JP7471938B2 - エリプソメータ及び半導体装置の検査装置 - Google Patents

エリプソメータ及び半導体装置の検査装置 Download PDF

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Description

本発明は、エリプソメータ及び半導体装置の検査装置に関する。
エリプソメトリ（ｅｌｌｉｐｓｏｍｅｔｒｙ）は、１９７５年にＡｓｐｎｅｓらによって、自動計測が可能となって以来、測定時間の大幅な短縮と共に精度も大幅に向上し、多波長により計測する分光エリプソメトリも実用化された。これ以降、薄膜や微細構造の非破壊計測において、膜厚などの寸法や屈折率等の光学定数の計測を高精度に行えるという特性を生かして、半導体製造工程でも広く使われるようになった。現在でも、ウェハ上の回路パターンの線幅が１０ｎｍ以下となる微細構造の寸法（Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）を計測するＯＣＤ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）測定装置として、測長ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ－ｂｅａｍ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）やＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を相補する形で使用されている。
ここ１０年ほどで、ロジック半導体では、ＦｉｎＦＥＴ、メモリでは、３Ｄ－ＮＡＮＤなど、半導体回路構造は３次元化が進み、より複雑な構造となってきている。多くのＯＣＤは、分光エリプソメトリを計測原理としており、計測対象である半導体回路構造のＤｉｍｅｎｓｉｏｎや構成物質の光学定数を求めるためには、モデルを作成して計測対象のＤｉｍｅｎｓｉｏｎや光学定数を、Ｆｌｏａｔｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒとして、計測結果にモデルをフィッティングさせて解を得るという手法をとる。そのため、求める対象の構造が複雑になると、Ｆｌｏａｔｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒの数が増える。例えば、現在のＦｉｎＦＥＴのＯＣＤによる計測では、２０－３０個程のＦｌｏａｔｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒを用いる必要がある。エリプソメトリは、一般的に、Ψ、Δの２つの値を計測結果であるエリプソメトリ係数として得るが、ΨとΔは共に波長依存性がある。このため、分光エリプソメトリの場合、エリプソメトリ係数は、Ψ(λ)、Δ(λ)と表記することができる。
Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎの解を求めるためには、Ｆｌｏａｔｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒの数より多い個数のエリプソメトリ係数Ψ及びΔを計測で得ることが、モデルにフィッティングするために最低限必要であるが、Ｆｌｏａｔｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒの数が多い場合に発生する問題として、実際のＤｉｍｅｎｓｉｏｎとは異なったＦｌｏａｔｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒの組み合わせでフィッティングが収束する場合がある。これはカップリングと呼ばれる問題で、これを避けるためには、Ｆｌｏａｔｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒに対して異なる依存性を持つようなエリプソメトリ係数Ψ及びΔを計測してフィッティングを行うことが有効である。そのため、波長に加え、入射角と入射方位も異なる条件でエリプソメトリ計測を行い、前記のＦｌｏａｔｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒに対して、より異なる依存性を持つエリプソメトリ係数Ψ及びΔが、モデルのフィッティングに使われる。
エリプソメトリ計測を行う際に、Ｐ偏光の反射率が０となるブリュースター角を入射角に用いると、エリプソメトリ計測の感度を最も高くすることができる。ブリュースター角は、半導体回路構造では、おおよそ、６５［ｄｅｇ］から７５［ｄｅｇ］に相当する。このような斜入射の光学系では、視野の広さによりシャインプルーフ（Ｓｃｈｅｉｍｐｆｌｕｇ）の原理を満たす必要がある。よって、レンズ設計やカメラへの入射角などの光学システム構成に一定の制約を求められる。また、異方性物質の構造評価に用いられるミュラー行列エリプソメトリという計測手法もＯＣＤ測定に一部利用されている。ミュラー行列エリプソメトリは、照明光に対する反射光の偏光状態の応答関数を４行４列の行列で表現したものである。ミュラー行列エリプソメトリを求めるためには、数種類の異なる偏光状態の照明光を半導体回路構造に入射させた場合の反射光の偏光状態を計測する。ミュラー行列は、半導体回路構造のＤｉｍｅｎｓｉｏｎを計測する際にカップリングを避ける方法の一つとして有効であると認識されている。しかしながら、計測時間が通常のエリプソメトリの数倍程度必要となる。
このような計測精度上の要望があるにもかかわらず、半導体製造工程でのＯＣＤ測定装置に使われるミュラー行列エリプソメトリや分光エリプソメトリを含むエリプソメトリ測定には、非常に短時間での計測が求められる。例えば、全ウェハを計測するためには、１枚当たりに許容される測定時間は多くても数十秒程度である。このような短時間では、ウェハ上のごく限られた領域しか計測ができない。そのため、半導体製造工程でのＯＣＤ測定装置は、測定精度とともに短時間により多い測定条件で、エリプソメトリ係数Ψ及びΔやミュラー行列を計測できることが強く期待されている。
米国特許第５５９６４１１号明細書 米国特許第７６６７８４１号明細書 米国特許第６８５６３８４号明細書 米国特許第８９０８１８０号明細書
半導体製造工程でのＯＣＤ測定装置で使用されるエリプソメータは、典型的には、１点の計測に１秒～数秒の計測時間が必要である。この理由として、一般的に、エリプソメータに用いられる回転補償子（Ｒｏｔａｔｉｎｇ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ）や位相変調素子による変調周期内で、多数の計測点を必要とすることに起因する。さらに、分光計測を行う場合には、回折格子等の分散素子で各波長に分かれた光の光量を、高いＳ／Ｎ比で計測する必要がある。ミュラー行列エリプソメトリの場合には、照明光において数種類の偏光状態を切り替える必要がある。このため、製造工程のウェハを全数検査するためには、ウェハ内で数点から数十点程度しか計測できず、ウェハ内の部分的な膜厚変化や線幅変化による歩留まり悪化を見逃している場合もある。
ウェハ内の測定点を増やすことを目的として、分光エリプソメトリの測定を短時間化するためには、回転補償子などの可動部を高速化する必要があるが、安定性や発熱等がネックとなり、ＯＣＤ測定等のためのエリプソメトリ係数Ψ及びΔの測定のスループット（Ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ）は向上することは困難である。
また、別のアプローチとして、シャインプルーフの原理を満たす光学システムを使用することが考えられる。そのような光学システムは、照明光学系や集光光学系の開口数（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｐｅｒｔｕｒｅ、ＮＡ）を小さくして、低い位置分解能を許容する。その代わりに、その光学システムは、広い視野内を画像検出器により同時に多数点を計測することで、スループットを向上させる。このような光学システムの場合には、画像検出器のフレームレート、または、受光する光量が制約となり、多数の波長や複数の偏光状態の照明光の条件ごとに画像を計測する必要がある。このため、スループット向上の効果は限られている。
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、エリプソメトリ係数Ψ及びΔを測定するスループットを向上させることができるエリプソメータ及び半導体装置の検査装置を提供する。
これまでのエリプソメトリ計測の基本的な手法としては、一旦ストークスパラメータを求める必要がある。このため、「偏光子や補償子の角度を変えた複数条件で光強度を計測する」必要がある。本実施形態では、「２つの偏光状態の光の強度比及び位相差を、干渉縞を測定することで求める」という異なったアプローチに基づいている。
この測定のために、本実施形態では、例えば、完全偏光の照明光で試料を照明し、試料からの反射光を２つの直交する直線偏光に分割する。そして、反射光の分割前の同一光線が画像検出器上で再び重なるような光学系配置とする。これを実現する偏光素子としては、ノマルスキープリズム（ｎｏｍａｒｓｋｉ ｐｒｉｓｍ）が理想的である。しかしながら、試料上の照明領域や光源の空間的コヒーレンスの違いにより、ウォラストンプリズム（ｗｏｌｌａｓｔｏｎ ｐｒｉｓｍ）やローションプリズム（ｒｏｃｈｏｎ ｐｒｉｓｍ）を用いることも可能となる。
より具体的な構成としては、例えば、白色光源を光源として用い、さらに、照明光学系において偏光子や波長板を透過させる。これにより、照明光を完全偏光の直線偏光または楕円偏光とする。試料上の照明光は点状に集光される。しかしながら、この際の照明領域の大きさにより、受光光学系の瞳位置での空間的コヒーレンスが変わる。ここで受光光学系の瞳位置とは、試料上で互いに平行な光線が受光光学系内で収束する点を含む光軸に垂直な面として定義し、瞳空間とは、瞳位置を含んでレンズまたは曲面ミラーにより挟まれた空間として定義する。
試料の測定面の法線方向に対して、照明光学系の光軸が傾斜した傾斜光学系で計測する場合を考える。照明光は、測定面上で光軸に対して、垂直方向に伸びた線状の領域を照明し、測定面で反射された照明光は、照明光学系と反対側に同じ角度だけ光軸が傾斜した受光光学系に入射する。受光光学系では、シリンドリカルレンズやトロイダルミラー等を含む受光光学系により、入射面内では、瞳空間で平行光となり受光検出器上が瞳位置となる配置であり、受光光学系の光軸を含み入射面と垂直な面内では、受光検出器上が試料の像位置となる。
入射面内の瞳空間で平行光となった光は、ノマルスキープリズム等の偏光光学素子によって、Ｐ偏光とＳ偏光が入射面内でそれぞれ異なる角度に進行するように分割され、画像検出器上で再び同一点で重なる。画像検出器とノマルスキープリズムとの間には、分割されたＰ偏光及びＳ偏光の偏光方向の中間の角度に透過軸を持つ偏光板が設置される。Ｐ偏光及びＳ偏光は、この偏光板の透過後に互いに可干渉となり、画像検出器上で入射面に沿って干渉縞を形成する。この偏光板は、これまでのエリプソメータの検光子と同じように検出器の前に配置されているが、役割としては、２つの偏光方向が直交するＰ偏光及びＳ偏光を可干渉にするためであり、目的は全く異なる。上記の配置により、Ｐ偏光及びＳ偏光は、画像検出器上で互いの干渉による干渉縞を形成する。入射面と垂直な面内では画像検出器上で試料と共役関係（物体と像の関係）にあり、試料の像を形成する。よってこの方向は試料の線状の照明領域に沿った位置情報を含んでいる。
一実施形態のエリプソメータは、直線偏光からなる照明光が試料の測定面で反射した反射光を、互いに直交する偏光方向の２つの直線偏光に分離する偏光光学素子と、各前記偏光方向と異なる方向における前記２つの直線偏光の成分を干渉させた干渉縞を形成する干渉部材と、前記干渉縞を検出する画像検出器と、検出した前記干渉縞からエリプソメトリ係数Ψ及びΔを算出する解析装置と、を備える。
本発明により、エリプソメトリ係数Ψ及びΔを測定するスループットを向上させることができるエリプソメータ及び半導体装置の検査装置を提供することができる。
実施形態１に係るエリプソメータを例示した側面図である。 実施形態１に係るエリプソメータを例示した上面図である。 実施形態１に係るエリプソメータにおいて、干渉部材を透過する直線偏光を例示した図である。 実施形態１に係るエリプソメータにおいて、入射面に直交する側方から見て、画像検出器に入射する反射光に含まれた各直線偏光の波面を例示した図である。 実施形態１に係るエリプソメータにおいて、画像検出器上で干渉した反射光の干渉縞を例示した図である。 実施形態１に係るエリプソメータにおいて、画像検出器上の干渉縞の強度を例示した図であり、横軸は、画像検出器の受光面上の位置を示し、縦軸は、反射光の干渉縞の強度を示す。 実施形態１に係るエリプソメータにおいて、試料の測定面における線状照明領域及び線状照明領域からの反射光による干渉縞を例示した図である。 実施形態１に係るエリプソメータにおいて、試料の測定面における線状照明領域及び線状照明領域からの反射光による干渉縞を例示した図である。 実施形態２に係るエリプソメータを例示した側面図である。 実施形態２に係るエリプソメータにおいて、受光光学系を例示した図である。 実施形態２に係るエリプソメータにおいて、画像検出器上で干渉した反射光の干渉縞を例示した図である。 実施形態２に係るエリプソメータにおいて、偏光光学素子及び偏光ビームスプリッタを例示した図である。 実施形態２に係るエリプソメータにおいて、偏光ビームスプリッタで分離される直線偏光を例示した図である。 実施形態３に係るエリプソメータを例示した側面図である。 実施形態３に係るエリプソメータを例示した上面図である。 実施形態３に係るエリプソメータにおいて、波面分割によるコヒーレンス低減素子を例示した上面図である。 実施形態３に係るエリプソメータにおいて、振幅分割によるコヒーレンス低減素子を例示した上面図である。 実施形態４に係るエリプソメータを例示した側面図である。 実施形態４に係るエリプソメータにおいて、試料の測定面における面状照明領域及び面状照明領域からの反射光による干渉縞を例示した図である。 実施形態４に係るエリプソメータにおいて、試料の測定面における面状照明領域及び面状照明領域からの反射光による干渉縞を例示した図である。 実施形態４に係るエリプソメータにおいて、試料の測定面における面状照明領域及び面状照明領域からの反射光による干渉縞を例示した図である。 実施形態４に係るエリプソメータにおいて、試料の測定面における面状照明領域及び面状照明領域からの反射光による干渉縞を例示した図である。 実施形態４に係るエリプソメータにおいて、スキャン方向にステージをスキャンさせた場合の所定の点での干渉縞における強度を例示したグラフであり、横軸は時間を示し、縦軸は、反射光の強度を示す。
説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。また、各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。
（実施形態１）
実施形態１に係るエリプソメータを説明する。図１は、実施形態１に係るエリプソメータを例示した側面図である。図２は、実施形態１に係るエリプソメータを例示した上面図である。
図１及び図２に示すように、エリプソメータ１は、照明光学系１０、受光光学系２０、解析装置６０を備えている。照明光学系１０は、光源１１、ファイバー１２、照明レンズ１３、偏光子１４を含んでいる。受光光学系２０は、受光レンズ２１、偏光光学素子３０、干渉部材４０、画像検出器５０を含んでいる。
エリプソメータ１は、照明光Ｌ１０を試料７０の測定面７１に対して斜入射させ、照明光Ｌ１０が測定面７１で反射した反射光Ｒ１０を受光して、エリプソメトリ係数Ψ及びΔを測定する。試料７０は、例えば、各種の膜または配線構造等を含むウェハであるが、これに限らず、結晶等の固体材料でもよい。試料７０は、入射面及び反射面に直交するスキャン方向に移動するステージ７２上に配置されている。
エリプソメータ１の構成の一例をおおまかに言えば、以下のとおりである。すなわち、エリプソメータ１は、試料７０の測定面７１の法線方向に対して、照明光学１０系の光軸Ｃが傾斜した傾斜光学系で計測する。照明光Ｌ１０は、測定面７１において、光軸Ｃに対して垂直方向に伸びた線状の照明領域ＬＬＡを照明する。
測定面７１で反射された反射光Ｒ１０は、照明光学系１０と反対側に同じ角度だけ光軸Ｃが傾斜した受光光学系２０に入射する。反射光Ｒ１０は、受光光学系２０において、シリンドリカルレンズやトロイダルミラー等を含む受光レンズ２１により、入射面内では、瞳空間で平行光となる。反射光Ｒ１０は、画像検出器５０上で瞳位置２１ｈとなる配置である。反射光Ｒ１０の光軸を含み、入射面と垂直な反射面内では、画像検出器５０上は、測定面７１の像位置２１ｚとなる。
入射面内の瞳空間で平行光となった反射光Ｒ１０は、ノマルスキープリズム等の偏光光学素子３０で、Ｐ偏光及びＳ偏光が入射面内でそれぞれ異なる角度に進行するように分割される。そして、反射光Ｒ１０のＰ偏光及びＳ偏光は、画像検出器５０上で、再び同一点で重なる。画像検出器５０と偏光光学素子３０との間には、分割されたＰ偏光及びＳ偏光の偏光方向の中間の角度に透過軸を持つ偏光板等の干渉部材４０が設置される。
Ｐ偏光及びＳ偏光は、干渉部材４０の透過後に互いに可干渉となる。Ｐ偏光及びＳ偏光は、画像検出器５０の受光面で入射面に沿って干渉縞を形成する。干渉部材４０は、一般のエリプソメータの検光子と同じように画像検出器５０の前に配置されている。しかしながら、役割としては、２つの偏光方向が直交するＰ偏光とＳ偏光とを可干渉にするためであり、目的は全く異なる。
上記の配置により、Ｐ偏光とＳ偏光とは、画像検出器５０の受光面で互いの干渉による干渉縞を形成する。入射面と垂直な反射面内では、画像検出器５０の受光面は、試料７０の測定面７１と共役関係（物体と像の関係）にある。画像検出器５０の受光面で、測定面７１の像が形成される。よって、測定面７１の像は、測定面７１の線状の照明領域ＬＬＡに沿った位置情報を含んでいる。以下で、詳細を説明する。
照明光学系１０は、直線偏光からなる照明光Ｌ１０で試料７０の測定面７１を照明する。測定面７１に入射する照明光Ｌ１０の光軸Ｃは、測定面７１の法線に対して傾斜している。ここで、「直線偏光からなる照明光Ｌ１０」は、直線偏光だけでなく、著しく測定精度を毀損しない程度の他の光成分を含んでもよいことを意味する。また、「第１偏光からなる」、「第２偏光からなる」、「Ｐ偏光からなる」、「Ｓ偏光からなる」も同様に、著しく測定精度を毀損しない程度の他の光成分を含んでもよいことを意味する。
光源１１は、照明光Ｌ１０を生成する。光源１１は、例えば、広域波長の照明光Ｌ１０を生成する。光源１１が生成する照明光Ｌ１０は、例えば、白色光を含む。なお、光源１１が生成する照明光Ｌ１０は、広域波長を含めば、白色光に限らない。光源１１から生成された照明光Ｌ１０は、ファイバー１２に入射する。
ファイバー１２は、一端及び他端を有するケーブル状の導光部材である。ファイバー１２の一端に入射した照明光Ｌ１０は、ファイバー１２の他端から出射する。ファイバー１２の他端から出射した照明光Ｌ１０は、照明レンズ１３に入射する。
照明レンズ１３は、例えば、シリンドリカルレンズまたはトロイダルミラー等を含む。照明レンズ１３は、複数のレンズを組み合わせたものでもよい。照明レンズ１３は、入射した照明光Ｌ１０の角度分布を変化させる。照明レンズ１３は、直線偏光からなる照明光Ｌ１０で測定面７１を照明する。照明レンズ１３は、例えば、ファイバー１２の他端から出射した照明光Ｌ１０を、線状に集光させて測定面７１を照明する。照明レンズ１３は、入射面に直交する側方から見て、点状に照明光Ｌ１０を集光し、反射面に直交する上方から見て、照明光Ｌ１０を平行光に変換する。照明光Ｌ１０は、測定面７１において、線状の照明領域を照明する。
測定面７１において線状に照明された領域を線状照明領域ＬＬＡと呼ぶ。線状照明領域ＬＬＡは、照明光Ｌ１０の光軸Ｃに直交する方向に延びた線状である。また、線状照明領域ＬＬＡは、入射面に直交する方向に延びている。さらに、線状照明領域ＬＬＡは、スキャン方向に直交している。
照明レンズ１３と試料７０との間には偏光子１４が配置されている。よって、照明レンズ１３は、照明光Ｌ１０を偏光子１４に照射させ、偏光子１４を介して、測定面７１に対して線状に集光させる。
偏光子１４は、光源１１から生成された照明光Ｌ１０が照明レンズ１３を介して入射される。偏光子１４は、例えば、偏光板である。偏光子１４は、一方向の直線偏光からなる照明光Ｌ１０を透過させる。偏光子１４は、完全偏光とした照明光Ｌ１０を透過させる。例えば、偏光子１４は、偏光方向が紙面に対して４５°傾いた直線偏光の照明光Ｌ１０を試料７０に対して出射する。本実施形態のエリプソメータ１では、試料７０の測定面７１に入射する照明光Ｌ１０の光軸Ｃ、及び、測定面７１で反射した反射光Ｒ１０の光軸Ｃは、測定面７１の法線に対して傾斜している。
受光レンズ２１は、直線偏光からなる照明光Ｌ１０が試料７０の測定面７１で反射した反射光Ｒ１０を透過させる。受光レンズ２１は、例えば、シリンドリカルレンズまたはトロイダルミラー等を含む。受光レンズ２１は、複数のレンズを組み合わせたものでもよい。受光レンズ２１は、入射面に直交する側方から見て、反射光Ｒ１０を平行光にして透過させる。受光レンズ２１は、反射面に直交する上方から見て、画像検出器５０上に線上照明領域ＬＬＡを結像させる。受光レンズ２１は、反射光Ｒ１０を透過させ、偏光光学素子３０に入射させる。
試料７０の測定面７１を照明する照明光Ｌ１０は、一方向の直線偏光からなっている。そのような一方向の直線偏光からなる照明光Ｌ１０は、線状に集光されながら、試料７０の測定面７１に入射する。よって、照明光Ｌ１０が完全偏光かつ直線偏光であって、光軸Ｃが測定面７１に対して傾斜した場合には、測定面７１に入射する方位によって、照明光Ｌ１０は、Ｐ偏光の部分もあれば、Ｓ偏光の部分もある。照明光Ｌ１０におけるＳ偏光の部分は、Ｓ偏光として反射する。照明光Ｌ１０におけるＰ偏光の部分は、Ｐ偏光として反射する。したがって、試料７０の測定面７１で反射した反射光Ｒ１０は、測定面７１においてＰ偏光及びＳ偏光の光を含む。
受光レンズ２１は、直線偏光からなる照明光Ｌ１０が試料７０の測定面７１で反射した反射光Ｒ１０であって、測定面７１において第１方向の第１偏光及び第１方向と異なる第２方向の第２偏光とからなる反射光Ｒ１０を透過させる。例えば、第１偏光は、測定面７１においてＳ偏光であり、第２偏光は、測定面７１においてＰ偏光である。
受光レンズ２１を透過した反射光Ｒ１０は、偏光光学素子３０に入射する。偏光光学素子３０は、例えば、ノマルスキープリズムを含む。なお、偏光光学素子３０は、ノマルスキープリズムに限らず、ウォラストンプリズム、または、ローションプリズムを含んでもよい。
偏光光学素子３０は、直線偏光からなる照明光Ｌ１０が試料７０の測定面７１で反射した反射光Ｒ１０を、互いに直交する偏光方向の２つの直線偏光に分離する。例えば、偏光光学素子３０は、２つの直線偏光を入射面内で分離する。偏光光学素子３０が分離する互いに直交した偏光方向を、Ｘ方向及びＹ方向とする。この場合、Ｘ方向とＹ方向が作る面と反射光Ｒ１０の光軸Ｃは直交する。そうすると、偏光光学素子３０は、Ｘ方向の直線偏光とＹ方向の直線偏光とに分離する。例えば、偏光光学素子３０は、測定面７１においてＰ偏光であった光及びＳ偏光であった光を含む反射光Ｒ１０を、Ｐ偏光とＳ偏光とに分離する。
偏光光学素子３０は、分離させたＸ方向の直線偏光とＹ方向の直線偏光とを、画像検出器５０上で再び同一点となるように偏向して出射させる。偏光光学素子３０を出射した反射光Ｒ１０は、干渉部材４０を介して画像検出器５０に入射する。
図３は、実施形態１に係るエリプソメータにおいて、干渉部材４０を透過する直線偏光を例示した図である。図３に示すように、偏光板等の干渉部材４０は、偏光光学素子３０が分離させたＸ方向の偏光方向及びＹ方向の偏光方向と、所定の角度だけ傾いた方向の直線偏光の成分を透過させる。所定の角度だけ傾いた方向の軸を透過軸ＴＸａと呼ぶ。透過軸ＴＸａは、例えば、４５［ｄｅｇ］方向である。この場合には、干渉部材４０は、偏光光学素子３０が分離させたＸ方向の偏光方向及びＹ方向の偏光方向と、４５［ｄｅｇ］傾いた方向における直線偏光の成分を透過させる。
したがって、干渉部材４０は、Ｘ方向の偏光方向を有する直線偏光のうち、Ｘ方向と４５［ｄｅｇ］傾いた偏光成分を透過させる。また、干渉部材４０は、Ｙ方向の偏光方向を有する直線偏光のうち、Ｙ方向と４５［ｄｅｇ］傾いた偏光成分を透過させる。よって、互いに直交した２つの直線偏光は、干渉部材４０を透過することによって、透過軸ＴＸａに偏光した偏光成分として出射する。よって、互いに直交した２つの直線偏光は、可干渉となる。
このように、干渉部材４０は、各偏光方向と異なる方向における２つの直線偏光の成分を透過させる偏光板を含む。これにより、干渉部材４０は、各偏光方向と異なる方向における２つの直線偏光の成分を干渉させた干渉縞を形成する。干渉部材４０から出射した当該偏光成分からなる反射光Ｒ１０は、画像検出器５０に入射する。
画像検出器５０は、入射した反射光Ｒ１０を受光する。画像検出器５０の受光面は、入射面に直交する側面から見て、受光レンズ２１の瞳位置と共役な瞳共役位置２１ｈに配置されている。また、画像検出器５０の受光面は、反射面に直交する上方から見て、試料７０の測定面７１の像位置２１ｚに配置されている。反射光Ｒ１０は、互いに直交した２つの直線偏光における同じ方向の偏光成分を含んでいる。よって、反射光Ｒ１０は、画像検出器５０上で干渉する。
図４は、実施形態１に係るエリプソメータにおいて、入射面に直交する側方から見て、画像検出器５０に入射する反射光Ｒ１０に含まれた各直線偏光の波面を例示した図である。図５は、実施形態１に係るエリプソメータにおいて、画像検出器５０上で干渉した反射光Ｒ１０の干渉縞を例示した図である。
図４に示すように、偏光光学素子３０によって分離された２つの直線偏光ＲＸ（例えばＰ偏光）及びＲＹ（例えばＳ偏光）からなる反射光Ｒ１０は、干渉部材４０を透過し、画像検出器５０上で干渉縞５１を形成する。２つの直線偏光ＲＸ及びＲＹは、例えば、Ｐ偏光及びＳ偏光である。図５に示すように、画像検出器５０は、干渉部材４０を透過した反射光Ｒ１０の各偏光成分の干渉縞５１を検出する。干渉縞５１は、測定面７１上でＰ偏光及びＳ偏光の反射光Ｒ１０により形成される。図５の干渉縞５１の縦方向は、入射面に直交した側方から見た場合の偏光情報を示している。図５の干渉縞５１の横方向は、反射面に直交した上方から見た場合の測定面７１面上の線上照明領域ＬＬＡの位置を示している。
このように、エリプソメータ１において、測定面７１上で反射した照明光Ｒ１０は、受光光学系２０における受光レンズ２１を透過し、ノマルスキープリズム等の偏光光学素子３０に入射する。そして、入射面内でＰ偏光とＳ偏光に角度分割される。分割された反射光Ｒ１０は、透過軸ＴＸａが４５［ｄｅｇ］の検光子等の干渉部材４０を透過することで可干渉となる。このようにして、エリプソメータ１は、干渉縞５１を画像検出器５０上に形成する。
解析装置６０は、例えば、ＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）、サーバ（Ｓｅｒｖｅｒ）等の情報処理装置である。干渉縞５１の画像情報は、解析装置６０に転送される。解析装置６０は、画像検出器５０が検出した干渉縞５１から、エリプソメトリ係数Ψ及びΔを算出する。
図６は、実施形態１に係るエリプソメータにおいて、画像検出器５０上の干渉縞の強度を例示した図であり、横軸は、画像検出器５０の受光面上の位置を示し、縦軸は、反射光Ｒ１０の干渉縞５１の強度を示す。
図６に示すように、解析装置６０は、線状照明領域ＬＬＡでの干渉縞５１の強度分布から、下記の（１）式に示す周期関数のフィッティングまたはフーリエ変換により、それぞれ振幅情報と位相情報を抽出する。上記（１）式において、ＥＰ及びＥＳは、それぞれＰ偏光及びＳ偏光の電場振幅である。
Figure 0007471938000001
干渉縞５１のＡＣ成分は、２｜ＥＰ｜｜ＥＳ｜ｅｘｐ（ｉΔ）と表すことができ、干渉縞５１の位相成分は、そのままエリプソメトリ係数のΔである。一方で、エリプソメトリ係数Ψは、干渉縞５１のＡＣ成分をＤＣ成分で割ったコントラスト情報から求めることができる。
一般に、エリプソメトリ係数Ψ及びΔは、偏光ごとの複素反射率であるｒＰ及びｒＳを用いて、ｒＰ及びｒＳ＝ｔａｎ（Ψ）ｅｘｐ（ｉΔ）として定義される。よって、エリプソメータ１を計測装置として用いる場合には、光学定数と構造が既知の物質を測定して、上記の手順で、Ψｒｅｆ及びΔｒｅｆを先に求めておく。そして、既知の光学定数と構造から、反射率がＰ偏光及びＳ偏光ともに１で、かつ、反射時のＰ偏光とＳ偏光との位相差が０の場合のエリプソメトリ係数Ψｄｅｆ及びΔｄｅｆを求めておく。その後、興味がある計測試料を測定し、同様に、エリプソメトリ係数Ψｓａｍｐｌｅ及びΔｓａｍｐｌｅを得る。最後に、Ψａｃｔｕａｌ＝Ψｓａｍｐｌｅ／ΨｄｅｆとΔａｃｔｕａｌ＝Δｓａｍｐｌｅ―Δｄｅｆで定義される、ΨａｃｔｕａｌとΔａｃｔｕａｌが求める試料７０におけるエリプソメトリ係数Ψ及びΔである。
また、本実施形態のエリプソメータ１は、試料７０の測定面７１上の線状照明領域Ｒ１に沿った複数点を同時に計測できる。図７及び図８は、実施形態１に係るエリプソメータにおいて、試料７０の測定面７１における線状照明領域ＬＬＡ及び線状照明領域ＬＬＡからの反射光Ｒ１０による干渉縞５１を例示した図である。図７は、時刻ｔ１における干渉縞５１を示し、図８は、時刻ｔ２における干渉縞５１を示す。時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間に、試料７０は、スキャン方向ＤＳにスキャンされている。よって、画像検出器５０は、スキャン方向ＤＳにスキャンされた干渉縞５１を検出する。
図７に示すように、時刻ｔ１では、測定面７１上の点Ａ１を含む線状照明領域ＬＬＡの各点が作る干渉縞５１が画像検出器５０上で計測される。時刻ｔ２では、点Ａ２及び点Ａ３を含む線状照明領域ＬＬＡからの反射光Ｒ１０による干渉縞５１を検出する。ステージ７２でスキャン方向ＤＳにスキャンさせることにより、２次元状の領域の計測も可能である。
次に、本実施形態の効果を説明する。本実施形態のエリプソメータ１は、エリプソメトリ係数Ψ及びΔの測定において、偏光光学素子３０を利用する。偏光光学素子３０は、試料７０の測定面７１で反射した反射光Ｒ１０を、互いに直交する偏光方向の２つの直線偏光ＲＸ及びＲＹに分離し、分離した２つの直線偏光から干渉縞５１を画像検出器５０上に形成する。その干渉縞５１のコントラスト及び位相の測定結果から、２つの独立パラメータであるエリプソメトリ係数ΨとΔを直接測定する。これにより、これまでのエリプソメトリ係数Ψ及びΔの測定に必要であった回転する偏光子や補償子を用いた時系列の少なくとも４個の偏光成分の光量測定を不要とする。
また、これまでのエリプソメトリ係数Ψ及びΔの測定は、複数の異なる偏光状態の光の光量からストークス（ｓｔｏｋｅｓ）パラメータを求め、求めたストークスパラメータからエリプソメトリ係数Ψ及びΔを求めている。本実施形態では、直接にエリプソメトリ係数Ψ及びΔを求めることができる。よって、短時間で測定することができるので、ＯＣＤ測定のスループットを向上させることができる。
また、これまでのエリプソメータと比較して、可動部がないため、より安定したエリプソメトリ係数Ψ及びΔの測定をすることができる。
さらに、照明光Ｌ１０は、線状の線状照明領域ＬＬＡを照明し、試料７０を搭載したステージ７２のスキャンと組み合わせることで、測定面７１内の２次元領域のエリプソメトリ係数Ψ及びΔを高速に得ることが可能となる。
また、ＯＣＤ測定装置に用いられる多くのエリプソメータにおいては、試料７０の測定面７１に入射させる照明光Ｌ１０の入射角は、ブリュースター（ｂｒｅｗｓｔｅｒ）角で固定であった。しかしながら、本実施形態では、受光レンズ２１の瞳位置に共役な瞳共役位置２１ｈに画像検出器５０を配置させることで、任意の入射角、入射方位でのエリプソメトリ係数Ψ及びΔの測定を可能とする。このような構成は、検光子等を回転させるこれまでのエリプソメータの構成では容易には実現することができない。
その結果、例えば、ウェハ上の微細構造モデルへのフィッティングにおいて、より多くの条件での計測結果を用いることができ、ＯＣＤ測定装置で問題となることの多い、異なるＤｉｍｅｎｓｉｏｎのカップリングの低減にもつながるため、特に３次元化が進展した現在の半導体構造の計測において精度を向上させることが期待される。
また、照明光Ｌ１０による試料７０の線状照明領域ＬＬＡを、小さくすることができ、チップ内のＤｉｍｅｎｓｉｏｎの分布の評価もより高い位置分解能で行うことが可能となる。これらの測定結果をリソグラフィーや成膜、エッチング工程に反映させ、半導体製造のプロセスコントロールを適切に行うことができる。これにより、半導体製造における歩留まり及び生産性を向上させることができる。
さらに、ロジックにおいて、半導体チップ内に配置されているエリプソメトリ係数Ψ及びΔの測定用のテストパターンを、これまでの数十［μｍ］角であったものを、数［μｍ］角以下まで小さくすることができる。このため、半導体チップ内の回路に使える領域が増え、半導体デバイスのコスト低減にも貢献することができる。
これらのスループット向上と安定性向上効果により、本発明技術の適用が期待される半導体製造工程において、これまで１ウェハ内で数点であったＯＣＤ測定が、ウェハ上のSＳｈｏｔ内、Ｃｈｉｐ内、Ｍｅｍｏｒｙ－ｃｅｌｌ内の回路線幅や膜厚分布までも行え、不良検出や許容内での変動による不良予測にも利用できることで、歩留まりと生産性向上に貢献し、半導体デバイスのコスト低減にも繋がる。
（実施形態２）
次に、実施形態２に係るエリプソメータを説明する。本実施形態のエリプソメータ２では、干渉部材４０として、偏光板の代わりに、偏光ビームスプリッタを用いる。図９は、実施形態２に係るエリプソメータを例示した側面図である。図１０は、実施形態２に係るエリプソメータにおいて、受光光学系２０を例示した図である。図１１は、実施形態２に係るエリプソメータにおいて、画像検出器５０上で干渉した反射光Ｒ１０の干渉縞を例示した図である。
図９～図１１に示すように、エリプソメータ２は、実施形態１と同様に、照明光学系１０、受光光学系２０、解析装置６０を備えている。照明光学系１０及び解析装置６０は、実施形態１と同様である。
受光光学系２０は、受光レンズ２１、偏光光学素子３０、干渉部材４１、画像検出器５０を含んでいる。干渉部材４１は、例えば、偏光ビームスプリッタ４２である。本実施形態のエリプソメータ２は、ノマルスキープリズム等の偏光光学素子３１で角度分割された２つの異なる偏光を、偏光ビームスプリッタ４２でさらに２分割する。
図１１に示すように、エリプソメータ２は、偏光ビームスプリッタ４２によって２分割した２つの異なる偏光、すなわち、Ｐ偏光及びＳ偏光から、画像検出器５０上で２つの干渉縞５１ａ及び５１ｂを形成する。
例えば、Ｐ偏光とＳ偏光を偏光光学素子３０により、入射面内で角度分割する場合に、偏光ビームスプリッタ４２の透過軸ＴＸ１及びＴＸ２がＰ偏光とＳ偏光の間の角度となるようにする。例えば、図１０に示すように、光軸Ｃを回転軸として偏光ビームスプリッタ４２を回転した配置とする。この場合、偏光ビームスプリッタ４２は、２つの直交する透過軸ＴＸ１及びＴＸ２を有している。それぞれの透過軸ＴＸ１及びＴＸ２を透過した反射光Ｒ１０は、Ｐ偏光とＳ偏光の両方からなっている。このため、偏光ビームスプリッタ４２を透過した反射光Ｒ１０は、画像検出器５０上で２つの干渉縞５１ａ及び５１ｂを形成する。
図１２は、実施形態２に係るエリプソメータにおいて、偏光光学素子３０及び偏光ビームスプリッタ４２を例示した図である。図１３は、実施形態２に係るエリプソメータにおいて、偏光ビームスプリッタ４２で分離される直線偏光を例示した図である。図１２及び図１３に示すように、干渉部材４１は、各偏光方向と角度θ傾いた透過軸ＴＸ１方向における２つの直線偏光の成分と、角度θと９０［ｄｅｇ］傾いた透過軸ＴＸ２方向における２つの直線偏光の成分と、に分離する偏光ビームスプリッタ４２を含む。画像検出器５０は、透過軸ＴＸ１方向における２つの直線偏光の成分の干渉縞５１ａ、及び、透過軸ＴＸ２方向における２つの直線偏光の成分の干渉縞５１ｂを検出する。
以下で、具体的に説明する。例えば、Ｓ偏光の第１方向に平行にＰｕｐｉｌ－Ｘ軸、Ｐ偏光の第２方向に平行にＰｕｐｉｌ－Ｙ軸となるように、ＸＹ直交座標系を定義する。偏光ビームスプリッタ４２は、光軸Ｃを中心軸にして、角度θだけ回転している場合を考える。
試料７０の測定面７１上から反射した反射光Ｒ１０のＰ偏光成分を｜Ｅｒｐ｜、Ｓ偏光成分を｜Ｅｒｓ｜とすると、偏光ビームスプリッタの透過軸ＴＸ１を透過する成分｜Ｅｐ１｜及び｜Ｅｓ１｜は、それぞれ、（２）式及び（３）式となる。ここで、角度θは既知とする。
Figure 0007471938000002
Figure 0007471938000003
ここで、Ｐ偏光成分｜Ｅｒｐ｜及びＳ偏光成分｜Ｅｒｓ｜を仮想的に完全コヒーレントとして干渉させた場合を考える。その場合には、その干渉光のＡＣ成分及びＤＣ成分は、以下の（４）式及び（５）式のように記載できる。
Figure 0007471938000004
Figure 0007471938000005
また、透過軸ＴＸ１のＡＣ成分ＡＣ１及び透過軸ＴＸ１のＤＣ成分ＤＣ１は、以下の（６）式及び（７）式のように記載できる。
Figure 0007471938000006
Figure 0007471938000007
同様に、透過軸ＴＸ２のＡＣ成分ＡＣ２及び透過軸ＴＸ２のＤＣ成分ＤＣ２は、以下の（８）式及び（９）式のように記載できる。
Figure 0007471938000008
Figure 0007471938000009
ここで、ＡＣ成分ＡＣ及びＤＣ成分ＤＣと、透過軸ＴＸ１のＡＣ成分ＡＣ１及びＤＣ成分ＤＣ１、並びに、透過軸ＴＸ２のＡＣ成分ＡＣ２及びＤＣ成分ＤＣ２との関係は、以下の（１０）式及び（１１）式のように表せる。
Figure 0007471938000010
Figure 0007471938000011
ここで、以下の（１２）式が成り立つので、（１３）式が得られる。
Figure 0007471938000012
Figure 0007471938000013
ただし、解は２つ得られる。２つの解は、｜Ｅｒｐ｜／｜Ｅｒｓ｜と、｜Ｅｒｓ｜／｜Ｅｒｐ｜に相当する。この２つの値の判別の不定を許容すれば、ＡＣ１及びＤＣ１のみから、Ψを得ることができる。例えば、｜Ｅｒｐ｜と｜Ｅｒｓ｜とで、どちらが大きいかが既知の場合である。
｜Ｅｒｐ｜と｜Ｅｒｓ｜とで、どちらが大きいかが既知でない場合には、偏光ビームスプリッタ４２が２つの透過軸ＴＸ１及びＴＸ２を持つことより、下記の（１４）式及び（１５）式のように、｜Ｅｒｐ｜及び｜Ｅｒｓ｜をそれぞれ求めることも可能となる。
Figure 0007471938000014
Figure 0007471938000015
ただし、（１４）式及び（１５）式からわかるように、θが４５［ｄｅｇ］の場合には、分母が０となり、解を得ることができない。同様に、θが０［ｄｅｇ］または９０［ｄｅｇ］の場合には、透過軸ＴＸ１のＡＣ成分ＡＣ１及び透過軸ＴＸ２のＡＣ成分ＡＣ２が０となるため、Δの解を得ることができない。よって、偏光ビームスプリッタ４２における偏光の透過軸ＴＸ１及びＴＸ２は、０°、４５°、９０°になる配置を避ける必要がある。すなわち、θは、０［ｄｅｇ］よりも大きく、４５［ｄｅｇ］未満であるか、または、４５［ｄｅｇ］よりも大きく、９０［ｄｅｇ］未満である。
本実施形態のエリプソメータ２によれば、干渉部材４０として、検光子の代わりに偏光ビームスプリッタ４２を用いることで、追加の干渉縞５１ｂを画像検出器５０ｂ上に作成し、追加の情報を得ることができる。利点としては、検光子の場合に捨てていた成分を検出に利用することができる。よって、Ｓ／Ｎを向上することができる。しかも、位相を１８０［ｄｅｇ］反転した干渉縞５１ａ及び５１ｂを形成することができる。これにより、画像検出器５０のみで検出された干渉縞５１では、谷の位置に相当する強度が小さい点を、画像検出器５０ａ及び５０ｂを用いて検出することにより、山の位置に相当する強度の大きい点とすることができる。よって、相補的に利用することが可能となる。これ以外の構成及び効果は、実施形態１の記載に含まれている。
（実施形態３）
次に、実施形態３に係るエリプソメータを説明する。本実施形態は、光源１１として、レーザを出射するコヒーレント光源を用いて線状照明領域ＬＬＡを照明する。図１４は、実施形態３に係るエリプソメータを例示した側面図である。図１５は、実施形態３に係るエリプソメータを例示した上面図である。
図１４及び図１５に示すように、エリプソメータ３は、実施形態１と同様に、照明光学系１０、受光光学系２０、解析装置６０を備えている。受光光学系２０及び解析装置６０は、実施形態１と同様である。
照明光学系１０は、光源１５、ファイバー１２、変換レンズ１３ａ、照明レンズ１３ｂ、コヒーレンス低減素子１６を含んでいる。
光源１５は、例えば、レーザ光源である。光源１５は、照明光Ｌ１０として、レーザ光を生成する。よって、光源１５は、一方向の直線偏光からなる照明光Ｌ１０を生成する。光源１５から生成された照明光Ｌ１０は、ファイバー１２を介して変換レンズ１３ａに入射する。
変換レンズ１３ａは、例えば、シリンドリカルレンズまたはトロイダルミラー等を含む。変換レンズ１３ａは、複数のレンズを組み合わせたものでもよい。変換レンズ１３ａは、ファイバー１２から出射した照明光Ｌ１０を平行光に変換する。平行光に変換された照明光Ｌ１０は、コヒーレンス低減素子１６に入射する。
コヒーレンス低減素子１６は、平行光に変換された照明光Ｌ１０を透過させる。その際に、コヒーレンス低減素子１６は、照明光Ｌ１０のコヒーレントを低減させる。照明光Ｌ１０がレーザ光の場合には、線状照明領域ＬＡＡに沿った方向では、照明光Ｌ１０が平行光となるため空間的コヒーレンスが高くなり過ぎる。よって、不要な干渉縞やスペックル等が発生する可能性がある。そこで、コヒーレンス低減素子１６は、線状照明領域ＬＡＡに沿って、照明光Ｌ１０の光路長が異なるようにする。
図１６は、実施形態３に係るエリプソメータにおいて、波面分割によるコヒーレンス低減素子１６ａを例示した上面図である。図１６に示すように、コヒーレンス低減素子１６ａは、例えば、階段状プリズムを含む。コヒーレンス低減素子１６ａは、階段状プリズムを用いた波面分割により、空間的にコヒーレンスを低減させる。具体的には、コヒーレンス低減素子１６ａは、反射面に直交する上方から見て、線状照明領域ＬＡＡが延びた方向に沿って、照明光Ｌ１０を複数のビームＬＢに分割する。そして、コヒーレンス低減素子１６ａは、分割された各ビームＬＢの光路長を異ならせる。これにより、コヒーレンス低減素子１６ａは、照明光Ｌ１０の空間的コヒーレンスを適切に調整する。
図１７は、実施形態３に係るエリプソメータにおいて、振幅分割によるコヒーレンス低減素子１６ｂを例示した上面図である。図１７に示すように、コヒーレンス低減素子１６ｂは、ハーフミラー膜１７及び反射膜１８を含む。コヒーレンス低減素子１６ｂは、ハーフミラー膜１７及び反射膜１８を用いた振幅分割により、空間的にコヒーレンスを低減させる。具体的には、コヒーレンス低減素子１６ｂは、ハーフミラー膜１７における透過及び反射、並びに、反射膜１８における反射を複数回繰り返させることにより、複数のビームを形成する。こうして、コヒーレンス低減素子１６ｂは、各ビームの光路長を異ならせることができる。
例えば、コヒーレンス低減素子１６ｂは、ハーフミラー膜１７を透過したビームＬＢ１と、ハーフミラー膜１７で反射し、反射膜１８で反射し、ハーフミラー膜１７を透過したビームＬＢ２と、ハーフミラー膜１７及び反射膜１８で２回反射し、ハーフミラー膜１７を透過したビームＬＢ３と、ハーフミラー膜１７及び反射膜１８で３回反射し、ハーフミラー膜１７を透過したビームＬＢ４と、ハーフミラー膜１７及び反射膜１８で４回反射し、ハーフミラー膜１７を透過したビームＬＢ５と、を含む各ビームの光路長を異ならせる。これにより、コヒーレンス低減素子１６ｂは、照明光Ｌ１０の空間的コヒーレンスを適切に調整する。
コヒーレンス低減素子１６ａ及び１６ｂを透過した照明光Ｌ１０は、照明レンズ１３ｂに入射する。照明レンズ１３ｂは、直線偏光からなる照明光Ｌ１０で測定面７１を照明する。照明レンズ１３ｂは、空間的コヒーレンスを適切に調整された照明光Ｌ１０で、線状照明領域ＬＬＡを照明する。
本実施形態のエリプソメータ３によれば、光源１５として、レーザ光源を用いることができる。その際に、コヒーレンス低減素子１６は、照明光Ｌ１０の空間的コヒーレンスを適切に調整することができる。よって、不要な干渉縞やスペックル等を抑制することができる。これ以外の構成及び効果は、実施形態１及び２の記載に含まれている。
（実施形態４）
次に、実施形態４に係るエリプソメータを説明する。本実施形態のエリプソメータは、試料７０の測定面７１の共役面にウォラストンプリズムを配置し、時系列で干渉縞情報を得る構成である。図１８は、実施形態４に係るエリプソメータを例示した側面図である。図１９は、実施形態４に係るエリプソメータにおいて、試料７０の測定面７１における面状照明領域及び面状照明領域からの反射光Ｒ１０による干渉縞５１を例示した図である。
図１８及び図１９に示すように、エリプソメータ４は、照明光学系１０、受光光学系２０、解析装置６０を備えている。照明光学系１０は、光源１１、ファイバー１２、照明レンズ１３、偏光子１４を含んでおり、実施形態１と同様の構成である。しかしながら、本実施形態の照明光Ｌ１０は、試料７０の測定面７１において、所定の広がりを有する面状の面状照明領域ＭＬＡを照明する。具体的には、照明レンズ１３は、照明光Ｌ１０を、面状に集光させて測定面７１を照明する。画像検出器５０により検出される検出領域ＳＡは、面状照明領域ＭＬＡに含まれている。
照明レンズ１３と試料７０との間には偏光子１４が配置されている。よって、照明レンズ１３は、照明光Ｌ１０を偏光子１４に照射させ、偏光子１４を介して、測定面７１に対して面状に集光させる。
受光光学系２０は、受光レンズ２１ａ、偏光光学素子３１、リレーレンズ２１ｂ、干渉部材４０、画像検出器５０を含んでいる。受光レンズ２１ａは、直線偏光からなる照明光Ｌ１０が試料７０の測定面７１で反射した反射光Ｒ１０を透過させる。受光レンズ２１ａは、例えば、シリンドリカルレンズまたはトロイダルミラー等を含む。受光レンズ２１ａは、複数のレンズを組み合わせたものでもよい。受光レンズ２１ａは、反射光Ｒ１０を透過させ、偏光光学素子３１に入射させる。
偏光光学素子３１は、例えば、ウォラストンプリズムを含む。偏光光学素子３１は、受光光学系２０における測定面７１の共役面に、ウォラストンプリズムの接合面が一致するように配置されている。そして、画像検出器５０上でＰ偏光及びＳ偏光の像が同一点に形成されるようにする。
偏光光学素子３１は、Ｐ偏光とＳ偏光とを入射面内で分離して画像検出器５０上で干渉縞５１を形成する。画像検出器５０上では、反射面に直交する上方から見て、干渉縞には、測定面７１における位置情報が含まれている。入射面に直交する側方から見て、干渉縞には、偏光情報と測定面７１における位置情報の両方が含まれている。
図２０～図２２は、実施形態４に係るエリプソメータにおいて、試料７０の測定面７１における面状照明領域及び面状照明領域からの反射光Ｒ１０による干渉縞５１を例示した図である。図２３は、実施形態４に係るエリプソメータにおいて、スキャン方向ＤＳにステージ７２をスキャンさせた場合の所定の点での干渉縞５１における強度を例示したグラフであり、横軸は時間を示し、縦軸は、反射光Ｒ１０の強度を示す。図２０は、時刻ｔ１における干渉縞を示し、図２１は、時刻ｔ２における干渉縞を示し、図２２は、時刻ｔ３における干渉縞を示す。
画像検出器５０上の左右方向は、偏光情報及び測定面７１における位置情報が混在している。しかしながら、測定面７１をスキャン方向ＤＳに沿ってスキャンしながら計測し、測定面７１上の同一点（例えば点Ａ１）の光量を計測することで、図２３に示すように、偏光情報のみを含む干渉縞情報を抽出することが可能となる。
本実施形態のエリプソメータ４によれば、照明光Ｌ１０は、面状の面状照明領域ＭＬＡを照明するので、測定面７１内の２次元領域のエリプソメトリ係数Ψ及びΔを高速に得ることが可能となる。また、偏光光学素子３１として、ウォラストンプリズムを用いることができ、光学的設計の自由度を向上させることができる。これ以外の構成及び効果は、実施形態１～３の記載に含まれている。
本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、実施形態１～４の各構成は相互に組み合わせることができる。また、実施形態１～４のエリプソメータを備えた半導体装置の検査装置も、本実施形態の技術的思想に含まれる。
１、２、３、４ エリプソメータ
１０ 照明光学系
１１ 光源
１２ ファイバー
１３、１３ｂ 照明レンズ
１３ａ 変換レンズ
１４ 偏光子
１５ 光源
１６、１６ａ、１６ｂ コヒーレンス低減素子
２０ 受光光学系
２１、２１ａ 受光レンズ
２１ｈ 位置
２１ｚ 位置
３０ 偏光光学素子
４０、４１ 干渉部材
４２ 偏光ビームスプリッタ
５０ 画像検出器
５１、５１ａ、５１ｂ 干渉縞
６０ 解析装置
７０ 試料
７１ 測定面
７２ ステージ
Ａ１、Ａ２、Ａ３ 点
Ｃ 光軸
ＤＳ スキャン方向
Ｌ１０ 照明光
ＬＢ、ＬＢ１、ＬＢ２、ＬＢ３、ＬＢ４、ＬＢ５ ビーム
ＬＬＡ 線状照明領域
ＭＬＡ 面状照明領域
Ｒ１０ 反射光
ＳＡ 検出領域
ＴＸａ、ＴＸ１、ＴＸ２ 透過軸

Claims (20)

  1. 直線偏光からなる照明光が試料の測定面で反射した反射光を、互いに直交する偏光方向の２つの直線偏光に分離する偏光光学素子と、
    各前記偏光方向と異なる方向における前記２つの直線偏光の成分を干渉させた干渉縞を形成する干渉部材と、
    前記干渉縞を検出する画像検出器と、
    検出した前記干渉縞から、直接、エリプソメトリ係数Ψ及びΔを算出する解析装置と、
    を備えたエリプソメータ。
  2. 前記測定面に入射する前記照明光の光軸、及び、前記測定面で反射した前記反射光の光軸は、前記測定面の法線に対して傾斜した、
    請求項１に記載のエリプソメータ。
  3. 前記照明光を生成する光源と、
    前記光源から生成された前記照明光が入射され、一方向の直線偏光からなる前記照明光を透過させる偏光子と、
    前記直線偏光からなる前記照明光で前記測定面を照明する照明レンズと、
    前記反射光を透過させ、前記偏光光学素子に入射させる受光レンズと、
    をさらに備えた、
    請求項２に記載のエリプソメータ。
  4. 前記照明光は、前記測定面において、線状の線状照明領域を照明し、
    前記画像検出器は、入射面に直交する側方から見て、前記受光レンズの瞳位置と共役な瞳共役位置に配置され、反射面に直交する上方から見て、前記測定面の像位置に配置された、
    請求項３に記載のエリプソメータ。
  5. 一方向の直線偏光からなる前記照明光を生成するレーザ光源と、
    前記直線偏光からなる前記照明光で前記測定面を照明する照明レンズと、
    前記反射光を透過させ、前記偏光光学素子に入射させる受光レンズと、
    をさらに備えた、
    請求項２に記載のエリプソメータ。
  6. 前記照明光は、前記測定面において、線状に延びた線状照明領域を照明し、
    前記画像検出器は、入射面に直交する側方から見て、前記受光レンズの瞳位置と共役な瞳共役位置に配置され、反射面に直交する上方から見て、前記測定面の像位置に配置された、
    請求項５に記載のエリプソメータ。
  7. 前記照明光を平行光に変換する変換レンズと、
    前記平行光に変換された前記照明光を透過させるコヒーレンス低減素子と、
    を備え、
    前記コヒーレンス低減素子は、反射面に直交する上方から見て、前記線状照明領域が延びた方向に沿って、前記照明光を複数のビームに分割し、分割された各ビームの光路長を異ならせた、
    請求項６に記載のエリプソメータ。
  8. 前記コヒーレンス低減素子は、反射面に直交する上方から見て、前記線状照明領域が延びた方向に沿って、前記光軸の方向の長さが階段状に異なる階段プリズムであり、
    前記光軸の方向の長さが異なる各階段部分を前記各ビームが透過することにより、前記各ビームの光路長を異ならせた、
    請求項７に記載のエリプソメータ。
  9. 前記コヒーレンス低減素子は、ハーフミラー膜及び反射膜を含み、
    前記ハーフミラー膜を透過した第１ビームと、
    前記ハーフミラー膜で反射し、前記反射膜で反射し、前記ハーフミラー膜を透過した第２ビームと、
    前記ハーフミラー膜及び前記反射膜で複数のＮ回反射し、前記ハーフミラー膜を透過した第Ｎビームと、を含む前記各ビームの光路長を異ならせた、
    請求項７に記載のエリプソメータ。
  10. 前記照明レンズは、シリンドリカルレンズを含む、
    請求項３～９のいずれか１項に記載のエリプソメータ。
  11. 前記干渉部材は、各前記偏光方向と４５［ｄｅｇ］傾いた方向における前記２つの直線偏光の成分を透過させる偏光板を含み、
    前記画像検出器は、前記偏光板を透過した各前記成分の前記干渉縞を検出する、
    請求項１～１０のいずれか１項に記載のエリプソメータ。
  12. 前記干渉部材は、各前記偏光方向と所定角度だけ傾いた第１方向における前記２つの直線偏光の第１成分と、前記所定角度と９０［ｄｅｇ］傾いた第２方向における前記２つの直線偏光の第２成分と、に分離する偏光ビームスプリッタを含み、
    前記画像検出器は、前記２つの直線偏光の前記第１成分の第１干渉縞、及び、前記２つの直線偏光の前記第２成分の第２干渉縞を検出する、
    請求項１～１０のいずれか１項に記載のエリプソメータ。
  13. 前記所定角度は、０［ｄｅｇ］よりも大きく、４５［ｄｅｇ］未満であるか、または、４５［ｄｅｇ］よりも大きく、９０［ｄｅｇ］未満である、
    請求項１２に記載のエリプソメータ。
  14. 前記偏光光学素子は、ノマルスキープリズムを含む、
    請求項１～１３のいずれか１項に記載のエリプソメータ。
  15. 前記試料は、入射面及び反射面に直交するスキャン方向に移動するステージ上に配置され、
    前記画像検出器は、前記スキャン方向にスキャンされた前記干渉縞を検出する、
    請求項１～１４のいずれか１項に記載のエリプソメータ。
  16. 前記２つの直線偏光は、Ｐ偏光及びＳ偏光である、
    請求項１～１５のいずれか１項に記載のエリプソメータ。
  17. 前記照明光は、白色光を含み、
    前記解析装置は、前記干渉縞をフーリエ変換し、フーリエ変換された前記干渉縞から前記エリプソメトリ係数Ψ及びΔを算出する、
    請求項１～１６のいずれか１項に記載のエリプソメータ。
  18. 前記照明光は、前記測定面において、所定の広がりを有する面状の面状照明領域を照明する、
    請求項３に記載のエリプソメータ。
  19. 前記偏光光学素子は、ウォラストンプリズムを含む、
    請求項１８に記載のエリプソメータ。
  20. 請求項１～１９のいずれか１項に記載の前記エリプソメータを備えた半導体装置の検査装置。
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