JP4399126B2 - 分光エリプソメータ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば半導体ウェハやレティクル/マスク、液晶ディスプレイ(LCD)のガラス基板などの試料表面の薄膜の厚みなどを測定するための分光エリプソメータに関する。
【0002】
分光エリプソメータは、物質の表面で光が反射する際の偏光状態の変化を観測して、その物質の光学定数(屈折率、消衰係数)を、また、物質の表面に薄膜層が存在する場合は、その膜厚や光学定数を測定するものである。
【0003】
【発明の背景】
従来の分光エリプソメータにおいては、照明光学系および検出光学系におけるF数を互いに等しくしていたため、試料表面に入射する照明光の角度分布が広くなっていた。分光エリプソメータでは、照明光の入射角度と、照明光および反射光の偏光特性などに基づいて目的とする値を演算によって求めるので、照明光の入射角度分布が大きくなると、高精度の測定が困難になる。これに対して、照明光の入射角度を一定に保とうとすると、試料表面をより大きく照明してしまい、微小面積のみを測定するといった要求に応えることができない。
【0004】
ところで、分光エリプソメータにおいては、試料表面に対する照明光の入射角度や、波長や偏光状態などを制御し、各状態における試料表面における反射光の偏光特性や各偏光成分ごとの反射率とから、試料の厚みや屈折率(誘電率)などが演算によって推定される。このため、照明光の入射角度は、測定上重要な制御要素であり、照明光が平行光であることが最も理想的である。
【0005】
しかしながら、実際には、試料表面における微小な領域のみを測定するといった目的も多く、この場合、照明光に一定の大きさの立体角を持たせて、照明光の試料表面上におけるスポット径を制御するのが一般的である。
【0006】
そして、光学系を用いて、光を一点に集めようとするとき、得られるビームスポット径dは、一般的に、下記の式(1)で表される。
d=A・λ・Fno. ………(1)
ここに、A;定数、λ;波長、Fno. ;F数であり、F数は、光学系の入射ひとみ径をD、焦点距離をfとするるとき、f/Dで与えられる量のことである。
【0007】
上記式(1)から分かるように、ビームスポット径dをより小さくするには、F数を小さくすることが必要である。このとき、ビームの傾きは、F数の大きさに応じた傾きを持つことになる。このように、ビームスポット径dを小さくすると、照明光の傾き分布が大きくなるが、これらを一度に検出器に導いて信号検出を行う場合、照明光の傾きには分布がないほうが測定精度が上がる。
【0008】
この発明は、上述の事柄に留意してなされたもので、その目的は、微小な領域の測定を高精度に行うことができる分光エリプソメータを提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明では、試料の表面に偏光光を照明する照明光学系と、試料表面で反射した楕円偏光の偏光変化量に基づいて試料表面に関するデータを出力する検出光学系とを備えた分光エリプソメータにおいて、開度調節可能な開口を有するマスク部材を前記検出光学系に設け、前記楕円偏光が前記開口を通過するようにして、前記検出光学系のF数を前記照明光学系におけるF数よりも大きく設定している。
そして、上記構成において、前記楕円偏光の光軸中心部の光のみが前記開口を通過するようにしてあってもよく、前記マスク部材を、前記検出光学系内における前記楕円偏光の立体角を制限できる位置に設けてあってもよい。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の詳細を、図を参照しながら説明する。図1は、この発明の第1の実施の形態に係る分光エリプソメータの構成を概略的に示す。この図において、1は試料(例えばウェハ)で、試料ステージ2上に水平に保持されている。この試料ステージ2は、試料1を真空吸着などの手段で吸着し、これを水平な状態に保持するとともに、ステージ保持機構(図示していない)によって、3つの互いに直交するX方向(紙面の左右方向)、Y方向(紙面に垂直な方向)、Z方向に(紙面に平行な上下方向)にそれぞれ直線的に移動するように構成されている。
【0011】
そして、3は試料ステージ2の上方の一方の側に設けられる照明光学系で、光源部4、反射鏡5,6、偏光子7などよりなる。光源部4は、例えば190〜830nmの広い波長領域の光を発する例えばキセノンランプからなる白色光源と、この白色光源から発せられる光(照射光)8を適宜の径に絞るスリットを備えている。光源部4に近い反射鏡5は、例えば凹面鏡よりなり、その焦点位置に光源部4が位置するように設けられ、この反射鏡5から他の反射鏡6に向かう照射光8は適宜径の平行光となっている。反射鏡6は、例えば凹面鏡よりなり、反射鏡5からの平行光8Pを受けて、これを偏光子7を経て試料表面1aの所定の位置に所定のビームスポット径となるように収斂させるものである。偏光子7は、反射鏡6からの照射光8を所定の方向に直線偏光するものである。
【0012】
そして、前記照明光学系3のF数(以下、Fno.Sで表す)は、前記平行光8Pの直径をDS とし、反射鏡6の焦点距離をfS とするとき、
Fno.S=fS /DS ………(2)
で表されるが、このFno.Sの大きさは、試料表面1aにおいて目的とするビームスポット径が得られるように十分小さく設定する。
【0013】
また、9は試料ステージ1の上方の他方の側に設けられる検出光学系で、試料表面1aに直線偏光8を照明したときに試料表面1aで反射した楕円偏光10の偏光変化量を例えば分光器11に出力するもので、検光子12、反射鏡13,14およびマスク部材15などよりなる。検光子12に近い反射鏡13は、例えば凹面鏡よりなり、その焦点位置に試料表面1aが位置するように設けられ、マスク部材15のアパーチャ(開口)15cを通過した楕円偏光10を平行光10Pにして他の反射鏡14に反射する。反射鏡14は、例えば凹面鏡よりなり、反射鏡13からの平行光10Pを分光器11に出力する。そして、マスク部材15は、前記楕円偏光10の光軸中心部の光10Aのみを通過させる光マスク機能を有するもので、例えば、板部材15aに開閉自在の絞り部材15bを設けたものよりなり、図中に拡大して示すように、平面視が例えば多角形形状の開口15cの開口度合いを適宜調整できるように構成されている。
【0014】
そして、前記検出光学系9のF数(以下、Fno.Kで表す)は、前記平行光10Pの直径をDK とし、反射鏡13の焦点距離をfK とするとき、
Fno.K=fK /DK ………(3)
で表されるが、このFno.Kと前記照明光学系3のFno.Sとの間に、
Fno.S<Fno.K ………(4)
なる関係が成り立つようにする。
【0015】
さらに、前記検出光学系9においては、前記マスク部材15を設けたことにより、目的とする反射角度を中心とする一部の立体角の光10Aのみを分光器11に導くようにしている。このマスク部材15における開口15cの広がりがより狭い角度(立体角)範囲のみの光10Aを通過させるようにすれば、得られる反射光は、より狭い角度範囲のもののみとなり、図から明らかなように、符号10Bで示す部分、すなわち、実線と仮想線部分で囲まれる部分の光10Bが著しく無駄になる。そこで、分光器11側へ導く反射光10の立体角を、反射光量や分光器11の分光感度分布を考慮し、前記マスク部材15における開口15cを開度調節して、最適の値になるようにする。
【0016】
上記構成の分光エリプソメータにおいては、照明光学系3による照明面積を小さくすることにより、試料表面1aにおける測定面積を小さくしながら、試料表面1aからの反射光10を小さな立体角で取り出すことができるので、測定精度を低下させることなく、微小面積のみを高精度に測定することができる。
【0017】
なお、前記第1の実施の形態において、検出光学系9に設けられるマスク部材15は、図示例の位置に限られるものではなく、分光器11に至る光路内の適宜位置に設けてあってもよい。
【0018】
また、照明光学系3に、図1における紙面垂直方向(Y方向)の位置によって、紙面平行方向(X方向)の傾きに影響を及ぼす収差(例えば球面収差)が十分小さい場合には、マスク部材15における開口15cの形状を、前記Y方向に直線的に延びるスリット状に形成してもよい。このようにすることにより、反射光量を無駄にすることが少なくなり、光量を有効に利用することができる。
【0019】
図2は、この発明の第2の実施の形態を示し、この実施の形態においては、検出光学系9にマスク部材15を設けるのを省略し、反射鏡13に光マスク機能をも持たせるようにしている。
【0020】
図3は、この発明の第3の実施の形態を示し、この実施の形態では、反射鏡6と偏光子7との間に、例えば凹面鏡からなる反射鏡16を設け、照明光学系3のFno.Sを大きくして、試料表面1aに対する照明光8を可及的に平行光に近い光とする一方、検出光学系9の例えば分光器11に、前記マスク部材15と同様構成のマスク部材17を設けている。
【0021】
上記第2および第3の実施の形態における照明光学系3および検出光学系9のF数の関係は、前記第1の実施の形態におけるそれと同じであることはいうまでもない。また、これらの実施の形態における作用効果は、第1の実施の形態におけるそれと同じである。
【0022】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明では、試料の表面に偏光光を照明する照明光学系と、試料表面で反射した楕円偏光の偏光変化量に基づいて試料表面に関するデータを出力する検出光学系とを備えた分光エリプソメータにおいて、開度調節可能な開口を有するマスク部材を前記検出光学系に設け、前記楕円偏光が前記開口を通過するようにして、前記検出光学系のF数を前記照明光学系におけるF数よりも大きく設定しているので、測定精度を低下させることなく、微小面積のみを高精度に測定することができる。したがって、より微細化、微小化が進む半導体ウェハやレティクル/マスクなど各種の試料における微小部分の測定をより高精度かつ確実に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態に係る分光エリプソメータの構成を概略的に示す図である。
【図2】第2の実施の形態に係る分光エリプソメータの構成を概略的に示す図である。
【図3】第3の実施の形態に係る分光エリプソメータの構成を概略的に示す図である。
【符号の説明】
1…試料、1a…試料表面、3…照明光学系、8…偏光光、9…検出光学系、10…楕円偏光。
Claims (3)
- 試料の表面に偏光光を照明する照明光学系と、試料表面で反射した楕円偏光の偏光変化量に基づいて試料表面に関するデータを出力する検出光学系とを備えた分光エリプソメータにおいて、開度調節可能な開口を有するマスク部材を前記検出光学系に設け、前記楕円偏光が前記開口を通過するようにして、前記検出光学系のF数を前記照明光学系におけるF数よりも大きく設定したことを特徴とする分光エリプソメータ。
- 前記楕円偏光の光軸中心部の光のみが前記開口を通過するようにしてある請求項1に記載の分光エリプソメータ。
- 前記マスク部材を、前記検出光学系内における前記楕円偏光の立体角を制限できる位置に設けてある請求項1または2に記載の分光エリプソメータ。
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