(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定基板内部に赤外線を入射し、前記被測定基板内部で多重反射した後に前記被測定基板より放出される赤外線を検出し、検出した赤外線を分析することにより前記被測定基板の表面の状態を測定する表面状態測定方法において、
前記被測定基板の内部で多重反射する回数の異なる第１の赤外線と第２の赤外線とをそれぞれ検出し、前記第１の赤外線及び前記第２の赤外線の分析結果に基づき、前記被測定基板上に付着した化学物質の種類を同定し及び／又は前記化学物質の付着量を定量化する
ことを特徴とする表面状態測定方法。
【請求項２】
請求項１記載の表面状態測定方法において、
前記被測定基板の端面において、前記被測定基板平面に対して第１の傾斜を有する位置から赤外線を所定の入射角度で入射し、前記被測定基板内部で多重反射した後に前記被測定基板より放出される赤外線を前記第１の赤外線として検出し、
前記被測定基板の端面において、前記被測定基板平面に対して前記第１の傾斜よりも大きい第２の傾斜を有する位置から赤外線を前記所定の入射角度で入射し、前記被測定基板内部で多重反射した後に前記被測定基板より放出される赤外線を前記第２の赤外線として検出する
ことを特徴とする表面状態測定方法。
【請求項３】
請求項１記載の表面状態測定方法において、
前記被測定基板の外周部には、前記被測定基板平面に対して第１の傾斜角を有する第１の傾斜面と、前記第１の傾斜角よりも小さな第２の傾斜角を有する第２の傾斜面とが形成されており、
前記第１の傾斜面に対して略垂直に赤外線を入射し、前記被測定基板内部で多重反射した後に前記被測定基板より放出される赤外線を前記第１の赤外線として検出し、
前記第２の傾斜面に対して略垂直に赤外線を入射し、前記被測定基板内部で多重反射した後に前記被測定基板より放出される赤外線を前記第２の赤外線として検出する
ことを特徴とする表面状態測定方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の表面状態測定方法において、
前記第１の赤外線を分光分析することにより、リファレンススペクトルを測定し、
前記第２の赤外線を分光分析することにより、サンプルスペクトルを測定し、
前記リファレンススペクトルと前記サンプルスペクトルとに基づき、前記被測定基板上に付着した前記化学物質の種類を同定し及び／又は前記化学物質の付着量を定量化する
ことを特徴とする表面状態測定方法。
【請求項５】
被測定基板に赤外線を入射する赤外線入射手段と、前記被測定基板内部で多重反射した後に前記被測定基板より放出される赤外線を検出する赤外線検出手段と、前記赤外線検出手段により検出された赤外線に基づき、前記被測定基板の表面の状態を測定する表面状態測定手段とを有する表面状態測定装置であって、
前記赤外線検出手段は、前記被測定基板の内部で多重反射する回数の異なる第１の赤外線と第２の赤外線とをそれぞれ検出し、
前記表面状態測定手段は、前記第１の赤外線及び前記第２の赤外線の検出結果に基づき、前記被測定基板上に付着した化学物質の種類を同定し及び／又は前記化学物質の付着量を定量化する
ことを特徴とする表面状態測定装置。
【請求項６】
請求項５記載の表面状態測定装置において、
前記第１の赤外線を検出するときには、前記赤外線入射手段は、前記被測定基板の端面において、前記被測定基板平面に対して第１の傾斜を有する位置から赤外線を所定の入射角度で入射し、前記赤外線検出手段は、前記第１の傾斜を有する位置から入射され、前記被測定基板内部で多重反射した後に前記被測定基板より放出される赤外線を前記第１の赤外線として検出し、
前記第２の赤外線を検出するときには、前記赤外線入射手段は、前記被測定基板の端面において、前記被測定基板平面に対して前記第１の傾斜よりも大きい第２の傾斜を有する位置から赤外線を前記所定の入射角度で入射し、前記赤外線検出手段は、前記第２の傾斜を有する位置から入射され、前記被測定基板内部で多重反射した後に前記被測定基板より放出される赤外線を前記第２の赤外線として検出する
ことを特徴とする表面状態測定装置。
【請求項７】
請求項５記載の表面状態測定装置において、
前記被測定基板の外周部には、前記被測定基板平面に対して第１の傾斜角を有する第１の傾斜面と、前記第１の傾斜角よりも小さな第２の傾斜角を有する第２の傾斜面とが形成されており、
前記第１の赤外線を検出するときには、前記赤外線入射手段は、前記第１の傾斜面に対して略垂直に赤外線を入射し、前記赤外線検出手段は、前記第１の傾斜面に対して略垂直に入射され、前記被測定基板内部で多重反射した後に前記被測定基板より放出される赤外線を前記第１の赤外線として検出し、
前記第２の赤外線を検出するときには、前記赤外線入射手段は、前記第２の傾斜面に対して略垂直に赤外線を入射し、前記赤外線検出手段は、前記第２の傾斜面に対して略垂直に入射され、前記被測定基板内部で多重反射した後に前記被測定基板より放出される赤外線を前記第２の赤外線として検出する
ことを特徴とする表面状態測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外多重内部反射法により被測定基板の表面状態を測定する表面状態測定方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体ウェハ等の基板の有機汚染等の表面状態を知ることは、それらの基板を用いて製造されるデバイスの歩留まり、品質の信頼性を確保する上で非常に重要なことである。例えば、半導体ウェハ表面の有機汚染は、製造プロセスにおける成膜異常や界面抵抗の増加を引き起こす原因となることが知られている。
【０００３】
このような基板表面の有機汚染を検出する測定方法としては、加熱脱離ＧＣ／ＭＳ（Gas Chromatography/Mass Spectroscopy）、ＡＰＩＭＳ（Atmospheric Pressure Ionization Mass Spectroscopy）、ＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectroscopy）などが知られている。しかしながら、これらの測定方法は、今後展開される直径３００ｍｍを越えるようなウェハのような大型基板を直接観察することができないこと、真空雰囲気が必要なこと、スループットが悪いこと、加熱により測定対象分子の性質が変わること、などの理由により製造現場におけるその場測定に使用するには適していなかった。
【０００４】
また、半導体ウェハ等の被測定基板を透過する赤外線をフーリエ分光することにより有機汚染を測定する装置が、米国ニコレー社などから発売されている。しかしながら、この装置では、被測定基板を一回のみ透過する赤外線の基板表面に付着した有機物質による吸収を分析することにより有機汚染を検出するため、装置の検出系の信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）が悪く、有機汚染の検出感度は低くなってしまっていた。
【０００５】
かかる観点から、本願発明者等は、赤外多重内部反射法によって半導体ウェハ等の基板の表面状態を測定する方法を提案している（例えば、特許文献１を参照）。
【０００６】
赤外多重内部反射法による汚染物質の検出について図５を用いて説明する。図５（ａ）は従来の赤外多重内部反射法による表面状態測定方法の原理を説明する図、図５（ｂ）乃至５（ｄ）は、それぞれ従来の赤外多重内部反射法におけるリファレンススペクトル、サンプルスペクトル、吸光度スペクトルの例を示す概略図である。
【０００７】
図５（ａ）に示すように、ウェハ１００の一端に赤外線を特定の入射角度で入射すると、赤外線はウェハ１００内部を両表面で内部反射を繰り返しながら伝搬する。このとき、半導体ウェハ１００表面で赤外線が反射するときに滲み出る光（エバネッセント光）の周波数成分がウェハ１００表面に付着した有機汚染物質の分子振動周波数と一致していると共鳴吸収される。したがって、測定された多重内部反射スペクトルを分析することにより、ウェハ１００表面に付着した有機汚染物質の種類と量を特定することができる。この方法では、ウェハ１００内部を繰り返し多重反射した赤外線、すなわち表面に付着した有機汚染物質の情報を累積した赤外線を分光分析するため、Ｓ／Ｎ比が向上され、検出感度を高くすることができる。また、ウェハ１００表面に付着した有機汚染物質を非接触・非破壊で測定することが可能である。
【０００８】
赤外多重内部反射法によりウェハ表面の汚染物質の付着量を定量化するためには、吸光度スペクトルを求める必要がある。吸光度スペクトルは次の手順により求めることができる。
【０００９】
まず、表面が清浄なウェハ等の基準となるウェハについて多重内部反射スペクトルを測定し、リファレンススペクトルＳ０（ν）とする。
【００１０】
次いで、表面状態を測定すべきウェハについて多重内部反射スペクトルを測定し、サンプルスペクトルＳ１（ν）とする。
【００１１】
次いで、リファレンススペクトルＳ０（ν）とサンプルスペクトルＳ０（ν）とから、吸光度スペクトルＡ（ν）＝−ｌｏｇ１０｛Ｓ１（ν）／Ｓ０（ν）｝を求める。
【００１２】
こうして得られた吸光度スペクトルＡ（ν）において観察される吸収ピークのバックグラウンドレベルからの大きさにより、汚染物質の付着量を定量化することができる。
【特許文献１】特許第３２６１３６２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
従来の赤外多重内部反射法による表面状態測定方法では、吸光度スペクトルに基づいて汚染物質を検出するには、リファレンススペクトルとサンプルスペクトルとで汚染物質の付着量が変化している必要がある。すなわち、リファレンススペクトルを測定した基板と表面状態を測定すべき基板との間に、汚染物質の付着量の変化がない場合には、吸光度スペクトルにも変化が現れない。このため、基板表面に付着しているにもかかわらず、検出できない汚染物質が存在してしまう場合があった。
【００１４】
例えば、図５（ｃ）に示すサンプルスペクトルＳ１（ν）の測定時に吸収を示す汚染２は、図５（ｂ）に示すリファレンススペクトルＳ０（ν）の測定時には吸収を示していない。したがって、この汚染２は、図５（ｄ）に示す吸光度スペクトルＡ（ν）において検出することができる。
【００１５】
これに対し、汚染１は、図５（ｂ）に示すリファレンススペクトルＳ０（ν）の測定時においても同じ赤外線の吸収量を示している。この場合には、吸光度スペクトルＡ（ν）において汚染１による吸光度が見かけ上ゼロとなる。したがって、図５（ｄ）に示すように、吸光度スペクトルＡ（ν）においては、汚染１を検出することができない。
【００１６】
このように、従来の赤外多重内部反射法による表面状態測定方法では、ウェハ表面上に汚染物質が付着しているにもかかわらず、吸光度スペクトルから検出できない汚染物質が存在する場合があった。
【００１７】
また、従来の赤外多重内部反射法による表面状態測定方法では、リファレンススペクトルの測定を、表面状態を測定すべき基板とは別個の基板或いは表面状態の異なる状態について行う必要があった。この結果、基板の表面状態の測定が煩雑なものとなっていた。
【００１８】
かかる背景から、赤外多重内部反射法による表面状態測定方法に対しては、リファレンススペクトルを別個の基板等について測定することなく表面に付着した物質を検出し、その付着量を定量化しうる方法の確立が要請されている。
【００１９】
本発明の目的は、赤外多重内部反射法による基板の表面状態の測定において、基板の表面に付着している物質を確実に検出することができ、簡便に表面状態を測定することができる表面状態測定方法及び装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記目的は、被測定基板内部に赤外線を入射し、前記被測定基板内部で多重反射した後に前記被測定基板より放出される赤外線を検出し、検出した赤外線を分析することにより前記被測定基板の表面の状態を測定する表面状態測定方法において、前記被測定基板の内部で多重反射する回数の異なる第１の赤外線と第２の赤外線とをそれぞれ検出し、前記第１の赤外線及び前記第２の赤外線の分析結果に基づき、前記被測定基板上に付着した化学物質の種類を同定し及び／又は前記化学物質の付着量を定量化することを特徴とする表面状態測定方法により達成される。
【００２１】
また、上記の表面状態測定方法において、前記被測定基板の端面において、前記被測定基板平面に対して第１の傾斜を有する位置から赤外線を所定の入射角度で入射し、前記被測定基板内部で多重反射した後に前記被測定基板より放出される赤外線を前記第１の赤外線として検出し、前記被測定基板の端面において、前記被測定基板平面に対して前記第１の傾斜よりも大きい第２の傾斜を有する位置から赤外線を前記所定の入射角度で入射し、前記被測定基板内部で多重反射した後に前記被測定基板より放出される赤外線を前記第２の赤外線として検出するようにしてもよい。
【００２２】
また、上記の表面状態測定方法において、前記被測定基板の外周部には、前記被測定基板平面に対して第１の傾斜角を有する第１の傾斜面と、前記第１の傾斜角よりも小さな第２の傾斜角を有する第２の傾斜面とが形成されており、前記第１の傾斜面に対して略垂直に赤外線を入射し、前記被測定基板内部で多重反射した後に前記被測定基板より放出される赤外線を前記第１の赤外線として検出し、前記第２の傾斜面に対して略垂直に赤外線を入射し、前記被測定基板内部で多重反射した後に前記被測定基板より放出される赤外線を前記第２の赤外線として検出するようにしてもよい。
【００２３】
また、上記の表面状態測定方法において、前記第１の赤外線を分光分析することにより、リファレンススペクトルを測定し、前記第２の赤外線を分光分析することにより、サンプルスペクトルを測定し、前記リファレンススペクトルと前記サンプルスペクトルとに基づき、前記被測定基板上に付着した前記化学物質の種類を同定し及び／又は前記化学物質の付着量を定量化するようにしてもよい。
【００２４】
また、上記目的は、被測定基板に赤外線を入射する赤外線入射手段と、前記被測定基板内部で多重反射した後に前記被測定基板より放出される赤外線を検出する赤外線検出手段と、前記赤外線検出手段により検出された赤外線に基づき、前記被測定基板の表面の状態を測定する表面状態測定手段とを有する表面状態測定装置であって、前記赤外線検出手段は、前記被測定基板の内部で多重反射する回数の異なる第１の赤外線と第２の赤外線とをそれぞれ検出し、前記表面状態測定手段は、前記第１の赤外線及び前記第２の赤外線の検出結果に基づき、前記被測定基板上に付着した化学物質の種類を同定し及び／又は前記化学物質の付着量を定量化することを特徴とする表面状態測定装置により達成される。
【００２５】
また、上記の表面状態測定装置において、前記第１の赤外線を検出するときには、前記赤外線入射手段は、前記被測定基板の端面において、前記被測定基板平面に対して第１の傾斜を有する位置から赤外線を所定の入射角度で入射し、前記赤外線検出手段は、前記第１の傾斜を有する位置から入射され、前記被測定基板内部で多重反射した後に前記被測定基板より放出される赤外線を前記第１の赤外線として検出し、前記第２の赤外線を検出するときには、前記赤外線入射手段は、前記被測定基板の端面において、前記被測定基板平面に対して前記第１の傾斜よりも大きい第２の傾斜を有する位置から赤外線を前記所定の入射角度で入射し、前記赤外線検出手段は、前記第２の傾斜を有する位置から入射され、前記被測定基板内部で多重反射した後に前記被測定基板より放出される赤外線を前記第２の赤外線として検出するようにしてもよい。
【００２６】
また、上記の表面状態測定装置において、前記被測定基板の外周部には、前記被測定基板平面に対して第１の傾斜角を有する第１の傾斜面と、前記第１の傾斜角よりも小さな第２の傾斜角を有する第２の傾斜面とが形成されており、前記第１の赤外線を検出するときには、前記赤外線入射手段は、前記第１の傾斜面に対して略垂直に赤外線を入射し、前記赤外線検出手段は、前記第１の傾斜面に対して略垂直に入射され、前記被測定基板内部で多重反射した後に前記被測定基板より放出される赤外線を前記第１の赤外線として検出し、前記第２の赤外線を検出するときには、前記赤外線入射手段は、前記第２の傾斜面に対して略垂直に赤外線を入射し、前記赤外線検出手段は、前記第２の傾斜面に対して略垂直に入射され、前記被測定基板内部で多重反射した後に前記被測定基板より放出される赤外線を前記第２の赤外線として検出するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、被測定基板内部に赤外線を入射し、被測定基板内部で多重反射した後に被測定基板より放出される赤外線を検出し、検出した赤外線を分析することにより被測定基板の表面の状態を測定する表面状態測定方法において、被測定基板の内部で多重反射する回数の異なる第１の赤外線と第２の赤外線とをそれぞれ検出し、第１の赤外線及び第２の赤外線の分析結果に基づき、被測定基板上に付着した化学物質の種類を同定し及び／又は前記化学物質の付着量を定量化するので、被測定基板の表面に付着している物質を確実に検出し、簡便に表面状態を測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
［本発明の原理］
本発明による表面状態測定方法は、内部反射回数が異なる条件で表面状態を測定すべきウェハ等の基板に赤外線を入射し、それぞれの条件について多重内部反射スペクトルを測定し、内部反射回数が少ない内部多重反射スペクトルをリファレンススペクトルとし、内部反射回数が多いものをサンプルスペクトルとして吸光度スペクトルを求めることに主たる特徴がある。これにより、プローブ光として用いた赤外線の波長域に吸収を有する汚染物質をすべて検出し、その付着量を定量化することができる。
【００２９】
以下、本発明による表面状態測定方法の原理について図１を用いて説明する。図１（ａ）は本発明による表面状態測定方法の測定原理を説明する図、図１（ｂ）乃至１（ｄ）は、それぞれ本発明による表面状態測定方法におけるリファレンススペクトル、サンプルスペクトル、吸光度スペクトルの例を示す概略図である。
【００３０】
厚さｄ、単位長さ当たりの吸光係数を有する物質に強度Ｉ０の光を入射した場合、物質を透過して放出される透過光強度Ｉは、ランバート（Lambert）の法則により次式で表される。
【００３１】
Ｉ＝Ｉ０ｅｘｐ（−αｄ）                            ……（１）
ウェハ内部を赤外線が多重反射する場合も、一回の反射によりある光路長に相当する吸収を受けたとして、上記の式を拡張して適用することができる。ウェハ表面に付着した汚染物質の吸収係数をα、この等価的な光路長をｄｅとすると、一回の内部反射での赤外線の減衰は次式で表される。
【００３２】
Ｉ＝Ｉ０ｅｘｐ（−αｄｅ）                          ……（２）
したがって、赤外線の内部反射率Ｒは、
Ｒ＝Ｉ／Ｉ０＝ｅｘｐ（−αｄｅ）                    ……（３）
となる。
【００３３】
ここで、シリコンウェハの有機汚染のような極めて微量な汚染による吸収の場合は、一回の内部反射で起こる吸収も極めて小さいと考えられる。したがって、（３）式は次のように近似することができる。
【００３４】
Ｒ＝１−αｄｅ                               ……（４）
ウェハ内部で反射がＲ回繰り返されると、
ＲＮ＝（１−αｄｅ）Ｎ                       ……（５）
と表される。（５）式も、吸収が小さい場合、すなわちαｄｅ≪１の場合には、次のように近似することができる。
【００３５】
ＲＮ＝１−Ｎαｄｅ                                  ……（６）
ウェハ内部を多重反射する赤外線の吸収は反射回数に比例し、Ｎ回の内部反射によって減衰した透過光Ｉは次式で表される。
【００３６】
Ｉ＝（１−ＲＮ）Ｉ０＝ＮαｄｅＩ０                  ……（７）
したがって、多重内部反射した赤外線の吸光度Ａは、入射光強度Ｉ０、透過光強度Ｉを用いて次式により定義することができる。
【００３７】
Ａ＝−ｌｏｇ１０（Ｉ／Ｉ０）
＝−ｌｏｇ１０（Ｎαｄｅ）                 ……（８）
こうして得られた（７）式によれば、多重内部反射による吸光度は、内部反射の回数Ｎの増加に従って増加することがわかる。
【００３８】
したがって、同一の基板について内部反射回数の異なる多重内部反射スペクトルを測定し、内部反射回数の少ないスペクトルをリファレンススペクトルとし、内部反射回数の多いスペクトルをサンプルスペクトルとすれば、リファレンススペクトルとサンプルスペクトルとで、同一の汚染物質による赤外吸収量が同じになることはない。したがって、両スペクトルから吸光度スペクトルを求めれば、見かけ上の吸光度がゼロとなる汚染物質は存在しない。これにより、吸光度スペクトルに基づいて汚染物質を確実に検出することができる。
【００３９】
本発明による表面状態測定方法は、上述した知見に基づき、プローブ光として用いた赤外線の波長域に吸収を有する汚染物質をすべて検出することを可能とするものである。
【００４０】
本発明による表面状態測定方法では、表面状態を測定すべきウェハについて、内部反射回数が異なる２つの多重内部反射スペクトルを測定する。このために、表面状態を測定すべきウェハについて、入射角度の異なる赤外線を傾斜角度の異なるウェハ端面から入射する。
【００４１】
内部反射回数の少ない多重反射スペクトルを測定する場合には、例えば、図１（ａ）に示すように、ウェハ１０平面に対する傾斜の大きい傾斜角１の端面から光線１を端面に対して略垂直に入射する。
【００４２】
一方、内部反射回数の多い多重内部反射スペクトルを測定する場合には、ウェハ１０平面に対する傾斜が傾斜角１よりも小さな傾斜角２の端面から光線２を端面に対して略垂直に入射する。
【００４３】
こうして、ウェハ１０に入射する赤外線のうち、光線１が内部反射回数が少なく、光線２が内部反射回数が多くなるように設定することができる。
【００４４】
図１（ａ）に示す光線１、光線２について得られた多重内部反射スペクトルは、ともに同一のウェハ１０について測定されたものである。したがって、両スペクトル上には、同様の波数域に同一の汚染物質による吸収が観察される。しかしながら、内部反射回数が異なっているため、同一の汚染物質による赤外吸収量が同じとなることはない。
【００４５】
図１（ｂ）は光線１について測定された多重内部反射スペクトル、図１（ｃ）は光線２について測定された多重内部反射スペクトルを示す概略図である。図示するように、光線１について得られたスペクトルと光線２について得られたスペクトルには、ともに汚染１、汚染２による吸収が観察される。しかしながら、光線２について得られたスペクトルの方が、光線１について得られたスペクトルとよりも赤外線の内部反射回数が多くなっている。このため、汚染１、汚染２による赤外吸収量は、光線２について得られたスペクトルで観察される場合の方が大きい。
【００４６】
そこで、内部反射回数の少ない多重反射スペクトルをリファレンススペクトルとし、内反射回数の多い多重反射スペクトルをサンプルスペクトルとして吸光度スペクトルを求める。これにより、従来のようにリファレンススペクトル測定時とサンプルスペクトル測定時とで同一の汚染物質による赤外吸収量が同じとなることはない。したがって、吸光度スペクトルにより、プローブ光として用いた赤外線の波長域に吸収を有する汚染物質のすべてを検出することができる。
【００４７】
図１（ｃ）は、図１（ｂ）に示すスペクトルをリファレンススペクトルＳ０（ν）とし、図１（ｃ）に示すスペクトルをサンプルスペクトルＳ１（ν）として求めた吸光度スペクトルＡ（ν）を示す概略図である。図示するように、吸光度スペクトルＡ（ν）において汚染１、汚染２をともに検出することができる。
【００４８】
また、汚染物質の付着量を定量化するには、既知濃度の特定の汚染物質を付着させたウェハについて、上述のようにして内部反射回数が異なる多重反射スペクトルから吸光度スペクトルを求める。そして、既知濃度の汚染物質について得られた吸光度スペクトルにおいて観察される吸収ピークから、汚染物質の濃度と吸光度との関係を検量線として予め作成しておく。この検量線に基づき、表面状態を測定すべきウェハについて得られた吸光度スペクトルから、汚染物質の付着量を定量化することができる。
【００４９】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による表面状態測定方法及び装置について図２及び図３を用いて説明する。図２は本実施形態による表面状態測定装置の構造を示す概略図、図３は本実施形態による表面状態測定方法における測定対象ウェハの上面図である。
【００５０】
〔１〕表面状態測定装置
まず、本実施形態による表面状態測定装置について図１及び図２を用いて説明する。
【００５１】
図２に示すように、基板搭載台１０上に、所定の傾斜角を有する複数の端面が形成された表面状態を測定すべきウェハ１４が載置されている。
【００５２】
ウェハ１４の外周部近傍には、所定の傾斜角を有する端面からウェハ１４内部に赤外線を所定の入射角度で入射する入射光学系１８が設けられている。
【００５３】
入射光学系１８は、プローブ光となる赤外線を発する赤外光源と、赤外光源から発せられた赤外線を集光して、ウェハ端面からウェハ内部に赤外線を入射する反射鏡及び凹面鏡とから構成されている。なお、図１では、赤外光源、反射鏡、凹面鏡を省略している。
【００５４】
入射光学系１８が近傍に設けられたウェハ１４外周部に対向するウェハ１４外周部近傍には、ウェハ１４内部を多重反射した後に赤外線が入射された端面に対向する端面から放出される赤外線を検出して分光分析する赤外線分析装置２０が設けられている。
【００５５】
赤外線分析装置２０には、分析結果に基づきウェハ１４表面に付着した化学物質の種類の同定や濃度の算出を行う演算装置（図示せず）が接続されている。
【００５６】
次に、本実施形態による表面状態測定装置の各構成部分及び表面状態を測定すべきウェハ１４について詳細に説明する。
【００５７】
（ａ）ウェハ１４
表面状態を測定すべきウェハ１４には、図３に示すように、対向する外周部にウェハ１４平面に対して同一の傾斜角を有する端面が形成されている。このような端面の組が複数組形成されており、ウェハ１４の外周部に設けられた各端面の組の傾斜角はそれぞれ異なっている。図３では、例えば、傾斜角１＞傾斜角２＞傾斜角３＞傾斜角４となるように設定されている。
【００５８】
この傾斜角の異なる端面からウェハ１４内部に所定の入射角度で赤外線を入射することにより、同一のウェハ１４について、赤外線の内部反射回数が異なる多重内部反射スペクトルを測定することができる。
【００５９】
（ｂ）基板搭載台１２
基板搭載台１２は、ウェハ１４を搭載し、表面状態の測定に供するものである。基板搭載台１２は、搭載したウェハ１４を水平面内で移動或いは回転する位置調整機構を備えている。これにより、ウェハ１４に形成された任意の端面から入射光学系１８により赤外線をウェハ１４内部に入射することができる。
【００６０】
（ｃ）入射光学系１８（赤外光源、反射鏡、凹面鏡）
赤外光源としては、有機分子の分子振動に対応する２〜２５μｍ帯域の赤外線を発する光源を適用することができる。例えば、フィラメントとしてのシリコンカーバイド（ＳｉＣ）やニクロム線に電流を印加して発する熱線を光源として用いることができる。ＳｉＣグローバ灯などのＳｉＣを用いた光源は、１．１〜２５μｍ帯域の赤外線を発し、且つ、空気中でむき出しで使用しても焼損がないという特徴がある。
【００６１】
反射鏡及び凹面鏡は、赤外光源より放出された赤外線を集光してウェハ１４内部で多重反射するように、ウェハ１４端面から導入するためのものである。
【００６２】
また、入射光学系１８は、赤外線をウェハ１４端面に導入する角度を調整する角度調整機構を備えている。これにより、ウェハ１４の所定の傾斜角を有する端面からその内部に所定の入射角度で赤外線を入射することができる。
【００６３】
（ｄ）赤外線分析装置２０
赤外線分析装置２０としては、例えば、窒素冷却型ＩｎＳｂなどの赤外線検出器を内包したＦＴＩＲ装置を用いることができる。この赤外線分析装置２０は、ウェハ１４端面より放出された赤外線を検出し、検出した赤外線をフーリエ分光することにより、多重内部反射スペクトルを生成する。
【００６４】
赤外線分析装置２０として用いるＦＴＩＲ装置は、例えば、二光束干渉計（マイケルソン光干渉計）を基にしたフーリエ変換分光のメカニズムにより、赤外線を分光分析するものである。或いは、ＦＴＩＲ装置の代わりに、回折格子（グレーティング）による赤外分光計を用いてもよい。
【００６５】
なお、赤外線分析装置２０は、ウェハ１４端面から放出される赤外線の放出角度に応じて赤外線を検出することが可能である。
【００６６】
（ｅ）演算装置
赤外線分析装置２０により得られた多重内部反射スペクトルの測定データは、演算装置に送られ、ウェハ１４表面に付着している化学物質の同定や量の算出が行われる。
【００６７】
演算装置は、同一ウェハ１４について測定された内部反射回数の異なる多重内部反射スペクトルから吸光度スペクトルを求める。
【００６８】
ウェハ１４表面に付着している化学物質の種類と検量線は別途データベースとして演算装置の記憶部に蓄えられており、測定データはそれらのデータベースを参照して定量化される。
【００６９】
ウェハ１４表面に付着している化学物質を同定するために、様々な物質の各種分子振動による赤外吸収の波数がデータベースとして演算装置に蓄えられている。例えば、各化学物質について、ＣＨ３対称伸縮振動や、ＣＨ３非対称伸縮振動、ＣＨ２対称伸縮振動、ＣＨ２非対称伸縮振動等による吸収波数のデータが蓄えられている。化学物質の同定の際には、各種分子振動による吸収波数のデータベースの中から、ある特定の分子振動による吸収波数のデータが参照される。
【００７０】
このように、本実施形態による表面状態測定装置は、所定の傾斜角を有するウェハ１４端面から所定の入射角度で赤外線を入射することにより、内部反射回数が異なる赤外多重反射スペクトルを測定できる構成となっていることに主たる特徴がある。これにより、同一のウェハ１４について測定された内部反射回数の少ない多重内部反射スペクトルをリファレンススペクトルとして吸光度スペクトルを求めることができるので、プローブ光として用いた赤外線の波長域に赤外吸収を有する汚染物質のすべてを検出し、その付着量を定量化することができる。
【００７１】
さらに、リファレンススペクトルを測定するために、別途表面状態の異なるウェハについて多重内部反射スペクトルを測定する必要がないので、測定を簡便なものとすることができる。
【００７２】
〔２〕表面状態測定方法
次に、本実施形態による表面状態測定方法について図２を用いて説明する。
【００７３】
本実施形態による表面状態測定方法では、同一のウェハ１４について内部反射回数の異なる多重内部反射スペクトルを測定する。測定された内部反射回数の少ない多重反射スペクトルをリファレンススペクトルとし、内部反射回数の多い多重反射スペクトルをサンプルスペクトルとして吸光度スペクトルを求め、これを分析することによりウェハ１４に付着した化学物質の同定、付着量の定量化を行う。
【００７４】
まず、表面状態を測定すべきウェハ１４を基板搭載台１０に載置する。
【００７５】
次いで、はじめに、内部反射回数の少ない多重反射スペクトル、すなわちリファレンススペクトルの測定を以下のようにして行う。
【００７６】
まず、赤外線を入射する端面として、例えば図３に示すように、ウェハ１４に形成された端面のうちウェハ１４平面に対する傾斜角の大きな傾斜角１の端面を選択する。また、赤外線がウェハ１４端面に対して略垂直に入射できるように、入射光学系１８による赤外線の入射角度を設定する。これにより、ウェハ１４への入射赤外線が、ウェハ１４内部で少ない回数で多重反射できるように入射角を設定することができる。また、赤外線を入射する端面に対向する傾斜角１の端面から放出される赤外線を検出できるように、基板搭載台１０と赤外線分析装置２０との位置関係を設定する。
【００７７】
次いで、入射光学系１８により、傾斜角１の端面からウェハ１４内部に赤外線を入射する。
【００７８】
ウェハ１４内部に導入した赤外線は、ウェハ１４内部を多重反射しながら伝搬し、その後赤外線が入射した端面に対向する傾斜角１の端面より放出される。
【００７９】
次いで、ウェハ１４内部で多重反射した後に端面より放出された赤外線を赤外線分析装置２０によって検出し、フーリエ変換分光の原理に基づき、多重内部反射スペクトルを求める。
【００８０】
こうして、傾斜角１の端面から入射した赤外線により測定された多重内部反射スペクトルをリファレンススペクトルとして演算装置に記憶する。
【００８１】
次に、上述のようにしてウェハ１４について取得したリファレンススペクトルの測定時よりも内部反射回数が多い条件で赤外線をウェハ１４内部に入射して多重内部反射スペクトルの測定を行う。
【００８２】
まず、図３に示すように、傾斜角１よりも小さい傾斜角２の端面からウェハ１４内部に赤外線を入射できるように、基板搭載台１０と入射光学系１８との位置関係を設定する。また、赤外線を入射する端面に対向する傾斜角２の端面から放出される赤外線を検出できるように、基板搭載台１０と赤外線分析装置２０との位置関係を設定する。
【００８３】
こうして、リファレンススペクトルを測定した場合よりも赤外線の内部反射回数が多くなるように測定系を設定する。
【００８４】
次いで、入射光学系１８により、傾斜角２の端面から赤外線をウェハ１４内部に入射する。
【００８５】
次いで、ウェハ１４内部で多重反射した後に端面より放出された赤外線を赤外線分析装置２０によって検出し、同様にして内部多重反射スペクトルを測定する。
【００８６】
こうして測定された内部多重反射スペクトルをサンプルスペクトルとして演算装置に記憶する。
【００８７】
次いで、演算装置により、測定されたリファレンススペクトルとサンプルスペクトルとから吸光度スペクトルを求める。
【００８８】
得られた吸光度スペクトルに基づき、記憶演算装置３０に蓄えられているデータベース及び検量線を参照し、ウェハ１４表面に付着した汚染物質の構造、或いは種類を同定し、その付着量を算出する。
【００８９】
こうして、ウェハ１４の表面状態の測定を終了する。
【００９０】
このように、本実施形態によれば、表面状態を測定すべきウェハ１４について測定された内部反射回数の少ない多重内部反射スペクトルをリファレンススペクトルとし、内部反射回数の多い多重内部反射スペクトルをサンプルスペクトルとして吸光度スペクトルを求めるので、プローブ光として用いた赤外線の波長域に吸収を有する汚染物質をすべて検出することができ、その付着量を定量化することができる。
【００９１】
また、リファレンススペクトルとなる多重反射スペクトルを表面状態の異なるウェハについて別途測定する必要がない。これにより、赤外多重内部反射法による表面状態の測定を簡便なものとすることができる。
【００９２】
［変形実施形態］
本発明の上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
【００９３】
例えば、上記実施形態では、ウェハについての表面状態の測定について述べているが、表面状態の測定はウェハに限定されるものではない。例えば、液晶装置を構成するガラス基板のように赤外域の光に対して透過性を有する基板の表面状態を測定することが可能である。
【００９４】
また、上記実施形態では表面状態の測定として汚染物質を測定しているが、基板の弗酸による水素終端状態や、ドライ洗浄状態、ウェット洗浄状態等の化学的状態を測定することも可能である。
【００９５】
また、上記実施形態では、所定の傾斜角の傾斜面が形成されたウェハを測定する場合について説明したが、所定の傾斜角の傾斜面が形成されていないウェハについても本発明による表面状態測定方法を適用することができる。
【００９６】
例えば、端面が曲面となっているウェハについても本発明を適用することができる。本発明による表面状態測定方法により端面が曲面となっているウェハの表面状態を測定する場合について図４を用いて説明する。図４は端面が曲面となっているウェハに対する赤外線の入射方法を説明する図であり、ウェハ外周部近傍の断面を示している。
【００９７】
図４に示すウェハ２４の端面に赤外線を入射した場合、光線１のように曲面のウェハ２４平面に対する傾斜が小さい位置から入射した赤外線ほど、ウェハ２４内部での多重反射の回数が多くなる。これに対し、同じ入射角度で光線２のように曲面のウェハ２４平面に対する傾斜が大きい位置から入射した赤外線ほど、ウェハ２４内部での多重反射の回数が少なくなる。
【００９８】
したがって、図４に示すように端面が曲面となっているウェハ２４の場合には、曲面のウェハ２４平面に対する傾斜の大きい位置から赤外線を入射して測定した多重反射スペクトルをリファレンススペクトルとする。また、同じ入射角度で傾斜の小さい位置から赤外線を入射して測定した多重内部反射スペクトルをサンプルスペクトルとする。図４に示す場合では、光線２について測定された多重内部反射スペクトルをリファレンススペクトルとし、光線１について測定された多重内部反射スペクトルをサンプルスペクトルとして吸光度スペクトルを求める。
【００９９】
こうして、内部反射回数の異なる２つの多重内部反射スペクトルから吸光度スペクトルを求めることができる。これにより、端面が曲面となっているウェハ２４についても、上記実施形態による場合と同様に、プローブ光として用いた赤外線の波長域に吸収を有する汚染物質をすべて検出することができ、その付着量を定量化することができる。また、赤外多重内部反射法による表面状態測定方法を簡便なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】本発明による表面状態測定方法の測定原理を説明する図である。
【図２】本発明の一実施形態による表面状態測定装置の構造を示す概略図である。
【図３】本発明の一実施形態による表面状態測定方法における測定対象ウェハを示す上面図である。
【図４】本発明の一実施形態の変形例による表面状態測定方法における赤外線の入射方法を説明する図である。
【図５】従来の赤外多重内部反射法による表面状態測定方法を説明する図である。
【符号の説明】
【０１０１】
１０…ウェハ
１２…基板搭載台
１４…ウェハ
１８…入射光学系
２０…赤外線分析装置
２４…ウェハ
【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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