JP4140737B2 - 広帯域分光回転補償器楕円偏光計 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は楕円偏光計に関し、更に詳しくは、回転補償器楕円偏光計に関する。
発明の背景
光学的楕円偏光計測は、半導体と他の材料の正確な特徴付け、それらの表面状態、層合成物と厚さを与えるものとして、そして重畳された酸化層を特徴付けるものとして長年に亘って認められている。この非破壊技術は、製造期間の高い生産率を保証するために、半導体または金属の基板上に配置された薄膜の厚さ、結晶度、屈折特性の成分と屈折率を評価するために特に必要とされる。
楕円偏光計は、周知の偏光状態を持つ光ビームで試料を探る。光ビームは試料の表面から非法線入射で反射される。この光ビームの偏光状態は、試料の構造に依存する方式の反射に基づいて変化する。反射ビームの偏光状態の正確な測定と、その反射前の偏光状態との比較とによれば、試料の様々な特性を確かめることができる。
分光楕円偏光計測においては、プローブ（探査）波長を変化させて、各々の新たな波長にて楕円偏光計測を繰り返す。分光楕円偏光計測は、積層として形成された多重材料の試料に理想的である。材料と光の波長とに基づいて変化する様々な浸透深さとスペクトル応答は、単独波長楕円偏光計を使用できない試料についての付加的な情報を与える。
一つの可能な楕円偏光計測形態は、次の要素を含む。即ち１）光源、２）直線偏光子（偏光子）、３）（分析すべき）試料、４）第２の偏光子（アナライザ）、および５）検出器である。偏光子は完全に偏光した光を生成し、アナライザは試料から反射した後のビームの偏光状態を算定する。偏光子またはアナライザの何れかは、検出器信号を反射ビームの直線偏光成分の正確な測定に使用できるように回転させられる。次いで円形偏光成分が、ビームは完全に偏光されており、直線偏光が円形偏光になることはないと仮定することにより推論される。
この形式の楕円偏光計の一つの利点は、偏光子とアナライザとが一つの広帯域波長に亘って機能するので、単独波長でなされた測定に比べて、試料の広範囲の知見が与えられることである。分光楕円偏光計測の通常の方法は、データ獲得が連続または並行モードで起こるように、キセノンアークランプのような広帯域光源を使用する。連続モードにおいては、モノクロメータを検出器の前段に配置して、所定のプローブ波長以外の全ての波長を除外するようにしている。多重波長測定は、各々の測定についてモノクロメータを正確に調整することにより、一回の測定につき一つの波長を測定して、連続的に実行される。並行操作においては、広帯域の波長を有する多色光ビームが試料へ指向される。反射ビームは、光検出器配列へ、或いは回折格子またはプリズムによる光学的多重チャンネルアナライザへ回折される。多重波長測定は、全ての対象波長が同時に測定される状態で並行に実行される。
一般に回転偏光子または回転アナライザと称されるこのような楕円偏光計を、「不完全」偏光子と称することにする。というのは、このような楕円偏光計は、円形偏光成分の左右像に鈍感であって、解析されている光が殆ど完全に直線偏光されているか、或いは減偏光成分を処理するするときに低い能力を示すためである。
回転偏光子および回転アナライザの後者の制約は、偏光子とアナライザ（これらの両者は固定されており、回転していない）との間に配置されて、ビームの伝搬軸に関して回転する回転補償器を含めることにより克服できる。この補償器は試料と偏光子との間か、或いは試料とアナライザとの間の何れかに配置することができる。このような形態は、一般に回転補償器楕円偏光計（rotating compensator ellipsometer）と称される。この補償器は、二方向に沿った屈折率の差とプレートの厚さに比例し、且つ光の波長に逆比例する量によって、その速軸に対して平行に偏光した光に対して、その遅軸に対して並行に偏光した光を遅延させる光学素子である。
当技術分野においては、仮想的な補償器−アナライザ組合体を介して透過した光の強度Ｉは下式で表わされることが知られている。
I[|E_x|²+|E_y|²]=I₀[|E_x|²（cos²（δ/2）+（1/2）sin²（δ/2））
＋|E_y|²（1/2）sin²（δ/2））
＋（|E_x|²-|E_y|²）（1/2）sin²（δ/2）cos（4C）
＋Re（E_xE_y ^*）sin²（δ/2）sin（4C）
-Ｉm（E_xE_y ^*）sinδsin（2C）] （1）
ここでＩ₀は到来ビームの強度であり、E_x，E_yは、それぞれアナライザの透過軸に対して平行および垂直な入射電場ベクトルの射影であり、δは補償器の位相遅延であり、Ｃはアナライザの透過軸に対する補償器の速（参照）軸の方位（回転）角である。連続的回転補償器の場合は、Ｃ＝ωｔであり、ここでωは補償器の角回転周波数である。
（１）式に明らかなように、回転補償器は、補償器の回転率に対して、ｄｃ成分、２ω（２オメガ）成分、および４ω（４オメガ）成分を有する信号を発生する。有用な情報が２オメガ信号と４オメガ信号の両方から生成されるのであるが、しばしば２オメガ信号が解析のために最も重要であると思われている。２オメガ成分は、補償器の位相遅延が９０°（即ち、sinδ＝１）のとき最大であって、位相遅延が０°および１８０°（sinδ＝０）において消失する。補償器の位相遅延は波長の関数であるので、このシステムは単一波長操作のみに対して、或るいは波長が補償器の中心波長から比較的小さい量だけ変化する場合に対して役立つ。補償器によって誘発された位相遅延の量が９０度から外れるように、波長が中心波長から外れるにつれて、２オメガ信号の相対的強度は減少する。従って回転補償器楕円偏光計の多重波長操作は、補償器によって誘発された実質的に９０度の位相遅延に対応する比較的に狭い波長範囲（波長の１／２以下の因数）に慣例的に制約されている。
広範囲の波長に亘って同時にデータを獲得できる回転補償器楕円偏光計システムに対する要請があり、これは最適な９０°から大きく変化する位相遅延に対応する必要がある。
遅延に基づく楕円偏光計の有効波長範囲を拡大する従来技術の一つの解決策は、回転補償器を光弾性変調器に置き換えることである。光弾性変調器の位相遅延は、波長と、変調器への駆動電圧との双方の関数である。楕円偏光計測期間中、変調器への駆動電圧を同時に変化させながら、対象の波長範囲内の一連の波長が連続的に走査される。駆動電圧の変化は、それぞれの波長が２オメガ信号を最大にするように測定されるときに、変調器の位相遅延が約９０°に維持されるように、波長の変化に追随させる。このような分光楕円偏光計の欠点は、波長が連続的に走査され、並列には走査されないことであり、これは同一の走査時間の間に、低減した雑音対信号比をもたらす。また、このような変調器は、後段の光ダイオード配列には高すぎる周波数（例えば５０kHz）で作動する。
他の従来技術の解決策は、有限の波長範囲について遅延が比較的に変化しない準アクロマティック波長板を使うことである。このような波長板は、しばしばパンキャラットナム（Pancharatnam）波長板と称されて、T.Gehrels編の著述、Planets,Stars,and Nebulae studied with Photopolarimetry（アリゾナ大学出版局、Tucson、１９７４）の第１３５乃至１７４頁にＫ．Serkowskiによって検討されるように、天文学で一般に使用される。半波長の偏光計設計が、D. ClarkeとR. N. IbbettによってＪ．Ｓｃｉ．Inst.Series2,1, 409-412（1968）の論文で論じられており、ここでは概念的試験のために、固定した雲母半波長板が使用されているが、その４１０頁には「単純な半波長板は約３００Åの範囲について有用である。波長範囲を拡張するためには、アクロマティック半波長板を考慮せねばならない」ことが警告されている。
４分の一波長および２分の一波長遅延を含み、或る場合には、準アクロマティック４分の一波長および２分の一波長を形成するために組み合わされた多数の形態が上述した巻にSerkowskiによって検討されている。他の論議がD. ClarkeとJ.F Graingerによる著述Polarized Light and Optical Measurement（Pergamon, Oxford，１９７１）に見いだされる。列挙された形態においては、４分の一波長板は４分の一波長遅延のために用いられ、２分の１波長板は２分の１遅延のために用いられる。Serkowskiによって上記論文で論じられるように、波長の或る範囲に亘って示される準アクロマティック４分の１または２分の１波長遅延を達成するように、特定の波長において４分の１および２分の１波長遅延を示す遅延を組み合わせることは可能である。しかしながら、このような波長板の三重（Pancharatnam）層について使用可能な範囲は、係数２を超えず、このような波長板の六重（Serkowski）層は係数約３を超えない。更に、これらの積層は整列させこと（およびこのようなアライメントを維持すること）が本質的に複雑であり、極めて困難である。更に、これらの積層の主軸の方位角は素子に関して固定されておらず、波長によって変化する。これらの引用文献の何れも、２分１波長遅延を含む広範囲の波長に亘って単独の４分の１波長遅延を使用する広帯幅機器を考慮していない。
全波長範囲に亘って有益な情報を同時に獲得できるように、比較的に広い波長範囲（少なくとも係数４のオーダー）に亘って並行検出で作動する分光楕円偏光計に対する要請がある。
発明の概要
本発明の発明者は、回転分光楕円偏光計信号の２オメガ成分と４オメガ成分との双方から得られた情報が組み合わせられているならば、試料を良好な正確さで分析できることを発見した。これは特に、２オメガ信号と４オメガ信号との双方が利用され、且つ測定された全ての波長に少なくとも一つの信号が出現している限り、分光楕円偏光分析を非常に広い波長範囲に亘って実行することを可能とする。本発明の広波長帯域分光楕円偏光計は、対象の広い波長範囲内の光の波長を同時に測定し、その測定波長は、１８０°に充分に近く、９０°または２７０°に充分に近い位相遅延補償に対応して測定されている。
本発明の楕円分光計は、波長範囲と、試料と相互作用する周知の偏光とを有する多色光ビームを生成する光ジェネレータを含む。補償器が、光ビームの偏光状態の位相遅延を誘発するように光ビームの光路に配置されている。波長範囲と補償器とは、少なくとも第一の有効位相遅延値が実質的に１３５°乃至２２５°の有効遅延の主範囲内に誘発され、且つ少なくとも第２の有効位相遅延値がこの主範囲の範囲外に誘発されるように選択される。補償器は光ビームの伝搬方向に対して実質的に平行な軸回りに回転できる。アナライザは、光ビームが試料と相互作用した後、光ビームと相互作用する。検出器は、アナライザと相互作用した後の光の強度を、補償器の回転角と波長との関数として、第１と第２の有効位相遅延値に対応する波長の光強度を含めて測定する。これらの強度はアナライザ上の光入射の偏光状態のために分析することができる。
本発明の楕円偏光計を用いて試料を分析する方法は、波長範囲と、試料と相互作用する周知の偏光とを有する多色光のビームを生成することを含む。光ビームの偏光状態の位相遅延は、波長範囲と補償器との選択により補償器で誘発され、これは少なくとも第一の有効位相遅延値が実質的に１３５°乃至２２５°の有効遅延の主範囲内に誘発され、且つ少なくとも第２の有効位相遅延値がこの主範囲の範囲外に誘発されるようにされる。補償器は光ビームの伝搬方向に対して実質的に平行な軸回りに回転する。光ビームは、試料と相互作用した後、アナライザと相互作用する。アナライザと相互作用した後の光の強度は、補償器の回転角と波長との関数として、第１と第２の有効位相遅延値に対応する波長の光強度を含めて測定される。これらの強度は、アナライザ上の光入射の偏光状態に対応する。
本発明の他の観点と特徴とは、本明細書と請求の範囲および添付図面を検討することにより明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明の楕円偏光計の平面図である。
図２は本発明で使用される多重波長検出器の平面図である。
図３が補償遅延の関数としてψ‘およびΔ’を含む感度係数の感度を示すグラフである。
図４は本発明の楕円偏光計の代替的実施例の平面図である。
図５は本発明の代替的実施例で使用される多重波長検出器の平面図である。
図６は本発明の楕円偏光計の代替的実施例で使用される多重波長検出器の第二実施例の平面図である。
図７はプローブ（探査）ビームが図６の分散素子を通過した後、二つの異なる波長と結び付けられる状態を示す説明図である。
図８は本発明の楕円偏光計の代替的実施例で使用される多重波長検出器の第三実施例の平面図である。
好適実施例の詳細な説明
本発明は、試験試料から反射されたプローブ（探査）ビームに含まれる広帯域波長の偏光状態を同時に測定する広帯域回転補償分光楕円偏光計である。その好適実施例は図１に示されている。試料２を調べる楕円偏光計１は、広帯域光源４、偏光子６、回転補償器８、アナライザ１０および検出器１２を含む。
光源４は、対象の予め定められた波長範囲に亘って多色光のスペクトラムを生成する広帯域光源である。例えば、半導体を分析するとき、対象の予め定められた波長範囲の一つの可能な範囲は、２００乃至８００ｎｍであろう。好適実施例は、高圧キセノンアークランプを用いて、対象の２００-８００ｎｍの波長範囲に亘る波長を有する広帯域光ビーム１４を生成させるようにしている。光源４からの分散ビーム１４は、アクトマティックレンズのようなレンズ１６、またはそれに代えて集束ミラーによりコリメートされる。
このビーム１４は偏光子６と相互作用して周知の偏光状態を生成する。好適実施例においては、偏光子６はクォーツロションプリズムから製作された直線偏光子であるが、一般には、偏光は線形である必要も完全である必要もない。偏光子６は、２３０ｎｍより長い波長で作動するシステムのためには方解石から、或いは２００ｎｍより短い波長で作動するシステムのためにはマグネシウムフッ化物から製作することもできる。偏光子６の方位角は、偏光子６から射出する直線偏光ビームに伴う電気ベクトルの平面が、入射の面（ビーム１４の伝搬方向と、試料２の露出した表面に対する法線Ｎとにより定義される）に関して周知の角度になるように指向される。方位角は好ましくは３０°のオーダー上にあるよう選択されており、これは、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分との反射強度が概ね平衡するときに感度が最適化するためである。仮に、所定の周知の偏光状態で光を射出する特定の光源を使用するならば、偏光子６は省略できることに留意されたい。
ビーム１４が試料２に対して斜角で入射且つ反射する。この説明では、試料２は、基板５上に形成された薄層３からなるが、一般に試料は単層からなるか、一方が他方の上に存在できる多重の薄層３とすることができる。有用な光は、入射ビームに対して、試料の表面に対する法線Ｎに関して対称に試料から反射する光であるが、非正反射の散乱輻射の偏光状態が本発明の方法によって同様に決定できる。ビーム１４は、試料２の表面の法線に対して７０°のオーダーの角度で試料に理想的に入射するが、これは試料特性に対する感度が材料のブルースター角または疑似ブルースター角の近傍で最大化するためである。よく知られている楕円偏光計測の原理に基づいて、反射ビームは一般に、到来ビームの偏光状態と比較されるように、試料と相互作用した後の直線偏光と円形偏光とが混合された偏光状態を持つであろう。
次いで光線１４は、一対の相互に直交して偏光した光ビーム成分の間に相対的位相遅れδ（位相遅延）を生成する回転補償器８を通過する。位相遅延の量は、波長、補償器を形成するために使用した材料の分散特性、および補償器の厚さの関数である。補償器８は、好ましくは電気モータ９により、ビーム１４の伝搬方向に対して実質的に平行な軸に関して角速度ωで回転する。補償器８は、任意の通常の波長板補償器、例えば結晶クォーツから製作したものとすることができる。補償器８の厚さと材料とは、ビームの位相遅延の所定の範囲が試料の探査に使われた波長範囲によって誘発されるように選択される。好適実施例においては、補償器８は異方性（通常は複屈折）材料、例えば左右像が対向するクォーツ結晶の二つの平行な波長板から構成された複波長板補償器であり、ここで二つの波長板の速軸は互いに直角であり、厚さは殆ど等しいのであるが、ただ対象の波長範囲に亘ってネットの第一オーダーの遅延を実現するのに充分なだけ異なる。
次いでビーム１４はアナライザ１０と相互作用し、このアナライザは、それに入射する偏光状態を混合するのに役立つ。この実施例では、アナライザ１０は他の直線偏光子であり、好ましくは入射の平面に対して４５°の方位角に指向されている。しかしながら、到来偏光状態を適切に混合するのに役立つ如何なる光学的デバイスでもアナライザとして用いることができる。アナライザ１０は、好ましくはクォーツロション或いはウォラストンプリズムである。回転補償器は、それが回転するにつれてビームの偏光状態を変化させ、アナライザ１０を透過した光が上述の（１）式によって特徴付けられるようにする。アナライザ１０を透過した光を測定することによって、試料から反射したビーム１４の偏光状態を決定できる。
補償器８は、試料２とアナライザ１０の間（図１に示す如し）、または試料２と偏光子６との間の何れにも配置できることに留意されたい。更に、偏光子は紫外線波長のための真空内の反射偏光子とすることができる。
次いでビーム１４は検出器１２へ入り、この検出器は補償器／アナライザ組合体を通過する波長範囲全体の対象の波長範囲を通じて様々な波長の光の強度を測定する。検出器１２は理想的に散乱素子１８、例えば回折格子、プリズムまたはホログラフィック板を含み、図２に（回折格子で）示すように、検出器配列２２に含まれる個々の検出器素子２０の波長の関数としてビーム１４を角度的に散乱させる。異なる検出器素子２０が対象の波長範囲を通じて様々な波長の光の光学的強度を好ましくは同時に測定する。代替的に、検出器１２は、CCDカメラ、或いは適切な散乱性を有する光倍増管、或いは波長選択性光学素子とすることができる。モノクロメータなどを使用して、単独の検出器素子を用いて、様々な波長を（一回に一波長で）連続的に測定することは、本発明の目的の範囲内にあることに留意されたい。
プロセッサ２３は、検出器１２によって測定された強度情報を処理して、アナライザと相互作用した後の光の変更状態と、試料の楕円偏光パラメータとを決定する。この情報処理は単に波長の関数としてのビーム強度の測定を含むだけではなく、補償器の回転軸（これはビーム１４の伝搬方向に対して実質的に平行）についての補償器の方位（回転）角の関数としてのビーム強度測定も含む。この補償器回転角の関数としての強度の測定は、補償器角速度が通常は周知であり且つ一定であるので、時間の関数としてのビーム１４の強度の測定に有効である。
回転補償器楕円偏光計は、補償器により誘発された位相遅延の範囲が、（以下に説明する図３に示す如く）±３６０°倍数を含む９０°（および／または２７０°）またはその近傍、および１８０°またはその近傍における遅延値を含むような広範囲の波長を有するプローブビームによる試料の分析に理想的である。
位相遅延の範囲は、試料を探査するように選ばれた波長範囲と同様に、補償器の厚さと材料によって指示される。例えば、本発明の楕円偏光計が、対象の波長範囲が２００ｎｍ乃至８００ｎｍ、補償器８の複クォーツ板の厚さが約１ｍｍ、各々の厚さの差がビーム１４を入射させるように約１２．６μｍである半導体材料と構造を分析するために用いられるとき、位相遅延の範囲は、波長の２００ｎｍから８００ｎｍまでの変動について約５０°乃至３００°である。６００ｎｍの範囲内で与えられた如何なる波長についても、２オメガ信号または４オメガ信号、あるいは双方の信号が、試料についての情報を与える。
若干のフーリエ成分が低い感度を示すか、或いはこの広いスペクトルの範囲内のどこか消失するかもしれないが、上記の分光楕円偏光計からは有用な情報が得られることが発見された。
これは本発明の楕円偏光計が、同時に測定して、波長の非常に広い範囲に亘って試料についての有用な情報を与えることを可能とする。
ここで上記の楕円偏光計を用いる偏光状態ひいては薄膜３の物理的なパラメータを決定する方法について説明する。
以下の説明のために、下式のように規定される正規化されたフーリエ係数β₂，α₄，β₄の項で（１）式を書き直すことは都合が良い。
Ｉ=I₀[１+β₂sin２ωｔ＋α₄cos４ωｔ+β₄sin４ωｔ] （2）
これらは、例えば検出された光電電流の調和解析によって、実験的に定められた係数である。電場Ｅは回転補償器上に投射されているものと仮定する。成分Ｅ_x，Ｅ_yの項で電場を表すことができ、ここでＥ_x，Ｅ_yは固定されたアナライザにより規定された直交座標軸ｘおよびｙ上のＥの投影であり、補償器が存在しない場合には、アナライザはｘに沿って偏光された成分を通過させ、ｙに沿った偏光を遮断する。相対的強度のみが重要であるので、二つの成分について相対的振幅tanψ‘および相対的位相Δ’をtanψ‘ｅｘｐ（ｉΔ’）＝Ｅ_y／Ｅ_xとなるように定義することは有用である。回転補償器が存在する場合は、回転補償器／アナライザ組合体を介して透過した強度は、tanψ‘およびｃｏｓΔ’に対して規格化された係数に関連して表せる。この関係は次式のように与えられる。
β₂=[sinΔ’sinδsin2ψ‘]/D; （3a）
α₄=[sin²（δ/2）cos2ψ‘]/D; （3b）
β₄=[cosΔ’sin²（δ/2）sin2ψ‘]/D; （3c）
ここで
D=[1+cos²（δ/2）]cos²ψ‘+sin²（δ/2）sin²ψ‘ （3d）
広いスペクトル範囲（遅延δの広範囲）に亘る本発明の楕円偏光計の能力を説明する目的で、次の感度係数を定義する：
∂β₂/∂ψ‘,∂β₂/∂Δ’,∂β₂/∂δ,∂α₄/∂ψ‘,∂α₄/∂Δ’,∂α₄/∂δ,∂β₄/∂ψ‘,∂β₄/∂Δ’,∂β₄/∂δ。
これらは上記（３ａ）式乃至（３ｄ）式から直接に計算でき、幾つかの物理的パラメータの幾つかの規格係数に対する影響を表す。例えば
∂β₄/∂Δ’=-[sinΔ’sin²（δ/2）sin2ψ‘]/D （4）
感度係数の重要性は、与えられた大きな感度係数が大きいほど、式における特定の規格化されたフーリエ係数と変数の間の関連が強くなるということである。
上述の手順の例として、約３７０ｎｍより長い波長についてシリコンに適切な誘電性材料を考える。ここで入射ビームが直線偏光であり、その偏光方位角の主軸が４５°に沿って指向されているとする。この場合についての感度計算の結果が図３に示されている。ここでψ‘およびΔ’を含む感度係数は、Δ’についての相対遅延０乃至９０°の全範囲について、補償器遅延δの０乃至３６０°の遅延範囲全体についてプロットされている。
任意の実際の遅延値、即ちＸ°における広帯域スペクトル楕円偏光動作は、３６０°の複数倍の遅延値、即ちＸ°±ｎ３６０°（ｎは任意の整数）における動作と実際的に等しい。同様に、任意の実際の位相遅延範囲、例えばＸ°乃至Ｙ°は、任意の範囲Ｘ°＋ｎ３６０°乃至Ｙ°＋ｎ３６０°における動作と実際的に等しい。従って、この開示と添付の請求の範囲の目的のためには、実際の位相遅延値（または値の実際の範囲）に関する説明が、実際の遅延値（範囲）のプラスまたはマイナス３６０°倍の対応する「有効」遅延値（または値の範囲）へ効果的に適用されるものとみなさねばならない。これに代えて、如何なる「有効」遅延値（または範囲）も実際の値（または範囲）とその任意の３６０°倍数を包含する。
情報が、事実上、０°から３６０°の遅延の全範囲に亘って利用可能であることは明確であり、この３６０°の遅延範囲の多くを通じて上述の楕円偏光計の広帯域の操作が、調べられる試料についての際だって優れた情報を与えるであろう。この情報は、異なる範囲で異なる係数によって実行される。例えば、図３は三つの補償角範囲を示し、範囲Ｉは約０°から１３５°であり、範囲IIは約１３５°から２２５°であり、範囲IIIは約２２５°から３６０°である。図３に示されるように、ψ‘に対する感度は、Δ’の値に関して約３０から３３０°（範囲Ｉ，II，およびIII）でα₄（∂α₄／∂ψ‘）に起こる。０および９０°の近傍のΔ’の値については、ψ‘に対する感度も、β₄（∂β₄／∂ψ‘）内であることが明らかである。ψ‘に対する最大感度は領域ＩおよびIIIにおけるβ₂（∂β₂／∂ψ‘）に、領域IIにおけるα₄（∂α₄／∂ψ‘）に起こる。ψ‘に対する或る感度も領域ＩおよびIIIにおけるβ₄（∂β₄／∂ψ‘）に見られる。Δ’については、最大感度は領域ＩおよびIIIにおけるβ₂（∂β₂／∂Δ’）と、領域IIにおけるβ₄（∂β₄／∂Δ’）に現れる。遅延角度δに対する感度（図示せず）も、このシステムが試料を補償器遅延から独立に測定可能とするように起きる。従って、領域IIと、領域ＩとIIIとの少なくとも一方との双方における遅延値を有する遅延範囲を誘発する波長範囲を使用する楕円偏光操作は、上述の従来技術のデバイスと比較して、調べられる試料についてより良い楕円偏光情報を与える。
ここで上記の結果と試料の特性の間の関係を確立する必要がある。前述したように、楕円偏光測定においては、（通常は）直線偏光のビームが表面上へ非法線入射で入射する。反射はｐ偏光成分およびｓ偏光成分の乗算によって記述され、それぞれ複反射率ｒ_p，ｒ_sにより、ＥｃｏｓＰおよびＥｓｉｎＰと書ける。ここでＰは入射の平面に関して測定された入射偏光の方位角であり、ｒ_pおよびｒ_sは、それぞれ入射の平面における電場において直線偏光した電場についての複反射率と、入射の平面に対して垂直な電場についての複反射率である。｜ｒ_p｜は一般に｜ｒ_s｜より小さいので、Ｐは通常は前段落で用いたψ‘＝４０°の状態へより良く近づくように４５°より僅かに小さくなるように選択される。従って、上述した偏光状態検出器に入射する電場成分は、
Ｅ_x＝Ｅｒ_pｃｏｓＰ； （5a）
Ｅ_y＝Ｅｒ_sｓｉｎＰ； （5b）
である。
故に、
E_y/E_x=tanψ‘e^iΔ’=tanPtanψe^iΔ （5c）
である。
ここでψとΔは、複反射率比ρ＝ｒ_p／ｒ_sを記述するために用いられた通常の角度である。この形態については、Δ＝Δ‘であることに留意されたい。
半導体基板上の薄い酸化物のために、ρと酸化物厚さｄとの間の関係は、ｄ／λにおける第一のオーダーに対して、次のように表すことができる。

ここでρ₀は膜が無い試料についてのρの値であり、ε_s，ε₀およびε_a＝ｎ_a ²は、それぞれ基板、酸化物、および環境の誘電性関数であり、θは入射角、λは光の波長である。
仮に、｜ε_s｜＞＞ε₀｜および｜ε_sｃｏｔ²θ｜＞＞_aならば、上述の式は特に単純な形式：
ρ=ρ₀+4πdn_asinθtanθ/λ （7）
となる。
データの項と、基板または酸化物の何れかの詳細な特性から独立している基本定数の組についてｄを与える。
これらの式またはその正確な類似式が試料の厚さ情報を与えるためにコンピュータプロセッサによって解かれる。
上述の実施例は、このような反射率から生じる偏光状態の変化に加えて、試料の全体的な反射率を測定する機器である広帯域偏光計の使用にも理想的であることに留意されたい。この反射率測定は（１）式のｄｃ成分（第一項）に対応する。反射率全体の正確な測定は、別の検出器による光源の強度の直接測定と、反射光の測定された振幅との比較のために規格化された信号としての上記検出器からの出力の使用とを含むことが理想的であろう。波長の広範囲に亘る広帯域偏光測定が、波長の関数として、試料についての付加的な情報をもたらす。
図４は本発明の第二の実施例を示し、これは様々な入射角においてと同様に、様々な波長において同時分光測定を可能とする。楕円偏光の原理は、波長の関数として生じた偏光状態を測定によるのみではなく、試料上のビームの入射角の関数としても拡張することができる。
多重入射角における情報を同時に得る楕円偏光計デバイスが１９９１年８月２７日にGoldらへ発行された米国特許第５，０４２，９５１号に説明されており、これは本願の譲受人が所有しており、引用により本明細書に組み込まれる。この特許で説明されるように、この楕円偏光計はプローブビーム内の個々の光線の偏光状態の変化を光線の半径位置の関数として分析する。反射されたプローブビームにおける光線の半径位置は試料上の光線の入射角と関係がある。配列検出器を使って、楕円偏光パラメータは多重入射角において同時に決定される。
図４に示された本発明の第二実施例は光の波長の広い範囲に亘って、且つ様々な入射角について、同時に偏光状態を測定する広帯域の分光楕円偏光計である。
広帯域光源５０が、レンズ５４によりコリメートされる光ビーム５２を生起する。ビーム５２は次いで偏光子５６を通過し、この偏光子は、周知の偏光状態を形成するビームスプリッタ５８に関して方位角０°で指向された直線偏光子であることが好ましい。
偏光ビーム５２は、ビームスプリッタ５８と顕微鏡対物レンズ６０を通過する。好ましくは、ビーム経路は、それがレンズ６０に入射するのは試料２の表面に対して垂直である。レンズ６０は、好ましくは０．９０ＮＡのオーダーの高い開口数を有する。この高い開口数は、大きく拡がった入射角の光線を形成するように試料２の表面にプローブビーム５２をしっかりと集束させるように意図されている。この拡がりは、１ミクロンのオーダーのスポット径を有する７０度のオーダーとすることができる。それ故に、如何なる所定の光線の入射角も、ビーム内のその半径位置に応じて変化するであろう。
よく知られている楕円偏光の原理に基づいて、ビーム内の光線の偏光状態は、波長と入射角に依存する試料との相互作用に依存して変化するであろう。従って反射されたビームは、到来ビームの直線偏光状態と比較して、混合した偏光状態を持つであろう。基板が透明であるとすれば、プローブビームが、それが試料を介して透過した後に分析できることに留意されたい。
基板が実質的に不透明であると仮定すると、プローブビームは試料２によって反射されて、レンズ６０を介して光路を戻り、スプリッタ５８によって再指向される。次いでビームは、ビームの偏光状態の一つの位相を他の変更状態に対して遅延させる回転補償器６８を通過する。補償器の厚さと材料は、試料を探るために用いた所望の波長範囲に対応する位相遅延の所望の範囲を引き起こすように選択される。前述したように、位相遅延の範囲は、図３の領域II内の値と、少なくとも領域ＩとIIの一方とを含むので、波長の広い範囲に亘って試料の表面構造についての有用な情報を与える。
次いでビームはアナライザ７０を通過し、このアナライザは好ましくは偏光子５６の偏光方向に対して０°の方位角に指向されている。このアナライザ７０は、好ましくはクォーツロションまたはウォラストンプリズムである。
上述したように、補償器６８は、それが偏光子５６とアナライザ７０との間の何処かにある限りは、ビーム５２に沿って何処にでも配置できる。
次いでビーム５２は検出器７２へ入射し、この検出器は、波長の関数として、且つビーム内の半径位置ｒの関数として、ビーム成分の強度を測定する。半径位置ｒは、関係式ｒ＝ｄｓｉｎΘ（ここでｄは対物レンズの焦点距離）を通じて、試料上の入射角Θに関係している。プロセッサ７３は、検出器７２により測定された光強度情報を処理して試料の楕円偏光パラメータを決定し、この処理には、様々な入射角に依存する測定についてと同様に、対象の広い波長範囲全体を通じて様々な波長の同時測定のために上述した式を使用する。
アナライザ７０を透過した広帯域光を波長と入射角の双方の関数としての同時に検出且つ測定する幾つかの技術がある。これらの方法について以下に説明する。
図５は検出器７２の一実施例を示し、これは、一つの軸（即ち垂直軸）内の波長の関数としてビーム１４を角分散させ、且つ直交軸（即ち水平軸）内の半径位置の関数としてビーム１４を角分散させる分散素子７４を含む。両方の軸（行と列）に沿って配置された複数の検出器素子８０を有する二次元検出器配列７８が、分散ビームの様々な強度を波長の関数として、且つ入射角の関数として同時に測定する。図５に示された分散素子は、湾曲した格子であり、垂直（Ｙ）軸内の波長に従って、且つ水平（Ｘ）軸内の半径位置に従ってビームを分散させる。しかしながら、プリズム、ホログラフィック板、レンズ、平面格子、および／またはそれらの組合せを分散素子として用いることができる。
図６は検出器７２の他の実施例を示し、これは図５の検出器実施例と対照的に、ビームのスペクトル分離を改善する。Rosencwaigらに１９９５年５月２日に発行され、本願の譲受人が所有する米国特許第５，４１２，４７３号が、不充分な波長分離によって起こされた不鮮明なデータの問題を扱っており、これは引用により本明細書に組み込まれる。データの不鮮明化を防ぐために、波長と入射角との測定について大きな分離が必要である。図５の検出器実施例の一つの不利益は、対象の一波長についてのビームの像が、対象の僅かに異なる波長についてのビームの像に重なる傾向があることである。分散素子によって誘発されたビームの垂直分散は対象の様々な波長についてのビーム像を完全に分離するには不充分である。その結果として光検出器配列上に生じた重合したビーム像は、波長データを入射角データで不鮮明にさせる。
それ故に、図６に示す検出器７２の代替的実施例は、上述したデータ不鮮明化の問題を扱っている。リレーレンズ９０が試料の表面の拡大像を、アパーチュア９４を有する板９２上に集束させ、そのアパーチュア９４は、中継された試料像の一部のみを透過するように寸法付けされている。アパーチュア９４の大きさと同様に、リレーレンズ９０によって与えられた倍率を調整することにより、検出器配列１０２上に結果的に結像される試料の視野の大きさを正確に制御できる。
次いでアパーチュア９４を射出したビームはフィルタ９６のアパーチュア９８を通過し、このアパーチュア９８は反射ビームの一部のみを透過する形状にされている。好適実施例においては、アパーチュア９８が細長いスリット形状であって、対物レンズ６０の中継像面に位置している。アパーチュア９８の長さは、分散素子１００が波長の関数として光を角度的に拡げる方向に直角をなして向き付けられている。好ましくは、アパーチュア９８の寸法は、検出器配列１０２に伝達された像が検出器素子１０４の一行の寸法のオーダー上にあるように選択される。
光検出器配列１０２上に結果的に入射するビームは、試料上に、入射角の関数として水平に分散されて、且つ波長の関数として垂直に分散された一連の区画を含む。対象の二つの異なる波長を表す区画１０６および１０７が、図７に示されており、ここでは二つの波長の完全な像が仮想線で示されている。各区画１０６/１０７は、その長さに沿った波長に対応する全ての入射角情報を含む。二つの波長の完全なビーム像が配列１０２へ向けられたなら、部分的に重なっている像は、波長データと入射角データが共に不鮮明になるであろう。しかしながら、図６に示された検出器によれば、波長が大きな差を持つので、波長情報が入射角情報で不鮮明になることはない。
本発明の第三実施例が図８に示される。この実施例は積分された楕円偏光信号を同時に生成するための装置であるが、従前に可能であると考えられた波長範囲よりも広い波長範囲に亘る。
図８の角度積分楕円偏光計は、測定信号を増加して、ひいては波長の広い範囲に亘る雑音対信号比を増加させる。この積分楕円偏光計の試みは、Jeffrey T. Fantonらによって１９９４年１０月２１日に出願された米国出願第０８／３２７，３１５号に説明されている。この米国出願は、本願の譲受人が所有しており、引用により本明細書に組み込まれる。
本発明の第三実施例は、検出器７２を除いては第二実施例と同様である。図８に示されるように、この第三実施例の検出器７２は、ビーム５２をフィルタ１１２へ集束させるレンズ１１０を含む。そのフィルタ１１２は、好ましくは、象限１１８および１２０へ入射する光を遮断しながら、二つの対向する象限１１４と１１６を通じて光を通過させる。フィルタ１１２を介して透過したビームは、空間フィルタ１２６のアパーチュア１２４を介してレンズ１２２により集束される。
空間のフィルター１２６を通過した後、光ビームは集束されて、波長の関数として分散される。分散素子１２８は、好ましくは、図８に示すように、湾曲された格子である。しかしながら、これらの二つの機能は、二つの別個の光学素子（即ち湾曲したミラーまたはレンズと、別個の平面格子またはプリズム）によって実行できる。光の集束の段階は、角度積分出力を形成する目的で、透過されたビームからの様々な入射角情報の全てを組み合わせるように働く。格子７８は、波長情報を分離する目的で、波長の関数として光を分散させるようにも働く。
集束されて分散された光は、複数の個別の検出器素子１３２を含む線形光検出器配列１３０へ向けられる。それぞれの素子は、狭い波長範囲に亘る光の強度を受信して測定する。プロセッサ１３４は、各検出器素子１３２についての光の測定強度を処理して、試料２の楕円偏光特性を決定する。
図８で示される空間フィルター１２６、格子１２８、光検出器配列１３０を含む検出器配置は、通常の分光計で用いられる部品に類似していることを理解されたい。それ故に、本発明の集束および分散機能を実行可能とする多くの他の光学的配置がある。しかしながら、対象の楕円偏光信号を生成する光学素子と、その信号を分離するフィルタ１１２とを含む図８の素子は、通常の分光計には含まれていないことも理解されたい。
本発明は上記に説明され、図示された実施例に限定されるものではなく、添付の請求の範囲の目的内にある変形態様全てを包含することは明白である。例えば、上述したように、特定の遅延値、即ちＸ°における広帯域分光楕円偏光動作は、３６０°倍数、即ちＸ°±ｎ３６０°（ここでｎは任意の整数）の遅延値における動作と実際的に等しい。同様に、位相遅延範囲、例えばＸ°乃至Ｙ°は、Ｘ°＋ｎ３６０°乃至Ｙ°＋ｎ３６０°の如何なる範囲における動作と実際的に等しい。従って、如何なる実際の位相遅延値（または値の範囲）は、そのプラスまたはマイナス３６０°倍である対応する「有効」遅延値（および値の有効範囲）に実際的に等しい。これに代えて、如何なる「有効」遅延値も、実際の遅延値と、そのプラスまたはマイナス３６０°倍を包含し、且つ等しい。

Claims (24)

1. 試料を評価する広帯域分光楕円偏光計であって、
   波長範囲と、試料と相互作用する既知の偏光とを有する多色光の光ビームを生成する光ジェネレータと、
   前記光ビームの光路に配置されて前記光ビームの偏光状態の位相遅延を誘発する補償器であり、前記波長範囲とこの補償器とは、有効位相遅延値が少なくとも９０度から１８０度の範囲を包含して誘発されるように選択されており、この補償器は前記光ビームの伝播軸の回りに回動可能である補償器と、前記光ビームが前記試料及び前記補償器と相互作用した後に前記光ビームと相互作用するように固定されたアナライザと、
   このアナライザと相互作用した後の前記光ビームの強度を、波長と、前記試料評価に用いた前記光ビームの出力との関数として測定する検出器とを備える楕円偏光計。
2. 請求項１に記載の楕円偏光計において、前記光ビームの波長範囲と前記補償器とが、１８０度を越える位相遅延値の有効範囲を誘発するように選択されている楕円偏光計。
3. 請求項１に記載の楕円偏光計において、前記位相遅延値の有効範囲が１８０度の回りを中心としている楕円偏光計。
4. 請求項１に記載の楕円偏光計において、前記光ビームの波長範囲と前記補償器とは、有効位相遅延値が５０乃至３００度を包含して誘発するように選択されている楕円偏光計。
5. 請求項１に記載の楕円偏光計において、前記波長範囲が２００ｎｍと８００ｎｍとの間に亘って選択されている楕円偏光計。
6. 請求項１に記載の楕円偏光計において、前記アナライザとの相互作用の後における前記光の偏光状態を、前記検出器により測定された強度から決定するプロセッサを更に備える楕円偏光計。
7. 請求項１に記載の楕円偏光計において、前記補償器が角周波数ｕにて回動し、且つ前記検出器が２ｕ及び４ｕ成分を有する時間変化出力信号を生成することにより、前記プロセッサが前記試料を前記出力信号の２ｕ及び４ｕ成分に基づいて評価する楕円偏光計。
8. 請求項７に記載の楕円偏光計において、前記プロセッサが前記検出器からの前記出力信号に調和分析を実行して、前記出力信号における２ｕ及び４ｕ成分に対応する規格化フーリエ係数を決定する楕円偏光計。
9. 請求項６に記載の楕円偏光計において、前記検出器からの前記出力信号が前記試料の反射率に対応するＤＣ成分を有し、このＤＣ成分は前記試料を更に分析するように前記プロセッサにより用いられる楕円偏光計。
10. 請求項１に記載の楕円偏光計において、前記光ジェネレータが、多色光ビームを生成する光源と、前記光ビームが前記試料と相互作用する前に前記光ビームを偏光させる偏光子とを含む楕円偏光計。
11. 請求項１０に記載の楕円偏光計において、前記偏光子及びアナライザが線形偏光子である楕円偏光計。
12. 請求項１に記載の楕円偏光計において、前記検出器の前に位置して前記光ビームを波長の関数として角分散させる分散素子を更に備えると共に、前記検出器が複数の検出素子を含み、この複数の検出素子は配列中の異なる素子が異なる波長を同時に測定するように配置され、且つその出力が前記試料の評価のために用いられる楕円偏光計。
13. 請求項１２に記載の楕円偏光計において、前記分散素子が、回折格子、プリズム及びホログラフィック板からなるグループから選択されている楕円偏光計。
14. 請求項１２に記載の楕円偏光計において、前記検出器配列が、光学的多チャンネルアナライザ、ＣＣＤカメラ及び光電倍増管からなるグループから選択されている楕円偏光計。
15. 試料を分析する方法であって、
    波長範囲と、前記試料と相互作用する既知の偏光とを有する多色光のビームを生成する段階と、
    前記光ビームの光路に配置された回転補償器を用いて前記光ビームの偏光状態の位相遅延を誘発する段階であり、前記波長範囲とこの補償器とは、位相遅延値の有効範囲が少なくとも９０度から１８０度の範囲を包含して誘発されるように選択されている段階と、
    前記光ビームが前記試料及び前記補償器と相互作用した後に前記光ビームと相互作用するように位置するアナライザへ前記光ビームを通過させる段階、
    前記アナライザと相互作用した後の前記光ビームの強度を、波長と、前記試料評価に用いた前記光ビームの出力との関数として測定する段階とを含む方法。
16. 請求項１５に記載の方法において、前記光ビームの波長範囲と前記補償器とが、１８０度を越える位相遅延値の有効範囲を誘発するように選択されている方法。
17. 請求項１５に記載の方法において、前記位相遅延値の有効範囲が１８０度の回りを中心としている方法。
18. 請求項１５に記載の方法において、前記光ビームの波長範囲と前記補償器とは、有効位相遅延値が５０乃至３００度を包含して誘発するように選択されている方法。
19. 請求項１５に記載の方法において、前記波長範囲が２００ｎｍと８００ｎｍとの間に亘って選択されている楕円偏光計。
20. 請求項１５に記載の方法において、前記補償器が角周波数ｕにて回動し、且つ前記試料が測定値の２ｕ及び４ｕ成分に基づいて評価される方法。
21. 請求項２０に記載の方法において、測定値に調和分析を実行して、２ｕ及び４ｕ成分に対応する規格化フーリエ係数を決定する方法。
22. 請求項１５に記載の方法において、前記試料が測定値のＤＣ成分を用いて更に分析される方法。
23. 請求項１５に記載の方法において、様々な波長の強度が同時に測定される方法。
24. 請求項１５に記載の方法において、前記光ビームが前記試料と相互作用する前に前記光ビームの強度を測定する段階を更に含むと共に、その測定値を用いて、前記光ビームが前記試料及び前記アナライザと相互作用した後になされた測定値を規格化する方法。

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