JPH08509810A - 自己整合原位置エリプソメータおよびプロセス監視への使用方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 偏光解析測定システムは薄膜サンプル製造ラインの真空室に関連して設定される。エリプソメータ（８）は薄膜サンプル（１１）上のさまざまな位置へ入射光線を指向させる走査器（１２）を有し、かつ受光器（３６）により受光される反射光線（２７）を制限する開口（１３）も有している。走査器は入射光線をサンプルの選定表面と一致させる方法を実施する。走査器および開口を使用して選定表面に対する入射光線の微調整が行われる。偏光解析測定システムはさらに膜厚および屈折率が周知であるテスト薄膜サンプルを使用して入射光線の入射角の値を算出する。

Description

【発明の詳細な説明】 自己整合原位置エリプソメータおよびプロセス監視への使用方法 発明の背景 発明の分野 本発明は薄膜サンプル特性の原位置測定に関し、より詳細には薄膜サンプルの 特性をオンラインで自動的に測定するのに使用する自己整合原位置エリプソメー タに関する。関連技術の説明 半導体製品の製造には代表的に基板上に薄膜層を連続的に堆積することが必要 であり、以後この薄膜層を薄膜サンプルと呼ぶ。薄膜層の堆積は生産ライン上の 連続真空室へ基板を通して行われる。製造工程のさまざまな段階において、これ らの薄膜層のさまざまな特性、例えば、屈折率や膜厚を精密に測定する必要が生 じる。これらの特性は単層、すなわち単原子層もしくは単分子層、に近い精度で 求める必要のある場合が多い。このような測定を行うために薄膜サンプルは製造 ラインからエリプソメータが精密に設定され校正されている実験室内の測定場所 へ取り込まれる。薄膜サンプルの表面から反射される光の偏光の変化に関するデ ータがエリプソメータにより提供される。 実験室において回転検光子を使用して基板上の薄膜の厚さおよび屈折率を測定 する装置および方法は周知であり、例えば、１９７５年１月に出版されたＡｐｐ ｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ第１４巻第１号のＤ．Ｅ．ＡｓｐｎｅｓおよびＡ．Ａ． Ｓｔｕｄｎａの論文“高精度走査エリプソメータ”を参照願いたい。この文献に は複素反射率比、膜厚、屈折率および偏光解析パラメータの測定について記載さ れている。実験室において、精密な角度測定装置である、ゴニオメータを使用し てサンプルへの光線の入射角が求められる。偏光解析パラメータΨおよびΔが判 っている薄膜サンプルを使用して、多くの検光子分解能について検光子角度の関 数として光強度データを集めることが文献に記載されている。集めたデータを使 用してフーリエ変換係数が計算され次にそれを使用して検光子パラメータ Ａｓ、偏光子パラメータＰｓ、および減衰パラメータηを含む校正パラメータが 計算される。次に、膜厚および屈折率が未知である薄膜サンプルを使用して、前 記したデータ収集およびフーリエ変換係数計算工程が繰り返される。複素反射率 比ρが計算されその後実験により偏光解析パラメータΨおよびΔが求められ記憶 される。本明細書では、偏光解析パラメータは常に変数ΨおよびΔである。 次に、１９８７年にＮｏｒｔｈ−Ｈｏｌｌａｎｄ社により出版されたＡｚｚａ ｍおよびＢａｓｈａｎａの著書エリプソメトリおよび偏光光線に記載されたモデ ルを使用して偏光解析パラメータが求められる。第３３２−３４０頁、“等方性 成層平面構造による反射および透過”には多層構造における反射光線の分析につ いて記載されている。モデルは一連の散乱行列により構成される。Ｓｉ基板上の ＳｉＯ₂の単層薄膜サンプルの場合、モデルは周囲空気とＳｉＯ₂層間の第１の界 面行列Ｉ₀₁；ＳｉＯ₂からなる層行列Ｌ₁；およびSｉＯ₂層とＳｉ基板間の第２の 界面行列Ｉ₁₂により構成される。界面は“周囲−膜−基板系による反射および透 過”という副題の書籍の第２８３−２８７頁の検討に従ってモデル化される。前 記モデルでは、膜相厚βの表現には膜厚ｄ、膜の複素屈折率Ｎ、および入射角Φ を表す変数が利用される。実験室の設定において、入射角は判っており膜厚は製 造工程による所望値に等しいと仮定する。空気およびシリコンに対するＮの値は 周知であり良く使用されている。例えば、ＳｉＯ₂の薄膜に対する屈折率Ｎの値 の実成分はその期待値として評価される。薄膜層に対するＮの値の虚成分はゼロ と仮定される。前記仮定から膜相厚が求められ、その後、全体複素反射係数およ び比率が算出されそれから偏光解析パラメータの計算値を求めることができる。 二乗平均平方根差関数等の誤差関数を使用して偏光解析パラメータの実験値およ び計算値を比較することができる。誤差関数の最少値が見つかるまで薄膜層の新 しい膜厚値および屈折率について前記工程が繰り返される。最少誤差関数を生じ る膜厚および屈折率の推定値が最終解値と見なされる。前記モデルをコンピュー タ分析により実現することが良く知られている。 製造サンプル特性の前記周知の後工程オフライン測定には製造サンプルをさら に手動操作する必要があるという欠点がある。操作が増えることにより全処理時 間がかなり増えサンプルは望ましくない汚染に曝される。 さらにオフライン工程ではサンプルからの光線の反射を反射光線の強度を測定 する受光器上で一致させるのが困難である。光線の調整やサンプルの操作を伴う さまざまな手順が存在する。これらの技術には共に欠点がある。例えば、光線を 調整するたびに入射角が変化して再度測定しなければならない。サンプルの方位 を調整するには薄膜サンプルの方位を非常に精密に変化させる機構を有する装置 が必要である。このような装置は製作費用が高く使用するのに時間を消耗する。 薄膜サンプルが製造ライン上にあるうちにその特性を測定すればサンプルを汚 染に曝すことが低減され総処理時間も短縮される。しかしながら、製造ライン上 のサンプルは真空室内にあって容易にアクセスできない。さらに、製造ライン上 でサンプルを自動操作すると幾分方位の異なるサンプルが１個以上発生してエリ プソメータの受光器に対するサンプルからの反射光線の位置が変化するようにな る。発明の要約 製造ラインから遠隔地点で薄膜層を測定しなければならない欠点を克服するた めに、本発明により薄膜サンプルの膜層特性を自動的に測定する製造ラインの原 位置回転検光子エリプソメータが提供される。 測定工程専用の真空室が製造ラインの選定位置に配置される。エリプソメータ は２つの対向する側壁窓を有する真空室に近接載置される。光源および受光器も 真空室の両側に載置される。Ｘ−Ｙ走査器が光源から受光して入射光線を一方の 窓を通って真空室内に配置された薄膜サンプル上へ向ける。反射光線は反対の窓 を通りピンホール開口を使用して受光器により受光される反射光線の量が制限さ れる。本発明によりさらに薄膜サンプルの所定の表面へ入射光線を一致させ、さ らに開口を通って受光器上へ反射される光線の強度が最大となる位置へ走査器に より入射光線を動かす方法が提供される。 周知の膜厚および屈折率を有するテストサンプルを使用し、入射角の仮定値に より前記したモデルおよび誤差関数を使用して精密な入射角が計算され記憶され る。いくつかのテストサンプルを使用してそれぞれいくつかの入射角が計算され 次に平均入射角を計算して後の計算のために記憶される。次に製造薄膜サンプル がエリプソメータの近くへ移動され、Ｘ−Ｙ走査器を使用して、製造サンプルの 所望する表面から反射光線を発生する位置へ入射光線が動かされる。次にオフラ イン測定について説明したようにエリプソメータを使用して記憶された入射角に より製造薄膜サンプルの膜厚および屈折率が求められる。 前記したことから、製造ライン上の薄膜サンプルの薄膜層特性を測定する自己 整合原位置エリプソメータが提供されしたがって薄膜サンプルの操作が最小限に 押さえられ、汚染の可能性が低減され全体サイクルタイムが短縮されるという利 点が得られる。Ｘ−Ｙ操作器およびピンホール開口によりエリプソメータの自動 校正が容易になりいつでも実施することができる。 本発明のこれらおよび他の目的および利点は添付図面およびその説明を読めば 明らかとなる。図面の簡単な説明 ここに組み込まれ本明細書の一部を構成する添付図面は本発明の実施例を示す ものであり、前記説明および下記の詳細説明と共に、本発明の原理を説明するも のである。 第１図は製造ライン上の真空室に関連する回転検光子エリプソメータと一緒に 使用するＸ−Ｙ走査器およびピンホール板を示す略ブロック図。 第２図はＸ−Ｙ走査器を作動させてサンプルの所望する表面からの反射光線を つきとめるルーチンを示すフロー図。 第３図はＸ−Ｙ走査器およびピンホールを通る反射光線を使用して最適信号強 度を発生する走査器位置を見つけるルーチンを示すフロー図。 第４図はエリプソメータを使用して入射角を求める工程のフロー図。発明の詳細な説明 第１図に製造ラインを示し一連の処理部には処理部３，４，５として略示する ものが含まれている。各処理部は基板上の一層以上の薄膜層からなる薄膜サンプ ルを製造するのに必要な工程の一つ以上のステップを実施するように機能する。 処理部はスパッタリング、ＣＶＤ（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓ ｉｔｉｏｎ）もしくは他の薄膜製造方法を提供することができる。サンプルは周 知の転送機構により一つの処理部から別の処理部へ移動され製造ラインチューブ の処理部はシステムコンピュータにより制御される。工程の一つ以上 の点において、膜厚や屈折率等の薄膜層の特性を測定するのが望ましい。これら の測定をオンライン、すなわち製造ラインの原位置、で実行するために、第１図 の処理部６に示すようにその測定工程専用の処理部が製造ラインに付加される。 測定処理部６は真空室９に近接載置され測定部コンピュータ１０により制御され るエリプソメータ８を具備している。薄膜測定を行うことが決定されると、シス テムコンピュータ７が薄膜サンプルを製造ライン上の別の処理部から測定部６へ 転送して真空室９内に配置するように作動する。薄膜サンプル１１は真空室９内 へ転送されると、所定位置に配置される。しかしながら、工程の制御不能な変動 により、各サンプルは恐らくは幾分異なる方位とされている、すなわち、いずれ にしてもサンプルは所定位置とされた後で非常に僅かに傾いていることがある。 サンプルの方位の極めて僅かな変化によりエリプソメータ８の測定精度が悪影響 を受ける。したがって、エリプソメータ８と一緒にＸ−Ｙ走査器１２が使用され る。測定部コンピュータ１０の制御の元で、Ｘ−Ｙ走査器１２によりエリプソメ ータ８の入射光線がサンプル１１の精密な位置へ一致される。さらに、ピンホー ル１３を使用してサンプルからの反射光線が制限されエリプソメータによる測定 が最適化される。 その後、測定部コンピュータ１０によりエリプソメータ８の動作を制御して薄 膜サンプル１１上の薄膜層特性に関するデータが収集される。その後、周知の方 法および技術により、測定部コンピュータ１０は偏光解析パラメータを算出しコ ンピュータモデルを利用してサンプル１１上の薄膜層の膜厚および屈折率値を算 出する。 第１図の構造をさらに詳細に参照して、コリメート光源１４から発生される光 線はアイリス１６等のさまざまな装置により製造することができるシャッター１ ５を通ってＸ−Ｙ走査器１２へ入射する。コリメート光線は、例えば、Ｈｅ−Ｎ ｅレーザー、もしくは他のレーザー源、コリメート光学アセンブリ付ガス放電型 アーク灯源、コリメート光学アセンブリ付発光ダイオード、もしくはレーザーダ イオードとすることができる。ビームスプリッタ、ファイバー光学系もしくは他 の装置を使用して光線を移送もしくは変換させてから走査器１２へ入射させるこ とができる。Ｘ−Ｙ走査器１２から出力されるレーザー光線は偏光子１８によ り直線偏光１９される。直線偏光された光線１９は真空室９の一方側の壁に取り 付けられた水晶窓２０を通過する。入射光線１９は可動パレット２５上に配置さ れたサンプル１１にφ_iの入射角で入射する。反射光線２７は入射角φ_iに等しい 反射角φ_rでサンプル表面から反射される。反射光線２７は真空室９の他方側の 壁に取り付けられた第２の水晶窓２６を通過する。 次に反射光線２７は一般的にその光路により明確に定められる軸の周りに検光 子２８を回転させるモータ３０に機械的に接続された検光子２８を通過する。エ ンコーダ３２がモータ３０に機械的に接続されていて検光子２８の角位置の変化 を測定する。検光子２８を通過した後で、反射光線２７はピンホール板３４内の 開口１３を通過しシリコン受光器３６により受光される。シリコン受光器３６は 受光強度に比例する出力信号電圧を発生する。光の波長および偏光感度に応じて 他の受光器、ホトセンサもしくはホトダイオードを使用することもできる。 電磁干渉（ＥＭＩ）保護インターフェイス回路３８がエンコーダ３２からの出 力パルスおよび受光器３６が発生する出力信号電圧を増幅する増幅器４１からの 出力信号を受信する。信号はテキサス州オースチンのナショナルインスツルメン ツ社から市販されているデータ取得ボードモデル番号ＡＴ−ＭＩＯ−１１２Ｌ− ５であるＭＩＯ入力インターフェイス３１を介してコンピュータ１０へ入力され る。コンピュータ１０はインテル社から市販され３３ＭＨｚで作動する３８６処 理装置３３を有している。オペレーティングプログラム３５には処理装置３３の 動作を制御するＤＯＳベースオペレーティングシステムが含まれている。増幅器 ４１から得られるようなデータ信号およびプロセッサ３３により計算される値が データ記憶装置３７に記憶される。処理装置３３はマサセッツ州タウントンのメ トラバイト社から市販されているＩＥＥＥ−４８８インターフェイスボード３９ を介してモータコントローラ４２へ制御信号を発生する。処理装置３３はテキサ ス州オースチンのナショナルインスツルメンツ社から市販されているデジタルＩ ／Ｏボードモデル番号ＡＴ−ＤＩＯ−３２ＦであるＤＩＯ出力インターフェイス ボード４５を介してインターフェイス回路３８へ出力信号を発生する。 インターフェイス回路３８は電磁遮蔽電線を使用する電子コントロールボック スでありコンピュータ１０の近くに配置されている。コンピュータ１０のデータ 取得準備が完了すると、回路３８により内部取得ホールドオフ回路がイネーブル される。モータ３０がエンコーダ３２のホームポジションに達すると、ＭＩＯ３ １の外部変換ピンへエンコーダパルスが通される。変換ピンに達する各エンコー ダパルスに対して、増幅器４１からのアナログ信号電圧が測定され、デジタル信 号へ変換されてデータ記憶装置３７に記憶される。さらに、コンピュータ１０、 インターフェイス３８および走査器制御装置４４を具備する制御回路により走査 器１２を作動させる制御信号が発生される。コンピュータはさらにシャッター制 御装置４６とのインターフェイス３８を介して制御信号を発生し、シャッター１ ５を制御する。Ｘ−Ｙ走査器１２を除き、走査器制御装置４４、水晶窓２０およ び２６、真空室９およびピンホール板３４、第１図のその他の全部品が薄膜サン プルの物理的測定のオフライン測定に利用される。さらに、ここに記載すること を除き、オフライン測定に使用してもオンライン測定に使用しても機能および動 作に差異はない。 入射光線に対して配置されるＸ−Ｙ走査器１２を使用して入射光線１９を所定 のラスター走査パターンで薄膜サンプルの表面にわたってさまざまな位置に指向 される。薄膜サンプルの表面を走査するとサンプルに当たる入射光線の光路が変 化し、したがって、開口および受光器に対して反射光線が移動する。入射光線１ ９が薄膜サンプルに当たると、裏面２９だけでなく光学的に平坦な前面１７から も光が反射する。裏面２９からの反射光線の寄与はサンプルの透明度および裏面 ２９の組織によって決まる。サンプルが透明で裏面２９が比較的粗い場合には、 光は裏面２９から拡散して反射される。これに対して、裏面２９が平坦であれば 、光は裏面および前面から同様に反射されるが、反射光線は互いに変位される。 コンピュータ１０は走査制御信号を走査器制御装置４４へ発生しそれは走査器１ ２を指令して入射光線１９を動かしサンプル表面からの反射光線２７がピンホー ル板３４を通って受光器３６へ指向されるようにする。 コンピュータ１０は制御信号を走査器制御装置４４へ与え、それは次にＸ−Ｙ 走査器を制御して所定の走査パターンを実行する。所定の走査パターンはある位 置において裏面２９からの反射光線２７よりも先に選定された表面からの反射光 線２７が開口１３に当たるように開始される。例えば、第１図を参照して、選定 表面が前面１７であれば、走査器は第１図に示すようにサンプルの底部、すなわ ち検光子に近い点から走査を開始する。裏面２９が選定表面である場合には、頂 部すなわち走査器に近い点でパターンの走査が開始される。本明細書では、Ｙ軸 はサンプルの表面と交差する軸でありサンプルの前面１７上へ光線経路の投影に より明示される。Ｘ軸はＹ軸に直角にサンプル表面と交差する。原点すなわちサ ンプル前面に対するＸおよびＹ軸の交点は設計上の選択事項である。 自己整合ビーム捕捉アルゴリズムに従ってＸ−Ｙ走査器を制御するためにコン ピュータ１０が実行するルーチンを第２図に示す。ステップ２０１において、コ ンピュータは最初に走査器制御装置４４を指令して走査器１２を設定位置へ動か す。校正ルーチン中にテストサンプルを走査する場合のように、選定表面をつき とめるために予め走査ルーチンが実行されている場合には、選定表面からの反射 が最適となる走査器位置が記憶されており設定位置として使用することができる 。したがって、その位置の座標がコンピュータ１０内に記憶されたデータから読 み出され走査器を設定位置すなわち開始位置へ位置決めするのに使用される。ま た、前の設定位置が明示されていない場合には、走査器をデフォールト設定位置 へ動かして入射光線を所定パターンで動かすことにより選定表面からの反射光線 が別の表面からの反射光線よりも先に受光器により検出されるようにすることが できる。その設定位置はレーザビームのサイズおよびそのサンプルとのおおよそ の交差面積から決定することができる。プロセスステップ２０２に従って、コン ピュータは次にシャッター制御装置４６を指令してシャッター１５を開き、Ｘ− Ｙ走査器１２へ光線を与える。 次に、プロセスステップ２０４において、コンピュータは走査器制御装置４４ を指令して入射光線１９をＸ軸に沿って所定の増分ステップだけ動かすようＸ− Ｙ走査器１２を制御する。このステップは所望する方向への所定の増分変位であ る。Ｘ軸に沿った初期移動方向は設計上の選択事項である。プロセスステップ２ ０６において、コンピュータは受光器３６および増幅器４１からの出力を監視し て出力信号が存在するか確認する。存在しなければ、プロセスステップ２０８に おいて、Ｘ軸限界に達したかを確認するチェックがなされる。限界はビームサイ ズおよびサンプル上のビームの交点の予測面積の関数として決定される。Ｘ軸限 界に達していなければ、Ｘ軸限界に達するまでプロセスステップ２０４および２ ０６が繰り返される。この点において、プロセスステップ２１０に従ってＸ軸の 移動方向が反転され、プロセスステップ２１２においてＹ軸限界に達しているか を確認するチェックがなされる。達していなければ、プロセスステップ２１４に おいて走査器は入射光線１９をＹ軸に沿って所定の増分ステップだけ動かすこと を要求され、前記プロセスが繰り返されてレーザビームはサンプル表面の両端間 をラスター走査パターンで動かされる。 プロセスステップ２０６において、コンピュータが受光器３６からの出力信号 を検出するまでラスター走査が継続される。その後、プロセスステップ２１６に 従って、後記するビーム最適化ルーチンを実行して選定表面からの反射光線２７ の最適強度が得られる正確な位置が見つけ出される。受光器３６が出力信号を検 出することなくＸおよびＹの両限界に達すると、ステップ２１８のプロセスによ りシステムコンピュータへエラーメッセージが与えられる。走査器はモデル番号 ＸＹ０５０７Ｓ、走査器制御装置はモデル番号ＤＸ２００５であり、共にマサチ ューセツ州ウォータータウンのゼネラルスキャニング社から市販されている。 ピンホール板３４を介して受光器３６が受光する反射光線によりＸ−Ｙ走査器 を使用するためにコンピュータ１０が実行する最適化ルーチンのフロー図を第３ 図に示す。第２図に関して説明した走査ルーチンはピンホール板３４を介してサ ンプルの所定面すなわち前面１７から検出器３６へ反射される反射光線２７をつ きとめるように機能する。第３図のルーチンの機能はピンホール板３４に対する 反射光線２７の位置をさらに精密にすることである。薄膜サンプル上のさまざま な位置へ入射光線を指向するためにさらに走査パターンが実行される。反射光線 の強度が各位置において受光器により測定され、ピンホール板３４を通り検出器 ３６上へ反射される反射光線の最大強度が得られる位置へ入射光線が動かされる 。反射光線の最大信号強度が得られる位置へ入射光線を動かすことにより検光子 角度および偏光解析パラメータを求めるのに使用される後続サンプリングプロセ スが改善される。 ステップ３００において、プロセスは最初に反射光線をＹ軸に沿って所定距離 、例えば、２０ステップ戻すよう要求する。第１図を参照して、反射光線はサン プ ル表面上を検光子２８へ向かって動かされる。この２０ステップの動きにより反 射光線はピンホール板３４上の開口から離れる。次に、ステップ３０２において 、Ｘ−Ｙ走査器は入射光線１９を動かすことにより反射光線をＹ軸に沿って反対 方向、すなわち検光子２８から離れる方向に、反射光線を１ステップだけ動かす よう指令される。次に、ステップ３０４において、コンピュータ１０は増幅器４ １からの出力信号の現在の大きさを検出し記憶することにより反射光線をサンプ ルする。次にコンピュータは、プロセスステップ３０６に従って、現在のサンプ ルＳｙ_nの現在の大きさを前のサンプルＳｙ_n-1の前の大きさと比較する。現在の サンプルの現在の大きさが前のサンプルの前の大きさ以上であれば、ステップ３ ０８において、プロセスは最初に最大数のステップがとられているかをチェック して確認し、とられていなければ、プロセスはステップ３０２へ戻る。１増分だ け前進し、検出器３６からの出力信号をサンプリング化現在のサンプルの大きさ を前のサンプルと比較するステップは現在のサンプルが前のサンプルよりも小さ くなるまで繰り返される。その確認がなされると、入射光線の現在の方向の動き が停止され、ステップ３１０においてプロセスは入射光線１９をＹ軸に沿い検光 子に向かって１ステップ戻すようにＸ−Ｙ走査器１２を命令する。したがって、 入射光線１９はピンホール１３を介して検出器３６上に最大光強度が得られる点 に位置決めされる。 前記プロセスを繰り返えしてプロセスステップ３０８により決定される最大ス テップ数だけ反射光線２７を動かしても最大信号強度が検出されなければ、現在 のアルゴリズムを実施してもプロセスは最大信号強度を見つけだすことがないと 任意に判断される。したがって、プロセスは終止され、ステップ３１１において 、オペレータにエラーメッセージが表示される。プロセスステップ３０８におい て検出される最大ステップ数は代表的にプロセスステップ３００においてビーム を動かすステップ数の２倍である。 プロセスステップ３００−３１０においてＹ軸に沿った最大ビーム強度をつき とめるように機能する。このプロセスの戦略をプロセスステップ３１２−３２２ において繰り返えして最大信号強度の位置をつきとめるためにＸ軸に沿って入射 光線１９が動かされる。ステップ３１２において、コンピュータはＸ軸に沿って 左方向に２０ステップだけ入射光線１９を動かすようＸ−Ｙ走査器を指令する。 ステップ３１２においてＸ軸に沿って右もしくは左へ動かす方向は任意であり設 計上の選択事項である。ステップ３１４において、コンピュータはＸ軸に沿って 右方向へ１ステップだけ入射光線１９を動かすようＸ−Ｙ走査器を指令する。ス テップ３１６において、増幅器４１の出力がサンプルされ、ステップ３１８にお いて、出力信号Ｓｘ_nの現在の大きさが前のサンプルＳｘ_n-1の大きさと比較され る。現在のサンプルが前のサンプル以上である限り、プロセスはステップ３１４ −３２０を繰り返す。現在のサンプルの大きさが前のサンプルの大きさ以上でな ければ、ステップ３２２においてコンピュータは入射光線１９の現在の方向の移 動を停止してＸ軸に沿って左へ１ステップ動かすようＸ−Ｙ走査器に命令する。 代表的にはプロセスステップ３１２における移動ステップ数の２倍とされる、所 定の最大ステップ数以内にアルゴリズムが満足されなければステップ３２０にお いてプロセスが終止される。その場合、ステップ３２４に従ってオペレータへエ ラーメッセージが送られる。 最適化ルーチンが完了すると、検出器３６により最大信号強度が測定されるよ うに開口に対する反射光線２７の位置が定められる。Ｘ軸とＹ軸のどちらへ先に 動かすかは自由である。最適化ルーチンにはカリフォルニア州アービンのメレス グリオット社から市販されているピンホール板３４モデル番号０４ＰＰＭ０１７ が使用される。ピンホール板３４を使用することにより最大信号強度の検出にお ける識別力が改善されさまざまなパラメータの計算精度が向上する。ピンホール の直径は０．２ｍｍである。しかしながら、可調整ピンホール付アイリス１６や さまざまな直径のピンホールを使用することができる。水晶窓２０および２６は 光線が散乱せず偏光が変化しないように選択しなければならない。水晶窓２０お よび２６は応力による複屈折効果が小さくなければならずマサチューセツ州グロ ーセスターのボムコ社から市販されている。 次に第１図の装置を使用して薄膜サンプル上の薄膜層の膜厚および屈折率の測 定を容易にする説明を行う。この検討において、測定にはサンプルの前面１７か らの反射光線２７を検出することが必要である。真空室９と連係したエリプソメ ータの動作はシステムコンピュータ７と電気的に連絡されたコンピュータ１０に より制御される。代表的にシステムコンピュータ７はプロセスの全体制御および 真空室間のサンプル転送を行う。システムコンピュータ７の動作および、コンピ ュータ１０等の、手元真空室コントローラとの統合は周知である。 エリプソメータを製造に使用する前に、測定システムを校正しなければならな い。さらに、時間や製造量に基づいて任意の間隔でシステムを再校正するのが望 ましい場合もある。校正は自動もしくは手動とすることができる。校正プロセス には周知の校正パラメータ、すなわち、偏光子パラメータＰｓ、検光子パラメー タＡｓ、および減衰パラメータηを有するシリコンや金や他の薄膜サンプル上の ＳｉＯ₂とすることができる校正サンプルが必要である。校正サンプルは真空室 内へ手動もしくは自動でロードされる。前記したように、走査プロセスおよび最 適化ルーチンを実行して校正サンプルの前面をつきとめその後で校正プロセスが 開始される。 オンライン校正プロセスの残りはオフラインエリプソメータの校正に関して前 記したものと同じである。所与の偏光角に対して、コンピュータ１０はモータコ ントローラ４２へ制御信号を与えて検光子２８のクリスタルを所定回転数、例え ば、１００回回転するようモータ３０を指令する。検光子の各回転中に、受光器 へ入射する光の強度が変化し所定数、例えば、２５０の出力パルスがエンコーダ から発生される。コンピュータ１０により検出される各エンコーダパルスに対し て、コンピュータは増幅器４１の出力信号電圧をサンプリングすることにより反 射光線２７の信号強度をサンプルする。エンコーダが１回転毎に２５０パルスを 発生する場合、検光子の１００回転中に出力信号のサンプルを表す２５００のデ ータ点が収集され各エンコーダ位置と共に記憶される。データ点についてＦＡＴ 分析を実施して２つのフーリエ係数が算出される。次に偏光角が所定角度だけ変 えられ、前記プロセスが繰り返される。フーリエ係数を算出するために連続的に 増分変化する偏光角について一連の測定がなされる。偏光子は手動もしくはコン ピュータ１０により制御されるモータドライブによりさまざまな角度に設定する ことができる。次に算出されたフーリエ係数を使用して、校正サンプルの周知の 校正パラメータ、Ｐｓ、Ａｓ、およびηへシステムが校正される。 システムが校正された後で、入射角を精密に決定しなければならない。入射角 は真空室に対するエリプソメータの設定により予め定められるが、ウエーハを保 持するパレットの方位の変化によりその指定入射角の改善が指令される。第４図 は入射角を算出するプロセスを示すフロー図である。最初のステップ４０２にお いて、膜厚および屈折率が周知である最初のテストサンプルを測定室へロードす ることが要求される。走査および最適化ルーチンを実行してステップ４０４にお いて要求されるサンプルの前面が検出される。前記ＡｓｐｎｅｓおよびＳｔｕｄ ｎａの文献に記載されているのと同様な方法で、エリプソメータを使用してデー タが収集されステップ４０６従ってフーリエ係数が算出される。ステップ４０８ において、フーリエ係数および校正パラメータを使用して偏光解析パラメータΨ およびΔの実験値が算出され、偏光解析パラメータのこれらの実験値が記憶され る。 次に、前記ＡｚｚａｍおよびＢａｓｈａｎａの書籍に記載されているのと同じ モデルを使用して、入射角が精密に決定される。前記したように、モデルは膜厚 ｄ、膜の複素屈折率Ｎ、および入射角Φを表す変数を有する膜相厚βの式を使用 する。前記オフライン実験室設定の場合には、入射角は周知であり膜厚および屈 折率は推定される。オンライン原位置エリプソメータに対する精密な入射角の計 算の場合には、サンプルの膜厚および入射角が周知であり、ある値の入射角が仮 定される。したがって、ステップ４１０において、最初の入射角が仮定され、ス テップ４１２において、テストサンプルの周知の屈折率および膜厚値を使用して 偏光解析パラメータΨおよびΔの計算値が求められる。 例えば、測定室が６７°の入射角に設計されている場合、モデルに使用するた めに選定される入射角の最初の仮定値は６７°前後の値、例えば、６９°や６５ °とすることができる。ステップ４１４において、二乗平均平方根差関数が計算 されそれは最初の仮定に対するΨおよびΔの計算値とΨおよびΔの記憶された実 験値との比較を表す誤差値である。ステップ４１６において、システムは最小誤 差が見つかっているかをチェックして確認する。それは少なくとも２つの誤差値 を比較しなければならないことを意味し、したがって、定義上最初の繰返しでは 最小誤差を見つけることはできない。ステップ４１８において、入射角の第２の 仮定値が選定されそれは誤差値を、例えば、６７°の設計値に向かって収束 する小さな値とするようにされた仮定値である。 プロセスはステップ４１２へ戻りそこで新しいΨおよびΔの値が算出され、ス テップ４１４において、二乗平均平方根差により新たに算出されたΨおよびΔの 値がΨおよびΔの記憶された実験値と比較されて新しい二乗平均平方根差値が得 られる。ステップ４１６において、新しい誤差値が前に算出された誤差値と比較 されて最小誤差値が見つかっているか確認される。最小誤差値を与える入射角の 仮定値が見つかるまでステップ４１２−４１８のプロセスが繰り返される。入射 角を仮定するプロセスは仮定された角度を手動入力して達成することができ、あ るいは最小誤差値が見つかるまで論理的に入射角の仮定値を与える自動ルーチン を使用することができる。二乗平均平方根差値は次式により求められる。 ステップ４２０に従って、好ましくはステップ４０２−４１８に示すようにテ ストサンプルを使用して入射角を求めるプロセスはやはり屈折率および膜厚が周 知である第２および第３のテスト薄膜サンプルについて繰り返される。ステップ ４２２において、求められた３つの入射角を平均して入射角の最終計算値が得ら れそれは製造サンプルの分析時に使用するために記憶される。好ましくは３つの テストサンプルはＳｉ基板上のＳｉＯ₂の厚さが異なり、例えば、５００Å、１ ０００Åおよび１５００Åの膜厚とすることができる。 装置がオンラインで作動される場合には、製造サンプル１１を載置したパレッ ト２５が真空室９内へ移動される。レーザー１４前面のシャッター１５が開かれ 、Ｘ−Ｙ走査器１２が作動して前記したように製造サンプルの前面１７が走査さ れる。走査器はテストサンプルの走査プロセス中に記憶されたテストサンプルの 前面をつきとめた設定位置のＸ−Ｙ座標で走査を開始する。したがって、走査プ ロセスの開始時に、反射光線２７は製造サンプルの前面１７からの反射光線２７ を開口１３および受光器３６と一致させる位置に非常に近くなければならない。 自己整合走査ビーム捕捉アルゴリズムが完了すると、最適化ルーチンを使用する Ｘ−Ｙ走査器１２の微調整により光線の位置は信号強度が最大となりかつ散乱光 による汚染が最低となるようにさらに最適化される。前記したのと同様に、回転 検 光子２８が作動してサンプルされたデータ点が収集されそれから偏光解析パラメ ータの実験値が求められて記憶される。オフライン測定について前記したのと同 じモデルを使用し、入射角の計算値を膜厚および屈折率の推定値と一緒に使用し て偏光解析パラメータΨおよびΔの値が算出される。二乗平均平方根差関数を使 用して偏光解析パラメータの実験値と計算値の比較により誤差関数が得られる。 最小誤差関数が得られる仮定値が見つかるまで新しい膜厚および屈折率の値が仮 定される。 第１図に示すように、本発明は透明ポリカーボネイトサンプル上の１１００Å のＳ₃Ｎ₄膜に対して６７°の入射角を有するように設計されている。２分毎にテ スト真空室に対して連続的に出し入れされる回転可能なパレットの両面に製造薄 膜サンプルが載置される。エリプソメータにより屈折率および膜厚が４５秒以内 に測定される。理論的計算によりサンプル位置の機械的公差内で入射角は不変で あることが判っている。システムの機械的公差に関する仕様はサンプル位置の回 転については±５°横方向変位については±１とされている。誤差分析により入 射角が６７°である透明ポリカーボネイト基板上の１１００ÅＳ₃Ｎ₄膜について は、測定された膜厚の誤差は±５．４Åであり屈折率の誤差は±０．００１であ ることが判っている。実験結果から測定値は正確で繰返し可能であることが判る 。 ここに開示する装置により膜とその基板の屈折率が非常に近い場合であっても 膜の光学的特性を測定することができる。さらに、多層の薄膜を積み重ねたサン プルの場合には、本発明の装置により可変角度分光エリプソメトリを実施して各 膜層に対する入射角および異なる波長を使用して膜層の厚さおよび他の光学的性 質を測定することができる。他の応用では、アルミニウムやシリコンのような不 透明基板であっても、ポリカーボネイトやガラスのような透明基板であっても、 本発明を使用してサンプルの前面および裏面からの反射光線を見つけて分析し膜 スタック、基板もしくは裏面の膜スタックに関する情報を提供することができる 。 本発明の実施例について詳細に図解および説明してきたが、特許請求の範囲を このような詳細実施例に制約したり限定するつもりはない。当業者には他の利点 や修正例が自明であると思われる。例えば、回転検光子エリプソメータ等の他種 のエリプソメータにより本発明を実施することができる。また、ピンホールはピ ンホール板の一部として示されているが、受光器等の他の部品と一体化すること ができる。他の誤差関数を使用して偏光解析パラメータの測定値と計算値を比較 することができる。本発明は薄膜サンプルの他の物理的特性の測定を容易にする ために応用することもできる。したがって本発明は広い見解においてここに図示 かつ説明した特定の詳細、代表的装置および方法、および例に限定されることは ない。本発明の一般的発明概念の精神および範囲内でこのような詳細から逸脱す ることができる。

【手続補正書】特許法第１８４条の７第１項 【提出日】１９９４年９月２日 【補正内容】 請求の範囲 〔１９９４年９月２日国際事務局により受理された。 もとの請求項１から１６は補正後の請求項１から２４に差し替えられた。〕 １． 製造ラインに使用して薄膜サンプルの薄膜特性を測定する測定部であっ て、該測定部は、 第１および第２の窓を有する真空室と、 薄膜サンプルを支持して真空室内の位置へ移動することができる可動パレット と、 コリメート光源および偏光光線を発生する偏光子、および 反射光線の受光に応答して出力信号を発生する受光器、を有する エリプソメータと、 前記偏光光線を受光して入射光線を前記第１の窓を通って薄膜サンプルへ向け るように前記偏光子および前記第１の窓に対して配置された走査器であって、前 記入射光線を前記薄膜サンプル表面上のさまざまな位置へ動かしてサンプルから の反射光線を前記第２の窓を通って前記受光器へ向ける走査器と、 出力信号に応答しかつ前記走査器および前記エリプソメータに接続された制御 手段であって、 前記走査器へ制御信号を送って薄膜サンプルの選定表面上の最大強度の反射 光線を生じる位置へ入射光線を動かし、 前記エリプソメータを作動させて薄膜サンプルの偏光解析パラメータを求め 、 偏光解析パラメータおよび異なる薄膜サンプルにより求められた記憶された 入射角に応答して薄膜サンプルの薄膜特性を求める、前記制御手段と、 を具備する、測定部。 ２． 薄膜サンプルの表面へ入射光線を指向しかつ薄膜サンプルの表面で反射 して受光器へ当たる反射光線の強度に応答して出力信号を発生する受光器を有す るエリプソメータであって、該エリプソメータはさらに、 薄膜サンプルの表面上のさまざまな位置へ入射光線を指向させてそこから反射 光線を発生するように入射光線および薄膜サンプルの表面に対して配置された走 査器と、 出力信号に応答しかつ前記走査器に接続されて前記走査器へ制御信号を送り薄 膜サンプルの表面からの反射光線の最大強度を生じる薄膜サンプル上の位置へ入 射光線を動かす制御回路と、 を具備する、エリプソメータ。 ３． 第１項記載の測定部であって、さらに受光器に当たる反射光線の量を制 限するように受光器および薄膜サンプルの選定表面に対して配置された開口を含 む、測定部。 ４． エリプソメータを薄膜サンプルの所定の表面と一致させる方法であって 、エリプソメータはコリメート光源および受光器を有し、受光器は薄膜サンプル からの反射光線の強度の関数として出力信号を発生し、該方法は、 コリメート光源から受光する走査器を薄膜サンプルの所定の表面に対する設定 位置へ入射光線を指向するように作動させるステップと、 入射光線を所定の走査パターンで動かすように走査器を作動させるステップと 、 所定の表面をつきとめる反射光線の存在を検出するステップと、 薄膜サンプルの所定の表面からの反射光線の最大強度を生じる薄膜サンプルの 所定の表面上の位置へ入射光線を動かすように走査器を作動させるステップと、 からなる、方法。 ５． 第４項記載の方法であって、該方法はさらに反射光線の強度を受光器に より測定するステップの前に薄膜サンプルおよび受光器間に配置された開口へ反 射光線を通すステップを含む、方法。 ６． 第５項記載の方法であって、走査器により入射光線を指向させるステッ プはさらに薄膜サンプルに対して所定のパターンで入射光線を動かすステップを 含む、方法。 ７． 第４項記載の方法であって、設定位置は入射光線を所定のパターンで動 かすことにより所定の表面からの反射光線は薄膜サンプルの別の表面からの第２ の反射光線よりも先に受光器により検出されるように選択される、方法。 ８． エリプソメータを薄膜サンプルの選定表面と一致させる方法であって、 エリプソメータは薄膜サンプルへ向けて入射光線を指向させ、かつ受光器に当た る薄膜サンプルからの反射光線の強度の関数として出力信号を発生する受光器を 含み、該方法はさらに、 イ）． 走査器により入射光線を選定表面の関数として薄膜サンプルに対する 設定位置へ動かすステップと、 ロ）． 走査器により入射光線を第１の方向へ１ステップだけ動かすステップ と、 ハ）． 受光器を監視して出力信号の存在を検出するステップと、 ニ）． 出力信号の存在を検出しないことに応答してステップロ）およびハ） を繰り返すステップと、 ホ）． 入射光線が出力信号の存在を検出することなく第１の方向へ所定のス テップ数だけ動くことに応答して第１の方向とは実質的に直角な第２の方向へ１ ステップだけ入射光線を走査器により動かすステップと、 ヘ）． 第１の方向とは反対方向に１ステップだけ入射光線を走査器により動 かすステップと、 ト）． 受光器を監視して出力信号の存在を検出するステップと、 チ）． 出力信号の存在を検出しないことに応答してステップヘ）およびト） を繰り返すステップと、 リ）． 入射光線が出力信号の存在を検出することなく第１の方向とは反対方 向へ所定のステップ数だけ動くことに応答して第１の方向とは実質的に直角な第 ２の方向へ１ステップだけ入射光線を走査器により動かすステップと、 ヌ）． 出力信号の存在を検出しないことに応答してステップロ）−リ）を繰 り返すステップと、 ル）． ステップハ）およびト）において出力信号の存在を検出することに応 答して入射光線の動きを走査器により停止するステップと、 オ）． 出力信号の存在を検出することなく入射光線が第２の方向へ所定のス テップ数だけ動くことに応答して入射光線の動きを走査器により停止するステッ プと、 からなる、方法。 ９． 第８項記載の方法であって、該方法はさらに、 イ）． 第１の方向とは反対方向に所定の距離だけ入射光線を走査器により動 かすステップと、 ロ）． 入射光線を第１の方向へ１ステップ動かすステップと、 ハ）． 入射光線を第１の方向へ１ステップ動かすことに応答して受光器から の出力信号の現在の大きさを検出するステップと、 ニ）． 出力信号の最大値を検出することに応答して第１の方向への入射光線 の動きを停止するステップと、 ホ）． 第２の方向とは反対方向に所定の距離だけ入射光線を走査器により動 かすステップと、 ヘ）． 入射光線を第２の方向へ１ステップ動かすステップと、 ト）． 入射光線を第２の方向へ１ステップ動かすことに応答して受光器から の出力信号の現在の大きさを検出するステップと、 チ）． 出力信号の最大値の検出に応答して入射光線の第２の方向への動きを 停止するステップと、 からなる、方法。 １０． 第９項記載の方法であって、反射光線の最大強度の検出に応答して入 射光線の動きを停止するステップはさらに、 イ）． 出力信号の現在の大きさが前の大きさ以上であるかを検出するステッ プと、 ロ）． 検出された現在の大きさが受光器からの出力信号の前の大きさ以上で はないことに応答して入射光線の動きを停止するステップと、 を含む、方法。 １１． 第１０項記載の方法であって、反射光線の最大強度の検出に応答して 入射光線の動きを停止するステップはさらに現在の大きさが前の大きさ以上では ないことが検出される時に入射光線を移動方向とは反対方向に所定の増分だけ動 かすステップを含む、方法。 １３． 薄膜サンプルの表面から受光器への入射光線の反射により生じる反射 光線を分析することによりエリプソメータからの入射光線の入射角を求める方法 であって、該方法は、 膜厚および屈折率が周知である第１のテスト薄膜サンプルをその上に入射光線 が指向されるようにエリプソメータに対して位置決めするステップと、 第１のテスト薄膜サンプルからの反射光線に基づいて偏光解析パラメータの実 験値を求めるようにエリプソメータを作動させるステップと、 偏光解析パラメータの実験値を記憶するステップと、 イ）． 仮定の入射角を選定し、 ロ）． 仮定の入射角、第１のテスト薄膜サンプルの周知の膜厚および屈折率 に応答して偏光解析パラメータの計算値を求め、 ハ）． 仮定の入射角に対する偏光解析パラメータの計算値をその実験値と比 較して差値を得、 ニ）． 入射角のさまざまな仮定値についてステップイ）、ロ）およびハ）を 繰り返して複数の差値を得、 ホ）． 最小差値を検出し、 ヘ）． 最小差値に関連する入射角の仮定値を第１の入射角として選定し、 ト）． 第１の入射角を記憶することにより、 第１のテスト薄膜サンプルへの入射光線の第１の入射角を求めるステップと、 からなる、エリプソメータからの入射光線の入射角を求める方法。 １４． 薄膜サンプルの表面から受光器への入射光線の反射により生じる反射 光線を分析することによりエリプソメータからの入射光線の入射角を求める方法 であって、該方法は、 膜厚および屈折率が周知である第１のテスト薄膜サンプルをその上に入射光線 が指向されるようにエリプソメータに対して位置決めするステップと、 第１のテスト薄膜サンプルからの反射光線に基づいて偏光解析パラメータの実 験値を求めるようにエリプソメータを作動させるステップと、 偏光解析パラメータの実験値を記憶するステップと、 イ）． 仮定の入射角を選定し、 ロ）． 仮定の入射角、第１のテスト薄膜サンプルの周知の膜厚および屈折率 に応答して偏光解析パラメータの計算値を求め、 ハ）． 次式に従って差値を得、 ここに、Ψ_expおよびΔ_expは偏光解析パラメータの実験値であり、Ψ_caleおよ び Δ_caleは偏光解析パラメータの計算値であり、 ニ）． 入射角のさまざまな仮定値についてステップイ）、ロ）およびハ）を 繰り返して複数の差値を得、 ホ）． 最小差値を検出し、 ヘ）． 最小差値に関連する入射角の仮定値を第１の入射角として選定し、 ト）． 第１の入射角を記憶することにより、 第１のテスト薄膜サンプルへの入射光線の第１の入射角を求めるステップと、 からなる、エリプソメータからの入射光線の入射角を求める方法。 １５． 第１３項記載の方法であって、該方法はさらに、 イ）． 第２の周知の膜厚および屈折率を有する第２のテスト薄膜サンプルを その上に入射光線が向けられるようにエリプソメータに対して位置決めするステ ップと、 ロ）． 第２のテスト薄膜サンプルからの反射光線に基づいて偏光解析パラメ ータの第２の実験値を求めるようにエリプソメータを作動させるステップと、 ハ）． 偏光解析パラメータの第２の実験値を記憶するステップと、 ニ）． 偏光解析パラメータの第２の実験値に応答して第２のテスト薄膜サン プルへの入射光線の第２の入射角を求めるステップと、 ホ）． 第１および第２の入射角の平均をとって最終入射角を得るステップと 、 からなる、エリプソメータからの入射光線の入射角を求める方法。 １６． 第１５項記載の方法であって、該方法はさらに他のテスト薄膜サンプ ルについてステップイ）−ニ）を繰り返すステップを含む、エリプソメータから の入射光線の入射角を求める方法。 １７． 第４項記載の方法であって、薄膜サンプルの所定の表面上の位置へ入 射光線を動かすように走査器を作動させるステップは、さらに、 第１の方向におけるさまざまな位置へ入射光線を動かすように走査器を作動さ せるステップと、 前記第１の方向における前記さまざまな位置の各位置において受光器により出 力信号をサンプリングして反射光線の強度を測定するステップと、 入射光線が第１の方向において薄膜サンプルの所定の表面からの反射光線の最 大強度を生じる位置にあることに応答して走査器の動作を停止するステップと、 第２の方向におけるさまざまな位置へ入射光線を動かすように走査器を作動さ せるステップと、 前記第２の方向における前記さまざまな位置の各位置において受光器により出 力信号をサンプリングして反射光線の強度を測定するステップと、 入射光線が第２の方向において薄膜サンプルの所定の表面からの反射光線の最 大強度を生じる位置にあることに応答して走査器の動作を停止するステップと、 からなる、エリプソメータからの入射光線の入射角を求める方法。 １８． 第８項記載の方法であって、該方法はさらに薄膜サンプルと受光器と の間に配置された開口へ反射光線を通すステップを含む、エリプソメータからの 入射光線の入射角を求める方法。 １９． 薄膜サンプルの表面から受光器への入射光線の反射により生じる反射 光線を分析することによりエリプソメータからの入射光線の入射角を求める方法 であって、薄膜サンプルは製造ラインのいろいろな位置へ移動されるパレット上 に載置されており、該方法は、 第１の周知の薄膜特性を有する第１のテスト薄膜サンプルを真空室内の所定の 位置へ動かすステップと、 エリプソメータから偏光光線を受光する走査器を真空室内の窓を通って第１の テスト薄膜サンプルの所定の表面上へ入射光線を向けかつ第１のテスト薄膜サン プルの所定の表面上のさまざまな位置へ所定のパターンで入射光線を動かすよう に作動させるステップと、 第１のテスト薄膜サンプルの所定の表面上のさまざまな位置において反射光線 の強度を測定するステップと、 第１のテスト薄膜サンプルの所定の表面からの反射光線の最大強度を生じる第 １のテスト薄膜サンプルの所定の表面上の位置へ入射光線を動かすことに応答し て走査器の動作を停止するステップと、 エリプソメータを作動させて第１のテスト薄膜サンプルについて偏光解析パラ メータを求めるステップと、 第１のテスト薄膜サンプルの偏光解析パラメータおよび第１のテスト薄膜サン プルの第１の周知の薄膜特性を使用して第１のテスト薄膜サンプルの所定の表面 への入射光線の第１の入射角を求めるステップと、 からなる、エリプソメータからの入射光線の入射角を求める方法。 ２０． 第１９項記載の方法であって、該方法はさらに、 第２の周知の薄膜特性を有する第２のテスト薄膜サンプルを真空室内の所定の 位置へ動かすステップと、 真空室内の窓を通って第２のテスト薄膜サンプルの所定の表面上へ入射光線を 向けかつ第２のテスト薄膜サンプルの所定の表面上のさまざまな位置へ所定のパ ターンで入射光線を動かすように走査器を作動させるステップと、 第２のテスト薄膜サンプルの所定の表面上のさまざまな位置において反射光線 の強度を測定するステップと、 第２のテスト薄膜サンプルの所定の表面からの反射光線の最大強度が生じる第 ２のテスト薄膜サンプルの所定の表面上の位置へ入射光線を動かすことに応答し て走査器の動作を停止するステップと、 エリプソメータを作動させて第２のテスト薄膜サンプルについて偏光解析パラ メータを求めるステップと、 第２のテスト薄膜サンプルの偏光解析パラメータおよび第２のテスト薄膜サン プルの第２の周知の薄膜特性を使用して第２のテスト薄膜サンプルの所定の表面 への入射光線の第２の入射角を求めるステップと、 第１および第２の入射角に応答して最終入射角を求めるステップと、 からなる、エリプソメータからの入射光線の入射角を求める方法。 ２１． 第２０項記載の方法であって、最終入射角は第１および第２の入射角 を平均して求められる、エリプソメータからの入射光線の入射角を求める方法。 ２２． 第２１項記載の方法であって、入射角を求める方法はさらに所定数の テスト薄膜サンプルについて請求項２０のステップを所定回数繰り返し各テスト 薄膜サンプルについて求めた入射角を平均して最終入射角を求めるステップを含 む、エリプソメータからの入射光線の入射角を求める方法。 ２３． 第２２項記載の方法であって、周知の薄膜特性はテスト薄膜サンプル の屈折率および膜厚である、エリプソメータからの入射光線の入射角を求める方 法。 ２４． 製造ラインのいろいろな位置へ動かされるパレット上に載置された薄 膜サンプルの薄膜特性を測定する方法であって、該方法は、 周知の薄膜特性を有するテスト薄膜サンプルを真空室内の所定の位置へ動かす ステップと、 テスト薄膜サンプルの所定の表面へのエリプソメータからの入射光線の入射角 をテスト薄膜サンプルの周知の薄膜特性の関数として求めるステップと、 テスト薄膜サンプルの所定の表面への入射光線の入射角を記憶するステップと 、 真空室内の所定の位置へ製造薄膜サンプルを動かすステップと、 第１の製造薄膜サンプルの所定の表面上のさまざまな位置へ所定のパターンで 入射光線を動かすように走査器を作動させるステップと、 製造薄膜サンプルの所定の表面上のさまざまな位置において反射光線の強度を 測定するステップと、 製造テスト薄膜サンプルの所定の表面からの反射光線の最大強度を生じる製造 テスト薄膜サンプルの所定の表面上の位置へ入射光線を動かすことに応答して走 査器の動作を停止するステップと、 エリプソメータを作動させて製造テスト薄膜サンプルについて偏光解析パラメ ータを求めるステップと、 製造薄膜サンプルの偏光解析パラメータおよび記憶された入射角を使用して製 造薄膜サンプルの薄膜特性を求めるステップと、 からなる、エリプソメータからの入射光線の入射角を求める方法。 【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９５年３月２８日 【補正内容】 さらにオフライン工程ではサンプルからの光線の反射を反射光線の強度を測定 する受光器上で一致させるのが困難である。光線の調整やサンプルの操作を伴う さまざまな手順が存在する。これらの技術には共に欠点がある。例えば、光線を 調整するたびに入射角が変化して再度測定しなければならない。サンプルの方位 を調整するには薄膜サンプルの方位を非常に精密に変化させる機構を有する装置 が必要である。このような装置は製作費用が高く使用するのに時間を消耗する。 薄膜サンプルが製造ライン上にあるうちにその特性を測定すればサンプルを汚 染に曝すことが低減され総処理時間も短縮される。しかしながら、製造ライン上 のサンプルは真空室内にあって容易にアクセスできない。さらに、製造ライン上 でサンプルを自動操作すると幾分方位の異なるサンプルが１個以上発生してエリ プソメータの受光器に対するサンプルからの反射光線の位置が変化するようにな る。 ＥＰ−Ａ−０３５２００４には半導体ウエーハエッチングシステムにおけるエ ッチング完了を検出する方法および装置が記載されている。レーザビームがウエ ーハを走査しウエーハの表面および裏面からの反射光線の最大強度差を検出して 好ましい領域に位置決めされる。反射光線の干渉によるエッチ曲線の平坦化を検 出することにより端点が検出される。 国際特許出願第ＷＯ９２／１２４０４号にはサンプルが１本の光線により広範 な入射角にわたって同時に照光されるサンプルの特性を求める偏光解析法が記載 されている。この方法によりサンプルを正しく位置決めするためにも利用される 受光器アレイを使用して入射角を測定することができる。この方法の利点は走査 を必要としないことである。 本発明の一つの特徴によりエリプソメータを使用して２つ以上の反射面を有す る薄膜サンプルの薄膜特性を測定する方法は、薄膜サンプルの表面上の位置への コリメート光源からの入射光線を指向するステップと、反射光線の強度の関数と して出力信号を発生する受光器により表面からの反射光線を検出するステップと 、エリプソメータを作動させて薄膜サンプルの偏光解析パラメータを求めるステ ップと、薄膜サンプルの偏光解析パラメータおよび記憶された入射角を使用して 薄膜サンプルの薄膜特性を求めるステップとを含み、特性を測定する薄膜サンプ ル は製造ラインのいろいろな位置を移動するパレットに載置された製造薄膜サンプ ルであり、測定のためにそこへサンプルを移動するチャンバーは真空室であり該 方法には製造薄膜サンプルをチャンバー内へ動かすステップと、エリプソメータ からコリメート光源を受光するＸ−Ｙ走査器を薄膜サンプルの所定の表面に対す る設定位置へ入射光線を向けるように作動させ、入射光線を所定の走査パターン で動かすようにＸ−Ｙ走査器を作動させ、所定の表面からの反射光線の存在を受 光器により検出して所定の表面をつきとめ、製造薄膜サンプルの所定の表面上の さまざまな位置へ入射光線を所定のパターンで動かすようにＸ−Ｙ走査器を作動 させるステップを含み、製造薄膜サンプルの所定の表面上のさまざまな位置にお いて反射光線の強度を測定するステップと、製造薄膜サンプルの所定の表面から の反射光線の最大強度を生じる製造薄膜サンプルの所定の表面上の位置へ入射光 線を動かすことに応答してＸ−Ｙ走査器の動作を停止するステップと、からなり 薄膜特性を求めるステップはその後で実施される。 本発明のもう一つの特徴により受光器の決定方法が提供されそれは薄膜サンプ ルの表面から受光器への入射光線の反射により生じる反射光線を分析してエリプ ソメータからの入射光線の入射角を求める方法からなり、該方法は真空室内の所 定の位置へ薄膜サンプルを動かし、薄膜サンプルの表面へ入射光線を向けて反射 光線の強度を測定するステップからなり、薄膜サンプルは第１の周知の薄膜特性 を有する第１のテスト薄膜サンプルであり該方法はエリプソメータから偏光光線 を受光する走査器を真空室の窓を通って第１のテスト薄膜サンプルの所定の表面 へ入射光線を向けて第１のテスト薄膜サンプルの所定の表面上のさまざまな位置 へ所定のパターンで入射光線を動かすように作動させるステップと、第１のテス ト薄膜サンプルの所定の表面上のさまざまな位置において反射光線の強度を測定 するステップと、第１のテスト薄膜サンプルの所定の表面からの反射光線の最大 強度が生じる第１のテスト薄膜サンプルの所定の表面上の位置へ入射光線を動か すことに応答して走査器の動作を停止するステップと、エリプソメータを作動さ せて第１のテスト薄膜サンプルの偏光解析パラメータを求めるステップと、第１ のテスト薄膜サンプルの偏光解析パラメータおよび第１のテスト薄膜サンプルの 第１の周知の薄膜特性を使用して第１のテスト薄膜サンプルの所定の表面への入 射光線の第１の入射角を求めるステップと、を含んでいる。 本発明のもう一つの特徴により最初の２つの素子が組み合わされかつエリプソ メータを使用して薄膜サンプルの薄膜特性を測定する方法が提供されそれは真空 室内の所定の位置へ薄膜サンプルを動かし、薄膜サンプルの表面上の位置へ入射 光線を向け、表面からの反射光線を受光器により検出するステップからなり、そ の特性を測定する薄膜サンプルは製造薄膜サンプルであり、製造薄膜サンプルを 真空室内へ動かす前に、周知の薄膜特性を有するテスト薄膜サンプルが真空室内 の所定の位置へ動かされ、テスト薄膜サンプルの所定の表面へのエリプソメータ からの入射光線の入射角がテスト薄膜サンプルの周知の薄膜特性の関数として求 められ、テスト薄膜サンプルの所定の表面への入射光線の入射角が記憶され、製 造薄膜サンプルの所定の表面上のさまざまな位置へ所定のパターンで入射光線を 動かすように走査器が作動され、製造薄膜サンプルの所定の表面上のさまざまな 位置において反射光線の強度が測定され、製造薄膜サンプルの所定の表面からの 反射光線の最大強度が生じる製造薄膜サンプルの所定の表面上の位置へ入射光線 を動かすことに応答して走査器の動作を停止するステップが含まれ、入射角を求 めるステップはその後で実施される。発明の要約 製造ラインから遠隔地点で薄膜層を測定しなければならない欠点を克服するた めに、本発明により薄膜サンプルの膜層特性を自動的に測定する製造ラインの原 位置回転検光子エリプソメータが提供される。 測定工程専用の真空室が製造ラインの選定位置に配置される。エリプソメータ は２つの対向する側壁窓を有する真空室に近接載置される。光源および受光器も 真空室の両側に載置される。Ｘ−Ｙ走査器が光源から受光して入射光線を一方の 窓を通って真空室内に配置された薄膜サンプル上へ向ける。反射光線は反対の窓 を通りピンホール開口を使用して受光器により受光される反射光線の量が制限さ れる。本発明によりさらに薄膜サンプルの所定の表面へ入射光線を一致させ、さ らに開口を通って受光器上へ反射される光線の強度が最大となる位置へ走査器に より入射光線を動かす方法が提供される。 周知の膜厚および屈折率を有するテストサンプルを使用し、入射角の仮定値に より前記したモデルおよび誤差関数を使用して精密な入射角が計算され記憶され る。いくつかのテストサンプルを使用してそれぞれいくつかの入射角が計算され 次に平均入射角を計算して後の計算のために記憶される。次に製造薄膜サンプル がエリプソメータの近くへ移動され、Ｘ−Ｙ走査器を使用して、製造サンプルの は真空室に対するエリプソメータの設定により予め定められるが、ウエーハを保 持するパレットの方位の変化によりその指定入射角の改善が指令される。第４図 は入射角を算出するプロセスを示すフロー図である。最初のステップ４０２にお いて、膜厚および屈折率が周知である最初のテストサンプルを測定室へロードす ることが要求される。走査および最適化ルーチンを実行してステップ４０４にお いて要求されるサンプルの前面が検出される。前記ＡｓｐｎｅｓおよびＳｔｕｄ ｎａの文献に記載されているのと同様な方法で、エリプソメータを使用してデー タが収集されステップ４０６従ってフーリエ係数が算出される。ステップ４０８ において、フーリエ係数および校正パラメータを使用して偏光解析パラメータΨ およびΔの実験値が算出され、偏光解析パラメータのこれらの実験値が記憶され る。 次に、前記ＡｚｚａｍおよびＢａｓｈａｎａの書籍に記載されているのと同じ モデルを使用して、入射角が精密に決定される。前記したように、モデルは膜厚 ｄ、膜の複素屈折率Ｎ、および入射角Φを表す変数を有する膜相厚βの式を使用 する。前記オフライン実験室設定の場合には、入射角は周知であり膜厚および屈 折率は推定される。オンライン原位置エリプソメータに対する精密な入射角の計 算の場合には、サンプルの膜厚および屈折率が周知であり、ある値の入射角が仮 定される。したがって、ステップ４１０において、最初の入射角が仮定され、ス テップ４１２において、テストサンプルの周知の屈折率および膜厚値を使用して 偏光解析パラメータΨおよびΔの計算値が求められる。 例えば、測定室が６７°の入射角に設計されている場合、モデルに使用するた めに選定される入射角の最初の仮定値は６７°前後の値、例えば、６９°や６５ °とすることができる。ステップ４１４において、二乗平均平方根差関数が計算 されそれは最初の仮定に対するΨおよびΔの計算値とΨおよびΔの記憶された実 験値との比較を表す誤差値である。ステップ４１６において、システムは最小誤 差が見つかっているかをチェックして確認する。それは少なくとも２つの誤差値 を比較しなければならないことを意味し、したがって、定義上最初の繰返しでは 最小誤差を見つけることはできない。ステップ４１８において、入射角の第２の 仮定値が選定されそれは誤差値を、例えば、６７°の設計値に向かって収束 光子２８が作動してサンプルされたデータ点が収集されそれから偏光解析パラメ ータの実験値が求められて記憶される。オフライン測定について前記したのと同 じモデルを使用し、入射角の計算値を膜厚および屈折率の推定値と一緒に使用し て偏光解析パラメータΨおよびΔの値が算出される。二乗平均平方根差関数を使 用して偏光解析パラメータの実験値と計算値の比較により誤差関数が得られる。 最小誤差関数が得られる仮定値が見つかるまで新しい膜厚および屈折率の値が仮 定される。 第１図に示すように、本発明は透明ポリカーボネイトサンプル上の１１００Å のＳ₃Ｎ₄膜に対して６７°の入射角を有するように設計されている。２分毎にテ スト真空室に対して連続的に出し入れされる回転可能なパレットの両面に製造薄 膜サンプルが載置される。エリプソメータにより屈折率および膜厚が４５秒以内 に測定される。理論的計算によりサンプル位置の機械的公差内で入射角は不変で あることが判っている。システムの機械的公差に関する仕様はサンプル位置の回 転については±５°横方向変位については±１とされている。誤差分析により入 射角が６７°である透明ポリカーボネイト基板上の１１００ÅＳ₃Ｎ₄膜について は、測定された膜厚の誤差は±５．４Åであり屈折率の誤差は±０．００１であ ることが判っている。実験結果から測定値は正確で繰返し可能であることが判る 。 ここに開示する装置により膜とその基板の屈折率が非常に近い場合であっても 膜の光学的特性を測定することができる。さらに、多層の薄膜を積み重ねたサン プルの場合には、本発明の装置により可変角度分光エリプソメトリを実施して各 膜層に対する入射角およひ異なる波長を使用して膜層の厚さおよび他の光学的性 質を測定することができる。他の応用では、アルミニウムやシリコンのような不 透明基板であっても、ポリカーボネイトやガラスのような透明基板であっても、 本発明を使用してサンプルの前面および裏面からの反射光線を見つけて分析し膜 スタック、基板もしくは裏面の膜スタックに関する情報を提供することができる 。 本発明の実施例について詳細に図解および説明してきたが、当業者には他の利 点や修正例が自明であると思われる。例えば、回転検光子エリプソメータ等の他 種のエリプソメータにより本発明を実施することができる。また、ピンホールは ピンホール板の一部として示されているが、受光器等の他の部品と一体化するこ とができる。他の誤差関数を使用して偏光解析パラメータの測定値と計算値を比 較することができる。本発明は薄膜サンプルの他の物理的特性の測定を容易にす るために応用することもできる。したがって本発明は広い見解においてここに図 示かつ説明した特定の詳細、代表的装置および方法、および例に限定されること はない。本発明の一般的発明概念の精神および範囲内でこのような詳細から逸脱 することができる。請求の範囲 １． エリプソメータ（８）を使用して２つ以上の反射面を有する薄膜サンプ ル（１１）の薄膜特性を測定する方法であって、該方法はコリメート光源（１４ ）からの入射光線（１９）を薄膜サンプル（１１）の表面（１７，２９）上の位 置へ指向し、受光器（３６）により表面（１７，２９）からの反射光を検出し、 受光器（３６）は反射光線（２７）の強度の関数として出力信号を発生し、 エリプソメータ（８）を作動させて薄膜サンプル（１１）の偏光解析パラメー タを求め、 薄膜サンプルの偏光解析パラメータおよび記憶された入射角を使用して薄膜サ ンプル（１１）の薄膜特性を求める、 ステップを含み、 その特性を測定する薄膜サンプルは製造ラインのいろいろな位置（３−５）を 移動するパレット（２５）上に載置された製造薄膜サンプル（１１）であり、測 定のためにサンプルを移動させるチャンバーは真空室（９）であり該方法は製造 薄膜サンプル（１１）を真空室（９）内へ移送し、エリプソメータ（８）からコ リメート光源（１４）を受光するＸ−Ｙ走査器（１２）を作動させて薄膜サンプ ル（１１）の所定の表面に対する設定位置へ入射光線（１９）を指向し、Ｘ−Ｙ 走査器（１２）を作動させて入射光線（１９）を所定の走査パターンで動かし、 所定の表面からの反射光線（２７）の存在を受光器により検出して所定の表面を つきとめ、Ｘ−Ｙ走査器（１２）を作動させて入射光線（１９）を所定のパター ンで製造薄膜サンプル（１１）の所定の表面上のさまざまな位置へ動かし、 製造薄膜サンプル（１１）の所定の表面上のさまざまな位置において反射光線 （２７）の強度を測定し、 製造薄膜サンプル（１１）の所定の表面からの反射光線（２７）の最大強度を 生じる製造薄膜サンプル（１１）の所定の表面上の位置へ入射光線（１９）を動 かすことに応答してＸ−Ｙ走査器（１２）の動作を停止させる、ステップを含み 、薄膜特性を求めるステップはその後で実施される、薄膜特性測定方法。 ２． 第１項記載の方法であって、入射光線（１９）を所定のパターンで動か すことにより所定の表面（１７，２９）からの反射光線（２７）は薄膜サンプル の別の表面（１７，２９）からの第２の反射光線よりも先に受光器（３６）によ り検出されるように設定位置が選択される、薄膜特性測定方法。 ３． 第１項もしくは第２項記載の方法であって、Ｘ−Ｙ走査器（１２）を所 定の走査パターンで作動させて所定の表面の存在を検出するステップはさらに、 イ）． 入射光線（１９）をＸ−Ｙ走査器（１２）により第１の座標に沿って １ステップ動かし、 ロ）． 受光器（３６）を監視して受光器（３６）からの出力信号の存在を検 出し、 ハ）． 出力信号の存在を検出しないことに応答してステップイ）およびロ） を繰り返し、 ニ）． 第１の座標に沿った入射光線（１９）の移動方向を反転し、 ホ）． 出力信号の存在を検出することなく入射光線（１９）を第１の座標に 沿って所定ステップ数動かすことに応答して入射光線（１９）をＸ−Ｙ走査器（ １２）により第１の座標に実質的に直角の第２の座標に沿って１ステップ動かし 、 ヘ）． 出力信号の存在を検出しないことに応答してステップイ）−ホ）を繰 り返し、 ト）． ステップロ）において出力信号の存在を検出することに応答してＸ− Ｙ走査器（１２）により入射光線の位置を最適化し、 チ）． 出力信号の存在を検出することなく入射光線を第２の座標に沿って所 定ステップ数動かすことに応答して入射光線（１９）の動きをＸ−Ｙ走査器（１ ２）により停止する、 ステップを含む、薄膜特性測定方法。 ４． 前記いずれか一項記載の方法であって、入射光線の位置を最適化させる ステップはさらに、 イ）． Ｘ−Ｙ走査器（１２）により入射光線（１９）を第２の座標に沿って 一方向に所定の距離だけ動かし、 ロ）． 入射光線（１９）を第２の座標に沿って反対方向に１ステップだけ動 かし、 ハ）． 受光器（３６）からの出力信号の現在の大きさを検出し、 ニ）． 入射光線（１９）を第２の座標に沿って反対方向に出力信号の最大値 を有する位置へ動かし、 ホ）． 入射光線（１９）を第１の座標に沿って一方向へ所定の距離だけ動か し、 ヘ）． 入射光線（１９）を第１の座標に沿って反対方向に１ステップだけ動 かし、 ト）． 受光器（３６）からの出力信号の現在の大きさを検出し、 チ）． 入射光線を第１の座標に沿って反対方向に出力信号の最大値を有する 位置へ動かす、 ステップを含む、薄膜特性測定方法。 ５． 第４項記載の方法であって、出力信号の最大値を有する位置へ入射光線 を動かすステップはさらに、 イ）． 出力信号の現在の大きさが前の大きさ以上であるかを検出し、 ロ）． 検出された現在の大きさが受光器（３６）からの出力信号の前の大き さ以上ではないことの検出に応答して入射光線（１９）の動きを停止させる、 ステップを含む、薄膜特性測定方法。 ６． 第５項記載の方法であって、反射光線の最大強度の検出に応答して入射 光線（１９）の動きを停止させるステップはさらに、現在の大きさが前の大きさ が以上ではないことが検出された時に入射光線を移動方向とは反対方向に所定の 増分だけ動かすステップを含む、薄膜特性測定方法。 ７． 薄膜サンプル（１１）の表面から受光器（３６）上への入射光線の反射 により生じる反射光線（２７）を分析することによりエリプソメータ（８）から の入射光線（１９）の入射角を求める方法であって、該方法は薄膜サンプル（１ １）を真空室（９）内の所定位置へ移送し、 薄膜サンプル（１１）の表面（１７，２９）上へ入射光線（１９）を向けてそ こからの反射光線（２７）の強度を測定するステップを含み、薄膜サンプルは第 １の周知の膜厚特性を有する第１のテスト薄膜サンプルであり該方法はエリプソ メータ（８）から偏光光線を受光する走査器（１２）を作動させて入射光線（１ ９）を真空室（９）の窓（２０）を通って第１のテスト薄膜サンプル（１１）の 所定の表面へ向けかつ入射光線（１９）を所定のパターンで第１のテスト薄膜サ ンプル（１１）の所定の表面上のさまざまな位置へ動かし、 第１のテスト薄膜サンプル（１１）の所定の表面上のさまざまな位置において 反射光線（２７）の強度を測定し、 第１のテスト薄膜サンプル（１１）の所定の表面からの反射光線（２７）の最 大強度を生じる第１のテスト薄膜サンプル（１１）の所定の表面上の位置へ入射 光線（１９）を動かすことに応答して走査器（１２）の動作を停止させ、 エリプソメータ（８）を作動させて第１のテスト薄膜サンプル（１１）の偏光 解析パラメータを求め、 第１のテスト薄膜サンプルの偏光解析パレット（２５）およびその第１の周知 の薄膜特性を使用して第１のテスト薄膜サンプル（１１）の所定の表面への入射 光線（１９）の入射角を求める、 ステップからなる、入射角を求める方法。 ８． エリプソメータ（８）を使用して薄膜サンプル（１１）の薄膜特性を測 定する方法であって、該方法は薄膜サンプル（１１）を真空室（９）内の所定の 位置へ移動させ、薄膜サンプル（１１）の表面（１７，２９）上の位置へ入射光 線（１９）を指向させ、表面（１７，２９）からの反射光を受光器（３６）によ り検出するステップからなり、その特性を測定する薄膜サンプルは製造薄膜サン プル（１１）であり、製造薄膜サンプル（１１）を真空室（９）内へ移動させる 前に、周知の薄膜特性を有するテスト薄膜サンプル（１１）を真空室（９）内の 所定の位置へ移動させ、 テスト薄膜サンプル（１１）の周知の薄膜特性の関数としてテスト薄膜サンプ ル（１１）の所定の表面へのエリプソメータ（８）からの入射光線の入射角を求 め、 次にテスト薄膜サンプルの所定の表面への入射光線（１９）の入射角を記憶し 、走査器（１２）を作動させて入射光線（１９）を製造薄膜サンプルの所定の表 面（１７，２９）上のさまざまな位置へ所定のパターンで動かし、製造薄膜サン プ ル（１１）の所定の表面（１７，２９）上のさまざまな位置において反射光線（ ２７）の強度を測定し、製造薄膜サンプル（１１）の所定の表面（１７，２９） からの反射光線（２７）の最大強度を生じる製造薄膜サンプルの所定の表面（１ ７，２９）上の位置へ入射光線（１９）を動かすことに応答して走査器（１２） の動作を停止させ、入射角を求めるステップはその後で実施される、ことを特徴 とする薄膜特性測定方法。 ９． 第１項−第３項もしくは第８項のいずれか一項記載の方法であって、該 方法はさらに、走査器（１２）を作動させて入射光線（１９）を第２の座標に沿 ったさまざまな位置へ動かし、出力信号をサンプリングして第２の座標に沿った 前記さまざまな位置の各位置において反射光線（２７）の強度を受光器（３６） により測定し、入射光線（１９）が薄膜サンプル（１１）の所定の表面（１７， ２９）からの反射光線（２７）の最大強度を生じる第２の座標に沿った位置にあ ることに応答して走査器（１２）の動作を停止させ、走査器（１２）を作動させ て入射光線（１９）を第１の座標に沿ったさまざまな位置へ動かし、出力信号を サンプリングして第１の座標に沿った前記さまざまな位置の各位置において反射 光線（２７）の強度を受光器（３６）により測定し、薄膜サンプル（１１）の所 定の表面（１７，２９）からの反射光線（２７）の最大強度を生じる第１の座標 に沿った位置に入射光線（１９）があることに応答して走査器（１２）の動作を 停止させる、ステップを含む薄膜特性測定方法。 １０． 第１項−第６項のいずれか一項記載の方法であって、さらに周知の薄 膜特性を有するテスト薄膜サンプルを真空室（９）内の所定の位置へ移動させて 、第１のテスト薄膜サンプル上へ入射光線（１９）が指向されるようにし、薄膜 サンプルの所定の表面（１７，２９）へのエリプソメータ（８）からの入射光線 の入射角をテスト薄膜サンプルの周知の薄膜特性の関数として求め、テスト薄膜 サンプルの所定の表面への入射光の入射角を記憶する、初期ステップを含む、薄 膜特性測定方法。 １１． 第７項−第１０項のいずれか一項記載の方法であって、さらにイ）． 第２の周知の薄膜特性を有する第２のテスト薄膜サンプルをその上に入射光線（ １９）が指向されるようにエリプソメータ（８）に対して位置決めし、 ロ）．第２のテスト薄膜サンプルからの反射光に基づいて偏光解析パラメータ の第２の実験値を求めるようにエリプソメータ（８）を作動させ、 ハ）．偏光解析パラメータの第２の実験値を記憶し、 ニ）．偏光解析パラメータの第２の実験値に応答して第２のテスト薄膜サンプ ルへの入射光線の第２の入射角を求め、 ホ）．第１および第２の入射角に応答して最終入射角を得る、 ステップを含む、薄膜特性測定方法。 １２． 第１１項記載の方法であって、最終入射角は第１および第２の入射角 を平均して求められる、薄膜特性測定方法。 １３． 第１２項記載の方法であって、入射角を求める方法にはさらに第１１ 項のステップをさらに所定数のテスト薄膜サンプルについて所定回数繰り返し各 テスト薄膜サンプルについて求めた入射角を平均することにより最終入射角を求 めるステップが含まれる、薄膜特性測定方法。 １４． 第７項−第１３項のいずれか一項記載の方法であって、周知の薄膜特 性はテスト薄膜サンプルの屈折率および膜厚である、薄膜特性測定方法。 １５． 第７項−第１０項のいずれか一項記載の方法であって、入射角を求め るステップはさらにエリプソメータ（８）を作動させてテスト薄膜サンプル（１ １）からの反射光に基づいて偏光解析パラメータの実験値を求め、偏光解析パラ メータの実験値を記憶し、かつ、 イ）．仮定の入射角を選定し、 ロ）．仮定の入射角およびテスト薄膜サンプルの周知の特性に応答して偏光解 析パラメータの計算値を求め、 ハ）．仮定の入射角に対する偏光解析パラメータの計算値を偏光解析パラメー タの実験値と比較して差値を得、 ニ）．さまざまな仮定の入射角に対してステップイ）、ロ）およびハ）を繰り 返して複数の差値を得、 ホ）．最小差値を検出し、 ヘ）．最小差値に関連する仮定の入射角を入射角として選定する、 ことによりテスト薄膜サンプルへの入射光線の第１の入射角を求める、 ステップを含む、薄膜特性測定方法。 １６． 第１５項記載の方法であって、計算値を比較して差値を得るステップ はさらに、次式に従って差値を得るステップを含み、 ここに、Ψ_expおよびΔ_expは偏光解析パラメータの実験値であり、 Ψ_caleおよびΔ_caleは偏光解析パラメータの計算値である、 薄膜特性測定方法。 １７． 前記いずれか一項記載の方法であって、さらに薄膜サンプル（１１） および受光器（３６）間に配置された開口（１３，３４）へ反射光線（２７）を 通すステップを含む、薄膜特性測定方法。 １８． 偏光光線（１９）を発生するコリメート光源（１４）および偏光子（ １８）、偏光子（１８）に対して配置された走査器（１２）、反射光線（２７） の受光に応答して出力信号を発生する受光器（３６）、出力信号に応答しかつ走 査器（１２）およびエリプソメータ（８）に接続されて薄膜サンプル（１１）の 偏光解析パラメータを求めるようにエリプソメータ（８）を作動させる制御手段 （７，３５）を具備するエリプソメータ（８）を備えた測定部（６）であって、 該測定部は、 偏光解析パラメータおよび異なる薄膜サンプルにより求められた記憶された入 射角に応答して薄膜サンプル（１１）の薄膜特性を求め、測定部（６）は製造ラ インに使用して可動パレット（２５）により支持された薄膜サンプル（１１）の 薄膜特性を測定し、可動パレット（２５）上の薄膜サンプル（１１）を受け入れ る製造ライン上の真空室（９）を含み、かつエリプソメータ（８）に対して方位 を定めた第１および第２の窓（２０，２６）を有し走査器（１２）が第１の窓（ ２０）を通って薄膜サンプル（１１）上へ入射光線（１９）を向け入射光線（１ ９）を薄膜サンプル（１１）の表面（１７，２９）上のさまざまな位置へ動かし て反射光線（２７）を第２の窓（２６）を通って受光器（３６）上へ指向させ、 制御手段（７，３５）はまた走査器（１２）へ制御信号を与えて反射光線（２７ ）の最大強度を生じる薄膜サンプル（１１）の選定表面（１７，２９）上 の位置へ入射光線（１９）を動かす、ことを特徴とする薄膜特性測定方法。 １９． 第１８項記載の方法であって、開口（１３，３４）は受光器（３６） に当たる反射光線（２７）の量を制限するように受光器（３６）および薄膜サン プル（１１）の選定表面（１７，２９）に対して配置されている、薄膜特性測定 方法。 【図１】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ， ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，Ｇ Ｂ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＵ，ＬＶ ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＮＬ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ， ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＫ，ＵＡ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 ロビソン，ロドニー エル. アメリカ合衆国 12401 ニューヨーク州 キングストン，ローウェ コート 104 (72)発明者 ヤサー，タグラル アメリカ合衆国 12498 ニューヨーク州 ウッドストック，ホリデイ ドライブ 23

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 製造ラインに使用して薄膜サンプルの薄膜特性を測定する測定部であっ て、該測定部は、 薄膜サンプルを収納し第１および第２の窓を有する真空室と、 コリメート光源および偏光光線を発生する偏光子、および 受光光線に応答して出力信号を発生する受光器、を有する エリプソメータと、 前記偏光光線を前記第１の窓を通って薄膜サンプルへ向けるように前記偏光子 および前記第１の窓に対して配置された走査器であって、前記偏光光線を前記薄 膜サンプル上のさまざまな位置へ動かしてサンプルからの反射光線を前記第２の 窓を通って前記受光器へ向ける走査器と、 前記受光器に当たる前記反射光線の量を制限するように前記第２の窓および前 記受光器に対して配置された開口と、 出力信号に応答しかつ前記走査器に接続されて前記走査器へ制御信号を送り薄 膜サンプル上の最大強度の反射光線が得られる位置へ偏光光線を動かす制御回路 と、 を具備する、測定部。 ２． 薄膜サンプルの表面へ入射光線を指向しかつ薄膜サンプルの表面で反射 して受光器へ当たる反射光線の強度に応答して出力信号を発生する受光器を有す るエリプソメータであって、該エリプソメータはさらに、 薄膜サンプルの表面上のさまざまな位置へ入射光線を指向させてそこから反射 光線を発生するように入射光線および薄膜サンプルの表面に対して配置された走 査器と、 出力信号に応答しかつ前記走査器に接続されて前記走査器へ制御信号を送り薄 膜サンプル表面からの反射光線の強度が最大となる薄膜サンプル上の位置へ入射 光線を動かす制御回路と、 を具備する、エリプソメータ。 ３． 第２項記載のエリプソメータであって、さらに受光器に当たる反射光線 の量を制限するように受光器および薄膜サンプルの表面に対して配置された開口 を具備する、エリプソメータ。 ４． エリプソメータを薄膜サンプルの所定の表面と一致させる方法であって 、エリプソメータは薄膜サンプルのさまざまな位置へ入射光線を指向させて受光 器により検出される反射光線を発生する走査器を含み、受光器は反射光線の強度 の関数として出力信号を発生し、該方法は、 走査器により薄膜サンプルのさまざまな位置へ入射光線を指向させて反射光線 を受光器に対して移動させるステップと、 受光器により前記さまざまな位置の各位置における反射光線の強度を測定する ステップと、 薄膜サンプルの所定の表面からの反射光線の強度が最大となる薄膜サンプル上 の位置へ走査器により入射光線を移動させるステップと、 からなる、方法。 ５． 第４項記載の方法であって、エリプソメータは薄膜サンプルおよび受光 器に対して配置された開口を含み該方法はさらに反射光線の強度を受光器により 測定する前に反射光線を開口へ通すステップを含む、方法。 ６． 第５項記載の方法であって、走査器により入射光線を指向させるステッ プはさらに薄膜サンプルに対して所定のパターンで入射光線を動かすステップを 含む、方法。 ７． 第６項記載の方法であって、走査器により入射光線を指向させる方法は さらに所定のパターンで入射光線を動かす前に薄膜サンプルの所定の表面に対す る設定位置へ入射光線を動かすステップを含み、設定位置は入射光線を所定のパ ターンで動かすことにより所定の表面からの反射光線は薄膜サンプルの別の表面 からの反射光線よりも先に受光器により検出されるように選択される、方法。 ８． 第６項記載の方法であって、該方法はさらに、 イ）． 走査器により入射光線を第１の方向へ１ステップだけ動かすステップ と、 ロ）． 受光器を監視して出力信号の存在を検出するステップと、 ハ）． 出力信号の存在の検出に応答してステップイ）およびロ）を繰り返す ステップと、 ニ）． 入射光線が出力信号の存在を検出することなく第１の方向へ所定のス テップ数だけ動くことに応答して第１の方向とは実質的に直角な第２の方向へ１ ステップだけ入射光線を走査器により動かすステップと、 ホ）． 第１の方向とは反対方向に１ステップだけ入射光線を走査器により動 かすステップと、 ヘ）． 受光器を監視して出力信号の存在を検出するステップと、 ト）． 出力信号の存在を検出しないことに応答してステップイ）−へ）を繰 り返すステップと、 チ）． 出力信号の存在を検出することに応答して入射光線の動きを停止する ステップと、 リ）． 出力信号の存在を検出することなく入射光線が第２の方向へ所定のス テップ数だけ動くことに応答して入射光線の動きを停止するステップと、 からなる、方法。 ９． 第８項記載の方法であって、入射光線の動きを停止するステップの後で 、該方法はさらに、 イ）． 第１の方向とは反対方向に所定の距離だけ入射光線を走査器により動 かすステップと、 ロ）． 入射光線を第１の方向へ１ステップ動かすステップと、 ハ）． 入射光線を第１の方向へ１ステップ動かすことに応答して受光器から の出力信号の現在の大きさを検出するステップと、 ニ）． 出力信号の最大値を検出することに応答して第１の方向への入射光線 の動きを停止するステップと、 ホ）． 第２の方向とは反対方向に所定の距離だけ入射光線を走査器により動 かすステップと、 ヘ）． 入射光線を第２の方向へ１ステップ動かすステップと、 ト）． 入射光線を第２の方向へ１ステップ動かすことに応答して受光器から の出力信号の現在の大きさを検出するステップと、 チ）． 出力信号の最大値の検出に応答して入射光線の第２の方向への動きを 停止するステップと、 からなる、方法。 １０． 第９項記載の方法であって、入射光線の動きを停止するステップはさ らに、 イ）． 出力信号の現在の大きさが前の大きさ以上であるかを検出するステッ プと、 ロ）． 検出された現在の大きさが受光器からの出力信号の前の大きさ以上で はないことに応答して入射光線の動きを停止するステップと、 を含む、方法。 １１． 第１０項記載の方法であって、入射光線の動きを停止するステップは さらに、現在の大きさが前の大きさ以上ではないことが検出される時に入射光線 を移動方向とは反対方向に所定の増分だけ動かすステップを含む、方法。 １２． 薄膜サンプルの表面から受光器への入射光線の反射により生じる反射 光線を分析することによりエリプソメータからの入射光線の入射角を求める方法 であって、該方法は、 イ）． 実験用の薄膜サンプルをその上に入射光線が指向されるようにエリプ ソメータに対して位置決めするステップと、 ロ）． 偏光解析パラメータの実験値を求めるステップと、 ハ）． 偏光解析パラメータの実験値を記憶するステップと、 ニ）． 第１のテスト薄膜サンプルをその上に入射光線が指向されるようにエ リプソメータに対して位置決めするステップと、 ホ）． エリプソメータを第１のテスト薄膜サンプルの表面と一致させるステ ップと、 ヘ）． 偏光解析パラメータの実験値に応答して第１のテスト薄膜サンプルへ の入射光線の第１の入射角を求めるステップと、 からなる、エリプソメータからの入射光線の入射角を求める方法。 １３． 第１２項記載の方法であって、第１のテスト薄膜サンプルの膜厚およ び屈折率は周知であり第１の入射角を求めるステップはさらに、 イ）． 仮定の入射角を選定し、 ロ）． 仮定の入射角、薄膜の膜厚および屈折率に応答して偏光解析パラメー タの計算値を求めるステップと、 ハ）． 仮定の入射角に対する偏光解析パラメータの計算値をその実験値と比 較して差値を得るステップと、 ニ）． 入射角のさまざまな仮定値についてステップイ）、ロ）およびハ）を 繰り返して複数の差値を得るステップと、 ホ）． 最小差値を検出するステップと、 ヘ）． 最小差値に関連する入射角の仮定値を第１の入射角として選定するス テップと、 ト）． 第１の入射角を記憶するステップと、 からなる、エリプソメータからの入射光線の入射角を求める方法。 １４． 第１３項記載の方法であって、偏光解析パラメータの計算値をその実 験値と比較するステップはさらに次式に従って差値を得るステップを含み、 ここに、Ψ_expおよびΔ_expは偏光解析パラメータの実験値であり、Ψ_calcおよび Δ_calcは偏光解析パラメータの計算値である、エリプソメータからの入射光線の 入射角を求める方法。 １５． 第１３項記載の方法であって、該方法はさらに、 イ）． 第２のテスト薄膜サンプルをその上に入射光線が向けられるようにエ リプソメータに対して位置決めするステップと、 ロ）． エリプソメータを第２のテスト薄膜サンプルの表面と一致させるステ ップと、 ハ）． 偏光解析パラメータの計算値および実験値に応答して第２のテスト薄 膜サンプルへの入射光線の第２の入射角を求めるステップと、 ニ）． 第１および第２の入射角の平均をとって最終入射角を得るステップと 、 からなる、エリプソメータからの入射光線の入射角を求める方法。 １６． 第１６項記載の方法であって、該方法はさらに他のテスト薄膜サンプ ルについてステップイ）−ニ）を繰り返すステップを含む、エリプソメータから の入射光線の入射角を求める方法。