(57)【要約】【課題】偏光解析器において色収差をなくし、試料表面への光ビームの入射角をスポット位置を変えずに大きく変える。【解決手段】  紫外線ＵＶから赤外線ＩＲまでの波長にわたって試料１の微小領域を分析する色消し分光偏光解析器であって、光源２から出た光ビーム３は偏光状態発生器４を通ってから第１の放物面鏡５により試料へある入射角θで投射されて焦点を結ぶ。第２の放物面鏡６は反射ビーム１６を集め、分析部７へ送る。分析部７からの反射光１６はこの光を検出し分光分析する手段８に進む。本発明では、偏光状態発生器４を通って第１の放物面鏡５までの光ビーム３と第２の放物面鏡６から分析部７を通る光ビーム１６は平行光線であって、色収差をなくすことができる。  偏光状態発生部４と分析部７とを放物面鏡５，６に対して垂直に動かすか、もしくは両方の放物面鏡５，６と試料１とを分析部７と偏光状態発生部４に対して垂直に動かすことにより入射角θは試料表面の小さいスポットの位置を動かすことなく大きく変えられる。
2005530152.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ビーム３を放出する光源２、
光ビーム３を平行にする平行光学装置９と光ビームを偏光させる偏光発生器１０とを含む偏光状態発生部４、
入射角θで試料１の表面の小さいスポットに光ビーム３の焦点を結ばせる第1のミラー５、
光ビームを分析する偏光分析器１７を備える分析部７へ試料１により偏光された光ビームを結びつける第２のミラー６、
光ビームを検出し、分光分析する手段８
を備える分光偏光解析器において、
第１と第２のミラー５と６は放物面鏡であり、
偏光状態発生部４を通って第１のミラー５まで進む光ビームは平行で、色収差がなく、
分析部７を通って第２のミラー６まで進む光ビームは平行で、色収差がなく、そして
前記の入射角θは試料１の表面の小さいスポットの位置をずらすことなく大きく変えられる
ことを特徴とした分光偏光解析器。  
【請求項２】
光状態発生部の偏光発生器１０は光弾性変調器である請求項１に記載の分光偏光解析器。
【請求項３】
光状態発生部の偏光発生器１０は回転分析器である請求項１に記載の分光偏光解析器。
【請求項４】
光状態発生部の偏光発生器１０は回転偏光器である請求項１に記載の分光偏光解析器。
【請求項５】
光状態発生部の偏光発生器１０は回転補償器である請求項１に記載の分光偏光解析器。
【請求項６】
偏光状態発生部４と分析部７とは放物面鏡５，６に対して垂直に動かされて入射角θを変えられるようにした請求項１ないし５のいずれかに記載の分光偏光解析器。
【請求項７】
両方のミラー５，６と試料１とが分析部７と偏光状態発生部４とに対して垂直に動かされて入射角θを変えられるようにした請求項１ないし５のいずれかに記載の分光偏光解析器。
【請求項８】
入射角θを０°と９０°との間で変えられるようにした請求項６もしくは７に記載の分光偏光解析器。
【請求項９】
両方のミラー５，６の光学的特性が同じである請求項１ないし８のいずれかに記載の分光偏光解析器。
【請求項１０】
両方の放射面鏡５，６の軸と試料表面とが一緒になっている請求項１ないし９のいずれかに記載の分光偏光解析器。
【請求項１１】
両方の放射面鏡５，６の軸が通り、そして試料表面に垂直である面に対して両方の放射面鏡５，６が対称的に配置されている請求項１０に記載の分光偏光解析器。
【請求項１２】
両方の放射面鏡５，６の形がダイアモンド旋盤でつくられている請求項１ないし１０のいずれかに記載の分光偏光解析器。  
【請求項１３】
偏光状態発生部４から試料１への距離と分析部７から試料１への距離を最適化してダイアモンド旋盤加工により生じた回折を回避するようにした請求項１２に記載の分光偏光解析器。
【請求項１４】
両方の放射面鏡５，６が事後研磨により処理される請求項１３に記載の分光偏光解析器。
【請求項１５】
スポットの大きさが回折限界に近い請求項１ないし１４のいずれかに記載の分光偏光解析器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は紫外線（ＵＶ）から赤外線（ＩＲ）までの広い波長範囲にわたり試料の小さい領域を分析する色消し設計の偏光装置に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
分光偏光解析は試料（もしくは試料の表面層）の特性を分析するよく知られた非破壊プローブである。試料表面を光ビームで明るく照らし、その反射ビームの偏光状態（反射光が伝えている）を入射ビームと比較する。この技術により試料のさまざまな特性が判る。それらの特性とは例えば、基板に沈着させた被膜（単一もしくは複数の被膜）の厚みとそれの光学的特性である。
【０００３】
従来の偏光解析法においてはビームの偏光ベクトルEは入射面に垂直に投影した成分Esと平行に投影した成分Epとにより表すのが一般である。調べている表面との相互作用によりつくられる偏光状態の変化を示す比は複素量で次のように示される。
ρ＝tgΨ  exp（iΔ）＝（Ep/ Es）γ/（Ep/ Es）i
【０００４】
その目的は所与の表面に対し独立のパラメータΨとΔを測定することである。
【０００５】
偏光解析法と偏光解析装置はＡＺＺＡＭとＢＡＳＨＡＲＡの書物で、ノース・ホーランド、アムステルダム、１９７７年出版の「偏光解析と偏光」に記載されている。様々なタイプの偏光解析装置が産業界にある。それらは回転分析器（アスペンス・ディ．イー．等；出願  光学（１９７５）２００）、回転偏光器、回転補償器そして位相変調偏光器（ボイヤー  ジー．アール等出願  光学  １８（１９７９）２１７）である。
【０００６】
マイクロエレクトロニックスと新開発の製品において集積度は高くなっているので、光学特性の高感度測定が必要とされている。
【０００７】
このようなことで、試料表面に焦点を結ぶビームのスポットを小さくすることが非常に望まれ、そして様々な基板上の膜の変動に対して偏光解析の感度が高くなるよう入射角度が広範囲に変わることが非常に望まれる。試料表面に焦点を結んだビームは顕微鏡的構造に適応するため収差を示すべきではない。
【０００８】
新技術の偏光解析器は反射光学技術を利用して幾何学的収差を回避し、そして連続的な入射角範囲を得るようにしている。
【０００９】
「偏光解析のための角度走査機構」、バイルン  ディー．エムとマック  ファーレン  ディ．エル；出願  光学３０（１９９１）４４７１において提案されている偏光解析器では、一対の固定凹面楕円鏡の近焦点に回転平面鏡を、遠焦点に試料を配置している。平面鏡を回転することにより入射点は固定したまま試料上で入射角を連続的に変えられる。楕円鏡の特性だけに依存して入射角度を広範囲にでき、入射角を調整できる。
【００１０】
しかしながら、ゼロと異なる角度で鏡にビームが入射するので、ビームの反射が偏光に変化を起こす。これらの変化を測定してデーター分析で考慮に入れなければならなかった。
【００１１】
さらに最近になって、ピオーンカーコーレ等（米国特許５，９１０，８４２）が楕円面の鏡を使って焦点を結ぶビームにおいて「コマ」のような離軸収差を小さくすることを示している。
【００１２】
ここに説明した装置は色収差を生じる。この収差は第1の偏光器と分析器にローコーン・プリズムを使用することにより最小にすることができた。光ビームの伝播軸に沿うそれの長さを最小とした。
【００１３】
入射角は表面に対し垂直から６０°を越える角度に制限され、鏡面上で反射する時のビーム偏光の変化を制限する。
【００１４】
ピオーンカーコーレ等はそのような変化を最小としようとしているが、先に述べた装置では両方とも色収差を示す。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明の目的は上述の欠点を解消することであり、以下の特徴と利点の一つもしくはそれ以上を有する装置を提供することである。すなわち、色消し設計、大きい入射角範囲、試料表面に焦点を結んだビームの小さいスポット、簡単でコンパクトな設計、簡単な使用、そしてデータの迅速な収得。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
この目的の達成のため本発明の分光偏光解析器は、
・光ビームを放出する光源、
・光ビームを平行にする平行光学装置と光ビームを偏光させる偏光発生器とを含む偏光状態発生部、
・入射角θで試料の表面の小さいスポットに光ビームの焦点を結ばせる第1のミラー、
・光ビームを分析する偏光分析器を備える分析部へ試料により変更された光ビームを結びつける第２のミラー、
・光ビームを検出し、分光分析する手段
を備え、この分光偏光解析器の本発明としての特徴は、
・第１と第２のミラーは放物面鏡であり、
・偏光状態発生部を通って第１のミラーまで進む光ビームは平行で、色収差がなく、
・分析部を通って第２のミラーまで進む光ビームは平行で、色収差がなく、そして
・前記の入射角θは試料の表面の小さいスポットの位置をずらすことなく大きく変えられる
ことにある。
【００１７】
「大きく変えられる」と言うのは、入射角θの値が０から９０度まで変えられると言うことである。「試料により変更された光ビーム」と言うのは、ビームの伝播もしくは反射が試料によりビームの偏光状態が変わることを言う。
【００１８】
本発明の実施例は以下の特徴を単独もしくは組み合わせて有する。
・偏光発生器は光弾性変調器である。
・偏光発生器は回転分析器である。
・偏光発生器は回転偏光器である。
・偏光発生器は回転補償器である。
・偏光状態発生部と分析部とは放物面鏡に対して垂直に動かされて入射角θを変えられるようにしている。
・両方のミラーと試料とが分析部と偏光状態発生部とに対して垂直に動かされて入射角θを変えられるようにしている。
・入射角θを０°と９０°との間で変えられる。
・両方のミラーの光学的特性が同じである。
・両方の放射面鏡の軸と試料表面とが一緒になっている
・両方の放射面鏡の軸が通り、そして試料表面に垂直である面に対して両方の放射面鏡が対称的に配置されている
・両方の放射面鏡の形がダイアモンド旋盤でつくられている。
・偏光状態発生部から試料への距離と分析部から試料への距離を最適化してダイアモンド旋盤加工により生じた回折を回避する。
・両方の放射面鏡が事後研磨により処理される。
・スポットの大きさが回折限界に近い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
添付図は説明のためだけであって、本発明を限定するためのものではない。
【００２０】
偏光解析もしくはエリプソメトリーは薄膜について光学的な測定をするのに強力な道具である。薄膜（単一層でも複数層でも）の上で反射する光ビームの偏光状態の変化を測定することにより薄膜の光学的反射率を求めることができる。本発明の目的は、紫外線（ＵＶ）から赤外線（ＩＲ）までの広いスペクトル幅と、色消しの焦点を結ぶビームと広い範囲の入射角とをもつ分光偏光器を開示することである。「入射角」とは焦点を結ぶビームが試料表面に垂直な線に対し試料表面にぶつかる角度である。例えば、試料表面に垂直にぶつかるビームの入射角はゼロである。
【００２１】
「小さいスポット」とは試料上の好ましくは四角いコンパクトなスポットであって、典型的には投射前の横断面が２５μｍ×２５μｍであるビームの、試料表面上への投射により得られるスポットである。
【００２２】
添付図を参照して本発明の好ましい実施例を説明する。図１は偏光解析測定器の第１の実施例である。
【００２３】
この偏光解析測定器は試料１の測定を目的としている。この測定器は光ビーム３を放出する光源２を備えている。第１実施例におけるビーム３は典型的には電磁波輻射スペクトルの紫外線（ＵＶ）から赤外線（ＩＲ）までの波長域の連続スペクトルである。第２実施例ではビームは単一の波長λに中心を有する光束を含んでいる。
【００２４】
この偏光解析測定器は、偏光状態発生部４、第１と第２の放物面鏡５と６、分析部７、光ビームを検出し、分光分析する手段８とを備えている。
【００２５】
光源２が発生する光ビーム３はまず偏光状態発生部４を通る。この偏光状態発生部４は、光ビーム３を平行光線にする平行光学装置９とビーム３を偏光する偏光発生器１０とを含んでいる。平行光学装置９はそれの焦点にピンホール１１を有し、試料１の上にスポット１２を所望の大きさにする。また、平行光学装置９はダイアフラム１３を有してビーム３の大きさを制御する。
【００２６】
偏光発生器１０はそれを通るビーム３を偏光する。それから出る偏光ビーム１４の偏光状態はそれ故精確に知られる。
【００２７】
偏光状態発生部４からの偏光ビーム１４が第１の放物面鏡５に落ちる。偏光状態発生部４を通って第１の放物面鏡５まで偏光ビーム１４は平行ビームである。それ故、ビーム１４は収色的な、または色消し性である。
【００２８】
偏光ビーム１４はこの第１の放物面鏡５で反射され、試料１の表面１５に焦点を結ぶ。
【００２９】
好ましい実施例ではミラー５の軸は試料表面１５に没し、それ故、試料はミラー５の焦点に配置される。
【００３０】
両方の放物面鏡５，６はダイアモンド旋盤でつくられる。ダイアモンド旋盤は放物面鏡５，６の表面に溝をつくるので、事後研磨をする。この事後研磨では（１００Åの）ニッケル（Ｎｉ）層を沈着させ、研磨してミラーの溝を最小とする。最後に、（１００Åの）銅（Ｃｕ）もしくはアルミニューム（Ａｌ）層を沈着させる。
【００３１】
第２の放物面鏡６は試料１からの反射光１６を受ける。好ましい実施例において、第１と第２の放物面鏡５，６を回転させ、そしてそれらの軸が通る面に対して対称系となるように配置する。その面は試料面に垂直である。この実施例における両方のミラー５，６は同じ光学的特性を持っている。一例として、焦点距離はｆ＝５０．８ｍｍで、直径は２５．４ｍｍである。
【００３２】
それらの軸は試料表面１５に没しているのが有利である。
【００３３】
好ましい実施例において偏光状態発生部４から試料１への距離と、分析部７から試料１への距離はダイアモンド旋盤加工により生じる回折影響を回避するように最適な距離とする。
【００３４】
ある実施例では試料１での反射の前と後とにビーム１４の路の上に空間フイルタを配置する。これらのフイルタは放物面鏡５，６の表面の溝から生じることのある副作用を減らす。第２の放物面鏡６が光を集め、反射するその反射光ビーム１６は分析部７を通って平行ビームとなって進む。
【００３５】
分析部７は、試料１で反射したときの偏光ビーム１４の偏光状態の変化を分析する偏光分析器１７を含んでいる。
【００３６】
ここまで説明してきた実施例の偏光発生器１０は例えば、回転偏光器、すなわち、光軸の周りに回転する偏光器であり、偏光分析器１７は固定している。代替的には、光弾性変調器を回転偏光器の代わりに使用できる。別の実施例では分析器１７は試料測定中回転し、偏光器は固定している。それ故、偏光発生器１０は回転分析器である。他の実施例は偏光発生器１０として回転補償器を採用している。
【００３７】
所与の膜について追加の情報を得るためもしくは複雑な膜厚を測定するにはさまざまに初期設定をして計測を行うことが必要である。そのときの変数は測定を実施する波長もしくは入射角θである。
【００３８】
ある場合には入射角θは一定にし、そして光ビームは波長の連続スペクトルを有する。分析部７からの反射ビーム１６はそのビームを検出し、そして分光分析手段８へ進む。好ましい実施例ではこの手段８は同時に幾つかの波長を得る検出器１８を含んでいる。
【００３９】
図２に示す第２の実施例は第１の実施例と同じであるが、異なっている点はモノクロメーター１９を含んでいることである。図２において、図１と同じ数字は同じ物を示している。すなわち、光源２と偏光状態発生部４とを接続する光路にモノクロメーター１９を配置する。このモノクロメーター１９は広帯域の光源２が放出する光ビーム３の連続スペクトルから只一つの波長を選択する。この選択は連続スペクトルまたは特定の一つの波長を調べるのに特に有用である。
【００４０】
図３に示す実施例では図１と同じ数字が同じ物を示している。
【００４１】
偏光分析器１７から偏光発生器１０までの偏光分析器の構成成分は第１の実施例と同じである。第１の実施例と相違するのは光源２と、平行光線にする光学系９と光ビームを検出し分光分析する手段８との配置である。すなわち、光源２からの光ビーム３は平行光線にする光学系９から偏光分析器１７を通る。試料１からの反射ビームを検出器１８で検出し、分析する手段８は偏光器１０の後になる。図１ないし３のすべての実施例について波長を一定にして入射角θを変えるのが望ましい。
【００４２】
図４は入射角θを変えられるようにするため放物面鏡５，６に対して偏光発生器４と分析部７とを垂直に動かせるようにした第１の実施例である。
【００４３】
図５は入射角θを変えられるようにするため偏光発生器４と分析部７とに対して放物面鏡５，６と試料１の両方を垂直に動かせるようにした第２の実施例である。
【００４４】
入射角θを大きく、すなわち０°と９０°との間で変えられるようにするのが有利である。
【００４５】
本発明の偏光分析器の詳細は説明のためであって本発明の技術的思想の範囲をそれに限定するものではない。例えば、この分光偏光解析器は反射させて行う測定に限定されるものではない、すなわちビームの偏光状態の変化が試料表面上の反射によって生じるのではなくて透過によって生じてもよく、その場合は両放物面鏡５，６は試料表面に共通の軸が没し、そして放物面鏡の焦点に対して両放物面鏡５，６は対称に配置される。ビームの偏光状態は光が媒体を通るとき連続的に変化する（アザムとバシャラ；「偏光分析と偏光」、ノース・ホーランド、アムステルダム、１９７７）
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の第1実施例の略図である。
【図２】本発明の第２実施例の略図である。
【図３】本発明の第３実施例の略図である。
【図４】入射角θを変えるための両放物面鏡に対する偏光状態発生部と分析部の相対的な移動を示す図である。
【図５】入射角θを変えるための偏光状態発生部と分析部に対する両放物面鏡と試料の相対的な移動を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１    試料
２    光源
３    光ビーム
４    偏光状態発生部
５    第１の放物面鏡
６    第２の放物面鏡
７    分析部
８    分光分析手段
９    平行光学装置
１０    偏光発生器
１１    ピンホール
１２    スポット
１３    ダイアフラム
１４    偏光ビーム
１５    表面
１６    反射光ビーム
１７    偏光分析器
１８    検出器
１９    モノクロメータ
【図１】
2005530152.tif 000003
【図２】
2005530152.tif 000004
【図３】
2005530152.tif 000005
【図４】
2005530152.tif 000006
【図５】
2005530152.tif 000007
【国際調査報告】
2005530152.tif 000008
2005530152.tif 000009
2005530152.tif 000010