(57)【要約】  【課題】  １次以上の回折光の悪影響を可及的に抑制して、所望の０次回折光に基づく信号を確実に取り出すことのできる分光エリプソメータを提供すること。  【解決手段】  試料１の表面１ａに偏光光３ａを照射する入射光学系２および試料表面１ａで反射した楕円偏光３ｂを検出する検出光学系１１のそれぞれの光路中に放物面鏡７，８，１４，１５を対向するように配置してある分光エリプソメータにおいて、少なくとも前記検出光学系１１における放物面鏡１４，１５間の距離を、前記放物面鏡１４におけるツールマークに起因して生ずる１次以上の回折光２１を除去できる程度に長く設定した。  【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料の表面に偏光光を照射する入射光学系および試料表面で反射した楕円偏光を検出する検出光学系のそれぞれの光路中に放物面鏡を対向するように配置してある分光エリプソメータにおいて、少なくとも前記検出光学系における放物面鏡間の距離を、前記放物面鏡におけるツールマークに起因して生ずる１次以上の回折光を除去できる程度に長く設定してあることを特徴とする分光エリプソメータ。
【請求項２】
一対の放物面鏡間の距離は、所定の平面回折格子の式と、前記二つの放物面鏡の鏡面部の直径と、一方の放物面鏡に入射する外来光の当該放物面鏡の表面における入射直径を用いて演算することによって設定される請求項１に記載の分光エリプソメータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば半導体ウェハやレティクル／マスク、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）のガラス基板などの表面の薄膜の厚みを測定するための分光エリプソメータに関する。
【背景技術】
【０００２】
分光エリプソメータは、物質の表面で光が反射する際の偏光状態の変化を観測して、その物質の光学定数（屈折率、消衰係数）を、また、物質の表面に薄膜層が存在する場合は、その膜厚や光学定数を測定するものである。
【０００３】
上記分光エリプソメータは、例えば特許文献１に記載されるように、試料の表面に偏光光を照射する入射光学系と、試料表面で反射した楕円偏光を検出する検出光学系とからなるが、近時の分光エリプソメータにおいては、前記入射光学系や検出光学系の光路内に、反射鏡としての放物面鏡を対向するように配置したものが用いられるようになってきている。このように、放物面鏡を反射鏡として用いた分光エリプソメータにおいては、収差が少なく、特に、微小領域における膜厚を精度よく測定することができる。
【特許文献１】特開２００２−１３１１３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記放物面鏡は、例えばアルミニウム等の金属をダイヤモンドターニング法に基づいてバイトによって加工されるが、この加工に際しては、図６（Ａ）に模式的に示すように、放物面鏡４１の加工面（鏡面部）４２に、縞模様状の所謂ツールマーク４３が必ず生じる。この鏡面部４２におけるツールマーク４３は、グレーティングと同様の働きをなし、鏡面部４２に光４４が入射すると、同図（Ｂ）にも示すように、本来の信号である０次回折光（０次光）４５のほかに、迷光となる１次回折光（１次光）４６や２次回折光（２次光）４７が生じてしまう。このような放物面鏡４１を使用した光学系においては、図７に示すように、光学系の結像領域より大きな１次光４６、２次光４７が現れ、目的とする測定対象領域（例えばウェハ）４８とは別の領域の影響が表れてしまい、測定精度に悪影響が及ぼされ、特に、微細な領域の膜厚を測定する場合、その影響の度合いが大きくなる。
【０００５】
このような不都合を回避するため、従来においては、前記加工後、加工面の研磨などを行うようにしていたが、このようにした場合においても、鏡面部の表面荒さが不均一になり、所望の鏡面状態に仕上げることが困難であり、前記悪影響が完全に払拭されず、却って測定精度が悪くなることがあった。
【０００６】
この発明は、上述の事柄に留意してなされたもので、その目的は、１次以上の回折光の悪影響を可及的に排除して、所望の０次回折光に基づく信号を確実に取り出すことのできる分光エリプソメータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、この発明では、試料の表面に偏光光を照射する入射光学系および試料表面で反射した楕円偏光を検出する検出光学系のそれぞれの光路中に放物面鏡を対向するように配置してある分光エリプソメータにおいて、少なくとも前記検出光学系における放物面鏡間の距離を、前記放物面鏡におけるツールマークに起因して生ずる１次以上の回折光を除去できる程度に長く設定している（請求項１）。
【０００８】
より具体的には、前記一対の放物面鏡間の距離は、所定の平面回折格子の式と、前記二つの放物面鏡の鏡面部の直径と、一方の放物面鏡に入射する外来光の当該放物面鏡の表面における入射直径を用いて演算することによって設定される（請求項２）。
【０００９】
この発明では、放物面鏡を加工するときに必然的に生じるツールマークを無理になくそうとするのではなく、光路内に対向配置される放物面鏡の間隔を広げることによって、一方の放物面鏡に一定の角度で入射した光が反射されるとき、所定の角度を超える光が他方の放物面鏡に入射しないようにして、ツールマークに起因して生じ、迷光となる１次以上の回折光を除去するのである。上記構成の分光エリプソメータによれば、１次光以上の回折光の悪影響を可及的に排除することができ、所望の０次光に基づく信号を確実に取り出すことができる。
【発明の効果】
【００１０】
上記構成の分光エリプソメータによれば、１次光以上の回折光の悪影響を可及的に排除して、所望の０次光に基づく信号を確実に取り出すことができるので、微小領域をも高精度に測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１〜図４は、この発明の一実施例を示すものである。まず、図１は、この発明の分光エリプソメータの構成の一例を概略的に示すもので、この図において、１は測定対象試料としてのウェハで、図示していない試料ステージ上に水平に載置されている。この試料ステージは、３つの互いに直交するＸ方向（照射側紙面の左右方向）、Ｙ方向（紙面に垂直な方向）、Ｚ方向（紙面に平行な上下方向）にそれぞれ直線的に移動するように構成されている。
【００１２】
２は試料ステージの上方の一方の側に設けられる入射光学系で、例えば、１９０〜８２０ｎｍの広い波長領域の多波長の光３を発する例えばキセノンランプからなる白色光源４と、平面鏡５と、白色光源４から発せられる光３を絞るための光束制限部としてのピンホール６と、放物面鏡７，８と、平面鏡９と、偏光子１０とから構成され、多波長の光３を縮小し、所定の方向に偏光された直線偏光３ａをウェハ１の表面１ａに照射するように構成されている。なお、前記平面鏡５および／または９を省略してもよい。
【００１３】
１１は試料ステージの上方の他方の側に設けられる検出光学系で、例えば、位相変調素子１２と、検光子１３と、放物面鏡１４，１５と、光束制限部としてのピンホール１６と、光ファイバ１７とから構成され、ウェハ１の表面１ａに直線偏光３ａを照射したときにウェハ表面１ａで反射した楕円偏光３ｂの偏光変化量を分光器１８に出力するように構成されている。なお、図示していないが、試料ステージのほぼ真上には、光学顕微鏡およびＣＣＤカメラが設けてあり、試料ステージ上のウェハ表面１ａを細かく観察できるようにしてある。
【００１４】
１９は画像処理機能を有する演算処理装置で、例えばコンピュータよりなり、分光器１８からの測定データ、すなわち、ウェハ表面１ａで反射した光３ｂの偏光変化量の測定データや、光学顕微鏡やＣＣＤカメラからの信号が入力され、測定データは適宜演算処理されたり画像処理され、ウェハ表面１ａの光学定数（屈折率や消衰係数）やウェハ表面１ａの薄膜の膜厚が測定されるとともに、光学顕微鏡やＣＣＤカメラからの信号は演算処理および画像処理される。
【００１５】
そして、この実施例における分光エリプソメータにおいては、図２に示すように、検出光学系１１の光路上に対向するように配置される放物面鏡１４，１５間の距離Ｌを、放物面鏡１４におけるツールマークに起因して生じ、迷光となる１次以上の回折光を除去できる程度に長く設定してある。そこで、以下に、前記距離Ｌをどの程度の大きさにすれば、放物面鏡１４におけるツールマークに起因して生じ、迷光となる１次以上の回折光を除去することができるかについて考察する。
【００１６】
ここで、前記放物面鏡１４におけるツールマークについて概略的に説明すると、一般的に使用されている放物面鏡の鏡面部を目視する限りでは、凸凹のない平面に見える。しかし、放物面鏡は、図５（Ａ）において、符号３１で示す放物面をバイトなどを用いて機械的切削により加工するので、放物面３１の表面をｎｍ（ナノメートル）単位といったミクロでの変化を観察すると、図５（Ａ）において符号３２で示す方向の表面形状が恰も反射型回折格子のように、鋸型の形状の凸凹になっていることが分かった。この凸凹がツールマークである。そして、実用されている分光エリプソメータにおける放物面鏡の表面形状をミクロ的に調査し、この表面形状をモデル化すると、図５（Ｂ）に示すように、ほぼ偏平な二等辺三角形となっていることを確認した。図５（Ｂ）中の符号Ｐ，Ｈはそれぞれピッチ、高さであり、それぞれ、約１０μｍ、約０．０３μｍであった。
【００１７】
そして、光が放物面鏡において反射することにより回折光が生ずるが、１次光以上の回折光は、既に説明したように、装置内で迷光になる可能性が高く、これが測定精度に悪影響を及ぼすところから、これを除去する必要がある。すなわち、０次光のみを選択的に精度よく取り出すことによって、装置内の迷光を可及的に無くし、高精度の測定の実現が図られることになる。このため、この発明では、放物面鏡間の距離を調整することにより、前記１次光以上の回折光の発生を可及的に無くすようにしている。
【００１８】
そして、この発明では、図１に示したように、放物面鏡１４，１５との間の光は、放物面鏡１４において平行光となっている（放物面鏡７，８との間の光においても同様）ので、前記放物面鏡１４，１５間の距離の設定を、下記（１）式に示す平面回折格子の式に基づいて考える。
ｓｉｎα＝ｍ・Ｎ・λ                                      ……（１）
ここで、α：回折角、ｍ：回折次数、Ｎ：１ｍｍ当たりの溝の数、λ：波長
である。
【００１９】
そして、この実施例においては、照射光として用いられている光３は、１９０〜８２０ｎｍであるので、上記（１）式から、回折光は、図３に示すようになると考えられる。この図において、２０は０次光を、２１は＋１次光を、２２は−１次光をそれぞれ示している。そして、２１ａは波長１９０ｎｍ＋１次光の位置を、２１ｂは波長８２０ｎｍ＋１次光の位置を示し、また、２２ａは波長１９０ｎｍ−１次光の位置を、２２ｂは波長８２０ｎｍ−１次光の位置をそれぞれ示している。
【００２０】
前記図３から以下のことが分かる。すなわち、放物面鏡１４からの回折光のうち、０次光２０を除く回折光、図示例では、＋１次光２１および−１次光を２２を、放物面鏡１５において除去するためには、回折角度が小さくなる短波長側（この実施例では１９０ｎｍ）の回折光を考慮する必要がある。        
【００２１】
そして、例えば、図４に示すように、放物面鏡１４に対して広がりながら入射する外来光２３の直径（図中の符号２３Ｄ）が約１０ｍｍとし、放物面鏡１４、１５の鏡面部の直径（図中の符号１４Ｄ，１５Ｄ）が約４０ｍｍであるとする．この条件の下で、放物面鏡１５において放物面鏡１４からの１次以上の回折光を受けない放物面鏡１４，１５間の距離Ｌを考えると、前記入射光２３の下端側の光が放物面鏡１４において反射した光２３Ｒの最短波長の１９０ｎｍの回折１次光２１，２２が放物面鏡１５に入射されなければよいことになる。なお、図４において、ＣＬは放物面鏡１４，１５の中心を結ぶ線を示している。
【００２２】
上記条件を満たす距離Ｌは、前記（１）式において、λ＝１９０ｎｍ、ｍ＝１、Ｎ＝１００とすることにより、ｓｉｎα＝０．０１９を満たす角度αで、図４に示すように、１次回折光が２５ｍｍ〔放物面鏡１４の半径（図中の符号１４ｄ）２０ｍｍと入射光２３の半径（図中の符号２３ｄ）５ｍｍの和〕だけ開く距離となるので、以下のように計算することができる。
すなわち、
ｓｉｎα＝０．０１９＝２５／Ｌ                            ……（２）
よって、
Ｌ＝２５／０．０１９                                                              ＝１３１６ｍｍ
となる。
【００２３】
上述のように、検出光学系１１の光路上に対向するように配置される放物面鏡１４，１５間の距離Ｌを、放物面鏡１４におけるツールマークに起因して生じ、迷光となる１次以上の回折光を除去するには、放物面鏡１４からの回折光のうち、０次光２０を除く回折光を放物面鏡１５に入射させないようにする必要がある。そのため、回折角度が小さくなる短波長側の回折光の振る舞いを考慮にいれて、前記距離Ｌを、放物面鏡１４におけるツールマークに起因して生ずる１次以上の回折光を除去できる程度に長く設定する必要がある。より具体的には、前記（１）式を用いるとともに、対向配置される放物面鏡１４，１５の鏡面部の直径１４Ｄ，１５Ｄと、放物面鏡１４に入射する外来光２３の放物面鏡１４の表面における入射直径２３Ｄを用いて、前記距離Ｌの大きさを設定するのである。
【００２４】
上記構成の分光エリプソメータによれば、放物面鏡１４，１５間において、放物面鏡１４からの１次以上の回折光が放物面鏡１５に入射するのを大幅に低減することができ、したがって、１次を超える２次以上の回折光の放物面鏡１５への入射も同様に減衰させることができる。その結果、これらの回折光の悪影響を可及的に排除して、所望の０次光に基づく信号を確実に取り出すことができ、微小領域をも高精度に測定することができる。
【００２５】
上述の実施の形態においては、検出光学系１１の光路上に対向するように配置される放物面鏡１４，１５間の距離Ｌのみを、放物面鏡１４におけるツールマークに起因して生じ、迷光となる１次以上の回折光を除去できる程度に長く設定してあったが、入射光学系２の光路上に対向するように配置される放物面鏡７，８間の距離についても、放物面鏡７におけるツールマークに起因して生じ、迷光となる１次以上の回折光を除去できる程度に長く設定してあってもよい。つまり、入射光学系２および検出光学系１１のそれぞれの放物面鏡７，８および１４，１５間の距離を所定の長さ以上になるように設定してあってもよい。
【００２６】
ところで、上記（１）式から、１次以上の回折光の回折角αと放物面鏡における加工面である鏡面部における１ｍｍ当たりの溝の数Ｎとは比例の関係にあることから、この数Ｎを大きくすると、回折角αも大きくなることが分かる。したがって、Ｎを大きくすると、つまり、前記加工面の加工ピッチを小さくすればするほど、回折角αが大きくなり、それだけ、０次光のみを取り出す角度が大きくなる。したがって、放物面鏡７，８，１４，１５の加工面におけるツールマークのピッチ幅が細かく形成されたものを用いれば、回折角αを大きくとれることになり、０次光のみをより容易かつ多く取り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】この発明の分光エリプソメータの一例を概略的に示す図である。
【図２】検出光学系における光の入射および反射の状態を概略的に示す図である。
【図３】一対の放物面鏡間における回折光の状態を概略的に示す図である。
【図４】一対の放物面鏡間の距離の設定手法の一例を説明するための図である。
【図５】ツールマークを概略的に説明するための図である。
【図６】ツールマークによる１次以上の回折光の発生を説明するための図である。
【図７】前記１次以上の回折光による影響を説明するための図である。
【符号の説明】
【００２８】
１            試料
１ａ          試料表面
２            入射光学系
３ａ          偏光光
３ｂ          楕円偏光
７，８        放物面鏡
１１          検出光学系
１４，１５    放物面鏡
２１，２２    １次光
Ｌ            放物面鏡間の距離
【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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