特許 6464513 表面形状の測定方法および測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6464513

(24)【登録日】2019年1月18日

(45)【発行日】2019年2月6日

(54)【発明の名称】表面形状の測定方法および測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/24 20060101AFI20190128BHJP

【ＦＩ】

   G01B11/24 M

【請求項の数】10

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2016-537660(P2016-537660)

(86)(22)【出願日】2014年7月30日

(86)【国際出願番号】JP2014070114

(87)【国際公開番号】WO2016016972

(87)【国際公開日】20160204

【審査請求日】2017年7月12日

(73)【特許権者】

【識別番号】502339761

【氏名又は名称】有限会社ワイ・システムズ

(74)【代理人】

【識別番号】100085453

【弁理士】

【氏名又は名称】野▲崎▼ 照夫

(72)【発明者】

【氏名】ラクロワ イーヴ

【審査官】 九鬼 一慶

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０９−１２６９１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５５−０９３００８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０１−５０２５４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００８／０１８６５１２（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｂ １１／００−１１／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

チャンバ内で基板の表面に成長する膜の表面形状を測定する方法において、
ミラーの角度を連続的または間欠的に高速に変化させ、前記ミラーによって、単一のレーザー光をその入射方向を変えながら、膜の表面または前記基板の表面に設定される所定点を含む三角形の頂点に対応する複数の照射点に与え、レーザー光の反射方向を光位置センサで検知し、複数の前記照射点から反射されるレーザー光から、それぞれの照射点での前記表面の傾きを検知し、その傾きから、前記所定点および各照射点を含む領域での表面の反りを計算することを特徴とする表面形状の測定方法。

【請求項2】

前記レーザー光の照射タイミングと、前記ミラーの反射角度とを、高速に制御することで、膜の表面へのレーザー光の入射方向を変化させる請求項１記載の表面形状の測定方法。

【請求項3】

複数の前記照射点の表面上の相対距離または前記所定点からそれぞれの前記照射点までの距離を変化させる請求項２記載の表面形状の測定方法。

【請求項4】

測定された膜の表面または基板の表面の反りに応じて前記距離を変化させる請求項３記載の表面形状の測定方法。

【請求項5】

測定された膜の表面または基板の表面の曲率に応じて前記距離を変化させる請求項３記載の表面形状の測定方法。

【請求項6】

前記ミラーの角度を制御することで、前記レーザー光の入射角度を変化させ、複数の前記照射点から反射された全ての前記レーザー光を前記光位置センサで受光できるようにする請求項１ないし５のいずれかに記載の表面形状の測定方法。

【請求項7】

レーザー光を２つのミラーで膜の表面に向け、第１のミラーで、前記三角形の頂点に対応する複数の照射点にレーザー光を与え、第２のミラーで、前記レーザー光の入射角度を変化させる請求項６記載の表面形状の測定方法。

【請求項8】

チャンバ内で基板の表面に成長する膜の表面形状を測定する測定装置において、
単一のレーザー光を与える発光装置と、前記レーザー光を前記膜の表面に向けて反射するミラーと、前記ミラーの反射方向を変化させる駆動部とが設けられ、前記ミラーの角度を連続的または間欠的に高速に変化させ、前記ミラーによって、単一のレーザー光が、その入射方向を変えながら膜の表面または前記基板の表面に設定される所定点を含む三角形の頂点に対応する複数の照射点に与えられ、
それぞれの前記照射点から反射されるレーザー光の光路上に位置するように光位置センサが設けられて、レーザー光の反射方向が前記光位置センサで検知され、複数の前記照射点から反射されるレーザー光から、それぞれの照射点での前記表面の傾きが検知され、その傾きから、前記所定点および各照射点を含む領域での表面の反りが計算されることを特徴とする表面形状の測定装置。

【請求項9】

前記レーザー光の照射タイミングと、前記ミラーの反射角度とを、高速に制御することで、複数の前記照射点の表面上の相対距離または前記所定点からそれぞれの前記照射点までの距離が変化させられる請求項８記載の表面形状の測定装置。

【請求項10】

測定された膜の表面または基板の表面の反りに応じて、または前記表面の曲率に応じて前記距離が変化させられる請求項９記載の表面形状の測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、発光ダイオードやその他の半導体素子などを蒸着法により成膜する際に、半導体層などの膜の表面形状の反りなどを測定することができる表面形状の測定方法および測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ＡｌＮ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＩｎＰ、Ｓｉ、ＳｉＣなどの半導体は、蒸着法で形成される。蒸着法としては、化学気相成長法（ＣＶＤ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）などが使用されている。これら蒸着法では、真空状態に設定されたチャンバ内に基板が設置され、この基板上に原料ガスなどの状態で原料分子が供給されて基板の表面に結晶層が堆積されて成膜される。

【0003】

この種の蒸着法において、不純物の無い半導体の結晶層を一定の堆積速度で緻密に且つ再現性を有して成膜するには、チャンバ内の基板の温度を正確に制御することが必要である。すなわち、基板の材料と基板表面に成長させる膜の材料とが異なっている場合が多く、さらに成膜の組成に応じて最適な蒸着の温度が異なっている。そのために、基板を加熱するヒータを制御し、成膜中の基板温度を計画的に変化させ、最終的には基板の温度を成膜に適する温度から常温に戻すことが必要である。

【0004】

しかし、成膜に使用する材料の組み合わせによっては、あるいは膜内の熱膨張係数の分布により、あるいは基板の表面での膜の成膜厚さの分布などによって、基板の温度変化に応じて半導体層と基板に内部ストレスが発生し、半導体層の表面形状が平面にならずに反りを生じることがある。半導体層と基板に反りが生じていると、成膜後の冷却段階で、半導体層にヒビが発生し、場合によって割れてしまうこともある。そのため、基板上に半導体層などの原料以外の材料をガスの状態で供給して前記原料に混ぜ、反り方向と逆側の曲げ力を発生するストレスを与え、半導体層の表面形状がなるべく平面となるように、リアルタイムに成膜条件を制御することが必要となる。

【0005】

以下の特許文献１には、半導体層の表面形状を測定する技術が開示されている。具体的には、照射方向が固定された単一のレーザー光を半導体層の表面に照射して、その地点での反射光を光位置センサ（ＰＳＤ：Position Sensitive Detector）で検知する。検知した反射光の位置（向き）から、その表面の角度を算出する。

【0006】

この発明では、単一のレーザー光の照射方向が固定されているので、半導体層が静止状態であると、レーザー光を照射できるのは一地点のみである。そこで、半導体層を回転移動させて、レーザー光を半導体層の表面の複数の地点に照射し、膜の表面の複数の点で角度を検知できるようにしている。

【0007】

しかし、照射方向が固定された単一のレーザー光を使用したものでは、膜の表面の形状を正確に把握するための情報量として少なすぎる。また、限られた領域の複数の入射点にレーザー光を与えることが難しいため、限られた領域での曲率などを正確に把握するのが困難である。

【0008】

また、レーザー光が照射されるのが一地点のみであると、半導体層などの膜が静止状態にあるときあるいは自転しているときに、レーザー光の照射点が反りの頂点部分であると、レーザ光の反射効果は、照射点が平面に存在しているときと同じになる。よって、膜の反りを正確に測定することはできない。

【0009】

そこで、複数のレーザー光を膜の表面の複数の入射点に与えれば、膜の表面形状を測定するための情報量が増えることになる。しかし、この場合には、発光装置を複数個使用することが必要になり、装置の構成要素が多くなりすぎる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】米国特許第７，５７０，３６８号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、半導体層などを蒸着法により成膜する際に、膜の表面形状を高精度に検出でき、半導体層などを高品質に成膜することができる表面形状の測定方法および測定装置を提供することを目的としている。

【0012】

また本発明は、半導体層が回転などによる移動がなく静止状態にあるときでも、半導体層などの膜の照射位置を含む表面形状を高精度に検出でき、半導体層などを高品質に成膜することができる表面形状の測定方法および測定装置を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0013】

第１の本発明は、チャンバ内で基板の表面に成長する膜の表面形状を測定する方法において、
ミラーの角度を連続的または間欠的に高速に変化させ、前記ミラーによって、単一のレーザー光をその入射方向を変えながら、膜の表面または前記基板の表面に設定される所定点を含む三角形の頂点に対応する複数の照射点に与え、レーザー光の反射方向を光位置センサで検知し、複数の前記照射点から反射されるレーザー光から、それぞれの照射点での前記表面の傾きを検知し、その傾きから、前記所定点および各照射点を含む領域での表面の反りを計算することを特徴とするものである。

【0015】

本発明の表面形状の測定方法は、前記レーザー光の照射タイミングと、前記ミラーの反射角度とを、高速に制御することで、膜の表面へのレーザー光の入射方向を変化させることができる。

【0016】

また、本発明の表面形状の測定方法は、複数の前記照射点の表面上の相対距離または前記所定点からそれぞれの前記照射点までの距離を変化させることが好ましい。この場合に、測定された膜の表面または基板の表面の反りに応じて前記距離を変化させることが好ましい。あるいは、測定された膜の表面または基板の表面の曲率に応じて前記距離を変化させることが好ましい。

【0017】

または、本発明の表面形状の測定方法は、前記ミラーの角度を制御することで、前記所定点へ向かう入射角度を変化させ、複数の前記照射点から反射された全ての前記レーザー光を前記光位置センサで受光できるようにすることが好ましい。

【0018】

さらに、本発明も表面形状の測定方法は、レーザー光を２つのミラーで膜の表面に向け、第１のミラーで、前記所定点の回りの複数の照射点にレーザー光を与え、第２のミラーで、前記所定点へ向かう入射角度を変化させるものとして構成できる。

【0019】

第２の本発明は、チャンバ内で基板の表面に成長する膜の表面形状を測定する測定装置において、
単一のレーザー光を与える発光装置と、前記レーザー光を前記膜の表面に向けて反射するミラーと、前記ミラーの反射方向を変化させる駆動部とが設けられ、前記ミラーの角度を連続的または間欠的に高速に変化させ、前記ミラーによって、単一のレーザー光が、その入射方向を変えながら膜の表面または前記基板の表面に設定される所定点を含む三角形の頂点に対応する複数の照射点に与えられ、
それぞれの照射点から反射されるレーザー光の光路上に位置するように光位置センサが設けられて、レーザー光の反射方向が前記光位置センサで検知され、複数の前記照射点から反射されるレーザー光から、それぞれの照射点での前記表面の傾きが検知され、その傾きから、前記所定点および各照射点を含む領域での表面の反りが計算されることを特徴とするものである。

【0020】

本発明の表面形状の測定装置は、前記レーザー光の照射タイミングと、前記ミラーの反射角度とを、高速に制御することで、複数の前記照射点の表面上の相対距離または前記所定点からそれぞれの前記照射点までの距離が変化させられることが好ましい。また、測定された膜の表面または基板の表面の反りに応じて、または前記表面の曲率に応じて前記距離が変化させられることが好ましい。

【発明の効果】

【0021】

本発明の表面形状の測定方法によれば、単一のレーザー光の反射方向を変えることで、膜の表面の複数の入射点にレーザー入射光を順番に照射することができ、複数の入射点からのレーザー反射光の受光点を検知することで、膜の表面形状を細かく分析することができる。また、基板が停止している状態であっても、膜の表面形状を分析することが可能である。

【0022】

本発明の表面形状の測定装置は、成膜装置のチャンバの外側に全ての構成部材を配置することができ、チャンバ内での成膜に影響を与えることなく、膜の表面の形状を把握することができる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】成膜装置および本発明の第１の実施の形態の測定装置の構造の概略を示す説明図、

【図2】半導体層の表面におけるレーザー入射光の照射位置とレーザー反射光の反射方向を示す説明図、

【図3】（ａ）（ｂ）は、測定装置により半導体層の表面形状を測定する原理を示す説明図、

【図4】半導体層の表面形状に応じて、複数のレーザー入射光の相対角度を変化させるときの説明図、

【図5】半導体層の表面形状に応じて、それぞれのレーザー入射光の入射中心値を変化させるときの説明図

【図6】本発明の測定方法と測定装置を説明するさらに具体的な実施の形態を示す説明図、

【発明を実施するための最良の形態】

【0024】

図１は成膜装置１および本発明の第１の実施の形態である測定装置１０を示す説明図である。

【0025】

図１には、化学気相成長法（ＣＶＤ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）で半導体層を成膜する成膜装置１が模式図として示されている。

【0026】

成膜装置１はチャンバ２を有しており、成膜中は内部空間が真空状態に設定される。チャンバ２内にテーブル３が設けられており、このテーブル３に加熱装置であるヒータ３ａが内蔵されている。チャンバ２には導入路４が接続されており、半導体層７を成膜するための元素（原料分子）を含む原料ガスおよびその他の材料ガスであるガス５が前記導入路４からテーブル３の表面に与えられ、テーブル３の上に設置された基板６の表面に半導体層７が成膜される。前記基板６は、Ｓｉ（シリコン）基板またはサファイア基板などである。

【0027】

チャンバ２には第１の窓８と第２の窓９が設けられている。第１の窓８と第２の窓９にはガラス板などの透明板が嵌められており、この透明板を通して内部を観察できるが、チャンバ２の内部空間と外部空間は透明板で遮蔽されている。

【0028】

チャンバ２の外側に、測定装置１０Ａと、測定装置１０Ａに付属する回路構成部１０Ｂとが設けられている。回路構成部１０Ｂは、マイクロコンピュータとメモリなどで構成された中央制御装置２０とその他の制御部１５，１６，１７，２１とから成るが、これら制御部１５，１６，１７，２１の一部の機能または全ての機能が、中央制御装置２０において仮想的に実現されるものであってもよい。

【0029】

測定装置１０Ａは発光装置１１を有している。発光装置１１には、レーザー光を発するレーザー光源が設けられている。レーザー光は、コリメートレンズによってコリメート光に変換されて半導体層７の表面に与えられるものであってもよいし、集光レンズで集光されて、半導体層７の表面に焦点が合わせられ、半導体層７の表面にスポット像が形成されるものであってもよい。

【0030】

レーザー光源から発せられたレーザー光は、ピボットミラー１２に与えられる。ピボットミラー１２は、ピエゾ素子などで構成された駆動部１２ａ，１２ｂに支持されており、ピボットミラー１２が駆動部１２ａ，１２ｂで高速に連続的にまたは間欠的に駆動され、反射面１２ｃの向きが三次元的に変化させられる。発光装置１１から発せられたレーザー光は、反射面１２ｃで反射され、ビームスプリッタ１３を透過し、チャンバ２内で成膜中のまたは成膜が完了した後の半導体層７の表面（膜の表面）の所定の入射点に与えられる。ただし、成長中の膜が透明な場合には、基板６の表面に入射点が設定されてもよい。

【0031】

半導体層７の表面の入射点で反射された反射光は、ビームスプリッタ１３に戻り、ビームスプリッタ１３で、ピボットミラー１２とは異なる向きに反射されて光位置センサ１４に与えられる。

【0032】

以下では、レーザー光源から発せられた「レーザー光」を符号Ｌ０で表し、このレーザー光Ｌ０が反射面１２ｃで反射されて半導体層７に与えられる「レーザー入射光」を符号Ｌｄで表し、半導体層７の表面で反射されて戻る「レーザー反射光」を符号Ｌｖで表して、互いに区別して説明できるようにする。

【0033】

ピボットミラー１２およびビームスプリッタ１３は、第１の窓８の外に並べて設置され、第１の窓８に装着された透明板を介して前記基板６の真上に対向している。レーザー入射光Ｌｄとレーザー反射光Ｌｖは、共に第１の窓８を通過する。

【0034】

ただし、本発明の測定装置は、図３以下に示すように、ビームスプリッタ１３が設けられておらず、ピボットミラー１２が第１の窓８の外側に配置され、光位置センサ１４がチャンバ２に設けられた第２の窓９の外側に設置されていてもよい。この場合は、レーザー入射光Ｌｄが第１の窓８を通過し、レーザー反射光Ｌｖが第２の窓９を通過する。

【0035】

回路構成部１０Ｂには、レーザー発光制御部１５とミラー駆動制御部１６ならびに反射光分析部１７などが設けられている。レーザー発光制御部１５は、発光装置１１におけるレーザー光の発光タイミングを制御する。ミラー駆動制御部１６は、駆動部１２ａ，１２ｂを動作させて、ピボットミラー１２の反射面１２ｃの向きを制御する。

【0036】

光位置センサ１４はＰＳＤ（Position Sensitive Detector）である。レーザー反射光Ｌｖが光位置センサ１４に受光されると、光位置センサ１４では、その受光点の位置が検知される。この位置検知出力が反射光分析部１７に与えられると、前記受光点の平面座標上の位置が算出され、この算出値が中央制御装置２０に与えられる。

【0037】

中央制御装置２０はマイクロコンピュータとメモリなどから構成されている。レーザー発光制御部１５とミラー駆動制御部１６は、中央制御装置２０で制御されて、レーザー光Ｌ０の発光タイミングとピボットミラー１２の反射面１２ｃの向きが、互いに同期して制御される。

【0038】

前記反射光分析部１７で分析された受光点の平面座標上の位置情報が中央制御装置２０に与えられると、ピボットミラー１２の反射面１２ｃの角度すなわち、半導体層７の表面へのレーザー入射光Ｌｄの入射方向（入射角度）と、反射光分析部１７で分析された受光点の位置情報すなわちレーザー反射光Ｌｖの反射方向（反射角度）とから、レーザー入射光Ｌｄ１が照射された半導体層７上の入射点での表面の傾き角度が算出される。後に説明するように、前記入射点は複数箇所に設定されるため、それぞれの入射点へのレーザー入射光Ｌｄの入射方向と、それぞれの入射点からのレーザー反射光Ｌｖの反射方向を分析することで、半導体層７の表面の形状、すなわち反りの存在や反りの曲率、表面の波形状やうねり形状など、表面の形状が算出される。

【0039】

図１に示すように、チャンバ２への導入路４への材料供給は、材料ガス制御部２１で制御される。前記中央制御装置２０からの指令が材料ガス制御部２１に与えられると、半導体層７を成膜するための元素（原料分子）を含む原料ガスの種類や供給量ならびに供給圧力などが制御される。中央制御装置２０によって、半導体層７の表面の反りなどが算出されると、チャンバ２内へ、測定された反りを打ち消す方向の反りを発生させるための原料以外の材料を供給するなどの補正制御が行われる。

【0040】

上記のように構成された前記測定装置１０Ａおよび回路構成部１０Ｂの処理動作によって、基板と膜の積層体の反りなどを測定する方法について説明する。以下では、前記測定装置１０を使用して、成膜中または成膜完了後の半導体層７の表面形状を測定する測定方法について説明する。ただし、成長する膜が透明な場合には、基板の表面にレーザー光を与えて、基板の反りを測定できるようにしてもよい。

【0041】

図２には、半導体層７の表面においてレーザー入射光Ｌｄが照射される入射点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の位置と、前記入射点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に向かうレーザー入射光Ｌｄ１、Ｌｄ２，Ｌｄ３の入射方向ならびにレーザー反射光Ｌｖ１、Ｌｖ２，Ｌｖ３の反射方向が示されている。

【0042】

成膜装置１では、ヒータ３ａでテーブル３および基板６が加熱された状態で、チャンバ２内に原料ガス５が導入されて、透明な基板６の表面に半導体層７が成長して行く。基板６の表面に成膜される半導体層７は、発光ダイオードやその他の半導体素子の分子層を形成するためのものであり、例えば、ＡｌＮ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＩｎＰ、Ｓｉ，ＳｉＣである。

【0043】

図２（ａ）に示すように、テーブル３には複数の基板６が載置されている。テーブル３はモータにより駆動されて、反時計回りに公転可能となっている。また、それぞれの基板６は、モータにより駆動されて、テーブル３上で個別に反時計回りに自転可能となっている。

【0044】

測定装置１０Ａによる測定が開始されると、レーザー発光制御部１５によって発光装置１１でのレーザー光Ｌ０の発光タイミングが制御され、これに同期してミラー駆動制御部１６によって、ピボットミラー１２の反射面１２ｃの向きが制御される。この制御動作は高速で連続的にまたは間欠的に行われ、レーザー光Ｌ０は、反射面１２ｃの向きの変化に応じて、膜の表面の異なる照射点に順番に照射される。図２の実施の形態では、反射面１２ｃの動作により、レーザー光Ｌ０が、半導体層７の表面における入射点Ｐ１に向けて照射されるレーザー入射光Ｌｄ１と、入射点Ｐ２に向けて照射されるレーザー入射光Ｌｄ２と、入射点Ｐ３に向けて照射されるレーザー入射光Ｌｄ３の、実質的に３つのレーザー入射光となるように連続的に変換される。レーザー入射光Ｌｄ１，Ｌｄ２，Ｌｄ３は、半導体層７の表面に１回ずつ照射されてもよいし、Ｌｄ１→Ｌｄ１→Ｌｄ３の順番に、複数サイクルで照射されてもよい。

【0045】

この制御では、まずピボットミラー１２の中立的な位置を決めて、膜表面の所定点（図２のＦ）を決め、この所定点Ｆの近傍にレーザー入射光を与えて、所定点Ｆの周囲に照射点を設定する。前記所定点は、複数の照射点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の照射領域を決めるターゲットポイントであり、この所定点Ｆにはレーザー光は与えられない。

【0046】

図２（ｂ）は、図２（ａ）に示した基板６ならびに半導体層７を側方からの視点で見た側面図である。円形の基板６は、その周縁部がリング状の保持治具２５で保持されて、テーブル３上で固定されている。図２（ｂ）では、基板６と半導体層７との積層体が上向きに凸形状となる反りが生じている状態を示している。

【0047】

図２では、基板６が回転せずに停止した状態で、ピボットミラー１２で連続的にまたは間欠的に入射方向が変えられた実質的に３本のレーザー入射光Ｌｄ１，Ｌｄ２，Ｌｄ３が半導体層７の表面の３つの入射点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３に照射されている。

【0048】

レーザー入射光Ｌｄ１は入射点Ｐ１で反射されて、レーザー反射光Ｌｖ１となる。同様に、レーザー入射光Ｌｄ２が入射点Ｐ２で反射されて、レーザー反射光Ｌｖ２となり、レーザー入射光Ｌｄ３が入射点Ｐ３で照射されて、レーザー反射光Ｌｖ３となる。

【0049】

レーザー入射光Ｌｄ１の入射方向に対するレーザー反射光Ｌｖ１の反射方向の角度の変化を測定すれば、入射点Ｐ１での半導体層７の表面に傾き角度を知ることができる。同様に、レーザー入射光Ｌｄ２，Ｌｄ３の入射方向に対するレーザー反射光Ｌｖ２，Ｌｖ３の反射方向の角度の変化を測定すれば、入射点Ｐ２，Ｐ３での半導体層７の表面の傾き角度を知ることができる。それぞれの入射点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３での表面の傾き角度を知ることで、入射点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を含む所定の領域、すなわち所定点Ｆを含む領域の曲率を知ることが可能である。

【0050】

レーザー入射光の照射方向を３方向とし、３か所の入射点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３にレーザー入射光を照射することで、基板６が停止している状態または自転のみを行っている状態で、反りの頂点が第１の窓８の真下に位置し、所定点Ｆが反りの頂点であったとしても、反りの曲率を測定することができる。さらに、自転しながら公転する基板６に形成された半導体層７の表面に、少なくとも２カ所の入射点で好ましくは３か所の入射点を設定することで、半導体層７の表面の形状変化に関する情報量が多くなり、膜の表面形状を細かく分析することが可能である。

【0051】

図３（ａ）（ｂ）は、測定装置１０によって半導体層７の表面形状を測定する原理を示している。以下では、図１とは異なり、ビームスプリッタ１３が設けられておらず、ピボットミラー１２がチャンバ２の第１の窓８の外側に対向し、光位置センサ１４が第２の窓９の外側に配置された構造を基にして、測定原理を説明する。この測定原理は、図１に示すように、ビームスプリッタ１３を有する測定装置１０Ａにおいても同じである。

【0052】

図３（ａ）は、半導体層７の斜め上方からの視点による構成を模式的に表ししている。基板６に成膜中のまたは成膜後の半導体層７は、白抜き矢印で示す方向に回転移動しているものとする。

【0053】

レーザー発光制御部１５とミラー駆動制御部１６を高速に同期して動作させることで、レーザー入射光Ｌｄ１，Ｌｄ２，Ｌｄ３の照射方向が高速に切換えられ、半導体層７の表面の３つの入射点にレーザー光が高速に切換えられて順番に照射される。ある時点で、レーザー入射光Ｌｄ１，Ｌｄ２，Ｌｄ３が照射される入射点が、図３（ａ）に示すＰ１，Ｐ２、Ｐ３であるとすると、入射点Ｐ１で反射されたレーザー反射光Ｌｖ１が、光位置センサ１４の受光点Ｒ１で受光される。同様に、入射点Ｐ２で反射されたレーザー反射光Ｌｖ２が、光位置センサ１４の受光点Ｒ２で受光され、入射点Ｐ３で反射されたレーザー反射光Ｌｖ３が、光位置センサ１４の受光点Ｒ３で受光される。

【0054】

光位置センサ１４では、レーザー反射光Ｌｖ１，Ｌｖ２，Ｌｖ３を異なる時刻で順番に受光するため、光位置センサ１４でのデータの取得タイミング調整することで、それぞれの受光点Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の検知位置を個別に検知することができる。この検知出力は反射光分析部１７に与えられる。

【0055】

図３（ｂ）は、レーザー入射光Ｌｄ２が半導体層７の表面の入射点Ｐ２に与えられ、そのレーザー反射光Ｌｖ２が光位置センサ１４の受光点Ｒ２で検知されている状態を示している。このときのレーザー入射光Ｌｄの偏向角はθである。位置Ｌｅは、半導体層７の表面における入射点Ｐ２の高さレベルを示している。Ｄ１は、ピボットミラー１２に対するレーザー光Ｌ０の入射点Ｍ０から、前記位置Ｌｅまでの高さ方向の距離を示している。Ｄ２は光位置センサ１４での受光点Ｒ２から前記位置Ｌｅまでの高さ距離を示し、Ｄ３はピボットミラー１２に対するレーザー光Ｌ０の入射点Ｍ０と光位置センサ１４での受光点Ｒ２との間の水平方向での距離を示している。

【0056】

図３（ｂ）に示す、上記偏光角θの情報と、各距離Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３の情報とから、中央制御装置２０では、入射点Ｐ２での、半導体層７の表面の角度を知ることができる。入射点Ｐ１，Ｐ３においても同様に、半導体層７の表面の角度を知ることができ、入射点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を含む領域の反りの曲率を算出できる。

【0057】

図４に示すように、基板６と半導体層７とが移動していくと、３つの入射点がＰ１´、Ｐ２´、Ｐ３´からＰ１´´、Ｐ２´´、Ｐ３´´へと変化していくが、それぞれの領域において、３つの入射点からの反射情報を得ることで、半導体層７の表面の形状の変化を連続的に、または間欠的に測定することができる。

【0058】

図４に示すように、実施の形態の測定装置１０では、ミラー駆動制御部１６で駆動部１２ａ，１２ｂの動作を制御し、ピボットミラー１２で反射されるレーザー入射光Ｌｄ１，Ｌｄ２，Ｌｄ３の偏光角（図３（ｂ）に示すθ）をそれぞれ変化させて、３本のレーザー入射光Ｌｄ１，Ｌｄ２，Ｌｄ３の入射方向の相対角度を変化させることができる。その結果、半導体層７の表面の入射点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の相対位置すなわち所定点Ｆからの入射点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３までの距離を変化させることができる。

【0059】

入射点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３は、レーザー光を与える面を水平な平面と仮定したときに、正三角形のそれぞれの頂点に位置することが好ましい。３本のレーザー入射光Ｌｄ１，Ｌｄ２，Ｌｄ３の入射方向の相対角度を変化させることで、前記三角形の大きさを相似状態を維持して変化させることができる。さらには、三角形の大きさを変化させるとともに、正三角形以外の三角形にに変化させてもよい。

【0060】

図４では、半導体層７が白抜き矢印の方向へ移動していくにしたがって、３本のレーザー入射光Ｌｄ１，Ｌｄ２，Ｌｄ３が照射される入射点の位置がＰ１，Ｐ２，Ｐ３から、Ｐ１´、Ｐ２´、Ｐ３´に移行し、さらにＰ１´´、Ｐ２´´、Ｐ３´´に移行していく。３か所の入射点が頂点に位置する三角形の大きさは、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３で形成されるものよりも、Ｐ１´、Ｐ２´、Ｐ３´で形成されるものが大きく、さらに、Ｐ１´´、Ｐ２´´、Ｐ３´´のものが最小となっている。

【0061】

このように、３本のレーザー入射光Ｌｄ１，Ｌｄ２，Ｌｄ３の入射方向の相対的な角度を変化させ、入射点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の位置、すなわちそれぞれの入射点の間隔を変化させることで、測定している膜の表面の曲率などに応じた適切な測定が可能になる。例えば、中央制御装置２０は、検出されている膜の表面の曲率が所定値よりも小さくなったと判断されたとき（平面に近くなっているとき）に、入射点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の間隔を広げることで、曲率半径を精度良く測定できるようになる。逆に、測定している膜の表面の曲率が大きくなると、それぞれのレーザー反射光Ｌｖ１，Ｌｖ２，Ｌｖ３の相対的な広がり角が大きくなり、光位置センサ１４で３つの受光点Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を全て検知できないことがある。このような場合には、入射点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の間隔が狭められる。

【0062】

次に、実施の形態の測定装置１０では、ミラー駆動制御部１６で駆動部１２ａ，１２ｂを制御し、ピボットミラー１２から膜表面に向けられるレーザー入射光Ｌｄ１，Ｌｄ２，Ｌｄ３の入射方向の相対角度を変えることなく、全てのレーザー入射光Ｌｄ１，Ｌｄ２，Ｌｄ３の偏光角（入射角）を変化させることができる。この制御により、入射点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３が頂点に位置する三角形の形状と大きさを変化させることなく、入射点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の中心に設定される所定点Ｆと、ピボットミラー１２に対するレーザー光Ｌ０の入射点Ｍ０とを結ぶ仮想中心線の、膜に対する入射方向を変えることができる。

【0063】

図５では、基板６と半導体層７が白抜き矢印の方向へ移動すると想定している。ある時点での、半導体層７に対向するピボットミラーの位置を符号１２Ａで示し光位置センサの位置を１４Ａで示しており、半導体層７が所定距離移動した後の、半導体層７に対向するピボットミラーの位置を符号１２Ｂで示し光位置センサの位置を１４Ｂで示している。また、ピボットミラーが１２Ａの位置にあり光位置センサが１４Ａの位置にあるとときの、レーザー入射光Ｌｄ１，Ｌｄ２，Ｌｄ３の平均の偏光角（入射点Ｍ０と所定点Ｆを結ぶ仮想中心線の偏光角）をθ１とし、ピボットミラーが１２Ｂに移動し光位置センサが１４Ｂに移動したときの、レーザー入射光Ｌｄ１，Ｌｄ２，Ｌｄ３の平均の偏光角（入射点Ｍ０と所定点Ｆ´を結ぶ仮想中心線の偏光角）をθ２としている。

【0064】

成膜中の膜表面の曲率や傾き角度は場所毎に相違しており、入射点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３が設定される膜の表面の傾き方向は常に変化する。この傾きの度合いによっては、全てのレーザー反射光Ｌｖ１，Ｌｖ２，Ｌｖ３が、第２の窓９を通過できなかったり、全てのレーザー反射光Ｌｖ１，Ｌｖ２，Ｌｖ３を光位置センサ１４で受光できないこともある。そこで、ピボットミラー１２の向きを変えて、入射点Ｍ０と所定点Ｆ，Ｆ´を結ぶ仮想中心線の入射方向を変化させることで、全てのレーザー反射光Ｌｖ１，Ｌｖ２，Ｌｖ３が、常に第２の窓９を通過でき、光位置センサ１４で全てのレーザー反射光Ｌｖ１，Ｌｖ２，Ｌｖ３を受光できるように制御することが可能になる。

【0065】

図６は、本発明の表面形状の測定方法と測定装置を示すさらに具体的な実施の形態を示している。

【0066】

図６に示す実施の形態では、発光装置１１から発せられるレーザー光Ｌ０が、ピボットミラー１２と第２のミラー１１３とで反射されて、ビームスプリッタ１３と、第１の窓８に嵌められたガラス板などの透明板８Ａを透過し、チャンバ２内の半導体層７の表面に与えられる。

【0067】

第１のミラーであるピボットミラー１２は、図１に示す駆動部１２ａ，１２ｂで駆動されるものであり、ピボットミラー１２の動作により、レーザ光Ｌ０の向きが変えられて、３本のレーザー入射光Ｌｄ１，Ｌｄ２，Ｌｄ３が膜に向けて入射する。第２のミラー１１３は、３本のレーザー入射光Ｌｄ１，Ｌｄ２，Ｌｄ３のそれぞれが膜の表面に向かう方向を変化させるものである。すなわち、第２のミラー１１３は、膜の表面に設定される所定点Ｆへの入射方向を変化させるものである。第２のミラー１１３を設けることで、ピボットミラー１２の動作としては、レーザ光Ｌ０の向きを３本のレーザー入射光Ｌｄ１，Ｌｄ２，Ｌｄ３の向きに変換するだけでよいため、ピボットミラー１２の動作制御を単純化できる。

【0068】

第２のミラー１１３の向きは、手動で変化させるようにしてもよいし、コイルとマグネットを有する電磁駆動装置などを使用して、第２のミラー１１３の向きを常に変化させるように制御することもできる。この場合には、ピボットミラー１２は、レーザー光Ｌ０を３つのレーザー入射光Ｌｄ１，Ｌｄ２，Ｌｄ３に連続的にまたは間欠的に変化させるように高速で動作させ、第２のミラー１１３は、膜の表面の向きの変化に対応するように、比較的低速で動作させることになる。

【0069】

なお、レーザー入射光Ｌｄのうちのビームスプリッタ１３を透過できなかった反射成分のさらなる反射を防止するための光吸収部材１１４を設け、また、チャンバ２から戻り透明板８Ａで向きが変えられる光成分の反射を防止するための光吸収部材１１５が設けられている。光吸収部材１１４，１１５は、黒色などの光吸収色で形成され、または光を乱反射させる乱反射面を有するものとして構成される。

【0070】

上記のように、複数の入射点からのレーザー反射光の角度変化を検知することで、半導体層７の表面の形状を常に測定でき、中央制御装置２０で材料ガス制御部２１を制御し、チャンバ２へ供給する材料ガスを変化させたり、材料ガスの供給量を変化させることで、基板６と半導体層７の表面形状の反りをリアルタイムで矯正することができる。

【0071】

前記実施の形態の測定装置１０Ａは、レーザー光Ｌ０の発光タイミングと、ピボットミラー１２の反射面１２ｃの向きを変えることで、さらに、レーザー入射光の本数を１本、２本、あるいは４本以上に変化させることができ、測定すべきの膜の種別に応じて、または形状に応じて、最適な形状測定を実現することができる。あるいは、レーザー光Ｌ０の発光タイミングと、ピボットミラー１２の反射面１２ｃの向きを変えることで、入射点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３が頂点に位置する三角形を、同時に複数箇所に設定することも可能である。また、レーザー反射光Ｌｖの戻り位置が広がる場合には、光位置センサ１４を複数個並べて配置することも可能である。

【符号の説明】

【0072】

１ 成膜装置
２ チャンバ
３ テーブル
６ 基板
７ 半導体層
８ 第１の窓
９ 第２の窓
１０Ａ 測定装置
１０Ｂ 回路構成部
１１ 発光装置
１２ ピボットミラー（第１のミラー）
１２ａ、１２ｂ 駆動部
１３ ビームスプリッタ
１４ 光位置センサ
１５ レーザー発光制御部
１６ ミラー駆動制御部
１７ 反射光分析部
２０ 中央制御装置
２１ 材料ガス制御部
１１３ 第２のミラー
Ｌｄ１，Ｌｄ２，Ｌｄ３ レーザー入射光
Ｌｖ１，Ｌｖ２，Ｌｖ３ レーザー反射光
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３ 入射点

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】