JPH04501175A - 楕円偏光解析による表面測定装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 楕円偏光解析による表面測定装置および方法Ｘ哩９貿量 この発明は材料の表面物性の測定に関するものであり、特に表面状態および表面 被膜の楕円偏光解析測定に関するものである。

材料表面の品質と状態は、しばしばその材料の工業プロセスに対する適正を定め る。幾つかの例を挙げると、成る材料を別の材料に塗装または接着する場合、油 脂または汚れなどの汚染の存在、タイプ、および量が塗装や接着作業の成否をし ばしば左右する。微細電子装置の製造では半導体ウェハの表面に被覆や酸（ＥＭ が形成され、それらの厚さは引続く処理を成功裏に行うために臨界限度内に形成 されなければならない、記憶ディスクドライブヘッドの清浄性は、汚染が読出し または書込み機能に干渉を与えないように周期的にチェックされなければならな い、これらの例は説明のためのものであって限定目的のものではなく、表面物性 が使用しようとする材料の使用適否を定めるような例は実際に多数存在する。

表面の臨界的な重要性をＵ議することについて、表面特性を観察ないし測定する ために数多くの技術が開発されている。表面は、直接または拡大して観測され得 る。これらは、粗さの測定量を与えるプロフィル計のような装置で測定可能でア ル、過去２０年間において、低エネルギー電子回折（ＬＥＥＤ）、オージェ電子 分光（ＡＥＳ）、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）、及び標準的な楕円偏光解析などの 高度の技術は、殆どの場合に研究室環境で表面の特性測定に採用されてきている 。

しかしながら、産業上の環境での利用を考えると、これら技術の全ては致命的な 欠点を備えている。使用できる器械の殆どは大型であり、また購入と動作および 較正における保守とに高額の費用を必要とする。ＬＥＥＤ、ＡＥＳおよびＳＥＭ など、多くの場合は供試片を高真空チャンバー内に置かなければならず、そのた め供試片の寸法に限度があり、またその検査速度も制限される。

ところで最大の欠点は、これら技術の殆どが、産業規模で比較的熟練していない 操作員またはコンピュータコントロールにて試験およびリアルタイム試験を行え るようには容易に適合されないという点にある。例えば、標準的な楕円偏光解析 は、熱処理制御パラメータを得る間に特殊な熱処理によフて半導体材料の表面に 形成された酸化被膜の厚さを識別するのに利用される。この技術は、名目上同じ 熱処理を受けた引続く試験片の各々を検査するのには典型的に実際的でない。

代りに、非制御の変動はプロセスに導入されず、各熱処理は所要の表面を提供し て成功するものと仮定しなければならない、この仮定は、製造作業に誤りや仕損 じがある場合には失敗し、問題が発見される前に多数の試験片に悪い処理が施さ れてしまう、従って前記高度な検査技術の殆どは、完成品の全てまたは殆どに対 する測定を製造作業が適正に進められているか否か或は若干の調整が必要か否か のチェックに利用するような製造作業のリアルタイム制御には利用できない。

加えて、多くの高度の新鋭表面特性測定技術を利用する場合、測定された特性が ほんとうに重要で表面の適正の判定を与えるものか否かを知ることが困難である 。即ち、測定値は表面特性に基づいているが、測定値が材料の予定された用途の 全てに関するものか否かを決定する問題に出会い、もしそうなら、引続く処理の 成功を保証するためには測定された特性の許容変動の限界はどこかを決める必要 がある。

従って種々のタイプの表面監視装置については、顕微鏡的表面特性に感度をもち 、高額ではなく、ポータプルでコンパクトであり、試験すべき表面を真空チャン バー内に置かなくてもよく、そして大きな表面または多数の部品に対して比較的 熟練していない操作員またはコンピュータ制御で使用できる適正および品質制御 試験を可能とするという、引続く要望が存在する。特に検査表面自体の近傍で或 いはそれを走査するように配置可能な表面検査器械とすることが有利である。

実際の多くの状況では、表面から少量のサンプルをとって分析のために器械の内 部に置かなければならないことは述べるまでもないが、これには少量のサンプル が本当に全表面を代表するというしばしば誤りのあるかていが避けられない。

製造環境で使用される高度表面検査技術に対するこの要求の二つの重要な対策が 米国特許＠４，３８１，１５１号及び同第４，５９０，３７６号に記述され、こ れらは８買制御および関連動作に利用可能な表面の光反射と二次光電子検査を行 う装置および技術をそれぞれ述べている。上記′　３７６特許の試みはこの関連 でかなりの商業的成功を納めた。しかしながら、これらの試みの各々はそれ自身 の限界をもち、他の試みが要求された。

シカしながら、製造環境で検査と分析を行うための更に改良された装置に対する 要求が残っている。この発明はこの要求を満たすものであり、さらに関連の利点 をもたらすものである。

Ｒ明Ω檀！ 本発明は、楕円偏光解析による表面の測定を実行する装置と技術を提供する。

本発明のアプローチは、製造環境においてまた研究室内で使用し得る小型の、軽 量の比較的安価な表面検査に使用し得る装置としで実現される。この装置は運動 部分がなく、そのため頑丈で信頼性がある。運動部分のないことはまた、本装置 よりも約１００倍も重いという付加的な欠点もある従来の楕円偏光解析装置（以 下、エリプソメータという）よりも１０００倍も速い動作速度をも可能としてい る０本装置よって得られたデータは、測定パラメータの受入れ可能範囲を判別す るようにプログラムされているコンピュータに容易に入力可能で、これにより適 正判定試験にＪ１想的なアプローチがなされている。　軽量小型、高速操作、信 頼性、およびコンピュータデータ解析への柔軟性のある組み合わせは、本装置を して製造環境での表面の自動化された定置および走査試験と品質検査に高度に適 合したものとしている。最後に、本装置は単一ビルディングブロック構造から若 干数の、相違した、順次複雑となる一般的な形に構成し得、所要の作業に本装置 を仕立てることを可能としている。

本発明の一つの態様によれば、表面の物性を順！Ｊするための表面測定装置は、 一対の楕円偏光解析センサを備えており、この対の各センサは、装置の動作中に 成る入射角度で測定表面へ向う光路に沿って発散光ビームを発するように配置さ れた単色光源と、測定表面で反射される前に前記ビームを通過させる偏光子と、 前記反射されたビームの第１部分を通過させる第１偏光分析器および該第１（ｊ ！光光分量器通過したのちの前記第１部分の強度を測定する′ｆＳ１検出器と、 前記反射されたビームの第２ＮＳ分を通過させる″ｓ２偏光分析器および該第２ 偏光分析器を通過したのちの前記第２部分の強度を測定する第２検出器と、前記 反射されたビームの第３部分を通過させる第３偏光分析器および該第３偏光分析 器を通過したのちの前記第３部分の強度を測定する第３検出器とを含む構成をも ち、前記一対の各センサに対する前記光源の動作波長と前記入射角度は同一で、 一方のセンサは前記車色光源の波長に整合した１／４波長板を前記ビームの光路 中に含み、他方のセンサはビーム光路中に１／４波長板を含まない構成となって いる。

或いは別の云いがたをすれば、表面の物性を識別するための表面測定装置は第１ の楕円偏光解析センサと第２の楕円偏光解析センサとを備えており、第１の楕円 偏光解析センサは、装置の動作中に成る入射角度で測定表面へ向う光路に沿って 発散光ビームを発するように配置された単色光源と、測定表面で反射される前に 前記ビームを通過させる偏光子と、前記反射されたビームのｙｓｓ部分を通過さ せる第１偏光分析器および該第１偏光分析器を通過したのちの前記′ｆＳ１部分 の強度を測定する第１検出器と、前記反射されたビームの第２部分を通過させる 第２偏光分析器および該第２偏光分析器を通過したのちの前記第２部分の強度を 測定する第２検出器と、前記反射されたビームの′！Ｊ３！分を通過させる′Ｍ ３偏光分析器および該第３偏光分析器を通過したのちの前記第３部分の強度を測 定するＮ３検出器とを含む構成をもち、第２の楕円偏光解析センサは、装置の動 作中に成る入射角度で測定表面へ向う光路に沿って発散光ビームを発するように 配置された単色光源と、測定表面で反射される前に前記ビームを通過させる偏光 子と、前記反射されたビームのＮ１部分を通過させる第１偏光分析器および該第 １偏光分析器を通過したのちの前記第１部分の強度を測定する第１検出器と、前 記反射されたビームのＮ２部分を通過させる″ｓ２偏光分析器および該第２偏光 分析器を通過したのちの前記第２部分の強度を測定する第２検出器と、前記反射 されたビームの第３部分を通過させる第３偏光分析器および該第３偏光分析器を 通過したのちの前記第３部分の強度を測定する′Ｍ３Ｎ３検出器前記ビームの光 路中にて前記単色光源の波長に整合した１／４波長板とを含む構成をもち、前記 第１のセンサと第２のセンサに対する前記光源の動作波長が同一で、しかも前記 第１のセンサと第２のセンサに対する前記入射角度も同一になされている。

より一般的には、表面の物性を謬号すするための表面測定装置は表面物性を楕円 偏光解析法によって測定するための手段を備え、この手段は少なくとも一対の楕 円偏光解析センサを有し、この多対のセンサは運動部分を有せず、同一の波長と 入射角で動作し、多対のセンサは、一方はセンサ光路中に１／４彼長板を有する が他方のセンサは光路に１／４波長板を有しないことが相違している。

本発明はまた表面の多重測定を利用して表面測定を行うための方法にも広がるも のである０本発明のこの理念によれば、可動部分を含まない装置で表面の物性を 測定する方法は、各々−切の可動部品を用いることなく楕円１ｍｍ群解析変数ｅ ｌおよびｐｓｉを測定する少なくとも一対の楕円偏光解析センサであって前記対 の各センサがそれらの内部の光源によって発生された単色光放射の波長と測定表 面への単色光ビームの入射角とによって特徴付けられると共に一方のセンサが光 路中に１／４波長板を有し他方のセンサが光路中に１７４波長板を有していない ものを準備するステップと、異なる対の楕円偏光解析センサを単色光放射波長と 入射角の異なる組合せにセットするステップと、前記複数の楕円偏光解析センサ の対を用いて二つの測定がなされる期間中に表面の成る領域の表面物性を変化さ せることなく前記領域の物性を測定するステップとからなっている。

このアプローチは表面上の単一個所の測定または表面上の多数の個所の走査測定 に好適である。このような測定を達成するためには、表面の第１の個所における 一組のデータがとられ、その後、センサが該表面の第２の個所での測定を実行す るために移動される。新しい個所のための測定と移動は所望の通りに多数回繰り 返される。この方式で部品の全表面が所望の高い測定個所間分解能で容易に図形 化される。このような図形化手法は、従来の楕円偏光解析装置でも可能であるが 、非常に長い測定時間がかかるので実用的でなく、製造環境では事実上実用的で ない。

本発明の好ましいアプローチは可動部品を使用していない楕円偏光解析センサの 形式を使用しており、従って頑丈小型で、データを迅速に収集可能である。この センサは、試験すへ１表面上に当る前に偏光されているビームを発生する単色光 源を有している。使用に当ってセンサを対にする場合は均等なセンサを使用する が、一方のセンサの光路には放射光に整合した１／４波長板が含まれ、他方には これがないことが相違している。センサに対して光ビームは十分に発散して３つ の別々の偏光分析器を通過してから３つの別々の光検出器に到着し、そこで光強 度が測定されるようにする。このセンサは支持体の中で固定されており可動部品 を有しない、その形状はセンサに対して選定された主要特性、即ち単色光源によ って発生される光の波長と表面に対するビームの入射角（従って反射角）（これ は光源と検出器との位置を決定する）とによって決定される。

この様な楕円偏光解析センサの一対は、それ自体で、表面および表面上の被膜に 関する重要なデータを収集することができる。但し、この様なデータは、一般に データがすべての理由で表面と被膜を一義的に定義するものではないという意味 において完全なものではない、ある種の応用において、ゼロ次以上の被膜厚さ情 報を要求しないで物質の光学的な情報を測定しないかぎりにおいては一対のみの センサで十分である。

基本的なアプローチにおいては例えば一対のセンサを使用するが、センサの一方 は１／４波長板を有する反面、他方はこれが無く、両センサは同一波長で同一入 射角で動作する。この構造は０〜３６０度の範囲において変数デルタ（ｄｅｌ） の測定が可能ではあるが、測定すべき被膜の次数を決定することは可能ではない 。

楕円偏光解析では、１ＪＩＨＩＪすべき未知数が基板の屈折率や吸収率、および 存在する何れかの被膜の屈折率や吸収率或いは厚さを含む可能性がある。　ｖａ ｊ３１Ｊされ得る未知数の数は測定されるデルタ（ｄｅｌ）およびプサイ（ｐｓ ｉ）の独立測定値の数による。そこで、実用上鏝られるり蚊測定値が多ければ得 られる情報は一層あいまいになる。

従ってさらに一般的には、多数対のセンサは類似の形式のデータを収集すること に使用されるが、これは広い範囲にも亘り得、被膜のユニークな定義も可能であ る。多数のデータを収集すると、あいまいさの可能性が減少され、そのため被膜 の性質がユニークに定義される。そこで、多対の一方に１／４波長板を有し、他 方には１／４波長板を持たない形でセンサ対が二対使用される。各々の対におい て２つのセンサは光の同一波長および同一入射角を使用するが、しかしこれらの 二尉引ヨ二対のセンサの間では相違している。（ここで使用したように、センサ 対同士は波長と入射角との異なる組合せで動作することを特徴とし、これは波長 および入射角の少なくとも一つが対同士の間で相違することを意味するが、両者 が相違していてもよい、）　更に特殊には、一つのアプローチにおいては、第１ の対の両センサが第１の波長で動作し、第２の対の両センサが！Ｆ４２の波長で 動作するが、両射の各両センサの入射角は等しい、更に、別の入射角を有する追 加センサ対を設けて確実性を導入することも可能である。

夫々のセンサは好ましくはリング状の構造物の上に、光源と偏光子（もしあれば １／４波長板も）とを光ビームがリングの中央の開孔の中に前記入射角で下方に 向くようにその片側に位置させて支持する。３つずつの偏光分析器と検出器とを リングの別の側に位置させて反射光を受光するように配置する。入射ビームの発 散は、光が表面の上に一様に向って続いて分析器よおび検出器へ反射されるよう に選定する。

リング状支持体の周縁へのセンサの取付は、すべてのセンサからの光ビームがリ ングの中心に存在する表面の同一領域から同時に、あるいは表面の特性が変化し ないように掻く接近した時間の間に反射されることを可能とする。増幅器のよう な電子回路はリング状構造物のカバーの上に容易に取り付けられる。

センサの数が増加すると、最小可能なリング直径は、センサの大きさが一定のも のと仮定するとリングの上にセンサを機抹的に配置するために必然的に増加する 。可動部品を持たないこの装置の作動形における、測定の広範な一般性を持つ４ つのセンサ（二対）の実施例については、リングの直径は約５インチで高さは約 １−１７２インチである。装置全体の重量は１ポンド以下である。比較のために 、市販の１センサ・エリプソメータは、可動部品を持つものであるが、重量は１ ００ボンド以上で、長さ約１８インチである。本発明の３ビ一ム多重楕円Ｃ扁光 解析センサ装置は使用者が手で持つことができ、容易に位置の変更ができ、トラ バース機構によって容易に取付は可能で、製造環境において一般的に使用可能で ある。このユニットは干渉を防止するために側面と頂部とを封止するので比較的 頑丈である。電力は蓄電池で給電できる。このユニットは現場におけるデータの 収集および解析を可能とするようにマイクロコンピュータに容易に接続可能であ る。

従って、本発明のアプローチは、製造現場またはその他の非研究室的な環境にお いて表面の楕円偏光解析による評価のための装置を提供し、また、これは適正評 価試験またはこれに類似な応用に使用することかできる。本発明のその他の特徴 および長所は、本発明の原理を例示するために示す添付図面を参考とする好まし い実施例に関する以下の更に詳細な説明から明らかとなろう。

区厘Ω箇主り脱去 Ｎ１図は、本発明の楕円偏光解析センサの概略の側面図であり：第２図は第１図 の楕円偏光解析センサの概略の上面図で光学部品のみを示すものであり： 第３図は３４を図および第２図のセンサの制御電子回路の概略の回路図であり： 第４図は第１図および第２図に示す形式のセンサの一対を使用する装置の略伝上 面図であり； 第５図は第１図および第２図に示す形式のセンサの二対を使用する装置の略伝上 面図であり； 第６図は各センサ位置に対して複数種の入射角度を有する３センサを有する装置 の略式側面図であり； ｙ７％７図は２種の相違する波長の入射放射光で測定した被膜についての（ａ） プサイ（ｐｓｉ）測定値、および（ｂ）デルタ（ｄｅｌ）測定値のグラフであり ：第８図は２ｆ！の相違した入射角で測定した被膜についての（δ）プサイ（ｐ ｓｉ）測定値、および（ｂ）デルタ（ｄｅｌ）測定値ののグラフである。

ましい　施仔の詳細な説 楕円偏光解析センサ２０を第１図と第２図に示す、センサ２０は、分析される表 面２４上に静置されている平坦な板として示す基板２２を有するが、これは前記 表面が曲面の場合はこれにフィツトするように曲面をなしていてもよい、基板２ ２は、その中央領域にこれを貫通する開孔２６を有する。センサ２０は更にセン サの光学要素と電子回路とを支持するために設けられたハウジング２８を有する 。

センサ２０の光学要素はハウジング２８に取り付けられている。単色光＃ｉ３０ は、そこから放射される光ビームが所定の入射角Ａｉで表面２４に向かって進行 できるようにする規準孔３２の一端でハウジング２８に支承されている。光＃！ ３Ｏは好ましくは所定の波長の単色光を放射するレーザーまたは発光ダイオード であるが、フィルタを透過して所定の波長の光のみが光源から放射されるように なされた広い波長範囲のランプであってもよい、ビームの集束が要求される場合 、光ビームを表面２４上に集光するレンズ系３４に通して反射後のビームが発散 するようにする。ビームは次に偏光子３６を通過するが、これは光ビームを入射 面３８に関して４５度の傾斜角をもつように面偏光する（入射面は第１図の紙面 である。） センサ２０の多対の一方には１／４波長板４０がビーム中に位置して光ビームが １／４波長板４０を通過するようにしである。その他の点ではセンサは同一構造 である。

偏光された光ビーム４２は入射角Ａｔでアパーチャー２６の中央領域において表 面２４に入射する。ビーム４２は、通常は入射角Ａｉに数値的に等しい反射角Ａ ｒで表面２４から反射される。必要ならば、反射ビーム４４はＮ１図の側面図に 示す規準スリット４６を通過するが、これは正確な反射角Ａｒで測定すべぎ平面 ２４から反射された光のみが光検出器に入射する事を保証するものである０反射 ビーム４４は第１図の側面図に示す角度規準スリット４６を通過するが、これは この正確な角度の光のみが通過するように正確な角度Ａｒに正確にセットされて いる。このようにして、ビームの３つの部分５０の夫々は反射ビーム４４の一部 であり、適当な反射角Ａｒのものであり、また部分５０で互いに横並びに配列さ れている。

部分５０の夫々は偏光分析器５２を通過するが、各部分５０は分析器５２の只一 つのみを通過する（即ち、分析器５２は縦に並んでいるのではなく横方向に並ん でいる）、一つの分析器５２は入射面３８に関して方位角０度で向いており、２ 番目の分析器５２は入射面３８に関して４５度の方位角で向いており、３番目の 分析器５２は入射面３８に関して９０度の方位角で向いている。反射ビーム４４ の３つの部分の夫々は、夫々の分析器５２を通過後、夫々の光検出器５４に入射 する。３個の光検出器５４があるが、その一つはＯ度分析器５２を通過した光を 受光し、その一つは４５度分析器５２を通過した光を受光し、その一つは９０度 分析器５２を通過した光を受光する。各光検出器はこれに入射した夫々の反射ビ ーム４４の強度を示す好ましくはこれに比例する信号を発生する。

以下の説明のために、各センサ２０は、（１）光＃！３０の選定によって定まる 偏光の入射ビーム４２の波長、（２）入射角Ａｉ、これは反射角Ａｒに等しく、 ハウジング２８の寸法構造によって定まり、図示の実施例においては光＃ｉ３０ が載っている規準孔３２の角度で定まる、および（３）１７４波長板４０の存在 または不存在、と言うことで特徴付けられることに注意する必要がある。光源２ ０の動作する対は波長と入射角に関しては等しく、一方が１７４波長板を有し、 他方がこれを有しないと言う点のみで相違する。光源の別の対３０は、例えば、 別の波長の光源３０を使用し、同一入射角のハウジングの中に取り付けられてい る。更に別の光源対は、例えば、同一波長の光源材を有するが、別の角度を有す る孔３２またはその他の取付は部材に取り付けられて、この２個に対する入射角 は相違するようになっている。以下に記載するように、これらの若干のアプロー チは各々のセンサの３つの部分５０の強度測定から表面に関するデータの範囲を もたらすのに使用し得る。

第３図はセンサ２０に使用される電子回路５６を示す、を子回路５６は反射ビー ム４４の三部分５０の一つを受光する３つの光検出器５４の夫々に対する増幅器 ５８を有する。各増幅器５８はこれに付属する検出器５４から受けとった信号を 増幅する。増幅器５８からの出力は、増幅器５８の出力を順番に或いは指令によ ってモニタするために制御可能なマルチプレクサ６０に供給される０選択された 一つの光検出器５４の光強度に対応する信号は、増幅４８号をデジタル化するア ナログ／ゾルタルコンバータを含むコンピュータインターフェース６２に送られ る。これらの構成要素５ｆ３．６０および６２は、必ずしもそうとも言えないが 、電子回路５６の構成要素として容易に人手でき、センサ２０のハウジング２８ に゛取り付けられる。インターフェース６２の出力信号は、通常はセンサの外部 にあるマイクロプロセッサまたはコンピュータ６４に供給される。

ある場合、センサ２０は測定表面２４の上に直装置いてもよい、必要な場合、こ れはマウントによって表面から離すか、または移動機構の上などで表面の上方に 支持してもよい、上述したセンサ２０は小型のもので、典型的には表面に平行な 寸法で約３〜４インチ、高さ約１インチのものである。小型であることはコンバ クト性および可搬性と言う立場からして好ましいものであり、測定の再現性を確 保するために好ましいものである。小型の機器は頑丈で動作機能を保ったまま表 面から表面に正常に移動可能である。センサ２０が大型であると移動は変形を伴 う。

センサ２０の別の特徴は、アパーチャ２６と、アパーチャ２６からｆｆｉ器を通 って下方に延びる対応中央孔６６である０表面２４は楕円偏光解析を行なってい る場合においても直接に或いは顕＠鏡によってアパーチャ２６を通して観察可能 である。

多くの場合、同時に１個以上のセンサを使用して測定を行なうことが望ましいの で、この様な測定をする３ｆｌの装置を第４図〜第６図に示すが、ここでは夫々 の場合のセンサは略伝しており、上述した詳細に関しては図示されていない、し かしながら夫々の場合、センサは好ましくは第１図および第２図に示す形式のも ので、装置の中央孔を介して直径方向に対向位置する部品類を有する。

′！Ｊ４図は中央孔７８を宥するリング状支持体７６に支持された一対のセンサ ７２と７４とを有する装置７０を示す、２つのセンサは、好ましくは、但し必然 的にではないが、リング７６の周縁に出来るだけ周辺に近く位置している。セン サ７２は２つの部分７２と７２″を有するが、光源、必要に応してレンズ系、偏 光子、および必要に応じて１／４波長板を有する一方の部分７２と、孔７８を中 心として半径方向に対抗位置する他方の位置７２°に位置する分析器、規準スリ ット、および光検出器を有する。センサ７４は同様に構成されている。この対に おいて、一方のセンサ７２に１７４波長板は存在せず、他方のセンサには１／４ 波長板が存在し、両方のセンサには同一の光源波長と入射角とか使用されている 。

高レベルの複雑性と能力とがｌｓ図の装置８０に見られるが、ここでは４個のセ ンサがあり、これらは２対のセンサとして既に説明した所である。センサの第１ の対８２においては、対のセンサの一つは１／４波長板を有するが、他方はこれ がない、第１の対の両センサ８２は同一波長と入射ビームの同一入射角で動作す る。センサの′ｆＳ２の対８４においては、対の一方のセンサには１７４波長板 を有するが他方にはこれがない、第２の対の両センサ８４は同一波長、同一入射 角で動作する。但し、第２の対のセンサ８４は第１の対８２のセンサと同一の波 長と入射角の組み合わせでは動作しない。即ち、第２の対８４の２センサの波長 と入射角のいずれかまたは両方が第１の対８２の対応するパラメータとは相違し ている。装置８０のセンサ８２と８４とは、リング中央孔８８を通して見られる 分析すべき表面に関して図示のように等しい角度間隔で対称的にリング状支持体 ８６の周縁の周囲に取り付けられている。

第６図は這った入射角で複数個のセンサを支持しているアプローチを示す、第６ 図に図示の実施例においては、測定すべき表面に対する法線に対して相違する入 射角１９１１＋　Ｉ　９４＋およびｒｅａで３つのセンサ９２，９４および９６ が取り付けられてるい、センサの送出および受光部分（夫々°のあるものと無い もの）は表面の法線に対して同一角度で取り付けられている。

第４図〜３４６図に示すようなセンサ配列の各種のアプローチは容易に組み合わ せることができ、従って、例えば、第５図の装置は各角度位置に３個のセンサ、 合計で１２のセンサ（６対）を装置中に有するように変形することもできる。実 際の場合、すべてに対して、全体の装置に対する電子回路はハウジングの中に第 １図に示すような要領で容易に取付は可能である。勿論、センサの数が増加する と、通常ハウジングの直径と高さとはハードウェア部品を納めるために必要な物 理的スペースを設けるために増加しなければならない、１２個のセンサの場合に おいてすら装置の重量は３ボンド以上にはならない。

１個以上のセンサを使用する理由を第７図および第８図に示すが、これは被膜の 各種の厚さの場合のシリコン基板上の二酸化シリコン被膜の楕円偏光解析をまと めたものである。単一波長の光または只一つの入射角で取った測定からでは表面 に被着された被膜に対する不明瞭ではないデータを得る事は不可能である。第７ （ａ）図および第７（ｂ）図に示すように、波長７５００オングストロームの光 に対して楕円偏光解析パラメータの測定値デルタ（ｄｅｌ）　とプサイ（ｐｓｉ ）　とは約３３００オグストロームの周期で周期的に変化している。即ち、７５ ００オングストロームの波長の光を使用しての単一センサでの単一の測定では被 膜の厚さがＸ。

Ｘ＋３３００オングストローム、Ｘ＋６６００オングストローム等のどれである かを確かめることは出来ない、しかし、同様に′ｆ％７（ａ）図および第７（ｂ ）図に示すように、光源光の異なった波長に対する繰り返し周期が８１００オン ダストロームの光の場合は約３８００オングストロームである。周期の差は光源 光の二種の波長での測定から被膜厚さを定めることを可能とする。

２４８（ａ１図および第８（ｂ）図に示すように、単−波長の入射光（第８図で は７５００オングストローム）を使用したとぎに相違する入射角度に対して同様 な周期的変化が存在する。各種の波長と入射角とを賢明に選択することによりて 、被膜のデルタ（ｄｅｌ）　とプサイ（ｐｓｉｌ値、および厚さの値が不明瞭さ なしに決定し得る。

その他の複雑性が楕円偏光解析パラメータデルタ（ｄｅｌ）　とプサイ（ｐｓｉ ）を測定するのに使用されるアプローチによって導入される。デルタはそのコサ インを測定することによって決定される。角度の弧（コサイン）は０度から１８ ０度（極値を含む）の値に限定されるので、１８０乃至３６０度の範囲の値は直 接には測定できない、この問題は１／４波長板の光路への挿入によって回避され る。即ち０か６３６０度までの全範囲にわたって全体的な測定を行なうために、 １／４波長板なしの１センサと（Ｏから１８０度）、１／４波長板付きの１セン サと（１８０か６３６０度）が使用される。別のアプローチにおいては、車−セ ンサから１／４波長板を交互に抜ぎ差しすることであろうが、これは本装置の可 動部品を避けるという目的に反することとなろう。

即ち、一般にセンサとしては、違った光の波長と、入射角度と、光路への１７４ 波長板のある無しの種類を準備できる。しかし、ある種の応用においてはこの様 な一般的な能力は要求されない、と言うのは、例えば、被膜がある厚さ範囲にあ ることは別の源から知られ、従って若干の周期のどれを被膜が有するかを決定す る事は必要がないからである。

強度の測定から楕円偏光解析パラメータを計算するのに使用される好ましいアプ ローチはサーフェスサイエンス第５６を第２１２−２２０頁テニソンスミスによ る「自動化走査エリプソメータ」の記載に従りている。要約すると、反射光の強 度は以下の３つの方程式によって与えられる。即ち、２１’　／ｌ”（ｉ）　＝ 　Ｒ（１−ｃｏｓ２．ｐｓｉ）２１”／Ｉ’５（ｉ）　＝　Ｒｆｌ＋ｃｏｓ２． ｐｓｉ）２＋”／Ｉ”（ｉ）　＝　Ｒ（１＋５ｉｎ２．ｐｓｉ、ｃｏｓｄｅｌｔ ａ）ここに上付き数字を有する夏は上付ぎ数字で表示された分析器方位角での測 定される強度であり、１４ｍ　（１）は入射ビームの測定強度であり、Ｒは４５ 度の偏光入射光に対する表面の反射率であり、デルタ（ｄｅｌｔａｌ　とプサイ （ｐｓｉ）　とは楕円偏光解析パラメータである。これらの方程式から、標準エ リプソメータおよび本発明の装置によるキヤリプレーシジン責料と、更に未知の 賃料の測定とから、当業者は第７図および第８図をプロットするのに使用するプ サイおよびデルタパラメータとを決定することができる。一度これらの変数が知 られるとコンピュータデータベースから未知の資料の被膜パラメータは容易に決 定される。

（本発明者のサーフェスサイエンスの文献から取りた光強度と楕円偏光解析パラ メータとの間の上述した数学的な関係は正しくはあるが、この出版に引続いて発 明者はそこに存在する構造的な形状が２つの欠点をもつことを発見した。第１に 非拡散ビームの使用はサンプル位置およびアライメントに非常に敏感であると言 う結果をもたらした。第２に、１／４波長板の欠如は測定したデルタが０ないし １８０度にあるのか１８０ないし３６０度にあるのか決定不能とする０本発明の アプローチはこれらの問題を克服している。）３ビーム・エリプソメータの動作 をチェックするために、二対の楕円偏光解析センサを有する実施例装置を製作し た。各センサの一方には１／４波長板を取付け、他方はつけなかった。一対のセ ンサは７５００オングストロームの光源で動作し、他方の対のセン８１００オン グストロームの光源で動作した。すべてのセンサは６０度の入射角を有した。こ の装置は第５図に示すリング状の構造を有していたが、直径５インチで高さは約 １−１／２インチで約１ポンドの重量であった。以下の試験はこの装置を使用し て異なる厚さの二酸化シリコン表面層をもつように相違する時間で酸化させたシ リコンサンプルの範囲で行なった。

実験例１ 本発明による３ビーム・エリプソメータを使用して８つの試料を測定し、比較の ために１００ボンド以上の重量の従来のエリプソメータで同様のことを行なった 。第１表の各カラムは３ビーム・エリプソメータを使用しての測定した楕円偏光 解析パラメータ値と測定された被膜厚さＥを記載し、最終カラムは市販のエリブ ソメータとの比較としての３ビーム・エリプソメータを使用して測定した被膜厚 さの値との相違のパーセント差を示す。

纂工青 Ｄｅｌ　Ｄｅｌ　Ｐｓｉ　Ｐｓｆ　フィルム　厚　Ｐｃｔ艶９ユｌ且９９　旦１ 旦９　ヱ旦９０　且１９且　オンタスト０−五　２Ｆ−一１　１４０　１４４　 ２４．８　２５．２　４７２　−０．４２　１１３　＋１９　３４．７　３３． ７　１０２５　−０．８３　１９４　２０７　２３．０　２５．５　３０９１　 １．７４　２４０　２２９　３２．４　５６．５　５３７０　０．４５　１２２ 　１２５　６１．３　３０．８　７７４５　−０．４６　２３５　１１６　４４ ．８　４３．１　８１９４　−０．９７　１５９　２１２　２３．０　２６．４ 　９９１１　０．８８　１３２　１２７　６４．１　２９．０　１１１１０　０ ．４測定値は、一つの例外を別として、相互に１パ一セント以内であり、実験誤 差以内で３ビーム・エリプソメータが正確であることしを示唆している０本発明 のアプローチを使用する単一の測定時間は市販のエリプソメータが５秒であるの と比較して約ｏ、ｏｏｓ秒である。

実験例２ 二酸化シリコン被膜を作るために酸化したシリコンの別の試料をシミュレートし た８買確認試験で解析した。試料の１領域に指紋を作ったが、それ以外の領域に は触れなかった。上述した実験例１に使用した装置が試料の各部分を試験するの に使用された。視認検査から、測定１，２．３および５は指紋のＳｊｉ域以外の 所で為されたものであり、測定４は指紋の領域内で為されていることが分る。

測定は、以下の被膜厚を示した。　測定１．４４７オングストローム：　測定２ ．４３３オングストローム；　測定３．４２６オングストローム、　測定４．５ ９５オングストローム、　測定５．４４４オングストローム。　測定のうちの一 つ、第４は、その他の測定で確立された値よりも目立って大きく、また、前述し たように、第４は指紋の見られる範囲で取られた測定である。この情報は指紋ま たはその他の汚染の存在はこの汚染によって生じた表面層の厚さの違いから検出 し得ることを示している。従ってこの情報は、表面を肉眼検査しないでより厚い 被膜を形成する表面汚染を有する小片を検出する自動品質管理システムに使用し 得る０例えば、すべての値を平均して平均値からの特定な偏差値よりも大ぎい値 のものは不適格であることを示し、従って保留する。指紋領域以外の領域におい てはすべての被膜厚さは約５パーセント以内で等しい。

即ち、本アプローチは、表面に位置する被膜の物理的特性の測定を行なう迅速か つ多用途な方法である０本発明の特殊な実施例についての例示の目的で詳細に説 明をしたが、各種の変形例が発明の精神と範囲とを外れることなく行い得るはず である。従って、本発明は添付請求範囲以外には限定されるものではない。

国際調査報告

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. １．表面の物性を識別するために表面測定装置であって、一対の楕円偏光解析セ ンサを備え、各センサが、 装置の動作中、所定の入射角で前記表面に向う光路に沿って発散光ビームを放射 するように配置された単色光光源と、測定表面から反射する前に前記ビームを通 過させる偏光子と、反射ビームの第１部分を通過させる第１偏光分析器および該 第１偏光分析器を通過したのちの前記第１部分の強度を測定する第１検出器と、 反射ビームの第２部分を通過させる第２偏光分析器および該第２偏光分析器を通 過したのちの前記第２部分の強度を測定する第２検出器と、反射ビームの第３部 分を通過させる第３偏光分析器および該第３偏光分析器を通過したのちの前記第 ３部分の強度を測定する第３検出器とを含む構造を有し、前記各センサに対する 光源の動作波長と入射角とが等しく、一方のセンサが前記単色光源の波長に整合 した１／４波長板をビームの光路中に有し、他方のセンサはビームの光路に１／ ４波長板を持たないことを特徴とする表面測定装置。
2. ２．更に第２の対のセンサを有し、第２の対のセンサの光源が前記第１の対のセ ンサの光源とは異なる波長で動作をすることを除いて、第２の対のセンサが第１ の対のセンサと同一の構造と動作をもつことを特徴とする請求項１に記載の装置 。
3. ３．更に第２の対のセンサを有し、第２の対のセンサの入射角が前記第１の対の センサの入射角とは異なることを除いて、第２の対のセンサが第１の対のセンサ と同一の構造と動作をもつことを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. ４．少なくとも一つの追加のセンサ対を更に有し、この付加の対のセンサが前記 第１の対または第２の対のセンサのいずれかと異なる光源波長と入射角の組合わ せで動作することを除いて、追加の対のセンサが第１の対のセンサと同一構造と 動作とをもつことを特徴とする請求項２に記載の装置。
5. ５．少なくとも一つの追加のセンサ対を更に有し、こ追加の対のセンサはが前記 第１の対または第２の対のセンサのいずれかと異なる光源波長と入射角の組合わ せで動作することを除いて、追加の対のセンサが第１の対のセンサと同一構造と 動作とを有する請求項３に記載の装置。
6. ６．前記各センサの前記光源と前記偏光子との間に測定表面の表面からの反射点 に前記ビームを集光させるレンズ系を更に含むたことを特徴とする請求項１に記 載の装置。
7. ７．前記光源がフィルター付きのランプであることを特徴とする請求項１に記載 の装置。
8. ８．前記各センサの前記光源が発光ダイオードであることを特徴とする請求項１ に記載の装置。
9. ９．前記ビームの前記光検出器に入射する部分の寸法を制限すると共に測定表面 以外の表面からの反射光が前記検出器へ入射するのを防止する視準スリットを更 に含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
10. １０．前記各検出器の出力信号に接続された増幅器を更に含むことを特徴とする 請求項１に記載の装置。
11. １１．表面の物性を識別するための表面測定装置であって、装置の動作中に所定 の入射角で表面に向かう路光に沿って発散光を放射するように配置された単色光 源と、測定表面から反射する前に前記ビームを通過させる偏光子と、反射ビーム の第１部分を通過させる第１偏光分析器および該第１偏光分析器を通過したのち の前記第１部分の強度を測定する第１検出器と、反射ビームの第２部分を通過さ せる第２偏光分析器および該第偏光分析器を通過したのちの前記第２部分の強度 を測定する第２検出器と、反射ビームの第３部分を通過させる第３偏光分析器お よび該第３偏光分析器を通過したのちの前記第３部分の強度を測定する第３検出 器とを含む構成を有する第１楕円偏光解析センサと、装置の動作中に所定の入射 角で表面に向かう光路に沿って発散光を放射するように配置された別の単色光光 源と、測定表面から反射する前に前記ビームを通過させる別の偏光子と、反射ビ ームの前記第１部分を通過させる別の第１偏光分析器および該別の第１偏光分析 器を通過したのちの前記第１部分の強度を測定する別の第１検出器と、反射ビー ムの第２部分を通過させる別の第２偏光分析器および該別の第２偏光分析器を通 過したのちの前記第２部分の強度を測定する別の第２検出器と、反射ビームの第 ３部分を通過させる別の第３偏光分析器および該別の第３偏光分析器を通過した のちの前記第３部分の強度を測定する別の第３検出器と、前記ビームの光路中に て前記別の単色光光源の波長に整合した１／４波長板とを含む構成を有する第２ 楕円偏光解析センサとを備え、前記第１センサと第２センサとの動作波長が同一 であり、また第１センサと第２センサとの入射角が同一であることを特徴とする 表面測定装置。
12. １２．表面の物性を識別するための表面測定装置であって、楕円偏光解析法によ って表面の物性を測定する手段を備え、該手段が少なくとも一対の楕円偏光解析 センサを含み、この対の各センサが可動部品を含まずに同一波長および同一入射 角で動作するものであり、前記対の各センサは一方のセンサが光路中に１／４波 長板を持つと共に他方のセンサが光路中に１／４波長板をもたないことで異なっ ていることを特徴とする表面測定装置。
13. １３．前記測定手段が少なくとも二対の楕円偏光解析センサを含み、二対の各々 でセンサが異なる波長と入射角の組合せで動作するようになされていることを特 徴とする請求項１２に記載の装置。
14. １４．可動部品をもたない装置で表面の物性を測定する方法であって、夫々楕円 偏光解析変数ｄｅｌとｐｓｉとを測定する少なくとも一対の楕円偏光解析センサ であって前記対の各センサがそれらの内部の光源によって放射される単色光放射 の波長と測定表面への単色光ビームの入射角とによって特徴付けられると共に一 方のセンサが光路中に１／４波長板を有し他方のセンサが光路中に１／４波長板 を有していないものを準備するステップと、異なる対の楕円偏光解析センサを単 色光放射の波長と入射角の異なる組合せにセットするステップと、 前記複数の楕円偏光解析センサの対を用いて二つの測定がなされる期間中に表面 の或る領域の表面物性を変化させることなく前記領域の物性を測定するステップ と、更に、 測定された物性から測定領域の表面物性を計算するステップ、とを有することを 特徴とする表面測定方法。
15. １５．前記準備ステップで用意された前記二つのセンサで発散ビームをもつ光源 を使用することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. １６．装置を表面に対して第２表面位置へ移動させ、前記セットステップと測定 ステップおよび計算ステップを繰り返す追加ステップを含むことを特徴とする請 求項１４に記載の方法。