(57)【要約】格子アレイベース波面センサを使用して薄膜の表面プロファイル及び厚さ測定値をリアルタイムにモニターするためのシステム及び方法が開示される。レーザビームは、堆積がその上で実施される基板に入射し、その後、基板からの反射ビームは、格子のアレイ上に直接落ちる、または、透過後に落ちる。特定の回折次数の回折ビームの方向は、対応する格子の配向及び周期性の関数である。回折ビームは、レンズの組合せ体を通過して、焦点のアレイを発生させるようにさせられる。入射レーザビームの表面プロファイルは、格子アレイ内の要素に対応するこれらの焦点の変位から推定される。格子アレイパターンは、厚さ及び表面の同時プロファイリング、より高いフレームレート、柔軟性のあるダイナミックレンジ等のような或る利益を利用するために変更され得る。本技法は、平坦なだけでなく非平な坦基板上での均一にだけでなく不均一に堆積された薄膜に適用可能である。【選択図】図２
2019500628.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの薄膜堆積ユニット上の少なくとも１つの薄膜の表面プロファイル及び／または厚さ測定値をリアルタイムにモニターするためのシステムであって、前記システムは、
少なくとも１つのレーザ発生手段であって、少なくとも１つのレーザビームを発生し、前記レーザビームは前記薄膜堆積ユニット内の少なくとも１つの基板上に入射し、それにより、前記レーザビームを反射させる、少なくとも１つのレーザ発生手段と、
前記反射したレーザビームを入射ビームとして受信し、それにより、少なくとも１つの所望の次数の少なくとも１つの回折ビームを反射する少なくとも１つの格子アレイベース波面センサであって、前記回折ビームは少なくとも１つの虹彩絞りによって分離される、少なくとも１つの格子アレイベース波面センサと、
１つまたは複数の位置において前記回折ビームを受信し、焦点のアレイを発生する少なくとも２つのレンズと、
前記焦点の前記位置に対応する前記焦点の画像を取込む少なくとも１つの画像取込み手段と、
少なくとも１つのデータ処理モジュールとを備え、前記少なくとも１つのデータ処理モジュールは、前記画像取込み手段から前記画像を受信するように適合され、また、
堆積前に、焦点の前記アレイの少なくとも１つの相対的位置に対応する前記焦点位置から、１つまたは複数の時点で、また、堆積後に任意の後続する時点で、前記入射ビームの少なくとも１つの波面を測定し、
測定された前記波面に基づいて前記表面プロファイル及び前記厚さ測定値に同時に対応する少なくとも１つの情報を発生するように構成されている、システム。
【請求項２】
前記基板に入射する前に、前記レーザビームを拡張し平行にする少なくとも２つのレンズを備え、前記試料は前記薄膜堆積ユニット内の基板である、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記波面センサ内の格子の前記アレイは構成可能かつ制御可能な光変調器によって実装される、請求項１及び２に記載のシステム。
【請求項４】
前記光変調器は、液晶空間光変調器（ＬＣＳＬＭ）または空間光変調器（ＳＬＭ）から選択される少なくとも一方を使用して実装される振幅または位相マスクである、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
少なくとも２つの平面を互いに共役化するため、前記基板と前記振幅または位相マスクとの間に位置決めされた少なくとも２つのレンズの組合せ体を備える、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記２つの共役平面は、基板平面及び位相マスク平面を含む、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記格子からの前記次数の前記回折ビームは、２つのレンズ及び虹彩絞り（ＩＤ）の組合せ体を使用して前記画像取込み手段上に集束されて、焦点のアレイを形成する、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記画像取込み手段は、好ましくは、電荷結合素子（ＣＣＤ）または相補的金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）ベースカメラから選択されるデジタルカメラである、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記格子アレイベース波面センサは、好ましくは帯状波面センサである、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記情報は、前記薄膜の前記表面プロファイル及び厚さ測定値をリアルタイムにモニターするために少なくとも１つのデジタルシステムに通信される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
パルス化レーザ堆積システム（ＰＬＤ）における堆積中に前記薄膜厚さ及び前記表面プロファイルの現場でのモニタリング及び測定を容易にする、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記入射ビームの再構築された波面または直交基底関数に対応する収差モードの大きさによって前記表面プロファイルに関する前記情報を提供する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
少なくとも１つの第１のビームスプリッタ、少なくとも２つのミラー、及び少なくとも１つの第２のビームスプリッタの配置構成を備えて、前記薄膜堆積ユニットにおいて前記基板に入射する前に前記レーザビームの複製を生成し、それにより、前記表面が平坦でない場合に、前記基板の前記表面プロファイルの測定を可能にする、請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
少なくとも１つの薄膜の表面プロファイル及び厚さ測定値を同時にリアルタイムにモニターするための、薄膜堆積システムにおける方法であって、
少なくとも１つのレーザビームを１つまたは複数のレーザ発生手段によって発生させ、薄膜堆積ユニット内の基板上に前記レーザビームを入射させること、
前記基板によって、前記レーザビームを反射させ、それにより、少なくとも２つのレンズを通して透過させ、前記透過したレーザビームを、格子アレイベース波面センサ上に入力ビームとして入射させること、
１つまたは複数の位置において焦点のアレイを発生させるために、前記格子アレイベース波面センサによって、少なくとも１つの所望の次数の少なくとも１つの回折ビームを、少なくとも２つのレンズ及び少なくとも１つの検出器平面の組合せ体に送信すること、
データ処理モジュールによって、前記レーザビームの波面を取得するために、少なくとも１つの画像取込み手段によって、前記焦点の画像を取込むこと、
堆積前に、焦点の前記アレイの少なくとも１つの相対的位置に対応する前記焦点位置から、１つまたは複数の時点で、また、堆積後に任意の後続する時点で、前記入力ビームの波面を測定するために、前記データ処理モジュールによって、前記焦点の前記位置を決定すること、及び、それにより、
前記データ処理モジュールによって、測定された前記波面に基づいて前記表面プロファイル及び前記厚さ測定値に同時に対応する少なくとも１つの情報を発生することを含む、方法。
【請求項１５】
少なくとも１つの基板の表面が平坦でない場合に、表面プロファイル及び厚さ測定値を同時にリアルタイムにモニターするための、薄膜堆積システムにおける方法であって、
１つまたは複数のレーザ発生手段によって、少なくとも１つのレーザビームを発生すること、
少なくとも１つの第１のビームスプリッタによって、前記レーザビームを分割し、少なくとも２つのミラー及び少なくとも１つの第２のビームスプリッタの組合せ体によって、前記レーザビームを反射させること、
前記反射したレーザビーム、及び、前記第１のビームスプリッタによって送信され、前記基板によって反射され、前記第２のビームスプリッタによって送信されたビームを、格子アレイベース波面センサ上に入射させること、
１つまたは複数の位置において焦点のアレイを発生させるために、前記格子アレイベース波面センサによって、前記２つのレーザビームであって、各ビームが少なくとも１つの所望の次数の少なくとも１つの回折ビームである、前記２つのレーザビームを少なくとも２つのレンズ及び少なくとも１つの検出器平面の組合せ体を通して送信すること、
データ処理モジュールによって、それぞれの前記レーザビームの波面を取得するために、少なくとも１つの画像取込み手段によって、前記焦点の画像を取込むこと、
前記データ処理モジュールによって、堆積前に、焦点の前記アレイの少なくとも１つの相対的位置に対応する前記焦点位置から、１つまたは複数の時点で、また、堆積後に任意の後続する時点で、前記入力ビームの波面を決定すること、及び、それにより、
前記データ処理モジュールによって、測定された前記波面に基づいて前記表面プロファイル及び前記厚さ測定値に同時に対応する少なくとも１つの情報を発生することを含む、方法。
【請求項１６】
少なくとも１つの薄膜堆積ユニット上で少なくとも１つの薄膜の表面プロファイル及び厚さ測定値を同時に高感度でリアルタイムにモニターするためのシステムであって、
少なくとも１つのレーザ発生手段、少なくとも１つの半波長板（λ／２）、少なくとも１つの１／４波長板（λ／４）、及び少なくとも１つの偏光ビームスプリッタを有する配置構成であって、それにより、第１のレーザビーム経路を発生し、前記第１のレーザビーム経路を少なくとも１つの基板に入射させ、その後、前記基板によって反射された後に少なくとも１つの格子アレイベース波面センサに入射させる、配置構成を備え、
前記格子アレイベース波面センサは、前記第１のレーザビーム経路を受信し、少なくとも１つの回折ビームを発生するように適合され、前記格子アレイベース波面センサは、前記回折ビームに対応する１つまたは複数の位置において焦点のアレイを発生させる少なくとも１つの格子要素を備え、
少なくとも１つの画像取込み手段であって、１つまたは複数の時点における焦点の前記アレイの画像、及び、前記レーザ発生手段に直接由来する第２のレーザビーム経路によって発生される焦点の画像を取込むように適合される、少なくとも１つの画像取込み手段と、
少なくとも１つのデータ処理モジュールとを備え、前記少なくとも１つのデータ処理モジュールは、前記焦点の前記画像を受信し、それにより、前記焦点位置から前記入射ビームの少なくとも１つの波面を測定して、前記表面プロファイル及び／または前記厚さ測定値に対応する少なくとも１つの情報を発生するように構成される、システム。
【請求項１７】
前記格子アレイベース波面センサ内の前記格子要素は、構成可能かつ制御可能な光変調器によって実装される、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記光変調器は、液晶空間光変調器（ＬＣＳＬＭ）または空間光変調器（ＳＬＭ）から選択される少なくとも一方を使用して実装される振幅または位相マスクである、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記レーザビームは、前記基板から反射され、少なくとも２つのレンズの組合せ体を使用して少なくとも１つのミラー上に入射する、請求項１６に記載のシステム。
【請求項２０】
前記第１のレーザビーム経路は、測定感度を高めるために、前記ミラーから反射され、前記格子アレイベース波面センサに入射する前に前記基板に入射する、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記画像取込み手段に達する前記第１のレーザビーム経路及び前記第２のレーザビーム経路が互いに干渉することを可能にする、少なくとも２つの平面ミラー及び少なくとも２つの偏光ビームスプリッタを有する配置構成を備える、請求項１６に記載のシステム。
【請求項２２】
前記画像取込み手段は、好ましくは、電荷結合素子（ＣＣＤ）または相補的金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）ベースカメラから選択されるデジタルカメラである、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記データ処理モジュールは、焦点の前記アレイの画像を受信して、前記焦点の相対的位置を測定することによって前記薄膜の表面プロファイル及び厚さを測定するように構成される、請求項１６に記載のシステム。
【請求項２４】
前記データ処理手段は、前記レーザ発生手段に直接由来する前記第２のレーザビーム経路、及び、厚さの測定だけのために前記基板からの表面情報を保持する、特定の格子要素に由来する前記第１のレーザビーム経路に対応するオーバラップした焦点を受信するように適合される、請求項１６に記載のシステム。
【請求項２５】
表面プロファイル及び厚さを同時にまたは別々にリアルタイムにモニターするための、薄膜堆積システムにおける方法であって、
１つまたは複数のレーザ発生手段によって、少なくとも１つのレーザビームを発生すること、
少なくとも１つの第１の偏光ビームスプリッタに入射する前に、前記レーザビームを、半波長板（λ／２）を通して通過させること、
１／４波長板（λ／４）を通して基板に入射させるために、前記第１の偏光ビームスプリッタによって第１のレーザビーム経路を送信し、前記第１のレーザビーム経路を少なくとも１つのミラーに、前記基板によって反射させること、
前記第１のレーザビーム経路を前記基板に戻るように反射させ、それにより、前記１／４波長板（λ／４）を通して前記第１の偏光ビームスプリッタに入射させること、
少なくとも１つの回折ビームを発生させるために、前記レーザビームを格子アレイベース波面センサに、前記偏光ビームスプリッタによって入射させ、それにより、前記格子アレイベース波面センサ上の１つの格子要素によって、１つの焦点を発生させること、
前記偏光ビームスプリッタを通る焦点、及び、前記レーザ発生手段によって直接送信される第２のレーザビームに対応する焦点を、前記画像取込み手段によって受信すること、
前記２つの焦点をオーバラップさせ、前記オーバラップした焦点の結果として得られる強度を測定すること、及び、それにより、
前記厚さプロファイルをデータ処理モジュールによって測定することを含む、方法。
【請求項２６】
互いに重なり合い、同じ強度である、前記第１のレーザビーム経路及び前記第２のレーザビーム経路に対応する前記焦点を、前記画像取込み手段によって受信することを含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記データ処理モジュールは、順次方式で受信される前記格子アレイの各格子要素について、前記第２のレーザビームに対応する焦点及び前記第１のレーザビームに対応する焦点の画像を受信するように構成される、請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
前記データ処理モジュールは、前記第１のレーザビーム経路と前記第２のレーザビーム経路との間の経路差を測定することによって厚さを測定するために前記重なり合った焦点を受信するように構成される、請求項２６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
［技術分野］
本明細書で述べる主題は、概して、薄膜の堆積の分野に関する。本発明は、より具体的には、成長プロセス中に格子アレイベース波面センサを使用して前記薄膜の表面プロファイル及び厚さ測定値を同時に現場でリアルタイムにモニターすることに関する。
［背景技術］
薄膜の表面プロファイリング及び厚さは、光コンポーネント、半導体デバイス、小型センサ等のような薄膜を利用するいかなるデバイスについても非常に重要なパラメータである。したがって、これらのパラメータは、異なる時点においてモニターされることを必要とする。薄膜の特性は、これらのパラメータが現場でリアルタイムにモニターされる場合、成長プロセス中に調節され得る。
【０００２】
表面プロファイリング及び厚さモニタリングの非貫入的現場技法は、光コンポーネント、半導体デバイス、小型センサ等のような薄膜を利用するいかなるデバイスについても非常に重要なパラメータである。薄膜の特性は、これらのパラメータがリアルタイムに現場で非貫入的にモニターされる場合、成長プロセス中に調節され得る。
【０００３】
したがって、薄膜の成長をモニターするため当技術分野で利用可能である現場技法は、２つの方法、貫入的技法及び非貫入的技法に分類される。
薄膜の厚さをモニターするための最も一般的に利用可能な貫入的技法は、水晶振動子バランスである。非特許文献、Ｐ．Ｆ．Ｊａｅｇｅｒ，Ｗ．Ｈ．Ｓｍｙｒｌ，ＮＡＣＥ，ｐａｐｅｒ  Ｎｏ．６２６，１９９６ (http://www.nace.org/cstm/Store/Product.aspx?id=92ce1553-6211-4ee1-b5c0-03a2cb753a1b); Ｘ．Ｄｕ，Ｙ．Ｄｕ，Ｓ．Ｍ．Ｇｅｏｒｇｅ，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ａ，２３（４）, ５８１−５８８，２００５(www.colorado.edu/chemistry/GeorgeResearchGroup/pubs/230.pdf)に対して参照が行われる。しかし、水晶振動子バランスにおいて、薄膜は水晶振動子の表面上に堆積される。膜の成長に伴い、結晶の振動の固有周波数が変化し、固有周波数は、堆積される材料の質量に関連し、したがって、知られているエリアの膜厚について決定される。これは、ここで薄膜堆積が石英の表面上で起こり、実際の基板上で起こらないため、まさに現場プロセスではない。この技法は、大量の質量が水晶振動子上に堆積される場合、水晶が発振することを停止することになるため、肉厚の膜について有用ではない。更に、水晶振動子の発振の固有周波数は、温度及び応力変化に敏感であり、実際の基板上に堆積している間の厚さ測定に或る程度の不正確さを間接的にもたらす。
【０００４】
水晶振動子の別の既存の変形は、超音波石英ラム波である。非特許文献、Ｊｕｎ  Ｐｅｉ，Ｆ．Ｌ．Ｄｅｇｅｒｔｅｋｉｎ，Ｂ．Ｖ．Ｈｏｎｅｉｎ，Ｂ．Ｔ．Ｋｈｕｒｉ−Ｙａｋｕｂ  ａｎｄ  Ｋ．Ｃ．  Ｓａｒａｓｗａｔ，ＩＥＥＥ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，１０５１−０１１７／９４／００００，１２３７  １２４０，１９９４(http://www-kyg.stanford.edu/khuriyakub/opencms/Downloads/94_Pei_01.pdf)に対して参照が行われる。超音波石英ラム波が薄膜解析に利用されるという米国特許第６，０１９，０００号に対して同様に参照が行われる。しかし、この技法において、堆積は水晶振動子上でのみ起こる。水晶振動子は音響センサとして働く。その技法は、石英内を移動する超音波ラム波の速度が、石英上での薄膜の成長と共に変化することに基づく。この技法は、基板の音響特性についての事前の知識を必要とし、また同様に、基板の温度に依存する。これらの欠点のため、この技法は、ほとんど使用されていない。
【０００５】
別の貫入的技法は、センサとしての光ファイバに基づく。非特許文献、Ｙ．Ｃ．Ｔｓａｏ，Ｗ．Ｈ．Ｔｓａｉ，Ｗ．Ｃ．Ｓｈｉｈ  ａｎｄ  Ｍ．Ｓ．Ｗｕ，Ｓｅｎｓｏｒｓ，１３，９５１３−９５２１，２０１３ (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23881144)；  Ｄ．Ｊｏｓｅ，Ｍ．Ｓ．Ｊｏｈｎ，Ｐ．Ｒａｄｈａｋｒｉｓｈｎａｎ，Ｖ．Ｐ．Ｎ．Ｎａｍｐｏｏｒｉ，Ｃ．Ｐ．Ｇ．Ｖａｌｌａｂｈａｎ，Ｔｈｉｎ  Ｓｏｌｉｄ  Ｆｉｌｍ，３２５，２６４―２６７，１９９８(www.researchgate.net/...thin_films/.../541bf4640cf203f155b34672.pdf)に対して同様に参照が行われる。この技法は、ファイバのコアクラッディング界面の表面プラズモン特性を利用する。この技法は、ファイバからクラッディングを除去することによって実行され、膜は、ファイバのアンクラッド領域上で成長することを許容される。クラッディング材料と、堆積した薄膜の材料との交換によって、ファイバを通過するレーザの伝搬は、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ：ｓｕｒｆａｃｅ  ｐｌａｓｍｏｎ  ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）によって、高められた吸収を受ける。ＳＰＲは、ファイバの他端で検出され、膜厚に関連する。しかし、この技法は、大きな厚さにおいて、吸収が厚さに無関係になるため、同様に小さな厚さレベルのみに限定される。更に、この技法は、強いＳＰＲ特性を示す材料のみに適用可能であり、また同様に、堆積は、ファイバ上で起こり、実際の基板上では起こらない。
【０００６】
そのため、先に述べた全ての貫入的技法において、薄膜堆積は、必要とされる実際の基板上ではなく、変換器上で起こり、これは、実際の状況において薄膜の厚さ及びプロファイルを評価している間に、大きな程度の不正確さをもたらす。同様に、これらの技法の全ては、平均厚の測定のみに制限され、表面プロファイリングには適さない。
【０００７】
非貫入的技法の場合、薄膜は、基板上に直接堆積される。利用可能な非貫入的技法の中では、エリプソメトリが、より一般的に実装されており、成長プロセス中の膜の平均厚をモニターする。非特許文献、Ｓ．Ａ．Ｈｅｎｃｋ，Ｗ．Ｍ．Ｄｕｎｃａｎ，  Ｊ  Ｍ．Ｌｏｅｗｅｎｓｔｅｉｎ，  ａｎｄ  Ｊ．Ｋｕｅｈｎｅ，Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ，１８０３，１９９２(http://proceedings.spiedigitallibrary.org/proceeding.aspx?articleid=1001800)；Ｊ．Ｈ．  Ｇｒｕｅｎｅｗａｌｄ，Ｊ．Ｎｉｃｈｏｌｓ，ａｎｄ  Ｓ．Ｓ．Ａ．Ｓｅｏ，Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．８４，０４３９０２，２０１３ (http://arxiv.org/abs/1302.5074)に対して参照が行われ得る。しかし、エリプソメトリ技法は、膜−基板システムの偏光依存反射率に基づく。この技法において、可変光源は、膜の或るポイントに照射し、反射光の偏光は、波長の関数及び入射角度として記録され、その関数は、基板の光学特性及び膜の屈折率がわかっている場合、その後、膜の厚さに関連する。膜の屈折率は、厚さ、ならびに、基板、及び、温度及びガス圧を含むがそれに限定されない堆積環境に依存する。そのため、技法は、膜がその下で堆積されるそれぞれの環境及び全ての環境、ならびに、堆積がその上で起こる基板について事前の較正を必要とする。更に、ポイント測定技法であるため、それは、１つの時点で全体の表面情報を提供しない。
【０００８】
エリプソメトリの別の単純な変形は、反射率測定であり、試料の反射率が、波長の関数として測定され、その後、膜の厚さを決定するため、適切な式に当てはめられる。米国特許第６，５２５，８２９号に対して参照が行われる。しかし、この技法の正確さは、膜の反射率に依存し、したがって、高反射性の膜だけに制限される。エリプソメトリと同様に、この技法は、ポイント測定技法であることに加え、基板及び膜の屈折率に関する事前の情報を必要とする。
【０００９】
別の利用可能な非貫入的技法は、干渉計測定法である。現場での厚さ測定は、堆積中の斜入射における膜の上部及び下部表面の近くのプラズマから放出される光のスペクトル干渉によって、または、膜表面に入る外部レーザ源による干渉パターンを記録することによって実施される。米国特許第６，８８８、６３９  Ｂ２号及び米国特許第５，４５０，２０５号に対して参照が行われる。米国特許第６，８８８、６３９  Ｂ２号は、高輝度プラズマを含む堆積システムに限定され、一方、米国特許第５，４５０，２０５号は、一定の期間にわたってアレイ検出器を使用して画像のシーケンスを記録することを必要とする。そのため、米国特許第５，４５０，２０５号は、各測定について固有の最小取込み時間に悩まされる。更に、一定の放射波長についての検出平面上での画像の強度は、同様に、薄膜材料の特性の関数であることになる。
【００１０】
薄膜堆積システムにおけるこれらの従来の技法以外に、薄膜計測が波面センサを使用して解析されるアプローチが存在する。米国特許第５，５６３，７０９号に対して参照が行われ、その特許において、ハートマンシャック（Ｈａｒｔｍａｎｎ−Ｓｈａｃｋ）波面サンサを備える計測装置は、バイナリ光学小型レンズアレイを使用して、ウェハの薄化及び平坦化について総合的な厚さ変動を取得する。しかし、バイナリ光学レンズは、ここで提供される格子アレイベース波面センサの柔軟性を提供しない。更に、小型レンズアレイの固定幾何学形状は、焦点アレイの固定幾何学形状をもたらし、焦点アレイの固定幾何学形状は、検出器アレイの同じ数の行及び列を使用することを必須にし、使用されるＣＣＤまたはＣＭＯＳカメラのような検出器の制限されたフレームレートをもたらす。別の配置構成において、特許第ＷＯ２００６０２７５６８号及び欧州特許第１７８９７５３Ａ１号に対して参照が行われ、その特許において、薄膜の多数の表面からの多数の出力電磁界を解析することによる、薄膜厚及び相対的傾斜のリアルタイム測定のための技法が開示される。プロセスのために使用される波面センサは、波面がその強度の微分から推定されるフェーズダイバーシティ（ｐｈａｓｅ  ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ）波面検知技法である。更に、特許参照は、薄膜の２つの表面に対応する波面を測定するために波面センサの使用を提案する。しかし、これらの参照は、前記２つの波面を測定するだけでなく、２つの波面を検出器アレイの考えられる最大フレームレートで測定する格子アレイベース波面検知に関して述べていない。更に、厚さ測定は、試料の１つのポイントだけで起こり、試料上の異なるポイントにわたって厚さを測定するためビームの機械的走査を必要として、したがって、任意の所与の時点における完全なプロファイルの記録は可能でない。
【００１１】
別の配置構成において、波面検知の原理は、薄膜厚さの現場でのリアルタイム測定のために使用された。薄膜堆積済み界面のそれぞれからの反射に基づく、非特許文献、Ｄ．Ｍ．Ｆａｉｃｈｎｉｅ，Ｉ．Ｂａｉｎ，Ａ．Ｈ．Ｇｒｅｅｎａｗａｙ，Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ６０１８０Ｔ，２００５及びＤ．Ｍ．Ｆａｉｃｈｎｉｅ，Ａ．Ｈ．Ｇｒｅｅｎａｗａｙ，Ｋ．Ｋａｒｓｔａｄ  ａｎｄ  Ｉ．Ｂａｉｎ，Ｊ．Ｏｐｔ．Ａ：Ｐｕｒｅ  Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．７，Ｓ２９０−Ｓ２９７，２００５に対して参照が行われる。薄膜の厚さは、検出器平面において取込まれた反射画像の差から測定される。しかし、この技法は、薄膜全体にわたる情報を採取するため、異なる時点の一連の測定を必要とする。その理由は、この技法が試料上の特定のポイントにおける情報のみを提供するからである。
【００１２】
先に述べた利用可能な技法におけるこれらの不利益以外に、薄膜成長プロセスの現場でのモニタリングは、厚さ等の試料のバルク特性に主に的を絞り、一方、表面プロファイリングは、実験施設内技法を使用することによって、通常行われる。更に、現場での表面プロファイリングに関連する情報を提供する報告された技術は、薄膜の材料及び膜がその上で成長する基板の特性に関する事前情報を必要とする。更に、従来の技法は、或る特定のタイプの膜のみに制限され、または、堆積環境または基板特性に依存し、したがって、堆積条件を変更するときはいつでも事前の較正を必要とする。更に、利用可能な技法は、平均厚または表面プロファイルのみを提供する。
【００１３】
現場での表面プロファイリングを提供する利用可能な或る技法が同様に存在する。しかし、同じ技法は、直列処理を含み、試料に関する事前の空間情報を必要とする。そのため、こうした技法において、表面プロファイルは、異なる時点で受信される空間情報を使用して構築される。加えて、波面センサは、通常、基板からの反射ビームの波面から表面プロファイルを測定する。しかし、堆積システムにおける機械的振動は、検知用フレームレートが振動の影響を低減するのに十分に高くなければ、測定における不正確さを増加させる。したがって、本発明者等が知る限りでは、環境、薄膜の材料、及び基板の選択に無関係に、両方のパラメータ、すなわち、表面プロファイリング及び厚さモニタリングに同時にオンラインで応じ得る、利用可能である単一の技法は全く存在しない。
【００１４】
格子アレイベース帯状波面センサの作業を開示する、非特許文献、Ｂ．Ｒ．Ｂｏｒｕａｈ，Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ３５（２），２０２−２０４，２０１０に対して同様に参照が行われる。更に、非特許文献、Ｂ．Ｒ．Ｂｏｒｕａｈ  ａｎｄ  Ａ．Ｄａｓ，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ  ５０（２０），３５９８−３６０３，２０１１に対して同様に参照が行われ、その非特許文献は、回折ビームが集束されてユーザ規定の数の行及び列を有する焦点アレイを形成するように、格子要素の空間周波数がどのように規定され得るかについて開示する。更に、非特許文献、Ｗ．Ｈ．Ｓｏｕｔｈｗｅｌｌ，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａ  ７０（８），９９８−１００６，１９８０及びＢ．  Ｐａｔｈａｋ  ａｎｄ  Ｂ．Ｒ．  Ｂｏｒｕａｈ，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｏｐｔｉｃｓ  １６（５），０５５４０３，２０１４を参照すると、標準的なまたは改良型の波面再構築アルゴリズムが、入射波面を再構築するために使用され得る。しかし、挙げた刊行物がいずれも、格子アレイベース波面センサが薄膜堆積システムで使用され得ることを明らかにしないことがわかる。加えて、その刊行物は、格子アレイベース波面センサを使用する薄膜システムにおける厚さ及び表面プロファイルの同時測定に関して教示しない。更に、特許または非特許文献はいずれも、非平面基板について表面プロファイルを測定すること、または、高感度で別々にまたは同時に薄膜の厚さ及び表面プロファイルを測定することを教示しない。
［概要］
そのため、先に論じた既存の技法の不利益を考慮して、（成長環境及び基板の特性に無関係に）両方のパラメータ、すなわち、表面プロファイリング及び厚さモニタリングに同時にオンラインで応じ得る、利用可能である単一の技法は全く存在しないことが確認され得る。したがって、従来の技法の不利益を克服する、薄膜の表面プロファイリング及び厚さ測定値の現場でのリアルタイムモニタリングを提供する切迫した必要性が存在する。
【００１５】
以下は、本発明の幾つかの態様の基本的な理解を提供するため、本発明の簡略化した要約を提示する。この要約は、特許請求される主題の本質的な特徴を特定することを意図しないし、特許請求される主題の範囲を決定または限定するときに使用することも意図されない。その唯一の目的は、後で提示される本発明のより詳細な説明に対する前置きとして、簡略化した形態で本発明の幾つかの概念を提示することである。
【００１６】
本発明の主要な目的は、薄膜堆積ユニットにおいて薄膜の表面プロファイル及び厚さ測定値を同時に現場でリアルタイムにモニターするための、格子アレイベース波面センサを利用するシステムを提供することである。
【００１７】
本発明の別の目的は、薄膜堆積システムにおいて格子アレイベース波面センサを実装するためプログラム可能な光変調器を使用することである。
本発明の更に別の目的は、薄膜の表面プロファイル及び／または厚さを共に測定するため、光変調器において種々の格子パターンの間のプログラム可能な切換えを提供することである。
【００１８】
本発明の更に別の目的は、事前較正の必要性なしに、薄膜の表面プロファイル及び厚さ測定値の同時のリアルタイムモニタリングを提供し、したがって、モニタリングを、基板、薄膜の材料、及び堆積環境に無関係にすることである。
【００１９】
したがって、第１の態様において、本発明は、少なくとも１つの薄膜堆積ユニット上の少なくとも１つの薄膜の表面プロファイル及び／または厚さ測定値をリアルタイムにモニターするためのシステムを提供し、前記システムは、
少なくとも１つのレーザ発生手段であって、少なくとも１つのレーザビームを発生し、前記レーザビームは前記薄膜堆積ユニット内の少なくとも１つの基板上に入射し、それにより、前記レーザビームを反射させる、少なくとも１つのレーザ発生手段と、
前記反射したレーザビームを入射ビームとして受信し、それにより、少なくとも１つの所望の次数の少なくとも１つの回折ビームを反射する少なくとも１つの格子アレイベース波面センサであって、前記回折ビームは少なくとも１つの虹彩絞りによって分離される、少なくとも１つの格子アレイベース波面センサと、
１つまたは複数の位置において前記回折ビームを受信し、焦点のアレイを発生するように適合される少なくとも２つのレンズと、
前記焦点の前記位置に対応する前記焦点の画像を取込む少なくとも１つの画像取込み手段と、
前記画像取込み手段から前記画像を受信するように適合された少なくとも１つのデータ処理モジュールであって、
堆積前に、焦点の前記アレイの少なくとも１つの相対的位置に対応する前記焦点位置から、１つまたは複数の時点で、また、堆積後に任意の後続する時点で、入射ビームの少なくとも１つの波面を測定し、
測定された前記波面に基づいて前記表面プロファイル及び前記厚さ測定値に同時に対応する少なくとも１つの情報を発生するように構成される、少なくとも１つのデータ処理モジュールと、を備える。
【００２０】
第２の態様において、本発明は、少なくとも１つの薄膜の表面プロファイル及び厚さ測定値を同時にリアルタイムにモニターするための、薄膜堆積システムにおける方法を提供し、前記方法は、
・少なくとも１つのレーザビームを１つまたは複数のレーザ発生手段によって発生させ、薄膜堆積ユニット内の基板上に前記レーザビームを入射させること、
・前記基板によって、前記レーザビームを反射させ、それにより、少なくとも２つのレンズを通して透過させ、前記透過したレーザビームを、格子アレイベース波面センサ上に入力ビームとして入射させること、
・１つまたは複数の位置において焦点のアレイを発生させるために、前記格子アレイベース波面センサによって、少なくとも１つの所望の次数の少なくとも１つの回折ビームを、少なくとも２つのレンズ及び少なくとも１つの検出器平面の組合せ体に送信すること、
・データ処理モジュールによって、前記レーザビームの波面を取得するために、少なくとも１つの画像取込み手段によって、前記焦点の画像を取込むこと、
・堆積前に、焦点の前記アレイの少なくとも１つの相対的位置に対応する前記焦点位置から、１つまたは複数の時点で、また、堆積後に任意の後続する時点で、前記入力ビームの波面を測定するために、前記データ処理モジュールによって、前記焦点の前記位置を決定すること、及び、それにより、
・前記データ処理モジュールによって、測定された前記波面に基づいて前記表面プロファイル及び前記厚さ測定値に同時に対応する少なくとも１つの情報を発生することを含む。
【００２１】
第３の態様において、本発明は、少なくとも１つの基板の表面が平坦でない場合に、表面プロファイル及び厚さ測定値を同時にリアルタイムにモニターするための、薄膜堆積システムにおける方法を提供し、前記方法は、
・１つまたは複数のレーザ発生手段によって、少なくとも１つのレーザビームを発生すること、
・少なくとも１つの第１のビームスプリッタによって、前記レーザビームを分割し、少なくとも２つのミラー及び少なくとも１つの第２のビームスプリッタの組合せ体によって、前記レーザビームを反射させること、
・前記反射したレーザビーム、及び、前記第１のビームスプリッタによって送信され、前記基板によって反射され、前記第２のビームスプリッタによって送信されたビームを、格子アレイベース波面センサ上に入射させること、
・１つまたは複数の位置において焦点のアレイを発生させるために、前記格子アレイに基づく波面センサによって、前記２つのレーザビームであって、各ビームが少なくとも１つの所望の次数の少なくとも１つの回折ビームである、前記２つのレーザビームを少なくとも２つのレンズ及び少なくとも１つの検出器平面の組合せ体を通して送信すること、
・データ処理モジュールによって、それぞれの前記レーザビームの波面を取得するために、少なくとも１つの画像取込み手段によって、前記焦点の画像を取込むこと、
・堆積前に、焦点の前記アレイの少なくとも１つの相対的位置に対応する前記焦点位置から、１つまたは複数の時点で、また、堆積後に任意の後続する時点で、それぞれの前記入力ビームの波面を測定するために、前記データ処理モジュールによって、前記焦点の前記位置を決定すること、及び、それにより、
・前記データ処理モジュールによって、測定された前記波面に基づいて前記表面プロファイル及び前記厚さ測定値に同時に対応する少なくとも１つの情報を発生することを含む。
【００２２】
第４の態様において、本発明は、少なくとも１つの薄膜堆積ユニット上で少なくとも１つの薄膜の表面プロファイル及び厚さ測定値を同時に高感度でリアルタイムにモニターするためのシステムを提供し、前記システムは、
少なくとも１つのレーザ発生手段、少なくとも１つの半波長板（λ／２）、少なくとも１つの１／４波長板（λ／４）、及び少なくとも１つの偏光ビームスプリッタを有する配置構成であって、それにより、第１のレーザビーム経路を発生し、前記第１のレーザビーム経路を少なくとも１つの基板に入射させ、その後、前記基板によって反射された後に少なくとも１つの格子アレイベース波面センサに入射させる、配置構成を備え、
前記格子アレイベース波面センサは、前記第１のレーザビーム経路を受信し、少なくとも１つの回折ビームを発生するように適合され、前記格子アレイベース波面センサは、前記回折ビームに対応する１つまたは複数の位置において焦点のアレイを発生させる少なくとも１つの格子要素を備え、
少なくとも１つの画像取込み手段であって、１つまたは複数の時点における焦点の前記アレイの画像、及び、前記レーザ発生手段に直接由来する第２のレーザビーム経路によって発生される焦点の画像を取込むように適合される、少なくとも１つの画像取込み手段と、
少なくとも１つのデータ処理モジュールとを備え、少なくとも１つのデータ処理モジュールは、前記焦点の前記画像を受信し、それにより、前記焦点位置から前記入射ビームの少なくとも１つの波面を測定して、前記表面プロファイル及び／または前記厚さ測定値に対応する少なくとも１つの情報を発生するように構成される。
【００２３】
第５の態様において、本発明は、表面プロファイル及び厚さを同時にまたは別々にリアルタイムにモニターするための、薄膜堆積システムにおける方法を提供し、前記方法は、
・１つまたは複数のレーザ発生手段によって、少なくとも１つのレーザビームを発生すること、
・少なくとも１つの第１の偏光ビームスプリッタに入射する前に、前記レーザビームを、半波長板（λ／２）を通して通過させること、
・１／４波長板（λ／４）を通して基板に入射させるために、前記第１の偏光ビームスプリッタによって第１のレーザビーム経路を送信し、前記第１のレーザビーム経路を少なくとも１つのミラーに、前記基板によって反射させること、
・前記第１のレーザビーム経路を前記基板に戻るように前記ミラーによって反射させ、それにより、前記１／４波長板（λ／４）を通して前記第１の偏光ビームスプリッタに入射させること、
・少なくとも１つの回折ビームを発生させるために、前記レーザビームを格子アレイベース波面センサに、前記偏光ビームスプリッタによって入射させ、それにより、前記格子アレイベース波面センサ上の１つまたは複数の格子要素によって、１つまたは複数の位置において焦点のアレイを発生させること、
・前記偏光ビームスプリッタを通る焦点の前記アレイ、及び／または、前記レーザ発生手段から直接取得される第２のレーザビーム経路に対応する焦点を、前記画像取込み手段によって受信すること、
・第１のレーザビームに対応する格子アレイの各格子要素からの焦点、及び、第２のレーザビームからの焦点をオーバラップさせ、前記オーバラップした焦点の結果として得られる強度を測定すること、及び、それにより、
前記表面プロファイル及び／または厚さをデータ処理モジュールによって測定することを含む。
【００２４】
本発明の全ての態様において、前記波面センサデバイスの前記格子アレイは、プログラム可能な位相または振幅マスクによって実装される。
本発明の他の態様、利点、及び目立った特徴は、以下の詳細な説明から当業者に明らかになることになり、以下の詳細な説明は、添付図面と併せて読まれると、本発明の例示的な実施形態を開示する。
【００２５】
本発明の或る例示的な実施形態の上記のまた他の態様、特徴、及び利点は、以下の説明が添付図面と併せて読まれることによって明らかになるであろう。  
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１の実施態様による、薄膜の表面プロファイルと厚さの両方を同時にモニターするシステムの一実施形態の図である。
【図２】本発明の第２の実施態様による、２つのレンズＬ５及びＬ６が基板とプログラム可能なマスクとの間に位置決めされるシステムの図である。
【図３】本発明の全ての実施態様による、格子アレイベース帯状波面センサの作動の図である。
【図４】本発明の全ての実施態様による、薄膜の表面プロファイル及び厚さのモニタリングが、薄膜用のパルス化レーザ堆積システムにおいて同時に実現され得る一例の図である。
【図５】基板の表面が平坦でない場合の、本発明の第３の実施態様による、薄膜の表面プロファイルと厚さの両方を同時にモニターするシステムの図である。
【図６】本発明の第４の実施態様による、薄膜の表面プロファイルと厚さの両方を同時に、並びに別々にモニターするシステムの図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図内の要素が、平易かつ明確にするために示され、一定比例尺に従って描かれていない場合があることを当業者は認識するであろう。例えば、本開示の種々の例示的な実施形態の理解を改善するのに役立てるために、図内の要素の一部の寸法は、他の要素に対して誇張されている場合もある。図面全体を通して、同様の参照数字が、同じまたは同様の要素、特徴、及び構造を示すために使用されることが留意されるべきである。
［発明の詳細な説明］
添付図面を参照する以下の説明は、本発明の例示的な実施形態の包括的な理解を助けるために提供される。以下の説明は、その理解を助けるために種々の特定の詳細を含むが、これらは、単に例示であるとみなされる。
【００２８】
したがって、本明細書で述べる実施形態の種々の変更及び修正が、本発明の範囲から逸脱することなく行われ得ることを当業者は認識するであろう。更に、よく知られている機能及び構成の説明は、明確かつ簡潔にするために省略される。
【００２９】
以下の説明及び特許請求の範囲で使用される用語及び言葉は、書誌的意味に限定されるのではなく、単に本発明の明確かつ一貫性のある理解を可能にするために本発明者によって使用されているだけである。したがって、本発明の例示的な実施形態の以下の説明が、添付特許請求の範囲及びその均等物によって規定されるものとして本発明を限定するためではなく、例証だけのために提供されることが当業者に明らかであるべきである。
【００３０】
単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、及び「その（ｔｈｅ）」は、文脈が別途明確に指示しない限り、複数参照を含む。
用語「実質的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」によって、挙げられる特徴、パラメータ、または値が正確に達成される必要はないが、例えば、公差、測定誤差、測定精度限界、及び当業者に知られている他の因子を含む、偏差または変動が、特徴が提供することを意図された効果を排除しない程度で起こる場合があることが意味される。
【００３１】
一実施形態に関して述べられる及び／または示される特徴は、１つまたは複数の他の実施形態において及び／または他の実施形態の特徴と組合せてまたはその特徴の代わりに同じ方法でまたは同様な方法で使用することができる。
【００３２】
用語「備える／備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ／ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」が、本明細書で使用されると、述べた特徴、整数、ステップ、またはコンポーネントの存在を指定するために採用されるが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、コンポーネント、またはその群の存在または付加を排除しないことが強調されるべきである。
【００３３】
本発明の目的、利点、及び他の新規な特徴は、添付図面と併せて読まれると、以下の詳細な説明から当業者に明らかになる。
本発明は、パルス化レーザ堆積の薄膜システムにおいてまたは任意の他の適切な薄膜堆積システムにおいて格子アレイベース波面センサを利用することによって目的を達成する。データ処理モジュールは、基板、薄膜、薄膜の厚さ測定値等の試料の表面プロファイルをモニターすることによって、入射ビームの波面を測定するように構成される。
【００３４】
本発明の解決策は、述べた問題の１つまたは複数が、従来技術に関連するいかなる欠点も有することなく対処される最も適切な方法のうちの１つの方法であることが見出されている。当業者が更なる修正を認識することがあるかもしれないが、格子アレイベース波面センサを含むこと以外の代替の解決策を思い付くことが実現可能であるとはみなされないことが理解される。
【００３５】
一実施態様において、格子アレイベース波面センサデバイスは、帯状波面センサまたは帯状波面センサの任意の代替物であり得る。
図１に対して参照が行われ、図１において、薄膜の表面プロファイルと厚さの両方を同時にモニターするシステムが、本発明の第１の実施態様に従って示される。
【００３６】
図２に対して参照が行われ、図２において、基板とプログラム可能なマスクとの間に位置する２つのレンズＬ５及びＬ６を有するシステムが、本発明の第２の実施態様に従って示される。
【００３７】
図３に対して参照が行われ、図３において、格子アレイベース帯状波面センサの作業が、本発明の全ての実施態様に従って示される。
図１及び図２に示す第１及び第２の実施態様において、また、図５及び図６に示す第３及び第４の実施態様において、平行レーザビームは、薄膜がその上に堆積される基板上に向けられてもよく、反射ビームは、格子アレイベース帯状波面センサに向けられてもよい。帯状波面センサは、堆積の開始前に、ビームが基板から反射されるときを基準にした任意の時点で入射ビームの波面を測定する。センサは、堆積の前に、焦点アレイの少なくとも１つの相対的位置に対応する焦点位置に関する情報から、また、堆積中または堆積後に任意の後続の時点で、格子アレイ内の種々の要素から波面を測定する。
【００３８】
全ての実施態様において、平行レーザビームは、堆積チャンバのビューポートを通して薄膜堆積システムに入ることができ、堆積がその上で起こる基板上に入射することができる。反射ビームは、チャンバ上に適切に位置する別のビューポートを通して出てきて、その後、格子アレイベース帯状波面センサ上に入射する。帯状波面センサは、入射ビームの再構築済み波面または直交基底関数に対応する収差モードの大きさによって表面プロファイルに関する情報を提供する。堆積が全く存在しないときから測定が開始する場合、センサは、表面プロファイルと厚さの両方の尺度を同時に提供し得る。ただし、基板にわたる測定面積が、堆積が起こっている面積より大きい場合に限る。格子アレイの構成は、測定面積がたとえ小さい、また同様に、システム内の機械的振動を補償する場合でも厚さ測定用の更なるツールを提供する。
【００３９】
更に、全ての実施態様において、反射ビーム波面は、所与の時点で採取された波面の異なる位置に対応する焦点位置から測定され得る。そのため、波面測定プロセスは、性質上本質的に並列である。格子アレイセンサは、空間光変調器（ＳＬＭ：ｓｐａｔｉａｌ  ｌｉｇｈｔ  ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）等のプログラム可能でかつ再構成可能なデバイスを使用して実装してもよい。こうしたデバイスは、単一ホログラムによる格子アレイの動的交換を容易にしてもよく、単一ホログラムは、測定面積より大きい面積にわたって膜堆積が起こっている場合でも、薄膜の厚さの測定を局所的にまたは全体的に可能にする。格子アレイ帯状波面センサのプログラム可能な性質は、同様に、考えられる最大フレームレートで作動させるために、センサに取付けられたデジタルカメラを動作させることを容易にしてもよい。そのため、提案される発明において、測定は、堆積システム内の振動によって、反射ビームに存在する機械的振動によってはほとんど影響を受けないことになる。
【００４０】
そのため、全ての実施態様において、表面プロファイリングの背後の原理は、ビーム強度、したがって、薄膜の反射率に無関係である。測定面積が、薄膜がそれにわたって成長する面積より大きい場合、表面プロファイリングは、同様に、厚さプロファイルを伴ってもよい。そのため、表面プロファイリング及び厚さは共に、全測定面積にわたる薄膜材料の特性の全体的及び局所的変動に関する情報を持たない状態で取得され得る。
【００４１】
第１の実施態様において、図１に示す配置構成は、薄膜堆積ユニットにおける堆積中に薄膜の表面プロファイルと厚さの両方をモニターする。薄膜のリアルタイム成長をモニターするため、２つのレンズＬ１及びＬ２の組合せ体が使用されて、堆積ユニットに入るレーザビームを拡張させ平行にし得る。平行ビームは、堆積がその上で起こることができる基板上に入射し、基板からの反射ビームは、その後、図３に示すように、格子アレイベース帯状波面センサの格子のアレイ上に入射し得る。格子のアレイは、ユーザインタフェース（ＰＣインタフェース）によって制御され得るプログラム可能な振幅または位相マスクを使用して実装され得る。格子からの或る所望の次数の回折ビームは、レンズ組合せ体Ｌ３及びＬ４ならびに虹彩絞りＩＤの助けを借りてデジタルカメラ上に集束されて、焦点のアレイを形成することができ、焦点の位置は、前記センサのコンピュータプログラムによって読取られる。
【００４２】
図２に示すシステムの第２の実施態様において、２つのレンズＬ５及びＬ６は、基板とマスクとの間に維持され、それにより、２つの平面は、互いに光学的に共役化される。
【００４３】
全ての実施態様において、格子アレイベース波面センサの作動が図３に示される。格子アレイは、格子要素のそれぞれが、同じ直径の円形アパーチャ及び矩形波透過率プロファイルを有する、すなわち、振幅透過率が、０か１か、または−１か１によって変動するように構築してもよい。格子アレイに入射することができる光ビームは、回折され、レンズＬによって検出器平面Ｄ上に収束され、非回折ゼロ次数の位置に対する相対的位置０、±１、±３、…において０、±１、±３、…回折次数をもたらしてもよい。ゼロ次数に対するｎ番目の次数の分離は、回折次数、及び、格子内の矩形波パターンに対応する空間周波数（格子ルーリングの周期性及び配向を表す）に依存する。そのため、各格子の空間周波数を適切に選択すると、ｎ番目の回折次数に対応する焦点は、無収差入射ビームの場合、１つまたは複数の規則的アレイを形成するようにされ得る。
【００４４】
一実施態様において、次元Ｎ×Ｎを有する矩形波振幅格子の２Ｄアレイの場合、指数ｉはアレイの行を表し、指数ｊはアレイの列を表す。ｍ１ｘ及びｍ１ｙが格子アレイの左上角に位置する格子要素（１，１）の空間周波数であり、ｍｉｘ及びｍｊｙが、それぞれ、Ｘ及びＹ方向に沿う格子要素内の単位長当たりのライン数であるような格子要素（ｉ，ｊ）の空間周波数である場合、格子アレイに入射する平面波面の場合、
【００４５】
【数１】
2019500628.tif 000003
であり、Ｎ×Ｎ次元を有する或る回折次数焦点アレイを発生する。ここで、ｍ１ｘ、ｍ１ｙ、及びΔｍは実数である。しかし、空間周波数を、
【００４６】
【数２】
2019500628.tif 000004
（for all i and:全てのｉについて）
としてまたはその逆として設定して、１つの水平または垂直ラインに沿って全ての焦点を配置することが同様に可能であり、Δｍは所与の次数の２つの連続するスポット間の分離を表す。        
格子要素の空間周波数は、そのように規定され得、それにより、焦点アレイは、アレイの要素の総数がＮ２である限り、ユーザ既定の任意の数の行及び列を有するアレイを形成するようにさせられ得る。原理上、任意の回折次数に対応する焦点は、無収差の場合、１つまたは複数の規則的アレイを形成することになる。しかし、他の次数に勝る＋１回折次数を選択することがより好都合である。その理由は、全ての回折次数の中で、＋１次数が最大エネルギーを有することになるからである。図３の平面Ｄは、無収差の場合、黒ドットで示す焦点の規則的格子を含む。波面Ｗ１Ｗ２を有するビーム等の入射ビームに収差が存在する場合、焦点は、例えば、図３に示す赤ドットと同様にシフトする。ＣＣＤまたはＣＭＯＳカメラ等のデジタルカメラは、焦点アレイの画像を取込むためにＤに維持される。平面波面による、焦点のその基準位置に対するシフトは、それぞれの格子によってインターセプトされる波面部分に対応する局所的傾斜値の尺度を与える。
【００４７】
図１、２、４、５、及び６に示すシステムの全ての実施態様において、膜堆積が開始すると、基板上の反射表面の地形は絶えず修正される。結果として、格子アレイに入射するビームの波面は、絶えず修正される。例示的な一実施態様において、Ｐ０は時点ｔ０における堆積の開始前の波面を示し；Ｐ１は時点ｔ１における堆積中の基板上への付加質量による波面を示し；Ｐ２はｔ２における波面を示す。波面の変動による焦点位置のその後の変動は、コンピュータプログラムによって読取られ得、その変動は、その瞬間の入射波面を再構築するために使用され得る。測定が、堆積が全く存在しないときから開始するため、したがって、センサは、表面プロファイル及び厚さの両方についての尺度を提供し得る。ただし、基板にわたる測定面積が、堆積がそれにわたって起こっている面積より大きい場合に限る。
【００４８】
一実施態様において、格子アレイの構成は、プログラム可能な位相または振幅マスクにおいて格子パターン間の動的切換えを容易にする。そのため、格子のアレイの代わりに、単一格子またはホログラムが、デジタルカメラ内の対応する焦点がモニターされるように実装され得、その焦点のサイズならびに形状が、面積全体にわたって全体的にまたは小さな面積にわたって局所的に試料の厚さ変動に関する情報を提供し得る。格子アレイモードに対する更なるプログラム可能な切換え、無収差の場合の少数の行または１つだけの行を有する焦点アレイを発生することは、デジタルカメラの高いフレームレートを容易にする。そのため、提案されるシステムは、測定をより高速に行うことができ、測定を、堆積システムの機械的変動に対して敏感ではなくすることになる。
【００４９】
更に別の実施態様において、上述した同じ配置構成は、同様に、半透明試料について使用され得る。その理由は、センサが、基板からの反射と薄い試料の上部表面からの反射とを区別し得るからである。先に論じた技法の一般的な原理は、レーザビームを試料上に向け、試料から出て来る反射ビームを受信する機能を提供するいずれの堆積システムにも適用できる可能性が最も高い。しかし、本発明は、同様に、パルス化レーザ堆積（ＰＬＤ：ｐｕｌｓｅｄ  ｌａｓｅｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）システムにおいて堆積中の薄膜厚及びそのプロファイルを同時に連続して現場でモニターし測定するためのシステムを作るために適合され実装され得る。
【００５０】
図４に対して参照が行われ、図４において、本発明の全ての実施態様に従って、薄膜の表面プロファイル及び厚さの両方を同時にモニターするパルス化レーザ堆積システムが、例として示される。
【００５１】
全ての実施態様において、パルスレーザ堆積システムは、排気及びガスフィルの備えを有するマルチポートチャンバで構成してもよい。ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波等のハイパワーパルス化レーザは、薄膜が堆積されることを必要とする材料で構成するターゲットに集束される。レーザの集束は、ターゲット材料のプラズマ形成をもたらし、プラズマは、真空中であるいは低圧の不活性または反応性ガス媒体の存在下で膨張し、ターゲットから数センチメートル離れかつターゲットに平行に設置された基板上に最終的に堆積する。堆積中に薄膜の表面プロファイル及び厚さ測定値を現場でモニターする残りの手順は、図１及び図２に関して述べたような本発明の他の実施態様と同様である。
【００５２】
図５に対して参照が行われ、図５において、本発明の第３の実施態様に従って、薄膜の表面プロファイル及び厚さを同時にモニターするシステムが、前記基板の表面が非平面である場合に示される。
【００５３】
本発明の第３の実施態様において、薄膜堆積システムのビューポートに入る直前のレーザビームの部分は、図５に見られるビームスプリッタＢＳ１を使用して取出される。このビームは、ミラーＭ１及びＭ２からの反射及びビームスプリッタＢＳ２後に、プログラム可能マスクに入射する。堆積中に薄膜の表面プロファイル及び厚さ測定値を現場でモニターする残りの手順は、図１及び図２に関して述べたように本発明の第１及び第２の実施態様と同様である。この更なるビーム経路は、表面が完全に平坦でない場合に、基板の表面プロファイルを測定することを容易にする。
【００５４】
図６に対して参照が行われ、図６において、測定感度を高めることによって、薄膜堆積システムにおいて表面プロファイル及び厚さプロファイルを同時にまたは別々に測定するシステムが示される。第４の実施態様において、配置構成は、半波長板、１／４波長板、及び偏光ビームスプリッタを備えて、２つのビーム経路を生じさせ、１つの経路は、焦点アレイを発生させるための格子アレイからの経路であり、他方の経路は、レーザ及びビームが波面センサに入射する前に基板または薄膜に２回入射するようにされた平行ビームからの直接の経路である。デジタルカメラは、レーザに直接由来するビームに対応する焦点、及び、格子アレイからの特定の格子要素に由来する焦点を結像し得る。この実施態様において、カメラは、焦点アレイであって、薄膜の表面プロファイル及び厚さを測定するために使用され得る位置における焦点アレイ、または、レーザから直接由来するビームに対応するオーバラップした焦点、及び、厚さの測定のみのために基板または薄膜からの表面情報を保持する特定の格子要素に由来する別のビームを受信する。
【００５５】
第１、第２、及び第３の実施態様において、データ処理モジュールは、前記画像取込み手段から前記画像を受信するように適合され、また、
・堆積前に、焦点の前記アレイの少なくとも１つの相対的位置に対応する前記焦点位置から、１つまたは複数の時点で、また、堆積後に任意の後続する時点で、前記入射ビームの少なくとも１つの波面を測定し、
・測定された前記波面に基づいて前記表面プロファイル及び前記厚さ測定値に同時に対応する情報を発生する
ように構成されている。
【００５６】
図６に示す本発明の第４の実施態様において、平行レーザビームは、偏光ビームスプリッタＰＢＳ１に入射する前に半波長板（λ／２）を通過する。ＰＢＳ１は、１／４波長板（λ／４）及びビューポートを通して基板または薄膜に入射するｐ偏光要素を送信する。反射波面は、レンズＬ３及びＬ４の組合せ体を使用して平面ミラーＭ１に中継され、それにより、基板及びＭ１は、互いに共役化される。Ｍ１によって反射したビームは、ビューポート及びλ／４板を通して出て来る前に、基板または薄膜からの１回または複数回の反射を受ける。そのため、光は、ｓ偏光としてＰＢＳ１に入射し、Ｌ５及びＬ６に向かって反射して、プログラム可能マスクに入射する。レンズＬ５及びＬ６は、基板及びマスク平面が光学的に共役であることを保証する。プログラム可能マスク上に表示される格子アレイによって回折した光は、ＰＢＳ１に再び向けられる。プログラム可能マスクとして働く或る液晶空間光変調器の場合、回折ビームはｐ偏光であることになる。そうでない場合、別のλ／４板が使用されて、回折ビームをｐ偏光にし得る。そのため、回折ビームは、ＰＢＳ１によって透過する。レンズＬ７が使用されて、回折ビームを集束させ、したがって、虹彩絞りＩＤの助けを借りて、必要とされる焦点を分離し得る。これらの焦点は、レンズＬ８を使用してデジタルカメラ上の偏光子Ｐｏｌを通して結像される。同じカメラは、同様に、レーザからやって来るビームのｓ偏光成分に起因する焦点を結像し得る。この画像は、カメラの角にまたは縁の近くに位置決めされ得る。１つの動作において、プログラム可能マスクは、格子のアレイを実装し、カメラ上に焦点のアレイを生じる。格子アレイに入射するビームが基板または薄膜によって２回反射するため、格子アレイによる焦点位置は、薄膜の表面プロファイルに非常に敏感であることになる。別の動作において、アレイ内の格子要素は、或る時点で、カメラが、一方はレーザからのｓ偏光成分による焦点であり、他方は特定の格子要素による焦点である２つの焦点を受信するように順次表示され得る。偏光子及びλ／２板は、カメラが互いに平行な偏光成分を受信し、２つの焦点が同様の強度を有するように配向され得る。格子要素の空間周波数は、２つの焦点が重なり合うように変更される。そのため、カメラは、２つのビームの間の位相差または相対的経路差の関数となるピーク強度を記録し得る。経路差は、一方、表示される格子要素に固有の或る領域内の薄膜の厚さの関数である。余分の光路が、偏光ビームスプリッタＰＢＳ２及びＰＢＳ３ならびに平面ミラーＭ２及びＭ３を使用して、レーザからのｓ偏光成分の経路に導入され得るため、２つのビームは互いに可干渉性である。オーバラップのポイントにおける強度変動は、堆積が起こるときの、特定の場所における薄膜の厚さを抽出するために使用され得る。異なる格子要素が表示されるため、薄膜の全面積にわたる厚さ情報が取得され得る。この動作は、測定される面積によらず、薄膜の厚さプロファイルを提供し得る。ただし、２つの連続するフレーム間で、堆積される膜がλ／４より厚くない（これは、堆積レートが、大多数の場合、通常、約１０ｎｍ／分以下の次数であるため、重大な制限ではない）場合に限る。
【００５７】
第５の実施態様において、前記データ処理モジュールは、焦点の前記アレイの画像を受信して、前記焦点の相対的位置を測定することによって薄膜の表面プロファイル及び厚さを測定する、または、レーザから直接やって来る前記第２のレーザビーム経路、及び、厚さの測定のみのために前記基板からの表面情報を保持する特定の格子要素からやって来る前記第１のレーザビーム経路に対応するオーバラップした焦点を受信するように構成される。
【００５８】
上述した全ての実施態様に関して、プログラム可能な位相または振幅マスクは、任意に、液晶空間光変調器等の空間光変調器を使用することによって実装してもよく、一方、デジタルカメラは、ＣＣＤまたはＣＭＯＳベースカメラであり得る。更に、上記実施形態で示した、レンズ、ミラー、及びビームスプリッタ等の光学要素の数は最適な数であり、光学要素の数をわずかに修正した上記実施態様を実現することは大いに可能である。
【００５９】
全ての実施態様において、波面センサデバイス内の格子アレイは、デジタルカメラと連携して、コンピュータ制御可能液晶空間光変調器等の位相マスクまたは振幅マスクを使用して実装される。
【００６０】
本発明の全ての実施態様において、システムは、表面プロファイル及び厚さをモニターするため、特定の場所に少なくとも２つのビューポートを必要とする場合がある。
【００６１】
本発明の全ての実施態様において、測定される波面は、それにより、画像取込み手段からデータ処理モジュールに通信されて、薄膜の表面プロファイル及び厚さ測定値をリアルタイムにモニターし得る。
【００６２】
本発明の全ての実施態様において、デジタルカメラから取得される焦点シフトは、前記データ処理モジュールにおいて使用され、前記データ処理モジュールは、標準的なまたは改良型の波面再構築アルゴリズム等を実行して、考慮下のビームに対応する位相プロファイルを取得するように構成され得る。
【００６３】
本発明の本質的な特徴の幾つかは；
ａ）任意の薄膜堆積システムにおける格子アレイベース波面センサの使用
ｂ）任意の薄膜堆積システムにおいて格子アレイベース波面センサを実装するための、プログラム可能空間光変調器の使用
ｃ）任意の薄膜堆積システムで使用されるＳＬＭにおける種々の格子パターンの間のプログラム可能な切換え
ｄ）任意の薄膜堆積システムで使用される波面センサに連結されるデジタルカメラにおいて考えられる最大フレームレートを容易にする格子アレイの使用
ｅ）レーザビームの波面、したがって、薄膜の表面プロファイルを測定するための、＋１次数または任意の他の次数の回折ビームの使用
ｆ）表面プロファイルと厚さの両方または厚さのみを測定するための、任意の薄膜堆積システムで使用されるＳＬＭにおける種々の格子パターンの間のプログラム可能な切換え
ｇ）事前の較正なしでの表面プロファイル及び厚さの同時のオンラインモニタリングであって、それにより、基板及び堆積環境に依存しない、オンラインモニタリング
ｈ）ビームを、基板または薄膜から２回反射した後に、波面センサに入射させることによる、表面プロファイル及び厚さの同時のオンラインモニタリングであって、それにより、測定の感度を上げる、オンラインモニタリング
ｉ）一回に１つの格子要素を表示し、その結果得られるビームを、固定光路を有するビームとオーバラップさせ、それによりオーバラップしたポイントにおいて結果として生じた強度を観測することによる、順次方式である種々の場所に堆積された薄膜の厚さのオンライン測定。
【００６４】
ｊ）レーザの各パルスまたは全てのパルスがターゲットに入射した後における、パルス化レーザ薄膜堆積システムにおける薄膜の表面プロファイルと厚さの同時のオンラインモニタリング
ｋ）カメラ内の焦点のシフトが２つの異なる時点に対応するような、表面プロファイルの時間的進展に依存する、表面プロファイルの測定及び厚さ測定
を含む。
【００６５】
表面プロファイル及び表面の厚さ測定値をモニターするためのシステム、装置、及び方法についての実施態様が、構造的特徴及び／または方法に固有の言語で述べられたが、添付特許請求の範囲が、述べた特定の特徴または方法に必ずしも限定されないことが理解される。むしろ、特定の特徴及び方法は、表面プロファイル及び厚さ測定値をモニターするためのシステム、装置、及び方法についての実施態様の例として開示される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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