(57)【要約】【課題】広視野と高い空間分解能及び波長分解能とを両立でき、コストが低減された分光光学系を提供する。【解決手段】所定の形状の貫通孔を有するスリット１０１と、スリット１０１を透過した光が入射する第１の球面鏡１０２と、第１の球面鏡１０２から反射された光が入射する第２の球面鏡１０３と、第２の球面鏡１０３から反射された光が入射する回折格子１０４と、回折格子１０４によって波長毎に分散された光を検出する画像センサ１０６と、を備え、第１の球面鏡１０２の曲率中心と第２の球面鏡１０３の曲率中心とは光軸と平行に並んでおり、第２の球面鏡１０３から反射された前記光は少なくとも絞り位置において光線が平行となっており、回折格子１０４は、第２の球面鏡１０３から反射された光の当該絞り位置に配置されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の形状の貫通孔を有するスリットと、前記スリットを透過した光が入射する第１の球面鏡と、前記第１の球面鏡から反射された光が入射する第２の球面鏡と、前記第２の球面鏡から反射された光が入射する分散素子と、前記分散素子によって波長毎に分散された光を検出する画像センサと、を備え、
前記第１の球面鏡の曲率中心と前記第２の球面鏡の曲率中心とは光軸と平行に並んでおり、
前記第２の球面鏡から反射された前記光は少なくとも絞り位置において光線が平行となっており、
前記分散素子は、前記第２の球面鏡から反射された前記光の前記絞り位置に配置されている、分光光学系。
【請求項２】
前記スリットの前記貫通孔は線状の貫通孔である、請求項１に記載の分光光学系。
【請求項３】
前記スリットは、複数の前記線状の貫通孔を有する、請求項２に記載の分光光学系。
【請求項４】
前記第１の球面鏡及び前記第２の球面鏡の反射膜は誘電体多層膜である、請求項１乃至３の何れか一項に記載の分光光学系。
【請求項５】
前記第１の球面鏡の反射面及び前記第２の球面鏡の反射面は非球面形状である、請求項１乃至４の何れか一項に記載の分光光学系。
【請求項６】
前記第１の球面鏡及び前記第２の球面鏡の少なくとも一方は、前記光が入射する側の面と反対側の面において、前記光を反射するマンジンミラーである、請求項１乃至５の何れか一項に記載の分光光学系。
【請求項７】
前記第１の球面鏡は、２枚の反射鏡に分割されている、請求項１乃至６の何れか一項に記載の分光光学系。
【請求項８】
前記第１の球面鏡は、前記第１の球面鏡の中央部を貫通する孔部を有し、前記分散素子は、前記孔部の内部、又は、前記第１の球面鏡の前記第２の球面鏡側とは反対側に配置されている、請求項１乃至７の何れか一項に記載の分光光学系。
【請求項９】
前記分散素子は、回折格子である、請求項１乃至８の何れか一項に記載の分光光学系。
【請求項１０】
前記分散素子は、プリズムである、請求項１乃至８の何れか一項に記載の分光光学系。
【請求項１１】
前記画像センサの前記光の入射側には、オーダーソーティングフィルタ（Order Sorting Filter）が配置されている、請求項９に記載の分光光学系。
【請求項１２】
前記回折格子の溝は、主光線が含まれる面に対して垂直方向に延在している、請求項９又は１１に記載の分光光学系。
【請求項１３】
計測対象物の表面に多色光を照射し、前記計測対象物から反射された前記多色光を請求項１乃至１２の何れか一項に記載された分光光学系の前記スリットへ入射させる照射部を備える、分光計測システム。
【請求項１４】
前記照射部は、入射瞳位置又は射出瞳位置の何れか一方若しくは両方に、開口絞りを備え、
前記開口絞りは、瞳内の特定位置のみの光を透過する、請求項１３に記載の分光計測システム。
【請求項１５】
前記開口絞りは空間光変調器である、請求項１４に記載の分光計測システム。
【請求項１６】
前記請求項１３乃至１５の何れか一項に記載の分光計測システムを用いて、半導体ウエハの表面に前記多色光を照射し、前記半導体ウエハから反射された前記多色光のスペクトルに基づいて、前記半導体ウエハの表面上の構造の寸法誤差を確認する、半導体検査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分光光学系、分光計測システム、及び、半導体検査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体の製造過程において、製造された半導体の表面に光を照射し、当該半導体の表面から反射された反射光に基づいて検査を行う半導体検査装置が知られている。当該半導体検査装置の１つとして、光源から出射された光を分光し、単色光を半導体の表面に照射するものが知られている。しかし、当該半導体検査装置では、半導体の表面に照射する光の波長を変える場合には、波長切替のための時間を要するという問題があった。そして、半導体検査の高スループット化の要望が高まり、半導体の表面に多色光を照射し、反射光を分光光学系を用いて分光する半導体検査装置が開発された。
【０００３】
半導体検査装置において用いられる分光光学系としては、１枚の球面鏡と回折格子を用いたFastie-Ebert型が知られている。この構成は、シンプルで安価に製造可能であるが、球面収差、非点収差、コマ収差が大きく、空間分解能及び波長分解能が低いという問題があった。当該Fastie-Ebert型を改善した構成として、球面鏡を２枚に分割し、当該２枚の球面鏡を放物面鏡としたCzerney-Turner型が知られている。当該Czerney-Turner型の分光光学系は、現在、半導体検査装置だけでなく、幅広い製品に採用されている。Czerney-Turner型の分光光学系では、収差も好適に補正されており、照射領域が１つの点である場合には十分な性能を有する。しかし、Czerney-Turner型の分光光学系は、非点収差が比較的大きいため、照射領域が複数の点又は線状である場合には、空間分解能及び波長分解能等の性能が制限されてしまう。
【０００４】
このようなCzerney-Turner型の分光光学系における欠点を解決するため、特許文献１は、Offner反射光学系の２枚の球面鏡のうちの１枚を回折格子に変更した光学系（以下、「modified-Offner型光学系」と称する。）を提案している。当該modified-Offner型光学系では、広い視野が実現でき、高い空間分解能及び波長分解能を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第５８８０８３４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、当該modified-Offner型光学系は、球面形状を有する回折格子を製造するために高いコストを必要とする。また、分散素子として、回折格子の代わりに、プリズムを使用できないという欠点がある。プリズムを使用することにより、回折格子では３０％〜６０％である回折効率を１００％近くに向上することができる。また、回折格子を用いる場合、原理的に発生する高次回折光をカットするフィルタが必要となるが、プリズムを用いる場合には、そのようなフィルタが不要になる。そのため、プリズムを用いることには、コストや回折効率において大きな利点がある。
【０００７】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、広視野と高い空間分解能及び波長分解能とを両立でき、コストが低減された分光光学系、分光計測システム、及び、半導体検査方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の態様に係る分光光学系は、所定の形状の貫通孔を有するスリットと、前記スリットを透過した光が入射する第１の球面鏡と、前記第１の球面鏡から反射された光が入射する第２の球面鏡と、前記第２の球面鏡から反射された光が入射する分散素子と、前記分散素子によって波長毎に分散された光を検出する画像センサと、を備え、前記第１の球面鏡の曲率中心と前記第２の球面鏡の曲率中心とは光軸と平行に並んでおり、前記第２の球面鏡から反射された前記光は少なくとも絞り位置において光線が平行となっており、前記分散素子は、前記第２の球面鏡から反射された前記光の前記絞り位置に配置されている。
【０００９】
本発明の第１の態様に係る分光光学系によれば、照射領域が複数の点又は線状を含む広視野であっても、第１の球面鏡と第２の球面鏡によって非点収差を好適に補正することができ、高い空間分解能及び波長分解能を得ることができる。球面形状を有する回折格子を製造する必要がなく、コストを低減することができる。また、分散素子として、回折格子及びプリズムの双方を用いることができる。そのため、光利用効率の向上を図ることができ、プリズムを分散素子として用いた場合には、回折効率の向上を図ることができ、高次回折光をカットするフィルタが不要になる。よって、広視野と高い空間分解能及び波長分解能とを両立でき、コストが低減された分光光学系を提供することができる。
【００１０】
また、前記スリットの前記貫通孔は線状の貫通孔であることが好ましい。
【００１１】
スリットによって、分光光学系に入射する光束の形状を線状に制限することができる。スリットの線状の貫通孔の幅方向は分散素子によって光を分散させる方向である場合、当該貫通孔の幅が狭いほど高い波長分解能を得ることができる。
【００１２】
また、スリットは、複数の前記線状の貫通孔を有することが好ましい。
【００１３】
スリットが複数の線状の貫通孔を有することにより、物体面の複数の箇所から反射された光を同時に分光することができ、分光計測システムの高スループット化を図ることができる。さらに、計測対象物の表面を走査しながら計測を行う分光計測システムにおいて当該分光光学系が用いられる場合、計測対象物の表面のある箇所から反射された光は、分光計測システムの走査に伴って、順次、複数の線状の貫通孔を透過するため、計測対象物の当該ある箇所について複数回計測を行うことができ、計測の精度を向上することができる。
【００１４】
また、前記第１の球面鏡及び前記第２の球面鏡の反射膜は誘電体多層膜であることが好ましい。
【００１５】
第１の球面鏡及び第２の球面鏡の反射膜を誘電体多層膜とすることにより、第１の球面鏡の反射率及び第２の球面鏡の反射率を高くすることができ、反射による光量の低下を低減することができる。これにより、分光光学系における光利用効率を向上することができる。
【００１６】
また、前記第１の球面鏡の反射面及び前記第２の球面鏡の反射面は非球面形状であることが好ましい。
【００１７】
第１の球面鏡の反射面及び第２の球面鏡の反射面が非球面形状であることにより、収差を好適に補正することができる。
【００１８】
また、前記第１の球面鏡及び前記第２の球面鏡の少なくとも一方は、前記光が入射する側の面と反対側の面において、前記光を反射するマンジンミラーであることが好ましい。
【００１９】
第１の球面鏡及び第２の球面鏡の少なくとも一方がマンジンミラーであることにより、当該マンジンミラーの光が入射する側の面及び当該光が入射する側の面と反対側の面の双方において収差補正を行うことができる。
【００２０】
また、前記第１の球面鏡は、２枚の反射鏡に分割されていることが好ましい。
【００２１】
第１の球面鏡が２枚の反射鏡に分割されていることにより、当該２枚の反射光に入射する光の入射角を曲率半径とは独立に制御することができる。これにより、非点収差を好適に補正することができる。
【００２２】
また、前記第１の球面鏡は、前記第１の球面鏡の中央部を貫通する孔部を有し、前記分散素子は、前記孔部の内部、又は、前記第１の球面鏡の前記第２の球面鏡側とは反対側に配置されていることが好ましい。
【００２３】
分散素子が前記孔部の内部、又は、第１の球面鏡の第２の球面鏡側とは反対側に配置されているため、第１の球面鏡と第２の球面鏡との間隔を狭くすることができ、分光光学系のコンパクト化を図ることができる。また、分散素子を支持しやすくなる。
【００２４】
また、前記分散素子は、回折格子であることが好ましい。
【００２５】
分散素子が回折格子である場合、分散素子がプリズムである場合に比べて、分散素子の配置に必要な空間を小さくすることができ、分光光学系全体のコンパクト化を図ることができる。
【００２６】
また、前記分散素子は、プリズムであることが好ましい。
【００２７】
分散素子がプリズムである場合、分散素子が回折格子である場合に比べて、分散素子の回折効率を向上することができる。
【００２８】
また、前記画像センサの前記光の入射側には、オーダーソーティングフィルタ（Order Sorting Filter）が配置されていることが好ましい。
【００２９】
オーダーソーティングフィルタによって、一次光以外の回折光を除去することができ、さらに、空間分解能及び波長分解能をさらに向上することができる。
【００３０】
また、回折格子の溝は、主光線が含まれる面に対して垂直方向に延在している。
【００３１】
回折格子の溝が主光線が含まれる面に対して垂直方向に延在することにより、光は、当該主光線が含まれる面に平行方向に分散される。これにより、各波長ごとに分散した光の画像センサ上での面内歪を小さくすることができる。
【００３２】
本発明の第２の態様に係る分光計測システムは、計測対象物の表面に多色光を照射し、前記計測対象物から反射された前記多色光を上記の何れかに記載された分光光学系の前記スリットへ入射させる照射部を備える。
【００３３】
本発明の第２の態様に係る分光計測システムによれば、照射領域が複数の点又は線状を含む広視野であっても、第１の球面鏡と第２の球面鏡によって非点収差を好適に補正することができ、高い空間分解能及び波長分解能を得ることができる。球面形状を有する回折格子を製造する必要がなく、コストを低減することができる。また、分散素子として、回折格子及びプリズムの双方を用いることができる。そのため、光利用効率の向上を図ることができ、プリズムを分散素子として用いた場合には、回折効率の向上を図ることができ、高次回折光をカットするフィルタが不要になる。よって、広視野と高い空間分解能及び波長分解能とを両立でき、コストが低減された分光計測システムを提供することができる。
【００３４】
また、前記照射部は、入射瞳位置又は射出瞳位置の何れか一方若しくは両方に、開口絞りを備え、前記開口絞りは、瞳内の特定位置のみの光を透過することが好ましい。
【００３５】
開口絞りは、瞳内の特定位置のみの光を透過することにより、計測対象物の表面に入射する光のうち、所望する入射角度で入射する光の反射光のみを計測に用いることができる。これにより、計測の精度をさらに向上することができる。
【００３６】
また、前記開口絞りは空間光変調器であることが好ましい。
【００３７】
開口絞りが空間光変調器であることにより、開口絞りを交換しなくても、計測したい反射光の計測対象物への入射角度を変更することができる。
【００３８】
本発明の第３の態様に係る半導体検査方法は、上記の何れかに記載の分光計測システムを用いて、半導体ウエハの表面に前記多色光を照射し、前記半導体ウエハから反射された前記多色光のスペクトルに基づいて、前記半導体ウエハの表面上の構造の寸法誤差を確認する。
【００３９】
本発明の第３の態様に係る半導体検査方法によれば、照射領域が複数の点又は線状を含む広視野であっても、第１の球面鏡と第２の球面鏡によって非点収差を好適に補正することができ、高い空間分解能及び波長分解能を得ることができる。球面形状を有する回折格子を製造する必要がなく、コストを低減することができる。また、分散素子として、回折格子及びプリズムの双方を用いることができる。そのため、光利用効率の向上を図ることができ、プリズムを分散素子として用いた場合には、回折効率の向上を図ることができ、高次回折光をカットするフィルタが不要になる。よって、広視野と高い空間分解能及び波長分解能とを両立でき、コストが低減された半導体検査方法を提供することができる。
【発明の効果】
【００４０】
本発明により、広視野と高い空間分解能及び波長分解能とを両立でき、コストが低減された分光光学系、分光計測システム、及び、半導体検査方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】実施の形態１に係る半導体検査装置の一例を示す図である。
【図２】実施の形態１に係る分光光学系の一例を示す図である。
【図３】実施の形態１に係る第１の球面鏡及び第２の球面鏡に用いられる誘電体多層膜の一例を示す図である。
【図４】実施の形態２に係る分光光学系の一例を示す図である。
【図５】実施の形態３に係る分光光学系の一例を示す図である。
【図６】実施の形態４に係る分光光学系の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態１について説明する。以下、分光計測システムとして、半導体検査装置３００を例示して、本発明の実施の形態１を説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体検査装置３００の一例を示す図である。
本発明の実施の形態１に係る半導体検査装置３００は、例えば、多色光を計測対象物である半導体ウエハＷの表面に照射して、半導体ウエハＷから反射された当該多色光のスペクトルに基づいて、半導体ウエハＷの表面上に形成された構造の寸法誤差を確認する半導体検査方法において用いられる。
【００４３】
図１に示すように、半導体検査装置３００は、分光光学系１００、照射部２００等を備える。
また、半導体検査装置３００は、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）及び図示しない記憶部等を備える。そして、ＣＰＵが記憶部に格納されたプログラムを実行することにより、半導体検査装置３００の各部が制御される。例えば、ＣＰＵが記憶部に格納されたプログラムを実行することにより、半導体検査装置３００において、半導体ウエハＷから反射された当該多色光のスペクトルに基づいて、半導体ウエハＷの表面上に形成された構造の寸法誤差を確認する処理が実現する。すなわち、ＣＰＵが記憶部に格納されたプログラムを実行することにより、半導体検査装置３００は、本発明に係る半導体検査方法を実施することができる。
【００４４】
照射部２００は、半導体ウエハＷの表面に多色光を照射し、当該半導体ウエハＷから反射された多色光を分光光学系１００のスリット１０１（後述）へ入射させる。
照射部２００は、図１に示すように、広帯域光源２０１、ファイバ２０２、第１の偏光板２０３、コンデンサレンズ２０４、ミラー２０５、ハーフプリズム２０６、開口絞り２０７、対物レンズ２０８、結像レンズ２０９、第２の偏光板２１０等を備える。
【００４５】
広帯域光源２０１は、例えば、複数の波長の異なる光を含む多色光Ｌを生成する光源である。広帯域光源２０１は、例えば、連続スペクトル光を生成するハロゲンランプやＬＥＤ光源であってもよい。光源２０１の出射口には、例えば、ファイバ２０２の一端が接続されている。光源２０１から生成された多色光Ｌは、例えば、ファイバ２０２に導かれて、ファイバ２０２の他端から射出する。例えば、多色光Ｌは、ファイバ２０２の他端から発散光として射出する。なお、多色光Ｌは、ファイバ２０２の他端からコリメータ等を介して、平行光として射出してもよい。
【００４６】
第１の偏光板２０３は、ファイバ２０２の他端から出射された多色光Ｌを偏光する。コンデンサレンズ２０４は、ファイバ２０２の他端から射出した多色光Ｌを集光する。具体的には、コンデンサレンズ２０４は、ファイバ２０２の他端から射出した発散光の多色光Ｌを平行光に変換する。
【００４７】
ミラー２０５は、コンデンサレンズ２０４によって平行光に変換された多色光Ｌをハーフプリズム２０６に向かって反射するように配置されている。
ハーフプリズム２０６は、ミラー２０５から反射された多色光Ｌの一部を反射する。例えば、ハーフプリズム２０６は、ミラー２０５から反射された平行光の多色光Ｌの一部を対物レンズ２０８に向かって反射する。
【００４８】
開口絞り２０７は、対物レンズ２０８の入射瞳位置（照明瞳位置）又は結像レンズ２０９の射出瞳位置（結像瞳位置）の何れか一方若しくは両方に配置される。本実施の形態１では、開口絞り２０７は、対物レンズ２０８の入射瞳位置に配置されている。そして、開口絞り２０７は、ハーフプリズム２０６から反射された平行光の多色光Ｌの光束径を絞る。また、開口絞り２０７は、瞳内の特定位置のみの光を透過する開口部を有していてもよい。さらに、開口絞り２０７は、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）、ＬＣＯＳ（Liqid Crystal on Silicon）等の空間変調器であってもよい。
対物レンズ２０８は、開口絞り２０７を透過した多色光Ｌを半導体ウエハＷの表面上に集光する。対物レンズ２０８は、半導体ウエハＷの表面に、多色光Ｌの焦点が形成されるように配置されている。
【００４９】
半導体ウエハＷの表面に集光された多色光Ｌは、半導体ウエハＷの表面によって反射される。そして、半導体ウエハＷの表面によって反射された多色光Ｌは、対物レンズ２０８に入射する。
【００５０】
対物レンズ２０８は、半導体ウエハＷの表面から反射された多色光Ｌを平行光に変換する。また、対物レンズ２０８は、平行光に変換した多色光Ｌをハーフプリズム２０６に向かって出射する。
開口絞り２０７は、対物レンズ２０８から出射された平行光の多色光Ｌの光束径を絞る。また、開口絞り２０７を透過した多色光Ｌはハーフプリズム２０６へ入射する。
【００５１】
ハーフプリズム２０６は、開口絞り２０７を透過した多色光Ｌを透過し、結像レンズ２０９に向かって出射する。
結像レンズ２０９は、開口絞り２０７を透過した多色光Ｌを分光光学系１００のスリット１０１（後述）の貫通孔の位置に集光する。結像レンズ２０９は、分光光学系１００のスリット１０１の貫通孔の位置に、多色光Ｌの焦点が形成されるように配置されている。
第２の偏光板２１０は、結像レンズ２０９から出射された多色光Ｌを偏光する。
【００５２】
次に、本実施の形態１に係る分光光学系１００について図２を参照しながら説明する。図２は、実施の形態１に係る分光光学系１００の一例を示す図である。分光光学系１００は、図２に示すように、スリット１０１、第１の球面鏡１０２、第２の球面鏡１０３、分散素子としての回折格子１０４、オーダーソーティングフィルタ（Order Sorting Filter）１０５、画像センサ１０６等を備える。
【００５３】
スリット１０１は、所定の形状の貫通孔を有する。例えば、スリット１０１の貫通孔は、線状の貫通孔であり、多色光Ｌの主光線が含まれる面に対して垂直な方向に延在している。換言すれば、スリット１０１の線状の貫通孔の幅方向は、回折格子１０４によって光を分散させる方向である。また、スリット１０１は、複数の線状の貫通孔を有していてもよい。
また、スリット１０１は、照射部２００の結像レンズ２０９によって集光される多色光Ｌの焦点位置（像面位置）に配置されている。
そして、スリット１０１を透過した多色光Ｌは、第１の球面鏡１０２に入射する。
【００５４】
第１の球面鏡１０２は、スリット１０１を透過した多色光Ｌを第２の球面鏡１０３に向かって反射する。
第２の球面鏡１０３は、第１の球面鏡１０２から反射された多色光Ｌを平行光に変換して、回折格子１０４に向かって反射する。
【００５５】
回折格子１０４は、第２の球面鏡１０３から反射された多色光Ｌを回折現象によって波長毎に分散し、分散した多色光Ｌを第２の球面鏡１０３に入射させる。また、回折格子１０４は、第２の球面鏡１０３から反射された多色光Ｌの絞り位置に配置されており、回折格子１０４には、半導体ウエハＷ上の同一の点から反射された光が、平行光として入射する。これにより、後述する画像センサ１０６の検出面に形成される各波長毎のスポットがぼやけることを防ぐことができる。
【００５６】
また、図２において、回折格子１０４の溝が、多色光Ｌの主光線が含まれる面に対して垂直な方向に延在し、回折格子１０４によって多色光Ｌが当該主光線が含まれる面に平行な方向に分散される例を示したが、回折格子１０４に形成される溝は、多色光Ｌの主光線が含まれる面に対して平行な方向に延在していてもよい。これにより、第１の球面鏡１０２及び第２の球面鏡１０３の反射面の面積を小さくすることができる。
【００５７】
第２の球面鏡１０３は、回折格子１０４によって波長毎に分散された多色光Ｌを第１の球面鏡１０２に向かって反射する。
第１の球面鏡１０２は、第２の球面鏡１０３から反射された多色光Ｌを画像センサ１０６の検出面に集光する。
画像センサ１０６は、検出面に、多色光Ｌの焦点が形成されるように配置されている。すなわち、画像センサ１０６の検出面には、多色光Ｌに含まれる波長毎にスポットが形成される。そして、画像センサ１０６は、回折格子１０４によって波長毎に分散された多色光Ｌを検出する。
【００５８】
オーダーソーティングフィルタ１０５は、画像センサ１０６の多色光Ｌの入射側に配置されている。オーダーソーティングフィルタ１０５は、第１の球面鏡１０２から反射された多色光Ｌに含まれる一次光以外の回折光を除去する。これにより、画像センサ１０６の検出面に一次光以外の回折光によるスポットが形成されるのを防ぐことができる。
【００５９】
ここで、第１の球面鏡１０２の多色光Ｌを反射する反射面の曲率中心と、第２の球面鏡１０３の多色光Ｌを反射する反射面の曲率中心とは、分光光学系１００の光軸と平行に並んでいる。換言すれば、第１の球面鏡１０２及び第２の球面鏡１０３は、いわゆるオフナー光学系（Offner optics）を構成している。そのため、第１の球面鏡１０２の収差が第２の球面鏡１０３の収差を打ち消し、３次の収差であるザイデル収差が５つともすべて補正され得る。
【００６０】
また、第１の球面鏡１０２の反射面及び前記第２の球面鏡１０３の反射面に反射膜が形成されていてもよい。さらに、第１の球面鏡１０２の反射面及び前記第２の球面鏡１０３の反射面に形成される反射膜は誘電体多層膜であってもよい。図３に、第１の球面鏡１０２の反射面及び第２の球面鏡１０３の反射面に形成される誘電体多層膜５００の一例を示す。図３に示すように、誘電体多層膜５００は、ガラス基板４００上に形成されている。ここで、ガラス基板４００は、第１の球面鏡１０２及び第２の球面鏡１０３の硝材の例示である。具体的には、誘電体多層膜５００は、ガラス基板４００上に、低屈折率材料から成る低屈折率膜５０１と、高屈折率材料から成る高屈折率膜５０２とが交互に積層されたものである。また、低屈折率膜５０１の膜厚及び高屈折率膜５０２の膜厚は、各層毎に異なっていてもよい。また、低屈折率膜５０１及び高屈折率膜５０２は、例えば、数十層から２００層に亘って積層されていてもよい。低屈折率膜５０１及び高屈折率膜５０２の積層数が多いほど、反射効率を向上することができる。また、高屈折率材料としては、例えば、ＺｒＯ２（二酸化ジルコニウム）、ＴｉＯ２（二酸化チタン）等が挙げられる。低屈折率材料としては、ＳｉＯ２（二酸化ケイ素）、ＭｇＦ２（フッ化マグネシウム）等が挙げられる。
【００６１】
また、第１の球面鏡１０２の反射面及び第２の球面鏡１０３の反射面は非球面形状であってもよい。これにより、第１の球面鏡１０２及び第２の球面鏡１０３によって、収差を好適に補正することができる。
【００６２】
また、第１の球面鏡１０２は、例えば、第１の反射鏡（不図示）と第２の反射鏡（不図示）とに分割されていてもよい。具体的には、第１の球面鏡１０２は、光軸を対称軸として、第１の反射鏡と第２の反射鏡とが２回回転対称となるように、分割されていてもよい。これにより、当該第１の反射鏡に入射する光の入射角と、第２の反射鏡に入射する光の入射角とを曲率半径とは独立に制御することができる。これにより、非点収差を好適に補正することができる。
【００６３】
また、第１の球面鏡１０２及び第２の球面鏡１０３の少なくとも一方は、多色光Ｌが入射する側の面と反対側の面において、当該多色光Ｌを反射するマンジンミラーであってもよい。これにより、当該マンジンミラーの入射面及び反射面の双方において収差補正を行うことができる。
【００６４】
以上に説明した、本実施の形態１に係る分光光学系１００、半導体検査装置３００及び半導体検査方法によれば、半導体ウエハＷ上に多色光Ｌが照射される照射領域が複数の点又は線状を含む広視野であっても、第１の球面鏡１０２と第２の球面鏡１０３によって非点収差を好適に補正することができ、高い空間分解能及び波長分解能を得ることができる。また、球面形状を有する回折格子を製造する必要がなく、コストを低減することができる。よって、広視野と高い空間分解能及び波長分解能とを両立でき、コストを低減することができる。
【００６５】
また、第１の球面鏡１０２の曲率中心と第２の球面鏡１０３の曲率中心とは光軸と平行に並んでおり、この配置からのずれに対する収差の悪化量は非常に小さい。このため、特別な調整手法を必要とせず、当該第１の球面鏡１０２及び第２の球面鏡１０３と、回折格子１０４との配置を揃えるだけでよいため、Czerney-Turner型等の他の分光光学系に比べて、分光光学系１００における各構成部材のアライメントをより容易に行うことができる。
【００６６】
スリット１０１によって、分光光学系１００に入射する光束の形状を線状に制限することができる。スリット１０１の線状の貫通孔の幅方向は回折格子１０４によって光を分散させる方向であり、当該貫通孔の幅が狭いほど高い波長分解能を得ることができる。
【００６７】
第１の球面鏡１０２及び第２の球面鏡１０３の反射膜を誘電体多層膜とすることにより、第１の球面鏡１０２の反射率及び第２の球面鏡１０３の反射率を高くすることができ、反射による光量の低下を低減することができる。これにより、分光光学系１００における光利用効率を向上することができる。
【００６８】
分散素子として回折格子１０４を用いることにより、分散素子がプリズムである場合に比べて、分散素子の配置に必要な空間を小さくすることができ、分光光学系１００全体のコンパクト化を図ることができる。
【００６９】
また、オーダーソーティングフィルタ１０５によって、一次光以外の回折光を除去することができ、さらに、空間分解能及び波長分解能をさらに向上することができる。
【００７０】
また、スリット１０１が複数の線状の貫通孔を有することにより、半導体ウエハＷの表面の複数の箇所から反射された光を同時に分光することができ、半導体検査装置３００の高スループット化を図ることができる。さらに、半導体ウエハＷの表面のある箇所から反射された光は、半導体検査装置３００の走査に伴って、順次、複数の線状の貫通孔を透過するため、半導体ウエハＷの当該ある箇所について複数回計測を行うことができ、計測の精度を向上することができる。
【００７１】
また、第１の球面鏡１０２の反射面及び第２の球面鏡１０３の反射面が非球面形状であることにより、収差を好適に補正することができる。
【００７２】
また、第１の球面鏡１０２が２枚の反射鏡に分割されていることにより、当該２枚の反射光に入射する光の入射角を曲率半径とは独立に制御することができる。これにより、非点収差を好適に補正することができる。
【００７３】
また、第１の球面鏡１０２及び第２の球面鏡１０３の少なくとも一方がマンジンミラーであることにより、当該マンジンミラーの光が入射する側の面及び当該光が入射する側の面と反対側の面の双方において収差補正を行うことができる。
【００７４】
また、回折格子１０４の溝が、多色光Ｌの主光線が含まれる面に対して垂直方向に延在することにより、多色光Ｌは、当該主光線が含まれる面に平行方向に分散される。これにより、各波長ごとに分散した光の画像センサ１０６上での面内歪を小さくすることができる。
【００７５】
開口絞り２０７は、瞳内の特定位置のみの光を透過することにより、半導体ウエハＷの表面に入射する光のうち、所望する入射角度で入射する光の反射光のみを計測に用いることができる。これにより、計測の精度をさらに向上することができる。
【００７６】
また、開口絞り２０７が空間光変調器であることにより、開口絞りを交換しなくても、計測したい反射光の半導体ウエハＷへの入射角度を変更することができる。
【００７７】
実施の形態２
次に、図４を参照しながら、本発明の実施の形態２について説明する。図４は、実施の形態２に係る分光光学系１００Ａの一例を示す図である。実施の形態２に係る分光光学系１００Ａは、図４に示すように、分散素子としてグリズム１０７を備え、更に平面鏡１０８を備える点が、実施の形態１に係る分光光学系１００と異なる。以下、実施の形態２に係る分光光学系１００Ａにおいて、実施の形態１に係る分光光学系１００と同様の構成については、同一の符号を付すとともに、その説明を省略する。
【００７８】
グリズム１０７は、第２の球面鏡１０３から反射された多色光Ｌを回折現象によって波長毎に分散し、分散した多色光Ｌを平面鏡１０８に入射させる。また、グリズム１０７は、第２の球面鏡１０３から反射された多色光Ｌの絞り位置に配置されており、グリズム１０７には、半導体ウエハＷ上の同一の点から反射された光が、平行光として入射する。これにより、後述する画像センサ１０６の検出面に形成される各波長毎のスポットがぼやけることを防ぐことができる。
【００７９】
平面鏡１０８は、グリズム１０７と第１の球面鏡１０２との間に配置されており、グリズム１０７によって分散された多色光Ｌを第２の球面鏡１０３に向かって反射する。平面鏡１０８によって反射された多色光Ｌは、グリズム１０７を介して、第２の球面鏡１０３に入射する。
【００８０】
以上に説明した、本実施の形態２に係る分光光学系１００Ａによれば、実施の形態１に係る分光光学系１００と同様の効果が得られるのは勿論のこと、グリズム１０７から出射される多色光Ｌの光軸は、分光光学系１００Ａの光軸と平行であるため、平面鏡１０８の光軸を分光光学系１００Ａの光軸に対して傾ける必要がない。そのため、分光光学系１００Ａにおける各構成部材のアライメントが難しくなるのを防ぐことができる。
【００８１】
実施の形態３
次に、図５を参照しながら、本発明の実施の形態３について説明する。図５は、実施の形態３に係る分光光学系１００Ｂの一例を示す図である。実施の形態３に係る分光光学系１００Ｂは、図５に示すように、分散素子としてプリズム１０９を備え、更に平面鏡１１０を備え、オーダーソーティングフィルタ１０５を備えない点が、実施の形態１に係る分光光学系１００と異なる。以下、実施の形態３に係る分光光学系１００Ｂにおいて、実施の形態１に係る分光光学系１００と同様の構成については、同一の符号を付すとともに、その説明を省略する。
【００８２】
プリズム１０９は、第２の球面鏡１０３から反射された多色光Ｌを屈折作用によって波長毎に分散し、分散した多色光Ｌを平面鏡１１０に入射させる。また、プリズム１０９は、第２の球面鏡１０３から反射された多色光Ｌの絞り位置に配置されており、プリズム１０９には、半導体ウエハＷ上の同一の点から反射された光が、平行光として入射する。これにより、後述する画像センサ１０６の検出面に形成される各波長毎のスポットがぼやけることを防ぐことができる。
【００８３】
平面鏡１１０は、プリズム１０９と第１の球面鏡１０２との間に配置されており、プリズム１０９によって分散された多色光Ｌを第２の球面鏡１０３に向かって反射する。平面鏡１１０によって反射された多色光Ｌは、プリズム１０９を透過して、第２の球面鏡１０３に入射する。
【００８４】
以上に説明した、本実施の形態３に係る分光光学系１００Ｂによれば、実施の形態１に係る分光光学系１００と同様の効果が得られるのは勿論のこと、分散素子としてプリズム１０９を用いるため、分散素子が回折格子１０４である場合に比べて、分散素子の回折効率を向上することができる。これにより、分光光学系１００Ｂの空間分解能及び波長分解能を向上することができる。
また、分散素子としてプリズム１０９を用いることにより、オーダーソーティングフィルタ１０５を省略することができる。これにより、分光光学系１００Ｂの製造コストをさらに低減することができる。
【００８５】
実施の形態４
次に、図６を参照しながら、本発明の実施の形態４について説明する。図６は、実施の形態４に係る分光光学系１００Ｃの一例を示す図である。実施の形態４に係る分光光学系１００Ｃは、図６に示すように、第１の球面鏡１１１の中央部に孔部１１１Ａを備える点、及び、回折格子１１２が配置される位置が、実施の形態１に係る分光光学系１００と異なる。以下、実施の形態４に係る分光光学系１００Ｃにおいて、実施の形態１に係る分光光学系１００と同様の構成については、同一の符号を付すとともに、その説明を省略する。
【００８６】
図６に示すように、本実施の形態４に係る第１の球面鏡１１１の中央部には、当該第１の球面鏡１１１を貫通する孔部１１１Ａが形成されている。孔部１１１Ａが形成されている点を除けば、本実施の形態４に係る第１の球面鏡１１１は、実施の形態１に係る第１の球面鏡１０２と同じであるため、その説明を省略する。
【００８７】
本実施の形態４において、回折格子１１２は、第１の球面鏡１１１の孔部１１１Ａの内部、又は、第１の球面鏡１１１の第２の球面鏡１０３側とは反対側に配置されている。本実施の形態４に係る回折格子１１２は、その配置位置を除けば、第１の実施の形態１に係る回折格子１０４と同じであるため、その説明を省略する。なお、本実施の形態４において、分光光学系１００Ｃは、回折格子１１２の代わりに、実施の形態２で例示したグリズム１０７、又は、実施の形態３で例示したプリズム１０９を備えていてもよい。
【００８８】
以上に説明した、本実施の形態４に係る分光光学系１００Ｃによれば、実施の形態１に係る分光光学系１００と同様の効果が得られるのは勿論のこと、回折格子１１２が孔部１１１Ａの内部、又は、第１の球面鏡１１１の第２の球面鏡１０３側とは反対側に配置されているため、第１の球面鏡１１１と第２の球面鏡１０３との間隔を狭くすることができ、分光光学系１００Ｃのコンパクト化を図ることができる。また、回折格子１１２を支持しやすくなる。
【００８９】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、本発明に係る分光光学系１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃは、半導体検査装置３００以外の装置に用いられてもよい。
【００９０】
また、実施の形態１に係る分光光学系１００において、第１の球面鏡１０２が、当該第１の球面鏡１０２の曲率中心において、第１の反射鏡及び第２の反射鏡に分割される場合、回折格子１０４等の分散素子は、当該第１の反射鏡と第２の反射鏡との間、又は、第１の球面鏡１０２の第２の球面鏡１０３側とは反対側に配置されてもよい。これにより、第１の球面鏡１１１と第２の球面鏡１０３との間隔を狭くすることができ、分光光学系１００のコンパクト化を図ることができる。また、回折格子１１２等の分散素子を支持しやすくなる。
【符号の説明】
【００９１】
１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ  分光光学系
１０１  スリット
１０２、１１１  第１の球面鏡
１１１Ａ  孔部
１０３  第２の球面鏡
１０４、１１２  回折格子（分散素子）
１０５  オーダーソーティングフィルタ
１０６  画像センサ
１０７  グリズム（分散素子）
１０８、１１０  平面鏡
１０９  プリズム（分散素子）
２００  照射部
２０１  広帯域光源
２０２  ファイバ
２０３  第１の偏光板
２０４  コンデンサレンズ
２０５  ミラー
２０６  ハーフプリズム
２０７  開口絞り
２０８  対物レンズ
２０９  結像レンズ
２１０  第２の偏光板
５００  誘電体多層膜
５０１  低屈折率膜
５０２  高屈折率膜
Ｗ  半導体ウエハ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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