JPH03205536A - 高分解能エリプソメータ装置と方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は試料の物理特性を研究するための高分解能のエ
リプソメータ装置に関する。

エリプソメータ法は、試料と相互作用する光ビームの偏
光状態に生ずる変化に基づき、その試料の物理特性を研
究するための非破壊技法である。

全てのエリプソメータ装置において、既知の偏光状態を
有する光ビームか試料から反射され、または試料を通し
て伝播される。ビームか試料と相互作用したあとのビー
ムの偏光状態がそこで測定される。試料との相互作用の
前後のビームの偏光状態の変化を用いて試料のパラメー
タを計算することができる。本願において、偏光状態と
いう語はｐ及びＳ偏光成分の間のそれぞれの振幅と位相
差を意味する。

エリプソメータ広の最も普通の形式は、試料表面に対し
て斜めの入射角で光ビームが向けられる、反射エリプソ
メータ法である。反射されたビームの偏光状態を？）ｌ
リ定して材料の表面に関する情報を引き出す。研究され
る普通のパラメータに、試料の屈折率及び消光率か含ま
れる。極く最近、半導体ウェーハ内のキャリャ密度を調
査するために反射エリプソメータ法か提案された（１９
８４年９月１８日付モトオカ（　Ｍｏｔｏｏｋａ）米国
特許第４．４７２，６８３号参照）。エリプソメータの
最も普通の工業上の用途は半導体試料の薄膜の特性把握
である。反射エリプソメー夕法は半導体上の極く薄い層
の厚さを測定するのに利用し得る最良の方法である。

試料を通して伝播される光ビームを分析するのに、エリ
プソメータ法を用いることも可能である。

この方法は伝播エリプソメータ法又は偏光計法と称せら
れる。反射エリプソメータ法と同じく、入射するビーム
の偏光状態を、試料通過後のビームの偏光状態と比較す
る。結晶の複屈折のような透明物質の全体特性を調査す
るのに偏光計か用いられる。単純化のため、本願の残り
の説明は反射エリプソメータに限定されるが、しかし、
本発明は反射及び伝播エリプソメー夕法の双方に適用可
能である。

第１図を参照すると、試料（１０）のパラメータを評価
するための従来技術のエリプソメー夕の基本形式が図解
される。図示のように、Ｉ／−サー（ｉ２）のような装
置が放射線ビーム（１４）を発生する。このビームは、
既知のビームの偏光状態を発生するために偏光部（１６
）を通過する。偏光部（１６）は以下こ述べる１個以上
の要素を含むことができる。つぎに、このビームは第１
図に示すように垂線Ｎに対して斜めの入射角θにて試料
から反射される。

つぎに、反射されたビームは分析部（１８）を通されて
、反射ビームの偏光状態を分離される。つぎに、ビーム
の強さが光検知器（２０）により測定される。

つぎに、プロセッサ（２２〉を用いて、入射ビームの偏
光状態を反射ビームの偏光状態と比較することによって
、試料（１０）のパラメータを決定する。

従来技術において様々なエリプソメー夕方式が開発され
た。多くの従来方式の徹底的な説明が、１９７７年ニュ
ーヨーク州、ニューヨーク市ノースホランド・パブリシ
ングカンパニー（　ＮｏｒｔｈＨｏｌｌａｎｄ　Ｐｕｂ
ｌｉｓｈｉｎｇ　Ｃｏ．）発行、Ｒ．Ｍ．Ａ．アザム（
　Ａｚｚａｍ）とＮ．Ｍ．バシャラ（　Ｂａｓｈａｒａ
）の共著「エリブソメータ法と偏光光線」という内容豊
富な書物に為されている。本書において、偏光部（ｌＢ
〉と分析部（１８）に使用することのできる種々の型式
の光学要素に関する詳細が与えられる。光学法則の非方
向性のために、様々な光学要素を配設する順序を変える
ことができる。代表的には、使用される要素は、直線又
は円偏光子、よくコンペンセー夕と称せられる複痛折装
置、及び直線又は円分析器を含むことができる。動作中
に、これらの要素の１つ以上がビームの偏光状態を変え
る仕方で、方位の回りに回転させられる。試料パラメー
タに関する情報か、様々な要素の方位位置に関係する光
検知器出力から引き出される。

最も初期のエリプソメー夕法の１つはナル・エリプソメ
ータ法と呼ばれる。ナル・エリプソメータ法において、
反射された光ビームが分析部によって消去されるように
、試料によって生ずる偏光状態の変化か偏光部と分析部
の適当な調整により補償される。より具体的には、ゼロ
又は最小レベルの強さが検知器により測定される迄、要
素の方位角が回転される。

光度計式エリプソメータにおいて、検知器に達する光を
消去する努力は為されない。むしろ、検知器によって記
録される光度レベルが測定され、偏光部と分析部の要素
の方位角と比較されて、試料に関する情報を引き出す。

プロセッサはフレネルの式を含む数学モデルを用いて、
試料パラメータを決定する。アサムとバシャラの書物に
詳細に述べられるように、数学モデルは代表的には、「
エリプソメータのパラメータ」ψとδの計算を含む。こ
れらのパラメータは、次式による反射ビームのｐ，ｓ偏
光間の位相遅れと同じく、反射ビームのｐ．ｓ偏光状態
の相対的大きさに関係する：従来挾術に見られる多くの
他のエリプソメー夕技法かあり、以下にそれを簡単に述
べる。そのような技法の１つは変調エリプソメータ法で
あり、一表面の、外部電場により誘起される光学パラメ
ータの小さな変化が測定される（アサムの書Ｐ．２６５
参照）。いま一つの行き方は干渉計式エリプソメータ法
である。（アザム　ｐ．２６２とグレゴ（　Ｇｒｃｇｏ
）の１９８０年８月９日付、米国特許第４．７６２．４
１４号参照）。もう一つの行き方では、反射プローブビ
ームが２つ以上のビームに分割され、異なる検知器によ
って測定される（チャスタング（　Ｃｈａｓｔａｎｇ）
の１９８６年４月２９日付、米国特許第４，５８５．３
８４号参照）。

新らしい行き方がアザムの１９８８年２月１６日付米国
特許第４．７２５．１４５号に開示される。この特許に
おいて、検知器は分析器部と同時に機能する仕方に配置
される。より具体的には、検知器は偏光感知性を有する
ように装置され、或る偏光状態の放射線を分離するよう
に意図される部分的に鏡面反射する表面を有する。アザ
ムの行き方は要素の数を減ずるけれども、反射されたプ
ローブビームの偏光状態が既知でなければならない、と
いう点で、依然として他の従来技術の装置と同様である
。

以下に明らかにされるように、本発明は前記のエリプソ
メータ法及び同装置の全てを実質的に改良するのに使用
されることができる。

上記の説明から判るように、従来技術のエリプソメータ
法の各々は、入射するビームが斜めの入射角にて試料の
表面に衝突することを必要とする。

試料表面に対して斜めの角度に全体ビームを向け、ビー
ムを捕捉し、分析に測定するために反射ビームに整合す
る独立の検知装置を有することによって、常にこれが行
われてきた。この行き方は幾つかの重大な限界を有する
。先ず第１に、ビーム発生要素と収集要素を正確に整合
させなければならない。ビームの入射及び反射の角度並
びに入射ビームの方位角度の双方について、この整合は
正確でなければならない。この意味の方位角という語は
、偏光部と分析部の動作を説明する時に関連するビーム
の進行方向回りの回転ではなく、第１図の紙面の内外へ
の変化に関する。以下に、より詳しく説明する多重人射
角エリプソメー夕において、整合に伴う困難は極端に大
切となる。

明らかなように、整合問題は複雑性と費用の議論をもた
らすにしても、少なくとも対処することができる。未だ
解決されていない従来技術に伴う、より重要な問題は、
空間分解能を実際上制限する、斜め人射角にビームを向
ける必要から生ずる。本明細書において、分解能とは、
情報を引き出すことのできる最小面積の尺度である。半
導体装置の製造において、極端に小さな面積内の層厚さ
に関する情報が極端に望まれる。しかし、ビームを斜め
入射角に向ける必要から、高開口数の光学系を用いて、
ビームをきっちり集中させることは不可能である。エリ
プソメー夕の分解能を改良するために著しい努力が為さ
れたが、しかし２５μ未満の点サイズを、信頼性をもっ
て、達成することはできない。下記に述べるように、本
発明はこの問題を克服し、１μ程度の点サイズの測定を
可能にする。さらに、本発明の行き方は自動整合性を有
し、測定手順をかなり簡素化する。

電気絶縁層を被膜させた半導体試料を定格するのに用い
られる幾つかのパラメータがある。これらのパラメータ
には、薄膜層の厚さと共に、空気、薄膜層及び基板の屈
折率及び消衰係数が含まれる。

実際上、空気及び薄膜の消衰係数は取るに足りない。し
かし、それでも、未知であり得る５つの試料パラメータ
か残る。前記のエリプソメータ装置において、２つの量
ψ，δだけか測定され、従って５つのパラメータの２つ
だけを確認することがでキるので、残りの３つのパラメ
ータを知らなければならない。より多くの未知数を解決
するために、追加の独立の測定をしなければならない。

従来の技術において、追加の独立の測定を得る必要性は
、多重入射角装置で対処された（アザムｐ．　３２０参
！］ｔ．＜）。これらの装置において、ビームの入射角
はレーサー発生要素の角度位置を変えることによって、
変えられる。そこで、多重人射角にて測定かなされる。

多重独立測定は追加の未知試ネ４パラメータを計算する
ことを可能にする。代りに、追加の独立測定を用いて、
より正確に、未知パラメータを計算することができる。

多重入射角装置の欠点の１つは、反射ビームを測定する
ために、検知要素の角度も、反射ビームをｔ１１１捉す
るために同様に調整しなければならないことである。明
らかなように、要素全部の位置を調整する必要性は、正
確な整合をより困難にする。

以下に示されるように、本発明のいま一つの重要な利点
は、ビーム発生又は収集の要素の位置を調整することな
く、多重入射角エリプソメー夕法を実行し得ることであ
る。

多重入射角装置に伴う、いま一つの問題は、比較的浅い
入射角を測定するのに使用することができないことであ
る。薄膜の厚さか増すにつれて、これらの浅い角度から
の情報はより重要となる。

第１図で判るように、より浅い入射角を得るために、光
発生及び収集の要素を相互に向けて上方に回転させなけ
ればならない。これらの要素の物理的サイズ及び位置は
２０°未満の入射角の検知を全く困難にする。以下に述
べるように、本発明によって形成されるエリプソメー夕
は７０°から０６までという広い範囲にわたって多重角
を測定することができる。

よって、全ての現存装置の性能を高めるのに適した、新
しい改良されたエリプソメータを与えることが本発明の
一目的である。

分躬能を高めた、新しい改良されたエリプソメータを与
えることが本発明のいま一つの目的である。

自動整合性を有する新しい改良されたエリプソメー夕を
与えることが本発明のさらに一つの目的である。

入射ビームの入射角を能動的に変えることなく、多重入
射角測定を与えることのできる、新しい改良されたエリ
プソメー夕を与えることか、本発明のいま一つの目的で
ある。

試料の多重未知パラメータを決定することのできる、新
しい改良されたエリプソメー夕を与えることか、本発明
のさらに一つの目的である。

試料パラメータの計算を高めるために全出力測定と連合
したエリプソメータ装置を与えることか、本発明のさら
にいま一つの目的である。

発明の［要 これら及び他の多くの目的に従い、本発明は試料のパラ
メータを評価するためのエリプソメータ式装置及び方法
を与える。本発明のエリプソメー夕は既知の偏光状態を
有する放射線プローブビームを発土する装置を含む。既
知の偏光状態を発生する装置は、従来技術に見られるも
ののどれであってもよい。

プローブビームが試料に斜め角度で向けられる、従来技
術の装置と異なり、本発明においては、試料の表面に実
質的に垂直にプローブビームか向けられる。本発明はさ
らに、試料の表面の比較的小さな点にプローブビームを
きっちり集中させる高開口数レンズを含む。このビーム
のきっちりした集中は、集中したプローブビーム内の個
々の光線の、試料表面に対する入射角の拡がりを発生す
る。

本装置はまた、プローブビームが試料と相互作用した後
のプローブビームの偏光状態を分析する装置をも含む。

偏光状態を分析する装置は従来技術で公知の要素のどれ
を含むこともてきる。

公知の要素の他に、本発明の分析装置はさらに、入射プ
ローブビーム内の様々な光線の、試料表面に対する入射
角を判定する機能を有する検知器を含む。これら光線の
入射角は反射ビーム内の光線の半径方向位置によって決
まる。より具体的には、ビームの中心にある光線は最低
の入射角を表わすのに対し、反射プローブビーム内の半
径方向外方の光線は漸進的に高い入射角に相当する。入
射角に関連して、入射ビームの偏光状態を、試料と相互
作用した後のビームの偏光状態と比較することにより、
試料の様々なパラメータを判定することができる。

本発明に用いられる行き方は、ビームをきっちり集中す
る能力をぎせいにすることなく入射角の大きな拡がりを
発生する。その上、入射角の拡がりは、要素の位置を調
整することなく、多重入射角測定を行えるようにする。

さらに、反射したプローブビームは同じ集中光学系を介
して試料から戻されてくるので、装置は本質的に自動整
合性がある。

試料の表面に対する入射角の大きな拡がりと同時に、高
い分解能を得るために高開口数レンズを用いる概念は、
本発明の同じ出願人による１９８９年５月４日出願の、
引用により本明細書に取り込まれる併行出願第０７７３
４７，８１２号に先ず開示された。

該明細書に開示される装置において、反射ビームの光度
は試料の表面に対する入射角の関数として測定されて、
薄膜厚さに関する情報を与える。この場合はビームが試
料から反射される時に生ずる干渉効果に依存する。本発
明では、対照的に、試料表面から反射する時にビームに
誘起される偏光状態の変化が測定される。よって、さき
の出願に述べられる装置において、反射ビームの偏光状
態の具体的な測定はされなかった。入射ビームと反射ビ
ーム双方の偏光状態が本明細書に述べるように測定され
るならば、さきの出願に述べた行き方はエリプソメー夕
法に拡張されることかできる。

プローブビームの反射全出力も測定されるならば、本発
明の装置における試料パラメータの測定精度を高めるこ
とができる。より具体的には、試料の表面の反射性は薄
膜層の厚さか変化するに従いほほ正弦波状に変化する。

全ての特定のρり定は数多くの異なる層厚さに直結する
ので、層厚さか或る程度既知でないと、反射性測定のみ
から特定の摩さ測定を引き出すことかできない。前記の
ようなエリプソメー夕的行き方を用いて、層厚さの極く
秀れた測定を先ず行うならば、これらのあいまいさを除
去することができる。いったんエリプソメータ測定が為
されたならば、ビームの全反射出力を測定することによ
って取られた補足データを用いて、層厚さの測定を改善
することができる。

この補足の精度は、具体的な入射角に対応する区別され
た点におけるビームの部分のみが測定される測定よりも
、ビームの全出力の測定の信号対雑音比かすっと秀れて
いる、という事実の結果である。

添付図面を参照しつつ為される以下の説明から、本発明
のさらに他の目的と利点か明らかとなるであろう。

望ましい実施例の詳細な説明 第２図を参照すると、本発明の方法を実施するための基
本装置（３０）が概要図で示される。装置（３０）は放
射線のプローブビーム（３４）を発生するためのレーザ
ー（３２）を含む。プローブビームは、従来技術におい
て公知の要素のどれかを含むことのできる偏光部（３６
）を通される。例えば、偏光部（３６）は直線又は円偏
光器及び複屈折４分の１波長板コンペンセータを含むこ
とができる。公知のように或る種のレーザー自体は既知
の偏光の光を発するように設計されている。別個の偏光
部（３６）の必要を無くするために、そのようなレーザ
ーを使用することがある。何れの場合でも、レーサーと
偏光部の組合せがプローブビーム（３４）の既知の偏光
状態を生じなければならない。

偏光部を通過後、プローブビームはビームスプリッタ（
３８）によって下方に反射されて、光透過性薄膜層（４
２）を有する試料（４０）に向けられる。第２図に図解
されるように、ビームは試料の表面にほぼ直角に向けら
れる。本発明によれば、ビーム（３４）は、高開口数レ
ンズ（４６）で試料（４ｏ）の表面にきっちり集中され
る。

プローブビームが試料の表面から反射された後、ビーム
スプリッタ（３８）を通って分析器部（４８）に戻され
る。分析器部（４８）も従来技術に見られる要素のどれ
かを含むことができる。例えば、これらの要素は直線又
は円偏光器と、直線又は円分析器とを含むことができる
。ナル・エリプソメー夕形態では、偏光部と分析器の機
能は、試料表面の反射によって生ずるものと等しく、反
対向きの位相ずれを導くことにある。要素を正しく調整
することによって、検知器（５０〉に達する光を最少限
にすることができる。偏光部と分析部の素子の位置に関
する情報はプロセッサ（５２）に送られて、従来技術に
用いられる方法によって試料パラメータが計算される。

光度］１による行き方では、信号の最少化は不要であり
、光検知器の出力が偏光部と分析器部内の種々の要素の
方位角と比較される。

本発明によれば、入射プローブビーム内の光線の、試料
表面に対する入射角に関する情報が反射プローブビーム
内の光線の半径方向位置に基づいて決定されるように、
検知器とプロセッサが装置される。この情報を引き出す
能ノコは第３図と第４図を参照して、理解することがで
きる。

第３図は、プローブビーム（３４）を試料（４ｏ）に集
中させるレンズ（４６）を示す。反射ビームか検知器（
５０）に衝突している。判り易くするために、ビームス
プリッタ（３８〉と分析部（４８）とが第３図では省か
れていることに注目すべきである。

第３図はまた、入射する集中プローブビーム内の個々の
光線をも示す。図で判るように、ビーム（３４）が試料
表面にほほ垂直に向けられる場合、入射する集中ビーム
は試料表面にほほ垂直な中心光線（６０）を含む。集中
ビームはまた、試料の表面に対して最大入射角θ　を有
する外方光線（８６Ａ，６６Ｂ）ｍ をも含む。（３次元では、光線（６６Ａ，ＢＯＢ）は光
の円錐体に相当する）。外方光線（６６）の入射角は１
ノンズ（４６）の開口数によって決まる。この最大角θ
　は次式により与えられる： ■ （４）　　ｓｉｎθ　一（開口数） ｍ つまり、反射プローブビーム内の任意の光線の位置は、
集中される入射プローブビーム内の関連光線の入射角の
正弦（サイン）に相当する。例えば、対称光線（８４Ａ
，８４Ｂ＞は入射角３０″を示し、対称光線（８２＾，
８２Ｂ＞は入射角１５°を示す。

レンズ（４Ｂ）は、高開口数を有して、入射角の拡かり
を最大にするように選ばれる。実際には、少なくとも３
０″の角度の拡がり（中心光線から最外方の光線までの
）を生ずるレンズが望まれる。開口数０．５を有するレ
ンズはそのような光線の拡がりを与える。望ましい実施
例において、開口数０，９５を有するレンズか用いられ
、これは７０″より大きい拡がりを与える。

前記のように、ビームは試料表面から反射した後、レン
ズ（４６）を通して光検知器（５０）に戻される，光検
知器（５０〉の表面は、第３図に断面図が、そして第４
図に平面図が示される。光検知器（５０）は複数の個別
の検知素子を含み、それらの出力をプロセッサ（５２）
に供給することができる。

本発明によれば、検知器（５０〉とプロセッサ（５２〉
は、集中される入射プローブビーム内の光線の入射角の
関数として反射プローブビームの強さを測定する機能を
有する。この結果は、第３図と第４図に図解する光学進
路分析によって理解することができる。図示のように、
検知器（５０）の中心素子（７０）はレンズ（４６）の
中心を通る光線（６０）の光度を受けて測定する。よっ
て検知器素子（７０）の出力は０°の入射角を有する光
線に相当する。検知器（５０）上の半径方向外方素子（
７６Ａ〜７６Ｄ）は最大人射角を有する光線（８ＢＡ，
６６Ｂ）の光度を受けて測定する。前記のように、この
入射角はレンズ（４６）の開口数に基づき、既知である
。個別素子（７２＾〜７２Ｄ）及び（７４Ａ〜７４Ｄ）
は０°とこの最大入射角の間の入射角に対応する。図示
の実施例において、素子＜７４Ａ　〜７４Ｄ）　Ｌｔ入
射角３０’を有する光線（８４Ａ．ｆ３４Ｂ）を受けて
測定するような位置にあるのに対し、個別素子（７４Ａ
〜７４Ｄ〉は入射角１５°を有する光線（６２Ａ６２Ｂ
）を受けて測定するような位置にある。

本発明の最も基本的な形式において、試料のパラメータ
に関する情報は単一の入射角の測定に基づいて計算する
ことができる。この場合、ビーム内の１個の半径方向位
置にて測定値をとりさえずればよい。よって、例えば、
３０９の入射角を選んだならば、素子（７４）で示され
る１個以上の半径方向位置に個別素子を有するように、
検知器を限定することができる。明らかに、もしも、そ
の半径を有するそれ以上の素子が設けられるならば、装
置によって得られる測定精度を高めることかできる。

以下に、第５図を参照しつつ、本装置を解析するのに用
いられる数学的手法を説明する。第５図は、試料に入射
する円形偏光ビームの偏光状態を画成する、検知器（５
０）面内の座標系を示す。素子（７８）は、レンズ（４
Ｂ〉の動作距離をｄとし、反射光線の入射角をθとした
場合、ｄ　ｓｉｎθの点にある１個の検知器素子を表わ
す。

動作距離ｄを有する対物レンズを通して反射表面に集中
させた円偏光光線［（Ｅ　　（ｅ　　　十Ｏｘ ｉｅ　　）］の場合、その対物レンズを通して戻さｙ れた後の、空間依存反射電場ＥＲ　（θ，φ）は次式で
書かれることができる： ？５）ＥＲ　（θ，φ） −Ｅ　　ｅ１θ［ｅ　　Ｒ　　＋１ｅ２Ｒ　　］Ｓ ｏ　　　　　　　　　　ｌｐ たたし、Ｅ０は入射電場の振幅、と１と３■は第５図に
示す軸に沿うユニットベクトル、Ｒ　は複ｐ 素ｐ波振幅反射率、モしてＲ　は複素Ｓ波振幅反Ｓ 射率である。Ｒ　とＲ　は角度θの関数であり、ｐ　　
　　　　ｓ φとは無関係である。

エリプソメー夕のパラメータψとδで表わすと、この反
射電場は次式で書かれる： （８）ＥＲ− もしもＸ軸に沿う向きの直線偏光路に反射ビームが通さ
れるならば、測定信号Ｓｘは次式で表わされる： ＋　＜ｔａｎψ−１）ｃｏｓ２φ＋２　ｔａｎψｓｉｎ
　　δｓｉｎ　　２　φ］ これは２φの周期関数である。異なる角度φにて実際の
測定が為されるならば、この一般式は簡略化し得る。角
度φを変えるように検知器を回転させることにより、こ
れらの測定を行うことができるであろう。下記に述べる
ように、望ましい実施例を参照して、ビームを回転偏光
器に通すことにより、もっと簡単な仕方で、光学的に同
等の効果を達威し得る。

第１のエリプソメー夕のパラメータψを引き出すために
、φ＝Ｏとφ一π／２にて、測定値を取ることができる
。φ＝０における測定信号は次式で定義される； ２ （８）　Ｓ　　（ｏ）−ＩＲ　　ｌ　　ｔａｎ２　ψＸ
　　　　　　　　　　　　　　　Ｓ ＝ｌＲｐ　ｌ２ φ一π／２における測定値は次式で与えられる：２ （９）Ｓ（　π／２）　””　Ｒｓ Ｘ よって、ψの値は （ｌＯ） ６　　　（　π　／’ｌ） Ｘ δを引き出すために、 φ　一 π／４とφ π／４に て、 ２つの追加測定値を取ることができる。

φ π／４にて、 測定信号は次式で与えられる： ＋２ ｔａｎψｓｉｎ δコ またφ一一πｌ４にて測定信号は次式により与えられる
： ２ ｔａｎψｓｉｎ δ］ 式（１ｌ）と（ｌ２）の差から次式を得る：また、 式（ｌ１）と（１２〉を合計すると、 次式を得る： その結果、 δは次式で表わすことができる： 式（１０）を用い、最初の２つの測定値からψの値が得
られているので、式（ｌ５）と第２回目の２つの測定値
を用いて、δを計算することができる。検知にロックを
用い、反射ビームを回転式直線偏光器に通すことにより
、エリプソメータ・パラメータψ及びδの高精度の測定
を行うことができる。

その上、θ従属性は以下に述べるようにθの変更に伴う
光学進路長さの変化により、或る種の分光能力を与える
。

上記のように、多重入射角（ＭＡＩ）測定は独立のエリ
プソメータ測定の数を増す一つの方法である。

例えば、第６図に示す空気一Ｓｉｎ２−Ｓｉ装置におい
て、一般に測定する必要のあるであろう７個のパラメー
タかある（ｎ　　，ｋ　　，ｎ　　，ｔ０　　０　　１ ｋ　　，ｎ　　，ｋ　　；ただしｎとｋは屈折率の実数
１２２ 成分と複素成分であり、ｔは薄膜厚さである）。

実際にはｋｏとｋ１は無視し得るので、この装置では５
個のパラメータを計算すればよい。しかし、単一人射角
測定においては、２つの量ψ，δのみが得られ、従って
５個のパラメータのうち、２個だけを測定し得る。入射
角θを変えることにより、追加のエリプソメータ情報が
得られ、空気Ｓｉｎ２−Ｓｉ装置の５個のパラメータ全
部を測定することができる。超薄膜（１００入未満）に
ついては、独立の情報を得るために、入射角の選定に或
る注意を必要とし、最適な測定には、選択する角度の数
が、データ中の雑音の影響を消殺するのに十分な大きさ
であるべきである。

本形態において、異なる入射角における測定は反射プロ
ーブビーム内の異なる半径方向位置における光線を検知
することによって得られる。検知素子の位置と、試料表
面に対するプローブビーム内の光線の入射角との関係は
計器の較正中に定義される。開口数０．９５のレンズを
用いる時、０〜７０゜の角度は容易に近接可能であり、
従って空気−Ｓｉｎ２−Ｓｉ装置を正しく特徴づけるの
に必要なエリプソメータ情報が得られる。プローブビー
ム発生又は収集要素の位置を調整することなく、この角
度の全ひろかりが近接可能であることに、注目すべきで
ある。

従来のＭＡ１エリプソメー夕で経験する困難性は、薄膜
厚さが増すにつれ（厚さ１０００入超）、基板の光学特
性の測定の困難性が漸増することである。

この問題を克服するには、ＭＡＩ測定の分光局面を利用
することができる。この技法は、プローブビームの波長
が変化していないので、真の分光学ではない。しかし、
一定の入射角にて波長を変えることに相当する入射角の
変更に伴い、Ｓ　ｉ　Ｏ　２をビームか通過する時に、
光学的位相の変化が生ずる。θの関数としての光学的位
相φは次式で表すことができる： （１６） たたし （１７〉 また、λ。はレーザーの一定波長である。

ｎｏ−１、ｎ　ｔ　−１　−　４６で、７０″にて、（
１８）　　λ（７０）−１．３１λ。

よって、λＯ−６３２８人で、波長の有効範囲は６３２
８〜８２９０人である。

本発明の基本理論及び作動の説明か終ったので、次に第
７図を参照して、測定を実施するための望ましい装置（
ａＯＯ）を説明する。第７図において、第２図ないし第
４図に示す構成に相当する部品には同一番号が付せられ
る。第７図は装置の光学進路を図解する。この第７図は
、本出願人かさきに出願した１９８９年５月４日付特願
第０７７３４７．８１２号に述べたものと全く似ている
。主な違いは、反射プローブビームの偏光状態を変更し
分離するための追加要素の存在である。

前記のように、レーザー（３２）は出力ビーム（３４）
を発生する。レーザー（３２）は５ミリワットの出力と
４５°に向く偏光を有する直線偏光ヘリウム・ネオン・
レーザーであることができる。ビーム（３４）は半導体
ダイオードレーザーによっても発生させることができる
であろう。ビーム（３４）は、４５°偏光された光のみ
を確実に透過させるために、４５°向きの偏光フィルタ
を通される。つぎにこの光は、疑似反射ヘリウム・ネオ
ン放射線がヘリウム・ネオン・レーザーに、反射返戻さ
れるのを防ぐために、偏光を追加の４５°だけ回転させ
るようにファラデーロテータ＜３０４）に通される。こ
の装置は擬似反射ＩＩ　ｅ　Ｎ　ｅ放射線によって生ず
るレーザー出力の不安定性を減ずる。つぎに、疑似反射
放射線がレーザーに戻ることをさらに減ずるために、９
０°に向く偏光フィルタ（３０Ｂ）にビーム（３４）が
通される。

つぎにビーム（３４）は９５％金属被覆ガラス偏向鏡に
よって下方に反射されてビームエキスパンダ／空間フィ
ルタ装置に入る。この装置は入力レンズ（３１０）と出
力レンズ（１１２）を含む。ビーム輪郭とその均等性を
向上させるために、ピンホール・フィルタ（３１４）が
設けられる。レンズ（３１２）を出るビームはレンズ（
３１０）とレンズ（３１２）の焦点距離の比だけ拡張さ
れる。

本発明によれば、第２図の偏光部（３Ｂ）を画戊する要
素（３１５）が設けられる。図示の実施例において、要
素（３１５）は、直線偏光光線を″円偏光光線に変換す
る固定の複屈折４分の１波長板によって画成される。エ
リプソメータ文献中で、この要素はよくコンペンセータ
と称せられる。

つぎに、この円偏光ビーム（３４〉は、２０％の透過率
と８０％の反射率を有する金属被覆ガラスのビームスプ
リッタ（３１Ｂ）で偏向される。このビームスプリツタ
はＨｅＮｅプローブビームと光源（３１８）からの白色
光とを組合せるのに用いられる。この白色光は、以下に
詳しく説明する視覚装置を用いて、試料を結像するのに
用いられる。

つぎに、プローブビームは、６０％の透過率と４０％の
反射率を有する金属被覆ガラスのビームスブリッタ（３
２０）により、下方に試料に向けられる。

このビームスプリツタはまた白色光を試料に向けて下方
に偏向する機能をも有する。試料から戻った後、プロー
ブビームの一部はスプリッタ（３２０）を通って上り、
検知器（５０）により収集される。光源（３１８）から
の白色光の或る部分は反射されて視覚装置に戻る。

プローブビームは対物レンズ（４Ｂ）を通して試料上に
集中される。レンズ（４６〉は高い開口数を有するので
、集中ビーム内の種々の光線は入射角の広い拡がりを有
する。望ましい実施例において、レンズ（４６）は０．
９５の開口数を有し、７０°を超える入射角の拡がりを
発生する。レンズ（４６）の位置は自動焦点機構（３２
２）によって制御される。前記のように、試料（４０〉
の表面上の直径１μ未満の点サイズにビーム（３４）が
集中される。薄膜酸化物層を有するシリコン半導体であ
ることもできる試料はＸ，Ｙ軸及び回転位置の運動を与
える台の上に据えられる。上部台（３２４）は、ウエー
ハを保持するための真空チャックと共に、回転運動を与
える。台（３２Ｂ）と台（３２８）はＸとＹの直線運動
を与える。

試料から反射される、ＨｅＮｅプローブビームと白色光
からの光はビームスブリッタ（３２０）を通って、本エ
リプソメータの分析部に入る。望ましい実施例において
、分析部の要素（３３０）は回転式偏光フィルタによっ
て画威される。回転式偏光フィルタ（３３０）は検知器
（５０）によって採取される偏光軸線を選択する機能を
有する。偏光の向きの選択は回転式フィルタの回転数の
２倍で生ずる。

フィルタ（３３０）を通る白色光の連続透過は、８３３
ｎｉｍ　ｌＩｅＮｅ波長の放射線のみを透過するバンド
パス・フィルタ（３３２）によって制約される。つぎに
、Ｉｔ　ｅ　Ｎ　ｅプローブビームの一部分は金属被覆
ガラスのビームスブリッタ（３３４）によって、ビーム
輪郭検知器（５０）に再偏向される。ビームスブリッタ
（３３４）は２０％の透過率と８０％の反射率を有する
。ビームスプリッタ（３３４）からの反射光はレンズ（
３８６）によって拡張されて検知器（５０〉上に結像さ
れる。検知器（５０〉は、ダイオード列、ＣＯＤカメラ
、走査ビンホール又はファイバ光学センサー列によって
画威されることができる。特定の入射角における反射光
線に関する情報を引き出すような仕方で２次元配列に半
径方向に配置される検知素子を検知器（５０）が有する
ことが望ましい。検知器〈５０）の出力はプロセッサ（
５２）に供給される。回転式偏光フィルタ（３３０）の
方位位置に関する情報もプロセッサに供給される。前記
のように、直線偏光器を回転させる効果は検知器を回転
させることと光学的に同等であるので、エリプソメータ
・パラメータを前記のように引き出すことができる。実
際の計算は、選択される特定の偏光要素によって異なる
。

前記のように、厚さ測定の精度は、反射プローブビーム
の全出力を測定することによって、さらに高められる。

第７図に示す実施例において、別の、単一セル光検知器
（３４０）がその目的に設けられる。プローブビームの
小部分が金属被覆ガラスのビームスプリッタ（３４２）
　ｌｑよって検知器（３４０）に向けられる。全体ビー
ムを検知器（３４０）の表面上に結像させるのに、１ノ
ンズ（３４３）を用いることかできる。この仕方で、プ
ローブビームは検知表面の中におさまるので、ビームの
全出力を測定することができる。

図示の実施例において、自動焦点機構が設けられる。自
動焦点機構は複セル光検知器（３４４）とチョッパーホ
イール又は移動式フーコー・ナイフエッジ（３４８）を
含む。プローブビームをチヨ・ンバーホイール（３４８
）上に集中させるのに、自動焦点レンズ（３４６）が設
けられる。自動焦点電場レンズ（３４７）を設けること
もてきる；これらの型式の要素を用いる自動焦点法は公
知である。

正しい較ｉＥを保証するために、レーザー（３２）の出
力を監視しなければならない。これは、ブロープレーザ
ービーム（３４）の一部か向けられる検知器（３６０）
を用いて、達成される。ＩＩ　ｅ　Ｎ　ｅプローブビー
ムから白色光を除去するために、バンドパスフィルタ（
３６４）が設けられる。ビームを検知器（３８０）上に
結像させるのに、レンズ（３６６）が用いられる。

図示の実施例において、装置（３００）は操作者が試料
上の点を位置決めし得るように視覚装置を含む。視覚装
置は白色光源（３１８）と平行光束レンズ（３７０）を
含む。試料から戻る白色光の一部分は、５０／　５０ビ
ームスプリツタ（３７Ｂ）によって下方に、カメラ（３
７４）に向けられる。ビデオカメラ上に落ちるＨｅＮｅ
プローブビーム放射線の量を制御するために、或る形式
のフィルタ（３７８）を設けることかできる。レンズ（
３８０）は試料の像をカメラ上に集中する。

装置（３００）は第２図ないし第４図を参照１，て、さ
きに述べたものと等しい基本作動を行う。検知器（５０
）とプロセッサ（５２）は、反射ビーム内の光線の半径
方向位置に基づく、入射集中プローブビーム内の光線の
入射角の関数として、反射プローブビームの強さを測定
する機能を有する。多重入射角の測定を行うこともでき
る。試料パラメータの計算は、測定された光度と回転式
偏光フィルタの方位位置とに基づく。出願人のさきの特
願第０７／３４７．８１２号に述べた仕方で検知器（３
４０）により測定された反射プローブビームの全出力を
測定することによって、この計算を洗練化することがで
きる。

第７図に示す望ましい実施例は、他の公知のエリプソメ
ー夕技法に対応するように変形することができる。例え
ば、回転式偏光フィルタ（３９０）（破線で示す）を追
加することにより、偏光部を拡大することができる。回
転式偏光フィルタの透過軸線に向いた偏光を有する直線
偏光光線のみを通すようにフィルタ（３９０）が機能す
るであろう。

偏光軸線の回転頻度は回転式フィルタの回転速度の２倍
である。

当然のことながら、望ましい実施例は光度計的エリプソ
メー夕技法を用いる。ナル・エリプソメータ法を実行す
るように偏光器と分析器部を装置することは、本発明の
範囲である。前記アサムの米国特許第４，７２５．１４
５号の教えるように、検知器部と分析器部を組合せるこ
とも本発明の範囲である。

結論として、空間分解能が大いに高められた、新らしい
エリブソメータ法及び同装置か開示された。前記のよう
に、既知の偏光状態を有するプローブビームがきっちり
と集光されて、試料の表面にほぼ垂直に向けられる。プ
ローブビームが試料と相互作用した後、その偏光状態が
分析される。

その上、反射プローブビーム内の少なくとも１個の光線
の入射角が、反射ビーム内のその光線の半径方向位置に
基づいて決定される。反射ビーム内の異なる半径方向位
置にある複数の光線を用いて、多重入射角の測定を行う
ことかできる。

望ましい実施例を参照して本発明を記載したけれども、
特許請求の範囲に定義される本発門の範囲又は精神から
逸脱することなく、様々な他の変更及び変形が当業者に
よって為されることができるであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術のエリプソメータ装置の一般形式の簡
易ブロック図、 第２図は本発明によって形成されたエリプソメータ装置
の簡易ブロック図、 第３図は第２図に対して拡大された集中プローブビーム
の図、 第４図は本発明の方法を実施するのに用いることのでき
る光探知器の表面の平面図、 第５図は反射光線と光探知器の関係を図解する図、 第６図は表面上に薄膜２酸化珪素層を有するシリコン半
導体ウエー八によって画成される試験試料の図、 第７図は本発明の望ましい実施例の説明図である。 ３２・・発坐装置、３４・・プローブビーム、３６・・
・偏光装置、３８・・・指向装置（ビームスプリッタ）
　、４０−．試料、４２・・・表面（薄膜層）、４６・
・・集中装置（高開口数レンズ）、４８・・・分析装置
、５０・・・検知器、５２・・・プロセッサ装置、７２
．　７４，　７８．　７８・・・感知素子。 図面の浄書 ＦＩＧ． ｊ ＦＩＧ． ３ ＦＩＧ． ５ ＦＩＧ． ４ ＦＩＧ． ５

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ａ　既知の偏光状態の放射線プローブビームを発生
   し、試料の表面に対し事実上垂直に向けるための装置、 ｂ　集中プローブビームの様々な光線が前記試料の表面
   に対して入射角の拡がりを発生するように、前記プロー
   ブビームを集中させるための装置、 ｃ　前記試料と相互作用した後で、前記プローブビーム
   内の少なくとも１個の光線の偏光状態を分析するための
   装置であって、前記プローブビーム内の前記光線の半径
   方向位置に基づき、前記１個の光線の、前記試料の表面
   に対する入射角を決定する機能をさらに有する装置； を含む、試料と共に使用するエリプソメータ装置。 ２、前記試料の表面に対する少なくとも１個の入射角の
   光線の、前記分析する装置によって検知された偏光状態
   に基づき、前記試料のパラメータを評価するためのプロ
   セッサ装置をさらに含む、請求項１記載の装置。 ３、前記試料の表面に対する複数の入射角に対応する光
   線の偏光状態に基づき、前記プロセッサ装置が前記試料
   のパラメータを評価する、請求項２記載の装置。 ４、ａ　放射線のプローブビームを発生して、試料の表
   面に対し事実上垂直に向けるための装置。 ｂ　前記プローブビームを偏光するための装置。 ｃ　集中プローブビームの様々な光線が前記試料の表面
   に対する入射角の拡がりを発生するように、前記プロー
   ブビームを集中させるための装置。 ｄ　前記試料と相互作用した後、前記プローブビーム内
   の少なくとも１個の光線の偏光状態を分析するための装
   置であって、前記プローブビーム内の前記光線の半径方
   向位置に基づき、前記１個の光線の、前記試料の表面に
   対する入射角を決定する機能をさらに有する装置； を含む、試料と共に使用するエリプソメータ装置。 ５、前記分析装置は前記プローブビームの少なくとも１
   個の光線の強さを測定するための検知器を含んでいて、
   動作中に前記偏光及び分析の装置は、前記検知器に達す
   る前記プローブビームの強さが変わるように、調整され
   ることになっている、請求項４記載の装置。 ６、前記偏光及び分析の装置は前記試料の表面に対し方
   位角回りの回転により調整される、請求項５記載の装置
   。 ７、前記偏光及び分析の装置は、前記検知器に達する前
   記プローブビーム光線の強さを最小にするように調整さ
   れる、請求項６記載の装置。 ８、前記偏光装置は、既知の偏光状態を有する楕円偏光
   放射線を生ずるための直線偏光器とコンペンセータを含
   み、前記分析装置は前記プローブビーム内の直線偏光成
   分を検知するための回転自在の分析器を含む、請求項４
   記載の装置。 ９、前記分析装置は異なる半径方向位置にある感知素子
   の配列を有する検知器を含み、各前記感知素子は降りか
   かる光度に比例する信号を発生し、前記素子の半径方向
   位置は反射プローブビーム内の光線の、前記試料表面に
   対する特定の入射角に対応している、請求項４記載の装
   置。 １０、前記集中装置は、中心光線から最外方光線まで、
   少なくとも３０°の入射角の拡がりを生ずる、請求項４
   記載の装置。 １１、前記集中装置は少なくとも０．５の開口数を有す
   るレンズである、請求項４記載の装置。 １２、前記プローブビームは前記試料表面上で直径約１
   μ以下の点サイズに集中される、請求項４記載の装置。 １３、前記試料表面に対する少なくとも１個の入射角の
   光線の、前記分析装置によって検知される、偏光状態に
   基づく前記試料のパラメータを評価するためのプロセッ
   サ装置をさらに含む、請求項４記載の装置。 １４、前記プロセッサ装置が、前記試料の表面に関する
   複数の入射角に対応する光線の極性状態に基づいて、前
   記試料のパラメータを評価する、請求項１３記載の装置
   。 １５、前記反射プローブビームの全出力を検知するため
   の装置をさらに含み、既知の入射角にある前記反射ビー
   ム内の１個の光線の偏光状態と前記反射ビームの全出力
   との双方に基づき、前記試料のパラメータに関する情報
   を前記プロセッサ装置が引き出す、請求項１３記載の装
   置。 １６、ａ　既知の偏光状態を有する放射線のプローブビ
   ームを、試料表面に対する入射角の拡がりを発生するよ
   うな仕方で、前記試料表面に事実上垂直に集中する段階
   、 ｂ　前記試料と相互作用した後、前記プローブビーム内
   の少なくとも１個の光線の偏光状態を分析し、前記プロ
   ーブビーム内の前記光線の半径方向位置に基づき、前記
   １個の光線の、前記試料表面に対する入射角を決定する
   段階； を含む、試料と共に用いるためのエリプソメータ法。 １７、前記１個の光線の偏光状態と入射角に基づき、前
   記試料のパラメータを評価する段階をさらに含む、請求
   項１６記載の方法。 １８、前記試料表面に対する複数の入射角に対応する光
   線の偏光状態に基づき、試料のパラメータを評価する段
   階をさらに含む、請求項１７記載の装置。 １９、反射プローブビームの全出力を検知する段階をさ
   らに含み、前記評価する段階は、既知の入射角にある反
   射ビーム内の１個の偏光状態と前記反射ビームの全出力
   との双方に基づき、前記試料のパラメータに関する情報
   を引き出すこと、をさらに含む、請求項１６記載の方法
   。 ２０、前記集中されたプローブビームの入射角の前記拡
   がりは中心光線から最外方光線まで、少なくとも３０°
   である、請求項１６記載の方法。 ２１、前記試料表面の直径約１μ以内の点サイズに前記
   プローブビームが集中される、請求項１６記載の方法。