JP2009103598A - 分光エリプソメータおよび偏光解析方法 - Google Patents

Abstract

【課題】分光エリプソメータにおいて対象物に対する偏光解析を高精度に行う。
【解決手段】分光エリプソメータ１は、光源３１からの白色光から所定の測定波長帯に含まれる複数の波長の楕円偏光光を生成して基板９の測定面９１へと導く偏光光生成部３２、測定面９１からの反射光が入射する回転検光子４１、および、回転検光子４１からの光の分光強度を取得する分光器４２を備える。分光エリプソメータ１では、制御部６の偏光状態取得部により、反射光の測定波長帯の各波長における偏光状態が高精度に取得され、光学条件演算部により、基板９における反射によるｐ偏光成分とｓ偏光成分との反射振幅比角の変化、および、偏光状態取得部にて取得されたｐ偏光成分とｓ偏光成分との位相差を示す測定値と、当該測定値に対応して求められた理論値との差に基づいて基板９の測定面９１上の膜厚が高精度に求められる。
【選択図】図１

Description

本発明は、分光エリプソメータおよび対象物に対して偏光解析を行う偏光解析方法に関する。

従来より、半導体基板（以下、単に「基板」という。）上に存在する膜の厚さや光学定数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。）を基板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では、反射光の波長毎の光の偏光状態に基づいて基板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。
特開２００５−３６６６号公報

ところで、近年、基板上に形成されるパターンの高精細化に伴って基板上の膜の更なる薄型化が進んでおり、エリプソメータにおいて、非常に薄い膜に対する偏光解析の高精度化が求められている。

特許文献１のような分光エリプソメータでは、複数の波長の光を含む可視光を直線偏光状態として基板へと照射し、その反射光を受光して偏光解析が行われるが、非常に薄い膜に対する偏光解析では、基板に直線偏光した光を入射させて行う測定に比べて、円偏光した光を入射させて行う測定の方が、膜厚の変化による出力信号の変化を大きくすることができる。したがって、直線偏光した光を用いる分光エリプソメータにより偏光解析を行うと、円偏光したレーザ光（すなわち、１つの波長の光）を基板に照射するレーザ式のエリプソメータに比べて測定精度が低くなる。なお、分光エリプソメータにおいて基板に入射する複数の波長の光を全て円偏光とすることが可能な偏光素子は現在のところ存在しない。

また、分光エリプソメータでは、基板に照射する光を紫外光とすることにより、非常に薄い膜に対する測定精度を向上することができるが、この場合、分光エリプソメータの光学系に利用される光学素子が高価かつ特殊なものとなるため、分光エリプソメータの製造コストが増大するとともに分光エリプソメータの使用環境が制限されてしまう。また、利用する紫外光の波長を２００ｎｍ以下とする場合、分光エリプソメータを真空雰囲気中にて使用する必要がある。さらには、紫外光の照射により基板に対して影響が生じる恐れもある。

一方、レーザ式のエリプソメータでは、偏光解析に利用される光の波長が１つのみであるため、多層膜に対する測定には不向きであり、また、特定の厚さの膜に対する測定において測定精度が低くなってしまう。

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に対する偏光解析を高精度に行う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、光源と、前記光源からの複数の波長の光のそれぞれから楕円偏光した光を得ることにより、または、前記複数の波長に含まれる特定の波長の光から円偏光した光を得て他の波長の光から楕円偏光した光を得ることにより、対象物へと導かれる多波長偏光光を生成する偏光光生成部と、前記対象物にて反射された前記多波長偏光光の反射光が入射するとともに光軸に平行な中心軸を中心として回転する回転検光子と、前記回転検光子からの光を受光して分光強度を取得する分光器と、前記分光器からの出力に基づいて前記反射光の前記複数の波長のそれぞれにおける偏光状態を取得する偏光状態取得部とを備える。

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、前記偏光光生成部が、前記光源からの前記複数の波長の光のそれぞれから直線偏光した光を得る偏光子と、前記直線偏光した光から楕円偏光した光または円偏光した光を得る波長板とを備える。

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、前記偏光状態取得部にて取得されたｐ偏光成分とｓ偏光成分との反射振幅比角または前記対象物における反射によるｐ偏光成分とｓ偏光成分との反射振幅比角の変化、および、前記偏光状態取得部にて取得されたｐ偏光成分とｓ偏光成分との位相差を示す測定値と、前記対象物の光学条件を変数として前記複数の波長における前記測定値に対応して求められた理論値との差に基づいて前記光学条件の値を求める演算部をさらに備える。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の分光エリプソメータであって、前記光学条件が、前記対象物上の膜の厚さおよび／または前記膜の屈折率である。

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、前記偏光光生成部により、前記複数の波長に含まれる特定の波長の光から円偏光した光が得られる。

請求項６に記載の発明は、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であって、前記光源が白色光源であり、前記複数の波長の光が、前記光源からの白色光のうち所定の波長帯の光である。

請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の分光エリプソメータであって、前記所定の波長帯が、３００ｎｍ以上である。

請求項８に記載の発明は、対象物の偏光解析方法であって、ａ）光源からの複数の波長の光のそれぞれから楕円偏光した光を得ることにより、または、前記複数の波長に含まれる特定の波長の光から円偏光した光を得て他の波長の光から楕円偏光した光を得ることにより、対象物へと導かれる多波長偏光光を生成する工程と、ｂ）前記対象物にて反射された前記多波長偏光光の反射光を、光軸に平行な中心軸を中心として回転する回転検光子へと導く工程と、ｃ）前記回転検光子からの光を受光して分光強度を取得する工程と、ｄ）前記分光強度に基づいて前記反射光の前記複数の波長のそれぞれにおける偏光状態を取得する工程とを備える。

請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の偏光解析方法であって、ｅ）前記ｄ）工程よりも後に、前記ｄ）工程にて取得されたｐ偏光成分とｓ偏光成分との反射振幅比角または前記対象物における反射によるｐ偏光成分とｓ偏光成分との反射振幅比角の変化、および、前記ｄ）工程にて取得されたｐ偏光成分とｓ偏光成分との位相差を示す測定値と、前記対象物の光学条件を変数として前記複数の波長における前記測定値に対応して求められた理論値との差に基づいて前記光学条件の値を求める工程をさらに備える。

請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の偏光解析方法であって、前記光学条件が、前記対象物上の膜の厚さおよび／または前記膜の屈折率である。

本発明では、対象物に対する偏光解析を高精度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分光エリプソメータ１の構成を示す図である。分光エリプソメータ１は、測定対象物である半導体基板９（以下、単に「基板９」という。）上に形成された薄膜の膜厚を測定する装置である。分光エリプソメータ１では、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、測定面９１からの反射光に基づいて偏光解析が行われて膜厚が求められる。本実施の形態では、分光エリプソメータ１により、基板９の測定面９１上に形成された酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜の厚さが基板９の光学条件として求められる。なお、図１では、分光エリプソメータ１の構成の一部を断面にて示している。

分光エリプソメータ１は、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。

図２は、制御部６の構成を示す図である。図２に示すように、制御部６は、通常のコンピュータと同様に、各種演算処理を行うＣＰＵ６１、実行されるプログラムを記憶したり演算処理の作業領域となるＲＡＭ６２、基本プログラムを記憶するＲＯＭ６３、各種情報を記憶する固定ディスク６４、作業者に各種情報を表示するディスプレイ６５、および、キーボードやマウス等の入力部６６等を接続した構成となっている。

図３は、制御部６のＣＰＵ６１（図２参照）等がプログラムに従って演算処理を行うことにより実現される機能を示すブロック図であり、図３中の偏光状態取得部６１１、光学条件演算部６１２および記憶部６１３が、ＣＰＵ６１等により実現される機能に相当する。なお、これらの機能は複数台のコンピュータにより実現されてもよい。

図１に示すステージ移動機構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、紫外光を含まない白色光を出射する白色光源３１（すなわち、複数の波長の光を含む多波長光を出射する光源であり、以下、単に「光源３１」という。）を備え、光源３１からの白色光のうち、所定の波長帯の光（本実施の形態では、４００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の波長帯の可視光）が、後述する基板９の測定面９１上の膜厚測定に利用される。以下の説明では、膜厚測定に利用される光の波長帯を「測定波長帯」という。

照明部３は、また、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、スリット板３５４、平面ミラー３５５および楕円ミラー３５６）、並びに、偏光光を生成する偏光光生成部３２を備える。偏光光生成部３２により生成された偏光光は、基板９へと導かれて基板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。

偏光光生成部３２は、光源３１からの白色光に含まれる各波長の光から直線偏光した光（以下、「直線偏光光」という。）を得る偏光子３２１、および、偏光子３２１と基板９との間において照明部３の光軸Ｊ１上に配置される波長板３２２を備える。波長板３２２では、偏光子３２１を経由した特定の波長の光から円偏光した光（以下、「円偏光光」という。）が得られ、その他の波長の光から楕円偏光した光（以下、「楕円偏光光」という。）得られる。換言すれば、偏光光生成部３２では、測定波長帯における複数の波長に含まれる特定の波長の光から円偏光光を得るとともに当該複数の波長に含まれる特定の波長以外の波長の光から楕円偏光光を得ることにより、多波長偏光光が生成される。波長板３２２は、位相差の波長依存性を抑えた広帯域波長板であり、可視光に対応する波長帯（すなわち、およそ３６０ｎｍ以上８３０ｎｍ以下の波長帯）におけるｐ偏光成分とｓ偏光成分との位相差が、８０°以上１００°以下とされる。

受光部４は、基板９にて反射された多波長偏光光の反射光が入射するとともに受光部４の光軸Ｊ２に平行な中心軸を中心として回転する回転検光子４１、回転検光子４１から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４２、並びに、基板９からの反射光を分光器４２へと導く各種光学素子（すなわち、スリット板４５１、楕円ミラー４５２、平面ミラー４５３およびアパーチャ板４５４）を備える。

分光エリプソメータ１では、回転検光子４１の回転位置、および、分光器４２により取得された反射光の分光強度が、制御部６の偏光状態取得部６１１（図３参照）へと出力される。そして、偏光状態取得部６１１において、回転検光子４１の回転位置および分光器４２からの出力に基づいて、照明部３からの白色光のうち測定波長帯における複数の波長の光のそれぞれにおける偏光状態を示すｐ偏光成分とｓ偏光成分との位相差および反射振幅比角が取得される。

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、および、分光エリプソメータ１において行われる膜厚算出の流れについて説明する。図４は、膜厚算出の流れを示す図である。図１に示す照明部３では、光源３１からの白色光が、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、スリット板３５４の開口に導かれる。スリット板３５４では、光源３１からの光の光軸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長方形とされ、当該開口を通過した光は、所定の角度にて漸次広がりつつ平面ミラー３５５へと導かれる。

スリット板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集光されつつ偏光光生成部３２の偏光子３２１へと導かれる。そして、偏光子３２１により導き出された多波長の直線偏光光が波長板３２２を透過することにより、楕円偏光または円偏光された多波長偏光光が生成され、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（ステップＳ１１）。本実施の形態では、基板９上における多波長偏光光の照射領域は略正方形の領域となる。

基板９の測定面９１にて反射された多波長偏光光の反射光は、受光部４のスリット板４５１により取り込まれて回転検光子４１へと導かれる（ステップＳ１２）。スリット板４５１の開口は、Ｘ軸に平行な辺の長さが他の辺の長さよりも十分に長い長方形とされる。これにより、スリット板４５１により取り込まれる反射光の基板９上の反射角の範囲が制限されてほぼ平行光とされる。一方、Ｘ方向に関しては反射光はほとんど制限されないため、測定に必要な十分な量の光が回転検光子４１へと導かれる。

回転検光子４１では、回転検光子４１の回転位置に応じて直線偏光光が導き出され、楕円ミラー４５２にて反射されて平面ミラー４５３へと導かれ、平面ミラー４５３にて反射されて分光器４２に固定されたアパーチャ板４５４の開口を介して分光器４２へと入射する。アパーチャ板４５４の開口は、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４２では、回転検光子４１からの光が受光されて高い波長分解能にて分光され、測定面９１からの反射光に含まれる測定波長帯における複数の波長の光のそれぞれの光強度（すなわち、測定波長帯における分光強度）が取得される（ステップＳ１３）。

分光器４２により取得された反射光の分光強度は、制御部６の偏光状態取得部６１１（図３参照）へと出力され、偏光状態取得部６１１において、回転検光子４１から出力された回転検光子４１の回転位置と分光器４２からの出力（すなわち、分光強度）とに基づいて、測定波長帯の複数の波長のそれぞれにおける偏光状態を示すｐ偏光成分とｓ偏光成分との位相差および反射振幅比角が取得される（ステップＳ１４）。そして、反射光の波長毎の偏光状態が偏光状態取得部６１１から光学条件演算部６１２（図３参照）へと出力される。光学条件演算部６１２では、反射光の波長毎の偏光状態に基づいて偏光解析が行われ、基板９に係る光学条件の１つである測定面９１に存在する膜の厚さが求められる（ステップＳ１５）。

次に、光学条件演算部６１２による膜厚算出の詳細について説明する。分光エリプソメータ１の偏光状態取得部６１１では、分光器４２にて受光された測定波長帯の各波長の光について、反射振幅比角ψ_{ｏｕｔ＿ｍｅａｓ}の正接であるｔａｎ（ψ_{ｏｕｔ＿ｍｅａｓ}）、および、位相差Δ_{ｏｕｔ＿ｍｅａｓ}の余弦であるｃｏｓ（Δ_{ｏｕｔ＿ｍｅａｓ}）が、反射振幅比角および位相差を示す測定値として取得されて光学条件演算部６１２へと送られる。

一方、制御部６の記憶部６１３（図３参照）には、測定波長帯の複数の波長のそれぞれにおける入射光（すなわち、偏光光生成部３２から基板９へと入射する楕円偏光光または円偏光光）の反射振幅比角ψ_ｉｎ、および、位相差Δ_ｉｎが予め記憶されている。分光エリプソメータ１では、基板９における反射による偏光状態の変化（すなわち、ｐ偏光成分とｓ偏光成分との反射振幅比角および位相差の変化ψ_{ｗａ＿ｍｅａｓ}，Δ_{ｗａ＿ｍｅａｓ}）と、上記ψ_{ｏｕｔ＿ｍｅａｓ}，Δ_{ｏｕｔ＿ｍｅａｓ}，ψ_ｉｎ，Δ_ｉｎとの関係が、数１および数２のように表される。

（数１）
ｔａｎ（ψ_{ｏｕｔ＿ｍｅａｓ}）＝ｔａｎ（ψ_ｉｎ）×ｔａｎ（ψ_{ｗａ＿ｍｅａｓ}）

（数２）
ｃｏｓ（Δ_{ｏｕｔ＿ｍｅａｓ}）＝ｃｏｓ（Δ_ｉｎ＋Δ_{ｗａ＿ｍｅａｓ}）

ところで、入射光が直線偏光光である通常の回転検光子法の分光エリプソメータでは、入射光の全波長において、ψ_ｉｎおよびΔ_ｉｎの値がそれぞれ４５°および０°となるため、ｔａｎ（ψ_{ｗａ＿ｍｅａｓ}）およびｃｏｓ（Δ_{ｗａ＿ｍｅａｓ}）はそれぞれ、ｔａｎ（ψ_{ｏｕｔ＿ｍｅａｓ}）およびｃｏｓ（Δ_{ｏｕｔ＿ｍｅａｓ}）と等しい値として求められる。通常の分光エリプソメータでは、基板上の膜厚を仮定して、基板における反射による偏光状態の変化（すなわち、ｐ偏光成分とｓ偏光成分との反射振幅比角および位相差の変化）の理論値ψ_{ｗａ＿ｃａｌｃ}，Δ_{ｗａ＿ｃａｌｃ}が演算により求められ、各波長λにおける測定値（に基づいて求められた値）ψ_{ｗａ＿ｍｅａｓ}（λ）、および、Δ_{ｗａ＿ｍｅａｓ}（λ）の余弦であるｃｏｓ（Δ_{ｗａ＿ｍｅａｓ}（λ））と、測定値に対応する理論値ψ_{ｗａ＿ｃａｌｃ}（λ），ｃｏｓ（Δ_{ｗａ＿ｃａｌｃ}（λ））との残差の平方和（すなわち、測定値と理論値との差分に基づく値であり、以下、単に「差分値」という。）が、例えば、数３のＥ１のように求められる。

そして、膜厚を変数として、基板における反射による偏光状態の変化の理論値ψ_{ｗａ＿ｃａｌｃ}（λ），Δ_{ｗａ＿ｃａｌｃ}（λ）を変更しつつ差分値Ｅ１を求め、線型回帰解析法により、差分値Ｅ１が最小となる膜厚が基板上の膜の厚さとして取得される。

一方、本実施の形態に係る分光エリプソメータ１では、基板９に入射する測定波長帯の複数の波長の光が楕円偏光光（ただし、特定の波長の光のみは円偏光光）であるため、入射光の複数の波長のそれぞれにおける反射振幅比角ψ_ｉｎ、および、位相差Δ_ｉｎは様々な値をとる。分光エリプソメータ１の光学条件演算部６１２（図３参照）では、上述のように、各波長におけるψ_ｉｎ，Δ_ｉｎが予め求められて記憶部６１３に記憶されており、各波長におけるψ_ｉｎと、偏光状態取得部６１１により取得された各波長におけるｔａｎ（ψ_{ｏｕｔ＿ｍｅａｓ}）とに基づいて、上述の数１から、基板における反射によるｐ偏光成分とｓ偏光成分との反射振幅比角の変化ψ_{ｗａ＿ｍｅａｓ}が求められる。しかしながら、偏光状態取得部６１１により取得された各波長におけるｃｏｓ（Δ_{ｏｕｔ＿ｍｅａｓ}）の値からはΔ_{ｏｕｔ＿ｍｅａｓ}の正負が確定できないため、上述の数２を用いても、基板における反射によるｐ偏光成分とｓ偏光成分との位相差Δ_{ｗａ＿ｍｅａｓ}、および、その余弦であるｃｏｓ（Δ_{ｗａ＿ｍｅａｓ}）を求めることはできない。

そこで、光学条件演算部６１２では、基板９の測定面９１上の膜厚を仮定し、測定波長帯の複数の波長において、基板９における反射による偏光状態の変化（すなわち、ｐ偏光成分とｓ偏光成分との反射振幅比角および位相差の変化）の理論値ψ_{ｗａ＿ｃａｌｃ}，Δ_{ｗａ＿ｃａｌｃ}を演算により求め、Δ_{ｗａ＿ｃａｌｃ}と記憶部６１３に予め記憶されているΔ_ｉｎとを用いて、数４により、測定波長帯の各波長におけるｃｏｓ（Δ_{ｏｕｔ＿ｃａｌｃ}）（すなわち、偏光状態取得部６１１にて取得された反射振幅比角を示す測定値ｃｏｓ（Δ_{ｏｕｔ＿ｍｅａｓ}）に対応して求められた理論値）が求められる。

（数４）
ｃｏｓ（Δ_{ｏｕｔ＿ｃａｌｃ}）＝ｃｏｓ（Δ_ｉｎ＋Δ_{ｗａ＿ｃａｌｃ}）

そして、偏光状態取得部６１１にて取得された測定波長帯の各波長λにおける測定値（または、測定値に基づいて求められた値）であるψ_{ｗａ＿ｍｅａｓ}（λ），ｃｏｓ（Δ_{ｏｕｔ＿ｍｅａｓ}（λ））と、測定値に対応する理論値であるψ_{ｗａ＿ｃａｌｃ}（λ），ｃｏｓ（Δ_{ｏｕｔ＿ｃａｌｃ}（λ））との差分に基づく差分値が、例えば、数５のＥ２のように求められる。

光学条件演算部６１２では、基板９の光学条件の１つである膜厚を変数として、膜厚が変更されることにより、基板における反射による反射振幅比角の変化の理論値ψ_{ｗａ＿ｃａｌｃ}（λ）が変更され、また、位相差の変化の理論値Δ_{ｗａ＿ｃａｌｃ}（λ）が変更されてｃｏｓ（Δ_{ｏｕｔ＿ｃａｌｃ}（λ））が変更される（数４参照）。そして、膜厚を変更しつつ差分値Ｅ２が求められ、線型回帰解析法により、差分値Ｅ２が最小となる膜厚が基板９の測定面９１上の膜の厚さ（すなわち、光学条件の値）として取得される。

次に、入射光が直線偏光光である通常の回転検光子法の分光エリプソメータを比較例として、本実施の形態に係る分光エリプソメータ１と比較例の分光エリプソメータとの測定精度の比較について説明する。

図５．Ａないし図５．Ｅはそれぞれ、測定面に３ｎｍ，５ｎｍ，１０ｎｍ，１５ｎｍ，２０ｎｍの酸化シリコンの膜が形成された基板において、膜厚が０．１ｎｍ変化した場合の位相差Δの変化を示す信号の変化量（具体的には、位相差Δの変化量の二乗であり、以下、「位相差変化量」という。）と入射光の波長との関係を示す図であり、各図中の位相差変化量は演算により求められたものである。

図５．Ａないし図５．Ｅ中の実線８１は、各波長において円偏光光（すなわち、位相差９０°の偏光光）を入射光とした場合の位相差変化量を示し、細実線８２は、各波長において直線偏光光（すなわち、位相差０°の偏光光）を入射光とした場合の位相差変化量（すなわち、比較例の分光エリプソメータにおける位相差変化量）を示す。本実施の形態に係る分光エリプソメータ１では、入射光が位相差８０°以上１００°以下の楕円偏光光とされるため、分光エリプソメータ１における位相差変化量は、図５．Ａないし図５．Ｅ中の実線８１と細実線８２との間であって細実線８２よりも実線８１に近い値をとる。また、測定波長帯のうち入射光が円偏光光となる特定の波長においては、分光エリプソメータ１における位相差変化量は、実線８１上の値をとる。

図５．Ａないし図５．Ｃに示すように、基板上の膜厚が１０ｎｍ以下と非常に薄い場合、分光エリプソメータ１の測定波長帯（すなわち、４００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の波長帯）における位相差変化量は、実線８１（円偏光光）の方が細実線８２（直線偏光光）よりも大きく、したがって、本実施の形態に係る分光エリプソメータ１（楕円偏光光）の位相差変化量は、比較例の分光エリプソメータ（直線偏光光）よりも大きくなる。このため、分光エリプソメータ１では、比較例の分光エリプソメータに比べて、基板９に対する偏光解析を高精度に行うことができ、基板９の測定面９１上の膜厚測定を高精度に実現することができる。

なお、図５．Ｄに示すように、基板上の膜厚が１５ｎｍの場合、測定波長帯における位相差変化量は、実線８１（円偏光光）と細実線８２（直線偏光光）とで大きな差はなく、波長４５０ｎｍ以上の波長帯において、実線８１が細実線８２よりも多少大きい。また、図５．Ｅに示すように、基板上の膜厚が２０ｎｍの場合、測定波長帯における位相差変化量は、細実線８２（直線偏光光）の方が実線８１（円偏光光）よりも大きい。

ただし、膜厚が大きくなると、膜厚が０．１ｎｍ変化した場合の反射振幅比角ψの変化を示す信号の変化量が大きくなるため、膜厚が１５ｎｍ以上の場合、入射光が直線偏光光、楕円偏光光および円偏光光のいずれの場合であっても、精度良い膜厚測定が可能となる。したがって、本実施の形態に係る分光エリプソメータ１は、比較例の分光エリプソメータでは高精度な偏光解析が比較的困難な膜厚が１０ｎｍ以下の非常に薄い膜が形成された基板の膜厚測定に特に適しているといえる。

本実施の形態に係る分光エリプソメータ１では、上述のように、偏光光生成部３２において生成される多波長偏光光において、測定波長帯の複数の波長のそれぞれにおけるｐ偏光成分とｓ偏光成分との位相差が８０°以上１００°以下とされることにより、多波長偏光光に含まれる楕円偏光光の偏光特性を円偏光光に近づけることができる。これにより、基板９上の薄膜（特に、厚さが１０ｎｍ以下の膜）に対する偏光解析において、測定波長帯における位相差変化量がより大きくなり、基板９に対する偏光解析の精度、および、測定面９１上の膜厚測定の精度が向上される。

また、分光エリプソメータ１では、偏光光生成部３２により、測定波長帯の複数の波長に含まれる特定の波長の光から円偏光光（すなわち、ｐ偏光成分とｓ偏光成分との位相差が９０°の偏光光）が得られ、基板９に入射する多波長偏光光に円偏光光が含まれる。これにより、基板９上の薄膜（特に、厚さが１０ｎｍ以下の膜）に対する偏光解析において、測定波長帯の上記特定の波長における位相差変化量がさらに大きくなり、基板９に対する偏光解析の精度、および、測定面９１上の膜厚測定の精度がより向上される。

分光エリプソメータ１の照明部３では、光源３１として白色光源が利用され、光源３１からの白色光のうち所定の波長帯（すなわち、測定波長帯）の光を利用して基板９の偏光解析が行われる。このように白色光を利用することにより、基板９に向けて照射される多波長の光を容易に得ることができ、また、特殊な波長帯の光を利用して偏光解析を行う分光エリプソメータに比べて、光源３１および照明部３の構造を簡素化することができる。さらに、偏光解析に利用される測定波長帯が４００ｎｍ以上８００ｎｍ以下とされることにより、当該波長帯に対応する広帯域波長板である波長板３２２を容易に入手することができる。

分光エリプソメータ１では、測定波長帯が４００ｎｍ以上とされることにより、紫外光を利用することなく基板９上の薄膜の偏光解析を高精度に行うことができる。これにより、基板９に照射された紫外光の反射光を利用して偏光解析を行う分光エリプソメータに比べて、光学系に利用される光学素子を簡素なものとすることができ、装置の製造コストが低減される。

また、短波長（例えば、２００ｎｍ以下）の紫外光を利用する分光エリプソメータでは、使用環境が真空雰囲気中に制限される場合があるが、本実施の形態に係る分光エリプソメータ１は、通常の大気中における使用が可能であるため、短波長の紫外光を利用する分光エリプソメータに比べて装置構造を簡素化することができ、装置の製造コストがより低減される。さらに、基板９に対する紫外光の照射が行われないため、基板９上の膜の損傷や劣化等の基板９に対する紫外光の影響を防止することができる。なお、照明部３に紫外光を含む光を出射する光源が設けられる場合には、光源と基板９との間の光軸Ｊ１上に紫外光をカットするフィルタが設けられることが好ましい。

一方、図５．Ａに示すように、３００ｎｍ以上の波長帯において実線８１にて示す円偏光光の位相差変化量が、細実線８２にて示す直線偏光光の位相差変化量よりも大きいことを考慮すると、測定波長帯は３００ｎｍ以上とされてもよい。この場合、紫外光をほぼ利用することなく基板９に対する偏光解析を高精度に行うことができ、その結果、装置構造の簡素化が実現され、また、基板９に対する紫外光の影響を抑制することができる。

分光エリプソメータ１の照明部３では、偏光光生成部３２が、測定波長帯における複数の波長の光のそれぞれから直線偏光光を得る偏光子３２１、および、偏光子３２１からの直線偏光光から楕円偏光光または円偏光光を得る波長板３２２を備えることにより、多波長偏光光を生成する構造を容易に構成することができる。

また、制御部６では、光学条件演算部６１２により、基板９における反射によるｐ偏光成分とｓ偏光成分との反射振幅比角の変化、および、偏光状態取得部６１１により取得されたｐ偏光成分とｓ偏光成分との位相差を用い、測定波長帯の複数の波長λにおける測定値ψ_{ｗａ＿ｍｅａｓ}（λ），ｃｏｓ（Δ_{ｏｕｔ＿ｍｅａｓ}（λ））と理論値ψ_{ｗａ＿ｃａｌｃ}（λ），ｃｏｓ（Δ_{ｏｕｔ＿ｃａｌｃ}（λ））との差に基づいて膜厚を求めることにより、楕円偏光光を利用した回転検光子法による偏光解析を容易に実現することができる。

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。

例えば、分光エリプソメータ１では、照明部３の偏光光生成部３２にて生成される多波長偏光光のうち、測定波長帯の複数の波長の光に必ずしも円偏光光は含まれる必要はなく、偏光光生成部３２により、光源３１からの測定波長帯の複数の波長の光から楕円偏光光のみが得られてもよい。この場合も、上記実施の形態と同様に、基板９に対する偏光解析を高精度に行うことができる。

光学条件演算部６１２では、演算により測定波長帯の各波長について求められたψ_{ｗａ＿ｃａｌｃ}（λ）（数５参照）に基づいて、偏光状態取得部６１１にて取得されたｐ偏光成分とｓ偏光成分との反射振幅比角の測定値ψ_{ｏｕｔ＿ｍｅａｓ}（λ）に対応する理論値ψ_{ｏｕｔ＿ｃａｌｃ}（λ）が各波長λについて求められ、膜厚算出の際の差分値Ｅ３が、数６に示すように、上記測定値ψ_{ｏｕｔ＿ｍｅａｓ}（λ）と理論値ψ_{ｏｕｔ＿ｃａｌｃ}（λ）との差に基づいて求められてもよい。

この場合も、上記実施の形態と同様に、光学条件演算部６１２において基板９上の膜厚を変数として、膜厚を変更しつつ差分値Ｅ３が求められ、線型回帰解析法により、差分値Ｅ３が最小となる膜厚が基板９の測定面９１上の膜の厚さとして取得される。これにより、楕円偏光光を利用した回転検光子法による偏光解析を容易に実現することができ、基板９の測定面９１上の膜厚測定を高精度に実現することができる。

なお、光学条件演算部６１２における膜厚の算出は、線形回帰解析法以外の解析法により行われてもよい。また、膜厚の算出は、必ずしも数５や数６に基づいて行われる必要はなく、偏光状態取得部６１１にて取得されたｐ偏光成分とｓ偏光成分との反射振幅比角または基板９における反射によるｐ偏光成分とｓ偏光成分との反射振幅比角の変化、および、偏光状態取得部６１１にて取得されたｐ偏光成分とｓ偏光成分との位相差を示す測定値（すなわち、ψ_{ｏｕｔ＿ｍｅａｓ}またはψ_{ｗａ＿ｍｅａｓ}、および、Δ_{ｏｕｔ＿ｍｅａｓ}）と、基板９の膜厚を変数として測定波長帯の複数の波長における上記測定値に対応して求められた理論値（すなわち、ψ_{ｏｕｔ＿ｃａｌｃ}またはψ_{ｗａ＿ｃａｌｃ}、および、Δ_{ｏｕｔ＿ｃａｌｃ}）との差に基づく他の手法により基板９の膜厚が求められてよい。

分光エリプソメータ１では、分光器にて取得された分光強度に基づいて、基板９の膜厚に代えて、基板９上の膜の屈折率が基板９の光学条件として求められてもよく、また、基板９上の膜の厚さおよび屈折率の双方が求められてもよい。さらには、分光エリプソメータ１により、膜厚および屈折率以外の様々な光学条件（例えば、基板９の表面状態や光学定数）が求められてもよく、また、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。

分光エリプソメータの構成を示す図である。 制御部の構成を示す図である。 制御部の機能を示すブロック図である。 膜厚算出の流れを示す図である。 位相差変化量と入射光の波長との関係を示す図である。 位相差変化量と入射光の波長との関係を示す図である。 位相差変化量と入射光の波長との関係を示す図である。 位相差変化量と入射光の波長との関係を示す図である。 位相差変化量と入射光の波長との関係を示す図である。

符号の説明

１ 分光エリプソメータ
９ 基板
３１ 光源
３２ 偏光光生成部
４１ 回転検光子
４２ 分光器
９１ 測定面
３２１ 偏光子
３２２ 波長板
６１１ 偏光状態取得部
６１２ 光学条件演算部
Ｊ１，Ｊ２ 光軸
Ｓ１１〜Ｓ１５ ステップ

Claims (10)

1. 分光エリプソメータであって、
   光源と、
   前記光源からの複数の波長の光のそれぞれから楕円偏光した光を得ることにより、または、前記複数の波長に含まれる特定の波長の光から円偏光した光を得て他の波長の光から楕円偏光した光を得ることにより、対象物へと導かれる多波長偏光光を生成する偏光光生成部と、
   前記対象物にて反射された前記多波長偏光光の反射光が入射するとともに光軸に平行な中心軸を中心として回転する回転検光子と、
   前記回転検光子からの光を受光して分光強度を取得する分光器と、
   前記分光器からの出力に基づいて前記反射光の前記複数の波長のそれぞれにおける偏光状態を取得する偏光状態取得部と、
   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、
   前記偏光光生成部が、
   前記光源からの前記複数の波長の光のそれぞれから直線偏光した光を得る偏光子と、
   前記直線偏光した光から楕円偏光した光または円偏光した光を得る波長板と、
   を備え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、
   前記偏光状態取得部にて取得されたｐ偏光成分とｓ偏光成分との反射振幅比角または前記対象物における反射によるｐ偏光成分とｓ偏光成分との反射振幅比角の変化、および、前記偏光状態取得部にて取得されたｐ偏光成分とｓ偏光成分との位相差を示す測定値と、前記対象物の光学条件を変数として前記複数の波長における前記測定値に対応して求められた理論値との差に基づいて前記光学条件の値を求める演算部をさらに備えることを特徴とする分光エリプソメータ。
4. 請求項３に記載の分光エリプソメータであって、
   前記光学条件が、前記対象物上の膜の厚さおよび／または前記膜の屈折率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、
   前記偏光光生成部により、前記複数の波長に含まれる特定の波長の光から円偏光した光が得られることを特徴とする分光エリプソメータ。
6. 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であって、
   前記光源が白色光源であり、前記複数の波長の光が、前記光源からの白色光のうち所定の波長帯の光であることを特徴とする分光エリプソメータ。
7. 請求項６に記載の分光エリプソメータであって、
   前記所定の波長帯が、３００ｎｍ以上であることを特徴とする分光エリプソメータ。
8. 対象物の偏光解析方法であって、
   ａ）光源からの複数の波長の光のそれぞれから楕円偏光した光を得ることにより、または、前記複数の波長に含まれる特定の波長の光から円偏光した光を得て他の波長の光から楕円偏光した光を得ることにより、対象物へと導かれる多波長偏光光を生成する工程と、
   ｂ）前記対象物にて反射された前記多波長偏光光の反射光を、光軸に平行な中心軸を中心として回転する回転検光子へと導く工程と、
   ｃ）前記回転検光子からの光を受光して分光強度を取得する工程と、
   ｄ）前記分光強度に基づいて前記反射光の前記複数の波長のそれぞれにおける偏光状態を取得する工程と、
   を備えることを特徴とする偏光解析方法。
9. 請求項８に記載の偏光解析方法であって、
   ｅ）前記ｄ）工程よりも後に、前記ｄ）工程にて取得されたｐ偏光成分とｓ偏光成分との反射振幅比角または前記対象物における反射によるｐ偏光成分とｓ偏光成分との反射振幅比角の変化、および、前記ｄ）工程にて取得されたｐ偏光成分とｓ偏光成分との位相差を示す測定値と、前記対象物の光学条件を変数として前記複数の波長における前記測定値に対応して求められた理論値との差に基づいて前記光学条件の値を求める工程をさらに備えることを特徴とする偏光解析方法。
10. 請求項９に記載の偏光解析方法であって、
    前記光学条件が、前記対象物上の膜の厚さおよび／または前記膜の屈折率であることを特徴とする偏光解析方法。

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