分光エリプソメータ
【課題】分光エリプソメータにおいて基板の傾斜角を測定するとともに小型化する。
【解決手段】分光エリプソメータ１の照明部３は測定用光源部３１および補助光源部３４を有し、補助光源部３４からの補助光は測定用光源部３１からの光と共にポーラライザ３２を介して基板９上へと導かれる。基板９にて反射された補助光はアナライザ４１を介して遮光パターン撮像部４４にて受光され、遮光パターンの像が取得される。演算部５では、遮光パターンの像に基づいて基板９の傾斜角が求められ、傾斜角を利用しつつ偏光解析が行われる。分光エリプソメータ１では、基板９の傾斜角を測定するための光学系の一部と、偏光状態を取得するための光学系の一部とが共有されるため、小型化可能とされる。
【解決手段】分光エリプソメータ１の照明部３は測定用光源部３１および補助光源部３４を有し、補助光源部３４からの補助光は測定用光源部３１からの光と共にポーラライザ３２を介して基板９上へと導かれる。基板９にて反射された補助光はアナライザ４１を介して遮光パターン撮像部４４にて受光され、遮光パターンの像が取得される。演算部５では、遮光パターンの像に基づいて基板９の傾斜角が求められ、傾斜角を利用しつつ偏光解析が行われる。分光エリプソメータ１では、基板９の傾斜角を測定するための光学系の一部と、偏光状態を取得するための光学系の一部とが共有されるため、小型化可能とされる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物に偏光した光を照射して対象物からの光の偏光状態を取得する分光エリプソメータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、半導体基板（以下、「基板」という。）上に形成される膜の厚さや光学定数等を測定するために、半導体装置の生産現場に分光エリプソメータが設置されて利用されている。分光エリプソメータでは偏光した光を基板上に照射してその反射光の波長毎の偏光状態を取得し、偏光解析することにより単層膜や多層膜に対する各種測定を行う。
【０００３】
このような分光エリプソメータとして、特許文献１では、反射ミラーのみを用いてポーラライザからの偏光した光を基板へと導くとともに基板からの反射光をアナライザへと導くことにより、色収差の発生を抑制しつつ反射光の偏光状態を取得するものが開示されている。
【特許文献１】米国特許第５９１０８４２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、近年、半導体装置の回路パターンの微細化・複雑化に伴い、基板上に形成される膜の厚さに精度が求められるため、分光エリプソメータによる測定の高精度化が求められている。同時に、生産現場の省スペース化を図るため、分光エリプソメータの小型化も要求されている。
【０００５】
ところが、特許文献１の手法ではポーラライザとアナライザとの間の光路上にミラーが設けられるため、光の偏光状態が変化したり、ミラーの熱歪み等の影響により光の偏光状態が変動する恐れがあり、基板上に照射される光が反射する際の偏光状態の変化（すなわち、反射光の偏光状態）を精度よく取得することが困難である。ミラーへの光の入射角を小さくして偏光状態の変化を抑制する対策も考えられるが、構造上の制約から分光エリプソメータが大型化してしまう。
【０００６】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、偏光解析に利用される情報を精度よく取得することを主たる目的とし、分光エリプソメータの小型化を図ることも目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の発明は、分光エリプソメータであって、偏光した光を対象物へと導く照明部と、前記対象物からの前記偏光した光の反射光を受光して前記反射光の波長毎の偏光状態を取得する受光部とを備え、前記照明部が、光源部と、前記光源部からの光から前記偏光した光を得る偏光素子であるポーラライザと、補助光を出射するもう１つの光源部と、前記補助光を前記光源部からの光と重ね合わせる光学素子と、前記もう１つの光源部から前記ポーラライザに至る光路上において、前記光源部から前記対象物に至る光学系の開口絞り位置と光学的にほぼ共役な位置に配置された遮光パターンとを有し、前記受光部が、前記反射光が入射する偏光素子であるアナライザと、前記アナライザを経由した前記反射光が入射する分光器と、前記反射光から前記補助光を取り出すもう１つの光学素子と、前記遮光パターンと光学的に共役な位置に配置され、前記もう１つの光学素子からの前記補助光を受光して前記遮光パターンの像を取得する撮像部とを有し、前記照明部または前記受光部が、前記ポーラライザまたは前記アナライザを回転する回転機構を有する。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の分光エリプソメータであって、前記撮像部にて取得された前記遮光パターンの前記像から前記対象物上の前記補助光の照射位置における傾斜角を求める演算部をさらに備える。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の分光エリプソメータであって、前記光源部から前記対象物に至る光路上において、少なくとも１つの反射ミラーが前記光源部と前記ポーラライザとの間のみに配置される。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の分光エリプソメータであって、前記対象物から前記分光器に至る光路上において、少なくとも１つの反射ミラーが前記アナライザと前記分光器との間のみに配置される。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４にいずれかに記載の分光エリプソメータであって、前記ポーラライザが、シート状の偏光素子である。
【００１２】
請求項６に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載の分光エリプソメータであって、前記光源部と前記ポーラライザとの間に複数の反射ミラーが配置される。
【００１３】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の分光エリプソメータであって、前記複数の反射ミラーが、複数の回転楕円体ミラーを含む。
【００１４】
請求項８に記載の発明は、請求項１または２に記載の分光エリプソメータであって、前記照明部が、前記光源部から前記ポーラライザを経由して前記対象物に至る光路上に配置された複数の回転楕円体ミラーをさらに有する。
【００１５】
請求項９に記載の発明は、請求項１ないし８のいずれかに記載の分光エリプソメータであって、前記ポーラライザが、透光板上に一定の間隔で複数の金属線を配列形成した透過型のグレーティング偏光素子である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、対象物の傾斜角を求めることができるとともに分光エリプソメータの小型化を図ることができる。
【００１７】
請求項３の発明では、対象物にポーラライザからの偏光した光をそのままの偏光状態で照射することができ、測定精度を高めることができる。
【００１８】
また、請求項４の発明では、対象物からの反射光を偏光状態を変化させることなくアナライザへと導くことができ、測定精度を高めることができる。
【００１９】
また、請求項５の発明では色収差の影響を抑制することができる。
【００２０】
また、請求項６ないし８の発明では、分光エリプソメータの小型化を図ることができる。
【００２１】
また、請求項９の発明では、広範囲の波長帯に属す偏光した光を安定して得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１は本発明の一の実施の形態に係る分光エリプソメータ１の構成を示す図である。分光エリプソメータ１は、薄膜（単層膜でも多層膜でもよい。）が形成された基板９が載置されるステージ２、ステージ２を図１中のＸ方向およびＹ方向に移動するステージ移動機構２１、偏光した光（以下、「偏光光」という。）を基板９上へと導く照明部３、基板９からの偏光光の反射光を受光する受光部４、および、各種演算処理を行うＣＰＵや各種情報を記憶するメモリ等により構成された制御部５を備える。
【００２３】
照明部３は偏光解析用の光を出射する高輝度の測定用光源部３１を有し、回転する偏光素子である（いわゆる、回転偏光子である）ポーラライザ３２により測定用光源部３１からの光から偏光光が得られて基板９上へと照射される。また、受光部４は基板９からの反射光が入射する偏光素子である（いわゆる、検光子である）アナライザ４１を有し、アナライザ４１を経由した反射光が分光器４２へと入射して波長毎の偏光状態が取得される。
【００２４】
ステージ移動機構２１は、ステージ２を図１中のＹ方向に移動するＹ方向移動機構２２、および、Ｘ方向に移動するＸ方向移動機構２３を有する。Ｙ方向移動機構２２はモータ２２１にボールねじ（図示省略）が接続され、モータ２２１が回転することにより、Ｘ方向移動機構２３がガイドレール２２２に沿って図１中のＹ方向に移動する。Ｘ方向移動機構２３もＹ方向移動機構２２と同様の構成となっており、モータ２３１が回転するとボールねじ（図示省略）によりステージ２がガイドレール２３２に沿ってＸ方向に移動する。
【００２５】
制御部５は、各種演算を行う演算部５１を有し、受光部４からの信号が演算部５１へと入力される。また、照明部３およびステージ移動機構２１も制御部５に接続され、制御部５がこれらの構成を制御するとともに演算を実行することにより基板９上の膜に対する偏光解析に基づく各種測定結果が取得される。
【００２６】
次に、照明部３および受光部４の詳細について説明する。測定用光源部３１は高輝度キセノン（Ｘｅ）ランプを有する光源３１１およびレンズ群３１２を有し、光源３１１からの光がレンズ群３１２により板状のピンホールミラー３３１の裏面側に導かれる。なお、光源３１１は他の種類のランプ等により構成されてもよく、また、必要に応じて熱線カットフィルタや冷却ユニット等が設けられてもよい。
【００２７】
ピンホールミラー３３１は、その反射面の法線がＸ軸に直交するとともに光軸Ｊ１に対して７０度だけ傾斜する姿勢にて斜め上向きに固定されており、測定用光源部３１からの光はピンホールミラー３３１の開口部（具体的には、Ｘ軸に平行な辺および垂直な辺の長さ１５０μｍの正方形の開口部）を介して開口数（ＮＡ）０．０２にて漸次広がりつつ非球面ミラー３３２へと導かれる。このとき、ピンホールミラー３３１から出射された直後の光の光軸Ｊ１に垂直な光束断面の形状は、Ｘ軸に平行な辺の長さが他の辺の長さよりも長い１５０μｍ×５０μｍの長方形とされる。
【００２８】
非球面ミラー３３２は回転楕円体面の一部である反射面を有しており、凹面の非球面ミラー３３２に入射する光は凹面の非球面ミラー３３３へとさらに導かれる。非球面ミラー３３３も非球面ミラー３３２と同様に回転楕円体ミラーであり、非球面ミラー３３３にて反射された光は開口数０．１にて集光されつつポーラライザ３２へと導かれる。
【００２９】
ポーラライザ３２は、後述するようにシート状（薄板状を含む。）の偏光素子であり、ステッピングモータ３２１の内側に位置する中空の回転体内に固定される（すなわち、中空タイプのステッピングモータ３２１の中空部に配置される。）。ステッピングモータ３２１は制御部５の制御により光軸Ｊ１に平行な軸を中心として回転し、これにより、ステッピングモータ３２１の回転角に応じた偏光光がポーラライザ３２から導き出されて７０度の入射角にて基板９上に照射される。
【００３０】
照明部３では、ピンホールミラー３３１から基板９に至る光学系は、５対１の縮小光学系となっているため、基板９の表面近傍における偏光光の光軸Ｊ１に垂直な光束断面の形状は、Ｘ軸に平行な辺の長さが３０μｍであり、他の辺の長さが１０μｍである長方形となる。したがって、基板９上における偏光光の照射領域はおよそ３０μｍ×３０μｍの正方形の微小領域となる。
【００３１】
図２は、ポーラライザ３２を概念的に示す図であり、図３はポーラライザ３２の一部を示す縦断面図である。図２および図３に示すようにポーラライザ３２は、ガラスにて形成されるシート状の透光板３２２を有し、透光板３２２上には、例えば、タンタル（Ｔａ）を蒸着することにより形成される複数の金属線３２３が設けられる。複数の金属線３２３は、図２に示すように、それぞれが矩形の透光板３２２の表面上において一の辺に沿う方向（以下、「特定方向」という。）に伸びるとともに特定方向に垂直な方向に一定の間隔を空けて配列して形成されており、ポーラライザ３２は、ワイヤグリッドポーラライザ（または、グレーティングポーラライザ）と呼ばれる透過型のグレーティング偏光素子となっている。
【００３２】
図２のポーラライザ３２に対して符号７１を付す矢印が示す方向から光が入射すると、特定方向に平行な偏光成分は金属線３２３により符号７２を付す矢印が示す方向に反射され、特定方向に垂直な偏光成分は符号７３を付す矢印にて示すようにポーラライザ３２を透過し、実際には回転するポーラライザ３２の回転角に応じた偏光光が導き出される。なお、入射する光の特定方向に平行な偏光成分の一部は、その電場により金属線３２３中の電子を特定方向に移動させることによりジュール熱を発生させて金属線３２３に吸収される。これに対して、特定方向に垂直な偏光成分も、その電場により金属線３２３中の電子を特定方向に垂直な方向に移動させるが、その距離が制限されるため金属線３２３に吸収される割合は特定方向に平行な偏光成分よりも少ない。
【００３３】
図４は、ポーラライザ３２の偏光特性を示す図であり、図３に示す金属線３２３の高さｄが３００ｎｍ、幅Ｂが１００ｎｍであり、金属線３２３のピッチＡが２００ｎｍである場合のものを示している。また、図４の縦軸は透過率を示し、横軸は波長を示す。図４中の線群８１は、ポーラライザ３２への光の入射角が０度、２．５度、５度、１０度および１５度の場合の特定方向に平行な偏光成分の分光透過率を示している。また、線群８２も同様に、それぞれ入射角０度、２．５度、５度、１０度および１５度の場合の特定方向に垂直な偏光成分の分光透過率を示している。
【００３４】
図４に示すように、ポーラライザ３２は２００ｎｍから８００ｎｍまでの広範囲の周波数帯において線群８２に示す特定方向に垂直な偏光成分の透過率が、線群８１に示す特定方向に平行な偏光成分の透過率より十分に大きくなっている。また、図４よりポーラライザ３２への光の入射角が１５度まで傾斜したとしても偏光光を安定して導き出すことができることが判る。換言すれば、光が僅かに斜入射される場合であってもワイヤグリッドポーラライザを分光エリプソメータ用の偏光素子として利用可能であることが判る。なお、ポーラライザ３２は図４に示す偏光特性を有するものに限定されず、金属線３２３もタンタル以外の金属にて形成されてもよい。
【００３５】
以上のように、照明部３では測定用光源部３１とポーラライザ３２との間の光路上にのみ配置される２枚の非球面ミラー３３２，３３３により、測定用光源部３１からピンホールミラー３３１を介して出射される光よりも大きな開口数にて光が集光されつつポーラライザ３２へと導かれ、ポーラライザ３２からの偏光光が比較的高い光量にて基板９上の微小領域に照射される。その際、ポーラライザ３２としてシート状であって厚さが薄く、かつ、熱的にも安定しているワイヤグリッドポーラライザが用いられることにより、ポーラライザ３２において生じる色収差を許容範囲に抑えつつ、紫外から赤外に亘る広範囲の波長帯に属す偏光光を安定して得ることができる。
【００３６】
図１に示すように基板９からの反射光は、スリット板４３１により取り込まれてアナライザ４１へと導かれる。スリット板４３１の開口部は、Ｘ軸に平行な辺の長さが他の辺の長さよりも十分に長い長方形とされ、Ｘ軸に垂直な方向（ほぼ高さに相当する方向）に関して開口数が０．０５とされる。これにより、取り込まれる反射光の基板９上の反射角の範囲が制限される。一方、Ｘ方向に関しては反射光はほとんど制限されないため、測定に必要な十分な量の光がアナライザ４１へと導かれる。
【００３７】
アナライザ４１としては、高精度に安定して光を偏光するロションプリズムが使用され（ポーラライザ３２と同様にシート状の偏光素子（具体的には、ワイヤグリッドポーラライザ）であってもよい。）、アナライザ４１を透過した光は球面ミラー４３２を介してコールドミラー４３３にて反射され、スリット板４３４の開口部を介して分光器４２にて受光される。分光器４２は、好ましくは、ペルチェ素子等により冷却される裏面照射型の１次元ＣＣＤを有するツェルニーターナー型分光器であり、入射する光が高い波長分解能にて分光され、波長毎（例えば、紫外線から近赤外線までの波長毎）の光の強度が高感度に測定される。そして、反射光の波長毎の強度がポーラライザ３２の回転角に対応付けられることにより、波長毎の反射光の偏光状態、すなわち、波長毎のｐ偏光成分とｓ偏光成分との位相差および反射振幅比角が取得される。
【００３８】
基板９から分光器４２に至る光学系は１対１の等倍光学系となっており、スリット板４３４の開口部の断面形状が２００μｍ角の正方形となっている。したがって、分光器４２では基板９上において偏光光の照射領域よりも十分に広い２００μｍ×６００μｍの矩形領域からの光が受光可能とされ、アナライザ４１にて色収差が生じたとしても分光器４２にて取得される反射光の偏光状態に大きな影響は生じない。
【００３９】
照明部３には、さらに、追加的な照明光（本実施の形態では赤外光が使用され、以下、「補助光」という。）を出射する発光ダイオードを有する補助光源部３４が設けられ、補助光源部３４からの補助光はコンデンサレンズ３４１を介してパターンプレート３５へと導かれる。パターンプレート３５には所定の遮光パターン（例えば、十字の標線）が形成されており、補助光は遮光パターンに対応する部分が遮られつつピンホールミラー３３１へと導かれる。なお、補助光源部３４は測定用の光と波長が異なる光を生成するのであれば必ずしも発光ダイオードを有するものである必要はなく、例えば、ランプにより補助光が生成されてもよい。
【００４０】
ピンホールミラー３３１の反射面上には、後述するフォーカス調整に利用されるフォーカス調整用パターン（例えば、開口部から離れた位置に形成された格子状の標線）が形成されており、照射される補助光が測定用光源部３１からの光に重ね合わされて非球面ミラー３３２に向けて反射され、非球面ミラー３３３およびポーラライザ３２を介して基板９上における偏光光の照射位置と同じ照射位置へと導かれる。
【００４１】
このとき、ピンホールミラー３３１の位置と基板９上の照射位置とが光学的に共役とされるため（換言すると、ピンホールミラー３３１の位置が測定用光源部３１から基板９に至る光学系の視野絞り位置に該当するため）、基板９上には偏光光の照射領域の外側においてフォーカス調整用パターンの像が形成される。これに対し、パターンプレート３５は測定用光源部３１から基板９に至る光学系の開口絞り位置と光学的にほぼ共役な位置に配置されており、基板９上の補助光の照射領域には遮光パターンの影響は現れない。
【００４２】
基板９からの反射光は、スリット板４３１、アナライザ４１および球面ミラー４３２を介してコールドミラー４３３へと導かれ、コールドミラー４３３において反射光のうち補助光（すなわち、赤外光）のみが透過されて取り出される。透過した補助光はミラー４３５にて反射され、ハーフミラー４３６に導かれる。ハーフミラー４３６では補助光の一部が反射され、遮光パターン撮像部４４にて受光される。遮光パターン撮像部４４の位置は、パターンプレート３５から基板９の表面を経由して遮光パターン撮像部４４に至る光学系においてパターンプレート３５と光学的に共役とされるため、遮光パターン撮像部４４には遮光パターンの像が結像される。遮光パターン撮像部４４からは遮光パターンの画像データが制御部５へと出力される。
【００４３】
補助光のうちハーフミラー４３６を透過したものはレンズ４３７を介して基板撮像部４３８へと導かれて受光される。基板撮像部４３８の位置はピンホールミラー３３１および基板９の表面の位置と光学的に共役とされ、基板撮像部４３８により基板９上のフォーカス調整用パターンの像が取得される。分光エリプソメータ１では、取得された基板９上のパターンの画像のコントラストに基づいて制御部５がステージ２に設けられたステージ昇降機構２４を昇降し、基板９の表面が一定の高さにされる（すなわち、フォーカス調整が行われる）。
【００４４】
分光エリプソメータ１により測定が行われる際には、受光部４により反射光の偏光状態が取得されるのと同時に、基板９が水平面（すなわち、図１中のＸＹ平面）に対して傾斜する傾斜角の測定も行われる。具体的には、測定用光源部３１および補助光源部３４それぞれからの光の出射が開始され、分光器４２により偏光光の反射光の波長毎の偏光状態が取得されつつ遮光パターン撮像部４４により遮光パターンの画像が取得される。
【００４５】
このとき、前述のように補助光の照射位置における基板９の表面の高さが一定に保たれるとともに、遮光パターン撮像部４４の位置がパターンプレート３５に対して基板９の表面を経由して光学的に共役となる位置とされるため、遮光パターン撮像部４４にて取得される画像中の遮光パターンの位置は、基板９の傾斜角（正確には、補助光の照射位置における傾斜角）に対応した位置となる。したがって、演算部５１により取得された画像中の遮光パターンの重心位置と予め記憶された傾斜角が０度のときの画像中の遮光パターンの重心位置との間の距離（ベクトル）が算出されることにより、基板９の傾斜角（例えば、基板９の法線方向を示すベクトル）が求められる。
【００４６】
基板９の傾斜角と反射光の偏光状態とが取得されると、演算部５１では、傾斜角（および、傾斜方向）から求められる正確な入射角を用いつつ取得された偏光状態に基づいて基板９上の膜に対して偏光解析が行われ、膜の光学定数や厚さ等の測定結果が取得される。
【００４７】
以上に説明したように、図１の分光エリプソメータ１では、測定用光源部３１から基板９の表面を経由して分光器４２に至る光路上において、反射ミラーがポーラライザ３２とアナライザ４１との間には設けられず、測定用光源部３１とポーラライザ３２との間、および、アナライザ４１と分光器４２との間のそれぞれにのみ配置される。これにより、ポーラライザ３２からの偏光光をそのままの偏光状態で基板９の表面へと照射するとともに、偏光光の反射光を偏光状態を変化させることなくアナライザ４１へと導くことができる。その結果、分光エリプソメータ１では反射による偏光光の偏光状態の変化および偏光光の反射光の偏光状態を精度よくかつ安定して取得することができ、基板９上の膜に対する偏光解析を高精度に行うことができる。
【００４８】
また、測定用光源部３１とポーラライザ３２との間に複数の反射ミラー（特に、２つの非球面ミラー３３２，３３３）が配置されることにより、光路を複数回折り曲げて照明部３をコンパクトにすることも実現される。さらに、分光エリプソメータ１では、基板９の傾斜角を測定するために用いられる光学系（すなわち、補助光源部３４から基板９の表面を経由して遮光パターン撮像部４４へと至る光学系）の一部と、偏光状態を取得するために用いられる光学系の一部（すなわち、測定用光源部３１から基板９の表面を経由して分光器４２へと至る光学系）とが共有されるため、分光エリプソメータ１の小型化を図ることができる。なお、測定用光源部３１とポーラライザ３２との間の複数の反射ミラーには、折り返しミラー等の他の種類のミラーが適宜含められてもよい。
【００４９】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。
【００５０】
上記実施の形態では、ポーラライザ３２にステッピングモータ３２１が取り付けられるが、アナライザ４１にステッピングモータが設けられてもよい。この場合、受光部４にて取得される反射光の波長毎の偏光状態は、アナライザ４１の回転角に対応付けて取得される。また、ポーラライザ３２またはアナライザ４１には他の手法による回転機構が設けられてもよい。
【００５１】
上記実施の形態では、測定用光源部３１から基板９の表面を経由して分光器４２に至る光路上において、ポーラライザ３２とアナライザ４１との間に反射ミラーが配置されないが、分光エリプソメータの要求される測定精度や設計上の都合等によってはポーラライザ３２と基板９との間、および、基板９とアナライザ４１と間のいずれか一方のみに反射ミラーが配置されてもよい。特に、分光エリプソメータの小型化のみを目的とする場合、複数の回転楕円体ミラー（３以上であってもよい。）は測定用光源部３１からポーラライザ３２を経由して基板９に至る光路上のいずれの位置に配置されてもよい。
【００５２】
パターンプレート３５は必ずしも補助光源部３４とピンホールミラー３３１との間に配置される必要はなく、補助光源部３４からポーラライザ３２に至る光路上において、測定用光源部３１から基板９に至る光学系の開口絞り位置と光学的にほぼ共役な位置であればいずれの位置に配置されてもよい。
【００５３】
補助光を測定用光源部３１からの光と重ね合わせる光学素子は、ピンホールミラー３３１以外であってもよく、例えば、ハーフミラーでもよい。同様に、反射光から補助光を取り出す光学素子もコールドミラー４３３とは異なるものであってもよい。
【００５４】
分光エリプソメータ１の構造（特に、冷却構造）や測定に利用する偏光光が属す波長帯によっては、例えば、石英ガラスにＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）膜等を塗布して２色性膜を形成した（すなわち、高分子材料の異方性を利用した）シート状の偏光素子をポーラライザ３２として用いることもできる。
【００５５】
基板９は、半導体基板に限定されず、例えば、液晶表示装置やその他のフラットパネル表示装置等に使用されるガラス基板であってもよい。さらに、分光エリプソメータ１による測定対象は、微細パターンが形成される基板以外の物に形成された膜であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】分光エリプソメータの構成を示す図である。
【図２】ポーラライザを概念的に示す図である。
【図３】ポーラライザの一部を示す縦断面図である。
【図４】ポーラライザの偏光特性を示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
１ 分光エリプソメータ
３ 照明部
４ 受光部
５ 演算部
９ 基板
３１ 測定用光源部
３２ ポーラライザ
３４ 補助光源部
３５ パターンプレート
４１ アナライザ
４２ 分光器
４４ 遮光パターン撮像部
３２１ ステッピングモータ
３２２ 透光板
３２３ 金属線
３３１ ピンホールミラー
３３２，３３３ 非球面ミラー
４３２ 球面ミラー
４３３ コールドミラー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物に偏光した光を照射して対象物からの光の偏光状態を取得する分光エリプソメータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、半導体基板（以下、「基板」という。）上に形成される膜の厚さや光学定数等を測定するために、半導体装置の生産現場に分光エリプソメータが設置されて利用されている。分光エリプソメータでは偏光した光を基板上に照射してその反射光の波長毎の偏光状態を取得し、偏光解析することにより単層膜や多層膜に対する各種測定を行う。
【０００３】
このような分光エリプソメータとして、特許文献１では、反射ミラーのみを用いてポーラライザからの偏光した光を基板へと導くとともに基板からの反射光をアナライザへと導くことにより、色収差の発生を抑制しつつ反射光の偏光状態を取得するものが開示されている。
【特許文献１】米国特許第５９１０８４２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、近年、半導体装置の回路パターンの微細化・複雑化に伴い、基板上に形成される膜の厚さに精度が求められるため、分光エリプソメータによる測定の高精度化が求められている。同時に、生産現場の省スペース化を図るため、分光エリプソメータの小型化も要求されている。
【０００５】
ところが、特許文献１の手法ではポーラライザとアナライザとの間の光路上にミラーが設けられるため、光の偏光状態が変化したり、ミラーの熱歪み等の影響により光の偏光状態が変動する恐れがあり、基板上に照射される光が反射する際の偏光状態の変化（すなわち、反射光の偏光状態）を精度よく取得することが困難である。ミラーへの光の入射角を小さくして偏光状態の変化を抑制する対策も考えられるが、構造上の制約から分光エリプソメータが大型化してしまう。
【０００６】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、偏光解析に利用される情報を精度よく取得することを主たる目的とし、分光エリプソメータの小型化を図ることも目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の発明は、分光エリプソメータであって、偏光した光を対象物へと導く照明部と、前記対象物からの前記偏光した光の反射光を受光して前記反射光の波長毎の偏光状態を取得する受光部とを備え、前記照明部が、光源部と、前記光源部からの光から前記偏光した光を得る偏光素子であるポーラライザと、補助光を出射するもう１つの光源部と、前記補助光を前記光源部からの光と重ね合わせる光学素子と、前記もう１つの光源部から前記ポーラライザに至る光路上において、前記光源部から前記対象物に至る光学系の開口絞り位置と光学的にほぼ共役な位置に配置された遮光パターンとを有し、前記受光部が、前記反射光が入射する偏光素子であるアナライザと、前記アナライザを経由した前記反射光が入射する分光器と、前記反射光から前記補助光を取り出すもう１つの光学素子と、前記遮光パターンと光学的に共役な位置に配置され、前記もう１つの光学素子からの前記補助光を受光して前記遮光パターンの像を取得する撮像部とを有し、前記照明部または前記受光部が、前記ポーラライザまたは前記アナライザを回転する回転機構を有する。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の分光エリプソメータであって、前記撮像部にて取得された前記遮光パターンの前記像から前記対象物上の前記補助光の照射位置における傾斜角を求める演算部をさらに備える。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の分光エリプソメータであって、前記光源部から前記対象物に至る光路上において、少なくとも１つの反射ミラーが前記光源部と前記ポーラライザとの間のみに配置される。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の分光エリプソメータであって、前記対象物から前記分光器に至る光路上において、少なくとも１つの反射ミラーが前記アナライザと前記分光器との間のみに配置される。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４にいずれかに記載の分光エリプソメータであって、前記ポーラライザが、シート状の偏光素子である。
【００１２】
請求項６に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載の分光エリプソメータであって、前記光源部と前記ポーラライザとの間に複数の反射ミラーが配置される。
【００１３】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の分光エリプソメータであって、前記複数の反射ミラーが、複数の回転楕円体ミラーを含む。
【００１４】
請求項８に記載の発明は、請求項１または２に記載の分光エリプソメータであって、前記照明部が、前記光源部から前記ポーラライザを経由して前記対象物に至る光路上に配置された複数の回転楕円体ミラーをさらに有する。
【００１５】
請求項９に記載の発明は、請求項１ないし８のいずれかに記載の分光エリプソメータであって、前記ポーラライザが、透光板上に一定の間隔で複数の金属線を配列形成した透過型のグレーティング偏光素子である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、対象物の傾斜角を求めることができるとともに分光エリプソメータの小型化を図ることができる。
【００１７】
請求項３の発明では、対象物にポーラライザからの偏光した光をそのままの偏光状態で照射することができ、測定精度を高めることができる。
【００１８】
また、請求項４の発明では、対象物からの反射光を偏光状態を変化させることなくアナライザへと導くことができ、測定精度を高めることができる。
【００１９】
また、請求項５の発明では色収差の影響を抑制することができる。
【００２０】
また、請求項６ないし８の発明では、分光エリプソメータの小型化を図ることができる。
【００２１】
また、請求項９の発明では、広範囲の波長帯に属す偏光した光を安定して得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１は本発明の一の実施の形態に係る分光エリプソメータ１の構成を示す図である。分光エリプソメータ１は、薄膜（単層膜でも多層膜でもよい。）が形成された基板９が載置されるステージ２、ステージ２を図１中のＸ方向およびＹ方向に移動するステージ移動機構２１、偏光した光（以下、「偏光光」という。）を基板９上へと導く照明部３、基板９からの偏光光の反射光を受光する受光部４、および、各種演算処理を行うＣＰＵや各種情報を記憶するメモリ等により構成された制御部５を備える。
【００２３】
照明部３は偏光解析用の光を出射する高輝度の測定用光源部３１を有し、回転する偏光素子である（いわゆる、回転偏光子である）ポーラライザ３２により測定用光源部３１からの光から偏光光が得られて基板９上へと照射される。また、受光部４は基板９からの反射光が入射する偏光素子である（いわゆる、検光子である）アナライザ４１を有し、アナライザ４１を経由した反射光が分光器４２へと入射して波長毎の偏光状態が取得される。
【００２４】
ステージ移動機構２１は、ステージ２を図１中のＹ方向に移動するＹ方向移動機構２２、および、Ｘ方向に移動するＸ方向移動機構２３を有する。Ｙ方向移動機構２２はモータ２２１にボールねじ（図示省略）が接続され、モータ２２１が回転することにより、Ｘ方向移動機構２３がガイドレール２２２に沿って図１中のＹ方向に移動する。Ｘ方向移動機構２３もＹ方向移動機構２２と同様の構成となっており、モータ２３１が回転するとボールねじ（図示省略）によりステージ２がガイドレール２３２に沿ってＸ方向に移動する。
【００２５】
制御部５は、各種演算を行う演算部５１を有し、受光部４からの信号が演算部５１へと入力される。また、照明部３およびステージ移動機構２１も制御部５に接続され、制御部５がこれらの構成を制御するとともに演算を実行することにより基板９上の膜に対する偏光解析に基づく各種測定結果が取得される。
【００２６】
次に、照明部３および受光部４の詳細について説明する。測定用光源部３１は高輝度キセノン（Ｘｅ）ランプを有する光源３１１およびレンズ群３１２を有し、光源３１１からの光がレンズ群３１２により板状のピンホールミラー３３１の裏面側に導かれる。なお、光源３１１は他の種類のランプ等により構成されてもよく、また、必要に応じて熱線カットフィルタや冷却ユニット等が設けられてもよい。
【００２７】
ピンホールミラー３３１は、その反射面の法線がＸ軸に直交するとともに光軸Ｊ１に対して７０度だけ傾斜する姿勢にて斜め上向きに固定されており、測定用光源部３１からの光はピンホールミラー３３１の開口部（具体的には、Ｘ軸に平行な辺および垂直な辺の長さ１５０μｍの正方形の開口部）を介して開口数（ＮＡ）０．０２にて漸次広がりつつ非球面ミラー３３２へと導かれる。このとき、ピンホールミラー３３１から出射された直後の光の光軸Ｊ１に垂直な光束断面の形状は、Ｘ軸に平行な辺の長さが他の辺の長さよりも長い１５０μｍ×５０μｍの長方形とされる。
【００２８】
非球面ミラー３３２は回転楕円体面の一部である反射面を有しており、凹面の非球面ミラー３３２に入射する光は凹面の非球面ミラー３３３へとさらに導かれる。非球面ミラー３３３も非球面ミラー３３２と同様に回転楕円体ミラーであり、非球面ミラー３３３にて反射された光は開口数０．１にて集光されつつポーラライザ３２へと導かれる。
【００２９】
ポーラライザ３２は、後述するようにシート状（薄板状を含む。）の偏光素子であり、ステッピングモータ３２１の内側に位置する中空の回転体内に固定される（すなわち、中空タイプのステッピングモータ３２１の中空部に配置される。）。ステッピングモータ３２１は制御部５の制御により光軸Ｊ１に平行な軸を中心として回転し、これにより、ステッピングモータ３２１の回転角に応じた偏光光がポーラライザ３２から導き出されて７０度の入射角にて基板９上に照射される。
【００３０】
照明部３では、ピンホールミラー３３１から基板９に至る光学系は、５対１の縮小光学系となっているため、基板９の表面近傍における偏光光の光軸Ｊ１に垂直な光束断面の形状は、Ｘ軸に平行な辺の長さが３０μｍであり、他の辺の長さが１０μｍである長方形となる。したがって、基板９上における偏光光の照射領域はおよそ３０μｍ×３０μｍの正方形の微小領域となる。
【００３１】
図２は、ポーラライザ３２を概念的に示す図であり、図３はポーラライザ３２の一部を示す縦断面図である。図２および図３に示すようにポーラライザ３２は、ガラスにて形成されるシート状の透光板３２２を有し、透光板３２２上には、例えば、タンタル（Ｔａ）を蒸着することにより形成される複数の金属線３２３が設けられる。複数の金属線３２３は、図２に示すように、それぞれが矩形の透光板３２２の表面上において一の辺に沿う方向（以下、「特定方向」という。）に伸びるとともに特定方向に垂直な方向に一定の間隔を空けて配列して形成されており、ポーラライザ３２は、ワイヤグリッドポーラライザ（または、グレーティングポーラライザ）と呼ばれる透過型のグレーティング偏光素子となっている。
【００３２】
図２のポーラライザ３２に対して符号７１を付す矢印が示す方向から光が入射すると、特定方向に平行な偏光成分は金属線３２３により符号７２を付す矢印が示す方向に反射され、特定方向に垂直な偏光成分は符号７３を付す矢印にて示すようにポーラライザ３２を透過し、実際には回転するポーラライザ３２の回転角に応じた偏光光が導き出される。なお、入射する光の特定方向に平行な偏光成分の一部は、その電場により金属線３２３中の電子を特定方向に移動させることによりジュール熱を発生させて金属線３２３に吸収される。これに対して、特定方向に垂直な偏光成分も、その電場により金属線３２３中の電子を特定方向に垂直な方向に移動させるが、その距離が制限されるため金属線３２３に吸収される割合は特定方向に平行な偏光成分よりも少ない。
【００３３】
図４は、ポーラライザ３２の偏光特性を示す図であり、図３に示す金属線３２３の高さｄが３００ｎｍ、幅Ｂが１００ｎｍであり、金属線３２３のピッチＡが２００ｎｍである場合のものを示している。また、図４の縦軸は透過率を示し、横軸は波長を示す。図４中の線群８１は、ポーラライザ３２への光の入射角が０度、２．５度、５度、１０度および１５度の場合の特定方向に平行な偏光成分の分光透過率を示している。また、線群８２も同様に、それぞれ入射角０度、２．５度、５度、１０度および１５度の場合の特定方向に垂直な偏光成分の分光透過率を示している。
【００３４】
図４に示すように、ポーラライザ３２は２００ｎｍから８００ｎｍまでの広範囲の周波数帯において線群８２に示す特定方向に垂直な偏光成分の透過率が、線群８１に示す特定方向に平行な偏光成分の透過率より十分に大きくなっている。また、図４よりポーラライザ３２への光の入射角が１５度まで傾斜したとしても偏光光を安定して導き出すことができることが判る。換言すれば、光が僅かに斜入射される場合であってもワイヤグリッドポーラライザを分光エリプソメータ用の偏光素子として利用可能であることが判る。なお、ポーラライザ３２は図４に示す偏光特性を有するものに限定されず、金属線３２３もタンタル以外の金属にて形成されてもよい。
【００３５】
以上のように、照明部３では測定用光源部３１とポーラライザ３２との間の光路上にのみ配置される２枚の非球面ミラー３３２，３３３により、測定用光源部３１からピンホールミラー３３１を介して出射される光よりも大きな開口数にて光が集光されつつポーラライザ３２へと導かれ、ポーラライザ３２からの偏光光が比較的高い光量にて基板９上の微小領域に照射される。その際、ポーラライザ３２としてシート状であって厚さが薄く、かつ、熱的にも安定しているワイヤグリッドポーラライザが用いられることにより、ポーラライザ３２において生じる色収差を許容範囲に抑えつつ、紫外から赤外に亘る広範囲の波長帯に属す偏光光を安定して得ることができる。
【００３６】
図１に示すように基板９からの反射光は、スリット板４３１により取り込まれてアナライザ４１へと導かれる。スリット板４３１の開口部は、Ｘ軸に平行な辺の長さが他の辺の長さよりも十分に長い長方形とされ、Ｘ軸に垂直な方向（ほぼ高さに相当する方向）に関して開口数が０．０５とされる。これにより、取り込まれる反射光の基板９上の反射角の範囲が制限される。一方、Ｘ方向に関しては反射光はほとんど制限されないため、測定に必要な十分な量の光がアナライザ４１へと導かれる。
【００３７】
アナライザ４１としては、高精度に安定して光を偏光するロションプリズムが使用され（ポーラライザ３２と同様にシート状の偏光素子（具体的には、ワイヤグリッドポーラライザ）であってもよい。）、アナライザ４１を透過した光は球面ミラー４３２を介してコールドミラー４３３にて反射され、スリット板４３４の開口部を介して分光器４２にて受光される。分光器４２は、好ましくは、ペルチェ素子等により冷却される裏面照射型の１次元ＣＣＤを有するツェルニーターナー型分光器であり、入射する光が高い波長分解能にて分光され、波長毎（例えば、紫外線から近赤外線までの波長毎）の光の強度が高感度に測定される。そして、反射光の波長毎の強度がポーラライザ３２の回転角に対応付けられることにより、波長毎の反射光の偏光状態、すなわち、波長毎のｐ偏光成分とｓ偏光成分との位相差および反射振幅比角が取得される。
【００３８】
基板９から分光器４２に至る光学系は１対１の等倍光学系となっており、スリット板４３４の開口部の断面形状が２００μｍ角の正方形となっている。したがって、分光器４２では基板９上において偏光光の照射領域よりも十分に広い２００μｍ×６００μｍの矩形領域からの光が受光可能とされ、アナライザ４１にて色収差が生じたとしても分光器４２にて取得される反射光の偏光状態に大きな影響は生じない。
【００３９】
照明部３には、さらに、追加的な照明光（本実施の形態では赤外光が使用され、以下、「補助光」という。）を出射する発光ダイオードを有する補助光源部３４が設けられ、補助光源部３４からの補助光はコンデンサレンズ３４１を介してパターンプレート３５へと導かれる。パターンプレート３５には所定の遮光パターン（例えば、十字の標線）が形成されており、補助光は遮光パターンに対応する部分が遮られつつピンホールミラー３３１へと導かれる。なお、補助光源部３４は測定用の光と波長が異なる光を生成するのであれば必ずしも発光ダイオードを有するものである必要はなく、例えば、ランプにより補助光が生成されてもよい。
【００４０】
ピンホールミラー３３１の反射面上には、後述するフォーカス調整に利用されるフォーカス調整用パターン（例えば、開口部から離れた位置に形成された格子状の標線）が形成されており、照射される補助光が測定用光源部３１からの光に重ね合わされて非球面ミラー３３２に向けて反射され、非球面ミラー３３３およびポーラライザ３２を介して基板９上における偏光光の照射位置と同じ照射位置へと導かれる。
【００４１】
このとき、ピンホールミラー３３１の位置と基板９上の照射位置とが光学的に共役とされるため（換言すると、ピンホールミラー３３１の位置が測定用光源部３１から基板９に至る光学系の視野絞り位置に該当するため）、基板９上には偏光光の照射領域の外側においてフォーカス調整用パターンの像が形成される。これに対し、パターンプレート３５は測定用光源部３１から基板９に至る光学系の開口絞り位置と光学的にほぼ共役な位置に配置されており、基板９上の補助光の照射領域には遮光パターンの影響は現れない。
【００４２】
基板９からの反射光は、スリット板４３１、アナライザ４１および球面ミラー４３２を介してコールドミラー４３３へと導かれ、コールドミラー４３３において反射光のうち補助光（すなわち、赤外光）のみが透過されて取り出される。透過した補助光はミラー４３５にて反射され、ハーフミラー４３６に導かれる。ハーフミラー４３６では補助光の一部が反射され、遮光パターン撮像部４４にて受光される。遮光パターン撮像部４４の位置は、パターンプレート３５から基板９の表面を経由して遮光パターン撮像部４４に至る光学系においてパターンプレート３５と光学的に共役とされるため、遮光パターン撮像部４４には遮光パターンの像が結像される。遮光パターン撮像部４４からは遮光パターンの画像データが制御部５へと出力される。
【００４３】
補助光のうちハーフミラー４３６を透過したものはレンズ４３７を介して基板撮像部４３８へと導かれて受光される。基板撮像部４３８の位置はピンホールミラー３３１および基板９の表面の位置と光学的に共役とされ、基板撮像部４３８により基板９上のフォーカス調整用パターンの像が取得される。分光エリプソメータ１では、取得された基板９上のパターンの画像のコントラストに基づいて制御部５がステージ２に設けられたステージ昇降機構２４を昇降し、基板９の表面が一定の高さにされる（すなわち、フォーカス調整が行われる）。
【００４４】
分光エリプソメータ１により測定が行われる際には、受光部４により反射光の偏光状態が取得されるのと同時に、基板９が水平面（すなわち、図１中のＸＹ平面）に対して傾斜する傾斜角の測定も行われる。具体的には、測定用光源部３１および補助光源部３４それぞれからの光の出射が開始され、分光器４２により偏光光の反射光の波長毎の偏光状態が取得されつつ遮光パターン撮像部４４により遮光パターンの画像が取得される。
【００４５】
このとき、前述のように補助光の照射位置における基板９の表面の高さが一定に保たれるとともに、遮光パターン撮像部４４の位置がパターンプレート３５に対して基板９の表面を経由して光学的に共役となる位置とされるため、遮光パターン撮像部４４にて取得される画像中の遮光パターンの位置は、基板９の傾斜角（正確には、補助光の照射位置における傾斜角）に対応した位置となる。したがって、演算部５１により取得された画像中の遮光パターンの重心位置と予め記憶された傾斜角が０度のときの画像中の遮光パターンの重心位置との間の距離（ベクトル）が算出されることにより、基板９の傾斜角（例えば、基板９の法線方向を示すベクトル）が求められる。
【００４６】
基板９の傾斜角と反射光の偏光状態とが取得されると、演算部５１では、傾斜角（および、傾斜方向）から求められる正確な入射角を用いつつ取得された偏光状態に基づいて基板９上の膜に対して偏光解析が行われ、膜の光学定数や厚さ等の測定結果が取得される。
【００４７】
以上に説明したように、図１の分光エリプソメータ１では、測定用光源部３１から基板９の表面を経由して分光器４２に至る光路上において、反射ミラーがポーラライザ３２とアナライザ４１との間には設けられず、測定用光源部３１とポーラライザ３２との間、および、アナライザ４１と分光器４２との間のそれぞれにのみ配置される。これにより、ポーラライザ３２からの偏光光をそのままの偏光状態で基板９の表面へと照射するとともに、偏光光の反射光を偏光状態を変化させることなくアナライザ４１へと導くことができる。その結果、分光エリプソメータ１では反射による偏光光の偏光状態の変化および偏光光の反射光の偏光状態を精度よくかつ安定して取得することができ、基板９上の膜に対する偏光解析を高精度に行うことができる。
【００４８】
また、測定用光源部３１とポーラライザ３２との間に複数の反射ミラー（特に、２つの非球面ミラー３３２，３３３）が配置されることにより、光路を複数回折り曲げて照明部３をコンパクトにすることも実現される。さらに、分光エリプソメータ１では、基板９の傾斜角を測定するために用いられる光学系（すなわち、補助光源部３４から基板９の表面を経由して遮光パターン撮像部４４へと至る光学系）の一部と、偏光状態を取得するために用いられる光学系の一部（すなわち、測定用光源部３１から基板９の表面を経由して分光器４２へと至る光学系）とが共有されるため、分光エリプソメータ１の小型化を図ることができる。なお、測定用光源部３１とポーラライザ３２との間の複数の反射ミラーには、折り返しミラー等の他の種類のミラーが適宜含められてもよい。
【００４９】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。
【００５０】
上記実施の形態では、ポーラライザ３２にステッピングモータ３２１が取り付けられるが、アナライザ４１にステッピングモータが設けられてもよい。この場合、受光部４にて取得される反射光の波長毎の偏光状態は、アナライザ４１の回転角に対応付けて取得される。また、ポーラライザ３２またはアナライザ４１には他の手法による回転機構が設けられてもよい。
【００５１】
上記実施の形態では、測定用光源部３１から基板９の表面を経由して分光器４２に至る光路上において、ポーラライザ３２とアナライザ４１との間に反射ミラーが配置されないが、分光エリプソメータの要求される測定精度や設計上の都合等によってはポーラライザ３２と基板９との間、および、基板９とアナライザ４１と間のいずれか一方のみに反射ミラーが配置されてもよい。特に、分光エリプソメータの小型化のみを目的とする場合、複数の回転楕円体ミラー（３以上であってもよい。）は測定用光源部３１からポーラライザ３２を経由して基板９に至る光路上のいずれの位置に配置されてもよい。
【００５２】
パターンプレート３５は必ずしも補助光源部３４とピンホールミラー３３１との間に配置される必要はなく、補助光源部３４からポーラライザ３２に至る光路上において、測定用光源部３１から基板９に至る光学系の開口絞り位置と光学的にほぼ共役な位置であればいずれの位置に配置されてもよい。
【００５３】
補助光を測定用光源部３１からの光と重ね合わせる光学素子は、ピンホールミラー３３１以外であってもよく、例えば、ハーフミラーでもよい。同様に、反射光から補助光を取り出す光学素子もコールドミラー４３３とは異なるものであってもよい。
【００５４】
分光エリプソメータ１の構造（特に、冷却構造）や測定に利用する偏光光が属す波長帯によっては、例えば、石英ガラスにＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）膜等を塗布して２色性膜を形成した（すなわち、高分子材料の異方性を利用した）シート状の偏光素子をポーラライザ３２として用いることもできる。
【００５５】
基板９は、半導体基板に限定されず、例えば、液晶表示装置やその他のフラットパネル表示装置等に使用されるガラス基板であってもよい。さらに、分光エリプソメータ１による測定対象は、微細パターンが形成される基板以外の物に形成された膜であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】分光エリプソメータの構成を示す図である。
【図２】ポーラライザを概念的に示す図である。
【図３】ポーラライザの一部を示す縦断面図である。
【図４】ポーラライザの偏光特性を示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
１ 分光エリプソメータ
３ 照明部
４ 受光部
５ 演算部
９ 基板
３１ 測定用光源部
３２ ポーラライザ
３４ 補助光源部
３５ パターンプレート
４１ アナライザ
４２ 分光器
４４ 遮光パターン撮像部
３２１ ステッピングモータ
３２２ 透光板
３２３ 金属線
３３１ ピンホールミラー
３３２，３３３ 非球面ミラー
４３２ 球面ミラー
４３３ コールドミラー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
分光エリプソメータであって、
偏光した光を対象物へと導く照明部と、
前記対象物からの前記偏光した光の反射光を受光して前記反射光の波長毎の偏光状態を取得する受光部と、
を備え、
前記照明部が、
光源部と、
前記光源部からの光から前記偏光した光を得る偏光素子であるポーラライザと、
補助光を出射するもう１つの光源部と、
前記補助光を前記光源部からの光と重ね合わせる光学素子と、
前記もう１つの光源部から前記ポーラライザに至る光路上において、前記光源部から前記対象物に至る光学系の開口絞り位置と光学的にほぼ共役な位置に配置された遮光パターンと、
を有し、
前記受光部が、
前記反射光が入射する偏光素子であるアナライザと、
前記アナライザを経由した前記反射光が入射する分光器と、
前記反射光から前記補助光を取り出すもう１つの光学素子と、
前記遮光パターンと光学的に共役な位置に配置され、前記もう１つの光学素子からの前記補助光を受光して前記遮光パターンの像を取得する撮像部と、
を有し、
前記照明部または前記受光部が、前記ポーラライザまたは前記アナライザを回転する回転機構を有することを特徴とする分光エリプソメータ。
【請求項２】
請求項１に記載の分光エリプソメータであって、
前記撮像部にて取得された前記遮光パターンの前記像から前記対象物上の前記補助光の照射位置における傾斜角を求める演算部をさらに備えることを特徴とする分光エリプソメータ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の分光エリプソメータであって、
前記光源部から前記対象物に至る光路上において、少なくとも１つの反射ミラーが前記光源部と前記ポーラライザとの間のみに配置されることを特徴とする分光エリプソメータ。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の分光エリプソメータであって、
前記対象物から前記分光器に至る光路上において、少なくとも１つの反射ミラーが前記アナライザと前記分光器との間のみに配置されることを特徴とする分光エリプソメータ。
【請求項５】
請求項１ないし４にいずれかに記載の分光エリプソメータであって、
前記ポーラライザが、シート状の偏光素子であることを特徴とする分光エリプソメータ。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の分光エリプソメータであって、
前記光源部と前記ポーラライザとの間に複数の反射ミラーが配置されることを特徴とする分光エリプソメータ。
【請求項７】
請求項６に記載の分光エリプソメータであって、
前記複数の反射ミラーが、複数の回転楕円体ミラーを含むことを特徴とする分光エリプソメータ。
【請求項８】
請求項１または２に記載の分光エリプソメータであって、
前記照明部が、前記光源部から前記ポーラライザを経由して前記対象物に至る光路上に配置された複数の回転楕円体ミラーをさらに有することを特徴とする分光エリプソメータ。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれかに記載の分光エリプソメータであって、
前記ポーラライザが、透光板上に一定の間隔で複数の金属線を配列形成した透過型のグレーティング偏光素子であることを特徴とする分光エリプソメータ。
【請求項１】
分光エリプソメータであって、
偏光した光を対象物へと導く照明部と、
前記対象物からの前記偏光した光の反射光を受光して前記反射光の波長毎の偏光状態を取得する受光部と、
を備え、
前記照明部が、
光源部と、
前記光源部からの光から前記偏光した光を得る偏光素子であるポーラライザと、
補助光を出射するもう１つの光源部と、
前記補助光を前記光源部からの光と重ね合わせる光学素子と、
前記もう１つの光源部から前記ポーラライザに至る光路上において、前記光源部から前記対象物に至る光学系の開口絞り位置と光学的にほぼ共役な位置に配置された遮光パターンと、
を有し、
前記受光部が、
前記反射光が入射する偏光素子であるアナライザと、
前記アナライザを経由した前記反射光が入射する分光器と、
前記反射光から前記補助光を取り出すもう１つの光学素子と、
前記遮光パターンと光学的に共役な位置に配置され、前記もう１つの光学素子からの前記補助光を受光して前記遮光パターンの像を取得する撮像部と、
を有し、
前記照明部または前記受光部が、前記ポーラライザまたは前記アナライザを回転する回転機構を有することを特徴とする分光エリプソメータ。
【請求項２】
請求項１に記載の分光エリプソメータであって、
前記撮像部にて取得された前記遮光パターンの前記像から前記対象物上の前記補助光の照射位置における傾斜角を求める演算部をさらに備えることを特徴とする分光エリプソメータ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の分光エリプソメータであって、
前記光源部から前記対象物に至る光路上において、少なくとも１つの反射ミラーが前記光源部と前記ポーラライザとの間のみに配置されることを特徴とする分光エリプソメータ。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の分光エリプソメータであって、
前記対象物から前記分光器に至る光路上において、少なくとも１つの反射ミラーが前記アナライザと前記分光器との間のみに配置されることを特徴とする分光エリプソメータ。
【請求項５】
請求項１ないし４にいずれかに記載の分光エリプソメータであって、
前記ポーラライザが、シート状の偏光素子であることを特徴とする分光エリプソメータ。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の分光エリプソメータであって、
前記光源部と前記ポーラライザとの間に複数の反射ミラーが配置されることを特徴とする分光エリプソメータ。
【請求項７】
請求項６に記載の分光エリプソメータであって、
前記複数の反射ミラーが、複数の回転楕円体ミラーを含むことを特徴とする分光エリプソメータ。
【請求項８】
請求項１または２に記載の分光エリプソメータであって、
前記照明部が、前記光源部から前記ポーラライザを経由して前記対象物に至る光路上に配置された複数の回転楕円体ミラーをさらに有することを特徴とする分光エリプソメータ。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれかに記載の分光エリプソメータであって、
前記ポーラライザが、透光板上に一定の間隔で複数の金属線を配列形成した透過型のグレーティング偏光素子であることを特徴とする分光エリプソメータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００８−２７５６３２（Ｐ２００８−２７５６３２Ａ）
【公開日】平成２０年１１月１３日（２００８．１１．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１４７５７９（Ｐ２００８−１４７５７９）
【出願日】平成２０年６月５日（２００８．６．５）
【分割の表示】特願２００３−３９５２５９（Ｐ２００３−３９５２５９）の分割
【原出願日】平成１５年１１月２６日（２００３．１１．２６）
【出願人】（０００２０７５５１）大日本スクリーン製造株式会社 (2,640)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１１月１３日（２００８．１１．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月５日（２００８．６．５）
【分割の表示】特願２００３−３９５２５９（Ｐ２００３−３９５２５９）の分割
【原出願日】平成１５年１１月２６日（２００３．１１．２６）
【出願人】（０００２０７５５１）大日本スクリーン製造株式会社 (2,640)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]