(57)【要約】  複数層からなるサンプルスタックによって反射された光の強度に影響を及ぼす、サンプルスタックのうちの１つ以上の層の厚さまたは他の特性をアセンブリで判断するための方法および検査アセンブリを提供する。アセンブリは、複数層からなるサンプルスタックを照らすための光源と、規定された波長範囲において複数層からなるサンプルスタックによって反射された光の強度を検出するための検出器を備えたカメラとを含む。方法は、光源からの光で複数層からなるサンプルスタックを照らすステップと、異なる波長範囲において複数層からなるサンプルスタックによって反射された光の強度を検出器で検出するステップと、検出器によって検出された強度から厚さまたは他の特性を判断するステップとを含む。検出器は、複数の検出器素子が行および列に配置されているアレイ検出器である。複数層からなるサンプルスタックの画像が検出器上に生成される。検出器は、平行なストライプ状の複数の区域を含む。ストライプは、複数層からなるサンプルスタックによって反射された光を同時に検出する。選択された１つの波長範囲の光だけが、検出器のうちの複数の区域の各々によって検出される。複数層からなる検査されたサンプルスタックの各々の箇所が異なる波長範囲の各々において少なくとも１回検出されるように、検出器上の複数層からなるサンプルスタックの画像の移動または平行なストライプの移動が、平行なストライプの長手方向に対して垂直な方向にもたらされる。
2020504308.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数層からなるサンプルスタック（７００，７０２）によって反射された光の強度（７０６）に影響を及ぼす、前記サンプルスタック（７００，７０２）のうちの１つ以上の層の厚さまたは他の特性をアセンブリで判断するための方法であって、前記アセンブリは、
複数層からなる前記サンプルスタック（７００，７０２）を照らすための光源（７１０）と、
規定された波長範囲（３４０，３５０，３６０，３７０，３８０，３９０）において複数層からなる前記サンプルスタックによって反射された光の前記強度（７０６）を検出するための検出器（８００）を備えたカメラとを含み、前記方法はさらに、
（ａ）前記光源（７１０）からの光（７０３，７０４，５０）で複数層からなる前記サンプルスタック（７００，７０２）を照らすステップと、
（ｂ）異なる波長範囲（３４０，３５０，３６０，３７０，３８０，３９０）において、複数層からなる前記サンプルスタック（７００，７０２）によって反射された光の前記強度（７０６）を前記検出器（８００）で検出するステップと、
（ｃ）前記検出器（８００）によって検出された前記強度から前記厚さまたは他の特性を判断するステップとを備え、
（ｄ）前記検出器（８００）は、複数の検出器素子が行および列に配置されているアレイ検出器であり、
（ｅ）複数層からなる前記サンプルスタック（７００）の画像が前記検出器（８００）上において生成され、
（ｆ）前記検出器（８００）は平行なストライプ（７６１，７６２，７６３，７６４，７６５，７６６）状の複数の区域を含み、前記ストライプは、複数層からなる前記サンプルスタック（７００）によって反射された光の前記強度（７０６）を同時に検出し、
（ｇ）選択された１つの波長範囲（３４０，３５０，３６０，３７０，３８０，３９０）の光だけが、前記検出器（８００）のうちの前記複数の区域（７６１，７６２，７６３，７６４，７６５，７６６）の各々によって検出され、
（ｈ）前記異なる波長範囲（３４０，３５０，３６０，３７０，３８０，３９０）の各々において複数層からなる検査された前記サンプルスタックの各々の箇所が少なくとも１回検出されるように、前記検出器（８００）上の複数層からなる前記サンプルスタック（７００）の画像の移動または前記平行なストライプ（７６１，７６２，７６３，７６４，７６５，７６６）の移動が前記平行なストライプの長手方向に対して垂直な方向にもたらされる、方法。
【請求項２】
前記検出器（８００）のうち同じ区域における前記複数の検出器素子が前記異なる波長範囲（３４０，３５０，３６０，３７０，３８０，３９０）のうちの１つに対してのみ感度を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記光源（７１０）と前記検出器（８００）との間の光路における光は、ストライプ状の幾何学的オーダで複数の異なる帯域フィルタ（７６０）によってフィルタリングされ、各々の帯域フィルタ（７６０）は、選択された波長範囲（３４０，３５０，３６０，３７０，３８０，３９０）のうちの１つにおいてのみ光を透過し、対象物面（７０５）、検出器面（８００）、中間画像面、または対象物に結合された他の任意の面において位置決めされている、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
一続きの画像が前記検出器（８００）で得られ、前記検出器（８００）上の複数層からなる前記サンプルスタック（７００）の画像の移動または前記平行なストライプ（７６１，７６２，７６３，７６４，７６５，７６６）の移動は前記画像の各々が得られる前に行なわれ、前記移動の長さは前記検出器（８００）上の前記複数の区域の幅に対応している、前述の請求項のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
異なる波長範囲（３４０，３５０，３６０，３７０，３８０，３９０）の量は、ストライプ（７６１，７６２，７６３，７６４，７６５，７６６）の量と同じある、前述の請求項のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
複数層からなる前記サンプルスタックは（７００）は、波長範囲（３４０，３５０，３６０，３７０，３８０，３９０）よりも層（２０，３０）が少なく、少なくとも１つの層（２０，３０）の前記厚さおよび／または他の特性が２以上の測定から判断される、前述の請求項のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
少なくとも１つの層（２０，３０）の前記厚さおよび／または他の特性が、測定された較正曲線なしに複数の測定から判断される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
測定された較正曲線なしで判断された前記厚さおよび／または他の特性は、前記複数層（２０，３０）の材料特性の理論値を用いて計算される、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
測定された較正曲線（３６１）が、前記厚さおよび／または他の特性を判断するために、各々の検査された層（２０，３０）ごとに用いられる、請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
複数層からなるサンプルスタック（７００）によって反射された光の強度（７０６）に影響を及ぼす、前記サンプルスタック（７００）のうちの１つ以上の層（２０，３０）の厚さまたは他の特性を判断するための検査アセンブリ（７０１）であって、
（ａ）複数層からなる前記サンプルスタック（７００）を照らすための光源（７１０）と、
（ｂ）規定された異なる波長範囲（３４０，３５０，３６０，３７０，３８０，３９０）において、複数層からなる前記サンプルスタックによって反射された光の前記強度（７０６）を検出するための検出器（８００）を備えたカメラと、
（ｃ）前記検出器（８００）によって検出された前記強度から前記厚さまたは他の特性を判断するための演算手段とを備え、
（ｄ）前記検出器（８００）は、複数の検出器素子が行および列に配置されているアレイ検出器であり、
（ｅ）複数層からなる前記サンプルスタック（７００）の画像を前記検出器（８００）上に生成するための光学手段（７４０，７８０）が設けられており、
（ｆ）前記検出器（８００）は平行なストライプ（７６１，７６２，７６３，７６４，７６５，７６６）状の複数の区域を含み、前記ストライプは、複数層からなる前記サンプルスタック（７００）によって反射された光（７０６）を同時に検出するように適合されており、
（ｇ）前記複数の区域（７６１，７６２，７６３，７６４，７６５，７６６）の各々において、選択された１つの波長範囲（３４０，３５０，３６０，３７０，３８０，３９０）の光だけを測定するように適合された、前記検出器（８００）のうちの前記複数の区域（７６１，７６２，７６３，７６４，７６５，７６６）または複数の検出器素子のそれぞれのうちの１つに対してのみ、選択された１つの波長範囲（３４０，３５０，３６０，３７０，３８０，３９０）の光だけを透過させるためのフィルタ手段（７６０）が設けられており、
（ｈ）複数層からなる検査された前記サンプルスタック（７００）の各々の箇所が前記異なる波長範囲（３４０，３５０，３６０，３７０，３８０，３９０）の各々において少なくとも１回検出可能となるように、前記平行なストライプの長手方向に対して垂直な方向に、前記検出器（８００）上の複数層からなる前記サンプルスタック（７００）の画像または前記平行なストライプを移動させるための移動手段（７０７）が設けられている、検査アセンブリ（７０１）。
【請求項１１】
前記検出器（８００）のうち同じ区域における前記複数の検出器素子が前記異なる波長範囲（３４０，３５０，３６０，３７０，３８０，３９０）のうちの１つに対してのみ感度を有する、請求項１０に記載の検査アセンブリ（７０１）。
【請求項１２】
ストライプ状の幾何学的オーダの複数の異なる帯域フィルタが、前記光源（７１０）と前記検出器（８００）との間において、対象物面（７０５）、検出器面、中間画像面、または対象物に結合された他の任意の面において設けられており、各々の帯域フィルタ（７６０）は、選択された波長範囲（３４０，３５０，３６０，３７０，３８０，３９０）のうちの１つにおいてのみ光を透過している、請求項１０に記載の検査アセンブリ（７０１）。
【請求項１３】
異なる波長範囲（３４０，３５０，３６０，３７０，３８０，３９０）の量が前記ストライプ（７６１，７６２，７６３，７６４，７６５，７６６）の量と同じである、請求項１０から１２のいずれか１項に記載の検査アセンブリ（７０１）。
【請求項１４】
前記検出器（８００）は、複数の波長範囲（３４０，３５０，３６０，３７０，３８０，３９０）を有する多色ラインカメラによって形成される、請求項１０から１３のいずれか１項に記載の検査アセンブリ（７０１）。
【請求項１５】
前記ラインカメラ検出器のラインがＴＤＩ（時間遅延積分）センサブロックによって形成される、請求項１４に記載の検査アセンブリ（７０１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
技術分野
本発明は、複数層からなるサンプルスタックによって反射される光の強度に影響を及ぼす、当該サンプルスタックのうち１つ以上の層の厚さまたは他の特性をアセンブリで判断するための方法に関する。アセンブリは、複数層からなるサンプルスタックを照らすための光源と、規定された波長範囲において複数層からなるサンプルスタックによって反射される光の強度を検出するための検出器を備えたカメラとを含む。当該方法は、
（ａ）当該光源からの光で複数層からなるサンプルスタックを照らすステップと、
（ｂ）異なる波長範囲において複数層からなるサンプルスタックによって反射される光の強度を検出器で検出するステップと、
（ｃ）当該検出器によって検出された強度から厚さまたは他の特性を判断するステップとを含む。
【０００２】
さらに、本発明は、複数層からなるサンプルスタックによって反射される光の強度に影響を及ぼす、当該サンプルスタックのうち１つ以上の層の厚さまたは他の特性を判断するための検査アセンブリに関する。当該検査アセンブリは、
（ａ）複数層からなるサンプルスタックを照らすための光源と、
（ｂ）規定された異なる波長範囲において複数層からなるサンプルスタックによって反射される光の強度を検出するための検出器を備えたカメラと、
（ｃ）検出器によって検出された強度から厚さまたは他の特性を判断するための演算手段とを備える。
【背景技術】
【０００３】
産業界のさまざまな分野においては、平坦な製品はそれらの特性が光学的方法で検査される。半導体および太陽電池の産業界においては、これら製品は特にウェハおよび太陽電池が該当する。ウェハは半導体材料、ガラス材料、板状材料またはセラミック材料からなるディスクである。検査される特性は対象物の表面上の複数層の厚さであってもよい。他の検査される特性は、材料の混合物によって形成されるいくつかの層の材料組成であってもよい。このような混合物の一例として、半導体トランジスタにおいて歪みをもたらすのに用いられるＳｉ１−ｘＧｅｘが挙げられる。異なる材料からなる複数層は、たとえば、電子半導体デバイス（「チップ」）を製造するために用いられる。それらのスタックは、用いられる特定の技術に応じて最大で１０までの層を含み得る。
【０００４】
対象となる特定の分野として、現代の半導体デバイスのために用いられる特別のウェハ、いわゆるＳＯＩウェハの製造が挙げられる。現在の技術のウェハは、上面上に二重層を有している。これらのウェハは、酸化シリコン層とその上のシリコン層とからなっている。特に低電力および／または高性能の新しいデバイスに関する現代のアプローチでは、これらの２層は、数ナノメートルの範囲の厚さを有する。このように層の厚さが非常に薄いことは、ウェハ上に生成されるチップの性能に大きな影響を及ぼす。したがって、それらの精度および横方向の均一性は、チップ製造プロセスおよび将来的なデバイス性能のために非常に重要である。このため、製造プロセス中に、ウェハ毎に、短時間で、高い横方向分解能および高精度で、層の厚さおよびその均一性を測定することが特に関心の対象となっている。
【０００５】
同様の必要条件が他の分野においても満たされなければならない。層スタックの厚さおよび横方向均一性は、最終製品パラメータにとっては非常に重要である可能性がある。
【０００６】
先行技術
非破壊層分析のための偏光解析測定が当該技術において公知である。サンプルが偏光で照らされる。光は、複数層間の界面で反射されるかまたは複数層によって透過されて、最終的に検出される。複数層の特性は、検出された光の偏光状態の変化によって判断される。このような測定値は、焦点位置とサンプルの表面の傾斜とに左右されることが極めて多い。当該方法は非常に正確であって、適切な層モデルが用いられる場合に必要となる多くの層からなる非常に複雑な層スタックに適合させることができる。しかしながら、このような方法は、１箇所ごとに数分を要するため時間がかかってしまい、その空間分解能が数十μｍに制限されてしまう。したがって、偏光測定は生産管理の分野に限定されている。
【０００７】
同様の考慮すべき事項がスペクトル反射率測定の方法にも当てはまる。スペクトル反射率測定は、スペクトロメータを用いることによって、またはいわゆるハイパースペクトル撮像カメラで、実行することができる。スペクトロメータは、数百個〜数千個の波長ポイントにおいてスペクトル反射率データを提供する。ハイパースペクトル撮像カメラは、約１２個から約２５６個の波長ポイントの範囲で反射データを提供する。上記方法はともに、極めて広範囲の厚さ値に対して用いることができ、正確な結果を提供することができる。得られた結果は、用いられる波長データポイントの数に大きく左右されるものであるが、高速および高分解能マッピングのためには低速すぎる。
【０００８】
特許公報ＷＯ２０１４０７２１０９、ＥＰ２４２６７１７、ＵＳ２０１４２９３２９５およびＵＳ２０１３０６３７３３は、反射光の強度の測定を用いるだけで二重層スタックのうちの１層（膜）の厚さを判断することを開示している。開示された方法は、両方の層の公称厚さが分かっている場合の測定に有用であり、このような公称厚さ値からのほんのわずかなずれが判断され得る。３つの文献すべてにおける主要な概念は、測定を、第２の層の影響が最小限になるように選択された狭い波長範囲に制限することである。厚さのばらつきに対する反射光の強度のずれは、選択された狭い波長範囲内ではほぼ０である。この概念は、基板上の２層スタックによって反射された光の強度が、複数層の厚さに依存する光波の干渉のせいで波長範囲に応じて大きく変化するという事実に基づいている。
【０００９】
これら上述の方法は、方法の較正のための好適な基準を如何にして得るかという、第２の層からの影響を回避するための最適な手段である方法の点で異なっている。上記方法は、検査された二重層スタック内の最上層または最下層のいずれかのために、さまざまな適切な狭い波長範囲を選択するために用いることができる。しかしながら、上述のすべての方法には、第２の層の厚さのばらつきの影響が選択された波長範囲内では無視できる程度であると想定している事実が欠如している。しかしながら、実際には、このことが無視されない可能性もあり、高分解能法の場合には、第２の層の影響は数パーセントほど高くなる可能性があり、測定結果が役に立たなくなる可能性もある。
【００１０】
本出願人による特許出願ＥＰ１５１７８９９９（未公開）は、ＳＯＩウェハなどの２層構造のうち両方の層の厚さを判断するための方法を開示している。これは、２つの適切な波長範囲において層スタックの反射率を測定することによって達成される。ビームスプリッタを用いて２つの光路を生成することによって、異なる波長範囲における測定が同時に実行される。次いで、異なる波長範囲が２つのフィルタで選択される。また、好適な波長範囲を選択するためにグレーティングまたはプリズムを用いることも開示している。光の強度は、２つの測定チャネル上に分散されており、信号対雑音比を損なう。公知のアセンブリは多くの光学部品を必要とする。
【００１１】
２つの材料間の界面における波反射の一般的物理特性はフレネル方程式によって記述される。この方程式に従うと、材料内部にあってその界面に沿った電磁波の移動速度およびの磁場振幅が材料パラメータに依存していることは当該技術においては周知である。波伝搬を理論的に記述するために最も重大な問題となるのは材料パラメータについての正確な知識である。このような材料パラメータの一例として屈折率がある。フレネル方程式は、滑らかで理想的な材料界面にわたる伝搬を正確に記述するものの、表面粗さの作用を正確に考慮することはより複雑であるかもしれない。したがって、実際の解においては、主要な原則的物理特性を補完するための較正手順が必要となる。
【００１２】
屈折率は屈折および吸収を記述する複素数値として与えられる。当該方法は、たとえばＷＯ２０１４０７２１０９において要約されている。第２の層の影響が最小限である狭い波長範囲内でサンプルスタックによって反射された光を用いることが、先行技術の検査方法の基本的概念である。
【００１３】
狭い厚さ範囲内における２層の影響は、近似された関係によって記述することができる。先行技術の簡単な例では、たとえばＡおよびＢと称される２つの層からなる層スタックを用いている。２層スタックのうちの複数層の各々は公称厚さを有する。層Ａおよび層Ｂの公称層厚さの箇所においてテイラー級数を用いて、反射光強度Ｒを計算することができる。
【００１４】
【数１】
2020504308.tif 000003
【００１５】
ｔＡ：層Ａの厚さ
ｔＢ：層Ｂの厚さ
ｔＡ０：層Ａの公称厚さ
ｔＢ０：層Ｂの公称厚さ
Ｒ：層Ａおよび層Ｂがそれぞれ厚さ値ｔＡおよびｔＢを有している箇所で測定された実際の反射光強度
Ｒ０：各層が公称厚さを有している（すなわちｔＡ＝ｔＡ０およびｔＢ＝ｔＢ０）場合の反射光強度
【００１６】
【数２】
2020504308.tif 000004
【００１７】
は、層Ａおよび層Ｂがそれぞれの公称厚さ値を有する箇所において得られる一次または二次の偏導関数を示す。
【００１８】
ΔｔＡは差ΔｔＡ＝ｔＡ−ｔＡ０を示す。
ΔｔＢは差ΔｔＢ＝ｔＢ−ｔＢ０を示す。
【００１９】
反射光強度Ｒは、２つの層の厚さに依存した光学波の干渉のせいで波長とともに変化する。先行技術の測定において必要とされているように２つの層のうちの１つの層（たとえば層Ｂ）の影響が無視できるような波長範囲を選択することは、
【００２０】
【数３】
2020504308.tif 000005
【００２１】
より高次の導関数が無視される場合、それらの影響は通常テイラー級数においてはより小さくなるので、式（１）は以下のようになる。
【００２２】
【数４】
2020504308.tif 000006
【００２３】
このような関係は、ｔＢがその公称値ｔＢ＝ｔＢ０を有しているためＲに対して無視できるほどの影響を及ぼすと想定すると、層厚さｔＡを判断するために容易に用いることができる。層Ａの厚さは、ＲとｔＡとの関係のために較正法を用いることによって判断することができる。較正のために、ｔＢ＝ｔＢ０とし、かつｔＡをｔＡ０付近のいくつかの厚さ値として、層スタックが製造される。次いで、層スタックサンプルが、参照法（たとえば偏光解析法）によって、高精度に測定される。次いで、較正曲線Ｒ＝ｆ（ｔＡ）を、測定された箇所における測定強度値から生成することができる。この方法は、上述のＷＯ２０１４０７２１０９において開示されている。当該方法は、層Ｂが厳密にすべての箇所におけるその公称値ｔＢ＝ｔＢ０であると想定されているという不利点を有している。層Ｂの厚さの影響は完全に無視されている。このような無視は、層Ａについて判断された厚さｔＡの系統的誤差をもたらすが、これは公知の方法では解決することができない。
【００２４】
この問題は、ｔＡがその公称値ｔＡ＝ｔＡ０を有するという想定の下で層厚さｔＢを判断する場合に当てはまるが、逆の場合も同様に当てはまる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
発明の開示
本発明の目的は、高精度かつ高速で、シングルミクロンおよびサブミクロンの横方向分解能範囲で、１つ以上の層の厚さを同時に正確に測定することを可能にする、上述の種類のアセンブリおよび方法を提供することである。本発明のさらなる目的は、一般に用いられるような偏光解析法またはスペクトル反射率測定法のような広汎なスペクトル評価方法を回避して、時間効率およびコスト効率の良い方法でサンプルスタックにおける１つ以上の層の厚さを判断することである。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
本発明に従うと、この目的は、以下を特徴とする上述の種類の方法で達成される。
（ｄ）検出器は、複数の検出器素子が行および列に配置されているアレイ検出器である。
【００２７】
（ｅ）複数層からなるサンプルスタックの画像が検出器上において生成される。
（ｆ）検出器は平行なストライプ状の複数の区域を含む。これらストライプは、複数層からなるサンプルスタックによって反射される光の強度を同時に検出する。
【００２８】
（ｇ）選択された１つの波長範囲の光だけが、検出器のうちの複数の区域の各々によって検出される。
【００２９】
（ｈ）複数層からなる検査されたサンプルスタックの各々の箇所がさまざまな波長範囲の各々において少なくとも１回検出されるように、検出器上の複数層からなるサンプルスタックの画像の移動または平行なストライプの移動が、平行なストライプの長手方向に対して垂直な方向にもたらされる。
【００３０】
当該目的はまた、以下を特徴とする上述の種類の検査アセンブリで達成される。
（ｄ）検出器は、複数の検出器素子が行および列に配置されているアレイ検出器である。
【００３１】
（ｅ）検出器上の複数層からなるサンプルスタックの画像を生成するための光学手段が設けられている。
【００３２】
（ｆ）検出器は平行なストライプ状の複数の区域を含み、ストライプは、複数層からなるサンプルスタックによって反射された光を同時に検出するように適合されている。
【００３３】
（ｇ）複数の区域の各々における選択された１つの波長範囲の光だけを測定するように適合された検出器のうちの複数の区域または複数の検出器素子のそれぞれのうちの１つに対してのみ、選択された１つの波長範囲の光だけを透過するためのフィルタ手段が設けられている。
【００３４】
（ｈ）複数層からなる検査されたサンプルスタックの各箇所がさまざまな波長範囲の各々において少なくとも１回検出可能となるように、検出器上の複数層からなるサンプルスタックの画像または平行なストライプを、平行なストライプの長手方向に対して垂直な方向に移動させるための移動手段が設けられている。
【００３５】
検出器上のストライプは一続きの行または一続きの列であってもよい。このような行または列は、特に、隣り合う行または列であってもよい。得られた結果はこの点でストライプの定義に依存していない。ストライプは、検出器の一方側から反対側にまで延在している。ＲＧＢ（赤・緑・青：光の三原色）検出器の場合と同様に、各々の画像箇所が４色高感度検出器素子からなる検出器は本発明には適していない。
【００３６】
光源は、好ましくは、検査のために用いられるすべての波長範囲にわたって延在する連続的な波長スペクトルを有する。発光スペクトルは均一な強度分布を有する必要はないが、光がすべての考慮された波長範囲で照射されるかまたはすべての考慮された波長範囲に変換されることが重要である。好適な連続光源は、たとえば、４００ｎｍから８００ｎｍの範囲で近紫外線からＶＩＳにわたるスペクトルを有する。このような波長範囲は、ウェハ製造の際に複数層のために一般に用いられる厚さに適している。言うまでもないが、この厚さが当該分野において現在用いられている範囲を越えて変化する場合、波長範囲は異なる可能性がある。しかしながら、考慮された波長範囲の十分な有効範囲を達成するために２つ以上の光源を用いてそれらの光を組合わせることもできる。波長範囲の幅は、半値幅によって表わされてもよく、すなわち、最大強度値の半分よりも大きい強度を有する波長範囲である。このような幅は、光の強度が優れた信号対雑音比を提供するのに十分となるように選択されるが、優れた精度を可能にするには依然として小さい。たとえば５ｎｍ〜２０ｎｍの半値幅は上述の波長範囲において好適であり得る。
【００３７】
検出器アレイ上において複数層からなるサンプルスタックの画像を生成するために、ミラーまたはレンズなどの構成要素を備えた撮像光学セットアップが用いられる。光路は、中間撮像面を有していてもよいが、必ずしも必要ではない。画像は、入手可能な検出器を用いて優れた信号対雑音比および十分な高分解能を得るために、任意の好適な撮像比で生成され得る。
【００３８】
画像の相対的移動は、検出ステップ間、すなわち画像の撮影の合間、にストライプの長手方向に対して垂直にもたらされる。相対的移動は、多数のさまざまな方法で実施することができる。複数層からなるサンプルスタックのキャリヤを移動させることができる。検出器を備えたカメラを移動させることもできる。他の代替例では、光路において、たとえば移動可能なミラーによって、複数層からなるサンプルスタックまたはカメラを移動させることなく、画像を移動させるだけである。別の代替例では、以下に記載されるフィルタをストライプに対して垂直に移動させることを規定している。すべての代替例を組合わせることもできる。唯一の条件として、移動のうち少なくとも一部分がストライプの長手方向に対して垂直になっている。この移動により、各々の検出器素子が、同じ画像箇所の異なる波長範囲を検出することが可能となる。
【００３９】
ストライプが１ステージで画像全体を覆っていてもよい。ストライプは対象物の画像に沿って移動するかまたはこの逆であってもよく、これにより、すべての画像箇所がすべての波長範囲において測定される。検出器アレイ全体の測定が用いられる。フィルタが対象物の画像の端縁の範囲にある場合にのみ、検出器アレイを十分に利用することなくｎ−１の測定が行われるだろう。この場合、ｎは用いられた波長範囲の数である。
【００４０】
上述の２層スタックと同様に、わずかな厚さ変動範囲内における複数の層からなる層スタックにおける層の影響が、近似された関係によって記述され得る。単純な例では、ｎ層からなる層スタックが用いられる。スタックにおけるｎ層のうちの複数層の各々は公称厚さｔｉ０を有する。この場合、ｉは１からｎである。すべての層の公称層厚さの箇所においてテイラー級数を用いて、反射光強度Ｒを計算することができる。
【００４１】
【数５】
2020504308.tif 000007
【００４２】
ｔｉ，ｊ：層ｉ、ｊのそれぞれ厚さ
ｔｉ０：層ｉの公称厚さ
Ｒ：複数層がそれらの公称厚さ値ｔｉ０からΔｔｉだけずれている箇所において測定される実際の反射光強度
Ｒ０：すべての層がそれぞれの公称厚さ値ｔｉ０を有している箇所において測定される反射光強度
【００４３】
【数６】
2020504308.tif 000008
【００４４】
は、すべての層Ｂがそれらの公称厚さ値を有している箇所において得られる一次または二次のそれぞれの偏導関数を示す。
【００４５】
Δｔｉは差Δｔｉ＝ｔｉ−ｔｉ０を示す。
検出器素子によって検出される反射光強度Ｒは、スタックにおける複数層の厚さに応じた光学波の干渉のせいで、波長とともに変化する。
【００４６】
ｎ層についての厚さ値などのｎの独立したパラメータを決定するために、一続きのｎの独立した測定が必要となる。一般的概念を制限することなく、Ｓｉ１−ｘＧｅｘにおける組成指数などの膜組成変数は、膜厚さとして同様に考慮に入れることができる。唯一の違いは、式（１）における偏導関数がｄＴｈｉｃｋｎｅｓｓ／ｄＣｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎであって、厚さ値に反するものではない点である。その意味では、上述のｔｉ，ｊは、厚さ値ではなく材料組成であってもよい。
【００４７】
公知の厚さおよび組成を備えた参照サンプルを用いた理論計算または較正測定によって式（１）におけるすべての偏導関数が分かっているので、ｎの独立した測定の結果に基づいて、ｎの未知のパラメータｔｉをすべて正確に決定することが可能となる。ｎの測定では、式（１）は、共通一次方程式セットアルゴリズムによって解決することができるｎの導関数Δｔｉについての１セットのｎの独立一次方程式を表わす。
【００４８】
厚さまたは材料組成を表わす１つまたは２つの未知パラメータなどが決定され得る場合、かつパラメータ範囲が十分に制限されている場合、未知パラメータに対するＲの理論上の公知の依存性に基づいて、較正なしに複数の波長で測定することでも結果を得ることができる。
【００４９】
本発明では、層スタックにおけるｎ層の厚さを正確に判断することができる。ｎのさまざまな波長範囲での測定は、ｎ続きの較正曲線を使用することを必要とする。各波長範囲ごとに１続きの較正曲線が必要となる。各々の１続きの較正曲線は、公知の厚さおよび組成条件下での反射光の強度についての情報を提供する。２つ以上の厚さを判断しようとする場合、１つの特定の反射率に属するスタックのうちのさまざまな層の厚さの組合せは明らかではない。さまざまな波長範囲を用いることによってこのような組合せを発見できることが本発明の重要な特徴である。波長範囲という語は、１つの単一波長値によって表わすことができる範囲、すなわち干渉フィルタなどによって透過される範囲、を意味するものであって、数１０ナノメートルをはるかに越えて延びることを意味するものではない。
【００５０】
複数層からなるスタックによって反射される光の強度は、ｎ波長範囲の場合には、同時に検出されるかまたはほぼ同時に検出される。これにより、それらの測定は速やかに実行することができ、セットアップのばらつきが影響を及ぼすことはないだろう。また、暗値を減じることによって、たとえば、周知の安定した基準物質ターゲットにおける反射から得られる基準値によって測定強度を正規化することによって、正規化値を用いることが有用であることが分かる。
【００５１】
本発明の好ましい実施形態においては、検出器のうち同じ区域における複数の検出器素子は、異なる波長範囲うちの１つに対してのみ感度を有する。これは、第１のストライプが第１の波長範囲に対して感度を有し、第２のストライプが別の第２の波長範囲に対して感度を有すること、などを意味する。
【００５２】
本発明の代替的な実施形態においては、光源と検出器との間の光路における光は、ストライプ状の幾何学的オーダで複数の異なる帯域フィルタによってフィルタリングされる。各々の帯域フィルタは、選択された波長範囲のうちの１つの波長範囲における光だけを透過し、対象物面、検出器面、中間画像面、または対象物に結合された他の任意の面において位置決めされている。
【００５３】
本発明の極めて好適なセットアップは、高ダイナミックレンジ、高分解能（高画素数）および高速の高性能な科学技術用カメラを用いる。波長範囲の設定を行うために、検出器は、ｎ帯域フィルタからなるフィルタセットと組合わされてもよい。フィルタアセンブリは、検出器領域を異なる感度を有するｎのストライプに分割する。これにより、個々の波長範囲に対する感度を有するストライプ状のｎ個の区域を形成するためにｎの帯域フィルタが提供される。検出器の各々の照明および信号取得の後、画像が相対的に動かされる。たとえば、ｎステップの後、移動距離がストライプに対して垂直な方向における全体的な検出器長さの１／ｎである場合、カメラの視界全体について、ｎの波長範囲すべてにおける反射率強度が検出器によって判断されて、コンピュータに格納される。この情報から、格納された参照情報および／または上述の較正曲線を用いて、最大でｎ個までの層の厚さまたは組成パラメータを計算することができる。
【００５４】
何らかの層の組合せのための特定のフィルタを選択することにより、或る層または層組合せに対する各波長範囲における信号の選択性を向上させることができ、信号対雑音比を向上させることができる。この発明は、固定されたフィルタセットを用いて、検出器の有用な感度範囲を一続きのｎ波長範囲に分割することを規定する。このようなセットアップでは、多種多様な層スタックを十分な精度で測定することができる。固定されたフィルタセットを用いることで、より高い安定性でセットアップの複雑さを低下させる。この固定されたセットアップは、未知パラメータがより少ないシステム（たとえば、２層、３層または４層からなる層スタック）のために用いられてもよい。このような応用例においては、付加的な測定値は、測定量の点でシステムのオーバーサンプリングをもたらすとともに、最適な適合アプローチの範囲内でそれらを用いることによって測定のロバスト性を向上させるように好都合に機能し得る。
【００５５】
光路において波長フィルタを用いることは公知である。しかしながら、このような光学フィルタは一般に波長範囲を１つだけを有している。フィルタ上の汚れおよび引掻傷を撮像してしまうことを避けるために、このような公知のフィルタが任意の画像面の外側に位置決めされる。このような公知のフィルタとは逆に、本発明は、たとえば、複数の波長フィルタによって複数の波長範囲を用いる。このようなフィルタは画像面において位置決めされている。すべての画像中に存在するフィルタの欠陥は画像処理方法によって除去されることとなる。
【００５６】
フィルタストライプが中間画像面に設けられている場合、２セットのストライプ（すなわち、各波長ごとに２つのストライプ）を備えたフィルタを用いることが有用であり得る。このようにして、移動方向を変更する必要なしに端縁が容易に測定され得る。
【００５７】
本発明の好ましい変更例が規定するように、一続きの画像が検出器で得られ、検出器上の複数層からなるサンプルスタックの画像の移動または平行なストライプの移動が行われてから、画像の各々が得られる。この場合、移動の長さは検出器上の複数区域の幅に対応している。しかしながら、移動の合間にサンプルスタックについての２つ以上の画像を得ることもできる。すべての情報を可能な限り速やかに得るために、画像またはフィルタを常に同じ方向に移動させることが好ましい。
【００５８】
本発明の好ましい変更例に従うと、さまざまな波長範囲の量はストライプの量と同じである。これにより、ストライプ間での移行が最小限になる。ストライプはすべて同じ幅を有していてもよい。
【００５９】
本発明の一代替例に従うと、複数層からなるサンプルスタックは複数の波長範囲よりも少ない層を有しており、少なくとも１つ層の厚さおよび／または他の特性が２つ以上の測定から判断される。別の波長範囲での各々の追加測定を行なうことにより、精度を向上させるか、または較正測定なしにより優れた判断を行なうことが可能になるだろう。このような場合、測定された較正曲線なしで、複数の測定から少なくとも１つの層の厚さおよび／または他の特性を判断することができる。しかしながら、決定された値を適合させることによって精度を向上させるために、１つの層のみの厚さおよび／または他の特性を判断するために複数の測定を用いてもよい。
【００６０】
本発明の変形例は、測定された較正曲線なしで判断された厚さおよび／または他の特性が複数層の材料特性の理論値を用いて計算されることを規定し得る。
【００６１】
本発明の別の代替的変更例は、厚さおよび／または他の特性を判断するために、検査された各層ごとに、測定された較正曲線を用いることを規定している。これにより、最大でｎまでの層からなるスタックが検査され得る。
【００６２】
本発明のさらなる変更例はサブクレームの主題である。実施形態を、添付の図面に関連付けて、以下においてより詳細に記載する。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１ａ】検出器面においてフィルタセットを用いてさまざまな波長で同時に反射率を測定するための装置を示す概略図である。
【図１ｂ】中間面において移動フィルタセットを用いてさまざまな波長で反射率を測定するための装置を示す概略図である。
【図２】複数層からなるスタックにおける光線の経路を示す図である。
【図３】図１のアセンブリにおいて用いられる６つの広帯域フィルタのスペクトル透過プロファイルの例を示す図である。
【図４ａ】図１のアセンブリにおいて用いられる広帯域フィルタ手段を示す概略図である。
【図４ｂ】複数層からなる移動スタックとともに示される図４ａと同様の概略図である。
【図５】多層スタックにおける反射についての典型的な波長依存性を示す図である。
【図６】多層スタックにおける反射の変化についての典型的な波長依存性を示す図である。
【図７】偏光解析法で得られる典型的な較正曲線を示す図である。
【図８】複数スタックのいくつかのサンプルについての一続きの較正曲線を示す図である。
【図９】さまざまな波長での２つの異なる層の実現可能な厚さ値同士の相関関係を示す図である。
【図１０】シリコン上のＳｉＯ２層のさまざまな厚さ、および測定のために用いられるさまざまな波長範囲についての、２層スタックにおける反射の変化についての典型的な波長依存性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００６４】
実施形態の説明
１．実施形態：６つの異なる波長での２層スタックの測定
図１ａおよび図１ｂは、サンプル７００の反射率を異なる波長範囲で測定するためのアセンブリ７０１を示す。サンプル７００は検査対象の層スタック７０２を有しており、これは、２層状態の例として図２においてより詳細に示されている。ＬＥＤ、タングステンランプまたはアーク放電ランプなどの光源７１０からの広帯域光７０３は、光学手段７２０によって均質化される。光学手段は横方向の、角度の付いた配光を均質化する。これは、たとえば、六角形または矩形の断面を備えたガラス棒またはディフューザによって達成することができる。次いで、均質化された光は、５０％ミラー７３０によって対物レンズ７４０を通じてサンプル７００上へと偏向される。これは、数字７０４で示されるとともに概略的に示される光の経路によって表わされる。
【００６５】
光は、サンプル７００の表面７０５で部分的に反射される。反射光７０６の強度が変調される。変調は、図２に関連付けて以下に記載されるように、材料界面の各々において部分的に反射された光の干渉作用によってもたらされる。反射し返された光７０６がミラー７３０を通る。光は、カメラ内部にある検出器８００の前に位置決めされた管状光学部品７８０を通過する。これにより、サンプル７００の画像が検出器８００上において生成される。検出器８００は、２５６０×２１６０の検出器素子を備えた高速アレイ検出器である。検出器素子は行および列に配置されている。
【００６６】
フィルタ手段７６０は、カメラの検出器アセンブリに組込まれているか、または、中間画像面７０８が生成されて、フィルタ手段が中間画像面７０８において移動可能に位置決めされている。フィルタ手段７６０は、一定の波長範囲だけが通過することを可能にすることによって検出器のセンサチップの所望の位置において光をフィルタリングする役割を果たす。この実施形態のスペクトル波長選択特徴が図３に示されている。
【００６７】
図４ａおよび図４ｂは、フィルタ手段７６０の正面図を示す。図４ｂは、２つの異なる測定時間、すなわち時間１および時間２における、検査されたウェハを概略的に示す。ウェハは、時間１と時間２との間に移動ステージ７０７によって動かされた。フィルタ手段７６０は、図３においてラムダ１、ラムダ２、…、ラムダ６と示されるように、透過プロファイルのピーク値で指定される波長範囲における光学広帯域フィルタの６つの平行なストライプ７６１、７６２、７６３、７６４、７６５および７６６から成る。ストライプの各々は、検出器アレイ（すなわち２５６０の検出器素子）の幅全体に沿って延在する。ストライプ７６１、７６２、７６３、７６４、７６５および７６６の幅は、同じ方向における検出器アレイ（すなわち３６０個の検出器素子）の幅の６分の１である。６つのフィルタの数は、当然ながら変更可能であり、いくつのフィルタストライプが用いられてもよい。
【００６８】
これにより、アクティブな検出器アレイ全体が、検出器の一方端部から他方端部にまで延在する平行なストライプ状の６つの区域に分割される。これらの区域は、図３に示されるように６つの異なる波長範囲のために用いられる。検出器上の各区域は、フィルタ手段７６０によって選択される６つの波長範囲の各々によって照らされる３６０×２５６０の検出器素子を含む。したがって、これらの波長区域の各々においては、特定の波長間隔についての光強度はセンサアセンブリ８００の３６０×２５６０画素の解像度で決定される。
【００６９】
上述の実施形態の波長特徴が図３に示される。６つの波長範囲がフィルタのうちの６つの領域において選択されている。図は、各フィルタの波長透過特徴を示す。以下の表は、フィルタセットアップの主要パラメータを示す。
【００７０】
【表１】
2020504308.tif 000009
【００７１】
ＦＷＨＭは半値全幅である。ラムダは最大強度の波長である。Ｔは強度についての透過値である。
【００７２】
検出器として多素子センサアセンブリを用いることにより、複数層の層厚さの空間分布および均一性を非常に速やかに測定することが可能となる。以下により詳細に記載される計算は、検出器アセンブリの各検出器素子のために別々に実行することができる。これにより、１つの測定ステップは、サンプルのうちの或る領域または或る行についての多数の厚さ値を提供する。検出器とサンプル７００との間に相対的な横方向の移動をもたらす可動ステーション７０７をアセンブリ７０１に追加することにより、サンプル表面７０５全体をスキャンして、表面７０５全体の厚さ値のフルマップを作成することができる。
【００７３】
さまざまな対物レンズ７４０をさまざまな倍率で用いることにより、顕微鏡の場合に通常行われているように、検出器８００の横方向分解能を測定タスクの要件に合うように適合させることができる。したがって、複数層の厚さを非常に正確に、高速で、数百ナノメートルほどの低い横方向分解能で測定することができる。
【００７４】
図２は、サンプル７００における反射の物理的作用を示す。サンプル７００はいわゆる二重層スタック７０２である。二重層スタック７０２は、屈折率ｎ１を有する最上層２０と、屈折率ｎ２を有する埋込み型最下層３０とを有する。層２０および層３０は、屈折率ｎ３を有する基板材料４０上に積重ねられる。基板はスタックの一部であるが、その厚さはこの発明に関しては問題にならない。したがって、基板は、ここで意味されるような「層」を構成するものではない。
【００７５】
スタック７０２は、本実施形態において空気である周囲材料１０の環境に配置される。しかしながら、これはまた、真空、油または水であってもよい。周囲材料１０は屈折率ｎ０を有する。上述のとおり、光５０はサンプル表面７０５に入射する。光５０は周囲材料１０を通って移動する。光は、周囲材料１０と最上層２０との間の界面９０で部分的に反射される。これにより、光５０が初めに反射光６０に分割され、光７０が、表面７０５によって形成される界面９０を介して透過されるとともに同時に屈折される。
【００７６】
光はまた、材料２０と材料３０との間のさらなる界面１００と、材料３０と材料４０との間のさらなる界面１１０との各々において部分的に反射され、分割されて、反射して透過された光になる。
【００７７】
材料１０と材料２０との間の界面９０、材料２０と材料３０との間の界面１００、または材料３０と材料４０との間の界面１１０のいずれかの上に複数回にわたって異なる屈折率で入射して反射した光はすべて、最終的に、周囲空間１０内に反射されることとなる。これは光線８０によって表わされる。検出器８００において測定される光線８０の強度は、界面において反射および透過を繰返すことで入射光５０の強度よりも低くなるだろう。光８０が層材料２０および３０を通る付加的な通路を移動する光からできているので、光８０を構成する波は、初めに反射された光６０と比べてさまざまな時間差で遅延する。これが干渉を引起こす。これにより、すべての反射光６０および８０をともに含む測定強度は、これらの時間遅延に応じて光波６０および８０の破壊的かつ構造的な干渉によって変調される。光８０の時間遅延が、それらの屈折率ｎ１を乗じた層２０の厚さと屈折率ｎ２を乗じた層３０の厚さとによって決定されるので、反射光８０の強度の変調は、層２０および３０層の厚さの関数となる。したがって、強度変調の分析を用いることで、周知の材料の屈折率を用いて層２０および層３０の層厚さを判断することができる。
【００７８】
この作用を記述する式は、電磁波の重ね合わせの基本原理と共にフレネル方程式として公知である。これら関数も偏光解析法などの実験によって決定され得る。
【００７９】
強度が、たとえば、公知の周囲材料１０の環境内における公知の材料からなる基板４０上の公知の材料からなる層２０および層３０でできた二重層スタックのための入射光５０の波長の関数として判断される場合、反射強度関数が得られるだろう。１２ｎｍシリコン層の形状である最上層２０と、２５ｎｍシリコン酸化層の形状である埋込層３０とを含むシステムについての典型的な反射強度関数２００が図５に示される。層２０および層３０は周囲材料１０としての空気内においてシリコンの基板４０の上に積重ねられる。図５は、例を挙げてその作用を示しており、任意の材料／厚さの組合せで繰返すことができる。周囲／層／基板システム２００全体についての有効な反射係数が、ｎｍ単位の波長に対して横軸上に示されている。４００ｎｍの範囲の光がたとえば５００ｎｍを上回る範囲の光よりも高い強度で反射されることが分かる。
【００８０】
層２０または層３０の層厚さが変化する場合、反射光の測定強度が変化する。この変化は、層厚さで割った反射の偏導関数の形で数学的に表わすことができる。
【００８１】
図６は、図２と同様に、３００ｎｍと７００ｎｍとの間における同じ波長範囲についての上述のような比を示す。曲線３００および曲線３１０は、シリコン最上層２０の厚さの変化の影響を例示している。曲線３１０は、酸化物層３０の厚さがわずかに異なることによるこのような影響を示す。同じ態様で、３２０および３３０は、埋込み型酸化物層３０の厚さの変化の影響を示す。曲線３３０は、３２０のために用いられる公称シリコン厚さと比べて、シリコン層２０の厚さがわずかに異なっていることを表わしている。
【００８２】
破線で囲まれたボックス３４０は、シリコン層２０の厚さを測定するための第１の波長範囲を概略的に示す。公知の方法は、３２０および３３０によって示されるような酸化物厚さに対する反射の導関数の値がほぼゼロであるせいで、酸化物層３０の厚さからの影響がシリコン層の厚さの影響よりもはるかに小さく、このため、無視され得るものであると想定している。しかしながら、言うまでもなく、曲線３００および曲線３１０が波長範囲３４０において同一ではないので、上記のような無視によって系統的誤差が生じる。
【００８３】
したがって、本実施形態は、互いからほぼ独立しているさらなる測定のためにさらなる波長間隔３５０、３６０、３７０、３８０、３９０を用いる。波長範囲は、図３に示される透過プロファイルで図４において示されるフィルタによって規定されている。厚さ層値は、さまざまな波長間隔３４０、３５０、３６０、３７０、３８０および３９０で、独立した反射測定から得られるデータを用いることによって得られるだろう。この例においては、２層だけが６つの波長で検査されるので、一定の量のオーバーサンプリングが存在している。このオーバーサンプリングは、結果の精度を向上させる役割を果たす。較正曲線が用いられる場合、最大で６個までの層が６つの異なる波長で検査され得る。言うまでもなく、好適な量の波長範囲が選択されている場合、他の量の層も検査され得る。
【００８４】
このような計算がスタックにおけるいくつもの層のために実行可能であることが理解される。フレネル方程式に基づいた層作用に対する層の計算のための行列公式は、当該技術においては周知である。
【００８５】
反射率測定から厚さ値を得るために、較正が実行される。先行技術の方法は、測定されたグレー値を複数層の「実際の」厚さ値に相関させる。このような「実際の」値はたとえば偏光解析法によって得られる。また、いくつかの厚さについての公知の材料パラメータから反射光の直截的計算を用いることもできる。しかしながら、実際の実施形態においては、偏光解析法は優れた参照法を提供するだろう。
【００８６】
図７は、２５ｎｍ厚の埋込み型酸化物最下層およびさまざまなシリコン層厚を有するさまざまなサンプルを備えた２層構造についての、先行技術に従った較正曲線３６１を示す。反射率測定は、図６に例示されるように波長範囲３４０における唯一の狭い波長間隔を用いて、準単色光条件下でなされる。この目的のために、反射強度は、装置の影響を排除するためにいくつかの反射基準に逆らって正規化された測定強度として得られる。測定値を用いてこれを参照法の結果と比較するアプローチの利点は、たとえば実施形態の光学作用のような他の作用に起因する誤解釈を回避することである。結果として得られる較正曲線の精度は、参照法によって測定される公知の材料パラメータおよび厚さ値から直截的に反射強度を計算するとともに測定されたグレー値に対する最良適合をサーチすることによって、理論から曲線の形を導き出すことによりさらに高めることができる。
【００８７】
本発明の実施形態は、さまざまな厚さの酸化物層３０を含む一続きのサンプルに対して、図７における較正曲線３６０のために用いられるのと同じ手順を繰返すことによって較正を行なう。これにより、図８に示される一続きの較正曲線４００、４１０、４２０、４３０、４４０および４５０が得られる。較正曲線４００は、たとえば、シリコン層３０のさまざまな厚さと、２３ｎｍの酸化物層３０の厚さを有するサンプルについての測定強度との関係を表わす。較正曲線４１０は、２４ｎｍの厚さ値を有する酸化物層３０と同じものを示している。さまざまな厚さの酸化物層３０とさまざまな厚さのシリコン層２０とを備えたサンプルが測定される。また、すべての反射率測定は、初めは、範囲３４０内における１つの狭い波長間隔からの光で行なわれる。
【００８８】
偏光解析法がシリコン厚さの判断のための参照法として用いられる場合、酸化物層の厚さが同時にチェックされ、これに応じてデータ値の対が分類される。
【００８９】
このような較正曲線の場合、図８に示されるように、同じ材料系であるが未知の層厚さを有する未知のサンプルが、特定の反射率値を測定することによって検査され得る。たとえば、正規化された反射率グレーレベル値が、図８における直線４６０によって示されるように０．３である場合、較正曲線４００、４１０、４２０、４３０、４４０および４５０上で測定された反射率の交差点は、シリコン層２０の実現可能な厚さ値と酸化物層３０の実現可能な厚さ値との関係を規定している。点４７０は、たとえば、２３ｎｍの酸化物層３０の厚さと、ライン４６０における測定された反射率レベルを満たす１３．６ｎｍ（縦軸上の値）のシリコン層２０の厚さとの第１の実現可能な組合せを示す。この関係は各較正曲線ごとに確立することができる。
【００９０】
言いかえれば、１つの波長における未知のサンプルの反射強度を測定することで、関数によって表わされ得る複数の実現可能な厚さの組合せが得られるだろう。このような関数は、図７における曲線５００の形状で表わされる。正確な値を選択するために、測定が第２の波長間隔で繰返される。本実施形態においては、波長範囲３５０における間隔（図４を参照）が用いられる。図９における曲線５１０によって結果が表わされる。
【００９１】
曲線５００および曲線５１０のような複数の曲線は、入射光のさまざまな狭い波長間隔を用いる複数回の測定のいずれの場合にも存在する。このような対の曲線はいずれも、測定された反射レベルが同じ２つの層厚さ値から同時に得られる１つの交差点５２０を有する。図９の例においては、これにより、結果として、１３．１４ｎｍのシリコン層厚および２４．２ｎｍの酸化物層厚が得られることとなる。
【００９２】
このアプローチを、パラメータが層厚さまたは材料組成であり得る場合にｍ回の測定およびｎ個の未知パラメータを規定するｍの波長範囲に一般化することで、以下の検討事項が生じる。ｍ個の異なる波長範囲（すなわちほぼ独立した測定）の場合、ｍの波長範囲におけるｍの反射強度の依存性が、ｎ＋１次元空間におけるｍ個の表面によって表現され得る。ｎ次元はｎパラメータ（すなわち、層厚さ、材料組成）である。ｎ＋１次元は考慮された波長範囲における強度である。ｍの波長範囲の各々はこのようなｎ＋１次元空間を規定する。この場合、表面は、ｎのパラメータからの反射強度の関数依存性を表現している。
【００９３】
ｍの波長範囲におけるｍの測定強度の各々は、ここでは、測定されたこの特定の強度値についての実現可能な解ベクトルを表すそれぞれの表面上のｎ次元曲線を規定している。ｎ次元を有するこれらのｍ個の曲線は、少なくとも１つの交差点を共通に有している。この交差点は、同じｎのパラメータを有するとともにｍの表面すべてについての１つの点であることを特徴とする最終解ベクトルである。数学的に、この最終解ベクトルは、ｎのベクトル素子を備えたｍのベクトルでｍ個の数式の数式セットを解くことによって見出される。当然、ｍ（すなわち、ほぼ独立した測定の数）はｎ（層厚さまたは材料組成のような未知のパラメータの数）以上でなければならない。
【００９４】
２．実施形態：シリコン上の１つのＳｉＯ２層の測定
図１０は、第１の実施形態について上述されたように同じ測定セットアップが用いられた場合における別の実施形態を示す。しかしながら、本実施形態は、シリコン上のＳｉＯ２層の厚さである１つの層厚さ値だけを測定する。反射関数はシミュレートされてもよく、このシミュレーションは、たとえば、レーベンバーグ・マルカート・アルゴリズム（Levenberg-Marquardt-algorithm）と合わせることによってこれらの値に適合させることができる。層の厚さは２０ｎｍから２００ｎｍの範囲にわたっている。数値８１０、８２０、８３０、８４０、８５０および８６０で示されている６つの波長範囲が測定のために用いられる。６つの値が１つの未知の厚さ値のためだけに測定されるので、統計誤差が増えるだろう。また、測定範囲が拡げられる。約５００ｎｍでの波長範囲８２０では、厚さ値２０ｎｍと厚さ値１５０ｎｍと厚さ値２００ｎｍとを区別することができないだろう。このような測定だけであれば、結果が曖昧なものになるだろう。いくつかのさまざまな波長範囲で測定することで、このような事例を区別することが可能になるだろう。
【００９５】
理論的には、測定可能なパラメータについていくつかの制限が存在する。パラメータは、この場合、層スタック全体の光学的特性に影響を及ぼす（より正確には、屈折率および／または減衰係数に影響を及ぼす）如何なる層特徴であってもよい。このようなパラメータのうち最も顕著な例は個々の層厚さおよび材料組成である。式のセットが解決可能であることは明白であり、厳密に１セットのパラメータが存在している。代替的には、パラメータのうち少なくとも２つがすべてのｎ個の波長範囲における反射に対して厳密に同一の作用を及ぼす場合、またはこれらの作用が互いを補償し合う場合、複数の解が存在する可能性がある。また、当該方法は、フレネル方程式がその周期的性質により別の解を提供しないような範囲に限定される。フレネル方程式の周期性により、当該方法が特に厚い層に制限されることとなる。
【００９６】
所与の実施形態が本発明に従った方法を例示するための例に過ぎないことは明らかである。同様に、当該方法は、基板上における２層スタックについての他の材料および／または厚さ組合せのために用いることができる。中でも、例として、歪みシリコン、シリコンゲルマニウム、ゲルマニウム、ガリウム砒素、燐化インジウム、砒化インジウム、インジウム砒化ガリウム、テルル化水銀、ＩＩＩ−ＶおよびＩＩ−ＶＩの三成分および四成分半導体合金、他の酸化物および窒化物、フォトレジスト、薄金属層、ガラス、石英およびプラスチック材料が挙げられる。
【００９７】
上述の説明から、使用された波長間隔は、層厚さ値のうちの１つからの反射の依存性が最小限にされるように選択されなければならないことも明らかである。これらは、たとえば、測定安定性を向上させるように反射測定のためにほぼ同様の高い信号レベルを提供するために、より自由に選択することができる。波長間隔は、測定の分解能を最大限にするように用いられる。
【００９８】
本発明は、層の厚さだけではなく材料組成をも判断することを可能にする。
【図１ａ】
2020504308.tif 000010
【図１ｂ】
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【図２】
2020504308.tif 000012
【図３】
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【図４ａ】
2020504308.tif 000014
【図４ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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