(57)【要約】  分離した光周波数を有する互いに直交する直線偏光した２つの成分を含む直線偏光光線が、膜の方に向けられ、その結果、その成分の膜の中の光路の増加によって、一方の光学的な偏光成分が他方に遅れることとなる。一対の検出器は、膜層から反射されたビームを受け取り、膜層に入射するのに先立って測定信号及びビームを発生し、それぞれ参照信号を生成する。測定信号及び参照信号は、位相シフトのために、位相検出器によって分析される。そして、検出された位相シフトは、膜厚の結果のために厚さ計算機に供給される。格子干渉計は、格子を有するヘテロダイン反射率計システムに含められ得る。それは、０次及び１次のバンドに反射されたビームを回折させ、それは、別個の検出器によって検出される。検出器は、０次ビームを受け取り、別の測定信号を生成する。別の検出器は、１次のビームを受け取り、格子信号を生成する。格子及び参照信号からの測定信号は、位相シフトのために位相検出器によって分析され得る。それは、膜の厚さと関連している。さらに、ゼロ次ビーム測定信号は、格子信号によって、格子によって引き起こされた格子位相シフトを検出するために、位相検出器によって分析される。膜の屈折率は、格子ピッチに対する格子位相シフトとヘテロダイン位相シフト、及び、測定装置の膜の上のビームの波長及び入射角から直接計算され得る。膜厚は、屈折率とヘテロダイン位相シフトを用いて決定される。逆に、膜厚計算は、実際の補正された格子位相シフトと補正されたヘテロダイン位相シフトとからの膜の屈折率を用いて独立して導かれ得る。【選択図】      図３Ａ
2008533447.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚さを測定するためのヘテロダイン反射率計であって、
分割周波数の二重偏光ビームを発生する光学的な光源と、
分割周波数の二重偏光ビームを所定の入射角でターゲットへ向かって伝播するためのビームパス迂回光学部品と、
分割周波数の二重偏光ビームを受け取り、参照信号を生成するための第１検出器と、
反射された分割周波数の二重偏光ビームをターゲットから受け取り、測定信号を生成するための第２検出器と、
参照信号及び測定信号を受け取り、前記参照及び測定信号の間の位相シフトを検出するための位相検出器と、
位相シフトから対象に関連する厚さを計算するためのデータプロセッサと、
を備えるヘテロダイン反射率計。
【請求項２】
分割周波数の二重偏光ビームが、
第１の周波数で振動する第１の楕円偏光されたビーム成分と、
第２の周波数から固有である第１の周波数で振動する第２の楕円偏光されたビーム成分と、
をさらに備える、請求項１に記載のヘテロダイン反射率計。
【請求項３】
分割周波数の二重偏光ビームが、
第１の周波数で発振する第１の直線偏光されたビーム成分と、
第２の周波数、第２の周波数から固有な第１の周波数で発振する第２の直線偏光されたビーム成分と、
をさらに備える請求項１に記載のヘテロダイン反射率計。
【請求項４】
分割周波数の二重偏光ビームが、
第１の周波数で振動するｓ偏光されたビーム成分と、
第２の周波数で振動するｐ偏光されたビーム成分であって、ｓ偏光されたビーム成分に直交するｐ偏光されたビーム成分と、
をさらに備える、請求項１に記載のヘテロダイン反射率計。
【請求項５】
対象が膜である、請求項１に記載のヘテロダイン反射率計。
【請求項６】
第１の周波数の反射された第１の偏光と、反射された分割周波数の二重偏光ビームの第２の周波数の反射された第２の偏光とを混ぜるための偏光ミキサーをさらに備える
請求項１に記載のヘテロダイン反射率計。
【請求項７】
位相シフトのエラーを補正するための位相シフト補正器であって、データプロセッサが補正された位相シフトを受け取り、補正された位相シフトから厚さを計算する位相シフト補正器をさらに備える
請求項１に記載のヘテロダイン反射率計。
【請求項８】
位相シフト補正器は、既知の厚さに対する実際の位相シフトと既知の厚さに対する予想される位相シフトとの相違の比較に基づいて位相シフトを調整することによって、補正された位相シフトを引き起こす、請求項７に記載のヘテロダイン反射率計。
【請求項９】
所定の入射角が対象に関する屈折率と関連付けられる、請求項１に記載のヘテロダイン反射率計。
【請求項１０】
所定の入射角が所定のデフォルト角度である、請求項１に記載のヘテロダイン反射率計。
【請求項１１】
所定の入射角が対象のブルースター角に近い、請求項１に記載のヘテロダイン反射率計。
【請求項１２】
所定の入射角の最下方は、ターゲット材料と、分割周波数の二重偏光されたビームに対して等方的であるターゲットの下の界面とのいずれか一方に基づいて０°である、請求項１に記載のヘテロダイン反射率計。
【請求項１３】
反射された分割周波数の二重偏光ビームを１次のビームとして回折するための格子と、
１次のビームを受け取り、格子信号を生成するための第３の検出器と、
格子信号及び測定信号を受け取り、前記格子及び測定信号間の格子誘発位相シフトを検出するための第２の位相検出器とをさらに備え、データプロセッサが位相シフト及び格子誘発位相シフトから厚さを計算する
請求項１に記載のヘテロダイン反射率計。
【請求項１４】
反射された分割周波数の二重偏光ビームを１次のビームとして回折するための格子と、
１次のビームを受け取り、格子信号を生成するための第３の検出器と；
格子信号及び測定信号を受け取り、前記格子及び測定信号間の格子誘発位相シフトを検出するための第２の位相検出器とをさらに備え、データプロセッサが補正された位相シフト及び格子誘発位相シフトから厚さを計算する
請求項８に記載のヘテロダイン反射率計。
【請求項１５】
格子誘発位相シフトにおけるエラーを補正することによって、補正された格子誘発位相シフトを作り出すための格子位相シフト補正器をさらに備え、データプロセッサが補正された格子誘発位相シフト及び補正された位相シフトから厚さを計算する、
請求項１４に記載のヘテロダイン反射率計。
【請求項１６】
データプロセッサが、補正された格子誘発位相シフトと補正された位相シフトからターゲットの屈折率を計算し、屈折率と補正された位相シフトから厚さを計算する、請求項１５に記載のヘテロダイン反射率計。
【請求項１７】
分割周波数の二重偏光ビームをターゲットから受け取り、分割周波数の二重偏光ビームを膜へ伝播するための第２のパス迂回光学部品をさらに備える
請求項１に記載のヘテロダイン反射率計。
【請求項１８】
位相検出器が、参照信号及び測定信号を所定の形式に適合させるためのマッピング機能をさらに備える
請求項１に記載のヘテロダイン反射率計。
【請求項１９】
位相検出器が、信号を所定の形式に適合させるのに先立って参照信号及び測定信号を標準化するための信号調整器をさらに備える
請求項１８に記載のヘテロダイン反射率計。
【請求項２０】
位相検出器が、参照及び測定信号における２つの対応する参照時点間の時間を測定するための時間間隔カウンターをさらに備える
請求項１に記載のヘテロダイン反射率計。
【請求項２１】
位相検出器が、参照及び測定信号の間の位相差に比例する出力電圧を作り出すための周波数ミキサーをさらに備える
請求項１に記載のヘテロダイン反射率計。
【請求項２２】
位相検出器が、参照及び測定信号を初期の位相に設定するための位相シフト器をさらに備える
請求項２１に記載のヘテロダイン反射率計。
【請求項２３】
位相検出器が、位相シフト器に出力電圧を供給するためのフィードバックループをさらに備える
請求項２２に記載のヘテロダイン反射率計。
【請求項２４】
位相検出器が、
周波数信号を生み出すための発振器と、
参照及び周波数信号から第１のうなり信号を作り出すための第１の周波数ミキサーと、
測定及び周波数信号から第２のうなり信号を作り出すための第２の周波数ミキサーと、
第１及び第２のうなり信号における２つの対応する参照時点間の時間を測定するための時間間隔カウンターをさらに備える
請求項１に記載のヘテロダイン反射率計。
【請求項２５】
位相検出器が、参照及び測定信号の間の位相シフトを決定するための離散フーリエ変換（ＤＦＴ）をさらに備える
請求項１に記載のヘテロダイン反射率計。
【請求項２６】
位相検出器が、測定及び参照信号のヘテロダインうなり周波数に基づく所定の比率で、測定及び参照信号のそれぞれをサンプリングするための少なくとも１つのデジタイザをさらに備える
請求項２５に記載のヘテロダイン反射率計。
【請求項２７】
位相検出器が、参照及びヘテロダイン信号の間で位相シフトを決定するための相互相関関数をさらに備える
請求項１に記載のヘテロダイン反射率計。
【請求項２８】
位相検出器が、測定及び参照信号のヘテロダインうなり周波数に基づく所定の比率で、測定及び参照信号のそれぞれをサンプリングするため、及び、測定及び参照信号のうなりサイクルにおける多くのサンプルポイントに対する遅延を決定するための、少なくとも１つのデジタイザをさらに備える
請求項２７に記載のヘテロダイン反射率計。
【請求項２９】
分割周波数の二重偏光ビームであって、第１の周波数で振動する第１の偏光されたビーム成分と、第２の周波数で振動する第２の偏光されたビーム成分とを有し、第１の周波数が第２の周波数から固有である、前記分割周波数の二重偏光ビームを発生する光学的な光源と、
分割周波数の二重偏光ビームを所定の入射角で表面及び本体部を有するターゲットへ向かって伝播するためのビームパス迂回光学部品と；
分割周波数の二重偏光ビームを受け取り、参照信号を生成するための第１の検出器と、
ターゲットから反射された分割周波数の二重偏光ビームであって、主に、ターゲットの表面から反射された第１の偏光されたビーム成分及び第２の偏光ビーム成分のいずれか一方と、主に、ターゲットの表面の下からの反射された第１の偏光されたビーム成分及び第２の偏光ビーム成分のいずれか他方とを含む前記反射された分割周波数の二重偏光ビームを受け取り、測定信号を生成するための第２検出器と、
参照信号及び測定信号を受け取り、前記参照及び測定信号間の位相シフトであってターゲットの本体の厚さによって誘発された前記位相シフトを検出する位相検出器と、
を備える厚さパラメータを測定するためのヘテロダイン反射率計。
【請求項３０】
位相シフトから前記ターゲット本体の厚さの厚さ計算をするためのデータプロセッサをさらに備える
請求項２９に記載のヘテロダイン反射率計。
【請求項３１】
第１の偏光成分が第１の楕円偏光ビーム成分であり、第２の偏光成分が第２の楕円偏光ビーム成分である、請求項２９に記載のヘテロダイン反射率計。
【請求項３２】
第１の偏光成分が第１の直線偏光ビーム成分であり、第２の偏光成分が第２の直線偏光ビーム成分である、請求項２９に記載のヘテロダイン反射率計。
【請求項３３】
第１の偏光成分がｓ偏光ビーム成分であり、第２の偏光成分がｐ偏光ビーム成分であり、ｐ偏光ビーム成分がｓ偏光ビーム成分に直交する、請求項２９に記載のヘテロダイン反射率計。
【請求項３４】
ターゲットが膜である、請求項２９に記載のヘテロダイン反射率計。
【請求項３５】
所定の入射角がターゲットの屈折率と関連する、請求項２９に記載のヘテロダイン反射率計。
【請求項３６】
所定の入射角が所定のデフォルト角度である、請求項２９に記載のヘテロダイン反射率計。
【請求項３７】
所定のデフォルト角度が約６０度である、請求項３６に記載のヘテロダイン反射率計。
【請求項３８】
所定の入射角がターゲットのブルースター角に近い、請求項２９に記載のヘテロダイン反射率計。
【請求項３９】
所定の入射角の最下方は、ターゲット材と、分割周波数の二重偏光されたビームに対して等方的であるターゲットの下の界面とのいずれか一方に基づいて０°である、請求項２９に記載のヘテロダイン反射率計。
【請求項４０】
反射された第１の周波数の第１の偏光と、反射された分割周波数の二重偏光ビームの第２の周波数の第２の偏光とを混ぜるための偏光ミキサーをさらに備える
請求項２９に記載のヘテロダイン反射率計。
【請求項４１】
位相シフトのエラーを補正するための位相シフト補正器であって、データプロセッサが補正された位相シフトを受け取り、補正された位相シフトから厚さを計算する位相シフト補正器をさらに備える
請求項２９に記載のヘテロダイン反射率計。
【請求項４２】
位相シフト補正器は、既知の厚さに対する実際の位相シフトと既知の厚さに対する予想される位相シフトとの差の比較に基づいて位相シフトを調整することによって、補正された位相シフトを引き起こす、請求項４１に記載のヘテロダイン反射率計。
【請求項４３】
反射された分割周波数の二重偏光ビームを１次のビームとして回折するための格子と、
１次のビームを受け取り、格子信号を生成するための第３の検出器と、
格子信号及び測定信号を受け取り、前記格子及び測定信号間の格子誘発位相シフトを検出するための第２の位相検出器とをさらに備え、データプロセッサが位相シフト及び格子誘発位相シフトから厚さを計算する
請求項２９に記載のヘテロダイン反射率計。
【請求項４４】
反射された分割周波数の二重偏光ビームを１次のビームとして回折するための格子と、
１次のビームを受け取り、格子信号を生成するための第３の検出器と、
格子信号及び測定信号を受け取り、前記格子及び測定信号間の格子誘発位相シフトを検出するための第２の位相検出器とをさらに備え、データプロセッサが補正された位相シフト及び格子誘発位相シフトから厚さを計算する
請求項４２に記載のヘテロダイン反射率計。
【請求項４５】
分割周波数の二重偏光ビームであって、第１の周波数で振動する第１の偏光ビーム成分と、第２の周波数から固有である第１の周波数で振動する第２の偏光されたビーム成分とを有する前記分割周波数の二重偏光ビームを発生させるために、表面及び本体部を備えるターゲットの方に光源を所定の入射角で向けることと、
第１の周波数で振動する第１の偏光ビーム成分と第２の周波数で振動する第２の偏光ビーム成分とをヘテロダインすることによって参照信号を生成することと、
ターゲットからの反射された分割周波数の二重偏光ビームを受け取ることと、
第１の周波数で振動する第１の反射された偏光されたビーム成分と第２の周波数で振動する第２の反射された偏光ビーム成分とをヘテロダインすることによって測定信号を生成することと、
前記参照信号及び前記測定信号の間の位相シフトであって、前記ターゲットの本体の厚さによって引き起こされる前記位相シフトを検出することと、
を含む厚さパラメータを測定するための反射率の測定方法。
【請求項４６】
位相シフトから前記ターゲットの本体の厚さの厚さ計算することをさらに含む、
請求項４５に記載の反射率の測定方法。
【請求項４７】
第１の偏光成分が第１の楕円偏光ビーム成分であり、第２の偏光成分が第２の楕円偏光ビーム成分である、請求項４５に記載の反射率の測定方法。
【請求項４８】
第１の偏光成分が第１の直線偏光ビーム成分であり、第２の偏光成分が第２の直線偏光ビーム成分である、請求項４５に記載の反射率の測定方法。
【請求項４９】
第１の偏光成分がｓ偏光ビーム成分であり、第２の偏光成分がｐ偏光ビーム成分であり、ｐ偏光ビーム成分がｓ偏光ビーム成分に直交する、請求項４５に記載の反射率の測定方法。
【請求項５０】
ターゲットが膜である、請求項４５に記載の反射率の測定方法。
【請求項５１】
所定の入射角がターゲットの屈折率と関連している、請求項４５に記載の反射率の測定方法。
【請求項５２】
所定の入射角が所定のデフォルト角度である、請求項４５に記載の反射率の測定方法。
【請求項５３】
所定のデフォルト角度が約６０度である、請求項５２に記載の反射率の測定方法。
【請求項５４】
所定の入射角がターゲットのブルースター角に近い、請求項４５に記載の反射率の測定方法。
【請求項５５】
所定の入射角の最下方は、ターゲットの本体と、分割周波数の二重偏光されたビームに対して等方的であるターゲットの下の界面とのいずれか一方に基づいて０°である、請求項４５に記載の反射率の測定方法。
【請求項５６】
第１の周波数の反射された第１の偏光と、反射された分割周波数の二重偏光ビームの第２の周波数の反射された第２の偏光とを混ぜることをさらに含む
請求項４５に記載の反射率の測定方法。
【請求項５７】
位相シフトのエラーを補正することをさらに含む
請求項４５に記載の反射率の測定方法。
【請求項５８】
位相シフトのエラーを補正することには、
既知の厚さに対する実際の位相シフトと既知の厚さに対する予想される位相シフトとの相違の比較に基づいて位相シフトを調整することによって、補正された位相シフトを引き起こすことをさらに含む
請求項５７に記載の反射率の測定方法。
【請求項５９】
反射された分割周波数の二重偏光ビームを、（１次のビームであって、）第１の１次の偏光されたビーム成分と、第２の１次の偏光されたビーム成分とを含む前記１次のビームとして回折することと、
１次のビームを受け取ることと、
第１の１次の偏光されたビーム成分と第２の１次の偏光されたビーム成分とをヘテロダインすることによって格子信号を生成することと、
前記格子及び測定信号間の格子誘発位相シフトを引き起こすことと、
位相シフト及び格子誘発位相シフトから厚さを計算することを含む、
請求項４５に記載の反射率の測定方法。
【請求項６０】
反射された分割周波数の二重偏光ビームを、（１次のビームであって、）第１の１次の偏光されたビーム成分と、第２の１次の偏光されたビーム成分とを含む前記１次のビームとして回折することと、
１次のビームを受け取ることと、
第１の１次の偏光されたビーム成分と第２の１次の偏光されたビーム成分とをヘテロダインすることによって格子信号を生成することと、
前記格子及び測定信号間の格子誘発位相シフトを引き起こすことと、
位相シフト及び格子誘発位相シフトから厚さを計算することを含む、
請求項５８に記載の反射率の測定方法。
【請求項６１】
既知の屈折率に対する実際の位相シフトと既知の屈折率に対する予想される位相シフトとの差の比較に基づいて、格子誘発位相シフトにおけるエラーを補正することによって、補正された格子誘発位相シフトを作り出すことと、
補正された格子誘発位相シフト及び補正された位相シフトからエラー補正された厚さを計算することとをさらに含む、
請求項６０に記載の反射率の測定方法。
【請求項６２】
補正された格子誘発位相シフト及び補正された位相シフトからターゲットの屈折率を計算することと、
屈折率及び補正された位相シフトからエラー補正された厚さを計算することとをさらに含む
請求項６１に記載の反射率の測定方法。
【請求項６３】
分割周波数の二重偏光ビームであって、第１の周波数で振動する第１の偏光ビーム成分と、第２の周波数から固有である第１の周波数で振動する第２の偏光されたビーム成分とを有する前記分割周波数の二重偏光ビームを発生させるために、光源を所定の入射角で表面及び本体部を有するターゲットの方に向けることと、
第１の周波数で振動する第１の偏光ビーム成分と第２の周波数で振動する第２の偏光ビーム成分とをヘテロダインすることによって参照信号を生成することと、
ターゲットからの反射された分割周波数の二重偏光ビームを受け取ることと、
反射された分割周波数の二重偏光ビームを、０次のビーム及び１次のビームであって、第１の０次の偏光されたビーム成分と、第２の０次の偏光されたビーム成分とを含む前記０次のビーム、及び、第１の１次の偏光されたビーム成分と、第２の１次の偏光されたビーム成分とを含む前記１次のビームとして回折することと、
０次のビームを受け取ることと、
第１の０次の偏光されたビーム成分と第２の０次の偏光されたビーム成分とをヘテロダインすることによって測定信号を生成することと、
前記測定及び参照信号間の格子誘発位相シフトを検出することと、
１次のビームを受け取ることと、
第１の１次の偏光されたビーム成分と第２の１次の偏光されたビーム成分とをヘテロダインすることによって格子信号を生成することと、
前記格子及び測定信号間の格子誘発位相シフトを引き起こすことと、
格子誘発位相シフト及び測定位相シフトからターゲットの本体の厚さを計算することと
を含む厚さパラメータの測定方法。
【請求項６４】
ターゲットの本体の厚さを計算することには、格子誘発位相シフト及び測定位相シフトの積を求めることをさらに含み、ターゲット本体の厚さが格子誘発位相シフト及び測定位相シフトの積に比例する、請求項６３に記載の方法。
【請求項６５】
反射された分割周波数の二重偏光ビームを回折することには、所定のピッチを有する格子を通してビームを回折することをさらに含む、請求項６３に記載の方法。
【請求項６６】
ターゲットの本体の厚さを計算することには、格子誘発位相シフト、測定位相シフト、ピッチ、及び第１の周波数の積を求めることをさらに含み、厚さは、格子誘発位相シフト、測定位相シフト、ピッチ、及び第１の周波数の積に比例する、請求項６５に記載の方法。
【請求項６７】
ターゲットの本体の厚さを計算することには、格子誘発位相シフト、測定位相シフト、ピッチ、及び第１の周波数の商格子誘発位相シフト、測定位相シフト、所定の入射角の三角関数の積を求めることをさらに含み、ターゲットの厚さは、所定の入射角の三角関数に反比例する、請求項６６に記載の方法。
【請求項６８】
第１の偏光成分が第１の楕円偏光ビーム成分であり、第２の偏光成分が第２の楕円偏光ビーム成分である、請求項６３に記載の方法。
【請求項６９】
第１の偏光成分が第１の直線偏光ビーム成分であり、第２の偏光成分が第２の直線偏光ビーム成分である、請求項６３に記載の方法。
【請求項７０】
第１の偏光成分がｓ偏光ビーム成分であり、第２の偏光成分がｐ偏光ビーム成分であり、ｐ偏光ビーム成分がｓ偏光ビーム成分に直交する、請求項６３に記載の方法。
【請求項７１】
ターゲットが膜である、請求項６３に記載の方法。
【請求項７２】
所定の入射角がターゲットの屈折率と関連している、請求項６３に記載の方法。
【請求項７３】
所定の入射角が所定のデフォルト角度である、請求項６３に記載の方法。
【請求項７４】
所定のデフォルト角度が約６０度である、請求項７３に記載の方法。
【請求項７５】
所定の入射角がターゲットのブルースター角に近い、請求項６３に記載の方法。
【請求項７６】
所定の入射角の最下方は、ターゲットの本体と、分割周波数の二重偏光されたビームに対して等方的であるターゲットの下の界面とのいずれか一方に基づいて０°である、請求項６３に記載の方法。
【請求項７７】
第１の周波数の反射された第１の偏光と、反射された分割周波数の二重偏光ビームの第２の周波数の反射された第２の偏光とを混ぜることをさらに含む
請求項６３に記載の方法。
【請求項７８】
既知の屈折率に対する実際の位相シフトと既知の屈折率に対する予想される位相シフトとの差の比較に基づいて、格子誘発位相シフトにおけるエラーを補正することによって、補正された格子誘発位相シフトを作り出すことと、
補正された格子誘発位相シフト及び補正された位相シフトからエラー補正された厚さを計算することとをさらに含む、
請求項６３に記載の方法。
【請求項７９】
補正された格子誘発位相シフト及び補正された位相シフトからターゲットの屈折率を計算することと、
屈折率及び補正された位相シフトからエラー補正された厚さを計算することとをさらに含む
請求項７８に記載の方法。
【請求項８０】
さらに含んで、方法請求項６３に記載の：
ターゲットから反射された第１の周波数で振動する第１の反射された偏光されたビーム成分とターゲットから反射された第２の周波数で振動する第２の反射された偏光されたビーム成分とをヘテロダインすることによって第２の測定信号を生成することと、
第２の参照信号及び第２の測定信号の間の位相シフトであって、前記ターゲットの本体の厚さによって引き起こされる前記位相シフトを検出することと、
位相シフトからターゲットの本体の第２の厚さを計算することをさらに含む、
請求項６３に記載の方法。
【請求項８１】
位相シフトのエラーを補正することには、
既知の厚さに対する実際の位相シフトと既知の厚さに対する予想される位相シフトとの相違の比較に基づいて位相シフトを調整することによって、補正された位相シフトを引き起こすことをさらに含む
請求項８０に記載の方法。
【請求項８２】
格子誘発位相シフト及び測定位相シフトから計算されるターゲットの厚さを有するターゲットの第１の厚さを、第２の測定位相シフトから計算されるターゲットの第２の厚さと比較することをさらに含む
請求項８１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反射率測定及び格子干渉測定に関する。
【背景技術】
【０００２】
チップ、マイクロチップ、又は集積回路（ＩＣ）などの半導体は、無数の小さなトランジスタ、アルミニウム又は銅の導線、及び電気的なスイッチから構成され、それらは電流を処理するものである。半導体ウェハは、ウェハ基板の上に様々なプロセスを実行すること、及び／又は、その後に基板の上に層を形成されることによってＩＣに変えられる。これらには、イメージング、堆積（デポジッション）、及びエッチングが含まれる。半導体産業において一般的に考えられる公理では、集積回路の中のトランジスタの密度は、１８ヶ月ごとに２倍になると見られている。従って、ずっと小さな半導体構造を製作するための新しい技術の実現は、この目標を満たすために必要である。チップ製作における極端に正確な公差に対する需要がますます高まることから、それに続く層の物理的特性は、大抵の応用例に対して申し分ない結果を達成することができるように、処理の間非常に慎重にコントロールされなければならない。層の深さ、及び／又は、厚さ又は層の積み重なりをモニタするための１つの方法は、干渉測定である。広く定義すると、干渉測定は、波（この場合には光波）の相互作用の測定に関する。
【０００３】
干渉計は、同じ位相と一致する２つのコヒーレントな波は互いに強め合う一方、逆の位相を有する２つの波は互いに打ち消し合うという原理に基づいて動作する。
【０００４】
ある従来のモニタシステムは、表面形状の変化を測定するために干渉測定を利用し、その特徴から高さ情報が推定され得る。ホンジ  チャオ（Ｈｏｎｇｚｈｉ  Ｚｈａｏ）らは、「自動焦点を有する実用的なヘテロダイン表面干渉計」ＳＰＩＥ議事録、第４２３１巻、２０００年、第３０１ページにおいて、参照ヘテロダイン信号と測定信号との間の位相差を検出する干渉計を開示する。これは、その全体を参照することによってここに含まれる。表面におけるシャープな照射ポイントに関する高さ情報は、測定結果から推定することができる。参照及び測定信号は、異なる経路上を伝播されるビームによって生成されるが、これは共通の経路の干渉計である。このアプローチは、入射及び反射ビームがターゲット位置へ共通の経路をとり、それは、検査される表面に垂直であるため、時には、共通の軸のアプローチ又は垂直な軸のアプローチと呼ばれることもある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来技術において知られている共通の経路のヘテロダイン干渉計の１つの欠点は、高さ情報が参照信号の広い照射領域の平均高さから計算されることである。従って、結果の精度は、表面粗さに悪影響を受ける。従来技術の共通の軸の方法における他の限界は、それが膜層の実際の厚さパラメータを測定又は計算しないことである。
【０００６】
他の試みとしては、光源を周波数調節することによって、膜厚のモニタにおけるヘテロダインを達成するものがある。“透明な素材の厚さを測定する方法”というタイトルが付されたチャン（Ｚｈａｎｇ）の米国特許第５，６５７，１２４号、及び、“周波数調整された光源を用いた透明な素材の厚さの測定方法及び機器”というタイトルが付されたチャンらの米国特許第６，２１５，５５６号は、そのような機器を開示するものであり、それらの全体は参照することによってここに組み込まれる。これらの機器に関しては、調整された周波数を有する偏光した光ビームはターゲット表面に向けられ、ヘテロダイン干渉信号は２つの光線から検出され、一つ目はターゲットの表面からの反射であり、二つ目はターゲットの底面からの反射である。厚さは、ヘテロダインされた干渉信号を光源の直線的に調整された強度と比較することによって、変調期間当たりのうなりの数から決定される。この種の機器の原理の欠点は、ヘテロダインが光源の周波数調整によって達成されるので、測定できる最も薄い膜がその帯域幅によって制限されることである。
【０００７】
他のヘテロダイン干渉計は、第１の周波数及び偏光における第１のビーム及び第２の周波数及び偏光の第２のビームという、２つの別個のビームからヘテロダインされた信号を取得するものである。“非触式の方法で同時に光学特性を干渉法で測定する方法及び装置”というタイトルが付されたハルナ等の米国特許第６，１７２，７５２号、及び、“ヘテロダイン厚さモニタシステム”というタイトルが付されたアイヤー（Ａｉｙｅｒ）の米国特許第６，２６１，１５２号は、この種の干渉計を開示するものであり、それらの全体は参照することによってここに組み込まれる。
【０００８】
図１は、ヘテロダイン厚さモニタ装置の図であり、化学機械研磨（ＣＭＰ）装置に使用される従来技術において一般に知られているように、１対の分割周波数の直交に偏光されたビームは、混ぜられてヘテロダインされる前に別個の光学経路で伝達される。従って、ヘテロダイン厚さモニタシステム１００は、大まかに、ＣＭＰ装置、ウェハ１１０、及び測定光学アセンブリを備えている。ウェハ１１０は、基板１１２と膜１１４とを含む。
【０００９】
測定光学アセンブリは、大まかに、反射されたビームの光周波数におけるドップラーシフトを検出し測定するための様々なコンポーネントを備え、これには、レーザー光源１４０、ビームスプリッタ（ＢＳ）１４４、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１４６、ビームの４分の１波長プレート１４８、ビーム反射体１５２、ビームの４分の１波長プレート１５０、ミックス偏光子１４３、光電検出器１４７、ミックス偏光子１４５、光電検出器１４９、及び、光電検出器１４７及び１４９の出力と電気的に接続された信号処理アセンブリ１５４が含まれる。
【００１０】
運転中、レーザーダイオード１４０は、第１の波長の第１の直線偏光成分１０２と、第１の偏光コンポーネントに直交に偏光する第２の波長の第２の直線偏光成分１０３とを有するビームを放射する。第１及び第２の偏光成分１０２及び１０３は、両方の成分の一部がビーム１１４及び１１５としてミックス偏光子１４５に向かって反射されるＢＳ１４４に共線的に伝播し、次にビーム１１６及び１１７として信号Ｉ２が生成される検出器１４９に反射される。
【００１１】
偏光成分１０２及び１０３の透過した一部は、ビーム１０４及び１０５としてＰＢＳ１４６に伝播される。ＰＢＳ１４６において、成分１０４は、ビーム１０６として第１の透過経路を辿り、参照４分の１波長プレート１４８を通過して反射板１５２まで至り、４分の１波長板１４８を通過してビーム１２２（ビーム１０６に対して直交に偏光）として後方反射され、ＰＢＳ１４６において、ミックス偏光子１４３に向かい且つビーム１２４として検出器１４７の方へ反射する。
【００１２】
成分１０５からの第２の偏光成分は、ビーム１２０として第１のパスから分離した透過経路を辿り、第１の偏光成分１０４に対して直交に方向付けされ、従って、ＰＢＳ１４６から反射し、ビーム１０９として４分の１波長プレート１５０を通過し、光学的に透明な回転可能なキャリア１１５に伝播する。ビーム１０９は、回転可能なキャリア１１５の後ろの表面、基板１１２との間の接触面及び膜１１４の上面において部分的な反射をし、従って、それぞれ部分的に反射されたビーム１１１，１１１Ｔ，１１１Ｂを生成する。反射されたビーム１０９Ｓ，１０９Ｔ，１０９Ｂのそれぞれは、４分の１波長プレート１５０を通って後方に伝播し、ビーム１１３Ｓ，１１３Ｔ，１１３ＢとしてＰＢＳ１４６を透過し、ビーム１２４，１１５Ｓ，１１５Ｔ，１１５Ｂとしてビーム１２２とともにミックス偏光子１４５へ共線的に伝播し、次に、信号Ｉ２として光電検出器１４７において検出される。重要なことには、Ｉ２は、別の光の周波数で振動し、膜と相互作用するビーム１０７と、他の光の周波数で振動し、膜と相互作用しない第２の光学経路を伝播するビーム１２０の両方から生成される。信号Ｉ１及びＩ２は、厚さ寸法を測定するために比較される。
【００１３】
測定ビームが光路長変化を受けると、うなり信号は、図２に描かれたシミュレーション結果に示されるように、対応する位相シフトを経験するであろう。そこでは、表面が研磨によって侵食される場合には、うなり信号Ｉ２（プロット１０３）の位相は、膜１１４の上面から部分的に反射されたビーム１１１Ｔの光路長の変化が原因となって、うなり信号Ｉ１（プロット１０５）からΔφシフトされて描かれる。
【００１４】
図に示すように、測定経路において、ビーム１１１Ｂは、ウェハを透過し、ウェハの前の表面から反射される。ウェハを通して光のビーム経路が短縮されるため、ビーム１１１Ｂの反射された光の周波数は、ドップラーシフトを受ける。従って、１つの光の周波数（ビーム１１１，１１１Ｂ及び１１１Ｔ）は、ターゲットと相互作用する一方、第２の光の周波数（ビーム１２２）は相互作用しない。しかし、そのような方法で参照ビームと測定ビームとを分離することは、ヘテロダイン干渉計のＳ／Ｎ比を低下させ、測定感度を下げてしまうという不利な点を有する。
【００１５】
一般に、従来技術において知られているヘテロダイン干渉計の分解能は、約６Åに制限され、従って、従来技術に係るヘテロダイン干渉計は、薄膜を正確に測定するのに必要な、又は、処理の間における厚さの小さな変更をモニタするのに必要な分解能を欠く。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、非常に正確な位相シフト情報をヘテロダインされた光学的信号から得るためのヘテロダイン反射率計システム及び方法を対象とし、それから正確な厚さを計算することができる。ヘテロダイン反射率計は、大まかに、分割光学的周波数を有する光学的光源と、光学的なうなり信号を生成する一対の光学式のミキサーと、光学的うなり信号を検出して電気的ヘテロダインうなり信号に変換するための一対の光検知器と、２つの電気的信号間の位相シフトを検出するための位相シフト検出器とを備える。
【００１７】
光源は、それぞれの分離した光周波数、即ち、それぞれω及びω＋Δωの分割周波数のｐ偏光及びｓ偏光されたビーム成分を有し、互いに直交する直線偏光した２つの成分を含む直線偏光光線を発生させる。２つの周波数を有する直線偏光ビームは、膜の方に向けられて、それと相互作用し、その結果、その成分の膜の中の光路の増加によって、一方の光学的な偏光成分が他方に遅れることとなる。ミックス偏光子は、反射された偏光成分を混ぜる。１つの検出器が膜層から反射されたビームを受け取り、測定信号を発生する。第２検出器は、膜層の上の入射に先立ってビームを受け取り、参照信号を生成する。反射されたビーム成分は、膜との相互作用のため、参照信号に対して位相シフトを有する。
【００１８】
反射されたビームは、システムの入射角を膜のブルースター角の近傍に設定することによって、膜厚測定のために最適化され、それは、光源波長においてその屈折率によってコントロールされる。参照信号及び測定信号の間の最も大きな位相シフトは、ビームの入射がブルースター角に設定される場合に存在する。測定信号及び参照信号は、位相シフトのために、位相検出器によって分析される。両者間の位相シフトの量は、膜の厚さと関連している。検出された位相シフトは、膜厚の結果のために、厚さ計算機に供給される。一般に、厚さ結果は、より低い厚さほどより正確であり、より高い厚さほどより正確でない。
【００１９】
厚さ結果の精度は、測定信号の中でエラーをキャンセルすることによって大幅に増大され、即ち、測定されたヘテロダイン位相シフトは、予想される位相シフトとは異なり、従って、エラーを含んでいる。エラー補正アルゴリズムは、既知の共通の屈折率及び既知の膜厚を有するテスト膜に対して、ヘテロダイン位相シフトを測定することによって構築される。キャリブレーション膜に対する測定された位相シフトは、同等の厚さのために導かれる予想された位相シフトと比較され、それから測定され予想された位相シフトから定式化される。測定されたヘテロダイン位相シフトは、エラー補正を用いて補正することができる。
【００２０】
この本発明は、また、組み合わせのヘテロダイン反射率計及び格子干渉計システムと、補正されたヘテロダイン位相シフト情報及び補正された格子位相シフト情報を同時に得るための方法とをも対象とし、それから、非常に正確な厚さが計算され、膜の屈折率が厚さ計算において動的にアップデートされる。これは、上述されたヘテロダイン反射率計システムに格子干渉計を含めることによって実現され得る。
【００２１】
ピッチ“ｐ”を有する格子は、０次及び１次のバンドに反射されたビームを回折させ、それは、別々の検出器によって検出される。検出器は、０次ビームを受け取り、他の測定信号を生成する。もう一方の検出器は、１次のビームを受け取り、格子信号を生成する。上記のように、格子からの測定信号及び参照信号は、位相シフトのために位相検出器によって分析され、それは、膜の正確な屈折率とともに、膜の厚さと関連付けられる。逆に、どちらの測定信号も、格子誘発位相シフトを検出するために、格子信号とともに、位相検出器によって分析され得る。膜の屈折率は、膜の上のビームの波長、格子ピッチ、及び入射角のために、格子位相シフト及びヘテロダイン位相シフトから直接計算される。屈折率及びヘテロダイン位相シフトとともに、膜の厚さは、波長、ピッチ、及び入射角のために決定される。逆に、膜の厚さは、屈折率とは無関係に、且つ屈折率を知ることなく、波長、ピッチ、入射のため、格子位相シフトとヘテロダイン位相シフトから直接計算することができる。しかし、格子信号も補正されるべきエラーを含んでいる。格子エラー補正アルゴリズムは、厚さ又は屈折率のための予想される格子位相シフトに対して、測定された格子位相シフトを補正するために構築される。既知の厚さを有するテスト膜の格子位相シフトを測定し、厚さに関するそれらの測定結果を予想される格子位相シフトと比較することにより、格子位相シフトエラー補正は、測定及び予想位相シフト間で定式化することができる。測定された格子位相シフトは、補正することができる。
【００２２】
アップデートされた屈折率は、補正されたヘテロダイン位相シフトと補正された格子位相シフトとから導くことができ、それは、ほぼリアルタイムで厚さ補正を動的にアップデートするために用いられる。従って、膜の屈折率が処理の間にドリフトする状況においてさえ、超薄膜の正確な膜厚の結果を入手することができる。
【００２３】
さらに、本発明は、入射角の膜の表面に戻るように第１のパスから反射されたビームをリダイレクトすることによって、複光路方式モードにおいて動作することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明に特有であると思われる斬新な特徴は、添付された特許請求の範囲に記述される。ただし、本発明自体だけでなく、好ましい使用態様、さらにその目的及び利点は、図示の具体例の以下の詳細な説明を図面と併せて読むと理解することができる。
【００２５】
本発明の他の特徴は、添付図面から、そして以下の詳細な説明から明白になるであろう。
【００２６】
この本発明は、半導体製造の一部である超薄膜の堆積をモニタするのに有用である。それゆえ、デポジッション手段や拡散炉と一体化され得る。さらに、本発明は、サブ１０Åから２０００Åの膜厚の範囲で薄膜を測定する、可視光線反射率測定の使用を拡張するための、単純且つ効果的な方法を提供する。本発明を用いることにより、大きな平均故障間隔（ＭＴＢＦ）及び非常に簡単な検出スキームを備えた単色の光源を用いて、優れた結果を得ることが可能である。一般に、この厚さ領域への従来技術に係るスペクトル反射率計の拡張は、複雑な遠紫外線（ＤＵＶ）光源及び反射性又は反射屈折光学を必要とする。また、従来技術に係る反射率計と対比すると、本発明は、数オングストロームの厚さの上層膜の厚さを決定するのに、下の層に関する事前の知識を必要としない。さらに、この発明に基づくセンサーの所有コストは、典型的な従来技術のＤＵＶスペクトル反射率計のそれよりもはるかに低く、また、本発明の方法は、必要となる測定前処理がより少ないものである。本発明の応用及び以下で開示される技術により、表面形状又は広い領域の測定によって誤差が引き起こされることなく、超薄膜上の領域又は点のターゲットの厚さをプロセッサが正確にモニタすることが可能となる。
【００２７】
マイケルソンのヘテロダイン干渉計において、干渉参照ビームと測定ビームとは僅かな光の周波数差（一般に〜ＭＨｚからＫＨｚ）を有する。両者間の干渉は、次の方程式によって表される：
2008533447.tif 000003
Ａは、直流成分
Ｂは、縞の可視性を表す信号成分
φは、参照ビームと測定ビームとの間の位相差
Δωは、２つの信号の角周波数差
両者間の干渉は、角周波数の差Δωと等しい角周波数を有するうなり信号として観察することができる。
【００２８】
測定ビームが光路長変化（Δｄ）を受ける場合、うなり信号は、図２に示されたシミュレーションされた結果に例示されるように、対応する位相シフトΔφ＝（４π×Δｄ）／λをするであろう。そこで、測定うなり信号１０３の位相は、測定ビームの光路長の変化が原因となって参照うなり信号１０５からΔφシフトされて描かれる。
【００２９】
以下に提示された発明は、従来技術の欠点に対応して、薄膜測定に対する単純なヘテロダイン反射率測定のアプローチを提供する。このアプローチによって提供される検出感度は、オングストロームのタイプの膜厚の寸法を正確に測定することができるほどである。さらに、単純な正弦波が使用されるので、位相シフトの測定をリアルタイムで実現することができる。本発明のこれら及び他の特徴は、図３Ａに示される超薄膜の厚さを測定するためのヘテロダイン反射率計の説明によってより完全に理解されるであろう。
【００３０】
図３Ａは、本発明の典型的な具体例に従う、薄膜の厚さを測定するためのヘテロダイン反射率計の図である。本発明のある側面を説明するのに必要であるので、領域３０１は、図３Ｂにおけるビームと膜（フィルム）との相互作用の拡大図として議論されるであろう。ヘテロダイン反射率計３００は、一般に、膜３１４及び基板３１２に入射角αで入射する方向を持った入射ビーム３０３のための光学を備える。
【００３１】
ビーム３０３は、それぞれの分離した光周波数、即ち、それぞれω及びω＋Δωの分割周波数のｐ偏光及びｓ偏光されたビーム成分を有し、互いに直交する直線偏光した２つの成分を含む。ここに用いられるように、Δωは約２０ＭＨｚであるが、単なる典型的なものに過ぎず、本発明の範囲を逸脱することなく他の周波数分離が用いられ得る。このビームを発生させるための光源３２０は、例えばゼーマン分割ヘリウム―ネオンレーザーであり得る。或いは、単一モードレーザー光源からのビームは、例えば音響光学変調器を用い、一方又は両方の別個のビームが所定周波数に周波数シフトした２つの別個のビームに分割することができる。分割周波数のビームは、その後、膜３１４への入射の前に再結合することができる。光ビームは、当該光ビームの経路の向きを変えるために、任意の適当な光学部品を用い、入射面の中に、そして膜３１４の方へ方向付けされる。図面に描かれるように、１対の三角形状のプリズム（入射プリズム３３２及び反射プリズム３３４）は、膜３１４に入射する入射ビーム３０３を方向付けし、膜３１４から反射されたビーム３０５を受け入れるが、任意的に、ビームの偏光を保持する間、光路を方向付けするための任意の適当な光学部品でもあり得る。例えば、光源３２０は、鏡又は他の反射光学部品を用い、入射面（垂線から入射角α）内に方向付けされるか、或いは、所定の入射角でビームを発射するために配置される偏波面保存ファイバに繋げられ得る。
【００３２】
ただし、従来技術と著しく対照的に、両方の光周波数の経路が単一の経路に沿って膜と相互作用する、即ち、測定ビームのｓ偏光成分及びｐ偏光成分が実質的に同一直線上にあるビームであり、大よそ同軸であることに注目しなければならない。さらに、ｓ偏光及びｐ偏光の成分から膜３１４上の照射領域は、ターゲット位置で大よそ同一の広がりを有する。
【００３３】
本発明のヘテロダイン反射率計の主要な特徴は、測定された位相シフトΔφmから実際の位相シフトΔφを決定することである。測定された位相シフトΔφmは、参照信号Ｉrefの位相と測定信号Ｉhetの位相との位相差、即ち、反射されなかった経路（参照信号）から得られた信号と反射された経路から得られたうなり信号とのうなりである。真の（又は実際の）位相シフトΔφは、膜層の誤差がない正確な厚さｄfを決定するのに必要である。従って、測定された位相シフトΔφmを求めることは、２つの信号検出器を使用するのを必要としており、一つ目は参照信号Ｉrefの検出／生成用であり、二つ目は測定信号Ｉhetの検出／生成用である。
【００３４】
信号検出器３４０は、ミックス偏光子３５４からの分離したビーム（参照ビーム）３０４を感知するものであり、ミックス偏光子３５４は、ビーム３０４のｓ及びｐ偏光成分を膜３１４から反射する前に混ぜ、ビーム３０４の位相φを示す参照信号Ｉref３４２を生成する。検出器３４０は、例えばＰＩＮ（正―真性―負）検出器、又は、うなり周波数に反応する任意の光検出器であり得る。それは、｜ω−(ω＋Δω)｜のうなり周波数を有する参照信号Ｉrefを発生する。参照信号Ｉref３４２は、Δφmが測定された位相シフト検出器３６２に送信され、そこで、膜３１４によって引き起こされた測定された位相シフトΔφmを決定するために参照位相として用いられる。
【００３５】
一方、信号検出器３５０は、膜３１４と相互作用した後にプリズム３３４から伝播した、ビーム３０５のｓ及びｐ偏光成分を混ぜるミックス偏光子３５５からの反射ビーム３５６を感知する。信号検出器３５０は、測定信号Ｉhet、３５２を生成し、それは、ビーム３５６の位相φ＋Δφを示し、参照信号Ｉrefの位相からΔφ位相シフトしている。検出器３５０は、例として、ＰＩＮ検出器であり得る。それは、反射光ビーム３５６をモニタし、ヘテロダイン測定信号Ｉhetを発生し、Δωのヘテロダイン角周波数をも伴う。測定信号Ｉhet及び参照信号Ｉrefは、ヘテロダイン位相シフトΔφm（＝Δφhet）とともに、図１８においてそれぞれ信号プロット１８０２，１８０４としてグラフを用いて描かれる。
【００３６】
信号３５２は、測定されたヘテロダイン測定信号Ｉhet３５２を参照信号Ｉref３４２と比較して測定された位相シフトΔφmを決定するΔφm測定位相シフト検出器３６２において受信される。位相シフトΔφmは、膜３１４によって引き起こされ、位相シフトの量は、種々の要因に依る。それには、膜３１４の厚さ、モニタされる特定の膜に対する、及びより高い位相シフトにおける屈折率ｎf、補正係数が含まれる。ファクター間の相互関係は、以下で、より大きな特異性において議論されるであろう。どのような場合であっても、正確な膜厚ｄfは、プロセッサ３６０によって補正された位相シフトΔφから決定することができ、それは測定された位相シフトΔφmから得られる。しかし、測定された位相シフトΔφmは少なくともより高い位相シフトにおいて、固有誤差を有するので、測定された位相シフトが補正されることによってのみ、正確な厚さ寸法が可能である。
【００３７】
ここで、データ処理システム３６０が個々の用途によって様々な形式を取り得ることは理解されるべきである。インラインウェハ処理からのデータは、反射率計検出器３４０及び３５０又はΔφm測定位相シフト検出器３６２に電気的に繋げられるコンピュータ又はＰＣにおいてリアルタイムで処理されることが多い。ただし、他の典型的な具体例に従って、反射率計システムは、リアルタイムでモニタされたデータを格納及び処理するために内部のデータプロセッサ及び／又は個別のファームウェアコンポーネントによって事前設定され得る。まだ他の典型的な具体例に従って、反射率計からの生の測定データは、ウェハプロセス機器内のデータ処理システムによって処理される。その場合、ウェハ処理ファームウェアは、厚さ計算を含め、反射率計の全てのデータ処理を実行する。従って、ヘテロダイン反射率計システム３００は、一般的なデータ処理システム３６０によって描かれ、それは、個別のファームウェア及びハードウェアコンポーネントを含み得る。これらのコンポーネントは、一般に、測定位相シフト補正器３６６及び厚さ計算機３６８を含む。任意的に、システム３６０は、エラー訂正データメモリー３６４を含み得るものであり、その操作は、以下で議論されるであろう。
【００３８】
より具体的には、Δφm位相シフト検出器３６２は、各検出器から参照信号Ｉref３４２及びヘテロダイン測定信号Ｉhet３５２を受信し、両者間の位相シフトΔφmを測定する。位相シフト検出器３６２は、位相検出のために参照信号Ｉref及び測定信号Ｉhetの対応点を検出すべく、任意の適当な機構を用いることができる。ただし、これらの改良は、図２５及び２６Ａ〜２６Ｄに関して別々に議論される。
【００３９】
図には示されないが、位相シフト検出器３６２は、波長を入力するための入出力インタフェース、及び／又は信号検出を容易にするための発振器周波数情報をも装備することができる。
【００４０】
測定位相シフトΔφmが検出されると、エラー訂正のためにΔφm位相シフト補正器３６６に渡される。測定位相シフトΔφmのエラーは、より高い位相シフトにおいてかなりであり得るが、エラーは、適切な補正係数の組を多項式関数をΔφmに適用することによって訂正することができる。図７‐図１０に対応する以下の議論から明白になるように、補正係数は、個別の膜の屈折率に対して得られる。さらに、エラー訂正計算を実行するために、Δφm訂正器３６６は、ある種のパラメータデータを必要とする。これらのデータには、光源の波長λ、トップ（一番上）の膜層の屈折率ｎｆ、及び入射角αが含まれる。αは、通常はデフォルトのα＝６０に設定され、光源波長及び膜の屈折率ｎfに対するブルースター角ちょうどではない。その理由は、以下で議論されるであろう。
【００４１】
最終的に、ｄf厚さ計算機３６８は、Δφm補正器３６６から補正された位相シフトΔφを受け取り、調査されている膜、即ち膜３１４に対する補正された膜厚ｄfを計算する。
【００４２】
或いは、ｄf厚さ計算機３６８は、直接Δφm位相シフト検出器３６２から測定された位相シフトΔφmを受け取り、メモリー３６４から取り出す膜厚補正データによって代数的に測定された厚さを補正し得る。厚さエラー補正データ又は検索テーブル（ＬＵＴ）は、膜３１４に対する屈折率ｎfに基づいたメモリー３６４に予めロードされる。
【００４３】
さらに別の選択肢は、個々の測定位相シフト値に対してインデックスが付けられた補正された厚さ値ｄfのテーブルをメモリー３６４に記憶することである。その場合、位相シフト検出器３６２からΔφmを受け取ると、ｄf厚さ計算機３６８は、メモリー３６４から補正された厚さ値を取り出し、値を出力する。
【００４４】
今回の方法は、膜の上面からの放射の異方性反射によるものである。従って、ヘテロダイン反射率計の設定は、好ましくは、ブルースター角の近傍の入射角αで設定される。直下に示されるように、膜に対する位相シフトの最大の感度は、検査中の個々の膜の屈折率に対するブルースター角において達成される。ブルースター角において、膜の上面からの反射したｐ偏光した光の量は、ゼロ又は最小である。従って、検出器３５０からの信号Ｉhet３５２は、膜厚の情報に富むものである。
【００４５】
ただし、実用的な問題として、モニタシステム中の光学部品は、個々の処理装置と協力するために半恒久的に設定され得る（例えば、予め設定された入射角６０°）。そのようなシステムにおいて、精密な角度に入射を調整することは困難又は不可能であり得る。とはいえ、以下の議論において示されるように、ここで説明される発明の１つの利点は、厚さ測定が個々の膜の屈折率に対するブルースター角の周辺の広い角度範囲に亘って非常に正確なことである。
【００４６】
さらに、膜表面からの異方性の反射に加えて、反射の異方性は、膜自体及び底の膜表面又は基板にも存在し得る。膜素材及び下の界面はｓ及びｐ偏光のために等方性であるものとされている。ただし、この仮定は、常に全ての膜のタイプに合うものではなく、J. Vac. Sci. Technol.  Ａ１２（４）  １９９４年７月／８月の第１１５２ページに掲載されたティー．ヤスダらの"特異な微斜面のＳｉ−ＳｉＯ2界面及び水素終端Ｓｉ表面の光学的異方性"や、J. Vac. Sci. Technol.  Ｂ３（５）  １９８５年９月／１０月の第１４９８ページに掲載されたディー．イー．アスプネスの"三次元半導体の上方バンドギャップ光学的異方性：表面の可視‐近紫外線プローブ"を参照されたい。従って、トップの膜及び／又は基板が顕著な反射率異方性を示す状況においては、最適化された入射角は、直角入射とブルースター入射角との間にあり得る。
【００４７】
より具体的には、膜の次のような領域：ａ）トップ表面、ｂ）膜の中間、及び／又は、ｃ）底表面の全てにおいて、反射／吸収の異方性が存在し得る。膜の上面において、本質的に、他の偏光の上のブルースター角における一方の偏光の優先的な反射による、上で議論した理由及び論理的根拠によって、フレネル反射が原因となって測定信号の中に位相シフトが引き起こされ得る。一般に、それは殆どの膜にそのまま当てはまり、ノイズに対して大きな信号を与える。しかし、膜表面の上のスクラッチは、反射の異方性に寄与し得、従って、この位相シフトを高める。膜の中間は、特に強磁性の薄膜に関しては、例えばディスクメモリ機器と強誘電性の薄膜、例えばＣＭＯＳ中のキャパシタについて位相シフトをも引き起こし得る。膜の底の表面（即ち、膜と基板との間の界面）において、結晶方位、又は、強磁性の薄膜に加えて着色結晶格子構造によって位相シフトが引き起こされ得る。
【００４８】
例として、ＳｉＯ2／Ｓｉ膜の下の界面は、直角入射におけるｓ及びｐ偏光の反射のために異方性であると分かっている。ＳｉＯ2の上面と及び量のバルクメディアが直角入射において等方性であると仮定すると、膜厚に基づいて、測定信号の中に位相シフトが引き起こされ得る。ただし、この場合、シフトは、膜面ではなく、下の界面からの異方性の反射によって引き起こされる。しかし、ここで、ビームは、６０°のデフォルト角度ではなく、表面に対して垂直に方向付けされ得る。今回説明された方法は、反射と同様に吸収にも当てはまり、さらに、半導体ウェハの表面などの表面を横切る膜厚のマップを作成するためにウェハを走査するのにも適用可能である。
【００４９】
膜面からの異方性の反射についてより一般的なケースに戻り、設定システム３００のヘテロダイン反射率計の設定入射角αは、検査中の膜の屈折率ｎf及び照射光源の波長λと関係し、また、それらとともに変化し得るということが、以下の議論から理解されるであろう。異なる膜は異なる屈折率を有するので、角度αは、インデックスの変化と対応して、調整され得る。必要であれば、ヘテロダイン反射率計システム３００の入射角度を調整するために、調査される様々な膜の屈折率に基づく様々な手段が提供される。これは、テーブルシステム３１０及び／又はプリズム３３２，３３４が動くことを可能とすることによって実現され得る。例えば、ミラー３３２，３３４は、２度の動きを有して設定され、一つは、ビーム３０３，３０５によって形成される入射の面に垂直、且つ、膜３１４の垂線である軸周りの回転方向にあり、表面法線に平行な並進動作の方向である。或いは、ミラー３３２，３３４は、入射面と直角な方向周りに１度の回転運動を有し得るものであり、テーブルアセンブリ３１０は、垂直な方向に１度の並進動作を有するであろう。後者の典型的な具体例は、動作を表す仮想線によって示されたミラー３３２，３３４と、テーブルアセンブリ３１０（ここでは、テーブル３１５、膜３１４、及び基板３１２として描かれる）とでここに描き出される。仮想の要素は、屈折率ｎfの値の変化に応じて、異なる入射角αに角度を変えられた入射ビーム３０３及び受信用の反射ビーム３０５を示す。ただし、以上や以下で強調されるように、デフォルト入射角α＝６０°を用いることは、膜及び光源に対するブルースター角で入射角を正確に設定する上で好都合である。
【００５０】
次に図３Ｂを見ると、膜３１４に起因する位相シフトΔφの源が描き出される。ｓ偏光成分は、明確さのためにｐ偏光成分と分離されるものとして描き出される。入射ビーム３０３は、ｓ偏光成分３０３ｓ（光の角周波数ωを有する）とｐ偏光成分３０３ｐ（光の角周波数ω＋Δωを有する）とを含み、それらは互いに直交する。成分３０３ｓ及び成分３０３ｐの両方は、膜３１４の垂線に対して角度αで入射する。膜３１４の表面において、ビーム成分３０３ｓの一部は、反射光線３０５‐１ｓ（以下で
2008533447.tif 000004
として参照される）として反射される一方、ビーム成分３０３ｓの他部は、屈折角ρで膜３１４の中へ屈折し、その後、基板３１２から反射し、膜３１４の外へ屈折光線３０５−２ｓ（以下で
2008533447.tif 000005
として参照される）として屈折する。
同様に、ビーム成分３０３ｐは、反射光線３０５−１ｐ（以下で
2008533447.tif 000006
として参照される）と屈折光線３０５−２ｐ（以下で
2008533447.tif 000007
として参照される）とに分割される。
【００５１】
膜厚の正確な計算の基本は、膜との光の相互作用を膜厚に対してより敏感になるように最適化することであり、それは、ヘテロダイン位相シフトΔφmを高める。その目的は、参照信号からヘテロダイン信号の位相シフトをできるだけ増大させること、即ち、Δφmを増大させることである。本発明では、これは、等方性の膜及び基板に対する入射角を最適化することによってなされる。反射されたビームが反射され屈折するｓ及びｐ成分光線から構成されるので、一方の偏光成分が他方に比べて膜面からの反射光線の大きな部分を有するのが好都合である。分割周波数を有するｓ及びｐ偏光された光が測定に用いられるので、この結果を達成するために入射角度αを調整することが可能である。技術的によく理解されているように、直線偏光は、光源波長の入射角をブルースター角に設定することによってこの結果を表すであろう。ブルースター角では、事実上、入射ビーム３０３ｐのｐ偏光成分全体は、３０５−２ｐとして膜の中にごく僅かしか屈折されず、もしあったとしても光線として３０５−１ｐとして反射される。逆に、ブルースター角において操作すると、入射ビーム３０３ｓのｓ偏光成分は、屈折光線３０５−２ｓとして膜を貫く残りの部分とともに、光線３０５−１ｓとして顕著な反射が見込まれる。従って、角度αは、１つの偏光成分のより多くが反射されるのではなく膜の中で殆ど全て屈折するように調整され得る。従って、光線が混ぜられた後に、結果として生じるビームは、膜の表面から反射されたｓ偏光成分の不釣合な寄与によって、位相シフトのために高感度化される。従って、屈折した成分が次式で示される増大した経路距離を移動するのに必要な時間に位相シフトが由来することを理解することができる。
2008533447.tif 000008
【００５２】
等方性の膜及び基板に対して、好ましくは、ビーム３０３の偏光成分は、直線的且つ互いに直交し、明細書全体に亘ってそのように見なされる。ただし、多少減少するが、楕円偏光した成分も、同様な厚さ誘因位相シフトを生じさせるであろう。従って、本発明の他の典型的な具体例に従って、ビーム３０３の分割周波数は、楕円偏光する。
【００５３】
本発明の側面によると、偏光された信号をヘテロダインすることの軸外照明アプローチを用いて、非常に敏感な厚さの測定が実現される。反射角がブルースター角の近傍である場合、本発明のこの側面は、膜の上面からの電磁放射の異方性反射に依存する。従来技術の共通又は垂直軸のアプローチにこの方法を利用することの理由は、直下で取り組まれるであろうが、基板が直角入射で顕著な反射率異方性を表す場合には、入射角が直角入射であり得ることが確認されるはずである。
【００５４】
単一の積層膜に対するｓ偏光反射率は、次式で書くことができる：
2008533447.tif 000009
2008533447.tif 000010
【００５５】
同様に、ｐ偏光反射率は、次式で与えられる：
2008533447.tif 000011
ここで、
2008533447.tif 000012
δは、膜厚に起因する位相シフト
αは、投射角
ｎは、膜の屈折率
ｄは、膜厚
【００５６】
２つの偏光が混じる場合には、検出器によって感知された合成振幅反射率は、次式で書くことができる：
2008533447.tif 000013
【００５７】
パワー反射率は、次式の通りである。：
2008533447.tif 000014
ｒeffは、検出器からの合成振幅反射率
ｒeff*は、ｒeffの複素共役
【００５８】
方程式（５）に方程式（２），（３），（４）を代入すると、次式で表すことができる。：
2008533447.tif 000015
ここで、ａ＝ｒ1sｒ2s，ｂ＝ｒ1pｒ2p，ｃ＝ｒ1sｒ2p，ｄ＝ｒ1pｒ2s，ｆ＝ｒ2sｒ2p，ｇ＝ｒ1sｒ1p
【００５９】
方程式（６）の最初の２項は、ｓ及びｐで偏光された光による標準のホモダイン受信法反射率を表している。所与の波長及び膜厚のために、これらの項は、パワー反射率に時不変の（直流の）値を与えている。次の５つの項は、偏光ミキサーでのｓ及びｐ偏光光の可干渉性の（コヒーレントな）追加に起因するヘテロダイン反射率を表している。
【００６０】
位相がｔのみによって決定される第３項は、厚さ変化に影響されない。一方では、ｃｏｓ（Δωｔ±２δ）及びｃｏｓ（Δωｔ±４δ）を含む項は、膜厚が変化する際にうなり信号の位相をシフトさせ得る。伝統的なヘテロダイン干渉計測において、測定された位相シフトは、経路の長さ又は厚さの変化と直接比例するであろう。しかし、方程式（６）の非線形な性質のため、測定された位相シフトは、厚さ変化の表れに過ぎず、その直接的な尺度とはならない。
【００６１】
興味深いことに、＋δ及び−δの両方が位相シフトに寄与する。その結果、どのような厚さ変化に対しても直角入射において０位相偏位が起こる。これは、シミュレーション結果によって確認された。これは、直角入射（即ち、従来技術の共通軸の入射）において、ｃｏｓ（Δωｔ＋２δ）の係数がｃｏｓ（Δωｔ−２δ）のものと同じであり、ｃｏｓ（Δωｔ＋４δ）の係数がｃｏｓ（Δωｔ−４δ）のものと同じであることを実現することによって理解することができる。従って、一方によって引き起こされた位相シフトは、他方によってバランスがとられる。
【００６２】
図４は、直角入射（α＝０．０°）において取られたシミュレーション結果の強度対時間のプロットを示す図である。図から、１００ｎｍの膜に関する測定信号４０２のプロットは、参照信号である参照信号プロット４０４と一致していることが明白であり、即ち、１００ｎｍの膜の測定信号及び参照信号が直角入射において同じ位相となっている。また、この結果は測定される膜の厚さによって変わらない。１００ｎｍの膜と同じように、５０ｎｍの膜に関する測定信号４０６のプロットも、ローカルな参照プロット４０４のプロットと同じ位相となっており、即ち、５０ｎｍの膜に関する測定信号と参照信号とが直角入射において同じ位相となっていることに気づく。
【００６３】
垂直軸モードと対比すると、軸外モードにおいて、係数（ｃｏｓ（Δωｔ±２δ）及びｃｏｓ（Δωｔ±４δ））の対が異なる。従って、ヘテロダイン反射率計を用いて等方材料における厚さ起因の位相偏位を検出及び測定することが可能である。
【００６４】
図５は、角度２０．０°の入射（α＝２０．０°）において取られたシミュレーション結果の強度対時間のプロットを示す図である。この図から明白なように、１００ｎｍの膜に関する測定信号のプロット５０４は、Δφ（＝Δφm）によって参照信号である参照プロット５０２からシフトした位相である。
【００６５】
しかし、入射角α＝２０．０°では、１００ｎｍの厚さ変化の位相シフトΔφはかなり小さい。従って、ヘテロダイン反射率計の設定は、リアルタイムの薄膜の厚さ／変化をモニタするのにより有用となるために、厚さにより敏感となるよう最適化されるべきである。
【００６６】
入射角がトップの膜に関するブルースター角であるならば、ｒ1pは０に近くなるであろう。換言すると、αがブルースター角となるように入射角を選択することによって、ｓ偏光成分のみが反射されるであろう。ｐ成分の殆どは、膜の中に屈折するであろうし、膜基板界面で反射されるであろう。プラズマエッチング又は堆積のプロセスに関しては、ブルースター角は、ａｒｃｔａｎ（ｎf／ｎp）で与えられる。ここで、ｎpは、プロセス室の中のガスの屈折率であり、ｎfは、トップの膜層の屈折率である。その場合、方程式（５）は、次式のように書き換えることができる。：
2008533447.tif 000016
ここで、ａ＝ｒ1sｒ2s，ｂ＝ｒ1pｒ2p，ｃ＝ｒ1sｒ2p，ｄ＝ｒ1pｒ2s，ｆ＝ｒ2sｒ2p，ｇ＝ｒ1sｒ1p
【００６７】
上記の方程式において、位相情報を有するヘテロダイン項は、ｒ1s（ω）及びｒ2p（ω＋Δω）を含む項のコヒーレントの付加によるものである。これは、古典的なヘテロダイン干渉計に多少類似しており、そして測定ビームから参照ビームを分離することに関係するノイズがない。
【００６８】
図６は、２つの異なる膜厚に関して角度６０°の入射（α＝６０．０°）において取られたシミュレーション結果の強度対時間のプロットを示す図である。（ここで、多くのブルースター角が５７°により近いものであり得るが、当然のことながら、入射角αは６０．０°に設定される）。１００ｎｍの膜に関する測定信号６０２のプロット及び５０ｎｍの膜に関する測定信号６０６のプロットの両方は、参照信号であるローカルな参照信号プロット６０４及び互いからかなり位相シフトしているであるということが図から分かる。図５と比較すると、６０°の入射角の観察されたシフトは、２０°の入射角よりもかなり大きいことが明らかにされる。（Δωｔ−δ）を含む項の除去は、技術を厚さ変化により敏感にするように思われる。
【００６９】
ヘテロダイン反射率計の設定が厚さにより敏感であるように最適化されると、位相シフトΔφから厚さを決定するための計算を確立することができる。古典的なヘテロダイン干渉計では、位相シフトが測定され、ビームの経路差Δｄにおける対応する変化は、以下の式を用いて計算することができる：
2008533447.tif 000017
Δφは、参照信号Ｉrefに対して測定された信号Ｉhetの位相シフト
Δｄは、対応するビームの経路差
λは、ヘテロダイン照射光源の波長
【００７０】
従って、：
2008533447.tif 000018
【００７１】
ヘテロダイン反射率測定において、Δφ＝２δ、及び、
2008533447.tif 000019
であるので、膜の厚さは、以下の方程式によって求めることができる：
2008533447.tif 000020
【００７２】
方程式（６）を用いるシミュレーションでは、０から１００ｎｍ（１０００Å）までの膜厚に対応するヘテロダイン反射率信号が生成される。そして、各信号の位相シフトΔφは、参照信号を参照して概算される。推定された位相値から、膜厚の対応する値が方程式（１０）を用いて予測／計算された。
【００７３】
測定された厚さは、次に、入力された厚さと比較される。測定された厚さと入力された（既知の）厚さとの差は、測定された位相シフトΔφmにおけるエラーの関数である。
2008533447.tif 000021
Δφmは、参照信号Ｉrefに対して測定された信号Ｉhetの位相シフト
ｄは、測定された位相シフトΔφmから推定される膜厚
ｎは、膜の屈折率
αは、入射角
λは、ヘテロダイン照射光源の波長
【００７４】
図７は、６０°入射角の、推定の膜厚と実際の膜厚との比較の図である。比較プロット７０２から、約３００Åまでの膜厚は、予測された厚さが入力された厚さとうまく合致しており、プロット７０２が比較的直線的であることが分かる。３００Åの厚さを超えると、予測された値におけるエラーは、直線的でない比率で厚さとともに増大する。図８において、薄膜の実際の及び測定された厚さの間のエラー量を描くエラープロット８０２によって、エラー対入力された厚さが描かれる。
【００７５】
図６及び図７から、３００Åまでのエラーの量が０又は無視できるが、それを超えるとエラーが急速に増大することが分かる。そうではあるが、このエラーは定量化することができ、エラー計算は、その除去のために公式化することができる。エラーを相殺する１つのメカニズムは、より高次の多項式関数を誤差曲線８０２に適合させることである。測定された位相シフトΔφm及び実際の位相シフトΔφから計算される、実際の膜厚及び推定の厚さから引き出された多項式関数の係数を用いることにより、厚さ計算におけるエラーを決定することができる。そして、厚さ計算（即ち、測定された位相シフトΔφmを補正すること）において多項式のエラー関数を単に含めることにより、膜厚（即ち実際の膜厚）の予測値を得ることができる。或いは、位相シフト寸法から得られる推定の厚さ値は、厚さエラー補正値を直接推定の厚さに代数的に追加することによって補正することができる。
【００７６】
図９及び図１０は、６０°の入射角に対する膜厚を計算するためのエラー計算の妥当性を証明する。曲線９０２は、６３２ｎｍのレーザーに関し、エラー補正後の推定の厚さの結果が７００Åまで極めて正確であり、９００のÅ範囲まで大変良いことを示す。推定の厚さ値は、９００Åの厚さを超えて初めてエラー補正が破綻する。図１０の曲線１００２から、４０４ｎｍのレーザーに対するエラー補正結果は、６３２ｎｍのレーザーを用いた測定の９００Åの厚さの障壁を超えてなお正確なままであることが分かる。
【００７７】
上の議論から、トップの膜層の屈折率ｎfが既知である場合には、膜厚に対する最も正確な結果が得られることは明白である。以上で示されたシミュレーション結果から、適切に設定されたヘテロダイン反射率計は、サブ２００ｎｍの領域での膜厚を決定するのに極めて有益であることが証明されている。正確な厚さ結果は、位相シフトから計算された厚さに対するエラー補正を決定することによって、３００Åより大きい膜厚において達成することができる。本発明の１つの典型的な具体例に従って、厚さ／位相シフトのエラー補正は、予め決定される。所定の補正とともに、膜厚のその後の元の位置でのモニタにより、ウェハ処理の間、リアルタイムで且つ正確な厚さが実現され得る。
【００７８】
図１１は、本発明の典型的な具体例に従う、ヘテロダイン位相シフトの大きさを測定するのに用られる位相シフト補正多項式関数の係数を決定する方法を描くフローチャートである。この方法は、１つの既知の屈折率ｎf及び複数の既知の厚さｄfk1-j（ステップ１１０２）を有する多くのキャリブレーションウェハを選択することから始まる。屈折率は共通のファクターであるので、厚さエラー補正多項式関数の係数は、指数に固有になるであろう。各キャリブレーションウェハの屈折率は、正確な厚さ計算結果を保証するため、生産工程中の上層膜のインデックスと同一であるべきである。一般に、単一の層のＮＩＳＴ追跡可能な酸化物ウェハは、この目的のために様々な屈折率及び膜厚において利用可能であるが、既知の膜厚及び共通の既知の屈折率を有する任意のウェハで十分であろう。典型的なウェハエッチ又は堆積処理のために、選択されたキャリブレーションウェハの膜厚は、５Å刻みで１０Åから１００Åに及ぶ。
【００７９】
次に、入射角αは、キャリブレーション膜の既知の屈折率ｎf及び照射光源の波長に基づいて、ヘテロダイン反射率計システムのために調整される（ステップ１１０４）。好ましくは、入射角は、膜の屈折率のために、可能な限りブルースター角の近傍とされる。しかし、一部のモニタシステムは、設定可能ではない場合もあるが、α＝６０°等のデフォルト入射角に予め設定され、従って、ブルースター角に入射を調整することは不可能である。そうは言っても、商業的に入手可能な膜の多くがそのデフォルト入射角α＝６０°（一般に、６０°に僅かに満たない）の数度以内にブルースター角を有することが分かっている。システムの多くがデフォルト角度に予め設定されるので、信号ノイズによるいかなる付加的なエラーも無視することができる。その結果、膜に関する精密なブルースター角ではなく、所定のデフォルト、例えばα＝６０°において多項式の関数に対する係数を導くことが好都合であり得る。その際、係数は、α＝６０°のデフォルト入射角を有する予め設定されたシステムに適切であるそれらの設定可能なシステムは、膜のブルースター角より僅かに高いのではあるが、６０°のデフォルト値に調整された入射角のみを有することができる。入射が膜のブルースター角から数度ずれていることに起因する厚さ測定エラーよりも、入射角度を間違って調整しているか、又は、入射角に対する不適当な多項式関数を用いていることに起因する厚さ測定エラーの方が実質的により大きなエラーであることを理解されているべきである。
【００８０】
運転中、分割周波数偏光ビームは、ヘテロダイン反射率計システム中の膜から反射され、その結果、各ｊウェハに対するヘテロダイン測定信号Ｉhet及び参照信号Ｉrefが生成される（ステップ１１０６）。測定信号は、参照信号から膜厚に関連する量シフトした位相になるであろう。測定された位相シフトΔφm1-jは、参照信号Ｉrefの位相と各ｊキャリブレーションウェハに対する測定信号Ｉhetの位相とから検出される（ステップ１１０８）。測定された位相シフト情報によって、６次多項式関数の係数を決定することができ、それは、既知の厚さｄkf1-jに対しての、そして既知の屈折率ｎfに対しての、測定された位相シフトΔφm1-jから得られた推定の厚さにおけるエラーに関係する（ステップ１１１０）。これは、位相差アルゴリズム、例えば方程式（１１）を用い、ウェハの既知の厚さｄkf1-j及び既知の屈折率ｎfから実際のΔφを求めることによって実現され得る。続いて、６次多項式関数は、Δφmに内在するエラーを補正し、従って、補正された膜厚を求めるために、測定された位相シフトに適用され得る。
【００８１】
本質的に、エラー補正多項式関数は、正確な膜厚を求めるために、少なくとも３つの方法のうちの１つにおいて用いることができる。第一に、多項式関数は、直接データ処理システムにロードされ、測定された位相シフトΔφmから予測される厚さをエラー補正するために厚さ計算とともに、直ちに実行することができる。或いは、多項式関数は、予め厚さエラー補正のセットを生成するために、厚さ計算とともに用いることができ、それらは、テーブルの中に蓄積され、個々の測定された位相シフトΔφmの値と関連付けられる。任意的に、エラーの訂正された厚さのデータセットは、厚さエラー訂正の代わりに多項式関数と厚さ計算によって作成され、個々の測定された位相シフトΔφm値に対して表の中でインデックスをも付され得る。厚さエラー訂正のテーブルが編集されるならば、動作の間、データプロセッサは、測定された位相シフトΔφmから測定された厚さｄmを計算し、それから、テーブルから適切な厚さエラー訂正によってΔφmのエラーを訂正する。或いは、エラーが訂正された厚さデータが用いられるならば、信号のために得られた各測定位相シフトΔφmの表からのエラーが訂正された厚さ測定結果に単にアクセスするに過ぎず、従って、厚さ計算を実行するためのデータプロセッサの必要性がなくなる。
【００８２】
ここで、１つの物理的な機械で引き出した補正係数が別の装置に上手く翻訳し得ず、即ち、その二つが同一に設定されているとしても、エラー補正精度がある程度劣り得ることもまた理解されるべきである。換言すると、位相シフトエラー補正多項式のために引き出された係数は、少なくとも部分的に装置特有のものであり得る。従って、理想的に、Δφmは、膜厚を測定するのに用いられる同じ装置から取得されるべきである。それにもかかわらず、特定の生産器具に対する一連の係数の妥当性は、一連の検査ウェハの膜厚を測定することによって確認され得るものであり、各立証ウェハは、共通の屈折率、及び、モニタされる膜の範囲内の既知の膜厚を有する膜を備える。検査ウェハの屈折率は、モニタされる膜のそれに類似している。
【００８３】
プロセスは、生産運転を開始するのに先立って６次多項式関数をデータプロセッサのＲＡＭメモリーに読み込むことで終わり、それは、各測定Δφmに対するリアルタイムの補正されたΔφを求めるための膜厚計算において実行され、そこからエラー補正された厚さが生成される（ステップ１１１２）。或いは、６次多項式関数は、将来使用するために記憶され得る。エラー補正された厚さの結果のために導かれた一連の係数の精度が屈折率ｎf、及び、キャリブレーションウェハを測定するのに用いられるセットアップパラータ（即ち、光源波長λ及び入射角α）に依存しているため、インデックス情報は、各補正係数とともに保持されるべきである。
【００８４】
任意的に、厚さエラー補正又はエラー補正された厚さのどちらかを有するＬＵＴは、直ちに使用するために、メモリーに直接保存されるか又はロードされる（ステップ１１１２）。エラー補正多項式と同様に、参照屈折率及び設定パラメータは、ＬＵＴとともに保存されるべきである。
【００８５】
直前で言及されたように、多くの場合、ヘテロダインモニタ装置は設定可能ではないであろうことが予想される。その場合、屈折率及び個々の装置に予め設定される設定パラメータに基づいて、適切な多項式関数が識別される必要がある。多くのモニタシステムが通例の値、即ち、α＝６０°及びλ＝４０４ｎｍ又は６３２ｎｍに予め設定されることが予想されるが、他のものもまたあり得る。これを受けて、通例でない設定パラメータ値にふさわしい利用可能な複数の補正係数はそれらのシステムのヘテロダイン反射率測定膜厚測定プロセスの適用性を実質的に増大させるであろうということが理解されるであろう。従って、代わりの典型的な具体例に関しては、多項式関数に対する複数の組の補正係数が、設定可能なモニタシステムを用いて、個々の屈折率に対して、及び、例えば波長及び入射角などの様々な設定パラメータ値に対して予め導かれ得る。これは、図１１のフローチャートに描かれたキャリブレーションプロセスを通して繰返すこと、及び、膜に関するブルースター角以外の角度にαをリセットすることによって実現され得る（ステップ１１０４参照）。多項式関数のための個々の設定された補正係数は、各屈折率について、設定パラメータ値の各組み合わせのために求められ得る。個々の生産器具のための一連の係数の妥当性は、生産運転を開始するのに先立って、一連の検査ウェハの既知の厚さを測定／確認することによって、個々の物理的な装置の使用のために確認されなければならない。同様な方法の中で、一連の補正係数は、異なる波長を有する光源を用いるキャリブレーションプロセスを通して繰返すことによって、様々な光源波長のために導かれ得る。従って、現在説明された発明は、厚さ測定において精度を犠牲にせずに様々なシステム構成に適応し得る。
【００８６】
本発明は、エラー補正厚さ方程式を用いることにより、直ちに非常に正確な膜厚の計算をすることを容易にする。上で簡潔に議論されるように、本発明に関する１つの極めて有益な応用は、ウェハエッチング又は堆積の工程などの間にリアルタイムの膜厚の結果を得るためのものである。
【００８７】
図１２Ａ及び図１２Ｂは、本発明の典型的な具体例に従う、ヘテロダイン反射率計の信号から非常に正確な膜厚測定を得るためのプロセスのフローチャートである。プロセスは、例えば生産ウェハのようなウェハのトップの膜層に対する初期の屈折率ｎfを決定することから始まる（ステップ１２０２）。次に、膜の屈折率ｎfにふさわしい６次多項式関数に対する一連の係数が識別され、該関数はシステムＲＡＭにロードされる（ステップ１２０４）。システムが所定の入射角に予め設定されるならば、システム入射角度を調整することができないので、一連の補正係数も、参照された入射角に基づいて選択されなければならない。
【００８８】
多項式関数は、測定された位相シフトΔφmにおけるエラーを補正するために用いられ、一度補正されると、正確な膜厚ｄfを計算するために用いることができる。しかし、得られるエラー補正された膜厚ｄfは、一般に上で議論された２つの基本的な手続：多項式関数を用いて補正された膜厚を直ちに決定すること；又は、検索テーブルに対する厚さエラー補正又は補正された厚さ値を予め計算すること、のうちの１つによって決定されることができる。厚さエラー補正は、測定された位相シフトΔφmから得られた測定された厚さ値、ｄmを補正するのに用いられる。或いは、補正された厚さ値は、測定された位相シフトに基づいてテーブルの中で単に探され得る。後者のケースのどちらかにおいて、膜の屈折率ｎfにふさわしい補正データを有するＬＵＴがシステムメモリーにロードされる（ステップ１２０４）。ヘテロダイン反射率計モニタシステムが設定可能であると仮定すれば、それは、関数によって参照された設定パラメータ（即ち、光源波長λ及び入射角α）に基づいて、再設定される（ステップ１２０６）。
【００８９】
典型的な生産工程が、適合する膜の屈折率をそれぞれ有する、多くのプロセスウェハから構成されるであろうし、従って、前述のステップを典型的な生産工程におけるその後のウェハに対して繰り返す必要がないことが予想される。次に、厚さ寸法を進めることができる。
【００９０】
ウェハは、反射率計のテーブルに搭載され、図３Ａの説明について上で説明されたビームが照射される（ステップ１２０８）。膜層からの反射された参照及び測定のビームがそれぞれ検出され、参照信号Ｉref及び測定されたヘテロダイン信号Ｉhetに変換される。信号Ｉhet及びＩrefは、（測定された位相シフト）Δφm検出器において受け取られ（ステップ１２１２）、Δφm検出器は、信号の位相から測定された位相シフトΔφmを決定する（ステップ１２１０）。次に、Δφmは、補正係数とともに多項式関数を用い、エラーに関して補正される（ステップ１２１４）。補正された位相シフトΔφとともに、補正された膜厚ｄfは、方程式（１０）などの標準の厚さ計算を用いて決定され（ステップ１２１８）、例えば末端のアルゴリズムにおいて使用するために出力することができる。
【００９１】
ステップ１２０４に関して言及されるように、ステップ１２１２に戻り、測定された位相シフトΔφmは、代わりに厚さ計算に用いられ得るが、エラーは、結果である測定された厚さｄfmまで遂行されるであろう。この厚さエラーは、厚さエラー補正をｄfmに適用することによって取り除くことができる（ステップ１２１６）。その場合、厚さエラー補正データセットは、メモリーの中にロードされるであろうし、必要に応じて取り出された個々の厚さ補正値は、測定された位相シフトΔφmに基づいているであろうし、補正された膜厚ｄfが出力される（ステップ１２１８）。さらに交互に、一連のエラー補正された厚さデータは、メモリーにロードされ得る。それは、個々の測定された位相シフトに基づく厚さ値のためにアクセスされる。従って、厚さデータが測定された位相シフト値に前処理され、インデックスを付されるであろうため、厚さ計算が実行される必要はない。
【００９２】
プロセスが停止しないと仮定すれば、全ての厚さ寸法がウェハに対して完了するまで（ステップ１２２０）、フローはステップ１２１０から繰返す。完了すると、別のウェハに対するチェックがなされ得る（ステップ１２２２）。他のウェハが処理されないには、プロセスが終了し、そうでなければ、新しいウェハ上の膜の屈折率が前のウェハの屈折率と照合される（ステップ１２２４）。２つが一致するならば、新しいウェハが反射率計テーブルの上に搭載されることによりプロセスが開始され（ステップ１２０８）、そこから継続される。インデックスが変わらないので、補正多項式又はシステム設定のどちらをも意図されない。しかし、新しいウェハからの屈折率及び前のウェハが一致しないならば、補正係数の現在の組は適切でなく、異なる補正多項式関数が選択される。反射率計システムが設定可能ならば、反射率計システムは、新しい屈折率のために再設定されるべきである。従って、プロセスがステップ１２０２から再度開始する。どちらの場合にも、最終的な厚さ測定結果が運転中の最後のウェハから取られるまで、上で説明されるように、測定のプロセスが続く。そして、プロセスが終了する。
【００９３】
以上の議論は、単一の層、主に薄膜の応用に重点を置いたものである。しかし、以下で示されるであろうように、エラーの変化は、複数のスタックに拡張され得る。しかし、最初に、より複雑なスタックには２つのレーザー波長が必要となり得ることが前提とされ、その結果、興味のある厚さの隔たりに対する厚さを正確に評価するために、２つの別個の厚さ補正が必要である。サブ２０００Åの膜厚のモニタに対するテスト結果が以下に示される。
【００９４】
図１３は、出願人によってテスト体制において精査されたものに類似する、溝掘りされた複数層のスタックの図である。構造１３００は、概略的に、フォトレジスト（ＰＲ）層１３１４、底の非反射コーティング（ＢＡＲＣ）層１３１６、酸化被膜１３１８、及びシリコン基板１３１２を備える。シミュレーションの目的で、構造１３００は、２つの領域Ａ及びＢに分割される。領域Ｂは、チャンネル１３２０がＰＲ層１３１４及びＢＡＲＣ層１３１６を横切っており、従って、酸化被膜１３１８の表面を露呈する構造１３００の一部を表している。領域Ａは、ＰＲ層１３１４の表面が露出する構造１３００の一部である。両方の領域の振幅反射率は、特有のマトリクス法を用いて計算され得る。現在のヘテロダイン反射率計が空間でコヒーレントなビームを用いるので、これらの反射率は、構造１３００の反射率を計算するためにコヒーレントに加算される。ＰＲ層１３１４の厚さはほぼ０から２０００Åまで変化される一方、他の２つの層の厚さは一定に維持される。領域ＡのＰＲ層１３１４の厚さが変更されると、領域Ｂの溝１３２０の深さが対応して変更される。
【００９５】
上述のように、一般に、選択された各波長のブルースター角に対応する入射角を用いると、興味の厚さ間隔を評価するのに２つのレーザー波長（λ）ヘテロダイン反射率計が必要であろうということが予測される。採用されるレーザー光線の光源は、６３２ｎｍ及び４０４ｎｍの波長を有する。興味の厚さ間隔に対する最適な波長を慎重に選択することによって、うなり信号の位相シフトから上層膜の厚さを正確に予測することができる。図１４Ａ‐１４Ｄは、０‐２０００Åの厚さ間隔に亘って、入力された厚さの関数として予測される厚さのプロットを描く図である。図から収集されるように、入射角をトップの膜層のブルースター角に設定し、厚さ間隔０Å‐９００Å及び１６００Å‐２０００Åは、λ＝６３２ｎｍを有する光源を用いて正確に予測することができるが、９１０Å‐１５９０Åの範囲の厚さは正確に予測できなかった。その厚さ間隔に対して、満足な厚さ測定精度を実現するために、λ＝４０４ｎｍを有する光源が採用された（図１４Ｃ参照）。
【００９６】
従って、入射角としてブルースター角を用いる状態で、溝を有する多重積層構造の厚さを正確に予測するのに２つの波長が必要であり得ることを理解することができる。２つの別個のエラー補正解決策には２つの固有な波長が必要であり、正確に厚さを予測するためには、４組の多項式の係数が必要である。しかし、さらなるコンピュータ実験により、単一のレーザー波長、即ち６３２ｎｍのみを用いて、０Å‐２０００Åの全体の厚さの範囲が予測できた角度に入射がセットされたことが証明された。テストされた膜試料に対し、その入射角は、６３２ｎｍの波長を有する光の源を用いて、６０°と実験的に決定された（ここで、トップの膜層のブルースター角は、光源波長に対する５７．３８°である）。従って、たった２組の多項式の係数のみを有し、たった１組のアルゴリズムのみが必要である。予測された厚さと０Å‐２０００Åに亘る厚さの隔たりの間の入力された厚さとの比較の結果が図１５Ａ及び図１５Ｂに示される。従って、本発明の典型的な具体例に従って、入射角αは、６０°と予め定められ、よって、２つの波長のテロダイン反射率計を設定することの必要性がなくなる。
【００９７】
今回説明された発明は、ヘテロダインされた反射率計を用いて超薄膜の厚さをリアルタイムで正確に決定するための、単純なメカニズム及び方法を提供する。しかし、関連した技術において理解されるように、古典的な厚さ計算は、ターゲット材の屈折率に関する正確な値を有することに高く依存している。工程が進むと、上層膜の屈折率がしばしばドリフトするか又は変化し、従って、さらなるエラーが厚さ計算に入ってくるので、このことは、半導体ウェハ処理の間に正確な厚さを実現するのに問題となる。
【００９８】
本発明の別の典型的な具体例に従って、ヘテロダイン反射率計は、薄膜の厚さ及び屈折率を同時に決定するための格子干渉計と連携する。さらに、厚さ計算は、格子干渉計からの情報を用いて得られた屈折率を用い、リアルタイムで動的にアップデートされる。本発明のこれらの及び他の側面は、以下で議論されるシステム及び方法の説明から理解されるであろう。
【００９９】
図１６は、本発明の典型的な具体例に従って、膜の屈折率のために動的にアップデートされた値を用い、エラー補正された膜厚を得るための、組み合わせのヘテロダイン反射率計及び格子干渉計の図である。ヘテロダイン反射率計／格子干渉計システム１６００（ＨＲ／ＧＩ１６００）は、多くの側面において、図３Ａについて上で議論されたヘテロダイン反射率計システム３００と類似しているので、２つの具体例の差異のみが詳細に議論されるであろう。図面から明白な１つの特徴は、ＨＲ／ＧＩ１６００が、検出器１６１１を有するヘテロダイン反射率計サブセクション（小区分）１６７０と、０次ビーム検出器１６１２及び１次ビーム検出器１６２３を有する格子干渉計サブセクション１６８０とにさらに細かく分かれていることである。ヘテロダイン反射率計サブセクション１６７０は、上述したのと同一に機能し、検出器１６１１が測定信号Ｉhetを発生し検出器１６１０が参照信号Ｉrefを発生する（信号１６２０及び３４２と信号１６２１及び３５２と同様に、検出器１６１０及び１６１１は検出器３４０及び３５０と相互に関連がある）。測定信号Ｉhet及び参照信号Ｉrefは、ヘテロダイン位相シフトΔφhetとともに、図１８において、信号プロット１８０２及び１８０４としてそれぞれ描かれる。上述したように、測定されたヘテロダイン位相シフトΔφmは、Δφm検出器３６２によって検出されるが、明瞭さのために、測定された格子位相シフトΔφgrtmとして“Δφhetm”と称され、同様に議論されるであろう。
【０１００】
一方、格子干渉計サブセクション１６８０は、格子１６３０を利用し、格子１６３０は、複数の回折バンドの中にビーム１６４０が回折するためのピッチ“ｐ”を有し、１次の光線１６４３のみが用いられるいくつかのより高次（１次、２次、３次等の回折バンド）が明るい中心のバンド（ゼロ次光線１６４２）の両側に並ぶ。格子のピッチは、本質的に、３つの要件：選択された波長λに対するブラッグ回折条件、厚さ測定のためのダイナミックレンジ、及び、格子干渉計分解能を満たすことに基づく。簡単に図１７Ａ及び図１７Ｂを見ると、格子１６３０に関する作用の原理が分かり、そこから、回折した光ビームの少なくとも一部が参照信号から追加量、即ち、２つの別個の位相シフト分シフトした位相になるであろうということが理解できる。ｓ偏光成分は、明瞭さのために、これらの図において、ｐ偏光成分と区別して描かれる。上述したように、最初の位相シフトは、膜３１４との相互作用に起因する。入射ビーム３０３は、反射光線３０５−１ｓと、屈折光線３０５−２ｓ及び３０５−２ｐとに分離し、屈折光線及び反射光線のそれぞれが互いに垂直距離ｘ分離した状態で基板によって反射される。ここで、：
2008533447.tif 000022
ｘは、隣接した光線の間の垂直の距離
ｄfは、膜厚
ρは、膜の屈折率
αは、入射角
ｎfは、膜の屈折率
【０１０１】
第２の位相シフトは、格子回折１６３０からの回折光バンド、光線１６４３のみで起こり、その結果、１次の回折バンド（回折波１６４３−１ｓ、１６４３−２ｓ、及び１６４３−２ｐ）のみで観察される。そこで、回折格子１６３０によって発生する１次の光線、光線１６４３−１ｓ、１６４３−２ｓ、及び１６４３−２ｐは、コヒーレント加算で、格子誘発位相シフトδgrtを表し、次のように定義される経路差ＰＤと対応している：
2008533447.tif 000023
ＰＤは、隣接する１次回折光線間の垂直距離
ｍは、回折バンドの整数定数であり、１次バンドに対してはｍ＝１
λは、ヘテロダイン照射光源の波長
ρは、膜の屈折率
【０１０２】
ゼロ番目バンドビーム１６４２は、回折しないが、格子回折１６３０を通して直接変化しないパスであるため、格子１６３０との相互作用からの格子誘発位相シフトδgrtは、１次光線１６４３−１ｓ、１６４３−２ｓ、及び１６４３−２ｐのみで見られる（入射角度αがブルースター角の近傍で選択されるので（デフォルトの入射角α＝６０°）、ｒ1p（ω＋Δω）≒０であるので、反射光線３０５−１ｐ、即ち、ＢＳ１６３２の後の１６４０−１ｐはないことを思い出されたい）。上述のように、膜に起因する位相シフトは、光線３０５−２ｓ及び３０５−２ｐの２δhetである。従って、１次の屈折光線１６４３−２ｓ及び１６４３−２ｐの格子における全体の位相シフトδGIは、２δGIであり、ここで、δGI＝δhet＋δgrt。である。
【０１０３】
図１６に戻って、格子干渉計サブセクション１６８０は、０次回折ビーム及び１次回折ビームに対する２つの別個の信号をそれぞれ作り出すために、検出器１６１２及び１６１３を利用する。格子１６３０からの０次光線１６４２が回折しないので、それらの位相は、格子１６３０によって変化しない。従って、検出器１６１２は、ヘテロダイン測定信号Ｉhet１６２２を発生させ、測定信号Ｉhetに対する位相シフトは、検出器１６１０からの参照信号Ｉrefに対して、本質的にΔφhetのままである。従って、実際問題として、パス３５６及び検出器１６１１は、ＢＳ１６３２と同様に、割愛することができる。
【０１０４】
逆に、格子１６３０からの１次光線１６４３は回折し、フーリエシフト定理に従って、格子δgrtからの追加の位相シフトが生じることとなる。検出器１６１３は、１次ビーム１６４３から格子信号ＩGI１６２３を発生させる。測定された格子位相シフトΔφGImは、信号Ｉhet及びＩrefからΔφhetmを検出するのと同一の方法によって、信号Ｉhet及びＩGIから検出することができる。信号Ｉhet及びＩref間の測定された位相シフトΔφhetmは、上述されたように、膜の光学的厚さについての情報を提供する。信号ＩGI及びＩhetの間の格子位相シフトΔφgrtmは、一方では、膜の屈折率ｎfを決定するのに有益な追加の情報を提供する。従って、信号Ｉref、Ｉhet、及びＩGIから膜の屈折率ｎfを得ることが可能である。
【０１０５】
Δφhetm検出器３６２は、参照信号Ｉref１６２０、及び、測定信号Ｉhet１６２１又は１６２２のいずれかを各検出器から受け取り、両者の間の位相シフトΔφhetmを検出／測定する。上の他の場所で議論されるように、測定された位相シフトΔφhetmは、例えば多項式関数を用いて厚さ計算をするのに先立ってエラー補正されるべきである。従って、Δφhet補正器３６６は、Δφhetm検出器３６２から測定された位相シフト値Δφhetmを受け取り、エラー補正アルゴリズムを適用する。補正された位相シフトΔφhetは、次に、ｄf計算機３６８に渡されるが、直下で議論される理由のために、ｎf計算機１６９６にも渡される。
【０１０６】
Δφgrtm検出器１６９０は、格子信号ＩGI１６２３、及び、各検出器からの測定信号Ｉhet１６２１又は１６２２のいずれかを受け取り、格子のみによって格子信号ＩGI１６２３で誘発された位相シフトを検出／測定し、即ち、Δφgrtmは、格子信号ＩGI１６２３、及び、測定信号Ｉhet１６２１又は１６２２のいずれかとの間で検出される。測定信号Ｉhet及び格子信号ＩGIは、図１９において、ヘテロダイン位相シフトΔφgrtとともに、それぞれ信号プロット１８０２及び１９０２として描かれる。
【０１０７】
本発明の１つの特徴は、リアルタイムでアップデートされ補正された膜の屈折率の値によって、動的に厚さ計算をアップデートする能力である。従って、製造工程の中で、極めて正確な膜厚を達成可能であり、それは、膜のリフラクタンスの変化と無関係である。屈折率の変化は、プロセス自体からの屈折率ｎfの変化、例えば、ゲートプロセスにおいてハイ‐ケー（高誘電率）ＳｉＯＮを形成するＳｉＯ2の窒化物形成が原因となり得る。
【０１０８】
検査されている膜の屈折率は、位相シフトΔφhet及び位相シフトΔφgrtから決定することができる。しかし、測定されたヘテロダイン位相シフトΔφhetmと同様に、Δφgrtm検出器１６９０によって検出された測定された格子位相シフトΔφgrtmは、指数計算に先立って補正しなければならない潜在エラーを有する。補正された格子位相シフトΔφgrtは、次に、ｎf計算機１６９６に送られる。ｎf計算機１６９６は、ｎfを決定するために（以下の方程式（２４）などの）別個の関数を利用し、次に、ｄf計算機３６８に送られる。膜厚計算、例えばｄf計算機３６８によって使用された上の方程式（１０）は、膜厚ｄfの計算のためにｎfを利用する。
【０１０９】
或いは、膜厚ｄfは、実際の補正された格子位相シフトΔφgrt及び補正されたヘテロダイン位相シフトΔφhetから直接求められ得る。そこで、位相シフトΔφgrtは、Δφgrt補正器１６９２から受け取られ、Δφhetは、ｄf計算機３７０としてΔφhet補正器３６６から受け取られる。膜厚計算、例えばｄf計算機３７０によって上で使用された方程式（２３）は、ｎfとは無関係な膜厚ｄfを計算する。
【０１１０】
セットアップは、ブルースター角の近傍の入射角α（α＝６０°）を有するように設定される。この角度では、膜の上面からのｐ偏光した光線の反射は、ごく僅かであるか、又は全くない。それによって、検出器１６１１からの測定信号Ｉhet１６２１を膜厚情報が豊かなものとすることができる。Ｓｉ基板の上の薄膜のために、検出器１６１１からの測定信号Ｉhetは、次式で表現することができる。：
2008533447.tif 000024
ここで、ａ＝ｒ1sｒ2s，ｂ＝ｒ1pｒ2p，ｃ＝ｒ1sｒ2p，ｄ＝ｒ1pｒ2s，ｆ＝ｒ2sｒ2p，ｇ＝ｒ1sｒ1pであり、
2008533447.tif 000025
は、膜厚を計算するために測定する必要のある位相である。１ｎｍのＳｉＯＮ膜に関しては、〜２５ｍｒａｄである。
【０１１１】
方程式（１４）において、位相情報のヘテロダイン項は、ｒ1s（ω）及びｒ2p（ω＋Δω）に関係する項のコヒーレント加算による。方程式（１８）からの膜厚情報の抽出は、他の場所において説明される。
【０１１２】
格子干渉計の目的は、膜の位相／厚さの測定の代替アプローチを提供することである。この測定結果をヘテロダイン反射率計からのものと組み合わせることによって、膜の屈折率を決定することができる。ヘテロダイン反射率計の分析に続いて、格子干渉計からの１次のビームのために次の方程式が理解され得る。１つの膜スタックのために、ｓ偏光反射率は、次の方程式によって表すことができる。
2008533447.tif 000026
【０１１３】
方程式としてのｐ偏光反射率：
2008533447.tif 000027
ここで、
2008533447.tif 000028
即ち、δGI＝δhet＋δgrtであり、１次のビームに関してはｍ＝１である。
【０１１４】
２つの偏光が混じる場合、検出器によって感知された結果の振幅反射率は、次のように書くことができる：
2008533447.tif 000029
【０１１５】
従って、パワー反射率は、次のように表現できることになる。
2008533447.tif 000030
【０１１６】
方程式（１８）において、方程式（１５）、（１６）、及び（１７）を代入した後、検出器１６１３におけるブルースター角のＲGIからの信号ＩGI１６２３は、次のように表現することができる：
2008533447.tif 000031
ここで、ＤＥは、１次ビームの回折効率である：
2008533447.tif 000032
【０１１７】
方程式（１４）は、検出器１６１１又は１６１２からの測定信号Ｉhetを表している。格子干渉計１６８０では、測定信号１６２２Ｉhet及び格子信号１６２３ＩGIの０交差をモニタすることによって、格子誘発位相シフトδgrtを決定することができる。格子誘発位相シフトδgrtは、他の周知の位相測定技術によっても検出することができる。
【０１１８】
参照信号１６２０Ｉrefと測定信号１６２１又は１６２２Ｉhetトの０交差を比較することによって、超薄膜によって引き起こされた位相シフトΔφhetを決定することができる。ヘテロダイン位相シフトΔφhetは、他の周知の位相測定技術によっても検出することができる。このヘテロダイン位相シフトは、次のように表すことができる。
2008533447.tif 000033
【０１１９】
測定信号１６２１又は１６２２Ｉhet及び格子信号１６２３ＩGIから、格子誘発位相シフトΔφgrtは、Δφhetとは無関係に決定され得る。格子位相シフトは、次のように表すことができる。
2008533447.tif 000034
【０１２０】
方程式（２２）を方程式（２１）と掛け合わせ、その後に簡単な代数によって、物理的な厚さは、次のように表すことができる。
2008533447.tif 000035
【０１２１】
方程式（２１）を方程式（２２）割り、その後に簡単な代数によって、屈折率ｎは、次のように表すことができる。
2008533447.tif 000036
【０１２２】
従って、図１６に計算機３７０で示されるように、格子干渉測定（ＧＩ）と連携する今回のヘテロダイン反射率測定（ＨＲ）は、薄膜の物理的な厚さｄf、及び屈折率ｎfの両方を独立して決定するために用いることができ、計算機３７０は、計算機３６８によって導かれるｄfアウトプット３６９とは無関係にｄfアウトプット３７１を導く。この特徴は、膜が厚さの変化と同時に指数変化を受ける場合に、ゲート誘電体計測学の中で特に重要である。例えば、ハイケーのゲート酸化物プロセスの間に、誘電体膜は、光学的な厚さ変化を受ける。この変化の一部は、膜の膨らみや、いくぶんその指数変化に原因がある。この二つを分離できることは、工程管理にとって重要である。従来技術の手法では、それらが測定するパラメータから互いに独立な２つの変化に完全に解析することができない。膜厚ｄf及び膜の屈折率ｎfの両方が、ヘテロダイン位相シフトΔφhetとは無関係に判断することができる格子誘発位相シフトΔφgrtを用い、無関係に判断することができるので、今回のプロセスは、この欠点を克服する。
【０１２３】
屈折率計算は、正確な格子位相シフト情報Δφgrtと同様に正確なヘテロダイン位相シフト情報Δφhetを必要としており、従って、補正アルゴリズムは、それぞれの測定値を補正するために導かれる。ヘテロダイン位相シフト補正アルゴリズムを既知の膜厚と既知の回折インデックスを用いてキャリブレーションウェハから求めるプロセスは、図１１に示されたフローチャートに関して上述されている。格子位相シフト補正アルゴリズムを既知の膜厚とピッチｐを有する格子の既知の回折指数を用いてキャリブレーションウェハから導くプロセスは、位相シフト補正アルゴリズムを求めるための同時進行プロセスとして図２０に描かれる。
【０１２４】
従って、プロセスは、１つの既知の屈折率ｎfと複数の既知の厚さｄfk1-jとを有する多くのキャリブレーションウェハを選択することから始まる（ステップ２００２）。ヘテロダイン反射率計システムは、可能ならば、キャリブレーション膜及びヘテロダイン光源波長の既知の屈折率ｎfkに基づいて、入射角αを調整される（ステップ２００４）。或いは、入射角αは、所定のデフォルト値α＝６０°にセットされている場合もある。この時点で、格子のピッチｐにも注目される。
【０１２５】
操作中、分割周波数の偏光ビームは、ヘテロダイン反射率計システムの膜から反射され、その結果、各ｊウェハに対してヘテロダイン測定信号Ｉhet及び格子信号ＩGIが生じる（ステップ２００６）。これらの信号は、測定されたヘテロダイン位相シフトΔφhetmの多項式関数用の補正係数のセット、及び、測定された格子位相シフトΔφgrtmの多項式関数用の補正係数の別のセットを決定するために、キャリブレーションウェハの既知の膜厚パラメータとともに用いられる。測定されたヘテロダイン位相シフトΔφhetmは、各ｊキャリブレーションウェハの参照信号Ｉref及び測定信号Ｉhetから検出され（ステップ２００８）、次に、測定された位相シフトm1-jのエラーに関係する６次多項式関数用の係数の決定に用いられる（ステップ２０１０）。同様な方法で、測定された格子位相シフトΔφgrtmは、各ｊキャリブレーションウェハの測定信号Ｉhet及び格子信号ＩGIから検出される（ステップ２０１２）。そして、実際の格子位相シフトΔφgrtk1-jは、（上の方程式（２２）に例示するように）既知の膜厚ｄfk1-jと複数の既知の屈折率ｎfとから計算することができ、それは、測定された位相シフトΔφgrtm1-jのエラーと関係する６次多項式関数用の係数のセットを導くために用いられる（ステップ２０１４）。重要なことには、補正された格子位相シフトΔφgrt及び補正されたヘテロダイン位相シフトΔφhetは、（例えば、上の方程式（２４）用いて）膜の屈折率ｎfを求めるのに用いられるであろう。膜厚計算は、補正された位相シフトから屈折率ｎfとともに動的にアップデートすることができる。従って、測定されたヘテロダイン位相シフトΔφhetmを有する補正係数のセット、及び、測定された格子位相シフトΔφGImを補正するための多項式関数を有する補正係数の第２のセットは、キャリブレーションウェハ及び設定パラメータの参照屈折率とともに保存される。
【０１２６】
本発明は、エラー補正厚さ方程式を用いて、膜厚を直ちに非常に正確に計算するのを容易にし、それは、膜層の屈折率の変化に対して動的にアップデートされる。従って、ウェハ処理の間の屈折率の変化は、膜厚の結果の精度に影響しないであろう。厚さ計算の間にインデックスを動的にアップデートするための１つの典型的な方法が以下に存在する。
【０１２７】
図２１Ａ及び図２１Ｂは、ヘテロダイン反射率計信号から補正された膜厚を得るためのプロセスのフローチャートであり、厚さ計算の屈折率成分が本発明の典型的な具体例に従って動的にアップデートされる。プロセスは、ウェハ、例えば生産ウェハのトップの膜層の入射の屈折率ｎfを決定することから始まる（ステップ２１０２）。インデックスを用い、２つの適切な多項式関数が、測定された信号の中でエラーを補正するためにインデントされ、システムＲＡＭにロードされる（ステップ２１０４）。最初の多項式関数は、補正係数の適切なセットによって、測定されたヘテロダイン位相シフトΔφhetmにおいてエラーを補正するために識別される。第２の多項式関数は、補正係数の適切なセットによって、測定された格子位相シフトΔφgrtmにおいてエラーを補正するために識別される。測定されたヘテロダイン位相シフトΔφhetmの多項式関数のためのヘテロダイン補正係数は、測定されたヘテロダイン位相シフトΔφhetmから補正されたヘテロダイン位相シフトΔφhetを決定するために用いられ、そしてそれは、正確な膜厚を生成するために用いることができる。逆に、測定された格子位相シフトエラーの多項式関数のための格子補正係数は、測定された格子位相シフトΔφgrtmから補正された格子位相シフトΔφgrtを決定するために用いられ、そしてそれは、膜の正確な屈折率ｎfを生成するために補正されたヘテロダイン位相シフトΔφhetと連携して用いることができる。厚さ計算の精度が屈折率の精度に依存しているので、この新しい屈折率は、膜厚計算（例えば厚さ方程式（１０））の屈折率項を動的にアップデートするために用いられる（ステップ２１０６）。個々のプロセスウェハの膜の屈折率が通常一定のままであるので、このステップが典型的な生産工程では、それ以降のウェハに対して繰り返される必要はない。厚さ測定計算は、動的にアップデートされた屈折率によって、ここから進むことができる。
【０１２８】
ウェハは、反射率計テーブル（ステップ２１０８）に搭載され、照射される。光源からの参照ビームと膜層からの測定及び格子ビームが検出され、参照信号Ｉref、測定されたヘテロダイン信号Ｉhet、及び格子信号ＩGIに変換される。ヘテロダイン測定信号Ｉhet及び参照信号ＩrefがΔφhetmヘテロダイン位相シフト検出器で受け取られ、同時に、ヘテロダイン測定信号Ｉhet及び格子信号ＩGIが格子誘発位相シフト検出器格子Δφgrtmで受け取られる（ステップ２１１０）。Δφhetm検出器は、Ｉref及びＩhet信号からΔφhetmを決定する（ステップ２１１２）。
【０１２９】
測定されたヘテロダイン位相シフトΔφhetmは、Δφhetmのエラー補正多項式関数を用い、実際のΔφhetに補正される（ステップ２１１４）。測定されたヘテロダイン位相シフトΔφhetmをエラー補正することは、従来技術の方法論の厚さ測定の精度を大いに高めるが、さらには、処理の間、変化又はドリフトする膜厚計算におけるパラメータを動的にアップデートすることによってより一層の正確さを達成することが可能である；最も重要なものは、膜の屈折率である。従って、並列動作において、Δφgrtm検出器は、Ｉhet及びＩGI信号からΔφgrtmを決定する（ステップ２１１６）。そして、測定された格子位相シフトΔφgrtmは、Δφgrtmに対するエラー補正多項式関数を用いて、実際のΔφgrtに補正される（ステップ２１１８）。
【０１３０】
実際の補正された格子位相シフトΔφgrt及び補正されたヘテロダイン位相シフトΔφhetを有することによって、屈折率のプロセス値は、（ソース波長情報λ、入射角α、及びピッチｐなどの他の必要な情報とともに、）屈折率計算、例えば方程式（２２）を用いて決定することができる（ステップ２１２０））。そして、アップデートされた屈折率ｎfは、リアルタイムの膜厚計算において、屈折率パラメータを動的にアップデートするのに用いることができ（ステップ２１２０）、そこから（当然ながらソース波長情報λ及び入射角αを用いて）膜厚ｄfが得られる（ステップ２１２４）。例えば末端決定において用いられるために、ｄfが出力され得る（ステップ２１２６）。
【０１３１】
代わりに又は同時に、ステップ２１１８において、（ソース波長情報λと入射角αとともに）上の方程式２３を用い、実際の補正された格子位相シフトΔφgrt及び補正されたヘテロダイン位相シフトΔφhetから直接膜厚ｄfが得られ得る（ステップ２１２３）。そして、格子干渉計サブシステムから導かれたｄfの値は、ヘテロダイン反射率計サブシステムから導かれ、品質保証確認検査として及び／又は直接例えば末端決定において用いられ、ｄfの値と比較することができる（ステップ２１２６）。
【０１３２】
フローは、プロセスが停止する（ステップ２１２８）まで、現在のウェハに対してステップ２１１０から継続的に繰り返し、その間、別のウェハが入射屈折率（ステップ２１３０及び２１３２）のために調査される場合もあり、最終的な厚さ測定が運転における最後のウェハから行われるまで、上述のような測定プロセスが続く。そして、プロセスが終了する。
【０１３３】
本発明のさらに別の典型的な具体例に従って、測定信号Ｉhetは、反射されたビームを入射角で膜ターゲットに戻るようにリダイレクトする（向きを変える）ことによって強められる。この複光路方式アプローチは、上述の単光路アプローチの膜面からのｐ偏光された光線の優れた抑制の利点を有している。
【０１３４】
図２２は、本発明の典型的な具体例に従う、組み合わせのヘテロダイン反射率計及び格子干渉計の図であり、反射されたビームを膜ターゲットに戻るようにリダイレクトすることによって複光路方式アプローチを利用する。ヘテロダイン反射率計／格子の干渉計システム２２００は、図３Ａ及び図１６について上述されたヘテロダイン反射率計システム３００、及び、組み合わせのヘテロダイン反射率計と格子干渉計１６００に類似しているので、複光路方式アプローチと関係する側面のみが議論されるであろう。しかし、議論されたいずれの反射率計の具体例においても、複光路方式アプローチが反射率計の強化された測定感度を提供することは明らかである。
【０１３５】
本質的に、測定ビームの複光路方式は、膜の表面から反射されたビームを第１のパスと等しい入射角で膜の上に戻るようにリダイレクトすることによって実現される。例えば、図２２については、入射ビーム３０３は、ＢＳ２２３を通過し、プリズム３３２においてターゲット膜３１４の上に向かってリダイレクトされる。分離周波数のｓ偏光とｐ偏光成分を備える反射ビーム３０５は、１つの面の上にＨＲ（高い反射）コーティングを有するプリズム３３４に受け取られ、ビーム２２０６として膜３１４上のターゲットへ後方反射される。この具体例において描かれるように、ビーム２２０６は、本質的に入射角αでターゲットに戻るようにビーム３０５のパスを辿る。ビーム２２０６は、膜３１４と相互作用し、反射ビーム２２０８としてプリズム３３２へ、それからＢＳ２２３３の上に戻るように反射され、そこで、ヘテロダイン反射率計サブセクション１６７０及び／又はヘテロダイン反射率計格子干渉計サブセクション１６８０に向かってリダイレクトされる。その際、膜に起因する位相シフトは、効果的に倍増され、従って、反射率計の測定感度が２倍に高められる。現在説明された具体例は、ビームパス、実質的にそれ自体への後方リダイレクトのためのコートされたプリズムを利用するが、入射のパスによって定義された元の入射面又は元の入射面以外の面の膜に戻るようにビームをリダイレクトするためのミラー又は光学部品のセットなど、他の光学部品が用いられ得る。さらに、ある状況では、膜の上の２つ以上のパスを形成することが有利であり得る。
【０１３６】
ビームのパスの距離は、効果的に倍増されているΔφhetmの変化によってΔｄ増加するが、位相シフトの増加は、多項式関数に対する係数を補正することに対応するであろう。
【０１３７】
図２３の図において、現在の具体例のヘテロダイン反射率測定の分析が説明される。ｓ偏光成分は、明瞭さのために、ｐ偏光成分と分離して描かれる。描写から、両方の偏光成分が複光路方式薄膜反射率を受けることが分かる。例えば、ｓ偏光成分３０３は、膜３１４と相互作用し、ミラー２２３６によって膜３１４に戻るようにリダイレクトされる光線３０５−１ｓ及び３０５−２ｓを生成する。これらの光線は、再度膜と相互作用して、複光路方式ｓ偏光成分２２０８ｓを生成し、それは検出することができる。ｐ偏光成分３０３ｐは、実質的に同一のパスを辿るが、上述のように、ｓ−偏光成分とは異なる態様で膜３１４と相互作用する。
【０１３８】
１つの膜スタックに対して、ｓ偏光反射率は、次式となる。
2008533447.tif 000037
【０１３９】
そして、ｐ偏光反射率は、次式となる。
2008533447.tif 000038
ここで、αは、入射角
【０１４０】
２つの偏光が混ぜられる場合には、検出器により感知された結果の振幅反射率は、次式のように書くことができる。
2008533447.tif 000039
2008533447.tif 000040
【０１４１】
ｃｏｓ４５°は、検出器での２つの偏光の混合を表している。方程式（４）の代数操作は、手に負えず、３２４の分子項と８１の分母項とを作り出し、従って、方程式はモデル化される。図２４には、単光路アプローチ及び複光路方式アプローチの比較のプロットが示される。その図から、標準の単光路ヘテロダイン反射率測定（参照プロット２４０２と単光路プロット２４０４との違い）と、より高い感度の複光路方式ヘテロダイン反射率測定（参照プロット２４０２と複光路方式プロット２４０６との違い）の感度の違いが分かる。予想通り、所与の膜厚に対しては、複光路方式ヘテロダイン反射率測定によって感知された位相シフトは、単光路ヘテロダイン反射率測定の２倍である。これは、０．７Åの分解能（１０％の窒化物形成を有するＳｉＯＮ膜の場合）は、０．２Åを分解することが可能な検出器によって得ることができることを意味している。これは、既製の電子機器（例えば、ベクトル電圧計）の性能の範囲内である。
【０１４２】
複光路方式アプローチは、膜面からのｐ偏光された光線のよりよい抑制を提供するが、ｓ偏光された光線の強度も、対応して多少減少する。シミュレーションにおいて示されたように、これは、縞コントラストにおける多少の減少を引き起こす。現在の分析では、膜の中部で作り出された“定在波”は、節及び腹において、いかなるインデックスの違いにも寄与しないであろうことを前提としている。ここで利用される波長及びヘテロダイン反射率計のパワーレベルを考慮すると、それは、妥当な前提である。
【０１４３】
図３Ａ、図１６、及び図２２の現在の反射率計の典型的な具体例の図を再度見ると、位相シフト検出器３６２及び１６９０で検出された測定された位相シフトの精度は厚さ寸法の精度に大きく依存することを理解することが重要である。これらのコンポーネントの操作が説明されるであろう。本発明の位相シフト検出器の典型的な具体例の操作は（ＩhetとＩrefの間で位相差を求めるための）ヘテロダイン位相シフト検出器又は（ＩhetとＩGIの間で位相差を求めるための）格子位相シフト検出器のどちらにも適用可能であるので、信号は、総称的に参照されるであろう。
【０１４４】
しかし、位相差が信号の間で正確に決定することができる前に、信号は、位相比較をするために、よりよい形式に変換されるべきである。これは、信号を変換するための“フィット関数”の基準として方程式（１）を用いることで実現される。
【０１４５】
図２５は、本発明の典型的な具体例に従って、２つの信号の間の位相差を決定するためのプロセスを描くフローチャートである。この方法は、それらの各信号からΔφhetm及び／又はΔφgrtmを計算するのに有用である。最初に、信号データは、ＤＣ成分パラメータなどのフィット関数においてパラメータを取り除くために前処理されるべきである。これは、データ信号を平均集中し、それから、振幅をそれぞれの最も高い振幅値へ標準化することによって達成される（ステップ２５０２）。次に、参照データは、フィット関数Ｉr＝Ｂrｃｏｓ（Δωrｔ＋φr）に当てはめられる（ステップ２５０４）。ここで、：
Ｂrは、参照信号振幅
φrは、２つのヘテロダイン信号の間の位相差
Δωrは、２つのヘテロダイン信号の角周波数の差
【０１４６】
その後、サンプルデータは、同様なフィット関数：Ｉs＝Ｂsｃｏｓ（Δωsｔ＋φs）に当てはめられる（ステップ２５０６）。ここで、
Ｂsは、サンプル信号振幅
φsは、２つのヘテロダイン信号の間の位相差
Δωsは、２つのヘテロダイン信号の角周波数の差
【０１４７】
参照及びサンプルデータを同様なフィット関数に当てはめると、２つの信号の間の位相角がΔφ＝φs−φrとして検出される（ステップ２５０８）。Δφを検出するための様々な方法は、直下のように存在し、それらの成分は、必要に応じて、図２６Ａ‐２６Ｄに図示される。
【０１４８】
１つの典型的な具体例に従って、参照及びサンプルデータの間の位相角は、２つの信号への相互相関法を活用することによって決定することができる。このオプションを用いると、相互相関関数は、最初に、２つのデータのシリーズに当てはめられる（例えば、マトラブ（ＭａｔＬａｂ）などのアルゴリズム開発用の高級テクニカルコンピューティング言語及びデータ視覚化で表されるｘｃｏｒｒ（データ１、データ２）。ＭａｔＬａｂは、登録商標であり、マサチューセッツ州ナティックのマスワークス（ＭａｔｈＷｏｒｋｓ）インコーポレイテッド社から入手可能である）。次に、相互相関が最大値を有する所で、遅延を求める。最終的に、参照及びサンプル信号の間の位相シフトは、うなりサイクル（即ち、遅延／（デジタル化レートｘうなり周波数））におけるデータポイントの数に対する遅延の比率から決定される。
【０１４９】
より具体的には、相互相関手続は、２つのシリーズが相関している程度を評価する方法である。数学的には、手続は、次のように定義される。
2008533447.tif 000041
【０１５０】
ここで、ｘ（ｉ）及びｙ（ｉ）（ｉ＝０，１，２．．．（Ｎ−１））は、分析されている２つのシリーズを示し、ｄは、相互相関が評価される遅延である。値ｍｘ及びｍｙは、対応するシリーズの平均である。相互相関は、一般にｒ（ｄ）として表現される。
【０１５１】
本質的に、参照及びサンプル信号のデジタル化されたデータは、うなり周波数Δωに対するデジタル化レートの比率とともに収集されて、位相角の分解能を決定し、従って、データは、要求された位相角分解能より大きいレートでデジタル化されなければならない。収集されたデータ（サンプルのＮ番号）の長さは、ノイズ低減法を適用できる程度に十分長くなければならない。システムにおけるドリフトがない場合には、より長い収集時間が好ましい。
【０１５２】
次に、相互相関関数は、２つのデータシリーズに適用される。
相互相関計算のための典型的なコードは、以下で示される。
［ｃ，ｌａｇｓ］＝ｘｃｏｒｒ（ｄａｔａ（：，１），ｄａｔａ（：，２））
【０１５３】
次は、相互の相互関係が最大値を有する選択遅延。
相互相関関数の最大値は、以下の典型的なコードによって計算される：
［Ｙ，Ｉ］＝ｍａｘ（ａｂｓ（ｃ））
ｍａｘｌａｇｓ＝ｌａｇｓ（Ｉ）
【０１５４】
最終的に、遅延値は、うなり周波数生産高に対するデジタル化レートの比率に対して遅延値を比率で示すことによって、角度に変換可能な分数の位相を与える位相遅れ値に変換され、それは、角度に変換することができる。
【０１５５】
実際、以上に記載された手続は、２回実行される。最初は、光学部品又は電子機器のためのいかなる体系的な位相シフトをも取り除くために試料が取り付けられない無効な測定である。２回目は、サンプルが取り付けられ、位相シフトが試料膜のために直接決定されるであろう。
【０１５６】
或いは、図２６Ａに描かれるように、参照ＲＦ１、及び試料ＲＦ２信号は、時間間隔カウンター２６０２に送られることができ、０交差などの信号（スタートＴ１とストップＴ２との間の）信号中の２つの参照時点間の時間が測定される。また、信号の周期も測定される。時間差と期間との関係は、位相シフトを与える。
【０１５７】
図２６Ｂに描かれた参照及び試料信号結果の間で位相シフトを決定するためのさらに別のアプローチに従って、信号ＲＦ１及びＲＦ２がミキサー２６１２に送られ、和周波数及び差周波数が作られる。信号ＲＦ１及びＲＦ２が同じ周波数を有するので、差周波数は電圧であり、それは位相差に比例する。また、任意的に、ミキサー２６１２において信号が同じ初期位相を有するようにセットするために、位相シフト器２６１０が含まれ、その結果、位相変化後の測定をオフセットなしですることができ、ノイズを減らすためのアウトプットのローパスフィルタ２６１４が含まれ得る。
【０１５８】
図２６Ｃに描かれるアプローチの変更例において、アウトプットは、ミキサー２６１２でロックされた位相を維持するために増幅器２６１６を通して位相シフト器２６１０にフィードバックされる。ここで、信号は、フィードバック信号であり、それは、位相差に比例する。
【０１５９】
位相差を決定するためのさらに他のメカニズムに関して、図２６Ｄに描かれるように、参照ＲＦ１及び試料ＲＦ２信号は、発振器２６３０によって設定された共通の基準周波数で別のミキサー２６１２及び２６２２にそれぞれ送られる。ミキサー２６１２及び２６２２から得られるうなり周波数は、時間間隔カウンター２６３２に送られる。カウンター２６３２によって決定されたうなり信号の時差は、位相差と関係する。
【０１６０】
図２７は、本発明のさらに他の典型的な具体例に従う、離散フーリエ変換（ＤＦＴ）を用いて得られ得る２つの信号の間の位相差（例えば、Δφhetm及び／又はΔφgrtm）を測定するためのプロセスを描くフローチャートである。フローチャートは、ヘテロダインされた参照信号における位相差を計算し（ステップ２７０２‐２７０８）、続いて、ヘテロダインされた測定信号における差を計算すること（ステップ２７１０‐２７１６）を描くが、実際問題として、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、これらの２回の計算は、平行して又は描かれたものとは逆に行われ得る。さらに、このプロセスは、任意の２つの信号の間の位相差を決定するのに有用であり、例えば、Δφhetm検出器３６２及び／又はΔφgrtm検出器１６９０で実行されるような参照信号Ｉrefと測定信号Ｉhetとの間、及び／又は、測定信号Ｉhetと格子信号ＩGIとの間である。
【０１６１】
いずれにせよ、ヘテロダインされた信号は、デジタイザに供給され、それは、十分に小さなサンプリング間隔δｔで各信号をサンプリングし、サンプリングレートは、うなり周波数Δωの２倍を超える（ステップ２７０２と２７１０）。各デジタイザのアウトプットは、信号ブロックref及びブロックhetの多くの振動周期を代表するｎ個のデータサンプルのそれぞれのブロックを蓄積するデジタル信号プロセッサに供給される。デジタル信号プロセッサに送られたデータは、形式ｕrである。ここで、ｒ＝１，２，３，…，ｎ。効率的な処理のために、ｎ（ブロック中のサンプルの数）は、好ましくは、２の累乗の積分である。データブロックがより長ければ、位相を決定することができる精度が高くなるであろう。
【０１６２】
次に、デジタル信号プロセッサは、各ブロック（ＤＦＴhet及びＤＦＴref）のＤＦＴを計算する（ステップ２７０４及び２７１２）。ＤＦＴアウトプットは、いずれの場合にも、ｎ個の一連の複素数ｖsからなり、ここで、ｓは１，２，３，…，ｎである。
【０１６３】
シリーズの前半からの値のみを考慮する必要がある。位相シフトΔφを決定するために、次の等式を殆ど満たすｓの値のみが識別される必要がある（ステップ２７１０及び２７１４）。
2008533447.tif 000042
最終的に、各ブロック、ブロックref、及びブロックhetに対して、測定された、参照又は格子信号のいずれかのために、複素数ｖsの虚数成分と複素数ｖsの実数成分との比率の逆タンジェント、即ち、次式から位相が計算される（ステップ２７０８と２７１６）。
2008533447.tif 000043
【０１６４】
各信号の既知の位相とともに、任意の２つの位相差が計算され得る。；即ち、Δφhetm＝φhet−φref；又はΔφgrtm＝φGI−φhetである。そして、プロセスが終了する。
【０１６５】
以下の請求項における、対応する構造、素材、行為、及び全ての方法又はステップの同等なもの、さらに、機能要素は、具体的に請求される他の請求された要素と組み合わせて機能を実行するための任意の構造、素材、又は行為でも含むことを意図している。本発明は、堆積及びエッチングのプロセスに関して議論されたが、適用は、広範囲に及んでいる。例えば、さらに他の典型的な具体例に従って、本発明は、ＣＭＰ後のウェハの薄いＣｕ残留物などの残りの残留物に関してウェハ表面を検査するのに応用され得る。Ｃｕを有する領域は、Ｃｕのない隣接領域より高い位相シフトΔφmを示すであろう。当業者は、直ちに本発明を理解し、他の用途への応用を理解するであろう。
【０１６６】
本発明の詳細は、図示及び説明の目的のために示されているが、開示された形式の発明を完全に網羅することやそれに制限されることを意図したものではない。当業者にとって、発明の範囲及び精神を逸脱することなく、多くの変更及び変形が明らかになるであろう。具体例は、発明の原理を最もよく説明し、且つ、意図された特定の使用に適するように様々な変更を伴った様々な具体例の発明を他の当業者が理解することができるために、選択され説明された。
【図面の簡単な説明】
【０１６７】
【図１】従来技術において一般に知られているヘテロダイン反射率計の図である。
【図２】従来技術の一般的なヘテロダイン干渉計の測定信号及び参照信号の図であり、測定信号及び光路長変化によって引き起こされた測定信号に対する位相シフトを示す。
【図３Ａ】本発明の典型的な具体例に従う、薄膜の厚さを測定するための、ヘテロダイン反射率計の図である。
【図３Ｂ】光の角周波数ωを有するｓ偏光成分と光の角周波数ω＋Δωを有するｐ偏光成分とを含み、直線偏光された反射を膜とともに示す図である。
【図４】直角入射において取られたシミュレーション結果の強度対時間のプロットを示す図である。
【図５】２０．０°の入射角度において取られたシミュレーション結果の強度対時間のプロットを示す図である。
【図６】６０．０°の入射角度において２つの異なる膜厚に関して取られたシミュレーション結果の強度対時間のプロットを示す図である。
【図７】６０度の入射角の、推定の膜厚と実際の膜厚との比較の図である。
【図８】薄膜の実際の及び測定された（概算された）厚さの間のエラー量を示すエラー対入力された厚さの比較の図。
【図９】０から１０００Åの間の厚みに対する、６０°の入射角に対する、６３２ｎｍの光源波長に対する、補正された膜厚及び実際の膜厚の比較の図。
【図１０】０から１０００Åの間の厚みに対する、６０°の入射角に対する、４０４ｎｍの光源波長に対する、補正された膜厚及び実際の膜厚の比較の図。
【図１１】本発明の典型的な具体例に従う、ヘテロダイン位相シフトの大きさを測定するための位相シフト補正アルゴリズムを決定する方法を描くフローチャートである。
【図１２Ａ】本発明の典型的な具体例に従う、ヘテロダイン反射率計の信号から非常に正確な膜厚測定を得るためのプロセスのフローチャートである。
【図１２Ｂ】本発明の典型的な具体例に従う、ヘテロダイン反射率計の信号から非常に正確な膜厚測定を得るためのプロセスのフローチャートである。
【図１３】溝掘りされた複数層のスタックの図である。
【図１４Ａ】０‐２０００Åの厚さ間隔に亘って、入力された厚さの関数として予測される厚さのプロットを描く図である。
【図１４Ｂ】０‐２０００Åの厚さ間隔に亘って、入力された厚さの関数として予測される厚さのプロットを描く図である。
【図１４Ｃ】０‐２０００Åの厚さ間隔に亘って、入力された厚さの関数として予測される厚さのプロットを描く図である。
【図１４Ｄ】０‐２０００Åの厚さ間隔に亘って、入力された厚さの関数として予測される厚さのプロットを描く図である。
【図１５Ａ】０‐２０００Åに亘る厚みに対する、６０°の入射角に対する、６３２ｎｍの光源波長に対する、入力された厚さの関数としての補正された膜厚のプロットを描く図。
【図１５Ｂ】０‐２０００Åに亘る厚みに対する、６０°の入射角に対する、６３２ｎｍの光源波長に対する、入力された厚さの関数としての補正された膜厚のプロットを描く図。
【図１６】本発明の典型的な具体例に従って、膜の屈折率のために動的にアップデートされた値を用い、エラー補正された膜厚を得るための、組み合わせのヘテロダイン反射率計及び格子干渉計の図である。
【図１７Ａ】格子に関する作用の原理を描く図であり、検出された光ビームの少なくとも一部が参照信号及び測定信号の両方から位相シフトし得ることを示す。
【図１７Ｂ】格子に関する作用の原理を描く図であり、検出された光ビームの少なくとも一部が参照信号及び測定信号の両方から位相シフトし得ることを示す。
【図１８】測定信号Ｉhet及び参照信号Ｉrefの関係をヘテロダイン位相シフトΔφmとともに示す図。
【図１９】測定信号Ｉhet及び参照信号Ｉrefの関係を格子位相シフトΔφgrtとともに示す図。
【図２０】本発明の典型的な具体例に従って、ヘテロダイン位相シフト測定結果を補正するためのヘテロダイン位相シフト補正アルゴリズムと、格子位相シフト測定結果を補正するための格子位相シフト補正アルゴリズムとを同時に判断するためのプロセスを描く図。
【図２１Ａ】ヘテロダイン反射率計信号から補正された膜厚を得るためのプロセスのフローチャートであり、厚さ計算の屈折率成分が本発明の典型的な具体例に従って動的にアップデートされる。
【図２１Ｂ】ヘテロダイン反射率計信号から補正された膜厚を得るためのプロセスのフローチャートであり、厚さ計算の屈折率成分が本発明の典型的な具体例に従って動的にアップデートされる。
【図２２】本発明の典型的な具体例に従う、複光路方式アプローチを利用する薄膜の厚さを測定するためのヘテロダイン反射率計及び格子干渉計の図。
【図２３】位相シフトを増大させることによって感度を高めるための複光路方式アプローチの原理を描く図。
【図２４】参照位相と、単光路アプローチ及び複光路方式アプローチを用いて得られた位相との関係を示す図。
【図２５】本発明の典型的な具体例に従って、２つの信号の間の位相差を決定するためのプロセスを描くフローチャートである。
【図２６Ａ】本発明の典型的な具体例に従う、Δφを検出するための様々な方法を示す図。
【図２６Ｂ】本発明の典型的な具体例に従う、Δφを検出するための様々な方法を示す図。
【図２６Ｃ】本発明の典型的な具体例に従う、Δφを検出するための様々な方法を示す図。
【図２６Ｄ】本発明の典型的な具体例に従う、Δφを検出するための様々な方法を示す図。
【図２７】本発明のさらに他の典型的な具体例に従う、離散フーリエ変換（ＤＦＴ）を用いた２つの信号の間の位相差（例えば、Δφhetm及び／又はΔφgrtm）を測定するためのプロセスを描くフローチャート。
【図１】
2008533447.tif 000044
【図２】
2008533447.tif 000045
【図３Ａ】
2008533447.tif 000046
【図３Ｂ】
2008533447.tif 000047
【図４】
2008533447.tif 000048
【図５】
2008533447.tif 000049
【図６】
2008533447.tif 000050
【図７】
2008533447.tif 000051
【図８】
2008533447.tif 000052
【図９】
2008533447.tif 000053
【図１０】
2008533447.tif 000054
【図１１】
2008533447.tif 000055
【図１２Ａ】
2008533447.tif 000056
【図１２Ｂ】
2008533447.tif 000057
【図１３】
2008533447.tif 000058
【図１４Ａ】
2008533447.tif 000059
【図１４Ｂ】
2008533447.tif 000060
【図１４Ｃ】
2008533447.tif 000061
【図１４Ｄ】
2008533447.tif 000062
2008533447.tif 000063
【図１５Ａ】
2008533447.tif 000064
【図１５Ｂ】
2008533447.tif 000065
【図１６】
2008533447.tif 000066
【図１７Ａ】
2008533447.tif 000067
【図１７Ｂ】
2008533447.tif 000068
【図１８】
2008533447.tif 000069
【図１９】
2008533447.tif 000070
【図２０】
2008533447.tif 000071
【図２１Ａ】
2008533447.tif 000072
【図２１Ｂ】
2008533447.tif 000073
【図２２】
2008533447.tif 000074
【図２３】
2008533447.tif 000075
【図２４】
2008533447.tif 000076
【図２５】
2008533447.tif 000077
【図２６Ａ】
2008533447.tif 000078
【図２６Ｂ】
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【図２６Ｃ】
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【図２６Ｄ】
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【図２７】
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【国際調査報告】
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