(57)【要約】  シリコン貫通ビア（ＴＳＶ）構造の特徴を測定するための方法および装置を開示する。ビームプロファイル反射率（ＢＰＲ）ツールを用いて、ＴＳＶ構造を有する第１のｘｙ位置に移動する。次に、ＢＰＲツールを用いて、ｚ位置を、第１のｘｙ位置での測定を得るための第１の最適ｚ位置に調整することによって、第１のｘｙ位置の最適焦点を取得する。ＢＰＲツールを介して、複数の入射角に関する反射率測定値が、前記第１のｘｙ位置で取得される。ＴＳＶ構造の１つ以上の膜厚が、反射率測定値に基づいて決定される。ｚ位置はさらに、記録されて、そのようなＴＳＶ構造の高さ、ならびに１つ以上の隣接するｘｙ位置を決定するために用いられ得る。
2019518198.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン貫通ビア（ＴＳＶ）構造の特徴を測定するための方法であって、前記方法が、
ビームプロファイル反射率（ＢＰＲ）ツールを用いて、ＴＳＶ構造を有する第１のｘｙ位置に移動し、
前記ＢＰＲツールを用いて、ｚ位置を、前記第１のｘｙ位置での測定を得るための第１の最適ｚ位置に調整することによって前記第１のｘｙ位置での最適焦点を取得し、
前記ＢＰＲツールを介して、前記第１のｘｙ位置での複数の入射角に対する反射率測定値を取得し、
前記反射率測定値に基づいて前記ＴＳＶ構造の１つ以上の膜厚を決定する、
ことを含む方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、さらに、
ＢＰＲツールのステージエンコーダからの前記第１の最適ｚ位置を記録し、
前記ＢＰＲツールを用いて、前記ＴＳＶ構造に隣接した第２のｘｙ位置に移動し、
前記ＢＰＲツールを用いて、ｚ位置を、前記第２のｘｙ位置での測定を得るための第２の最適ｚ位置に調整することによって前記第２のｘｙ位置での最適焦点を取得し、
前記ＢＰＲツールのステージエンコーダからの前記第２の最適ｚ位置を記録し、
前記ＢＰＲツールを用いて、前記第２のｘｙ位置での複数の入射角の反射率測定値を取得し、
前記ＴＳＶ構造に隣接する前記第２のｘｙ位置の１つ以上の膜厚を、前記反射率測定値に基づいて決定し、
前記ＴＳＶ構造と前記第２のｘｙ位置との間の高さの差を、前記記録された第１および第２の最適ｚ位置および、前記第１と第２のｘｙ位置に関して決定された膜厚に基づいて決定することを含む方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法であって、前記第１と第２のｘｙ位置の測定値はｓ偏光とｐ偏光に関して取得される方法。
【請求項４】
請求項２に記載の方法であって、前記第１と第２のｘｙ位置に関する膜厚は、それぞれ反射率、入射角および厚さを関連付ける一組のフレネルの式の一組のフレネル係数を解くことによって決定される方法。
【請求項５】
請求項４に記載の方法であって、さらに、前記一組のフレネル係数を解くことは、前記一組のフレネルの式に最小二乗適合ルーチンを用い、前記第１と第２のｘｙ位置における１つ以上の膜の吸収特性を補正することを含む方法。
【請求項６】
請求項４に記載の方法であって、さらに、複数の隣接するｘｙ位置に関して、前記ＢＰＲツールを用いて移動させる操作と、前記ＢＰＲツールを用いて最適焦点を取得する操作と、最適ｚ位置を記録する操作と、反射率測定値を取得する操作と、１つ以上の膜厚を決定する操作と、複数の隣接するｘｙ位置に関する粗さメトリックを得るために高さの差を決定する操作を反復することを含む方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法であって、前記隣接するｘｙ位置は、約５−１０ミクロン×５−１０ミクロン以上の領域をカバーする方法。
【請求項８】
シリコン貫通ビア（ＴＳＶ）構造の特徴を測定するためのビームプロファイル反射率（ＢＰＲ）システムであって、
入射ビームを生成して複数の入射角で試料のほうに指向させる照明光学素子モジュールと、
入射ビームに応答して前記試料から反射率測定値を取得する収集光学素子モジュールと、
以下の操作：
ＴＳＶ構造を有する第１のｘｙ位置に移動し、
ｚ位置を、前記第１のｘｙ位置で測定値を得るための第１の最適ｚ位置に調整することによって前記第１のｘｙ位置での最適焦点を取得し、
前記第１のｘｙ位置での複数の入射角に関する反射率測定値を取得し、
前記反射率測定値に基づいて前記ＴＳＶ構造の１つ以上の膜厚を決定する、
を実行するように構成されたコントローラを備えたシステム。
【請求項９】
請求項８に記載のシステムであって、
前記コントローラがさらに、
ＢＰＲツールのステージエンコーダから前記第１の最適ｚ位置を記録し、
前記ＴＳＶ構造に隣接する第２のｘｙ位置に移動し、
前記ｚ位置を、前記第２のｘｙ位置で測定値を得るための第２の最適ｚ位置に調整することによって前記第２のｘｙ位置での最適焦点を取得し、
前記ＢＰＲツールのステージエンコーダから前記第２の最適ｚ位置を記録し、
前記第２のｘｙ位置での複数の入射角に関する反射率測定値を取得し、
前記反射率測定値に基づいて、ＴＳＶ構造に隣接する前記第２のｘｙ位置に関する１つ以上の膜厚を決定し、
前記ＴＳＶ構造と前記第２のｘｙ位置との高さの差を、前記記録された第１および第２の最適ｚ位置と、前記第１と第２のｘｙ位置に関して決定された膜厚に基づいて決定するように構成されているシステム。
【請求項１０】
請求項９に記載のシステムであって、前記第１と第２のｘｙ位置に関する測定値はｓ偏光とｐ偏光に関して取得されるシステム。
【請求項１１】
請求項９に記載のシステムであって、前記第１と第２のｘｙ位置に関する膜厚は、それぞれ反射率、入射角および厚さを関連付ける一組のフレネルの式の一組のフレネル係数を解くことによって決定されるシステム。
【請求項１２】
請求項１１に記載のシステムであって、前記一組のフレネル係数を解くことは、前記一組のフレネルの式に最小二乗適合ルーチンを用い、前記第１と第２のｘｙ位置における１つ以上の膜の吸収特性を補正することを含むシステム。
【請求項１３】
請求項１１に記載のシステムであって、前記コントローラはさらに、複数の隣接するｘｙ位置に関して、前記ＢＰＲツールを用いて移動させる操作と、前記ＢＰＲツールを用いて最適焦点を取得する操作と、最適ｚ位置を記録する操作と、反射率測定値を取得する操作と、１つ以上の膜厚を決定する操作と、前記複数の隣接するｘｙ位置に関する粗さメトリックを得るために高さの差を決定する操作を反復するシステム。
【請求項１４】
請求項１３に記載のシステムであって、前記隣接するｘｙ位置は、約５−１０ミクロン×５−１０ミクロン以上の領域をカバーするシステム。
【請求項１５】
請求項８に記載のシステムであって、前記照明モジュールは、入射ビームを複数の波長範囲で生成するように構成され、前記コントローラはさらに、特定の膜タイプの波長範囲を選択するように構成されるシステム。
【請求項１６】
試料に計測と検査を実行するクラスタシステムであって、
欠陥に関して試料を検査する検査ツールと、
請求項８に記載のＢＰＲシステムと、
１つ以上の試料を検査ツールと前記ＢＰＲシステムの間で移動させるためのウェハハンドリングシステムと、
を備えたシステム。
【請求項１７】
試料に計測と処理を実行するクラスタシステムであって、
試料に加工プロセスを実行する処理ツールと、
請求項８に記載のＢＰＲシステムと、
１つ以上の試料を処理ツールと前記ＢＰＲシステムの間で移動させるためのウェハハンドリングシステムと、
を備えたシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般にウェハ計測および検査システムの分野に関する。より詳細には、本発明はＴＳＶ（シリコン貫通ビア）構造向けの計測技法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体製造は、シリコンなどの基板上に積層されパターニングされた半導体材料を用いて集積回路を加工するための高度に複雑な技法を包含する。集積回路は典型的に複数のレチクルから加工される。レチクルの生成とそのようなレチクルの引き続いた光学的検査は、半導体製造において標準的なステップとなっている。ロジックおよびメモリデバイスなどの半導体デバイスの加工は典型的に、多数の半導体加工プロセスを用い、複数のレチクルで半導体デバイスの様々なフィーチャと多数のレベルを形成して半導体ウェハを加工することを含む。多数の半導体デバイスが単一の半導体ウェハ上に配置されて加工され、次に個々の半導体デバイスに分離されてよい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１４／００３６２７３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
レチクルまたはウェハ上に欠陥があれば、結果として得られる半導体デバイスは正しく機能しない可能性がある。さらに、ウェハ上の様々な構造は所定の仕様を満たす必要がある、あるいは品質管理のため監視される必要がある。したがって、改良された測定メカニズムへのニーズが常に存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
以下は本発明の或る種の実施形態の基本的理解を提供するための開示の簡略な概要を提示する。この概要は開示の広範囲な概要ではなく、本発明の主要／重要な要素を特定するものではなく、本発明の範囲を定めるものでもない。その唯一の目的は本明細書で開示されるいくつかの概念を簡略な形式で、以後提示するより詳細な説明の前置きとして提示することである。
【０００６】
シリコン貫通ビア（ＴＳＶ）構造の特徴を測定するための装置および方法が開示される。ビームプロファイル反射率（ＢＰＲ）ツールを用いて、ＴＳＶ構造を有する第１の位置（ｘ，ｙ）に移動する。次に、ＢＰＲツールを用いて、ｚ位置を、第１の位置（ｘ，ｙ）での測定値を得るための第１の最適なｚ位置に調整することによって、第１の位置（ｘ，ｙ）での最適焦点を得る。ＢＰＲツールを介して複数の入射角（ＡＯＩ）に関する反射率測定値が第１の位置（ｘ，ｙ）で得られる。反射率測定値に基づいてＴＳＶ構造上の１つ以上の膜厚が決定される。ｚ位置はさらに、そのようなＴＳＶ構造の高さならびに１つ以上の隣接位置（ｘ，ｙ）を決定するために記録され用いられてもよい。
【０００７】
特定の実施において、ＢＰＲツールのステージエンコーダからの第１の最適ｚ位置が記録される。ＢＰＲツールを用いて、ＴＳＶ構造に隣接した第２の位置（ｘ，ｙ）に移動する。次に、ＢＰＲツールを用いて、ｚ位置を、第２の位置（ｘ，ｙ）での測定値を得るための第２の最適なｚ位置に調整することによって、第２の位置（ｘ，ｙ）での最適焦点を得る。ＢＰＲツールのステージエンコーダからの第２の最適ｚ位置も記録される。ＢＰＲツールを介して複数の入射角に関する反射率測定値が第２のｘｙ位置で得られる。反射率測定値に基づいてＴＳＶ構造に隣接する第２の位置、（ｘ，ｙ）の１つ以上の膜厚が決定される。ＴＳＶ構造と第２の位置、（ｘ，ｙ）の高さの差が、記録された第１および第２の最適ｚ位置および、第１と第２の（ｘ，ｙ）位置に関して決定された膜厚に基づいて決定される。一態様において、第１と第２の（ｘ，ｙ）位置の測定値が、ｓ偏光とｐ偏光に関して得られる。別の態様において、第１と第２の（ｘ，ｙ）位置の膜厚が、反射率、入射角および厚さをそれぞれ関係させる一組のフレネルの式の一組のフレネル係数を解くことによって決定される。さらなる態様において、一組のフレネル係数を解くことは、一組のフレネルの式に最小二乗適合ルーチンを用いて、第１と第２の（ｘ，ｙ）位置での１つ以上の膜の吸収特性を補正することを含む。
【０００８】
別の実施形態において、複数の隣接する（ｘ，ｙ）位置に、以下の諸操作：ＢＰＲツールを用いて移動する、ＢＰＲツールを用いて最適焦点を取得する、最適ｚ位置を記録する、反射率測定値を取得する、１つ以上の膜厚を決定する、複数の隣接する（ｘ，ｙ）位置に関する粗さメトリックを得るために高さの差を決定する、が繰り返される。更なる態様において、隣接する（ｘ，ｙ）位置は、約５−１０ミクロン×５−１０ミクロン以上の領域をカバーする。
【０００９】
別の実施形態において、本発明は、シリコン貫通ビア（ＴＳＶ）構造の特徴を測定するためのビームプロファイル反射率（ＢＰＲ）システムに関する。システムは、入射ビームを生成してそれを試料のほうに複数の入射角で指向させるための照明光学素子モジュールと、入射ビームに応答して試料から反射率測定値を得るための収集光学素子モジュールと、上述の方法の操作のうち１つ以上を実行するように構成されたコントローラを含む。
【００１０】
別の実施において、試料上に計測と検査を実行するためのクラスタシステムが開示される。クラスタシステムは、試料を欠陥に関して検査するための検査ツールと、上述のＢＰＲシステムの実施形態のうちいずれかと、１つ以上の試料を検査ツールとＢＰＲシステムの間で移動させるためのウェハハンドリングシステムを含む。別の実施形態において、クラスタシステムは、試料上に加工プロセスを実行するための処理ツールを含み、ウェハハンドリングシステムは、試料を処理ツールに、また、処理ツールから移動させるように構成される。
【００１１】
本発明のこれらおよび他の態様は、図面を参照して以下にさらに説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１Ａ】基板の上であり且つビア内の配線層の堆積を含む基板貫通ビア （ＴＳＶ）プロセスの側面図である。
【図１Ｂ】基板をバックエッチングした後のＴＳＶプロセスの側面図である。
【図１Ｃ】基板をバックエッチングし、ＴＳＶ構造の上への膜堆積の後のＴＳＶプロセスの側面図である。
【図２】裏面に複数のＴＳＶ配線がある複数のダイを有するウェハの上面図である。
【図３】本発明の一実施形態によるビームプロファイル反射率測定法（ＢＰＲ）ツールにおける入射および出射光線を表した図である。
【図４】本発明の技法が実施され得るビームプロファイル反射率測定法（ＢＰＲ）ツールを詳細に表した図である。
【図５】本発明の１つの適用によるＢＰＲシステム向けの高倍率イメージング光学素子を示す図である。
【図６】本発明の特定の実施による、ＴＳＶメトリックを決定するための手順を示すフローチャートである。
【図７Ａ】ＢＰＲシステムを用いて膜厚を決定するプロセスを示す図である。
【図７Ｂ】ＢＰＲシステムを用いて膜厚を決定するプロセスを示す図である。
【図７Ｃ】ＢＰＲシステムを用いて膜厚を決定するプロセスを示す図である。
【図７Ｄ】ＢＰＲシステムを用いて膜厚を決定するプロセスを示す図である。
【図７Ｅ】ＢＰＲシステムを用いて膜厚を決定するプロセスを示す図である。
【図７Ｆ】ＢＰＲシステムを用いて膜厚を決定するプロセスを示す図である。
【図７Ｇ】ＢＰＲシステムを用いて膜厚を決定するプロセスを示す図である。
【図７Ｈ】ＢＰＲシステムを用いて膜厚を決定するプロセスを示す図である。
【図８Ａ】本発明の２つの実施形態による複合計測／検査ツールのバリエーションを示す図である。
【図８Ｂ】本発明の２つの実施形態による複合計測／検査ツールのバリエーションを示す図である。
【図９】本発明の特定の実施による、複数の照明源を用いるＢＰＲシステムの測定ヘッドへの照明を提供するシステムの実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下の説明において、本発明の完全な理解をもたらすために数々の特定の詳細が記載されている。本発明はこれら特定の詳細が一部または全部なくても実施され得る。別の例では、良く知られる構成要素またはプロセス操作は、本発明を不要に不明瞭にしないよう、詳細に説明されていない。本発明は特定の実施形態と併せて説明されるが、本発明をその実施形態に限定する意図はないことが理解されよう。
【００１４】
本明細書に記載される計測および検査技法は、任意の適切な検体に対して実施されてよい。一例の検体は、シリコン貫通ビア（ＴＳＶ）などの、膜厚が測定可能である対象の半導体構造である。検体は、半導体レチクル、ソーラーパネル、コンピュータディスクの形態を取ってもよい。
【００１５】
ＴＳＶプロセスは、銅ビアを電気的に絶縁するために典型的に用いられる。ＴＳＶは典型的にウェハまたはダイを完全に貫通する。ＴＳＶは配線技法を用いて、ワイヤボンドまたはフリップチップなどの他の配線技法への代替物を提供する。ＴＳＶ配線は比較的高い密度を有する可能性があり、例えば、チップから回路基板までの比較的短い接続長を提供する。
【００１６】
図１Ａは、ＴＳＶプロセスの側面図である。図示のように、Ｃｕなどの配線材料１０４が、基板１０２の上且つビア部１０４ａ内に堆積される。ビアは、シリコンを貫通した孔あけまたはエッチングなどの任意の適切なプロセスによって形成されてよい。ビアは、深さ１００乃至２００μｍおよび直径５０乃至１００μｍなどの任意の適切な寸法であってよい。次に基板はバックエッチングされて、図１Ｂに示すようなシリコン貫通ビア（ＴＳＶ）を形成するために配線材料の一部分を露出する。基板１０２は最初は約７５０μｍの厚さを有してよく、次にエッチングされてビア内のＣｕを露出する。
【００１７】
一実施形態において、基板１０２はシリコンウェハ基板である。別の例において、基板は、ゲルマニウム、シリコンカーバイド、ヒ化インジウム、ガリウム砒素、リン酸インジウムなどの任意の適切なバルク半導体材料を含んでよい。基板１０２は、バルク半導体材料上にエピタキシャル層も含んでよい。エピタキシャル層はバルクシリコンの上のゲルマニウム層の形態であっても、または、バルクシリコンゲルマニウムの上に重なる別のシリコン層であってもよい。
【００１８】
基板１０２は他の埋込構造またはドープ部分も含んでよい。付加的に、基板１０２および配線ＴＳＶ層１０４上に、他の半導体、絶縁および導電層がパターニングされてもよい。ドープ領域と他のパターニングされた材料が一体になって種々のデバイス（金属絶縁体半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）デバイス等）、絶縁フィーチャ（シャロートレンチアイソレーションまたはＳＴＩ構造などの誘電体絶縁フィーチャ）などを形成する。
【００１９】
図１Ｂに示すように、ＴＳＶ１０４ａのＣｕ部分１０４ｂは基板１０２の裏側で露出される。配線の問題はデバイスの機能に悪影響を与える可能性があるため、このＴＳＶ１０４ａおよびその露出部分１０４ｂは、検出され厳重に監視されることが好ましい種々の問題を有し得る。例えば、ビアホールは、ビアが傾いて基板表面に対し垂直にならないように孔あけを施される。ＴＳＶ１０４ａは不規則形状を有してよく、空隙を含むか、またはその露出部分１０４ｂ上に粗さを有してよい。
【００２０】
図１Ｃは、基板をバックエッチングし、ＴＳＶ構造の上への膜１０７の堆積の後のＴＳＶプロセスの側面図である。図示のように、ＴＳＶ構造はもはや露出しておらず、膜１０７で被覆されている。一例において、この膜１０７は、プロセス中に、最終デバイスを構築し、例えば高さ１０４ｄを有するＴＳＶ誘電体キャップを形成するためにウェハのＴＳＶ構造の上に堆積される誘電体膜である。
【００２１】
１つの計測目標は、Ｃｕがウェハ裏面を超えて延出する量を特性評価すること（または、１０４ｃの測定）であろう。つまり、この範囲１０４ｃの高さは多くの場合、厳密な仕様内にあることが必要である。もう１つの目標は、ＴＳＶキャップの範囲（例えば１０４ｄ）を測定することであり得る。
【００２２】
図２は、それぞれ裏面（図示せず）に複数のＴＳＶ配線を有する複数のダイ（２０４ａ乃至ｅ等）を有するウェハ２０２の上面図である。異なるダイまたはダイ部分は、上記のＴＳＶ範囲１０４ｃまたは１０４ｄにおける差などの異なる関連するＴＳＶ特性を有し得る。例えば、１つのダイ２０４ａは、基板を全部貫通しないＴＳＶを有し得る。別のダイ２０４ｂは裏面から少しの距離だけ延出するＴＳＶを有し得るのに対し、別のダイ２０４ｃは裏面からより大きい量で延出するＴＳＶを有し得る。
【００２３】
ＴＳＶ範囲の高さを測定することは、カリフォルニア州ミルピタスのＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ製のＭｉｃｒｏ３０００計測モジュール等のプロファイルタイプ計測ツールを用いて達成され得る。このツールは、焦点と、ｚ方向運動に対応するツールの間の差を測定して、各ＴＳＶの範囲を決定する。そのような範囲を測定することはこのタイプのツールでは低速のプロセスであるが、そのような測定は、ＴＳＶがシリコン基板のみを貫通して延在する場合に容易に取得され得る。しかしながら、シリコン基板の裏面が異なる材料の１つ以上の層でも被覆され（例えば、図１Ｂの１０６）、そのためＴＳＶの露出面（１０４ｂ）上の焦点に相対した異なる膜コーティング（複数可）（例えば１０６）の焦点を決定することが難しくなっている場合、測定の問題が発生する可能性がある。例えば、計測ツールからの光学的入射光をいくつかの膜が透過するのに対し、他の膜は不透過である。
【００２４】
本発明の或る種の実施形態は、ビームプロファイル反射率測定法（ＢＰＲ）ツールを用いてＴＳＶ構造の特徴を測定する。図３は、本発明の一実施形態によるＢＰＲツールにおける入射光線と出射光線の図である。典型的なＢＰＲツールにおいて、１つ以上のレンズ（例えば、ビームスプリッタ３０４）は、入射光３０２をコリメートして試料３０６上のスポットの上に集束させるように働き得る。入射ビーム３０２は、スポットサイズを最小化して分解能を最大化するために試料３０６の表面に対して実質的に垂直に集束されてよい。
【００２５】
入射ビーム３０２の個々の光線は、照明レンズの開口数に依存する異なる入射角を有する。１つのＢＰＲシステムにおいて、開口数は、到達する入射光線を約０°から６５°等の広範な角度で試料３０６に入射させるように、大きくなっている、例えば、０．９。光の各光線はウェハに特定の角度で入射する。この角度は、ビーム内の光線の位置に依存する。例えば、反射光線３０２ａは、試料３０６の表面に対して垂直な角度としてビームスプリッタ３０４に当たって反射する。直角（０度）は、試料面に対して垂直である軸３０８に対応する。３０２ｂ等の他の入射光線は試料面に衝突するより大きな入射角を有する。これらの光の光線は試料上に広範な入射角を有する。この図において、１つの光線（ビームの中心）は入射角０°（ウェハ上に垂直）を有し、別の光線は５０°等のより高い入射角を有する。１つの実施において、光の波長は約６７３０Åである。  
【００２６】
試料３０６から反射された出射光光線３１０は１つ以上のレンズ（例えば、ビームスプリッタ３０４）を通過して、検出器アレイ３１２等の１つ以上の検出器によって収集される。アレイ検出器は、光線を入射角の関数として検出するように構成される。つまり、試料上で特定の入射角での入射光線によってイメージングされる各ピクセル位置は、アレイ検出器上の検出されたピクセルに対応する。つまり、各検出されたピクセルは異なる入射角に対応することになる。例えば、５１２個のピクセルの測定値が存在する可能性があり、各ピクセルは入射角の関数としての反射率の測定値である。
【００２７】
図４は、本発明の技法が実装されてよいビームプロファイル反射率測定法 （ＢＰＲ）ツール４００の詳細図である。システム４００は、光を試料４１０のほうに指向させる１つ以上の光源（例えば、４０２ａおよび４０２ｂ）を含んでよい。任意の適切な個数およびタイプの光源が実装されてよい。例えば、光源４０２ａはレーザーダイオード（例えば６７３ｎｍ）の形態であってよく、光源１０２ｂは白色光源の形態を取ってよい。
【００２８】
入射光は、複数の異なる入射角を、試料４１０の特定のスポットに指向させ集束するための構成、サイズおよび形状の任意の適切なタイプおよび個数のビームスプリッタおよびレンズ（例えば、４０４ａ、４０４ｂ、４０９）を通過してよい。１つの適用例において、レーザー光源４０２ａは複数の入射角を有する６７３ｎｍ以下の光線束を生成し、それは次にコリメートされて試料４１０に集束される。
【００２９】
システム４００はさらに、入射ビームに応答して試料４１０から反射された出射光を、１つ以上の検出器またはセンサ（例えば、４０６ａ、４０６ｂ、４０６ｄ、４０６ｅ）に指向させる任意の適切な個数およびタイプのビームスプリッタ およびレンズ（例えば、４０４ｂ、４０４ｃ、４０４ｄ、４０４ｅ、４０４ｆ）をも含んでよい。例えば、検出器は、Ａアレイ検出器４０６ａ、Ｂアレイ検出器 ４０６ｂ、反射レーザー光検出器４０６ｃ、オートフォーカス検出器４０６ｄおよびビデオカメラ４０６ｅの形態を取ってもよい。ＡアレイおよびＢアレイ検出器は、反射光からｓ偏光性とｐ偏光性を収集するために配置されてよい（例えば、ＡアレイはＢアレイに対して垂直である）。オートフォーカス検出器は、試料がレーザービームの焦点に位置しているかどうかを検出するために用いられる。オートフォーカス信号は、予め設定されたオートフォーカス信号が見つかるまでｚステージを移動させるために用いられる。システム４００は入射光パワーメータ４０６も含んでよい。
【００３０】
システム４００はさらに、システムの種々の構成要素を制御するように働くコントローラ４１２を含んでよい。例えば、コントローラ４１２は１つ以上のプロセッサとメモリを含んでよい。コントローラのプロセッサ（複数可）およびメモリは、システムの種々の設定を制御して調節するようにプログラムされてよい。各プロセッサは典型的に１つ以上のマイクロプロセッサ集積回路を含んでよく、さらに、インターフェースおよび／またはメモリ集積回路を含んでよく、付加的に１つ以上の共有および／またはグローバルメモリデバイスに結合されてもよい。コントローラのプロセッサ（複数可）およびメモリはさらに、検出器から出力信号または画像を受け取ってそのようなデータを欠陥検出または計測目的で解析するように構成されてもよい。
【００３１】
コントローラはさらに、試料がその上に配置されるステージを移動させるための位置決め機構を含んでよい。オートフォーカスモジュールと、コントローラの位置決め機構は、最適焦点を達成するために協働して試料ステージを位置決めしてよい。照明光学素子カラムはステージに対してｘ、ｙおよび／またはｚ方向に動かされてもよく、および／またはステージはレチクルのパッチを走査するために、任意の適切な機構によって光学素子カラムに対してｘ、ｙおよび／またはｚ方向に移動されてもよい。例えば、ステージを移動させるためにモータ機構が利用されてよい。モータ機構は、例を挙げれば、ねじ駆動装置およびステッパモータ、フィードバック位置を伴うリニアドライブまたはバンドアクチュエータおよびステッパモータから形成されてよい。
【００３２】
位置決め機構はさらに、一般に、ステージと試料のｘ、ｙまたはｚ位置を決定するために読み取られ得る１つ以上のエンコーダを含み、ｘ、ｙまたはｚ位置は次に、本明細書でさらに説明されるＴＳＶ高さを決定するために用いられる。
【００３３】
アレイ検出器は、各入射角、または入射角の小セットに対応する、ならびに直線ｓおよびｐ偏光に対応する光を測定するために用いられ得る。例えば、各アレイ ピクセルは、入射ビームがそのような試料に特定の入射角で衝突したことに応答して試料から反射または散乱される光を検出してよい。図５は、本発明の適用によるＢＰＲシステムの高倍率イメージング光学素子を示す。例えば、システム倍率は１００ｘとなるように構成される。ｈ０が主光軸より上の光の平行光線の高さである場合、Ｆ１は焦点であり、θ１は、Ｆ１（例えばレンズ４０９）を通過するときのｈ０を通過した光線の角度である。ＢＰＲでは、試料面からの光は再び高倍率レンズを通過し、それが光線を屈折させて平行に戻す。レーザースポットの中心からの距離ｈ０、角度θ１および有効焦点距離Ｆ１は以下の式に従う。
【００３４】
ｈ０／Ｆ１＝ｓｉｎ（θ１）
【００３５】
ＢＰＲシステムには、レーザーの断面の画像を拡大する付加的なリレーレンズがあり得る。Ｍが拡大率でありＤｐがピクセルアレイでの拡大されたレーザースポットの中心からの距離である場合、ｈ０＝Ｄｐ／Ｍとなる。
【００３６】
Ｄｐ＝ピクセル＃（中心から）×ＰＷ（ピクセル幅）であり、したがって、
（ピクセル＃）×（ＰＷ）／（Ｍ×Ｆ１）＝ｓｉｎθ１
【００３７】
項（ＰＷ）／（Ｍ×Ｆ１）は各アレイで一定となる傾向にあるため、Ａアレイに関するαとＢアレイに関するβの２つの項が定義され得る。
【００３８】
Ａアレイに関して：（Ａアレイの中心からのピクセル＃）×０．０１×α＝ｓｉｎ（θＡ）
【００３９】
Ｂアレイに関して：（Ｂアレイの中心からのピクセル＃）×０．０１×β＝ｓｉｎ（θβ）
【００４０】
レンズの開口数（ＮＡ）は、光がレンズシステムに集束される最大角に関連する。
【００４１】
Ａアレイに関して：ＮＡ＝（Ａアレイの中心からの最大ピクセル＃−１）×０．０１×α＝Ｓｉｎ（θＭａｘ）
【００４２】
Ｂアレイに関して：ＮＡ＝（Ｂアレイの中心からの最大ピクセル＃−１）×０．０１×β＝Ｓｉｎ（θＭａｘ）
【００４３】
ＢＰＲの最小許容開口数は、例えば約０．８４に選択され得る。
【００４４】
ＢＰＲ技術は、表面の偏光反射率を、高ＮＡ（典型的には０．９５）対物レンズの後焦点面をアレイ検出器上にイメージングすることによって入射角の関数として測定するために用いられ得る。角度変動関数はさらに、膜厚および他の光学的特性を、モデルまたは如何なる仮定を考慮する必要もなく決定するために豊富な情報を提供するために、所与の波長で測定され得る。高ＮＡおよびレーザー源の使用により、ＢＰＲシステムは非常に高い空間分解能（〜０．５μｍ）も有し、したがって、膜の厚さが顕微鏡スケールで変動する粗い表面を測定するためにも適切な精度を提供できる。ＢＰＲの高い空間分解能および高速の測定速度により、表面上の領域が走査されて、被走査領域にわたる厚さ変動が求まる。こうして、実際の表面粗さが測定されて求まる。そのような厚さ変動に対する各層の寄与も決定され得る。再び、高ＮＡ設計により、ＢＰＲシステムは非常に正確な高さ感度を提供できる。一実装において、光が対物レンズを高精度で通過するオートフォーカス（ＡＦ）機構も構築される。
【００４５】
ＢＰＲシステムを用いて周囲の膜表面（例えば、１０６または１０７）に相対したその高さ（例えば、１０４ｃまたは１０４ｄ）などのＴＳＶの特徴を測定するために、任意の適切な技法が実装されてよい。図６は、本発明の特定の実施によってＴＳＶメトリックを決定するための手順６００を示すフローチャートである。最初に、プロセス６００は、操作６０２で第１のＴＳＶの上のｘｙ位置に移動することを含む。例えば、ビーム経路は、第１のＴＳＶに衝突するために試料上の第１のＴＳＶ構造に相対して移動される（試料および／またはビームカラム光学素子が動かされる）。各ＴＳＶ構造の位置はデザイナー（例えば、ＧＤＳＩＩファイル内の）によって提供され検査ツールに入力されてよく、それが第１のＴＳＶ位置に自動的に移動するか、オペレータが手動で、検査ツールの第１の位置へのそのような移動を引き起こす。
【００４６】
次に、操作６０４において、オートフォーカス信号を用いて、最適焦点を得るべくｚ位置を調整してもよい。例えば出射ビームの一部は、オートフォーカス検出器（例えば、４０６ｄ）へと受け入れられて、オートフォーカス信号を生成するために用いられてよく、オートフォーカス信号は、より最適な焦点を達成するためにｚ位置が調整されるべきかを決定するために解析される。特定のｚ位置は、ステージを位置決め機構（例えば、４１２）を介して上下に移動させることによって達成され得る。最適焦点は、例えば、ナイフエッジチョッパの後に、反射レーザービームの所望の焦点位置に配置されるバイセル検出器の信号を平衡した場合に達成され得る。Ｚ位置も、操作６０４で記録される。例えば、エンコーダ ｘｙｚ位置（ステージ上に配置される）が、現在のＴＳＶと連携させて後で用いるために読み出され、メモリに記録／記憶されてよい。
【００４７】
現在のｘｙｚ位置でのＢＰＲ測定値が次に操作６０６で取得される。つまり、異なる入射角でのＢＰＲ測定値が取得される。これらのＢＰＲ測定値は次に、操作６０８でそのｘｙ位置での１つ以上の膜の膜厚（例えば、ｔ１、ｔ２等）を求めるために用いられる。例えば、リニアアレイ検出器は、異なる入射角での５１２ピクセルまたは５１２測定値を検出するために動作可能であり得る。つまり、反射率が入射角の関数として測定され、これらの反射率測定値は次に、膜厚値（複数可）を決定するために合わせて解析される。
【００４８】
ＢＰＲ測定から膜厚を求めるために、任意の適切な技法が利用されてよい。図７Ａ乃至７Ｈは、ＢＰＲシステムを用いて膜厚を決定するプロセスを示す。空気と膜の単一の界面に関して、図７Ａは、入射光（７０２）の一部が界面空気／膜で反射光（７０４）として反射され、入射光の一部が屈折光（７０６）として膜に屈折することを示している。反射光（７０４）に屈折光（７０６）を足すと入射光（７０２）に等しくなる。さらに、反射光と屈折光の割合は入射角、膜の屈折率ｎ１および入射面に依存する。この場合、屈折率ｎ１は１より大きく、反射光は４０％であり、屈折光は所与の角度ｉおよび所与の入射面に関して６０％である。 
【００４９】
光線は、バイブレーションまたはオシレーション成分を有する波として表され得る。このオシレーションは、図７Ｂに図示するように、伝播方向７１２と偏光方向７１４を有する入射ビーム７１０ａおよび７１０ｂに関して伝播方向に対して常に垂直である。加えて、空間内のオシレーション周期は光波長である。光の通常の光線は偏光されない。つまり、この通常の非偏光の光線は、伝播の方向を包含する全てのあり得る面内でランダムに発生するオシレーションを有する。
【００５０】
図７Ｃは、平面７２２に対して垂直に伝播する非偏光光７２０の光線を示す。矢印（平面７２２上に示されている）はオシレーションの方向のうちいくつかを象徴する。直線偏光光の光線は１つの面のみにオシレーションを有する（例えば７２４）。偏光子は非偏光の光を直線偏光光に転向する。類似したものは、中を非偏光光が通過する薄型平行ワイヤグリッドである。ワイヤに対して平行に偏光された光は吸収され、その結果、透過した光はワイヤに対して垂直な偏光成分のみを有する。ワイヤグリッド偏光子は伝統的な偏光子であり、複屈折結晶または薄膜コーティングに基づくもののような他のタイプの偏光子も入手可能であり、用いられてよい。例は、グラントムソン偏光子またはキューブ偏光子を含む（例えば、図７Ｃの７２６）。
【００５１】
入射面が偏光方向に対して垂直であれば（すなわち、オシレーションが入射面に対して垂直な面内にある）、入射面はｓ面と呼ばれ、光線はｓ偏光したと言われる。図７Ｄは、入射面７３６内の入射ビーム７３４のｓ偏光方向７３２を示す。別の入射ビーム７４２の入射面７３６が偏光方向７３８を含む場合（すなわち、光が入射面７３６内で振動する場合）、入射ビーム（７４２）の入射面（７３６）はｐ面であり、光線はｐ偏光したと言われる。
【００５２】
図７Ｅは、（反射振幅）／（入射振幅）の比率の、入射角の関数としての理論的変動を表す。入射角０°（垂直光線）に関して、ｓ偏光とｐ偏光の反射振幅は同じ（反射／入射＝Ｒ０）であることに留意されたい。ｓ偏光光に関して、反射光の強度は入射角につれて増加する。ｐ偏光光に関して強度は先ず減少し、次に増加する。
【００５３】
ブルースター角（Ｂｒｅｗｓｔｅｒ’ｓ  ａｎｇｌｅ）（ｉＢ）は、ｐ偏光光線に関して反射強度が０に等しい入射角である。振幅は符号を変えて負になり得るが、ＢＰＲシステムによって測定された強度（強度＝振幅の二乗）は常に正である。図７Ｅの破線曲線はＢＰＲシステムが有効に測定するものに対応する。
【００５４】
ブルースター角では、ｐ偏光光は膜によって反射されず、全てのｐ偏光入射光は膜に屈折され、それは次に基板によって反射され、光線＃２として出てくる。薄膜では、光線＃１と＃２の間の変位は非常に小さく、互いにコヒーレントに重畳を有する。この入射角ｉＢに関して反射光線＃１は存在しない。しかしながら、以下に説明するように、ＢＰＲシステムは光線＃１、光線＃２および全ての逐次反射光線を測定してシミュレートして、図７Ｅに示すように膜厚を決定する。
【００５５】
ブルースター角は一般に、空気の屈折率および膜の屈折率に、以下の関係で依存する。
【００５６】
ｔａｎ（ｉＢ）＝ｎ１／ｎ０
【００５７】
この角度での値は膜の屈折率ｎ１に関する情報を提供する。界面空気／酸化物に関して、ｉＢ＝５５°である。空気／窒化物に関して、ｉＢ＝６３°であり、空気／ポリＳｉに関して、ｉＢ＝７５°である。
【００５８】
光は波またはオシレーションによって記述され得る。各波は振幅、波長および位相を有する。次に、空気／膜および膜／基板の形態の２つの界面が、図７Ｆに示すように考察される。光線＃１は、上部界面で反射される光線であり、光線＃２は膜に屈折され、基板から反射され、上部界面から外に出る光線である。
【００５９】
膜を出た後で、反射光線＃１と＃２は平行である（同じ角度ｉ）。この例において膜厚ｔは小さいため（例えば１μｍ）２つの光線は実際に一致している。検出器が両方の反射光線を収集する場合、それらのオシレーション振幅の合計を測定することになる。
【００６０】
光線＃２は光線＃１よりも長い距離（中心光線に関して膜の内側の２ｄ）を移動した。余分移動（２ｄ）は膜の内部であった。この移動距離は、より高い膜屈折率ｎ１故に、空気中よりも緩慢な速度で光線＃２によって通過される。この余分の移動距離は結果として、２つの光線のオシレーション位相間の遅延を引き起こす。光線＃１と光線＃２が試料の外部で互いに平行に移動する所与の位置で、光線＃１の最大振幅は、光線＃２の最大振幅と一致しない可能性がある。つまり両光線は同相でオシレートしていない。
【００６１】
光線＃１と光線＃２は、それらの位相差が光波の周期の倍数であれば同相である。すると２つの光線＃１と＃２の合計は最大となる：振幅光線＃１＋振幅光線＃２（建設的干渉）。対照的に、光線＃１と光線＃２は、光線＃２のオシレーションがその最小で光線＃１のオシレーションがその最大である場合に逆位相である。この後者の事例では、２つの光線＃１と＃２の合計は最小となる：振幅光線＃１−振幅光線＃２（破壊的干渉）。
【００６２】
この位相遅延は余分な移動の長さ２ｄ、膜内の光伝播の速度ｖ、入射角および光の波長に依存する。余分な移動距離２ｄのほうは膜の厚さｔと角度ｒに依存し、ｒは角度ｉに関連する（スネルの法則）。膜内の光波の伝播の速度ｖは：
ｖ＝ｃ／ｎ１
但し、ｃは真空における（または空気内の）光速度であり、ｎ１は膜の屈折率である。
【００６３】
膜内で、光線＃２は空気内よりも遅い速度で伝わる。空間内の波の周期は速度のように変動する。屈折率が大きければ大きいほど、速度が小さくなり、空間内の周期が小さくなる。反射光の強度は光の入射角ｉ、膜屈折率ｎ、膜吸光係数ｋ、 膜厚ｔ、光の波長λ、および光の偏光に依存する。
【００６４】
要約すると、光の入射角は、光を集束するためにレンズのどの部分が使用されるかに依存する。ＢＰＲシステムは一般に、ある範囲の入射角にわたり０．９または ０．７ミクロンサイズのスポットまでに集束される入射光光線のコリメートされた円筒形ビームを集束する。反射角は入射角と等しいため、出射レンズは反射光ビームもコリメートする。入射光は各界面で反射と屈折の両方を成し、各界面での反射と屈折の角度は、対応する入射角に依存する。各入射角に関して、薄膜干渉が、測定される反射強度を決定する。入射ビームはさらに直線偏光されるため、偏光方向（Ｓ、Ｐまたは混合）は次に、入射または反射ビームを二等分する特定の面を選ぶことによって選択され得る。すると、ＡアレイとＢアレイはそれぞれ、Ｓ偏光光のみ、およびＰ偏光光のみを検出するように配向され得る。結果として得られる信号は、例えば、Ａアレイまたはｓ偏光反射率に関して図７Ｇで図示するような、角度に対する反射率である。
【００６５】
異なる入射角でのこれらの反射率測定値は次に、１つ以上の膜厚値を決定するために用いられ得る。例えば、図７Ｈに示すように、ｘｙ位置７５０ａ（ＴＳＶポストの上部のポスト）における厚さｔ１が決定され得る。フレネル係数を解く等の任意の適切な技法が用いられてよい。層厚さに関する情報が、反射率、入射角および層厚さを関係付ける数学的モデルまたは方程式のセットでの測定された反射率情報を用いて特定的に導出される。用いられる方程式は周知のフレネルの式に基づく。Ｓ偏光光に対する試料の反射率に関する主方程式は以下である：
【００６６】
【数１】
2019518198.tif 000003
【００６７】
但し、Ｒｓは分離された強度測定から派生した光の反射率であり、空気内の屈折率を１として取り、ｔは層の厚さである。式［１］における定数ｋは以下の式によって得られる。
【００６８】
【数２】
2019518198.tif 000004
【００６９】
但し、λはレーザービームの波長である。全てのｒ値は、ｓ偏光光の反射率に関するものであり、ｒＳ１は薄膜層の上面からの反射率であり、ｒＳ２は膜と基板の間の界面からの反射率である。
【００７０】
Ｓ偏光光に関して、表面薄膜層（ｒＳ１）および基板（ｒＳ２）からの反射率は以下の式から得られる： 
【００７１】
【数３】
2019518198.tif 000005
【００７２】
【数４】
2019518198.tif 000006
【００７３】
但し、ｎＬは薄膜層の屈折率であり、ｎＳは基板の屈折率であり、θｏは空気と薄膜層の表面との間の界面での入射角であり、θＬは薄膜層における入射角であり、θＳは基板における入射角である。
【００７４】
Ｐ偏光光に関して、薄膜層の表面（ｒＰ１）および基板（ｒＰ２）からの反射率は以下の式から得られる：
【００７５】
【数５】
2019518198.tif 000007
【００７６】
【数６】
2019518198.tif 000008
【００７７】
ｐ偏光光の検出された反射率は以下である。
【００７８】
【数７】
2019518198.tif 000009
【００７９】
薄膜層の厚さは、上記で説明したように入射角の関数として得られた測定反射率値に、式［１］−［７］を用いて最良適合シミュレートされた反射率に基づいて導出され得る。基板上の膜の複数の層に関して、式［１］−［７］が帰納的に適用されて全膜スタックの反射率を求める。ガウス・ニュートン法、またはＬＭ法等の、多くの非線形最適化アルゴリズムが最良適合を求めるために用いられ得る。
【００８０】
結果の精度は、試料による光吸収および有限検出器サイズの効果等の因子を考慮に入れる解析がなされればさらに改良され得る。吸収の量は材料ごとに異なる。その材料が既知のものであれば、決定をさらに精錬するために式［１］−［７］に種々の補正係数が組み込まれてよい。吸収補正は、式［１］−［７］において屈折率ｎＳ，ｎＬをｎＳ＋ｉｋＳおよびｎＬ＋ｉｋＬに置き換えることによって容易になされることができ、したがって、全ての数学的演算は複素数に基づき、ｋは吸収係数に関連する屈折率の虚部分である。数値解は、例えば、最小二乗適合ルーチンを用いて追及されてよい。そのような数値解析は、層の厚さの近似解がプロセス情報から典型的に知られているという事実によって大きく促進される。したがって、最小二乗適合ルーチンが、層厚さの確からしい解を入力することで、一組のフレネルの式を解くために用いられ得る。解がこのように精錬されると、測定の精度は大きく改良される。
【００８１】
上記の演算は、ＴＳＶを含まない表面の部分からの信号を得るために、現在のＴＳＶに隣接するｘｙ位置に関して繰り返される。図１Ｂの例において、隣接する位置は、ＴＳＶ領域１０４ａに隣接する面１０６に配置されている可能性がある。図１Ｃにおいて、隣接位置は面１０７に配置されている可能性がある。図６に戻ると、プロセス６００は、操作６１０で、現在のＴＳＶに隣接するｘｙ位置に移動することを含む。操作６１２において、最適焦点を得るためにｚ位置を調節し、現在のｘｙ位置のｚ位置を記録するためにオートフォーカス信号が用いられる。次に、操作６１４で、ＢＰＲ測定値がこの現在の隣接するｘｙｚ位置で得られる。操作６１６で、これらのＢＰＲ測定値は、隣接する位置（例えば、Ｔ１、Ｔ２等）の膜厚を求めるためにも用いられる。例えば、図７Ｈに示すように、Ｔ１およびＴ２の厚さ値は、ＴＳＶ構造に隣接するｘｙ位置７５０ｂに関して見出されてよい。
【００８２】
スポットサイズがやや小さい（例えば、０．７ミクロン）ため、厚さは大きくは変わらない。特定の実施形態において、プロセス６００は、約５−１０ミクロン×５−１０ミクロン等の特定の走査領域内の各位置に関して繰り返され得る。スポットは、例えば、この特定の領域に対して１ミクロン刻みに移動され得る。こうして、特定のＴＳＶ領域に関して多数のセットの測定が得られ、これらの測定は、特定の領域に関する複数のセットの厚さを決定するために用いられ得る。
【００８３】
操作６１８において、ＴＳＶの高さ（周囲の膜表面より上の）も、上部および隣接する測定結果、記録されたｚ位置、および特定された膜界面特性に基づいて決定され得る。つまり、２つのｘｙ位置に関して得られた厚さとｚ位置が、そのようなｘｙ位置の相対高さを決定するために用いられ得る。
【００８４】
例えば、第１と第２のｘｙ位置の記録された高さの間の差が、ＴＳＶ構造の高さとして報告されてよい。この高さはさらに、ユーザが定義したｚ基準に相対して報告されてよい。例えば図７Ｈに示すように、ｚ基準は、厚さＴ２を有する層の上部に関して設定され得る。一般に記録されたｚ位置は、オートフォーカス信号が所望の値を出力するステージのｚ位置に関し、その位置で、実際のビーム焦点が典型的に膜スタックの中心にある。ビーム焦点に相対した実際の表面の位置は、決定された厚さの値を各ｘｙ位置の入力として取るアルゴリズムによって決定され得る。複数のｘｙ位置の相対高さも、粗さのメトリックとして用いられ得る。
【００８５】
図６に戻ると、次に操作６２０において、さらなるＴＳＶ構造が存在するか否かが判断されてよい。さらなるＴＳＶ構造が存在すれば、プロセス６００が次のＴＳＶ構造に関して繰り返される。存在しない場合、プロセスは終了する。
【００８６】
本発明の特定の実施形態は、小さいスポットサイズを有するＢＰＲシステムを用い、それは、適切な空間分解能を提供し、したがって、粗い表面に関して膜厚と相対高さ（または粗さメトリック）を測定するための高い精度を提供する。高い空間分解能は、典型的なＢＰＲシステムレイアウトの高ＮＡ特徴と関連する。小さいスポットサイズと高い測定速度は、領域の走査と、領域内の複数の地点の測定を可能にし、それは、高空間分解能での表面粗さの測定と、膜の異なる層の粗さの分離を可能にする。ＢＰＲシステムは反射率変動を入射角（ＡＯＩ）の関数として測定するために用いられ、それは、膜厚と光学的特性を、分散モデルの必要なく同時に測定することを可能にする豊富なセットの情報を提供する。本明細書に説明されるある種の技法はさらに、構造高さを高精度で測定する方式を提供するが、それは、（ａ）高ＮＡシステムが高さに対する高い感度を提供し、（ｂ）膜厚それぞれはＢＰＲ信号の解析によって分離され得る、からである。
【００８７】
ＢＰＲシステムはスタンドアローンシステムの形態を取ってもよいし、または、クラスタツールに統合されてもよい。１つの特定の実装において、ＢＰＲおよび他の計測フィーチャ（例えば、ＣＤ、オーバーレイ、膜組成等）の測定、または、反射計測もしくは散乱計測電磁波形または同じ測定システム上の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像または信号を用いる、あるいは、ロボットウェハハンドリングシステムの少なくとも一部を共有するリンクされた測定システムを用いる欠陥検出を用いた複合システムが、半導体ウェハ上のＴＳＶ厚さの測定を可能にする。ＴＳＶ構造特性および他の計測または検査特性を測定する方法はスケジューリングされて別個の測定システムで実行されてよい。別個の測定システムでそのような特性を測定する方法の１つの欠点は、スケジューリングを行い、別個の計測ツールで別個の操作を実行するために必要な追加の時間である。別の欠点は、共通部品の重複と、それに付随するコストである。
【００８８】
これらの欠点を克服するために、ＢＰＲと検査／計測を組み合わせる計測システムが提供されてよい。一実施形態において、ＢＰＲと検査／計測システムは、個別の動作が可能であるが、ロボットウェハハンドリングシステムの少なくとも一部を共有する方式でリンクされる別個のシステムであってよい。
【００８９】
作動時、一枚のウェハ、ウェハの群、または複数のウェハのバッチが、ウェハ容器をこの複合計測／検査システム専用のロボットウェハハンドリングシステムに装填することによって複合計測システムに導入されてよい。ウェハの一部または全部のＢＰＲ測定、およびウェハの一部または全部の他の計測／検査測定を指定する測定レシピが選択されてよい。ＢＰＲ測定および他の計測／検査測定は、１つ以上のレシピに一緒に指定されてもよいし、または別々のレシピに指定されてもよい。ＢＰＲおよび他の計測／検査測定が、同じウェハまたは異なるウェハ上に、または同じウェハのうち一部またはいくつかの異なるウェハ上に行われてよい。ＢＰＲおよびその他の計測／検査システムは並列に作動しても直列に作動してもよい。
【００９０】
複合計測システムの別の例は、ＢＰＲシステムと、カリフォルニア州ミルピタスのＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒによって製造されたいずれかのような別の計測／検査、ロボットハンドラおよびウェハスケジューリングシステムを備えたリンクされたシステムであり得る。ＢＰＲシステムはさらに、プロセルツールとクラスタ化されてよい。工場オートメーションへの通信および／または工場情報、および／または工場プロセス制御システムは、別個の通信またはオートメーションシステムによるものであっても、または少なくとも部分的にまたは完全に共有されてもよい。
【００９１】
複合ＢＰＲおよびその他の計測／検査システムの１つの利点は、ＢＰＲおよびその他の測定のスケジューリングおよび／または実行を完了するために要する全体的時間の削減である。少なくとも１つのキュー遅延時間が排除され得る。
【００９２】
図８Ａおよび８Ｂは、本発明の２つの実施形態による複合計測／検査ツール８００および８０１の変形例をそれぞれ示す。両図において、複合計測／検査ツールは、ロボットウェハハンドリングシステム８０２、ＢＰＲモジュール８０４、別の計測／検査モジュール８０６、ウェハ装填位置Ａ８０８およびウェハ装填位置Ｂ８１０をそれぞれ含む。
【００９３】
ロボットウェハハンドリングシステム８０２は、ＢＰＲモジュール８０４と計測／検査モジュール８０６の間で、ならびにウェハ装填位置Ａ８０８とＢ８１０の間でウェハを双方向に移送するように構成される。ＢＰＲモジュール８０４は、高さ、膜厚および粗さ等のＴＳＶ特性を測定するように構成される。計測検査モジュール８０６は欠陥を検出するように構成されてよく、または、線幅、トップ線幅、ビア直径、側壁角およびプロファイル等のオーバーレイまたはクリティカルディメンションなどの任意のメトリックを測定するように構成されてよい。ウェハ装填位置Ａとウェハ装填位置Ｂは、１つ以上のウェハを保持するように構成されてよい。ほとんどの場合、それらは複数のウェハを保持する。ウェハは同じロットからでも異なるロットからでもよい。
【００９４】
特定の実施において、システム８００は強度信号またはウェハの画像を取得する検査器検査ツールシステム（８０６）を含む。例えば、検査ツールは光学的画像を構築してもよく、または、反射、透過、または１つ以上の光センサに指向された検出光の部分に基づいてウェハの部分の強度値を生成するように構築されてよい。検査ツールは次に、欠陥検出解析のために、強度値または画像ならびにエンコーダ位置データを出力してよい。
【００９５】
図８Ａおよび８Ｂにおいて、ＢＰＲモジュール８０４と計測／検査モジュール８０６は、ロボットウェハハンドリングシステム８０２を介して統合される別個のシステムである。
【００９６】
ＢＰＲモジュールは、図４のＢＰＲシステム４００等の任意の適切な形態を取ってよい。検査／計測モジュールは、試料の特性を測定するため、またはそのような試料上の欠陥を検出するために、１つ以上の電磁波波形で試料を検査するための任意の適切な形態を取ってよい。検査システムの例は、カリフォルニア州ミルピタスのＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒから入手可能な、特別仕様の２９ｘｘ、８ｘｘｘ、または３ｘｘｘ検査システムファミリーを含む。
【００９７】
一プロセスにおいて、ウェハ装填位置Ａおよび／またはＢからのウェハのうちいくつかは、ＢＰＲモジュール８０４でＴＳＶ特性を測定され、その後、その他の計測または検査特性を計測／検査モジュール８０６で測定される。ウェハは、システムから取り外されずに両プロセスによって測定され得る、すなわち、ウェハハンドリングの問題ならびにそれにまつわるスループットの問題が低減される。別の操作において、ウェハ装填位置Ａおよび／またはＢからのウェハのうちいくつかのウェハは、ＢＰＲモジュール８０４でＴＳＶ特性を測定され、ウェハ装填位置Ａおよび／またはＢからのウェハのうちその他のウェハは、その他の計測または検査特性を計測／検査モジュール８０６で測定される。これらの操作いずれにおいても、ＢＰＲおよび計測／検査モジュールは、個別且つ同時に進行できる。
【００９８】
一群のウェハが先ず、ＢＰＲモジュール８０４または検査／計測モジュール８０６のいずれかによって受け取られてよい。例として、ウェハは、位置Ａ８０８に装填されるウェハロットであってよい。その一群のウェハからのウェハのＴＳＶ特性がＢＰＲモジュール８０４によって測定される。次に、その一群のウェハからのウェハへの別の計測または検査プロセスが計測／検査モジュール８０６によって実行されてよい。そのようなＢＰＲおよびその他の計測／検査操作は、異なるウェハ上に同時に実行されてよい。ウェハの移送は例えば、図８Ａおよび８Ｂに示されたロボットシステム８０２によって実行されてよい。全ての測定が実行されると、一群のウェハは、例えば位置Ｂ８１０で計測ツールから放出される。
【００９９】
上述のＢＰＲシステムは本発明の範囲を限定するものではない。本明細書に記載される本発明の技法は、図４のシステム等の任意の適切なＢＰＲシステムに対して実施されてよい。別の実施形態において、ＢＰＲシステムは複数の波長範囲を生成するように動作可能な照明システムを組み込んでいる。本開示のいくつかの実施形態において、複数の照明源からの照明ビームは組み合わされて、１つ以上の選択された波長での照明を測定ヘッドに供給する。異なる波長範囲で不透過または透過になる異なる膜または基板材料に関して、異なる波長範囲が選択され得る。つまり、試験領域膜のうち１つ以上が透過性となる波長範囲が選択され得る。
【０１００】
例示されたシステムで用いられ得るいくつかの多波長および多入射角検出器の実施形態は、２０１０年２月２３日に発行されたＪｏｎ Ｏｐｓａｌによる米国特許第第７,６６７,８４１Ｂ２号および１９９７年１月２１日に発行されたＪｅｆｆｒｅｙ Ｔ．Ｆａｎｔｏｎほかによる米国特許第５,５９６,４１１号にさらに説明されており、それら特許はあらゆる目的で全体を参照することにより本明細書に組み込まれる。図９は、本発明の特定の実施による複数の照明源９０２を用いたＢＰＲシステムの測定ヘッドに照明を提供するためのシステム９００の一実施形態を示す。照明源９０２から発せられた照明は統合されて、複数のダイクロイックコンバイナ９１０を用いる共通照明路に沿って伝播してよい。一実施形態において、ダイクロイックコンバイナ９１０は、照明を自由空間照明路に沿って指向させるように構成される。いくつかの実施形態において、照明路の少なくとも一部は集束レンズ、ビームスプリッタ、コンバイナ、鏡、カップリングレンズ、光ファイバー、減衰装置、偏光子、コリメーションレンズ等の１つ以上の光学素子によって輪郭を決められる。
【０１０１】
一実施形態において、システム９００は、限定はしないが、第１の照明源９０２Ａ、第２の照明源９０２Ｂ、第３の照明源９０２Ｃ、第４の照明源９０２Ｄ、第５の照明源９０２Ｅおよび第６の照明源９０２Ｆを含む。各照明源９０２は、選択された波長または選択された波長範囲で照明を提供するように構成されてよい。１つの例示的実施形態において、第１の照明源９０２Ａ、第２の照明源９０２Ｂ、第３の照明源９０２Ｃ、第４の照明源９０２Ｄ、第５の照明源９０２Ｅおよび第６の照明源９０２Ｆはそれぞれ、照明を４８８ｎｍ、６８５ｎｍ、４４３ｎｍ、６３８ｎｍ、４０５ｎｍおよび５３２ｎｍ波長で提供するように構成されてよい。ここで、上記の例示的実施形態は例示の目的で含まれており、本開示への限定として解釈されるべきではないことに留意されたい。別の実施形態では、別のセットの波長で照明を提供するように構成された照明源９０２が選択されてよい。
【０１０２】
照明源９０２は、限定はしないが折り畳み鏡９０８（折り畳み鏡９０８Ａ、９０８Ｂを含む）とダイクロイックコンバイナ９１０を含む光学素子によって輪郭を決められるガイド経路に、それぞれのコリメーションレンズ９０４（コリメーションレンズ９０４Ａ−９０４Ｆを含む）を介して照明を伝播するように構成されてよい。システム９００はさらに、照明源９０２とガイド経路の間に配置されたシャッター９０６（シャッター９０６Ａ−９０６Ｆを含む）を含んでもよい。シャッター９０６は、少なくとも１つの選択された照明源９０２からの照明がガイド経路に伝播され、その間他の照明源９０２からの照明が遮断されるように構成されてよい。一実施形態において、選択された波長で照明を発する照明源９０２に対応するシャッター９０６は、その選択された波長の照明を通すために開いてよいが、その間、他の全てのシャッター９０６は閉じた状態を保って他の照明源９０２から発せられた他の波長での照明を遮断する。
【０１０３】
一実施形態において、ガイド経路は、限定はしないが、図９に示され本明細書で説明される２つの折り畳み鏡と５つのダイクロイックコンバイナをコンパクトな配置で含んでよい。第１の折り畳み鏡９０８Ａは、第１の照明源９０２Ａからの照明を第１のダイクロイックコンバイナ９１０Ａのほうに反射するように構成されてよい。第２の折り畳み鏡９０８Ｂは、第２の照明源９０２Ｂからの照明を第２のダイクロイックコンバイナ９１０Ｂのほうに反射するように構成されてよい。
【０１０４】
ダイクロイックコンバイナ９１０は、選択された閾値より上または下の波長で照明を透過しながら、他の波長での照明を反射するように構成されてよい。または、ダイクロイックコンバイナ９１０は、選択された範囲内または範囲外の波長での照明を透過しながら、他の波長の照明を反射するように構成されてよい。第１のダイクロイックコンバイナ９１０Ａは、第１の照明源９０２Ａからの照明を第３のダイクロイックコンバイナ９１０Ｃのほうに透過するように構成されてよい。第１のダイクロイックコンバイナ９１０Ａはさらに、第３の照明源９０２Ｃからの照明を第３のダイクロイックコンバイナ９１０Ｃのほうに反射するように構成されてよい。
【０１０５】
第２のダイクロイックコンバイナ９１０Ｂは、第２の照明源９０２Ｂからの照明を第４のダイクロイックコンバイナ９１０Ｄのほうに透過するように構成されてよい。第２のダイクロイックコンバイナ９１０Ｂはさらに、第４の照明源９０２Ｄからの照明を第４のダイクロイックコンバイナ９１０Ｄのほうに反射するように構成されてよい。
【０１０６】
第３のダイクロイックコンバイナ９１０Ｃは、第１の照明源９０２Ａからの照明と第３の照明源９０２Ｃからの照明を第５のダイクロイックコンバイナ９１０Ｅのほうに透過するように構成されてよい。第３のダイクロイックコンバイナ９１０Ｃはさらに、第５の照明源９０２Ｅからの照明を第５のダイクロイックコンバイナ９１０Ｅのほうに反射するように構成されてよい。
【０１０７】
第４のダイクロイックコンバイナ９１０Ｄは、第６の照明源９０２Ｆからの照明を第５のダイクロイックコンバイナ９１０Ｅのほうに透過するように構成されてよい。第４のダイクロイックコンバイナ９１０Ｄはさらに、第２の照明源９０２Ｂからの照明と第４の照明源９０２Ｄからの照明を第５のダイクロイックコンバイナ９１０Ｅのほうに反射するように構成されてよい。
【０１０８】
第５のダイクロイックコンバイナ９１０Ｅは、第２の照明源９０２Ｂからの照明と、第４の照明源９０２Ｄからの照明と第６の照明源９０２Ｆからの照明を、照明路に沿って光学的計測システムの測定ヘッドに伝播するように構成されてよい。第５のダイクロイックコンバイナ９１０Ｅはさらに、第１の照明源９０２Ａからの照明と、第３の照明源９０２Ｃからの照明と第５の照明源９０２Ｅからの照明を、照明路に沿って測定ヘッドに反射するように構成されてよい。
【０１０９】
一実施形態において、照明路は、強度制御モジュール９１４の手前または後に配置された１つ以上の偏光ビームスプリッタ９１２，９１６を含んでよい。強度制御モジュールは、照明路に沿って測定ヘッドに供給される照明の強度を減衰させるように構成されたポケットセル（Ｐｏｃｋｅｔｓ‘ｓ  ｃｅｌｌ）等の電子光学的デバイスを含んでよい。少なくとも１つの偏光ビームスプリッタ９１６は、照明の一部を測定ヘッドの偏光チャネルに供給するように構成されたシングルモードまたはマルチモード光ファイバー９２２への供給路に沿って照明の一部を指向させるように構成されてよい。偏光ビームスプリッタ９１６はさらに、照明の少なくとも１つの付加的な部分を、照明の付加的な部分を測定ヘッドの付加的な偏光チャネルに供給するように構成された光ファイバー９３６に、付加的な供給路に沿って指向させるように構成されてよい。供給路は、経路を画定する、および／またはその経路に沿った照明伝播を制御する付加的な光学素子を含んでよい。例えば、折り畳み鏡９３０は、照明を選択された経路に沿って反射するように構成されてよい。シャッター９１８，９３２は、光ファイバー９２２，９３６に供給される照明を選択的に透過または遮断するように構成されてよい。カップリングレンズ９２０，９３４は、自由空間からの照明を光ファイバー９２２，９３６に伝えるように構成されてよい。ビームスプリッタ９２４は、照明路または供給路からの照明の少しの部分を、レンズ９２６、光ファイバーおよび／または任意の他の光学素子を介して波長モニタ９２８に指向させるように構成されてよい。上記の例は例示の目的のみで提供されている。本開示の本質から逸脱せずに種々の光学素子が含まれても除外されてもよいことが想定される。
【０１１０】
このシステムおよび他のシステムにおいて、より多くの検出情報を収集してより堅牢な解決策をもたらすために、２つのリニアアレイの代わりに、または各リニアアレイの代わりに１つの二次元検出器が用いられてよい。さらに、２Ｄ検出器の異なる軸が、異なる入射角と異なる波長範囲向けに用いられ得る。他のタイプの検出器は、クワッドセル検出器、ＣＣＤアレイ等を含む。
【０１１１】
一般に、エンコーダ位置データを取得するために、命令がステージエンコーダシステムに送信されて、ｘｙｚ位置データを１つ以上のエンコーダバッファに記録し、次に、別の命令がステージエンコーダシステムに送信されて、エンコーダバッファからのｘｙｚ位置データをシステムメモリにダンプまたは「書き込んで」もよい。
【０１１２】
ｘｙｚエンコーダシステムはリアルタイムのｘｙｚエンコーダ位置データを記録し、スワス（ｓｗａｔｈ）が走査される間にそのようなデータをシステムメモリに書き込むように命令され得るが、専用ファームウェアが、リアルタイム双方向通信を可能にするように構成されてもよい。または、システムがｘｙｚエンコーダ位置データを書き込み取得するために走査所要時間を用いるように、逐次読み出し／書き込み技法でもよい。
【０１１３】
システム構成に係らず、１つ以上のコントローラが、システムの種々の局面を制御するために用いられてよい。例えば、各センサによってキャプチャされた信号は、各センサからのアナログ信号を処理用にデジタル信号に変換するように構成されたアナログデジタルコンバータをそれぞれが含み得る１つ以上の信号処理デバイス等のコントローラシステムによって処理されてよい。コントローラ システムは、適切なバスまたはその他の通信機構を介して入／出力ポートおよび１つ以上のメモリに結合された１つ以上のプロセッサを含んでよい。
【０１１４】
コントローラシステムはさらに、焦点変更および他の計測および／または検査レシピパラメータ等のユーザ入力を提供するための１つ以上の入力デバイス （例えば、キーボード、マウス、ジョイスティック）も含んでよい。コントローラシステムはさらに、例えば試料位置を制御するために（例えば、集束および走査）ステージ位置決め機構に接続されてよく、他の検査／計測システム構成要素に、その他の検査パラメータおよびそのような構成要素の構成を制御するために接続されてもよい。
【０１１５】
コントローラシステムは、得られた強度値、画像およびその他の検査／計測結果を表示するためのユーザインターフェース（例えば、コンピュータスクリーン）を提供するように構成されてよい（例えば、プログラミング命令で）。コントローラシステムは、画像および／またはその他の表示信号を生成するように構成されてよい。コントローラシステムは、得られた強度値、画像、プロット、投影およびその他の検査／計測特性を表示するためのユーザインターフェース（例えば、コンピュータスクリーン）を提供するように構成されてよい（例えば、プログラミング命令で）。特定の実施形態において、コントローラシステムは、上記に詳述した計測および／または検査技法を実行するように構成される。
【０１１６】
そのような情報およびプログラム命令は、専用に構成されたコンピュータシステム上で実施され得るため、そのようなシステムは、非一時的コンピュータ可読媒体に記憶され得る、本明細書に記載される種々の動作を実行するためのプログラム命令／コンピュータコードを含む。機械可読媒体の例は、限定はしないが、ハードディスク、フロッピーディスクおよび磁気テープ等の磁気媒体、ＣＤ−ＲＯＭディスク等の光学的媒体、光ディスク等の磁気光学媒体およびリードオンリーメモリデバイス（ＲＯＭ）およびランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）等の、プログラム命令を記憶し実行するように専用に構成されたハードウェアデバイスを含む。プログラム命令の例は、コンパイラによって作成される機械コードと、インタプリタを用いてコンピュータによって実施され得る高位レベルコードを含むファイルの両方を含む。
【０１１７】
上記では本発明を、理解を明確にするためいくつかの詳細で説明してきたが、添付の請求項の範囲内で特定の変更と修正が実行され得ることは明らかであろう。本発明のプロセス、システムおよび装置を実行する別の方式が存在することに留意されたい。したがって、本実施形態は例示的であって限定ではないと見做されるものであり、本発明は本明細書に挙げられた詳細に限定されない。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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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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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図７Ｆ】
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【図７Ｇ】
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【図７Ｈ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【国際調査報告】
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