(57)【要約】      （修正有）【課題】半導体のような試料の表面特性を測定するためのシステムに関し、自己較正機能を備えたエリプソメータを提供する。【解決手段】照会用放射ビーム１１を試料２０に照射する前および後に、前記ビームの偏光を変調するために２つの位相変調器または偏光要素が用いられる。試料からの変調放射が検出され、検出された信号から解析器２６までの高調波が導出する。解析器２６までの高調波は、固定偏光要素、円形減衰補償、偏光要素の偏光解消および位相変調器のリターダンスなどのエリプソメトリックパラメータおよびシステムパラメータを導出するために用い得る。自己較正エリプソメータならびに組合わせシステムは、膜厚および試料により引き起こされた放射の偏光解消さなどの試料特性を測定するために用い得る。【選択図】図１
2011191311.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を測定するための方法であって、
放射のビームを提供する段階と、
成分の時間変化フラクションが前記試料に供給されるように、前記ビームを第１の回転偏光要素に通す段階と、
前記試料による変更後に、変調されたビームを提供するための回転する第２の回転偏光要素を用いて、前記ビームからの放射を変調する段階と、
前記変調されたビームからの放射を検出する段階と、
前記検出された放射から、前記試料の１つ以上のエリプソメトリックパラメータを導出する段階と、
からなる方法。
【請求項２】
試料を測定するための方法であって、
直線偏光された成分を有する放射のビームを提供し、かつ前記ビームからの放射を前記試料に供給する段階と、
前記試料により変調された前記ビームからの放射を検出する段階と、
前記試料による変更の前または後、ただし回転偏光要素を用いての検出前に、前記ビームからの放射を変調する段階と、
前記変調された放射を、その検出前に、固定直線偏光子に通す段階と、
前記検出された放射から、前記試料の１つ以上のエリプソメトリックパラメータを導出する段階と、
からなる方法。
【請求項３】
試料を測定するための器具であって、
放射のビームを提供する源と、
成分の時間変化フラクションが前記試料に供給されるように、前記ビーム中の放射を変調する第１の回転偏光要素と、
前記試料による変調後に、変調されたビームを提供するため、前記ビームからの放射を変調する第２の回転偏光要素と、
前記変調されたビームからの放射を検出する検出器と、
前記検出された放射から、前記試料の１つ以上のエリプソメトリックパラメータを導出する手段と、
を含む器具。
【請求項４】
試料を測定するための器具であって、
直線偏光された成分を有する放射のビームを提供する源と、
前記試料により変調された前記ビームからの放射を検出する検出器と、
前記試料による変更の前または後、ただし回転偏光要素を用いての検出前に、前記ビーム中の放射を変調する回転偏光要素と、
前記要素および前記試料により変調された放射を、前記検出器による検出前に、偏光する固定直線偏光子と、
前記検出された放射から、前記試料の１つ以上のエリプソメトリックパラメータを導出する手段と、
を含む器具。
【請求項５】
試料を測定するための器具であって、
放射のビームを提供する源と、
前記ビームからの放射を前記試料へ印加する手段と、
前記試料により変更された前記ビームからの放射を検出する検出器と、
放射の前記ビームを、その検出の前に、変調する変調装置と、
前記装置による変調後に放射の前記ビームの一部を、前記試料の傾きまたは高さを感知するための位置感知検出器へ方向転換する手段と、
を含む器具。
【請求項６】
試料を測定するための器具であって、
放射のビームを提供する源と、
前記ビームからの放射を前記試料へ、前記試料への垂直方向から離れた方向で集束するための円柱対物レンズを含む手段と、
前記試料により変更された前記ビームからの放射を検出する検出器と、
放射の前記ビームを、その検出の前に、変調する変調装置と、
前記検出された放射から、前記試料の反射率または１つ以上のエリプソメトリックパラメータを導出する手段と、
を含む器具。
【請求項７】
試料を測定するための方法であって、
第１の信号を提供するため、エリプソメータにより前記試料を測定する段階と、
第２の信号を提供するため、光学式計測器により前記試料を測定する段階と、
測定精度を高めるため、前記第１および第２の信号中の情報から、前記試料の１つ以上のパラメータおよび前記エリプソメータの１つ以上のパラメータを導出する段階と、
からなる方法。
【請求項８】
試料を測定するための方法であって、
第１の信号を提供するため、エリプソメータにより前記試料を測定する段階と、
第２の信号を提供するため、光学式計測器により前記試料を測定する段階と、
前記第１および第２の信号から、前記試料の膜厚および前記試料により引き起こされた偏光解消に関する情報を導出する段階と、
からなる方法。
【請求項９】
試料を測定するための方法であって、
第１の信号を提供するため、エリプソメータにより前記試料を測定する段階と、
測定精度を高めるため、前記第１の信号から、前記試料の膜厚および前記試料により引き起こされた偏光解消に関する情報と、前記エリプソメータの１つ以上のパラメータとを導出する段階と、
からなる方法。
【請求項１０】
試料を測定するための器具であって、
第１の信号を提供するため、前記試料を測定するエリプソメータと、
第２の信号を提供するため、前記試料を測定する光学式計測器と、
測定精度を高めるため、前記第１および第２の信号中の情報から、前記試料の１つ以上のパラメータおよび前記エリプソメータの１つ以上のパラメータを導出する手段と、
を含む器具。
【請求項１１】
試料を測定するための器具であって、
第１の信号を提供するため、前記試料を測定するエリプソメータと、
第２の信号を提供するため、前記試料を測定する光学式計測器と、
前記第１および第２の信号から、前記試料の膜厚および前記試料により引き起こされた偏光解消に関する情報を導出する手段と、
を含む器具。
【請求項１２】
試料を測定するための器具であって、
第１の信号を提供するため、前記試料を測定するエリプソメータと、
測定精度を高めるため、前記第１の信号から、前記試料の膜厚および前記試料により引き起こされた偏光解消に関する情報と、前記エリプソメータの１つ以上のパラメータを導出する手段と、
を含む器具。
【請求項１３】
試料を測定するための方法であって、
前記試料をエリプソメータにより測定する段階であって、前記エリプソメータは前記試料へ放射を供給しかつ前記試料による変更後に前記放射を検出して第１の信号を提供し、前記測定段階は前記試料へある周波数で供給された放射を変調する段階を含み、前記第１の信号が前記周波数の５つ以上の高調波での成分を含む段階と、
前記第１の信号から、前記試料の膜厚および前記試料により引き起こされた偏光解消に関する情報を導出する段階と、
からなる方法。
【請求項１４】
試料を測定するための器具であって、
出力信号を提供するため、前記試料を測定するエリプソメータと、
前記信号から、前記試料の膜厚および前記試料により引き起こされた偏光解消に関する情報を導出する手段と、を含み、前記エリプソメータは少なくとも１つの回転偏光子を含む器具。
【請求項１５】
試料を測定するための器具であって、
出力信号を提供するため、前記試料を測定するエリプソメータと、
前記信号から、前記試料の膜厚および前記試料により引き起こされた偏光解消を導出するための手段と、を含み、前記エリプソメータは、
偏光された成分を有する放射を前記試料へ第１の光学パス中に供給する源と、
前記偏光された成分の位相を変調する、前記第１の光学パス中の第１の位相変調器と、
第２の光学パスに沿って放射を検出する検出器であって、前記検出器により検出された放射が前記源により供給されかつ前記試料により変更される検出器と、
前記偏光された成分の位相を変調する、前記第２の光学パス中の第２の位相変調器と、
を含む器具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に半導体のような試料の表面特性を測定するためのシステムに関し、より詳細には自己較正機能を備えたそのようなシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、１９９９年２月９日出願の米国特許出願第０９／２４６，９２２号（特許文献１）の一部継続出願である。
【０００３】
分光光度計およびエリプソメータは、半導体のような基板上の単層または複層の膜厚および屈折率などの表面特性の測定に使用されてきた。半導体上に一般的に見られる材料としては、酸化物、窒化物、ポリシリコン、チタンおよびチタン窒化物が含まれる。エリプソメータは、単波長または広帯域光源、偏光子、変調器、解析器および少なくとも１つの強度検出器を利用できる。このタイプの従来のエリプソメータにおいては、光源からの光が変調され、検出器により検出される。検出器信号は、エリプソメトリックパラメータを計算するために解析される。このタイプのエリプソメータは、例えば、米国特許第５，６０８，５２６号（特許文献２）に記載されている。
【０００４】
偏光解析測定は、温度変化および機械的振動のような環境に影響される。この目的のため、エリプソメータはそのような環境の影響を明らかにするため定期的に較正される。厚さおよび光学的特性が分かっている標準試料が較正の間使用されてきた。しかしながら、半導体デバイスの絶え間ないダウンサイジングに伴い、厚さが数オングストロームオーダーの皮膜層を測定できる超高感度エリプソメータが開発された。これらのシステムは、正確な較正のために薄膜を有する標準試料を必要とする。そのような薄膜標準試料が使われる時には、微小な酸化または汚染でさえも影響しかつ結果として重大な較正エラーを生じ得る。従って、より優れた較正特性を備えたエリプソメータのような改良された表面光学測定システムを提供することが望ましい。国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ９８／１１５６２号（特許文献３）には、安定波長較正エリプソメータが、標準試料上の膜厚を正確に決定するために用いられている。較正エリプソメータからの測定結果は、薄膜光学測定システム中の他の光学測定装置の較正に用いられる。しかしながら、これを行なうには、薄膜光学測定システムを測定用に用いるたびに標準試料を較正エリプソメータで較正する必要があり、そのためこの手順が面倒になることがある。さらに、標準試料上の１つまたは複数の皮膜の特性が、特に較正手順のすぐ後にすべての測定がなされるのでない場合には、較正の時間と測定の時間との間に変わってしまいかねない。
【０００５】
米国特許第５，４１６，５８８号（特許文献４）には、十分小さい位相変調（通常、３〜４°のオーダー）が光弾性変調器（ＰＥＭ）によって適用される別のアプローチが提示されている。位相変調を数度に制限することによって、検出可能な信号は比例して減少し、それによって米国特許第５，４１６，５８８号（特許文献４）におけるスキーマの信号対雑音比は多くの用途にとって望ましいレベル以下になり得る。小さい位相変調のみを使うことにより、測定システム自身のパラメータについて得られる情報量は限定され、それによりいくつかのシステムおいて重要なシステムパラメータのすべてを特徴付けることが不可能になり得る。
【０００６】
上記のシステムのどれも完全に満足のいくものではない。従って、上記の困難が存在しない改良された較正特性を備えたエリプソメータを提供することが望ましい。自己較正機能を備えたエリプソメータを提供することが特に望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願第０９／２４６，９２２号
【特許文献２】米国特許第５，６０８，５２６号
【特許文献３】国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ９８／１１５６２号
【特許文献４】米国特許第５，４１６，５８８号
【特許文献５】米国特許第４，３０６，８０９号
【特許文献６】米国特許第５，７４７，８１３号
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】"ANALYSIS OF SEMICONDUCTOR SURFACES WITH VERY THIN NATIVE OXIDE LAYERS BY COMBINED IMMERSION AND MULTIPLE ANGLE OF INCIDENCE ELLIPSOMETRY", Ivan OHLIDAL and Frantisek LUKES," Applied Surface Science 35 (1988-89) 259-273, North Holland, Amsterdam
【非特許文献２】"Rotating-compensator multichannel ellipsometry for characterization of the evolution of nonuniformities in diamond thin-film growth," Joungchel Lee et al., Applied Physics Letters, Vol. 72, No. 8, February 23, 1998, pp. 900-902
【発明の概要】
【０００９】
自己較正機能を備えるエリプソメータが提案される。時間の経過につれてまたは環境要因に起因して変化し得るエリプソメータシステムパラメータを較正する代わりに、これらは、エリプソメトリックパラメータと共にエリプソメータで測定されたデータから導出し得る。従って、標準試料または較正エリプソメータの必要は皆無である。ユーザが行なう必要があることは、エリプソメトリックパラメータの測定精度に影響し得るシステムパラメータのどのような変更も考慮し得るように、システムパラメータをエリプソメトリックパラメータと共に導出することだけである。システムパラメータは、エリプソメトリックパラメータが導出されるのと同じデータから導出し得るので、較正プロセスと測定プロセスとの間でシステムパラメータが同じままであったと仮定する必要はなく、システムパラメータにおけるどのような変化も正確に説明し得る。本発明はまた、小さい位相変調に限定されない。従って、測定器の信号対雑音比は、広範なシステムおよび用途における自己較正に十分である。
【００１０】
好ましい実施態様においては、直線的に偏光された成分を有する放射のビームが試料に供給される。試料によって変更されたビームからの放射が検出される。放射のビームの偏光はその検出に先がけて変調され、試料の１つ以上のエリプソメトリックパラメータおよび上記のプロセスで用いられたシステムの１つ以上のパラメータが変調の大きさについての制限なしで導出される。
【００１１】
従来のエリプソメータにおいては、実質的に非偏光の放射が光源により偏光子に供給され、放射が試料に適用される前にその放射を偏光させ、偏光されたビームからの放射は、試料による変更後にその放射が検出器に適用される前に解析器に渡される。従来のスキーマにおいては、偏光子あるいは解析器の一方が回転されるが両方ともではない。本発明に関連した側面における１つの改良されたデザインとして、放射のビームが、試料への適用前に第１の回転偏光子を通される。試料による変更後のビームからの放射も、変調されたビームを提供するために、第２の回転偏光子により変調される。変調されたビームからの放射は検出器により検出される。検出器出力から、試料の１つ以上のエリプソメトリックパラメータが得られる。好ましくは、システムパラメータならびに１つ以上のエリプソメトリックパラメータが、システムを自己較正しかつ測定精度を高めるために、検出された放射から導出される。また好ましくは、放射のビームは、放射源と検出器との間の固定偏光子を通される。
【００１２】
さらに別の改良されたデザインとして、偏光成分を有するビームからの放射が試料に供給される。試料により変調されたビームからの放射が検出される。ビームからの放射は試料による変更の前または後に変調されるが、回転偏光要素によるその検出の前である。検出される変調放射も、その検出に先がけて固定直線偏光子を通される。次に、検出された放射から、試料の１つ以上のエリプソメトリックパラメータが導出され得る。
【００１３】
エリプソメータの測定精度に影響する別の要因は、試料の傾きまたは試料の高さのバラツキに起因する焦点の変化である。従来の偏光解析法では、集束精度および試料の傾きを検出するために用いられる光学パスは、偏光解析測定のために用いられるパスとは別個のものである。これは、２つのサブシステム間のドリフトまたは心狂いに起因する誤差を結果的に生じる。本発明は、検出器に向けられた放射の一部を、試料の傾きあるいは試料の高さにおける変化のような要因に起因する集束における不正確さを検出するための感受検出器に転用することを意図する。この特徴は、偏光解析ならびに分光測光法のような他の表面光学測定システムにおいて用い得る。
【００１４】
半導体製造では、偏光解析測定に用い得る小さい電気接触パッドをウェハ上に確保することがしばしば行なわれ、その場合、その領域はしばしば四角形である。偏光解析における照明ビームは、典型的には斜めの角度で試料に向けられる。従って、もし照明ビームが円形断面を有していれば、結果的に試料上の照明スポットは楕円形になる。半導体上に偏光解析用に確保された正方形パッドのサイズが小さいことがあるので、そのようなパッド内に楕円形スポットを収めることは難しいことがある。試料上に照明ビームを集束するために円柱対物レンズを用いると、これには楕円形スポットを平坦にし、パッド境界内にうまく収める効果がある。好ましくは、円柱対物レンズは、形が実質的に円形のスポットに照明ビームを集束する。
【００１５】
上述のエリプソメータは、試料を測定するための別の光学計測器と共に用いるのが有利である。好ましくは、エリプソメータおよび他の光学計測器の出力は、試料情報ならびに測定精度を高めるためのエリプソメータのパラメータを導出するために用い得る。ある１つの用途においては、組み合せシステムを、試料の膜厚情報および試料により引き起こされた放射の偏光解消の測定に用い得る。導出された偏光解消により、表面粗さのような試料特性を示し得る。
【００１６】
別の方法として、エリプソメータの様々な各構成を単独で膜厚および試料により引き起こされた偏光解消の測定に、同じ測定出力からエリプソメータのシステムパラメータを導出してまたはしないで、用いることがでる。
【００１７】
説明を簡明にするため、本出願において同一の構成要素は同じ番号により特定される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施態様を例示する２つの位相リターダを用いるエリプソメータを示す。
【図２】図１のシステムの検出器出力における時間の関数としての検出器信号の例を示すグラフプロットである。
【図３】本発明の第２の実施態様を例示する２つの回転偏光要素を用いる自己較正エリプソメータを示す。
【図４】図３のシステムの検出器出力を例示する時間経過に伴う検出器信号のグラフプロットである。
【図５】試料に向けられた放射の偏光を変更させる種々の要素の角度定義を例示する概略図である。
【図６】本発明を例示するための図１および図３のシステムにおけるエリプソメトリックパラメータおよびシステムパラメータを導出する方法を示すフローチャートである。
【図７Ａ】本発明の付加的な実施態様を説明する、８つの自己較正エリプソメータを例示し、各々は２つ以上の偏光要素または位相リターダと偏光要素との組合せを用いている。
【図７Ｂ】本発明の付加的な実施態様を説明する、８つの自己較正エリプソメータを例示し、各々は２つ以上の偏光要素または位相リターダと偏光要素との組合せを用いている。
【図７Ｃ】本発明の付加的な実施態様を説明する、８つの自己較正エリプソメータを例示し、各々は２つ以上の偏光要素または位相リターダと偏光要素との組合せを用いている。
【図７Ｄ】本発明の付加的な実施態様を説明する、８つの自己較正エリプソメータを例示し、各々は２つ以上の偏光要素または位相リターダと偏光要素との組合せを用いている。
【図７Ｅ】本発明の付加的な実施態様を説明する、８つの自己較正エリプソメータを例示し、各々は２つ以上の偏光要素または位相リターダと偏光要素との組合せを用いている。
【図７Ｆ】本発明の付加的な実施態様を説明する、８つの自己較正エリプソメータを例示し、各々は２つ以上の偏光要素または位相リターダと偏光要素との組合せを用いている。
【図７Ｇ】本発明の付加的な実施態様を説明する、８つの自己較正エリプソメータを例示し、各々は２つ以上の偏光要素または位相リターダと偏光要素との組合せを用いている。
【図７Ｈ】本発明の付加的な実施態様を説明する、８つの自己較正エリプソメータを例示し、各々は２つ以上の偏光要素または位相リターダと偏光要素との組合せを用いている。
【図８Ａ】図１のシステムの一部および本発明の別の側面を説明する試料の傾きおよび集束検出サブシステムの概略図である。
【図８Ｂ】図３のシステムの一部および本発明の別の側面を説明する試料の傾きおよび集束検出サブシステムの概略図である。
【図９】親出願の発明の好ましい実施態様を例示する、分光エリプソメータと偏光解析システムを含む組合せ測定器の概略図である。
【図１０】図９の偏光解析システムの斜視図である。
【図１１Ａ】偏光解析パラメータ測定のための図９のシステムの一部を簡略化した概略図である。
【図１１Ｂ】図１１Ａの照明アパーチャを図解するものである。
【図１２】親出願の発明の別の実施態様を例示する、偏光解析パラメータ測定用システムの一部の簡略化した概略図である。
【図１３Ａ】親出願の発明の好ましい実施態様を例示する、照明ビームまたは反射ビームがアパーチャを通される図９の偏光解析パラメータを測定するためのシステムの簡素化した概略図である。
【図１３Ｂ】親出願の発明を例示する、試料の複屈折の軸と関連する図１３Ａのアパーチャの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１は、本発明の第１の実施態様を例示する、２つの位相リターダを用いるエリプソメータを示す。図１に示すように、エリプソメータ１０は放射源１２を含んでおり、これは実質的に単波長の放射を供給し得る。実質的に単波長の放射を供給するため、超安定ヘリウムネオンレーザを用い得る。源１２からの放射は、固定偏光子１４を通される。固定偏光子１４は、それを通過する放射が直線偏光成分を有するようにするものである。固定偏光子１４は、好ましくは、システム１０の残余光学成分についてその方位に固定された直線偏光子である。代わりに、固定偏光子１４は、それを通過する放射に直線偏光成分を含む楕円偏光を持たせ得る。説明したように、好ましくは、直線偏光成分を有する放射が変調器１６に供給されるが、このことは必要とされないことおよび変調器１６に供給された偏光成分を有するその放射は十分なものでありかつ本発明の範囲内にあることが理解されるであろう。
【００２０】
偏光成分、好ましくは直線偏光成分を有し、偏光子１４から出る放射１１は、レンズ１６により集束されかつ位相リターダ１８を通され、半導体ウェハ２０のような試料表面に適用され、この表面が、反射などにより、偏光成分の偏光状態を含む放射の偏光を変える。半導体ウェハ以外の試料については、放射は、透過、散乱、回折またはさらに別のプロセスによって変えられる得るが、そのようなおよびその他の変化は本発明の範囲内にある。試料２０により変更された後、変更された放射１３は第２の位相リターダ２２を通され、レンズ２４により、集められ、第２の固定偏光子２６を通され、低雑音光検出器２８に適用される。
【００２１】
リターダ１８、２２は、試料２０による偏光の前および後に放射の偏光を変調するために異なる速度で回転される。検出器２８により検出された放射は、ウェハ２０のエリプソメトリックパラメータを導出するために、データ取得部３０に供給される。
【００２２】
システム１０は、参照によりここに完全に組み入れられる米国特許第４，３０６，８０９号（特許文献５）においてＡｚｚａｍにより提案された偏光計とは異なる。Ａｚｚａｍは試料のミュラー行列を導出している。システム１０は、検出器２８から検出された放射を用いてエリプソメトリックパラメータだけでなく、システム１０自体における成分のパラメータを導出するためにも使用できる。これらのシステムパラメータには、例えば、固定偏光子１４および解析器２６の総合倍率、角度（偏光軸の方位）および円形減衰補償、ならびにリターダ１８、２４の角度、位相、線形減衰および偏光変調（リターダンス）振幅、さらには放射源１２により供給された放射におけるいかなる偏光も含まれる。総合倍率は、放射源強度および検出器応答度を含み得る。偏光子１４および解析器２６の角度は、放射の入射面を横切る方向の試料傾きにより変えられ得る。
【００２３】
以下により明確に示されるように、図１のシステム１０を用いて、２５の高調波が生成され、これはエリプソメトリックパラメータとシステムパラメータの双方を決定するのに十分すぎるほどである。システムパラメータは、エリプソメトリックパラメータと共に検出器２８の出力から導出されるので、システム１０は自己較正しており、それによりシステムパラメータを前もって較正する必要は全くない。従って、較正用に標準試料または較正計器を使用する必要が全くない。測定がなされる都度、システムパラメータがエリプソメトリックパラメータと同時に導出され、それによりエリプソメトリックパラメータは、システムパラメータの変動による悪影響を受けることなく正確に導出され、そこではこれらのシステムパラメータも同様に正確に計算され得る。さらに、減衰補償、偏光解消および開口積分効果などのシステムパラメータは、従来のシステムにおいては較正しづらいことがある。対照的に、これらの要因は、図１のシステム１０においては自動的に考慮される。
【００２４】
図２は、検出器２８の出力における時間の関数としての検出器信号の例を示すプロットのグラフである。位相リターダまたは他の位相変調器の代わりに、要素１８、２２も偏光子とし得る。
【００２５】
図３には、本発明の第２の実施態様を説明するため、２つの回転偏光要素すなわち位相リターダを用いた自己較正型広帯域エリプソメータ１００を示す。最初に、システム１００において２つの回転偏光子要素が使われることが仮定される。図３に示すように、システム１００は広帯域の源１０２を含んでいる。広帯域放射を供給するため、深紫外領域を含む広いスペクトルをカバーするためキセノンランプならびに重水素ランプを用いることが望ましいことがあり、それにより源１２が供給する放射が１９０〜約１ミクロンの範囲に及ぶようになる。明らかに、複数波長放射（例えば、複数のレーザから）または他の波長を供給する光源も使用することができ、かつ本発明の範囲に入る。
【００２６】
固定偏光子１４は、それを通過する放射が、偏光成分、好ましくは直線偏光を有するようにする。そのような成分を有する放射は、回転偏光要素すなわち位相変調器１０６に供給され、鏡１０８により試料２０に集束される。反射または透過（あるいは、図１について上で列挙したいずれかのプロセス）などにより、試料２０によって変更された放射は、収集鏡１１０によって集められ、回転偏光要素１１２を通って、固定解析器２６へリレーされる。解析器２６から出る放射は次に、広帯域放射を種々の波長成分に分離するための分光計１２０に供給され、それにより種々の波長の強度が個々に検出できるようになる。そのような強度は次に、解析のため、データ取得システム３０へ供給される。
【００２７】
色収差を回避するため、集束および集光鏡がレンズの代わりに用いられ、かつ検出された広帯域放射中の種々の波長を測定用波長成分に分離するために分光計が用いられる。放射源１０２はレーザの代わりの広帯域源である。図４は、分光計２０により検出された波長成分の１つにおける強度信号をプロットしたグラフである。位相リターダが用いられるシステムとは異なり、回転直線偏光子は、その偏光軸が固定偏光子１４のそれに垂直な場合には、放射を実質的に全く通さない。この理由により、強度は周期的に実質的に０になる。
【００２８】
図５は、図３の実施態様を説明するため、入射面の相対的な方位、固定偏光子１４の軸および回転偏光要素１０６の軸を示す概略図である。図５は、照明ビーム１２２の方向に反対の方向（すなわち、中をのぞくように）に沿って見た図である。図５に示すように、基準ｘ軸は、試料２０に向けられたビーム１２２およびその反射１２４の入射面に沿っている。固定偏光子１４の軸は角度P1の矢印ｘ’に沿っており、回転偏光要素１０６の軸はｘ軸から角度Ｐ0 ＋Ｐ（ｔ）の矢印ｘ”に沿っている。要素１０６が回転しているので、その軸は時間ｔの関数として変化する。従って、Ｐ0 を時間０におけるその軸の角度とすると、時間ｔにおけるその軸の角度はＰ0 ＋Ｐ（ｔ）である。同様の量Ａ0 ＋Ａ（ｔ）は、図３の変更（図３のケースでは、反射）されたビーム１２４の方向と反対の方向に沿って見たときの、入射面を基準とした回転解析器１１２の角度について定義できる。従って、偏光要素１０６が周波数ｆP で回転しかつ偏光要素１１２が周波数ｆA で回転していれば、回転偏光要素１０６、１１２の軸の偏光角度は、下記の式（１）で与えられるＰR ｔ）、ＡR （ｔ）である（式中ｔは時間を表す）。
2011191311.tif 000003
式中、初期角度Ｐ0 およびＡ0 は、ｔが０のときの偏光子および解析器要素１０６、１１２の初期角度に相当する。
【００２９】
分光計１２０における検出器信号Ｓ(m) D は次に、これらの回転偏光要素により変調され、時間ｔの関数として記録される。ここで、検出器信号についての式中の「ｍ」は、これがモデルからの理論的なものというよりも、測定された検出器信号であることを示す。この同じ注釈は、下記で他の量についても当てはまる。
【００３０】
検出器信号の１つの例が図４に示してある。以下に示されるように、測定された検出器信号から２５の高調波を導出することができ、その場合にエリプソメトリックパラメータおよびシステムパラメータを導出するためのモデルの高調波とこの２５の高調波を比較できる。ただし、そのような比較を論じる前に、以下で説明されるようにシステムのモデルを最初に検討する必要がある。
【００３１】
システムモデリング
検出器信号のミュラー行列表示
解析的には、検出器信号は、
2011191311.tif 000004
として表すことができる。
式中、
ＳP （Ｐ）：試料に入射するビームの４×１ストークスベクトル、
Ｍs ：試料の４×４ミュラー行列、
Ｓ’A （Ａ）：解析器中の要素を表すミュラー行列の第１行の投射。
【００３２】
式２の最後の部分では、単純にするため、Ｐ（ｔ）、およびＡ（ｔ）は単にＰおよびＡと書かれ、これらが時間の関数であることが理解される。同じ単純化は下記の説明でもなされる。
【００３３】
偏光生成側における要素のモデリング
システム１００の生成側は、固定偏光子１４、回転偏光子１０６および鏡１０８を有する。生成側のすべてのシステムパラメータおよび回転角度Ｐは、ストークスベクトルＳP （Ｐ）に符号化される。次に、生成側の各要素における光の挙動、および１つの要素から次の要素への伝播を記述するためにミュラー定式化が用いられる。光源１０２が完全に非偏光であると仮定すると、以下の式が得られる。
2011191311.tif 000005
式中、
Ｒ：ミュラー回転行列、
ＭP1：固定偏光子１４のミュラー行列
ＭP ：生成側の回転偏光要素１０６のミュラー行列。
【００３４】
解析側における要素のモデリング
解析側は、鏡１１０、回転偏光子１１２、および固定偏光子２６を有する。解析側のすべてのシステムパラメータおよびｘ軸に関する偏光子１１２の回転角度Ａは、解析側要素Ｓ’A （Ａ）を表すミュラー行列の第１行の投射において符号化される。
同様に、
2011191311.tif 000006
式中、
ＭA1：固定解析器２６のミュラー行列
ＭA ：解析側の回転偏光要素１１２のミュラー行列。
【００３５】
フーリエ解析
数学的な扱い式（３）の偏光生成側の回転角度と関連した高調波から、ストークスベクトルＳP （Ｐ）中の各要素が５つの高調波、すなわち回転周波数ｆP のＤＣ、２重、および４重の高調波から成ることが見出される。
2011191311.tif 000007
式中、ａ00，ａ01，，，は、システム１００の生成側を特徴付ける係数である。
【００３６】
解析側における回転角度に関する高調波
同様に、解析側ミュラー行列の第１行も５つの高調波から成っている。
2011191311.tif 000008
式中、ｂ00，ｂ01，，，は、システム１００の解析側を特徴付ける係数である。
【００３７】
検出器信号の高調波
明らかに、検出器信号は２５の高調波から成る。
2011191311.tif 000009
【００３８】
回帰
高調波係数Ｆの回帰
好ましくは、時間領域における１００〜数千のデータ点が測定により得られる。試料構造（皮膜のインデックスおよび厚さ）およびシステムパラメータ（入射角、角度Ｐ0 、Ｐ1 、Ａ0 、Ａ1 、固定偏光子および解析器などの偏光解消等）は、検出器信号データから直接的に回帰できる。しかしながら、この回帰は非線形である。１０００のデータ点の非線形回帰はあまり効率的ではない。一方、Ｆ係数の回帰は線形であり、従って回帰効率を改善する。次式、
2011191311.tif 000010
の最小化により、高調波係数Ｆc0(m) 、Ｆcn(m) 、およびＦsn(m) 、ｎ＝１，２，，，１２が決定される。回帰において、ベクトルｘは次式として定義される。
2011191311.tif 000011
【００３９】
試料構造およびシステムパラメータの回帰
上記線形回帰において、試料構造およびシステムパラメータは使用されない。一方、高調波係数は試料構造およびシステムパラメータと関連している。実際のところ、それらは試料構造およびシステムパラメータと関連した非線形関数である。これらの非線形関係は、システムモデルおよび膜モデルにより得られる。
2011191311.tif 000012
【００４０】
そのようなシステムおよび膜モデルを構成するための方法は当業者には公知であり、ここでは詳述しない。これにより、試料構造およびシステムパラメータを下記の式（１１）に回帰することができるようになる。
2011191311.tif 000013
式中、「ｍ」が付された量は、上記で説明したように分光計１２０からの測定された検出器信号から得られ、モデルからのものではない。
【００４１】
エリプソメトリックパラメータおよびシステムパラメータを導出するためのプロセスを、図６を参照して説明する。最初に、上述のように生データが得られ、これは分光計１２０（ブロック１５０）の出力において現れる。データに関してフーリエ解析が実行され、２５の測定された重調和係数が得られる（ブロック１５２、１５４）。膜モデルおよびシステムモデルは式１０に示されるように構成される（ブロック１５６）。考慮されるシステムパラメータには、上で論じたものの１つ、いくつかまたはすべてを含み得る（ブロック１５６）。上記の式１１の回帰アルゴリズムが次に、高調波係数Ｆについて解を出すために実行される（ブロック１５８）。これらのＦ係数から、エリプソメトリックパラメータｎ、ｋおよびシステムパラメータを次に導出し得る（ブロック１６０）。分光計出力から導出し得るシステムパラメータは、例えば、固定偏光子１４および解析器２６の総合倍率、角度（偏光軸の方位）および円形減衰補償、ならびに偏光子１０６および解析器１１２の角度、偏光解消、そして源１０２により供給される放射のいかなる偏光も含まれる。上で説明したものと同じモデルおよびプロセスは、源１０２、１２が、いくつかの非偏光成分を有する放射源と交換される場合に使用され得る。
【００４２】
図３を参照すると、回転要素１０６、１１２は、偏光要素の代わりに位相リターダなどの位相変調器であり、上記の式すなわち式（１）〜（１１）と実質的に同じ式を構成することができかつ図６に関する上記説明と同様のプロセスをエリプソメトリックパラメータおよびシステムパラメータを導出するために実施し得る。要素１０６、１１２が位相変調器である場合には、これらの要素の各々は速い軸と遅い軸とを有している。これら２つの軸の１つが要素の軸として扱われ、上記の同じ解析を、エリプソメトリックパラメータｎ、ｋおよびシステムパラメータを測定しかつ導出するために適用し得る。もし要素１０６、１１２の１つ以上が、１つ以上の位相変調器および１つ以上の偏光子を複合したものであれば、同じことがあてはまる。
【００４３】
上述の方法は図１のシステム１０にも適用可能である。従って、検出器２８の出力は次に、上記で要素１２、１４、１６、１８、２２、２４および２６について上記で列挙したようなエリプソメトリックパラメータおよびシステムパラメータを導出するために用いられる。
【００４４】
上述の解析から、２５の高調波は、エリプソメトリックパラメータおよびシステムパラメータを解きあるいは導出するのに十分である。いくつかの用途においては、そのようなパラメータを導出するのに２５の高調波すべてが必要とされるわけではない。そのような場合、図１および図３に示したものよりも単純なシステムを代わりに用い得る。そのような構成が図７Ａ〜図７Ｈに示してある。図面を簡略化するため、光源、検出器、データ取得および解析装置は省略されている。図７Ａ〜図７Ｂは、２つの偏光子を用いる従来のエリプソメータを例示するものである。図７Ａでは、非偏光光が回転偏光子２０６を通され、試料２０に供給される。試料により反射された放射は、固定偏光子２２６を通され、エリプソメトリックパラメータを導出するために検出器へ送られる。図７Ｂでは、非偏光放射が、固定直線偏光子２１４を通され、試料２０に適用される。反射された放射は次に、それがエリプソメトリックパラメータを導出するために検出器に適用される前に、回転偏光子２１２を通される。
【００４５】
図７Ｃ〜図７Ｈに例示した構成は可能であり、本発明に従って用いるのが有利である。従って、図７Ｃでは、非偏光放射が回転偏光子２０６を通され、試料２０に適用され、試料により変更された放射が次に回転解析器２１２を通され、放射が単波長か広帯域であるかによって、検出器２８または分光計１２０などの検出器に送られる。図７Ｄでは、非偏光放射は最初に固定偏光子２１４を、次に回転偏光子２０６を通されて、試料２０に適用される。変更された放射は、固定解析器２２６へ渡され検出器へ送られる。図７Ｅでは、非偏光放射が、固定偏光子２１４を通され、試料２０によって変更され、回転解析器２１２および固定解析器２２６を通されて検出器に適用される。図７Ｆでは、非偏光放射が、固定偏光子２１４、回転偏光子２０６を通して試料２０に適用され、試料によって変更された放射は、回転解析器２１２を通して検出器へ渡される。図７Ｇでは、非偏光放射は回転偏光子２０６を通して試料２０に適用され、試料により変更された放射は、回転解析器２１２および固定解析器２２６を通して検出器へ送られる。集束鏡が全く用いられないこと以外は、図７Ｈの構成は図３の構成と同様である。
【００４６】
従って、図７Ｃ、図７Ｆ、図７Ｇおよび図７Ｈの構成において、試料による変更の前後に、回転偏光子または解析器により変えられ、その場合、放射は１つ以上の固定偏光要素を通すことも通さないこともできる。図７Ｄ、図７Ｅの構成においては、試料による変更の前後に、放射は固定偏光要素を通されるが、試料による変更の前あるいは後の一方において１つの回転偏光子または解析器のみが使用され、変化の前後双方においてではない。
【００４７】
図７Ｃ〜図７Ｅの器具または構成が用いられる場合、検出された信号から５つの高調波が生成し得る。５つの高調波は、いくつかの用途についてエリプソメトリックパラメータおよびシステムパラメータを導出するのに十分であり得る。特定の用途においては、より多くの高調波が必要または望ましいことがあり、これらの用途については、図７Ｆ、図７Ｇ、図７Ｈおよび３が望ましいであろう。
【００４８】
上述の解析は、上述の図７Ｃ〜図７Ｈの構成のいずれか１つについて若干修正し得る。明らかに、図３におけるように鏡が全く用いられない場合、これらの鏡を必要とするシステムパラメータは解析において省略し得る。放射が試料に適用される前に放射を変更するために回転偏光子が全く用いられない場合には、回転偏光子の回転軸角度を表す変数Ｐは定数または０に設定できる。放射が試料により反射または他の方法で変更された後に、その放射を修正するために回転解析器が全く用いられない場合には、回転解析器の角度を表す量Ａも定数または０に設定できる。そのような違いは別として、上述の解析を、図７Ｃ〜図７Ｈの構成においてエリプソメトリックパラメータを導出するために適用し得る。
【００４９】
上で論じた理由から、いくつかの用途については、エリプソメトリックパラメータと共にシステムパラメータを導出することが有利であるが、図３、図７Ｃ〜図７Ｈの構成におけるように、システムパラメータも導出せずにエリプソメトリックパラメータを単に導出すれば充分なこともある。そのようなまた他の変更形態は本発明の範囲内にある。
【００５０】
２５の高調波を生成するためには、２つの偏光子、変調器（１８、２２および１０６、１１２）を異なる速度で回転させるべきである。一方の偏光子または変調器の回転速度が、対になる他方の回転速度の整数倍である場合には、２５の高調波が検出器信号から導出されるのに十分な情報がないことがある。従って、２５の高調波を導出するため、２つの偏光子または変調器各々の回転速度が他方の偏光子または変調器の回転速度で割り切れない整数であることが望ましい。言い換えると、２つの整数速度の最大最小公分母が１であることが望ましい。さらに、十分な検出器情報を得るため、試料によりそして変調器または偏光子により変調された放射を検出器信号が検出している間、２つの変調器または偏光子の少なくとも１つが１３回以上の完全な回転により回転されることが望ましい。
【００５１】
これら２つの偏光子または位相変調器は、連続的または断続的に回転させられ得る。回転が断続的である場合、検出器は、位相変調器または偏光子が静止している間に検出するために使用できる。回転偏光子または回転リターダを用いる代わりに、光弾性変調器またはポッケルスセルを代わりに用い得る。回転リターダはフレネルロムとし得る。図７Ａ〜図７Ｇの構成は、１つ以上の要素１４、１０６、１１２、２６を図３のシステム１００から取り去ることによって達成でき、これは図３のモータ２５０によって遂行できる。図６および式に関して上で説明したアルゴリズムは、データ取得３０により実行でき、これは単にコンピュータとし得る。
【００５２】
図８Ａは、図１のシステムの一部および試料の傾きまたは試料の高さを感知するための装置の概略図である。上で言及したように、従来の測定システムにおいては、試料の傾きまたは高さは、測定パスとは異なりかつ別個の光学パスを介して測定される。これによりシステムは扱いにくくなり、かつ不正確になることがある。適切に較正したシステムにもかかわらず、そのような不正確さが測定エラーにつながり得るので、試料の傾きと高さの測定は重要である。従って、図８Ａに示すように、試料により変更された後、放射は位相変調器２２または回転偏光子１１２などの変調器を通って、レンズ２４により固定解析器２６を通され、格子３０２に伝えられる。ビームのエネルギーのほとんどは、アパーチャ３０４を通過して検出器２８に至るゼロ次光線として現われる。ビーム１３中の放射は実質的に単色であり、そのため回折格子３０２は、回折された＋１次のビームを検出器３０６へ向けて回折する。検出器３０６は、レンズ２４から格子３０２までおよび格子３０２から検出器３０６までの総光学パスがレンズ２４の焦点距離と実質的に等しくなるように置かれる。従って、たとえ代わりに、試料２０の表面２０ａがより低いレベル２０ａ’にあったとしても、表面２０ａ’および格子３０２からの＋１次光線は、依然として同じ方向で検出器３０６へ向けられ、それにより検出器３０６の検出は試料の高さの影響を受けない。しかしながら、検出器３０６は、位置２０ａから位置２０ａ”への試料の傾きを検出し、このことは、格子３２０からの＋１次光線の方向に変化を起こさせ得る。従って、表面２０ａが適切な傾きにある場合に検出器３０６が較正されていたのであれば、検出器３０６を試料の傾きの検出に用いることができ、その場合には、そのような検出は試料の高さの変化に影響されない。
【００５３】
検出器３０８は、格子３０２からの−１次回折を検出するために設置されている。検出器３０８は、適切な高さで試料表面２０ａを検出するために較正される。従って、もし試料の表面２０ａが、図８Ａにおいて点線で示した位置２０ａ' に下降（または上昇）されていれば、このことは、−１回折の方向の変化を引き起こしかつ検出器３０８により感知されるであろう。
【００５４】
図８Ｂは、図３のシステム１００の一部ならびに試料の傾きと試料の高さの変化を感知するための装置の概略図である。波長依存性である格子を用いる代わりに、図８Ｂに示す２つのペリクルのような、本質的には透過性であるが若干反射性の２つの要素を用い得る。従って、ペリクル３１２、３１４は、固定解析器２６と分光計１２０との間の光学パスに置き得る。両方のペリクルは、光学パスに対してほとんど直角な位置に置かれ、放射の大半は２つのペリクルを通るが、少量の放射はペリクルによって光学パスから若干それた方向に反射されて検出器３１６、３１８へそれぞれ向けられる。鏡１１０とペリクル３１２との間およびペリクル３１２と検出器３１６との間の総光学パス長が鏡１１０の焦点距離と実質的に等しくなるように検出器３１６が置かれる。図８Ａの検出器３０６について述べたものと同様な理由のため、試料高さの変化により影響されずに試料の傾きを検出するために検出器３１６を使用することが可能である。また、図８Ａの検出器３０８と同様に、検出器３１８は、試料高さの変化が検出器３１８により検出されるように、適切な高さで試料表面２０ａを検出するために較正されている。
【００５５】
半導体製造では、偏光解析測定用に用い得る小さい電気接触パッド領域をウェハ上に確保することがしばしば行なわれ、その場合にその領域はしばしば正方形である。偏光解析における照明ビームは、典型的には斜の角度で試料に対して向けられる。従って、もし照明ビームが円形断面を有していれば、その結果として試料上の照明スポットは楕円形になるであろう。偏光解析用に半導体上に確保された正方形のパッドはサイズが小さいことがあるので、そのようなパッド内に楕円形のスポットを納めるのは困難なことがある。
【００５６】
試料上に照明ビームを集束するために円柱対物レンズを使用または付加すると、これには楕円形スポットを平坦にしてパッドの限界内にうまく納めるようにできるという効果がある。好ましくは、円柱対物レンズは、形が実質的に円形のスポットに照明ビームを集束する。従って、試料２０上の照明スポットを平坦にするため、図１のレンズ１６を円柱レンズにするか、あるいは円柱レンズを図１に付加してビーム１１を集束することができる。同様に、試料２０上の照明スポットを平坦にするため、図３の鏡１０８も円柱鏡とするか、あるいは円柱鏡を付加することができる。好ましくは、レンズ１６または鏡１０８あるいはレンズと鏡の組合せの入射面における集束力は、照明スポットが円形になるようなものである。
【００５７】
図９〜図１３Ｂに関する以下の説明は、本質的に１９９９年２月９日出願の特許願第０９／２４６，９２２号（特許文献１）から取ったものである。
【００５８】
図９は、親出願の発明の好ましい実施態様を説明するための、分光エリプソメータと偏光解析システムを含む組合せ計器の概略図である。組合せ計測器の分光エリプソメータを論じる前に、最初に偏光解析システム１００８を、図９および図１０を参照してある程度詳細に説明する。以下に示されるように、好ましくは、図９の組合せ計測器におけるようにシステム１００８を分光（または単波長）エリプソメータと共に用いるのが有利である一方、このシステムは、それ自体で試料測定に用いても有利である。
【００５９】
偏光解析システム１００８の全体的な光学的配置は、米国特許第５，７４７，８１３号（特許文献６）に記載の分光反射率計と似ており、その単純さを保持している。しかしながら、そのような分光反射率計とは異なり、親出願の発明のシステム１００８は、米国特許第５，７４７，８１３号（特許文献６）のシステムにおけるような偏光非感受性反射率スペクトルというよりは偏光解析反射率スペクトルを測定するものである。従ってシステム１００８は、米国特許第５，７４７，８１３号（特許文献６）のシステムよりも表面特性に敏感である。好ましい実施態様において、親出願の発明は試料により反射された放射の検出として例示されているのに対し、親出願の発明は本質的に、本出願で説明されるように、試料により伝えられた放射が代わりに検出される場合に作動することが理解されるであろうし、そのようなおよび他の変更形態は親出願および本出願の発明の範囲内にある。単純にするため、好ましい実施態様は、放射された放射の測定として以下で説明するが、そのような説明は伝達された放射の測定に容易に拡張できることは了解の上である。
【００６０】
試料パス、基準パス、フィールド照明パス、測定照明パスおよびエリプソメータパスを示す取り決めは、図９の右上隅に示してある。上で言及したように、偏光解析パラメータを測定するためのシステムにおける全体的な光学的配置は、以下で図９および図１０を参照して説明する。
【００６１】
図９および図１０はそれぞれ、偏光解析パラメータを測定するための親出願の発明による、光学システムの同じ実施態様を示す。図９のシステム１００８の集束部分および他の光学要素ならびに分光エリプソメータは、図を簡素化するため、図１０においては省略してある。これらの要素は、他の要素に関してのそれらの配置を最も明確に示す図と共に以下で説明してある。図９を参照すると、ウェハ１００３の相対反射率スペクトル測定用の光学システム１００８は、照明サブシステム、反射率計サブシステム、観察サブシステム、および自動焦点サブシステムを含んでおり、どのような特定の光学要素でも１つ以上のサブシステムの一部となり得る。照明サブシステムは、可視および／または紫外（ＵＶ）光の光ビーム１０１２を発するキセノンアークランプなどのランプ１０１０、ランプハウジングウインドウ１０１４、軸外し放物面鏡１０１６、フリップインＵＶカットオフフィルタ１０１８、カラーフィルタホイール１０２０、平面鏡１０２２、凹面鏡１０２４、フリップイン４０μｍファインフォーカスアパーチャ１０３０を備えたアパーチャ鏡１０２８、大型色消しレンズ１０３２、フィールド照明シャッター１０３１、折り曲げ鏡１０３６、および小型色消しレンズ１０３８を含んでいる。図１０では、対物レンズ１０４０は、鏡１０４０ａ、１０４０ｂおよびこれを収納するハウジング１０４０’を含んでいるが、ハウジングとウェハとの間に、分光エリプソメータ（図１０では図示せず）からの斜めの照明ビームのための十分な間隔を残してある。
【００６２】
照明システムは、測定ビーム２５とフィールド照明ビーム１０３４から成る組合せビーム１０４２を提供する。ランプ１０１０は、ランプハウジングウインドウ１０１４を通して光ビーム１０１２を放つ。ランプハウジングウインドウは光学的な理由から必要ではないが、ランプ１０１０が万一割れたり破裂したときのために備えてある。タングステンまたは重水素ランプなどの他のランプよりもキセノンランプが好まれる。なぜならば、キセノンランプは、ＵＶから近赤外までのスペクトルをカバーするよりフラットな出力を与えるからである。１９０〜２２０ｎｍの範囲の波長成分を有する試料ビームを提供するため、深ＵＶを含むより広いスペクトルをカバーすべく付加的な重水素ランプ１０８８がキセノンランプ１０１０と共に用いられる。２つのランプを一緒に用いることにより、その結果として試料検出用に供給される放射の組合せスペクトルは、約１９０〜８００ないし８３０ｎｍの範囲にまで拡張できる。スペクトルを深ＵＶ範囲にまで拡張することは、フォトリソグラフィに有用である。ランプ１０８８からの放射は、レンズ１０９３により集束され、鏡１０９５によりフィルタ１０１８へ反射され、ランプ１０１０からの放射と組合されて組合せビーム１０１２’を形成する。鏡１０９５を矢印１０９９に沿ってビーム１０１２のパス中へまたはパスから動かすことにより、重水素ランプ１０８８からの放射を、測定ビーム１０２５に含めあるいはこれから除外することが可能である。
【００６３】
軸外し放物面鏡１０１６は光ビーム１０１２を平行にし、このビームは、ランプ１０８８からの放射と組合わせてをビーム１０１２’を形成後、フリップインＵＶカットオフフィルタ１０１８およびカラーフィルタホイール１０２０で任意に濾光できる。フリップインＵＶカットオフフィルタ１０１８は、光ビーム１０１２’が回折格子により拡散される際に１次および２次回折ビームが重ならないようにするため、光ビーム１０１２’のスペクトルを部分的に制限するために用いられる。光ビーム１０１２’の一部は、平面鏡１０２２により凹面鏡１０２４へ反射され、測定ビーム１０２５を形成する。凹面鏡１０２４は、測定ビーム１０２５をアパーチャ鏡１０２８上へ集束する。
【００６４】
光ビーム１０１２の別の部分、すなわちフィールド照明ビーム１０３４、は大型色消しレンズ１０３２によって折り曲げ鏡１０３６近くに集束され、折り曲げ鏡１０３６はランプ１０１０、１０８８の像を小型色消しレンズ１０３８に向けて反射する。光がアパーチャ鏡１０２８から反射する前に、小型色消しレンズ１０３８はフィールド照明ビーム１０３４中の光を集める。アパーチャ鏡１０２８は、溶融シリカプレートであって、片面に反射性コーティングを備え、該反射コーティングに１５０μｍ四方のエッチングで測定ビーム１０２５用アパーチャを設けてある。アパーチャは、対物レンズ１０４０の共役直径の一方に置かれる。フィールド照明は、フィールド照明ビーム１０３４の光学パス中にフィールド照明シャッター１０３１を置くことにより遮断できる。
【００６５】
狭い測定ビーム１０２５と広いフィールド照明ビーム１０３４とがアパーチャ鏡１０２８において再結合され、フィールド照明ビーム１０３４はアパーチャ鏡１０２８の前面で反射し、測定ビーム１０２５はアパーチャと偏光子１１０２を通過し、前記偏光子はモータ１１０１によりビーム１０２５のパス中へまたはパスから外へ移動され得る。
【００６６】
図９は、光学システム１００８の反射率計、観察およびオートフォーカスサブシステムを示すもので、対物レンズ１０４０、ビーム分割鏡１０４５、試料ビーム１０４６、任意の基準ビーム１０４８、凹面鏡１０５０、平面鏡１０４３、基準分光計ピンホール１０５６を備えた基準プレート１０５２、試料分光計ピンホール１０５８を備えた試料プレート１０５４、第２の折り曲げ鏡１０６８、回折格子１０７０、試料直線フォトダイオードアレイ１０７２、基準直線フォトダイオードアレイ１０７４、短焦点距離色消しレンズ１０８０、鏡１０８２、ビームスプリッタキューブ１０８４、ペンタプリズム１０８６、長焦点距離色消しレンズ１０９０、中性密度フィルタホイール１０９７、第３の折り曲げ鏡１０９１、およびビデオカメラ１０９６を含む。これらの構成要素のいくつかは簡明にするため図１０では示してない。
【００６７】
対物レンズ１０４０についてはいくつかの倍率が可能である。１つの実施態様においては、シュワルツシルド型の全反射性対物レンズを回転可能なタレットに取り付けることができ、このタレットにより、試料ビーム１０４６の光学パス中にいくつかの異なる対物レンズ（図示せず）の１つを置くことができる。親出願の発明における測定に大きな影響を与えることなく、低パワーの屈折性要素を試料ビーム１０４６の光学パスに含めることが可能である。
【００６８】
ウェハ１００３の相対反射率スペクトルの測定を次に説明する。フィールド照明シャッター１０３１がフィールド照明ビーム１０３４のパス中に置かれた場合、組合せビーム１０４２は測定ビーム１０２５のみから成る。組合せビーム１０４２はビーム分割鏡１０４５により分割され、これは組合せビーム１０４２の半分を対物レンズ１０４０に向けて偏向させるために置かれた完全反射鏡であって、従って試料ビーム１０４６を形成し、組合せビーム１０４２の偏向されなかった残り半分は基準ビーム１０４８を形成する。試料ビーム１０４６および任意の基準ビーム１０４８が同じ源、ランプ１０１０、１０８８から導出され、また組合せビーム１０４２が放射状に均一なので、基準ビーム１０４８および試料ビーム１０４６は、比例的に依存するスペクトル強度を有する。さらに、ビーム分割鏡１０４５は、全光学パス中の部分反射鏡というよりも光学パスの半分における完全反射鏡なので、連続的な広帯域スペクトルは良好な輝度で反射される。
【００６９】
基準ビーム１０４８は当初、ビーム分割鏡１０４５と相互作用しないが、代わりに凹面鏡１０５０を照明する。凹面鏡１０５０は軸をわずかに外してあり、それによって基準ビーム１０４８はビーム分割鏡１０４５の裏面上に反射され、その場合、平面鏡１０４３が基準ビーム１０４８を基準分光計ピンホール１０５６と一直線状に再反射する。平面鏡１０４３は、基準ビーム１０４８を試料ビーム１０４６と再整列するために設けてあり、それにより双方のビームが、実質的に平行なそれぞれの分光計ピンホールを通過する。これにより双方のチャネルについての分光計要素の整列がより簡単になる。なぜならば基準ビームが試料ビームに平行な分光計に入るからである。
【００７０】
基準ビーム１０４８は、ビーム１０４６を反射するビーム分割鏡１０４５の表面と相互作用しないので、基準ビーム１０４８がビーム分割鏡１０４５を通過する際に基準強度の損失が全くない。基準ビーム１０４８がビーム分割鏡１０４５の裏面で鏡１０４３と相互作用する一方、光がビーム分割鏡１０４５を全く通過しなかったので、これらの２つの鏡は独立である。実際、ビーム分割鏡１０４５の２つの反射面を１つの光学要素上に一緒に設置するのが容易でない別の実施態様においては、反射面は別個の鏡要素上に存在する。
【００７１】
凹面鏡１０５０の焦点距離は、基準ビーム１０４８が基準分光計ピンホール１０５６に集束するようなものである。基準分光計ピンホール１０５６を通り折り曲げ鏡１０６８で反射する光は、回折格子１０７０により拡散される。結果として生じる１次回折ビームは基準直線フォトダイオードアレイ１０７４によって集められ、それにより相対基準スペクトルを測定する。
【００７２】
偏光された試料ビーム１０４６は、ビーム分割鏡１０４５から対物レンズ１０４０へ向けて反射され、その場合試料ビーム１０４６はウェハ１００３上に集束され、反射された試料ビーム１０４６’は対物レンズ１０４０によって試料分光計ピンホール１０５８上に集束される。反射された試料ビーム１０４６' は反射されたパス上でビーム分割鏡１０４５と相互作用しない。なぜならば、反射された試料ビーム１０４６’はビーム分割鏡１０４５の後ろのスペースを通され、ここを基準ビーム１０４８も通過するからである。試料１００３からの反射された試料ビーム１０４６’からの放射は、それがピンホール１０５８に達する前に解析器１１０４を通る。試料分光計ピンホール１０５８を通り折り曲げ鏡１０６８で反射する光は、光の波長に従って回折格子１０７０により拡散される。基準ビームと同様、結果として生じる試料ビームの１次回折ビームが試料直線フォトダイオードアレイ１０７２によって集められ、それによって、試料偏光解析スペクトルを測定する。２つのビームが回折格子１０７０で交差するので、図１０において試料ビーム１０４６と外見上整列されているフォトダイオードアレイは実際には基準ビーム１０４８用のフォトダイオードアレイであり、逆もまた同様である。偏光子１１０２および解析器１１０４は回転せず、好ましくは静止している。従って、解析器１１０４は、試料により変更され、固定偏光面に従って対物レンズ１０４０によって集められた放射を解析する。
【００７３】
相対反射率スペクトルは次に、各波長における試料光強度を、各波長における相対基準強度で単に割ることで得られる。典型的には、これには５１２回の除算計算を必要とし、その場合試料および基準スペクトルの記録に、５１２ダイオード直線フォトダイオードアレイを用い得る。好ましい実施態様においては、スペクトルは約１９０ｎｍ〜８００ないし８３０ｎｍに及ぶ。
【００７４】
親出願の本発明の１実施態様においては、回折格子１０７０は、凹面ホログラフィック格子であり、分光計ピンホールは１５ｍｍ離れている。１５ｍｍの間隔ではどちらのビームも格子上で中心に置けないので、回折格子はホログラフィー的に補正されて複数のスペクトルを結像する。そのような格子の１つは、Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  Ｓ．Ａ．製のマルチプルスペクトルイメージング格子である。また、検出器の角度により、検出器からの反射が格子から離れて落ちるように、格子は設計される。
【００７５】
フィールド照明を含み得る組合せビーム１０４２は、ビーム分割鏡１０４５からウェハ１００３へ向けて反射される。反射率スペクトル測定およびオートフォーカスが実行されている時には、散乱光を最小限にするためにフィールド照明はオフである。
【００７６】
図９および図１０における偏光解析システム１００８は、試料ビーム１０４６が本出願のシステムにおいては偏光される点が米国特許第５，７４７，８１３号（特許文献６）に記載のものと異なる。従って、試料ビーム１０４６が対物レンズ１０４０によって試料１００３へ向けて反射される時、ウェハ上に集束されるビームは多重すなわち複数の異なる偏光状態を有している。これは図１１Ａ、図１１Ｂを参照して、より明確に説明される。試料ビーム１０４６は、鏡１０４０ａによって鏡１０４０ｂに向けて集束され、次に、図１１Ａに示すように、これが試料１００３に向けてビームを集束する。図１１Ｂは、ウェハ１００３上に集束される時の、試料ビーム１０４６の照明アパーチャの概略図である。図１１Ａ、図１１Ｂにおける種々の量は、円柱座標ρ、φおよびθを参照することにより定義され、ここでρは座標系中の点の半径（原点への距離）であり、φは前記点を含む試料面に垂直な面から試料表面に垂直な基準面への角度であり、θは法線から前記点と原点とを結ぶ線の試料表面への角度（法線への入射角）である。
【００７７】
図１１Ａに関しては、偏光子１１０２が、φP の平面により定義される偏光平面を有し、それによって偏光子から出てビーム分割１０４５により反射された試料ビーム１０４６もこの偏光を有すると仮定している。ビーム１０４６が最初に鏡１０４０ａにより、次に試料１００３の上にビームを集束する鏡１０４０ｂにより反射される場合、試料１００３上に集束されたビームは、図１１Ａ、図１１ｂに示されるように、種々の入射面に到着する。図１１Ｂでは、ビーム１０４６の偏光面φP は１１０３で示される。
【００７８】
上記の説明から、ビーム分割鏡１０４５は、偏光されたビームの約半分を屈曲して試料ビーム１０４６とし、ビームの残り半分を基準ビーム１０４８として通す。この理由のため、図１１Ｂの照明アパーチャ（斜線領域１１０６）は、ほぼ半円形となって現れる。従って、対物レンズ１０４０によって試料１００３上に集束された放射は、半円形領域に広がる入射面で試料上に入射する。前記領域における角度φの１つの値で１つの入射面でウェハ上に入射する放射は、その領域における別の角度φを有する入射面の放射とは異なるｓ−およびｐ−偏光を有する。種々の入射面の放射のｓ−およびｐ−偏光は、定義により、種々の方位を有し、それにより１つの入射面における入射放射の偏光状態は、別の入射面における放射のそれとは異なる。従って、試料１００３に入射する放射は、φの関数として多数すなわち複数の偏光状態を有する。
【００７９】
試料１００３上に集束されるビームは、以下で説明されるように、試料ビーム１０４６と比べ、対物レンズ１０４０ａ、１０４０ｂの組合せ反射係数に応じて強度が減少する。試料ビーム１０４６から出て、対物レンズ１０４０によって試料上に集束される放射は試料により反射され、それにより再度強度が減少し、試料の反射係数の関数として各偏光成分の位相が変わる。そのような放射は、対物レンズ１０４０により反射され、ビーム分割１０４５および解析器１１０４を通り分光器へ送られる。好ましい実施態様においては、放射を試料上に集束するために用いられる同じ対物レンズを、解析器および分光器へ向けて反射された放射を集めるためにも用いることができる一方で、これは必要とされず、かつ別の集光対物レンズを集束対物レンズに加えて用いることができ、そのようなおよび他の変更形態は親出願の発明および本出願の範囲に入ることが理解できるであろう。
【００８０】
図１１Ｂの座標（ρ，φ）を有する点１１０５から半円形照明アパーチャへ、試料表面上の原点に向かって方向φP に沿って偏光して入射する放射を考える。この点における電場は、次のように、図１１Ａ、図１１Ｂに示されるｓ−およびｐ−偏光に分解できる。
2011191311.tif 000014
式中、Ｅinは偏光子１１０２による偏光後のビーム１０４６中の放射の電場、Ｅ0 はその振幅、Ｅs in、Ｅp inはｓ−およびｐ−偏光に沿った放射の成分である。放射が対物レンズを出た後は、以下のようになる。
2011191311.tif 000015
式中、Ｅout は試料１００３による反射後のビーム１０４６中の放射の電場、Ｅs out 、Ｅp out ｓ−およびｐ−偏光に沿った成分、さらにｒs s （ｒo s ）およびｒs p （ｒo p ）は試料（対物レンズ）についてのｓ−およびｐ−偏光についての反射係数である。対物レンズについての反射係数は、図１１Ａに示されるような２つの鏡の反射係数の積、すなわちｒo s ＝ｒo1s ｒo2s およびｒo p ＝ｒo1p ｒo2p である。φa の偏光面を有する解析器通過後、分光計における電界は、ｐa に沿って以下のように得られるであろう。
2011191311.tif 000016
検出器電流は以下のように表現できる。
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もし偏光子１１０２が省略されれば、半円形アパーチャについての検出器電流は以下のようになる。
2011191311.tif 000018
式（１６）において、Ｒo s 、Ｒs s 、Ｒo p 、Ｒs p はそれぞれ｜ｒo s ｜2 、｜ｒs s ｜2 、｜ｒo p ｜2 、｜ｒs p ｜2 として定義される。ｒo s 、ｒs s 、ｒo p およびｒs p が入射角の関数、すなわちρの関数であることは銘記しておかなければならない。図９〜図１１Ｂに示されるように偏光子１１０２が所定位置にある場合には、分光器における強度が試料および対物レンズのｓ−およびｐ−反射率の関数ならびにΔo 、Δs の関数である場合に一般式を導くことができ、Δo 、Δs は式、
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（式中、ｒs p 、ｒs s はｐ−およびｓ−偏光における放射の試料表面の複合反射係数であり、ｒo p 、ｒo s はｐ−およびｓ−偏光における放射の対物レンズの複合反射係数である）で定義され、式中、Ψo 、Ψs 、Δo およびΔs もエリプソメトリックパラメータである。従って、システム１００８は偏光感受性である。
【００８１】
以下にはいくつかの特殊なケースが示してある。
Ａ．φ0 ＝π
2011191311.tif 000020
システムがΔにおける変化に対し感受性を有するには、２（φp −φa ）＝ｍπである。もしφp ＝φa'であれば下記のようになる。
2011191311.tif 000021
Ｂ．φ0 ＝π／２
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もしφp ＝φa ＝π／２であれば下記のようになる。
2011191311.tif 000023
【００８２】
上記の解析から、式（１８）および（２０）の第３項の余弦係数ｃｏｓ（Δo ＋Δs ）は、偏光子および解析器角度が同じである場合に、すなわち偏光子１１０２および解析器１１０４が実質的に同じ偏光面を有するときに最大になる。換言すれば、図１２に示すように、偏光子および解析器の双方として作動するように、単独の偏光子を使用できる。図１２に示すように、偏光子１１１６を用いて、偏光子１１０２および解析器１１０４に代えることができる。フォトダイオードアレイの試料チャネルは式（１９）に比例する。この構成において、偏光子は１つだけ必要で、偏光子および解析器は自己整列される。さらに別の選択肢として、もし分割器１０４５が偏光ビームスプリッタであれば、偏光子１１０２および解析器１１０４はすべて省き得る。膜厚検出感度を高めるため、点線で示した波長板または他のリターダ要素１１９０を、図９のビーム分割器１０４５と解析器１１０４との間に挿入して、式（１８）、（２０）の第３項の余弦係数ｃｏｓ（Δo ＋Δs ）の独立変数に位相のずれを導入することができる。好ましくは、解析および拡散に先がけて要素１９０により引き起こされる集められた放射中の位相のずれは、約π／４である。鏡１０４０ａ、１０４０ｂの鏡面コーティング厚さも、薄膜厚さ検出における感度を向上させるために選択することができ、それにより鏡１０４０ａ、１０４０ｂによって集束かつ集められた放射における位相中の総変化は約π／２である。これにより、次に式（１８）、（２０）の第３項中の余弦係数ｃｏｓ（Δo ＋Δs ）の独立変数中でΔo がπ／２になり、それによってこれらの式中の余弦項が正弦項に変換する。
【００８３】
アレイ１０７２における検出器電流について測定された偏光解析スペクトルは、試料１００３についての有用な情報を導出するために用い得る。例えば、試料１００３上の多くの異なる層の材料タイプが既知で、それによりそれらの屈折率が推定できるのであれば、そのような検出器電流は、層の厚さおよび正確な屈折率を導出するのに十分なものであり得る。そのような導出のための方法は当業者には公知であり、ここで詳細に論じる必要はない。代わりに、検出器信号は、膜厚および屈折率を導出するために偏光解析測定と組み合わせることができる。偏光解析システムにおいて検出用に広帯域放射を使うことは有利である。なぜならば、多くの異なる波長でデータ点を得ることができるからである。データ点がそのように豊富にあることは、試料上の複数層の厚さと屈折率を求めるのに非常に有用であり、より正確な曲線当てはめアルゴリズムの適用または測定精度を照合することが可能になり得る。
【００８４】
システム１００８は、試料表面の他のパラメータの検出にも用い得る。図、特に図１１Ａ、図１１Ｂに関連する上記式および説明から、フォトダイオードアレイ１０７２の分光計により検出された反射スペクトルはΔに関する情報を用いており、これは、偏光解析パラメータで、偏光解析において一般的に使用され、試料表面における膜厚および屈折率と関連している。従って、試料表面の一定の側面が既知であれば、そのような既知の側面を、システム１００８により測定した偏光解析パラメータ関連情報と組合せて、膜厚や屈折率などの試料についての有用な情報を導出し得る。
【００８５】
好ましい実施態様においては、フォトダイオードアレイ１０７２から得られたスペクトルは、偏光解析パラメータを導出するために、フォトダイオードアレイ１０７４からの基準スペクトルと比較され、それにより、信号対雑音比が改善される。しかしながら、いくつかの用途については、そのような偏光解析パラメータは、基準スペクトルを使用することなく、反射スペクトルだけから導出し得る。そのような用途については、基準ビーム１０４８は必要とされず、ビーム１０４８の発生に伴うすべての成分および基準スペクトルを図９および図１０において省略し得る。そのようなおよび他の変化は、親出願および本出願の発明の範囲内にある。
【００８６】
図９の組合せ計測器の分光エリプソメータ１３００を説明する。図９に示すように、キセノンアークランプ１０１０から出て、フォーカス１０１８、１０２０を通った放射の一部が、ビームスプリッタ１３０２によって光ファイバケーブル１３０４へ方向転換され、このファイバが放射をコリメータ１３０６へ供給する。平行にされた後、ビームは偏光子１３１０により偏光され、集束鏡１３１２によりウェハ１００３に集束される。そのようなビームの反射は収集鏡１３１４により集められ、折り曲げ鏡１３１６によって反射され、検出のために分光計１３２２および検出器１３２４に供給される前に解析器１３２０を通される。偏光子１３１０および解析器１３２０は、ウェハ１００３での反射によって引き起こされたビーム１３０８の偏光状態における変化の振幅および位相が測定できるように、相互に回転される。分光エリプソメータ１３００の操作のより詳細な説明については、米国特許第５，６０８，５２６号（特許文献２）を参照されたい。
【００８７】
薄膜層を有する試料を測定するには、図９に示すように、偏光解析パラメータ測定用システム１００８および分光エリプソメータ１３００を含む組合せ計測器を用いることが望ましいことがある。システム１００８および分光エリプソメータ１３００は、試料ビーム１０４６および試料ビーム１３０８がウェハ１００３上の実質的に同じスポットに集束されるように配置される。システム１００８により測定された偏光解析パラメータは次に、膜厚や膜屈折率などの有用な情報を導出するために、システム１３００により測定されたエリプソメトリックパラメータと組み合わせることができる。システム１００８により得られた偏光解析パラメータおよびシステム１３００を用いて得られたエリプソメトリックパラメータは、「"ANALYSIS OF SEMICONDUCTOR SURFACES WITH VERY THIN NATIVE OXIDE LAYERS BY COMBINED IMMERSION AND MULTIPLE ANGLE OF INCIDENCE ELLIPSOMETRY", Ivan OHLIDAL and Frantisek LUKES," Applied Surface Science 35 (1988-89) 259-273, North Holland, Amsterdam 」（非特許文献１）に記載されるような技術と組み合わせることができる。
【００８８】
いくつかの分光エリプソメータのスペクトル範囲がたとえ、約１５７ｎｍのような深ＵＶにまで拡がっていなくても、組合せ計測器を用いることにより、そのような波長における屈折率を正確に測定することが可能である。従って、組合せ計測器は、分光エリプソメータと偏光計システム１００８の組合せスペクトルにわたり屈折率を測定するために用い得る。組合せ計測器、ならびにシステム１００８および分光エリプソメータ双方からのデータを使うことにより、分光エリプソメータのスペクトル中の波長において試料の種々の膜の厚さおよび屈折率を見出し得る。この厚さ情報は、組合せ計測器からのデータと共に用いて、深紫外部領域における膜の屈折率を見出し得る。アレイ１０７２、１０７４中の検出器の数および分光計１３２２中の検出器１３２４は、所望の波長で最適な結果でデータを得るために選択し得る。
【００８９】
代わりの実施態様においては、試料ビーム１０４６、１３０８は、ウェハ１００３上の同じスポットに集束する必要がない。ウェハ１００３は回転または直線的平行移動、あるいはこの２つの運動の組合せにより、従来のやり方で移動することができ、それにより、システム１００８により測定されたスポットは続いてシステム１３００により測定され、その逆もまた同様であり、さらに同じスポットを測定するこれら２つのシステムにより得られたデータは上記と同じやり方で組み合わせることができる。回転および平行移動の運動は制御されるので、２つのシステム１００８、１３００により測定されているスポットの相対的な位置は相関させ得る。
【００９０】
好ましくは、説明したように分光エリプソメータは偏光解析システム１００８と組み合わされる一方、システム１００８を単一波長エリプソメータと組み合わせることも可能である。この目的のためには、図９の配置は、鏡１３２１と検出器１３２４との間の、分光計１３２２の光学パス中の回折格子を取り去ることによって若干修正する必要がある。偏光解析スペクトル中の波長を有するレーザが、単一波長エリプソメータ用放射源として用い得る。単一波長エリプソメータおよびシステム１００８によって測定を行なうことにより、偏光解析スペクトルにわたる波長での膜厚および屈折率を導出することがそれでも可能である。
【００９１】
図９〜１３Ｂを参照しての上記説明は、本質的に親出願から取られたものである。
【００９２】
図９のエリプソメータ１３００が自己較正するためには、このエリプソメータを図１、図３、および図７Ｃ〜図７Ｈのスキーマのいずれか１つに従って修正し、エリプソメータのパラメータならびに試料特性を決定するのに十分な情報を提供するために５以上の高調波を提供するようにする必要がある。言い換えると、偏光子１３１０は、回転偏光子２０６および固定偏光子２１４の一方または双方を含む組合せのいずれか１つで置き換えることができ、さらに解析器１３２０は、図７Ｃ〜図７Ｈに示される固定解析器２２６および回転解析器２１２の一方または双方の組合せで置き換えることができる。代わりに、エリプソメータ１３００は、偏光子１３１０と試料との間の放射のパスおよび／または試料と解析器１３２０との間のパスに位相変調器（位相リターダなど）を挿入することによって変更できる。
【００９３】
エリプソメータ１３００の様々なシステムパラメータならびに試料１００３のエリプソメトリックパラメータを導出するために上で説明したやり方と同じやり方で、分光計１３２２の出力はプロセッサ（図示しないが、機能においてはプロセッサ３０と同様である）により処理され、それによりエリプソメータ１３００は上述したすべての付随する利点を備える自己較正機能を有するようになる。エリプソメータ１３００の自己較正機能の特徴は、図９の偏光計１００８などの、これと共に用いられる他のいずれか光学計測器に有利に適用できる。１つの実施態様において、計測器１００８、１３００の双方は同じ試料１００３の測定に使用でき、双方の計測器の出力は、試料特性ならびに試料１００３の測定をより正確なものにするためのエリプソメータ１３００のパラメータを導出するために用い得る。別の実施態様においては、自己較正型エリプソメータ１３００は、以下で説明するように、偏光計１００８の較正に用い得る。
【００９４】
エリプソメータは、エリプソメータのハウジング内に比較的安定した環境中に保持された内部標準試料を一般的に備えている。別の実施態様においては、エリプソメータ１３００のようなエリプソメータのそのような内部標準試料は、他の光学計測器の較正用の標準を提供するために使用できる。従って、もし試料１００３がエリプソメータ１３００の内部標準試料であれば、膜厚や屈折率などの試料特性は、上述のような自己較正エリプソメータ１３００によって正確に測定でき、さらにそのような標準試料は較正基準を、偏光計１００８などの他の光学計測器に提供できる。エリプソメータ１３００が自己較正式なので、その較正にはどのような外部較正基準も必要とされず、それによりユーザは、他の光学計測器用の較正基準を提供するために内部標準試料１００３の特性が正確に測定されたと確信し得る。
【００９５】
自己較正エリプソメータ１３００を偏光計１００８と組み合わせる代わりに、エリプソメータを、偏光子１００２と解析器１００４を偏光計１００８から単に取り去ることによって分光反射率計と組合せ得る。明らかに、広帯域源の代わりに狭帯域放射源が用いられる場合、狭帯域反射率計をエリプソメータ１３００と組合せ得る。代わりに、自己較正エリプソメータ１３００を、別のエリプソメータ（単一波長または広帯域）またはどのような他のタイプの光学式試料計測器と組み合わせて使用できる。双方の計測器の出力は、試料特性ならびにエリプソメータ１３００の特性、またはエリプソメータ１３００と組み合わせた他の計測器の特性を導出するために、上記と本質的に同じやり方で用い得る。すべてのそのような組合せは本発明の範囲内にある。
【００９６】
国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ９８／１１５６２号（特許文献３）では、安定波長較正エリプソメータが、標準試料上の膜厚を正確に決定するために用いられる。この較正エリプソメータからの測定結果は、他の光学計測器を較正するために用いられる。しかしながら、安定波長較正エリプソメータが、標準試料上の膜厚を正確に決定することによって較正標準を提供するためには、エリプソメータの安定波長較正自体が正確に較正されなければならない。従って、安定波長較正エリプソメータの較正自体は、容易に利用可能またはそうでない他の較正基準に頼らなければならない。本発明の自己較正エリプソメータにはそのような欠点が全くない。このエリプソメータの様々なパラメータは、どのような事前の較正を行なうこともまたはどのような他の較正標準に頼ることもなく導出し得るので、上述の問題は回避される。
【００９７】
表面粗さなどの特定の試料特性は、試料に適用された放射の偏光解消を引き起こすことがある。従って、試料により引き起こされた放射の偏光解消を測定することにより、表面粗さなどの試料表面特性を確認できる。表面粗さを求めるための偏光解消測定の例については、引用により本願に組み込まれる、「"Rotating-compensator multichannel ellipsometry for characterization of the evolution of nonuniformities in diamond thin-film growth," Joungchel Lee et al., Applied Physics Letters, Vol. 72, No. 8, February 23, 1998, pp. 900-902」（非特許文献２）を参照されたい。これは、膜厚情報および試料により引き起こされた放射の偏光解消を測定するエリプソメータ（自己較正式であるかどうかを問わず）によって実行できる。エリプソメータが、試料により引き起こされた放射の偏光状態の変化を測定するために用い得るので、膜厚情報ならびに試料により引き起こされた偏光解消は、偏光状態のそのような変化に関する十分な情報が提供されるのであれば、偏光解析測定から求めることができる。このことは通常、放射の偏光状態がある周波数で変調される場合、およびそのような変調周波数の５つ以上の高調波における信号成分をエリプソメータの出力が提供する場合に、試料により引き起こされた偏光解消を求めるのに十分な情報が提供されることを意味している。好ましくは、図１、図３および図７Ｃ〜図７Ｈの構成のいずれか１つの自己較正エリプソメータが測定を実行するために用い得る。好ましくは、エリプソメータ１３００は、エリプソメータのパラメータ特性ならびに試料の膜厚および試料により引き起こされた偏光解消を導出するため、同じ測定出力中の十分な情報が提供されるようなものであり、いくつかの用途については、エリプソメータの構成は、好ましくは、エリプソメータ検出器出力が、変調周波数の５つ以上の高調波を含むようなものである。より多くの情報を提供するため、エリプソメータ１３００が波長のあるスペクトルにわたって測定し、そのスペクトルにわたる種々の波長での出力を提供することも好ましいことがある。膜厚情報および試料により引き起こされた放射の偏光解消を測定するためにエリプソメータを使用する前に、最初にエリプソメータの内部標準試料によって自己較正手順を実行することも可能である。
【００９８】
図９に示す組合せ計測器１３００、１００８は、試料により引き起こされた放射の偏光解消を測定するために使用でき、その場合、単一測定において、双方のシステム１００８、１３００の出力は、試料の膜厚情報、試料により引き起こされた放射の偏光解消ならびにエリプソメータ１３００のパラメータを導出するために用いられる。このプロセスは、エリプソメータ１３００の様々なシステムパラメータをプロセス中に含めることによる、上で引用したＩｖａｎ  ＯｈｌｉｄａｌおよびＦｒａｎｔｉｓｅｋ  Ｌｕｋｅｓの論文中に記載される技術の単純な拡張である。そのようなプロセスは、現在の用途を勘案して当業者には公知であり、ここでは詳細に説明しない。好ましくは、エリプソメータ１３００は、波長のあるスペクトルにわたって測定し、試料特性およびエリプソメータのシステムパラメータを導出するのに十分な情報を提供する。
【００９９】
本発明を種々の実施態様を参照して上記で説明したきたが、本発明の範囲を逸脱することなく変更および修正が行なえることが理解されるであろうし、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲およびその同等物によってのみ定義されるべきである。従って、上述の種々の計算およびアルゴリズムを実行するためにプロセッサが使用されるが、専用回路、個別部品の形で実装されたそのような計算用のプログラマブルロジックコントローラまたは集積回路などの他の回路を用い得ることおよびそれらは本発明の範囲内にあることが理解されるであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図７Ｆ】
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【図７Ｇ】
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【図７Ｈ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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