(57)【要約】【課題】分光エリプソメータの光源における熱の発生を低減するとともに対象物からの反射光の偏光状態を精度良く取得する。【解決手段】分光エリプソメータ１では、光源３１からの光が偏光子３２１を介して基板９に導かれ、基板９からの反射光が、回転する検光子４１を経由して分光器４２にて受光されて反射光の偏光状態が取得される。分光エリプソメータ１では、半導体発光素子からのパルス状の光を連続スペクトルを有するパルス光に変換して出射する光源３１が利用されることにより、光源３１における熱の発生を低減することができる。その結果、光源３１と基板９との間に配置された光学素子等の熱膨張を抑制し、基板９からの反射光の偏光状態を精度良く取得することができる。また、検光子４１の回転位置が所望の角度となっているときの分光強度を正確に取得することができるため、基板９からの反射光の偏光状態をより精度良く取得することができる。【選択図】図１
2010223822.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
分光エリプソメータであって、
半導体発光素子からのパルス状の光を所定の波長範囲において連続するスペクトルを有するパルス光に変換して出射する光源と、
対象物へと傾斜しつつ導かれる偏光光を、前記光源から出射される前記パルス光から生成する偏光光生成部と、
前記対象物にて反射された前記偏光光の反射光が入射する検光子と、  
前記検光子を経由した前記反射光を受光して分光強度を取得する分光器と、
前記光源から前記分光器に至る光学系が有する偏光機能を変化させる偏光機能変更部と、
前記分光器からの出力に基づいて前記反射光の波長毎の偏光状態を取得する偏光状態取得部と、
を備え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、
前記偏光機能変更部が、前記検光子を光軸に平行な中心軸を中心として回転する回転機構であり、
前記検光子の回転に同期して前記光源から前記パルス光が出射され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、
前記分光器が、
前記検光子を経由した前記反射光を分光する分光デバイスと、
前記分光デバイスからの分光光を受光して前記反射光の分光強度を取得する受光デバイスと、
を備え、
前記パルス光の１回の出射時間が、前記受光デバイスによる分光強度の１回の取得に要する最短時間よりも短いことを特徴とする分光エリプソメータ。
【請求項４】
請求項３に記載の分光エリプソメータであって、
前記光源からの前記パルス光の出射間隔が、前記受光デバイスによる分光強度の最短取得間隔に等しい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のいずれかに記載の分光エリプソメータであって、
前記半導体発光素子に供給される電流が、定格電流よりも大きい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、
前記偏光光生成部が、前記光源からの前記パルス光から、複数の波長の楕円偏光した光、または、前記複数の波長に含まれる特定の波長の円偏光した光および他の波長の楕円偏光した光を得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１ないし６のいずれかに記載の分光エリプソメータであって、
前記光源と前記偏光光生成部との間に前記パルス光に含まれる熱線を除去する熱線除去部が設けられない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ないし７のいずれかに記載の分光エリプソメータであって、
前記光源と前記偏光光生成部との間に前記光源からの前記パルス光を反射する反射面が設けられないことを特徴とする分光エリプソメータ。
【請求項９】
分光エリプソメータであって、
半導体発光素子からのパルス状の光を白色光に変換して出射する光源と、
対象物へと傾斜しつつ導かれる偏光光を、前記光源から出射されるパルス光から生成する偏光光生成部と、
前記対象物にて反射された前記偏光光の反射光が入射する検光子と、
前記検光子を経由した前記反射光を受光して分光強度を取得する分光器と、
前記光源から前記分光器に至る光学系が有する偏光機能を変化させる偏光機能変更部と、
前記分光器からの出力に基づいて前記反射光の波長毎の偏光状態を取得する偏光状態取得部と、
を備えることを特徴とする分光エリプソメータ。
【請求項１０】
対象物の偏光解析方法であって、
ａ）半導体発光素子からのパルス状の光を所定の波長範囲において連続するスペクトルを有するパルス光に変換して光源から出射する工程と、
ｂ）対象物へと傾斜しつつ導かれる偏光光を、前記光源から出射される前記パルス光から生成する工程と、
ｃ）前記対象物からの反射光を検光子を経由させて分光器にて受光して分光強度を取得する工程と、
ｄ）前記光源から前記分光器に至る光学系が有する偏光機能を変化させる工程と、
ｅ）前記分光器からの出力に基づいて前記反射光の波長毎の偏光状態を取得する工程と、
を備えることを特徴とする偏光解析方法。
【請求項１１】
対象物の偏光解析方法であって、
ａ）半導体発光素子からのパルス状の光を白色光に変換して光源から出射する工程と、
ｂ）対象物へと傾斜しつつ導かれる偏光光を、前記光源から出射されるパルス光から生成する工程と、
ｃ）前記対象物からの反射光を検光子を経由させて分光器にて受光して分光強度を取得する工程と、
ｄ）前記光源から前記分光器に至る光学系が有する偏光機能を変化させる工程と、
ｅ）前記分光器からの出力に基づいて前記反射光の波長毎の偏光状態を取得する工程と、
を備えることを特徴とする偏光解析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分光エリプソメータおよび偏光解析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、対象物上に存在する膜の厚さ等を測定する光学式の測定装置としてエリプソメータが利用されている。エリプソメータでは、偏光した光（以下、「偏光光」という。）を対象物の測定面上に斜めから照射し、その反射光の偏光状態を取得して偏光解析することにより対象物上の膜厚等が測定される。
【０００３】
例えば、特許文献１のエリプソメータでは、発振波長が異なる３つのレーザチップを有する半導体レーザを利用し、３つの波長の光にそれぞれ対応する反射光の偏光状態に基づいて膜厚等の測定を行うことにより、単一波長の光のみを利用して膜厚測定を行う場合に比べて測定精度の向上が図られている。また、特許文献２では、キセノン（Ｘｅ）ランプ等から対象物に白色光を連続的に照射し、対象物からの反射光の波長毎の偏光状態に基づいて対象物上の薄膜に対する膜厚測定等を行う分光エリプソメータが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２６６６６６号公報
【特許文献２】特開２００５−３６６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１のエリプソメータでは、半導体レーザから出射されて対象物へと至る３つの波長の光の光路が完全に同一となるように、半導体レーザ内の３つのレーザチップの配置、および、半導体レーザからの光を対象物へと導く光学系の形状や配置等を高精度に調整することが必要となる。しかしながら、半導体レーザからの３つの波長の光の光路を完全に同一とすることは困難であり、光路のずれによる測定精度の低下のおそれがある。
【０００６】
一方、特許文献２の分光エリプソメータでは、１つの光源からの白色光が対象物へと導かれるため、上述のような光路のずれによる測定精度の低下は生じないが、光源から発生する熱の影響（例えば、光学系における複数の光学素子の熱膨張率の差による影響）による測定精度の低下を防止するために、光源と対象物との間に設けられる偏光解析に係る光学系と光源との間の距離を比較的大きくする必要がある。このため、対象物に至る光の光量が低下し、測定精度を向上することができない。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、分光エリプソメータの光源における熱の発生を低減するとともに対象物からの反射光の偏光状態を精度良く取得することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の発明は、分光エリプソメータであって、半導体発光素子からのパルス状の光を所定の波長範囲において連続するスペクトルを有するパルス光に変換して出射する光源と、対象物へと傾斜しつつ導かれる偏光光を、前記光源から出射される前記パルス光から生成する偏光光生成部と、前記対象物にて反射された前記偏光光の反射光が入射する検光子と、前記検光子を経由した前記反射光を受光して分光強度を取得する分光器と、前記光源から前記分光器に至る光学系が有する偏光機能を変化させる偏光機能変更部と、前記分光器からの出力に基づいて前記反射光の波長毎の偏光状態を取得する偏光状態取得部とを備える。
【０００９】
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、前記偏光機能変更部が、前記検光子を光軸に平行な中心軸を中心として回転する回転機構であり、前記検光子の回転に同期して前記光源から前記パルス光が出射される。
【００１０】
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、前記分光器が、前記検光子を経由した前記反射光を分光する分光デバイスと、前記分光デバイスからの分光光を受光して前記反射光の分光強度を取得する受光デバイスとを備え、前記パルス光の１回の出射時間が、前記受光デバイスによる分光強度の１回の取得に要する最短時間よりも短い。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の分光エリプソメータであって、前記光源からの前記パルス光の出射間隔が、前記受光デバイスによる分光強度の最短取得間隔に等しい。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の分光エリプソメータであって、前記半導体発光素子に供給される電流が、定格電流よりも大きい。
【００１３】
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、前記偏光光生成部が、前記光源からの前記パルス光から、複数の波長の楕円偏光した光、または、前記複数の波長に含まれる特定の波長の円偏光した光および他の波長の楕円偏光した光を得る。
【００１４】
請求項７に記載の発明は、請求項１ないし６のいずれかに記載の分光エリプソメータであって、前記光源と前記偏光光生成部との間に前記パルス光に含まれる熱線を除去する熱線除去部が設けられない。
【００１５】
請求項８に記載の発明は、請求項１ないし７のいずれかに記載の分光エリプソメータであって、前記光源と前記偏光光生成部との間に前記光源からの前記パルス光を反射する反射面が設けられない。
【００１６】
請求項９に記載の発明は、分光エリプソメータであって、半導体発光素子からのパルス状の光を白色光に変換して出射する光源と、対象物へと傾斜しつつ導かれる偏光光を、前記光源から出射されるパルス光から生成する偏光光生成部と、前記対象物にて反射された前記偏光光の反射光が入射する検光子と、前記検光子を経由した前記反射光を受光して分光強度を取得する分光器と、前記光源から前記分光器に至る光学系が有する偏光機能を変化させる偏光機能変更部と、前記分光器からの出力に基づいて前記反射光の波長毎の偏光状態を取得する偏光状態取得部とを備える。
【００１７】
請求項１０に記載の発明は、対象物の偏光解析方法であって、ａ）半導体発光素子からのパルス状の光を所定の波長範囲において連続するスペクトルを有するパルス光に変換して光源から出射する工程と、ｂ）対象物へと傾斜しつつ導かれる偏光光を、前記光源から出射される前記パルス光から生成する工程と、ｃ）前記対象物からの反射光を検光子を経由させて分光器にて受光して分光強度を取得する工程と、ｄ）前記光源から前記分光器に至る光学系が有する偏光機能を変化させる工程と、ｅ）前記分光器からの出力に基づいて前記反射光の波長毎の偏光状態を取得する工程とを備える。
【００１８】
請求項１１に記載の発明は、対象物の偏光解析方法であって、ａ）半導体発光素子からのパルス状の光を白色光に変換して光源から出射する工程と、ｂ）対象物へと傾斜しつつ導かれる偏光光を、前記光源から出射されるパルス光から生成する工程と、ｃ）前記対象物からの反射光を検光子を経由させて分光器にて受光して分光強度を取得する工程と、ｄ）前記光源から前記分光器に至る光学系が有する偏光機能を変化させる工程と、ｅ）前記分光器からの出力に基づいて前記反射光の波長毎の偏光状態を取得する工程とを備える。
【発明の効果】
【００１９】
本発明では、分光エリプソメータの光源における熱の発生を低減するとともに対象物からの反射光の偏光状態を精度良く取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１の実施の形態に係る分光エリプソメータの構成を示す図である。
【図２】制御部の構成を示す図である。
【図３】制御部の機能を示すブロック図である。
【図４】膜厚算出の流れを示す図である。
【図５】パルス光の出射および分光強度の取得のタイミングチャートである。
【図６】第２の実施の形態に係る分光エリプソメータの構成を示す図である。
【図７】膜厚算出の流れを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１は、本発明の第１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、測定対象物である半導体基板９（以下、単に「基板９」という。）上に形成された薄膜の膜厚を測定する装置である。分光エリプソメータ１では、基板９上の薄膜が存在する主面９１（すなわち、測定対象となる図１中の（＋Ｚ）側の主面であり、以下、「測定面９１」という。）に偏光した光を照射し、測定面９１からの反射光に基づいて偏光解析が行われて膜厚が求められる。本実施の形態では、分光エリプソメータ１により、基板９の測定面９１上に形成された酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜の厚さが基板９の光学条件として求められる。なお、図１では、分光エリプソメータ１の構成の一部を断面にて示している（図６においても同様）。
【００２２】
分光エリプソメータ１は、測定面９１を有する基板９を保持する保持部であるステージ２、ステージ２を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の測定面９１へと傾斜しつつ入射させる照明部３、上記偏光光の測定面９１からの反射光を受光する受光部４、基板９の測定面９１に沿う方向（すなわち、図１中におけるＸ方向およびＹ方向）の位置調整に利用される基板観察部５、並びに、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るとともに分光エリプソメータ１の他の構成を制御する制御部を備える。
【００２３】
図２は、分光エリプソメータ１の制御部６の構成を示す図である。図２に示すように、制御部６は、通常のコンピュータと同様に、各種演算処理を行うＣＰＵ６１、実行されるプログラムを記憶したり演算処理の作業領域となるＲＡＭ６２、基本プログラムを記憶するＲＯＭ６３、各種情報を記憶する固定ディスク６４、作業者に各種情報を表示するディスプレイ６５、および、キーボードやマウス等の入力部６６等を接続した構成となっている。
【００２４】
図３は、制御部６のＣＰＵ６１（図２参照）等がプログラムに従って演算処理を行うことにより実現される機能を、分光エリプソメータ１の他の構成と共に示すブロック図であり、図３中の偏光状態取得部６１１、光学条件演算部６１２および記憶部６１３が、ＣＰＵ６１等により実現される機能に相当する。なお、これらの機能は複数台のコンピュータにより実現されてもよい。
【００２５】
図１に示すように、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、ステージ２を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。ステージ移動機構２１は、また、基板９をステージ２と共に基板９の測定面９１に垂直な上下方向（すなわち、図１中のＺ方向）に移動する昇降機構２４を有し、分光エリプソメータ１のフォーカス調整が行われる際には、当該昇降機構２４により基板９の昇降が行われる。
【００２６】
照明部３は、パルス状の白色光（以下、単に「パルス光」という。）を出射する光源３１、光源３１からのパルス光を案内する第１案内光学系３３、および、光源３１からのパルス光から偏光光を生成する偏光光生成部３２を備え、偏光光生成部３２により光源３１から出射されたパルス光から得られた偏光光は、照明部３から基板９の測定面９１に傾斜しつつ導かれる。偏光光生成部３２はシート状（または、薄板状）の偏光子３２１を備え、第１案内光学系３３は、アパーチャ板３３１およびレンズ３３２，３３３を備える。第１案内光学系３３のアパーチャ板３３１およびレンズ３３２，３３３、並びに、偏光光生成部３２は、光源３１から基板９に至る照明部３の直線状の光軸Ｊ１上に配置される。なお、偏光子３２１として結晶を利用したものが用いられてもよい。
【００２７】
本実施の形態では、光源３１として、半導体発光素子の１つである発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）からの一の波長の光を蛍光体を介して出射することにより、当該一の波長の光を、所定の波長範囲において連続するスペクトルを有する白色光に変換して出射する蛍光体方式の白色ＬＥＤが利用される。分光エリプソメータ１では、光源３１からの白色光のうち、所定の波長帯の光（本実施の形態では、４００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の波長帯の可視光）が、後述する基板９の測定面９１上の膜厚測定に利用される。以下の説明では、膜厚測定に利用される光の波長帯を「測定波長帯」という。
【００２８】
受光部４は、基板９にて反射された偏光光の反射光が入射する検光子４１、検光子４１を光軸Ｊ２に平行な中心軸を中心として回転する検光子回転機構４３、検光子４１を経由した反射光を受光して当該反射光の分光強度を取得する分光器４２、および、対象物からの反射光を分光器４２へと導く第２案内光学系４４を備える。第２案内光学系４４は、レンズ４４１，４４２およびアパーチャ板４４３を備え、第２案内光学系４４のレンズ４４１，４４２およびアパーチャ板４４３、並びに、検光子４１は、基板９から分光器４２に至る受光部４の直線状の光軸Ｊ２上に配置される。分光器４２は、検光子４１を経由した反射光を受光して波長毎の光に分光する分光デバイスであるグレーティング４２１、および、グレーティング４２１からの分光した光（以下、「分光光」という。）を受光して反射光の分光強度（すなわち、波長毎の光強度）を取得する受光デバイス４２２を備える。
【００２９】
分光エリプソメータ１では、検光子４１の回転位置、および、分光器４２により取得された反射光の分光強度が、制御部６の偏光状態取得部６１１（図３参照）へと出力される。そして、偏光状態取得部６１１において、検光子４１の回転位置および分光器４２からの出力に基づいて、照明部３からの白色光のうち測定波長帯における複数の波長の光のそれぞれの偏光状態を示す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。
【００３０】
基板観察部５は、白色光を連続的に出射する観察用光源５１および基板９の位置調整用のカメラ５２を備える。観察用光源５１からの光は、ハーフミラー５３および対物レンズ５４を介して基板９の測定面９１に垂直に入射し、基板９からの反射光は、対物レンズ５４、ハーフミラー５３およびレンズ５５を介してカメラ５２にて受光される。分光エリプソメータ１では、基板９の測定面９１上に設けられた位置調整用の目印（いわゆる、アライメントマーク）がカメラ５２により撮像される。そして、制御部６により、当該目印の画像に基づいてステージ移動機構２１のＸ方向移動機構２３およびＹ方向移動機構２２が制御され、基板９のＸ方向およびＹ方向における位置調整が行われる。
【００３１】
次に、照明部３および受光部４の詳細、並びに、分光エリプソメータ１において行われる膜厚算出の流れについて説明する。図４は、膜厚算出の流れを示す図である。図１に示す分光エリプソメータ１では、光源３１において、半導体発光素子に定格電流よりも大きいパルス状の電流が供給されることにより半導体発光素子からパルス状の光が出射され、当該パルス状の光が所定の波長範囲において連続するスペクトルを有するパルス光に変換されて出射される（ステップＳ１１）。照明部３では、光源３１からのパルス光がアパーチャ板３３１の開口に導かれる。
【００３２】
アパーチャ板３３１の開口を通過した光は、レンズ３３２を介して偏光光生成部３２の偏光子３２１へと導かれ、偏光子３２１により導き出された偏光光は、レンズ３３３を介して７０°の入射角にて基板９へと導かれて測定面９１上の照射領域に照射される（ステップＳ１２）。照明部３では、アパーチャ板３３１の開口が測定面９１上の照射領域と光学的に共役な位置に配置される。
【００３３】
基板９の測定面９１上の上記照射領域にて反射された反射光は、レンズ４４１を介して検光子４１へと導かれる（ステップＳ１３）。本実施の形態では、検光子４１として、偏光シートやグラントムソンプリズム等が利用される。検光子４１は、制御部６により制御される検光子回転機構４３（例えば、ステッピングモータ）により光軸Ｊ２に平行な軸を中心として回転し、これにより、検光子回転機構４３の回転角に応じた（すなわち、検光子４１の回転位置に応じた）偏光光が検光子４１から導き出される。回転する検光子４１を透過した偏光光は、レンズ４４２および分光器４２に固定されたアパーチャ板４４３の開口を介して分光器４２へと入射する。アパーチャ板４４３の開口は、基板９の測定面９１上の照射領域と光学的に共役な位置に配置される。
【００３４】
検光子４１を経由して分光器４２へと入射した反射光は、グレーティング４２１により反射されて高い波長分解能にて分光され、受光デバイス４２２により受光される。受光デバイス４２２では、測定面９１からの反射光に含まれる測定波長帯における複数の波長の光のそれぞれの光強度である分光強度が取得される。分光エリプソメータ１では、検光子回転機構４３により検光子４１が所定の角度だけ回転される毎に、制御部６により、分光器４２の受光デバイス４２２に対して取込開始信号が送られ、光源３１に対して点灯信号が送られて測定面９１からの反射光の分光強度が取得される（ステップＳ１４）。換言すれば、検光子回転機構４３により検光子４１の回転位置を変化させつつ（すなわち、検光子回転機構４３により、光源３１から分光器４２に至る光学系が有する光を偏光させる偏光機能を変化させつつ）、検光子４１の回転に同期して、光源３１からのパルス光の出射、および、受光デバイス４２２による分光強度の取得が繰り返される。その結果、検光子４１の複数の回転位置に対応する複数の分光強度が取得される。
【００３５】
分光器４２により取得された反射光の分光強度は、制御部６の偏光状態取得部６１１（図３参照）へと出力され、偏光状態取得部６１１において、受光デバイス４２２および検光子回転機構４３からの出力に基づいて反射光の分光強度と検光子４１の回転角とが対応づけられることにより、反射光の波長毎の偏光状態（すなわち、測定波長帯の複数の波長のそれぞれにおける偏光状態）を示す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（ステップＳ１５）。そして、反射光の波長毎の偏光状態が偏光状態取得部６１１から光学条件演算部６１２（図３参照）へと出力される。光学条件演算部６１２では、反射光の波長毎の偏光状態に基づいて偏光解析が行われ、基板９に係る光学条件の１つである測定面９１に存在する膜の厚さが求められて記憶部６１３に出力される（ステップＳ１６）。
【００３６】
図５は、分光エリプソメータ１における光源３１からのパルス光の出射、および、受光デバイス４２２による分光強度の取得と、時間経過との関係を示すタイミングチャートである。受光デバイス４２２では、分光強度の１回の取得に要する時間および分光強度の取得間隔が変更可能であり、本実施の形態では、分光強度の１回の取得に要する時間が最短時間Ｔ１に設定され、分光強度の取得間隔が最短取得間隔Ｔ２に設定される。図５に示すように、分光エリプソメータ１では、光源３１からのパルス光の出射間隔が、受光デバイス４２２による分光強度の最短取得間隔Ｔ２に等しくされ、また、パルス光の１回の出射時間Ｔ３が、受光デバイス４２２による分光強度の１回の取得に要する最短時間Ｔ１よりも短くされる。
【００３７】
ところで、光源から連続的に光を照射して分光強度の取得を行う分光エリプソメータ（以下、「比較例の分光エリプソメータ」という。）では、受光デバイスによる分光強度の１回の取得に要する時間をｔとし、時間ｔの間に検光子の回転位置が変化する量を２ｄθとすると、偏光解析の際に検光子の回転位置θ１に対応付けられる分光強度は、実際には、検光子の回転位置がθ１となっているときの分光強度ではなく、検光子の回転位置が（θ１−ｄθ）から（θ１＋ｄθ）まで変化する間の分光強度の平均値となる。このため、比較例の分光エリプソメータでは、偏光解析の精度向上に限界がある。
【００３８】
これに対し、本実施の形態に係る分光エリプソメータ１では、光源３１から出射されるパルス光の基板９からの反射光を受光して分光強度を測定するため、検光子４１の回転位置が所望の位置となっているときにパルス光を出射することにより、当該所望の回転位置における分光強度を正確に取得することができる。このため、比較例の分光エリプソメータに比べて、基板９からの反射光の偏光状態を精度良く取得することができる。また、光源３１から出射される光をパルス光とすることにより、光源３１の半導体発光素子に供給される電流を定格電流よりも大きくすることができる。これにより、基板９の測定面９１上の照射領域に照射される光の強度を増大させることができ、その結果、受光デバイス４２２にて分光強度を取得するために必要な光量を得るための時間が短縮され、偏光解析の精度をより向上することができる。
【００３９】
分光エリプソメータ１では、上述のように、検光子４１を回転することにより、光源３１から分光器４２に至る光学系（すなわち、第１案内光学系３３、偏光光生成部３２、検光子４１および第２案内光学系４４）が有する光を偏光させる偏光機能を変化させ、当該偏光機能の変化に同期して光源３１からパルス光が出射される。このような構造とすることにより、偏光解析の精度を向上しつつ装置構造を簡素化することができる。また、図５に示すように、パルス光の１回の出射時間Ｔ３が、受光デバイス４２２による分光強度の１回の取得に要する最短時間Ｔ１よりも短くされることにより、光源３１からのパルス光の出射を、受光デバイス４２２における分光強度の取得開始と厳密に同期させる必要がないため、制御部６による制御を簡素化することができる。さらに、パルス光の出射間隔が、受光デバイス４２２による分光強度の最短取得間隔Ｔ２に等しくされることにより、膜厚測定に要する時間を短縮することができる。なお、パルス光の出射間隔は、上記最短取得間隔Ｔ２にほぼ等しくされていればよく、これにより、膜厚測定に要する時間を短縮することができる。
【００４０】
ところで、比較例の分光エリプソメータの光源として連続点灯するキセノン（Ｘｅ）ランプ等が利用される場合、光源から比較的大きい熱エネルギーが放出されるため、光源と基板との間に配置された案内光学系や偏光子等の熱膨張により、膜厚測定の精度低下のおそれがある。
【００４１】
これに対し、本実施の形態に係る分光エリプソメータ１では、半導体発光素子からのパルス状の光を連続スペクトルを有するパルス光に変換して出射する光源３１が利用されることにより、光源３１における熱の発生を低減することができる。これにより、基板９からの反射光の偏光状態を精度良く取得することができ、膜厚測定の精度を向上することができる。
【００４２】
また、比較例の分光エリプソメータでは、光源の発熱による案内光学系や偏光子等の熱膨張を抑制し、測定精度の低下を抑制するために、光源と上記案内光学系等との間の光路長を大きくし、さらに、光源と案内光学系等との間に熱線カットフィルタ等の熱線除去部を設けることが行われている。また、光源と案内光学系等との間の光路長を大きくしつつ装置を小型化するために、光源と案内光学系等との間に光軸の向きを変更する反射ミラー等が設けられる。
【００４３】
これに対し、本実施の形態に係る分光エリプソメータ１では、上述のように、光源３１における熱の発生を低減することができるため、光源３１と第１案内光学系３３との間の光路長を縮小することができる。また、光源３１と第１案内光学系３３（のアパーチャ板３３１）との間、および、光源３１と偏光光生成部３２との間に、光源３１からのパルス光に含まれる熱線を除去する熱線除去部は設けられない。これにより、光源３１からの光の減衰を抑制しつつ基板９の測定面９１に照射することができ、その結果、光源３１からのパルス光を効率良く偏光解析に利用することができる。また、分光エリプソメータ１の装置構造を簡素化することもできる。
【００４４】
照明部３では、光源３１と第１案内光学系３３（のアパーチャ板３３１）、および、光源３１と偏光光生成部３２との間に、光源３１からのパルス光を反射してパルス光の向きを変更する反射ミラー（すなわち、反射面）等の光学素子も設けられない。これにより、上記と同様に、光源３１と基板９との間の光路長をさらに短くして光源３１からのパルス光をより効率良く偏光解析に利用することができる。また、分光エリプソメータ１の装置構造をより簡素化することもできる。
【００４５】
上述のように、分光エリプソメータ１では、第１案内光学系３３の各光学素子（アパーチャ板３３１およびレンズ３３２，３３３）、並びに、偏光光生成部３２の偏光子３２１が、光源３１から基板９に至る直線状の光軸Ｊ１上に配置される。また、第２案内光学系４４の各光学素子（レンズ４４１，４４２およびアパーチャ板４４３）、並びに、検光子４１が、基板９から分光器４２に至る直線状の光軸Ｊ２上に配置される。これにより、分光エリプソメータ１の装置構造がさらに簡素化される。
【００４６】
次に、本発明の第２の実施の形態に係る分光エリプソメータについて説明する。図６は、第２の実施の形態に係る分光エリプソメータ１ａの構成を示す図である。図６に示すように、分光エリプソメータ１ａでは、偏光光生成部３２ａが、偏光子３２１と基板９との間において照明部３の光軸Ｊ１上に配置される波長板３２２をさらに備える。分光エリプソメータ１ａのその他の構成は、図１に示す分光エリプソメータ１と同様であり、対応する構成には以下の説明において同符号を付す。
【００４７】
偏光光生成部３２ａでは、偏光子３２１により、光源３１からのパルス光に含まれる各波長の光から直線偏光した光（以下、「直線偏光光」という。）が得られる。また、波長板３２２により、偏光子３２１を経由した特定の波長の光から円偏光した光（以下、「円偏光光」という。）が得られ、その他の波長の光から楕円偏光した光（以下、「楕円偏光光」という。）得られる。換言すれば、偏光光生成部３２ａでは、測定波長帯における複数の波長に含まれる特定の波長の光から円偏光光を得るとともに当該複数の波長に含まれる特定の波長以外の波長の光から楕円偏光光を得ることにより、多波長偏光光が生成される。波長板３２２は、位相差の波長依存性を抑えた広帯域波長板であり、可視光に対応する波長帯（すなわち、およそ３６０ｎｍ以上８３０ｎｍ以下の波長帯）におけるｐ偏光成分とｓ偏光成分との位相差が、８０°以上１００°以下とされる。
【００４８】
次に、図７を参照しつつ分光エリプソメータ１ａによる膜厚算出の流れについて説明する。分光エリプソメータ１ａでは、光源３１から所定の波長範囲において連続するスペクトルを有するパルス光が出射され、偏光光生成部３２ａの偏光子３２１へと導かれる（ステップＳ２１）。そして、偏光子３２１により導き出された多波長の直線偏光光が波長板３２２を透過することにより、楕円偏光または円偏光された多波長偏光光が生成され、７０°の入射角にて基板９の測定面９１上の照射領域に照射される（ステップＳ２２）。
【００４９】
上記照射領域にて反射された反射光は検光子４１へと導かれ（ステップＳ２３）、検光子４１の回転位置に応じて導き出された直線偏光光が分光器４２へと入射して測定波長帯における分光強度が取得される（ステップＳ２４）。
【００５０】
分光器４２により取得された分光強度は、制御部６の偏光状態取得部６１１（図３参照）へと出力され、反射光の分光強度と検光子４１の回転角とが対応づけられることにより、反射光の波長毎の偏光状態を示す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（ステップＳ２５）。そして、光学条件演算部６１２（図３参照）により、反射光の波長毎の偏光状態に基づいて偏光解析が行われ、基板９に係る光学条件の１つである測定面９１に存在する膜の厚さが求められて記憶部６１３（図３参照）に出力される（ステップＳ２６）。
【００５１】
次に、分光エリプソメータ１ａの光学条件演算部６１２による膜厚算出の詳細について説明する。制御部６の偏光状態取得部６１１では、分光器４２にて受光された測定波長帯の各波長の光について、反射振幅比角ψｏｕｔ＿ｍｅａｓの正接であるｔａｎ（ψｏｕｔ＿ｍｅａｓ）、および、位相差Δｏｕｔ＿ｍｅａｓの余弦であるｃｏｓ（Δｏｕｔ＿ｍｅａｓ）が、反射振幅比角および位相差を示す測定値として取得されて光学条件演算部６１２へと送られる。
【００５２】
一方、制御部６の記憶部６１３には、測定波長帯の複数の波長のそれぞれにおける入射光（すなわち、偏光光生成部３２ａから基板９へと入射する楕円偏光光または円偏光光）の反射振幅比角ψｉｎ、および、位相差Δｉｎが予め記憶されている。分光エリプソメータ１ａでは、基板９における反射による偏光状態の変化（すなわち、ｐ偏光成分とｓ偏光成分との反射振幅比角および位相差の変化ψｗａ＿ｍｅａｓ，Δｗａ＿ｍｅａｓ）と、上記ψｏｕｔ＿ｍｅａｓ，Δｏｕｔ＿ｍｅａｓ，ψｉｎ，Δｉｎとの関係が、数１および数２のように表される。
【００５３】
（数１）
ｔａｎ（ψｏｕｔ＿ｍｅａｓ）＝ｔａｎ（ψｉｎ）×ｔａｎ（ψｗａ＿ｍｅａｓ）
【００５４】
（数２）
ｃｏｓ（Δｏｕｔ＿ｍｅａｓ）＝ｃｏｓ（Δｉｎ＋Δｗａ＿ｍｅａｓ）
【００５５】
ところで、入射光が直線偏光光である回転検光子法の分光エリプソメータでは、入射光の全波長において、ψｉｎおよびΔｉｎの値がそれぞれ４５°および０°となるため、ｔａｎ（ψｗａ＿ｍｅａｓ）およびｃｏｓ（Δｗａ＿ｍｅａｓ）はそれぞれ、ｔａｎ（ψｏｕｔ＿ｍｅａｓ）およびｃｏｓ（Δｏｕｔ＿ｍｅａｓ）と等しい値として求められる。上記分光エリプソメータでは、基板上の膜厚を仮定して、基板における反射による偏光状態の変化（すなわち、ｐ偏光成分とｓ偏光成分との反射振幅比角および位相差の変化）の理論値ψｗａ＿ｃａｌｃ，Δｗａ＿ｃａｌｃが演算により求められ、各波長λにおける測定値（に基づいて求められた値）ψｗａ＿ｍｅａｓ（λ）、および、Δｗａ＿ｍｅａｓ（λ）の余弦であるｃｏｓ（Δｗａ＿ｍｅａｓ（λ））と、測定値に対応する理論値ψｗａ＿ｃａｌｃ（λ），ｃｏｓ（Δｗａ＿ｃａｌｃ（λ））との残差の平方和（すなわち、測定値と理論値との差分に基づく値であり、以下、単に「差分値」という。）が、例えば、数３のＥ１のように求められる。
【００５６】
【数３】
2010223822.tif 000003
【００５７】
そして、膜厚を変数として、基板における反射による偏光状態の変化の理論値ψｗａ＿ｃａｌｃ（λ），Δｗａ＿ｃａｌｃ（λ）を変更しつつ差分値Ｅ１を求め、線型回帰解析法により、差分値Ｅ１が最小となる膜厚が基板上の膜の厚さとして取得される。
【００５８】
一方、本実施の形態に係る分光エリプソメータ１ａでは、基板９に入射する測定波長帯の複数の波長の光が楕円偏光光（ただし、特定の波長の光のみは円偏光光）であるため、入射光の複数の波長のそれぞれにおける反射振幅比角ψｉｎ、および、位相差Δｉｎは様々な値をとる。分光エリプソメータ１ａの光学条件演算部６１２（図３参照）では、上述のように、各波長におけるψｉｎ，Δｉｎが予め求められて記憶部６１３に記憶されており、各波長におけるψｉｎと、偏光状態取得部６１１により取得された各波長におけるｔａｎ（ψｏｕｔ＿ｍｅａｓ）とに基づいて、上述の数１から、基板における反射によるｐ偏光成分とｓ偏光成分との反射振幅比角の変化ψｗａ＿ｍｅａｓが求められる。しかしながら、偏光状態取得部６１１により取得された各波長におけるｃｏｓ（Δｏｕｔ＿ｍｅａｓ）の値からはΔｏｕｔ＿ｍｅａｓの正負が確定できないため、上述の数２を用いても、基板における反射によるｐ偏光成分とｓ偏光成分との位相差Δｗａ＿ｍｅａｓ、および、その余弦であるｃｏｓ（Δｗａ＿ｍｅａｓ）を求めることはできない。
【００５９】
そこで、光学条件演算部６１２では、基板９の測定面９１上の膜厚を仮定し、測定波長帯の複数の波長において、基板９における反射による偏光状態の変化（すなわち、ｐ偏光成分とｓ偏光成分との反射振幅比角および位相差の変化）の理論値ψｗａ＿ｃａｌｃ，Δｗａ＿ｃａｌｃを演算により求め、Δｗａ＿ｃａｌｃと記憶部６１３に予め記憶されているΔｉｎとを用いて、数４により、測定波長帯の各波長におけるｃｏｓ（Δｏｕｔ＿ｃａｌｃ）（すなわち、偏光状態取得部６１１にて取得された反射振幅比角を示す測定値ｃｏｓ（Δｏｕｔ＿ｍｅａｓ）に対応して求められた理論値）が求められる。
【００６０】
（数４）
ｃｏｓ（Δｏｕｔ＿ｃａｌｃ）＝ｃｏｓ（Δｉｎ＋Δｗａ＿ｃａｌｃ）
【００６１】
そして、偏光状態取得部６１１にて取得された測定波長帯の各波長λにおける測定値（または、測定値に基づいて求められた値）であるψｗａ＿ｍｅａｓ（λ），ｃｏｓ（Δｏｕｔ＿ｍｅａｓ（λ））と、測定値に対応する理論値であるψｗａ＿ｃａｌｃ（λ），ｃｏｓ（Δｏｕｔ＿ｃａｌｃ（λ））との差分に基づく差分値が、例えば、数５のＥ２のように求められる。
【００６２】
【数５】
2010223822.tif 000004
【００６３】
光学条件演算部６１２では、基板９の光学条件の１つである膜厚を変数として、膜厚が変更されることにより、基板における反射による反射振幅比角の変化の理論値ψｗａ＿ｃａｌｃ（λ）が変更され、また、位相差の変化の理論値Δｗａ＿ｃａｌｃ（λ）が変更されてｃｏｓ（Δｏｕｔ＿ｃａｌｃ（λ））が変更される（数４参照）。そして、膜厚を変更しつつ差分値Ｅ２が求められ、線型回帰解析法により、差分値Ｅ２が最小となる膜厚が基板９の測定面９１上の膜の厚さ（すなわち、光学条件の値）として取得される。
【００６４】
測定波長帯（すなわち、４００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の波長帯）では、基板９上の膜厚が比較的薄い場合（例えば、膜厚が１０ｎｍ以下の場合）、膜厚が単位厚さ（例えば、０．１ｎｍ）だけ変化した場合の位相差Δの変化量（以下、「位相差変化量」という。）は、円偏光光や楕円偏光光の方が直線偏光光よりも大きくなる。このため、分光エリプソメータ１ａでは、基板９に対する偏光解析をより高精度に行うことができ、基板９の測定面９１上の膜厚測定を高精度に実現することができる。
【００６５】
分光エリプソメータ１ａでは、また、第１の実施の形態と同様に、光源３１である白色ＬＥＤからパルス光を出射して反射光の分光強度を取得することにより、光源３１における熱の発生を低減し、基板９からの反射光の偏光状態を精度良く取得することができる。
【００６６】
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、様々な変更が可能である。
【００６７】
例えば、光源３１から出射されるパルス光は、可視領域の全ての波長の光を含むいわゆる白色光には限定されず、所定の波長範囲において連続するスペクトルを有していればよい。また、光源３１では、発光ダイオードに代えて半導体レーザが半導体発光素子として利用されてもよい。さらに、第１案内光学系３３および第２案内光学系４４では、各レンズに代えて平面ミラーや楕円ミラー（すなわち、非球面ミラー）が利用されてもよい。
【００６８】
上記実施の形態に係る分光エリプソメータでは、光源３１から分光器４２に至る光学系（すなわち、第１案内光学系３３、偏光光生成部３２、検光子４１および第２案内光学系４４）が有する光を偏光させる偏光機能を変化させる偏光機能変更部として、検光子回転機構４３が設けられるが、偏光機能変更部は、検光子回転機構４３とは異なる構成であってもよい。例えば、検光子を固定して偏光子を回転する回転偏光子型の分光エリプソメータでは、偏光子を回転する回転機構が偏光機能変更部となる。また、偏光子および検光子を固定して位相子を回転する回転位相子型の分光エリプソメータでは、位相子を回転する回転機構が偏光機能変更部となる。
【００６９】
第２の実施の形態に係る分光エリプソメータ１ａでは、照明部３の偏光光生成部３２ａにて生成される多波長偏光光のうち、測定波長帯の複数の波長の光に必ずしも円偏光光は含まれる必要はなく、偏光光生成部３２ａにより、光源３１からの測定波長帯の複数の波長の光から楕円偏光光のみが得られてもよい。この場合も、上記実施の形態と同様に、基板９に対する偏光解析を高精度に行うことができる。
【００７０】
上述の分光エリプソメータでは、分光器４２にて取得された分光強度に基づいて、基板９の膜厚に代えて、基板９上の膜の屈折率が基板９の光学条件として求められてもよく、また、基板９上の膜の厚さおよび屈折率の双方が求められてもよい。さらには、分光エリプソメータにより、膜厚および屈折率以外の様々な光学条件（例えば、基板９の表面状態や光学定数）が求められてもよく、また、半導体基板以外の対象物の測定面の偏光解析が行われてもよい。
【符号の説明】
【００７１】
１，１ａ    分光エリプソメータ
９    基板
３１    光源
３２，３２ａ    偏光光生成部
３３    第１案内光学系
４１    検光子
４２    分光器
４３    検光子回転機構
４４    第２案内光学系
９１    測定面
３２１    偏光子
３２２    波長板
４２１    グレーティング
４２２    受光デバイス
６１１    偏光状態取得部
Ｊ１，Ｊ２    光軸
Ｓ１１〜Ｓ１６，Ｓ２１〜Ｓ２６    ステップ
【図１】
2010223822.tif 000005
【図２】
2010223822.tif 000006
【図３】
2010223822.tif 000007
【図４】
2010223822.tif 000008
【図５】
2010223822.tif 000009
【図６】
2010223822.tif 000010
【図７】
2010223822.tif 000011