JP4909480B2 - 層および表面特性の光学測定方法およびその装置 - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
薄膜層を仕様に合わせて加工できることは、超小型電子装置の製造においては最重要であり、膜層の物理的および成分的要因の制御は、製造における寸法公差が厳しくなるにつれ、次第に重大事項となりつつある。分光測定は、物質を特徴付ける効果的な道具として威力を発揮しており、半導体業界において工程管理用に非侵襲、非破壊的センサーとして使用されてきた。例えば米国特許第５，４０３，４３３号および第５，６０４，５８１号に開示されているように、フーリエ変換赤外線（ＦＴＩＲ）分光センサーは、干渉測定の原理を利用して、スペクトルで観測される反射率のデータ分析から膜厚および誘電機能に関する情報を求めるものである。薄膜厚および光学要因の正確な測定の基本は、ウエハの裏面からのゴースト反射光等の実験副産物の影響のない、正確な測定ができることである。もちろん膜層の正面、または他の面からのみの反射光が測定されることがのぞましい。
【０００２】
（背景技術）
多くの薄膜層は、最も効果的な測定がなされる放射光の波長を透過または部分的に透過する基板上で処理される。例えば、現存する半分以上の集積回路（ＩＣ）チップは低不純物、および不純物非含有シリコンを基板として使用している。従来の光学システムを利用した測定においては、裏面反射が正面反射とともに存在する。裏面反射は、裏面層の特性、表面の品質、および基板の吸着作用等の多くの要因によるため、予測が難しく、裏面のゴースト反射のスペクトル生成物の除去は、膜層の正確なスペクトル分析における鍵とされている。膜がガラスまたはその他の光学的に透明な基板上で処理される場合にも似たような問題が存在する。
【０００３】
ゴースト反射を除去する１つの方法としては、ウエハの裏面を粗くすることであるが、それはもちろん複雑で時間のかかる工程である。その他の技術としては、マイクロスポットツールの使用である。しかし通常、そのような道具は比較的光学的生産性が低い欠点があり、根本的に信号雑音（ＳＮ）比を低下させるものであり、測定時間も典型的に長いため、ウエハ上の膜厚のマッピング等への適用に限られている。また、小スポットツールは通常作業距離が短いため、半導体製造工程においてより迅速な工程調整、欠陥検出、より厳密なフィードバック制御などの工程内測量機器としての使用に限定される。長い作業距離を有し裏面反射を抑制できる高生産性光学システムは、多くの部品製造工程で重要であり、また大変必要とされている。
【０００４】
（発明の要約）
本発明の目的は、上記のように現存の光学測定装置および方法の限界および欠陥を除去または最小限にすることにある。概して、本発明は、超小型電子デバイス、太陽熱変換デバイス、磁気記憶デバイス、およびその他の類似するデバイスの製造中または製造後に生成される薄膜の層、インタフェース、および表面の特性管理に関する。本発明は、透明または非透明基板の薄膜層やその他の生成物の光学測定を行う新しい装置および方法であり、装置内の他の部品からのゴースト反射のみならず裏面のゴースト反射も同様に除去する共焦点光学配置に基づく方法である。
【０００５】
本発明のより特定された目的は、膜層およびその他の構成物の上部および表面下の層における物理的および組成的パラメータの正確な光学測定を行う方法およびその装置を提供するものであり、特に超小型電子デバイスの生産において、エネルギー生産性が高く、さらに低いＳＮ比を有する方法及び装置を提供することである。
【０００６】
本発明の前述および関連する目的のいくつかは以下の測定位置に配置された検査対象物（仕掛品）上で光学測定を行う方法で達成されることが解っている。検査対象物は少なくとも１つの実質的に非散乱性で反射性の表面と厚み寸法を持ち、また方法には必須ステップとして少なくとも１光線の放射を検査対象物の「１つの」面上に投射し、光線はその面の少なくとも１つの照明域を作成するようフォーカスされ、照明域は１方向に長く、その方向に対し垂直な方向に比較的短くなっている。放射光線は、「１つの」照射域との中間に位置し、照射域の長軸方向および１つの表面に対して垂直である１つの面に対し、方位的に＋４５°〜−４５°の範囲の角度で配置される経路に沿って照射され、経路はさらに、検査対象物の「１つの」表面に対し垂直の角度から、約１５°〜７５°の角度に配置される。照射域から反射される放射は、実質的にゴースト像からくる放射を除外して検出され、そのゴースト像は、検査対象物の照射面の下に位置し、放射線を反射し、結果的に照射域のゴースト像を検査対象物の「１つの」面上に形成する、検査対象物の表面下の構成物で作られる。照射条件は照射域の重なり及びゴーストを取り除かれるように設定される。
【０００７】
この測定される「１つの」面は、検査対象物の上面でもまたは下の面であってもよい。殆どの場合、検査対象物は基板と、基板上の少なくとも１層の追加材料膜および下層からなる構造をしており、その場合「１つの」面は追加膜と下層のインタフェースに位置させてもよい。一般的に、ゴースト像を作り出す表面下の構成物は、検査対象物の裏面を構成しているが、表面下の構成物はまた、検査対象物の厚み内に位置することもある；つまり、層と下層のインタフェースに位置することもある。とはいえ、半導体材料には多くの材料が包含されているが、検査対象物は多くの場合シリコンウエハからなり、通常、シリコン基板および少なくとも１つの材料の追加層（例えばエピタキシャル層）が「１つの」面をなし、分析の探査放射は通常、赤外線、可視および／または紫外線スペクトル範囲内の線源による。
【０００８】
本方法は、その殆どの照射域および像は実質的に同一の形と方位である、選択された表面上に複数の照射域を作り出すフォーカスされた放射光の光束と、対応する複数のゴースト像により有利に実現され、照射域とゴースト像が前述の中間面にそって交互に配置され（典型的には探査光線の主光線が入射する面でもある）、また重なりを避けるのに十分な空間をとって配置されるように照射条件が設定される。放射光の複数の光束は１つまたは複数の照射域の生成に利用でき、その全ての光線は関連する角度条件を満たす経路に沿って投射される。本方法は通常、検査対象物と放射光検出に使用される手段との間に空間フィルタ手段を介在させるステップを含む。フィルタ手段は照射域から反射された放射光とゴースト像の放射光を識別する役目を果たし、所望の放射のみを透過させるための絞りが必要な寸法を与えられ、構成され、配置されている。
【０００９】
本方法には、検出された照射域の放射強度が測定される追加のステップが含まれ、有利である。検査対象物表面の反射を決定するために、さらなるステップを行ってもよい。特に、そのようなステップには以下が含まれる：測定位置において既知の反射率を有する参照サンプルと検査対象物とを交換し、そして同じ照射条件の下で前述の測定ステップを参照サンプルに対し行うことである。上記測定された検査対象物と参照サンプルの放射強度の比率に、既知の参照サンプルの反射率を乗じて検査対象物の反射率が決定される。
【００１０】
本発明のその他の目的は、検査対象物の光学的測定を行う装置の供給によって達成することができ、それには以下が含まれる：
測定位置で検査対象物を支持する手段と、
支持手段により支持され、少なくとも１つの放射光線を検査対象物の選択された面上に斜めに投射する手段と、
ここに１つの光線は検査対象物の選択された表面に少なくとも１つの照射域を作り出すようにフォーカスされ、
選択面の他の領域から放射されているゴースト像放射光を実質的に除外しながら、照射域から反射された放射を検出するための手段。
照射域は、光線の主光の方向に対して実質的に垂直な方向に長く、それに実質的に平行な方向には比較的短い。
【００１１】
投射手段は、一般に前述の角度条件を満たす経路に沿って光線を投射するよう構成され、投射手段は通常、赤外線、可視および／または紫外線放射光の光源を含む。好適には、装置はＦＴＩＲ分光装置よりなる。空間フィルタ手段は通常、放射源と検査対象物支持手段の間に作動可能に挿入され、空間フィルタ手段は有利なことに、放射源からの放射を透過する、少なくとも１つの一般的なスリット状開口部を画定する。検出手段は、通常、放射光検出器および、検出器と支持手段の間に作動可能に挿入された空間フィルタ手段を含み、そのフィルタ手段はまた有利なことに、検査対象物の選択された表面上の少なくとも１つの照射域から反射した放射光のみを実質的に透過する、少なくとも１つの一般的なスリット状開口部を画定する。投射手段および検出手段は共に通常、焦点用の光学装置を有し、ここに投射光線は検査対象物の選択された表面上の焦点面にフォーカスされ、照射域から反射された放射光は像平面にフォーカスされる。
投射手段は好ましくは、複数の照射された互いに間隔を空けた照射域を生成し、また複数のフォーカスされた光線を生成してもよい。最後に本装置は好ましくは、検出手段によって検出された放射光の強度を測定する手段を含む。更に好ましくは、検査対象物の選択された表面及び、既知の反射率値を有する参照サンプルから反射された測定された放射光の強度を利用して、検査対象物の選択された表面における反射率を決定する手段をさらに含み、反射率を決定する手段は電子データ処理手段を含む。
【００１２】
（好ましいまた図示された実施形態の詳細説明）
添付の図を詳細に見ると、図１は、裏面反射の抑制の本概念を概略的に説明するもので、第１のプレート１０（図６の平面図参照）が照射スポットまたは範囲を決める視野絞り孔１１を提供し、類似した第２のプレート１２が正面からの光を受け、裏面ゴースト反射を抑制する絞り１３を提供する。典型的に、光源１４から発生した赤外線または紫外線／可視光光源の光は光源絞り１１上にフォーカスされ、そして焦点素子１６によってサンプル前面ＳF上に像が作られる。面ＳFからの反射光は素子１８によって再フォーカスされ、絞り１３を通って、検出器２０に至る。裏面ＳBからの反射光は、絞りを囲むプレート１２の表面領域によって検出器２０から遮蔽される。
【００１３】
適切な絞りサイズの選択は、前面と裏面からの反射光其々の検出器側有孔面での分離に依存し、また分離は屈折率、ウエハの厚さ、および特定の光線の入射角に依存する。最大の分離を有する最適な成果は、多くの場合入射角が４５°で達せられるが、他の入射角でも、際立った分離が存在する（検査対象物面に垂直の角度から１５°〜７５°の範囲内）。適切なサイズの孔を使用することにより、また入射角の範囲を適切に限定することにより、裏面反射光は完全に抑制することができる。
【００１４】
抑制のレベルを達成するためには、使用される孔の寸法は、典型的には数百ミクロン程で、それにより通常、低い信号対雑音比を得る。前面および裏面から反射される光の分離は１次元であり、そのため、細長いスリット状の孔は効果的に裏面反射を遮蔽し、一方で光線の信号レベルを増加させることができる。これは図２Ａに図示されており、実線の長方形２２が前面ＳF上に照射されたスリットを示し、点線の長方形２２'は、裏面ＳBからのゴースト反射像を示している。該図はまた、長方形２２の縦軸および面ＳFの双方に対し垂直な中間面ＭＰを図示している。
【００１５】
細長いスリット孔の使用は、信号対雑音比を著しく高め、測定時間を短縮する。これが起こるためには、入射光線は、選択的に検査対象物に対し直角の角度から１５°から７５°の円錐面の間で、かつ中間面に対し＋４５°および−４５°に配置された面の間に画定された立体角内に限定され、またそれに平行である。探査光線の主光の入射面は中間面と一致し、または少なくとも実質的に一致するのが１番望ましい。（例：その±１０°の範囲内）
【００１６】
本発明の複数の細長いスリット孔を使用すると、図２Ｂに示すようにスリットのサイズと交互分離が適切であれば、効果的に裏面反射（またはその他の異常反射）を遮蔽でき、またシステムのＳＮ比を更に高めることができることがわかっている。つまり、最高の結果を得るためには、ゴースト像と前面の照射域が重なってはならない。また検出用のスリット孔の代わりに検出アレーを使用してもよく、それにより測定スポットをデータ獲得ソフトウェア内で単数または複数のスリット領域の間で選択できる。
【００１７】
前述のように、本方法は透過および非透過基板上の薄膜層の光学測定の実施に広く応用することができる。光学システムは、一般に、光源、検出器、分光器、裏面（またはその他の表面より下の構成物）からの反射を消去することができる孔を持った光学的配置、分光器からスペクトルを得るソフトウェア、そしてモデルに基づいた薄膜分析を行うスペクトル分析ソフトウェアからなる。
【００１８】
実施例１
ＦＴＩＲ反射率測定
図３は、透明および非透明基板の膜層を測定できるＦＴＩＲ反射率計の光学的配置を示すものである。システムは、ＦＴＩＲ反射率計２４、赤外線検出器２６、ソース絞り面２８、検出絞り面３０、一般的に３２として表される、オフアクシスパラボラ鏡３４および平坦鏡３６の装置からなる対物レンズ、そして５つのオフアクシスパラボラ鏡３４からなる。分光器２４から出た平行な赤外線光線は、ソース絞り２９上にフォーカスされ、対物レンズ３２によってウエハＷの面上に像が作られる。ウエハＷの前面Ｓ_Fから反射された光は、検出絞り３１を通り、検出器２６によって検出され、裏面Ｓ_Bから反射された光は、絞り３１の周りのプレート３０の端によってブロックされる。
【００１９】
操作中は、典型的に、最初にドープされていないシリコンウエハＷをウエハ台３８に置き、ウエハ台３８および／または対物レンズ３２の位置の最適化によりシグナルを最大化して、反射スペクトルの測定を行う。サンプルウエハはウエハ台上で置換され、レンズでフォーカスし、サンプルスペクトルが測定される。非ドープシリコンの光学的特性は周知のため、サンプル反射は、容易に測定することができる。反射スペクトルは、モデルに基づいたソフトウェアを使用して分析され、厚さ、誘電機能、そしてドープ濃度などの薄膜の要素が得られる。前述の細長い絞りが、本図のシステムに使用でき、測定のＳＮ比を高めることができる。
【００２０】
本システムの利点の１つは、従来の技術に比べ短時間で正確な測定が行えることにある。異常な反射寄与を抑制または除去することができるため、本システムは参照として反射が知られている、用意に手に入る表面（例：非ドープシリコン）の使用しか必要とせず、より単純な較正（基準化）の手順しか必要としない。多くの従来の業務では目標とする装置と同じ測定システムで基準化を行う必要がある。最近、オンラインテクノロジー社（コネチカット州、イーストハートフォード）が、成分範囲を含む対のフィルムを、安価でパターンを施していないシリコンに堆積させるような、比較的シンプルな基準化サンプルを使用した基準化のルーチンを発表した。しかしそのようなシステムを使用しても基準化はそれぞれの装置で実施されなければならない。ＩＲ範囲に応用すると、本発明においては、高度に鏡面仕上げで軽くドープされたＳｉ表面（１×１０¹⁶ｃｍ^-3以下）が反射率に関しては、実質的に同一であるため、異なったＳｉ成分が参照表面として互換して使用できる。
【００２１】
色収差を除去するには反射焦点レンズを使用して赤外線システムを構成すると特に好都合である。そうすることにより、赤外線分光測定に利点があるだけではなく、ウエハのパターン認識システムにビデオ部品を組み入れることができるようになる。例えば、図３のシステムでは、可視光源４０（２０Ｗハロゲンランプから成る）およびＣＣＤカメラ４２が適切なフォーカス部品（不図示）とともに組み入れられている。赤外線が光源および検出絞り２９および３１を通り、ハロゲンランプ４０から出された可視光線が、ソース絞りプレート２８にフォーカスされ、反射されると、対物レンズ３２により、像がサンプル面Ｓ_F上に形成される。面から反射された光は、検出絞り３１上に再フォーカスされ、絞りを規定するプレート３０により反射され、ＣＣＤカメラ４２により検出される。この構成により、赤外線反射率計の測定スポットは、ビデオ像で暗く現れる。典型的な集積回路の構造は測定可能な長方形域を含み、前述のビデオシステムを使用し、パターン化されたウエハの細長い測定スポットの位置決めに便利である。
【００２２】
オートフォーカス仕組みもこのシステムに組み入れ、対物レンズまたはサンプルを垂直方向に調整して迅速なフォーカスを行うことができる。この特徴は、高いＳＮ比および短い測定時間を提供し、ウエハ上に構成される薄膜の厚みの分布マッピングを高速に行うことができ、特に薄膜の測定で好ましい製造工程調整の情報を提供することができる。
【００２３】
半導体製造工程におけるインライン測定法の供給は、調整工程の迅速化やフォルト検出だけではなくフィードバック管理をより厳密にし、運転費を削減し、モニターウエハの使用を減らすことができる。効果的なインライン測定技術の鍵は、工程ステップにおいてウエハの特定を迅速に非破壊的に行える測定手段の開発にある。本発明で述べられている光学システムによって実現されるオートフォーカス用の対物レンズの移動は、多くの応用で利点があるが、ウエハ台の移動が好ましくないような状況においてウエハを動かすインライン測定法に特に有益である。そのうえスリット絞りを使用することによって達成されるエネルギーの高スループットのために、適当なＳＮ比を保ちつつ長い焦点距離の鏡を使用することができるため、それによりインライン測定法の可能性を高める長い作業距離を確保することができる。
【００２４】
本実施例はＦＴＩＲ反射率測定の効果的な配置を説明するものであるが、他の光学レイアウトにも応用ができ、オンアクシス鏡および／またはレンズを使用することも可能である。前述のコンセプトは、さらに赤外線以外の紫外線または可視光線などのスペクトル範囲での反射計へも応用可能である。
【００２５】
実施例２
ＦＴＩＲ偏光解析測定
図４は、透明または非透明基板上の薄膜層のＦＴＩＲ偏光解析測定用の光学レイアウトの構成を説明するものである。図３のシステムと共通の構成要素は（後述の図５のシステムと共通のものについても）同じ番号で示してある。前述の反射率測定用の光学構成部品に加え、偏光を検出するために２つの偏光子４４および４６、光学遅延素子・鏡調整が偏光光の生成および検出についてこのシステムでは使用されている。入射角が特定の装置に最適化されるように前述の異なった対物レンズ３２を代わりに使用してもよい。これについては、入射角がブリュースター角の値に近いと、典型的に高い感度が得られる。
【００２６】
図４のシステムの１つの実施例としては、光源偏光装置４４を入射面に対し４５°に設定するものである。焦点位置にあるサンプルＷおよび遅延位置にある鏡４８で、検出偏光子４６の角度をそれぞれ０°、４５°、９０°および１３５°に設定して４つのスペクトルをそれぞれ測定する。４つのスペクトルはまた、平坦鏡４８を遅延素子５０に代え、検出偏光子の角度を同じ４つの角度に設定にして測定する。光学要素のΔおよびσもスペクトルから特定することができるため、薄膜の厚さおよび光学特性を測定するモデルに基づいたソフトウェアを使用して、獲得し、分析することができる。典型的には、システムの基準化には金めっきウエハが使用される。
【００２７】
偏光解析測定技術の使用は、より薄い膜層を検出し、検出限界が低い点、つまり光学定数および層厚の測定ができることで威力を発揮する。さらに、裏面反射を拒絶することにより、測定精度が改良され、従来の大型のスポットシステムに比べより良い光学モデルが達成される。他の光学測定手段が、必要とされる感度のレベルの提供に不十分であるため、超小型電子装置製造に関する本技術の使用は、より薄い膜が増加するにつれて増加するであろう。
【００２８】
裏面およびその他の反射を拒絶するここに開示した前述のコンセプトは、可視偏光解析測定にも拡張でき、そのＳＮ比を改良することができる。例えば、レンズが焦点素子として使用できるため、多くの光学構成がさらに使用可能である。
【００２９】
実施例３
高熱下における反射率および偏光測定
図５は、特に高温サンプルの反射率と温度の正確な測定にふさわしい光学レイアウトを示している。この設定では、赤外線または完全放射吸収体（黒体）光源５２からの平行な赤外線が電子チョッパ５４に導かれる。チョッパを通りすぎる光は、ソース絞り２９上にフォーカスされ、対物レンズ３２によってＷのサンプル表面に像が形作られ、前面Ｓ_Fから反射して検出絞り３１からＦＴＩＲ分光器２４を通り、最終的には検出器２５に到達する。サンプルは高温であるため、光源からの光とともに熱放射が検出される。一方、赤外線がチョッパ５４によって遮られると、サンプルからの熱放射のみが検出器２５に到達することになる。
【００３０】
電子チョッパの動きはＦＴＩＲ分光器２４の可動鏡と一致させ、鏡の前方向スキャンがチョッパの「開」位置に対応し、検出器２５が光源５２、高温サンプルＷ、および裏面から放射により生じた合成信号を集め、また裏面鏡スキャンがチョッパの「閉」位置に対応し、検出器が高温サンプルの裏面のみからの放射により生じた信号を集めるようにする。２つのインターフェログラムを集めることにより、チョッパが「開」および「閉」位置でそれぞれ受け取られた信号の検出ができるようになり、その関係に従って様々な温度においてサンプル反射率が測定できるようになる。
【００３１】
【化１】

ここで、Ｓ_openとＳ_closeは、それぞれチョッパが「開」および「閉」位置の時に検出器によって受け取られた信号であり、Ｃは、信号の経路補正であり、Ｒ_sourceはサンプル面における光源の放射輝度であり、ｒ_sampleはサンプルの反射率であり、Ｐ（Ｔ_sample）はサンプル温度におけるプランク関数であり、ε_sampleはサンプル放射率であり、そしてＢはバックグラウンド寄与率である。Ｃ、ＢおよびＲ_sourceは、反射率が知られているベアシリコンウエハを使用して基準化することができ、サンプル反射率は、式（２）から式（１）を引くことにより求められる。
【００３２】
【化２】

ここで、ｒ_sampleは透明および非透明基板の薄膜層のサンプル反射率である。
【００３３】
サンプルの基板が非透明である場合には、ε_sampleは１−ｒ_sampleに等しく、サンプル温度は式（２）から求めることができる。加熱装置に基準化された熱電対がある場合には、サンプル温度の特定にそれを使用してもよい。例えば、Ｐ＋シリコンウエハを熱電対の基準化用に使用することができ、非ドープシリコン基板上の膜層の温度を特定することができる。この方法では、サンプル放射率を測定するため、その他の技術を使用して得る場合よりも、温度特定がより正確である。
【００３４】
反射率と温度を同時に測定できる能力は、非常に重要である。何故ならば多くの半導体製造工程は当然、高温化で行われるからである。例えば、フォトレジストの軽焼および硬焼処理中に起こる化学変化の理解および管理は、集積回路の製造および新しいフォトレジストの開発における秘訣となる。スピンオン、低Ｋ誘電体は、高温焼が必要である。そのため、温度と反射率の測定は、前述のモデルに基づいた薄膜分析ソフトウェアと組み合せて、新規のフォトレジストおよび低Ｋ誘電体の開発に必要な手段を提供する。
【００３５】
点線で囲まれる５６および５８に示されるように、高温下におけるサンプルの偏光解析測定をするために、実施例２に示されたこれに類似した手順を使用し、偏光子および遅延素子は図５に示されるシステムに統合されてもよい。特定の偏光角度における反射率は、上記の式（３）を使用して求められる。
【００３６】
ここで使用されているように、「主光線」は入射光線が含まれるすべての光線のベクトルの合計をなすものである。それぞれの光線のベクトルは、光線方向に平行であると定義され、光強度により振幅が与えられる。
【００３７】
また、図中の照明域は実質的に、長方形であるが、実際に製造される領域は、曲線および／または不規則な形を有することは理解されるべきである。本質的に本発明は、どの照射域でも比較的長細いと仮定し、そのような領域から反射された放射がゴースト像やその他の照射域と重なって、ゴースト像放射をもっぱら発出する反射放射の効果的な検出に必要な識別の妨げにならないようにするものである。
【００３８】
本発明で開示された特定の方法および装置は、本発明の範囲内では、多くの変形がとれる。サンプルを探査する光線を提供する手段（例：光源レンズ付光源）で、鮮明なＩＲ光線を形作るためにレンズおよび／または鏡のシステム付ＩＲ／ＮＩＲ光源を構成することが望ましい。代わりに紫外線／可視光源を使用してもよい。さらに詳しくは、光源および光源レンズで、変調光、クォーツハロゲンＵＶ／ＶＩＳ／ＮＩＲ光源、ジュウテリウム光源またはレーザ光源の平行光を生成するＦＴＩＲを構成してもよい。
【００３９】
光を絞り上にフォーカスするパラボラ鏡組立部品、または長方形の領域に四角い領域の像を作れる非球面鏡組立部品が特定の焦点レンズに含まれる。希望する照射パターン用の特定の絞りには、サンプル上の小域を照射するのに使用できる小円または角型絞りが含まれる。細長い（例：長方形）絞りまたはスリットがサンプル上に比較的細長い領域を照射するのに使用することができる。ゴースト像のすべてが、仕掛品の表面の照射された縞の間にくるように間隔を空けた平行アレーの縞を照射できる細長い絞りの平行アレー、または非球面レンズを使用してサンプル上に細長い照射パターンをフォーカスできる大型の正方形または長方形の絞りなどがその例である。可視周波数を透過するガラスおよびその他の基板用に最適化されたシステムは、ＵＶ／ＶＩＳ／ＮＩＲ光源をリニアファイバーリボンと組み合せ、細長い照射パターンを作ることができる。これは、サンプル上に斜めに入射する像となる。光は集められてリニアファイバアレーに再フォーカスされ、格子分光計に導かれる。偏光レンズおよび遅延素子は、偏光子に依存する測定および偏光解析法を実行するためにオプションで設置することができる。この配置および構成は、実施例２および図４に決して限定されるものではない。
【００４０】
像検出器およびソフトウェアルゴリズムを使用したゴースト反射の除去は、照射像からの反射光およびゴースト放射の発出との間に作られた空間分離によって可能となる。このような実施例では、反射光はゴースト像から発出された光と比べて異なった画素を照射し、画像処理ソフトウェアを使用して、検出された放射による照射画素を選択する。
【００４１】
本発明の装置は、またサンプルを光学組立部品から隔てる手段を含んでもよい。それにより、反応性または腐食性環境や真空内でのサンプルの測定をすることができ、光学システムによる汚染からサンプルを保護し、サンプル周囲の雰囲気による汚染または侵襲からレンズ類を守ることができる。そのような手段は、焦点レンズおよびサンプルの間に窓を設置する形をとることができる。それにより真空を保つことができ、粒子やその他の汚染等の侵入を防ぐ。典型的なＩＲ透明窓にはＺｎＳｅやＣａＦ₂が含まれ、赤外線波長のサンプル面に対し、平行に設置される。焦点鏡の位置は、窓を通してサンプルに斜めに光をフォーカスするとともに、異常を最小限に抑えるために調整される。そのため、作業距離が最大化されることになる。また、窓は、光線に対し垂直方向に修正でき、窓の材質に合わせてカスタマイズされる鏡を使わずに異常を最小限に抑えることができる。
【００４２】
仕掛品上に、システムが適切にフォーカスできるように保証し、サンプルの高さの多様性に対応できる手段の中には、サーボ管理型オートフォーカス機構が含まれる。そのような機構には、サンプル面に対して垂直な、ほぼ平行な光線として光が対物レンズへと結合され、対物レンズは、焦点スポットの縦方向位置を変更するためにこの垂直方向に沿って、希望する高さ、通常はサンプル面へと移動する。焦点は、インタフェース層またはサンプルに埋まる欠陥等の構造と一致するよう位置付けることができる。オートフォーカス機構は、打込みネジ（ネジ釘）、ボイスコイル、圧電性またはその他のリニアアクチュエータ等の組み合せにより精度サーボ管理垂直台を作動させることができるものである。サーボ管理は、サンプル表面を焦点スポットが通過すると信号が変化するセンサーを使用してもよい。検出器に検出される測定光線と共焦のレーザ光線は、サーボループオートフォーカス信号に相応しい光源を提供する。基板が不透過になるようなレーザ波長が選択された場合には、サンプル表面にレンズがフォーカスされるときにオートフォーカス信号が最大化される。また、オートフォーカス信号は、サンプルから反射される探査光線の信号強度、サンプルおよび光学組立部品の距離を測定する干渉計、サンプル／レンズ間の距離を測定する静電容量センサ、またはサンプル／レンズ間の距離を測定するＣＣＤ像の絞り位置を使用してもよい。可視光源およびカメラは、光学システムに統合され、前述のようにウエハパターン認識手段を提供してもよい。
【００４３】
最後に同じ表面の探査用にＵＶ／ＶＩＳ／ＮＩＲ／ＭＩＲの組み合せ等の２つ以上の光学技術を統合してもよい。例えば、表面は、通常または斜めの入射角度でのＵＶ／可視光で直接照射し、ＵＶ／ＶＩＳ検出器を使用して反射光を検出してもよい。また、主光線内に小域鏡を設置し（信号への影響を最小限にする）、ＵＶ／可視光源からの光がサンプル表面にフォーカスされるようにしてもよい。他の小鏡を排出光線内に設置すると反射光がＵＶ／ＶＩＳ検出器に届くようになる。
【００４４】
このようにして、本発明の前述および関連する対象は本明細書に説明される方法および装置の供給によって達成することができる。また、特に、前述のように本方法および装置は現存する光学測定装置や方法の限界や欠陥を回避または最小化するもので、超小型電子装置、太陽熱変換装置、磁気記憶装置、およびその他の類似する装置の製造中または後に製造される薄膜の層、インタフェース、および表面の特性管理を可能にする。透明または非透明基板、およびその他の仕掛品上の薄膜層の光学測定を実行する手段が提供され、共焦光学配置に基づいて構成物内のその他の部品によるゴースト反射と同様に裏面ゴースト反射を拒絶する。本発明の方法および装置は、膜層およびその他の構成物の上面および表面下の物理的および成分的要因の正確な光学測定が可能であり、高いエネルギースループットレベルを提供し、その結果良好なＳＮ比を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のおよその構成観念を具体化した基本システムの概略図である。
【図２Ａ】 細長い絞りを持つ空間フィルタを使用した透過基板の上面に投射された照射域または像の位置に相対する裏面ゴースト反射像の変化を説明する概略図である。
【図２Ｂ】 細長い絞りを３つ持つ構造を使い作成されたゴースト反射像の変化を示す概略図である。
【図３】 ゴースト反射を抑制できる、本発明を具体化した光学反射率測定システムを示す概略図である。
【図４】 偏光解析測定に適用された、本発明を具体化した光学システムを示す概略図である。
【図５】 反射率と温度が測定できる、本発明を具体化したもう１つの光学システムを示す概略図である。
【図６】 本装置で利用されている、細長い絞りを持つ空間フィルタの概略図である。

Claims (28)

1. （ａ）少なくとも１つの放射光の光線を検査対象物の１つの表面上に投射するステップと、
   ここに前記光線は、前記１つの表面に少なくとも１つの照射域を生成するようにフォーカスされ、前記１つの照射域は１方向に細長く、かつ前記１方向に実質的に垂直な方向に比較的短くなっていて、
   ここに前記光線は、前記１つの照射域の中間に位置し、前記照射域の長軸方向および前記１つの表面に対して垂直である１つの面に対し、方位的に＋４５°〜−４５°の範囲の角度で配置される経路に沿って投射され、
   ここに前記経路はさらに、検査対象物の前記１つの表面に対し垂直の角度から、約１５°〜７５°の角度に配置され、
   （ｂ）前記１つの照射域から反射された放射光を検知するステップと、
   ここに前記検査対象物は、前記１つの表面の下に、前記放射光の光線を反射して前記１つの照射域のゴースト像を前記１つの表面上に生成する少なくとも１つの表面下の構造物を有し、
   からなるステップを含む測定位置に配置された検査対象物の光学測定を行う方法であって、
   ここに前記検査対象物は少なくとも１つの実質的に非散乱性で反射性の表面と、厚み寸法を有し、
   （ｃ）前記１つの照射域と前記ゴースト像との重なりを避けるための照射条件を提供するため、検査対象物と放射光の検出手段の間に空間フィルタ手段を介在させ、そして前記検査対象物と前記空間フィルタ手段の間に再フォーカス手段を介在させるステップを含み、
   ここに前記空間フィルタ手段は、ステップ（ｂ）において前記１つの照射域によって反射され、そして前記再フォーカス手段により再フォーカスされた放射光が、実質的に前記ゴースト像の放射光を除外して検知されることを可能にする、少なくとも１つの一般的にスリット状の孔を画定する、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記１つの表面が前記検査対象物の最も上の面であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記１つの表面が前期検査対象物の前記最も上の面より下に位置することを特徴とする、
   請求項１に記載の方法。
4. 前記検査対象物が基板および前記基板上の少なくとも１つの追加材質層からなり、前記１つの表面は、前記少なくとも１つの追加層と下部構造の境界面に位置することを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 前記１つの表面下の構造物が前記検査対象物の裏面をなすことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
6. 前記１つの表面下の構造物が前記検査対象物の厚み内に設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
7. 前記検査対象物が基板および前記基板上の少なくとも１つの追加材質層からなり、前記１つの表面下の構造物が、前記少なくとも１つの追加層と下部構造との境界面に位置することを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 前記少なくとも１つの光線は赤外、可視および紫外のスペクトル領域のうちの少なくとも１つからなることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
9. 前記検査対象物が、半導体材質のウエハを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
10. 前記検査対象物が、半導体材質の基板からなり、少なくとも１つの追加材質層が前記１つの表面をなすことを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. 前記少なくとも１つのフォーカスされた放射光の光線を投射するステップは、複数の前記照射域および対応する複数の前記ゴースト像を前記１つの表面上に形成し、前記照射条件は、前記照射域と前記ゴースト像が前記入射面にそって交互に配置され、前記域と像のいずれか２つが重ならないように十分な間隔を取って配置されるようにする、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
12. 複数の前記放射光の光線は、前記少なくとも１つの照射域を形成するため投射されフォーカスされ、前記少なくとも１つの光線は前記主光線を含み、そして全ての前記光線は配置された経路に沿って投射されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
13. 前記フィルタ手段が前記反射された照射域の放射光のみを透過するように寸法を決められ、構成され、配置された開口部を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
14. 前記ステップ（ｂ）において検出された前記放射光の強度を測定する追加のステップ（ｄ）を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
15. 前記測定位置で前記検査対象物を既知の反射率を有する１つの参照サンプルと交換し、そして前記照射条件下で前記参照サンプルに対して前記ステップ（ａ）、（ｂ）および（ｄ）を行うステップ（ｅ）と、前記ステップ（ｄ）で測定された前記検査対象物対前記サンプルの放射光強度の比率に前記既知の反射率を乗じ、これにより前記少なくとも１つの検査対象物の表面の反射率を求めるステップ（ｆ）の追加ステップをさらに含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 測定位置で検査対象物を支持する手段と、
    前記支持手段により支持され、少なくとも１つの放射光線を検査対象物の選択された表面上に斜めに投射する手段と、
    ここに前記１つの光線は前記検査対象物の選択された表面に少なくとも１つの照射域を作り出すようにフォーカスされ、
    前記照射域は、光線の主光の方向に対して実質的に垂直な方向に長く、それに実質的に平行な方向には比較的短く、
    前記支持された検査対象物の選択された面の前記少なくとも１つの照射域から反射された放射を検出するための手段と、
    からなる検査対象物の光学測定を行う装置であって、
    空間フィルタ手段が前記検査対象物と前記放射を検出するための手段との間に作動可能に挿入され、また、再フォーカス手段が前記検査対象物と前記空間フィルタ手段との間に作動可能に挿入され、
    前記空間フィルタ手段は、前記１つの照射域以外の選択面の領域から発出される入射光線の、反射され、再フォーカスされた放射成分を実質的に除外するため、少なくとも１つの一般的スリット状の開口部を画定することを特徴とする装置。
17. 前記投射手段が、前記１つの照射域の中間に位置し、前記照射域の長軸方向および前記選択された検査対象物の表面に対して垂直である１つの面に対し、方位的に＋４５°〜−４５°の範囲の角度で配置される経路に沿って光線を照射するように構成され、ここに前記経路はさらに、検査対象物の前記１つの表面に対し垂直の角度から、約１５°〜７５°の角度に配置されることを特徴とする、請求項１６に記載の装置。
18. 前記投射手段が、赤外線、可視光線、および紫外線スペクトル範囲のうちの少なくとも１つの放射光源を含むことを特徴とする、請求項１６に記載の装置。
19. 前記投射手段が、前記放射光源と前記支持手段の間に作動可能に挿入されたさらなる空間フィルタ手段を含むことを特徴とする請求項１６に記載の装置。
20. 前記さらなる空間フィルタ手段が、前記放射光源からの放射を透過する、少なくとも１つの一般的なスリット状開口部を画定することを特徴とする請求項１９に記載の装置。
21. 前記少なくとも１つの一般的なスリット状開口部は前記検査対象物の選択された表面上の前記少なくとも１つの照射域から反射した放射光のみを実質的に透過することを特徴とする請求項１６に記載の装置。
22. 前記投射手段および前記検出手段が、前記検査対象物の選択された表面上の焦点面に前記投射光線をフォーカスする光学装置と、前記少なくとも１つの照射域から反射される放射光を１つの像平面にフォーカスする光学装置をそれぞれ有することを特徴とする、請求項１６に記載の装置。
23. 前記投射手段が、互いに間隔を空けた複数の照射域を生成することを特徴とする請求項１６に記載の装置。
24. 前記投射手段が、前記少なくとも１つの照射域を生成するようフォーカスされる複数の光線を生成することを特徴とする、請求項１６に記載の装置。
25. 前記検出手段に検出された放射強度を測定する手段をさらに含むことを特徴とする請求項１６に記載の装置。
26. 前記検査対象物の選択された表面及び、既知の反射率値を有する１つの参照サンプルから反射された前記測定された放射の強度を利用して、前記検査対象物の選択された表面の反射率を決定する手段をさらに含むことを特徴とする、請求項２５に記載の装置。
27. 前記測定手段および前記決定手段が、電子データ処理手段を含むことを特徴とする請求項２６に記載の装置。
28. フーリエ変換赤外線（ＦＴＩＲ）分光器を含むことを特徴とする請求項１６に記載の装置。

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