JP2023000800A - 分光器及び計測システム - Google Patents

Abstract

【課題】分光性能を向上させることができる分光器及び計測システムを提供する。【解決手段】実施形態に係る分光器１は、入射スリット１０を通過した光を平行光に変換するコリメータレンズ２１と、コリメータレンズ２１で平行光に変換された光を波長に応じて異なる角度に分散させる分散光学素子３０と、分散した光を収束させるフォーカシングレンズ４１と、フォーカシングレンズ４１で収束された光を反射する反射面を有する反射型のＳＬＭと、を備え、ＳＬＭで反射した光は、フォーカシングレンズ４１及び分散光学素子３０を介して出射スリット６０から出射し、異なる角度に分散された光の光路を含む第１面、及び、コリメータレンズ２１の光軸２１Ａ及びフォーカシングレンズ４１の光軸４１Ａを含み第１面に直交した第２面、を定義した際に、第２面において、入射スリット１０、出射スリット６０及び反射面は、共役関係である。【選択図】図１

Description

本発明は、分光器及び計測システムに関する。

半導体製造工程において、Ｓｉ基板上に形成された半導体回路構造の膜厚などの寸法（Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）や屈折率等の光学定数の計測を高精度に行うことを目的として、ＳＲ（Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）、ＳＥ（Ｓｐｅｃｔｏｒｏｓｃｏｐｉｃ Ｅｌｌｉｐｓｏｍｅｔｒｙ）等の原理を持つ光学測定器が広く使用されている。これらは、ＯＣＤ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）測定装置と呼ばれ、計測結果を半導体回路構造のモデルを使ったシミュレーション（Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ）結果と比較し、フィッティングすることで、半導体回路構造の寸法や構成物質の光学定数を求めるという手法であり、一般的に用いられている。

ここ１０年ほどで、ロジック半導体では、ＦｉｎＦＥＴ、メモリでは、３Ｄ－ＮＡＮＤなど、半導体回路構造は、３次元化が進み、より複雑な構造となってきている。求める対象の構造が複雑になると、フィッティングによりフローティングパラメータ（Ｆｌｏａｔｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒ）の数が増える。例えば、現在のＦｉｎＦＥＴのＯＣＤ測定装置による計測では、２０－３０個程のフローティングパラメータを用いる必要がある。

寸法の解を求めるためには、フローティングパラメータの数より多い個数の測定値を求めることが、モデルにフィッティングする上で最低限必要であり、ＳＲの場合には反射率、ＳＥの場合にはΨ、Δを複数の波長で計測する必要がある。さらに、実際の寸法とは異なったフローティングパラメータの組み合わせでフィッティングが収束するカップリングと呼ばれる問題もあり、それを回避するために、１００を超える波長でＳＲやＳＥを行うことも多い。このような計測精度上の要望があるにもかかわらず、半導体製造工程でのＯＣＤ測定には、非常に短時間での計測が求められる。例えば、ウェハ１枚当たりに許容される測定時間は多くても数１０秒程度であり、このような短時間ではウェハ上のごく限られた領域しか計測ができない。

ＯＣＤ測定装置における複数波長の計測は、大きく分けて２種類ある。１つは、光源から出射した光をモノクロメータに透過させて単色化して照明する方法である。もう１つは、広い波長域の光で照明して、反射した光をスペクトロメータで分光して波長ごとに計測する方法である。後者の方が多波長を同時に計測できるため、高速な計測が可能であるが、広い視野の画像計測や瞳上での反射率、エリプソメトリ計測等のように、前者のモノクロメータを用いることを求められることも多い。

一般的には、モノクロメータは、回折格子や分散プリズムを回転させる構成となっており、回転ステージの加減速に用いる時間により、波長切り替えには、数１０ｍｓｅｃ以上の時間が必要となる。切り替える波長数が１００以上となった場合には、切り替え時間だけで数秒以上の時間を必要とするため、ＯＣＤ測定装置全体のスループット（Ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ）に対して、大きな低下要因となっている。

特許文献１には、機械的な駆動時間を低減させるために、分散素子を２つ用いたダブルモノクロメータの構成とし、その中間像付近に可動スリットを配置したスペクトロメータが記載されている。特許文献１の構成をベースとして、Ｓｐａｔｉａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ（ＳＬＭ）を用いて波長切り替えを行う方法が提案されている。

特許文献２には、Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ（ＤＭＤ）の基本構成が記載されている。特許文献２のようなＤＭＤを実用化させた多くの試みが行われている。

特許文献３及び特許文献４には、ＤＭＤを用いて波長切り替えを行う方法が提案されている。特許文献４では、波長を切り替えて増幅可能なレーザ共振器内の分光に、ＳＬＭ（ＤＭＤ）を使用している。具体的には、特許文献４のレーザ共振器内では、ＳＬＭ（ＤＭＤ）で反射した特定の波長の光を、同じ光路上で何度も往復させることにより光を増幅する。特許文献４の構成をモノクロメータに適用する場合には、分光した光の取り出し効率が著しく低下するという課題がある。

特許文献５には、特許文献４の課題を解決するために、ＳＬＭ（ＤＭＤ）上での反射前後にミラーを配置し、ＳＬＭ（ＤＭＤ）に入射した光と反射した光が同じ光路を通らず、光の取り出し効率を向上させた構成が記載されている。

特許文献６及び特許文献７には、ＳＬＭに光が斜めから入射するような配置にした上で瞳分割とし、ミラーがなくても光取り出し可能な構成が記載されている。

米国特許第４５７５２４３号明細書 米国特許第５０６１０４９号明細書 米国特許第５５０４５７５号明細書 米国特許第７２５６８８５号明細書 米国特許第６８７０６１９号明細書 米国特許出願公開第２００７／２９６９６９号明細書 米国特許出願公開第２０１０／２４５８１８号明細書

反射型ＳＬＭ（ＤＭＤ）を用いた分光器においては、分光した光を取り出すために、ＳＬＭ表面を傾斜させた構成が特許文献５～７等で提案されている。これらの構成は、ＳＬＭ上の各画素のミラーがＳＬＭ表面に対して平行であれば成立する。しかし、ＤＭＤを始めとして、高速での駆動や広い波長範囲の分光が可能なＭｉｃｒｏ－Ｍｉｒｒｏｒ－Ａｒｒａｙ（ＭＭＡ）構造を持つ素子では、各画素のミラーは、ＯＮとＯＦＦのどちらの状態でもＤＭＤ表面全体に対して傾斜している。そのため、特許文献５～７等内の実施例に記載の配置では、ＤＭＤに入射した光は、フォーカシング光学系の方に反射しない。また、ＤＭＤ各画素のミラー表面がフォーカシング光学系の光軸に垂直になるようにＤＭＤを傾けて配置した場合には、光は、フォーカシング光学系の方向に反射される。しかしながら、この配置では、ＤＭＤの中心付近しか分散した光の焦点が合わず、ＤＭＤの中心付近以外では焦点ずれにより分光性能を向上させることができない。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、光の利用効率を向上させ、分光性能を向上させることができる分光器及び計測システムを提供する。

一実施形態の分光器は、入射スリットを通過した光を平行光に変換するコリメータレンズと、前記コリメータレンズで平行光に変換された前記光を波長に応じて異なる角度に分散させる分散光学素子と、分散した前記光を収束させるフォーカシングレンズと、前記フォーカシングレンズで収束された前記光を反射する反射面を有する反射型のＳＬＭと、を備え、前記ＳＬＭで反射した前記光は、前記フォーカシングレンズ及び前記分散光学素子を介して出射スリットから出射し、異なる角度に分散された光の光路を含む第１面、及び、前記コリメータレンズの光軸及び前記フォーカシングレンズの光軸を含み前記第１面に直交した第２面、を定義した際に、前記第２面において、前記入射スリット、前記出射スリット及び前記反射面は、共役関係である。

上記分光器において、前記ＳＬＭは、板状の基板と、前記基板の基板表面にマトリックス状に配置された複数の画素ミラーとを含むＤＭＤであり、各画素ミラーは、前記光を反射するミラー面と、前記第２面に直交する方向に延びた回転軸と、を有し、前記各画素ミラーは、前記ミラー面が前記基板表面に対して第１角度で傾いた第１状態と、前記ミラー面が前記表面に対して第２角度で傾いた第２状態と、をとってもよい。

上記分光器において、前記ＤＭＤは、前記第１面に直交する方向に沿った複数の前記画素ミラーを含む取り出し波長列を設定し、前記取り出し波長列の各画素ミラーを前記第１状態にすることにより、所定の波長帯域を含む前記光を前記出射スリットから出射させてもよい。

上記分光器において、前記ＤＭＤは、複数の前記取り出し波長列を設定し、前記複数の前記取り出し波長列の各画素ミラーを前記第１状態にすることにより、複数の前記波長帯域を含む前記光を前記出射スリットから出射させてもよい。

上記分光器において、前記ＤＭＤは、前記取り出し波長列の各画素ミラーを、前記第１状態または前記第２状態にランダムに変化させ、前記取り出し波長列以外の複数の前記画素ミラーを、前記第２状態にしてもよい。

上記分光器において、前記第２面では、前記ミラー面に入射する前記光の中心軸は、前記ミラー面に垂直に入射してもよい。

上記分光器において、前記第２面では、前記ミラー面に入射する前記光の中心軸の入射角は、前記ミラー面で反射した前記光の前記中心軸の反射角と等しくてもよい。

上記分光器において、前記フォーカシングレンズの光軸は、前記コリメータレンズの光軸からシフトした位置で、前記コリメータレンズの光軸に平行に配置されてもよい。

上記分光器において、前記フォーカシングレンズの光軸は、前記コリメータレンズの光軸に対して傾斜し、前記第２面において、前記ミラー面に入射する前記光の中心軸の入射角は、前記ミラー面で反射した前記光の前記中心軸の反射角と等しくてもよい。

上記分光器において、前記コリメータレンズと前記分散光学素子との間に配置され、前記光を分割し、分割された前記光に光路差を与える光学部材をさらに備えてもよい。

上記分光器において、前記光学部材は、階段状プリズムを含んでもよい。

上記分光器において、前記光は、ファイバーから出射したレーザ光を含み、前記入射スリットは、前記ファイバーの端面を含んでもよい。

一実施形態の計測システムは、上記分光器と、前記分光器から出射された前記光を用いて半導体を検査または測定する半導体計測装置と、を備える。

上記計測システムにおいて、分光エリプソメトリを原理として用いてもよい。

上記計測システムにおいて、前記半導体計測装置は、前記分光器から出射された複数の波長を含む前記光を独立に用いて前記半導体を検査または測定してもよい。

上記計測システムにおいて、前記半導体から反射した光のうち、相互に異なる偏光成分の光を干渉させた干渉縞からエリプソメトリ計測を行い、前記干渉縞の周波数成分から前記複数の波長の前記光の情報を分離してもよい。

本発明により、入射スリットを通過した光の利用効率を向上させ、分光性能を向上させることができる分光器及び計測システムを提供することができる。

実施形態１に係る分光器を例示した図である。 実施形態１に係る分光器を例示した図である。 実施形態１に係る分光器において、ＤＭＤを例示した断面図である。 実施形態１に係る分光器において、ＤＭＤを例示した断面図である。 実施形態１に係る分光器において、ＤＭＤを例示した斜視図である。 実施形態１に係る分光器において、ＤＭＤの画素ミラーを例示した斜視図である。 実施形態１に係る分光器において、ＤＭＤの画素ミラーを例示した断面図であり、画素ミラーの回転軸に直交する断面を示す。 実施形態１に係る分光器において、ＤＭＤ上に形成された波長に応じて位置の異なる入射スリットの像を例示した図である。 実施形態１に係る分光器において、ＤＭＤ上に形成された波長に応じて位置の異なる入射スリットの像を例示した図である。 比較例に係る分光器を例示した図である。 比較例に係る分光器を例示した図である。 実施形態１の変形例に係る計測システムを例示した図である。 実施形態２に係る分光器を例示した図である。 実施形態２に係る分光器を例示した図である。 実施形態２に係る分光器において、ＤＭＤを例示した断面図である。 実施形態２に係る分光器において、ＤＭＤを例示した断面図である。 実施形態３に係る分光器を例示した図である。 実施形態３に係る分光器を例示した図である。 実施形態３に係る分光器において、ＤＭＤを例示した断面図である。 実施形態３に係る分光器において、ＤＭＤを例示した断面図である。 実施形態４に係る分光器を例示した図である。 実施形態４に係る分光器を例示した図である。 実施形態５に係る計測システムを例示した図である。 実施形態５に係る計測システムにおいて、偏光光学素子、検光子及び画像検出器を例示した構成図である。 実施形態５に係る計測システムにおいて、検光子を透過する直線偏光を例示した図である。 実施形態５に係る計測システムにおいて、画像検出器に入射する反射光に含まれた各直線偏光の波面を例示した図である。 実施形態５に係る計測システムにおいて、画像検出器上で干渉した反射光の干渉縞を例示した図である。 実施形態５に係る計測システムにおいて、画像検出器上の干渉縞から求められたエリプソメトリ係数を例示した図である。 実施形態５の別の例に係る計測システム５において、画像検出器上で干渉した反射光の干渉縞を例示した図である。

説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。また、各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。

（実施形態１）
実施形態１に係る分光器を説明する。実施形態１の分光器は、例えば、半導体検査装置または半導体測定装置等の半導体計測装置で用いられる光の波長を切り替える分光器（モノクロメータ）である。具体的には、分光器は、半導体製造工程において、半導体ウェハ（Ｗａｆｅｒ）等の試料上に形成された回路構造の寸法や歪、物性値の計測または欠陥を検出するための光学検査装置または光学測定装置に用いられる。なお、実施形態１の分光器は、半導体計測装置以外に用いられてもよい。

図１及び図２は、実施形態１に係る分光器を例示した図である。ここで、分光器の説明の便宜のために、ＸＹＺ直交座標軸系を導入する。後述する分散光学素子によって波長に応じて異なる角度に分散された光を含む面をＸＹ面とする。図１は、Ｚ軸方向から見たＸＹ面内の各構成の配置を示す。図２は、Ｙ軸方向から見たＸＺ面内の各構成の配置を示す。図１内での光を示す実線、波線及び点線は、波長の違いを示している。

図１及び図２に示すように、分光器１は、入射スリット１０、コリメータ光学系２０、分散光学素子３０、フォーカシング光学系４０、ＤＭＤ５０、出射スリット６０を備えている。分光器１は、反射型のＳＬＭとして、ＤＭＤ５０を備えている。なお、分光器１は、反射型のＳＬＭとして、ＤＭＤ５０に限らず、液晶を用いたＳＬＭでもよい。

入射スリット１０は、例えば、板状の入射スリット部１１に形成されている。なお、入射スリット１０は、光を導くファイバーの端面の出射口でもよい。入射スリット１０は、光源で生成された光を通過させ、コリメータ光学系２０に導く。

コリメータ光学系２０は、例えば、コリメータレンズ２１、ビームスプリッタ２２及びコリメータレンズ２３を含んでいる。コリメータレンズ２１は、入射スリット１０を通過した光を平行光に変換する。コリメータレンズ２１によって平行光に変換された光は、ビームスプリッタ２２に入射する。

ビームスプリッタ２２は、＋Ｘ軸方向の光の往路において、入射した平行光の一部を透過させ、分散光学素子３０に導く。また、ビームスプリッタ２２は、－Ｘ軸方向の光の復路において、分散光学素子３０を透過した光の一部をコリメータレンズ２３に対して反射させる。コリメータレンズ２３は、ビームスプリッタ２２で反射した光を集光して出射スリット６０を通過させる。

分散光学素子３０は、光を分散させる。具体的には、分散光学素子３０は、コリメータレンズ２１で平行光に変換された光を波長に応じて異なる角度に分散させる。すなわち、分散光学素子３０は、波長ごとに異なる角度に分散させる。分散光学素子３０は、回折格子またはプリズムを含む。分散光学素子３０は、例えば、図１の点線、波線及び実線のように、ビームスプリッタ２２を透過した光を波長ごとに分散して異なる角度に進む光にする。分散光学素子３０が光を分散させるＹ軸方向を分散方向と呼ぶ。

フォーカシング光学系４０は、フォーカシングレンズ４１を含む。フォーカシングレンズ４１は、分散した光を収束させる。例えば、図１において、分散方向を含むＸＹ面内においては、フォーカシングレンズ４１は、－Ｘ軸方向側の焦点位置に分散光学素子３０が位置するように配置されている。フォーカシングレンズ４１は、＋Ｘ軸方向側の焦点位置にＤＭＤ５０が位置するように配置されている。これによって、ＸＹ面内では、波長ごとに分散した入射スリット１０の像がＤＭＤ５０に形成される。

また、図２に示すように、ＸＺ面内において、フォーカシングレンズ４１の光軸４１Ａは、コリメータレンズ２１の光軸２１Ａからシフトした位置で、コリメータレンズ２１の光軸２１Ａに平行に配置されている。例えば、フォーカシングレンズ４１の光軸４１Ａは、コリメータレンズ２１の光軸２１Ａから＋Ｚ軸方向にシフトしている。ＤＭＤ５０は、フォーカシングレンズ４１の光軸４１Ａ上に配置されている。図２では、フォーカシングレンズ４１は、レンズ全体から一部分を切り出した構成となっている。切り出す前の形状は、点線で表されている。フォーカシングレンズ４１を実際に切り出すかどうかは、製品仕様によって変えてもよい。分散光学素子３０を透過した光は、フォーカシングレンズ４１の光軸４１ＡとＤＭＤ５０との交点に向けて集光する。このため、主光線（光の中心軸）とフォーカシングレンズ４１の光軸４１Ａは、角度を有している。

図１に示すように、分散方向を含むＸＹ面内においては、光が入射する入射スリット１０の波長ごとの像がＤＭＤ５０に形成される。ＤＭＤ５０で反射した光は、同じ分散光学素子３０を再度透過することで波長分散を相殺する。よって、波長に依存しない同じ位置に入射スリット１０の像が形成される。そこで、入射スリット１０の像が形成される位置に出射スリット６０を配置する。一方で、図２に示すように、分散方向に垂直なＸＺ面内においては、コリメータレンズ２１の光軸２１Ａとシフトされるように配置されたフォーカシングレンズ４１の光軸４１Ａ上にＤＭＤ５０が配置されている。

異なる角度に分散された光の光路を含むＸＹ面を第１面とする。コリメータレンズ２１の光軸２１Ａ及びフォーカシングレンズ４１の光軸４１Ａを含み第１面に直交したＸＺ面を第２面とする。このようにして、第１面及び第２面を定義した際に、第２面において、入射スリット１０の面１９、出射スリット６０の面６９及びＤＭＤ５０の反射面５９は、共役関係である。また、瞳位置３９に分散光学素子３０が配置されている。

図３及び図４は、実施形態１に係る分光器１において、ＤＭＤ５０を例示した断面図である。図３は、Ｚ軸方向に直交する断面図を示している。図４は、Ｙ軸方向に直交する断面図を示している。図５は、実施形態１に係る分光器１において、ＤＭＤ５０を例示した斜視図である。図６は、実施形態１に係る分光器１において、ＤＭＤ５０の画素ミラー５３を例示した斜視図である。図７は、実施形態１に係る分光器１において、ＤＭＤ５０の画素ミラー５３を例示した断面図であり、画素ミラー５３の回転軸５５に直交する断面を示す。

図３～図５に示すように、ＤＭＤ５０は、フォーカシングレンズ４１で収束された光を反射する反射面を有する。ＤＭＤ５０は、板状の基板５１と、複数の画素ミラー５３を含んでいる。基板５１の－Ｘ軸方向側の面を基板表面５２と呼ぶ。複数の画素ミラー５３は、基板５１の基板表面５２にマトリックス状に配置されている。各画素ミラー５３は、光を反射するミラー面５４を有している。よって、ミラー面５４は、フォーカシングレンズ４１で収束された光を反射する反射面である。

図３に示すように、分散方向を含むＸＹ面の断面においては、基板５１の基板表面５２の切断線と、画素ミラー５３のミラー面５４の切断線と、は平行である。これらの切断線と、入射光の主光線（光の中心軸）と、は垂直の配置となる。このような配置により、ＸＹ面において、分散したすべての波長で光の焦点は、ミラー面５４と一致する。よって、分光性能を向上させることができる。

また、図４に示すように、分散方向と垂直なＸＺ面の断面内においては、基板５１の基板表面５２と、フォーカシングレンズ４１の光軸４１Ａと、は垂直である。各画素ミラー５３のミラー面５４は、入射光の主光線（光の中心軸）と垂直である。よって、ＸＺ面において、ＤＭＤ５０に入射する光の中心軸は、ミラー面５４に垂直に入射する。このような配置により、ＸＺ面内において、分散したすべての波長で光の焦点は、ミラー面５４と一致する。よって、光利用効率及び分光性能を向上させることができる。

図６及び図７に示すように、各画素ミラー５３は、回転軸５５を有している。回転軸５５は、例えば、Ｙ軸方向に延びている。よって、回転軸５５は、分散方向に延びている。各画素ミラー５３は、回転軸５５の周りで回転する。各画素ミラー５３のミラー面５４は、基板５１の基板表面５２に対して、所定の角度をとる。例えば、各画素ミラー５３は、ミラー面５４が基板表面５２に対して所定の第１角度で傾いたＯＮ状態と、ミラー面５４が基板表面５２に対して所定の第２角度で傾いたＯＦＦ状態と、をとる。このように、各画素ミラー５３は、２つの状態に切り替え可能である。しかしながら、各画素ミラー５３のミラー面５４は、ＯＮ状態及びＯＦＦ状態のどちらであっても、ＤＭＤ５０の基板５１の基板表面５２に平行でない。

図５～図７に示すように、ＯＮ状態及びＯＦＦ状態のそれぞれにおいて、各ミラー面５４の法線と、基板５１の基板表面５２の法線と、を含む面が、分散光学素子３０による光の分散方向と垂直となるように配置されている。このような構成により、入射スリット１０との共役関係をＤＭＤ５０全面が有することとなるため、波長分解能が高く、光利用効率を向上させることができる。

分光器１を半導体計測装置で使用する場合には、例えば、ＤＭＤ５０の各画素ミラー５３のうち、半導体計測装置で利用したい波長の光に対応する画素ミラー５３だけを、ＯＮ状態とする。そして、ＯＮ状態の画素ミラー５３で反射した反射光を、再び、フォーカシング光学系４０に向けて戻るようにする。例えば、ＤＭＤ５０は、Ｚ軸方向に沿った複数の画素ミラー５３を含む取り出し波長列を設定する。Ｚ軸方向は、分散方向に直交する。

図８及び図９は、実施形態１に係る分光器１において、ＤＭＤ５０上に形成された波長に応じて位置の異なる入射スリット１０の像を例示した図である。図８及び図９において、白い部分は、取り出し波長列５６の画素ミラー５３を示し、黒い部分は、取り出し波長列５６以外の画素ミラー５３を示す。ＤＭＤ５０は、取り出し波長列５６の各画素ミラーをＯＮ状態にすることにより、所定の波長帯域を含む光を出射スリット６０から出射させることができる。なお、ＤＭＤ５０は、複数の取り出し波長列５６を設定してもよい。そして、ＤＭＤ５０は、複数の取り出し波長列５６の各画素ミラーをＯＮ状態にすることにより、複数の波長帯域を含む光を出射スリット６０から出射させてもよい。

また、図８に示すように、スーパーコンティニュームレーザ（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｔｉｎｕｕｍ Ｌａｓｅｒ、以下、ＳＣレーザと呼ぶ。）等の白色レーザを使用した場合には、白色レーザの高い空間コヒーレンシー（Ｃｏｈｅｒｅｎｃｙ）によって、スペックル（Ｓｐｅｃｋｌｅ）と呼ばれる粒状の光量分布が発生する場合がある。そこで、図９に示すように、ＤＭＤ５０は、取り出し波長列５６の各画素ミラー５３を、ＯＮ状態またはＯＦＦ状態にランダム（Ｒａｎｄｏｍ）に変化させる。このように、使用する波長帯域において、多数の画素ミラー５３のＯＮ状態及びＯＦＦ状態をランダムに切り替えれば、スペックルを低減させることができる。一方、ＤＭＤ５０は、取り出し波長列５６以外の複数の画素ミラー５３を、ＯＦＦ状態にする。

ＤＭＤ５０で反射した光は、フォーカシングレンズ４１及び分散光学素子３０を介して出射スリット６０から出射する。具体的には、フォーカシングレンズ４１及び分散光学素子３０を透過し、コリメータ光学系２０のビームスプリッタ２２及びコリメータレンズ２３、並びに、出射スリット６０を通過して、モノクロメータから出射される。このように、本実施形態の分光器１は、Ｒｅｔｒｏ配置とされている。

（比較例）
次に、比較例に係る分光器を説明する。図１０及び図１１は、比較例に係る分光器を例示した図である。図１０及び図１１に示すように、比較例の分光器１０１は、入射スリット１１０、コリメータ光学系１２０、分散光学素子１３０、フォーカシング光学系１４０、ＳＬＭ１５０、出射スリット１６０を備えている。入射スリット１１０は、光源で生成された光を通過させ、コリメータ光学系１２０に導く。

コリメータ光学系１２０は、コリメータレンズ１２１、コリメータレンズ１２３を含んでいる。コリメータレンズ１２１は、入射スリット１１０を通過した光を平行光に変換する。コリメータレンズ１２１によって平行光に変換された光は、分散光学素子１３０に入射する。

分散光学素子１３０は、コリメータレンズ１２１で平行光に変換された光を波長に応じて異なる角度に分散させる。

フォーカシング光学系１４０は、フォーカシングレンズ１４１を含む。例えば、図１０の分散方向を含むＸＹ面内においては、フォーカシングレンズ１４１は、－Ｘ軸方向側の焦点位置に分散光学素子１３０が位置するように配置されている。フォーカシングレンズ１４１は、＋Ｘ軸方向側の焦点位置にＳＬＭ１５０が位置するように配置されている。これによって、ＸＹ面内では、波長に応じて分散した入射スリット１１０の像がＳＬＭ１５０に形成される。

また、図１１に示すように、ＸＺ面内において、フォーカシング光学系１４０の光軸１４１Ａは、コリメータレンズ１２１の光軸１２１Ａからシフトした位置で平行に配置されている。例えば、フォーカシングレンズ１４１の光軸１４１Ａは、コリメータレンズ１２１の光軸１２１Ａから－Ｚ軸方向にシフトしている。ＳＬＭ１５０は、フォーカシング光学系１４０の光軸１４１Ａ上に配置されている。分散光学素子１３０を透過した光は、フォーカシング光学系１４０の光軸１４１ＡとＳＬＭ１５０との交点に向けて集光する。

比較例においては、ＳＬＭ１５０の反射面は、入射スリット１１０、出射スリット１６０と共役関係であり、フォーカシングレンズ１４１の光軸１４１Ａに対して垂直になるよう配置されている。しかしながら、分光器１０１では、ＳＬＭ１５０の中心付近で反射した場合のみ、分散した光の焦点が合う。一方、ＳＬＭ１５０の中心付近以外で反射した分散光は、焦点がずれる。よって、比較例では、焦点ずれにより、分光性能を向上させることができないという問題がある。

次に、本実施形態の効果を説明する。図１０及び図１１に示す比較例と比較して、実施形態１の分光器１は、ＤＭＤ５０の全面に対して焦点を合わせつつ、ＤＭＤ５０の各画素ミラー５３のミラー面５４に垂直に光を入射させることができる。よって、入射スリット１０を透過した光を高分解能で分光することができる。これにより、分光器１は、光利用効率及び分光性能を向上させることができる。

また、本実施形態の分光器１によれば、ＤＭＤ５０を用いた実用的な分光器１を実現することができる。具体的には、これまでの回折格子や分散プリズムを機械的に回転させる分光器と比較して、波長切り替えが１０００倍以上高速となる。さらに、１００ｎｍ以上離れた波長への切り替えでは、１００００倍以上の高速化を達成することができる。さらに、複数の波長を同時に透過させることが可能であり、画像検出器を用いた計測時間も大幅（２倍以上）に短縮することができる。これらのことから半導体計測装置を含む計測システムでのスループット（Ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ）を向上させることができる。

（変形例）
次に、変形例として、実施形態１の分光器１を半導体検査装置及び半導体測定装置等の半導体計測装置を含む計測システムに適用した例を説明する。図１２は、実施形態１の変形例に係る計測システムを例示した図である。図１２に示すように、計測システム１ａは、光源ＬＳ、分光器１、半導体計測装置８０、処理装置９０を備えている。本実施形態の計測システム１ａは、分光エリプソメトリを原理として用いてもよい。

光源ＬＳは、例えば、ＳＣレーザである。光源ＬＳは、シングルモードファイバーＳＦＢに接続されている。光源ＬＳで生成された光は、シングルモードファイバーＳＦＢを介し、シングルモードファイバー端面ＳＦＢＴから出射される。シングルモードファイバー端面ＳＦＢＴは、典型的にはφ４～５μｍである。シングルモードファイバー端面ＳＦＢＴは、分光器１の入射スリット１０を兼ねてもよい。このように、光は、ファイバーから出射したレーザ光を含んでもよく、入射スリット１０は、ファイバーの端面を含んでもよい。

分光器１は、入射した光を分散させ、所望の波長の光を出射光として出射スリット６０から出射させる。分光器１から出射した光をマルチモードファイバーＭＦＢに入射させる。なお、マルチモードファイバーＭＦＢの入口となるマルチモードファイバー端面ＭＦＢＴは、分光器１の出射スリット６０を兼ねてもよい。マルチモードファイバー端面ＭＦＢＴに入射した分光後の光は、マルチモードファイバーＭＦＢを介して、半導体計測装置８０内の光学系８１に入射する。そして、必要な測定または検査に利用される。

半導体計測装置８０は、分光器１から出射された光を用いて試料８９を検査または測定する。試料８９は、例えば、半導体基板、半導体回路等の半導体である。なお、試料８９は、半導体以外の部材でもよい。半導体計測装置８０は、光学系８１、基台８２、アイソレータ８３、光学定盤８４、フレーム８５、ステージ８６、ウェハホルダ８７、画像検出器８８を備えている。半導体計測装置８０において、基台８２上にアイソレータ８３を挟んで光学定盤８４が配置されている。光学定盤８４上に光学系８１を取り付けたフレーム８５が固定されている。また、光学定盤８４上における光学系８１の直下にステージ８６が配置されている。ステージ８６上にウェハホルダ８７に保持された試料８９が配置されている。半導体計測装置８０は、光学系８１を用いて試料８９を画像検出器８８で撮像する。これにより、試料８９を検査または測定する。

処理装置９０は、例えば、コンピュータ９１等の情報処理装置を含む。また、処理装置９０は、コンピュータ９１の他、例えば、ＤＭＤ制御部９２、画像検出器制御部９３、ステージ制御部９４を備えている。ＤＭＤ制御部９２は、ＤＭＤ５０の動作を制御する。画像検出器制御部９３は、画像検出器８８の動作を制御する。ステージ制御部９４は、ステージ８６の動作を制御する。

半導体計測装置８０は、分光器１から出射された複数の波長を含む光を独立に用いて試料８９を検査または測定してもよい。また、半導体計測装置８０は、試料８９から反射した光のうち、相互に異なる偏光成分の光を干渉させた干渉縞からエリプソメトリ計測を行ってもよい。そして、半導体計測装置８０は、干渉縞の周波数成分から複数の波長の光の情報を分離してエリプソメトリ計測を行ってもよい。これについては後述する。

（実施形態２）
次に、実施形態２に係る分光器を説明する。本実施形態の分光器は、ＸＺ面内で、入射光と出射光との光路を瞳分割で分けている。そして、ＤＭＤ５０の各画素ミラー５３のミラー面５４で、入射光の中心軸の入射角と、出射光の中心軸の出射角とが等しい配置である。これにより、コリメータ光学系２０において、ビームスプリッタ２２を用いる必要がなく、光利用効率をさらに向上させることができる。

図１３及び図１４は、実施形態２に係る分光器を例示した図である。図１３は、ＸＹ面に直交するＺ軸方向から見た図であり、ＸＹ面内の各構成の配置を示す。図１４は、Ｙ軸方向から見た図であり、ＸＺ面内の各構成の配置を示す。図１５及び図１６は、実施形態２に係る分光器において、ＤＭＤ５０を例示した断面図である。図１５は、Ｚ軸方向に直交する断面図を示している。図１６は、Ｙ軸方向に直交する断面図を示している。

図１３～図１６に示すように、本実施形態の分光器２では、ＸＺ面において、ミラー面５４に入射する光の中心軸の入射角は、ミラー面５４で反射した光の中心軸の反射角と等しい。

入射スリット１０は、光源で生成された光を通過させ、コリメータ光学系２０に導く。本実施形態の分光器２において、コリメータ光学系２０は、コリメータレンズ２１及びコリメータレンズ２３を含んでいる。本実施形態のコリメータ光学系２０は、ビームスプリッタ２２を有していない。コリメータレンズ２１は、入射スリット１０を通過した光を平行光に変換する。コリメータレンズ２１によって平行光に変換された光は、分散光学素子３０に入射する。

分散光学素子３０は、コリメータレンズ２１で平行光に変換された光を波長に応じて異なる角度に分散させる。フォーカシング光学系４０は、フォーカシングレンズ４１を含む。フォーカシングレンズ４１は、分散した光を収束させる。例えば、図１３に示すように、分散方向を含むＸＹ面内においては、フォーカシングレンズ４１は、波長に応じて分散した光をＤＭＤ５０上に収束させる。また、図１４に示すように、ＸＺ面内において、フォーカシングレンズ４１は、分散光学素子３０を透過した光をＤＭＤ５０上に収束させる。本実施形態において、入射する入射光の中心軸が入射角を持つように入射させる。これにより、ＤＭＤ５０のミラー面５４に入射する光の中心軸の入射角を、ミラー面５４で反射した光の中心軸の反射角と等しくする。

図１５に示すように、分散方向を含むＸＹ面の断面においては、基板５１の基板表面５２の切断線と、画素ミラー５３のミラー面５４の切断線と、は平行である。これらの切断線と、入射光の中心軸と、は垂直の配置となる。このような配置により、分散したすべての波長で焦点は、ミラー面５４と一致する。よって、分光性能を向上させることができる。

図１６に示すように、分散方向と垂直なＸＺ面の断面内においては、基板５１の基板表面５２と、フォーカシング光学系４０の光軸４１Ａと、は垂直である。ＸＺ面において、各画素ミラー５３のミラー面５４に入射する光の中心軸の入射角は、ミラー面５４で反射した光の中心軸の反射角と等しい。このような配置により、この面内でも焦点が画素ミラー５３のミラー面５４と一致する。よって、光利用効率及び分光性能を向上させることができる。

ＤＭＤ５０で反射した光は、フォーカシングレンズ４１及び分散光学素子３０を介して出射スリット６０から出射する。具体的には、フォーカシングレンズ４１及び分散光学素子３０を透過し、コリメータレンズ２３及び出射スリット６０を通過して、分光器２から出射される。ただし、コリメータレンズ２３の光軸２３Ａは、コリメータレンズ２１の光軸２１Ａよりも－Ｚ軸方向にずれている。よって、コリメータレンズ２３を透過する光は、コリメータレンズ２１を透過して分散光学素子３０及びフォーカシングレンズ４１を進む入射光から、－Ｚ軸方向にずれた光路を通る。この場合でも、本実施形態の分光器２は、Ｒｅｔｒｏ配置とされている。

図１５に示すように、分散方向を含むＸＹ面内においては、光が入射する入射スリット１０の波長ごとの像がＤＭＤ５０に形成される。ＤＭＤ５０で反射した光は、同じ分散光学素子３０を再度透過することで波長分散を相殺する。よって、波長に依存しない同じ位置に入射スリット１０の像が形成される。そこで、入射スリット１０の像が形成される位置に出射スリット６０を配置する。

図１６に示すように、分散方向に垂直なＸＺ面内においては、コリメータレンズ２１の光軸２１Ａとシフトされるように配置されたフォーカシングレンズ４１の光軸４１Ａ上にＤＭＤ５０が配置されている。よって、フォーカシングレンズ４１の光軸４１ＡとＤＭＤ５０の基板表面５２が垂直である。

本実施形態の分光器２も波長に応じて分散させた光の焦点は、ミラー面５４と一致する。よって、分光性能を向上させることができる。また、コリメータ光学系２０において、ビームスプリッタ２２を不要とすることができる。これ以外の構成及び効果は、実施形態１の記載に含まれている。

（実施形態３）
次に、実施形態３に係る分光器を説明する。本実施形態の分光器は、フォーカシングレンズ４１の光軸４１Ａをコリメータレンズ２１の光軸２１Ａからシフトさせる代わりに、フォーカシングレンズ４１を傾斜させている。このような構成でも、波長に応じて分散させた光の焦点は、ミラー面５４と一致する。

図１７及び図１８は、実施形態３に係る分光器を例示した図である。図１７は、ＸＹ面に直交するＺ軸方向から見た図であり、ＸＹ面内の各構成の配置を示す。図１８は、Ｙ軸方向から見た図であり、ＸＺ面内の各構成の配置を示す。図１９及び図２０は、実施形態３に係る分光器において、ＤＭＤ５０を例示した断面図である。図１９は、Ｚ軸方向に直交する断面図を示している。図２０は、Ｙ軸方向に直交する断面図を示している。

図１７～図２０に示すように、フォーカシングレンズ４１の光軸４１Ａは、コリメータレンズ２１の光軸２１Ａに対して傾斜している。具体的には、フォーカシングレンズ４１の光軸４１Ａ及びコリメータレンズ２１の光軸２１Ａは、ＸＺ平面内に位置している。フォーカシングレンズ４１の光軸４１Ａ及びコリメータレンズ２１の光軸２１Ａは、ＸＺ平面内において交差している。また、ＸＺ面において、ミラー面５４に入射する光の中心軸の入射角は、ミラー面５４で反射した光の中心軸の反射角と等しい。

入射スリット１０は、光源で生成された光を通過させ、コリメータ光学系２０に導く。コリメータ光学系２０のコリメータレンズ２１は、入射スリット１０を通過した光を平行光に変換する。コリメータレンズ２１によって平行光に変換された光は、分散光学素子３０に入射する。

分散光学素子３０は、コリメータレンズ２１で平行光に変換された光を波長に応じて異なる角度に分散させる。フォーカシング光学系４０のフォーカシングレンズ４１は、分散した光を収束させる。例えば、図１７に示すように、分散方向を含むＸＹ面内においては、フォーカシングレンズ４１は、波長に応じて分散した光をＤＭＤ５０上に収束させる。また、図１８に示すように、ＸＺ面内において、フォーカシングレンズ４１は、分散光学素子３０を透過した光をＤＭＤ５０上に収束させる。ＤＭＤ５０に入射する光の中心軸の入射角は、ミラー面５４で反射した光の中心軸の反射角と等しい。

図１９に示すように、分散方向を含むＸＹ面の断面においては、基板５１の基板表面５２の切断線と、画素ミラー５３のミラー面５４の切断線と、は平行である。これらの切断線と、入射光の主光線（光の中心軸）と、は垂直の配置となる。このような配置により、分散したすべての波長で焦点は、ミラー面５４と一致する。よって、分光性能を向上させることができる。

図２０に示すように、分散方向と垂直なＸＺ面の断面内においては、基板５１の基板表面５２と、フォーカシング光学系４０の光軸４１Ａと、は垂直である。ＸＺ面において、各画素ミラー５３のミラー面５４に入射する光の中心軸の入射角は、ミラー面５４で反射した光の中心軸の反射角と等しい。このような配置により、この面内でも焦点がＤＭＤ５０の画素ミラー５３のミラー面５４と一致する。よって、光利用効率及び分光性能を向上させることができる。

ＤＭＤ５０で反射した光は、フォーカシングレンズ４１及び分散光学素子３０を介して出射スリット６０から出射する。具体的には、フォーカシングレンズ４１及び分散光学素子３０を透過し、コリメータ光学系２０のコリメータレンズ２３及び出射スリット６０を通過して、モノクロメータから出射される。ただし、コリメータレンズ２１を透過して分散光学素子３０及びフォーカシングレンズ４１を進む入射光から、－Ｚ軸方向にずれた光路を通る。この場合でも、本実施形態の分光器３は、Ｒｅｔｒｏ配置とされている。

本実施形態でも、基板５１の基板表面５２と、フォーカシング光学系４０の光軸４１Ａと、は垂直である。また、各画素ミラー５３のミラー面５４に入射する光の中心軸の入射角は、ミラー面５４で反射した光の中心軸の反射角と等しい。よって、分散されたすべての波長の光の焦点がミラー面５４と一致する。よって、光利用効率及び分光性能を向上させることができる。これ以外の構成及び効果は、実施形態１及び２の記載に含まれている。

（実施形態４）
次に、実施形態４に係る分光器を説明する。本実施形態の分光器は、コリメータ光学系２０と分散光学素子３０との間に階段形状プリズムを配置させている。

図２１及び図２２は、実施形態４に係る分光器を例示した図である。図２１は、ＸＹ面に直交するＺ軸方向から見た図であり、ＸＹ面内の各構成の配置を示す。図２２は、Ｙ軸方向から見た図であり、ＸＺ面内の各構成の配置を示す。

図２１及び図２２に示すように、本実施形態の分光器４は、コリメータ光学系２０と分散光学素子３０との間に光学部材２５を配置されている。光学部材２５は、入射した光を分割し、分割された光に光路差を与える部材である。光学部材２５は、例えば、階段状プリズムを含む。

本実施形態の分光器４は、光路差を与える光学部材２５を有している。よって、ＳＣレーザ等、空間的コヒーレンシーが高い光源を使用した場合でも、光学部材２５で分割された光に干渉が起こる距離以上の光路差を設けることで、空間的コヒーレンシーを低減させることができる。

さらに、分光器４の動作において、ＤＭＤ５０の基板表面５２上で、入射した入射光が反射する部分の画素ミラー５３をすべてＯＮ状態に切り替えるのではなく、半分程度の画素ミラー５３のみをランダムな配置で反射させるとともに、そのランダムな配置が時間とともに変化するようにＤＭＤ５０を駆動させる。すなわち、図９で示したように、ＤＭＤ５０は、取り出し波長列５６の各画素ミラー５３を、ＯＮ状態またはＯＦＦ状態にランダムに変化させる。このような動作は、図１２のコンピュータ９１のソフトウェア及びＤＭＤ制御部９２を通して実現させる。これにより、ＳＣレーザ等の白色レーザを光源として利用する場合に、スペックルの発生を低減させ、半導体計測装置８０に用いられる光の照明光としての質を向上させることができる。これ以外の構成及び効果は、実施形態１～３の記載に含まれている。

（実施形態５）
次に、実施形態５に係る分光器を説明する。本実施形態は、自己干渉エリプソメトリを原理とする半導体計測装置８０に、前述の分光器１～４のいずれかを適用した場合の計測システムである。

図２３は、実施形態５に係る計測システムを例示した図である。図２３に示すように、計測システム５は、ＳＣレーザ等の光源ＬＳ、分光器１～４のいずれか、半導体計測装置８０、処理装置９０を備えている。計測システム５は、照明光Ｌ１が試料８９で反射した反射光Ｒ１を受光して、エリプソメトリ係数Ψ及びΔを測定する。

光学系８１は、照明レンズ８１ａ、偏光子８１ｂ、ビームスプリッタ８１ｃ、対物レンズ８１ｄ、リレーレンズ８１ｅ及び８１ｆ、偏光光学素子８１ｇ、検光子８１ｈ、画像検出器８８を含む。検光子８１ｈは、例えば、偏光板である。画像検出器８８は、例えば、カメラである。

光学系８１は、直線偏光を含む照明光Ｌ１で半導体等の試料８９を照明する。また、光学系８１は、照明光Ｌ１が試料８９で反射した反射光Ｒ１を集光する。具体的には、照明レンズ８１ａは、照明光Ｌ１を偏光子８１ｂに照射させる。例えば、照明レンズ８１ａは、マルチファイバーＭＦＢから出射した照明光Ｌ１を平行光に変換する。そして、平行光にした照明光Ｌ１を偏光子８１ｂに入射させる。

偏光子８１ｂは、一方向の直線偏光を含む照明光Ｌ１を透過させる。例えば、偏光子８１ｂは、偏光方向が紙面に対して４５°傾いた直線偏光の照明光Ｌ１をビームスプリッタ８１ｃに出射する。ビームスプリッタ８１ｃは、入射した照明光Ｌ１の一部を反射し、一部を透過させる。ビームスプリッタ８１ｃは、入射した照明光Ｌ１の一部を対物レンズ８１ｄに向けて反射する。ビームスプリッタ８１ｃで反射した照明光Ｌ１は、対物レンズ８１ｄに入射する。

対物レンズ８１ｄは、直線偏光を含む照明光Ｌ１で試料である試料８９を照明する。対物レンズ８１ｄは、ビームスプリッタ８１ｃで反射した照明光Ｌ１を点状に集光させて試料８９を照明する。そして、対物レンズ８１ｄは、照明光Ｌ１が試料８９で反射した反射光Ｒ１を透過させる。本実施形態の計測システム５では、試料８９に入射する照明光Ｌ１の光軸Ｃ、及び、試料８９で反射した反射光Ｒ１の光軸Ｃは、試料８９の測定面に対して直交している。

試料８９を照明する照明光Ｌ１は、一方向の直線偏光を含んでいる。そのような一方向の直線偏光を含む照明光Ｌ１は、集光されながら、試料８９の測定面に入射する。よって照明光Ｌ１が完全偏光でかつ直線偏光である場合には、光軸Ｃが試料８９の測定面に直交する場合に、測定面に入射する方位によって、照明光Ｌ１は、Ｐ偏光の部分もあれば、Ｓ偏光の部分もある。照明光Ｌ１におけるＳ偏光の部分は、Ｓ偏光として反射する。照明光Ｌ１におけるＰ偏光の部分は、Ｐ偏光として反射する。

対物レンズ８１ｄは、照明光Ｌ１が試料８９の測定面で反射した反射光Ｒ１を透過させて、ビームスプリッタ８１ｃに入射させる。ビームスプリッタ８１ｃは、入射した反射光Ｒ１の一部を透過させる。例えば、ビームスプリッタ８１ｃを透過した反射光Ｒ１は、リレーレンズ８１ｅに入射する。リレーレンズ８１ｅは、ビームスプリッタ８１ｃを透過した反射光Ｒ１を集光させ、像を結んだ後にリレーレンズ８１ｆに入射させる。リレーレンズ８１ｆは、入射した反射光Ｒ１を透過させて、偏光光学素子８１ｇに入射させる。

図２４は、実施形態５に係る計測システム５において、偏光光学素子８１ｇ、検光子８１ｈ及び画像検出器８８を例示した構成図である。図２４に示すように、偏光光学素子８１ｇは、直線偏光を含む照明光Ｌ１が試料８９で反射した反射光Ｒ１を、互いに直交する偏光方向の２つの直線偏光に分離して出射させる。偏光光学素子８１ｇは、例えば、ノマルスキープリズムである。

偏光光学素子８１ｇが分離する互いに直交した偏光方向を、α方向及びβ方向とする。この場合、α方向とβ方向が作る面と反射光Ｒ１の光軸は直交する。そうすると、偏光光学素子８１ｇは、α方向の直線偏光とβ方向の直線偏光とに分離する。そして、偏光光学素子８１ｇは、分離させたα方向の直線偏光とβ方向の直線偏光とを、画像検出器８８上で再び同一点となるように偏向して出射させる。なお、偏光光学素子８１ｇは、ノマルスキープリズムに限らず、ウォラストンプリズム、または、ローションプリズムを含んでもよい。

図２５は、実施形態５に係る計測システム５において、検光子を透過する直線偏光を例示した図である。図２５に示すように、検光子８１ｈは、偏光光学素子８１ｇが分離させたα方向の偏光方向及びβ方向の偏光方向と、４５［ｄｅｇ］傾いた方向における直線偏光の成分を透過させる。よって、検光子８１ｈは、α方向の偏光方向を有する直線偏光のうち、α方向と４５［ｄｅｇ］傾いた偏光成分を透過させる。また、検光子８１ｈは、β方向の偏光方向を有する直線偏光のうち、β方向と４５［ｄｅｇ］傾いた偏光成分を透過させる。よって、互いに直交した２つの直線偏光は、検光子８１ｈを透過することによって、同じ方向（４５［ｄｅｇ］傾いた方向）に偏光した偏光成分として出射する。検光子８１ｈから出射した当該偏光成分を含む反射光Ｒ１は、画像検出器８８に入射する。

画像検出器８８は、入射した反射光Ｒ１を受光する。画像検出器８８は、対物レンズ８１ｄの瞳位置１９aと共役な瞳共役位置１９ｂに配置されている。反射光Ｒ１は、互いに直交した２つの直線偏光における同じ方向の偏光成分を含んでいる。よって、反射光Ｒ１は、画像検出器８８上で干渉する。これにより、画像検出器８８上に干渉縞が形成される。画像検出器８８は、検光子８１ｈを透過した各偏光成分の干渉縞を検出する。

図２６は、実施形態５に係る計測システム５において、画像検出器８８に入射する反射光に含まれた各直線偏光の波面を例示した図である。図２７は、実施形態５に係る計測システム５において、画像検出器８８上で干渉した反射光の干渉縞を例示した図である。図２６及び図２７に示すように、偏光光学素子８１ｇによって分離された２つの直線偏光Ｒ１α及びＲ１βを含む反射光Ｒ１は、検光子８１ｈを透過し、画像検出器８８上で干渉縞を形成する。

処理装置９０は、画像検出器８８が検出した干渉縞から、エリプソメトリ係数Ψ及びΔを算出する。例えば、処理装置９０は、干渉縞における反射光Ｒ１の強度分布Ｉｆｒｉｎｇｅを以下の（１）式にフィッティングすることにより、エリプソメトリ係数Ψ及びΔを算出する。ここで、強度分布Ｉｆｒｉｎｇｅは画像検出器８８上の位置の関数である。

ここで、エリプソメトリ係数Ψは、（２）式より算出する。

図２８は、実施形態５に係る計測システム５において、画像検出器８８上の干渉縞から求められたエリプソメトリ係数を例示した図である。図２８に示すように、２つの偏光の強度の比（Ψ）と位相差（Δ）を変化させた場合には、画像検出器８８の各位置において、干渉縞を形成する反射光Ｒ１の強度が変化する。この関係を利用して干渉縞から、エリプソメトリ係数Ψ及びΔを求めることができる。

例えば、太線が示す強度変化を有する反射光Ｒ１については、２つの偏光の強度比Ｅ１：Ｅ２は１：１であり、位相差Δは０である。また、点線が示す強度変化を有する反射光Ｒ１については、２つの偏光の強度比Ｅ１：Ｅ２は１：１であり、位相差Δはπ／４である。また、細線が示す強度変化を有する反射光Ｒ１については、２つの偏光の強度比Ｅ１：Ｅ２は２：１であり、位相差Δは０である。このように、光学系８１は、分離された各偏光方向（α方向及びβ方向）の直線偏光を、４５[ｄｅｇ]傾斜させた透過軸を持つ検光子を透過させることで、２つの直線偏光の成分を干渉させ、画像検出器８８上の干渉縞からエリプソメトリ係数ΨとΔを算出する。

図２９は、実施形態５の別の例に係る計測システム５において、画像検出器８８上で干渉した反射光の干渉縞を例示した図である。図２９に示すように、ＤＭＤ５０で、２つの波長Ｉ及び波長ＩＩに対応する取り出し波長列５６の画素ミラー５３をＯＮ状態にして、波長Ｉ及び波長ＩＩを含む光を半導体計測装置８０に導いてもよい。この場合の干渉縞は、波長Ｉにおける干渉縞及び波長ＩＩにおける干渉縞が合成されたものになる。

得られた干渉縞からフーリエ変換により特定の周波数成分の振幅と位相の情報を得ることで、試料８９の表面状態を解析する。２波長同時に入射させた場合には、フーリエ変換時の窓関数を２か所に設けることで、２つの波長による干渉縞を同時に解析することが可能となる。

次に、本実施形態の効果を説明する。本実施形態の計測システム５は、エリプソメトリ係数Ψ及びΔの測定において、偏光光学素子８１ｇを利用する。偏光光学素子８１ｇは、試料８９で反射した反射光Ｒ１を、互いに直交する偏光方向の２つの直線偏光Ｒ１α及びＲ１βに分離し、分離した２つの直線偏光から干渉縞を画像検出器８８上に形成する。その干渉縞のコントラスト及び位相の測定結果から、２つの独立パラメータであるエリプソメトリ係数ΨとΔを直接測定する。これにより、これまでのエリプソメトリ係数ΨとΔの測定に必要であった回転する偏光子や補償子を用いた時系列の少なくとも４個の偏光成分の光量測定を不要とする。

また、これまでのエリプソメトリ係数ΨとΔの測定は、複数の異なる偏光状態の光の光量からストークス（ｓｔｏｋｅｓ）パラメータを求め、求めたストークスパラメータからエリプソメトリ係数Ψ及びΔを求めている。本実施形態では、直接かつ単一画像からエリプソメトリ係数ΨとΔを求めることができる。よって、短時間で測定することができるので、ＯＣＤ測定のスループットを向上させることができる。

また、これまでのエリプソメータと比較して、可動部がないため、より安定したエリプソメトリ係数ΨとΔの測定をすることができる。

さらに、ＯＣＤ測定装置に用いられる多くのエリプソメータにおいては、試料８９の表面に入射させる照明光Ｌ１の入射角は、ブリュースター（ｂｒｅｗｓｔｅｒ）角で固定であった。しかしながら、本実施形態では、大ＮＡの対物レンズ１７の瞳位置に共役な瞳共役位置に画像検出器４２を配置させることで、任意の入射角、入射方位でのエリプソメトリ係数ΨとΔの測定を可能とする。このような構成は、検光子等を回転させるこれまでのエリプソメータの構成では容易には実現することができない。

その結果、例えば、ウェハ上の微細構造モデルへのフィッティングにおいて、より多くの条件での計測結果を用いることができ、ＯＣＤ測定装置で問題となることの多い、異なるＤｉｍｅｎｓｉｏｎのカップリングの低減にもつながるため、特に３次元化が進展した現在の半導体構造の計測において精度を向上させることが期待される。さらに、照明光Ｌ１による試料８９の照明領域を、これまでのφ３０［μｍ］程度からφ１［μｍ］以下まで小さくすることができ、チップ内のＤｉｍｅｎｓｉｏｎの分布の評価もより高い位置分解能で行うことが可能となる。これらの測定結果をリソグラフィーや成膜、エッチング工程に反映させ、半導体製造のプロセスコントロールを適切に行うことができる。これにより、半導体製造における歩留まり及び生産性を向上させることができる。

さらに、ロジックにおいて、半導体チップ内に配置されているエリプソメトリ係数の測定用のテストパターンを、これまでの数十［μｍ］角であったものを、数［μｍ］角以下まで小さくすることができる。このため、半導体チップ内の回路に使える領域が増え、半導体デバイスのコスト低減にも貢献することができる。

本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、実施形態１～５の各構成は相互に組み合わせることができる。

１、２、３、４ 分光器
１ａ、５ 計測システム
１０ 入射スリット
１１ 入射スリット部
１９ 面
２０ コリメータ光学系
２１ コリメータレンズ
２１Ａ 光軸
２２ ビームスプリッタ
２３ コリメータレンズ
２５ 光学部材
３０ 分散光学素子
４０ フォーカシング光学系
４１ フォーカシングレンズ
４１Ａ 光軸
５０ ＤＭＤ
５１ 基板
５２ 基板表面
５３ 画素ミラー
５４ ミラー面
５５ 回転軸
５６ 取り出し波長列
５９ 反射面
６０ 出射スリット
６９ 面
８０ 半導体計測装置
８１ 光学系
８１ａ 照明レンズ
８１ｂ 偏光子
８１ｃ ビームスプリッタ
８１ｄ 対物レンズ
８１ｅ、８１ｆ リレーレンズ
８１ｇ 偏光光学素子
８１ｈ検光子
８２ 基台
８３ アイソレータ
８４ 光学定盤
８５ フレーム
８６ ステージ
８７ ウェハホルダ
８８ 画像検出器
８９ 試料
９０ 処理装置
９１ コンピュータ
９２ ＤＭＤ制御部
９３ 画像検出器制御部
９４ ステージ制御部
１０１ 分光器
１１０ 入射スリット
１２０ コリメータ光学系
１２１ コリメータレンズ
１２１Ａ 光軸
１２３ コリメータレンズ
１３０ 分散光学素子
１４０ フォーカシング光学系
１４１ フォーカシングレンズ
１４１Ａ 光軸
１５０ ＳＬＭ
１６０ 出射スリット
ＬＳ 光源
ＭＦＢ マルチモードファイバー
ＭＦＢＴ マルチモードファイバー端面
ＳＦＢ シングルモードファイバー
ＳＦＢＴ シングルモードファイバー端面

Claims (16)

1. 入射スリットを通過した光を平行光に変換するコリメータレンズと、
   前記コリメータレンズで平行光に変換された前記光を波長に応じて異なる角度に分散させる分散光学素子と、
   分散した前記光を収束させるフォーカシングレンズと、
   前記フォーカシングレンズで収束された前記光を反射する反射面を有するＳＬＭと、
   を備え、
   前記ＳＬＭで反射した前記光は、前記フォーカシングレンズ及び前記分散光学素子を介して出射スリットから出射し、
   異なる角度に分散された光の光路を含む第１面、及び、前記コリメータレンズの光軸及び前記フォーカシングレンズの光軸を含み前記第１面に直交した第２面、を定義した際に、前記第２面において、前記入射スリット、前記出射スリット及び前記反射面は、共役関係である、
   分光器。
2. 前記ＳＬＭは、板状の基板と、前記基板の基板表面にマトリックス状に配置された複数の画素ミラーとを含むＤＭＤであり、
   各画素ミラーは、前記光を反射するミラー面と、前記第２面に直交する方向に延びた回転軸と、を有し、
   前記各画素ミラーは、前記ミラー面が前記基板表面に対して第１角度で傾いた第１状態と、前記ミラー面が前記基板表面に対して第２角度で傾いた第２状態と、をとる、
   請求項１に記載の分光器。
3. 前記ＤＭＤは、前記第１面に直交する方向に沿った複数の前記画素ミラーを含む取り出し波長列を設定し、前記取り出し波長列の各画素ミラーを前記第１状態にすることにより、所定の波長帯域を含む前記光を前記出射スリットから出射させる、
   請求項２に記載の分光器。
4. 前記ＤＭＤは、複数の前記取り出し波長列を設定し、前記複数の前記取り出し波長列の各画素ミラーを前記第１状態にすることにより、複数の前記波長帯域を含む前記光を前記出射スリットから出射させる、
   請求項３に記載の分光器。
5. 前記ＤＭＤは、前記取り出し波長列の各画素ミラーを、前記第１状態または前記第２状態にランダムに変化させ、
   前記取り出し波長列以外の複数の前記画素ミラーを、前記第２状態にする、
   請求項３または４に記載の分光器。
6. 前記第２面において、前記ミラー面に入射する前記光の中心軸は、前記ミラー面に垂直に入射する、
   請求項２～５のいずれか１項に記載の分光器。
7. 前記第２面において、前記ミラー面に入射する前記光の中心軸の入射角は、前記ミラー面で反射した前記光の前記中心軸の反射角と等しい、
   請求項２～５のいずれか１項に記載の分光器。
8. 前記フォーカシングレンズの光軸は、前記コリメータレンズの光軸からシフトした位置で、前記コリメータレンズの光軸に平行に配置された、
   請求項１～７のいずれか１項に記載の分光器。
9. 前記フォーカシングレンズの光軸は、前記コリメータレンズの光軸に対して傾斜し、
   前記第２面において、前記ミラー面に入射する前記光の中心軸の入射角は、前記ミラー面で反射した前記光の前記中心軸の反射角と等しい、
   請求項２～５のいずれか１項に記載の分光器。
10. 前記コリメータレンズと前記分散光学素子との間に配置され、前記光を分割し、分割された前記光に光路差を与える光学部材をさらに備えた、
    請求項１～９のいずれか１項に記載の分光器。
11. 前記光学部材は、階段状プリズムを含む、
    請求項１０に記載の分光器。
12. 前記光は、ファイバーから出射したレーザ光を含み、
    前記入射スリットは、前記ファイバーの端面を含む、
    請求項１～１１のいずれか１項に記載の分光器。
13. 請求項１～１２のいずれか１項に記載の分光器と、
    前記分光器から出射された前記光を用いて半導体を検査または測定する半導体計測装置と、
    を備えた計測システム。
14. 分光エリプソメトリを原理として用いる、
    請求項１３に記載の計測システム。
15. 前記半導体計測装置は、前記分光器から出射された複数の波長を含む前記光を独立に用いて前記半導体を検査または測定する、
    請求項１３または１４に記載の計測システム。
16. 前記半導体から反射した光のうち、相互に異なる偏光成分の光を干渉させた干渉縞からエリプソメトリ計測を行い、
    前記干渉縞の周波数成分から複数の波長の前記光の情報を分離する、
    請求項１３～１５のいずれか１項に記載の計測システム。

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