JPS63186104A - エリプソメ−タ - 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】 〈産業上の利用分野〉 この発明は、半導体表面等に形成されたＳ膜の膜厚およ
び屈折率を光を用いて測定するエリプソメータに関し、
特に複数の入射角を有する光を同時に照射することが出
来るエリプソメータに関するものである。

〈従来技術〉 エリプソメータは光の偏光特性を利用して数人〜数μｍ
の厚さの簿膜の膜厚およびこのｉＪＩ！ｌの組成に関係
する屈折率を測定するものであり、とくにＬＳＩ等の開
発、製造に多く用いられている。この様なエリプソメー
タはその測定手順によって測光形と消光形に分けられる
。

第５図に測光形エリプソメータの構成を示す。

第５図において、１は基板、２は基板１上に形成され、
その膜厚および屈折率を測定する被測定膜である。３は
レーザ光源であり、その出力光は偏光子４で偏光される
。この偏光された光はレンズ５．１／４波長板６を介し
て被測定膜２に照射される。７は入射光の光路である。

被測定膜２の上面および下面で反射した光は検光子８を
通り、フィルタ９でレーザ光源以外の光が除去された後
、半導体光検出器１０でその光強度が測定される。

１１は反射光の光路である。

この様な構成において、偏光子４は４５°方位に固定さ
れる。レーザ光ｌ！Ｉ３の光はこの偏光子４によって直
線偏光に偏光され、被測定膜２に照射される。この被測
定膜２によって反射された反射光は、検光子８で特定の
偏光成分が選択され、その光強度が半導体光検出器１０
で測定される。この光強度は検光子８の回転角度によっ
て変化する。

検光子８の１回転をｎ等分し、ｍ番目の光強度をＩｓと
すれば、 １ｍ−１ｏ　（１＋αｃｏｓ　　（４πｍ／ｎ）＋βｓ
ｉｎ　　（４πｍ／ｎ）　） となり、これからフーリエ係数 α＝　ａ　／　Ｉ　。

β−ｔ）／Ｉ。

但し 穴。

が得られる。このフーリエ係数α、βから反射光のＳ波
とｐ波の位相差の変化である位相ずれΔおよび主軸方位
変化畢が Δ−ｃｏｓ−’（β／（１−α２）Ｉ７２）甲−ｃｏｓ
”（−α）／２ として求められる。位相ずれΔ、主軸方位変化束は被測
定ｍ２の膜厚、屈折率の関数であるので、これらの値か
ら膜厚、屈折率を求めることが出来る。なお、１／４波
長板６はＳ波とｐ波の間に位相差を与えるものであり、
基本的な動作には関係しない。測光形は測定が迅速に出
来るという特徴がある。

次に消光形の動作を説明する。消光形は第５図においで
１／４波長板６の方位を±４５°とし、偏光子４と検光
子８の双方を回転して半導体光検出器１０の出力が極小
になる点を求める。このような状態において、偏光子４
と１／４波長板６とで被測定ｍ２に入射する光はだ円偏
光になり、このだ円偏光が被測定１１２で直線偏光とな
って反射される。半導体光検出器１０の出力が極小であ
るので、検光子８は直線偏光と直交する位置にあり、こ
のときの偏光子４、検光子８の角度をそれぞれＰ％Ａと
すると、反射光の位相ずれΔ、主軸方位変化ψは、 Δ＝（π／２＞−２Ｐ −Ａ となる。この測定は精度が高いという特徴がある。

〈発明が解決すべき問題点〉 しかしながら、この様なエリプソメータには次のような
欠点がある。第６図はシリコン上のシリカ層の膜厚と位
相ずれΔおよび主軸方位変化ψの関係を示したものであ
る。第６図において、横軸は主軸方位変化ψ、縦軸は位
相ずれΔであり、矢印の付いた数字は薄膜の屈折率を表
わす。図では屈折率が１．３６２．１．４５０，１．４
７５の３種類の薄膜の測定結果である。また、曲線の横
の数字は薄膜の中を光が１往復することによって起こる
移相差δであり、屈折率が１．３６２の薄膜では２０’
で３０５人に相当する。この図かられかるように、エリ
プソメータでの測定には２つの問題点がある。１つは測
定値はδ−１８０６を周期として周期性を有し、同じΔ
および東に対して複数の膜厚が対応することである。２
つ目はδ−０°の近傍では測定値を表わす曲線は薄膜の
屈折率によってはとｌυど変化しなくなり、そのためΔ
およびψから屈折率を求めることが出来なくなる。これ
ら２つの問題点を解決するために、薄膜に入射する入射
光の入射角を変えることが行なわれているが、入射側と
反射側の光軸がずれないようにして入射角を変える必要
があるため、大掛かりな装置が必要となり、かつ測定に
時間がかかる。

また、光を薄膜に対して斜めから入射しているので、入
射側と反射側の光軸を調整する必要があるため操作が繁
雑になり、また調整機構が必要になり装置が大型になる
という欠点もある。

〈発明の目的〉 この発明の目的は、簡単な構成で、かつ光学系の移動を
伴うことなく複数の入射角での測定が実行できるエリプ
ソメータを提供することにある。

〈問題点を解決するための手段〉 前記問題点を解決するために、本発明ではレーザ等の光
源の光を光分岐器によって２つに分岐し、その一方をレ
ンズ系で収束して被測定膜に照射する。また、光分岐器
の他方の出力光を周波数シフタでその周波数をシフトし
、このシフトした光と前記被測定膜で反射した反射光と
をハーフミラ−等の光学系で混合し１、この混合した光
の所定部分の光の強度と位相を光検出器で検出するよう
にしたものである。また、前記被測定膜に照射する光の
光軸がこの被測定膜にほぼ垂直になるようにし、かつこ
の照射光が前記被測定膜の表面で焦点を結ぶように制御
するようにしたものである。

く作用〉 被測定膜で反射した反射光と周波数シフトした光を混合
してそれらのビート周波数を求めて反射光の周波数を低
域側にシフトし、このシフトした光の所定部分の光強度
および位相を測定することによって被測定膜で発生した
偏光の変化量を求める。

〈実施例〉 第１図に本発明に係るエリプソメータの一実施例を示す
。第１因において、２０はレーザ光源であり、その出力
光は矢印２１の方向に直１！！偏光しているものとする
。２２は光分岐器としてのハーフミラ−であり、入力光
の一部を透過、一部を反射して入射光を２つに分岐する
。２３はビームエキスパンダであり、ハーフミラ−２２
を透過した光が入力され、そのビーム径を広げて平行光
に変換する。２４はハーフミラ−であり、ビームエキス
パンダ２３の出力光が入射されて透過させる。

２５はレンズであり、ハーフミラ−２４を透過した光を
収束して被測定１１１１２に照射する。被測定膜２の上
面および下面で反射した光はレンズ２５で平行光にされ
てハーフミラ−２４で反射され、光検出器２６に入射さ
れる。なおレンズ２５で収束され被測定膜２に照射され
る光の光軸がこの被測定膜２にほぼ垂直になるようにす
る。ハーフミラ−２２で反射された光は音響光学変調器
２７に入力される。音響光学変調器２７は発振器２８で
駆動され、その入射光を一定の周波数だけシフトする。

周波数シフトされた光はミラー２９で反射され、ビーム
エキスパンダ３０に入力される。ビームエキスパンダ３
ｏはビームエキスパンダ２３と同じものであり、入射光
のビーム径を広げて平行光に変換する。この平行光はミ
ラー３１で反射され、ハーフミラ−２４に入射され、こ
れを透過して被測定膜２で反射された光と混合されてそ
れらのビート周波数が得られ、光検出器２６に入射され
る。すなわち、ハーフミラ−２４は２つの光を混合する
光学系を構成している。光検出器２６はその入射光の強
度を電気信号に変換する。

第２図に光検出器２６の構成を示す。この図は光検出器
２６をハーフミラ−２４の側から見たものである。光検
出器２６は円形をしており、その表面にフォトダイオー
ド２６１〜２６４が取りつけられている。フォトダイオ
ード２６１と２６３は同心円上に互いに９０’Ｉ！ｌｌ
ｉ隔して取りつけられている。フォトダイオード２６２
と２６４は各々フォトダイオード２６１と２６３の内側
に同じく同心円上に９０’離隔して取りつけられている
。

フォトダイオード２６１〜２６４の出力は演算器３２に
入力され、所定の演算が施される。

次にこの実施例の動作を説明する。ハーフミラ−２２を
透過する光すなわち信号光ＥＬおよび音響光学変調器２
７で周波数シフトされる光すなわち参照光Ｅｏをそれぞ
れ Ｅｔ　−Ａｔ　ｃｏｓ　　（ωｔｔ＋ＰＬ）Ｅｏ　＝Ａ
ｏ　ＣＯ３（ωｏｔ＋９５ｏ　）とする。参照光ＥＯ％
信号光Ｅｔの周波数ω０／２π、ω＋／２πは数十ＭＨ
ｚ程度離れている。

ハーフミラ−２４によりこの参照光と信号光は混合され
、互いに干渉するので、光検出器２６での光強度■は、 ｒ　−（Ｅｏ　　＋Ｅｔ　　）　　２　＝　　（Ａｏ　
ＣＯ３ω（，１＋９’ｏ　　）　　＋Ａ、ＣＯ３（ωＬ
　１＋ψＬ））２＝Ａｏ　　２　ｃｏｓ　　２　　（ω
Ｏｊ＋５’ｏ　　）　　＋ＡＬ２　　・ｃｏｓ　　２　
（ωｔ　　ｉ　＋９’ｔ　　）　　＋Ａｏ　Ａｉ　　［
Ｃ０８（（ωθ　＋ω１＞１＋ψ０　＋ψｔ　）＋ｃｏ
ｓ（（Ｃ０−ω＋）ｔ＋Ｐｏ−ψ、）コ となる。Ｃ０、Ｃ１は１０１４程度の大きさなので、光
検出器２６はＣ０、ωｔ１ω０＋ω１が含まれている項
は平均値のみ出力する。

＜ｃｏｓ２（ωｏｊ＋９’ｏ）＞ ＝＜ｃｏｓ２（ωｉ　　ｉ＋９’＋　　）　＞−１／２
＜ｃｏｓ（（Ｃ０＋ω（）　ｔ＋ｔｐＯ＋ｐｔ　）　＞
＝Ｑ　　（＜＞は時間平均を表わす） であるから ！＝　（Ａｏ　２＋Ａｉ　２）　＋Ａｏ　Ａｉ　ＣＯ３
（（Ｃ０−ωｔ　）　ｊ　＋９５ｏ　　５’ｊ’）・ど
なる。参照光Ｅｏの振幅Ａｏ、位相ψ０は一定なので、
光強度ｒの交流成分の振幅および位相から信号光の振幅
Ａｔおよび位相９’ｌを求めることが出来る。

一方、レーザ光源２０の出力光は矢印２１の方向に直線
偏光しているので、被測定膜２に照射する矢印２１の方
向の光はｐ波となり、この矢印２１に垂直な方向の光は
Ｓ波になる。従って、フォトダイオード２６１と２６２
には入射光がｐ波の反射光が得られ、フォトダイオード
２６３と２６４には入射光がＳ波の反射光が得られる。

フォトダイオード２６１で測定される振幅をＡ　ｏ　Ａ
　ｔ　Ｔ）　％位相を９’ｏ−ψｉ　Ｔ’　Ｍフォトダ
イオード２６３で測定される光の振幅をＡｏ　Ａｊ　ｓ
　％位相をＳ’ｏ−９’ｉｓとする゛と、被測定１１２
で発生した偏光の変化量を示す主軸方位変化束、位相ず
れΔは、’４／−ｊａｎ　−’　　（Ａｏ　Ａｉ　ｐ　
／Ａｏ　Ａｔ　ｓ　＞−ｔａｎ　’　　（Ａｔｐ　／Ａ
ｉ　ｓ　）Δ＝　＜９’ｏ　−９’ｔ　ｓ　）　−（９
’ｏ　　９’ｔ　ｐ　＞＝９’ｔ　　ｐ　　−９’Ｌ　
　ｓ となる。この主軸方位変化軍、位相ずれΔは被測定Ｉ！
＊２の膜厚および屈折率の関数になるので、光検出器２
６の出力から被測定膜２の膜厚、屈折率を求めることが
出来る。また、被測定膜２に入射する光はレンズ２５で
収束され、この被測定膜２で反射した反射光は同じレン
ズ２５で平行光に変換されて光検出器２６に入射される
。そのため、光検出器２６内のフォトダイオードの半径
方向の位置によって被測定膜２に入射する入射光の入射
角が変化する。すなわち、フォトダイオード２６２．２
６４が検出する反射光に対応する入射角はフォトダイオ
ード２６１．２６３に対応するそれよりも小さくなる。

従って、光学系の配置を変えなくても光検出器２６内の
フォトダイオードの半径方向の位置を変えるだけで、異
なった入射角に対応する測定結果を得ることが出来る。

第３図に本発明の他の実施例を示す。なお、第１図と同
じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。この実施
例は光分岐器および２つの光を混合する光学系として偏
光ビームスプリッタを用い、また被測定膜２に入射する
光の光軸をこの被測定膜に垂直になるようにし、かつ被
測定膜２の表面で焦点を結ぶような制御機構を付加した
ものである。第３図において、レーザ光源２ｏの出力光
はコリメートレンズ３３で平行光に変換されて偏光ビー
ムスプリッタ３４に入射される。この偏光ビームスプリ
ッタ３４で光は２つに分岐され、その一方は音響光学変
調器２７で周波数シフトされ、ミラー２つで反射されて
偏光ビームスプリッタ３５に入射される。また偏光ビー
ムスプリッタ３４で分岐された他方の光はハーフミラ−
３６を透過し、レンズ３７で収束されて被測定１２に照
射される。被測定膜２から反射された光はレンズ３７で
平行光に変換され、ハーフミラ−３６で反射されて偏光
ビームスプリッタ３５に入射される。この偏光ビームス
プリッタ３５で音響光学変調器２７からの光と混合され
て検光子３８によってその特定の偏光成分が選択されて
その光強度が光検出器２６で検出される。測定原理は第
１図実施例と同じなので省略する。３つはハーフミラ−
であり、被測定膜２で反射され、レンズ３７で平行光に
された光の一部を分岐する。４０はハーフミラ−であり
、ハーフミラ−３９で分岐された光が入射され、この光
をさらに２つに分岐する。この分岐された光の一方は光
検出器４１に入射され、他方は凸レンズ、円筒レンズ等
を組合せたレンズ系４２を介して光検出器４３に入射さ
れる。光検出器４１．４３の出力は制御手段４４に入力
され、この制御手段４４はレンズ３７の位置を制御する
。

第４図に光検出器４１．４３の構成を示す。この図にお
いて、４１は被測定膜２に入射する光の光軸がこの被測
定膜に垂直になっているかを検出する光検出器、４３は
焦点が被測定膜の表面にあっているかを検出する光検出
器である。光検出器４１．４３共にその表面が４分割さ
れ、そのそれぞれにフォトダイオードが配置されている
。光検出器４１では互いに対抗するフォトダイオードの
出力の差が増幅器４５．４６でとられる。入射光の光軸
が被測定膜に垂直であると光検出器４１の中央に光のス
ポットが位置し、従って増幅器４５．４６の出力はいず
れもゼロになる。光軸が垂直からずれると光スポットの
位置がずれ、増幅器４５．４６の出力が変化する。この
変化は光スポットの位置すなわち光軸の垂直方向からの
傾斜に関係する。光検出器４３では対抗するフォトダイ
オードの出力の和がとられ、増幅器４７でこれらの和の
差が演算される。焦点が被測定膜の表面にあっていると
光スポットは円になるが、焦点がずれるとだ円状に広が
る。そのため増幅器４７の出力が変化する。これら増幅
器４５〜４７の出力は制御手段４４に入力される。増幅
器４５．４６出力で被測定膜２に水平方向の位置が制御
され、増幅器４７の出力で垂直方向の位置が制御される
。

なお、これらの実施例では周波数シフタとして音響光学
変調器を用いたが、他の手段例えば回転する回折格子を
用いてもよい。要はレーデ光源のスペクトルの広がりよ
りも大きく、かつ電気的な処理が可能な程度の周波数シ
フトが出来るものであればよい。

また、第２図において、光検出器２６のフオトトダイオ
ード２６１．２６３　（あるいはフォトダイオード２６
２．２６４）を互いに９０’の位置に配置したが、他の
配置でもよい。要は、ｐ波とＳ波の反射光を分離して検
出出来る位置に配置すればよい。

さらに、これらの実施例では光検出器２６に複数のフオ
トトダイオードを設置したが、単一のフォトダイオード
を移動させて使用するようにしてもよい。またフォトダ
イオードに限らず、他の光検出器を用いてもよい。

〈発明の効果〉 以上実施例に基づいて具体的に説明したように、この発
明では光源の光を２つに分岐し、一方をレンズ系で収束
して被測定膜に照射し、他方を周波数シフタで周波数シ
フトしてこの周波数シフトした光と被測定膜で反射した
反射光を光学系で混合し、この混合した光の振幅および
位相から被測定膜によって生じる偏光の変化量を求める
ようにした。そのため、入射角が異なる複数の条件の光
が同時に得られ、光学系の配置を変えることなく入射角
を変えることが出来るので、迅速な測定を実施すること
ができ、かつ装置の構成が簡単になる。

また被測定膜に入射する入射光の光軸を被測定膜に垂直
に制御し、またその焦点が被測定膜の表面に合うように
制御した。そのため被測定膜に凹凸があっても入射角や
ｐ波とＳ波の測定点がずれることがなく、正確な測定が
出来る。また、光軸を被測定面に垂直に合わせる必要が
なくなるので、取扱が容易になり、かつ迅速に測定出来
る。

さらに、本発明では周波数シックにより光の周波数をシ
フトし、このシフトした光と被測定膜からの反射光を混
合してそのビート周波数を求めて電気的処理が可能な周
波数帯域にシフトしてその振幅、位相を求めるようにし
た。そのため、偏光子や検光子の調整が不要なため、取
扱が容易になるという効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るエリプソメータの一実施例を示す
構成図、第２図および第４図は光検出器の構成を示す図
、第３図は本発明の他の実施例を示す図、第５図は従来
のエリプソメータの構成を示す図、第６図は測定結果を
示す特性曲線図である。 ２・・・被測定膜、２ｏ・・・レーザ光源、２２，２４
゜３６．３９．．４０・ｔｓ−７ミラー、２３．３０・
・・ビームエキスパンダ、２５．３７・・・レンズ、２
６゜４１．４３・・・光検出器、２７・・・音響光学変
調器、２８・・・発振器、２９．３１・・・ミラー、３
２・・・演算器、３４．３５・・・偏光ビームスプリッ
タ、３８・・・検光子１，４４・・・制御手段、４５〜
４７・・・増幅器、２６１〜２６４・・・フォトダイオ
ード。 、！１．ＤＥ６ＲＥＥＳ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）被測定膜に偏光された光を照射し、この被測定膜
   によって反射される反射光の偏光の変化量から前記被測
   定膜の膜厚および屈折率を求めるエリプソメータにおい
   て、 光源と、この光源の出力光を２つに分割する光分岐器と
   、この光分岐器の出力光の一方が入力されこの光を被測
   定膜に収束して照射するレンズ系と、前記光分岐器の他
   方の出力光が入力されその周波数をシフトさせる周波数
   シフタと、この周波数シフタの出力光および前記被測定
   膜によって反射された反射光を混合する光学系と、この
   混合された光の強度を検出する光検出器とを有し、この
   光検出器によって前記混合された光の所定部分の光強度
   および位相を測定することを特徴とするエリプソメータ
   。
2. （２）前記被測定膜に照射する光の光軸をこの被測定膜
   にほぼ垂直になるようにし、かつ前記照射光が前記被測
   定膜の表面で焦点を結ぶように制御することを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載のエリプソメータ。