(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料表面に多波長の偏光光をスポット入射する入射光学系と、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情報を出力する検出光学系とからなる分光エリプソメータであって、入射光学系に用いる偏光子として、入射と出射表面の形状が各入射・出射光の直進方向に対して直角な曲面を有するプリズムを用いることを特徴とする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】
本発明は、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、光学定数を測定する分光エリプソメータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４に示すように、表面に薄膜を有する試料８の表面８ａに、直線偏光６を斜め上方から入射させれば、試料表面８ａ上の測定対象物である薄膜の厚さや屈折率、消衰係数によって反射光の偏光状態が変化する。
【０００３】
これは、Ｐ偏光とＳ偏光で反射の位相のずれ方と反射率によって反射光に差があるためで、この反射光の偏光変化量を測定し、解析計算を行うことによって、試料表面８ａの薄膜の厚さや屈折率を求めることができる。
【０００４】
ところで、昨今の半導体業界においては、より薄いゲート酸化膜や低吸収膜などが新世代デバイスに採用されていることもあり、超薄膜の膜質評価が求められている。また、フラッシュメモリに採用されている、シリコンの酸化膜と窒化膜を交互に積み重ねた多層膜構造や、ＳＯＩウエハ上の多層膜などをより正確に評価することが求められている。
【０００５】
そこで、エリプソメータにおいても、紫外から可視、赤外に至る広い波長領域を高精度に測定できて、薄膜物性の波長依存性測定が可能な分光エリプソメータが注目されている。
【０００６】
分光エリプソメータにおいては、多波長の光を直線偏光６にするために偏光子が備えられているが、この分光エリプソメータでは、可視光から紫外領域まで波長領域が広く使用され、その消光比や透過率等から、一般に偏光子としてプリズム５が使用されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このプリズム５は、１０ｍｍ程度から数十ｍｍ程度の厚みがあるため、ビーム径を縮小する場合、光の波長に対する屈折率等の違いによって、広い波長領域の全光軸を一点に集中させることができず、たとえば図５に示すように、短波長の光軸の集光位置Ｑ１に比較して、長波長の光軸の集光位置Ｑ２が遠くなるといった、色収差が発生する問題があった。
【０００８】
ここで、色収差とは、波長による屈折率の相違、すなわち分散によって起こる収差（結像学系がガウス結像の条件を満たさないために生ずる欠陥）のことをいう。
【０００９】
本発明は、かゝる実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、極めて簡単かつ合理的な改良技術によって、多波長の全光軸を一点に集中させることを容易に可能とした分光エリプソメータを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、本発明は、試料表面に多波長の偏光光をスポット入射する入射光学系と、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情報を出力する検出光学系とからなる分光エリプソメータにおいて、上記の入射光学系に用いる偏光子として、入射と出射表面の形状が各入射・出射光の直進方向に対して直角な曲面を有するプリズム（以下、球面プリズムという。）を用いた点に特徴がある。
【００１１】
この改良技術によれば、マクロ的には、球面プリズムの入射面と出射面が入射光の全光軸に対して直角になることから、入射光の屈折現象が全く起こらなくなり、広い波長領域を使用する場合においても、全波長領域において、光軸を一点に集中させることが可能となり、色収差の発生が効果的に防止される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１にこの発明の分光エリプソメータの一実施例を示す。図１において、１は入射光学系で、たとえば１９０〜８３０ｎｍの広い波長領域の光を入射するキセノンランプ等よりなる白色光源２と、スリット３と、ビーム縮小光学系（たとえば２枚の凹面鏡からなる。）４と、偏光方位を一定に保つための偏光子としてのプリズム５とからなる。
【００１３】
この入射光学系１は、光源２からの多波長の光を縮小し、かつ、所定の偏光方位の直線偏光６にして、これをステージ７上の試料８の表面８ａに、所定角度斜め上方からスポット入射するもので、上記のステージ７は、水平のＸ−Ｙ方向と鉛直のＺ方向の三次元方向に駆動可能に構成されており、試料８は、バキュームによってステージ３上に吸着保持されるようになっている。
【００１４】
９は検出光学系で、ステージ７上の試料表面８ａで反射した楕円偏光１０の偏光変化量の情報をたとえば分光器１１に出力するもので、光弾性変調器１２と、検光子１３と、分光器１１への信号取り出し用の光ファイバー１４とからなる。
【００１５】
白色光源２より出た複数の波長を有する入射光は、ビーム縮小光学系４によりビーム径を絞られ、偏光子としてのプリズム５により一定方向に偏光される。
【００１６】
このプリズム５は、入射と出射表面の形状が各入射・出射光の直進方向に対して直角な曲面を有する球面プリズム５であって、この実施の形態では、試料表面８ａに対する直線偏光６のスポット入射点を中心Ｐとする球面プリズム５に構成している。
【００１７】
このようにプリズム５を球面に構成すると、図２に示すように、球面プリズム５の入射面と出射面が入射光の全光軸に対して直角になることから、入射光の屈折現象が全く生じず、入射光の全波長領域において、光軸を一点Ｑに集中させることが容易に可能となり、この結果、色収差の発生が効果的に防止されることになる。
【００１８】
かくして直線偏光６となった入射光は、試料表面８ａ（反射面）での反射により、試料８や試料表面８ａの物性特性の結果である振幅及び位相を有する楕円偏光１０となる。そして、この楕円偏光１０は、光弾性変調器１２に入って位相変調され、検光子１３に入る。その後、光ファイバー１４を経て、分光器１１へ送られる。
【００１９】
光弾性変調器１２は、典型的には、圧電素子によってつくられた周期的なストレスを受けたガラスのバーからなるが、この他、回転偏光子を用いて、楕円偏光１０を直線偏光とすることも可能である。また、この光弾性変調器１２や回転偏光子を入射光学系に設けることが可能である。
【００２０】
尚、上記の実施の形態では、球面プリズム５を一体成形品としているが、図３（Ａ）に示すように、球面プリズム５を、直方体のプリズム体５ａと、それぞれ中心Ｐまわりの凹曲と凸曲の球面Ａ１，Ａ２を備えたプリズム体５ｂ，５ｃとの結合体や、図３（Ｂ）に示すように、球面プリズム５を、それぞれ中心Ｐまわりの凹曲と凸曲の球面Ａ１，Ａ２を備えたプリズム体５ｂ，５ｃの結合体などに構成変更が可能である。
【００２１】
以上、半導体試料についての実施例を基に説明を行ってきたが、半導体以外の試料たとえば液晶の表面測定に使用できることは言うまでもない。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、偏光子としてのプリズムの入射・出射表面を曲面にすることにより、多波長の全光軸を一点に集中させることが容易に可能な、色収差の発生が効果的に防止される分光エリプソメータを提供でき、よって、より正確、高精度な測定を、多波長を用いた分光エリプソメータで行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】分光エリプソメータの構成図である。
【図２】球面プリズムによる光軸の一点集中の状況を示す説明図である。
【図３】（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ別の実施の形態による球面プリズムの構成図である。
【図４】従来例の分光エリプソメータの構成図である。
【図５】従来のプリズムによる光軸の屈折状況を示す説明図である。
【符号の説明】
１…入射光学系、５…プリズム、６…直線偏光、８…試料、８ａ…試料表面、９…入射光学系、１０…楕円偏光、Ｐ…中心。
【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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