JP2002527770A - 改良された膜厚測定の方法と装置 - Google Patents
改良された膜厚測定の方法と装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 単層および多層構造内の薄膜の厚みを効果的に測定するISTSのような全光学的、非接触の測定技術を、改善すること。
【解決手段】 少なくとも一つの空間位相と空間周期を有する励起パターンによりサンプルの部分を照らし、サンプル表面からのプローブビームの一部を回析させ、光-誘起された信号を発生させて光学検出器によりプローブビームの回析された一部を検出し、そしてサンプルの特性を決定するために光-誘起された信号を処理することにより、サンプルの特性を測定する方法と装置が、記述されている。励起パターンの空間位相を調整し、かつ少なくとも一つの付加光-誘起された信号を発生させるために照射、回析、および検出ステップを繰り返すことによって、この方法はかなり改善される。
Description
【０００１】
本発明は、 − 少なくとも一つの空間位相と空間周期を有している励起パターンでサンプル
の部分を照射するステップ; − 前記サンプルの表面によりプローブビームの一部を回析させるステップ; − 光検出器により前記プローブビームの回析された部分を検出し、光-誘起さ
れた信号を発生させるステップ、そして − 前記光-誘起された信号を処理し、前記サンプル特性を決定するステップ を有する、サンプル特性を測定する方法に関する。
の部分を照射するステップ; − 前記サンプルの表面によりプローブビームの一部を回析させるステップ; − 光検出器により前記プローブビームの回析された部分を検出し、光-誘起さ
れた信号を発生させるステップ、そして − 前記光-誘起された信号を処理し、前記サンプル特性を決定するステップ を有する、サンプル特性を測定する方法に関する。
【０００２】 本発明は、この方法を実行する装置にも関する。
【０００３】
光干渉法(Impulsive Stimulated Thermal Scattering: ISTS)と呼ばれる完全
光計測技術によると、様々な異なった材料特性（例えば、膜厚）を測定すること
ができる。ISTSの場合、励起レーザーからの2本以上の励起レーザビームが、サ
ンプルの表面に時間と空間で重なり、光学干渉縞が形成される。励起レーザビー
ムは、サンプルの吸収波長範囲にある、一連の短い（例えば、数百ピコ秒の）光
パルスから成る。励起パターンは、レーザビームの波長とそれらの間の角度に依
存する間隔を有する、交互に変化する「明るい」（すなわち、強め合う干渉）領
域と「暗い」（すなわち、弱め合う干渉）領域を特徴とする。パターンの明るい
領域は、サンプルを熱膨張させる。これにより、その波長と方向がパターンとマ
ッチする、コヒーレントな、逆に伝播する音波が発生する。
光計測技術によると、様々な異なった材料特性（例えば、膜厚）を測定すること
ができる。ISTSの場合、励起レーザーからの2本以上の励起レーザビームが、サ
ンプルの表面に時間と空間で重なり、光学干渉縞が形成される。励起レーザビー
ムは、サンプルの吸収波長範囲にある、一連の短い（例えば、数百ピコ秒の）光
パルスから成る。励起パターンは、レーザビームの波長とそれらの間の角度に依
存する間隔を有する、交互に変化する「明るい」（すなわち、強め合う干渉）領
域と「暗い」（すなわち、弱め合う干渉）領域を特徴とする。パターンの明るい
領域は、サンプルを熱膨張させる。これにより、その波長と方向がパターンとマ
ッチする、コヒーレントな、逆に伝播する音波が発生する。
【０００４】 不透明な膜（例えば、金属膜）に対しては、音響波により、その膜の表面上に
、一つ以上の音響周波数（典型的には、数百メガヘルツ）で振動する時間に依存
する「リップル」パターンが発生する。音響周波数は、厚さ、記録密度および弾
性係数のような膜特性に依存する。次いで、プローブビームが、リップルにより
回析され、各々が、少なくとも一つの明確な回折オーダ（例えば、+1、-1、+2、
-2等のオーダ）を表示する一連の信号ビームを形成する。この信号ビームは、音
響周波数またはその多重周波数で、またいくつかの波が共存する場合には、それ
らの音響周波数の和または差で、輝度振動する。一つ以上の信号ビームが、検出
されかつ監視され、サンプル特性が測定される。
、一つ以上の音響周波数（典型的には、数百メガヘルツ）で振動する時間に依存
する「リップル」パターンが発生する。音響周波数は、厚さ、記録密度および弾
性係数のような膜特性に依存する。次いで、プローブビームが、リップルにより
回析され、各々が、少なくとも一つの明確な回折オーダ（例えば、+1、-1、+2、
-2等のオーダ）を表示する一連の信号ビームを形成する。この信号ビームは、音
響周波数またはその多重周波数で、またいくつかの波が共存する場合には、それ
らの音響周波数の和または差で、輝度振動する。一つ以上の信号ビームが、検出
されかつ監視され、サンプル特性が測定される。
【０００５】 膜厚および他の様々な特性を測定するためにISTSを使用することは、例えば、
米国特許第5,633,711号（「光学的に次数化されたフォトンによる材料特性の測
定」）と米国特許第5,546,811号 （「薄膜サンプル内のストレスの光学測定」）
、そして96年7月15日に出願されたU.S.S.N. 第08/783046号（「薄膜の厚さを測
定する方法および装置」）に記述されている。これらの特許公報は、参照文献と
して本明細書に組み込まれているものとする。
米国特許第5,633,711号（「光学的に次数化されたフォトンによる材料特性の測
定」）と米国特許第5,546,811号 （「薄膜サンプル内のストレスの光学測定」）
、そして96年7月15日に出願されたU.S.S.N. 第08/783046号（「薄膜の厚さを測
定する方法および装置」）に記述されている。これらの特許公報は、参照文献と
して本明細書に組み込まれているものとする。
【０００６】 ISTSにより測定された膜厚は、超小形電子装置の製造の間および／または後に
、品質-制御パラメータとして使用することができる。これらのデバイスにおい
て、金属と金属合金の薄膜は、シリコンウェーハ上に堆積され、電気伝導体、接
着促進層そして拡散バリヤーとして使用される。例えば、銅、タングステンとア
ルミニウムの金属膜は、電気伝導体として使用され、そして接着促進層としての
チタンとタンタルと、拡散バリヤーとしてのチタン:窒素化合物とタンタル:窒素
化合物とを相互接続する。金属膜の厚さを変更させることにより、それらの電気
的かつ機械的特性を変更させることができるので、このことによりそれらの膜が
使用されるデバイスの特性に影響を及ぼすことが出来る。したがって、製作プロ
セスにおける金属膜を効果的に監視するために、ISTSによる膜厚測定は、確実に
再現可能で、かつ極めて正確でなければならない。
、品質-制御パラメータとして使用することができる。これらのデバイスにおい
て、金属と金属合金の薄膜は、シリコンウェーハ上に堆積され、電気伝導体、接
着促進層そして拡散バリヤーとして使用される。例えば、銅、タングステンとア
ルミニウムの金属膜は、電気伝導体として使用され、そして接着促進層としての
チタンとタンタルと、拡散バリヤーとしてのチタン:窒素化合物とタンタル:窒素
化合物とを相互接続する。金属膜の厚さを変更させることにより、それらの電気
的かつ機械的特性を変更させることができるので、このことによりそれらの膜が
使用されるデバイスの特性に影響を及ぼすことが出来る。したがって、製作プロ
セスにおける金属膜を効果的に監視するために、ISTSによる膜厚測定は、確実に
再現可能で、かつ極めて正確でなければならない。
【０００７】
本発明の方法は、 − 励起パターンの前記空間位相をディザリングするステップ; − 光-誘起された少なくとも一つの追加信号を発生させるために照射、回折、
および検出ステップを反復するステップ、そして − サンプル特性を決定するために前記光-誘起された信号の全てを処理するス
テップ をさらに有することを特徴とする。
および検出ステップを反復するステップ、そして − サンプル特性を決定するために前記光-誘起された信号の全てを処理するス
テップ をさらに有することを特徴とする。
【０００８】 励起パターンの空間位相をディザリングし、かつ励起パターンの各位相を測定
することによって、この方法は、かなり改善される。ISTSに使用されるシステム
内の光学または機械要素を「ディザリングする」ことによって、空間位相の調整
を実現することができる。この場合、励起パターンの空間位相を変更するコンポ
ーネントのいかなる移動または変調も、「ディザリング」として定義される。こ
の好適実施例の場合、パターンは、ほぼ平行の上述したような交互に変化する明
暗領域から成る。励起パターンの空間位相が変化することは、励起パターンの明
暗領域の位置がサンプルの表面と協和して移動することを意味する。ディザリン
グの結果としての空間位相の変化は、楕円の明暗領域の長軸方向に対し垂直であ
ることが好ましい。用語「位相」と「空間位相」は、本明細書では、励起パター
ンに対し相互に置き換え可能で使用される。
することによって、この方法は、かなり改善される。ISTSに使用されるシステム
内の光学または機械要素を「ディザリングする」ことによって、空間位相の調整
を実現することができる。この場合、励起パターンの空間位相を変更するコンポ
ーネントのいかなる移動または変調も、「ディザリング」として定義される。こ
の好適実施例の場合、パターンは、ほぼ平行の上述したような交互に変化する明
暗領域から成る。励起パターンの空間位相が変化することは、励起パターンの明
暗領域の位置がサンプルの表面と協和して移動することを意味する。ディザリン
グの結果としての空間位相の変化は、楕円の明暗領域の長軸方向に対し垂直であ
ることが好ましい。用語「位相」と「空間位相」は、本明細書では、励起パター
ンに対し相互に置き換え可能で使用される。
【０００９】 本発明は、− 光励起パルスを発生させる第一光源と、 − 前記光励起パルスを受信し、それを少なくとも2つの光パルスに分離し、そ
して2つの光パルスを前記サンプルの表面上にフォーカスさせ、少なくとも一つ
の空間位相と少なくとも一つの空間周期を有する励起パターンを形成するように
構成されている光学システムと、 − サンプルにより回析されるプローブビームを発生させる第二光源と、 − 前記プローブビームの回析された部分を検出し、光-誘起された信号を発生
させる光検出器と、 − 前記光検出器からの前記光-誘起された信号を処理し、前記サンプル特性を
決定するように構成されているプロセッサとを 有する装置において、 励起パターンの前記空間位相をディザリングする位相ディザリングコンポーネ
ントを有することを特徴とする、本発明の方法を実行する装置にも関する。
して2つの光パルスを前記サンプルの表面上にフォーカスさせ、少なくとも一つ
の空間位相と少なくとも一つの空間周期を有する励起パターンを形成するように
構成されている光学システムと、 − サンプルにより回析されるプローブビームを発生させる第二光源と、 − 前記プローブビームの回析された部分を検出し、光-誘起された信号を発生
させる光検出器と、 − 前記光検出器からの前記光-誘起された信号を処理し、前記サンプル特性を
決定するように構成されているプロセッサとを 有する装置において、 励起パターンの前記空間位相をディザリングする位相ディザリングコンポーネ
ントを有することを特徴とする、本発明の方法を実行する装置にも関する。
【００１０】 本発明のさらに有利な実施例は、従属クレーム内に詳述されている。
【００１１】 本発明は、多くの利点を有する。一般に、測定の間、励起パターンの位相を変
化させるためにディザリングを使用することは、ISTSを用いた厚さ測定の精度を
改善する。非常に粗い膜、または放射を散乱させる部分を含む領域を有する膜の
場合であっても、正確な測定を行うことができる。このアプリケーションの場合
、ISTSは、超小形電子装置の機能に影響を及ぼす可能性がある薄膜の厚みの微小
変化を検出する。
化させるためにディザリングを使用することは、ISTSを用いた厚さ測定の精度を
改善する。非常に粗い膜、または放射を散乱させる部分を含む領域を有する膜の
場合であっても、正確な測定を行うことができる。このアプリケーションの場合
、ISTSは、超小形電子装置の機能に影響を及ぼす可能性がある薄膜の厚みの微小
変化を検出する。
【００１２】 マルチポイント測定により、精度の改良は、特に顕著となる。この測定では、
所定領域内のマルチポイントで厚さ測定が行われる。マルチポイント測定の具体
例には、1）膜の径または端のような、膜の表面上のラインに沿って、複数のポ
イントを測定する「ライン走査」、そして2）膜上の領域（例えば、円、正方形
または長方形）内で測定されるポイントからなる二次元配列に基づく「等高線図
」がある。これらのマルチポイント測定の間、光学システムのコンポーネントを
ディザリングすることは、各ポイントで測定される厚さの標準偏差を減少させる
ことになるので、測定全体の精度は向上する。
所定領域内のマルチポイントで厚さ測定が行われる。マルチポイント測定の具体
例には、1）膜の径または端のような、膜の表面上のラインに沿って、複数のポ
イントを測定する「ライン走査」、そして2）膜上の領域（例えば、円、正方形
または長方形）内で測定されるポイントからなる二次元配列に基づく「等高線図
」がある。これらのマルチポイント測定の間、光学システムのコンポーネントを
ディザリングすることは、各ポイントで測定される厚さの標準偏差を減少させる
ことになるので、測定全体の精度は向上する。
【００１３】 より一般的な意味では、本発明により、単層および多層構造内の薄膜の厚みを
効果的に測定するISTSのような全光学的、非接触の測定技術についての改善が、
得られる。この時、厚さの値は、製造（例えば、超小形電子装置の製造）プロセ
スの制御に使用することができる。この装置は、各測定が、非接触で、速く（典
型的には、ポイント当たり1または2秒未満）、（光学システムを、サンプルから
少なくとも10cmも）離すことが可能で、そして（約20ミクロンと言う小さい）領
域について測定を行うことができる、光学測定法の全ての利点を奏する。膜厚以
外の特性も、ディザリングの使用によってより正確に測定することができる。
効果的に測定するISTSのような全光学的、非接触の測定技術についての改善が、
得られる。この時、厚さの値は、製造（例えば、超小形電子装置の製造）プロセ
スの制御に使用することができる。この装置は、各測定が、非接触で、速く（典
型的には、ポイント当たり1または2秒未満）、（光学システムを、サンプルから
少なくとも10cmも）離すことが可能で、そして（約20ミクロンと言う小さい）領
域について測定を行うことができる、光学測定法の全ての利点を奏する。膜厚以
外の特性も、ディザリングの使用によってより正確に測定することができる。
【００１４】 これらのそしてまた他の本発明の態様は、以下に記載する実施例を参照するこ
とにより、非限定的具体例から明らかになるであろう。
とにより、非限定的具体例から明らかになるであろう。
【００１５】
図1-3に示されるように、光学システム50は、ISTSを使用して、基板11に配置
される薄膜10の厚みを測定する。同様の光学システムは、米国特許第5,633,711
号（「光学的に次数化されたフォノンによる材料特性の測定」）と、第5,546,81
1号 （「薄膜サンプルのストレスの光学測定」）と、U.S.S.N. 08/783046 （96
年7月15日出願、「膜厚を測定する方法とデバイス」）とに記載されている。こ
れらの特許公報は、参照文献として本願明細書に組み込まれているものとする。
システム50は、例えば、ビームスプリッタ65を通る励起パルス12を放出するレー
ザー52を特徴とする。ビームスプリッタ65は、データ-捕捉システム（図示せず
）を始動させる電気パルスを発生する低速光検出器67に、パルスの一部を反射さ
せる。励起パルス12の残りは、ビームスプリッタ65中を進行し、コリメーティン
グレンズシステム60と、位相マスク62にパルスをフォーカスするフォーカシング
レンズシステム64（例えば、円柱レンズ）に入射する。
される薄膜10の厚みを測定する。同様の光学システムは、米国特許第5,633,711
号（「光学的に次数化されたフォノンによる材料特性の測定」）と、第5,546,81
1号 （「薄膜サンプルのストレスの光学測定」）と、U.S.S.N. 08/783046 （96
年7月15日出願、「膜厚を測定する方法とデバイス」）とに記載されている。こ
れらの特許公報は、参照文献として本願明細書に組み込まれているものとする。
システム50は、例えば、ビームスプリッタ65を通る励起パルス12を放出するレー
ザー52を特徴とする。ビームスプリッタ65は、データ-捕捉システム（図示せず
）を始動させる電気パルスを発生する低速光検出器67に、パルスの一部を反射さ
せる。励起パルス12の残りは、ビームスプリッタ65中を進行し、コリメーティン
グレンズシステム60と、位相マスク62にパルスをフォーカスするフォーカシング
レンズシステム64（例えば、円柱レンズ）に入射する。
【００１６】 図2-3に示されるように、本発明によれば、位相マスク62は、測定の間、励起
パルス12の伝搬方向に対し水平にマスク62を移動させるために、前後に「ディザ
リングする」モーター駆動ステージ16に接続されている。矢印63’によって示さ
れるように、ディザリングは、典型的には、時間に依存する周期的な態様（例え
ば、正弦波の態様）で実行される。ディザリングの間、励起パルス12は、厚さが
異なる領域88a、88bを含むようにエッチングされたガラスから成る位相マスク62
上のパターン66を照射する。図3の矢印67によって示されるように、領域88a、88
bは、レーザパルス12のマスクの面内で、スポットサイズより小さい（典型的に
は、1〜50ミクロンの）距離、離間している。スポットは、典型的には、約20x20
0ミクロンの寸法の楕円である。楕円の長軸は、領域88a, 88bの延長部に直角に
延在する。代表的アプリケーションの間、この位相マスクは、約50ミクロン／秒
の速さで、約0.01 mm-2.0 mmの範囲を前後に移動する。
パルス12の伝搬方向に対し水平にマスク62を移動させるために、前後に「ディザ
リングする」モーター駆動ステージ16に接続されている。矢印63’によって示さ
れるように、ディザリングは、典型的には、時間に依存する周期的な態様（例え
ば、正弦波の態様）で実行される。ディザリングの間、励起パルス12は、厚さが
異なる領域88a、88bを含むようにエッチングされたガラスから成る位相マスク62
上のパターン66を照射する。図3の矢印67によって示されるように、領域88a、88
bは、レーザパルス12のマスクの面内で、スポットサイズより小さい（典型的に
は、1〜50ミクロンの）距離、離間している。スポットは、典型的には、約20x20
0ミクロンの寸法の楕円である。楕円の長軸は、領域88a, 88bの延長部に直角に
延在する。代表的アプリケーションの間、この位相マスクは、約50ミクロン／秒
の速さで、約0.01 mm-2.0 mmの範囲を前後に移動する。
【００１７】 ディザリングの範囲は、典型的には、上記のような、1〜50ミクロンの間にあ
る位相マスクのパターンの間隔と同程度である。一般に、位相マスクをディザリ
ングすることにより、0°〜180°またはこれの数倍の範囲で増分する態様で、励
起パターンの空間位相が変化することが、好ましい。励起パターンは、一連の平
行な明暗領域であることが好ましいので、これは、ディザリングの間、明るい領
域が、暗い領域であったところに移動し、暗い領域が、明るい領域であったとこ
ろに移動し、そしてもとに戻ることを意味する。
る位相マスクのパターンの間隔と同程度である。一般に、位相マスクをディザリ
ングすることにより、0°〜180°またはこれの数倍の範囲で増分する態様で、励
起パターンの空間位相が変化することが、好ましい。励起パターンは、一連の平
行な明暗領域であることが好ましいので、これは、ディザリングの間、明るい領
域が、暗い領域であったところに移動し、暗い領域が、明るい領域であったとこ
ろに移動し、そしてもとに戻ることを意味する。
【００１８】 この構成の場合、パターン66により、パルス12は、角度θでマスク62から発散
する2本の励起パルス12a、12bに回析させる。動作中、位相マスクをディザリン
グさせることにより、領域88a, 88bの位置は、時間に依存する態様で、楕円のレ
ーザースポットに対し変化する。励起パルスがサンプル表面で重なると、このプ
ロセスは、各励起パルス12a、12bの光学位相と、従って、励起パターンの明暗領
域の位相とを変調する。典型的な測定の間、ディザリングは、ISTS測定のデータ
捕捉周波数（典型的には、10-500 Hz）より高い周波数（典型的には、100-1000
Hz）で、行われるので、各ディザーサイクル内でいくつかのISTS測定を実行する
ことができる。
する2本の励起パルス12a、12bに回析させる。動作中、位相マスクをディザリン
グさせることにより、領域88a, 88bの位置は、時間に依存する態様で、楕円のレ
ーザースポットに対し変化する。励起パルスがサンプル表面で重なると、このプ
ロセスは、各励起パルス12a、12bの光学位相と、従って、励起パターンの明暗領
域の位相とを変調する。典型的な測定の間、ディザリングは、ISTS測定のデータ
捕捉周波数（典型的には、10-500 Hz）より高い周波数（典型的には、100-1000
Hz）で、行われるので、各ディザーサイクル内でいくつかのISTS測定を実行する
ことができる。
【００１９】 図1を再び参照すると、励起パルス12a、12bは、位相マスク62から発散し、か
つ焦点距離fの色消しレンズ対70に照射される。レンズ対70は、パルス12a, 12b
が位相マスクから発散する角度θと同じ角度で、それらのパルスを膜10にフォー
カスさせる。それらが空間的な周期励起パターン15を形成することを光学的に阻
止するために、レンズ対70は、膜10の表面49でそれらのパルスを重ねる。パター
ン15の特徴は、約50個の交互に変化する明暗領域である。レンズ対70は、励起パ
ターン15が、位相マスクのパターン66の空間周波数と一致する空間周波数を有す
るように（すなわち、色消しレンズ対が、ほぼ、1:1撮像を実行するように）、
位相マスクから距離2f分離されている。位相マスクの上述したディザリングは、
サンプルに対する励起パターンの空間位相を時間に依存する態様で調整するが、
その空間周波数を変更することはない。
つ焦点距離fの色消しレンズ対70に照射される。レンズ対70は、パルス12a, 12b
が位相マスクから発散する角度θと同じ角度で、それらのパルスを膜10にフォー
カスさせる。それらが空間的な周期励起パターン15を形成することを光学的に阻
止するために、レンズ対70は、膜10の表面49でそれらのパルスを重ねる。パター
ン15の特徴は、約50個の交互に変化する明暗領域である。レンズ対70は、励起パ
ターン15が、位相マスクのパターン66の空間周波数と一致する空間周波数を有す
るように（すなわち、色消しレンズ対が、ほぼ、1:1撮像を実行するように）、
位相マスクから距離2f分離されている。位相マスクの上述したディザリングは、
サンプルに対する励起パターンの空間位相を時間に依存する態様で調整するが、
その空間周波数を変更することはない。
【００２０】 ISTS測定の間、この膜は、パターン15内の明るい領域を吸収し、そしてそれに
応答して熱膨張し、逆に伝播する音波を発射する。これらの音波は、音響周波数
で、（例えば、時間に依存する表面リップルまたは屈折率変化を発生させること
によって）膜の表面を変化させる「過渡回折格子」を形成する。これらの音波は
、発生すると、プローブレーザー54から放出されるプローブビーム20により測定
される。プローブビーム20は、それが、パターン又はその近くで膜の表面に照射
されるように、ビームをフォーカスするコリメーティングレンズ55とレンズ71を
通過する。プローブビームの一部は、表面波により回析され、レンズ76を介して
高速光検出器80に到達する回析信号ビーム20'を形成する。光検出器80は、回析
されたビーム20'を検出して、光により誘起された電気信号を発生させる。この
信号は、データ収集システムによって処理され、音響周波数で変調されたデータ
掃引が生成される。用語「データ掃引」は、本明細書中では、一回の測定を意味
するものとして使用される。
応答して熱膨張し、逆に伝播する音波を発射する。これらの音波は、音響周波数
で、（例えば、時間に依存する表面リップルまたは屈折率変化を発生させること
によって）膜の表面を変化させる「過渡回折格子」を形成する。これらの音波は
、発生すると、プローブレーザー54から放出されるプローブビーム20により測定
される。プローブビーム20は、それが、パターン又はその近くで膜の表面に照射
されるように、ビームをフォーカスするコリメーティングレンズ55とレンズ71を
通過する。プローブビームの一部は、表面波により回析され、レンズ76を介して
高速光検出器80に到達する回析信号ビーム20'を形成する。光検出器80は、回析
されたビーム20'を検出して、光により誘起された電気信号を発生させる。この
信号は、データ収集システムによって処理され、音響周波数で変調されたデータ
掃引が生成される。用語「データ掃引」は、本明細書中では、一回の測定を意味
するものとして使用される。
【００２１】 測定の間、典型的には、コンピュータ（図示せず）は、一つのスポットからの
多数回のデータ掃引（典型的には、50-500回の掃引）の平均をとり、図4Aに示さ
れるような信号波形100を生成する。したがって、このアプリケーションの場合
、位相マスクは、ISTS測定の範囲内でディザリングされる。このような方法でデ
ータ掃引の平均をとることにより、信号対雑音比が高い（典型的には、100,000
対1の）データが得られる。図4Aに示される信号波形100は、シリコンウェーハに
堆積された、公称5185オングストロームの銅／250オングストローム／l000オン
グストロームの酸化物構造について測定されたもので、ISTS信号の強さSI （単
位：ミリボルト）が、時間T（単位：ナノ秒） の関数としてプロットされている
。信号波形100のフーリエ変換101が、図4Bのグラフに示されている。これらの図
は、周波数Fr （単位：MHz）の関数としてプロットされるパワーP （単位：任意
）を示す。これらのデータは、信号波形の周波数、したがって、音響モードの周
波数（この場合、約270MHz）を示す。膜厚を決定するために、この音響周波数は
、励起パターンの明暗領域の間の間隔の逆数（すなわち、波数ベクトル）と、上
述の参照文献に記述されているような膜の記録密度と音速と共に、コンピュータ
により分析される。この分析プロセスは、例えば、米国特許第5,633,711号に記
述されていて、その記述内容は、本願明細書に参照技術として組み込まれている
ものとする。この測定は、サンプル表面の単一ポイントで行うこともできるし、
マルチポイントで行うこともできる。
多数回のデータ掃引（典型的には、50-500回の掃引）の平均をとり、図4Aに示さ
れるような信号波形100を生成する。したがって、このアプリケーションの場合
、位相マスクは、ISTS測定の範囲内でディザリングされる。このような方法でデ
ータ掃引の平均をとることにより、信号対雑音比が高い（典型的には、100,000
対1の）データが得られる。図4Aに示される信号波形100は、シリコンウェーハに
堆積された、公称5185オングストロームの銅／250オングストローム／l000オン
グストロームの酸化物構造について測定されたもので、ISTS信号の強さSI （単
位：ミリボルト）が、時間T（単位：ナノ秒） の関数としてプロットされている
。信号波形100のフーリエ変換101が、図4Bのグラフに示されている。これらの図
は、周波数Fr （単位：MHz）の関数としてプロットされるパワーP （単位：任意
）を示す。これらのデータは、信号波形の周波数、したがって、音響モードの周
波数（この場合、約270MHz）を示す。膜厚を決定するために、この音響周波数は
、励起パターンの明暗領域の間の間隔の逆数（すなわち、波数ベクトル）と、上
述の参照文献に記述されているような膜の記録密度と音速と共に、コンピュータ
により分析される。この分析プロセスは、例えば、米国特許第5,633,711号に記
述されていて、その記述内容は、本願明細書に参照技術として組み込まれている
ものとする。この測定は、サンプル表面の単一ポイントで行うこともできるし、
マルチポイントで行うこともできる。
【００２２】 図5Aと5Bは、上記の方法を使用する位置に依存する厚さ測定が、位相マスクを
ディザリングすることにより、如何に改善されるかを示す。これらの図において
は、y軸に、厚さTh（単位：オングストローム）が、x軸に、距離（単位：mm）が
、プロットされている。これらの図のデータは、0.035mmの線形距離に、ディザ
リングが行われた（図5A）そしてディザリングが行われていない（図5B）、図4
に記述されたサンプルから、得られたものである。位置に依存する厚さ測定を行
うために、ISTS測定は、0.5ミクロンごとに行われた。データから明らかなよう
に、ディザリングされた位相マスクを使用した膜厚の測定は、ディザリング無し
の同様の測定（全範囲は2000オングストロームを超える）より、はるかに均一な
結果（全範囲は約75オングストローム）をもたらす。当業者であれば、図5Bの厚
さ変動が、銅膜の厚みの正確な表示ではなく、図5Aの変動がより現実的であるこ
とを直ちに理解するであろう。
ディザリングすることにより、如何に改善されるかを示す。これらの図において
は、y軸に、厚さTh（単位：オングストローム）が、x軸に、距離（単位：mm）が
、プロットされている。これらの図のデータは、0.035mmの線形距離に、ディザ
リングが行われた（図5A）そしてディザリングが行われていない（図5B）、図4
に記述されたサンプルから、得られたものである。位置に依存する厚さ測定を行
うために、ISTS測定は、0.5ミクロンごとに行われた。データから明らかなよう
に、ディザリングされた位相マスクを使用した膜厚の測定は、ディザリング無し
の同様の測定（全範囲は2000オングストロームを超える）より、はるかに均一な
結果（全範囲は約75オングストローム）をもたらす。当業者であれば、図5Bの厚
さ変動が、銅膜の厚みの正確な表示ではなく、図5Aの変動がより現実的であるこ
とを直ちに理解するであろう。
【００２３】 上述した本発明の範囲内にある他の実施例がある。換言すれば、光学システム
の他のコンポーネントを、移動または変更させ、励起パターンの空間位相の所望
の変化を達成することが出来る。何れの場合にも、励起パターンの空間位相が0
°と180°の間に変化するように、コンポーネントをディザリングさせることが
好ましい。
の他のコンポーネントを、移動または変更させ、励起パターンの空間位相の所望
の変化を達成することが出来る。何れの場合にも、励起パターンの空間位相が0
°と180°の間に変化するように、コンポーネントをディザリングさせることが
好ましい。
【００２４】 特に、図6Aに示されるように、励起パターンの位相は、（矢印14によって示さ
れるように）水平に前後にディザリングするサンプルマウント13を移動させるこ
とによって、時間に依存する態様で調整することができる。この方法は、それが
サンプルの表面49に対する励起パターン15の空間位相を調整するので、位相マス
クをディザリングすることに類似している。この場合、サンプルマウント13は、
ある距離を、図1と2の位相マスクのディザリングに対して記述された速さと同様
な速さで移動する。
れるように）水平に前後にディザリングするサンプルマウント13を移動させるこ
とによって、時間に依存する態様で調整することができる。この方法は、それが
サンプルの表面49に対する励起パターン15の空間位相を調整するので、位相マス
クをディザリングすることに類似している。この場合、サンプルマウント13は、
ある距離を、図1と2の位相マスクのディザリングに対して記述された速さと同様
な速さで移動する。
【００２５】 図6Bを参照すると、他の実施例の場合、励起レーザー52、ミラー（図示せず）
、レンズ（図示せず）、または光学システムのこれらまたは他のコンポーネント
の組合せが、（矢印17によって示されるように）ディザリングされ、上述したよ
うな位相マスクのディザリングの場合と同じ結果が得られる。この場合のディザ
リングの範囲と速度は、図1と2に関して記述されたものと同様である。
、レンズ（図示せず）、または光学システムのこれらまたは他のコンポーネント
の組合せが、（矢印17によって示されるように）ディザリングされ、上述したよ
うな位相マスクのディザリングの場合と同じ結果が得られる。この場合のディザ
リングの範囲と速度は、図1と2に関して記述されたものと同様である。
【００２６】 一般に、ディザリングは、いかなる型の電気信号も受信するモーター駆動ステ
ージまたはそれと等価なものにより、システムのいかなる要素（例えば、位相マ
スク）を移動させることによって行われる。この信号は、0.1-1,000Hzの間の、
正弦波、鋸歯状波、矩形波、ランダムまたは他の型の波形とすることが出来る。
モーター駆動ステージは、圧電素子のような、移動可能コンポーネントであれば
いかなるものによっても置換させることができる。
ージまたはそれと等価なものにより、システムのいかなる要素（例えば、位相マ
スク）を移動させることによって行われる。この信号は、0.1-1,000Hzの間の、
正弦波、鋸歯状波、矩形波、ランダムまたは他の型の波形とすることが出来る。
モーター駆動ステージは、圧電素子のような、移動可能コンポーネントであれば
いかなるものによっても置換させることができる。
【００２７】 これに代えて、図6Cに示されるように、ディザリングを、図6Bに示される励起
パルスの一つのパス内に、電子光学変調器（例えば、ポッケルスセル）または音
響光学変調器47（例えば、ブラッグセル）を配置することによって行うことも出
来る。この場合、公知のように、変調器は、入射パルス12の位相を変化させ、同
時に2つの励起パルス12a, 12bを発生させる。これらのパルスは、サンプル上に
重ねられると、時間の関数として変化する励起パターンを形成する。
パルスの一つのパス内に、電子光学変調器（例えば、ポッケルスセル）または音
響光学変調器47（例えば、ブラッグセル）を配置することによって行うことも出
来る。この場合、公知のように、変調器は、入射パルス12の位相を変化させ、同
時に2つの励起パルス12a, 12bを発生させる。これらのパルスは、サンプル上に
重ねられると、時間の関数として変化する励起パターンを形成する。
【００２８】 他の実施例の場合、位相マスクを使用して励起場を発生させて、音波を励起さ
せ、かつ反射モード形状を使用してそれらの波を測定する、図1に示されるシス
テム以外の光学システムを使用することもできる。このようなシステムは、例え
ば、U.S.S.N 08/885555 （「材料特性を測定する改良された過渡格子方法と装置
」）に記述されていて、これらの内容は、参照技術として、本願明細書に組み込
まれているものとする。
せ、かつ反射モード形状を使用してそれらの波を測定する、図1に示されるシス
テム以外の光学システムを使用することもできる。このようなシステムは、例え
ば、U.S.S.N 08/885555 （「材料特性を測定する改良された過渡格子方法と装置
」）に記述されていて、これらの内容は、参照技術として、本願明細書に組み込
まれているものとする。
【００２９】 さらに、位相マスクは、励起パターンを形成するビームを発生させるために、
振幅マスク、回折格子、電気光学変調器またはこれらのいくつかの組合せまたは
、それらと等価である、同様な回析光学要素により置換することができる。この
回析要素には、複数の空間周波数を同時に発生させるパターン、周期的でない励
起パターン、または一連の平行ライン以外の形状である明るい領域を含む励起パ
ターンを、用いることができる。例えば、この回析要素は、一連の同心円、楕円
または他の形状からなる励起パターンを発生させることができる。回析マスクに
使用可能な他のパターンは、米国特許第5,734,470号（「時分割光計測のデバイ
スと方法」）に記述されていて、この米国特許は、参照文献として本願明細書に
組み込まれているものとする。この場合、コンポーネントのディザリングにより
、平行明暗領域に関して記述した励起パターンとはいくらか異なった励起パター
ンを得ることができる。それにもかかわらず、データ収集周波数よりいくぶん高
い周波数で、このような励起パターンを効率的に移動させることができる。
振幅マスク、回折格子、電気光学変調器またはこれらのいくつかの組合せまたは
、それらと等価である、同様な回析光学要素により置換することができる。この
回析要素には、複数の空間周波数を同時に発生させるパターン、周期的でない励
起パターン、または一連の平行ライン以外の形状である明るい領域を含む励起パ
ターンを、用いることができる。例えば、この回析要素は、一連の同心円、楕円
または他の形状からなる励起パターンを発生させることができる。回析マスクに
使用可能な他のパターンは、米国特許第5,734,470号（「時分割光計測のデバイ
スと方法」）に記述されていて、この米国特許は、参照文献として本願明細書に
組み込まれているものとする。この場合、コンポーネントのディザリングにより
、平行明暗領域に関して記述した励起パターンとはいくらか異なった励起パター
ンを得ることができる。それにもかかわらず、データ収集周波数よりいくぶん高
い周波数で、このような励起パターンを効率的に移動させることができる。
【００３０】 同様に、適切なレーザーであればいかなるものも、励起とプローブ放射を発生
させるために使用することができる。典型的には、励起とプローブレーザーには
、それぞれ、ダイオード-ポンプ型Nd:YAG/Cr+4:YAGマイクロチップレーザーと、
ダイオードレーザを使用することが出来るが、これら以外のレーザーを使用する
ことも可能である。例えば、励起レーザーには、チタン：サファイア、クロム:
LISAF、リング、またはファイバレーザを使用することが出来る。
させるために使用することができる。典型的には、励起とプローブレーザーには
、それぞれ、ダイオード-ポンプ型Nd:YAG/Cr+4:YAGマイクロチップレーザーと、
ダイオードレーザを使用することが出来るが、これら以外のレーザーを使用する
ことも可能である。例えば、励起レーザーには、チタン：サファイア、クロム:
LISAF、リング、またはファイバレーザを使用することが出来る。
【００３１】 さらに他の実施例の場合、信号波形を、厚さ以外のサンプル特性を決定するた
めに分析することができる。例えば、音響周波数は、薄膜の粘着性、記録密度、
剛性、弾力性、表面粗さ、および他の機械的または物理的特性を決定するために
使用することができる。加えて、層剥離、周波数以外の信号波形の部分を、サン
プルの他の特性を決定するために分析することも可能である。例えば、波形の形
状を分析して、構造内の一層以上の膜の粘着性の程度、表面粗さまたは組成を決
定することができる。波形から測定することができる他の特性には、イオン注入
されたシリコンウェーハの特性（例えば、注入イオンの密度とエネルギー）があ
る。これらの特性の測定は、例えば、U.S.S.N. 08/783046内（「半導体物質に注
入されたイオンを測定する方法と装置」）、そしてU.S.S.N. 08/885555 （「半
導体物質に注入されたイオンを測定する改良された方法と装置」）に記述されて
いる。これらの特許公報は、本願明細書に参照文献として組み込まれているもの
とする。
めに分析することができる。例えば、音響周波数は、薄膜の粘着性、記録密度、
剛性、弾力性、表面粗さ、および他の機械的または物理的特性を決定するために
使用することができる。加えて、層剥離、周波数以外の信号波形の部分を、サン
プルの他の特性を決定するために分析することも可能である。例えば、波形の形
状を分析して、構造内の一層以上の膜の粘着性の程度、表面粗さまたは組成を決
定することができる。波形から測定することができる他の特性には、イオン注入
されたシリコンウェーハの特性（例えば、注入イオンの密度とエネルギー）があ
る。これらの特性の測定は、例えば、U.S.S.N. 08/783046内（「半導体物質に注
入されたイオンを測定する方法と装置」）、そしてU.S.S.N. 08/885555 （「半
導体物質に注入されたイオンを測定する改良された方法と装置」）に記述されて
いる。これらの特許公報は、本願明細書に参照文献として組み込まれているもの
とする。
【００３２】 本発明の方法と装置は、様々な構造を測定するために使用することができる。
例えば、この方法は、特に、マイクロエレクトロニクス産業に使用される金属膜
の厚みの決定に効果的である。このような金属膜には、アルミニウム、銅、タン
グステン、チタン、タンタル、チタン：窒素化合物、タンタル:窒素化合物、金
、プラチナ、ニオビウムおよびこれらの合金が用いられるが、これらに限定され
るものではない。これらの金属は、単一層とマルチ層構造内に含ませることがで
きる。測定可能な他の材料には、半導体（例えば、シリコン、ガリウム砒素等）
のポリマー、ダイアモンド状被覆および埋込まれた透明膜が含まれる。請求項の
範囲には、さらに他の実施例が含まれる。
例えば、この方法は、特に、マイクロエレクトロニクス産業に使用される金属膜
の厚みの決定に効果的である。このような金属膜には、アルミニウム、銅、タン
グステン、チタン、タンタル、チタン：窒素化合物、タンタル:窒素化合物、金
、プラチナ、ニオビウムおよびこれらの合金が用いられるが、これらに限定され
るものではない。これらの金属は、単一層とマルチ層構造内に含ませることがで
きる。測定可能な他の材料には、半導体（例えば、シリコン、ガリウム砒素等）
のポリマー、ダイアモンド状被覆および埋込まれた透明膜が含まれる。請求項の
範囲には、さらに他の実施例が含まれる。
【図１】、本発明のディザリングされた位相マスクを含むISTS測定を実行する光
学システムを示す。
学システムを示す。
【図２】図1のディザリングされた位相マスクの拡大図である。
【図３】図1の位相マスク上のパターンの側面略図である。
【図４】図4Aは、シリコンウェーハに堆積された銅／タンタル:窒素化合物／酸
化物の構造に対して測定された信号波形の、時間に対する信号強さのプロットを
示し、図4Bは、図4Aのフーリエ変換を示す。
化物の構造に対して測定された信号波形の、時間に対する信号強さのプロットを
示し、図4Bは、図4Aのフーリエ変換を示す。
【図５】図5Aと5Bは、それぞれ、図1の位相マスクをディザリングした場合とし
ていない場合の、線形マルチポイント測定により生成された膜厚のプロットを位
置の関数として示す。
ていない場合の、線形マルチポイント測定により生成された膜厚のプロットを位
置の関数として示す。
【図６】図6Aは、本発明のディザリングされたサンプルマウントの側面略図で、
図6Bは、本発明のディザリングされた励起レーザーの側面略図である。
図6Bは、本発明のディザリングされた励起レーザーの側面略図である。
10 薄膜 12 励起パルスビーム 13 サンプルマウント 16 モータ駆動ステージ 20 プローブビーム 62 位相マスク 66 パターン 67 低速光検出器 80 高速光検出器
───────────────────────────────────────────────────── 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 バネット マッツ 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 BB01 BB17 BB22 BB24 CC19 CC31 DD04 FF48 GG04 HH04 HH13 JJ01 JJ08 LL00 LL04 LL57 UU07
Claims (16)
- 【請求項１】 − 少なくとも一つの空間位相と空間周期を有している励起パタ
ーンでサンプルの部分を照射するステップ; − 前記サンプルの表面によりプローブビームの一部を回析させるステップ; − 光検出器により前記プローブビームの回析された部分を検出し、光-誘起さ
れた信号を発生させるステップ、そして − 前記光-誘起された信号を処理し、前記サンプル特性を決定するステップ を有するサンプル特性を測定する方法において、 − 励起パターンの前記空間位相をディザリングするステップ; − 光-誘起された少なくとも一つの追加信号を発生させるために照射、回折、
および検出ステップを反復するステップ、そして − サンプル特性を決定するために前記光-誘起された信号の全てを処理するス
テップ をさらに有することを特徴とする方法。 - 【請求項２】 前記回析パターンが、元の光パルスから導出された少なくとも2
つの光パルスを重ねることによって形成される、請求項1に記載の方法。 - 【請求項３】 前記ディザリングステップが、前記元の光パルスの伝搬方向と直
角の方向にサンプル照射システムの要素を移動させることを有する、請求項1ま
たは2に記載の方法。 - 【請求項４】 前記処理ステップが、光-誘起された複数の信号の平均をとるこ
とを更に含む、請求項1, 2または3に記載の方法。 - 【請求項５】 前記処理ステップが、各光-誘起された信号、または前記光-誘起
された複数の信号の平均のフーリエ変換を決定することをさらに有する、請求項
1, 2, 3または4に記載の方法。 - 【請求項６】 前記方法が、更に、前記サンプル特性を決定する分析ステップを
含み、前記分析ステップが、コンピュータまたはマイクロプロセッサにより前記
光-誘起された信号を分析することを含んでいる、請求項1, 2, 3, 4または5
に記載の方法。 - 【請求項７】 − 光励起パルスを発生させる第一光源と、 − 前記光励起パルスを受信し、それを少なくとも2つの光パルスに分離し、そ
して2つの光パルスを前記サンプルの表面上にフォーカスさせ、少なくとも一つ
の空間位相と少なくとも一つの空間周期を有する励起パターンを形成するように
構成されている光学システムと、 − 前記サンプルにより回析されるプローブビームを発生させる第二光源と、 − 前記プローブビームの回析された部分を検出し、光-誘起された信号を発生
させる光検出器と、 − 前記光検出器からの前記光-誘起された信号を処理し、前記サンプル特性を
決定するように構成されているプロセッサとを 有する装置において、 励起パターンの前記空間位相をディザリングする位相ディザリングコンポーネ
ントを有することを特徴とする、請求項１に記載の方法を実行する装置。 - 【請求項８】 前記光学システムが、当該少なくとも2つの光パルスを形成する
回析要素を有する、請求項7に記載の装置。 - 【請求項９】 前記位相ディザリングコンポーネントが、前記光学システムの移
動可能コンポーネントによって構成されている、請求項7または8に記載の装置。 - 【請求項１０】 前記位相ディザリングコンポーネントが、電気−光変調器、音
響−光変調器、移動ガラススライドまたはこれらの組合せによって構成されてい
る、請求項7または8に記載の装置。 - 【請求項１１】 前記移動可能コンポーネントに、圧電素子、モータ、機械的ス
テージまたはこれらの組合せにによって構成されていて、かつ電気的信号によっ
て制御されるドライバが、設けられている、請求項9に記載の装置。 - 【請求項１２】 前記電気的信号が、矩形波、のこぎり歯、ランダムまたは正弦
波形である、請求項11に記載の装置。 - 【請求項１３】 前記移動可能コンポーネントが、前記回析要素内にある、請求
項9、11または12に記載の装置。 - 【請求項１４】 前記移動可能コンポーネントが、ミラー、レンズまたはプリズ
ムである、請求項9、11または12に記載の装置。 - 【請求項１５】 前記第一光源が、前記移動可能コンポーネントを構成する移動
可能レーザーである、請求項9、11または12に記載の装置。 - 【請求項１６】 前記位相ディザリングコンポーネントが、前記サンプルを支持
する移動可能マウントによって、構成されている、請求項7または8に記載の装置
。
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