JPH09119812A - 多層皮膜構造を特徴づけ、その皮膜に直面する２つの面の間の距離を測定する方法及び装置 - Google Patents
多層皮膜構造を特徴づけ、その皮膜に直面する２つの面の間の距離を測定する方法及び装置Info
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- JPH09119812A JPH09119812A JP8144112A JP14411296A JPH09119812A JP H09119812 A JPH09119812 A JP H09119812A JP 8144112 A JP8144112 A JP 8144112A JP 14411296 A JP14411296 A JP 14411296A JP H09119812 A JPH09119812 A JP H09119812A
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- G—PHYSICS
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- G—PHYSICS
- G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
- G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 層の厚さ又は屈折率に関して基板上の単層又
は多層の皮膜構造を特徴づける方法を提供する。 【解決手段】 本発明の方法及び装置は、基板２７上に
１又はそれを越える層の皮膜構造２７，４１，４３を、
干渉計特に白色光チャンネルスペクトラム干渉計又は多
波長干渉計によって、特に層の厚さ及び屈折率に関して
特徴づける。また、積層皮膜からの位相貢献を考慮し、
かつ、矯正して、少なくとも１つの面が単層又は多層の
構造からなる２つの面の間の距離を測定する。
は多層の皮膜構造を特徴づける方法を提供する。 【解決手段】 本発明の方法及び装置は、基板２７上に
１又はそれを越える層の皮膜構造２７，４１，４３を、
干渉計特に白色光チャンネルスペクトラム干渉計又は多
波長干渉計によって、特に層の厚さ及び屈折率に関して
特徴づける。また、積層皮膜からの位相貢献を考慮し、
かつ、矯正して、少なくとも１つの面が単層又は多層の
構造からなる２つの面の間の距離を測定する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は基板の上に１又はそ
れを越える層からなる皮膜構造（thin film system）を
特徴づける（characterize）方法に関する。
れを越える層からなる皮膜構造（thin film system）を
特徴づける（characterize）方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】基板上の皮膜は、光学導波管、集積回路
の製造、保護コーティング等のために、反−反射コーテ
ィングやその他の光学コーティングのような多様な適用
分野に広汎に使用されている。これらの適用分野の多く
は、デポジション（deposition）工程を制御し、コーテ
ィング又は仕上装置の正確な作動を保証するために、精
密な「特徴づけ（characterization）」、すなわち、皮
膜の厚さや屈折率の測定が必要とされる。
の製造、保護コーティング等のために、反−反射コーテ
ィングやその他の光学コーティングのような多様な適用
分野に広汎に使用されている。これらの適用分野の多く
は、デポジション（deposition）工程を制御し、コーテ
ィング又は仕上装置の正確な作動を保証するために、精
密な「特徴づけ（characterization）」、すなわち、皮
膜の厚さや屈折率の測定が必要とされる。
【０００３】前記皮膜の特徴づけを達成する最も一般的
な方法は、機械的形状測定法（mehcanical profilometr
y）及び楕円測定法（ellipsometry）である。機械的形
状測定法は、通常、スタイラス（針）を使用し、測定さ
れる表面との接触を必要とする。さらに、それはサンプ
ルの破壊的準備を要求し、振動しやすいので、その精度
が制限される。楕円測定法は、レーザ源を必要とし、む
しろ遅く、複雑で高価である傾向がある。ＥＰ−Ａ−０
６３９７５３は、そらぞれ透明絶縁膜とシリコン膜と１
つ又は２つの透明膜とからなる３又は４層構造の厚さを
測定する方法を開示している。この方法は、２つの波長
域の光、すなわち、ＵＶ域にある光と、該ＵＶ域より長
い波長を含む第２の域の光とを使用する。大部分の光は
下にあるシリコン膜によって吸収されるので、第１波長
域の反射率から透明膜の厚さが正確に計算される。透明
絶縁膜とシリコン膜の厚さの概略値が周波数分析によっ
て計算され、これにより透明膜のスペクトル成分が低域
フィルタによって除去される。次に、得られた概略値は
固定量によって変更され、計算された変更厚さに対する
理論スペクトル反射率と計測されたスペクトル反射率と
の差が計算される。絶縁膜とシリコン膜に対する厚さの
値は、次に、非線形最適化法によって最適化される。
な方法は、機械的形状測定法（mehcanical profilometr
y）及び楕円測定法（ellipsometry）である。機械的形
状測定法は、通常、スタイラス（針）を使用し、測定さ
れる表面との接触を必要とする。さらに、それはサンプ
ルの破壊的準備を要求し、振動しやすいので、その精度
が制限される。楕円測定法は、レーザ源を必要とし、む
しろ遅く、複雑で高価である傾向がある。ＥＰ−Ａ−０
６３９７５３は、そらぞれ透明絶縁膜とシリコン膜と１
つ又は２つの透明膜とからなる３又は４層構造の厚さを
測定する方法を開示している。この方法は、２つの波長
域の光、すなわち、ＵＶ域にある光と、該ＵＶ域より長
い波長を含む第２の域の光とを使用する。大部分の光は
下にあるシリコン膜によって吸収されるので、第１波長
域の反射率から透明膜の厚さが正確に計算される。透明
絶縁膜とシリコン膜の厚さの概略値が周波数分析によっ
て計算され、これにより透明膜のスペクトル成分が低域
フィルタによって除去される。次に、得られた概略値は
固定量によって変更され、計算された変更厚さに対する
理論スペクトル反射率と計測されたスペクトル反射率と
の差が計算される。絶縁膜とシリコン膜に対する厚さの
値は、次に、非線形最適化法によって最適化される。
【０００４】前記方法は、キャリブレーションウェーハ
（calibration wafer）の反射率の事前測定を必要とす
るという欠点を有している。これは時間の浪費であり、
レファレンスウェーハ（reference wafer）の表面が劣
化しないことを必要とする。また、この方法は、透明膜
のスペクトル反射率、従ってその厚さが計算できるよう
に、透明膜の下に配置されている層が第１波長域の光を
吸収するような多層構造に適用可能であると思われる。
さらに、この方法はＵＶ光を使用するので、１つの層が
ＵＶ感光性光抵抗層（UV-sensitive photo-resist）で
ある多層構造には適用可能ではない。さらにまた、この
方法は異なる層の厚さを計算するために屈折率の知識を
必要とする。
（calibration wafer）の反射率の事前測定を必要とす
るという欠点を有している。これは時間の浪費であり、
レファレンスウェーハ（reference wafer）の表面が劣
化しないことを必要とする。また、この方法は、透明膜
のスペクトル反射率、従ってその厚さが計算できるよう
に、透明膜の下に配置されている層が第１波長域の光を
吸収するような多層構造に適用可能であると思われる。
さらに、この方法はＵＶ光を使用するので、１つの層が
ＵＶ感光性光抵抗層（UV-sensitive photo-resist）で
ある多層構造には適用可能ではない。さらにまた、この
方法は異なる層の厚さを計算するために屈折率の知識を
必要とする。
【０００５】したがって、皮膜の厚さ及び／又は屈折率
の迅速かつ正確な測定を許容する簡単な測定方法を提供
することが好ましい。
の迅速かつ正確な測定を許容する簡単な測定方法を提供
することが好ましい。
【０００６】一方、皮膜特性以外の特定のパラメータを
測定するための光学検査法の分野がある。このパラメー
タは、例えば、絶対的又は相対的な距離とすることがで
きる。この方法には、膜の厚さや屈折率の知識は本質的
に必要ではない。２つの面の間の距離を測定する場合に
ついては、前記２つの面から反射された光線間の干渉の
強度を測定する「干渉（interferometric）」法がしば
しば使用される。しかしながら、多層構造又は単層構造
が存在すると、層からの反射による位相変化（phase sh
ifts）が求められるパラメータの干渉法による正確な測
定を妨げる。
測定するための光学検査法の分野がある。このパラメー
タは、例えば、絶対的又は相対的な距離とすることがで
きる。この方法には、膜の厚さや屈折率の知識は本質的
に必要ではない。２つの面の間の距離を測定する場合に
ついては、前記２つの面から反射された光線間の干渉の
強度を測定する「干渉（interferometric）」法がしば
しば使用される。しかしながら、多層構造又は単層構造
が存在すると、層からの反射による位相変化（phase sh
ifts）が求められるパラメータの干渉法による正確な測
定を妨げる。
【０００７】そのような方法の例は、集積回路の製造の
ための顕微鏡法（microscopy）及び微小石版印刷法（mi
crolithography）において使用されるような光学的形状
測定器（optical profilometer）、マイクロポジショニ
ング装置（micropositioningdevice）、及び集束システ
ム（focusing system）である。
ための顕微鏡法（microscopy）及び微小石版印刷法（mi
crolithography）において使用されるような光学的形状
測定器（optical profilometer）、マイクロポジショニ
ング装置（micropositioningdevice）、及び集束システ
ム（focusing system）である。
【０００８】距離測定のための前述の干渉法は、積層皮
膜からの反射により導入される位相変化を考慮していな
いし、測定誤差が起こることがある。多層構造における
位相変化による前述の測定誤差の結果、例えば、光学的
形状測定器は被覆された表面の形状を測定する困難性を
有するかもしれないし、あるいは干渉法集束システム
（interferometric focusing system）を使用する微小
石版印刷画像システム（microlithographic imaging sy
stem）は不正確な焦点でパターンを印刷し、画像がぼけ
るかもしれない。
膜からの反射により導入される位相変化を考慮していな
いし、測定誤差が起こることがある。多層構造における
位相変化による前述の測定誤差の結果、例えば、光学的
形状測定器は被覆された表面の形状を測定する困難性を
有するかもしれないし、あるいは干渉法集束システム
（interferometric focusing system）を使用する微小
石版印刷画像システム（microlithographic imaging sy
stem）は不正確な焦点でパターンを印刷し、画像がぼけ
るかもしれない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
目的は、層の厚さ又は屈折率に関して基板上の単層又は
多層の皮膜構造を特徴づける方法を提供することにあ
る。
目的は、層の厚さ又は屈折率に関して基板上の単層又は
多層の皮膜構造を特徴づける方法を提供することにあ
る。
【００１０】本発明の他の目的は、少なくとも一方が単
層又は多層で被覆された本質的に平行な２つの面の間の
距離を光学的に測定し、これにより層の数やタイプにか
かわりなくその距離の正確な測定が得られる方法を提供
することにある。
層又は多層で被覆された本質的に平行な２つの面の間の
距離を光学的に測定し、これにより層の数やタイプにか
かわりなくその距離の正確な測定が得られる方法を提供
することにある。
【００１１】本発明のさらに他の目的は、干渉法による
光学検査法における単層又は多層の皮膜構造からの位相
変化を補正する方法を提供することにある。
光学検査法における単層又は多層の皮膜構造からの位相
変化を補正する方法を提供することにある。
【００１２】本発明のさらに他の目的は、前記層の表面
からの位相貢献（phase contribution）の測定及び補正
によって、前記層の特徴づけとともに２つの面の間の距
離の正確な測定を許容する装置を提供することにある。
からの位相貢献（phase contribution）の測定及び補正
によって、前記層の特徴づけとともに２つの面の間の距
離の正確な測定を許容する装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明によると、基板
（２７）上に１又はそれを越える層の皮膜構造を、干渉
計特に白色光チャンネルスペクトラム干渉計（white-li
ght channeled spectruminterferometry）又は多波長干
渉計（multi-wave length interferometry）によって、
特に層の厚さ及び屈折率に関して特徴づける方法におい
て、 ａ）２つの分離した本質的に平行な反射面からなる干渉
計に光線を導くステップであって、それらの反射面のパ
ス長さは距離Ｄだけ異なり、それらのいずれか一方の面
は１又はそれを越える層構造（２７，４１，４３）であ
り、ここで特徴づけられる層は選択された波長に対して
少なくとも部分的に透明であるステップと、 ｂ）２つの干渉面から反射された光の少なくとも一部を
回折格子（１７）の上に導き、これにより反射光を分散
するステップと、 ｃ）分散された光を光検出アレイ（ＰＤＡ）（２１）の
上で集束させるステップと、 ｄ）測定された強度値を使用して、各ＰＤＡ要素におけ
る干渉パターンの位相を評価し、「測定位相関数（meas
ured phase function）」すなわち周波数の関数として
の干渉の位相を与えるステップと、 ｅ）位相関数モデル（phase function model）を測定位
相関数に適合させるステップであって、ここで位相関数
モデルは次式の通りであり、
（２７）上に１又はそれを越える層の皮膜構造を、干渉
計特に白色光チャンネルスペクトラム干渉計（white-li
ght channeled spectruminterferometry）又は多波長干
渉計（multi-wave length interferometry）によって、
特に層の厚さ及び屈折率に関して特徴づける方法におい
て、 ａ）２つの分離した本質的に平行な反射面からなる干渉
計に光線を導くステップであって、それらの反射面のパ
ス長さは距離Ｄだけ異なり、それらのいずれか一方の面
は１又はそれを越える層構造（２７，４１，４３）であ
り、ここで特徴づけられる層は選択された波長に対して
少なくとも部分的に透明であるステップと、 ｂ）２つの干渉面から反射された光の少なくとも一部を
回折格子（１７）の上に導き、これにより反射光を分散
するステップと、 ｃ）分散された光を光検出アレイ（ＰＤＡ）（２１）の
上で集束させるステップと、 ｄ）測定された強度値を使用して、各ＰＤＡ要素におけ
る干渉パターンの位相を評価し、「測定位相関数（meas
ured phase function）」すなわち周波数の関数として
の干渉の位相を与えるステップと、 ｅ）位相関数モデル（phase function model）を測定位
相関数に適合させるステップであって、ここで位相関数
モデルは次式の通りであり、
【数３】 Ф（ν）＝Ф0＋（４π／ｃ）Ｄν＋δr（ν；ｎi，ｄi） （１） ここで、δrは多層構造の位相貢献、ｃは光の速度であ
り、パラメータは位相関数モデルのパラメータであっ
て、ｎiとｄiはそれぞれｉ番目の層の屈折率と厚さ、Ф
0は位相決定方法による位相オフセット、Ｄは２つの干
渉面の間の距離、又は、干渉計の２つの干渉アーム（in
terfering arm）の間のパス長差（path length differe
nce）であるステップと、 ｆ）測定位相関数を最良に適合させる位相関数モデルの
パラメータを決定するステップと、 からなる方法が提供されている。
り、パラメータは位相関数モデルのパラメータであっ
て、ｎiとｄiはそれぞれｉ番目の層の屈折率と厚さ、Ф
0は位相決定方法による位相オフセット、Ｄは２つの干
渉面の間の距離、又は、干渉計の２つの干渉アーム（in
terfering arm）の間のパス長差（path length differe
nce）であるステップと、 ｆ）測定位相関数を最良に適合させる位相関数モデルの
パラメータを決定するステップと、 からなる方法が提供されている。
【００１４】この発明の方法は、楕円測定法と比べて、
簡単な光学配置から絶対測定値を生み出すむしろ迅速な
測定方法であり、またスタイラス法と比べて、非接触か
つ非破壊の方法であるという利点を有している。また、
従来の距離測定用の干渉計による方法と対比すると、こ
の発明の方法は、積層皮膜での反射に基づいて生み出さ
れる相変化を考慮しているので、測定された位相が補償
され、距離測定誤差が回避される。また、１又はそれを
越える層の屈折率及び層厚さが迅速、正確かつ同時に決
定される。しかしながら、実施においては、屈折率は正
確に知ることができるので、決定される最も興味のある
パラメータは層厚さである。
簡単な光学配置から絶対測定値を生み出すむしろ迅速な
測定方法であり、またスタイラス法と比べて、非接触か
つ非破壊の方法であるという利点を有している。また、
従来の距離測定用の干渉計による方法と対比すると、こ
の発明の方法は、積層皮膜での反射に基づいて生み出さ
れる相変化を考慮しているので、測定された位相が補償
され、距離測定誤差が回避される。また、１又はそれを
越える層の屈折率及び層厚さが迅速、正確かつ同時に決
定される。しかしながら、実施においては、屈折率は正
確に知ることができるので、決定される最も興味のある
パラメータは層厚さである。
【００１５】ＥＰ−Ａ−０６３９７５３に開示された方
法と対比すると、本発明の方法は特定の多層構造に限定
されないし、キャリブレーションウェーハの使用を必要
としない。さらに、厚さが決定される層の屈折率の知識
を必要としない。
法と対比すると、本発明の方法は特定の多層構造に限定
されないし、キャリブレーションウェーハの使用を必要
としない。さらに、厚さが決定される層の屈折率の知識
を必要としない。
【００１６】ある一般的な場合には、多層構造は金属の
ような本質的に不透明な層を含んでいてもよい。そのよ
うな場合、検出光線は不透明層と基板との間の層には到
達しない。この場合、不透明層を基板として取り扱い、
不透明層と基板との間の層を無視することが好ましい。
ような本質的に不透明な層を含んでいてもよい。そのよ
うな場合、検出光線は不透明層と基板との間の層には到
達しない。この場合、不透明層を基板として取り扱い、
不透明層と基板との間の層を無視することが好ましい。
【００１７】干渉計は、距離Ｄだけ離れた２つの面から
構成されるか、あるいは干渉アームがパス差Ｄを有する
マイケルソン干渉計（Michelson interferometer）から
構成されるのが好ましい。
構成されるか、あるいは干渉アームがパス差Ｄを有する
マイケルソン干渉計（Michelson interferometer）から
構成されるのが好ましい。
【００１８】したがって、この方法は、本質的に平行な
２つの面の間の距離Ｄを測定すること、さらに具体的に
は少なくともいずれか一方の面が少なくとも１つの層で
被覆されている２つの面の間の距離を測定するのに同等
に有益であることは明らかである。
２つの面の間の距離Ｄを測定すること、さらに具体的に
は少なくともいずれか一方の面が少なくとも１つの層で
被覆されている２つの面の間の距離を測定するのに同等
に有益であることは明らかである。
【００１９】前記光線は広帯域若しくは多波長の光源又
は発光ダイオード（ＬＥＤ）からのものであるのが好ま
しい。これらの光源は良心的な価格で商業的に入手可能
である。測定の問題に依存して、放射スペクトラム（em
mission spectrum）の窓（window）が選択されてもよ
い。
は発光ダイオード（ＬＥＤ）からのものであるのが好ま
しい。これらの光源は良心的な価格で商業的に入手可能
である。測定の問題に依存して、放射スペクトラム（em
mission spectrum）の窓（window）が選択されてもよ
い。
【００２０】前記位相関数モデルを前記測定位相関数に
適合させるのに、最小二乗適合法（least squares fitt
ing）が使用されてもよい。この最小二乗適合法は公知
のモデル評価データ（modelling data）用数値解析ツー
ルである。商業的に入手可能な既製プログラムがあり、
それは数値問題の解に容易に採用することができる。例
えば、ＷＨプレスらによる「Numerical Recipes in Pas
cal」（１９９２年ケンブリッジ大学出版）を参照のこ
と。そこには、多くの方法、例えば、線形最小二乗適
合、レーベンベルグ−マルカート法、及びガウス−ニュ
ートン法がある。主に解決される問題に応じて最良の方
法が選択される。最小二乗アルゴリズムが使用されると
きには、次の条件が満たされなければならない。 −モデルの知識は義務的である。 −データポイントの数はモデルのパラメータの数より大
きくなければならない。多層構造の特徴づけのための前
述の白色チャンネルスペクトラム干渉計の場合、両条件
は容易に満たされる（すなわち、位相関数のモデルは知
られており、ローカル位相Фn（データポイント）の数
Ｎはモデルのパラメータの数Ｍよりもはるかに大き
い）。
適合させるのに、最小二乗適合法（least squares fitt
ing）が使用されてもよい。この最小二乗適合法は公知
のモデル評価データ（modelling data）用数値解析ツー
ルである。商業的に入手可能な既製プログラムがあり、
それは数値問題の解に容易に採用することができる。例
えば、ＷＨプレスらによる「Numerical Recipes in Pas
cal」（１９９２年ケンブリッジ大学出版）を参照のこ
と。そこには、多くの方法、例えば、線形最小二乗適
合、レーベンベルグ−マルカート法、及びガウス−ニュ
ートン法がある。主に解決される問題に応じて最良の方
法が選択される。最小二乗アルゴリズムが使用されると
きには、次の条件が満たされなければならない。 −モデルの知識は義務的である。 −データポイントの数はモデルのパラメータの数より大
きくなければならない。多層構造の特徴づけのための前
述の白色チャンネルスペクトラム干渉計の場合、両条件
は容易に満たされる（すなわち、位相関数のモデルは知
られており、ローカル位相Фn（データポイント）の数
Ｎはモデルのパラメータの数Ｍよりもはるかに大き
い）。
【００２１】干渉縞当たり４つのサンプルを用いた同期
サンプリングが利用されるのが好ましい。ここで、回折
格子定数、光検出アレイの隣接するピクセル間の距離、
及びリレーレンズの焦点距離は、概略距離Ｄ及び照明源
の中央での波長又は周波数に関して選択され配置され、
光検出アレイの各ピクセルがある波長又は周波数νnの
光を測定するようになっている。該周波数は、隣接する
２つのピクセルの間で、ΔФs＝π／２の干渉パターン
における位相分離に対応するΔνだけ離れている。これ
により、原則としてπよりも大きなΔФsのいかなる値
も使用することができるが、位相評価が簡単になり、ハ
ードウェアの要求が最小になる。
サンプリングが利用されるのが好ましい。ここで、回折
格子定数、光検出アレイの隣接するピクセル間の距離、
及びリレーレンズの焦点距離は、概略距離Ｄ及び照明源
の中央での波長又は周波数に関して選択され配置され、
光検出アレイの各ピクセルがある波長又は周波数νnの
光を測定するようになっている。該周波数は、隣接する
２つのピクセルの間で、ΔФs＝π／２の干渉パターン
における位相分離に対応するΔνだけ離れている。これ
により、原則としてπよりも大きなΔФsのいかなる値
も使用することができるが、位相評価が簡単になり、ハ
ードウェアの要求が最小になる。
【００２２】測定ポイントの数は、ＰＤＡの要素の数と
光源のスペクトル帯域のよって決定される。前記測定点
Ｎの数は、決定されるパラメータＭの数を越えているの
が適切である。そのような場合、余分なデータが入手で
きる、そのパラメータは最小二乗適合によって正確に決
定され得る。最小二乗アルゴリズムの最も正確な結果
は、適合するデータポイントの数及び光検出アレイによ
って解像される全スペクトルレンジが大きいときに期待
できる。これに対し、データポイントの数が小さいと、
計算時間が短くなるが、適合パラメータの信頼できる値
が少なくなる。多くの場合、１００から２００の測定ポ
イントは、計算時間と正確性の間での良好な選択であ
る。しかしながら、ほんの数十のデータポイントを使用
することも可能である。
光源のスペクトル帯域のよって決定される。前記測定点
Ｎの数は、決定されるパラメータＭの数を越えているの
が適切である。そのような場合、余分なデータが入手で
きる、そのパラメータは最小二乗適合によって正確に決
定され得る。最小二乗アルゴリズムの最も正確な結果
は、適合するデータポイントの数及び光検出アレイによ
って解像される全スペクトルレンジが大きいときに期待
できる。これに対し、データポイントの数が小さいと、
計算時間が短くなるが、適合パラメータの信頼できる値
が少なくなる。多くの場合、１００から２００の測定ポ
イントは、計算時間と正確性の間での良好な選択であ
る。しかしながら、ほんの数十のデータポイントを使用
することも可能である。
【００２３】ある条件の下では、前記決定されるパラメ
ータの評価は適合手順の開始点として使用されるのが都
合がよい。屈折率に対する良い評価は、例えば、よく知
られ、利用できる。しかしながら、層厚さも、デポジシ
ョンプロセスの従来の知識によって評価されてもよい。
もしそのような評価が利用できるなら、この方法はなお
さらに有効で迅速になる。
ータの評価は適合手順の開始点として使用されるのが都
合がよい。屈折率に対する良い評価は、例えば、よく知
られ、利用できる。しかしながら、層厚さも、デポジシ
ョンプロセスの従来の知識によって評価されてもよい。
もしそのような評価が利用できるなら、この方法はなお
さらに有効で迅速になる。
【００２４】各層の屈折率と層厚さを決定する第２の独
立した方法を使用すること、及び位相関数モデルがより
少ないパラメータを有するようにδrを計算するために
これらのパラメータを使用することも可能であり、これ
により、測定位相関数への適合がスピードアップし、単
純化する。このようなアプローチは、厳密に制御され、
また皮膜厚さや屈折率が正確に知られているようなデポ
ジションプロセスで使用し得る。
立した方法を使用すること、及び位相関数モデルがより
少ないパラメータを有するようにδrを計算するために
これらのパラメータを使用することも可能であり、これ
により、測定位相関数への適合がスピードアップし、単
純化する。このようなアプローチは、厳密に制御され、
また皮膜厚さや屈折率が正確に知られているようなデポ
ジションプロセスで使用し得る。
【００２５】本発明のよりよき理解のために、次の詳細
な説明及び本発明に対する数学的背景が参照される。
な説明及び本発明に対する数学的背景が参照される。
【００２６】多層構造の距離Ｄと特性の同時測定は次の
方法に従って実行される。
方法に従って実行される。
【００２７】Ｎ個のサンプルＳnを得るために、光検出
アレイに関して干渉信号が採取される。ここで、Ｎは光
検出アレイのピクセルの数であり、１≦ｎ≦Ｎである。
アレイに関して干渉信号が採取される。ここで、Ｎは光
検出アレイのピクセルの数であり、１≦ｎ≦Ｎである。
【００２８】Ｎ−４のローカル位相Фnは、サンプルＳn
に集中する干渉信号の５つの隣接するサンプルを使用し
て計算される。
に集中する干渉信号の５つの隣接するサンプルを使用し
て計算される。
【数４】 Ｓn＝ｓn-1−ｓn+1＝２ＢsinΔФssinФn Ｃn＝ｓn−（ｓn+2＋ｓn-2）／２＝２Ｂsin2ΔФscosФn Фn＝tan-1［（Ｓn／Ｃn）sinΔФs］ （２）
【００２９】ローカル位相Фnは、次の測定位相関数を
得るために、アンラップ（unwrap）される（ΔФs＝Фn
−Фn-1＝π／２及びФn＞Фn-1であるから可能であ
る）。
得るために、アンラップ（unwrap）される（ΔФs＝Фn
−Фn-1＝π／２及びФn＞Фn-1であるから可能であ
る）。
【数５】 Ф＝Ф（νn） （３）
【００３０】光学周波数νの関数としての測定干渉位相
のモデルは次式で記載することができる。
のモデルは次式で記載することができる。
【数６】 Ф（ν）＝Ф0＋（４π／ｃ）Ｄν＋δr（ν；ｎi，ｄi） （４） ここで、符号は式（１）で定義された通りであり、δr
は多層構造の位相貢献である。
は多層構造の位相貢献である。
【００３１】干渉計は位相に対して敏感であるので、多
層構造の位相貢献δrを考慮することなく式（３）の測
定位相関数から距離Ｄを計算すると、距離測定誤差が生
じる。Ｄの測定が多層構造の位相貢献に無関係であるた
めには、多層構造の位相貢献δrを考慮する必要があ
り、したがってδrに対してモデルを処分することが義
務づけられる。
層構造の位相貢献δrを考慮することなく式（３）の測
定位相関数から距離Ｄを計算すると、距離測定誤差が生
じる。Ｄの測定が多層構造の位相貢献に無関係であるた
めには、多層構造の位相貢献δrを考慮する必要があ
り、したがってδrに対してモデルを処分することが義
務づけられる。
【００３２】そのようなモデルは、多くの教科書で幾ら
か詳細に説明されているように、多層構造からの多反射
を追加することによって引き出すことができる。もし、
ある情報例えば層の数及び基板のタイプが入手できるな
らば、ある与えられた層構造からの反射光の強度及び位
相に対して式が引き出される。２つ以上の層の場合、多
反射を追加する方法は実用的でない。そのような場合、
アザムアンドバシャラ（Azzam and Bashara）（楕円測
定法と偏光（Ellipsometry and Polarised Light）、北
オランダ個人図書館（ＮＨＰＬ）、アムステルダム、オ
ランダ国、１９８７、ｐｐ．２８３−２８６、３２２−
３４０）に記載されているような、優雅なアプローチが
使用されてもよい。それには、層構造からの反射光の強
度及び位相は２行２列のマトリクスで表されている。ア
ザムアンドバシャラによって引き出される一般的表現
は、測定される特定の多層構造に適用してもよい。
か詳細に説明されているように、多層構造からの多反射
を追加することによって引き出すことができる。もし、
ある情報例えば層の数及び基板のタイプが入手できるな
らば、ある与えられた層構造からの反射光の強度及び位
相に対して式が引き出される。２つ以上の層の場合、多
反射を追加する方法は実用的でない。そのような場合、
アザムアンドバシャラ（Azzam and Bashara）（楕円測
定法と偏光（Ellipsometry and Polarised Light）、北
オランダ個人図書館（ＮＨＰＬ）、アムステルダム、オ
ランダ国、１９８７、ｐｐ．２８３−２８６、３２２−
３４０）に記載されているような、優雅なアプローチが
使用されてもよい。それには、層構造からの反射光の強
度及び位相は２行２列のマトリクスで表されている。ア
ザムアンドバシャラによって引き出される一般的表現
は、測定される特定の多層構造に適用してもよい。
【００３３】一般的なアプローチは相関数モデルを測定
相関数に適合させることを伴うので、モデルのパラメー
タが少なければ少ないほど、適合手続きは早くなる。次
に、層が少なければ少ないほど、また層の屈折率のよう
な知られたパラメータが多ければ多いほど、その方法は
高効率となることは当然である。これは後で実施例で説
明する。しかしながら、この方法は如何なる数の層に対
しても有効である。
相関数に適合させることを伴うので、モデルのパラメー
タが少なければ少ないほど、適合手続きは早くなる。次
に、層が少なければ少ないほど、また層の屈折率のよう
な知られたパラメータが多ければ多いほど、その方法は
高効率となることは当然である。これは後で実施例で説
明する。しかしながら、この方法は如何なる数の層に対
しても有効である。
【００３４】多層構造のパラメータ（ｎi，ｄi）が知ら
れているとき、位相貢献δrのモデルによって可能であ
る測定位相の正確な解釈により、距離測定誤差を回避す
ることができる。もとの場所の多層構造のパラメータを
決定するためには、前述したように、また後で実施例で
説明するように、位相関数モデルを測定位相関数に適合
させるための適当なアルゴリズムを使用することが必要
である。
れているとき、位相貢献δrのモデルによって可能であ
る測定位相の正確な解釈により、距離測定誤差を回避す
ることができる。もとの場所の多層構造のパラメータを
決定するためには、前述したように、また後で実施例で
説明するように、位相関数モデルを測定位相関数に適合
させるための適当なアルゴリズムを使用することが必要
である。
【００３５】Ｎ＞Ｍ（過多）のとき、Ｍ適合パラメータ
の最良適合値（best fitting value）Φ0fit，Ｄfit，
ｄifit，及びｎifitを見つけるために、式（４）の位相
関数モデルを式（３）の測定位相関数に適合させるの
に、最小二乗アルゴリズム（linear least squares alg
orithm）が使用される。
の最良適合値（best fitting value）Φ0fit，Ｄfit，
ｄifit，及びｎifitを見つけるために、式（４）の位相
関数モデルを式（３）の測定位相関数に適合させるの
に、最小二乗アルゴリズム（linear least squares alg
orithm）が使用される。
【００３６】前記方法は、特にＴＩＲホログラフにおい
て、ホログラム面と該ホログラム面に近接しかつ本質的
に平行に配置され被覆された基板表面との間の正確な距
離を決定するために使用される。
て、ホログラム面と該ホログラム面に近接しかつ本質的
に平行に配置され被覆された基板表面との間の正確な距
離を決定するために使用される。
【００３７】ＴＩＲホログラフでは、まず最初に、集積
回路（ＩＣ）のような微小構造の写真マスクパターン
が、プリズムと光学的に接触するガラス基板の上の感光
層（ホログラフィックフォトポリマー等）に写真のよう
に記録される。２番目に、ホログラムが照明され、ホロ
グラフ画像がウェーハ又は他の基板例えばガラスの上に
被覆された第２の感光層（光抵抗層等）の上に照射され
る。例えば、Applied Physics Letters(1968年6月)のK.
A.Atetsonを参照のこと。
回路（ＩＣ）のような微小構造の写真マスクパターン
が、プリズムと光学的に接触するガラス基板の上の感光
層（ホログラフィックフォトポリマー等）に写真のよう
に記録される。２番目に、ホログラムが照明され、ホロ
グラフ画像がウェーハ又は他の基板例えばガラスの上に
被覆された第２の感光層（光抵抗層等）の上に照射され
る。例えば、Applied Physics Letters(1968年6月)のK.
A.Atetsonを参照のこと。
【００３８】ホログラムの記録中、フォトマスクはホロ
グラフ記録層に距離Ｌで近接して保持される。ホログラ
ムに応答して、フォトマスクのリアル画像がホログラム
から距離Ｌのところの空間に生成される。この距離Ｌ
に、感光コーティングを有するウェーハのような基板が
配置され、当該感光層にフォトマスクの画像が照射され
る。このプロセスは被覆された複数の基板に対して通常
何回も繰り返される。
グラフ記録層に距離Ｌで近接して保持される。ホログラ
ムに応答して、フォトマスクのリアル画像がホログラム
から距離Ｌのところの空間に生成される。この距離Ｌ
に、感光コーティングを有するウェーハのような基板が
配置され、当該感光層にフォトマスクの画像が照射され
る。このプロセスは被覆された複数の基板に対して通常
何回も繰り返される。
【００３９】ＴＩＲホログラフにおいてキーパラメータ
はホログラムの焦点距離又は焦点として知られる距離Ｌ
であることが分かっている。ホログラム応答中に確実に
測定され配置されるように、ホログラム記録中にＬの正
確な測定が必要である。
はホログラムの焦点距離又は焦点として知られる距離Ｌ
であることが分かっている。ホログラム応答中に確実に
測定され配置されるように、ホログラム記録中にＬの正
確な測定が必要である。
【００４０】ホログラフ画像が正確な焦点で印刷される
ことを保証するために、ＥＰ−Ａ−０４２１６４５はホ
ログラムとウェーハの間の距離をアクチュエータによっ
て調整することができるＴＩＲホログラフシステムを開
示している。さらに、それは干渉計法によってホログラ
ムとウェーハの間の距離を測定するための検査光線を提
案している。前記検査光線はホログラフ画像の再生中に
応答ビームのスキャンニング移動に同期して移動されて
いもよい。
ことを保証するために、ＥＰ−Ａ−０４２１６４５はホ
ログラムとウェーハの間の距離をアクチュエータによっ
て調整することができるＴＩＲホログラフシステムを開
示している。さらに、それは干渉計法によってホログラ
ムとウェーハの間の距離を測定するための検査光線を提
案している。前記検査光線はホログラフ画像の再生中に
応答ビームのスキャンニング移動に同期して移動されて
いもよい。
【００４１】前記干渉計検査法は、２波長又は多波長干
渉計、白色光干渉計、あるいはチャンネルスペクトラム
干渉計であるのが適切である。そのような干渉計法は２
つの面のみからの反射がある場合に信頼性のある結果を
生む。
渉計、白色光干渉計、あるいはチャンネルスペクトラム
干渉計であるのが適切である。そのような干渉計法は２
つの面のみからの反射がある場合に信頼性のある結果を
生む。
【００４２】しかしながら、１又はそれを越える層又は
皮膜が既にウェーハ基板に設けられている現実的なシス
テムでは、層の境界面での多反射によって生み出される
位相変化が正確な距離測定を妨げる。最小の場合でも、
感光層（例えば光抵抗層）が存在する。一般的な場合に
は、酸化シリコン、窒化シリコン、その他の層のような
いくつかの層が前以て設けられている。多層による位相
貢献はＥＰ−Ａ−０４２１６４５で対応されていなかっ
た。そのような位相変化は、多層構造によって生み出さ
れる位相変化に依存して、数ミクロンの距離測定誤差を
誘発することがあり、それに対応して印刷画像に集束誤
差が生じることになる。
皮膜が既にウェーハ基板に設けられている現実的なシス
テムでは、層の境界面での多反射によって生み出される
位相変化が正確な距離測定を妨げる。最小の場合でも、
感光層（例えば光抵抗層）が存在する。一般的な場合に
は、酸化シリコン、窒化シリコン、その他の層のような
いくつかの層が前以て設けられている。多層による位相
貢献はＥＰ−Ａ−０４２１６４５で対応されていなかっ
た。そのような位相変化は、多層構造によって生み出さ
れる位相変化に依存して、数ミクロンの距離測定誤差を
誘発することがあり、それに対応して印刷画像に集束誤
差が生じることになる。
【００４３】以上のように、ＴＩＲホログラフ石版印刷
では、正確な焦点の維持は困難である。これまで、干渉
計法が焦点決定に使用されるときに異なる面からの多反
射による位相変化に対して矯正するような解決は知られ
ていない。ホログラフ印刷プロセス中に焦点を調整し維
持するために距離測定が使用されるのが好ましい。正確
な距離測定は、層の数にかかわらず、印刷されるサブミ
クロン領域で高解像度の特徴を可能にする。
では、正確な焦点の維持は困難である。これまで、干渉
計法が焦点決定に使用されるときに異なる面からの多反
射による位相変化に対して矯正するような解決は知られ
ていない。ホログラフ印刷プロセス中に焦点を調整し維
持するために距離測定が使用されるのが好ましい。正確
な距離測定は、層の数にかかわらず、印刷されるサブミ
クロン領域で高解像度の特徴を可能にする。
【００４４】前述のＴＩＲホログラフ石版印刷の目的の
ために使用される最も好ましい位相関数モデルは、次の
ように書くことができる。
ために使用される最も好ましい位相関数モデルは、次の
ように書くことができる。
【数７】 Ф（ν）＝Ф0＋（４π／ｃ）Ｌν＋δr（ν；ｎi，ｄi） （５） ここで、Ｌはホログラム面とウェーハ面との間のエアギ
ャップ、他の符号は式（１）に定義されたものと同じで
ある。
ャップ、他の符号は式（１）に定義されたものと同じで
ある。
【００４５】本発明のさらに他の目的は、本質的に平行
な２つの面の間の距離を測定するため、さらに具体的に
は少なくとも１つの面が少なくとも１つの層で被覆され
ている２つの面の間の距離を測定するための干渉計シス
テムにおいて、白色又は広帯域の光源（１１）と、光線
（１３）を平行にするコリメート手段と、光線を面（３
９，２５，４５，４７）に集束させるための集束手段
（１５）と、 回折格子（１７）と、該回折格子に向か
って反射光を導く手段（１９）と、前記回折格子（１
７）とリレーレンズ（２９）に関して配設され、反射さ
れ分散された光線を検出するための光検出アレイ（２
１）とからなり、ここで、回折定数、リレーレンズ（２
９）の焦点距離、光検出アレイ（２１）のピクセル間隔
は、干渉縞周期当たり少なくとも３つのサンプルを備え
た同期サンプリングが得られるように、光源の中央での
波長と概略距離Ｌに関して、選択され配置される干渉計
システムにより達成される。
な２つの面の間の距離を測定するため、さらに具体的に
は少なくとも１つの面が少なくとも１つの層で被覆され
ている２つの面の間の距離を測定するための干渉計シス
テムにおいて、白色又は広帯域の光源（１１）と、光線
（１３）を平行にするコリメート手段と、光線を面（３
９，２５，４５，４７）に集束させるための集束手段
（１５）と、 回折格子（１７）と、該回折格子に向か
って反射光を導く手段（１９）と、前記回折格子（１
７）とリレーレンズ（２９）に関して配設され、反射さ
れ分散された光線を検出するための光検出アレイ（２
１）とからなり、ここで、回折定数、リレーレンズ（２
９）の焦点距離、光検出アレイ（２１）のピクセル間隔
は、干渉縞周期当たり少なくとも３つのサンプルを備え
た同期サンプリングが得られるように、光源の中央での
波長と概略距離Ｌに関して、選択され配置される干渉計
システムにより達成される。
【００４６】本発明の好ましい実施形態においては、入
射光線は、反射光線が本質的に光検出アレイ（２１）で
一致するように約９０°の角度である。いくつかの面す
なわち屈折率が変化する境界からの反射がある。しかし
ながら、原理的には、反射光線が干渉すると仮定する
と、いくらかの角度がある。これは実際には、それらは
検出アレイで大部分重ね合わせられる。
射光線は、反射光線が本質的に光検出アレイ（２１）で
一致するように約９０°の角度である。いくつかの面す
なわち屈折率が変化する境界からの反射がある。しかし
ながら、原理的には、反射光線が干渉すると仮定する
と、いくらかの角度がある。これは実際には、それらは
検出アレイで大部分重ね合わせられる。
【００４７】光源は、広帯域又は白色光の光源であるの
が適切である。これにより、測定位相のアンラップ（un
wrapping）される。
が適切である。これにより、測定位相のアンラップ（un
wrapping）される。
【００４８】特定の実施形態では、前述の装置は、ＴＩ
Ｒホログラフ石版印刷システムにおける焦点測定に使用
され、ここで測定される距離はホログラムの面と印刷さ
れる基板の単一又は多重に被覆された面との間の距離Ｌ
である。
Ｒホログラフ石版印刷システムにおける焦点測定に使用
され、ここで測定される距離はホログラムの面と印刷さ
れる基板の単一又は多重に被覆された面との間の距離Ｌ
である。
【００４９】前記白色光源（１１）は、約１００ｎｍの
スペクトル帯域を備えた中央での波長が６３３ｎｍで動
作するハロゲンランプであり、回折格子の空間周期は５
７７．３６ｎｍであり、回折格子上で反射された光線の
入射角度は３３．２°であり、光検出アレイの隣接する
ピクセルの間の距離は２５ミクロンであり、リレーレン
ズの焦点距離は６０ｍｍであり、測定される距離は約１
２５ミクロンｍｍであるのが好都合である。
スペクトル帯域を備えた中央での波長が６３３ｎｍで動
作するハロゲンランプであり、回折格子の空間周期は５
７７．３６ｎｍであり、回折格子上で反射された光線の
入射角度は３３．２°であり、光検出アレイの隣接する
ピクセルの間の距離は２５ミクロンであり、リレーレン
ズの焦点距離は６０ｍｍであり、測定される距離は約１
２５ミクロンｍｍであるのが好都合である。
【００５０】
【発明の実施の形態】以下、本発明のより良い理解のた
めに、添付図面を参照して本発明を詳細に説明する。
めに、添付図面を参照して本発明を詳細に説明する。
【００５１】干渉測定器は、基本的に、白色又は広帯域
の光源１１、コリメート手段１３、集束手段１５、回折
格子１７、ビームスプリッター１９、及び光検出アレイ
２１からなっている。動作時において、一般にハロゲン
ランプや発光ダイオード（ＬＥＤ）等の白色光源１１の
光線は、コリメートレンズ１３によって平行にされ、レ
ンズ１５によって集束される。これにより光線はプリズ
ム２３を通って基板２７又はウェーハの上面のテスト面
２５に導かれる。入射光線は好ましくはテスト面２５に
対して９０°である。これにより、入射光線と反射光線
は本質的に一致する。ビームスプリッター１９は反射光
線を回折格子１７に導き、該回折格子１７は反射光線を
分散する。分散された光線は次にレンズ２９によって多
数のピクセル（pixels）からなる光検出アレイ２１の上
に集束される。光検出アレイ２１からの信号は電子制御
ユニット３１に供給され、そして次にコンピュータ３３
に供給される。光の強度分布から、距離、屈折率、層の
厚さ、多層構造からの位相貢献が計算される。
の光源１１、コリメート手段１３、集束手段１５、回折
格子１７、ビームスプリッター１９、及び光検出アレイ
２１からなっている。動作時において、一般にハロゲン
ランプや発光ダイオード（ＬＥＤ）等の白色光源１１の
光線は、コリメートレンズ１３によって平行にされ、レ
ンズ１５によって集束される。これにより光線はプリズ
ム２３を通って基板２７又はウェーハの上面のテスト面
２５に導かれる。入射光線は好ましくはテスト面２５に
対して９０°である。これにより、入射光線と反射光線
は本質的に一致する。ビームスプリッター１９は反射光
線を回折格子１７に導き、該回折格子１７は反射光線を
分散する。分散された光線は次にレンズ２９によって多
数のピクセル（pixels）からなる光検出アレイ２１の上
に集束される。光検出アレイ２１からの信号は電子制御
ユニット３１に供給され、そして次にコンピュータ３３
に供給される。光の強度分布から、距離、屈折率、層の
厚さ、多層構造からの位相貢献が計算される。
【００５２】図２からさらに明瞭に分かるように、ウェ
ーハ２７はプリズム２３の下面と光学的に接触している
ホログラム３５に近接しかつ平行に配置されている。距
離Ｌの小さなエアギャップ３７がテスト面２５からホロ
グラム面３９を分離している。ホログラム面３９とテス
ト面２５は干渉計を形成する。基板２７の表面は、Ｓi
Ｏ2層４１と光抵抗層４３の２つの層によって被覆され
ている。光線が９０°で基板２７に導かれると、その光
線は２つの層すなわち皮膜４３と４４を透過する。屈折
率が変化する境界では、光線の一部分が反射される。こ
れにより、面３９、２５、４５及び４７からの反射が得
られる。本質的には、面３９と２５からの反射によって
形成されるような干渉計を考えることができるが、しか
し４５と４７からの反射は２５から反射された光線に位
相変化を伝える。もし前述した多反射により生み出され
る位相変化が測定アルゴリズムにおいて考慮されなけれ
ば、距離測定誤差が導入され、この結果焦点外れの画像
がウェーハに印刷される。位相変化の大きさすなわち距
離測定誤差は当該層及び使用される帯域により変化する
が、数ミクロンを越えてもよい。高解像印刷に対して
は、そのような誤差は受け入れられない。
ーハ２７はプリズム２３の下面と光学的に接触している
ホログラム３５に近接しかつ平行に配置されている。距
離Ｌの小さなエアギャップ３７がテスト面２５からホロ
グラム面３９を分離している。ホログラム面３９とテス
ト面２５は干渉計を形成する。基板２７の表面は、Ｓi
Ｏ2層４１と光抵抗層４３の２つの層によって被覆され
ている。光線が９０°で基板２７に導かれると、その光
線は２つの層すなわち皮膜４３と４４を透過する。屈折
率が変化する境界では、光線の一部分が反射される。こ
れにより、面３９、２５、４５及び４７からの反射が得
られる。本質的には、面３９と２５からの反射によって
形成されるような干渉計を考えることができるが、しか
し４５と４７からの反射は２５から反射された光線に位
相変化を伝える。もし前述した多反射により生み出され
る位相変化が測定アルゴリズムにおいて考慮されなけれ
ば、距離測定誤差が導入され、この結果焦点外れの画像
がウェーハに印刷される。位相変化の大きさすなわち距
離測定誤差は当該層及び使用される帯域により変化する
が、数ミクロンを越えてもよい。高解像印刷に対して
は、そのような誤差は受け入れられない。
【００５３】回折格子１７によって生成される分散は、
光検出アレイ２１の２つの隣接するピクセルｎとｎ−１
の間の周波数の差Δνが測定された干渉パターンの２つ
の隣接するサンプルＳnの間のΔФs＝π／２の位相差に
なるようなものである。図３を参照すると、スペクトラ
ムで観測される縞（fringes）は縞周期当たり４つのサ
ンプルでもって同時に検出され、縞位相（fringe phas
e）が計算される。図においては、サンプリングが縞パ
ターンに（ほとんど）同期していることを証明するため
に、全ての４番目のサンプルは図面的に強調されてい
る。
光検出アレイ２１の２つの隣接するピクセルｎとｎ−１
の間の周波数の差Δνが測定された干渉パターンの２つ
の隣接するサンプルＳnの間のΔФs＝π／２の位相差に
なるようなものである。図３を参照すると、スペクトラ
ムで観測される縞（fringes）は縞周期当たり４つのサ
ンプルでもって同時に検出され、縞位相（fringe phas
e）が計算される。図においては、サンプリングが縞パ
ターンに（ほとんど）同期していることを証明するため
に、全ての４番目のサンプルは図面的に強調されてい
る。
【００５４】装置の重要な特徴は、１７、２９及び２１
の寸法である。前述したように、光検出アレイ（ＰＤ
Ａ）２１の隣接するピクセルの間の干渉位相差はπより
も大きくあるべきであるが、この分光がπ／２であれば
最も都合がよい。したがって、この条件を満足するため
に、回折格子１７、リレーレンズ２９及びＰＤＡ２１
は、光源の中心波長及び測定される距離に応じて選択さ
れ調整される。
の寸法である。前述したように、光検出アレイ（ＰＤ
Ａ）２１の隣接するピクセルの間の干渉位相差はπより
も大きくあるべきであるが、この分光がπ／２であれば
最も都合がよい。したがって、この条件を満足するため
に、回折格子１７、リレーレンズ２９及びＰＤＡ２１
は、光源の中心波長及び測定される距離に応じて選択さ
れ調整される。
【００５５】次に、４つの実施例を参照して方法を説明
する。
する。
【００５６】多層なしの絶対距離測定 多層構造が存在しない（すなわち無垢の基板である）と
き、式（４）に示す位相関数モデルは次のように記載さ
れる。
き、式（４）に示す位相関数モデルは次のように記載さ
れる。
【数８】 Ф（ν）＝Ф0＋（４π／ｃ）Ｌν （６） パラメータФ0とＬのそれぞれの最良適合値Ф0fit、Ｌ
fitを見つけるために、非反復線形（non iterative lin
ear）最小二乗アルゴリズムが用いられ、式（４）の位
相関数モデルを式（３）の測定位相関数に適合させる。
fitを見つけるために、非反復線形（non iterative lin
ear）最小二乗アルゴリズムが用いられ、式（４）の位
相関数モデルを式（３）の測定位相関数に適合させる。
【００５７】シリコン基板上に光抵抗層 Ｓｉ基板の上に光抵抗層を有する場合、光抵抗層の屈折
率（ｎres）とＳｉ基板の屈折率（ｎsi）が光学周波数
νと無関係であると仮定すると、式（４）の位相モデル
は次のように記載される。
率（ｎres）とＳｉ基板の屈折率（ｎsi）が光学周波数
νと無関係であると仮定すると、式（４）の位相モデル
は次のように記載される。
【数９】 Ф（ν）＝Ф0＋（４π／ｃ）Ｌν＋δr（ν；ｄres） （７） 商業的に入手可能なレーベンベルグ−マルカート法、例
えば「ＭＡＴＬＡＢとともに使用する最適化ツールボッ
クス（Optimisation Toolbox）」（The Mathworks, In
c., Natick, Mass. 0176-1500, 1994）で実行されるよ
うなものが、式（７）を式（３）の測定位相関数に１折
り非線形適合（one-fold non linear fitting）して
Ф0，Ｌ及びｄresを見つけるのに使用することができ
る。図４は現在の光学的方法を使用して得られた光抵抗
層の厚さｄresの測定値の表を示す。機械的形状測定法
で測定された値が比較のために示されている。Ｌucは光
抵抗層による位相変化に対する補正のないＬの測定値、
Ｌcは補正値、ΔＬはＬucとＬcの間の差である。
えば「ＭＡＴＬＡＢとともに使用する最適化ツールボッ
クス（Optimisation Toolbox）」（The Mathworks, In
c., Natick, Mass. 0176-1500, 1994）で実行されるよ
うなものが、式（７）を式（３）の測定位相関数に１折
り非線形適合（one-fold non linear fitting）して
Ф0，Ｌ及びｄresを見つけるのに使用することができ
る。図４は現在の光学的方法を使用して得られた光抵抗
層の厚さｄresの測定値の表を示す。機械的形状測定法
で測定された値が比較のために示されている。Ｌucは光
抵抗層による位相変化に対する補正のないＬの測定値、
Ｌcは補正値、ΔＬはＬucとＬcの間の差である。
【００５８】同様のアプローチは、多層構造において、
光抵抗層の前の最終層が金属のような本質的に不透明な
層であるときに使用することができる。そのような場
合、多層構造は基板として透明層を有する本質的に単層
構造として挙動する。
光抵抗層の前の最終層が金属のような本質的に不透明な
層であるときに使用することができる。そのような場
合、多層構造は基板として透明層を有する本質的に単層
構造として挙動する。
【００５９】Ｓｉ層上のＳiＯ2層に光抵抗層 Ｓｉ基板上のＳiＯ2層の光抵抗層によって形成された多
層構造の場合、光抵抗の屈折率（ｎres）とシリカの屈
折率（ｎsi）が光学周波数と無関係であると仮定する
と、式（４）の位相モデルは次式のように記載される。
層構造の場合、光抵抗の屈折率（ｎres）とシリカの屈
折率（ｎsi）が光学周波数と無関係であると仮定する
と、式（４）の位相モデルは次式のように記載される。
【数１０】 Ф（ν）＝Ф0＋（４π／ｃ）Ｌν＋δr（ν；ｄres，ｄSiO2）（８ ） 式（８）を式（３）の測定位相関数に２折り非線形適合
（two-fold non linear fitting）することが、Ф0，
Ｌ、ｄres及びｄSiO2を見つけるのに使用することがで
きる。図５は現在の方法を使用して得られた光抵抗層と
酸化シリコン層の厚さの値の表を示す。機械的形状測定
法で測定された値が比較のために示されている。Ｌucは
光抵抗層及びＳiＯ2層による位相変化に対する補正のな
いＬの測定値、Ｌcは補正値、ΔＬはＬucとＬcの間の差
である。
（two-fold non linear fitting）することが、Ф0，
Ｌ、ｄres及びｄSiO2を見つけるのに使用することがで
きる。図５は現在の方法を使用して得られた光抵抗層と
酸化シリコン層の厚さの値の表を示す。機械的形状測定
法で測定された値が比較のために示されている。Ｌucは
光抵抗層及びＳiＯ2層による位相変化に対する補正のな
いＬの測定値、Ｌcは補正値、ΔＬはＬucとＬcの間の差
である。
【００６０】公知の多層構造 ｎi，ｄiの値が（例えば他の測定方式から）従来公知で
あれば、δrはモデルから直接計算し得ることは明らか
である。そのような場合、パラメータФ0とＬのそれぞ
れの最良適合値Ф0fit、Ｌfitを見つけるために式
（５）の位相関数モデルを式（４）の測定位相関数に適
合するには、非反復最小二乗アルゴリズムが十分であ
る。
あれば、δrはモデルから直接計算し得ることは明らか
である。そのような場合、パラメータФ0とＬのそれぞ
れの最良適合値Ф0fit、Ｌfitを見つけるために式
（５）の位相関数モデルを式（４）の測定位相関数に適
合するには、非反復最小二乗アルゴリズムが十分であ
る。
【００６１】このように、前述の方法は、例えばＴＩＲ
ホログラフシステムにおいて１層で被覆されたウェーハ
のように、１つの表面に１又はそれを越える層がある２
つの面の間の正確な距離を決定するのに特に有益であ
る。それは、本方法が光学的形状測定器に有利に適用し
うるという前述の記載からも分かる。形状測定器は参照
面と形状が描かれた第２面との間の距離を測定する。も
し決定される形状がコーティングであれば、その測定は
正確でない。この問題は従来この技術分野において力が
注がれなかった。したがって、公知の形状測定器の使用
は２つの面の間の距離の測定に限定されている。これに
関連して、本方法は公知の形状測定器の多用性を増加す
る。
ホログラフシステムにおいて１層で被覆されたウェーハ
のように、１つの表面に１又はそれを越える層がある２
つの面の間の正確な距離を決定するのに特に有益であ
る。それは、本方法が光学的形状測定器に有利に適用し
うるという前述の記載からも分かる。形状測定器は参照
面と形状が描かれた第２面との間の距離を測定する。も
し決定される形状がコーティングであれば、その測定は
正確でない。この問題は従来この技術分野において力が
注がれなかった。したがって、公知の形状測定器の使用
は２つの面の間の距離の測定に限定されている。これに
関連して、本方法は公知の形状測定器の多用性を増加す
る。
【図１】 全反射（Total Internal Reflection=TIR）
ホログラフシステムにおける被覆された基板とホログラ
ムの間の隙間を測定するためのＴＩＲホログラフ装置に
使用される干渉法測定システムの概略図である。
ホログラフシステムにおける被覆された基板とホログラ
ムの間の隙間を測定するためのＴＩＲホログラフ装置に
使用される干渉法測定システムの概略図である。
【図２】 被覆された基板とホログラムを示す図１の拡
大詳細図である。
大詳細図である。
【図３】 干渉の周期あたり４つのサンプルでの同期サ
ンプリングの原理を示すグラフである。
ンプリングの原理を示すグラフである。
【図４】 現在の方法を使用して得られたホログラム面
と光抵抗層で被覆されたシリコンウェーハ面との間の距
離Ｌと光抵抗層の厚さｄresの測定値の図表である。
と光抵抗層で被覆されたシリコンウェーハ面との間の距
離Ｌと光抵抗層の厚さｄresの測定値の図表である。
【図５】 Ｌと、現在の方法を使用して得られたシリコ
ンウェーハ上のＳiＯ2と光抵抗層の厚さｄＳiO2、ｄres
の測定値の図表である。
ンウェーハ上のＳiＯ2と光抵抗層の厚さｄＳiO2、ｄres
の測定値の図表である。
１１…光源、１３…コリメートレンズ、１５…収束レン
ズ、１７…回析格子、１９…ビームスプリッター、２１
…光検出アレイ、２３…プリズム、２５…基板面、２７
…基板、３５…ホログラム、３７…エアギャップ、３９
…ホログラム面、４１…ＳiＯ2層、４３…光抵抗層、４
１，４５，４７…面。
ズ、１７…回析格子、１９…ビームスプリッター、２１
…光検出アレイ、２３…プリズム、２５…基板面、２７
…基板、３５…ホログラム、３７…エアギャップ、３９
…ホログラム面、４１…ＳiＯ2層、４３…光抵抗層、４
１，４５，４７…面。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ユルバ・シュネル スイス、ツェーハー−2013コロンビエ、 ラ・メールス５番 (72)発明者 サイモン・グレイ スイス、ツェーハー−2205モンモリン、 ル・ジョラン（番地の表示なし)
Claims (18)
- 【請求項１】 基板（２７）上に１又はそれを越える層
の皮膜構造を、干渉計特に白色光チャンネルスペクトラ
ム干渉計又は多波長干渉計によって、特に層の厚さ及び
屈折率に関して特徴づける方法において、 ａ）２つの分離した本質的に平行な反射面からなる干渉
計に光線を導くステップであって、それらの反射面のパ
ス長さは距離Ｄだけ異なり、それらのいずれか一方の面
は１又はそれを越える層構造（２７，４１，４３）であ
り、ここで特徴づけられる層は選択された波長に対して
少なくとも部分的に透明であるステップと、 ｂ）２つの干渉面から反射された光の少なくとも一部を
回折格子（１７）の上に導き、これにより反射光を分散
するステップと、 ｃ）分散された光を光検出アレイ（ＰＤＡ）（２１）の
上で集束させるステップと、 ｄ）測定された強度値を使用して、各ＰＤＡ要素におけ
る干渉パターンの位相を評価し、「測定位相関数」すな
わち周波数の関数としての干渉の位相を与えるステップ
と、 ｅ）位相関数モデルを測定位相関数に適合させるステッ
プであって、ここで位相関数モデルは次式の通りであ
り、 【数１】Ф（ν）＝Ф0＋（４π／ｃ）Ｄν＋δr（ν；
ｎi，ｄi） ここで、δrは多層構造の位相貢献、ｃは光の速度であ
り、 パラメータは位相関数モデルのパラメータであって、 ｎiとｄiはそれぞれｉ番目の層の屈折率と厚さ、 Ф0は位相決定方法による位相オフセット、 Ｄは２つの干渉面の間の距離、又は、干渉計の２つの干
渉アームの間のパス長差であるステップと、 ｆ）測定位相関数を最良に適合させる位相関数モデルの
パラメータを決定するステップと、 からなる方法。 - 【請求項２】 前記光線は広帯域若しくは多波長の光源
又はＬＥＤからのものである請求項１に記載の方法。 - 【請求項３】 前記位相関数モデルを前記測定位相関数
に適合させるのに、最小二乗適合法が使用される請求項
１又は２のいずれかに記載の方法。 - 【請求項４】 前記回折格子（１７）、光検出アレイ
（２１）の隣接するピクセルの間の距離、及びリレーレ
ンズ（２９）の焦点距離は、距離Ｄと照明源の中央での
波長又は周波数に関して選択され配置され、光検出アレ
イの各ピクセルがある波長又は周波数の光を測定するよ
うになっている請求項１から３のいずれかに記載の方
法。 - 【請求項５】 前記要素は、隣接するピクセルがπ／２
の干渉パターンにおける位相分離に対応する周波数Δν
だけ分離されるように配置されている請求項４に記載の
方法。 - 【請求項６】 前記測定点Ｎの数は、決定されるパラメ
ータＭの数を越えている請求項１から５のいずれかに記
載の方法。 - 【請求項７】 前記決定されるパラメータの評価は適合
手順の開始点として使用される請求項１から６のいずれ
かに記載の方法。 - 【請求項８】 ホログラム面（３９）と、該ホログラム
面（３９）に近接しかつ本質的に平行に配置された被覆
基板面（２５）との間の正確な距離Ｌを決定するための
ＴＩＲホログラフ形状において使用される請求項１から
７のいずれかに記載の方法。 - 【請求項９】 前記基板（２７）は１又はそれを越える
層（４１，４３）で被覆されている請求項８に記載の方
法。 - 【請求項１０】 距離測定は焦点を調整し維持するのに
使用される請求項８又は９のいずれかに記載の方法。 - 【請求項１１】 前記位相関数モデルは、 【数２】Ф（ν）＝Ф0＋（４π／ｃ）Ｌν＋δr（ν；
ｎi，ｄi） で記載され、 ここで、Ｌは測定される距離、他の記号は請求項１で定
義されたている通りである請求項８から１０のいずれか
に記載の方法。 - 【請求項１２】 各層の屈折率及び層厚さを決定するの
に第２の独立した方法が使用され、さらに決定されるパ
ラメータは位相関数モデルがより少ないパラメータを有
するようにδrを計算するのに使用され、これにより測
定位相関数への適合を迅速化し単純化する請求項８から
１１のいずれかに記載の方法。 - 【請求項１３】 本質的に平行な２つの面の間の距離を
測定するため、さらに具体的には少なくとも１つの面が
少なくとも１つの層で被覆されている２つの面の間の距
離を測定するための干渉計システムにおいて、 白色又は広帯域の光源（１１）と、 光線を平行にするコリメート手段（１３）と、 光線を面（３９，２５，４５，４７）に集束させるため
の集束手段（１５）と、 回折格子（１７）と、 該回折格子に向かって反射光を導く手段（１９）と、 前記回折格子（１７）とリレーレンズ（２９）に関して
配設され、反射され分散された光線を検出するための光
検出アレイ（２１）とからなり、 ここで、回折定数、リレーレンズ（２９）の焦点距離、
光検出アレイ（２１）のピクセル間隔は、干渉縞周期当
たり少なくとも３つのサンプルを備えた同期サンプリン
グが得られるように、光源の中央での波長と概略距離Ｌ
に関して、選択され配置される干渉計システム。 - 【請求項１４】 入射光線は、反射光線が本質的に光検
出アレイ（２１）で一致するように約９０°の角度であ
る請求項１３に記載のシステム。 - 【請求項１５】 前記ビームスプリッター（１９）は、
反射光線を前記回折格子（１７）に向かって屈折させる
請求項１３又は１４のいずれかに記載のシステム。 - 【請求項１６】 前記２つの表面は、ＴＩＲホログラフ
石版印刷システムにおけるホログラムと基板であり、測
定された距離は焦点位置を決定するのに使用される請求
項１３から１５のいずれかに記載のシステム。 - 【請求項１７】 前記光源（１１）は白色光源である請
求項１３から１６のいずれかに記載のシステム。 - 【請求項１８】 前記白色光源（１１）は、約１００ｎ
ｍのスペクトル帯域を備えた中央での波長が６３３ｎｍ
で動作するハロゲンランプであり、回折格子の空間周期
は５７７．３６ｎｍであり、回折格子上で反射された光
線の入射角度は３３．２°であり、光検出アレイの隣接
するピクセルの間の距離は２５ミクロンであり、リレー
レンズの焦点距離は６０ｍｍであり、測定される距離は
約１２５ミクロンｍｍである請求項１３から１６のいず
れかに記載のシステム。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GB9511760A GB2301884A (en) | 1995-06-06 | 1995-06-06 | Characterising multilayer thin film systems by interferometry |
| GB9511760 | 1995-06-06 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09119812A true JPH09119812A (ja) | 1997-05-06 |
| JP3764208B2 JP3764208B2 (ja) | 2006-04-05 |
Family
ID=10775826
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP14411296A Expired - Fee Related JP3764208B2 (ja) | 1995-06-06 | 1996-06-06 | 多層皮膜構造を特徴づけ、その皮膜に直面する２つの面の間の距離を測定する方法及び装置 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0747666B1 (ja) |
| JP (1) | JP3764208B2 (ja) |
| KR (1) | KR970003422A (ja) |
| DE (1) | DE69619163D1 (ja) |
| GB (1) | GB2301884A (ja) |
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| GB0415766D0 (en) * | 2004-07-14 | 2004-08-18 | Taylor Hobson Ltd | Apparatus for and a method of determining a characteristic of a layer or layers |
| DE102006016131A1 (de) * | 2005-09-22 | 2007-03-29 | Robert Bosch Gmbh | Interferometrische Messvorrichtung |
| DE102006016132A1 (de) * | 2005-09-22 | 2007-03-29 | Robert Bosch Gmbh | Interferometrische Messvorrichtung |
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