(57)【要約】【課題】試料表面とプリズムとの密着性を向上させることを目的とし、測定部位による測定データのばらつきを解消すること。【解決手段】全反射吸収測定により試料面の薄膜を測定する薄膜測定装置において、測定光を入射する入射面２ａ、試料１０との密着により試料表面において測定光を１回反射させ、当該反射光を取り込む接触面２ｃ、試料表面で反射された後の測定光を出射する出射面２ｂの各面を備えるプリズムプレート２と、このプリズムプレート２を固定するプリズム固定用プレート３と、試料１０とプリズム固定用プレート３との間を緩衝性を有して挟持すると共に、プリズム固定用プレート３に対して着脱自在とする試料ホルダプレート４を備えた構成とし、試料ホルダプレート４は、緩衝性により試料表面と接触面とを平行に支持する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
全反射吸収測定により試料面の薄膜を測定する薄膜測定装置において、
測定光を入射する入射面、試料との密着により試料表面において測定光を１回反射させ当該反射光を取り込む接触面、試料表面で反射された後の測定光を出射する出射面の各面を備えるプリズムプレートと、
前記プリズムプレートを固定するプリズム固定用プレートと、
試料とプリズム固定用プレートとの間を緩衝性を有して挟持すると共に、プリズム固定用プレートに対して着脱自在とする試料ホルダプレートとを備え、
前記試料ホルダプレートは、前記緩衝性により試料表面と接触面とを平行に支持することを特徴とする１回反射ＡＴＲによる薄膜測定装置。
【請求項２】
前記試料ホルダプレートは、試料を支持する支持プレートとクッション材とを層状に備え、少なくともプリズムプレートの接触面と対向する部分に開口部を有し、当該開口部を通して接触面を試料表面に接触させることを特徴とする、請求項１に記載の薄膜測定装置。
【請求項３】
前記プリズムプレートの接触面における測定光の平均入射角は６０°以上であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の薄膜測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、分光分析に関し、特に表面薄膜を測定する薄膜測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコンウエハやガラスプレート等の試料の表面薄膜の測定には、従来、高感度反射測定法（ＲＡＳ法）や多重反射ＡＴＲ法などが用いられている。
【０００３】
高感度反射測定法は、金属基板上の有機薄膜の測定に適した方法であり、金属基板の表面を覆う物質の厚さ、化学結合種、官能基、配向状態等を測定する方法として知られている。この測定方法では、金属基板の表面に偏光した赤外光を入射し、金属基板表面で反射した偏光赤外光のスペクトルを測定することにより分析を行う（例えば、特許文献１）。
【０００４】
また、全反射吸収測定（ＡＴＲ）法は、試料表面で全反射する光を測定することにより試料表面の吸収スペクトルを得て物質測定を行う方法であり、高い屈折率の物質でつくられたプリズムの表面に試料を密着させ、プリズムに対して臨界角以上の角度で光を入射させ、プリズムと試料の境界で全反射された光を測定して吸収スペクトルを得る方法である。多重反射ＡＴＲ法は、全反射吸収測定（ＡＴＲ）法において、試料が密着されたＡＴＲプリズムの平行な反射面間において繰り返して反射させた後に、ＡＴＲプリズムの出射側から取り出し測定する（例えば、特許文献２）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−２６４８４８
【０００６】
【特許文献２】
特開平８−２０１２７９
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
高感度反射測定法では、検出器で検出する光量は基板の反射率に依存するため、例えば、９０％以上の高い反射率を持つ基板上に薄膜が形成されている場合には十分な光量を得ることができるが、反射率が低い基板上に薄膜が形成されている場合には十分な光量を得ることができず、Ｓ／Ｎの良好なスペクトルを得ることが難しいという問題がある。
【０００８】
また、多重反射ＡＴＲ法は、反射を繰り返すことにより検出器が検出する光量の増加を図っているが、実際には多重反射にすることによる効果は期待できず、多重を行わないＡＴＲ法よりも検出光量が少なくなる場合がある。これは、多重反射ＡＴＲでは、例えば１×１０ｃｍ程度の板状のプリズムと同じ板状の試料（板状基板上薄膜）とを密着させる必要があり、プリズムあるいは試料の何れかに異物等の付着物があったり試料が湾曲していると、プリズムと試料との密着性が悪くなり、薄膜における吸収が得られないためである。
【０００９】
このプリズムと試料との密着性は、多重反射ＡＴＲ法による薄膜測定に限らず、１回反射ＡＴＲ法、高感度反射測定法による薄膜測定においても、測定部位によって試料とプリズムとの密着性にばらつきが生じ、密着の程度により測定データが変化するという問題を含んでいる。例えば、試料の湾曲や付着物により、試料の中央と端部などの測定部位によって密着の程度に差が生じ、測定データに誤差が生じることになる。
【００１０】
そこで、本発明は前記した従来の問題点を解決し、試料表面とプリズムとの密着性を向上させることを目的とし、測定部位による測定データのばらつきを解消することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、全反射吸収測定により試料面の薄膜を測定する薄膜測定装置において、測定光を入射する入射面、試料との密着により試料表面において測定光を１回反射させ当該反射光を取り込む接触面、試料表面で反射された後の測定光を出射する出射面の各面を備えるプリズムプレートと、このプリズムプレートを固定するプリズム固定用プレートと、試料とプリズム固定用プレートとの間を緩衝性を有して挟持すると共に、プリズム固定用プレートに対して着脱自在とする試料ホルダプレートを備えた構成とし、試料ホルダプレートは、緩衝性により試料表面と接触面とを平行に支持する。
【００１２】
本発明の薄膜測定装置は、プリズムプレートは試料表面と接触面のみで接触し、この接触面と接触する試料表面において１回反射による全反射吸収測定（ＡＴＲ測定）を行う。１回反射による全反射吸収測定とすることにより、プリズムプレートと試料表面とが密着する接触面の面積を小さくすることができ、密着のばらつきを減らして密着性を高めることができる。
【００１３】
また、本発明の薄膜測定装置は、試料とプリズム固定用プレートとの間に緩衝性を持たせることにより、異物等の付着や湾曲等の密着性を低下させる要因がある場合であっても、試料表面とプリズムプレートの接触面とを平行に保つ。これにより、試料表面のどの部位をプリズムプレートの接触面と密着させても、異物等の付着や湾曲にかかわらず、同じ平行状態を保つことができ、測定部位による密着性のばらつきを解消することができる。したがって、例えば、試料中央部と端部とで密着の程度が異なる場合であっても、測定データの誤差を避けることができる。
【００１４】
また、試料ホルダプレートは、プリズム固定用プレートに対して着脱自在とすることにより、プリズムプレートの接触面の洗浄が容易となる。
【００１５】
試料ホルダプレートは、試料を支持する支持プレートとクッション材とを層状に備え、少なくともプリズムプレートの接触面と対向する部分に開口部を有する。プリズムプレートの接触面はこの開口部を通して試料表面と接触し、プリズムプレートからの測定光を接触面で接触する試料表面に入射させ、試料表面で反射した反射光を取り込み、検出器に導く。一方、プリズムプレートの開口部を除く部分は、プリズム固定用プレートで固定される。
【００１６】
プリズムプレートの接触面において、測定光が試料表面に入射する平均入射角は６０°以上とする。これにより、プリズムプレートから試料表面への測定光の入射効率が高まり、試料表面での全反射吸収のＳ／Ｎを向上させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。  図１は本発明の薄膜測定装置を説明するための概略断面図であり、図２，３は本発明の薄膜測定装置を説明するための概略斜視図である。なお、図１（ａ）〜図１（ｃ）、及び図２（ａ），図２（ｂ），図３（ａ），図３（ｂ）は試料をプリズムプレートに密着させる動作順の各状態を示している。
【００１８】
図１（ａ）及び図２（ａ）において、本発明の薄膜測定装置１は、試料１０の表面との間で測定光の反射により全反射吸収測定を行うプリズムプレート２と、プリズムプレート２に対して測定光の入出射を行うミラー５（入射ミラー５ａ，出射ミラー５ｂ）と、プリズムプレート２を固定するプリズム固定用プレート３と、プリズムプレート２に対して試料１０を緩衝性を持たせて支持する試料ホルダプレート４と、試料１０を固定する試料クランプ６とを備える。
【００１９】
プリズムプレート２は、赤外光等の光源（図示していない）からの測定光を入射ミラー５ａを介して入射する入射面２ａと、試料１０の表面と接触し、試料１０の表面に測定光を入射させ、試料１０の表面からの反射光を入射する接触面２ｃと、測定光を出射する出射面２ｂとを備える。接触面２ｃは、試料１０側に突出した形状とする。出射面２ｂから出射された測定光は、出射ミラー５ｂを介して検出器（図示していない）に送られ、スペクトル分析が行われる。
【００２０】
プリズム固定用プレート３はプリズムプレート２を固定するプレートであり、例えば金属プレートで形成される。プリズム固定用プレート３には、少なくともプリズムプレート２の接触面２ｃに対応する位置に開口部３ｃが形成され、突出した接触面２ｃが試料１０の表面と接触できるようにしている。なお、プリズム固定用プレート３はプリズムプレー２に対して着脱自在とし、これにより、プリズムプレー２の洗浄を容易とすることができる。
【００２１】
試料ホルダプレート４は、試料１０をプリズムプレート２に対して緩衝性を持たせて支持すると共に、プリズムプレート２の接触面２ｃと接触させるための部材であり、支持プレート４ａとクッション材４ｂとを層状に重ねて形成される。クッション材４ｂは、試料１０の表面とプリズムプレート２との間に付着する異物等による凹凸や試料１０の湾曲による傾斜を吸収する緩衝材の役を成す。また、支持プレート４ａはこのクッション材４ｂを保持すると共に、試料１０の表面と当接する。試料ホルダプレート４には開口部４ｃが形成され、この開口部４ｃを通して接触面２ｃは試料１０の表面と接触する。
【００２２】
試料クランプ６は、試料１０をプリズムプレート２に向けて付勢することにより、試料１０の表面を接触面２ｃ及び支持プレート４ａに押し当てて保持する。このとき、試料ホルダプレート４のクッション材４ｂは、試料１０とプリズムプレート２との間の凹凸や傾きに応じて変形し、少なくとも接触面２ｃにおいて試料１０の表面を接触面２ｃに平行となるように保持する。
【００２３】
測定に際して、プリズム固定用プレート３をプリズムプレート２上に取り付け、このプリズム固定用プレート３の上に試料ホルダプレート４を配置する。図２（ｂ）はこの状態を示している。
【００２４】
プリズムプレート２の少なくとも接触面２ｃは、プリズム固定用プレート３の開口部を通して露出し、さらに試料ホルダプレート４を配置した際、試料ホルダプレート４に形成された開口部４ｃを通して露出する。
【００２５】
試料ホルダプレート４を配置した後、図３（ａ）に示すように、当該試料ホルダプレート４上に試料１０を配置し、さらに、図２（ｂ）及び図３（ｂ）に示すように、試料クランプ６により試料１０をプリズムプレート２に向けて押し下げて試料１０を保持する。
【００２６】
この試料クランプ６による保持の際、試料１０の表面や試料ホルダプレート４上の異物や試料１０の湾曲により、試料１０の表面と試料ホルダプレート４との間に凹凸や傾斜がある場合、この凹凸や傾斜は試料ホルダプレート４のクッション材４ｂの変形による吸収され、試料１０の表面と試料ホルダプレート４との平行が保持される。試料１０の表面と試料ホルダプレート４とが平行に保持されることにより、試料表面はプリズムプレート２の接触面２ｃに対して平行に保持されることになる。
【００２７】
図４は、湾曲した試料の保持例を示している。試料ホルダプレート４のクッション材４ｂは、試料１０の湾曲による傾斜に応じて変形する。この変形により、試料表面はプリズムプレート２の接触面２ｃに水平に接触する。
【００２８】
図１（ｃ）は、試料１０の表面がプリズムプレート２の接触面２ｃに対して平行に保持され状態を示している。この状態において、光源（図示していない）から赤外光等の測定光を入射ミラー５ａを介して入射面２ａに入射する。入射した測定光はプリズムプレート２内で反射した後に接触面２ｃから試料１０の表面に入射する。接触面２ｃにおける測定光の平均入射角を６０度以上とすることにより、試料表面への測定光の入射効率を高めることができる。
【００２９】
試料表面に入射した測定光は試料表面の薄膜により吸収が行われ、その反射光は接触面２ｃからプリズムプレート２内に入射する。プリズムプレート２内に入射した測定光は、プリズムプレート２内で反射した後に出射面２ｂから出射され、出射ミラー５ｂを介して検出器（図示していない）で検出され、スペクトル分析が行われる。
【００３０】
図５は、シリコンウエハ上に膜厚が数ｎｍのＳｉＯ２薄膜を備えた試料について、本発明の薄膜測定装置による１回反射ＡＴＲの測定結果と従来の多重反射ＡＴＲによる測定結果との比較を示している。
【００３１】
図５中の１は本発明による１回反射ＡＴＲによる測定結果であり、図５中の２，３は従来の多重反射ＡＴＲによる測定結果であり、プリズム密着面がそれぞれ５×４７ｍｍと１０×７７ｍｍの例である。また、図５の測定結果において、符号ＡはＳｉＯ２薄膜のピークを示し、符号Ｂはシリコンウエハのピークを示している。
【００３２】
図５の測定結果比較から、本発明の薄膜測定装置による１回反射ＡＴＲは、従来の多重反射ＡＴＲと比較して、ピークの強度が増加していることを確認することができる。
【００３３】
このように、本発明の薄膜測定装置によればピーク強度を増加させることができるため、従来の多重反射ＡＴＲ等の方法では測定が困難であった膜厚が数ｎｍの薄膜についても測定が可能となる。
【００３４】
また、本発明の薄膜測定装置によれば、湾曲した試料であっても、接触面においては試料表面と常に平行を保持することができるため、測定位置が変化した場合であっても密着性のばらつきを解消して、常に同一の測定条件で測定することができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の薄膜測定装置によれば、試料表面とプリズムとの間に緩衝性を有する試料ホルダプレートを設けることにより、試料表面とプリズムとの密着性を向上させることができる。
【００３６】
また、反射試料表面での反射を１回とすることにより、密着性のばらつきの要因を減少させることができる。
【００３７】
また、試料表面とプリズムとの密着性の向上と、密着性のばらつきの発生要因を減らすことにより、測定部位による測定データのばらつきを解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の薄膜測定装置を説明するための概略断面図である。
【図２】本発明の薄膜測定装置を説明するための概略斜視図である。
【図３】本発明の薄膜測定装置を説明するための概略斜視図である。
【図４】本発明の薄膜測定装置において湾曲試料の保持例を示す図である。
【図５】本発明の薄膜測定装置による測定結果と従来の多重反射ＡＴＲによる測定結果との比較図である。
【符号の説明】
１…薄膜測定装置、２…プリズムプレート、２ａ…入射面、２ｂ…出射面、２ｃ…接触面、３…プリズム固定用プレート、４…試料ホルダプレート、４ａ…支持プレート、４ｂ…クッション材、４ｃ…開口部、５ａ…入射ミラー、５ｂ…出射ミラー、６…試料クランプ、１０…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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