JP4256137B2 - デュアル・ビーム対称高さシステムおよび方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に、試料の高さを求めるシステムおよび方法に関する。いくつかの実施態様は、処理ツール、測定ツール、または検査ツールに結合されたデュアル・ビーム対称高さセンサを含むシステムおよび方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
論理デバイスおよび記憶デバイスのような半導体デバイスの製造には、一般に、いくつかの半導体製造プロセスを使用して半導体ウエハのような試料を処理して、半導体デバイスの様々なフィーチャおよびマルチ・レベルを形成することが含まれる。例えば、リソグラフィは、一般に導体ウエハに配列されたレジストにパターンを転写することを含む半導体製造プロセスである。半導体製造プロセスの他の例には、化学機械研磨、エッチング、堆積、およびイオン打込みがあるが、これに限定されない。多数の半導体デバイスを半導体ウエハ上に配列させて製造し、それから個々の半導体デバイスに分離することができる。
【０００３】
半導体デバイスのフィーチャの寸法が絶えず縮小し続けるにつれて、うまく製造することができる最小のフィーチャ寸法は、リソグラフィおよびエッチングのプロセスのような半導体製造プロセスの性能特性で制限されることが多い。リソグラフィ・プロセスの性能特性の例として、分解能、チップ全体の線幅ばらつき、およびウエハ全体の線幅ばらつきがあるが、これに限定されない。光リソグラフィでは、そのような性能特性は、使用レジストの品質、レジストの性能、露光ツール、およびレジストを露光するために使用される光の波長のようないくつかのプロセス・パラメータで決定される。しかし、最小フィーチャ寸法を分解する能力は、露光後ベーク・プロセスの温度または露光プロセスの露光量のようなリソグラフィ・プロセスの他のクリティカルなパラメータに強く依存している。そのようにして、リソグラフィ・プロセスのような半導体製造プロセスの分解能に対してクリティカルなプロセスのパラメータを制御することは、半導体デバイスを製造の成功にとって、ますます重要になっている。
【０００４】
クリティカルなプロセス・パラメータの制御には、一般に、分解能、チップ全体の線幅ばらつき、およびウエハ全体の線幅ばらつきのような半導体製造プロセスの性能特性を調べることが含まれる。しかし、半導体材料およびプロセスの進歩とともに半導体デバイスの寸法が縮小し続けるにつれて、半導体デバイス中の微小なフィーチャを検査し、微小な欠陥を検出することは、ますます困難になっている。微小なフィーチャおよび欠陥を検査するために使用される測定ツールの分解限界を高めることにかなりの研究が向けられている。光学顕微鏡には、一般に、ほぼ２００ｎｍの固有の分解限界があり、現在の製造プロセスでの実用性は制限されている。しかし、電子ビームを使用してデバイスを検査する顕微鏡は例えば数ナノメートル程度の小さなフィーチャ寸法を調査するために使用することができる。したがって、電子ビームを使用して半導体デバイスを検査するツールは、半導体製造プロセスにとって不可欠なものになって来ている。例えば、近年、走査型電子顕微鏡が半導体デバイスの検査にますます一般的なものになっている。走査型電子顕微鏡では、一般に、試料の上に電子ビームを走査し、試料から反射、散乱、または透過した電子を検出して試料の像が生成される。
【０００５】
各半導体デバイス製造プロセスで、粒子汚染およびパターン欠陥のような欠陥が半導体デバイスに導入されることがある。そのような欠陥は、数百の半導体デバイスを含む半導体ウエハ上のただ１つの半導体デバイスに対して孤立していることがある。例えば、孤立欠陥は、製造環境中の粒子汚染の予期しない増加、または半導体デバイスの製造で使用されるプロセス化学薬品中の汚染の予期しない増加ような偶発的な事象によって生じることがある。もしくは、欠陥は、半導体ウエハ全体に形成される各半導体デバイスに繰り返されることがある。例として、繰返し欠陥は、レチクル上の汚染または欠陥によって規則正しく生じることがある。レチクル、またはマスクは、半導体ウエハの上に配置され、かつ、半導体ウエハ上のレジストに転写されるパターンに配列された実質的透明領域と実質的不透明領域とを有する。したがって、レチクル上の汚染または欠陥は、レジストに転写されるパターン中にも再生され、後の処理で半導体ウェハ全体にわたって形成される各半導体デバイスのフィーチャに望ましくない影響を及ぼす。
【０００６】
半導体ウエハ上の欠陥は、一般に、目視検査で手作業で監視することができる。リソグラフィ・プロセス中に生じた多くの欠陥は裸眼で見えるので、リソグラフィ・プロセスでは特にそうである。そのような欠陥には、このステップ中での不完全なプロセスで生じるマクロな欠陥が含まれることがある。人の目で見える欠陥は、一般に、横方向の寸法が約１００μｍ以上である。しかし、約１０μｍ程度の小さな横方向寸法の欠陥も、半導体ウエハのパターン形成されていない領域では目に見える。目視検査法の例がＳｃｏｔの米国特許第５，０９６，２９１号に示されており、完全に述べられるように参照により本明細書に組み込まれる。Ａｄｄｉｅｇｏの米国特許第５，９１７，５８８号およびＲｏｓｅｎｇａｕｓ等の第６，０２０，９５７号に示されているシステムのような自動欠陥検査システムが市販される前に、手作業検査は最も一般的であったし、また、依然としてリソグラフィ技術者が使用する最も主要な検査方法である。これらの特許は、あたかも完全に述べたかのように参照して本明細書に組み込む。
【０００７】
自動検査システムが開発されて、ウエハ表面を検査するために要する時間が減少した。そのような検査システムは、一般に、照明システムおよび集光検出システムのような２つの主要な構成要素を含む。照明システムは、光ビームを作ることができるレーザのような光源や光ビームを収束走査するための装置を含む。表面に存在する欠陥は入射光を散乱させる。検出システムはこの散乱光を検出し、検出光を電気信号に変換し、この電気信号を測定し、計数し、オシロスコープまたは他のモニタに表示することができる。そのような検査システムの例は、Ｓｔｅｉｇｍｅｊｅｒ等の米国特許第４，３９１，５２４号、Ｈｅｅｂｎｅｒ等の第４，４４１，１２４号、Ｋｏｉｚｕｍｉ等の第４，６１４，４２７号、Ｈａｙａｎｏ等の第４，８８９，９９８号、およびＡｌｌｅｍａｎｄ等の５，３１７，３８０号に示されている。これら全てを、あたかも完全に述べたかのように参照して本明細書に組み込む。
【０００８】
処理ツール、測定ツール、および検査ツールのような半導体デバイスを製造するために使用されるシステムは高さセンサを含むことがある。高さセンサは、ウエハを処理する前にシステム内にウエハを位置決めするために使用する。高さセンサは、様々な用途に様々な構成で使用することができる。例えば、高さセンサは、ウエハ・プローブの用途で使用することができる。そのような高さセンサの例は、Ｆｒｅｄｒｉｋｓｅｎ等の米国特許第４，３２８，５５３号、Ｓａｍｓａｖａｒ等の第５，９４８，９７２号に示されており、これらは、あたかも完全に述べたかのように参照して本明細書に組み込む。さらに、高さセンサはウエハ検査の用途で使用することができる。そのような高さセンサの例は、Ｗａｔａｎａｂｅ等の米国特許第６，１０７，６３７号、Ｋａｗａｎａｍｉ等の第６，１４０，６４４号、およびＨｉｒｏｉ等の第６，１７２，３６５号に示されており、これら全てを、あたかも完全に述べたかのように参照して本明細書に組み込む。
【０００９】
測定ツール、顕微鏡およびリソグラフィ・ツール用に構成された高さセンサの他の例は、Ｅｃｋｅｓ等の米国特許第４，７８８，４３１号、Ｄｏｒａｎ等の第５，５８５，６２９号、およびＬｏｏｐｓｔｒａの第６，２０８，４０７号に見いだすことができ、これらを、あたかも完全に述べたかのように参照して本明細書に組み込む。例えば、Ｌｏｏｐｓｔｒａは、各基板フィールドの高さ測定で、フィールドと第１の高さセンサを、投影ビームの軸に垂直な面内で相対的に移動することを開示している。第２の高さセンサは基板支持基準面の高さを測定するために使用され、関連した基板フィールドの理想的な高さと関連した基板支持基準面の高さが後で計算され、保存される。基板が投影ビーム内に導入された後で、基板フィールドごとの高さの値を第３の高さセンサを用いて調べる。
【００１０】
【特許文献１】
米国特許第５，０９６，２９１号
【特許文献２】
米国特許第５，９１７，５８８号
【特許文献３】
米国特許第６，０２０，９５７号
【特許文献４】
米国特許第４，３９１，５２４号
【特許文献５】
米国特許第４，４４１，１２４号
【特許文献６】
米国特許第４，６１４，４２７号
【特許文献７】
米国特許第４，８８９，９９８号
【特許文献８】
米国特許第５，３１７，３８０号
【特許文献９】
米国特許第４，３２８，５５３号
【特許文献１０】
米国特許第５，９４８，９７２号
【特許文献１１】
米国特許第６，１０７，６３７号
【特許文献１２】
米国特許第６，１４０，６４４号
【特許文献１３】
米国特許第６，１７２，３６５号
【特許文献１４】
米国特許第４，７８８，４３１号
【特許文献１５】
米国特許第５，５８５，６２９号
【特許文献１６】
米国特許第６，２０８，４０７号
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
処理システム、測定システム、または検査システムのための焦点調節サブ・システムとして使用することができるいくつかの高さセンサを現在入手できる。これらの高さセンサの多くは、スルー・ザ・レンズ構成のシステムでオンアクシスでシステムに結合することができる。本明細書で使用するような「スルー・ザ・レンズ」という用語は、一般に、高さ測定位置がリソグラフィ・システムまたは測定システムのサンプルの位置と実質的に同じで、かつ、高さセンサの光がこのリソグラフィ・システムまたは測定システムの少なくとも１つのレンズを通過するシステムのことを言う。したがって、これらの高さセンサの多くは、機械的および／または物理的制約でシステムへの使用が限定されるものである。オンアクシスまたはオフアクシスでシステムに結合することができる他の高さセンサが現在入手可能である。本明細書で使用するような「オンアクシス高さセンサ・サブシステム」という用語は、一般に、高さ測定位置がリソグラフィ・システムまたは測定システムのサンプルの位置と実質的に同じであるシステムのことを言う。本明細書で使用するような「オフアクシス高さセンサ・サブシステム」という用語は、一般に、高さ測定位置がリソグラフィ・システムまたは測定システムのサンプル位置と同じでないシステムのことを言う。しかし、そのような高さセンサは、ウエハ・パターン誘起測定誤差のために高いレベルの精度を達成できないであろう。
【００１２】
ウエハのような試料の上または内部に形成することができるトポグラフ的フィーチャのような試料のパターン、回折効果、および／または薄膜干渉効果は、検出器上に投射されるスポットのような高さに感知な像に影響を及ぼすことができる。そのような検出器は、例えば、位置感知検出器（「ＰＳＤ」）またはデバイスを含むことがある。ＰＳＤ上の重心の位置を使用して、試料の高さを求めることができる。試料のパターンによって、ＰＳＤ上の像の強度は最高で約９０％減少することがある。また、パターンによって、ＰＳＤ上の像を横切る強度にばらつきが生じる場合、重心の見かけ上の位置がシフトする可能性がある。したがって、重心の見かけ上の位置のそのようなシフトによって、試料の高さ測定に誤差が導入される。最悪のシナリオでは、例えば、高さセンサ・サブシステムの軸に垂直と測定されるように、重心の見かけ上の位置が、試料の表面の光のスポット・サイズの４分の１程度横方向にシフトすることがある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
半導体デバイス製造でより小さなデバイス寸法、より高い処理能力および歩留り、およびより安い製造コストに対する需要の増加は、処理システム、測定システム、および検査システムの高さセンサ・サブシステムに対する精度および速度の向上の要求となっている。本明細書で説明するような高さセンサ・サブシステムの実施態様は、半導体ウエハのような試料の高さを調べまたは決定するように構成されたデュアル・ビーム対称高さセンサを含むことができる。処理システム、測定システム、または検査システムのようなシステムのＺ軸微細高さ調整を駆動させるために使用することができる誤差信号をこの高さセンサが生成することができる。このようにして、試料の表面とシステムの光学コラム（optical column）の間に、実質的に一定のワーキング間隔を維持することができる。このシステムの対称光学設計によって、高さ測定におけるパターン誘起誤差を減少させることができ、または実質的になくすることさえもできる。例えば、システムの光学設計は、実質的に非対称表面を有する試料またはウエハの高さを比較的高い感度で測定するように構成することができる。したがって、そのような高さセンサを使用して、誤差信号中のパターン誘起誤差をなくすることで、高い精度でシステム内に試料を位置決めすることができる（すなわち、約＋／−１μｍ以下のオーダで）。
【００１４】
本明細書で説明するようなシステムは、ほぼ実時間で試料の絶対高さを維持するように構成することができる。例えば、ウエハの検査中に高さセンサを使用して、ウエハが置かれているステージを移動させながら、実質的に焦点の合った光ビームをウエハ上に維持することができる。このようにして、検査前に試料の焦点マップの作成をなくすることができる。例えば、焦点マップの作成は、処理、測定、または検査の前に試料を横切る複数の位置で試料の高さを調べることを含むことができる。作成された焦点マップは、それから、処理、測定、または検査中に使用して、処理、測定、または検査が行われている試料上の位置に依存して試料の高さを変えることができる。そのような焦点マップの作成で、処理時間が増す。したがって、本明細書で説明するような高さセンサ・サブシステムは、処理時間を減少させることができ、それによって、そのようなシステムの処理能力を高めることができる。
【００１５】
そのような高さセンサは、オンアクシスまたはオフアクシスの構成でシステムに結合することができる。このようにして、高さセンサは、処理ツール、測定ツール、または検査ツールの機械的および物理的制約に適合することができる。
【００１６】
１つの実施態様では、システムは試料の高さを調べるように構成することができる。このシステムは、実質的に反対の方位角でかつ実質的に等しい入射角で、第１と第２の光ビームを試料の表面に向けるように構成された照明システムを含むことができる。このようにして、第１と第２の光ビームは試料の表面の実質的に同じ領域を照明することができる。この照明システムは、ハロゲン化金属ランプのような広帯域光を放出するように構成された光源とすることができる。もしくは、照明システムは、光源に結合された光ファイバを含むことができる。さらに、照明システムは、光源で照明される２個の絞りも含むことができる。この２個の絞りの各々は、約４００μｍから約８００μｍの直径を有する開口を含むことができる。例えば、２個の絞りの各々は、約６００μｍの直径を有する開口を含むことができる。
【００１７】
照明システムは、試料の表面に対して比較的浅い入射角で第１と第２の光ビームを向けるように構成される。例えば、第１と第２の光ビームと試料の表面の間の入射角は、約４゜から約１０゜である。しかし、システムの物理的制限に依存して、約１゜から約４５゜の範囲にあることができる。さらに、試料の表面の照明される領域は、楕円状スポット、長方形状スポット、または正方形状スポットを含むことができる。スポットの形状は、例えば照明システムおよび／または絞りに依存して変化することができる。
【００１８】
他の実施態様では、本システムは、試料の表面から鏡面反射された第１の光ビームを集めるように、かつ試料の表面から鏡面反射された第２の光ビームを集めるように構成された集光システムを含むことができる。例えば、この集光システムは、２個の結像レンズを含むことができる。第１と第２の光ビームの鏡面反射された部分は、実質的に反対の方位角および実質的に等しい入射角に沿って伝わることができる。したがって、この２個の結像レンズは、実質的に対向する方位角でかつ実質的に等しい入射角で位置付けることができる。
【００１９】
１つの実施態様では、本システムは第１と第２のビーム・スプリッタも含むことができる。第１のビーム・スプリッタは、第１の集められた光ビームを第１の検出器に向けるように構成することができる。第２のビーム・スプリッタは、第２の集められた光ビームを第２の検出器に向けるように構成することができる。また、第１と第２のビーム・スプリッタは半透明ミラーで置き換えることができる。第１と第２の検出器は、ＰＳＤ、ＣＣＤアレイ、またはＴＤＩカメラでよい。第１と第２の検出器は、検出器上の光ビームの位置を決定するように構成可能な任意の検出器を含むこともできる。検出器は、出力信号を生成するように構成することができる。例えば、第１の検出器は、第１の集められた光ビームに応答して出力信号を生成するように構成することができる。さらに、第２の検出器は、第２の集められた光ビームに応答して出力信号を生成するように構成することができる。さらに、第１の検出器で生成された出力信号は、第１の検出器上の集められた第１の光ビームの位置に応答することができる。同様に、第２の検出器で生成された出力信号は、第２の検出器上の集められた第２の光ビームの位置に応答することができる。
【００２０】
追加の実施態様では、本システムは差動増幅器のようなデバイスを含むことができる。このデバイスは、第１と第２の検出器からの出力信号を受け取るように構成される。さらに、このデバイスは、出力信号から比較または誤差信号を生成するようになっている。比較信号は試料の高さに応答する。また、比較信号は試料のパターン形成されたフィーチャとは実質的に無関係である。このようにして、比較信号は、約＋／−１μｍ以下の高さ精度を有することができる。
【００２１】
１つの実施態様では、本システムは、処理デバイスを含むことができる。この処理デバイスを、比較信号を受け取るように構成することができる。さらに、この処理デバイスを、比較信号に応答して試料の高さを変えるように構成することができる。例えば、処理デバイスは、試料を支持するステージの位置を変えることで、または試料に焦点を合わせるように光学コラムの焦点を調整することで、試料の高さを変えるように構成されることができる。例えば、処理デバイスは、検査ツール、測定ツール、または処理ツールでよい。このツールは、検査、測定、または処理中に、光学コラムと試料の間に実質的に一定のワーキング間隔を維持する閉ループ・システムを含むことができる。
【００２２】
追加の実施態様は、試料の高さを調べまたは決定する方法に関する。本方法は、実質的に反対の方位角でかつ実質的に等しい入射角で第１と第２の光ビームを試料の表面に向けることを含む。このようにして、第１と第２の光ビームは、試料の表面の実質的に同じ領域を照明する。第１と第２のビームは、約４゜から約１０゜の入射角で表面に向ける。しかし、入射角は、システムの物理的制約に依存して１゜から４５゜の範囲であってよい。試料の表面の照明される領域は、例えば照明システムの構成に依存して、楕円状スポット、長方形状スポット、または正方形状スポットであることができる。照明システムは、本明細書で説明する実施態様のいずれかとして構成することができる。
【００２３】
さらに他の実施態様では、本方法は、試料の表面から鏡面反射された第１と第２の光ビームを集めることを含むことができる。本方法は、また、集められた第１の光ビームを第１の検出器に向け、かつ第２の集められた光ビームを第２の検出器に向けることを含む。第１と第２の検出器を、本明細書で説明するように構成することができる。さらに、本方法は、第１の集められた光ビームに応答する出力信号を生成すること、および第２の集められた光ビームに応答する出力信号を生成することを含む。さらに、出力信号の生成は、さらに第１の検出器上の第１の集められたビームの位置に応答し、また、さらに第２の検出器上の第２の集められたビームの位置に応答することができる。
【００２４】
本方法は、出力信号から比較信号を生成することをさらに含む。例えば、本方法は、第１と第２の集められた光ビームに応答する出力信号を差動増幅器に送ることを含む。差動増幅器で生成される比較信号は、試料の高さに応答することができる。さらに、比較信号は、試料上のパターン形成されたフィーチャとは実質的に無関係である。このようにして、比較信号は、約＋／−１μｍ以下の高さ精度を有することができる。
【００２５】
１つの実施態様では、本方法は、比較信号に応答して試料の高さを変えることを含む。例えば、試料の高さを変えることは、処理、測定または検査中にシステムの光学コラムと試料の間に実質的に一定のワーキング間隔を維持することを含む。さらに、試料の高さを変えることは、試料を支持するように構成されたステージの位置を変えることを含む。もしくは、本方法は、比較信号に応答して光学コラムの焦点設定を変えることを含む。
【００２６】
さらに追加の実施態様は、１つの方法で製造することできる半導体デバイスに関する。半導体デバイスの製造方法は、ウエハのような試料に半導体デバイスの一部を形成することを含む。さらに、この方法は、上で説明した実施態様のいずれかを含むこともできる。
【００２７】
本発明のさらなる利点は、以下の好ましい実施形態の詳細な説明の助けにより、また添付の図面を参照するするときに、当業者には明らかになると思われる。
【００２８】
本発明は様々な修正および変更形態が可能であるが、そのうちの特定の実施形態を例として図面に示し、本明細書で詳細に説明する。図面は一定の縮尺に応じていない可能性がある。しかし、図面およびそれの詳細な説明は、本発明を開示された特定の形態に制限する意図ではなく、それどころか、本発明は、添付の特許請求項で定義されるような本発明の精神および範囲内に入る全ての修正物、均等物、および代替物を含む意図であることを理解されたい。
【００２９】
【発明の実施の形態】
図面に注目すると、図１はオンアクシス高さセンサ・サブシステムの実施形態を示す。「オフアクシス高さセンサ・サブシステム」という用語は、一般に、高さ測定位置がリソグラフィ・システムまたは測定システムのサンプル位置と同じでないシステムのことを言う。本明細書で使用されるような「オンアクシス高さセンサ・サブシステム」という用語は、一般に、高さ測定位置が、図示しないが軸２４に沿って位置するリソグラフィ・システムまたは測定システムのサンプル位置と実質的に同じであるシステムのことを言う。例えば、図１に示すように、処理システム、測定システム、または検査システム上にあるようなオンアクシス高さセンサ・サブシステムは、傾斜角１１で光１０を試料１２の表面に向けることができる。
【００３０】
このシステムは試料１２の高さを求めるように構成されている。試料１２は半導体デバイスを製造するために使用される基板のようなウエハを含むが、これに限定されない。このシステムは照明システムを含むことができる。この照明システムは、試料１２の表面に光ビームを向けるように構成されている。照明システムは光学部品に結合された光源を含む。例えば、システムは光源１６を含む。光源１６は光ビーム１０を生成する。適切な光源は、ハロゲン化金属ランプ、キセノン・アーク・ランプ、白熱ランプ、発光ダイオード、光ファイバ光源、ヘリウム・ネオン・レーザ、固体レーザ・ダイオード、または当技術分野で知られている任意の他の光源を含むことができるが、これらに限定されない。そのようにして、光ビーム１０は、単色光または広帯域光を含むことができる。照明システムはまた、光源に結合された光ファイバーを含むことができる。
【００３１】
光ビーム１０は、レンズ２０ａで試料１２の表面に導かれる。レンズ２０ａは、リレー・レンズ、対物レンズ、結像レンズ、または当技術分野で知られている他のそのようなレンズとして構成することができる。光ビーム１０は、試料１２の表面に対して測定されるような入射角１１で試料１２の表面に向けられる。入射角１１は、図１に示すように、傾斜角である。例えば、入射角１１は、試料１２の表面に対して測定されるような約４゜から約１０゜の角度を含む。しかし、入射角は、例えばシステムの物理的な制限に依存して約１゜から４５゜の範囲とすることができる。照明システムは、折返しミラーおよび分光フィルタまたは偏光フィルタのような他の光学部品も含むことができる。
【００３２】
光ビーム１０の少なくとも一部は、試料１２の表面から鏡面反射される。システムは、鏡面反射された光を集めるように構成される集光システムを含む。例えば、集光システムはレンズ２０ｂを含む。鏡面反射光ビーム１８は、レンズ２０ｂを通して導かれる。レンズ２０ｂは光ビーム１８を検出器２２に集束させる。レンズ２０ｂは、当技術分野で知られている任意の適切な集光レンズ、集束レンズまたは結像レンズを含む。集光システムは、部分透過ミラーおよび空間フィルタのようないくつかの他の光学部品も含むことができる。
【００３３】
検出器２２の表面に当たる光ビーム１８は、検出器２２の表面に入射光スポット１５を形成する。検出器２２は位置感知検出器（「ＰＳＤ」）を含むことができる。ＰＳＤは、入射光スポットを位置情報に変換することができる光電子デバイスである。例えば、入射光スポットは、ＰＳＤに光電流を生成することができる。生成された光電流は、デバイスを通って流れ、デバイスの入力電流と出力電流の間の数学的な関係を用いて入射光スポットの位置を決定することができる。入射光スポットの位置は、入射光スポットの重心の位置で与えることができる。ＰＳＤは約１ｍｍ×約５ｍｍの感知面積を持つことができる。
【００３４】
検出器２２は、一次元（「１−Ｄ」）のＰＳＤでよい。１−ＤＰＳＤは、一次元の表面上を移動する光スポットを検出するように構成されている。検出器２２は、２次元（２−Ｄ）のＰＳＤでもよい。２−ＤＰＳＤは、２次元の表面を移動する光スポットを検出するように構成されている。１−ＤＰＳＤは、感知方向が実質的に直線的である。そのような直線性によって、多数の入射光スポットを整列させる能力の向上を実現することができる。１−ＤＰＳＤは２−ＤＰＳＤよりも暗電流が少ない。例えば、一般的な暗電流は約４ｎＡであり、一般的なキャパシタンスは約５ｐＦであろう。適切なＰＳＤはＳｉＴｅｋ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｐａｒｔｉｌｌｅ，Ｓｗｅｄｅｎから市販されている。さらに、検出器２２は、バイセル検出器、電荷結合デバイス（「ＣＣＤ」）型結像アレイ、または時間遅延集積（「ＴＤＩ」）カメラなどの当技術分野で知られている検出器の１または２次元アレイを含むことができる。
【００３５】
検出器２２上の入射光スポット１５の位置は、例えば、試料１２の垂直方向位置すなわち高さに依存して変化する。例えば、図１に示すように、試料１２がベクトル１４で示される方向に沿って移動するにつれて、レンズ２０ｂで集められる反射光２５は、試料の表面に対して反射光１８の入射角よりも大きな入射角で経路に沿って動いてゆく。このようにして、検出器２２上の入射光スポット１５の位置を変えることができる。例えば、図１に示すように、試料１２がベクトル１４で示される方向に沿って移動するにつれて、入射光スポット１５はベクトル２３で示されるように検出器２２の長さに沿って移動する。このようにして、検出器２２で生成された信号は入射光スポット１５の位置を示すことができる。したがって、検出器２２で生成された信号もまた、試料１２の高さを示すことができる。そのようにして、検出器２２で生成された信号は、試料１２の高さを決定するために使用することができる。
【００３６】
上記のシステムは追加の光学部品も含むことができる。例えば、追加の光学部品は、ビーム・スプリッタ、４分の１波長板、直線偏光器または円偏光器のような偏光器、回転偏光器、回転検光子、コリメータ、ミラー、ダイクロイックミラー、部分透過ミラー、分光フィルタまたは偏光フィルタのようなフィルタ、空間フィルタ、反射器、および変調器を含むことができるが、これらに限定されない。さらに、検出器２２は、入射光の種類およびパワー、および用途の受光領域要求に依存して、当技術分野で知られている任意の構成および材料の光検出器を含むことができる。例えば、シリコン・フォトダイオードは、受光領域を広くも狭くもすることができるが、可視光だけを検出する。ゲルマニウム（「Ｇｅ」）およびインジウム・ガリウム砒素（「ＩｎＧａＡｓ」）のフォトダイオードは赤外光に感知である。しかし、Ｇｅフォトダイオードは暗電流が大きく、ＩｎＧａＡｓフォトダイオードは受光領域が制限される可能性がある。像全体を実質的に取り込みかつ前置増幅電子回路に合理的なオフセットを与えるために、ＰＳＤの取付けは、ＸとＹ両方の位置調整を必要とする。
【００３７】
上述のように、試料の高さによって、検出器２２上の入射光ビーム１５の位置が変わる。さらに、トポグラフ的フィーチャ、回折、および／または薄膜干渉パターンなどの試料表面のパターンによって、表面から反射される光の光強度ばらつきが生じる可能性がある。そのようにして、ある場合には、ウェハ表面のそのようなパターンによって反射光の強度が約９０％以上実質的に減少することがある。また、強度ばらつきによって、反射光ビームの位置が明らかにシフトすることがある。そのようにして、表面パターンによって、ＰＳＤ上の入射光ビームの重心のシフトが起こることがあり、この重心のシフトは、ここで述べるように、ＰＳＤによって生成される信号に影響を及ぼす可能性がある。例えば、ＰＳＤ上の入射光ビームの重心は、ウェハ表面の光のスポット・サイズのほぼ４分の１程度シフトすることがある。パターン誘起シフトまたは誤差と一般的に呼ぶことができる重心の位置のシフトすなわち誤差は、結果的に試料の高さの不正確な査定をもたらすであろう。
【００３８】
試料の高さを調べることは、試料の焦点を変更して、その後の処理のために試料に焦点を合わせるのに使用することができる。したがって、上述のような試料の高さの不正確に調べることによって、その後の処理の間、試料は実質的に不正確に位置決めされ、または焦点がずれている可能性がある。さらに、その後の処理中の試料の不正確な位置付けは、リソグラフィ、測定および検査のようなプロセスに悪影響を及ぼす可能性がある。例えば、リソグラフィ中に実質的に焦点がずれている試料に形成されたフィーチャは、クリティカルな寸法のプロセス設計値から相当にずれたクリティカルな寸法となる可能性がある。さらに、焦点が実質的にずれている試料の測定時に測定されたフィーチャの横方向寸法は、不正確に求められる可能性がある。さらに、焦点が実質的にずれている試料の検査時に求められた欠陥の存在も不正確に求められている可能性がある。
【００３９】
図１に示したシステムのようなシステムでは、パターン誘起誤差を減らすために、いくつかの方法を使用することができる。例えば、パターン誘起誤差は、試料の表面から散乱されるランダム光の量を減少させる空間フィルタを使用して、減らすことができる。また、検出器に結合された増幅器の出力中のランダムな高周波信号を減少させるようにフィルタを使用することができる。さらに、例えば約１２μｍのスポット・サイズの回折制限レーザをそのようなシステムの光源として使用することができる。このようにして、試料表面の入射光のスポット・サイズをできるだけ小さくして、検出器上の入射光ビームの焦点を改良することができる。しかし、これらの方法は、高さセンサ・サブシステムの高さ誤差を約＋／−３μｍ以上に減らすことができるにすぎない。
【００４０】
高さセンサ・サブシステムのパターン誘起誤差を減少させる他の方法には、試料によって生じる薄膜干渉を減らすように白色光を使用することがある。さらに、電荷結合デバイス（「ＣＣＤ」）カメラ、または時間遅延集積（「ＴＤＩ」）カメラと画像処理を使用して、画像スポットの実際の中心を識別する精度を高めることができる。さらに、誤差平均化を使用して、高さセンサ・サブシステムの精度を向上させることができる。例えば、誤差平均化には、試料の表面全体に光ビームを走査させ、試料上のいくつかの位置の高さ測定値の平均を取ることがある。このようにして、多数の測定値を平均することで、高さ測定値の誤差を減少させることができる。誤差平均化には、大きなスポット・サイズ（例えば、約１ｍｍより大きい）を使用して、および／または複数センサを使用して高さ測定値のパターン誘起誤差を減らすこともある。単独または組み合わせて、上記の方法のいずれかを使用して、測定信号のパターン誘起誤差を実質的に減少させることができる。しかし、そのような方法を組み込んだシステムは、依然として、少なくとも約数ミクロンの高さ誤差を持つ可能性がある。
【００４１】
図２ａは、デュアル・ビーム対称高さセンサ・サブシステムの実施形態を示す。本システムは照明システムを含むことができる。この照明システムは、光源３２で照明される光ファイバ３０を含むことができる。光源３２は、ハロゲン化金属ランプのような広帯域スペクトル・ランプである。光源３２は、本明細書で述べるような任意の他の光源を含むことができる。光ファイバ３０は、第１と第２の光ビームを試料１２の表面に向けるように構成されている。例えば、照明システムは絞り３４を含むことができる。このようにして、２個の実質的に同一な絞り３４を照明するように光ファイバ３０を構成することができる。絞り３４は、当技術分野で知られている任意の絞りを含むことができる。絞り３４は、光ファイバ３０からの第１の光ビーム３１と第２の光ビーム３３を、ウエハのような試料１２の表面の対向する側に向けることができる。このようにして、照明システムは、第１の光ビーム３１と第２の光ビーム３３が実質的に反対の方位角で試料の表面に向けられるように構成されている。
【００４２】
絞り３４は、浅い入射角３６で第１と第２の光ビームを向けるように配置されている。入射角３６は、例えば、試料の表面から測定されるような約４゜から約１０゜までの角度を含むことができる。例えば、第１の光ビーム３１と第２の光ビーム３３は、約８゜の入射角３６で試料１２の表面に向けるられる。しかし、入射角は、例えばシステムの物理的な制限に依存して約１゜から約４５゜の範囲にあることができる。試料の表面の照明される領域は、楕円状スポット、長方形状スポット、または正方形状スポットである。スポットの形状は、例えば、絞りの形状に依存して変化することができる。さらに、第１と第２の光ビームは実質的に反対の方位角でかつ実質的に等しい入射角で試料の表面に向けられるので、第１の光ビーム３１と第２の光ビーム３３は、試料１２の表面の実質的に同じ領域を照明することができる。
【００４３】
絞り３４は、円形の絞りである。しかし、絞り３４は、長方形または正方形のような任意の他の形状の開口を有することもできる。各絞りは、約４００μｍから約８００μｍの直径を有する開口を含むことができる。例えば、開口は約６００μｍの直径を有することができる。また、絞りによって向けられる光で照明される試料の表面の領域の横方向寸法が絞りの開口の直径にほぼ等しくなるように絞りを構成することができる。このようにして、絞りによって向けられる光を、試料１２の表面に１：１で結像させることができる。例えば、第１と第２の光ビームを約８゜の入射角３６で試料１２の表面に向けるように構成された直径約６００μｍの開口を有する円形絞りによって、試料１２の表面に大きさが約４．５ｍｍ×０．６ｍｍである楕円のビームスポットを作ることができる。
【００４４】
本システムは集光システムを含むこともできる。この集光システムは、試料の表面から鏡面反射された第１の光ビームの少なくとも一部を集め、かつ試料の表面から鏡面反射された第２の光ビームの少なくとも一部を集めるように構成される。例えば、集光システムはレンズ２０ａおよび２０ｂを含むことができる。レンズ２０ａおよび２０ｂを結像レンズとして構成することができる。もしくは、レンズ２０ａおよび２０ｂは、集束レンズのような当技術分野で知られている任意の他のレンズでよい。第１と第２の光ビームの鏡面反射部分は、実質的に対向する方位角および実質的に等しい入射角を有する経路に沿って伝わることができる。したがって、この２個のレンズは、実質的に対向する方位角でかつ実質的に等しい入射角で位置決めされる。このようして、鏡面反射された第１の光ビーム３５の少なくとも一部はレンズ２０ｂで集めることができる。さらに、鏡面反射された第２の光ビーム３７の少なくとも一部はレンズ２０ａで集めることができる。
【００４５】
１つの実施形態では、本システムは第１のビーム・スプリッタ３８ｂおよび第２のビーム・スプリッタ３８ａもまた含むことができる。これらのビーム・スプリッタは、光ビーム３５および３７の一部を透過し反射させるように構成されたビーム・スプリッタ・ミラーであってもよい。ビーム・スプリッタ３８ａおよび３８ｂは、また、偏光ビーム・スプリッタでもよい。さらに、ビーム・スプリッタは、当技術分野で知られている任意の他のビーム・スプリッタを含むことができる。又は、ビーム・スプリッタは半透明ミラーに置き換えることができる。ビーム・スプリッタは、第１の光ビーム３１と第２の光ビーム３３が光ビームの経路を変えることなくビーム・スプリッタを通過することができるように構成される。ビーム・スプリッタは、レンズ２０ｂで集められた鏡面反射した第１の光ビーム３５の経路を変え、かつレンズ２０ａで集められた鏡面反射した第２の光ビーム３７の経路を変えるように構成されている。例えば、ビーム・スプリッタ３８ｂは、第１の集められた光ビーム３５の少なくとも一部を第１の検出器２２ｂに向けるように構成されている。さらに、ビーム・スプリッタ３８ａは、第２の集められた光ビーム３７の少なくとも一部を第２の検出器２２ａに向けるように構成されている。
【００４６】
照明システムおよび検出器の位置は、基本的な動作原理に影響を与えることなく交換可能である。例えば、図２ｂは、ビーム・スプリッタで入射光ビームの経路を変える代替え実施形態を示す。例えば、ビーム・スプリッタ３８ａは、ビーム３７を試料の表面の方に向けるように第１の光ビーム３１の経路を変えるように構成されている。ビーム・スプリッタ３８ｂは、ビーム３５を試料の表面の方に向けるように第２の光ビーム３３の経路を変えるように構成されている。ビーム・スプリッタは、試料から鏡面反射されたビーム３５および３７が、実質的に変更されることなく、ビーム・スプリッタを通って検出器に至るように構成されている。例えば、ビーム・スプリッタ３８ｂは、レンズ２０ｂで集められた鏡面反射された第１の光ビーム３５を、実質的に変更することなく、ビーム・スプリッタを通って第１の検出器２２ｂに導くようになっている。さらに、ビーム・スプリッタ３８ａは、レンズ２０ａで集められた鏡面反射された第２の光ビーム３７を実質的に変更することなく、ビーム・スプリッタを通って第２の検出器２２ａに導くようになっている。
【００４７】
第１の検出器２２ｂおよび第２の検出器２２ａは、ＰＳＤ、ＣＣＤアレイ、またはＴＤＩカメラを含むことができる。このＰＳＤを、ここで説明するように構成することができる。検出器は、出力信号を生成するようになっている。例えば、第１の検出器２２ｂは、第１の検出器２２ｂに入射した第１の集められた光ビーム３５の位置に応答する出力信号を生成する。さらに、第２の検出器２２ａは、第２の検出器２２ａに入射した第２の集められた光ビーム３７の位置に応答する出力信号を生成する。さらに、検出器２２ａおよび２２ｂは、それぞれビーム・スプリッタ３８ａおよび３８ｂによって向けられた光をほぼ１×の倍率で受け取る。もしくは、検出器２２ａおよび２２ｂは、当技術分野で知られている任意の他の光電子デバイスを含むことができる。例えば、第１と第２の検出器は、検出器上の光ビームの位置を決定するように構成された任意の検出器を含むこともできる。
【００４８】
ここで説明するように、デュアル・ビーム対称高さセンサ・サブシステムは、２個の対向する実質的に同一の結像システムを含むことができる。この結像システムは、試料の実質的に同じ領域から反射される２本の光ビームをＰＳＤのような検出器の表面に投射する照明および集光システムを含むことができる。したがって、試料１２が垂直にいずれかの方向に移動すれば、検出器２２の入射光ビームは、実質的に同じ方向に、２倍の倍率の係数でシフトする。上述のように、ＰＳＤのような検出器上の入射光ビームの位置もまた、試料の表面のパターンに依存して変化する。試料の表面が上で述べたパターンのようなパターンを全く含まない場合、高さセンサ・サブシステムは、図１に示すような単一の結像システムを含むことができる。しかし、処理、測定、または検査を受ける相当な数の試料は、パターン形成された表面の反射率が相当に変わるように過度にパターン形成されている可能性がある。例えば、そのような過度にパターン形成された試料の単一結像システムによる高さ測定値には、試料の表面に入射した光スポットの大きさ（例えば、１５０μｍ）の約４分の１の誤差がある可能性がある。
【００４９】
図２ｃは、試料１２の表面の領域上にあるウエハ・パターンが非常に厳しい場合を示す。例えば、試料１２の部分４０ａは実質的に無反射性であり、試料１２の部分４０ｂは比較的高反射性であることがある。したがって、試料１２から反射される光ビームの強度は、反射光ビームの横方向寸法を横切って階段関数となる可能性がある。反射光ビームは、それぞれレンズ２０ｂおよび２０ａによって検出器２２ｂおよび２２ａに向けられる。このようにして、検出器２２ａおよび２２ｂ上の入射光ビームのスポット４２は、部分的に明るく部分的に暗くなる可能性がある。しかも、図２ｃに示すように、検出器２２ａおよび２２ｂ上の入射光ビーム４２は反対向きである。例えば、入射光ビーム・スポットの部分的に暗い部分は検出器２２ｂの下の方にあり、また入射光ビーム・スポットの部分的に暗い部分は検出器２２ａの上の方にある。
【００５０】
検出器２２ａおよび２２ｂ上の入射光スポット４２の重心は、図２ｃに示すように、試料１２の表面のパターンのためにベクトル４４で示す方向にシフトすることになる。例えば、試料１２の表面のパターンによって、入射光スポット４２の重心が、図２ｃに示すように、位置４６から位置４８にシフトする。このようにして、実際の試料高さが実質的に同じであっても、入射光スポット４２の位置のパターン誘起シフトは、高さ測定値の実質的にはばらつくことになる。しかし、うまいことに、パターン誘起高さ誤差は２つの検出器で実質的に等しくかつ反対であるので、２つの検出器からの信号を組み合わせると平均してゼロになる。そのように、パターン誘起重心シフトは２つの検出器に共通なモードである。さらに、試料の表面の実際の高さが変化する場合、検出器２２ａおよび２２ｂ上の入射光ビーム４２の位置は、実質的に同じ方向にシフトする。例えば、試料１２が下方にシフトする場合、入射光ビームは２つの検出器上で上にシフトする。また、逆も同様である。入射光ビームの位置のそのような変化は、一般に、高さ誘起シフトと呼ぶことができる。したがって、高さ誘起重心シフトは２つの検出器に対して差動モードである。
【００５１】
図２ａに示すように、デバイス２６は検出器２２ａおよび２２ｂからの出力信号を受け取るようになっている。デバイス２６は、差動増幅器またはアナログ・デジタル変換器および処理デバイスを含むことができるが、これらに限定されない。このデバイスは、２つの検出器からの出力信号から、比較または誤差の信号を生成する。したがって、比較信号は、試料の高さに応答することができる。さらに、比較信号は、試料１２の表面のパターンとは実質的に無関係である可能性がある。このようにして、比較信号は、約＋／−１μｍより小さい高さ精度を持つことができる。デバイス２６はまた、比較信号を電圧に変換するようにもなっている。そのようにして、デバイス２６は、位置誤差信号を生成することができる。
【００５２】
試料は、処理システム、測定システム、または検査システムのステージ（図示しない）に支持することができる。このようにして、位置誤差信号を使用して、処理システム、測定システム、または検査システムのステージの垂直位置の調整、または光学コラムの焦点設定の調整を駆動することができる。ステージの垂直位置または焦点設定の調整で、試料とシステムの光学コラムの間のワーキング間隔を変えることができる。例えば、ステージの垂直位置または焦点設定の調整で、試料に焦点を合わせることができる。このようにして、試料は、その後の処理、測定、または検査に対して焦点が合っている。さらに、閉ループ構成では、ステージ上の試料のこのような焦点調節は、処理、測定、または検査の間に自動的に行うことができる。そのようにして、システムは、システムの光学コラムと試料の間に実質的に一定のワーキング間隔を維持するようになっている。そのような差動増幅器は図２ａに示すように結像システムに結合することもできる。
【００５３】
１つの実施形態では、本システムは処理デバイス２８を含むことができる。処理デバイス２８は、デバイス２６で生成された比較信号または位置誤差信号を受け取る。さらに、処理デバイス２８は、比較信号または位置誤差信号に応答して、処理システム、測定システム、または検査システムの試料の高さまたは光学コラムの焦点設定を変えるようになっている。例えば、処理デバイスは、制御装置コンピュータとして構成される。このようにして、処理デバイスは、処理システム、測定システムまたは検査システムのステージ（図示しない）用の制御装置が受け取ることができる位置誤差信号に比較信号を変換する。そのようにして、処理デバイス２８は、試料を支持するステージの位置を変えることで試料の高さを変えることができる。さらに、または、代替えに、処理デバイスは、処理システム、測定システム、または検査システムの光学コラム（図示しない）用の制御装置が受け取ることができる位置誤差信号に比較信号を変換する。したがって、処理デバイス２８は光学コラムの焦点設定を変えるようになっている。
【００５４】
ここで説明するように、本システムは、パターン誘起共通モードを電子的に抑制することができる２個の実質的に対称な検出器に反射された光ビームを投射するようになっている。そのようにして、本システムは、試料の表面上で第１と第２の光ビームを実質的に正確に重ね合せることを必要とする。システムの対向する光学部品の機械的および／または物理的構成は、向けられた第１と第２の光ビームが試料の表面の実質的に同じ領域を照明するように、実質的に同じである。さらに、試料の表面の照明される楕円状領域の長軸は結像レンズの焦点深度よりも長い可能性があるので、照明される領域の縁の試料の表面では焦点がぼけているかもしれない。そのようにして、システムの高さ測定は、システムの傾斜に感知である。例えば、機械的許容誤差が約１３μｍで軸寸法が約６００μｍである楕円領域を照明するように構成されたシステムは約５０：１のパターン・キャンセルを有する。このようにして、試料表面のパターンによって２個の検出器の各々に約５０μｍ程度の誤差が導入されても、デュアル・ビーム・システムは依然としてシステムの指定された許容誤差内で動作することができる。
【００５５】
光が絞り開口を通って試料表面に向けられ、次にＰＳＤのような検出器に向けられる高さセンサ・サブシステムに広帯域光源を使用することができる。例えば、そのような光源は、多数の実質的に非干渉性の光波長を発生することができ、レーザ光源で見られるような検出器上のスペックル効果を起こさないであろう。もしくは、そのようなシステムは、発光ダイオード（「ＬＥＤ」）を含むことができる。例えば、白色光ＬＥＤは広いスペクトルの光波長を生成することができるが、白色光ＬＥＤの強度はランプの強度よりも小さい。さらに、白色光ＬＥＤは、合理的な信号対雑音比を達成するように変調または復調することができる。ここで説明するような実施形態は、光源としてハロゲン化金属ランプを使用し、実質的に簡単化された実施のために光ファイバ結合を使用することができる。しかし、適切な光源は、ヘリウム・ネオン・レーザ、固体レーザ・ダイオード、キセノン・アーク・ランプ、白熱ランプ、発光ダイオード、多数の波長を有する多数発光ダイオード、光ファイバー光源、または当技術分野で知られている任意の他の光源を含むことができるが、これらに限定されることなく、用途の要求に依存して上述のものを含むことができる。
【００５６】
試料の表面の反射率は、例えば表面に入射する光の波長に依存して変化する可能性がある。さらに、斜め入射の光の性質により、試料で反射される光は、試料の上面に最も近い膜層の特性に依存して変化する可能性がある。そのような膜層には、例えば、半導体デバイス製造に使用することができるウエハに形成された薄膜が含まれる。薄膜は導電層および誘電体層を含むが、これらに限定されない。さらに、試料上の膜層の反射率は、膜層の厚さの関数として変化することがある。さらに、表面の反射率が実質的により低くなる特定の膜層の厚さがある。したがって、ハロゲン化金属ランプのような白色光源によって、そのような膜層による反射率の変動を減少させることができる。
【００５７】
また、表面の反射率は、試料の表面に向けられる光の偏光にも依存する可能性がある。さらに、試料に向けられる光の偏光は膜層の厚さと組み合わされて、表面の反射率を変えることがある。さらに、偏光の「ｐ」および「ｓ」の成分の反射率変動は実質的に異なる。「ｐ成分」という用語は、反射された光ビームの入射面内にフィールドを有する偏光放射の成分を記述するために使用される。「ｓ成分」という用語は、反射された光ビームの入射面に垂直なフィールドを有する偏光放射の成分を記述するために使用される。偏光の２成分を合計することで、試料の表面の反射率の変化量を最小にすることができる。したがって、他の偏光制御なしで、ランダムに偏光された光を試料の表面に向けることができる。しかし、反射光は部分的に偏光されている可能性があり、これがビーム・スプリッタを通る反射光の経路に影響を及ぼすことがある。しかし、大抵の場合、反射光の経路に対する偏光の影響は無視することができ、例えば正規化の手段で対処することができる。
【００５８】
透明膜が試料に形成されている場合、膜の上面と底面の両方が光ビームを反射することができる。このようにして、反射された光ビームでは、試料の高さを正確に測定することができないことがある。例えば、アルミニウム層上の酸化膜のほぼ１μｍごとに、ほぼ０．２４μｍの誤差が高さ測定に生じることがある。しかし、現在の集積回路（「ＩＣ」）の設計ルールは、約２μｍ以上の薄膜厚さを必要とすることはほとんどない。したがって、そのような誤差は実質的に重要でないと考えることができる。さらに、透明膜によって高さ測定に持ち込まれる誤差の大きさを推測することができる。例えば、「ｓ」および「ｐ」の両偏光に関するフレスネルの式を用いて多重反射を求めることができる。反射の総和で生成される重心を決定することができ、この重心を、膜の上面からの１００％反射率で生成される重心と比較することができる。
【００５９】
図３は、デュアル・ビーム対称高さセンサ・サブシステムの光学設計の他の実施形態を示す。この高さセンサは光学的に対称な構成になっているので、デュアル・ビーム光学経路の１つだけを図３に示す。絞り３４、試料１２、および検出器２２は、システムの光学倍率が１に非常に近くなるようになっている。また、システムは色消しレンズ・ダブレット５０を含むことができる。色消しレンズ・ダブレットの対は、試料の表面に光ビームの１：１結像を作るようになっている。例えば、色消しレンズ・ダブレットの対は、ほぼ７．５ｍｍの実質的に開いた絞りを有することができる。さらに、絞りおよび試料から色消しレンズ・ダブレットを約１００ｍｍの距離だけ離すように、色消しレンズ・ダブレットの対を絞り３４と試料１２の間に位置付けることができる。そのようなシステムの開口数（「ＮＡ」）は、ほぼ０．０３７５である。したがって、システムの光学範囲は、約６００μｍの絞り直径であれば、ほぼ２２．５μｍであろう。システムの光学範囲が、照明される光ファイバ（図示しない）の光収集効率を実質的に決定することがある。そのようにして、検出器２２で十分な信号対雑音比を達成するために、光ファイバを照明するのに、例えば、最小で約２０μＷの光が必要になることがある。
【００６０】
絞り３４は、試料１２の表面に光りビーム１０を向けるようになっている。光ビーム１０は、ウェハの表面に対して測定されるような斜めの入射角で試料の表面に向けることができるので、試料の表面の照明領域は楕円状になる。さらに、楕円状の照明領域は、ほぼ１：ｔａｎ（入射角）のアスペクト比を持つことがある。絞り３４の適切な大きさは約６００μｍである。さらに、システムの２つの絞り大きさのばらつきは、約１％以下である。絞りの直径は、光ファイバで生成される照明スポットに対して比較的小さくてもよい（図２ａに示しように）。このようにして、光ファイバからの照明は、絞りの表面全体にわたって実質的に一様であることがある。そのような照明一様性は試料の表面の２つの照明領域を一致させるために不可欠である。
【００６１】
照明領域の長軸は、約８゜の入射角に対して約４．３ｍｍである。しかし、４．３ｍｍは結像レンズの焦点深度よりも実質的に長いので、照明領域の縁部は、はっきりと決まらないことがある。試料の表面により小さな照明領域を得るために、さらに小さな絞りを使用することもできる。しかし、より小さな絞りの減少した光学範囲により、絞りの光処理量が減少する可能性があり、また、検出器２２に向けられる光の信号対雑音比が増加する可能性もある。必要とされる光の量は、特定の用途のためのシステム帯域幅および誤差要求条件にも依存する。例えば、ほぼ２０μＷの光強度および約＋／−１μｍの高さ誤差許容範囲を有するシステムに関して、試料反射率が約１％でも、約６００μｍの絞りは適切な光を供給することができる。絞りに対する機械的調整の要求は、システムの光学コラムの下の試料表面上に２つの照明領域を位置決めしかつ重ね合せるためのＸとＹ、および焦点のためのＺであることがある。
【００６２】
色消しレンズ対５０は、絞り３４からの光を試料１２に結像するようになっている。色消しレンズ対５０は、１：１の結像に対して、単一色消しレンズよりも実質的に優れた結像品質を実現することができる。しかし、焦点品質が直接高さ測定精度にはならないことがあるので、また照明領域の長軸に沿った縁部は焦点がずれていることがあり、より高い品質の結像システムは必要とされないことがある。２個のレンズの間の距離は約１０ｍｍであることがある。しかし、２個のレンズの間の距離は、実質的に結像品質に影響を及ぼすことなく、実質的に広い範囲で変えることができる。さらに、検出器２２に達することによる多重反射を減らすために、または実質的になくするために、色消しレンズ５０は、光の経路に対して約２゜傾けることができる。
【００６３】
システムはまた、ビーム・スプリッタ３８も含むことができる。いくつかの種類のビーム・スプリッタを上述のように使用することができる。さらに、ビーム・スプリッタ３８は、ぺリクラ・ビーム・スプリッタを含むことができる。ぺリクラは、アルミニウム枠に結合された非常に薄いニトロセルロース薄膜である。例えば、ぺリクラ・ビーム・スプリッタの薄膜は約２μｍの厚さでよい。第２の表面の反射を第１の表面の反射に重ね合せることができるので、薄膜の厚さによってゴースト像を減少させることができ、また、実質的になくすることもできる。さらに、ぺリクラ・ビーム・スプリッタは約１５μｍの開いた絞りを備えることができる。そのようなビーム・スプリッタでは、分割比は、可視光の範囲で約４０：４０であることがある。そのようなぺリクラ・ビーム・スプリッタは、ＣＶＩ Ｌａｓｅｒ，Ａｌｂｕｑｕｅｒｑｕｅ，Ｎｅｗ Ｍｅｘｉｃｏから市販されている。デュアル・ビーム・システムのビーム・スプリッタは検出器に実質的に近く設置されることがあるので、ビーム・スプリッタの注意深い装着と保守が必要である。このようにして、ビーム・スプリッタ膜上の粒子またはそれの僅かな変形でも、検出器上の像が変わることになる。
【００６４】
本システムは、高さセンサ・サブシステムの性能に影響を及ぼすことなく、光透過を可能にする窓を含むこともできる。そのような窓を使用して、塵または他の汚染を減少させ、また、防ぐことさえでき、またはサンプルが真空のような制御された環境内にあるようにすることができる。例えば、窓は、システムの光経路に対して約５゜の角度に傾けることができる。このようにして、検出器の一定の背景の原因となることがある窓表面による多重反射を実質的になくすることができる。
【００６５】
図３に示すように、検出器２２は、システムの光経路に対して約２゜傾けて光システムに戻って行くことによる反射を減少させ、または実質的になくすることができる。検出器２２が優れた位置直線性を有する２−Ｄ検出器として構成されている場合、システムのＸ−Ｙ位置調整を実質的になくすることができる。このようにして、システムは複雑な機械的要求条件がより少なくなることがある。
【００６６】
図４は、ウエハのような試料の表面の高さを調べる方法の実施形態を示す。この方法は、ステップ５２に示すように、第１と第２の光ビームを試料の表面に向けることを含む。第１と第２の光ビームは、本明細書で説明したような光源のいずれかで生成することができる。さらに、本明細書で説明したような照明システムのいずれかで、第１と第２の光ビームを向けることができる。第１と第２の光ビームが試料の表面の実質的に同じ領域を照明するように、実質的に反対の方位角でかつ実質的に等しい入射角で光ビームを向ける。また、本方法は、ステップ５４に示すように、試料の表面から鏡面反射された第１と第２の光ビームの少なくとも一部を集めることを含む。例えば、第１と第２の光ビームは、本明細書で説明したように、２個の結像レンズを通して集めることができる。
【００６７】
さらに、本方法は、ステップ５６に示すように、集められた第１の光ビームを第１の検出器に向け、かつ集められた第２の光ビームを第２の検出器に向けることを含む。本方法は、ステップ５８に示すように、集められた第１の光ビームに応答する出力信号を生成し、かつ集められた第２の光ビームに応答する出力信号を生成することをさらに含む。出力信号の生成は、さらに第１の検出器上の集められた第１の光ビームの位置に応答し、かつさらに第２の検出器上の集められた第２の光ビームの位置に応答する。さらに、本方法は、ステップ６０に示すように、出力信号から比較信号を生成することを含む。比較信号は、試料の高さに応答することができ、また、本明細書で述べたように試料上のパターンとは実質的に無関係である。このようにして、本方法は、ステップ６２で示すように、比較信号に応答して試料の高さを変えることも含む。例えば、試料の高さを変えることは、試料を支持するように構成されたステージの位置を変えることを含む。もしくは、本方法は、比較信号に応答して、処理システム、測定システム、および検査システムの光学コラムの焦点設定を変えることを含む。したがって、システムの光学コラムと試料の間の実質的に一定のワーキング間隔は、処理、測定、または検査中に維持することができる。
【００６８】
他の実施形態は、１つの方法の実施形態で製造することができる半導体デバイスに関する。例えば、この方法は、ウェハのような試料に半導体デバイスの一部を形成することを含む。半導体デバイスの一部の形成は、半導体製造プロセスの１つのステップ、全半導体製造プロセス、またはいくつかの半導体製造プロセスを行うことを含む。また、この方法は、上述の実施形態のいずれかを含む。
【００６９】
実施例
高さ変化の関数としてのＰＳＤ信号
図５は、２個のＰＳＤの応答対試料のＺ高さ変化の実施例を示す。ＰＳＤは上述のようにシステム内に組み込んだ。さらに、ＰＳＤは上述のように構成した。試料の高さは機械的ステージで変えた。図５に示すように、２個のＰＳＤは、高さ変化に対して反対の応答を有する。例えば、ＰＳＤの出力信号の電圧で測定されるようなＰＳＤ１の応答は試料の高さが増すにつれて増加する。対照的に、ＰＳＤの出力信号の電圧で測定されるようなＰＳＤ２の応答は、試料の高さが増すにつれて減少する。これらの線の勾配の符号は、例えばシステムの機械的構成に依存して変化する。約４０ｍｍの高さ範囲にわたって、両検出器の応答は実質的に直線的である。２個のＰＳＤの勾配が実質的に異なる場合、試料の高さは２個のＰＳＤの間の概略の差に比例することがある。２個のＰＳＤの勾配が実質的に同じである場合、試料の高さは２個のＰＳＤのおおよその和に比例する。絶対勾配の僅かな差は、較正により補正することができ、補正係数はシステムの処理ファームウェアに組み込むことができる。
【００７０】
過度にパターン形成された試料で得られた実験データ
図２ｃに示すように、試料の表面のパターンの厳しい形態は、光ビームがウエハの劈開された縁部を照明するときに起こることがある。このようにして、光ビームの一部が反射されなくなる。反射光ビームを横切る強度の差によって、各々の検出器に厳しい重心シフトが起こる。図６ａは、ｚ方向の試料の高さＺ（μｍ）対走査距離ｄ（ｍｍ）のグラフを示す。図６ａに示すように、試料の劈開縁部の走査中に、各々のＰＳＤは約５０μｍより大きな位置誤差を示した。しかし、各ＰＳＤの高さ測定値は、約３ｍｍの実質的に大きな範囲にわたってほぼ等しかった。
【００７１】
図６ｂから図６ｃは、過度にパターン形成されたウエハを走査することで得られたデータを示す。図６ｂは、ウエハを横切る位置の関数として２個のＰＳＤの規格化された和信号を示し、サンプルの反射率がウエハを横切る位置の関数として変化していることを示している。図６ｃは、ウエハを横切る位置（ｍｍ）の関数として２個のＰＳＤの高さ測定値（ｍｍ）を示す。図６ｃに示すように、２個のＰＳＤの両方の高さ測定値は、＋／−１０μｍ以上の高さ誤差を示している。そのような高さ誤差は、ウエハ表面のパターンによって生じることがある。図６ｄは、ウエハを横切る位置（ｍｍ）の関数として２個のＰＳＤの差信号（μｍ）を示す。図６ｄに示すように、上述のように構成された２個のＰＳＤで生成される信号の差をとることで、高さ測定値のパターン誘起誤差を実質的に減少させることができる。例えば、各ＰＳＤで生成された信号は、約＋／−１０μｍよりも大きな誤差を有することがあるが、一方で、差信号は約＋／−１μｍの誤差しか有さない。ウエハが僅かな湾曲を有する場合（すなわち、反っている）、二次の適合と引算によって、ウエハの曲りによる高さ誤差を最小にすることができる。図６ｅは、カドラティック・フィット(quadratic fit)と引算後の高さ測定データ（μｍ）対ウエハを横切る位置（ｍｍ）を示す。図６ｅに示すように、カドラティック・フィットと引算が行われた後のデータには、明らかなパターンは全く観察することができない。したがって、カドラティック・フィットと引算の後に残っている誤差の大部分は、実質的にシステムの電子回路によっていることがある。
【００７２】
本発明の様々な態様のさらなる修正物および代替え実施形態は、この説明を考慮して、当業者には明らかであろう。例えば、試料の高さを調べるように構成されたシステムは、デュアル・ビーム対称高さセンサ・サブシステムを含むことができる。したがって、この説明は、単に例証にすぎないとして解釈されるべきであり、当業者に本発明を実施する一般的なやり方を教示するためのものである。理解されるべきことであるが、本明細書で図示し説明した本発明の形態は、現在好ましい実施形態であるとして受け取られるべきである。全て本発明のこの説明の恩恵を得た後の当業者には明らかであろうように、要素および材料は、本明細書で図示し説明したものに置き換えることができ、部品およびプロセスは逆にすることができ、本発明のあるフィーチャは独立に使用することができる。次の特許請求項に記載するような本発明の精紳および範囲から逸脱することなく、本明細書で説明した要素の変化物を作ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】オンアクシス高さセンサ・サブシステムの実施形態の概略図を示す図である。
【図２ａ】デュアル・ビーム高さセンサ・サブシステムの実施形態の概略図を示す図である。
【図２ｂ】デュアル・ビーム高さセンサ・サブシステムの実施形態の概略図を示す図である。
【図２ｃ】デュアル・ビーム高さセンサ・サブシステムの実施形態の概略図を示す図である。
【図３】デュアル・ビーム高さセンサ・サブシステムの実施形態の概略図を示す図である。
【図４】試料の高さを求める方法の実施形態を説明する流れ図を示す図である。
【図５】機械式ステージのＺ高さの変化の関数としてＰＳＤの応答を示す図である。
【図６】ウエハ縁部およびウエハ・パターンによる高さ測定信号を示す図である。
【符号の説明】
１０、３１、３３ 光ビーム
１１、３６ 入射角（傾斜角）
１２ 試料
１５ 入射光スポット
１６、３２ 光源
１８、２５ 鏡面反射光ビーム
２０、２０ａ、２０ｂ レンズ
２２、２２ａ、２２ｂ 検出器
２６ デバイス（差動増幅器）
２８ 処理デバイス
３０ 光ファイバ
３４ 絞り
３８ａ、３８ｂ ビーム・スプリッタ

Claims (16)

1. 第１と第２の光ビームが試料の表面の実質的に同じ領域を照明するように、使用中に実質的に反対の方位角でかつ実質的に等しい入射角で、前記第１と第２の光ビームを前記試料の表面に向けるように構成された照明システムにして、前記第１と第２の光ビームが光源で照明される個別の絞りを用いて生成される、照明システムを備え、
   使用中に、前記試料の表面から鏡面反射された前記第１の光ビームを集めるように、かつ前記試料の表面から鏡面反射された前記第２の光ビームを集めるように構成された集光システムを備え、
   使用中に、第１の検出器が前記集められた第１の光ビームに応答する出力信号を生成するように構成され、かつ第２の検出器が前記集められた第２の光ビームに応答する出力信号を生成するように構成されている、第１と第２の検出器を備え、
   使用中に前記第１と第２の検出器から前記出力信号を受け取って、使用中に前記出力信号から、前記試料の高さに応答する比較信号を生成するように構成されたデバイスを備え、その比較信号によって、前記試料を支持するステージが移動しても、焦点の合った光ビームが維持され、
   処理、測定または検査中に前記システムの光学コラムと前記試料の間に一定のワーキング間隔を維持するようにする閉ループ構成を備える、
   ことを特徴とする、使用中に試料の高さを調べるように構成されたシステム。
2. 前記照明システムが光源を備え、前記光源が広帯域光を放出するように構成されている請求項１に記載のシステム。
3. 前記照明システムが、光源に結合された光ファイバを備える請求項１又は２に記載のシステム。
4. 前記入射角が、前記試料の表面から約１゜と約４５゜の間の角度を含む請求項１〜３の何れか１項に記載のシステム。
5. 前記集光システムが、２個の結像レンズを備える請求項１〜４の何れか１項に記載のシステム。
6. 前記第１の検出器で生成される出力信号がさらに前記第１の検出器上の前記集められた第１の光ビームの位置に応答し、かつ前記第２の検出器で生成される出力信号がさらに前記第２の検出器上の前記集められた第２の光ビームの位置に応答する請求項１〜５の何れか１項に記載のシステム。
7. 前記システムに結合され、使用中に前記比較信号を受け取るように構成された処理デバイスをさらに備え、前記処理デバイスが、さらに、前記試料を支持するように構成されたステージの位置を変えることで、前記比較信号に応答して前記試料の高さを変えるように構成されている請求項１〜６の何れか１項に記載のシステム。
8. 処理デバイスをさらに備え、前記処理デバイスが、使用中に前記比較信号を受け取るように構成され、かつ前記処理デバイスが、さらに、前記比較信号に応答して光学コラムの焦点設定を変えるように構成されている請求項１〜７の何れか１項に記載のシステム。
9. 光源からの第１と第２の光ビームがそれぞれの絞りを介して試料の表面の実質的に同じ領域を照明するように、実質的に反対の方位角でかつ実質的に等しい入射角で、前記試料の表面に、前記第１と第２の光ビームをそれぞれの絞りを通して向けるステップを備え、
   前記試料の表面から鏡面反射された前記第１と第２の光ビームを集めるステップを備え、
   前記集められた第１の光ビームに応答する出力信号および前記集められた第２の光ビームに応答する出力信号を生成するステップを備え、
   前記出力信号から比較信号を生成するステップを備え、前記比較信号は前記試料の高さに応答し、前記試料を支持するステージが移動しても、焦点の合った光ビームが維持されるようにされ、
   処理、測定または検査中にシステムの光学コラムと前記試料の間に一定のワーキング間 隔を維持するように前記比較信号に応答して、前記試料の高さを変えるステップを備える、
   ことを特徴とする試料の高さを調べる方法。
10. 前記出力信号を生成するステップが、前記集められた第１の光ビームを第１の検出器に、また、前記集められた第２の光ビームを第２の検出器に向けるステップを備える請求項９に記載の方法。
11. 前記第１と第２の光ビームが広帯域光を含む請求項９又は１０に記載の方法。
12. 前記第１と第２の光ビームを向けるステップが光源で光ファイバを照明するステップを含む請求項９〜１１の何れか１項に記載の方法。
13. 前記入射角が前記試料の表面から約１゜と約４５゜の間の角度を含む請求項９〜１２の何れか１項に記載の方法。
14. 前記集められた第１の光ビームに応答する出力信号が、さらに、第１の検出器上の前記集められた第１の光ビームの位置に応答し、かつ前記集められた第２の光ビームに応答する出力信号が、さらに、第２の検出器上の前記集められた第２の光ビームの位置に応答する請求項９〜１３の何れか１項に記載の方法。
15. 前記試料を支持するように構成されたステージの位置を変えることで前記試料の高さを変えるステップをさらに備える請求項９〜１４の何れか１項に記載の方法。
16. 前記比較信号に応答して光学コラムの焦点設定を変えるステップをさらに備える請求項９〜１５の何れか１項に記載の方法。

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