JP2008523409A - レーザ励起弾性表面波分光法におけるプローブ波長を減ずるための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

弾性表面波の侵入深さは波長に対応する。インパルス活性化温度散乱（ISTS）を利用して、より薄い膜を測定するために、測定波長を約１ミクロンまで減ずることが有利である。測定波長を減ずる１つの方法は、高い開口数を有するレンズを使用して、励起及びプローブレーザを光学システムにおいて、より広い角度で収束させることである。これを行う一方で、増大した光学的/機械的な許容誤差を、特定の波長に対して整合板又は減光フィルターのいずれかを調整することによって、励起レーザパターンとプローブレーザパターン間の位相を微調整することにより低減させることができる。特別に設計されたビーム遮断板を備える光学システムにより発生される望まれない回折次数ビームを遮断することは、長波長性能を維持する上で必要とされる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、薄膜（例えば金属膜）の、構造を含む特性（例えば厚み）を測定する方法及び装置に関する。

マイクロ電子デバイスを製造する際、金属及び金属合金の薄膜が、シリコンウェハ上に堆積され、導電体、接着促進層、拡散障壁として利用される。これらの膜の厚みの変動は、それらの電気的及び機械的特性を変化させることがあり、したがって集積回路の性能に影響を及ぼすことがある。

集積回路を製造する際、膜は、その目標値の数パーセント以内の厚みを有するように堆積される。その固定された許容誤差のために、しばしば、集積回路の製造中及び/又は製造後に、品質管理のパラメータとして膜厚が測定される。犠牲的な「測定用」サンプルよりも、パターン化された「製品」サンプルを測定することができるできるために、非接触、非破壊測定技術（例えば光学技術）が好ましい。製品サンプルの測定は、製造工程の誤差を正確に示し、測定用サンプルに関するコストを付加的に削減する。

薄く不透明な膜を測定する光学的方法が記述されている。例えば、米国特許第5,633,711号（MEASURMENT OF MATERIAL PROPERTIES WITH OPTICALLY INDUCED PHONONSと題する）、米国特許第5,546,811号（OPTICAL MEASUREMENT OF STRESS IN THIN FILM SAMPLESと題する）、米国特許第5,672,830号（MEASURING ANISOTROPIC MATERIALS IN THIN FILMSと題する）、米国特許出願番号第08/783,046号（METHOD AND DEVICE FOR MEASURING THE THICKNESS OF OPAQUE AND TRANSPARENT FILMSと題する）にインパルス活性化温度散乱（「ISTS」）と称される光学的測定技術が開示され、これらの文献を参照することによってその内容を全て本明細書に組み入れることとする。ISTSでは、２つの光学的なパルスがサンプル上で重なり合い、対向して伝播する弾性波を放つ空間的及び時間的に変化する励起パターンが形成される。米国特許第5,734,470号（DEVICE AND METHOD FOR TIME-RESOLVED OPTICAL MEASUREMENTSと題する）は、パルス状の励起レーザを利用して、単一のパルスが如何に、例えば位相マスクである回折マスクを通過し、縞模様を投影するかを開示する。照射された領域をほとんど瞬間的に加熱することによって、対向して伝播する弾性表面波として振動する弾性応力のパターンが生じる。また、これらの特許文献を参照することにより、その内容を全て本明細書に組み入れることとする。

ISTSでは、弾性波が、交番する一連の最高値及び零値を含む「過渡回折格子」を形成する。プローブパルスは格子を照射し、回折され、一対の信号ビームを形成する（直接反射されるビームに加えて）。１つ又は両方の信号ビームが検出され、解析されてサンプルの特性が測定される。

図１は従来技術による光学システム１を示す。レーザ10は、位相格子12によって副パルス11'、11''に分割される光学的励起パルス11を発生する。副パルス11'、11''はレンズ13を通過する。平行化された副パルス11'、11''は、第２のレンズ14によりサンプル15の表面に焦点が合わされる。これは過渡回折格子を形成する。プローブレーザ16が、位相格子12によってプローブビーム17と参照ビーム17'に分割されるプローブビーム17を発生する。レンズ13は、プローブビーム17及び参照ビーム17'を平行化する。平面ガラス板18'、18は、それぞれ減光フィルター、整合板である。平面ガラス板18、18'は、過渡回折格子がプローブビーム17/参照ビーム17'の対によって形成されるパターンと同調することを確実にする。平面ガラス板18、18'を、励起波長の範囲に関してプローブビーム17及び/又は参照ビーム17'の位相を調節するように単一の傾斜位置に傾けることができ、プローブビーム17/参照ビーム17'の対により形成されるパターンと過渡回折格子の位相が調整される。レンズ14は、過渡回折格子上にプローブビーム17及び参照ビーム17'を焦点合わせする。過渡回折格子は、プローブビーム17の部分を回折し、プローブビーム17の部分を反射する。検出器19は、プローブビーム17の回折された部分及び反射された部分を検出する。

従来技術による光学システムの欠点は、測定波長（励起レーザによって励起された過渡回折格子パターンの周期）が比較的長いことにある。弾性表面波の侵入深さは波長に対応する。従来技術による光学システムは４ミクロンの最小測定波長を有する。標準的な最新の集積回路の各配線の水準が約１ミクロンの厚みであるため、測定波長をおおよそ１ミクロンまで減ずることが有利である。本発明は、例えば1.2μmにまで測定波長を減ずることを提案する。

本発明では、光学的励起パルスを発生する第１の光源、その光学的励起パルスを受容するように位置合わせされ、その光学励起パルスを少なくとも２つの光学パルスに分割し、少なくとも１つのパルスをサンプルの表面に焦点合わせして少なくとも１つの空間的位相と少なくとも１つの空間的周期を備える励起パターンを形成する光学システム、サンプルで回折されるプローブビームを発生する第２の光源、プローブビームの回折された部分を検出して信号を発生する光学検出器、光学検出器からの信号を処理してサンプルの特性を決定するように構成されている処理装置からなり、光学システムが1.2ミクロンと11ミクロンの間の測定波長を有する励起パターンを許容する装置を提供することによって、１つの例示的な態様が達成される。

一態様において、光学システムは、低屈折率の要素と高屈折率の要素を含む色収差補正複レンズを含む。

他の態様において、色収差補正複レンズは、屈折率分布ガラスから形成されている少なくとも１つの要素を含み、又はレンズの少なくとも１つの表面が非球面である。

他の態様において、色収差補正複レンズは、他の素子部品（例えば視覚システム）とよりよくまとめるために、レンズの軸と平行な切断面で先端を切り取られている。複レンズの１つの固定化されたブロック設計は、その取り付け、及び位置合わせを単純にする。

他の態様において、光学システムは、少なくとも２つの板を含み、少なくとも２つの板の１つの傾きが特定の励起波長に応じて調整可能である。

一態様において、２つの板の少なくとも一方が、電気機械アセンブリに取り付けられている取付具に取り付けられ、その電気機械アセンブリはそれに取り付けられている板の傾きを調整する。

他の態様において、光学システムは、複数の回折次数ビームを発生する位相回折格子及び、+１次、-１次の回折次数を超える少なくとも１つの励起ビームを遮断するように構成されているビーム遮断体を含む。

他の態様において、サンプルを測定する方法は、少なくとも１つの空間的位相及び空間的周期を有する励起パターンでサンプルの部分を照射し、プローブビームの部分をサンプルの表面で回折させ、光学検出器でプローブビームの回折された部分を検出して光誘起信号を発生し、光誘起信号を処理してサンプルの特性を決定することを含み、照射すること及び回折することがさらに、１μmと1.2μmの間にまで最小プローブ波長を減ずることを含む。

一態様において、最小プローブ波長は、少なくとも１つの屈折率分布ガラス要素を含む、及び/又は少なくとも１つの非球面表面を有する色収差補正複レンズ使用することによって、特定の励起波長に応じて少なくとも１つの板の傾きを調整することによって、ならびに/あるいは+１次及び-１次の励起次数を超える少なくとも１つの励起ビームを遮断するように構成されているビーム遮断体を使用することによって、１μmと1.2μmの間にまで減じられる。

本発明は多くの利点をもたらし、そのうちの一部を以下の実施形態を参照して説明する。

図２は、図１のレンズ14の代わりに使用することができる高い開口数のレンズ20を示す。高い開口数のレンズ20は、例えば、高屈折率のガラス要素21と低屈折率のガラス要素22からなる２つの部品を有する。要素21、22は、互いに固定化され、色収差補正複レンズを形成する。測定波長を減ずるために、例えば、屈折率分布ガラス（すなわち、屈折率が一様ではなく、概してレンズの軸に沿って増大するレンズであり、屈折率の変化が特定の割合であるガラスを選択することによって、その性能を犠牲にすることなく、レンズの開口数を高くすることができる）を利用して、低屈折率の要素22が形成される。屈折率分布ガラスを利用して要素22を形成することによって、開口数をおおよそ２倍とすることができる。他の取り組みは、少なくとも１つの要素の少なくとも１つの表面を非球面（すなわち、球面ではない表面は、概していくつかの数学的な方程式によって記述され、実現し得る最高の性能を達成するように最適化される）に形成することである。単一の非球面の外面は、開口数を３倍以上高くすることが可能である。より高い開口数のレンズ20は、従来のレンズと比較して、より広い角度において、図１の、励起副ビーム11'、11''及び、プローブビーム17/参照ビーム17'の対を収束させる。これは、過渡回折格子を作り出す投影励起パターンの間隔を減ずる。励起パターンの間隔は、放たれる弾性表面波の波長を決定する。

どちらの取り組みにおいても、レンズ20は先端を切り取られている（例えば、レンズの軸と平行な、その軸から数ミリメートル内に位置する切断面で）。これは、図１の光学システムの視覚システム（図示せず）のよりよい配置を可能とする。

プローブ波長を減ずる付加的な方法は、図３に示すように、各励起波長において調整可能な少なくとも１つの機械的に調整可能なガラス板を含むことである。図１の板18、18'は、過渡回折格子がプローブビーム17/参照ビーム17'の対により形成されるパターンと同調することを確実とする。従来技術によれば、板18'は、プローブビーム17及び/又は参照ビーム17'の位相を調整するように、単一の傾斜位置に別個に傾けられる。これは、プローブビーム17/参照ビーム17'の対により形成されるパターンと過渡回折格子の位相を調整する。励起パターンは、光学システム１に関して効率がよくなるように、プローブビーム17/参照ビーム17'の対により形成される干渉パターンと同調する必要がある。

図３に示すように、ビームの配置が対称的である場合には、両方のパターンは、意図的に同調されなければならない。しかしながら、実際には、システム内のわずかな位置のずれがパターンに位相の不一致をもたらすことが観察される。広範な波長範囲が生じることにより、プローブビーム17/参照ビーム17'の対により形成される干渉パターンと励起パターンの位相を全波長範囲にわたって整合させる要求を満足する板18、18'の単一の傾斜位置を見出すことは困難となる。波長範囲は、光学部品の品質及び組み立ての双方に非常に厳密な許容誤差を課す。

図３を参照すると、板18'の傾きは、各励起波長に対していずれかの方向に別個に調整することができる。取付具30は、当業者には公知である電動ステップモータ又は他の電気機械アセンブリにより、種々の波長において別個に調整することができる。板18、板18'の一方又は両方は、そのような取付具に固定されている。これにより、所望であれば、各励起波長において別個に調整することができる。これにより、励起パターンと、プローブビーム17/参照ビーム17'の対により形成される干渉パターンとの間の位相を全周波数範囲にわたって微調整することができる。これは測定波長を直接減ずることはないが、主たる効果は光学部品及びアセンブリの許容誤差を著しく緩和することである（さもなければ、許容誤差はより短い弾性波長に対してより厳密となる傾向がある）。

プローブ波長を減ずる付加的な方法は、回折次数ビームの数を制限することである。最小プローブ波長を減じ、長波長性能を依然保つことにより、システムの全波長範囲を広げることができる（例えば、従来技術のシステムの４-10μmの範囲、又は2.5倍の最小-最大比に対して、新規なシステムの1.2μm-11μmの範囲、又は９倍の最小-最大比を考慮する）。システムの拡張された波長範囲は、励起副ビームとプローブ副ビームの間で大きな角度変化を結果生じる。図１の位相格子12は、複数の回折次数ビームを発生する。それらのビームのいくつかのものだけ（すなわち、+１次及び-１次の励起次数50、51）が、光学システム１を利用する測定を実施するのに必要とされる（図５参照）。必要とされないビームの少なくともいくつかは、特に０次のビーム52、±３次のビーム53、54、±５次のビーム（図示せず）、±７次のビーム（図示せず）などの励起次数は望まれず、ビーム遮断体40（図５）により遮断されなければならない。図４Ａは、望まれない励起次数を遮断する指状の開口を有するビーム遮断体を示す。指状の開口41は、位相格子12の周期の特有の比に依存している。その比は、±１次の励起次数が常に指状体42の間にあり伝達し、一方、指状体42が無用な全ての次数を遮断するようなものである。光学システム１の状況において、指状のビーム遮断体40は、例えば、位相格子12とレンズ13の間、又はレンズ13と14の間のいずれかの適切な位置に滑り込む。これにより、±１次の励起次数が伝達され、０次、±３次及びすべてのより高い励起次数が遮断され得る。

図４Ｂは、移動可能な開口を有するビーム遮断体40の付加的な例示である。移動可能な開口44は、矢印51に沿ってすべるように、励起ビームに出入りする。ビーム遮断体の位置は、結果生じる機器の測定波長によって決定され、必要とされるビームのみが開口を通過する。これは、例えば並進滑り台及び/又はモータを必要とする。

本発明を特定の実施形態に関して説明した。本発明が上記した形態及びその変更形態に制限されず、当業者は、添付の特許請求の範囲に記載の精神及び範囲から逸脱することなく種々の改変及び変更をなし得ることが理解されなければならない。

従来技術による光学システムを示す図である。 高い開口数の複レンズであり、先端を切り取られているレンズを示す図である。 別個に調整可能なガラス板を備える光学システムを示す図である。 指状の開口を有するビーム遮断体を示す図である。 移動可能な開口を有するビーム遮断体を示す図である。 位相マスクからの複数の回折次数ビームを示す図であり、それらのビームの一部はビーム遮断体により遮断される。

Claims (11)

1. 光学的励起パルス11を発生する第１の光源10、
   前記光学的励起パルス11を受容し、少なくとも２つの光学的副パルス11'、11''に分割し、少なくとも１つの副パルス11'をサンプル15の表面に焦点を合わせて少なくとも１つの空間的位相及び少なくとも１つの空間的周期を備える励起パターンを形成するように位置合わせされている光学システム１、
   前記サンプル15で回折されるプローブビーム17を発生する第２の光源16、
   前記プローブビーム17の回折された部分を検出し、信号を発生する光学検出器19、
   前記光学検出器19からの信号を処理してサンプル15の特性を決定するように構成されている処理装置からなり、
   前記光学システム１が、1.2ミクロンと11ミクロンの間の測定波長を備える励起パターンを許容する装置。
2. 前記光学システムがさらに、低屈折率の要素22と高屈折率の要素21を含む色収差補正複レンズ20からなる請求項１に記載の装置。
3. 前記色収差補正複レンズがさらに、先端を切り取られた屈折率分布ガラス要素からなる請求項２に記載の装置。
4. 色収差補正複レンズが非球面の表面を含む請求項２に記載の装置。
5. 前記色収差補正複レンズ20がさらに、前記レンズの軸と平行に切断された面を含む請求項１に記載の装置。
6. 前記光学システム１がさらに少なくとも２つの板18、18'からなり、該少なくとも２つの板18、18'の１つの傾きが、特定の励起波長に応じて調整可能である請求項１に記載の装置。
7. 少なくとも２つの板18、18'の１つが、電気機械アセンブリに取り付けられている取付具30に取り付けられ、それに取り付けられている前記少なくとも２つの板18、18'の１つの傾きが調整される請求項６に記載の装置。
8. 前記光学システム１がさらに、複数の回折次数ビームを発生する位相格子12を含み、前記光学システム１がさらに、+１次及び-１次の励起次数を超える少なくとも１つの励起ビームを遮断するように構成されているビーム遮断体40を含む請求項１に記載の装置。
9. サンプル15を測定する方法であって、
   少なくとも１つの空間的位相及び空間的周期を有する励起パターンで前記サンプル15の部分を照射し、
   前記サンプル15の表面でプローブビーム17の部分を回折し、
   前記プローブビームの回折された部分を光学検出器19で検出し、光誘起信号を発生し、
   前記光誘起信号を処理し、前記サンプル15の特性を決定することからなり、
   前記照射し、回折することがさらに、１μmと1.2μmの間にまでプローブ波長を減ずることを含む方法。
10. 前記プローブ波長が、屈折率分布ガラス要素及び/又は比球面の表面を有するとともに先端を切り取られた色収差補正複レンズ20を使用すること、特定の励起波長に応じて少なくとも１つの板18、18'の傾きを調整すること、+１次及び-１次の励起次数を超える少なくとも１つの励起ビームを遮断するように構成されているビーム遮断体40を使用することのいずれか１以上によって１μmと1.2μmの間にまで減じられる請求項９に記載の方法。
11. 前記ビーム遮断体40がさらに、指状構成又は移動可能な構成のいずれかを含む請求項９に記載の方法。

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