(57)【要約】【課題】  光干渉法と偏光解析法を1台の装置において可能にすることによって、基板上に形成した透明な薄膜の屈折率と膜厚や、基板のたわみや膜の段差などを試料面内で２次元的に測定できるようにするとともに、測定精度を向上させた表面測定装置を提供する。【解決手段】  ある偏光状態にある平面波を試料１に照射し試料１の反射による偏光状態の変化をセンサー１１によって測定することを特徴とする光学式表面測定装置において、反射側のレンズ７の焦点に偏光素子８を置くことを特徴とする表面測定装置。【選択図】図１
2007155480.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ある偏光状態にある平面波を試料に照射し試料の反射による偏光状態の変化をセンサーによって測定することを特徴とする光学式表面測定装置において、反射側のレンズの焦点に偏光素子を置くことを特徴とする表面測定装置。
【請求項２】
反射側のセンサーがエリアセンサーであることを特徴とする請求項１に記載の表面測定装置。
【請求項３】
反射側のレンズ系がアフォーカル系をなすことを特徴とする請求項１請求項２に記載の表面測定装置。
【請求項４】
試料の実像がエリアセンサーに結像されるように反射側のレンズ系が構成されていることを特徴とする請求項２請求項３に記載の表面測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に形成された透明な薄膜の屈折率と膜厚や、基板のたわみや段差や、基板と薄膜の振動やひずみ、熱膨張など、また薄膜の形成、変性過程を２次元的に測定することができる表面測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体ウエハの上に形成した薄膜の膜厚と屈折率は偏光解析法によって測定することができ、ウェハのたわみや膜の段差などは光干渉法によって測定することができる。
【０００３】
これらの観測は別々の原理の装置で行われ、よって別々な装置が必要で、測定装置の台数や操作者も多く必要になる。
【０００４】
また、偏光解析法においては基板のたわみは誤差要因となり、光干渉法においては膜の屈折率のばらつきは誤差要因となる。
【特許文献１】ＵＳＰａｔ  ５，９１０，８４１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は斜入射光を用いた光学的測定法において、半導体ウエハなどの基板上に形成した透明な薄膜の屈折率と膜厚というミクロな物性量と、基板のたわみや膜の段差などのマクロな幾何学的量を試料面内で２次元的に測定し、それらの諸量の変化の原因となる振動やひずみ、熱膨張なども観測できるようにすることである。
【０００６】
本発明が解決しようとしている課題は、光干渉法と偏光解析法を1台の装置において可能にすることによって上記目的を実現するとともに、前述の誤差要因の影響を分離することによって測定精度を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の薄膜測定装置は、試料１を保持するステージ２と、光源3と、偏光子4とレンズ5からなる入射光学系6と、対物レンズ7と検光子8と結像レンズ9からなる反射光学系10と、センサー11と、制御とデータ処理、通信のための計算機12から構成される。
【０００８】
本発明は、反射光学系10の対物レンズ7の焦点に検光子8をおくようにすることを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
試料表面の反射を観測することによる光学的測定方法としては光干渉法と偏光解析法とがある。この両者はまったく異なる原理の測定で、光干渉法は運動学的量である光子の確率振幅の位相が試料の反射によってどのように変化するかを測定するものであり、偏光解析法は光子の内部変数であるスピンが試料との相互作用によってどのように変化するかを測定するものである。
【００１０】
偏光解析法は具体的には、ある偏光状態にある平面波を試料に照射し試料の反射による偏光状態の変化をセンサーによって測定する。
【００１１】
光干渉法は主に薄膜の幾何学的特徴の測定に使われ、偏光解析法は主に薄膜の物性的量の測定に使われる。
【００１２】
これらの諸量の測定を通してそれらの量の変化の原因である振動や内部ひずみ、熱膨張などを観測することができる。
【００１３】
膜厚の測定精度を規定するスケールは光干渉法では光源の波長であり、偏光解析法では膜を構成する要素の単位の大きさ（格子間隔など）である。
【００１４】
実際の試料においては、波長単位のマクロな変形をする大領域の中で、オングストローム単位のミクロな変形が同時に生じるという場合がしばしば起こる。
【００１５】
本発明の請求項１〜４記載の表面測定装置によれば、偏光解析と光干渉計測の両方の機能を１台の装置で実現でき、それによって偏光解析のオングストローム単位の膜厚変動の測定と、波長単位のたわみや内部ひずみによる光干渉計測とを同時に行うことができ、測定速度および装置コストが低減できるだけでなく、測定精度も向上できるという優れた効果を奏し得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
半導体などの試料の表面の屈折率と膜厚と、たわみや膜の段差、内部ひずみ、などを偏光解析法と光干渉法とによって測定するという目的を1台の装置によって実現した。
【００１７】
尚、本発明の表面測定装置は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【実施例１】
【００１８】
図１は、本発明の方法による表面測定装置の概略構成を示す図である。試料１を保持するステージ2と、光源3と、所定の偏光状態にある直線偏光を平行光にして試料１に斜入射角で入射するための入射光学系6と、反射光学系10と、カメラ11と、制御とデータ処理のための計算機12から構成されている。
【００１９】
図２は光学系の構成を示す図であり、入射光学系6には、偏光子4とレンズ5を設け、反射光学系10には、対物レンズ7と、検光子8と、結像レンズ9を設ける。
【００２０】
光源3からの光を偏光子4によって直線偏光とする。レーザーのようなコヒーレント光源を用いることが本発明の目的のためには望ましい。光源として単色光源を使うか、２波長の半導体レーザーや波長可変レーザーから分光した単色光などを使って、多波長の分光測定が可能になるようにしたりする。レンズ5は光源からの光を平面波にするとともに適当なビーム径に広げる役割をする。このようにして作られた広がった平行光を適当な入射角で試料1に照射する。
【００２１】
試料１からの反射光を対物レンズ7、検光子8、結像レンズ9を経て、センサ−11上に結像させる。センサー11はエリアセンサーを用いることによって２次元的な測定ができる。エリアセンサー１１としては白黒カメラを用いるか、あるいはカラーカメラを用いれば３色の光源での測定を同時に行うこともできる。
【００２２】
反射側の対物レンズ7と結像レンズ9の焦点を一致させて反射光学系10がアフォーカル系をなすようにすれば焦点深度を深くできる。そのとき各レンズの配置はレンズ面から有限距離におかれている試料1の実像がＣＣＤエリアセンサー11上に結像されるようにする。
【００２３】
この構成の機械において、反射側の検光子8を回転させるなどして検光子8の方位角を変更しながら検光子8の方位角の関数として反射強度をCCDエリアセンサー11によって測定する。このようにして、試料表面の２次元的測定を行うことができる。
【００２４】
通常の２次元偏光解析装置においては結像レンズ9とカメラ11の間、光束が平行になっている位置に検光子を置くが、図３に示すように、本実施例においては対物レンズの焦点に検光子8をおく。検光子8への視野角がある角度以下になるように（通常10°以下）するために、またレンズの反射による偏光への影響を小さくするために、対物レンズ7の焦点距離はあまり短くはできない。
【００２５】
一般に２つの光波のあいだで干渉が起こるためには、波長に対して十分小さな領域で２つの光波の確率密度がある程度以上の大きさを有することと確率振幅の位相が互いに強めあう（または弱めあう）条件にあることが必要である。その小領域で光波の干渉が起こってもそれが真空中で起こったのであればその領域より後方の光波には何の影響も及ぼさないが、その小領域に偏光素子をおいたときには偏光素子とは相互作用を起こす。
【００２６】
本実施例において対物レンズ7の焦点の位置で光束は対物レンズ7のF値に依存するスポットサイズに絞られ、そこで上記の条件を満たす光波の間で干渉が起こり、偏光素子8との間で数式1の相互作用を起こす。
【００２７】
【数１】
2007155480.tif 000003
【００２８】
検光子8を通過した光は結像レンズ9によって、CCDエリアセンサー11上に像を結ぶ。像の強度は数式1により、検光子8の方位角と光波の相互の位相関係の関数となる。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明の表面測定装置は光干渉計測と偏光計測を同時に1台の装置によって行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の方法による表面測定装置の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の方法による表面測定装置の光学系の構成を示す図である。
【図３】本発明の方法による表面測定装置の反射側の光学系の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
1 試料
2 ステージ
3 光源
4 偏光子
5 レンズ
6 入射光学系
7 対物レンズ
8 検光子
9 結像レンズ
10 反射光学系
11 カメラ
12    計算機
【図１】
2007155480.tif 000004
【図２】
2007155480.tif 000005
【図３】
2007155480.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成18年2月16日(2006.2.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に形成された透明な薄膜の屈折率と膜厚や、基板のたわみや段差や、基板と薄膜の振動やひずみ、熱膨張など、また薄膜の形成、変性過程を２次元的に測定することができる表面測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体ウエハの上に形成した薄膜の膜厚と屈折率は偏光解析法によって測定することができ、ウェハのたわみや膜の段差などは光干渉法によって測定することができる。
【０００３】
これらの観測は別々の原理の装置で行われ、よって別々な装置が必要で、測定装置の台数や操作者も多く必要になる。
【０００４】
また、偏光解析法においては基板のたわみは誤差要因となり、光干渉法においては膜の屈折率のばらつきは誤差要因となる。
【特許文献１】ＵＳＰａｔ  ５，９１０，８４１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は斜入射光を用いた光学的測定法において、半導体ウエハなどの基板上に形成した透明な薄膜の屈折率と膜厚というミクロな物性量と、基板のたわみや膜の段差などのマクロな幾何学的量を試料面内で２次元的に測定し、それらの諸量の変化の原因となる振動やひずみ、熱膨張なども観測できるようにすることである。
【０００６】
本発明が解決しようとしている課題は、光干渉法と偏光解析法を1台の装置において可能にすることによって上記目的を実現するとともに、前述の誤差要因の影響を分離することによって測定精度を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の薄膜測定装置は、試料１を保持するステージ２と、光源3と、偏光子4とレンズ5からなる入射光学系6と、対物レンズ7と検光子や移相子などの偏光素子8と結像レンズ9からなる反射光学系10と、センサー11と、制御とデータ処理、通信のための計算機12から構成される。
【０００８】
本発明は、反射光学系10の対物レンズ7の焦点に検光子や移相子などの偏光素子8をおくようにすることを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
試料表面の反射を観測することによる光学的測定方法としては光干渉法と偏光解析法とがある。この両者はまったく異なる原理の測定で、光干渉法は運動学的量である光子の確率振幅の位相が試料の反射によってどのように変化するかを測定するものであり、偏光解析法は光子の内部変数であるスピンが試料との相互作用によってどのように変化するかを測定するものである。
【００１０】
偏光解析法は具体的には、ある偏光状態にある平面波を試料に照射し試料の反射による偏光状態の変化を偏光素子の方位角を変化させながら光センサーによって測定する。（回転検光子法または回転位相子法と呼ばれる）。あるいは、偏光状態を変化させながら平面波を試料に照射し試料の反射による平面波の偏光状態の変化を偏光素子の方位角を一定にして光センサーによって測定する。（回転偏光子法と呼ばれる）。以下の実施例の説明は回転検光子法または回転位相子法によって行うが、本発明はこの２つの方法のいずれにたいしても適用可能である。
【００１１】
光干渉法は主に薄膜の幾何学的特徴の測定に使われ、偏光解析法は主に薄膜の物性的量の測定に使われる。
【００１２】
これらの諸量の測定を通してそれらの量の変化の原因である振動や内部ひずみ、熱膨張などを観測することができる。
【００１３】
膜厚の測定精度を規定するスケールは光干渉法では光源の波長であり、偏光解析法では膜を構成する要素の単位の大きさ（格子間隔など）である。
【００１４】
実際の試料においては、波長単位のマクロな変形をする大領域の中で、オングストローム単位のミクロな変形が同時に生じるという場合がしばしば起こる。
【００１５】
本発明の請求項１〜４記載の表面測定装置によれば、偏光解析と光干渉計測の両方の機能を１台の装置で実現でき、それによって偏光解析のオングストローム単位の膜厚変動の測定と、波長単位のたわみや内部ひずみによる光干渉計測とを同時に行うことができ、測定速度および装置コストが低減できるだけでなく、測定精度も向上できるという優れた効果を奏し得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
半導体などの試料の表面の屈折率と膜厚と、たわみや膜の段差、内部ひずみ、などを偏光解析法と光干渉法とによって測定するという目的を1台の装置によって実現した。
【００１７】
尚、本発明の表面測定装置は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【実施例１】
【００１８】
図１は、本発明の方法による表面測定装置の概略構成を示す図である。試料１を保持するステージ2と、光源3と、所定の偏光状態にある直線偏光を平行光にして試料１に斜入射角で入射するための入射光学系6と、反射光学系10と、カメラ11と、制御とデータ処理のための計算機12から構成されている。
【００１９】
図２は光学系の構成を示す図であり、入射光学系6には、偏光子4とレンズ5を設け、反射光学系10には、対物レンズ7と、検光子や移相子などの偏光素子8と、結像レンズ9を設ける。
【００２０】
光源3からの光を偏光子4によって直線偏光とする。レーザーのようなコヒーレント光源を用いることが本発明の目的のためには望ましい。光源として単色光源を使うか、２波長の半導体レーザーや波長可変レーザーから分光した単色光などを使って、多波長の分光測定が可能になるようにしたりする。レンズ5は光源からの光を平面波にするとともに適当なビーム径に広げる役割をする。このようにして作られた広がった平行光を適当な入射角で試料1に照射する。
【００２１】
試料１からの反射光を対物レンズ7、検光子や移相子などの偏光素子8、結像レンズ9を経て、センサ−11上に結像させる。センサー11はエリアセンサーを用いることによって２次元的な測定ができる。エリアセンサー１１としては白黒カメラを用いるか、あるいはカラーカメラを用いれば３色の光源での測定を同時に行うこともできる。
【００２２】
反射側の対物レンズ7と結像レンズ9の焦点を一致させて反射光学系10がアフォーカル系をなすようにすれば焦点深度を深くできる。そのとき各レンズの配置はレンズ面から有限距離におかれている試料1の実像がＣＣＤエリアセンサー11上に結像されるようにする。
【００２３】
この構成の機械において、反射側の検光子や移相子などの偏光素子8を回転させるなどして検光子や移相子などの偏光素子8の方位角を変更しながら検光子や移相子などの偏光素子8の方位角の関数として反射強度をCCDエリアセンサー11によって測定する。このようにして、試料表面の２次元的測定を行うことができる。
【００２４】
通常の２次元偏光解析装置においては結像レンズ9とカメラ11の間、光束が平行になっている位置に検光子を置くが、図３に示すように、本実施例においては対物レンズの焦点に検光子や移相子などの偏光素子8をおく。検光子や移相子などの偏光素子8への視野角がある角度以下になるように（通常10°以下）するために、またレンズの反射による偏光への影響を小さくするために、対物レンズ7の焦点距離はあまり短くはできない。
【００２５】
一般に２つの光波のあいだで干渉が起こるためには、波長に対して十分小さな領域で２つの光波の確率密度がある程度以上の大きさを有することと確率振幅の位相が互いに強めあう（または弱めあう）条件にあることが必要である。その小領域で光波の干渉が起こってもそれが真空中で起こったのであればその領域より後方の光波には何の影響も及ぼさないが、その小領域に偏光素子をおいたときには偏光素子とは相互作用を起こす。
【００２６】
本実施例において対物レンズ7の焦点の位置で光束は対物レンズ7のF値に依存するスポットサイズに絞られ、そこで上記の条件を満たす光波の間で干渉が起こり、偏光素子8との間で数式1の相互作用を起こす。
【００２７】
【数１】
2007155480.tif 000007
【００２８】
検光子や移相子などの偏光素子8を通過した光は結像レンズ9によって、CCDエリアセンサー11上に像を結ぶ。偏光素子8として検光子を用いた場合は像の強度は数式1により、検光子8の方位角と光波の相互の位相関係の関数となる。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明の表面測定装置は光干渉計測と偏光計測を同時に1台の装置によって行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の方法による表面測定装置の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の方法による表面測定装置の光学系の構成を示す図である。
【図３】本発明の方法による表面測定装置の反射側の光学系の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
1 試料
2 ステージ
3 光源
4 偏光子
5 レンズ
6 入射光学系
7 対物レンズ
8 偏光素子
9 結像レンズ
10 反射光学系
11 カメラ
12    計算機