JPH04340404A

JPH04340404A - 薄膜処理制御方法

Info

Publication number: JPH04340404A
Application number: JP3268664A
Authority: JP
Inventors: Frederick Heinz Tony; トニー・フレデリック・ハインツ; Gary S Selwyn; ゲイリー・ステュワート・セルウィン; Syothi Singh; ジョシー・シング; Jr John A Spinetti; ジョン・アンソニー・スピナッティ・ジュニア
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1990-10-30
Filing date: 1991-09-20
Publication date: 1992-11-26
Anticipated expiration: 2011-02-21
Also published as: JPH0816607B2; US5294289A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一般に、光学測定技術
に関するもので、より詳しくは、特に、物質の堆積，除
去，および反応に関する製造工程の制御における、とり
わけ、集積回路の製造における、高分解能での界面や層
厚の検出に関するものである。

【０００２】

【従来の技術及びその課題】現代の電子デバイスおよび
光電子デバイス等は、物質の堆積，反応，変更（例えば
、アニール），および除去という多数の工程の繰り返し
によって形成された複雑な構造を有している。これらの
工程は、個々のデバイス，集積回路，（スパッタリング
によって形成された表面のような）磁気記録媒体，およ
び磁気記録装置の製造に共通である。このような応用に
おけるラテラル構造の一般的な寸法は、１ミクロンの範
囲にあることが多く、層厚は、これより遥かに小さく、
ときには、１００オングストロームの範囲になることも
ある。１００オングストロームの厚さは、約５０個の原
子層に相当する。工程の間の寸法の正確な測定が、デバ
イスの性能や製造工程の歩留りにとって、極めて重要で
あることが容易に理解されよう。

【０００３】重大な一般的問題の１つは、物質の除去の
間の界面検出である。物質除去は、化学エッチングのよ
うな方法により、あるいは、反応性イオン・エッチング
のようなプラズマ処理により行うことができる。所望の
全物質が除去されたが、下層はあまりエッチングされて
いない時間を決定することは、一般に必要である。これ
は、いわゆる終点検出を構成する。エッチングされた物
質と下層の物質は、シリコン層上に二酸化シリコンとい
うように、しばしば、異なる組成を有している。しかし
、それらは本質的に、それらの結晶構造あるいはドーピ
ング・レベルにおいて異なり、おおよその化学組成にお
いては異ならない。これは、終点検出の問題に対する課
題を与える。例えば、バイポーラ・トランジスタの製造
において、エミッタを開口する工程は、多結晶シリコン
の堆積層の領域を、エピタキシャル（単結晶）層までエ
ッチングすることを含んでいる。この工程は、一般に、
リアル・タイム制御の明白な手段を提供しない反応性イ
オン・エッチングによって行われる。しかし、不適切な
エッチングの結果は、重大である。アンダーエッチング
は、トランジスタ利得の低下を招き、一方、オーバーエ
ッチングは、イントリンシック・ベース領域とエクスト
リンシック・ベース領域との間の低級なコンタクトを生
じる。

【０００４】いくつかのエッチング工程は、上層の選択
的除去と、下層物質の低速除去とを与えるが、これは実
際には必ず達成できるとは限らない。現実の製造工程に
は、エッチング速度の高速化や比較的安全な化学物質の
使用といった、多数の制約がある。この工程はまた、大
きな異方性エッチング速度を要求する。これらの条件は
、総体的に、選択性の高いエッチングを利用することが
できないことを意味している。この場合、製造工程にお
いてエッチング処理の進行を監視する能力が、非常に重
要になる。

【０００５】これに関連するのは、有限寸法の層厚の決
定の問題である。これは、所定の厚さの層を得るために
物質を除去したり、あるいは、所定の厚さの層が得られ
るまで物質を堆積させたりするのに関連している。１つ
の例として、電界効果トランジスタのゲート絶縁物を考
えてみる。絶縁領域の層厚は、スイッチング電圧に影響
し、層厚の均一性は、集積回路のトランジスタの性能の
均一性に影響する。２物質の反応によって形成される層
の厚さは、非常に興味深くもある。こうした状況は例え
ば、酸素を含む気体種との化学反応によって酸化シリコ
ン層を形成したり、半導体デバイスにおいてコンタクト
を形成するための重要な工程である、金属ケイ化物をシ
リコン表面に形成したりするときに発生する。

【０００６】注目すべきことは、酸素の存在下で室温で
のシリコンの酸化や、ケイ化物の形成のような、いくつ
かの反応および表面の変更が自然に発生することである
。しかし、こうした自然反応は、一般に、有用なデバイ
スの製造には重要でない浅い所でのみ発生する。しかし
、こうしたプロセスは、例えば高温のような適切な条件
を課することにより、制御可能な方法で行うことができ
る。これにより、制御可能な表面反応および変更を考え
ると、比較的低温下で自然に発生し、製造工程を制御す
るという意味において制御不可能な反応や変更は、排除
することが意図されている。

【０００７】工程に続いて薄層の厚さやその他の特性を
調べるために、数多くの技術が開発されている。処理後
分析のための重要な技術の一つは、２次イオン質量分析
法である。この処理は、物質が、イオン・ビームの衝突
によって放出されたとき、質量分析手段によって、それ
を検出することを含んでいる。この技術は、層の化学組
成や厚さについて重要で正確な情報を提供するが、検査
対象の試料を破壊するので、破壊的といえる。それに、
破壊的特性が容認されるにしても、その場測定には不向
きである。同様の考察が、処理後分析のための、よく知
られている他のアプローチである電子顕微鏡による測定
および直接機械的測定に適用される。表面分析に適切な
、他のいろいろな方法は、非常に高い感度を与えること
ができる。これらの方法は、電子線回折技術（ＬＥＥＤ
とＲＨＥＥＤ），電子エネルギー損失分光法，オージェ
電子分光法，光電子分光法などである。しかし、この後
者の方法は、すべて、高真空環境に限定され、実際的な
処理条件の下では用いることができない。

【０００８】注目すべきことは、その場プロセス監視に
適切でない全技術および破壊的テスト技術は、特に、適
切なプロセスの試行錯誤的発展、および、所望の構造を
形成するためのプロセスそのものの反復可能性に依存し
ているということである。試行錯誤的プロセスの発展は
、プロセスのコストを増大させ、反復可能性への信頼は
、特に、終点および厚さが重要な意味を持つデバイスに
おける歩留りを、減少させる。

【０００９】製造環境におけるリアル・タイム，その場
分析のための、非破壊的技術は、上記に要約したよりず
っと少ない。非破壊的技術は、一般に光学的である。し
かし、ある場合においては、電子的測定法の方が適切で
、製造環境に依拠している。

【００１０】電気的技術は、通常、電気抵抗の測定、あ
るいは表層に平行または垂直に層に電流を流すことによ
って決定される電気の電圧依存性の測定に依存している
。このような測定分析は、非常に複雑である。なぜなら
、観察された抵抗は層厚の他に、層の幅，下層構造の影
響，および物質の特性のような様々なファクタに依存し
ているからである。また、測定は、接触抵抗のようなフ
ァクタによって強く影響されるかもしれないし、合理的
な導電率を有する物質への適用に制限されるのは明白で
ある。これらの技術の改良は、印加電圧と誘導電流との
関係、すなわち電圧依存性実効抵抗におけるわずかな非
線形性を検出することを可能にする。これらのアプロー
チは、物質の欠陥を識別するのに特に有用であるが、界
面を検出して層厚を決定する方法を必ずしも改良すると
はいえない。処理的観点からすると、電気的測定は好ま
しくない。電気的測定は、一般に、侵略的で、テスト中
の物質に電流を流すことが必要であり、デバイス、すな
わち、検査中の物質領域に接触することが必要である。これは実際的な困難、例えば、その接触のための領域を
設けたり、ポテンシャル・インテグレーション密度を制
限したり、ある種の処理環境を用意したりする困難が伴
う。このような実際的制限は、いくつかのデバイスに対
するアプローチを、全く非実用的にしたり、プラズマ・
エッチャントあるいは液体化学エッチャント液のような
典型的な環境では不可能にしたりする。

【００１１】上述の電気的テスト技術は、米国特許第４
，５６２，０８９号明細書において、抵抗測定に依存す
る技術を例示し、米国特許第４，４９６，９００号明細
書において、領域に交流電圧を印加し、電圧依存性導電
率から生じる電流応答の印加電圧周波数の第２高調波を
観察して欠点を検出する技術を例示している。

【００１２】また注目すべきことは、導電特性の測定は
、物質のバルク内での効果であり、導電領域の幾何学的
形状および、プラズマ・エッチャントあるいは化学エッ
チャント液の存在のような周囲条件によって影響を受け
ることである。その結果、米国特許第４，５６２，０８
９号明細書によって開示された技術は、典型的な製造工
程環境において使用できそうになく、絶縁体構造の組成
、および上述のエミッタ開口技術のような問題の監視に
は明らかに適用不可能である。どちらも、物質のバルク
中の電流経路よりもむしろ、表面にほぼ平行な領域の監
視を含む。例えば、電流路は、十分な物質がエッチング
されないまま残っているときは不連続になり、あるいは
領域の他の部分でオーバーエッチングが起こっていると
きは連続のままである。

【００１３】リアル・タイム，その場分析のための最も
広く応用可能な方法は、光学を基礎としている。光学的
方法は、化学エッチング，反応性イオン・エッチング，
およびプラズマ強化蒸着において見出されるような、広
範囲に変化する環境条件に適合することができる。純光
学的アプローチは通常、非破壊的かつ非侵略的という利
点も持つ。さらに言えば、この方法は、適切な光ビーム
をフォーカスしたり、結像技術により、（約１μｍまで
の）ラテラル分解能を生じさせることができる。

【００１４】大抵は、表面構造の直接的検査に関する光
学的方法は、試料の反射率の直接測定を含んでいる。光
放射は一般的に、数１００個あるいは数１０００個の原
子間隔（１００ｎｍより大きい距離）を貫通するので、
非常に正確な工程制御を要求する分解能である、１また
は数個の原子層のレベルの感度を得るのは難しい。反射
率測定の感度は、測定に使われる光の波長の適切な選択
といった、種々の方法で強化できる。最も一般的な改良
は、楕円偏光法の使用である。

【００１５】この確立された技術において、反射光の偏
光が分析される。偏光は適切な計測方法を用いて非常に
正確に測定することができるので、この方法は、物質層
の表面の特性および層厚における変化に対して非常に敏
感である。しかし、この方法は、かなりの実際的制限を
伴う。数個の原子層による膜厚の変化に関連した、偏光
の非常に小さな変化は、バルク材料から生じる他の影響
によって、簡単にマスクされる。これらの影響は、微小
な温度変化および歪の存在などの影響を含んでいる。ま
た、製造環境の測定は難しく、幾何学的配置および幾何
学的安定に対する厳しい要求が課される。さらに、ウィ
ンドゥの光学的特性、特に、応力誘導複屈折は、測定に
かなりの歪を与える。

【００１６】層厚決定および界面検出のための異なる改
良光学技術が、米国特許第４，７１３，１４０号明細書
において開示されている。この明細書によって開示され
た技術は、ダイレクト・バンド・ギャップ半導体のルミ
ネセンスに依存している。このアプローチには多くの重
要な制約がある。まず、この方法はダイレクト・バンド
・ギャップ半導体にのみ適切で、今日の電子産業にとっ
て、非常に重要な物質である、シリコン，金属，および
絶縁体には適切でない。さらに、放出ルミネセンスは、
弱いインコヒーレント放射として現われる。その結果、
この技術は小さな領域に適用できる一方で、ルミネセン
ス放射の集光にはレンズが必要であり、レンズは、放射
を集光するために、放射領域に近接して配置されねばな
らないので、非常な困難性を与える。レンズ配置の不正
確さ、および、周囲放射条件に対するプロセスの感度は
、測定結果を大きく歪める。広帯域ルミネセンス放射は
、一般に、波長８００ｎｍ以上の赤色スペクトルである
が、また、一般に存在するバックグラウンド放射（周囲
光，プラズマ放射，あるいは熱放射であろうと）から識
別するには困難があり、少なくとも、半導体製造工程か
ら排除するのは難しい。同じ問題が、表面光散乱および
ラマン散乱のような、インコヒーレント光の放出に基づ
く他の技術を応用する際にも生じる。

【００１７】再び注目すべきは、楕円偏光法も含めた反
射観察は、材料のバルク効果であり、効果は比較的強力
であるが、正確さにおいて本来、制限を受けることであ
る。その原因は、照射放射の材料のバルクへの侵入と、
応答に貢献するそのバルクの厚さとである。この本来的
な制限は、前記明細書の技術においても存在する。

【００１８】より一般的に言えば、ここに開示する発明
に先行する光学技術のすべては、１個の原子層または原
子間隔、すなわち１ナノメータの何分の一のレベルの感
度でもって、物質の表面または界面の感度を与えるよう
に適合させることは困難または不可能である。この困難
性は、光放射の大きい侵入深さに固有であり、バルク材
料の効果は、表面または界面領域を有する薄層の効果よ
りも遥かに大きいことを意味する。上述のように、感度
はときに強化できるが、材料の選択あるいは計測法に厳
しい制限を課する。さらに測定法は、一般に、歪，温度
，あるいは温度勾配等から生じる、バルク材料の特性の
わずかな変化からの潜在的エラーを受け、上述のウィン
ドゥや、工程の間の物質表面に光学的アクセスを与える
他の手段の不完全性によって引き起こされる、光学的ア
クセスでの制限および潜在的エラーを受ける。

【００１９】要約すると、１原子層の感度に近い感度に
よる非破壊的かつ非侵略的な測定に適した方法を発展さ
せるために、あくなき挑戦が続けられている。

【００２０】いくつかの非線形光学効果が、一般に材料
処理とは無関係な分野で、あるいは特に、半導体デバイ
ス製造とは無関係な分野で知られている。例えば、ＳＨ
Ｇ効果はポンプ・ビームの周波数の２倍の周波数の光の
生成からなる。このプロセスは、エネルギーＥの２個の
光子を結合し、エネルギー２Ｅの１個の光子を生成する
こと、すなわち、ポンプ放射の周波数の２倍の周波数（
すなわち１／２波長）の光を生成することと考えること
ができる。この効果は、一般化すると，異なる周波数に
対応する異なるエネルギーの光子を結合すること（波混
合，あるいは和および差周波数生成と呼ばれている）で
あり、後に説明する。しかしながら、説明を明瞭にする
ために、本発明は原則として、第２高調波生成効果にに
よって説明する。

【００２１】この効果の存在は、高強度レーザ放射の出
現後しばらくして証明された。このプロセスは、コヒー
レントであり、コリメートされたポンプ・ビームによっ
て誘導されるときにコリメート放射を引き起こす。適切
な複屈折非線形結晶においては、ＳＨＧプロセスは非常
に効率的となることができる。このように、高強度レー
ザと協力して、新しい周波数の光を発生させるために、
ＳＨＧは広く用いられている。しかし、ＳＨＧプロセス
は、多数の物質のバルク内では（非常に良好な近似に対
して）禁じられている。これらはすべて、対称中心を示
す物質（反転対称あるいは点対称物質）である。点対称
物質は、本質的に、すべての液体および気体を含み（な
ぜなら、ランダムな分子位置はどんな角度からも同じに
見えるので）、本質的に、すべての基礎的な固体を含む
。電子産業のための点対称物質の重要な例は、シリコン
，ゲルマニウム，大半の金属，ケイ化物，および（非晶
質）二酸化シリコンのような大半の絶縁物である。これ
らの物質にとって、ＳＨＧプロセスは、バルク物質の反
転対称性が破られる表面および界面においてのみ、認め
られる。これらの物質からのＳＨＧは、表面あるいは界
面での約１原子層の貢献によって支配される。これによ
り、ＳＨＧプロセスは、他の光学的アプローチには見出
されない、表面および界面特性に対する感度を与えられ
る。最近数年間に、ＳＨＧプロセスは、様々な科学的研
究、あるいは表面および界面特性において利用されてき
た。吸着分子の単一層の密度および方位の問題のような
課題が、研究されてきた。この技術は、また、超高真空
状態下の表面の状態や電子構造の性質を明らかにするべ
く、適用されてきた。

【００２２】この技術を採用する科学研究の概観は、“
Ｏｐｔｉｃａｌ　　Ｓｅｃｏｎｄ−Ｈａｒｍｏｎｉｃ　
　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　　ｆｒｏｍ　　Ｓｅｍｉｃｏ
ｎｄｕｃｔｏｒ　　Ｓｕｒｆａｃｅｓ”　　ｂｙ　　Ｔ
．Ｆ．Ｈｅｉｎｚ　　ｅｔ　　ａｌ．，Ｐｕｂｌｉｓｈ
ｅｄ　　ｉｎ　　Ａｄｖａｎｃｅｓ　　ｉｎ　　Ｌａｓ
ｅｒ　　Ｓｃｉｅｎｃｅ　　ＩＩＩ，ｅｄｉｔｅｄ　　
ｂｙ　　Ａ．Ｃ．Ｔａｍ，Ｊ．Ｌ．Ｃｏｌｅ　　ａｎｄ
　　Ｗ．Ｃ．Ｓｔｗａｌｌｅｙ（Ａｍｅｒｉｃａｎ　　
Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　　ｏｆ　　Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｎｅ
ｗ　　Ｙｏｒｋ，１９８８）ｐ．４５２によって与えら
れ、参考文献として引用されている。ＳＨＧ効果を理解
するのに有用な他の出版物は、次のようなものがある。 “Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　　Ｏｐｔｉｃｓ　　ｏｆ　　Ｓ
ｕｒｆａｃｅｓ　　ａｎｄ　　Ａｄｓｏｒｂａｔｅｓ”
ｂｙ　　Ｔ．Ｆ．Ｈｅｉｎｚ，ＬＢＬ−１５２５５，ｐ
ｈ．Ｄ．Ｔｈｅｓｉｓ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　　ｏｆ
　　Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ，Ｂｅｒｋｅｌｅｙ，Ｎｏｖ
ｅｍｂｅｒ，１９８２；“Ｓｕｒｆａｃｅ　　Ｓｔｕｄ
ｉｅｓ　　ｂｙ　　Ｓｅｃｏｎｄ　　Ｈａｒｍｏｎｉｃ
　　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：Ｔｈｅ　　Ａｄｓｏｒｐｔ
ｉｏｎ　　ｏｆ　　Ｏ２　，ＣＯ，ａｎｄ　　Ｓｏｄｉ
ｕｍ　　ｏｎ　　ｔｈｅ　　Ｒｈ（１１１）Ｓｕｒｆａ
ｃｅ”　　ｂｙ　　Ｈ．Ｗ．Ｋ．Ｔｏｍ　　ｅｔ　　ａ
ｌ．，Ｐｈｙｓｉｃａｌ　　Ｒｅｖｉｅｗ　　Ｌｅｔｔ
ｅｒｓ，Ｖｏｌ．５２，Ｎｏ．５，Ｊａｎｕａｒｙ　　
１９８４，Ａｍｅｒｉｃａｎ　　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　　
Ｓｏｃｉｅｔｙ，ｐｐ．３４８−３５１；“Ｓｔｕｄｙ
　　ｏｆ　　Ｓｉ（１１１）　　Ｓｕｒｆａｃｅｓ　　
ｂｙ　　Ｓｅｃｏｎｄ　　Ｈａｒｍｏｎｉｃ　　Ｇｅｎ
ｅｒａｔｉｏｎ；Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　　ａ
ｎｄ　　ＳｕｒｆａｃｅＰｈａｓｅ　　Ｔｒａｎｓｆｏ
ｒｍａｔｉｏｎ”　　ｂｙ　　Ｔ．Ｆ．Ｈｅｉｎｚ　　
ｅｌ　　ａｌ．Ｐｈｙｓｉｃａｌ　　Ｒｅｖｉｅｗ　　
Ｌｅｔｔｅｒｓ，　　Ｖｏｌ．５４，Ｎｏ．１，Ｊａｎ
ｕａｒｙ　　１９８５，ＡｍｅｒｉｃａｎＰｈｙｓｉｃ
ａｌＳｏｃｉｅｔｙ，ｐｐ．６３−６６；“Ｓｔｕｄｙ
　　ｏｆ　　Ｓｙｍｍｅｔｒｙａｎｄ　　Ｄｉｓｏｒｄ
ｅｒｉｎｇ　　ｏｆ　　Ｓｉ（１１１）−７ｘ７　　Ｓ
ｕｒｆａｃｅｓ　　ｂｙ　　Ｏｐｔｉｃａｌ　　Ｓｅｃ
ｏｎｄ　　Ｈａｒｍｏｎｉｃ　　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ
”，ｂｙ　　Ｔ．Ｆ．Ｈｅｉｎｚ　　ｅｔ　　ａｌ．，
Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．，Ｂ３（５），
Ｓｅｐｔ．／Ｏｃｔ．　　１９８５，Ａｍｅｒｉｃａｎ
　　Ｖａｃｕｕｍ　　Ｓｏｃｉｅｔｙ，ｐｐ．１４６７
−１４７０；“Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　　Ｏｐｔｉｃａｌ
　　Ｓｔｕｄｙ　　ｏｆ　　Ｓｉ　　Ｅｐｉｔａｘｙ”
，ｂｙ　　Ｔ．Ｆ．Ｈｅｉｎｚ　　ｅｔ　　ａｌ．，Ｍ
ａｔ．Ｒｅｓ．Ｓｏｃ．Ｓｙｍｐ．Ｐｒｏｃ．，Ｖｏｌ
．７５，１９８７，ｐｐ．６９７−７０４，Ｍａｔｅｒ
ｉａｌｓ　　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　　Ｓｏｃｉｅｔｙ；“
Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　　Ｔｒａｓｉｔｉｏｎｓ　　ａ
ｔ　　ｔｈｅ　　ＣａＦ２　／Ｓｉ（１１１）　　Ｉｎ
ｔｅｒｆａｃｅ　　Ｐｒｏｂｅｄ　　ｂｙ　　Ｒｅｓｏ
ｎａｎｔ　　Ｔｈｒｅｅ−Ｗａｖｅ−Ｍｉｘｉｎｇ　　
Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ”ｂｙ　　Ｔ．Ｆ．Ｈｅｉｎ
ｚ　　ｅｔ　　ａｌ．，Ｖｏｌ．６３，Ｎｏ．６，Ａｕ
ｇｕｓｔ，１９８９，ｐｐ．６４４−６４７，Ａｍｅｒ
ｉｃａｎ　　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　　Ｓｏｃｉｅｔｙ；ａ
ｎｄ　　“Ｓｕｒｆａｃｅ　　Ｓｔｕｄｉｅｓ　　ｗｉ
ｔｈ　　Ｏｐｔｉｃａｌ　　Ｓｅｃｏｎｄ−Ｈａｒｍｏ
ｎｉｃ　　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ”，ｂｙ　　Ｔ．Ｆ．
Ｈｅｉｎｚ　　ｅｔ　　ａｌ．，Ｔｒｅｎｄｓ　　ｉｎ
　　Ａｎａｌｙｔｉｃ　　Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ　　８，
ｐｐ．２３５−２４２，１９８９。これらはすべて、Ｓ
ＨＧ効果関係の記事に関する膨大な書誌がもたらす情報
として、参考文献として引用される。このことから、Ｓ
ＨＧプロセスの科学的な面が広く研究され、ＳＨＧ効果
は十分に理解されているものと考える。

【００２３】シリコン，金属，絶縁物のような点対称物
質の表面付近の表面および界面特性を特徴づけるときに
与えられる、ＳＨＧ効果とその精度を要約すると、明ら
かに、ＳＨＧ効果は、対称特性の故に、これらの物質の
バルク効果としては効率的に生じることができない。そ
の結果、照射放射のビームが物質に侵入することのでき
る深さにもかかわらず、ＳＨＧ放射は主に、物質の表面
または界面に存在する非対称性に起因して発生する。こ
の効率的なＳＨＧは、１原子層に匹敵する厚さの層にお
いてのみ発生する。この効果は、図１（ａ）に示した、
超高真空状態下でのＳｉ（１１１）面の酸化に関する実
験結果において立証されている。この場合、酸化反応は
、約１原子層（約０．２ｎｍ）を形成するまで続く。ＳＨＧ効果における劇的な効果は明瞭に観察できる。

【００２４】図１（ｂ）には第２の例を示したが、結晶
質シリコン上の非晶質シリコンの堆積の深さを変えた場
合の、任意単位でのＳＨＧ放射を示している。このよう
に、ＳＨＧ効果は、界面の両側の２物質間の化学的相違
が存在しない、結晶構造および界面深さに基づいて、相
対的に説明できることがわかる。

【００２５】界面に関する第３の例を図２に示している
。このデータは、種々のポンプ・レーザ周波数（光子エ
ネルギー）に対するＳＨＧ効果を、２つの異なる試料で
示している。白丸２３０で示したのは、酸化物層（図１
に示した物質）によって被覆されたシリコン表面であり
、黒丸２１０および適応曲線２２０で示したのは、カル
シウム・フッ化物層によって被覆されたシリコン表面で
ある。この場合、被覆層の深さは、放射周波の周波数が
変化する間、一定に保たれる。応答において注目すべき
相違は、２つの場合の界面の異なる性質に帰することが
できる。曲線２２０の周波数に対するＳＨＧ応答の注目
すべき変動は、ＳＨＧ効果が、ある物質に対して、およ
び複数の物質間での周波数選択的であることを示してい
る。特に注目すべきは、下側の曲線２３０は、比較的平
らな間、図１（ａ）によって同様に測定可能であること
を、明らかに示しているということである。

【００２６】上記の引用文献に私的され、図１（ａ），
図１（ｂ），および図２にも示したように、ＳＨＧ効果
の測定は、表面および界面の性質に関するかなりの量の
情報をもたらすことができる。ＳＨＧ効果は、極端に高
い感度で界面や表面特性を特徴づける、実験データ群の
拡張に可能性を与える。ＳＨＧプロセスは、異なる化学
組成の物質間の界面のみならず、化学組成が同じで結晶
構造が異なる物質、例えば、図１（ｂ）に示したように
、非晶質または多結晶性シリコンと結晶性シリコンの間
の界面を識別することができることも述べておかねばな
らない。上部表面の下側の界面からのＳＨＧ効果は、一
般に、分離問題に対して強い依存性を示す。原子スケー
ルでは、上部表面からの分離距離は、数原子層まで減少
するので、この感度は、界面の摂動構造および電子的特
性から発生する。より大きな長さスケールでは、他のフ
ァクタが関係するようになる。すなわち、基本周波数で
のポンプ放射の表面への伝搬効率、および、被覆層を通
しての第２高調波放射の漏れの効率である。さらには、
上部表面の貢献から発生する干渉効果、および被覆層の
低部界面からの干渉効果は、分離上の観察されたＳＨＧ
信号の感度を強めることができる。こうした効果の結果
、発生された第２高調波放射の量は、物質の界面と表面
が互いに接近あるいは離間するにつれ、一般に大きく変
化する。

【００２７】点対称媒体におけるＳＨＧプロセスの使用
は、今日までの所、表面および界面特性の科学的研究に
制限されている。これらの科学的研究において、環境に
対して高度な制御を行うことが可能である。例えば、周
囲放射の量は、もし必要なら減らすことができる。より
重要なことには、図１（ａ），図１（ｂ），および図２
に示された研究例は、高度な理想状態、典型的な超高真
空状態で実行されている。反応性イオン・エッチングに
おけるプラズマ、またはプラズマ強化気相成長法に存在
するような放射源は存在しない。さらに言えば、試料の
表面温度は一般に十分に低いので、試料は、十分な量の
可視的熱放射を放出しない。現実的な処理条件の下では
、こうはならない。なぜなら、温度が１０００℃に近づ
くことはよくあることだからである。また、シリコンに
おけるＳＨＧ効果は明らかに、温度上昇と共に弱くなり
、問題を複雑にしていることもわかった。こうした困難
があるので、特にプラズマあるいは高い表面温度の存在
下で、エッチング，堆積，およびその他の反応の測定に
、この技術は潜在的にさえ適しているとは考えられてい
なかった。

【００２８】そこで、デバイス製造におけるエミッタの
開口工程についての、上述の処理を考えてみる。ＳＨＧ
効果の使用はすぐれた結果を生む可能性があるが、その
確立されたアプローチは、測定を実行するために、エッ
チング・チェンバからウェハを取り出している。このよ
うにＳＨＧ効果の観察は、原子間隔のオーダの分解能を
供給できるが、実際のデバイスにおけるこのような精度
の実現には、１原子層の各工程でのエッチング、および
各工程後の検査が必要で、製造工程における複雑さを非
常に増大させていた。

【００２９】要するに、測定技術能力および半導体製造
技術の現状は、双方の十分な能力を同時に実現できる手
段の必要性を示している。特に、ＳＨＧ効果の観察は１
原子間隔の界面位置の分解能を与え、物質堆積および除
去の現技術が同等の精度を理想的に与えることができる
が、そうした能力は、そのような物質堆積，除去または
変更の間、それを観察および制御するために、ＳＨＧ効
果を監視できるのでなければ、実際には実行不可能であ
る。

【００３０】

【課題を解決するための手段】本発明の目的は、物質の
堆積，反応，変更，または除去の工程を、１原子間隔あ
るいはそれ以上の精度で、その場監視する方法を提供す
ることにある。

【００３１】本発明の他の目的は、特に物質処理の間に
、とりわけ反応性イオン・エッチングのようにプラズマ
の存在下で処理の間に存在する、周囲放射状態に比較的
低感度の、ＳＨＧ効果を監視する光学的観察技術を提供
することにある。

【００３２】本発明のさらに他の目的は、電子デバイス
，光電子デバイス，光磁気記憶媒体，光磁気記憶装置の
製造に用いられる処理工程において、シリコン，ゲルマ
ニウム，シリコン・ゲルマニウム合金，遷移金属，貴金
属，珪化物，酸化物，重合体を含むがこれらに限定され
ない、半導体，金属，絶縁体を含む点対称物質における
ＳＨＧ効果を、高精度で観察する装置および方法を提供
することにある。

【００３３】本発明のさらに他の目的は、ＳＨＧ観察に
おける信号対雑音比を増大させる装置および方法を提供
することにある。

【００３４】本発明のまた別の目的は、悪環境、例えば
プラズマ中あるいは光学的アクセスが制限される環境に
おいて使用可能な、非干渉的，その場，リアル・タイム
なプロセス観察のための装置および方法を提供すること
にある。

【００３５】前述の目的を達成するために、物質表面の
一部に第１の所定の周波数のコヒーレント光を照射し、
前記物質の前記表面を、第１の所定の周波数の２倍の第
２の所定の周波数で観察し、物質の処理を制御する方法
が提供される。

【００３６】本発明の別の面によれば、光第２高調波を
発生する手段と、強度の周囲放射あるいはプラズマが存
在しても、前記光第２高調波を検出する手段とを有し、
処理中に物質の表面を監視する装置が提供される。

【００３７】本発明のさらに他の面によれば、物質構造
に所定の周波数の放射を照射するステップと、前記物質
構造からの放射の変化を、前記所定の周波数とは異なる
別の周波数で観察するステップを含む、物質処理の進行
を監視する方法が提供される。

【００３８】

【実施例】本発明は基本的に、表面または界面の１原子
層に生じる非線形光学効果を、物質処理の分野に、特に
半導体デバイスの製造に適用する。好適な実施例では、
処理中の物質に対する第２高調波発生を、物質処理工程
に典型的な悪周囲条件においてさえも、励起し検出する
ことができる方法を開示する。本発明の好適な実施例は
、プラズマあるいは他のソースからの、強い周囲光また
は熱放射を含む処理環境において観察可能な１原子層か
らの弱いＳＨＧ効果を生じさせる技術の組合せを用いる
。本発明により採用した技術は、ＳＨＧ効果の特定の特
性を利用することによって、信号対雑音比を改良してい
る。とりわけ、上記複数の引用文献において詳細に指摘
されているように、ＳＨＧ効果は、レーザ・パルスによ
る照射により発生し、基本的にレーザ・パルスの終了後
直ちに終了する。ＳＨＧプロセスは、コヒーレント・プ
ロセスであり、したがって試料から反射ビームを発生す
る。反射ビームは、狭い周波数スペクトルを有するコリ
メート・ポンプ・ビームによって励起されるときに、狭
帯域周波数空間でコリメートされる。さらに、ある好適
に規定された関係が、第２高調波フィールドの偏光と、
放射表面または界面の対称性によって決められる基本周
波数でのポンプ・ビームの偏光との間に確立されている
。その結果、本発明の好適な実施例は、時間的，空間的
，およびスペクトル・フィルタリングの組合せを取り入
れている。本発明の別の面は、光信号の直交２偏光成分
を同時に監視する並行検出チャネルを与えることにより
、非偏光バックグラウンド放射からの所望の信号を識別
する技術を改良している。そのため、出力は、２チャネ
ル中に検出される信号間の差からなり、非偏光バックグ
ラウンド放射の通常光源に付随するどんな関与も抑制し
ている。

【００３９】図面、特に図３を参照すると、発明全体１
０の略図が示されている。このシステムのキー要素はレ
ーザ光源１２であり、このレーザ光源は、高強度のポン
プ・パルスを発生し、処理環境１１にある試料１９に、
基本周波数ωで照射する。レーザからのポンプ放射は、
偏光子１４によって偏光され、スペクトル・フィルタリ
ング１５によってスペクトル的にフィルタリングされ、
アパーチャ１６によって空間的にフィルタリングされる
。出射された第２高調波（ＳＨ）放射は、フィルタ２３
によってスペクトル的にフィルタリングされ、アパーチ
ャ２２によって空間的にフィルタリングされる。好適な
実施例では、検出システムは２チャネルで構成され、第
２高調波周波数２ωでの放射の直交２偏光成分の同時検
出を可能にする。検出システムは、フォーカシング光学
デバイス２５，２９を有し、モノクロメータ２６，３０
による狭帯域スペクトル・フィルタリングと、センサ２
７，３１による光の検出とを行う。センサからの信号は
、時間ゲート電子回路３２，３３，および比較器３４に
よって処理される。比較器３４は、プロセス監視に用い
られる最終的な電気出力を発生する。

【００４０】図３から明らかなように、レーザ１２はコ
リメート光の短く強いパルスを発生する。好適な実施例
では、レーザ１２は、中心周波数ωの狭帯域スペクトル
を有し、代表的にはナノ秒の持続時間を有するパルスを
発生する。例えば１．０６μｍ出力のＱスイッチＮＤ：
ＹＡＧレーザなどからである。本発明はまた、マイクロ
秒からフェムト秒に至る持続時間を有する、適切なポン
プ・レーザと共に用いられることができる。さらに注目
すべきは、レーザ光源は周波数可変で、そのため、当の
問題を処理する物質に最適の動作周波数を利用すること
ができる。本発明によると、レーザ光は、ミラー１３を
反射した後、偏光子１４を通過する。偏光子１４は、非
偏光レーザからのビームに、調節できる明瞭な偏光を与
える。偏光出力を有するレーザに対しては、偏光子１４
は付加的制御を与え、偏光回転子と共に用い、ポンプ・
ビームの任意の偏光を得る。スペクトル・フィルタ１５
は、ポンプ・レーザの正規の狭帯域外の放射を除去する
ように、設計されている。特に重要なのは、スペクトル
・フィルタ１５は、ポンプ・レーザの第２高調波周波数
２ωの光のトレースを除去することである。なぜなら、
ポンプ・レーザの第２高調波周波数２ωの光のトレース
は、試料から発生する弱い第２高調波信号の検出を妨害
するからである。フィルタ１５は、適切な半導体ドープ
ト・ガラスに見出されるように、強いカットオフを有す
る着色ガラス・フィルタで構成することができる。続い
て、ポンプ・レーザ・ビームはアパーチャ１６を通るが
、アパーチャ１６は、空間的に十分にコリメートされて
いないポンプ・レーザ・ビームの成分を除去するのに役
立つ。ポンプ・ビームはミラー１７によって反射され、
窓１８を通り、試料表面１９の所望の部分に向う。この配置は、ポンプ・ビームが空間的にコリメートされ
、基本周波数ωのスペクトル的に狭い帯域を有し、放射
は短いパルスの形を取ることを保証する。

【００４１】ポンプ放射が試料１９と衝突すると、ＳＨ
Ｇプロセスは、試料へのポンプ放射の強度および偏光に
依存する効率でもって引き起こされる。ＳＨＧ放射の強
度および偏光は、試料の状態によって決められる。試料
によって引き起こされたＳＨＧは、ポンプ・レーザのち
ょうど２倍の周波数を持つコヒーレント・ビームとして
出現し、反射されたポンプ放射と同じ光路に沿って伝搬
される。本発明によれば、結合されたポンプ放射および
第２高調波放射は、窓２０を通り処理チェンバの外へ通
過する。ポンプ周波数および第２高調波周波数の結合放
射は、チェンバからのバックグラウンド放射と共に、ミ
ラー２１に入射する。好適な実施例では、これはダイク
ロイック・ミラーで、大半の基礎周波数の放射を透過す
るが、第２高調波周波数の高効率放射は反射するように
構成されている。これはスペクトル・フィルタリングの
初期段階を与え、光路からの高エネルギー・レーザ・パ
ルスを除去し、このようにしてデリケートな計測器具の
損傷に関して生じうる全問題を回避する。この放射は、
アパーチャ２２によって空間的にフィルタリングされる
。アパーチャ２２は、コリメートされた第２高調波ビー
ムが妨害を受けず通過するのに必要な最小サイズに調整
されている。フィルタ２３はさらに、スペクトル・フィ
ルタリングを与え、レーザの基本周波数で極小の透過を
行えるように構成され、それによって残りのポンプ放射
すべてを排除する。このフィルタは、着色ガラス・フィ
ルタ、あるいは帯域干渉フィルタを用いるのが好適であ
る。

【００４２】試料の異なる領域を検査するために、ミラ
ー１７，２１を回転し、移動することができる。全光学
配置を保持するために、これらミラーを同期して移動す
ることのできる機構を設けるのが望ましい。特に、この
装置の好適な実施例は、ビームが試料の所望の領域に向
うことを可能にする。この領域には、以下に説明される
ように、基準あるいはテスト構造を用意できる。図示の
光学配置を付加的光学要素によって補償して、よりタイ
トなフォーカスのポンプ・ビームを試料に与え、必要な
らば反射第２高調波放射のコリメーションを与える。こ
のようにして、より高い空間分解能を得ることができる
。検出システムにおいて、等方性バックグラウンド放射
に対する識別を保持するために、コリメートされたある
いはほぼコリメートされたポンプ・レーザ・ビームを使
用するのが望ましい。このビームのサイズは、必要なら
ば、ビーム・コンデンサ、例えばガリレイ望遠鏡によっ
て、ポンプ・レーザにより生成されるサイズ以下に好適
に縮小することができる。

【００４３】本発明の好適な実施例においては、２チャ
ネル検出システムが実施される。２つのパラレル検出チ
ャネルに入る光ビームは、偏光ビーム・スプリッタ２４
によって発生される。この装置は、１つの偏光を選択的
に透過し、直交偏光を図示のように反射する。上述した
ように、光のｐ−成分とｓ−成分は分離されるものとす
る。（これらの用語は、通常の使用に従って、試料表面
への光の入射面に，それぞれ平行または垂直な偏光ベク
トルを有する光に関係している。）しかし、状況によっ
ては、ビームを他の直交偏光の組合せに分割するのが望
ましい。これは、偏光ビーム・スプリッタを通過する前
に、偏光回転子を（一般にはバビネの補償板と共に）導
入することにより、行うことができる。偏光ビーム・ス
プリッタに続いて、各チャネルは、フォーカシング光学
デバイス２５（２９），第２高調波周波数２ωに調節さ
れたモノクロメータ２６（３０）のような狭帯域スペク
トル・フィルタ，および周波数２ωで光に対して高感度
を持つ光検出器２７（３１）からなる。光学系のこの最
終段はまた、付加的空間フィルタリングを与え、このフ
ィルタリングは、例えば、モノクロメータの入口スリッ
トにビームをフォーカスするときに生じる。一般に、モ
ノクロメータは１つで十分である。場合によっては、第
２高調波放射２ωという所望の周波数とは別の周波数的
にハイ・レベルの光を抑制するために、２個のモノクロ
メータを使用することが望ましい。また他の場合では、
簡略性とコストのために、干渉フィルタを使用するのが
好適なこともある。モノクロメータの帯域幅は、ポンプ
・レーザの２倍の狭さに作ることができる。例えば、も
しポンプ・レーザが周波数幅Δωを持つならば、モノク
ロメータは、帯域幅がちょうど２Δωのとき、バックグ
ラウンド放射の最大阻止を与える。より広い帯域幅を選
択すると、第２高調波（ＳＨ）信号を増大することなし
に追加のバックグラウンド光を導入し、より狭い帯域幅
はＳＨ信号を減少させる。本発明が必要とする検出器は
、高感度光電子増倍管、または光の数個の光子を吸収し
たときに、簡単に測定可能な電気信号を発生できる同様
の装置である。本発明を実施するときは、光電子増倍管
あるいは他の光検出器を、直接モノクロメータに付加す
るのが望ましく、それにより、周囲光の露光が減る。

【００４４】第２高調波放射は、基本的にはポンプ・レ
ーザの出射と同時に、光電子増倍管に達する。（数ナノ
秒の時間差は、伝搬遅延により発生する。）光検出器の
出力は、レーザが出射されてすぐに測定される。これは
高速ゲート積分器３２（３３）によって素早く達成でき
る。ゲート積分器は電気的にはポンプ・レーザによって
トリガされる。場合によっては、ポンプ・レーザによっ
て励起されたフォトダイオードを用いて、ゲート電子回
路をトリガし、測定における電子的ジッタを最小にする
のが効果的である。高速ゲート積分器が図３に示されて
いるが、同じ目的はまた、光電増倍管に必要な高電圧を
制御することにより、そうでなければ応答に少なくとも
１回のウィンドゥを課することにより達成できる。

【００４５】最後に、各チャネルにおけるゲート電子回
路の電気出力は、比較回路３４において、互いに減算さ
れる。この比較回路からの差信号は、容器１１内の試料
１９の物質処理を監視するために用いられる。この平衡
方式における最適の実施は、バックグラウンド放射の絶
対的な大きさのかなりの変動により、複雑になり得る。例えば、そのような状態は、光発生がｒｆ周波数で時間
と共に変化するｒｆプラズマから、バックグラウンド放
射が発生するときに起こる。この例では、レーザをｒｆ
サイクルの特定部分に同期させるのが望ましいと考えら
れる。このサイクルの適切な部分を選択することにより
、これはそれ自身でバックグラウンド放射を減少させ、
結果的に、実施された他のステップとは無関係の干渉放
射を減少する手段であると考えられる。

【００４６】上述した本発明を利用するために、次のス
テップが、実施の最適化に好適であると考えられる。ポ
ンプ放射の空間的，スペクトル的，時間的特性はチェッ
クおよび最適化され、スペクトル的に狭く、十分にコリ
メートされたポンプ・ビームを短時間パルスで得る。さ
らに、ポンプ放射の偏光は、以下に説明される方法で選
択される。ある応用のために最適化できる別のパラメー
タは、ポンプ・レーザの周波数である。図２の例からわ
かるように、ある物質系の表面または界面の応答は、強
いスペクトル依存を一般に禁じている。これは、当の物
質処理工程に対して適切なレーザ波長を選択することに
より、利用できる。同様に注目すべきは、物質間の埋め
込み界面に到達あるいは界面から出発するとき、基本お
よび第２高調波放射の減衰が、一般に、測定のための周
波数の選択により、強く影響されることである。これに
より、層厚測定の感度の最適化がなされる。さらなる考
慮が、バックグラウンド信号の減少に関係する。処理環
境からのバックグラウンド放射は、一般に特定のスペク
トル依存性を持つ。熱放射の場合は、バックグラウンド
放射は、低周波数でより強くなる。これは、より高いポ
ンプおよび高調波周波数が有利であることを示している
。プラズマの場合は、明瞭な狭スペクトル特性が、放出
の際にしばしば観察される。明らかに望ましいのは、ポ
ンプ励起に対する周波数を次のように選ぶことである。すなわち、第２高調波周波数が、ＳＨＧ効果の観察に直
接には含まれないプロセス，物質，あるいは他の条件に
起因する強い輝線と異なることである。

【００４７】一般に、第２高調波放射の空間的，スペク
トル的，および時間的フィルタリングは、上述のように
、周囲放射の影響を最小にするためにはできるだけ厳し
く行われるべきである。しかし、どんなフィルタも、試
料のＳＨＧプロセスが発生させたコヒーレント放射のか
なりの部分を阻止するほど、選択的であるべきではない
。安定性に対する実際的な制限は、パラメータの最適な
選択を制限する。例えば、試料の位置または方向の不安
定性が小さいときは、空間フィルタリングの適用は、よ
りゆるやかでよい。

【００４８】２チャネル検出システムは次のようにして
調整される。ポンプ・レーザ励起はないが、処理環境か
らの通常のバックグラウンド放射があるときは、２チャ
ネルに対する電子回路の利得は、等しい信号を与えるよ
うに調節される。この場合、比較器の出力は０になる。試料のレーザ照射が開始されると、２つの直交偏光の第
２高調波光は、検出システムの各チャネルに登録される
。周波数ωにおけるポンプ放射の偏光は、第２高調波放
射の２つの偏光成分に対して、実質的に異なる信号を発
生するように選択されるべきである。その場合に、比較
器の実質出力が結果として生ずる。これは普通、前記し
た引用文献に説明されているように、例えばｐ−偏光ポ
ンプ放射（試料上の光の入射面に平行に偏光された電界
ベクトルを有するポンプ放射）の使用により達成できる
。試料の多数の可能な表面対称の場合には、この励起状
態は単にｐ−偏光第２高調波放射の生成へ導かれるのみ
であり、この放射は検出システムの一方のチャネルに登
録される。他方のチャネルは単に、非偏光バックグラウ
ンド放射の強度の基準を与えるのみである。特定の問題
に適した入力および出力偏光の他の可能な組合せは、経
験的に、または、前記引用文献で詳述された科学的原理
を用いて、確認することができる。さらに、試料上の放
射の入射角の選択は、ＳＨＧ測定に最も好適な状態を獲
得するために最適化される。好適な状態とは、物質処理
において制御されるべき特性と、ＳＨＧ信号、とりわけ
最も強いＳＨＧ信号等、との間の最も強い相互関係を指
す。

【００４９】上述のように、本発明は、強い周囲放射の
存在下でさえ、物質のＳＨＧ効果の発生および観察を行
うための機構を提供するということがわかる。これは、
空間的，時間的，スペクトル的フィルタリングの組合せ
により、および光の２直交偏光に基く２チャネル差動測
定方式により、達成される。これらのアプローチは、前
述され且つ前記引用文献に記載されたＳＨＧ効果の特性
に依存している。さらに、ＳＨＧ効果の感度および有用
性は、ポンプ周波数および偏光の選択で論じた考察に基
づいてさらに強化することができる。本発明により、Ｓ
ＨＧ効果を用いて、多量のマスキング放射が存在する環
境における測定の実行が可能になる。例えば、実験室環
境と対照して、明るい室内光は製造環境において排除す
ることはできない。本発明はまた、より異なる状況、す
なわちプロセス自体が明るい光放射を発生する状況にお
いても応用できる。ＳＨＧ効果を潜在的にマスキングす
る光または他の放射の有効な発生を含むこのプロセスは
、反応性イオン・エッチング，ＥＣＲおよびマグネトロ
ン装置を含む強化プラズマ反応装置，イオン・ビーム・
インプランテーション装置，および堆積装置を含む。本発明はまた、化学・機械的研摩機のような液体研摩お
よびエッチングを含む装置に適用できる。上述したよう
に、本発明は、広範囲の環境下での物質処理の間、表面
や界面を非侵略的，リアル・タイム，その場で監視する
能力を提供し、この監視は１原子層に等しい感度の分解
能を与える。

【００５０】高分解能を有するリアル・タイム，その場
測定に対する最悪環境の特別な例として、ＣＦ４　プラ
ズマでエッチングされているシリコン表面を考える。こ
のケースでは、測定に対する信号対雑音比を、１．０６
μｍ波長のＮｄ：ＹＡＧレーザを用いて、１０ｍＪ以下
のエネルギーを持つ１０ナノ秒ポンプ・パルスによって
得られることがわかった。これらの測定は、１０Ｈｚの
繰り返し速度のレーザを用いて行うことができる。第２
高調波信号は、次のような検出器によって観察すること
ができる。すなわち、０．０５ステラジアン以下に制限
される立体角，１ｎｍ以下のスペクトル帯域，ゲート電
子回路における５０ナノ秒以下の時間分解能を有する検
出器であり、これらは条件は現在すべて可能である。

【００５１】注目すべきは、図１（ａ），図１（ｂ），
および図２のように、観察されたＳＨＧ放射の出力は計
る必要がなく、物質処理を制御するために特徴的な変化
を観察するのは、プロセス制御のために全く十分である
ということである。処理中のその場観察によって得られ
た観察ＳＨＧ測定値を、結果として得られた物質構造お
よび物質層の構造的特性の測定値と関連させ、１個また
は数個の原子層の処理精度を得ることによって、付加的
精度を達成することができる。同じ理由で、処理工程の
前，後，最中に、処理チェンバから試料を取り出したり
、処理工程を中断したりすることなく、表面品質（例え
ば不所望な化学反応あるいは汚染に対して）を検査また
は監視するために、本発明を用いることが同様に可能で
ある。表面品質の観察に基づいて、処理工程を変更でき
、あるいは前述したように、物質堆積，除去，反応，変
更等に対すると同じように、他の処理制御を課すること
ができる。

【００５２】上記の例は、技術の適用に対して、最悪の
環境の好例となるように思われる。本発明は、ＳＨＧ信
号観察のための環境が少し悪い場合にも、適用可能であ
ることが理解される。さらに、空間的，スペクトル的，
時間的フィルタリングの同時使用および２チャネル差動
測定方式は、すべてが必要なわけではない。例えば、タ
イム・ウィンドゥは拡張でき、視野は増大できる。すな
わち、フィルタの帯域幅は、使用可能な結果を生じなが
ら、本発明の範囲内で、より広くすることができる。さ
らに、差動検出方式はまた、排除されることもでき、Ｓ
ＨＧ効果の直接観察に対する信頼性は、本発明による空
間的，時間的，および／またはスペクトル的フィルタリ
ングにより与えられる信号対雑音比を改良することによ
り可能となった。同様に、ＳＨＧプロセスに好適な周波
数を選択するための上記のステップは、ある環境ではほ
とんど無視することができる。

【００５３】製造問題に対する本発明の適用において、
探索される試料のエリアは、基準領域のエリアとなるこ
とができる。この場合、試料の一部は、ある意味では、
試料の残りの部分に関するプロセスの制御を容易にする
ために準備されている。例えば、基準領域の横方向の長
さは、配置を簡単にし、より大きな探索ビームの使用を
可能にするために、より大きくすることができる。ある
場合には、ＳＨＧ効果が特に好適になり、試料の残りの
部分への所望の作用に関連させることのできる、種々の
物質層配列を準備することができる。

【００５４】本発明の装置および方法は、電子および光
電子デバイス，回路の製造によって例示されるように、
物質の堆積，除去，反応，その他の変更に対する正確な
寸法制御で、デバイスの製造に使用される広範囲の処理
環境に適用できる。本発明は、高温，プラズマあるいは
他のソースからのかなりの周囲放射を伴う処理環境にお
いて、利用することができる。本発明は、シリコン，ゲ
ルマニウム，シリコン／ゲルマニウム合金，大半の金属
，絶縁体，重合体のような点対称固体に適用することが
できる。さらには、バルク第２高調波放射を発生しない
、液体あるいは気体の存在下で利用することができる。

【００５５】前述の観点から、プラズマ内のような悪環
境、すなわち光学的アクセスが制限され、それに基づき
物質処理が高精度に制御できる環境において使用可能な
、非侵略的，その場，リアル・タイム・プロセス観察を
可能にする方法および装置が、提供されたことが理解さ
れる。

【００５６】本発明は１つの好適な実施例によって説明
したが、当業者は、本発明が、請求項に記載の精神およ
び範囲内で変更できることを認識するだろう。とりわけ
、この技術が変形され、１本の入射レーザ・ビームによ
って発生された第２高調波周波数とは別の、和周波数あ
るいは差周波数信号を発生するために、異なる周波数の
２以上のレーザ・ビームを混合するのが許され得ること
は、注目されてよい。これにより、アクセス可能な周波
数範囲のさらなる制御を与え、前記の開示からみて明ら
かな特定の場合における技術の感度を増大することがで
きる。

【００５７】

【発明の効果】本発明により、物質の堆積、反応、変更
または除去の工程を、１原子間隔あるいはそれ以上の精
度で、その場監視する技術が達成された。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は酸素を含む大気にさらされている間の
シリコン表面上のＳｉＯ２　の表面層の増大厚さの任意
単位でＳＨＧ強度を示すグラフ、（ｂ）は結晶性シリコ
ン上の非晶質シリコン堆積の増大厚さの任意単位でＳＨ
Ｇ強度を示すグラフである。

【図２】それぞれ照射周波数の範囲を超えた、ＣａＦ２
　とＳｉ（１１１），ＳｉＯ２　とＳｉ（１１１）の間
の埋設界面からのＳＨＧの相対強度を示す図である。

【図３】本発明の好適な実施例の全体構成を示す略図で
ある。

【符号の説明】

１０　　本発明全体１２　　レーザ１３，１７，２１，２８　　ミラー１４　　偏光子１５，２３　　スペクトル・フィルタ１６，２２　　アパーチャ１８，２０　　窓１９　　試料２４　　偏光ビーム・スプリッタ２５，２９　　フォーカシング光学デバイス２６，３０
　　モノクロメータ２７，３１　　光検出器３２，３３　　高速ゲート積分器３４　　比較器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】物質の表面の一部に、第１の所定の周波数
のコヒーレント光を照射するステップと、前記物質の前
記表面を、前記第１の所定の周波数の２倍の第２の所定
の周波数で観察するステップと、前記観察ステップに応
じて、前記物質の前記処理を制御するステップとを含む
物質処理方法。
【請求項２】前記観察ステップは、所定の偏光で、前記
表面を観察することを含む、請求項１記載の物質処理方
法。
【請求項３】前記照射ステップは、第１の所定の周波数
を有する前記コヒーレント光の偏光を制御することを含
む、請求項１記載の物質処理方法。
【請求項４】前記観察ステップは、前記照射ステップに
続いて、制限された期間の間、前記表面を観察すること
を含む、請求項１記載の物質処理方法。
【請求項５】前記観察ステップは、観測視野に制限され
る、請求項１記載の物質処理方法。
【請求項６】前記制御ステップは、エッチング処理の終
了を含む、請求項１記載の物質処理方法。
【請求項７】前記制御ステップは、物質堆積処理の終了
を含む、請求項１記載の物質処理方法。
【請求項８】制御可能な処理の間に、物質の表面を監視
する装置において、光第２高調波を発生させる手段と、
前記光第２高調波を検出する手段と、前記検出手段に応
じて、前記物質の前記処理を制御する手段とを備える、
物質表面監視装置。
【請求項９】前記光第２高調波を発生する手段は、基本
周波数の放射源と、スペクトル・フィルタ，空間フィル
タ，時間フィルタの少なくとも１つと、前記光第２高調
波を発生する手段を、前記制御可能な処理と同期させる
手段と、前記基本周波数の前記放射源からの照射放射の
偏光を制御する手段とを有する、請求項８記載の物質表
面監視装置。
【請求項１０】前記光第２高調波を検出する手段は、ス
ペクトル・フィルタ，空間フィルタ，時間フィルタの少
なくとも１つと、前記光第２高調波の少なくとも１つの
偏光を選択する手段とを有する、請求項８記載の物質表
面監視装置。
【請求項１１】前記光第２高調波の少なくとも１つの偏
光を選択する手段は、前記光第２高調波の２つの偏光を
選択する手段と、前記光第２高調波の前記２つの偏光の
検出された信号強度を比較する手段とを有する、請求項
１０記載の物質表面監視装置。
【請求項１２】積層物質構造の下層物質の界面に重なる
物質を除去する間の終点を検出する方法において、少な
くとも１つの所定周波数の放射を、前記積層物質構造に
照射するステップと、前記所定の周波数とは異なる周波
数で、前記積層物質構造からの放射の変化を観察するス
テップとを含む終点検出方法。
【請求項１３】前記積層物質構造を、単一の所定周波数
で照射し、前記観察ステップを、前記所定周波数の２倍
程度の周波数で行う、請求項１２記載の終点検出方法。
【請求項１４】堆積処理の間に、表面上の物質の堆積を
監視する方法において、少なくとも１つの所定の周波数
の放射を、積層物質構造に照射するステップと、前記所
定の周波数とは異なる周波数で、前記積層物質構造から
の放射の変化を観察するステップとを含む、物質の堆積
監視方法。
【請求項１５】少なくとも１つの前記表面と前記物質が
、単一の所定の周波数で照射され、前記観察ステップは
、前記所定の周波数の２倍程度の周波数で行われる、請
求項１４記載の物質の堆積監視方法。
【請求項１６】表面上の物質の反応および変更の少なく
とも一方を、反応あるいは変更の処理のどちらか一方の
間、監視する方法において、少なくとも１つの所定の周
波数の放射を、前記積層物質構造に照射するステップと
、前記所定の周波数とは異なる周波数で、前記積層物質
構造からの放射の変化を観察するステップとを含む、反
応または変更の監視方法。
【請求項１７】少なくとも１つの前記表面と前記物質を
、単一の所定の周波数で照射し、前記観察ステップは、
前記所定の周波数の２倍程度の周波数で行う、請求項１
６記載の反応または変更の監視方法。