JP2002516985A - 少なくとも一つの層を含む構造の特徴を測定する方法及び装置 - Google Patents

少なくとも一つの層を含む構造の特徴を測定する方法及び装置

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Abstract

(57)【要約】 構造（１２）の特性を測定する装置（１０）は１０ｐｓより少ない持続時間を有する光パルスを発生する光源（１４）と；光パルスを受け、それを少なくとも２つの励起パルス（３０ａ、３０ｂ）を発生させるために分割する回折要素（４２）と；励起パターンを形成するために構造上又はその中に少なくとも二つの励起パルスを空間的及び時間的に重畳する光学系（５０）とを含み、励起パターンは少なくとも２つの光領域を含み、層（７９）を通り伝搬する面外の成分（８７）を有する音波を放出し、層の下の境界（８３）で反射し、構造の特性を変調するために構造の表面（８９）に戻る少なくとも一の層からなる構造の特性を測定する装置であって、少なくとも一つの信号パルス（５４ａ、５４ｂ）を発生するために変調された特性を回折するプローブパルス（３２）を発生する光源（１４）と；少なくとも一つの信号パルスを受け、それに応答して光誘導電子信号を発生する検出器（６３）と；構造の特性を測定するために光誘導された電子信号を分析する分析器とを含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、 １０ｐｓより少ない持続時間を有する光パルスを発生する光源と； 光パルスを受け、それを少なくとも２つの励起パルスを発生させるために分割
するビームスプリッタと、 励起パターンを形成するために構造上又はその中に少なくとも二つの励起パル
スを空間的及び時間的に重畳する光学系と； 少なくとも一つの信号パルスを発生するために変調された特性を回折するプロ
ーブパルスを発生する光源と； 少なくとも一つの信号パルスを受け、それに応答して光誘導電子信号を発生す
る検出器と； 構造の特性を測定するために光誘導された電子信号を分析する分析器とを含み
、 励起パターンは少なくとも２つの光領域を含み、層を通り伝搬する面外の成分を
有する音波を放出し、層の下の境界で反射し、構造の特性を変調するために構造
の表面に戻る少なくとも一の層からなる構造の特性を測定する装置に関する。
【０００２】 本発明は又、構造の特性を測定する方法にも関する。
【０００３】 マイクロエレクトロニクスデバイスの製造中に、金属及び金属合金の薄膜はシ
リコンウエハー上に堆積され、導電体、接着促進層、拡散バリアとして用いられ
る。マイクロプロセッサは導電体及び相互接続体として、例えば銅、タングステ
ン、アルミニウムの金属膜を用い接着促進層として、チタン、タンタルを、拡散
バリアとして、チタン：窒化物、タンタル：窒化物を用いる。これらのフィルム
の厚さの変動は電気的、機械的な特性を変更し、それによりマイクロプロセッサ
の性能に影響する。金属フィルムのターゲット厚さの値はそれらの機能に依存し
て変化し：導体及び相互接続体は典型的に３０００から１００００オングストロ
ームの厚さであるが、一方、接着促進、拡散バリア層は典型的には１００から５
００オングストロームの厚さである。
【０００４】 金属フィルムは典型的にはマイクロプロセッサ内で複雑な幾何形状で堆積され
、パターン化される。マイクロエレクトロニクス製造で現在用いられる幾何形状
は “ダマシーン（ｄａｍａｓｃｅｎｅ）”又は“デュアルダマシーン”構造で
ある。ダマシーン型構造は銅の導体及び相互接続を形成するために主に用いられ
、多段階プロセスにより典型的に形成される。即ち、ｉ）ウエハー上の酸化物層
が一連の溝を有するようまずエッチングされ、次にタンタル又は窒化タンタルの
拡散バリア層でコートされ；ｉｉ）銅はコートされた溝を満たすようにウエハー
上に電気メッキされ；ｉｉｉ）この構造は過剰な銅を除去し、拡散バリア層及び
銅で満たされた溝のみが残るように機械的に研磨される。得られた構造は数千オ
ングストロームの厚さを有し、約０．５ミクロンの周期の幅、数ミリメートルの
長さを有する一連の分離された銅のラインである。
【０００５】 典型的な製造プロセス中に、フィルム（膜）がターゲットの値の数パーセント
（例えば５−１００オングストローム、値は人間の爪の成長の１又は２秒に概略
等価である）の厚さを有するよう堆積される。これらの厳密な公差の故に、フィ
ルム厚はマイクロプロセッサ製造中及び／又はその後の品質管理パラメートとし
てしばしば測定される。非接触、非破壊測定技術（例えば光学的技術）がパター
ン化された“モニター”サンプルではなく、“製品”サンプル（例えばダマシー
ンサンプル）を測定する故に好ましい。製品サンプルの測定は製造プロセスで正
確に誤差を示し、付加的にモニターサンプルに関するコストを減少する。
【０００６】 膜厚測定の一の光学的技術は多層構造に伝搬する音響パルスを発生させるため
に、短い（典型的には１００ｘ１０−１５秒、即ち１００ｆｓ）単一の光パルス
を用いる。音響パルスは構造の種々の境界（例えば層と層、基板と層の境界）か
ら反射し、故にそれを構造表面に戻す。戻りのパルスは表面反射率を変調し、可
変遅延光学プローブパルスで測定される。構造内の層の厚さは反射プローブビー
ムの時間依存性及び音響パルスの音速を分析することにより決定される。
【０００７】 関連する方法は部分反射鏡（例えばビームスプリッタ）を用いて、単一の短い
光パルスを２つの空間的に別のパルスに分割する。周期的な“明”（強め合う干
渉）と“暗”（打ち消し合う干渉）領域を含む干渉パターンを形成するようレン
ズは２つの光パルスを構造表面上で収集し、重畳する。サンプルは明領域の各々
で光を吸収し、構造内に伝搬する成分を含み、種々の境界から反射する音波を発
生する。プローブビームは上記のように分析される信号ビームを形成するように
表面に戻る反射された音波から回折する。
【０００８】 従来のビームスプリッタ技術は部分反射鏡に依存し、その様な鏡により分離さ
れたパルスは角度を有する位相面を有する。サンプルで重畳したときに、これら
の位相面は入射光ビームの小さな領域にわたり光学的に干渉する。
【０００９】 本発明の目的は多層構造の各層の厚さを同時に効率的に測定し、より強い信号
ビームを提供する上記の種類の装置及び方法を提供することにある。この装置は
、ビームスプリッタは画像化システムにより重畳されるときに相互に平行な位相
面を有する少なくとも２つの励起パルスの光パルスを回折する回折素子であるこ
とを特徴とする。変調される構造の光学的特性はｉ）その光学的反射率；又はｉ
ｉ）時間依存“リップル”を発生するその表面のいずれかである。これらのプロ
セスの両方は空間的に周期的である。音波はまた、各層を構造内で分離する境界
で反射される。可変遅延プローブパルスは反射プローブパルスから空間的に分離
された少なくとも一つの信号パルスが発生されるよう表面で回折される。検出器
は信号パルスを受け、それに応答して構造の一以上の層の厚さを測定するために
分析器で処理される光誘導電子信号を発生する。
【００１０】 回折素子は入射光ビームを２以上の光ビームに回折するいかなる光学素子でも
よい。一実施例では、回折素子は回折マスクであり、回折パターンを担持する光
透過基板からなる。各パターンは一連の平行な波長（λ）と、位相マスクの屈折
率（ｎ）に関連する深さ（ｄ）を有する溝を含む：ｄ＝λ／２ｎ。各パターンは
典型的には０．１から１００ミクロンの間の空間的周期を有する。このパターン
はマスクを離れた回折された励起パルスが光学系により重畳されたときに、概略
平行な位相面を含む。このようにして、重畳された光パルスの位相面は重畳され
た光パルスの領域全体に沿って延在する一連の明と暗の交互の領域を形成するよ
うに干渉する。以下に詳細に説明するように、これは回折信号の振幅を増加させ
、それにより測定の感度を増加する。
【００１１】 他の実施例では、光学系は画像化システムであり、約１：１の倍率で構造上又
はその中に、励起パルスを集め、重畳する少なくとも一つのレンズ（例えば色消
しレンズ対を含む）を含む。この構成ではレンズはｉ）プローブパルスを付加的
に受け、励起パターン上に合焦し、ｉｉ）少なくとも一つの信号を受け、それを
検出器上に合焦するよう配置される。他の実施例では光学系はサンプル上に励起
ビームを向ける一対の鏡を含む。
【００１２】 光源は典型的には２ｐｓ以下の持続時間と少なくとも部分的にサンプルに吸収
される波長を有する光パルスを発生するレーザーである。例えば、そのレーザー
はチタン：サファイア、クロム：LISAF、リング又はファイバーレーザである。
その装置は典型的にはプローブパルスを励起光パルスに関して遅延する遅延ライ
ンを含む。遅延ラインは例えば、ガルバノメータ、回転鏡、圧電デバイス、光フ
ァイバー、又はプローブパルスを遅延させる等価な手段である。更に他の実施例
では、装置は更に検出器の光感応領域上に信号ビームの一つを重畳するよう構成
された光ヘテロダインパルスを含む。これは付加的に測定を強化するために検出
された信号を増幅する。
【００１３】 他の特徴では、上記の装置はサンプル（例えば多層構造）の面内及び面外の音
波の両方を励起し、検出するよう構成される。この場合には、装置は上記と同様
であるが、構造の面内で伝搬する音波を測定するために第二の光源からの第二の
プローブビームを含む。第二のプローブビームは第二の信号パルスを発生するた
めの面内の音波により引き起こされるサンプルの表面の変調（例えば変調された
表面反射率又は表面リップル）からの回折に整列される。この信号パルスは第二
の検出器で測定される。分析器（例えば適切にプログラムされたコンピュータ）
は構造の特性を測定するために第一の光誘導電子信号（面外音波からの）及び第
二の光誘導電子信号（面内音波からの）を処理する。例えばコンピュータは光誘
導電子信号を例えば励起パターンにより構造内に誘導された歪みをモデル化した
数学的関数と比較する。
【００１４】 この実施例で、第二の光源は典型的には連続はビーム又はパルスビーム（典型
的には１００ｎｓより長い）を発生するダイオードレーザーである。分析器はｉ
）構造の厚さ；ｉｉ）構造内の層の厚さ；ｉｉｉ）構造内の層の密度；ｉｖ）構
造内の層の機械的弾性的特性の少なくとも一つを決定するために第二の光誘導電
子信号を分析するよう構成される。例えば、この装置で測定された構造は多層を
含み、分析器は構造内の各層の厚さを決定するように第一と第二の光誘導電子信
号を測定するよう構成される。
【００１５】 上記の方法及び装置の両方は多くの利点を有する。この装置は特に多層構造の
各層の厚さを同時に効率的に測定する。これらの値は次に、製造プロセスを制御
するために用いられる。（例えばマイクロエレクトロニクスデバイスの製造）。
本発明の特徴は光計測学の利点の全てを取り入れており、測定は非接触、迅速、
遠隔的であり、小さな領域でなし得る。データは典型的には１０から１００ミク
ロンの間の領域を有する信号測定点から数秒以下で収集される。これらのデータ
から膜厚は数オングストロームの再現性と精度で決定される。
【００１６】 本発明の方法及び装置で、回折光学素子（例えば位相マスク）の使用は約１ｐ
ｓより短い単一の光学パルスを分けるために用いるときに特に好ましい。例えば
、空間的に周期的な励起パターンでの“明”領域の数はパターンを形成する光パ
ルスの時間で減少する。１ｐｓ以下のパルスに対して、これはパターンにより発
生されたサンプル表面のリップルの数をきわめて減少させ、それにより回折信号
ビームの振幅を減少する。これは相対的に弱い（しかし非常に重要な）特徴の検
出を困難又は不可能にする。
【００１７】 一般に、位相マスクにより分離されたパルスは従来の部分反射鏡によるビーム
スプリット方法により分離されたパルスにより発生されたものと比べて顕著に強
い信号ビームを発生する。これは位相マスクを離れたパルスが平行な“位相面”
を有し、他方で、部分反射鏡により分離されたパルスは角度を有する位相面を有
するからである。サンプル内に重畳されたときに、平行な位相面は入射光ビーム
の全領域にわたり光学的に干渉し、斯くして、角度を有する位相面より多くの光
領域を形成する。上記のように、これは変調された表面反射の領域又は表面のリ
ップルの量を増加させ、それによりサンプル表面でプローブパルスの回折効率を
向上させる。これは信号ビームの振幅を増加し、従って、信号ビームの弱い近傍
が検出される。他の利点は短い光パルスが用いられたときに、適切に設計された
位相マスクは光領域のパターンを発生し（例えば複数の空間周波数を有する）、
それはダマシーン型又は複合断面形状（例えば階段状の断面）を有する関連した
構造を測定する。
【００１８】 本発明の付加的な利点は空間的な周期的励起パターンは面内及び面外音波の両
方を発射し、それら両方は膜の特性を決定するために同時に検出し、分析される
。面内音波の分析は例えば、米国特許第５、６３３、７１１号（発明名称"MEASU
REMENT OF MATERIAL PROPERTIES WITH OPTICALLY INDUCED PHONONS"）、米国特
許第５、５４６、８１１号（発明名称"OPTICAL MEASUREMENT OF STRESS IN THIN
FILM SAMPLES"）、米国特許第５、６７２、８３０号（発明名称"MEASURING ANI
SOTROPIC MATERIALS IN THIN FILMS"）、米国特許出願第 ０８/７８３、０４６
号（発明名称"METHOD AND DEVICE FOR MEASURING THE THICKNESS OF OPAQUE AND
TRANSPARENT FILMS"）に記載され、これらの内容はここに参考として引用する
。
【００１９】 膜の音波伝搬の測定用の空間周期励起パターンの使用はまた他の利点を有する
。この幾何形状では、例えば、信号ビームは回折され、故に、反射されたプロー
ブビームから分離される。典型的な信号ビームが１ｅ−４−１ｅ−６倍反射ビー
ムのそれより小さい振幅を有する故に、空間的分離は信号検出を顕著に容易にし
、それによりデータの質を向上させる。
【００２０】 本発明の他の特徴及び利点は以下に図面及び請求項の詳細な説明から明らかと
なる。
【００２１】 図１は多層構造１２の各層の厚さを同時に決定するために面内及び面外音波の
両方を準備し、測定する光学系１０を示す。光学系１０は約１００ｆｓの長さ、
約８００ｎｍの波長、１０μＪ／パルスの励起パルスを含む単一励起ビーム１６
を発生する励起レーザー１４を有する。励起レーザーは典型的にはチタン：サフ
ァイア、リング又はファイバーレーザである。
【００２２】 励起ビーム１６は鏡１８で反射され、ビーム１６の部分２６をトリガー検出器
２４に反射するガラス板２０を通り伝搬される。ビームの部分を受容した後に、
トリガー検出器２４は分析用に一連のデータ収集電子機器に送られる電子信号を
発生する。搬送されたビームはコリメーティングレンズ２１を通過して、入射ビ
ームの約９０％の強度を有するビーム３０を透過する部分反射鏡２８に衝突する
。ビームのこの部分は励起パターン５２を形成し、これはサンプル１２の音響パ
ルスを励起する励起パターン５２を形成する。信号ビームが位相感応検出電子機
器（例えばロックインアンプ）を用いてモニタされ、ビーム３０はチョッパー２
９を通過し（例えばＢｒａｇｇセルのような音響光変調器）、これはそれを高周
波数（典型的には１ＭＨｚ以上）で変調する。この周波数で電子信号がトリガー
として供されるためにデータ収集電子機器に送られる。
【００２３】 変調に続き、円柱レンズ４０はチョップされたビーム３０を位相マスク４２上
で合焦し、それは一連のパターン４４を含む。各パターン４４は測定された材料
に対して（ｄ−λ／２ｎ）で周期的に選択され、入射光波長の最大回折をなすよ
う選択された深さ（ｄ）を有する一連の周期的な溝を含むようエッチングされる
。このパターンは信号励起ビームを角度θにより分離された一対のビーム３０ａ
，３０ｂに回折する。そのような位相マスクは米国特許第５、７３４、４７０号
（発明名称"DEVICE AND METHOD FOR TIME‐RESOLVED OPTICAL MESUREMENTS"）に
記載されている。上記特許も本願の参考文献として引用される。
【００２４】 ビーム３０ａ，３０ｂは入射光ビームの波長を反射するようコートされた高反
射鏡４８に穿孔された一対のスロット４６ａ，４６ｂを通過する。色消しレンズ
対５０は光励起パターン５２を形成するために伝搬されたビーム３０ａ，３０ｂ
を受け、それらをサンプル１２上で重畳する。光励起パターン５２は以下に詳細
に説明するようにサンプルに伝搬される音波を形成する。
【００２５】 ビーム３０の一部分３２は部分反射鏡２８により機械的遅延段３１に反射され
、サンプル内の音波をプローブするために用いられる。段３１は一対の鏡３４と
、電子信号に応答して前後にスキャンする可動な電子制御装置３６を含む。スキ
ャンニング処理は時間が高時間分解能でモニターされる（たとえば１ｐｓ）音波
に依存することを許容する励起パルスと相対的にプローブビーム３２に含まれる
プローブパルスを遅延する。例えばスキャンニング装置はガルバノメーター又は
圧電ステージである。いったん遅延されると、プローブビーム３２は第一と第二
の鏡５４、５６で反射され、レンズ５８でコリメートされる。ビームは次に、プ
ローブビームの波長で高反射率を有するようコートされた鏡６０に穿孔された穴
６２を通過する。ビーム３２は高反射鏡で反射し、励起ビームを合焦するよう用
いられる同一の色消しレンズ対５０を通り伝搬し、励起パターン５２により照射
される前にサンプル１２上の点を照射する。
【００２６】 以下により詳細に説明するように、プローブビームの一部分はサンプル１２か
ら伝搬される一対の信号ビーム５４ａ、５４ｂを形成するために音波により回折
される。信号ビーム５４ａ、５４ｂは励起ビーム３０を変調するために用いられ
る周波数で発生される。これらのビームは次に色消しレンズ対５０を通過し、穿
孔された穴４６ａ、４６ｂの外縁近くの高反射（ｈｉｇｈ−ｒｅｆｌｅｃｔｉｎ
ｇ）鏡４８を照射する。鏡４８は鏡６０に穿孔された穴６２の各側で信号ビーム
を反射する。鏡６０は入射放射に応答して電子信号を発生する光検出器６３に信
号ビームを反射する。電子信号は次に、データ収集電子機器に送られ、そこでそ
れは変調周波数で位相感応ロックインアンプにより分析される。
【００２７】 上記の光学系の位相マスクの使用は励起パターンの全領域にわたり交番する明
領域を発生し、それにより信号波形の信号対ノイズ比を増加し、厚さ測定の精度
を向上させる。図２ａ、ｂ及び３ａ、ｂは位相マスク（図２ａ、ｂ）及び部分反
射鏡（図３ａ、ｂ）により分離された短いパルスの対が交差することにより形成
される励起パターン（図２ｂで５２、図３ｂで１５２）を示す。図３ａ、ｂは時
間＝ｔ０で、部分反射鏡により分離された光パルス１３０ａ、ｂが位相面１３２
ａ、ｂを含むことを示す。これらのパルスが角度Ｐで収束するとき、位相面１３
２ａ、ｂは光ビームの伝搬の方向に関して直角に、相互に（１８０−θ）の角度
で延在する。重畳する光パルスにより形成された励起パターンの長さＤは光パル
ス持続時間τに関係し、ビームの交差角度θは各パルスを含む： Ｄ＝ｃτｓｉｎ−１（θ／２） （１） ここでｃは空気中の光速である（３ｘ１０１０ｃｍ／ｓ）。式１はＤがパルス幅
と共にリニアに減少することを示す。一例として、５°の角度で交差する３０ｆ
ｓの持続時間をそれぞれ有する一対の光パルスはｄ＝２００ミクロンの励起パタ
ーンを形成する。励起パターン内の明領域の数は交差した光ビームの“位相面”
の重畳に依存する。パルス１３０ａ、１３０ｂが時間＝ｔ１で交差するときに、
光の干渉は位相面が重畳される領域１４０のみで発生し、面（フロント）１３２
ａ‘、ｂ’の間の角度θはこの領域を制限する。光の干渉により形成される励起
パターン１５２は従って、明領域の比較的少数を有する。詳細には、一対の変換
制限されたパルスを用いて発生された明領域の数は約２ｃτ／λであり、ここで
λは光の波長である。約２０以下のフリンジが３０ｆｓの持続時間、８００ｎｍ
の波長、λ＝１０μを有するパルスで発生される。斯くして、多数の明領域を発
生することが光パルス時間が減少するにつれてますます困難になる。これは回折
された信号の強度、従って対応するフィルム厚測定の精度が光パルスの時間と共
に減少することを意味する。
【００２８】 図２ａは光パルスが本発明による位相マスクを用いて分離されるのを示す。同
一焦点レンズの対で画像化されたときに、光パルス３０ａ、３０ｂは相互に平行
な位相面３１ａ、ｂを含む。この場合には、図１の光学系の画像平面（ｚ＝０）
の干渉光ビームにより引き起こされた電界（Ｅ）は以下のように表され、 Ｅ＝２Ａ１Ｅ０ｃｏｓ（ｑ１Ｄ／Ｍ）ｅｘｐ（−ｔ‘２／τ０ ２）ｅｘｐ（ｉ
ｗ０ｔ’） （２） ここでＡｎはグレーティングが位相又は振幅のグレーティングのいずれかに依存
する複素振幅であり、ｑは２π／λに等しい波数ベクトルであり、Ｍは光学系の
拡大率であり、τは光パルス持続時間であり、Ｅ０は光パルスの振幅に依存する
定数であり、Ｄはパルスの空間的な長さである。位相面３１ａ、ｂは面の全体の
長さにわたり延在する領域１４１で干渉し、それにより励起パターンの明領域の
数は増加する。位相マスクに含まれる光学系及び１：１の画像化をなす色消しレ
ンズ対に対してこの数は入射光パルスで照射される位相マスクパターンの周期の
数により制限される。例えば、１０ミクロンの周期を有する（即ち５ミクロンの
波長を有する）パターンを照射する２００ミクロンの長さを有するビームは約４
０のフリンジを有する励起パターンを発生する。フリンジの数は光パルスのスポ
ットサイズを増加するか又は位相マスクパターンの周期を減少するかのいずれか
により増加される。
【００２９】 図４Ａから４Ｃは図１に示される光学系により形成された面内及び面外の音波
が如何に発生し、検出され、多層構造の各層の厚さが同時に決定されるように分
析されるかを示す。図４Ａから、一対の短い励起パルス３０ａ、３０ｂは基板７
５、埋没（ｂｕｒｉｅｄ）層７７、外側の露出された層７９を含む多層構造１２
の表面８９上に重畳される。露出７９、埋没７７層は第一の境界８３（即ち“層
と層の境界”）により、埋没層７７と基板７５は第二の境界８５（即ち“層と基
板の境界”）により分離される。上記のように、励起パルス３０ａ、３０ｂは明
と暗の領域（図示せず）を含む励起パターンを形成するために全体の長さＤに渡
り重畳され、干渉する。スポットサイズに依存して、光学系の位相マスクはパル
ス時間と波長がそれぞれ１００ｆｓ及び８００ｎｍであるときに励起パターン内
に４０から１００の間のフリンジを形成する。
【００３０】 図４Ａに示されるように、放射は露出層７９を緩やかに加熱し、それを熱膨張
させるように励起パターンの明領域に吸収される。光パルスが約１００ｆｓのオ
ーダーであるときに、この加熱は“衝撃的”であり、面内（矢印８６で示される
）及び面外（矢印８７で示される）成分を有する音波を放出する（簡単化のため
に、面外成分のみが図４Ｂから４Ｃに示される）。図４Ｂでは、面外成分８７が
層と層の境界８３に向かって伝搬する。音響パルスの空間的延在及び振幅は：１
）光パルス持続時間及びスポットサイズ；２）励起放射が露出層によりどのくら
い強く吸収されるか；３）露出層の電子拡散特性により決定される。いったん放
出されると、面外成分の伝搬特性は：１）露出層と埋め込み層の縦音速；２）各
境界での音響インピーダンス（即ち音響反射率）；３）これらの層の音響分散に
依存する。励起され伝搬される音波のこれらの特性及び物理的性質のより詳細な
記述はＳｈｅｎらによる論文、“Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｒ
ｅｆｌｅｃｔｉｎｇ Ｇｒａｔｉｎｇ ｉｎ Ｆｌｕｉｄ／Ｍｅｔａｌｌｉｃ
Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ？Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｔｈｉｎ
Ｆｉｌｍ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈ
ｅｍｉｃａｌ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ”，Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎ
ａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．３５，ｐａｇｅｓ２３
３９−２３４９（１９９６）に記載されており、ここにこれを参考として引用す
る。
【００３１】 図４Ｂは面外成分８７が露出層を通って伝搬し、層と層の境界８３に衝突する
のを示す。ここで、各成分の反射された部分８７は露出層の表面８９に向かって
戻され；境界での反射係数ｒは以下のようになる：
【００３２】
【数１】 ここでｖｘ及びＹｘは、それぞれ縦音速及び露出（ｘ＝１）又は埋没（ｘ＝２）
層の密度である。面外成分の伝搬部分８７“は層と層の境界８３を通り、層と基
板の境界８５に向かって伝搬する。この境界で衝突した後で、その成分は上記の
層及び各境界に反射して戻る。
【００３３】 図４Ｃを参照するに、露出層７９の表面８９に戻るときに、面外成分は露出層
の光反射係数に対する小さな変化又は表面リップルのいずれかを引き起こす。こ
れらのプロセスは励起パターンに適合する空間的に周期的なパターンで露出層の
表面を変調する。図４Ｃに示されるように、面外成分は下記で説明するように検
出され、分析される信号ビーム５４ａ、５４ｂの一部分を形成するように可変遅
延された光学プローブパルス３２を回折させる。機械的遅延段をスキャンする種
々の時間で表面を連続的にプロービングすることにより、各層の音響パルスの往
復時間τｒｔは決定される。
【００３４】 ５、６Ａから６Ｅ、７は上記のシステムで測定されたデータが如何にして多層
系の各層の厚さを決定するために分析されるかを示す図である。これらの場合に
は、サンプルはアルミニウム／チタニウム：タングステン／シリコン構造であり
、ここでアルミニウム／チタニウム：タングステンは薄い（３０００／以下）層
である。測定プロセス中に、データ収集電子機器からのデータは信号波形２００
（図８の段階３００）を発生するコンピュータに送られる。コンピュータは次に
、波形２００を数学的な関数と比較し（図８の段階３０１）、関数のパラメータ
（例えば膜厚）を反復的に調整する（図８の段階３０２）。この処理は信号波形
２００の“最良の適合”の信号波形２０２が発生したことを示すまで繰り返され
る（図８の段階３０３）。最良の適合はシミュレートされた波形が信号波形に実
際に匹敵するかを示すパラメータを最小化することにより決定される。例えば、
Ｍａｒｑｕａｎｔ−Ｌｅｖｅｎｂｅｒｇアルゴリズムのようなよく知られた適合
アルゴリズムにより発生されたパラメータはＸ２又はＲ２値である。コンピュー
タは次に最良の適合（図８の段階３０４）を与えるシミュレートされた波形で用
いられる膜厚値を決定する。これらの値は測定された構造の実際の厚さの値であ
ると考えられる。
【００３５】 コンピュータが信号波形を適合するよう用いられる数学的関数は構造の平面
の外に伝搬される音波により誘導される時間及び深さに依存する歪みＯ３３（ｚ
，ｔ）に基づく。歪みは以下のように決定される：
【００３６】
【数２】 ここでＲは反射率であり、Ｑは光パルスのフルーエンス、Ｂは熱膨張計数であり
、Ｌは単位体積当たりの比熱であり、νはポアッソン比であり、ＶＬは膜内の縦
音速であり、σは光パルスが構造の露出層に伝搬する距離であり、ｔは時間（即
ち図５のｘ軸）であり、ｚは層の厚さに沿って延在する軸を表す。式（４）はσ
が励起パターンの明領域を分離する距離より顕著に小さく、露出表面でｚ＝０で
あり、層の中で正に増加すると仮定している。式（４）の第一の部分は、励起パ
ターンにより誘導された定常状態の温度上昇による密度変化から発生される静的
な歪みを表す。式の第二の部分はサンプルの面外に伝搬する音波により誘導され
た時間依存歪みを記述する。
【００３７】 コンピュータは信号波形を以下に示されるシミュレートされた波形と比べる：
【００３８】
【数３】 ここで、ｋ２は“波数ベクトル”（２π／Λとして決定され、ここでΛは励起パ
ターンの波長である）のＺ成分に関連する定数であり、ｈＯ（ｔ）は表面リップ
ルを表す時間依存関数であり、δＲ（ｔ）は時間依存反射率がサンプルで変化す
ることを表す関数である。
【００３９】 時間依存表面リップル及び反射率変化は式（４）に記載される歪みに依存する
音波により引き起こされる。表面リップルは
【００４０】
【数４】 ここで、Ｋ２３は層の複素光弾性定数であり、εは光透過定数である。図５に示
されるシミュレートされた波形２０２は信号ビームの回折を導く主な過程である
表面リップルを示す。故に、反復適合処理を簡単化するために、等式（５）、（
６）は信号波形を分析するために用いられる。
【００４１】 図５は信号波形２００及び最良適合シミュレートされた波形２０２は上記の式
（４）、（５）、（６）を用いてコンピュータにより形成される。図面に対する
信号波形は図１に示されるものと類似の光学系で発生される。厚さの値を決定す
るために、コンピュータはシミュレートされた波形が信号波形に近接して適合す
るまでアルミニウム及びチタニウム：タングステン層の厚さを反復して適合する
。
【００４２】 図５、６Ａから６Ｅは光学系で開始された面外音波が如何にして信号波形のピ
ーク２０１、２０３、２０４、２０５を形成するかを示す。音波はアルミニウム
／チタニウム：タングステン／シリコン系で伝搬し、アルミニウムは外側の層２
０６、チタニウム：タングステンは埋没層２０７、シリコンは基板２０８である
。埋没層２０７及び他の層２０６は層と層の境界２０９により分離され、埋没層
２０７と基板２０８は層と基板の境界２１０により分離される。外側の層２０６
は露出された面２１１を有し、これは上記のように測定される。シミュレートさ
れた波形２０２は２０００／の厚さのアルミニウム及び２５０Ａの厚さのチタニ
ウム：タングステンを含む信号波形２００に適合するよう用いられる。
【００４３】 図６Ａは信号波形２００のピーク２０１が層と層の境界２０９で反射し、外側
の層２０６の表面２１１に戻る、外側の層２０６を通って伝搬する音波（矢印２
１２で示される）に対応することを示す。図６Ｂでは、信号波形２００の第二の
ピーク２０３が外２０６及び埋没２０７層を通り伝搬し、層と基板の境界２１０
で反射し、表面２１１へ戻る音波（矢印２１３で示される）対応することを示す
。図６Ｃでは、外側層で２往復をなす音波（矢印２１４で示される）が如何にし
て信号波形２００のピーク２０４を発生するかを示す。同様に図６Ｄ、６Ｅでは
外２０６及び埋没２０７層の両方に伝搬する２つの音波（矢印２１５、２１６で
示される）が如何にして信号波形のピーク２０５を形成するかを示す。
【００４４】 他の実施例は上記の本発明の範囲内にある。励起フィールドを発生するための
位相マスクを用いる図１に示される以外の光学系が特に音波を開始し、検出する
ために用いられる。その様な系は、例えばその内容が本願の参考文献に引用され
る、例えば、米国特許出願第０８/８８５、５５５号（発明名称"ＩＭＰＲＯＶＥ
Ｄ ＴＲＡＮＳＩＥＮＴ−ＧＲＡＴＩＮＧ ＭＥＴＨＯＤ ＡＮＤ ＡＰＰＡＲ
ＡＴＵＳ ＦＯＲ ＭＥＡＳＵＲＩＮＧ ＭＡＴＥＲＩＡＬ ＰＲＯＰＥＲＴＩ
ＥＳ"）に記載される。一般に、面内及び面外音波を発生しうる音響パルスを発
生する位相マスクとレーザーの両方を含む如何なる光学系でも用いられ得る。
【００４５】 同様に、位相マスクは励起パターンを形成するために振幅マスク又は電子又は
音響光変調器のような類似の回折光学要素で置き換えられ得る。回折マスクは一
以上の空間周波数を同時に発生するパターン、非周期的励起パターン、又は平行
な一連のレンズ以外にパターンの分配された明領域を含む励起パターンを含む。
例えば、回折マスクは一連の同軸の円、楕円、又はその他の形からなる励起パタ
ーンを発生しうる。他のアクセス可能なパターンは米国特許第５７３４４７０号
“ＤＥＶＩＣＥ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＴＩＭＥ−ＲＥＳＯＬＶＥＤ
ＯＰＴＩＣＡＬ ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴＳ”に記載され、これをここに参考
として引用する。
【００４６】 他の実施例では光学系は信号ビームの強度を増加するために変更される。たと
えば信号強度はヘテロダイン増幅法を用いて増加される。一般に、ヘテロダイン
増幅は光検出器の高感度領域の信号ビームから位相成分を有する付加的な光ビー
ム（ヘテロダインビームと称される）から位相成分を空間及び時間的に重畳する
ことによりなされる。このプロセスは検出器で測定された信号の振幅を増加し、
それにより厚さ測定の制度を改善する。
【００４７】 他の実施例では、面内音波は上記の面外音波に沿って同時に発生され、検出さ
れる。面内波の特性は膜厚、剥離対接着、密度、他の弾性、物理的機械的特性の
ような特性を決定する。図７は基板２２５と薄層２２７を含む簡単な単一層構造
２２４に応用される実施例の一例を示す。この場合に、面内（矢印２３１で示さ
れる）及び面外（矢印２３２で示される）音波の両方が上記の励起パターンで励
起される。いったん励起されると、面外音波は図１に示されるものと類似の可変
遅延プローブパルス２４０で構造２１２の表面２３０を照射することにより検出
される。パルスの部分は上記のように検出される一対の信号ビーム２５０Ａ、Ｂ
を形成するよう回折される。これらの信号ビームは次に層２２７の特性（例えば
厚さ）を決定するためにプローブパルス２４０遅延の関数として分析される。面
内音波は光励起パルスの幅（典型的には１０ｐｓ以下）と比較される比較的長い
時間（例えば１００ｎｓ以上のパルス又は連続波ビーム）を有する第二のプロー
ブビーム２６０を有する表面に照射されることにより同時に測定される。上記の
プロセスと類似で、プローブビーム２６０の一部分は層２２７の特性を（例えば
音速又は層の厚さ）を決定するために検出され、分析される一対の信号ビーム２
７０ａ、ｂを形成するために面内音波により回折される。このようにして、面内
及び面外音波の両方から測定されたデータは測定の精度を増加するために用いら
れる。
【００４８】 更に他の実施例では、光学系により発生された信号波形はサンプルの層に関す
る他の特性を決定するために分析される。例えば、波形のエコーの形は接着の程
度、表面の粗さ、又は構造内の一以上の構成物を決定するために分析される。
【００４９】 光源はサンプルにより強く吸収される波長と、１０ｐｓ以下の時間を有する光
パルスを発生する如何なるレーザーでもよい。金属膜に対して、適切な波長は典
型的には可視的又は近赤外スペクトル領域（例えば４００ｎｍから８００ｎｍ）
である。これらのパルスを発生するレーザーは例えばチタニウム：サファイア、
クロミウム：ＬｉＳＡＦ、リング及びファイバーレーザーである。
【００５０】 本発明の方法及び装置は種々の構造を測定するために用いられ得る。例えば、
本発明の方法はマイクロエレクトロニクス産業で用いられる金属膜の厚さを決定
するために特に効果的である。その様な膜はアルミニウム、銅、ニオブ、タング
ステン、チタン、タンタル、チタニウム：窒化物、タンタル：窒化物、近、白金
、及びそれらの合金である。これらの金属は単層及び多層構造を含む。測定され
うる他の材料はポリマー、ダイアモンド様コーティング、埋没透明層を含む。
【００５１】 更に他の実施例は請求項の範囲内である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 多層構造の面外音波を励起し、測定する光学系の概略を示す。
【図２】 図２Ａ及び２Ｂはそれぞれ本発明の方法による重畳の前及びその最中に位相マ
スクで分離された２つの光パルスの概略を示す。
【図３】 図３Ａ及び３Ｂはそれぞれ従来技術の方法による重畳の前及びその最中に部分
反射鏡で分離された２つの光パルスの概略を示す。
【図４】 図４Ａから４Ｃはそれぞれ、面内及び面外音波が第一に露出層、第二に埋没層
を通り、露出層の表面に戻るよう励起パターンで開始されるのが示される。
【図５】 アルミニウムチタン：タングステン／シリコン構造から図１に示されるものと
類似の光学装置で測定された時間依存信号波形及び２０００Ａの厚さのアルミニ
ウムと、２５０Ａの厚さのタンタル：タングステンを用いて発生された波形のシ
ミュレーションのグラフを示す。
【図６】 図６Ａから６Ｅは図５の波形を発生するために測定されたものと類似の多層構
造の面外音波伝搬の側面図である。
【図７】 面内及び面外音波が両方とも測定される膜／基板構造を示す側面図である。
【図８】 本発明による多層構造の各層の厚さを計算する方法を示すフローチャートであ
る。
【手続補正書】
【提出日】平成１２年２月１４日（２０００．２．１４）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正内容】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項２４
【補正方法】変更
【補正内容】
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００１】 本発明は、 １０ｐｓより少ない持続時間を有する光パルスを発生する光源と； 光パルスを受け、それを少なくとも２つの励起パルスを発生させるために分割
する回折素子と、 少なくとも２つの光領域を含み、構造内で音波を放出する励起パターンを形成
するために構造上又はその中に少なくとも二つの励起パルスを空間的及び時間的
に重畳する光学系と； 少なくとも一つの信号パルスを発生するために変調された特性を回折するプロ
ーブパルスを発生する光源と； 少なくとも一つの信号パルスを受け、それに応答して光誘導電子信号を発生す
る検出器と； 構造の特性を測定するために光誘導された電子信号を分析する分析器とを含む
少なくとも一の層からなる構造の特性を測定する装置に関する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００９】 本発明の目的は多層構造の各層の厚さを同時に効率的に測定し、より強い信号
ビームを提供する上記の種類の装置及び方法を提供することにある。この装置は
、音波は層を通り伝搬する面外の成分を有し、層の下の境界で反射し、層の特性を
変調するよう構造の表面に戻ること を特徴とする。変調される構造の光学的特性
はｉ）その光学的反射率；又はｉｉ）時間依存“リップル”を発生するその表面
のいずれかである。これらのプロセスの両方は空間的に周期的である。音波はま
た、各層を構造内で分離する境界で反射される。可変遅延プローブパルスは反射
プローブパルスから空間的に分離された少なくとも一つの信号パルスが発生され
るよう表面で回折される。検出器は信号パルスを受け、それに応答して構造の一
以上の層の厚さを測定するために分析器で処理される光誘導電子信号を発生する
。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 Ｇｒｏｅｎｅｗｏｕｄｓｅｗｅｇ １， 5621 ＢＡ Ｅｉｎｄｈｏｖｅｎ， Ｔｈ ｅ Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ (72)発明者 ロジャーズ，ジョン エイ オランダ国，5656 アーアー アインドー フェン，プロフ・ホルストラーン ６ (72)発明者 ネルソン，キース エイ オランダ国，5656 アーアー アインドー フェン，プロフ・ホルストラーン ６ (72)発明者 クリミンス，ティモシー エフ オランダ国，5656 アーアー アインドー フェン，プロフ・ホルストラーン ６ (72)発明者 マズネフ，アレクセイ オランダ国，5656 アーアー アインドー フェン，プロフ・ホルストラーン ６ Ｆターム(参考） 2F065 AA30 BB17 CC19 FF48 FF63 GG04 GG06 GG08 HH01 HH13 LL00 LL08 LL30 LL42 UU05 UU07 2F068 AA28 BB14 CC00 DD16 GG07 2G047 AA06 AB05 AC10 BA03 BC18 CA04 EA10 EA11 GD01 2G059 AA10 BB10 EE02 EE09 EE16 GG01 GG08 HH01 HH02 JJ05 JJ17 JJ22 MM09 MM10

Claims (25)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 １０ｐｓより少ない持続時間を有する光パルスを発生する光源と； 光パルスを受け、それを少なくとも２つの励起パルスを発生させるために分割
    するビームスプリッタと、 励起パターンを形成するために構造上又はその中に少なくとも二つの励起パル
    スを空間的及び時間的に重畳する光学系と； 少なくとも一つの信号パルスを発生するために変調された特性を回折するプロ
    ーブパルスを発生する光源と； 少なくとも一つの信号パルスを受け、それに応答して光誘導電子信号を発生す
    る検出器と； 構造の特性を測定するために光誘導された電子信号を分析する分析器とを含み
    、 励起パターンは少なくとも２つの光領域を含み、層を通り伝搬する面外の成分を
    有する音波を放出し、層の下の境界で反射し、構造の特性を変調するために構造
    の表面に戻る少なくとも一の層からなる構造の特性を測定する装置であって、 ビームスプリッタは画像化システムにより重畳されるときに相互に平行な位相面
    を有する少なくとも２つの励起パルスの光パルスを回折する回折素子であること
    を特徴とする装置。
  2. 【請求項２】 構造の面内での音波の伝搬の面内成分を測定するために層の
    表面で回折し、付加的な信号パルスを発生する付加的なプローブパルスを発生す
    るための付加的な光源と、付加的な信号パルスを受け、それに応答して付加的な
    光誘導電子信号を発生する付加的な検出器とを含み、 分析器はまた構造の特性の測定をなすために付加的な光誘導された電子信号を分
    析することを特徴とする請求項１記載の装置。
  3. 【請求項３】 回折素子は０．１から１００ミクロンの間の空間周期を有す
    る一連の溝で形成されたパターンを含む光透過基板を含むマスクである請求項１
    又は２記載の装置。
  4. 【請求項４】 回折マスクは一以上のパターンを含む位相マスクである請求
    項３記載の装置。
  5. 【請求項５】 重畳された光学パルスの位相面は光学パルスの重畳の全体の
    領域に沿って延在する一連の光領域を形成するよう干渉する請求項３記載の装置
    。
  6. 【請求項６】 光学系は構造上又はその中に励起パルスを集め、重畳する少
    なくとも一つのレンズを含む請求項１又は２記載の装置。
  7. 【請求項７】 光学系は約１：１の倍率を有するレンズ対を含む請求項６記
    載の装置。
  8. 【請求項８】 レンズはプローブパルスを受け、それを励起パターン上に合
    焦するよう配置されている請求項６記載の装置。
  9. 【請求項９】 レンズは少なくとも一つの信号ビームを受け、それを検出器
    上に合焦する請求項８記載の装置。
  10. 【請求項１０】 光学系は色収差補正レンズ対である請求項６記載の装置。
  11. 【請求項１１】 光学系は励起パルスを構造の表面に反射する少なくとも一
    つの鏡を含む請求項１又は２記載の装置。
  12. 【請求項１２】 光源は２ｐｓ以下の持続時間を有する光パルスを発生する
    レーザーである請求項１又は２記載の装置。
  13. 【請求項１３】 レーザーはチタン：サファイア、クロム：ＬＩＳＡＦ、リ
    ング又はファイバーレーザーである請求項１２記載の装置。
  14. 【請求項１４】 プローブパルスを励起光パルスに関して遅延する遅延ライ
    ンを更に含む請求項１又は２記載の装置。
  15. 【請求項１５】 遅延ラインはガルバノメーター、回転鏡、圧電デバイス、
    又は光ファイバーを含む請求項１４記載の装置。
  16. 【請求項１６】 検出器の光感応領域上に信号ビームの一つを重畳するよう
    構成された光ヘテロダインパルスを更に含む請求項１又は２記載の装置。
  17. 【請求項１７】 分析器は層の厚さを決定するよう光誘導電子信号を分析す
    るよう構成される請求項１又は２記載の装置。
  18. 【請求項１８】 構造は複数の層を含み、分析器は構造内の各層の厚さを決
    定するよう光誘導電子信号及び付加的な光誘導電子信号の少なくとも一つを分析
    するよう構成される請求項１７記載の装置。
  19. 【請求項１９】 分析器は光誘導電子信号を数学的関数と比較するコンピュ
    ータである請求項１８記載の装置。
  20. 【請求項２０】 数学的関数は励起パターンにより構造に誘導された歪みを
    モデル化する請求項１９記載の装置。
  21. 【請求項２１】 付加的な光源からの付加的なプローブビームは連続波ビー
    ム又は１００ナノ秒より大きな持続時間を有するパルスのいずれかを含む請求項
    ２記載の装置。
  22. 【請求項２２】 第二の光源はダイオードレーザーである請求項２１の装置
    。
  23. 【請求項２３】 分析器はｉ）構造の厚さ；ｉｉ）構造内の層の厚さ；ｉｉ
    ｉ）構造内の層の密度；ｉｖ）構造内の層の機械的特性の少なくとも一つを決定
    するために付加的な光誘導電子信号を分析するよう構成される請求項２記載の装
    置。
  24. 【請求項２４】 少なくとも２つの励起パルスを発生するために、１０ｐｓより少ない持続時間
    を有する光パルスを分割し； 少なくとも２つの光領域を含む励起パターンを形成するために層上又はその中
    に該少なくとも二つの励起パルスを集めて重畳し； それにより、層の特性を変調するために、層を通り伝搬し、層の下の境界で反
    射し、層の表面に戻る面外の成分を含む音波を放出し； 少なくとも一つの信号ビームを発生するために変調された特性からプローブパ
    ルスを回折し； 光誘導信号を発生するために信号ビームを検出し； 構造の特性を決定するために光誘導された信号ビームを分析する少なくとも一
    つの層を含む構造から特性を測定する方法であって、 光パルスを分割する段階は該光パルスを回折素子を通して送ることを含むことを
    特徴とする装置。
  25. 【請求項２５】 付加的な光誘導パルスを発生し、付加的な光誘導パルスを
    検出し、付加的な光誘導電子信号を発生し、構造の特性を決定するためにこの信
    号を分析するために、構造の平面に伝搬する音波の面内成分を測定するために構
    造の表面から付加的な光源から付加的なプローブパルスを回折するさらなる段階
    を含む請求項２４記載の方法。
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