(57)【要約】【課題】簡単な装置構成で、非接触および非破壊で試料表面の平坦度を高精度に検出すること。【解決手段】本発明は、測定対象となる試料Ｓに向けてレーザ光を出射する半導体レーザ１０と、半導体レーザ１０と試料Ｓとの間の光路上に配置されるビームスプリッタ１３と、半導体レーザ１０からレーザ光を試料Ｓに出射し、試料Ｓからの戻り光によって半導体レーザ１０が影響を受けた状態で出射されるレーザ光をビームスプリッタ１３を介して取得し、そのレーザ光の周波数特性を検出する周波数解析部１２と、周波数解析部１２で検出したレーザ光の周波数特性に基づき試料Ｓの平坦度を算出する算出部１４とを備える平坦度測定装置１である。【選択図】図１
2006300624.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象となる試料に向けてレーザ光を出射する半導体レーザと、
前記半導体レーザからレーザ光を前記試料に照射し、前記試料からの戻り光によって前記半導体レーザが影響を受けた状態で出射されるレーザ光の周波数特性に基づき前記試料の平坦度を算出する算出部と
を備えることを特徴とする平坦度測定装置。
【請求項２】
測定対象となる試料に向けてレーザ光を出射する半導体レーザと、
前記半導体レーザと前記試料との間の光路上に配置されるビームスプリッタと、
前記半導体レーザからレーザ光を前記試料に出射し、前記試料からの戻り光によって前記半導体レーザが影響を受けた状態で出射されるレーザ光を前記ビームスプリッタを介して取得し、そのレーザ光の周波数特性を検出する周波数解析部と、
前記周波数解析部で検出した前記レーザ光の周波数特性に基づき前記試料の平坦度を算出する算出部と
を備えることを特徴とする平坦度測定装置。
【請求項３】
前記算出部は、前記戻り光の影響で生じる前記レーザ光の周波数特性の変化量と前記戻り光の光量との関係から前記試料の平坦度を算出する
ことを特徴とする請求項１記載の平坦度測定装置。
【請求項４】
前記算出部は、前記戻り光の影響で生じる前記レーザ光の周波数特性の変化量と前記戻り光の光量との関係から前記試料の平坦度を算出する
ことを特徴とする請求項２記載の平坦度測定装置。
【請求項５】
前記算出部は、前記レーザ光の周波数特性における半値幅から前記試料の平坦度を算出する
ことを特徴とする請求項１記載の平坦度測定装置。
【請求項６】
前記算出部は、前記レーザ光の周波数特性における半値幅から前記試料の平坦度を算出する
ことを特徴とする請求項２記載の平坦度測定装置。
【請求項７】
前記算出部は、前記レーザ光の周波数特性における中心波長のずれから前記試料の平坦度を算出する
ことを特徴とする請求項１記載の平坦度測定装置。
【請求項８】
前記算出部は、前記レーザ光の周波数特性における中心波長のずれから前記試料の平坦度を算出する
ことを特徴とする請求項２記載の平坦度測定装置。
【請求項９】
測定対象となる試料に向けてレーザ光を出射する工程と、
前記レーザ光を前記試料に照射し、その試料からの戻り光によって前記半導体レーザが影響を受けた状態で出射されるレーザ光の周波数特性を取得し、その取得した周波数特性に基づき前記試料の平坦度を算出する工程と
を備えることを特徴とする平坦度測定方法。
【請求項１０】
前記戻り光の影響で生じる前記レーザ光の周波数特性の変化量と前記戻り光の光量との関係から前記試料の平坦度を算出する
ことを特徴とする請求項９記載の平坦度測定方法。
【請求項１１】
前記レーザ光の周波数特性における半値幅から前記試料の平坦度を算出する
ことを特徴とする請求項９記載の平坦度測定方法。
【請求項１２】
前記レーザ光の周波数特性における中心波長のずれから前記試料の平坦度を算出する
ことを特徴とする請求項９記載の平坦度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触で試料表面の平坦度を測定する装置および方法に関し、より詳しくは、半導体レーザからレーザ光を試料の表面に照射し、その戻り光の影響に基づき試料の平坦度を測定する平坦度測定装置および平坦度測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
各分野において物質表面の段差や粗さをより小さくすることが要求されており、これに伴い表面を加工する装置や、表面粗さを測定する装置の重要性が高まってきている。例えば、半導体や金属表面の表面平坦性については、数原子層レベルまで精密さを必要とされる。
【０００３】
このような精度を有していて最も簡易な平坦度測定手法は、検査対象の表面を微細な針でなぞり、その形状を解析して測定できるスタイラス（触針）法である。例えば１ｍｇ以下の測定圧力で測定箇所を走査させることにより、最小限界分解能５００オングストローム（面）〜０．５（深さ）オングストロームまで評価できる。この手法は、電子工学、物理、化学、機械、光学などさまざまな分野で導入されている。ただし、破壊評価であるために測定箇所に傷が残ることとなる。
【０００４】
また、探針の先端と導電性試料表面との距離を１０オングストロームと極近接まで近づけて両者にバイアス電圧（例えば数十ｍＶ〜数Ｖ）を付加すると数ｎＡ程度のトンネル電流が流れる原理を持つＳＴＭ（Scanning Tunneling Microscope）がある。この場合深さ分解能は１オングストローム（面）〜０．１オングストローム（深さ）である。ただ、し測定環境が真空中でないと精度が出ないことや、試料が導電性でないと測定できないことなどがデメリットである。
【０００５】
また、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）は大気圧下で原子レベルの分解能を有する顕微鏡であり、絶縁性物質でも導電性物質同様に測定することができる。これはカンチレバー（微小探針）を物質表面に極近接させると、表面との引力か斥力でカンチレバーが変位する。レーザをカンチレバー表面に照射してその反射光によりカンチレバーの変位を検出することにより表面の微細形状を測定することができる。ただし、半導体プロセスではいったん測定した試料はダメージが残る破壊検査である。
【０００６】
また、レーザ光を用いた非破壊検査としては、レーザ反射方式と、静電容量方式や、さらに進んだ１つのレーザ光を物質表面に照射し、反射光と、別の波長のレーザ光を干渉させ、その干渉光の位相変化で、物質表面の変位を評価する方法（光ヘテロダイン干渉位相解析方式）がある（例えば、特許文献１参照。）。ただし、測定装置が複雑で高価である。
【０００７】
【特許文献１】特開平８−３２７５６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、非破壊であること、安価であること、計測しやすいこと、精度が高いこと、特に真空中などではなく大気中で計測できること、あるいは逆にその場観測（時には真空中）ができることなど測定に対する要望は色々あり、どれをも満足するのは困難である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明はこのような課題を解決するために成されたものである。すなわち、本発明は、測定対象となる試料に向けてレーザ光を出射する半導体レーザと、半導体レーザからレーザ光を前記試料に照射し、試料からの戻り光によって半導体レーザが影響を受けた状態で出射されるレーザ光の周波数特性に基づき試料の平坦度を算出する算出部とを備える平坦度測定装置である。
【００１０】
このような本発明では、半導体レーザから出射したレーザ光を試料に照射し、その試料表面で反射した戻り光によって半導体レーザが影響を受けることになる。この影響によって半導体レーザから出射されるレーザ光の周波数特性が変化することから、この変化量に基づき試料の平坦度を算出部で算出できるようになる。
【００１１】
また、本発明では、半導体レーザから出射されるレーザ光は、ビームスプリッタを介して周波数解析部へ送られる。つまり、半導体レーザから出射されるレーザ光は、ビームスプリッタで試料への光路と周波数解析部への光路とに分けられ、試料へ照射されるレーザ光の試料表面での戻り光はビームスプリッタを通過して半導体レーザへ戻ることになる。この戻り光によって半導体レーザが影響を受け、この状態で出射されたレーザ光はビームスプリッタを介して周波数解析部へ送られる。
【００１２】
算出部では、この周波数解析部で検出したレーザ光の周波数特性の変化量、すなわち戻り光による影響が反映された周波数特性の変化量と、試料の平坦度との関係を利用して、得られた周波数特性の変化量から試料の平坦度を求めることになる。
【００１３】
周波数特性の変化量としては、戻り光の影響を受けた状態のレーザ光の周波数特性における半値幅や中心波長のずれを利用する。つまり、戻り光は半導体レーザの共振器構造内に入り込むことでレーザ発振状態に少なからず影響を与える。これにより、戻り光を受けた半導体レーザから出射されるレーザ光は、戻り光を受けていない場合に比べて中心波長や半値幅に変化が生じる。この変化を周波数解析部でとらえることで、戻り光の量を算出でき、この戻り光の量と対応した試料表面の平坦度を算出できることになる。
【００１４】
また、本発明は、測定対象となる試料に向けてレーザ光を出射する工程と、レーザ光を試料に照射し、その試料からの戻り光によって半導体レーザが影響を受けた状態で出射されるレーザ光の周波数特性を取得し、その取得した周波数特性に基づき試料の平坦度を算出する工程とを備える平坦度測定方法である。
【００１５】
このような本発明では、半導体レーザから試料に向けてレーザ光を照射し、その試料表面で反射した戻り光を半導体レーザに与える。この戻り光によって半導体レーザの発振状態に影響が発生し、この状態で出射されるレーザ光の周波数特性に変化が現れる。このレーザ光の周波数特性に現れる変化量は試料の平坦度と関係することから、この変化量をとらえることで、試料の平坦度を算出できるようになる。
【００１６】
試料の平坦度と関係するレーザ光の周波数特性の変化量は、例えばレーザ光の周波数特性における半値幅や中心波長のずれである。つまり、戻り光による影響で半導体レーザから出射されるレーザ光の特性として、半値幅や中心波長のずれが発生する。これら特性の変化量と試料の平坦度との関係から、特性の変化量を検出することで試料の平坦度を算出できるようになる。
【発明の効果】
【００１７】
したがって、本発明によれば、試料に照射したレーザ光の戻り光によって影響が生じるレーザ光の周波数特性の変化量をとらえて試料の平坦度を算出することから、非接触、非破壊で試料表面の平坦度を高精度に検出することが可能となる。また、レーザ光の周波数特性の変化をとらえる構成のため、精密な可動部を必要とせず、真空中、大気中にかかわらず測定を行うことができ、プロセス中でも測定を行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を図に基づき説明する。なお、以下の実施の形態で示すレーザ波長や、構成素子特性、光学設計条件などは、本発明の理解を容易にするための１つの例示であって、本発明はこの例示に限定されるものではない。
【００１９】
＜装置構成＞
図１は、本実施形態に係る平坦度測定装置のＧａＡｓ系半導体レーザを用いた測定システムの構成を示す概略図である。すなわち、この平坦度測定装置１は、平坦度の測定対象となる試料Ｓに向けてレーザ光を出射する半導体レーザ１０と、半導体レーザ１０からレーザ光を試料Ｓに照射し、この試料Ｓからの戻り光によって半導体レーザ１０が影響を受けた状態で出射されるレーザ光の周波数特性に基づき試料Ｓの平坦度を算出する算出部１４とを備えている。
【００２０】
半導体レーザ１０から出射されるレーザ光の周波数特性を検出するには、例えば半導体レーザ１０と試料Ｓとの光路上にビームスプリッタ１３を配置し、半導体レーザ１０から出射されるレーザ光の一部を分岐してスペクトラムアナライザ等の周波数解析部１２へ送るようにする。
【００２１】
このシステムで用いる半導体レーザ１０としては、例えば、波長８０８ｎｍのＧａＡｓ系半導体レーザを使用し、駆動電源１１により所定の動作電流（電圧）にて例えば１Ｗの光出力で、図１の下方向に向けて発光する。
【００２２】
半導体レーザ１０から出射されるレーザ光は、可動ステージ付レンズＬ１を介して、可動ステージ付のビームスプリッタ１３により、試料Ｓ側と周波数解析部１２側とに分割される。ビームスプリッタ１３から試料Ｓ側に向かうレーザ光は可動ステージ付レンズＬ２を介して、測定したい試料Ｓの表面に到達する。
【００２３】
一方、レーザ光の一部は、ビームスプリッタ１３により直交する方向に反射して可動ステージ付レンズＬ３を介して周波数解析部１２まで到達し、ここでスペクトル評価が行われる。
【００２４】
この時、ビームスプリッタ１３を通過して試料Ｓに向かうレーザ光が試料Ｓの表面に照射されると、その試料Ｓの表面の凹凸によって反射状態が変わることになる。すなわち、試料Ｓの表面でレーザ光が吸収されなければ、図２（ａ）に示すように試料Ｓの表面が平坦であるほどもとの半導体レーザ１０の方向に完全反射されることになる。ここで、試料Ｓの表面で反射して出射元の半導体レーザ１０へ戻る光を戻り光と称する。一方、図２（ｂ）に示すように試料Ｓの表面の凹凸が多いほど、照射したレーザ光が試料Ｓの表面で散乱し、散乱光となっていく。
【００２５】
この戻り光は半導体レーザ１０の発振状態に大きな影響を与える。例えば、その影響の１つとして、戻り光が存在する時にはレーザ光のスペクトルが乱れることになる。図３は、スペクトルの乱れの例を説明する模式図である。図３（ａ）に示すように、戻り光の影響がない状態では、レーザ光のスペクトルに乱れは発生せず、波長のピーク位置ｐ１を中心として、乱れのない発光スペクトルとなる。一方、図３（ｂ）に示すように、戻り光の影響がある状態では、レーザ光のスペクトルに乱れが発生し、波長のピーク位置もｐ２にずれることになる。
【００２６】
戻り光が半導体レーザ１０に入射されると、半導体レーザ１０の共振器構造内に入り込み、ここでの共振に影響を与える。戻り光による影響は、レーザ光のスペクトルの乱れとして現れ、戻り光によるスペクトルの乱れは定量的かつ再現性がある。本実施形態では、この乱れの量を検出し、この検出した乱れの量に基づき試料Ｓの表面の凹凸すなわち平坦度を算出する点に特徴がある。
【００２７】
図１において、試料Ｓからの戻り光があると半導体レーザ１０に入射され、半導体レーザ１０の後方の共振器端のところまで到達した結果、スペクトルに乱れが生じる。図１のシステムでは、戻り光によって半導体レーザ１０に影響が出た状態で出射されるレーザ光をビームスプリッタ１３を介して周波数解析部１２で検出し、このときのスペクトルの乱れを取得する。
【００２８】
したがって、予めスペクトルの乱れと戻り光との関係、戻り光量と試料表面の平坦性との関係を標準試料にて計測しておき、周波数解析部１２で検出したスペクトルから算出部１４がスペクトルの乱れの量を検出し、この検出した乱れの量から上記標準試料にて計測した関係を用いて戻り光量、さらには平坦性を算出する。これにより、非接触かつ非破壊で試料Ｓの表面の平坦性を評価することが可能となる。
【００２９】
図４は、戻り光とレーザ光のスペクトルにおけるピーク位置のシフト量との関係を示す図である。この関係では、戻り光が多いほどピーク位置のシフト量が多くなることが分かる。特に、戻り光が６％を超えるとシフト量の増加が顕著に現れる。
【００３０】
また、図５は、戻り光とレーザ光のスペクトルにおける半値幅との関係を示す図である。この関係では、概ね戻り光が多いほど半値幅の増加傾向が見られる。本実施形態では、算出部１４が、周波数解析部１２から取得したレーザ光のスペクトルの変化量を検出し、この検出した結果を、図４および図５に示す関係から、戻り光の量を求める。そして、戻り光の量と対応した試料Ｓの平坦度を算出することになる。
【００３１】
なお、戻り光の量と試料Ｓの平坦度との関係は、試料Ｓの材質によって異なるため、検査対象となる試料の材質に対応した戻り光の量と平坦度との関係を予め取得しておくようにする。また、算出部１４は、図４に示す戻り光とピーク位置のシフト量との関係を用いても、図５に示す戻り光と半値幅との関係を用いてもよい。また、これら両方の関係を用いてもよく、さらには、必要に応じて両関係を切り替えて適用するようにしてもよい。
【００３２】
次に、この平坦度測定装置１を用いた試料Ｓの平坦度測定方法を説明する。先ず、測定対象となる試料Ｓを可動ステージ付レンズＬ２の下方に配置した状態で、駆動電源１１から半導体レーザ１０に電流を与え、半導体レーザ１０からレーザ光を出射する。このレーザ光はビームスプリッタ１３で試料Ｓ側と周波数解析部１２側とに分けられる。
【００３３】
試料Ｓ側に向かうレーザ光は可動ステージ付レンズＬ２を介して試料Ｓの表面に照射される。試料Ｓの表面に照射されたレーザ光は、表面の凹凸状態に応じた反射が発生し（図２参照）、凹凸状態によっては戻り光も発生する。戻り光が発生すると、可動ステージ付レンズＬ２からビームスプリッタ１３、さらには可動ステージ付レンズＬ１を介して半導体レーザ１０に戻っていくことになる。この戻り光によって半導体レーザ１０の発振状態に影響が発生し、この影響によって半導体レーザ１０から出射されるレーザ光の周波数特性にずれが生じる。
【００３４】
次に、この状態で半導体レーザ１０から出射されるレーザ光をビームスプリッタ１３を介して周波数解析部１２に送り、周波数特性を検出する。検出した周波数特性は算出部１４に送られ、ここで周波数特性のずれ量を検出し、予め求めてある周波数特性のずれ量と戻り光量との関係（図４、５参照）から、戻り光量に応じた試料Ｓの表面の平坦度を算出する。
【００３５】
このような方法によって、試料Ｓの表面の平坦度を非接触かつ非破壊によって正確に検出できるようになる。
【００３６】
図６は、他の実施形態を説明するシステム構成図である。図６においては、測定対象となる試料Ｓが例えば真空装置のチャンバ２０内にあり、試料Ｓを真空から大気に暴露することなく表面平坦性を測定することができるシステムである。例えば、図６において、波長８０８ｎｍのＧａＡｓ系の半導体レーザ１０を駆動電源１１により所定の動作電流（電圧）で駆動し、例えば１Ｗのレーザ光で図６の下方向に向けて発光する。
【００３７】
半導体レーザ１０から出射されるレーザ光は、可動ステージ付レンズＬ１を介して、可動ステージ付のビームスプリッタ１３により、試料Ｓ側と周波数解析部１２側とに分割される。ビームスプリッタ１３から試料Ｓ側に向かうレーザ光は可動ステージ付レンズＬ２を介して、測定したい試料Ｓの表面に到達する。この際、レーザ光はチャンバ２０の外側からチャンバ２０の窓２１を通過してチャンバ２０内にある試料Ｓの表面まで到達することになる。
【００３８】
一方、レーザ光の一部は、ビームスプリッタ１３により直交する方向に曲げられて可動ステージ付レンズＬ３を介して周波数解析部１２まで到達し、ここでスペクトル評価が行われる。
【００３９】
ビームスプリッタ１３を通過してチャンバ２０の窓２１から試料Ｓに向かうレーザ光が試料Ｓの表面に照射されると、この試料Ｓの表面の凹凸によって反射状態が変わり、先に説明したように凹凸によって戻り光の量が変化することになる。
【００４０】
算出部１４では、この戻り光の量によって影響を受けた状態の半導体レーザ１０から出射されるレーザ光の周波数特性を周波数解析部１２で検出し、算出部１４によって周波数特性すなわちスペクトルの変化量に応じた戻り光の量を算出し、この戻り光の量に基づいて試料Ｓの平坦度を算出する。
【００４１】
算出部１４による平坦度の算出は、基本的に上記と同じであるが、本実施形態ではチャンバ２０の窓２１を介してレーザ光を照射するため、戻り光と平坦度との関係を求めるための標準試料についてもチャンバ２０内に配置しておき、チャンバ２０の外側から窓２１を介してレーザ光を照射して取り込むようにすることが望ましい。算出部１４は、このようにして取り込んだ標準試料による戻り光量と平坦度との関係を用いて、測定対象となる試料Ｓでの戻り光量から表面の平坦度を算出する。
【００４２】
このように、試料Ｓがチャンバ２０内に配置されていても、チャンバ２０の窓２１を介してレーザ光を照射し、その戻り光によって影響を受ける半導体レーザ１０の特性変化をとらえることで、試料Ｓをチャンバ２０の外に出すことなく表面検査を行うことが可能となる。
【００４３】
なお、上述の各実施の形態において記載した数値、構造、材料、プロセス等は一例であって、必要に応じてこれらと異なる数値、構造、材料、プロセスなどは用いてもよい。さらに、上述の半導体レーザ１０はＧａＡｓ系半導体レーザ素子であるが、ＡｌＧａＩｎＰ系やＩｎＰ系からなる素子でも良い。また、上述の測定項目はスペクトルであったが、他のレーザ特性で置き換えることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】図１は、本実施形態に係る平坦度測定装置のシステム構成を示す概略図である。
【図２】試料表面でのレーザ光の反射状態を説明する模式図である。
【図３】戻り光によるスペクトルへの影響を説明する模式図である。
【図４】戻り光とレーザ光のスペクトルにおけるピーク位置のシフト量との関係を示す図である。
【図５】戻り光とレーザ光のスペクトルにおける半値幅との関係を示す図である。
【図６】他の実施形態を説明するシステム構成図である。
【符号の説明】
【００４５】
１…平坦度測定装置、１０…半導体レーザ１０、１１…駆動電源、１２…周波数解析部、１３…ビームスプリッタ、１４…算出部、Ｌ１…可動ステージ付レンズ、Ｌ２…可動ステージ付レンズ、Ｌ３…可動ステージ付レンズ、Ｓ…試料
【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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