JP6448528B2

JP6448528B2 - エリプソメータ

Info

Publication number: JP6448528B2
Application number: JP2015251127A
Authority: JP
Inventors: 上原　誠; 誠上原
Original assignee: MEJIRO 67 INC.
Current assignee: MEJIRO 67 INC.
Priority date: 2015-12-24
Filing date: 2015-12-24
Publication date: 2019-01-09
Anticipated expiration: 2035-12-24
Also published as: CN108431562A; WO2017110391A1; JP2017116370A

Description

本発明は、偏光解析法を用いて観察対象となる物体の膜厚や光学定数を測定可能なエリプソメータ、特に、イメージング・エリプソメータに関する。

エリプソメータは、試料の表面で光が反射又は透過する際の偏光状態の変化を観測して、その試料の光学定数（屈折率、消衰係数、等）を測定及び計算することのできる装置である。例えば、試料の表面に薄膜が存在する場合は、その薄膜の厚みや光学定数を測定することができる。

従来のエリプソメータは、レーザー光源からの平行光束、あるいは、レンズによって平行光束に変換された光束を、ブリュースター角近傍の７０度程度で試料の表面に入射させている。そして、反射の前後で変化する偏光状態を観測することによって、試料の膜厚や光学定数を測定することができる。例えば、平行光束の大きさが1mmφ程度である場合、試料の表面の1mmφの領域の光学定数を測定することができる。

特許文献１には、イメージング・エリプソメータの一例が開示されている。特許文献１に開示されたエリプソメータは、試料の表面において反射された光を、試料の表面と共役であるCCDなどの撮像素子の受光面に結像させている。反射光を結像させるための結像光学系には、２つの屈折レンズが用いられている。このイメージング・エリプソメータは、光源と試料の間に置かれた偏光子群と、試料とCCDの間に置かれた検光子群とを備えており、試料の表面で反射された光の偏光状態の変化を観測することによって、試料の表面の膜厚や光学定数を測定することができる。

また、本発明者は、物体からの反射光を結像させるための結像光学系に、等倍反射型結像光学系の一つであるオフナー型結像光学系を適用したイメージング・エリプソメータに関する発明について特許出願を行っている（特許文献２を参照）。

特開２０１１−１０２７３１号公報特開２０１３−１７４８４４号公報

特許文献１に開示されたイメージング・エリプソメータは、結像光学系が２つの屈折レンズによって構成されている。一方、特許文献２に開示されたイメージング・エリプソメータは、結像光学系に等倍反射型結像光学系が用いられている。

本発明者は、物体面からの反射光を結像させるための結像光学系に等倍反射型結像光学系が用いられているエリプソメータにおいて、検光子としてグラントムソンプリズムを用いた場合に、結像光学系によって結像される像の収差が大きくなり、エリプソメータの性能が著しく悪化することを発見した。

そこで、本発明は、物体面からの反射光を結像させるための結像光学系に等倍反射型結像光学系が用いられているエリプソメータにおいて、エリプソメータの性能を改善することを目的とする。

上記課題を解決するための手段は、以下の発明である。
（１）物体の表面からの反射光の光束を受光面に結像させるための結像光学系を備えたエリプソメータであって、
前記結像光学系は、凹面主鏡及び凸面副鏡を含み、前記物体の表面からの反射光の光束を、前記凹面主鏡、前記凸面副鏡、前記凹面主鏡の順番で反射させた後、前記受光面に結像させることのできる等倍反射型結像光学系で構成されており、
前記等倍反射型結像光学系は検光子を含み、
前記検光子は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向において同一の屈折率を有する偏光素子で構成されている、エリプソメータ。

（２）前記検光子は、第１の検光子及び第２の検光子を含み、
前記物体の表面と前記凹面主鏡の間の光路上に、前記第１の検光子が配置されており、
前記凹面主鏡と前記受光面の間の光路上に、前記第２の検光子が配置されている、上記（１）に記載のエリプソメータ。

（３）前記検光子は、プレート型偏光素子またはプリズム型偏光素子である、上記（１）または（２）に記載のエリプソメータ。

本発明によれば、物体面からの反射光を結像させるための結像光学系に等倍反射型結像光学系が用いられているエリプソメータにおいて、エリプソメータの性能を改善することができる。

エリプソメータの全体構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
本実施形態に係るエリプソメータ１００は、試料の表面で光が反射する際の偏光状態の変化を観測して、その試料の特性である膜厚や光学定数（屈折率、消衰係数）等を測定することのできる装置である。

図１は、エリプソメータ１００の全体構成を示している。
図１に示すように、エリプソメータ１００は、照明光学系１０と結像光学系３０を備えている。観察対象である試料の表面は、物体面Ｓとして表されている。

照明光学系１０は、光源１２、コリメータレンズ１４、虹彩絞り１５、集光レンズ１６、２つのプリズム型偏光素子１８ａ、１８ｂ、及び液晶偏光子２０を備えている。

光源１２から発せられた照明光Ｌ１は、コリメータレンズ１４によって平行光である照明光Ｌ２に変換される。照明光Ｌ２は、虹彩絞り１５によって物体面への集光角度（NA）が調整された後、集光レンズ１６によって物体面Ｓに集光される。虹彩絞り１５は、後述する結像光学系の副鏡３４（＝結像光学系の瞳）と共役である。虹彩絞り１５の開口径は、共役となる副鏡３４の口径の５０−７０％にすると、光学結像性能が向上することが知られている。集光レンズ１６を通った照明光Ｌ２は、２つのプリズム型偏光素子１８ａ、１８ｂにより、直線偏光となる。液晶偏光子２０を電気的にコントロールすることにより、直線偏光を円偏光あるいは楕円偏光にすることができる。また、偏光方向を回転させることもできる。これにより、照明光Ｌ２を、さまざまな偏光状態の照明光Ｌ３に変換することができる。この照明光Ｌ３を、斜め方向から物体面Ｓに照射する。例えば、照明光Ｌ３を、物体面Ｓから延びる垂線Ｎに対して約７０度の方向から照射する。

次に、結像光学系３０について説明する。
本実施形態のエリプソメータ１００は、結像光学系３０が、等倍反射型結像光学系の一つであるオフナー光学系によって構成されている。

図１に示すように、結像光学系３０は、凹面鏡で構成された主鏡３２、凸面鏡で構成された副鏡３４、物体面Ｓと主鏡３２の間の光路上に配置された第１の検光子５０、及び、主鏡３２と撮像素子の受光面４０の間の光路上に配置された第２の検光子５２を備えている。本実施形態において、第１の検光子５０及び第２の検光子５２は、プリズム型偏光素子によって構成されている。

物体面Ｓからの反射光の光束は、第１の検光子５０に入射する。第１の検光子５０の反射面５０ａで反射した光束は、主鏡３２、副鏡３４、主鏡３２の順番で反射された後、第２の検光子５２に入射する。第２の検光子５２の反射面５２ａで反射した光束は、撮像素子の受光面４０に結像する。

物体面Ｓと受光面４０とは、オフナー光学系において、等倍の共役の関係となっている。
物体面Ｓは、観察対象となる物体の表面であり、例えば、薄膜が形成された基板の表面である。
受光面４０は、物体面Ｓで反射した光束が結像する面であり、例えば、２次元ＣＣＤ等の撮像素子の受光面である。
副鏡３４は、光学系の瞳となっている。

例えば、１０μｍ角の大きさのＣＣＤ素子は、等倍の共役な関係にある物体面の１０μｍ角の領域からの光を受光する。したがって、物体面Ｓの膜厚や光学定数を、１０μｍ角単位で測定することができる。一方、結像光学系の収差が大きいと、物体面Ｓの１０μｍ角の領域からの光束は、共役な関係にある１０μｍ角のＣＣＤ素子だけではなく、それに隣接するＣＣＤ素子にも至る。その結果、単位面積当たりの膜厚や光学定数の計測精度が悪くなる。

図１に示すように、物体面Ｓから凹面主鏡３２に向かう光束は、テレセントリックとなっている。主鏡３２で反射した光束は、絞りを兼ねる凸面副鏡３４で反射する。副鏡３４で反射した光束は、再び凹面主鏡３２で反射してテレセントリックとなる。主鏡３２で反射してテレセントリックとなった光束は、第２の検光子５２で反射して、等倍で受光面４０に結像する。

従来のエリプソメータでは、物体面Ｓと受光面４０の間に配置される偏光素子（検光子）として、消光比が高い（例えば消光比が５×１０^−６程度）グラントムソンプリズムが使われることが多かった。しかし、等倍反射型結像光学系を用いたエリプソメータにおいて、その結像光学系にグラントムソンプリズムを用いた場合、エリプソメータの性能が著しく低下することを本発明者は発見した。

本発明者は、従来のエリプソメータの性能が著しく低下する原因について研究を行った。その結果、結像光学系にグラントムソンプリズムを用いたことによって、結像光学系によって結像される像の収差が大きくなることが原因であることを突き止めた。また、グラントムソンプリズムのＸ軸方向及びＹ軸方向における屈折率が異なることによって、結像面におけるＸ軸方向及びＹ軸方向の焦点位置がずれてしまうことが原因であることを突き止めた。ここでいうＸ軸方向及びＹ軸方向とは、グラントムソンプリズムの反射面に垂直な方向をＺ軸方向としたときの、Ｘ軸方向及びＹ軸方向を意味する。

本実施形態のエリプソメータ１００では、第１の検光子５０及び第２の検光子５２が、Ｘ軸方向及びＹ軸方向における屈折率が同一である偏光素子によって構成されている。ここでいうＸ軸方向及びＹ軸方向とは、第１の検光子５０の反射面５０ａに垂直な方向をＺ軸方向としたときの、Ｘ軸方向及びＹ軸方向を意味する。あるいは、第２の検光子５２の反射面５２ａに垂直な方向をＺ軸方向としたときの、Ｘ軸方向及びＹ軸方向を意味する。第１の検光子５０及び第２の検光子５２のＸＹ平面は、反射面５０ａ、５２ａとそれぞれ一致する。

第１の検光子５０及び第２の検光子５２は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向における屈折率が同一である偏光素子であれば、どのような偏光素子であってもよい。第１の検光子５０及び第２の検光子５２は、プレート型偏光素子またはプリズム型偏光素子であることが好ましい。

グラントムソンプリズムは、一般的に、５×１０^−６程度の高い消光比を有している。一方、Ｘ軸方向及びＹ軸方向における屈折率が同一であるプレート型偏光素子またはプリズム型偏光素子は、一般的に、グラントムソンプリズムよりも低い消光比（例えば消光比が１／５００程度）を有している。本実施形態のエリプソメータ１００では、第１の検光子５０及び第２の検光子５２が、物体面Ｓから受光面４０に至るまでの光路上に直列に配置されている。このため、合計で１／５００×１／５００＝４．０×１０^−６の消光比が得られるため、グラントムソンプリズムと同程度の高い消光比が得られるのが特徴である。

本実施形態のエリプソメータ１００において、副鏡３４は、裏面３４ａで光を反射する裏面鏡によって構成されている。副鏡３４の裏面３４ａには、光を反射するための処理が施されてもよい。例えば、副鏡３４の裏面３４ａには、波長依存性の少ないアルミニウムに代表される金属反射膜が蒸着されてもよい。または、副鏡３４の裏面３４ａには、所望の波長域において高い反射率を有する多層誘電体反射膜が蒸着されてもよい。副鏡３４として裏面鏡を用いることによって、受光面４０に結像される像の収差をさらに小さくすることができる。

上述したように、物体面Ｓからの光を受光面４０に結像させるための結像光学系３０は、等倍反射型結像光学系の一つであるオフナー光学系によって構成されている。このような反射光学系は、屈折レンズと異なり、物体面Ｓの観察に用いる光の波長が制限されないという特徴を有している。このため、本発明は、観察に用いる光の波長が制限されないため、半導体、バイオ等の様々な分野に適用できる可能性がある。

本実施形態のエリプソメータ１００によれば、等倍反射型結像光学系にＸ軸方向及びＹ軸方向における屈折率が同一である偏光素子が用いられているため、結像光学系によって結像される像の収差が小さくなり、エリプソメータの性能を改善することができる。

１０照明光学系
１２光源
１４コリメータレンズ
１６集光レンズ
２０液晶偏光子
３０結像光学系
３２凹面主鏡
３４凸面副鏡
４０受光面
５０第１の検光子
５２第２の検光子
１００エリプソメータ
Ｓ物体面

Claims

物体の表面からの反射光の光束を受光面に結像させるための結像光学系を備えたエリプソメータであって、
前記結像光学系は、凹面主鏡及び凸面副鏡を含み、前記物体の表面からの反射光の光束を、前記凹面主鏡、前記凸面副鏡、前記凹面主鏡の順番で反射させた後、前記受光面に結像させることのできる等倍反射型結像光学系で構成されており、
前記等倍反射型結像光学系は検光子を含み、
前記検光子は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向において同一の屈折率を有する偏光素子で構成されている、エリプソメータ。
前記検光子は、第１の検光子及び第２の検光子を含み、
前記物体の表面と前記凹面主鏡の間の光路上に、前記第１の検光子が配置されており、
前記凹面主鏡と前記受光面の間の光路上に、前記第２の検光子が配置されている、請求項１に記載のエリプソメータ。
前記検光子は、プレート型偏光素子またはプリズム型偏光素子である、請求項１または請求項２に記載のエリプソメータ。