JP6891312B2 - マルチモード設定可能スペクトロメータ - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、本明細書と同一出願人によるものであって、参照により本明細書に組み込まれる、２０１７年３月３１日にＣｏｒｌｅｓｓ他によって出願された「マルチモード設定可能スペクトロメータ」と題する米国仮特許出願第６２／４７９，５７６号及び２０１７年７月１０日にＣｏｒｌｅｓｓ他によって出願された「マルチモード設定可能スペクトロメータ」と題する米国仮特許出願第６２／５３０，３８８号の利益を主張するものである。

本開示は、概して、光学分光システム及びその使用法に関するものである。一つの特定の実施例は、半導体プロセス中に用いられるマルチモード設定可能スペクトロメータの設定可能性及び実用性を改善するシステム及び方法に関するものである。

半導体プロセスの光学監視は、エッチング、蒸着、化学機械研磨、注入などの処理を制御するのに確立された方法である。発光分光法（「ＯＥＳ」）と光干渉型エンドポイント（「ＩＥＰ」）は、２つの基本的なデータ収集方法である。ＯＥＳへの応用では、上記処理から、通常、プラズマから放出された光が収集され、分析されて、監視されている処理の状態や進行を示す原子及び分子種における変化の特定及び追跡を行う。ＩＥＰへの応用では、通常、フラッシュランプなどの外部光源から光が供給され、ワークピースに向けられる。この光源から供給された光は、ワークピースに反射すると、そのワークピースの反射率として、ワークピースの状態を示す情報を伝達する。このワークピースの反射率の抽出及びモデリングを行うことにより、数ある特性の中でも、膜厚及び形状／深さ／幅を把握することができる。

より高速なプロセス、より小さい形状、より複雑な構造へと絶えず発展し続ける半導体プロセスでは、プロセス監視技術に対する要求が大きい。例えば、Ｆｉｎ電界効果トランジスタ（ＦＩＮＦＥＴ）や三次元（３Ｄ）ＮＡＮＤ構造など、オングストローム単位（数原子層）の変化が重要となる非常に薄い層においてはるかに高速なエッチング速度を正確に監視するためには、より高速なデータサンプリングレート（例えば、１秒当たりの光信号測定値又はスペクトル）が必要となる。反射率及び発光の小さい変化の検出に役立つＯＥＳ及びＩＥＰの両方法で、より広い光学帯域幅及びより大きな信号対雑音比が必要となる場合が多い。監視システムにかかるコストやそのパッケージサイズについても、半導体プロセス装置がより複雑になり、集積化が進んでそれ自体の費用が増大するにつれて、常に強い要請を受けている。このような要件はすべて、半導体プロセスの光学監視システムの性能を向上させるためのものである。好適なスペクトロメータの性能及び適応性は、光学監視システムの重要な要素である。

半導体産業では、長年にわたって、分光機器及びシステムの発展に対する適応や適用が行われてきた。例えば、参照により本明細書に組み込まれる「電荷結合素子ベースの分光器のダイナミックレンジを向上させる装置及び方法」と題する特許文献１を参照のこと。スペクトロメータにおいては、データサンプリングレート、光学帯域幅、光信号検出感度、光学信号対雑音比性能などを決定する上で、画像センサが重要な要素となる。面積電荷結合素子（「ＣＣＤ」）が最も一般的であるが、性能上の制約が多く、数ある特徴の中でも特に、非常に望ましい操作モードや高速データレートを阻害する。特許文献１に記載のとおり、複雑なクロッキング、データシフト及び読み出しを行って、いくつかの性能上の問題をオフセットしてもよいが、既存の装置の物理的構造や所要の画素シフトスキームに起因して、例えば、複数の信号の混合、二次汚染、低データサンプリングレートの影響が依然として残ったままである。

米国特許第９，３８６，２４１号 米国特許第７，０４９，１５６号 米国特許第６，１６０，６２１号

本開示の一態様では、マルチモード設定可能スペクトロメータが提供される。一実施例では、このマルチモード設定可能スペクトロメータは、（１）光入力を受け取り、該光入力を電気信号に変換するよう構成され、光入力を電気信号に変換する複数のアクティブ画素領域を有する光学センサと、（２）複数の選択可能な変換回路を有し、該選択可能な変換回路から選択した一つの変換回路に従って、電気信号を受信してデジタル出力に変換するよう構成された変換回路とを備えている。

本開示の別の態様では、マルチモード設定可能スペクトロメータの操作方法が提供される。一実施例では、この方法は、（１）光学センサの複数のアクティブ画素領域のうちの少なくとも一つを用いて、光入力を電気信号に変換する工程と、（２）複数の選択可能な変換回路を有する変換回路に電気信号を供給する工程と、（３）選択可能な変換回路のうちの一つを介して、電気信号をデジタル出力に変換する工程とを備えている。

本開示のさらに別の態様では、光学監視システムが提供される。一実施例では、この光学監視システムは、（１）プロセスチャンバから得られた光を送るよう構成された光インタフェースと、（２）光インタフェースからの光を光入力として受け取るよう構成されたマルチモード設定可能スペクトロメータとを備えている。このマルチモード設定可能スペクトロメータは、（２Ａ）光入力を電気信号に変換するよう構成され、光入力を電気信号に変換する複数のアクティブ画素領域を有する光学センサと、（２Ｂ）複数の選択可能な変換回路を有し、該選択可能な変換回路から選択した一つの変換回路に従って、電気信号を受信してデジタル出力に変換するよう構成された変換回路と、（２Ｃ）光入力に基づき、光学センサの操作モードを選択し、選択可能な変換回路のうちの一つを選択してデジタル出力を得るよう構成されたセンサコントローラとを備えている。

また、本開示によれば、マルチモード設定可能スペクトロメータの他の実施例が提供される。このマルチモード設定可能スペクトロメータは、（１）光入力を電気信号に変換する、それぞれ別々に制御可能な複数のアクティブ画素領域と、複数のアクティブ画素領域のそれぞれに対してシフトレジスタを備えた光学センサと、（２）選択可能変換回路を有し、該選択可能な変換回路のうちの選択された変換回路に従って、電気信号を受信してデジタル出力に変換するよう構成された変換回路であって、少なくとも４つの異なる選択可能な変換回路からなる固有の一連の回路が各シフトレジスタに接続され、前記少なくとも４つの異なる選択可能な変換回路には、高速アナログ・デジタル変換器を有する回路と、低速アナログ・デジタル変換器を有する回路と、結合回路とが含まれる、変換回路と、（３）光入力のタイプに基づき、光学センサの操作モードと、選択可能な変換回路のうちの一つの選択された回路を変更し、デジタル出力を得るよう構成されたセンサコントローラとを備えている。

本開示の特徴であると考えられる新規な特徴を、添付の特許請求の範囲に記載する。 しかしながら、本開示自体、並びに、その使用法やさらなる目的及び利点は、以下の詳細な説明を参照し、添付の図面と併せ読むことによって、最もよく理解されるであろう。

本開示の原理に係る、半導体プロセスツール内におけるプロセスの状態の監視及び／又は制御を行うＯＥＳ及び／又はＩＥＰを採用するための、マルチモード設定可能スペクトロメータを備えたシステムを示すブロック図である。 本開示の原理に従って構成されたマルチモード設定可能スペクトロメータ及び特定の関連システムを示すブロック図である。 本開示の原理に係る、マルチモード設定可能スペクトロメータと共に用いられる新規光学センサ及び関連電子機器の機能要素の概要を示す模式図である。 本開示の原理に従って行われる、図３に示すような新規光学センサを含むマルチモード設定可能スペクトロメータからの光学データの読み取り方法を示すフローチャートである。 本開示の原理に従って行われる、図３に示すような新規光学センサを含むマルチモード設定可能スペクトロメータからの光学データの読み取り方法を示す第２フローチャートである。 代表的なＩＥＰ光信号（スペクトル）を示す図表である。 複数の代表的なＯＥＳ光信号（スペクトル）を示す図表である。 代表的なＩＥＰ光信号と第１ＯＥＳ光信号とを結合したものを示す図表である。 代表的なＩＥＰ光信号と第２ＯＥＳ光信号とを結合したものを示す図表である。 第１の代表的なＯＥＳ光信号と第２ＯＥＳ光信号とを結合したものを示す図表である。

以下の説明において、本明細書の一部を形成し本開示の特徴が実施され得る特定の態様を例示している添付の図面を参照する。これらの実施形態は、 当業者が本開示の特徴を実施できる程度に十分に詳細に説明される。また、他の実施形態を用いることもでき、本発明の範囲から逸脱することなく構造的、方法的かつシステム的な変更が可能であることを理解されたい。それゆえ、以下の詳細な説明は、限定する意図ではないものとされたい。説明を分かりやすくするために、添付の図面に示す類似の特徴は類似の符号で示され、他の実施例に示す同様の特徴は同様の符号で示される。本開示の他の特徴は、添付の図面及び以下の詳細な説明により明らかとなる。なお、説明を分かりやすくするために、図面における特定の要素は、正確な縮尺では描かれていないこともある。

プロセスツール内での半導体プロセスの状態の監視及び評価に関して、図１は、プロセスツール内でのプラズマ又は非プラズマ処理の状態の監視及び／又は制御を行うＯＥＳ及び／又はＩＥＰを利用するプロセスシステム１００を示すブロック図である。半導体プロセスツール１０５は、通常、さまざまなプロセスガスが含まれることもある通常部分的に真空にされた容積内に、ウエハ１１０と、場合によっては、プロセスプラズマ１１５を含む。プロセスツール１０５は、さまざまな位置及び方向でチャンバ内を監視できるようにする一つ又は複数の光インタフェース１２０、１２１、１２２を備えていてもよい。この光インタフェース１２０、１２１、１２２には、光学フィルタ、レンズ、窓、開口部、光ファイバなどの複数の種類の光学素子が含まれてもよいが、これらに限定されるものではない。

ＩＥＰ用途では、光源１３０は、光インタフェース１２０と直接又は光ファイバケーブルアセンブリ１３３を介して接続されてもよい。この構成に示すように、光インタフェース１２０は、ウエハ１１０の表面に対して垂直に配向され、多くの場合、それに対して中心に置かれている。光源１３０からの光は、コリメートビーム状にプロセスツール１０５の内部容積へと進入してもよい。このコリメートビーム１３５は、ウエハから反射すると、再び光インタフェース１２０に受光されてもよい。一般的な用途では、光インタフェース１２０は、光コリメータであってもよいし、集束システムであってもよく、その場合、コリメートビーム１３５はコリメートされるのではなく、集束されることになる。光インタフェース１２０に受光された光は、光ファイバケーブルアセンブリ１３７を介してマルチモード設定可能スペクトロメータ１４０へと送られ、光学センサ１４２によって検出と変換が行われてもよい。光源１３０は、例えば、ＤＵＶからＮＩＲの波長範囲の光を発生させるフラッシュランプであってもよく、対象波長がその内の任意の波長域から選択されてもよい。大型の基板や、ウエハの不均一性の理解が懸念となる場合、不図示の垂直に配向されたさらなるインタフェースを用いてもよい。

ＯＥＳ用途では、光インタフェース１２２は、プラズマ１１５から放出された光を集光するよう配向されていてもよい。この光インタフェース１２２は、単にビューポートであってもよいし、レンズ、ミラー、光学波長フィルタなどの他の光学素子をさらに含んでいてもよい。光ファイバケーブルアセンブリ１３９は、集光された光をマルチモード設定可能スペクトロメータ１４０とその中の光学センサ１４２へ誘導してもよい。複数のインタフェースを別々に又は同時に用いてＯＥＳに関連する光信号を収集してもよい。例えば、図１に示すように、光インタフェース１２１は、ウエハ１１０の表面付近からの発光を収集するよう配置されていてもよく、光インタフェース１２２は、プラズマの束を眺めるよう配置されていてもよい。プラズマ／ウエハインタフェースの上流側／下流側には、その他の不図示のインタフェースが配置されていてもよい。個々の光ファイバケーブルアセンブリには複数のインタフェースが接続され、マルチモード設定可能スペクトロメータ１４０と光学センサ１４２へ複数の光信号を結合光入力として送り込んでもよい。また、光インタフェースは、図１に示すものから簡素化されてもよく、基本的には、マルチモード設定可能スペクトロメータ１４０をプロセスツール１０５に直接取り付けることにより排除してもよい。

半導体プロセスの用途の多くでは、スペクトロメータに対してＯＥＳ及びＩＥＰ両方の光信号を収集し供給することが一般的である。通常、各信号タイプに対して複数のスペクトロメータを支持することは、数ある要因の中でも、コスト、複雑性、信号タイミング同期の不便さ、キャリブレーション、パッケージングの理由から好ましくない。しかしながら、これらの両タイプの光信号を受信及び処理することにより、単一のスペクトロメータに対して複数の問題を生じさせる場合がある。通常、ＯＥＳ信号は、時間的に連続したものであるのに対し、ＩＥＰ信号は、時間的に連続したもの及び／又は離散したものであってもよい。プロセス制御はＯＥＳ及びＩＥＰ両方の信号における小さな変化の検出を必要とすることが多く、一方の信号に固有の変化が他方の変化を気付かなくする場合もあるので、これらの信号が混在することで数多くの問題が生じる。このような光信号検出の問題点と本開示によるその軽減については、図６Ａ乃至図７Ｃを参照して以下にさらに説明する。

光ファイバケーブルアセンブリ１３７、１３９それぞれを介して転送されたＯＥＳ及びＩＥＰ光信号は、マルチモード設定可能スペクトロメータ１４０で光学センサ１４２によって光入力として受信されてもよいことが好ましい。一般的に、光入力には、上述のＯＥＳ及びＩＥＰ信号や、その他の連続又は不連続信号などの一つ又は複数の光信号が含まれてもよい。さらに、そのような光信号は、他の光信号から独立していても、それらと結合していてもよいことに留意すべきである。光学センサ１４２は、その光入力を電気信号に変換する複数のアクティブ画素領域を備えていてもよい。そして、各アクティブ画素領域によって一つ又は複数の光信号を受信してもよい。光学センサ１４２内の電気信号は、光学センサ１４２の正確な構成によって、電荷信号、電流信号及び／又は電圧信号のいずれかであればよいことを理解されたい。一般に、光入力は、まずは電荷に変換され、その後、電圧に変換されて、光学センサ１４２の外部にある装置が出力増幅器を介して利用可能となる。

また、マルチモード設定可能スペクトロメータ１４０には、複数の選択可能変換回路を有し、選択された一つ又は複数の選択可能変換回路に従って、電気信号１４６を受信してデジタル出力１４８に変換するよう構成された変換回路１４４を備えていてもよい。このマルチモード設定可能スペクトロメータ１４０は、光学センサ１４２の動作を指示し、変換回路１４４の選択可能変換回路から少なくとも一つを選んでデジタル出力１４８を得るよう構成されたセンサコントローラ１５０をさらに備えていてもよい。このデジタル出力１４８は、さらになる処理、格納などを行うためにセンサコントローラ１５０に転送されてもよく、及び／又は、さらなる利用のために外部システム１６０に直接／間接的に転送されてもよい。

例えば、外部システム１６０は、一つ又は複数のアルゴリズムを用いて、例えば、特定波長の強度、２つの波長帯域の比率、又は、膜厚値を表すアナログ又はデジタル制御値などの出力１７０を生成する工業用ＰＣ、ＰＬＣ、又は、その他のシステムであってもよい。また、この外部システム１６０は、マルチモード設定可能スペクトロメータ１４０と一体化して全体的によりコンパクトなシステムを提供してもよい。ＯＥＳアルゴリズムにより、一つ又は複数の所定の波長における発光強度信号の分析と、プロセスの状態に関連し、その状態、例えば、エンドポイント検出、エッチング深さなどへのアクセスを行うのに利用可能な制御値の決定とが行われる。ＩＥＰ用途では、アルゴリズムによってスペクトル全体の分析を行って膜厚制御値を決定する。例えば、参照により本明細書に組み込まれる特許文献２の「膜厚及びトレンチ深さの現場監視及び制御を行うシステム及び方法」を参照のこと。出力１７０は、プロセスツール１０５内で行われる製造プロセスの監視及び／又は変更を行うイーサネット（登録商標）などのデジタル又はアナログ通信リンクを介して、プロセスツール１０５に転送されてもよい。図１には単一のプロセスツール１０５の単一のプロセスチャンバを具体的に示しているが、マルチモード設定可能スペクトロメータ１４０は、単一のプロセスツール１０５の複数のプロセスチャンバとの併用又は異なるプロセスツールの一つ又は複数のプロセスチャンバとの併用も有利であることを理解されたい。

図２は、本開示の原理に係る、マルチモード設定可能スペクトロメータ２１０を備えたシステム２００の実施例を示すブロック図である。このマルチモード設定可能スペクトロメータ２１０には、半導体プロセスからの光信号の測定に有利となるよう、図３に示す一実施例に従って説明した、本明細書に開示した光学センサが組み込まれていてもよい。このマルチモード設定可能スペクトロメータ２１０は、図１に示す光ファイバケーブルアセンブリ１３７、１３９などの外部光学素子２３０から一つ又は複数の光信号を受信し、その光信号の結合及び変換を行なった後、外部システム２２０にデジタル出力を送ってもよい。外部システム２２０は、例えば、操作モードを選択する、又は、本明細書に記載の結合タイミングなどの操作モードの内容を制御することによって、マルチモード設定可能スペクトロメータ２１０を制御するのにも用いられてもよい。

マルチモード設定可能スペクトロメータ２１０は、ＳＭＡ又はＦＣ光ファイバコネクタやその他の光学機械インタフェースなどの光インタフェース２４０を備えていてもよい。スリット、レンズ、フィルタ、回折格子などのさらなる光学素子２４５が、受信した光信号の形成、誘導、彩色的分離を行い、それらを光学センサ２５０に送って結合及び変換を行うよう機能してもよい。この光学センサ２５０の下位機能は、共に図１のセンサコントローラ１５０と関連付けられた又はその一部であるプログラマブル集積回路２６０やプロセッサ２７０などの構成要素によって制御されてもよい。このプログラマブル集積回路２６０は、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）であってもよく、以下、本開示及び図面では、ＦＰＧＡ２６０という。このＦＰＧＡ２６０は、Ａ／Ｄ変換回路２８０のための変換制御信号と、光学センサ２５０のための光学センサクロック信号を生成することができる。また、プロセッサ２７０もその変換制御信号と光学センサクロック信号を生成することができる。このプロセッサ２７０は、縮小命令セットコンピューティングアーキテクチャを有するコンピュータプロセッサを含むさまざまな種類のプロセッサであればよい。使用可能なプロセッサの他の例としては、インテルプロセッサや、ＢｌａｃｋＦｉｎなどのデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）が挙げられる。光学センサ２５０において光信号から電気信号へと変換された信号は、Ａ／Ｄ変換回路２８０へと送られ、電気信号からデジタル信号に変換されてもよい。Ａ／Ｄ変換回路２８０は、図１の変換回路１４４内の複数の変換回路のうちの一つとして含まれていてもよく、図３の変換回路に関連して以下にさらに詳しく説明する。

その後、Ａ／Ｄ変換回路２８０からのデジタル信号は、すぐに又は後で利用するためにメモリ２９０に格納し、外部システム２２０（図１の外部システム１６０など）に送信してもよい。マルチモード設定可能スペクトロメータ２１０は、該マルチモード設定可能スペクトロメータ２１０内の要素の動作に必要な電圧を供給する電源２９５をさらに備えていてもよい。このシステム２００の構成要素とマルチモード設定可能スペクトロメータ２１０との間の接続は、従来どおり行われればよい。いくつかのインタフェースや関係性が矢印で示されているが、マルチモード設定可能スペクトロメータ２１０には、さらなる相互作用や制御関係が含まれてもよい。デジタル信号には、光学センサ２５０への光入力に含まれる一つ又は複数の光信号を表す一つ又は複数の値が含まれてもよい。通常、スペクトロメータとしては、デジタル信号には、一般的に、スペクトルのデジタル表現が含まれる。例えば、スペクトルには、符号なし１６ビット整数などの各デジタルタイプについて、１０２４個の要素が含まれてもよい。

従来技術のスペクトロメータや集積画像光学センサの制限に対処するためには、新しい光学センサの構成が必要となる。図３は、本開示の原理に係る、分光法や半導体プロセス制御に有用な新規光学センサ３００及びそれに関連する変換回路３９９の一実施例の機能要素の概要を示す模式図である。光学センサ３００は、通常、従属的に又は独立して制御し得る複数のアクティブ画素領域を有する。図３では、分かりやすくするために、２つの領域しか図示及び言及されていないが、本明細書に記載の利点を達成するには、より多くの領域を用いてもよい。

本明細書において、一つ又は複数の「横の」及び「縦の」列という用語は、光学センサ３００の内部形態を説明するのに用いられる。光学センサのより「長い」又は大きな要素数軸は、通常、「水平」方向として示されるものとすることを理解されたい。分光法用途では、光学センサの長軸／水平軸は、波長分散の方向と一致することが一般的である。光学センサ３００のアクティブ画素領域３１０、３１１には、それぞれ、一つの横の列に、多数（例えば、約３０００）の長い画素（約２０００ミクロン）が含まれる。この構成は、多数のより短い画素列、例えば、高さ２４ミクロンの画素列を１２８個含む、典型的な従来の光学センサとは異なる。約１０００から４０００ミクロンの長い画素は、イメージングスペクトロメータシステムでの利用に適し、スリット高さや１に近いイメージングシステム倍率との適合性が良い。限られた数の画素列（例えば、２から１０）を用いてもよいが、さらなる縦方向のクロック動作をさらに必要とする場合があり、それによって、光学センサ３００の動作が遅くなってしまうことがある。列を追加することにより、各アクティブ画素領域の空間的な細分化を可能にし、さらなる多重化（１つのアクティブ画素領域につき２つ以上の光信号）や、各アクティブ画素領域への光信号の制御（各アクティブ画素領域のすべての又は一部の画素列を読み取る能力）に対するサポートを提供し得る。

必須ではないが、光学センサ３００のアクティブ画素領域３１０、３１１の間には、さらなる画素領域又は物理的ギャップ３１５を配置し、それらの領域３１０、３１１間を光学的かつ電気的に分離することが好ましい。物理的ギャップ３１５は、領域３１０、３１１間の光学的分離が行えるよう、約数十から１００ミクロンの幅を有していればよい。さらに、アクティブ画素領域３１０、３１１には、暗電流／信号やＤＣオフセット補償に用いられる光学的に不透明な領域３１２、３１３がそれぞれ含まれていてもよい。このような領域は、ＮＩＲ波長を透過させるシリコンの厚い層によって光学的に不透明とされていてもよいので、領域３１２、３１３は、ＵＶ波長が照らすとされる光学センサ３００の端部付近に配置されることが最も効果的である。この領域３１２、３１３には、例えば、平均電気オフセットレベルの判定を支援する２つから４つ又はそれ以上の画素が含まれてもよい。図３では、アクティブ画素領域の変換回路との接続とは反対側の端部に領域３１２、３１３が示されている。これらの不透明領域の配置や変換回路との接続の方向は、光学センサ３００の実際の半導体設計のピン配列などの要件ごとに変更されてもよい。

各領域３１０、３１１が画素列を１列含む場合、単一の縦シフトによって、結合電気信号がアクティブ画素領域３１０、３１１からそれぞれのシフトレジスタ３２０、３２１へと移動する。一方の領域を「上」へ、他方の領域を「下」へシフトすることは、図面を単純化することであって、場合によっては、実際の半導体アーキテクチャである。全てを一方向にシフトできるようにするには、信号ルーティングはもっと複雑なものとなる。３つの領域が存在する場合、中央領域からの信号は、他の２つの領域の下又はそれらの周りを通らなければならなくなる。さらに、それぞれ又はいずれかの領域３１０、３１１が複数の画素列を有する場合、シフトも複数必要となる。また、複数のアクティブ画素領域又はその個々の列それぞれの縦シフトは、同期されていても、インターリーブされていても、もしくは、同時であってもよい。既存のＣＣＤと比べて、光学センサ構成によれば、より高速でシンプルなクロッキングが行われ、重複する結合領域間で電荷をシフトする必要がなくなるので、光信号の汚染の主な原因を防ぐことになる。一例では、光学センサ３００のアクティブ画素領域と水平シフトレジスタを結合することにより、電子量が３０万から４０万の十分な容量、５％以下の信号直線性、１４，０００を上回る信号ダイナミックレンジに対応する。

上記縦シフトの後、水平シフトレジスタ３２０、３２１の電気信号は、矢印３４０、３４１に示すように、関連変換回路３９９に配置された各高速Ａ／Ｄ変換器３５０、３５１及び／又は各低速Ａ／Ｄ変換器３５２、３５３へと、それぞれ水平方向にシフトされてもよい。低速及び高速Ａ／Ｄ変換器を設け、その選択を行うことができることで、速い読み出し速度（高速Ａ／Ｄ）か低雑音（低速Ａ／Ｄ）かどちらかを選択することができる。各高速及び低速Ａ／Ｄ変換器には、複数のクロック速度と画素サンプリング技術が利用できる。さらに、クロック速度は、動的に変更することにより、特定の操作モードに対して、光学センサ３００からの電気信号の変換を最適化してもよい。一般に、光学センサ３００と変換回路３９９を組み合わせることにより、データ速度（例えば、１秒当たりのスペクトル）、追加デジタル分解能、信号対雑音比性能の間におけるトレードオフに対応する操作モードが得られる。つまり、変換回路３９９は、通常、「ＤＣ／基準レベル」及び「信号レベル」と定義される領域において、シフトレジスタからの電気信号波形をマルチサンプリング又はオーバーサンプリングして、Ａ／Ｄ変換器クロック速度、所望の信号対雑音比性能、データサンプリングレートに応じて、差動デジタル信号を生成するよう構成されてもよい。

また、光学センサ３００は、高速Ａ／Ｄ変換器３５０、３５１及び／又は各低速Ａ／Ｄ変換器３５２、３５３に関連して、各水平シフトレジスタに対してデュアル出力を有していてもよい。つまり、出力３２４は、シフトレジスタ３２０に関連する低速及び低雑音出力であって、変換器３５２に接続されていてもよい。一方、出力３２５は、シフトレジスタ３２１に関連する低速及び低雑音出力であって、変換器３５３に接続されていてもよい。さらに、出力３２６は、シフトレジスタ３２０に関連する高速出力であって、変換器３５０に接続されていてもよい。そして、出力３２７は、シフトレジスタ３２１に関連する低速及び低雑音出力であって、変換器３５１に接続されていてもよい。結合部３７０が出力３２６、３２７に接続されて示されているが、出力３２４、３２５を代わりに用いてもよい。水平シフトレジスタ３２０、３２１及び変換回路３９９の関連する要素は、同期的又は非同期的にクロッキングが行われてもよく、各変換器は、個別の選択可能なクロック速度で動作を行ってもよい。同期クロッキングによって各アクティブ画素領域から同時並列信号が得られるのに対し、非同期クロッキングは、該アクティブ画素領域からの信号のインターリービングをサポートするのに用いられてもよい。光学センサ３００及び変換回路３９９は、適切な１８ビットＡ／Ｄ変換器を用いて、１つのアクティブ画素領域につき、１スペクトル当たり１ミリ秒の高速動作を行ってもよく、それにより、高ダイナミックレンジ、例えば、１００ｄＢのデジタル信号が生じる。このような高いデータサンプリングレート（例えば、１秒当たりのスペクトル）に対応するため、図２のＦＰＧＡ２６０やプロセッサ２７０は、データ圧縮及び他の高速信号処理を行うことができる。これは、例えば、外部システム２２０によって、さらなる処理のためにデータが送信される前に行うことができる。典型的に、高速運転は、非常に強い光信号の測定を可能にし、低雑音（低速）運転は、非常に弱い光信号の測定を可能にする。よって、それらを組み合わせることにより、システム全体のダイナミックレンジを向上させる。

変換が行われたデジタル信号は、ポート３６０、３６１、３６２、３６３にて利用可能となり、図２に示すメモリ２９０、プロセッサ２７０、ＦＰＧＡ２６０などの要素に送信されてもよい。また、水平シフトレジスタからの信号は、結合部、例えば、結合回路３７０に送られ、Ａ／Ｄ変換器３７５によって変換されて、ポート３８０にて利用可能とされてもよい。このＡ／Ｄ変換器３７５は、低速又は高速タイプの変換器であってもよく、もしくは、結合回路３７０から生じる信号に対して選択可能な低速／高速Ａ／Ｄ変換器が変換回路３９９に含まれていてもよい。この結合回路３７０には、加算回路、差分回路、除算回路、乗算回路、又は、インターリーブ回路が含まれても良く、これらの結合回路の機能を実現するよう構成された単一の要素であってもよい。

水平シフトレジスタ３２０、３２１から各Ａ／Ｄ変換器への信号経路は、生成された変換制御信号や、例えば、ＦＰＧＡ２６０又はプロセッサ２７０から得られた光学センサクロック信号の要求どおりに選択されてもよい。変換制御信号による選択は、例えば、回路を電気的に動作させたり、その動作を停止させたり、もしくは、スイッチを開閉することにより行うことができる。このように光学センサ３００や変換回路３９９を設定可能とすることにより、高いダイナミックレンジ又は平均化のための信号加算、共通モード補正や変更検出のための信号差分、並列独立信号など、センサのマルチモードに適応性のある使用が可能となる。このようなさまざまなＡ／Ｄ変換器や結合回路３７０は、図３では変換回路３９９の一部として示しているが、光学センサ３００と一体化されていてもよい。例えば、結合回路３７０は、光学センサ３００内又は変換回路３９９内のアナログ領域で実行されてもよい。最高の信号性能は、光学センサ３００で結合が行われることにより達成されてもよい。さらに、結合回路３７０は、例えば、図１のセンサコントローラ１５０内におけるデジタル領域で実行されてもよいが、その場合、Ａ／Ｄ量子化やデジタル数学的エラーの対象となる。図３では、すべての変換器及び出力が光学センサの水平シフトレジスタ３２０、３２１の一つの端部に接続された状態で示されているが、変換器や出力は、シフトレジスタのいずれか又は両端部にも好都合に配置され得ることを理解されたい。いくつかのレイアウトでは、シフトレジスタ３２０、３２１の各端部に異なる出力を設けることにより、光学センサの内部の構成要素を切り替える必要がなくなるという利点が得られ、電気信号出力を単にクロック信号の位相整合を変更することにより光学センサ３００へ送ってもよい。変換回路３９９は、図１の変換回路１４４と同様に、図１のセンサコントローラ１５０など、マルチモード設定可能スペクトロメータのサブシステムの指示を受けるものであってもよい。このセンサコントローラ１５０は、例えば、外部システム２２０から受け取ることができる選択操作モードに基づいて、変換制御信号や光学センサクロック信号を生成することができる。ＦＰＧＡ２６０又はプロセッサ２７０は、例えば、変換制御信号や光学センサクロック信号を生成して、異なる操作モードや光学センサ３００及び変換回路３９９の構成を有効にしたり無効にしたりするようプログラミング可能である。

光学センサ３００のアクティブ画素領域３１０、３１１には、高速（ミリ秒タイミング）電子シャッター機能の統合がさらに含まれていてもよい。この機能３９０は、図３では、アクティブ画素領域３１０にわたってドット状の「Ｘ」で示されている。この電子シャッター機能３９０は、光学センサ３００のアクティブ画素領域全体又はその一部におけるセンサの露光により、電荷の結合を阻害／許可してもよい。例えば、シャッター制御は、光学センサ３００の水平軸に沿って独立して変化し得る。光学センサ３００と、マルチモード設定可能スペクトロメータ１４０などの関連するスペクトロメータの操作モードの一部としてシャッター機能３９０を空間的かつ時間的に制御することで、ダイナミックレンジの向上、利得平坦化、パルスプラズマなどの外部制御からの光信号の高速同期、移動又は一過性システム、変調された高周波や、エイリアシングなしに急速に変化するソースの放出を監視する能力に対応してもよい。電子シャッター機能３９０の制御は、例えば、図１のマルチモード設定可能スペクトロメータ１４０のセンサコントローラ１５０などのコントローラを介して行われてもよい。

図４は、図３に示すような光学センサ及び変換回路を備えたマルチモード設定可能スペクトロメータからの光学データの読み取り処理４００の一例を示すフローチャートである。本明細書において、光学データは、光信号及び変換された電気／デジタル信号を含む、スペクトロメータへの光入力の複数の状態のいずれかに関連付けられていてもよい。この処理４００は、操作モード、半導体プロセスタイプ、統合時間、その他の初期パラメータをあらかじめ決める準備ステップ４１０から開始する。次に、ステップ４２０では、このスペクトロメータやそれに含まれる光学センサ及び変換回路の所定の操作モードを選択してもよい。操作モードには、例えば、回路選択、統合機能選択、アクティブ領域光信号統合時間、ダイナミックレンジを最大化するためのデジタル化スキーム、シャッター機能タイミングを変更するための設定及びパラメータが含まれていてもよい。操作モードは、図１の外部システム１６０などの外部システム内で定められ、図１のマルチモード設定可能スペクトロメータ１４０のセンサコントローラ１５０などのマルチモード設定可能コントローラへ送られた後、図２のＦＰＧＡ２６０やプロセッサ２７０などのコントローラによって具体的な制御が行われてもよい。操作モードは、特定の半導体プロセスの条件及び要件や、以下に表１を参照して説明するようなデータ要件に対して定められてもよい。例えば、操作モードには、光コネクタのタイプ、光信号タイプ（ＯＥＳ／ＩＥＰ）、レベル（明／暗）、時間的変動（連続／パルス）に基づく設定及びパラメータが含まれていてもよい。また、操作モードは、各ソースに対して独立した非同期デジタル信号を生じさせる別々のソースからの光学データに対応するなど、処理システムの最適化に基づくものであってもよい。

次に、ステップ４３０では、図１乃至図３を参照して説明するように、上記操作モードで定められた光学センサ、変換回路、マルチモード設定可能スペクトロメータからデータが読み取られてもよい。ステップ４２０、４３０は、複数回（１…Ｎ）繰り返し行うことで、プロセス応用に有用な特徴を有する光学データが得られるようにしてもよい。例えば、特定の操作モードでは、光学データを読み取って、ＯＥＳデータの２つのデジタル信号のデジタル出力を得るよう指示が行われてもよい。ここで、第１デジタル信号は、アクティブ画素領域３１０から収集され、第２デジタル信号は、アクティブ画素領域３１１から収集されてもよい。この操作モードのさらなるパラメータとしては、結合回路３７０を加算回路として選択したり、信号対雑音比性能を向上させるために低速Ａ／Ｄ変換器を選択したりすることが含まれてもよい。アクティブ画素領域３１０への光入力がアクティブ画素領域３１１への光入力よりもはるかに大きい、若干変更した操作モードでは、統合期間の一部において、アクティブ画素領域３１０にシャッター機能や他のタイミング制御を適用して、蓄積された電気信号量を軽減させてもよい。ステップ４３０は、この処理４００がステップ４２０に戻る前に複数回繰り返し行われてもよい。さらに、ステップ４２０での操作モードの選択は、デジタル信号のいくつかのパラメータや、外部から供給された命令に基づき、光入力を生成する半導体プロセス中にリアルタイムで動的に適応させてもよい。例えば、デジタル信号が光学センサの飽和状態を示す場合、操作モードを調整して関連するアクティブ画素領域が受信する光信号の統合時間を削減するようにしてもよい。このような削減は、アクティブ画素領域の統合時間を直接変更したり、関連するシャッター機能の時間を調整したりすることによって行われる。動作モード調整は、例えば、図２のプロセッサ２７０や、図１の外部システム１６０によって指示されてもよい。さらに、操作モードの動的な調整には、調整が行われる前に、この処理４００のステップ４２０から４７０までの１サイクルを少なくとも実行する必要がある場合がある。

次に、ステップ４４０では、マルチモード設定可能スペクトロメータや光学センサにおける操作モードに従って、収集された光学データの処理を行ってもよい。例えば、マルチモード設定可能スペクトロメータが、交互照明が行われるフラッシュランプを用いた動作モードで使用される場合、処理には、光学データ照明がオンの場合とオフの場合との違いを判定する工程が含まれてもよい。この処理は、例えば、図３の結合回路３７０、図２のプロセッサ２７０、又は、図１の外部システム１６０によって行われてもよい。続いて、ステップ４５０では、この光学データの処理を行い、ステップ４６０でプロセスツールに送られる制御値出力の削減と抽出を行ってもよい。この制御値出力の判定は、例えば、図２のプロセッサ２７０又は図１の外部システム１６０によって行われてもよい。ステップ４５０で生成され、図１のプロセスツール１０５などのプロセスツールによって受け取られた一つ又は複数の出力は、ステップ４７０では、該ツール内で行われ、ウエハに作用するプロセスの実行に適応するのに用いられる。この処理４００は、ステップ４８０で終端し、光学データ及び算出された値は、後々の検索などのために格納されてもよい。この処理４００により、通常、数秒から数十分であり、１ミリ秒の頻度かつ数分間隔で収集された光学データを含む監視／制御プロセスの長さにわたる時系列のポイント又はスペクトルとして光学データが定義されてもよい。

図５は、本開示の一実施例に係る、図３に示すような光学センサを備えたマルチモード設定可能スペクトロメータからの変換された光学データの読み取り処理５００を示す第２フローチャートである。この処理５００は、マルチモード設定可能スペクトロメータとその光学センサ及び変換回路の内部動作に関する処理４００に対してさらに詳細を加えたものとなる。この処理５００は、ＦＰＧＡ機能の制御などの動作を定義又は設定したり、マルチモード設定可能スペクトロメータの初期チェックを行う準備ステップ５１０から開始する。ステップ５２０では、光学センサの複数の出力の結合モードが選択されてもよい。ステップ５３０では、光学センサのシャッターの状態及びタイミングが選択されてもよい。シャッター機能は、例えば、いずれかのアクティブ画素領域に適用し、各アクティブ画素領域からのスペクトル全体の（デジタル信号）データ速度を一貫して使用しつつ、異なる明るさの光源間の露光を個別に制御してもよい。シャッター状態の選択後、ステップ５４０では、光信号の統合を所定の期間行ってもよい。この統合時間は、光学センサの各アクティブ画素領域で同じであっても異なっていてもよい。さらに、いくつかの操作モードでは、各アクティブ画素領域の統合時間と信号処理は、マルチモード設定可能スペクトロメータ及び光学センサが複数の独立したプロセスツール又はプロセスチャンバと併用される場合に必要とされるようなインターリービングや完全に独立した光学データ収集に対応するよう非同期的であってもよい。

次に、ステップ５５０では、統合された電荷が隣接する独立した水平シフトレジスタへ垂直方向にシフトされてもよい。その後、ステップ５６０では、水平シフトレジスタの電気信号が水平方向にシフトされ、事前に選択された統合モード及び操作モードのデータサンプリングレート設定に従って変換されてもよい。ステップ５７０では、選択された変換回路及び変換サンプリングレート、並びに、変換回路のオーバーサンプリングに従って、収集されたスペクトルを定めるデジタル信号へ電気信号を変換してもよい。この処理５００は、例えば、処理４００及び／又は図１に関連して説明したように、光学データの格納又は適用が行われるステップ５８０で終了する。

表１では、本開示の原理に従って、光学センサ、変換回路、マルチモード設定可能スペクトロメータのいくつかの操作モードの信号タイプに基づく利点に注目する。マルチモード設定可能スペクトロメータの操作モードは、監視対象の半導体信号タイプと密接に関連していてもよい。つまり、これらの上述の信号タイプは、ＯＥＳ及びＩＥＰ信号である。それらの例としては、図６Ａ乃至図７Ｃを参照して図示し説明する。２つのアクティブ画素領域を有する、図３のセンサ３００などの光学センサを考慮し、該アクティブ画素領域から光学データを独立して並列に読み出す操作モードと、総括／区別して読み出す操作モードとをさらに考慮した場合、既存のスペクトロメータシステムにわたって特定の利点が見て取れる場合がある。

次に、ＯＥＳ及びＩＥＰ光学データの代表的な図表に目を向ける。図６Ａは、ウエハに反射したキセノンフラッシュランプからの一般的なＩＥＰ光信号（スペクトル）６２０を示す図表である。本明細書に説明するように、ＩＥＰ信号は、フラッシュランプにより生成されるようなパルス又は離散光信号と見なされるが、ＩＥＰ信号は時間的に連続した又は離散した信号であってもよいことを理解されたい。パルス光信号は、５０％のデューティサイクルで、数秒間につき１０回などの規定のパルス繰り返し数とデューティサイクルで、２つ以上の光レベル間で異なっていてもよい。本明細書では、一般に、対象期間にわたって一定の光信号レベルを維持する通常時間的に連続したＯＥＳ光信号との対比が重要視される。フラッシュランプから生じるパルス光信号は、通常、大抵数マイクロ秒の非常に短いデューティサイクル又は期間であり、１００％の変調度を有することが多いが、パルスプラズマから生じるパルス光信号は、より変化しやすく、光信号の変調度が１００％ではないことが多い。また、ＩＥＰのフラッシュランプ信号は、通常、波長が広帯域であり、その波長範囲にわたって大幅に変化することがある。図６Ｂは、複数の代表的なＯＥＳ光信号（スペクトル）６３０、６４０を示す図表である。スペクトル６３０は、分子発光（４００ｎｍに近い広帯域構造）と原子発光（全体的にピークが狭い）の両方に特有の特徴を示している。スペクトル６４０は、もっぱら原子発光だけの特徴を示し、波長に応じた信号レベルがゼロに近い値から７０，０００近くまで変化するのが分かる。

スペクトロメータ内の光学センサの単一のアクティブ画素領域の複数領域で収集されたＩＥＰ及びＯＥＳスペクトルは、その振幅が大きく変化してもよく、異なるチャンバ又は同一チャンバ内の異なる位置から生じるものであってもよい。現時点での多くの半導体プロセスへの応用では、小さい信号（又は小さい信号変化）の検出が重要であり、現時点での光学センサ及びスペクトロメータ技術には、汚染、クロストーク、限られたダイナミックレンジ及びその他の問題が存在するため、重要な光信号の特徴が既存のスペクトロメータを読み取る際に隠されている場合がある。

前述の特許文献１で言及したように、このような既存の光学センサやスペクトロメータの使用には複数の問題が存在する。主要な問題としては、アクティブ画素領域が円形バッファとして作用し、そのアクティブ画素領域のさまざまな部分に統合された信号は、通常、シフト中も露光されたままとなって汚染されてしまう他の部分を通らなければならない。結果的に得られる光信号は、シフト率などに基づき、さまざまな比率で異なる部分に入射する信号を組み合わせたものである。さらに、一つの部分から別の部分へと列がシフトするにつれて、センサの元の部分が露光され続けてもよく、不要信号を結合させてもよい。この場合も同様に、前述の特許文献１で言及したように、複雑化したり、データ速度が低下し、信号読み出しが増大するという代償を払って、これらの問題などに取り組むのに相当な努力が費やされている。特に、特許文献１の図１２に注目すると、複数の結合信号の特定の汚染を回避するため、光学センサのアクティブ領域の一部を見えなくして、複雑な列シフト及び水平読み出しの構成を行い、既存のイメージングスペクトロメータの限界に対応してもよい。

上記問題は、ＩＥＰ及びＯＥＳ信号が観察された際に結合する半導体プロセス応用の検討により示されてもよい。図７Ａは、代表的なＩＥＰ光信号６２０とＯＥＳ光信号６４０とを結合したものを示す図表７００である。ここでは、所望のＩＥＰ信号がＯＥＳ信号による汚染に影響されるが、ＩＥＰの全体的な特徴的形態が明らかであることが示されている。図７Ｂは、同じく代表的なＩＥＰ光信号６２０と第２ＯＥＳ光信号６３０とを結合したものを示す図表６１０である。ここでは、所望のＩＥＰ光信号のより大幅な汚染と、ダイナミックレンジの分割により元の信号を区別する能力の低下が示されている。ＯＥＳ信号のフリンジ状の波長強度パターンの形状は、汚染されたＩＥＰ信号において、物質層からの反射率を示すものとして解釈できることが重要である。

フラッシュランプは、フラッシュランプパルスを交互にオンオフする「デュアル読み出し」モード（例えば、参照により本明細書に組み込まれる特許文献３参照）で使用して信号汚染を大幅に除去してもよいが、この操作モードは、十分にゆっくりと変化するＯＥＳ信号を想定したものである。ＯＥＳ信号が十分に静的なものではない場合、汚染されずにＩＥＰ信号の決定を行うことは既存のシステムでは不可能である。本開示の光学センサとスペクトロメータを用いることで、パルス状のＩＥＰフラッシュランプ信号を受信するアクティブ画素領域は、シャッター機能又は他の操作モード設定により開閉し、光パルスの数マイクロ秒以外の期間から、受け取った光入力の統合を排除してもよい。

図７Ｃは、第１の代表的なＯＥＳ光信号６３０と第２ＯＥＳ光信号６４０とを結合したものを示す図表である。これらの信号は、例えば、図１の光インタフェース１２１、１２２から生じるものであってもよい。ここでは、信号６４０の特徴が信号６３０の存在によってほとんど見えなくなっていることが分かる。ＯＥＳ信号は、通常、時間的に連続しているので、既存のスペクトロメータや光学センサの物理的な読み出し構造の限界により、信号汚染が常に発生している。この場合も同様に、処理に開放された領域は非常に低いので、特定の処理を実行不可能にするには１％未満のレベルの汚染で十分である。例えば、１％の開放領域による半導体エッチング処理では、１％のエンドポイント検出精度が必要となる場合がある。これらの要件を組み合わせると、約１：１０，０００の変化を検出することが必要であることを意味し、光信号汚染は、この量未満である必要がある。本開示の光センサとマルチモード設定可能スペクトロメータの動作により、結合ＯＥＳ信号の読み出しの汚染を大幅に低減又は完全に排除され、光信号６３０、６４０を個別に決定することができる。

本開示のマルチモード設定可能スペクトロメータによれば、光信号観測位置、単一／複数のチャンバの統合、単一／複数のプロセスツールの統合、単一／複数のプロセスばらつき、信号タイプのばらつき、これらのうちいずれかの相対的なタイミング／同期に関する操作の柔軟性が得られる。いくつかの特定の例を表１に示す。表１に記載したモード及び利点の説明は、包括的であることを意図したものではなく、特定の操作モード又は信号タイプに関連する利点は、その他の操作モード又は信号タイプと関連していてもよい。

表１に記載の信号タイプや利点は、本開示の光学センサ及びマルチモード設定可能スペクトロメータの特定の構造及び機能に関連するものであってもよい。例えば、デュアルＯＥＳモード（表１の第１列）では、信号のクロストークと汚染がデュアルシフトレジスタと別々の電気信号出力及び変換回路が存在することにより低減されている。その他の関連性についても本明細書の説明から引き出されてもよく、そのいくつかを以下にさらに詳しく説明する。

別の例では、本開示のマルチモード設定可能スペクトロメータによれば、一つ以上のＯＥＳ信号、ＩＥＰ信号又はＩＥＰ信号とＯＥＳ信号を結合させたものを監視する操作モードでの全体の光レベルが非常に高い場合の性能が向上する。現在実施されているのは、光学センサからの信号の読み出しが可能な最短の統合時間を用いて、アクティブ画素領域の一部が小さくなるようにアクティブ画素領域の列の読み取りを細分化することである。これにより、信号の読み出しが複数回行われるスペクトロメータの動作が複雑かつ遅くなり、信号の読み出しは行われるが、飽和状態のために利用されないという状態が生じる。本開示のマルチモード設定可能スペクトロメータによれば、シャッター機能によって、電荷蓄積時間を飽和状態が生じないようにするのに十分なほど短縮することができる。一方、データサンプリングレートは、データの高品質なデジタル化を可能にするのに十分なほど低いままとなり、全体の信号対雑音比を向上させて、小さい信号の検出能を高めてもよい。

これに関連して、２つのことなる光信号に対してそれぞれ異なる統合時間を使用できることが望ましい場合、シャッター機能とアクティブ画素領域の独立した読み出しとを組み合わせることが有利である。ＯＥＳの一例では、アルゴン及びハロゲンによる発光では、スペクトル域が７００から８００ｎｍの高強度な信号が発生するのに対し、副産物による発光は通常弱く、ＵＶからＶＩＳ域に含まれる。マルチモード設定可能スペクトロメータは、データサンプリングレート（例えば、１秒当たりのスペクトル）は一定であるが、異なるアクティブ画素領域で個別の統合時間に対して構成されていてもよく、すべての所望の信号にふさわしい振幅信号が得られる。これらの各信号の一部を結合して、プロセス制御用途の対象となるさまざまな個別の波長に対して実用性とダイナミックレンジを向上させた複合スペクトルが得られるようにしてもよい。さらに、各独立したアクティブ画素領域ごとに積分時間を設定することにより、自動かつ独立した利得制御が可能となる。

また、開示されたマルチモード設定可能スペクトロメータは、低光検出を重視した設計である。本光学センサの波長分散方向に長い画素と長いセンサ寸法とを組み合わせることで、同等の波長分解能を有するより広い光スリットを使用可能にする。本開示のマルチモード設定可能スペクトロメータと併用した場合、光学センサの長い画素により、長いスリットが使用可能となり、ひいては全体的な光収集を拡大することができる。さらなる併用では、アクティブ画素領域のシャッター機能とアクティブ画素領域の高さを用いることで、非常に広範囲なダイナミックレンジの光収集が可能となる。可変幅のスリットを含むマルチモード設定可能スペクトロメータの場合、マルチモード設定可能スペクトロメータの操作モードの一部として、スリット幅を制御してもよい。

パルスプラズマチャンバへの適用時は、本開示の光学センサとマルチモード設定可能スペクトロメータのさらなる操作モードが有利となる。このようなモードには、ａ）パルスプラズマへの光信号収集の同期、ｂ）シャッターによる同期、ｃ）パルスプラズマＯＥＳの時間分解分光法が含まれるが、これらに限定されるものではない。同期操作モードについては、パルス周波数がそのデータ間隔にふさわしいものではなかったとしても、データ間隔を都合の良い数値（例えば、２０Ｈｚ）に維持することが有用な場合もある。このパルスプラズマ周波数は、データ間隔ではなく、光学センサや変換回路の電子シャッターや他の機能にロックされていてもよい。エイリアシングは発生せず、異常な統合時間をあらかじめ定めたり、データ間隔にふさわしくない統合時間を用いたりする必要性もない。この操作モードは、例えば、図１の半導体プロセスツール１０５とセンサコントローラ１５０間の低遅延通信によってサポートされていてもよい。

パルスプラズマＯＥＳの時間分解分光法については、電子シャッターによって、パルス周期に比べて露光時間を短くしてもよく、プラズマのパルス発生器と電子シャッターの起動との間で適切なタイミングの遅延により、パルス周期のさまざまな部分のサンプリングを行ってもよい。例えば、アクティブ画素領域の露光時間がプラズマパルス周期の１０分の１である場合、光信号の相対的に時間的にずらした１０回の読み出しにより、その周期の異なる部分におけるＯＥＳ傾向を表してもよい。この光学データは、１０分の１周期ずつ、その周期内で露光時間の位置を繰り返しスキャンすることによって収集されてもよい。

パルス幅が非常に短いフラッシュランプ光パルスによりワークピースの監視を行うＩＥＰ処理では、スペクトロメータシステムは、通常、ＯＥＳ光の存在下でＩＥＰ信号を分離するのに用いられる対になった差分測定値を有する。通常、ＩＥＰ光パルスは数マイクロ秒であればよく、一般的な統合時間は最小限でも数ミリ秒であり、ＩＥＰ及びＯＥＳ信号のかなりの汚染につながる。本開示のマルチモード設定可能スペクトロメータにより、１つのアクティブ画素領域につきタイミング及び統合を選択的に行うことで、電子シャッター機能をＩＥＰ光パルスに同期させて、全体のデータ間隔に影響を与えずに、非常に短いパルス幅としてもよい。ＩＥＰ光パルスのゲーティングにより、ＩＥＰ及びＯＥＳの結合信号を非常に大幅に削減し、対になった差分測定値の必要性をなくすことができる。この変更によって、測定サンプルレートを２倍にすることができる。

本開示のマルチモード設定可能スペクトロメータの光学センサの独立したアクティブ画素領域からの電気信号を個別にデジタル化することにより、波長分解能の相対的な調整や、それに関連する信号対雑音比の向上を図ることができる。例えば、アクティブ画素領域からの第１光信号は、スペクトルの１２０１個の波長値を読み出すよう構成されてもよい（２００から８００ｎｍ、０．５ｎｍ分解能）が、アクティブ画素領域からの第２光信号は、デジタル化の前に複数の隣接画素をビニング（電気信号を加算）し、その結果、低い分解能のスペクトルを得ることによって、信号対雑音比を向上させてもよい。さらに、個別にデジタル化を行うことにより、フルスペクトルのデータを有するアクティブ画素領域からは第１光信号を、ほんのいつくかの値しか保持されていないアクティブ画素領域からは第２光信号を得ることができ、その他を除去することで余分な不要データの処理や格納を回避することができる。

本明細書に記載の光学測定システム及びそのサブシステムにおいて、その範囲から逸脱することなく上記の変更やその他の変更を行ってもよい。例えば、いくつかの例は半導体ウエハ処理装置に関連して説明されているが、本明細書に記載の光学測定システムは、ロール・ツー・ロール薄膜処理、太陽電池製造、又は、高精度な光学測定を要する用途など、他のタイプの処理装置にも適用可能であることが理解されよう。さらに、本明細書では、本開示の態様を説明する場合に「ウエハ」という用語を使用しているが、水晶板、位相シフトマスク、ＬＥＤ基板及びその他の半導体処理とは関係のない基板、固体、気体及び液体ワークピースを含むワークピースなど、他のタイプのワークピースを用いてもよいことを理解されたい。

本明細書に記載の実施例は、本開示の原理および実用的な適用例を最もよく説明するため、並びに他の当業者が企図された特定の用途に適したさまざまな変更を含むさまざまな実施例について本開示を理解できるようにするために、選択され、記載されている。本明細書に記載の特定の実施例は、本開示の範囲を限定することを意図するものではなく、本開示の範囲及び意図から逸脱することなくさまざまな変形例や環境において実施されてもよい。従って、本開示は、図示の実施例に限定されることを意図されるものではなく、本明細書で説明する原理及び特徴と一致する最も広い範囲を許容すべきものである。

図面におけるフローチャートおよびブロック図は、本開示のさまざまな実施例に従ったシステム、方法、及びコンピュータプログラム製品の可能な実施のアーキテクチャ、機能性、及び動作を例示する。この点で、フローチャート又はブロック図における各ブロックは、一つ又は複数の規定された論理機能を実施するための１つ以上の実行可能命令を含むコードのモジュール、セグメント、又は一部を表すことができる。また、いくつかの代替的な実施において、ブロックに明記した機能は、図面に明記した順序通りでなく発生する場合があることに留意すべきである。例えば、関与する機能性に応じて、連続して示した２つのブロックは実際には実質的に同時に実行されることがあり、もしくは、ブロックは時に逆の順序で実行される場合がある。また、ブロック図及び／又はフローチャート図の各ブロック、及び、ブロック図及び／又はフローチャート図におけるブロックの組み合わせは、規定された機能や行為を実行する特殊目的ハードウェア・ベースのシステム、又は、特殊目的ハードウェア及びコンピュータ命令の組み合わせによって実施可能であることに留意すべきである。

当業者であれば理解するように、本開示又はその一部は、方法、システム、又はコンピュータプログラム製品として具現化され得る。従って、本明細書に開示された特徴は、すべてハードウェアの実施形態、すべてソフトウェアの実施形態（ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコードなどを含む）、又はソフトウェアの態様とハードウェアの態様とを組み合わせた実施形態の形態を取る可能性があり、これらのすべてが本明細書において概して「回路」又は「モジュール」と呼ばれることがある。開示された特徴の一部は、デジタルデータプロセッサやコンピュータなどのさまざまなプロセッサにおいて具現化されたり、それらによって実行されたりすることもある。このコンピュータは、プログラミングされていたり、方法の一つ以上のステップを実行する一連のソフトウェア命令の実行可能プログラムを格納する。さらに、本明細書に開示された特徴の少なくとも一部は、コンピュータ可読プログラムコードをその中に具現化した非一時的コンピュータ可読記憶媒体上のコンピュータプログラム製品の形態を取ることがある。上記プログラムのソフトウェア命令は、アルゴリズムを表し、非一時的デジタルデータ記憶媒体に機械実行可能な形でエンコードすることができる。

従って、開示したいくつかの実施例は、装置やシステムの一部を具現化したり、本明細書に記載の方法のステップを実行するさまざまなコンピュータ実行処理を行うプログラムコードを有する非一時的コンピュータ可読媒体を備えたコンピュータストレージ製品にも関連する。本明細書で用いる非一時的媒体とは、一時的な信号伝搬を行うものを除くすべてのコンピュータ可読媒体を指す。非一時的コンピュータ可読媒体の例としては、ハードディスク、フロッピーディスク及び磁気テープなどの磁気媒体、ＣＤ−ＲＯＭディスクなどの光記録媒体、フロプティカルディスクなどの磁気−光媒体、プログラムコードを格納して実行するように特別に構成された、ＲＯＭ及びＲＡＭ装置などのハードウェア装置を含むがこれらに限定されるものではない。プログラムコードの例としては、コンパイラが生成するような機械コードと、コンピュータが解釈プログラムを用いて実行し得る上位レベルコードを含むファイルとが含まれる。

本明細書において用いた用語は、特定の実施例を記載する目的のためだけのものであり、本開示を限定することを意図するものではない。本明細書において用いたように、単数形「１つの（ａ）、（ａｎ）、（ｔｈｅ）」は、文脈によって明らかに他の場合が示されない限り、複数形も含むことを意図している。また、「含む」及び／又は「含んでいる」という表現は、本明細書において用いられた場合、述べた特性、整数、ステップ、動作、要素、及び／又は構成要素の存在を規定するが、一つ以上の他の特性、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、及び／又はそれらのグループの存在又は追加を除外するものではないことが理解されよう。

本出願が関連する当業者は、他の及びさらなる追加、削除、置換、及び変形を、上記説明した実施例に行うことが可能であることを認識するであろう。

本開示のさまざまな態様によれば、本明細書に開示したような装置、システム及び方法を含むことを主張することができる。本明細書に開示された態様は、以下を含む。

Ａ．マルチモード設定可能スペクトロメータは、（１）光入力を受け取り、該光入力を電気信号に変換するよう構成され、光入力を電気信号に変換する複数のアクティブ画素領域を有する光学センサと、（２）複数の選択可能な変換回路を有し、該選択可能な変換回路から選択した一つの変換回路に従って、電気信号を受信してデジタル出力に変換するよう構成された変換回路とを備えている。

Ｂ．マルチモード設定可能スペクトロメータの操作方法。一実施例では、この方法は、（１）光学センサの複数のアクティブ画素領域のうちの少なくとも一つを用いて、光入力を電気信号に変換する工程と、（２）複数の選択可能な変換回路を有する変換回路に電気信号を供給する工程と、（３）選択可能な変換回路のうちの一つを介して、電気信号をデジタル出力に変換する工程とを備えている。

Ｃ．光学監視システムは、（１）プロセスチャンバから得られた光を送るよう構成された光インタフェースと、（２）光インタフェースからの光を光入力として受け取るよう構成されたマルチモード設定可能スペクトロメータとを備えている。このマルチモード設定可能スペクトロメータは、（２Ａ）光入力を電気信号に変換するよう構成され、光入力を電気信号に変換する複数のアクティブ画素領域を有する光学センサと、（２Ｂ）複数の選択可能な変換回路を有し、該選択可能な変換回路から選択した一つの変換回路に従って、電気信号を受信してデジタル出力に変換するよう構成された変換回路と、（２Ｃ）光入力に基づき、光学センサの操作モードを選択し、選択可能な変換回路のうちの一つを選択してデジタル出力を得るよう構成されたセンサコントローラとを備えている。

Ｄ．（１）光入力を電気信号に変換する、それぞれ別々に制御可能な複数のアクティブ画素領域と、複数のアクティブ画素領域のそれぞれに対してシフトレジスタを備えた光学センサと、（２）選択可能変換回路を有し、該選択可能な変換回路のうちの選択された変換回路に従って、電気信号を受信してデジタル出力に変換するよう構成された変換回路であって、少なくとも４つの異なる選択可能な変換回路からなる固有の一連の回路が各シフトレジスタに接続され、前記少なくとも４つの異なる選択可能な変換回路には、高速アナログ・デジタル変換器を有する回路と、低速アナログ・デジタル変換器を有する回路と、結合回路とが含まれる、変換回路と、（３）光入力のタイプに基づき、光学センサの操作モードと、選択可能な変換回路のうちの一つの選択された回路を変更し、デジタル出力を得るよう構成されたセンサコントローラとを備えたマルチモード設定可能スペクトロメータ。

上記各態様Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、以下のさらなる要素のうちの一つ又は複数を組み合わせて有していてもよい。

要素１：光学センサの動作を指示し、前記選択可能な変換回路のうちの少なくとも一つを選択して前記デジタル出力を得るよう構成されたセンサコントローラをさらに具備する。
要素２：センサコントローラは、光学センサの操作モードを設定してその動作を指示するよう構成され、その操作モードに基づいて、選択可能な変換回路のうちの少なくとも一つを選択するよう構成されている。
要素３：センサコントローラは、操作モードを動的に設定し、選択可能な変換回路のうちの少なくとも一つを動的に選択するよう構成されている。
要素４：センサコントローラは、操作モードを動的に設定し、光学センサが受け取った光入力に基づいて、選択可能な変換回路のうちの少なくとも一つを動的に選択するよう構成されている。
要素５：センサコントローラは、光学センサの前記操作モードを設定するよう構成されたプログラマブル集積回路を備えている。
要素６：センサコントローラは、前記デジタル出力を処理するよう構成されたプロセッサを備えている。
要素７：選択可能な変換回路のうちの少なくとも一つは、複数のアクティブ画素領域のうちの少なくとも２つの領域から信号を受信し、デジタル出力に変換するよう構成された結合回路である。
要素８：結合回路には、加算回路、差分回路、除算回路、乗算回路、又は、インターリーブ回路が含まれる。
要素９：複数のアクティブ画素領域の各アクティブ画素領域に対してシフトレジスタをさらに具備し、各シフトレジスタには、選択可能な変換回路のうちの少なくとも２つの異なる変換回路が接続されている。
要素１０：選択可能な変換回路のうちの少なくとも２つの異なる変換回路には、高速アナログ・デジタル変換器を有する選択可能な変換回路と、低速アナログ・デジタル変換器を有する選択可能な変換回路が含まれる。
要素１１：複数のアクティブ画素領域のうちの少なくとも一つは、別々に処理されて前記デジタル出力を決定する複数の列を有する。
要素１２：光入力には複数の光信号が含まれる。
要素１３：複数の光信号には、異なる種類の光信号が含まれる。
要素１４：光信号は、連続光信号、パルス光信号、発光分光法（ＯＥＳ）信号、光干渉型エンドポイント（ＩＥＰ）信号、ＯＥＳ信号とＩＥＰ信号の結合信号、連続光信号とパルス光信号の結合信号、からなるリストから選択された一つのタイプの光信号である。
要素１５：光入力には複数の光信号が含まれ、前記センサコントローラは、複数の光信号のうちの少なくとも一つのタイプに基づいて、前記操作モードを設定するよう構成されている。
要素１６：光入力には複数の光信号が含まれ、前記センサコントローラは、複数の光信号のうちの少なくとも一つの特徴に基づいて、操作モードを設定するよう構成されている。
要素１７：特徴には、信号レベル、信号対雑音比、サンプリングレート、パルスレート又は波長領域が含まれる。
要素１８：光入力には複数の光信号が含まれ、センサコントローラは、複数の光信号のうちの一つのタイプがＯＥＳであることに基づいて、操作モードを設定するよう構成されている。
要素１９：光入力には複数の光信号が含まれ、センサコントローラは、複数の光信号のうちの一つのタイプがＩＥＰであることに基づいて、操作モードを設定するよう構成されている。
要素２０：光入力には複数の光信号が含まれ、前記センサコントローラは、複数の光信号のうちの一つのタイプがＯＥＳとＩＥＰを結合したものであることに基づいて、前記操作モードを設定するよう構成されている。
要素２１：光学センサは、複数のアクティブ画素領域のそれぞれに対して複数の出力をさらに有する。
要素２２：デジタル出力には、複数のデジタル信号が含まれる。
要素２３：センサコントローラは、アクティブ画素領域のうちのいずれか一つの少なくとも一部に対して、電子シャッターを用いて前記光学センサの動作を指示するよう構成されている。
要素２４：監視された半導体プロセスから光入力を受け取る工程と、監視された半導体プロセスに関連付けられた外部システムから操作モードの選択を受け取る工程とをさらに具備する。
要素２５：操作モードの選択を受け取る工程は、監視された半導体プロセスが開始する前に行われる。
要素２６：光学センサの操作モードを選択する工程と、選択可能な変換回路のうちの一つを選択する工程とをさらに具備する。
要素２７：モードを選択する工程と選択可能な変換回路の一つを選択する工程のうちの少なくとも一つが動的に行われる。
要素２８：モードを選択する工程と前記選択可能な変換回路の一つを選択する工程の基準は、光入力のタイプ、光入力の特徴、デジタル出力の信号対雑音比値、データ速度、からなるリストから選択される。
要素２９：光入力のタイプには、連続光信号、パルス光信号、発光分光法（ＯＥＳ）信号、光干渉型エンドポイント（ＩＥＰ）信号、ＯＥＳ信号とＩＥＰ信号の結合信号、連続光信号とパルス光信号の結合信号が含まれる。
要素３０：選択可能な変換回路の一つを選択する工程には、高速アナログ・デジタル変換器を有する回路と、低速アナログ・デジタル変換器を有する回路と、結合回路と、からなるリストから回路を選択する工程が含まれる。
要素３１：センサコントローラは、プロセスチャンバに関連付けられた外部システムから、操作モードの選択と、選択可能な変換回路のうちの一つの選択を受け取るよう構成されている。
要素３２：センサコントローラは、光を生成するプロセスチャンバでの半導体プロセスに従って、操作モードと選択可能な変換回路を選択する。
要素３３：センサコントローラは、半導体プロセス中に、異なる操作モードと、選択可能な変換回路のうちの異なる変換回路を動的に選択する。
要素３４：操作モードと選択可能な変換回路は、プロセスチャンバで得られた前記光のタイプに応じて選択される。
要素３５：光のタイプは、連続光信号、パルス光信号、発光分光法（ＯＥＳ）信号、光干渉型エンドポイント（ＩＥＰ）信号、ＯＥＳ信号とＩＥＰ信号の結合信号、連続光信号とパルス光信号の結合信号からなるリストから選択される。
要素３６：マルチモード設定可能スペクトロメータは、複数のアクティブ画素領域のそれぞれに対してシフトレジスタをさらに備え、各シフトレジスタには、選択可能な変換回路のうちの少なくとも２つの異なる変換回路が接続されている。
要素３７：選択可能な変換回路のうちの少なくとも２つの異なる変換回路には、高速アナログ・デジタル変換器を有する選択可能な変換回路と、低速アナログ・デジタル変換器を有する選択可能な変換回路が含まれる。
要素３８：選択可能な変換回路には、シフトレジスタのうちの少なくとも２つに接続された結合回路がさらに含まれる。

Claims (20)

1. 光入力を受け取り、該光入力を電気信号に変換するよう構成され、前記光入力を前記電気信号に変換する複数のアクティブ画素領域を有する光学センサと、
   複数の選択可能な変換回路を有し、該選択可能な変換回路から選択した一つの変換回路に従って、前記電気信号を受信してデジタル出力に変換するよう構成された変換回路と、
   前記光学センサの同期操作モードを設定してその動作を指示するよう構成され、前記同期操作モードに基づいて、前記デジタル出力を提供するために前記選択可能な変換回路のうちの少なくとも一つを選択するよう構成されているセンサコントローラと、
   を具備することを特徴とするマルチモード設定可能スペクトロメータ。
2. 前記光入力は少なくとも一つの光信号を含み、前記同期操作モードは、前記光学センサによる前記光入力の収集と、前記少なくとも一つの光信号を生成するための外部制御との間の同期に基づく、請求項１に記載のマルチモード設定可能スペクトロメータ。
3. 前記少なくとも一つの光信号はパルスプラズマからである、請求項２に記載のマルチモード設定可能スペクトロメータ。
4. 電気シャッターを更に含み、前記同期は、前記パルスプラズマの変調と前記電気シャッターの動作との間である、請求項３に記載のマルチモード設定可能スペクトロメータ。
5. 前記電気シャッターは、前記パルスプラズマ周期に比べて前記収集のための露光時間を制限するように構成される、請求項４に記載のマルチモード設定可能スペクトロメータ。
6. 前記電気シャッターの起動は、前記パルスプラズマ生成のための前記外部制御に比べて前記収集のために遅らされる、請求項４に記載のマルチモード設定可能スペクトロメータ。
7. 前記同期は、前記パルスプラズマからの前記光信号の変調と、前記収集のためのデータ間隔との間である、請求項３に記載のマルチモード設定可能スペクトロメータ。
8. データ間隔と統合時間の少なくとも一つは、前記パルスプラズマからの前記光信号との同期に基づいて調整される、請求項３に記載のマルチモード設定可能スペクトロメータ。
9. 電気シャッターを更に含み、前記センサコントローラが前記同期のために前記電気シャッターを用いる、請求項２に記載のマルチモード設定可能スペクトロメータ。
10. 前記光入力は、少なくとも一つの光干渉型エンドポイント（ＩＥＰ）信号と、少なくとも一つの発光分光法（ＯＥＳ）信号を含み、前記同期は、前記電気シャッターの動作と、前記ＩＥＰ信号との間である、請求項９に記載のマルチモード設定可能スペクトロメータ。
11. 前記パルスプラズマの周波数は、前記マルチモード設定可能スペクトロメータの前記変換回路と同期される、請求項３に記載のマルチモード設定可能スペクトロメータ。
12. 前記外部制御は、前記光入力の変調を駆動する制御信号である、請求項２に記載のマルチモード設定可能スペクトロメータ。
13. 前記センサコントローラは、前記同期操作モードを動的に設定し、前記選択可能な変換回路の少なくとも一つを動的に選択するように構成される、請求項１に記載のマルチモード設定可能スペクトロメータ。
14. 前記センサコントローラは、前記光学センサにより受け取った光入力に基づいて、前記同期操作モードを動的に設定し、前記選択可能な変換回路の少なくとも一つを動的に選択するように構成される、請求項１に記載のマルチモード設定可能スペクトロメータ。
15. 前記センサコントローラは、前記マルチモード設定可能スペクトロメータの動作中に、前記光入力に基づく前記同期操作モードを動的に選択するように構成される、請求項１に記載のマルチモード設定可能スペクトロメータ。
16. 光学センサの複数のアクティブ画素領域のうちの少なくとも一つを用いて、光入力を電気信号に変換する工程であって、前記光学センサが同期操作モードにより動作する工程と、
    複数の選択可能な変換回路を有する変換回路に前記電気信号を供給する工程と、
    前記同期操作モードに基づいて、デジタル出力を提供するために前記選択可能な変換回路の少なくとも一つを選択する工程と、
    前記選択可能な変換回路のうちの一つを介して、前記電気信号を前記デジタル出力に変換する工程と、
    を具備する、マルチモード設定可能スペクトロメータの操作方法。
17. 前記光入力は、パルスプラズマからの少なくとも一つの光信号を含み、前記同期操作モードは、前記光学センサによる前記光入力の収集と、前記少なくとも一つの光信号を生成するための外部制御との間の同期と、前記パルスプラズマの周波数と、変換回路との間の同期を提供する、請求項１６に記載の操作方法。
18. 前記光入力を受け取る工程と、該光入力に基づき、前記受け取る工程中に、前記同期操作モードを動的に選択する工程と、を更に具備する、請求項１６に記載の操作方法。
19. プロセスチャンバから得られた光を送るよう構成された光インタフェースと、
    前記光インタフェースからの前記光を光入力として受け取るよう構成されたマルチモード設定可能スペクトロメータと、を具備する光学監視システムであって、
    前記マルチモード設定可能スペクトロメータは、
    光入力を受け取り、該光入力を電気信号に変換するよう構成され、前記光入力を前記電気信号に変換する複数のアクティブ画素領域を有する光学センサと、
    複数の選択可能な変換回路を有し、該選択可能な変換回路から選択した一つの変換回路に従って、前記電気信号を受信してデジタル出力に変換するよう構成された変換回路と、
    前記光学センサの同期操作モードを設定してその動作を指示するよう構成され、前記同期操作モードに基づいて、前記デジタル出力を提供するために前記選択可能な変換回路のうちの少なくとも一つを選択するよう構成されているセンサコントローラと、を具備する光学監視システム。
20. 前記光入力は、パルスプラズマからの少なくとも一つの光信号を含み、前記同期操作モードは、前記光学センサによる前記光入力の収集と、前記少なくとも一つの光信号を生成するための外部制御との間の同期と、前記パルスプラズマの周波数と、変換回路との間の同期を提供する、請求項１９に記載の光学監視システム。

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