JP2000510951A

JP2000510951A - 光学測定

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Publication number: JP2000510951A
Application number: JP09541783A
Authority: JP
Inventors: サムック、マイケル・ジョフリー; セー、チュン・ワ; リウ、シュ・ガン
Original assignee: BTG International Ltd
Current assignee: BTG International Ltd
Priority date: 1996-05-18
Filing date: 1997-05-16
Publication date: 2000-08-22
Also published as: GB9610471D0; WO1997044633A1; CN1225720A; EP0900356A1

Abstract

(57)【要約】偏光解析法の位相コントラスト顕微鏡使用装置にはビームデバイス（ＨＤＥ)を備えたコヒーレント放射源があって、照会用ビームと基準ビームとがそこから得られるようにして、ビームを被試験表面に向けている。オブジェクティブは二つの散乱もしくは反射ビームを受けて、それらが結合されて、その表面の構造を示す光信号を作るようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】光学測定この発明は光学測定に係り、とくに、もっとも限定はしないが、偏光解析法（ ellipsometry）とプロフィルもしくはトポグラフィ測定に関する。シリコン基板上に重ねられた金属の路（トラック）の厚さを測定するといったトポグラフィ測定用の光学システムについてはいろいろな提案がされてきている。光学方法は非常に魅力的なものであり、その理由はそれが非接触で非破壊であるという本質があることと、それに加えてこの方法が接触法よりももっとずっと大きな帯域幅を有していることによる。とくに干渉計法はサブナノメータ範囲（１ＭＨｚの帯域幅）で僅かな高さの変化も測定するという可能性を有している。小さなトポグラフィ上の変化を測定するためのこのようなシステムで生ずる１つの最優先問題はサンプルの材料内での材料の変化が光位相シフトを生じさせることができ、それがトポグラフィに起因する変化を埋没してしまうことである。正確な測定を得る際に他の困難なこととして、小さな外部振動（マイクロフォニックス）であっても位相誤差を作り出すことができて、それがトポグラフィックな変化により作り出される位相変化よりも大きなものとなるという問題である。これを克服するためには、外部影響から極めて良く隔離されている環境で測定をする必要があるし、共通経路技術（common path technology）を用いて機器を設計する必要がある。この技術の意味するところは基準とプローブビームの両方がほぼ同一の経路を進んで、マイクロフォニクスは何でも打消されるが、サンプルについての情報は打消されないことが明らかになるようにすることである。この発明によると、光学測定用装置が提供されていて、その構成は光放射源と、この光放射源から一次ビームと二次ビームとを得るためのビーム送出手段であって、該第１のビームはオブジェクトの局部的な構造を照会するためにオブジェクトに向けられ、また該第２のビームは光学基準として作用するために該オブジェクトに向けられるようにしたビーム送出手段と、光学処理手段であって、前記第１及び第２のビームが前記オブジェクトからの反射後に第３と第４のビームを得るようにするための光学処理手段と、該第３と該第４のビームを結合して該オブジェクトの表面近くでの構造を示している光信号を得るようにした結合手段とから成る。また、偏光解析法（エリプソメータ）装置も提供されていて、その構成はサンプル（試料）から後方のフォーカル（焦点）面へ反射された光をフォーカスするように動作するレンズ手段と、後方のフォーカル面に到達する光から少くとも２つの異なる偏波をもつ光を選ぶように動作する選択手段と、選ばれた光のパラメータを測定してサンプルの性質がそこから計算できるような情報を作るようにする測定手段として成る。選択手段は後方の面に到達した光についてのｓ−偏波とｐ−偏波の成分を選ぶように動作するのが好ましい。測定手段はさらに選ばれた光と干渉を生じさせるように動作する手段を含むのが好ましい。選択手段は後方のフォーカル面に置かわ、しかも選ばれた偏波に対応する位置で開いているマスクを含み、それによって他の偏波をもつ光がこのマスクによって阻止されるようにする。このマスクはｓ−偏波とｐ−偏波の光に対する位置をもつ開口を含んでいる。好ましいのは、選択手段にマスクがあって、このマスクにある開口は、そこを通って光が進むものであり、また分離手段があって、マスク開口を通って進む光のｐ−偏波とｓ−偏波とを分離するように動作する。この分離手段は成分を空間的に分離することができる。この分離手段はウォラストン(Wollaston)プリズムで成るものでよい。選択手段は位相分離器手段として選ばれた光に対して差分位相シフトを与えるように動作するようにすることができる。この位相分離手段はポッケル（Pockel ）セルで成るものでよい。ポッケルセルは差分位相シフトを変えて測定手段によって各測定組が得られるように選択的に動作することができる。レンズ手段があって、干渉を行なうように分かれている成分を一緒にすることができる。このレンズ手段はポラライザ手段がｐ−方向とｓ−方向との間の角度を二等分する光軸と整列するように構成してよい。この発明はまたプロフィル測定用装置を提供し、その構成はサンプルから反射された光を共役面にフォーカスするように動作するレンズ手段と、共役面内の２つの異なる点で光を選ぶように動作する選択手段と、そこからサンプルに関するプロフィル情報が得られる選ばれた光のパラメータを測定するための測定手段とから成る。選択手段には２つの位置で開口を有するマスクを含んでいてよい。この２つの位置はシステムの光軸の両側に対称に置かれているのが好い。この測定装置は選ばれた光が干渉するように動作できる手段を含み、干渉によって生じたフリンジの大きさと位相とを測定するように動作できる。測定手段はさらにトランスフォーム用レンズ手段を含み、このレンズを通る光のフーリェ変換（トランスフォーム）を光干渉フリンジが形成される面に投影するように動作できるようにする。この装置にはさらにフリンジの位置とコントラストとを測定するための手段を含むのが好い。第３の特徴として、この発明は前の２つのパラグラフで述べたようなプロフィル測定用装置を提供し、しかも加えて前に規定したような偏光解析法装置を含んだものとなっている。この装置にはさらに偏光解析法装置からサンプルの性質に関する情報を得るように動作し、かつこの情報を用いてプロフィル測定用装置により得られた測定から材料に依存する情報を取り除いて、実質的に純粋なプロフィル情報を生むように動作する手段を含んでいる。この発明の実施例をもっと詳細に、例としてだけのやり方で添付の図面を参照して記述して行く。図１は本発明の実施態様による装置の模式図である。図２は本発明の他の特徴の位相ステッピング位相コントラスト顕微鏡を示す。図３ａと３ｂとは図２の装置の詳細を示す。図４と５とはこの発明の異なる実施態様による偏光解析法の構成についての模式図である。図６は図５の偏光解析法で使用するためのマスクの模式図である。図７は共焦点（confocal）顕微鏡システムを示す。図８は図７のシステムの変形を示す。図９はこの発明の別な実施態様による共通経路光学干渉計を示す。図１０はこの発明の別な特徴により構成された全視野偏光解析法を示す。図１１はこの発明の特定の特徴により偏光解析法を取り込んだプロフィル測定用装置の模式図である。図１２は図１１の装置で使用されるマスクの模式図である。図１３ａは図１２の装置内部の面での光の分布を示す。図１３ｂはこの面で使用するためのマスクの模式図である。ここで記述して行く装置は、材料が関係した情報とは実質的に無縁なトポグラフィ情報を得ることができるもので、その結果をここでは“真のトポグラフィ” 情報と呼んでいる。この装置は偏光解析法（エリプソメータ）成分を組込んでいて、これら成分（部品）自体がこの発明の特徴を成している。真のトポグラフィを抽出するためのプロセスは三つの主要な（キーとなる）段階（ステージ）に分解できる。（１）サンプル（試料）が関係する位相情報を得るための共通経路干渉計；（２）サンプルの材料性質に関する情報を得るが、その一方でレンズのＮＡ（ニューメリカルアパーチャ）から得られる全横方向分解能を維持している手段；（３）共通経路干渉計の応答をマイクロフォニックスのない応答に変換することができる一般的な反転アルゴリズム；（例えばスタイラスプローブのような）光学デバイスもしくは非光学デバイスのように同じ空間周波数カットオフを備えた表面プロフィル形成用機器で得られる応答を対象としている。段階（１）と（３）とは共通経路動作を可能とし、またマイクロフォニックスのない理想的な干渉計から得られる応答が得られるようにする。段階（２）はサンプルについての材料に依存するシフトを補正するようにしている。図面の図１はこの発明の一実施例を示す。このシステムの中心部には特別に設計したホログラフィック屈折性部品ＨＤＥがあり、その機能は、放射源（図示せず）からのコリメートされた入射ビーム２と一緒に、３つの出力次数を作り出すことである：零次のコリメートしたオブジェクトビーム４、＋１次の収束ビーム、−１次の発散ビーム（図示せず）である。±１次出力ビームは光軸に対して僅かな角度θをもって伝搬して行く。発散ビームの効果は小さく、無視できる。零次ビームは顕微鏡オブジェクティブＯＬを経てサンプル８上にフォーカスされて、オブジェクトの局部的な構造を照会するために使用される。＋１次ビームはオブジェクティブレンズ（対物レンズ）によってコリメートされて、大きなオブジェクト面積を照すことになる。このビームは位相基準として作用し、その値はオブジェクトが走査されても不変に保たれる。サンプル表面から反射すると、２つのビームは２度ホログラムを通って進むことになり、とりわけ各々がその伝搬方法で僅かに差があるコリメートした成分を生成する。結果として生ずる干渉フリンジ（正規には平行である）の位相は２つの光ビームの平均位相差に対応することになり、捕えた強度パターンのフーリェ変換をとることによって抽出することができる。代って、４素子のホトダイオードアレイを用いた１つの単一光フリンジを捕えることができる。標準のアナログ直交（クォーダラチャ）信号処理技法がそこで用いられて位相値が実時間で与えられる。両ビームに共通な位相のゆらぎは光フリンジの位置に影響を与えず、システム出力にゆらぎは現れない。図２はこの発明の別な特徴による位相ステッピング位相コントラスト顕微鏡を示す。このシステムは位相コントラスト顕微鏡と位相ステッピング干渉計とで採用されている光技術を組合わせて安定で感度のあるプロフィル測定を実現している。オブジェクト２２０はテレセントリック(telecentric)構成を用いて、像面２２２上に作像され、この構成では面２２４が２つのレンズ２２３，２２５の共通フォーカル面となっている。この面はまたオブジェクトのフーリェ面でもある。位相コントラスト技術では、位相板（図３ａでは面２２６ａ内に、図３ｂでは部分２２６に示されている）がフーリェ面内に挿入されている。これが背景及び散乱光（でオブジェクトの特徴に起因するもの）が位相での干渉をして、高いコントラストの像を生じさせる。定量的な表面測定を実行するために、システムはここで修正が加えられる：毎回フーリェ面には異なる光学位相板が挿入されて、多数の光学像が検出器面２２２に置かれたＣＣＤアレイを用いて捕えられる。必要とされる像の最小数は３であり、３つの位相板は第１のものが均一で位相シフト零度を与え、第２のものが背景光と散乱光との間でπ／２の位相シフトを与え、また第３のものがπの位相シフトを与える。このシステムの動作はこのようにして位相ステッピング干渉計のものと似ていて、そこでは多数のインターフェログラム（干渉パターン）が生成され、その各々は既知の量だけ干渉条件が変っている。一組の簡単な変換式が次に使われて捕えられたインターフェログラムからオブジェクトの表面プロフィルと反射率とが得られる。位相ステッピング位相コントラスト技術とともに異なる組の変換式が適用される。このシステムはオブジェクトの表面高さの変化を写像するために使用できる。位相ステッピングシステムと比較すると、提案された技術は別個の参照アーム（枝路）を必要としないので、大層コンパクトなものとなる。さらに、２つの干渉ビーム（背景光と散乱光）は同じ組の光学系を進み、いずれかの共通モード雑音（マイクロフォニックス及び熱勾配）は２つに同じように影響するのでこういったものの効果は打消されることになる。そこで安定でしかも正確な光学測定が得られ高価な光隔離ステーションを必要としない。偏光解析法（エリプソメータ）の２つの代替形式が図４、５に模式的に示されている。図４の構成は図１のマスク５２のところの後方の面に光学マスク７２を有している。マスク７２の上流の光学的構成は図１のものと同じである。光学マスクはその最も簡単な形では１つのピンホールだけで成る。ｐ−とｓ− のラインを垂直と水平軸とにとると、単一のピンホールは４５°のライン９０に沿って置かれなければならない。このホールを通って進むビームは等量のｐ−とｓ−偏光成分で成り、被験材料のそれぞれの複素反射係数の効果によって修正が加えられている。複素反射係数でこの２つが関係しているものを測定するためには、２つの成分を角度的に分離するためにウォラストンプリズム７４が使われる。レンズＬ₁とＬ₂とが２つの発散性ビームを２つの平行ビームで互に小さな角度で交わるものに変換するようにされている。ポラライザ７６がこの２つのレンズ間に置かれ、その通過軸がｐ−とｓ−との方向を二等分して、２つのビームが干渉できるようにしている。このやり方（構成）の２つの主な利点は次の通り：１．ｐ−とｓ−との両成分が同じ位置から生じているから、入力ビーム分布内にある不均一は測定誤差を何も生じさせない。２．２つのビーム間の干渉は平行なフリンジの組を作るから、フリンジの長さ方向を圧縮するために円筒レンズを使用することができて、一次元検出器アレイを使用できるようにする。このことはディジタル信号処理器（ＤＳＰ）ボードの使用と併せてほぼ実時間のサンプル測定をもらすことになる。光学マスクは複数のピンホールで構成して光位相基準と改善された測定精度を与えるようにしてもよい。この構成は光の２つの異なる偏光を選ぶのにウォラストンプリズムを用いて後方の面に到達する光のｓ−偏光とｐ−偏光成分を空間的に分け、それからレンズ系を用いて選んだ光を干渉させて、検出器面で測定される干渉フリンジを生じさせていることが理解される。光軸上にある単一のピンホールの後にウォラストンプリズムを置く効果は図１の構成に対応する“仮想”ピンホール（複数）を作ることであり、いいかえるとレンズＬ₁を出る光は図１のマスク５２を出て行く光と等価のものである。図５は図１１と４とのマスク５２と５７のところにマスク８２を用いるがマスク８２の上流は同じであるような別の構成８０を示す。マスク８２は光軸８４上に単一のピンホールを有している。長い焦点距離のレンズＬ₃がピンホールの後段で光ビームをコリメートするのに使われ、またポッケル（Pockel's)セル８６のような電子光学デバイスがレンズの後に置かれている。第２のレンズＬ₄が検出器８８上の光ビームをフォーカスするために使われている。２つのレンズが組合されてピンホールを検出器面上に効果的に作像している。ポッケルセルの配向は２つの軸がそれぞれ光ビームのｐ−とｓ−との方向と平行となるようにしていて、適当な電圧がデバイスに加えられると、異なる位相シフトが２つの偏光成分上にもたらされるようになっている。ポラライザの通過軸はｐ−及びｓ−の両方向に関して４５°を向いていて、２つの成分が干渉できるようにしている。このシステムを動作させるためには、４つの異なる電圧が連続してポッケルセルに加えられて、それぞれ０°、９０°、１８０°及び２７０°の異なる位相シフトを生じさせている。電圧値がそれぞれ加えられた後に検出器の出力が測定される。４つの出力は次式で与えられる。ここでＥ₁は光ビームの振幅であり、ρ_pとρ_sとはそれぞれp−とｓ-成分の振幅反射係数である。偏光解析法パラメータΔとtanΨ＝ρ_p／ρ_sはこうして４つの連立方程式を解いて得られ、この演算はパーソナルコンピュータを用いて実行できる（連立方程式を解くときは値の間に本来的な不明確さがあることになる）。このシステム演算プロセスはそこで位相ステッピング干渉計のそれと似たものであり、したがって、位相ステップ数として４以外でしかも異なる位相シフト値を用いることもできる。この特定の構成の利点は次の通りである。１．前述の主張と同様に、入力ビーム分布内の不均一は測定誤差を生じさせない；また、２．対角線に沿って複数のピンホールを使用できる。実際に、多くの応用では、好ましい光学マスク構成は２つの対角スリット９０（図６）にＣＣＤアレイにより置き換えられた検出器を備えて成る。もっと正確な材料性質測定ができるようにすることに加えて、角度周波数成分の連続する範囲が多層薄膜フィルムのようなもっと複雑なサンプル構造についての情報を与えることになる。ある測定条件の下では、マスクは性能に悪影響を与えずに除去されてもよい。図５の構成はポッケルセルに異なる位相シフトを与えることにより光を分けていることを見ることができ、ここでは検出器面で行なわれる測定の組が異なる差分位相シフトを伴ってできるようにするために差分位相シフトを変えるような選択的動作が行なわれている。代って、ポッケルセルの位置は放射源から出る光ビームを遮ぎる位置に移動されてもよい。構成７０，８０はサンプル１２を照らすビームを横切っての均一な分布を要求していない。さらに、構成７０は測定が実時間でできるようにするために可能性としては十分なパワーを備えていて、それ故に物質の性質の変化を監視するためにとくに有用であったり、基板の作像に有用であったりする。構成８０は材料の性質についての測定を行なえるようにし、それ故に、多層構造の研究にとくに有用なものである。このプロセスの最終段階は測定した応用を絶対系(absolute system)で得られるのと等価な応答に変換することである。これはプロセッサ３４（図１１）で達成される。偏光解析法の構成として上述したものはサンプル１２の材料の性質についての有用な情報を顕在化するためにだけ使用できるのであるが、装置のこの部分は単独で、プロファイル器２８なしで使用してもよい。ここで図７を参照すると、この図は従来形の共焦点顕微鏡を模式的に示している。光源からの光１７０は部分反射プリズム１７２を通って、オブジェクティブ１７４によってサンプル１７６上にフォーカスされて、後方のフォーカル面１８２をもつ別のレンズ１８０によってピンホール１７８を通り後方に作像する。ピンホールの空間フィルタ作用は共焦点顕微鏡によく知られているその特性、すなわち良好な軸分解能と改善された空間分解能とを与えている。共焦点顕微鏡の検出プロセスは二段階プロセスとして考えることができ、この場合にオブジェクティブから反射した光はピンホールを通って再度コリメートされ、また再度フォーカスされる。後方のフォーカル面（あるいはそれと共役の面）は偏光解析法から得られた情報を含んでおり、その理由は半径方向位置がサンプルへの入射角と関係していて、また方位角が照明の偏波状態を決めていることによる。検出装置１７８，１８０は図７の箱Ｂに示されている。この発明の別な実施態様によると、シアリング（せん断応力付与）素子１８４が図７の共焦点顕微鏡の機能を強化している。シアリング素子は一般に音響光学セルであり、到来ビームを分けるとともにビーム間に相対的な周波数シフトを生じさせるという２つを行なう。これらが共焦点レンズ１８０を通って進み、２つのビームが検出面１８６上の隣接する点にフォーカスされる。２つのビームの間のシアは図上では明りようにするために誇張されていること面内にある２つの焦点スポットが重なることが重要であることに留意されたい。重なっている焦点スポットは次に空間的に適当な寸法のピンホールでフィルタがかけられてから光検出器のような適当な検出デバイス内で検出される。二つの焦点間で干渉が行なわれて、点間では異なる周波数で信号が生成される。シアというのは焦点スポットの異なる部分が効果的に相互に干渉して、それによってきわめて安定な異なる位相応答が得られることを意味する。シアの程度は制御されて、シアを与えるデバイスへの電子的な駆動を制御することによって差分の所望量が確実に得られるようにする。さらに、このシステムのもつ一番大きな恩恵は恐らくは干渉計応答が別個の基準ビームなしに得ることができて、これが非常に簡単でしかも安定なシステムをもたらしていることにある。コリメータ１８０の後方のフォーカル面内の点‘ａ’に検出器を置くことを考える（図８）。これは２つのビーム間で異なる周波数で干渉信号を与えることになり、この干渉はビームの一方の中心で行なわれて他方の外径に向うものとなる。したがって、実際には干渉はサンプルから垂直に反射した光と斜め角度で反射した光との間で行なわれる。この干渉信号から測定された位相差はしたがって異なる入射角での異なる反射係数と関係している。これがサンプルの性質を示すものを与えることになる。明らかに異なる検出器位置は異なる入射角と偏波状態とに関する情報を与えることになる。こうして一つの部品を単に加えることが非常に便利な二つの機能を提供する。一つは非常に安定な差分位相像でサンプル上での構造の変化に感動をもつものであり、他は‘差分偏光解析（differential ellipsometric）’モードを与えるものであって、このモードは材料の性質の変化に非常に感度をもっていて、酸化物の厚さの変化といったサンプルの変化を非常に速かに与えることになる。したがって半導体産業で特別の応用があることになる。ここで図９を参照すると、これはこの発明の別な実施例を示し、走査形共通経路光学干渉計を含み、それがマイクロフォニックスに対して良好な免疫性（不感度性）をもつとともに良好な低空間周波数応答を有している。この装置には特殊レンズ１９０があり、それは球面レンズでありその中心部分が平行なガラス円板（ディスク）で置き換っている。これは研磨によって得られ、オプティカルフラット（鏡面）仕上げがされ、プラノコンベックス（平面を含む凸）レンズの中央領域１９１となる。レンズの傾きについてはしばらくの間無視するとして、このレンズに入る光の平行ビームは２つの部分に分けられる：内側部分は変らずに通過して、顕微鏡オブジェクティブレンズ１９２を経てサンプル上にフォーカスされる。このビームはそれ故にオブジェクト１９４の局部的な構造を照会することになる；入射ビームの外側部分は円環レンズを通過して、点Ｐにフォーカスされる。Ｐがオブジェクティブレンズ１９２の後方のフォーカル面と一致するようにすると、コリメートされた円環状のビームがオブジェクト表面に入射することになる。円環の面積はこのシステムの横方向分解能に比して大きいから、平均基準位相値が与えられ、それはオブジェクトが走査されても‘不変’に保たれることになる。オブジェクト表面からの反射があると、ビームは二回目のシステムを通る後方への伝搬をする。すでに述べたように２つのビームは重なってはいない。この図面はコンパクトな設計を示し、２つのビームが干渉するようにシステム軸に対して特殊レンズ１９０をわざと傾けている。これが２つのビームが特殊レンズを通る第２の通過後に互に角度をもって伝搬するようにしている。２つが重なる領域では干渉フリンジが形成される。何らかの高さの変化はフォーカスされたビームの光学的な位相値に変化をもたらし、それが今度はフリンジの位置をシフトさせる。後者（フリンジの位置のシフト）は、ＣＣＤカメラ（図示せず）を用いて光フリンジを先ず捕えて、次に捕えたデータにフーリェ変換を行ってオブジェクトプロフィルの測度を作ることにより測定される。代りに、光検出器アレイ（４素子で十分）を使って単一光フリンジの１つを捕えることが可能である。標準のアナログ直交信号処理技法をそこで使用して実時間でフリンジ位置を得るようにする。２つの光ビームは同じような光路を進むので、マイクロフォニックスは２つに同じように影響し、その効果は干渉プロセスで打消し合って、非常に安定なシステムを生じさせている。他の利点はほかの共通経路構成と比較したときにここで提供しているシステムはもっとよい低い空間周波数応答を有していることである。したがって、測定されたプロフィルが高精度で変換できて、国際的な測定規格に適ったものとすることができる。図１０はこの発明の別な特徴により構築された全視野エリプソメータ（偏光解析法）を示す。これは標準の全視野光顕微鏡で照明の角度と偏波が正確に制御できるものと考えることができる。初期偏波状態は例えば半波長板２００のようなデバイスによって制御できる。入射ビーム２０２の入射角は照明光学系２０４，２０６，２０８により制御され、これがオブジェクティブレンズ２１２の後方のフォーカル面２１０内の点‘ａ’に入射光をフォーカスしている。入射光学系には空間フィルタ２０６とビームスプリッタ２０７とがある。この点の半径方向位置はサンプル２１４上の照明ビームの入射角を決めている。レンズ軸からの‘ａ ’ 点の距離がｒであり、オブジェクティブレンズの焦点距離がｆであるとすると、入射角はsin^-1（ｒ／ｆ）となる。正確な測定のためには大きなＮＡ値のオブジェクティブを採用する必要がある。この点からこのシステムは検出器アレイに対して作像する通常の顕微鏡として考えることができる。破線はサンプル表面２１６の一点からの一つの光路を示している。サンプルへの入射偏光を変えると、ＣＣＤカメラ２１８で得られる像が変る。少くとも３つの異なる偏光状態を組合わせて、このシステムは材料の性質についての地図（マップ）を再現するのに用いることができる。このシステムはサンプルを走査するための資源なしに、よい空間分解能で偏光解析法による材料情報を得ることができるようにする。これは半導体ウェーハのような材料表面についての非常に急速な写像を可能とする。このシステムは半導体ウェーハの酸化物の厚さのようなものの変化について急速に空間分解能のあるマップを与えるものと見ることができる。これは変化を監視し、同時に平均厚さ、厚さの標準偏差といった統計量を与える。平均厚さ値はとくに不確定さが小さく、その理由は多数のピクセルについて平均がとられることによる。このシステムは良い視野が単一測定で得られることから大面積にわたっての走査の可能性を与えている。図１１はサンプル１２についての純粋なトポグラフィ情報を得るための装置１０を示す。レーザ１４は直線偏光の光１６を作り、それがビームスプリッタ１８とオブジェクティブレンズ２０を通ってからサンプル１２を照射する。反射光はビームスプリッタを出て（２２）、レンズ２４を通り、次に第２のビームスプリッタ２６で分けられて、プロファイラ（一般に２８としてある）とエリプソメータ（一般に３０としてある）とに進む。後述するように、プロファイラ２８は純粋なトポグラフィ情報と材料依存の情報とを含むデータを作る。この情報は（模式的に３２で示すように）プロセッサ３４に送られ、そこでは（模式的に３６で示すように）エリプソメータからの材料依存の情報を受けて、出力３８に純粋なトポグラフィ情報を送出できるようにしている。プロファイラ部は差分位相情報を得るために使用される。サンプル１２からの反射光はレンズ２４によってオブジェクティブ２０がフォーカスされるサンプル面と共役な面に投射される。光学マスク４０がこの共役面に置かれている。この共役面での光の分布はサンプルでの焦点を横切った分布についての拡大されたバージョンを含んでいる。もしこの分布についての位相が光軸の両側に対称にある異なる位置で比較されると、２つの位置間の位相差はサンプル表面上の差分位相を表わすものとなる。このことは、（金属のオーバーレイの縁のような）位相ステップをまたいでいるサンプル上の焦点スポットを作像することによって理解できよう。反射したスポットの像の一半分がスポットの片側の位相値を反映し、また焦点スポットの像の他の側が位相ステップの他の側の位相を反映している。そこではっきりしていることは位相差がサンプル構造を表わしていることが明らかであることである。これに対して、もしサンプルが均一（平坦）であると、共役面内の各点の位相は同じであり、何の位相差も生じない。差分位相を測定するためには、２つの相補的な位置での位相を測定することが必要である。これは干渉計構成を用いて実現される。マスク４０が使われて、共役面内で二つの位置で光を選んでいる。これらの位置は光軸の両側に対称に置かれている。そこで選ばれた光はトランスフォーミングレンズ（変換用レンズ）４１を通って進み、マスク４０から出た光分布のフーリェ変換を電荷結合デバイス（ＣＣＤ）カメラ４２上に投射する。マスク内の２つの点はＣＣＤカメラ上で光干渉フリンジの組を作り、その変調深度と位相とは２つの開口から出た光の振幅比と位相差とを示している。フリンジパターンの周期性と方向とは二つの干渉用開口の距たりと向きとによって決まる。簡単なディジタルフーリェ変換演算は振幅比と位相差がすぐに計算されるようにしている。プロファイラ２８を用いて、マスクはフォーカル面と共役な面内に置かれることになる。ここで我々が振幅と位相応答を共役結像面内の２つの異なる位置に置かれた検出器に対する走査位置の関数として測定できることについて考察する。実際には、これは光軸の両側に間隔をとった２つの開口と光軸上の光学的な第３の開口とをもつマスクを用いて行なわれる。形成されるフリンジの振幅と位相とがそこで、もしできれば、軸上に置かれた基準について測定／比較される。適当なマスク構成は図１２に示してある。異なる開口位置から生ずる僅かに違った伝達関数に対応している２つの独立な出力を我々がもっと仮定すると、我々は２つの出力を複素数として次のように書くことができる。これらの２つの出力はオブジェクト関数Ｔ（ｍ）と２つ伝達関数Ｃ₁（ｍ），Ｃ₂（ｍ）とのフーリェ変換として書くことができる。これは２つの間をあけた検出器３７，３９を用いる応答に対応している。応答ｉ₁（ｘ_s）とｉ₂（ｘ_s）とはそこで次のように表わせる。明らかにマイクロフォニックスのない状態では各検出器からの応答は関数Ｔ（ｍ）が簡単なフーリェ変換で再現できる。問題はマイクロフォニックスがこの情報を壊してしまい、共通経路情報を維持しながら関数Ｔ（ｍ）を再現するようにすることが必要となることである。もし２つの応答が分けられれば各アームに共通なマイクロフォニックスは打消し合う。２つの出力を分桁けた後で結果の表現は次のようになる。ｉ₁（ｘ_s）とｉ₂（ｘ_s）についてフーリェ表現を用いると、積分方程式の項でＴ（ｍ）を計算することができる。この式は次に離散的にされて、特異値分解（singular value decomposition）のような標準プロセスによって解かれる。Ｔ（ｍ）が一度再現されると、別な伝達関数が使われたときに得られたであろう応答が所望の伝達関数で適当なフーリェ変換を実行することにより簡単に得られる。この逆を実行するためには、２つの独立した入力を得ることが必要である。これはここで記述した干渉計で達成できる。もし２つの独立した値が得られなければ、位相差だけが知られているときは、割算は正確に実行できない。しかし、弱い位相のオブジェクトに対しては、各アームの振幅は似たものであるから位相差は商に対するよい近似を与え、上述のプロセスは差分位相だけが知られているときに働いていることになる。最後に言っておかなければならないことは、この方法は差分構成や独立した入力を使うことになるような可能性をもつ共通経路構成を必要としていないことである。差分干渉計の他の形はこのプロセスの段階（１）を実行するために位相差を抽出するために使用できる。ＣＣＤカメラ上のフリンジの測定がプロセッサ３４に送られて、そこでディジタル処理がされる。上述の真のトポグラフィの抽出の段階（２）はエリプソメータ部３０を用いて実行ができる。これにはトランスフォーミングレンズ５０が一緒に作用し、レンズ２４とオブジェクティブ２０と一緒にレンズ系が形成されて、そこには後方のフォーカル面があって、そこには第２のマスク５２が置かれている。このレンズの後方のフォーカル面は図１３ａに模式的に示したようなマスク５２に到達する光の位置によって表わされる情報を含んでいる。光は光軸５４から半径方向に離れたいずれの位置、例えば位置５６，５８に到達してよい。光軸５４から半径方向に離れた位置はサンプル１２を照明する光の入射角に対応しており、また方位角は照明光の偏波状態に対応している。Ｙ軸に沿って直線偏光した入射光に対しては、ｓ−偏光の光がＸ軸に沿った点（例えば位置５６）に到達することになり、またｐ−偏光の光はＹ軸に沿って（例えば位置５８）に到達することになる。光はレンズ５３によりＣＣＤ５５上にフォーカスされる。そこで、この面内の光の場にはエリプソメトリィ（偏光解析法）上のパラメータΨとΔを抽出するのに必要とされる情報のすべてが含まれる。この目的を達成するために我々が提案する１つの方法は図１３ｂに示したようなマスク構成を採用することであり、それによって振幅比（tan Ψ）と位相差Δとがトランスフォーミングレンズ５０を経てＣＣＤカメラに投射されたフリンジの振幅と位相とから抽出できるようにする。これらの値は材料の屈折率が抽出できるようにして、材料の性質と関係する位相シフトがすぐに計算できるようにしている。フーリェ方式エリプソメトリィ(Fourier plan ellipsometry)は材料情報を抽出することが、レンズのＮＡ値と関係する全横方向分解能を維持しながらできるようにしている。他の方法もパラメータΨとΔとを抽出するのに利用可能であり、干渉計もしくは偏光素子を含んだものとなっている。ここで述べた開口法（ap pertnre method）は位相差Δが干渉フリンジ内のシフトとして表わされ、それが光ビームの強度不均一性によっては影響をされないものである。これらにも拘らずトポグラフィを成功して抽出するために重要なことは、レンズと関係する全空間分解能で材料の性質を判断できることであり、そのためにはフーリェ方式エリブソメトリィが最善の利用可能な方法であり、後方のフォーカル面で使用される検出方法とは無関係によしとされる。この発明の特定の実施態様についてとくに記述してきたが、各種の変形がこの発明の範疇で行うことができる。例えば、被試験材料に対して光をフォーカスするためにレンズの使用を記述したが、この目的のためにはホログラムのような手段を用いてもよい。このような代替手段は被験表面が平坦な面からなり離れているようなときに特に値打ちがある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者リウ、シュ・ガンイギリス国、エヌジー11・７ディージェイ、ノッティンガム、ウィルフォード、アーロン・クローズ 13

Claims

【特許請求の範囲】１．光放射源（２）と、この光放射源から一次ビーム（４）と二次ビーム（６）とを得るためのビーム作成手段（ＨＤＥ）とで成る光学測定用装置であって、該第１のビームはオブジェクトの局部的な構造を照会するためにオブジェクトに向けられ、また該第２のビームは光学基準として作用するために該オブジェクトに向けられるようにされていることを特徴とし、さらに、前記第１及び第２のビームが前記オブジェクトからの反射後に第３と第４のビームを得るようにするための光学処理手段（ＨＤＥ）と、該第３と該第４のビームを結合して該オブジェクトの表面近くでの構造を示す光信号を得るようにした結合手段（ＨＤＥ）とから成る光学測定用装置。２．前記ビーム作成手段は零次のコリメートされたオブジェクトビーム（４）と基準ビームとして動作する＋１次収束ビーム（６）とを作るように適応されたホログラフィック回折部品（ＨＤＥ）と、さらに該オブジェクトビームと該基準ビームとから該オブジェクトからの反射後に伝搬方向に差があるそれぞれのコリメートされた成分ビームを生成するための処理手段（ＨＤＥ）と、該オブジェクトの表面近くでのオブジェクトの構造を示している干渉パターンを得るために該２つのコリメートされた成分ビームを組合せる組合せ手段とを含むことを特徴とする請求項１記載の光学測定用装置。３．捕えた強度パターンのフーリェ変換をとることによってコリメートされた成分光ビームの平均位相差を抽出するための手段を含むことを特徴とする請求項２記載の光学測定用装置。４．干渉パターンの単一フリンジを捕えるためのホトダイオードアレイと、そこから位相値を得るためのアナログ直交信号処理装置とを含むことを特徴とする請求項２記載の光学測定用装置。５．光放射源（２）と、この光放射源から一次ビーム（４）と二次ビーム（６）とを得るためのビーム作成手段とから成る光学測定用装置であって、サンプルから反射した光を後方のフォーカル面にフォーカスするよう動作するレンズ手段（２０）と、後方のフォーカル面に到達した光から少くとも２つの異なる偏光をもつ光を選ぶように動作する選択手段（４０）と、サンプルの性質がそこから計算できるような情報を用意するために選んだ光のパラメータを測定するための測定手段（４２）とで成るエリプソメータ装置を含んでいることを特徴とする光学測定用装置。６．前記測定手段がさらに選んだ光を干渉させるように動作できる手段を含んでいることを特徴とする請求項５記載の光学測定用装置。７．前記測定手段が干渉によって生じたフリンジの振幅と位相とを測定するように動作できる請求項６記載の光学測定用装置。８．前記選択手段が前記後方のフォーカル面に置かれかつ選んだ偏波に対応する位置で開いているマスクを含み、それによって他の偏波の光がこのマスクで阻止されることを特徴とする請求項５記載の光学測定用装置。９．前記選択手段がマスクを含み、このマスクの開口はそこを選ばれた光が通過するものであり、またマスクの開口を通る光のｐ−偏波とｓ−偏波との成分を分離するように動作できる分離手段を含むことを特徴とする請求項５記載の光学測定用装置。 10．前記分離手段は前記成分を空間的に分離するように働くことを特徴とする請求項９記載の光学測定用装置。 11．前記分離手段はウォラストンプリズムで成ることを特徴とする請求項１０記載の光学測定用装置。 12．前記選択手段は選ばれた光に対して異なる位相シフトを加えるように動作できる位相分離手段を含むことを特徴とする請求項５記載の光学測定用装置。 13．前記位相分離手段はポッケルセルを含むことを特徴とする請求項１２記載の光学測定用装置。 14．前記ポッケルセルは測定の各組が前記測定手段によってされるようにするために差分位相シフトを変えるように選択的に動作できることを特徴とする請求項１３記載の光学測定用装置。 15．分けられた成分を一緒にして干渉を作るようにするためのレンズ手段を含むことを特徴とする請求項５記載の光学測定用装置。 16．前記レンズ手段はポラライザ手段を含み、その経路軸はｐ−方向とｓ−方向との間の角度を二等分するように整列されていることを特徴とする請求項１５記載の光学測定用装置。 17．光放射源（２）と、この光放射源から一次ビーム（４）と二次ビーム（６）とを得るためのビーム作成手段とから成る光学測定用装置であって、サンプルから共役面へ反射された光をフォーカスするように動作できるレンズ手段と、該共役面内の２つの異なる位置で光を選ぶように動作できる選択手段と、サンプルに関するプロフィル情報がそこから得ることができる選ばれた光のパラメータを測定するための測定手段とで成るプロフィル測定装置を含むことを特徴とする光学測定用装置。 18．前記選択手段が２つの位置に開口をもつマスクを含むことができることを特徴とする請求項１７記載の光学測定用装置。 19．前記２つの位置は光学系の光軸の両側に対称に置かれている請求項１８記載の光学測定用装置。 20．前記測定手段は選ばれた光に干渉を生じさせるように動作できる手段を含むことを特徴とする請求項１９記載の光学測定用装置。 21．前記測定手段はさらにトランスフォーミングレンズ手段を含み、このレンズ手段は光干渉フリンジが形成される面に向けて該レンズを通過した光のフーリェ変換を投射するように動作できることを特徴とする請求項２０記載の光学測定用装置。 22．光放射源であってサンプルに対してこの放射のビームを向けるための手段 (２０７）を含んだ光学測定用装置であって、この装置は該サンプルに対して該ビームの偏波と入射の方向とを選ぶための選択手段（２００，２０４，２０８，２１２）と、該サンプルの表面の選ばれた領域により散乱された該ビームから放射を検出するための検出手段（２１８）とを含むことを特徴とする光学測定用装置。 23．前記一次及び二次ビームの作成手段が、中央の平面状領域を曲った表面上に有するプラノ・コンベックスレンズ（１９０）を含むことを特徴とする請求項２０記載の光学測定用装置。