JP2023514421A - 光計測システムおよび方法 - Google Patents

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Abstract

光計測測定に使用するための測定システムが提供される。測定システムは，サンプルの頂部に入射する照射電磁場に応答してサンプル上で測定され，かつ当該サンプルが実質的に吸収しない少なくとも１つのスペクトル範囲を含むスペクトル干渉信号を示す生測定データを処理する制御システムを含む。この処理は，生測定データから，干渉測定中の光路差の変化に伴う信号強度の変動を記述するスペクトル干渉信号の部分を抽出するものであって，抽出される信号部分は，当該照射電磁場に応答してサンプルの底部から返された干渉信号から独立している，ことと，当該抽出された部分から，サンプルの頂部からの電磁場の反射のスペクトル振幅およびスペクトル位相の両方を直接決定し，それによってサンプルの頂部を特徴付ける測定スペクトルシグネチャを決定することと，を含む。

Description

この発明は，半導体ウェハなどのパターン化構造の光学測定の分野のもので，特に計測測定に有用なものである。
半導体計測およびプロセス制御に広く使用されている光測定方法は，従来からスペクトル反射法（Spectral Reflectometry）および／またはスペクトル偏光解析法（Spectral Ellipsometry）に依存している。しかしながら，構造体から散乱された電磁場はスペクトル位相情報（spectral phase inforamation）も含み，これは測定から更に正確な情報を抽出するのに非常に有益であるが，光周波数では直接アクセスすることができないために，スペクトル干渉法（Spectral Interferometry）が用いられている。
一部のスペクトル干渉技術が，たとえば，本出願の譲受人に譲渡された以下の出願に記載されている。
米国特許第１０，７３９，２７７号 米国特許第１０，１６１，８８５号
パターン化構造において赤外線（ＩＲ）ベースのスペクトル干渉測定を実施し，干渉計の制限された時間的コヒーレンス（the limited temporal coherence of the interferometer）に基づいて構造の裏面から寄与を分離することを可能にするための新規な技術が当該技術分野において必要とされている。
スキャトロメトリ（scatterometry）測定の波長範囲をＩＲ範囲に拡張することによって，複数の利点，特に，Ｖｉｓ－ＵＶ範囲における不透明材料を透過させる能力，固有感度（たとえば，材料特性に対するもの），シミュレーションの単純さにおける利点などが得られる。より詳細には，光学系の動作波長の一部または全部に対して部分的または完全に透明な構造（たとえば，（標準的な）Ｓｉウェハ上に製造された構造）を測定する場合，入射光は構造内で吸収されず，むしろ構造内を伝播し続け，一部は底部（裏面）から反射して戻り，構造の頂部を通って出力されるときに寄生信号（parasitic signal）が現われ，この寄生信号は頂面反射からは分離すべきものである。約１．１μｍを超える波長においてＳｉ基板は透明となり，ウェハ裏面からの反射に起因してより著しいコンタミネーションが生じることがある。ウェハの底面反射はウェハ吸着面の再現性が低いために安定していない。
一般には，斜入射動作（oblique-incidence operation）と比較したときに複数の利点を有する垂直入射計測（normal-incidence metrology）を使用することが望ましい。かかる利点の例としては，ハードウェアの単純さ（照明および集光光学系が光路の大部分にわたって共通であること），寸法のコンパクトさ，小さなフットプリント実装へのソリューションの統合（統合計測など）を可能にすること，およびさらには光－物質相互作用のシミュレーションの単純さに関連する。
しかしながら，ＩＲ照明を用いた垂直入射モードでは，構造の頂部（所望データ）および構造の底部（コンタミネーション）の反射が収集されることは避けられない。現在の計測要件において一般的であるように，高スペクトル品質が必要とされる場合には，このコンタミネーションが測定データの正確な解釈を有害に妨げることがある。したがって，スポットサイズおよびスループットなどの他のシステムパラメータを維持しつつ，このコンタミネーションを回避するまたは正確に除去することが望まれている。
この問題を軽減するために複数のアプローチが利用可能である。たとえば，ウェハ裏面反射は共焦点光学レイアウトを通じて除去することができる（共焦点レイアウトの実装によって焦点外寄与分の大幅な低減が可能である）。しかしながら，共焦点モードは小さな焦点誤差に対して強い感度をもたらすという点においてスキャトロメトリにとって問題がある。ウェハ裏面反射のアルゴリズム的除去にしたがって，ウェハ裏面反射から生じる信号の寄与が推定され，測定信号からアルゴリズム的に減算される。しかしながら，裏面反射はウェハ上の異なる位置間で変化することがあり（ウェハを保持する下にあるステージの粗さまたは特性に依存する），また（ウェハの頂部に製造された）測定構造が裏面から反射された信号に影響を及ぼし，この構造における変化は，それを通る全体的な光透過に影響を及ぼすので，裏面反射を「一定の」寄与と考えることはできない。後方反射に関連する予想されるスペクトル誤差は，数パーセントのオーダー（または，一部の光学レイアウトについては数分の一パーセント）であり，妥当な誤差の定量的解釈が依然として可能な場合がある。しかしながら，高度なアプリケーションに対処するハイエンドのスキャトロメトリでは，かかる誤差は著しく許容できないものであり，したがって，裏面の寄与を単純に無視することはできない。したがって，半導体計測のためのＩＲスキャトロメトリは一般に斜入射測定（oblique-incidence measurements）に基づいている。
この発明の技術は新規なアプローチに基づくもので，サンプルと干渉計の基準アームとの間の異なる光路差に対してサンプル上において測定されるスペクトル干渉信号を示し，サンプルが実質的に吸収しない波長を含む動作波長を利用して，生測定データを分析するものである。この発明は，上記生測定データがサンプルの頂部以外の界面からの反射（たとえば，底部反射）も含むかどうかにかかわらず，サンプルの頂部のスペクトル反射およびスペクトル位相の両方を直接抽出することを可能にする。
上記は，この発明では，サンプルアームと基準アームとの間の光路差（ＯＰＤ：optical path difference）の変化に伴う信号強度の変動を記述する干渉信号部分を，数個（少なくとも４個）のＯＰＤの異なる値にわたって，生測定データから抽出することによって達成される。測定されるスペクトル干渉信号のこの部分は，サンプルの１または複数の内部界面から返される干渉信号から独立しており，したがって，サンプルの頂部から返される信号のスペクトル振幅およびスペクトル位相を，当該部分から直接決定することができる。以下の説明では，強度（振幅）変動を記述するこの信号部分を，光路差の変動にわたって測定される「信号のＡＣ部分」と称することにする。
以下に記載されるように，発明者らは，測定信号のいわゆる「ＤＣ部分」，すなわち，ＯＰＤから独立した部分が，サンプルの裏面（または他の内部界面）からの反射に関する唯一の信号部分であり，一方，信号のＡＣ部分のみが頂部反射に関するものであることを見出した。この条件は，単一画素のスペクトル帯域幅が概して非常に狭い（典型的には約１ｎｍ～数ｎｍ）ので，干渉計ミラー（一般には光路差誘導ユニット）からの光照射野反射，底面（一般にはサンプルの内部界面）からの光照射野反射，および頂部からの光照射野反射が画素のスペクトル帯域幅にわたって変化しないという仮定の下で維持される。
この発明は，ＩＲスペクトル範囲を用いた垂直入射測定が望まれるシリコン構造（半導体ウェハ）の光計測に特に有用であるが，この発明の原理は，サンプルの種類にも動作波長のスペクトル範囲にも限定されないことに留意されたい。この発明は，頂部に与えられる照明に対するサンプルの頂部応答（振幅および位相）が決定され，照明がサンプル材料によって実質的に吸収されない波長を含むタイプのサンプルのスペクトル干渉測定に有利に役立つ。
したがって，この発明の一の広範な態様によれば，光計測測定に使用するための測定システムが提供され，測定システムは，データ入力ユーティリティと，メモリと，データプロセッサと，を含むコンピュータシステムとして構成される制御システムを含み，制御システムは，サンプルの頂部に入射する照射電磁場に応答してサンプルから返され（returned），当該サンプルが実質的に吸収しない少なくとも１つのスペクトル範囲を含む測定スペクトル干渉信号を示す生測定データを受信するための測定データプロバイダとデータ通信するように構成され，データプロセッサが以下を実行するように構成されかつ動作するアナライザユーティリティを含むものである。
生測定データから，干渉測定中の光路差ＯＰＤの変化を持つ信号強度の変動を記述するスペクトル干渉信号の部分（a portion of spectral interferometric signals）を抽出すること。スペクトル干渉信号の当該部分は，当該照射電磁場に応答してサンプルの底部から返された干渉信号から独立している。
スペクトル干渉信号の抽出された部分から，サンプルの頂部からの照射電磁場の反射のスペクトル振幅およびスペクトル位相の両方を直接に決定すること。これによってサンプルの頂部を特徴付ける測定スペクトルシグネチャを決定することができる。
制御システムは，測定スペクトルシグネチャにモデルベースの処理を適用して，測定中のサンプルの一または複数のパラメータを決定するように構成されかつ動作可能なフィッティングユーティリティをさらに備えてもよい。
この発明の技術は，ＩＲスペクトルまたは可視およびＩＲスペクトルの組み合わせを用いて，シリコン材料製のサンプル／構造の測定をモニタするのに本質的に有用である。
いくつかの実施形態では，生測定データは，ＩＲスペクトルを含む照射電磁場に応答してシリコン材料からなるサンプルの頂部および底部から返された（かつ，サンプルの１または複数の内部界面から返された）スペクトル干渉信号を示すデータを含む。
いくつかの実施形態では，測定システムは，当該生測定データを生成して提供する測定データプロバイダとして構成される測定ユニットを含み，測定ユニットが，サンプルが実質的に吸収しない少なくとも１つのスペクトル範囲を含む動作波長を使用してサンプルのスペクトル干渉測定を実行するように構成されかつ動作可能である。
たとえば，スペクトル干渉測定信号は，以下のように決定される信号強度プロファイルを持つ。
Figure 2023514421000002
ここで，Ｅｔｏｐ（λｉ）は頂部からの電磁場反射のスペクトル振幅であり，Ｅｂｏｔ．（λｉ）はサンプルの底部からの電磁場反射のスペクトル振幅であり，Ｅｍ（λｉ）は干渉ミラーからの電磁場反射であり，λｉは動作波長であり，ｚは干渉ミラーの位置であり，φ（λｉ）は測定スペクトル干渉信号のスペクトル位相である。
抽出される信号部分は以下のとおりである。
Figure 2023514421000003
これは干渉ミラーの位置ｚの変化に伴う信号強度の変動を記述するもので，サンプルの底部から返された干渉信号から独立している。これにより，上部の電磁場反射のスペクトル振幅およびスペクトル位相の直接決定することが可能になる。
この発明の別の広範な態様によれば，光計測測定に使用するための方法が提供され，この方法は，
サンプルの頂部に入射する照射電磁場に応答してサンプルから返され，当該サンプルが実質的に吸収しない少なくとも１つのスペクトル範囲を含む測定スペクトル干渉信号を示す生測定データを提供し，
当該生測定データを処理するものであり，上記処理が，
生測定データから，干渉測定中の光路差ＯＰＤの変化に伴う信号強度の変動を記述するスペクトル干渉信号の部分を抽出することであって，スペクトル干渉信号の当該部分は，当該照射電磁場に応答してサンプルの底部から返された干渉信号から独立している，ことと，
スペクトル干渉信号の抽出された部分から，サンプルの頂部からの照射電磁場の反射のスペクトル振幅およびスペクトル位相の両方を直接決定し，それによってサンプルの頂部を特徴付ける測定スペクトルシグネチャを決定することと，
を含む。
この発明のさらに他の態様によれば，
サンプルに対して垂直入射スペクトル干渉測定を実行し，サンプルが実質的に吸収しない少なくとも１つのスペクトル範囲を含む動作波長を使用してサンプルアームと基準アームとの間の多数の異なる光路差（ＯＰＤ）についてサンプル上で測定スペクトル干渉信号を示す生測定データを生成するように構成され動作可能な測定ユニットと，
生測定データから，干渉測定中の光路差ＯＰＤの変化に伴う信号強度の変動を記述するスペクトル干渉信号の部分を抽出することであって，スペクトル干渉信号の当該部分は，当該照射電磁場に応答してサンプルの底部から返された干渉信号から独立している，ことと，スペクトル干渉信号の抽出された部分から，サンプルの頂部からの照射電磁場の反射のスペクトル振幅およびスペクトル位相の両方を直接決定し，それによってサンプルの頂部を特徴付ける測定スペクトルシグネチャを決定することができることと，を実行するように構成され動作可能な制御システムと，
を含む測定システムが提供される。
この明細書に開示される主題をよりよく理解し，それが実際にどのように実施され得るかを例示するために，以下，添付の図面を参照して，非限定的な例としてのみの実施形態を説明する。
スペクトル干渉測定ユニットに関連するこの発明の制御システムのブロック図である。 照明に対するサンプルの応答の振幅および位相を直接抽出するためのスペクトル干渉データのデータ解釈に使用するこの発明の方法のフロー図である。 この発明の基礎となる原理を例示するものである。 この発明の基礎となる原理を例示するものである。 この発明の測定システムの具体例である。
図１を参照して，この発明の測定システム１０がブロック図として示されている。このシステムは測定ユニット１２および制御システム１４を含む。
測定ユニット１２はスペクトル干渉計システム（spectral interferometer system）として構成され，構造／サンプルＳ（たとえば，半導体ウェハ）から返された（反射および／または散乱された）光のスペクトル位相を測定するように動作可能であり，構造の１または複数のパラメータ（たとえば，パターンパラメータ）を決定することができる。測定ユニット１２は，サンプル反射率が正確に測定され，スペクトル干渉測定のために修正される一般的なスペクトル反射計構成に基づいてもよい。
この発明の目的のために，サンプルの頂部のスペクトルシグネチャ（spectral sigunature）がサンプルの頂部に適用される垂直入射測定を用いて測定され，動作波長はサンプルが実質的に吸収しない少なくとも１つのスペクトル範囲を含む。したがって，生測定データは，有効信号（サンプルの頂部の反射／散乱）に加えて，不可避的に，サンプルの内部界面（internal interfaces），たとえばサンプルの底部の反射／散乱に関連する「寄生」信号成分を含む。
したがって，上記測定ユニット１２は，広帯域入力光Ｌｉｎ（たとえば，ＩＲスペクトル範囲を含む）を提供する光源システム１６，検出システム１８（分光計を含む），および光誘導光学系２０を含む垂直入射干渉計アセンブリ（nominal-incidence interferometer）を含む。上記光誘導光学系２０は，ビームスプリッタ／コンバイナ２２および２４，対物レンズユニット２６（１または複数のレンズ），および光路差誘導ユニット２８（たとえば干渉ミラー）を含む。
ビームスプリッタ／コンバイナ２２は，入力光ビームＬｉｎの光路上に位置し，入力光Ｌｉｎを対物レンズユニット２６に向けて伝搬させ（反射させ），対物レンズユニット２６は入力光Ｌｉｎを構造物（構造体：structure）Ｓが位置する測定面ＭＰに集光し，測定面から返された光Ｌｃｏｍを検出システム１８に向けて伝搬させる（透過させる）。上記ビームスプリッタ２４は対物レンズユニット２６と測定面ＭＰとの間に位置し，入力光Ｌｉｎをサンプル光成分Ｌｓａｍおよび参照光成分Ｌｒｅｆに分割して，測定面（サンプル面）および光路差誘導ユニット２８に向けて，異なる光路に沿って伝播させ，サンプルの反射およびミラー２８の反射を合成光Ｌｃｏｍに合成し，これを対物レンズユニット２６に導き，この光を検出面に結像させて干渉パターンを形成する。
制御システム１４は，ここでは，データ入出力ユーティリティ１４Ａ，メモリ１４Ｂ，およびデータプロセッサ１４Ｃを含むコンピュータシステムとして構成されている。制御システムには，ミラー２８に関連付けられたコントローラ１４Ｄも設けられており，これはミラー位置を制御して，サンプルアームと基準アームとの間の光路差の変化（a change in the optical path difference between the sample and reference arms）を制御する。対象波長範囲に対するミラー２８の反射率Ｅｍ（λｉ）は，一度測定されてメモリ１４Ｂに記憶される。
データプロセッサ１４Ｃは，測定スペクトル干渉信号を示すデータを含む上記検出システム１８によって生成される生測定データ（raw measured data）を分析するように構成され動作可能である。この発明によると，データプロセッサ１４Ｃは，アナライザ３０を含み，アナライザ３０は，生測定データから，数個（少なくとも４個）の異なるＯＰＤ値の変化による信号強度（振幅）の変動を記述するスペクトル干渉信号の部分を抽出する信号部分抽出ユーティリティ１５と，頂部特徴付けユーティリティ１７とを含む。後者は，ミラー２８の所定の（１回測定された）反射率を利用し，干渉信号の抽出された部分からサンプルの頂部のスペクトル反射Ｅｔｏｐ（λｉ）およびスペクトル位相φ（λｉ）の両方を直接に決定するように構成されかつ動作可能である。
頂部特徴付けユーティリティ１７は，頂部のスペクトル反射および位相を利用して，サンプルの頂部を特徴付けるスペクトルシグネチャ（spectral signature）を生成するようにさらに構成される。
制御システム１４Ｃはまたフィッティングユーティリティ３２も備えている。上記フィッティングユーティリティは，上記サンプルの頂部のスペクトルシグネチャにモデルベースの処理（model-based processing）を適用し，上記サンプルの１または複数のパラメータを決定するように構成されかつ動作可能である。
制御システム１４は，測定ユニット１２と一体としてもよく，一体としなくてもよい。一般的には，制御システム１４は，測定ユニット１２自体または測定データが記憶される記憶装置である測定データプロバイダ（measured data provider）とデータ通信するように構成されるスタンドアロンシステムとしてもよい。
この発明によれば，生測定データがサンプル中の中間層／界面の反射に関連する何らかのコンタミネーション成分を含むかどうかにかかわらず，生の測定スペクトル干渉信号からサンプルの頂部のスペクトル反射およびスペクトル位相の両方を直接に決定（抽出）することができる。
光路差誘導要素（たとえば干渉計ミラー）は，その裏面からの反射に関連する問題を被らない。これは，測定されるスペクトル範囲（たとえば，金属または金属コーティングされたミラーを使用することによる特定のＩＲ範囲）内において不透明な材料からミラー２８を作成するか，またはその裏面とシステム内の他の反射との間の時間コヒーレンスの損失を保証するために十分な厚さのミラーを使用することによって，回避することができる。より具体的には，上記ミラーは，測定されるサンプル（半導体ウェハの場合典型的にはＳｉ）と異なる材料組成から作製され，かつ異なる厚さを有し，サンプルおよびミラー底面からのコヒーレント反射の測定信号への干渉の寄与を排除するかまたは少なくとも大幅に低減する。
以下，この発明の原理を説明する。以下の説明では，頂部（top portion）を「頂面」（top surface）と言うことがある。
（可視波長の場合のように）サンプルの頂面反射のみが検出される干渉反射測定の場合を考慮すると，単一波長λ干渉方程式は以下のようになる。
Figure 2023514421000004
ここで，
・Ｅｍはミラー２８の電磁場反射率である（｜Ｅｍ｜２は，構造物Ｓが対物レンズユニット２６の視野外にある場合に測定することができる）。
・ＥｗはサンプルＳの電磁場反射率である（｜Ｅｗ｜２は，ミラー２８が，ミラーからの反射光が対物レンズユニットと交差しない軸に沿って伝播するチルト位置で測定することができる）。
・ｋ＝２π／λ
・ｚはミラー２８面とサンプル面ＭＰとの光路差である。
Figure 2023514421000005
上記φは干渉位相である。
ここで，分光計の分解能のための干渉反射測定を考察する。分光計の各画素には有限のスペクトル幅がある。簡単にするために，各画素が以下の範囲で平均化されていると考える。
Figure 2023514421000006
干渉方程式は，以下のとおりである。
Figure 2023514421000007
光路差（ＯＰＤ）条件ＯＰＤ＜＜λの場合，干渉方程式は，以下のとおりである。
Figure 2023514421000008
ＯＰＤ＞＞λの場合，以下のとおりである。
Figure 2023514421000009
したがって，一般的には，（可視波長の場合のように）サンプルの頂面反射のみが検出される干渉反射測定の場合には，サンプルからの電磁場反射Ｅｗは干渉信号の測定強度のベースラインすなわち「ＤＣ」成分から抽出することができ，位相データは測定データの変動すなわち「ＡＣ」成分から抽出することができる。この目的のために，サンプルの反射の「基準」測定がミラーの寄与なしに実行され，次に，光路差を変化させながら（たとえばミラー２８を移動させて），複数（たとえば，４つ）の干渉測定が実行される。
発明者は，広帯域干渉スペクトルで動作する場合，サンプル反射（すなわち頂面反射）の「所望の」成分が，数回の干渉測定（たとえば少なくとも４回のかかる測定）において光路差とともに変化する測定振幅のプロファイルである変動成分から抽出され得ることを示した。この方法は可視チャネルスペクトル干渉法に使用することができる。しかしながら，この技術の利点は，ＩＲスペクトルを使用する場合にさらに重要であり，その場合，この技術によって，干渉計の限られた時間コヒーレンスに基づいて，サンプルの裏面からの寄与を分離することができる。
ＩＲスペクトル干渉法に関するこの発明の技術の説明を以下に示す。ここでは簡単にするために，サンプルと干渉計ミラーの反射特性に関する幾つかの仮定を行った。しかしながら，この発明の原理はこれらの仮定に依存するものではなく，それらは説明を単純化するためにのみ使用されることを理解されたい。
分光計の時間コヒーレンス（temporal coherence of a spectrometer）は，そのスペクトル分解能によって決まる（dictated）。この目的のために，λｉ－δ＜λ＜λｉ＋δのスペクトル範囲を測定する分光計上の特定画素を考える。ここで，λｉはこの画素によって読み取られた中心波長であり，δはそのスペクトル帯域幅を決定する。
λｉについての画素の測定強度は，以下の式で与えられる。
Figure 2023514421000010
測定干渉強度は，干渉計ミラーＥｍ（λ）から反射された場とサンプルＥｗ（λ）から反射された場との間の干渉によって定義される。
干渉計ミラーの材料組成は，その反射率が急激なスペクトル変化を有さないように選択される。単一画素のスペクトル帯域幅は概して非常に狭い（典型的には約１ｎｍ～数ｎｍ）ので，この範囲のミラー反射率は一定であり，Ｅｍ（λ）≒Ｅｍ（λｉ）のように仮定することができる。
このスペクトル範囲におけるサンプル反射率は同様にほぼ一定である（典型的なサンプルも，かかる狭いスペクトル範囲内で顕著なスペクトル変動を示すことはまれである）。ただし，以下の２つの寄与から構成されている点が異なる。
Figure 2023514421000011
第１の項Ｅｔｏｐ（λ）はサンプルの頂部からの反射に関する。画素のスペクトル帯域幅にわたって（概ね）変化しない反射率の単純化の仮定の下では，Ｅｔｏｐ（λ）≒Ｅｔｏｐ（λｉ）の条件を用いることができる。
第２の項
Figure 2023514421000012
 は，サンプルの底部からの反射に関連するもので，底部反射率Ｅｂｏｔ．（λ）とサンプル中を移動する追加の位相
Figure 2023514421000013
 を含み，これは，この項と頂面反射との間の位相差と，光がサンプル内を通過する際に通る光路ｚに関連する。
ここで，２ｈは全サンプル厚さの２倍であり，光がサンプルの底部に下り（goes down），その頂部に戻る際に通る経路である。実際には，光は２つのサンプルの側面間で複数の反射を経ることがあるが，簡単化のため，これらの項は解析では無視される。
同様に，Ｅｂｏｔ．（λ）≒Ｅｂｏｔ．（λｉ）と仮定することができる。しかしながら，振動項
Figure 2023514421000014
 は，画素のスペクトル範囲にわたって一定であると仮定することができないことに留意すべきであり，これは，係数２ｎｈは，ある種のサンプル，たとえばＳｉ，ｎ～４およびｈ～７００μｍについて非常に大きくなり得るからである。
測定強度は，サンプルおよびミラーから反射された電磁場の干渉によって決定される。ミラー２８の位置ｚは複数の値を介して制御可能に走査され，反射された位相および振幅の両方を導出することができる複数の干渉スペクトルを提供する。
特定のミラー位置ｚに対して，特定の波長λに対する強度は，以下の式（４）によって与えられる。
Figure 2023514421000015
λｉについて画素で測定される強度は，以下の式で与えられる。
Figure 2023514421000016
上記の仮定の下では，この強度は以下のように与えられる。
Figure 2023514421000017
ここでは次のように定義する。
・Ｉ０（λｉ）≡｜Ｅｔｏｐ（λｉ）｜２＋｜Ｅｂｏｔ．（λｉ）｜２＋｜Ｅｍ（λｉ）｜２ （６）
これは，ミラー位置ｚに依存せず，サンプルの裏面のＥｂｏｔからの反射に関係する信号寄与を表す。
したがって，ＵＶ－ＶＩＳスペクトルを使用する測定とは異なり，ＩＲスペクトルで動作する場合，測定信号のＤＣ部分Ｉ０（λｉ）は頂面反射Ｅｔｏｐを抽出するために使用することはできない。Ｅｂｏｔと結合されているためである。
Figure 2023514421000018
これは，ミラーから反射された光と，干渉測定の対象となる実際の構造（すなわち，所望の成分）であるサンプルの頂部から反射された光との間の干渉に関する。
上記式（７）は，以下のように異なって書くことができる。
Figure 2023514421000019
ここで，φ（λｉ）は，ミラーからの電磁場反射とサンプル頂面との間のスペクトル位相である。スペクトル干渉計による測定特性は｜Ｅｔｏｐ（λｉ）｜およびφ（λｉ）を含んでいる。
Figure 2023514421000020
これは，サンプル底面からの反射とミラーとの干渉に関する。
ミラー位置（ｚ）は，サンプルとミラーとの間の位相を変化させる影響を測定するために使用されるので，典型的には測定波長のオーダーであることに留意すべきである。したがって，それは数百ｎｍまたはせいぜい数ミクロンの典型的な値であり，いずれの場合にも，それはサンプルの裏面からの反射によって表される光路長，すなわち２ｎｈよりも著しく小さい。
項
Figure 2023514421000021
 は積分から抽出できる。実際，
Figure 2023514421000022
 となる。
Figure 2023514421000023
 を並べ替えることは，積分に伴って
Figure 2023514421000024
 の値がほとんど変化しないため，上記積分から抽出できることを意味する。
ＩＢ（λｉ）における積分項は，時間的デコヒーレンス（temporal decoherence）に関連するもので，サンプルの裏面からの干渉が画素上で平均化される高振動信号を生成するという事実を反映する。
具体的には，ｎ～４，ｈ～７００μｍおよび分光計画素の典型的なスペクトル応答（たとえば，δ～１ｎｍのスペクトル帯域幅）および～２０００ｎｍの測定波長の場合，この項は，信号の＜１０－１０のオーダーの減衰を表し，この寄与が測定から効果的に完全に除去される。
したがって，スペクトル干渉測定信号は以下のように表すことができる。
Figure 2023514421000025
ここで，項Ｉ０（λｉ）はサンプル裏面からの反射の影響を含むが，干渉計ミラー位置ｚから独立している（無関係である，independent）。｜Ｅｔｏｐ（λｉ）｜およびφ（λｉ）はスペクトル干渉ユニットで測定可能な特性である反射場振幅および位相であり，｜Ｅｍ（λｉ）｜はミラー反射率であり，ｚはミラー位置である。
ｚ非依存項であるＩ０（λｉ）は，サンプルの裏面からの反射の影響を受けるが，ｚ依存項
Figure 2023514421000026
 にはかかる影響がないことが示されている。したがって，この発明によれば，必要な頂面反射Ｅｔｏｐ（λｉ）は，ｚ依存（ＯＰＤ依存）測定強度プロファイルから抽出される。
この発明による測定スキームを例示する図２，図３および図４を参照する。図２においてこの発明の方法のフロー図１００に示すように，一度測定されたミラー反射率Ｅｍ（λｉ）と，種々のミラー位置ｚで得られたＩ（λｉ，ｚ）の複数の測定値とを含む測定データが提供される。
図３は，ミラー位置ｚの変化に伴う測定強度Ｉ（λｉ）の変動を示している。このグラフは，ＡＣ成分ＩＡＣ，すなわちｚスキャン中の強度変動プロファイルを有する。図４は，２つの波長λ１およびλ２（たとえば，ＩＲスペクトルのもの）についての同様のスペクトル測定を例示する。
この発明の技術によれば，生測定データのこの部分（すなわち，ＯＰＤ値の変化に伴う強度／振幅の変動を記述する干渉信号部分）が抽出され，サンプルの頂部のスペクトル反射および位相を直接に決定するために使用される。この目的のために，異なる光路差値（ｚ値）を有する４つ以上の測定Ｉ１～Ｉ４を実行することができる。
上述したように（上述の式（１０）），サンプルの底部反射に関連するスペクトル干渉測定信号の唯一の部分は，ｚ非依存項（z-independent term）である。したがって，サンプルの頂部の反射率Ｅｔｏｐ（λｉ）および位相φ（λｉ）の両方を，振幅変動信号部分のみ，すなわちｚ変動にわたって測定される信号の強度プロファイルから抽出することができる。測定データ解釈において強度平均を無視することは，（インコヒーレントな）サンプルの裏面の反射に関係する寄与を完全に除去することを意味する。
式（１０）は，以下のように表すことができる。
Figure 2023514421000027
ここで，Ａはｚ非依存定数（すなわち，項Ｉ０（λｉ）は，サンプルの裏面からの反射の影響を幾らか含むが，干渉計ミラー位置ｚに依存しない）であり，パラメータＢ（すなわち，２｜Ｅｔｏｐ（λｉ）｜｜Ｅｍ（λｉ）｜）およびパラメータＣ（すなわち，
Figure 2023514421000028
 ）は，定数Ａを完全に無視して測定データの解釈に使用することができる。
たとえば，スペクトル振幅およびスペクトル位相は，以下のように決定することができる。
Figure 2023514421000029
図１に戻って，制御システム１４は，たとえばスペクトル干渉測定ユニット１２から，サンプルアームと基準アームとの間の光路差の少なくとも４つの異なる値，たとえば，ミラー２８の異なるｚ位置について測定スペクトル干渉信号を示す生測定データを受信する。データプロセッサ１４Ｃ（そのアナライザ３０）は，生測定データから，変動するｚ値にわたって変動する振幅の干渉信号部分を抽出し，この信号部分から頂面反射Ｅｔｏｐ（λｉ）および位相φ（λｉ）の両方を直接に決定するように動作する。
この発明は，頂部以外のサンプルの界面からの反射成分をデータ分析から直接フィルタ除去するために任意のスペクトル干渉システムとともに使用するのに好適であるが，頂部応答の直接抽出ができないＩＲ測定の解釈（interpretation of IR measurements, which otherwise does not allow direct extraction of the top portion response）に特に有用であることを理解すべきである。
この発明を利用する測定システム２００の特定の例を概略的に示す図５を参照するが，これに限定されるものではない。システム２００は，図１の上述のシステム１０と概ね同様に構成されるもので，すなわち，スペクトル干渉測定１２ユニットおよび制御システム１４を含む。同一の参照番号を用いて両方の例に共通するシステム構成要素を示す。
システム２００は，この実施例では，可視スペクトルとＩＲスペクトルの両方で広帯域入力光を提供する光源システム２１６と，本実施例では，その上に入射する光のスペクトルデータを生成する分光計（分光光度計）１８，および構造上の測定部位にナビゲートし，かつ／または干渉縞パターンを収集するための撮像検出器１９を含む検出システム２１８と，光源２１６からの光をサンプル支持体上に配置された測定中のサンプル／構造Ｓに向けて光路差誘導機構２８（たとえば，この非限定的実施例では平面参照ミラー）に向けて方向付けし，戻り光を検出システム２１６に向けるための光誘導装置として構成された光学系２２０と，を含む。検出ユニット２１６の出力は，（優先または無線の信号通信を介して）制御システム１４に通信される。
光学系２０は，光源２１６からの入力光Ｌｉｎを測定面ＭＰ（構造面）に向けて伝搬させるための照明チャネルと，被測定光Ｌｃｏｍを検出システム２１８に向けて伝搬させるための検出チャネルと，を規定するように構成されている。入力光Ｌｉｎは，ビームスプリッタ／コンバイナ２２によって対物レンズユニット２６に向けられ（反射され），対物レンズユニット２６はこの光をビームスプリッタ／コンバイナ２４に向け，ビームスプリッタ／コンバイナ２４は入力光ＬｉｎをサンプルビームＬｓａｍおよび参照ビームＬｒｅｆに分割する。これらの光ビームＬｓａｍおよびＬｒｅｆはそれぞれサンプルＳ，光路差誘導ユニット２８と相互作用し，それぞれの反射（散乱）Ｌ’ｓａｍおよびＬ’ｒｅｆはスプリッタ／コンバイナ２４によって合成光ビームＬｃｏｍに合成される。後者は，レンズユニット２６およびビームスプリッタ／コンバイナ２２によって，検出システム２１８の検出ユニット１８および１９に方向付けられる。この目的のために，光学系２０は，戻り光ビームＬｃｏｍをそれぞれ撮像検出器１９およびスペクトルセンサ（分光計）１８に方向付けられる光部分（Ｌｃｏｍ）１および（Ｌｃｏｍ）２に分割するビームスプリッタ／コンバイナ２９も含む。
この非限定的な例では，光誘導装置２０は，光源２１６からビームスプリッタ／コンバイナ２２に向かって伝播する入力光Ｌｉｎの光路にある照明チャネル内のコリメートレンズ２１と，検出ユニット１８に向かって伝播する測定光の光路にある検出チャネル内のチューブレンズ２３と，を追加的に含む。
さらに，この限定されない例では，光学系２０は，照明チャネルおよび検出チャネルにそれぞれ位置する偏光子３２および３４を含む。より詳細には，光源２１６からの入力光Ｌｉｎは，偏光子３２を通過し，特定の偏光（たとえば，直線偏光）入力光は，ビームスプリッタ／コンバイナ２２によって対物レンズ２６に方向付けられ，該対物レンズ２６は，ビームスプリッタ／コンバイナ２４に方向付けられる。後者は，偏光された入力光をサンプル偏光ビームＬｓａｍおよび参照偏光ビームＬｒｅｆに分割し，それらをそれぞれ構造物Ｓおよび参照ミラー２８に導く。構造物およびミラーからの反射は，ビームスプリッタ／コンバイナ２４によって，当該特定偏光を有する合成光ビームＬｃｏｍに合成され，合成光ビームＬｃｏｍは，対物レンズ２６およびビームスプリッタ／コンバイナ２４を通過して偏光子３４に到達し，偏光子３４は，当該特定偏光の光のみを検出システムに伝播させる。この合成偏光ビームは，ビームスプリッタ２９によって光部分（Ｌｃｏｍ）１および（Ｌｃｏｍ）２に分割され，それぞれ撮像検出器１９および分光計１８に方向付けられる。分光計１８は，各波長の強度を別々に測定し，したがって，分光計によって生成される測定データは，（画像検出器１９によっても検出することができる）スペクトル干渉パターンに対応する。
システム２００はまた，ミラー２８およびサンプル支持体のいずれかまたは両方に関連する駆動ユニット３３を含み，これは，ミラー２８およびサンプル支持体を光軸，すなわちｚ軸に沿って制御可能に移動させ，それによって光路差を誘起してスペクトル干渉パターンの時間変動をもたらす。図１には具体的に示されていないが，図１の測定ユニット１２も同様の駆動ユニットを含んでよいことに留意されたい。
上述のように収容され配向された偏光子３２および３４を使用することは，実際に交差偏光方式を提供し，暗視野測定モードをもたらすことを理解されたい。ミラー２８が使用されない場合（すなわち，入射光の光路から移動されるか，または適切なシャッタの使用によって不活性化される場合），測定ユニット１２は，スペクトル反射計として動作することができることも理解されたい。したがって，同じ測定ユニット１２を，スペクトル干渉計およびスペクトル反射計のような，２つの異なる動作モード間においてシフトさせることができる。
制御システム１４は，典型的には，図１および図２を参照して上述したように構成されかつ動作可能なコンピュータシステムである。
図１および図５の両方の例について，これらの例では屈折光学系が示されているが，部分的または完全に反射する光学系（ミラーベース）を使用することができることに留意されたい。広範な範囲のＩＲの場合には，反射光学系が好ましい可能性がある。

Claims (17)

  1. データ入力ユーティリティ，メモリおよびデータプロセッサを含むコンピュータシステムとして構成される制御システムを含み，上記制御システムが，サンプルの頂部に入射する照射電磁場に応答して上記サンプルから返され，上記サンプルが実質的に吸収しない少なくとも１つのスペクトル範囲を含む測定スペクトル干渉信号を示す生測定データを受信する測定データプロバイダとデータ通信するように構成されており，
    上記データプロセッサが，
    上記生測定データから，干渉測定中の光路差ＯＰＤの変化に伴う信号強度の変動を記述する，上記照射電磁場に応答して上記サンプルの底部から返される干渉信号から独立しているスペクトル干渉信号の部分を抽出し，
    上記スペクトル干渉信号の上記抽出された部分から，上記サンプルの上記頂部からの上記照射電磁場の反射のスペクトル振幅およびスペクトル位相の両方を直接に決定し，それによって上記サンプルの上記頂部を特徴付ける測定スペクトルシグネチャを決定する，
    ように構成されかつ動作可能なアナライザユーティリティを含む，
    光計測測定に使用するための測定システム。
  2. 上記生測定データは，ＩＲスペクトルを含む上記照射電磁場に応答して，シリコン材料からなる上記サンプルの上記頂部および底部から返された上記スペクトル干渉信号を示すデータを含む，請求項１に記載の測定システム。
  3. 上記生測定データは，ＩＲスペクトルを含む上記照射電磁場に応答して上記サンプルの上記頂部および底部ならびに１または複数の内部界面から返された上記スペクトル干渉信号を示すデータを含む，請求項１に記載の測定システム。
  4. 上記生測定データを生成して提供する上記測定データプロバイダとして構成される測定ユニットを含み，
    上記測定ユニットは，上記サンプルが実質的に吸収しない上記少なくとも１つのスペクトル範囲を含む動作波長を使用してサンプルのスペクトル干渉測定を実行するように構成されかつ動作可能である，請求項１に記載の測定システム。
  5. 上記動作波長がＩＲスペクトルを含む，請求項４に記載の測定システム。
  6. 上記制御システムは，上記測定スペクトルシグネチャにモデルベースの処理を適用して，測定中の上記サンプルの１または複数のパラメータを決定するように構成されかつ動作可能なフィッティングユーティリティをさらに含む，請求項１に記載の測定システム。
  7. 上記制御システムは，上記測定スペクトルシグネチャにモデルベースの処理を適用して，測定中の上記サンプルの１または複数のパラメータを決定するように構成されかつ動作可能なフィッティングユーティリティをさらに含む，請求項２に記載の測定システム。
  8. 上記制御システムは，上記測定スペクトルシグネチャにモデルベースの処理を適用して，測定中の上記サンプルの１または複数のパラメータを決定するように構成され動作可能なフィッティングユーティリティをさらに含む，請求項４に記載の測定システム。
  9. 上記生測定データは，
    Figure 2023514421000030
     として決定される信号強度プロファイルを有する上記スペクトル干渉測定信号を含み， ここで，Ｅｔｏｐ（λｉ）は上記頂部からの電磁場反射のスペクトル振幅であり，Ｅｂｏｔ（λｉ）は上記サンプルの上記底部からの上記電磁場反射の上記スペクトル振幅であり，Ｅｍ（λｉ）は干渉ミラーからの電磁場反射であり，λｉは上記動作波長であり，ｚは上記干渉ミラーの位置であり，φ（λｉ）は上記測定スペクトル干渉信号の上記スペクトル位相であり，上記アナライザユーティリティは，干渉信号部分
    Figure 2023514421000031
     を抽出するように構成されかつ動作可能であり，上記干渉信号部分は，上記干渉ミラーの上記位置ｚの変化に伴う信号強度の変動を記述するものであり，上記干渉信号部分は，上記サンプルの上記底部から返された干渉信号から独立したものであり，それによって上記頂部の上記電磁場反射の上記スペクトル振幅およびスペクトル位相を直接に決定することができるものである，
    請求項１に記載の測定システム。
  10. サンプルの頂部に入射する照射電磁場に応答して上記サンプルから返され，上記サンプルが実質的に吸収しない少なくとも１つのスペクトル範囲を含む測定スペクトル干渉信号を示す生測定データを提供し，
    上記生測定データを処理し，
    上記処理が，
    上記生測定データから，干渉測定中の光路差ＯＰＤの変化に伴う信号強度の変動を記述する，上記照射電磁場に応答して上記サンプルの底部から返された干渉信号から独立しているスペクトル干渉信号の部分を抽出し，
    上記スペクトル干渉信号の上記抽出された部分から，上記サンプルの上記頂部からの上記照射電磁場の反射のスペクトル振幅およびスペクトル位相の両方を直接に決定し，それによって上記サンプルの上記頂部を特徴付ける測定スペクトルシグネチャを決定する，ことを含む，
    光計測測定に使用するための方法。
  11. 上記生測定データは，ＩＲスペクトルを含む上記照射電磁場に応答して，シリコン材料からなる上記サンプルの上記頂部および底部から返された上記スペクトル干渉信号を示すデータを含む，請求項１０に記載の方法。
  12. 上記生測定データは，ＩＲスペクトルを含む上記照射電磁場に応答して上記サンプルの上記頂部および底部ならびに１または複数の内部界面から返された上記スペクトル干渉信号を示すデータを含む，請求項１０に記載の方法。
  13. 上記処理が，上記測定スペクトルシグネチャにモデルベースのフィッティングを適用して，測定中の上記サンプルの１または複数のパラメータを決定することをさらに含む，請求項１０に記載の方法。
  14. 上記サンプルが実質的に吸収しない上記少なくとも１つのスペクトル範囲を含む動作波長を使用してサンプルのスペクトル干渉測定を実行することを含む，請求項１０に記載の方法。
  15. 上記動作波長がＩＲスペクトルを含む，請求項１４に記載の方法。
  16. 上記サンプルはシリコン構造物である，請求項１０に記載の方法。
  17. 上記生測定データは，
    Figure 2023514421000032
     として決定される信号強度プロファイルを有する上記スペクトル干渉測定信号を含み， ここで，Ｅｔｏｐ（λｉ）は上記頂部からの電磁場反射のスペクトル振幅であり，Ｅｂｏｔ．（λｉ）は上記サンプルの上記底部からの上記電磁場反射の上記スペクトル振幅であり，Ｅｍ（λｉ）は干渉ミラーからの電磁場反射であり，λｉは上記動作波長であり，ｚは上記干渉ミラーの位置であり，φ（λｉ）は上記測定スペクトル干渉信号の上記スペクトル位相であり，上記干渉信号の上記抽出された部分は，
    Figure 2023514421000033
     であり，上記干渉信号の上記抽出された部分は，上記干渉ミラーの上記位置ｚの変化に伴う信号強度の変動を記述するものであり，上記干渉信号の抽出された部分は，上記サンプルの上記底部から返された干渉信号から独立したものであり，それによって上記頂部の上記電磁場反射の上記スペクトル振幅およびスペクトル位相を直接に決定することができるものである，
    請求項１０に記載の方法。
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