(57)【要約】【課題】高度な空間分解能のエリプソメータを提供する。【解決手段】本発明は、少なくとも赤外線放射を供給する光源Ｓと、サンプルホルダＰＥと、センサＤと、偏光された光ビームを使って斜め視界でサンプルホルダ上のサンプルを照射するために光源ＳとサンプルホルダＰＥとの間に取付けられる第１光学装置と、サンプルで反射された光を集光するためにサンプルホルダＰＥとセンサＤとの間に取付けられる第２光学装置とを有するエリプソメータに関する。このエリプソメータは、第２光学装置の集光デバイスＭ２の焦点面で反射経路に取付けられ、サンプルの後面ＦＡＲから得られる寄生光線ＲＰを阻止するように、かつ、サンプルの前面ＦＡＶから得られる有用光線ＲＵをセンサＤに向けて通すのを許容するように変更されたブロッキングデバイスＦ２を更に有し、それによってサンプルの前面および後面に対しての分解能を得ることができる。【選択図】図１
2004504591.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの赤外線ビームを供給する光放射源（Ｓ）と、
所定厚の透明または半透明サンプル（ＥＣＨ）を搬送するようにされ、前面（ＦＡＶ）および後面（ＦＡＲ）を備えるサンプルホルダ（ＰＥ）と、
検出器（Ｄ）と、
前記光放射源（Ｓ）と前記サンプルホルダ（ＰＥ）との間に取付けられ、前記サンプルホルダに配置された前記サンプルを、偏光された光ビームにより斜め入射で照射するために、偏光子（Ｐ）および集光デバイス（Ｍ１）を備える第１光学装置と、
前記サンプルホルダ（ＰＥ）と前記検出器（Ｄ）との間に取付けられ、前記サンプルによって反射された光を集光するために集光デバイス（Ｍ２）およびアナライザ（Ａ）を備える第２光学装置とを有するタイプのエリプソメータデバイスであって、
前記エリプソメータデバイスが、前記第２光学装置の前記集光デバイス（Ｍ２）の焦点面で反射経路に取付けられ、前記サンプルの前記後面（ＦＡＲ）で放射された迷放射線（ＲＰ）を阻止可能にし、前記サンプルの前面（ＦＡＶ）で放射された有用放射線（ＲＵ）を前記検出器（Ｄ）に向けて通過可能とするブロッキングデバイス（Ｆ２）をさらに有し、それによって前記サンプルの前面および後面に対して分離力を得ることが可能であることを特徴とするエリプソメータデバイス。
【請求項２】
請求項１記載のエリプソメータデバイスにおいて、
前記エリプソメータデバイスが、光の伝播方向に従って前記ブロッキングデバイスの反射経路下流に取付けられ、前記検出器による測定のために、入射角の所定範囲内の斜め入射で前記サンプルによって反射された放射線のみを選択可能とする入射角用のセレクタデバイス（Ｍ３、Ｆ３）を有することを特徴とするエリプソメータデバイス。
【請求項３】
請求項２記載のエリプソメータデバイスにおいて、
前記セレクタデバイス（Ｍ３、Ｆ３）が、調節可能な寸法を有するスロット、または、調節可能なエッジを有するカッタなどによって構成されるタイプのものであることを特徴とするエリプソメータデバイス。
【請求項４】
請求項１記載のエリプソメータデバイスにおいて、
前記ブロッキングデバイス（Ｆ２）が、調節可能な寸法を有するスロット、または、調節可能なエッジを有するカッタなどによって構成されるタイプのものであることを特徴とするエリプソメータデバイス。
【請求項５】
請求項１記載のエリプソメータデバイスにおいて、
前記エリプソメータデバイスが、照射経路に取付けられ、前記第１光学装置の集光デバイス（Ｍ１）上で照射ビームを拡幅可能であり、前記第２光学装置の前記集光デバイス（Ｍ２）上で反射ビームを拡幅可能である拡幅デバイス（Ｆ１）をさらに有することを特徴とするエリプソメータデバイス。
【請求項６】
請求項５記載のエリプソメータデバイスにおいて、
前記拡幅デバイス（Ｆ１）が、調節可能な寸法を有するスロット、または、調節可能なエッジを有するカッタなどによって構成されるタイプのものであることを特徴とするエリプソメータデバイス。
【請求項７】
請求項１記載のエリプソメータデバイスにおいて、
前記第１光学装置における集光デバイス（Ｍ１）の開口数が、前記サンプル上で小さなサイズのビームを照射するように選択されていることを特徴とするエリプソメータデバイス。
【請求項８】
請求項７記載のエリプソメータデバイスにおいて、
前記サンプル上での照射ビームのサイズが、４０ミクロン×４０ミクロンよりも小さいことを特徴とするエリプソメータデバイス。
【請求項９】
請求１記載のエリプソメータデバイスにおいて、
前記第１光学装置の前記集光デバイス（Ｍ１）が、凹面鏡、球面鏡、レンズ、または、屈折光学ユニットまたは反射屈折光学ユニットなどによって形成されるグループに属する少なくとも１つの光学要素を備えることを特徴とするエリプソメータデバイス。
【請求項１０】
請求項１記載のエリプソメータデバイスにおいて、
前記第２光学装置における前記集光デバイス（Ｍ２）の開口数が、前記サンプルの前面および後面によって反射されたビームを分離するように選択されていることを特徴とするエリプソメータデバイス。
【請求項１１】
請求項１記載のエリプソメータデバイスにおいて、
前記第２光学装置の前記集光デバイス（Ｍ２）が、凹面鏡、レンズ、および、屈折光学ユニットまたは反射屈折光学ユニットなどによって形成されるグループに属する少なくとも１つの光学要素を備えることを特徴とするエリプソメータデバイス。
【請求項１２】
請求項８記載のエリプソメータデバイスにおいて、
前記第２光学装置の前記集光デバイス（Ｍ２）の有効開口数が、２．５°のオーダーのものであることを特徴とするエリプソメータデバイス。
【請求項１３】
請求項１記載のエリプソメータデバイスにおいて、
前記光放射源（Ｓ）が、レーザ、テラヘルツ、グローバー、フィラメント、またはプラズマなどによって構成されるタイプのものであることを特徴とするエリプソメータデバイス。
【請求項１４】
請求項１記載のエリプソメータデバイスにおいて、
前記第１光学装置の偏光子（Ｐ）が、回転補償板を有するグリッドまたは回転補償板を有さないグリッドを備えた偏光子、または、グリッドを有する２つの偏光子を備えた組立体などによって構成されるタイプのものであることを特徴とするエリプソメータデバイス。
【請求項１５】
請求項１記載のエリプソメータデバイスにおいて、
前記第２光学装置の前記アナライザ（Ａ）が、回転補償板を有するグリッドまたは回転補償板を有さないグリッドを備えた偏光子、または、グリッドを有する２つの偏光子を備えた組立体などによって構成されるタイプのものであることを特徴とするエリプソメータデバイス。
【請求項１６】
請求項１記載のエリプソメータデバイスにおいて、
前記検出器（Ｄ）がＭＣＴタイプなどのものであることを特徴とするエリプソメータデバイス。
【請求項１７】
請求項１記載のエリプソメータデバイスにおいて、
前記サンプルホルダ（ＰＥ）が、ＸＹＺ方向に移動可能および／または回転可能なテーブル、または、垂下式サンプルホルダなどによって構成されるタイプのものであることを特徴とするエリプソメータデバイス。
【請求項１８】
請求項１記載のエリプソメータデバイスにおいて、
前記エリプソメータデバイスが、前記光放射源（Ｓ）と前記第１光学装置との間に光ファイバを有することを特徴とするエリプソメータデバイス。
【請求項１９】
請求項１記載のエリプソメータデバイスにおいて、
前記エリプソメータデバイスが、前記第２光学装置と前記検出器（Ｄ）との間に光ファイバを有することを特徴とするエリプソメータデバイス。
【請求項２０】
請求項１記載のエリプソメータデバイスにおいて、
前記サンプル（ＥＣＨ）が、シリコンのような半導体材料からなる基板によって構成されるタイプのものであることを特徴とするエリプソメータデバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エリプソメトリ（ｅｌｌｉｐｓｏｍｅｔｒｙ）（偏光解析法、楕円偏光法）の分野に関し、更に詳細には赤外線で作動するエリプソメトリに関する。
【０００２】
本発明は、エリプソメトリを使用する分野、更に詳細にはマイクロエレクトロニクスの分野、サンプルの光学的特徴付けの分野、表面処理の光学制御の分野、または、薄膜成長の、たとえば半導体材料およびそのインタフェースの研究の分野において、一般的な用途を有する。また、本発明は、特に、表面の洗浄、研磨および前処理での適用を有している。
【０００３】
【従来の技術】
エリプソメトリ測定は、一定波長（単色エリプソメトリ）で、または、幾つかの波長（分光エリプソメトリ）で実行可能である。
【０００４】
紫外線、可視光線、近赤外線、および赤外線などの光源の波長範囲に依存して、層および（または）材料の異なる特性を得ること、または、異なる材料を探索することが可能である。
【０００５】
実際には、赤外線を可視光線より一般的に上手く適応して、層および材料の容積特性を得ている。
【０００６】
一般的に、赤外線で作動するエリプソメータ（ｅｌｌｉｐｓｏｍｅｔｅｒ）（偏光解析器、楕円偏光計）は、少なくとも一つの赤外線ビームを供給する光放射源と；所定厚のサンプルを搬送するようにされ、前面および後面からなるサンプルホルダと；検出器と；光放射源とサンプルホルダとの間に取付けられ、偏光された光のビームによって斜め入射でサンプルホルダに配置されたサンプルを照明するために偏光子および集光デバイスからなる第１光学装置と；サンプルホルダと検出器との間に取付けられ、サンプルで反射された光を集光するための集光デバイスおよびアナライザからなる第２光学装置とを備える。
【０００７】
半導体製造では非常に厳格な条件のために、高度な空間分解能と最大可能な測定精度とを有するエリプソメータが必要とされている。
【０００８】
シリコンのように所定厚の透明または半透明サンプルを使って、そのサンプルの後面が、有用な信号の検出および処理に悪影響を及ぼす迷放射線を反射することでエリプソメトリ測定を混乱させることができる。
【０００９】
シリコン基板の後面の反射係数が必ずしも既知とは限らないから、この悪影響に対処することは難しい。基板の吸収係数ｋもまた必ずしも既知とは限らない。また、この後面で干渉現象が発生可能である。同様に、赤外線の拡散現象および／または回折現象もまたこの後面で発生可能である。更に、後面が前面と平行でなくても良いので、そのことにより前面の測定のみがユーザに関連するために追加的な不必要な計算の原因となり得る。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
サンプルの後面で生じさせられる有害な影響を排除するため、特に、後面を曇らせる手段、すなわち後面で放射される鏡面反射を無視できる手段のような機械的手段の使用を排除するのための公知の解決策がある。
【００１１】
サンプル厚が相対的に大きい時には、前面で放射される放射線を、後面で放射される放射線から分離することができる。しかしながら、そのような解決策は、大きい厚みのサンプルに対してのみ達成可能であり、これによってその適用を制限している。
【００１２】
他の公知の解決策は、吸収サンプル（すなわち、高度にドープ処理されたシリコンのような非透明サンプル）を取ることからなるが、これもまた、そのような解決策の適用を制限している。
【００１３】
本発明の目的は、これらの欠点を除去すること、および、赤外線で作動し、サンプルの後面による迷放射線を除去する高度な空間分解能のエリプソメータを提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、少なくとも１つの赤外線ビームを供給する光放射源と、所定厚のサンプルを搬送するようにされ、前面および後面を備えるサンプルホルダと、　検出器と、前記光放射源と前記サンプルホルダとの間に取付けられ、偏光された光のビームを使って斜め入射で前記サンプルホルダに配置された前記サンプルを照射するために偏光子と集光デバイスとを備える第１光学装置と、前記サンプルホルダと前記検出器との間に取付けられ、前記サンプルで反射された光を集光するために集光デバイスとアナライザとを備える第２光学装置とを有するタイプのエリプソメータデバイスに関する。
【００１５】
本発明の一般的な規定によれば、エリプソメータデバイスは、第２光学装置の集光デバイスの焦点面で反射経路に取付けられ、サンプルの後面で放射された迷放射線を阻止可能であり、サンプルの前面で放射された有用放射線を検出器に向けて通過可能とするブロッキングデバイスをさらに有し、それによってサンプルの前面および後面に対しての分離力を得ることができる。
【００１６】
たとえば、このブロッキングデバイスは、調節可能な寸法を有するスロット、または、調節可能なエッジを有するカッタなどによって構成されるタイプのものである。
【００１７】
本発明の第１の好適な態様によれば、本発明によるエリプソメータデバイスは、照射経路に取付けられ、前記第１光学装置の集光デバイス上で照射ビームを拡幅可能であり、前記第２光学装置の集光デバイス上で反射ビームを拡幅可能である拡幅デバイスをさらに有する。
【００１８】
たとえば、拡幅デバイスは、調節可能な寸法を有するスロット、または、調節可能なエッジを有するカッタなどによって構成されるタイプのものである。
【００１９】
前記第１光学装置における集光デバイスの開口数は、好適には、前記サンプル上に小さなサイズの照射ビームを得るように選択されている。たとえば、前記サンプル上での照射ビームのサイズは、レーザタイプの光源の場合には、４０ミクロン×４０ミクロンよりも小さい。
【００２０】
たとえば、前記第２光学装置のみならず前記第１光学装置の集光デバイスは、凹面鏡（たとえば、楕円鏡、放物面鏡、球面鏡など）によって形成されるグループに属する少なくとも１つの光学要素を備えている。
【００２１】
前記第２光学装置における集光デバイスの開口数は、前記サンプルの前面および後面によって反射されるビームを分離するように選択されている。
【００２２】
本発明の第２の好適な態様によれば、本発明によるエリプソメータデバイスは、光の伝播方向に従って前記ブロッキングデバイスの反射経路下流に取付けられ、前記検出器による測定のために、入射角の所定範囲内の斜め入射で前記サンプルによって反射された放射線のみを選択可能な入射角用のセレクタデバイスをさらに有する。
【００２３】
このセレクタデバイスは、好適には、調節可能な寸法を有するスロット、または、調節可能なエッジを有するカッタなどによって構成されるタイプのものである。
【００２４】
実際に、光源は、テラヘルツ周波数で作動するレーザタイプのもの、シリコンカーバイド源、フィラメント、または、プラズマなどである。
【００２５】
前記第１光学装置の偏光子は、好適には、回転補償板を有するグリッドまたは回転補償板を有さないグリッドを備えたタイプのもの、または、グリッドを有する幾つかの偏光子を備えた組立体などによって構成される。
【００２６】
同様に、前記第２光学装置のアナライザは、好適には、回転補償板を有するグリッドまたは回転補償板を有さないグリッドを備えたタイプのもの、または、グリッドを有する２つの偏光子を備えた組立体などによって構成される。
【００２７】
たとえば、前記検出器は、水銀―カドミウムおよび／またはテルルのセル、または、液体窒素などによって構成されたタイプのものである。
【００２８】
実際に、前記サンプルホルダは、ＸＹＺ方向に移動可能および／または回転可能なテーブル、または、垂下式サンプルホルダなどによって構成されるタイプのものである。
【００２９】
本発明の他の特徴と利点は、以下の詳細な説明と図面とを考慮すれば明らかとなるだろう。
【００３０】
【発明の実施の形態】
図１を参照して、光源Ｓは赤外線スペクトルでの放射線を提供する。
【００３１】
例えば、光源Ｓは１２００°Ｋでシリコンカーバイドタイプのものである。そのスペクトル範囲は、１．４４〜１８ミクロンである。
【００３２】
１つの変形例として、光源は、テラヘルツ周波数で作動するレーザと、フィラメントまたはプラズマなどを備えた光源とから構成されるタイプのものである。
【００３３】
エリプソメータにおいて、照射システムは、装置のスペクトル範囲を走査するため、光源の後であると共に偏光子の前に取付けられるマイケルソンタイプの干渉計を含んでいる。
【００３４】
サンプルホルダＰＥは、所定厚のサンプルＥＣＨを搬送するようにされ、前面ＦＡＶおよび後面ＦＡＲを備える。
【００３５】
サンプルは、たとえば４００〜７００ミクロンのオーダーの厚さを有するシリコン基板である。
【００３６】
サンプルホルダは、ＸＹＺ方向に移動可能なおよび／または回転移動可能なテーブルであることがある。
【００３７】
サンプルホルダは同様に垂下式サンプルホルダであることがある。
【００３８】
光源ＳとサンプルホルダＰＥとの間には、偏光子Ｐと集光デバイスＭ１とからなる第１光学装置が設けられている。この第１光学装置によって、サンプルホルダＰＥ上に配置されたサンプルＥＣＨを、偏光された光ビームにより斜め入射で照射することが可能になる。
【００３９】
拡幅デバイスＦ１を照射経路に取付けることは有利である。そのデバイスは、光の伝播方向に従って偏光子の上流または下流に配置可能である。この拡幅デバイスはミラーＭ１で照射ビームを広げる。
【００４０】
実際に、拡幅デバイスＦ１は、調節可能な寸法のスロット、調節可能なエッジのカッタ、または、発散レンズなどにより構成されるタイプのものである。
【００４１】
実際に、ミラーＭ１の開口数は、サンプル上で小さなサイズの照射ビームを得るように選択されている。
【００４２】
例えば、サンプル上の照射ビームのサイズは、レーザ源の構成範囲内で４０ミクロン×４０ミクロンより小さい。
【００４３】
実際に、第１光学装置の集光デバイスを構成するミラーＭ１は楕円面鏡である。
【００４４】
１つの変形例として、このミラーＭ１が、放物面鏡、球面鏡、レンズ、または、光屈折光学ユニットまたは反射屈折光学ユニットなどであることがある。
【００４５】
偏光子Ｐは、回転補償板を有するグリッド、または、回転補償板を有さないグリッドを備えた偏光子によって構成されるタイプのものである。１つの変形例として、この偏光子は、グリッドを有する２つの偏光子を備えた組立体などからなることがある。
【００４６】
第２光学装置は、サンプルホルダＰＥと検出器Ｄとの間に取付けられている。この第２光学装置は、サンプルによって反射された光を集光するための集光デバイスＭ２とアナライザＡとからなる。
【００４７】
第２光学装置における集光デバイスＭ２の開口数は、サンプルの前面ＦＡＶと後面ＦＡＲとによって反射されたビームを分離するように選択される。
【００４８】
第２光学装置の集光デバイスＭ２は、凹面鏡（楕円面、放物面、または球面）、レンズ、および、屈折光学ユニットまたは反射屈折光学ユニットなどによって形成されるグループに属する光学要素からなる。
【００４９】
たとえば、第２光学装置における集光デバイスＭ２の有効開口数は、２．５°のオーダーである。
【００５０】
光学装置のアナライザＡは、回転補償板を有するグリッドまたは回転補償板を有さないグリッドを備えた偏光子、または、グリッドを有する２つの偏光子を備えた組立体などによって構成されるタイプのものである。このアナライザＡは、第２のミラーＭ２の反射経路下流に配置されている。
【００５１】
検出器Ｄは、水銀−カドミウム−テルルのセル、または、液体窒素などによって構成されるタイプのものである。この検出器は、赤外線での動作と互換性がある。
【００５２】
ミラーＭ２と検出器Ｄとの間に、検出器上に反射ビームを集光できる他のミラーＭ３を設けることは有利である。ミラーＭ３はミラーＭ２と同一タイプのものであることがある。
【００５３】
入射角用のセレクタデバイス（ｓｅｌｅｃｔｏｒ ｄｅｖｉｃｅ）（巻・戻し切替装置）Ｆ３をミラーＭ３に結合することは有利である。このセレクタデバイスＦ３により、検出器Ｄによる測定のために、入射角の所定範囲内の斜め入射でサンプルによって反射された放射線のみを選択することができる。
【００５４】
たとえば、セレクタデバイスＦ３は、調節可能な寸法を有するスロット、または、調節可能なエッジを有するカッタなどによって構成されるタイプのものである。
【００５５】
本発明によれば、第２光学装置における集光デバイスＭ２の焦点面に、反射経路上に装着されたブロッキングデバイスＦ２が設けられている。このブロッキングデバイスＦ２は、サンプルの後面ＦＡＲで放射された迷放射線ＲＰを阻止可能であり、サンプルの前面ＦＡＶで放射された有用放射線ＲＵを検出器Ｄに向けて通過することを可能にする。
【００５６】
そのようなブロッキングデバイスＦ２により、サンプルの前面ＦＡＶおよび後面ＦＡＲに対して分離力を得ることが可能になる。
【００５７】
ブロッキングデバイスＦ２が、調節可能な寸法を有するスロット、または、調節可能なエッジを有するカッタなどによって構成されるタイプのものであることは有利である。
【００５８】
セレクタデバイスＦ３がミラーＭ３の前に位置決めされることは有利である。その理由は、それがミラーＭ２の前に配置されると、セレクタデバイスＦ３に起因する回折が、本発明よるブロッキングデバイスの分離力を減少させるようにするからである。
【００５９】
本発明の好適な実施の形態では、光ファイバが光源Ｓと第１光学装置Ｐとの間に配置されている。同様に、他の光ファイバが第２光学装置Ｍ３と検出器Ｄとの間に配置されている。
【００６０】
図２は、ビームの法線に対してカッタＦ２の位置関数として、ビームの強度曲線Ｃ１と強度微分曲線Ｃ２とを示す。
【００６１】
曲線Ｃ１，Ｃ２は、サンプルの前面および後面からのビームの効果的な分離を示している。
【００６２】
本出願人が気付いたことは、図１で記述された図面に従うエリプソメータが使用されると、そのエリプソメータが、サンプルの前面および後面に対して、シリコンのような半導体材料において赤外線でエリプソメトリ測定を実行するために全く満足できる値の分離力を有することである。
【００６３】
たとえば、分離力は、１２ミクロンのオーダーの波長を有する光源と、５００ミクロンのオーダーの厚さを有するシリコン基板と、２．５°の有効開口数を有するミラーＭ１と、２．５°のオーダーの有効開口数を有するミラーＭ２と、３００ミクロンのオーダーのスロットＦ１における画像とを使って、４００ミクロンのオーダーのものである。
【００６４】
実際に、本発明の実施は、ここでは、スポットのサイズと、光学の品質と、シリコン基板の厚さと、入射角とに依存する。たとえば、７０°の入射角を使って、ミラーＭ２が４．２１の倍率ファクタを有する場合には、ブロッキングデバイスの分離力は６００ミクロンのオーダーになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による赤外線で作動するエリプソメータの一般的な図である。
【図２】光ビームに対する位置関数として、本発明によるブロッキングデバイスの分離力を示す図である。
【符号の説明】
Ａ　　　アナライザ
Ｄ　　　検出器
ＥＣＨ　サンプル
ＦＡＲ　後面
ＦＡＶ　前面
Ｆ１　　拡幅デバイス
Ｆ２　　ブロッキングデバイス
Ｆ３　　セレクタデバイス
Ｍ１　　集光デバイス
Ｍ２　　集光デバイス
Ｍ３　　セレクタデバイス
Ｐ　　　偏光子
ＰＥ　　サンプルホルダ
ＲＰ　　迷放射線
ＲＵ　　有用放射線
Ｓ　　　光放射源
【図１】
2004504591.tif 000003
【図２】
2004504591.tif 000004
【国際公開パンフレット】
2004504591.tif 000005
2004504591.tif 000006
2004504591.tif 000007
2004504591.tif 000008
2004504591.tif 000009
2004504591.tif 000010
2004504591.tif 000011
2004504591.tif 000012
2004504591.tif 000013
2004504591.tif 000014
2004504591.tif 000015
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2004504591.tif 000017
2004504591.tif 000018
2004504591.tif 000019
2004504591.tif 000020
2004504591.tif 000021
2004504591.tif 000022
【国際調査報告】
2004504591.tif 000023
2004504591.tif 000024
2004504591.tif 000025
2004504591.tif 000026