特開 2022-185133 分光測定装置および分光測定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022185133

(43)【公開日】2022-12-13

(54)【発明の名称】分光測定装置および分光測定方法

(51)【国際特許分類】

   G01J 3/36 20060101AFI20221206BHJP

   G01J 3/18 20060101ALI20221206BHJP

   G01J 3/02 20060101ALI20221206BHJP

【ＦＩ】

G01J3/36

G01J3/18

G01J3/02 S

【審査請求】有

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022164667

(22)【出願日】2022-10-13

(62)【分割の表示】P 2019007632の分割

【原出願日】2019-01-21

(71)【出願人】

【識別番号】000236436

【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100140442

【弁理士】

【氏名又は名称】柴山 健一

(74)【代理人】

【識別番号】100110582

【弁理士】

【氏名又は名称】柴田 昌聰

(72)【発明者】

【氏名】井口 和也

(72)【発明者】

【氏名】増岡 英樹

(57)【要約】

【課題】一つの光検出器を用いて高ダイナミックレンジの光スペクトルを取得することができる分光測定装置および分光測定方法を提供する。
【解決手段】分光測定装置１は、光学系１０、光検出器２０および解析部３０を備える。光学系１０は、対象物Ｓからの被測定光を光検出器２０の受光面へ導くとともに、被測定光の分光像を光検出器２０の受光面上に形成する。光検出器２０は、複数の行それぞれに複数の画素が配列された受光面を有する。光検出器２０は、受光面上の第１領域にある１または複数の行に配列された複数の画素により第１露光時間に亘って分光像を受光して被測定光の第１スペクトルデータを出力する。光検出器２０は、受光面上の第２領域にある１または複数の行に配列された複数の画素により第２露光時間に亘って分光像を受光して被測定光の第２スペクトルデータを出力する。第１露光時間より第２露光時間が長い。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１方向に波長軸が延び第２方向に波長ごとの像が延びる被測定光の分光像のスペクトルデータを取得する分光測定装置であって、
前記第１方向及び前記第２方向の双方に沿って複数の画素が配列された第１領域と、前記第２方向において前記第１領域に隣接し前記第１方向及び前記第２方向の双方に沿って複数の画素が配列された第２領域とを有する受光面と、前記第１領域において生成された電荷が転送され第１電圧値として読み出す第１水平シフトレジスタと、前記第２領域において生成された電荷が転送され第２電圧値として読み出す第２水平シフトレジスタと、を有するＣＣＤイメージセンサと、
前記第１電圧値を第１デジタル値に変換する第１ＡＤ変換器と、
前記第２電圧値を第２デジタル値に変換する第２ＡＤ変換器と、
前記第１デジタル値に基づく第１部分スペクトルデータと、前記第２デジタル値に基づく第２部分スペクトルデータとをつなぎ合わせて、前記被測定光のスペクトルデータを求める解析部と、
を備え、
前記第２領域における第２露光時間は、前記第１領域における第１露光時間より長い、
分光測定装置。

【請求項2】

前記波長ごとの像が前記受光面の前記第１領域および前記第２領域にわたって形成されるように前記被測定光の分光像を形成する分光素子をさらに備える、請求項１に記載の分光測定装置。

【請求項3】

前記第１部分スペクトルデータは前記被測定光の飽和波長帯のスペクトルデータであり、前記第２部分スペクトルデータは前記被測定光の非飽和波長帯のスペクトルデータである、請求項１又は２に記載の分光測定装置。

【請求項4】

前記第１露光時間及び前記第２露光時間の少なくとも一方は電子シャッタにより設定される、請求項１～３の何れか１項に記載の分光測定装置。

【請求項5】

前記第１領域の読み出し動作及び前記第２領域の読み出し動作は同期して行われる、請求項１～４の何れか１項に記載の分光測定装置。

【請求項6】

前記第１水平シフトレジスタは、前記第１領域の複数の画素で生成された電荷を前記第２方向における画素列ごとに足し合わせ、
前記第２水平シフトレジスタは、前記第２領域の複数の画素で生成された電荷を前記第２方向における画素列ごとに足し合わせる、
請求項１～５の何れか１項に記載の分光測定装置。

【請求項7】

被測定光の分光像のスペクトルデータを取得する分光測定方法であって、
第１方向に波長軸が延び第２方向に波長ごとの像が延びる被測定光の分光像を形成する分光ステップと、
前記第１方向及び前記第２方向の双方に沿って複数の画素が配列された第１領域と、前記第２方向において前記第１領域に隣接し前記第１方向及び前記第２方向の双方に沿って複数の画素が配列された第２領域とを有する受光面と、前記第１領域において生成された電荷が転送され第１電圧値として読み出す第１水平シフトレジスタと、前記第２領域において生成された電荷が転送され第２電圧値として読み出す第２水平シフトレジスタと、を有するＣＣＤイメージセンサを用いて、前記第１電圧値及び前記第２電圧値を読み出す読み出しステップと、
前記第１電圧値を第１デジタル値に変換し、前記第２電圧値を第２デジタル値に変換する変換ステップと、
前記第１デジタル値に基づく第１部分スペクトルデータと、前記第２デジタル値に基づく第２部分スペクトルデータとをつなぎ合わせて、前記被測定光のスペクトルデータを求める解析ステップと、
を備え、
前記分光ステップにおいて、前記波長ごとの像が前記受光面の前記第１領域および前記第２領域にわたって形成されるように前記被測定光の分光像を形成し、
前記読み出しステップにおいて、前記第２領域における第２露光時間は、前記第１領域における第１露光時間より長い、
分光測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、分光測定装置および分光測定方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

分光測定装置は、対象物で生じた被測定光の分光像を光検出器により受光して該被測定光のスペクトルを取得することができ、そのスペクトルに基づいて対象物の組成を分析したり対象物における現象をモニタしたりすることができる。分光測定装置は、高ダイナミックレンジのスペクトルを取得することが要求される場合がある（特許文献１参照）。

【0003】

例えば、プラズマプロセスにより対象物をドライエッチングする工程において、そのエッチングに使用するガスに起因する光が発生し、また、エッチング対象物の材料に起因する光も発生する。これらのガス起因の光の波長帯と材料起因の光の波長帯とが互いに異なる場合がある。ガス起因の光の強度をモニタすることにより、ガスの状態を監視することができる。材料起因の光の強度の時間的変化をモニタすることにより、エッチング終了タイミングを検知することができる。ガス起因の光は高強度であり、これと比べて材料起因の光は低強度であることが多い。

【0004】

近年の半導体プロセスの微細化の進展に伴い、ドライエッチングにより形成される開口部が小さくなり、そこから発生する材料起因の光（エッチング終了タイミングを検知する為の光）の強度が更に微弱になってきている。プラズマプロセスにより対象物をドライエッチングする工程において、ガスの状態を監視することは重要であり、エッチング終了タイミングを検知することも重要である。したがって、ガス起因の高強度の光および材料起因の低強度の光の双方を含む被測定光のスペクトルを分光測定装置により取得することが必要である。このような被測定光のスペクトルのダイナミックレンジ（各波長の光強度の最大レベルと最小レベルとの比）は大きい。

【0005】

また、積分球を用いてサンプルの発光量子収率を測定する際には、積分球内にサンプルを入れていない状態において励起光のスペクトルを測定し、また、積分球内にサンプルを入れた状態においてサンプルにより吸収された励起光のスペクトルおよびサンプルで発生した発生光（例えば蛍光）のスペクトルを同時に測定する。サンプルにより吸収された励起光を精密に見積もる為に、一般的には、励起光スペクトルおよび発生光スペクトルを同一露光期間に測定することが必要である。

【0006】

このとき、発生光強度と比較して励起光強度が桁違いに高いことから、弱い発生光強度を測定する必要があるにも拘わらず、強い励起光強度を測定する為に露光時間を短くせざるを得ない。それ故、Ｓ／Ｎ比よく発生光を測定することができない。発光効率の低いサンプルにおいては、励起光強度を高くしたいところであるが、一定光量以上の強度の励起光においては光検出器が飽和してしまうことから、励起光強度を高くすることも容易ではない。

【0007】

これらの例に限らず、被測定光のスペクトルのダイナミックレンジが大きい場合があり、その被測定光のスペクトルを同時に取得することが望まれる場合がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特表２００７－５２７５１６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

光検出器のダイナミックレンジ（光検出器により検出が可能な光強度の最大レベルと最小レベルとの比）には限界がある。光検出器のダイナミックレンジと比べて被測定光のスペクトルのダイナミックレンジが大きいと、光検出器による一度の分光像の受光により被測定光のスペクトルを取得することができない。すなわち、低強度の波長帯の光に対して出力される信号レベルがノイズレベル以上となるようにすると、高強度の波長帯の光に対して出力される信号レベルは飽和レベル以上となる。逆に、高強度の波長帯の光に対して出力される信号レベルが飽和レベル以下となるようにすると、低強度の波長帯の光に対して出力される信号レベルはノイズレベル以下となる。

【0010】

露光時間が互いに異なる二つの光検出器を用いて、高強度の光のスペクトルを短時間露光の光検出器により取得し、低強度の光のスペクトルを長時間露光の光検出器により取得することが考えられる。しかし、この場合、二つの光検出器の間で機差または温度差により波長軸またはスペクトル取得動作が互いに異なる場合がある。したがって、一つの光検出器を用いて、高強度の光および低強度の光の双方を含む被測定光のスペクトルを取得することが望ましい。

【0011】

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、一つの光検出器を用いて高ダイナミックレンジの光スペクトルを取得することができる分光測定装置および分光測定方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明の分光測定装置は、第１方向に波長軸が延び第２方向に波長ごとの像が延びる被測定光の分光像のスペクトルデータを取得する分光測定装置である。分光測定装置は、(1) 第１方向及び第２方向の双方に沿って複数の画素が配列された第１領域と、第２方向において第１領域に隣接し第１方向及び第２方向の双方に沿って複数の画素が配列された第２領域とを有する受光面と、第１領域において生成された電荷が転送され第１電圧値として読み出す第１水平シフトレジスタと、第２領域において生成された電荷が転送され第２電圧値として読み出す第２水平シフトレジスタと、を有するＣＣＤイメージセンサと、(2) 第１電圧値を第１デジタル値に変換する第１ＡＤ変換器と、(3) 第２電圧値を第２デジタル値に変換する第２ＡＤ変換器と、(4) 第１デジタル値に基づく第１部分スペクトルデータと、第２デジタル値に基づく第２部分スペクトルデータとをつなぎ合わせて、被測定光のスペクトルデータを求める解析部と、を備える。第２領域における第２露光時間は、第１領域における第１露光時間より長い。

【0013】

本発明の一側面において、分光測定装置は、波長ごとの像が受光面の第１領域および第２領域にわたって形成されるように被測定光の分光像を形成する分光素子をさらに備える。第１部分スペクトルデータは被測定光の飽和波長帯のスペクトルデータであり、第２部分スペクトルデータは被測定光の非飽和波長帯のスペクトルデータである。第１露光時間及び第２露光時間の少なくとも一方は電子シャッタにより設定される。

【0014】

また、本発明の一側面において、第１領域の読み出し動作及び第２領域の読み出し動作は同期して行われる。第１水平シフトレジスタは、第１領域の複数の画素で生成された電荷を第２方向における画素列ごとに足し合わせ、第２水平シフトレジスタは、第２領域の複数の画素で生成された電荷を第２方向における画素列ごとに足し合わせる。

【0015】

本発明の分光測定方法は、被測定光の分光像のスペクトルデータを取得する分光測定方法である。分光測定方法は、(1) 第１方向に波長軸が延び第２方向に波長ごとの像が延びる被測定光の分光像を形成する分光ステップと、(2) 第１方向及び第２方向の双方に沿って複数の画素が配列された第１領域と、第２方向において第１領域に隣接し第１方向及び第２方向の双方に沿って複数の画素が配列された第２領域とを有する受光面と、第１領域において生成された電荷が転送され第１電圧値として読み出す第１水平シフトレジスタと、第２領域において生成された電荷が転送され第２電圧値として読み出す第２水平シフトレジスタと、を有するＣＣＤイメージセンサを用いて、第１電圧値及び第２電圧値を読み出す読み出しステップと、(3) 第１電圧値を第１デジタル値に変換し、第２電圧値を第２デジタル値に変換する変換ステップと、(4) 第１デジタル値に基づく第１部分スペクトルデータと、第２デジタル値に基づく第２部分スペクトルデータとをつなぎ合わせて、被測定光のスペクトルデータを求める解析ステップと、を備える。分光ステップにおいて、波長ごとの像が受光面の第１領域および第２領域にわたって形成されるように被測定光の分光像を形成する。読み出しステップにおいて、第２領域における第２露光時間は、第１領域における第１露光時間より長い。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、一つの光検出器を用いて高ダイナミックレンジの光スペクトルを取得することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】図１は、分光測定装置１の構成を示す図である。

【図2】図２は、分光像の例を示す図である。

【図3】図３は、光検出器２０の構成を模式的に示す図である。

【図4】図４は、光検出器２０の第１動作例を示すタイミングチャートである。

【図5】図５は、光検出器２０の第２動作例を示すタイミングチャートである。

【図6】図６は、第１スペクトルデータの例を示す図である。

【図7】図７は、第２スペクトルデータの例を示す図である。

【図8】図８は、第１スペクトルデータ（図６）において所定の波長帯の値を０にした例を示す図である。

【図9】図９は、第２スペクトルデータ（図７）において所定の波長帯の値を０にした例を示す図である。

【図10】図１０は、調整後の第１部分スペクトルデータおよび第２部分スペクトルデータに基づいて得られた被測定光のスペクトルを示す図である。

【図11】図１１は、実施例および比較例それぞれについて第１領域の露光時間とダイナミックレンジとの関係の一例を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【0019】

図１は、分光測定装置１の構成を示す図である。分光測定装置１は、光学系１０、光検出器２０、解析部３０、表示部４０および入力部５０を備え、対象物Ｓから到達した被測定光のスペクトルを取得する。例えば、対象物Ｓは、プラズマプロセスによるドライエッチングの対象物であり、その対象物Ｓからの被測定光は、そのエッチングに使用するガスに起因する光、および、エッチング対象物の材料に起因する光を含む。また、例えば、対象物Ｓは、積分球内に入れられた発光量子収率測定の対象物であり、その対象物Ｓからの被測定光は、励起光および発生光（例えば蛍光）を含む。

【0020】

光学系１０は、対象物Ｓからの被測定光を光検出器２０の受光面へ導くとともに、被測定光の分光像を光検出器２０の受光面上に形成する。光学系１０は、光を導光する光ファイバを含んでいてもよい。光学系１０は、グレーティングまたはプリズム等の分光素子によって被測定光を各波長成分に分光して、その分光像を光検出器２０の受光面上に形成する。光学系１０は、レンズおよびミラー等の光学素子を含んでいてもよい。また、光学系１０は、例えばツェルニターナ分光器であってもよい。

【0021】

光検出器２０は、複数の行それぞれに複数の画素が配列された受光面を有する。その受光面上において複数の行それぞれの画素配列方向に波長軸を有する分光像が形成される。光検出器２０は、例えば半導体基板上に形成されたＣＣＤイメージセンサまたはＣＭＯＳイメージセンサである。光検出器２０は、半導体基板の裏面（イメージセンサ形成面と反対側の面）が研削されることで薄型化されていて、高波長帯域で高感度の光検出が可能なものであるのが好ましい。また、ＣＣＤイメージセンサは、ＣＭＯＳイメージセンサと比べて高感度であるので好ましい。なお、ＣＣＤイメージセンサは、インターラインＣＣＤ型、フレームトランスファーＣＣＤ型およびフルフレームトランスファーＣＣＤ型のいずれでもよい。

【0022】

光検出器２０の受光面は、第１領域と第２領域とに区分されている。光検出器２０は、受光面上の第１領域にある１または複数の行に配列された複数の画素により第１露光時間に亘って分光像を受光して被測定光の第１スペクトルデータを出力する。また、光検出器２０は、受光面上の第２領域にある１または複数の行に配列された複数の画素により第２露光時間に亘って分光像を受光して被測定光の第２スペクトルデータを出力する。第１露光時間より第２露光時間が長い。

【0023】

解析部３０は、第１スペクトルデータおよび第２スペクトルデータに基づいて被測定光のスペクトルを求める。解析部３０による解析の内容については後述する。解析部３０は、入力した第１スペクトルデータおよび第２スペクトルデータや解析結果等を記憶する記憶部を含む。また、解析部３０は、光検出器２０を制御してもよい。解析部３０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサ及びＲＡＭ（RandomAccess Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）等の記憶媒体を備えるコンピュータやタブレット端末であってもよく、その場合には表示部４０および入力部５０とともに一体とすることができる。また、解析部３０は、マイコンやＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）で構成されていてもよい。

【0024】

表示部４０は、解析部３０が入力した第１スペクトルデータおよび第２スペクトルデータに基づいてスペクトルを表示し、また、解析部３０による解析結果を表示する。入力部５０は、例えばキーボードやマウスなどであり、分光測定装置１を用いて分光測定を行なう操作者からの入力指示を受け付け、その入力情報（例えば測定条件や表示条件など）を解析部３０に与える。また、表示部４０及び入力部５０は、一体化されたタッチパネル等でもよい。

【0025】

図２は、分光像の例を示す図である。この図において、横方向に波長軸が延び、上下方向に波長毎の像が延びている。一般に、分光像は、横方向に延びる或る中心線（図中の破線）を対称軸として上下対称な形状を有している。また、光学系１０の特性により、波長毎の像は弓形の形状を有する場合がある。

【0026】

図３は、光検出器２０の構成を模式的に示す図である。以下では、光検出器２０がＣＣＤイメージセンサであるとして説明をする。光検出器２０の受光面は、形成される分光像の対称軸（図２中の破線）を境にして第１領域２１と第２領域２２とに区分されている。第１領域２１および第２領域２２それぞれは、１または複数の行に複数の画素が配列されている。各画素は、受光した光の強度に応じた量の電荷を生成し蓄積することができる。例えば、第１領域２１および第２領域２２それぞれは、上下方向に１２８行を有し、各行において横方向に２０４８個の画素が配列されている。

【0027】

第１領域２１では、各画素で生成されて蓄積されていた電荷は水平シフトレジスタ２３へ転送されて、各列にある１または複数の画素の電荷が水平シフトレジスタ２３において列毎に足し合わされる（以下では、この動作を「縦転送」という。）。その後、水平シフトレジスタ２３において列毎に足し合わされた電荷は、順次に水平シフトレジスタ２３から読み出される（以下では、この動作を「横転送」という。）。そして、水平シフトレジスタ２３から読み出された電荷の量に応じた電圧値がアンプ２５から出力され、その電圧値がＡＤ変換器によりＡＤ変換されてデジタル値とされる。このようにして第１スペクトルデータが取得される。

【0028】

第２領域２２では、各画素で生成されて蓄積されていた電荷は水平シフトレジスタ２４へ転送されて、各列にある１または複数の画素の電荷が水平シフトレジスタ２４において列毎に足し合わされる（縦転送）。その後、水平シフトレジスタ２４において列毎に足し合わされた電荷は、順次に水平シフトレジスタ２４から読み出される（横転送）。そして、水平シフトレジスタ２４から読み出された電荷の量に応じた電圧値がアンプ２６から出力され、その電圧値がＡＤ変換器によりＡＤ変換されてデジタル値とされる。このようにして第２スペクトルデータが取得される。

【0029】

光検出器２０において、第１領域２１における第１露光時間より、第２領域２２における第２露光時間が長い。各領域の露光時間は、電子シャッタにより設定することができる。電子シャッタは、アンチブルーミングゲート（ＡＢＧ：anti-blooming gate）を利用することで実現することができる。

【0030】

光検出器２０は、第１スペクトルデータの出力動作と第２スペクトルデータの出力動作とを同期して行うのが好適である。また、光検出器２０は、第１スペクトルデータの出力周期に対して第２スペクトルデータの出力周期が整数倍であるのも好適である。

【0031】

図４は、光検出器２０の第１動作例を示すタイミングチャートである。この図は、フルフレームトランスファー型ＣＣＤイメージセンサを用いた場合のタイミングチャートである。この場合、縦転送期間中に蓄積された電荷の半分がその縦転送で水平シフトレジスタへ転送され、残りの半分は次回の縦転送で水平シフトレジスタへ転送される。この第１動作例では、第１領域２１および第２領域２２の双方において、ＡＢＧは常時オフ状態であり電荷は常時蓄積されていく。第１領域２１からの第１スペクトルデータの出力周期に対して、第２領域２２からの第２スペクトルデータの出力周期は５倍である。したがって、第１領域２１における第１露光時間に対して、第２領域２２における第２露光時間は約５倍である。解析部３０は、光検出器２０から連続して出力される複数（例えば５個）の第１スペクトルデータを平均化して、この平均化した第１スペクトルデータを処理してもよい。

【0032】

図５は、光検出器２０の第２動作例を示すタイミングチャートである。この図も、フルフレームトランスファー型ＣＣＤイメージセンサを用いた場合のタイミングチャートである。この第２動作例では、第２領域２２において、ＡＢＧは常時オフ状態であり電荷は常時蓄積されていく。したがって、第２領域２２では、一瞬だけ発生するパルス現象を計測することができる。これに対して、第１領域２１においては、ＡＢＧは周期的にオン／オフを繰り返す。したがって、第１領域２１では、ＡＢＧがオン状態である期間に発生した電荷が捨てられ、ＡＢＧがオフ状態である期間に発生した電荷が蓄積されていく。第１領域２１では、縦転送時の読み残しの電荷は次の縦転送の前に捨てられる。

【0033】

第１動作例および第２動作例の何れにおいても、もし、第１領域２１および第２領域２２それぞれの出力動作が同期していないと、一方の出力動作を指示する信号が、他方の出力動作を指示する信号に対してノイズとして重畳する場合がある。したがって、第１領域２１および第２領域２２それぞれの出力動作を同じタイミングで行うときには、第１領域２１および第２領域２２それぞれの出力動作を完全に同期させることが好ましい。

【0034】

また、第１動作例および第２動作例の何れにおいても、或る画素において電荷蓄積が飽和すると、その画素の周辺にある画素に悪影響を与える場合がある。そこで、ＡＢＧを用いることで、一定量を超える電荷を捨てるのも好ましい。

【0035】

図６は、第１スペクトルデータの例を示す図である。図７は、第２スペクトルデータの例を示す図である。これらの第１スペクトルデータおよび第２スペクトルデータは光検出器２０により実質的に同時に取得されたものである。第１スペクトルデータ（図６）は、第１領域２１において短い露光時間で取得されたものであり、全ての波長帯において飽和レベル以下となっている。これに対して、第２スペクトルデータ（図７）は、第２領域２２において長い露光時間で取得されたものであり、或る波長帯において飽和レベル以上となっている。

【0036】

解析部３０は、スペクトルの全体の波長帯（これらの図では凡そ２００ｎｍ～８８０ｎｍ）を、第２スペクトルデータのうち値が飽和レベル以上である波長帯を含む飽和波長帯（凡そ４００ｎｍ～８８０ｎｍ）と、この飽和波長帯以外の非飽和波長帯（凡そ２００ｎｍ～４００ｎｍ）とに区分する。飽和波長帯では、第２スペクトルデータが飽和レベル以上であっても、第１スペクトルデータは飽和レベル未満である。非飽和波長帯では、第２スペクトルデータは、飽和レベル未満であり、しかも、第１スペクトルデータより良好なＳ／Ｎ比を有することができる。

【0037】

解析部３０は、第１スペクトルデータのうちの飽和波長帯の第１部分スペクトルデータと、第２スペクトルデータのうちの非飽和波長帯の第２部分スペクトルデータとに基づいて、被測定光のスペクトルを求める。

【0038】

解析部３０は、次のようにして、第１スペクトルデータのうちの飽和波長帯の第１部分スペクトルデータと、第２スペクトルデータのうちの非飽和波長帯の第２部分スペクトルデータと互いに繋ぎ合わせることで、一つの測定光のスペクトルを求めることができる。

【0039】

解析部３０は、第１スペクトルデータおよび第２スペクトルデータの双方が飽和レベル以下である波長帯における第１スペクトルデータおよび第２スペクトルデータそれぞれの積算値の比を求める。具体的には、解析部３０は、まず、第１スペクトルデータおよび第２スペクトルデータの双方または何れか一方が飽和レベル以上である波長帯で、第１スペクトルデータおよび第２スペクトルデータそれぞれの値を０にする。図８は、第１スペクトルデータ（図６）において所定の波長帯（飽和レベル以上である波長帯）の値を０にした例を示す図である。図９は、第２スペクトルデータ（図７）において所定の波長帯（飽和レベル以上である波長帯）の値を０にした例を示す図である。解析部３０は、所定の波長帯の値を０にした後の第１スペクトルデータおよび第２スペクトルデータそれぞれの積算値を求め、これら２つの積算値の比を求める。この積算値の比は、第１領域２１および第２領域２２それぞれからの出力信号の強度比を表し、露光時間の比を表す。

【0040】

そして、解析部３０は、この積算値の比を用いて、第１部分スペクトルデータおよび第２部分スペクトルデータの双方または何れ一方を調整し、その調整後の第１部分スペクトルデータおよび第２部分スペクトルデータに基づいて被測定光の全体のスペクトルを求める。この調整に際しては、第１部分スペクトルデータに積算値比を掛けてもよいし、第２部分スペクトルデータを積算値比で割ってもよい。ノイズレベル低減の為には、第２部分スペクトルデータを積算値比で割るのが好ましい。図１０は、調整後の第１部分スペクトルデータおよび第２部分スペクトルデータに基づいて得られた被測定光のスペクトルを示す図である。

【0041】

本実施形態の分光測定方法は、上記の本実施形態の分光測定装置を用いて測定を行うものであり、光検出器２０を用いて第１スペクトルデータおよび第２スペクトルデータを出力する光検出ステップと、第１スペクトルデータおよび第２スペクトルデータに基づいて被測定光のスペクトルを求める解析ステップと、を備える。光検出ステップの内容は、光検出器２０の構成および動作として説明したとおりである。解析ステップの内容は、解析部３０の解析内容として説明したとおりである。

【0042】

図１１は、実施例および比較例それぞれについて第１領域の露光時間とダイナミックレンジとの関係の一例を示すグラフである。比較例のダイナミックレンジは、第１領域と第２領域とに区分することなく被測定光のスペクトルを取得した場合のものである。比較例と比べて実施例のダイナミックレンジは大きい。ダイナミックレンジは、検出可能な最大レベルと最小レベルとの比で表される。検出可能な最大レベルは水平シフトレジスタの飽和電荷量（例えば３００ｋｅ^－）であり、検出可能な最小レベルはノイズレベルである。本実施形態では、第２部分スペクトルデータを積算値比（出力信号の強度比）で割ることで第２部分スペクトルデータの検出可能な最小レベル（ノイズレベル）が小さくなって、ダイナミックレンジが大きくなる。

【0043】

以上のように、本実施形態では、一つの光検出器２０を用いて高ダイナミックレンジの光スペクトルを取得することができる。しかも、高強度の光および低強度の光の双方を実質的に同時に測定することができる。したがって、プラズマプロセスにより対象物をドライエッチングする工程において、ガス起因の高強度の光および材料起因の低強度の光の双方を含む被測定光のスペクトルを取得することができて、ガスの状態を監視することができるとともに、エッチング終了タイミングを検知することができる。また、積分球を用いてサンプルの発光量子収率を測定する際に、積分球内にサンプルを入れた状態においてサンプルにより吸収された励起光のスペクトルおよびサンプルで発生した発生光（例えば蛍光）のスペクトルを同時に測定することができる。

【0044】

また、本実施形態の分光測定装置および分光測定方法は、高強度の光および低強度の光の双方を実質的に同時に測定するだけでなく、高強度の光と低強度の光とを互いに異なる期間に測定することもできる。後者の場合、高強度光の測定時と低強度光の測定時とで互いに同じ測定条件とすることができ、例えば、高強度光の測定時にＮＤフィルタを挿入しなくてもよい。用途としては、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）に微少電流を与えたときの弱い出力光のスペクトル、および、ＬＥＤに定格電流を与えたときの明るい出力光のスペクトルの測定が挙げられる。このような用途において、光の高ダイナミックレンジ測定を波長精度よく行うことができる。

【0045】

分光測定装置は次のような構成とすることもできる。分光測定装置は、(1) 被測定光を分光して分光像を形成する光学系と、(2) 複数の行それぞれに複数の画素が配列された受光面を有し、受光面上において複数の行それぞれの画素配列方向に波長軸を有する分光像が形成され、受光面上の第１領域にある１または複数の行に配列された複数の画素により第１露光時間に亘って分光像を受光して被測定光の第１スペクトルデータを出力し、受光面上の第２領域にある１または複数の行に配列された複数の画素により第２露光時間に亘って分光像を受光して被測定光の第２スペクトルデータを出力する光検出器と、(3) 第１スペクトルデータおよび第２スペクトルデータに基づいて被測定光のスペクトルを求める解析部と、を備える。第１露光時間より第２露光時間が長い。解析部は、スペクトルの波長帯を、第２スペクトルデータのうち値が飽和レベル以上である波長帯を含む飽和波長帯と、この飽和波長帯以外の非飽和波長帯とに区分したときに、第１スペクトルデータのうちの飽和波長帯の第１部分スペクトルデータと、第２スペクトルデータのうちの非飽和波長帯の第２部分スペクトルデータとに基づいて、被測定光のスペクトルを求める。

【0046】

分光測定方法は次のような構成とすることもできる。分光測定方法は、(1) 複数の行それぞれに複数の画素が配列された受光面を有する光検出器を用い、受光面上において複数の行それぞれの画素配列方向に波長軸を有する被測定光の分光像を形成し、受光面上の第１領域にある１または複数の行に配列された複数の画素により第１露光時間に亘って分光像を受光して被測定光の第１スペクトルデータを出力し、受光面上の第２領域にある１または複数の行に配列された複数の画素により第２露光時間に亘って分光像を受光して被測定光の第２スペクトルデータを出力する光検出ステップと、(2) 第１スペクトルデータおよび第２スペクトルデータに基づいて被測定光のスペクトルを求める解析ステップと、を備える。光検出ステップにおいて、第１露光時間より第２露光時間が長い。解析ステップにおいて、スペクトルの波長帯を、第２スペクトルデータのうち値が飽和レベル以上である波長帯を含む飽和波長帯と、この飽和波長帯以外の非飽和波長帯とに区分したときに、第１スペクトルデータのうちの飽和波長帯の第１部分スペクトルデータと、第２スペクトルデータのうちの非飽和波長帯の第２部分スペクトルデータとに基づいて、被測定光のスペクトルを求める。

【0047】

光検出器は、ＣＣＤイメージセンサであるのが好適であり、アンチブルーミングゲートにより第１露光時間および第２露光時間の少なくとも一方を設定するのが好適である。光検出器は、第１スペクトルデータの出力動作と第２スペクトルデータの出力動作とを同期して行うのが好適であり、第１スペクトルデータの出力周期に対して第２スペクトルデータの出力周期が整数倍であるのも好適である。

【0048】

解析部または解析ステップは、第１スペクトルデータおよび第２スペクトルデータの双方が飽和レベル以下である波長帯における第１スペクトルデータおよび第２スペクトルデータそれぞれの積算値の比を用いて、第１部分スペクトルデータおよび第２部分スペクトルデータの双方または何れ一方を調整し、その調整後の第１部分スペクトルデータおよび第２部分スペクトルデータに基づいて被測定光のスペクトルを求めるのが好適である。

【符号の説明】

【0049】

１…分光測定装置、１０…光学系、２０…光検出器、２１…第１領域、２２…第２領域、３０…解析部、４０…表示部、５０…入力部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】