(57)【要約】  本発明は、光源（１）と、偏光子（５）と、入射偏光ビーム（１１）を試料（６）に向かって方向付けるのに適した光学照明システム（２、４）と、反射、透過、又は回折により生成される第二の光ビーム（１２）を受け取るように配置された波面分割光学ビームスプリッタ（２０）であって、３つの平行分割ビームを形成するように配向された波面分割光学ビームスプリッタ（２０）と、６つの角分割ビームを形成するための光学偏光変調装置（２５）及び光学偏光スプリッタ装置（２６）と、６つの分割ビームを検出するのに適した検出システムと、そこからエリプソメータ又は光波散乱計による測定データを推測するのに適した処理システムと、を含むエラプソメータ又は光波散乱計に関する。
2021518565.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エリプソメータ（１００）であって、
−光源光ビーム（１０）を発生するようになされた光源（１）と、
−前記光源光ビーム（１０）を受け取って、偏光入射光ビーム（１１）を形成するようになされた偏光子（５）と、
−前記偏光入射光ビーム（１１）を、入射面（８）内の入射光軸（９）に沿って試料（６）へと向けるようになされた照明光学系（２、４）と、
−前記試料上の所定の入射角での前記偏光入射光ビーム（１１）の反射又は透過により形成される第二の光ビーム（１２）を受け取るように配置された光学波面分割ビームスプリッタ（２０）であって、前記第二の光ビーム（１２）は前記入射面（８）内の第二の光軸（１９）に沿って伝搬し、前記入射面（８）を横切る平面内で角度的に分離された３つの異なる光軸（１６、１７、１８）に沿って伝搬する３つの平行分割ビーム（１３、１４、１５）を形成するように方向付けられた光学波面分割ビームスプリッタ（２０）と、
−前記３つの平行分割ビーム（１３、１４、１５）を受け取って、３つの異なる偏光状態に応じて偏光された３つのビームを形成するようになされた光学偏光変換装置（２５）と、
−３つの異なる偏光状態に応じて偏光された前記３つのビームを受け取って、前記入射面を横切る前記平面内で角度的に分離された６つの光軸に沿って伝搬する６つの分離されたビーム（１３１、１３２、１３３、１３４、１３５、１３６）を形成するように配置され、方向付けられた光学偏光スプリッタ装置（２６）と、
−前記６つの分離されたビーム（１３１、１３２、１３３、１３４、１３５、１３６）を検出するようになされた検出システムと、そこからエリプソメトリ測定データを推測するようになされた処理システムと、
を含むエリプソメータ（１００）。
【請求項２】
前記エリプソメータは単色である、請求項１に記載のエリプソメータ。
【請求項３】
前記検出システムは、前記６つの分離されたビーム（１３１、１３２、１３３、１３４、１３５、１３６）を検出するようになされた少なくとも１つの分光計を含む、請求項１に記載のエリプソメータ。
【請求項４】
−前記６つの分離されたビーム（１３１、１３２、１３３、１３４、１３５、１３６）を受け取り、相互に整列されて相互に空間的に分離された６つの画像（１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、１４６）を形成するように配置された光学集光システム（２７）を含み、
−前記少なくとも１つの分光計は、１つの方向に沿って長く、前記６つの画像（１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、１４６）を同時に受け取るように配置された入射スリット（３１）を含むイメージング分光計（３０）を含み、前記イメージング分光計（３０）は、前記６つの画像（１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、１４６）をスペクトル分散させ、空間的に分離された６つのスペクトル部分画像（４１、４２、４３、４４、４５、４６）を画像検出器（３３）上に同時に形成するようになされ、
−前記画像検出器（３３）は、前記６つのスペクトル部分画像（４１、４２、４３、４４、４５、４６）の画像を取得するようになされ、
−前記処理システムは、前記６つのスペクトル部分画像の画像を処理し、そこから分光エリプソメトリ測定データを推測するようになされる
請求項３に記載のエリプソメータ。
【請求項５】
前記光学照明システム（２、４）は、前記偏光入射光ビーム（１１）を前記試料（６）上に集光させるようになされ、前記光学波面分割ビームスプリッタは、同じ焦点距離と、相互に平行で、相互に空間的に分離された光軸（２２５、２２６、２２７）を有する３つのレンズセグメント（２２１、２２２、２２３）を含むセグメントレンズ（２２）を含み、各レンズセグメント（２２１、２２２、２２３）は物体焦点（Ｆａ、Ｆｂ、Ｆｃ）を有し、前記３つのレンズセグメント（２２１、２２２、２２３）は、前記３つの物体焦点（Ｆａ、Ｆｂ、Ｆｃ）が前記試料（６）上で前記入射面を横切るように整列されるように組み立てられ、各レンズセグメント（２２１、２２２、２２３）は、前記第二のビーム（１２）の異なる部分を受け取り、平行分割ビーム（１３、１４、１５）を形成するように配置され、前記３つのレンズセグメント（２２１、２２２、２２３）は、前記３つの分割ビーム（１３、１４、１５）が前記３つの異なる光軸に沿って伝搬するように組み立てられる、請求項１〜４の何れか１項に記載のエリプソメータ。
【請求項６】
前記光学照明システム（２、４）は、前記試料（６）上で前記偏光入射光ビーム（１１）をコリメートするようになされ、前記光学波面分割ビームスプリッタは、それらの縁辺が前記入射面（８）に平行に配置される少なくとも２つのプリズム（２３１、２３２、２３３）を含み、各プリズム（２３１、２３２、２３３）は、前記第二のビーム（１２）の異なる部分を受け取り、前記第二の光軸（１９）に関して角度的に偏向された光軸に沿って伝搬する平行分割ビーム（１３、１４、１５）を形成するように配置され、前記少なくとも２つのプリズム（２３１、２３２）は、前記３つの平行分割ビーム（１３、１４，１５）が前記３つの異なる光軸に沿って伝搬するように方向付けられ、組み立てられる、請求項１〜５の何れか１項に記載のエリプソメータ（１００）。
【請求項７】
前記光学波面分割ビームスプリッタは、３つの空間的に分離された開口（２１１、２１２、２１３）を含むマスク（２１）をさらに含む、請求項１〜６の何れか１項に記載のエリプソメータ（１００）。
【請求項８】
前記光学偏光変換装置（２５）は、少なくとも２つの波長板を含み、各波長板は異なる位相差を有し、１つの波長板は、前記３つの分割ビーム（１３、１４、１５）のうちの１つの上に配置され、他の波長板は前記３つの分割ビーム（１３、１４、１５）のうちの他の１つの上に配置される、請求項１〜７の何れか１項に記載のエリプソメータ（１００）。
【請求項９】
前記光学偏光スプリッタ装置（２６）としては、ウォラストンプリズム、ロションプリズム、セナルモンプリズム、又は回折波長板が含まれる、請求項１〜８の何れか１項に記載のエリプソメータ（１００）。
【請求項１０】
前記光学波面分割ビームスプリッタ（２０）は、前記３つの分割ビーム（１３、１４、１５）を、隣接する分割ビーム（１３、１４、１５）間の角度ＡＬＰＨＡだけ角度的に分離するようになされ、前記光学偏光スプリッタ装置（２６）は、前記６つの分離ビーム（１３１、１３２、１３３、１３４、１３５、１３６）を隣接する分離ビーム（１３１、１３２、１３３、１３４、１３５、１３６）間の角度ＢＥＴＡだけ角度的に分離するようになされ、前記角度ＢＥＴＡは０．６＊ＡＬＰＨＡ／２〜１．５＊ＡＬＰＨＡ／２である、請求項１〜９の何れか１項に記載のエリプソメータ（１００）。
【請求項１１】
前記光源としては、ハロゲンランプ、キセノンフラッシュランプ、スーパコンティニアムレーザ源、及び／又は光ファイバレーザ及び／又はパルス源が含まれる、請求項１〜１０の何れか１項に記載のエリプソメータ（１００）。
【請求項１２】
前記光源（１）は、スーパコンティニアムレーザ源であり、前記イメージング分光計（３０）の前記入射スリット（３１）から上流の前記第二のビームの前記光路上に配置された円柱レンズをさらに含み、前記円柱レンズは、前記入射スリット（３１）の前記長さ方向を横切る方向に前記６つの画像を拡張するようになされ、方向付けられる、請求項１１に記載のエリプソメータ（１００）。
【請求項１３】
第一の光源ダイアフラム（３）を含み、前記光学照明システム（２、４）は、前記第一の光源ダイアフラム（３）の第一の画像を前記試料（６）上に形成するようになされ、及び／又は第二の光源ダイアフラムを含み、前記光学照明システム（２、４）は前記第二の光源ダイアフラムの第二の画像を前記試料（６）上に形成するようになされ、前記第一の光源ダイアフラム（３）と前記第二の光源ダイアフラムとの表面積の比は１０より大きいか、これと等しい、請求項１〜１２の何れか１項に記載のエリプソメータ（１００）。
【請求項１４】
前記光源（１）は、Ｎ１個の光パルスの第一の連続を発生するようになされ、Ｎ１は自然数であり、前記画像検出器（３３）は、前記画像検出器（３３）が飽和せずに、Ｎ１個の光パルスの前記第一の連続の前記６つのスペクトル部分画像の第一の画像を取得するようになされ、前記光源（１）は、Ｎ２個の光パルスの第二の連続を発生するようになされ、Ｎ２は自然数であり、Ｎ２はＮ１＋１〜２５．Ｎ１であり、前記画像検出器（３３）は、前記６つのスペクトル部分画像の第一の部分では前記画像検出器（３３）が飽和し、且つ前記６つのスペクトル部分画像の第二の部分では前記画像検出器（３３）が飽和せずに、Ｎ２個の光パルスの前記第二の連続の第二の画像を取得するようになされ、前記処理システムは、前記第一の画像の前記６つのスペクトル部分画像の前記第一の部分を前記第二の画像の前記６つのスペクトル部分画像の前記第二の部分と結合して、そこから前記分光エリプソメトリ測定データを推測するようになされる、請求項４に記載のエリプソメータ（１００）。
【請求項１５】
前記少なくとも２つのスペクトル部分画像（４１、４２、４３、４４、４５、４６）は中間領域（５１、５２、５３、５４、５５）によって相互に空間的に分離され、前記画像処理システムは、前記中間領域（５１、５２、５３、５４、５５）内のスプリアス光の強度を測定して、前記スプリアス光の強度を前記６つのスペクトル部分画像の前記画像の少なくとも一部から差し引くようになされる、請求項４又は１４に記載のエリプソメータ（１００）。
【請求項１６】
試料ホルダを移動させるためのシステムをさらに含み、前記光源（１）は、光パルスの連続を発生するようになされ、前記検出システムは、前記試料ホルダの変位中に光パルスの前記連続に対応する前記６つの分離ビームの取得の連続を取得するようになされ、前記処理システムは、前記取得の連続を処理して、そこから、前記試料ホルダの変位に応じたエリプソメトリ測定データの連続を推測するようになされる、請求項１〜１５の何れか１項に記載のエリプソメータ（１００）。
【請求項１７】
前記試料の表面を照明するようになされた補助光源（７０）及び／又は前記試料の少なくとも１つの画像を取得するようになされた補助カメラ（７８）をさらに含む、請求項１〜１６の何れか１項に記載のエリプソメータ（１００）。
【請求項１８】
エリプソメトリ測定方法であって、
−偏光入射光ビーム（１１）を発生するステップと、
−前記偏光入射光ビーム（１１）を、入射面（８）内の入射光軸（９）に沿って試料（６）に向かって方向付けるステップと、
−前記試料（６）上の所定の入射角での前記偏光入射光ビーム（１１）の反射又は透過により形成される第二のビーム（１２）を受け取るステップであって、前記第二のビーム（１２）は前記入射面（８）内の第二の光軸（１９）に沿って伝搬するステップと、
−波面分割により前記第二のビームを光学的に分割して、３つの異なる光軸に沿って伝搬する３つの平行分割ビーム（１３、１４、１５）を形成するステップであって、前記３つの異なる光軸は、前記入射面を横切る平面において角度的に分離されるステップと、
−前記３つの平行分割ビーム（１３、１４、１５）のうちの少なくとも２つの偏光を変化させて、３つの異なる偏光状態に応じて偏光された３つのビームを形成するステップと、
−前記３つの偏光ビームを偏光分割して、前記入射面（８）を横切る平面内で角度的に分離された６つの光軸に沿って伝搬する６つの分離ビーム（１３１、１３２、１３３、１３４、１３５、１３６）を形成するステップと、
−前記６つの分離ビーム（１３１、１３２、１３３、１３４、１３５、１３６）を検出して、それらからエリプソメトリ測定データを推測するステップと、
を含む方法。
【請求項１９】
−整列され、空間的に分離された６つの画像（１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、１４６）への前記６つの分離ビーム（１３１、１３２、１３３、１３４、１３５、１３６）を、分光計（３０）の入射スリット（３１）へと同時に集光するステップと、
−前記６つの画像（１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、１４６）を空間的に散乱させて、画像検出器（３３）上に空間的に分離された６つのスペクトル部分画像（４１、４２、４３、４４、４５、４６）を同時に形成するステップと、
−前記６つのスペクトル部分画像（４１、４２、４３、４４、４５、４６）の画像を取得するステップと、
−前記６つのスペクトル部分画像の前記画像を処理して、そこから分光エリプソメトリ測定データを推測するステップと、
を含む、請求項１８に記載の測定方法。
【請求項２０】
光波散乱計（１００）であって、
−光源光ビーム（１０）を発生するようになされた光源（１）と、
−前記光源光ビーム（１０）を受け取って、偏光入射光ビーム（１１）を形成するようになされた偏光子（５）と、
−前記偏光入射光ビーム（１１）を入射面（８）内の入射光軸（９）に沿って試料（６）へと方向付けるようになされた光学照明システム（２、４）と、
−所定の入射角での前記試料上の前記偏光入射光ビーム（１１）の回折により形成される第二の光ビーム（１２）を受け取るように配置された光学波面分割ビームスプリッタ（２０）であって、前記第二の光ビーム（１２）は前記入射面（８）内の第二の光軸（１９）に沿って伝搬し、前記入射面（８）を横切る平面において角度的に分離された３つの異なる光軸（１６、１７、１８）に沿って伝搬する３つの平行分割ビーム（１３、１４、１５）を形成するように方向付けられる光学波面分割ビームスプリッタ（２０）と、
−前記３つの平行分割ビーム（１３、１４、１５）を受け取り、前記３つの異なる偏光状態に応じて偏光された３つのビームを形成するようになされた光学偏光変換装置（２５）と、
−３つの異なる偏光状態に応じて偏光された前記３つのビームを受け取って、前記入射面を横切る前記平面内の６つの角度的に分離された光軸に沿って伝搬する６つの分離ビーム（１３１、１３２、１３３、１３４、１３５、１３６）を形成するように配置され、方向付けられた光学偏光スプリッタ装置（２６）と、
−前記６つの分離ビーム（１３１、１３２、１３３、１３４、１３５、１３６）を検出するようになされた検出システム及びそこから光波散乱計測による測定データを抽出する処理システムと、
を含む光波散乱計（１００）。
【請求項２１】
−前記６つの分離ビーム（１３１、１３２、１３３、１３４、１３５、１３６）を受け取って、整列され、空間的に分離された６つの画像（１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、１４６）を形成するように配置された光学集光システム（２７）と、
−１つの方向に沿って長く、前記６つの画像（１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、１４６）を同時に受け取るように配置された入射スリット（３１）を含むイメージング分光計（３０）であって、前記６つの画像（１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、１４６）をスペクトル散乱させて、画像検出器（３３）上に空間的に分離された６つのスペクトル部分画像（４１、４２、４３、４４、４５、４６）を同時に形成するようになされたイメージング分光計（３０）と、
を含み、
−前記画像検出器（３３）は、前記６つのスペクトル部分画像（４１、４２、４３、４４、４５、４６）の画像を取得するようになされ、
−前記処理システムは、前記６つのスペクトル部分画像の前記画像を処理し、そこから分光光波散乱計測による測定データを推測するようになされる
請求項２０に記載の光波散乱計（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、物質及び／又は薄膜を測定する光学機器の分野に関する。
【０００２】
より詳しくは、分光若しくは単色エリプソメータ又は散乱計及び分光若しくは単色エリプソメトリ又は光波散乱計測方法に関する。
【０００３】
より詳しくは、非常に高い測定速度を有する分光若しくは単色エリプソメータ又は光波散乱計に関する。
【背景技術】
【０００４】
分光エリプソメータ又は光波散乱計は一般に、照明アームと検出アームを含む。照明アームは、広スペクトルバンドの光源と、試料に所定の入射角（ＡＯＩ：ａｎｇｌｅ  ｏｆ  ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ）で入射する光ビームを偏光するように構成された偏光子と、を含む。検出アームは、試料に入射するビームの、エリプソメータのためには反射又は透過によって、及び光波散乱計のためには回折によって形成される光ビームを受け取り、反射、透過、又は回折ビームを波長に応じて検出する偏光アナライザ及び分光計を含む。
【０００５】
単色エリプソメータ又は光波散乱計は同じ要素を含み、光源は一般に単色であり、検出器は偏光アナライザから下流の反射、透過、又は回折ビームを受け取り、分光計を必要としない。
【０００６】
試料上の反射において動作するエリプソメータの場合、検出アームは、入射面で、試料に対する法線に関する入射角と反対の角度を形成する反射ビームを受け取るように配置される。透過において動作するエリプソメータの場合、検出アームは入射面で試料により透過されたビームを受け取るように配置される。
【０００７】
光波散乱計の場合、検出アームは入射面で試料により回折され、試料に対する法線に関する入射角とは一般に異なる角度を形成するビームを受け取るように配置される。
【０００８】
多くの単色又は分光エリプソメータがある。これらのエリプソメータのほとんどが、試料上に入射する、又はそれによって反射されるビームの偏光状態を一時的に変調することにより、少なくとも２つの別々の偏光状態に従って試料により反射又は透過されたビームの偏光成分を取得する光学偏光変調器を含む。
【０００９】
回転偏光子若しくは回転補償子型、光学位相変調器、又は複屈折液晶システムに基づく単色又は分光エリプソメータが知られており、これらによって光ビームの偏光を時間に応じて変化させることができる。光学偏光変調器の種類が何であっても、時間に応じた、すなわち偏光変調に応じた一連の測定値又はスペクトルを取得するために検出システムが使用される。分光計は一般に、光ビームの強度を測定するピクセルのアレイ又はマトリクスからなる光検出器を含み、各ピクセル又はピクセルの各コラムは１つの波長に関連付けられる。これらの条件で、エリプソメータ測定において求められるパラメータの特定は、少なくとも１変調周期にわたり、時間に応じた強度スペクトルｌ（ラムダ）の一連の単色測定値又は測定値の分析により行われる。多くの文献に、偏光を変調するコンポーネントの異なる位置について特定された一連の単色又はスペクトルｌ（ラムダ）の測定値からエリプソメトリ数量を推測するための様々な方法が記載されている。一連の単色又はスペクトルｌ（ラムダ）測定値の分析は、周波数ドメイン又は時間ドメインで行われてよい。
【００１０】
しかしながら、一時的偏光変調に基づくこの方式には、特定の数の欠点がある。第一に、測定精度が使用される光源の強度不安定性によって影響を受ける。さらに、測定の最小持続時間は偏光変調周期により固定され、変調周期の半分より小さくすることはできない。特に、回転コンポーネントに基づく光学偏光変調器の使用には、振動の発生という点だけでなく、長期的な信頼性及び堅牢性の点で欠陥がある場合がある。最後に、変調周期にわたって一連のスペクトルを取得している間に、一般に、スペクトルの取得時間をその強度に応じて調整することは不可能であり、それは、スペクトル取得持続時間が変調周期により決まるからである。したがって、この方式では、各スペクトルを測定するためのそのダイナミクスの好ましい強度範囲内で、飽和を回避し、且つ弱すぎる信号を回避しながら、検出器を使用することはできない。このように、同じ単色又は分光エリプソメータを使って反射率の値が大きく異なる物質を検査し、又はサイズが大きく異なるスポットを使用することは難しい場合がある。
【００１１】
他方で、特許文献、国際公開第２０１４／０１６５２８  Ａ１号パンフレットから、光源光ビームを６つの偏光ビームに分割し、６つの偏光ビームに対応するスペクトル画像の強度を同時に測定して、そこから光源光ビームの偏光状態の分光測定を推測することを可能にする波面分割分光偏光計が知られている。しかしながら、波面分割偏光計には、異なるスペクトル画像上の光強度分布が実験的条件に強く依存するという欠点がある。したがって、画像の各々の光強度測定値は偏光状態だけでなく、波面分割が行われる場所での光強度分布にも依存する。このような偏光計による偏光状態の測定は、不正確及び／又は誤ったものであることがある。さらに、この文献には、試料により反射、透過、又は回折された光ビームの偏光状態を、明確に定義された入射角及び反射、透過、又は回折角度で分析することを必要とするエリプソメータ又は光波散乱計は記載されていない。
【００１２】
一般に、エリプソメータ又は光波散乱計においては、系統的測定誤差の導入を回避するために、光ビームの偏光を変化させやすい光学系を、一方で照明アームの偏光子と試料との間、他方で試料と検出アームの偏光アナライザとの間に一切挿入しないことが望ましい。さらに、光学系の挿入は、光ビームの光強度を低下させ、スペクトルバンドを限定し、及び／又は光ビームの発散を変化させやすい。
【００１３】
最後に、単色又は分光エリプソメトリ又は光波散乱計測による測定を５０Ｈｚを超えやすい速度で取得することが望ましい。
【００１４】
特定の用途において、時間に応じて分解される単色又は分光エリプソメトリ測定を取得することが望ましく、これは例えば薄膜成長、堆積、又はエッチングプロセスのその場でのモニタリングの場合である。
【００１５】
これらの用途では、回転によって誘発される機械的振動から、回転式の光学コンポーネントの使用を回避することが望ましい。
【００１６】
他方で、エリプソメトリ又は光波散乱計測による測定のスペクトルドメインを、これらの測定の品質を保持又は改善しながら拡張することが望ましい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
最新技術の上述のような欠点を解消するために、本発明はエリプソメータ又は光波散乱計を提案する。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
より詳しくは、本発明によれば、光源光ビームを発生するようになされた光源と、光源光ビームを受け取って、偏光入射光ビームを形成するようになされた偏光子と、偏光入射光ビームを、入射面内の入射光軸に沿って試料へと向けるようになされた照明光学系と、試料上の所定の入射角での偏光入射光ビームの反射又は透過により形成される第二の光ビームを受け取るようになされた光学波面分割ビームスプリッタであって、第二の光ビームは入射面内の第二の光軸に沿って伝搬し、入射面を横切る平面内で角度的に分離された３つの異なる光軸に沿って伝搬する３つの平行分割ビームを形成するように方向付けられた光学波面分割ビームスプリッタと、３つの平行分割ビームを受け取って、３つの異なる偏光状態に応じて偏光された３つのビームを形成するようになされた光学偏光変換装置と、３つの異なる偏光状態に応じて偏光された３つのビームを受け取って、入射面を横切る平面内で角度的に分離された６つの光軸に沿って伝搬する６つの分離ビームを形成するように配置され、方向付けられた光学偏光スプリッタ装置と、６つの分離ビームを検出するようになされた検出システムと、そこからエリプソメトリ測定データを推測するようになされた処理システムと、を含むエリプソメータが提案される。
【００１９】
このエリプソメータにより、偏光変調せずに、瞬時のエリプソメトリ測定データの取得が可能となる。エリプソメトリ測定の取得持続時間は、６つの検出ビームの各々の強度に応じて容易に適応されてよい。
【００２０】
特定の態様によれば、エリプソメータは単色である。
【００２１】
他の特定の態様によれば、検出システムは、６つの分離ビームを検出するようになされた少なくとも１つの分光計を含む。
【００２２】
特定の実施形態によれば、エリプソメータは、６つの分離ビームを受け取り、相互に整列されて相互に空間的に分離された６つの画像を形成するように配置された光学集光システムを含み、前記少なくとも１つの分光計は、１つの方向に沿って長く、６つの画像を同時に受け取るように配置された入射スリットを含むイメージング分光計を含み、イメージング分光計は、６つの画像をスペクトル分散させ、空間的に分離された６つのスペクトル部分画像を画像検出器上に同時に形成するようになされ、画像検出器は、６つのスペクトル部分画像の画像を取得するようになされ、処理システムは、６つのスペクトル部分画像の画像を処理し、そこから分光エリプソメトリ測定データを推測するようになされる。
【００２３】
分光測定の取得持続時間は、検出されたスペクトル部分画像の強度に応じて容易に適応させることができる。
【００２４】
第一の実施形態によれば、光学照明システムは、偏光入射光ビームを試料上に集光させるようになされ、光学波面分割ビームスプリッタは、同じ焦点距離と、相互に平行で、相互に空間的に分離された光軸を有する３つのレンズセグメントを含むセグメントレンズを含み、各レンズセグメントは物体焦点を有し、３つのレンズセグメントは、前記３つの物体焦点が試料上で入射面を横切るように整列されるように組み立てられ、各レンズセグメントは、第二のビームの異なる部分を受け取り、平行分割ビームを形成するように配置され、３つのレンズセグメントは、前記３つの分割ビームが３つの異なる光軸に沿って伝搬するように組み立てられる。
【００２５】
第二の実施形態によれば、光学照明システムは、試料上で偏光入射光ビームをコリメートするようになされ、光学波面分割ビームスプリッタは、それらの縁辺が入射面に平行に配置される少なくとも２つのプリズムを含み、各プリズムは、第二のビームの異なる部分を受け取り、第二の光軸に関して角度的に偏向された光軸に沿って伝搬する平行分割ビームを形成するように配置され、少なくとも２つのプリズムは、前記３つの平行分割ビームが３つの異なる光軸に沿って伝搬するように方向付けられ、組み立てられる。
【００２６】
本発明によるエリプソメータ又は光波散乱計のその他の非限定的で有利な特徴は、個別に、又は技術的に可能なあらゆる組合せで考えた場合に、以下の通りである：
−光学波面分割ビームスプリッタは、３つの空間的に分離された開口を含むマスクをさらに含む。
−光学偏光変換装置は、少なくとも２つの、好ましくはアクロマティックの波長板を含み、各波長板は異なる位相差を有し、１つの波長板は、３つの分割ビームのうちの１つの上に配置され、他の波長板は３つの分割ビームのうちの他の１つの上に配置される。
−光学偏光スプリッタ装置としては、ウォラストンプリズム、ロションプリズム、セナルモンプリズム、又は回折波長板が含まれる。
−光学波面分割ビームスプリッタは、３つの分割ビームを、隣接する分割ビーム間の角度ＡＬＰＨＡだけ角度的に分離するようになされ、光学偏光スプリッタ装置は、６つの分離ビームを隣接する分離ビーム間の角度ＢＥＴＡだけ角度的に分離するようになされ、角度ＢＥＴＡは０．６＊ＡＬＰＨＡ／２〜１．５＊ＡＬＰＨＡ／２である。
−光源としては、ハロゲンランプ、キセノンフラッシュランプ、スーパコンティニアムレーザ源、及び／又は光ファイバレーザ及び／又はパルス源が含まれる。
−光源は、スーパコンティニアムレーザ源であり、イメージング分光計の入射スリットから上流の第二のビームの光路上に配置された円柱レンズをさらに含み、円柱レンズは、入射スリットの長さ方向を横切る方向に６つの画像を拡張するようになされ、方向付けられる。
【００２７】
有利な点として、エリプソメータ又は光波散乱計は、第一の光源ダイアフラムを含み、光学照明システムは、第一の光源ダイアフラムの第一の画像を試料上に形成するようになされ、及び／又は第二の光源ダイアフラムを含み、光学照明システムは第二の光源ダイアフラムの第二の画像を試料上に形成するようになされ、第一の光源ダイアフラムと第二の光源ダイアフラムとの表面積の比は１０より大きいか、これと等しい。
【００２８】
特定の有利な実施形態によれば、光源は、Ｎ１個の光パルスの第一の連続を発生するようになされ、Ｎ１は自然数であり、画像検出器は、画像検出器が飽和せずに、Ｎ１個の光パルスの第一の連続の６つのスペクトル部分画像の第一の画像を取得するようになされ、光源は、Ｎ２個の光パルスの第二の連続を発生するようになされ、Ｎ２は自然数であり、Ｎ２はＮ１＋１〜２５．Ｎ１の間であり、画像検出器は、６つのスペクトル部分画像の第一の部分では画像検出器が飽和し、且つ６つのスペクトル部分画像の第二の部分では画像検出器が飽和せずに、Ｎ２個の光パルスの第二の連続の第二の画像を取得するようになされ、処理システムは、第一の画像の６つのスペクトル部分画像の第一の部分を第二の画像の６つのスペクトル部分画像の第二の部分と結合して、そこから分光エリプソメトリ測定データを推測するようになされる。
【００２９】
特定の有利な方法で、少なくとも２つのスペクトル部分画像は中間領域によって相互に空間的に分離され、画像処理システムは、中間領域内のスプリアス光の強度を測定して、前記スプリアス光の強度を６つのスペクトル部分画像の画像の少なくとも一部から差し引くようになされる。
【００３０】
特定の態様によれば、エリプソメータは、試料ホルダを移動させるためのシステムをさらに含み、光源は、光パルスの連続を発生するようになされ、検出システムは、試料ホルダの変位中に光パルスの連続に対応する６つの分離ビームの取得の連続を取得するようになされ、処理システムは、取得の連続を処理して、そこから、試料ホルダの変位に応じたエリプソメトリ測定データの連続を推測するようになされる。
【００３１】
他の特定の態様によれば、エリプソメータ又は光波散乱計は、試料の表面を照明するようになされた補助光源及び／又は試料の少なくとも１つの画像を取得するようになされた補助カメラを含む。
【００３２】
本発明はまた、エリプソメトリ測定方法も提案し、これは以下のステップ、すなわち：
−偏光入射光ビームを発生するステップと、
−偏光入射光ビームを、入射面内の入射光軸に沿って試料に向かって方向付けるステップと、
−試料上の所定の入射角での偏光入射光ビームの反射又は透過により形成される第二のビームを受け取るステップであって、第二のビームは入射面内の第二の光軸に沿って伝搬するステップと、
−波面分割により第二のビームを光学的に分割して、３つの異なる光軸に沿って伝搬する３つの平行分割ビームを形成するステップであって、３つの異なる光軸は、入射面を横切る平面において角度的に分離されるステップと、
−３つの平行分割ビームのうちの少なくとも２つの偏光を変化させて、３つの異なる偏光状態に応じて偏光された３つのビームを形成するステップと、
−３つの偏光ビームを偏光分割して、入射面を横切る平面内で角度的に分離された６つの光軸に沿って伝搬する６つの分離ビームを形成するステップと、
−６つの分離ビームを検出して、それらからエリプソメトリ測定データを推測するステップと、
を含む。
【００３３】
特定の態様によれば、方法は次の追加のステップ、すなわち：
−整列され、空間的に分離された６つの画像への６つの分離ビームを、分光計の入射スリットへと同時に集光するステップと、
−６つの画像を空間的に散乱させて、画像検出器上に空間的に分離された６つのスペクトル部分画像を同時に形成するステップと、
−６つのスペクトル部分画像の画像を取得するステップと、
−６つのスペクトル部分画像の画像を処理して、そこから分光エリプソメトリ又は光波散乱計測による測定を推測するステップと、
を含む。
【００３４】
本発明はまた、光波散乱計にも関し、これは、光源光ビームを発生するようになされた光源と、光源光ビームを受け取って、偏光入射光ビームを形成するようになされた偏光子と、偏光入射光ビームを入射面内の入射光軸に沿って試料へと方向付けるようになされた光学照明システムと、所定の入射角での試料上の偏光入射光ビームの回折により形成される第二の光ビームを受け取るように配置された光学波面分割ビームスプリッタであって、第二の光ビームは入射面内の第二の光軸に沿って伝搬し、入射面を横切る平面において角度的に分離された３つの異なる光軸に沿って伝搬する３つの平行分割ビームを形成するように方向付けられる光学波面分割ビームスプリッタと、３つの平行分割ビームを受け取り、３つの異なる偏光状態に応じて偏光された３つのビームを形成するようになされた光学偏光変換装置と、３つの異なる偏光状態に応じて偏光された３つのビームを受け取って、入射面を横切る平面内の６つの角度的に分離された光軸に沿って伝搬する６つの分離ビームを形成するように配置され、方向付けられた光学偏光スプリッタ装置と、６つの分離ビームを検出するようになされた検出システム及びそこから光波散乱計測による測定データを抽出する処理システムと、を含む。
【００３５】
特定の実施形態によれば、光波散乱計は、６つの分離ビームを受け取って、整列され、空間的に分離された６つの画像を形成するように配置された光学集光システムと、１つの方向に沿って長く、６つの画像を同時に受け取るように配置された入射スリットを含むイメージング分光計であって、６つの画像をスペクトル散乱させて、画像検出器上に空間的に分離された６つのスペクトル部分画像を同時に形成するようになされたイメージング分光計と、を含み、画像検出器は、６つのスペクトル部分画像の画像を取得するようになされ、処理システムは、６つのスペクトル部分画像の画像を処理し、そこから分光光波散乱計測による測定データを推測するようになされる。
【００３６】
非限定的な例として提供される添付の図面に関する以下の説明により、本発明が何から構成され、どのように実施できるかをよく理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】第一の実施形態によるエリプソメータ又は光波散乱計の断面図を、試料上に集光された入射光と共に概略的に示す。
【図２】図１に示されるエリプソメータ又は光波散乱計の検出アームの切断面ＢＢに沿った図を概略的に示す。
【図３】光学波面分割ビームスプリッタの第一のマスクの正面図を概略的に示す。
【図４】図１及び２において検出アームの中で使用されているセグメントレンズの斜視図を概略的に示す。
【図５】第一の実施形態による分光エリプソメータ又は光波散乱計の３Ｄ図を概略的に示す。
【図６】第二の実施形態によるエリプソメータ又は光波散乱計の断面図を、平行入射ビームと共に概略的に示す。
【図７】図６に示されるエリプソメータ又は光波散乱計の検出アームの切断面ＣＣによる図を概略的に示す。
【図８】実施形態のうちの１つによる分光エリプソメータ又は光波散乱計を通じた光源ダイアフラムの、光学収差のない分光偏光画像を概略的に示す。
【図９】実施形態のうちの１つによる分光エリプソメータ又は光波散乱計を通じた光源ダイアフラムの、光学収差を含めた分光偏光画像を概略的に示す。
【図１０】補助的光源及び補助的可視化機能を備えるエリプソメータ又は光波散乱計の断面図を概略的に示す。
【図１１】試料のＰＳＩの画像及びＤＥＬＴＡの画像を形成するために使用されるスペクトル部分画像の例を概略的に示す。
【図１２】補助的可視化画像の例を、試料の画像に重ね合わせられたエリプソメトリスポットと共に示す。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
装置と方法
図１〜５において、第一の実施形態によるエリプソメータ又は光波散乱計を示す。
【００３９】
エリプソメータ又は光波散乱計は、測定対象の試料６のそれぞれの側に配置された照明アーム５０と検出アーム６０を含む。照明アーム５０は、光源１と、第一の光学系２と、光源ダイアフラム３と、他の光学集光系４と、偏光子５と、を含む。好ましくは、偏光子５は、光学集光システム４から下流に配置される。代替案として、偏光子５は、光学集光システム４から上流に、又は光学集光システム４の異なるコンポーネント間に配置できる。
【００４０】
光源１は、キセノンフラッシュランプの場合に好ましくはスペクトル拡張された波長範囲、例えば３６０ｎｍ〜７００ｎｍの光源光ビーム１０を発出する。第一の光学系２は、光源の画像を光源ダイアフラム３上に形成する。代替案として、その端が光源ダイアフラム３を形成するファイバ光源が使用される。光源１は、後述のように、時間に関して連続的、又はパルス式の光放射を発出する光源とすることができる。光源１は、例えばハロゲンランプ、キセノンフラッシュランプ、スーパコンティニアムレーザ源、及び／又は光ファイバレーザを含む。変形型として、光源１は単色光源光ビーム１０を発出する。
【００４１】
偏光子５は、光源光ビーム１０を受け取り、偏光入射光ビーム１１を形成する。光学集光システム４は光源ダイアフラム３の画像を試料６上に形成し、それによって偏光入射光ビーム１１は試料６の空間的に限定された領域を照明する。偏光入射光ビーム１１は、入射光軸９に沿って試料へと伝搬する。
【００４２】
第一の実施形態において、偏光入射光ビーム１１は、試料上に合焦されるビームであり、換言すれば、球波面に対応する収束ビームである。
【００４３】
偏光入射光ビーム１１の光軸９と試料に対する法線７は入射面８を画定し、これは本明細書において、図１の平面と融合する。偏光子５は例えば、ロション型偏光子であり、その偏光軸は入射面から４５度の向きである。
【００４４】
光源ダイアフラム３は、入射光軸９を横切る平面内に配置され、Ｗｌ，ｓで示される、入射面に垂直な寸法と、Ｗｌ，ｐで示される、入射面に平行な寸法を有する長方形に形成された開口を含む。例えば、光源ダイアフラム３は、ランプの正面に、又はランプの発光領域の画像上に設置された、寸法Ｗｌ，ｓ及びＷｌ，ｐの長方形の開口を含む。
【００４５】
検出アーム６０は、試料６上の偏光入射光ビーム１１の反射、透過、又は回折により形成された第二の光ビーム１２を分析する。第二の光ビーム１２が試料６によって反射又は透過される場合、反射エリプソメータ、又は透過エリプソメータについて述べられる。第二の光ビーム１２が試料６上で回折される場合、波面散乱計について述べられる。
【００４６】
第二の光ビーム１２は、入射面８内の第二の光軸１９に沿って伝搬する。エリプソメータでは、第二の光軸１９と試料に対する法線７との間の角度は入射角（ＡＯＩ）の絶対値と等しい。光波散乱計の場合、第二の光軸１９と試料に対する法線７との間の角度は一般に、入射角とは異なる。
【００４７】
第一の実施形態において、第二の光ビーム１２は、球波面に対応する発散ビームである。
【００４８】
図２は、第一の実施形態による検出アーム６０を、入射面８を横切り、第二の光軸１９を含む切断面ＢＢにおいて概略的に示す。検出アーム６０は、光学波面分割ビームスプリッタ２０と、光学偏光変換装置２５と、光学偏光スプリッタ装置２６と、光学集光システム２７と、検出システムと、を含む。分光エリプソメータ又は光波散乱計の場合、検出システムは少なくとも１つの分光計３０を含む。特定の有利な態様では、分光計３０はイメージング分光計のタイプのものである。
【００４９】
より正確には、第一の実施形態において、光学波面分割ビームスプリッタ２０は、第一のマスク２１とセグメントレンズ２２を含む。任意選択により、光学波面分割ビームスプリッタ２０は、セグメントレンズ２２と光学偏光スプリッタ装置２６との間に配置された第二のマスク２４を含む。
【００５０】
図３は、空間的に相互に分離され、不透明バーにより取り囲まれる３つの開口２１１、２１２、２１３を含む第一のマスク２１の正面図である。第一のマスク２１は、例えばブラックニッケルの薄板で生成され、この薄板の厚さは１２μｍ〜８０μｍである。３つの開口２１１、２１２、２１３は、第二の光軸１９を横切る平面内に配置される。図の例では、マスク２１の中央の開口２１２は、入射面８内に配置され、側方開口２１１及び２１３は、入射面に関して対称に配置される。好ましくは、３つの開口２１１、２１２、２１３は長方形であり、横並びに配置され、一方の辺は入射面に平行であり、他方の辺は入射面に垂直である。例えば、３つの開口２１１、２１２、２１３は、入射面を横切る幅Ｄが２ｍｍであり、入射面内の長さＬは１．５ｍｍであり、隣接する開口間の距離Ｇは０．５ｍｍである。距離Ｇは、不透明バーの厚さに対応する。
【００５１】
マスク１の開口２１１、２１２、２１３は、第二のビーム１２の入射角を限定するために、限定された長さＬを有する。代替案として、少なくとも他の開口ダイアフラムが照明アーム上に、及び／又は検出アーム上に配置されて、入射ビームの、及び／又は、それぞれ、反射、透過、若しくは回折ビームの入射角を限定する。
【００５２】
セグメントレンズ２２は図４に示されている。セグメントレンズ２２は、同じ焦点距離の３つのレンズセグメント２２１、２２２、２２３の組立体から形成される。３つのレンズセグメント２２１、２２２、２２３は、同一の球面レンズから、又は３つの同様の球面レンズから得ることができる。レンズセグメント２２１、２２２、２２３は、等方性（非複屈折）材料からカットされて、再組立され、ビームの偏光を変化させやすい複屈折パターンの形成が回避される。レンズセグメント２２１、２２２、２２３は例えば、接着される。レンズセグメントのカットと再組立は、辺間の接合面が相互に平行で、入射面に平行に配置されるように行われなければならない。セグメントレンズ２２は、多焦点レンズである。ここで使用される３つの焦点を持つセグメントレンズは、通常、レンズと呼ばれるものの特定の種類ではなく、それとは違い、異なる、特定の光学コンポーネントである。
【００５３】
Ｆａ、又はＦｂ、Ｆｃをレンズセグメント２２１、又は２２２、２２３の光軸２２５、又は２２６、２２７上の物体焦点とする。セグメントレンズ２２は、３つの光軸２２５、２２６、２２７が相互に平行で、３つの物体焦点Ｆａ、Ｆｂ、及びＦｃが入射面を横切る方向に沿って並び、少なくとも１つの物体焦点Ｆａ、Ｆｂ、Ｆｃが試料６のものであるように配置される。例えば、中央のレンズセグメント２２２の光軸は第二のビーム１２の光軸１９と整列し、物体焦点Ｆｂは試料６上の第二の光ビーム１２の交点にある。換言すれば、物体焦点Ｆｂは、試料上に合焦されるビームのスポット６６の上にある。
【００５４】
非限定的な例として、３つのレンズセグメント２２１、２２２、２２３の焦点距離は１００ｍｍ、入射面内の高さＨは３ｍｍ、及び入射面を横切る厚さＥは２ｍｍである。
【００５５】
第一のマスク２１は好ましくは、セグメントレンズ２２の正面付近に配置され、それによって光軸２２５、又は２２６、２２７は第一のマスク２１の開口２１１、又は２１２、２１３を通過する。したがって、第一のマスク２１は、セグメントレンズと共に、第二の光ビーム１２の波面を３つの分割光ビームに分割する。開口２２１、２２２、２２３の幅Ｄと第一のマスク２１の不透明バーの厚さＧは、レンズ２２１、２２２、２２３の厚さＥに応じて、セグメントレンズ２２の各レンズセグメントが１つのみの分割ビームを受け取るようになされる。レンズセグメント２２１、又は２２２、２２３は、分割ビーム１３、又は１４、１５をコリメートする。レンズセグメント２２１は第一の分割ビーム１３を形成し、これは第二のビーム１２の光軸１９に関して角度ＡＬＰＨＡだけ傾斜された光軸に沿ってコリメートされ、伝搬する。レンズセグメント２２２は第二の分割ビーム１４を形成し、これは第二のビーム１２の光軸１９に沿ってコリメートされて伝搬する。レンズセグメント２２３は第三の分割ビーム１５を形成し、これは第二のビーム１２の光軸１９に関して、角度−ＡＬＰＨＡだけ、好ましくは対称に傾斜された光軸に沿ってコリメートされ、伝搬する。
【００５６】
したがって、３つの平行分割ビーム１３、１４、１５は、３つの異なる光軸１６、１７、１８に沿って伝搬する。３つの平行分割ビーム１３、１４、１５の各々は、平面波面を有する。３つの異なる光軸１６、１７、１８は、入射面を横切る図２の平面内にある。３つの平行分割ビーム１３、１４、１５のうちの何れの２つの隣接ビームも、光学波面分割ビームスプリッタ２０の射出口において、角度ＡＬＰＨＡだけ角度的に分離される。
【００５７】
第一の実施形態の変形型によれば、セグメントレンズと１つ又は複数の従来の発散又は収束レンズの組合せを含む光学系を使って、第二のビームの少なくとも３つのビームへの角度分離を得る。
【００５８】
任意選択により、マスク２１と同様の３つの開口を持つ第二のマスク２４が、セグメントレンズ２２の中のスプリアス散乱をブロックするために配置される。第二のマスク２４は、第一のマスク２１のそれと同様の構造を有し、３つの開口が第一のマスク２１と同じ方向の不透明バーによって分離される。
【００５９】
光学偏光変換装置２５は、セグメントレンズ２２と光学偏光スプリッタ装置２６との間に設置される。光学偏光変換装置２５は、各々が異なる位相差を有する少なくとも２つの複屈折波長板２５１、２５３を含む。図２に示される例において、複屈折波長板２５１は、第一の平行ビーム１３の光路上に挿入され、他の複屈折波長板２５３は第三の平行分割ビーム１５の光路上に挿入される。この例では、第二の平行分割ビーム１４の光路上に波長板は配置されない。例えば、波長板２５１はその軸が入射面から約２２．５度の方向のアクロマティック１／２波長板であり、他方の波長板２５３は、その軸が入射面内の方向であるアクロマティック１／４波長板である。波長板２５１、２５３は、平行分割ビーム１３、１５の伝搬光軸を変化させず、平行分割ビーム１３、１５の偏光のみを変化させる。さらに、波長板２５１、２５３は、時間に応じて一定の位相差を導入する。波長板２５１、２５３はしたがって、時間に応じた偏向変調を導入しない。
【００６０】
光学偏光変換装置２５の射出口では、したがって、３つのビームが得られ、これらはコリメートされ、３つの異なる偏光状態により偏光され、入射面を横切る平面内の３つの光軸１６、１７、１８に沿って伝搬する。
【００６１】
光学偏光スプリッタ装置はここでは、ウォラストンプリズム２６を含む。ウォラストンプリズム２６は、光学偏光変換装置２５の下流に設置される。ウォラストンプリズム２６の入射面２６１は、第二の平行分割ビーム１４の光軸を横切り、その上に中心を有する。そのように配置されると、ウォラストンプリズム２６は、その入射面２６１に入射する、３つの異なる偏光状態に従って偏向される、第一、第二、及び第三の平行分割光ビーム１３、１４、１５を捉える。
【００６２】
ウォラストンプリズム２６はここでは、平面分割界面２６２において横並びに配置される２つの直角プリズム２６４、２６５で形成される。ウォラストンプリズムは、各入射ビーム１３、１４、１５を入射面に垂直な分割面に従って偏光分割する。図２の平面は分割面に対応する。同じ平行入射ビームからのウォラストンプリズム２６の射出口における２つの偏光分割ビーム間の分割角度は、ＢＥＴＡで示される。ウォラストンプリズム２６は、角度ＢＥＴＡが０．６＊ＡＬＰＨＡ／２〜１．５＊ＡＬＨＰＡ／２となるように選択される。好ましくは、ＢＥＴＡはＡＬＰＨＡ／２と等しくなるように選択される。例えば、角度ＢＥＴＡは、波長５８９ｎｍの場合に２．６５度と等しい。ウォラストンプリズムは例えば、２．６５度の分離角度ＢＥＴＡのクォーツ、ホウ酸バリウム、カルサイト結晶で、又は分離角度が０．７５度のフッ化マグネシウムで製作される２つのプリズムで形成できる。
【００６３】
第一の種類のウォラストンプリズムによれば、分離ビームの偏光はそれぞれ、分割面に平行及び垂直である。本明細書において、偏光分割からの２つのビームの偏光が分割面から４５度である、別の種類のウォラストンの使用が好ましい。ビームを分割面から＋４５度又は−４５度で偏光分割するというこの推奨の理由は以下の通りである：回折格子分光計の効率は、偏光に依存することが知られている。第一の種類のウォラストンプリズムの場合、偏光ステージにより分離されるビームの偏光はすると、検討中のビームに応じて、格子の線に平行又は垂直となる。強度が同じで偏光が異なる２つのビームはすると、この、偏光に応じて異なる効率によって、イメージング分光計のイメージセンサ上に異なる信号を生成する。それに対して、分割面から＋４５度又は−４５度でビームの偏光を分離することによって、異なる偏光のビームが回折格子によって同じ効率で、また、その偏光Ｉｉ，＋又はＩｉ，−に関係なく回折され、インデックスｉ＝１、２、３は、光学波面分割ビームスプリッタにより分割されるビーム１３、１４、１５のうちの１つを示し、インデックス＋は、ウォラストンプリズムにより分離される、＋４５度のコンポーネントを表し、インデックス−は−４５度のコンポーネントを表す。この特性は、偏光に応じた格子ネットワークの効率の差に関係するエラーによって影響を受けない形態δｉ＝（ｉｉ，＋−Ｉｉ，−）／（ｉｉ，＋＋Ｉｉ，−）のエリプソメトリ又は光波散乱計測の値を得るために有益である。適当なキャリブレーションによって異なる経路の応答を補正することができれば、この推奨による構成により、このキャリブレーションを実行しないか、又はそれにも関わらず実行された場合に、キャリブレーション係数を、これらの係数の波長依存性等のエラーの原因の影響を受けにくいものとすることが可能となる。
【００６４】
図２に示される例において、第一の種類のウォラストンプリズムによれば、第一の直角プリズム２６４の光軸は入射面８に平行且つ、３つの分割光ビーム１３、１４、１５の３つの光軸１６、１７、１８に垂直であり、第二の直角プリズム２６５の光軸は入射面８に垂直である。
【００６５】
このような向きで、ウォラストンプリズム２６は、分割界面２６２に入射する第一の平行分割光ビーム１３から、ウォラストンプリズム２６の射出面２６３から出る２つの偏光ビーム１３１、１３２を生成する。
【００６６】
２つの偏光ビーム１３１、１３２は、好ましくは±４５度で相互に直交する２つの偏光状態に応じて偏光される。２つの偏光ビーム１３１、１３２は、ウォラストンプリズムの分離角度ＢＥＴＡ、ここでは２．６５度だけ角度的に分離される２つの伝搬方向に沿って伝搬する。２つの偏光ビーム１３１、１３２はコリメートされる。
【００６７】
同様にして、ウォラストンプリズム２６は、それぞれ分割界面２６２に入射する第二の分割光ビーム１４及び第三の分割光ビーム１５から、ウォラストンプリズム２６の射出面２６５から出る２つの偏光ビーム１３３、１３４及び２つの偏光ビーム１３５、１３６を生成する。
【００６８】
２つの偏光ビーム１３３、１３４（又は、２つの偏光ビーム１３５、１３６）は、相互に垂直な２つの偏光に応じて偏光され、ウォラストンプリズム２６の分離角度ＢＥＴＡだけ分離される２つの異なる伝播方向に沿って伝搬する。
【００６９】
したがって、ウォラストンプリズム２６は合計６つの偏光ビーム１３１、１３２、１３３、１３４、１３５、１３６を生成する。
【００７０】
ウォラストンプリズム２６の分離角度は、６つの偏光ビーム１３１、１３２、１３３、１３４、１３５、１３６が相互に角度的に分離され、その一方で入射面８を横切る平面内で伝搬する、というものである（図５の斜視図参照）。有利な点として、ＢＥＴＡ＝ＡＬＰＨＡ／２の場合、６つの偏光ビーム１３１、１３２、１３３、１３４、１３５、１３６のうちの何れの２つの隣接ビームも、ウォラストンプリズム２６の射出口で角度ＢＥＴＡだけ角度的に分離される。
【００７１】
変形型として、ウォラストンプリズムの代わりに、偏光分割手段２６は例えば、ロションプリズム、セナルモンプリズム、又は回折波長板を含んでいてもよい。
【００７２】
有利な点として、光学集光システム２７は、ウォラストンプリズム２６の射出口に設置される。光学集光システム２７は、例えば、焦点距離が１０ｍｍのレンズを含む。光学集光システム２７は、６つの平行偏光ビーム１３１、１３２、１３３、１３４、１３５、１３６を受け取り、これらを検出システム上の６つの画像１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、１４６に集光させる。例えば、検出システムは、６つの偏光ビーム１３１、１３２、１３３、１３４、１３５、１３６に対応する６つの強度測定データを取得するための幾つかの独立した検出器を含む。他の例では、イメージング検出器は、６つの画像１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、１４６を受け取って、６つの強度測定データを取得する。分光エリプソメータ又は光波散乱計の特定の例において、６つの画像１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、１４６は、イメージング分光計３０の入射スリット３１上に集光される。６つの画像は相互に空間的に分離され、他方で、入射面８を横切る方向に沿って整列される。
【００７３】
本開示の特定の態様によれば、イメージング分光計３０は、その入射スリット３１が、光学波面分割ビームスプリッタ２０、ウォラストンプリズム２６、及び光学集光システム２７により作られる６つの画像の平面内にあるように設置される。好ましくは、入射スリット３１は、６つの画像１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、１４６の整列方向に平行な、すなわち入射面８に垂直な軸に沿って長い長方形である。
【００７４】
イメージング分光計３０は周知の何れかの分光計であり、入射スリット３１、散乱及び集光手段、及びイメージセンサ３３を有する。得られた画像は、入射スリット３１に沿って異なる横座標で入射する光に対応するスペクトル群を表す。イメージング分光計の例は、株式会社堀場製作所の分光計ＣＰ１４０又は、同社のＣＰ２０である。これらの分光計は、色収差から補正された凹型回折格子の使用に基づくものであり、これによってスペクトル散乱とイメージセンサ上でのスペクトルの集光が確実に行われる。オフナイメージング分光計等、同じくこの用途に適応されるその他のイメージング分光計もある。イメージング分光計は、スペクトル散乱方向が入射スリットの軸に直交するように配置される。回折格子イメージング分光計の場合、回折格子２１の線は好ましくは、入射スリット３１に平行である。
【００７５】
図８に示される本開示の態様によれば、光源ダイアフラム３の寸法と、より正確には入射面に垂直な寸法Ｗｌ，ｓは、照明アームの光学系２、４の、及び検出アームの光学系２２、２７の大きさを考慮して十分に小さく、それによって光源ダイアフラム３の６つの画像１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、１４６は、検出システムによって、高さＷｆ，ｓより大きい距離だけ相互に空間的に分離される。特に、イメージング分光計を含む分光エリプソメータ又は光波散乱計の場合、光源ダイアフラム３の６つの画像１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、１４６は、イメージング分光計の入射スリット３１の平面において、高さＷｆ，ｓより大きい距離だけ空間的に分離される。換言すれば、６つの画像１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、１４６は、検出システムの、又はイメージング分光計３０の入射スリット３１の平面において相互に重複しない。任意選択によるが、推奨される態様において、光源ダイアフラム３の他方の寸法Ｗｌ，ｐは十分に小さく、それによって６つの画像１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、１４６の各々の入射面に平行な他方の寸法Ｗｆ，ｐはイメージング分光計３０の入射スリット３１の幅より小さい。本開示によれば、イメージング分光計３０の回折格子３２はすると、イメージセンサ３３上で、第二のビーム１２の６つのスペクトル部分画像（又はそれ以上）を含む画像を生成する。これら６つのスペクトル部分画像は、４１、４２、４３、４４、４５、４６で示され、イメージセンサ３３の表面上で空間的に分離される。各スペクトル部分画像４ｊは、スペクトル拡張された画像１４ｊに対応する。
【００７６】
イメージセンサ３３は、６つのスペクトル部分画像４１、４２、４３、４４、４５、４６のうちの１つの画像を記録するのに適した検出面を有する。イメージセンサ３３は、例えば、ｎ行×ｍ列のピクセルを含むグレイレベルＣＭＯＳカメラを含む。例えば、１２００〜１９２０のピクセルを含む黒白ＣＭＯＳソニーカメラが使用され、約４００×１８００ピクセルの表面積が高速読出しのために使用される。各ピクセルの表面積は５．８６×５．６８μｍである。各スペクトル部分画像４ｊ（ｊ＝１，．．．，６）は、ピクセルの少なくとも１行にわたって延びる。ＣＭＯＳカメラは、高いシンク密度、好ましくは８００電子／μｍ２以上のシンク密度を有するように選択される。イメージセンサ３３は、１ヘルツ、５０Ｈｚ、１００Ｈｚ、又はさらには２００Ｈｚ以上の画像取得速度で動作する。
【００７７】
エリプソメータ又は光波散乱計はまた、画像処理システムも含み、これは以下のステップを適用するようになされる：
−スペクトル部分画像のうち、同じ波長に対応する同じ列の全ピクセルを加算して、６つ（又はそれ以上）の強度スペクトルを得るステップ；
−各波長及び各インデックスｉに関する比δｉ＝（Ｉｉ，＋−Ｉｉ，−）／（Ｉｉ，＋＋Ｉｉ，−）を計算するステップであって、ｉ＝１，２，３、インデックス１，＋はスペクトル部分画像４１に対応し、インデックス１，−はスペクトル部分画像４２に対応し、インデックス２，＋はスペクトル部分画像４３に対応し、インデックス２，−はスペクトル部分画像４４に対応し、インデックス３，＋はスペクトル部分画像４５に対応し、インデックス３，−はスペクトル部分画像４６に対応するステップ；
−縮約ストークスベクトル、すなわちその第一の成分で割ったストークスベクトルを、ベクトル（δ１、δ２、δ３）に適当なマトリクスを乗じることによって計算するステップ。このマトリクスはキャリブレーションにより、既知の偏光状態での測定によって既に特定されている。
【００７８】
同様に、単色エリプソメータ又は光波散乱計もまた、処理システムを含み、これは以下のステップを適用するようになされる：
−６つの偏光ビーム１３１、１３２、１３３、１３４、１３５、１３６に対応する６つの強度取得を受け取るステップ；
−各インデックスｉに関する強度比δｉ＝（Ｉｉ，＋−Ｉｉ，−）／（Ｉｉ，＋＋Ｉｉ，−）を計算するステップであって、ｉ＝１，２，３、インデックス１，＋は偏光ビーム１３１に対応し、インデックス１，−は偏光ビーム１３２に対応し、インデックス２，＋は偏光ビーム１３３に対応し、インデックス２，−は偏光ビーム１３４に対応し、インデックス３，＋は偏光ビーム１３５に対応し、インデックス３，−は偏光ビーム１３６に対応するステップ；
−縮約ストークスベクトル、すなわちその第一の成分で割ったストークスベクトルを、ベクトル（δ１、δ２、δ３）に適当なマトリクスを乗じることによって計算するステップ。このマトリクスはキャリブレーションにより、既知の偏光状態での測定によって既に特定されている。
【００７９】
すると、当業者であれば、測定されたストークスベクトルから、及び入射光の偏光状態の知識から、エリプソメータにおいて一般的に使用されるプサイとデルタの値がどのように特定されるかがわかる。偏光係数のほか、光波散乱計で使用される回折係数もまた、同時に特定される。
【００８０】
すると、瞬時的単色又は分光エリプソメトリ又は光波散乱計測による測定、すなわち、偏光変調を行わず、且つ、光学コンポーネントの回転によって振動を誘発させずに、検出システム上での１回の取得、例えば画像検出器上での１つの画像の取得に基づくものが得られる。取得速度は、イメージセンサの読み取り速度によって限定される。単色又は分光エリプソメトリ又は光波散乱計測による測定は、したがって、広いスペクトルバンドについて、１ヘルツから数十ヘルツ、さらには１００Ｈｚ又は２００Ｈｚより高い速度で実行できる。
【００８１】
図６及び７は、第二の実施形態によるエリプソメータ又は光波散乱計を示す。図１〜５のそれらと同様のコンポーネント又はシステムには、同じ参照符号が付与されている。
【００８２】
第一の実施形態と同様に、照明アーム５０は、光源ダイアフラム３と、光学系４と、偏光子５と、を含む。しかしながら、第一の実施形態とは異なり、照明アーム５０の光学系４は、コリメートされ、試料６上に集光されない偏光入射光ビーム１１で試料６を照明するように配置される。第二の実施形態において、偏光入射光ビーム１１は、平面波面に対応する、試料上でのコリメートされたビームである。さらに、第二の実施形態において、試料６上での偏光入射光ビーム１１の反射、透過、又は回折により形成された第二の光ビーム１２はまた、平面波面に対応するコリメートビームでもある。
【００８３】
図７は、第二の実施形態による検出アーム６０を、入射面８を横切り、第二の光軸１９を含む切断面ＣＣにおいて概略的に示す。
【００８４】
第二の実施形態において、光学波面分割ビームスプリッタ２０は、第一のマスク２１と、少なくとも２つのプリズム２３１、２３３を含む。第一のマスク２１は、図３に関連して説明したものと同様である。第一のマスク２１は、第二の光ビーム１２の波面を３つの分割光ビームに分割し、これらはここではコリメートされている。任意選択により、光学波面分割ビームスプリッタ２０は、プリズム２３１、２３３と光学偏光スプリッタ装置２６との間に配置された第二のマスク２４を含む。
【００８５】
例えば、光学波面分割ビームスプリッタ２０は、マスク２１の開口２１１に対向して配置された第一のプリズム２３１と、マスク２１の開口２１３に対向して配置された第二のプリズム２３３を含む。したがって、各プリズム２３１、又は２３３は、１つのみの分割ビーム１３、又は１５を受け取る。有利な点として、開口２１２に対向して配置されるプリズムはなく、３つの分割光ビームうちの１つ、図の例では分割ビーム１４が偏向されずに通過させられる。プリズム２３１、２３３は好ましくは同じであり、それらの縁辺が各々、入射面に平行且つ第二の光軸１９に垂直な方向に沿って延びるように方向付けられる。例えば、シリカで製作される、断面が三角形又は四角形で、入射面と射出面との間の角度が１°〜８°のプリズムが使用される。好ましくは、プリズム２３１、２３３は、わずかなスペクトル発散を有する。プリズム２３１、２３３は好ましくは、それらのそれぞれの底部が相互に対面するか、又はそれらのそれぞれの縁辺が相互に対面するように方向付けられ、開口２１１及び２１３間の距離と等しい距離だけ分離される。したがって、第一のプリズム２３１は、分割ビーム１３を受け取り、それを入射面を横切る平面内で第二のビーム１２の光軸１９に関して角度ＡＬＰＨＡだけ偏向させる。それと対称に、第二のプリズム２３３は分割ビーム１５を受け取り、それを入射面を横切る平面内で第二のビーム１２の光軸１９に関して角度−ＡＬＰＨＡだけ偏向させる。
【００８６】
したがって、３つの平行分割ビーム１３、１４、１５は、３つの異なる光軸１６、１７、１８に沿って伝搬する。分割ビーム１４の光路上にプリズムがないため、このビームは偏向されず、光軸１７は第二の光軸１９と融合する。３つの平行分割ビーム１３、１４、１５の各々は、平面波面を有する。３つの異なる光軸１６、１７、１８は、入射面を横切る図７の平面内にある。有利な点として、３つの平行分割ビーム１３、１４、１５のうちの何れの２つの隣接ビームも、光学波面分割ビームスプリッタ２０の射出口において、角度ＡＬＰＨＡだけ角度的に分離される。
【００８７】
第二の実施形態の変形型によれば、プリズムと１つ又は複数の従来の収束レンズの組合せを含んで、第二のビームを少なくとも３つのビームに角度分離する光学系が使用される。
【００８８】
光学偏光変換装置２５は、３つの分割ビームのうちの少なくとも２つの偏光を変化させて、入射面を横切る平面で３つの光軸１６、１７、１８に沿って伝搬する、３つの異なる偏光状態に応じて偏光される３つの平行ビームを形成するように配置される。
【００８９】
第二の実施形態の偏光分離装置２６は、第一の実施形態のそれと同様であり、同様に相互に角度的に分離された６つの偏光ビーム１３１、１３２、１３３、１３４、１３５、１３６を形成するように動作する。光学集光システム２７とイメージング分光計３０は、第一の実施形態の図１、２、及び７に関して説明したものと同様である。
【００９０】
上述の２つの実施形態において、６つの空間的に分離された偏光ビームが検出システム上で得られる。有利な点として、イメージング分光計を含む分光エリプソメータ又は光波散乱計において、６つの偏光ビームは、イメージング分光計３０の入射スロット上に６つの画像を形成する。
【００９１】
図８は、選択された構成に応じて分光エリプソメータ又は光波散乱計及び反射性又は透過性試料を通じた光源ダイアフラムの分光偏光画像を概略的に示す。光源ダイアフラム３（図８の正面図内）は、入射光軸９を横切る平面内で寸法Ｗｌ，ｓ及びＷｌ，ｐの長方形の開口内に内接する。照明アームの光学系４は、試料上に、試料の平面内で寸法Ｗｅ，ｓ及びＷｅ，ｐの光源ダイアフラム３の画像６６を形成する。一方で寸法Ｗｅ，ｓ及びＷｌ，ｓ間の、及び他方で寸法Ｗｅ，ｐ及びＷｌ，ｐ間の比は、光学システム４の、及び試料６への入射角の光学的大きさに依存する。イメージング分光計３０の入射スロット３１の平面内で、６つの画像１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、及び１４６が得られ、各々、光学収差がなく、同じ寸法Ｗｆ，ｓ及びＷｆ，ｐを有する長方形を有する。イメージング分光計３０の２次元イメージセンサ３３の平面内で、６つのスペクトル部分画像４１、４２、４３、４４、４５、及び４６が得られ、各々、光学収差のない、同じ寸法Ｗｉ，ｓ×Ｗｉ，ｐの長方形を有する。６つのスペクトル部分画像４１、４２、４３、４４、４５、及び４６は、相互に、ピクセル１行又は複数行分だけ空間的に分離される。より正確には、６つのスペクトル部分画像４１、４２、４３、４４、４５、及び４６は、イメージセンサ３３の平面内で、その中で検出される強度がヌル又は非常に低い、それぞれ５１、５２、５３、５４、及び５５で示される少なくとも５つの中間領域によって分離される。ヌル又は低いとは、本明細書では、６つのスペクトル部分画像４１、４２、４３、４４、４５、及び４６の何れにおいても、背景信号を差し引くと、関心対象の各波長について、分離領域内の信号の値が、この同じ波長に対応するピクセルで観察される信号の最大値の少なくとも１０分の１であることを意味する。
【００９２】
６つの画像１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、及び１４６をイメージング分光計の入射スロット３１の平面内で分離するために、寸法Ｗｆ，ｓが２つの隣接画像、例えば１３１及び１３２間の間隔に関して十分に小さく、画像が相互に重複しないようにすることが必要である。その目的のために、一方で光学波面分割ビームスプリッタ２０により、他方で光学偏光スプリッタ装置２６によって行われた６つの経路間の角度分離は、６つの画像１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、及び１４６が入射スロット３１の平面内で空間的に分離されるように、十分に高い。異なる光学集光及びイメージングシステム２、４、２２、２７に収差がない場合、当業者は、特段の問題なく、光学波面分割ビームスプリッタ２０の、及び光学偏光スプリッタ装置２６のパラメータを、光源ダイアフラム３の寸法及び照明及び検出アームの光学系の焦点距離に応じて適応させて、イメージング分光計の入射スロット３１の平面内の光源面の６つの画像が相互に重複しないようにするであろう。
【００９３】
しかしながら、光学系は一般に、幾何学及び／又は色光学収差を示す。図９に示されているように、イメージング分光計のセンサで観察されるスペクトル部分画像４１、４２、４３、４４、４５、及び４６の各々の幅Ｗｉ，ｓは収差、不完全性によって、及び光学集光システム４及び／又は２７からのスプリアス光の、光学波面分割ビームスプリッタ２０の、光学偏光スプリッタ装置２６の、及び／又はイメージング分光計３０の生成によって影響を受ける。
【００９４】
本開示の特定の態様によれば、その中で検出される強度がヌル又は非常に低い中間領域５１、５２、５３、５４、及び５５は、有利な点として、６つの相補的な偏光に関する情報に関連付けられる６つのスペクトル部分画像間にクロストークが生じないことを確実にするために使用される。他方で、たとえクロストークがなくても、ある程度のスプリアス光が依然として存在する。このスプリアス光は、画像の非常に照明された領域が、非常に照明された領域のみを超えて広がるスプリアス照明を生成することに対応する。小型分光計でスプリアス光のレベルを０．５％未満に下げることは難しい。現在、エリプソメータにおいて、０．１％より高い測定精度が一般に求められる。すると、スプリアス光を特定して、その後差し引くことが可能であれば有利となる。その目的のために、スプリアス光が一般にほとんど合焦されないこと、すなわち、スプリアス光のレベルは空間座標に応じてゆっくりと増大することが利用される。中間領域５１、５２、５３、５４、及び５５は、理論的に信号をまったく受け取らない。本開示の特定の態様によれば、信号は１つ又は複数の中間領域５１、５２、５３、５４、及び／又は５５の中で測定されて、隣接するピクセルでのスプリアス光のレベルが推定される。隣接するピクセルとは、本明細書において、約１０〜数十のピクセルの辺を有する長方形の中に配置されるピクセルを意味する。測定は、スペクトル部分画像４１、４２、４３、４４、４５、及び４６の中で、捜索対象の信号に対応する経路のピクセルから、例えば最も近い中間領域５１、５２、５３、５４、及び５５の、換言すれば、平均約１０〜数十のピクセルの辺を有する長方形の中の特定の数の隣接するピクセルの、すなわち隣接する波長についての値の平均によって得られるスプリアス光の推定値を差し引くことによって補正される。
【００９５】
前述のように、縮減ストークスベクトルは、６つの偏光ビームの、又は空間的に分離され、画像検出器上で偏光分割される６つのスペクトル部分画像４１、４２、４３、４４、４５、及び４６の測定から得られる。この測定は、検出システムの取得速度、例えば５０Ｈｚ又は１００Ｈｚで取得できる。本明細書において、時間的な偏光変調が不要であることが強調される。
【００９６】
第一の例示的な実施形態によれば、照明アーム５０は、５Ｗのパワーを有するキセノンフラッシュランプ１を含み、第一の光学系２は、キセノンフラッシュランプ１のアークの画像を幾つかの光源ダイアフラムを担持するデバイスに合焦させるレンズと、大きさがＷｌ，ｓ＝５４０μｍ×Ｗｌ，ｐ＝２５０μｍの第一の光源ダイアフラムと、大きさがＷｌ，ｓ＝５０μｍ×Ｗｌ，ｐ＝２５μｍの第二の光源ダイアフラムと、を含む。光学集光システムはレンズ４を含み、これは焦点距離が５０ｍｍであり、光源ダイアフラムの画像をレンズ４から１００ｍｍの位置に設置された試料６の上に拡大率１で形成する。ロション偏光子５は、このレンズ４の射出部に設置され、その偏光軸は入射面８から４５度で方向付けられる。受容アーム６０は、焦点距離が１００ｍｍのセグメントレンズ２２を含む。このセグメントレンズ２２は、Ｎ−ＢＫ７で製作された焦点距離１００ｍｍの両凸レンズから、図４に示されるように、幅Ｅ≒１ｍｍ、高さＨ≒８ｍｍの３つのセグメント２２１、２２２、２２３をカットし、その後、３つのセグメント２２１、２２２、２２３を接着により組み立てることによって製造される。反射された第二のビーム１２の光路上の、試料から１００ｍｍの位置に設置されたセグメントレンズ２２は、約１．８度の角度だけ分離された３つの平行ビーム１３、１４、１５を作る。分割平面は、第二のビーム１２の光軸１９を含む入射面に垂直な平面である。３つの開口２１１、２１２、２１３を有するマスク２１は、セグメントレンズ２２の正面に設置されて、３つの平行ビーム１３、１４、１５を有効に分離しながら、第二のビームのうち２つの隣接するセグメント間の接合領域に入射する部分がレンズセグメントを通って入り、他のレンズセグメントを通って出ることを回避する。セグメントレンズ２２の直後に、波長板２５１がレンズセグメント２２１の正面に設置され、又は、他の波長板２５３が他のレンズセグメント２２３の正面に設置されて、各々がこれら２つのレンズセグメント２２１、又は２２３のうちの一方を通過する平行ビーム１３、又は１５を正確に捉える。波長板２５１は例えば、その軸が入射面から約２２．５度に方向付けられるアクロマティック１／２波長板である。波長板２５３は例えば、その軸が入射面内で方向付けられるアクロマティック１／４波長板である。非偏光ビームを０．９度の角度ＢＥＴＡだけ分離して、分割面から＋４５及び−４５度だけ偏向された２つのビームにするウォラストンプリズム２６が、３つすべての平行ビーム１３、１４、１５の経路上に設置され、その分割平面は入射面に垂直である。焦点距離１０ｍｍのレンズ２７は、ウォラストンプリズム２６の射出部に設置されて、６つの分離ビーム１３１、．．．、１３６を株式会社堀場製作所の分光計ＣＰ２０の入射スリット３１に集光する。入射スリットの大きい寸法、２ｍｍが、６つの分離ビーム１３１、．．．、１３６の散乱面内に設置される。入射スリットの小さい寸法は２５μｍである。分光計ＣＰ２０を備える画像検出器３３は、そのピクセルが５．８６μｍの辺であるソニーの単色センサである。
【００９７】
図８は、センサにより得られる画像と、上で定義された、信号処理に関連する異なる領域４１、．．．、４６を概略的に示す。これらの領域４１、．．．、４６の各々で取得される強度の値によって、そこから試料のプサイ及びデルタの分光分析値を推測することが可能となる。
【００９８】
本開示の分光エリプソメータ又は光波散乱計により、測定データ取得持続時間を光源ダイアフラム３の大きさ及び測定対象の試料の特性に応じて適応させることができる。実際に、反射エリプソメータは、アルミニウム等の高反射性材料で、又はガラス等のほとんど反射性のない材料で使用できる。現在、マトリクスイメージセンサで得られる信号対ノイズ比は、露光時間が、最大信号が飽和に近いがそれに到達せず、最善でもイメージセンサ３３のダイナミックを使用するように選択されたときによりよい場合が多いと知られている。本開示によるシステムによって、イメージセンサ３３の取得持続時間を、関心対象の波長バンド上で最大の信号、すなわち飽和に近いが、この飽和に到達しない信号を取得するために適応させることが可能となる。本開示によれば、イメージセンサ３３の取得持続時間は、欠点を生じさせることなく、実験条件に応じて広い範囲に、例えば４ｍｓから１ｓに適応させることができ、取得速度は１ヘルツ〜数十ヘルツ、さらに１００Ｈｚ又は２００Ｈｚを超え、各分光測定は数百ナノメートルのスペクトル範囲にわたり、スペクトル分解能は数ナノメートルである。
【００９９】
それに対して、例えば回転する光学コンポーネントに基づく時間偏光変調エリプソメータにおいては、完全な測定データの取得持続時間は、変調周期、例えば回転する光学コンポーネントの回転周期にわたる一連のスペクトル測定データを取得するために設定される変調速度によって固定される。
【０１００】
他の特定の態様によれば、異なる大きさ及び／又は形状を有する幾つかの光源ダイアフラム３が配置される。例えば、相互間の表面積の比が少なくとも１０である少なくとも２つの光源ダイアフラム３が配置される。スイッチによって、所望の測定に応じて適当な大きさを有する光源ダイアフラム３を選択できる。他方で、大型の光源ダイアフラムは、例えば５４０μｍ×２５０μｍの大型のスポットを形成して、パターンを持たない、又はスポット表面より小さい不均質性の試料について高速で測定データを取得するために使用される。他方で、小型の光源ダイアフラムは、小さいパターンを有する試料上に、例えば５０μｍ×２５μｍの小型のスポットを形成するために、又は良好な空間分解能のエリプソメトリ画像を取得するために使用される。この場合、イメージセンサに到達する最大の光の流れは、大型の光源ダイアフラムを用いる場合の約１００分の１であり、すると、試料を探索するために使用されるスポットの大きさに応じて、最善でもイメージセンサのダイナミクスを使用するために、取得持続時間を１００倍に増大させることは興味深い。
【０１０１】
本開示によるエリプソメータの、又は光波散乱計の重要な利点は、強度が時間によって一定でない光源を使用できることである。光源１は、経時的に不安定であり、例えば数パーセント変動する光の流れを発出する従来のランプ、又はフラッシュランプ若しくはパルスレーザ等のパルス光源とすることができる。特に、白色レーザとも呼ばれるスーパコンティニアム型の光源は、本願において興味深く、それは、これが広いスペクトル範囲、典型的には３９０ｎｍ〜１．２μｍにわたり、非常に高い輝度で、高い繰返し速度、例えば２０ｋＨｚで光を発出するものの、この種のパルス光源は、強度及び／又はスペクトル形状の点ではパルスごとに繰返し可能性がほとんどないことが知られているからである。有利な点として、パルス光源が使用される場合、パルス光源と検出システムは同期されて、取得が行われる間のパルス数を制御できる。本開示によるエリプソメータは、時間に応じてほとんど安定していない光源及び／又はパルス光源で容易且つ有利に使用されることがある。それに対して、時間的偏光変調を用いる従来のエリプソメータは、不安定又はパルス光源では動作品質が非常に低い。実際に、この場合、経時的な信号の展開は偏光変調だけによるものとすることができず、実行される信号処理にはエラーが含まれる。
【０１０２】
特定の態様によれば、パルス光源、例えばキセノンフラッシュランプ又はスーパコンティニアム光源は、取得持続時間を、光パルスの数Ｎが関心対象の波長において飽和直前の強度を有する画像をイメージング分光計３０のイメージセンサ３３上に生成するように調整することと組み合わされる。換言すれば、取得持続時間は、Ｎ個のパルスでは画像の飽和が起こらず、Ｎ＋１個のパルスで画像の飽和が生じるように調整される。
【０１０３】
他の特定の態様によれば、イメージセンサが受け取る最大の信号は、波長に応じて数桁変化することが分かっている。この変化は、光源の強度の波長に応じた変化、試料の光学特性、回折格子の効率、及び／又はセンサの効率に依存する。取得持続時間が上述のように、信号の強度がより高い波長における飽和を避けるように特定されると、信号の強度がより低い波長における飽和値より数桁低い信号値が観察できる。低い信号波長では、エラー又は不確実性の原因ができ、これは例えばイメージセンサの定量化ノイズに関する。この欠点を解消する１つの方法は、パルス光源のパルス数の２つの異なる値、Ｎ１及びＮ２に対応する２つの連続する画像を取得することである。Ｎ１は、信号が関心対象の何れの波長についても飽和しないように選択される。すると、Ｎ２は、４Ｎ１＜Ｎ２＜２５Ｎ１の範囲内で選択され、例えばＮ２＝１０Ｎ１となる。次にそれぞれＮ１及びＮ２個のパルスで取得された２つの画像が前述のように別々に処理され、プサイ及びデルタのエリプソメトリ値が得られる。画像の飽和のない波長でのＮ２個のパルスの画像から得られたこれらの波長でのプサイ及びデルタの値だけが保持される。他の波長でのプサイ及びデルタスペクトルは、Ｎ１個のパルスについて得られた画像の処理によるそれらにより完成する。したがって、２つの画像の撮影により、イメージセンサのより大きいダイナミクスの利用のおかげで、明らかに改善された信号条件でのプサイ及びデルタ値を得ることが可能となる。
【０１０４】
例示的な実施形態によれば、照明アーム５０はスーパコンティニアム光源１を含み、シングルモード光ファイバの射出口において光源光ビーム１０を４００ｎｍ〜数マイクロメートルに及ぶスペクトル範囲で発散させる。１つ又は複数の凹面ミラーは、光源光ビーム１０を試料６上のスポット６６に集光する。反射した第二のビーム１２は、先に第一の例において説明したものと同様の照明アームにより捕捉される。スーパコンティニアム光源１は、イメージセンサの取得持続時間にわたり１０個のパルスのトレインを発出する。第一の画像３３ａは、コンピュータにより読み出され、信号の最大信号が画像検出器３０の飽和に到達しないが、飽和レベルの７５％に達するか、それを超えることが確認される。するとスーパコンティニアム光源１は、１００個のパルスのトレインを発出し、この１００個のパルスのトレイン中に得られた第二の画像３３ｂがコンピュータ上で読み出される。第一の画像３３ａと第二の画像３３ｂは、詳しく前述されたステップに従って処理され、スペクトル範囲全体のエリプソメトリ信号が得られる。保持されたエリプソメトリ値はすると、第二の画像３３ｂから得られたものであり、飽和が観察される波長を除き、より高い信号を有し、これらの波長では、保持されるエリプソメトリ値は第一の画像３３ａから得られる。
【０１０５】
他の特定の態様によれば、推定量がさらに抽出され、それによって測定ノイズレベルを定量化できる。エリプソメトリ測定は、材料及び／又は薄層のデジタルシミュレーションモデルのパラメータを調整するために使用されることが多い。光学的モデルパラメータを求めることは一般に、測定されたエリプソメトリ角度、プサイ及びデルタとモデルから得られたそれらとの差をなるべく小さくすることに基づく。これらの差を実験による測定の精度を反映するようなパラメータにより重み付けすることが適当である。実験の不確実性の主原因は、検出器のショットノイズである。エリプソメータでは、エリプソメトリ角度、プサイ及びデルタのノイズが検討されているスペクトルボックス内で測定された光子の数の平方根の逆数のオーダである。本明細書において、「スペクトルボックス」とは、同じ波長に割り当てられた６つのスペクトル部分画像４１〜４６のピクセルを意味する。本開示によるエリプソメータにおいて、ストークスベクトルがプサイ、デルタ、及び偏光解消の値を提供するだけでなく、イメージセンサがさらに、測定された光子の総数を提供する。この光子の総数は、検討されている波長でのピクセル値の和に、桁ごとの光子の数を乗じることから容易に推測され、この最後の数量はイメージセンサ３０が知る特徴である。後者に関連付けられる数量は計算可能であり、例えば、スペクトルボックス内で検出された光子数を２で割ったものの平方根の逆数であり、これは、エリプソメトリ角度、プサイ及びデルタの、これらがラジアンで表現される場合、定量化ノイズの推定量を直接提供する。信号対ノイズ比を示すその他の数量は、イメージセンサ３０の部分的領域のピクセル値の和から計算できる。
【０１０６】
広いスペクトル範囲、例えば３００ｎｍ〜１．２μｍにわたり非常に高い輝度を有するスーパコンティニアム光源を使用する利点については既に述べた。スーパコンティニアム光源により発せられる放射は、コア径が一般に５μｍ未満である光ファイバから射出する。入射光ビームは、試料上の非常に小さいスポット、例えばＷｅ．ｓ＝１０μｍ及びＷｅ，ｐ＝２０μｍに集光できる。光源の表面積は小さく、イメージング分光計の入射スリット３１の平面内のその６つの画像もまた小さく、空間的に大きく分離され、例えばＷｆ，ｓ及びＷｆ，ｐは約５μｍであり、異なるスポットはスリット３１の長さ方向に４５０μｍだけ分離される。入射スリットでの６つの画像のこの空間的分離によって、非常に良好なスペクトル分解能を得ることができるが、これは、従来の分光計のようなイメージング分光計では、分光計の入射のスリット（実際又は仮想）の幅Ｗｆ，ｐが小さいため、スペクトル分解能がはるかに高いからである。すると、イメージ分光計３０のイメージセンサ３３では、各偏光のスペクトル拡張に対応する６つのトレイルが観察され、その幅Ｗｉ，ｓは２つの隣接する領域、例えば４１及び４２（図８参照）間の間隔と比較して非常に小さい。変形型によれば、スーパコンティニアム光源のように小さい範囲の光源と共に、収束又は発散型円柱レンズが検出アーム６０内の試料６とイメージング分光計の入射スリット３１との間に、好ましくはビームがコリメートされる空間内に追加される。円柱レンズは、６つの画像を入射スリット３１の方向に空間的に分散させながら、６つの画像が相互に重ならないように方向付けられる。したがって、スーパコンティニアム光源からの強度はイメージセンサ３３のより多くのピクセルに、スペクトル分解能を損なわずに広がる。この変形型により、イメージセンサによる毎回の取得中に、イメージングセンサの飽和に到達せずに、より多くの光を検知することが可能となる。
【０１０７】
他の特定の態様によれば、エリプソメータ又は光波散乱計は、サンプルホルダを移動させるテーブルをさらに含む。移動テーブルは一般に、試料に対する法線を横切る２つの並進軸を含む。このような移動テーブルにより、試料の異なる点におけるエリプソメトリスペクトルを取得できる。したがって、試料、例えば半導体プレートのマップが得られる。偏光変調エリプソメータでは、完全な測定データを得るために変位を停止することが重要であり、これは、測定持続時間が少なくとも変調周期の半分であるからである。しかしながら、点ごとの取得は、移動テーブルの少し進んでは止まることを繰り返す動きによって時間がかかる。試料のマップをより高速で得ることが望ましい。本開示による瞬時的エリプソメータ又は光波散乱計によれば、短パルスのパルス光源の使用を連続移動する移動テーブルと組み合わせることが可能となる。本明細書において、「短パルス」とは、パルス持続時間について変位が無視できる程度に十分に短いパルスを意味する。このようにして、測定のたびにサンプルホルダの変位を停止する必要がなく、これは、瞬時的エリプソメトリ測定データが１パルス（又は数パルス）中に取得されるからである。この取得モードによって、一連の測定データを各光源パルスにおいてオンザフライで取得でき、移動デーブルをいちいち停止して測定を行う必要がないからである。測定データの取得速度は、光源の繰返し速度及び／又は同期させられることになるイメージング分光計３０の画像検出器３３の読取り速度によって決まる。ＣＭＯＳカメラを用いると、５０Ｈｚ又はさらには１００Ｈｚより高い読取り速度を得ることができる。キセノンフラッシュラップにより、数ナノ秒のパルスで多くの量の光を同じ程度かそれより速い速度で生成することが可能となる。スーパコンティニアム光源の繰返し速度は２０ｋＨｚに到達し得る。そのようにして、本開示による分光エリプソメータでは、数秒間で数百の点を含むマップを得ることができる。これに対して、時間的偏光変調に基づく従来のエリプソメータでは、少なくとも１回の変調周期中に移動テーブルを止めて測定を行う必要がある。現在、回転する光学コンポーネントの変調速度は一般に、数Ｈｚ〜最大約２０Ｈｚのオーダであり、これは短パルスのパルス光源で動作する本開示によるエリプソメータの最大取得速度よりはるかに遅い。さらに、テーブルを停止させ、その後再び移動させなければならないことにより、変位速度は数Ｈｚに限定される。そこから、時間的偏光変調によるエリプソメータによって約１０Ｈｚのオーダの最大速度でしかマップを得ることができず、すなわち、短パルスのパルス光源と移動テーブルの連続運動の組合せで動作する本開示によるエリプソメータの最大速度より少なくとも１桁遅いことが確実となる。
【０１０８】
図１０に示される変形型によれば、エリプソメータ又は光波散乱計は、補助イメージングシステムをさらに含む。補助イメージングシステムは、その画像が試料６へと、１．５ｍｍ×４ｍｍのオーダの表面積上に投射される補助イメージングマスク７１に関連付けられる、スペクトル幅の小さい光ビーム７５を発出する、例えばＬＥＤ型の補助光源７０と、光学偏光スプリッタ装置２６の後の光路上に配置される、レンズ７７が提供される補助カメラ７８と、を含む。図１０に示されているように、光源ダイアフラム３と光学集光システム４との間に配置された反射性光学コンポーネント７３によって、補助光ビーム７５を入射光軸９上で試料に向かって注入できる。他の反射性光学コンポーネント７６により、反射補助光ビーム７９を第二の光軸１９上で補助カメラ７８に向かって反射させることができる。補助カメラ７８は、補助イメージングマスク７１からの６つの画像と光学的に共役関係にあり、６つの画像は重複しないか、最大でも部分的である。試料上に結像可能な視野は、数ｍｍ２〜数十ｍｍ２に拡張できる。
【０１０９】
前述のセグメントレンズ及びウォラストンプリズムにより、補助カメラ７８は補助照明器により照明された領域の６つの画像３４１、．．．、３４６を受け取り、これは例えば図１１に示されている。試料上の照明領域が補助光源７０の波長で異なるエリプソメトリ特性を有するパターンを含んでいる場合、これらのパターンの光学的応答は６つの画像の各々で、これらの６つの画像が異なる偏光に対応するため、異なって現れる。そこからエリプソメトリパラメータ、プサイ及びデルタの画像を抽出するためには、各画像内に同じ座標を有する点３６１、３６２、３６３、３６４、３６５、３６６の各群について、受け取った強度をｐ．１４の２０行目以降に示されているように処理することによって、この同じ点におけるプサイの値及びデルタの値を特定すればよい。したがって、試料６の照明領域上において、補助光源７０の波長で、２つの画像、すなわちＰＳＩを表す画像３４０、ＤＥＬＴＡを表すもう一方の画像３４９が得られる。したがって、１つの波長でエリプソメトリイメージングを行う方法が示されている。ＲＧＢダイオード型の補助光源を使用すれば、試料のエリプソメトリ画像を３つの異なる波長で連続的に取得できる。
【０１１０】
補助イメージングシステムの他の使用は、試料上の分光エリプソメータのスポットの位置の可視化のためである。主光源１からの偏光入射光ビーム１１がオフにされるかブロックされる前述の例とは異なり、この使用では、補助カメラ７８が主光源１の、及び補助光源７０の画像を同時に受け取る。主エリプソメータのスポット３７１の強度がはるかに高いことから、その位置を明確に特定できる。したがって、図１２は、試料６のより大きい領域の画像３４１に重ねられたエリプソメトリビーム３７１のスポットを一度に可視化できる例を示す。試料のより大きい領域のこの画像３４１は、６つの画像３４１、．．．、３４６のうちの１つでも、又はＰＳＩの画像３４０及び／又はＤＥＬＴＡの画像３４９でもよい。
【０１１１】
試料のある部分及び試料上のスポットの位置をエリプソメータ上で可視化すること及び変調エリプソメータ上でのその実装に対する関心は既に知られていたが、瞬時的エリプソメータでのその実装も、その取得方法も知られていない。
【０１１２】
この変形型の特定の態様によれば、補助カメラのセンサの平面は、シャインプルーフの条件を満たすように傾斜される。より正確には、補助カメラのセンサの平面の、光軸に関する傾斜角度ｉ３は、セグメントレンズ２２の焦点距離Ｆ１及び補助カメラ７８のレンズ７７の焦点距離Ｆ３での試料上の入射角ｉに以下の関係により関連付けられる。
【数１】
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【０１１３】
補助イメージングマスクも傾斜され、その法線は入射ビームと、前のパラメータの、及び光学照明システム４の倍率Ｇの、以下の関係による関数として表現される角度ｉ０を成す。
【数２】
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【０１１４】
特定の有利な方法で、スペクトル偏光経路の各々に関するプサイ及びデルタを得るための処理は、補助カメラ７８上に同時に形成される６つの画像３４１、．．．、３４６の中にある試料の各点における補助照明の波長に適用されて、試料のプサイ及びデルタのマップが、変位させることなく得られる。
【０１１５】
例示的な実施形態において、約１０ｎｍのスペクトル幅にわたり６４０ｎｍの光ビームを発出するダイオードを含む補助光源７０は、第一の例で説明したエリプソメータに追加される。さらに、このエリプソメータは入射角度ｉ＝７０°で動作すると仮定される。このダイオードにより発出される補助光ビームは、Ｗａ，ｓ＝０．７５及びＷａ，ｐ＝２ｍｍの大きさの補助イメージングマスク７１上に結像され、それ自体は試料６上で拡大光学系２により再結像される。この補助イメージングマスク７１に対する法線は、補助光ビーム７５の光軸に関して５３度の角度ｉ０だけ傾斜される。半反射性ブレード７３によって、２つの光源１及び７０からのビームを結合でき、２つの光源は照明アーム５０の集光レンズ４から１００ｍｍの距離にある。
【０１１６】
検出アーム６０は、例１のそれと同様であり、ウォラストンプリズム２６の後に設置された分離プレート７６をさらに含む。焦点距離Ｆ３＝３５ｍｍの視補助カメラ７８のレンズ７７は、フェッチされたビームを補助カメラ７８のセンサ上に合焦させる。有利な点として、上で詳述したように、補助カメラ７８のセンサの平面に対する法線は、シャインプルーフの条件に従って、光軸と４３度の角度ｉ３を成す。
【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７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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