JP2703407B2

JP2703407B2 - 小容積サンプルセルのための無反射の偏光解析システム

Info

Publication number: JP2703407B2
Application number: JP6512270A
Authority: JP
Inventors: リジャー、デービッド・アール; ガーウッド、ジェラルド・エー・ジュニア
Original assignee: サンタ・バーバラ・リサーチ・センター
Priority date: 1992-11-12
Filing date: 1993-11-09
Publication date: 1998-01-26
Anticipated expiration: 2013-01-26
Also published as: EP0620914B1; KR100189596B1; US5402237A; WO1994011722A1; JPH07502344A; DE69310893D1; KR940704000A; EP0620914A1; DE69310893T2

Description

【発明の詳細な説明】発明の背景発明の分野本発明は小さいセル内に収められているサンプルの偏
光解析に関し、特に、窓の表面からの反射があるにもか
かわらず正確に偏光解析の測定ができるような、セルの
窓構造に関する。

従来技術の説明偏光解析法は、フィルムの厚さ、屈折率、表面酸化、
表面反応動力学、触媒作用、電気化学、腐食、パッシベ
ーション、そして陽極酸化等の、表面や表面フィルムの
特性を特徴づける非破壊性の光学技術として確立された
ものである。例えば、1975年９月発行のIndustrial Res
earch記載のSpanierによる“Ellipsometry−A Century
Old New Technique"の73乃至76ページに説明されてい
る。この技術には偏光解析法で偏光された光ビームを分
析されるサンプルの表面上に向け、表面から反射された
ビームの偏光状態における変化を決定するためにそのビ
ームを検出することが含まれ、そのような変化はサンプ
ルの表面の特性に対応する。反射における光波の垂直成
分に対する平行成分の振幅比における変化を表わすtan
Ψと、反射における光波の平行成分と垂直成分の間の
位相差における変化を表わすΔによって測定することが
できる。量ΨとΔは、表面の光定数と、使用された光の
波長と、入射の角度と、周囲媒体の光定数と、表面を覆
うフィルムの厚さと光定数の関数である。ΨとΔは両方
とも度で表わされ、これら２つの量のそれぞれ異なった
組合せは表面の状態の特有な組合せと一致する。

従来の偏光解析法測定システムは図１に簡単化された
形式で示されている。レーザ２は偏光子６によって線形
に偏光されたビーム４を発生させ、図中では線形の偏光
は偏光ベクトル８で示されている。ビームは垂線に対し
て基準的に約70゜に方向が定められ、偏光楕円12によっ
て示されているように、ビームを楕円偏光に変換するコ
ンペンセータ10を通過する。

楕円偏光されたビームは、この図において水平である
と仮定され、表面フィルム16を有しているサンプル14の
表面で反射され、アパーチャ18を通ってアナライザ20に
伝送される。アナライザは反射された線形偏光された光
の偏光平面を決める高品質の水晶の偏光子である。反射
の過程はフィルムの厚さとフィルムとサンプルの光学的
特徴とにしたがってビームの偏光を変化させる。測定す
るために、偏光子６は、線形偏光ベクトル22によって示
されているように、偏光子とコンペンセータとサンプル
とフィルムの結合した効果によってアナライザに進入し
たビームが線形に偏光されるように調整される。フィル
タ24はアナライザ20を通して伝送されたビームから不所
望な背景光を取り望き、その結果、測定は通常の室内状
態で行われ、フィルタ処理されたビームは光検出器26に
よって探知される。光検出器26はビームの強度に対応す
る電気信号を吸光メータ28に伝送する。

試料から反射されたビームが完全に線形に偏光される
には、偏光子をある一定の状態に配置しなければならな
い。そのような配置においては、ほとんど光が光検出器
に届かず、吸光メータ28が最低測定値を示す位置へアナ
ライザ20を回転させることができる。測定はそのような
２つの配置において行われ、そこから、グラフや表や計
算器を使用してフィルムの厚さと屈折率とその他の特徴
が測定される。

ある応用例においては、偏光解析法による測定は制御
された環境で行われるのが望ましい。そのような事例で
は、分析器具が設置されている環境にさらされずにサン
プルを分析することを可能にする幾つかの技術が使用さ
れてきた。そのような３つの配置が図２、３、４に示さ
れている。図２において、分析される試料30は密封され
たチャンバ32内に設置されている。チャンバ内へのビー
ム入口ポート34とビーム出口ポート36はチャンバ内の密
閉された環境を損なわずに分析ビームをチャンバ内に送
り、チャンバ外に反射するような透明な入口窓38と出口
窓40をそれぞれ有する。入口窓38を通って試料30上に向
けられた楕円偏光された進入ビーム42を生じさせ、ま
た、試料30で反射される退出ビーム44を分析するため
に、図１に示されているものに類似した装置が使用され
る。ビーム42と44はほぼ直角の角度でそれぞれの窓38と
40の表面に入射される。

図３において、密封されたチャンバ46は１つの入口／
出口ポート48だけ有しており、透明な窓50はポートを密
封している。楕円偏光された進入ビーム52は窓50を通っ
て伝送され、チャンバ内の試料30で反射される。反射さ
れたビームは反射鏡54によって再び試料上に導かれる
が、角度が変わっているため試料の別の部分で反射さ
れ、チャンバから退出ビーム56として退出する。進入ビ
ーム52と退出ビーム56は空間的にも角度的にも互いから
ずれており、退出ビームの分析は試料での二重の反射を
考慮して変更される。

図４において、別のチャンバ58はそれぞれ窓のない入
口ポート60と出口ポート62を有している。この配列は、
図２の透明な窓38と40が省略され、チャンバ58にガス注
入ポート64が設けられている点を除いて、図２のものと
同種のものである。窒素等の不活性ガス（矢印66で示さ
れている）はガス注入ポート64を通って圧力がかけられ
ているチャンバ中へ注入され、ビームポート60と62の両
方から流れ出る。この不活性ガスの外部への流動によっ
て偏光解析法による分析が行われ、一方、外部環境から
チャンバの内部と試料30が事実上密封される。

偏光解析法による測定に関するより最近の応用は小さ
い容積のセル内に含まれているサンプルの表面状態を監
視することに関するものである。この応用の目的は、マ
イクロ電子回路の製造において使用される湿式化学試薬
の容積を最小限度に抑えることである。これは図５にお
いて示され、また、マイクロ電子回路の製造に先立つ半
導体ウェーハ70上における化学処理過程のために、半導
体ウェーハ70もしくはウェーハの一部分を収容する小さ
い容積のセル68の提供が含まれている。そのような処理
には通常、清掃、エッチング、その他の湿式化学試薬の
処理過程が含まれている。

図５の特別に設計されたセル68は化学処理の過程で必
要とされる湿式化学試薬の容積を実質的に減少させ、ま
た、このことは、本発明の共同発明者であるGarald A.G
arwood,Jr.,による1992年６月19日に出願された出願番
号899,792の出願中の特許の主題である、この出願はSan
ta Barbara Research Center,すなわち本発明の出願人
に譲渡されている。半導体ウェーハ70は、セルの基体72
によって直接支持されているが、ウェーハ70の両表面に
湿式化学試薬処理を施すのが望ましい場合には、代りに
基体から隔離されて支持されることもできる。セル68は
平らな透明な蓋74で覆われており、透明な蓋74はガラス
であるのが望ましいが、基板の処理において使用される
化学物質と反応しない透明なプラスティックから形成さ
れることもできる。蓋74は、その端の周囲のボルト76に
よって基体72に固定されており、Ｏ型リング78はセルの
内部を密封するために蓋と基体の間にはさまれている。
ウェーハを処理するために使用される湿式化学物質は、
セルの外部から基体を通ってＯ型リング78の内部位置へ
延在する入力ポート80と排出ポート82によってセルを通
って循環する。蓋74とウェーハ70の間の隙間は非常に狭
くなっており、ウェーハ70とＯ型リング78の間の周辺の
間隔も同様であり、それによって、ウェーハを処理する
のに必要な湿式化学物質の容積が大幅に減少する。

化学処理されるセル68は、処理の様々な段階における
ウェーハの表面を監視するために、少なくとも理論上で
は偏光解析法による測定を適用することができる。主
に、この分析は、楕円偏光されたビーム84を蓋74を通し
てウェーハ70の上部表面上に向け、そのビームがウェー
ハで反射され蓋を通って分析のために進行するようにす
ることによって成される。実際の偏光解析法による測定
器具は図５には示されていないが、それは図１に示され
ているものと類似している。ビーム84は蓋74を通って入
る際と、出る際に屈折されるが、これらの光の角度の変
化は相殺され、退出ビームは垂線に対して進入ビームと
同じ角度で蓋から出る（蓋の表面とウェーハは平行であ
ると仮定する）。これは、標準的な偏光解析法の設定に
おいてセル68を使用する際に重要で、この設定において
はビームの進入角度と退出角度は概して固定されてい
る。

前述の小さい容積のセルで偏光解析法で測定する際に
起こる問題が図６に示されており、楕円偏光されたビー
ム84は平らな透明な蓋74の上部表面上に入射する。この
進入ビームは蓋の上部（外部）と下部（内部）表面にお
ける部分的な反射のために、セルから出る平行な光線を
生じさせる。主要な反射は、蓋の上部表面からの進入ビ
ームの最初の反射（光線86）と、蓋の上部表面と空気と
の境界において下方に屈折した後に蓋の下部表面から進
入する進入ビームの反射（光線88）と、蓋の下部表面と
空気との境界における反射の後に蓋の上部表面と下部表
面から出る退出ビームの二重の反射（光線90）である。
ウェーハ70からの反射の後に出る退出ビームは光線92に
よって示されている。多重反射により蓋から出る付加的
な平行な光線も存在するが、強度は弱いものである。使
用する化学薬品の容積を小さくするための蓋74とウェー
ハ70の間の狭い垂直な間隔のために、主要な光線86,88,
90と退出ビーム92とは一緒に集められ、そのうちの２つ
もしくはそれ以上のビームがアナライザのアパーチャに
入ることができる。しかしながら、ウェーハ70の特徴を
表わすのに望ましい情報を運ぶのはビーム92だけであ
る。他の光線はセル内でサンプルを正確に測定するのを
妨害する矛盾する不所望な情報を運ぶ。

蓋の上部表面と下部表面は望ましくない反射を減少も
しくは排除するために反射防止の塗料で被覆することが
できる。しかしながら、反射防止被覆は蓋を通りぬける
光の偏光状態にさらに変化を生じ、蓋の底部表面の被覆
は、ウェーハを処理するためにセルを通って流れるすべ
ての化学薬品にさらされてしまう。従って、反射防止被
覆を追加することは実行可能な解決方法ではない。代わ
りの解決方法は、ウェーハとセルの蓋の間の距離を実質
的に増加させることによって、反射された光線と主要な
光線92の間の間隔を増加させ、反射された光線をアナラ
イザのアパーチャから遠ざけるようにすることである。
しかしながら、これによってセルの容積が増加し、その
ために小さいセルを有する目的が無効になってしまう。

発明の概要本発明は、偏光解析の過程において、反射された光線
を主要なビームから効果的に区別する偏光解析のサンプ
ルセルを提供し、さらに、セルの蓋とセル内に収容され
たサンプルの間に狭い間隔を有する小さい容積のセルを
提供するものである。

これらの目的は、主要なビームとその反射を異なった
角度で導くように構成された偏光解析ビームのための入
口窓と出口窓をセルハウジングが含むことによって達成
され、その結果、反射でないビームが偏光解析アナライ
ザに入る。窓は、平らな内部表面と、平らな入口窓と出
口窓を形成するためにリッジから両側に傾斜している外
部表面とを有する一体の蓋が設けられるのが好ましい。
２つの窓の外部表面は平らで、また、実質的に蓋の内部
表面と等しい約１゜乃至５゜の角度を有し、リッジの両
側に対照的に配置されていることが好ましい。入口窓の
内部表面でのビームの反射が同じ入口窓の外部表面を通
ってハウジングから出るように、ハウジングはビームに
関して位置される。

新しい蓋のデザインによって小さい容積のセルの偏光
解析は容易になり、それによって清掃およびウェーハの
化学処理の効果を監視する目的に適し、操作者に依存し
ない信頼できる手段が提供される。

本発明のより詳細な特徴と利点は以下の説明と添付さ
れた図面から当業者に明らかなものである。

図面の簡単な説明図１は上記の従来技術による偏光解析法システムの模
式図を示す。

図２乃至４はビーム窓の異なる型式を用いている上記
の従来技術による偏光解析法システムの試料ハウジング
の簡単化された正面図を示す。

図５は半導体ウェーハの清掃と処理に使用される上記
の小さい容積のセルの断面図を示す。

図６は偏光解析中の図５のセルによって生じる反射の
問題を図解している部分断面図を示す。

図７は本発明による新しい偏光解析法システムのセル
の蓋の簡単化された部分断面図を示しているが、これは
正確な縮尺率で描かれていない。

図８は本発明によって提供された新しいセルの蓋の部
分断面図を示し、図７よりも正確な縮尺率で描かれてい
る。

図９は新しい蓋からの光ビームの退出角度を蓋の上部
表面の角度と屈折率の関数として示しているグラフであ
り、このグラフから本発明によって得られた測定用の較
正補正が行われる。

実施例本発明によって、主要な偏光解析ビームを蓋の外部お
よび内部表面における反射から分離するために、入口と
出口の窓が異なった角度で形成されている新しい蓋を有
する偏光解析セルが提供される。蓋の好ましい形式の実
施例は図７において、蓋94と、半導体ウェーハ96等の、
下方に位置する偏光解析サンプルと、偏光解析アナライ
ザ20と、それに関連するアパーチャ18のみが示されてい
る。蓋94は図５に示されているようなセルで用いられる
ことができ、事実上、図５に示されている平らな蓋74に
置換されることができ、同じ方法でセルに取り付けられ
ている。蓋94の上部表面（外部表面）は、入口窓98と出
口窓100に分けられ、２つの窓は中央リッジ102で出会
い、そこから各窓は蓋の反対側へ向かって傾斜してい
る。入口窓と出口窓は平らであるのが好ましいが、入口
窓と出口窓は、本発明によって得られる主要な偏光解析
ビームと反射された偏光解析ビームの間の光の分離を達
成するために、より複雑な幾何学的構造に設計されるこ
ともできる。

入口窓98と出口窓100は水平線に対して同一の角度
θ、約１゜乃至５゜の範囲内で作られるのが好ましい。
角度が大きいと主要な偏光解析ビームと反射された偏光
解析ビームの間に分散が生じるが、結果として偏光解析
法による測定を大きく歪ませる。角度が小さいと分散は
小さくなるが偏光解析法による測定に対する影響も少な
くなってしまう。上記の通り、偏光解析法による測定に
おける歪みはビームの屈折によるものであり、最終的な
測定において較正されることができる。

蓋の内部（底部）表面104は平らで、また、セルの基
体72の内部（最上部）支持表面に平行であることが好ま
しい。これは小さい内部セルの容積を考慮したものであ
るが、出口窓から放射された偏光解析ビームが垂直に対
して進入ビームと同じ角度を有する原因にもなり、これ
は標準的な偏光解析器へセルを適応するのに重要であ
る。従来の研削技術や研磨技術が、蓋を望ましい幾何学
的な形状にするために適用され、蓋は従来技術による蓋
と同じ透明な材料から形成される。

入口窓の外部表面上に向けられた進入偏光解析ビーム
106について考えてみると、ビームは入口窓の外部表面
と内部表面において屈折され、サンプル96で蓋に向けて
反射され、その後出口窓の内部表面と外部表面において
屈折され、退出ビーム108として放射され、アパーチャ1
8を通ってアナライザ20へ進む。入口窓と出口窓が対称
であるために、退出ビーム108は垂直に対して進入ビー
ム106と同じ角度で放射される。蓋の外部表面と内部表
面からのビームの部分的な反射も図６に示してあるもの
と同様に生じる。とりわけ、第１の光線110は入口窓の
外部表面から反射され、第２の光線112は入口窓の内部
表面から反射され、第３の光線114は出口窓の外部表面
と内部表面から反射される。しかしながら、反射された
光線110と112と114は主要な退出ビーム108にもはや平行
ではない。角度のある蓋の外部表面によって光線110と1
12と114は退出ビーム108とは異なった角度で導かれる。
システムの寸法を適切に選択すれば、アナライザのアパ
ーチャ18を通り抜けないように、反射された光線は退出
ビームから十分に分離される。

特定の例として、進入ビーム106と退出ビーム108は両
方とも垂直に対して70゜であり（垂直軸は図中にＶで示
してある）、蓋の材料の屈折率は1.55であり（ガラスの
屈折率に一致する）、また、入口窓と出口窓の外部表面
のピッチ角は水平線に対して１゜であると仮定する。こ
のような仮定の下では、光線110は垂直線に対して68.0
゜の角度で、光線112は76.475゜、光線114は63.851゜の
角度で放射される。

従って、主要な退出ビーム108は望ましい70゜の角度
で放射され、一方、反射された光線は退出ビーム108か
ら分離される。サンプル位置からアナライザのアパーチ
ャ18へ基準的な90mmの間隔を置くと、退出ビーム108と
任意の反射された光線の間の最小角度差（70.0−68.0＝
2.0゜）によって、主要ビームと反射された光線の間の
変位がアパーチャ位置において3.1mmという最小のもの
になる。これは典型的なアパーチャの直径1.8mmより大
きく、また、典型的なビームの直径1mmよりも大きい。
反射に妨害されることなく、望ましく小さい容積のセル
内に含まれているサンプル上で偏光解析法による測定が
可能となる。

入口窓の内部表面から反射された光線112がリッジ102
の入口窓側の蓋から放射され、主要な退出ビーム108が
リッジ102の出口窓側から放射されるために、セルに関
して進入ビーム106を非常に慎重に整列する必要があ
る。もし、光線106と108が同じ窓を通って放射された
ら、それらは平行になる。図８は、図７の修正図で、そ
れは小さいセルの適用を考慮した寸法とより正確に示
し、ビームを正確に整列する必要を示している。蓋94と
半導体ウェーハ96との間の間隔が狭いため、反射された
光線112は主要な退出ビーム108に近接している。入口窓
と出口窓とを分離しているリッジ102は、光線112を退出
ビーム108から分離するためにはっきりと輪郭が示さ
れ、また、過度に丸くないのが望ましい。ビームの直径
が1mmでθ＝１゜とすると、光線112と退出ビーム108が
確実にリッジの反対側にくるようにするには、蓋の内部
表面と基板上部表面の間の最小の間隙の大きさは0.31mm
であり、θ＝２゜であるとすると、最小の間隔の大きさ
は0.25mmである。

蓋の外部表面の角度は、主要なビーム106がサンプル
の表面に入射する角度を変化させ、これによってビーム
の偏光に対するサンプルの効果を変化させる。大きい角
度θは、蓋に関するビームの位置決めにおいて要求され
る正確度を減少させるが、ビームがサンプルに入射する
角度の変移が増加し、従って、偏光解析法による測定に
おいて大きな変化が生じる。この効果は図９に示されて
おり、進入ビームがサンプルに入射する（垂線に対す
る）角度が、屈折率ｎの異なった値についてθに対して
曲線で示されている。偏光解析値におけるこの変化は、
セルの内側と外側両方の既知のサンプルを測定すること
によって補償されることができ、２つの測定の間で較正
チャートを作ることができる。後にセル内の未知のサン
プルを測定する際、較正チャートは、角度のある蓋によ
って誘発されたビーム角度の変化に対する影響を排除す
ることによって測定された結果を調整するのに使用する
ことができる。

同種の方法で、ビームがサンプルに入射する角度にお
けるいかなる変化にも関係なく、蓋を通してビームを送
ることによって偏光解析パラメター値に適度な変化が起
こる。内部表面と外部表面が平行で厚さが大きい蓋を使
用し、放射された光線を分けるために蓋とサンプルの間
に広い間隔を与えて既知のサンプルを測定することによ
って、再び較正チャートを作成することができる。

蓋の厚さは一般的に約4mm程度である。理論的には、
より薄くすることができるが、これによって蓋を縁部で
ベースにねじで取り付けるために必要な強度と剛性が損
なわれてしまう。厚い蓋は大きいセルに使用され、典型
的に４乃至8cmの幅を有する。

本発明に関する特定の実施例が示されているが、多数
の変更や代りの実施例が当業者によって行われ得る。例
えば、入口窓と出口窓を分離するために、蓋の外部表面
が鋭いリッジの形よりも丸いドーム形である場合、偏光
解析ビームに関して蓋の整列の正確度は増加するが、結
果的に退出ビームは進入ビームとは異なった角度を有す
ることになる。従って、本発明では添付された請求の範
囲によってのみ限定される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献実開昭63−35950（ＪＰ，Ｕ) 実開昭63−115746（ＪＰ，Ｕ) 実開平４−32062（ＪＰ，Ｕ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】偏光解析法で分析されるサンプルを保持す
る手段と、楕円偏光されたビームを前記サンプル上に導
く手段と、サンプルから反射されたビームを分析する手
段とを有する偏光解析システムにおいて、前記サンプル
保持手段は、前記サンプルを収容するハウジングと、実質的に前記ビームを通過させ、一部は前記ビームを反
射する前記ハウジング用の入口窓と出口窓とを具備し、
前記入口窓と出口窓は前記ハウジングに関する１個の蓋
の各部分を構成し、前記窓の各部分は前記ビームに対し
てそれぞれ異なった角度で設けられており、前記窓は前
記窓からの反射ではないビームを前記分析手段に入るよ
うにを向け、窓からの反射を異なった角度に向けるよう
に構成されている偏光解析システム。
【請求項２】前記蓋の内部表面は実質的に平であり、外
部表面はリッジの両側で傾斜しており、前記リッジの向
い合う側は入口窓と出口窓をそれぞれ具備している請求
項１記載の偏光解析システム。
【請求項３】前記蓋の内部表面は、前記楕円偏光された
ビームを前記サンプル上に導く手段の軸とビームを分析
する手段の軸に実質的に等しい角度で配置され、前記リ
ッジの両側の外部表面は実質的に平坦である請求項２記
載の偏光解析システム。
【請求項４】前記入口窓と出口窓の外部表面は蓋の内部
表面に対して実質的に等しい角度で配置されている請求
項２記載の偏光解析システム。