JPH0772013A - エリプソメータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 試料の複数箇所を同時に測定することのでき
るエリプソメータを実現すること。 【構成】 試料表面に光を入射させ、その出射光の偏光
状態の変化から試料または試料表面に付着した膜の屈折
率、吸収率、複屈折性および膜厚等を測定する演算処理
系より構成されるエリプソメータにおいて、試料表面に
入射する光を太い平行光とするためのビームエキスパン
ダが設けられ、出射光の偏光状態の変化を検出するため
の検出器として複数の受光部材からなるイメージセンサ
が用いられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、基板表面および基板内
部からの出射光の偏光状態の変化から、基板もしくは基
板表面に付着した膜の光学定数や膜厚および複屈折性等
の物理的な量を測定するエリプソメータに関する。

【０００２】

【従来の技術】偏光解析は試料表面に測定用の光を入射
させ、その出射光の偏光状態の変化から試料の物性に起
因する位相差を示すΔと、振幅反射率比を示すΨとを求
め、これらの値から試料または試料表面に付着した膜の
屈折率、吸収率、複屈折性および膜厚等を同定するもの
である。

【０００３】上記のΔ，Ψを高速に求めるための方法と
して回転検光子法が一般的であり、回転検光子法を実現
するための光学系としては、図８に示されるものがあ
る。

【０００４】図示される光学系は、光源８１、偏光子８
２、検光子８４および検出器８５から構成されるもの
で、光源８１から出射された光が偏光子８２を通過し、
試料８３にて反射された後に検光子８４を通過して検出
器８５に入射するように構成されている（Ｐ−Ｓ−Ａ
系）。

【０００５】Δ，Ψの測定時には、偏光子８２を所定の
方位に設定して試料に直線偏光光を入射させ、検光子８
４を回転させたときの検出器８５の出力強度変化から
Δ，Ψが変数の関数として表されるフーリエ係数を求
め、これを解いてΔ，Ψを算出する。

【０００６】回転検光子法の他の光学系としては、図９
に示すように、偏光子８１と試料８３との間に光学位相
板（λ／４板）９１を設け、偏光子８２と光学位相板９
１を所定の方位に設定して試料８３に入射される光を円
偏光光や楕円偏光光とし、検光子８４か位相子９１を回
転させたときの検出器８５の出力強度変化からΔ，Ψを
変数に持つとして表されるフーリエ係数を求め、これを
解いてΔ，Ψを算出するもの（Ｐ−Ｃ−Ｓ−Ａ系）や図
１０に示すように光学位相板９１を出射光側に設けたも
の（Ｐ−Ｓ−Ｃ−Ａ系）がある。

【０００７】試料８３が載置される試料台（不図示）は
試料表面と平行に移動可能に構成され、上記の各光学系
を用いた実際の測定においては、所望とする試料の測定
点に光が照射される。試料の複数箇所を測定する場合に
は、試料台を移動させることにより各測定点での測定が
順次行われる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来のエリプ
ソメータは、同一の試料に複数の測定点が存在する場合
には各測定点での測定を順次行う構成であるが、成膜動
作中の薄膜の厚さを測定する場合等には測定点を移動さ
せる間に膜厚変化が生じてしまい、測定が意味をなさな
いものとなってしまうという問題点がある。

【０００９】本発明は上述したような従来の技術が有す
る問題点に鑑みてなされたものであって、試料の複数箇
所を同時に測定することのできるエリプソメータを実現
することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明のエリプソメータ
は、試料表面に光を入射させ、その出射光の偏光状態の
変化から試料または試料表面に付着した膜の屈折率、吸
収率、複屈折性および膜厚等を測定する演算処理系より
構成されるエリプソメータにおいて、試料表面に入射す
る光を太い平行光とするためのビームエキスパンダが設
けられ、出射光の偏光状態の変化を検出するための検出
器として複数の受光部材からなるイメージセンサが用い
られる。

【００１１】この場合、試料表面に光が入射される角度
に関わらずに、試料表面とイメージセンサの受光面とが
平行を保つようにイメージセンサを保持する回転保持機
構を設けてもよい。

【００１２】さらに、イメージセンサを構成する受光部
材のうち、測定に用いられるものが試料表面に光が入射
される角度に応じて決定されるよう構成してもよい。

【００１３】また、試料表面に光を入射させ、その出射
光の偏光状態の変化を検出する光学系と、該偏光状態の
変化から試料または試料表面に付着した膜の屈折率、吸
収率、複屈折性および膜厚等を測定する演算処理系より
構成されるエリプソメータにおいて、光学系には、試料
に入射する光を太い平行光とするためのビームエキスパ
ンダが設けられるとともに出射光の偏光状態の変化を検
出するための検出器として複数の受光部材からなるイメ
ージセンサが用いられ、演算処理系には、入力信号をデ
ィジタル値に変換する複数のディジタル変換器と、イメ
ージセンサより順次出力される各受光部材の出力信号を
入力し、所定の受光部材から出力される信号は前記複数
のディジタル変換器のうちの特定のディジタル変換器へ
順次切替えて出力する切替スイッチと、前記複数のディ
ジタル変換器の各出力について試料または試料表面に付
着した膜の屈折率、吸収率、複屈折性および膜厚等を演
算する演算処理部とが設けられている。

【００１４】

【作用】試料表面に照射される光が太い平行光とされ、
その反射光を検出する検出器にイメージセンサが用いら
れるので、複数の測定点についての測定を同一の時間内
に行うことが可能となる。

【００１５】複数のディジタル変換器および切替スイッ
チを設けた場合には、各測定点毎に１つのディジタル変
換器が用いることができるので、１つの測定点を測定す
るのとほぼ同じ測定時間にて測定がなされる。

【００１６】また、試料の移動無しで膜厚や屈折率の分
布を測定できる。

【００１７】回転保持機構を設けたものにおいては、試
料表面に光が入射される角度に関することなく試料表面
での光の形状とイメージセンサの受光面での光の形状が
同じものとなるので、各受光部材の検出結果を用いてイ
メージ表示する場合に補正処理を行う必要がなくなる。
このことは、測定に用いる受光部材を試料表面に光が入
射される角度に応じて決定するものにおいても同様であ
る。

【００１８】

【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。

【００１９】図１乃至図３のそれぞれは、図８乃至図１
０に示した従来例と同様の（Ｐ−Ｓ−Ａ系）、（Ｐ−Ｃ
−Ｓ−Ａ系）および（Ｐ−Ｓ−Ｃ−Ａ系）の光学系に本
発明の構成を用いた実施例の構成を示す図である。

【００２０】各図中の光源１１、偏光子１２、試料１
３、検光子１４および光学位相板２１のそれぞれは、図
８乃至図９中の光源８１、偏光子８２、試料８３、検光
子８４および光学位相板９１と同様であるが、図１乃至
図３に示される各実施例とも、試料１３に入射する直前
の光路中に、試料１３への入射光を太い平行光とするた
めのビームエキスパンダ１６が設けられ、また、試料１
３から出射した光を受光する検出器としてイメージセン
サ１５が用いられている。

【００２１】図４は上記の各光学系により検出された測
定光強度からΔ，Ψの値を求める演算処理系の構成を示
すブロック図である。

【００２２】本演算処理系は、切替スイッチ３１と、デ
ィジタル変換器３２₁，３２₂，・・・，３２_nより構成
されるディジタル変換処理部３２と、演算処理部３３お
よび表示部３４より構成されている。

【００２３】上述したイメージセンサ１５の各受光部材
からの信号の読出し動作、切替スイッチの切替動作、各
ディジタル変換器３２₁〜３２_nにおける変換動作は、不
図示の制御装置によって制御される。制御装置はこの他
に、図１乃至図３に示した検光子１４の回転状態（必要
に応じて偏光子１２および光学位相板２１の回転状態）
をも制御するもので、検光子１４を所定角度回転させる
毎にイメージセンサ１５の出力値をディジタル変換させ
る。

【００２４】イメージセンサ１５を構成する複数の受光
部材から順次読み出される受光信号は切替スイッチ３１
に入力される。切替スイッチ３１は、目的とする複数の
測定点に設けられた受光部材からの信号をそれぞれ選択
してディジタル変換処理部３２内のディジタル変換器３
２₁〜３２_nへ順次切替えて出力する。ディジタル変換器
３２₁〜３２_nのそれぞれは、サンプルホールド回路およ
びＡ／Ｄコンバータとを具備するもので、上記の複数ビ
ットの信号は各ディジタル変換器３２₁〜３２_nにてディ
ジタル信号に変換されて演算処理部３３へ出力される。
演算処理部３３では、入力値に示される光強度の変化か
ら各測定点におけるΔ，Ψの値を求め、該値を表示する
表示信号を生成して表示部３４へ出力する。表示部３４
では該表示信号にしたがった表示動作を行い、測定者へ
の測定結果の表示がなされる。

【００２５】測定点に該当するイメージセンサ１５の受
光部材を選択する動作は、制御手段が、入力手段（不図
示）になされた測定者入力にしたがってイメージセンサ
１５の読出しタイミングに合わせて切替スイッチ３１を
切り換えることによってなされる。

【００２６】測定点としては任意の離れた点を選択する
ことも当然できるが、図５の斜線部に示すように、所定
エリアの受光部材５１をまとめて選択することにより、
測定誤差を軽減して測定精度を向上することもできる。

【００２７】上記のような光学系および演算処理系を用
いることによって、複数の測定点の測定を同時に行うこ
とができ、同一時刻におけるΔ，Ψを求めることが可能
となる。Δ，Ψを用いて膜厚を同定する場合には同一時
刻での試料表面の形状を確認することが可能となる。

【００２８】本発明の光学系の構成においては、ビーム
エキスパンダ１６が挿入されるため、演算処理部３３は
ビームエキスパンダ１６を挿入したことによって生じる
誤差（ビームエキスパンダの構成によって異なる）を考
慮してΔ，Ψを算出する。

【００２９】また、図１乃至図３のいずれに示した光学
系においても、試料１３に照射される光の形状は、ビー
ムエキスパンダ１６を出射した光の形状およびイメージ
センサ１５の受光面での形状とは異なるものとなる。ビ
ームエキスパンダ１６からの出射光の形状を図６（ａ）
に示すように円形であると仮定すると、試料１３上での
照射光の形状は、図６（ｂ）に示すように光の進行方向
に沿って伸びた楕円形となる。この場合の楕円形状は、
測定を行う際のビームエキスパンダ１６の出射光が試料
１３へ入射する角度（入射角度）によって異なるものと
なる。このため、入射角度が変更されると、試料１３の
同一箇所にて反射された光であっても異なる場所に設け
られた受光部材５１（図５参照）にて受光されることと
なる。この状態で表示が行われると、試料１３の各計測
点について測定者が誤認識をする恐れがあるため、図４
に示される演算処理部３３は、各入射角度毎の位置補正
データを備えており、入射角度が変更されたときには、
該入射角度に応じた受光部材５１（およびディジタル変
換器出力）を選択するように構成され、表示部３４に表
示される試料１３に変形が生じることを防いでいる。

【００３０】上記のような補正を行う場合、各入射角度
毎の補正データの量は大容量となり、装置の製造コスト
が高くなることが考えられる。

【００３１】図７は位置補正データを用いることなく、
試料１３の各計測点について測定者が誤認識することを
防止するための光学系を示す図である。

【００３２】図７中のイメージセンサ１５は、その受光
面７１が試料１３の測定面と平行になるように配置され
ている。入射角度が変更される場合にはイメージセンサ
１５も検光子１４等の他の光学素子とともに移動（回
転）するが、イメージセンサ１５に関しては移動方向と
は逆に回転する回転保持機構（不図示）が設けられ、入
射角度の変更に関わらずに、表示部３４に表示される試
料１３に変形が生じることが防止される。

【００３３】なお、上記各実施例ではディジタル変換器
を複数設け、イメージセンサからの信号を切替スイッチ
によって切替える構成を示したが、これは測定時間を従
来と同様とするためである。１つのディジタル変換器に
測定点に置かれた受光部材からの信号を順次入力して変
換させる構成としても当然よい。この場合には測定時間
が長くなるものの、演算処理系に掛かるコストが従来の
ものとほぼ同様となるという利点がある。

【００３４】また、複数の測定点に同時に光を照射し、
また、測定光を受光するための構成としてビームエキス
パンダおよびイメージセンサを用いるものとして説明し
たが、光照射手段として１平面にのみ収束作用が生じる
シリンドリカルレンズを用い、受光手段としてラインセ
ンサを用いて、試料台をシリンドリカルレンズによる収
束光と垂直な方向に移動させるように構成してもよい。
この場合には、試料台を移動させることが必要となる
が、試料に照射される光が収束されるために光源に要求
される発生光強度を弱いものとすることができる。

【００３５】さらに、イメージセンサの直前にレンズを
設けてもよい。レンズを設けることによりイメージセン
サに入射する光の径を調節することができるため、使用
するイメージセンサのサイズが制限されることが防がれ
る。特に、レンズに拡大作用が生じるものを用い、大面
積のイメージセンサを用いることによって試料の微小面
積を拡大して偏光解析を行うことができる。

【００３６】上述した実施例においては、回転検光子法
によりΔ，Ψを求めるものとして説明したが、測定法に
はこの他に光学位相板と検光子、または偏光子と検光子
を交互に回転させて消光させたときの回転角度からΔ，
Ψを求める消光法や、検光子を固定とし、光学位相板を
回転させる回転位相子法等がある。

【００３７】本発明は回転位相子法には当然適用可能で
あり、また、消光法にも適用可能である。

【００３８】消光法において、例えば図２に示した（Ｐ
−Ｃ−Ｓ−Ａ）系の光学系を用いる場合には、光学位相
板２１を所定の方位角に固定したうえで、試料１３の反
射光が直線偏光となるように偏光子１２の方位角を調節
する。これにより、検光子１４の角度を調節して消光す
ることが可能となる。該消光時の偏光子１２と検光子１
４の方位角からΔ，Ψが求められる。消光状態はイメー
ジセンサ１５によって検出可能であり、消光点を探すた
めに検光子を回転させるときには偏光子は停止された状
態である。このため、イメージセンサ１５の各受光部材
の光検出強度が最低となるときの検光子の回転角度を検
出することにより回転検光子法と同様に複数の測定点の
Δ，Ψを同時に測定することができる。

【００３９】さらに近年では上述した回転検光子法、回
転位相子法および消光法の他に、力が加えられたときに
複屈折を生じるＰＥＭ（Photo Elastic Modulator）変
調素子を用いた偏光解析法が提唱されている。この場合
にも、本発明の構成を適用できる。

【００４０】また、設定可能な測定点の範囲はビームエ
キスパンダの能力以外に、検光子の有効面積およびイメ
ージセンサの受光面積によって限定されることになるた
め、試料の表面積によっては従来と同様の試料台の移動
機構を併用しても当然よい。

【００４１】

【発明の効果】本発明は以上説明したように構成されて
いるので、以下に記載するような効果を奏する。

【００４２】請求項１に記載のものにおいては、複数の
測定点についての測定を同時に行うことができる効果が
ある。

【００４３】請求項２に記載のものにおいては、各受光
部材の検出結果を用いてイメージ表示を行う際の補正処
理が不要となり、コストが高くなることを防ぐことがで
きる効果がある。

【００４４】請求項３に記載のものにおいては、各受光
部材の検出結果を用いてイメージ表示を行うものに、入
射角度による変形が生じることを防止することができる
効果がある。

【００４５】請求項４に記載のものにおいては、１つの
測定点を測定するのとほぼ同じ測定時間にて測定がなさ
れるため、上記効果に加えて測定時間を短縮することが
できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の光学系の構成を示す図であ
る。

【図２】本発明の実施例の光学系の構成を示す図であ
る。

【図３】本発明の実施例の光学系の構成を示す図であ
る。

【図４】本発明の実施例の演算処理系の構成を示す図で
ある。

【図５】本発明の実施例を用いて測定を行うときの測定
点の設定例を示す図である。

【図６】（ａ），（ｂ）のそれぞれは、ビームエキスパ
ンダ１６からの出射光の形状と、試料１３上での照射光
の形状を示す図である。

【図７】本発明の他の実施例の光学系の構成を示す図で
ある。

【図８】従来例の光学系の構成を示す図である。

【図９】従来例の光学系の構成を示す図である。

【図１０】従来例の光学系の構成を示す図である。

【符号の説明】

１１ 光源 １２ 偏光子 １３ 試料 １４ 検光子 １５ イメージセンサ １６ ビームエキスパンダ ２１ 光学位相板 ３１ 切替スイッチ ３２ ディジタル変換処理部 ３２₁〜３２₃ ディジタル変換器 ３３ 演算処理部 ３４ 表示部 ５１ 受光部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 富田 千登美 神奈川県川崎市宮前区土橋５丁目４番１ フォトデバイス株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料表面に光を入射させ、その出射光の
   偏光状態の変化から試料または試料表面に付着した膜の
   屈折率、吸収率、複屈折性および膜厚等を測定する演算
   処理系より構成されるエリプソメータにおいて、 試料表面に入射する光を太い平行光とするためのビーム
   エキスパンダが設けられ、 出射光の偏光状態の変化を検出するための検出器として
   複数の受光部材からなるイメージセンサが用いられるこ
   とを特徴とするエリプソメータ。
2. 【請求項２】 請求項１記載のエリプソメータにおい
   て、 試料表面に光が入射される角度に関わらずに、試料表面
   とイメージセンサの受光面とが平行を保つようにイメー
   ジセンサを保持する回転保持機構を有することを特徴と
   するエリプソメータ。
3. 【請求項３】 請求項１記載のエリプソメータにおい
   て、 イメージセンサを構成する受光部材のうち、測定に用い
   られるものが試料表面に光が入射される角度に応じて決
   定されることを特徴とするエリプソメータ。
4. 【請求項４】 試料表面に光を入射させ、その出射光の
   偏光状態の変化を検出する光学系と、該偏光状態の変化
   から試料または試料表面に付着した膜の屈折率、吸収
   率、複屈折性および膜厚等を測定する演算処理系より構
   成されるエリプソメータにおいて、 光学系には、 試料に入射する光を太い平行光とするためのビームエキ
   スパンダが設けられるとともに出射光の偏光状態の変化
   を検出するための検出器として複数の受光部材からなる
   イメージセンサが用いられ、 演算処理系には、 入力信号をディジタル値に変換する複数のディジタル変
   換器と、 イメージセンサより順次出力される各受光部材の出力信
   号を入力し、所定の受光部材から出力される信号は前記
   複数のディジタル変換器のうちの特定のディジタル変換
   器へ順次切替えて出力する切替スイッチと、 前記複数のディジタル変換器の各出力について試料また
   は試料表面に付着した膜の屈折率、吸収率、複屈折性お
   よび膜厚等を演算する演算処理部とが設けられているこ
   とを特徴とするエリプソメータ。