(57)【要約】【課題】    基板の裏面反射による影響を取り除いて薄膜の偏光解析を行うことを可能にするとともに、測定点内に含まれる微細な構造を測定することを可能にする。【解決手段】    入射光路中に光を通すスリットを設けることによって、サンプルに当る光の形状と大きさを制約し測定のための基線とすることを原理とする偏光解析装置。  スリットはサンプルの表面に近接して表面に平行に配置するか、入射光の光路に直交するよう配置する。スリットの幅またはエリアセンサーの読み出し範囲はサンプルの基板の裏面反射が影響しない範囲に設定する。  その共通の開口部より光をサンプルに照射するようにした２枚のスリットの相対位置を微小にずらすことによってサンプルに当る光の形状、大きさを変えながら測定を繰り返し、その逐次の測定データの差分を計算することによって微細な測定が可能になるようにした。【選択図】図１
2006023202.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光の光路にスリットを設けサンプルに当る光の形状と大きさを制約するとともに、サンプルの測定のための局所的な基線とすることを原理とする偏光解析装置
【請求項２】
請求項1に記載の偏光解析装置であって、測定サンプルの表面に近接して表面に平行にスリットを配置するよう構成したことを特徴とする偏光解析装置
【請求項３】
請求項1に記載の偏光解析装置であって、入射光の光路中に光路に直交するようにスリットを配置するよう構成したことを特徴とする偏光解析装置
【請求項４】
サンプルの基板の裏面反射がサンプルからの反射光を検知するためのフォトセンサーに入射しない程度にスリットの幅を狭めることを特徴とする請求項１に記載の偏光解析装置
【請求項５】
サンプルの基板の裏面反射がサンプルからの反射光を検知するためのフォトセンサーに入射しないようにフォトセンサーの前に開口を設けることを特徴とする請求項１に記載の偏光解析装置
【請求項６】
サンプルの基板の裏面反射が影響しない範囲にスリットのエッジの像位置からの読み出し範囲を制限したエリアセンサーを使用することを特徴とする請求項１に記載の偏光解析装置
【請求項７】
スリットまたはサンプルを駆動機構によって互いに相対的にずらして測定を繰り返すことにより、サンプルの表面を走査して測定することを特徴とする請求項２、請求項３に記載の偏光解析装置
【請求項８】
互いに平行に多重に刻んだスリットパターンを使用することによって１度に並列的に測定できる測定ポイントを多くしたことを特徴とする請求項２、請求項３に記載の偏光解析装置
【請求項９】
２枚のスリットを用いその共通の開口部より光をサンプルに照射するよう構成したことを特徴とする請求項２、請求項３に記載の偏光解析装置
【請求項１０】
２枚のスリットの相対位置を微小にずらすことによってサンプルに当る光の形状大きさを変えながら測定を繰り返し、その逐次の測定データの差分を計算することによって微細な領域での測定が可能になるよう構成したことを特徴とする請求項９に記載の偏光解析装置
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、斜入射光を用いた光学検査装置とくに偏光解析装置に関し、基板の裏面反射の影響を受けないように測定でき、かつサンプルを微細に測定できる測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガラス等の透明基板や薄い半導体ウエハの上に形成した薄膜を偏光解析によって測定する場合、基板の裏面反射の存在はサンプルからの反射光にたいし背景光となり、反射偏光の楕円率を大きくし、かつ主軸の方位角を回転させる効果があり、誤差要因となってくる。
【０００３】
従来は測定後のデータ解析の段階で基板の裏面反射の影響を補正するか、さらに測定精度を要求する場合には、裏面に拡散反射性をもたせたり基板の厚さに傾斜をもたせたウェッジ基板を用いるなどしていたが、いずれも基板の加工を必要とするものである。
【０００４】
偏光解析において巨視的には1点とみなされる測定点には多くの微細構造が含まれる。センサーが測定するサンプルからの反射偏光はこれらの微細な構造によって反射された偏光の重ね合わせである。安定した厚い膜の場合は大数の法則によってこれらの微細なゆらぎを無視できるが、今日の半導体技術における極薄膜や膜の形成過程を測定するときにはこの問題は無視できない。
【特許文献１】特開平６−３３７２０５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は偏光解析法などの斜入射光を用いた光学的測定法において基板の裏面反射の影響をうけずに基板の上に形成された薄膜の光学的特性を精度よく測定できる方法を提供することを第１の目的とする。
【０００６】
偏光解析において、どのようなサンプルのどのような特性を測定できるかという測定可能性は測定の面内分解能に大きく依存する。もしも格子定数程度にまで面内分解能が小さくできれば局在した不純物の存在や拡散などの動的特性を測定することもできる。しかしながら1点測定式の偏光解析装置の場合は入射ビームの平行度を保障するためビームの径はある限度（波長の１００倍程度）以下にすることができず、２次元測定式の偏光解析装置の場合は反射側の結像系の結像限界によって波長以下の細かさで測定することは難しい。
【０００７】
本発明は測定点内にそれ以下の大きさの短距離秩序が存在する薄膜の場合これらの微細構造を測定することを他の目的とする。
【０００８】
本発明はこの２つの目的（裏面反射の影響の除去、及び細かい分解能での測定）を同一の方法によって実現するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を実現するため、本発明の方法による偏光解析装置には、光源と、その光を所定の偏光状態の平行光にしてサンプルに照射するための入射光学系と、サンプルからの反射光をフォトセンサーに導く反射光学系と、反射光を電気信号に変換するフォトセンサーと、制御とデータ処理のための計算機とがあり、入射光路中に1または複数個のスリットを設ける。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の方法による偏光解析装置は、基板の裏面反射による測定への影響を取り除いて基板の上に形成された薄膜の光学的測定を行うことを可能にするとともに、測定点の中に含まれる微細な構造を測定することを可能にするものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
偏光解析装置において入射光路中にスリットを設けることによって裏面反射の影響が測定に影響しない範囲内にサンプルの測定点の大きさと形状を制限するものである。またスリットの形や大きさを変えながら測定を行うことによって測定点の中に存在する微細な構造の測定を行うという目的をも実現した。
【実施例１】
【００１２】
図１は、本発明の方法による偏光解析装置の概略構成を示す図である。サンプル１を保持するステージ２と、光源３と、所定の偏光状態にある完全偏光を平行光にしてサンプル１に斜入射角で入射するための入射光学系４と、サンプル１の表面に近接して置かれたスリット５が刻まれたプレート１６と、サンプル１とスリット５との相対的な位置を変えるための駆動機構６と、反射光学系７と、制御とデータ処理のための計算機８から構成されている。
【００１３】
入射光学系４には、コリメーターレンズ系９と、偏光子１０と、照射光量をモニターするためのフォトダイオード１１を設ける。
【００１４】
反射光学系７には、対物レンズ系１２と、結像レンズ系１３と、検光子１４と、エリアセンサー１５を設ける。
【００１５】
スリット５は不透明吸収性の薄いプレート１６をレーザーカッティングして作成する。このスリット５はサンプル１に当る光の形状、大きさを制約するとともに、スリット５のエッジはサンプル1の測定のための局所的な基線になる。
【００１６】
すなわち本発明は偏光解析装置の標準的な構成に新しい要素としてスリット５を付け加えるものである。
【００１７】
サンプル１は平行平面基板１７上に平行に堆積された薄膜１８とする。偏光解析では薄膜１８の表面反射と、薄膜１８と基板１７との界面での反射とによって生じる偏光の変化を測定して、それから薄膜１８の屈折率及び膜厚を測定する。しかしながら、図２が示すように基板１７の裏面と空気との界面で生じた反射光も入射点からＤだけずれた位置からサンプル１の表面に再び射出され背景光となる。薄膜１８の厚さを無視できるとして、Ｄ＝２Ｔｔａｎ（ｓｉｎ−１（ｎ０ｓｉｎ（θ１）／ｎ２））。ここでθ１は入射角、Ｔは基板１７の厚さ、ｎ０は空気の屈折率、ｎ２は基板１７の屈折率である。θ１＝７０°, ｎ０＝１．０, ｎ２＝１．６,  Ｔ＝２ｍｍの場合はＤ＝２．９ｍｍである。
【００１８】
本発明においては矩形のエアースリット５をもつ黒色の薄いプレート１６をサンプル１の表面に近接して取り付け、サンプル１に当る入射光の位置と形状を制限する。そしてこのスリット５のエッジから距離Ｄ以下の範囲のみの反射光の測定をおこなえば、裏面反射光の影響を受けずに測定できることになる。
【００１９】
矩形スリット５の幅をＤ以下にすることによって読み出し範囲をＤ以下に制限できる。またスリットでなくピンホールなど他の形状の開口を用いてもその最大の径がＤ以下であれば同様の効果を得ることができるが、一般的にはエリアセンサー１５と矩形のスリット５を用いるのが１ラインの同時測定ができるので便利である。
【００２０】
さらに、スリットでなく単なるエッジを用いてもエリアセンサー１５の読み出し範囲をＤ以下に制限したり、フォトセンサー（フォトダイオード、ＣＣＤエリアセンサーなど）の前に開口を設けてセンサーへの入射光を制限すれば、距離Ｄ以下の範囲のみの反射光の測定をおこなうことができる。
【００２１】
サンプル１の全面を測定するためには、エアースリット５、またはサンプル１を駆動機構６によって互いに相対的にずらして測定を繰り返すことにより、サンプル１の表面を走査する。
【００２２】
さらに図３に示すように、プレート１６にスリット５を互いに平行に多重に刻んでスリットパターンをサンプル１に投影し、その反射光をエリアセンサー１５で測定することによって、サンプル１の異なる箇所（ライン）に対する上記の測定を１度に並列的に行うことができる。
【００２３】
以上の方法はまた測定点の中に含まれる微細な構造を測定することを可能にするものである。すなわち図４に示すように２枚のスリット１９，２０を使用する。スリット１９，２０の形状は波長より大きな範囲内で適当に小さい矩形開口とする。スリット１９とスリット２０の共通の開口部分を通り抜ける光がサンプルに照射され、その反射光は反射光学系７によってエリアセンサー１５の所定のピクセルに導かれる。なおスリット１９とスリット２０のいずれかを反射側のエリアセンサー１５の前に開口として取り付ける配置にしてもよい。
【００２４】
スリット１９とスリット２０の相対位置を１軸または２軸に微小に（たとえば１０ｎｍステップで）移動して測定を繰り返す。たとえばスリット１９を固定しスリット２０を光の通過する開口部分が小さくなるように（または大きくなるように）微小ステップで動かして測定する。このようにすることによって次々に得られるエリアセンサー１５の所定のピクセルの測定データの差分は微小ステップによって隠れた（または表れた）微細な領域のデータに相当する。
【００２５】
なお、偏光解析に置いては理論的には膜の界面における無限回の繰り返し反射が行われるとして計算するので、この微小ステップにおいては光が入射してくる側の開口のエッジを動かすのが望ましい。（入射と直角の方向は関係ない）  測定の全過程を通じてサンプル１に投影される開口の大きさは波長より大きい範囲にする。このようにして光源の波長より十分小さな分解能ででも測定を行うことができる。
【実施例２】
【００２６】
図５は入射光の光路中に光路に直交するようにスリット５を刻んだガラス基板２１を設けたものである。
【００２７】
この場合は実施例１とは異なり入射角を変えたときスリット５を通過してサンプル１に投影される光の幅が自動的に変えられるという利点がある。
【００２８】
またこの場合はガラス基板２１に蒸着でスリット５を形成してもガラスを垂直に透過した光の偏光状態は変化しない。ガラス基板２１を肉厚に作ることもできる。などパターンマスクを作成しやすい。
【００２９】
しかし一方では空気による光の散乱の影響でスリット５を通過してサンプル１に投影される光のエッジが鈍くなるという欠点がある。したがってこの場合は入射側の光路を気密に保つことが望ましい。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の方法による偏光解析装置の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の原理を説明する図である。
【図３】本発明の実施例１のスリットの形状を説明する図である。
【図４】本発明の実施例１のスリットの重ね合わせを説明する図である。
【図５】本発明の実施例２のスリットの取り付けを説明する図である。
【符号の説明】
【００３２】
１ サンプル
２ ステージ
３ 光源
４ 入射光学系
５ スリット
６ 駆動機構
７ 反射光学系
８ 計算機
９ コリメーターレンズ系
１０ 偏光子
１１ フォトダイオード
１２ 対物レンズ系
１３ 結像レンズ系
１４ 検光子
１５ エリアセンサー
１６ プレート
１７ 基板
１８ 薄膜
１９ スリット
２０ スリット
２１    ガラス基板
【図１】
2006023202.tif 000003
【図２】
2006023202.tif 000004
【図３】
2006023202.tif 000005
【図４】
2006023202.tif 000006
【図５】
2006023202.tif 000007