(57)【要約】【課題】特定の偏光状態を有して試片の表面に入射した光が反射された後に有するようになる偏光状態の変化を分析して、試片の光学的特性を見出す楕円計測器を提供する。【解決手段】光源(Light source)；光源から放出された光を線偏光させる線形偏光子(Linear polarizer)、偏光状態によって進行波の位相を異なるように変える補正器(compensator)などが備えられた光源部モジュール；光源部モジュールで偏光した光を分割する光分割器(beam splitter)；光分割器で分割された一部の光を通過させ試片に集中して照射させる対物レンズ(Objective lens)；試片で反射した光を偏光させる受光部モジュール；受光部モジュールを通過した光を複数の単位素子(pixel)で検出する光検出器(Optical detector)；光検出器で検出された光の強度をそれぞれの単位素子に該する値で数値化して演算処理する演算処理装置；とを含む。【選択図】図３
2009541735.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源；
前記光源から放出された光を偏光させる偏光子が備えられた光源部モジュール；
前記光源部モジュールで偏光された光を分割する光分割器；
前記光分割器で分割された一部の光を通過させて試片に集中して照射させる対物レンズ；
前記試片で反射した光を楕円偏光させる偏光子が備えられ、前記試片で反射して前記対物レンズ及び前記光分割器を通過した光を受光する受光部モジュール；
前記受光部モジュールで受光した光を複数の単位素子で検出する光検出器；
前記対物レンズによる多重入射面の経路による、前記光検出器で検出された光の強度を、前記光検出器の単位素子(pixel)に該当する値で補正して演算処理する演算処理装置；とを含むことを特徴とする楕円計測器。
【請求項２】
前記光検出器は、多数の単位素子(pixel)から構成された２次元の映像測定装置を使用することを特徴とする請求項１に記載の楕円計測器。
【請求項３】
前記光源部モジュール及び前記受光部モジュールは、特定波長範囲の光を通過させる帯域フィルターをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の楕円計測器。
【請求項４】
前記光源部モジュール及び前記受光部モジュールは、視準レンズ及び補正器をさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の楕円計測器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は焦点楕円計測器(focused-beam ellipsometer)に関するものであって、より詳しくは特定の偏光状態を有し、試片の表面に入射した光が反射された後に有するようになる偏光状態を分析して、試片の光学的特性を見出す楕円計測器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
大部分の物理、化学、材料分野の研究において物質の光学的特性を測定し薄膜の厚さを測定することは最も重要な要素である。特に、最近の半導体及びディスプレーの産業において各製造工程間のＰＲ、ＩＴＯ、Gate Oxide膜などの厚さと光学的特性を定義し、これを調節することは製品の収率及び性能向上の側面から非常に重要なことであると言える。
【０００３】
現在、物質の光学的特性と薄膜の厚さを測定する原理としてよく知られている方法は多様である。この中でも楕円計測(Ellipsometry)は光源、光検出器(Optical detector)、コンピューターなどの発展と共にその性能がかなり改善され、かつ薄膜と表面を用いた工程が増えながら応用分野が大きく増加するようになった。
【０００４】
楕円計測は反射型と透過型とに分けられるが、この中で入射角を有して試片の表面で反射した光の偏光状態を分析する反射型楕円計測技術が広く使用されている。試片によって反射された光の偏光状態変化を測定することによって主に屈折率(Refractive Index)または消光係数(Extinction coefficient)のような試片の光特性を抽出するに使用することができ、試片界面の状態などの特性を抽出するにも使用することができる。
【０００５】
一の試片の表面に垂直であり光の経路上にある平面を入射面と定義する。光の電場ベクトル方向が入射面に垂直である場合をｓ波といい、入射面にある場合はｐ波と称する。ある試片の構造とその構成物質の光学的性質、薄膜厚さ、そして入射角がわかれば、特定波長におけるｓ波とｐ波との反射係数ｒsとｒpは次のような式で計算される。
【０００６】
【数１】
2009541735.tif 000003
【０００７】
【数２】
2009541735.tif 000004
【０００８】
ここで、｜ｒp(s)｜は入射波の電場の強度Ｅip(s)と反射波の電場の強度Ｅrp(s)との大きさの割合である。そして、δp(s)は反射による位相変化である。楕円計測ではｓ波に対するｐ波の反射係数比の複素反射係数比ρは次のように定義される。
【０００９】
【数３】
2009541735.tif 000005
【００１０】
これから楕円計測角ΨとΔとは次のように定義される。
【００１１】
【数４】
2009541735.tif 000006
【００１２】
【数５】
2009541735.tif 000007
【００１３】
ここで、tanΨは反射係数の大きさの比であり、Δは同じ位相で入射したｐ波とｓ波とが反射後に有するようになる相互間の位相差である。
【００１４】
多様な機能及び構造を有する楕円計測器が先行特許または論文に発表されている。その中で楕円計測器の代表的構造は線形偏光子(linear polarizer)と補正器(compensator)を調節して消光点を見出す消光楕円計測器(null ellipsometer)、光源部モジュールの線形偏光子が定速回転する偏光子回転型楕円計測器(Rotating-polarizer ellipsometer)、受光部モジュールの線形偏光子が定速回転する検光子回転型楕円計測器(Rotating-analyzer ellipsometer)、または受光部モジュールの補正器が定速回転する補正器回転型楕円計測器(Rotating-compensator ellipsometer)などがある。
【００１５】
図１では広く使用されている楕円計測器の一種類である偏光子回転型楕円計測器を図示した。偏光子回転型楕円計測器３００は光源３１０から放出された光３２０をステップモータまたは直流電流モータによって線形偏光子が定速回転する光源部モジュール３３０を備える。ここで、光源部モジュール３３０は視準レンズ（collimating lens）、線形偏光子などで構成される。前記光源部モジュール３３０を通過した光は線偏光され、偏光軸は駆動モータと同じ速力で回転をするようになる。試片３４０の表面で反射した光は試片３４０の光学的特性によって偏光状態が変化した後、受光部モジュール３５０によって受光されるようになる。受光部モジュール３５０は線形偏光子、補正器などで構成され、ろ過された特定偏光成分のみを透過させる。受光部モジュール３５０を通過した光は光検出器３６０によって入射された光の強度を電圧または電流の電気的信号で検出するようになる。収集された光の強度信号は演算処理装置３７０で光源部モジュール３３０内の偏光子の偏光軸方位角情報と受光部モジュール３５０内の偏光子の偏光軸方位角情報と組み合わせて処理される。
【００１６】
前記楕円計測器において、光源はタングステンハロゲンランプ、ゼノンランプなどの白色光源またはレーザーなどの単色光源が使用でき、白色光源を使用するときは光源部モジュールまたは受光部モジュールに分光装置が追加される。前記楕円計測器の構造以外にも多様な形態の楕円計測器が開発されており、前記の基本構造から補正器、位相変調素子などを追加、除去または駆動を通じて変形された構造を成すことができる。
【００１７】
図１の構造から光源部モジュール３２０と受光部モジュール３５０とがそれぞれ線形偏光子のみになされており、光源部モジュール３２０の偏光子の偏光軸方位角が一定の角振動数ωで回転する場合に、光検出器によって検出される電圧信号Ｖ（ｔ）は時間ｔの関数で次のように表現できる。
【００１８】
【数６】
2009541735.tif 000008
【００１９】
ここで、Ｖωvは電圧の時間平均値であり、ａとｂは２ωの角振動数に対するフーリエ係数(Fourier coefficient)である。前記式の両辺をＶωvで割って正規化したフーリエ係数(Normalized Fourier coefficient)は次のようである。
【００２０】
【数７】
2009541735.tif 000009
【００２１】
【数８】
2009541735.tif 000010
【００２２】
ここで、Ａは受光部モジュール３５０における線形偏光子の偏光軸方位角である。前記数学式を再び整理すると、楕円計測角は次の関係式を使用して得られるようになる。
【００２３】
【数９】
2009541735.tif 000011
【００２４】
【数１０】
2009541735.tif 000012
【００２５】
前記から導出された結果、楕円計測角ΨとΔはｐ偏光された光とｓ偏光された光とのフレネル反射係数であるｒsとｒpで表現できるため、試片３４０の光学的特性に適合するモデル式を用いて計算された Ψ、Δの値と比較する過程で求めようとする試片の物理量を抽出することができる。
【００２６】
楕円計測は物質の光学的特性及び薄膜厚さの測定方法のうち、光学式測定方法(Optical metrology)に属する技術であって、反射光測定法(Reflectometry)、光干渉模様測定法(Interferometry)などの類似技術に比べて超薄膜に敏感である優秀性を有する。一般に広く使用されている検光子回転型楕円計測器、偏光子回転型楕円計測器、及び補償器回転型楕円計測器はその構造上ステップモータまたは直流電流モータによって機械的に回転する駆動部を有しているため、前記モータの速度に応じて測定時間に制約が生じられ、機械的回転運動から発生する振動による信号雑音が常に存在するようになる。
【００２７】
楕円偏光計測器のもう一つの構造である位相変調方式の場合、位相変調素子(photoelastic modulator)の位相変調周波数によって測定時間が制約を受けるようになる。偏光子回転型方式は偏光子の回転速度が約数十から１００Hz以内であり、位相変調方式は５０kHzで位相変調方式が割りと高速測定に適合しているが、位相変調素子の温度依存性及び光の波長依存性という短所があって恒温装置を備えなければならず、使用される光の波長に対する位相変調素子の光特性を矯正しなければならないという問題点がある。
【００２８】
本発明による焦点楕円計測器の構造と類似した内容が米国特許第４,９９９,０１４号、第５,０４２,９５１号、第５,１８１,０８０号に掲示されている。このような従来の特許は楕円計測の一部技術を取ったり、反射光測定方法と楕円計測の一部技術を融合することによってナノ薄膜の測定結果の正確性を向上させようとした。しかし、従来特許の焦点楕円計測技術は焦点楕円計測器の構造によって形成される反射光の一部のみを取って楕円計測角ΨとΔとを計算するように考案されているため、ΨとΔとの測定精度の向上には限界がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２９】
本発明は前記した問題点を解決するために提案されたものであって、本発明の目的はモータによる定速回転駆動部が必要な従来の検光子回転型楕円計測器と偏光子回転型楕円計測器において定速駆動部無しで測定することができるように改善して静的状態で３６０゜の多重入射面に対する偏光成分を取ることによって楕円計測角をより精密に高速測定のできる楕円計測器の新しい原理を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
前記した目的を達成するために、本発明による楕円計測器は、光源；前記光源から放出された光を偏光させる偏光子が備えられた光源部モジュール；前記光源部モジュールで偏光された光を分割する光分割器；前記光分割器で分割された一部の光を通過させて試片に集中して照射させる対物レンズ；前記試片で反射した光を楕円偏光させる偏光子が備えられ、前記試片で反射して前記対物レンズ及び前記光分割器を通過した光を受光する受光部モジュール；前記受光部モジュールで受光した光を複数の単位素子で検出する光検出器；前記対物レンズによる多重入射面の経路による、前記光検出器で検出された光の強度を、前記光検出器の単位素子(pixel)に該当する値で補正して演算処理する演算処理装置；とを含むことを特徴とする。
【００３１】
同時に、本発明の光検出器は多数の単位素子を有しており、２次元の光強度映像を測定することができる電荷結合素子などから選ばれるいずれか１つであることを特徴とする。
【００３２】
また、本発明の光源部モジュールと受光部モジュールとは特定波長範囲の光を通過させる帯域フィルターをさらに含むことを特徴とする。
【００３３】
また、前記光源部モジュールと受光部モジュールとは視準レンズ及び補正器をさらに含むことを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
前記のように構成される本発明による楕円計測器の望ましい実施例を添付された図面を参照して詳細に説明する。
【００３５】
図２は本発明による楕円計測器の構造を示す図面であり、図３は対物レンズによって入射した光を光検出器の単位素子位置に応じて表現した図面であり、図４は線偏光の視準された光が対物レンズによって試片に入射されるときに入射面の位置に応じる光の偏光状態を示す図面であり、図５は試片の表面に光が入射され反射される状態を示す図面であり、図６は試片の表面で反射した光が光検出器で入射された光を示す図面である。
【００３６】
図示されたように、薄膜厚さ及び試片の光学特性測定を行う本発明による楕円計測器は光源１１０；前記光源１１０から放出された光を線偏光させる線形偏光子が備えられた光源部モジュール１２０；前記光源部モジュール１２０で偏光された光を分割する光分割器１３０；前記光分割器１３０で分割された一部の光を試片に集中照射させる対物レンズ１４０；前記試片で反射した光を受光する受光部モジュール１６０； 前記受光部モジュール１６０で受光された光を複数の単位素子で検出する光検出器１７０；前記光検出器１７０で検出された光の強度を補正して演算処理する演算処理装置１８０；とから構成される。
【００３７】
前記光源１１０は従来に一般的に使用するタングステンハロゲンランプ、ゼノン放電ランプなどの白色光源とレーザーなどの単色光源とが光源として使用できるが、特定レーザーの場合、レーザ自体から偏光された光を放出する製品もある。しかし、本発明では光源から放出された光の偏光方向を明らかに定義するために、光源部モジュール１２０で光の偏光方向を所定の方向に整列させる。前記光源１１０から放出された光は光源部モジュール１２０に入射されるようになる。
【００３８】
前記光源部モジュール１２０には、前記光源１１０から放出された光を線偏光させる線形偏光子が備えられる。前記光源１１０から放出された光は線形偏光子、補正器などで構成された光源部モジュール１２０を通過する。前記光源部モジュール１２０を通過した光は光源部モジュールを構成している光学素子の整列位置に応じて所定の偏光方向を有するようになる。
【００３９】
前記光分割器１３０は前記光源部モジュール１２０で偏光された光を分割する役割を果たす。分割された一部の光は前記光分割器１３０の下部に位置した対物レンズ１４０を通過するようになり、余りの光は前記光分割器１３０の上部に位置する受光部モジュール１６０に入射するようになる。光分割器１３０によって分割された余りの光は前記受光部モジュール１６０に入射して測定間に光源の安定性を確認する用途として使用するようになる。
【００４０】
前記光分割器１３０を通過した光は試片に垂直である方向に入射するようになるが、図２と同様に大きな開口数を有する対物レンズ１４０によって試片の表面で焦点が合うように調節される。
【００４１】
前記対物レンズ１４０は前記光分割器１３０の下部に位置し、前記光分割器１３０で分割された一部の光が通過して下部に位置した試片に集中させて照射させる役割を果たす。
【００４２】
試片１５０の表面で反射した光は対物レンズ１４０と光分割器１１０を通過して受光部モジュール１６０に伝達される。
【００４３】
図面において、前記対物レンズ１４０と試片１５０とは前記光分割器１３０の後方に一列に位置しても構わない。
【００４４】
前記受光部モジュール１６０は前記光分割器１３０の上部に位置し、前記試片１５０で反射した光の特定偏光をフィルタリング(filtering)又はろ過する線形偏光子が備えられ、前記対物レンズ１４０及び前記光分割器１３０とを通過される光を受光するようになる。ここで、受光部モジュール１６０の役割は通過した光の方向が光検出器１７０に垂直であるように光を視準させ、一定の偏光成分のみをろ過することにある。前記受光部モジュール１６０の構成品は光源部モジュール１２０と類似した視準レンズ、ピンホールなどであり、場合によって光源部モジュール１２０と同一の線形偏光子、補正器などで構成されることもある。前記受光部モジュール１６０を通過して光は光検出器１７０に伝達される。
【００４５】
前記光検出器１７０は前記受光部モジュールで受光された光を複数の単位素子で検出するようになり、前記光検出器１７０の各位置から獲得された情報は演算処理装置１８０に伝達されて処理するようになる。
【００４６】
前記演算処理装置１８０は前記光検出器１７０で検出された光の強度を３６０゜の多重入射面の経路を沿って前記光検出器１７０のそれぞれの単位素子（例えば、光検出器が電荷結合素子(CCD)である場合、単位素子はピクセル(pixel)になる）に該される値で補正して演算処理するようになる。ここで、光検出器１７０は複数個の単位素子を有しており、２次元の映像を測定することができる電荷結合素子などが該当される。
【００４７】
以下では以上から説明した焦点楕円計測器の基本原理を具現するための本発明の装置的原理について詳細に説明する。
【００４８】
図３は対物レンズ１４０によって試片に入射した光を光検出器の単位素子の位置に応じて表現した図面である。１４２Ａで入射した光線は試片１５０の表面で反射して対物レンズ１４０の中心１４１を基準に対称となる位置１４２Ｃを通過し、同一に１４２Ｃで入射した光は試片１５０の表面で反射した後、１４２Ａを通過するようになる。図５において、対物レンズ１４０のあらゆる位置から入射した光は対物レンズの中心１４１を基準に対称となる支点を通過するようなり、このときに対物レンズ１４０の半径がｒである同一な円周上の位置へ入射した光は同一の入射角θを有するようになる。
【００４９】
図２の光源１１０から放出された光は光源部モジュール１２０を通過し、所定の偏光方向を有するようになるため、対物レンズ１４０に入射する光の位置に応じる偏光方向は図４のように表現される。
【００５０】
図４は対物レンズ１４０に入射した光の入射位置に応じる偏光方向を示す。光において偏光方向の定義は光が進行する入射面が基準になるため、対物レンズ１４０上の同一な軸上の位置における偏光方向はすべて同じであり、同一な円周上の位置における偏光方向はすべて異なる。１４２Ａと１４２Ｃに入射した光はｐ偏光されて試片で反射した後、それぞれ１４２Ｃと１４２Ａとを通過して光検出器１７０に向かう。１４２Ｂと１４２Ｄに入射した光はｓ偏光して試片で反射した後、それぞれ１４２Ｄと１４２Ｂとを通過して光検出器に向かう。従って、１４２Ａから１４２Ｃに繋がる線分と１４２Ｂから１４２Ｄに繋がる線分との間に位置した対物レンズ１４０の領域に入射する光の偏光方向はｐ波とｓ波との成分をすべて有する偏光方向を有するようになる。このときの偏光方向はｐ偏光の位置からＰ(φ)ほど軸が回転したものと同一である。この際、対物レンズ１４０上の偏光成分は対物レンズ１４０に入射する光の偏光成分によって決定される値である。
【００５１】
図５は対物レンズ１４０と対物レンズ１４０を通過して光が試片１５０の表面で焦点が合うようになる段階を示す。前記対物レンズ１４０で入射した光線は対物レンズ１４０の開口数によって屈折して試片１５０の表面に入射するようになるが、ここで、試片１５０の表面に入射される光線の入射角θは対物レンズ１４０の開口数によって決定される。対物レンズ１４０の中心を通過する光線と最外角を通過する光の隙間角をθmaxとすれば、θmaxは対物レンズの開口数(N.A.)によって次のような数学式で表現される。
【００５２】
【数１１】
2009541735.tif 000013
【００５３】
さらに詳細には、最外角に入射した光１４２Ａは、試片１５０の表面で反射して対物レンズ１４０の中心１４１を基準として対称になる位置１４２Ｃを通過して光検出器１７０に入射するようになる。その次の位置に入射した光線１４４Ａ、１４６Ａは、同一の試片１５０の表面で反射して対物レンズ１４０の中心を基準として対称になる位置１４４Ｃ、１４６Ｃを通過して光検出器１７０に入射するようになる。反面、対物レンズ１４０の中心に入射した光線７０は、試片１５０の表面で反射して再び対物レンズ１４０の中心を通過して光検出器１７０に入射するようになる。即ち、対物レンズ１４０の中心から最外角の間の光は、試片１５０の表面で反射して対物レンズ１４０の中心を基準として対称になる位置を通過した後、光検出器１７０に入射するようになる。
【００５４】
この際、試片１５０の表面で反射するとき、入射角θの定義は対物レンズ１４０の中心１４１と入射した光が通過する経路間の内角で定義される。光検出器１７０に入射する光の信号を光検出器１７０の単位素子の位置に応じて獲得すると、多様な入射角において試片１５０の表面で反射された光の変化を獲得するようになる。図３と図５ではいくつかの光線のみを表現して説明したが、実際は光の特性によって相当多くの光線が存在するようになるため、光検出器１７０の単位素子の大きさ及び間隔によって入射角の分解能が決定される。
【００５５】
図６は試片１５０の表面で反射した光が対物レンズ１４０を介して光検出器１７０に入射した光を示す。この際、前記光検出器１７０の表面は多くの単位素子１７１で構成されているため、この複数の単位素子１７１が並べられた一方向を試片１５０に入射する光の偏光成分と一致させると、図５のように光検出器１７０に現れた像を光検出器の単位素子１７１に対して分析することができるようになる。図４を参照して１４２Ａに入射して試片１５０の表面で反射した後、１４２Ｃに出てくる光は図６の１７２Ｃに現れるようになる。
【００５６】
同様に、図４、図５を参照して、１４２Ｃに入射して１４２Ａに出てきた後、光検出器１７０に伝達された光は１７２Ａに像が現れるようになり、１４２Ｂに入射して１４２Ｄに出射された光は光検出器１７０の１７２Ｄに像が現れるようになり、１４２Ｄに入射して１４２Ｂに出射された光は光検出器１７０の１７２Ｂに像が現れるようになる。従って、対物レンズからのように、ｐ波方向とｓ波方向との間にはｐ波成分とｓ波成分が混在し、試片の表面に入射する光の偏光方向に一致させた軸から半径がｒである同一円周上の単位素子から測定される値を獲得すると、試片の表面に入射する光の偏光方向の変化による測定値を獲得することができるようになる。このような方法で同一な入射角を有する成分を対物レンズ１４０の中心軸１４１を基準として獲得するようになると、検光子回転型または偏光子回転型楕円計測器と類似した結果を獲得することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
以上から説明したように、本発明による焦点楕円計測器は現在広く使用されている従来の検光子回転型、偏光子回転型及び補正器回転型楕円計測器と比べると、ステップモータまたは直流電流モータによる定速駆動部無しで楕円計測常数を測定することができるため、モータ振動による信号雑音と光部品の回転による誤差を除去することができることによって相対的に測定精度が向上され、測定速度は光検出器の駆動速度まで向上された長所を有する。なお、単一入射面において偏光特性を取る従来の焦点楕円計測器に比べて静的な状態で３６０゜の多重入射面に対する偏光成分を取ることによって楕円計測常数をより精密な測定ができる長所がある。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】従来の楕円計測器の構造を示す図面である。
【図２】本発明による焦点楕円計測器の構造を示す図面である。
【図３】対物レンズによって試片に入射した光を光検出器によって測定された映像位置に応じて表現した図面である。
【図４】対物レンズによって試片に入射される光の位置に応じる偏光状態を示す図面である。
【図５】試片の表面に光が入射され反射される状態を示す図面である。
【図６】試片の表面で反射した光が光検出器の単位素子で入射された光を示す図面である。
【符号の説明】
【００５９】
１１０：光源                  １２０：光源部モジュール
１３０：光分割器              １４０：対物レンズ
１５０：試片                  １６０：受光部モジュール
１７０：光検出器              １７１：単位素子
１８０：演算処理装置
【図１】
2009541735.tif 000014
【図２】
2009541735.tif 000015
【図３】
2009541735.tif 000016
【図４】
2009541735.tif 000017
【図５】
2009541735.tif 000018
【図６】
2009541735.tif 000019
【国際調査報告】
2009541735.tif 000020
2009541735.tif 000021