JPH06103252B2 - 高分解能エリプソメータ装置と方法 - Google Patents

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が試料
から反射され、または試料を通して伝播される。ビーム
が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。

エリプソメータ法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測定し
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が含まれる。
極く最近、半導体ウェーハ内のキャリヤ密度を調査する
ために反射エリプソメータ法が提案された（1984年９月
18日付モトオカ（Motooka）米国特許第4,472,663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。反射エリプソメータ法
は半導体上の極く薄い層の暑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
計が用いられる。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タ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タの基本形式が図解さ
れる。図示のように、レーザー（12）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）は以下に述べる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（1
0）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タ方式が開発され
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（North Holland Publishing Co.）発行、R.
M.A.アザム（Azzam）とN.M.バシャラ（Bashara）の共著
「エリプ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（16）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考えることができ
る。代表的には、使用される要素は、直接又は円偏光
子、よくコンペンセータと称せられる複屈折装置、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
する情報が、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タ法の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が偏光部と分析
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字モデルを用いて、
試料パラメータを決定する。アザ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」φ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： 従来技術に見られる多くの他のエリプソメータ技法があ
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（アザムの書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
（Grego）の1980年８月９日付、米国特許第4,762,414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4,585,384号参照）。

新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、常にこれが高われてきた。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入射角エリプソメータに
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入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
ソメータ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が残る。前記のエリプソ
メータ装置において、２つの量φ，δだけが測定され、
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
きるので、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
照）。これらの装置において、ビームの入射角はレーザ
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、多重入射角にて測定がなされる。多重独立
測定は追加の未知試料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、反射ビームを捕捉するため
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タ法
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。薄膜の厚さが増すにつれて、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タは70°から０°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。

分解能を高めた、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タを
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
プソメータを与えることが、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タを与えることが、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が、本発明のさら
にいま一つの目的である。

発明の概要 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タは既知の偏光状態を
有する放射線プローブビームを発生する装置を含む。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が向けられる。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
どれを含むこともできる。

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
角を測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07/347,812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タ法に拡張されることができる。

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
膜層の厚さが変化するに従いほぼ正弦波状に変化する。
全ての特定の測定は数多くの異なる層厚さに直結するの
で、層圧さが或る程度既知でないと、反射性測定のみか
ら特定の厚さ測定を引き出すことができない。前記のよ
うなエリプソメータ的行き方を用いて、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
比がずっと秀れている、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が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（3
2）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、レーザーと偏光部の組
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（40）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
・エリプソメータ形態では、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。光度計によ
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
能力は第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（40）に集中さ
せるレンズ（46）を示す。反射ビームが検知器（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
面にほぼ垂直に向けられる場合、入射する集中ビームは
試料表面にほぼ垂直な中心光線（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_ｍを有する
外方光線（66A,66B）をも含む。（３次元では、光線（6
6A,66B）は光の円錐体に相当する）。外方光線（66）の
入射角はレンズ（46）の開口数によって決まる。この最
大角θ_ｍは次式により与えられる： （４）sinθ_ｍ＝（開口数） 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（64A,64
B）は入射角30°を示し、対称光線（62A,62B）は入射角
15°を示す。

レンズ（46）は、高開口数を有して、入射角の拡がりを
最大にするように選ばれる。実際には、少なくとも30°
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を有するレンズが用いられ、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
入射角を有する光線（66A,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（72A〜72D）及び（74
A〜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）は入射角
30°を有する光線（64A,64B）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（62A,62B）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すればよい。よって、例えば、
30°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ができる。

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（46）
の動作距離をｄとし、反射光線の入射角をθとした場
合、dsinθ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_o（_ｘ＋ｉ_ｙ）］の場合、そ
の対物レンズを通して戻された後の、空間依存反射電場
E_R（θ，φ）は次式で書かれることができる。

（５）E_R（θ，φ） ＝E_oｅ^ｉθ［_１R_p＋ｉ_２R^S］ ただし、E^oは入射電場の振幅、_１と_２は第５図に示
す軸に沿うユニットベクトル、R_pは複素ｐ波振幅反射
率、そしてR_sは複素ｓ波振幅反射率である。R_pとR_sは角
度θの関数であり、φとは無関係である。

エリプソメータのパラメータとδで表わすと、この反
射電場は次式で書かれる： （６）E_R＝ E_oR_sｅ^ｉθ［_１tanψｅ^ｉδ＋ｉ_２］ ただし、 はδを定義し、 また、 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S_xは次式で表わされる： 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
等の効果を達成し得る。

第１のエリプソメータのパラメータψを引き出すため
に、φ＝０とφ＝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： （８）S_x（ｏ）＝｜R_s｜²tan²ψ ＝｜R^p｜² φ＝π/2における測定値は次式で与えられる： （９）S_x（π/2）＝｜R_s｜² よって、ψの値は δを引き出すために、φ＝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： （11）S_x（π/4） ＝1/2|R_s｜²［tan²ψ＋１＋2tanψsinδ］ またφ＝−π/4にて測定信号は次式により与えられる： （12）S_x（−π/4） ＝1/2|R_s｜²［tan²ψ＋１−2tanψsinδ］ 式（11）と（12）の差から次式を得る： （13）S_x（π/4）−S_x（−π/4） ＝2|R_s｜²tanψsinδ また、式（11）と（12）を合計すると、次式を得る： （14）S_x（π/4）＋S_x（−π/4） ＝｜R_s｜²［tan²ψ＋１］ 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（15）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ることによ
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−SiO₂−Si装置において、一般に測定す
る必要のあるであろう７個のパラメータがある（n₀,k₀,
n₁,t,k₁,n₂,k₂；ただしｎとｋは屈折率の実数成分と複
素成分であり、ｔは薄膜厚さである）。実際にはk₀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、単一入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−SiO₂
−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（100Å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°の角度は用意に近接可能であり、従って
空気−SiO₂−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、この角度の全ひろが
りが近接可能であることに、注目すべきである。

従来のMAIエリプソメータで経験する困難性は、薄膜厚
さが増すにつれ（厚さ1000Å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偏光に伴い、SiO₂を
ビームが通過する時に、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： ただし また、λ_０はレーザーの一定波長である。

n₀＝１、n₁＝1.46で、70°にて、 （18）λ（70）＝1.31λ_０ よって、λ０＝6328Åで、波長の有効範囲は6328〜8290
Åである。

本発明の基本理論及び作動の説明が終ったので、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
（300）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、本出願人がさきに出願した1989年５月４日付特願第
07/347,812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HeNe
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、90°に向く偏光フィルタ（306）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（312）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（36）を画成する要素
（315）が設けられる。図示の実施例において、要素（3
15）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
（316）で偏向される。このビームスプリッタは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プリッタ（320）
により、下方に試料に向けられる。このビームスプリッ
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（46）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（322）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１
μ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、ウェ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（326）と台（3
28）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
の光はビームスプリッタ（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成さ
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、633nm HeN
e波長の放射線のみを透過するバンドパス・フィルタ（3
32）によって制約される。つぎに、HeNeプローブビーム
の一部分は金属被覆ガラスのビームスプリッタ（334）
によって、ビーム輪郭検知器（50）に再偏向される。ビ
ームスプリッタ（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（336）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、CCDカメラ、
走査ピンホール又はファイバ光学センサー列によって画
成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）によ
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、レンズ（343）を用
いることができる。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ョッパーホイール（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）を設けることもでき
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。

正しい較正を保証するために、レーザー（32）の出力を
監視しなければならない。これは、プローブレーザービ
ーム（34）の一部が向けられる検知器（360）を用い
て、達成される。HeNe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（360）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ビームスプリッタ
（376）によって下方に、カメラ（374）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
ることができる。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図を参照して、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07/3
47,812号に述べた仕方で検知器（340）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
ータ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
メータ技法を用いる。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。前記アザムの米国特許第4,725,145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、新しいエ
リプソメータ法及び同装置が開示された。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
の測定を行うことができる。

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明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
導体ウェーハ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……発生装置、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、72,74,76,78……感知素子。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョン・オプサル アメリカ合衆国カリフォルニア州リバーモ ア、ノアウッド・ロード 2295 (72)発明者 アラン・ロゥゼンクウェイグ アメリカ合衆国カリフォルニア州ダンビ ル、ティンバリン・コート 134 (56)参考文献 特開 昭63−186130（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−13431（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−232238（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−269036（ＪＰ，Ａ)

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】試料と共に用いるエリプソメータ装置であ
   って、 前記試料面に対してほぼ垂直に向けてプローブビームを
   発生させる装置と、 前記プローブビームを偏光させる装置と、 広がりを持った入射角を有する光線を造るために少なく
   とも0.5の開口数を有し、該広がりが垂直光線から少な
   くとも外方へ30度までのすべての光線を含む、該プロー
   ブビームをしっかりと収束させるレンズと、 反射したプローブビーム内の複数の光線の偏光状態を分
   析する装置であって、該プローブビーム内の該光線の半
   径方向位置が該試料に関して該光線の入射角と一致し、
   検出した光線の偏光状態に基づいて該試料のパラメータ
   を評価する装置とを含むエリプソメータ装置。
2. 【請求項２】前記分析装置が前記プローブビームの少な
   くとも１つの光線の強さを測定するための検知器含み、
   前記偏光装置及び分析装置が作動中において、前記検知
   器に達する前記プローブビームの強さが変化するように
   調整される、請求項１記載の装置。
3. 【請求項３】前記偏光装置及び分析装置が、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
   ２記載の装置。
4. 【請求項４】前記偏光装置及び分析装置が、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３記載の装置。
5. 【請求項５】前記偏光装置が、既知の偏光状態を有する
   楕円偏光放射線を生成するための線形偏光器とコンペン
   セータとを含み、前記分析装置が前記プローブビーム内
   の線形偏光成分を検知するための回転自在な分析器を含
   む、請求項１記載の装置。
6. 【請求項６】前記分析装置が異なる半径方向位置にある
   一連の感知素子を有する検知器を含み、前記各感知素子
   がそれに対して降下す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が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な入射角と一致する、請
   求項１記載の装置。
7. 【請求項７】前記プローブビームが前記試料表面上で直
   径約１μ以下の点サイズに収束される、請求項１記載の
   装置。
8. 【請求項８】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該反射
   プローブビーム内の光線の偏光状態と該反射プローブビ
   ームの全出力との双方に基づいて、プロセッサ装置が前
   記試料のパラメータに関する情報を引出す、請求項１記
   載の装置。
9. 【請求項９】試料と共に用いるエリプソメータ方法であ
   って、 前記試料面に対してほぼ垂直に向けてプローブビームを
   発生させ、 前記プローブビームを偏光させ、 レンズにより該プローブビームをしっかりと収束させ、
   広がりを持った入射角を有する光線を造るために、該レ
   ンズが少なくとも0.5の開口数を有し、該広がりが垂直
   光線から少なくとも外方へ30度までのすべての光線を含
   むようにさせ、 反射したプローブビーム内の複数の光線の偏光状態を分
   析し、該プローブビーム内の該光線の半径方向位置が該
   試料に関して該光線の入射角と一致し、検出した光線の
   偏光状態に基づいて該試料のパラメータを評価するよう
   にさせる ことから成るエリプソメータ方法。