JP2002536657A - 試料の偏光計スペクトルおよび他の特性を測定するシステム - Google Patents

試料の偏光計スペクトルおよび他の特性を測定するシステム

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JP2002536657A JP2000598823A JP2000598823A JP2002536657A JP 2002536657 A JP2002536657 A JP 2002536657A JP 2000598823 A JP2000598823 A JP 2000598823A JP 2000598823 A JP2000598823 A JP 2000598823A JP 2002536657 A JP2002536657 A JP 2002536657A
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    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/21—Polarisation-affecting properties

Abstract

(57)【要約】 広帯域放射の偏光サンプルビームがサンプルの表面に焦点合わせされ、前記サンプルにより偏光された放射が異なる入射平面においてミラー系手段により、収拾される。サンプルに焦点合わせされるサンプルビ−ムは多くの偏光状態をもっている。変調された放射は偏光面について旋光性スペクトルを提供するために分析される。厚さと屈折の情報は、前記スペクトルから導きだされるであろう。好ましくは、前記サンプルビームの偏光は焦点合わせおよび前記サンプルにより変更され、そして前記解析は固定された偏光平面に対して行われる。好ましい実施の形態において、サンプルビームの焦点合わせおよび変調された放射の収拾が、前記サンプルに複屈折軸が存在するかしないかを検出するために、ふたつの異なった開口を使用して繰り返し行われる。他の好ましい実施の形態においては、前述した事実が薄いフィルムの厚さおよび屈折率を決定するためにエリプソ計測を併用して行われる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、概してサンプルの表面パラメータを測定するための非破壊テクニッ
クに関し、特に、サンプルの旋光性スペクトルおよび他の特性を測定するための
システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
多数の産業上の実用性のために、薄膜の厚さおよびそれらの反射屈折率のよう
なサンプル表面パラメータを検出することは有用である。これらのパラメータは
多数の技術によって検出されるだろう。最も良く知られている非破壊検査技術は
、分光反射測定および分光エリプソメトリを使ったそれらの技術である。
【０００３】 分光反射測定において、入射放射ビームはサンプルから反射し、反射された放
射の強度はサンプルの特性を検出するために分析される。測定されたデータのス
ペクトル（反射率スペクトルまたは相対的な反射率スペクトルとして知られてい
る）が測定されるために、入射放射光は多様な頻繁要素を含むだろう。米国特許
第５，７４７，８１３号には広帯域分光反射計のタイプを開示しており、この特
許はここでは参照されている。
【０００４】 分光エリプソメータは米国特許第５，６０８，５２６号で開示されており、そ
してそれはここで参照されている。この特許で開示されたように、公知の偏光状
態にある入射放射ビームは、サンプルから反射されており、一般的に大きい入射
角および反射された放射の偏光はサンプルの特性を検出するために分析される。
振幅および位相での偏光状態の変化が膜厚およびサンプルの表面上の薄膜の厚さ
の反射屈折率を検出することを測定するために、反射された放射の偏光は入射ビ
ームのそれから変化させられる。
【０００５】 分光反射測定は、分光エリプソメトリよりシンプルで、安価であるが、分光エ
リプソメトリはより正確で、分光反射測定より表面特性に敏感である。分光反射
測定および分光エリプソメトリは、有用な非破壊検査技術であり、表面複屈折の
ような、正確な表面パラメータを測定するためのそのようなテクニックとして使
うことは困難であろう。
【０００６】 そのために複屈折のようなサンプルパラメータを測定する改良された測定シス
テムを提供することは望ましい。また、前述されている非破壊検査技術を補うた
めのサンプル表面の特性を測定する旋光分析システムを提供することも望ましい
だろう。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本件出願人によって提案された旋光分析システムは、分光反射計の簡素さを保
っているが、分光エリプソメータのように表面特性には敏感である。広帯域放射
の偏光させられたサンプルビームはサンプルの表面上に焦点を合わせられ、サン
プルによって変化された放射は集められる。サンプルに焦点を合わされたサンプ
ルビームは、多数の偏光状態を持っている。サンプルによって変化された放射は
、旋光性スペクトルを提供するために偏光平面に関して分析される。そのとき厚
さおよび反射性屈折率情報はスペクトルから誘導されるだろう。好ましくはサン
プルビームの偏光は、焦点を合わせられることとサンプルによってのみ変化させ
られ、分析は固定した偏光平面に関して行われる。
【０００８】 好ましい実施の形態によって、サンプルの焦点合わせおよび変化された放射の
コレクションは、サンプルでの複屈折軸の存在か不在を見つけるために２つの異
なった開口を用い繰り返される。他の好ましい実施の形態において、前述された
技術は、厚さおよび薄膜の反射屈折率を検出するエリプソメトリと併用させられ
るだろう。
【０００９】
【発明の実施の形態】
説明を簡潔にするため、同じ構成要素に対しては同じ番号を付してある。 図１は、分光エリプソメータおよび旋光性システムの併用機の略図であり、本発
明の好ましい実施形態を示したものである。併用機の分光エリプソメータについ
て述べる前に、最初に図１および図２を参照して旋光性システム８について詳細
に述べる。後にのべるように、好ましくはシステム８は、有利に使われる、分光
だ、図１の併用機のように分光（または単一の波長）エリプソメータと一緒に有
利に使用される。また、このシステムは、サンプルを測定するためにそのシステ
ムを有利に使用することも可能である。
【００１０】 旋光性システム８での全体的な光学配置は、米国特許第５, ７４７, ８１３号
で述べられている分光反射計に似ており、簡素さを保っている。しかしながら、
そのような分光反射計の違いから、本発明のシステム８は、米国特許第５, ７４
７, ８１３号のシステムのような偏光で無反応な反射率スペクトルよりむしろ旋
光性反射率スペクトルを測定する。そのため、システム８は、米国特許第５, ７
４７, ８１３号のシステムより表面特性に対して敏感である。好ましい実施の形
態で、本発明がサンプルによって反射した放射が検出されることを示しており、
それよりもここではサンプルによって伝達された放射が検出されることが述べら
れているように本発明が本質的に機能することが理解されるだろう。簡潔のする
ために、そのような記述が伝達された放射を測定するためにたやすく広げられる
ことが可能であることの理解とともに、好ましい実施の形態は、反射された放射
を測定することとして以下に述べられるであろう。
【００１１】 サンプル経路、参照経路、フィールド照射経路、測定照射経路およびエリプソ
メータ経路を示している慣例は、図１の右上のコーナー示されている。前述した
ように、旋光性パラメータを測定するシステムでの全体的な光学配置は、図１お
よび図２を参照して以下に述べる。
【００１２】 図１および図２の各々は、旋光性パラメータを測定するための本発明による光
学システムの同一の実施例を示している。図１の焦点合わせの一部、システム８
の他の光学要素および分光エリプソメータの一部については、図を簡略化するた
め、図２では省かれている。他の要素に関してそれらの配置を最も良く示してい
る図と関連して以下に要素について説明される。図１を参照して、ウエハ３の相
対的反射率スペクトルを測定する光学システム８は、照射サブシステム、反射計
サブシステム、視界サブシステム、および自動焦点サブシステムを含み、そこに
おいて、与えられた光学要素は、１以上のサブシステムの部分であるだろう。照
射サブシステムは、可視および／または紫外線（ＵＶ）の光ビーム１２を放射す
るキセノン弧形ランプのようなランプ１０、４、ランプハウジングの窓１４、オ
フアクシスパラボロイドミラー１６、フリップ−インUV遮断フィルタ１８、カラ
ーフィルタホイール２０、フラットミラー２２、凹ミラー２４、フリップ−イン
４０μｍ精巧な焦点開口３０を持った開口ミラー２８、大きな色消しレンズ３２
、フィールド照射シャッタ３１、褶曲ミラー３６および小さな色消しレンズ３８ を含んでいる。図２において、オブジェクト４０は、ミラーとミラー４０ａ、
４０ｂ、を含むハウジング４０を含んでいるが、分光エリプソメータからの斜め
の照射ビームのためのハウジングおよびウエハの間の充分な一定の距離を保たせ
、残す。（図２では図示せず）
【００１３】 照射システムは、測定ビーム２５およびフィールド照射ビーム３４から構成さ
れる併用ビーム４２を提供する。ランプ１０は、にランプハウジング窓１４を通
って光ビーム１２に放射する。ランプハウジング窓は、光学的理由のためには必
要でない。しかしながら、ランプは裂け、爆発すべきランプ１０を包含するため
に提供される。キセノンランプにはタングステンか重水素ランプのような他のラ
ンプを好まれる。なぜなら、キセノンランプは、ＵＶから赤外線の近傍までにス
ペクトルをカバーするフラッタ出力を与えられるからであろう。深いＵＶを含む
もっと広い、１９０〜２２０ｎｍを含む範囲での波長の要素を持っているサンプ
ルビームを提供するために、付加的重水素ランプ８８は、深いＵＶを含む広域ス
ペクトルをカバーするために、キセノンランプ１０と一緒に使用される。一緒に
２つのランプを使うことによって、検出されるサンプルのために供給された放射
の生じられる併用スペクトルは、およそ１９０から８００または８３０ｎｍの範
囲で拡張することができる。スペクトルを深いＵＶの範囲まで拡張することは、
写真平版に役立っている。ランプ８８からの放射は、レンズ９３から焦点を合わ
せられ、ミラー９５によってフィルタ１８へ反射されて、そして、併用ビーム１
２を作るためにランプ１０からの放射と一緒に併用させられる。アロー９９に沿
ってビーム１２の経路から中または外へミラー９５を動かすことによって、測定
ビーム２５から重水素ランプ８８ からの放射を含むことまたは除くことは可能
である。
【００１４】 オフアクシスパラボロイドミラー１６は、光ビーム１２を視準し、それはビー
ム１２を形成するためにランプ８８からの放射と併用したあと、フィリップ−イ
ンＵＶ遮断フィルタ１８とカラーフィルタホイール２０を任意に濾過されること
が可能である。指ではじくことフィリップ−インＵＶ遮断フィルタ１８は、光ビ
ーム１２のスペクトルを制限するための一部として使われるので、光ビーム１２
が回折格子によって追い散らされる時に第１および第２の順序回折ビームは重複
しない。ビーム１２の一部は、測定ビーム２５を作るために凹ミラー２４の上へ
フラットミラー２２によって反射される。凹ミラー２４は、開口ミラー２８の開
口の上に測定ビーム２５ に焦点を合わせる。
【００１５】 光ビーム１２の他の部分、フィールド照射ビーム３４は、小さな色消しレンズ
３８の方へランプ１０、８８のイメージを反射することを褶曲ミラー３６に引き
起こす、褶曲ミラー３６の近い大きな色消しレンズ３２によって焦点を合わせら
れる。小さい色消しレンズ３８は、光が開口ミラー２８から反射する前に、フィ
ールド照射ビーム３４での光を集める。開口ミラー２８は、一方の上の反射被覆
で、１５０μｍ２で測定ビーム２５のための開口を提供する反射被覆からエッチ
ングされたヒューズを取り付けられたシリカプレートである。開口は、測定物４
０の一方の結合に位置させられる。フィールド照射は、フィールド照射ビーム３
４の光学経路でフィールド照射シャッタ３１を位置することによって切ることも
できる。
【００１６】 狭い測定ビーム２５および広いフィールド照射ビーム３４は、開口ミラー２８
の前部から反射するフィールド照射ビーム３４として開口ミラー２８、開口を通
って通過する測定ビーム２５およびモータ１０１によってビーム２５の経路から
中または外に移動されるであろう偏光子１０２で再び一緒にされる。
【００１７】 図１は、反射計、光学システム８の視界および自動焦点サブシステムを示し、
それらは、測定物４０、ビーム分割器ミラー４５、サンプルビーム４６、任意参
照ビーム４８、凹ミラー５０、フラットミラー４３、参照分光計ピンホール５６
としての参照プレート５２、サンプル分光計ピンホール５８としてのサンプルプ
レート５４、第２の褶曲ミラー６８、回折格子７０、サンプル直線フォトダイオ
ード整列７２、参照直線フォトダイオード整列７４、短い焦点距離の色消しレン
ズ８０、ミラー８２、ビームスプリッタキューブ８４、ペンタプリズム８６、長
い焦点距離の色消しレンズ９０、中性密度フィルタホイール９７、第３の褶曲ミ
ラー９１、ビデオカメラ９６が含まれている。これらの要素のいくつかは、明瞭
にするために図２では図示されていない。
【００１８】 いくつかの拡大は測定物４０には可能である。実施例において、シュワーツチ
ャイルド（Schwarzchild）デザインの全ての反射目標は、サンプルビーム４６の
光学経路に位置させられるためにいくつかの異なった目標（図示せず）のうちの
１つのために認められる回転可能なタレットに乗せられるだろう。本発明におい
て測定を重要に影響しないでサンプルビーム４６の光学経路での低い力の屈折要
素を含むことは可能である。
【００１９】 ウエハ３の相対的反射率スペクトルの測定はこれから述べられる。フィールド
照射シャッタ３１は、フィールド照射ビーム３４の経路に位置させられた併用ビ
ーム４２は唯一の測定ビーム２５から構成される。併用ビーム４２は、ビーム分
割器ミラー４５によって分けられ、測定物４０の方へ併用ビーム４２の半分を偏
向させることによって位置された全体的な反射ミラーで、サンプルビーム４６を
作り、偏向させない併用ビームの半分で参照ビーム４８を作る。なぜなら、サン
プルビーム４６および任意参照ビーム４８が、ランプ１０、８８のような同じ源
から誘導され、併用ビーム４２はユニフォームされ、参照ビーム４８およびサン
プルビーム４６は比例して従属スペクトル強度を持っているからである。さらに
、ビーム分割器ミラー４５は、全体的な光学経路での部分的な反射ミラーよりも
光学経路の半分の全体的な反射ミラーである時に、連続的広帯域スペクトルは良
い明るさで反射される。
【００２０】 参照ビーム４８は、ビーム分割器ミラー４５で最初に相互作用しないが、代わ
りに凹ミラー５０を照射する。凹ミラー５０はわずかにオフアクシスであり、そ
のため、参照ビーム４８はビーム分割器ミラー４５の逆のフェイスの上へ反射さ
れ、ここにおいて、フラットミラー４３は参照分光計ピンホール５６で一直線に
参照ビームを再び反射する。フラットミラー４３はサンプルビーム４６で参照ビ
ーム４８を再調整するために提供されるために、両方のビームは実質的に平行線
であるそれぞれの分光計ピンホールを通っている。参照ビームがサンプルビーム
と平行の分光計に入るので、これを両方のチャンネルのための分光計要素の簡単
な整列のために認める。
【００２１】 参照ビームを反射するビーム分割器ミラー４５の表面で相互作用しない時に、
ビーム分割器ミラー４５を通った参照ビーム４８としては参照強度で損失がまっ
たくない。参照ビーム４８はビーム分割器ミラー４５の逆側においてミラー４３
で相互作用する間、これら２つのミラーは独立しており、従って、まったく光が
ビーム分割器ミラー４５を通らなかった。さらに、他の実施例において、容易に
ビーム分割器ミラーの２つの反射表面は容易に光学要素で一緒に位置されること
はできず、反射表面は別のミラー要素上で存在する。
【００２２】 凹ミラー５０の焦点距離は、参照ビーム４８が参照分光計ピンホール５６での
焦点合わせにある。参照分光計ピンホール５６を通った光および褶曲ミラー６８
から反射する光は、回折格子によって追い散らされる。生じる第１の順序回折ビ
ームが、それによって相対的参照スペクトルを測定するように、参照直線フォト
ダイオード整列７４によって集められる。
【００２３】 偏光させられたサンプルビーム４６は、測定物４０の方へビーム分割器ミラー
４５から反射され、ここにおいて、サンプルビーム４６はウエハ３へ焦点を合わ
せられ、そして、反射されたサンプルビーム４６はサンプル分光計ピンホール５
８の上へ測定物４０によって焦点を合わせられる。反射されたサンプルビーム４
６は、反射された経路上のビーム分割器ミラー４５と相互作用しない。なぜなら
、ビーム分割器ミラー４５の後にスペースの中を通らされ、ここにおいて参照ビ
ーム４８もまた通る。サンプル３から反射されたサンプルビーム４６から放射は
、ピンホール５８に届く前に分析器を通る。サンプル分光計ピンホール５８から
通る光および褶曲ミラーから反射する光は、光の波長により回折格子によって追
い散らされる。参照ビームであるように、サンプルビームの生じる第１の順序回
折ビームは、それによってサンプル旋光性スペクトルを測定する、サンプル直線
フォトダイオード整列７２によって集められる。なぜならば、回折格子で交差す
る２つのビームであるので、図２において、サンプルビーム４６に明らかに整列
されたフォトダイオードは、事実サンプルビーム４８のためのフォトダイオード
整列であり、またその逆もいえる。偏光子１０２および分析器１０４は回転せず
、好ましくは静止している。そのため、分析器１０４は、サンプルによって変更
された放射を分析され、固定した偏光面により測定物４０によって集める。
【００２４】 そのとき相対的反射率スペクトルはそれぞれの波長での相対的参照強度による
それぞれの波長でのサンプル光強度を分割することによって単に得られることが
できる。典型的に、これは５１２部門計算を含むかも知れず、ここにおいて、５
１２ダイオード線型フォトダイオード整列はサンプルおよび参照スペクトルを記
録するために使われる。好ましい実施の形態において、スペクトルはおよそ１９
０ｎｍから８００または８３０ｎｍまでの範囲である。
【００２５】 本発明の実施例において、回折格子７０は、凹ホログラフィー格子あり、分光
計ピンホールは１５ミリメートル離れている。１５ミリメートルの距離は格子で
中心にさせられる両方のビームのために許されない間、回折格子はイメージ多様
なスペクトルをイメージするようにホログラフィー的に修正される。そのような
格子は、機械Ｓ．Ａ. によって供給された多様なスペクトルのイメージの格子で
ある。また、格子が計画されるため、格子から離脱するために検出器の角度は検
出器に放射を引き起こす。
【００２６】 フィールド照射を含むであろう併用ビーム４２は、ウエハ３の方へビーム分割
器ミラー４５に反射される。反射率スペクトル測定および自動焦点が実行される
とき、フィールド照射は散乱させられた光を最小化するために出発する。
【００２７】 スペクトル測定サブシステムでのたくさんの要素はまた自動焦点サブシステム
でも使われるのは、相対的反射率スペクトルを測定するために使われた光学要素
の革新的設備のためである。例えば、図示されている実施例での相対的反射率ス
ペクトル測定は部分的に反射するミラーと対照であるビーム分割器ミラー４５に
使うならば、ウエハ３から反射した生じたビームは環状に不均衡の横切断片を持
っている。環状に対称の横切断片で、焦点の方向が検出することができないのに
対して、焦点状態を成しとげるために焦点の方向に加えて測定物４０またはウエ
ハ３を移動する相対的距離を検出するためにこれは許されている。
【００２８】 図１および図２における旋光性システム８は、サンプルビーム４６が本願のシ
ステムで偏光させられていることが米国特許第５, ７４７, ８１３号で開示され
ているものとは相違する。このように、サンプルビーム４６は、サンプルの３の
方へ測定物４０によって反射されるときに、ビームは、多数か複数の異なった偏
光状態を持っているウエハ上へ焦点を合わせられる。サンプルビーム４６は、図
３Ｂ、図３Ａによりはっきりと示されている。図３Ａに示されているサンプル３
の方へそれからビームを焦点合わせするミラー４０ｂの方へミラー４０ａによっ
て反射される。図３Ｂはウエハ３の上へ焦点を合わせられたときサンプルビーム
４６の照射開口の略図的な視界である。図３Ａおよび図３Ｂの様々な量は、シリ
ンダー同等物ρ、φおよびθ、に対する参照によって定義されている。ここでは
、ρは同等システムでのポイント（起源に対する距離）の半径、φはサンプルの
表面へ参照プレーンノーマルへのポイントを包含するサンプル表面へプレーンノ
ーマルの角度、そして、θはノーマルからポイントを起源に連結させるラインの
サンプル表面までの角度である（標準に対する入射角）。
【００２９】 図３Ａを参照して、偏光子１０２φP での平面によって定義された偏光面を持
っていても、偏光子から現われるサンプルビーム４６が、４５ビーム分割器によ
って反射されてまたこの偏光を持っているために、図３Ａに関して、仮定される
。ビーム４６ミラーによって最初に反射される、４０そしてサンプルの３の上へ
ビームを集中させるミラー４０ｂほど、サンプルの３の上へ集中させられるビー
ムは、３Ｂ、図３Ａのうちに説明されたように、入射の異なった平面に到着する
。図３Ｂのうちに、ビームの偏光面φP ４６、１０３で指示される。
【００３０】 上記で述べられているように、分割器ミラー４５はサンプルビーム４６になる
ために偏光させられたビームの半分について偏向し、参照ビーム４８としてのビ
ームの残る半分を通過する。この理由のために、図３Ｂにおいて照射開口（陰で
表されている１０６）はおおよそ半円形であるように見える。このように測定物
４０によってサンプル３の上へ焦点を合わせされる放射は、半円エリアにおよぶ
入射のの平面でサンプル上に起こるであるだろう。エリア内の角度φの値での入
射の平面でのウエハ上の放射入射はエリアでの角度φの異なった値を持つ入射の
異なった平面での放射から異なっているｓおよびｐ偏光を持っているだろう。入
射の異なった平面での放射のｓおよびｐ偏光は、適応を定義で持っているだろう
。そのため、入射の平面での入射放射光の偏光状態が入射の異なった平面での入
射放射光のそれから異なっているだろう。そのため、サンプル３に投射する放射
はφの関数としての偏光状態の多数か複数性を持っているだろう。
【００３１】 サンプルの３の上へ焦点を合わせられるビームは、測定物４０ａ、測定物４０
ｂの併用された反射係数の関数としてのサンプルビーム４６と比較して強度を減
少させられるだろうということが、以下に説明される。サンプルビーム４６から
発する放射、測定物４０によってサンプルの上へ焦点を合わせられ、再び強度を
減少させられたサンプルの反射係数の関数としてのそれぞれの偏光要素の段階を
変えるサンプルによって反射される。そのような放射は前記で述べられたように
、分光計に対するビーム分割器４５および分析器１０４を通って測定物４０によ
って再び反射される。好ましい実施の形態で、サンプルの上へ放射を焦点合わせ
させるために使われた同一の測定物が分析器および分光計の方へ反射された放射
を収集するためにまた使われる間、異なったコレクション測定物は焦点合わせす
る測定物に加えて使われるだろうということが必要とされないと理解されるだろ
う。そのような、他の変形は本発明の範囲内である。
【００３２】 サンプル表面上の起源の方へφp の方向に沿って偏光で半円照射開口での図３
Ａの同等物（ρ、φ）でポイント１０５から放射率を考慮する。図３Ａおよび図
３Ｂで示すように、電界はｓおよびｐ偏光で分解されることができ、次のように
表される。 但し、Ｅinは偏光子１０２によって偏光させられた後のビーム４６での放射の電
界である。Ｅ0 は振幅である。Ｅs inＥp inはｓおよびｐ偏光に沿っての放射の
要素である。放射が測定物からでた後、 但し、Ｅout はサンプルの３によって反射された後のビーム４６での放射の電界
である。Ｅs out Ｅp out はｓおよびｐ偏光に沿った要素である。ｒs s （ｒs o ）およびｒp s （ｒp o ）はサンプル（測定物）のためのｓおよびｐ偏光のた
めの反射係数である。測定物のための反射係数とは、図３Ａに示すように、２つ
のミラーの反射係数のプロダクトである。例えば、ｒs o ＝ｒs o1ｒs o2および
ｒp o ＝ｒp o1ｒp o2である。φa での偏光平面で分析器を通って後での分光計
での電界は得られることができるｐa に沿っているだろう。 検出器の流れは以下のように表現されることができる。 もし偏光子１０２が取り除かれるなら、そこで半円開口のための検出器の流れは
以下のようになる。 方程式（２）において、Ｒs o 、Ｒs s 、Ｒp o 、Ｒp s は｜ｒs o ｜2 、｜ｒ s s ｜2 、｜ｒp o ｜2 、｜ｒp s ｜2 とそれぞれ定義される。ｒs o 、ｒs s
、ｒp o およびｒp s はρの関数、すなわち、入射角の関数であることを気にと
めておくべきであろう。図１〜３に示されるように偏光子１０２は位置されてい
るとき、一般の方程式では分光計での強度がサンプル、測定物およびΔo のｓお
よびｐ偏光での放射の測定物の複雑な反射係数で誘導されることができる。ここ
において、Δo は方程式ｒp o ／ｒs o ＝ｔａｎΨo ｅjo、ｒp s ／ｒs s ＝ｔ
ａｎΨs ｅjoで定義される。（ここにおいて、ｒp s 、ｒs s はｓおよびｐ偏光
での放射のサンプル表面の複雑な反射係数であり、そして、ｒp o 、ｒs o はｓ
およびｐ偏光での放射の測定物の複雑な反射係数である。）ここにおいて、Ψo
、Ψs およびΔo は、また、また、エリプソメトリパラメータである。そのため
、システム８は、敏感な偏光である。
【００３３】 以下は、いくつかの特別なケースである。 Ａ．φ0 ＝π システムにおいて、Δでの変化に敏感であるために、２（φp −φa ）＝ｍπ。
もしφp ＝φa ならば、 Ｂ．φ0 ＝π／２ もしφp ＝φa ＝π／２ならば、
【００３４】 上述の解析から、偏光子および分析器角度が、同じものであるとき、すなわち
、偏光子１０２および分析器１０４が同一の偏光面を実質的に持っているとき、
方程式（４）および（６）で、第３の期間からｃｏｓ（Δ0 ＋Δ8 ）係数は、最
も大きい。いいかえれば、図４で示されたように、偏光子および分析器のように
両方の機能を使うために一つの偏光子を使うことが可能である。図４で示された
ように、偏光子１１６は偏光子１０２および分析器１０４を取り替えるために使
われるだろう。フォトダイオード整列のサンプルチャンネルは方程式（５）に比
例するだろう。この構成で、１つの偏光子のみが必要とされ、偏光子および分析
器は自己整列される。他の代替によって、分割器４５が偏光させるビーム分割器
であったとしても、偏光子１０２および分析器１０４はすべて一緒に取り除かれ
るだろう。そして、膜厚検出の改良された感度のために、図１にビーム分割器４
５および分析器１０４の間に挿入されるだろう。それは、波プレートか点線で示
された他の抑制器要素１９０は、方程式（４）および（６）で、第３の期間から
ｃｏｓ（Δ0 ＋Δ8 ）係数の論議での段階変化を表している。好ましくは、分析
および分散より先に要素１９０によって引き起こされた収集された放射での段階
変化はおよそπ /４である。また、ミラーのミラー被覆の厚さ４０ａ、４０ｂは
薄膜の厚さの検出での感受性を高めるように選ばれるであろう。そのため、ミラ
ーによって焦点を合わせられ、収集された放射での段階での全体の変化４０ａ、
４０ｂはおよそπ /２である。それで、方程式（４）および（６）で、第３の期
間からｃｏｓ（Δ0 ＋Δ8 ）係数の論議でΔ0 はπ／２の原因となるであろう。
よって、これらの方程式においてコサインタームはサインタームに変えられる。
【００３５】 整列７２での検出器の流れから見て測定された旋光性スペクトルはサンプル３
についての有用な情報を誘導するために使われるだろう。例えば、サンプル３の
上の多数の異なった層での材料のタイプが知られていれば、屈折率を評価するこ
とができるように、そのような検出器の流れは層の厚さを誘導することおよび正
確な屈折率のために適当だろう。そのような派生のための方法は当業者に知られ
ていて、詳しくここに論じられる必要がない。代わりに、検出器信号は膜厚およ
び屈折率を誘導するためのエリプソメトリ測定と併用させられるだろう。旋光性
システムでの検出のための広帯域放射を使うことは、有利であり、多数の異なっ
た波長でのデータポイントを得ることができる。そのような良いデータポイント
はサンプル上の多様な層の厚さおよび屈折率を決定することにとても役に立ち、
、正確な曲線の適したアルゴリズムを適用するか、測定の正確さを交叉調査する
ことを許可されるだろう。
【００３６】 また、システム８は、カバーされた照射開口の２つの象限のうちの１つでそれ
ぞれに、２つの測定器を通って平らな複屈折サンプルを分析するために使われる
ことができる。図３Ｂに示されたように、照射開口は実質的に半円であり、第１
および第４の象限１０６ａ、１０６ｂを包含する。図５Ａ、５Ｂは唯一第１の象
限（陰で示されたエリア）のみを通る照射および、唯一第３の象限１０６ｄのみ
を通って通過する照射ビームの反射を示している。第１の象限がカバーされ、そ
して、第４の象限がカバーされなかったときに、第２の測定は第４の象限を通っ
て照射でそのとき実行され、第２の象限を通って反射は同様の方法で収集され、
測定される。これは効果的に９０度ほどウエハス３を物理的に回転させることと
同じものである。複屈折回線の軸上へ第１および第４の象限照射のための入射の
平面で相違して、複屈折効果は２つの継続的測定から推論されることができる。
もしウエハが知られていることと対応して複屈折の軸の場所であるならば、測定
は４つの象限の位置を変えることによって最適化されることができるために、第
１および第４の象限１０６ａ、１０６ｂはそれぞれ通常または異常な軸について
のような複屈折の対応する軸について集められる。図５Ｂに示されたように、こ
こにおいて偏光子１０２の第４の象限はカバーされ、偏光子１０２の偏光軸１０
３は、ウエハの複屈折の軸に整列させられたと仮定し、第１の象限１０６ａは、
複屈折の軸について集められる。最初の旋光性スペクトルは得られる。それから
偏光子１０２は回転手段（図示せず）によって９０°回転させられるために、第
４の象限１０６ｂが今みなされるために、偏光の軸および第１の象限の軸につい
て集められると代わりに仮定すると、第２の旋光性スペクトルが得られる。第１
および第２のスペクトルの比較はすべての軸の存在かウエハ３での複屈折の軸を
示すだろう。ここにおいて第１および第４の象限は偏光子の軸について集められ
ず、２つのスペクトルの比較は複屈折の軸をまた明らかにするだろう。
【００３７】 また水晶の複屈折を検出するための上記で述べられている方法は図６に示され
ているように回転することができるホイール２００を使い実行されるだろう。こ
のように、図１の偏光子１０２はホイール２００に替えられるだろう。旋光性パ
ラメータを検出する上記で述べられている図１を参照して測定を実行するために
、位置１で偏光子２０１が開口２８をビーム分割器４５に通して照射ビームの経
路になるまでホイール２００は回転させられる。照射開口は第１および第４の象
限１０６ａ、１０６ｂから成り立つものであり、そして、ウエハ３からの反射は
第２および第３の象限での開口を通って収集されるだろう。図４Ｂ、図６Ｂの第
１の象限１０６ａを妨たげるか、カバーすることは望ましく、位置２で偏光子２
０２が開口ミラー２８およびビーム分割器４５の間の放射ビームの経路になるま
で、ホイール２００は回転させられる。照射開口は第４の象限１０６ｂからのみ
成り立ち、そして、ウエハ３からの反射は第２の象限で開口１０６ｃを通っての
み収集されるだろう。代わりに、第４の象限１０６ａを妨たげるか、カバーする
ことは望ましく、位置３で偏向子２０３が光学経路になるまでホイール２００は
回転させられる。照射開口は第１の象限１０６ａからのみ成り立ち、ウエハ３か
ら放射は第３の象限での開口１０６ｄを通ってのみ収集されるだろう。米国特許
第５, ７４７, ８１３号と同一の方法で操作することは望ましく、偏光子がその
中にない位置４での開口２０４が開口ミラー２８およびビーム分割器４５の間の
ビームの光学経路になるまでホイール２００は回転させられる
【００３８】 上記で述べられている実施例によって、複屈折検波が異なった照射開口を使う
ことによって成しとげられる間、代わりに本質的に同一の結果はコレクション開
口を使うことによって成しとげられることができる。すなわち、照射放射ビーム
の経路での照射開口の部分を妨たげるかわりに、サンプルから反射した放射の経
路でのコレクション開口の部分と分光計へ収集および割り当てと検出器は妨げる
かまたはカバーされているだろう。そのような、他の変形は本発明の範囲内であ
る。
【００３９】 複屈折の検出のためのシステム８を使う出願は上記で述べられている。またシ
ステム８はサンプル表面の他のパラメータを検出するために使われることもでき
る。方程式および図１を参照する上記説明から、特に図３Ａおよび図３Ｂ、フォ
トダイオード整列７２のスペクトルによって検出された反射されたスペクトルは
Δ、通常エリプソメトリで使われた旋光性パラメータおよびサンプルの表面での
薄膜の厚さおよびに屈折率に関係に関する情報に使われる。そのため、サンプル
表面のある様相が知られていれば、そのよう様相は、膜厚および屈折率のような
、サンプルでの有用な情報を誘導するためシステム８によって測定される旋光性
パラメータに関しての情報と併用しているだろう。
【００４０】 好ましい実施の形態で、フォトダイオード整列７２から得られた反射されたス
ペクトルは、旋光性パラメータを誘導するためフォトダイオード整列７４からの
参照スペクトルと比較され、それによって、ノイズ比率まで信号を改良する。い
くつかの出願のために、しかしながら、そのような旋光性パラメータは、参照ス
ペクトルの使用なしで、それ自身で反射されたスペクトルから誘導されるだろう
。そのような出願のために、参照ビーム４８は要求されず、すべての要素がビー
ム４８の世代と結合するためおよび参照スペクトルは図１および２から除かれる
でだろう。そのような、他の変形は本発明の範囲内である。
【００４１】 図１の併用機での分光エリプソメータ３００はこれから述べる。図１で示され
たように、焦点１８および２０を通って通過したキセノンの弧ランプ１０から発
する放射の一部は３０６放射をコリメータ３０６に放射を供給する光ファイバケ
ーブル３０４に対するビーム分離器３０２によってそらされる。視準されたあと
、ビームは偏光子３１０によって偏光させられ、ウエハ３に対する焦点ミラー３
１２によって焦点を合わせられる。検出のための分光計３２２および検出器３２
４に供給される前に、そのようなビームの反射はコレクションミラー３１４によ
って収集され、分析器３２０を通って折りたたみ式ミラー３１６によって反射さ
れる。偏光子３１０および分析器３２０はお互いに回転させられるために、振幅
およびビーム３０８の偏光状態での変化の段階がウエハ３での反射は測定される
ことができることで引き起こされた。エリプソメータの３００の操作の詳細な説
明のためには、米国特許第５, ６０８, ５２６を参照されたい。
【００４２】 図１で示されたように、サンプルを薄膜の層と比べるために、旋光性パラメー
タおよび分光エリプソメータ３００を測定するためのシステム８を含んでいる併
用機を用いることは望ましいだろう。システム８および分光のエリプソメータ３
００は整列されたためにサンプルビーム４６およびサンプルビーム３０８が実質
的にウエハ３上の同一のスポットの上へ焦点を合わせられている。システム８に
よっって測定された旋光性パラメータは、膜厚および膜屈折率のような有用な情
報を誘導するためのシステム３００によって測定されたエリプソメトリパラメー
タとそのときに併用されるあろう。システム８によって得られた旋光性パラメー
タおよびシステム３００によって得られたエリプソメトリパラメータは、北オラ
ンダ、アムステルダムでサーフェイス サイエンス３５（１９８８〜８９）２５
９〜２７に発表されたオーリダル，イバンおよびルークス，フランティスクの「
併用された浸入および多様な入射角エリプソメトリによる極薄生得酸化物層と半
導体表面の解析」のような技術を用いて併用される。
【００４３】 分光エリプソメータのスペクトル範囲は併用機を使うことによって、およそ１
９３ｎｍのような深いＵＶに拡張しないけれども、そのような波長での屈折率を
正確に測定することは可能である。このように、併用機は分光エリプソメータお
よび旋光性システム８の併用されたスペクトル上に屈折率を測定するために使わ
れるだろう。併用機を使うことによって、そして両方のシステム８から、分光エ
リプソメータからのデータ、分光エリプソメータのスペクトルでの波長でサンプ
ルの異なった膜の屈折率は見つけられることができる。この厚さ情報は、深い紫
外線境界での膜の屈折率を発見するために併用機からのデータと一緒に使われる
だろう。整列７２、７４での多数の検出器と分光計３２２でのは最適結果のため
の望まれた波長でのデータを得るために選ばれるだろう。
【００４４】 他の実施例で、サンプルビーム４６および３０８はウエハ３の上の同一のスポ
ットに焦点を合わせられる必要がない。ウエハ３は回転か直線変換または２つの
作動の併用によって慣習的な方法で動かさせられるためにシステム８によって測
定されたスポットはシステム３００によってその後測定されているし、またその
逆もありえる。作動の回転および変換はコントロールされている間、２つのシス
テム８および３００によって測定されているスポットの相対的位置は相関させら
れることができる。
【００４５】 好ましくは、分光エリプソメータが、上記で述べられているように、旋光性シ
ステム８と一緒に併用される間、システム８を単一の波長エリプソメータと併用
させることもまた可能である。この目的のために、ミラー３２１および検出器３
２４の間の、分光計３２２の光学経路での回折格子を除去することによってたっ
たわずかに変更される図１の用意が必要がある。旋光性スペクトルでの波長でレ
ーザは、単一の波長エリプソメータのための放射源として使われるだろう。単一
の波長エリプソメータの手段とシステム８の手段によって、得られた測定で、旋
光性スペクトルの上に波長で膜厚および屈折率を誘導するのは可能である。
【００４６】 本発明が様々な実施例を参照することによって上記に述べられているように、
変更および修正が本発明の範囲からはずれないで起こされるだろうことは理解さ
れるだろう。そして、それは付加された請求の範囲およびそれらの同等物によっ
てのみ定義されることである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 分光エリプソメータおよび旋光性システムの併用機の略図であり、本発明の好
ましい実施形態を示したものである。
【図２】 図１の旋光性システムの透視図である。
【図３Ａ】 旋光性パラメータを測定するための図１のシステムの一部に簡略した略図であ
る。
【図３Ｂ】 図２Ａ の照射開口を例示したグラフである。
【図４】 旋光性パラメータを測定するシステムの一部の簡略した略図であり、本発明の
他の実施例を示している。
【図５Ａ】 照射ビームまたは反射されたビームの光学経路が開口の中を通過させられる図
１ の旋光性パラメータを測定するシステムの簡略した略図であり、本発明の好
ましい実施形態を示している。
【図５Ｂ】 サンプルの複屈折の軸と関連する図５Ａ の開口の略図であり、本発明を示し
ている。
【図６】 そこに４つの異なった開口と３つの偏光子を持つ開口とともに示された車輪で
あり、本発明の好ましい実施形態を示している。
【手続補正書】
【提出日】平成１３年９月１０日（２００１．９．１０）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の名称】 試料の偏光計スペクトルおよび他の特性を測定するシステム
【特許請求の範囲】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】 この発明は一般には、試料の表面特性を測定する非破壊技術に関し、特に試料
の偏光計スペクトルおよび他の特性を測定するシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】 多くの工業的利用にとって、薄膜の厚さやその屈折率のような試料の表面パラ
メータを測定することは有用である。これらのパラメータは、多くの技術によっ
て測定され得る。よく知られた非破壊検査技術の中に、分光反射解析法と分光学
的偏光解析法がある。
【０００３】 分光反射解析法において、入射放射ビームは試料で反射し、そして反射放射線
の強度が分析されて試料の特性を測定する。入射放射線は多重波長成分を含んで
いるから、測定データのスペクトル（反射率スペクトルまたは相対反射率スペク
トルとして知られている）が計測される。米国特許第５，７４７，８１３号が一
種の広帯域分光反射計を記述しており、この特許は引用により完全な形で本明細
書に含まれる。
【０００４】 分光学的偏光解析装置が米国特許第５，６０８，５２６号に記載されており、
これは引用により完全な形で本明細書に含まれる。この特許に記載されているよ
うに、既知の偏光状態を有する入射放射ビームが試料から概して大きな入射角度
で反射され、反射放射線の偏光が分析されて試料の特性を測定する。反射放射線
の偏光は入射ビームのそれとは変わるから、量的なおよび相的な偏光状態の変化
が測定されて、試料表面の薄膜の厚さと屈折率が測定される。
【０００５】 分光反射解析法は、分光学的偏光解析法よりはシンプルで廉価であるが、分光
学的偏光解析法は、分光反射解析法よりはより精確で、表面特性に対して感応度
が高い。分光反射解析法と分光学的偏光解析法は有用な非破壊検査技術であるが
、表面の複屈折のようなある種の表面パラメータを測定することが困難である。
【０００６】 従って、複屈折のような表面パラメータを測定するための改良された測定シス
テムを提供することが望ましい。また、上述の非破壊検査技術を補足するために
試料表面の特性を測定する偏光計システムを提供することも望ましい。
【０００７】
【課題を解決するための手段】 本出願人によって提案された偏光計システムは、分光反射計の単純性を維持す
るが、分光学的偏光解析装置と同様な表面特性に対する感応度を持っている。広
帯域放射線の偏光サンプルビームは、試料表面に集束され、試料によって修正さ
れた放射線が集められる。試料に集束されたサンプルビームは、多数の偏光状態
を有している。試料によって修正された放射線は、偏光面に関して分析されて偏
光計スペクトルを生ずる。そして、厚さと屈折率の情報は、スペクトルから求め
られる。好ましくは、サンプルビームの偏光は、集束と試料とによってのみ変え
られ、分析は、固定偏光面に関して行われる。
【０００８】 好適な実施例において、サンプルビームの集束と修正された放射線の収集は、
試料内の複屈折軸の存否を検出するために２個の異なる開口を使用して繰り返さ
れる。他の実施例において、上述の技術は、薄膜の厚さと屈折率とを測定するた
めに、偏光解析法と組み合わされる。
【０００９】
【発明の実施の形態】 図示における簡明さのために、同一部材は同じ符号で示されている。 図１は、本発明の好適な実施例を例示するための、分光学的偏光解析装置と偏
光計システムとを有する複合装置の概要図である。複合装置の分光学的偏光解析
装置を説明する前に、先ず偏光計システム８が図１および図２を参照してある程
度詳しく説明される。以下に示すように、好ましくはシステム８は、図１の複合
装置の分光学的（または単一波長の）偏光解析装置と一緒に使用されると有利で
あるが、このシステムはまた試料を測定するためにそれ自身で効果的に使用する
こともできる。
【００１０】 偏光計システム８の全体的な光学的配置は、米国特許第５，７４７，８１３号
に記載された分光反射計に類似しており、そのシンプルさを維持している。しか
しながら、かかる分光反射計とは異なり、本発明のシステム８は、米国特許第５
，７４７，８１３号のシステムにおける偏光無感応の反射率スペクトルではなく
偏光計反射率スペクトルを測定する。従って、システム８は、米国特許第５，７
４７，８１３号のシステムよりは表面特性に対して感応度が高い。好適な実施例
において、本発明は試料によって反射される放射線を検出するものとして例示さ
れているが、本発明は、試料によって伝播される放射線が代わって検出されると
本明細書に記載されているように本質的に作用し、このようなまたは他の変形は
本発明の範囲内にある。平易にするために、好適な実施例は、以下に反射放射線
を測定するものとして説明されるが、かかる説明は伝播放射線を測定するために
容易に拡張されることができると理解される。
【００１１】 サンプル経路、参照経路、領域照明経路、測定照明経路、および偏光解析装置
経路を示すための凡例が図１の右上隅に示されている。上述したように、偏光計
パラメータを測定するシステムの全体的な光学的配置が図１および図２を参照し
て以下に説明される。
【００１２】 図１および図２の各々は、偏光計パラメータを測定するための本発明による光
学システムの同じ実施例を示している。システム８の集束部材と他の光学部材お
よび図１の分光学的偏光解析装置は部分的に図２では省略されていて、図面を簡
潔にしている。その部材は、他の部材に関するその位置を最も明瞭に示す図面と
関連して以下に説明される。図１を参照するに、ウェハ３の相対反射率スペクト
ルを測定する光学システム８は、照明サブシステム、反射計サブシステム、観察
サブシステム、および自動焦点サブシステムを有し、任意の光学部材は複数のサ
ブシステムの一部となることがある。照明サブシステムは、キセノンアークラン
プのような、可視光および／または紫外（ＵＶ）光の光ビーム１２を放出するラ
ンプ１０、ランプハウジング窓１４、偏芯放物面鏡１６、出し入れ式紫外線遮断
フィルタ１８、カラーフィルタリング２０、平面鏡２２、凹面鏡２４、出し入れ
式４０μｍ微細焦点開口３０を備えた開口ミラー２８、大アクロマート３２，領
域照明シャッター３１，屈曲ミラー３６および小アクロマート３８を有する。図
２において、対物レンズ４０は、ミラーとミラー４０ａ，４０ｂを取り囲むハウ
ジング４０’を有するが、分光学的偏光解析装置（図２には図示せず）からの傾
斜照明ビームのためにハウジングとウェハとの間に十分な空間を残している。
【００１３】 照明システムは、測定ビーム２５と領域照明ビーム３４とからなる複合ビーム
４２を供給する。ランプ１０は、ランプハウジング窓１４を通して光ビーム１２
を放出する。ランプハウジング窓は光学的理由では必要がないが、ランプが亀裂
を生じて破裂したときにランプ１０を閉じこめるために設けられる。キセノンラ
ンプは、ＵＶから近赤外までのスペクトルをカバーする平坦な出力を生ずるので
、タングステンランプや重水素ランプ等の他のランプより好ましい。１９０〜２
２０ｎｍを含む領域の波長成分を有するサンプルビームを供給するために、キセ
ノンランプ１０と組み合わせて重水素ランプ８８が追加的に使用され、深紫外を
含むより広いスペクトルをカバーする。２個のランプを一緒に使用することによ
って、試料を検出するために供給される放射線の合成複合スペクトルは、約１９
０ｎｍ乃至８００または８３０ｎｍまで拡張されることができる。スペクトルを
深紫外領域まで拡大することは、写真印刷にとって有用である。ランプ８８から
の放射線は、レンズ９３によって集束され、ミラー９５によってフィルタ１８に
向けて反射され、そしてランプ１０からの放射線と組み合わされて複合ビーム１
２’を形成する。矢印９９に沿うビーム１２の経路の内外にミラー９５を動かす
ことによって、重水素ランプ８８からの放射線を測定ビーム２５に含ませたり除
外したりすることが可能である。
【００１４】 偏芯放物面鏡１６は、光ビーム１２を平行にし、これはランプ８８からの放射
線と組み合わされてビーム１２’を形成した後、出し入れ式紫外線遮断フィルタ
１８とカラーフィルタリング２０とによって選択的に濾波される。出し入れ式紫
外線遮断フィルタ１８は、光ビーム１２’のスペクトルを制限するために部分的
に使用されるから、光ビーム１２’が回折格子によって分光されるときに、１次
および２次分光は重なり合わない。ビーム１２’は平面鏡２２によって凹面鏡２
４上に部分的に反射されて測定ビーム２５を形成する。凹面鏡２４は測定ビーム
２５を開口ミラー２８の開口上に集束する。
【００１５】 光ビーム１２の他の部分、すなわち領域照明ビーム３４は、大アクロマート３
２によって屈曲ミラー３６の近くに集束され、屈曲ミラー３６をしてランプ１０
、８８の像を小アクロマート３８に向けて反射させる。小アクロマート３８は、
光が開口ミラー２８で反射する前に領域照明ビーム３４内の光を集める。開口ミ
ラー２８は、一面に反射コーティングがなされた溶融シリカ板であり、反射コー
ティングからエッチングされた１５０μｍ2 が測定ビーム２５用の開口を生ずる
。開口は、対物レンズ４０の共役軸にある。領域照明は、領域照明ビーム３４の
光路内に領域照明シャッター３１を置くことにより遮断される。
【００１６】 狭い測定ビーム２５と広幅の領域照明ビーム３４は、開口ミラー２８で再合体
し、領域照明ビーム３４は開口ミラー２８の前で反射し、測定ビーム２５は開口
と偏光子１０２を通過し、これはモータ１０１によってビーム２５の経路に出入
りされる。
【００１７】 図１は反射計と、光学システム８の観察サブシステムおよび自動焦点サブシス
テムとを示しているが、対物レンズ４０、ビーム分割ミラー４５，サンプルビー
ム４６，オプションの参照ビーム４８，凹面鏡５０，平面鏡４３，参照分光ピン
ホール５６を備えた参照板５２，サンプル分光ピンホール５８を備えたサンプル
板５４、第２の屈曲ミラー６８，回折格子７０，サンプル線状フォトダイオード
アレー７２，参照線状フォトダイオードアレー７４，短焦点距離を有するアクロ
マート８０，ミラー８２，ビーム分割キューブ８４，五角プリズム８６，長焦点
距離を有するアクロマート９０，中立密度フィルタリング９７，第３の屈曲ミラ
ー９１，およびビデオカメラ９６を有している。これらの構成要素のいくつかは
、明確化のために図２には示されていない。
【００１８】 対物レンズ４０にとって、いくつかの拡大率は可能である。実施例において、
シュバルツチルト（Schwarzchild）設計の全反射対物レンズは、回転ターレット
に載せられ、これはいくつかの異なる対物レンズ（図示せず）の一つをサンプル
ビーム４６の光路内に置くことを可能とする。本発明における測定に著しい影響
を与えずに、サンプルビーム４６の光路内に低出力の屈折部材を置くことが可能
である。
【００１９】 ウェハ３の相対反射率スペクトルの測定が次に説明される。領域照明シャッタ
ー３１が領域照明ビーム３４の経路内に置かれると、複合ビーム４２は測定ビー
ム２５のみから構成される。複合ビーム４２は、複合ビーム４２の半分を対物レ
ンズ４０に向かって偏向するように置かれた全反射ミラーであるビーム分割ミラ
ー４５によって分けられ、このようにしてサンプルビーム４６を形成し、複合ビ
ーム４２の偏向されなかった半分は参照ビーム４８を形成する。サンプルビーム
４６とオプションの参照ビーム４８は、同じ光源であるランプ１０、８８から出
ているので、そして複合ビーム４２は放射状に一様なので、参照ビーム４８とサ
ンプルビーム４６は、比例的に従属のスペクトル強度を有している。さらに、ビ
ーム分割ミラー４５は、全光路内にある部分反射ミラーではなく、光路の半分内
にある全反射ミラーであるので、連続広帯域スペクトルが良好な輝度で反射され
る。
【００２０】 参照ビーム４８は、当初はビーム分割ミラー４５に作用しないが、代わりに凹
面鏡５０を照射する。凹面鏡５０は、少し軸がオフセットしており、このため参
照ビーム４８はビーム分割ミラー４５の背面上に反射し、ここで平面鏡４３が参
照分光ピンホール５６に整列するように参照ビーム４８を再反射する。平面鏡４
３は、参照ビーム４８をサンプルビーム４６に再整合するように設けられている
ため、両ビームはそれらのそれぞれの分光ピンホールを実質的に平行に通過する
。参照ビームはサンプルビームと平行に分光計に入るので、このことは両チャン
ネルに対する分光計部材の簡単な整合を可能とする。
【００２１】 参照ビーム４８は、ビーム４６を反射するビーム分割ミラー４５の表面に作用
しないので、参照ビーム４８がビーム分割ミラー４５を通過するときに参照強度
の損失が無い。参照ビーム４８は、ビーム分割ミラー４５の背面のミラー４３に
作用するが、光がビーム分割ミラー４５を通過しないので、これらの２個のミラ
ーは独立している。事実、ビーム分割ミラー４５の２個の反射面が容易には１つ
の光学素子に一緒に置かれない別の実施例においては、複数の反射面は複数の分
離ミラー部材上に存在する。
【００２２】 凹面鏡５０の焦点距離は、参照ビーム４８が参照分光計ピンホール５６に焦点
を結ぶようになっている。参照分光計ピンホール５６を通過し屈曲ミラー６８で
反射する光は、回折格子７０により分散される。生成された１次分散光は参照線
状フォトダイオードアレー７４によって集められ、これにより相対参照スペクト
ルを測定する。
【００２３】 偏光サンプルビーム４６は、ビーム分割ミラー４５から対物レンズ４０に向け
て反射され、ここでサンプルビーム４６はウェハ３の上に集束され、そして反射
サンプルビーム４６’が対物レンズ４０によってサンプル分光計ピンホール５８
上に集束される。反射サンプルビーム４６’は、ビーム分割ミラー４５の背後の
参照ビーム４８も通過する空間を通過するので、反射サンプルビーム４６’は反
射経路上でビーム分割ミラー４５に作用しない。試料３からの反射サンプルビー
ム４６’の放射線は、ピンホール５８に達する前に分析器１０４を通過する。サ
ンプル分光計ピンホール５８を通過し屈曲ミラー６８で反射する光は、光の波長
に応じて回折格子７０により分散される。参照ビームと共に、サンプルビームの
生成１次分散ビームはサンプル線状フォトダイオードアレー７２によって集めら
れ、これによりサンプル偏光計スペクトルを計測する。２本のビームが回折格子
７０で交差するので、図２においてサンプルビーム４６に明らかに整列したフォ
トダイオードアレーは、実際参照ビーム４８用フォトダイオードアレーであり、
また逆である。偏光子１０２と分析器１０４は回転せず、好ましくは静止してい
る。従って、分析器１０４は、試料によって修正され、かつ対物レンズ４０によ
って集められた放射線を固定偏光面に従って分析する。
【００２４】 それから、相対反射率スペクトルは、各波長におけるサンプル光強度を各波長
における相対参照強度によって割ることにより簡単に得られる。典型的には、こ
れは、５１２個のダイオードの線状フォトダイオードアレーがサンプルスペクト
ルおよび参照スペクトルを記録するために使用される５１２回の割り算計算を含
んでいる。好適な実施例において、スペクトルは約１９０ｎｍから８００または
８３０ｎｍまでの範囲に亘っている。
【００２５】 本発明の実施例において、回折格子７０は凹面のホログラフィック格子であり
、分光計ピンホールは１５ｍｍ離れている。その１５ｍｍの間隔は、両ビームが
格子上に中心合わせすることを許さないので、回折格子はホログラフィック技術
によりマルチスペクトルを結像するように訂正される。このような格子は、イン
スツルメンツＳＡによって供給されるマルチスペクトル結像格子である。また、
格子は、検出器の角度が検出器からの反射を格子から外れるように設計されてい
る。
【００２６】 領域照明を含んでいるかもしれない複合ビーム４２は、ビーム分割ミラー４５
からウェハ３に向かって反射される。反射率スペクトル測定と自動焦点が行われ
ているとき、領域照明は分散光を最小化するように切られる。
【００２７】 相対反射率スペクトルを測定するために使用される光学要素の革新的な配置の
ために、スペクトル測定サブシステムの多くの要素がまた自動焦点サブシステム
にも使用される。例えば、図示された実施例の相対反射率スペクトル測定が、部
分反射ミラーに対向するビーム分割ミラー４５を使用しているので、ウェハ３か
ら反射される生成ビームは、非対称円形断面を有している。このため、焦点整合
状態を達成するために対物レンズ４０またはウェハ３を動かす相対距離のみなら
ず焦点方向を検出することを可能とするが、対称円形断面を用いては焦点方向を
検出することはできない。
【００２８】 図１および図２の偏光計システム８は、サンプルビーム４６が本出願のシステ
ムにおいて偏光している点で米国特許第５，７４７，８１３号に記載されたもの
とは異なっている。このように、サンプルビーム４６が対物レンズ４０によって
試料３に向かって反射されると、ウェハ上に焦点を結ぶビームは多数のまたは複
数の異なる偏光状態を持つ。これが図３Ａおよび図３Ｂに関連してより明瞭に説
明される。サンプルビーム４６はミラー４０ａによってミラー４０ｂに向かって
反射され、それからこれは図３Ａに示されるようにビームを試料３に向けて集束
する。図３Ｂは、ウェハ３に焦点整合したときのサンプルビーム４６の照明開口
を示す概念図である。図３Ａ、図３Ｂにおける種々の量は、円柱座標ρ、φ、θ
を基準として定義され、ここでρは座標系における点の腕長（原点からの距離）
、φは試料表面に対して垂直である参照面に対する該点を含み該試料面に対して
垂直な面の角度であり、そして、θは、試料表面の法線からの該点を原点に結ぶ
線の角度（法線に対する入射角）である。
【００２９】 図３Ａを参照するに、偏光子１０２は角度φP における面によって定義される
偏光面を有しているから、その偏光子から出てビーム分割器４５によって反射さ
れるサンプルビーム４６はまたこの偏光を持っていると仮定される。ビーム４６
は、先ずミラー４０ａによって反射され、ビームを試料３上に集束するミラー４
０ｂによってその後に反射されると、試料３に集束したビームは図３Ａ、図３Ｂ
に示されるように、異なる入射面に入る。図３Ｂにおいて、ビーム４６の偏光面
φP は１０３で示されている。
【００３０】 以上の説明から、ビーム分割ミラー４５は偏光ビームの約半分を偏向してサン
プルビーム４６とし、ビームの残り半分を参照ビーム４８として通過させる。こ
のような理由で、図３Ｂの照明開口（陰付き領域１０６）はほとんど半円形状と
なる。このようにして対物レンズ４０によって試料３上に集束される放射線は、
半円形領域を跨ぐ入射面で試料に入射する。領域内の角度φの１値の入射面内で
ウェハに入射する放射線は、領域内の角度φの異値を有する入射面における放射
線のそれとは異なるｓ分極およびｐ分極を有する。異なる入射面内の放射線のｓ
分極およびｐ分極は、定義により、異なる向きを持つので、その一入射面内の入
射放射線の偏光状態は、異なる入射面における入射放射線のそれとは異なるもの
となる。従って、試料３上に入射する放射線は、φの関数としての多くのすなわ
ち複数の偏光状態を持つことになる。
【００３１】 試料３上に集束されるビームは、以下に説明されるように対物レンズ４０ａ，
４０ｂの合成反射係数の関数としてサンプルビーム４６と対比されて強度が減少
する。サンプルビーム４６から生じて対物レンズ４０により試料上に集束された
放射線は、試料により反射され、これは再び強度を減じ、試料の反射係数の関数
として各偏光成分の相を変える。このような放射線は再び対物レンズ４０によっ
てビーム分割器４５と分析器１０４とを通って上述した分光器に反射される。好
適な実施例において、放射線を試料に集束するために使用された同じ対物レンズ
がまた、分析器と分光器に向かう反射放射線を収集するために使用されるけれど
も、これは必要なことではなく、異なる収集対物レンズが集束対物レンズに加え
て使用できること、そしてその様なまたは別の改変も本発明の範囲に入ることが
理解される。
【００３２】 試料表面上の原点に向かうφP 方向の分極を有する半円形照明開口内にある図
３Ａの座標（ρ、φ）を持つ点１０５からの入射放射線を考えてみる。電界は、
以下のように図３Ａ、図３Ｂに示されるｓ分極とｐ分極に分解される。 ここで、Ｅinは、偏光子１０２によって偏光された後のビーム４６内の放射線
の電界、Ｅo はその値、そしてＥs in、Ｅp inはｓ分極とｐ分極に沿う放射線の
成分である。放射線が対物レンズを出た後は、次のようになる。 ここで、Ｅout は、試料３によって反射された後のビーム４６内の放射線の電
界、そしてＥs out 、Ｅp out はｓ分極とｐ分極に沿うその成分であり、並びに
ｒs s （ｒo s ）とｒs p （ｒo p ）は試料（対物レンズ）のためのｓ分極とｐ
分極用反射係数である。対物レンズ用の反射係数は、図３Ａに示された２個のミ
ラーの反射係数の積である、すなわち、ｒo s ＝ｒo1 sｒo2 sおよびｒo p ＝ｒo1 p ｒo2 pである。φa の偏光面を備えた分析器を通過した後の分光器における電界
は、ｐa に沿って得られる。
【００３３】 検出器電流は以下のように表される。 もし偏光子１０２が省略されれば、半円形開口に対する検出器電流は次のよう
になる。 式（２）において、Ｒo s 、Ｒs s 、Ｒo p 、Ｒs p は、｜ｒo s ｜2 、｜ｒs s ｜2 、｜ｒo p ｜2 、｜ｒs p ｜2 としてそれぞれ定義される。ｒo s 、ｒs s 、ｒo p 、ｒs p は、入射角の関数、すなわちρの関数であることに留意し
なければならない。偏光子１０２が、図１〜図３に示すように位置していると、
分光器における強度が試料および対物レンズのｓ反射率とｐ反射率およびΔo 、
Δs の関数であるとの一般式が導かれ、Δo 、Δs は、 によって定義され（ここで、ｒs p 、ｒs s はｐ分極およびｓ分極における放射
線の試料表面の複合反射係数であり、またここで、ｒo p 、ｒo s はｐ分極およ
びｓ分極における放射線の対物レンズの複合反射係数である）、そしてΨo 、Ψ s 、Δo 、Δs はまた偏光解析装置のパラメータである。従って、システム８は
、偏光に感応する。
【００３４】 幾つかの特殊ケースが以下に示される。 Ａ．φ0 ＝π Δの変化に感応するシステムに対し、２（φp −φa ）＝ｍπである。もしφp ＝φa'であれば、 Ｂ．φ0 ＝π／２ もしφp ＝φa ＝π／２であれば、
【００３５】 以上の分析から、式（４）および（６）の第３項のｃｏｓ（Δo ＋Δs ）係数
は、偏光子と分析器の角度が同じときに、すなわち、偏光子１０２と分析器１０
４とが実質的に同じ偏光面を持つときに最大になる。換言すれば、図４に示され
るように、偏光子および分析器の両方として機能する単一の偏光子を使用できる
。図４に示されるように、偏光子１１６が、偏光子１０２と分析器１０４とを置
換するように使用できる。フォトダイオードアレーのサンプルチャネルは、式（
５）に比例する。この構成において、一つの偏光子のみが必要であり、偏光子と
分析器は自己整合である。さらに別の代替例として、もし分割器４５が偏光ビー
ムスプリッタであれば、偏光子１０２と分析器１０４が一緒に省略される。膜厚
検出の感度を改良するために、図１において、点線で示される波板または遅延素
子１９０がビーム分割器４５と分析器１０４の間に挿入されて、式（４）および
（６）の第３項の余弦係数ｃｏｓ（Δo ＋Δs ）の議論に移相を導入する。好ま
しくは、分析および分散の前に素子１９０によって生ずる収集放射線の移相は、
約π／４である。ミラー４０ａ、４０ｂのミラーコーティングの厚さがまた、薄
膜の厚さの検出の感度を増大するために選択されるから、ミラー４０ａ、４０ｂ
に焦点整合し集められる放射線の相の全変化は、約π／２である。そしてこれは
、式（４）および（６）の第３項の余弦係数ｃｏｓ（Δo ＋Δs ）の議論におい
て、Δo をπ／２とするので、これらの式の余弦項は、正弦項に変換される。
【００３６】 アレー７２の検出器電流に関して測定された偏光計スペクトルは、試料３につ
いての有用な情報を得るのに使用される。例えば、もし試料３の多くの異層の物
質の型がその屈折率を推算できるように知られていれば、かかる検出器電流は、
層の厚さと精確な屈折率を得るのに十分である。その様な推論の方法は当業者に
は知られており、ここで詳細に述べる必要は無い。代替的に、検出器信号は、膜
厚と屈折率を得るために、偏光解析装置の測定結果と組み合わされる。多くの異
なる波長におけるデータポイントを得ることができるので、偏光計システムにお
いて検出用に広帯域放射線を使用することは有利である。このような豊富なデー
タポイントは、試料上の多層の厚さおよび屈折率を測定するために非常に有用で
あり、そしてより精確な曲線適合アルゴリズムを適用し、または測定値の精度を
クロスチェックすることを可能とする。
【００３７】 システム８はまた、２回の測定により面内複屈折試料を分析するために使用で
きるが、その測定の各々は照明開口の２象限の一方がカバーされている。図３Ｂ
に示されるように、照明開口は実質的に半円であり、第１象限１０６ａと第４象
限１０６ｂとを含んでいる。図５Ａおよび図５Ｂは、第１象限（斜線域）を通る
照明のみを示しており、照明ビームの反射は第３象限１０６ｄのみを通る。第１
象限がカバーされておりかつ第４象限がカバーされていないとき、第２の測定は
、第４象限を通る照明で行われ、第２象限を通る反射が同様に集められて測定さ
れる。これは、ウェハ３を９０度物理的に回転するのと同様の効果がある。第１
象限および第４象限の照明に対して複屈折軸が入射面と異なって整列しているの
で、２回の連続した測定から複屈折効果が減ずることができる。仮にウェハに関
する複屈折の軸が知られていれば、第１象限１０６ａおよび第４象限１０６ｂが
例えば正常軸と異常軸の周りのように、複屈折の対応軸の周りにそれぞれ中心化
するように４個の象限の位置を配向することによって測定が最適化することがで
きる。図５Ｂに示されるように、偏光子１０２の第４象限がカバーされ、そして
偏光子１０２の偏光軸１０３がウェハの複屈折軸と整列していることが前提にさ
れている場合、第１象限１０６ａは複屈折軸の周りに中心化されている。第１の
偏光計スペクトルが得られる。それから、第４象限１０６ｂが次に偏光軸の周り
に中心化されるとされかつ第１象限が代わってカバーされるように回転手段（図
示せず）によって偏光子１０２が９０°回転され、第２の偏光計スペクトルが得
られる。第１および第２のスペクトルの対比が、ウェハ３内の１本または複数本
の複屈折軸の存在を示す。第１および第４の象限が偏光子の軸の周りに中心化し
ない場合でも、２個のスペクトルの対比は複屈折軸を見いだす。
【００３８】 結晶の複屈折を検出する上述の方法はまた、図６に示された回転リング２００
を使用して実施されることもできる。このようにして、図１の偏光子１０２は、
リング２００によって置換される。偏光計パラメータを検出するための図１を参
照して上述された測定を実施するために、リング２００が回転されて位置１の偏
光子２０１が開口２８を通過してビーム分割器４５に至る照明ビームの経路内に
入る。照明開口は、第１象限１０６ａおよび第４象限１０６ｂから構成されてお
り、そしてウェハ３からの反射は第２および第３象限の開口を通して集められる
。図４Ｂ、図６Ｂの第１象限１０６ａを遮断すなわちカバーすることが望ましい
場合、位置２における偏光子２０２が開口ミラー２８とビーム分割器４５の間の
放射線ビームの経路内に入るまでリング２００が回転される。照明開口は第４象
限１０６ｂのみから構成され、ウェハ３からの反射は第２象限の開口１０６ｃの
みを通して集められる。代わって第４象限１０６ｂを遮断すなわちカバーするこ
とが望ましい場合、位置３における偏光子２０３が光路内に入るまでリング２０
０が回転される。照明開口は第１象限１０６ａのみから構成され、ウェハ３から
の反射は第３象限の開口１０６ｄのみを通して集められる。米国特許第５，７４
７，８１３号と同じように操作することが望ましい場合には、偏光子が無い位置
４にある開口２０４が、開口ミラー２８とビーム分割器４５の間のビームの光路
内に入るまでリング２００が回転される。
【００３９】 上述の実施例においては、複屈折検出は異なる照明開口を使用して実現された
けれども、本質的には、代わりに集光開口を使用しても同じ結果が得られる。換
言すれば、照明放射ビームの経路内における照明開口を部分的に遮蔽する代わり
に、試料から反射され、そして集められて分光器と検出器へ導かれる放射線の経
路内にある集光開口が部分的に遮蔽されすなわちカバーされる。このようなまた
は他の改変例も本発明の範囲内に含まれる。
【００４０】 複屈折を検出するためのシステム８を使用する適用例が上述されている。シス
テム８はまた、試料表面の他のパラメータを検出するためにも使用できる。図面
、特に図３Ａおよび図３Ｂに関連する上述の式と説明とから、フォトダイオード
アレー７２の分光計によって検出される反射スペクトルは、Δに関する情報、偏
光解析に一般に使用されかつ厚さに関連する偏光計パラメータ、および試料表面
の薄膜の厚さと屈折率とを使用している。従って、試料表面の所定の様相が既知
であれば、このような既知の様相は、システム８によって測定された偏光計パラ
メータに関する情報と結びつけられて、膜厚や屈折率のような試料の有用な情報
を導出する。
【００４１】 好適な実施例において、フォトダイオードアレー７２によって得られる反射ス
ペクトルは、フォトダイオードアレー７４からの参照スペクトルと対比されて偏
光計パラメータを導出し、ＳＮ比を改善する。しかしながら、幾つかの適用例に
おいては、偏光計パラメータは参照スペクトルを使用せずに反射スペクトルのみ
から導出される。かかる適用においては、参照ビーム４８は必要とされないから
、ビーム４８の生成に関連する全ての要素と参照スペクトルは図１および図２か
ら削除される。このようなまたは他の改変は本発明の範囲内にある。
【００４２】 図１の複合装置の分光学的偏光解析装置３００が次に説明される。図１に示さ
れるように、キセノンアークランプ１０から発生し、焦点１８、２０を貫通通過
した放射線の一部は、ビーム分割器３０２によって光ファイバケーブル３０４へ
偏向され、これはコリメータ３０６へ放射線を供給する。平行にされた後、ビー
ムは、偏光子３１０によって偏光化され、焦点ミラー３１２によってウェハ３へ
集束される。その様なビームの反射は、収集ミラー３１４により集められ、そし
て屈曲ミラー３１６により分析器３２０を通して反射されてから検出のために分
光計３２２と検出器３２４へ供給される。ウェハ３における反射によって生起さ
れるビーム３０８の偏光状態の変化の値と相が測定できるように、偏光子３１０
と分析器３２０とが互いに関して回転される。分光学的偏光解析装置３００の操
作の詳細な説明については、米国特許第５，６０８，５２６号を参照されたい。
【００４３】 複数層の薄膜を持つ試料を測定するために、図１に示すように偏光計パラメー
タを測定するためのシステム８と分光学的偏光解析装置３００とを有する複合装
置を使用するのが望ましい。システム８と分光学的偏光解析装置３００とは、サ
ンプルビーム４６とサンプルビーム３０８とがウェハ３の同じスポットに実質的
に集束するように配置される。システム８によって測定される偏光計パラメータ
は、膜厚や膜の屈折率のような役に立つ情報を得るために、システム３００によ
って測定される偏光解析装置パラメータと組み合わせられる。システム８によっ
て測定される偏光計パラメータと、システム３００を使用して得られる偏光解析
装置パラメータとは、イワン オーリダル(Ivan OHLIDAL)とフランテスク ルケ
ス(Frantisek LUKES) の「入射偏光解析の液浸と多重角との組合せによる極薄膜
の自然酸化物層を備えた半導体の分析」（応用表面科学第３５号（１９８８−１
９８９）第２５９頁乃至２７３頁、北オランダ、アムステルダム）に記載されて
いるような技術を使用して結合される。
【００４４】 分光学的偏光解析装置のスペクトル領域は、約１９３ｎｍのような深紫外まで
は延びないけれども、複合装置を使用することにより、かかる波長における屈折
率を精確に測定することが可能である。このようにして、複合装置は分光学的偏
光解析装置と偏光計システム８との複合スペクトルの全体に亘って屈折率を測定
するために使用される。複合装置とシステム８および分光学的偏光解析装置の双
方のデータとを使用することによって、分光学的偏光解析装置のスペクトル中の
波長における、試料の異なる膜の厚さと屈折率とが見い出すことができる。この
厚さ情報は、複合装置からのデータと一緒に、深紫外領域における膜の屈折率の
発見に使用される。アレー７２、７４の検出器の数および分光器３２２の検出器
３２４は、最適結果を得るための望ましい波長におけるデータを得るように選択
される。
【００４５】 代替実施例において、サンプルビーム４６、３０８は、ウェハ３の同じ点に集
束される必要性は無い。ウェハ３は、通常の方法による回転により、または直線
状平行移動、または２つの運動の組合せにより、動かされるので、システム８に
よって測定される点は、引き続きシステム３００によって測定され、またこの反
対手順でも行われ、そして同じ点を測定する２つのシステムによって得られたデ
ータが、上述したのと同様の要領で組み合わせられる。回転運動および平行移動
運動は制御されるから、２つのシステム８、３００によって測定されている点の
相対運動は相関されることができる。
【００４６】 上述したように、分光学的偏光解析装置は偏光計システム８と完全に結合され
るが、システム８を単一波長偏光解析装置と連結することも可能である。この目
的のために、図１の配置は分光器３２２の光路中においてミラー３２１と検出器
３２４の間で回折格子を取り除くことによって簡単に改変される必要がある。偏
光計スペクトル中の波長を持つレーザが、単一波長偏光解析装置のための放射源
として使用されうる。単一波長偏光解析装置による測定およびシステム８による
測定を用いて、偏光計スペクトルの全体に亘る波長における膜厚と屈折率とを得
ることがなお可能である。
【００４７】 本発明は種々の実施例を参照して以上に説明されたけれども、添付の請求項お
よびその均等によってのみ限定される本発明の範囲から逸脱することなしに変更
または修正がなされうることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の好適な実施例を示すための、分光学的偏光解析装置と偏光計システム
とを有する複合装置の概念図である。
【図２】 図１の偏光計システムの斜視図である。
【図３Ａ】 偏光計パラメータを測定するための図１のシステムの一部分を示す簡略概念図
である。
【図３Ｂ】 図２Ａの照明開口のグラフ表示である。
【図４】 本発明の別の実施例を示すための、偏光計パラメータを測定するためのシステ
ムの一部の簡略概念図である。
【図５Ａ】 図１の偏光計パラメータ測定システムの簡略概念図であり、照明ビームおよび
反射ビームの光路が開口を通過して、本発明の好適な実施例を示している。
【図５Ｂ】 試料の複屈折軸に関する図５Ａの開口の概念図であり、本発明を示している。
【図６】 ４個の異なった開口を備えたリングの概念図であり、その３個の開口は本発明
の好適な実施例を示すためにその中に偏光子を有している。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ワン，ハイミング アメリカ合衆国、94539、カリフォルニア 州、フリーモント、ラグーナ プレイス 40760 (72)発明者 ノートン，アダム アメリカ合衆国、94303、カリフォルニア 州、パロ アルト、ロス ロード 3696 (72)発明者 ニコナハッド，メールダッド アメリカ合衆国、94025、カリフォルニア 州、メンロ パーク、オ─クハースト プ レイス 271 Ｆターム(参考） 2F065 AA30 AA55 CC19 FF41 GG03 GG21 HH08 JJ05 JJ08 LL31 2G059 AA02 AA03 BB08 BB16 EE02 EE05 EE12 FF08 FF09 GG01 GG04 HH02 HH03 HH06 JJ11 JJ13 JJ19 JJ22 KK01 KK03 MM01

Claims (88)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 サンプル上に広帯域放射の偏光させられたサンプルビームを
    焦点合わせし、前記ビームは多数の偏光状態を持つ工程と、 サンプルによって変更された放射を集める工程と、 旋光性スペクトルを提供するために変更し、集められた放射を分析し、分散配
    置する工程と、および 前記スペクトルからサンプルの膜厚および屈折率情報を誘導する工程を備えた
    、サンプルの特性を測定するための方法。
  2. 【請求項２】 前記偏光させられたサンプルビームおよび参照ビームに広帯
    域放射のビームを分割し、前記焦点合わせがサンプルの上へ前記サンプルビーム
    に焦点を合わせであることをさらに特徴とする請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 参照ビーム、参照スペクトルを提供するために参照ビームを
    検出し、前記誘導が前記膜厚およびサンプルの屈折率情報を得るために前記旋光
    性スペクトルおよび前記参照スペクトルを比較することを含むことをさらに特徴
    とする請求項２記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記ビーム、前記反射および参照スペクトルであることを特
    徴とする請求項３記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記放射ビームを完全によこぎるよりも少ないミラーを位置
    されたビームを向けることを含む前記分割であることを特徴とする請求項２記載
    の方法。
  6. 【請求項６】 サンプルビームへ前記ビームの一部に偏向させ、参照放射ビ
    ームを定義する放射の一部に偏向させないことを含む前記分割であることを特徴
    とする請求項２３記載の方法。
  7. 【請求項７】 偏光子を通って放射のビームを通過し、前記分析が分析器の
    手段によって分析し、焦点合わせし、分析するステップの間に、偏光子および分
    析器が回転しないことをさらに特徴とする請求項１記載の方法。
  8. 【請求項８】 前記偏光させられたビームを提供するために広帯域放射のビ
    ームを偏光させ、前記焦点合わせはサンプルの上へ焦点を合わせられる多数の偏
    光状態のを持っているビームのような前記偏光させられたビームを焦点合わせし
    、前記偏光状態がサンプル表面に対する参照平面ノーマルに対する角度φの関数
    であることをさらに特徴とする請求項１記載の方法。
  9. 【請求項９】 前記焦点合わせがサンプルの上へ入射の異なった平面に沿っ
    て前記偏光させられたビームが焦点を合わせられ、参照平面に対する異なった角
    度φである前記平面であることを特徴とする請求項８記載の方法。
  10. 【請求項１０】 前記焦点合わせおよび集めは共通測定物であることを特徴
    とする請求項１記載の方法。
  11. 【請求項１１】 複屈折の１以上の軸を持っている前記サンプルで、前記焦
    点合わせまたは集めは前記軸のどれかの中心に位置する開口を使用することを特
    徴とする請求項１記載の方法。
  12. 【請求項１２】 複屈折の１以上の軸を持っている前記サンプルで、前記焦
    点合わせまたは集めは前記軸のどれかに整列させる２つの異なった開口を用い繰
    り返されることを特徴とする請求項１記載の方法。
  13. 【請求項１３】 前記焦点合わせおよび集めは少なくとも２つの軸について
    それぞれ中心に位置された少なくとも２つの異なった開口を用い繰り返されるこ
    とを特徴とする請求項１２記載の方法。
  14. 【請求項１４】 サンプルでの複屈折の軸の存在か不在を検出するため見つ
    けるために前記焦点合わせおよび集めは少なくとも２つの軸についてそれぞれ整
    列された少なくとも２つの異なった開口を用い繰り返されることを特徴とする請
    求項１記載の方法。
  15. 【請求項１５】 およそ１９０ｎｍからおよそ８３０ｎｍまでの範囲の多様
    な波長を含む前記旋光性スペクトルであることを特徴とする請求項１記載の方法
    。
  16. 【請求項１６】 前記分析が予め定められ、固定した偏光平面に関してサン
    プルによって変更された放射を分析することを特徴とする請求項１記載の方法。
  17. 【請求項１７】 分析および分配配置より先にサンプルから変更され、集め
    られた放射の段階から変化することをさらに特徴とする請求項１記載の方法。
  18. 【請求項１８】 およそπ／４で変更および収集の前記段階を遅らせること
    を特徴とする請求項１７記載の方法。
  19. 【請求項１９】 サンプルの表面上に広帯域放射の偏光させられたサンプル
    ビームを焦点合わせし、ビームは多数の偏光状態を持つ手段と、 サンプルによって変更された放射を集める手段と、 旋光性スペクトルを提供するために変更し、集められた放射分析し、分散配置す
    る手段と、および 前記スペクトルからサンプルの膜厚および屈折率情報を誘導する手段であるサ
    ンプルの特性を測定するための装置。
  20. 【請求項２０】 広帯域放射のビームを提供する放射源であって、 前記偏光させられたサンプルビームおよび参照ビームに広帯域放射の前記ビー
    ムを分割するための手段であって、前記焦点合わせがサンプルの上へ前記サンプ
    ルビームに焦点を合わせであるために前記焦点合わせられたビームは多数の偏光
    状態を持ち、前記偏光状態がサンプル表面に対する参照平面ノーマルに対する角
    度φの関数であることをさらに特徴とする請求項１９記載の装置。
  21. 【請求項２１】 前記焦点合わせ手段がサンプルの上へ入射の異なった平面
    に沿って前記偏光させられたビームが焦点を合わせられ、参照平面に対する異な
    った角度φである前記平面であることを特徴とする請求項２０記載の装置。
  22. 【請求項２２】 前記放射ビームを完全によこぎるよりも少ないミラーを位
    置されたビームを向けることを含む前記分割手段であることを特徴とする請求項
    ２０記載の装置。
  23. 【請求項２３】 サンプルビームへ光源からビームでの前記放射の一部に偏
    向させ、参照放射ビームを定義する放射の一部に偏向させないことを含む前記分
    割手段であることを特徴とする請求項２０記載の装置。
  24. 【請求項２４】 参照スペクトルを提供するために参照ビームを検出する検
    出器であって、前記誘導手段は膜厚および屈折率情報を誘導するために前記旋光
    性スペクトルおよび前記参照スペクトルを比較するための手段を含んでいること
    を特徴とする請求項２０記載の装置。
  25. 【請求項２５】 およそ１９０ｎｍからおよそ８３０ｎｍまでの範囲の多様
    な波長を含む前記放射ビームおよび前記旋光性および参照スペクトルであること
    を特徴とする請求項２４記載の装置。
  26. 【請求項２６】 前記分割手段が光ビーム分割機を含んでいることを特徴と
    する請求項２４記載の装置。
  27. 【請求項２７】 前記分割手段がビーム分割機、偏光子をさらに含む前記装
    置を含んでいることを特徴とする請求項２０記載の装置。
  28. 【請求項２８】 焦点合わせ手段に光学経路にある前記偏光子と分析および
    分配配置手段の１部を作ることを特徴とする請求項２７記載の装置。
  29. 【請求項２９】 焦点合わせ手段に光学経路にある前記偏光子と収集する手
    段から光学経路に分析器を含む前記分配配置および分析手段であることを特徴と
    する請求項２７記載の装置。
  30. 【請求項３０】 分析器を含む前記分析および分配配置手段であって、さら
    に、前記偏光子サンプルビームを作るために広帯域放射のビームを通過する偏光
    子であって、焦点合わせ手段によって焦点合わせし、分析および分配配置手段に
    よって分析する間に、偏光子および分析器が回転しないことを特徴とする請求項
    １９記載の装置。
  31. 【請求項３１】 前記焦点合わせ手段および前記収集手段がサンプルビーム
    を焦点合わせし、サンプルによって変更された放射を収集する共通測定物を含ん
    でいることを特徴とする請求項１９記載の装置。
  32. 【請求項３２】 フリップ−イン偏光子および偏光させられるか、またはサ
    ンプルビームを提供するための放射源から広帯域放射のビームの経路の中および
    外に偏光子を移動するための手段であることを特徴とする請求項１９記載の装置
    。
  33. 【請求項３３】 前記偏光子は光源から発するビームを偏光させ、サンプル
    によって変更され、収集する手段によって収集した放射を分析することをさらに
    特徴とする請求項３２記載の装置。
  34. 【請求項３４】 サンプルの上へ光源からの放射を焦点合わせする焦点合わ
    せ手段で、複屈折の１以上の軸を持っている前記サンプルで、前記軸のどれかに
    整列される少なくとも１つの開口を含み、光源と分析および分配配置手段の間の
    光学経路にある前記開口である放射源さらに特徴とする請求項１９記載の装置。
  35. 【請求項３５】 前記軸のどれかの中心に位置する少なくとも１つの開口で
    あることを特徴とする請求項３２記載の装置。
  36. 【請求項３６】 前記軸のどれかに整列される少なくとも２つのいずれかを
    選ぶための手段であることを特徴とする請求項３２記載の装置。
  37. 【請求項３７】 軸のどれかと対応して整列させられるそれぞれの異なった
    開口の原因となる前記選び手段のために、２つの異なった開口は、サンプルの複
    屈折で軸産出情報に対応したそれらと一緒に連続して整列させられるときに旋光
    性スペクトルが行なわれていることを特徴とする請求項３６記載の装置。
  38. 【請求項３８】 前記選び手段がそこに少なくとも２ つの開口と一緒にホ
    イールを含んでいることを特徴とする請求項３７記載の装置。
  39. 【請求項３９】 ホイールが少なくとも２つの開口のそれぞれで偏光子を含
    んでいることを特徴とする請求項３８記載の装置。
  40. 【請求項４０】 少なくとも２ つの開口のうちの２つが封鎖ブロックで実
    質的に円の形を描いていることを特徴とする請求項３８記載の装置。
  41. 【請求項４１】 サンプルの上へ光源からの放射を焦点合わせする焦点合わ
    せ手段で、複屈折の１以上の軸を持っている前記サンプルで、前記軸はさらに前
    記軸を検出するためのサンプルビームの光学経路で直線偏光子を回転させるため
    の手段を含んでいる放射源ことを特徴とする請求項３８記載の装置。
  42. 【請求項４２】 およそ１９０ｎｍからおよそ８３０ｎｍまでの範囲の多様
    な波長を含む広帯域放射であることを特徴とする請求項１９記載の装置。
  43. 【請求項４３】 前記分析が予め定められ、固定した偏光平面に関してサン
    プルによって変更された放射を分析手段であることを特徴とする請求項１記載の
    装置。
  44. 【請求項４４】 収集する手段と分析および分配配置する手段の間の光学経
    路での段階抑制器であって、前記段階抑制器は分析および分配配置より先にサン
    プルから変更され、集められた放射の段階から変化することをさらに特徴とする
    請求項１９記載の装置。
  45. 【請求項４５】 前記段階抑制器はおよそπ／４で変更および収集の前記段
    階を遅らせることを特徴とする請求項４４の装置。
  46. 【請求項４６】 前記焦点合わせ手段または前記収集手段はおよそπ／２の
    前記焦点合わせ手段および前記収集手段によって反射された放射の段階での全体
    の変化を導入する被覆を持つミラーを含んでいることをさらに特徴とする請求項
    １９記載の装置。
  47. 【請求項４７】 複雑な屈折率およびサンプルの１つ以上の層の厚さ情報得
    るための方法であって、前記方法は、 １つ以上の層の上に広帯域放射の偏光させられた第１のサンプルビームを焦点
    合わせし、前記ビームは多数の偏光状態を持つ工程と、 前記第１のビームから始める放射とサンプルの１つ以上の層によって変更され
    る放射を収集しサンプルによって変更された放射を集める工程と、 旋光性スペクトルを提供するために変更し、集められた放射を分析し、分散配置
    する工程と、 １つ以上の層に対する斜め角度の方向で１つ以上の層で放射の偏光させられた
    第２のビームを焦点合わせし、前記ビームは多数の偏光状態を持つ工程と、 振幅での偏光状態での変化の測定と１つ以上の層によって変更され、第２のビ
    ームから発する放射の段階を得る工程と、および 前記測定および旋光性スペクトルからの１つ以上の層の複雑な屈折率および厚
    さの情報を決定する工程とを備える、 複雑な屈折率およびサンプルの１つ以上の層の厚さ情報得るための方法。
  48. 【請求項４８】 前記ひとつ以上の層の同一の領域に実質的に焦点を合わせ
    られる放射の第１および第２のビームであることを特徴とする請求項４７記載の
    方法。
  49. 【請求項４９】 実質的に同時に１つ以上の層に焦点を合わせられる放射の
    第１および第２のビームであって、前記収集、分析および得ることは実質的に同
    時に実行されることを特徴とする請求項４７記載の方法。
  50. 【請求項５０】 前記偏光させられた第１のビームおよび参照ビームに広帯
    域放射のビームを分割し、前記焦点合わせがひとつ以上の層の上へ前記第１のビ
    ームに焦点を合わせであることをさらに特徴とする請求項４７記載の方法。
  51. 【請求項５１】 参照ビーム、参照スペクトルを提供するために参照ビーム
    を検出し、前記検出が前記旋光性スペクトルおよび前記参照スペクトルを比較す
    ることを含むことをさらに特徴とする請求項５０記載の方法。
  52. 【請求項５２】 前記放射ビームを完全によこぎるよりも少ないミラーを位
    置された広帯域放射のビームを向けることを含む前記分割であることを特徴とす
    る請求項５０記載の方法。
  53. 【請求項５３】 サンプルビームへ前記広帯域放射のビームの一部に偏向さ
    せ、参照放射ビームを定義する放射の一部に偏向させないことを含む前記分割で
    あることを特徴とする請求項５０記載の方法。
  54. 【請求項５４】 偏光させられたビームを提供するために広帯域放射のビー
    ムを偏光させ、前記焦点合わせはサンプルの上へ焦点を合わせられる多数の偏光
    状態のを持っているビームのような前記偏光させられた第１および第２のビーム
    を焦点合わせすることをさらに特徴とする請求項４７記載の方法。
  55. 【請求項５５】 前記焦点合わせがサンプルの上へ入射の異なった平面に沿
    って前記偏光させられたビームが焦点を合わせられることを特徴とする請求項４
    ７記載の方法。
  56. 【請求項５６】 前記第１および第２の焦点合わせおよび集めは共通測定物
    であることを特徴とする請求項４７記載の方法。
  57. 【請求項５７】 およそ１９０ｎｍからおよそ８３０ｎｍまでの範囲の多様
    な波長を含む前記旋光性スペクトルであることを特徴とする請求項４７記載の方
    法。
  58. 【請求項５８】 前記分析および分配配置が予め定められ、固定した偏光平
    面に関してサンプルによって変更された放射を分析することを特徴とする請求項
    ４７記載の方法。
  59. 【請求項５９】 第２のビーム焦点合わせは１つ以上の層で偏光させられた
    第２のレーザ光に焦点を合わせ、前記得ることはレーザの波長で１つ以上の層に
    よって引き起こされた偏光状態での変化の測定を得、そして、前記旋光性スペク
    トルの上に１つ以上の層の屈折率を決定することを特徴とする請求項４７記載の
    方法。
  60. 【請求項６０】 第２のビーム焦点合わせは１つ以上の層で広帯域放射の偏
    光させられた第２のビームに焦点を合わせ、前記得ることは第２のビームのスペ
    クトルで１つ以上の層によって引き起こされた偏光状態での変化の測定を得、そ
    して、第１および第２のビームの併用スペクトルの上に１つ以上の層の屈折率を
    決定することを特徴とする請求項４７記載の方法。
  61. 【請求項６１】 およそ１９０ｎｍからおよそ８３０ｎｍまでの範囲の多様
    な波長を含む前記併用スペクトルであることを特徴とする請求項６０記載の方法
    。
  62. 【請求項６２】 分析および分配配置より先にサンプルから変更され、集め
    られた放射の段階から変化することをさらに特徴とする請求項４７記載の方法。
  63. 【請求項６３】 およそπ／４で変更および収集の前記段階を遅らせること
    を特徴とする請求項６２記載の方法。
  64. 【請求項６４】 複雑な屈折率およびサンプルの１つ以上の層の厚さ情報得
    るための方法であって、前記装置は、 １つ以上の層へ広帯域放射の偏光させられた第１のサンプルビームを焦点合わ
    せし、前記ビームは多数の偏光状態を持つ手段と 前記第１のビームから始める放射とサンプルの１つ以上の層によって変更され
    る放射を収集しサンプルによって変更された放射を集める工程と１つ以上の層に
    対する斜め角度の方向で１つ以上の層で放射の偏光させられた第２のサンプルビ
    ームを焦点合わせし、前記ビームは多数の偏光状態を持つ手段と、 旋光性スペクトルを提供するために変更し、集められた放射を分析し、分散配置
    する手段と、 エリプソメータが振幅での偏光状態での変化の測定と第２のビームから発する
    １つ以上の層からの偏向された放射の段階を得る手段と、および エリプソメータの前記測定および旋光性スペクトルからの１つ以上の層の複雑
    な屈折率および厚さの情報を誘導する手段である複雑な屈折率およびサンプルの
    １つ以上の層の厚さ情報得るための装置。
  65. 【請求項６５】 前記焦点合わせ手段が実質的に前期１つ以上の層の同一の
    領域に対する放射の第１および第２のビームを焦点を合わせることを特徴とする
    請求項６４記載の装置。
  66. 【請求項６６】 前記焦点合わせ手段が前記分析手段が分光計を含んでいる
    ことを特徴とする請求項６４記載の装置。
  67. 【請求項６７】 実質的に同時に１つ以上の層に放射の焦点を合わせられる
    放射の第１および第２のビームを焦点を合わせ、そして、前記収集および分析は
    それぞれの機能に対して実質的に同時に実行されることを特徴とする請求項６４
    記載の方法。
  68. 【請求項６８】 広帯域放射のビームを提供する放射源であって、 前記偏光させられたサンプルビームおよび参照ビームに広帯域放射の前記ビー
    ムを分割するための手段であって、前記焦点合わせがサンプルの１つ以上の層の
    上へ前記第１のビームに焦点を合わせであるために前記焦点合わせられたビーム
    は多数の偏光状態を持つことをさらに特徴とする請求項６４記載の装置。
  69. 【請求項６９】 分割手段が偏光させられたサンプルビームおよび偏光させ
    られた参照ビームに光源からビームを分割することを特徴とする請求項６８記載
    の装置。
  70. 【請求項７０】 前記放射ビームを完全によこぎるよりも少ないミラーを位
    置されたビームを向けることを含む前記分割手段であることを特徴とする請求項
    ６９記載の装置。
  71. 【請求項７１】 サンプルビームへ光源からビームでの前記放射の一部に偏
    向させ、参照放射ビームを定義する放射の一部に偏向させないことを含む前記分
    割手段であることを特徴とする請求項６９記載の装置。
  72. 【請求項７２】 前記分割手段が光ビーム分割機を含んでいることを特徴と
    する請求項２４記載の装置。
  73. 【請求項７３】 前記分割手段がビーム分割機、偏光子をさらに含む前記装
    置を含んでいることを特徴とする請求項２０記載の装置。
  74. 【請求項７４】 焦点合わせ手段に光学経路にある前記偏光子と分析および
    分配配置手段の１部を作ることを特徴とする請求項７３記載の装置。
  75. 【請求項７５】 焦点合わせ手段に光学経路にある前記偏光子と収集する手
    段から光学経路に分析器を含む前記分配配置および分析手段であることを特徴と
    する請求項７３記載の装置
  76. 【請求項７６】 参照スペクトルを提供するために参照ビームを検出する検
    出器であって、前記誘導手段は前記旋光性スペクトルおよび前記参照スペクトル
    を比較するための手段を含んでいることを特徴とする請求項６４記載の装置。
  77. 【請求項７７】 およそ１９０ｎｍからおよそ８３０ｎｍまでの範囲の多様
    な波長を含む前記旋光性および参照スペクトルであることを特徴とする請求項７
    ６記載の装置。
  78. 【請求項７８】 分析器を含む前記分析および分配配置手段であって、さら
    に、前記偏光させられた第１のサンプルビームを発生させるために広帯域放射の
    ビームを偏光する偏光子であって、第１および第２のビームからの放射はサンプ
    ルによって偏向され、収集され、分配配置され、そして、測定されていることを
    特徴とする請求項６４記載の装置。
  79. 【請求項７９】 前記焦点合わせ手段がサンプルの上へ入射の異なった平面
    に沿って前記偏光させられたビームが焦点を合わせられることを特徴とする請求
    項６４記載の装置。
  80. 【請求項８０】 前記焦点合わせ手段および前記収集手段が前記第１のビー
    ムを焦点合わせし、サンプルの表面で１つ以上の層によって変更された放射を収
    集する共通測定物を含んでいることを特徴とする請求項６４記載の装置。
  81. 【請求項８１】 フリップ−イン偏光子および焦点合わせ手段によって焦点
    合わせさせられる第１のサンプルビームを提供するための放射源から広帯域放射
    のビームの経路の中および外に偏光子を移動するための手段であることを特徴と
    する請求項６４記載の装置。
  82. 【請求項８２】 前記偏光子は第１のサンプルビームを供給するために光源
    から発するビームを偏光させ、サンプルによって変更され、収集する手段によっ
    て収集し、そして、第１のビームから発する放射を分析することを特徴とする請
    求項８１記載の装置。
  83. 【請求項８３】 およそ１９０ｎｍからおよそ８３０ｎｍまでの範囲の多様
    な波長を含む広帯域放射であることを特徴とする請求項８１記載の装置。
  84. 【請求項８４】 前記分析が予め定められ、固定した偏光平面に関してサン
    プルの表面によることと第１のサンプルビームから変更された放射を分析手段で
    あることを特徴とする請求項６４記載の装置。
  85. 【請求項８５】 前記第２のビームは波長が旋光性スペクトル中にあるレー
    ザ光であって、エリプソメータはレーザの波長で１つ以上の層によって引き起こ
    された偏光状態での変化の測定を得、そして、前記誘導手段は前記旋光性スペク
    トルの上に膜厚および屈折率を誘導する単一の波長のエリプソメータであること
    を請求項６４記載の方法。
  86. 【請求項８６】 広帯域に波長を持った前記第２のビームであって、エリプ
    ソメータは第２のビームのスペクトルで１つ以上の層によって引き起こされた偏
    光状態での変化の測定を得、そして、第１および第２のビームの併用スペクトル
    の上に１つ以上の層の屈折率を決定する分光エリプソメータであることを特徴と
    する請求項４７記載の方法。
  87. 【請求項８７】 およそ１９０ｎｍからおよそ８３０ｎｍまでの範囲の多様
    な波長を含む併用スペクトルであることを特徴とする請求項８６記載の装置。
  88. 【請求項８８】 前記焦点合わせ手段または前記収集手段はおよそπ／２の
    前記焦点合わせ手段および前記収集手段によって反射された放射の段階での全体
    の変化を導入する被覆を持つミラーを含んでいることをさらに特徴とする請求項
    １９記載の装置。
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