特開 2023-125296 分光エリプソメータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023125296

(43)【公開日】2023-09-07

(54)【発明の名称】分光エリプソメータ

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/06 20060101AFI20230831BHJP

   G01N 21/21 20060101ALI20230831BHJP

   G01N 21/27 20060101ALI20230831BHJP

【ＦＩ】

G01B11/06 Z

G01N21/21 Z

G01N21/27 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022029301

(22)【出願日】2022-02-28

(71)【出願人】

【識別番号】301043834

【氏名又は名称】株式会社渋谷光学

(74)【代理人】

【識別番号】110000121

【氏名又は名称】ＩＡＴ弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】森田 恭平

【テーマコード（参考）】

2F065

2G059

【Ｆターム（参考）】

2F065AA30

2F065CC19

2F065CC31

2F065FF01

2F065FF61

2F065GG02

2F065GG03

2F065GG24

2F065HH03

2F065HH12

2F065JJ03

2F065JJ26

2F065LL04

2F065LL19

2F065LL33

2F065LL67

2G059AA02

2G059AA05

2G059BB10

2G059CC01

2G059EE02

2G059EE05

2G059EE12

2G059HH01

2G059HH02

2G059JJ06

2G059JJ11

2G059JJ13

2G059KK04

(57)【要約】

【課題】半導体ウエハに対する膜厚測定に係る測定時間を短縮し、また、縮小化された領域における光学的特性をより正確に測定する。
【解決手段】本発明の分光エリプソメータは、試料を載置する載置台と、光源と、前記光源からの光を用いて、前記試料に設けられた、少なくとも２以上の対象領域に向けた検査光を照射させる照射手段と、前記少なくとも２以上の対象領域で反射した検査光を分光して受光する光検出器と、を備えることを特徴とする。なお、前記照射手段は、前記少なくとも２以上の対象領域の各々に対応した反射面を複数有する反射型のマスク又は反射鏡の他、前記少なくとも２以上の対象領域の各々に対応した透過面を有する透過型のマスクであることが好ましい。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

試料を載置する載置台と、
光源と、
前記光源からの光を用いて、前記試料に設けられた、少なくとも２以上の対象領域に向けた検査光を照射させる照射手段と、
前記少なくとも２以上の対象領域で反射した検査光を分光して受光する光検出器と、
を備えることを特徴とする分光エリプソメータ。

【請求項2】

請求項１に記載の分光エリプソメータにおいて、
前記照射手段は、前記少なくとも２以上の対象領域の各々に対応した反射面を複数有する反射型のマスク又は反射鏡である
ことを特徴とする分光エリプソメータ。

【請求項3】

請求項２に記載の分光エリプソメータにおいて
前記反射型のマスク又は前記反射鏡は、前記少なくとも２以上の対象領域と、前記少なくとも２以上の対象領域の各々に対応した反射面とが共役関係を有する位置に配置され、
前記試料の表面への前記検査光の投影倍率は等倍である
ことを特徴とする分光エリプソメータ。

【請求項4】

請求項１に記載の分光エリプソメータにおいて、
前記照射手段は、前記少なくとも２以上の対象領域の各々に対応した透過面を有する透過型のマスクである
ことを特徴とする分光エリプソメータ。

【請求項5】

請求項４に記載の分光エリプソメータにおいて
前記透過型のマスクは、前記少なくとも２以上の対象領域と、前記少なくとも２以上の対象領域の各々に対応した前記透過面とが共役関係を有する位置に配置され、
前記試料の表面への前記検査光の投影倍率は等倍である
ことを特徴とする分光エリプソメータ。

【請求項6】

請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の分光エリプソメータにおいて、
前記試料は、半導体ウエハであり、
前記対象領域は、半導体ウエハに設けた半導体チップに対応する領域内に複数設けられるテストパッドであることを特徴とする分光エリプソメータ。

【請求項7】

請求項１に記載の分光エリプソメータにおいて、
前記光検出器は、
前記試料の表面と共役関係にある共役面と前記試料を反射した検査光の光軸との交点を通り、且つ前記共役面と直交する光軸を有し、入射する検査光を平行光として出射するコリメータレンズを有する
ことを特徴とする分光エリプソメータ。

【請求項8】

請求項１に記載の分光エリプソメータにおいて、
前記光検出器は、
前記検査光を平行光として出射するコリメータレンズと、
前記コリメータレンズからの前記検査光を分光するプリズムと、
を有し、
前記コリメータレンズは、前記試料の表面と共役関係にある共役面に前記コリメータレンズの像面湾曲特性が沿う形で、前記コリメータレンズの光軸を前記検査光の光軸からずらして配置する
ことを特徴とする分光エリプソメータ。

【請求項9】

請求項１に記載の分光エリプソメータにおいて、
前記光検出器は、
前記検査光を平行光として出射する凹面鏡と、
前記凹面鏡からの前記検査光を分光するプリズムと、
を有し、
前記凹面鏡は、前記試料の表面と共役関係にある共役面に前記凹面鏡の像面湾曲特性が沿う形で、前記凹面鏡の光軸を前記検査光の光軸からずらして配置する
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】

【技術分野】

【0001】

本発明は、例えば半導体ウエハ表面の薄膜の厚みや光学的特性などを測定する分光エリプソメータに関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、物質の光学的特性を測定する技術としてエリプソメトリ（偏光解析技術）が知られている。エリプソメトリは、検査光が物質を反射するときの偏光状態の変化を測定し、測定した偏光状態の変化から物質の光学的特性を求めるものである。偏光状態の変化は、ｐ偏光の振幅反射係数ｒｐとｓ偏光の振幅反射係数ｒｓとの比（振幅反射係数比）ρとして測定される。なお、ｐ偏光の振幅反射係数ｒｐとｓ偏光の振幅反射係数ｒｓの比ρは、２つのエリプソメトリ角Ψ，Δを用いることにより、ρ＝ｔａｎ（Ψ）・ｅｘｐ（ｉΔ）で表わされる。なお、２つのエリプソメトリ角Ψ，Δは、個々の物質の光学的特性に依存する。したがって、エリプソメトリを用いるエリプソメータは、例えば半導体分野などにおいて薄膜の光学的特性や膜厚を測定するために用いられる（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第３７１６３０５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、半導体ウエハは、例えば、高純度シリコン（Ｓｉ）の基板上に、真空の空間で単独材料や化合物材料をその純度を保ったまま薄膜を形成する必要がある。したがって、真空であるべき空間に微細なごみや汚染ガスが存在した状態で、基板上に薄膜が成膜されたときには、成膜工程により得られる半導体ウエハは不良品として扱われる。そこで、半導体ウエハの検査工程では、半導体チップとして用いられる複数の領域の各々に形成された半導体回路の動作確認を検査する他に、半導体チップとして用いられる領域の各々に設けた複数のテストパッドに対する膜厚の測定を行っている。この膜厚の測定は、テストパッドを１領域毎に測定する必要がある。ここで、上述したテストパッドは、一例として５０×５０μｍの大きさであるが、半導体チップの高度化に伴い、テストパッドの縮小化が求められている。したがって、縮小化されたテストパッドを用いた膜厚測定を正確に行う技術が求められる。

【0005】

本発明は、かかる問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、半導体ウエハに対する膜厚測定に係る測定時間を短縮し、また、縮小化された領域における光学的特性をより正確に測定できるようにした技術を提供するものである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するために、本発明の分光エリプソメータは、試料を載置する載置台と、光源と、前記光源からの光を用いて、前記試料に設けられた、少なくとも２以上の対象領域に向けた検査光を照射する照射手段と、前記少なくとも２以上の対象領域で反射した検査光を分光して受光する光検出器と、を備えることを特徴とする。

【0007】

また、前記照射手段は、前記少なくとも２以上の対象領域の各々に対応した反射面を複数有する反射型のマスク又は反射鏡であることを特徴とする。ここで、検査光をマスク又は反射鏡に反射させて試料に投影するが、試料に対して斜めから検査光を照射する場合、該検査光の焦点を試料の表面に合わせるためには、マスクの反射面や反射鏡の反射面及び試料の表面の配置において、シャインプルーフの条件を満たす必要がある。この場合、前記反射型のマスク又は前記反射鏡は、前記少なくとも２以上の対象領域と、前記少なくとも２以上の対象領域の各々に対応した反射面とが共役関係を有する位置に配置され、前記試料の表面への前記検査光の投影倍率は等倍であることが好ましい。

【0008】

また、前記照射手段は、前記少なくとも２以上の対象領域の各々に対応した透過面を有する透過型のマスクであることを特徴とする。この場合、前記透過型のマスクは、前記少なくとも２以上の対象領域と、前記少なくとも２以上の対象領域の各々に対応した前記透過面とが共役関係を有する位置に配置され、前記試料の表面への前記検査光の投影倍率は等倍であることが好ましい。

【0009】

また、前記試料は、半導体ウエハであり、前記対象領域は、半導体ウエハに設けた半導体チップに対応する領域内に複数設けられるテストパッドであることを特徴とする。

【0010】

また、前記光検出器は、前記試料の表面と共役関係にある共役面と前記試料を反射した検査光の光軸との交点を通り、且つ前記共役面と直交する光軸を有し、入射する検査光を平行光として出射するコリメータレンズを有することを特徴とする。

【0011】

また、前記光検出器は、前記検査光を平行光として出射するコリメータレンズと、前記コリメータレンズからの検査光を分光するプリズムと、を有し、前記コリメータレンズは、前記試料の表面と共役関係にある共役面に、前記コリメータレンズの像面湾曲特性が沿う形で、前記コリメータレンズの光軸を前記検査光の光軸からずらして配置することを特徴とする。

【0012】

また、前記光検出器は、前記検査光を平行光として出射する凹面鏡と、前記凹面鏡からの検査光を分光するプリズムと、を有し、前記凹面鏡は、前記試料の表面と共役関係にある共役面に、前記凹面鏡の像面湾曲特性が沿う形で、前記凹面鏡の光軸を前記検査光の光軸からずらして配置することを特徴とする。

【発明の効果】

【0013】

これによれば、半導体ウエハに対する膜厚測定に係る測定時間を短縮し、また、縮小化された領域における光学的特性をより正確に測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】第１実施形態におけるエリプソメータの構成の一例を示す概略図である。

【図2】マスクに設けられる反射面の配置の一例を示す説明図である。

【図3】複数のチップ領域が二次元状に形成された半導体ウエハの平面図である。

【図4】（ａ）は半導体ウエハに設けられたチップ領域及びチップ領域に設けられるテストパッドの配置の一例、（ｂ）はＸ軸方向に配置される複数のテストパッドのいずれかのテストパッドがＹ軸方向にずれて配置されるチップ領域の一例、（ｃ）は複数のテストパッドのうちのいずれかがＸ軸方向及びＹ軸方向にずれた位置に配置されるチップ領域の一例を示す説明図である。

【図5】光検出器の構成の一例を示す概略図である。

【図6】コリメータレンズの光軸が共役面と直交し、且つコリメータレンズの光軸が共役面と反射光の光軸との交点を通る場合のコリメータレンズの配置の一例を示す説明図である。

【図7】コリメータレンズの光軸が共役面と直交し、且つコリメータレンズの中心が場合のコリメータレンズの配置の一例を示す説明図である。

【図8】試料の表面と共役関係にある共役面に像面湾曲特性が沿う形で、コリメータレンズを自身の光軸を検査光の光軸からずらして配置した光検出器の一例を示す図である。

【図9】試料の表面と共役関係にある共役面に像面湾曲特性が沿う形で、凹面鏡を自身の光軸を検査光の光軸からずらして配置した光検出器の一例を示す図である。

【図10】マスク１６より射出した検査光を、試料Ｓの表面１×２ｍｍの領域に対して斜めから照射することを示す図である。

【図11】試料の表面と共役関係にある共役面にコリメータレンズの像面湾曲特性が沿う形で、コリメータレンズの光軸を検査光の光軸からずらしてコリメータレンズを配置した場合であって、検査光が試料の表面に照射される照射角度θがθ＝５０°のとき、波長λ＝３６５，４３６，５８８，６５６，７０７，１０１４ｎｍの各検査光を用いた場合の、点Ｐ１から点Ｐ９より射出された光束が受光面に集光したときのストレール比を示す図である。

【図12】試料の表面と共役関係にある共役面にコリメータレンズの像面湾曲特性が沿う形で、コリメータレンズの光軸を検査光の光軸からずらしてコリメータレンズを配置した場合であって、検査光が試料の表面に照射される照射角度θがθ＝５５°のとき、波長λ＝３６５，４３６，５８８，６５６，７０７，１０１４ｎｍの各検査光を用いた場合の、点Ｐ１から点Ｐ９より射出された光束が受光面に集光したときのストレール比を示す図である。

【図13】試料の表面と共役関係にある共役面にコリメータレンズの像面湾曲特性が沿う形で、コリメータレンズの光軸を検査光の光軸からずらしてコリメータレンズを配置した場合であって、検査光が試料の表面に照射される照射角度θがθ＝６０°のとき、波長λ＝３６５，４３６，５８８，６５６，７０７，１０１４ｎｍの各検査光を用いた場合の、点Ｐ１から点Ｐ９より射出された光束が受光面に集光したときのストレール比を示す図である。

【図14】試料の表面と共役関係にある共役面にコリメータレンズの像面湾曲特性が沿う形で、コリメータレンズの光軸を検査光の光軸からずらしてコリメータレンズを配置した場合であって、検査光が試料の表面に照射される照射角度θがθ＝６５°のとき、波長λ＝３６５，４３６，５８８，６５６，７０７，１０１４ｎｍの各検査光を用いた場合の、点Ｐ１から点Ｐ９より射出された光束が受光面に集光したときのストレール比を示す図である。

【図15】試料の表面と共役関係にある共役面にコリメータレンズの像面湾曲特性が沿う形で、コリメータレンズの光軸を検査光の光軸からずらしてコリメータレンズを配置した場合であって、検査光が試料の表面に照射される照射角度θがθ＝７０°のとき、波長λ＝３６５，４３６，５８８，６５６，７０７，１０１４ｎｍの各検査光を用いた場合の、点Ｐ１から点Ｐ９より射出された光束が受光面に集光したときのストレール比を示す図である。

【図16】試料の表面と共役関係にある共役面に凹面鏡の像面湾曲特性が沿う形で、凹面鏡の光軸を検査光の光軸からずらして凹面鏡を配置した場合であって、検査光が試料の表面に照射される照射角度θがθ＝５０°のとき、波長λ＝３６５，４３６，５８８，６５６，７０７，１０１４ｎｍの各検査光を用いた場合の、点Ｐ１から点Ｐ９より射出された光束が受光面に集光したときのストレール比を示す図である。

【図17】試料の表面と共役関係にある共役面に凹面鏡の像面湾曲特性が沿う形で、凹面鏡の光軸を検査光の光軸からずらして凹面鏡を配置した場合であって、検査光が試料の表面に照射される照射角度θがθ＝５５°のとき、波長λ＝３６５，４３６，５８８，６５６，７０７，１０１４ｎｍの各検査光を用いた場合の、点Ｐ１から点Ｐ９より射出された光束が受光面に集光したときのストレール比を示す図である。

【図18】試料の表面と共役関係にある共役面に凹面鏡の像面湾曲特性が沿う形で、凹面鏡の光軸を検査光の光軸からずらして凹面鏡を配置した場合であって、検査光が試料の表面に照射される照射角度θがθ＝６０°のとき、波長λ＝３６５，４３６，５８８，６５６，７０７，１０１４ｎｍの各検査光を用いた場合の、点Ｐ１から点Ｐ９より射出された光束が受光面に集光したときのストレール比を示す図である。

【図19】試料の表面と共役関係にある共役面に凹面鏡の像面湾曲特性が沿う形で、凹面鏡の光軸を検査光の光軸からずらして凹面鏡を配置した場合であって、検査光が試料の表面に照射される照射角度θがθ＝６５°のとき、波長λ＝３６５，４３６，５８８，６５６，７０７，１０１４ｎｍの各検査光を用いた場合の、点Ｐ１から点Ｐ９より射出された光束が受光面に集光したときのストレール比を示す図である。

【図20】試料の表面と共役関係にある共役面に凹面鏡の像面湾曲特性が沿う形で、凹面鏡の光軸を検査光の光軸からずらして凹面鏡を配置した場合であって、検査光が試料の表面に照射される照射角度θがθ＝７０°のとき、波長λ＝３６５，４３６，５８８，６５６，７０７，１０１４ｎｍの各検査光を用いた場合の、点Ｐ１から点Ｐ９より射出された光束が受光面に集光したときのストレール比を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明を適用した分光エリプソメータについて、図面に基づいて説明する。なお、本発明は、分光エリプソメータの装置構成についての発明であるので、エリプソメトリ（偏光解析技術）の内容についての説明は省略する。

【0016】

分光エリプソメータは、物体の表面に入射する検査光の偏光状態と、物体の表面にて反射した検査光の偏光状態の変化を測定して、物体表面における光学的特性や、物体表面の薄膜の厚さを測定する装置である。以下、分光エリプソメータにて測定する対象となる物体を試料と称する。以下、分光エリプソメータにより試料表面の薄膜の厚みを測定する場合を一例として説明する。

【0017】

図１に示すように、分光エリプソメータ１０は、光源１５、マスク１６、入射光学系１７、載置台１８、出射光学系１９及び光検出器２０を含む。

【0018】

光源１５は、例えば白色光を発光する。光源１５としては、例えば、キセノンランプ、白色電球、ハロゲンランプなどが挙げられる。

【0019】

マスク１６は、例えば反射型のマスク又は透過型のマスクである。以下、マスク１６として、反射型のマスクを用いる場合を説明する。マスク１６は、光源１５にて発光した白色光の一部を複数の反射面ＲＳの各々にて反射させる。反射面ＲＳにて反射した白色光は、検査光として、入射光学系１７に入射する。なお、図示は省略するが、マスク１６は、基板の表面に反射層、光吸収層の順で積層され、反射層の一部を外部に露呈することで反射面ＲＳが形成される。

【0020】

図２に示すように、反射面ＲＳは、図２中Ｘ軸方向に複数配列され、複数の反射面ＲＳの各々は、半導体ウエハ３０のチップ領域Ａ（ｘ，ｙ）に設けたテストパッドＴＰ（ｎ）の各々に対応している。つまり、複数の反射面ＲＳの個数ｎ（例えばｎ＝１，２，・・・）は、チップ領域Ａ（ｘ，ｙ）の各々に設けたテストパッドＴＰ（ｎ）の個数と同一数に設定される。以下、反射面をＲＳ（ｎ）と称する。また、マスク１６と試料Ｓとは共役関係にあるが、反射面ＲＳが試料Ｓの表面に投影された際、反射面ＲＳ（ｎ）の像がテストパッドＴＰ（ｎ）からはみ出さないよう、反射面の形状及び面積が設定される。ここで、図２中Ｘ軸方向は、図１に示すＸ軸方向と同一方向である。

【0021】

図１に戻って説明すると、入射光学系１７は、コリメータレンズ２５、偏光子２６及びコンデンサレンズ２７を含む。コリメータレンズ２５は、マスク１６からの検査光を平行光とする。偏光子２６は、コリメータレンズ２５を透過した検査光を偏光する。コンデンサレンズ２７は、偏光子２６により偏光した検査光を載置台１８の試料Ｓの表面に向けて集束させる。

【0022】

分光エリプソメータ１０は、マスク１６からの検査光が試料Ｓの表面に投影される倍率（以下、投影倍率）は、例えば等倍（１倍）に設定される。分光エリプソメータ１０は、試料Ｓに対して斜めから検査光を入射させるが、検査光が反射するマスク１６の表面の位置と、マスク１６を反射した検査光が照射される試料Ｓの表面の位置とが、シャインプルーフ条件を満足するとき、マスク１６を反射した検査光は、試料Ｓの表面で焦点が合う像として投影される。

【0023】

載置台１８は、試料Ｓを載置して保持する。ここで、載置台１８に載置される試料Ｓの表面と、マスク１６の表面とは共役関係となる。載置台１８は、図示を省略した移動機構を有しており、載置台１８に載置された試料Ｓを図１中ＸＹ平面上で移動させることが可能である。

【0024】

載置台１８に保持される試料Ｓは、例えば半導体ウエハである。図３に示すように、半導体ウエハ３０は、例えば円盤形状である。半導体ウエハ３０は、二次元状に区画された複数のチップ領域Ａを有する。チップ領域Ａは、半導体ウエハ３０を切断したときに半導体チップとして使用される領域である。以下、ｘ行、ｙ列目にあるチップ領域ＡをＡ（ｘ，ｙ）と称する。ここで、図３に示すＸ軸方向と、図１に示すＸ軸方向とは、同一方向である。図３に示すＹ軸方向と、図１に示すＹ軸方向とは、同一方向である。

【0025】

図４（ａ）に示すように、チップ領域Ａ（ｘ，ｙ）は、例えば、不図示の半導体回路と、複数のテストパッドＴＰとを有する。テストパッドＴＰは、例えばＸ軸方向に沿って、複数配置される。テストパッドＴＰの数は、マスク１６にて設定される反射面ＲＳの数と同一数に設定される。以下、テストパッドをＴＰ（ｎ）と称する。

【0026】

図１に戻って説明すると、出射光学系１９は、補償子３５、検光子３６及びコンデンサレンズ３７を含む。補償子３５は、試料Ｓの表面を反射した検査光の光軸Ｌ２を回転中心として検査光を回転させて、試料Ｓの表面を反射した検査光の位相を転移させる。検光子３６は、補償子３５により位相転移した検査光のうち、特定の角度に偏光した検査光を通過させる。コンデンサレンズ３７は、検光子３６を通過した検査光を集束して光検出器２０に入射させる。

【0027】

なお、この実施の形態では、補償子３５において、試料Ｓの表面を反射した検査光を検査光の光軸Ｌ２を回転中心として回転させて、当該検査光の位相を転移させる場合を説明するが、検光子３６において、試料Ｓの表面を反射した検査光を検査光の光軸Ｌ２を回転中心として回転させて、当該検査光の位相を転移させることも可能である。また、補償子３５の代わりに、光弾性変調器を配置して、検査光の位相を転移させることも可能である。

【0028】

光検出器２０は、出射光学系１９から出射された検査光を検出する。図５に示すように、光検出器２０は、分光光学系４１及び受光部４２を有する。分光光学系４１は、例えばコリメータレンズ４５、分光プリズム４６及び結像レンズ４７を含む。コリメータレンズ４５は、出射光学系１９のコンデンサレンズ３７から出射される検査光を平行光とする。なお、コリメータレンズ４５を配置する代わりに、コリメート用ミラーを配置し、コンデンサレンズ３７から出射される検査光を後段の分光プリズム４６に向けて反射させてもよい。分光プリズム４６は、コンデンサレンズ３７から出射された検査光を分光して出射する。結像レンズ４７は、分光プリズム４６から出射された検査光を、受光部４２に結像させる。

【0029】

受光部４２は、分光プリズム４６により分光された検査光を受光する。受光部４２は、受光された検査光に基づく信号を不図示の解析装置に出力する。受光部４２としては、例えばフォトダイオードを二次元状に配置したフォトダイオードアレイや、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）が挙げられる。また、この他に、受光部４２としては、フォトダイオードを一方向に複数配置したフォトダイオードアレイやラインＣＣＤを、半導体ウエハ３０のテストパッドＴＰの配列方向（例えば図１中Ｘ軸方向）と同一方向に、複数配置することも可能である。

【0030】

分光エリプソメータ１０の動作について説明する。分光エリプソメータ１０は、例えば、載置台１８に載置された半導体ウエハ３０が有する二次元状に配置されたチップ領域Ａ（ｘ，ｙ）の各々に設けたテストパッドＴＰ（ｎ）の光学的特性を測定する。分光エリプソメータ１０において、例えば１行１列目のチップ領域Ａ（１，１）に設けたテストパッドＴＰ（１）～ＴＰ（ｎ）に対する測定を行う。光源１５が白色光を発光すると、発光した白色光は、マスク１６に設けられた複数の反射面ＲＳ（ｎ）を各々反射する。反射した白色光は検査光として入射光学系１７に入射される。入射光学系１７に入射された検査光は、入射光学系１７の偏光子２６により偏光された後、試料Ｓである半導体ウエハ３０の表面に入射する。すなわち、１行１列目のチップ領域Ａ（１，１）に設けられた複数のテストパッドＴＰを同時に測定することができる。

【0031】

上述したように、マスク１６の表面と、半導体ウエハ３０の表面とは共役関係にあり、また、入射する検査光の投影倍率は等倍に設定されている。また、各反射面ＲＳとテストパッドＴＰの大きさは同一である。したがって、マスク１６の反射面ＲＳの各々を反射した光は、半導体ウエハ３０の１列目のチップ領域Ａ（１，１）に設けたテストパッドＴＰ（ｎ）の各々に正確に投影される。

【0032】

半導体ウエハ３０のチップ領域Ａ（１，１）に設けたテストパッドＴＰ（１）～ＴＰ（ｎ）に入射される検査光は、半導体ウエハ３０の１列目のチップ領域Ａ（１，１）に設けたテストパッドＴＰ（１）～ＴＰ（ｎ）を反射して、出射光学系１９に入射される。

【0033】

出射光学系１９に入射された検査光は、補償子３５により位相転移された後、検光子３６により特定の角度に偏光した検査光のみが光検出器２０に入射される。なお、光検出器２０は、入射した検査光を分光して受光する。上述したように、半導体ウエハ３０を反射した検査光は、半導体ウエハ３０のチップ領域Ａ（１，１）に設けたテストパッドＴＰ（１）～ＴＰ（ｎ）を反射した検査光である。したがって、光検出器２０の受光部４２は、半導体ウエハ３０のチップ領域Ａ（１，１）の各々に設けたテストパッドＴＰ（１）～ＴＰ（ｎ）の各々を反射した検査光を受光する。受光部４２は、受光した検査光に基づく信号を、不図示の解析装置に出力する。その結果、解析装置において、テストパッドＴＰ（１）～ＴＰ（ｎ）の各々における光学的特性（膜厚を含む）が解析される。

【0034】

半導体ウエハ３０の１行１列目のチップ領域Ａ（１，１）に設けたテストパッドＴＰ（１）～ＴＰ（ｎ）に対する測定が終えると、載置台１８は、例えば図１中Ｙ軸方向に所定量移動して、１行２列目のチップ領域Ａ（１，２）に設けたテストパッドＴＰ（１）～ＴＰ（ｎ）に対する測定を行う。同一行のチップ領域Ａ（１，ｙ）に設けたテストパッドＴＰ（ｎ）に対する測定が全て終了すると、載置台１８はＸ軸方向及びＹ軸方向に移動し、２行１列目のチップ領域Ａ（２，１）に設けたテストパッドＴＰ（１）～ＴＰ（ｎ）に対する測定を行う。つまり、二次元状に配置される複数のチップ領域Ａ（ｘ，ｙ）のうち、同一行に配置されるチップ領域Ａ（ｘ，ｙ）に対する測定を行った後、隣の行に配置されるチップ領域Ａ（ｘ，ｙ）に対する測定を行い、全てのチップ領域Ａ（ｘ，ｙ）に対する測定を実行する。

【0035】

上述したように、分光エリプソメータ１０において、１つのチップ領域Ａ（ｘ，ｙ）に設けられた複数のテストパッドＴＰ（ｎ）を同時に測定することができるので、１個のチップ領域Ａ（ｘ，ｙ）における測定時間を短縮できる。上述したように、本実施の形態における分光エリプソメータ１０では、測定するチップ領域Ａ（ｘ，ｙ）を切り替えながら、測定対象となるチップ領域Ａ（ｘ，ｙ）に配置された複数のテストパッドＴＰ（ｎ）の測定を行うものであるから、半導体ウエハ全体に対する測定時間も大幅に短縮することができる。

【0036】

なお、同一行に配置されるチップ領域Ａ（ｘ，ｙ）に設けたテストパッドＴＰ（ｎ）に対する測定を行った後、隣の行に配置されるチップ領域Ａ（ｘ，ｙ）に設けたテストパッドＴＰ（ｎ）に対する測定を行うようにしているが、同一列に配置されるチップ領域Ａ（ｘ，ｙ）に設けたテストパッドＴＰ（ｎ）に対する測定を行った後、隣の列に配置されるチップ領域Ａ（ｘ，ｙ）に設けたテストパッドＴＰ（ｎ）に対する測定を行うようにしてもよい。また、この他に、同一列に配置されるチップ領域Ａ（ｘ、ｙ）のテストパッドＴＰ（ｎ）を一度に測定することも可能である。

【0037】

なお、本実施の形態に示すチップ領域Ａ（ｘ，ｙ）では、当該チップ領域Ａ（ｘ，ｙ）に設けられる複数のテストパッドＴＰ（ｎ）がＸ軸方向に沿って配置される場合を示している。しかしながら、図４（ｂ）に示すように、当該チップ領域Ａ（ｘ，ｙ）に設けられる複数のテストパッドＴＰ（ｎ）のうち、例えばテストパッドＴＰ（２）及びＴＰ（４）が、他のテストパッドＴＰ（ｎ）に対してＹ軸方向にずれて配置される場合もある。このような場合も、マスク１６の表面及び試料Ｓの表面の位置がシャインプルーフ条件を満足していることで、反射面ＲＳによって反射された検査光が、対応するテストパッドＴＰ（ｎ）上で焦点が合い、同様の形態で測定することができる。

【0038】

さらに、図４（ｃ）に示すように、複数配置されるテストパッドＴＰ（ｎ）の一部を、二次元状に配置する場合もある。このような場合、半導体ウエハ３０の各チップ領域Ａに設けられたテストパッドＴＰ（ｎ）に対応する反射面ＲＳを配置した１以上のマスクを用いて測定を行う。図４（ｃ）に示すように、例えば、チップ領域Ａ（ｘ，ｙ）に配置されるテストパッドＴＰ（ｎ）のうち、Ｘ軸方向に沿って配置されたテストパッドＴＰ（５）からテストパッドＴＰ（ｎ）に対する測定を行った後、二次元状に配置されたテストパッドＴＰ（１）からテストパッドＴＰ（４）に対する測定を行う。このとき、テストパッドＴＰ（５）からテストパッドＴＰ（ｎ）に対する測定を行う際に使用するマスクと、テストパッドＴＰ（１）からテストパッドＴＰ（４）に対する測定を行う際に使用するマスクとを切り替える。また、マスクの切り替えを行う際には、載置台１８をＹ軸方向に所定量移動させる。この場合、チップ領域Ａ（ｘ，ｙ）に設けた複数のテストパッドＴＰ（ｎ）のうち、２以上のテストパッドＴＰ（ｎ）を同時に測定することができるので、半導体ウエハ３０に対する測定時間を短縮することが可能となる。

【0039】

上述した実施の形態では、複数の反射面ＲＳを一方向（図２中Ｘ軸方向）に配置した反射型のマスク１６を用いて、光源１５からの検査光を、半導体ウエハ３０に設けたチップ領域Ａ（ｘ，ｙ）に設けたテストパッドＴＰ（ｎ）に照射させるようにしている。しかしながら、マスク１６を用いるのではなく、複数のマイクロミラーを二次元状に配置したＤＭＤ（Ｄｅｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）を用いることも可能である。

【0040】

ＤＭＤは、二次元状に配置した複数のマイクロミラーの各々を、試料に向けて光を反射させるオン位置と、試料とは異なる位置に光を反射させるオフ位置との間で切り替えるものである。つまり、ＤＭＤを用いた場合、複数のマイクロミラーのうち、半導体ウエハ３０に設けたチップ領域Ａ（ｘ，ｙ）に設けたテストパッドＴＰ（ｎ）の各々に対応するマイクロミラーをオフ位置からオン位置に切り替える動作を実行する。この場合、テストパッドＴＰ（ｎ）の位置に合わせたマスク１６を作成する必要がなくなるので、測定のコストを下げることができる。

【0041】

上述した分光エリプソメータ１０において、マスク１６の表面及び試料Ｓの表面は、共役関係であることを説明しているが、試料Ｓの表面及び受光部４２の受光面も共役関係であることが好ましい。ところで、上記分光エリプソメータ１０において、検査光は、試料Ｓの表面に対して斜め上方から入射し、試料Ｓの表面で反射した後、斜め上方へと進む。ここで、コリメータレンズ４５の光軸を検査光の光軸Ｌ２に一致するようにコリメータレンズ４５を配置した場合、コリメータレンズ４５から出射する検査光の一部は、平行光にならず、拡散光又は収束光となる恐れがある。したがって、コリメータレンズ４５から出射する検査光を平行光とする方法として、例えば、コリメータレンズ４５の像面と共役面ＣＳとを平行に設置することが挙げられる。

【0042】

図６に示すように、共役面ＣＳは、出射光学系１９のコンデンサレンズ３７から出射された検査光の光軸Ｌ２上に位置している。そこで、分光光学系４１のコリメータレンズ４５を、コリメータレンズ４５の光軸Ｌ３が共役面ＣＳに直交し、且つコリメータレンズ４５の光軸Ｌ３が検査光の光軸Ｌ２と共役面ＣＳとの交点Ｅ１を通るように配置する。このとき、検査光がコリメータレンズ４５に入射されるように、コリメータレンズ４５を検査光の光路上に配置する。すなわち、コリメータレンズ４５は、コリメータレンズ４５の光軸Ｌ３が検査光の光軸Ｌ２に対して傾いた状態で配置される。これによれば、コリメータレンズ４５から出射される検査光は、平行光として分光プリズム４６に入射される。

【0043】

また、図７に示すように、分光光学系４１のコリメータレンズ４５の光軸Ｌ３と、共役面ＣＳに直交する直線のうち、共役面ＣＳと検査光の光軸Ｌ２との交点Ｅ２を通る直線Ｌ４とを平行に、且つコリメータレンズ４５の中心Ｅ３が検査光の光軸Ｌ２上に位置するように、コリメータレンズ４５を配置することも可能である。この場合も、分光光学系４１のコリメータレンズ４５は、コリメータレンズ４５の光軸Ｌ３が検査光の光軸Ｌ２に対して傾いた状態で配置される。これによれば、コリメータレンズ４５から出射される検査光は、平行光として分光プリズム４６に入射される。

【0044】

半導体ウエハ３０のチップ領域Ａ（ｘ，ｙ）に設けたテストパッドＴＰ（ｎ）の測定において、測定を行う膜が厚い場合や複雑な多層膜の場合、複数の入射角を用いて測定を行う。つまり、入射角を変更した場合、光軸Ｌ２に対する共役面ＣＳの傾斜角度が変化するので、光軸Ｌ２に対する共役面ＣＳの傾斜角度の変化に伴って、コリメータレンズ４５の傾斜角度の調整も必要である。

【0045】

なお、分光エリプソメータ１０において、入射光学系１７を出射した検査光が試料Ｓに入射する入射角度は、５０～７０°である。したがって、コリメータレンズ４５の光軸Ｌ３を、検査光の光軸Ｌ２に対して傾斜して配置する場合、コリメータレンズ４５に入射する検査光、及びコリメータレンズ４５から出射される検査光の角度は大きくなり、コリメータレンズの収差補正や、光検出器２０における分光光学系４１のレイアウト、位置（角度）調整が困難である。

【0046】

一般的に、レンズは、像面湾曲特性を有している。像面湾曲特性とは、例えばレンズを透過した光の結像面が、レンズの光軸に直交する平面ではなく、レンズの光軸（中心）から離れるほど、レンズの出射面側に位置する湾曲面となる性質である。したがって、光検出器に設けられるコリメータレンズを、試料の表面と共役関係にある共役面にコリメータレンズの像面湾曲特性が沿う形で、コリメータレンズの光軸を検査光の光軸からずらして配置することも可能である。

【0047】

図８は、分光エリプソメータに用いる光検出器の一例を示す。図８に示すように、光検出器５１は、分光光学系５２及び受光部５３を含む。また、分光光学系５２は、コリメータレンズ５４、分光プリズム５５及び結像レンズ５６を含む。コリメータレンズ５４は、試料Ｓの表面と共役関係にある共役面ＣＳ１にコリメータレンズ５４の像面湾曲特性が沿う形で、コリメータレンズ５４の光軸Ｌ５を検査光の光軸Ｌ２からずらして配置する。詳細には、コリメータレンズ５４の像面湾曲特性に基づいた像面５８上に、上記共役面ＣＳ１が位置するように、コリメータレンズ５４を配置する。このように、コリメータレンズ５４を配置することで、コリメータレンズ５４を透過した検査光は、コリメータレンズ５４の像面湾曲特性の影響が抑止されて、平行光として分光プリズム５５に入射する。

【0048】

また、この他に、光検出器の中には、コリメータレンズの代わりに凹面鏡を用いるものもある。図９に示すように、例えば、光検出器６１は、分光光学系６２及び受光部６３を含む。また、分光光学系６２は、凹面鏡６４、分光プリズム６５及び結像レンズ６６を含む。

【0049】

ここで、凹面鏡６４をコリメータレンズの代わりに用いた場合も、コリメータレンズを用いたときと同様に、凹面鏡６４は、試料Ｓの表面と共役関係にある共役面ＣＳ２に凹面鏡６４の像面湾曲特性が沿う形で、凹面鏡６４の光軸Ｌ６を検査光の光軸Ｌ２からずらして配置する。詳細には、凹面鏡６４の像面湾曲特性に基づいた像面６８上に、上記共役面ＣＳ２が位置するように、凹面鏡６４を配置する。このように、凹面鏡６４を配置することで、凹面鏡６４を反射した光は、凹面鏡６４の像面湾曲特性の影響が抑止されて、平行光として分光プリズム６５に入射する。

【0050】

以下、試料Ｓの表面と共役関係にある共役面ＣＳ１にコリメータレンズ５４の像面湾曲特性が沿う形で、コリメータレンズ５４の光軸Ｌ５を検査光の光軸Ｌ２からずらしてコリメータレンズ５４を配置した場合のシミュレーション結果を実施例１として説明する。

【0051】

＜実施例１＞
実施例１に示す分光エリプソメータ１０についての仕様（光学系における光学的特性など）を表１に示す。なお、実施例１に示す分光エリプソメータ１０において、図８ではコリメータレンズ５４を１つのレンズで示しているが、コリメータレンズ５４は、例えば、不図示の６枚のレンズから構成される。コリメータレンズ５４を構成する６枚のレンズを、以下、試料Ｓ側から、レンズＧ１、レンズＧ２、レンズＧ３、レンズＧ４、レンズＧ５及びレンズＧ６とする。レンズＧ１からレンズＧ６は、入射面及び出射面は球面状である。また、レンズＧ１からレンズＧ５は、出射光学系１９の光軸上に配置され、レンズＧ６は、出射光学系１９の光軸に対して偏心又は傾斜している。

【0052】

【表1】

【0053】

シミュレーションにおいては、マスク１６を物体面とし、検査光の光軸と試料Ｓの表面とが成す角度θ（図１参照）を照射角度θとし、θ＝５０°、５５°、６０°、６５°及び７０°におけるマスク１６表面の各物体高から射出した検査光を、図１０に示すように、試料Ｓにおける表面１×２ｍｍの領域に対して照射することを前提とする。なお、マスク１６の各物体高については、Ｙ軸対象となる点は省略し、点Ｐ１から点Ｐ９とし、図１０においては点Ｐ１から点Ｐ９が試料Ｓの表面上で共役となる点を点Ｐ１’から点Ｐ９’としている。

【0054】

上述した照射角度θをθ＝５０°、５５°、６０°、６５°及び７０°としたときの面データを表２から表６に示す。また、照射角度θを、θ＝５０°、５５°、６０°、６５°及び７０°としたときの点Ｐ１から点Ｐ９の位置を表７から表１１に示す。上述したように、実施例１に示す分光エリプソメータ１０では、マスク１６からの光を斜め上方から試料Ｓに照射している。したがって、例えば試料Ｓ上の点Ｐ１’からＰ９’を基準とすると、マスク１６における点Ｐ１から点Ｐ９のうち、点Ｐ４から点Ｐ６、及び点Ｐ７から点Ｐ９のＹ軸方向の位置は、ｙ×ｃｏｓθとなる。

【0055】

【表2】

【0056】

【表3】

【0057】

【表4】

【0058】

【表5】

【0059】

【表6】

【0060】

【表7】

【0061】

【表8】

【0062】

【表9】

【0063】

【表10】

【0064】

【表11】

【0065】

上述したように、点Ｐ１から点Ｐ９の各点から射出した検査光は、入射光学系１７を通り、試料Ｓの表面で反射し、出射光学系１９に入射する。出射光学系１９に入射した検査光は、補償子３５により位相を転移された後、出射光学系１９から出射し、光検出器５１に入射する。光検出器５１に入射した検査光は、コリメータレンズ５４で平行光となり、分光プリズム５５で分光され、結像レンズ５６により受光部５３にて結像する。

【0066】

実施例１において、入射光学系１７及び出射光学系１９を近軸レンズとしていることから、共役面ＣＳ１におけるマスク１６の像は無収差となり、また、結像レンズ５６を近軸レンズとし、結像レンズ５６の焦点距離と、結像レンズ５６と受光部５３との距離とを等しくしたうえで受光部５３におけるストレール比を計算することで、コリメータレンズ５４によるコリメート性を確認している。また、ストレール比の計算については、光学設計シミュレーションソフトを利用した。

【0067】

例えば上述した照射角度θがθ＝５０°となるとき、図１１に示すように、検査光の波長λとして、λ＝３６５，４３６，５８３，６５６，７０７，１０１４ｎｍのいずれかの波長を用いた場合であっても、点Ｐ１から点Ｐ９のいずれの点から射出した光束においても、これら点に対応する視野（視野１から視野９）におけるストレール比が一般にほぼ無収差となる０．８以上（詳細には、０．８９以上）となっている。つまり、照射角度θ＝５０°の場合、試料Ｓの表面と共役関係にある共役面ＣＳ１にコリメータレンズ５４の像面湾曲特性が沿う形で、コリメータレンズ５４の光軸Ｌ５を検査光の光軸Ｌ２からずらしてコリメータレンズ５４を配置したとき、コリメート性の高い検査光を分光プリズム５５に入射させることができる。

【0068】

また、例えば上述した照射角度θがθ＝５５°となるとき、図１２に示すように、検査光の波長λとして、λ＝３６５，４３６，５８３，６５６，７０７，１０１４ｎｍのいずれかの波長を用いた場合であっても、点Ｐ１から点Ｐ９のいずれの点から射出した光束においても、ストレール比が一般にほぼ無収差となる０．８以上（詳細には、０．９以上）となっている。つまり、照射角度θ＝５５°の場合、試料Ｓの表面と共役関係にある共役面ＣＳ１にコリメータレンズ５４の像面湾曲特性が沿う形で、コリメータレンズ５４の光軸Ｌ５を検査光の光軸Ｌ２からずらしてコリメータレンズ５４を配置したとき、コリメート性の高い検査光を分光プリズム５５に入射させることができる。

【0069】

また、上述した照射角度θがθ＝６０°となるとき、図１３に示すように、検査光の波長λとして、λ＝３６５，４３６，５８３，６５６，７０７，１０１４ｎｍのいずれかの波長を用いた場合であっても、点Ｐ１から点Ｐ９のいずれの点から射出した光束においても、ストレール比が一般にほぼ無収差となる０．８以上（詳細には、０．９以上）となっている。つまり、照射角度θ＝６０°の場合も、試料Ｓの表面と共役関係にある共役面ＣＳ１にコリメータレンズ５４の像面湾曲特性が沿う形で、コリメータレンズ５４の光軸Ｌ５を検査光の光軸Ｌ２からずらしてコリメータレンズ５４を配置したとき、コリメート性の高い検査光を分光プリズム５５に入射させることができる。

【0070】

また、上述した照射角度θがθ＝６５°となるとき、図１４に示すように、検査光の波長λとして、λ＝３６５，４３６，５８３，６５６，７０７，１０１４ｎｍのいずれかの波長を用いた場合であっても、点Ｐ１から点Ｐ９のいずれの点から射出した光束においても、ストレール比が一般にほぼ無収差となる０．８以上（詳細には、０．８６以上）となっている。つまり、照射角度θ＝６５°の場合も、試料Ｓの表面と共役関係にある共役面ＣＳ１にコリメータレンズ５４の像面湾曲特性が沿う形で、コリメータレンズ５４の光軸Ｌ５を検査光の光軸Ｌ２からずらしてコリメータレンズ５４を配置したとき、コリメート性の高い検査光を分光プリズム５５に入射させることができる。

【0071】

また、上述した照射角度θがθ＝７０°となるとき、図１５に示すように、検査光の波長λとして、λ＝３６５，４３６，５８３，６５６，７０７，１０１４ｎｍのいずれかの波長を用いた場合であっても、点Ｐ１から点Ｐ９のいずれの点から射出した光束においても、ストレール比が一般にほぼ無収差となる０．８以上（詳細には、０．８２以上）となっている。つまり、照射角度θ＝７０°の場合も、試料Ｓの表面と共役関係にある共役面ＣＳ１にコリメータレンズ５４の像面湾曲特性が沿う形で、コリメータレンズ５４の光軸Ｌ５を検査光の光軸Ｌ２からずらしてコリメータレンズ５４を配置したとき、コリメート性の高い検査光を分光プリズム５５に入射させることができる。

【0072】

このように、入射光学系１７から出射される検査光が試料Ｓの表面に照射する際の照射角度が５０°から７０°の範囲では、試料Ｓの表面と共役関係にある共役面ＣＳ１にコリメータレンズ５４の像面湾曲特性が沿う形で、コリメータレンズ５４の光軸Ｌ５を検査光の光軸Ｌ２からずらしてコリメータレンズ５４を配置したとき、コリメート性の高い検査光を分光プリズム５５に入射させることができる。

【0073】

次に、凹面鏡６４を、試料Ｓの表面と共役関係にある共役面ＣＳ２に凹面鏡６４の像面湾曲特性が沿う形で、凹面鏡６４の光軸Ｌ６を検査光の光軸Ｌ２からずらして配置した光検出器６１を用いた分光エリプソメータ１０におけるシミュレーションの結果を実施例２として説明する。

【0074】

＜実施例２＞
実施例２に示す分光エリプソメータ１０についての仕様（光学系における光学的特性など）を表１２に示す。なお、光学面が非球面の場合は、面番号の右側に、＊の符号を付している。非球面形状は、ｘを光軸方向の面頂点からの変位量、ｈを光軸と垂直な方向の光軸からの高さ、Ｒを近軸曲率半径、ｋを円錐定数、Ａ４，Ａ６，Ａ８，Ａ１０，Ａ１２を各次数の非球面係数とするとき、
ｘ＝（ｈ^２／Ｒ）／［１＋｛１－（１＋ｋ）（ｈ／Ｒ）^２｝^１／２］＋Ａ４×ｈ^４＋Ａ６×ｈ^６＋Ａ８×ｈ^８＋Ａ１０×ｈ^１０
で表される。なお、ｋを円錐定数、Ａ４、Ａ６、Ａ８、Ａ１０、Ａ１２の一例を表１３に示す。表１３において、各非球面係数Ａ４，Ａ６，Ａ８，Ａ１０，Ａ１２における「Ｅ±ＸＸ」は「×１０^±ＸＸ」を意味している。なお、分光エリプソメータ１０の仕様についての具体的な説明は省略する。

【0075】

【表12】

【表13】

【0076】

実施例２におけるシミュレーションは、実施例１におけるシミュレーションと同様に、マスク１６を物体面とし、検査光の光軸と試料Ｓの表面とが成す角度θ（図１参照）を照射角度θとし、θ＝５０°、５５°、６０°、６５°及び７０°におけるマスク１６表面の各物体高から射出した検査光を、図１０に示すように試料Ｓにおける表面１×２ｍｍの領域に対して照射することを前提とする。なお、マスク１６の各物体高については、Ｙ軸対象となる点は省略し、点Ｐ１から点Ｐ９とし、図１０においては点Ｐ１から点Ｐ９が試料Ｓの表面上で共役となる点を点Ｐ１’から点Ｐ９’としている。

【0077】

上述した照射角度θをθ＝５０°、５５°、６０°、６５°及び７０°としたときの面データを表１３から表１７に示す。また、照射角度θを、θ＝５０°、５５°、６０°、６５°及び７０°としたときの点Ｐ１から点Ｐ９の位置を表１８から表２２に示す。上述したように、実施例２に示す分光エリプソメータ１０では、マスク１６からの光を斜め上方から試料Ｓに照射している。したがって、例えば試料Ｓ上の点Ｐ１’からＰ９’を基準とすると、マスク１６における点Ｐ１から点Ｐ９のうち、点Ｐ４から点Ｐ６、及び点Ｐ７から点Ｐ９のＹ軸方向の位置は、ｙ×ｃｏｓθとなる。

【0078】

【表14】

【0079】

【表15】

【0080】

【表16】

【0081】

【表17】

【0082】

【表18】

【0083】

【表19】

【0084】

【表20】

【0085】

【表21】

【0086】

【表22】

【0087】

【表23】

【0088】

この場合も、点Ｐ１から点Ｐ９の各点から射出した検査光は、入射光学系１７を通り、試料Ｓの表面で反射し、出射光学系１９に入射する。出射光学系１９に入射した検査光は、補償子３５により位相を転移された後、出射光学系１９から出射し、光検出器６１に入射する。光検出器６１に入射した検査光は、凹面鏡６４で平行光となり、分光プリズム６５で分光され、結像レンズ６６により受光部６３にて結像する。

【0089】

実施例１と同様に、入射光学系１７及び出射光学系１９を近軸レンズとしていることから、共役面ＣＳ２におけるマスク１６の像は無収差となり、また、結像レンズ６６を近軸レンズとし、結像レンズ６６の焦点距離と、結像レンズ６６と受光部６３との距離とを等しくしたうえで受光面におけるストレール比を計算することで、凹面鏡６４によるコリメート性を確認している。

【0090】

例えば照射角度θがθ＝５０°となるとき、図１６に示すように、検査光の波長λとして、λ＝３６５，４３６，５８３，６５６，７０７，１０１４ｎｍのいずれかの波長を用いた場合であっても、点Ｐ１から点Ｐ９のいずれの点から射出した光束においても、ストレール比が一般にほぼ無収差となる０．８以上（詳細には、０．９０以上）となっている。つまり、照射角度θ＝５０°の場合、試料Ｓの表面と共役関係にある共役面ＣＳ２に凹面鏡６４の像面湾曲特性が沿う形で、凹面鏡６４の光軸Ｌ６を検査光の光軸Ｌ２からずらして凹面鏡６４を配置したとき、コリメート性の高い検査光を分光プリズム６５に入射させることができる。

【0091】

例えば照射角度θがθ＝５５°となるとき、図１７に示すように、検査光の波長λとして、λ＝３６５，４３６，５８３，６５６，７０７，１０１４ｎｍのいずれかの波長を用いた場合であっても、点Ｐ１から点Ｐ９のいずれの点から射出した光束においても、ストレール比が一般にほぼ無収差となる０．８以上（詳細には、０．９５以上）となっている。つまり、照射角度θ＝５５°の場合、試料Ｓの表面と共役関係にある共役面ＣＳ２に凹面鏡６４の像面湾曲特性が沿う形で、凹面鏡６４の光軸Ｌ６を検査光の光軸Ｌ２からずらして凹面鏡６４を配置したとき、コリメート性の高い検査光を分光プリズム６５に入射させることができる。

【0092】

また、例えば照射角度θがθ＝６０°となるとき、図１８に示すように、検査光の波長λとして、λ＝３６５，４３６，５８３，６５６，７０７，１０１４ｎｍのいずれかの波長を用いた場合であっても、点Ｐ１から点Ｐ９のいずれの点から射出した光束においても、ストレール比が一般にほぼ無収差となる０．８以上（詳細には、０．９以上）となっている。つまり、照射角度θ＝６０°の場合も、試料Ｓの表面と共役関係にある共役面ＣＳ１に凹面鏡６４の像面湾曲特性が沿う形で、凹面鏡６４の光軸Ｌ６を検査光の光軸Ｌ２からずらして凹面鏡６４を配置したとき、コリメート性の高い検査光を分光プリズム６５に入射させることができる。

【0093】

また、例えば照射角度θがθ＝６５°となるとき、図１９に示すように、検査光の波長λとして、λ＝３６５，４３６，５８３，６５６，７０７，１０１４ｎｍのいずれかの波長を用いた場合であっても、点Ｐ１から点Ｐ９のいずれの点から射出した光束においても、ストレール比が一般にほぼ無収差となる０．８以上（詳細には、０．９４以上）となっている。つまり、照射角度θ＝６５°の場合も、試料Ｓの表面と共役関係にある共役面ＣＳ２に凹面鏡６４の像面湾曲特性が沿う形で、凹面鏡６４の光軸Ｌ６を検査光の光軸Ｌ２からずらして凹面鏡６４を配置したとき、コリメート性の高い検査光を分光プリズム６５に入射させることができる。

【0094】

また、例えば照射角度θがθ＝７０°となるとき、図２０に示すように、検査光の波長λとして、λ＝３６５，４３６，５８３，６５６，７０７，１０１４ｎｍのいずれかの波長を用いた場合であっても、点Ｐ１から点Ｐ９のいずれの点から出射した光束においても、ストレール比が一般にほぼ無収差となる０．８以上（詳細には、０．９２以上）となっている。つまり、照射角度θ＝７０°の場合も、試料Ｓの表面と共役関係にある共役面ＣＳ２に凹面鏡６４の像面湾曲特性が沿う形で、凹面鏡６４の光軸Ｌ６を検査光の光軸Ｌ２からずらして凹面鏡６４を配置したとき、コリメート性の高い検査光を分光プリズム６５に入射させることができる。

【0095】

このように、入射光学系１７から出射される検査光が試料Ｓの表面に照射する際の照射角度が５０°から７０°の範囲では、試料Ｓの表面と共役関係にある共役面ＣＳ２にコリメータレンズ５４の像面湾曲特性が沿う形で、凹面鏡６４の光軸Ｌ６を検査光の光軸Ｌ２からずらして凹面鏡６４を配置したとき、コリメート性の高い検査光を分光プリズム６５に入射させることができる。

【0096】

＜効果について＞
本発明の分光エリプソメータ１０は、試料Ｓを載置する載置台１８と、光源１５と、光源１５から照射される前記光を用いて、試料Ｓに設けられた、少なくとも２以上のテストパッドＴＰ（ｎ）に照射される検査光を照射させる照射手段と、少なくとも２以上のテストパッドＴＰ（ｎ）で反射した反射光を分光して受光する光検出器２０と、を備えることを特徴とする。

【0097】

これによれば、複数の位置にあるテストパッドＴＰ（ｎ）に対する膜厚測定又は光学的特性の測定を行うことができるので、１つのテストパッドＴＰ（ｎ）を対象とした膜厚測定又は光学的特性の測定よりも測定時間を短縮することができる。

【0098】

また、照射手段は、複数のテストパッドＴＰに対応した反射面を複数有する反射型のマスク１６、又は反射鏡（ミラー）である。

【0099】

これによれば、マスクの反射面の各々を反射した検査光は、対応するテストパッドＴＰ（ｎ）の各々に照射される。すなわち、簡易な構成で、光源からの光を確実にテストパッドＴＰ（ｎ）に照射することができる。また、ミラーとして、二次元状に配置されたマイクロミラーの反射方向をミラーごとに切り替えることで検査光を試料Ｓに向けて反射させるデジタルミラーデバイスを用いた場合には、マイクロミラーごとに反射方向を切り替えることができるので、試料ＳごとのテストパッドＴＰ（ｎ）の位置に合わせたマスク１６の作成が不要となり、測定のコストを下げることが可能となる。

【0100】

また、反射型のマスク１６又はミラーは、複数の反射面ＲＳ（ｎ）と複数のテストパッドＴＰ（ｎ）とが共役関係を有する位置に配置され、試料Ｓの表面への検査光の投影倍率は等倍である。

【0101】

これによれば、検査光は、対応するテストパッドＴＰ（ｎ）の各々を照射する。このとき、複数の反射面ＲＳと複数のテストパッドＴＰ（ｎ）とが共役関係を有する位置に配置されるので、検査光は、テストパッドＴＰ（ｎ）の周縁部まで照射することなく、テストパッドＴＰ（ｎ）を確実に照明する。その結果、光検出器２０により検出される検査光において、テストパッドＴＰ（ｎ）の周縁部を反射する光の成分は含有されず、テストパッドＴＰを照明する光の成分のみとなるので、正確にテストパッドＴＰ（ｎ）における薄膜の光学的特性を測定することができる。

【0102】

また、照射手段は、複数のテストパッドＴＰ（ｎ）の各々に対応した透過面を有する透過型のマスクである。

【0103】

これによれば、マスクの透過面の各々を反射した検査光は、対応するテストパッドＴＰ（ｎ）の各々に照射される。すなわち、簡易な構成で、光源からの光を確実にテストパッドＴＰ（ｎ）に照射することができる。

【0104】

また、透過型のマスクは、複数の透過面と前記複数のテストパッドＴＰ（ｎ）とが共役関係を有する位置に配置され、試料Ｓの表面への検査光の投影倍率は等倍である。

【0105】

これによれば、検査光は、対応するテストパッドＴＰ（ｎ）の各々を照射する。このとき、複数の透過面と複数のテストパッドＴＰ（ｎ）とが共役関係を有する位置に配置されるので、検査光は、テストパッドＴＰ（ｎ）の周縁部まで照射することなく、テストパッドＴＰ（ｎ）を確実に照明する。その結果、光検出器２０により検出される検査光において、テストパッドＴＰ（ｎ）の周縁部を反射する光の成分は含有されず、テストパッドＴＰ（ｎ）を照明する光の成分のみとなるので、正確にテストパッドＴＰ（ｎ）における薄膜の光学的特性を測定することができる。

【0106】

また、試料Ｓは、半導体ウエハ３０であり、テストパッドは、半導体ウエハ３０に設けた半導体チップに対応するチップ領域Ａ内に複数設けられる。

【0107】

これによれば、半導体ウエハ３０のチップ領域Ａ内に設けられるテストパッドＴＰ（ｎ）に対しても検査光を正確に照明できるので、テストパッドＴＰ（ｎ）に対する薄膜の光学的特性を正確に測定することが可能となる。

【0108】

また、光検出器２０は、試料Ｓの表面と共役関係にある共役面ＣＳと試料Ｓを反射した検査光の光軸Ｌ２との交点Ｅ１（又はＥ３）を通り、且つ共役面ＣＳと直交する光軸Ｌ３を有し、入射する検査光を平行光として出射するコリメータレンズ４５を有するものである。

【0109】

これによれば、光検出器２０において、試料Ｓを反射した検査光は、平行光の状態で分光プリズム４６に入射されるので、検査光を正確に分光することができる。

【0110】

また、光検出器５１は、光検出器５１に入射する検査光を平行光とするコリメータレンズ５４と、コリメータレンズ５４からの検査光を分光する分光プリズム５５と、を有し、コリメータレンズ５４は、試料Ｓの表面と共役関係にある共役面ＣＳ１にコリメータレンズ５４の像面湾曲特性が沿う形で、コリメータレンズ５４の光軸Ｌ５を検査光の光軸Ｌ２からずらして配置するものである。

【0111】

これによれば、試料Ｓを反射した検査光がコリメータレンズ５４を透過しても、検査光に対するコリメータレンズ５４の像面湾曲特性の影響が抑止され、コリメータレンズ５４を透過した検査光は、平行光の状態で分光プリズム５５に入射される。これにより、検査光をより正確に分光することができる。

【0112】

また、光検出器６１は、検査光を平行光として出射する凹面鏡６４と、凹面鏡６４からの検査光を分光する分光プリズム６５と、を有し、凹面鏡６４は、試料Ｓの表面と共役関係にある共役面ＣＳ２に凹面鏡６４の像面湾曲特性が沿う形で、凹面鏡６４の光軸Ｌ６を検査光の光軸Ｌ２からずらして配置するものである。

【0113】

これによれば、試料Ｓを反射した検査光が凹面鏡６４で反射したときに、検査光に対する凹面鏡６４の像面湾曲特性の影響が抑止され、凹面鏡６４を反射した検査光は、平行光の状態で分光プリズム６５に入射される。これにより、検査光をより正確に分光することができる。

【符号の説明】

【0114】

１０…分光エリプソメータ
１５…光源
１６…マスク
１８…載置台
２０…光検出器
２６…偏光子
３６…検光子
３０…半導体ウエハ
５４…コリメータレンズ
５５，６５…分光プリズム
５６，６６…結像レンズ
６４…凹面鏡
ＲＳ（ｎ）…反射面
Ｓ…試料
ＴＰ（ｎ）…テストパッド

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】