特表 2022-533246 ハイパースペクトルイメージングを使用する半導体プロセスの光学的診断

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2022-07-21

(54)【発明の名称】ハイパースペクトルイメージングを使用する半導体プロセスの光学的診断

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/27 20060101AFI20220713BHJP

   G01N 21/62 20060101ALI20220713BHJP

   H01L 21/66 20060101ALI20220713BHJP

【ＦＩ】

G01N21/27 B

G01N21/62 Z

H01L21/66 J

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2021569306

(86)(22)【出願日】2020-05-21

(85)【翻訳文提出日】2021-11-22

(86)【国際出願番号】 US2020033939

(87)【国際公開番号】W WO2020237016

(87)【国際公開日】2020-11-26

(31)【優先権主張番号】62/851,756

(32)【優先日】2019-05-23

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】000219967

【氏名又は名称】東京エレクトロン株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】514028776

【氏名又は名称】トーキョー エレクトロン ユーエス ホールディングス，インコーポレーテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】チェン，ヤン

(72)【発明者】

【氏名】シンカン，ティアン

【テーマコード（参考）】

2G043

2G059

4M106

【Ｆターム（参考）】

2G043AA03

2G043CA02

2G043EA08

2G043HA05

2G043HA06

2G043HA09

2G043JA03

2G043KA01

2G043KA02

2G043KA03

2G043KA07

2G043LA03

2G043NA01

2G059AA05

2G059BB16

2G059DD13

2G059EE02

2G059EE12

2G059FF01

2G059HH01

2G059HH02

2G059HH03

2G059JJ03

2G059JJ18

2G059JJ19

2G059JJ22

2G059KK04

2G059MM01

4M106AA01

4M106BA04

4M106CA21

4M106CA39

4M106DB04

4M106DB16

4M106DH55

4M106DJ12

(57)【要約】

半導体製造プロセスを光学的に診断するための改善された装置及びシステム並びに関連する方法の実施形態が開示される。ハイパースペクトルイメージングシステムは、プラズマ処理システムにおけるプラズマからの発光のスペクトル分解画像を取得するために使用される。取得したハイパースペクトルイメージを使用して、プラズマの化学組成、及びプラズマプロセスのエンドポイントを決定することができる。代替として、プロセスのエンドポイントに到達したかどうかを含む、基板の特性、又は基板上に形成された層及びフィーチャの特性を決定するための処理前、処理中、若しくは処理後に、又は、基板の状態を検査するための処理前若しくは処理後に、ハイパースペクトルイメージングシステムを使用して、基板のスペクトル分解画像が取得される。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体処理システムからの光学信号を検出するための光学検出器であって、前記光学検出器は、前記半導体処理システムの壁に取り付けられたウィンドウを通って伝達された光学信号を検出するように構成され、前記光学検出器は、
前記ウィンドウによって伝達された前記光学信号を集光及び伝達するように構成された集光光学部品と；
伝達された前記光学信号の波長を調整可能に選択するための波長調整可能フィルタと；
波長フィルタリングされた前記光学信号を検出するためのアレイ検出器と；
少なくとも前記波長調整可能フィルタ及び前記アレイ検出器を制御するための、及び前記アレイ検出器によって取得された画像を保存し処理するための、コントローラと、を備える光学検出器。

【請求項2】

前記半導体処理システムはプラズマ処理システムであり、前記光学信号はプラズマ光学発光信号を含む、請求項１に記載の装置。

【請求項3】

前記光学信号は回折光学信号を含み、前記回折光学信号は、前記半導体処理システム内に配置された基板の表面からの照射ビームを反射及び回折させることにより形成される、請求項１に記載の装置。

【請求項4】

前記波長調整可能フィルタは、前記照射ビームの波長を調整可能に選択するために、前記照射ビーム中に配置される、請求項３に記載の装置。

【請求項5】

前記照射ビームは、前記基板の前記表面に対して０度の入射角を有し、前記回折光学信号は０度の反射角で取得される、請求項３に記載の装置。

【請求項6】

前記照射ビームは、前記基板の前記表面に対して０．１度～８９度の入射角を有し、前記回折光学信号は０．１度～８９度の反射角で取得される、請求項３に記載の装置。

【請求項7】

前記集光光学部品は、集光レンズ、ステアリングミラー、アパーチャ、偏光子、光ファイバ、又はそれらの２つ以上の組み合わせを備える、請求項１に記載の装置。

【請求項8】

前記波長調整可能フィルタは、調整可能ファブリペロー共振器、音響光学調整可能フィルタ、液晶調整可能フィルタ、又はそれらの２つ以上の組み合わせを備える、請求項１に記載の装置。

【請求項9】

前記アレイ検出器は１次元又は２次元である、請求項１に記載の装置。

【請求項10】

前記アレイ検出器は、ＣＣＤ検出器アレイ、ＣＭＯＳ検出器アレイ、フォトダイオードアレイ、又はそれらの２つ以上の組み合わせを備える、請求項１に記載の装置。

【請求項11】

前記コントローラは、光学スペクトルの深紫外線（ＤＵＶ）、紫外線（ＵＶ）、可視光線（ＶＩＳ）、及び赤外線（ＩＲ）の一部分における波長の範囲又は複数の重なり合う範囲若しくは重なり合わない範囲にわたって、前記波長調整可能フィルタの通過帯域波長を選択的に調整するように構成されている、請求項１に記載の装置。

【請求項12】

前記コントローラは、前記アレイ検出器によって取得された画像のセットから構成されるイメージキューブを取得するように構成され、前記セット内の前記画像の各々は、前記波長調整可能フィルタが調整されている瞬間通過帯域波長によって定義された波長で取得されている、請求項１１に記載の装置。

【請求項13】

半導体基板検査システムにおいて基板から反射された光学信号を検出するための光学検出器であって、
前記光学信号を集光及び伝達するように構成された集光光学部品と；
伝達された前記光学信号の波長を調整可能に選択するための波長調整可能フィルタと；
波長フィルタリングされた前記光学信号を検出するためのアレイ検出器と；
少なくとも前記波長調整可能フィルタ及び前記アレイ検出器を制御するための、及び前記アレイ検出器によって取得された画像を保存し処理するためのコントローラと；を備える、光学検出器。

【請求項14】

半導体処理システムであって、
前記半導体処理システムの壁に取り付けられたウィンドウと、
前記半導体処理システムから前記ウィンドウによって伝達された光学信号を集光及び伝達するように構成された集光光学部品と；
伝達された前記光学信号の波長を調整可能に選択するための波長調整可能フィルタと；
波長フィルタリングされた前記光学信号を検出するためのアレイ検出器と；
少なくとも前記波長調整可能フィルタ及び前記アレイ検出器を制御するための、及び前記アレイ検出器によって取得された画像を保存し処理するための、コントローラと、を備える半導体処理システム。

【請求項15】

前記半導体処理システムはプラズマ処理システムであり、前記光学信号はプラズマ光学発光信号を含む、請求項１４に記載のシステム。

【請求項16】

前記光学信号は回折光学信号を含み、前記回折光学信号は、前記半導体処理システム内に配置された基板の表面からの照射ビームを反射及び回折させることにより形成される、請求項１４に記載のシステム。

【請求項17】

前記波長調整可能フィルタは、前記照射ビームの波長を調整可能に選択するために、前記照射ビーム中に配置される、請求項１６に記載のシステム。

【請求項18】

基板検査システムであって、
検査される基板を受け取るためのステージと；
前記基板を照射するための照射光源と；
前記基板を照射することによって引き起こされる光学信号を集光及び伝達するように構成された集光光学部品と；
伝達された前記光学信号の波長を調整可能に選択するための波長調整可能フィルタと；
波長フィルタリングされた前記光学信号を検出するためのアレイ検出器と；
少なくとも前記波長調整可能フィルタ及び前記アレイ検出器を制御するための、及び前記アレイ検出器によって取得された画像を保存し処理するための、コントローラと、を備える、基板検査システム。

【請求項19】

プラズマ処理システムにおけるプラズマプロセスステップを診断するための方法であって、
前記プラズマ処理システムのプラズマ処理チャンバ内でプラズマを点火することと；
前記プラズマ処理チャンバの壁に取り付けられたウィンドウを通して、及び集光光学部品を通して、プラズマ光学発光信号を集光することと；
集光された前記プラズマ光学発光信号の波長を調整可能に選択するために、前記集光光学部品からの前記プラズマ光学発光信号を波長調整可能フィルタに導くことと；
アレイ検出器を使用して、波長フィルタリングされた前記プラズマ光学発光信号を検出することと；
前記アレイ検出器によって取得された画像をコントローラに保存し処理することであって、
前記コントローラは、少なくとも前記波長調整可能フィルタ及び前記アレイ検出器を制御するように構成されている、ことと；を含む方法。

【請求項20】

光学スペクトルの深紫外線（ＤＵＶ）、紫外線（ＵＶ）、可視光線（ＶＩＳ）、及び赤外線（ＩＲ）の一部分における波長の範囲又は複数の重なり合う範囲若しくは重なり合わない範囲にわたって、前記波長調整可能フィルタの通過帯域波長を選択的に調整すること、を更に含む、請求項１９に記載の方法。

【請求項21】

前記アレイ検出器によって検出された画像のセットから構成されるイメージキューブを形成することであって、前記セットにおける前記画像の各々は、前記波長調整可能フィルタが調整されている瞬間通過帯域波長によって定義された波長で取得されている、こと、を更に含む、請求項２０に記載の方法。

【請求項22】

前記プラズマプロセスステップ中に取得された一連のイメージキューブから形成された一連のプラズマ光学発光スペクトルから、前記プラズマプロセスステップのエンドポイントを決定すること、を更に含む、請求項２１に記載の方法。

【請求項23】

少なくとも１つのイメージキューブから形成された少なくとも１つのプラズマ光学発光スペクトルから、前記プラズマの少なくとも１つの化学成分の相対濃度を決定すること、を更に含む、請求項２１に記載の方法。

【請求項24】

半導体処理システム内に配置された基板上に形成された少なくとも１つの層又は構造体の少なくとも１つの特性を測定するための方法であって、
前記半導体処理システムにおいてプロセスステップを開始することと；
前記基板を照射ビームで照射することであって、前記照射ビームの一部は前記基板から反射及び回折されて回折光学信号を形成する、ことと；
前記回折光学信号を、前記半導体処理システムの壁に取り付けられたウィンドウを通して、及び集光光学部品を通して、集光することと；
前記照射ビーム中又は前記回折光学信号中のいずれかに配置された波長調整可能フィルタを使用して、それぞれ、前記照射ビーム又は前記回折光学信号のいずれかの波長を調整可能に選択して、波長フィルタリングされた回折光学信号を形成することと；
アレイ検出器を使用して、前記波長フィルタリングされた回折光学信号を検出することと；
前記アレイ検出器によって取得された画像をコントローラに保存し処理することであって、
前記コントローラは、少なくとも前記波長調整可能フィルタ及び前記アレイ検出器を制御するように構成されている、ことと；を含む方法。

【請求項25】

光学スペクトルの深紫外線（ＤＵＶ）、紫外線（ＵＶ）、可視光線（ＶＩＳ）、及び赤外線（ＩＲ）の一部分における波長の範囲又は複数の重なり合う範囲若しくは重なり合わない範囲にわたって、前記波長調整可能フィルタの通過帯域波長を選択的に調整すること、を更に含む、請求項２４に記載の方法。

【請求項26】

前記アレイ検出器によって検出された画像のセットから構成されるイメージキューブを形成することであって、前記セットにおける前記画像の各々は、前記波長調整可能フィルタが調整されている瞬間通過帯域波長によって定義された波長で取得されている、ことを更に含む、請求項２５に記載の方法。

【請求項27】

少なくとも１つのイメージキューブから導出された少なくとも１つの回折光学スペクトルから、前記基板上に形成された層又は構造体の少なくとも１つの特性を決定すること、を更に含む、請求項２６に記載の方法。

【請求項28】

前記基板上の層又は構造体の前記少なくとも１つの特性は、プロファイル上部の限界寸法（ＣＤ）、プロファイル下部の限界寸法（ＣＤ）、プロファイル中間部の限界寸法（ＣＤ）、プロファイルの側壁角度、層の厚さ、層の光学特性、エッチングされている層の残りの厚さ、である、請求項２７に記載の方法。

【請求項29】

前記プロセスステップ中に取得された一連のイメージキューブから導出された一連の回折光学スペクトルから、前記プロセスステップのエンドポイントを決定すること、を更に含む、請求項２６に記載の方法。

【請求項30】

少なくとも１つの選択されたイメージキューブの画像における前記基板上の位置と画素位置との空間的対応を決定することと；
前記少なくとも１つの選択されたイメージキューブから少なくとも１つの回折光学スペクトルを導出することと；を更に含む、請求項２６に記載の方法。

【請求項31】

前記少なくとも１つの回折光学スペクトルは、前記少なくとも１つの選択されたイメージキューブ内の全ての画像又は選択された画像サブセットにわたる単一の選択された画素位置から導出される、請求項３０に記載の方法。

【請求項32】

前記少なくとも１つの回折光学スペクトルは、前記少なくとも１つの選択されたイメージキューブ内の全ての画像又は選択された画像サブセットにわたる画素位置の少なくとも１つの選択された領域から導出される、請求項３０に記載の方法。

【請求項33】

前記少なくとも１つの回折光学スペクトルは、前記少なくとも１つの選択されたイメージキューブ内の全ての画像又は選択された画像サブセットにわたる全ての画素位置から導出される、請求項３０に記載の方法。

【請求項34】

少なくとも２つのイメージキューブ内の全ての画像又は選択された画像サブセットにわたって、少なくとも２つの回折光学スペクトルが単一の画素位置から導出され、前記単一の画素位置は、２つの導出された回折光学スペクトル間の少なくとも１つの光強度の変化率が光強度の事前選択された閾値変化率を超えるように選択される、請求項２６に記載の方法。

【請求項35】

少なくとも２つのイメージキューブ内の全ての画像又は選択された画像サブセットにわたって、少なくとも２つの回折光学スペクトルが画素位置の領域から導出され、前記画素位置の領域は、２つの導出された回折光学スペクトル間の少なくとも１つの光強度の変化率が光強度の事前選択された閾値変化率を超えるように選択される、請求項２６に記載の方法。

【請求項36】

基板検査システムにおいて基板を検査するための方法であって、
前記基板検査システムにおけるステージ上に前記基板を配置することと；
前記基板を照射光源で照射することと；
前記基板を照射することによって引き起こされる光学信号を、集光光学部品を介して集光することと；
前記集光された光学信号の波長を調整可能に選択するために、前記集光光学部品からの前記集光された光学信号を波長調整可能フィルタに導くことと；
アレイ検出器を使用して波長フィルタリングされた前記信号を検出することと；
前記アレイ検出器によって取得された画像をコントローラに保存し処理することであって、
前記コントローラは、少なくとも前記波長調整可能フィルタ及び前記アレイ検出器を制御するように構成されている、ことと；を含む方法。

【請求項37】

光学スペクトルの深紫外線（ＤＵＶ）、紫外線（ＵＶ）、可視光線（ＶＩＳ）、及び赤外線（ＩＲ）の一部分における波長の範囲又は複数の重なり合う範囲若しくは重なり合わない範囲にわたって、前記波長調整可能フィルタの通過帯域波長を選択的に調整すること、を更に含む、請求項３６に記載の方法。

【請求項38】

前記アレイ検出器によって検出された画像のセットから構成されるイメージキューブを形成することであって、前記セットにおける前記画像の各々は、前記波長調整可能フィルタが調整されている瞬間通過帯域波長によって定義された波長で取得されている、こと；を更に含む、請求項３７に記載の方法。

【請求項39】

少なくとも１つのイメージキューブから導出された少なくとも１つの光学スペクトルから、前記基板の、又は前記基板上に形成された層又は構造体の、少なくとも１つの特性を決定すること、を更に含む、請求項３８に記載の方法。

【請求項40】

少なくとも１つの選択されたイメージキューブの画像における前記基板上の位置と画素位置との空間的対応を決定することと；
前記少なくとも１つの選択されたイメージキューブから少なくとも１つの光学スペクトルを決定することと；を更に含む、請求項３８に記載の方法。

【請求項41】

前記少なくとも１つの光学スペクトルは、前記少なくとも１つの選択されたイメージキューブ内の全ての画像又は選択された画像サブセットにわたる単一の選択された画素位置から導出される、請求項４０に記載の方法。

【請求項42】

前記少なくとも１つの光学スペクトルは、前記少なくとも１つの選択されたイメージキューブ内の全ての画像又は選択された画像サブセットにわたる画素位置の少なくとも１つの選択された領域から導出される、請求項４０に記載の方法。

【請求項43】

前記少なくとも１つの光学スペクトルは、前記少なくとも１つの選択されたイメージキューブ内の全ての画像又は選択された画像サブセットにわたる全ての画素位置から導出される、請求項４０に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
本出願は、同時係属中の２０１９年５月２３日に出願された米国仮特許出願第６２／８５１，７５６号明細書、題名「ＯＰＴＩＣＡＬ ＤＩＡＧＮＯＳＴＩＣＳ ＯＦ Ａ ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲ ＰＲＯＣＥＳＳ ＵＳＩＮＧ ＨＹＰＥＲＳＰＥＣＴＲＡＬ ＩＭＡＧＩＮＧ」（参照番号１８１４１２ＵＳ０１）に関連し、その優先権の利益を主張し、その全ての内容が参照として本明細書に組み込まれる。本出願は、２０２０年３月１６日に出願された「ＥＮＨＡＮＣＥＤ ＲＥＳＯＬＵＴＩＯＮ ＩＮ ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲ ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ ＤＡＴＡ ＡＣＱＵＩＳＩＴＩＯＮ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ ＵＳＩＮＧ ＭＡＣＨＩＮＥ ＬＥＡＲＮＩＮＧ」（参照番号１８１０７７ＵＳ０２）と題する同時係属中の米国特許出願第１６／８２０，０３２号明細書に関連し、その全ての内容が参照として本明細書に組み込まれる。

【0002】

本発明は、半導体製造プロセスの状態を光学的に診断するための装置及びシステム、並びに関連する方法に関する。より具体的には、本発明は、半導体製造プロセス及び処理されている基板の状態を診断するためのハイパースペクトルイメージングの使用に関する。

【背景技術】

【0003】

光学的診断は主流の半導体製造プロセスに入ってきており、現在、プラズマの有無にかかわらず、様々な種類の半導体製造プロセスの診断に使用されている。プロセスパラメータ及びプロセス結果を測定するために光学的診断が使用され得るプロセスには、フォトリソグラフィによるパターン形成、エッチング、堆積、洗浄プロセスなどが含まれる。

【0004】

多くの光学診断方法は、典型的には小型のオンツール分光計を使用して取得される光学スペクトルの測定を利用する。エッチング又は原子層エッチング（ＡＬＥ）などのプラズマプロセスでは、プロセスエンドポイント検出（ＥＰＤ）のために、及びプラズマエッチングプロセスの他のパラメータ、例えばプラズマ処理環境の化学組成、を決定するために、エッチングプラズマからの光学発光スペクトルを取得し分析することができる。光学発光分光法（ＯＥＳ）という用語で一般にグループ化される例示的な技術は、米国特許第９，３３０，９９０号明細書及び同第１０，００２，８０４号明細書、題名「ＭＥＴＨＯＤ ＯＦ ＥＮＤＰＯＩＮＴ ＤＥＴＥＣＴＩＯＮ ＯＦ ＰＬＡＳＭＡ ＥＴＣＨＩＮＧ ＰＲＯＣＥＳＳ ＵＳＩＮＧ ＭＵＬＴＩＶＡＲＩＡＴＥ ＡＮＡＬＹＳＩＳ」（参照番号ＴＴＩ－２４０＿ＵＳ＿ＯＲＤ＿１及びＴＴＩ－２４０＿ＵＳ＿ＣＯＮ＿２）、米国特許出願公開第１５／４６９，３０３号明細書及び同第１５／４６９，３１７号明細書、題名「ＣＯＮＴＲＯＬＬＩＮＧ ＤＲＹ ＥＴＣＨ ＰＲＯＣＥＳＳ ＣＨＡＲＡＣＴＥＲＩＳＴＩＣＳ ＵＳＩＮＧ ＷＡＦＥＲＬＥＳＳ ＤＲＹ ＣＬＥＡＮ ＯＰＴＩＣＡＬ ＥＭＩＳＳＩＯＮ ＳＰＥＣＴＲＯＳＣＯＰＹ」（参照番号ＴＥＡ－１３６＿ＵＳ＿ＯＲＤ＿２及びＴＥＡ－１３６＿ＵＳ＿ＯＲＤ＿３）、及び米国特許第１０，４３６，７１７号明細書、題名「ＣＯＭＰＯＳＩＴＩＯＮＡＬ ＯＰＴＩＣＡＬ ＥＭＩＳＳＩＯＮ ＳＰＥＣＴＲＯＳＣＯＰＹ ＦＯＲ ＤＥＴＥＣＴＩＯＮ ＯＦ ＰＡＲＴＩＣＬＥ ＩＮＤＵＣＥＤ ＡＲＣＳ ＩＮ ＡＮ ＥＴＣＨ ＰＲＯＣＥＳＳ」（参照番号 ＴＥＡ－１３８＿ＵＳ＿ＯＲＤ＿２）、でより詳細に記載されており、その内容全体が参照として本明細書に組み込まれる。

【0005】

光学発光分光法（ＯＥＳ）エンドポイント信号は、エッチングプラズマの光学発光スペクトルの変化によって明らかになるように、エッチングプロセス中に特定の層が完全にエッチングされて下にある層が露出されたことを示す。半導体デバイスのフィーチャサイズが継続的に縮小している一方で、開口面積が小さいプラズマエッチングプロセスによるエンドポイント検出（ＥＰＤ）に対する要求が高まっているが、このようなプロセスでは、エッチスルー条件でのプラズマスペクトルシグネチャが弱くなりつつある。これにより、エッチングエンドポイントを正確に捕捉できるようにするために、次第に高い信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を有する分光計の使用が必要になる。同時に、エッチングプロセス自体の要求により、高スループットが維持されること、すなわち、正確なエンドポイント検出（ＥＰＤ）を可能にするのに十分に速い速度で光学スペクトルが分光計によって取得されること、が求められる。これらの要求及びこれらの要求がもたらすトレードオフは、サイクルにおけるステップ同士でのプラズマ条件が大きく異なり、各サイクルの移行部分において、プラズマ中の高速な過渡現象が優位を占めるような、原子層エッチング（ＡＬＥ）などのサイクリックなプラズマエッチングプロセスにおいて、更に増幅される。

【0006】

光学診断法の別の一群では、分光計を使用して、プロセス中にワークピース（ウェハ、基板など）の表面から反射される広帯域ビームのスペクトル含有量を測定する。一般にスキャトロメトリ及びリフレクトメトリとして知られるグループに分類されるこれらの光学診断方法は、一般にプラズマ光学発光に依存しない（しかし依存してもよい）ので、プラズマ及び非プラズマの両方の、より広い範囲の半導体製造プロセスに適用可能である。基板上の構造体及びフィーチャからの照射ビームを反射及び回折させることにより構築された取得された広帯域光学スペクトルは、複数の異なる用途で利用できる。例としては、基板上に形成された層の厚さを測定するため、基板上に形成された構造体又はフィーチャの寸法を測定するため、基板上の層及びフィーチャを形成する材料の特性を測定するためなどに、プロセスのエンドポイントを検出することが挙げられる。これら全ての方法に共通するのは、プロセスを診断及び制御するために、光学診断が、とりわけ、処理されている基板上の層とフィーチャを対象としていることである。いくつかの例示的な技術は、米国特許第９，０５９，０３８号明細書、題名「ＳＹＳＴＥＭ ＦＯＲ ＩＮ－ＳＩＴＵ ＦＩＬＭ ＳＴＡＣＫ ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ ＤＵＲＩＮＧ ＥＴＣＨＩＮＧ ＡＮＤ ＥＴＣＨ ＣＯＮＴＲＯＬ ＭＥＴＨＯＤ」（参照番号ＴＴＩ－１３９＿ＵＳ＿ＯＲＤ＿１）、米国特許出願第１５／４７２，４９４号明細書、題名「ＡＤＶＡＮＣＥＤ ＯＰＴＩＣＡＬ ＳＥＮＳＯＲ，ＳＹＳＴＥＭ，ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＯＬＯＧＩＥＳ ＦＯＲ ＥＴＣＨ ＰＲＯＣＥＳＳ ＭＯＮＩＴＯＲＩＮＧ」（参照番号ＴＴＩ－２４９＿ＵＳ＿ＰＲＩ＿１）、米国特許出願第１６／０５１，０８２号明細書、題名「ＮＯＲＭＡＬ－ＩＮＣＩＤＥＮＴ ＩＮ－ＳＩＴＵ ＰＲＯＣＥＳＳ ＭＯＮＩＴＯＲ ＳＥＮＳＯＲ」（参照番号１８０９０３ＵＳ０１）、により詳細に記載されており、その内容が全体として本明細書に参考として組み込まれる。

【0007】

回折格子又は他の分散光学要素を備える従来の分光計では、分光計の信号対雑音比（ＳＮＲ）は一般に、そのスループットに強く反比例する。より高い信号対雑音比（ＳＮＲ）を実現するには、その要素又は画素が、取得された光学スペクトルの波長に対応する、検出器アレイの全ての画素において、より強い光学信号を取得する必要がある。信号を増加させる従来の手段は、（ａ）分光計の入口スリット幅を増加させること、及び（ｂ）取得時間を増加させることである。典型的にはより大きな開口数（ＮＡ）のフォーカスレンズ又はミラーと組み合わせて使用される前者の方法は、検出器アレイに到達する光の量を増加させて信号対雑音比（ＳＮＲ）を改善させるのに効果的である一方で、スペクトル分解能が低下するという欠点がある。このことは、間隔が近接したスペクトルピークを分光計が分離できないという結果をもたらし得る。スペクトル情報のこのような損失により、取得されたスペクトルはプロセスの診断及び制御に不適切になり得る。後者の方法は、分光計のスループットを低減させるには望ましくない。なぜなら、取得時間を長くして、より多くの信号が検出器アレイ画素において収集されることを可能にすると、光学スペクトルを取得する速度が低下するからである。スループットのこのような低下はプロセスエンドポイントの正確なタイミングが極めて重要な、エンドポイント検出（ＥＰＤ）などの方法において、障害となり得る。

【0008】

プロセス診断、特にエッチング診断の現在の要求により、前述したトレードオフは、あらゆる新世代のデバイス及びプロセスにおいてより厳しくなっている。したがって、信号対雑音比（ＳＮＲ）を増加させるためにスループット及びスペクトル分解能を犠牲にする必要がない、又はこれらのトレードオフを最小限に抑える、半導体処理のその場での診断及び制御において使用する、新しい分光計の設計と光学診断システムが必要である。

【0009】

その目的のために、本発明は、従来の分光計の代替として、ハイパースペクトルイメージング技術を使用する、半導体製造プロセスの光学的診断及び制御のためのシステム及び方法を提案する。

【0010】

ハイパースペクトルイメージングはイメージング技術であるため、半導体処理において更に広範な光学診断方法に適用可能である。例えば、基板又は基板の領域を画像化して、基板、並びにその上に形成された構造体及び層、の状態を決定することを伴う光学診断であって、ハイパースペクトルイメージングによって提供される完全なスペクトル情報の知識から利益を得る光学診断は全て、本技術の使用に適した候補である。ハイパースペクトルイメージングを使用できる光学診断の例には、フォトリソグラフィパターニングプロセスにおける現像後検査（ＡＤＩ）、様々なイメージング欠陥検査ステップ、基板上の汚染検出などの、様々な光学イメージング検査ステップが含まれる。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明は、半導体処理中の基板の状態を診断するための、及び／又は半導体製造プロセス自体の状態を光学的に診断及び制御するための、ハイパースペクトルイメージングのための装置及びシステムの方法及び複数の実施形態に関する。

【0012】

一実施形態では、半導体処理システムからの光学信号を検出するための光学検出器が提供される。光学検出器は、半導体処理システムの壁に取り付けられたウィンドウを通って伝達される光学信号を検出するように構成されている。光学検出器は、ウィンドウによって伝達された光学信号を集光及び伝達するように構成された集光光学部品と；伝達された光学信号の波長を調整可能に選択するための波長調整可能フィルタと；波長フィルタリングされた光学信号を検出するためのアレイ検出器と；少なくとも波長調整可能フィルタ及びアレイ検出器を制御するための、及びアレイ検出器によって取得された画像を保存及び処理するための、コントローラと；を備える。光学検出器は、光学発光分光法（ＯＥＳ）用途におけるように、エンドポイント検出（ＥＰＤ）を含むプラズマ光学発光を含む光学信号を検出するために使用できる。光学検出器はまた、回折光学信号を検出するためにも使用でき、回折光学信号は、半導体処理システム内の基板の表面からの照射ビームを反射及び回折させることにより生成される。照射ビーム及び回折光学信号は、基板上に垂直に入射することができ、又は光学検出器は、基板上に斜め（非垂直）に入射するように構成されることができる。集光レンズ、ステアリングミラー、アパーチャ、光ファイバ、偏光子などは、集光光学部品を備えることができる。波長調整可能フィルタは、調整可能ファブリペロー共振器、音響光学調整可能フィルタ、及び液晶調整可能フィルタを備え得るが、これらに限定されない。用途の要件に応じて、アレイ検出器は１次元又は２次元とすることができ、ＣＣＤ検出器アレイ、ＣＭＯＳ検出器アレイ、フォトダイオードアレイなどを備えることができるが、これらに限定されない。コントローラは、光学スペクトルの深紫外線（ＤＵＶ）、紫外線（ＵＶ）、可視光線（ＶＩＳ）、及び赤外線（ＩＲ）の一部分における波長の範囲又は複数の重なり合う範囲若しくは重なり合わない範囲にわたって、波長調整可能フィルタの通過帯域波長を選択的に調整するように構成されてもよい。コントローラは更に、イメージキューブを取得するように構成されてもよく、各イメージキューブはアレイ検出器によって取得された画像のセットから構成され、セット内の各画像は、波長調整可能フィルタが調整されている瞬間通過帯域波長によって定義された波長で取得されている。一実施形態では、光学検出器は、処理ステップ中又は完了後に基板を（画像化することにより）検査するために、半導体基板検査システムにおいて使用され得る。検査システムは、半導体処理システムの一部にすることができ、又は独立型のキオスクタイプの検査システムにすることができる。

【0013】

更なる実施形態は、半導体処理システムと、上記の光学検出器を備える半導体基板検査システムとを含む。半導体処理システムは、プラズマ若しくは非プラズマ処理システム、又は混合チャンバタイプ処理システムであり得る。半導体基板検査システムは、半導体処理システムの一部にすることができ、又は独立型のキオスクタイプの検査システムにすることができる。

【0014】

更なる実施形態は、プラズマ処理システムにおけるプラズマ処理ステップを診断するための方法を含み、この方法は、プラズマ処理システムのプラズマ処理チャンバ内でプラズマを点火することと；プラズマ処理チャンバの壁に取り付けられたウィンドウを通して、及び集光光学部品を通して、プラズマ光学発光信号を集光することと；集光されたプラズマ光学発光信号の波長を調整可能に選択するために、集光光学部品からのプラズマ光学発光信号を波長調整可能フィルタに導くことと；アレイ検出器を使用して、波長フィルタリングされたプラズマ光学発光信号を検出することと；アレイ検出器によって取得された画像をコントローラに保存し処理することと、を含む。本方法は、光学スペクトルの深紫外線（ＤＵＶ）、紫外線（ＵＶ）、可視光線（ＶＩＳ）、及び赤外線（ＩＲ）の一部分における波長の範囲又は複数の重なり合う範囲若しくは重なり合わない範囲にわたって、波長調整可能フィルタの通過帯域波長を選択的に調整することを更に含み得る。本方法は、イメージキューブを形成することをなお更に含むことができ、イメージキューブは、アレイ検出器によって検出された画像のセットから構成され、セット内の各画像は、波長調整可能フィルタが調整されている瞬間通過帯域波長によって定義された波長で取得されている。本方法は、プラズマプロセスステップ中に取得された一連のイメージキューブから形成された一連のプラズマ光学発光スペクトルから、プラズマプロセスステップのエンドポイントを決定するために使用できる。本方法はまた、イメージキューブから形成されたプラズマ光学発光スペクトルからプラズマの化学成分の相対濃度を決定するためにも使用できる。

【0015】

なお更なる実施形態は、半導体処理システム内に配置された基板上に形成された層又は構造体の特性を測定するための方法を含み、この方法は、半導体処理システムにおいてプロセスステップを開始することと；基板を照射ビームで照射し、照射ビームの一部は基板から反射及び回折されて回折光学信号を形成する、ことと；回折光学信号を、半導体処理システムの壁に取り付けられたウィンドウを通して、及び集光光学部品を通して、集光することと；集光された回折光学信号の波長を調整可能に選択するために、集光光学部品からの回折光学信号を波長調整可能フィルタに導くことと；アレイ検出器を使用して、波長フィルタリングされた回折光学信号を検出することと；アレイ検出器によって取得された画像をコントローラに保存し処理することと；を含む。基板上の層又は構造体の特性は、プロファイル上部の限界寸法（ＣＤ）、プロファイル下部の限界寸法（ＣＤ）、プロファイル中間部の限界寸法（ＣＤ）、プロファイルの側壁角度、層の厚さ、層の光学特性、エッチングされている層の残りの厚さ、等であり得る。更には、プロセスステップのエンドポイントは、プロセスステップ中に取得された一連のイメージキューブから導出された一連の回折光学スペクトルから決定され得る。

【0016】

本方法は、基板上の位置とイメージキューブの画像における画素位置との空間的対応を決定すること、及び回折された光学スペクトルをイメージキューブから導出すること、を更に含み得る。回折された光学スペクトルは、イメージキューブ内の全ての画像又は画像サブセットにわたる、単一の選択された画素位置から導出され得る。回折された光学スペクトルはまた、イメージキューブ内の全ての画像又は選択された画像サブセットにわたる画素位置の少なくとも１つの選択された領域から導出され得る。最後に、回折された光学スペクトルは、イメージキューブ内の全ての画像又は選択された画像サブセットにわたる全ての画素位置から導出され得る。

【0017】

回折された光学スペクトルをイメージキューブから抽出するための上記の３つのステップと同じものが、プラズマ診断アプリケーションにおいてイメージキューブからプラズマ光学発光スペクトルを抽出するためにも使用できる。その場合、イメージキューブの画像内の画素位置は基板上の位置に対応せず、プラズマ光学発光信号が取得される、プラズマ処理チャンバ内のプローブ容積の領域に対応する。

【0018】

これらの同じステップは、基板検査システムにおいてイメージキューブから光学スペクトルを抽出するために更に使用できる。

【0019】

基板検査システムにおいて、基板を検査する方法の実施形態は、基板検査システム内のステージ上に基板を配置することと；照射光源で基板を照射することと；基板を照射することによって引き起こされる光学信号を集光光学部品を介して集光することと；集光された光学信号の波長を調整可能に選択するために、集光光学部品から集光された光学信号を波長調整可能フィルタに導くことと；アレイ検出器を使用して波長フィルタリングされた信号を検出することと；アレイ検出器によって取得された画像をコントローラに保存し処理することと；を含む。本方法は、基板の又は基板上に形成された層又は構造体の、少なくとも１つの特性を、画像からスペクトルを抽出する前述の方法に従って、イメージキューブから導出された少なくとも１つの光学スペクトルから決定することを更に含み得る。

【0020】

以下の詳細な説明を参照し、特に添付図面と併せて検討すると、本発明のより完全な理解及びそれに付随する多くの利点が容易に明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1A】本発明の実施形態による、光学検出器を備えるプラズマ処理システムの概略図である。

【図1B】本発明の別の実施形態による、光学検出器を備えるプラズマ処理システムの概略図である。

【図2A】本発明の実施形態による、垂直入射用に構成された光学検出器を備える半導体処理システムの概略図である。

【図2B】本発明の別の実施形態による、垂直入射用に構成された光学検出器を備える半導体処理システムの概略図である。

【図3A】本発明の実施形態による、斜め入射用に構成された光学検出器を備える半導体処理システムの概略図である。

【図3B】本発明の別の実施形態による、斜め入射用に構成された光学検出器を備える半導体処理システムの概略図である。

【図4A】本発明の実施形態による、光学検出器を備える基板検査システムの概略図である。

【図4B】本発明の別の実施形態による、光学検出器を備える基板検査システムの概略図である。

【図5A】本発明の実施形態による、取得されたイメージキューブから光学スペクトルを抽出するためのステップの概略図である。

【図5B】本発明の実施形態による、取得されたイメージキューブから光学スペクトルを抽出するためのステップの概略図である。

【図5C】本発明の実施形態による、取得されたイメージキューブから光学スペクトルを抽出するためのステップの概略図である。

【図6A】本発明の更なる実施形態による、垂直入射用に構成された光学検出器を備える半導体処理システムの概略図である。

【図6B】本発明の更なる実施形態による、斜め入射用に構成された光学検出器を備える半導体処理システムの概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下の説明では、本発明の完全な理解を容易にするために、そして限定する目的ではなく説明する目的のために、光学検出器、プラズマ処理システム、非プラズマ半導体処理システム、及び光学画像検査システムの具体的な形状、並びに様々な構成要素とプロセスの説明などの、具体的な詳細が述べられる。しかしながら、本発明は、これらの具体的な詳細から逸脱する他の実施形態で実施され得ることを理解すべきである。

【0023】

この明細書の全体を通して「一実施形態」又は「実施形態」に言及することは、その実施形態に関して記載する特定の特徴、構造、材料又は特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味するが、それらが全ての実施形態に存在することを示すものではない。したがって、本明細書全体を通じて様々な箇所に出現する語句「一実施形態において」又は「実施形態において」は必ずしも本発明の同一実施形態を指すわけではない。更に、特定の特徴、構造、材料、又は特性は、１つ以上の実施形態で任意の適当な仕方で組み合わされていてよい。

【0024】

様々な操作が、複数の別個の操作として順番に説明されるが、これは、本発明を最も理解しやすい順番である。しかしながら、説明の順序は、それらの操作が必ず順序依存であることを示唆するものとして解釈されるべきではない。具体的には、これらの操作は、説明された順序で実施される必要がない。説明された操作は、説明された実施形態と異なる順序で実施されてよい。追加の実施形態では、様々な追加の操作が実施されてもよく、且つ／又は説明された操作が省略されてもよい。

【0025】

図１Ａ及び図１Ｂは、本発明の実施形態による半導体処理システムを示す。図１Ａは、プラズマを利用して基板を処理する例示的な半導体処理システム、例えば、エッチング処理システム、原子層エッチング（ＡＬＥ）システム、堆積システムなどを示し、これを以下ではプラズマ処理システム１００と称する。プラズマ処理システム１００はプラズマ処理チャンバ１１０を備え、プラズマ処理チャンバは、誘導プラズマ源（ＩＣＰ）、容量プラズマ源（ＣＣＰ）、トランス結合プラズマ源（ＴＣＰ）、マイクロ波プラズマ源、表面波プラズマ源（ＳＷＰ）など（図示せず）を更に含み得る。ガス供給システム（図示せず）と共に、プラズマ源を使用して、プラズマ処理チャンバ１１０内で支持部材１１５上に配置された基板１２０の上方でプラズマを発生させ維持する。支持部材１１５は、静電チャック（ＥＳＣ）、サセプタなどであり得る。

【0026】

光学検出器１４０は、プラズマ処理チャンバ１１０内のプラズマの状態を監視するために使用される。プラズマ処理チャンバ１１０の側壁にウィンドウ１３０が設けられて、光学信号、この場合はプラズマ光学発光信号１７０、がプラズマ処理チャンバ１１０を出て光学検出器１４０に入ることが可能になる。代替的実施形態では、ウィンドウ１３０は、プラズマ処理チャンバ１１０の上壁に取り付けられてもよく、その場合、光学検出器１４０はプラズマ処理チャンバ１１０の上方に取り付けられてもよく、又は例えば光ファイバを使用して、プラズマ光学発光信号１７０が、離れた場所にある光学検出器１４０に送られてもよい。ウィンドウ１３０は、光学スペクトルの深紫外線（ＤＵＶ）、紫外線（ＵＶ）、可視光線（ＶＩＳ）、及び赤外線（ＩＲ）の部分を透過する好適な材料で作製できる。例えば、ウィンドウ１３０は、様々なタイプのガラス、例えば、ホウケイ酸ガラス、石英、サファイアなどを含むことができる。プラズマからの材料の過剰な堆積からウィンドウ１３０を保護するための設備、例えば、穴あきグリッド、パージガス注入システム（図示せず）など、が設けられてもよい。

【0027】

光学検出器１４０は、集光光学部品１４５、波長調整可能フィルタ１５０、及びアレイ検出器１６０を備え、これらは一緒にハイパースペクトルイメージング（ＨＳＩ）システムを構成する。光学検出器及びその構成要素は、少なくとも波長調整可能フィルタ１５０及びアレイ検出器１６０と通信するコントローラ１８０によって制御される。波長調整可能フィルタは、ファブリペロー共振器、音響光学調整可能フィルタ、液晶調整可能フィルタ、又はコントローラ１８０によって選択され制御されて通過帯域波長を変化させることが可能な任意の他の調整可能狭帯域光学フィルタデバイスを備えることができる。用途に応じて、アレイ検出器１６０は、１次元アレイ検出器（すなわち、ライン検出器）又は２次元アレイ検出器であり得る。アレイ検出器１６０は、用途が要求する場合、ＣＣＤ検出器アレイ、ＣＭＯＳ検出器アレイ、フォトダイオードアレイ、又はアレイ検出器１６０の異なる部分のための様々な種類の検出器の組み合わせ、を備え得る。例えば、波長感度の固有の違いなどに起因して、様々な波長範囲に対して、様々なアレイ検出器タイプを並べて又は積み重ねて使用できる。

【0028】

動作中、プラズマ光学発光信号１７０は、集光光学部品１４５により集光され、伝達された光学信号１７２として波長調整可能フィルタ１５０に導かれる。集光光学部品１４５は、伝達された光学信号１７２を形成するために必要な、集光レンズ、ステアリングミラー、アパーチャ、偏光子、光ファイバなどの任意の組み合わせを備え得る。図１Ａはファブリペロー共振器の例を示し、２つの半反射ミラー１５２が、制御可能なギャップＧ_ｉによって離隔配置されて、光共振器１５５を形成している。コントローラ１８０により空間Ｇ_ｉが変化されると、異なる通過帯域波長がファブリペロー共振器によって選択的に伝達されて、波長フィルタリングされた光学信号１７５が形成され、これがアレイ検出器１６０に入射する。例示的な好適なファブリペロー共振器は、ＴｒｕＴａｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓから入手可能なＭｏｄｅｌ ４２００ ＨｉｎａＬｅａ Ｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌ Ｉｍａｇｅｒである。２．３メガ画素のアレイ検出器に一体化されたこのファブリペロー共振器は、２００～１０００ｎｍのスペクトル範囲と最大６００のスペクトル帯とを備える。

【0029】

動作中、コントローラ１８０は、制御可能なギャップＧ_ｉを制御して、通過帯域波長の掃引を実行する一方で、同時にアレイ検出器１６０は画像を取得し、続いて画像はコントローラ１８０によって受信され、そこで保存及び／又は処理され得る。波長調整可能フィルタ１５０の通過帯域波長が変化するにつれて、アレイ検出器１６０によって取得された各画像が、波長調整可能フィルタ１５０によって選択された瞬間通過帯域波長で取得されることになる。このようにして、以下では「イメージスタック」又は「イメージキューブ」と称するが、波長調整可能フィルタ１５０の通過帯域波長の掃引ごとに取得され、コントローラ１８０によって受信される（図５Ａ～図５Ｃを参照）。通過帯域波長掃引を繰り返して、連続するイメージキューブを取得できる。コントローラ１８０は、例えば、通過帯域波長の連続掃引を、波長調整可能フィルタ１５０の最小通過帯域波長から最大通過帯域波長まで実行するようにプログラムされ得る。しかしながら、実際には、光学スペクトルのある部分のみが関心の対象となり得るので、コントローラ１８０は、光学スペクトルの深紫外線（ＤＵＶ）、紫外線（ＵＶ）、可視光線（ＶＩＳ）、及び赤外線（ＩＲ）の部分における波長の範囲又は複数の重なり合う範囲若しくは重なり合わない範囲にわたって、通過帯域波長を選択的に調整するようにプログラムされてもよい。このようにして、関心の対象である波長範囲のみが取得されるので、スループットは増加する。

【0030】

ファブリペロー共振器の場合、通過帯域波長を切り替えて設定する典型的な時間は０．１ｍｓの近傍にあるので、例えば１００個の通過帯域波長を選択し、対応する画像をアレイ検出器１６０によって１０ｍｓで形成することが可能になる。このスペクトル取得速度は、一部の高性能分光計の速度よりも遅い場合があるが、ハイパースペクトルイメージング（ＨＳＩ）システムの利点は、プラズマ光学発光信号１７０を介して受光される光の量が、分光器のスリット幅及び集光光学部品の開口数（ＮＡ）によって限定されないことである。実際、集光光学部品１４５において、大きな有効口径を使用することができ、その結果、アレイ検出器１６０によって検出される信号は強くなり、したがって、従来の分光計よりも信号対雑音比（ＳＮＲ）が大幅に増加する。ファブリペロー共振器については典型的なスペクトル分解能は２ｎｍであり、ハイパースペクトルイメージング（ＨＳＩ）システムを用いる単一の光学検出器１４０において、高い信号対雑音比（ＳＮＲ）と良好なスペクトル分解能とが統合されている。単一の光学検出器１４０のスループットが用途にとって不十分である場合、並列に動作する複数の光学検出器１４０を使用して、光学検出器の各々がプラズマ発光スペクトルの一部分を取得してもよい。

【0031】

プラズマ光学診断は、前述したように、プラズマ光学発光スペクトルの取得に依存する。図５Ａ～図５Ｃは、例示的な取得されたイメージキューブ９００、９０２、及び９０５からプラズマ光学発光スペクトルを抽出するプロセスを示す。図５Ａでは、イメージキューブ９００は、λ_ｉを経てλ_１からλ_ｎまで変化するｎ個の通過帯域波長において取得される。この最も単純な実施形態では、イメージキューブ９００の全ての画像内の同じ単一の選択された画素９４０から光強度を抽出することにより、プラズマ光学発光スペクトルが抽出される。抽出された光強度を波長の昇順で並べると、図５Ａのプラズマ光学発光スペクトル９５０が得られ、これは、従来の分光計から得られるスペクトルと同じように更に利用できる。

【0032】

代替として、図５Ｂでは、プラズマ光学発光スペクトルは、イメージキューブ９０２の全ての画像内の画素９４０の少なくとも１つの選択された領域にわたって光強度を抽出及び平均化することにより抽出される。画素９４０の複数の非隣接領域は、画像のどの部分を保持しどの部分を破棄するかを決定することになる用途に応じて選択され平均化されてもよい。様々な画素加重平均法及び画素非加重平均法を使用して、各波長λ_ｉにて取得された各画像について、画素９４０の選択された領域にわたる平均光強度に到達できる。いったん平均化されると、抽出された光強度の平均は波長の昇順で配置されて、図５Ｂのプラズマ光学発光スペクトル９５０が形成される。

【0033】

代替としてさらに、図５Ｃでは、プラズマ光学発光スペクトルは、イメージキューブ９０５の取得された画像の全ての画素９４０わたって光強度を抽出及び平均化することにより抽出される。様々な画素加重平均法及び画素非加重平均法を使用して、各波長λｉにて取得された各画像について、画素９４０にわたる平均光強度に到達できる。いったん平均化されると、抽出された光強度の平均は波長の昇順で配置されて、図５Ｃのプラズマ光学発光スペクトル９５０が形成される。

【0034】

図５Ａ～図５Ｃに記載されるようにプラズマ光学発光スペクトル９５０を形成する場合、イメージキューブ９００、９０２、又は９０５内の全ての画像を使用して、プラズマ光学発光スペクトル９５０を形成してもよい。代替として、イメージキューブ９００、９０２、９０５内の画像のサブセットのみを使用してプラズマ光学発光スペクトル９５０を形成することにより、所与の用途に必要とされないスペクトルの部分を排除してもよい。例えば、エンドポイント検出（ＥＰＤ）用途では、プラズマ光学発光スペクトルの特定の狭い部分だけが関心の対象となる場合がある。第１にイメージキューブ内で取得される画像の数（すなわち、通過帯域波長の数）をこのように減らすこと、そして更に、プラズマ光学発光スペクトル抽出のためにイメージキューブ内の画像サブセットのみを選択することにより、エンドポイント検出（ＥＰＤ）のアルゴリズムの計算効率を大幅に増加させることができる。同じ効率の向上は、プラズマ光学発光スペクトルを使用してプラズマの少なくとも１つの化学成分の相対濃度を決定する光量測定学用途などの他の可能な用途でも見られる。

【0035】

プラズマ光学診断では、図１Ａの集光選択１４５の構成に起因して、図５Ａ～図５Ｃのイメージキューブ９００、９０２、及び９０５内の２次元画像における画素位置が、アレイ検出器１６０の個々の画素上に画像化される、プラズマ内の異なる領域に概ね対応する。例えば、より信頼性の高いエンドポイント検出（ＥＰＤ）が実現されるように、プローブされるプラズマ中の領域を正確に選択するために、図５Ａ及び図５Ｂの方法のうちの１つを有利に選択できる。同時に、図５Ａ及び図５Ｂの方法を使用することにより、例えば、プラズマ処理チャンバ１１０内の構造体、又は基板１２０からの干渉が強い、プラズマ光学発光の一部分を除外することが可能になる。更には、１次元アレイ検出器１６０が使用される場合、プラズマ光学発光スペクトル抽出の上述した原理と同じものが１次元画像の場合に適用される。一方向に対する、多くの画素にわたるビニング及び平均化が必要とされないプラズマ光学診断では、１次元アレイ検出器１６０（すなわち、ライン検出器）を有利に使用して、光学検出器１４０のコストを削減し、処理速度及びスループットを増加させてもよい。

【0036】

選択されたタイプの波長調整可能フィルタ１５０によって得られるよりも高いスペクトル分解能が必要な場合、スペクトルデコンボリューション法を使用して、取得されたプラズマ光学発光スペクトル９５０から高分解能スペクトルを再構築できる。スペクトルデコンボリューション法の例は、Ｍ．Ｍｏｒｈａｃ「Ｄｅｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｇａｍｍａ－ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒａ」，ＡＣＡＴ２００５，Ｍａｙ ２２－２７，Ｚｅｕｔｈｅｎ Ｇｅｒｍａｎｙ．に開示されている。代替として、２０２０年３月１６日に出願された「ＥＮＨＡＮＣＥＤ ＲＥＳＯＬＵＴＩＯＮ ＩＮ ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲ ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ ＤＡＴＡ ＡＣＱＵＩＳＩＴＩＯＮ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ ＵＳＩＮＧ ＭＡＣＨＩＮＥ ＬＥＡＲＮＩＮＧ」（参照番号１８１０７７ＵＳ０２）と題する同時係属中の米国特許出願第１６／８２０，０３２号明細書に記載されている機械学習技術を使用して、取得されたプラズマ光学発光スペクトル９５０からより高い解像度スペクトルを再構築できる。

【0037】

同様の参照番号が図１Ａと同じ要素を示す図１Ｂでは、プラズマ処理システム２００が示されるが、これは、プラズマ光学発光信号１７０を光学検出器１４０内へと供給するために光ファイバ１３５を使用していることだけが、図１Ａのプラズマ処理システム１００とは異なる。光ファイバ１３５の使用は、プラズマ処理チャンバ１１０の側壁又は上壁に取り付けられ得るウィンドウ１３０を配置する際の柔軟性を追加する。光ファイバ１３５は、光学検出器１４０を離して配置する際に更なる柔軟性を可能にする。光ファイバ１３５は、プラズマ光学発光信号１７０を結合し、それを集光光学部品１４５に伝達する。そして光ファイバ１３５は、プラズマ光学発光信号１７０の適切な結合を確実にするために、そしてファイバに沿った伝達を最良にするために、結合光学部品、複数のファイバ束などを含むことができる。他の全ての点において、プラズマ処理システム２００の機能及び動作は、前述した図１Ａのプラズマ処理システム１００のものと類似又は同一である。

【0038】

図２Ａ及び図２Ｂは、本発明の更なる実施形態による半導体処理システムを示す。図２Ａは、例示的な半導体処理システム３００を示す。半導体処理システム３００は、処理のためにプラズマを利用してもよく又はしなくてもよく、フォトリソグラフィトラックシステム、エッチングシステム、原子層エッチング（ＡＬＥ）システム、堆積システム、ウェット又はドライクリーニングシステム、拡散炉システム、又は基板が仕様を満たすことを確認する目的のために、及びプロセスステップ制御のために、プロセスステップの進捗を監視する必要がある任意の他の半導体処理システム、を備えるか又はそれらの一部であり得る。半導体処理システム３００は、プロセスステップ中に基板２２０を支持するための支持部材２１５を有するプロセスモジュール２１０を備える。支持部材２１５は、静電チャック（ＥＳＣ）、サセプタ、可動ステージ、プラテン／基板アームの一部などであり得る。プロセスモジュール２１０内の基板２２０上でプロセスステップが実施され、その間に、層又はフィーチャが基板２２０上に形成されてもよく又は変更されてもよい。例えば、エッチングシステムでは、基板上の層及びフィーチャがエッチングされてもよい。フォトリソグラフィトラックシステムでは、フォトレジストコーティングが塗布、ベーク、又は除去されてもよい。堆積システムでは、基板上に層が堆積されてもよい。ウェット又はドライクリーニングシステムでは、フィーチャ、層、処理液、汚染物質などが基板から除去されてもよい。

【0039】

プロセスステップ中に半導体処理システム３００及びプロセスモジュール２１０内の基板の状態をリフレクトメトリを使用して監視するために、光学検出器２４０が使用される。広帯域照射光源２３２により照射ビーム２３４が生成され、半反射ミラー２３３、及び基板２２０とは反対側に配置されたウィンドウ２３０を通って、基板２２０に対して垂直入射で（ゼロ入射角で）導かれる。いくつかのプロセスモジュール２１０は、壁を有しない場合がある。すなわち、プロセスモジュールが包囲されておらず、その周囲環境から隔離されていない場合がある。その場合は、ウィンドウ２３０は必要ない場合がある。照射光源は、連続波（ＣＷ）又はパルス光源とすることができ、光学スペクトルの深紫外線（ＤＵＶ）、紫外線（ＵＶ）、可視光線（ＶＩＳ）、及び赤外線（ＩＲ）の部分における光の波長範囲をカバーできる。照射光源２３２は、様々な白熱及びガス放電光源、フラッシュランプ、ＬＥＤ、レーザー、レーザー駆動プラズマ光源（ＬＤＬＳ）などを備えることができる。リフレクトメトリのために、特に広範囲の光波長が使用される場合、照射光源２３２は、それぞれが異なる光波長範囲をカバーする複数の光源を含んでもよく、ビームは、好適なビームコンバイナ光学部品を使用して結合される。照射光源２３２はまた、シャッタ（図示せず）を含んで、シャッタが閉じられたときに取得される、プラズマ又は他の発光からの干渉を、測定された反射率計の信号から差し引くことができるように照射ビーム２３４を変調させてもよい。ウィンドウ２３０は、光学スペクトルの深紫外線（ＤＵＶ）、紫外線（ＵＶ）、可視光線（ＶＩＳ）、及び赤外線（ＩＲ）の部分を透過する好適な材料で作製できる。例えば、ウィンドウ２３０は、様々なタイプのガラス、例えば、ホウケイ酸ガラス、石英、サファイアなどを含むことができる。プラズマからの材料の過剰な堆積から、又はプロセスモジュール２１０内の他の過酷な環境から、ウィンドウ２３０を保護するための設備、例えば、穴あきグリッド、パージガス注入システム（図示せず）など、が設けられてもよい。

【0040】

照射ビーム２３４が基板２２０上に入射すると、基板２２０上に形成された層又は構造体又はフィーチャの存在に起因して、反射及び回折されて、回折光学信号２３６が形成される。回折光学信号２３６は、垂直（ゼロ）反射角で基板２２０から反射されたゼロ次の回折光学信号を含む。先に論じたように、回折光学信号２３６のスペクトルは、基板２２０上の層又は構造体又はフィーチャの特性を決定できる情報を含む。回折光学信号２３６は、存在する場合はウィンドウ２３０を通過し、半反射ミラー２３３によって反射されて光学検出器２４０に入る。

【0041】

光学検出器２４０は、集光光学部品２４５、波長調整可能フィルタ２５０、及びアレイ検出器２６０を備え、これらは一緒にハイパースペクトルイメージング（ＨＳＩ）システムを構成する。光学検出器及びその構成要素は、少なくとも波長調整可能フィルタ２５０及びアレイ検出器２６０と通信するコントローラ２８０によって制御される。波長調整可能フィルタは、ファブリペロー共振器、音響光学調整可能フィルタ、液晶調整可能フィルタ、又はコントローラ２８０によって選択され制御されて通過帯域波長を変化させることが可能な任意の他の調整可能狭帯域光学フィルタデバイスを備えることができる。用途に応じて、アレイ検出器２６０は、１次元アレイ検出器（すなわち、ライン検出器）又は２次元アレイ検出器であり得る。アレイ検出器２６０は、用途が要求する場合、ＣＣＤ検出器アレイ、ＣＭＯＳ検出器アレイ、フォトダイオードアレイ、又はアレイ検出器２６０の異なる部分のための様々な種類の検出器の組み合わせ、を備え得る。例えば、波長感度の固有の違いなどに起因して、様々な波長範囲に対して、様々なアレイ検出器タイプを並べて又は積み重ねて使用できる。

【0042】

動作中、回折光学信号２３６は、集光光学部品２４５により集光され、伝達された光学信号２７２として波長調整可能フィルタ２５０に導かれる。集光光学部品２４５は、伝達された光学信号２７２を形成するために必要な、集光レンズ、ステアリングミラー、アパーチャ、偏光子、光ファイバなどの任意の組み合わせを備え得る。図２Ａはファブリペロー共振器の例を示し、２つの半反射ミラー２５２が、制御可能なギャップＧ_ｉによって離隔配置されて、光共振器２５５を形成している。コントローラ２８０により空間Ｇ_ｉが変化されると、異なる通過帯域波長がファブリペロー共振器によって選択的に伝達されて、波長フィルタリングされた回折光学信号２７５が形成され、これがアレイ検出器２６０に入射する。

【0043】

動作中、コントローラ２８０は、制御可能なギャップＧ_ｉを制御して、通過帯域波長の掃引を実行する一方で、同時にアレイ検出器２６０は画像を取得し、続いて画像はコントローラ２８０によって受信され、そこで保存及び／又は処理され得る。波長調整可能フィルタ２５０の通過帯域波長が変化するにつれて、アレイ検出器２６０によって取得された各画像は、波長調整可能フィルタ２５０によって選択された瞬間通過帯域波長で取得されることになる。このようにして、以下では「イメージスタック」又は「イメージキューブ」と称するが、波長調整可能フィルタ２５０の通過帯域波長の掃引ごとに取得され、コントローラ２８０によって受信される（図５Ａ～図５Ｃを参照）。通過帯域波長掃引を繰り返して、連続するイメージキューブを取得できる。コントローラ２８０は、例えば、通過帯域波長の連続掃引を、波長調整可能フィルタ２５０の最小通過帯域波長から最大通過帯域波長まで実行するようにプログラムされ得る。しかしながら、実際には、光学スペクトルのある一部分のみが関心の対象となり得るので、コントローラ２８０は、光学スペクトルの深紫外線（ＤＵＶ）、紫外線（ＵＶ）、可視光線（ＶＩＳ）、及び赤外線（ＩＲ）の一部分における波長の範囲又は複数の重なり合う範囲若しくは重なり合わない範囲にわたって、通過帯域波長を選択的に調整するようにプログラムされてもよい。このようにして、関心の対象である波長範囲のみが取得されるので、スループットは増加する。

【0044】

ファブリペロー共振器の場合、通過帯域波長を切り替えて設定する典型的な時間は０．１ｍｓの近傍にあるので、例えば１００個の通過帯域波長を選択し、対応する画像をアレイ検出器２６０によって１０ｍｓで形成することが可能になる。このスペクトル取得速度は、一部の高性能分光計の速度よりも遅い場合があるが、ハイパースペクトルイメージング（ＨＳＩ）システムの利点は、回折光学信号２３６を介して受光される光の量が、分光器のスリット幅及び集光光学部品の開口数（ＮＡ）によって限定されないことである。実際、集光光学部品２４５において、大きな有効口径を使用することができ、その結果、アレイ検出器２６０によって検出される信号は強くなり、したがって、従来の分光計よりも信号対雑音比（ＳＮＲ）が大幅に増加する。ファブリペロー共振器については典型的なスペクトル分解能は２ｎｍであり、ハイパースペクトルイメージング（ＨＳＩ）システムを用いる単一の光学検出器２４０において、高い信号対雑音比（ＳＮＲ）と良好なスペクトル分解能とが統合されている。単一の光学検出器２４０のスループットが用途にとって不十分である場合、並列に動作する複数の光学検出器２４０を使用して、光学検出器の各々が回折光学信号２３６の一部分を取得するようにしてもよく、この回折光学信号は、好適なビームスプリッタ又は他の波長選択性光学部品を使用して事前に分割されてもよい。

【0045】

リフレクトメトリは、前述したように、回折光学スペクトルの取得に依存する。図５Ａ～図５Ｃは、例示的な取得されたイメージキューブ９００、９０２、及び９０５から回折光学スペクトルを抽出するプロセスを示す。図５Ａでは、イメージキューブ９００は、λ_ｉを経てλ_１からλ_ｎまで変化するｎ個の通過帯域波長において取得される。この最も単純な実施形態では、イメージキューブ９００の全ての画像内の同じ単一の選択された画素９４０から光強度を抽出することにより、回折光学スペクトルが抽出される。抽出された光強度を波長の昇順で並べると、図５Ａの回折された光学スペクトル９５０が得られ、これは、従来の分光計から得られるスペクトルと同じように更に利用できる。

【0046】

代替として、図５Ｂでは、回折光学スペクトルは、イメージキューブ９０２の全ての画像内の画素９４０の少なくとも１つの選択された領域にわたって光強度を抽出及び平均化することにより抽出される。画素９４０の複数の非隣接領域は、画像のどの部分を保持しどの部分を破棄するかを決定することになる用途に応じて選択され平均化されてもよい。様々な画素加重平均法及び画素非加重平均法を使用して、各波長λ_ｉにて取得された各画像について、画素９４０の選択された領域にわたる平均光強度に到達できる。いったん平均化されると、抽出された光強度の平均は波長の昇順で配置されて、図５Ｂの回折された光学スペクトル９５０が形成される。

【0047】

代替としてさらに、図５Ｃでは、回折光学スペクトルは、イメージキューブ９０５の取得された画像の全ての画素９４０わたって光強度を抽出及び平均化することにより抽出される。様々な画素加重平均法及び画素非加重平均法を使用して、各波長λ_ｉにて取得された各画像について、画素９４０にわたる平均光強度に到達できる。いったん平均化されると、抽出された光強度の平均は波長の昇順で配置されて、図５Ｃの回折された光学スペクトル９５０が形成される。

【0048】

図５Ａ～図５Ｃに記載されるように回折光学スペクトル９５０を形成する場合、イメージキューブ９００、９０２、又は９０５内の全ての画像を使用して、回折光学スペクトル９５０を形成してもよい。代替として、イメージキューブ９００、９０２、９０５内の画像のサブセットのみを使用して回折光学スペクトル９５０を形成することにより、所与の用途に必要とされないスペクトルの部分を排除してもよい。例えば、エンドポイント検出（ＥＰＤ）用途では、回折された光学スペクトルの特定の狭い部分だけが関心の対象となる場合がある。第１にイメージキューブ内で取得される画像の数（すなわち、通過帯域波長の数）をこのように減らすこと、そして更に、回折光学スペクトル抽出のためにイメージキューブ内の画像サブセットのみを選択することにより、エンドポイント検出（ＥＰＤ）のアルゴリズムの計算効率を大幅に増加させることができる。同じ効率の向上は、ＣＤ測定、フィーチャプロファイル測定、基板上の層の光学特性の決定など、他の可能な用途でも見られる。

【0049】

リフレクトメトリでは、基板２２０に対する、集光光学部品２４５、半反射ミラー２３３などの構成及び位置に起因して、図５Ａ～図５Ｃのイメージキューブ９００、９０２、及び９０５内の２次元画像における画素位置が、アレイ検出器２６０の個々の画素上に画像化された、基板２２０上の異なる位置に対応する。画素位置と基板２２０上の位置との、この空間的対応は、光学モデリング、又は取得された画像の使用のいずれかにより決定されて、基板２２０上の画像視野を検証できる。既知の空間的対応を用いて、例えば、より信頼性の高いエンドポイント検出（ＥＰＤ）が実現されるように、診断される基板２２０上の領域を正確に選択するために、図５Ａ及び図５Ｂの方法のうちの１つを有利に使用できる。これにより、これらの部分がリフレクトメトリ信号に有意に寄与しないときは、基板表面の一部を除去することが可能になる（例えば、エッチングされない領域、異なる層又はフィーチャ及びそれらの光学特性、スクライブライン、干渉プロセスモジュール構造など）。

【0050】

一実施形態では、（同じ通過帯域波長λ_ｉについての）イメージキューブの連続して取得された画像は、連続する画像間で急速に変化する光強度の画素又は画素領域（例えば、これらの位置でのエッチングを示す）について分析され得る。一実施形態では、画素又は画素領域の光強度の変化率を、事前に選択された光強度の変化率の閾値と比較して、画素又は画素領域が急速な光強度の変化を、したがって処理を受けたかどうかを決定できる。光強度が急速に変化するこれら画素又は画素領域は、回折光学スペクトル９５０の抽出のための領域９４０として使用できる。この手法は、画素位置と基板上の位置との空間的対応の知識を不必要とし、且つ事前に回折光学スペクトルの抽出のために画素領域を選択することを不必要にする。同時に、この手法は、処理が生じる基板上の領域だけが診断され、その他の領域は無視されることにより、診断の精度が改善されることを確実にする。

【0051】

イメージキューブの画像内の画素９４０のある領域だけを選択する能力の更なる利点は、基板２２０上において、比較的大きな照射スポット及び光学検出器２４０の視野を使用することが可能になることである。これは、光学的セットアップを単純化し、寸法公差を緩め、光学検出器２４０及び半導体処理システム３００全体のコストを削減する。最後に、それは、支持部材２１５上の基板２２０の位置決めの許容誤差を緩和する。なぜなら、画素９４０の必要な領域は、それらが光学検出器２４０の視野内にある限り、イメージキューブの画像内で常に見つかるからである。

【0052】

選択されたタイプの波長調整可能フィルタ２５０によって得られるよりも高いスペクトル分解能が必要な場合、スペクトルデコンボリューション法を使用して、取得された回折光学スペクトル９５０から高分解能スペクトルを再構築できる。スペクトルデコンボリューション法の例は、Ｍ．Ｍｏｒｈａｃ「Ｄｅｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｇａｍｍａ－ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒａ」，ＡＣＡＴ２００５，Ｍａｙ ２２－２７，Ｚｅｕｔｈｅｎ Ｇｅｒｍａｎｙに開示されている。代替として、２０２０年３月１６日に出願された「ＥＮＨＡＮＣＥＤ ＲＥＳＯＬＵＴＩＯＮ ＩＮ ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲ ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ ＤＡＴＡ ＡＣＱＵＩＳＩＴＩＯＮ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ ＵＳＩＮＧ ＭＡＣＨＩＮＥ ＬＥＡＲＮＩＮＧ」（参照番号１８１０７７ＵＳ０２）と題する同時係属中の米国特許出願第１６／８２０，０３２号明細書に記載されている機械学習技術を使用して、取得された回折光学スペクトル９５０からより高い解像度スペクトルを再構築できる。

【0053】

リフレクトメトリによって決定できる特性には、基板上の構造体上の膜の残りの厚さ、層の厚さ、上部、中間部、下部の限界寸法などの限界寸法（ＣＤ）、プロファイル高さ、側壁角度などのプロファイル寸法、基板上の層の光学特性などが含まれる。膜の残りの厚さは、エッチングプロセスのエンドポイントを決定するのに役立つ測定された量である。実際、本発明者らは、ハイパースペクトルイメージング（ＨＳＩ）システムを有するリフレクトメトリを使用することにより、ＦＩＮＦＥＴエッチングプロセスにおいて、時間指定のエッチングと比較して、残りの厚さの制御において５倍の改善を実証した。

【0054】

同様の参照番号が図２Ａと同じ要素を示す図２Ｂでは、半導体処理システム４００が示されるが、これは、回折光学信号２３６を光学検出器２４０内へと供給するために光ファイバ２３５を使用していることだけが、図２Ａの半導体処理システム３００とは異なる。光ファイバ２３５の使用は、光学検出器２４０を配置する際に追加の柔軟性を提供する。光ファイバ２３５は、回折光学信号２３６を結合し、それを集光光学部品２４５に伝達する。そして光ファイバ２３５は、回折光学信号２３６の適切な結合を確実にするために、そしてファイバに沿った伝達を最良にするために、結合光学部品、複数のファイバ束などを含むことができる。他の全ての点において、半導体処理システム４００の機能及び動作は、前述した図２Ａの半導体処理システム３００のものと類似又は同一である。

【0055】

図３Ａ及び図３Ｂは、本発明のなお更なる実施形態による半導体処理システムを示す。図３Ａは、例示的な半導体処理システム５００を示す。半導体処理システム５００は、処理のためにプラズマを利用してもよく又はしなくてもよく、フォトリソグラフィトラックシステム、エッチングシステム、原子層エッチング（ＡＬＥ）システム、堆積システム、ウェット又はドライクリーニングシステム、拡散炉システム、又は基板が仕様を満たすことを確認する目的のために、及びプロセスステップ制御のために、プロセスステップの進捗を監視する必要がある任意の他の半導体処理システム、を備えるか又はそれらの一部であり得る。半導体処理システム５００は、プロセスステップ中に基板３２０を支持するための支持部材３１５を有するプロセスモジュール３１０を備える。支持部材３１５は、静電チャック（ＥＳＣ）、サセプタ、可動ステージ、プラテン／基板アームの一部などであり得る。プロセスモジュール３１０内の基板３２０上でプロセスステップが実施され、その間に、層又はフィーチャが基板３２０上に形成されてもよく又は変更されてもよい。例えば、エッチングシステムでは、基板上の層及びフィーチャがエッチングされてもよい。フォトリソグラフィトラックシステムでは、フォトレジストコーティングが塗布、ベーク、又は除去されてもよい。堆積システムでは、基板上に層が堆積されてもよい。ウェット又はドライクリーニングシステムでは、フィーチャ、層、処理液、汚染物質などが基板から除去されてもよい。

【0056】

プロセスステップ中に半導体処理システム５００及びプロセスモジュール３１０内の基板の状態をリフレクトメトリを使用して監視するために、光学検出器３４０が使用される。照射ビーム３３４が広帯域照射光源３３２により生成され、ウィンドウ照射ウィンドウ３３０を介して、基板３２０に対して斜めに入射するように導かれる。照射ビーム３３４の入射角θ_ｉは、０．１°～８９°まで変化することができ、入射角は、基板３２０上に形成されているフィーチャ及び構造体のタイプ及び形状に対するリフレクトメータの感度、プロセスモジュール３１０の形状によって課せられる制約など、を含む複数の要因に基づいて選択される。いくつかのプロセスモジュール３１０には、壁がなくてもよく、すなわち、それらは包囲されておらず、それらの周囲環境から隔離されていなくてもよい。その場合、照射ウィンドウ３３０は必要ない場合がある。照射光源は、連続波（ＣＷ）又はパルス光源とすることができ、光学スペクトルの深紫外線（ＤＵＶ）、紫外線（ＵＶ）、可視光線（ＶＩＳ）、及び赤外線（ＩＲ）の部分における光の波長範囲をカバーできる。照射光源３３２は、様々な白熱及びガス放電光源、フラッシュランプ、ＬＥＤ、レーザー、レーザー駆動プラズマ光源（ＬＤＬＳ）などを備えることができる。リフレクトメトリのために、特に広範囲の光波長が使用される場合、照射光源３３２は、それぞれが異なる光波長範囲をカバーする複数の光源を含んでもよく、ビームは、好適なビームコンバイナ光学部品を使用して結合される。照射光源３３２はまた、シャッタ（図示せず）を含んで、シャッタが閉じられたときに取得される、プラズマ又は他の発光からの干渉を、測定された反射率計の信号から差し引くことができるように照射ビーム３３４を変調させてもよい。照射ウィンドウ３３０は、光学スペクトルの深紫外線（ＤＵＶ）、紫外線（ＵＶ）、可視光線（ＶＩＳ）、及び赤外線（ＩＲ）の部分を透過する好適な材料で作製できる。例えば、照射ウィンドウ３３０は、様々なタイプのガラス、例えば、ホウケイ酸ガラス、石英、サファイアなどを含むことができる。プラズマからの材料の過剰な堆積から、又はプロセスモジュール３１０内の他の過酷な環境から、照射ウィンドウ３３０を保護するための設備、例えば、穴あきグリッド、パージガス注入システム（図示せず）など、が設けられてもよい。

【0057】

照射ビーム３３４が基板３２０上に斜めに入射すると、基板３２０上に形成された層又は構造体又はフィーチャの存在に起因して、反射及び回折されて、回折光学信号３３６が形成される。回折光学信号３３６は、反射角θ_ｒにて基板３２０から反射され、この反射角は、照射ビーム３３４の入射角θ_ｉに等しく、０．１°～８９°まで変化し得る。回折光学信号３３６は、基板から反射された光学信号の１つ以上の回折次数を含み得る。先に論じたように、回折光学信号３３６のスペクトルは、基板３２０上の層又は構造体又はフィーチャの特性を決定できる情報を含む。回折光学信号３３６は、存在する場合、反射ウィンドウ３３８を通過し、光学検出器３４０内へと導かれる。反射ウィンドウ３３８は、概ね、プロセスモジュール３１０の、照射ウィンドウ３３０とは反対側に配置され、照射ウィンドウ３３０と同じ又は異なる材料を含むことができる。プラズマからの材料の過剰な堆積から、又はプロセスモジュール３１０内の他の過酷な環境から、反射ウィンドウ３３８を保護するための設備、例えば、穴あきグリッド、パージガス注入システム（図示せず）など、が設けられてもよい。

【0058】

光学検出器３４０は、集光光学部品３４５、波長調整可能フィルタ３５０、及びアレイ検出器３６０を備え、これらは一緒にハイパースペクトルイメージング（ＨＳＩ）システムを構成する。光学検出器及びその構成要素は、少なくとも波長調整可能フィルタ３５０及びアレイ検出器３６０と通信するコントローラ３８０によって制御される。波長調整可能フィルタは、ファブリペロー共振器、音響光学調整可能フィルタ、液晶調整可能フィルタ、又はコントローラ３８０によって選択され制御されて通過帯域波長を変化させることが可能な任意の他の調整可能狭帯域光学フィルタデバイスを備えることができる。用途に応じて、アレイ検出器３６０は、１次元アレイ検出器（すなわち、ライン検出器）又は２次元アレイ検出器であり得る。アレイ検出器３６０は、用途が要求する場合、ＣＣＤ検出器アレイ、ＣＭＯＳ検出器アレイ、フォトダイオードアレイ、又はアレイ検出器３６０の異なる部分のための様々な種類の検出器の組み合わせ、を備え得る。例えば、波長感度の固有の違いなどに起因して、様々な波長範囲に対して、様々なアレイ検出器タイプを並べて又は積み重ねて使用できる。

【0059】

動作中、回折光学信号３３６は、集光光学部品３４５により集光され、伝達された光学信号３７２として波長調整可能フィルタ３５０に導かれる。集光光学部品３４５は、伝達された光学信号３７２を形成するために必要な、集光レンズ、ステアリングミラー、アパーチャ、偏光子、光ファイバなどの任意の組み合わせを備え得る。図３Ａはファブリペロー共振器の例を示し、２つの半反射ミラー３５２が、制御可能なギャップＧ_ｉによって離隔配置されて、光共振器３５５を形成している。コントローラ３８０により空間Ｇ_ｉが変化されると、異なる通過帯域波長がファブリペロー共振器によって選択的に伝達されて、波長フィルタリングされた回折光学信号３７５が形成され、これがアレイ検出器３６０に入射する。

【0060】

動作中、コントローラ３８０は、制御可能なギャップＧ_ｉを制御して、通過帯域波長の掃引を実行する一方で、同時にアレイ検出器３６０は画像を取得し、続いて画像はコントローラ３８０によって受信され、そこで保存及び／又は処理され得る。波長調整可能フィルタ３５０の通過帯域波長が変化するにつれて、アレイ検出器３６０によって取得された各画像は、波長調整可能フィルタ３５０によって選択された瞬間通過帯域波長で取得されることになる。このようにして、以下では「イメージスタック」又は「イメージキューブ」と称するが、波長調整可能フィルタ３５０の通過帯域波長の掃引ごとに取得され、コントローラ３８０によって受信される（図５Ａ～図５Ｃを参照）。通過帯域波長掃引を繰り返して、連続するイメージキューブを取得できる。コントローラ３８０は、例えば、通過帯域波長の連続掃引を、波長調整可能フィルタ３５０の最小通過帯域波長から最大通過帯域波長まで実行するようにプログラムされ得る。しかしながら、実際には、光学スペクトルのある一部分のみが関心の対象となり得るので、コントローラ３８０は、光学スペクトルの深紫外線（ＤＵＶ）、紫外線（ＵＶ）、可視光線（ＶＩＳ）、及び赤外線（ＩＲ）の一部分における波長の範囲又は複数の重なり合う範囲若しくは重なり合わない範囲にわたって、通過帯域波長を選択的に調整するようにプログラムされてもよい。このようにして、関心の対象である波長範囲のみが取得されるので、スループットは増加する。

【0061】

ファブリペロー共振器の場合、通過帯域波長を切り替えて設定する典型的な時間は０．１ｍｓの近傍にあるので、例えば１００個の通過帯域波長を選択し、対応する画像をアレイ検出器３６０によって１０ｍｓで形成することが可能になる。このスペクトル取得速度は、一部の高性能分光計の速度よりも遅い場合があるが、ハイパースペクトルイメージング（ＨＳＩ）システムの利点は、回折光学信号３３６を介して受光される光の量が、分光器のスリット幅及び集光光学部品の開口数（ＮＡ）によって限定されないことである。実際、集光光学部品３４５において、大きな有効口径を使用することができ、その結果、アレイ検出器３６０によって検出される信号は強くなり、したがって、従来の分光計よりも信号対雑音比（ＳＮＲ）が大幅に増加する。ファブリペロー共振器については典型的なスペクトル分解能は２ｎｍであり、ハイパースペクトルイメージング（ＨＳＩ）システムを用いる単一の光学検出器３４０において、高い信号対雑音比（ＳＮＲ）と良好なスペクトル分解能とが統合されている。単一の光学検出器３４０のスループットが用途にとって不十分である場合、並列に動作する複数の光学検出器３４０を使用して、光学検出器の各々が回折光学信号３３６の一部分を取得するようにしてもよく、この回折光学信号は、好適なビームスプリッタ又は他の波長選択性光学部品を使用して事前に分割されてもよい。

【0062】

選択されたタイプの波長調整可能フィルタ３５０によって得られるよりも高いスペクトル分解能が必要な場合、スペクトルデコンボリューション法を使用して、取得された回折光学スペクトル９５０（図５Ａ、図５Ｂ、及び図５Ｃ）から高分解能スペクトルを再構築できる。スペクトルデコンボリューション法の例は、Ｍ．Ｍｏｒｈａｃ「Ｄｅｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｇａｍｍａ－ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒａ」，ＡＣＡＴ２００５，Ｍａｙ ２２－２７，Ｚｅｕｔｈｅｎ Ｇｅｒｍａｎｙに開示されている。代替として、２０２０年３月１６日に出願された「ＥＮＨＡＮＣＥＤ ＲＥＳＯＬＵＴＩＯＮ ＩＮ ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲ ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ ＤＡＴＡ ＡＣＱＵＩＳＩＴＩＯＮ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ ＵＳＩＮＧ ＭＡＣＨＩＮＥ ＬＥＡＲＮＩＮＧ」（参照番号１８１０７７ＵＳ０２）と題する同時係属中の米国特許出願第１６／８２０，０３２号明細書に記載されている機械学習技術を使用して、取得された回折光学スペクトル９５０から高解像度スペクトルを再構築できる。

【0063】

同様の参照番号が図３Ａと同じ要素を示す図３Ｂでは、半導体処理システム６００が示されるが、これは、回折光学信号３３６を光学検出器３４０内へと供給するために光ファイバ３３５を使用していることだけが、図３Ａの半導体処理システム５００とは異なる。光ファイバ３３５の使用は、光学検出器３４０を配置する際に追加の柔軟性を提供する。光ファイバ３３５は、回折光学信号３３６を結合し、それを集光光学部品３４５に伝達する。そして光ファイバ３３５は、回折光学信号３３６の適切な結合を確実にするために、そしてファイバに沿った伝達を最良にするために、結合光学部品、複数のファイバ束などを含むことができる。他の全ての点において、半導体処理システム６００の機能及び動作は、前述した図３Ａの半導体処理システム５００のものと類似又は同一である。

【0064】

半導体処理システム３００、４００、５００、及び６００は全て、基板上のプロセス結果を診断するためにリフレクトメトリを利用し、それらの違いは、光学的設定の詳細と入射角及び反射角を含む。したがって、回折光学スペクトル９５０（図５Ａ、図５Ｂ、及び図５Ｃ）を抽出する方法、イメージキューブの画像における画素位置と基板上の位置との空間的対応を確立する方法、回折光学スペクトル９５０、並びに層及びフィーチャの決定され得る特性、の抽出のために画素９４０の領域（図５Ａ、図５Ｂ、及び図５Ｃ）を選択する方法、に関する前述の議論、並びに半導体処理システム３００及び４００に関するそれに付随する利点は全て、半導体処理システム５００及び６００、並びに斜め入射角のリフレクトメトリを使用する関連する光学検出器３４０及びコントローラ３８０にも当てはまる。

【0065】

プラズマ処理チャンバ内のプラズマの状態を監視し、リフレクトメトリを使用して基板上の層及びフィーチャの処理を監視することに加えて（プロセス中に、すなわちその場で、及びプロセス完了後に）、ハイパースペクトルイメージング（ＨＳＩ）システムを使用して、分光学及び／又は画像化に関連する他の光学診断方法を強化することができる。例えば、ハイパースペクトルイメージング（ＨＳＩ）は、基板のマルチスペクトル検査に使用できる。基板のマルチスペクトル検査の用途は、フォトリソグラフィ及びエッチングにおける現像後検査（ＡＤＩ）及びＣＤ計測／検査、並びに、様々な欠陥検出技術、例えば、汚染の検出、パターンの崩壊、直接自己組織化（ＤＳＡ）ブロックコポリマー層の不適切な自己組織化などの、共通の検査ステップを含み得る。これら手法の全てに共通するのは、基板又は基板の領域の画像の取得である。この画像取得は、ハイパースペクトルイメージング（ＨＳＩ）システムを使用して多くの波長で実行でき、それにより、信号対雑音比が低い状況において、欠陥の検出に利用可能なデータ量が劇的に増加する。

【0066】

図４Ａ及び図４Ｂは、本発明のなお更なる実施形態による基板検査システムを示す。図４Ａは、例示的な半導体基板検査システム７００を示す。基板検査システム７００は、半導体処理システムの一部であってもよく、又は独立型の検査システム（例えば、キオスクタイプの検査システム）の一部であり得る。

【0067】

基板検査システム７００は、検査中に基板７２０を支持するためのステージ７１５を備える。ステージ７１５は、静電チャック（ＥＳＣ）、サセプタ、可動ステージ（例えば、Ｘ－Ｙ、Ｘ－Ｙ－θ、Ｘ－Ｙ－Ｚ、又はＸ－Ｙ－Ｚ－θステージ）、プラテン／基板アームの一部などであり得る。基板検査システム７００は、エンクロージャ（図示せず）、基板７２０を取り囲む制御されたクリーンな環境を維持するためのパージガスシステム（図示せず）などの更なるサブシステムを含み得る。

【0068】

検査ステップ又はプロセス中に基板検査システム７００内の基板を画像化するために、光学検出器７４０が使用される。基板７２０の表面を照射するために、照射光源（図示せず）を使用してもよい。照射光源は、明視野照射（基板７２０の上から）又は暗視野照射（照射ビームが基板７２０の表面に実質的に平行である）のために構成され得る。照射光源は、連続波（ＣＷ）又はパルス光源とすることができ、光学スペクトルの深紫外線（ＤＵＶ）、紫外線（ＵＶ）、可視光線（ＶＩＳ）、及び赤外線（ＩＲ）の部分における光の波長範囲をカバーできる。照射光源は、様々な白熱及びガス放電光源、フラッシュランプ、ＬＥＤ、レーザー、レーザー駆動プラズマ光源（ＬＤＬＳ）などを備えることができ、基板７２０の表面を均一に照射するために必要な更なる光学部品を含むことができる。検査のために、特に広範囲の光波長が使用される場合、照射光源は、それぞれが異なる光波長範囲をカバーする複数の光源を含んでもよく、ビームは、好適なビームコンバイナ光学部品を使用して結合される。照射光源はまた、シャッタ（図示せず）を含んで、シャッタが閉じられたときに取得される、他の発光からの干渉を、測定された光学信号から差し引くことができるように照射ビームを変調させてもよい。

【0069】

基板７２０に入射すると、照射ビームの一部が基板７２０から反射されて、光学信号７７０が形成される。先に論じたように、光学信号７７０のスペクトルは、基板７２０上の層又は構造体又はフィーチャの特性を検査中に決定できる情報を含む。光学検出器７４０は、集光光学部品７４８、波長調整可能フィルタ７５０、及びアレイ検出器７６０を備え、これらは一緒にハイパースペクトルイメージング（ＨＳＩ）システムを構成する。光学検出器及びその構成要素は、少なくとも波長調整可能フィルタ７５０及びアレイ検出器７６０と通信するコントローラ７８０によって制御される。波長調整可能フィルタは、ファブリペロー共振器、音響光学調整可能フィルタ、液晶調整可能フィルタ、又はコントローラ７８０によって選択され制御されて通過帯域波長を変化させることが可能な任意の他の調整可能狭帯域光学フィルタデバイスを備えることができる。用途に応じて、アレイ検出器７６０は、１次元アレイ検出器（すなわち、ライン検出器）又は２次元アレイ検出器であり得る。アレイ検出器７６０は、用途が要求する場合、ＣＣＤ検出器アレイ、ＣＭＯＳ検出器アレイ、フォトダイオードアレイ、又はアレイ検出器７６０の異なる部分のための様々な種類の検出器の組み合わせ、を備え得る。例えば、波長感度の固有の違いなどに起因して、様々な波長範囲に対して、様々なアレイ検出器タイプを並べて又は積み重ねて使用できる。

【0070】

動作中、光学信号７７０は、集光光学部品７４８により集光され、伝達された光学信号７７２として波長調整可能フィルタ７５０に導かれる。集光光学部品７４８は、伝達された光学信号７７２を形成するために必要な、集光レンズ、ステアリングミラー、アパーチャ、偏光子、光ファイバなどの任意の組み合わせを備え得る。図４Ａはファブリペロー共振器の例を示し、２つの半反射ミラー７５２が、制御可能なギャップＧ_ｉによって離隔配置されて、光共振器７５５を形成している。コントローラ７８０により空間Ｇ_ｉが変化されると、異なる通過帯域波長がファブリペロー共振器によって選択的に伝達されて、波長フィルタリングされた光学信号７７５が形成され、これがアレイ検出器７６０に入射する。

【0071】

動作中、コントローラ７８０は、制御可能なギャップＧ_ｉを制御して、通過帯域波長の掃引を実行する一方で、同時にアレイ検出器７６０は画像を取得し、続いて画像はコントローラ７８０によって受信され、そこで保存及び／又は処理され得る。波長調整可能フィルタ７５０の通過帯域波長が変化するにつれて、アレイ検出器７６０によって取得された各画像は、波長調整可能フィルタ７５０によって選択された瞬間通過帯域波長で取得されることになる。このようにして、以下の「イメージスタック」又は「イメージキューブ」は、波長調整可能フィルタ７５０の通過帯域波長の掃引ごとに取得され、コントローラ７８０によって受信される（図５Ａ～図５Ｃを参照）。通過帯域波長掃引を繰り返して、連続するイメージキューブを取得できる。コントローラ７８０は、例えば、通過帯域波長の連続掃引を、波長調整可能フィルタ７５０の最小通過帯域波長から最大通過帯域波長まで実行するようにプログラムされ得る。しかしながら、実際には、光学スペクトルのある一部分のみが関心の対象となり得るので、コントローラ７８０は、光学スペクトルの深紫外線（ＤＵＶ）、紫外線（ＵＶ）、可視光線（ＶＩＳ）、及び赤外線（ＩＲ）の一部分における波長の範囲又は複数の重なり合う範囲若しくは重なり合わない範囲にわたって、通過帯域波長を選択的に調整するようにプログラムされてもよい。このようにして、関心の対象である波長範囲のみが取得されるので、スループットは増加する。

【0072】

ファブリペロー共振器の場合、通過帯域波長を切り替えて設定する典型的な時間は０．１ｍｓの近傍にあるので、例えば１００個の通過帯域波長を選択し、対応する画像をアレイ検出器７６０によって１０ｍｓで形成することが可能になる。ファブリペロー共振器については典型的なスペクトル分解能は２ｎｍであり、ハイパースペクトルイメージング（ＨＳＩ）システムを用いる単一の光学検出器７４０において、高い信号対雑音比（ＳＮＲ）と良好なスペクトル分解能とが統合されている。単一の光学検出器７４０のスループット又は通過帯域波長が用途にとって不十分である場合、並列に動作する複数の光学検出器７４０を使用して、光学検出器の各々が光学信号７７０の一部分を取得するようにしてもよく、この光学信号は、好適なビームスプリッタ又は他の波長選択性光学部品を使用して事前に分割されてもよい。

【0073】

マルチスペクトル基板検査は、前述したように、光学スペクトルの取得に依存する。図５Ａ～図５Ｃは、例示的な取得されたイメージキューブ９００、９０２、及び９０５から光学スペクトルを抽出するプロセスを示す。図５Ａでは、イメージキューブ９００は、λ_ｉを経てλ_１からλ_ｎまで変化するｎ個の通過帯域波長において取得される。この最も単純な実施形態では、イメージキューブ９００の全ての画像内の同じ単一の選択された画素９４０から光強度を抽出することにより、回折光学スペクトルが抽出される。抽出された光強度を波長の昇順で並べると、図５Ａの光学スペクトル９５０が得られる。

【0074】

代替として、図５Ｂでは、光学スペクトルは、イメージキューブ９０２の全ての画像内の画素９４０の少なくとも１つの選択された領域にわたって光強度を抽出及び平均化することにより抽出される。画素９４０の複数の非隣接領域は、画像のどの部分を保持しどの部分を破棄するかを決定することになる用途に応じて選択され平均化されてもよい。様々な画素加重平均法及び画素非加重平均法を使用して、各波長λ_ｉにて取得された各画像について、画素９４０の選択された領域にわたる平均光強度に到達できる。いったん平均化されると、抽出された光強度の平均は波長の昇順で配置されて、図５Ｂの光学スペクトル９５０が形成される。

【0075】

代替としてさらに、図５Ｃでは、回折光学スペクトルは、イメージキューブ９０５の取得された画像の全ての画素９４０わたって光強度を抽出及び平均化することにより抽出される。様々な画素加重平均法及び画素非加重平均法を使用して、各波長λ_ｉにて取得された各画像について、画素９４０にわたる平均光強度に到達できる。いったん平均化されると、抽出された光強度の平均は波長の昇順で配置されて、図５Ｃの光学スペクトル９５０が形成される。マルチスペクトル基板検査との関連で、図５Ａ及び図５Ｂの方法は最も多くの画像情報を保持するので最適である。図５Ａの方法は全ての画素を保持するが、図５Ｂの方法は画素領域を保持する。

【0076】

図５Ａ～図５Ｃに記載されるように光学スペクトル９５０を形成する場合、イメージキューブ９００、９０２、又は９０５内の全ての画像を使用して、光学スペクトル９５０を形成してもよい。代替として、イメージキューブ９００、９０２、９０５内の画像のサブセットのみを使用して光学スペクトル９５０を形成することにより、所与の用途に必要とされないスペクトルの部分を排除してもよい。第１にイメージキューブ内で取得される画像の数（すなわち、通過帯域波長の数）をこのように減らすこと、そして更に、光学スペクトル抽出のためにイメージキューブ内の画像サブセットのみを選択することにより、検査用のアルゴリズムの計算効率を大幅に増加させることができる。

【0077】

マルチスペクトル基板検査では、基板７２０に対する、集光光学部品７４８の構成及び位置に起因して、図５Ａ～図５Ｃのイメージキューブ９００、９０２、及び９０５内の２次元画像における画素位置が、アレイ検出器７６０の個々の画素上に画像化された、基板７２０上の異なる位置に対応する。画素位置と基板７２０上の位置との、この空間的対応は、光学モデリング、又は取得された画像の使用のいずれかにより決定されて、基板７２０上の画像視野を検証できる。既知の空間的対応を用いて、診断される基板７２０上の領域を正確に選択するために、図５Ａ及び図５Ｂの方法のうちの１つを有利に使用できる。これにより、これらの部分が検査結果に有意に寄与しないときは、基板表面の一部を除去することが可能になる。

【0078】

イメージキューブの画像内の画素９４０のある領域だけを選択する能力の更なる利点は、基板７２０上において、光学検出器７４０の比較的大きな視野を使用することが可能になることである。これは、光学的セットアップを単純化し、寸法公差を緩め、光学検出器７４０及び基板検査システム７００全体のコストを削減する。最後に、それは、ステージ７１５上での基板７２０の位置決め公差を、そしてステージ７１５が移動可能な場合は、ステージの位置決めに関する公差を緩和させる。なぜなら、画素９４０の必要な領域は、それらが光学検出器７４０の視野内にある限り、イメージキューブの画像内で常に見つかるからである。

【0079】

選択されたタイプの波長調整可能フィルタ７５０によって得られるよりも高いスペクトル分解能が必要な場合、スペクトルデコンボリューション法を使用して、取得された光学スペクトル９５０から高分解能スペクトルを再構築できる。スペクトルデコンボリューション法の例は、Ｍ．Ｍｏｒｈａｃ「Ｄｅｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｇａｍｍａ－ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒａ」，ＡＣＡＴ２００５，Ｍａｙ ２２－２７，Ｚｅｕｔｈｅｎ Ｇｅｒｍａｎｙに開示されている。代替として、２０２０年３月１６日に出願された「ＥＮＨＡＮＣＥＤ ＲＥＳＯＬＵＴＩＯＮ ＩＮ ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲ ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ ＤＡＴＡ ＡＣＱＵＩＳＩＴＩＯＮ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ ＵＳＩＮＧ ＭＡＣＨＩＮＥ ＬＥＡＲＮＩＮＧ」（参照番号１８１０７７ＵＳ０２）と題する同時係属中の米国特許出願第１６／８２０，０３２号明細書に記載されている機械学習技術を使用して、取得された光学スペクトル９５０から高解像度スペクトルを再構築できる。

【0080】

同様の参照番号が図４Ａと同じ要素を示す図４Ｂでは、基板検査システム８００が示されるが、これは、光学信号７７０を光学検出器７４０内へと供給するために光ファイバ束７３５を使用していることだけが、図２Ａの基板検査システム７００とは異なる。光ファイバ束７３５の使用は、光学検出器７４０を配置する際の追加の柔軟性を提供する。光ファイバ束７３５は、光学信号７７０を結合し、それを光学検出器７４０の集光光学部品７４５に伝達する。そして光ファイバ束７３５は、光学信号７７０の適切な結合を確実にするために、そしてファイバに沿った伝達を最良にするために、対物レンズ７４８、結合光学部品、複数のファイバ束などを含むことができる。他の全ての点において、基板検査システム８００の機能及び動作は、前述した図４Ａの基板検査システム７００のものと類似又は同一である。

【0081】

同様の参照番号が図２Ｂと同じ要素を示す図６Ａでは、本発明の更なる実施形態による半導体処理システム１４００が示され、ここではアレイ検出器の直前に波長選択が適用される代わりに、照射ビーム波長が変化する。半導体処理システム１４００は、照射光源２３２と半反射ミラー２３３との間で照射ビーム２３４中に波長調整可能フィルタ２５０が配置されている点で、半導体処理システム４００とは異なる。この実施形態では、波長調整可能光学フィルタ２５０の通過帯域波長の変化が、照射ビーム２３４の波長を変化させる。したがって、波長調整可能フィルタ２５０の通過帯域波長が変化するにつれて、アレイ検出器２６０によって取得された各画像は、波長調整可能フィルタ２５０によって選択された瞬間通過帯域波長で取得されることになる。半導体処理システム４００と同様に、半導体処理システム１４００のコントローラ２８０は、制御可能なギャップＧ_ｉを制御して通過帯域波長の掃引を実行し、同様に、取得された画像がコントローラ２８０によって受信される。他の全ての点において、半導体処理システム１４００の動作は、前述した半導体処理システム４００の動作と同じであり、取得された「イメージスタック」又は「イメージキューブ」は同じである。波長調整可能フィルタ２５０の位置の同様の変更は、図２Ａの半導体処理システム３００でも行うことができる。

【0082】

同様の参照番号が図３Ｂと同じ要素を示す図６Ｂでは、本発明の更なる実施形態による半導体処理システム１６００が示され、ここではアレイ検出器の直前に波長選択が適用される代わりに、照射ビーム波長が変化する。半導体処理システム１６００は、照射光源３３２と照射ウィンドウ３３０との間で照射ビーム３３４中に波長調整可能フィルタ３５０が配置されている点で、半導体処理システム６００とは異なる。この実施形態では、波長調整可能光学フィルタ３５０の通過帯域波長の変化が、照射ビーム３３４の波長を変化させる。したがって、波長調整可能フィルタ３５０の通過帯域波長が変化するにつれて、アレイ検出器３６０によって取得された各画像は、波長調整可能フィルタ３５０によって選択された瞬間通過帯域波長で取得されることになる。半導体処理システム６００と同様に、半導体処理システム１６００のコントローラ３８０は、制御可能なギャップＧ_ｉを制御して通過帯域波長の掃引を実行し、同様に、取得された画像がコントローラ３８０によって受信される。他の全ての点において、半導体処理システム１６００の動作は、前述した半導体処理システム６００の動作と同じであり、取得された「イメージスタック」又は「イメージキューブ」は同じである。波長調整可能フィルタ３５０の位置の同様の変更は、図３Ａの半導体処理システム５００でも行うことができる。

【0083】

半導体処理システム１４００及び１６００は両方とも、基板上のプロセス結果を診断するためにリフレクトメトリを利用する。したがって、回折光学スペクトル９５０（図５Ａ、図５Ｂ、及び図５Ｃ）を抽出する方法、イメージキューブの画像における画素位置と基板上の位置との空間的対応を確立する方法、回折光学スペクトル９５０、層及びフィーチャの決定され得る特性、の抽出のために画素９４０の領域（図５Ａ、図５Ｂ、及び図５Ｃ）を選択する方法、に関する前述の議論、並びに半導体処理システム３００、４００、５００、及び６００に関するそれに付随する利点は全て、半導体処理システム１４００及び１６００にも当てはまる。

【0084】

前述の議論は、２ｎｍレンジの良好なスペクトル分解能、及びスループットを犠牲にすることなく信号対雑音比（ＳＮＲ）を改善する能力ゆえに、ハイパースペクトルイメージング（ＨＳＩ）にファブリペロー共振器を使用することに焦点を当てた。これらの特性により、ファブリペロー共振器は、多くの半導体診断アプリケーションにおける高速で小型の分光計の代わりに使用できる。音響光学調整可能フィルタ及び液晶調整可能などの他のフィルタも特定の用途で使用できるが、それらの性能、特にスペクトル分解能及び通過帯域波長スイッチングの速度は異なる。軍事用途、並びに農業及び土地管理用途などの、一部のリモートセンシング用途で行われているように、ハイパースペクトルイメージング（ＨＳＩ）は、薄層バンドパスフィルタのセットを使用して行うこともできる。これらフィルタのスペクトル分解能は１～１０ｎｍの範囲にある。この分解能は、特定のそれほど要求が厳しくない用途にとって、及び多くの波長又は間隔が密接した波長をサンプリングする必要がある場合に、完全に適切であり得る。

【0085】

前述した実施形態の集光光学部品１４５、２４５、３４５、７４５、及び対物レンズ７４８において使用されるレンズは、光線の平行性、深さに関係ない一定の画像倍率、又はその両方を確保するために、テレセントリック又は両側テレセントリック（すなわち、物空間及び像空間の両方においてテレセントリック）であってもよい。図１Ａ、図１Ｂの実施形態では、両側テレセントリックレンズは、プラズマ処理チャンバ内で視野及び深さにわたってサンプリングされるプラズマ光学発光のより良いバランスを提供する。図２Ａ、図２Ｂ、図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ、図４Ｂ、図６Ａ、図６Ｂの実施形態では、両側テレセントリックレンズは、異なる位置及び異なる深さで取得された画像の異なる部分からの倍率及び寄与が等しいことを確実にする。

【0086】

関連する技術分野の当業者であれば、上述の教示を踏まえて多くの修正形態及び変形形態が可能であることを理解できる。当業者は、図に示されている様々な構成要素に対する様々な等価な組み合わせ及び置換を認識するであろう。したがって、本発明の範囲は、この詳細な説明によってではなく、むしろ本明細書に添付された特許請求の範囲によって限定されることを意図している。

【図1A】

【図1B】

【図2A】

【図2B】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図6A】

【図6B】

【国際調査報告】