JPH09504861A - 多数角度分光分析器 - Google Patents

多数角度分光分析器

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JPH09504861A
JPH09504861A JP7504543A JP50454394A JPH09504861A JP H09504861 A JPH09504861 A JP H09504861A JP 7504543 A JP7504543 A JP 7504543A JP 50454394 A JP50454394 A JP 50454394A JP H09504861 A JPH09504861 A JP H09504861A
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ローゼンクウェイグ、アラン
ウィレンボルグ、デヴィッド・エル
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サーマ‐ウェイブ・インク
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/06—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material
    • G01B11/0616—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating
    • G01B11/0641—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating with measurement of polarization
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/21—Polarisation-affecting properties
    • G01N21/211—Ellipsometry

Abstract

(57)【要約】 サンプルのパラメータを評価する光学測定装置である。プローブビームを発生するための多色光源を備える。そのプローブビームはサンプル表面に収束される。反射されたプローブ内の個々の光線がビーム内の位置の関数として同時に分析されて多数の波長における情報を提供する。フィルタ、分散素子及び二次元光検出器アレーを用いてビームを多数の入射角においてかつ多数の波長において同時に分析することができる。可変イメージフィルタによって、評価すべきサンプルの面積の寸法を選択することができる。

Description

【発明の詳細な説明】 多数角度分光分析器 技術分野 本願発明は特に薄いフィルムサンプルのパラメータを評価する分析器に関する 。その装置は多数の波長において同時に多数の入射角の測定を実行することがで きる。発明の背景 従来、基板上の薄いフィルムの組成及び厚さを評価する方法及び装置を発展さ せることに相当の関心が持たれていた。この必要性は、非常に薄いフィルムをシ リコン基板上に堆積させる半導体製造産業において特に高い。 望ましい装置は非接触の光学測定技術に依存する。それらの装置においては、 プローブビームがサンプルに向けられ、そして反射されたプローブビームの特定 のパラメータが測定される。例えば、フィルムの厚さが変化するにつれて、薄い フィルムと基板との間の接面に作られる干渉効果が変化するために反射プローブ ビームの強度が変動することが知られている。薄いフィルムの厚さは、プローブ ビームがサンプル表面から反射されたときに発生する偏光状態の変化に影響を受 けるということも知られている。従って、反射されたプローブビームの強度の変 化またはその偏光状態の変化（楕円偏光法）のいずれかを観察することによって 薄いフィルムに関する情報を導き出すことができる。 大部分の装置においては、精度を高めるためにいくつかの形態の多重測定が望 ましい。追加の精度を達成するための１つのアプローチとしては多数の異なる波 長で測定値を得ることがある。分光光度計はさまざまな波長における干渉計応用 の測定を提供するように設計されている。追加の精度を達成するための他のアプ ローチとしてはプローブビームの多数の異なる入射角度で測定値を得ることがあ る。 ごく最近までは、多数の入射角で測定値を発生するための機構は扱い難いもの があった。より詳しく述べると、その機器はプローブビーム光学装置とサンプル との間の角度を変えることができるように設計されなければならなかった。 それらの困難な点は反射されたプローブビーム内の光線から角度情報を導き出 すことによって解消できることがわかっていた。このアプローチは、本願の出願 人に譲渡され、参照としてここに組み込む米国特許第４，９９９，０１４号及び 第５，０４２，９５１号に詳細に説明されている。それらの特許に説明されてい るように、プローブビームからの光はサンプル表面にきっちりと収束されて、そ の収束されたプローブビーム内に個別の光線ごとに入射角の広がりを作る。反射 の後、プローブビーム内の個々の光線は、そのプローブビーム内の光線の半径方 向位置がサンプル表面上のビームの入射角に関連することを用いて分析される。 望ましくは、個別の素子列を持つ光検出器を用いて異なる入射角を持つ光線を測 定する。この方法は干渉及び偏光分析の両方に用いることができる。 上掲の特許に説明されている望ましい実施例においては、プローブビームは、 実質的に回折限界であり直径１ミクロン程度の大きさのスポットサイズに収束で きる出力を持つレーザによって発生された。このアプローチはサンプル上の非常 に小さな領域の分析ができる高空間分解能を提供する。 多くの場合において、そのような高空間分解能は不要である。実際には、いく つかの分析においては、半導体製造業者はかなり大きな領域上の平均的な状態の 測定のみに関心が有る。後者の場合には、アークランプ又は他の白色光源のよう な非回折限界の光源を用いることが可能である。 白色光源を用いる場合に得る１つの利点は、市販の入手可能な分光光度計と同 様に、異なる波長において追加の測定値を得ることができる点にある。それらの 装置においては、複数の別個の波長を順に又は同時に選択する手段が設けられて いる。その手段はフィルタ、回折格子又はプリズムのさまざまな組み合わせを含 むことができる。 認識できるように、波長選択素子を設ける要求により、装置の費用及び複雑さ が増大するとともに移動構成要素が必要になる。より重大なことは、逐次測定の 要求により装置の作動が遅くなる。従って、異なる角度のみならず異なる波長に おいて同時測定を行うことができることが望ましい。 この目的を達成するために示唆された１つのアプローチがスパニエル(Spanier )への米国特許第５，０４２，９５１号に述べられており、それはここに参考と し て組み込む。そこに開示された装置は同時多数入射角楕円偏光計である。その装 置の１つの実施例には多色光源が含まれる。その特許の図５は、同時測定を多数 の入射角及び多数の波長の両方において行うことができることを示唆する方法を 示す。そのアプローチは波長の関数としてビームを分散させるための分散素子を 提供することを含む。そのビームはその後個別の検出器素子の二次元アレーを持 つ光検出器に向けられる。そのアレーは各列が複数の入射角において狭い帯域の 波長のみの光を測定するように向けられている。これに対し、各行は様々な波長 における単一の入射角で測定を行うように配列されている。 上記のスパニエル特許に開示されたアプローチは、どの様な変数も走査するこ となくさまざまな入射角及びさまざまな波長で同時測定を行うという願望がある ために示唆されたものである。しかし、スパニエルに開示されたそのアプローチ を用いて達成できる結果は理想的なものではまったくない。スパニエルの提案に 関連する問題は本願の図１を参照することによって最もよく理解することができ る。図１はスパニエルによって提案された種類の二次元光検出器アレー１０を示 す。そのアレーは複数の行６及び列８の検出器素子を含む。アレーの上に重ね合 わされたものは異なる波長を持つ２つの異なるプローブビーム（２及び４）の跡 である。プローブビーム（２，４）のパターンは分散素子を用いて多色ビームの 波長を空間的に分離することによって作られたものであると考えられる。この図 においては、分散素子は、垂直軸線に沿って異なる波長の光を分離し、これによ って各行６を横切る検出器素子が入射角の関数として光を測定できるように方向 付けられている。 図１内の行Ａはビーム２の中心直径に関連する光検出器素子の行と整列されて いる。上掲の特許に教示されているように、行内の個々のどの検出器素子によっ て測定された入射角もビームに関するその半径方向位置に基づくものである。特 に、半径方向位置（Ｒ）はｓｉｎθ／Ｍに比例するもので、ここで、θは入射角 で、Ｍはその最大角度に等しく以下の式によって得られるものである。 (1) Ｒ＝ＲM（ｓｉｎθ／ｓｉｎθM） これらの関係に基づくと、中心検出器素子１２はビームの中心入射角に対応す ることが分かる。左側及び右側の検出器素子１４及び１６はビーム内の最大及び 最小入射角に対応する。その望ましい構造、つまり、ビームが高開口数のレンズ （つまり、０．９０ＮＡ）を用いてサンプル表面に直交するように収束される構 造においては、入射角の広がりは１２８度程度の大きさである。この場合には、 ビーム上の半径方向最も外側の位置にある検出器素子１４及び１６は＋６４度及 び−６４度の入射角を持つ光線を測定する。 スパニエルの構造の問題は２つのビームが重なる中間素子１８の上に落ちる光 を考慮することによって最も理解できる。ビーム２のために素子１８はビームの 半径の中心と端部との間の中間点にある。直角入射及び６４度の半分の角度の広 がりのプローブビームを持つシステムにおいては、ビームの中心と端部との間の 中間点に落ちる光線の入射角は２７度の大きさになる。 図１からわかるように、素子１８に落ちる光はビーム２の波長に関連する光に 限定されていない。それより、隣り合う波長のビーム４の光も素子１８に落ちる 。異なる波長の光を個別の検出器素子に落とすことによって波長依存のサンプル 分析が複雑になる。より重要なことは、ビーム４から素子１８に落ちる光はビー ム２からの光とは実質的に異なる入射角に対応する点である。その相違はビーム ２の中心と素子１８（Ｒ１）との間の半径方向距離と、ビーム４の中心と素子１ ８（Ｒ２）との間の半径方向距離とを比較することによって理解できる。明らか に、半径方向距離Ｒ２は半径方向距離Ｒ１よりかなり大きい。入射角がビーム内 の光線の半径方向距離に直接関係することを思い出すと、素子１８におけるビー ム４の波長の光線の入射角は素子１８におけるビーム２に関連する光線の入射角 より大きいことがわかる。図示した例においては、素子１８でのビーム４の光線 の入射角はビーム２の２７度に比べて４６度程度の大きさとなるであろう。 その図１に図示した例は２つのみの波長のビームを示しているという点で簡略 化してある。現実には多数のビームが重なるであろう。従って、スパニエル特許 に開示されたアプローチでは各検出器素子は多数の波長のみならず多くの異なる 入射角からも光を検出することになる。そのような重なりは、データを実質的に 不鮮明にしてサンプルの正確な分析を妨げることになる。従って、波長及び入射 角の測定のために有効な分離を提供するような検出アプローチを提供することが 望ましい。 従って、本願発明の１つの目的は反射されたプローブビームに含まれた角度及 び波長情報を同時に測定するための改良された方法を提供する点にある。 本願発明の他の目的は干渉及び偏光法の両方に用いることのできる角度及び波 長情報を同時に測定する方法を提供する点にある。 さらに、本願発明の目的は複数の選択された波長における測定値を発生する同 時の多数入射角干渉計を提供する点にある。 本願発明の他の面は測定値が得られるサンプルの領域を容易に変えるための方 法に関連する。上述のように、プローブビームを発生するためにレーザを用いる ときには、ミクロン程度のスポットサイズを大口径のレンズを用いて得ることが できる。白色光源を用いると、きっちりとした収束は可能ではなく、広い範囲が 照射される。２つの前述の特許に説明されたような構造において高開口数のレン ズを用いると、白色光源を用いて達成できる最大の収束スポットサイズは直径が 約１５０ミクロン程度になるであろう。 従って、選択された測定領域を最小の収束スポットサイズの直径より小さくす ることができるシステムを提供することが望ましい。さらに、測定領域の寸法を レンズ素子を移動または置き換えることなく容易に変更することができる装置を 提供することが望ましい。発明の概要 これらの及び他の目的に従うと、本願発明は、特に、半導体上の薄いフィルム を評価するのに適した、同時の多数入射角測定装置に関する。以下に明らかにな るように、ここで説明する利点は干渉及び偏光法の両方に用いることができる。 本願発明の両局面とも白色光源を同時多数入射角測定装置に用いることに関す る。白色光源を用いると多数波長で測定が行える。 非干渉性白色光源に関連する問題は収束スポットサイズが可干渉性レーザ光源 を用いて達成できる場合より大きくなりがちである点にある。本願発明によると 、測定の領域は、反射されたビームの経路内の検出器の前に配置された可変イメ ージフィルタを用いることによって減少させることができる。可変イメージフィ ルタはリレーレンズ及び開口プレートの組み合わせからなる。開口プレートはレ ン ズの焦点面内に配置される。リレーレンズはビームのイメージを、それがサンプ ル表面に存在するときには開口プレートに投射する。リレーレンズの収束能力及 び開口の寸法を選択することによってイメージ化された領域の所望の寸法を制御 することができる。 それらの種類の装置の可変イメージフィルタを用いる概念は本願出願人に譲渡 された米国特許第５，１５９，４１２号に開示されていることを認識すべきであ り、それを参考としてここに組み込む。その開示の内容においては、可変イメー ジフィルタは収束されたレーザビームの外側から反射する疑似反射が検出器に到 達するのを防ぐように用いられた。本願発明は、可変イメージフィルタを、収束 された白色光スポットより小さな領域を映像化するために用いている点で、その 従来の開示とは異なる。より詳しく述べると、ここに開示した望ましい実施例に おいては、可変イメージフィルタには複数の開口プレートが設けられていて、映 像化された領域の寸法を操作者がレンズ素子を変更及び／又は再配置することな く容易に選択することができる。 本願発明の他の概念においては、装置内で同時の多数波長測定を改良するため の方法を開示しており、それはまた同時に多数の入射角で光を測定する。そのシ ステムは干渉又は偏光装置のいずれにも適用できる。 その測定装置はプローブビーム放射線を発生するために多色光源を含む。顕微 鏡の対物レンズが用いられて入射角の広がりを作るようにサンプル上にそのプロ ーブビームを収束する。検出器が反射されたプローブビームを分析するために設 けられる。回折装置においては検出器はビームの強度を測定する。楕円偏光計に おいては検出器要素はビームとサンプルとが相互作用するときに発生する偏光状 態の変化を決定する。基本的な実施例においては、検出器は、様々な光線を、反 射されたプローブビーム内のそれらの半径方向位置の関数として測定して、サン プル表面に対する異なる入射角度に関する特有のデータを提供する。 従来の方法のように、波長分散素子が反射されたプローブビームの経路内に設 けられる。その分散素子は波長の関数としてビームを角度的に分散するように機 能する。基本的な実施例においては、検出器は二次元アレー素子を含んでおり、 そこでは、各行の素子が異なる中心波長ごとの全入射角情報を測定する。 入射角の重なり測定の問題を減少するために、フィルタが反射プローブビーム の経路内の分散素子前に設けられる。そのフィルタはビームの直径に沿って整合 された狭い長方形開口を含む。その開口は分散素子が光を角度的に広げるような 平面と直交するように向けられる。その開口の寸法はビームの狭い断面を透過す るように選択されており、それは検出器上で映像化されたときに１つの行の検出 器素子の幅に対応するものである。望ましくは、その開口はビームの総断面積の 約１０パーセントのみを通過する。 また、ビームの透過した断面積内の入射角情報を保存するためにフィルタを顕 微鏡多雨物収束レンズの出口瞳孔のリレーイメージ面内に配置する必要がある。 そのリレーイメージ面内においては、入射角のすべてがサンプル表面上のビーム スポット上の光線の位置と一対一対応関係を持つ。 その狭い開口は異なる波長のビーム間の重なり量を実質的に減少させる。発生 するいかなる重なりも接近する波長に限定され、それにより、波長依存計算への 不都合な影響を最小化する。さらに、波長情報の重なりの不都合な影響は、異な る入射角の情報の重なりがないため、ほぼ完全に取り除かれる。より詳しく述べ ると、通過光のみが単一のビーム直径に沿うようにスリットフィルタが配置され ているので、透過した長方形の断面の中心からそのビームによって照射された所 定の検出器素子までの半径方向距離はいずれの波長においても実質的に同一とな る。半径方向距離がすべての波長に対して同一であるとすると、そのときには、 その検出器素子に衝突する光線の入射角も同一となる。従って、その検出器組立 体は同時の多数入射角測定のために分離を提供する一方多数の波長を同時に測定 する。 望ましい実施例においては、プローブビーム光は直線偏光され、そして球面の 対物レンズがその光をサンプル表面上に収束するために用いられる。その球面対 物レンズは直交的に関連したＳ及びＰ偏光状態を持つ光を作る。その実施例にお いては、フィルタの開口は軸線の１つと整列してＳ及びＰ偏光要素のいずれをも 分離することができる。 本願発明の他の目的及び利点は以下の図面に関連する以下の詳細な説明を読む ことによって明白になるであろう。図面の簡単な説明 図１は同時に多数角及び多数波長を測定するための従来のアプローチを示す。 図２は本願発明の概念を組み込む光学測定装置の概略図である。 図３はプローブビームが図２のフィルタ６０を通過した後のそのプローブビー ムの様子を描く図である。 図４はプローブビームが図２の分散素子６２を通過した後の２つの異なる波長 に関連するプローブビームの様子を描く図である。 図５は、図４に類似する図であるが、図示された波長が互いに接近していてプ ローブビーム間の分離が僅かである点が異なる。 図６は本願発明の概念を組み込んだより完全なシステムの概略図であり、そこ では同時の多数の入射角測定が複数の選択された波長で行うことができる。 図７は代わりの検出器組立体の概略図であり、それは多数入射角及びプローブ ビームの同質の偏光状態を分離することができる多数波長での同時測定に適する 。 図８は他の交替検出器組立体の概略図であり、それは多数の入射角及び多数の 波長情報の双方の同時測定に基づいて偏光パラメータを導き出すのに適する。 図９は他の交替検出器組立体の概略図であり、それは多数波長での積分された 偏光データ及び特定の入射角情報の同時測定に適する。望ましい実施例の詳細な説明 図２を参照すると、本願発明に係る光学測定を実行するための装置３０が図示 されている。図２は多数の波長成分を持つ多色つまり白色光を発生するための光 源３２を含む。非干渉性（非コヒーレント）出力３４が球面状の顕微鏡対物レン ズ４０を介してサンプル３６の表面に収束される。そのサンプルは移動自在な台 ４２に取り付けることができ、これにより、プローブビームがサンプル全体にわ たって走査することができる。 この望ましい実施例においては、プローブビーム３４はサンプル表面と直交す るように向けられており、また、レンズ４０は０．９０程度の高開口数を持つ。 このような高開口数はサンプル３６の表面上に入射角度の大きな広がりを作る。 入射角は反射されたビーム内で追跡することができるとともに検出器で同時に測 定することができる。前の特許に述べられているように、中心光線は中心入射角 に対応する。中心角度からの入射角の変分はビーム内の光線の半径方向位置の増 加に比例して変わる。式(1)に関して上述したように、反射されたプローブビー ム内のすべての光線の位置は入射角の正弦に対応する。 プローブビームがサンプル表面から反射された後は、それはビームスプリッタ ４８によって検出装置まで再指向される。検出装置に到達する前に、そのビーム は可変イメージフィルタ５０を通過する。そのフィルタ５０はリレーレンズ５２ 及びプレート５４からなる。プレート５４はリレーレンズ５２の焦点面内に配置 され、整列開口５６を備える。リレーレンズはサンプル表面の拡大像をプレート ５４の面に投射する。倍率の程度は、レンズ５２の焦点距離をレンズ４０の焦点 距離によって割った比率によって与えられる。典型的な倍率は約６０である。 開口５６は中継されたサンプル像の一部のみを透過するように寸法が決められ る。透過された像の大きさはその開口の寸法をその像の倍率によって割ることに よって画定される。従って、レンズ５２によって提供される倍率と開口５６の寸 法とを調節することによって、検出器にイメージ化されたサンプルの面積の寸法 を精密に制御することができる。 上述のように、高開口数を用いると、非干渉性光源を直径約１５０ミクロンの スポットサイズに収束することができる。だいたいフィルタ５０を用いるとミク ロン程度のイメージスポットが達成できる。この結果を達成するために、開口の 直径は倍率６０のためには６０ミクロンとなる。しかし、スポットの像が減少さ れるにしたがって検出器に到達するエネルギーも減少するので測定を行うことが 困難になる点を理解すべきである。従って、より大きなイメージ寸法が許容でき るときには（高速での平均値測定が望まれるときである）大きなイメージ寸法を 用いてより正確な結果を得ることができる。実際には、また、図６に関して説明 するように、フィルタ５０が多数の開口を備えていてイメージ領域を操作者が容 易に選択して処理速度と所望の空間分解能を持つ検出精度との釣り合いをとるこ とができることが望ましい。 本願発明によると、反射されたビームはその後検出装置まで通過する。その検 出装置はフィルタ６０、分散素子６２及び検出器６４を含む。検出器６４として 用いることができる適切な装置は二次元フォトダイオードアレー又はＣＣＤカメ ラである。 上述の通り、従来は分散素子及び二次元検出器アレーを含むアプローチを示唆 していた。その従来のアプローチにおいては、分散素子は波長の関数としてビー ムを角度的に広げるように機能した。分散素子に適した光学装置はプリズム、格 子及びホログラフィー板を備える。ビームを広げることによって、光線の強度を 波長の関数として個別に測定することができる。 従来のアプローチを用いた場合の問題は図１を参照して説明した。それらの問 題はフィルタ６０を用いる本願発明において解消できる。フィルタ６０は開口７ ２を備えており、その開口は反射されたビーム５４の一部のみを通過するように 構成されている。望ましい実施例においては、開口７２は細長いスリットの形状 であり、それはビームの直径に沿って配置されるとともに対物レンズ４０の出口 瞳孔の中継イメージ面内に設けられる。この実施例においては、レンズ５２もそ の中継イメージを作るのに役立つ。開口７２は分散素子６２が光を角度的に広げ る方向と直交するように配向される。望ましくは、スリット７２の寸法は、検出 器に伝達されるイメージが検出器素子の行の寸法の大きさになるように選択され る。以下に説明するように、光源が直線偏光されたときには、スリットはＳ及び Ｐ偏光いずれかに向けられなければならない。 フィルタ６０の効果を図３乃至図５に示す。図３はビームが開口７２を通過し た直後のそのビームの様子を示す。明らかに、細長い長方形の部分７４のみが通 過できる。フィルタ６０によって遮蔽されたビームの環状の輪郭は破線７６によ て示されている。フィルタ６０はレンズ４０の出口瞳孔の中継イメージ面内に設 けられているので、透過した細片はレンズ４０によって作られたすべての入射角 度に対応する光線を含む。望ましい実施例においては、点７８が０度に対応し、 点８０が６４度に対応し、点８２が２７度に対応する。 図４はビーム３４が分散素子６２を通過した後のそのビームを示す。ビーム８ ６及び８８は異なる２つの波長を表す。その波長の差は図１に図示された２つの ビームと同一のものとなる予定である。図４に示された各波長はすべての入射角 情報を伴う中心の長方形の透過部分９０、９２を含む。明らかに、それらの２つ の例示的な波長のために、たとえ環状のビーム足跡が重なるとしても、透過部 分は重ならず、そのため、どんなに重大な差を持つ波長に関しても波長情報に不 鮮明さはない。従って、部分９０に整合する検出器素子の行は第２の全く異なる 波長からの不鮮明さのないデータを持つ全入射角情報を提供する。 図５はビーム９８及び１０２が２つの比較的接近するが離隔されている波長を 表す状況を示す。２つの波長が接近している場合には分散素子は限定された分離 を提供するだけである。しかし、本願発明のフィルタ６０は極小の重なりによっ て引き起こされるいかなる測定の問題も実質的に取り除くことができる。より詳 しく述べると、フィルタ６０内の開口７２は単一の半径方向に沿う光線のみを透 過させる。従って、ビームの中心からどの検出器素子までの距離も各波長ごとに 実質的に同一である。このように半径方向距離は同一であるので、所定の検出器 素子に落ちる光線の入射角度はどの波長に対しても同一である。 この結果は検出器素子１０６を例示として示す図５から明らかである。フィル タ６０内の開口７２はビーム９８及び１０２に対する透過をそれぞれ２つの細長 い部分１０８及び１１０に限定する。各ビームの中心と検出器素子１０６との間 の半径方向距離をＲ３及びＲ４として示す。明らかに、それらの２つの半径方向 距離は実質的に同一であるので、検出器素子１０６に衝突する光線の入射角は同 一である。 図４及び図５から明らかなように、発生する不鮮明なデータは非常に互いに接 近する波長に限定される。ピクセルの１つの行に沿う検出情報は非常に狭い帯域 の波長に限定されるので、波長に基づくサンプル分析計算は意味のある重大な影 響は受けないが、それは、特に、各検出器素子での情報が単一の入射角度に限定 されるからである。 図４及び図５から理解できるように、どの個々の行をも横切る素子は所定の中 心波長ごとに同時の入射角測定を提供する。検出器アレー内の別々の行の各々は 異なる中心波長から完全な入射角情報を受けとる。従って、二次元アレー検出器 を提供すると、多数の入射角の同時測定が多数の波長において実行できる。 実際、分散素子６２によってビームのパターンが長方形状に広がることができ る。この場合には、ビームを長方形状に再コリメートするために円筒状レンズ１ ２０のような適当な追加の光学素子を含む必要がある場合がある。 米国特許第４，９９９，０１４号に開示されているように、装置の分析能力を 改善するために、Ｓ又はＰのいずれかに偏光された光を測定することが望ましい 。その目的を達成するための１つのアプローチとして、従来の偏光素子を用いて プローブビーム３４を直線偏光することがある。後者の特許に説明されているよ うに、直線偏光された光がサンプル表面上に収束されるときには、１つの軸線で あってその軸線に沿って光が純粋にＳ偏光される軸線と、直交軸線であってその 軸線に沿って光が純粋にＰ偏光される軸線とがある。従来の装置においては、純 粋なＳ及びＰ偏光の双方の情報のための多数の入射角データは２つの行の検出器 素子を用いて同時に測定されたが、それらの素子は互いに直交するように指向さ れているとともに偏光軸線に整列されている。 本願発明の望ましい実施例においては、純粋にＳ又はＰのいずれかに偏光され た光も測定することが望ましい。前掲の特許と同様に、光源３２からの光は標準 的な偏光器（仮想線の１２２で示す）を用いて直線偏光された。フィルタ６０は 、それから、開口７２が２つの純粋な偏光軸線の内の１つと整合するように向け られている。分散素子６２及びアレー６４の相対的方向は上記の方法によって適 切に調整される。その方法においては、検出器素子のどの行も純粋なＳ又はＰ偏 光状態の中心波長における全入射角をカバーする。 Ｓ及びＰ情報の双方を導き出すための１つの方法としてはフィルタ６０の後に 第２の測定を行う方法があり、分散素子６２は図２の矢印Ｂによって示すように ９０度回転されている。その方向においては、残りの純粋な偏光状態情報を検出 することができる。両方の偏光状態を同時に測定することが望まれた場合にはビ ームスプリッタをフィルタ６０の前の反射ビームの経路に挿入してビームの一部 を他の経路に沿うように再び指向することができる。他方の経路には分離フィル タ、分散素子及びアレー検出器が設けられる。それらの分離フィルタ及び分散素 子は主経路に沿ったフィルタ及び分散素子に対して直交するように向けられる。 この配置を図７に示しており、以下に説明する。 本願発明のフィルタ６０は純粋Ｓ又はＰ偏光の光を測定しようとするときには さらに利点を持つ。図１に関して上述したように、従来技術においては、個々の 素子が異なる入射角を持つ光線からの光を受けとる。さらに、ビーム４からの光 はビーム２からの半径方向とは異なる半径方向に沿うので、それはＳ及びＰ偏光 状態の異なる組み合わせも含む。矢印Ａによって示された行の素子がビーム２か らの純粋な偏光状態光を受けとっているように向けられたとすると、従来の測定 は、ビーム４からの光がＳ及びＰ偏光情報の混合を含むのでさらに低下するであ ろう。 本願発明のフィルタはこの問題も解消する。上述の通り、フィルタ６０の開口 ７２は２つの偏光状態の１つと整合すべきである。その場合には、透過する光の みがＳ又はＰのいずれかとなる。不要な又は混合された偏光状態のいかなる光も 遮られる。従って、純粋な偏光された光を用いることに関する計算上の利点が維 持できるのと同時に異なる波長における情報を測定することもできる。 本願発明は干渉又は偏光装置のいずれにも用いることができる。図２に示され た主な素子は干渉装置を表しており、そこでは、反射された光線の強度変化が監 視される。このデータを用いて実行できるような種類の分析の詳細が米国特許第 ４，９９９，０１４に述べられている。 楕円偏光計として作動するためには、追加の素子が、サンプルから反射すると きに発生するビームの偏光状態の変化を決定するために設けられなければならな い。基本的な構成においては、それらの追加の素子は偏光器１２２及び分析部分 １３２（仮想線で示す）を含む。偏光及び分析部分はビームの伝搬軸線を中心に 回転可能な偏光素子を含む。検出器６４の測定の強度と共にそれらの回転可能な 素子の相対的方位位置を知ることによってビーム内の光線の偏光状態の変化が決 定できる。同時の多数入射角の偏光分析の議論が米国特許第５，０４２，９５１ 号で行われている。 図２は、同時の多数入射角及び波長測定用の改良された可変イメージフィルタ ５０及び検出器装置の両方を示しているが、それらの２つの改善は別々に用いる ことができる。この独立性は図６を参照することによって認識でき、その図は白 色光源及び多数の開口可変イメージフィルタを用いる光学測定システムの１つの 望ましい形態を示す。 図６はいくつかの追加の素子を示しており、それは同時の多数入射角干渉測定 装置２００において必要とするものである。図６の装置は非干渉性光源２１０及 び可変イメージフィルタ２１２を用いる。しかし、図６の実施例は多数の波長で の同時測定に適する検出装置を含んでいない。後者の特徴は図７の他の例に開示 されている。 図６に示されている装置においては、光源２１０はタングステン・ハロゲンラ ンプのような明るい多色又は白色光源であるべきである。光源２１０からの光２ １４は複数の異なる波長の１つを選択するための複数の狭帯域フィルタ２２０の １つを通過する。その光はその後オン・オフシャッター２２４を通過して直線偏 光された光を作る偏光ビームスプリッタ２２６に達する。 その偏光された光はそれからレンズ２３０を通過するが、そのレンズは光源の イメージを球面の顕微鏡対物レンズ２３２の瞳孔に中継する。すべての実施例に おいて見られるように、レンズ２３２はビームをサンプル２３３の表面と直交す るようにきっちりと収束するように配置されていて入射角の大きな広がりを作る 。そのレンズはＳ及びＰ偏光された光の実質的成分を持つ光を作る。１つの軸線 は主としてＳ偏光された光を含むが、直交軸線は主としてＰ偏光された光を含む 。Ｓ及びＰ軸線間の中間角度において偏光状態は混ぜられる。 対物レンズに到達する前に、光の一部はスプリッタ２５０を透過して入射光検 出器２３６に到達する。検出器２３６は光源２１０の出力の変動を監視し、これ により、測定を正規化する。 サンプルから反射されたビームはスプリッタ２５０によって入経路に沿ってス プリッタ２３４に衝突するまで戻るように再指向させられ、スプリッタ２３４に おいては可変イメージフィルタ２１２に向けて下方に再指向させられる。上述し たように、フィルタ２１２はリレーレンズ２５４を含み、それはサンプル表面の イメージをプレート２５６の面に投射する。この実施例においては、そのフィル タは複数の交換可能なプレートを含み、その各々は異なる寸法の開口２５８を持 つ。この構成によって、オペレータは原理検出器２６０及び２６２に投射される べきイメージ面積の寸法を選択することができる。望ましい実施例においては、 プレート２５６は回転自在なホイール（図示せず）に取り付けることができる。 必要な開口はそのホイールの回転角度を調整することによってビーム内に配置す ることができる。 フィルタ２１２を通過した後、ビームはビームスプリッタ２６８に向けられて ２つの経路に沿って分割され、さらに検出器２６０及び２６２に向けられる。各 検出器は２６０、２６２は光検出器素子の一次元直線アレーからなる。一方のア レーはＳ偏光された光についての全入射角情報を提供するように向けられる。他 方のアレーは第１のアレーと直交するように配向されていてＰ偏光された光につ いての全入射角情報を提供する。この構成によって同時に起こる多数入射角情報 を連続して複数の波長で発生させることができる。この情報により薄いフィルム サンプルの干渉評価を行うことができる。この方法においては、プロセッサはそ れらの検出器によって作られた同時に起こる角度依存強度測定値に基づいてサン プルを評価する。それらの強度測定値はプローブビームと薄いフィルムの表面及 びその薄いフィルムとサンプルとの接合面との相互作用によって作られる干渉効 果の関数である。それらの同時の入射角測定はフィルタ２２０によって選択され た複数の異なる各波長ごとに繰り返される。 図６に図示された実施例においては、各々が検出素子の直線領域を持つような ２つの検出器が用いられる。他の例としては、直交して配置された２つの直線状 アレーを持つ単一の検出器ヘッドを用いることができる。この後者の種類の検出 器ヘッドは米国特許第４，９９９，０１４号に開示されている。さらに他の例の ように、図２に示す種類の完全な二次元アレーを用いることもできる。 図７乃至図９に関して以下に説明するように、検出器（ボックス２７０に囲ま れているもの）の他の形状のものを用いることもできる。例えば、異なる波長を 同時に測定するように設計された検出器構造を用いて狭帯域フィルタ２２０の使 用を排除することができる。 望ましい実施例においては、フィルタ２１２を通過する光の一部はスプリッタ ２７１によって取り出されて全出力検出器２７２に向けられる。上掲の特許にお いて詳細に説明されているように、複数の入射角測定からの測定のあいまいさは 別の全ビーム出力測定を用いることによって分離することができる。 装置の作動は視覚装置の使用を通じて容易化することができる。その図示され た実施例においては、プレート２５６は、そのプレート２５６内の関連する開口 ２５８より大きな画像の部分を反射してカメラ２７４に再指向するようにされて いる。カメラ２７４によって受け取られた画像は開口２５８によって透過された 光の部分に対応する中心が暗いスポットを持つ。レンズ２７６はサンプル表面を カメラに画像化するために設けられている。 望ましい実施例においては、この白色光測定装置を米国特許第4,999,014号及 び第5,181,080号に説明されているようなレーザ検出装置用の素子と組み合わせ ることが構想でき、それらの米国特許は本願の出願人に譲渡されたもので、参考 としてここに組み込む。その装置においては、レーザダイオード２４０を用いて 直線偏光されたプローブビームを発生することができる。出力の波長は望ましく は６５０乃至８２０nm程度の大きさである。プローブビーム２８０はオン／オフ シャッター２８２を通過してビームスプリッタ２８４に達する。そのビームの一 部はスプリッタ２８４を通過してレーザダイオードの出力の変動を監視するため の入射出力検出器２８６に落ちる。 そのビームの他の部分はビームスプリッタ２５０を通過してレンズ２３２に向 かうように下方に再指向されてサンプル２３３に収束される。そのレーザからの ビームは単色で適度にコヒーレントなので、それはレンズ２３２によってミクロ ンの程度の大きさのスポットサイズに収束することができる。反射ビームの一部 はスプリッタ２９０によって自動焦点装置まで反射されるが、その装置はレンズ ２３２のサンプル２３３への焦点を維持するように用いられる。そのような自動 焦点装置を用いる出願人の最近の市販装置においては、レンズ焦点空間は１ミク ロンの１００分の１より小さく維持することができる。 その自動焦点装置はレンズ２３２の垂直位置を変更するためのサーボ機構を含 む。そのサーボはアナログ検出ループによって駆動され、それはレンズ２３２が プローブビームを適切に収束しているか否かを決定する。その検出ループは反射 された光を含み、その光はレンズ２９４によって収束されてそのレンズ２９４の 焦点面内に位置するチョッパーホイール２９６を通過する。チョッパーホイール ２９６を通過した光はスプリットセル光検出器２９８に落ちる。レンズ２３２が 焦点外れとなると、スプリットセル２９８の２つの面に衝突する光に位相差が生 じ、それは位相検出器３０２によって検出される。位相差は増幅器３０４への入 力として用いられ、その増幅器は次にサーボ２９２を駆動する。自動焦点へのア プローチは自動化されたフーコーナイフエッジ収束方法として知られている。 図示された実施例においては、特定の多数入射角情報と、異なる入射角を持つ すべての光線の強度の積分を示す信号との両方ともがレーザプローブビームに関 して測定される。特定の入射角情報を得るために、戻り反射プローブレーザビー ムの一部がスプリッタ２５０によってスプリッタ２３４に向けて再指向される。 スプリッタ２３４はそのプローブレーザビームを検出器アレー２６０、２６２に 向けて下方に再指向する。多色光を検出するために提供されたそれらの同一の検 出器アレーを用いることによって、同時に起こる多数入射角情報をレーザ光のＳ 及びＰ偏光の両方について発生することができる。上述の通り、ビームの全反射 出力は検出器２７２によって測定することができる。 検出器アレー２６０、２６２を用いて白色光源２１０及びレーザ２４０の両方 からの光を測定する場合には、その測定は１つの光源のみが一度に放射線を出力 するようにして連続して行われる。シャッター２２４及び２８２を用いると連続 作動が達成される。２つの光源の出力は異なるので、異なる測定のために検出器 のゲインを調整する必要がある。 プローブレーザビームからの光を検出するときには、フィルタ２１２は２５ミ クロンサイズのスポットを画像化するように配置される。この構成によってフィ ルタ２１２は前述の特許第５，１５９，４１２号に開示されているフィルタと似 たように機能し、そこでは、サンプル上に収束されたスポットを外れた領域から 検出器に到達した光を最小化する。 サンプル表面に関して異なる入射角を持つすべての光線の集積から偏光情報を 得るために、反射されたレーザ２４０からのプローブビーム光も上方に向けられ てビームスプリッタ２９０を通過して１／４波長板３１０に達し、これによって 、ビームの偏光状態の一方の位相を９０度遅らせる。そのビームはその後直線偏 光器３１２を通過し、それはビームの２つの偏光状態を互いに干渉させるように 機能する。所望の信号を最大化するために、偏光器の軸線を１／４波長板の速軸 及び遅軸に関して４５度の角度で配向すべきである。 光はそれからリレーレンズ３１４と開口３１８を持つプレート３１６とを備え るイメージフィルタを通過する。そのフィルタは収束されたスポットを外れた疑 似反射が検出器３３０に到達することを阻止する。検出器３３０は４つの放射状 に配置された象限を持つフォトセルである。各象限はその象限に衝突するプロー ブビームの出力の大きさに比例する出力信号を発生する。その信号はサンプル表 面に関する異なる入射角を持つすべての光線からの偏光干渉信号の総和を示す。 その象限の配置は２つの直交軸線に沿った独立信号を発生するように構成されて いる。米国特許第５，１８１，０８０号に詳細に開示されているように、正反対 の象限の出力の合計を引くことにより、薄いフィルムの厚さに線形比例する信号 を得ることができる。特に非常に薄いフィルムについて、そのアプローチは偏光 パラメータδの正確な測定を提供するもので、そのパラメータは薄いフィルムの 光学的厚さと基板の減衰係数との両方に関連するものである。 望ましい実施例においては、プロセッサ３４０が検出器２３６、２６０、２６ ２、２７２、２８６及び３３０からの出力を評価するために設けられていてサン プルの特性に関する明白な情報を提供する。 図６の装置２００は同時に多数の波長情報を測定するように変更することがで きる。そのアプローチを実行するための検出器構成４１０を図７に示す。４１０ の検出器の構成は図６に２７０で示す要素と置き換えることができる（又はそれ と共に用いることができる）。図７の検出器の構成を用いるときには図６の実施 例の波長選択フィルタ２２０は用いない。 検出器構成４１０はＳ及びＰ偏光状態の両方を同時に評価するように構成され ている。従って、多色光２１４はその光を２つのビームに分割するビームスプリ ッタ４２０まで通過する。一方のビームはフィルタ４３０を通過し、そのフィル タは２つの純粋な偏光状態の一方の軸線と整合する開口４３２を持つ。フィルタ ４３０がレンズ２３２の出口瞳孔のイメージ面内に配置されている。その実施例 においては、レンズ２５４はそのリレーイメージ（中継イメージ）を作る。分散 素子４３４が光を開口の配向と直交する方向へ角度的に広げるように向けられて いる。検出器４３６が検出器素子の二次元アレーを含み、また、入射角及び選択 された偏光状態の波長情報を同時に測定するように構成されている。フィルタ４ ３０、分散素子４３４及び検出器４３６は図２で説明したものと同一である。 他方の偏光状態についてのデータを同時に得るために、第２組の検出器素子を ビームの別の経路に設ける。図７に示すようにフィルタ４４０（開口４４２を持 つ）、分散素子４４４及び検出器４４６が設けられている。光学的配置における この部分の差異は、フィルタ４４０及び分散素子４４４を、フィルタ４３０及び 分散素子４３４に対して９０度回転してある点にある。この構成によってフィル タ４４０は検出器で測定するために残りの偏光状態を持つ光を分離する。 上述のように、この同時の多数波長の検出装置の概念を米国特許第5,042,951 号及び第5,181,080号に説明されているように偏光光学装置に適用することもで きる。図８は特許第5,042,951号の開示の応用を示しており、そこでは、特定の 同時の入射角測定が多数波長において行われて偏光パラメータを導き出す。この 図においては、構成要素５１０は図６の光学構成要素２７０を置き換えることが できる（又はそれとともに用いることができる）。 図８に示すように、多色ビーム２１４は最初に１／４波長リターダ（遅延器） ５２０を通過する。その４／１波長リターダはビームの直線偏光を円偏光に変え る。広い波長範囲にわたって用いるのに適したリターダはスピンドラー(Spindle r)及びホーヤー(Hoyer)から入手可能なタイプのフレネル菱面体を含む。 ビームは細長い開口５２４を持つフィルタ５２２を通過する。前の実施例にお いて示したように、フィルタ５２２は対物レンズ２３２のリレーイメージ面に配 置されている。ビームはそれから回転偏光器５３０及び分散素子５３２を通過し て二次元光検出器アレー５３４に到達する。 偏光パラメータψ及びδの展開は入射角θ及び波長の両方の関数として得られ る。フィルタ５２２、分散素子５３２及び二次元アレー５３４により同時に多数 波長での測定を行うことができる。入射角θに関する異なる波長の各々における ψ及びδの導き出しは米国特許第５，０４２，９５１号に説明されたものに似て おり、ここで簡単に説明する。 ψ及びδの導き出すために、複数の測定が偏光器５３０の様々な回転位置で行 われる。その偏光器はサンプルの表面に対する方位角θを中心に回転できる。最 初に偏光パラメータψを導き出すために、測定がθ＝０度及びθ＝π／２で行わ れる。θ＝０で測定された信号は以下のように定義される。 θ＝π／２で測定された信号は、 によって与えられ、その結果、ψについての値は、 となる。 δを導き出すために、２つの追加の測定がθ＝π／４及びθ＝π／−４で行わ れる。θ＝π／４では、測定された信号は、 で得られ、さらに、θ＝π／−４では、測定信号は、 で得られる。 式５と式６との間の差を求めると、 を得、さらに、式５及び式６の和を求めると、 を得、その結果、δは、 のように表現することができる。 ψについての値は式４を用いて２つの測定によって得ることができたので、δ は式９及び第２の２つの測定を用いて算出することができる。同時の検出を用い ることによって、偏光パラメータψ及びδの非常に精度の高い測定が入射角及び 波長の関数として得ることができる。 米国特許第５，１８１，０８０号に開示された楕円偏光技術は多数の入射角の 総和を表す信号を発生するもので、その技術は本願発明の技術を用いると向上さ れて多数の波長において同時測定を行えるようになる。図９はこの目的を達成す るための構成要素６１０を示す。構成要素６１０は図６の光学要素２７０と置き 換えることができるものである（又はそれとともに用いることができる）。 図９から分かるように、多色ビーム２１４はフレネル菱面体のような１／４波 長リターダ６２０を通過し、それはビームの偏光状態の１つを９０度遅延させる ように配置されている。そのビームは細長い開口６２４を持つフィルタ６２２を 通過する。ビームの一部はそれから偏光スプリッタ６３０を通過し、そのスプリ ッタは２つの偏光状態の間に干渉状態を作る。さらにスプリッタ６３０は２つの 異なる経路に沿って指向された２つのビームを作る。一方のビームはサンプルか ら反射された光の右方向円偏光成分からなる。他方のビームは反射されたビーム の左方向円偏光成分からなる。第１及び第２ビーム経路の両方とも分散素子６３ ２、６３４及び二次元検出器アレー６３６、６３８を含む。 米国特許第５，１８１，０８０号に開示されているように、最も情報内容を持 つデータは初期の純粋偏光状態の軸線の中間の軸線に沿う。２つの偏光状態の間 の干渉が最大化されるのはその軸線に沿った場合である。従って、図９の実施例 においては、フィルタ６２２は、細長い開口６２４が入射角の初期の偏光に対し て４５度に向けられるように配置されている。この方法においては、最も関連す る情報を持つ光の部分のみが透過される。他の実施例の場合のように、分散素子 ６３２及び６３４は波長情報の角度的広がりが開口６２４の向きと直交するよう に配向されている。 偏光ビームスプリッタ６３０はビーム２１４を２つの等しい成分に分離し、一 方は右方向円偏光で、他方は左方向円偏光である。各行の検出器素子は所定の狭 帯域の波長における入射角の範囲についての情報を含む。この情報の総和を表す 信号を提供するために、検出器６３６内の所定の行から来た信号は検出器６３８ 内の対応する行から引くことができる。これは米国特許第５，１８１，０８０号 で用いられた象限セル内の象限情報の減算に似ている。そこに記されているよう に、２つの検出器アレーの各々内の対応する検出器素子に衝突するパワーは同一 であるが、偏光パラメータδとともに変わる項の符号の変化は除く。従って、１ つの行の素子からの信号を他方の検出器の対応する行から引くことによって、そ れ自体が薄いフィルムの厚さに比例するδに関して線形となる値を得ることがで きる。 図９の検出器構成は積分信号の発生に限定されず、特定の入射角に関する情報 を提供することに用いることもできる。そのデータを得るために、一方のアレー ６３６内の単一のピクセルからの出力を、他方のアレー内の対応するピクセルに よって発生される出力から引くことができる。ビーム内の半径方向に関するピク セルの位置は、関連するアレーの入射角を位置付けるために用いることができる 。このアプローチは図８に示すような回転偏光器を用いることなく特定の入射角 情報を提供する。 本願発明を多数の実施例に関連して説明したが、当業者によって添付した請求 の範囲によって画定した本願発明の範囲及び意図を変更することなく様々な変更 及び改良を行うことができる。
【手続補正書】特許法第１８４条の７第１項 【提出日】１９９５年１月９日 【補正内容】 31 請求項３０の装置において、さらに、前記プローブビームが前記サンプルと 相互作用を行った後の前記プローブビームの経路内に配置されたリレーレンズを 含み、該リレーレンズが、ビームのイメージが前記レンズ手段を出るときに、該 ビームのイメージを前記フィルタ手段の面内に配置する装置。 32 請求項３１の装置において、前記スリットの寸法は、前記検出器手段に落ち たビームの透過部分のイメージの寸法が行の検出器素子の寸法に対応するように 選択されている装置。 33 請求項３１の装置において、前記フィルタ手段は前記スリットがビームの直 径と整合するように配置されている装置。 34 請求項３１の装置において、ビームの偏光が一方の軸線に沿って支配的にＳ 偏光されるとともに直交軸線に沿って支配的にＰ偏光され、また、前記スリット はＳ又はＰ偏光された光のみが透過するように前記軸線の１つに沿って配向され る装置。 35 サンプルの特性を評価する装置であって、 前記サンプル表面から反射されるように指向される第１プローブビームを発 生する第１光源手段と、 前記反射された第１プローブビームの大きさの変化を測定するとともに第１ 出力信号を発生する第１検出手段と、 前記サンプル表面から反射されるように指向される第２プローブビームを発 生する第２光源手段と、 前記反射された第２プローブビームの偏光状態の変化を分析するとともに第 ２出力信号を発生する第２検出手段であって、前記光源手段の１つが多色で、前 記検出手段の１つがが複数の異なる波長に対応する出力信号を発生する第２検出 手段と、 第１及び第２出力信号を評価してサンプルの特性に関する情報を導き出すプ ロセッサ手段とを備える装置。 36 請求項３５の装置において、前記第１光源手段は多色である装置。 37 請求項３５の装置において、前記第１プローブビームは、様々な光線が入射 角の広がりを作るように前記サンプルに指向され、また、前記第１検出手段は 複数の入射角に対応する出力信号を発生する装置。 38 請求項３５の装置において、前記第２光源手段は多色である装置。 39 請求項３５の装置において、前記第２プローブビームは、様々な光線が入射 角の広がりを作るように前記サンプルに指向される装置。 40 請求項３９の装置において、前記第２検出手段は複数の入射角に対応する出 力信号を発生する装置。 41 請求項３９の装置において、前記第２検出手段によって発生された出力信号 は多数の入射角を持つ光線の総和を示す装置。 42 請求項３５の装置において、前記第１及び第２光源手段は単一の多色放射源 によって構成される装置。 【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９５年６月１３日 【補正内容】 このアプローチはサンプル上の非常に小さな領域の分析ができる高空間分解能を 提供する。 多くの場合において、そのような高空間分解能は不要である。実際には、いく つかの分析においては、半導体製造業者はかなり大きな領域上の平均的な状態の 測定のみに関心が有る。後者の場合には、アークランプ又は他の白色光源のよう な非回折限界の光源を用いることが可能である。 白色光源を用いる場合に得る１つの利点は、市販の入手可能な分光光度計と同 様に、異なる波長において追加の測定値を得ることができる点にある。それらの 装置においては、複数の別個の波長を順に又は同時に選択する手段が設けられて いる。その手段はフィルタ、回折格子又はプリズムのさまざまな組み合わせを含 むことができる。 認識できるように、波長選択素子を設ける要求により、装置の費用及び複雑さ が増大するとともに移動構成要素が必要になる。より重大なことは、逐次測定の 要求により装置の作動が遅くなる。従って、異なる角度のみならず異なる波長に おいて同時測定を行うことができることが望ましい。 この目的を達成するために示唆された１つのアプローチがスパニエル(Spanier )への米国特許第５，１６６，７５２号に述べられており、それはここに参考と して組み込む。そこに開示された装置は同時多数入射角楕円偏光計である。その 装置の１つの実施例には多色光源が含まれる。その特許の図５は、請求の範囲 １ 多色ビーム内の光線の強度を、該ビーム内の位置の関数として、かつ複数の 波長において同時に測定する検出装置であって、 前記ビームの経路内に配置されており、前記ビームの一部を透過するための 細長い開口を含むフィルタ手段と、 前記ビームの透過部分の角度的広がりを光の波長の関数として作る分散手段 であって、前記角度的広がりが前記フィルタ手段の開口の配向と直交する方向で ある分散手段と、 前記ビームの透過部分を前記分散手段を通過した後に受けとる検出器手段で あって、別々の素子の二次元アレーを含むとともに、個々の光線の強度を前記ビ ーム内の位置の関数として測定するように配向された少なくとも１つの行素子と 、前記ビームの個々の光線強度を波長の関数として測定するための少なくとも１ つの列素子とを持つ検出器手段と備える検出装置。 ２ 請求項１の検出装置において、前記フィルタ手段内の前記開口はスリットで ある検出装置。 ３ 請求項２の検出装置において、前記スリットの寸法は、前記検出器手段に落 ちたビームの透過部分のイメージの寸法が行の検出器素子の寸法に対応するよう に選択されている検出装置。 ４ 請求項２の検出装置において、前記フィルタ手段は前記スリットがビームの 直径と整合するように配置されている検出装置。 ５ 請求項２の検出装置において、ビームの偏光が一方の軸線に沿って支配的に Ｓ偏光されるとともに直交軸線に沿って支配的にＰ偏光され、また、前記スリッ トはＳ又はＰ偏光された光のみが透過するように前記軸線の一方に沿って配向さ れる検出装置。 ６ 請求項２の検出装置において、前記ビームの偏光は一方の軸線に沿って支配 的にＳ偏光されるとともに直交軸線に沿って支配的にＰ偏光され、また、前記ス リットは前記Ｓ及びＰ偏光された軸線の中間の軸線に沿って配向され、さらに、 プローブビーム内の一方の偏光状態の位相を該プローブビーム内の他方の偏 光状態の位相に対して遅延させる手段と、 前記プローブビーム内の２つの偏光状態の間に干渉を作るとともに、第１及 び第２経路に沿って前記ビームの一部を検出する偏光ビームスプリッタであって 、前記第１経路内のビームの部分は右方向円偏光された光からなるとともに前記 検出器手段に指向され、さらに、前記第２経路内のビームの部分は左方向円偏光 された光からなる偏光ビームスプリッタと、 前記第２経路に沿って配置されていてビームの角度的広がりを光の波長の関 数として作る第２分散手段であって、前記角度的広がりは前記フィルタ手段の前 記スリットの配向に対して直交する方向にある第２分散手段と、 前記ビームの透過部分を、前記第２分散手段を通過した後に受けとる第２検 出器手段であって、個別の素子の二次元アレーを含むとともに、個々の光線の強 度を前記ビーム内の位置の関数として測定するように配向された少なくとも１つ の行素子と、前記ビームの個々の光線強度を波長の関数として測定するための少 なくとも１つの列素子とを持つ第２検出器手段と備える検出装置。 ７ 請求項６の検出装置において、さらに、前記サンプルの偏光パラメータに関 する情報を導き出すためのプロセッサ手段を含み、該プロセッサ手段は一方の検 出器手段内の１つの行の素子によって発生された強度測定値の加算値を、他方の 検出器手段の対応する行内の素子によって発生された強度測定値の加算値から減 算するように機能する検出装置。 ８ 請求項６の検出装置において、さらに、前記サンプルの偏光パラメータに関 する情報を導き出すためのプロセッサ手段を含み、該プロセッサ手段は一方の検 出器手段内の１つの素子によって発生された強度測定値を、他方の検出器手段の 対応する素子によって発生された強度測定値から減算するように機能する検出装 置。 ９ 請求項６の検出装置において、前記スリットは前記Ｓ及びＰ偏光状態に関し て４５度の角度で配向されている検出装置。 10 請求項１の検出装置において、さらに、前記分散手段と前記検出器手段との 間に配置されていてビームを再コリメートするレンズ手段を含む検出器手段。 11 請求項１の検出装置において、前記分散手段は格子である検出装置。 12 請求項１の検出装置において、前記分散手段はホログラフィープレートであ る検出装置。 13 請求項１の検出装置において、前記分散手段はプリズムである検出装置。 14 請求項１の検出装置において、前記検出器手段はさらに前記ビームの偏光状 態を分析する手段を含む検出装置。 15 請求項１４の検出装置において、前記サンプルに向けられた前記プローブビ ームは既知の偏光状態を持ち、さらに、前記ビームが前記サンプルと相互作用を 行った後に、前記ビームの個々の光線の偏光状態を分析する手段を含む検出装置 。 16 請求項１５の検出装置において、サンプルと相互作用するビームは一方の軸 線に沿って支配的にＳ偏光されるとともに直交軸線に沿って支配的にＰ偏光され 、また、前記ビーム内の光線の偏光状態を分析する手段は、 前記プローブビーム内の一方の偏光状態の位相を、前記ビーム内の他方の偏 光状態の位相に対して遅延させる手段と、 前記サンプルの表面に対する方位角の周りに関して回転可能な偏光器とを備 える検出装置。 17 サンプル上に形成された薄いフィルムを評価する装置であって、 プローブビームを発生するための多色光源と、 前記プローブビームの複数の異なる波長を選択的に透過させるカラーフィル タ手段と、 前記プローブビームを前記サンプルの表面上に収束する手段であって、これ により、前記収束されたプローブビーム内の光線が前記表面に対して入射角の広 がりを作るようにする収束手段と、 前記プローブビームを基板の表面と相互作用を行った後に受けとる検出器手 段であって、複数の入射角の各々においてさまざまな光線の強度を測定する検出 器手段と、 複数の異なる波長において前記検出器手段によって作られる角度依存の強度 測定値に基づいてサンプルを評価するプロセッサ手段であって、前記強度測定値 が前記プローブビームと前記薄いフィルムの表面及び前記薄いフィルムと前 記サンプルとの間の接合面との干渉効果の関数であるプロセッサ手段とを備える 評価装置。 18 請求項１７の装置において、前記プローブビームは前記サンプルの表面に対 し実質的に直角に収束される装置。 19 請求項１８の装置において、前記プローブビームを収束する手段は球面の顕 微鏡対物レンズである装置。 20 請求項１９の装置において、前記プローブビームは直線偏光され、また、前 記レンズは、一方の軸線に沿って支配的にＳ偏光されるとともに直交軸線に沿っ て支配的にＰ偏光される入射光線を作るように機能する装置。 21 請求項２０の装置において、前記検出器手段は前記プローブビームのＳ及び Ｐ偏光された成分を分離するとともに測定する装置。 22 サンプルの特性を評価する装置であって、 前記サンプル表面から反射されるように指向される第１プローブビームを発 生する第１光源手段と、 反射された前記第１プローブビームの大きさの変化を測定するとともに第１ 出力信号を発生する第１検出手段と、 前記サンプル表面から反射されるように指向される第２プローブビームを発 生する第２光源手段と、 反射された前記第２プローブビームの偏光状態の変化を分析するとともに第 ２出力信号を発生する第２検出手段であって、前記光源手段の１つが多色で、前 記検出手段の１つがが複数の異なる波長に対応する出力信号を発生する第２検出 手段と、 第１及び第２出力信号を評価してサンプルの特性に関する情報を導き出すプ ロセッサ手段とを備える装置。 23 請求項２２の装置において、前記第１光源手段は多色である装置。 24 請求項２２の装置において、前記第１プローブビームは、様々な光線が入射 角の広がりを作るように前記サンプルに指向され、また、前記第１検出手段は複 数の入射角に対応する出力信号を発生する装置。 25 請求項２２の装置において、前記第２光源手段は多色である装置。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 21/66 8406−4Ｍ Ｈ０１Ｌ 21/66 Ｐ

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 多色ビーム内の光線の強度を、該ビーム内の位置の関数として、かつ複数の 波長において同時に測定する検出装置であって、 前記ビームの経路内に配置されており、前記ビームの一部を透過するための 細長い開口を含むフィルタ手段と、 前記ビームの透過部分の角度的広がりを光の波長の関数として作る分散手段 であって、前記角度的広がりが前記フィルタ手段の開口の配向と直交する方向で ある分散手段と、 前記ビームの透過部分を前記分散手段を通過した後に受けとる検出器手段で あって、別々の素子の二次元アレーを含むとともに、個々の光線の強度を前記ビ ーム内の位置の関数として測定するように配向された少なくとも１つの行素子と 、前記ビームの個々の光線強度を波長の関数として測定するための少なくとも１ つの列素子とを持つ検出器手段と備える検出装置。 ２ 請求項１の検出装置において、前記フィルタ手段内の前記開口はスリットで ある検出装置。 ３ 請求項２の検出装置において、前記スリットの寸法は、前記検出器手段に落 ちたビームの透過部分のイメージの寸法が行の検出器素子の寸法に対応するよう に選択されている検出装置。 ４ 請求項２の検出装置において、前記フィルタ手段は前記スリットがビームの 直径と整合するように配置されている検出装置。 ５ 請求項２の検出装置において、ビームの偏光が一方の軸線に沿って支配的に Ｓ偏光されるとともに直交軸線に沿って支配的にＰ偏光され、また、前記スリッ トはＳ又はＰ偏光された光のみが透過するように前記軸線の一方に沿って配向さ れる検出装置。 ６ 請求項２の検出装置において、前記ビームの偏光は一方の軸線に沿って支配 的にＳ偏光されるとともに直交軸線に沿って支配的にＰ偏光され、また、前記ス リットは前記Ｓ及びＰ偏光された軸線の中間の軸線に沿って配向され、さらに、 プローブビーム内の一方の偏光状態の位相を該プローブビーム内の他方の偏 光状態の位相に対して遅延させる手段と、 前記プローブビーム内の２つの偏光状態の間に干渉を作るとともに、第１及 び第２経路に沿って前記ビームの一部を検出する偏光ビームスプリッタであって 、前記第１経路内のビームの部分は右方向円偏光された光からなるとともに前記 検出器手段に指向され、さらに、前記第２経路内のビームの部分は左方向円偏光 された光からなる偏光ビームスプリッタと、 前記第２経路に沿って配置されていてビームの角度的広がりを光の波長の関 数として作る第２分散手段であって、前記角度的広がりは前記フィルタ手段の前 記スリットの配向に対して直交する方向にある第２分散手段と、 前記ビームの透過部分を、前記第２分散手段を通過した後に受けとる第２検 出器手段であって、個別の素子の二次元アレーを含むとともに、個々の光線の強 度を前記ビーム内の位置の関数として測定するように配向された少なくとも１つ の行素子と、前記ビームの個々の光線強度を波長の関数として測定するための少 なくとも１つの列素子とを持つ第２検出器手段と備える検出装置。 ７ 請求項６の検出装置において、さらに、前記サンプルの偏光パラメータに関 する情報を導き出すためのプロセッサ手段を含み、該プロセッサ手段は一方の検 出器手段内の１つの行の素子によって発生された強度測定値の加算値を、他方の 検出器手段の対応する行内の素子によって発生された強度測定値の加算値から減 算するように機能する検出装置。 ８ 請求項６の検出装置において、さらに、前記サンプルの偏光パラメータに関 する情報を導き出すためのプロセッサ手段を含み、該プロセッサ手段は一方の検 出器手段内の１つの素子によって発生された強度測定値を、他方の検出器手段の 対応する素子によって発生された強度測定値から減算するように機能する検出装 置。 ９ 請求項６の検出装置において、前記スリットは前記Ｓ及びＰ偏光状態に関し て４５度の角度で配向されている検出装置。 10 請求項１の検出装置において、さらに、前記分散手段と前記検出器手段との 間に配置されていてビームを再コリメートするレンズ手段を含む検出器手段。 11 請求項１の検出装置において、前記分散手段は格子である検出装置。 12 請求項１の検出装置において、前記分散手段はホログラフィープレートであ る検出装置。 13 請求項１の検出装置において、前記分散手段はプリズムである検出装置。 14 請求項１の検出装置において、前記検出器手段はさらに前記ビームの偏光状 態を分析する手段を含む検出装置。 15 請求項１４の検出装置において、前記サンプルに向けられた前記プローブビ ームは既知の偏光状態を持ち、さらに、前記ビームが前記サンプルと相互作用を 行った後に、前記ビームの個々の光線の偏光状態を分析する手段を含む検出装置 。 16 請求項１５の検出装置において、サンプルと相互作用するビームは一方の軸 線に沿って支配的にＳ偏光されるとともに直交軸線に沿って支配的にＰ偏光され 、また、前記ビーム内の光線の偏光状態を分析する手段は、 前記プローブビーム内の一方の偏光状態の位相を、前記ビーム内の他方の偏 光状態の位相に対して遅延させる手段と、 前記サンプルの表面に対する方位角の周りに関して回転可能な偏光器とを備 える検出装置。 17 多色ビーム内の光線の強度を、該ビーム内の位置の関数として、かつ複数の 波長において同時に測定し、ビームの偏光が一方の軸線に沿って支配的にＳ偏光 されるとともに直交軸線に沿って支配的にＰ偏光される検出装置であって、 前記ビームの経路内に配置されており、Ｓ又はＰ偏光された光のみを透過す るように前記軸線の一方に沿って向けられて細長いスリットを含むフィルタ手段 と、 前記ビームの透過部分の角度的広がりを光の波長の関数として作る分散手段 であって、前記角度的広がりが前記フィルタ手段の開口の方向と直交する方向と なる分散手段と、 前記ビームの透過部分を前記分散手段を通過した後に受けとる検出器手段で あって、別々の素子の二次元アレーを含むとともに、個々の光線の強度を前記ビ ーム内の位置の関数として測定するように指向された少なくとも１つの行素子と 、前記ビームの個々の光線強度を波長の関数として測定するための少なく とも１つの列素子とを持つ検出器手段と備える検出装置。 18 請求項１１の検出装置において、前記スリットの寸法は、前記検出器手段に 落ちたビームの透過部分のイメージの寸法が行の検出素子の寸法に対応するよう に選択されている検出装置。 19 請求項１１の検出装置において、前記フィルタ手段は前記スリットがビーム の直径と整合するように配置されている検出装置。 20 請求項１１の検出装置において、前記分散手段は格子である検出装置。 21 請求項１１の検出装置において、前記分散手段はホログラフィープレートで ある検出装置。 22 請求項１１の検出装置において、前記分散手段はプリズムである検出装置。 23 請求項１１の検出装置において、前記検出器手段はさらに前記ビームの偏光 状態を分析する手段を含む検出装置。 24 請求項２３の検出装置において、前記ビーム内の光線の偏光状態を分析する 手段は、 前記プローブビーム内の一方の偏光状態の位相を、前記ビーム内の他方の偏 光状態の位相に対して遅延させる手段と、 前記サンプルの表面に対する方位角に関して回転可能な偏光器とを備える検 出装置。 25 サンプル上に形成された薄いフィルムを評価する装置であって、 プローブビームを発生するための多色光源と、 前記プローブビームの複数の異なる波長を選択的に透過させるカラーフィル タ手段と、 前記プローブビームを前記サンプルの表面上に収束する手段であって、これ により、前記収束されたプローブビーム内の光線が前記表面に対して入射角の広 がりを作るようにする収束手段と、 前記プローブビームが基板の表面と相互作用を行った後に前記プローブビー ムを受けとる検出器手段であって、複数の入射角の各々においてさまざまな光線 の強度を測定する検出器手段と、 複数の異なる波長において前記検出器手段によって作られる角度依存の強度 測定値に基づいてサンプルを評価するプロセッサ手段であって、前記強度測定値 が前記プローブビームと前記薄いフィルムの表面及び前記薄いフィルムと前記サ ンプルとの間の界面との干渉影響の関数であるプロセッサ手段とを備える評価装 置。 26 請求項２５の装置において、前記プローブビームは前記サンプルの表面と実 質的に直角に収束される装置。 27 請求項２６の装置において、前記プローブビームを収束する手段は球面の顕 微鏡対物レンズである装置。 28 請求項２７の装置において、前記プローブビームは直線偏光され、また、前 記レンズは、一方の軸線に沿って支配的にＳ偏光されるとともに直交軸線に沿っ て支配的にＰ偏光される入射光線を作るように機能する装置。 29 請求項２８の装置において、前記検出器手段は前記プローブビームのＳ及び Ｐ偏光された成分を分離するとともに測定する装置。 30 サンプルを評価する装置であって、 プローブビームを発生するための多色光源と、 前記プローブビームを前記サンプルの表面上に収束するレンズ手段であって 、これにより、前記収束されたプローブビーム内の光線が前記表面に対して入射 角の広がりを作るようにするレンズ手段と、 前記ビームが前記サンプルと相互作用を行った後の前記ビームの経路に配置 されており、前記ビームの一部を透過する細長いスリットを含むフィルタ手段で あって、前記レンズ手段のイメージ面内に配置されたフィルタ手段と、 前記ビームの透過部分の角度的広がりを光の波長の関数として作る分散手段 であって、前記角度的広がりが前記フィルタ手段のスリットの方向と直交する方 向となる分散手段と、 前記ビームの透過部分を前記分散手段を通過した後に受けとる検出器手段で あって、別々の素子の二次元アレーを含むとともに、個々の光線の強度を前記ビ ーム内の位置の関数として測定するように指向された少なくとも１つの行素子と 、前記ビームの強度を波長の関数として測定するための少なくとも１つの列素子 とを持つ検出器手段と、 複数の異なる波長において前記検出器手段によって作られる角度依存の強度 測定値に基づいてサンプルを評価するプロセッサ手段とを備える評価装置。 31 請求項３０の装置において、さらに、前記プローブビームが前記サンプルと 相互作用を行った後の前記プローブビームの経路内に配置されたリレーレンズを 含み、該リレーレンズが、ビームのイメージが前記レンズ手段を出るときに、該 ビームのイメージを前記フィルタ手段の面内に配置する装置。 32 請求項３１の装置において、前記スリットの寸法は、前記検出器手段に落ち たビームの透過部分のイメージの寸法が行の検出器素子の寸法に対応するように 選択されている装置。 33 請求項３１の装置において、前記フィルタ手段は前記スリットがビームの直 径と整合するように配置されている装置。 34 請求項３１の装置において、ビームの偏光が一方の軸線に沿ってＳ偏光が支 配的に行われるとともに直交軸線に沿ってＰ偏光が支配的に行われ、また、前記 スリットはＳ又はＰ偏光された光のみが透過するように前記軸線の一方に沿って 指向される装置。 35 サンプルのパラメータを評価する装置であって、 プローブビームを発生する非コヒーレント光源と、 前記プローブビームをサンプル上のスポットに収束する主レンズ手段と、 前記プローブビームを、前記サンプルと相互作用した後に分析する検出器手 段と、 該検出器手段の前に配置されていて焦点面内にサンプルイメージを発生する リレーレンズと、 前記検出器手段と前記リレーレンズとの間に配置されるとともに前記リレー レンズの焦点面内に配置されているブロック手段であって、複数のことなるすん ぽおうの開口を持ち、該開口が前記サンプルの中継されたイメージの一部のみを 透過するように選択的に配置可能であり、前記開口の直径が検出器によって分析 されるサンプル上の領域の寸法を制御するブロック手段とを備える評価装置。
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