(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
−  固体試料（１０）を受け、グロー放電エッチングプラズマ（１９）を形成するようになされたグロー放電ランプ（６０）であって、前記試料（１０）が、前記エッチングプラズマに曝露される第一の領域（１１）と前記エッチングプラズマから保護される第二の領域（１２）を同じ面に有するようなグロー放電ランプ（６０）と、
−  前記グロー放電ランプ（６０）に接続された分光分析計であって、前記第一の領域（１１）が前記プラズマに曝露される時間に応じた、前記グロー放電プラズマ（１９）を表す少なくとも１つの信号を、発光分析および／または質量分析によって測定するようになされている分光分析計と、
−  前記プラズマへの曝露時間に応じた、前記試料（１０）の前記第一の領域（１１）のエッチングにより生成される腐食クレータの深さをその場測定するシステム（１００）と、
を含む、グロー放電分光分析と試料のエッチング深さのその場測定のためのシステムにおいて、
前記腐食クレータの深さを測定するシステム（１００）は、
−  光ビーム（２）を発するようになされている光源（１）を含み、
−  前記光ビーム（２）を第一の入射ビーム（２１）と第二の入射ビーム（２２）に空間的または角度的に分割するようになされている光学スプリッタ（３，１３、２３）を含み、
−  前記グロー放電ランプ（６０）は、前記試料の前記第一の領域（１１）に向かう第一の光路と前記第二の領域（１２）に向かう第二の光路を提供し、このグロー放電ランプ（６０）はアノード（１５）を含み、このアノード（１５）は第一の軸方向の開口部（４１）とこのアノード（１５）の軸に関してずれた第二の開口部（４２）とを有し、
−  前記第一の入射ビーム（２１）を前記第一の光路に沿って前記第一の領域（１１）に、前記第二の入射ビーム（２２）を前記第二の光路に沿って前記第二の領域（１２）にそれぞれ方向付け、前記第一の領域（１１）での反射によって第一の反射ビーム（３１）を、前記第二の領域（１２）での反射によって第二の反射ビーム（３２）をそれぞれ形成するようになされている光学的手段（４、１４、２４）を含み、前記の第一の軸方向の開口部（４１）は前記第一の入射ビーム（２１）と前記第一の反射ビーム（３１）とを通過させるようになされ、前記の第二の開口部（４２）は前記第二の入射ビーム（２２）と前記第二の反射ビーム（３２）を通過させるようになされ、
−  前記第一の反射ビーム（３１）と前記第二の反射ビーム（３２）を再結合して、干渉ビーム（３０）を形成するようになされている光学再結合装置（３、１３、２３）を含み、
−  前記干渉ビーム（３０）を受け取り、前記プラズマへの前記第一の領域（１１）の曝露時間に応じた干渉信号（４０）を検出するようになされている検出手段（８、８１、８２、８３、８４）を含み、
−  前記干渉信号（４０）を処理して、前記第一の領域（１１）の前記プラズマへの曝露時間に応じた前記腐食クレータの深さ（ｄ）を測定するようになされている処理手段を含む、
ことを特徴とするグロー放電分光分析システム。
【請求項２】
前記検出手段（８，８１、８２、８３、８４）と前記処理手段は、前記干渉信号（４０）を処理し、そこから前記プラズマへの前記第一の領域（１１）の曝露時間に応じた前記干渉信号の振幅（Ａ）と位相（ＰＨＩ）の測定値を抽出するようになされていることを特徴とする、請求項１に記載のグロー放電分光分析システム。
【請求項３】
前記第一の入射ビーム（２１）は、前記試料の前記第一の領域（１１）の前記表面の法線に関して１０度未満、好ましくはゼロ以外で約５度と等しい入射角度を成すことを特徴とする、請求項１または２に記載のグロー放電分光分析システム。
【請求項４】
前記アノード（１５）が円柱形のアノードであり、前記第二の開口部（４２）に前記第二の入射ビーム（２２）と前記第二の反射ビーム（３２）を通過させる光学窓（１４）が設けられていることを特徴とする、請求項１〜３の何れか１項に記載のグロー放電分光分析システム。
【請求項５】
前記光学スプリッタ（３、１３、２３）は少なくとも１つの偏光−分割プリズムを含むことを特徴とする、請求項１〜４の何れか１項に記載のグロー放電分光分析システム。
【請求項６】
前記光学スプリッタ（３、１３、２３）はウォラストンプリズム（１３）を含み、前記光学再結合装置（３、１３、２３）は別のウォラストンプリズム（２３）を含み、前記第一の入射ビーム（２１）を前記第一の領域（１１）に、前記第二の入射ビーム（２２）を前記第二の領域（１２）にそれぞれ方向付けるようになされている前記光学手段（４、１４、２４）は、レンズ光学系（４）を含み、前記ウォラストンプリズム（１３、２３）は前記レンズ光学系（４）の焦点面に配置されることを特徴とする、請求項５に記載のグロー放電分光分析システム。
【請求項７】
前記光学分離手段（３）と前記光学再結合装置（３）は一体化されることを特徴とする、請求項１〜５の何れか１項に記載のグロー放電分光分析システム。
【請求項８】
前記分光分析計は、開口部を介して前記放電ランプに連結された質量分析計を含み、前記質量分析計は質量分析によって前記グロー分析プラズマ（１９）の電離種を表す少なくとも１つの信号を測定するようになされることを特徴とする、請求項１〜７の何れか１項に記載のグロー放電分光分析システム。
【請求項９】
前記分光分析計は、光学窓を介して、またはレンズ光学系（４）を介して前記放電ランプに連結された光学分析計（７０）を含み、前記光学分析計（７０）は、好ましくは前記試料（１０）の前記第一の領域（１１）の表面に垂直な方向への、前記グロー放電プラズマ（１９）の励起種を表す少なくとも１つの発光信号を測定するようになされていることを特徴とする、請求項１〜８の何れか１項に記載のグロー放電分光分析システム。
【請求項１０】
前記グロー放電分光分析システムは、前記グロー放電プラズマ（１９）の励起種を表す少なくとも１つの発光信号（７１）を測定するようになされている光学分析計（７０）を含み、前記光源（１）は、前記グロー放電プラズマ（１９）の発光の原子光線の波長範囲外で選択された波長の光ビーム（２）を発するようになされていることを特徴とする、請求項１〜９の何れか１項に記載のグロー放電分光分析システム。
【請求項１１】
前記検出手段（８、８１、８２、８３、８４）は、前記干渉ビーム（３０）の少なくとも１つの偏光成分（３５、３６、３７、３８）を測定するようになされている偏光計を含むことを特徴とする、請求項１〜１０の何れか１項に記載のグロー放電分光分析システム。
【請求項１２】
前記偏光計は、前記干渉ビームを複数の偏光成分に分割するように構成された別の光分割手段（５１、５２、５３、５４、５５）と、各々が前記干渉信号（４０）の前記複数の偏光成分のうちの１つの偏光成分（３５、３６、３７、３８）をそれぞれ検出するようになされている複数の検出器（８１、８２、８３、８４）を含むことを特徴とする、請求項１１に記載のグロー放電分光分析システム。
【請求項１３】
試料のエッチング深さのグロー放電分光分析とその場測定の方法において、
−  固体試料（１０）をグロー放電ランプ（６０）の中にセットするステップであつて、前記グロー放電ランプ（６０）がアノード（１５）を含み、このアノード（１５）は第一の軸方向の開口部（４１）とこのアノード（１５）の軸に関してずれた第二の開口部（４２）とを有し、前記試料（１０）が、エッチングプラズマ（１９）に曝露される第一の領域（１１）と前記エッチングプラズマ（１９）から保護される第二の領域（１２）を同じ面に有するようなステップと、
−  発光分析および／または質量分析によって、前記前記プラズマへの前記第一の領域（１１）の曝露時間に応じた、前記グロー放電プラズマ（１９）の励起および／または電離種（７１）を表す少なくとも１つの信号を検出し、分析するステップと、
−  光ビーム（２）を発するステップと、
−  前記光ビーム（２）を第一の入射ビーム（２１）と第二の入射ビーム（２２）に空間的または角度的に分割するステップと、
−  前記第一の入射ビーム（２１）を前記の第一の軸方向の開口部（４１）を通る第一の光路に沿って前記第一の領域（１１）に、前記第二の入射ビーム（２２）を前記の第二の開口部（４２）を通る第二の光路に沿って前記第二の領域（１２）にそれぞれ向き付けて、前記第一の領域で反射された第一の反射ビーム（３１）と、前記第二の領域（１２）で反射された第二の反射ビーム（３２）をそれぞれ形成するステップと、
−  前記第一の反射ビーム（３１）と前記第二の反射ビーム（３２）を光学的に再結合して、干渉ビーム（３０）を形成するステップと、
−  前記プラズマへの前記第一の領域（１１）の曝露時間に応じた前記干渉ビーム（３０、３５、３６、３７、３８）を検出して、少なくとも１つの干渉信号（４０）を形成するステップと、
−  前記少なくとも１つの干渉信号（４０）を処理して、そこから、前記プラズマへの前記第一の領域（１１）の曝露時間に応じた前記腐食クレータの深さの測定値を抽出するステップと、
を含むことを特徴とする試料のエッチング深さのグロー放電分光分析とその場測定の方法。
【請求項１４】
−  前記干渉信号（４０）を処理して、そこから、前記プラズマ（１９）への前記第一の領域（１１）の曝露時間に応じた前記干渉信号（４０）の位相（ＰＨＩ）の測定値を抽出するステップと、
−  各瞬間ｔにおいて、前記試料（１０）の前記第一の領域（１１）の瞬間的エッチング速度Ｖeを、次式を適用して判断するステップと、
【数１】
0006581600.tif 000011
ただし、ＬＡＭＢＤＡは光源（１）の波長を表し、ｄＰＨＩ／ｄｔは時間に関して測定された干渉信号（４０）の位相（ＰＨＩ）の微分係数である
をさらに含むことを特徴とする、請求項１３に記載の試料のエッチング深さのグロー放電分光分析とその場測定の方法。
【請求項１５】
前記エッチングプラズマ（１９）は、前記プラズマがオンに切り換えられる位相と前記プラズマがオフに切り換えられる他の位相との交代によってパルスモードで動作し、
−  前記プラズマがオンに切り換えられる前記位相中および／または前記プラズマがオフに切り換えられる前記位相中にそれぞれ、前記少なくとも１つの干渉信号（４０）がトリガされたことを検出して、前記プラズマがオンに切り換えられる前記位相に関連付けられた干渉信号を、前記プラズマがオフに切り換えられる前記位相に関連付けられた他の干渉信号と区別するステップと、
−  前記プラズマがオンに切り換えられる前記位相に関連付けられた前記干渉信号および／または、前記プラズマがオフに切り換えられる前記位相に関連付けられた前記他の干渉信号をそれぞれ処理して、前記プラズマがオンに切り換えられる前記位相中および／または前記プラズマがオフに切り換えられる前記位相中にそれぞれ誘導されたドリフトからの腐食クレータ深さの測定値を補正するステップと、
を含むことを特徴とする、請求項１３または１４に記載の試料のエッチング深さのグロー放電分光分析とその場測定の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光分析法（optical emission spectrometry）（ＧＤ−ＯＥＳ）による、または質量分析法（mass spectrometry）（ＧＤ−ＭＳ）によるグロー放電（ＧＤ）（glow discharge）元素分析のための装置と方法に関する。
【０００２】
より正確には、本発明は、このグロー放電プラズマに曝露される試料のエッチング深さをその場測定するようになされたグロー放電分光分析（ＧＤＳ）の装置と方法に関する。
【０００３】
本発明は特に、グロー放電分光分析によって材料を分析するためのシステムまたは方法に関し、この分析は、試料中のエッチング深さに応じた分解能とされる。
【背景技術】
【０００４】
グロー放電分光分析は、均質または多層構造の固体試料の元素および／または分子レベルの化学組成分析を可能にする分析手法である。測定は、試料内部の深い箇所で行われ、すなわち深さ分解分析であってもよい。
【０００５】
グロー放電分光分析は、固体試料の組成または組成プロファイルを分析するために広く使用されている。
【０００６】
グロー放電分光分析の原理は、試料の表面の限定的領域をエッチングプラズマに曝露させる、というものである。プラズマは試料の表面から原子を抽出し、それらを電離または励起電子状態にする。これらの原子の性質は、プラズマ中のその発光スペクトル、またはプラズマ中に生成されるイオンの質量スペクトルの分析によって測定される。原子が抽出されると、試料の表面にプラズマへの曝露時間に応じたクレータが形成される。したがって、分光分析によって検出される、腐食時間に応じた信号を分析することにより、エッチング時間に応じて分解される試料の組成を得ることができる。
【０００７】
しかしながら、エッチング速度は一般に、エッチング方法中に変化する。エッチング速度は特に、試料のプラズマ曝露領域の組成によって、また、プラズマ発生に関連付する過渡現象に応じても変化する。
【０００８】
そこで、組成は、腐食プラズマ中の時間に応じてだけでなく、プラズマによって発生した腐食クレータの深さに応じて分析することが望ましい。
【０００９】
現在、時間に応じた腐食クレータの深さを測定するための様々な方法が存在する。今日最もよく使用されている方法は、既知の組成の参照試料に関する腐食速度の較正に関するものである。この較正には、異なる参照試料について異なる測定を行う必要があり、例えば、密度が分かっている、および／または均一である、といった前提に立つ。得られる結果の精度は依然として不確実である。
【００１０】
そのほかに、グロー放電分光分析およびそれと同時に行われるエッチング深さの測定による分析方法が提案されている。
【００１１】
［特許文献１］（国際公開第２００７／１１３０７２Ａ１号公報）には、ＧＤＳ装置においてエッチングプラズマに曝露された試料の表面の腐食による高さのばらつきを測定する方法が記載されている。ここに記載されている方法は、クロマティック共焦点運動センサの使用に基づくもので、試料表面の平面の、プラズマ発生前のその初期位置に関する位置変化を検出する。
【００１２】
［特許文献２］（中国特許第１０２８２９７３２号公報）には、同じ技術的課題に対応する、三角測量式センサに基づく別の装置が記載されている。この場合、センサが、その深さを知りたい表面により反射されたレーザビームの位置を測定する。
【００１３】
これに対して、HORIBA Jobin Yvonの［特許文献３］（米国特許第６７８４９８９号明細書）および［特許文献４］（仏国特許第２８４３８０１号公報）には、２波長型レーザ干渉計の使用が記載されている。この文献によれば、光学ビームが２つの二次ビームに分割され、二次ビームの一方はエッチングプラズマに曝露された試料の表面上で反射され、もう一方の二次ビームは、試料の外の、固定された参照表面上で反射される。２つの反射ビームの光学再結合によって干渉ビームが形成され、これは試料中のエッチンクグ深さに応じて変化する。
【００１４】
しかしながら、これらの光学的測定方法は何れも、エッチングプラズマにより誘導される熱の影響を受け、これはグロー放電チャンバを膨張させる。したがって、クレータの腐食とプラズマチャンバの膨張を区別できないことから、バイアスが入り込む可能性がある。そのため、このような腐食深さ測定方法は精度が限定され、現実において、１マイクロメートル未満の精度レベルに到達できない。
【００１５】
さらに、三角測量型の光学装置では一般に、光学ビームが通過するための平坦で平行な面を持つ、時として大きいサイズの光学窓が必要となる。しかしながら、グロー放電発光分析（ＧＤ−ＯＥＳ）装置は一般に、限定的な大きさの軸方向の開口部を有するプラズマチャンバを含み、これは平坦な窓ではなく、発光流を集光するためのレンズによって密閉される。
【００１６】
発光流回収レンズを平坦な窓に置き換えた場合、集められる発光信号が大幅に減少し、したがって、発光分析測定の精度が損なわれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】国際公開第２００７／１１３０７２Ａ１号公報
【特許文献２】中国特許第１０２８２９７３２号公報
【特許文献３】米国特許第６７８４９８９号明細書
【特許文献４】仏国特許第２８４３８０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
そこで、グロー放電分光分析装置内で試料のエッチング深さを測定する、正確で、グロー放電分光分析信号に影響を与えないシステムと方法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、先行技術のシステムの欠点を修復し、グロー放電分光分析と試料のエッチング深さのその場測定のためのシステムを提案することを目的としており、これは、エッチングプラズマに曝露される第一の領域とエッチングプラズマから保護される第二の領域を同じ面に有する固体試料を受け、グロー放電エッチングプラズマを形成するようになされたグロー放電ランプと、グロー放電ランプに接続された分光分析計であって、第一の領域が前記プラズマに曝露される時間に応じた、グロー放電プラズマを表す少なくとも１つの信号を、前記グロー放電プラズマの発光分析および／または質量分析によって測定するようになされた分光分析計と、前記プラズマへの曝露時間に応じた、試料の第一の領域のエッチングにより生成される腐食クレータの深さをその場測定するシステムと、を含む。
【００２０】
本発明によれば、エッチング深さの測定では、各瞬間において、試料のうちプラズマ曝露されない第二の領域を０深さ基準とする。このようにして、測定値はエッチングチャンバの膨張による影響を受けなくなる。
【００２１】
本発明によれば、腐食クレータの深さの測定システムは、光ビームを発するようになされた光源と、光ビームを第一の入射ビームと第二の入射ビームに空間的または角度的に分割するようになされた光学スプリッタと、試料の第一の領域に向かう第一の光路と第二の領域に向かう第二の光路を提供するようになされたグロー放電ランプ（６０）と、第一の入射ビームを第一の光路に沿って第一の領域に、第二の入射ビームを第二の光路に沿って第二の領域にそれぞれ方向付け、第一の領域での反射によって第一の反射ビームを、第二の領域での反射によって第二の反射ビームをそれぞれ形成するようになされた光学的手段と、第一の反射ビームと第二の反射ビームを再結合して、干渉ビームを形成するようになされた光学再結合装置と、干渉ビームを受け取り、前記プラズマへの第一の領域の曝露時間に応じた干渉信号を検出するようになされた検出手段と、干渉信号を処理して、プラズマに曝露されない第二の領域を０深さ基準として、第一の領域の前記プラズマへの曝露時間に応じた腐食クレータの深さ（ｄ）を測定するようになされた処理手段と、を含む。
【００２２】
本発明の特定の有利な態様によれば、検出手段と処理手段は、干渉信号を処理し、そこから前記プラズマへの第一の領域の曝露時間に応じた干渉信号の振幅（Ａ）と位相（ＰＨＩ）の測定値を抽出するようになされている。
【００２３】
好ましくは、第一の入射ビームは、試料の第一の領域の表面の法線に関して１０度未満、好ましくはゼロ以外で約５度と等しい入射角度を成す。
【００２４】
有利な点として、試料は放電ランプのカソードを形成し、放電ランプは、第一の入射ビームと第一の反射ビームを通過させるようになされた第一の軸方向の開口部を有する円柱形のアノードを含み、アノードは、アノードの軸に関してずれた第二の開口部を含み、第二の開口部には、第二の入射ビームと第二の反射ビームを通過させるようになされた光学窓が設けられている。
【００２５】
本発明のある態様によれば、光学スプリッタは少なくとも１つの偏光−分割プリズムを含む。
【００２６】
好ましくは、光学スプリッタはウォラストンプリズムを含み、光学再結合装置は別のウォラストンプリズムを含み、第一の入射ビームを第一の領域に、第二の入射ビームを第二の領域にそれぞれ方向付けるようになされた光学手段は、レンズ光学系を含み、前記ウォラストンプリズムはこのレンズ光学系の焦点面に配置される。
【００２７】
特定の実施形態において、光学スプリッタと光学再結合装置は一体化される。
【００２８】
１つの実施形態において、分光分析計は、開口部を介して放電ランプに連結された質量分析計を含み、質量分析計は質量分析によってグロー分析プラズマの電離種を表す少なくとも１つの信号を測定するようになされる。
【００２９】
他の実施形態において、分光分析計は、光学窓を介して、またはレンズ光学系を介して放電ランプに連結された光学分析計を含み、光学分析計は、好ましくは試料の第一の領域の表面に垂直な方向への、グロー放電プラズマの励起種を表す少なくとも１つの発光信号を測定するようになされている。
【００３０】
この実施形態の特定の態様によれば、グロー放電分光分析システムは、グロー放電プラズマの励起種を表す少なくとも１つの発光信号を測定するようになされた光学分析計を含み、光源は、グロー放電プラズマの発光の原子光線の波長範囲外で選択された波長の光ビームを発するようになされる。
【００３１】
特定の有利な変化形において、検出手段は、干渉ビームの少なくとも１つの偏光成分を測定するようになされた偏光計を含む。
【００３２】
特に有利な点として、前記偏光計は、干渉ビームを複数の偏光成分に分割するように構成された別の光分割手段と、各々が干渉信号の複数の偏光成分のうちの１つの偏光成分をそれぞれ検出するようになされた複数の検出器を含む。
【００３３】
本発明はまた、試料のエッチング深さのグロー放電分光分析とその場測定の方法に関し、これは、
−  エッチングプラズマに曝露される第一の領域とエッチングプラズマから保護される第二の領域を同じ面に有する固体試料をグロー放電ランプの中にセットするステップと、
−  発光分析および／または質量分析によって、前記プラズマへの第一の領域の曝露時間に応じた、グロー放電プラズマの励起および／または電離種を表す少なくとも１つの信号を検出し、分析するステップと、
−  光ビームを発するステップと、
−  光ビームを第一の入射ビームと第二の入射ビームに空間的または角度的に分割するステップと、
−  第一の入射ビームを第一の光路に沿って第一の領域に、第二の入射ビームを第二の光路に沿って第二の領域にそれぞれ向き付けて、第一の領域で反射された第一の反射ビームと、第二の領域で反射された第二の反射ビームをそれぞれ形成するステップと、
−  第一の反射ビームと第二の反射ビームを光学的に再結合して、干渉ビームを形成するステップと、
−  前記プラズマへの第一の領域の曝露時間に応じた干渉ビームを検出して、少なくとも１つの干渉信号を形成するステップと、
−  少なくとも１つの干渉信号を処理して、そこから、前記プラズマへの第一の領域の曝露時間に応じた腐食クレータの深さの測定値を抽出するステップと、
を含む。
【００３４】
特定の態様によれば、試料のエッチング深さのその場測定の方法は、
−  干渉信号を処理して、そこから、前記プラズマへの第一の領域の曝露時間に応じた干渉信号の位相（ＰＨＩ）の測定値を抽出するステップと、
−  各瞬間ｔにおいて、試料の第一の領域の瞬間的エッチング速度Ｖeを、次式を適用して判断するステップと、
【数１】
0006581600.tif 000002
ただし、ＬＡＭＢＤＡは光源の波長を表し、ｄＰＨＩ／ｄｔは時間に関して測定された干渉信号の位相（ＰＨＩ）の微分係数である
をさらに含む。
【００３５】
特定の有利な実施形態によれば、エッチングプラズマは、プラズマがオンに切り換えられる位相とプラズマがオフに切り換えられる他の位相との交代によってパルスモードで動作し、エッチング深さのその場測定の方法は、
−  プラズマがオンに切り換えられる位相中および／またはプラズマがオフに切り換えられる位相中にそれぞれ、少なくとも１つの干渉信号がトリガされたことを検出して、プラズマがオンに切り換えられる位相に関連付けられた干渉信号を、プラズマがオフに切り換えられる位相に関連付けられた他の干渉信号と区別するステップと、
−  プラズマがオンに切り換えられる位相に関連付けられた干渉信号と、プラズマがオフに切り換えられる位相に関連付けられた他の干渉信号をそれぞれ処理して、プラズマがオンに切り換えられる位相中および／またはプラズマがオフに切り換えられる位相中にそれぞれ誘導されたドリフトからの腐食クレータ深さの測定値を補正するステップと、
を含む。
【００３６】
本発明はまた、以下の説明の中で明らかになり、個別に、またはそれらの技術的に可能な組合せにより考える必要のある特徴にも関する。
【００３７】
この説明は非限定的な例として示されており、それによって、以下のような添付の図面を参照しながら、本発明をどのように実行できるかがよりよくわかるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】発光分析法を用いた１つの実施形態によるグロー放電分光分析装置において試料のエッチング深さをその場測定するシステムを概略的に示す。
【図２】ある例示的実施形態による適当なグロー放電ランプの断面図を概略的に示す。
【図３】発光分析法を用いたグロー放電分光分析装置において試料のエッチング深さをその場測定するシステムの他の例を概略的に示す。
【図４】他の実施形態による発光グロー放電分光分析装置において試料のエッチング深さをその場測定するシステムの一例を概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
装置
図１は、グロー放電分光分析（ＧＤＳ）装置において試料のエッチング深さをその場測定するシステムを概略的に示す。
【００４０】
グロー放電分光分析装置６０のプラズマチャンバに位置付けられた試料１０が示されている。
【００４１】
例えば、レンズ４は、ＧＤＳ装置のエッチングチャンバ内の、例えば軸方向の開口部を密閉する。
【００４２】
試料はある面を有し、その第一の領域１１はエッチングプラズマに曝露され、他の領域１２はこの同じエッチングプラズマから保護される。
【００４３】
エッチング深さのその場測定の原理は、光学干渉装置を統合することに基づくものである。有利な点として、この干渉計の光学部品は放電ランプのプラズマチャンバの外に配置される。
【００４４】
干渉計は基本的に、光源と、光源からのビームを２つの別々の光路に沿って伝播する２つのビームに分割する光学ビームスプリッタ３と、先に分割されていたビームを再結合する光学ビームコンバイナと、光源−検出器スプリッタ５と、検出器８と、信号処理システムと、を含む。
【００４５】
図１の例は、偏光中で動作する光学干渉計の一例を示す。
【００４６】
より詳しくは、測定システムは光源１を含み、これは例えばレーザ源またはレーザダイオードである。光源１は、光ビーム２、好ましくは例えば波長６３５ｎｍ、または７８０ｎｍ、５３２ｎｍ、４０５ｎｍの単色光ビーム２を発する。図１の例において、ダイアフラム６または光源穴が、光源からのビーム２の空間範囲を限定するように配置される。半波長板（λ／２板とも呼ばれる）７により、光源からのビームの偏光軸を決定できる。
【００４７】
例えば偏光分割キューブ型の光源−検出器スプリッタ５が光源からのビーム２の上に配置される。スプリッタ５の軸に関する半波長板７の軸の向きによって、光源からのビーム２の出力を調整できる。好ましくは、偏光板７の偏光軸は、分割された入射ビーム２１、２２が同じ振幅を持つように向き付けられる。検出された干渉ビームの強度は、再結合されたビームの振幅が等しくなったときに最大となる。
【００４８】
図１の例において、光源−検出器スプリッタ５は、光源からのビーム２をλ／２板（図１の参照符号９）へと方向付け、その後、別の光学ビームスプリッタ３へと向けられる。有利な点として、λ／２板は、分割れた入射ビーム２１、２２が同じ振幅を有するように向き付けられる。検出された干渉ビームの干渉コントラストは、相互に再結合されたビームの振幅が等しいときに最大となる。光学ビームスプリッタ３は、例えば偏光分割キューブであり、その偏光軸はλ／２板を通過し、直線偏光された入射ビーム２の軸に関して４５度傾斜している。例えば、光学スプリッタ３はウォラストンプリズムであり、これは入射ビームを、相互に直交する偏光状態に従って直線偏光される２つの入射ビーム２１、２２に角度的に分割するようになされている。したがって、第一のｐ偏光入射ビーム２１は第一の方向へと方向付けられ、第二のｓ偏光入射ビーム２２は第二の方向へと方向付けられる。ウォラストンプリズム３の構成によって、第一の方向と第二の方向は、０．１〜２０度の間の角度で角度的に分離される。
【００４９】
レンズ４は放電ランプの開口部に、放電ランプ内にアクセス可能としながら、真空気密性を確保するように取り付けられる。好ましくは、光学スプリッタ３はレンズ４の焦点に配置される。したがって、レンズ４は、空間的に分割された２つの入射ビー２１、２２を形成し、これらは放電ランプ６０の中で相互に平行に試料の１つの面に向かって伝播する。
【００５０】
入射ビーム２１および２２の空間的間隔が小さいことによって、これらは既に存在するレンズ４を介して結合し、放電ランプに向かうことができる。したがって、２つの別々の光ビーム２１および２２を通過させるために、放電ランプ６０のチャンバに新たな光学的開口を設ける必要がない。
【００５１】
変化形として、ウォラストンプリズムの代わりにビームオフセットスプリッタを使い、レンズ４の代わりに窓を使うことも可能である。
【００５２】
好ましくは、試料は、部分的にエッチングプラズマに曝露される予定の、ある平坦な面を有する。放電ランプ６０は、第一の入射ビーム２１が第一の光路に沿って、試料のうちプラズマに曝露される予定の第一の領域１１に向かわせることができる。他方で、ランプは特に、第二の入射ビーム２２を第二の光路に沿って、材料のうち、しかしながらエッチングプラズマから保護されたままとなる第二の領域１２に向かわせるようになされる。
【００５３】
したがって、レンズ４は、第一の入射ビーム２１を試料のうちエッチングプラズマに曝露される第一の領域１１に合焦させる。他方で、レンズ４は第二の入射ビーム２２を試料のうちエッチングプラズマから保護される第二の領域１２に合焦させる。
【００５４】
特にこれら２つの光路を実現するようになされた放電ランプの一例を、本明細書の中では図２に関連して説明する。
【００５５】
第一の領域１１での反射により、第一の入射ビーム２１は第一の反射ビーム３１を形成する。同様に、第二の領域１２での反射により、第二の入射ビーム２２は第二の反射ビーム３２を形成する。図１に示さる例において、試料は平坦な面を有し、第一の領域１１のエッチングによって平坦な底のクレータが生成される。さらに、この例において、入射ビーム２１、２２は試料上でゼロ入射角により反射される。この場合、第一の反射ビーム３１は、第一の入射ビーム２１と反対方向に伝播し、また、第二の反射ビーム３２は第一の入射ビーム２２と反対方向に伝播する。
【００５６】
レンズ４は、第一の反射ビーム３１と第二の反射ビーム３２を集光して、これらを光学再結合システムへと方向付けるが、これは本明細書では、入射ビームの分割に使用されたものと同じウォラストンプリズム３である。
【００５７】
ウォラストンプリズムは、第一の反射ビーム３１と第二の反射ビーム３２を再結合して、干渉ビーム３０を形成する。干渉ビームは、λ／２板を通過して光源−検出器偏光スプリッタ５に入射し、これが干渉ビームの偏光成分をフィルタ１８と検出器８に送る。上述のように、板９の向きは入射ビーム２の偏向がウォラストンプリズム３の軸に関して４５°である。この装置は、板９とスプリッタ５により構成される組合せが、戻る方向で、ウォラストンプリズム３の軸に４５°の偏光アナライザを形成するという有利な効果を有し、これはビーム３１および３２の振幅を合算することによって干渉信号を有効に生成できる。
【００５８】
フィルタ１８はスペクトルフィルタであり、好ましくはその中心が光源１の発光波長にある。フィルタ１８により、プラズマから、または周辺光からのスプリアス光を除去できる。フィルタ１８は例えば、スペクトル幅１０ｎｍの、６３５ｎｍに中心を置く干渉フィルタである。
【００５９】
検出器８は、時間に応じた干渉信号４０を検出する。処理システムにより、この干渉信号４０を数値的に処理し、そこから干渉信号の振幅と位相に関する情報を抽出することができる。
【００６０】
試料の第一の領域１１のエッチング中は、第一の光路がより長くなり、他方で、第二の光路は安定したままである。したがって、光路の差は、試料の第一の領域１１のエッチングに応じて増大する。したがって、検出器は干渉信号４０を検出し、その強度が試料の第一の領域１１のエッチング深さを表す。第一の光路は干渉計の測定アームを形成し、これはビームスプリッタ−コンバイナ３から試料の第一の領域１１へと進み、ビームスプリッタ−コンバイナ３へと戻る。第二の光路は、干渉計の参照アームを形成し、これはビームスプリッタ−コンバイナ３から試料の第二の領域１２へと進み、ビースプリッタ−コンバイナ３へと戻る。
【００６１】
本願以外で知られているように、不透明な均質の試料の場合、干渉信号の分析によって試料のエッチング深さを測定できる。実際に、この場合、干渉信号は時間に応じた正弦波形を有する。強度曲線の周期の数により、光源からのビームの波長が分かっていれば、エッチング深さを測定できる。そのように得られた深さ干渉測定値のエラーはλ／８のオーダであり、λは光源からのビームの波長である。
【００６２】
試料のスプレイ中に、クレータの深さが増大し、したがって２つの反射光波３１、３２間の位相差は時間ｔに応じて変化する。
【００６３】
より正確には、第一の反射ビーム３１と第二の反射ビーム３２との間の相対的位相シフトをδ（ｔ）とする。
【数２】
0006581600.tif 000003
ただし、ｋ＝２π／λ、ｄ（ｔ）は時間に応じたエッチング深さを示す。
【００６４】
第一の領域１１での反射係数γVと第二の領域１２での反射係数γHは以下の関係で表現される。
【数３】
0006581600.tif 000004
【００６５】
時間に応じた干渉ビームの強度をＩ（ｔ）とし、第一の領域１１の、すなわち中央の入射ビーム２１に関する電場の振幅をＥVとし、第二の領域１２の入射ビーム２２に関する電場の振幅をＥHとする。検出された干渉信号の強度は、以下の関係に従って表される。
【数４】
0006581600.tif 000005
【００６６】
エッチング速度が一定であると、光路の差は直線的に増大し、したがって、検出される強度は時間に応じて正弦曲線状に変化する。均質な材料の場合、時間に応じた一連の干渉計による測定値の結果は、制限曲線上の点の集合となる。異なる材料の多層積層体を含む試料の場合、エッチング速度は一般に各層の組成に依存する。層が不透明であれば、一連の測定点は補間により、異なる周期の正弦曲線の切片で構成される実験的曲線を形成する。
【００６７】
エッチングによるクレータの深さｄ（ｔ）を測定するために、エッチングの開始から検出された周期の数が推定される。実際に、正弦曲線の完全な周期は長さの点で、使用される光源（例えばレーザ）の波長λと等しい。ここで、２つの光波の間の光路の差は、各瞬間において、エッチングによるクレータの深さの２倍に等しい。したがって、強度曲線の各周期はエッチング深さ、λ／２に対応する。
【００６８】
エッチングの開始と瞬間ｔまでの間に、強度測定値の曲線（ｔ）上の周期の数が整数Ｎと等しい場合、そのクレータのエッチング深さはＮ*λ／２と等しい。
【００６９】
均質な試料の場合、したがって、干渉信号の強度曲線Ｉ（ｔ）上の周期の数を単純に視覚的に推定することによって、エッチング深さをλ／８のオーダの精度で測定でき、これは、使用されているレーザの場合、約８０ｎｍに対応する。より高精度にするために、強度曲線の周期を、例えば正弦関数のフィットを使って判断することできる。これによって、エッチング深さについて、はるかにより重要な精度を実現できる。
【００７０】
しかしながら、試料が薄い、および／または透明な層を含む場合、時間に応じた干渉ビームの強度Ｉ（ｔ）の信号の測定では、限定的な精度と感度しか提供されない。
【００７１】
一般に、放電ランプのプラズマチャンバには、エッチングプラズマに曝露される第一の領域１１への光路（通常、限定される）を可能にする光学的アクセスは１つしかない。［特許文献５］（仏国特許第１２５０５９４号公報）には、中空の円柱形アノードと、アノードの軸への単独の光学アクセスを含むグロー放電ランプの一例が記載されている。
【特許文献５】仏国特許第１２５０５９４号公報
【００７２】
図２は、ある例示的実施形態による干渉計システムに特に適応された放電ランプの断面図を示す。
【００７３】
放電ランプは、アノード１５と、試料１０自体から形成されるカソードと、アノード１５と試料１０との間に配置された絶縁部分１６と、を含む。アノード１５は一般に、円柱の軸に沿った断面において、図２で示される概して円柱の形状を有する。絶縁部分１６もまた円柱の形状を有し、同軸の円柱状開口部を含み、その中にアノードが挿入される。部分１６によって、アノードをカソードに関して正確に位置決めすることができる。したがって、アノード１５の管端は試料の表面から１０分の数ミリメートルに位置決めされる。一般に希ガスであるプラズマキャリアガスがアノード内に注入され、このガスはアノードの端と試料の表面と間の空間を通って排出される。アノード１５と、絶縁部分１６と、試料１０の正確な位置決めによって、プラズマをアノード内の円柱状の中央領域に限定できる。絶縁部分１６は一般に、試料の表面と、エッチングプラズマに曝露される領域１１の外において接触し、試料の表面の、第一の領域１１の外側を保護する。したがって、放電ランプによって、プラズマ１９は試料のうちアノード１５の管端と反対にある第一の領域１１を選択的にエッチングできる。
【００７４】
アノードの軸方向の開口部４１は、試料のうちプラズマ１９に曝露される第一の領域１１に向かう第一の光路を提供する。リバースリターンにより、第一の領域１１への垂直入射に基づき、第一の反射ビーム３１は同じ光路に沿って伝播する。発光分析の場合、この第一の光路はまた、プラズマ１９により発せられる発光ビームを集光するためにも使用される。
【００７５】
図２に示されている例において、放電ランプは特に、試料のうちプラズマ１９から保護される第二の領域１２に向かう第二の光路を提供するようになされている。より正確には、一方で、光学窓１４に設けられた開口部４２がアノード１５に形成されており、他方で、開口部１７が絶縁部分１６に形成されている。開口部４２と開口部１７は、例えば、好ましくはアノード１５の軸に平行なオフセット軸に沿って整列されている。したがって、軸方向の開口部４１と軸からずれた開口部１７は相互に連通しない。窓１４は、ガスおよび／またはプラズマが試料の第二の領域１２に向かって漏出するのを限定する。窓１４は例えば、平坦で平行な面を持つガラス板である。
【００７６】
開口部４２と光学窓１４と開口部１７により、第二の入射ビーム２２を試料の第二の領域１２へと方向付けることができる。
【００７７】
したがって、光学窓１４を通過して、試料のうちエッチングプラズマ１９から保護されたままの第二の領域１２へと進む第二の光路が画定される。第二の入射ビーム２２はすると、窓１４と開口部１７を通じて、試料のうち、第一の領域１１から空間的に分離されているが試料１０の同じ面に配置された第二の領域１２へと方向付けられてもよい。
【００７８】
第二の反射ビーム３２は、好ましくは、第二の光路に沿って反対方向に光学窓１４に向かって進む。
【００７９】
したがって、第一のビームと第二のビームは別々の光路を進み、その一方で、試料の同じ面で反射される。
【００８０】
この構成により、プラズマの加熱によって誘導される放電ランプの膨張による干渉信号のドリフトが限定される。
【００８１】
図３は、グロー放電分光分析装置において試料のエッチング深さをその場測定するシステムの他の例を示す。
【００８２】
このシステムは、少なくとも１つの光源を有するブロック５０と、放電ランプ６０の外にある少なくとも１つの検出器を含む。
【００８３】
放電ランプ６０は、中空の管状断面の円柱形状のアノード１５と、電気的絶縁部分１６と、放電ランプのカソードを形成する試料１０と、を含む。レンズ４が、例えば放電ランプ６０の真空チャンバの開口部に設置される。好ましくは、レンズ４はアノード１５の軸上に配置される。
【００８４】
アノード１５は、図２に関連して説明したものと同様である。このアノード１５は円柱形状であり、光源−検出器ブロック５０と、試料１０のうち、エッチングプラズマに曝露される第一の領域１１との間の第一の光路を形成する軸方向の開口部を含む。
【００８５】
放電ランプのアノード１５は、アノード１５の軸に関してずらされたもう１つの開口部を含み、これには光学窓１４が設けられている。アノード１５と試料１０との間に配置された電気的絶縁部分１６は、円柱形状の穴を含み、光源−検出器ブロック５０と、試料１０のうち、エッチングプラズマから保護される第二の領域１２との間の第二の光路を形成する。
【００８６】
図３に示される例において、試料は平坦であり、直交基準系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のＹＺ平面内に配置される。試料の平面の法線は軸Ｘと平行である。エッチングプラズマは、試料１０の第一の領域１１上に平らな底を持つ腐食クレータを形成する。
【００８７】
ビームスプリッタ−コンバイナ１３は、光源からのビーム２の光路上の、光源−検出器ブロック５０と放電ランプ６０との間に配置される。例えば、ビームスプリッタ−コンバイナ１３はウォラストンプリズムからなる。ウォラストンプリズム１３は、入射ビームを第一の入射ビーム２１と第二の入射ビーム２２へと、例えば０．１〜１０度の間の角度によって、好ましくは約１度の角度によって角度的に分割する。
【００８８】
ビームスプリッタ−コンバイナ１３は、レンズ４からの距離Ｌに設置される。好ましくは、距離Ｌはレンズ４の焦点距離と等しく、それによって、ビームスプリッタ−コンパイナ１３はレンズ４の焦点面にある。
【００８９】
レンズ４は、第一の入射ビーム２１を、軸Ｘに平行なアノード１５の軸に沿って試料の第一の領域１１へと方向付ける。第一の領域１１での反射によって、第一の反射ビーム３１がレンズ４へと戻る。
【００９０】
同時に、レンズ４は第二の入射ビーム２２を、試料の第二の領域１２に向かう第二の光路に沿って光学窓１４および開口部１７へと方向付ける。第二の領域１２での反射によって、第二の反射ビーム３２がレンズ４へと戻る。
【００９１】
プリズム３はレンズ４の焦点面にあり、入射ビーム２１および２２は相互に平行で、放電ランプ６０の軸Ｘに平行である。同様に、反射ビーム３１および３２は、相互に概して平行で、放電ランプ６０の軸Ｘに平行である。
【００９２】
レンズ４は、第一および第二の反射ビーム３１、３２をウォラストンプリズム１３に合焦させ、それがこれらを再結合し、光源−検出器ブロック５０の中の検出器に向かう干渉ビーム３０とする。レンズ４の焦点面にプリズム１３を配置することによって、幾何学的な観点から、第一および第二の反射ビーム３１、３２の再結合が可能となる。
【００９３】
図４は、発光グロー放電分光分析装置に連結された試料のエッチング深さをその場測定するシステムの第二の実施形態を概略的に示す。
【００９４】
この第二の実施形態において、エッチング深さの測定システムは単純な干渉計ではなく、偏光干渉計である。
【００９５】
図４において、図３のそれらと同じ要素には同じ参照符号を付けた。
【００９６】
図４の装置は、放電ランプ６０と、光源−検出器ブロック５０と、放電ランプ６０と光源−検出器ブロック５０との間に配置されたミラーおよび／またはレンズ光学系と、を含む。
【００９７】
図４に示される例において、試料１０は平坦であり、直交基準系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のＹＺ平面内に配置される。試料の平面の法線は軸Ｘと平行である。
【００９８】
光源−検出器ブロック５０は、光源１、例えばレーザまたはレーサダイオードを含む。光学的アイソレータ２５が光源からのビーム２の上に配置される。
【００９９】
本明細書において平面ミラー２４および２６を含む光学系により、光源からのビームを放電ランプ６０の軸上に配置されたレンズ４へと方向付けることができる。
【０１００】
特に有利な点として、ミラー２６は軸方向の開口部を含み、これによってグロー放電プラズマにより発せられる発光ビーム７１は、発光分析計７０に向かって通過できる。
【０１０１】
図４のシステムは、ビームスプリッタ１３とビームコンバイナ２３をさらに含む。ビームスプリッタ１３は、光源からのビーム２の光路上に配置される。ビームコンバイナ２３は、反射ビーム３１、３２の光路上に配置される。例えば、ビームスプリッタ１３はウォラストンプリズムであり、ビームコンバイナ２３も別のウォラストンプリズムである。２つのプリズムを含む利点は、小型のプリズムを使用できる点であり、これらはあまり嵩張らず、あまり高価でない。
【０１０２】
変化形として、図３に関連して示したように、ビームスプリッタ−コンバイナは、より大きいサイズの単一の同じプリズムからなっていてもよい。
【０１０３】
ミラー２６は光源からのビーム２を分割プリズム１３に向かって反射する。有利な点として、ミラー２６は、軸ＯＺの周囲と、軸ＯＸおよびＯＹに関して４５°の軸の周囲で方向調整可能な板の上に取り付けられる。分割プリズム１３は、光源からのビーム２を第一の入射ビーム２１と第二の入射ビーム２２に角度的に分割する。プリズム１３は、入射ビーム２１および２２がＹＺ平面内で、０．１〜２０度の範囲の、例えば２度の角度だけ角度的に分離される。ミラー２６は、入射ビーム２１および２２をレンズ４に向かって反射する。図４に示されている例において、レンズ４と試料との間の入射ビーム２１および２２は、レンズ４の軸に関して、すなわち試料の表面の法線に関して、ＸＹ平面内で１〜２０度の角度だけ傾斜される。
【０１０４】
放電ランプ６０は、図２または図３に関連して説明したものと同様である。放電ランプは特に、中空の円柱形状のアノード１５の軸に配置されたレンズ４を含み、試料１０の、アノード管の管端においてグロー放電プラズマに曝露される第一の領域１１に向かう第一の光路を形成する。アノードはまた、例えばＸＺ平面内に別の、軸からずれた開口部を含み、これは中間部分１６の円柱形状の開口部と整列して、試料の第二の領域１２に向かう第二の光路を形成する。図４において、第二の領域１２は見えていないが、これは、それが図４の面を横切る平面内にあるからである。
【０１０５】
一方で、レンズ４は第一の入射ビーム２１を、試料のうち、アノード１５の管端と反対にあり、エッチングプラズマに曝露される第一の領域１１に合焦される。他方で、レンズ４は第二の入射ビーム２２を、軸からずれた光学窓１４を通じてアノード１５を通り、また軸からずれた開口部１７を通じて中間部分１６を通る第二の光路を介して試料の第二の領域１２に合焦させる。したがって、試料の第二の領域１２はエッチングプラズマから保護される。
【０１０６】
第一の入射ビーム２１は、第一の領域１１での反射によって反射ビーム３１を形成し、これは試料の法線に関して入射ビームと対称に傾斜する。同様に、第二の入射ビーム２２は、第二の領域１２での反射によって反射ビーム３２を形成し、これは試料の法線に関して入射ビームと対称に傾斜する。したがって、反射ビーム３１は入射ビーム２１から角度的に分離された光路に沿って伝播する。同様に、反射ビーム３２は、入射ビーム２２から角度的に分離された光路に沿って伝播する。さらに、第一および第二の反射ビームは空間的に分離され、放電ランプ内で空間的に異なる光路に沿って伝播する。
【０１０７】
レンズ４は、図４において相互に重なって見えるが、実際にはＹＺ面内でずれており、第一の反射ビーム３１と第二の反射ビーム３２を集光する。ミラー２４は、第一および第二の反射ビーム３１、３２をビーム結合プリズム２３に向かって反射する。レンズ４は、第一および第二の反射ビーム３１、３２をビームコンバナ２３上に合焦させ、これらが幾何学的に重なるようにする。
【０１０８】
ビームコンバイナ２３は、第一および第二の反射ビーム３１、３２を光学的に再結合し、したがって、光源−検出器ブロック５０に向かう干渉ビーム３０を形成する。光源−検出ブロックは、例えば干渉フィルタ型のフィルタ１８を含み、これによってプラズマまたは周辺光のスプリアス発光を除去できる。
【０１０９】
図４の検出システムは、図１および３に関して説明したものと、それが多偏波検出システムを含む点で異なる。より正確には、この多偏波検出システムは、無偏光スプリッタ５１と、第一の偏光スプリッタ５２と、第二の偏光スプリッ５３と、４分の１波長板５４と、偏光回転子３３と、４つの検出器８１，８２、８３、８４と、を含む。代替的な実施形態において、要素５４および３３の位置は逆であってもよい。
【０１１０】
有利な点として、無偏光スプリッタ５１は、最善でも、透過および反射光路の両方で入射ビームの偏光状態を保つ。このために、狭い波長範囲用に最適化されたレーザのための無偏光スプリッタは、例えば可視光スペクトル全体をカバーする広帯域スプリッタより好ましい。
【０１１１】
偏光スプリッタ５２に関連付けられる偏光回転子５５は、再結合スプリッタ１３および２３の軸に関して４５°の向きの線形偏光のアナライザを形成する。軸１３および２３に関して、検出器８１は干渉ビーム３０の４５°の偏光成分３５を検出し、検出器８２は干渉ビーム３０の−４５°の偏光成分３７を検出する。
【０１１２】
偏光スプリッタ５３に関連付けられる４分の１波長板５４は、円偏光、それぞれ右円３６と左円３８のアナライザを形成する。検出器８３は、干渉ビーム３０の右円偏光成分３６を検出し、検出器８４は干渉ビーム３０の左円偏光成分３８を検出する。
【０１１３】
したがって、図４の検出システムにより、干渉ビーム３０の４つの偏光成分を同時に検出できる。
【０１１４】
４つの検出器８１、８２、８３、８４により検出された４つの信号に基づいて、第一の領域１１、すなわち試料のエッチングから形成されたクレータにより反射されたビーム３１と、基準の役割を果たす第二の領域１２により反射されたビーム３２との間の位相シフトを推測できる。同様に、第一の領域の反射率のばらつきは、２つの直線偏光成分または２つの円偏光成分の測定値に基づいて計算されてもよい。
【０１１５】
干渉信号の分析は、従来の方式に基づいている。試料が均質で吸収性の材料からなる場合、半無限媒体と仮定されてもよい。試料が薄い、および／または測定波長を透過させる層の積層体を含んでいる場合、分析は、シミュレーションの数値計算と誤差関数の最小化に基づく。
【０１１６】
図４に示されている測定システムでは、時間に応じた４つの同時の測定が可能である。４つの検出器の全ての測定値は、補間によって４つの曲線を提供し、これらは均質な試料については実時間で、または積層体を含む試料の場合はすべての測定値を取得した後に分析されてもよい。測定波長における試料の光学屈折および吸収係数がわかっていれば、エッチング速度と時間に応じた干渉ビームの強度と位相をモデル化することができる。エッチング速度を積分することより、時間ｔに応じた試料のエッチング深さが得られる。
【０１１７】
これらの曲線の分析により、そこから試料または層内のエッチング速度の測定値を推測できる。曲線が途切れた場合、試料内の２つの層または２種類の材料間の界面のエッチングを検出できる。
【０１１８】
より正確には、第一の領域１１に入射する場の直線偏光Ｈに関して、および第二の領域１２に入射する場の直線偏光Ｖに関して４５度の方向に沿った干渉ビームの直線成分の強度をＩL1とする。検出器８１は、ビーム３５の強度、すなわちＩL1を測定する。
【０１１９】
第一の領域１１に入射する場の直線偏光Ｈに関して、および第二の領域１２に入射する場の直線偏光Ｖに関して−４５度の方向に沿った干渉ビームの直線成分の強度をＩL2とする。検出器８２は、ビーム３７の強度、すなわちＩL2を測定する。
【０１２０】
干渉ビームの右円成分の強度をＩC1とする。検出器８３はビーム３６の強度、すなわちＩC1を測定する。
【０１２１】
干渉ビームの左円成分の強度をＩC2とする。検出器８４はビーム３８の強度、すなわちＩC2を測定する。
【０１２２】
直線経路上で検出された強度間の正規化された強度差Ｌを計算する。
【数５】
0006581600.tif 000006
【０１２３】
同様に、円形経路上で検出された強度間の正規化された強度差Ｃを計算する。
【数６】
0006581600.tif 000007
【０１２４】
反射光波３１と３２間の位相差を次のように表せることがわかる。
【数７】
0006581600.tif 000008
【０１２５】
ある時間にわたるクレータの反射率Ｒ（ｔ）ばらつきもまた、ｔ＝０での２つの選択された光路の強度が次式で表されることが分かっているため、２つの直線成分ＩL1とＩL2の測定値から（または、変化形として、２つの円形成分ＩC1とＩC2に基づいて）推測されてもよい。
【数８】
0006581600.tif 000009
【０１２６】
代替案として、角度Ψは、ｔａｎ（Ψ）＝ρH／ρVとなるように定義される。すると、反射率ρH／ρVのばらつきは、ｓｉｎ2（２Ψ）＝Ｃ2＋Ｌ2の関係により、測定値に基づいて推測されてもよい。
【０１２７】
厚い、不透明な層
不透明の材料の試料または層の場合、エッチングクレータの深さｄ（ｔ）は、初期値に関する時間に応じた位相のばらつきに基づいて求められる。
【数９】
0006581600.tif 000010
【０１２８】
したがって、４つの偏光成分の強度の測定により、エッチングプラズマへの曝露時間応じたクレータの深さｄ（ｔ）を直接推測できる。
【０１２９】
ｄ（ｔ）の局所勾配は、瞬間的エッチング速度を示す。
【０１３０】
反射率は、試料表面の屈折率に関連付けられる。
【０１３１】
第二の実施形態は、有利な点として、２つの光波の間の位相差に直接アクセスでき、正弦曲線フィットが不要であり、これは通常、エッチング深さｄ（ｔ）が１周期より低い場合、ほとんど正確でない。
【０１３２】
薄いまたは透明な層
試料が、ハードディスクの場合のように、シリカまたは吸収材等の透明材料の層を含むが、あまり厚くない層である場合、エッチング深さと位相差との間に単純な関係はない。実際、試料で反射されたビームは、異なる層間の界面で何度も反射される。検出された干渉ビームは、これらすべての反射を重ねた結果である。検出された干渉ビームは、エッチング中に位相と強度において変調される。
【０１３３】
透明またはごく薄い層が存在する場合、深さの推定は、異なる層を構成する材料の知識から構成される試料の数値モデルに基づくものとなる。このモデルでは、試料におけるレーザビームの複数の反射が考慮されており、エッチングの各瞬間における反射光波の位相と反射率を計算できる。
【０１３４】
反射光波の位相と反射率は、試料内の光波の伝播を考慮することによって計算され、これは、マトリクス形式で説明されてもよい（例えば、下記非特許文献１参照）。
【非特許文献１】P.Yeh,Optical waves in layered media,1988,Wiley
【０１３５】
すると、試料のエッチングの分析は、数値モデルのシミュレーション、時間に応じた異なる偏光成分の強度の測定値の比較、およびシミュレーションの計算と測定値との間の差の最小化に基づくものとなる。例えば、最小化は、各層のエッチング速度を調節可能パラメータとして使用する最小二乗回帰で使用されてもよく、それによって実験的曲線に最もよく適合する位相および反射曲線を提供する数値を連続的に概算することによって推測できる。最小二乗回帰は、位相だけか、または反射率だけか、または位相と反射率の同時の理論的曲線と実験的曲線差を最小化することによって行われてもよい。また、各層について異なる最小化を選択することもできる。これらの異なる可変値の中からどれを選択するかは一般に、分析対象の試料の構造と、分析対称の層の特性によって決められる。
【０１３６】
計算と測定の差により、数値モデルを洗練したものにし、たとえば、２つの重ねられた材料間の屈折率勾配を有する中間層の存在を検出することができる。
【０１３７】
同じ試料についてのこのようにして得られた干渉法による測定結果と偏光解析法による測定結果を比較した。偏光干渉法（第二の実施形態による装置）と偏光測定によって得られた厚さは非常に近く、偏光干渉法（ほとんど垂直の入射）による測定値と偏光解析法による測定値の差は一般に、５％未満である。
【０１３８】
干渉法による測定システムにより、好ましくは偏光法に従って、エッチングプラズマへの曝露時間に応じた試料内のエッチング深さｄ（ｔ）を測定できる。したがって、各試料のエッチング速度、より正確には、積層体から形成された試料の各層のエッチング速度を評価することが可能である。
【０１３９】
したがって、エッチング時間ｔに応じて検出された発光分析測定値を、これらを試料内のエッチング深さに応じて分析し、表すために補正することが可能となる。
【０１４０】
有利な点として、すでに詳しく説明したエッチング深さの測定値は、極短パルスまたはパルスモードで動作するプラズマにも適用される。バルトモードは一般に、例えばポリマ材料または層を含む壊れやすい試料が過熱されるのを防止するために使用される。パルスモードにおいて、プラズマは、所定の周期とパルス占有率でオンとオフに交互に切り換えられる。腐食は、プラズマがオンに切り換えられた位相中にのみ発生する。
【０１４１】
ここで、エッチング深さの測定精度を高めるため、２つの実施形態が想定される。
【０１４２】
第一のケースでは、永久的な擾乱の発生源は、オンおよびオフプラズマ位相中の信号ドリフトの発生源であるかもしれない。この場合、エッチングが行われず、したがって、信号のドリフトだけが測定されるオフプラズマ位相中の干渉信号の残留ドリフトが測定される。したがって、これらのドリフトを、オンプラズマ位相中にこれらを補間することによって補正できる。
【０１４３】
別のケースでは、間欠的な擾乱の発生源が、オンプラズマ位相中のみの特定の残留ドリフト、例えばプラズマによる熱により誘導されるドリフトの発生源である。この場合、干渉信号は、オフプラズマ位相中にのみ測定され、その間、信号のドリフトはない。これらの干渉法による信号測定は、オフプラズマ位相中に、例えば補間によって時間に応じたエッチング深さをそこから推測するために使用される。
【０１４４】
上述の方法の何れを選択するかは、永久的および間欠的ドリフトの相対的振幅によって決まる。
【０１４５】
したがって、本発明のシステムは、時間に応じただけでなく、試料中のエッチング深さｄ（ｔ）の信頼できる測定値に応じた、グロー放電分析法による測定値を提供できる。
【０１４６】
干渉信号の取得は、その場で、発光分析または質量分析による測定値の取得と同時に行われる。図４に関連して示された測定システムにより、エッチングプラズマへの曝露時間に応じた試料内または試料の層内のエッチング深さを正確に測定できる。
【０１４７】
発光（または質量）分光分析と干渉法による測定を組み合わせることによって、試料の元素組成分析をこの試料のエッチング深さに極めて正確に関係付けることができる。
【０１４８】
本発明の干渉法による測定システムは、例えば真空ポンプ装置の機械的ノイズの影響を受けにくく、また、アブレーションプラズマによる加熱により誘導される熱ドリフトの影響も受けにくい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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