JP3958134B2 - 測定装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、測定装置に関し、例えばＸ線・軟Ｘ線、ＥＵＶ光（極端紫外光）を対象とした光学素子の反射率や透過率等の光学特性を測定する際に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年のＸ線・軟Ｘ線、ＥＵＶ等の極短波長の光を対象とした半導体素子の製造装置が種々と提案されている。それに伴いこれらの製造装置に用いる光学素子の光学特性を測定する測定装置も種々と提案されている。
【０００３】
例えば軟Ｘ線を試料に照射して試料の特性（物理特性、化学特性）を評価する測定装置としては、たとえば、ミラーの反射率やフィルタの透過率を測定する測定装置がある。この測定装置では試料に単色すなわち単一の波長の光を照射し、試料で反射した光の強度や試料を透過した光の強度を計測している。そのほかには、光電子分光装置や、蛍光Ｘ線分析装置など、光と試料との相互作用を検出する測定装置が種々な分野で用いられている。
【０００４】
図１２は、極短波長の光を対象とした反射率の測定装置の概略図である。この測定装置は、光源１、分光器ＭＣ、集光光学系４、入射光強度モニタＭＯ、試料室ＴＲなどで構成される。光源１としてはシンクロトロン放射光やレーザープラズマ光源等が用いられる。これらの光源１からは単一の波長ではなく連続したスペクトルの光が放射される。
【０００５】
分光器ＭＣは前置鏡２、入口スリットＳ１、回折格子３、出口スリットＳ２等から構成され単色化作用を有しており、光源１から放射された連続スペクトルの光の中から単一の波長の光を選別する。測定条件に応じてその波長を任意に設定したり、測定中に波長を予め定めた幅の中で走査したりできるようになっている。
【０００６】
集光光学系４は凹面ミラーなどで構成され単色化された光を、試料Ｓａの上の微小な領域に集中して照射させる作用をもつ。
【０００７】
シンクロトロン放射光やレーザープラズマ光源から放射される光の強度は時間的に変動する。すなわちシンクロトロン光源では蓄積された電子の量が時間とともに減衰するため、放射される光の強度が時間とともに減衰する。レーザープラズマ光源では、ターゲットの温度や密度、表面状態などが変化した場合に放射される光の強度が変化する。またレーザープラズマを励起するレーザーの強度が僅かに変動しただけでも放射される光の強度は大幅に変化する。
【０００８】
また、分光器ＭＣは回折格子３や反射ミラー２、スリットＳ１、Ｓ２等の光学素子で構成されており、これらの光学素子の位置や姿勢が変化した場合、出射される光の出射位置や強度は変動する。光学素子の位置や姿勢の変動の原因としては、装置を設置した床の振動や、環境温度の変化などがある。
【０００９】
これらの要因のため試料Ｓａに照射される光の強度は、一定ではなく変動する。光と試料との相互作用を正確に計測するためには、試料に照射される光の強度をモニタすることが必須である。ここではこのための装置を「ビーム強度モニタ」又は「入射光強度モニタ」と呼ぶ。ビーム強度モニタＭＯはビームを複数に分割する機能と分割した一つのビームを参照ビームとしてそのビームの強度を検出する手段とを持っている。
【００１０】
Ｘ線やＥＵＶ光の波長領域では、ビーム強度モニタとしてビームを複数に分割する機能を持つ素子として可視光領域で用いられるようなハーフミラーやプリズム等のビームスプリッタを用いることが難しい。このため、従来のビーム強度モニタでは穴明きのセンサやメッシュ状の検出器が用いられていた。この検出器は穴のあいた形状のマイクロチャンネルプレートやフォトダイオードなどの検出器であって、穴の大きさより大きいサイズの光ビームを穴の位置に照射する。照射されたビームは、穴を通り抜けたビームと穴の周りに吸収されるビームとに分割される。穴を通り抜けたビームは試料に照射され、穴の周辺に吸収された光は検出器で強度が計測される。ここではこの検出器を仮に第１の検出器７と呼ぶ。
【００１１】
試料室ＴＲは試料Ｓａを入射ビームに対して任意の位置と角度に設定するステージや、試料を透過したり試料表面で反射したりした光の強度を測定する第２の検出器８などが設けられている。また、光の吸収を避けるため、試料室内を真空に排気できる機能を有している。
【００１２】
試料Ｓａの反射率の測定は以下の手順で実施される。
【００１３】
試料Ｓａを入れない状態で第２の検出器８を用いて光強度を計測する。この値をＳ１２０とする。同時に第１の検出器７を用いて光強度を検出する。この値をＳ１１０とする。
【００１４】
次に試料Ｓａを入れた状態で試料Ｓａで反射された光の強度を第２の検出器８を用いて検出するこの値をＳ１２１とする。同時に第１の検出器７を用いて光強度を検出する。この値をＳ１１１とする。このとき試料Ｓａの反射率Ｒは
【００１５】
【数１】
【００１６】
として算出される。第２の項のＳ１１０／Ｓ１１１は光源の光強度の変動を補正する項であって、光強度の変動がない場合には
Ｒ＝Ｓ１２１／Ｓ１２０
として算出される。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の測定装置のビーム強度モニタでは、照射されたビームのうち穴を通り抜けた光を試料に照射し、穴の周辺に遮られた光を検出器で光強度を計測している。
【００１８】
ところが、光源の位置や発光部の大きさの変動や、放射角度の変動、分光器内の回折格子、ミラー、スリットなどの光学素子の位置や角度の変動、などにより、分光器から出射されるビームの位置や、大きさや、強度分布が変化することがある。
【００１９】
この為図１２に示す従来の測定装置のビーム強度モニタにおいては、第１の検出器７の穴に対してビームの位置や大きさが変動したり、ビーム内の光強度分布が変化したりした場合には、測定値が変化する。
【００２０】
たとえば、均一な直径１ｍｍのビームを直径０．８ｍｍの穴径の第１の検出器７で検出した場合、入射ビームの３６％が第１の検出器７で検出され、残りの６４％が試料Ｓａに照射される。ここでビーム強度は変わらずにビーム径が０．９ｍｍに変化した場合、入射ビームの約２１％が第１の検出器７で検出され、残りの約７９％が試料Ｓａに照射されるようになる。試料Ｓａに照射される光の強度は１．２３倍に増大するにもかかわらず、第１の検出器７で検出されるビーム強度は０．５８倍に減少する。すなわちビームサイズが変化した場合には計測に誤差が生じることになる。
【００２１】
また、ビームの強度分布が均一ではない場合、第１の検出器７の穴とビームとの位置関係が変化したり、強度分布が変化したりすれば、計測に誤差が生じることになる。
【００２２】
本発明は光源からの放射強度やビームサイズそしてビーム強度分布等が変化しても光学素子の光学特性を高精度に測定することができる測定装置の提供を目的とする
【００２３】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の測定装置は、入射される光束を複数の光束に回折し、このうち０次回折光を試料に導光し、ｎ次回折光（ｎは０以外の整数）を参照光検出用の光検出器に導光する回折格子を含むビーム強度モニタを用いて該試料の特性を測定することを特徴としている。
【００２４】
請求項２の発明は請求項１の発明において前記回折格子からのｎ次回折光を前記参照光検出用の光検出器に集光する集光ミラーを有していることを特徴としている。
【００２５】
請求項３の発明は請求項２の発明において前記集光ミラーは、凹面トロイダルミラー又はシリンドリカルミラー、球面ミラー、回転楕円面ミラーであることを特徴としている。
【００２６】
請求項４の発明は請求項２又は３の発明において前記集光ミラーへの入射光の中心軸と反射光の中心軸とで定まる平面内において該集光ミラーは前記回折格子の中心と前記参照光検出用の光検出器の中心とは、共役となるようにしていることを特徴としている。
【００２７】
請求項５の発明は請求項１から４のいずれか１項の発明において前記回折格子はラミナー型又はブレーズ型の平面回折格子であることを特徴としている。
【００２８】
請求項６の発明の測定装置は光源と、該光源からの光束を分光し所定の波長の光束を出射する分光器と、該分光器からの光束を複数の光束に回折する回折格子と、該回折格子からの回折光のうちｎ次回折光（ｎは０以外の整数）を参照光検出用の光検出器に導光する集光ミラーと、該回折格子からの０次回折光であって試料を介した光を検出する信号光検出用の光検出器と、を有し、該参照光検出用の光検出器と該信号光検出用の光検出器からの出力信号を用いて、該試料の特性を測定することを特徴としている。
【００２９】
請求項７の発明は請求項６の発明において前記分光器の光出射口と前記回折格子の中心とを共役関係とする曲面反射鏡を有していることを特徴としている。
【００３０】
請求項８の発明は請求項６又は７の発明において前記集光ミラーへの入射光の中心軸と反射光の中心軸とで定まる平面内において前記回折格子の中心と前記参照光検出用の光検出器の中心は、共役であることを特徴としている。
請求項９の発明の測定装置は、
入射光を複数の回折光に分解する回折格子と、
前記複数の回折光のうち、所定の回折光の強度を測定する第１の光検出器と、
前記所定の回折光とは異なる、試料を介した回折光の強度を測定する第２の光検出器とを有する測定装置であって、
前記第２の光検出器の検出結果を、前記第１の光検出器の検出結果を用いて補正することを特徴としている。
請求項１０の発明は、請求項９の発明において、
前記第１の光検出器の検出結果を用いて、光源から発して前記回折格子に入射する光束の光強度の変動による、前記第２の光検出器の検出結果の変化を補償することを特徴としている。
請求項１１の発明は、請求項９又は１０の発明において、
前記回折格子と前記第１の光検出器との間に配置され、前記回折格子と前記第１の光検出器とを共役関係にする凹面反射鏡を有しており、
ここで、前記入射光が互いに異なる複数の波長の光を含むことを特徴としている。
請求項１２の発明の測定装置は、
入射光を複数の回折光に分解する回折格子と、
前記複数の回折光のうち、所定の回折光の強度を測定する第１の光検出器と、
前記所定の回折光とは異なる、試料を介した回折光の強度を測定する第２の光検出器とを有する測定装置であって、
前記回折格子と前記第１の光検出部との間に配置され、前記回折格子と前記第１の光検出部とを共役関係にする凹面反射鏡を有しており、
前記入射光が互いに異なる複数の波長の光を含むことを特徴としている。
請求項１３の発明は、請求項１２の発明において、
前記回折格子から出射する０次回折光を、前記第２の光検出器に導くことを特徴としている。
請求項１４の発明の半導体製造装置は、
請求項１乃至１３いずれかに記載の測定装置により測定された試料を有し、
光源から発し、前記試料を介した光を用いて半導体素子を製造することを特徴としている。
請求項１５の発明は、請求項１４の発明において、
前記光源は、Ｘ線、軟Ｘ線、ＥＵＶいずれかの光を発することを特徴としている。
請求項１６の発明の半導体製造方法は、
請求項１４又は１５に記載の半導体製造装置を用いて半導体を製造することを特徴としている。
【００３１】
【発明の実施の形態】
（実施形態1）
図1は本発明の実施形態１の要部概略図である。図１は試料として多層膜ミラーＳａの反射率を測定する測定装置を示している。
【００３２】
図１においてＭＣは分光器、ＭＯはビーム強度モニタ（入射光強度モニタ）、ＴＲは試料室である。１は光源であり、Ｘ線および紫外領域を発光するレーザープラズマ光源より成っている。
【００３３】
２は前置鏡であり、光源１からの光を反射集光し、入口スリットＳ１の開口部Ｓ１ａに導光している。
【００３４】
３は回折格子であり、入口スリットＳ１の開口部Ｓ１ａからの光のうちから所定の波長の光を出口スリットＳ２の開口部Ｓ２ａに導光している。
【００３５】
４は後置鏡（曲面反射鏡）であり、出口スリットＳ２の開口部Ｓ２ａからの光を回折格子５に導光している。
【００３６】
回折格子５は後置鏡４からの光を回折する。このうち０次光を信号光として反射率測定のための試料ステージに載置した試料Ｓａに導光し、０次光以外の次数の回折光を参照光として集光ミラー６に導光している。
【００３７】
試料Ｓａからの反射光を第２の検出器８で受光し、集光ミラー６からの光をモニター用（参照光検出用）の第１の光検出器７で受光している。部材５、６、７は入射光強度モニタＭＯの一要素を構成している。
【００３８】
図１の実施形態１の測定装置を説明する前にビーム強度モニタＭＯにおいて、入射光を回折格子５を用いて参照光と信号光の強度の比が常に一定となるように分割し、光検出器に導光する光学的作用について説明する。
【００３９】
図７は反射型の平面回折格子の模式図である。回折格子５の溝間隔をｄ、光Ｌ１の波長をλ、入射角をα、回折角をβ、とすると、
以下の関係が成り立つ。
【００４０】
ｄ×（ｓｉｎβ−ｓｉｎα）＝ｍ×λ
ここでｍは回折の次数で整数値をとる。
【００４１】
ｍ＝０の場合は０次回折光を示し、このときα＝βとなる。すなわち入射角と回折角が等しく、回折格子５の面に対して鏡面反射したのと同じである。この状況は式から明らかなように波長には依らない。これは０次の回折と呼ばれる。
【００４２】
本実施形態ではｍ＝０の次数の回折光を試料に照射する。回折格子５の０次以外の次数の回折光を試料に照射した場合には、回折光の波長によって試料上の照射位置が変化してしまい、試料の特性が面内で一様でない場合にはその差による誤差が生じる。また、反射率の測定の場合には、入射角が変化してしまう。さらに、試料が小さい場合には試料に照射されなくなってしまう、というような問題点が生じる可能性がある。このため、試料に照射される光は、波長によって角度が変化しない０次光を用いている。
【００４３】
本実施形態のビーム強度モニタＭＯでは、回折格子５からの０次以外の次数の回折光を光検出器で検出し、ビーム強度を計測する。
たとえば次数が１すなわちｍ＝１の場合は回折条件の式は
ｄ×（ｓｉｎβ−ｓｉｎα）＝λ
となり、この式から
ｓｉｎβ＝ｓｉｎα＋λ／ｄ
となる。この式から明らかなように、１次の回折光の回折角βは波長λによって異なることになる。この関係を図８に示す。この計算では、回折格子の溝間隔ｄを１μｍ、入射角αを８０度と仮定している。また、図９にブレーズ型の回折格子の回折効率の計算結果を示す。ここでも回折格子の溝間隔ｄを１μｍ、入射角αを８０度と仮定している。波長は１０ｎｍと１５ｎｍの２条件で計算している。０次光は波長が異なっても同じ角度に回折されているのに対し、１次光は波長により異なる角度に回折されることが分かる。
【００４４】
１次の回折光の回折角βは波長λによって異なることから、仮に回折格子から離れた位置に設けられた第１の検出器７に１次回折光をそのまま入射する場合には、第１の検出器７に入射する位置が波長により異なることになる。測定に用いる波長を変えた場合に検出器上の入射位置が異なれば、検出すべきビームが検出器の受光面に収まらず、正確に検出できないという問題が起こる。またこれを避けようとすれば、非常に大きな受光面の検出器が必要となり、装置の大型化やコストの増大の問題が生じる。
【００４５】
そこで本実施形態のビーム強度モニタＭＯでは、この一次回折光を凹面ミラー６で反射させて、測定する光の波長を変化させても、第１の検出器７の受光面内のほぼ同じ位置に入射するようにしている。
【００４６】
即ち回折格子５の入射位置を第一の焦点（物点）、第一の検出器７の受光面中央を第二の焦点（像点）に持つような凹面ミラー６からなる集光素子を用いることにより測定する光の波長を変化させても、第１の検出器７の受光面内のほぼ同じ位置に光が入射するようにしている。
【００４７】
第一の検出器７で検出するビームは回折格子５からの１次の回折光に限定されるものではなく、０次以外の次数であれば、任意の次数の回折光でも構わない。この場合も、０次以外の次数の回折光の回折角は波長によって異なるので、回折光を凹面ミラー６で反射させて、測定する光の波長を変化させても、第１の検出器７の受光面内のほぼ同じ位置に入射するようにすればよい。
【００４８】
反射型の回折格子としては、ブレーズ型、ラミナー型など既知の方式の回折格子を用いることができる。また、第一の検出器７で検出される光強度と試料に照射される光強度が所定の比になるように、その形状を選定することができる。
【００４９】
図１０にブレーズ型回折格子の異なるブレーズ角に対する回折効率の計算結果の例を示す。回折格子の溝間隔ｄを１μｍ、入射角αを８０度、波長は１０ｎｍで計算している。
【００５０】
本実施形態では回折格子５によって入射光の光強度が変化しても、０次光とｎ次回折光の光強度比が常に一定となる光学性質を利用して、光を分割している。
【００５１】
ビーム強度モニタＭＯでは測定条件に応じて、測定精度が最も高くなるような強度比に分配することが望ましい。たとえば反射率５０％程度の試料の反射率を計測する場合、試料に照射される光の強度を、第一の検出器７に照射される光の強度の２倍程度とすれば、測定精度が最も高くなる。
【００５２】
回折格子５はブレーズ型に限定されるものではなく、どのような形式のものでも構わない。図１１にラミナー型の回折格子の回折効率の計算結果の例を示す。回折格子の溝間隔ｄを１μｍ、入射角αを８０度、波長は１０ｎｍ、溝深さ９０ｎｍ、デューティー比０．５で計算している。ラミナー型回折格子においても同様に、溝深さとデューティー比（溝でない部分の幅と溝ピッチとの比）を最適に選ぶことで各次数の回折効率が変化するので、測定精度が最も高くなるように設定すればよい。
【００５３】
次に図１の各部材の作用について説明する。
【００５４】
一般に多層膜ミラーＳａの反射率は測定光の波長、多層膜ミラーＳａへの光の入射角に依存する。そこで本実施形態ではプラズマ光源１からは連続波長を持つ発散光が発光するので、光学系を介して、同一の入射角でかつ単色の光を試料Ｓａに導いている。前置鏡２は光源１からのＥＵＶ光を取り込み、光源１の像をスリットＳ１の開口部に結像する。ここにスリットＳ１を設置し、その開口部の大きさを調節して、取り込む光源サイズを制限する。回折格子３は入射される光を波長により異なる角度に回折するので下流にスリットＳ２を設けることで分光を行なっている。すなわち光源１から放射された連続スペクトルの光の中から分光器ＭＣにより単一の波長の光をスリットＳ２に導光し、測定光を選別する。測定条件に応じて回折格子３を回動してその波長を任意に設定したり、測定中に波長を予め定めた幅の中で走査したりできるようにしている。前置鏡２、スリットＳ１、回折格子３、スリットＳ２の各部材は公知の定偏角モノクロメーター（分光器）ＭＣの一要素を構成している。
【００５５】
後置鏡４は集光作用を持ち、スリットＳ２の像を試料Ｓａ上へ結像する。よって、被測定試料Ｓａには集光したかつ単色の光が照射される。試料Ｓａと反射光の強度を検出する光検出器８はθ−２θのステージに設置され、これより、試料Ｓａの反射率が測定される。前置鏡２、回折格子３、後置鏡４はＸ線領域での全反射を利用するため、通常、斜入射で用いられている。
【００５６】
試料Ｓａの反射率の波長依存性を測定するときは、スリットＳ１、Ｓ２の位置を固定したまま分光器の回折格子３を回転し、波長走査を行ない、スリットＳ２の開口部Ｓ２ａから射出する光の波長を変えている。
【００５７】
レーザープラズマ光源１では、ターゲットの温度や密度、表面状態などが変化した場合に放射される光の強度が変化する。またレーザープラズマを励起するレーザーの強度が僅かに変動しただけでも放射される光の強度は大幅に変化する。そこで本実施形態では、光源１から放射される光の強度変動による計測誤差を補正するために、後置鏡４と試料Ｓａとの間の光路中に入射光強度モニタＭＯが設けられている。図２は図１の回折格子５以降の拡大説明図である。
【００５８】
図２に示す入射光強度モニタＭＯは反射型の平面回折格子５と、凹円筒面ミラー６と、第１の検出器７を有している。平面回折格子５は溝間隔０．５μｍのラミナー型あるいはブレーズ型の回折格子である。
【００５９】
凹面トロイダルミラー４で反射した光は回折格子５に入射し、０次回折光は試料Ｓａに照射される。１次回折光は円筒面ミラー６で反射され、第１の検出器７に入射する。第１の検出器７はフォトダイオードである。
【００６０】
回折格子５（中心点５ａ）から凹面ミラー６（中心点６ａ）までの距離をＬ１、凹面ミラー６（中心点６ａ）から第１の検出器７（開口部７ａ）までの距離をＬ２とすれば、異なる波長を持ち回折格子５で異なる角度に回折された光が第１の検出器７の同じ位置に入射する条件は
１÷Ｌ１＋１÷Ｌ２＝１÷ｆ
である。たとえば、Ｌ１＝Ｌ２＝２００ｍｍの場合、凹面ミラー６の焦点距離ｆ＝１００ｍｍとなる。
【００６１】
凹面ミラー６の入射光の光軸と反射光の光軸の２つの直線で定まる平面（ＸＹ平面）で考えた時の凹面ミラー６の曲率半径をＲ１、入射角をθとすると、凹面ミラー６の焦点距離ｆは
ｆ＝Ｒ１÷２×ｃｏｓ（θ）
で表される。したがって、上記条件
ｆ＝１００ｍｍ、θ＝８０°
の場合、Ｒ＝２×ｆ／ｃｏｓθより
Ｒ１＝１１５２ｍｍ
となる。すなわち凹面ミラー６への入射光の光軸（中心軸）と反射光の光軸（中心軸）の２つの直線で定まる平面（ＸＹ平面）で考えた時凹面ミラー６として曲率半径１１５２ｍｍの凹面鏡を用いればよい。
【００６２】
後置鏡４で出口スリットＳ２と回折格子５を共役関係となるようにし、更に集光ミラー６によって回折格子５の中心部と第１の光検出器７の中心部とが略共役関係となるようにして、出口スリットＳ２から単色光が種々の角度で出射しても光検出器７の同一位置に参照光が入射するようにしている。
【００６３】
上記平面と垂直方向の曲率については、凹面ミラー６で反射したビームが第１の検出器７の受光面に収まるという条件を満たすように決定すればよい。この方向には回折格子５において波長による回折角度の差はないので、大きな集光作用を持たせる必要はない。
【００６４】
凹面ミラー６への入射光の光軸と反射光の光軸の２つの直線で定まる平面（ＸＹ平面）に垂直で光の入射点における凹面ミラーの法線を含んだ面（垂直面）で考えた時の曲率半径をＲ２、入射角をθとすると、垂直面内の焦点距離ｆは
ｆ＝Ｒ２÷２÷ｃｏｓ（θ）
で表される。斜入射の場合、焦点距離ｆは非常に大きくなり、この方向には大きな集光作用を持たないことになる。そこでＲ１＝Ｒ２とした球面鏡やＲ２＝∞としたシリンドリカル面鏡などを用いることができる。凹面ミラー６として厳密に第一の検出器７の受光面で集光するようにトロイダル面鏡、あるいは回転楕円面ミラーを用いてもよい。このときそれぞれの方向の曲率半径Ｒ１、Ｒ２は通常の光線追跡（レイトレース）法などにより最適化すればよい。この他回転非対称な曲面より成る凹面鏡を用いてもよい。
【００６５】
ここまでの説明では、入射光強度モニタＭＯに入射するビームの角度発散を考慮していない。実際の反射率を測定する光学系では、後置鏡４によってビームは集光作用をうけ、試料Ｓａ上の小さな領域に光が集中するようになっている。図３はこのときの状況の概略図である。入射光強度モニタＭＯに入射するビームが収束ビームである場合には、上記のように、異なる波長を持ち回折格子５で異なる角度に回折された光が検出器７の同じ位置に入射する条件を満たすように配置された光学系では、第１の検出器７に入射する手前で光線が交差し、検出器７の上の集光サイズは大きくなる。このような場合には、凹面集光ミラー６の焦点距離ｆを
１÷Ｌ１＋１÷Ｌ２＝１÷ｆ
で求められる焦点距離よりも長い焦点距離とすることで、検出器７の上での集光サイズを小さくできる。但し、その場合には、波長走査に伴う集光位置の変化が大きくなる。そこで、集光サイズと波長走査に伴う集光位置の変化をあわせて、検出器７の受光面上の最大照射領域を考え、これを最小となるように凹面集光ミラーの焦点距離を設定すればよい。具体的には、通常の光線追跡（レイトレース）法などにより最適化すればよい。
【００６６】
また、入射光強度モニタＭＯの回折格子５の１次回折光が第１の検出器７に入射するとしたが、これはこの次数に限定されるものではなく、０次以外の任意の次数の光で構わない。図４は回折格子５の−１次回折光を第１の検出器７に入射する概略図である。回折格子５の１次回折光が第１の検出器７に入射する例では凹面集光ミラー６の後ろ側を試料Ｓａに向かうビームが通過するために凹面集光ミラー６の厚さを薄くする必要があったが、回折格子５の−１次回折光が第１の検出器７に入射する例では凹面集光ミラー６の後ろ側をビームが通過しないために凹面集光ミラー６の厚さに対する制限がなくなる。このためミラーの製造や保持の方法に対する自由度が高くなる。
【００６７】
但し、何れの場合においても、試料Ｓａに照射される光は、波長変更による照射位置の変化を避けるために、入射光強度モニタＭＯの回折格子５の０次回折光である必要がある。
【００６８】
試料室ＴＲは試料Ｓａを入射ビームに対して任意の位置と角度に設定するステージや、試料Ｓａを透過したり試料Ｓａの表面で反射したりした光の強度を測定する第２の検出器８などが設けられている。また、光の吸収を避けるため、試料室ＴＲ内を真空に排気できる機能を有している。
【００６９】
第２の検出器８としては、フォトダイオード、電荷結合型撮像素子（ＣＣＤ）、マイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）、電子増倍管、比例計数管など、通常用いられる検出器７を用いることができる。
【００７０】
尚、本実施形態において、集光ミラー６を用いなくてもよい。このときは分光器ＭＣから出射したビームの位置や角度が変化すると検出器７の検出面内でも光の入射位置が変化する。このときは、これに伴う計測誤差ができるだけ小さくなるように、検出器７としては、できるだけ面内の感度が一様な検出器７が望ましい。またＣＣＤやＭＣＰなど、位置分解能を有する検出器を用いた場合には、ビームの入射位置の関数として検出器の感度を予め測定しておいて、実際の測定時には測定された光強度の値とその入射位置から、先に求めた関数を用いて感度補正を行うことができ、さらに計測精度を向上することができる。
【００７１】
試料Ｓａの反射率の測定は以下の手順で実施される。まず試料Ｓａを入れない状態で、第２の検出器８を用いて光強度を計測する。この値をＳ１２０とする。同時に入射光強度モニタＭＯの第１の検出器７を用いて光強度を検出する。この値をＳ１１０とする。
【００７２】
次に試料Ｓａを入れた状態で試料Ｓａで反射された光の強度を第２の検出器８を用いて検出する。この値をＳ１２１とする。同時に入射光強度モニタＭＯの第１の検出器７を用いて光強度を検出する。この値をＳ１１１とする。
試料Ｓａの反射率Ｒは
【００７３】
【数２】
【００７４】
として算出される。第２の項の（Ｓ１１０／Ｓ１１１）は光源１の光強度の変動を補正する項である。
【００７５】
この測定を分光器ＭＣの回折格子３の角度を変更することで試料Ｓａに照射される光の波長を変えながら繰り返して行う。この一連の測定によって、試料Ｓａの反射率の波長依存性Ｒ（λ）を精度よく測定することができる。
【００７６】
また、別の手順として以下の方法でもよい。まず、試料Ｓａを入れない状態で波長走査を行い第２の検出器８を用いて光強度を計測する。この値をＳ１２０（λ）とする。同時に入射光強度モニタＭＯの第１の検出器６を用いて光強度を検出する。この値をＳ１１０（λ）とする。次に試料Ｓａを入れた状態で波長走査を行い試料Ｓａで反射された光の強度を第２の検出器８を用いて検出する。この値をＳ１２１（λ）とする。同時に入射光強度モニタＭＯの第１の検出器６を用いて光強度を検出する。この値をＳ１１１（λ）とする。
【００７７】
試料Ｓａの反射率の波長依存性Ｒ（λ）は
【００７８】
【数３】
【００７９】
として算出される。第２の項の（Ｓ１１０（λ）／Ｓ１１１（λ））は光強度変動を補正する項である。
【００８０】
本実施形態においては、入射光強度モニタＭＯに対して入射光の位置、入射光角度、入射光形状、入射光サイズ、等が変動した場合でも、回折格子５によって常に一定の割合に入射光が分割され、一方が試料Ｓａに照射され、他方が凹面集光ミラー６によって反射されたのちに波長に依らず検出器７の受光面内のほぼ同一の位置に照射される。したがって、試料Ｓａに照射される入射光の強度の変動を入射光強度モニタＭＯにより正確に計測することができる。この光学装置によれば、光源１から放射される光の強度変動や、分光器ＭＣの光学素子２、３の変動等が生じた場合においても、その変動を正確に補正することが可能になり、試料Ｓａの反射率や透過率等の特性を精度よく測定することが可能になる。
【００８１】
また、試料Ｓａには入射光強度モニタＭＯの回折格子５で回折した０次回折光が照射されるため、波長によって照射位置や角度が変化するようなことがなく、試料Ｓａを同一条件で測定することができる。このため測定精度が高いという利点や、小さな試料Ｓａの計測が可能であるという利点がある。
【００８２】
（実施形態２）
図５は本発明の実施形態２の要部概略図である。図５は光電子分光を利用して試料Ｓａの特性を測定する装置を示している。
【００８３】
光電子分光は真空中に置かれた試料Ｓａに高エネルギーの単色光を照射し、外部光電効果によって放出される光電子のエネルギースペクトルを測定する手法である。図５は光電子分光器ＭＣの測定系の要部を示している。装置の主な構成要素は、プラズマ光源１、分光器ＭＣ、回転ステージ、光電子エネルギー分析器ＴＲである。
【００８４】
光源１からの光は、実施形態１の反射率の測定装置と同様な構成で、分光器ＭＣにより単色化され、入射光強度モニタＭＯを介して試料Ｓａに照射され、試料Ｓａから出てきた光電子を光検出器８で検出し、演算手段９で解析することで試料Ｓａ固有の情報を得ている。
【００８５】
図６は実施形態２の光学装置の入射光強度モニタＭＯの概略図である。
【００８６】
入射光強度モニタＭＯは透過型の平面回折格子５ａと、凹円筒面ミラー６と、第１の検出器７を有している。透過型の平面回折格子５ａは溝間隔０．２μｍの自立した金属の格子で形成されている。
【００８７】
後置鏡４で反射した光は透過型の平面回折格子５ａに入射し、真っ直ぐに通り抜けた０次回折光は試料Ｓａに照射される。１次回折光（ｍ＝１）は円筒面ミラー６で反射され、第１の検出器７に入射する。第１の検出器７はフォトダイオードである。
【００８８】
実施形態２においては、入射光強度モニタＭＯに対して入射光の位置、入射光角度、入射光形状、入射光サイズ、等が変動した場合でも、透過型の平面回折格子５ａによって常に一定の割合に入射光が分割され、一方が試料Ｓａに照射され、他方が凹面ミラー６によって反射されたのちに波長に依らず第１の検出器７の受光面内のほぼ同一の位置に照射される。したがって、試料Ｓａに照射されるビーム（光）の強度の変動を入射光強度モニタＭＯにより正確に計測することができる。この光学装置によれば、光源１から放射される光の強度変動や、分光器ＭＣの光学素子の変動（位置の変動や、光学特性の変動）等が生じた場合においても、その変動を正確に補正することが可能になり、試料Ｓａの光電子スペクトル等の特性を精度よく測定することができる。
【００８９】
また、試料Ｓａには入射光強度モニタＭＯの回折格子５ａで回折した０次回折光が照射されるため、波長によって照射位置や角度が変化するようなことがなく、試料Ｓａを同一条件で測定することができる。このため測定精度が高いという利点や、小さな試料Ｓａの計測が可能であるという利点がある。
【００９０】
尚、本発明に係るビーム強度モニタはＸ線（軟Ｘ線）を試料に入射させ、該試料を反射又は透過する光（電磁波）を検出して、試料を測定する装置であればどのような装置にも適用できる。例えば反射率の測定装置や、光電子分光器に限るものでなく、分光測定が必要な反射型ＸＡＦＳ、蛍光ＸＡＦＳ、Ｘ線小角散乱、軟Ｘ線分光計、Ｘ線回折、ＸＰＳ、ＡＥＳ、ＲＨＥＥＤ、ＲＥＥＤ等に適用できる。
【００９１】
【発明の効果】
本発明によれば光源からの放射強度やビームサイズそしてビーム強度分布等が変化しても光学素子の光学特性を高精度に測定することができる測定装置を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態１の要部概略図
【図２】 図１の一部分の拡大説明図
【図３】 図１の一部分の拡大説明図
【図４】 図１の一部分の他の実施形態の説明図
【図５】 本発明の実施形態２の要部概略図
【図６】 図５の一部分の拡大説明図
【図７】 回折格子と光線との関係説明図
【図８】 波長と回折角との関係説明図
【図９】 ブレーズ型回折格子の回折効率の説明図
【図１０】 ブレーズ型回折格子の回折効率の説明図
【図１１】 ラミナー型回折格子の回折効率の説明図
【図１２】 従来例の反射率測定装置の概略図
【符号の説明】
１ 光源
２ 前置鏡
３、５ 回折格子
４ 後置鏡
６ 集光ミラー
７ 第１の光検出器
８ 第２の光検出器
Ｓ１ 入口スリット
Ｓ２ 出口スリット
ＭＣ 分光器
ＭＯ ビーム強度モニタ
ＴＲ 試料室
Ｓａ 試料
【発明の属する技術分野】
本発明は、測定装置に関し、例えばＸ線・軟Ｘ線、ＥＵＶ光（極端紫外光）を対象とした光学素子の反射率や透過率等の光学特性を測定する際に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年のＸ線・軟Ｘ線、ＥＵＶ等の極短波長の光を対象とした半導体素子の製造装置が種々と提案されている。それに伴いこれらの製造装置に用いる光学素子の光学特性を測定する測定装置も種々と提案されている。
【０００３】
例えば軟Ｘ線を試料に照射して試料の特性（物理特性、化学特性）を評価する測定装置としては、たとえば、ミラーの反射率やフィルタの透過率を測定する測定装置がある。この測定装置では試料に単色すなわち単一の波長の光を照射し、試料で反射した光の強度や試料を透過した光の強度を計測している。そのほかには、光電子分光装置や、蛍光Ｘ線分析装置など、光と試料との相互作用を検出する測定装置が種々な分野で用いられている。
【０００４】
図１２は、極短波長の光を対象とした反射率の測定装置の概略図である。この測定装置は、光源１、分光器ＭＣ、集光光学系４、入射光強度モニタＭＯ、試料室ＴＲなどで構成される。光源１としてはシンクロトロン放射光やレーザープラズマ光源等が用いられる。これらの光源１からは単一の波長ではなく連続したスペクトルの光が放射される。
【０００５】
分光器ＭＣは前置鏡２、入口スリットＳ１、回折格子３、出口スリットＳ２等から構成され単色化作用を有しており、光源１から放射された連続スペクトルの光の中から単一の波長の光を選別する。測定条件に応じてその波長を任意に設定したり、測定中に波長を予め定めた幅の中で走査したりできるようになっている。
【０００６】
集光光学系４は凹面ミラーなどで構成され単色化された光を、試料Ｓａの上の微小な領域に集中して照射させる作用をもつ。
【０００７】
シンクロトロン放射光やレーザープラズマ光源から放射される光の強度は時間的に変動する。すなわちシンクロトロン光源では蓄積された電子の量が時間とともに減衰するため、放射される光の強度が時間とともに減衰する。レーザープラズマ光源では、ターゲットの温度や密度、表面状態などが変化した場合に放射される光の強度が変化する。またレーザープラズマを励起するレーザーの強度が僅かに変動しただけでも放射される光の強度は大幅に変化する。
【０００８】
また、分光器ＭＣは回折格子３や反射ミラー２、スリットＳ１、Ｓ２等の光学素子で構成されており、これらの光学素子の位置や姿勢が変化した場合、出射される光の出射位置や強度は変動する。光学素子の位置や姿勢の変動の原因としては、装置を設置した床の振動や、環境温度の変化などがある。
【０００９】
これらの要因のため試料Ｓａに照射される光の強度は、一定ではなく変動する。光と試料との相互作用を正確に計測するためには、試料に照射される光の強度をモニタすることが必須である。ここではこのための装置を「ビーム強度モニタ」又は「入射光強度モニタ」と呼ぶ。ビーム強度モニタＭＯはビームを複数に分割する機能と分割した一つのビームを参照ビームとしてそのビームの強度を検出する手段とを持っている。
【００１０】
Ｘ線やＥＵＶ光の波長領域では、ビーム強度モニタとしてビームを複数に分割する機能を持つ素子として可視光領域で用いられるようなハーフミラーやプリズム等のビームスプリッタを用いることが難しい。このため、従来のビーム強度モニタでは穴明きのセンサやメッシュ状の検出器が用いられていた。この検出器は穴のあいた形状のマイクロチャンネルプレートやフォトダイオードなどの検出器であって、穴の大きさより大きいサイズの光ビームを穴の位置に照射する。照射されたビームは、穴を通り抜けたビームと穴の周りに吸収されるビームとに分割される。穴を通り抜けたビームは試料に照射され、穴の周辺に吸収された光は検出器で強度が計測される。ここではこの検出器を仮に第１の検出器７と呼ぶ。
【００１１】
試料室ＴＲは試料Ｓａを入射ビームに対して任意の位置と角度に設定するステージや、試料を透過したり試料表面で反射したりした光の強度を測定する第２の検出器８などが設けられている。また、光の吸収を避けるため、試料室内を真空に排気できる機能を有している。
【００１２】
試料Ｓａの反射率の測定は以下の手順で実施される。
【００１３】
試料Ｓａを入れない状態で第２の検出器８を用いて光強度を計測する。この値をＳ１２０とする。同時に第１の検出器７を用いて光強度を検出する。この値をＳ１１０とする。
【００１４】
次に試料Ｓａを入れた状態で試料Ｓａで反射された光の強度を第２の検出器８を用いて検出するこの値をＳ１２１とする。同時に第１の検出器７を用いて光強度を検出する。この値をＳ１１１とする。このとき試料Ｓａの反射率Ｒは
【００１５】
【数１】
として算出される。第２の項のＳ１１０／Ｓ１１１は光源の光強度の変動を補正する項であって、光強度の変動がない場合には
Ｒ＝Ｓ１２１／Ｓ１２０
として算出される。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の測定装置のビーム強度モニタでは、照射されたビームのうち穴を通り抜けた光を試料に照射し、穴の周辺に遮られた光を検出器で光強度を計測している。
【００１８】
ところが、光源の位置や発光部の大きさの変動や、放射角度の変動、分光器内の回折格子、ミラー、スリットなどの光学素子の位置や角度の変動、などにより、分光器から出射されるビームの位置や、大きさや、強度分布が変化することがある。
【００１９】
この為図１２に示す従来の測定装置のビーム強度モニタにおいては、第１の検出器７の穴に対してビームの位置や大きさが変動したり、ビーム内の光強度分布が変化したりした場合には、測定値が変化する。
【００２０】
たとえば、均一な直径１ｍｍのビームを直径０．８ｍｍの穴径の第１の検出器７で検出した場合、入射ビームの３６％が第１の検出器７で検出され、残りの６４％が試料Ｓａに照射される。ここでビーム強度は変わらずにビーム径が０．９ｍｍに変化した場合、入射ビームの約２１％が第１の検出器７で検出され、残りの約７９％が試料Ｓａに照射されるようになる。試料Ｓａに照射される光の強度は１．２３倍に増大するにもかかわらず、第１の検出器７で検出されるビーム強度は０．５８倍に減少する。すなわちビームサイズが変化した場合には計測に誤差が生じることになる。
【００２１】
また、ビームの強度分布が均一ではない場合、第１の検出器７の穴とビームとの位置関係が変化したり、強度分布が変化したりすれば、計測に誤差が生じることになる。
【００２２】
本発明は光源からの放射強度やビームサイズそしてビーム強度分布等が変化しても光学素子の光学特性を高精度に測定することができる測定装置の提供を目的とする
【００２３】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の測定装置は、入射される光束を複数の光束に回折し、このうち０次回折光を試料に導光し、ｎ次回折光（ｎは０以外の整数）を参照光検出用の光検出器に導光する回折格子を含むビーム強度モニタを用いて該試料の特性を測定することを特徴としている。
【００２４】
請求項２の発明は請求項１の発明において前記回折格子からのｎ次回折光を前記参照光検出用の光検出器に集光する集光ミラーを有していることを特徴としている。
【００２５】
請求項３の発明は請求項２の発明において前記集光ミラーは、凹面トロイダルミラー又はシリンドリカルミラー、球面ミラー、回転楕円面ミラーであることを特徴としている。
【００２６】
請求項４の発明は請求項２又は３の発明において前記集光ミラーへの入射光の中心軸と反射光の中心軸とで定まる平面内において該集光ミラーは前記回折格子の中心と前記参照光検出用の光検出器の中心とは、共役となるようにしていることを特徴としている。
【００２７】
請求項５の発明は請求項１から４のいずれか１項の発明において前記回折格子はラミナー型又はブレーズ型の平面回折格子であることを特徴としている。
【００２８】
請求項６の発明の測定装置は光源と、該光源からの光束を分光し所定の波長の光束を出射する分光器と、該分光器からの光束を複数の光束に回折する回折格子と、該回折格子からの回折光のうちｎ次回折光（ｎは０以外の整数）を参照光検出用の光検出器に導光する集光ミラーと、該回折格子からの０次回折光であって試料を介した光を検出する信号光検出用の光検出器と、を有し、該参照光検出用の光検出器と該信号光検出用の光検出器からの出力信号を用いて、該試料の特性を測定することを特徴としている。
【００２９】
請求項７の発明は請求項６の発明において前記分光器の光出射口と前記回折格子の中心とを共役関係とする曲面反射鏡を有していることを特徴としている。
【００３０】
請求項８の発明は請求項６又は７の発明において前記集光ミラーへの入射光の中心軸と反射光の中心軸とで定まる平面内において前記回折格子の中心と前記参照光検出用の光検出器の中心は、共役であることを特徴としている。
請求項９の発明の測定装置は、
入射光を複数の回折光に分解する回折格子と、
前記複数の回折光のうち、所定の回折光の強度を測定する第１の光検出器と、
前記所定の回折光とは異なる、試料を介した回折光の強度を測定する第２の光検出器とを有する測定装置であって、
前記第２の光検出器の検出結果を、前記第１の光検出器の検出結果を用いて補正することを特徴としている。
請求項１０の発明は、請求項９の発明において、
前記第１の光検出器の検出結果を用いて、光源から発して前記回折格子に入射する光束の光強度の変動による、前記第２の光検出器の検出結果の変化を補償することを特徴としている。
請求項１１の発明は、請求項９又は１０の発明において、
前記回折格子と前記第１の光検出器との間に配置され、前記回折格子と前記第１の光検出器とを共役関係にする凹面反射鏡を有しており、
ここで、前記入射光が互いに異なる複数の波長の光を含むことを特徴としている。
請求項１２の発明の測定装置は、
入射光を複数の回折光に分解する回折格子と、
前記複数の回折光のうち、所定の回折光の強度を測定する第１の光検出器と、
前記所定の回折光とは異なる、試料を介した回折光の強度を測定する第２の光検出器とを有する測定装置であって、
前記回折格子と前記第１の光検出部との間に配置され、前記回折格子と前記第１の光検出部とを共役関係にする凹面反射鏡を有しており、
前記入射光が互いに異なる複数の波長の光を含むことを特徴としている。
請求項１３の発明は、請求項１２の発明において、
前記回折格子から出射する０次回折光を、前記第２の光検出器に導くことを特徴としている。
請求項１４の発明の半導体製造装置は、
請求項１乃至１３いずれかに記載の測定装置により測定された試料を有し、
光源から発し、前記試料を介した光を用いて半導体素子を製造することを特徴としている。
請求項１５の発明は、請求項１４の発明において、
前記光源は、Ｘ線、軟Ｘ線、ＥＵＶいずれかの光を発することを特徴としている。
請求項１６の発明の半導体製造方法は、
請求項１４又は１５に記載の半導体製造装置を用いて半導体を製造することを特徴としている。
【００３１】
【発明の実施の形態】
（実施形態1）
図1は本発明の実施形態１の要部概略図である。図１は試料として多層膜ミラーＳａの反射率を測定する測定装置を示している。
【００３２】
図１においてＭＣは分光器、ＭＯはビーム強度モニタ（入射光強度モニタ）、ＴＲは試料室である。１は光源であり、Ｘ線および紫外領域を発光するレーザープラズマ光源より成っている。
【００３３】
２は前置鏡であり、光源１からの光を反射集光し、入口スリットＳ１の開口部Ｓ１ａに導光している。
【００３４】
３は回折格子であり、入口スリットＳ１の開口部Ｓ１ａからの光のうちから所定の波長の光を出口スリットＳ２の開口部Ｓ２ａに導光している。
【００３５】
４は後置鏡（曲面反射鏡）であり、出口スリットＳ２の開口部Ｓ２ａからの光を回折格子５に導光している。
【００３６】
回折格子５は後置鏡４からの光を回折する。このうち０次光を信号光として反射率測定のための試料ステージに載置した試料Ｓａに導光し、０次光以外の次数の回折光を参照光として集光ミラー６に導光している。
【００３７】
試料Ｓａからの反射光を第２の検出器８で受光し、集光ミラー６からの光をモニター用（参照光検出用）の第１の光検出器７で受光している。部材５、６、７は入射光強度モニタＭＯの一要素を構成している。
【００３８】
図１の実施形態１の測定装置を説明する前にビーム強度モニタＭＯにおいて、入射光を回折格子５を用いて参照光と信号光の強度の比が常に一定となるように分割し、光検出器に導光する光学的作用について説明する。
【００３９】
図７は反射型の平面回折格子の模式図である。回折格子５の溝間隔をｄ、光Ｌ１の波長をλ、入射角をα、回折角をβ、とすると、
以下の関係が成り立つ。
【００４０】
ｄ×（ｓｉｎβ−ｓｉｎα）＝ｍ×λ
ここでｍは回折の次数で整数値をとる。
【００４１】
ｍ＝０の場合は０次回折光を示し、このときα＝βとなる。すなわち入射角と回折角が等しく、回折格子５の面に対して鏡面反射したのと同じである。この状況は式から明らかなように波長には依らない。これは０次の回折と呼ばれる。
【００４２】
本実施形態ではｍ＝０の次数の回折光を試料に照射する。回折格子５の０次以外の次数の回折光を試料に照射した場合には、回折光の波長によって試料上の照射位置が変化してしまい、試料の特性が面内で一様でない場合にはその差による誤差が生じる。また、反射率の測定の場合には、入射角が変化してしまう。さらに、試料が小さい場合には試料に照射されなくなってしまう、というような問題点が生じる可能性がある。このため、試料に照射される光は、波長によって角度が変化しない０次光を用いている。
【００４３】
本実施形態のビーム強度モニタＭＯでは、回折格子５からの０次以外の次数の回折光を光検出器で検出し、ビーム強度を計測する。
たとえば次数が１すなわちｍ＝１の場合は回折条件の式は
ｄ×（ｓｉｎβ−ｓｉｎα）＝λ
となり、この式から
ｓｉｎβ＝ｓｉｎα＋λ／ｄ
となる。この式から明らかなように、１次の回折光の回折角βは波長λによって異なることになる。この関係を図８に示す。この計算では、回折格子の溝間隔ｄを１μｍ、入射角αを８０度と仮定している。また、図９にブレーズ型の回折格子の回折効率の計算結果を示す。ここでも回折格子の溝間隔ｄを１μｍ、入射角αを８０度と仮定している。波長は１０ｎｍと１５ｎｍの２条件で計算している。０次光は波長が異なっても同じ角度に回折されているのに対し、１次光は波長により異なる角度に回折されることが分かる。
【００４４】
１次の回折光の回折角βは波長λによって異なることから、仮に回折格子から離れた位置に設けられた第１の検出器７に１次回折光をそのまま入射する場合には、第１の検出器７に入射する位置が波長により異なることになる。測定に用いる波長を変えた場合に検出器上の入射位置が異なれば、検出すべきビームが検出器の受光面に収まらず、正確に検出できないという問題が起こる。またこれを避けようとすれば、非常に大きな受光面の検出器が必要となり、装置の大型化やコストの増大の問題が生じる。
【００４５】
そこで本実施形態のビーム強度モニタＭＯでは、この一次回折光を凹面ミラー６で反射させて、測定する光の波長を変化させても、第１の検出器７の受光面内のほぼ同じ位置に入射するようにしている。
【００４６】
即ち回折格子５の入射位置を第一の焦点（物点）、第一の検出器７の受光面中央を第二の焦点（像点）に持つような凹面ミラー６からなる集光素子を用いることにより測定する光の波長を変化させても、第１の検出器７の受光面内のほぼ同じ位置に光が入射するようにしている。
【００４７】
第一の検出器７で検出するビームは回折格子５からの１次の回折光に限定されるものではなく、０次以外の次数であれば、任意の次数の回折光でも構わない。この場合も、０次以外の次数の回折光の回折角は波長によって異なるので、回折光を凹面ミラー６で反射させて、測定する光の波長を変化させても、第１の検出器７の受光面内のほぼ同じ位置に入射するようにすればよい。
【００４８】
反射型の回折格子としては、ブレーズ型、ラミナー型など既知の方式の回折格子を用いることができる。また、第一の検出器７で検出される光強度と試料に照射される光強度が所定の比になるように、その形状を選定することができる。
【００４９】
図１０にブレーズ型回折格子の異なるブレーズ角に対する回折効率の計算結果の例を示す。回折格子の溝間隔ｄを１μｍ、入射角αを８０度、波長は１０ｎｍで計算している。
【００５０】
本実施形態では回折格子５によって入射光の光強度が変化しても、０次光とｎ次回折光の光強度比が常に一定となる光学性質を利用して、光を分割している。
【００５１】
ビーム強度モニタＭＯでは測定条件に応じて、測定精度が最も高くなるような強度比に分配することが望ましい。たとえば反射率５０％程度の試料の反射率を計測する場合、試料に照射される光の強度を、第一の検出器７に照射される光の強度の２倍程度とすれば、測定精度が最も高くなる。
【００５２】
回折格子５はブレーズ型に限定されるものではなく、どのような形式のものでも構わない。図１１にラミナー型の回折格子の回折効率の計算結果の例を示す。回折格子の溝間隔ｄを１μｍ、入射角αを８０度、波長は１０ｎｍ、溝深さ９０ｎｍ、デューティー比０．５で計算している。ラミナー型回折格子においても同様に、溝深さとデューティー比（溝でない部分の幅と溝ピッチとの比）を最適に選ぶことで各次数の回折効率が変化するので、測定精度が最も高くなるように設定すればよい。
【００５３】
次に図１の各部材の作用について説明する。
【００５４】
一般に多層膜ミラーＳａの反射率は測定光の波長、多層膜ミラーＳａへの光の入射角に依存する。そこで本実施形態ではプラズマ光源１からは連続波長を持つ発散光が発光するので、光学系を介して、同一の入射角でかつ単色の光を試料Ｓａに導いている。前置鏡２は光源１からのＥＵＶ光を取り込み、光源１の像をスリットＳ１の開口部に結像する。ここにスリットＳ１を設置し、その開口部の大きさを調節して、取り込む光源サイズを制限する。回折格子３は入射される光を波長により異なる角度に回折するので下流にスリットＳ２を設けることで分光を行なっている。すなわち光源１から放射された連続スペクトルの光の中から分光器ＭＣにより単一の波長の光をスリットＳ２に導光し、測定光を選別する。測定条件に応じて回折格子３を回動してその波長を任意に設定したり、測定中に波長を予め定めた幅の中で走査したりできるようにしている。前置鏡２、スリットＳ１、回折格子３、スリットＳ２の各部材は公知の定偏角モノクロメーター（分光器）ＭＣの一要素を構成している。
【００５５】
後置鏡４は集光作用を持ち、スリットＳ２の像を試料Ｓａ上へ結像する。よって、被測定試料Ｓａには集光したかつ単色の光が照射される。試料Ｓａと反射光の強度を検出する光検出器８はθ−２θのステージに設置され、これより、試料Ｓａの反射率が測定される。前置鏡２、回折格子３、後置鏡４はＸ線領域での全反射を利用するため、通常、斜入射で用いられている。
【００５６】
試料Ｓａの反射率の波長依存性を測定するときは、スリットＳ１、Ｓ２の位置を固定したまま分光器の回折格子３を回転し、波長走査を行ない、スリットＳ２の開口部Ｓ２ａから射出する光の波長を変えている。
【００５７】
レーザープラズマ光源１では、ターゲットの温度や密度、表面状態などが変化した場合に放射される光の強度が変化する。またレーザープラズマを励起するレーザーの強度が僅かに変動しただけでも放射される光の強度は大幅に変化する。そこで本実施形態では、光源１から放射される光の強度変動による計測誤差を補正するために、後置鏡４と試料Ｓａとの間の光路中に入射光強度モニタＭＯが設けられている。図２は図１の回折格子５以降の拡大説明図である。
【００５８】
図２に示す入射光強度モニタＭＯは反射型の平面回折格子５と、凹円筒面ミラー６と、第１の検出器７を有している。平面回折格子５は溝間隔０．５μｍのラミナー型あるいはブレーズ型の回折格子である。
【００５９】
凹面トロイダルミラー４で反射した光は回折格子５に入射し、０次回折光は試料Ｓａに照射される。１次回折光は円筒面ミラー６で反射され、第１の検出器７に入射する。第１の検出器７はフォトダイオードである。
【００６０】
回折格子５（中心点５ａ）から凹面ミラー６（中心点６ａ）までの距離をＬ１、凹面ミラー６（中心点６ａ）から第１の検出器７（開口部７ａ）までの距離をＬ２とすれば、異なる波長を持ち回折格子５で異なる角度に回折された光が第１の検出器７の同じ位置に入射する条件は
１÷Ｌ１＋１÷Ｌ２＝１÷ｆ
である。たとえば、Ｌ１＝Ｌ２＝２００ｍｍの場合、凹面ミラー６の焦点距離ｆ＝１００ｍｍとなる。
【００６１】
凹面ミラー６の入射光の光軸と反射光の光軸の２つの直線で定まる平面（ＸＹ平面）で考えた時の凹面ミラー６の曲率半径をＲ１、入射角をθとすると、凹面ミラー６の焦点距離ｆは
ｆ＝Ｒ１÷２×ｃｏｓ（θ）
で表される。したがって、上記条件
ｆ＝１００ｍｍ、θ＝８０°
の場合、Ｒ＝２×ｆ／ｃｏｓθより
Ｒ１＝１１５２ｍｍ
となる。すなわち凹面ミラー６への入射光の光軸（中心軸）と反射光の光軸（中心軸）の２つの直線で定まる平面（ＸＹ平面）で考えた時凹面ミラー６として曲率半径１１５２ｍｍの凹面鏡を用いればよい。
【００６２】
後置鏡４で出口スリットＳ２と回折格子５を共役関係となるようにし、更に集光ミラー６によって回折格子５の中心部と第１の光検出器７の中心部とが略共役関係となるようにして、出口スリットＳ２から単色光が種々の角度で出射しても光検出器７の同一位置に参照光が入射するようにしている。
【００６３】
上記平面と垂直方向の曲率については、凹面ミラー６で反射したビームが第１の検出器７の受光面に収まるという条件を満たすように決定すればよい。この方向には回折格子５において波長による回折角度の差はないので、大きな集光作用を持たせる必要はない。
【００６４】
凹面ミラー６への入射光の光軸と反射光の光軸の２つの直線で定まる平面（ＸＹ平面）に垂直で光の入射点における凹面ミラーの法線を含んだ面（垂直面）で考えた時の曲率半径をＲ２、入射角をθとすると、垂直面内の焦点距離ｆは
ｆ＝Ｒ２÷２÷ｃｏｓ（θ）
で表される。斜入射の場合、焦点距離ｆは非常に大きくなり、この方向には大きな集光作用を持たないことになる。そこでＲ１＝Ｒ２とした球面鏡やＲ２＝∞としたシリンドリカル面鏡などを用いることができる。凹面ミラー６として厳密に第一の検出器７の受光面で集光するようにトロイダル面鏡、あるいは回転楕円面ミラーを用いてもよい。このときそれぞれの方向の曲率半径Ｒ１、Ｒ２は通常の光線追跡（レイトレース）法などにより最適化すればよい。この他回転非対称な曲面より成る凹面鏡を用いてもよい。
【００６５】
ここまでの説明では、入射光強度モニタＭＯに入射するビームの角度発散を考慮していない。実際の反射率を測定する光学系では、後置鏡４によってビームは集光作用をうけ、試料Ｓａ上の小さな領域に光が集中するようになっている。図３はこのときの状況の概略図である。入射光強度モニタＭＯに入射するビームが収束ビームである場合には、上記のように、異なる波長を持ち回折格子５で異なる角度に回折された光が検出器７の同じ位置に入射する条件を満たすように配置された光学系では、第１の検出器７に入射する手前で光線が交差し、検出器７の上の集光サイズは大きくなる。このような場合には、凹面集光ミラー６の焦点距離ｆを
１÷Ｌ１＋１÷Ｌ２＝１÷ｆ
で求められる焦点距離よりも長い焦点距離とすることで、検出器７の上での集光サイズを小さくできる。但し、その場合には、波長走査に伴う集光位置の変化が大きくなる。そこで、集光サイズと波長走査に伴う集光位置の変化をあわせて、検出器７の受光面上の最大照射領域を考え、これを最小となるように凹面集光ミラーの焦点距離を設定すればよい。具体的には、通常の光線追跡（レイトレース）法などにより最適化すればよい。
【００６６】
また、入射光強度モニタＭＯの回折格子５の１次回折光が第１の検出器７に入射するとしたが、これはこの次数に限定されるものではなく、０次以外の任意の次数の光で構わない。図４は回折格子５の−１次回折光を第１の検出器７に入射する概略図である。回折格子５の１次回折光が第１の検出器７に入射する例では凹面集光ミラー６の後ろ側を試料Ｓａに向かうビームが通過するために凹面集光ミラー６の厚さを薄くする必要があったが、回折格子５の−１次回折光が第１の検出器７に入射する例では凹面集光ミラー６の後ろ側をビームが通過しないために凹面集光ミラー６の厚さに対する制限がなくなる。このためミラーの製造や保持の方法に対する自由度が高くなる。
【００６７】
但し、何れの場合においても、試料Ｓａに照射される光は、波長変更による照射位置の変化を避けるために、入射光強度モニタＭＯの回折格子５の０次回折光である必要がある。
【００６８】
試料室ＴＲは試料Ｓａを入射ビームに対して任意の位置と角度に設定するステージや、試料Ｓａを透過したり試料Ｓａの表面で反射したりした光の強度を測定する第２の検出器８などが設けられている。また、光の吸収を避けるため、試料室ＴＲ内を真空に排気できる機能を有している。
【００６９】
第２の検出器８としては、フォトダイオード、電荷結合型撮像素子（ＣＣＤ）、マイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）、電子増倍管、比例計数管など、通常用いられる検出器７を用いることができる。
【００７０】
尚、本実施形態において、集光ミラー６を用いなくてもよい。このときは分光器ＭＣから出射したビームの位置や角度が変化すると検出器７の検出面内でも光の入射位置が変化する。このときは、これに伴う計測誤差ができるだけ小さくなるように、検出器７としては、できるだけ面内の感度が一様な検出器７が望ましい。またＣＣＤやＭＣＰなど、位置分解能を有する検出器を用いた場合には、ビームの入射位置の関数として検出器の感度を予め測定しておいて、実際の測定時には測定された光強度の値とその入射位置から、先に求めた関数を用いて感度補正を行うことができ、さらに計測精度を向上することができる。
【００７１】
試料Ｓａの反射率の測定は以下の手順で実施される。まず試料Ｓａを入れない状態で、第２の検出器８を用いて光強度を計測する。この値をＳ１２０とする。同時に入射光強度モニタＭＯの第１の検出器７を用いて光強度を検出する。この値をＳ１１０とする。
【００７２】
次に試料Ｓａを入れた状態で試料Ｓａで反射された光の強度を第２の検出器８を用いて検出する。この値をＳ１２１とする。同時に入射光強度モニタＭＯの第１の検出器７を用いて光強度を検出する。この値をＳ１１１とする。
試料Ｓａの反射率Ｒは
【００７３】
【数２】
として算出される。第２の項の（Ｓ１１０／Ｓ１１１）は光源１の光強度の変動を補正する項である。
【００７５】
この測定を分光器ＭＣの回折格子３の角度を変更することで試料Ｓａに照射される光の波長を変えながら繰り返して行う。この一連の測定によって、試料Ｓａの反射率の波長依存性Ｒ（λ）を精度よく測定することができる。
【００７６】
また、別の手順として以下の方法でもよい。まず、試料Ｓａを入れない状態で波長走査を行い第２の検出器８を用いて光強度を計測する。この値をＳ１２０（λ）とする。同時に入射光強度モニタＭＯの第１の検出器６を用いて光強度を検出する。この値をＳ１１０（λ）とする。次に試料Ｓａを入れた状態で波長走査を行い試料Ｓａで反射された光の強度を第２の検出器８を用いて検出する。この値をＳ１２１（λ）とする。同時に入射光強度モニタＭＯの第１の検出器６を用いて光強度を検出する。この値をＳ１１１（λ）とする。
【００７７】
試料Ｓａの反射率の波長依存性Ｒ（λ）は
【００７８】
【数３】
として算出される。第２の項の（Ｓ１１０（λ）／Ｓ１１１（λ））は光強度変動を補正する項である。
【００８０】
本実施形態においては、入射光強度モニタＭＯに対して入射光の位置、入射光角度、入射光形状、入射光サイズ、等が変動した場合でも、回折格子５によって常に一定の割合に入射光が分割され、一方が試料Ｓａに照射され、他方が凹面集光ミラー６によって反射されたのちに波長に依らず検出器７の受光面内のほぼ同一の位置に照射される。したがって、試料Ｓａに照射される入射光の強度の変動を入射光強度モニタＭＯにより正確に計測することができる。この光学装置によれば、光源１から放射される光の強度変動や、分光器ＭＣの光学素子２、３の変動等が生じた場合においても、その変動を正確に補正することが可能になり、試料Ｓａの反射率や透過率等の特性を精度よく測定することが可能になる。
【００８１】
また、試料Ｓａには入射光強度モニタＭＯの回折格子５で回折した０次回折光が照射されるため、波長によって照射位置や角度が変化するようなことがなく、試料Ｓａを同一条件で測定することができる。このため測定精度が高いという利点や、小さな試料Ｓａの計測が可能であるという利点がある。
【００８２】
（実施形態２）
図５は本発明の実施形態２の要部概略図である。図５は光電子分光を利用して試料Ｓａの特性を測定する装置を示している。
【００８３】
光電子分光は真空中に置かれた試料Ｓａに高エネルギーの単色光を照射し、外部光電効果によって放出される光電子のエネルギースペクトルを測定する手法である。図５は光電子分光器ＭＣの測定系の要部を示している。装置の主な構成要素は、プラズマ光源１、分光器ＭＣ、回転ステージ、光電子エネルギー分析器ＴＲである。
【００８４】
光源１からの光は、実施形態１の反射率の測定装置と同様な構成で、分光器ＭＣにより単色化され、入射光強度モニタＭＯを介して試料Ｓａに照射され、試料Ｓａから出てきた光電子を光検出器８で検出し、演算手段９で解析することで試料Ｓａ固有の情報を得ている。
【００８５】
図６は実施形態２の光学装置の入射光強度モニタＭＯの概略図である。
【００８６】
入射光強度モニタＭＯは透過型の平面回折格子５ａと、凹円筒面ミラー６と、第１の検出器７を有している。透過型の平面回折格子５ａは溝間隔０．２μｍの自立した金属の格子で形成されている。
【００８７】
後置鏡４で反射した光は透過型の平面回折格子５ａに入射し、真っ直ぐに通り抜けた０次回折光は試料Ｓａに照射される。１次回折光（ｍ＝１）は円筒面ミラー６で反射され、第１の検出器７に入射する。第１の検出器７はフォトダイオードである。
【００８８】
実施形態２においては、入射光強度モニタＭＯに対して入射光の位置、入射光角度、入射光形状、入射光サイズ、等が変動した場合でも、透過型の平面回折格子５ａによって常に一定の割合に入射光が分割され、一方が試料Ｓａに照射され、他方が凹面ミラー６によって反射されたのちに波長に依らず第１の検出器７の受光面内のほぼ同一の位置に照射される。したがって、試料Ｓａに照射されるビーム（光）の強度の変動を入射光強度モニタＭＯにより正確に計測することができる。この光学装置によれば、光源１から放射される光の強度変動や、分光器ＭＣの光学素子の変動（位置の変動や、光学特性の変動）等が生じた場合においても、その変動を正確に補正することが可能になり、試料Ｓａの光電子スペクトル等の特性を精度よく測定することができる。
【００８９】
また、試料Ｓａには入射光強度モニタＭＯの回折格子５ａで回折した０次回折光が照射されるため、波長によって照射位置や角度が変化するようなことがなく、試料Ｓａを同一条件で測定することができる。このため測定精度が高いという利点や、小さな試料Ｓａの計測が可能であるという利点がある。
【００９０】
尚、本発明に係るビーム強度モニタはＸ線（軟Ｘ線）を試料に入射させ、該試料を反射又は透過する光（電磁波）を検出して、試料を測定する装置であればどのような装置にも適用できる。例えば反射率の測定装置や、光電子分光器に限るものでなく、分光測定が必要な反射型ＸＡＦＳ、蛍光ＸＡＦＳ、Ｘ線小角散乱、軟Ｘ線分光計、Ｘ線回折、ＸＰＳ、ＡＥＳ、ＲＨＥＥＤ、ＲＥＥＤ等に適用できる。
【００９１】
【発明の効果】
本発明によれば光源からの放射強度やビームサイズそしてビーム強度分布等が変化しても光学素子の光学特性を高精度に測定することができる測定装置を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態１の要部概略図
【図２】 図１の一部分の拡大説明図
【図３】 図１の一部分の拡大説明図
【図４】 図１の一部分の他の実施形態の説明図
【図５】 本発明の実施形態２の要部概略図
【図６】 図５の一部分の拡大説明図
【図７】 回折格子と光線との関係説明図
【図８】 波長と回折角との関係説明図
【図９】 ブレーズ型回折格子の回折効率の説明図
【図１０】 ブレーズ型回折格子の回折効率の説明図
【図１１】 ラミナー型回折格子の回折効率の説明図
【図１２】 従来例の反射率測定装置の概略図
【符号の説明】
１ 光源
２ 前置鏡
３、５ 回折格子
４ 後置鏡
６ 集光ミラー
７ 第１の光検出器
８ 第２の光検出器
Ｓ１ 入口スリット
Ｓ２ 出口スリット
ＭＣ 分光器
ＭＯ ビーム強度モニタ
ＴＲ 試料室
Ｓａ 試料
Claims (16)
- 入射される光束を複数の光束に回折し、このうち０次回折光を試料に導光し、ｎ次回折光（ｎは０以外の整数）を参照光検出用の光検出器に導光する回折格子を含むビーム強度モニタを用いて該試料の特性を測定することを特徴とする測定装置。
- 前記回折格子からのｎ次回折光を前記参照光検出用の光検出器に集光する集光ミラーを有していることを特徴とする請求項１の測定装置。
- 前記集光ミラーは、凹面トロイダルミラー又はシリンドリカルミラー、球面ミラー、回転楕円面ミラーであることを特徴とする請求項２の測定装置。
- 前記集光ミラーへの入射光の中心軸と反射光の中心軸とで定まる平面内において該集光ミラーは前記回折格子の中心と前記参照光検出用の光検出器の中心とは、共役となるようにしていることを特徴とする請求項２又は３の測定装置。
- 前記回折格子はラミナー型又はブレーズ型の平面回折格子であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項の測定装置。
- 光源と、該光源からの光束を分光し所定の波長の光束を出射する分光器と、該分光器からの光束を複数の光束に回折する回折格子と、該回折格子からの回折光のうちｎ次回折光（ｎは０以外の整数）を参照光検出用の光検出器に導光する集光ミラーと、
該回折格子からの０次回折光であって試料を介した光を検出する信号光検出用の光検出器と、
を有し、
該参照光検出用の光検出器と該信号光検出用の光検出器からの出力信号を用いて、該試料の特性を測定することを特徴とする測定装置。 - 前記分光器の光出射口と前記回折格子の中心とを共役関係とする曲面反射鏡を有していることを特徴とする請求項６の測定装置。
- 前記集光ミラーへの入射光の中心軸と反射光の中心軸とで定まる平面内において前記回折格子の中心と前記参照光検出用の光検出器の中心は、共役であることを特徴とする請求項６又は７の測定装置。
- 入射光を複数の回折光に分解する回折格子と、
前記複数の回折光のうち、所定の回折光の強度を測定する第１の光検出器と、
前記所定の回折光とは異なる、試料を介した回折光の強度を測定する第２の光検出器とを有する測定装置であって、
前記第２の光検出器の検出結果を、前記第１の光検出器の検出結果を用いて補正することを特徴とする測定装置。 - 前記第１の光検出器の検出結果を用いて、光源から発して前記回折格子に入射する光束の光強度の変動による、前記第２の光検出器の検出結果の変化を補償することを特徴とする請求項９記載の測定装置。
- 前記回折格子と前記第１の光検出器との間に配置され、前記回折格子と前記第１の光検出器とを共役関係にする凹面反射鏡を有しており、
ここで、前記入射光が互いに異なる複数の波長の光を含むことを特徴とする請求項９又は１０記載の測定装置。 - 入射光を複数の回折光に分解する回折格子と、
前記複数の回折光のうち、所定の回折光の強度を測定する第１の光検出器と、
前記所定の回折光とは異なる、試料を介した回折光の強度を測定する第２の光検出器とを有する測定装置であって、
前記回折格子と前記第１の光検出部との間に配置され、前記回折格子と前記第１の光検出部とを共役関係にする凹面反射鏡を有しており、
前記入射光が互いに異なる複数の波長の光を含むことを特徴とする測定装置。 - 前記回折格子から出射する０次回折光を、前記第２の光検出器に導くことを特徴とする請求項１２記載の測定装置。
- 請求項１乃至１３いずれかに記載の測定装置により測定された試料を有し、
光源から発し、前記試料を介した光を用いて半導体素子を製造することを特徴とする半導体製造装置。 - 前記光源は、Ｘ線、軟Ｘ線、ＥＵＶいずれかの光を発することを特徴とする請求項１４記載の半導体製造装置。
- 請求項１４又は１５に記載の半導体製造装置を用いて半導体を製造することを特徴とする半導体製造方法。
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