JP4774186B2 - 偏光を削減する小スポット分光測定器具 - Google Patents

Description

【０００１】
【技術分野】
この発明は、分光測定器具、分光反射率計および透過分光測定器に関し、特に、回折特徴を測定する標本を小スポット観察するために顕微鏡対物レンズおよび関連の撮像光学系要素を用いた分光器具に関する。
【０００２】
【背景技術】
格子状の構造を有する標本は、これが反射または透過する光の振幅および位相に対し、異なった入射偏光によって異なった影響を与える。同じことが複屈折標本、または垂直でない入射角における薄膜の積層についても当てはまる。このことは或る測光器具で測定を行なう際に問題となり得る。たとえばリソグラフィの応用では、半導体ウェハまたはフォトマスク上に形成された回折パターン特徴の線幅またはプロファイルを判定することは、小スポット反射率計または小スポット透過分光測定器によって、垂直もしくは垂直に近い入射（以下集合的に準垂直入射と呼ぶ）反射率または他の光学的性質を測定することで行なわれ得る。測定される標本のスペクトル反射率または透過率は、入射光の偏光の程度およびウェハの配向に或る程度依存する。
【０００３】
器具によっては、器具の入射光に対し既知および一定の方向で、パターンの格子状構造（または複屈折表面もしくは薄膜の積層の光軸）が提示されるように、標本を配向付けることが可能である。こうして偏光に由来するどのようなシステム上の誤差も、データ処理中に最小限にすることができる。すなわち、光学系における偏光特性を注意して特徴付け、偏光に対し特定の標本配向における標本の応答に対する影響をモデル化することにより、測定されたデータを処理して、もし標本がモデル化された配向で測定されていれば偏光効果をなくすことができる。しかしながら、測定器具に対し常に指定した標本配向を与えることは不可能である。リソグラフィトラック（track）関連のウェハハンドラはしばしば、測定器具に対し一定の配向で標本を提示するが、この配向は、測定器具自体も制御下には置いていない未知のものである。ポリッシャはランダムな標本配向をもたらす。したがって、器具の照明および集束光学系は非偏光であり、こうしてウェハの配向付けが不必要となることが好ましいであろう。
【０００４】
過去において、測定結果に対する器具偏光の効果は大した問題とされておらず、偏光自体が測定パラメータである器具の場合を除き典型的に無視されてきた。偏光計および楕円偏光計は既知の偏光の入射光を計画的に用いる。さらに最近まで、格子状構造の線幅、プロファイルなどを測定するためには分光測定器具は用いられてこなかった。
【０００５】
光学系における望ましくない偏光は、傾斜折り曲げ鏡、ビームスプリッタ、傾斜ガラス表面、プリズム、および分光計格子などの偏光要素により引起され得る（この文脈で「偏光」は、部分的に偏光すること、または或る仕方で偏光状態に影響を及ぼすことも意味し得る）。先行技術の一解決策は、システム内の傾斜構成要素の入射面を注意して配置し、このような傾斜構成要素すべてについて器具もまた直角の面で傾斜した類似の構成要素を有するようにすることで前者の偏光効果を打ち消し、こうして器具構成要素の偏光効果を減少させることであった。この構成要素対の使用は光学系のためのより多くの場所を必要とするため、コンパクトなシステムが必要とされている場合には用いることができない。この対にする技術は、システムの分光計要素における偏光効果を軽減するためには用いることができない。とりわけツァイスモノリシック分光計では、光は偏光をスクランブル（scramble）する光ファイバ束と結合される。
【０００６】
いくつかの種類の減偏光子が公知である。ファイバ減偏光子は撮像経路では用いることができないが、それは画像についての情報もスクランブルしてしまうからである。複屈折楔板および屈折率整合の複屈折でない板を備えた楔減偏光子は、減偏光すべき光の偏光に対し正しく配向付けられる必要がある。これは横方向に派生した二重像をもたらすため、撮像システムには好適ではない。互いに対し４５°の軸を有し、楔形でない複屈折板２枚を含むライオット（Lyot）減偏光子が商業的に入手可能である。以前は、たとえば地球からの後方散乱放射を観察して大気中のオゾン量減少を監視する人工衛星にあるような、望遠鏡の撮像分光放射計および分光偏光計においてライオット減偏光子を用いてきた。ファイバ減偏光子および楔減偏光子とは対照的に、ライオット減偏光子は画像保存的であり、したがって撮像システムに好適である。
【０００７】
この発明の目的は、半導体ウェハおよびフォトマスクなどにある格子状またはその他の回折パターン構造を測定するための、パターン観察能力を有する小スポット分光測定器具であって、線幅、プロファイル、腐食、および類似の特徴測定値に対する器具の偏光効果が最小限にされるものを提供することである。
【０００８】
【発明の概要】
この目的は、小スポット撮像分光測定器具であって、ライオット減偏光子などの偏光スクランブル要素がビームスプリッタと顕微鏡対物レンズとの間に組込まれたものにより達成される。ビームスプリッタは、標本より前の照明経路にある最後の重大な偏光要素である。好ましくはライオット減偏光子は、焦点での二重像派生をもたらすのを避けるために光経路の視準部に置かれる。ライオット減偏光子は楔減偏光子ほど偏光を空間的に変動させない。ライオット減偏光子はむしろ波長について偏光を変動させる。結果として生じる正弦波状に摂動されたスペクトルは、データ処理技術により除去され得る。減偏光子が十分に厚くされる場合、または高い複屈折の材料、たとえば方解石またはαホウ酸バリウムからなる場合には、正弦波状の摂動は器具の波長分解度よりもはるかに狭くなることがある。この場合摂動は検出され得ず、これを除去するための処理は必要でなくなるであろう。減偏光子の材料として方解石を用いる唯一の不都合は、これが石英ほど紫外光を透過しないことである。αホウ酸バリウムの不都合はその経費の高さである。照明および集束光が同じ減偏光子を通過すれば、減偏光子にとって好適な配向が得られる。
【０００９】
【発明の実施のベストモード】
図１を参照して、好ましい分光測定器具は、光源ファイバ１１に結合された可視光および紫外光源（図示せず）を有する。ファイバ１１の器具端部から現れた光はレンズ１３により集められ、折り曲げ鏡１５によりビームスプリッタ１７へ向けられる。レンズ１３は折り曲げ鏡１５の直後にファイバ端部の像を形成し、対物レンズ２１にケーラー照明を与える。レンズ１３と対物レンズ２１との間で視準される光線は、標本における点に焦点を合わされる。照明光の一部はビームスプリッタを通じて透過されて参照ビームを形成し、これは鏡２０により折り曲げられてレンズ２２によってピンホール開口２４に対して焦点を合わされる。ピンホールを通過する光はファイバ２６により分光計要素２８に送り込まれる。ビームスプリッタ１７は照明光のうち他の部分を反射し、これはライオット減偏光子１９を通じて向けられ、器具の窓２３を通じ標本２７上の小さなスポット２５に対して顕微鏡対物レンズ２１により焦点を合わされる。ビームスプリッタは、紫外光中のセメント劣化およびゴースト反射を避けるために、立方体のビームスプリッタでなく板状のビームスプリッタであることが好ましい。減偏光子１９は反射を避けるためにわずかな角度で傾いて配向付けられ得る。ビームスプリッタ１７と減偏光子１９との間の光は、収差を最小限にするために視準されることが好ましい。標本２７の支持体２９は、標本を配向付けるための能力を有する必要はない。
【００１０】
これに代えて、分光計を光検出器と取換えてもよく、光源は走査型モノクロメータであってもよい。この場合、各波長帯は逐次測定される。
【００１１】
標本２７からの反射光は、顕微鏡対物レンズ２１によって、減偏光子１９、ビームスプリッタ１７、折り曲げ鏡３１および３３、レンズ３５、ピンホール鏡３７、そして光ファイバ３９を通じて分光計要素４１に対して画像化される。この器具にはカメラが結び付けられており、これはＬＥＤ４７、フレネルレンズ４８、ビーム分割鏡４９、画像化レンズ５１、およびＣＣＤアレイ５３からなる。カメラは、この後顕微鏡分光計システムにより行なわれる測定のために、関心の向けられた一般的な標本区域を位置付けるのに用いられ得る。顕微鏡対物レンズ２１、ライオット減偏光子１９、ビームスプリッタ１７、および折り曲げ鏡３１は、カメラ光学系のうちいくつかとともに可動ヘッド５５に装着され得るが、この可動ヘッドはＸの横方向で並進できる。他の方向Ｙでの動きは、図に示す光学系背面全体の並進により達成される。これに代えて、標本を回転（Θ方向）させ、標本の半径に沿って光学系を動かすこともできる。光学系での横方向の並進の残りの軸は、ラジアル軸を標本の回転中心と整列させるのに用いられ得る。焦点合わせの縦方向（Ｚ）の動きは、対物レンズ２１もしくは標本支持体２９、またはこの両方を動かすことによって行なわれ得る。
【００１２】
ライオット減偏光子は、たとえばカール・ランブレクト（Karl Lambrecht）およびその他の光学部品製造業者から商業的に入手可能である。これらは一般的に、石英または方解石など複屈折結晶材料の積層板２枚からなる。これら板は両方とも均一な厚みであり、一方の板は他方の板の２倍だけ厚い。薄い方の板は普通２ｍｍの厚みである。結晶板材料の複屈折軸は、一方の板の軸が他方の板の軸に対し４５°となるよう配向付けられる。板は、波長に大きく依存するリターダンスを有し、このためこの種の減偏光子は、光の光周波数対偏光を周期的に変動させる。次に、システムの光学系の残りにより導入された偏光は、測定されるスペクトルに対し正弦波状の脈動をもたらす。この正弦波状の摂動の周期は波の数に関しほぼ一定であり、このため脈動周期の整数の倍数に等しい間隔にわたりデータの平均をとれば、正弦波状の変動の効果、およびこれに従い器具偏光の効果がなくされる。データ処理中に正弦波状の脈動効果を数学的になくすことができる別のやり方は、理想的な減偏光子を仮定して、正弦波状に摂動されたデータに最も合う理論上のスペクトルを見つけるよう回帰することである。当然のことながら、理論上最良のスペクトルは摂動されたスペクトルの真中に従う。減偏光子が十分に厚い場合、または方解石もしくはαホウ酸バリウムからなる場合には、摂動は明らかでないこともある。
【００１３】
偏光をスクランブルする要素については他の設計も可能である。たとえば、３枚以上の板を用い、異なった組合せの軸配向または厚みを用いてほぼ同じ性能を得ることができる。さらに、板の光軸が標本の偏光方向に対し４５°で維持される場合には、単一の板を用いることもできる。これら代替的な設計のいずれも、ライオット減偏光子の代わりに、またはこれと組合せて用いることができる。
【００１４】
偏光スクランブルはまた、時間とともに偏光状態を変動させ、検出器信号を或る期間にわたり平均することによって効果的に行なわれ得る。たとえば、信号が検出されると標本と他の偏光光学系との間で光学要素を回転させることで、偏光状態を変動させることができる。
【００１５】
照明および反射光が図１に示すのと同じ減偏光子を通過すると、標本の回転配向に対し或る感度が生じ、これは波長とともにゆっくりと変動するにすぎない。この効果は、薄い板がウェハに向き、かつ厚い方の板の光軸がビームスプリッタ１７に対する入射面と平行になるように、減偏光子を配向付けることによって最小化され得る。この効果はまた、異なった厚みまたは配向の減偏光子を有する対物レンズ２１の開口被覆部によっても最小化され得るが、これは画像の品質をわずかに劣化させることになる。
【００１６】
ライオット減偏光子の使用に加え、特に画像化経路における偏光を最小限にするための他の技術は、直角の傾斜面での構成要素対、および偏光スクランブル光ファイバを伴う分光計の使用を含み得る。ライオット減偏光子の主な役割は、標本の照明を確実に減偏光すること、および、標本からの回折された光を、それがシステムの画像化経路にある偏光に敏感な構成要素と相互作用する前に減偏光することである。
【００１７】
図２および図３を参照して、分光測定器具は図１の垂直入射反射率計である必要はなく、垂直に近い分光反射率測定法または透過分光法のために変形され得る。各々の場合に、ライオット減偏光子を光経路に挿入することで偏光を光周波数について変動させることができる。図２では、垂直でない入射分光反射率計は、１対の顕微鏡対物レンズ６５および７３、ならびに少なくとも１つ、ことによると２つの減偏光要素６３および／または７５を伴った、別個の照明および反射光経路を有する点で、図１の分光反射率計と異なる。たとえば図１の光ファイバ１１、集光レンズ１３および折り曲げ鏡１５に相当する照明光学系６１は光６２を生成し、これは第１のライオット減偏光子６３を通るように向けられ、これは標本６９上の小さなスポット６７に対して顕微鏡対物レンズ６１により焦点を合わされる。標本６９から反射された光７２は第２の顕微鏡対物レンズ７３により集められ、第２のライオット減偏光子７５を通過して集束光学系７７に至るが、これはたとえば図１の要素３３〜４１に対応し、図１の分光計要素様の要素４１を含む。図３では、透過標本８９のための透過分光測定器具はさらに、別個の照明および集束光経路内に減偏光子対８３および９５、ならびに顕微鏡対物レンズ対８５および９３を有し、これらは標本のある場所の反対側に位置付けられる。照明光学系８１は光８２を発するが、これの偏光はライオット減偏光子８３により波長について変動させられ、次に顕微鏡対物レンズ８５により標本８９上のスポット８９に対して焦点を合わされる。標本８９を通じ透過した光９２は対物レンズ９３で集束され、再び減偏光９５されて、分光計を含む集束光学系９７へ送られる。あらゆる実施例において、１つ以上の対物レンズは反射屈折型であり、すなわち鏡要素を含み得るが、この場合には、対物レンズと標本のある場所との間に減偏光子を置くといういくらかの利点があり得るが、この配置は色収差を増加させ得る。さらに、照明光学系６１もしくは８１、または集束光学系７７もしくは９７のいずれかが光を著しく偏光しないようなものであれば、この経路から減偏光子６３、７５、８３または９５をなくすこともできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明に従った、分光測定器具の好ましい実施例を示す概略的な平面図である。
【図２】 この発明に従った分光測定器具の一代替実施例であって、垂直でない入射および反射を有する分光反射率計であるものを示す、概略的な平面図である。
【図３】 この発明に従った分光測定器具の一代替実施例であって、透過分光測光器であるものを示す、概略的な平面図である。

Claims (21)

1. 標本の特性を測定するための分光測定器具であって、
   標本支持体と、
   光源と、
   顕微鏡システムとを含み、前記顕微鏡システムは、照明および集束光経路内に少なくとも１つの顕微鏡対物レンズを伴った照明および集束光経路を有し、前記顕微鏡システムの構成要素は偏光を前記光経路に導入し、前記顕微鏡システムは、前記偏光を導入する構成要素と前記顕微鏡対物レンズとの間で前記光経路のうち少なくとも１つに位置付けられる少なくとも１つの偏光スクランブル要素を有し、前記偏光を導入する前記構成要素と前記少なくとも１つの偏光スクランブル要素との間の光が視準されることを特徴とし、前記分光測定器具はさらに、
   前記顕微鏡システムにより集束された光の一部を受取る検出器を含む、分光測定器具。
2. 前記検出器は分光計である、請求項１に記載の器具。
3. 前記光源はモノクロメータである、請求項１に記載の器具。
4. 前記偏光スクランブル要素はライオット減偏光子を含む、請求項２に記載の器具。
5. 前記分光計から測定データを受取るためのデータプロセッサをさらに含み、前記プロセッサは、前記ライオット減偏光子に由来する測定データ中の波長依存摂動を除去する、請求項４に記載の器具。
6. 前記顕微鏡システムのうち少なくともいくつかの構成要素は可動ヘッド内に収められる、請求項２に記載の器具。
7. 前記顕微鏡システムは反射率計であり、前記集束光経路は、標本に対し向けられここから反射された光のための反射光経路である、請求項２に記載の器具。
8. 前記反射率計は、前記照明および集束光経路の両方にある単一の顕微鏡対物レンズを伴った光の垂直入射および反射のために配置され、前記偏光を導入する前記構成要素は、前記照明および集束光経路を分離するビームスプリッタを含む、請求項７に記載の器具。
9. 前記反射率計は、光の垂直でない入射および反射のために配置される、請求項７に記載の器具。
10. 前記顕微鏡システムは分光測光器であり、前記照明および集束光経路のための前記顕微鏡システムの構成要素は、標本のある場所の反対側に位置付けられる、請求項２に記載の器具。
11. 前記偏光を導入する前記構成要素は、前記照明および集束光経路を分離するビームスプリッタを含む、請求項２に記載の器具。
12. 前記標本は、集束光の偏光状態に影響する、請求項１に記載の器具。
13. 標本は複屈折体である、請求項１２に記載の器具。
14. 標本は格子（grating）状構造を含む、請求項１２に記載の器具。
15. 標本は半導体ウェハまたはフォトマスクを含む、請求項１に記載の器具。
16. 標本を光学的に検査する方法であって、
    光ビームを生成するステップと、
    光ビームを標本の表面に焦点を合わせるステップと、
    標本表面から反射される光を集束するステップと、
    反射される光を分光計で監視して、標本の分析に用いることができる波長の関数として出力信号を生成するステップと、
    焦点を合わされる前か、または集束された後であって監視される前のいずれかに、光が偏光スクランブル要素を通過するようにするステップとを含み、
    光は前記偏光スクランブル要素を通過するに先立って視準される、方法。
17. 偏光スクランブル要素は、焦点を合わされる前にビームの経路に位置づけられる、請求項１６に記載の方法。
18. 偏光スクランブル要素は、集束された後にビームの経路に位置づけられる、請求項１６に記載の方法。
19. 要素は複屈折体プレート減偏光子を含む、請求項１６に記載の方法。
20. 前記複屈折体プレート減偏光子はライオット減偏光子を含む、請求項１９に記載の方法。
21. プローブビームは同一の顕微鏡対物レンズを通って焦点を合わされかつ集束され、プローブビームは垂直入射によって標本に向けられる、請求項１６に記載の方法。

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