inputted to the control calculation circuit 22.

前記波長変調装置6においては、図示するよう
に振動子7の第2の平面鏡12にコンデンサレン
ズ27を介してLED等の発光素子で構成された
発光装置28から出力される検出光29が入射さ
れる。そして、この第2の平面鏡12で反射され
た検出光29は一定周波数Fの振動光となり、こ
の検出光29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30へ入力され
る。この振幅測定器30にて測定された検出光2
9の振動振幅信号は、振動子7のU字形音叉9の
内側に組込まれた電磁コイル10へ励磁電流を
送出する振動子駆動回路21へ入力される。
In the wavelength modulation device 6, as shown in the figure, detection light 29 output from a light emitting device 28 constituted by a light emitting element such as an LED is incident on the second plane mirror 12 of the vibrator 7 via a condenser lens 27. Ru. The detection light 29 reflected by the second plane mirror 12 becomes vibration light with a constant frequency F, and is input to an amplitude measuring device 30 composed of a position sensor and the like that measures the vibration amplitude of the detection light 29. . Detection light 2 measured by this amplitude measuring device 30
The vibration amplitude signal 9 is input to a vibrator drive circuit 21 that sends an excitation current to an electromagnetic coil 10 incorporated inside the U-shaped tuning fork 9 of the vibrator 7.

振動子駆動回路21には、前記制御演算回路2
2から送出された振幅設定信号iが入力されてい
る。そして、振幅測定器30から入力された振幅
振動信号から換算された振動子7の測定振幅が、
設定信号iに対応する設定振幅Wになるように振
動子7の電磁コイル10に供給する駆動電流の
値を制御する。したがつて、振動子7の振動振幅
は常に制御演算回路22から送出された設定信号
iに対応する振幅値Wとなる。また、この振動子
駆動回路21は同期検波回路24およびタイミン
グ回路20へ振動子7の振動周波数の2倍の周波
数2Fを有する同期信号hを送出する。
The vibrator drive circuit 21 includes the control calculation circuit 2
The amplitude setting signal i sent from 2 is input. Then, the measured amplitude of the vibrator 7 converted from the amplitude vibration signal input from the amplitude measuring device 30 is
The value of the drive current supplied to the electromagnetic coil 10 of the vibrator 7 is controlled so that the set amplitude W corresponds to the set signal i. Therefore, the vibration amplitude of the vibrator 7 always becomes the amplitude value W corresponding to the setting signal i sent from the control calculation circuit 22. Further, the vibrator drive circuit 21 sends a synchronization signal h having a frequency 2F twice the vibration frequency of the vibrator 7 to the synchronous detection circuit 24 and the timing circuit 20.

このように構成された波長変調型微分分光計の
動作原理を第3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λO
を中心としてこの周辺(λO±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同図bに示すよ
うに直流成分eに振幅dの交流成分(リツプル成
分)が重畳した波形Dとなる。この波形Dの交流
成分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元のスペク
トル強度が得られる。実際には測定輝線スペクト
ルBは同図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に対応する強度が得られる。
The operating principle of the wavelength modulation differential spectrometer constructed in this way will be explained using FIGS. 3a and 3b. That is, the center wavelength λ O of the emission line spectrum B to be measured
The spectral intensity is measured while modulating the wavelength λ around this center (λ O ±Δλ). The spectral intensity waveform measured at this time becomes a waveform D in which an AC component (ripple component) with an amplitude d is superimposed on a DC component e, as shown in FIG. The frequency of the AC component of this waveform D is twice the wavelength modulation frequency F.
It will be on the 2nd floor. Therefore, this waveform D has a frequency of 2F
If the detection is performed in synchronization with the wavelength modulation, the original spectrum intensity can be obtained. In reality, the measured emission line spectrum B is superimposed with a broadband background spectrum of intensity b, as shown in figure a.
After removing the DC component e shown in FIG. 3B with a high-pass filter, synchronous detection is performed to obtain an intensity corresponding to the variation intensity a of the change in the bright line spectrum B.

また、振幅dの交流成分が重畳したままの波形
Dを周波数2Fでサンプリングすると、元のスペ
クトル強度cを取出すことが可能である。第3図
bのS1、S2、S3……のタイミングで波形Dをサン
プリング、すなわちf1、f2、f3……をサンプリン
グすれば波長λOにおける元のスペクトル強度cが
得られる。なお、サンプリング周波数2Fは振動
子7の振動周波数Fの2倍の周波数であり、振動
子7の振動周波数Fは2KHz程度の値である。こ
の値は波長走査機構25による波長走査速度に比
較して十分高い値であるので、サンプリング回路
19から出力されるサンプリングデータはほぼ連
続値とみなすことが可能である。
Furthermore, if the waveform D on which the AC component of amplitude d remains superimposed is sampled at a frequency of 2F, it is possible to extract the original spectral intensity c. If the waveform D is sampled at the timing of S 1 , S 2 , S 3 . . . in Figure 3b, that is, f 1 , f 2 , f 3 . . ., the original spectral intensity c at the wavelength λ O can be obtained. . Note that the sampling frequency 2F is twice the vibration frequency F of the vibrator 7, and the vibration frequency F of the vibrator 7 has a value of about 2 KHz. Since this value is sufficiently high compared to the wavelength scanning speed by the wavelength scanning mechanism 25, the sampling data output from the sampling circuit 19 can be regarded as a substantially continuous value.

したがつて、第1図の実施例の波長変調型微分
分光計においては、前述したように、振動子7が
一定周波数F、一定振幅Wで振動しているので、
回折格子14へ入射される振動光の入射角θも中
心入射角θOを中心として一定の角度範囲(θO±
Δθ)で振動する。その結果、出口スリツト16
上には波長λO±Δλの振動スペクトルが結像する。
したがつて、光電変換器7の受光面の入力光は第
3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17にて電気信号fに変換される。したが
つて、コンデンサ23で直流成分eが除去され、
同期検波回路24にて周波数2fの同期信号hによ
つて同期検波された信号は、第3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。
Therefore, in the wavelength modulation type differential spectrometer of the embodiment shown in FIG.
The incident angle θ of the oscillating light incident on the diffraction grating 14 is also within a certain angle range (θ O ±
Δθ). As a result, the exit slit 16
A vibration spectrum of wavelength λ O ±Δλ is imaged above.
Therefore, the input light to the light receiving surface of the photoelectric converter 7 has a waveform in which an alternating current component d is superimposed on a direct current component e, as shown in waveform D in FIG. 3b. This waveform D is converted into an electrical signal f by a photoelectric converter 17. Therefore, the DC component e is removed by the capacitor 23,
A signal synchronously detected by the synchronous detection circuit 24 using the synchronous signal h having a frequency of 2f becomes a DC signal corresponding to the fluctuation intensity a of the bright line spectrum B in FIG. 3a.

また、サンプリング回路19にて周波数2Fの
サンプリングパルスg(サンプリングポイントS1
S2、S3……)にてサンプリングされたデータ値は
同図bの直流成分f1、f2、f3……に対応した値と
なる。
In addition, the sampling circuit 19 generates a sampling pulse g with a frequency of 2F (sampling point S 1 ,
S 2 , S 3 . . . ) sampled data values correspond to the DC components f 1 , f 2 , f 3 .

したがつて、制御演算回路22には輝線スペク
トルBの変動強度aと直流成分に対応する強度c
が入力される。
Therefore, the control calculation circuit 22 receives the fluctuation intensity a of the bright line spectrum B and the intensity c corresponding to the DC component.
is input.

次に、波長走査機構25のモータ駆動回路25
cにて駆動モータ25bを一定速度で回転させる
と、第4図に示すように回折スペクトルの中心波
長λOが時間tとともに順次ずれていく。その結
果、第3図bの波形Dに含まれる波長(λO±Δλ)
も順次ずれていく。したがつて、周波数2Fのサ
ンプリングパルスgでこの波形Dをサンプリング
すると、サンプリングされたデータに対応する波
形λが時間tとともに、λ1、λ2、λ3、…、λn、
…へと順次変化していく。そして、このデータは
順次制御演算回路22へ入力される。また、制御
演算回路22には回転角度検出器26から回折格
子14の回動角、すなわち、中心波長λOの情報が
入力されている。したがつて、この制御演算回路
22には各波長λに対応するスペクトルの直流強
度cが入力されることになる。
Next, the motor drive circuit 25 of the wavelength scanning mechanism 25
When the drive motor 25b is rotated at a constant speed at step c, the center wavelength λ O of the diffraction spectrum shifts sequentially with time t, as shown in FIG. As a result, the wavelength (λ O ±Δλ) included in waveform D in Figure 3b
are gradually shifted. Therefore, when this waveform D is sampled with a sampling pulse g having a frequency of 2F, the waveform λ corresponding to the sampled data becomes λ 1 , λ 2 , λ 3 , ..., λn, with time t.
It gradually changes to... This data is then sequentially input to the control calculation circuit 22. Further, information on the rotation angle of the diffraction grating 14, that is, the center wavelength λ O is inputted to the control calculation circuit 22 from the rotation angle detector 26. Therefore, the DC intensity c of the spectrum corresponding to each wavelength λ is input to the control calculation circuit 22.

また、波形Dの中心波長λOが順次変化すると、
同期検波回路24から出力される変動強度aの波
長λも順次変化する。
Also, when the center wavelength λ O of waveform D changes sequentially,
The wavelength λ of the fluctuation intensity a output from the synchronous detection circuit 24 also changes sequentially.

その結果、制御演算回路22には各波長λに対
する直流強度cと変動強度aとの二つのデータが
同時に入力されることになる。
As a result, two data, the DC intensity c and the fluctuation intensity a, for each wavelength λ are input to the control calculation circuit 22 at the same time.

第5図は、半導体ウエーハ上にSiO2膜をリア
クティブイオンエツチングしている場合の実測例
である。このように、波長λに対して直流強度c
に対応する直流特性Eと変動強度aに対応する変
動特性Fとを同時に得ることが可能である。この
図からも明らかになるように、変動特性Fは直流
特性Eを2次微分した特性になつている。
FIG. 5 shows an example of actual measurement when reactive ion etching is performed on a SiO 2 film on a semiconductor wafer. In this way, for the wavelength λ, the DC intensity c
It is possible to simultaneously obtain the DC characteristic E corresponding to the fluctuation intensity a and the fluctuation characteristic F corresponding to the fluctuation intensity a. As is clear from this figure, the fluctuation characteristic F is a characteristic obtained by second-order differentiation of the DC characteristic E.

このように変動特性Fにおいては、第3図の直
流成分eを除去して交流成分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スペクトルの強度bを
除去して変動強度aのみ精度よく測定できる。し
たがつて、従来スペクトル分光計のように測定す
る波長の値をλOに固定してスペクトル強度c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。
In this way, in the fluctuation characteristic F, it is possible to remove the DC component e in Fig. 3 and separate and detect only the AC component d, so the bright line spectrum B
By removing the intensity b of the background spectrum at , only the fluctuation intensity a can be measured with high accuracy. Therefore, it is possible to significantly improve measurement accuracy compared to the case where the wavelength value to be measured is fixed to λ O and the spectral intensity c is directly measured as in the case of a conventional spectrum spectrometer.

例えば、同図において、波長λ=4510Åおよび
λ=4820Åに存在する輝線スペクトルG,Hがエ
ツチング終了時にはほとんど無くなることから、
同波長における輝線スペクトルの変動特性F値を
監視することによつて、エツチング終了時刻を確
実に検出できる。
For example, in the same figure, the emission line spectra G and H that exist at wavelengths λ = 4510 Å and λ = 4820 Å almost disappear at the end of etching.
By monitoring the fluctuation characteristic F value of the bright line spectrum at the same wavelength, the etching end time can be reliably detected.

また、変動特性Fの他に直流特性Eも同時に求
められるので、全体の分光スペクトル特性を観測
しながら目標とする輝線スペクトルBの値を観測
できるので、輝線スペクトルBの変動情報をより
確実に把握できる。
In addition, in addition to the fluctuation characteristics F, the DC characteristics E can also be determined at the same time, so the target value of the bright line spectrum B can be observed while observing the overall spectral characteristics, so the fluctuation information of the bright line spectrum B can be more accurately grasped. can.

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。実施例においては、振動子7として
U字形音叉9を用いた圧電型アクチユエータを用
いて同様に一定周波数、一定振幅の振動光を得る
ことが可能である。
Note that the present invention is not limited to the embodiments described above. In the embodiment, using a piezoelectric actuator using a U-shaped tuning fork 9 as the vibrator 7, it is possible to similarly obtain vibrating light with a constant frequency and constant amplitude.

さらに、実施例においては、タイミング回路2
0からサンプリング回路19へのサンプリングパ
ルスgの出力タイミングを第4図に示したように
波形Dの変動部分が一点鎖線で示される中心位置
を横切る瞬間に設定したが、第6図に示すように
波形Dの変動部分が最大値および最少値に達した
瞬間に設定してもよい。このように設定すれば、
サンプリングされるデータに対応する波長は波形
Dの折返し点の波長B1、B2、B3……になる。波
形Dの折返し点におけるデータの変化量(dλ/
dt)が小さいので、サンプリングのゲート時間を
広く設定することが可能であるので、サンプリン
グされた各データの測定精度を向上させることが
可能である。
Furthermore, in the embodiment, the timing circuit 2
The output timing of the sampling pulse g from 0 to the sampling circuit 19 was set at the moment when the fluctuating portion of the waveform D crosses the center position shown by the dashed line as shown in FIG. 4, but as shown in FIG. It may be set at the moment when the fluctuating portion of waveform D reaches its maximum value and minimum value. If you set it like this,
The wavelengths corresponding to the sampled data are the wavelengths B 1 , B 2 , B 3 . . . at the turning points of the waveform D. The amount of change in data at the turning point of waveform D (dλ/
dt) is small, it is possible to set a wide sampling gate time, and therefore it is possible to improve the measurement accuracy of each sampled data.

なお、この場合サンプンリング時の波長が中心
波長λOから±Δλだけずれることになるが、その
時のΔλな振動子7の振幅Wから算出できるので、
制御演算回路22にて上記波長の補正を実施すれ
ばよい。
In this case, the wavelength during sampling will deviate from the center wavelength λ O by ±Δλ, but it can be calculated from the amplitude W of the oscillator 7 which is Δλ at that time, so
The control calculation circuit 22 may correct the wavelength.

[発明の効果] 以上説明したように本発明によれば、例えバツ
クグラウンドスペクトルの強度が大きくとも、輝
線スペクトル等の微少なスペクトル変化を精度よ
く測定できるとともにスペクトルの絶対値も同時
に測定でき、目標とする輝線スペクトルを容易に
判別しその変化量を的確に把握できる。
[Effects of the Invention] As explained above, according to the present invention, even if the intensity of the background spectrum is large, minute spectral changes such as emission line spectra can be measured with high precision, and the absolute value of the spectrum can also be measured simultaneously, and the target can be achieved. It is possible to easily distinguish the emission line spectrum and accurately grasp the amount of change.

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。
Further, the absolute value of the amplitude of the U-shaped tuning fork that vibrates the measurement light is directly measured using an optical method such as a position sensor, and the amplitude is controlled to be constant. Therefore, compared to other measurement methods using, for example, a magnetic head, the stability and measurement accuracy of the amplitude measurement of the U-shaped tuning fork are improved, so that the measurement accuracy of the final spectral change can be further improved.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の一実施例に係わる波長変調型
微分分光計の概略構成を示す模式図、第2図は同
実施例の振動子を示す斜視図、第3図および第4
図は同実施例の動作を説明するための図、第5図
は実測値を示す図、第6図は本発明の他の実施例
の波長変調型微分分光計の動作を説明するための
図、第7図はプラズマスペクトルを示す図であ
る。 1……プラズマ発生源、2……光束、3……ケ
ース、5……入口スリツト、6……波長変調装
置、7……振動子、8……第1の平面鏡、9……
U字形音叉、10……電磁コイル、12……第2
の平面鏡、13……コリメータ、14……回折格
子、15……コレクタ、16……出口スリツト、
17……光電変換器、18……直流増幅器、19
……サンプリング回路、20……タイミング回
路、21……振動子駆動回路、22……制御演算
回路、23……コンデンサ、24……同期検波回
路、25……波長走査機構、26……回転角度検
出器、28……発光装置、29……検出光、30
……振幅測定器。
FIG. 1 is a schematic diagram showing the general configuration of a wavelength modulation differential spectrometer according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a perspective view showing a vibrator of the same embodiment, and FIGS.
The figure is a diagram for explaining the operation of the same embodiment, FIG. 5 is a diagram showing actual measured values, and FIG. 6 is a diagram for explaining the operation of a wavelength modulation type differential spectrometer according to another embodiment of the present invention. , FIG. 7 is a diagram showing a plasma spectrum. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Plasma generation source, 2... Luminous flux, 3... Case, 5... Entrance slit, 6... Wavelength modulation device, 7... Vibrator, 8... First plane mirror, 9...
U-shaped tuning fork, 10...electromagnetic coil, 12...second
plane mirror, 13...collimator, 14...diffraction grating, 15...collector, 16...exit slit,
17...Photoelectric converter, 18...DC amplifier, 19
... Sampling circuit, 20 ... Timing circuit, 21 ... Vibrator drive circuit, 22 ... Control calculation circuit, 23 ... Capacitor, 24 ... Synchronous detection circuit, 25 ... Wavelength scanning mechanism, 26 ... Rotation angle Detector, 28... Light emitting device, 29... Detection light, 30
...Amplitude measuring device.

Claims (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
せる波長変調装置6と、該波長変調装置から出力
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14と、該回折格子を回
動させて前記出力された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25
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17と、該
光電変換器から出力された前記電気信号を前記波
長変調装置の振動周波数の2倍の周波数で同期検
波する同期検波回路24と、前記光電変換器から
出力された前記電気信号を増幅する直流増幅器1
8と、該直流増幅器の出力信号を前記波長変調装
置の振動周波数又は2倍の周波数に同期してサン
プリングするサンプリング回路19とを備えた波
長変調型微分分光計であつて、 前記波長変調装置は、U字形音叉9と、該U字
形音叉は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12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2
8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30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21とを具備することを
特徴とする波長変調型微分分光計。
[Claims] 1. A wavelength modulation device 6 that vibrates a beam of light to be measured at a predetermined frequency, and a diffraction grating 14 that disperses the modulated beam output from the wavelength modulation device and outputs a diffraction spectrum. and a wavelength scanning mechanism 25 that rotates the diffraction grating to continuously change the incident angle of the output light beam with respect to the diffraction grating.
a photoelectric converter 17 that receives the diffraction spectrum output from the diffraction grating and converts the optical modulation signal included in the diffraction spectrum into an electrical signal; and converts the electrical signal output from the photoelectric converter into an electrical signal at the wavelength. A synchronous detection circuit 24 that performs synchronous detection at a frequency twice the vibration frequency of the modulator, and a DC amplifier 1 that amplifies the electrical signal output from the photoelectric converter.
8, and a sampling circuit 19 that samples the output signal of the DC amplifier in synchronization with the vibration frequency of the wavelength modulation device or twice the frequency, the wavelength modulation device comprising: , a U-shaped tuning fork 9, an electromagnetic coil 10 for driving the U-shaped tuning fork in vibration,
a first plane mirror 8 attached to one free end of the U-shaped tuning fork to reflect and output the luminous flux of the light to be measured; and a first plane mirror 8 attached to the other free end of the U-shaped tuning fork to reflect and output the beam of light to be measured; the second to detect
a plane mirror 12, and a light emitting device 2 that irradiates detection light for detecting the vibration amplitude of the reflected light beam onto the second plane mirror.
8, an amplitude measuring device 30 for receiving the detection light reflected by the second plane mirror with a position sensor and measuring the vibration amplitude of the reflected detection light with a change detection circuit; A wavelength modulation type differential spectrometer comprising: a drive circuit 21 that controls excitation of the electromagnetic coil so that the vibration amplitude value measured by the electromagnetic coil always has a constant value.
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