KR20040100882A - 분광일립소미터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 분광일립소미터(Spectroscopic Ellipsometer)에 관한 것으로서, 분광일립소미터(1)의 조명부(3)는 측정용의 광원부(측정용 광원부, 31)를 구비하고, 폴라라이저(Polarizer, 32)에 의해 측정용 광원부(31)에서의 광으로부터 편광광(偏光光)이 얻어져 기판(9) 위로 안내된다. 또한, 수광부(4)는 기판(9)으로부터의 편광광의 반사광이 입사하는 애널라이저(Analyzer, 41)를 구비하고, 애널라이저(41)를 경유한 반사광이 분광기(42)에 입사하여 파장(波長)마다 편광상태가 취득된다. 분광일립소미터(1)에서는, 측정용 광원부(31)와 폴라라이저(32)와의 사이 및 애널라이저(41)를 분광기(42)의 사이 각각에만 미러(Mirror)가 배치된다. 이에 의해, 분광일립소미터(1)에서는 미러에 의해 편광광이나 그 반사광의 편광상태가 변화되지 않고, 정밀도 높은 측정이 실현되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은, 대상물에 편광(偏光)한 광(光)을 조사하여 대상물로부터의 광의 편광상태를 취득하는 분광일립소미터에 관한 것이다.
종래부터 반도체기판(이하「기판」이라고 한다) 위에 형성되는 막의 두께나 광학정수 등을 측정하기 위하여, 반도체장치의 생산현장에 분광일립소미터가 설치되어 이용되고 있다. 분광일립소미터에서는 편광된 광을 기판위에 조사(照射)하여 상기 반사광의 파장마다의 편광상태를 취득하고, 편광해석하는 것에 의해 단층막이나 다층막에 대한 각종측정을 한다.
이러한 분광일립소미터로서, 미국특허 제 5910842호의 명세서에서는, 반사미러(Reflection mirror)만을 사용하여 폴라라이저로부터의 편광한 광을 기판에 안내함과 동시에 기판으로부터의 반사광을 애널라이저(Analyzer)에 안내하는 것에 의해, 색수차 (Color aberration)의 발생을 억제하면서 반사광의 편광상태를 취득하는 것이 개시되어 있다.
그런데, 최근, 반도체장치 회로패턴의 미세화·복잡화에 따라, 기판위에 형성되는 막의 두께에 높은 정밀도가 요구되기 때문에, 분광일립소미터에 의한 측정의 고정밀도화가 요구되고 있다. 동시에, 생산현장의 공간절약화를 도모하기 위해서, 분광일립소미터의 소형화도 요구되고 있다.
그런데, 미국특허 제 5910842호의 방법에서는 폴라라이저와 애널라이저 사이의 광로(光路) 위에 미러가 설치되어 지기 때문에, 광의 편광상태가 변화되거나, 미러의 열변형 등의 영향에 의하여 광의 편광상태가 변동하는 우려가 있고, 기판위에 조사되는 광이 반사할 때의 편광상태의 변화(즉, 반사광의 편광상태)를 정밀도 좋게 취득하기 곤란하다. 미러에의 광의 입사각을 작게 하여 편광상태의 변화를 억제하는 대책도 생각되지만, 구조상의 제약으로부터 분광일립소미터가 대형화해 버린다.
본 발명은, 상기한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 편광해석에 이용되는 정보를 정밀도 좋게 취득하는 것을 제 1의 목적으로 하고, 분광일립소미터의 소형화를 도모하는 것을 제 2의 목적으로 하고 있다.
도 1은, 분광일립소미터의 구성을 나타내는 도이다.
도 2는, 폴라라이저의 일부를 나타내는 도이다.
도 3은, 폴라라이저의 일부를 나타내는 종단면도이다.
도 4는, 폴라라이저의 편광특성을 나타내는 도이다.
본 발명은, 상기한 목적을 달성하기 위하여 다음과 같은 구성을 채용한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 분광일립소미터는, 편광한 광을 대상물에 안내하는 조명부와, 상기 대상물로부터의 상기 편광한 광의 반사광을 수광하여 상기 반사광의 파장마다의 편광상태를 취득하는 수광부를 구비하고, 상기 조명부가, 광원부와, 상기 광원부로부터의 광으로부터 상기 편광한 광을 얻는 편광소자인 폴라라이저를 가지고, 상기 광원부로부터 상기 대상물에 이르는 광로 위에 있어서, 적어도 1개의 반사미러가 상기 광원부와 상기 폴라라이저의 사이에만 배치된다.
이에 따라, 대상물에 폴라라이저로부터의 편광한 광을 편광상태 그대로 조사 할 수가 있고, 측정 정밀도를 높일 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 분광일립소미터는, 편광한 광을 대상물에 안내하는 조명부와, 상기 대상물로부터의 상기 편광한 광의 반사광을 수광하여 상기 반사광의 파장마다의 편광상태를 취득하는 수광부를 구비하고, 상기 수광부가, 상기 반사광이 입사하는 편광소자인 애널라이저와, 상기 애널라이저를 경유한 상기 반사광이 입사하는 분광기를 구비하고, 상기 대상물로부터 상기 분광기에 이르는 광로 위에 있어서, 적어도 1 개의 반사미러가 상기 애널라이저와 상기 분광기의 사이에만 배치된다.
이것에 의해, 대상물로부터의 반사광을 편광상태를 변화시키는 일이 없이 애널라이저로 안내할 수 있고, 측정정밀도를 높일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 분광일립소미터는, 편광한 광을 대상물에 안내하는 조명부와, 상기 대상물로부터의 상기 편광한 광의 반사광을 수광하여 상기 반사광의 파장마다의 편광상태를 취득하는 수광부를 구비하고, 상기 조명부가, 광원부와, 상기 광원부로부터의 광으로부터 상기 편광한 광을 얻는 편광소자인폴라라이저와, 상기 광원부로부터 상기 폴라라이저를 경유하여 상기 대상물에 이르는 광로 위에 배치된 복수의 회전 타원체미러를 구비한다.
복수의 회전 타원체미러에 의하여 광로가 되돌아 가는 것에 의해, 분광일립소미터의 소형화를 도모할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 분광일립소미터는, 편광한 광을 대상물로 안내하는 조명부와, 상기 대상물로부터의 상기 편광한 광의 반사광을 수광하여 상기 반사광의 파장마다의 편광상태를 취득하는 수광부를 구비하고, 상기 조명부가 광원부와, 상기 광원부로부터의 광으로부터 상기 편광한 광을 얻는 편광소자인 폴라라이저와, 보조광을 출사하는 또하나의 광원부와, 상기 보조광을 상기 광원부로부터의 광과 중첩되는 광학소자와, 상기 또 하나의 광원부로부터 상기 폴라라이저에 이르는 광로 위에 있어서, 상기 광원부로부터 상기 대상물에 이르는 광학계의 개구조임 위치와 광학적으로 거의 공역(共役)한 위치에 배치된 차광패턴을 구비하고, 상기 수광부가, 상기 반사광이 입사하는 편광소자인 애널라이저와, 상기 애널라이저를 경유한 상기 반사광이 입사하는 분광기와, 상기 반사광으로부터 상기 보조를 취출하는 또 하나의 광학소자와, 상기 차광패턴과 광학적으로 공역한 위치에 배치되어, 상기 또 하나의 광학소자로부터의 상기 보조광을 수광하여 상기 차광패턴의 상을 취득하는 촬상부를 구비하고, 상기 조명부 또는 상기 수광부가 상기 폴라라이저 또는 상기 애널라이저를 회전하는 회전기구를 구비한다.
보다 바람직한 형태에서는, 분광일립소미터는, 상기 촬상부에서 취득된 화상으로부터 상기 기판의 경사각을 구하고, 상기 경사각 및 상기 편광상태에 근거해서상기 기판 위에 형성된 막에 대하여 편광해석 하는 연산부를 다시 구비한다.
이에 따라, 대상물의 경사각을 구할 수 있는 동시에 분광일립소미터의 소형화를 도모할 수 있다.
바람직한 형태에서는, 상기 광학소자는, 상기 기판상의 조사위치와 광학적으로 공역한 위치에 배치되어, 상기 광원부에서의 광이 수속(收束)되면서 그 개구로 안내되는 핀홀미러이며, 상기 보조광이 상기 핀홀미러에 의해 반사되는 것에 의해 상기 광원부에서의 상기 광과 중합된다. 더욱이, 상기 핀홀미러의 반사면에 포커스 조정용의 패턴이 형성되고 있으며, 상기 분광일립소미터가, 상기 또 하나의 광학소자에 의해 취출된 상기 반사광의 일부를 반사하는 하프미러와 상기 핀홀미러와 광학적으로 공역한 위치에 배치되어, 상기 하프미러로부터의 광을 수광하여 상기 기판위의 상기 포커스조정용 패턴의 상을 취득하는 또 하나의 촬상부와, 상기 또 하나의 촬상부에서 취득된 상의 콘트라스트에 기초하여 상기 기판을 상승하는 것에 의해 포커스조정을 하는 승강기구 등을 다시 구비한다.
이에 따라, 분광일립소미터의 소형화를 도모하면서 포커스조정을 할 수 있다.
본 발명의 상기 어느 실시예에 있어서, 바람직하게는, 상기 폴라라이저는, 시트 모양의 편광소자이며, 이것에 의해, 편광해석에 있어서의 색수차의 영향을 억제 시킨다. 더욱 바람직하게는, 상기 폴라라이저는, 투광판 위로 일정한 간격에서 복수의 금속선을 배열 형성한 투과형의 그레이팅 편광소자이며, 이것에 의해, 광범위한 파장대에 속하는 편광한 광을 안정되게 얻을 수 있다.
본 발명의 상기한 내용과 다른 목적, 특징, 관점 및 잇점들은 첨부된 도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해 질 것이다.
[실시예]
도 1은 본 발명의 실시형태에 관한 분광일립소미터(1)의 구성을 나타내는 도면이다. 분광일립소미터(1)는, 박막(단층막이라도 다층막이라도 좋다)이 형성된 기판(9)이 재치(載置)되는 스테이지(2), 스테이지(2)를 도 1 중의 X방향 및 Y방향으로 이동하는 스테이지 이동기구(21), 편광한 광(이하에서는 「편광광이라 한다」)을 기판(9) 위로 안내하는 조명부(3), 기판(9)으로부터의 편광광의 반사광을 수광하는 수광부(4), 및 각종 연산처리를 하는 CPU 나 각종정보를 기억하는 메모리 등에 의해 구성된 제어부(5)를 구비한다.
조명부(3)는 편광해석용의 광을 출사하는 고(高) 휘도(輝度)의 측정용 광원부(31, 이하, 「측정용 광원부」(measurement light source)라 한다)를 가지고, 회전하는 편광소자인 폴라라이저(32)에 의하여 측정용 광원부(31)로부터의 광으로부터 편광광이 얻어져서 기판(9) 위로 조사된다. 또한, 수광부(4)는 기판(9)으로부터의 반사광이 입사하는 편광소자인 애널라이저(41)를 가지고, 애널라이저(41)를 경유한 반사광이 분광기(42)에 입사하여 파장마다의 편광상태를 얻을 수 있다.
스테이지 이동기구(21)는, 스테이지(2)를 도 1 중의 Y방향으로 이동하는 Y방향 이동기구(22)는 모터(221)에 볼나사(미도시)가 접속되고, 모터 221이 회전함으로써, X방향 이동기구(23)도 Y방향 이동기구(22)와 마찬가지 구성으로 되어 있으며, 모터 231이 회전하면 볼나사(미도시)에 의하여 스테이지(2)가 가이드레일(232)을 따라 X방향으로 이동한다.
제어부(5)는, 각종연산을 하는 연산부(51)를 가지고, 수광부(4)로부터의 신호가 연산부(51)로 입력된다. 또한, 조명부(3) 및 스테이지 이동기구(21)도 제어부(5)에 접속되고, 제어부(5)가 이들의 구성을 제어함과 동시에 연산을 실행하는 것에 의해, 기판(9) 위의 막에 대한 편광해석에 기초하여 각종 측정결과를 취득할 수 있다.
다음에, 조명부(3) 및 수광부(4)에 대하여 상세히 설명한다. 측정용 광원부(31)는 고 휘도 크세논(Xe) 램프를 가지는 광원(311) 및 렌즈그룹(312)을 가지고, 광원(311)으로부터의 광이 렌즈그룹(312)에 의하여 모여가면서 판모양의 핀홀미러(331) 개구의 뒷면쪽으로 안내된다. 또한, 광원(311)은 다른 종류의 램프 등에 의해 구성되어도 좋고, 또한, 필요에 따라서 열선 카트필터나 냉각유니트 등이 설치되어도 좋다.
핀홀미러(331)는, 그 반사면의 법선이 X축에 직교함과 동시에 광축(J1)에 대하여 70도 만큼 경사하는 자세로 경사방향으로 고정되어 있으며, 측정용 광원부(31)로부터의 광은 핀홀미러(331)의 개구부(구체적으로는, X축에 평행한 변 및 수직한 변의 길이 150㎛의 정사각형의 개구부)를 개재하여 개구수(NA) 0.02에서 점차 넓어지면서 비구면미러(Aspherical mirror, 332)로 안내된다. 이때, 핀홀미러(331)로부터 출사된 직후의 광의 광축 J1에 수직한 광속단면의 형상은, X축에 평행한 변의 길이가 다른 변의 길이보다도 긴 150㎛ × 50㎛의 직사각형으로 된다.
비구면미러 332는 회전 타원체면의 일부인 반사면을 가지고 있으며, 오목면의 비구면미러 332에 입사하는 광은 오목면의 비구면미러 333에 다시 안내된다. 비구면미러 333도 비구면미러 332와 마찬가지로 회전 타원체미러이며, 비구면미러 333에서 반사된 광은 NA 0.1에서 집광되어 가면서 폴라라이저(32)로 안내된다.
폴라라이저(32)는, 후술하는 바와 같이, 시트모양(박판모양을 포함)의 편광소자이며, 스텝핑모터(321)의 내측에 위치하는 중공(中空) 회전체(샤프트) 내에 고정되는(즉, 중공 타입의 스텝핑모터(321)의 중공부에 배치된다). 스텝핑모터(321)는 제어부(5)의 제어에 의하여 광축 J1에 평행한 축을 중심으로 하여 회전하고, 이에 따라, 스텝핑모터(321)의 회전각에 따른 편광광이 폴라라이저(32)로부터 안내되어 나와서 70도의 입사각으로 기판(9) 위로 조사된다.
조명부(3)에서는, 핀홀미러(331)로부터 기판(9)에 이르는 광학계는, 1 : 5의 축소광학계로 되어 있으므로 기판(9)의 표면근처에 있어서 편광광의 광축 J1에 수직한 광속단면의 형상은, X축에 평행한 변의 길이가 30㎛이며, 다른 변의 길이가 10㎛인 직사각형으로 된다. 따라서, 기판(9)에 있어서 편광광의 조사영역은 대략 30㎛ × 30㎛인 정사각형의 미소영역으로 된다.
도 2는 폴라라이저(32)의 일부를 나타내는 도이며, 도 3은 폴라라이저(32)의 일부를 나타내는 종 단면도이다. 도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 폴라라이저(32)는 유리로 형성되는 시트모양의 투광판(322)을 가지고, 투광판(322) 위에는, 예를 들면 탄타륨(Ta)을 증착(蒸着)함으로써 형성되는 복수의 금속선(323)이 설치된다. 복수의 금속선(323)은, 도 2에 나타내는 바와 같이, 각각이 사각형의 투광판(322)의 표면 위에 있어서 일변(一邊)에 따르는 방향(이하,「특정방향」이라고 한다)으로 신장함과 동시에 특정방향에 수직한 방향으로 일정한 간격을 벌려 배열하여 형성되고 있으며, 폴라라이저(32)는 와이어 그리드 폴라라이저(wire grid polarizer, ((또는, 그레이팅 폴라라이저(grating polarizer))로 불리는 투과형의 그레이팅 편광소자로 되어있다.
도 2의 폴라라이저(32)에 대하여 부호 71의 화살표가 나타내는 방향으로부터 광이 입사하면, 특정방향으로 평행한 편광성분은 금속선(323)에 의하여 부호 72의 화살표가 나타내는 방향으로 반사되고, 특정방향에 수직한 편광성분은 부호 73의 화살표로 나타내도록 폴라라이저(32)를 투과하고, 실제로는 회전하는 폴라라이저(32)의 회전각에 따른 편광광이 안내되어 나온다. 또한, 입사하는 광의 특정방향에 평행한 편광성분의 일부는, 상기 전장(電場)에 의하여 금속선(323) 중의 전자를 특정방향으로 이동시키는 것에 의하여 주울열(Joule heat)을 발생시켜서 금속선(323)에 흡수된다. 이에 대하여, 특정방향에 수직한 편광성분도, 상기 전장에 의해 금속선(323) 중의 전자를 특정방향에 수직한 방향으로 이동시키지만, 상기 거리가 제한되므로 금속선(323)에 흡수되는 비율은 특정방향에 평행한 편광성분보다도 적다.
도 4는, 폴라라이저(32)의 편광특성을 나타내는 도면이며, 도 3에 나타내는 금속선(323)의 높이 d가 300㎚, 폭 B가 100㎚이며, 금속선(323)의 피치 A가 200㎚인 경우의 것을 나타내고 있다. 또한 도 4의 종축은 투과율을 나타내며, 횡축은 파장을 나타낸다. 도 4 중의 선 그룹 81은 폴라라이저(32)로의 광의 입사각이 0도, 2.5도, 5도, 10도 및 15도 경우의 특정방향에 평행한 편광성분의 분광 투과율을 나타내고 있다. 또한, 선 그룹 82도 마찬가지로, 각각 입사각 0도, 2.5도, 5도, 10도 및 15도 경우의 특정방향에 수직한 편광성분의 분광투과율을 나타내고 있다.
도 4에 나타내는 바와 같이 폴라라이저(32)는 200㎚부터 800㎚까지의 광범위한 주파수대에 있어서, 선 그룹 82에 나타내는 특정방향에 수직한 편광성분의 투과율이, 선 그룹 81에 나타내는 특정방향에 평행한 편광성분의 투과율보다 충분히 크게 되어 있다. 또한, 도 4에 의해 폴라라이저(32)로의 광의 입사각이 15도 까지 경사하였다고 하더라도 편광광이 안정하게 안내되어 나올 수 있는 것을 알 수 있다. 바꾸어 말하면, 광이 약간 경사되게 입사되는 경우라도, 와이어 그리드 폴라라이저를 분광일립소미터용의 편광소자로서 이용이 가능하다는 것을 알 수 있다. 또한, 폴라라이저(32)는 도 4에 나타내는 편광특성을 가지는 것에 한정되지 않고, 금속선(323)도 탄타륨(Ta)이외의 금속에서 형성되어도 좋다.
이상과 같이, 조명부(3)에서는 측정용 광원부(31)와 폴라라이저(32)와의 사이의 광로 위에만 배치되는 2장의 비구면미러 332, 383에 의해, 측정용 광원부(31)로부터 핀홀미러(331)를 개재하여 출사(出射)되는 광보다도 큰 개구수에서 광이 집광되면서 폴라라이저(32)로 안내되고, 폴라라이저(32)로부터의 편광광이 비교적 높은 광량에서 기판(9) 위의 미소영역으로 조사된다. 그 때, 폴라라이저(32)로서 시트모양이며 두께가 엷고, 또한, 열적으로도 안정하고 있는 와이어 그리드 폴라라이저가 사용되어 지는 것에 의해, 폴라라이저(32)에 있어서 생기는 색수차를 허용범위로 억제하면서, 자외(紫外)로부터 적외(赤外)에 걸치는 광범위한 파장대에 속하는 편광광을 안정되게 얻을 수 있다.
도 1에 나타내는 바와 같이 기판(9)로부터의 반사광은, 슬릿판(431)에 의해 받아들여져서 애널라이저(41)로 안내되어진다. 슬릿판(431)의 개구부는, X축에 평행한 변의 길이가 다른 변의 길이보다도 충분히 긴 직사각형으로 되어, X축에 수직한 방향(거의 높이에 상당하는 방향)에 관해서 개구수가 0.05로 된다. 이것에 의해, 받아들여지는 반사광의 기판(9)상의 반사각의 범위가 제한된다. 한편, X방향에 관해서는 반사광은 거의 제한되지 않기 때문에, 측정에 필요한 충분한 량의 광이 애널라이저(41)에 안내되어진다.
애널라이저(41)로서는, 고정밀도로 안정되게 광을 편광하는 로숀프리즘이 사용되고((폴라라이저(32)와 마찬가지로 시트모양의 편광소자(구체적으로는 와이어 그리드 폴라라이저)라도 좋다)), 애널라이저(41)을 투과한 광은 구면미러(432)를 개재하여 콜드미러(433)에서 반사되고, 슬릿판(434)의 개구부를 개재하여 분광기(42)에서 수광된다. 분광기(42)는, 바람직하게는, 펠티에소자(Peltier device) 등에 의해 냉각되는 이면(裏面) 조사형(照射型)의 1차원 CCD를 가지는 체르니튜너(Czerny-Turner)분광기이며, 입사하는 광이 높은 파장분해능으로 분광되어, 파장마다(예를들면, 자외선으로부터 가까운 적외선까지의 파장마다)의 광의 강도가 고감도로 측정된다. 그리고, 반사광의 파장마다의 강도가 폴라라이저(32)의 회전각에 대응할 수 있는 것에 의해, 파장마다의 반사광의 편광상태, 즉, 파장마다의 p 편광성분과 s 편광성분과의 위상차이 및 반사 진폭 비각을 취득할 수 있다,
기판(9)으로부터 분광기(42)에 이르는 광학계는 1 : 1의 광학계로 되어 있고, 슬릿판(434)의 개구부의 단면형상이 200㎛각의 정사각형으로 되어 있다. 따라서, 분광기(42)에서는 기판(9) 위에 있어서 편광광의 조사영역보다도 충분히 넓은 200㎛ × 600㎛의 사각형 영역으로부터의 광이 수광가능하게 되고, 애널라이저(41)에서 색수차가 생겼다고 하여도 분광기(42)에서 취득되는 반사광의 편광상태에 큰 영향은 생기지 않는다.
조명부(3)에는, 더욱, 추가적인 조명광(본 실시형태에서는 적외광이 사용되고, 이하,「보조광」이라고 한다)을 출사하는 발광 다이오드를 가지는 보조광원부(34)가 설치되고, 보조광원부(34)로부터의 보조광은 콘덴서렌즈(341)를 개재하여 패턴 플레이트(35)에 안내되어진다. 패턴 플레이트(35)에는 소정의 차광패턴(예를 들면, 십자의 표선)이 형성되어 있고, 보조광은 차광패턴에 대응하는 부분이 가로막아지면서 핀홀미러(331)에 안내되어진다. 또한, 보조광원부(34)는 측정용의 광과 파장이 다른 광을 생성하는 것이라면 반드시 발광 다이오드를 가지는 것일 필요는 없고, 예컨대, 램프에 의해 보조광이 생성되어도 좋다.
핀홀미러(331)의 반사면 위에는, 후술하는 포커스조정에 이용되는 포커스조정용 패턴(예컨대, 개구부로부터 떨어진 위치에 형성된 격자모양의 표선)이 형성되고 있어, 조사되는 보조광이 측정용 광원부(31)로부터의 광에 겹쳐져서 비구면미러(332)를 향하여 반사되고, 비구면미러(333) 및 폴라라이저(32)를 개재하여 기판(9) 위에 있어서 편광광의 조사위치와 같은 조사위치로 안내되어 진다.
이 때, 핀홀미러(331)의 위치와 기판(9) 위의 조사위치가 광학적으로 공역(共役)이 되기 때문에 (바꾸어 말하면, 핀홀미러(331)의 위치가 측정용 광원부(31)로부터 기판(9)에 이르는 광학계의 시야조임 위치(field stop position)에 해당하기 때문에), 기판(9) 위에는 편광광의 조사영역의 외측에 있어서 포커스조정용 패턴의 상이 형성된다. 이것에 대하여, 패턴 플레이트(35)는 측정용 광원부(31)로부터 기판(9)에 이르는 광학계의 개구조임 위치와 광학적으로 거의 공역인 위치에 배치되어 있고, 기판(9) 위의 보조광의 조사영역에는 차광패턴의 영향은 나타나지 않는다.
기판(9)로부터의 반사광은, 슬릿판(431), 애널라이저(41) 및 구면미러(432)를 개재하여 콜드미러(433)으로 안내되고, 콜드미러(433)에 있어서 반사광 중 보조광(즉, 적외광)만이 투과되어서 취출된다. 투과한 보조광은 미러(435)에서 반사되고, 하프미러(436)로 안내되어진다. 하프미러(436)에서는 보조광의 일부가 반사되고, 차광패턴 촬상부(44)에서 수광된다. 차광패턴 촬상부(44)의 위치는 패턴 플레이트(35)로부터 기판(9)의 표면을 경유해서 차광패턴 촬상부(44)에 이르는 광학계에 있어서 패턴 플레이트(35)와 광학적으로 공역이 되기 때문에, 차광패턴 촬상부(44)에는 차광패턴의 상이 결상(結像)된다. 차광패턴 촬상부(44)로부터는 차광패턴의 화상데이터가 제어부(5)에 출력된다.
보조광 중 하프미러(436)를 투과한 것은 렌즈(437)를 개재하여 기판촬상부(438)로 안내되어 수광된다. 기판촬상부(438)의 위치는 핀홀미러(331) 및 기판(9)의 표면의 위치와 광학적으로 공역으로 되고, 기판촬상부(438)에 의해 기판(9) 위의 포커스조정용 패턴의 상(像)을 얻을 수 있다. 분광에립소메타(1)에서는, 취득된 기판(9) 위 패턴의 화상의 콘트라스트에 근거하여 제어부(5)가 스테이지(2)에 설치된 스테이지 승강기구(24)를 승강하고, 기판(9)의 표면이 일정한 높이로 된다(즉, 포커스조정이 행하여진다).
분광일립소미터(1)에 의해 측정이 행하여지는 때에는, 수광부(4)에 의해 반사광의 편광상태가 취득됨과 동시에, 기판(9)이 수평면(즉, 도 1중의 XY평면)에 대하여 경사하는 경사각의 측정도 행하여진다. 구체적으로는, 측정용 광원부(31) 및 보조광원부(34) 각각으로부터의 광의 출사가 개시되고 분광기(42)에 의해 편광광의 반사광의 파장마다의 편광상태가 취득되면서 차광패턴 촬상부(44)에 의해 차광패턴의 화상이 취득된다.
이 때, 전술한 바와 같이 보조광의 조사위치에 있어서의 기판(9)의 표면의 높이가 일정하게 유지되는 동시에, 차광패턴 촬상부(44)의 위치가 패턴 플레이트(35)에 대하여 기판(9)의 표면을 경유해서 광학적으로 공역이 되는 위치로 되는 때문에, 차광패턴 촬상부(44)에서 취득되는 화상중의 차광패턴의 위치는, 기판(9)의 경사각(정확하게는, 보조광의 조사위치에 있어서의 경사각)에 대응한 위치가 된다. 따라서, 연산부(51)에 의해 취득된 화상중의 차광패턴의 중심위치와 미리 기억된 경사각이 0도 일 때의 화상중의 차광패턴의 중심위치와의 사이의 거리(벡터)가 산출되는 것에 의해, 기판(9)의 경사각(예컨대, 기판(9)의 법선방향을 나타내는 벡터)이 요구된다.
기판(9)의 경사각과 반사광의 편광상태가 취득되면, 연산부(51)에서는, 경사각(및, 경사방향)으로부터 요구되는 정확한 입사각을 사용하면서 취득된 편광상태에 기초하여 기판(9) 위의 막에 대하여 편광해석이 행하여지고, 막의 광학정수나 두께 등의 측정결과가 취득된다.
이상 설명한 바와 같이, 도 1의 분광일립소미터(1)에서는, 측정용 광원부(31)로부터 기판(9)의 표면을 경유해서 분광기(42)에 이르는 광로 위에 있어서, 반사미러가 폴라라이저(32)와 애널라이저(41)와의 사이에는 설치되지 않고, 측정용 광원부(31)과 폴라라이저(32)와의 사이 및 애널라이저(41)와 분광기(42) 사이의 각각에만 배치된다. 이것에 의해, 폴라라이저(32)로부터의 편광광을 그대로의 편광상태에서 기판(9)의 표면에 조사하는 동시에, 편광광의 반사광을 편광상태를 변화시키는 일없이 애널라이저(41)에 안내될 수 있다. 그 결과, 분광일립소미터(1)에서는 반사에 의한 편광광의 편광상태의 변화 및 편광광의 반사광의 편광상태를 정밀도 좋은 동시에 안정하게 취득 할 수가 있고, 기판(9) 위의 막에 대한 편광해석을 고정밀도로 할 수 있다.
또한, 측정용 광원부(31)와 폴라라이저(32)와의 사이에 복수의 반사미러(특히, 2개의 비구면미러 332, 333)가 배치되는 것에 의해, 광로를 복수회 구부려서 조명부(3)를 콤팩트하게 하는 것도 실현된다. 더욱이, 분광일립소미터(1)에서는, 기판(9)의 경사각을 측정하기 위해서 사용되어지는 광학계(즉, 보조광원부(34)로부터 기판(9)의 표면을 경유해서 차광패턴 촬상부(44)에 이르는 광학계)의 일부와, 편광상태를 취득하기 위해서 사용되어지는 광학계의 일부(즉, 측정용 광원부(31)로부터 기판(9)의 표면을 경유해서 분광기(42)에 이르는 광학계)가 공유되기 때문에, 분광일립소미터(1)의 소형화를 도모할 수 있다.
특히, 분광일립소미터(1)와 같이 핀홀미러(331)로부터 기판(9)의 표면을 경유하여 콜드미러(433)에 이르는 광로 위에 있어서, 반사미러가 폴라라이저(32)와애널라이저(41)와의 사이에는 설치되지 않고, 핀홀미러(331)와 폴라라이저(32)와의 사이 및 애널라이저(41)와 콜드미러(433) 사이의 각각에만 배치하는 것에 의해, 상술한 편광해석 정밀도의 향상에 부가하여 측정용 광원부(31)로부터의 광과 보조광을 정리해서 반사할 수 있고, 분광일립소미터의 소형화가 실현된다.
또한, 측정용 광원부(31)와 폴라라이저(32)와의 사이의 복수 반사미러에는, 되접어 꺾은 미러 등의 다른 종류의 미러가 적절히 포함되어도 좋다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 여러가지의 변형이 가능하다.
상기 실시형태에서는, 폴라라이저(32)에 스텝핑모터(321)를 설치할 수 있지만, 애널라이저(41)에 스텝핑모터가 설치되어도 좋다. 이 경우, 수광부(4)에 취득되는 반사광의 파장마다의 편광상태는, 애널라이저(41)의 회전각에 대응하여 취득된다. 또한, 폴라라이저(32) 또는 애널라이저(41)에는 다른 수법에 의한 회전기구가 설치되어도 좋다.
상기 실시형태에서는, 측정용 광원부(31)로부터 기판(9)의 표면을 경유해서 분광기(42)에 이르는 광로 위에 있어서, 폴라라이저(32)와 애널라이저(41)와의 사이에 반사미러가 배치되지 않지만, 분광일립소미터의 요구되는 측정 정밀도나 설계상의 형편 등에 따라서는 폴라라이저(32)와 기판(9)의 사이 및 기판(9)과 애널라이저(41)와의 사이의 어느 한쪽 만에 반사미러가 배치되어도 좋다. 특히, 분광일립소미터의 소형화 만을 목적으로 할 경우, 복수의 회전 타원체미러(3 이상이어도 좋다)는 측정용 광원부(31)로부터 폴라라이저(32)를 경유하여 기판(9)에 이르는 광로위의 어느 위치에 배치되어도 좋다.
패턴 플레이트(35)는 반드시 보조광원부(34)와 핀홀미러(331)와의 사이에 배치될 필요는 없고, 보조광원부(34)로부터 폴라라이저(32)에 이르는 광로 위에 있어서, 측정용 광원부(31)로부터 기판(9)에 이르는 광학계의 개구조임 위치와 광학적으로 거의 공역한 위치이면 어떤 위치에 배치되어도 좋다.
보조광을 측정용 광원부(31)로부터의 광과 겹치는 광학소자는, 핀홀미러(331)이외라도 좋고, 예를 들면, 하프미러라도 좋다. 마찬가지로, 반사광으로부터 보조광을 취출하는 광학소자도 콜드미러(433)와는 다른 것이어도 좋다.
분광일립소미터(1)의 구조(특히, 냉각구조)나 측정에 이용하는 편광광이 속하는 파장대에 따라서는, 예컨대, 석영유리에 PVC(폴리염화비닐)막 등을 도포하여 2색성막을 형성한(즉, 고분자재료의 이방성(異方性)을 이용한) 시트모양의 편광소자를 폴라라이저(32)로서 사용할 수도 있다.
기판(9)은, 반도체기판에 한정되지 않고, 예를 들면, 액정표시장치나 그 밖의 플랫패널 표시장치 등에 사용되는 유리기판이어도 좋다. 더욱이, 분광일립소미터(1)에 의한 측정대상은, 미세패턴이 형성되는 기판이외의 것에 형성된 막이여도 좋다.
본 발명에 의하면 대상물에 폴라라이저로부터 편광한 광을 그대로의 편광상태에서 조사할 수가 있고, 대상물로부터의 반사광을 편광상태를 변화시키는 경우 없이 애널라이저로 안내할 수 있으며 측정정밀도를 높일 수 있다. 또한, 색수차의영향을 억제할 수 있고, 분광일립소미터의 소형화를 도모할 수 있으며, 대상물의 경사각을 구할 수 있다. 또한 광범위한 파장대에 속하는 편광된 광을 안정하게 얻을 수 있다.
Claims (19)
- 분광일립소미터(Spectroscopic Ellipsometer)에 있어서,편광(偏光)한 광(光)을 대상물로 안내하는 조명부와, 상기 대상물로부터의 상기 편광 한 광의 반사광을 수광하여 상기 반사광의 파장마다의 편광상태를 취득하는 수광부를 구비하고,상기 조명부가, 광원부와, 상기 광원부로부터의 광으로부터의 상기 편광한 광을 얻는 편광소자인 폴라라이저(Polarizer)를 구비하고, 상기 광원부로부터 상기 대상물에 이르는 광로(光路) 위에 있어서, 적어도 1개의 반사미러(Mirror)가 상기 광원부와 상기 폴라라이저만에 배치는 것을 특징으로 하는 분광일립소미터.
- 제 1항에 있어서,상기 수광부가, 상기 반사광이 입사하는 편광소자인 애널라이저(Analyzer)와, 상기 애널라이저를 경유한 상기 반사광이 입사하는 분광기를 구비하고,상기 조명부 또는 상기 수광부가, 상기 폴라라이저 또는 상기 애널라이저를 회전하는 회전기구를 구비하며,상기 대상물로부터 상기 분광기에 이르는 광로 위에 있어서, 적어도 1개의 반사 미러가 상기 애널라이저와 상기 분광기와의 사이만에 배치되는 것을 특징으로 하는 분광일립소미터.
- 제 1항에 있어서,상기 폴라라이저가 시트모양의 편광소자인 것을 특징으로 하는 분광일립소미터.
- 제 3항에 있어서,상기 폴라라이저가, 투광판 위에 일정한 간격으로 복수의 금속선을 배열 형성한 투과형의 그레이팅(Grating) 편광소자인 것을 특징으로 하는 분광일립소미터.
- 제 1항에 있어서,상기 광원부와 상기 폴라라이저와의 사이에 복수의 반사미러가 배치되는 것을 특징으로 하는 분광일립소미터.
- 제 5항에 있어서,상기 복수의 반사미러에, 복수의 회전 타원체미러가 포함되는 것을 특징으로 하는 분광일립소미터.
- 분광일립소미터에 있어서,편광된 광을 대상물로 안내하는 조명부와, 상기 대상물로부터의 상기 편광된 광의 반사광을 수광하여 상기 반사광의 파장마다의 편광상태를 취득하는 수광부를 구비하고,상기 수광부가, 상기 반사광이 입사하는 편광소자인 애널라이저와,상기 애널라이저를 경유한 상기 반사광이 입사하는 분광기를 구비하고,상기 대상물로부터 상기 분광기에 이르는 광로 위에 있어서, 적어도 1 개의 반사미러가 상기 애널라이저와 상기 분광기의 사이에만 배치되는 것을 특징으로 하는 분광일립소미터.
- 분광일립소미터에 있어서,편광된 광을 대상물로 안내하는 조명부와, 상기 대상물로부터의 상기 편광된 광의 반사광을 수광하여 상기 반사광의 파장마다의 편광상태를 취득하는 수광부를 구비하고, 상기 조명부가 광원부와 상기 광원부로부터의 광으로부터 상기 편광된 광을 얻는 편광소자인 폴라라이저와 상기 광원부로부터의 상기 폴라라이저를 경유하여 상기 대상물에 이르는 광로 위에 배치된 복수의 회전 타원체미러를 구비하는 것을 특징으로 하는 분광일립소미터.
- 제 8항에 있어서,상기 폴라라이저가, 시트모양의 편광소자인 것을 특징으로 하는 분광일립소미터.
- 제 9항에 있어서,상기 폴라라이저가, 투광판위에 일정한 간격으로 복수의 금속선을 배열형성한 투과형의 그레이팅(Grating) 편광소자인 것을 특징으로 하는 분광일립소미터.
- 분광일립소미터에 있어서,편광된 광을 대상물로 안내하는 조명부와 상기 대상물로부터의 상기 편광된광의 반사광을 수광하고, 상기 반사광의 파장마다의 편광상태를 취득하는 수광부를 구비하고, 상기 조명부가 광원부와 상기 광원부로부터의 광으로부터 상기 편광한 광을 얻는 편광소자인 폴라라이저와, 보조광을 출사하는 또 하나의 광원부와, 상기 보조광이 상기 광원부로부터의 광과 중첩되는 광학소자와, 상기 또 하나의 광원부로부터 상기 폴라라이저에 이르는 광로 위에 있어서, 상기 광원부로부터 상기 대상물에 이르는 광학계의 개구조임 위치와 광학적으로 거의 공역(共役)한 위치에 배치된 차광패턴을 구비하고,상기 수광부가, 상기 반사광이 입사하는 편광소자인 애널라이저와,상기 애널라이저를 경유한 상기 반사광이 입사하는 분광기와, 상기 반사광으로부터 상기 보조를 취출하는 또 하나의 광학소자와,상기 차광패턴과 광학적으로 공역한 위치에 배치되고, 상기 또 하나의 광학 소자로부터의 상기 보조광을 수광하여 상기 차광패턴의 상(像)을 취득하는 촬상부를 구비하고,상기 조명부 또는 상기 수광부가, 상기 폴라라이저 또는 상기 애널라이저를 회전시키는 회전기구를 구비하는 것을 특징으로 하는 분광일립소미터.
- 제 11항에 있어서,상기 촬상부에서 취득된 화상으로부터 상기 기판의 경사각을 구하고, 상기 경사각 및 상기 편광상태에 근거하여 상기 기판위에 형성된 막에 대하여 편광해석을 하는 연산부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 분광일립소미터.
- 제 11항에 있어서,상기 광학소자가 상기 기판 위의 조사(照射) 위치와 광학적으로 공역한 위치에 배치되고, 상기 광원부로부터의 광이 한점에 모이면서 그 개구로 안내되는 핀홀미러이며,상기 보조광이 상기 핀홀미러로부터 반사되는 것에 의해 상기 광원부로부터의 상기 광과 중첩되는 것을 특징으로 하는 분광일립소미터.
- 제 13항에 있어서,상기 핀홀미러의 반사면에 포커스조정용의 패턴이 형성되어 있고,상기 분광일립소미터가, 상기 또 하나의 광학소자에 의하여 취출된 상기 반사광의 일부를 반사하는 하프미러와,상기 핀홀미러와 광학적으로 공역한 위치에 배치되고, 상기 하프미러로부터의 광을 수광하여 상기 기판위의 상기 포커스조정용 패턴의 상을 취득하는 또 하나의 촬상부와,상기 또 하나의 촬상부에서 취득된 상의 콘트라스트에 기초하여 상기 기판을승강하는 것에 의해 포커스조정을 하는 승강기구를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 분광일립소미터.
- 제 11항에 있어서,상기 광학소자로부터 상기 대상물에 이르는 광로(光路) 위에 있어서, 적어도 하나의 반사미러가 상기 광학소자와 상기 폴라라이저와의 사이에만 배치되는 것을 특징으로 하는 분광일립소미터.
- 제 11항에 있어서,상기 대상물로부터 상기 또 하나의 광학소자에 이르는 광로 위에 있어서, 적어도 하나의 반사미러가 상기 애널라이저와 상기 또 하나의 광학소자의 사이에만 배치되는 것을 특징으로 하는 분광일립소미터.
- 제 11항에 있어서,상기 광학소자로부터 상기 폴라라이저를 경유하여 상기 대상물에 이르는 광로 위에 배치된 복수의 회전 타원체미러를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 분광일립소미터.
- 제 11항에 있어서,상기 폴라라이저가, 시트모양의 편광소자인 것을 특징으로 하는 분광일립소미터.
- 제 18항에 있어서,상기 폴라라이저가, 투광판 위에 일정간격으로 복수의 금속선을 배열형성한투과형의 그레이팅 편광소자인 것을 특징으로 하는 분광일립소미터.
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