(57)【要約】【課題】      光学結晶等の残留歪や加工歪に起因する微小な複屈折を高密度かつ極めて短時間に測定可能な複屈折測定装置と測定方法の提供を課題とする。【解決手段】  レーザ光源と、第１の回転可能な偏光子と、4分の１波長板と、第２の回転可能な偏光子と、第１のビーム整形用凹レンズと、第１のビーム整形用凸レンズと、被測定物と、第２のビーム整形用凸レンズと、第２のビーム整形用凹レンズと、検光子と、ＣＣＤカメラの受光面とが、レーザ光の進行方向にこの順で配置され、第１のビーム整形用凹、凸レンズ群により被測定物を透過するレーザ光の直径を少なくとも被測定物の最大径となる平行光とし、被測定物を透過したレーザ光を第２のビーム整形用凸、凹レンズ群によりＣＣＤカメラの受光面に結像させ、得た透過像の強度分布を画像データとして演算処理部の記憶部に保存し、所望に応じて画像データを演算処理してその結果を表示部に表示可能とする。【選択図】  図１
2006258594.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下の（１）〜（４）の構成を併せ持つことを特徴とする自動複屈折測定装置。
（１）レーザ光源と、第１の偏光子と、4分の１波長板と、第２の偏光子と、第１のビーム整形用凹レンズと、第１のビーム整形用凸レンズと、第２のビーム整形用凸レンズと、第２のビーム整形用凹レンズと、検光子と、ＣＣＤカメラと、演算処理部と、表示部とから基本的に構成されている。
（２）レーザ光源と、第１の偏光子と、4分の１波長板と、第２の偏光子と、第１のビーム整形用凹レンズと、第１のビーム整形用凸レンズと、第２のビーム整形用凸レンズと、第２のビーム整形用凹レンズと、検光子と、ＣＣＤカメラの受光面とが、レーザ光源より出射されるレーザ光の進行方向にこの順で配置され、第１と第２のビーム成型用凸レンズの間に被測定物が設置可能とされていること。
（３）ＣＣＤカメラの受光面に結像させられた被測定物の透過像の強度分布を画像データとして演算処理部の記憶部に保存し、所望に応じて演算処理してその結果を表示部に表示可能となるように構成されている。
（４）前記第１と第２の偏光子とが、それぞれ外部より与えられる制御信号に基づき所望の偏光方位に調整可能に設けられている。
【請求項２】
請求項１記載の自動複屈折装置において、被測定物を透過するレーザ光の直径が少なくとも被測定物の最大径より大きい径の平行光となるように第１のビーム整形用凹レンズと第１のビーム成型用凸レンズとが選定され、少なくとも被測定物を透過した平行光がＣＣＤカメラの受光面に結像するように第２のビーム整形用凸レンズと第２のビーム整形用凹レンズとが選定されていることを特徴とする自動複屈折測定装置。
【請求項３】
用いる第１，２の偏光子と検光子とが消光比６０ｄＢ以上の方解石製であることを特徴とする請求項１又は２記載の自動複屈折測定装置。
【請求項４】
請求項１〜３の自動複屈折測定装置を用いてウェハー全面の複屈折の分布を測定することを特徴とする複屈折測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複屈折自動測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光学的に異方性のある物質が複屈折を示すことはよく知られている。また、本来光学的に等方な物質であっても、応力などが加わることにより光学的に異方性を生じ、複屈折を示すこともよく知られている。
【０００３】
複屈折は物質の構造や物質に加わっている応力などの影響を敏感に反映するので、複屈折の主振動方位と位相遅れを高精度で測定すれば、物質の構造や性質を調べることができる。
【０００４】
例えば、本来光学的に等方的な半導体ウェハーや光学結晶が加工されることにより発生し、内部に残留されたひずみにより生じる微少な複屈折を高精度に測定することにより、物質の構造や性質を調べることができる。
【０００５】
複屈折を測定する装置は基本的にレーザ光源、レンズ、回転可能に設けられた偏光子、回転可能に設けられた検光子、パワーメータ、Ｙ-Ｚ軸自動ステージ、偏光子-検光子の回転ドライバ、Ｙ-Ｚ軸自動ステージのドライバ、Ａ／Ｄコンバータ、ノイズ低減用ロックインアンプ、レーザ光源駆動回路、制御用パソコンで構成される。
【０００６】
例えば特許文献１に偏光子と検光子とをそれぞれ別のパルスモータにより制御し、それぞれを所望の偏光方位に設定することができる構成とし、さらにこれらを偏光子・検光子同期駆動回路により、偏光方位を平行又は垂直に正確に保ちながら同期回転させ、偏光子の回転角度φの関数としての平行偏光方位透過光強度及び垂直偏光方位透過光強度をそれぞれ高速かつ高精度で測定できるようにしたものである（特許文献１  要約参照）。
【０００７】
この装置を用いた測定方法は概ね次のようになる。例えば測定光源に直径が約２ｍｍのレーザ光を用い、このレーザ光を所定角度に設定された偏光子と検光子とを通過させ、被測定物の指定された１点を透過させる。得られた透過光の強度（平行偏光方位透過光強度）を測定する。次に偏光子と検光子とを所定角度回転させ、同様に透過光の強度（垂直偏光方位透過光強度）を測定する。この二つの強度より被測定物の指定された一点の複屈折を算出する。
【０００８】
次に、外部より制御信号を与えてＹ-Ｚ軸自動ステージを動作させて、指定された他の点の複屈折を、同様にして測定する。
【０００９】
特許文献１の装置では、偏光子と検光子とを偏光子・検光子同期駆動回路により偏光方位を平行又は垂直に正確に保ちながら同期回転させるという構成を採用するので、複屈折の測定のための時間が短縮されるとしている（特許文献１  段落０００６参照）。確かに、１点の複屈折を測定する速度は従来より速くなったものの、基本的に１点ずつ測定を行う点計測であるため、被測定物の全面を測定するには時間がかかるという問題がある。とりわけ、複屈折の詳細な分布を知りたい場合は測定する点数が多くなり、相変わらず多大の時間を要するという問題がある。
【００１０】
測定に用いる光を拡大して被測定物全体に照射して２次元的に複屈折の分布を求めることにより被測定物全面の複屈折を短時間で測定しようとする試みが開示されている。
例えば、偏光子と検光子の方位を相対的に一定の角度に保ちながら、透過光強度の最大値と最小値とを探し、この最大値と最小値の差に基づいて位相角を求め、位相角と波長とに基づいて複屈折量を求める複屈折測定方法（特許文献２  要約参照）が開示されている。
【００１１】
しかしながら、この方法では測定光源の出力が不安定な場合、最小値を探すときの誤差が大きくなり、測定値の確度が低下するという問題がある。
また、例えば、測定に用いる光を拡大して被測定物に照射して、透過してくる光をＣＣＤカメラまたはアレイ状受光素子により、画像データとしてパソコンに取り込んで、所定の計算式により演算を行い、複屈折を求める方法（特許文献３，４参照）である。特許文献３の方法では４分の１波長板を用いて被測定物に入射する光を円偏光としている。特許文献４では２分の１波長版を用いて被測定物に入射する光を楕円偏光としている。
しかしながら、４分の１波長板や２分の１波長板の使用する場合、レーザ光の入射角や方位角のセッティングに熟練を要する。このため良質な円偏光や楕円偏光を簡便に作り出すことは困難である。
【特許文献１】特開２００４−２８９２２号公報
【特許文献２】特開平７−７７４９０号公報
【特許文献３】特開２０００−９７８０５号公報
【特許文献４】特開２００１−２２８０３４号公報
【非特許文献１】Ｍａｓａｙｏｓｈｉ  Ｙａｍａｄａ，Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．６４（７），１８１５（１９９３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、その目的は、光学的に等方な半導体基板や光学結晶中の残留歪や加工歪に起因する微小な複屈折を高密度かつ極めて短時間に測定可能な自動複屈折測定装置とそれを用いた複屈折の測定方法の提供である。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の自動複屈折測定装置は簡単な測定系を有し、レーザ光を走査させることなく、点計測時の1点の測定時間と同じ時間で被測定物全面の複屈折を自動的に測定し、その結果を自動表示するものである。
【００１４】
まず、請求項１にかかる本発明の自動複屈折測定装置は、例えば図１に示すように以下の構成を採るものである。
すなわち、レーザ光源１と、第１の偏光子２と、4分の１波長板３と、第２の偏光子４と、第１のビーム整形用凹レンズ５と、第１のビーム整形用凸レンズ６と、第２のビーム整形用凸レンズ７と、第２のビーム整形用凹レンズ８と、検光子９と、ＣＣＤカメラ１０と、演算処理部１１と、表示部１２とから基本的に構成されている。
そして、レーザ光源１と、第１の偏光子２と、4分の１波長板３と、第２の偏光子４と、第１のビーム整形用凹レンズ５と、第１のビーム整形用凸レンズ６と、第２のビーム整形用凸レンズ７と、第２のビーム整形用凹レンズ８と、検光子９と、ＣＣＤカメラ１０の受光面とが、レーザ光源１より出射されるレーザ光の進行方向にこの順で配置され、第１と第２のビーム成型用凸レンズ６，７の間に被測定物１３が設置可能とされている。
そして、ＣＣＤカメラ１０の受光面に結像させられた被測定物の透過像の強度分布を画像データとして演算処理部１１の記憶部に保存し、所望に応じて演算処理してその結果を表示部１２に表示可能となるように構成されている。
そして、前記第１と第２の偏光子２，４とが、それぞれ外部より与えられる制御信号（図示せず。）に基づき所望の偏光方位に調整可能に設けられている。
【００１５】
請求項２記載の本発明は、上記請求項１記載の自動複屈折測定装置に加えて、被測定物１３を透過するレーザ光の直径が少なくとも被測定物１３の最大径より大きい径の平行光となるように第１のビーム整形用凹レンズ５と第１のビーム成型用凸レンズ６とが選定され、少なくとも被測定物１３を透過した平行光がＣＣＤカメラ１０の受光面に結像するように第２のビーム整形用凸レンズ７と第２のビーム整形用凹レンズ８とが選定されていることを特徴とする請求項１記載の自動複屈折測定装置である。
【００１６】
そして、請求項３記載の本発明は、用いる第１，２の偏光子２，４と検光子９とが消光比６０ｄＢ以上の方解石製であることを特徴とする請求項１または２記載の自動複屈折測定装置である。
【００１７】
そして、請求項４記載の発明は、請求項１〜３の自動複屈折測定装置を用いてウェハー全面の複屈折の分布を測定することを特徴とする複屈折測定方法である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明において、レーザ光源より発せられるレーザ光は直線偏光であることが望ましい。ただし、市販のレーザ光源は偏光比が５００：１（＝２７ｄＢ）程度でそのままでは偏光比が良くないので、第１の方解石製の偏光板により偏光比が６０ｄＢ以上の良質な直線偏光に変換する。そして、この直線偏光を方位を４５°に設定した４分の１波長板により円偏光とし、その後第２の偏光板で再度直線偏光とする。これにより、第２の偏光板により円偏光から切り出した直線偏光は第２の偏光板の方位にかかわらずに一定出力となり、測定の精度を各方位で同じに保つことが可能になる。
【００１９】
次に第２の偏光板を通過したレーザ光が、少なくとも被測定物の最大径と同じ径の平行光となるように第１のビーム成型用凹レンズと第１のビーム整形用凸レンズとを用いて調整する。こうして得られたレーザ光を被測定物全体に照射し、透過させる。こうすることにより、後述するように極めて短時間で複屈折の測定を終えることが可能となる。
【００２０】
被測定物を透過したレーザ光は第２のビーム成型用凸レンズと第２のビーム成型用凹レンズとによりＣＣＤカメラの受光面に入射し、被測定物の透過像をＣＣＤカメラの受光面に結像する。この際、透過像全体がＣＣＤカメラの受光面の有効面積内に結像するように各レンズの焦点距離を選定することが好ましい。
【００２１】
ＣＣＤカメラの受光面に結像した像は画像データとして演算処理部の記憶部に保存される。そして、所望に応じて演算処理し、その結果を表示部に表示する。
【００２２】
即ち、本発明の装置では、被測定物全面にわたる透過光の強度の分布をＣＣＤカメラの受光面でとらえることが可能となるので、従来の複屈折計に必要とされた被検物移動用の高精度のＹ-Ｚ軸自動ステージ、ノイズ低減化用のロックインアンプなどを使用して測定点を移動させる必要がないので、簡単、高精度、かつ迅速に複屈折を求めることが可能である。
【００２３】
また、複屈折を測定するためには少なくとも異なる方位に偏光した二種類のレーザ光を被測定物に照射し、それぞれのレーザ光に対応した透過像を得ることが必要となる。このためには第１の偏光子と第２の偏光子とをそれぞれ回転させ、第２の偏光子から出射するレーザ光の偏光方位を変化させることが必要になる。本発明では、これを迅速に可能とするため、第１の偏光子と第２の偏光子とを外部より信号を与えることにより回転させ、任意の偏光方位を設定できる回転偏光子とする。
【００２４】
本発明において、偏光子と検光子とに消光比が６０ｄＢ以上の方解石製のものを用いると、非常に品質の良い直線偏光が得られ、その結果、高精度の複屈折の測定が可能となるので好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明になる自動複屈折測定装置例を図１に示した。図１の装置は、レーザ光源１と、第１の偏光子２と、4分の１波長板３と、第２の偏光子４と、第１のビーム整形用凹レンズ５と、第２のビーム整形用凸レンズ６と、第２のビーム整形用凸レンズ７と、第２のビーム整形用凹レンズ８と、検光子９と、ＣＣＤカメラ１０と、演算処理部１１と、表示部１２とから基本的に構成されている。
そして、測定に際しては、第１のビーム成型用凸レンズ６と第２のビーム整形用凸レンズ７との間に被測定物１３を設置する。
【００２６】
レーザ光源１より射出されたレーザ光は第１の偏光子２と、４分の１波長板３と第２の偏光子４を通過することにより良好な直線偏光とされる。この直線偏光は第１のビーム整形用凹レンズ５と第２のビーム成型用凸レンズ６とにより、その直径が少なくとも被測定物１３の最大径より大きな平行光とされる。
被測定物１３を透過した平行光を第２のビーム成型用凸レンズ７と第２のビーム整形用凹レンズ８と検光子９とを用いてＣＣＤカメラ１０の受光面に良好な被測定物の透過像を結像させる。
そして、得られた透過像の強度分布を画像データとして演算処理部１１の記憶部に保存し、所望に応じて演算処理してその結果を表示部１２に表示する。
【００２７】
本発明の装置において用いる二つの偏光子と検光子とを消光比６０ｄＢ以上の方解石製の偏光子、検光子とすると、得られる像が鮮明になるため好ましい。
【００２８】
複屈折測定原理を簡単に説明する（非特許文献１参照）。
図２は複屈折測定系における被検物の結晶学的方位と偏光子、検光子の方位の関係を示す。実線で示した屈折率楕円中のｎ’、ｎ’’は歪応力によって生じた新たな結晶軸方向の屈折率、φは偏光子の方位角、χは検光子の方位角、ψは歪応力によって生じた新たな結晶軸を表す。
【００２９】
屈折率楕円は数１で示される。
【００３０】
【数１】
2006258594.tif 000003
【００３１】
そして、複屈折の大きさは、数２に示したように歪応力によって生じた２つの結晶軸方向の屈折率の差を位相差で表したリターデーションδによって表される。
【００３２】
【数２】
2006258594.tif 000004
数２においてdは被測定物の厚さ、λは測定に用いるレーザの波長を表す。
【００３３】
次に、透過光の強度Itは数３で示される。
【００３４】
【数３】
2006258594.tif 000005
数３においてI0(φ)は入射光の強度、R(φ)は試料の反射率、G(χ)は光検出器の感度、Id(φ,χ)は光検出器の暗電流を表す。
【００３５】
今、偏光子と検光子が平行とすると（χ＝φ）、透過光の強度は、数２より数４で示されることになる。
【００３６】
【数４】
2006258594.tif 000006
【００３７】
そして、偏光子と検光子が垂直のとき（χ−φ＝π/2）には、透過光の強度は数２より数５で示されることになる。
【００３８】
【数５】
2006258594.tif 000007
【００３９】
数４，数５において、
【００４０】
【数６】
2006258594.tif 000008
である。
【００４１】
次に、垂直方向と平行方向の透過光強度の比は数７で示される。
【００４２】
【数７】
2006258594.tif 000009
【００４３】
光検出器の感度に偏光依存性が無いと仮定すると、数８が成立することになる。
【００４４】
【数８】
2006258594.tif 000010
【００４５】
数８が成立すると仮定すると、数７は数９となる。
【００４６】
【数９】
2006258594.tif 000011
【００４７】
実際の測定において、Ir(φj)(j=0,……J-1), φj=j(2π/J)とすると、数１０、数１１が得られる。
【００４８】
【数１０】
2006258594.tif 000012
【００４９】
【数１１】
2006258594.tif 000013
【００５０】
複屈折により生じた結晶軸の方位をψとする。δとψは数１２と数１３で示される。
【００５１】
【数１２】
2006258594.tif 000014
【００５２】
【数１３】
2006258594.tif 000015
【実施例】
【００５３】
（実施例１）
以下、具体的な実施例を用いて本発明をさらに説明する。図１に例示した構成の装置を用いて直径７６．２ｍｍ、厚さ０．６０ｍｍのサファイアウエハーの複屈折を求めた。なお、ＣＣＤカメラとして冷却能力を備えた浜松フォトニクス製ＨｉＳＣＡ  Ｃ６７９０−８１を使用した。このＣＣＤカメラは冷却機能を備えているので暗電流が極めて低レベルである。有効画素数は約32万、ダイナミックレンジは４０００：１以上、Ａ／Ｄコンバータは１２ビットで読み出しが可能である。飽和電荷量から計算すると４０ｄＢ以上の消光比のダイナミックレンジが得られる。演算処理部と表示部とはパソコンで代用した。
【００５４】
レーザ光源１から出射した直線偏光レーザ光は、第１の偏光子２により偏光比が６０ｄＢ以上の良質な直線偏光に変換した。その後、入射するレーザ光の偏光方向に対して４５°の方位になるように設定された4分の１波長板３を通過させて強度が均一な円偏光に変換した。そして、第２の偏光子４を透過させることにより一定出力の直線偏光を得た。その後、得られた直線偏光を第１のビーム整形用凹レンズ５と第１のビーム整形用凸レンズ６によって、被測定物１３の径に等しい平行光に整形した。
【００５５】
被測定物１３を透過した光を、第２のビーム整形用凸レンズ７と第２のビーム整形用凹レンズ８によって、直径が検光子９の有効径内を透過させて、ＣＣＤカメラ１０の受光面に結像させて被測定物の透過像を得た。
【００５６】
第１の偏光子２が１８０／４５＝４°回転するごとに、第２の偏光子４の方位が第１の偏光子の方位と平行な場合と垂直な場合との被測定物の透過像データ（４５＋４５＝９０枚）を取得し、これらをパソコンのメモリーに取り込んだ。
【００５７】
以下にリターデーションδを求める手順を示した。
・  各φjについて、χ-＝φjのときのItpara(φj)を測定する
上付きの添え字paraは偏光子と検光子の方位が相対的に一致していることを表す。
【００５８】
ここでφj =j(π/J)でＪ=４５、ｊ＝0、・・・、４４とする
（2）各φjについて、χ−φj＝π/2のときのItver(φj)を測定する
上付きの添え字verは偏光子と検光子の方位が相対的に９０度の角度をなしていることを表す。
【００５９】
ここでItpara(φj)とItver(φj)はＣＣＤカメラの受光面上に結像した透過光の画素の光の強度から計算可能である。
（3）各φjについて、前記数７を用いてIr(φj)を計算する
（4）数１０に従いIsinを計算する
（5）数１１に従いIcosを計算する
（6）数１２に従いリターデーションδを求める
（7）数１３に従いψを求める
本例で用いたＣＣＤカメラの画素数は６５６×４９４であるが、Ｓ／Nを向上させるために８×８のビニング（ＣＣＤの隣り合う画素のいくつかをひとまとめにして信号を読み出す機能）を行なって１６０×１２８の画素数で測定を行った。
【００６０】
１ｍｍ角のグリッドの格子点を測定点としたので、直径７６．２ｍｍのウェハー全体では約４６００点の測定点となった。高精度読み出しのレートは１Ｈｚなので、リターデーションの演算時間も含めてウェハー全体の測定は２分以内に終了した。この時間は、ほとんど偏光子と検光子を回転させる時間であった。
【００６１】
図３に得られた複屈折の分布の模式図を示した。ここでは複屈折の大きさを表すリターデーションの範囲が０．００２〜０．０４ｒａｄであったので、大きい値ほど濃い色で表し、色調は２５６とした。
（従来例）
次に、従来例として、従来型の複屈折測定装置を用いて、同じサファイアウエハーの複屈折を測定した。
【００６２】
図４に従来型の複屈折測定装置でウェハーの複屈折分布を測定するときの測定点を黒丸で示した。黒丸は１０ｍｍ角のグリッドの格子点であり、合計で４５個である。１回の測定に約６０秒を要するので、ウェハー１枚の測定には約１時間を要した。図５に測定したIr(φj)のグラフを示した。
しかしながら、歪の分布の分解能を上げようとすると、図４の白丸で示したさらに小さな５ｍｍ角のグリッドの格子点を測定点とすることが必要になり、測定点は総数で１７７点となり測定時間が大幅に増加することになった。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の自動複屈折測定装置例の構成図である。
【図２】複屈折測定系における被検物の結晶学的方位と偏光子、検光子の方位の関係を示した図である。
【図３】実施例１の測定結果を示した図である。
【図４】従来型の複屈折測定装置でウェハーの複屈折分布を測定するときの測定点を示した図である。
【図５】従来例の測定結果（Ｉｒ）を示した図である。
【符号の説明】
【００６４】
１――――レーザ光源
２――――第１の偏光子
３――――4分の１波長板
４――――第２の偏光子４
５――――第１のビーム整形用凹レンズ
６――――第２のビーム整形用凸レンズ
７――――第２のビーム整形用凸レンズ
８――――第２のビーム整形用凹レンズ
９――――検光子
１０――――ＣＣＤカメラ
１１――――演算処理部
１２――――表示部
１３――――被測定物
【図１】
2006258594.tif 000016
【図２】
2006258594.tif 000017
【図３】
2006258594.tif 000018
【図４】
2006258594.tif 000019
【図５】
2006258594.tif 000020