(57)【要約】      （修正有）【課題】微小な領域の薄膜の厚さや光学定数の２次元分布を高速かつ高精細に計測することのできる測定機の提供。【解決手段】入射・受光光学系と偏光測定モジュール１０５と解析装置とを具えるエリプソメータで、入射光学系は平行光ビームを出射する機構と光ビームの偏光状態を定める偏光子１０２あるいは波長板を有し、受光光学系は測定試料１０３から反射された光ビームを受光し、測定試料面の像を前記偏光計測モジュールに含まれるエリアセンサ１０６に結像させるレンズ系、偏光計測モジュールは波長板アレイ１０７と、均一偏光子１０８と、エリアセンサとを含む。波長板アレイは１次又は２次元的に繰り返し配置された複数の単位ユニットを含み、該ユニットは同異方性軸の方向が異なる少なくとも４種類の波長板を含む。均一偏光子は一方向の透過軸を有し、エリアセンサは前記波長板アレイおよび前記均一偏光子の順に通過した光を独立にその強度を測定できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光学系と、受光光学系と、偏光測定モジュールと、解析装置とを具備するエリプソメータであって、
前記入射光学系と、前記受光光学系と、前記偏光測定モジュールは、ＸＹ面内に置かれた測定試料に対して、ＸＺ面内で光線が入射および反射されるように配置されており、
前記入射光学系は、平行あるいは集光される光ビームを出射する機構と、光ビームの偏光状態を定める偏光子あるいは波長板を有し、
前記受光光学系は、測定試料から反射された光ビームを受光し、測定試料面の像を前記偏光計測モジュールに含まれるエリアセンサに結像させるレンズ系であって、
前記偏光計測モジュールは、波長板アレイと、均一偏光子とエリアセンサとを含み、
前記波長板アレイは、Ｙ方向に繰り返し配置された複数の単位ユニットを含み、
前記単位ユニットは、異方性軸の方向が異なる少なくとも４種類の波長板を含み、
前記均一偏光子は、一方向の透過軸を有し
前記エリアセンサは、前記波長板アレイおよび前記均一偏光子を通過した光を独立に受光し、受光した光の強度を測定でき、
前記解析装置は、前記偏光測定モジュールから送信される測定情報を受信でき、
前記解析装置は、偏光情報算出手段と、膜厚あるいは光学定数を算出する手段とを有し、
前記偏光情報算出手段は、前記偏光測定モジュールから受信した光の情報から前記単位ユニット毎に偏光状態を求める手段であり、
前記膜厚あるいは光学定数を算出する手段は、前記単位ユニット毎に求められた偏光情報から、前記測定試料の膜厚あるいは光学定数を求める手段である、
エリプソメータ。
【請求項２】
前記波長板アレイは、フォトニック結晶からなる波長板を含む、請求項１に記載のエリプソメータ。
【請求項３】
前記偏光計測モジュールは、Ｙ方向に少なくとも１０個の単位ユニットを含み、望ましくは少なくとも１００個の単位ユニットを含む、請求項１又は請求項２に記載のエリプソメータ。
【請求項４】
前記受光光学系は、テレセントリックレンズ系を含む、請求項１から請求項３に記載のエリプソメータ。
【請求項５】
前記入射光学系は、ｙ方向には集光の作用がなく、ｙ方向と光ビームの伝搬方向に垂直な方向には集光の作用があるレンズを入射光学系に含む、請求項１から請求項４に記載のエリプソメータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜の厚さや光学定数を測定する装置および測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
薄膜の厚さや光学定数を光学的に測定する方法として、エリプソメトリーと呼ばれる方法がある。本方法は試料に対し斜めから光ビームを照射し、その反射光の偏光を計測する。求めた反射光の偏光情報の他に、入射光の偏光情報および測定試料の膜構造などを合わせて数値解析することで、求めたい膜の厚さや光学定数を求めるものである。本方式は非破壊であること、特に薄い膜に対して測定感度が高いことが特徴である。本方式の装置はエリプソメータと呼ばれ、現在の半導体プロセスをはじめ多くの産業分野で利用されている。
【０００３】
エリプソメータの受光部では反射光の偏光の計測をおこなう。その方法として最も一般的なものは、回転偏光子法あるいは回転位相子法と呼ばれる方法である。前者は、受光素子の前方に配置した偏光子を回転させながら光強度のデータを取得するものである。後者は、受光素子と固定した偏光子の前方に位相子を回転させるものである。回転角度と受光強度のデータを解析することにより、入射した光の偏光情報（楕円率と長軸方位、あるいはストークスパラメータなど）を求めることができる。この方法は簡便ではあるが、駆動部があり高速あるいは小型化が困難である。
【０００４】
最近、別の形体の偏光解析装置として、フォトニック結晶を使ったものが提案されている（特許文献１）。これは積層形の２次元周期構造からなるフォトニック結晶（特許文献２）を偏光素子として用いるものである。先に説明した偏光素子を回転する代わりに、偏光子や波長板の光軸を変えたものを、エリアセンサなどの受光素子アレイとを組み合わせたものである。駆動部がない、小型化ができる、高速であるといった利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許４１７４４１９号
【特許文献２】特許３３２５８２５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＬＳＩや液晶パネルなど製造プロセスにおいては、形成された数十ミクロン程度以下の微小パタン及びその周辺の膜厚を測定することが望まれている。例えば半導体ウエハのスクライブラインの中に設けられた膜厚測定領域が想定される。従来のエリプソメータでは、微小領域を測定するためには、入射光ビームのスポット径を集光レンズで小さく絞り、測定サイズを小さくしている。しかしながら、小さく絞った光ビームを、測定するべき点に正確に照射することは難しい。
【０００７】
一般的な解決方法としては、上部から顕微鏡を用いて、サンプル面で散乱された光を観察する方法がある。しかしながら、通常サンプル面は鏡面であるため散乱光は小さく、測定スポットは上部からは十分な観察がおこなえない。またサンプルのパタンも鮮明に見えない場合もあり、これは十分な観察方法とは言えない。
【０００８】
別の方法としては、サンプルをＸ方向およびＹ方向にある間隔で移動させ、各点で測定をおこなうことで２次元マップを形成する方法である。しかしながら、１点ごとに偏光の測定をおこなうことが必要となり、一般的な偏光素子を回転する方法では測定時間が大幅にかかることになってしまう。例えば一般的なエリプソメータのように、１点に１秒かかるとすると、Ｘ方向に１００点、Ｙ方向に１００点のマップを作成するためには、１００００秒、即ち２時間４６分も要することになる。
【０００９】
また光ビームが試料に斜めに照射されるため、ウエハ上で光が照射される大きさは、入射角をθとすると入射方向には１／ｓｉｎθに拡大されてしまう。例えばθ＝２０°の場合、２．９倍に拡大されることになり測定解像度を劣化させてしまう。
【００１０】
本発明は、上述の背景のもとでなされたものであり、微小な領域の膜厚や光学定数の２次元分布を高速かつ高精細に計測することのできる測定機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、入射光学系と、受光光学系と、偏光測定モジュールと、解析装置とを具備するエリプソメータに関する。ここで入射光学系と、受光光学系と、偏光測定モジュールは、ＸＹ面内に置かれた測定試料に対して、ＸＺ面内で光線が入射および反射されるように配置されているとする。入射光学系は、平行あるいは緩やかに集光される光ビームを出射する機構と、光ビームの偏光状態を定める偏光子あるいは波長板を有している。受光光学系は、測定試料から反射された光ビームを受光し、測定試料面の像を前記偏光計測モジュールに含まれるエリアセンサに結像させるレンズ系である。偏光計測モジュールは、波長板アレイと、偏光子と、エリアセンサと、電子回路を含む。波長板アレイは、Ｙ方向に繰り返し配置された複数の単位ユニットを含む。単位ユニットは、異方性軸の方向が異なる少なくとも４種類の波長板を含む。偏光子は、面内で一方向の透過軸を有している。エリアセンサは、前記波長板アレイおよび前記偏光子の順に通過した光を独立に受光する。前記電子回路は、受光した光の強度を測定し、外部に出力できるものである。
【００１２】
解析装置は、前記偏光測定モジュールから送信される測定情報を受信できる。また解析装置は、偏光情報算出手段と、膜厚あるいは光学定数を算出する手段とを有している。偏光情報算出手段は、偏光測定モジュールから受信した光の情報から単位ユニット毎に偏光状態を求める手段である。膜厚あるいは光学定数を算出する手段は、単位ユニット毎に求められた偏光情報から、測定試料の膜厚あるいは光学定数を求める手段である。
【００１３】
本発明に係るエリプソメータの好ましい態様は、波長板アレイがフォトニック結晶からなるものである。フォトニック結晶として、特に自己クローニングフォトニック結晶が好ましい。すなわち、自己クローニングフォトニック結晶を用いることで、特殊な形状を有する基板を用いて、１枚の基板上に一括して形成することができる。
【００１４】
本発明に係るエリプソメータの好ましい態様は、先に説明した偏光計測モジュールが、Ｙ方向に少なくとも１０個の独立の測定値が得られるものである。独立の測定値の数が多い程高精細な測定が可能になるため、特に１００個以上であることが好ましい。即ち、単位ユニットをｙ方向に１００個配置するように波長板アレイを形成し、エリアセンサ上に配置するものである。
【００１５】
本発明に係るエリプソメータの好ましい態様は、先に説明した結像レンズにテレセントリックレンズを用いる。
【００１６】
本発明に係るエリプソメータの好ましい態様は、先に説明した入射光学系に、Ｙ方向には集光の作用がなく、光の伝搬方向とＹ方向とに垂直な方向には集光の作用があるレンズを有する。特にシリンドリカルレンズと呼ばれる半円柱状のレンズを用いる。
【発明の効果】
【００１７】
上述の手段によれば、膜厚および光学定数の２次元分布を高精細かつ高速に測定することが可能になる。さらにまた、上述の手段によれば、基板が透明な材料であっても、基板の下面からの反射光を空間的に分離することができるので、精度の良い測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は本発明の実施方法を示した説明図である。
【図２】図２はエリアセンサ周辺の構造を表す図である。
【図３】図３は波長板アレイの構造を表す図である。
【図４】図４はフォトニック結晶偏光子の構造を表す図である。
【図５】図５は本発明の実施方法を示した説明図である。（実施例１）
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１は本発明の偏光測定装置の構造を示す図である。平行な光ビームを放射する装置１０１から出射された光ビームを、測定試料１０３に対して斜めから入射する。ここで偏光子１０２により試料に入射される光の偏光は、特定の方向の直線偏光に固定される。測定試料の上面で反射された光は、レンズ１０４によって受光される。レンズ１０４は結像レンズであって、試料の上面の像が、偏光計測モジュール１０５に含まれるエリアセンサ１０６上に結像されるように調整されている。なおエリアセンサには、後述する波長板アレイ１０７と偏光子１０８とが一体化されている
【００２０】
次にエリアセンサ周辺の詳細な構造を図２に示す。エリアセンサ２０１の上に、フォトニック結晶からなる波長板アレイ２０２と均一な透過軸をもつ偏光子２０３を組み合わせたチップが実装されている。エリアセンサにはＣＣＤ撮像素子やＣＭＯＳ撮像素子を選んでも良い。エリアセンサは電子回路に接続され、出力信号が図示されていない解析装置に転送される。
【００２１】
波長板アレイとしては特許文献１に記載されているフォトニック結晶からなる波長板を用いる。波長板の光軸方向の配置の例を図３に示す。光軸方位は矢印で示されており、α１、α２、α３、α４は偏光子の透過軸からの角度を表す。例えばα１＝−５５°、α２＝−１５°、α３＝＋１５°、α４＝＋５５°と選ぶ。図３の（ａ）では４つの異なる光軸方向が縦２×横２を単位ユニット３０１として、横方向に繰り返し配置されている。また図３の（ｂ）では４つの異なる光軸方向が縦２×横４を単位ユニット３０１として、横方向に繰り返し配置されている。光軸方向で区別される各領域は、エリアセンサの１画素もしくは複数個の画素に対応している。並列化できる単位ユニットの数は、エリアセンサの画素数と、単位ユニットに含まれる画素数により任意に選ぶことができる。例えばエリアセンサの横方向の画素数を１０００、単位ユニット内の画素数を縦１０×横１０とすると、単位ユニットの数を１００とすることができる。即ち、１００チャネルの独立した偏光情報を出力することができる偏光計測モジュールを実現することができる。
【００２２】
次に解析方法を示す。例として図３の（ａ）の配置の単位ユニットについて説明する。異方性軸の角度がα１、α２、α３、α４の領域を透過した光の受光強度をそれぞれＩ＝（Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４）とする。波長板の位相差をΔ、偏光を表すストークスパラメータをＳ＝（Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）とすると、ＳはＳ＝Ｍ−１Ｉと表される。ここでＭはα１、α２、α３、α４、Δで決まる４×４の行列であり、次式で表される。
【００２３】
【数１】
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【００２４】
全ての単位ユニットについて上記の解析をおこなうことで、例えば１００個の独立した偏光情報を求めることができる。ここで求めた反射光の偏光情報の他に、入射角と、入射偏光の情報と、既知の測定試料の膜構造とを合わせて数値解析することで、知りたい膜厚や光学定数を求めることができる。本解析方法はエリプソメトリーとして一般的であるのでここでは省略する。
【００２５】
結像レンズの拡大率は任意に選ぶことができる。例えば偏光センサに用いるＣＣＤセンサが１／２インチの場合、レンズの拡大率を８倍に選ぶと、横方向すなわちＹ方向の視野は約６００μｍとなり、Ｙ方向の分解能は６μｍとなる。
【００２６】
倍率が１６倍のレンズ選ぶと、Ｙ方向の視野は３００μｍとなり、解像度は半分の３μｍに上げることができる。逆に低倍率のレンズ、例えば倍率０．５倍のレンズを選ぶと、視野の横幅は約１１ｍｍとなり、１枚の画像で解析できる範囲が広くなる。ここで入射ビームの直径は、Ｙ方向の視野よりも大きくなるように選ばれる。
【００２７】
ところで、偏光計測モジュールは測定試料面を斜めから見るため、試料面のＸ方向の拡大率はＹ方向と異なる。光線の入射角度は、多くの場合試料の垂直方向を基準として５０°から７５°の間に設定される。例えば７０°の場合、偏光計測モジュールで試料面を結像した像は、Ｘ方向にはＹ方向に比べ１／ＳＩＮ（７０°）＝約３倍に圧縮されている。
【００２８】
従って、単位ユニットの大きさが縦と横とで同じ大きさである場合、Ｘ方向の分解能は約３倍、即ち１８μｍとなる。しかしながら、単位ユニットの大きさを、縦：横を１：３に設定することで、Ｘ方向とＹ方向の分解能を一致させることができる。
【００２９】
結像レンズを通りＣＣＤに結像する光線は、ＣＣＤセンサに対して垂直に近い角度で到達することや、結像位置に対して光線とＣＣＤ面の角度が揃っている方が望ましい。そのためには結像レンズにＮＡの小さいテレセントリックレンズが適している。
【００３０】
フォトニック結晶波長板は自己クローニング技術で形成されるものである。これは特許文献２に詳しく記載されている。ここでは簡単に説明する。
【００３１】
フォトニック結晶偏光子は図４のような周期的な溝列を形成した透明材料基板４０１上に、透明で高屈折率の媒質４０２と低屈折率の媒質４０３とを界面の形状を保存しながら、交互に積層する。この図では溝方向が９０°異なる２つの領域が一体形成された構造を示している。ここで媒質４０２と４０３の層の厚さと、基板の周期を選ぶことで、特定の波長で波長板として動作させることができる。即ち、溝に平行な偏光と、溝に垂直な偏光とを透過させ、かつ２つの光の間に所望の位相差が生じるようにすることができる。予め溝の方向を変えて凹凸パタンを形成しておくことで、異方性軸の異なる波長板アレイを一括形成することができる。
【００３２】
低屈折率媒質としてはＳｉＯ２を主成分とする材料が最も一般的であり、透明波長領域が広く、化学的、熱的、機械的にも安定であり、成膜も容易に行なえる。しかしながらその他の光学ガラスでもよく、ＭｇＦ２のようにより屈折率の低い材料を用いてもよい。高屈折率材料としては、Ｓｉ、Ｇｅなどの半導体や、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、ＨｆＯ２、Ｓｉ３Ｎ４などの酸化物や窒化物が使用でき、透明波長範囲が広く、可視光領域でも使用できる。一方、半導体は、近赤外域に限定されるが、屈折率が大きい利点がある。基板に形成する凹凸パタンは、電子ビームリソグラフィとドライエッチングにより周期的な溝を形成する。あるいはフォトリソグラフィや干渉露光、ナノインプリントを用いても良い。
【実施例１】
【００３３】
図５は実施例を示す図である。本実施例は、透明な基板上の薄膜の厚さや光学定数を測定できるように構成されているものである。光ファイバ５０１から出射された光をコリメータレンズ５０２に通すことで円形のビーム形状をもつ平行ビームに変換する。次にシリンドリカルレンズ５０３により通過する円形ビームを、サンプル面でライン状に集光させる。シリンドリカルレンズの後段に偏光子５０４が配置されているので、特定の直線偏光がサンプル面に入射される。測定試料の上面で反射された光は、結像レンズ５０６によって偏光計測モジュールに含まれるエリアセンサ５０８上に結像される。そのときの輝度データが偏光計測モジュールから解析装置へ転送される。解析装置では輝度画像から偏光情報を求め、さらに膜厚や光学定数の解析をおこなう。
【００３４】
透明な基板の場合、薄膜を透過した光は基板の下面まで到達し、そこで反射された後に上面から空気中に放射される。その光線を図中の破線で示す。基板の中を光が伝搬するために、光線がシフトされている。シフト量がビーム径に比べて小さい場合、基板の上面で反射した光と、基板の下面で反射した光とを空間的に分離することは困難である。しかしながら、本実施例で示すように、光ビームはシリンドリカルレンズ５０３によって測定試料面で集光されている。そのため測定試料面では、光ビーム径に比べて２つの光線のシフト量は十分大きい。試料面の像が偏光センサ上に結像されるため、偏光センサ上で２つの光ビームを空間的に分離することができる。即ち、基板の下面からの反射光に影響されずに、薄膜で反射された光線のみを偏光計測することができる。
【００３５】
設計例を示す。ファイバのスポット径を４．５μｍとし、コリメートレンズの焦点距離、およびシリンドリカルレンズの焦点距離をそれぞれｆ＝４．５ｍｍ、ｆ＝８０ｍｍとする。コリメートビームの直径はφ１ｍｍである。シリンドリカルレンズを通った後、測定試料上面におけるスポット径は１ｍｍ×０．０８ｍｍのライン状（細長い楕円形）となる。基板の下面からの反射光の、上面からの反射光からのシフトは、ＣＣＤ上で０．２５ｍｍとなり、ビーム半径０．０４ｍｍの半径比べて５倍以上あり、ビームの重なりの影響は無視できる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、例えば半導体ウエハのスクライブライン内に形成された微小な領域の膜厚を測定することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１０１  光ビーム出射装置
１０２  偏光子
１０３  測定試料
１０４  結像レンズ
１０５  偏光測定モジュール
１０６  エリアセンサ
１０７  波長板アレイ
１０８  偏光子
２０１  エリアセンサ
２０２  波長板アレイ
２０３  偏光子
３０１  単位ユニット
４０１  パタン付き基板
４０２  高屈折率材料
４０３  低屈折率
５０１  光ファイバ
５０２  コリメートレンズ
５０３  シリンドリカルレンズ
５０４  偏光子
５０５  測定試料
５０６  結像レンズ 
５０７  偏光測定モジュール
５０８  エリアセンサ
【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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