(57)【要約】      （修正有）【課題】試料の表面特性を測定する非破壊技術に関し、偏光計スペクトルを用いて、表面の複屈折や膜厚などを測定するシステムを提供する。【解決手段】広帯域放射の偏光サンプルビーム４６がサンプル３の表面に焦点合わせされ、サンプルにより偏光された放射が異なる入射平面においてミラー系手段により、収拾される。変調された放射は偏光面について旋光性スペクトルを提供するために分析され、厚さと屈折の情報が導きだされる。サンプルビームの偏光は焦点合わせおよびサンプルにより変更され、変調された放射の収拾が、サンプルに複屈折軸が存在するかしないかを検出するために、ふたつの異なった開口２８を使用して繰り返し行われる。他の好ましい実施の形態においては、前述した事実が薄いフィルムの厚さおよび屈折率を決定するためにエリプソ計測を併用して行われる。【選択図】図１
2011141288.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料の特性を測定する方法であって、
広帯域放射線の、多数の偏光状態を有する偏光サンプルビームを試料上に集束するステップと、
前記試料によって修正されている前記偏光サンプルビームから放射線を集めるステップと、
偏光計スペクトルを生成するために前記試料により修正されかつ前記試料から集められた放射線を偏光素子により分析し、分散するステップであって、前記放射線と前記偏光サンプルビームとの間の偏光状態における実質的な相対的変化が、前記集束するステップ、前記集めるステップ、および前記分析するステップにおいて使用される光学素子間の相対運動によって引き起こされない、分析分散するステップと、
前記偏光計スペクトルから前記試料の光学的に検出可能な特性を導出するステップと、
を含む方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、
前記偏光サンプルビームを生成するために広帯域放射線のビームを偏光するステップをさらに含み、多数の偏光状態を有するビームを前記試料上に集束するように前記集束するステップが前記偏光サンプルビームを集束し、前記偏光状態が試料表面に直角な参照面に対する角度φの関数である方法。
【請求項３】
請求項２記載の方法において、
前記集束するステップが前記偏光サンプルビームを異なる入射面に沿って前記試料上に集束し、前記異なる入射面が前記参照面に対して異なる角度φをなす方法。
【請求項４】
試料の特性を測定する装置であって、
広帯域放射線の、多数の偏光状態を有する偏光サンプルビームを試料上に集束する手段と、
前記試料によって修正されている前記偏光サンプルビームから放射線を集める手段と、
偏光計スペクトルを生成するために前記試料により修正されかつ前記試料から集められた放射線を偏光素子を含んで分析し、分散する手段であって、前記放射線と前記偏光サンプルビームとの間の偏光状態における実質的な相対的変化が、前記集束する手段、前記集める手段、および前記分析する手段において使用される光学素子間の相対運動によって引き起こされない、分析分散する手段と、
前記偏光計スペクトルから前記試料の光学的に検出可能な特性を導出する手段と、
を備える装置。
【請求項５】
請求項４記載の装置において、
前記集束する手段または前記集める手段が、反射された放射線の位相において、前記集束する手段および前記集める手段により約π／２の総変換を導入するコーティングを有するミラーを含む装置。
【請求項６】
試料の１以上の層の光学的に検出可能な特性を得る方法であって、
広帯域放射線の、多数の偏光状態を有する偏光された第１のサンプルビームを前記試料の１以上の層上に集束するステップと、
前記第１のサンプルビームから発生し、前記試料の１以上の層により修正された放射線を集めるステップと、
偏光計スペクトルを生成するために前記試料により修正されかつ前記試料から集められた放射線を偏光素子により分析し、分散するステップであって、前記偏光計スペクトルが前記試料の偏光解析装置のパラメータΔに関する情報を含む、分析分散するステップと、
前記試料の１以上の層に対して傾斜した角度の方向で、広帯域放射線の偏光された第２のサンプルビームを前記試料の１以上の層に集束するステップと、
前記試料の１以上の層により修正されかつ前記第２のサンプルビームから発生した放射線の量および位相における偏光状態の変化の測定値を得るステップと、
前記測定値と前記偏光計スペクトルとから前記試料の１以上の層の光学的に検出可能な特性を判定するステップと、
を含む方法。
【請求項７】
試料の１以上の層の光学的に検出可能な特性を得る装置であって、
広帯域放射線の偏光された第１のサンプルビームを前記試料の１以上の層に集束し、かつ前記試料の１以上の層に対して傾斜した角度の方向で、広帯域放射線の偏光された第２のサンプルビームを前記試料の１以上の層に集束する手段と、
前記第１のサンプルビームから発生し、前記試料の１以上の層により修正された放射線を集める手段と、
偏光計スペクトルを生成するために前記試料により修正されかつ前記試料から集められた放射線を偏光素子を含んで分析し、分散する手段であって、前記偏光計スペクトルが前記試料の偏光解析装置のパラメータΔに関する情報を含む、分析分散する手段と、
前記試料の１以上の層により修正されかつ前記第２のサンプルビームから発生した放射線の量および位相における偏光状態の変化の測定値を得る偏光解析装置と、
前記偏光解析装置の測定値と偏光計スペクトルとから前記試料の１以上の層の光学的に検出可能な特性を導出する手段と、
を備える装置。
【請求項８】
請求項１または６記載の方法において、
前記サンプビームが第２の偏光素子により前記試料に達する前に、前記サンプルビームを偏光するステップをさらに含み、前記集束するステップ、前記集めるステップ、前記分析分散するステップ、および前記導出するステップが、前記偏光素子が異なる位置にある状態で少なくとも２回行われる方法。
【請求項９】
請求項４または７記載の装置において、
前記サンプビームが前記試料に達する前に、前記サンプルビームを偏光する第２の偏光素子をさらに備え、前記集束する手段、前記集める手段、前記分析分散する手段、および前記導出する手段が、前記偏光素子が異なる位置にある状態で少なくとも２回行われる装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に試料の表面特性を測定する非破壊技術に関し、特に試料の偏光計スペクトルおよび他の特性を測定するシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの工業的利用にとって、薄膜の厚さやその屈折率のような試料の表面パラメータを測定することは有用である。これらのパラメータは、多くの技術によって測定され得る。よく知られた非破壊検査技術の中に、分光反射解析法と分光学的偏光解析法がある。
【０００３】
分光反射解析法において、入射放射ビームは試料で反射し、そして反射放射線の強度が分析されて試料の特性を測定する。入射放射線は多重波長成分を含むので、測定データのスペクトル（反射率スペクトルまたは相対反射率スペクトルとして知られている）が計測される。その全体が本願明細書において参照により援用されている米国特許第５，７４７，８１３号（特許文献１）には、一種の広帯域分光反射計が記載されている。
【０００４】
分光学的偏光解析装置が、その全体が本願明細書において参照により援用されている米国特許第５，６０８，５２６号（特許文献２）に記載されている。この特許文献２に記載されているように、既知の偏光状態を有する入射放射ビームが試料から概して大きな入射角度で反射され、反射放射線の偏光が分析されて試料の特性を測定する。反射放射線の偏光は入射ビームのものとは変わるので、量的なおよび相的な偏光状態の変化が測定されて、試料表面の薄膜の厚さと屈折率が測定される。
【０００５】
分光反射解析法は、分光学的偏光解析法よりはシンプルで廉価であるが、分光学的偏光解析法は、分光反射解析法よりはより精確で、表面特性に対して感応度が高い。分光反射解析法と分光学的偏光解析法は有用な非破壊検査技術であるが、表面の複屈折のようなある種の表面パラメータを測定することが困難である。
【０００６】
従って、複屈折のような表面パラメータを測定するための改良された測定システムを提供することが望ましい。また、前述した非破壊検査技術を補足するために試料表面の特性を測定する偏光計システムを提供することも望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第５，７４７，８１３号
【特許文献２】米国特許第５，６０８，５２６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
【発明の概要】
【０００９】
本願の出願人によって提案された偏光計システムは、分光反射計の単純性を維持するが、分光学的偏光解析装置と同様な表面特性に対する感応度を持っている。広帯域放射線の偏光サンプルビームは、試料表面に集束され、試料によって修正された放射線が集められる。試料に集束されたサンプルビームは、多数の偏光状態を有する。試料によって修正された放射線は、偏光面に関して分析されて偏光計スペクトルを生ずる。そして、厚さと屈折率の情報は、スペクトルから求められる。好ましくは、サンプルビームの偏光は、集束と試料とによってのみ変えられ、分析は、固定偏光面に関して行われる。
【００１０】
好適な実施形態において、サンプルビームの集束と修正された放射線の収集は、試料内の複屈折軸の存否を検出するために２個の異なる開口を使用して繰り返される。他の実施形態において、前述した技術は、薄膜の厚さと屈折率とを測定するために、偏光解析法と組み合わされる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の好適な実施形態を示すための、分光学的偏光解析装置と偏光計システムとを有する複合装置の概念図である。
【図２】図１の偏光計システムの斜視図である。
【図３Ａ】偏光計パラメータを測定するための図１のシステムの一部分を示す簡略概念図である。
【図３Ｂ】図２Ａの照明開口のグラフ表示である。
【図４】本発明の別の実施形態を示すための、偏光計パラメータを測定するためのシステムの一部の簡略概念図である。
【図５Ａ】本発明の好適な実施形態を示すための、照明ビームおよび反射ビームの光路が開口を通過する、図１の偏光計パラメータ測定システムの簡略概念図である。
【図５Ｂ】本発明を示すための、試料の複屈折軸に関する図５Ａの開口の概念図である。
【図６】本発明の好適な実施形態を示すための、４個の異なった開口を備え、そのうちの３個の開口がその中に偏光子を有するリングの概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
説明を簡略化するために、同一部材は同じ符号で示す。
図１は、本発明の好適な実施形態を例示するための、分光学的偏光解析装置と偏光計システムとを有する複合装置の概要図である。複合装置の分光学的偏光解析装置を説明する前に、先ず偏光計システム８が図１および図２を参照してある程度詳しく説明される。後述するように、好ましくはシステム８を、図１の複合装置の分光学的（または単一波長の）偏光解析装置と一緒に使用すると有利であるが、このシステムはまた試料を測定するためにそれ自身で効果的に使用することもできる。
【００１３】
偏光計システム８の全体的な光学的配置は、特許文献１に記載されている分光反射計に類似し、そのシンプルさを維持している。しかし、そのような分光反射計とは異なり、本発明のシステム８は、特許文献１のシステムにおける偏光無感応の反射率スペクトルではなく偏光計反射率スペクトルを測定する。従って、システム８は、特許文献１のシステムよりも表面特性に対して感応度が高い。好適な実施形態において、本発明は試料によって反射される放射線を検出するものとして例示されているが、本発明は、試料によって伝播される放射線が代わって検出されると本願明細書に記載されているように本質的に作用し、このような変形または他の変形も本発明の範囲内にあることを理解すべきである。簡略化するために、反射放射線を測定するものとして好適な実施形態を後述するが、そのような説明が伝播放射線を測定するために容易に拡張されうることを理解すべきである。
【００１４】
サンプル経路、参照経路、領域照明経路、測定照明経路、および偏光解析装置経路を示すための凡例が図１の右上隅に示されている。前述したように、偏光計パラメータを測定するシステムの全体的な光学的配置を、図１および図２を参照して次に説明する。
【００１５】
図１および図２の各々は、偏光計パラメータを測定するための本発明による光学システムの同じ実施形態を示す。システム８の集束部材と他の光学部材および図１の分光学的偏光解析装置は、部分的に図２では省略され、図を簡略化している。そのような部材を、他の部材に関するその位置を最も明瞭に示す図と関連して後述する。図１を参照すると、ウェハ３の相対反射率スペクトルを測定する光学システム８は、照明サブシステム、反射計サブシステム、観察サブシステム、および自動焦点サブシステムを有し、任意の光学部材は複数のサブシステムの一部となることがある。照明サブシステムは、キセノンアークランプのような、可視光および／または紫外（ＵＶ）光の光ビーム１２を放出するランプ１０、ランプハウジング窓１４、偏芯放物面鏡１６、出し入れ式紫外線遮断フィルタ１８、カラーフィルタリング２０、平面鏡２２、凹面鏡２４、出し入れ式４０μｍ微細焦点開口３０を備えた開口ミラー２８、大アクロマート３２、領域照明シャッター３１、屈曲ミラー３６および小アクロマート３８を有する。図２において、対物レンズ４０は、ミラーとミラー４０ａ、４０ｂを取り囲むハウジング４０’を有するが、分光学的偏光解析装置（図２には示されていない）からの傾斜照明ビームのためにハウジングとウェハとの間に十分な空間を残す。
【００１６】
照明システムは、測定ビーム２５と領域照明ビーム３４とからなる複合ビーム４２を供給する。ランプ１０は、ランプハウジング窓１４を通して光ビーム１２を放出する。ランプハウジング窓は光学的な理由では必要としないが、ランプが亀裂を生じて破裂したときにランプ１０を閉じこめるために設けられる。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平坦な出力を生ずるので、タングステンランプや重水素ランプ等の他のランプより好ましい。１９０〜２２０ｎｍを含む領域の波長成分を有するサンプルビームを供給するために、キセノンランプ１０と組み合わせて重水素ランプ８８が追加的に使用され、深紫外を含むより広いスペクトルをカバーする。２個のランプを一緒に使用することによって、試料を検出するために供給される放射線の合成複合スペクトルを、約１９０ｎｍから８００または８３０ｎｍまで拡張することができる。スペクトルを深紫外領域まで拡大することは、写真印刷にとって有用である。ランプ８８からの放射線は、レンズ９３によって集束され、ミラー９５によってフィルタ１８に向けて反射され、ランプ１０からの放射線と組み合わされて複合ビーム１２’を形成する。矢印９９に沿うビーム１２の経路の内外にミラー９５を動かすことによって、重水素ランプ８８からの放射線を測定ビーム２５に含ませたり除外したりすることが可能である。
【００１７】
偏芯放物面鏡１６は、光ビーム１２を平行にし、これはランプ８８からの放射線と組み合わされてビーム１２’を形成した後、出し入れ式紫外線遮断フィルタ１８とカラーフィルタリング２０とによって選択的に濾波される。出し入れ式紫外線遮断フィルタ１８は、光ビーム１２’のスペクトルを制限するために部分的に使用されるので、光ビーム１２’が回折格子によって分光されるときに、１次および２次分光は重なり合わない。ビーム１２’は平面鏡２２によって凹面鏡２４上に部分的に反射されて測定ビーム２５を形成する。凹面鏡２４は測定ビーム２５を開口ミラー２８の開口上に集束する。
【００１８】
光ビーム１２の他の部分、すなわち領域照明ビーム３４は、大アクロマート３２によって屈曲ミラー３６の近くに集束され、屈曲ミラー３６をよりランプ１０、８８の像を小アクロマート３８に向けて反射させる。小アクロマート３８は、光が開口ミラー２８で反射する前に領域照明ビーム３４内の光を集める。開口ミラー２８は、一面に反射コーティングがなされた溶融シリカ板であり、反射コーティングからエッチングされた１５０μｍ2 が測定ビーム２５用の開口を生ずる。開口は、対物レンズ４０の共役軸にある。領域照明は、領域照明ビーム３４の光路内に領域照明シャッター３１を置くことにより遮断される。
【００１９】
狭い測定ビーム２５と広幅の領域照明ビーム３４は開口ミラー２８で再合体し、領域照明ビーム３４は開口ミラー２８の前で反射し、測定ビーム２５は開口と偏光子１０２を通過し、これはモータ１０１によってビーム２５の経路に出入りされる。
【００２０】
図１は反射計と、光学システム８の観察サブシステムおよび自動焦点サブシステムとを示しているが、対物レンズ４０、ビーム分割ミラー４５、サンプルビーム４６、オプションの参照ビーム４８、凹面鏡５０、平面鏡４３、参照分光ピンホール５６を備えた参照板５２、サンプル分光ピンホール５８を備えたサンプル板５４、第２の屈曲ミラー６８、回折格子７０、サンプル線状フォトダイオードアレー７２、参照線状フォトダイオードアレー７４、短焦点距離を有するアクロマート８０、ミラー８２、ビーム分割キューブ８４、五角プリズム８６、長焦点距離を有するアクロマート９０、中立密度フィルタリング９７、第３の屈曲ミラー９１、およびビデオカメラ９６を有する。これらの構成要素のいくつかは、明確化のために図２には示されていない。
【００２１】
対物レンズ４０にとって、いくつかの拡大率は可能である。実施形態において、Schwarzchildが設計した全反射対物レンズは、回転ターレットに載せられ、これはいくつかの異なる対物レンズ（図示せず）の一つをサンプルビーム４６の光路内に置くことを可能とする。本発明における測定に著しい影響を与えずに、サンプルビーム４６の光路内に低出力の屈折部材を置くことが可能である。
【００２２】
ウェハ３の相対反射率スペクトルの測定を次に説明する。領域照明シャッター３１が領域照明ビーム３４の経路内に置かれると、複合ビーム４２は測定ビーム２５のみから構成される。複合ビーム４２は、複合ビーム４２の半分を対物レンズ４０に向かって偏向するように置かれた全反射ミラーであるビーム分割ミラー４５によって分けられ、このようにしてサンプルビーム４６を形成し、複合ビーム４２の偏向されなかった半分が参照ビーム４８を形成する。サンプルビーム４６とオプションの参照ビーム４８は同じ光源であるランプ１０、８８から出ており、また複合ビーム４２は放射状に一様なので、参照ビーム４８とサンプルビーム４６は、比例的に従属のスペクトル強度を有することになる。さらに、ビーム分割ミラー４５は、全光路内にある部分反射ミラーではなく、光路の半分内にある全反射ミラーであるので、連続広帯域スペクトルが良好な輝度で反射される。
【００２３】
参照ビーム４８は、当初はビーム分割ミラー４５に作用しないが、代わりに凹面鏡５０を照射する。凹面鏡５０は少し軸がオフセットしているため、参照ビーム４８がビーム分割ミラー４５の背面上に反射し、ここで平面鏡４３が参照分光ピンホール５６に整列するように参照ビーム４８を再反射する。平面鏡４３は、参照ビーム４８をサンプルビーム４６に再整合するように設けられているため、両ビームはそれぞれの分光ピンホールを実質的に平行に通過する。参照ビームはサンプルビームと平行に分光計に入るので、このことが両チャンネルに対する分光計部材の簡単な整合を可能とする。
【００２４】
参照ビーム４８は、ビーム４６を反射するビーム分割ミラー４５の表面に作用しないので、参照ビーム４８がビーム分割ミラー４５を通過するときに参照強度の損失がない。参照ビーム４８は、ビーム分割ミラー４５の背面のミラー４３に作用するが、光がビーム分割ミラー４５を通過しないので、これらの２個のミラーは独立している。事実、ビーム分割ミラー４５の２個の反射面が容易には１つの光学素子に一緒に置かれない別の実施形態において、複数の反射面は複数の分離ミラー部材上に存在する。
【００２５】
凹面鏡５０の焦点距離は、参照ビーム４８が参照分光計ピンホール５６に焦点を結ぶようになっている。参照分光計ピンホール５６を通過し屈曲ミラー６８で反射する光は、回折格子７０により分散される。生成された１次分散光は参照線状フォトダイオードアレー７４によって集められ、これにより相対参照スペクトルを測定する。
【００２６】
偏光サンプルビーム４６は、ビーム分割ミラー４５から対物レンズ４０に向けて反射され、ここでサンプルビーム４６はウェハ３の上に集束され、また反射サンプルビーム４６’が対物レンズ４０によってサンプル分光計ピンホール５８上に集束される。反射サンプルビーム４６’は、ビーム分割ミラー４５の背後の参照ビーム４８も通過する空間を通過するので、反射サンプルビーム４６’は反射経路上でビーム分割ミラー４５に作用しない。試料３からの反射サンプルビーム４６’の放射線は、ピンホール５８に達する前に分析器１０４を通過する。サンプル分光計ピンホール５８を通過し屈曲ミラー６８で反射する光は、光の波長に応じて回折格子７０により分散される。参照ビームと共に、サンプルビームの生成１次分散ビームはサンプル線状フォトダイオードアレー７２によって集められ、これによりサンプル偏光計スペクトルを計測する。２本のビームが回折格子７０で交差するので、図２においてサンプルビーム４６に明らかに整列したフォトダイオードアレーは、実際参照ビーム４８用フォトダイオードアレーであり、また逆でもある。偏光子１０２と分析器１０４は回転せず、好ましくは静止している。従って、分析器１０４は、試料によって修正され、かつ対物レンズ４０によって集められた放射線を固定偏光面に従って分析する。
【００２７】
次いで、相対反射率スペクトルは、各波長におけるサンプル光強度を各波長における相対参照強度によって割ることにより簡単に得られる。典型的には、５１２個のダイオードの線状フォトダイオードアレーがサンプルスペクトルおよび参照スペクトルを記録するために使用される５１２回の割り算計算を含む。好適な実施形態において、スペクトルは約１９０ｎｍから８００または８３０ｎｍまでの範囲にわたっている。
【００２８】
本発明の実施形態において、回折格子７０は凹面の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。その１５ｍｍの間隔は、両ビームが格子上に中心合わせすることを許さないので、回折格子はホログラフィック技術によりマルチスペクトルを結像するように訂正される。このような格子は、インスツルメンツＳＡによって供給されるマルチスペクトル結像格子である。また、格子は、検出器の角度が検出器からの反射を格子から外れるように設計されている。
【００２９】
領域照明を含むかもしれない複合ビーム４２は、ビーム分割ミラー４５からウェハ３に向かって反射される。反射率スペクトル測定と自動焦点が行われているとき、領域照明は分散光を最小化するように切られる。
【００３０】
相対反射率スペクトルを測定するために使用される光学要素の革新的な配置のために、スペクトル測定サブシステムの多くの要素がまた自動焦点サブシステムにも使用される。例えば、図に示される実施形態の相対反射率スペクトル測定が、部分反射ミラーに対向するビーム分割ミラー４５を使用しているので、ウェハ３から反射される生成ビームは、非対称円形断面を有する。このため、焦点整合状態を達成するために対物レンズ４０またはウェハ３を動かす相対距離のみならず焦点方向を検出することを可能とするが、対称円形断面を用いることによって焦点方向を検出することはできない。
【００３１】
図１および図２の偏光計システム８は、サンプルビーム４６が本願のシステムでは偏光している点で特許文献１に記載されたものとは異なっている。このように、サンプルビーム４６が対物レンズ４０によって試料３に向かって反射されると、ウェハ上に焦点を結ぶビームは多数のまたは複数の異なる偏光状態を持つ。このことを図３Ａおよび図３Ｂに関連してより明瞭に説明する。サンプルビーム４６がミラー４０ａによってミラー４０ｂに向かって反射され、次いで図３Ａに示されるように、ビームを試料３に向けて集束する。図３Ｂは、ウェハ３に焦点整合したときのサンプルビーム４６の照明開口を示す概念図である。図３Ａ、図３Ｂにおける種々の量は、円柱座標ρ、φ、θを基準として定義され、ここでρは座標系における点の腕長（原点からの距離）、φは試料表面に対して垂直である参照面に対する点を含み、試料面に対して垂直な面の角度であり、θは、試料表面の法線からの点を原点に結ぶ線の角度（法線に対する入射角）である。
【００３２】
図３Ａを参照すると、偏光子１０２は角度φP における面によって定義される偏光面を有するので、その偏光子から出てビーム分割器４５によって反射されるサンプルビーム４６もそのような偏光を持っていると仮定される。ビーム４６は、先ずミラー４０ａによって反射され、ビームを試料３上に集束するミラー４０ｂによってその後に反射されると、試料３に集束したビームは、図３Ａ、図３Ｂに示されるように、異なる入射面に入る。図３Ｂでは、ビーム４６の偏光面φP を１０３と示す。
【００３３】
以上の説明から、ビーム分割ミラー４５は、偏光ビームの約半分を偏向してサンプルビーム４６とし、ビームの残り半分を参照ビーム４８として通過させている。このような理由で、図３Ｂの照明開口（陰付き領域１０６）はほとんど半円形状となる。このようにして対物レンズ４０によって試料３上に集束される放射線は、半円形領域を跨ぐ入射面で試料に入射する。領域内の角度φの１値の入射面内でウェハに入射する放射線は、領域内の角度φの異値を有する入射面における放射線のものとは異なるｓ分極およびｐ分極を有する。異なる入射面内の放射線のｓ分極およびｐ分極は、定義により、異なる向きを持つので、その一入射面内の入射放射線の偏光状態は、異なる入射面における入射放射線のものとは異なるものとなる。従って、試料３上に入射する放射線は、φの関数としての多くの、すなわち複数の偏光状態を持つことになる。
【００３４】
試料３上に集束されるビームは、後述するように対物レンズ４０ａ、４０ｂの合成反射係数の関数としてサンプルビーム４６と対比されて強度が減少する。サンプルビーム４６から生じて対物レンズ４０により試料上に集束された放射線は試料により反射され、再び強度を減じ、試料の反射係数の関数として各偏光成分の相を変える。このような放射線は再び対物レンズ４０によってビーム分割器４５と分析器１０４とを通って前述した分光器に反射される。好適な実施形態において、放射線を試料に集束するために使用された同じ対物レンズがまた、分析器と分光器に向かう反射放射線を収集するために使用されるけれども、これは必要なことではなく、異なる収集対物レンズが集束対物レンズに加えて使用できること、そしてそのような改変または別の改変も本発明の範囲内に入ることを理解すべきである。
【００３５】
試料表面上の原点に向かうφP 方向の分極を有する半円形照明開口内にある図３Ａの座標（ρ、φ）を持つ点１０５からの入射放射線を考えてみる。電界は、図３Ａ、図３Ｂに示されるｓ分極とｐ分極とに次のように分解される。
2011141288.tif 000003
ここで、Ｅinは偏光子１０２によって偏光された後のビーム４６内の放射線の電界、Ｅo はその値、Ｅs in、Ｅp inはｓ分極とｐ分極とに沿う放射線の成分である。放射線が対物レンズを出た後は、次のようになる。
2011141288.tif 000004
ここで、Ｅout は試料３によって反射された後のビーム４６内の放射線の電界、Ｅs out 、Ｅp out はｓ分極とｐ分極に沿うその成分であり、ｒs s （ｒo s ）とｒs p （ｒo p ）は試料（対物レンズ）のためのｓ分極およびｐ分極用反射係数である。対物レンズ用の反射係数は、図３Ａに示される２個のミラーの反射係数の積、すなわちｒo s ＝ｒo1s ｒo2sおよびｒo p ＝ｒo1 pｒo2pである。φa の偏光面を備えた分析器を通過した後の分光器における電界は、ｐa に沿って得られる。
2011141288.tif 000005
【００３６】
検出器電流は次のように表される。
2011141288.tif 000006
偏光子１０２が省略されれば、半円形開口に対する検出器電流は次のようになる。
2011141288.tif 000007
式（２）において、Ｒo s 、Ｒs s 、Ｒo p 、Ｒs p は、｜ｒo s ｜2 、｜ｒs s ｜2 、｜ｒo p ｜2 、｜ｒs p ｜2 としてそれぞれ定義される。ｒo s 、ｒs s 、ｒo p 、ｒs p は、入射角の関数、すなわちρの関数であることに留意しなければならない。偏光子１０２が図１〜図３に示すように位置していると、分光器における強度は試料および対物レンズのｓ反射率とｐ反射率およびΔo 、Δs の関数であるといった一般式が導かれ、Δo 、Δs は、
2011141288.tif 000008
によって定義され（ここで、ｒs p 、ｒs s はｐ分極およびｓ分極における放射線の試料表面の複合反射係数であり、ｒo p 、ｒo s はｐ分極およびｓ分極における放射線の対物レンズの複合反射係数である）、Ψo 、Ψs 、Δo 、Δs はまた偏光解析装置のパラメータである。従って、システム８は、偏光に感応する。
【００３７】
幾つかの特殊ケースが以下に示される。
Ａ．φ0 ＝π
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Δの変化に感応するシステムに対して、２（φp −φa ）＝ｍπである。φp ＝φa'であれば、
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Ｂ．φ0 ＝π／２
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φp ＝φa ＝π／２であれば、
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【００３８】
以上の分析から、式（４）および（６）の第３項のｃｏｓ（Δo ＋Δs ）係数は、偏光子と分析器の角度が同じとき、すなわち偏光子１０２と分析器１０４とが実質的に同じ偏光面を持つときに最大になる。換言すれば、図４に示されるように、偏光子および分析器の両方として機能する単一の偏光子を使用できる。図４に示されるように、偏光子１１６が、偏光子１０２と分析器１０４とを置換するように使用できる。フォトダイオードアレーのサンプルチャネルは、式（５）に比例する。この構成において、一つの偏光子のみが必要であり、偏光子と分析器は自己整合である。さらに別の代替例として、分割器４５が偏光ビームスプリッタであれば、偏光子１０２と分析器１０４が一緒に省略される。膜厚検出の感度を改良するために、図１では、点線で示される波板または遅延素子１９０がビーム分割器４５と分析器１０４の間に挿入されて、式（４）および（６）の第３項の余弦係数ｃｏｓ（Δo ＋Δs ）の議論に移相を導入する。好ましくは、分析および分散の前に素子１９０によって生ずる収集放射線の移相は、約π／４である。ミラー４０ａ、４０ｂのミラーコーティングの厚さも、薄膜の厚さの検出の感度を増大するために選択されるので、ミラー４０ａ、４０ｂに焦点整合し集められる放射線の相の全変化は、約π／２である。これは、式（４）および（６）の第３項の余弦係数ｃｏｓ（Δo ＋Δs ）の議論において、Δo をπ／２とするので、これらの式の余弦項は、正弦項に変換される。
【００３９】
アレー７２の検出器電流に関して測定された偏光計スペクトルは、試料３についての有用な情報を得るのに使用される。例えば、試料３の多くの異層の物質の型がその屈折率を推算できるように知られていれば、そのような検出器電流は、層の厚さと精確な屈折率を得るのに十分である。そのような推論の方法は当業者には知られているので、本願明細書で詳細に述べる必要はない。その代わりに、検出器信号を、膜厚と屈折率を得るために、偏光解析装置の測定結果と組み合わせる。多くの異なる波長におけるデータポイントを得ることができるので、偏光計システムにおいて検出用に広帯域放射線を使用することは有利である。このような豊富なデータポイントは、試料上の多層の厚さおよび屈折率を測定するために非常に有用であり、そしてより精確な曲線適合アルゴリズムを適用したり、または測定値の精度をクロスチェックすることを可能とする。
【００４０】
システム８はまた、２回の測定により面内複屈折試料を分析するために使用できるが、その各測定は照明開口の２象限の一方をカバーする。図３Ｂに示されるように、照明開口は実質的に半円であって、第１象限１０６ａと第４象限１０６ｂとを含む。図５Ａおよび図５Ｂは、第１象限（斜線域）を通る照明のみを示し、照明ビームの反射は第３象限１０６ｄのみを通る。第１象限はカバーされるが、第４象限がカバーされないときに、第２の測定が第４象限を通る照明で行われ、第２象限を通る反射が同様に集められて測定される。これは、ウェハ３を９０度物理的に回転するのと同様の効果がある。第１象限および第４象限の照明に対して複屈折軸が入射面と異なって整列しているので、２回の連続した測定から複屈折効果を減ずることができる。仮にウェハに関する複屈折の軸が知られていれば、第１象限１０６ａおよび第４象限１０６ｂが例えば正常軸と異常軸の周りのように、複屈折の対応軸の周りにそれぞれ中心化するように４個の象限の位置を配向することによって測定が最適化することができる。図５Ｂに示されるように、偏光子１０２の第４象限がカバーされ、偏光子１０２の偏光軸１０３がウェハの複屈折軸と整列していることを前提とする場合、第１象限１０６ａは複屈折軸の周りに中心化されている。第１の偏光計スペクトルが得られる。次いで、第４象限１０６ｂが偏光軸の周りに中心化され、かつ第１象限がその代わりにカバーされると仮定されるので、回転手段（図示せず）によって偏光子１０２が９０°回転され、第２の偏光計スペクトルが得られる。第１および第２のスペクトルの対比が、ウェハ３内の１本または複数本の複屈折軸の存在を示す。第１および第４の象限が偏光子の軸の周りに中心化されない場合でも、２個のスペクトルの対比は複屈折軸を見いだす。
【００４１】
結晶の複屈折を検出する前述した方法を、図６に示された回転リング２００を使用して実施することもできる。このようにして、図１の偏光子１０２は、リング２００によって置換される。偏光計パラメータを検出するための図１を参照して前述した測定を実施するために、リング２００が回転されて位置１の偏光子２０１が開口２８を通過してビーム分割器４５に至る照明ビームの経路内に入る。照明開口は第１象限１０６ａおよび第４象限１０６ｂから構成され、ウェハ３からの反射は第２および第３象限の開口を通して集められる。図４Ｂ、図６Ｂの第１象限１０６ａを遮断すなわちカバーすることが望ましい場合、位置２における偏光子２０２が開口ミラー２８とビーム分割器４５の間の放射線ビームの経路内に入るまでリング２００が回転される。照明開口は第４象限１０６ｂのみから構成され、ウェハ３からの反射は第２象限の開口１０６ｃのみを通して集められる。その代わりに、第４象限１０６ｂを遮断すなわちカバーすることが望ましい場合、位置３における偏光子２０３が光路内に入るまでリング２００が回転される。照明開口は第１象限１０６ａのみから構成され、ウェハ３からの反射は第３象限の開口１０６ｄのみを通して集められる。特許文献１と同じように操作することが望ましい場合には、偏光子がない位置４にある開口２０４が、開口ミラー２８とビーム分割器４５の間のビームの光路内に入るまでリング２００が回転される。
【００４２】
前述した実施形態において、複屈折検出は異なる照明開口を使用して実現されたけれども、本質的には、代わりに集光開口を使用しても同じ結果が得られる。換言すれば、照明放射ビームの経路内における照明開口を部分的に遮蔽する代わりに、試料から反射され、集められて分光器と検出器へ導かれる放射線の経路内にある集光開口が部分的に遮蔽される、すなわちカバーされる。このような改変または他の改変も本発明の範囲内に含まれる。
【００４３】
複屈折を検出するためのシステム８を使用する適用例を前に記載している。システム８はまた、試料表面の他のパラメータを検出するためにも使用できる。図、特に図３Ａおよび図３Ｂに関連する前述した式と説明とから、フォトダイオードアレー７２の分光計によって検出される反射スペクトルは、Δに関する情報、偏光解析に一般に使用されかつ厚さに関連する偏光計パラメータ、および試料表面の薄膜の厚さと屈折率とを使用する。従って、試料表面の所定の様相が既知であれば、このような既知の様相は、システム８によって測定された偏光計パラメータに関する情報と結びつけられて、膜厚や屈折率のような試料の有用な情報を導出する。
【００４４】
好適な実施形態において、フォトダイオードアレー７２によって得られる反射スペクトルは、フォトダイオードアレー７４からの参照スペクトルと対比されて偏光計パラメータを導出し、ＳＮ比を改善する。しかし、幾つかの適用例において、偏光計パラメータは参照スペクトルを使用せずに反射スペクトルのみから導出される。そのような適用において、参照ビーム４８は必要とされないので、ビーム４８の生成に関連する全ての要素と参照スペクトルは図１および図２から削除される。このような改変または他の改変は本発明の範囲内にある。
【００４５】
図１の複合装置の分光学的偏光解析装置３００を次に説明する。図１に示されるように、キセノンアークランプ１０から発生し、焦点１８、２０を貫通通過した放射線の一部は、ビーム分割器３０２によって光ファイバケーブル３０４へ偏向され、コリメータ３０６へ放射線を供給する。平行にされた後、ビームは、偏光子３１０によって偏光化され、焦点ミラー３１２によってウェハ３へ集束される。そのようなビームの反射は、収集ミラー３１４により集められ、屈曲ミラー３１６により分析器３２０を通して反射されてから検出のために分光計３２２と検出器３２４とに供給される。ウェハ３における反射によって生起されるビーム３０８の偏光状態の変化の値と相が測定できるように、偏光子３１０と分析器３２０とが互いに関して回転される。分光学的偏光解析装置３００の操作の詳細な説明については、特許文献２を参照されたい。
【００４６】
複数層の薄膜を持つ試料を測定するために、図１に示されるように偏光計パラメータを測定するためのシステム８と分光学的偏光解析装置３００とを有する複合装置を使用するのが望ましい。システム８と分光学的偏光解析装置３００とは、サンプルビーム４６とサンプルビーム３０８とがウェハ３の同じスポットに実質的に集束するように配置される。システム８によって測定される偏光計パラメータは、膜厚や膜の屈折率のような役に立つ情報を得るために、システム３００によって測定される偏光解析装置パラメータと組み合わせられる。システム８によって測定される偏光計パラメータと、システム３００を使用して得られる偏光解析装置パラメータとは、"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）に記載されているような技術を使用して結合される。
【００４７】
分光学的偏光解析装置のスペクトル領域は、約１９３ｎｍのような深紫外までは延びないけれども、複合装置を使用することにより、そのような波長における屈折率を精確に測定することが可能である。このようにして、複合装置は分光学的偏光解析装置と偏光計システム８との複合スペクトルの全体にわたって屈折率を測定するために使用される。複合装置とシステム８および分光学的偏光解析装置の双方のデータとを使用することによって、分光学的偏光解析装置のスペクトル中の波長における、試料の異なる膜の厚さと屈折率とを見い出すことができる。この厚さ情報は、複合装置からのデータと一緒に、深紫外領域における膜の屈折率の発見に使用される。アレー７２、７４の検出器の数および分光器３２２の検出器３２４は、最適結果を得るための望ましい波長におけるデータを得るように選択される。
【００４８】
代替の実施形態において、サンプルビーム４６、３０８は、ウェハ３の同じ点に集束される必要性はない。ウェハ３は、通常の方法による回転により、あるいは直線状平行移動または２つの運動の組み合わせにより動かされるので、システム８によって測定される点は、引き続きシステム３００によって測定され、またこの反対手順でも行われ、そして同じ点を測定する２つのシステムによって得られたデータが、前述したのと同様なやり方で組み合わせられる。回転運動および平行移動運動は制御されるので、２つのシステム８、３００によって測定されている点の相対運動を相関することができる。
【００４９】
前述したように、分光学的偏光解析装置は偏光計システム８と完全に結合されているが、システム８を単一波長偏光解析装置と連結することも可能である。この目的のために、図１の配置を、分光器３２２の光路中に、ミラー３２１と検出器３２４との間で回折格子を取り除くことによって簡単に改変する必要がある。偏光計スペクトル中の波長を持つレーザが、単一波長偏光解析装置のための放射源として使用されうる。単一波長偏光解析装置による測定およびシステム８による測定を用いて、偏光計スペクトルの全体にわたる波長における膜厚と屈折率とを得ることがなお可能である。
【００５０】
本発明を種々の実施形態を参照して説明してきたけれども、添付の特許請求の範囲およびその均等物によってのみ限定される本発明の範囲から逸脱することなしに変更または修正がなされうることを理解すべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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