JP2009068937A - 分光エリプソメータおよび膜厚測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】分光エリプソメータにおいて対象物上の照射領域の大きさおよび形状を高精度に検出する。
【解決手段】膜厚測定装置１０の分光エリプソメータ１では、基板９の測定面９１にて反射された反射光が、受光部４の検光子４２により、所定の偏光方向の直線偏光成分である第１偏光光と、第１偏光光に垂直な偏光方向の直線偏光成分である第２偏光光とに分割される。そして、第１偏光光を利用して反射光の波長毎の偏光状態が測定され、第２偏光光を利用して基板９の測定面９１上の照射領域の大きさおよび形状が検出される。分光エリプソメータ１では、照射領域の大きさおよび形状の検出が、測定面９１からの反射光のうち、偏光状態の測定に利用されない偏光成分である第２偏光光を利用して行われることにより、反射光の偏光状態の測定精度を高く維持しつつ基板９の測定面９１上の照射領域の大きさおよび形状を高精度に検出することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、分光エリプソメータおよび分光エリプソメータを備える膜厚測定装置に関する。

従来より、対象物上に存在する膜の厚さ等を測定する光学式の測定装置としてエリプソメータが利用されている。エリプソメータでは、偏光した光（以下、「偏光光」という。）を対象物の測定面上に斜めから照射し、その反射光の偏光状態を取得して偏光解析することにより基板上の膜厚等が測定される。例えば、特許文献１および特許文献２では、反射光の波長毎の偏光状態に基づいて対象物上の薄膜に対する膜厚測定等を行う分光エリプソメータが開示されている。
米国特許第５６０８５２６号明細書 特開２００５−３６６６号公報

ところで、このような分光エリプソメータでは、高精度な測定を実現するために、対象物の測定面上における偏光光の照射領域を所望の大きさおよび形状とする必要がある。特に、高精細なパターンが形成された半導体基板等の偏光解析を行う場合には、微小な照射領域の大きさおよび形状が高精度に調整される必要がある。

しかしながら、対象物の測定面が、対象物に照射される偏光光が最も収束する収束位置から上下方向にずれている（すなわち、測定面がデフォーカス状態となっている）場合には、照射領域が所望の大きさよりも大きくなってしまう。また、測定面上に透明膜等が形成されている基板の計測では、偏光光が膜表面、および、膜と基板本体との境界の双方にて反射（いわゆる、多重反射）して照射領域が広がってしまう場合がある。

一方、対象物の測定面が平滑ではなく粗い場合には、偏光光が測定面上にて不均一に照射されて照射領域が不鮮明となって広がってしまう。また、測定面上にパターン等の凹凸が形成されている対象物の測定では、対象物の位置調整時の誤差等により、パターンのエッジが照射領域に含まれてしまう可能性があり、照射領域の幅がパターンのエッジを挟んで異なってしまうこととなる。このように、照射領域が所望のものと異なる大きさや形状となっている場合、照射領域の大きさまたは形状の異常を知らずに測定を行うと、誤った測定結果を得ることになってしまう。

そこで、対象物の測定面上の照射領域の大きさおよび形状を検出する対策が考えられるが、特許文献１のような落射式の観察光学系にて照射領域を観察するためには、対象物上の偏光光が照射される位置に散乱板等を設置して散乱光を観察する必要があり、測定面上における実際の照射領域の大きさおよび形状を正確に検出することは困難である。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、分光エリプソメータにおいて、対象物上の照射領域の大きさおよび形状を高精度に検出することを主な目的としている。

請求項１に記載の発明は、分光エリプソメータであって、偏光した光を対象物へと傾斜しつつ導く光照射部と、前記対象物において反射された前記光照射部からの光の反射光を所定の偏光方向の直線偏光成分である第１偏光光と、前記第１偏光光に垂直な偏光方向の直線偏光成分である第２偏光光とに分割する検光子と、前記光照射部と前記対象物との間、または、前記対象物と前記検光子との間に配置され、光軸に平行な中心軸を中心として回転する回転位相子と、前記第１偏光光を受光する分光器と、前記第２偏光光を受光して前記対象物上における前記光照射部からの前記光の照射領域を撮像する撮像部とを備える。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の分光エリプソメータであって、前記検光子と前記分光器との間の光軸上に配置され、前記対象物上の測定面に対して実質的に平行かつ前記光軸に垂直な方向に伸びるスリット状の開口を有するアパーチャ板をさらに備え、前記測定面と前記光軸との交差位置から前記開口の幅を見込む角度を２θとして、ｓｉｎθが０．０５以下である。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の分光エリプソメータであって、前記光照射部から紫外光を含む光が出射され、前記検光子と前記撮像部との間の光軸上に可視光を遮り、紫外光を透過する紫外光透過フィルタが設けられる。

請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の分光エリプソメータであって、前記照射領域が略矩形状である。

請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の分光エリプソメータであって、対象物を保持する保持部と、前記対象物を前記対象物の測定面に垂直な上下方向に前記保持部と共に移動する昇降機構と、前記昇降機構および前記撮像部を制御して前記対象物の前記上下方向への移動と前記照射領域の撮像とを繰り返すことにより、前記照射領域の面積を最小とするフォーカス調整部とをさらに備える。

請求項６に記載の発明は、対象物上に形成された膜の厚さを測定する膜厚測定装置であって、請求項１ないし５のいずれかに記載の分光エリプソメータと、前記分光エリプソメータの前記回転位相子の回転位置に関連づけられた前記分光器からの出力に基づいて前記対象物上の膜の厚さを求める膜厚演算部とを備える。

本発明では、対象物上の照射領域の大きさおよび形状を高精度に検出することができる。また、請求項２の発明では、偏光状態の測定精度を向上することができ、請求項３の発明では、照射領域の大きさおよび形状の検出精度を向上することができる。さらに、請求項５の発明では、フォーカス調整を自動的に行うことができる。

図１は、本発明の一の実施の形態に係る膜厚測定装置１０の構成を示す図である。膜厚測定装置１０は、測定対象物である半導体基板９上に形成された薄膜の厚さを測定する装置であり、以下の説明では、半導体基板９を、単に「基板９」という。図１では、膜厚測定装置１０の構成の一部を断面にて示している。

図１に示すように、膜厚測定装置１０は、基板９上の薄膜が存在する主面９１（すなわち、測定対象となる図１中の（＋Ｚ）側の主面であり、以下、「測定面９１」という。）に偏光した光を照射して測定面９１の偏光解析に用いられる情報を取得する分光エリプソメータ１、および、分光エリプソメータ１により取得された情報に基づいて偏光解析を行って測定面９１に存在する膜の厚さを求める膜厚演算部７を備える。

分光エリプソメータ１は、測定面９１を有する基板９を保持する保持部であるステージ２、ステージ２を基板９の測定面９１に平行に移動するステージ移動機構２１、ステージ２を基板９の測定面９１に垂直な上下方向（すなわち、図１中のＺ方向）に移動するステージ昇降機構２４、偏光した光（以下、「偏光光」という。）を基板９の測定面９１へと傾斜しつつ（すなわち、斜めに）導く光照射部である照明部３、基板９の測定面９１において反射された照明部３からの偏光光の反射光を受光する受光部４、測定面９１に沿う方向（すなわち、図１中におけるＸ方向およびＹ方向）における基板９の位置調整に利用される基板観察部５、並びに、各種演算処理を行うＣＰＵや各種情報を記憶するメモリ等により構成されるとともに分光エリプソメータ１の他の構成を制御する制御部６を備える。

ステージ移動機構２１は、ステージ２を図１中のＹ方向に移動するＹ方向移動機構２２、および、ステージ２をＸ方向に移動するＸ方向移動機構２３を有する。Ｙ方向移動機構２２はモータ２２１にボールねじ（図示省略）が接続され、モータ２２１が回転することにより、Ｘ方向移動機構２３がガイドレール２２２に沿って図１中のＹ方向に移動する。Ｘ方向移動機構２３もＹ方向移動機構２２と同様の構成となっており、モータ２３１が回転するとボールねじ（図示省略）によりステージ２がガイドレール２３２に沿ってＸ方向に移動する。

照明部３は、紫外光を含む白色光を出射する高輝度キセノン（Ｘｅ）ランプである光源３１、光源３１からの光を案内する各種光学素子（すなわち、楕円ミラー３５１、熱線カットフィルタ３５２、楕円ミラー３５３、照明部アパーチャ板３５４、平面ミラー３５５および楕円ミラー３５６）、並びに、シート状（または、薄板状）の偏光素子３２を備え、偏光素子３２により光源３１からの光から得られた偏光光が、照明部３から基板９の測定面９１に傾斜しつつ（本実施の形態では、入射角７０°にて斜めに）入射する。なお、ここでいう楕円ミラーとは、反射面が回転楕円体面の一部である非球面ミラーを意味する。

受光部４は、基板９の測定面９１において反射された照明部３からの偏光光の反射光が第１アパーチャ板４５１を介して入射する回転位相子４１、回転位相子４１を透過した光を受光して２つの光に分割する検光子４２、検光子４２からの一方の光を受光して分光強度（すなわち、波長毎の光強度）を取得する分光器４３、分光器４３に接続される偏光状態取得部４４、検光子４２からの他方の光を受光して基板９上における照明部３からの光の照射領域を撮像する撮像部４６、並びに、基板９からの反射光を分光器４３および撮像部４６へと導く各種光学素子を備える。

基板９と検光子４２との間に配置された回転位相子４１は、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）により形成された波長板４１１（λ／４板）を備え、当該波長板４１１は、制御部６により制御されるステッピングモータ４１２により、基板９と検光子４２とを結ぶ受光部４の光軸Ｊ２に平行な軸を中心として回転する。これにより、ステッピングモータ４１２の回転角に応じた偏光光が波長板４１１から導き出されて検光子４２へと入射する。

本実施の形態では、検光子４２としてグラントムソンプリズムが利用され、検光子４２に入射した光は、所定の偏光方向の直線偏光成分である第１偏光光と、第１偏光光に垂直な偏光方向の直線偏光成分である第２偏光光とに分割されて互いに略垂直な方向へと出射される。第１偏光光は、第２アパーチャ板４５２、楕円ミラー４５３、平面ミラー４５４および第３アパーチャ板４５５を介して分光器４３に入射し、第２偏光光は、可視光を遮るとともに紫外光を透過する紫外光透過フィルタ４５６およびレンズ４５７を介して撮像部４６に入射する。本実施の形態では、撮像部４６は、ＣＣＤ（charge coupled device）型の複数の受光素子を備える。

基板観察部５は、白色光を出射する観察用光源５１および基板９の位置調整用のカメラ５２を備える。観察用光源５１からの光は、ハーフミラー５３および対物レンズ５４を介して基板９の測定面９１に垂直に入射し、基板９からの反射光は、対物レンズ５４、ハーフミラー５３およびレンズ５５を介してカメラ５２にて受光される。分光エリプソメータ１では、基板９の測定面９１上に設けられた位置調整用の目印（いわゆる、アライメントマーク）がカメラ５２により撮像される。そして、制御部６により、当該目印の画像に基づいてステージ移動機構２１のＸ方向移動機構２３およびＹ方向移動機構２２が制御され、基板９のＸ方向およびＹ方向における位置調整が行われる。

次に、照明部３および受光部４の詳細について説明する。照明部３では、光源３１からの光が、楕円ミラー３５１、熱線カットフィルタ３５２および楕円ミラー３５３により、照明部アパーチャ板３５４の開口に導かれる。照明部アパーチャ板３５４では、照明部３の光軸Ｊ１に垂直な方向における開口の形状が、Ｘ軸に平行な辺の長さが他の辺の長さよりも長い１５０μｍ×５０μｍの長方形とされ、当該開口を通過した光は、光軸Ｊ１と為す角度θ_１（すなわち、広がり角の半角）がｓｉｎθ_１＝０．０２となるように漸次広がりつつ平面ミラー３５５へと導かれる。

照明部アパーチャ板３５４からの光は、平面ミラー３５５にて反射されて楕円ミラー３５６へとさらに導かれ、楕円ミラー３５６にて反射された光は開口数（ＮＡ）０．１にて集光されつつ偏光素子３２へと導かれる。そして、偏光素子３２により導き出された偏光光が７０°の入射角にて基板９の測定面９１上の照射領域に照射される。膜厚測定装置１０では、照明部３から基板９に照射される偏光光が最も収束する収束位置に測定面９１が位置しており、照明部アパーチャ板３５４から基板９に至る光学系は、５対１の縮小光学系となっている。このため、基板９の測定面９１近傍における光軸Ｊ１に垂直な偏光光の光束断面の形状は、Ｘ軸に平行な辺の長さが３０μｍであり、他の辺の長さが１０μｍである長方形となり、基板９上における偏光光の照射領域は、各辺がおよそ３０μｍの略矩形状の領域（すなわち、略正方形の領域）となる。

基板９からの反射光は、基板９と検光子４２との間に配置された第１アパーチャ板４５１により取り込まれ、回転位相子４１へと導かれる。第１アパーチャ板４５１の開口は、Ｘ軸に平行に伸びるスリット状（すなわち、基板９の測定面９１に対して実質的に平行、かつ、基板９と検光子４２とを結ぶ受光部４の光軸Ｊ２に垂直な方向に伸びるスリット状）とされ、Ｘ軸に垂直な方向（ほぼ高さに相当する方向）に関して、基板９の測定面９１と光軸Ｊ２との交差位置から第１アパーチャ板４５１の開口を見込む角を２θ_２としてｓｉｎθ_２が０．１とされる。

回転位相子４１では、波長板４１１がステッピングモータ４１２により光軸Ｊ２に平行な軸を中心として回転し、これにより、ステッピングモータ４１２の回転角に応じた（すなわち、波長板４１１の回転位置に応じた）偏光光が波長板４１１から導き出されて検光子４２へと導かれる。

検光子４２に入射した偏光光は第１偏光光と第２偏光光とに分割され、第１偏光光は、基板９から検光子４２へと向かう光の進路の延長上を直進して、検光子４２と分光器４３との間の光軸Ｊ２上に配置された第２アパーチャ板４５２により取り込まれる。第２アパーチャ板４５２の開口は、Ｘ軸に平行に伸びるスリット状（すなわち、基板９の測定面９１に対して実質的に平行、かつ、基板９と検光子４２とを結ぶ受光部４の光軸Ｊ２に垂直な方向に伸びるスリット状）とされ、Ｘ軸に垂直な方向（ほぼ高さに相当する方向）に関して、基板９の測定面９１と光軸Ｊ２との交差位置から第２アパーチャ板４５２の開口を見込む角を２θ_３としてｓｉｎθ_３が０．０５以下（本実施の形態では、０．０５）とされる。これにより、第２アパーチャ板４５２により取り込まれる反射光の基板９上における反射角の範囲が制限されてほぼ平行光とされる。

第２アパーチャ板４５２の開口を通過した第１偏光光は、楕円ミラー４５３にて反射されて平面ミラー４５４へと導かれ、平面ミラー４５４にて反射されて分光器４３に固定された第３アパーチャ板４５５の開口を介して分光器４３へと入射する。第３アパーチャ板４５５の開口は、各辺が１００μｍの正方形であり、基板９の測定面９１上の照射領域と光学的に共役な位置に配置される。分光器４３では、第１偏光光が高い波長分解能にて分光され、波長毎（例えば、紫外線から近赤外線までの波長毎）の光の強度が高感度に測定される。

分光器４３により取得された反射光の分光強度は偏光状態取得部４４へと出力され、偏光状態取得部４４において、回転位相子４１から出力された波長板４１１の回転位置と分光器４３からの出力（すなわち、分光強度）とが関連づけられて反射光の波長毎の偏光状態を示すｐ偏光成分とｓ偏光成分との位相差Δおよび反射振幅比角Ψが取得される。そして、反射光の波長毎の偏光状態が偏光状態取得部４４から膜厚演算部７へと出力される。膜厚演算部７では、分光エリプソメータ１の受光部４により取得された反射光の波長毎の偏光状態に基づいて（すなわち、回転位相子４１の波長板４１１の回転位置に関連づけられた分光器４３からの出力に基づいて）偏光解析が行われ、基板９の測定面９１に存在する膜の厚さが求められる。

一方、検光子４２から光軸Ｊ２に略垂直な方向に導き出された第２偏光光は、検光子４２と撮像部４６との間の光軸Ｊ３上に設けられた紫外光透過フィルタ４５６に入射し、紫外光透過フィルタ４５６を透過することにより可視光成分が遮られて紫外光成分のみが導き出される。第２偏光光の紫外光成分は、レンズ４５７を透過して撮像部４６により受光され、これにより、基板９の測定面９１上の照射領域が撮像されて照射領域の大きさおよび形状が検出される。そして、取得された照射領域の画像が制御部６へと出力され、ディスプレイ等に表示される。

図２は、撮像部４６により撮像された基板９の測定面９１（図１参照）上の照射領域９２を示す平面図であり、照射領域９２は所望の大きさおよび形状（上述のように、１辺が３０μｍの略正方形であり、以下、単に「所望形状」という。）となっている。また、図３．Ａないし図３．Ｄは、所望形状とは異なる大きさまたは形状となっている照射領域の例を示す平面図であり、各図中に所望形状の照射領域９２を二点鎖線にて併せて示す。図２、並びに、図３．Ａないし図３．Ｄでは、照射領域に平行斜線を付している。

図３．Ａでは、基板９の測定面９１が、照明部３から基板９に照射される偏光光が最も収束する収束位置から上下方向にずれている（すなわち、測定面９１がデフォーカス状態となっている）場合の照射領域９２ａを示しており、この場合、照射領域９２ａは、所望形状が拡大された形状（すなわち、所望形状よりも大きくかつ相似である形状）となる。

また、図３．Ｂでは、測定面上に透明膜が形成されている基板において、照明部３からの偏光光が、膜表面、および、膜と基板本体との境界の双方にて反射（いわゆる、多重反射）された場合の照射領域９２ｂを示しており、この場合、照射領域９２ｂは、図３．Ｂ中の左右方向（すなわち、図１中のＹ方向であり、照明部３の基板上における光軸Ｊ１を含んで測定面に垂直な仮想的な面に沿う方向）に広がる。

図３．Ｃでは、基板の測定面が平滑ではなく粗い場合（いわゆる、表面荒れが生じている場合）の照射領域９２ｃを示しており、この場合、偏光光は測定面上にて不均一に照射されるため、照射領域９２ｃは不鮮明となって広がってしまう。図３．Ｃでは、照射領域９２ｃの不鮮明な輪郭を破線にて描いている。なお、図３．Ｃでは、照射領域９２ｃの形状の一例を示すものであり、測定面上における凹凸の状態によりにより、照射領域９２ｃは様々な形状となる。

また、図３．Ｄでは、測定面上にパターン等の凹凸が形成されている基板において、照明部３からの偏光光が、パターンのエッジ９３を含む領域に照射された場合の照射領域９２ｄを示している。図３．Ｄ中における照射領域９２ｄのエッジ９３よりも左側の領域９２１は、測定面上の凸部における照射領域であり、エッジ９３よりも右側の領域９２２は、測定面上の凹部における照射領域である。領域９２２１が位置する測定面上の凸部は、照明部３から測定面に照射される偏光光が最も収束する収束位置に位置しており、領域９２２が位置する測定面上の凹部は、当該収束位置から下方向にずれているため、領域９２２の図３．Ｄ中における上下方向の幅が領域９２１の幅よりも大きくなってしまう。

このように、照射領域が所望形状と異なる大きさまたは形状となっている（すなわち、照射領域の大きさまたは形状に異常が生じている）場合、このままの状態で膜厚測定を行うと測定精度が低下してしまう。このため、図１に示す膜厚測定装置１０では、ディスプレイ等に表示された照射領域の画像を作業者が目視にて確認し、照射領域の大きさまたは形状の異常が生じている場合には、必要に応じて、照射領域が所望形状となるように調整が行われる。例えば、図３．Ａに示すように、基板９の測定面９１のデフォーカスによる照射領域の大きさ異常が生じている場合には、図１に示すステージ昇降機構２４が駆動されて基板９がステージ２と共に上下方向に移動され、基板９の測定面９１が、照明部３から基板９に照射される偏光光の収束位置へと移動される。また、図３．Ｂないし図３．Ｄに示すような照射領域の形状異常が生じている場合には、基板９が図１中のＸ方向および／またはＹ方向に移動される。

以上に説明したように、膜厚測定装置１０の分光エリプソメータ１では、基板９の測定面９１にて反射された反射光の所定の偏光方向の直線偏光成分である第１偏光光を利用して反射光の波長毎の偏光状態が測定され、第１偏光光に垂直な偏光方向の直線偏光成分である第２偏光光（すなわち、反射光から第１偏光光を抽出した残りの偏光光）を利用して基板９の測定面９１上の照射領域の大きさおよび形状が検出される。

このように、分光エリプソメータ１では、測定面９１からの反射光の偏光状態の測定が行われる受光部４に撮像部４６が設けられ、当該撮像部４６により測定面９１から受光部４へと入射する光を受光して測定面９１上の照射領域の大きさおよび形状が検出されることにより、照射領域の大きさおよび形状を高精度に検出することができる。また、照射領域の大きさおよび形状の検出が、測定面９１からの反射光のうち、偏光状態の測定に利用されない偏光成分である第２偏光光を利用して行われることにより、偏光状態の測定に利用される第１偏光光の光強度の低下が防止され、偏光状態の測定精度の低下が防止される。

すなわち、分光エリプソメータ１では、反射光の偏光状態の測定精度を高く維持しつつ基板９の測定面９１上の照射領域の大きさおよび形状を高精度に検出することができる。その結果、膜厚測定装置１０において、照射領域の大きさまたは形状の異常が生じた状態での膜厚測定が防止され、所望形状の照射領域からの反射光に基づいて高精度な膜厚測定を実現することができる。

分光エリプソメータ１の受光部４では、開口の見込み角を２θ_３とした場合のｓｉｎθ_３が０．０５以下である第２アパーチャ板４５２の開口を通過して略平行光とされた光が分光器４３に入射し、当該略平行光（すなわち、およそ所望の入射角にて測定面９１に入射した光）のみを利用して偏光状態の測定が行われるため、反射光の偏光状態の測定精度を向上することができる。また、基板９から分光器４３へと至る受光部４の光学系が等倍光学系であり、第３アパーチャ板４５５の開口（すなわち、各辺が１００μｍの正方形）が測定面９１上の照射領域（すなわち、各辺が３０μｍの正方形）よりも大きくされることにより、基板９の測定面９１上における照射領域の位置が設計位置から多少ずれた場合であっても、測定面９１からの反射光を分光器４３により確実に受光して偏光状態を取得することができる。

受光部４では、開口の見込み角を２θ_２とした場合のｓｉｎθ_２が０．１である第１アパーチャ板４５１の開口を通過した反射光が、検光子４２にて第１偏光光および第２偏光光に分割され、第２偏光光が第２アパーチャ板４５２を介することなく撮像部４６に入射する。これにより、撮像部４６において高い解像度にて照射領域が撮像されるため、照射領域の大きさおよび形状を高精度に検出することができる。また、大きさまたは形状の異常が生じていない状態の照射領域の形状（すなわち、照射領域の所望形状）が略矩形状とされることにより、図３．Ａないし図３．Ｄに例示する照射領域の大きさおよび形状の異常が容易に検出される。

さらに、検光子４２と撮像部４６との間に設けられた紫外光透過フィルタ４５６により、第２偏光光の紫外光成分のみが撮像部４６による照射領域の撮像に利用されることにより、照明部３以外からの光（いわゆる外乱となる光であり、通常、紫外光はほとんど含まれていない。）による照射領域の撮像に対する影響を防止（あるいは、抑制）して照射領域の大きさおよび形状の検出精度を向上することができる。なお、外乱の影響を抑制するという観点からは、撮像部４６にて撮像に利用される光には可視光成分が僅かに含まれていてもよく、この場合、紫外光透過フィルタ４５６として、可視光のほとんどを遮り、ほぼ紫外光のみを透過するフィルタが利用される。

上述の膜厚測定装置１０の分光エリプソメータ１では、作業者の目視による照射領域の大きさまたは形状の異常検出に代えて、制御部６により照射領域の大きさまたは形状の異常検出が行われてもよい。以下では、制御部６により、図３．Ａに示す基板９の測定面９１のデフォーカスによる照射領域の大きさ異常が検出され、照射領域を所望の大きさとする調整（以下、「フォーカス調整」という。）が行われる場合の分光エリプソメータ１の動作について説明する。図４は、分光エリプソメータ１におけるフォーカス調整の流れを示す図である。

図１に示す分光エリプソメータ１では、まず、照明部３からの偏光光が基板９の測定面９１上へと傾斜しつつ導かれ（ステップＳ１１）、測定面９１において反射された反射光が、回転位相子４１を介して検光子４２に入射し、第１偏光光と第２偏光光とに分割される（ステップＳ１２）。続いて、分光器４３および撮像部４６により第１偏光光および第２偏光光がそれぞれ受光され、撮像部４６により基板９の測定面９１上における照射領域が撮像される（ステップＳ１３）。

次に、制御部６により、撮像部４６からの出力に基づいて測定面９１上の照射領域の大きさおよび形状（以下、「測定形状」という。）が検出され、予め制御部６に記憶されている照射領域の所望形状と比較される（ステップＳ１４）。そして、照射領域の測定形状が所望形状よりも大きい場合、制御部６のフォーカス調整部６１により、ステージ昇降機構２４が制御されて基板９がステージ２と共に上下方向に移動された後、撮像部４６が制御されて照射領域の撮像が行われる（ステップＳ１５，１６）。

分光エリプソメータ１では、フォーカス調整部６１によりステージ昇降機構２４および撮像部４６が制御されることにより、照射領域の測定形状と所望形状との比較、基板９の上下方向への移動、および、照射領域の撮像が繰り返されて照射領域が小さくなる方向へと基板９が移動され（ステップＳ１４〜１６）、照射領域の面積が最小となる位置（すなわち、照射領域の測定形状が所望形状と等しくなる位置）にて基板９の移動が停止されてフォーカス調整が終了する（ステップＳ１４）。このように、分光エリプソメータ１では、フォーカス調整部６１による制御により、基板９のフォーカス調整が自動的に行われる。

以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

受光部４では、検光子４２としてグラントムソンプリズム以外の偏光プリズム（例えば、グランテーラープリズムやローションプリズム）が利用されてもよく、第１偏光光と第２偏光光とを所定の距離を隔てて平行に出射する偏光分離板等が利用されてもよい。また、受光部４の光軸Ｊ２に対して傾斜して配置されたシート状の偏光子が検光子４２として利用されることにより、反射光が第１偏光光と第２偏光光とに分割されてもよい。

照明部３では、紫外光を含む白色光を出射する光源３１として重水素ランプが利用されてもよい。また、紫外光の照射による影響が懸念される基板に対しては、照明部３により紫外光を含まない光（例えば、可視光）が照射される。この場合、検光子４２と撮像部４６との間の光軸Ｊ３上に紫外光透過フィルタは設けられず、代わりに特定の波長帯の可視光透過フィルタが設けられてもよい。

分光エリプソメータ１では、回転位相子４１が照明部３と基板９との間（すなわち、照明部３の偏光素子３２と基板９とを結ぶ光軸Ｊ１上）に設けられてもよい。この場合も、上記実施の形態と同様に、反射光の偏光状態の測定精度を高く維持しつつ基板９の測定面９１上の照射領域の大きさおよび形状を高精度に検出することができる。また、分光エリプソメータ１では、例えば、図３．Ｂに示す多重反射による照射領域の形状異常や、図３．Ｃに示す表面荒れによる照射領域の形状異常が、制御部６により自動的に検出されて作業者に警告が通知されてもよい。

分光エリプソメータは、膜厚測定装置以外の他の装置に利用されてもよく、分光器にて取得された分光強度に基づいて基板９の測定面９１の膜厚以外の表面状態や光学定数が求められてもよい。さらには、分光エリプソメータにより、半導体基板以外の対象物の測定面の偏光解析が行われてもよい。

膜厚測定装置の構成を示す図である。 基板の測定面上の照射領域を示す平面図である。 所望形状とは異なる照射領域の例を示す平面図である。 所望形状とは異なる照射領域の例を示す平面図である。 所望形状とは異なる照射領域の例を示す平面図である。 所望形状とは異なる照射領域の例を示す平面図である。 フォーカス調整の流れを示す図である。

符号の説明

１ 分光エリプソメータ
２ ステージ
３ 照明部
７ 膜厚演算部
９ 基板
１０ 膜厚測定装置
４１ 回転位相子
４２ 検光子
４３ 分光器
４６ 撮像部
６１ フォーカス調整部
９１ 測定面
９２ 照射領域
４５２ 第２アパーチャ板
４５６ 紫外光透過フィルタ
Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３ 光軸

Claims (6)

1. 分光エリプソメータであって、
   偏光した光を対象物へと傾斜しつつ導く光照射部と、
   前記対象物において反射された前記光照射部からの光の反射光を所定の偏光方向の直線偏光成分である第１偏光光と、前記第１偏光光に垂直な偏光方向の直線偏光成分である第２偏光光とに分割する検光子と、
   前記光照射部と前記対象物との間、または、前記対象物と前記検光子との間に配置され、光軸に平行な中心軸を中心として回転する回転位相子と、
   前記第１偏光光を受光する分光器と、
   前記第２偏光光を受光して前記対象物上における前記光照射部からの前記光の照射領域を撮像する撮像部と、
   を備えることを特徴とする分光エリプソメータ。
2. 請求項１に記載の分光エリプソメータであって、
   前記検光子と前記分光器との間の光軸上に配置され、前記対象物上の測定面に対して実質的に平行かつ前記光軸に垂直な方向に伸びるスリット状の開口を有するアパーチャ板をさらに備え、
   前記測定面と前記光軸との交差位置から前記開口の幅を見込む角度を２θとして、ｓｉｎθが０．０５以下であることを特徴とする分光エリプソメータ。
3. 請求項１または２に記載の分光エリプソメータであって、
   前記光照射部から紫外光を含む光が出射され、前記検光子と前記撮像部との間の光軸上に可視光を遮り、紫外光を透過する紫外光透過フィルタが設けられることを特徴とする分光エリプソメータ。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の分光エリプソメータであって、
   前記照射領域が略矩形状であることを特徴とする分光エリプソメータ。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の分光エリプソメータであって、
   対象物を保持する保持部と、
   前記対象物を前記対象物の測定面に垂直な上下方向に前記保持部と共に移動する昇降機構と、
   前記昇降機構および前記撮像部を制御して前記対象物の前記上下方向への移動と前記照射領域の撮像とを繰り返すことにより、前記照射領域の面積を最小とするフォーカス調整部と、
   をさらに備えることを特徴とする分光エリプソメータ。
6. 対象物上に形成された膜の厚さを測定する膜厚測定装置であって、
   請求項１ないし５のいずれかに記載の分光エリプソメータと、
   前記分光エリプソメータの前記回転位相子の回転位置に関連づけられた前記分光器からの出力に基づいて前記対象物上の膜の厚さを求める膜厚演算部と、
   を備えることを特徴とする膜厚測定装置。

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