JP2004117362A - 測定対象物のスペクトル反射率を決定する装置 - Google Patents

Abstract

　　【課題】測定対象物のスペクトル反射率を決定する装置において、簡潔にコンパクトに構成する。
　　【解決手段】放射源（１）から出る異なるビーム領域を測定ビーム（８）及び参照ビーム（９）として用いる。測定ビーム（８）と参照ビーム（９）は、分光写真器内に設けた少なくとも１つの分散要素の異なるスペクトル分解領域と少なくとも１つのレシーバーの（７）異なるレシーバー領域とに同時に指向している。
　　【選択図】図１

Description

　本発明は、測定対象物を照射するための放射源と、スペクトル放射を検出するための分光写真器とを備えた、測定対象物のスペクトル反射率を決定する装置に関するものである。

　この種の装置を用いて測定されるスペクトル領域を制約しなければ、有利な測定対象物とは、極紫外線（ＥＵＶ）範囲の放射に対しスペクトルに依存して反射性を示す表面である。このような表面は、その層構造のゆえに狭いスペクトル領域で複数の反射率を示す。

　均一な反射特性を保証できるようにするには、この種の光学系の製造プロセスには厳しい品質管理が必要である。

　測定対象物のスペクトル反射率Ｒ（λ、θ、ｘ,ｙ）を反射率計を用いて決定することは公知である。スペクトル反射率Ｒ（λ、θ、ｘ,ｙ）は波長λ、入射角θ、位置ｘ,ｙの関数であり、反射ビーム強度Ｉ（λ、θ、ｘ,ｙ）と入射ビーム強度Ｉ_０（λ、θ、ｘ,ｙ）との商から得られる。

　この種の測定装置はたとえば特許文献１から知られており、多色性アタッチメントに基づくものであるが、測定対象物を視準後広帯域で照射するためのビーム状多色放射線を発生させるためにプラズマが使用される。さらに、反射放射線をスペクトル分解するための手段と、反射した放射線を検出するための多チャネル検出器とが設けられている。

　これだけでもこの構成は複雑であるが、参照測定のために、第２の等価ユニットをスペクトル分解要素と検出器とから構成して、プラズマから直接来る放射線を検出しなければならない欠点もある。測定ビームと参照ビームの検出は連続的にしか行えず、この場合測定対象物を放射経路から除去し、しかも第２の等価ユニットを空間的に遮断しなければならない。スペクトル分解要素と検出器とから成る前記等価ユニットを回動アームの上に位置決めして、軸線のまわりに回転させることにより参照測定を行なうという他の択一的な解決法も提案されているが、著しい改善をもたらさない。なぜなら、移動される測定対象物の大きさと重量がかなりの困難をもたらすからである。さらに、軸線のまわりでの回転運動は、並進運動と回転運動とを組み合わせたものなので、この運動はむしろ複雑な性質を持っている。

ドイツ連邦共和国特許公開第１９９４８２６４Ａ１号公報

　本発明の課題は、測定対象物のスペクトル反射率を決定する装置において、簡潔にコンパクトに構成し、参照ビームを検出するために従来必要であった、放射経路からの諸要素の除去と、複雑な並進回転運動とを回避できるように構成することである。

　本発明は、上記課題を解決するため、放射源から出る異なるビーム領域を測定ビーム及び参照ビームとして用い、測定ビームと参照ビームが、分光写真器内に設けた少なくとも１つの分散要素の異なるスペクトル分解領域と少なくとも１つのレシーバーの異なるレシーバー領域とに同時に指向していることを特徴とするものである。

　有利な構成では、測定ビームと参照ビームが測定対象物の表面上の法線に対し符号が逆の同じ角度を成し、これにより測定ビームは測定対象物の表面で反射した後に測定ビームと参照ビームが平行な放射経路内に延在するように、共通の放出範囲から出る異なる放射領域が選定されている。

　この構成は、特に、少なくとも異なる放射領域において等方性の放射特性をもった放射源にとって有利である。しかし、異なる放射領域内にある非等方性を検知して、これを校正により適宜補正すれば十分である。このようにして、使用する放射源の所定の放射特性を利用して、異なった検出を同時に実施できるような反射率計が実現される。

　さらに、放射源を試料に近接して配置することにより測定精度の向上を図るためには、放射源が構成的に小型である必要がある。それゆえ、平行な放射経路が隣り合っている場合に、測定ビームと参照ビームが交差しない程度に、放射源の拡がりが制限されているのが有利である。

　使用する放射源に対する要求に対しては、１つの大きな放射立体角をもった非平行な放射線から、測定ビームと参照ビームとに対し異なる放射領域が選定されている、ほぼ点状の放出範囲を持ったＸ線管が十分適正である。

　本発明を特に低コストに実施するため、異なるスペクトル分解領域も、異なるレシーバー領域も、互いに隣り合っている２つの領域として分散要素及びレシーバー上に設けられている。他方、異なるスペクトル分解領域および異なるレシーバー領域が、隣り合う２つの別個の分散要素および隣り合う２つの別個のレシーバーとして設けられているような他の実施形態を可能である。

　次に、本発明の実施形態を添付の図面を用いて詳細に説明する。
　図１に図示した測定装置はほぼ点状の放射源１を有している。点状の放射源１の放射特性は理想的には等方性（Ｉ（θ）＝一定）であるが、少なくとも、ｘｙ方向へ位置調整可能な測定対象物２の表面に対し平行に延在し且つ放射源１を含んでいるような面に関して、条件（Ｉ（θ）＝Ｉ（−θ）を満足していればよい。放射を限定するためのスリット３,４の下流側には分光写真器が設けられている。分光写真器は入射スリット５と、分散要素６と、平面位置分解能(flaechig ortsaufloesend)型レシーバ７とから成っている。本実施形態では、分散要素６として反射型回折格子を選定し、レシーバ７に対してはＣＣＤチップを選定したが、前者に対しては透過型回折格子またはプリズムを選定し、後者に対しては燐遮蔽型(Phosphorschirm)ＭＣＰ／ＭＳＰまたは写真フィルムを使用してもよい。放射源１は、測定部位ＭＰがその表面上において放射源１及び入射スリット５とともに測定対象物２の表面に対し垂直な測定面M−Mを張るように測定対象物２の付近に配置されている。後述するように、幾何学的理由により、また輝度上の理由により、放射源１を測定対象物２の表面付近に配置することは、生じたビームずれを検出面よりも小さくする上で重要である。

　放射源１の共通の１つの放出範囲から出ている個々のビーム領域は同じビーム強度Ｉ_０（λ）を有しており、測定ビーム８および参照ビーム９として用いる。ビーム領域は、測定ビーム８と参照ビーム９とが測定対象物２の表面上の法線Nと同じ角度を成し、しかし符号が逆である（−θ、θ）であるように選定されている。

　本測定装置の幾何学的構成のために、測定対象物２の表面で測定ビーム８が反射した後、測定ビーム８と参照ビーム９とは測定面M−M内で互いに平行に延在するので、両ビームの、スペクトル分解される強度測定は、分光写真器と同時に可能である。測定対象物が湾曲している場合には、反射した測定ビームと参照ビームとの平行性は測定対象物の方向を適当に調整することで保証する。測定ビーム８と参照ビーム９とは、入射スリット５を介して分散要素６の互いに隣接している領域１０,１１に対し整向される前に、両スリット３と４によって制限される。放射線がスペクトル分解したことを検証するために、レシーバ７上で互いに隣接しあっている領域１２と１３を用いる。その結果、測定後に放射源１に対し種々の波長を考慮すれば、強度Ｉ（λ）に対しては測定スペクトルが存在し、強度Ｉ（λ_０）に対しては参照スペクトルが存在する。これらのスペクトルから、測定部位ＭＰにおける表面の反射率が波長λの関数として得られる。レシーバ７がマトリックス構造を有し、個々の領域１２と１３に対し異なるマトリックス部分が設けられているのが有利である。しかし、場合によっては、２つの別個のレシーバを使用するか、分散要素として２つの格子を使用してもよい。この場合も両スペクトルの撮影は同時に行なわれる。

　測定可能な波長範囲λ±Δλは、放射源１の放射スペクトルと、使用した分光写真器のスペクトル感度とから得られる。測定対象物２をｘ−ｙ並進させることにより、異なる測定部位ＭＰｉでの反射率を決定することができる。この場合、表面が湾曲している場合には、補助的に測定対象物２を２つの軸線のまわりに傾動させることが必要である。本発明による測定装置により、基本的には、異なる入射角（０＜θ＜９０゜）でのスペクトル反射率を測定することができる。このため、分光写真器の方向を法線Nに対し角度θに調整する。したがって、１回の測定で１つの入射角（θ）に対する反射率Ｒ（λ）が得られる。

　これに対して、図２の測定装置を使用し、分光写真器により角度分解能測定が可能であれば、１回の測定で複数の角度θ_ｉに対しスペクトル反射率Ｒ（λ）が得られる。

　放射源１から異なる角度−θ_ｉ（ここではｉ＝１，２，３）で放射される測定ビーム８１,８２,８３は、測定対象物２の異なる測定部位ＭＰ１（ｘ_１,ｙ）,ＭＰ２（ｘ_２，ｙ），ＭＰ３（ｘ_３，ｙ）に対し入射角θ_ｉで衝突し、同じ角度で反射する。ビーム制限用のスリット３,４を拡大させると、反射した測定ビーム８１,８２,８３は仮想の放射源１４から来て入射角範囲θ±Δθで同時に分光写真器で検出される。これに対応して、放射源１を角度θ_ｉで離れる参照ビーム９１,９２,９３が検出される。放射源が等方性の放射源であれば、１つの参照ビームを測定すれば十分である。放射経路長を考慮すれば、スペクトル放射強度Ｉ（λ、θ_ｉ）とＩ_０（λ、θ_ｉ）とが求められ、これから入射角範囲θ±Δθでの反射率Ｒ_θ（λ、θ_ｉ）が波長λの関数として得られる。もちろん、異なる入射角θ_ｉに対する反射率Ｒ_θ（λ、θ_ｉ）は異なる測定部位ＭＰ１（ｘ_１,ｙ）,ＭＰ２（ｘ_２，ｙ），ＭＰ３（ｘ_３，ｙ）に割り当てられている。反射率を波長の関数、入射角の関数、位置の関数として決定する必要がある場合には、測定対象物２の表面上をスキャンする必要がある。

　検出対象である入射角範囲θ±Δθは使用する分光写真器の特性に依存しており、この場合、検査対象である入射角範囲θ±Δθをビーム制限用のスリット３,４の幅によって調整して、レシーバ７上での測定スペクトルと参照スペクトルとの混合を回避することができる。

　基本的には、等方性放射特性をもった放射源の入射角範囲は、条件（Ｉ（θ）＝Ｉ（−θ）を満足する放射源の場合に比べて、放射強度Ｉ_０（λ）が２倍大きい。というのは、後者では、参照スペクトルを撮影するために角度範囲の半分が必要だからである。

　湾曲した測定対象物、したがって結像性のある測定対象物の場合には、検出可能な角度範囲がさらに制限を受けることがある。

　参照ビーム制限用のスリット４が十分に小さければ、レシーバ７上に放射源１のスリット像が生じ、このスリット像から放射源１の大きさを決定することができる。ビーム制限用のスリット３と４をビーム経路から除去し、測定ビームをブロックすると（たとえば試料を測定範囲から出してもよい）、測定半部分面の一部で放射源１の放射率を調べることができるので、放射源１の主要な性質、たとえば点源の大きさ、測定装置内部での放射の等方性、放射スペクトルを検出することができる。

　本発明で使用する放射源はたとえばX線管であり、すなわち放射の一次過程が等方性の性質を示し、何らかの異方性があれば、それは高々ターゲット表面の幾何学的形状から生じるものであるようなX線管である。この種のX線管の放射範囲は衝突する電子線の径によって決定されるので、放射範囲は適当に小さく、ほぼ点状であってよい。

　この種のX線管が少なくとも部分的に連続放射スペクトルを有し、この連続放射スペクトルを適当なターゲット材を選定することにより実現できるのが有利である（線放射源は達成可能な測定精度を低下させる恐れがある）。対象となる波長範囲（たとえば１ｎｍないし１００ｎｍの波長範囲）では、いずれにしろビームを真空中で案内させる必要があるので、必要な真空作動に制約はない。

　このように十分小さな放射源に対し、冷却ターゲットまたは回転ターゲットを有し且つたとえばプラズマ放射源のように粒子放射による測定対象物への悪影響を持たない標準的解決法を適用できることには意義がある。これにより、本発明にとって必要な、測定対象物における近接位置決めが保証されている。したがって、放射の立体角成分の利用範囲が広いので、光が比較的弱くても弱さを保証でき、高強度で測定することができる。

　合目的に配置されるX線管は、図３によれば、電子ビーム源１５と、回転するターゲット１６とから成っている。ターゲット１６は平らなディスクとしてアノードを形成している。ターゲット１６の回転は、電子ビーム源１５から放射された電子ビーム１７が衝突する側部部位におけるターゲット１６の過熱を阻止する。もちろん、補助的に冷却を行ってもよい。測定対象物２の表面に対しターゲット１６の回転面は平行性があるので、両者の相互間隔は少なくて済む。

　ターゲットディスクの端面をたとえばトロイダルに延在するように、或いは鋭く延在するように構成して、電子ビーム１７をより強くビーム化し、よって放射領域を縮小させると有利な場合がある。端面の形状は、放射分散度の等方性を支援するためにも利用できる。また、測定可能な角度範囲は部分的なブロックによって制約されないので、電子ビーム源１５を測定面M−Mの外側に配置してもよい。

　図４に図示した装置は、入射角０゜＜θ＜９０゜に対し、且つ測定対象物２の表面上の測定部位M_ｉに対し有利な波長範囲、１ｎｍ＜ｌ＜１００ｎｍで反射率を測定するための装置である。

　この課題のため、分光写真器１８は仮想の光源１４のまわりに回動可能に配置され、種々の入射角範囲を測定できるようになっている。入射スリット５と測定対象物２の表面との間隔は、光強度を増大させるためできるだけ小さく選定される。この最小間隔は入射角に依存しているので、分光写真器１８はさらに、矢印で示したように直線変位可能に保持されている。放射源として用いられる、回転ターゲット１６を備えたX線管は、位置固定して取り付けられているが、これに対し測定対象物２は、同様に矢印で示唆したように、測定課題に応じて、測定対象物の表面上を並進調整可能であり（測定対象物が平らである場合）、或いは、互いに垂直な２つの軸線ｘ−ｘとｙ−ｙのまわりを傾動しながら３つの空間方向へ回転調整可能である（測定対象物の表面が湾曲している場合）。

　測定対象物２の反射率は、装置の幾何学的特徴（位置、角度、間隔…）を考慮して、測定したスペクトルから算出する。等方性もなければ、条件Ｉ（θ）＝Ｉ（−θ）の条件をも満たしていない放射源の場合には、測定に先立って校正が必要である。

　本発明による装置のために設けられた分光写真器は重要である。前記有利な波長範囲に対しては、分光写真器の構成に応じて、非常に薄い透過型回折格子か、或いは、かすめ入射型反射回折格子を分散要素として使用する。結像性反射型回折格子は光強度がより大きく、解像度もより高いので、透過型回折格子よりも優れている。

　このような反射型回折格子から得られる分光写真器１８の装置はそれ自体堅牢であり、すなわち入射スリット５と分散要素６とレシーバー７とは互いに固定位置に配置されている。さらに反射型回折格子は、面状のレシーバーとともに角度分解分光法を可能にする。角度分解分光法は、図２に関連して説明した反射率計のコンセプトを拡大させる上で必要である。

　面状のレシーバーとしては、背面を露光される非常に薄いＣＣＤレシーバーが考えられる。この種のＣＣＤレシーバーは前記有利な波長範囲で非常に感度がよく、しかも長時間露光できるので、強度が弱くても測定ができる。このタイプのレシーバーは、読み出しノイズを低減させるため、通常いわゆるスロースキャンモードで読み出され（典型的には数秒の時間）、この時間内でさらに露光されるので、場合によってはビーム遮断器が必要である。読み出し時間に比べて露光時間が長ければ（これは特に放射源の強度に依存している）、読み出し時間の間の更なる露光によって誤差が十分小さくなるので、ビーム遮断器は設けずに済む。

測定対象物のスペクトル反射率を決定するための多色性アタッチメントとしての、本発明による装置の原理を説明する図である。 複数の入射角でスペクトル反射率を同時に決定するための装置の図である。 回転ターゲットを備えたＸ線管の配置構成図である。 測定対象物のスペクトル反射率を、波長、入射角、測定位置の関数として決定するための本発明による装置の運動方向および傾動軸線を示す図である。

符号の説明

　１　　　　　　　　　放射源
　２　　　　　　　　　測定対象物
　６　　　　　　　　　分散要素
　７　　　　　　　　　レシーバ
　８　　　　　　　　　測定ビーム
　９　　　　　　　　　参照ビーム
　１０,１１　　　　　　分散要素６の互いに隣接している領域
　１２と１３　　　　　レシーバー７上で互いに隣接しあっている領域
　１６　　　　　　　　回転ターゲット

Claims (10)

1. 測定対象物を照射するための放射源と、スペクトル放射を検出するための分光写真器とを備えた、測定対象物のスペクトル反射率を決定する装置において、
   　放射源（１）から出る異なるビーム領域を測定ビーム（８）及び参照ビーム（９）として用い、測定ビーム（８）と参照ビーム（９）が、分光写真器内に設けた少なくとも１つの分散要素の異なるスペクトル分解領域と少なくとも１つのレシーバーの異なるレシーバー領域とに同時に指向していることを特徴とする装置。
2. 測定ビーム（８）と参照ビーム（９）が測定対象物（２）の表面上の法線（Ｎ）に対し符号が逆の同じ角度（θ、−θ）を成し、これにより測定ビーム（８）が測定対象物（２）の表面で反射した後に測定ビーム（８）と参照ビーム（９）が平行な放射経路内に延在するように、共通の放出範囲から出る異なる放射領域が選定されていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 放射源（１）が、異なるビーム領域において、既知の放射特性を有していることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
4. 放射源（１）が、少なくとも異なる放射領域において、等方性の放射特性を有していることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
5. 平行な放射経路が隣り合っている場合に、測定ビーム（８）と参照ビーム（９）が交差しない程度に、放射源（１）の拡がりが制限されていることを特徴とする、請求項３または４に記載の装置。
6. 放射源（１）としてＸ線管を使用し、その非平行放射を測定ビーム（８）と参照ビーム（９）とに利用することを特徴とする、請求項５に記載の装置。
7. Ｘ線管がアノードとして回転ターゲットディスク（１６）を有し、該ターゲットディスク（１６）の回転面が測定対象物（２）の表面に対し平行に延びていることを特徴とする、請求項６に記載の装置。
8. ターゲットディスク（１６）は、放出範囲を縮小させるため、端面が先細りに形成されていることを特徴とする、請求項７に記載の装置。
9. 異なるスペクトル分解領域および異なるレシーバー領域が、互いに隣り合っている２つの領域（１０,１１,１２,１３）として分散要素（６）及びレシーバー（７）上に設けられていることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか一つに記載の装置。
10. 異なるスペクトル分解領域および異なるレシーバー領域が、隣り合う２つの別個の分散要素および隣り合う２つの別個のレシーバーとして設けられていることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか一つに記載の装置。

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