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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung eines spektroskopischen
Ellipsometers zum Messen der Dicke eines Dünnfilms auf Oberflächen der
Probe wie etwa einem Halbleiterwafer, einem Retikel/einer Maske,
einem Glassubstrat, einer Flüssigkristallanzeige
(LCD) und dergleichen.
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Beschreibung
des Stands der Technik
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Ein
spektroskopisches Ellipsometer beobachtet die Änderung eines Polarisationszustands, wenn
Licht auf der Oberfläche
einer Substanz reflektiert wird, um optische Konstanten (Brechungsindex, Extinktionskoeffizient)
der Substanz zu messen, und wenn eine Dünnfilmschicht auf der Oberfläche des Substrats
existiert, misst es die Filmdicke und die optischen Konstanten.
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Bei
dem herkömmlichen
spektroskopischen Ellipsometer ist, da eine F-Zahl in einem optischen Bestrahlungssystem
mit jener in dem optischen Empfangssystem gleichgesetzt worden ist,
der Verteilungsbereich in dem Einfallswinkel eines Strahlungslichts,
das auf die Oberfläche
der Probe auftrifft, breit gewesen. Da das spektroskopische Ellipsometer
die objektiven Werte über
eine arithmetische Verarbeitung auf der Grundlage des Einfallswinkels
des Bestrahlungslichts, einer Polarisationscharakteristik des Bestrahlungslichts
und eines reflektierten Lichts und dergleichen bestimmt, wird eine
Messung eines hohen Präzisionsgrads
schwierig, wenn der Verteilungsbereich des Einfallswinkels des Bestrahlungslichts
breit ist.
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Wenn
beabsichtigt ist, dass in dieser Situation der Einfallswinkel des
Bestrahlungslichts konstant gehalten wird, führt dies dazu, die Oberfläche der Probe
breiter zu be strahlen, und deswegen ist es nicht möglich, eine
Anforderung zu erfüllen,
nur eine infinitesimale Fläche
zu messen.
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Im Übrigen werden
in dem spektroskopischen Ellipsometer der Einfallswinkel des Bestrahlungslichts
auf die Oberfläche
der Probe, eine Wellenlänge
und ein Polarisationszustand gesteuert, und die Dicke, der Brechungsindex
(dielektrische Konstante) und dergleichen der Probe werden durch
eine arithmetische Verarbeitung aus der Polarisationscharakteristik
des reflektierten Lichts und einem Reflexionskoeffizienten für jede Polarisationskomponente an
der Oberfläche
der Probe in jedem Zustand abgeschätzt. Deswegen ist der Einfallswinkel
des Bestrahlungslicht ein wichtiges Steuerelement vom Standpunkt
einer Messung aus, und es ist am zweckmäßigsten, dass das Bestrahlungslicht
ein kollimierter Lichtstrahl ist.
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Jedoch
sind tatsächlich
viele Fälle
vorhanden, die auf ein Messen von nur der infinitesimalen Fläche auf
der Oberfläche
der Probe abzielen, und des ist üblich,
es zuzulassen, dass das Bestrahlungslicht eine bestimmte Größe eines
Raumwinkels aufweist, um in diesem Fall einen Strahlpunktdurchmesser
des Bestrahlungslichts auf der Oberfläche der Probe zu steuern.
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Und
wenn Licht auf einen Punkt unter Verwendung eines optischen Systems
kompensiert wird, wird ein erhaltener Strahlpunktdurchmesser d im
Allgemeinen durch die folgende Gleichung (1) ausgedrückt d = A·λ·Fno. (1),wobei A
eine Konstante ist, λ eine
Wellenlänge
ist, Fno. eine F-Zahl ist, und die F-Zahl
eine Größe ist,
die gegeben ist durch f/D, wenn der Durchmesser einer Eintrittsöffnung des
optischen Systems durch den Buchstaben D und die Brennweite durch
einen Buchstaben f ausgedrückt
wird.
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Wie
aus der Gleichung (1), die obenstehend beschrieben ist, zu verstehen
ist, ist es notwendig, die F-Zahl zum Verringern des Strahlpunktdurchmessers
d weiter abzusenken. In diesem Fall weist ein Gradient des Strahls
den Gradienten auf, der der Größe der F-Zahl
entspricht. Wenn der Strahlpunktdurchmesser d auf diese Weise verringert
ist, wird die Verteilung des Gradienten des Bestrahlungslichts breit,
aber der Fall, der geringer in der Verteilung des Gradienten des
Bestrahlungslichts ist, ist in der Messpräzision größer, wenn das reflektierte
Licht auf einmal in einen Detektor eingeführt wird, um Signale zu erfassen.
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Das
Dokument
US 5,608,526 offenbart
ein spektroskopisches Ellipsometer, umfassend: Ein optisches Bestrahlungssystem
zum Bestrahlen der Oberfläche
einer Probe mit polarisiertem Licht und ein optisches Detektorsystem
zum Ausgeben von Daten bezüglich
der Oberfläche
der Probe auf der Grundlage einer Größe einer Polarisationszustandsänderung
von elliptisch polarisiertem Licht, das an der Oberfläche der
Probe reflektiert wird, wobei eine F-Zahl f
S/D
S des optischen Bestrahlungssystems auf einen
Wert eingestellt ist, der geeignet ist zum Erhalten eines Strahlpunktdurchmessers
an der Oberfläche
der Probe, und eine F-Zahl f
K/D
K des
optischen Detektorsystems eingestellt ist, höher als die F-Zahl f
S/d
S des optischen
Bestrahlungssystems zu sein, wobei f
S und
f
K jeweilige Brennweiten der optischen Bestrahlungs-/Detektorsystems
sind, und D
S und D
K jeweilige
Durchmesser der Bestrahlungs-/Detektorlichtstrahlen sind, die durch
die optischen Bestrahlungs-/Detektorsysteme laufen. Weitere spektroskopische
Ellipsometer sind in den Dokumenten
US 6,128,085 und "Estabil JJ ET AL: "A combined Spectroscopic
Ellipsometer and Spectrophotometer" Solid State Technology, Cowan Publ.
Corp. Washington, US, vol. 38, Nr. 4, 1. April 1995 (1995-04-01)
Seiten 71-72, ISSN: 0038-111X offenbart.
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Die
vorliegende Erfindung ist in Anbetracht der oben beschriebenen Tatsachen
ausgeführt
worden, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin,
ein Verfahren zum Messen mit der Hilfe eines spektroskopischen Ellipsometers
bereitzustellen, das in der Lage ist, eine infinitisimale Fläche mit
einem hohen Präzisionsgrad
zu messen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Um
die oben erwähnte
Aufgabe zu lösen, stellt
die vorliegende Erfindung die Verwendung eines spektroskopischen
Ellipsometers nach Anspruch 1 bereit.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
Ansicht, die schematisch den Aufbau eines spektroskopischen Ellipsometers
zeigt, das gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
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2 eine
Ansicht, die schematisch den Aufbau eines spektroskopischen Ellipsometers
zeigt, das nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist; und
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3 eine
Ansicht, die schematisch den Aufbau eines spektroskopischen Ellipsometers
zeigt, das gemäß einer
dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nachstehend
werden die Details der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf
die Zeichnungen beschrieben werden. 1 zeigt
schematisch den Aufbau eines spektroskopischen Ellipsometers, das
gemäß einer
ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. In dieser Zeichnung
bezeichnet ein Bezugszeichen 1 eine Probe (z.B. einen Wafer)
und diese wird horizontal auf einem Probengestell 2 gehalten.
Dieses Probengestell 2 ist so aufgebaut, die Probe 1 auf
dasselbe mit einer Einrichtung wie etwa einer Vakuumabsorption anzusaugen
und die Probe 1 in einem horizontalen Zustand zu halten,
und dieselbe linear in drei Richtungen einer X-Richtung (horizontale
Richtung der Zeichnung), einer Y-Richtung (senkrechte Richtung zu
der Zeichnung) bzw. einer Z-Richtung (vertikale Richtung parallel
zu der Zeichnung), die aufeinander orthogonal sind, mit einem Gestellhaltemechanismus
(nicht gezeigt) zu bewegen.
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Ferner
bezeichnet ein Bezugszeichen 3 ein optisches Bestrahlungssystem,
das auf einer Seite oberhalb des Probengestells 2 bereitgestellt
ist, und es besteht aus einem Lichtquellenabschnitt 4,
Reflektoren 5, 6 und einem Polarisator 7.
Der Lichtquellenabschnitt 4 ist mit einer Weißlichtquelle,
die beispielsweise aus einer Xenonlampe besteht, die das Licht emittiert,
das den breiten Wellenlängenbereich von
beispielsweise 190 nm bis 830 nm aufweist, und einem Schlitz zum
Verringern eines Lichts (Bestrahlungslicht) 8, das aus
der Weißlichtquelle
emittiert wird, auf einen geeigneten Durchmesser versehen. Der Reflektor 5 nahe
dem Lichtquellenabschnitt 4 besteht beispielsweise aus
einem Konkavspiegel und ist so angebracht, den Lichtquellenabschnitt 4 an
der Position eines Brennpunkts davon zu positionieren, und deswegen
wird das Bestrahlungslicht 8, das von dem Reflektor 5 auf
einen weiteren Reflektor 6 gerichtet wird, zu parallelen
Strahlen eines Lichts ausgeführt,
die einen geeigneten Durchmesser aufweisen. Der Reflektor 6 besteht
beispielsweise aus einem Konkavspiegel, empfängt die parallelen Strahlen
eines Lichts 8B von dem Reflektor 5 und kondensiert
es über
einen Polarisator 7 auf der spezifizierten Position der
Oberfläche 1a der
Probe, um so einen spezifizierten Strahlpunktdurchmesser zu bilden.
Der Polarisator 7 polarisiert das Bestrahlungslicht 8 von dem
Reflektor 6 in einer spezifizierten Richtung linear.
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Und
wenn ein Durchmesser des oben erwähnten kollimierten Lichtstrahls 8P durch
DS ausgedrückt wird und eine Brennweite
des Reflektors 6 durch fS ausgedrückt wird,
wird die F-Zahl (nachstehend bezeichnet als Fno.s)
des oben erwähnten optischen
Bestrahlungssystems durch die folgende Gleichung ausgedrückt: Fno.s =
fs/Ds (2)und die Größe der Fno.s ist auf einen ausreichend kleinen Wert
zum Erreichen eines Strahlpunktdurchmessers eingestellt, um auf
die Oberfläche 1a der
Probe gerichtet zu werden.
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Ferner
bezeichnet ein Bezugszeichen 9 ein optisches Detektorsystem,
das auf der anderen Seite oberhalb des Probengestells 1 bereitgestellt
ist, und wenn das linear polarisierte Licht 8 auf die Oberfläche 1a der
Probe eingestrahlt wird, gibt es den Betrag einer Polarisationszustandsänderung
eines elliptisch polarisierten Lichts 10, das an der Oberfläche 1a an
der Probe reflektiert wird, beispielsweise zu einem Spektrometer 11 aus,
und es besteht aus einem Analysator 12, Reflektoren 13, 14,
einem Maskenelement 15 und dergleichen. Der Reflektor 13 nahe
dem Analysator 12 besteht beispielsweise aus einem Konkavspiegel,
und ist so angeordnet, die Oberfläche 1a der Probe in
die Position eines Brennpunkts davon zu positionieren, und führt das
elliptisch polarisierte Licht 10, das durch eine Apertur 15c (Öffnung)
des Maskenelements 15 läuft,
in parallele Strahlen eines Lichts 10P aus, um es auf einen
weiteren Reflektor 14 zu reflektieren. Der Reflektor 14 besteht
beispielsweise aus einem Konkavspiegel und gibt die parallelen Strahlen
des Lichts 10P von dem Reflektor 13 zu dem Spektrometer 11 aus.
Und das Maskenelement 15 weist eine Funktion einer optischen
Maske auf, um nur ein Licht 10A in der Mitte der optischen
Achse des oben erwähnten
elliptisch polarisierten Lichts 10 durchzuleiten und besteht
beispielsweise aus einem Plattenelement 15a, das mit einer
Einengungseinrichtung 15b versehen ist, die in der Öffnung frei
einstellbar ist, und es ist auf eine derartige Weise aufgebaut,
dass ein Öffnungsmaß einer Öffnung,
die eine Form wie etwa ein Polygon in einer ebenen Ansicht aufweist,
geeignet einstellbar ist, wie als eine vergrößerte Ansicht in der Zeichnung
gezeigt.
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Und
wenn ein Durchmesser der oben erwähnten parallelen Strahlen des
Lichts 20P durch DK ausgedrückt wird
und eine Brennweite des Reflektors 13 durch fK ausgedrückt wird,
wird die F-Zahl (nachstehend bezeichnet als Fno.K)
des oben erwähnten optischen
Detektorsystems 9 durch die folgende Gleichung ausgedrückt. Fno.K =
fK/DK (3)und die jeweiligen
F-Zahlen werden auf eine derartige Weise eingestellt, dass die folgende
Beziehung zwischen dieser Fno.K und der
oben erwähnten
Fno.S des optischen Bestrahlungssystems 3 gilt. Fno.S < Fno.K (4)
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Überdies
ist das oben erwähnte
optische Detektorsystem so gebildet, nur das Licht 10A,
das einen Teil eines Raumwinkels um den Objektivwinkel einer Reflektion
aufweist, in das Spektrometer 11 einzuführen, indem das oben erwähnte Maskenelement 15 bereitgestellt
ist. Wenn die Ausdehnung der Öffnung 15c in
dem Maskenelement 15 ausgeführt ist, nur Licht 10A einer
engeren Grenze des Winkels (Raumwinkels) durchzuleiten, wird nur
das reflektierte Licht in dem Bereich des engeren Winkels erhalten,
und deswegen wird, wie es aus der Zeichnung offensichtlich ist,
das Licht 10B in einem Abschnitt, der durch ein Bezugszeichen 10B bezeichnet
ist, d.h. einem Raum, der durch eine durchgezogene Linie und eine
gestrichelte Linie eingeschlossen ist, signifikant verschwendet.
Und so wird der Raumwinkel des reflektierten Lichts 10,
das in die Seite des Spektrometers 11 eingeführt wird,
als ein optimaler Wert durch ein Einstellen der Öffnung der Apertur 15c in dem
oben erwähnten
Maskenelement 15 in Anbetracht der Reflexionslichtmenge
und der Verteilung der spektralen Empfindlichkeit des Spektrometers 11 ausgeführt.
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Bei
dem spektroskopischen Ellipsometer, das wie oben stehend beschrieben
aufgebaut ist, ist es, da das reflektier te Licht 10 an
der Oberfläche 1a der
Probe mit dem kleinen Raumwinkel extrahiert werden kann, während eine
Messfläche
an der Oberfläche 1a der
Probe durch ein Verringern der Fläche, die von dem optischen
Bestrahlungssystem 3 bestrahlt wird, verringert wird, möglich, nur
die infinitesimale Fläche
mit einem höheren
Präzisionsgrad
ohne einem Absenken der Präzision
der Messung zu messen.
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Im Übrigen kann
in der oben erwähnten
ersten Ausführungsform
das Maskenelement 15 an jedwedem geeigneten Ort in einem
optischen Pfad, der zu dem Spektrometer 11 führt, angebracht
werden.
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Und
wenn eine Aberration (z.B. eine sphärische Abberation), die den
Gradienten des Lichts relativ zu der Richtung parallel zu der Zeichnung (X-Richtung)
beeinflusst, ausreichend klein ist, kann die Apertur 15c in
dem Maskenelement 15, das in der Form eines Schlitzes gebildet
ist, der linear in der oben erwähnten
Y-Richtung verläuft,
in dem optischen Bestrahlungssystem 3 in Abhängigkeit
von der Position in der Richtung senkrecht zu der Zeichnung (Y-Richtung) in 1 bereitgestellt
werden. Somit wird das zu verschwendende reflektierte Licht verringert,
und die Lichtmenge kann effektiv benutzt werden.
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2 zeigt
eine zweite Ausführungsform, die
nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, wobei die Anbringung
des Maskenelements 15 in dem optischen Detektorsystem 9 weggelassen
ist, und es ist zugelassen, dass der Reflektor 13 die Funktion
einer optischen Maske aufweist.
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3 zeigt
eine dritte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, und in dieser Ausführungsform ist der Reflektor 16,
der beispielsweise aus einem Konkavspiegel besteht, zwischen dem
Reflektor 6 und dem Polarisator 7 bereitgestellt,
und das Bestrahlungslicht auf die Oberfläche 1a der Probe ist ausgeführt, so
weit wie möglich
ein Licht nahe den parallelen Lichtstrahlen zu sein, indem die große Fno.S des optischen Bestrahlungssystems 3 herangezogen wird,
während
ein Maskenelement 17, das eine ähnliche Ausbildung zu dem oben
erwähnten
Maskenelement 15 aufweist, beispielsweise für das Spektrometer 11 des
optischen Detektorsystems 9 bereitgestellt ist.
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Es
muss nicht erwähnt
werden, dass jeweilige Beziehungen der F-Zahlen und des optischen
Bestrahlungssystems 3 und des optischen Detektorsystems 9 in
den zweiten und dritten Ausführungsformen,
die oben stehend beschrieben sind, die gleichen wie die des optischen
Bestrahlungssystems 3 und des optischen Detektorsystems 9 in
der ersten Ausführungsform
sind. Und Arbeitsweisen und Wirkungen in diesen Ausführungsformen
sind ähnlich
zu jenen in der ersten Ausführungsform.
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Wie
oben stehend beschrieben, ist es in der vorliegenden Erfindung möglich, nur
die infinitesimale Fläche
mit einem hohen Präzisionsgrad
zu messen, ohne die Präzision
einer Messung abzusenken, da in dem spektroskopischen Ellipsometer,
das mit dem optischen Bestrahlungssystem zum Einstrahlen des polarisierten
Lichts auf die Oberfläche
der Probe und dem optische Detektorsystem zum Ausgeben von Daten
bezüglich
der Oberfläche
der Probe auf der Grundlage eines Betrags einer Polarisationszustandsänderung
des elliptisch polarisierten Lichts, das an der Oberfläche der
Probe reflektiert wird, versehen ist, die F-Zahl in dem oben erwähnten optischen
Bestrahlungssystem auf die Größe des Werts eingestellt
ist, der in der Lage ist, den Strahlpunktdurchmesser an der Oberfläche der
Probe zu erhalten, und die F-Zahl des oben erwähnten optischen Detektorsystems
eingestellt ist, höher
als die F-Zahl in dem oben erwähnten
optischen Bestrahlungssystem zu sein. Deswegen ist es möglich, die
infinitesimale Fläche
in verschiedenen Arten von Proben wie etwa dem Halbleiterwafer und
dem Retikel/der Maske zu messen, was die Mikroelektronik/Technologie und
die Mikro-Miniaturisierung mit einem höheren Präzisionsgrad und zuverlässiger voran
bringt.