(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料の表面に偏光光を照明する照明光学系と、試料表面で反射した楕円偏光の偏光変化量に基づいて試料表面に関するデータを出力する検出光学系とを備えた分光エリプソメータにおいて、開度調節可能な開口を有するマスク部材を前記検出光学系に設け、前記楕円偏光が前記開口を通過するようにして、前記検出光学系のＦ数を前記照明光学系におけるＦ数よりも大きく設定したことを特徴とする分光エリプソメータ。
【請求項２】
前記楕円偏光の光軸中心部の光のみが前記開口を通過するようにしてある請求項１に記載の分光エリプソメータ。
【請求項３】
前記マスク部材を、前記検出光学系内における前記楕円偏光の立体角を制限できる位置に設けてある請求項１または２に記載の分光エリプソメータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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試料表面の薄膜の厚みなどを測定するための分光エリプソメータに関する。
【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】
【発明の背景】
従来の分光エリプソメータにおいては、照明光学系および検出光学系におけるＦ数を互いに等しくしていたため、試料表面に入射する照明光の角度分布が広くなっていた。分光エリプソメータでは、照明光の入射角度と、照明光および反射光の偏光特性などに基づいて目的とする値を演算によって求めるので、照明光の入射角度分布が大きくなると、高精度の測定が困難になる。これに対して、照明光の入射角度を一定に保とうとすると、試料表面をより大きく照明してしまい、微小面積のみを測定するといった要求に応えることができない。
【０００４】
ところで、分光エリプソメータにおいては、試料表面に対する照明光の入射角度や、波長や偏光状態などを制御し、各状態における試料表面における反射光の偏光特性や各偏光成分ごとの反射率とから、試料の厚みや屈折率（誘電率）などが演算によって推定される。このため、照明光の入射角度は、測定上重要な制御要素であり、照明光が平行光であることが最も理想的である。
【０００５】
しかしながら、実際には、試料表面における微小な領域のみを測定するといった目的も多く、この場合、照明光に一定の大きさの立体角を持たせて、照明光の試料表面上におけるスポット径を制御するのが一般的である。
【０００６】
そして、光学系を用いて、光を一点に集めようとするとき、得られるビームスポット径ｄは、一般的に、下記の式（１）で表される。
ｄ＝Ａ・λ・Ｆno.                                     ………（１）
ここに、Ａ；定数、λ；波長、Ｆno. ；Ｆ数であり、Ｆ数は、光学系の入射ひとみ径をＤ、焦点距離をｆとするるとき、ｆ／Ｄで与えられる量のことである。
【０００７】
上記式（１）から分かるように、ビームスポット径ｄをより小さくするには、Ｆ数を小さくすることが必要である。このとき、ビームの傾きは、Ｆ数の大きさに応じた傾きを持つことになる。このように、ビームスポット径ｄを小さくすると、照明光の傾き分布が大きくなるが、これらを一度に検出器に導いて信号検出を行う場合、照明光の傾きには分布がないほうが測定精度が上がる。
【０００８】
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、微小な領域の測定を高精度に行うことができる分光エリプソメータを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
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明する照明光学系と、試料表面で反射した楕円偏光の偏光変化量に基づいて試料表面に関するデータを出力する検出光学系とを備えた分光エリプソメータにおいて、開度調節可能な開口を有するマスク部材を前記検出光学系に設け、前記楕円偏光が前記開口を通過するようにして、前記検出光学系のＦ数を前記照明光学系におけるＦ数よりも大きく設定している。
そして、上記構成において、前記楕円偏光の光軸中心部の光のみが前記開口を通過するようにしてあってもよく、前記マスク部材を、前記検出光学系内における前記楕円偏光の立体角を制限できる位置に設けてあってもよい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の詳細を、図を参照しながら説明する。図１は、この発明の第１の実施の形態に係る分光エリプソメータの構成を概略的に示す。この図において、１は試料（例えばウェハ）で、試料ステージ２上に水平に保持されている。この試料ステージ２は、試料１を真空吸着などの手段で吸着し、これを水平な状態に保持するとともに、ステージ保持機構（図示していない）によって、３つの互いに直交するＸ方向（紙面の左右方向）、Ｙ方向（紙面に垂直な方向）、Ｚ方向に（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。
【００１１】
そして、３は試料ステージ２の上方の一方の側に設けられる照明光学系で、光源部４、反射鏡５，６、偏光子７などよりなる。光源部４は、例えば１９０〜８３０ｎｍの広い波長領域の光を発する例えばキセノンランプからなる白色光源と、この白色光源から発せられる光（照射光）８を適宜の径に絞るスリットを備えている。光源部４に近い反射鏡５は、例えば凹面鏡よりなり、その焦点位置に光源部４が位置するように設けられ、この反射鏡５から他の反射鏡６に向かう照射光８は適宜径の平行光となっている。反射鏡６は、例えば凹面鏡よりなり、反射鏡５からの平行光８Ｐを受けて、これを偏光子７を経て試料表面１ａの所定の位置に所定のビームスポット径となるように収斂させるものである。偏光子７は、反射鏡６からの照射光８を所定の方向に直線偏光するものである。
【００１２】
そして、前記照明光学系３のＦ数（以下、Ｆno.Sで表す）は、前記平行光８Ｐの直径をＤS とし、反射鏡６の焦点距離をｆS とするとき、
Ｆno.S＝ｆS ／ＤS                                     ………（２）
で表されるが、このＦno.Sの大きさは、試料表面１ａにおいて目的とするビームスポット径が得られるように十分小さく設定する。
【００１３】
また、９は試料ステージ１の上方の他方の側に設けられる検出光学系で、試料表面１ａに直線偏光８を照明したときに試料表面１ａで反射した楕円偏光１０の偏光変化量を例えば分光器１１に出力するもので、検光子１２、反射鏡１３，１４およびマスク部材１５などよりなる。検光子１２に近い反射鏡１３は、例えば凹面鏡よりなり、その焦点位置に試料表面１ａが位置するように設けられ、マスク部材１５のアパーチャ（開口）１５ｃを通過した楕円偏光１０を平行光１０Ｐにして他の反射鏡１４に反射する。反射鏡１４は、例えば凹面鏡よりなり、反射鏡１３からの平行光１０Ｐを分光器１１に出力する。そして、マスク部材１５は、前記楕円偏光１０の光軸中心部の光１０Ａのみを通過させる光マスク機能を有するもので、例えば、板部材１５ａに開閉自在の絞り部材１５ｂを設けたものよりなり、図中に拡大して示すように、平面視が例えば多角形形状の開口１５ｃの開口度合いを適宜調整できるように構成されている。
【００１４】
そして、前記検出光学系９のＦ数（以下、Ｆno.Kで表す）は、前記平行光１０Ｐの直径をＤK とし、反射鏡１３の焦点距離をｆK とするとき、
Ｆno.K＝ｆK ／ＤK                                     ………（３）
で表されるが、このＦno.Kと前記照明光学系３のＦno.Sとの間に、
Ｆno.S＜Ｆno.K                                        ………（４）
なる関係が成り立つようにする。
【００１５】
さらに、前記検出光学系９においては、前記マスク部材１５を設けたことにより、目的とする反射角度を中心とする一部の立体角の光１０Ａのみを分光器１１に導くようにしている。このマスク部材１５における開口１５ｃの広がりがより狭い角度（立体角）範囲のみの光１０Ａを通過させるようにすれば、得られる反射光は、より狭い角度範囲のもののみとなり、図から明らかなように、符号１０Ｂで示す部分、すなわち、実線と仮想線部分で囲まれる部分の光１０Ｂが著しく無駄になる。そこで、分光器１１側へ導く反射光１０の立体角を、反射光量や分光器１１の分光感度分布を考慮し、前記マスク部材１５における開口１５ｃを開度調節して、最適の値になるようにする。
【００１６】
上記構成の分光エリプソメータにおいては、照明光学系３による照明面積を小さくすることにより、試料表面１ａにおける測定面積を小さくしながら、試料表面１ａからの反射光１０を小さな立体角で取り出すことができるので、測定精度を低下させることなく、微小面積のみを高精度に測定することができる。
【００１７】
なお、前記第１の実施の形態において、検出光学系９に設けられるマスク部材１５は、図示例の位置に限られるものではなく、分光器１１に至る光路内の適宜位置に設けてあってもよい。
【００１８】
また、照明光学系３に、図１における紙面垂直方向（Ｙ方向）の位置によって、紙面平行方向（Ｘ方向）の傾きに影響を及ぼす収差（例えば球面収差）が十分小さい場合には、マスク部材１５における開口１５ｃの形状を、前記Ｙ方向に直線的に延びるスリット状に形成してもよい。このようにすることにより、反射光量を無駄にすることが少なくなり、光量を有効に利用することができる。
【００１９】
図２は、この発明の第２の実施の形態を示し、この実施の形態においては、検出光学系９にマスク部材１５を設けるのを省略し、反射鏡１３に光マスク機能をも持たせるようにしている。
【００２０】
図３は、この発明の第３の実施の形態を示し、この実施の形態では、反射鏡６と偏光子７との間に、例えば凹面鏡からなる反射鏡１６を設け、照明光学系３のＦno.Sを大きくして、試料表面１ａに対する照明光８を可及的に平行光に近い光とする一方、検出光学系９の例えば分光器１１に、前記マスク部材１５と同様構成のマスク部材１７を設けている。
【００２１】
上記第２および第３の実施の形態における照明光学系３および検出光学系９のＦ数の関係は、前記第１の実施の形態におけるそれと同じであることはいうまでもない。また、これらの実施の形態における作用効果は、第１の実施の形態におけるそれと同じである。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明では、試料の表面に偏光光を照明する照明光学系と、試料表面で反射した楕円偏光の偏光変化量に基づいて試料表面に関するデータを出力する検出光学系とを備えた分光エリプソメータにおいて、開度調節可能な開口を有するマスク部材を前記検出光学系に設け、前記楕円偏光が前記開口を通過するようにして、前記検出光学系のＦ数を前記照明光学系におけるＦ数よりも大きく設定しているので、測定精度を低下させることなく、微小面積のみを高精度に測定することができる。したがって、より微細化、微小化が進む半導体ウェハやレティクル／マスクなど各種の試料における微小部分の測定をより高精度かつ確実に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係る分光エリプソメータの構成を概略的に示す図である。
【図２】第２の実施の形態に係る分光エリプソメータの構成を概略的に示す図である。
【図３】第３の実施の形態に係る分光エリプソメータの構成を概略的に示す図である。
【符号の説明】
１…試料、１ａ…試料表面、３…照明光学系、８…偏光光、９…検出光学系、１０…楕円偏光。
【図１】
0004399126.tif 000002
【図２】
0004399126.tif 000003
【図３】
0004399126.tif 000004