JP6975237B2 - 差分偏波干渉法によりエッチング深さを測定する方法及び器具ならびにかかる測定器具を含むグロー放電分光分析装置 - Google Patents

Description

本発明は一般に、光学測定に基づくｉｎ−ｓｉｔｕエッチング深さ測定装置及び方法に関する。

より正確には、本発明は差分偏波干渉法技術に基づくｉｎ−ｓｉｔｕエッチング深さ測定装置及び方法に関する。

本発明は特に、グロー放電分光分析法により材料を分析するためのシステム又は方法に適用され、この分析はサンプル内へのエッチング深さに応じて分解される。

本発明はより詳しくは、グロー放電（ＧＤ）がそこに連結された発光分光分析法（ＧＤ−ＯＥＳ）による、又は質量分光分析法（ＧＤ−ＭＳ）による分析器具に基づく元素分析システム又は方法に適用される。したがって、本発明は、グロー放電分光分析法（ＧＤＳ）のための装置と方法に関し、これはこのグロー放電プラズマに暴露されたサンプルのエッチング深さをｉｎ−ｓｉｔｕで測定する。

本文書において、エッチング処理とは、材料又は中実サンプルをプラズマに、イオン衝撃に、液相もしくは気相化学処理に、又はプラズマ気相化学処理に暴露させることを意味する。エッチング対象材料の組成により、このエッチングの実行には異なるイオン前駆体、液体及び／又はガスが使用されてよい。

薄膜材エッチング処理は、マイクロエレクトロニクスにおいて、又は薄膜電子デバイスを形成するための太陽電池セルの製造において一般的に使用されている。

エッチング処理中に時間に応じてエッチング深さをｉｎ−ｓｉｔｕで制御するための反射測定に基づく測定器具がある。それゆえ、仏国特許第２７６００８５ Ａ１号明細書の文献から、偏波カメラデバイスが知られている。しかしながら、これらの測定器具の精度と信頼性を向上させることが望ましい。

薄膜材料又は層のエッチングはまた、これらの材料の組成を分析する役割も果たす。それゆえ、グロー放電分光分析法は、均質又は多層中実サンプルの元素及び／又は分子化学的組成の分析を可能にする測定技術である。この測定は、サンプルの中核で行われるか、深さ分解型であってもよい。グロー放電分光分析法は、均質なサンプルの組成を分析するために一般的に使用されている。グロー放電分光分析法はまた、中実材料又は薄層の積層体からなるサンプルのエッチング深さに応じた組成プロファイルを分析するためにも使用される。

グロー放電分光分析法の原理は、サンプルのある面の限定的な範囲をエッチングプラズマに暴露させることにある。プラズマはサンプル表面から原子を分離させ、それを電離又は励起電子状態にする。これらの原子の性質は、プラズマ発光スペクトル及びプラズマ中に生成されたイオンの質量スペクトルを分析することにより特定されてもよい。原子がプラズマに暴露された表面から分離されると、プラズマへの暴露時間に応じてサンプル表面にクレータが作られる。それゆえ、質量分光分析法又は発光分光分析法による信号をエロージョン時間に応じて分析することにより、エッチング時間により分解されたサンプルの組成を得ることができる。

しかしながら、エッチング速度は一般に、エッチングプロセス中に変化する。エッチング速度は、特にサンプルのうちプラズマに暴露された領域の組成に応じて、例えば積層体中の異なる薄層の組成及び／又は構造に応じて、またプラズマの始動に関連付けられる過渡的現象に応じて変化する。

ここで、エロージョンプラズマ中の時間に応じてだけでなく、プラズマにより生成されるエロージョンクレータの深さに応じて組成を分析することが望ましい。

時間に応じたエロージョンクレータの深さを測定するために、様々な方法がある。

今日最も使用されている方法は、既知の組成の参照サンプルのエロージョン速度のキャリブレーションに基づくものである。このキャリブレーションは、異なる参照サンプルに対して異なる測定を行うことを必要とし、例えば、検討されている層又は材料の既知の、及び／又は均質な比重等の仮説をもとにしている。得られる結果の精度は、依然として不確実である。

特に、国際出願第２０１５／１６６１８６ Ａ１号パンフレットの文献から、グロー放電分光分析装置と組み合わせたエッチング深さ測定システムが知られている。より正確には、プラズマに暴露される第一の領域のエッチング深さの測定では、各時点で、サンプルのうち、プラズマから保護される第二の基準領域が深さゼロの基準とされる。そのようにして、測定はエッチングチャンバの膨張によって影響を受けない。

それでもなお、暴露される層の性質により、エッチング深さの測定にはエラーが見られる。これらのエラーは、数百ナノメートルから数マイクロメートルの小さいエッチング深さに対応する数値から見て比較的重大である。

最新技術の上述の欠点を改善するために、本発明は、差分偏波干渉法により時間に応じたエッチング深さを測定する方法を提案し、これは、
−光ビームを第一の入射ビームと第二の入射ビームに分割するステップであって、第一の入射ビームはサンプルのうちエッチング処理に暴露される第一の領域に向けられて第一の反射ビームを形成し、また、第二の入射ビームはサンプルのうち第二の領域に向けられて第二の反射ビームを形成するステップと、
−第一の反射ビームと第二の反射ビームを再結合して干渉ビームを形成するステップと、
−干渉ビームを少なくとも相互に直交する第一の偏波成分と第二の偏波成分に偏波分割するステップと、
−時間間隔（ｔ０，ｔ１）にわたり、時間（ｔ）に応じて、第一の偏波成分に関する第一の干渉強度信号と第二の偏波成分に関する第二の干渉強度信号を検出するステップと、
−第一の干渉強度信号と第二の干渉強度信号の線形結合の関数として第一の差分偏波干渉信号を計算するステップと、
−時間間隔（ｔ０，ｔ１）にわたる第一の差分偏波干渉信号の第一の下側包絡関数と第一の上側包絡関数を計算するステップと、
−時間間隔（ｔ０，ｔ１）の各時点（ｔ）において第一の下側包絡関数と第一の上側包絡関数の和の半分と等しい第一のオフセット関数を特定するステップと、
−時間間隔（ｔ０，ｔ１）の各時点（ｔ）において第一の下側包絡関数と第一の上側包絡関数の差の半分と等しい第一の正規化関数を特定するステップと、
−第一のオフセット関数と第一の正規化関数を第一の差分偏波干渉信号に適用して、時間間隔（ｔ０，ｔ１）の各時点（ｔ）における第一の局所正規化偏波干渉関数を形成するステップと、
−前記時間間隔（ｔ０，ｔ１）にわたる時間に応じた光学位相シフト測定を第一の局所正規化差分偏波干渉関数から抽出するステップと、
−光学位相シフト測定から時間に応じたエッチング深さを計算するステップと、
を含む。

この方法により、偏波干渉信号の平均及び振幅の局所的（時間的な意味）又は瞬時正規化が可能となる。それゆえ、抽出された位相シフト測定は、より精密、より正確、かつより低ノイズである。

この方法により、エッチング表面の反射係数のばらつきをなくすことができる。

さらに、各時点ｔにおけるこの局所正規化は実時間推測と矛盾しないが、これは、オフセット及び振幅関数を各測定時点において評価できるからである。

有利な態様として、サンプルの第二の領域は基準領域であり、これは例えばフォトリソグラフィマスク等のマスクを含むか、エッチング処理に対して物理的に保護される。第二の領域のエッチングが第一の領域のエッチングに関して無視できることも考えられる。

本発明による方法の、個別に、又は技術的に可能なあらゆる組合せによって得られるその他の非限定的で有利な特徴は以下のとおり：
−干渉ビームを偏波分割するステップは、第三の偏波成分と第四の偏波成分をさらに生成し、前記第三及び第四の偏波成分は相互に直交し、第一、第二、第三、及び第四の偏波成分は相互に独立しており、方法は：
−時間間隔（ｔ０，ｔ１）上の時間（ｔ）に応じて、第三の偏波成分に関する第三の干渉強度信号と第四の偏波成分に関する第四の干渉強度信号を検出するステップと、
−第三の干渉強度信号と第四の干渉強度信号の線形結合の関数として第二の差分偏波干渉信号を計算するステップと、
−第二の差分偏波干渉信号の第二の下側包絡関数と第二の上側包絡関数を計算するステップと、
−時点ｔにおける第二の下側包絡関数と第二の上側包絡関数の和の半分と等しい第二のオフセット関数を特定するステップと、
−時点ｔにおける第二の下側包絡関数と第二の上側包絡関数の差の半分と等しい第二の正規化関数を特定するステップと、
−第二のオフセット関数と第二の正規化関数を第二の差分偏波干渉信号に適用して、第二の局所正規化差分偏波干渉関数を形成するステップと、
をさらに含み、
−前記時間間隔（ｔ０，ｔ１）にわたる時間に応じた光学位相シフト測定の抽出は、第一の局所正規化差分偏波干渉関数と第二の局所正規化差分偏波干渉関数との比から行われる。

特定の有利な態様によれば、第三の偏波成分と第四の偏波成分は、直線、又は円偏波成分から選択される。

特定の有利な態様によれば、第二の差分偏波干渉信号は、第三の干渉強度信号と第四の干渉強度信号との差を第三の干渉強度信号と第四の干渉強度信号の和で割ったものと等しい。

好ましくは、第一の偏波成分と第二の偏波成分は、直線、又は円偏波成分から選択される。

特定の有利な態様によれば、第一の差分偏波干渉信号は、第一の干渉強度信号と第二の干渉強度信号との差を第一の干渉強度信号と第二の干渉強度信号の和で割ったものと等しい。

特定の実施形態において、第一の、及び／又は第二の、下側包絡関数を計算するステップは、線形又は多項式補間のステップを含み、及び／又は第一の、及び／又は第二の、上側包絡関数を計算するステップは、線形又は多項式補間の別のステップを含む。

特に有利な態様として、方法は、包絡関数計算のステップの前に、第一の干渉強度信号及び／又は、第二の干渉強度信号をフィルタ処理するステップをさらに含む。

本発明はまた、光ビームを生成するようになされた光源と、光ビームを第一の入射ビームと第二の入射ビームに分割するようになされた光学ビームスプリッタであって、第一の入射ビームはサンプルのうちエッチング処理に暴露される第一の領域に向けられて第一の反射ビームを形成し、また、第二の入射ビームはサンプルのうち第二の領域に向けられて第二の反射ビームを形成するような光学ビームスプリッタと、第一の反射ビームと第二の反射ビームを再結合して干渉ビームを形成するようになされたビームコンバイナと、干渉ビームを少なくとも第一の偏波成分と第二の偏波成分に分離するようになされた偏波スプリッタであって、第一の偏波成分と第二の偏波成分は相互に直交する偏波スプリッタと、第一の偏波成分を受け取って、時間間隔（ｔ０，ｔ１）にわたる時間（ｔ）に応じた第一の干渉強度信号を生成するようになされた第一の検出器と、第二の偏波成分を受け取って、時間間隔（ｔ０，ｔ１）にわたる時間（ｔ）に応じた第二の干渉強度信号を生成するようになされた第二の検出器と、を含む差分偏波干渉計を提案する。

本発明によれば、差分偏波干渉計は、第一の差分偏波干渉信号を第一の干渉強度信号と第二の干渉強度信号の線形結合の関数として計算し、時間間隔（ｔ１，ｔ１）にわたる第一の差分偏波干渉信号の第一の下側包絡関数と第一の上側包絡関数を計算し、各時間ｔにおいて、第一の下側包絡関数と第一の上側包絡関数の和の半分と等しい第一のオフセット関数を特定し、時間間隔（ｔ０，ｔ１）の各時点ｔにおいて、第一の下側包絡関数と第一の上側包絡関数との差の半分と等しい第一の正規化関数を特定し、第一のオフセット関数と第一の正規化関数を第一の差分偏波干渉信号に適用して、第一の局所正規化差分偏波干渉関数を形成し、前記時間間隔（ｔ０，ｔ１）にわたる時間に応じた光学位相シフト測定を第一の局所正規化差分偏波干渉関数から抽出し、光学位相シフトに応じてエッチング深さを計算するようになされた計算機を含む。

特定の有利な実施形態によれば、差分偏波干渉計は、干渉ビームを第三の偏波成分と第四の偏波成分に分割するようになされた別の偏波スプリッタであって、第三の偏波成分と第四の偏波成分は相互に直交し、第一の偏波成分及び第二の偏波成分とは独立している別の偏波スプリッタと、第三の偏波成分を受け取って、時間間隔（ｔ０，ｔ１）にわたる時間（ｔ）に応じた第三の干渉強度信号を生成するようになされた第三の検出器（８３）と、第四の偏波成分を受け取って、時間間隔（ｒ０，ｔ１）にわたる時間（ｔ）に応じた第四の干渉強度信号を生成するようになされた第四の検出器と、をさらに含み、計算機は、第二の差分偏波干渉信号を、第三の干渉強度信号と第四の干渉偏波信号の線形結合の関数として計算し、時間間隔（ｔ０，ｔ１）にわたる第二の差分偏波干渉信号の第二の下側包絡関数と第二の上側包絡関数を計算し、各時点ｔにおいて、第二の下側包絡関数と第二の上側包絡関数の和の半分と等しい第二のオフセット関数を特定し、時間間隔（ｔ０，ｔ１）の各時点ｔにおいて、第二の下側包絡関数と第二の上側包絡関数との差の半分と等しい第二の正規化関数を特定し、第二のオフセット関数と第二の正規化関数を第二の差分偏波干渉信号に適用して、第二の局所正規化差分偏波干渉関数を形成し、前記時間間隔（ｔ０，ｔ１）にわたる時間に応じた光学位相シフト測定の、第一の局所正規化差分偏波干渉関数と第二の局所正規化差分偏波干渉関数との比からの抽出を実行するようになされる。

本発明はまた、上述の実施形態のうちの１つによる差分偏波干渉計を含むグロー放電分光分析装置にも関する。

最後に、本発明はまた、上述の実施形態のうちの１つによる差分偏波干渉計を、サンプルの第一の領域及び第二の領域の画像を形成するようになされた可視化カメラと組み合わせて含むエッチング制御機器にも関する。

例示的実施形態の詳細な説明
非限定的な例として示される添付の図面に関する以下の説明により、本発明が何であり、それをどのように実装できるかをよりよく理解できるであろう。

本発明のある実施形態による、選択的エッチング装置と組み合わされた差分偏波干渉計を概略的に示す。 偏波干渉測定とグローバル正規化処理から得られた時間に関する強度曲線を示す。 図２のグローバル正規化による強度曲線から計算された光学位相シフト測定を示す。 時間に関する、直線偏波Ｌと、また円偏波Ｃに沿った干渉強度の取得を示す。 偏波干渉強度の曲線上の極小値と極大値を特定するステップを示す。 図４で特定された、最小値の、また最大値の補間による、偏波干渉強度曲線の包絡線を計算するステップを示す。 局所正規化後の直線と、また円偏波に沿った干渉強度測定を示す。 図８及び９の局所正規化による強度曲線から計算された光学位相シフト測定を示す。 図７及び８の局所正規化による強度曲線から計算されたエッチング深さ測定を示す。 偏波カメラ機器の一例を概略的に示す。

本開示は特に、グロー放電プラズマ源のリアクタにおいて、サンプルエッチング中に得られる差分偏波干渉データを処理するための方法とシステムに関する。

図１は、サンプルの選択的エッチングのための装置６０を概略的に示す。この装置は、気相化学エッチングのためのリアクタでも、プラズマアシストエッチングのためのリアクタでもよい。特定の用途において、装置６０はグロー放電分光計のための放電ランプである。

サンプル１０は、選択的エッチング装置の上に、第一の領域１１が選択的エッチング処理に暴露され、サンプルの第二の領域１２がエッチング処理から保護又はマスクされるように設置される。この選択的エッチングは、第一の領域１１へと空間的に局所化されたエッチング処理の構成から得られてもよい。代替案として、装置は第二の領域１２をエッチング処理から選択的に保護し、第一の領域１１をエッチング処理に暴露させるようになされたマスク又はスクリーンを含む。他の代替案によれば、サンプルの第二の領域１２は、サンプルの表面上に堆積されたマスキング層を含み、サンプルがエッチング処理に暴露されたときに、このマスク層のエッチング速度は第一の領域１１のエッチング速度に関して無視できる。

図１に示される例において、サンプルは正規直交基準系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の平面ＸＹに配置された平坦面を含む。サンプルのこの面の法線は、軸Ｚに平行である。エッチング処理により、サンプル１０の第一の領域１１上に平底エロージョンクレータが生成されると仮定される。

時間に応じたエッチング深さ、すなわち軸Ｚに沿った第一の領域１１と第二の領域との間の距離ｄ（ｔ）を考える。エッチング処理への暴露時間に応じたエッチング深さｄ（ｔ）を正確に測定することが望まれる。

その目的のために、選択的エッチング装置６０は、ｉｎ−ｓｉｔｕエッチング深さ測定器具と組み合わされる。好ましくは、干渉ビームの４つの独立した偏波成分、好ましくは直交する２つの直線偏波成分と直交する２つの円偏波成分を同時に検出するように構成された偏波検出システムを含む偏波干渉システムが使用される。

偏波干渉システムは基本的に、光源１と、光源ビームを２つの分離された光路に沿って伝播する２つの入射ビームに分割する光学ビースプリッタ３と、サンプルの２つの異なる領域で反射した後に２つのビームを再結合する光学ビームコンバイナと、光源検出器スプリッタ５と、偏波検出システムと、信号処理システムと、を含む。

より正確には、図１のエッチング深さ測定器具は光源１を含み、これは例えばレーザ源又はレーザダイオードである。光源１は、好ましくはモノクロの、例えば６３５ｎｍ、又は７８０ｎｍ、５３２ｎｍ、４０５ｎｍの波長の光源ビーム２を発する。有利な態様として、光学アイソレータ２５が光源ビーム２上に設置される。例えばプレート型スプリッタタイプ（５０−５０）又は非偏波スプリッタキューブ等の光源検出器スプリッタ５は、光源ビーム２上に配置される。半波長板９により、光源ビームの偏波軸を方向付けることができる。光源検出器スプリッタ５は、光源ビーム２を半波長板９へと、及びその後、別のビームスプリッタ３へと向ける。

ビームスプリッタ３は、例えば偏波スプリッタキューブであり、その偏波軸は、半波長板９を通過した線偏波入射ビーム２の軸に関して４５度傾斜している。例えば、ビームスプリッタ３は、入射ビームを第一の入射ビーム２１と第二の入射ビーム２２に角分割するようになされたウォラストンプリズムである。有利な点として、第一の入射ビーム２１と第二の入射ビーム２２は、相互に直交する偏波状態に沿って線偏波される。それゆえ、ｐ偏波された第一の入射ビーム２１は第一の方向に向けられ、ｓ偏波された第二の入射ビーム２２は第二の方向に向けられる。ウォラストンプリズム３の構成により、第一の方向と第二の方向は０．１〜２０度の間の角度だけ分離される。

有利な態様として、半波長板９は、第一の入射ビーム２１と第二の入射ビーム２２が同じ振幅を有するように方向付けられる。

レンズ４は、処理リアクタ内への光学アクセスを提供するアパーチャの上に取り付けられる。好ましくは、ビームスプリッタ３はレンズ４の焦点に配置される。それゆえ、レンズ４は空間的に分離された２つの入射ビーム２１、２２を形成し、これらは選択的エッチング処理リアクタの中で相互に平行にサンプルのある面に向かって伝播する。このようにして、レンズ４は第一の入射ビーム２１をサンプルのうちエッチングプラズマに暴露される第一の領域１１に集光させる。それに対して、レンズ４は第二の入射ビーム２２をサンプルのうちエッチングプラズマから保護される第二の領域１２に集光させる。第一の領域及び第二の領域への入射角は一般に、１０度未満、好ましくは５度未満である。第一の領域１１で反射することにより、第一の入射ビーム２１は第一の反射ビーム３１を形成する。同様に、第二の領域１２で反射することにより、第二の入射ビーム２２は第二の反射ビーム３２を形成する。

ある変形型において、ウォラストンプリズム３の代わりに、ビームオフセットスプリッタを使用してもよく、レンズ４を窓に置き換えてもよい。

ある代替的実施形態によれば、サンプルの法線に関してゼロ以外の入射角は、第一の入射ビーム２１と第二の入射ビーム２２に関して第一の反射ビーム３１と第二の反射ビーム３２を角分離するために使用される。このようにして、再結合された反射ビーム３０は入射ビーム２から空間的に分離され、光源検出器スプリッタを必要としない。

図１に示される例において、サンプルは平坦面を有し、第一の領域１１のエッチングにより平底のクレータが生成される。好ましくは、この例で示されるように、入射ビーム２１、２２はサンプルにおいて入射角ゼロで反射する。この場合、第一の反射ビーム３１は第一の入射ビーム２１に関して反対方向に伝播し、また第二の反射ビーム３２は第一の入射ビーム２２に関して反対方向に伝播する。

レンズ４は、第一の反射ビーム３１と第二の反射ビーム３２を集光し、これらを、ここでは入射ビームを分割する役割を果たした同じウォラストンプリズム３である光学再結合システムに向ける。

ウォラストンプリズム３は、第一の反射ビーム３１と第二の反射ビーム３２を再結合して、干渉ビーム３０を形成する。干渉ビーム３０は半波長板９を通過し、非偏波光源検出器スプリッタ５に入射し、そこで偏波検出システムに向かって反射する。

フィルタ１８は好ましくは光源１の発光波長に中心を置くスペクトラルフィルタである。フィルタ１８により、有利な点として、プラズマから、又は周囲光からのスプリアス光を除去できる。フィルタ１８は例えば、６３５ｎｍに中心を置くスペクトル幅１０ｎｍの干渉フィルタである。

偏波検出システムは、非偏波スプリッタ５１と、第一の偏波スプリッタ５２及び第二の偏波スプリッタ５３と、４分の１波長板５４と、偏波ローテータ５５と、４つの検出器８１、８２、８３、８４と、を含む。代替的な実施形態において、素子５４及び５５の位置を反転させてもよい。

代替的に、非偏波スプリッタ５１は、最善の状態で、透過及び反射経路の両方で入射干渉ビームの偏波状態を保持する。そのため、狭い波長範囲のために最適化されたレーザ用の非偏波スプリッタは、例えば可視範囲全体をカバーする広帯域スプリッタより好ましい。非偏波スプリッタ５１は、干渉ビーム３０を受け取り、それを分割して、非偏波スプリッタ５１の透過経路上の干渉ビームの第一の部分３３と、また、非偏波スプリッタ５１の反射経路上の干渉ビームの第二の部分３４を形成する。

偏波ローテータ５５は偏波スプリッタ５２に関連付けられて、ビームスプリッタ３の軸に関して４５度の向きの直線偏波のアナライザを形成する。検出器８１は、干渉ビームの第一の部分３３の直線偏波成分３５を検出し、この直線偏波成分３５はビームスプリッタ３の軸に関して＋４５度に向けられる。同時に、検出器８２は干渉ビームの第一の部分３３の別の直線偏波成分３７を検出し、この、別の直線偏波成分３７はビームスプリッタ３の軸に関して−４５度に向けられる。

４分の１波長板５４は偏波スプリッタ５３に関連付けられて、それぞれ右及び左円偏波のアナライザを形成する。検出器８３は、干渉ビームの第二の部分３４の右円偏波成分３６を検出する。同時に、検出器８４は、干渉ビームの第二の部分３４の左円偏波成分３８を検出する。

それゆえ、図１の偏波検出システムにより、干渉ビーム３０の４つの独立した偏波成分を同時に検出できる。

４つの検出器８１、８２、８３、８４により検出される４つの信号から、第一の領域１１、すなわちサンプルのエッチングによるクレータで反射されたビーム３１と、基準としての役割を果たす第二の領域１２により反射されたビーム３２との間の位相シフトをそこから推測することが可能である。

特に有利な点として、偏波検出システムは、干渉ビームの少なくとも２つ、好ましくは４つの直交する偏波成分、すなわち少なくとも２つの直交する直線偏波成分及び／又は２つの直交する円偏波成分を同時に検出するように構成される。

まず、４つの偏波成分に対応する信号の従来の分析方法を詳しく説明する。

以下の点に留意する：
−Ｉ_Ｌ１ 第一の領域への入射ビームの水平直線偏波（Ｈ）に関して、及び第二の領域への入射ビームの垂直直線偏波（Ｖ）に関して＋４５度の方向に沿った干渉ビームの直線成分の強度
−Ｉ_Ｌ２ 第一の領域への入射ビームの水平直線偏波Ｈに関して、及び第二の領域への入射ビームの垂直直線偏波Ｖに関して−４５度の方向に沿った干渉ビームの直線成分の強度
−Ｉ_Ｃ１ 干渉ビームの右円偏波成分の強度
−Ｉ_Ｃ２ 干渉ビームの左円偏波成分の強度

サンプルのエッチング中、第一の領域の深さは増大し、それゆえ、２つの反射波間の位相差は時間ｔに応じて変化する。

より正確には、第一の反射ビームと第二の反射ビームとの間の相対的光学位相シフトδ（ｔ）に留意する：
δ（ｔ）＝２ｋｄ（ｔ）＋ψ_Ｈ＋ψ_Ｖ
式中、ｋ＝２π／λであり、ｄ（ｔ）は時間に応じたエッチング深さを表す。

第一の領域での反射係数ｒ_Ｖと第二の領域での反射係数ｒ_Ｈは、次式により表現される：
ｒ_Ｖ＝ρ_Ｖｅｘｐ（ｉψ_Ｖ）
ｒ_Ｈ＝ρ_Ｈｅｘｐ（ｉψ_Ｈ）

一方で、偏波干渉法では、直線偏波経路上で検出された強度間の正規化された強度差Ｌは従来、以下のように計算される：

他方で、円偏波経路上で検出された強度間の正規化された強度差Ｃは従来、以下のように計算される：

理論的に、２つの反射光ビーム間の相対的位相シフトδ（ｔ）は以下のように表されることが示されている：

別の式では：

となる。

この位相シフトから、２つの入射ビームが向けられる２つの領域間の相対的深さの差ｄ（ｔ）が推測される。

実際には、偏波検出は、光学構成部品、ミラー、ビームスプリッタ、及び／又はコンバイナによる欠陥により影響を受けるかもしれない。さらに、偏波信号はまた、エッチング時間に応じたサンプル自体の特性の変化によっても影響を受けるかもしれない。表面の状態及び／又は粗さの進展も、偏波信号を変化させるかもしれない。

特定の望ましくない効果を補正するために、いわゆるグローバル正規化方法がある。

理想的な偏波検出及び、ビームとミラーの不完全な再結合の場合、４つの検出器８１、８２、８３、８４上でそれぞれ受信される偏波強度信号はそれぞれ以下のように表される：

式中、係数ａはオフセットパラメータを表し、また、係数ｂは振幅パラメータを表す。

例えば基準基板上で、δ（ｔ）だけが変化するサンプリング期間を用いると、オフセットａ及び振幅ｂなどのパラメータは、各偏波強度について以下のように計算できる：

それゆえ、グローバル正規化された強度

は、以下のように計算される：

δ（ｔ）は、次式により推測される：

このグローバル正規化は、特定の状況では十分であるが、欠点もある。まず、使用者はデータ取得後に正規化の時間領域を規定しなければならない。それゆえ、この正規化は実時間推測と矛盾する。経験から、あるサンプルについて、正規化係数の１つの集合を複数の測定に対して使用できないことがわかっている。さらに、このグローバル正規化は、ある測定についての正規化係数の単一性を前提としているが、経験から、特定のサンプルの表面粗さは測定中に進展し、それが結果に影響を与えることがわかっている。

図２は、グローバル正規化法により正規化された測定の例を示す。サンプルは、タングステンカーバイド基板上の、厚さ約４マイクロメートルの窒化チタンの層で形成される。曲線は、サンプルのエッチング中に記録される。正規化は、曲線の時間区間（図の例では、ｔ＞２２０秒に対応する）にわたり実行される。その後、同じ係数を曲線の残りの部分（ｔ＜２２０秒）に適用することによって補外が行われる。０〜３６０秒の範囲の時間間隔にわたる時間ｔに応じた、グローバル正規化された曲線

がそれぞれ表現されている。エッチング処理は、時点ｔ＝０から開始される。曲線のうちｔが約２２０秒より高い区間では、曲線は＋１及び−１の値の間で振動する。それゆえ、強度曲線のうちｔ＞２２０秒に対応する区間については正しいグローバル正規化が見られる。それに対して、曲線のｔ＜２２０秒の第一の区間では、グローバル正規化は明らかに不適であるように見える。

図３は、図２に示されるこれらのグローバル正規化された強度曲線から計算された時間位相シフトを示す。時間位相シフトδ（ｔ）は、ｔ＞２２０秒の区間においては、少ないノイズで単調に変化するように見える。これに対して、ｔ＜２２０秒については、位相ホッピングと、予想される線形進展とは異なる位相の進展が観察される。実際、ｔ〜１００秒までの第一の区間中、位相シフトはゼロ平均値の周囲で振動し、これはエッチング深さの評価における重大なエラーにつながる。

次に、偏波干渉信号の革新的な分析方法を説明する。

前述のように、図１に示される４つの検出器を有する偏波検出システムは、直交直線偏波の２つの干渉信号Ｉ_Ｌ１及びＩ_Ｌ２及び／又は直交円偏波の２つの干渉信号Ｉ_Ｃ１及びＩ_Ｃ２を同時に検出できる。例えば、信号Ｉ_Ｌ１は水平偏波を表し、また、信号Ｉ_Ｌ２は垂直偏波を表し、信号Ｉ_Ｃ１は円偏波を表し、信号Ｉ_Ｃ２は左円偏波を表す。

図１において、偏波検出システムは、コンピューティングプロセッサに属する異なる計算モジュール９１、９２、９５に接続される。

コンピューティングモジュール９１は、直交する直線偏波経路上で検出された２つの干渉信号の強度Ｉ_Ｌ１及びＩ_Ｌ２の直線結合の第一の比を使って、各時点ｔにおける第一の正規化強度差Ｌを形成する：

それゆえ、コンピューティングモジュール９１は実時間で、又は後処理において、各時点ｔにおけるＬ（ｔ）の値を生成してもよい。

特に有利な点として、コンピューティングモジュール９２は、直交する円偏波経路上で検出された他の２つの干渉信号の強度Ｉ_Ｃ１及びＩ_Ｃ２の線形結合の第二の比を使って、各時点ｔにおける第二の正規化強度差Ｃを形成する：

それゆえ、コンピューティングモジュール９２は実時間で、又は後処理において、各時点ｔにおけるＣ（ｔ）の値を生成してもよい。

第一の正規化強度差Ｌはｃｏｓ（δ（ｔ））の関数であり、また、第二の正規化強度差Ｃはｓｉｎ（δ（ｔ））の関数である：
Ｌ≒α_Ｌ（ｔ）＋β_Ｌ（ｔ）ｃｏｓδ（ｔ）
Ｃ≒α_Ｃ（ｔ）＋β_Ｃ（ｔ）ｓｉｎδ（ｔ）

目的は、これらの測定からｃｏｓ（δ（ｔ））とｓｉｎ（δ（ｔ））を計算することである。

ここで、位相変異がエッチング深さ変異に比例する不透明サンプルを考える。

図４には、上述のサンプルに関する時間間隔（０；３６０秒）にわたる時間ｔに応じた第一の正規化強度差Ｌの記録が示されている。同様に、図５には、同じサンプルに関する時間間隔（０；３６０秒）にわたる時間ｔに応じた正規化強度差Ｃの記録が示されている。

可変値α_Ｌ，Ｃ及びβ_Ｌ，Ｃにより定義される信号包絡線の変化は材料の各層の内部で緩慢であり、２つの層の界面においては急峻な変化を伴うことがあることがわかる。しかしながら、信号の包絡線は一般に、振動のない挙動を示す。

すると、データの処理には以下のステップが含まれる。

ステップ１：
時間ｔに応じた正規化強度差の各曲線について、極小値及び極大値が特定される。換言すれば、最上部と最下部が各振動で見られる。

それゆえ、図６には、第一の正規化強度差Ｌ曲線上の極小値に対応する小さい円１００と、また、極大値に対応する小さい円２００が示されている。

このステップの変形型において、まず、例えばサンプリング及び／又は平均計算によってフィルタ処理が行われ、ノイズが軽減される。

特定の態様によれば、コンピューティングモジュール９１、また９２は、偽最小値及び偽最大値を排除する。例えば、Ｌの最小値又は最大値はＣの最小値と最大値との間の時間間隔の中央にあり、その逆でもあることが確認される。

ステップ２：
上側包絡曲線ＵＬは、第一の正規化強度差Ｌの極大値２００間の補間により特定される。同様に、下側包絡曲線ＬＬは、第一の正規化強度差Ｌの極小値１００間の補間により特定される。補間は線形でも、スプライン関数又は多項式分解に基づいていてもよい。

コンピューティングモジュール９１は有利な態様として、各時点ｔにおける、又は所定のサンプリング期間における下側包絡線ＵＬ（ｔ）及び上側包絡線ＬＬ（ｔ）を計算するように構成される。

特に有利な点として、他の上側包絡曲線ＵＣも同様に、第二の正規化強度差Ｃの極大値間の補間によって特定され、また、他の下側包絡曲線ＬＣも第二の正規化極度差Ｃの極小値間の補間により特定される。

同様に、コンピューティングモジュール９２は、各時点ｔにおける、又は所定のサンプリング期間における下側包絡線ＵＣ（ｔ）及び上側包絡線ＬＣ（ｔ）を計算するように構成される。

ステップ３：
別のコンピューティングモジュール９５は、包絡曲線ＵＬ（ｔ）、ＬＬ（ｔ）、ＵＬ（ｔ）及びＬＬ（ｔ）を受け取る。

コンピューティングモジュール９５は、各時点ｔにおける第一のオフセット関数を計算する：

コンピューティングモジュール９５は、各時点ｔにおける第一の正規化関数を計算する：

有利な点として、コンピューティングモジュール９５は、各時点ｔにおける第二のオフセット関数を計算する：

コンピューティングモジュール９５は、各時点ｔにおける第二の正規化関数を計算する：

コンピューティングモジュール９５は、第一のオフセット関数α_Ｌ（ｔ）と第一の正規化関数β_Ｌ（ｔ）を第一の差分偏波干渉信号に適用して、第一の正規化差分偏波干渉関数を計算し、そこから

を推測する。

それゆえ、図８は、時間ｔに応じたｃｏｓ（δ（ｔ））と等しい第一の正規化差分偏波干渉関数を示す。

同様に、第二のオフセット関数α_Ｃ（ｔ）と正規化関数β_Ｃ（ｔ）を第二の偏波干渉信号に適用して、第二の正規化差分偏波干渉関数を計算し、そこから

を推測する。

それゆえ、図９は、時間ｔに応じたｓｉｎ（δ（ｔ））と等しい第二の正規化差分偏波干渉関数を示す。

図８及び図９において、局所正規化は全時間間隔（０；３６０秒）にわたり略完璧であることがわかり、曲線は、約２２０秒での界面の変化にかかわらず、全時間間隔にわたり−１と＋１の値の間で振動する。

ステップ４
コンピューティングモジュール９５は、例えば第二の正規化差分変調干渉関数ｓｉｎ（δ（ｔ））と第一の正規化差分変調干渉関数ｃｏｓ（δ（ｔ））との間の比のアーク正接関数を計算することによって、瞬時位相シフトδ（ｔ）を抽出する。

それゆえ、図１０は時間に応じたラジアンを単位とする位相シフト、モジュロπを示す。アルゴリズムは、時間に応じた位相シフトの展開を可能にする。空気中又は真空中では、エッチングクレータの屈折率は１と等しい。図１１に示されているように、５０，５ｎｍ／ｒａｄ．の変換係数により、そこから時間に応じたエッチング深さｄ（ｔ）を推測できる。

図３の形状を図１１のそれと比較することにより、グローバル正規化によるエラーが消失していることがわかる。

この方法により、差分偏波干渉信号の自動局所正規化が可能となる。以前のようなキャリブレーションは不要である。

使用者が正規化の時間間隔を規定するために手作業により介入することはない。

さらにキャリブレーション係数を記録する必要がない。

ある実施形態において、計算は事後に行われる。

ある変形型において、計算は実時間で行われ、新たな測定の取得ごとに調整が行われる。

本発明は、特にグロー放電分光分析装置に応用でき、サンプルはプラズマ選択エッチング処理に暴露される。エッチング深さ測定器具により、サンプル中のエッチング深さをより正確に、より高い信頼度で測定できる。

本発明はまた、特に、図１２において例として示されている偏波カメラ機器に応用できる。偏波カメラ機器は、本開示に記載されている差分偏波干渉計５０とイメージングシステム７０を含む。イメージングシステムは、可視化カメラと、好ましくは照明用光源を含む。偏波カメラ機器は、プレート型スプリッタ２４と、レンズ又はミラーに基づく光学系１４をさらに含む。プレート型スプリッタ２４は例えばダイクロイックプレートであり、これによって差分偏波干渉計５０の、及びイメージングシステム７０の光路を結合できる。光学系１４と組み合わされたプレート型スプリッタ２４は、第一の入射ビーム２１をサンプルの第一の領域１１に向け、また、第二の入射ビーム２２をサンプルの第二の領域１２に向ける。戻る方向では、プレート型スプリッタ２４に組み合わされた光学系１４は、第一の反射ビーム３１と第二の反射ビーム３２を差分偏波干渉計５０の検出システムに向かって送り返す。

同時に、プレート型スプリッタ２４に組み合わされた光学系１４は、光ビーム７１をイメージングシステム７０の可視化カメラに向かって透過させる。光ビーム７１は、サンプルの、好ましくは第一の領域１１と第二の領域１２を含む広い表面での反射により形成される。それゆえ、可視化カメラはサンプル１０の表面の画像を形成する。

それゆえ、偏波カメラにより、サンプルの第一の領域１１と第二の領域１２との間のエッチング深さを正確に測定しながら、サンプルの広い表面の画像を提供できる。

Claims (12)

1. 差分偏波干渉法により時間に応じたエッチング深さを測定する方法において、
   −光ビーム（２）を第一の入射ビーム（２１）と第二の入射ビーム（２２）に分割するステップであって、前記第一の入射ビーム（２１）はサンプル（１０）のうちエッチング処理に暴露される第一の領域（１１）に向けられて第一の反射ビーム（３１）を形成し、また、前記第二の入射ビーム（２２）は前記サンプルのうち第二の領域（１２）に向けられて第二の反射ビーム（３２）を形成するステップと、
   −前記第一の反射ビーム（３１）と前記第二の反射ビーム（３２）を再結合して干渉ビームを形成するステップと、
   −前記干渉ビームを少なくとも相互に直交する第一の偏波成分（３５）と第二の偏波成分（３７）に偏波分割するステップと、
   −時間間隔（ｔ０，ｔ１）にわたり、時間（ｔ）に応じて、前記第一の偏波成分（３５）に関する第一の干渉強度信号と前記第二の偏波成分（３７）に関する第二の干渉強度信号を検出するステップと、
   −前記第一の干渉強度信号と前記第二の干渉強度信号の線形結合の関数として第一の差分偏波干渉信号を計算するステップと、
   −前記時間間隔（ｔ０，ｔ１）にわたる前記第一の差分偏波干渉信号の第一の下側包絡関数と第一の上側包絡関数を計算するステップと、
   −前記時間間隔（ｔ０，ｔ１）の各時点（ｔ）における前記第一の下側包絡関数と前記第一の上側包絡関数の和の半分と等しい第一のオフセット関数を特定するステップと、
   −前記時間間隔（ｔ０，ｔ１）の各時点（ｔ）における前記第一の下側包絡関数と前記第一の上側包絡関数の差の半分と等しい第一の正規化関数を特定するステップと、
   −前記第一のオフセット関数と前記第一の正規化関数を前記第一の差分偏波干渉信号に適用して、前記時間間隔（ｔ０，ｔ１）の各時点（ｔ）における第一の局所正規化差分偏波干渉関数を形成するステップと、
   −前記時間間隔（ｔ０，ｔ１）にわたる時間に応じた光学位相シフト測定を前記第一の局所正規化差分偏波干渉関数から抽出するステップと、
   −前記光学位相シフト測定から時間に応じた前記エッチング深さを計算するステップと、
   を含む方法。
2. 前記干渉ビームを偏波分割する前記ステップは、第三の偏波成分（３６）と第四の偏波成分（３８）をさらに生成し、前記第三及び第四の偏波成分は相互に直交し、前記第一、第二、第三、及び第四の偏波成分は相互に独立しており、前記方法は：
   −前記時間間隔（ｔ０，ｔ１）上の時間（ｔ）に応じて、前記第三の偏波成分に関する第三の干渉強度信号と前記第四の偏波成分に関する第四の干渉強度信号を検出するステップと、
   −前記第三の干渉強度信号と前記第四の干渉強度信号の線形結合の関数として第二の差分偏波干渉信号を計算するステップと、
   −前記第二の差分偏波干渉信号の第二の下側包絡関数と第二の上側包絡関数を計算するステップと、
   −時点ｔにおける前記第二の下側包絡関数と前記第二の上側包絡関数の和の半分と等しい第二のオフセット関数を特定するステップと、
   −時点ｔにおける前記第二の下側包絡関数と前記第二の上側包絡関数の差の半分と等しい第二の正規化関数を特定するステップと、
   −前記第二のオフセット関数と前記第二の正規化関数を前記第二の差分偏波干渉信号に適用して、第二の局所正規化差分偏波干渉関数を形成するステップと、
   をさらに含み、
   −前記時間間隔（ｔ０，ｔ１）にわたる時間に応じた前記光学位相シフト測定の前記抽出は、前記第一の局所正規化差分偏波干渉関数と前記第二の局所正規化差分偏波干渉関数との比から行われる、請求項１に記載の方法。
3. 前記第三の偏波成分と前記第四の偏波成分は、直線、又は円偏波成分から選択される、請求項２に記載の方法。
4. 前記第二の差分偏波干渉信号は、前記第三の干渉強度信号と前記第四の干渉強度信号との差を前記第三の干渉強度信号と前記第四の干渉強度信号の和で割ったものと等しい、請求項２又は３に記載の方法。
5. 前記第一の偏波成分と前記第二の偏波成分は、直線、又は円偏波成分から選択される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記第一の差分偏波干渉信号は、前記第一の干渉強度信号と前記第二の干渉強度信号との差を前記第一の干渉強度信号と前記第二の干渉強度信号の和で割ったものと等しい、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 第一の、及び／又は第二の、下側包絡関数を計算する前記ステップは、線形又は多項式補間のステップを含み、及び／又は第一の、及び／又は第二の、上側包絡関数を計算する前記ステップは、線形又は多項式補間の別のステップを含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記包絡関数計算のステップの前に、前記第一の干渉強度信号及び／又は、前記第二の干渉強度信号をフィルタ処理するステップをさらに含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. −光ビーム（２）を生成するようになされた光源（１）と、
   −前記光ビーム（２）を第一の入射ビーム（２１）と第二の入射ビーム（２２）に分割するようになされた光学ビームスプリッタ（３）であって、前記第一の入射ビーム（２１）はサンプルのうちエッチング処理に暴露される第一の領域（１１）に向けられて第一の反射ビーム（３１）を形成し、また、前記第二の入射ビーム（２２）は前記サンプルのうち第二の領域（１２）に向けられて第二の反射ビーム（３２）を形成するような光学ビームスプリッタ（３）と、
   −前記第一の反射ビーム（３１）と前記第二の反射ビーム（３２）を再結合して干渉ビームを形成するようになされたビームコンバイナ（３）と、
   −前記干渉ビームを少なくとも第一の偏波成分（３５）と第二の偏波成分（３７）に分離するようになされた偏波スプリッタ（５２）であって、前記第一の偏波成分と前記第二の偏波成分は相互に直交する偏波スプリッタ（５２）と、
   前記第一の偏波成分（３５）を受け取って、時間間隔（ｔ０，ｔ１）にわたる時間（ｔ）に応じた第一の干渉強度信号を生成するようになされた第一の検出器（８１）と、前記第二の偏波成分（３７）を受け取って、前記時間間隔（ｔ０，ｔ１）にわたる時間（ｔ）に応じた第二の干渉強度信号を生成するようになされた第二の検出器（８２）と、
   を含む差分偏波干渉計において、
   前記差分偏波干渉計は、
   −第一の差分偏波干渉信号を前記第一の干渉強度信号と前記第二の干渉強度信号の線形結合の関数として計算し、
   −前記時間間隔（ｔ０，ｔ１）にわたる前記第一の差分偏波干渉信号の第一の下側包絡関数と第一の上側包絡関数を計算し、
   −各時点ｔにおいて、前記第一の下側包絡関数と前記第一の上側包絡関数の和の半分と等しい第一のオフセット関数を特定し、
   −前記時間間隔（ｔ０，ｔ１）の各時点ｔにおいて、前記第一の下側包絡関数と前記第一の上側包絡関数との差の半分と等しい第一の正規化関数を特定し、
   −前記第一のオフセット関数と前記第一の正規化関数を前記第一の差分偏波干渉信号に適用して、第一の局所正規化差分偏波干渉関数を形成し、
   −前記時間間隔（ｔ０，ｔ１）にわたる時間に応じた光学位相シフト測定を前記第一の局所正規化差分偏波干渉関数から抽出し、
   −前記光学位相シフトに応じて前記エッチング深さを計算する
   ようになされた計算機（９１、９２、９５）を含む差分変調干渉計。
10. −前記干渉ビームを第三の偏波成分（３６）と第四の偏波成分（３８）に分割するようになされた別の偏波スプリッタ（５３）であって、前記第三の偏波成分（３６）と前記第四の偏波成分（３８）は相互に直交し、前記第一の偏波成分（３５）及び前記第二の偏波成分（３７）とは独立している別の偏波スプリッタ（５３）と、
    −前記第三の偏波成分（３６）を受け取って、前記時間間隔（ｔ０，ｔ１）にわたる時間（ｔ）に応じた第三の干渉強度信号を生成するようになされた第三の検出器（８３）と、前記第四の偏波成分（３８）を受け取って、前記時間間隔（ｔ０，ｔ１）にわたる時間（ｔ）に応じた第四の干渉強度信号を生成するようになされた第四の検出器（８４）と、
    をさらに含み、
    前記計算機は、
    −第二の差分偏波干渉信号を、前記第三の干渉強度信号と前記第四の干渉偏波信号の線形結合の関数として計算し、
    −前記時間間隔（ｔ０，ｔ１）にわたる前記第二の差分偏波干渉信号の第二の下側包絡関数と第二の上側包絡関数を計算し、
    −各時点ｔにおいて、前記第二の下側包絡関数と前記第二の上側包絡関数の和の半分と等しい第二のオフセット関数を特定し、
    −前記時間間隔（ｔ０，ｔ１）の各時点ｔにおいて、前記第二の下側包絡関数と前記第二の上側包絡関数との差の半分と等しい第二の正規化関数を特定し、
    −前記第二のオフセット関数と前記第二の正規化関数を前記第二の差分偏波干渉信号に適用して、第二の局所正規化差分偏波干渉関数を形成し、
    −前記時間間隔（ｔ０，ｔ１）にわたる時間に応じた前記光学位相シフト測定の、前記第一の局所正規化差分偏波干渉関数と前記第二の局所正規化差分偏波干渉関数との比からの抽出を実行する
    ようになされる、請求項９に記載の差分変調干渉計。
11. 請求項９〜１０のいずれか１項による差分偏波干渉計を含むグロー放電分光分析装置。
12. 請求項９〜１０のいずれか１項による差分偏波干渉計を、前記サンプルの前記第一の領域及び前記第二の領域の画像を形成するようになされた可視化カメラと組み合わせて含むエッチング制御機器。

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