(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数変調したレーザ光を測定対象に照射し、照射面からの反射光と前記測定対象からの反射光を干渉させてビート信号を発生させ、前記照射面と前記測定対象との間の光路差に比例した前記ビート信号の位相変位を測定することにより距離情報を得るレーザ干渉変位計において、前記ビート信号の１周期内を一定のサンプリング周期で測定するための信号を発生するタイミングコントローラと、前記サンプリング周期で前記ビート信号をサンプリングするデータサンプラと、サンプリングしたデータの正負を判定しコード化するデコーダと、前記コード化されたデータからビート信号の状態を判別し、この状態の１周期分の変化をカウントすることによりビート信号の位相変位を計測するカウンタとを設けたことを特徴とするレーザ干渉変位計。
【請求項２】
距離の変動による前記ビート信号の周波数変化を除くため、前記データサンプラの前段にバンドパスフィルタを設けたことを特徴とする請求項１記載のレーザ干渉変位計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＦＭヘテロダイン法を用いたレーザ干渉変位計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体処理装置におけるエッチング量をモニタするためにレーザ干渉変位計が使用されている。このレーザ干渉変位計の例としては、特公平７−６７７１号公報、特開平７−２０１８０７号公報、特開平５−２４８８１７号公報等が挙げられる。
【０００３】
図８に、ＦＭヘテロダイン法を用いたレーザ干渉変位計の基本構成を示し、図９に、レーザ干渉変位計における各信号の波形を示す。
図８において、レーザダイオード１０１から照射された光は、コリメータレンズ１０２でコリメートされ、ビームスプリッタ１０４を介し、第１のロッドレンズ１０６により光ファイバ１０５に導かれる。光ファイバ１０５を通過したレーザ光は、第２のロッドレンズ１０６から、半導体処理装置１０８内に置かれた被加工物１０７に照射される。このとき第２のロッドレンズ端面１０６ａと被加工面１０７ａにおいて光が反射され、それぞれ参照光と物体光となる。
【０００４】
レーザダイオード１０１から照射されるレーザ光の周波数は、駆動電流によりＦＭ変調されてノコギリ波状となっている。したがって、ロッドレンズ端面１０６ａから反射される参照光と被加工面１０７ａから反射される物体光の周波数も、図９（ａ）に示すように、ノコギリ波状となる。そして、両者間には両者間の光路差（距離の差）により時間差τが生じる。これによりヘテロダイン干渉によるビート信号が発生し、フォトディテクタ１０３により、図９（ｂ）に示すビート信号が検出される。このビート信号の位相差を測定して距離情報を得るのがＦＭヘテロダイン法によるレーザ干渉変位計の原理である。
【０００５】
上記、光学系において位相と距離の関係は次式にて示される。
Ｌ＝（λ０  ／ｎ０  ）×φ／４π  （ｎｍ）
ただし、Ｌ：ロッドレンズ端面１０６ａと被加工物面１０７ａ間の距離、φ：位相、λ０  ：レーザダイオード１０１の基本波長、ｎ０  ：ロッドレンズ端面１０６ａと被加工物面１０７ａとの間の物質の屈折率である。
【０００６】
この式は、位相φが一義的には決定できないため絶対値は求められないが、次のように変位量の測定に用いることができる。
すなわち、図１０に示すように、ビート信号波形は、距離が増加していくと、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）……と示すように位相が進んで行く。したがって、この位相の変化量（位相差）を測定することにより、被加工物の変位量を測定することができる。
【０００７】
このため、ノコギリ波の立ち下がりから一定時間経過した時点ｔにおいて、スレッショルドレベルを基準として、ビート信号の信号強度を測定して位相差φを検出する。そして、測定の進行により、検出信号が、（ａ）から（ｅ）までのように１周期分の変化をしたとき、ビート信号の波数ｎを１だけ増加する。この１周期の変化の検出方法としては、図１０（ｄ）から（ｅ）に移行して、検出信号がスレッショルドレベルを超えて暗から明に変化したときを検出して、１周期進んだと判定している。
【０００８】
この例における変位量は、次式から得られる。
ΔＬ＝（λ０  ／２ｎ０  ）×（ｎ＋φ／２π）  （ｎｍ）
ただし、ΔＬ：被加工物面１０７ａの変位、ｎ：ビート周波数の波数（カウント数）、φ：位相差、λ０  ：レーザダイオード１０１の基本波長、ｎ０  ：ロッドレンズ端面１０６ａと被加工物面１０７ａとの間の物質の屈折率である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記の測定法に置いては、位相差を正しく測定する為にビート信号の波形が安定していることが必要である。しかしながら、上述のレーザ干渉変位計をウェットエッチング中のエッチング量をモニタするために用いる場合は、反応中に発生する泡が光路内に存在したり、周辺機器からの振動によりビート信号の波形に乱れが生じる。これにより、距離の測定に誤差が生じることがある。
【００１０】
図１１を用いて、泡により誤判定が発生する理由を説明する。図は、距離が変化しておらず、ビート信号の状態も（ａ）から（ｄ）のように変化していない状態を示している。この状態で、泡の発生により（ｂ）（ｃ）のように波形が乱れると、ビート信号の位相に変化がなくても、時点ｔにおける検出信号値に変化が生じ、時点ｔにおいて本来「明」であるべきものが「暗」に変化する。この場合、（ｃ）から（ｄ）のように、信号レベルが暗から明へと変化すると、ビート信号の波数ｎに１が加えられ、実際には距離の変動がないのに、距離の変動があったものとしてカウントされてしまう。
【００１１】
図１２を用いて、周辺機器からの振動により誤判定が発生する理由を説明する。図は、（ａ）から（ｆ）までエッチングの進行により距離が増加して、ビート信号の位相が進んでいる状態を示している。ただし、（ｆ）の時点においては、被加工物の振動により、ビート信号の位相にずれが生じている。このため、（ｅ）から（ｆ）へは急激で不規則な変化が生じるため、状態の判別が不能となっている。
【００１２】
本発明は、上記従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、ビート信号の波形の乱れに影響されず、正確な変位量を測定できるレーザ干渉変位計を提供することを目的としたものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載のレーザ干渉変位計においては、周波数変調したレーザ光を測定対象に照射し、照射面からの反射光と測定対象からの反射光を干渉させてビート信号を発生させる。このビート信号は、照射面と測定対象間の距離の増加又は減少に応じて、その状態が変化する。つまり、ビート信号の位相が進むか又は遅れる。
【００１４】
データサンプラは、タイミングコントローラが発生する信号により、ビート信号の１周期内を状態分割数Ｎで分割して、一定のサンプリング周期でサンプリング測定する。
デコーダは、サンプリングしたデータの正負を判定しコード化する。
カウンタは、デコーダによりコード化されたデータからビート信号の状態を判別する。そして、距離の増加又は減少によりビート信号の状態が変化したときは、コードの状態番号ｉを１だけ加減算する。また、計測が進み、ビート信号の状態が１周期分変化したときは、ビート信号の波数ｎを１だけ加減算する。
【００１５】
上記構成において、変位量は次式により得られる。
ΔＬ＝（λ０  ／２ｎ０  ）×（ｎ＋ｉ／Ｎ）  （ｎｍ）
ただし、ΔＬ：測定対象の変位、ｎ：ビート信号の波数（カウント数）、Ｎ：状態分割数、ｉ：コードの状態番号（カウント開始の状態を状態１とする）、ｎ０  ：ロッドレンズ端面１０６ａと被加工物面１０７ａとの間の物質の屈折率である。
【００１６】
以上説明したレーザ干渉変位計では、ビート信号から得た信号をコード化してコードパターンを得ることで、正常なビート信号の波形と、泡又は振動などの影響により崩れた波形とを判別することができる。そして、本来表れる筈のないコードパターンを除去することで、安定状態にある信号波形のみを選択して、変位量の測定に用いることができる。したがって、ウェットエッチング中のエッチング量の測定のように、泡、振動などが問題となりうる状態での測定であっても、変位量の測定を正確に行うことができる。
【００１７】
また、請求項２記載のレーザ干渉変位計においては、データサンプラの前段にバンドパスフィルタを設けることにより、距離の変動によるビート信号の周波数変化の影響を除去し、正確にビート信号の状態を判別することを可能としている。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、ＦＭヘテロダイン法による変位測定器の一例を示す構成図であり、図２は、計測方法を説明するための波形図である。
図１において、レーザダイオード１０１より照射された光は、コリメータレンズ１０２によりコリメートされ、ビームスプリッタ１０４、第１のロッドレンズ１０６、光ファイバ１０５を介し、第２のロッドレンズ１０６により半導体処理装置１０８内に置かれた被加工物１０７に照射される。半導体処理装置１０８においてはウエットエッチング処理が行われる。
【００１９】
このとき、ロッドレンズ端面１０６ａで反射された一部の光と、被加工物面１０７ａにて反射された光は、既に図９を用いて説明したように、ヘテロダイン干渉してビート信号を発生する。このビート信号は、フォトディテクタ１０３により検出される。
フォトディテクタ１０３の出力は、ビート信号の周波数近傍を中心周波数（＝１／Ｔｓ）とするバンドパスフィルタ２０２により周波数が固定される。このバンドパスフィルタ２０２を設けることにより、距離の変動によるビート信号の周波数変化の影響を除去する。なお、このバンドパスフィルタ２０２は省略することも可能である。
【００２０】
タイミングコントローラ２０１は、前述の図９のノコギリ波の立ち下がり時点から、一定のマスク時間ｔを置き、その時点ｔから、Ｔｓ／４毎のデータをビート信号の一周期（Ｔｓ）分サンプリングする様に、データサンプラ２０３にタイミング信号を出す。このタイミング信号は、図２において、ｔ，ｔ＋Ｔｓ／４，ｔ＋Ｔｓ／２，ｔ＋３Ｔｓ／４として示されている。
【００２１】
データサンプラ２０３は、タイミングコントローラ２０１に従い、バンドパスフィルタ２０２の出力信号を図２の各時点でサンプリングし、デコーダ２０４に受け渡す。
デコーダ２０４は、サンプリングした各データの正負を判定しコード化する。このとき、サンプリングされた値がゼロの場合は、直前にサンプリングされた値を使用する。
【００２２】
本例のようにビート信号の１周期内の状態分割数を４とした場合、図２に示すように、ビート信号の状態のコードは、１００１，００１１，０１１０，１１００の４パターンとなる。この４パターンにそれぞれコードの状態番号ｉとして１〜４の番号を割り振る。したがって、これ以外のコードが、発生した場合は、不正確なコードとして除去し、残ったコードにより正確に状態を判別することができる。
【００２３】
ここで、不正確なコードが発生した場合について、図により説明する。
図３は、泡によりビート信号の干渉強度が弱化した場合を示す。図３は、前述の従来における図１１の場合に対応している。つまり、変位量が０で、測定が進行しても、ビート信号の状態に変化がない場合を示している。
図３（ｂ）と（ｃ）において、泡が光路中に存在して、干渉強度が弱化して、検出信号が明から暗へ変化すると、そのコードは（ｂ）で１０００、（ｃ）で００００となる。これらのコードは、前述の正常なコードパターンに含まれていないので、正常なコードでないことが判別でき、不正確なコードとして除去する。したがって、従来のように誤って波数ｎをカウントすることが防止できる。
【００２４】
図４は振動によりビート信号波形が乱れた場合を示す。図４は、前述の従来における図１２の場合に対応している。
図４において、（ａ）から（ｅ）にかけて測定が進んでいき、（ｆ）において振動によりビート信号の位相がずれたとする。本例では、この場合でも、そのコードは１１００となって、正常なコードとして取り扱われる。したがって、従来におけるように判別不能となることはない。そして、（ｆ）において、その直前の（ｅ）のコード１００１との対比により、ビート信号の波数ｎに−１がされることがあっても、それ以降に正常な信号が検出されれば、波数ｎの値は正常な値に戻される。
【００２５】
図１に戻って、カウンタ２０５では、デコーダ２０４が正常なコードを出力したときを測定開始時とする。そして、この測定開始時に、ビート信号の波数ｎを０にセットし、コードの状態番号を１にセットする。このとき、ビート信号の状態が図２（ａ）に示した波形であれば、検出された符号は＋；−；−；＋となり、それをコード化したコードは１００１となる。
【００２６】
計測が進み、変位量が増大していくと、ビート信号は位相が進んでいく。その結果、（ｂ）のように位相がπ／２進むと、コードは００１１に変化し、そのコードの状態番号ｉを２とする。以後、同様に、（ｃ）のコード０１１０をコードの状態番号３、（ｄ）のコード１１００をコードの状態番号４とする。更に変位量が増大していくと、コードの状態番号１に戻ることとなる。
【００２７】
なお、レーザ干渉変位計をエッチング装置以外の用途に用いた場合で、変位量が減少していくときには、コードの状態番号ｉは１、４、３、２の順序で変化していくこととなる。
コードが全てのコードを通過し初期のコードに戻ったとき（例えば、１００１から始まり、００１１，０１１０，１１００を全て通過して初期の１００１に戻ったとき）、カウンタ２０５は、ビート信号の波数ｎに１を加減算する。この加減算の判別は、波の進行方向を上記のコードの変化方向から検出し、加減算の場合分けをする。例えば、１００１から００１１へ変化したときは加算をし、１００１から０１１０へ変化したときは減算をする。
【００２８】
計算部２０６は、カウンタ２０５により得た波数ｎとコードの状態番号ｉから、次式を用いて変位量を計算する。
ΔＬ＝（λ０  ／２ｎ０  ）×（ｎ＋ｉ／４）  （ｎｍ）
ただし、ΔＬ：被加工物面１０７ａの変位、ｎ：ビート信号の波数（カウント数）ｉ：コードの状態番号（カウント開始の状態を状態１とする）、ｎ０  ：ロッドレンズ端面１０６ａと被加工物面１０７ａとの間の物質の屈折率である。
【００２９】
以上説明した実施形態によれば、コードパターンは、単にビート信号の正負を検出するだけで得られるので、干渉強度が低下してもコード化は正常に行うことができ、計測ミスを無くすことができる。また、信号の正負のみを判定しているため、干渉信号に乱れがあっても正負の判定ができれば、データとして用いることができる。
【００３０】
また、従来のようにスレッショルドレベルによる計測を行う場合、波の進行方向（変位量の増加又は減少）までは判定することができないが、本例によれば、コード化を行うことによって可能となる。例えば〔００１１〕の次が〔１００１〕か〔０１１０〕のどちらかになるかで、進行方向を判定することができる。
さらに、従来のスレッショルドレベルを用いた計測では、振動による波数の揺れが明縞（又は暗縞）のなかで発生した場合は、検知することはできないが、波の進行方向自体を検知することにより、波数の増減を正しく判定することができる。
〔他の実施形態１〕
図５に、ＦＭヘテロダイン法による変位測定装置の他の実施形態を示す。なお、図５については、前述の図１と異なる点についてのみ説明する。
【００３１】
レーザダイオード１０１、フォトディテクタ１０３に光コネクタ３０２が接続される。この２つの光コネクタ３０２を接続したファイバカップラ３０１がロッドレンズ１０６に接続される。これにより、ファイバカップラ３０１にてロッドレンズ端面１０６ａと被加工物面から反射されてきた干渉信号の分岐が可能となる。その他の点については、前述の図１の例と同様の構成であり、同様の結果を得ることができる。
【００３２】
この構成は光学系の構成を光コネクタによるファイバの結合により行うことができるため、装置制作段階に於けるレーザ光軸合わせに掛かる工数を減らすことができる。
また、図１の例における光学系を用いた場合、光学構成部品の防震が製作上の重要な課題となるが、ファイバカップラ３０１を用いるならば、レーザの通過部分をファイバ内のみに限定できるため、防震の必要が無くなる。そのため、装置全体に占める光学装置の費用等の比率を下げることができる。
〔他の実施形態２〕
上記各実施形態では、ビート信号の１周期内の分割数を４としているが、これを変更することは可能である。例えば、分割数を８つとした場合、正常なヘテロダイン干渉データをコード化すると、図６に示すように、〔１１１００００１，１１００００１１，１００００１１１，００００１１１１，０００１１１１０，００１１１１００，０１１１１０００，１１１１００００〕となる。
【００３３】
この場合も、これ以外のコードが発生した場合は、不正確なコードとして除去することができる。また、コードの状態番号、符号検出、コード化の方法については、４分割コードの例に準じる。
分割数８の場合は、距離は次式により得られる。
ΔＬ＝（λ０  ／２ｎ０  ）×（ｎ＋ｉ／８）  （ｎｍ）
ただし、ΔＬ：被加工物面１０７ａの変位、ｎ：ビート信号の波数（カウント数）ｉ：コードの状態番号（カウント開始を状態１とする）、ｎ０  ：ロッドレンズ端面１０６ａと被加工物面１０７ａとの間の物質の屈折率である。
【００３４】
このように、分割数を増加させることにより、ヘテロダイン干渉によるビート信号のうなりを細かく計測することができ測定精度を向上できる。また、図７に示すように、４分割コードでは、正常パターンが全パターン中２５％（＝４／１６）であるのに対し、８分割コードでは、正常パターンが全パターン中３．１％（＝８／２５６）である。この様に、全体に対する正常パターンの率が減っているため、ヘテロダイン干渉のビート信号の乱れを検出しやすい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザ干渉変位計の１例を示す構成図。
【図２】図１のレーザ干渉変位計による計測方法を説明する波形図。
【図３】図１のレーザ干渉変位計における泡による影響を説明する波形図。
【図４】図１のレーザ干渉変位計における振動にる影響を説明する波形図。
【図５】本発明のレーザ干渉変位計の他の例を示す構成図。
【図６】本発明の状態分割数を８とした場合を説明する波形図。
【図７】本発明の分割数が４の場合と８の場合を比較した波形図。
【図８】従来のレーザ干渉変位計を示す構成図。
【図９】図８のレーザ干渉変位計の原理を説明する波形図。
【図１０】図８のレーザ干渉変位計の計測方法を説明する波形図。
【図１１】図８のレーザ干渉変位計における泡による影響を説明する波形図。
【図１２】図８のレーザ干渉変位計における振動による影響を説明する波形図。
【符号の説明】
１０１…レーザダイオード
１０２…コリメータレンズ
１０３…フォトディテクタ
１０４…ビームスプリッタ
１０５…光ファイバ
１０６…ロッドレンズ
１０７…被加工物
１０８…半導体処理装置
２０１…タイミングコントローラ
２０２…バンドパスフィルタ
２０３…データサンプラ
２０４…デコーダ
２０５…カウンタ
２０６…計算部
３０１…ファイバカップラ
３０２…光コネクタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0003552386.tif 000009
【図９】
0003552386.tif 000010
【図１０】
0003552386.tif 000011
【図１１】
0003552386.tif 000012
【図１２】
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