JPH0723843B2 - 集光反射器に薄膜層を変形させることによって薄膜層の厚さを測定する装置および方法 - Google Patents

集光反射器に薄膜層を変形させることによって薄膜層の厚さを測定する装置および方法

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JPH0723843B2
JPH0723843B2 JP5129704A JP12970493A JPH0723843B2 JP H0723843 B2 JPH0723843 B2 JP H0723843B2 JP 5129704 A JP5129704 A JP 5129704A JP 12970493 A JP12970493 A JP 12970493A JP H0723843 B2 JPH0723843 B2 JP H0723843B2
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  • Testing Or Measuring Of Semiconductors Or The Like (AREA)
  • Length-Measuring Devices Using Wave Or Particle Radiation (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、薄膜層の厚さ測定を行
う装置および方法に関し、特に集光反射器にウェーハを
変形することによってシリコン／二酸化珪素／シリコン
（Ｓｉ／ＳｉＯ2 ／Ｓｉ）構造半導体ウェーハ上の薄膜
層の厚さ測定を行う装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】本発明にとって特に実際的である特定の
適用において、典型的にＳｉ／ＳｉＯ2 ／Ｓｉのサンド
イッチ構造から成る絶縁体上のシリコン（ＳＯＩ）の半
導体ウェーハはそれぞれ２つのシリコン（Ｓｉ）ウェー
ハの１表面上の二酸化珪素（ＳｉＯ2 ）フィルムを成長
させ、高温で２つの二酸化珪素フィルム表面を接合する
ことによって形成される。例えば二酸化窒素のような別
の材料が絶縁体材料に使用され、別の材料がウェーハ材
料に使用されてもよい。このような適用において、サン
ドイッチ構造における２つのシリコンウェーハの１つの
外側の表面は機械的に研磨され、数ミクロンの平均の厚
さにされる。この機械的な研磨は、この１シリコンウェ
ーハあるいはこの外側のシリコン層の厚さの大きな空間
的な変化を生じる。これらの空間的な変化を減少させる
ために、全体のウェーハ表面上のこの外側のシリコン層
における厚さの非均一性を示す厚さエラーマップが、例
えばマイクロ研磨処理を開始するために要求される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】マイクロ研磨によって
この層の表面を薄くし、平滑にすることによって外側の
シリコン層の厚さにおける空間的な変化を測定するシー
ケンスは、全体の外側のシリコン層が所望な厚さを達成
する前に何回も実行されることが必要である。コストを
減少し、生産を増加するため、６０秒間でウェーハ表面
上の少なくとも４００の地点の測定することが望まし
い。
【０００４】しかしながら、現在市販の装置は典型的に
一点のみの薄膜層の厚さの測定を行っている。これらの
装置は単色性光線によって薄膜層の表面を局部的に照射
するために焦点を結んだレンズあるいはファイバの束を
使用し、各点における表面スペクトル反射率を測定する
ために格子あるいはプリズム分光器を使用する。全ての
場合において、この表面スペクトル反射率データは照射
ビームのｆナンバーによって生じた入射角における変化
のために数値的に補正されなければならない。現在市販
の装置は、制御された方法で測定装置あるいはウェーハ
を動かすことによってＳＯＩ半導体ウェーハの外側のシ
リコン層のような全体の薄膜層をカバーするように拡張
されることができる。しかしながら、外側のシリコン層
上の一点におけるＳＯＩ半導体ウェーハの外側のシリコ
ン層の厚さを決定するこれらの装置のために要求された
時間は約数分間であり、少なくとも４００の測定点を有
する全体の外側のシリコン層が有効なウェーハ生産に所
望な時間をはるかに超過する。それ故、経済的で非常に
正確な方法であり、しかも有効にＳＯＩ半導体ウェーハ
の外側のシリコン層全体のような薄膜層上で薄膜層全体
の厚さの測定を実行することは望ましい。
【０００５】本発明の目的は、薄膜層の厚さを測定する
有効な手段を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、例えば半導体
ウェーハの全体の薄膜層の薄膜層の厚さを効果的に決定
する装置および方法を含む。この薄膜層の厚さにおける
非均衡性は、ウェーハの表面の全開口部の反射率特性を
測定し、数値的な反復あるいは既知の薄膜層の厚さを有
する較正ウェーハを使用することによって基準反射率デ
ータに対して測定された反射率データを比較することに
よって得られる。
【０００７】半導体ウェーハ表面の全開口部上の反射率
特性を効率的に測定するため、瀘波された白色光源が複
数の異なる波長で一連の単色性光線を生成するために使
用される。これらの単色性光線はウェーハの全表面上に
順次投影され、ウェーハ構造内の物理的な境界で反射さ
れるとき、この光におけるコヒーレント相互作用を生ず
る。これらの相互作用の結果として、干渉性フリンジパ
ターンはそれぞれ順次投影されたビーム、すなわち各波
長のウェーハの照射された表面上に通常形成される。し
かしながら、ウェーハ表面上に単色性光線を投影する前
に、ウェーハは集光反射器に変形される。このように、
それぞれ順次投影された単色性光線は、ウェーハの照射
された表面上に形成される干渉フリンジパターンを有し
ないで変形したウェーハから反射される。しかしなが
ら、干渉性フリンジパターンの映像はそれぞれ反射した
単色性光線に含まれている。
【０００８】それぞれ反射した単色性光線は、例えば電
荷結合装置（ＣＣＤ）カメラの検出器アレイ上にそれぞ
れ対応している干渉性フリンジパターン像を投影するレ
ンズシステムによって集められ、これらの各像は全開口
部において捕らえられる。干渉性フリンジパターン像
は、それぞれ投影された干渉性フリンジパターン像に対
応するＣＣＤカメラ検出器における画素をデジタル化す
ることによって捕らえられる。全体のウェーハ表面の反
射率マップは、この捕らえられた干渉性フリンジパター
ン像から生成される。複数の反射率マップは、２πより
も大きい位相の厚さを有する薄膜層から生ずる厚さのあ
いまいさを除去するためにそれぞれ測定されたウェーハ
から生成される。
【０００９】ウェーハに関する基準反射率データは、理
論的な計算あるいは較正ウェーハの使用によって得られ
る。理論的な方法は、ウェーハ材料の本質的な光学特性
に関する推定値に基づいた数値計算による基準反射率特
性より成る。代りに、既知の薄膜層の厚さのプロフィル
を有する較正ウェーハは、測定されるウェーハを構成す
るために使用された材料の同じバッチから構成される。
本発明の測定方法にこの測定ウェーハを使用することに
よって、基準反射率データは正確に得られる。測定され
た反射率データと基準反射率データとの間の比較は、コ
ンピュータによって実行される。この比較の実行に関し
て、コンピュータは薄膜層の厚さのマップあるいはウェ
ーハの全開口部上の薄膜層の厚さの非均衡性のマップを
供給する。
【００１０】本発明のその他の目的、特徴は、特許請求
の範囲および添付図面と共に以下の詳細な説明から当業
者に明らかとなるであろう。
【００１１】
【実施例】半導体ウェーハ24の薄膜層の厚さを測定する
装置は、全体が参照符号１によって図１に示されてい
る。説明のため、ＳＯＩ半導体ウェーハ24の外側のシリ
コン層の厚さの測定が記載されている。
【００１２】装置１は、集光レンズ12を通ってハロゲン
ランプ10によって照射されている円形開口部14を有する
プレート13を含む空間的にフィルタ処理された白色光源
を備えている。開口部14を通過する光は、視準された光
のビーム15を形成するために視準レンズ16に入射する。
開口部14の寸法は装置１の視準された光の部分における
画角を決定し、開口部14の方位は開口部の映像がＳＯＩ
ウェーハ24上に投影されることを可能にするように選択
される。集光レンズ12は光ファイバガイドによって置換
できることに注目されるべきである。
【００１３】白色光源および視準レンズ16によって生成
された視準されたビーム15は、半分の帯域幅が３０乃至
５０オングストロームの一連の狭い帯域のフィルタ17に
よってスペクトル的に瀘波される。一連のフィルタ17は
回転フィルタホイール装置18の周縁に位置され、それに
よって対応している一連の視準された単色性光線19が生
成される。これらの視準された単色性光線19の波長は、
典型的に５５０ｎｍ乃至９５０ｎｍの範囲である。視準
されたビーム15の通路におけるフィルタホイール装置18
の配置は、開口部14の寸法によって定められた画角によ
って生じた瀘波されたビーム19のスペクトルの広がりを
最小にする。１対の電子信号32は、デジタル回路34に対
するタイミング基準33として作用するようにフィルタホ
イール装置18によって発生される。これらの信号の１つ
はフィルタホイール回転の開始を示し、他の信号は各フ
ィルタ周期の開始を示す。それぞれ視準された単色性光
線19は軸上のビームスプリッタ60に向けられ、それぞれ
視準された単色性光線の一部分61は第２の視準レンズ20
に向けて送られる。
【００１４】第２の視準レンズ20は、この第２の視準レ
ンズ20の焦平面における点21に視準された各単色性光線
の透過部分61の焦点を結ばせる。この焦点21は、球面真
空チャック70の半径の中心に全く対応する。球面真空チ
ャック70は、球面反射コンデンサにＳＯＩウェーハ24を
変形するように作用する。このように、変形したＳＯＩ
ウェーハ24は、第２の視準レンズ20の焦点21あるいは真
空チャック70の曲率半径の中心21に焦点が結ばれる単色
性光線によって照射され、光線は焦点21あるいは中心21
に反射して戻される。
【００１５】球面真空チャック70は、真空ポンプ23の使
用によってＳＯＩウェーハ24を変形する。この真空ポン
プ23は、ＳＯＩウェーハ24が接着する吸引装置を提供す
る。図２を参照すると、図１に示された１つのタイプの
球面真空チャック70が詳細に示されている。このタイプ
の真空チャック70はアルミニウムあるいはその他の無孔
性材料から形成され、平滑な表面74によって取囲まれた
一段高い領域75の全体を参照符号72と示されたパターン
を有する。“ベッドオブネイル（bed of nails）”とし
ても知られているこの隆起した領域のパターン72および
平滑な表面74は、所望の球面曲率半径を有する。複数の
周辺真空ポート76は、ウェーハが領域75の上部に吸引し
て下げられるようにパターン72の領域75間に配置され
る。典型的に、直径４．０インチのウェーハは１メート
ルの曲率半径の反射コンデンサを形成するために中央で
約１．２５ミリメートル変形させなければならない。同
様に、直径８．０インチのウェーハは約５ミリメートル
変形させなければならない。このような方法によるＳＯ
Ｉウェーハの変形はウェーハにおいて顕著な応力を生成
せず、ウェーハの層の間では剥離を生じさせない。ウェ
ーハの輪郭78は、固定真空シールを確実にするように隆
起した領域のパターン72の外側の平滑な表面74上に広が
るように示されている。ウェーハは、典型的に約１ミリ
メートル隆起した領域のパターン72の外側に広がるよう
に示されている。さらに図２には、平滑な表面74上に位
置された１対の基準整列マーク77および１対の基準反射
表面79が示されている。これらの基準77および79は、そ
れぞれ以下説明されるようにウェーハ整列を助け、反射
率の標準を設定する。
【００１６】図３を参照すると、球面真空チャック70は
ウェーハ24を変形するプロセスについて示されている。
主真空ポート80は、真空チャンバ82によって球面真空ポ
ート76へのアクセスを供給する。主真空ポート80は図１
に示された真空ポンプ23に接続され、それによって球面
に変形された位置でウェーハ24を維持するように吸引す
る。
【００１７】図２および３の球面真空チャック70は、図
４および５に示されるように多孔性材料から形成される
球面真空チャック84のようなその他のウェーハ保持手段
によって置換される。このタイプの真空チャック84はセ
ラミックあるいは任意の他の剛性多孔性材料から形成さ
れる。このような剛性の多孔性材料のブロック88は、所
望の球面曲率半径を有する表面86を有する。この剛性堅
い多孔性材料ブロック88は、無孔性材料ベース90に接合
される。図５に示されるように、無孔性材料ベース90
は、真空チャンバ94へのアクセスを許容する真空ポート
92を維持する。剛性多孔性ブロック88はガスを浸透でき
るので、ブロック88の表面86上に位置されたウェーハ24
は、真空チャンバ94中に真空を生じることによってブロ
ック表面86の曲率半径に球面に変化される。このような
真空は、真空ポート92が図１に示された真空ポンプ23に
接続される時に生成される。
【００１８】図６を参照すると、ＳＯＩ半導体ウェーハ
24は、機械的で研磨された外側のシリコン層40、内側の
二酸化珪素（ＳｉＯ2 ）フィルム42およびシリコンウェ
ーハ基板44を具備しているサンドイッチ構造で構成され
ている。このサンドイッチ構造は３つの境界面46,48,50
を形成し、外側のシリコン層40上に入射する光は反射さ
れる。これらの境界面46,48,50の反射特性は、ＳＯＩウ
ェーハ24の各層40,42,44における材料の本質的な光学的
および物理的特性に基く。これらの特性は材料層40,42,
44の吸収率（α）、屈折率（ｎ）および厚さを含む。Ｓ
ＯＩウェーハに関して、ＳｉＯ2 層42の吸収率（α1 ）
はゼロであると仮定される。しかしながら、一般に、吸
収率であることは可能であり、知られている。
【００１９】ＳＯＩウェーハ24が図１の装置１に取り付
けられ、ＳＯＩウェーハ24の表面46が真空チャックの曲
率半径の中心21、ここではＳＯＩウェーハの曲率半径の
中心21に焦点が結ばれる単色性光線によって照射される
とき、一連のコヒーレントな相互作用はこの光がＳＯＩ
ウェーハ構造24の３つの材料の境界面46,48,50の間で反
射されるときに生じる。これらの相互作用は、曲率半径
の中心21に反射して戻される単色性光線に含まれる波長
依存性干渉フリンジパターン像を生成する。ウェーハ上
の任意の点の反射率は、３つの表面の間の多重反射およ
びそれらの物理的特性ｎ1 ，α1 ，ｔ1 ，ｎ2 ，α2 ，
ｔ2 ，ｎ3 ，α3 の大きさによって決定される。ＳＯＩ
ウェーハ構造の特有な場合における基板の指標（ｎ3 ，
α3 ）は、両者が単結晶シリコンから形成されるため外
側のシリコン層の指標（ｎ2 ，α2 ）に等しい。任意の
波長のウェーハ反射率は、その他全てのパラメータが知
られていれば外側のシリコン層の厚さの関数として明確
に計算されるが、単一の測定された反射率から厚さを計
算する逆の問題はあいまいである。このあいまいさは、
外側のシリコン層の厚さが増加されると、位相厚さ（ｎ
2 ｔ2 ）としての最大値と最小値の間の測定された反射
率のサイクルがπ／４の倍数で増加するという事実によ
って生じられる。この倍数値問題は、不可能な単一の反
射率測定からｔ2 の値の計算を明瞭に行う。倍数波長測
定の使用は倍数値問題を原理的に克服できるが、材料特
性の波長依存性は非常に正確に知られなければならず、
そうでなければ大きなエラーが厚さの計算において生じ
る。
【００２０】倍数値問題を克服する別の方法は統計的な
ものであり、複数の波長における測定された反射率デー
タは同じ波長の計算されたスペクトルデータのライブラ
リーを有する最小２乗最適合ベース上で比較される。Ｓ
ＩＯウェーハの場合において、スペクトルのライブラリ
ーは外側のシリコン層の厚さのすべての値に関して計算
され、外側のシリコン層の厚さが最小２乗の最良の適合
を最小にするように選択される。
【００２１】図１を参照すると、波長依存性干渉フリン
ジパターン像を含んでいる反射した単色性光線は第２の
視準レンズ20によって視準され、軸上のビームスプリッ
タ60の方向に向けられる。ビームスプリッタ60は、最終
視準レンズ64に現在の視準された単色性光線61の部分62
を向け直す。この最終視準レンズ64は、反射した単色性
光線に含まれた波長依存性干渉フリンジパターン像が表
示されるＣＣＤカメラ検出器アレイ31上に視準された単
色性光線の向け直された部分62を集める。フィルタホイ
ール装置18が視準レンズ16によって生成された視準され
た光線15の代りにビームスプリッタ60によって向け直さ
れた視準された光線62に交替に位置され、画角が狭い帯
域フィルタ17によって許容されることに注目されるべき
である。
【００２２】ＣＣＤカメラ検出器アレイ31上の波長依存
性干渉フリンジパターン像を表示する別の方法を提供す
る装置２が図７に示されている。この方式において、真
空チャック27はそれが楕円形表面を有することを除い
て、それぞれ図２および３と図４および５の真空チャッ
ク70，84に等しく、それによって波長依存姓干渉フリン
ジパターン像を含んでいる単色性光線がオフ軸ミラー26
に反射されることを可能にする。このミラー26は、最終
視準レンズ28の焦平面における点25でもある楕円形真空
チャック27の曲率半径の中心25に位置される。このよう
に、波長依存性干渉フリンジパターン像を含んでいる反
射した単色性光線は、最終視準レンズ28にオフ軸ミラー
26によって向け直される。最終視準レンズ28はＣＣＤカ
メラ検出器アレイ31上に視準された単色性光線29を投影
し、それによって波長依存性干渉フリンジパターン像は
表示される。従来のように、フィルタホイール装置18
が、画角が狭い帯域フィルタ17によって許容される視準
されたビーム29に交替に位置されることに注目されるべ
きである。この装置２において、モノクロメータがハロ
ゲンランプ10、集光レンズ12、第１の２つの視準レンズ
16,20 および狭い帯域フィルタホイール18を置換し、異
なる波長間のモノクロメータのスルーレートが２分の１
より小さい２０個の異なる波長に及んで十分に高い。
【００２３】ＣＣＤカメラ検出器アレイ21上の波長依存
性干渉フリンジパターン像を表示するために使用された
方法の決定は、適当に表示された波長依存性干渉フリン
ジパターン像を維持するために要求されるビーム強度に
依存する。軸上ビームスプリッタ方法の使用は、ビーム
スプリッタに固有の光学損失によって減少したビーム強
度を生じる。別のオフ軸ミラー方法はビームスプリッタ
の必要性を除去し、それによって４の係数によって光学
的スループットを改善する。したがって、波長依存性干
渉フリンジパターン像は軸上ビームスプリッタ方法を使
用しては適当に表示されない場合、オフ軸ミラー方法が
使用されなければならない。
【００２４】図８を参照すると、表面上に投影されたＣ
ＣＤカメラ検出器アレイ31がＳＯＩウェーハ映像の輪郭
52、１対の基準整列映像の輪郭54および１対の基準反射
映像の輪郭56と共に示されている。これらの基準映像5
4,56 は、それぞれ真空チャック70,84 の表面74,86 上
の基準整列マーク77および基準反射表面79によって形成
されている。真空チャックの曲率半径の中心21に焦点が
結ばれる単色性光線によって照射されるとき、これらの
基準77,79 はそれらの表面からの反射を与える。ＳＯＩ
ウェーハ波長依存性干渉フリンジパターン像と同様に、
これらの基準77,79 の映像は反射した単色性光線に含ま
れ、それによってそれらはＣＣＤカメラ検出器アレイ31
上に終局的に投影される。基準整列マーク77はウェーハ
整列を助け、基準反射表面79は実際のウェーハ反射率が
計算できるようにＣＣＤ信号を標準化するように作用す
る。示されたように、ＣＣＤ検出器アレイ31は複数のＣ
ＣＤ画素57から形成される。
【００２５】再び図１を参照すると、ＣＣＤカメラ検出
器アレイ31上に表示される波長依存性干渉フリンジパタ
ーン像は、ＣＣＤカメラ30によって捕らえられる。反射
率マップは、デジタル回路34の使用によってそれぞれ表
示された波長依存性干渉フリンジパターン像に対応する
ＣＣＤ画素57をデジタル化することによって生成され
る。この未処理の反射率データはＣＣＤ画素の感度にお
ける変化を除去するために標準化され、任意の次の化学
的なマイクロ研磨処理の空間的制限を整合するためにＣ
ＣＤ画素57のブロックにわたる信号を平均にすることに
よって寸法が減少される。ＳＯＩウェーハ24の外側のシ
リコン層40の厚さ（ｔ2 ）の決定において、数値計算方
法あるいはＳＯＩ較正ウェーハのどちらかが使用され
る。これら両者の方法は、典型的にコンピュータ36の使
用を必要とする。
【００２６】外側のシリコン層の厚さ（ｔ2 ）を決定す
る数値的方法は、薄膜の定数ｎ1 ，α1 ，ｔ1 ，ｎ2 ，
α2 ，ｔ2 ，ｎ3 およびα3 の値の仮定および瀘波され
た白色光源によって生成された単色性の光に対応してい
る１組の波長に関するスペクトル反射率の計算を含む。
この計算は多数の異なる外側のシリコン層の厚さ
（ｔ2 ）について行われ、最初の薄膜定数の仮定が正し
いとすれば、一度計算される必要があるだけである。こ
の計算は、外側のシリコン層の最も薄い推定値から最も
厚い推定値までの反射率の範囲に関する基準値Ｒc （λ
1 ，λ2 ，…λa ，ｔ2 ）のセットを供給する。これら
の計算されたスペクトル反射率は、次の式の二乗平均
（ｒｍｓ）のメリット関数を使用するウェーハ上の特定
の点の測定された反射率データＲm （λ1 ，λ2 ，…λ
a ，ｔ2 ）と比較される。
【００２７】
【数１】 このメリット関数は最小あるいは最適な整合が発見され
るまでｔ2 の異なる値に関して評価され、最も好ましい
厚さを示す。当然その他のパターンの整合するメリット
関するは所望とされる場合に使用される。
【００２８】任意の仮定された薄膜定数の未知の変化
は、外側のシリコン層の厚さのエラーに関する計算処理
によって伝播に対するエラーを生ずる。このような１次
エラーソースは、ウェーハ開口部上のＳｉＯ2 層42の厚
さ（ｔ1 ）の知識の不足およびシリコン屈折率（ｎ1 ）
の分散的な効果を含む。メリット関数の値が大きすぎる
場合、不十分な整合を示し、新しく計算されたスペクト
ル反射率はｔ2 の厚さの近いセットに関して生成されな
ければならず、外側のシリコン層40の吸収率（α2 ，α
3 ）および屈折率（ｎ2 ，ｎ3 ）あるいはＳｉＯ2 層42
の屈折率（ｎ1 ）および厚さ（ｔ1 ）によって反復され
る。
【００２９】外側のシリコン層の厚さを決定する第２の
方法は、図９に示されたような段のある外側の表面を有
するＳＯＩ較正ウェーハ58からのスペクトル反射率のセ
ットを生成することであり、ウェーハの各方形領域59は
異なった既知の外側のシリコン層の厚さを有する。ウェ
ーハが外側のシリコン層の厚さの同様な範囲をカバーす
るために少なくとも５００の基準方形を有することは好
ましい。このウェーハ58は、探針プロフィロメータを使
用してシリコン層の厚さゼロまで外側のシリコン層の厚
さに関して計算される。較正ウェーハ58は材料の同じバ
ッチから製造され、測定下のウェーハ24と同じ製造状態
にされる。したがって、吸収率および屈折率および分散
的特性のような較正ウェーハの本質的な光学特性は、試
験されているウェーハ24のそれらに整合すべきである。
【００３０】較正ウェーハ58のスペクトル反射率は、本
発明の測定方法にこのウェーハを使用することによって
得られる。これらのスペクトル反射率はコンピュータ36
に記憶され、測定されたＳＯＩウェーハ24のスペクトル
反射率との比較に関する基準として使用されている。測
定ウェーハ58は少なくとも５００の異なる外側のシリコ
ン層の厚さに関する基準反射率を有し、測定されたＳＯ
Ｉウェーハ24の表面上の任意の点における反射率に最も
近接して整合する基準反射率はその点の外側のシリコン
層の厚さを示す。
【００３１】これらの両者の方法は６０秒以内で外側の
シリコン層の厚さの４００の点の測定を行う目的に応じ
るが、較正ウェーハ方法は測定ウェーハ58と測定される
ＳＯＩウェーハ24の間の本質的な光学特性の類似性のた
めに数値的な方法よりさらに正確かもしれない。しかし
ながら、較正ウェーハ方法は、基本的なウェーハ処理が
本質的に変えられる場合、新しい較正ウェーハ58を生成
するためにオンライン生産能力を必要とする。
【００３２】本発明の技術的範囲から逸脱せずに上記説
明された装置および方法に変更が可能であり、前述され
た目的が効果的に得られることが認められる。上記説明
に含まれ添付図面に示されたものは全て単なる例示とし
て説明され、それによって本発明の技術的範囲が限定さ
れるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】軸上半導体ウェーハ薄膜層の厚さの測定装置の
概略図。
【図２】球面真空チャックの斜視図。
【図３】ウェーハを変形する処理における球面真空チャ
ックの断面図。
【図４】多孔性材料型の球面真空チャックの斜視図。
【図５】ウェーハを変形する処理における多孔性材料の
球面真空チャックの断面図。
【図６】ＳＯＩ半導体ウェーハの各層の拡大図。
【図７】オフ軸半導体ウェーハ薄膜層の厚さを測定する
装置の概略図。
【図８】ウェーハ映像の輪郭および複数の基準表面映像
の輪郭を示すＣＣＤカメラ検出器アレイの平面図。
【図９】段のある外側のシリコン層表面を有するＳＯＩ
半導体較正ウェーハの平面図。
【符号の説明】
10…光源、18…回転ホイール、70…真空チャック。

Claims (52)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 前部および後部表面を有し、放射線がそ
    れを透過することが可能な特性を有する材料の層の厚さ
    を測定する装置において、 集光反射器に前記材料の層を変形する手段と、 単色性放射線が前記材料の層の厚さに対応する特徴を有
    する材料の前記変形した層の前記前部および後部表面か
    ら反射されるように単色性放射線によって材料の前記変
    形した層の前記前部表面を照射する手段と、 前記反射した単色性放射線を受けて前記特徴を検出する
    手段と、 既知の厚さに対応する１組の基準特徴と前記受けた反射
    した単色性放射線の前記検出された特徴を比較し、前記
    材料層の厚さに対応する出力を生成する手段とを具備し
    ていることを特徴とする材料層の厚さ測定装置。
  2. 【請求項２】 前記変形する手段が特定の曲率を有する
    集光反射器に前記材料の層の形状を変形する手段を具備
    し、前記集光反射器が材料の前記変形した層の前記前部
    表面を照射する前記単色性放射線を反射する請求項１記
    載の装置。
  3. 【請求項３】 前記変形する手段が一定の曲率半径を有
    する球面真空チャックを具備し、前記球面真空チャック
    が前記一定の曲率半径を有する球面の集光反射器に前記
    材料の層を変形する請求項２記載の装置。
  4. 【請求項４】 前記球面真空チャックが隆起した領域の
    パターンおよび複数の周辺真空ポートを有する無孔性の
    材料から形成され、真空吸引が前記材料の層を変形する
    ように前記複数の周辺真空ポートで行われる請求項３記
    載の装置。
  5. 【請求項５】 前記球面真空チャックが多孔性の材料か
    ら形成され、前記多孔性の材料はガスが浸透可能であ
    り、真空吸引が前記多孔性材料の１領域で行われ、前記
    材料の層を変形するように前記材料の層が前記多孔性材
    料の別の領域に付着される請求項３記載の装置。
  6. 【請求項６】 前記変形する手段が特定の曲率半径を有
    する楕円形真空チャックを具備し、前記楕円形真空チャ
    ックが前記特定の曲率半径を有する楕円形集光反射器に
    前記材料の層を変形する請求項２記載の装置。
  7. 【請求項７】 前記楕円形真空チャックが隆起した領域
    のパターンおよび複数の周辺真空ポートを有する無孔性
    材料から形成され、真空吸引が前記材料の層を変形する
    ように前記複数の周辺真空ポートで行われる請求項６記
    載の装置。
  8. 【請求項８】 前記楕円形真空チャックが多孔性の材料
    から形成され、前記多孔性の材料はガスが浸透可能であ
    り、真空吸引が前記多孔性材料の１領域で行われ、前記
    材料の層が前記材料の層を変形するように前記多孔性材
    料の別の領域に付着する請求項６記載の装置。
  9. 【請求項９】 前記照射する手段が、可視光によって前
    記材料の層の前記前部表面を照射する手段を具備してい
    る請求項１記載の装置。
  10. 【請求項１０】 前記照射する手段が異なる波長の可視
    単色性光線によって前記前部表面を順次照射する手段を
    具備し、前記材料の層の厚さが前記異なる波長の１つの
    倍数である時に生じるあいまいさが除去されている請求
    項９記載の装置。
  11. 【請求項１１】 異なる波長の可視単色性光線によって
    順次照射する前記手段が、 白色光源と、 視準されたビーム中に前記白色光を視準する手段と、 異なる波長を通過させる複数の狭帯域フィルタと、 視準された単色性ビームを形成するために前記視準され
    たビーム中に一時に１つの前記狭帯域フィルタを順次位
    置させる手段と、 材料の前記変形した層の曲率半径の中心に前記視準され
    た単色性ビームの焦点を結ばせる手段とを具備し、それ
    によって材料の前記変形した層の前部表面上に前記焦点
    が結ばれた単色性ビームを導く請求項１０記載の装置。
  12. 【請求項１２】 前記狭帯域フィルタを順次位置する手
    段が回転可能なフィルタホイール装置を具備している請
    求項１１記載の装置。
  13. 【請求項１３】 前記フィルタホイールの各回転および
    各狭帯域フィルタの周期の開始を示す電気出力を供給す
    るために前記回転可能なフィルタホイール装置に関連し
    た電気センサをさらに具備している請求項１２記載の装
    置。
  14. 【請求項１４】 異なる波長の可視単色性光線によって
    順次照射する前記手段がモノクロメータを具備している
    請求項１０記載の装置。
  15. 【請求項１５】 単色性放射線によって前記材料の層の
    前部表面を照射する手段が、 白色光源と、 材料の前記変形した層の前記前部表面に向けられた焦点
    が結ばれたビーム中に前記白色光の焦点を結ばせる手段
    と、 一時に単色性放射線の１つの選択された波長のみを通過
    する手段とを具備している請求項１記載の装置。
  16. 【請求項１６】 前記１つの選択された波長のみを通過
    する手段が回転可能なフィルタホイール装置を具備して
    いる請求項１５記載の装置。
  17. 【請求項１７】 照射するための前記手段がモノクロメ
    ータを具備している請求項１記載の装置。
  18. 【請求項１８】 前記反射された放射線を受けて前記特
    徴を検出する手段が電荷結合装置を具備している請求項
    １記載の装置。
  19. 【請求項１９】 前記検出された特徴を比較する手段に
    おいて使用された基準特徴の前記セットが前記層の材料
    の予め定められた厚さおよび想定された光学特性に基づ
    いて計算される請求項１記載の装置。
  20. 【請求項２０】 前記比較する手段がそこに記憶された
    基準特性の前記セットを有するコンピュータを含む請求
    項１９記載の装置。
  21. 【請求項２１】 前記検出された特徴を比較する手段に
    おいて使用された基準特徴の前記セットが複数の既知の
    厚さを有する材料の層から得られた特徴を記憶すること
    によって得られる請求項１記載の装置。
  22. 【請求項２２】 前記比較する手段がそこに記憶された
    基準特徴の前記セットを有するコンピュータを具備して
    いる請求項２１記載の装置。
  23. 【請求項２３】 前記材料の層が基板上に形成された複
    数の薄膜層の１つである請求項１記載の装置。
  24. 【請求項２４】 前記その他の薄膜層が放射線が透過さ
    れることを可能にする特性を有し、前記基板が放射線が
    反射されることを可能にする特性を有し、前記放射線が
    前記材料の層の前記前部および後部表面から、および前
    記別の薄膜層の前部および後部表面から、および前記基
    板の前部表面から反射される請求項２３記載の装置。
  25. 【請求項２５】 測定されるべき前記層の材料がシリコ
    ンを含み、前記基板がシリコンを含む請求項２４記載の
    装置。
  26. 【請求項２６】 前記特徴が干渉性フリンジパターンを
    含む請求項１記載の装置。
  27. 【請求項２７】 前記材料の層の前部表面が前記材料の
    層の前部表面の全開口部表面を含み、前記前部表面を照
    射する前記手段が単色性放射線の単一ビームによって前
    記全開口部表面を照射し、前記反射した放射線を受けて
    前記特徴を検出する手段が前記全開口部表面領域から反
    射された前記放射線からの前記特徴を受けて検出する手
    段を具備し、前記比較する手段が前記全開口部表面領域
    の厚さのマップに対応する出力を発生する請求項１記載
    の装置。
  28. 【請求項２８】 前記材料の層がウェーハの前部表面上
    に形成され、前記ウェーハが集光反射器に変形され、前
    記照射する手段が、 白色光源と、 前記白色光を空間的に瀘波する手段と、 視準されたビームを形成するための前記空間的に瀘波さ
    れた白色光を視準する手段と、 前記白色光からの視準された単色性の光を生成する前記
    視準されたビーム中に配置された手段と、 前記変形したウェーハの曲率半径の中心に前記視準され
    た単色性の光の焦点を結ばせる手段とを含み、それによ
    って前記変形したウェーハの前部表面の全開口部表面の
    領域上に焦点が結ばれた単色性の光を導く請求項２７記
    載の装置。
  29. 【請求項２９】 前記反射した放射線を受けて特徴を検
    出する手段が、 前記変形したウェーハの前部表面の前記全開口部表面の
    領域から前記反射した放射線を導いて視準したビームを
    生成する手段と、 前記反射した放射線から前記特徴を検出するための前記
    視準されたビーム内に配置された電荷結合装置カメラと
    を具備している請求項２８記載の装置。
  30. 【請求項３０】 前記検出された特徴を比較する手段
    が、 前記電荷結合装置カメラの出力信号をデジタル化する手
    段と、 前記基準特性に対応している１組のデジタル化された信
    号と前記デジタル化された出力信号を比較する手段とを
    具備している請求項２９記載の装置。
  31. 【請求項３１】 前記反射した放射線を受けて特徴を検
    出する手段が、 前記変形したウェーハの前記全開口部表面の領域から反
    射された前記放射線から視準されたビームを生成する手
    段と、 前記反射した放射線を向け直す前記視準されたビーム内
    に位置されたビームスプリッタと、 電荷結合装置カメラと、 前記電荷結合装置カメラ上に前記向け直され反射した放
    射線の焦点を結ばせる手段とを具備している請求項２８
    記載の装置。
  32. 【請求項３２】 前記比較する手段が、 前記電荷結合装置カメラの出力信号をデジタル化する手
    段と、 前記基準特徴に対応する１組のデジタル化された信号と
    前記デジタル化された出力信号を比較する手段とを具備
    している請求項３１記載の装置。
  33. 【請求項３３】 前記材料の層の厚さに対応している前
    記特徴が前記変形したウェーハの前部表面の前記全開口
    部表面の領域から反射された前記単色性放射線に含まれ
    た干渉性フリンジパターン像を具備し、前記反射された
    放射線を受ける手段が前記干渉性フリンジパターン像を
    捕らえる電荷結合装置カメラを具備している請求項２８
    記載の装置。
  34. 【請求項３４】 前記電荷結合装置カメラが、複数の異
    なる波長で反射された単色性放射線からの干渉性フリン
    ジパターン像を捕らえる請求項３３記載の装置。
  35. 【請求項３５】 整列のためおよび反射率の標準の設定
    のために放射線を反射する手段が前記変形したウェーハ
    と同じ平面に沿って位置されている請求項３４記載の装
    置。
  36. 【請求項３６】 前記受けた反射された単色性放射線の
    検出された特徴を比較する手段が前部表面上に形成され
    た材料の層を有する較正ウェーハを具備し、前記材料の
    層が前部表面上の複数の異なる既知の厚さを有し、前記
    複数の異なる既知の厚さが基準特徴の前記セットとして
    測定され、記憶される請求項３５記載の装置。
  37. 【請求項３７】 前記比較する手段において使用された
    基準特徴のセットが前記材料の層および前記ウェーハの
    予め定められた厚さおよび想定された特性に基づいて計
    算される請求項３５記載の装置。
  38. 【請求項３８】 前部および後部表面を有し、光がそれ
    を透過できる特性を有する材料の層の厚さを測定する装
    置において、 前記層が前部および後部表面をそれぞれ有する複数の層
    の１つである場合を含み、 集光反射器が前記材料の層の前記前部および後部表面、
    前記可能な複数の別の層の前記前部および後部表面、お
    よび前記基板の前記前部表面から形成されるように、前
    記材料の層、前記複数の層の中の別の層、および前記基
    板を変形する手段と、 視準された光のビームを供給する手段と、 視準された単色性の光のビームに視準された光のビーム
    を変換する手段と、 前記集光反射器の全体の前部表面を照射するように視準
    された単色性の光の前記ビームの焦点を結ばせる手段と
    を備え、前記焦点が結ばれた単色性の光は前記材料の層
    の前記前部および後部表面、および前記可能な複数の層
    の別の層の前記前部および後部表面と前記基板の前記前
    部表面から反射され、反射された単色性光線に含まれる
    干渉性フリンジパターン像を形成するために相互作用
    し、 さらに、前記含まれた干渉性フリンジパターン像を表示
    するように電荷結合装置カメラの検出器アレイ上に前記
    反射した単色性光線を導く手段と、前記アレイによって
    検出された前記表示された干渉性フリンジパターン像に
    対応している出力を供給する前記カメラと、 前記電荷結合装置カメラの前記出力をデジタル化する手
    段と、 前記電荷結合装置カメラの前記デジタル化された出力を
    受信して記憶された基準反射率データと前記電荷結合装
    置カメラの前記デジタル化された出力を比較し、前記材
    料の層の厚さに対応している出力を供給する手段とを具
    備していることを特徴とする材料層の厚さの測定装置。
  39. 【請求項３９】 前記変形する手段が真空チャックを具
    備している請求項３８記載の装置。
  40. 【請求項４０】 前記電荷結合装置カメラの前記検出器
    アレイ上に前記反射した単色性光線を向ける手段が反射
    鏡および視準レンズを具備している請求項３８記載の装
    置。
  41. 【請求項４１】 前記反射された単色性光線が視準され
    た単色性の光の前記ビームの焦点を結ばせる前記手段を
    通って戻り、電荷結合装置カメラの検出器アレイ上に前
    記反射した単色性光線を導く手段がビームスプリッタお
    よび集束レンズを具備し、前記ビームスプリッタが視準
    された単色性の光の前記ビーム内に位置される請求項３
    ８記載の装置。
  42. 【請求項４２】 放射線が透過されることができる特性
    を有する前部および後部表面を有する材料の層を設け、 集光反射器に前記材料の層を変形し、 前記材料の層の厚さに対応している特徴を有する材料の
    前記変形した層の前部および後部表面から反射される前
    記単色性放射線によって材料の変形した層の前部表面を
    照射し、 前記反射した放射線を受け、 この受けた反射された放射線の前記特徴を検出し、 既知の厚さに対応している１組の基準特徴と前記得られ
    た反射された放射線の前記検出された特徴を比較し、 基準特徴の前記セットと前記検出された特徴の比較に基
    づいた前記材料の層の厚さに対応している出力を供給す
    るステップを具備している材料の層の厚さを測定する方
    法。
  43. 【請求項４３】 前記材料の層層を変形するステップ
    が、前記集光反射器の前部表面を照射している単色性の
    放射線が軸上で受けられるように反射されるように、球
    面の真空チャックによって球面の集光反射器に前記材料
    の層を変形するステップを具備している請求項４２記載
    の方法。
  44. 【請求項４４】 前記集光反射器の前記前部表面を照射
    している単色性の放射線がオフ軸が得られるように反射
    されるように、前記材料の層を変形する前記ステップが
    楕円形の真空チャックによって楕円形の集光反射器に前
    記材料の層を変形するステップを含む請求項４２記載の
    方法。
  45. 【請求項４５】 前記照射するステップが、異なった波
    長の単色性の放射線によって前部表面を順次照射するス
    テップを含み、前記材料の層の厚さが前記異なる波長の
    １つの倍数であるときに生じるあいまいさが除去されて
    いる請求項４２記載の方法。
  46. 【請求項４６】 前記照射するステップが、 白色光を生成し、 前記白色光の視準されたビームを形成し、 異なる狭い帯域波長の視準された単色性光線を生成する
    ために前記視準された白色光線を瀘波するステップを含
    む請求項４５記載の方法。
  47. 【請求項４７】 前記材料の層の予め定められた厚さお
    よび想定された光学特性に基づいた基準特徴の前記セッ
    トを計算し、基準特徴の前記セットを記憶するステップ
    をさらに具備している請求項４２記載の方法。
  48. 【請求項４８】 既知の厚さの領域を有する材料の基準
    層を設け、 前記領域の既知の厚さにおける材料の前記基準層の厚さ
    の特徴を測定し、 基準特徴の前記セットとして前記測定された厚さの特徴
    を記憶するステップをさらに具備している請求項４２記
    載の方法。
  49. 【請求項４９】 前記照射するステップが単色性放射線
    の単一ビームによって前記材料の変形した層の全体の前
    部表面を同時に照射するステップを含み、出力を供給す
    る前記ステップが材料の前記層の全体の前部表面の厚さ
    のマップに対応している出力を供給するステップを具備
    している請求項４２記載の方法。
  50. 【請求項５０】 前記特徴を検出する前記ステップが電
    荷結合装置カメラを使用して前記特徴の検出を含み、前
    記カメラが前記特徴に対応する出力信号を供給し、 さらに、前記電荷結合装置カメラによって供給された前
    記出力信号をデジタル化し、 基準特徴の前記セットに対応する１組のデジタル化され
    た基準信号と前記デジタル化された出力信号を比較する
    ステップを含む請求項４２記載の方法。
  51. 【請求項５１】 前記検出された特徴が前記材料の変形
    した層内に反射されるとき前記単色性放射線におけるコ
    ヒーレント相互作用によって生成された干渉性フリンジ
    パターン像であり、この干渉性フリンジパターン像が前
    記反射した放射線中に含まれ、前記電荷結合装置カメラ
    が前記複数の異なる点で前記材料の層の厚さを決定する
    ために複数の異なる点で前記干渉性フリンジパターン像
    を測定している請求項５０記載の方法。
  52. 【請求項５２】 前記材料の層の厚さに対応している前
    記出力によって前記材料の層の前記前部表面上の化学的
    マイクロ研磨処理を実行し、 前記材料の層の厚さが予め定められた厚さに対応するま
    で順次上記ステップを反復するステップを付加的に具備
    している請求項４２記載の方法。
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