JP4950813B2 - 分光エリプソメータ、膜厚測定装置および分光エリプソメータのフォーカス調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、分光エリプソメータおよびそのフォーカス調整方法に関し、また、当該分光エリプソメータを備える膜厚測定装置に関する。

従来より、対象物上に存在する膜の厚さや表面状態を測定する光学式の測定装置としてエリプソメータが利用されている。エリプソメータでは、偏光した光（以下、「偏光光」という。）を対象物の測定面上に斜めから照射し、その反射光の偏光状態を取得して偏光解析することにより基板上の膜厚や測定面の表面状態が測定される。例えば、特許文献１および特許文献２では、反射光の波長毎の偏光状態に基づいて対象物上の薄膜に対する各種測定（例えば、膜厚測定）を行う分光エリプソメータが開示されている。
米国特許第５６０８５２６号明細書 特開２００５−３６６６号公報

ところで、このような分光エリプソメータでは、対象物に照射される偏光光が最も収束する収束位置が対象物の測定面に位置するように対象物が昇降されてフォーカス調整が行われるが、対象物の測定面が上記収束位置と重なる上下方向の位置（以下、「フォーカス位置」という。）から僅かにずれると、偏光光の測定面上における照射領域の位置もずれてしまう。このため、分光エリプソメータでは、偏光解析を行う前にフォーカス調整を精度良く行っておく必要があり、特に、高精細なパターンが形成された半導体基板等の偏光解析を行う場合には、より高精度なフォーカス調整が必要とされる。

しかしながら、対象物に垂直に入射する光の焦点深度は通常、対象物の測定面に斜めに入射する光の焦点深度よりも深くなるため、特許文献１のように落射式の観察光学系を用いてフォーカス調整を行うと、対象物に対して斜めから偏光光を照射する偏光解析用の測定光学系のフォーカス調整としては、要求される精度を満足できない場合がある。

また、高精度なフォーカス調整を実現するためには、対象物上における偏光解析用の測定光学系による照射領域とフォーカス調整用の観察光学系による照射領域とが精度良く重なるように２つの光学系の相対位置が調整されている必要があるが、特許文献１の分光エリプソメータでは、これらの２つの光学系が互いに独立して設けられるため、光学系の温度による膨張率の差等により、両光学系の相対位置が調整時の位置からずれてしまう可能性もある。

特許文献２の分光エリプソメータでは、フォーカス調整用の観察光学系の光が、偏光解析用の測定光学系と同様に、対象物に対して斜めに入射しているため、焦点深度の差によるフォーカス調整の精度低下は防止される。しかしながら、基板撮像部およびその周囲の光学系が、測定光学系から独立して設けられているため、２つの光学系の相対位置のずれを防止することは容易ではなく、フォーカス調整の精度向上に限界がある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、分光エリプソメータにおいて、高精度なフォーカス調整を実現することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、分光エリプソメータであって、測定面を有する対象物を保持する保持部と、前記対象物を前記保持部と共に前記測定面に垂直な方向に移動する昇降機構と、偏光した光を前記測定面へと傾斜しつつ入射させる照明部と、前記測定面からの前記偏光した光の反射光が入射する検光子と、前記検光子を経由した前記反射光を分光する分光デバイスと、前記分光デバイスからの分光光を受光して前記反射光の分光強度を取得する受光デバイスと、前記受光デバイスからの出力に基づいて前記反射光の波長毎の偏光状態を取得する偏光状態取得部と、前記測定面がフォーカス位置から上下にずれた際に前記反射光の前記分光デバイスへの入射を制限する入射制限部と、前記昇降機構により前記測定面を移動しつつ前記受光デバイスにより受光される光の少なくとも一部の波長帯の合計光量を求めることにより、前記測定面の昇降位置と前記合計光量との関係を取得するフォーカス情報取得部とを備える。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の分光エリプソメータであって、前記測定面の昇降位置と前記合計光量との前記関係から所定の演算にて求められる位置と前記フォーカス位置との間の距離を示す補正値を予め記憶する補正値記憶部と、前記補正値を用いて前記フォーカス位置を求めるフォーカス位置決定部とをさらに備える。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の分光エリプソメータであって、前記検光子を光軸に平行な中心軸を中心として回転する回転機構をさらに備え、前記測定面の昇降位置と前記合計光量との前記関係を求める際に、前記測定面を所定の昇降位置に位置させた状態で前記検光子が回転され、前記合計光量が最大値を示す回転位置にて前記検光子が固定される。

請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の分光エリプソメータであって、前記受光デバイスが、前記反射光の分光方向に平行に複数の受光素子が配列された受光素子アレイであり、前記測定面が前記フォーカス位置から上下にずれた際に、前記分光デバイスからの分光光が、前記受光デバイスの受光面上において前記分光方向に垂直な方向に移動する。

請求項５に記載の発明は、分光エリプソメータであって、測定面を有する対象物を保持する保持部と、前記対象物を前記保持部と共に前記測定面に垂直な方向に移動する昇降機構と、偏光した光を前記測定面へと傾斜しつつ入射させる照明部と、前記測定面からの前記偏光した光の反射光が入射する検光子と、前記検光子を経由した前記反射光を分光する分光デバイスと、前記分光デバイスからの分光光を受光して前記反射光の分光強度を取得する第１受光デバイスと、前記第１受光デバイスからの出力に基づいて前記反射光の波長毎の偏光状態を取得する偏光状態取得部と、前記分光デバイスからの０次回折光が導かれ、前記測定面がフォーカス位置に位置する際に前記測定面と光学的に共役な位置に位置する微小開口を有する微小開口部材と、前記微小開口部材を通過した光の強度を取得する第２受光デバイスとを備える。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の分光エリプソメータであって、前記昇降機構により前記測定面を移動しつつ前記第２受光デバイスからの出力を取得することにより、前記測定面の昇降位置と前記第２受光デバイスの出力との関係を取得するフォーカス情報取得部をさらに備える。

請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の分光エリプソメータであって、前記測定面の昇降位置に対する前記第２受光デバイスの出力の極大位置を前記フォーカス位置として取得するフォーカス位置決定部をさらに備える。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の分光エリプソメータであって、前記測定面の昇降位置に対して前記第２受光デバイスの出力に複数の極大位置が存在する場合に、前記複数の極大位置のうち前記測定面が最も下降している位置が前記フォーカス位置とされる。

請求項９に記載の発明は、請求項６ないし８のいずれかに記載の分光エリプソメータであって、前記検光子を光軸に平行な中心軸を中心として回転する回転機構をさらに備え、前記測定面の昇降位置と前記第２受光デバイスの出力との前記関係を求める際に、前記測定面を所定の昇降位置に位置させた状態で前記検光子が回転され、前記第２受光デバイスの出力が最大値を示す回転位置にて前記検光子が固定される。

請求項１０に記載の発明は、対象物上に形成された膜の厚さを測定する膜厚測定装置であって、対象物上の測定面に偏光した光を照射する請求項１ないし９のいずれかに記載の分光エリプソメータと、前記分光エリプソメータにより取得された反射光の波長毎の偏光状態に基づいて前記測定面に存在する膜の厚さを求める膜厚演算部とを備える。

請求項１１に記載の発明は、分光エリプソメータのフォーカス調整方法であって、ａ）偏光した光を対象物上の測定面へと傾斜しつつ入射させる工程と、ｂ）前記測定面からの前記偏光した光の反射光を分光デバイスにより分光する工程と、ｃ）前記分光デバイスからの分光光を受光デバイスにて受光して前記反射光の分光強度を取得し、前記反射光の少なくとも一部の波長帯の合計光量を求める工程と、ｄ）前記測定面がフォーカス位置から上下にずれた際に前記反射光の前記分光デバイスへの入射を制限する入射制限部が設けられた状態で、前記測定面を前記測定面に垂直な方向に移動しつつ前記ａ）工程ないし前記ｃ）工程を繰り返すことにより、前記測定面の昇降位置と前記合計光量との関係を求める工程と、ｅ）前記測定面の昇降位置と前記合計光量との前記関係に基づいて前記フォーカス位置を求める工程と、ｆ）前記測定面を前記フォーカス位置へと移動する工程とを備える。

請求項１２に記載の発明は、請求項１１に記載の分光エリプソメータのフォーカス調整方法であって、前記ｅ）工程よりも前に、ｇ）前記偏光した光を対象物上の散乱面へと導く工程と、ｈ）前記散乱面における前記偏光した光の照射領域を観察する工程と、ｉ）前記散乱面を前記散乱面に垂直な方向に移動しつつ前記ｇ）工程および前記ｈ）工程を繰り返し、前記照射領域の面積が最小となる前記散乱面の昇降位置をフォーカス位置として求める工程と、ｊ）前記測定面に代えて前記対象物上において前記散乱面に平行な平滑面に対して前記ａ）ないし前記ｄ）工程を実行することにより、前記平滑面の昇降位置と合計光量との関係を取得し、前記ｅ）工程における前記フォーカス位置の算出に利用される情報を生成する工程とを備える。

請求項１３に記載の発明は、分光エリプソメータのフォーカス調整方法であって、ａ）偏光した光を対象物上の測定面へと傾斜しつつ入射させる工程と、ｂ）前記測定面からの前記偏光した光の反射光を分光デバイスにより受光する工程と、ｃ）前記分光デバイスからの分光光を受光する第１受光デバイスとは独立して設けられた第２受光デバイスにより、前記分光デバイスからの０次回折光を、前記測定面がフォーカス位置に位置する際に前記測定面と光学的に共役な位置に位置する微小開口を介して受光する工程と、ｄ）前記測定面を前記測定面に垂直な方向に移動しつつ前記ａ）工程ないし前記ｃ）工程を繰り返すことにより、前記測定面の昇降位置と前記第２受光デバイスの出力との関係を求める工程と、ｅ）前記測定面の昇降位置と前記第２受光デバイスの出力との前記関係に基づいて前記フォーカス位置を求める工程と、ｆ）前記測定面を前記フォーカス位置へと移動する工程とを備える。

本発明では、分光エリプソメータにおいて、高精度なフォーカス調整を実現することができる。また、請求項１の発明では、分光エリプソメータの装置構造を簡素化することもできる。

請求項２、並びに、請求項６ないし８の発明では、フォーカス位置を自動的に求めることができる。また、請求項３および９の発明では、検光子の回転位置が所望の位置で固定されるため、フォーカス調整の精度を向上することができる。さらに、請求項４ないし９の発明では、フォーカス位置を容易に求めることができる。

請求項１０の発明では、膜厚測定装置において、高精度な膜厚測定を実現することができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る膜厚測定装置１０の構成を示す図である。膜厚測定装置１０は、測定対象物である半導体基板９上に形成された薄膜の厚さを測定する装置である。以下の説明では、半導体基板９を、単に「基板９」という。図１では、膜厚測定装置１０の構成の一部を断面にて示しており、分光器４２については、その内部の構成を示している。

図１に示すように、膜厚測定装置１０は、基板９上の薄膜が存在する主面９１（すなわち、測定対象となる図１中の（＋Ｚ）側の主面であり、以下、「測定面９１」という。）に偏光した光を照射して測定面９１の偏光解析に用いられる情報を取得する分光エリプソメータ１、および、分光エリプソメータ１により取得された情報に基づいて偏光解析を行って測定面９１に存在する膜の厚さを求める膜厚演算部７を備える。

分光エリプソメータ１は、測定面９１を有する基板９を保持する保持部であるステージ２、ステージ２を移動するステージ移動機構２１、偏光した光（以下、「偏光光」という。）を基板９の測定面９１へと傾斜しつつ（すなわち、斜めに）入射させる照明部３、照明部３からの偏光光の反射光を受光する受光部４、基板９の測定面９１に沿う方向（すなわち、図１中におけるＸ方向およびＹ方向）の位置調整に利用される基板観察部５、並びに、各種演算処理を行うＣＰＵや各種情報を記憶するメモリ等により構成されるとともに上記構成を制御する制御部６を備える。

図２は、制御部６の構成を示す図である。図２に示すように、制御部６は、通常のコンピュータと同様に、各種演算処理を行うＣＰＵ６１、実行されるプログラムを記憶したり演算処理の作業領域となるＲＡＭ６２、基本プログラムを記憶するＲＯＭ６３、各種情報を記憶する固定ディスク６４、作業者に各種情報を表示するディスプレイ６５、および、キーボードやマウス等の入力部６６等を接続した構成となっている。

図３は、制御部６のＣＰＵ６１（図２参照）等がプログラムに従って演算処理を行うことにより実現される機能を示すブロック図であり、図３中のフォーカス情報取得部６１１、補正値記憶部６１２およびフォーカス位置決定部６１３が、ＣＰＵ６１等により実現される機能に相当する。なお、これらの機能は複数台のコンピュータにより実現されてもよい。制御部６では、後述する分光エリプソメータ１のフォーカス調整において利用される補正値が、補正値記憶部６１２に予め記憶されている。

図１に示すように、ステージ移動機構２１は、ステージ２を図１中のＹ方向に移動するＹ方向移動機構２２、および、ステージ２をＸ方向に移動するＸ方向移動機構２３を有する。Ｙ方向移動機構２２はモータ２２１にボールねじ（図示省略）が接続され、モータ２２１が回転することにより、Ｘ方向移動機構２３がガイドレール２２２に沿って図１中のＹ方向に移動する。Ｘ方向移動機構２３もＹ方向移動機構２２と同様の構成となっており、モータ２３１が回転するとボールねじ（図示省略）によりステージ２がガイドレール２３２に沿ってＸ方向に移動する。ステージ移動機構２１は、また、基板９をステージ２と共に基板９の測定面９１に垂直な上下方向（すなわち、図１中のＺ方向）に移動する昇降機構２４を有し、分光エリプソメータ１のフォーカス調整が行われる際には、当該昇降機構２４により基板９の昇降が行われる。

照明部３は、白色光を出射する高輝度キセノン（Ｘｅ）ランプである光源３１、光源３１からの光を案内する各種光学素子、および、シート状（または、薄板状）の偏光素子３２を備え、偏光素子３２により光源３１からの光から得られた偏光光が、照明部３から基板９の測定面９１に傾斜しつつ（本実施の形態では、入射角７０°にて斜めに）入射する。

受光部４は、基板９からの偏光光の反射光が入射する検光子４１、検光子４１を光軸Ｊ２に平行な中心軸を中心として回転する検光子回転機構４１１、検光子４１を経由した反射光を受光するグレーティング式の分光器４２、反射光を分光器４２へと導く各種光学素子、および、分光器４２に接続される偏光状態取得部４３を備える。分光器４２は、検光子４１を経由した反射光を受光して波長毎の光に分光する分光デバイスであるグレーティング４２１、および、グレーティング４２１からの分光した光（以下、「分光光」という。）を受光して反射光の分光強度（すなわち、波長毎の光強度）を取得する受光デバイス４２２を備える。受光部４では、偏光状態取得部４３により、検光子４１の回転位置および受光デバイス４２２からの出力に基づいて反射光の波長毎の偏光状態が取得される。

基板観察部５は、白色光を出射する観察用光源５１および基板９の位置調整用のカメラ５２を備える。観察用光源５１からの光は、ハーフミラー５３および対物レンズ５４を介して基板９の測定面９１に垂直に入射し、基板９からの反射光は、対物レンズ５４、ハーフミラー５３およびレンズ５５を介してカメラ５２にて受光される。分光エリプソメータ１では、基板９の測定面９１上に設けられた位置調整用の目印（いわゆる、アライメントマーク）がカメラ５２により撮像される。そして、制御部６により、当該目印の画像に基づいてステージ移動機構２１のＸ方向移動機構２３およびＹ方向移動機構２２が制御され、基板９のＸ方向およびＹ方向における位置調整が行われる。

次に、照明部３および受光部４の詳細について説明する。照明部３では、光源３１からの光が、反射面が回転楕円体面の一部である非球面ミラー（以下、「楕円ミラー」という。）３５１、熱線カットフィルタ３５２および楕円ミラー３５３により、スリット板３５４の開口に導かれる。スリット板３５４では、光源３１からの光の光軸Ｊ１に垂直な方向における開口の形状が、Ｘ軸に平行な辺の長さが他の辺の長さよりも長い１５０μｍ×５０μｍの長方形とされ、当該開口を通過した光は、光軸Ｊ１と為す角度θ_１がｓｉｎθ_１＝０．０２となるように漸次広がりつつ平面ミラー３５５へと導かれる。

スリット板３５４からの光は、平面ミラー３５５にて反射されて楕円ミラー３５６へとさらに導かれ、楕円ミラー３５６にて反射された光は開口数（ＮＡ）０．１にて集光されつつ偏光素子３２へと導かれる。そして、偏光素子３２により導き出された偏光光が７０度の入射角にて基板９上の照射領域に照射される。照明部３では、スリット板３５４から基板９に至る光学系は、５対１の縮小光学系となっているため、基板９の測定面９１近傍における偏光光の光軸Ｊ１に垂直な光束断面の形状は、Ｘ軸に平行な辺の長さが３０μｍであり、他の辺の長さが１０μｍである長方形となる。したがって、基板９上における偏光光の照射領域はおよそ３０μｍ×３０μｍの正方形の領域となる。

基板９からの反射光は、受光部４のスリット板４５１により取り込まれて検光子４１へと導かれる。スリット板４５１の開口は、Ｘ軸に平行な辺の長さが他の辺の長さよりも十分に長い長方形とされ、Ｘ軸に垂直な方向（ほぼ高さに相当する方向）に関して、測定面９１からスリット板４５１の開口を見込む角を２θ_２としてｓｉｎθ_２が０．０５とされる。これにより、スリット板４５１により取り込まれる反射光の基板９上の反射角の範囲が制限されてほぼ平行光とされる。一方、Ｘ方向に関しては反射光はほとんど制限されないため、測定に必要な十分な量の光が検光子４１へと導かれる。本実施の形態では、検光子４１として、グラントムソンプリズムまたは偏光シートが利用される。

検光子４１は、制御部６により制御される検光子回転機構４１１（例えば、ステッピングモータ）により光軸Ｊ２に平行な軸を中心として回転し、これにより、検光子回転機構４１１の回転角に応じた（すなわち、検光子４１の回転位置に応じた）偏光光が検光子４１から導き出される。回転する検光子４１を透過した偏光光は、楕円ミラー４５２にて反射されて平面ミラー４５３へと導かれ、平面ミラー４５３にて反射されて分光器４２に固定されたスリット板４５４の開口を介して分光器４２へと入射する。スリット板４５４の開口は、１００μｍ×１００μｍの正方形であり、フォーカス調整後の基板９の測定面９１上の照射領域と光学的に共役な位置に配置される。

分光器４２へと入射した反射光は、グレーティング４２１により反射されて高い波長分解能にて分光され、受光デバイス４２２により受光されて波長毎（例えば、紫外線から近赤外線までの波長毎）の光の強度が高感度に測定される。受光デバイス４２２の受光面上におけるグレーティング４２１からの光の分光方向（すなわち、波長毎の光が配列される方向）は、照明部３の基板９上における光軸Ｊ１を含んで測定面９１に垂直な仮想的な面に対して平行とされる。本実施の形態では、受光デバイス４２２として、受光面上における反射光の分光方向に平行に複数の受光素子が１列に配列された受光素子アレイが利用される。なお、受光デバイス４２２では、複数の受光素子が上記分光方向に平行に２列以上に配列されてもよい。

受光デバイス４２２により取得された反射光の分光強度は偏光状態取得部４３へと出力され、偏光状態取得部４３において、受光デバイス４２２および検光子回転機構４１１からの出力に基づいて反射光の分光強度と検光子４１の回転角とが対応づけられることにより、反射光の波長毎の偏光状態を示すｐ偏光成分とｓ偏光成分との位相差Δおよび反射振幅比角Ψが取得される。そして、これらの反射光の波長毎の偏光状態が偏光状態取得部４３から膜厚演算部７へと出力される。膜厚演算部７では、分光エリプソメータ１の受光部４により取得された反射光の波長毎の偏光状態に基づいて偏光解析が行われ、基板９の測定面９１に存在する膜の厚さが求められる。

次に、膜厚測定装置１０において基板９上の膜厚測定が行われるよりも前に実施される分光エリプソメータ１のフォーカス調整について説明する。なお、フォーカス調整とは、基板９を上下に移動して照明部３からの光が最も収束する位置である収束位置と測定面９１とを一致させる作業を指す。図４は、分光エリプソメータ１におけるフォーカス調整の流れを示す図である。フォーカス調整が行われる際には、まず、必要に応じて図１に示すステージ移動機構２１の昇降機構２４が駆動され、基板９の測定面９１が上下方向における所定の検光子調整位置（好ましくは、照明部３から基板９に向けて照射される偏光光が最も収束する収束位置と測定面９１とが重なる（測定面９１の）フォーカス位置近傍と推定される位置）に位置する。続いて、測定面９１を検光子調整位置に位置させた状態で、基板９に対して照明部３から光が照射されるとともに検光子回転機構４１１により検光子４１が回転され、基板９からの反射光が、回転する検光子４１を透過して分光器４２により受光される。

分光器４２では、受光デバイス４２２により反射光の分光強度が取得されて制御部６のフォーカス情報取得部６１１（図３参照）に出力され、フォーカス情報取得部６１１において、反射光の所定の波長帯（本実施の形態では、受光デバイス４２２により受光される反射光の全波長成分を含む波長帯）の波長毎の光強度の合計である合計光量が求められる（ステップＳ１１）。合計光量は、検光子４１の回転位置に応じて増減し、受光部４では、フォーカス情報取得部６１１により求められる合計光量が最大値を示す回転位置にて検光子４１が固定される（ステップＳ１２）。

次に、昇降機構２４により、基板９がステージ２と共に図１中の（−Ｚ）側へと移動して移動開始位置に位置し、移動開始位置から（＋Ｚ）方向へと移動を開始する（ステップＳ１３）。続いて、受光部４の検光子４１が固定された状態で（すなわち、検光子４１の回転が停止された状態で）、照明部３からの偏光光が基板９の測定面９１へと傾斜しつつ入射し、測定面９１からの偏光光の反射光が、スリット板４５４を介して分光器４２へと入射してグレーティング４２１により分光される。そして、グレーティング４２１からの分光光が、受光デバイス４２２により受光されて反射光の分光強度が取得され、受光デバイス４２２からの出力に基づいてフォーカス情報取得部６１１により反射光の所定の波長帯の合計光量が求められる（ステップＳ１４）。

分光エリプソメータ１では、基板９が所定の停止位置に到達するまで（ステップＳ１５）、基板９の（＋Ｚ）方向への移動、照明部３による偏光光の照射、および、分光器４２による反射光の受光を行いつつ、フォーカス情報取得部６１１による反射光の合計光量の算出が繰り返される（ステップＳ１４，Ｓ１５）。そして、基板９の上方への移動（すなわち、（＋Ｚ）方向への移動）が停止位置にて停止され（ステップＳ１６）、制御部６のフォーカス情報取得部６１１において、基板９の測定面９１の上下方向の位置（以下、「昇降位置」という。）とフォーカス情報取得部６１１により求められた反射光の合計光量とが関連付けられて測定面９１の昇降位置と反射光の合計光量との関係が取得される（ステップＳ１７）。

図１に示す分光エリプソメータ１では、基板９が上下に（すなわち、Ｚ方向に）移動することにより、受光部４のスリット板４５４に入射する測定面９１からの反射光も上下に移動し、基板９の測定面９１がフォーカス位置からある程度の距離だけ上下にずれた際には、測定面９１からの反射光の分光器４２への入射が、スリット板４５４により、一部または全て遮られる。すなわち、スリット板４５４は、測定面９１がフォーカス位置から上下にずれた際に測定面９１からの反射光のグレーティング４２１への入射を制限する入射制限部となっている。

図５は、基板９の測定面９１の昇降位置と反射光の合計光量との関係を示す図である。図５に示すように、反射光の合計光量は、スリット板４５４に導かれる光全体がスリット板４５４の開口を介してグレーティング４２１へと入射する昇降位置の範囲に基板９の測定面９１が位置している際に最大値を示す。

基板９の測定面９１の昇降位置と反射光の合計光量との関係が求められると、フォーカス情報取得部６１１により、合計光量が最大値を示す測定面９１の昇降位置の範囲が求められ、当該範囲の中心である中心位置Ｐ１が求められる。分光エリプソメータ１では、上述のように、スリット板４５４の開口がフォーカス調整後の基板９の測定面９１上の照射領域と光学的に共役な位置に配置されており、また、測定面９１がフォーカス位置に位置した状態において、反射光がスリット板４５４の開口中心を通るように設計されているため、理論的には、図５中の中心位置Ｐ１に基板９の測定面９１が位置した状態において、照明部３からの基板９への入射光の収束位置が基板９の測定面９１上に位置するが、実際には、分光エリプソメータ１の各構成の公差等により、測定面９１が入射光の収束位置に位置する際の測定面９１の昇降位置（すなわち、フォーカス位置）が、図５中の中心位置Ｐ１から僅かにずれてしまう場合がある。

そこで、分光エリプソメータ１では、中心位置Ｐ１とフォーカス位置との間の上下方向（すなわち、Ｚ方向）の距離を示す補正値が、図３に示す制御部６の補正値記憶部６１２に予め記憶されており、フォーカス位置決定部６１３により、当該補正値を用いて中心位置Ｐ１が補正されることにより、測定面９１のフォーカス位置Ｐ２が、図５に示すように、合計光量が最大値を示す測定面９１の昇降位置の範囲内において自動的に求められる（ステップＳ１８）。補正値記憶部６１２に記憶されている補正値の算出方法については後述する。

このように、基板９の測定面９１の昇降位置と反射光の合計光量との関係に基づいてフォーカス位置が求められると、制御部６により図１に示す昇降機構２４が制御され、基板９がステージ２と共に上下方向に移動して基板９の測定面９１がフォーカス位置に位置することにより、分光エリプソメータ１のフォーカス調整が終了する（ステップＳ１９）。

次に、上記ステップＳ１８にて用いられた補正値の算出方法について説明する。図６は、補正値の算出の流れを示す図である。当該補正値は、膜厚測定装置１０にて膜厚測定が行われる最初の基板９のフォーカス調整の際に１回のみ求められ、あるいは、膜厚測定よりも前にテスト用基板を用いて１回のみ求められて補正値記憶部６１２（図３参照）に格納される。そして、以降の基板に対するフォーカス調整時には、補正値記憶部６１２から当該補正値が読み出されて利用される。以下では、テスト用基板を用いて補正値が求められるものとして説明する。

補正値が求められる際には、まず、テスト用基板の測定面上に照明部３からの偏光光を散乱させる散乱部材（例えば、アルミニウム箔）が配置される。以下の説明では、偏光光が入射する散乱部材の表面を「散乱面」といい、散乱面はテスト用基板の測定面と平行となっている。

続いて、図１に示す昇降機構２４により、テスト用基板の移動開始位置からの（＋Ｚ）方向（すなわち、散乱面に垂直な方向）への移動が開始され（ステップＳ２１）、照明部３からの偏光光が傾斜しつつテスト用基板上の散乱面へと導かれ、散乱面において偏光光が散乱して得られた散乱光が、Ｚ方向に配列された基板観察部５の対物レンズ５４、ハーフミラー５３およびレンズ５５を介してカメラ５２にて受光される。換言すれば、テスト用基板上の散乱面における偏光光の照射領域が基板観察部５により観察される。そして、カメラ５２にて取得された画像から、テスト用基板の散乱面上における偏光光の照射領域の面積が求められる（ステップＳ２２）。

分光エリプソメータ１では、テスト用基板が所定の停止位置に位置するまで（ステップＳ２３）、テスト用基板の（＋Ｚ）方向への移動、照明部３による散乱面への偏光光の照射、および、カメラ５２による散乱面上の照射領域の観察を行いつつ、照射領域の面積の算出が繰り返される（ステップＳ２２，Ｓ２３）。そして、テスト用基板の上下方向の移動が停止位置にて停止され（ステップＳ２４）、テスト用基板の散乱面の昇降位置とテスト用基板上における照射領域の面積との関係に基づいて、照射領域の面積が最小となる散乱面の昇降位置がフォーカス位置として求められる（ステップＳ２５）。

次に、テスト用基板上の散乱部材以外の測定面上の一の領域（以下、散乱面と区別するために「平滑面」という。）に対して、図４に示すステップＳ１１〜Ｓ１７と同様の工程が行われ（換言すれば、基板９の測定面９１に代えてテスト用基板の平滑面に対してステップＳ１１〜Ｓ１７が実行され）、テスト用基板の平滑面と昇降位置と反射光の合計光量との関係が取得される（ステップＳ２６）。平滑面は測定面の一部であるため、上述のように、散乱面と平行であり、散乱部材の厚さ分だけ散乱面よりも（−Ｚ）側に位置する。

その後、テスト用基板の平滑面の昇降位置と反射光の合計光量との関係において、合計光量が最大値を示す平滑面の昇降位置の範囲の中心位置が求められ、当該中心位置とステップＳ２５にて求められたフォーカス位置との間の上下方向の距離（具体的には、平滑面が上記中心位置に位置する際の昇降機構２４のエンコーダの指示値と、散乱面がフォーカス位置に位置する際の当該エンコーダの指示値との差を、散乱部材の厚さ分だけ補正した距離）が、上述の補正値として求められて（すなわち、ステップＳ１８において基板９の測定面９１のフォーカス位置算出に利用される情報が生成されて）制御部６の補正値記憶部６１２に記憶される（ステップＳ２７）。当該補正値は、テスト用基板や膜厚測定の対象となる基板９の厚さにかかわらず一定とされる。

なお、補正値の算出では、例えば、ステップＳ２１〜Ｓ２５に代えて、使用者が昇降機構２４を手動にて操作することにより散乱面の昇降位置を変更しつつ、カメラ５２により取得された散乱面上の照射領域の画像を観察し、照射領域の面積が最小であると使用者が判断した位置がフォーカス位置とされてもよい。この場合、散乱面の上下方向の移動は、フォーカス位置と予想される昇降位置近傍のみで行われてよい。

以上に説明したように、膜厚測定装置１０の分光エリプソメータ１では、照明部３から基板９の測定面９１へと傾斜しつつ入射した光の反射光を利用してフォーカス調整を行うことにより、基板に対して垂直に光を照射する落射式光学系を利用してフォーカス調整を行う場合に比べて、照明部３の光学系の焦点深度を小さくしてフォーカス調整の精度を向上することができる。

ところで、通常の分光エリプソメータでは、基板の偏光解析用に利用される光学系とフォーカス調整に利用される光学系とが、少なくとも一部が互いに独立して設けられており、両光学系の照射領域が位置精度良く重なるように両光学系の相対位置が調整されている。しかしながら、このような分光エリプソメータでは、光学系の温度による膨張率の差等により、両光学系の相対位置が調整時の位置からずれてしまう恐れがある。

これに対し、本実施の形態に係る分光エリプソメータ１のフォーカス調整では、基板９の測定面９１の偏光解析に利用される構成（すなわち、照明部３の光源３１、楕円ミラー３５１、熱線カットフィルタ３５２、楕円ミラー３５３、スリット板３５４、平面ミラー３５５、楕円ミラー３５６および偏光素子３２、並びに、受光部４のスリット板４５１、検光子４１、楕円ミラー４５２、平面ミラー４５３、スリット板４５４およびグレーティング４２１）のみにより受光デバイス４２２へと光が導かれ、受光デバイス４２２からの出力に基づいて測定面９１がフォーカス位置へと移動される。

このように、分光エリプソメータ１では、偏光解析に利用される光学系とフォーカス調整に利用される光学系とを共通とすることにより、温度変化等による光学系の変化の影響を排除してより高精度なフォーカス調整を実現することができる。その結果、膜厚測定装置１０において、照明部３からの偏光光を測定面９１上に位置精度良く照射することができ、さらに、測定面９１からの反射光の単位面積当たりの光強度を大きくすることができるため、高精度な膜厚測定が実現される。

また、分光エリプソメータ１では、測定面９１の昇降位置と反射光の合計光量との関係を求める際に、所定の昇降位置における合計光量が最大となる回転位置にて検光子４１が固定されることにより、測定面９１の昇降位置と反射光の合計光量との関係を高精度に取得することができるため、フォーカス調整の精度をより向上することができる。

分光エリプソメータ１では、測定面９１の昇降位置と反射光の合計光量との関係において合計光量が最大値を示す昇降位置の範囲の中心位置Ｐ１と、補正値記憶部６１２に予め記憶されている補正値とを用いてフォーカス位置が自動的に求められる。これにより、分光エリプソメータ１の各構成の公差等によるフォーカス位置と上記中心位置Ｐ１とのずれを補正し、フォーカス調整の精度をさらに向上することができる。また、補正値の取得においては、上述のようにテスト用基板の散乱面における照射領域を基板観察部５により観察してフォーカス位置を求めることにより、補正値の取得を容易とすることができる。

次に、本発明の第２の実施の形態に係る膜厚測定装置の分光エリプソメータについて説明する。図７は、第２の実施の形態に係る分光エリプソメータ１ａの構成を示す図である。図７に示すように、分光エリプソメータ１ａでは、図１に示す分光エリプソメータ１の分光器４２とは構造が異なる分光器４２ａが受光部４に設けられる。分光エリプソメータ１ａのその他の構成は、図１に示す分光エリプソメータ１と同様であり、対応する構成には以下の説明において同符号を付す。なお、図７では、分光エリプソメータ１ａの構成の一部を断面にて示しており、また、制御部６の図示を省略している（後述する図１０においても同様）。

図７に示す分光器４２ａは、第１の実施の形態と同様に、分光デバイスであるグレーティング４２１、および、グレーティング４２１からの分光光を受光して反射光の分光強度を取得する受光デバイス４２２を備え、さらに、グレーティング４２１からの０次回折光（すなわち、正反射光）が導かれるピンホール板４２３、および、ピンホール板４２３の微小開口を通過した光を受光して光の強度を取得するもう１つの受光デバイス４２４を備える。以下の説明では、受光デバイス４２２、および、受光デバイス４２２とは独立して設けられたもう１つの受光デバイス４２４を互いに区別するため、それぞれ「第１受光デバイス４２２」および「第２受光デバイス４２４」という。

分光エリプソメータ１ａでは、第２受光デバイス４２４としてフォトダイオードが利用され、第１受光デバイス４２２として、第１の実施の形態と同様に、受光面上における分光方向に沿って複数の受光素子が１列に配列された受光素子アレイが利用される。ピンホール板４２３の微小開口は、グレーティング４２１によりピンホール板４２３に投影されたスリット板４５４の開口の像の高さ方向（すなわち、開口の上下方向に対応する方向）に関して当該像よりも小さく、スリット板４５４の開口と光学的に共役な位置に位置する。したがって、基板９の測定面９１がフォーカス位置に位置した状態では、ピンホール板４２３の微小開口は、基板９の測定面９１と光学的に共役な位置に位置することとなる。

第２の実施の形態に係る膜厚測定装置において基板９上に形成された膜の厚さが測定される際には、第１の実施の形態と同様に、ステージ２上に保持された基板９の測定面９１に、照明部３からの偏光光が傾斜しつつ入射し、測定面９１からの反射光が回転する検光子４１およびスリット板４５４を経由して分光器４２ａへと入射する。測定面９１からの反射光は、分光器４２ａのグレーティング４２１により分光され、受光素子アレイである第１受光デバイス４２２により分光光が受光されて反射光の分光強度が取得される。そして、偏光状態取得部４３により第１受光デバイス４２２からの出力に基づいて反射光の波長毎の偏光状態が取得され、膜厚演算部７（図１参照）により反射光の波長毎の偏光状態に基づいて偏光解析が行われて基板９の測定面９１に存在する膜の厚さが求められる。

次に、分光エリプソメータ１ａのフォーカス調整について説明する。図８は、分光エリプソメータ１ａにおけるフォーカス調整の流れを示す図である。フォーカス調整が行われる際には、まず、第１の実施の形態と同様に、基板９の測定面９１が検光子調整位置に位置した状態にて、基板９に対して照明部３から光が照射されるとともに検光子４１が回転され、基板９からの反射光が分光器４２ａにより受光される。分光器４２ａでは、第２受光デバイス４２４によりグレーティング４２１からの０次回折光の光強度（すなわち、光量）が取得され（ステップＳ３１）、受光部４において、第２受光デバイス４２４からの出力であるグレーティング４２１からの０次回折光の光強度が最大値を示す回転位置にて検光子４１が固定される（ステップＳ３２）。

続いて、昇降機構２４により基板９が移動開始位置から（＋Ｚ）方向へと移動を開始し（ステップＳ３３）、照明部３から基板９の測定面９１へと傾斜しつつ入射した偏光光の反射光が、スリット板４５４を介してグレーティング４２１へと入射し、グレーティング４２１からの０次回折光が、ピンホール板４２３を介して第２受光デバイス４２４により受光されて光強度が取得される（ステップＳ３４）。そして、第２受光デバイス４２４から制御部６のフォーカス情報取得部６１１（図３参照）へと当該光強度が出力される。

分光エリプソメータ１ａでは、基板９が所定の停止位置に位置するまで（ステップＳ３５）、基板９の（＋Ｚ）方向への移動、照明部３による偏光光の照射、および、分光器４２ａによる反射光の受光を行いつつ、第２受光デバイス４２４による０次回折光の光強度の取得が繰り返される（ステップＳ３４，Ｓ３５）。そして、基板９の上方への移動が停止位置にて停止され（ステップＳ３６）、制御部６のフォーカス情報取得部６１１において、基板９の測定面９１の昇降位置と第２受光デバイス４２４の出力（すなわち、グレーティング４２１からの０次回折光の光強度）との関係が自動的に取得される（ステップＳ３７）。

図７に示す分光エリプソメータ１ａでは、基板９が上下に（すなわち、Ｚ方向に）移動することにより、分光器４２ａに入射する測定面９１からの反射光も上下に移動し、基板９の測定面９１がフォーカス位置から上下にずれた際には、測定面９１からの反射光の第２受光デバイス４２４への入射が、ピンホール板４２３により一部または全て遮られる。すなわち、ピンホール板４２３は、測定面９１がフォーカス位置から上下にずれた際に測定面９１からの反射光の第２受光デバイス４２４への入射を制限する入射制限部となっている。

図９．Ａは、基板９の測定面９１の昇降位置と第２受光デバイス４２４から出力されるグレーティング４２１からの０次回折光の光強度との関係を示す図である。図９．Ａに示すように、第２受光デバイス４２４からの出力は、ピンホール板４２３に導かれる光全体がピンホール板４２３の微小開口から第２受光デバイス４２４へと入射する（あるいは、ピンホール板４２３の微小開口全体が、ピンホール板４２３に入射する光の照射量域に含まれる）昇降位置に基板９の測定面９１が位置している際に最大値を示す。

図７に示す分光エリプソメータ１ａでは、制御部６のフォーカス位置決定部６１３（図３参照）により、測定面９１の昇降位置に対する第２受光デバイス４２４の出力が明瞭に極大となる位置（すなわち、近傍の昇降位置に比べて第２受光デバイス４２４の出力が大きくなる測定面９１の昇降位置）である極大位置Ｐ３（図９．Ａ参照）が、フォーカス位置として自動的に取得される（ステップＳ３８）。そして、制御部６により昇降機構２４が制御され、基板９がステージ２と共に上下方向に移動して基板９の測定面９１がフォーカス位置に位置することにより、分光エリプソメータ１ａのフォーカス調整が終了する（ステップＳ３９）。

以上に説明したように、分光エリプソメータ１ａでは、第１の実施の形態と同様に、基板９の測定面９１へと傾斜しつつ入射した光の反射光を利用してフォーカス調整を行うことにより、落射式光学系を利用してフォーカス調整を行う場合に比べてフォーカス調整の精度を向上することができる。また、第１の実施の形態と同様に、偏光解析に利用される光学系とフォーカス調整に利用される光学系とを共通とすることにより、温度変化等による光学系の変化の影響を排除してより高精度なフォーカス調整を実現することができる。その結果、分光エリプソメータ１ａを備える第２の実施の形態に係る膜厚測定装置において、高精度な膜厚測定が実現される。

分光エリプソメータ１ａでは、測定面９１の昇降位置と第２受光デバイス４２４の出力との関係を求める際に、第２受光デバイス４２４の出力が最大となる回転位置にて検光子４１が固定されることにより、測定面９１の昇降位置と第２受光デバイス４２４の出力との関係を高精度に取得することができるため、フォーカス調整の精度をより向上することができる。

分光エリプソメータ１ａでは、特に、ピンホール板４２３の微小開口が、グレーティング４２１によりピンホール板４２３に投影されたスリット板４５４の開口の像の高さ方向（すなわち、開口の上下方向に対応する方向）に関して当該像よりも小さくされ、グレーティング４２１からの０次回折光がピンホール板４２３の微小開口を介して第２受光デバイス４２４に入射する。このため、第２受光デバイス４２４の出力が最大値となる測定面９１の昇降位置の範囲（すなわち、フォーカス位置を含む昇降位置の範囲）が、第１の実施の形態に比べて小さくなり、本実施の形態では、フォーカス位置において第２受光デバイス４２４の出力が明瞭に極大となる。このため、第１の実施の形態に比べて、測定面９１の昇降位置と第２受光デバイス４２４の出力との関係からフォーカス位置をより容易に求めることができる。

一方、第１の実施の形態に係る分光エリプソメータ１では、基板９の測定面９１の偏光解析に利用される受光デバイス４２２を用いてフォーカス調整が行われるため、偏光解析用の第１受光デバイス４２２とフォーカス調整用の第２受光デバイス４２４とを有する分光エリプソメータ１ａに比べて、分光器および分光エリプソメータの構造を簡素化することができる。

ところで、第２の実施の形態に係る分光エリプソメータ１ａのフォーカス調整では、図８のステップＳ３７にて取得された基板９の測定面９１の昇降位置と第２受光デバイス４２４の出力との関係において、図９．Ｂに示すように、基板９の測定面９１の昇降位置に対して第２受光デバイス４２４の出力に複数の極大位置が存在する場合がある。図９．Ｂに示す上記関係では、左側の極大位置Ｐ３における第２受光デバイス４２４からの出力は、測定面９１に存在する薄膜の上面にて反射された偏光光が第２受光デバイス４２４に入射することにより得られたものであり、右側の極大位置Ｐ４における第２受光デバイス４２４からの出力は、測定面９１の薄膜と基板本体との境界面（すなわち、基板本体の上面）にて反射された偏光光が第２受光デバイス４２４に入射することにより得られたものである。この場合、分光エリプソメータ１ａでは、制御部６のフォーカス情報取得部６１１（図３参照）により、複数の極大位置Ｐ３，Ｐ４のうち測定面９１が最も下降している（すなわち、最も（−Ｚ）側に位置する）位置がフォーカス位置として自動的に取得される。

次に、本発明の第３の実施の形態に係る膜厚測定装置の分光エリプソメータについて説明する。図１０は、第３の実施の形態に係る分光エリプソメータ１ｂの構成を示す図であり、図１１は、分光エリプソメータ１ｂの分光器４２の内部を示す平面図である。分光エリプソメータ１ｂは、図１に示す分光エリプソメータ１と同様の構成を備え、対応する構成には以下の説明において同符号を付す。

図１０および図１１に示すように、分光エリプソメータ１ｂでは、受光部４に設けられた分光器４２の向きのみが第１の実施の形態と異なる。分光エリプソメータ１ｂの分光器４２は、図１中の分光器４２を、受光部４の光軸Ｊ２を中心として９０°回転させた向きにて配置される。したがって、図１０および図１１に示す分光エリプソメータ１ｂの分光器４２では、受光デバイス４２２の複数の受光素子４２２１が、測定面９１からの反射光の受光面上における分光方向に沿って１列に配列される。なお、図１０および図１１では、図示の都合上、受光素子４２２１を実際よりも大きく、実際の個数よりも少なく描いている。

図１０に示す分光エリプソメータ１ｂでは、第１の実施の形態と同様に、基板９が上下に（すなわち、Ｚ方向に）移動することにより、受光部４のスリット板４５４に入射する測定面９１からの反射光も上下に移動し、基板９の測定面９１がフォーカス位置からある程度の距離だけ上下にずれた際には、測定面９１からの反射光の分光器４２への入射が、スリット板４５４により、一部または全て遮られる。

分光エリプソメータ１ｂでは、特に、スリット板４５４の開口を介して分光器４２に光が入射する範囲において基板９がフォーカス位置から上下にずれた場合に、グレーティング４２１に入射する光が上下に移動し、グレーティング４２１から受光デバイス４２２へと向かう分光光も、受光面上における分光方向（すなわち、受光デバイス４２２の複数の受光素子４２２１の配列方向）に対して略垂直な方向に上下に移動して複数の受光素子４２２１からずれた位置へと導かれる。

したがって、分光エリプソメータ１ｂにおいて、第１の実施の形態と同様の方法により取得される基板９の測定面９１の昇降位置と測定面９１からの反射光の所定の波長帯における合計光量との関係は、図１２に示すように、合計光量が最大値を示す昇降位置の範囲が狭いものとなり、本実施の形態では、合計光量が明瞭に極大となる測定面９１の昇降位置（すなわち、極大位置Ｐ３）が存在する。

分光エリプソメータ１ｂでは、測定面９１の昇降位置と反射光の合計光量との関係において、合計光量が最大値を示す測定面９１の昇降位置の範囲が狭いため、当該昇降位置の範囲に含まれる測定面９１のフォーカス位置をより容易に求めることができる。特に、本実施の形態のように、合計光量が明瞭に極大となる測定面９１の昇降位置が存在する場合には、当該昇降位置がフォーカス位置として取得されることにより、フォーカス位置をさらに容易に求めることができる。

以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

上記実施の形態に係る分光エリプソメータの分光器では、分光デバイスの１つであるグレーティング４２１が利用されているが、例えば、他の分光デバイス（例えば、分光プリズム）により、測定面９１からの反射光の分光が行われてもよい。

第１の実施の形態に係る分光エリプソメータ１では、測定面９１のフォーカス位置の調整において、反射光の合計光量の最大値を示す基板９の測定面９１の昇降位置の範囲の中心位置Ｐ１を基準位置として、予め求められている補正値を用いてフォーカス位置が決定されているが、基準位置は必ずしも上記中心位置Ｐ１には限定されず、測定面９１の昇降位置と反射光の合計光量との関係から中心位置Ｐ１以外の位置が所定の演算により基準位置として求められてもよい。この場合、分光エリプソメータ１では、当該基準位置とフォーカス位置との間の距離を示す補正値が予め求められて補正値記憶部６１２に記憶される。

また、フォーカス位置の調整において、基板９の測定面９１の昇降位置と反射光の合計光量との関係が求められる際に、必ずしも、受光デバイス４２２により受光された反射光の全波長成分の光強度の合計が合計光量とされる必要はなく、当該反射光の全波長成分のうち、少なくとも一部の波長帯の光強度の合計が合計光量とされてもよい。

フォーカス位置の決定に利用される補正値の算出は、テスト用基板に代えて、膜厚測定の対象となる１枚目の基板を利用して行われてもよい。この場合、当該基板の測定面上に存在する光散乱性を有する部位が散乱面として利用され、当該基板の測定面の一部が平滑面として利用される。また、補正値の算出は、測定面の一部が平滑面であるとともに他の一部が平滑面と同じ高さに位置する散乱面とされたテスト用基板を利用して行われてもよい。

第２の実施の形態に係る分光エリプソメータ１ａでは、基板９の測定面９１の昇降位置と第２受光デバイス４２４からの出力との関係は、必ずしも自動的に取得される必要はなく、使用者が昇降機構２４を手動にて操作することにより測定面９１の昇降位置を変更しつつ第２受光デバイス４２４からの出力の変化を観察し、第２受光デバイス４２４の出力が極大であると使用者が判断した位置がフォーカス位置とされてもよい。この場合、測定面９１の上下方向の移動は、フォーカス位置と予想される昇降位置近傍のみで行われてよい。

上記実施の形態に係る分光エリプソメータでは、基板９の偏光解析が行われる際に、必ずしも、受光部４において検光子４１が回転される必要はなく、例えば、受光部４において検光子４１が固定され、固定された検光子４１の基板９側に回転する位相子が設けられてもよい。また、受光部４において検光子４１が固定されるとともに照明部３において偏光素子３２が回転されてもよい。

上記実施の形態に係る膜厚測定装置では、基板９上に存在する単層膜または多層膜の膜厚が測定されるが、分光エリプソメータは、膜厚測定装置以外の他の装置に利用されてもよく、分光器にて取得された分光強度に基づいて基板９の測定面９１の膜厚以外の表面状態や光学定数が求められてもよい。さらには、分光エリプソメータにより、半導体基板以外の対象物の測定面の偏光解析が行われてもよい。

第１の実施の形態に係る膜厚測定装置の構成を示す図である。 制御部の構成を示す図である。 制御部の機能を示すブロック図である。 フォーカス調整の流れを示す図である。 基板の測定面の昇降位置と反射光の合計光量との関係を示す図である。 補正値の算出の流れを示す図である。 第２の実施の形態に係る分光エリプソメータの構成を示す図である。 フォーカス調整の流れを示す図である。 基板の測定面の昇降位置と第２受光デバイスの出力との関係を示す図である。 基板の測定面の昇降位置と第２受光デバイスの出力との関係を示す図である。 第３の実施の形態に係る分光エリプソメータの構成を示す図である。 分光器の内部を示す平面図である。 基板の測定面の昇降位置と反射光の合計光量との関係を示す図である。

符号の説明

１，１ａ，１ｂ 分光エリプソメータ
２ ステージ
３ 照明部
７ 膜厚演算部
９ 基板
１０ 膜厚測定装置
２４ 昇降機構
４１ 検光子
４３ 偏光状態取得部
９１ 測定面
４１１ 検光子回転機構
４２１ グレーティング
４２２ （第１）受光デバイス
４２３ ピンホール板
４２４ 第２受光デバイス
４５４ スリット板
６１１ フォーカス情報取得部
６１２ 補正値記憶部
６１３ フォーカス位置決定部
Ｊ１，Ｊ２ 光軸
Ｐ１ 中心位置
Ｐ２ フォーカス位置
Ｐ３，Ｐ４ 極大位置
Ｓ１１〜Ｓ１９，Ｓ２１〜Ｓ２７，Ｓ３１〜Ｓ３９ ステップ

Claims (13)

1. 分光エリプソメータであって、
   測定面を有する対象物を保持する保持部と、
   前記対象物を前記保持部と共に前記測定面に垂直な方向に移動する昇降機構と、
   偏光した光を前記測定面へと傾斜しつつ入射させる照明部と、
   前記測定面からの前記偏光した光の反射光が入射する検光子と、
   前記検光子を経由した前記反射光を分光する分光デバイスと、
   前記分光デバイスからの分光光を受光して前記反射光の分光強度を取得する受光デバイスと、
   前記受光デバイスからの出力に基づいて前記反射光の波長毎の偏光状態を取得する偏光状態取得部と、
   前記測定面がフォーカス位置から上下にずれた際に前記反射光の前記分光デバイスへの入射を制限する入射制限部と、
   前記昇降機構により前記測定面を移動しつつ前記受光デバイスにより受光される光の少なくとも一部の波長帯の合計光量を求めることにより、前記測定面の昇降位置と前記合計光量との関係を取得するフォーカス情報取得部と、
   を備えることを特徴とする分光エリプソメータ。
2. 請求項１に記載の分光エリプソメータであって、
   前記測定面の昇降位置と前記合計光量との前記関係から所定の演算にて求められる位置と前記フォーカス位置との間の距離を示す補正値を予め記憶する補正値記憶部と、
   前記補正値を用いて前記フォーカス位置を求めるフォーカス位置決定部と、
   をさらに備えることを特徴とする分光エリプソメータ。
3. 請求項１または２に記載の分光エリプソメータであって、
   前記検光子を光軸に平行な中心軸を中心として回転する回転機構をさらに備え、
   前記測定面の昇降位置と前記合計光量との前記関係を求める際に、前記測定面を所定の昇降位置に位置させた状態で前記検光子が回転され、前記合計光量が最大値を示す回転位置にて前記検光子が固定されることを特徴とする分光エリプソメータ。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の分光エリプソメータであって、
   前記受光デバイスが、前記反射光の分光方向に平行に複数の受光素子が配列された受光素子アレイであり、前記測定面が前記フォーカス位置から上下にずれた際に、前記分光デバイスからの分光光が、前記受光デバイスの受光面上において前記分光方向に垂直な方向に移動することを特徴とする分光エリプソメータ。
5. 分光エリプソメータであって、
   測定面を有する対象物を保持する保持部と、
   前記対象物を前記保持部と共に前記測定面に垂直な方向に移動する昇降機構と、
   偏光した光を前記測定面へと傾斜しつつ入射させる照明部と、
   前記測定面からの前記偏光した光の反射光が入射する検光子と、
   前記検光子を経由した前記反射光を分光する分光デバイスと、
   前記分光デバイスからの分光光を受光して前記反射光の分光強度を取得する第１受光デバイスと、
   前記第１受光デバイスからの出力に基づいて前記反射光の波長毎の偏光状態を取得する偏光状態取得部と、
   前記分光デバイスからの０次回折光が導かれ、前記測定面がフォーカス位置に位置する際に前記測定面と光学的に共役な位置に位置する微小開口を有する微小開口部材と、
   前記微小開口部材を通過した光の強度を取得する第２受光デバイスと、
   を備えることを特徴とする分光エリプソメータ。
6. 請求項５に記載の分光エリプソメータであって、
   前記昇降機構により前記測定面を移動しつつ前記第２受光デバイスからの出力を取得することにより、前記測定面の昇降位置と前記第２受光デバイスの出力との関係を取得するフォーカス情報取得部をさらに備えることを特徴とする分光エリプソメータ。
7. 請求項６に記載の分光エリプソメータであって、
   前記測定面の昇降位置に対する前記第２受光デバイスの出力の極大位置を前記フォーカス位置として取得するフォーカス位置決定部をさらに備えることを特徴とする分光エリプソメータ。
8. 請求項７に記載の分光エリプソメータであって、
   前記測定面の昇降位置に対して前記第２受光デバイスの出力に複数の極大位置が存在する場合に、前記複数の極大位置のうち前記測定面が最も下降している位置が前記フォーカス位置とされることを特徴とする分光エリプソメータ。
9. 請求項６ないし８のいずれかに記載の分光エリプソメータであって、
   前記検光子を光軸に平行な中心軸を中心として回転する回転機構をさらに備え、
   前記測定面の昇降位置と前記第２受光デバイスの出力との前記関係を求める際に、前記測定面を所定の昇降位置に位置させた状態で前記検光子が回転され、前記第２受光デバイスの出力が最大値を示す回転位置にて前記検光子が固定されることを特徴とする分光エリプソメータ。
10. 対象物上に形成された膜の厚さを測定する膜厚測定装置であって、
    対象物上の測定面に偏光した光を照射する請求項１ないし９のいずれかに記載の分光エリプソメータと、
    前記分光エリプソメータにより取得された反射光の波長毎の偏光状態に基づいて前記測定面に存在する膜の厚さを求める膜厚演算部と、
    を備えることを特徴とする膜厚測定装置。
11. 分光エリプソメータのフォーカス調整方法であって、
    ａ）偏光した光を対象物上の測定面へと傾斜しつつ入射させる工程と、
    ｂ）前記測定面からの前記偏光した光の反射光を分光デバイスにより分光する工程と、
    ｃ）前記分光デバイスからの分光光を受光デバイスにて受光して前記反射光の分光強度を取得し、前記反射光の少なくとも一部の波長帯の合計光量を求める工程と、
    ｄ）前記測定面がフォーカス位置から上下にずれた際に前記反射光の前記分光デバイスへの入射を制限する入射制限部が設けられた状態で、前記測定面を前記測定面に垂直な方向に移動しつつ前記ａ）工程ないし前記ｃ）工程を繰り返すことにより、前記測定面の昇降位置と前記合計光量との関係を求める工程と、
    ｅ）前記測定面の昇降位置と前記合計光量との前記関係に基づいて前記フォーカス位置を求める工程と、
    ｆ）前記測定面を前記フォーカス位置へと移動する工程と、
    を備えることを特徴とする分光エリプソメータのフォーカス調整方法。
12. 請求項１１に記載の分光エリプソメータのフォーカス調整方法であって、
    前記ｅ）工程よりも前に、
    ｇ）前記偏光した光を対象物上の散乱面へと導く工程と、
    ｈ）前記散乱面における前記偏光した光の照射領域を観察する工程と、
    ｉ）前記散乱面を前記散乱面に垂直な方向に移動しつつ前記ｇ）工程および前記ｈ）工程を繰り返し、前記照射領域の面積が最小となる前記散乱面の昇降位置をフォーカス位置として求める工程と、
    ｊ）前記測定面に代えて前記対象物上において前記散乱面に平行な平滑面に対して前記ａ）ないし前記ｄ）工程を実行することにより、前記平滑面の昇降位置と合計光量との関係を取得し、前記ｅ）工程における前記フォーカス位置の算出に利用される情報を生成する工程と、
    を備えることを特徴とする分光エリプソメータのフォーカス調整方法。
13. 分光エリプソメータのフォーカス調整方法であって、
    ａ）偏光した光を対象物上の測定面へと傾斜しつつ入射させる工程と、
    ｂ）前記測定面からの前記偏光した光の反射光を分光デバイスにより受光する工程と、
    ｃ）前記分光デバイスからの分光光を受光する第１受光デバイスとは独立して設けられた第２受光デバイスにより、前記分光デバイスからの０次回折光を、前記測定面がフォーカス位置に位置する際に前記測定面と光学的に共役な位置に位置する微小開口を介して受光する工程と、
    ｄ）前記測定面を前記測定面に垂直な方向に移動しつつ前記ａ）工程ないし前記ｃ）工程を繰り返すことにより、前記測定面の昇降位置と前記第２受光デバイスの出力との関係を求める工程と、
    ｅ）前記測定面の昇降位置と前記第２受光デバイスの出力との前記関係に基づいて前記フォーカス位置を求める工程と、
    ｆ）前記測定面を前記フォーカス位置へと移動する工程と、
    を備えることを特徴とする分光エリプソメータのフォーカス調整方法。

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