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(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】P2023074579
(43)【公開日】2023-05-30
(54)【発明の名称】エリプソメータ及び半導体装置の検査装置
(51)【国際特許分類】
G01J 4/04 20060101AFI20230523BHJP
G01N 21/21 20060101ALI20230523BHJP
【ＦＩ】
G01J4/04 Z
G01N21/21 Z
【審査請求】未請求
【請求項の数】20
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021187562
(22)【出願日】2021-11-18
(71)【出願人】
【識別番号】390019839
【氏名又は名称】三星電子株式会社
【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．
【住所又は居所原語表記】１２９，Ｓａｍｓｕｎｇ－ｒｏ，Ｙｅｏｎｇｔｏｎｇ－ｇｕ，Ｓｕｗｏｎ－ｓｉ，Ｇｙｅｏｎｇｇｉ－ｄｏ，Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒｅａ
(74)【代理人】
【識別番号】100103894
【弁理士】
【氏名又は名称】家入 健
(72)【発明者】
【氏名】日高 康弘
【テーマコード（参考）】
2G059
【Ｆターム（参考）】
2G059AA02
2G059BB08
2G059BB16
2G059EE02
2G059EE05
2G059EE09
2G059FF01
2G059FF03
2G059JJ11
2G059JJ12
2G059JJ22
2G059KK04
2G059MM01
2G059MM09
(57)【要約】
【課題】エリプソメトリ係数Ψ及びΔを測定するスループットを向上させることができるエリプソメータ及び半導体装置の検査装置を提供する。
【解決手段】実施形態に係るエリプソメータ１は、直線偏光、円偏光及び楕円偏光の少なくともいずれかを含む照明光Ｌ１が試料５０の測定面で反射した反射光Ｒ１のうち、互いに直交する偏光方向の２つの偏光成分を、反射光Ｒ１の光学系の光軸Ｃを中心にした放射方向に分離する偏光光学素子部３０と、２つの偏光成分を、各偏光方向と異なる方向の成分を透過させて干渉させ、同心円状の干渉縞を形成させる検光子部４１と、干渉縞を検出する画像検出器４２と、検出した干渉縞からエリプソメトリ係数Ψ及びΔを算出する解析装置４３と、を備える。
【選択図】図４
【解決手段】実施形態に係るエリプソメータ１は、直線偏光、円偏光及び楕円偏光の少なくともいずれかを含む照明光Ｌ１が試料５０の測定面で反射した反射光Ｒ１のうち、互いに直交する偏光方向の２つの偏光成分を、反射光Ｒ１の光学系の光軸Ｃを中心にした放射方向に分離する偏光光学素子部３０と、２つの偏光成分を、各偏光方向と異なる方向の成分を透過させて干渉させ、同心円状の干渉縞を形成させる検光子部４１と、干渉縞を検出する画像検出器４２と、検出した干渉縞からエリプソメトリ係数Ψ及びΔを算出する解析装置４３と、を備える。
【選択図】図４
【特許請求の範囲】
【請求項1】
直線偏光、円偏光及び楕円偏光の少なくともいずれかを含む照明光が試料の測定面で反射した反射光のうち、互いに直交する偏光方向の２つの偏光成分を、前記反射光の光学系の光軸を中心にした放射方向に分離する偏光光学素子部と、
前記２つの偏光成分を、各前記偏光方向と異なる方向の成分を透過させて干渉させ、同心円状の干渉縞を形成させる検光子部と、
前記干渉縞を検出する画像検出器と、
検出した前記干渉縞からエリプソメトリ係数Ψ及びΔを算出する解析装置と、
を備えたエリプソメータ。
前記２つの偏光成分を、各前記偏光方向と異なる方向の成分を透過させて干渉させ、同心円状の干渉縞を形成させる検光子部と、
前記干渉縞を検出する画像検出器と、
検出した前記干渉縞からエリプソメトリ係数Ψ及びΔを算出する解析装置と、
を備えたエリプソメータ。
【請求項2】
前記照明光を生成する光源と、
前記光源から生成された前記照明光が入射され、前記直線偏光、前記円偏光及び前記楕円偏光の少なくともいずれかを含む前記照明光を透過させる偏光子部と、
前記照明光を透過させるとともに、前記照明光が前記試料の前記測定面で反射した前記反射光を透過させる対物レンズと、
前記対物レンズの射出瞳を前記画像検出器上に結像させる集光光学系と、
をさらに備えた請求項１に記載のエリプソメータ。
前記光源から生成された前記照明光が入射され、前記直線偏光、前記円偏光及び前記楕円偏光の少なくともいずれかを含む前記照明光を透過させる偏光子部と、
前記照明光を透過させるとともに、前記照明光が前記試料の前記測定面で反射した前記反射光を透過させる対物レンズと、
前記対物レンズの射出瞳を前記画像検出器上に結像させる集光光学系と、
をさらに備えた請求項１に記載のエリプソメータ。
【請求項3】
前記偏光子部は、直線偏光を生成する直線偏光子を含み、
前記検光子部は、所定の方向の直線偏光成分を透過させる直線偏光子を含む、
請求項２に記載のエリプソメータ。
前記検光子部は、所定の方向の直線偏光成分を透過させる直線偏光子を含む、
請求項２に記載のエリプソメータ。
【請求項4】
前記偏光子部は、前記照明光の光軸を中心にして左回転及び右回転のいずれかに回転する円偏光を生成する円偏光子を含み、
前記検光子部は、前記左回転及び前記右回転のいずれかに回転する円偏光成分を透過させる円偏光子を含む、
請求項２に記載のエリプソメータ。
前記検光子部は、前記左回転及び前記右回転のいずれかに回転する円偏光成分を透過させる円偏光子を含む、
請求項２に記載のエリプソメータ。
【請求項5】
各前記円偏光子は、直線偏光子及びλ／４波長板を含む、
請求項４に記載のエリプソメータ。
請求項４に記載のエリプソメータ。
【請求項6】
前記偏光光学素子部は、ウォラストンレンズを含み、
前記ウォラストンレンズは、相互に嵌合する球面形状を有する２個の１軸性複屈折結晶を含み、
各前記１軸性複屈折結晶の結晶光学軸は、前記光学系の前記光軸に直交し、かつ、相互に直交する、
請求項３に記載のエリプソメータ。
前記ウォラストンレンズは、相互に嵌合する球面形状を有する２個の１軸性複屈折結晶を含み、
各前記１軸性複屈折結晶の結晶光学軸は、前記光学系の前記光軸に直交し、かつ、相互に直交する、
請求項３に記載のエリプソメータ。
【請求項7】
前記偏光光学素子部は、さらに、別のウォラストンレンズを含み、
前記偏光光学素子部及び前記検光子部を透過した前記反射光の前記２つの偏光成分は、前記画像検出器上の同一点で検出される、
請求項６に記載のエリプソメータ。
前記偏光光学素子部及び前記検光子部を透過した前記反射光の前記２つの偏光成分は、前記画像検出器上の同一点で検出される、
請求項６に記載のエリプソメータ。
【請求項8】
前記偏光光学素子部は、前記光学系において前記反射光が集光または拡散する位置に配置された平行平板形状を有する第１の複屈折結晶を含み、
前記第１の複屈折結晶は、１軸性の複屈折結晶であり、
前記第１の複屈折結晶の結晶光学軸は、前記光学系の光軸に平行である、
請求項４または５に記載のエリプソメータ。
前記第１の複屈折結晶は、１軸性の複屈折結晶であり、
前記第１の複屈折結晶の結晶光学軸は、前記光学系の光軸に平行である、
請求項４または５に記載のエリプソメータ。
【請求項9】
前記偏光光学素子部は、
前記光学系において前記反射光が集光または拡散する位置に配置された平行平板形状を有する第１の複屈折結晶と、
入射面が凹の円錐形状及び出射面が凸の円錐形状を有する第２の複屈折結晶と、
を含み、
前記第１の複屈折結晶及び前記第２の複屈折結晶は、１軸性の複屈折結晶であり、
前記第１の複屈折結晶の結晶光学軸及び前記第２の複屈折結晶の結晶光学軸は、前記光学系の光軸に平行である、
請求項４または５に記載のエリプソメータ。
前記光学系において前記反射光が集光または拡散する位置に配置された平行平板形状を有する第１の複屈折結晶と、
入射面が凹の円錐形状及び出射面が凸の円錐形状を有する第２の複屈折結晶と、
を含み、
前記第１の複屈折結晶及び前記第２の複屈折結晶は、１軸性の複屈折結晶であり、
前記第１の複屈折結晶の結晶光学軸及び前記第２の複屈折結晶の結晶光学軸は、前記光学系の光軸に平行である、
請求項４または５に記載のエリプソメータ。
【請求項10】
前記偏光光学素子部は、
前記光学系において前記反射光が集光または拡散する位置に配置された平行平板形状を有する第１の複屈折結晶と、
前記光学系において前記反射光が集光または拡散する位置に配置された平行平板形状を有する第３の複屈折結晶と、
を含み、
前記第１の複屈折結晶及び前記第３の複屈折結晶は、１軸性の複屈折結晶であり、
前記第１の複屈折結晶の結晶光学軸及び前記第３の複屈折結晶の結晶光学軸は、前記光学系の光軸に平行である、
請求項４または５に記載のエリプソメータ。
前記光学系において前記反射光が集光または拡散する位置に配置された平行平板形状を有する第１の複屈折結晶と、
前記光学系において前記反射光が集光または拡散する位置に配置された平行平板形状を有する第３の複屈折結晶と、
を含み、
前記第１の複屈折結晶及び前記第３の複屈折結晶は、１軸性の複屈折結晶であり、
前記第１の複屈折結晶の結晶光学軸及び前記第３の複屈折結晶の結晶光学軸は、前記光学系の光軸に平行である、
請求項４または５に記載のエリプソメータ。
【請求項11】
前記偏光光学素子部は、
前記光学系において前記反射光が集光または拡散する位置に配置され、入射面が凹面の球面形状及び出射面が凸面の球面形状を有する第４の複屈折結晶と、
入射面が凹の円錐形状及び出射面が凸の円錐形状を有する第２の複屈折結晶と、
を含み、
前記第２の複屈折結晶及び前記第４の複屈折結晶は、１軸性の複屈折結晶であり、
前記第２の複屈折結晶の結晶光学軸及び前記第４の複屈折結晶の結晶光学軸は、前記光学系の光軸に平行である、
請求項４または５に記載のエリプソメータ。
前記光学系において前記反射光が集光または拡散する位置に配置され、入射面が凹面の球面形状及び出射面が凸面の球面形状を有する第４の複屈折結晶と、
入射面が凹の円錐形状及び出射面が凸の円錐形状を有する第２の複屈折結晶と、
を含み、
前記第２の複屈折結晶及び前記第４の複屈折結晶は、１軸性の複屈折結晶であり、
前記第２の複屈折結晶の結晶光学軸及び前記第４の複屈折結晶の結晶光学軸は、前記光学系の光軸に平行である、
請求項４または５に記載のエリプソメータ。
【請求項12】
前記偏光光学素子部は、
前記光学系において前記反射光が集光または拡散する位置に配置された平行平板形状を有する第１の複屈折結晶と、
前記平行平板形状を有する第５の複屈折結晶と、
前記第５の複屈折結晶の入射面側に配置され、入射面が凹の円錐形状及び出射面が平面形状を有する第１のガラス基板と、
前記第５の複屈折結晶の出射面側に配置され、入射面が平面形状及び出射面が凸の円錐形状を有する第２のガラス基板と、
を含み、
前記第１の複屈折結晶及び前記第５の複屈折結晶は、１軸性の複屈折結晶であり、
前記第１の複屈折結晶の結晶光学軸及び前記第５の複屈折結晶の結晶光学軸は、前記光学系の光軸に平行である、
請求項４または５に記載のエリプソメータ。
前記光学系において前記反射光が集光または拡散する位置に配置された平行平板形状を有する第１の複屈折結晶と、
前記平行平板形状を有する第５の複屈折結晶と、
前記第５の複屈折結晶の入射面側に配置され、入射面が凹の円錐形状及び出射面が平面形状を有する第１のガラス基板と、
前記第５の複屈折結晶の出射面側に配置され、入射面が平面形状及び出射面が凸の円錐形状を有する第２のガラス基板と、
を含み、
前記第１の複屈折結晶及び前記第５の複屈折結晶は、１軸性の複屈折結晶であり、
前記第１の複屈折結晶の結晶光学軸及び前記第５の複屈折結晶の結晶光学軸は、前記光学系の光軸に平行である、
請求項４または５に記載のエリプソメータ。
【請求項13】
前記偏光光学素子部は、
前記光学系において前記反射光が集光または拡散する位置に配置された平行平板形状を有する第６の複屈折結晶と、
前記光学系において前記反射光が集光または拡散する位置に配置された平行平板形状を有する第７の複屈折結晶と、
入射面が凹の円錐形状及び出射面が凸の円錐形状を有する第２の複屈折結晶と、
を含み、
前記第２の複屈折結晶、前記第６の複屈折結晶及び前記第７の複屈折結晶は、１軸性の複屈折結晶であり、
前記第２の複屈折結晶の結晶光学軸は、前記光学系の光軸に平行であり、
前記第６の複屈折結晶の結晶光学軸及び前記第７の複屈折結晶の結晶光学軸は、前記光学系の前記光軸に直交し、かつ、相互に直交する、
請求項４または５に記載のエリプソメータ。
前記光学系において前記反射光が集光または拡散する位置に配置された平行平板形状を有する第６の複屈折結晶と、
前記光学系において前記反射光が集光または拡散する位置に配置された平行平板形状を有する第７の複屈折結晶と、
入射面が凹の円錐形状及び出射面が凸の円錐形状を有する第２の複屈折結晶と、
を含み、
前記第２の複屈折結晶、前記第６の複屈折結晶及び前記第７の複屈折結晶は、１軸性の複屈折結晶であり、
前記第２の複屈折結晶の結晶光学軸は、前記光学系の光軸に平行であり、
前記第６の複屈折結晶の結晶光学軸及び前記第７の複屈折結晶の結晶光学軸は、前記光学系の前記光軸に直交し、かつ、相互に直交する、
請求項４または５に記載のエリプソメータ。
【請求項14】
前記偏光光学素子部は、常光の屈折率ｎ０＜異常光の屈折率ｎｅ、及び、通常光の屈折率ｎ０＞異常光の屈折率ｎｅの相互に反対の複屈折性を有する前記複屈折結晶を含む、
請求項９～１３のいずれか１項に記載のエリプソメータ。
請求項９～１３のいずれか１項に記載のエリプソメータ。
【請求項15】
直線偏光を含む照明光が試料の測定面で反射した反射光を、互いに直交する偏光方向の２つの直線偏光成分に分離する偏光光学素子部と、
各前記偏光方向と異なる方向における前記２つの直線偏光成分を透過させて干渉させ、干渉縞を形成させる検光子部と、
前記干渉縞を検出する画像検出器と、
検出した前記干渉縞からエリプソメトリ係数Ψ及びΔを算出する解析装置と、
を備え、
前記干渉縞の縞ピッチが前記照明光の複数の波長において同じ値となる、
エリプソメータ。
各前記偏光方向と異なる方向における前記２つの直線偏光成分を透過させて干渉させ、干渉縞を形成させる検光子部と、
前記干渉縞を検出する画像検出器と、
検出した前記干渉縞からエリプソメトリ係数Ψ及びΔを算出する解析装置と、
を備え、
前記干渉縞の縞ピッチが前記照明光の複数の波長において同じ値となる、
エリプソメータ。
【請求項16】
前記偏光光学素子部は、
常光の屈折率ｎ０＜異常光の屈折率ｎｅである正の複屈折性を有する１軸性複屈折結晶と、常光の屈折率ｎ０＞異常光の屈折率ｎｅである負の複屈折性を有する１軸性複屈折結晶と、を含む第１のノマルスキープリズムと、
前記正の複屈折性を有する１軸性複屈折結晶と、前記負の複屈折性を有する１軸性複屈折結晶と、を含む第２のノマルスキープリズムと、
を含む、
請求項１５に記載のエリプソメータ。
常光の屈折率ｎ０＜異常光の屈折率ｎｅである正の複屈折性を有する１軸性複屈折結晶と、常光の屈折率ｎ０＞異常光の屈折率ｎｅである負の複屈折性を有する１軸性複屈折結晶と、を含む第１のノマルスキープリズムと、
前記正の複屈折性を有する１軸性複屈折結晶と、前記負の複屈折性を有する１軸性複屈折結晶と、を含む第２のノマルスキープリズムと、
を含む、
請求項１５に記載のエリプソメータ。
【請求項17】
前記第１のノマルスキープリズム及び前記第２のノマルスキープリズムは、前記画像検出器の直前での２つの偏光の分離角度が、長波長側が大きく、短波長で小さくなるように配置されている、
請求項１６に記載のエリプソメータ。
請求項１６に記載のエリプソメータ。
【請求項18】
前記複屈折結晶は、水晶、フッ化マグネシウム、サファイア、方解石、αＢＢＯのいずれかを含む、
請求項６～１４、１６～１７のいずれか１項に記載のエリプソメータ。
請求項６～１４、１６～１７のいずれか１項に記載のエリプソメータ。
【請求項19】
前記解析装置は、
前記同心円状の干渉縞を含む画像を、同心円の中心が座標原点となるように極座標に座標変換し、
前記極座標の動径及び偏角を軸とする２次元座標の平面上において２次元フーリエ変換し、
前記２次元フーリエ変換後の周波数空間像において、ＤＣ成分とＡＣ成分とに分けてトリミングし、
トリミングした部分を逆フーリエ変換した結果を基にしてΨとΔを求める、
請求項１～１４のいずれか１項に記載のエリプソメータ。
前記同心円状の干渉縞を含む画像を、同心円の中心が座標原点となるように極座標に座標変換し、
前記極座標の動径及び偏角を軸とする２次元座標の平面上において２次元フーリエ変換し、
前記２次元フーリエ変換後の周波数空間像において、ＤＣ成分とＡＣ成分とに分けてトリミングし、
トリミングした部分を逆フーリエ変換した結果を基にしてΨとΔを求める、
請求項１～１４のいずれか１項に記載のエリプソメータ。
【請求項20】
請求項１～１９のいずれか１項のエリプソメータを備えた、
半導体装置の検査装置。
半導体装置の検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、エリプソメータ及び半導体装置の検査装置に関する。
【背景技術】
【0002】
エリプソメトリ（ｅｌｌｉｐｓｏｍｅｔｒｙ）は、１９７５年にＡｓｐｎｅｓらによって、自動計測が可能となって以来、測定時間の大幅な短縮と共に精度も大幅に向上し、多波長により計測する分光エリプソメトリも実用化された。これ以降、薄膜や微細構造の非破壊計測において、膜厚などの寸法や屈折率等の光学定数の計測を高精度に行えるという特性を生かして、半導体製造工程でも広く使われるようになった。現在でも、ウェハ上の回路パターンの線幅が１０ｎｍ以下となる微細構造の寸法（Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）を計測するＯＣＤ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）測定装置として、測長ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ－ｂｅａｍ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）やＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を相補する形で使用されている。
【0003】
ここ１０年ほどで、ロジック（Ｌｏｇｉｃ）半導体では、ＦｉｎＦＥＴ（Ｆｉｎ Ｆｉｅｌｄ－Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、メモリでは、３Ｄ－ＮＡＮＤなど、半導体回路構造は３次元化が進み、より複雑な構造となってきている。多くのＯＣＤは、分光エリプソメトリを計測原理としており、計測対象である半導体回路構造のＤｉｍｅｎｓｉｏｎや構成物質の光学定数を求めるためには、モデルを作成して計測対象のＤｉｍｅｎｓｉｏｎや光学定数を、Ｆｌｏａｔｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒとして、計測結果にモデルをフィッティングさせて解を得るという手法をとる。そのため、求める対象の構造が複雑になると、Ｆｌｏａｔｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒの数が増える。例えば、現在のＦｉｎＦＥＴのＯＣＤによる計測では、２０－３０個程のＦｌｏａｔｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒを用いる必要がある。エリプソメトリは、一般的に、Ψ及びΔの２つの値を計測結果であるエリプソメトリ係数として得るが、エリプソメトリ係数Ψ及びΔは、共に、波長依存性がある。このため、分光エリプソメトリの場合、エリプソメトリ係数Ψ及びΔは、Ψ(λ)、Δ(λ)と表記することができる。
【0004】
Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎの解を求めるためには、Ｆｌｏａｔｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒの数より多い個数のエリプソメトリ係数Ψ及びΔを計測で得ることが、モデルにフィッティングするために最低限必要であるが、Ｆｌｏａｔｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒの数が多い場合に発生する問題として、実際のＤｉｍｅｎｓｉｏｎとは異なったＦｌｏａｔｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒの組み合わせでフィッティングが収束する場合がある。これはカップリングと呼ばれる問題で、これを避けるためには、Ｆｌｏａｔｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒに対して異なる依存性を持つようなエリプソメトリ係数Ψ及びΔを計測してフィッティングを行うことが有効である。そのため、波長に加え、異なる入射角と入射方位でエリプソメトリ計測を行い、前記のＦｌｏａｔｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒに対して、より異なる依存性を互いに持つエリプソメトリ係数Ψ及びΔが、モデルのフィッティングに使われることが望ましい。
【0005】
また、計測感度という観点からは、半導体ウェハへの照明光において、Ｐ偏光の反射率が０となるブリュースター角が最も計測感度が高い。このため、エリプソメトリ計測は、ブリュースター角を入射角として行われることが多い。この入射角は、半導体回路構造ではおおよそ６０°から７５°に相当する。このような斜入射で計測を行う場合、単一の入射角と入射方位に特化した斜入射光学系を用いて分光エリプソメトリ計測が行われることが多い。しかしながら、前述のカップリングの問題を回避するために、複数の入射角や入射方位に対応可能な光学系への要望が大きくなってきている。
【0006】
この要望に対して、光学系や半導体ウェハを計測ごとに動かしていたのでは、計測時間が非常に長くなってしまう。そのため、前述のブリュースター角を含むような大きなＮＡを持つ対物レンズを用いて、広い範囲の入射角と入射方位から同時に計測光を入射させる。そして、半導体ウェハからの反射光を対物レンズの射出瞳上に導き、エリプソメトリ計測を行う。このような、瞳画像計測光学系とエリプソメトリ計測の組み合わせが理想と言える。ただし、この場合でも、一般的なエリプソメトリ計測の手法である回転補償子や回転検光子を組み合わせた構成では、取得する瞳画像転送速度の制限によって１波長ごとの計測時間が１秒以上となる。さらに、１００波長以上の照明光を用いた分光エリプソメトリ計測を行えば、半導体製造工程でのＯＣＤ測定装置としては、非現実的な測定時間となってしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開２０２１－０８５６９８号公報
【特許文献2】米国特許第５５９６４１１号明細書
【特許文献3】米国特許第７６１６３２３号明細書
【特許文献4】米国特許第５９５３１３７号明細書
【特許文献5】米国特許第６８５６３８４号明細書
【特許文献6】特開昭６２－１９７７０６号公報
【特許文献7】特開２０１０－００２８４６号公報
【特許文献8】特開２０００－３３１９２７号公報
【特許文献9】特開２００３－２７９８５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
半導体製造工程でのＯＣＤ測定装置で使用されるエリプソメータは、典型的には、１点の計測に１秒～数秒の計測時間が必要である。測定に割り当てられた時間から、通常は、ウェハ内で数点から数十点程度しか計測できず、ウェハ内の部分的な膜厚変化や線幅変化による歩留まり悪化を見逃している場合もある。この主な理由としては、回転補償子や位相変調素子による変調と同期して、多数の計測点が必要とされること、分光計測の場合に回折格子等の分散素子で各波長に分かれた光の光量を、高いＳ／Ｎ比で計測する必要があること、さらにミュラー行列エリプソメトリの場合に照明光において数種類の偏光状態を切り替えつつ計測しなければならないことなどがある。
【0009】
これに対して、ウェハ内の測定点を増やすことを目的とし、エリプソメトリの測定を短時間化するためには、回転補償子などの可動部を高速化する必要がある。しかしながら、安定性や発熱等がネックとなり、ＯＣＤ測定等のためのエリプソメトリ係数測定のスループット（Ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ）を向上させることは困難である。
【0010】
図１は、比較例に係るエリプソメータを例示した構成図である。図１に示すように、特許文献１に記載の比較例のエリプソメータ１０１は、上述した問題を解決するために考案されたものであり、ノマルスキープリズム１３１を用いて画像検出器１４２上で２つの直交する偏光成分を干渉させる。そして、解析装置１４３は、発生した干渉縞の振幅と位相からΨとΔを求める。このような方法により、半導体製造工程において、高いスループットを実現させ、かつ、可動部がないことによる安定性の高いＯＣＤ装置の実用化が期待されている。
【0011】
なお、照明光学系１１０は、光源１１１、分光器１１２、ファイバー１１３、照明レンズ１１４、偏光子１１５、ビームスプリッタ１１６、対物レンズ１１７を含み、照明光Ｌ１で試料５０を照明する。集光光学系１２０は、対物レンズ１１７、ビームスプリッタ１１６、リレーレンズ１２１及び１２２を含み、試料５０で反射した反射光Ｒ１を集光する。偏光光学素子１３０は、ノマルスキープリズム１３１を含み、受光光学系１４０は、検光子１４１、画像検出器１４２及び解析装置１４３を含む。
【0012】
この方法は、エリプソメトリ計測で一般的なストークスパラメータを求めることなく、一つの画像からΨとΔを得ることができる。このため、計測効率もよく、高速の分光器と組み合わせることで分光エリプソメトリも可能である。この計測原理を大ＮＡの対物レンズ１１７を用いた瞳画像計測に適用することで、同時に多数の入射角と入射方位のエリプソメトリ情報を得ることができ、半導体製造における測定装置としては、理想的な性能を実現できる。
【0013】
図２は、比較例に係る画像検出器１４２上の干渉縞を例示した図である。図２には、横軸に画像検出器１４２の位置をとり、縦軸に干渉縞を形成する光の強度をとったグラフを干渉縞に対応させて示している。図２に示すように、比較例のエリプソメータ１０１は、例えば、Ｘ偏光及びＹ偏光の光を干渉させることにより、画像検出器１４２上に縦縞の干渉縞を形成する。画像検出器１４２の中心を通る縦線上において、Ｘ偏光、Ｙ偏光の光路長差が０になっている。波長幅が広いと両側の干渉縞のコントラストが低下する。
【0014】
このように、照明光Ｌ１として部分コヒーレント光を使用しているために、瞳上に形成される干渉縞の本数を多くした場合には、図２に示すように、原理的に干渉する２つの偏光成分の光路長差が大きい左右両側の領域において、干渉縞のコントラストが低下する。光路長差が大きい領域において、干渉縞のコントラストが低下する現象は、使用可能な干渉縞の本数に上限があるという意味である。
【0015】
図３は、比較例に係る長波長、中波長及び短波長の照明光において、波長幅が同じ場合の干渉縞を例示した図である。図３に示すように、波長幅が同じ場合には短波長の方が干渉縞の本数が多くなるため、短波長ほど干渉縞のコントラストが低くなる。この問題を回避するためには、ノマルスキープリズム１３１による偏光分離角を小さくするか、短波長での計測時には波長幅を狭くすることが必要である。しかしながら、前者の場合には特に長波長側で縞間隔が広くなるため、瞳上での計測分解能が低下する。後者の場合には短波長における光量が減ってしまうという副作用が発生する。
【0016】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、広い波長域をもつ光源と分光器の組み合わせで計測した場合でも、縞間隔が広くなることによる分解能の低下や、分光器の波長幅を狭くするための光量の低下を抑制し、エリプソメトリ係数Ψ及びΔを測定するスループットを向上させることができるエリプソメータ及び半導体装置の検査装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0017】
直線偏光の光を対物レンズに透過させて測定試料を複数の入射角と入射方位から同時に照明し、測定試料で反射した反射光を対物レンズに入射させ、リレーレンズと偏光光学素子部を透過させたのち、対物レンズの瞳共役位置に配置された画像検出器で受光する。
【0018】
偏光解析部は少なくとも２個の１軸性複屈折結晶（例えばフッ化マグネシウム）と直線偏光子から構成されており、１軸性複屈折結晶は結晶光学軸が互いに垂直かつ光軸に対して垂直な２個が組み合わされており、試料での反射時に２つの偏光成分であった光について光軸を中心とした放射方向に分離する。
【0019】
この１軸性複屈折結晶は、それぞれ少なくとも片面が凸面あるいは凹面である球面であり、２個が組み合わされた状態では屈折力を持たない。画像検出器の直前にある直線偏光子（検光子）により結晶で分離された２つの偏光成分は、画像検出器上で互いに可干渉となり、同心円状の干渉縞を形成する。得られた干渉縞画像のコントラストと位相情報を処理してエリプソメトリ計測結果のΨとΔを求める。
【0020】
一実施形態のエリプソメータは、直線偏光、円偏光及び楕円偏光の少なくともいずれかを含む照明光が試料の測定面で反射した反射光のうち、互いに直交する偏光方向の２つの偏光成分を、前記反射光の光学系の光軸を中心にした放射方向に分離する偏光光学素子部と、前記２つの偏光成分を、各前記偏光方向と異なる方向の成分を透過させて干渉させ、同心円状の干渉縞を形成させる検光子部と、前記干渉縞を検出する画像検出器と、検出した前記干渉縞からエリプソメトリ係数Ψ及びΔを算出する解析装置と、を備える。
【0021】
また、一実施形態のエリプソメータは、直線偏光を含む照明光が試料の測定面で反射した反射光を、互いに直交する偏光方向の２つの直線偏光成分に分離する偏光光学素子部と、各前記偏光方向と異なる方向における前記２つの直線偏光成分を透過させて干渉させ、干渉縞を形成させる検光子部と、前記干渉縞を検出する画像検出器と、検出した前記干渉縞からエリプソメトリ係数Ψ及びΔを算出する解析装置と、を備え、前記干渉縞の縞ピッチが前記照明光の複数の波長において同じ値となる。
【0022】
さらに、一実施形態の半導体装置の検査装置は、上記エリプソメータを備える。
【発明の効果】
【0023】
本発明により、エリプソメトリ係数Ψ及びΔを測定するスループットを向上させることができるエリプソメータ及び半導体装置の検査装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0024】
【図1】比較例に係るエリプソメータを例示した構成図である。
【図2】比較例に係る画像検出器上の干渉縞を例示した図である。
【図3】比較例に係る長波長、中波長及び短波長の照明光において、波長幅が同じ場合の干渉縞を例示した図である。
【図4】実施形態１に係るエリプソメータを例示した構成図である。
【図5】実施形態１に係るエリプソメータにおいて、検光子部を透過する直線偏光を例示した図である。
【図6】実施形態１に係るエリプソメータにおいて、画像検出器上で干渉した反射光の干渉縞を例示した図である。
【図7】実施形態１に係る画像検出器上で干渉した反射光の干渉縞の解析方法を例示した図である。
【図8】実施形態１に係る画像検出器上で干渉した反射光の干渉縞の解析方法を例示した図である。
【図9】実施形態１に係る画像検出器上で干渉した反射光の干渉縞の解析方法を例示した図である。
【図10】実施形態１及び比較例に係るエリプソメータにおいて、画像検出器上で干渉した反射光の干渉縞を例示した図である。
【図11】実施形態１に係る照明光学系、集光光学系及び瞳面の配置を例示した斜視図である。
【図12】実施形態１に係る瞳面上の位置と、試料への光の入射角及び入射方位との関係を例示した図である。
【図13】実施形態１の変形例に係る半導体装置の検査装置を例示した構成図である。
【図14】実施形態２に係るエリプソメータを例示した構成図である。
【図15】実施形態２に係るエリプソメータにおいて、画像検出器上で干渉した反射光の干渉縞、Ｒａｄｉａｌ偏光及びＡｚｉｍｕｔｈ偏光を例示した図である。
【図16】実施形態２に係る偏光光学素子部を例示した図である。
【図17】実施形態３に係るエリプソメータを例示した構成図である。
【図18】実施形態３に係るエリプソメータにおいて、画像検出器上で干渉した反射光の干渉縞、Ｒａｄｉａｌ偏光及びＡｚｉｍｕｔｈ偏光を例示した図である。
【図19】実施形態３に係る偏光光学素子部を例示した図である。
【図20】実施形態３の変形例１に係る偏光光学素子部を例示した図である。
【図21】実施形態３の変形例２に係る偏光光学素子部を例示した図である。
【図22】実施形態３の変形例３に係る偏光光学素子部を例示した図である。
【図23】実施形態３の変形例４に係る偏光光学素子部を例示した図である。
【図24】実施形態４に係るエリプソメータを例示した構成図である。
【図25】実施形態４に係るエリプソメータにおいて、画像検出器上で干渉した反射光の干渉縞、Ｘ偏光及びＹ偏光を例示した図である。
【図26】複屈折結晶の各材料における複屈折性の波長依存性を例示したグラフであり、横軸は波長を示し、縦軸は、複屈折性を示す。
【図27】実施形態４に係る偏光光学素子を例示した図である。
【発明を実施するための形態】
【0025】
説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。また、各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。
【0026】
（実施形態１）
実施形態１に係るエリプソメータを説明する。図４は、実施形態１に係るエリプソメータを例示した構成図である。図４に示すように、エリプソメータ１は、照明光学系１０、集光光学系２０、偏光光学素子部３０、受光光学系４０を備えている。エリプソメータ１は、照明光Ｌ１が試料５０で反射した反射光Ｒ１を受光して、エリプソメトリ係数Ψ及びΔを取得する。
実施形態１に係るエリプソメータを説明する。図４は、実施形態１に係るエリプソメータを例示した構成図である。図４に示すように、エリプソメータ１は、照明光学系１０、集光光学系２０、偏光光学素子部３０、受光光学系４０を備えている。エリプソメータ１は、照明光Ｌ１が試料５０で反射した反射光Ｒ１を受光して、エリプソメトリ係数Ψ及びΔを取得する。
【0027】
照明光学系１０は、直線偏光を含む照明光Ｌ１で試料５０を照明する。照明光学系１０は、光源１１、分光器１２、ファイバー１３、照明レンズ１４、偏光子部１５、ビームスプリッタ１６、対物レンズ１７を含んでいる。
【0028】
光源１１は、照明光Ｌ１を生成する。光源１１が生成する照明光Ｌ１は、広帯域の波長の光を含んでもよい。照明光Ｌ１は、例えば、白色光である。なお、光源１１が生成する照明光Ｌ１は、白色光に限らず、特定の波長を有する単色光または特定の波長幅を有する光でもよい。光源１１から生成された照明光Ｌ１は、分光器１２に入射する。
【0029】
分光器１２は、入射した照明光Ｌ１から特定の波長幅の光を取り出して出射する。分光器１２は、例えば、１０ｎｍの波長幅を有する中心波長４００ｎｍの光を出射する。分光器１２から出射した照明光Ｌ１は、ファイバー１３に入射する。
【0030】
ファイバー１３は、一端及び他端を有するケーブル状の導光部材である。ファイバー１３の一端に入射した照明光Ｌ１は、ファイバー１３の他端から出射する。ファイバー１３の他端から出射した照明光Ｌ１は、照明レンズ１４に入射する。
【0031】
照明レンズ１４は、例えば、凸レンズである。照明レンズ１４は、入射した照明光Ｌ１の角度分布を変化させ、照明光Ｌ１を偏光子部１５に照射させる。例えば、照明レンズ１４は、ファイバー１３の他端から出射した照明光Ｌ１を平行光に変換する。そして、平行光にした照明光Ｌ１を偏光子部１５に入射させる。
【0032】
偏光子部１５は、光源１１から生成された照明光Ｌ１が入射される。偏光子部１５は、例えば、直線偏光を生成する直線偏光子Ｈ１を含む。よって、偏光子部１５は、一方向の直線偏光を含む照明光Ｌ１を透過させる。例えば、偏光子部１５は、偏光方向が紙面に対して４５°傾いた直線偏光の照明光Ｌ１をビームスプリッタ１６に出射する。
【0033】
ビームスプリッタ１６は、入射した照明光Ｌ１の一部を反射し、一部を透過させる。ビームスプリッタ１６は、入射した照明光Ｌ１の一部を対物レンズ１７に向けて反射する。ビームスプリッタ１６で反射した照明光Ｌ１は、対物レンズ１７に入射する。
【0034】
対物レンズ１７は、直線偏光を含む照明光Ｌ１で試料５０を照明する。対物レンズ１７は、ビームスプリッタ１６で反射した照明光Ｌ１を点状に集光させて試料５０を照明する。対物レンズ１７は、ＮＡを有している。対物レンズ１７は、ＮＡ内のあらゆる角度とあらゆる方向から試料５０を照明する。対物レンズのＮＡは、試料５０に対してブリュースター角を含む値（例えば、０．９５）以上あることが望ましい。
【0035】
対物レンズ１７は、照明光Ｌ１を透過させるとともに、照明光Ｌ１が試料５０の測定面で反射した反射光Ｒ１を透過させる。本実施形態のエリプソメータ１では、試料５０に入射する照明光Ｌ１の光軸Ｃ、及び、試料５０で反射した反射光Ｒ１の光軸Ｃは、試料５０の測定面に対して直交している。
【0036】
ここで、エリプソメータ１の説明の便宜のために、ＸＹＺ直交座標軸系を導入する。Ｚ軸方向を光軸Ｃとする。Ｚ軸方向に直交し、相互に直交する２方向をＸ軸方向及びＹ軸方向とする。
【0037】
試料５０を照明する照明光Ｌ１は、一方向の直線偏光を含んでいる。そのような一方向の直線偏光を含む照明光Ｌ１は、集光されながら、試料５０の測定面に入射する。よって照明光Ｌ１が完全偏光でかつ直線偏光である場合には、光軸Ｃが試料５０の測定面に直交する場合に、測定面に入射する方向によって、照明光Ｌ１は、Ｐ偏光の部分もあれば、Ｓ偏光の部分もある。照明光Ｌ１におけるＰ偏光の部分は、Ｐ偏光として反射する。照明光Ｌ１におけるＳ偏光の部分は、Ｓ偏光として反射する。
【0038】
集光光学系２０は、照明光Ｌ１が試料５０で反射した反射光Ｒ１を集光する。集光光学系２０は、対物レンズ１７、ビームスプリッタ１６、リレーレンズ２１及び２２を含んでいる。対物レンズ１７は、照明光学系１０の部材でもあり、集光光学系２０の部材でもある。試料５０で反射した反射光Ｒ１は、対物レンズ１７の瞳位置２３を通過する。なお、瞳位置２３は、リレーレンズ２１及び２２によって、画像検出器４２上に再結像する。このように、集光光学系２０は、対物レンズ１７の射出瞳を画像検出器４２上に結像させる。対物レンズ１７は、照明光Ｌ１が試料５０で反射した反射光Ｒ１を透過させて、ビームスプリッタ１６に入射させる。
【0039】
ビームスプリッタ１６は、入射した反射光Ｒ１の一部を透過させる。例えば、ビームスプリッタ１６を透過した反射光Ｒ１は、リレーレンズ２１に入射する。
【0040】
リレーレンズ２１は、ビームスプリッタ１６を透過した反射光Ｒ１を集光させ、像を結んだ後にリレーレンズ（ｒｅｌａｙ ｌｅｎｓ）２２に入射させる。リレーレンズ２２は、入射した反射光Ｒ１を透過させて、偏光光学素子部３０に入射させる。
【0041】
偏光光学素子部３０は、直線偏光を含む照明光Ｌ１が試料５０の測定面で反射した反射光Ｒ１のうち、互いに直交する偏光方向の２つの直線偏光成分を、反射光Ｒ１の集光光学系２０の光軸Ｃを中心にした放射方向に分離する。偏光光学素子部３０は、例えば、ウォラストンレンズを含む。偏光光学素子部３０は、複数のウォラストンレンズＷ１０及びウォラストンレンズＷ２０を含んでもよい。ウォラストンレンズＷ１０は、２個の複屈折結晶Ｗ１１及び複屈折結晶Ｗ１２を含む。ウォラストンレンズＷ２０は、２個の複屈折結晶Ｗ２１及び複屈折結晶Ｗ２２を含む。
【0042】
複屈折結晶Ｗ１１は、１軸性複屈折結晶を含む。複屈折結晶Ｗ１１は、入射面が平面形状であり、出射面が凹面の球面形状である。複屈折結晶Ｗ１１は、Ｘ軸方向の結晶光学軸を有する。複屈折結晶Ｗ１２は、１軸性複屈折結晶を含む。複屈折結晶Ｗ１２は、入射面が凸面の球面形状であり、出射面が平面形状である。複屈折結晶Ｗ１２は、Ｙ軸方向の結晶光学軸を有する。よって、ウォラストンレンズＷ１０は、相互に嵌合する球面形状を有する２個の１軸性複屈折結晶を含む。ウォラストンレンズＷ１０の各１軸性複屈折結晶の結晶光学軸は、集光光学系２０の光軸Ｃに直交し、かつ、相互に直交する。
【0043】
複屈折結晶Ｗ２１は、１軸性複屈折結晶を含む。複屈折結晶Ｗ２１は、入射面が平面形状であり、出射面が凹面の球面形状である。複屈折結晶Ｗ２１は、Ｙ軸方向の結晶光学軸を有する。複屈折結晶Ｗ２２は、１軸性複屈折結晶を含む。複屈折結晶Ｗ２２は、入射面が凸面の球面形状であり、出射面が平面形状である。複屈折結晶Ｗ２２は、Ｘ軸方向の結晶光学軸を有する。よって、ウォラストンレンズＷ２０は、相互に嵌合する球面形状をする２個の１軸性複屈折結晶を含む。ウォラストンレンズＷ２０の各１軸性複屈折結晶の結晶光学軸は、集光光学系２０の光軸Ｃに直交し、かつ、相互に直交する。
【0044】
各複屈折結晶Ｗ１１、Ｗ１２、Ｗ２１及びＷ２２は、材料として、水晶、フッ化マグネシウム、サファイア、方解石、αＢＢＯのいずれかを含んでもよい。偏光光学素子部３０において、ウォラストンレンズＷ１０及びウォラストンレンズＷ２０は、屈折力が０である。よって、偏光光学素子部３０は、反射光Ｒ１を集光または拡散させなくてもよい。
【0045】
ウォラストンレンズＷ１０において、複屈折結晶Ｗ１１の結晶光学軸と、複屈折結晶Ｗ１２の結晶光学軸とは、互いに垂直かつ光軸Ｃに対して直交になるように配置される。例えば、複屈折結晶Ｗ１１の結晶光学軸は、Ｘ軸方向であり、複屈折結晶Ｗ１２の結晶光学軸は、Ｙ軸方向である。これにより、２つの互いに垂直な偏光（図１ではＸ偏光とＹ偏光）は、光軸Ｃを中心とした放射状に分離して異なる方向に進む。例えば、Ｘ偏光は、Ｙ偏光よりも光軸Ｃから離れた外側に分離される。Ｙ偏光は、Ｘ偏光よりも光軸Ｃに近い内側に分離される。
【0046】
偏光光学素子部３０は、さらに、もう一組のウォラストンレンズＷ２０を含んでいる。ウォラストンレンズＷ２０において、複屈折結晶Ｗ２１の結晶光学軸と、複屈折結晶Ｗ２２の結晶光学軸とは、互いに垂直かつ光軸Ｃに対して直交になるように配置される。しかしながら、ウォラストンレンズＷ２０では、各複屈折結晶の結晶光学軸は、ウォラストンレンズＷ１０の各複屈折結晶の結晶光学軸と逆になる。例えば、複屈折結晶Ｗ２１の結晶光学軸は、Ｙ軸方向であり、複屈折結晶Ｗ２２の結晶光学軸は、Ｘ軸方向である。これにより、２組のウォラストンレンズＷ１０及びＷ２０は、それぞれの偏光を反対方向に分離させ、画像検出器４２上で２つの偏光光が再び同一点となるように、配置と曲率半径を設計されている。よって、偏光光学素子部３０及び検光子部４１を透過した反射光Ｒ１の２つの偏光成分は、画像検出器４２上の同一点で検出される。
【0047】
受光光学系４０は、反射光Ｒ１を受光し、エリプソメトリ係数Ψ及びΔを算出する。受光光学系４０は、検光子部４１、画像検出器４２、解析装置４３を有している。検光子部４１は、例えば、所定の方向の直線偏光成分を透過させる直線偏光子Ｈ２を含む。
【0048】
図５は、実施形態１に係るエリプソメータ１において、検光子部４１を透過する直線偏光を例示した図である。図５に示すように、検光子部４１は、偏光光学素子部３０が分離させたＸ方向の偏光方向及びＹ方向の偏光方向と、４５［ｄｅｇ］傾いた方向における直線偏光の成分を透過させる。よって、検光子部４１は、Ｘ方向の偏光方向を有する直線偏光のうち、Ｘ方向と４５［ｄｅｇ］傾いた偏光成分を透過させる。また、検光子部４１は、Ｙ方向の偏光方向を有する直線偏光のうち、Ｙ方向と４５［ｄｅｇ］傾いた偏光成分を透過させる。このように、ウォラストンレンズＷ２０と画像検出器４２の間に直線偏光子Ｈ２等の検光子部４１も配置されている。この直線偏光子Ｈ２の透過軸方向は、ウォラストンレンズＷ１０及びＷ２０を形成する２個の１軸性の複屈折結晶のそれぞれの光学軸の中間（４５［ｄｅｇ］）となる方位に配置される。よって、検光子部４１は、互いに直交した２つの偏光線分を、各偏光方向と異なる方向の成分を透過させて干渉させ、同心円状の干渉縞を形成させる。すなわち、２つの偏光線分は、検光子部４１を透過することによって、同じ方向（４５［ｄｅｇ］傾いた方向）に偏光した偏光成分として出射し、干渉する。
【0049】
画像検出器４２は、入射した反射光Ｒ１を受光する。画像検出器４２は、対物レンズ１７の瞳位置２３と共役な瞳共役位置２４に配置されている。反射光Ｒ１は、互いに直交した２つの直線偏光における同じ方向の偏光成分を含んでいる。よって、反射光Ｒ１は、画像検出器４２上で干渉する。これにより、画像検出器４２上に同心円状の干渉縞が形成される。画像検出器４２は、検光子部４１を透過した各偏光成分の干渉縞を検出する。
【0050】
図６は、実施形態１に係る実施形態１に係るエリプソメータ１において、画像検出器４２上で干渉した反射光の干渉縞を例示した図である。図６に示すように、画像検出器４２上の干渉縞は、同心円状の形状となる。本実施形態において、このような同心円状の干渉縞をウォラストンレンズ干渉縞と呼ぶ。ウォラストンレンズ干渉縞は、Ｘ偏光とＹ偏光との干渉により形成される。ウォラストンレンズ干渉縞において、中心付近の縞間隔は大きく、ブリュースター角で入射した光に対応する瞳の端では細かな縞間隔となる。ウォラストンレンズ干渉縞は、画像検出器４２の周辺領域に円状に、Ｘ偏光とＹ偏光の光路長差が０の位置を有している。
【0051】
図７～図９は、実施形態１に係る画像検出器４２上で干渉した反射光Ｒ１の干渉縞の解析方法を例示した図である。図７に示すように、解析装置４３は、画像検出器４２上に検出された画像を取得する。そして、解析装置４３は、取得された点対称の同心円状の干渉縞を含む画像を、同心円の中心が座標原点となるように極座標に座標変換する。次に、解析装置４３は、座標変換後の画像を、極座標系の半径（動径）及び方位（偏角）を軸とする２次元座標で表す。解析装置４３は、２次元座標の平面上において、２次元フーリエ変換を行い、変換後の周波数空間像において、ＤＣ成分とＡＣ成分とに分けてトリミングする。
【0052】
次に、図８に示すように、解析装置４３は、ＤＣ成分について、ピーク位置を座標原点にシフトした上で逆フーリエ変換を行う。また、図９に示すように、解析装置４３は、ＡＣ成分について、ピーク位置を座標原点にシフトした上で逆フーリエ変換を行う。解析装置４３は、ＡＣ成分から、さらに、振幅成分であるＡＣ成分（振幅）と位相成分であるＡＣ成分（位相）を求める。得られたＡＣ成分（位相）は、そのままエリプソメトリ計測のΔに対応する。エリプソメトリ計測のΨは下記の（１）式となる。ここで、ＤＣは、ＤＣ成分を示し、ＡＣ振幅は、ＡＣ成分（振幅）を示す。このようにして、解析装置４３は、逆フーリエ変換した結果を基にして、検出した干渉縞からエリプソメトリ係数Ψ及びΔを算出する。
【0053】
Ψ＝ｔａｎ－１［ＤＣ／ＡＣ振幅±√｛（ＤＣ／ＡＣ振幅）２－１｝］ （１）
【0054】
次に、本実施形態の効果を説明する。図１０は、実施形態１及び比較例に係るエリプソメータ１及び１０１において、画像検出器４２上で干渉した反射光Ｒ１の干渉縞を例示した図である。図１０に示すように、干渉縞を利用するエリプソメータ１及び１０１は、計測に用いる光を、時間的、空間的に部分コヒーレントな光としている。よって、干渉する２つの偏光光の光路長差が大きくなる場所においては、干渉縞のコントラストは、著しく低下する。そのため、瞳内に形成される干渉縞の本数には、波長幅や視野領域に依存して上限がある。
【0055】
図１０に示すように、本実施形態のエリプソメータ１で形成される同心円状の干渉縞と、比較例のエリプソメータ１０１で形成される干渉縞とを比較するために、例えば、両方とも同じ５本程度の縞本数とする。そうすると、比較例の干渉縞は、瞳内で等間隔である。これに対し、本実施形態の干渉縞は、中央付近で疎であり、周辺付近で密である。また、同じ５本の干渉縞が含まれる幅は、比較例では瞳直径であるのに対し、本実施形態では瞳半径である。よって、本実施形態のエリプソメータ１では、比較例のエリプソメータ１０１に比べて、２倍密に干渉縞を配置することができる。特に、瞳の周辺付近においては、数倍から１０倍程度、密に干渉縞を形成することができる。
【0056】
ここで、エリプソメトリ計測における瞳上での重要度を考える。図１１は、実施形態１に係る照明光学系１０、集光光学系２０及び瞳面の配置を例示した斜視図である。瞳面上の位置と試料５０への光の入射角と入射方位との関係を例示した図である。瞳上の中心付近には、試料５０に垂直に入射した光が到達する。一方、試料５０の周辺付近には、試料５０に大きな入射角で入射した光が到達する。エリプソメトリ計測においては、後者の斜入射の光がより重要である。特に、入射角が６０°～７５°にあるブリュースター角付近の照明光Ｌ１を用いたエリプソメトリ計測は、最も感度が高い。また、このような入射角の照明光Ｌ１は、入射角度依存性と入射方位依存性も大きいため、高い分解能で計測することができる。
【0057】
図１２は、実施形態１に係る瞳面上の位置と、試料５０への光の入射角及び入射方位との関係を例示した図である。一般的な対物レンズ１７のＮＡの上限であるＮＡ＝０．９５は、入射角７２°に対応し、ブリュースター角をほぼ含んでいる。ＮＡ＝０．７は、入射角４５°に対応する。本実施形態のエリプソメータ１は、瞳上において、より重要な周辺付近に密な干渉縞を形成することができる。したがって、例えば、半導体製造における高精度な計測において、非常に大きな優位性がある。
【0058】
このように、本実施形態のエリプソメータ１は、異なる２つの偏光光から形成される同心円状の干渉縞からΨ及びΔを算出するという特徴的な測定原理を有している。そして、特に、広帯域の光源と分光器を組み合わせて分光エリプソメトリ測定を行う場合には、瞳上の分解能を向上させ、光量を増加させることができるので、測定時間の短縮が期待される。よって、測定精度を向上させ、スループットを向上させることができる。
【0059】
（変形例）
次に、実施形態１の変形例を説明する。本変形例は、上述したエリプソメータ１を半導体装置の検査装置に適用した例である。図１３は、実施形態１の変形例に係る半導体装置の検査装置を例示した構成図である。図１３に示すように、検査装置１Ａは、エリプソメータ１、基台８０、アイソレータ８１、光学定盤８２、ステージ８３、ウェハホルダ８４、フレーム８５、環境チャンバー８６、温度コントローラユニット８７、基板自動搬送装置８８を備えている。エリプソメータ１は、光源１１、分光器１２、照明光学系１０、集光光学系２０、偏光光学素子部３０、受光光学系４０を有している。
次に、実施形態１の変形例を説明する。本変形例は、上述したエリプソメータ１を半導体装置の検査装置に適用した例である。図１３は、実施形態１の変形例に係る半導体装置の検査装置を例示した構成図である。図１３に示すように、検査装置１Ａは、エリプソメータ１、基台８０、アイソレータ８１、光学定盤８２、ステージ８３、ウェハホルダ８４、フレーム８５、環境チャンバー８６、温度コントローラユニット８７、基板自動搬送装置８８を備えている。エリプソメータ１は、光源１１、分光器１２、照明光学系１０、集光光学系２０、偏光光学素子部３０、受光光学系４０を有している。
【0060】
基台８０は、土台となる台である。基台８０上に設けられたアイソレータ８１は、床面からの振動を除振する。光学定盤８２は、アイソレータ８１上に設けられている。ステージ８３及びフレーム８５は、光学定盤８２上に配置されている。ステージ８３は、ウェハホルダ８４に取り付けられたＳｉウェハ等の試料５０を載置される。フレーム８５は、光学系を固定する。環境チャンバー８６は、エリプソメータ１のいくつかの部材、基台８０、アイソレータ８１、光学定盤８２、ステージ８３、ウェハホルダ８４、フレーム８５等を外部環境から隔離する。温度コントローラユニット８７は、環境チャンバー８６内を所定の温度に維持する。基板自動搬送装置８８は、試料５０を搬送する。
【0061】
エリプソメータ１の解析装置４３は、カメラ等の画像検出器４２からの画像を取り込んで、エリプソメトリ計測の処理を行う。解析装置４３は、コンピュータ等の制御部９１、画像検出器４２からの画像を取り込んで処理をするグラバーボード９２、試料５０を搭載するステージ８３を制御するステージコントローラー９３、及び、光源１１、分光器１２を制御するための光源・分光器コントローラー９４を含んでもよい。
【0062】
本変形例の半導体装置の検査装置１Ａは、前述のエリプソメータ１を備えている。よって、半導体装置の検査における計測制度を向上させ、スループットを向上させることができる。例えば、半導体製造工程におけるＣＤ計測とＯｖｅｒｌａｙ評価において、これまで１ウェハ内で数点の測定であったものを、ウェハ上のショット（Ｓｈｏｔ）内、チップ（Ｃｈｉｐ）内、メモリーセル（Ｍｅｍｏｒｙ－ｃｅｌｌ）内の分布評価まで行うことができる。これにより、半導体装置の製造の歩留まりと生産性向上に貢献し、半導体装置のコスト低減にも繋がる。これ以外の構成及び効果は、実施形態１の記載に含まれている。
【0063】
（実施形態２）
次に、実施形態２に係るエリプソメータを説明する。本実施形態のエリプソメータは、円偏光を含む照明光Ｌ１を用いる。図１４は、実施形態２に係るエリプソメータを例示した構成図である。図１４に示すように、本実施形態のエリプソメータ２は、偏光子部１５の代わりに、偏光子部１８を有している。偏光子部１８は、照明光Ｌ１の光軸を中心にして左回転及び右回転のいずれかに回転する円偏光を生成する円偏光子を含む。円偏光子は、直線偏光子Ｈ１及びλ／４波長板Ｈ３を含む。
次に、実施形態２に係るエリプソメータを説明する。本実施形態のエリプソメータは、円偏光を含む照明光Ｌ１を用いる。図１４は、実施形態２に係るエリプソメータを例示した構成図である。図１４に示すように、本実施形態のエリプソメータ２は、偏光子部１５の代わりに、偏光子部１８を有している。偏光子部１８は、照明光Ｌ１の光軸を中心にして左回転及び右回転のいずれかに回転する円偏光を生成する円偏光子を含む。円偏光子は、直線偏光子Ｈ１及びλ／４波長板Ｈ３を含む。
【0064】
また、本実施形態のエリプソメータ２は、検光子部４１の代わりに、検光子部４４を有している。検光子部４４は、左回転及び右回転のいずれかに回転する円偏光成分を透過させる円偏光子を含む。円偏光子は、直線偏光子Ｈ２及びλ／４波長板Ｈ４を含む。
【0065】
さらに、本実施形態のエリプソメータ２は、偏光光学素子部３０の代わりに、偏光光学素子部３１を有している。偏光光学素子部３１は、複屈折結晶Ｆ１を含む。複屈折結晶Ｆ１は、集光光学系２０において、反射光Ｒ１が集光または拡散する位置に配置されている。例えば、複屈折結晶Ｆ１は、リレーレンズ２１とリレーレンズ２２との間において、反射光Ｒ１が拡散する位置に配置されている。複屈折結晶Ｆ１は、平行平板形状を有する。よって、複屈折結晶Ｆ１は、平行な２つの板面を有している。複屈折結晶Ｆ１は、１軸性の複屈折結晶である。複屈折結晶Ｆ１の結晶光学軸は、板面に直交する方向に配置されている。複屈折結晶Ｆ１は、板面を光軸に直交するように配置されている。よって、複屈折結晶Ｆ１の結晶光学軸は、集光光学系２０の光軸Ｃに平行である。複屈折結晶Ｆ１は、例えば、材料として、αＢＢＯを含む。なお、複屈折結晶Ｆ１は、水晶、フッ化マグネシウム、サファイア、方解石のいずれかを含んでもよい。
【0066】
本実施形態のエリプソメータ２において、照明レンズ１４によって平行光に変換された照明光Ｌ１は、直線偏光子Ｈ１を透過し、直線偏光を含むようになる。その後、直線偏光を含む照明光Ｌ１は、λ／４波長板Ｈ３を透過することにより円偏光を含む照明光Ｌ１となる。なお、照明光Ｌ１は、楕円偏光を含んでもよい。
【0067】
照明光Ｌ１は、ビームスプリッタ１６を介して、対物レンズ１７を透過する。これにより、対物レンズ１７のＮＡ内のあらゆる角度とあらゆる方位から試料５０を照明する。この場合の対物レンズ１７のＮＡは、試料５０のブリュースター角を含む値以上あることが望ましい。
【0068】
試料５０で反射した反射光Ｒ１は、Ｒａｄｉａｌ偏光及びＡｚｉｍｕｔｈ偏光を含む。反射光Ｒ１は、対物レンズ１７の瞳位置２３を通過する。瞳位置２３と共役な瞳共役位置２４は、リレーレンズ２１及び２２によって、画像検出器４２上に結像する。
【0069】
図１５は、実施形態２に係るエリプソメータ２において、画像検出器４２上で干渉した反射光Ｒ１の干渉縞、Ｒａｄｉａｌ偏光及びＡｚｉｍｕｔｈ偏光を例示した図である。図１５に示すように、反射光Ｒ１に含まれたＲａｄｉａｌ偏光及びＡｚｉｍｕｔｈ偏光が複屈折結晶Ｆ１を透過した際の作用を考える。まず、Ａｚｉｍｕｔｈ偏光は、常に、複屈折結晶Ｆ１の結晶光学軸に垂直である。よって、Ａｚｉｍｕｔｈ偏光は、常光である。一方、Ｒａｄｉａｌ偏光は、光軸Ｃ以外では、偏光方向が光軸Ｃに対して傾いている。このため、複屈折結晶Ｆ１の結晶光学軸と電場とが平行となる異常光を含む。
【0070】
図１６は、実施形態２に係る偏光光学素子部３１を例示した図である。図１６においては、Ｒａｄｉａｌ偏光及びＡｚｉｍｕｔｈ偏光の伝播状態を説明するために、検光子部４４の直線偏光子Ｈ２及びλ／４波長板Ｈ４を省いている。図１６に示すように、本実施形態の偏光光学素子部３１において、複屈折結晶Ｆ１を透過するＲａｄｉａｌ偏光及びＡｚｉｍｕｔｈ偏光は、屈折率の違いにより、進行方向と位相が相対的に異なる。すなわち、異常光を含むＲａｄｉａｌ偏光は、常光を含むＡｚｉｍｕｔｈ偏光よりも光軸Ｃから離れる方向に拡がって進む。一方、複屈折結晶Ｆ１を透過後は、Ｒａｄｉａｌ偏光及びＡｚｉｍｕｔｈ偏光は、互いに平行にシフトして進行する。
【0071】
そして、リレーレンズ２２を透過後には、Ｒａｄｉａｌ偏光及びＡｚｉｍｕｔｈ偏光は、画像検出器４２上（瞳上）の同じ点に再び戻る。ここで、注意が必要なのは、２つの偏光の位相差もそれぞれ異なる量だけ遅延している。光軸Ｃ上ではＲａｄｉａｌ偏光及びＡｚｉｍｕｔｈ偏光は同じ位相であるが、画像検出器４２上（瞳上）の周辺部にいくにつれて位相が異なる。
【0072】
画像検出器４２とリレーレンズ２２との間には、λ／４波長板Ｈ４及び直線偏光子Ｈ２を含む検光子部４４が配置されている。検光子部４４は、Ｒａｄｉａｌ偏光及びＡｚｉｍｕｔｈ偏光の共通の偏光成分のみを透過させる。これにより、検光子部４４を透過したＲａｄｉａｌ偏光及びＡｚｉｍｕｔｈ偏光は可干渉となり、画像検出器４２上に同心円状の干渉縞を形成する。ここで、Ｒａｄｉａｌ偏光は、例えば、半導体ウェハ等の試料５０上で、Ｐ偏光に対応し、Ａｚｉｍｕｔｈ偏光は、試料５０上でＳ偏光に対応する。よって、本実施形態のエリプソメータ２は、全方位にわたってＰ偏光とＳ偏光に対するエリプソメトリ計測を可能とする構成であり、対称性により計測対象の構造に依存せずに高感度な計測をすることができる。これ以外の構成及び効果は、実施形態１及び変形例の記載に含まれている。
【0073】
（実施形態３）
次に、実施形態３に係るエリプソメータを説明する。前述の実施形態２において、Ｒａｄｉａｌ偏光及びＡｚｉｍｕｔｈ偏光の光路長差が０の位置は、集光光学系２０の光軸Ｃ上である。これに対して、本実施形態では、Ｒａｄｉａｌ偏光及びＡｚｉｍｕｔｈ偏光の光路長差が０の位置を、瞳上でより周辺に配置させる。これにより、干渉縞の縞本数を密にして計測することができる。
次に、実施形態３に係るエリプソメータを説明する。前述の実施形態２において、Ｒａｄｉａｌ偏光及びＡｚｉｍｕｔｈ偏光の光路長差が０の位置は、集光光学系２０の光軸Ｃ上である。これに対して、本実施形態では、Ｒａｄｉａｌ偏光及びＡｚｉｍｕｔｈ偏光の光路長差が０の位置を、瞳上でより周辺に配置させる。これにより、干渉縞の縞本数を密にして計測することができる。
【0074】
図１７は、実施形態３に係るエリプソメータを例示した構成図である。図１７に示すように、本実施形態のエリプソメータ３は、偏光光学素子部３1の代わりに、偏光光学素子部３２を有している。偏光光学素子部３２は、複屈折結晶Ｆ１の他に複屈折結晶Ｆ２を含んでいる。複屈折結晶Ｆ２は、リレーレンズ２２と検光子部４４との間に配置されている。複屈折結晶Ｆ２は、入射面及び出射面を有する板状であるが、入射面が凹の円錐形状及び出射面が凸の円錐形状を有している。複屈折結晶Ｆ２は、いわば、両面アキシコンレンズ形状を有している。複屈折結晶Ｆ２は、一軸性複屈折結晶を含む。複屈折結晶Ｆ２の結晶光学軸は、集光光学系２０の光軸Ｃに平行である。
【0075】
複屈折結晶Ｆ２は、複屈折性が複屈折結晶Ｆ１と反対となっている。具体的には、複屈折結晶Ｆ１及び複屈折結晶Ｆ２は、常光の屈折率ｎ０（以下、ｎ０で示す。）＜異常光の屈折率ｎｅ（以下、ｎｅで示す。）、及び、ｎ０＞ｎｅの相互に反対の複屈折性を有する。例えば、複屈折結晶Ｆ１が負結晶（ｎ０＞ｎｅ）であれば、複屈折結晶Ｆ２は、正結晶（ｎ０＜ｎｅ）である。複屈折結晶Ｆ１が正結晶（ｎ０＜ｎｅ）であれば、複屈折結晶Ｆ２は、負結晶（ｎ０＞ｎｅ）である。
【0076】
図１８は、実施形態３に係るエリプソメータ３において、画像検出器４２上で干渉した反射光の干渉縞、Ｒａｄｉａｌ偏光及びＡｚｉｍｕｔｈ偏光を例示した図である。図１９は、実施形態３に係る偏光光学素子部３２を例示した図である。図１８及び図１９に示すように、複屈折結晶Ｆ１に複屈折結晶Ｆ２を加えることにより、画像検出器４２上において、Ｒａｄｉａｌ偏光及びＡｚｉｍｕｔｈ偏光の光路長差０の位置を、光軸Ｃよりも外側の位置に移動させることができる。なお、図１９では、Ｒａｄｉａｌ偏光及びＡｚｉｍｕｔｈ偏光の伝播状態を説明するために、検光子部４４の直線偏光子Ｈ２及びλ／４波長板Ｈ４を省いている。
【0077】
（変形例１～４）
次に、実施形態３の変形例１～４を説明する。図２０～図２３は、実施形態３の変形例１～４に係る偏光光学素子部３３～３６を例示した図である。図２０～図２３に示すように、偏光光学素子部３３～３６が偏光光学素子部３２と異なる構成を取った場合でも、偏光光学素子部３２と同様の原理により、Ｒａｄｉａｌ偏光及びＡｚｉｍｕｔｈ偏光の同心円状の干渉縞を画像検出器４２上に形成することができる。
次に、実施形態３の変形例１～４を説明する。図２０～図２３は、実施形態３の変形例１～４に係る偏光光学素子部３３～３６を例示した図である。図２０～図２３に示すように、偏光光学素子部３３～３６が偏光光学素子部３２と異なる構成を取った場合でも、偏光光学素子部３２と同様の原理により、Ｒａｄｉａｌ偏光及びＡｚｉｍｕｔｈ偏光の同心円状の干渉縞を画像検出器４２上に形成することができる。
【0078】
図２０に示すように、変形例１の偏光光学素子部３３は、複屈折結晶Ｆ１及び複屈折結晶Ｆ３を含んでいる。具体的には、変形例１の偏光光学素子部３３は、実施形態３の偏光光学素子部３２の構成において、複屈折結晶Ｆ２を省くとともに、複屈折結晶Ｆ１とリレーレンズ２２との間に複屈折結晶Ｆ３を配置させている。よって、複屈折結晶Ｆ３は、集光光学系２０の反射光Ｒ１が集光または拡散している領域に配置されている。複屈折結晶Ｆ３は、平行平板形状の１軸性の複屈折結晶を含む。複屈折結晶Ｆ３は、平行な２つの板面を有する。複屈折結晶Ｆ３の結晶光学軸は、板面に直交している。複屈折結晶Ｆ３は、板面を集光光学系２０の光軸Ｃに直交させるように配置されている。複屈折結晶Ｆ３の結晶光学軸は、光軸Ｃに平行である。
【0079】
複屈折結晶Ｆ３は、複屈折性が複屈折結晶Ｆ１と反対となっている。具体的には、複屈折結晶Ｆ１及び複屈折結晶Ｆ３は、ｎ０＜ｎｅ及びｎ０＞ｎｅの相互に反対の複屈折性を有する。例えば、複屈折結晶Ｆ１が負結晶（ｎ０＞ｎｅ）であれば、複屈折結晶Ｆ３は、正結晶（ｎ０＜ｎｅ）である。複屈折結晶Ｆ１が正結晶（ｎ０＜ｎｅ）であれば、複屈折結晶Ｆ３は、負結晶（ｎ０＞ｎｅ）である。
【0080】
図２１に示すように、変形例２の偏光光学素子部３４は、両面アキシコンレンズ形状の複屈折結晶Ｆ２及びメニスカスレンズ形状の複屈折結晶Ｆ４を含んでいる。具体的には、変形例２の偏光光学素子部３４は、実施形態３の偏光光学素子部３２の構成において、複屈折結晶Ｆ１の代わりに、リレーレンズ２１とリレーレンズ２２との間に配置された複屈折結晶Ｆ４を含んでいる。よって、複屈折結晶Ｆ４は、集光光学系２０の反射光Ｒ１が集光または拡散している領域に配置されている。複屈折結晶Ｆ４は、入射面及び出射面を有している。複屈折結晶Ｆ４は、入射面が凹面の球面形状及び出射面が凸面の球面形状を有する。複屈折結晶Ｆ４は、１軸性の複屈折結晶を含む。複屈折結晶Ｆ４の結晶光学軸は、集光光学系２０の光軸Ｃに平行となるように配置されている。
【0081】
複屈折結晶Ｆ４は、複屈折性が複屈折結晶Ｆ２と反対となっている。具体的には、複屈折結晶Ｆ２及び複屈折結晶Ｆ４は、ｎ０＜ｎｅ及びｎ０＞ｎｅの相互に反対の複屈折性を有する。例えば、複屈折結晶Ｆ２が負結晶（ｎ０＞ｎｅ）であれば、複屈折結晶Ｆ４は、正結晶（ｎ０＜ｎｅ）である。複屈折結晶Ｆ２が正結晶（ｎ０＜ｎｅ）であれば、複屈折結晶Ｆ４は、負結晶（ｎ０＞ｎｅ）である。
【0082】
図２２に示すように、変形例３の偏光光学素子部３５は、複屈折結晶Ｆ１、複屈折結晶Ｆ５、アキシコンレンズ２５及び２６を含んでいる。具体的には、変形例３の偏光光学素子部３５は、実施形態３の構成において、両面アキシコンレンズ形状の複屈折結晶Ｆ２の代わりに、凹凸のアキシコンレンズ２５及び２６で、平行平板状の複屈折結晶Ｆ５を挟んだ構成となっている。複屈折結晶Ｆ５は、平行平板形状の１軸性の複屈折結晶を含む。複屈折結晶Ｆ５は、平行な２つの板面を有している。複屈折結晶Ｆ５の結晶光学軸は、板面に直交している。複屈折結晶Ｆ５は、板面を集光光学系２０の光軸Ｃに直交させるように配置されている。複屈折結晶Ｆ５の結晶光学軸は、光軸Ｃに平行である。
【0083】
アキシコンレンズ２５は、リレーレンズ２２と複屈折結晶Ｆ５との間に配置されている。よって、アキシコンレンズ２５は、複屈折結晶Ｆ５の入射面側に配置されている。アキシコンレンズ２５は、材料として、例えば、ガラスを含む。アキシコンレンズ２５は、入射面が凹の円錐形状及び出射面が平面形状を有する。
【0084】
アキシコンレンズ２６は、複屈折結晶Ｆ５と検光子部４４との間に配置されている。よって、アキシコンレンズ２６は、複屈折結晶Ｆ５の出射面側に配置されている。アキシコンレンズ２６は、材料として、例えば、ガラスを含む。アキシコンレンズ２６は、入射面が平面形状及び出射面が凸の円錐形状を有する。
【0085】
複屈折結晶Ｆ５は、複屈折性が複屈折結晶Ｆ１と反対となっている。具体的には、複屈折結晶Ｆ１及び複屈折結晶Ｆ５は、ｎ０＜ｎｅ及びｎ０＞ｎｅの相互に反対の複屈折性を有する。例えば、複屈折結晶Ｆ１が負結晶（ｎ０＞ｎｅ）であれば、複屈折結晶Ｆ５は、正結晶（ｎ０＜ｎｅ）である。複屈折結晶Ｆ１が正結晶（ｎ０＜ｎｅ）であれば、複屈折結晶Ｆ５は、負結晶（ｎ０＞ｎｅ）である。
【0086】
図２３に示すように、変形例４の偏光光学素子部３６は、複屈折結晶Ｆ２、複屈折結晶Ｆ６及び複屈折結晶Ｆ７を含んでいる。具体的には、変形例４の偏光光学素子部３６は、実施形態３の構成において、複屈折結晶Ｆ１の代わりに、複屈折結晶Ｆ６及び複屈折結晶Ｆ７を含んでいる。よって、複屈折結晶Ｆ６及び複屈折結晶Ｆ７は、集光光学系２０の反射光Ｒ１が集光または拡散している領域に配置されている。複屈折結晶Ｆ６及び複屈折結晶Ｆ７は、平行平板形状の１軸性の複屈折結晶を含む。複屈折結晶Ｆ６及び複屈折結晶Ｆ７は、それぞれ、平行な２つの板面を有している。複屈折結晶Ｆ６の結晶光学軸及び複屈折結晶Ｆ７の結晶光学軸は、板面に平行である。複屈折結晶Ｆ６及び複屈折結晶Ｆ７は、板面を集光光学系２０の光軸Ｃに直交させるように配置されている。複屈折結晶Ｆ６の結晶光学軸及び複屈折結晶Ｆ７の結晶光学軸は、集光光学系２０の光軸Ｃに直交し、かつ、相互に直交する。
【0087】
複屈折結晶Ｆ６及び複屈折結晶Ｆ７は、複屈折性が複屈折結晶Ｆ２と反対となっている。具体的には、複屈折結晶Ｆ６及び複屈折結晶Ｆ７と、複屈折結晶Ｆ２とは、ｎ０＜ｎｅ及びｎ０＞ｎｅの相互に反対の複屈折性を有する。例えば、複屈折結晶Ｆ６及び複屈折結晶Ｆ７が負結晶（ｎ０＞ｎｅ）であれば、複屈折結晶Ｆ２は、正結晶（ｎ０＜ｎｅ）である。複屈折結晶Ｆ６及び複屈折結晶Ｆ７が正結晶（ｎ０＜ｎｅ）であれば、複屈折結晶Ｆ２は、負結晶（ｎ０＞ｎｅ）である。このように、実施形態３及び変形例１～４において、偏光光学素子部３２～３６は、ｎ０＜ｎｅ、及び、ｎ０＞ｎｅの相互に反対の複屈折性を有する複屈折結晶を含む。これ以外の構成及び効果は、実施形態１～２及び変形例の記載に含まれている。
【0088】
（実施形態４）
次に、実施形態４に係るエリプソメータを説明する。図２４は、実施形態４に係るエリプソメータを例示した構成図である。図２４に示すように、エリプソメータ４において、偏光子部１５は、直線偏光子Ｈ１を含み、検光子部４１は、直線偏光子Ｈ２を含む。偏光光学素子部３７は、ノマルスキープリズム１３１及び１３２を含む。偏光光学素子部３７は、ｎ０＜ｎｅである正の複屈折性を有する１軸性複屈折結晶と、ｎ０＞ｎｅである負の複屈折性を有する１軸性複屈折結晶とを含むノマルスキープリズム１３１と、正の複屈折性を有する１軸性複屈折結晶と、負の複屈折性を有する１軸性複屈折結晶とを含むノマルスキープリズム１３２とを含む。よって、偏光光学素子部３７は、直線偏光を含む照明光Ｌ１が試料５０の測定面で反射した反射光Ｒ１を、互いに直交する直線偏光方向の２つの直線偏光成分に分離する。検光子部４１は、各偏光方向と異なる方向における２つの直線偏光成分を透過させて干渉させ、干渉縞を形成させる。画像検出器４２は、干渉縞を検出する。解析装置４３は、検出した干渉縞からエリプソメトリ係数Ψ及びΔを算出する。
次に、実施形態４に係るエリプソメータを説明する。図２４は、実施形態４に係るエリプソメータを例示した構成図である。図２４に示すように、エリプソメータ４において、偏光子部１５は、直線偏光子Ｈ１を含み、検光子部４１は、直線偏光子Ｈ２を含む。偏光光学素子部３７は、ノマルスキープリズム１３１及び１３２を含む。偏光光学素子部３７は、ｎ０＜ｎｅである正の複屈折性を有する１軸性複屈折結晶と、ｎ０＞ｎｅである負の複屈折性を有する１軸性複屈折結晶とを含むノマルスキープリズム１３１と、正の複屈折性を有する１軸性複屈折結晶と、負の複屈折性を有する１軸性複屈折結晶とを含むノマルスキープリズム１３２とを含む。よって、偏光光学素子部３７は、直線偏光を含む照明光Ｌ１が試料５０の測定面で反射した反射光Ｒ１を、互いに直交する直線偏光方向の２つの直線偏光成分に分離する。検光子部４１は、各偏光方向と異なる方向における２つの直線偏光成分を透過させて干渉させ、干渉縞を形成させる。画像検出器４２は、干渉縞を検出する。解析装置４３は、検出した干渉縞からエリプソメトリ係数Ψ及びΔを算出する。
【0089】
図２５は、実施形態４に係るエリプソメータ４において、画像検出器４２上で干渉した反射光Ｒ１の干渉縞、Ｘ偏光及びＹ偏光を例示した図である。図２５には、比較例のエリプソメータ１０１における画像検出器１４２上で干渉した反射光Ｒ１の干渉縞も示している。本実施形態のエリプソメータ４は、実施形態１～３と異なり、Ｘ偏光とＹ偏光の干渉縞を瞳上で１次元状に縦縞に形成させる。ただし、２種類以上の複屈折性の異なる結晶を用いることで、２つの偏光の分離角を波長ごとに変える。より具体的には、ノマルスキープリズム１３１及び１３２は、画像検出器４２の直前での２つの偏光の分離角度が、長波長側が大きく、短波長で小さくなるように配置されている。よって、本実施形態では、色消しノマルスキープリズム１３２を含むことで、比較例に比べて、Ｘ軸方向の両端のコントラストの低下を抑制することができる。このようにすることで、干渉縞の間隔の波長の違いによる変化を小さくする。よって、広帯域の光源を用いた計測でも、これまでの方法よりも干渉縞の間隔を狭めたり、波長幅を広げたりすることが可能となる。
【0090】
図２６は、複屈折結晶の各材料における複屈折性の波長依存性を例示したグラフであり、横軸は波長を示し、縦軸は、複屈折性を示す。図２６では、（ｎ０－ｎｅ）／｛（ｎ０＋ｎｅ）／２｝の値を、波長が４００ｎｍの場合に１となるように規格化し、αＢＢＯ、水晶（Ｑｕａｒｔｚ）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、方解石（Ｃａｌｃｉｔ）の各材料でノマルスキープリズムを作成した場合の偏光分離角の波長依存性を表している。図２６に示すように、フッ化マグネシウムが比較的偏光分離角の波長依存性が小さく、方解石が偏光分離角の波長依存性が大きい。干渉縞の縞ピッチが照明光の複数の波長において同じ値となる。
【0091】
図２７は、実施形態４に係る偏光光学素子部３７を例示した図である。図２７に示すように、ノマルスキープリズム１３２を方解石とし、ノマルスキープリズム１３１をフッ化マグネシウムとすれば、画像検出器４２直前の偏光分離角は、長波長側で大きく、短波長側で小さくなる。このように設計することで、干渉縞の間隔の波長依存性を小さくすることが可能となる。これ以外の構成及び効果は実施形態１～３及び変形例の記載に含まれている。
【0092】
本発明は、上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、実施形態１～４及び各変形例の各構成は、相互に組み合わせることができる。また、実施形態１～４及び各変形例のエリプソメータを備えた半導体装置の検査装置も、本実施形態の技術的思想に含まれる。
【符号の説明】
【0093】
１、２、３、４ エリプソメータ
１Ａ 検査装置
１０ 照明光学系
１１ 光源
１２ 分光器
１３ ファイバー
１４ 照明レンズ
１５、１８ 偏光子部
１６ ビームスプリッタ
１７ 対物レンズ
２０ 集光光学系
２１、２２ リレーレンズ
２３ 瞳位置
２４ 瞳共役位置
２５、２６ アキシコンレンズ
３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７ 偏光光学素子部
４０ 受光光学系
４１、４４ 検光子部
４２ 画像検出器
４３ 解析装置
５０ 試料
８０ 基台
８１ アイソレータ
８２ 光学定盤
８３ ステージ
８４ ウェハホルダ
８５ フレーム
８６ 環境チャンバー
８７ 温度コントローラユニット
８８ 基板自動搬送装置
９１ 制御部
９２ グラバーボード
９３ ステージコントローラー
９４ 光源・分光器コントローラー
１０１ エリプソメータ
１１０ 照明光学系
１１１ 光源
１１２ 分光器
１１３ ファイバー
１１４ 照明レンズ
１１５ 偏光子
１１６ ビームスプリッタ
１１７ 対物レンズ
１２０ 集光光学系
１２１、１２２ リレーレンズ
１３０ 偏光光学素子
１３１、１３２ ノマルスキープリズム
１４０ 受光光学系
１４１ 検光子
１４２ 画像検出器
１４３ 解析装置
Ｃ 光軸
Ｈ１、Ｈ２ 直線偏光子
Ｈ３、Ｈ４ λ／４波長板
Ｆ１、Ｆ２ 複屈折結晶
Ｌ１ 照明光
Ｒ１ 反射光
Ｗ１０、Ｗ２０ ウォラストンレンズ
１Ａ 検査装置
１０ 照明光学系
１１ 光源
１２ 分光器
１３ ファイバー
１４ 照明レンズ
１５、１８ 偏光子部
１６ ビームスプリッタ
１７ 対物レンズ
２０ 集光光学系
２１、２２ リレーレンズ
２３ 瞳位置
２４ 瞳共役位置
２５、２６ アキシコンレンズ
３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７ 偏光光学素子部
４０ 受光光学系
４１、４４ 検光子部
４２ 画像検出器
４３ 解析装置
５０ 試料
８０ 基台
８１ アイソレータ
８２ 光学定盤
８３ ステージ
８４ ウェハホルダ
８５ フレーム
８６ 環境チャンバー
８７ 温度コントローラユニット
８８ 基板自動搬送装置
９１ 制御部
９２ グラバーボード
９３ ステージコントローラー
９４ 光源・分光器コントローラー
１０１ エリプソメータ
１１０ 照明光学系
１１１ 光源
１１２ 分光器
１１３ ファイバー
１１４ 照明レンズ
１１５ 偏光子
１１６ ビームスプリッタ
１１７ 対物レンズ
１２０ 集光光学系
１２１、１２２ リレーレンズ
１３０ 偏光光学素子
１３１、１３２ ノマルスキープリズム
１４０ 受光光学系
１４１ 検光子
１４２ 画像検出器
１４３ 解析装置
Ｃ 光軸
Ｈ１、Ｈ２ 直線偏光子
Ｈ３、Ｈ４ λ／４波長板
Ｆ１、Ｆ２ 複屈折結晶
Ｌ１ 照明光
Ｒ１ 反射光
Ｗ１０、Ｗ２０ ウォラストンレンズ
【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】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】