JP2010060543A - 反射式散乱計 - Google Patents

Abstract

【課題】サンプル測量に適した反射式散乱計。
【解決手段】反射式散乱計は放物面鏡、光源、第１反射鏡、第２反射鏡、及び受信器を包含する。放物面鏡は光軸と放物表面を具え、サンプルは放物表面の焦点に位置し、且つサンプルの法線方向は光軸に平行である。光源はコリメートビームの生成に適し、第１反射鏡はコリメートビームを放物表面に向けて反射し、且つ放物表面はコリメートビームをサンプルに向けて反射し、第１回折ビームを生成する。続いて放物表面が第１回折ビームを第２反射鏡に向けて反射し、且つ該第２反射鏡が第１回折ビームを受信器に向けて反射する。
【選択図】図３

Description

本発明は一種の散乱計に係り、特に一種の反射式散乱計に関する。

散乱計（Ｓｃａｔｔｅｒｏｍｅｔｅｒ）は現在、半導体業界が測量の限界寸法（Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｄｉｍｅｎｔｉｏｎ）を測量するための重要な計器である。特に、半導体工程中、鍵となる寸法設計は毎年小さくなっており、伝統的な光学顕微鏡による半導体工程中の層と層との間のアライメント誤差の判読、或いは走査式電子顕微鏡（ＳＥＭ）での線幅の測定は、ますます困難となっている。このため、グリッドの、線幅とアライメントに対する回折光学特性を利用して発展させた散乱計システムが重視されるようになった。

散乱計は良好な反復性と再現性を有し、並びに光学非破壊式及び快速大量測定可能な長所を有し、ゆえに、散乱計は既に半導体技術領域で非常に重要な測定機器となっている。一般に、散乱計はスペクトル式散乱計および角度走査式散乱計に分けられる。

スペクトル式散乱計は入射光を垂直に被測定物へと入射させ、並びに垂直反射後の第０級回折光を測定する。異なる波長の入射光の反射効率グラフ（ｓｉｇｎａｔｕｒｅ）を構築し、並びに理論的に推測される反射効率グラフを対比することで、グリッド工程に欠陥があるかを判断できる。しかし、垂直入射は最良の入射角度ではなく、スペクトル式散乱計の測定の感度は低い。このほか、スペクトル式散乱計は、材料の異なる波長下での屈折率を知らなければ、理論上、反射効率グラフを推定により得ることはできない。

角度走査式散乱計は入射光の非測定物への入射の角度を変え、並びに異なる角度での第０級回折光を測定する。異なる入射角度の入射光の反射効率グラフを構築し、並びに理論的に推測される反射効率グラフを対比することで、グリッド工程に欠陥があるかを判断できる。しかし、角度走査式散乱計はシステム構造が比較的複雑である。以下に周知の技術について図を参照して更に詳しく説明する。

図１は周知の反射式散乱計の構造表示図であり、特許文献１に記載のものである。周知の反射式散乱計１００は、サンプル５０のグリッド構造（周期性構造）の測定に用いられ、反射式散乱計１００は、光源１１０、回転ブロック１２０、分光鏡１３０、集光レンズ１４０、および受信器１５０を包含する。光源１１０はコリメートビーム１１２を発生し、コリメートビーム１１２は回転ブロック１２０を通過した後に分光鏡１３０に入射する。サンプル５０は集光レンズ１４０の焦点上に配置され、分光鏡１３０に反射されたコリメートビーム１１２は集光レンズ１４０を通過した後に、サンプル５０に入射し、回折ビーム１１４を発生し、該回折ビーム１１４は第０級回折とされる。

以上を受け、回折ビーム１１４は集光レンズ１４０を通過した後に、分光鏡１３０を通過し、受信器１５０に受信され、これにより、回折ビーム１１４の強度が測定される。このほか、周知の技術では、回転ブロック１２０の回転角度を調整してコリメートビーム１１２を平行移動させ、これにより、コリメートビーム１１２のサンプル５０への入射角度を調整できる。こうして、異なる入射角度での反射効率を計算してサンプル５０に欠陥が有るかを検査できる。

図２は周知のもう一種類の反射式散乱計の構造表示図であり、特許文献２に記載のものである。図２に示されるように、この反射式散乱計２００も、サンプル５０のグリッド構造を測定し、反射式散乱計２００は、光源２１０、アパーチャー２２０、分光鏡２３０、放物反射鏡２４０及び受信器２５０を包含し、該放物反射鏡２４０は光軸２４２を具え、サンプル５０は放物反射鏡２４０の焦点に位置し、且つサンプル５０の法線方向５２は光軸２４２に垂直である。

以上を受け、光源２１０の発生するコリメートビーム２１２はアパーチャー２２０を通過した後、分光鏡２３０に反射されて放物反射鏡２４０に至り、且つコリメートビーム２１２は更に放物反射鏡２４０に反射されてサンプル５０に入射し、回折ビーム２１４を発生し、該回折ビーム２１４は第０級回折とされる。回折ビーム２１４は放物反射鏡２４０に反射された後に、分光鏡２３０を通過して受信器２５０に受信され、これにより回折ビーム２１４の強度が測定される。

この周知の技術は、アパーチャー２２０の位置を調整してコリメートビーム２１２を平行移動させ、これによりコリメートビーム２１２のサンプル５０への入射角度を変えることがでる。こうして、異なる入射角度での反射効率を計算してサンプル５０に欠陥が有るかを検査できる。

米国特許第５７０３６９２号明細書 米国特許第６９８７５６８号明細書

本発明は一種の反射式散乱計を提供することを目的とし、それは大角度と多波長の走査が行なえ、ビューウインドウを増設することでコリメートビームのサンプルへの入射の位置を正確に位置決めでき、これにより測定の正確度をアップできるものとする。

このほか、本発明の提供する反射式散乱計は、第０級回折ビームと第１級回折ビームを正確に測定できるものとする。

本発明の提供する反射式散乱計は、サンプルの測定に適し、この反射式散乱計は、放物面鏡、光源、第１反射鏡、第２反射鏡及び受信器を包含する。更に詳しくは、該放物面鏡は光軸と放物表面を具え、該サンプルは放物表面の焦点に位置し、且つ該サンプルの法線方向は光軸に平行である。該光源はコリメートビームを発生するのに適し、第１反射鏡はコリメートビームを放物表面へと反射し、且つ放物表面はコリメートビームをサンプルへと反射し、こうして第１回折ビームを発生する。放物表面は第１回折ビームを第２反射鏡に向けて反射し、該第２反射鏡は第１回折ビームを該受信器に向けて反射する。

本発明の提供するもう一種類の反射式散乱計は、サンプルの測定に適し、この反射式散乱計は、放物面鏡、光源、第１反射鏡、及び第１受信器を包含する。更に詳しくは、該放物面鏡は光軸と放物表面を具え、該サンプルは放物表面の焦点に位置し、且つ該サンプルの法線方向は光軸に平行である。該光源はコリメートビームを発生するのに適し、第１反射鏡はコリメートビームを放物表面へと反射し、且つ放物表面はコリメートビームをサンプルへと反射し、こうして第１回折ビームと第２回折ビームを発生する。放物表面は第１回折ビームと第２回折ビームを該第１受信器に向けて反射する。

本発明の反射式散乱計において、サンプルの法線方向は放物面鏡の光軸と平行に配置され、コリメートビームのサンプルへの入射角度を増して、大角度の走査を行なえる。このほか、ビューウインドウによりコリメートビームのサンプルへの入射の位置を正確に位置決めすることで、測定の精度をアップできる。さらに、反射式散乱計は第０級回折、第１級回折及び第２級回折を正確に測定でき、これによりリアルタイムの対比を行なって、大幅に測定品質を向上できる。

図３及び図４は本発明の第１実施例の反射式散乱計の構造表示図であり、そのうち、図４には、点線で一部部品の移動後の光の経路が示されている。図３、図４に示されるように、反射式散乱計３００は、サンプル５０の測定に用いられ、且つサンプル５０の周期性構造（例えばグリッド構造）の測定に用いられる。このほか、サンプル５０は例えば半導体シリコン基板或いはガラス基板とされうるが、本発明はサンプル５０の種類を限定せず、また、反射式散乱計３００は必ずしも周期性構造のサンプル５０を測定するものではない。

以上を受け、反射式散乱計３００は放物面鏡３１０、光源３２０、第１反射鏡３３０、第２反射鏡３４０及び受信器３５０を包含する。本発明の特徴の一つは、サンプル５０の放物面鏡３１０に対する配置方式である。具体的には、該放物面鏡３１０は光軸３１２と放物表面３１４を具え、該サンプル５０は放物表面３１４の焦点に位置し、且つ該サンプル５０の法線方向５２は光軸３１２に平行である。こうして、光軸３１２に平行なビームは全て放物表面３１４に入射された後、放物表面３１４の焦点（サンプル５０の放置部分）に向けて反射され、また、放物表面３１４の焦点を通過するビームは放物表面３１４に入射した後、反射されて光軸３１２に平行な状態とされる。

図３、図４に示されるように、放物表面３１４の特性を利用し、本発明は第１反射鏡３３０を操作して光源３２０の発生するコリメートビーム３２２の方向を調整し、これによりコリメートビーム３２２を光軸３１２に平行として放物表面３１４に入射させることができる。こうして、コリメートビーム３２２は放物表面３１４によりサンプル５０へと反射される。

本実施例中、第１反射鏡３３０と光軸３１２は例えば４５度夾角をなすように配置され、光源３２０より発射されるコリメートビーム３２２の経路方向が例えば光軸３１２に垂直であれば、コリメートビーム３１２は第１反射鏡３３０により９０度角転向させられる。すなわち、コリメートビーム３２２の第１反射鏡３３０への入射前の経路方向は光軸３１２に垂直であり、コリメートビーム３２２の第１反射鏡３３０に反射された後の経路方向は光軸３１２に平行となる。

このような配置により、本発明は第１反射鏡３３０を光軸３１２に垂直な方向において移動させる（図４の如し）だけで、コリメートビーム３２２の放物表面３１４への入射の位置を変更でき、これによりコリメートビーム３２２のサンプル５０への入射の角度を調整できる。言い換えると、本発明はステップモータ或いはその他の適合する機械装置を利用して単一方向で第１反射鏡３３０の移動位置を制御し、これによりコリメートビーム３２２の入射角度を調整できる。

コリメートビーム３２２がサンプル５０に入射した後、コリメートビーム３２２とサンプル５０は回折現象により第１回折ビーム３２４を発生する。本実施例では、第１回折ビーム３２４が例えば第０級回折であれば、第１回折ビーム３２４の出射角度はコリメートビーム３２２の入射角度と等しくなる。このほか、第１回折ビーム３２４が放物表面３１４に反射された後の経路方向は光軸３１２に平行である。

本発明は第２反射鏡３４０を配置して第１回折ビーム３２４を受信器３５０に向けて反射させることができる。本実施例中、第２反射鏡３４０と光軸３１２は４５度の夾角を形成し、且つ受信器３５０と第２反射鏡３４０の連接線は光軸３１２に垂直であり、こうして、第１回折ビーム３２４は第２反射鏡３４０により９０度転向させられて受信器３５０に向けて反射される。すなわち、第１回折ビーム３２４は放物表面３１４で反射された後の経路方向は光軸３１２に平行であり、第１回折ビーム３２４が第２反射鏡３４０に反射された後の経路は光軸３１２に垂直であり受信器３５０に入射する。

この配置で、本発明は第２反射鏡３４０を光軸３１２に垂直な方向で移動させて（図４）、順調に第１回折ビーム３２４を受信器３５０に向けて反射させることができる。言い換えると、本発明は放物面鏡３１０或いは受信器３５０を移動させることなく、ステップモータを利用して単一方向に第２反射鏡３４０の移動位置を制御することにより、順調に第１回折ビーム３２４を受信できる。

前述の配置方式により、本実施例の反射式散乱計３００は約７０度角の大角度の走査を行なえ、並びに色差の問題を発生しない。

本実施例中、光源３２０はマルチ波長光源とされ、これにより、本発明は波長と角度の走査を同時に行って、測定データを取得できる。このほか、受信器３５０例えば電荷結合素子（ＣＣＤ）は、第１回折ビーム３２４を受信してその光強度から反射効率を計算し、これによりサンプル５０が製造上の欠陥を有するかを判断できる。このほか、放物面鏡３１０は例えば円弧状放物面鏡とされるが、本発明は放物面鏡３１０の種類を限定せず、また、受信器３５０或いは光源３２０の種類を限定しない。例えば、放物面鏡３１０は柱状放物面鏡とされ得て、受信器３５０はＣＭＯＳとされ得て、光源３２０はヘリウムネオンレーザー或いは発光ダイオードとされ得る。

また、注意すべきことは、前述の光源３２０、第１反射鏡３３０、第２反射鏡３４０及び受信器３５０の相対配置方式は例に過ぎないということである。光源３２０と第１反射鏡３３０の配置精神はコリメートビーム３２２を光軸３１２に平行に放物表面３１４に入射させ、第２反射鏡３４０と受信器３５０の配置精神は、光軸３１２に平行な第１回折ビーム３２４を受信できるようにすることにある。本発明の反射式散乱計は上述の構造に限定されるわけではなく、以下に更に図を組み合わせて説明を行なう。

図５は本発明の第１実施例に基づく別の種類の反射式散乱計の構造表示図である。そのうち、点線で一部の部品の移動後の光の経路が示されている。図５に示されるように、本実施例の反射式散乱計３００ａと前述の反射式散乱計３００（図４）は類似しているが、その違いは、反射式散乱計３００ａは第１反射鏡３３０と第２反射鏡３４０の配置が省略され、光源３２０が光軸３１２に平行なコリメートビーム３２２を発生して放物表面３１４に入射し、且つ受信器３５０は光軸３１２に平行な第１回折ビーム３２４を受信する。

先の実施例と同様に、本実施例では光源３２０を光軸３１２に平行な方向において移動させるだけで、コリメートビーム３２２の放物表面３１４への入射の位置を変えて、これによりコリメートビーム３２２のサンプル５０への入射の角度を変えることができる。このほか、本実施例は僅かに受信器３５０を光軸３１２に垂直な方向において移動させることで光軸３１２に平行な第１回折ビーム３２４を順調に受信できる。一般に、光源３２０と受信器３５０の重量は、第１反射鏡３３０と第２反射鏡３４０より重く、このため光源３２０と受信器３５０の移動の精度は第１反射鏡３３０と第２反射鏡３４０より低くなる。

以上により、精度をアップさせたいならば、一般に、反射式散乱計３００の構造を採用する。このほか、前述したように、この技術の属する分野における通常の知識を有する者であれば分かるように、部品構成を変えるだけで光の経路方向を調整できるが、これも本発明の範疇に属する。

図３及び図５を再度参照されたい。コリメートビーム３２２のサンプル５０への入射の位置を更に正確に位置決めするため、本実施例の反射式散乱計３００、３００ａはいずれも放物面鏡３１０に更にビューウインドウＷが開設され、ビューウインドウＷは放物面鏡３１０の中心位置に位置する。このほか、ビューウインドウＷの上方に更に光学顕微鏡が増設され、これにより使用者はビューウインドウＷを通してサンプル５０の状態を確認できる。

以上により、周知の技術では測定の過程中にコリメートビームのサンプルへの入射位置が確認できなかった問題に対し、本発明は前述のメカニズムにより、正確にコリメートビーム３２２のサンプル５０への入射位置を調整でき、これにより大幅に測定の精度をアップできる。

一般に、コリメートビーム３２２のサンプル５０への入射後の回折現象中、第０級回折の第１回折ビーム３２４を発生できるほか、第１級回折、第２級回折等を発生し得る。第１級回折と第２級回折のデータを測定することにより更に有効にサンプル５０の構造を判読できる。以下に示す別の実施例では、図を組み合わせて第１級及び第２級回折の同時測定を如何に行なうかを説明する。

第２実施例：
図６は本発明の第２実施例の反射式散乱計の構造表示図である。図６に示されるように、本実施例の反射式散乱計４００ａと前述の反射式散乱計３００（図３）は類似しており、見やすいように、同じ機能の部品については同じ符号を用い、その差異は、反射式散乱計４００ａは第１受信器４５０ａが前述の実施例の第２反射鏡３４０と受信器３５０の代わりに使用されている。

具体的には、第１受信器４５０ａは例えば線形ＣＣＤ（ｌｉｎｅｒ ＣＣＤ）とされ、且つ第１受信器４５０ａの法線方向は光軸３１２に平行であり、直接光軸３１２に平行な第１回折ビーム３２４を受信する。このほか、コリメートビーム３２２はサンプル５０に入射した後、第０級回折の第１回折ビーム３２４を発生するほか、第１級回折の第２回折ビーム３２６を発生する。第２回折ビーム３２６は放物表面３１４で反射された後、光軸３１２に平行な光経路の方向に第１受信器４５０ａに入射する。

第１受信器４５０ａは第１回折ビーム３２４と第２回折ビーム３２６を共に受信し、リアルタイムに計算により異なる回折レベルの発射効率グラフを得て、サンプル５０構造の効率を判読する。当然、コリメートビーム３２２はサンプル５０入射後に第２級回折を発生し得て、本発明はまた、更に第２受信器を増設することができ、これについては以下に図を参照して説明する。

図７は本発明の第２実施例のもう一種類の反射式散乱計の構造表示図である。図７に示されるように、本実施例の反射式散乱計４００ｂは前述の反射式散乱計４００ａ（図６）と類似しているが、その違いは、反射式散乱計４００ｂには更に第２受信器４５０ｂが増設されて、第３回折ビーム３２８を受信することにあり、該第３回折ビーム３２８はコリメートビーム３２２がサンプル５０に入射した後の第２級回折である。

第２受信器４５０ｂもまた線形ＣＣＤとされ、且つ第２受信器４５０ｂの法線方向は光軸３１２に平行であり、直接光軸３１２に平行な第３回折ビーム３２８を受信する。本実施例は第１回折ビーム３２４、第２回折ビーム３２６及び第３回折ビーム３２８を共に受信し、異なる回折レベルの反射効率グラフを計算により得て、これによりサンプル５０構造の効率を判読する。

総合すると、本発明の反射式散乱計は少なくとも以下のような特徴を有している。
１．本発明の走査角度は７０度角に達して大角度の走査を行なえ、これにより完全なデータ量を得て対比によりサンプルの構造を判読する。このほか、本発明は角度と波長の走査を同時に行なえる。
２．ビューウインドウを通した観察によりコリメートビームのサンプルへの入射の正確な位置を確認でき、これによりシステムの測定の精度をアップできる。
３．本発明は同時に第０級回折、第１級回折、第２級回折を測定し、リアルタイムで異なる回折レベルの反射効率グラフを得て、サンプル効率の効率を判読できる。

周知の反射式散乱計の構造表示図である。 周知のもう一種類の反射式散乱計の構造表示図である。 本発明の第１実施例の反射式散乱計の構造表示図である。 図３の構造に関係し、一部部品の移動後の光の経路を点線で示した図である。 本発明の第１実施例に基づく別の種類の反射式散乱計の構造表示図である。 本発明の第２実施例の反射式散乱計の構造表示図である。 本発明の第２実施例のもう一種類の反射式散乱計の構造表示図である。

符号の説明

５０ サンプル ５２ 法線方向
１００、２００ 反射式散乱計 １１０、２１０ 光源
１１２、２１２ コリメートビーム １１４、２１４ 回折ビーム
１２０ 回転ブロック １３０、２３０ 分光鏡
１４０ 焦点レンズ １５０、２５０ 受信器
２２０ アパーチャー ２４０ 放物反射鏡
２４２ 光軸 ３００、３００ａ、４００ａ、４００ｂ 反射式散乱計
３１０ 放物面鏡 ３１２ 光軸
３１４ 放物表面 ３２０ 光源
３２２ コリメートビーム ３２４ 第１回折ビーム
３２６ 第２回折ビーム ３２８ 第３回折ビーム
３３０ 第１反射鏡 ３４０ 第２反射鏡
３５０ 受信器 ４５０ａ 第１受信器
４５０ｂ 第２受信器 Ｗ ビューウインドウ

Claims (9)

1. サンプルの測定に適した反射式散乱計において、
   光軸と放物表面を具えた放物面鏡と、
   コリメートビーム発生に適した光源と、
   該コリメートビームを該放物表面に向けて反射し、該放物表面に該コリメートビームを該サンプルに向けて反射させることで、第１回折ビームを発生させる第１反射鏡と、
   該放物表面が反射した該第１回折ビームを反射する第２反射鏡と、
   該第２反射鏡が反射した該第１回折ビームを受け取る受信器と、
   を包含したことを特徴とする、反射式散乱計。
2. 請求項１記載の反射式散乱計において、該サンプルの法線方向が該光軸に平行で、該サンプルが該放物表面の焦点に位置することを特徴とする、反射式散乱計。
3. 請求項１記載の反射式散乱計において、該サンプルの法線方向が該光軸に平行で、該第１反射鏡が該光軸に垂直な方向において移動させることで、該コリメートビームの該サンプルへの入射の角度を変えられ、該コリメートビームの該第１反射鏡に入射前の光の経路方向は該光軸に垂直で、該コリメートビームの該第１反射鏡に反射された後の光の経路方向は該光軸と平行であることを特徴とする、反射式散乱計。
4. 請求項１記載の反射式散乱計において、該放物面鏡はビューウインドウを具え、該ビューウインドウは該放物面鏡の中心位置に位置することを特徴とする、反射式散乱計。
5. サンプルの測定に適した反射式散乱計において、
   光軸と放物表面を具え、該サンプルの法線方向は該光軸に平行で、該サンプルが該放物表面の焦点に位置する、放物面鏡と、
   コリメートビーム発生に適した光源と、
   該コリメートビームを該放物表面に向けて反射し、該放物表面に該コリメートビームを該サンプルに向けて反射させることで、第１回折ビームと第２回折ビームを発生させる第１反射鏡と、
   該放物表面が反射した該第１回折ビームと第２回折ビームを受け取る受信器と、
   を包含したことを特徴とする、反射式散乱計。
6. 請求項５記載の反射式散乱計において、該サンプルの法線方向が該光軸に平行で、該サンプルが該放物表面の焦点に位置することを特徴とする、反射式散乱計。
7. 請求項５記載の反射式散乱計において、該第１受信器が線形ＣＣＤとされ、該第１受信器の法線方向が該光軸に平行であり、該第１回折ビームが第０級回折とされ、該第２回折ビームが第１級回折とされたことを特徴とする、反射式散乱計。
8. 請求項７記載の反射式散乱計において、第２受信器を更に具え、該第２受信器は線形ＣＣＤとされ、該第２受信器の法線方向は該光軸に平行であり、該放物表面が該コリメートビームを該サンプルに向けて反射した後、第３回折ビームを発生し、該放物表面が該第３回折ビームを該第２受信器に向けて反射し、該第３回折ビームが第２級回折とされたことを特徴とする、反射式散乱計。
9. 請求項５記載の反射式散乱計において、該放物面鏡がビューウインドウを具え、該ビューウインドウが該放物面鏡の中心位置に位置することを特徴とする、反射式散乱計。

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