JP2014035254A - Back focal plane microscopic ellipsometer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、後側焦点面顕微エリプソメータに関し、さらに詳しくは、後側焦点面の背景画像を取得し、これを用いて射出光の輪郭を識別し、後側焦点面の極座標を定め、測定画像を背景画像で規格化し、装置に起因する光強度の不均一を補正し、試料および対物レンズの特性に起因する入射角および方位角依存性を検出し、入射角の異なる複数の偏光解析パラメータを算出し、測定に用いた対物レンズの寄与を考慮し、複数の入射角において同時にフィッティングを行い、試料の光学定数および膜厚を求める後側焦点面顕微エリプソメータに関する。 The present invention relates to a rear focal plane microscopic ellipsometer, and more specifically, obtains a background image of the rear focal plane, uses this to identify the contour of the emitted light, determines polar coordinates of the rear focal plane, and measures an image. Is normalized with the background image, the non-uniformity of the light intensity caused by the device is corrected, the incidence angle and azimuth angle dependence due to the characteristics of the sample and objective lens are detected, and multiple ellipsometric parameters with different incidence angles are detected. The present invention relates to a back focal plane microscopic ellipsometer that calculates the optical constant and the film thickness of a sample by simultaneously fitting at a plurality of incident angles in consideration of the contribution of the objective lens used for calculation and measurement.
無機化合物や金属などの無機系物質の薄膜、生体物質や有機化合物などの有機系物質の薄膜など、薄膜の物性や厚さに関する様々な測定技術が開発され、多くの技術分野で利用されている。また、電子デバイス、表示素子、センサの微細化など、技術開発の高度化に従い、より微細な領域における薄膜の物性や厚さ測定の必要性が高まっている。 Various measurement techniques related to the physical properties and thickness of thin films, such as thin films of inorganic substances such as inorganic compounds and metals, and thin films of organic substances such as biological substances and organic compounds, have been developed and used in many technical fields. . In addition, with the advancement of technological development such as miniaturization of electronic devices, display elements, and sensors, the necessity of measuring physical properties and thickness of thin films in finer regions is increasing.
近年、バイオテクノロジーの分野においても、試料溶液中に存在する生体分子を高感度かつ高速に測定するため、数10nm〜μmスケールの表面構造を有するデバイスの作製が盛んに行われており、作製したデバイスの実際の表面構造を調べる手法が必要とされている。また、細胞膜の構造や機能を研究するために、生きた細胞や人工の二分子膜を用いて、脂質やタンパク質が二分子膜上に存在する数10nm〜μmスケールのドメインへの局在や結合を検出する手法を開発することが求められている。特に、タンパク質はDNAと比べ色素による標識化が困難なため、試料からの蛍光を用いることなく、サブμmスケールの水平分解能と、nmスケールの深さ分解能で物質の光学的性質および厚さを調べることのできる計測技術が必要である。 In recent years, in the field of biotechnology, in order to measure biomolecules present in sample solutions with high sensitivity and high speed, devices having surface structures on the order of several tens of nm to μm have been actively produced. What is needed is a technique for examining the actual surface structure of a device. In addition, in order to study the structure and function of cell membranes, using living cells or artificial bilayer membranes, the localization and binding of lipids and proteins to domains on the scale of several tens of nm to μm are present on the bilayer membrane. There is a need to develop techniques for detecting In particular, proteins are more difficult to label with dyes than DNA, so the optical properties and thickness of materials can be examined with sub-μm-scale horizontal resolution and nm-scale depth resolution without using fluorescence from the sample. Measurement technology that can be used is necessary.
エリプソメータは、基板上に形成された薄膜試料に光を照射し、反射または透過した光の偏光状態を解析する。試料に光が入射し、反射または透過する平面(入射面)に平行な光の成分(p偏光)と垂直な成分(s偏光)の強度比および位相差が反射または透過の際に生じた変化を検出し、薄膜の光学的性質、膜厚などを計測する装置である。光を試料に入射する入射光学系と試料で反射または透過した光を検出・解析する射出光学系とからなる。入射光学系は、光源と、光源からの光を平行光とするレンズ系と、偏光状態を調整する偏光素子群とからなり、射出光学系は、偏光状態を解析する偏光素子群と、光検出器に光を入射するレンズ系と、該光検出器とからなる。 An ellipsometer irradiates a thin film sample formed on a substrate with light and analyzes the polarization state of the reflected or transmitted light. Changes in the intensity ratio and phase difference between the component (p-polarized light) and the component perpendicular to the plane (incident surface) where light enters the sample and is reflected or transmitted (incident surface) and reflected (transmitted). Is a device that measures the optical properties, film thickness, etc. of the thin film. It consists of an incident optical system that makes light incident on the sample and an emission optical system that detects and analyzes the light reflected or transmitted by the sample. The incident optical system includes a light source, a lens system that collimates the light from the light source, and a polarizing element group that adjusts the polarization state. The exit optical system includes a polarizing element group that analyzes the polarization state, and light detection. It comprises a lens system for entering light into the device and the photodetector.
試料での反射を利用する反射型エリプソメータでは、試料に対し斜め上方に入射光学系を設置し、試料を挟んで反対側の斜め上方に、射出光学系を設置する。このようにして、一定の入射角で光を試料に照射し、入射角と等しい角度で反射した光を検出する。このような構成の装置では水平解像度は数10μm程度である。デバイスや細胞の表面構造を測定する用途に用いるために、試料と射出光学系との間に対物レンズを設置し、微小な領域からの反射光を集光することにより、解像度を向上させた装置が提案されている(非特許文献1〜3)。試料ステージをXY方向に操作することにより、試料薄膜の厚さや光学定数の二次元分布を測定することが可能である。 In a reflective ellipsometer that uses reflection on a sample, an incident optical system is installed obliquely above the sample, and an emission optical system is installed obliquely above the opposite side of the sample. In this manner, the sample is irradiated with light at a constant incident angle, and light reflected at an angle equal to the incident angle is detected. In such an apparatus, the horizontal resolution is about several tens of μm. An apparatus that improves resolution by installing an objective lens between the sample and the injection optical system to collect reflected light from a minute area for use in measuring the surface structure of devices and cells. Has been proposed (Non-Patent Documents 1 to 3). By manipulating the sample stage in the XY directions, it is possible to measure the thickness of the sample thin film and the two-dimensional distribution of optical constants.
一方、エリプソメトリでは、測定の感度が最大となる最適な入射角(ブリュースター角)が存在する。ブリュースター角は、例えば、試料がシリコン基板の場合約74度であり、一般に60度以上の大きな入射角範囲にある。そのため、試料に対して対物レンズを大きく斜めに傾ける必要があり、試料との接触を避けるために、試料から離して観測できる長作動距離の低倍率対物レンズしか用いることができないという問題があった。このため、対物レンズを斜めに設置するエリプソメータの解像度は数μmが限界であった。 On the other hand, in ellipsometry, there is an optimum incident angle (Brewster angle) that maximizes the sensitivity of measurement. The Brewster angle is, for example, about 74 degrees when the sample is a silicon substrate, and is generally in a large incident angle range of 60 degrees or more. Therefore, it is necessary to tilt the objective lens at a large angle with respect to the sample, and in order to avoid contact with the sample, there is a problem that only a low-power objective lens with a long working distance that can be observed away from the sample can be used. . For this reason, the resolution of an ellipsometer in which the objective lens is installed at an angle is limited to several μm.
一方、この問題を解決するために、高倍率の対物レンズを試料に対して垂直に設置することにより高解像度を実現するエリプソメータが開発されている。このタイプのエリプソメータでは、レンズで収束させた光を垂直に入射し、対物レンズの後側焦点面に集光させる。後側焦点面の入射位置によって決まる角度で、対物レンズの前面から平行光が射出され、前側焦点面に設置した試料に照射される。これは顕微鏡の分野でエピ照射といわれる手法である。このようにして、平行光を一定の方位から一定の入射角で試料に照射し、試料からの反射光を同じ対物レンズを通して計測することにより、顕微エリプソメータが実現された(非特許文献4〜6および特許文献1)。 On the other hand, in order to solve this problem, an ellipsometer that realizes high resolution by installing a high-magnification objective lens perpendicular to the sample has been developed. In this type of ellipsometer, light converged by a lens is vertically incident and condensed on the rear focal plane of the objective lens. Parallel light is emitted from the front surface of the objective lens at an angle determined by the incident position of the rear focal plane, and is irradiated onto the sample placed on the front focal plane. This is a technique called epi-irradiation in the field of microscopes. In this way, a microscopic ellipsometer was realized by irradiating the sample with parallel light at a constant incident angle from a fixed azimuth and measuring the reflected light from the sample through the same objective lens (Non-Patent Documents 4 to 6). And Patent Document 1).
しかしながら、この方法では、通常の光源から発生させた光を用いると、後側焦点面において光を十分小さいスポットで収束させることができず、試料に照射する光の入射角の幅が広くなり、正確な測定が難しいという問題がある。一方、入射角の幅を狭くするために可干渉性のよいレーザー光を用いると、光学素子表面のきずやちりによって回折縞が生じることによって、画像の質が低下するとともに、測定波長が限定されるという問題がある。また、入射角を変化させようとすると、対物レンズの前側焦点面に収束光を入射する位置を高精度で移動させなければならず、そのために入射光学系と射出光学系との相対的な位置を変化させる必要がある。光学系を組みなおすことなくこれを行うためには、光学系を搭載する大きな移動ステージが必要になる。また、大きなステージを高精度で移動させるのは困難であり、精度よく入射角を調整することができないといった問題がある。このように、非特許文献1〜6および特許文献1に記載の手法には、様々な問題があった。エリプソメトリでは、薄膜の光学的性質および膜厚のより正確な値を求めるために、複数の入射角で測定を行うのが一般的であり、入射角の変更・制御が容易ではない点は、相当不利である。 However, in this method, when light generated from a normal light source is used, the light cannot be converged with a sufficiently small spot on the rear focal plane, and the width of the incident angle of the light applied to the sample becomes wide. There is a problem that accurate measurement is difficult. On the other hand, if a coherent laser beam is used to narrow the width of the incident angle, diffraction fringes are generated due to scratches and dust on the surface of the optical element, thereby reducing the image quality and limiting the measurement wavelength. There is a problem that. In addition, if the incident angle is to be changed, the position where the convergent light is incident on the front focal plane of the objective lens must be moved with high accuracy. For this reason, the relative position between the incident optical system and the exit optical system is required. Need to change. In order to do this without reassembling the optical system, a large moving stage carrying the optical system is required. Further, it is difficult to move a large stage with high accuracy, and there is a problem that the incident angle cannot be adjusted with high accuracy. As described above, the methods described in Non-Patent Documents 1 to 6 and Patent Document 1 have various problems. In ellipsometry, in order to obtain a more accurate value of the optical properties and film thickness of a thin film, it is common to measure at multiple incident angles, and it is not easy to change and control the incident angle. It is a considerable disadvantage.
ここで、非特許文献7〜10および特許文献2および3に記載の手法について説明する前に、対物レンズの後側焦点面の一般的な性質について説明する。図1に示すように、対物レンズ1に入射した平行光2は後側焦点面3を通り、試料面4で焦点を結び、反射した光は対物レンズを経て平行光として射出する。この時、図2に示すように、射出光の強度Iは後側焦点面3において対物レンズの中心を原点とする極座標(θ,φ)上に分布する。収差が補正された対物レンズでは、後側焦点面における入射光の径dと試料面での角度θとの間には次の関係が成り立つ。 Here, before describing the methods described in Non-Patent Documents 7 to 10 and Patent Documents 2 and 3, the general properties of the rear focal plane of the objective lens will be described. As shown in FIG. 1, the parallel light 2 incident on the objective lens 1 passes through the rear focal plane 3, is focused on the sample surface 4, and the reflected light is emitted as parallel light through the objective lens. At this time, as shown in FIG. 2, the intensity I of the emitted light is distributed on the polar coordinates (θ, φ) with the center of the objective lens as the origin in the rear focal plane 3. In the objective lens in which the aberration is corrected, the following relationship is established between the diameter d of the incident light on the rear focal plane and the angle θ on the sample surface.
sinθ = d / f
ここで、fは焦点距離である。また、後側焦点面においてx軸となす角φは入射光の方位角である。すなわち、後側焦点面に入射した位置によって、試料面に入射する光の入射角θと方位角φとが決まる。後側焦点面における光強度の分布I(θ,φ)を計測することにより、エリプソメトリのパラメータの測定が実現できる。測定の解像度は対物レンズの解像度εに等しいから、
ε≒λ/ NA
で与えられる。ここで、λは光の波長、NAは対物レンズの開口数である。したがって、開口数が1に近い高開口数の対物レンズを用いた場合、解像度はほぼ光の波長に等しく、試料の微小領域における測定が可能である。
sinθ = d / f
Here, f is a focal length. Further, the angle φ formed with the x-axis on the rear focal plane is the azimuth angle of the incident light. That is, the incident angle θ and the azimuth angle φ of the light incident on the sample surface are determined by the position incident on the rear focal plane. By measuring the light intensity distribution I (θ, φ) in the rear focal plane, the ellipsometry parameters can be measured. Since the measurement resolution is equal to the objective lens resolution ε,
ε ≒ λ / NA
Given in. Here, λ is the wavelength of light, and NA is the numerical aperture of the objective lens. Therefore, when an objective lens having a high numerical aperture close to 1 is used, the resolution is almost equal to the wavelength of light, and measurement in a minute region of the sample is possible.
これまでに、対物レンズの後側焦点面の性質を利用し、エリプソメトリの測定を行ういくつかの手法が開発されてきた。二次元検出器を用い、複数の入射角における光強度の方位角依存性から偏光解析パラメータを求め、さらに基板や薄膜の光学特性や薄膜の厚さが算出された(特許文献2)。また、x方向とy方向における光強度の一次元分布をリニア・イメージセンサで測定し、反射率の入射角依存性から、薄膜の光学特性や厚さが測定された(非特許文献7および8)。また、マイケルソン干渉計を利用し、p偏光とs偏光の位相差δを対物レンズの後側焦点面全体で求め、x方向とy方向におけるδの入射角依存性から、光を試料に垂直に入射したときの位相差δ0を求め、さらに試料の複素屈折率が求められた(非特許文献9)。後側焦点面を方位角について4つのゾーンに分け、対物レンズの影響がそれぞれのゾーン内で入射角に関わりなく均一として、対物レンズの影響を求め、偏光解析パラメータが補正された(特許文献3)。複数の入射角において、光強度の方位角依存性から方位角についてのフーリエ係数の測定値を求め、対物レンズの影響を入射角の関数として考慮し、フーリエ係数の理論値との最小二乗法によるフィッティングを行い、試料の厚さが求められた(非特許文献10)。 So far, several methods have been developed for measuring ellipsometry using the properties of the back focal plane of the objective lens. Using a two-dimensional detector, ellipsometric parameters were obtained from the azimuth angle dependence of light intensity at a plurality of incident angles, and the optical characteristics of the substrate and thin film and the thin film thickness were calculated (Patent Document 2). Further, a one-dimensional distribution of light intensity in the x direction and the y direction was measured with a linear image sensor, and the optical characteristics and thickness of the thin film were measured from the dependence of the reflectance on the incident angle (Non-Patent Documents 7 and 8) ). Also, using a Michelson interferometer, the phase difference δ between p-polarized light and s-polarized light is obtained over the entire back focal plane of the objective lens, and light is perpendicular to the sample from the dependence of δ on the incident angle in the x and y directions. the phase difference [delta] 0 when entering the determined further complex refractive index of the sample was determined (non-Patent Document 9). The rear focal plane is divided into four zones with respect to the azimuth angle. The influence of the objective lens is made uniform in each zone regardless of the incident angle, the influence of the objective lens is obtained, and the ellipsometric parameters are corrected (Patent Document 3). ). At multiple incident angles, the measured value of the Fourier coefficient for the azimuth angle is obtained from the azimuth angle dependency of the light intensity, the influence of the objective lens is considered as a function of the incident angle, and the least square method is used with the theoretical value of the Fourier coefficient. Fitting was performed to determine the thickness of the sample (Non-patent Document 10).
対物レンズの後側焦点面の性質を利用する従来法では、後側焦点面における光強度の分布を測定し、その入射角および方位角依存性から試料の偏光解析パラメータを求め、さらに基板や薄膜の光学特性や薄膜の厚さを算出している。 In the conventional method that uses the properties of the back focal plane of the objective lens, the distribution of light intensity at the back focal plane is measured, the ellipsometric parameters of the sample are obtained from the incident angle and azimuth angle dependence, and the substrate or thin film The optical characteristics and the thickness of the thin film are calculated.
しかしながら、先行文献には、明確に記載されていないが、 二次元検出器で測定したそのままの画像をもちいて、射出光の円の中心および半径を求めている。測定したそのままの画像では、光の強度が射出光の方位角に強く依存することから、射出光の輪郭を円として識別する際に、場所によって光強度の閾値が異なるため、正確な円の識別ができず、中心や半径を正確に求めることができないという問題がある。 However, although it is not clearly described in the prior literature, the center and radius of the circle of the emitted light are obtained by using the raw image measured by the two-dimensional detector. In the measured image as it is, the light intensity depends strongly on the azimuth angle of the emitted light, so when identifying the outline of the emitted light as a circle, the light intensity threshold varies depending on the location, so accurate circle identification There is a problem that the center and radius cannot be obtained accurately.
また、先行文献には、明確に記載されていないが、二次元検出器の画素の強度をそのまま用いて、特定の方向に沿った強度分布を求めている。しかしながら、二次元検出器の画素は直交座標の軸方向に沿って配列しているため、それ以外の方向では、当該画素の強度から直接、正確な強度分布を求めることは困難である。また、同一の半径に沿って強度分布の正確な方位角依存性を求めるのはさらに困難である。 Although not clearly described in the prior art, the intensity distribution along a specific direction is obtained using the intensity of the pixel of the two-dimensional detector as it is. However, since the pixels of the two-dimensional detector are arranged along the axial direction of the orthogonal coordinates, it is difficult to obtain an accurate intensity distribution directly from the intensity of the pixel in the other directions. In addition, it is more difficult to obtain an accurate azimuth angle dependency of the intensity distribution along the same radius.
また、射出光の強度分布を正確に読み取るためには、二次元検出器で測定したそのままの画像に存在する、装置的な原因による強度ムラを補正することが不可欠である。しかしながら、先行文献には、このような方法について記載されていない。 Further, in order to accurately read the intensity distribution of the emitted light, it is indispensable to correct the intensity unevenness caused by the apparatus, which is present in the raw image measured by the two-dimensional detector. However, the prior art does not describe such a method.
また、非特許文献10では、試料の厚さを求めるために、フーリエ係数の測定値と理論値との最小二乗法によるフィッティングを行っている。しかしながら、フーリエ係数は物理的性質に対応していないので、試料のモデル化が難しいという問題がある。 Further, in Non-Patent Document 10, in order to obtain the thickness of a sample, fitting is performed by a least square method between a measured value of a Fourier coefficient and a theoretical value. However, since Fourier coefficients do not correspond to physical properties, there is a problem that it is difficult to model a sample.
また、特許文献3では、同一のゾーン内では入射角に関わらず一定と仮定し、対物レンズの測定値への影響の補正を試みているが、高入射角では対物レンズでの屈折が大きくなるため、その仮定には無理がある。また、非特許文献10では、対物レンズの測定値への影響の補正を試みているが、異なる入射角において違った値の膜厚が求められており、補正が成功していない。 Further, in Patent Document 3, it is assumed that the same zone is constant regardless of the incident angle, and an attempt to correct the influence on the measurement value of the objective lens is made. However, the refraction at the objective lens becomes large at a high incident angle. Therefore, that assumption is impossible. In Non-Patent Document 10, an attempt is made to correct the influence on the measurement value of the objective lens. However, different values of film thickness are required at different incident angles, and the correction is not successful.
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、後側焦点面の背景画像を取得し、これを用いて射出光の輪郭を識別し、後側焦点面の正確な極座標を定め、測定画像を背景画像で規格化し、装置に起因する光強度の不均一を補正し、試料および対物レンズの特性を反映した入射角および方位角依存性を精度よく検出し、入射角の異なる複数の偏光解析パラメータを算出し、対物レンズの寄与を考慮し、複数の入射角において同時にフィッティングを行うことで、正確で誤差の少ない試料の光学定数および膜厚を求めることができる後側焦点面顕微エリプソメータを提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to acquire a background image of the rear focal plane, identify the outline of the emitted light using this, and accurately determine the rear focal plane. Polar coordinates, normalization of the measurement image with the background image, correction of non-uniformity of the light intensity caused by the device, accurate detection of the incident angle and azimuth angle dependency reflecting the characteristics of the sample and objective lens, and incidence After calculating multiple ellipsometric parameters with different angles, taking into account the contribution of the objective lens, and performing fitting at multiple incident angles simultaneously, the optical constant and film thickness of the sample can be determined accurately and with little error It is to provide a side focal plane microscopic ellipsometer.
上記目的を達成するために、本発明に係る後側焦点面顕微エリプソメータ(1)は、
無限遠補正系の対物レンズと、無偏光ビームスプリッタと、入射光学系と、射出光学系と、解析装置とを備え、
前記入射光学系が、光源と、前記対物レンズに平行光を入射する第1のレンズ系と、第1偏光子とを備え、
前記射出光学系が、第2偏光子と、前記対物レンズの後側焦点面の像を二次元検出器に結像する第2のレンズ系と、該二次元検出器とを備え、
前記対物レンズの前側焦点面に測定対象の試料が設置され、
前記第1偏光子および前記第2偏光子がそれぞれ任意の方位角に設定され、
前記二次元検出器が前記後側焦点面の画像を測定し、
前記解析装置が、
前記二次元検出器で測定した画像から、射出光の輪郭を円として識別し、当該円の中心および半径を求め、求めた中心および半径を前記後側焦点面の中心および半径とし、前記試料への照射光の入射角および方位角による極座標を定め、
前記後側焦点面上に定義した前記極座標に基づき、前記後側焦点面の光強度分布の前記入射角および方位角依存性を求め、
前記第1および第2偏光子の方位角と、前記光強度分布の入射角および方位角依存性とから、前記試料の偏光解析パラメータを算出することを特徴とする。
In order to achieve the above object, a rear focal plane microscopic ellipsometer (1) according to the present invention comprises:
An infinity correction system objective lens, a non-polarizing beam splitter, an incident optical system, an exit optical system, and an analysis device,
The incident optical system includes a light source, a first lens system that enters parallel light into the objective lens, and a first polarizer,
The exit optical system includes a second polarizer, a second lens system that forms an image of a rear focal plane of the objective lens on a two-dimensional detector, and the two-dimensional detector.
A sample to be measured is placed on the front focal plane of the objective lens,
The first polarizer and the second polarizer are each set to an arbitrary azimuth angle,
The two-dimensional detector measures an image of the back focal plane;
The analysis device is
From the image measured by the two-dimensional detector, the outline of the emitted light is identified as a circle, the center and radius of the circle are determined, the determined center and radius are the center and radius of the rear focal plane, and Determine polar coordinates according to the incident angle and azimuth of the irradiation light of
Based on the polar coordinates defined on the back focal plane, to determine the incident angle and azimuth angle dependence of the light intensity distribution of the back focal plane,
A polarization analysis parameter of the sample is calculated from the azimuth angles of the first and second polarizers and the incident angle and azimuth angle dependence of the light intensity distribution.
また、本発明に係る後側焦点面顕微エリプソメータ(2)は、上記した後側焦点面顕微エリプソメータ(1)において、
前記第1偏光子または前記第2偏光子のいずれか一方の偏光子の方位角が2通り以上に設定され、設定の度に前記二次元検出器で前記後側焦点面の像を測定し、当該偏光子の方位角に依存しない直流成分に対応する画像を求め、
前記第1偏光子または前記第2偏光子のもう一方の偏光子の方位角の2通り以上の設定で求められた前記直流成分に対応する画像を、各画素で光の強度について平均することにより、前記試料への照射光の入射角および方位角に依存した強度分布を消去した背景画像を取得し、
前記解析装置が、前記背景画像から、射出光の輪郭を円として識別し、当該円の中心および半径を求め、求めた中心および半径を前記後側焦点面の中心および半径とし、前記試料への照射光の入射角および方位角による極座標を定めることができる。
The rear focal plane microscopic ellipsometer (2) according to the present invention is the above-described rear focal plane microscopic ellipsometer (1).
The azimuth angle of one of the first polarizer and the second polarizer is set to two or more, and each time the setting is performed, the image of the rear focal plane is measured with the two-dimensional detector, Obtain an image corresponding to a direct current component independent of the azimuth angle of the polarizer,
By averaging the image corresponding to the DC component obtained by setting two or more azimuth angles of the other polarizer of the first polarizer or the second polarizer with respect to the light intensity at each pixel. , Obtaining a background image in which the intensity distribution depending on the incident angle and azimuth angle of the irradiation light to the sample is erased,
The analysis device identifies the outline of the emitted light as a circle from the background image, determines the center and radius of the circle, sets the determined center and radius as the center and radius of the rear focal plane, Polar coordinates according to the incident angle and azimuth angle of the irradiation light can be determined.
また、本発明に係る後側焦点面顕微エリプソメータ(3)は、上記した後側焦点面顕微エリプソメータ(1)または(2)において、
前記二次元検出器で測定した後側焦点面の画像を前記背景画像で割ることによって、装置に起因する光強度の不均一を除いた後側焦点面における規格化した光強度の分布を得て、
前記後側焦点面上に定義した前記極座標に基づき、前記規格化した光強度分布の方位角および入射角依存性を求め、
前記第1および第2偏光子の方位角と、前記規格化した光強度分布の入射角および方位角依存性から、前記試料の偏光解析パラメータを算出することができる。
Further, the rear focal plane microscopic ellipsometer (3) according to the present invention is the above-described rear focal plane microscopic ellipsometer (1) or (2),
By dividing the image of the rear focal plane measured by the two-dimensional detector by the background image, a normalized light intensity distribution in the rear focal plane is obtained by removing non-uniformity of light intensity caused by the apparatus. ,
Based on the polar coordinates defined on the back focal plane, to determine the azimuth and incidence angle dependence of the normalized light intensity distribution,
The ellipsometric parameters of the sample can be calculated from the azimuth angles of the first and second polarizers and the dependence of the normalized light intensity distribution on the incident angle and azimuth angle.
また、本発明に係る後側焦点面顕微エリプソメータ(4)は、上記した後側焦点面顕微エリプソメータ(1)〜(3)のいずれかにおいて、前記入射光学系内における前記第1偏光子の後段、または前記射出光学系内における前記第2偏光子の前段のどちらか一方に、位相遅延子を備えることができる。 A rear focal plane microscopic ellipsometer (4) according to the present invention is a rear stage of the first polarizer in the incident optical system according to any one of the rear focal plane microscopic ellipsometers (1) to (3). Alternatively, a phase retarder can be provided in either one of the stages preceding the second polarizer in the emission optical system.
また、本発明に係る後側焦点面顕微エリプソメータ(5)は、上記した後側焦点面顕微エリプソメータ(4)において、
前記位相遅延子の方位角が4通り以上に変化され、変化される度に前記二次元検出器で前記後側焦点面の像を測定し、前記位相遅延子の方位角に依存しない直流成分に対応する画像を求め、
前記第1偏光子および前記第2偏光子の方位角の4通り以上の組み合わせで求めた前記直流成分に対応する画像を、各画素で光の強度について平均することにより、前記試料への照射光の入射角および方位角に依存した強度分布を消去した前記背景画像を取得することができる。
The rear focal plane microscopic ellipsometer (5) according to the present invention is the above-described rear focal plane microscopic ellipsometer (4).
The azimuth angle of the phase retarder is changed to four or more. Each time the azimuth angle is changed, the image of the rear focal plane is measured by the two-dimensional detector, and the direct current component does not depend on the azimuth angle of the phase retarder. Find the corresponding image,
Irradiation light to the sample is obtained by averaging the images corresponding to the direct current components obtained by combinations of four or more azimuth angles of the first polarizer and the second polarizer with respect to the light intensity at each pixel. The background image from which the intensity distribution depending on the incident angle and azimuth angle of the image is eliminated can be acquired.
また、本発明に係る後側焦点面顕微エリプソメータ(6)は、上記した後側焦点面顕微エリプソメータ(4)または(5)において、
前記第1偏光子と前記第2偏光子と前記位相遅延子とがそれぞれ任意の方位角に設定され、前記検出器で前記後側焦点面の像を測定し、該像を前記背景画像で割ることによって、装置に起因する光強度の不均一を除いて、前記後側焦点面における規格化された光強度の分布を得て、
前記後側焦点面上に定義した前記極座標に基づき、前記規格化した光強度分布の方位角および入射角依存性を求め、
前記第1偏光子、前記第2偏光子および前記位相遅延子のそれぞれの方位角と、前記規格化した光強度分布の入射角および方位角依存性とから、前記試料の偏光解析パラメータを算出することができる。
Further, the rear focal plane microscopic ellipsometer (6) according to the present invention is the above-mentioned rear focal plane microscopic ellipsometer (4) or (5),
The first polarizer, the second polarizer, and the phase retarder are set to arbitrary azimuth angles, the image of the rear focal plane is measured by the detector, and the image is divided by the background image. By obtaining a normalized light intensity distribution in the rear focal plane, excluding non-uniformity of light intensity caused by the device,
Based on the polar coordinates defined on the back focal plane, to determine the azimuth and incidence angle dependence of the normalized light intensity distribution,
The ellipsometric parameters of the sample are calculated from the azimuth angles of the first polarizer, the second polarizer, and the phase retarder, and the incident angle and azimuth angle dependence of the normalized light intensity distribution. be able to.
また、本発明に係る後側焦点面顕微エリプソメータ(7)は、上記した後側焦点面顕微エリプソメータ(1)〜(6)のいずれかにおいて、
前記二次元検出器の画素数をH × V(H, Vはいずれも自然数)とし、1画素をn × n(nは自然数)個の小画素に分割することにより、前記二次元検出器の画像が描かれている画素数nH × nVからなる高密度の平面を考え、
該高密度平面上において、前記射出光の円の中心および半径を求め、求めた中心および半径を前記後側焦点面の中心および半径とし、前記試料への照射光の入射角および方位角による極座標を定めることができる。
Further, the rear focal plane microscopic ellipsometer (7) according to the present invention is any one of the above-mentioned rear focal plane microscopic ellipsometers (1) to (6),
The number of pixels of the two-dimensional detector is H × V (H and V are both natural numbers), and one pixel is divided into n × n (n is a natural number) small pixels. Consider a high-density plane consisting of the number of pixels on which an image is drawn nH x nV,
On the high-density plane, the center and radius of the circle of the emitted light are obtained. Can be determined.
また、本発明に係る後側焦点面顕微エリプソメータ(8)は、上記した後側焦点面顕微エリプソメータ(1)〜(7)のいずれかにおいて、
前記高密度平面上の前記後側焦点面内に、入射角範囲(θ1, θ2)および方位角範囲(φ1, φ2)で規定される同心円状のセクタを定義し、
あるセクタに少なくとも一部分が帰属される画素の数をn(nは自然数)とし、そのうちi番目の画素Piに属する小画素の数をqiとし、画素Piの光強度をIiとするとき、
前記セクタの光強度の平均値Iavを
Further, the rear focal plane microscopic ellipsometer (8) according to the present invention is any one of the above-described rear focal plane microscopic ellipsometers (1) to (7),
Defining concentric sectors defined by an incident angle range (θ 1 , θ 2 ) and an azimuth angle range (φ 1 , φ 2 ) in the rear focal plane on the high-density plane;
The number of pixels at least part of which belongs to a sector is n (n is a natural number), the number of small pixels belonging to the i-th pixel P i is q i, and the light intensity of the pixel P i is I i . When
Average light intensity I av of the sector
また、本発明に係る後側焦点面顕微エリプソメータ(9)は、上記した後側焦点面顕微エリプソメータ(1)〜(8)のいずれかにおいて、
入射角を、0°と対物レンズの開口数で決まる最大の角度との間とし、幅を0.5〜2°の範囲とし、方位角を、任意の角度φaからφa+180°およびφa+180°からφa+360°にわたって、それぞれn個の等しい間隔で分割して定義された後側焦点面上の2n個のセクタにおいて、規格化された光強度の平均を求め、
後側焦点面上における光強度分布の方位角依存性を利用し、一度の計算によって得られる偏光解析パラメータの個数をkとするとき、2n個のセクタの光強度の平均から、直流成分、および方位角変化の2倍波または4倍波の余弦成分または正弦成分を計算し、さらにk個の偏光解析パラメータを求めることができる。
In addition, the rear focal plane microscopic ellipsometer (9) according to the present invention is any one of the above-described rear focal plane microscopic ellipsometers (1) to (8),
The incident angle is between 0 ° and the maximum angle determined by the numerical aperture of the objective lens, the width is in the range of 0.5-2 °, and the azimuth is any angle φ a to φ a + 180 ° and φ a In 2n sectors on the back focal plane defined by dividing each by n equal intervals from + 180 ° to φ a + 360 °, the average of the normalized light intensity is obtained,
Using the azimuth angle dependence of the light intensity distribution on the rear focal plane, and assuming that the number of ellipsometric parameters obtained by one calculation is k, from the average of the light intensity of 2n sectors, the DC component, and The cosine component or sine component of the second or fourth harmonic of the azimuth change can be calculated, and k ellipsometric parameters can be obtained.
また、本発明に係る後側焦点面顕微エリプソメータ(10)は、上記した後側焦点面顕微エリプソメータ(1)〜(9)のいずれかにおいて、
入射角を、0°と対物レンズの開口数で決まる最大の角度との間の任意の領域とし、0.5〜2°の間隔でm個の範囲に分割し、
それぞれの入射角範囲において、方位角を分割して2n個のセクタを定義しk個の偏光解析パラメータを求め、
求めた入射角の異なる計km個の偏光解析パラメータに基づき、iは入射角を示す番号であり、jは偏光解析パラメータの種類を示す番号であり、yijを(i, j)番目の偏光解析パラメータとし、y’ijを試料の光学定数および膜厚から計算によって得られた(i, j)番目の偏光解析パラメータとし、σijを(i, j)番目の偏光解析パラメータの標準偏差とするとき、
Further, the rear focal plane microscopic ellipsometer (10) according to the present invention is any one of the rear focal plane microscopic ellipsometers (1) to (9) described above.
The incident angle is an arbitrary region between 0 ° and the maximum angle determined by the numerical aperture of the objective lens, and is divided into m ranges at intervals of 0.5 to 2 °.
In each incident angle range, divide the azimuth angle to define 2n sectors and obtain k ellipsometric parameters,
Based on the ellipsometric parameters of a total of km with different incident angles, i is a number indicating the incident angle, j is a number indicating the type of ellipsometric parameter, and y ij is the (i, j) th polarization. And y ' ij is the (i, j) ellipsometric parameter obtained by calculation from the optical constant and film thickness of the sample, and σ ij is the standard deviation of the (i, j) th ellipsometric parameter and when,
また、本発明に係る後側焦点面顕微エリプソメータ(11)は、上記した後側焦点面顕微エリプソメータ(1)〜(10)のいずれかにおいて、
入射角および方位角を分割して2mn個のセクタを定義しkm個の偏光解析パラメータを求め、
求めた入射角の異なる計km個の偏光解析パラメータの測定値に基づき、iは入射角を示す番号であり、jは偏光解析パラメータの種類を示す番号であり、yijを(i, j)番目の偏光解析パラメータの測定値とし、y’ijを試料の光学定数および膜厚から計算によって得られた(i, j)番目の偏光解析パラメータとし、σijを(i, j)番目の偏光解析パラメータの標準偏差とし、y‘jをj番目の種類の偏光解析パラメータの計算値とし、y“jをj番目の種類の偏光解析パラメータの対物レンズの影響を考慮した計算値とし、fjを対物レンズの影響を表すj番目の種類の偏光解析パラメータに特有の関数とし、θを入射角とし、
Further, the rear focal plane microscopic ellipsometer (11) according to the present invention is any one of the rear focal plane microscopic ellipsometers (1) to (10) described above.
Divide the incident angle and azimuth angle to define 2mn sectors and obtain km ellipsometric parameters,
Based on the measured values of a total of km ellipsometric parameters with different incident angles, i is a number indicating the incident angle, j is a number indicating the type of ellipsometric parameter, and y ij is (i, j) The measured value of the ellipsometric parameter, y'ij is the (i, j) th ellipsometric parameter obtained from the optical constant and film thickness of the sample, and σij is the (i, j) th polarized light the standard deviation of the analysis parameters, y 'j is the calculated value of the j-th type of ellipsometric parameters, the y "j is the calculated value in consideration of the influence of the j-th type of objective lens of ellipsometric parameters, f j Is a function specific to the eleventh type of ellipsometric parameters representing the influence of the objective lens, θ is the incident angle,
本発明に係る後側焦点面顕微エリプソメータによれば、後側焦点面の背景画像を求め、これを用いて射出光の輪郭を識別するので、入射角および方位角依存性の抽出に必要な、後側焦点面の正確な極座標を定めることができる。 According to the rear focal plane microscopic ellipsometer according to the present invention, the background image of the rear focal plane is obtained and the outline of the emitted light is identified using this, so that it is necessary for extraction of the incident angle and azimuth angle dependency. Accurate polar coordinates of the back focal plane can be determined.
また、二次元検出器で測定したそのままの画像ではなく、装置的な原因による強度ムラを補正した画像を用いるので、特定の入射角および方位角における光強度のデータを正確かつ高精度に読み取ることができる。 In addition, since the intensity irregularity caused by the device cause is used instead of the original image measured by the two-dimensional detector, the light intensity data at a specific incident angle and azimuth angle can be read accurately and accurately. Can do.
また、二次元検出器の画素が一定の面積を有しており、かつ、直交座標と極座標との違いを考慮したアルゴリズムを用いるので、さらに正確かつ高精度に光強度のデータを読み取ることができ、したがって、正確かつ再現性の良い偏光解析パラメータを求めることができる。 In addition, since the pixels of the two-dimensional detector have a certain area and use an algorithm that takes into account the difference between orthogonal coordinates and polar coordinates, light intensity data can be read more accurately and with high accuracy. Therefore, it is possible to obtain ellipsometric parameters that are accurate and have good reproducibility.
また、試料の厚さを求めるために、偏光解析パラメータの測定値と理論値との最小二乗法によるフィッティングを行う。偏光解析パラメータは試料の物理的性質に対応しているので、試料のモデル化が容易である。 In addition, in order to obtain the thickness of the sample, fitting is performed by the least square method between the measured value of the ellipsometric parameter and the theoretical value. Since the ellipsometric parameters correspond to the physical properties of the sample, it is easy to model the sample.
また、異なる入射角において同時に測定値への理論値のフィッティングを行うので、試料の光学定数、膜厚に加え、対物レンズの影響を入射角の関数として求めることができる。 In addition, since the theoretical value is fitted to the measured value simultaneously at different incident angles, the influence of the objective lens as a function of the incident angle can be obtained in addition to the optical constant and film thickness of the sample.
以下ではまず、測定原理等の理論的な説明を行い、その後、実施例として、具体的な測定手順および計算手順について説明する。 In the following, first, a theoretical description of the measurement principle and the like will be given, and then specific measurement procedures and calculation procedures will be described as examples.
1.装置の構成
本発明の実施の形態に係る後側焦点面顕微エリプソメータ(以下、単に本発明の装置と記載する)は、図3に示すように、対物レンズ1と、無偏光ビームスプリッタ5と、入射光学系6と、射出光学系7とを含んで構成される。対物レンズ1は無限遠補正系であって、前側焦点面に試料8が設置される。入射光学系6には、光源となる光ファイバの射出口9と、対物レンズ1に平行光を入射するレンズ系10と、第1偏光子11とを備える。射出光学系7には、第2偏光子12と、対物レンズの後側焦点面3の像を二次元検出器13に結像するレンズ系14と、二次元検出器13とを備える。さらに、インターフェースを介して二次元検出器から画像データを受信し、対物レンズ1の後側焦点面3における光強度の分布から試料8の偏光解析パラメータを算出する解析装置15を備える。
1. Configuration of Apparatus A back focal plane microscopic ellipsometer (hereinafter simply referred to as an apparatus of the present invention) according to an embodiment of the present invention includes an objective lens 1, a non-polarizing beam splitter 5, An incident optical system 6 and an emission optical system 7 are included. The objective lens 1 is an infinity correction system, and a sample 8 is installed on the front focal plane. The incident optical system 6 includes an optical fiber exit 9 serving as a light source, a lens system 10 for entering parallel light into the objective lens 1, and a first polarizer 11. The exit optical system 7 includes a second polarizer 12, a lens system 14 that forms an image of the rear focal plane 3 of the objective lens on the two-dimensional detector 13, and a two-dimensional detector 13. Furthermore, an analysis device 15 that receives image data from the two-dimensional detector via the interface and calculates the ellipsometric parameters of the sample 8 from the light intensity distribution on the rear focal plane 3 of the objective lens 1 is provided.
また、本発明の装置は、直線偏光を楕円偏光に変える位相遅延子15を備えることができ、入射光学系6における第1偏光子11の後段、または射出光学系7における第2偏光子12の前段に設置することができる。なお、位相遅延子は直線偏光を楕円偏光に変えることができればよく、可変型の位相遅延子であってもよい。 In addition, the apparatus of the present invention can include a phase retarder 15 that converts linearly polarized light into elliptically polarized light, and is subsequent to the first polarizer 11 in the incident optical system 6 or the second polarizer 12 in the exit optical system 7. It can be installed in the previous stage. The phase retarder may be a variable phase retarder as long as it can change linearly polarized light into elliptically polarized light.
また、本発明の装置において、入射光学系6と射出光学系7とは互いに配置が入れ替わってもよい。 In the apparatus of the present invention, the arrangement of the incident optical system 6 and the emission optical system 7 may be interchanged.
2.測定原理
本発明の装置は、対物レンズ1の後側焦点面3の性質を利用し、後側焦点面3における光強度分布から偏光解析パラメータを求める。より詳細には、対物レンズ1の後側焦点面3の像を二次元検出器13に結像することにより、後側焦点面3における光強度分布を測定し、異なる入射角における方位角依存性から偏光解析パラメータを求める。測定できる入射角は、0°から、対物レンズ1の開口数で決まる最大の角度までである。なお、正確に言えば、二次元検出器13で測定される強度分布は、後側焦点面3における光強度分布そのものではなく、射出光学系7の第2偏光子12によって変調された後の光強度分布である。後側焦点面3と二次元検出器13とが結像関係にあるため、後側焦点面3と同じ分布の仕方で、第2偏光子12により変調された後の光強度分布を測定することができる。しかし、以下では簡単のため、これを「後側焦点面における光強度分布」と呼ぶ。
2. Measurement Principle The apparatus of the present invention uses the property of the rear focal plane 3 of the objective lens 1 to determine the ellipsometric parameters from the light intensity distribution on the rear focal plane 3. More specifically, the light intensity distribution on the rear focal plane 3 is measured by forming an image of the rear focal plane 3 on the objective lens 1 on the two-dimensional detector 13, and the azimuth angle dependence at different incident angles. The ellipsometric parameters are obtained from The incident angle that can be measured is from 0 ° to the maximum angle determined by the numerical aperture of the objective lens 1. To be precise, the intensity distribution measured by the two-dimensional detector 13 is not the light intensity distribution itself on the rear focal plane 3, but the light after being modulated by the second polarizer 12 of the exit optical system 7. Intensity distribution. Since the rear focal plane 3 and the two-dimensional detector 13 are in an imaging relationship, the light intensity distribution after being modulated by the second polarizer 12 is measured in the same distribution manner as the rear focal plane 3. Can do. However, for the sake of simplicity, this will be referred to as “light intensity distribution in the rear focal plane”.
1)位相遅延子がない場合
偏光はストークスベクトルと呼ばれる4次元ベクトルで表され、偏光素子、座標軸操作などによる光学効果はミューラー行列と呼ばれる4次元正方行列で表すことができる。対物レンズから射出する光のストークスベクトルSoは、
1) When there is no phase retarder Polarized light is represented by a four-dimensional vector called a Stokes vector, and optical effects due to polarization elements and coordinate axis operations can be represented by a four-dimensional square matrix called a Mueller matrix. Stokes vector S o of the light emitted from the objective lens,
出力光の強度は、次のように表される。 The intensity of the output light is expressed as follows.
本発明の装置は二次元検出器を用いるため、出力光の強度はその画素ごとの値である。後側焦点面における光強度は、式(2)で表わされる方位角依存性を有する。試料の偏光解析パラメータは入射角に依存し、入射角依存性は式には直接現れない。 Since the apparatus of the present invention uses a two-dimensional detector, the intensity of the output light is a value for each pixel. The light intensity at the rear focal plane has an azimuth angle dependency represented by Expression (2). The ellipsometric parameters of the sample depend on the incident angle, and the incident angle dependency does not appear directly in the equation.
測定は、第1偏光子および第2偏光子を任意の方位角に設定して行い、二次元検出器で測定した後側焦点面における光強度分布を、式(2)〜(4)を用いて解析し、異なる入射角における方位角依存性から試料の偏光解析パラメータを求める。 The measurement is performed by setting the first polarizer and the second polarizer to arbitrary azimuth angles, and the light intensity distribution in the rear focal plane measured by the two-dimensional detector is expressed by using the equations (2) to (4). The ellipsometric parameters of the sample are obtained from the azimuth angle dependence at different incident angles.
2)入射光学系に位相遅延子がある場合
偏光素子などの光学効果およびその方位角を表す記号は前記の通りである。対物レンズに入射する偏光のベクトルSiは、
2) In the case where the incident optical system has a phase retarder The symbols indicating the optical effect of the polarizing element and the azimuth angle thereof are as described above. The vector S i of polarized light incident on the objective lens is
出力光の強度は、次のように表される。
The intensity of the output light is expressed as follows.
3)射出光学系に位相遅延子がある場合
偏光素子などの光学効果およびその方位角を表す記号は前記の通りである。出力光の強度は、次のように表される。
3) In the case where there is a phase retarder in the emission optical system The optical effect of the polarizing element and the symbols representing the azimuth angle are as described above. The intensity of the output light is expressed as follows.
3.背景画像の取得
後側焦点面における光強度分布を正確に測定するためには、射出光の輪郭を正確に識別し、後側焦点面の極座標を定めるとともに、装置的な原因による強度ムラを補正する必要がある。そのためには、まず、入射角および方位角に依存した強度分布を消去した背景画像を得ることが必要である。
1)位相遅延子がない場合
二次元検出器の各画素で測定される光の強度Iは第1偏光子の方位角Pの関数として次式で表される。
3. Acquisition of background image In order to accurately measure the light intensity distribution in the rear focal plane, the outline of the emitted light is accurately identified, polar coordinates of the rear focal plane are determined, and intensity unevenness due to equipment causes is corrected. There is a need to. For that purpose, first, it is necessary to obtain a background image in which the intensity distribution depending on the incident angle and the azimuth angle is eliminated.
1) When there is no phase retarder The light intensity I measured at each pixel of the two-dimensional detector is expressed by the following equation as a function of the azimuth angle P of the first polarizer.
また、第2偏光子に着目して同様の手順で測定を行った場合も、同一の結果を得ることができる。その場合は、式(13)は式(14)で置き換える。 In addition, the same result can be obtained when the measurement is performed in the same procedure while paying attention to the second polarizer. In that case, equation (13) is replaced by equation (14).
以上の結果をまとめると、第1または第2偏光子の方位角を2通り以上に設定し、その度に前記二次元検出器で後側焦点面の像を測定し、当該偏光子の方位角に依存しない直流成分に対応する画像を求め、もう1つの偏光子の2通り以上の方位角の設定で求めた前記直流成分に対応する画像を、各画素で光の強度について平均することにより、入射角および方位角に依存した因子が消去された背景画像を取得することができる。 To summarize the above results, the azimuth angle of the first or second polarizer is set to two or more, and each time the image of the rear focal plane is measured by the two-dimensional detector, the azimuth angle of the polarizer. By obtaining an image corresponding to the direct current component independent of, and averaging the image corresponding to the direct current component obtained by setting two or more azimuth angles of another polarizer with respect to the intensity of light at each pixel, A background image from which factors depending on the incident angle and the azimuth angle are eliminated can be acquired.
2)位相遅延子がある場合(I)
入射光学系に位相遅延子がある場合、二次元検出器の各画素で測定される光の強度Iは第1偏光子の方位角Pの関数として次式で表される。
2) When there is a phase retarder (I)
When the incident optical system has a phase retarder, the intensity I of light measured at each pixel of the two-dimensional detector is expressed by the following equation as a function of the azimuth angle P of the first polarizer.
また、射出光学系に位相遅延子がある場合、第2偏光子に着目して同様の手順で測定を行うことにより、同一の結果を得ることができる。この手順については位相遅延子がない場合と同様であるので説明は省略する。 Further, when the emission optical system includes a phase retarder, the same result can be obtained by performing measurement in the same procedure while paying attention to the second polarizer. Since this procedure is the same as the case where there is no phase retarder, the description thereof is omitted.
したがって、装置に位相遅延子がある場合も、位相遅延子がない場合と同様に、第1または第2偏光子の方位角を2通り以上に設定し、その度に前記二次元検出器で後側焦点面の像を測定し、当該偏光子の方位角に依存しない直流成分に対応する画像を求め、もう1つの偏光子の2通り以上の方位角の設定で求めた前記直流成分に対応する画像を、各画素で光の強度について平均することにより、入射角および方位角に依存した因子が消去された背景画像を取得することができる。 Therefore, even when the apparatus has a phase retarder, the azimuth angle of the first or second polarizer is set to two or more as in the case where there is no phase retarder, and the two-dimensional detector each time An image of a side focal plane is measured, an image corresponding to a direct current component independent of the azimuth angle of the polarizer is obtained, and the direct current component obtained by setting two or more azimuth angles of the other polarizer is obtained. By averaging the image with respect to the light intensity at each pixel, a background image from which factors depending on the incident angle and the azimuth angle are eliminated can be obtained.
3)位相遅延子がある場合(II)
装置に位相遅延子がある場合、位相遅延子の方位角を変化させることにより、より正確な背景画像を得ることができる。すなわち、二次元検出器の各画素で測定される光の強度Iは位相遅延子の方位角Rの関数として次式で表される。
3) When there is a phase retarder (II)
When the device has a phase retarder, a more accurate background image can be obtained by changing the azimuth angle of the phase retarder. That is, the light intensity I measured at each pixel of the two-dimensional detector is expressed by the following equation as a function of the azimuth angle R of the phase retarder.
また、位相遅延子を射出光学系に設置している場合も、同等な結果を得ることができる。その場合は、式(17)は式(18)で置き換える。 In addition, when the phase retarder is installed in the emission optical system, an equivalent result can be obtained. In that case, equation (17) is replaced by equation (18).
このようにして測定した平均強度画像I0/2は入射角および方位角に依存した因子が消去されており、射出光の輪郭を識別し、装置的な原因による強度ムラを補正する背景画像として用いることができる。 Thus the average intensity image I 0/2 as measured are erased factor which depends on the incident angle and azimuth, to identify the outline of the emitted light, as a background image to correct the uneven intensity by the device causes Can be used.
4.後側焦点面における極座標の定義
本発明では、後側焦点面の強度分布から試料の偏光解析パラメータをより高精度に求めるために、後側焦点面上において入射角および方位角に基づく極座標を正確に定義する。本発明では、測定の際に対物レンズに平行光を入射するので、対物レンズの前面に試料を設置し、正確に焦点を合わせた場合、射出光の径は射出瞳の径に等しいと考えることができる。本発明では、二次元検出器で測定したそのままの画像から、当該画像に現れる入射角および方位角依存性を消去して、背景画像を取得している。この背景画像を用いて射出光の輪郭を円として識別し、その中心および半径を測定することにより、極座標を正確に定めることができる。
4). Definition of polar coordinates in the rear focal plane In the present invention, polar coordinates based on the incident angle and azimuth angle are accurately determined on the rear focal plane in order to obtain the ellipsometric parameters of the sample with higher accuracy from the intensity distribution of the rear focal plane. Defined in In the present invention, since parallel light is incident on the objective lens at the time of measurement, it is considered that the diameter of the exit light is equal to the diameter of the exit pupil when the sample is placed in front of the objective lens and focused accurately. Can do. In the present invention, the background image is acquired by eliminating the incident angle and azimuth angle dependency appearing in the image as it is measured by the two-dimensional detector. By using this background image to identify the outline of the emitted light as a circle and measuring its center and radius, polar coordinates can be accurately determined.
射出光の輪郭を識別するために、まず公知のフィルタリングの手法によって、隣り合う画素間の画素値(輝度値)の勾配を計算する。射出光とその外側とでは光強度に大きな差があり、境界では光強度が不連続となっているので、計算の結果、射出光の輪郭に沿って、輝度の高い画素が曲線状に分布した画像が得られる。計算の対象として背景画像を用いているので、輪郭を形成する輝線は明瞭である。次に、射出光の中心および半径を求めるために、輪郭を円として識別する。そのために、輝線と円との重なりが最大となるように、すなわち、円周が通過する画素の輝度の総計が最大となるように円をフィッティングさせる。こうして、射出光の中心および半径を精度良く決定することができる。 In order to identify the outline of the emitted light, first, the gradient of pixel values (luminance values) between adjacent pixels is calculated by a known filtering technique. There is a large difference in light intensity between the emitted light and the outside, and the light intensity is discontinuous at the boundary. As a result of calculation, pixels with high luminance are distributed along the contour of the emitted light. An image is obtained. Since the background image is used as the calculation target, the bright line forming the contour is clear. Next, in order to determine the center and radius of the emitted light, the contour is identified as a circle. For this purpose, the circle is fitted so that the overlap between the bright line and the circle is maximized, that is, the total luminance of the pixels through which the circumference passes is maximized. Thus, the center and radius of the emitted light can be determined with high accuracy.
さらに、識別の精度を向上させるために、二次元検出器の画素を小画素に分割する方法を用いることが可能である。工業用の二次元検出器の解像度は通常640×486画素程度である。前記輝線を識別できる精度が0.5画素(半画素)とすると、二次元検出器の画面いっぱいに射出光の径を映し出したとしても、中心および半径の決定精度は半径の0.2%程度である。そのため、二次元検出器の各画素をn×n(nは整数)に分割した小画素を考える。二次元検出器の画素数をH × Vとすると、画素数nH × nVからなる高密度化した平面が得られる。前記二次元検出器の画像が高密度化した平面に描かれているので、中心および半径の決定精度は1/n倍に向上する。次の節で述べるように、本発明では、前記高密度画面上で極座標を定義するため、その基準となる後側焦点面の中心および半径が同じ高密度画面上であらかじめ決定されていることは、測定精度上有利である。 Furthermore, in order to improve the identification accuracy, it is possible to use a method of dividing the pixel of the two-dimensional detector into small pixels. The resolution of an industrial two-dimensional detector is usually about 640 × 486 pixels. Assuming that the accuracy with which the bright line can be identified is 0.5 pixel (half pixel), the accuracy of determining the center and radius is about 0.2% of the radius even if the diameter of the emitted light is projected to fill the screen of the two-dimensional detector. Therefore, a small pixel obtained by dividing each pixel of the two-dimensional detector into n × n (n is an integer) is considered. If the number of pixels of the two-dimensional detector is H × V, a high-density plane having the number of pixels nH × nV can be obtained. Since the image of the two-dimensional detector is drawn on a highly densified plane, the accuracy of determining the center and radius is improved to 1 / n times. As described in the next section, in the present invention, in order to define polar coordinates on the high-density screen, the center and radius of the rear focal plane serving as the reference are determined in advance on the same high-density screen. This is advantageous in terms of measurement accuracy.
5.極座標で定義したセクタにおける光強度の計算
本発明では、光強度を極座標で定義し、入射角θおよび方位角φの関数として強度分布I(θ, φ)を測定する。そのため、入射角範囲(θ1, θ2)および方位角範囲(φ1, φ2)で規定される同心円状の区画(以降、セクタと呼ぶ)において、光強度の積算を行う。一方、二次元検出器の光強度は直交座標で測定されるので、光強度の積算を行うには座標の変換が必要である。二次元検出器の画素に対応する極座標の単位は前記セクタである。しかし、極座標は軸方向が場所によって異なるので、二次元検出器の画素と極座標のセクタとを1対1に対応させることはできない。複数のセクタにまたがるような二次元検出器の画素が少なからず存在する。本発明では、このような場合に、二次元検出器の画素の光強度を複数のセクタに配分するアルゴリズムを導入する(特許文献4)。
5. Calculation of light intensity in a sector defined by polar coordinates In the present invention, light intensity is defined by polar coordinates, and an intensity distribution I (θ, φ) is measured as a function of an incident angle θ and an azimuth angle φ. Therefore, the light intensity is integrated in concentric sections (hereinafter referred to as sectors) defined by the incident angle range (θ 1 , θ 2 ) and the azimuth angle range (φ 1 , φ 2 ). On the other hand, since the light intensity of the two-dimensional detector is measured by orthogonal coordinates, it is necessary to convert the coordinates in order to integrate the light intensity. The unit of polar coordinates corresponding to the pixels of the two-dimensional detector is the sector. However, since the polar coordinate has a different axial direction depending on the location, the pixel of the two-dimensional detector and the sector of the polar coordinate cannot be made to correspond one-to-one. There are not a few 2D detector pixels that span multiple sectors. In such a case, the present invention introduces an algorithm that distributes the light intensity of the pixels of the two-dimensional detector to a plurality of sectors (Patent Document 4).
そこで、前節で記載したように、二次元検出器の各画素をn×n(nは自然数)の小画素に分割する。二次元検出器の画素数をH × V(H, Vはいずれも自然数)とすると、画素数nH × nVからなる高密度化した平面が得られる。この高密度化平面上で、後側焦点面内にセクタを定義する。あるセクタに部分的にも帰属されるすべての画素数をnとし、そのうちi番目の画素Piに属する小画素の数をqiとし、画素Piの光強度をIiとすると、そのセクタの光強度の平均値Iavは次式で計算できる。 Therefore, as described in the previous section, each pixel of the two-dimensional detector is divided into n × n (n is a natural number) small pixels. If the number of pixels of the two-dimensional detector is H × V (H and V are both natural numbers), a high-density plane consisting of the number of pixels nH × nV is obtained. A sector is defined in the rear focal plane on this densified plane. If the number of all pixels partially belonging to a sector is n, the number of small pixels belonging to the i-th pixel P i is q i, and the light intensity of the pixel P i is I i , the sector The average value I av of the light intensity can be calculated by the following equation.
6.光強度の読み出しと偏光解析パラメータの計算
後側焦点面における光強度分布から、偏光解析パラメータを計算する。二次元検出器で測定した後側焦点面における光の強度分布は、入射角を一定とすると、方位角の関数として次式で表わされる。
6). Reading the light intensity and calculating the ellipsometric parameters The ellipsometric parameters are calculated from the light intensity distribution in the rear focal plane. The intensity distribution of light on the rear focal plane measured by the two-dimensional detector is expressed by the following equation as a function of the azimuth angle when the incident angle is constant.
次に、前記規格化した後側焦点面の強度分布からフーリエ係数を求めるために、後側焦点面の同じ半径に沿って、幅の狭いセクタを定義する。すなわち、入射角を、0°と対物レンズの開口数で決まる最大の角度との間で、幅が0.5〜2°の範囲とし、方位角を、任意の角度φaからφa+180°およびφa+180°からφa+360°にわたって、それぞれn個の等しい間隔で分割することにより、後側焦点面上に2n個のセクタを定義する。二次元検出器の画素における規格化した強度から、前記したように、セクタにおける規格化した光強度の平均を求める。 Next, in order to obtain the Fourier coefficient from the normalized intensity distribution of the rear focal plane, a narrow sector is defined along the same radius of the rear focal plane. That is, the incident angle is between 0 ° and the maximum angle determined by the numerical aperture of the objective lens, the width is in the range of 0.5 to 2 °, and the azimuth is any angle φ a to φ a + 180 ° and 2n sectors are defined on the rear focal plane by dividing each by n equal intervals from φ a + 180 ° to φ a + 360 °. As described above, the average of the normalized light intensity in the sector is obtained from the normalized intensity in the pixel of the two-dimensional detector.
次に、式(20)に従い、2n個のセクタの光強度の平均から、直流成分、および方位角変化の2倍波または4倍波の余弦成分または正弦成分を計算し、フーリエ係数を求め、偏光解析パラメータを算出する。一度の計算によって得られるパラメータの数は、偏光解析パラメータの種類によって、また、途中の計算方法によって異なっている。例えば、パラメータΨおよびΔは通常一度の計算でその両方を求める。一方、パラメータcos2Ψ、sin2ΨcosΔおよびsin2ΨsinΔは、計算方法によっては一度の計算で全部求めることも可能であるが、これらのうち2個だけが求められる場合もある。 Next, according to the equation (20), the DC component and the cosine component or sine component of the second or fourth harmonic of the azimuth change are calculated from the average of the light intensity of 2n sectors, and the Fourier coefficient is obtained. Ellipsometric parameters are calculated. The number of parameters obtained by one calculation varies depending on the type of ellipsometry parameters and the calculation method in the middle. For example, the parameters Ψ and Δ are usually obtained both in one calculation. On the other hand, the parameters cos2Ψ, sin2ΨcosΔ, and sin2ΨsinΔ can all be obtained by one calculation depending on the calculation method, but only two of them may be obtained.
また、複数の入射角の範囲を設定することにより、複数の入射角における偏光解析パラメータを同時に求めることも可能である。入射角を、0°と対物レンズの開口数で決まる最大の角度との間の任意の領域で、0.5〜2°の間隔でm個の範囲に分割し、それぞれの入射角範囲で、前記したように方位角を分割して2n個のセクタを定義する。前記したように、2n個のセクタの光強度の平均からフーリエ係数を求め、偏光解析パラメータを算出する。 It is also possible to simultaneously obtain ellipsometric parameters at a plurality of incident angles by setting a range of a plurality of incident angles. The incident angle is divided into m ranges at an interval of 0.5 to 2 ° in an arbitrary region between 0 ° and the maximum angle determined by the numerical aperture of the objective lens, and is described above for each incident angle range. Thus, 2n sectors are defined by dividing the azimuth angle. As described above, the Fourier coefficient is obtained from the average of the light intensity of 2n sectors, and the ellipsometric parameters are calculated.
複数の入射角における偏光解析パラメータが得られれば、理論計算によって得られた値をフィッティングすることによって、試料の光学定数および膜厚を求めることができる。入射角の異なる計km個の偏光解析パラメータに基づき、iは入射角を示す番号であり、jは偏光解析パラメータの種類を示す番号であり、yijを(i, j)番目の偏光解析パラメータとし、y’ijを試料の光学定数および膜厚から計算によって得られた(i, j)番目の偏光解析パラメータとし、σijを(i, j)番目の偏光解析パラメータの標準偏差とするとき、 If ellipsometric parameters at a plurality of incident angles are obtained, the optical constant and film thickness of the sample can be obtained by fitting values obtained by theoretical calculation. Based on a total of km ellipsometric parameters with different incident angles, i is a number indicating the incident angle, j is a number indicating the type of ellipsometric parameter, and y ij is the (i, j) th ellipsometric parameter. Y ' ij is the (i, j) ellipsometric parameter obtained by calculation from the optical constant and film thickness of the sample, and σ ij is the standard deviation of the (i, j) ellipsometric parameter ,
7.対物レンズの影響
本発明では、偏光解析パラメータの測定値に対する対物レンズの測定値に対する影響を、計算に組み込むこともできる。非特許文献5に従うと、対物レンズの影響は次式で表わされる。
7). Influence of the objective lens In the present invention, the influence of the measurement value of the objective lens on the measurement value of the ellipsometry parameter can be incorporated into the calculation. According to Non-Patent Document 5, the influence of the objective lens is expressed by the following equation.
また、対物レンズの影響は入射角によっても異なると考えられる。したがって、その偏光解析パラメータΨObおよびΔObは、入射角θの関数としてそれぞれ次のように表わされる。
In addition, the influence of the objective lens is considered to vary depending on the incident angle. Therefore, the ellipsometric parameters Ψ Ob and Δ Ob are expressed as a function of the incident angle θ as follows.
あるいは、偏光解析パラメータΨの場合、次のように式(25)および(27)をまとめて1つの式で表わすことができる。 Alternatively, in the case of the ellipsometric parameter Ψ, the expressions (25) and (27) can be collectively expressed as one expression as follows.
次に、対物レンズの影響を考慮に入れたフィッティングを行い、試料の光学定数、膜厚および関数fkを求める。そのためには、式(29)を次のように書きかえる。 Next, fitting is performed in consideration of the influence of the objective lens, and the optical constant, film thickness, and function f k of the sample are obtained . For that purpose, the equation (29) can be rewritten as follows.
フィッティングを行う式は次のように書かれる。 The formula for fitting is written as follows.
本発明に係る装置は、図3に示した構成を有し、入射光学系に、回転機構を備えた位相遅延子を設置した。キセノンランプからの光をモノクロメータで分光し、単色化した光をコア径0.6 mmの光ファイバを介して装置に導いた。さらに、入射側レンズ系にシャープカットフィルタ(sharp cut filter)を設置し、高次の散乱光を除去するとともに、減光(ND:Neutral Density)フィルタを設置し、対物レンズに入射する光強度の調整を行った。また、ビームスプリッタは広帯域無偏光キューブ型のものを使用した。また、対物レンズは倍率60倍でNA1.42の像面湾曲・色収差を補正したプランアポクロマートのものを使用した。また、二次元検出器には画素数640×486の1/2型CCDを使用した。表面に膜厚85 nmの酸化タンタルを蒸着したカバーガラスを測定試料として用いた。このカバーガラスを対物レンズの前側に裏返して設置し、その間を屈折液で満たし、焦点位置を合わせた。 The apparatus according to the present invention has the configuration shown in FIG. 3, and a phase retarder having a rotation mechanism is installed in the incident optical system. The light from the xenon lamp was dispersed with a monochromator, and the monochromatic light was guided to the device through an optical fiber having a core diameter of 0.6 mm. In addition, a sharp cut filter is installed in the entrance lens system to remove higher-order scattered light and a neutral density filter (ND) is installed to reduce the light intensity incident on the objective lens. Adjustments were made. The beam splitter was a broadband non-polarizing cube type. The objective lens used was a plan apochromat with a magnification of 60x and a NA1.42 curvature of field and chromatic aberration corrected. In addition, a 1/2 type CCD with 640 × 486 pixels was used for the two-dimensional detector. A cover glass having a 85 nm thick tantalum oxide film deposited on the surface was used as a measurement sample. The cover glass was set upside down on the front side of the objective lens, and the space between the covers was filled with a refractive liquid, and the focal position was adjusted.
まず、CCDの前面に入射する光をさえぎり、ダーク信号を測定した。CCD画像は次の処理に移る前にあらかじめダーク信号を差し引いた。モノクロメータを用い、測定波長を選択した。前記した手順に従い、背景画像を取得した。次に、第1偏光子、第2偏光子および位相遅延子をそれぞれ0°、0°および22.5°に設定し、CCDで画像を取得した。 First, the light incident on the front of the CCD was blocked and the dark signal was measured. The dark image was subtracted from the CCD image before proceeding to the next processing. A measurement wavelength was selected using a monochromator. A background image was obtained according to the procedure described above. Next, the first polarizer, the second polarizer, and the phase retarder were set to 0 °, 0 °, and 22.5 °, respectively, and an image was acquired by CCD.
CCDで測定したそのままの画像および背景画像をそれぞれ図4および図5に示す。測定波長は600 nmである。測定したそのままの画像に見られる入射角および方位角に依存した強度分布が、背景画像には見られないことが分かる。図6は背景画像で規格化した画像を示す。偏光解析パラメータの取得に必要な入射角および方位角に依存した強度分布のみが認められる。 The raw image and background image measured by the CCD are shown in FIGS. 4 and 5, respectively. The measurement wavelength is 600 nm. It can be seen that the intensity distribution depending on the incident angle and azimuth angle seen in the measured image is not seen in the background image. FIG. 6 shows an image normalized with the background image. Only the intensity distribution depending on the incident angle and azimuth required for obtaining ellipsometric parameters is observed.
次に、前記手順のとおり、背景画像を用いて、射出光の中心および半径を定めた。また、入射角の範囲を30〜40°にわたり0.5°おきに分割し、方位角の範囲を0〜180°および180°〜360°にわたって、それぞれ等しい間隔で16区画に分割し、セクタを定義した。 Next, as in the above procedure, the center and radius of the emitted light were determined using the background image. In addition, the range of incident angles was divided every 0.5 ° over 30-40 °, the range of azimuths was divided into 16 sections at equal intervals over 0-180 ° and 180 ° -360 °, and sectors were defined. .
二次元検出器で測定される光強度は式(23)の通りである。ここで、各セクタにおいて規格化した光強度を方位角の範囲にわたって積分すると、次式が得られる。 The light intensity measured by the two-dimensional detector is as shown in Equation (23). Here, if the normalized light intensity in each sector is integrated over the range of azimuth angles, the following equation is obtained.
一方、セクタごとに規格化した強度の平均値Iavを計算した。式(22)に基づき、画像の強度を平均することは、画素の強度の積分値を積分範囲で割っていることになる。さらに、三角関数の定積分の性質を考えると、各セクタにおける強度の平均値Iavと積分値Sとの間には、次の関係がある。 On the other hand, the average value I av normalized for each sector was calculated. Based on the equation (22), averaging the image intensities means dividing the integrated value of the pixel intensities by the integration range. Furthermore, considering the definite integral nature of the trigonometric function, the following relationship exists between the average value I av of the intensity in each sector and the integral value S.
さて、第1偏光子および位相遅延子をそれぞれ0°および22.5°に設定したとき、対物レンズへ入射する光のベクトルは、式(6)より次のように導かれる。 Now, when the first polarizer and the phase retarder are set to 0 ° and 22.5 °, respectively, the vector of light incident on the objective lens is derived from the equation (6) as follows.
次に、前記の方法に従って、測定で得た結果と計算値とのフィッティングを行った。対物レンズの影響を補正するため、偏光解析パラメータΨObおよびΔObは入射角θの関数としてそれぞれ次の式を用いた。 Next, according to the above-mentioned method, the result obtained by measurement and the calculated value were fitted. In order to correct the influence of the objective lens, the following equations were used for the ellipsometric parameters Ψ Ob and Δ Ob as a function of the incident angle θ.
波長590、600、610および620 nmで測定した入射角の範囲30〜40°における偏光解析パラメータΨおよびΔをそれぞれ図7および図8に示す。測定で得た結果をシンボルで、フィッティングによって得た計算値を線で示している。 The ellipsometric parameters Ψ and Δ in the incident angle range of 30 to 40 ° measured at wavelengths 590, 600, 610 and 620 nm are shown in FIGS. 7 and 8, respectively. The result obtained by the measurement is indicated by a symbol, and the calculated value obtained by the fitting is indicated by a line.
フィッティングの結果、カバーガラスの表面に形成された酸化タンタルの屈折率および膜厚が次のように求められた。 As a result of the fitting, the refractive index and film thickness of tantalum oxide formed on the surface of the cover glass were determined as follows.
屈折率:2.036 + 0.055 / λ2、膜厚(nm):96.66
ここで、λは波長(単位はμm)である。また、対物レンズの偏光解析パラメータを算出する式(39)および(40)の定数として次の値が得られた。
Refractive index: 2.036 + 0.055 / λ 2 , film thickness (nm): 96.66
Here, λ is a wavelength (unit: μm). Further, the following values were obtained as constants of the equations (39) and (40) for calculating the ellipsometric parameters of the objective lens.
aΨ:0.27、bΨ:47.08
aΔ:0.11、bΔ:1.97
ここで、定数の単位は度である。
a Ψ : 0.27, b Ψ : 47.08
aΔ : 0.11, bΔ : 1.97
Here, the unit of the constant is degrees.
1 対物レンズ
2 平行光
3 後側焦点面
4 試料面
5 無偏光ビームスプリッタ
6 入射光学系
7 射出光学系
8 試料
9 光ファイバの射出口
10 レンズ系
11 第1偏光子
12 第2偏光子
13 二次元検出器
14 レンズ系
15 位相遅延子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Objective lens 2 Parallel light 3 Back side focal plane 4 Sample surface 5 Non-polarizing beam splitter 6 Incident optical system 7 Ejection optical system 8 Sample 9 Optical fiber exit port 10 Lens system 11 First polarizer 12 Second polarizer 13 Second Dimensional detector 14 Lens system 15 Phase retarder
Claims (11)
前記入射光学系が、光源と、前記対物レンズに平行光を入射する第1のレンズ系と、第1偏光子とを備え、
前記射出光学系が、第2偏光子と、前記対物レンズの後側焦点面の像を二次元検出器に結像する第2のレンズ系と、該二次元検出器とを備え、
前記対物レンズの前側焦点面に測定対象の試料が設置され、
前記第1偏光子および前記第2偏光子がそれぞれ任意の方位角に設定され、
前記二次元検出器が前記後側焦点面の画像を測定し、
前記解析装置が、
前記二次元検出器で測定した画像から、射出光の輪郭を円として識別し、当該円の中心および半径を求め、求めた中心および半径を前記後側焦点面の中心および半径とし、前記試料への照射光の入射角および方位角による極座標を定め、
前記後側焦点面上に定義した前記極座標に基づき、前記後側焦点面の光強度分布の前記入射角および方位角依存性を求め、
前記第1および第2偏光子の方位角と、前記光強度分布の入射角および方位角依存性とから、前記試料の偏光解析パラメータを算出することを特徴とする後側焦点面顕微エリプソメータ。 An infinity correction system objective lens, a non-polarizing beam splitter, an incident optical system, an exit optical system, and an analysis device,
The incident optical system includes a light source, a first lens system that enters parallel light into the objective lens, and a first polarizer,
The exit optical system includes a second polarizer, a second lens system that forms an image of a rear focal plane of the objective lens on a two-dimensional detector, and the two-dimensional detector.
A sample to be measured is placed on the front focal plane of the objective lens,
The first polarizer and the second polarizer are each set to an arbitrary azimuth angle,
The two-dimensional detector measures an image of the back focal plane;
The analysis device is
From the image measured by the two-dimensional detector, the outline of the emitted light is identified as a circle, the center and radius of the circle are determined, the determined center and radius are the center and radius of the rear focal plane, and Determine polar coordinates according to the incident angle and azimuth of the irradiation light of
Based on the polar coordinates defined on the back focal plane, to determine the incident angle and azimuth angle dependence of the light intensity distribution of the back focal plane,
A back focal plane microscopic ellipsometer, wherein the ellipsometric parameters of the sample are calculated from the azimuth angles of the first and second polarizers and the incident angle and azimuth angle dependence of the light intensity distribution.
前記第1偏光子または前記第2偏光子のもう一方の偏光子の方位角の2通り以上の設定で求められた前記直流成分に対応する画像を、各画素で光の強度について平均することにより、前記試料への照射光の入射角および方位角に依存した強度分布を消去した背景画像を取得し、
前記解析装置が、前記背景画像から、射出光の輪郭を円として識別し、当該円の中心および半径を求め、求めた中心および半径を前記後側焦点面の中心および半径とし、前記試料への照射光の入射角および方位角による極座標を定めることを特徴とする請求項1に記載の後側焦点面顕微エリプソメータ。 The azimuth angle of one of the first polarizer and the second polarizer is set to two or more, and each time the setting is performed, the image of the rear focal plane is measured with the two-dimensional detector, Obtain an image corresponding to a direct current component independent of the azimuth angle of the polarizer,
By averaging the image corresponding to the DC component obtained by setting two or more azimuth angles of the other polarizer of the first polarizer or the second polarizer with respect to the light intensity at each pixel. , Obtaining a background image in which the intensity distribution depending on the incident angle and azimuth angle of the irradiation light to the sample is erased,
The analysis device identifies the outline of the emitted light as a circle from the background image, determines the center and radius of the circle, sets the determined center and radius as the center and radius of the rear focal plane, 2. The back focal plane microscopic ellipsometer according to claim 1, wherein polar coordinates are determined by an incident angle and an azimuth angle of irradiation light.
前記後側焦点面上に定義した前記極座標に基づき、前記規格化した光強度分布の方位角および入射角依存性を求め、
前記第1および第2偏光子の方位角と、前記規格化した光強度分布の入射角および方位角依存性から、前記試料の偏光解析パラメータを算出することを特徴とする請求項1または2に記載の後側焦点面顕微エリプソメータ。 By dividing the image of the rear focal plane measured by the two-dimensional detector by the background image, a normalized light intensity distribution in the rear focal plane is obtained by removing non-uniformity of light intensity caused by the apparatus. ,
Based on the polar coordinates defined on the back focal plane, to determine the azimuth and incidence angle dependence of the normalized light intensity distribution,
The ellipsometric parameters of the sample are calculated from the azimuth angles of the first and second polarizers and the incident angle and azimuth angle dependence of the normalized light intensity distribution. Rear focal plane microscopic ellipsometer described.
前記第1偏光子および前記第2偏光子の方位角の4通り以上の組み合わせで求めた前記直流成分に対応する画像を、各画素で光の強度について平均することにより、前記試料への照射光の入射角および方位角に依存した強度分布を消去した前記背景画像を取得することを特徴とする請求項4に記載の後側焦点面顕微エリプソメータ。 The azimuth angle of the phase retarder is changed to four or more. Each time the azimuth angle is changed, the image of the rear focal plane is measured by the two-dimensional detector, and the direct current component does not depend on the azimuth angle of the phase retarder. Find the corresponding image,
Irradiation light to the sample is obtained by averaging the images corresponding to the direct current components obtained by combinations of four or more azimuth angles of the first polarizer and the second polarizer with respect to the light intensity at each pixel. The back focal plane microscopic ellipsometer according to claim 4, wherein the background image from which the intensity distribution depending on the incident angle and the azimuth angle is eliminated.
前記後側焦点面上に定義した前記極座標に基づき、前記規格化した光強度分布の方位角および入射角依存性を求め、
前記第1偏光子、前記第2偏光子および前記位相遅延子のそれぞれの方位角と、前記規格化した光強度分布の入射角および方位角依存性とから、前記試料の偏光解析パラメータを算出することを特徴とする請求項4または5に記載の後側焦点面顕微エリプソメータ。 The first polarizer, the second polarizer, and the phase retarder are set to arbitrary azimuth angles, the image of the rear focal plane is measured by the detector, and the image is divided by the background image. By obtaining a normalized light intensity distribution in the rear focal plane, excluding non-uniformity of light intensity caused by the device,
Based on the polar coordinates defined on the back focal plane, to determine the azimuth and incidence angle dependence of the normalized light intensity distribution,
The ellipsometric parameters of the sample are calculated from the azimuth angles of the first polarizer, the second polarizer, and the phase retarder, and the incident angle and azimuth angle dependence of the normalized light intensity distribution. 6. A back focal plane microscopic ellipsometer according to claim 4 or 5, wherein:
該高密度平面上において、前記射出光の円の中心および半径を求め、求めた中心および半径を前記後側焦点面の中心および半径とし、前記試料への照射光の入射角および方位角による極座標を定めることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の後側焦点面顕微エリプソメータ。 The number of pixels of the two-dimensional detector is H × V (H and V are both natural numbers), and one pixel is divided into n × n (n is a natural number) small pixels. Consider a high-density plane consisting of the number of pixels on which an image is drawn nH x nV,
On the high-density plane, the center and radius of the circle of the emitted light are obtained. The rear focal plane microscopic ellipsometer according to any one of claims 1 to 6, wherein:
あるセクタに少なくとも一部分が帰属される画素の数をn(nは自然数)とし、そのうちi番目の画素Piに属する小画素の数をqiとし、画素Piの光強度をIiとするとき、
前記セクタの光強度の平均値Iavを
The number of pixels at least part of which belongs to a sector is n (n is a natural number), the number of small pixels belonging to the i-th pixel P i is q i, and the light intensity of the pixel P i is I i . When
Average light intensity I av of the sector
後側焦点面上における光強度分布の方位角依存性を利用し、一度の計算によって得られる偏光解析パラメータの個数をkとするとき、2n個のセクタの光強度の平均から、直流成分、および方位角変化の2倍波または4倍波の余弦成分または正弦成分を計算し、さらにk個の偏光解析パラメータを求めることを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載の後側焦点面顕微エリプソメータ。 The incident angle is between 0 ° and the maximum angle determined by the numerical aperture of the objective lens, the width is in the range of 0.5-2 °, and the azimuth is any angle φ a to φ a + 180 ° and φ a In 2n sectors on the back focal plane defined by dividing each by n equal intervals from + 180 ° to φ a + 360 °, the average of the normalized light intensity is obtained,
Using the azimuth angle dependence of the light intensity distribution on the rear focal plane, and assuming that the number of ellipsometric parameters obtained by one calculation is k, from the average of the light intensity of 2n sectors, the DC component, and 9. The back focal plane according to claim 1, wherein a cosine component or a sine component of the second or fourth harmonic of the azimuth change is calculated, and k ellipsometric parameters are obtained. Microscopic ellipsometer.
それぞれの入射角範囲において、方位角を分割して2n個のセクタを定義しk個の偏光解析パラメータを求め、
求めた入射角の異なる計km個の偏光解析パラメータに基づき、iは入射角を示す番号であり、jは偏光解析パラメータの種類を示す番号であり、yijを(i, j)番目の偏光解析パラメータとし、y’ijを試料の光学定数および膜厚から計算によって得られた(i, j)番目の偏光解析パラメータとし、σijを(i, j)番目の偏光解析パラメータの標準偏差とするとき、
In each incident angle range, divide the azimuth angle to define 2n sectors and obtain k ellipsometric parameters,
Based on the ellipsometric parameters of a total of km with different incident angles, i is a number indicating the incident angle, j is a number indicating the type of ellipsometric parameter, and y ij is the (i, j) th polarization. And y ' ij is the (i, j) ellipsometric parameter obtained by calculation from the optical constant and film thickness of the sample, and σ ij is the standard deviation of the (i, j) th ellipsometric parameter and when,
求めた入射角の異なる計km個の偏光解析パラメータの測定値に基づき、iは入射角を示す番号であり、jは偏光解析パラメータの種類を示す番号であり、yijを(i, j)番目の偏光解析パラメータの測定値とし、y’ijを試料の光学定数および膜厚から計算によって得られた(i, j)番目の偏光解析パラメータとし、σijを(i, j)番目の偏光解析パラメータの標準偏差とし、y‘jをj番目の種類の偏光解析パラメータの計算値とし、y“jをj番目の種類の偏光解析パラメータの対物レンズの影響を考慮した計算値とし、fjを対物レンズの影響を表すj番目の種類の偏光解析パラメータに特有の関数とし、θを入射角とし、
Based on the measured values of a total of km ellipsometric parameters with different incident angles, i is a number indicating the incident angle, j is a number indicating the type of ellipsometric parameter, and y ij is (i, j) The measured value of the ellipsometric parameter, y'ij is the (i, j) th ellipsometric parameter obtained from the optical constant and film thickness of the sample, and σij is the (i, j) th polarized light the standard deviation of the analysis parameters, y 'j is the calculated value of the j-th type of ellipsometric parameters, the y "j is the calculated value in consideration of the influence of the j-th type of objective lens of ellipsometric parameters, f j Is a function specific to the eleventh type of ellipsometric parameters representing the influence of the objective lens, θ is the incident angle,
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- 2012-08-08 JP JP2012176363A patent/JP2014035254A/en active Pending
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