知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-01-15
(45)【発行日】2024-01-23
(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】
G01N 21/21 20060101AFI20240116BHJP
G01J 4/04 20060101ALI20240116BHJP
H01L 21/66 20060101ALI20240116BHJP
【ＦＩ】
G01N21/21 Z
G01J4/04 Z
H01L21/66 J
【請求項の数】
20
(21)【出願番号】P 2020115685
(22)【出願日】2020-07-03
(65)【公開番号】P2022013258
(43)【公開日】2022-01-18
【審査請求日】2023-05-08
(73)【特許権者】
【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
【審査官】三宅 克馬
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１８－１２４２０２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平７－１５９１３１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－７２５２６（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｎ ２１／２１
Ｇ０１Ｊ ４／０４
Ｈ０１Ｌ ２１／６６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
直線偏光からなる照明光が試料の測定面で反射した反射光であって、前記測定面において第１方向の第１偏光及び前記第１方向と異なる第２方向の第２偏光を含む前記反射光を透過させるレンズと、前記反射光を、前記第１偏光及び前記第２偏光とからなる第１分離反射光と、前記第１偏光及び前記第２偏光とからなる第２分離反射光と、に分離する第１分離部材と、
前記第１分離反射光を、互いに直交する偏光方向の２つの直線偏光に分離する第１偏光光学素子と、
前記第１偏光光学素子を透過した各偏光方向と異なる方向における前記２つの直線偏光の成分を干渉させた第１干渉縞を形成する第１干渉部材と、
前記第２分離反射光を、前記第１偏光からなる第３分離反射光と、前記第２偏光からなる第４分離反射光と、に分離する第２分離部材と、
前記第３分離反射光を、互いに直交する偏光方向の２つの直線偏光に分離する第２偏光光学素子と、
前記第２偏光光学素子を透過した各偏光方向と異なる方向における前記２つの直線偏光の成分を干渉させた第２干渉縞を形成する第２干渉部材と、
前記第１干渉縞及び前記第２干渉縞を検出する画像検出器と、
検出した前記第１干渉縞及び前記第２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】
前記第３分離反射光における前記第１偏光を、前記第１方向及び前記第２方向と異なる第３方向の第３偏光に変換する波長板をさらに備えた、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、一方向の直線偏光からなる前記照明光を透過させる偏光子と、
前記直線偏光からなる前記照明光で前記測定面を照明する照明レンズと、
をさらに備えた、
請求項１または２に記載のエリプソメータ。
【請求項4】
前記測定面に入射する前記照明光の光軸、及び、前記測定面で反射した前記反射光の光軸は、前記測定面の法線に対して傾斜した、請求項３に記載のエリプソメータ。
【請求項5】
前記照明レンズは、前記照明光を点状に集光させて前記測定面を照明し、前記画像検出器は、前記レンズの瞳位置と共役な瞳共役位置に配置された、
請求項３または４に記載のエリプソメータ。
【請求項6】
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、一方向の直線偏光からなる前記照明光を透過させる偏光子と、
前記直線偏光からなる前記照明光で前記測定面を照明するとともに、前記照明光が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、
をさらに備えた、
請求項１または２に記載のエリプソメータ。
【請求項7】
前記測定面に入射する前記照明光の光軸、及び、前記測定面で反射した前記反射光の光軸は、前記測定面に対して直交した、請求項６に記載のエリプソメータ。
【請求項8】
前記対物レンズは、前記照明光を点状に集光させて前記測定面を照明し、前記画像検出器は、前記対物レンズの瞳位置と共役な瞳共役位置に配置された、
請求項６または７に記載のエリプソメータ。
【請求項9】
前記第１偏光光学素子及び前記第２偏光光学素子は、ノマルスキープリズムを含む、請求項１～８のいずれか１項に記載のエリプソメータ。
【請求項10】
前記ノマルスキープリズムは、前記反射光の光軸に直交する面内で、前記光軸の周り１回転の回転角を等分割した分割角を有する複数の分割片を含み、各前記分割片は、各前記分割角の二等分線に直交する方向に、前記２つの直線偏光を分離する、
請求項９に記載のエリプソメータ。
【請求項11】
前記照明光は、白色光を含み、前記解析装置は、前記第１干渉縞及び前記第２干渉縞をフーリエ変換し、フーリエ変換された前記第１干渉縞及び前記第２干渉縞から前記エリプソメトリ係数Ψ及びΔを算出する、
請求項１～１０のいずれか１項に記載のエリプソメータ。
【請求項12】
前記第１偏光は、前記測定面においてＳ偏光であり、前記第２偏光は、前記測定面においてＰ偏光である、
請求項１～１１のいずれか１項に記載のエリプソメータ。
【請求項13】
前記第２分離部材は、偏光ビームスプリッタ膜を含む、請求項１～１２のいずれか１項に記載のエリプソメータ。
【請求項14】
前記第２分離部材は、ミラー及び偏光板を含む、請求項１～１２のいずれか１項に記載のエリプソメータ。
【請求項15】
前記第１分離部材は、非偏光ビームスプリッタ膜を含み、前記第２分離部材は、偏光ビームスプリッタ膜を含み、
前記非偏光ビームスプリッタ膜と、前記偏光ビームスプリッタ膜とは、平行に配置された、
請求項１～１２のいずれか１項に記載のエリプソメータ。
【請求項16】
前記第１分離部材は、非偏光ビームスプリッタ膜を含み、前記第２分離部材は、偏光ビームスプリッタ膜を含み、
前記第１分離部材及び前記第２分離部材は、三角柱状の透明部材に一体化され、
前記透明部材における３つの側面を、前記反射光が入射する入射面、前記第１分離反射光及び前記第３分離反射光が出射する出射面、及び、前記第２分離反射光が反射する反射面とした場合に、
前記偏光ビームスプリッタ膜は、前記反射面の内側に配置され、
前記非偏光ビームスプリッタ膜は、前記入射面と前記反射面とのなす角を２等分する面に配置された、
請求項１～１２のいずれか１項に記載のエリプソメータ。
【請求項17】
前記第１干渉部材は、前記第１偏光光学素子を透過した前記各偏光方向と異なる方向における前記２つの直線偏光の成分を透過させる第１偏光板を含み、前記第２干渉部材は、前記第２偏光光学素子を透過した前記各偏光方向と異なる方向における前記２つの直線偏光の成分を透過させる第２偏光板を含む、
請求項１～１６のいずれか１項に記載のエリプソメータ。
【請求項18】
前記第１干渉部材及び前記第２干渉部材は、第３干渉部材に一体化され、前記第３干渉部材は、各前記偏光方向と異なる方向における前記２つの直線偏光の成分を反射させるとともに、前記各偏光方向と前記異なる方向と直交した方向における前記２つの直線偏光の成分を透過させる偏光ビームスプリッタを有し、
前記画像検出器は、
前記偏光ビームスプリッタで反射した各前記成分の前記第１干渉縞を検出する第１画像検出器と、
前記偏光ビームスプリッタを透過した各前記成分の前記第２干渉縞を検出する第２画像検出器と、
を含む、
請求項１～１６のいずれか１項に記載のエリプソメータ。
【請求項19】
直線偏光からなる照明光が試料の測定面で反射した反射光であって、前記測定面において第１方向の第１偏光及び前記第１方向と異なる第２方向の第２偏光からなる前記反射光を透過させるレンズと、前記反射光を、前記第１偏光及び前記第２偏光とからなる第１分離反射光と、前記第１偏光及び前記第２偏光とからなる第２分離反射光と、に分離する第１分離部材と、
前記第１分離反射光を反射する第１ミラーと、
前記第２分離反射光を反射する第２ミラーと、
前記第２ミラーで反射した前記第２分離反射光において、前記第１偏光を、前記第１方向及び前記第２方向と異なる第３方向の第３偏光に変換するとともに、前記第２偏光を、前記第１方向、前記第２方向及び前記第３偏光と異なる第４方向の第４偏光に変換する波長板と、
前記第１ミラーで反射した前記第１分離反射光において、前記第１偏光を反射し、前記第２偏光を透過させるとともに、前記波長板を透過した前記第２分離反射光において、前記第３偏光及び前記第４偏光を透過させる第２分離部材と、
前記第２分離部材を透過した前記第１分離反射光において、前記第２偏光を反射させるとともに、前記第２分離部材で反射した前記第２分離反射光において、前記第３偏光及び前記第４偏光を反射させる第３分離部材と、
所定の方向の透過軸を有し、前記第２分離部材で反射した前記第１偏光、前記第２分離部材を透過した前記第３偏光及び前記第４偏光における前記透過軸の成分を干渉させた第１干渉縞を形成する第１干渉部材と、
前記第３分離部材で反射した前記第２偏光、前記第３偏光及び前記第４偏光における前記透過軸の成分を干渉させた第２干渉縞を形成する第２干渉部材と、
前記第１干渉縞及び前記第２干渉縞を検出する画像検出器と、
検出した前記第１干渉縞及び前記第２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20】
請求項１～１９のいずれか１項に記載の前記エリプソメータを備えた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、エリプソメトリ係数Ψ及びΔの２つの値を計測結果として得るが、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、入射角と入射方位も異なる条件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。
【0005】
エリプソメトリ計測を行う際に、Ｐ偏光の反射率が０となるブリュースター角を入射角に用いると、エリプソメトリ計測の感度を最も高くすることができる。ブリュースター角は、半導体回路構造では、おおよそ、６５［ｄｅｇ］から７５［ｄｅｇ］に相当する。このような斜入射の光学系では、視野の広さによりシャインプルーフ（Ｓｃｈｅｉｍｐｆｌｕｇ）の原理を満たす必要がある。よって、レンズ設計やカメラへの入射角などの光学システム構成に一定の制約を求められる。また、異方性物質の構造評価に用いられるミュラー行列エリプソメトリという計測手法もＯＣＤ測定に一部利用されている。ミュラー行列エリプソメトリは、照明光に対する反射光の偏光状態の応答関数を４行４列の行列で表現したものである。ミュラー行列エリプソメトリを求めるためには、数種類の異なる偏光状態の照明光を半導体回路構造に入射させた場合の反射光の偏光状態を計測する。ミュラー行列は、半導体回路構造のＤｉｍｅｎｓｉｏｎを計測する際にカップリングを避ける方法の一つとして有効であると認識されている。しかしながら、計測時間が通常のエリプソメトリの数倍程度必要となる。
【0006】
このような計測精度上の要望があるにもかかわらず、半導体製造工程でのＯＣＤ測定装置に使われるミュラー行列エリプソメトリや分光エリプソメトリを含むエリプソメトリ測定には、非常に短時間での計測が求められる。例えば、全ウェハを計測するためには、１枚当たりに許容される測定時間は多くても数十秒程度である。このような短時間では、ウェハ上のごく限られた領域しか計測ができない。そのため、半導体製造工程でのＯＣＤ測定装置は、測定精度とともに短時間により多い測定条件で、エリプソメトリ係数Ψ及びΔやミュラー行列を計測できることが強く期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【文献】米国特許第５５９６４１１号明細書
【文献】米国特許第７６６７８４１号明細書
【文献】米国特許第６８５６３８４号明細書
【文献】米国特許第８９０８１８０号明細書
【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。この理由として、一般的に、エリプソメータに用いられる回転補償子（Ｒｏｔａｔｉｎｇ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ）や位相変調素子による変調周期内で、多数の計測点を必要とすることに起因する。さらに、分光計測を行う場合には、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。ミュラー行列エリプソメトリの場合には、照明光において数種類の偏光状態を切り替える必要がある。このため、製造工程のウェハを全数検査するためには、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。
【0009】
ウェハ内の測定点を増やすことを目的として、分光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が、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Ψ及びΔ測定のスループット（Ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ）は向上することは困難である。
【0010】
また、別のアプローチとして、シャインプルーフの原理を満たす光学システムを使用することが考えられる。そのような光学システムは、照明光学系や集光光学系の開口数（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｐｅｒｔｕｒｅ、ＮＡ）を小さくして、低い位置分解能を許容する。その代わりに、その光学システムは、広い視野内を画像検出器により同時に多数点を計測することで、スループットを向上させる。このような光学システムの場合には、画像検出器のフレームレート、または、受光する光量が制約となり、多数の波長や複数の偏光状態の照明光の条件ごとに画像を計測する必要がある。このため、スループット向上の効果は限られている。
【0011】
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、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】
【0012】
これまでのエリプソメトリ計測の基本的な手法としては、一旦ストークスパラメータを求める必要がある。このため、「偏光子や補償子の角度を変えた複数条件で光強度を計測する」必要がある。本実施形態では、「２つの偏光状態の光の強度比及び位相差を、干渉縞を測定することで求める」という異なったアプローチに基づいている。
【0013】
この測定のために、本実施形態では、例えば、完全偏光の照明光で試料を照明し、試料からの反射光を２つの直交する直線偏光に分割する。そして、反射光の分割前の同一光線が画像検出器上で再び重なるような光学系配置とする。これを実現する偏光素子としては、ノマルスキープリズム（ｎｏｍａｒｓｋｉ ｐｒｉｓｍ）が理想的である。しかしながら、試料上の照明領域や光源の空間的コヒーレンスの違いにより、ウォラストンプリズム（ｗｏｌｌａｓｔｏｎ ｐｒｉｓｍ）やローションプリズム（ｒｏｃｈｏｎ ｐｒｉｓｍ）を用いることも可能となる。
【0014】
より具体的な構成としては、例えば、白色光源を光源として用い、さらに、照明光学系において偏光子や波長板を透過させる。これにより、照明光を完全偏光の直線偏光または楕円偏光とする。試料上の照明光は点状に集光される。しかしながら、この際の照明領域の大きさにより、受光光学系の瞳位置での空間的コヒーレンスが変わる。ここで受光光学系の瞳位置とは、試料上で互いに平行な光線が受光光学系内で収束する点を含む光軸に垂直な面として定義し、瞳空間とは、瞳位置を含んでレンズまたは曲面ミラーにより挟まれた空間として定義する。
【0015】
照明光は、試料で反射された後、レンズまたは曲面ミラーにより受光光学系の瞳空間で平行光となる。ここに非偏光ビームスプリッタが配置され、反射光をすべての偏光方向を含んだ２つの光に分割する。このうち１つの光は、試料上のＳ偏光成分のみが出射するような偏光光学素子を配置する。この偏光光学素子は非偏光ビームスプリッタと一体化した偏光ビームスプリッタ膜でもよいし、非偏光ビームスプリッタとは別に偏光板を配置してもよい。さらに、このＳ偏光成分は、ノマルスキープリズム等の偏光光学素子で分割される２つの偏光成分が同一となるように、λ／２波長板で４５［ｄｅｇ］偏光方向が回転される。
【0016】
２つの反射光は、それぞれ、ノマルスキープリズム等の偏光光学素子で２つの直線偏光成分がそれぞれ異なる角度に進行するように分割され、画像検出器上で再び同一点で重なる。画像検出器と、ノマルスキープリズムの間には、分割された２つの直線偏光の偏光方向の中間の透過軸を持つ偏光板が設置される。２つの直線偏光は、この偏光板の透過後に可干渉となり、画像検出器上で干渉縞を形成する。
【0017】
この偏光板は、これまでのエリプソメータの検光子と同じように画像検出器の前に配置されているが、役割としては、２つの偏光方向が直交する直線偏光を可干渉にするためであり、目的は全く異なる。２つの反射光がそれぞれ干渉縞を作るが、一つは、試料上でＰ偏光とＳ偏光成分だった光の干渉縞である。他方は、Ｓ偏光同士の干渉縞である。
【0018】
画像検出器上には、２つの反射光内にそれぞれ干渉縞が発生する。画像データは、解析装置に転送され、指定した領域内での干渉縞と強度分布から、フーリエ変換によりそれぞれ振幅情報と位相情報を抽出する。位相成分は、そのままエリプソメトリ係数のΔである。Ｐ偏光とＳ偏光の干渉縞のＡＣ成分は、それぞれの電場振幅をＥＰ及びＥＳとして、２｜ＥＰ｜｜ＥＳ｜ｃｏｓΔと表すことができる。Ｓ偏光同士の干渉縞のＡＣ成分は、Ｓ偏光の電場振幅をＥＳとして、２｜ＥＳ｜２ｃｏｓΔと表すことができる。Ψ＝｜ＥＰ｜／｜ＥＳ｜であるため、Ｐ偏光とＳ偏光の干渉縞のＡＣ成分をＳ偏光同士の干渉縞のＡＣ成分で割ったものがΨとなる。ただし、これらΨとΔは光学系により発生する偏光ごとの透過率差や位相差などにより影響を受けるため、材質と構造が既知の試料で校正をする必要がある。
【0019】
一実施形態のエリプソメータは、直線偏光からなる照明光が試料の測定面で反射した反射光であって、前記測定面において第１方向の第１偏光及び前記第１方向と異なる第２方向の第２偏光とからなる前記反射光を透過させるレンズと、前記反射光を、前記第１偏光及び前記第２偏光とからなる第１分離反射光と、前記第１偏光及び前記第２偏光とからなる第２分離反射光と、に分離する第１分離部材と、前記第１分離反射光を、互いに直交する偏光方向の２つの直線偏光に分離する第１偏光光学素子と、前記第１偏光光学素子を透過した各偏光方向と異なる方向における前記２つの直線偏光の成分を干渉させた第１干渉縞を形成する第１干渉部材と、前記第２分離反射光を、前記第１偏光からなる第３分離反射光と、前記第２偏光からなる第４分離反射光と、に分離する第２分離部材と、前記第３分離反射光を、互いに直交する偏光方向の２つの直線偏光に分離する第２偏光光学素子と、前記第２偏光光学素子を透過した各偏光方向と異なる方向における前記２つの直線偏光の成分を干渉させた第２干渉縞を形成する第２干渉部材と、前記第１干渉縞及び前記第２干渉縞を検出する画像検出器と、検出した前記第１干渉縞及び前記第２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。
【発明の効果】
【0020】
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】
【0021】
【図1】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2】実施形態１に係るエリプソメータにおいて、偏光光学素子、干渉部材及び画像検出器を例示した図である。
【図3】実施形態１に係るエリプソメータにおいて、受光光学系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において、干渉部材を透過する直線偏光を例示した図である。
【図5】実施形態１に係るエリプソメータにおいて、画像検出器に入射する反射光に含まれた各直線偏光の波面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に係るエリプソメータにおいて、画像検出器が検出した干渉縞の強度を例示したグラフであり、横軸は、干渉縞の位置を示し、縦軸は強度分布を示す。
【図8】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の強度分布をフーリエ変換し、振幅を表す実数部分と位相を表す虚数部分とに分け、周波数を照明光の波長に関連付けた結果を例示したグラフである。
【図9】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10】実施形態２に係るエリプソメータにおいて、偏光光学素子及び干渉部材を例示した図である。
【図11】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を例示した図である。
【図12】実施形態２に係るエリプソメータにおいて、アジマス偏光子を例示した平面図である。
【図13】実施形態１及び２に係るエリプソメータにおいて、分離部材を例示した断面図である。
【図14】実施形態３に係るエリプソメータにおいて、分離部材を例示した断面図である。
【図15】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16】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17】実施形態４に係るエリプソメータにおいて、２つの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18】実施形態４に係るエリプソメータにおいて、画像検出器が検出した干渉縞の強度を例示したグラフであり、横軸は、干渉縞の位置を示し、縦軸は強度分布を示す。
【図19】実施形態４に係るエリプソメータにおいて、偏光ビームスプリッタの反射及び透過する偏光方向を、偏光光学素子が分離する２つの直線方向に対して、４５［ｄｅｇ］からずらした場合の各成分を例示した図である。
【図20】実施形態５に係るエリプソメータを例示した構成図である。
【図21】実施形態５に係るエリプソメータにおいて、干渉部材及び画像検出器を例示した図である。
【図22】実施形態５に係るエリプソメータにおいて、受光光学系を例示した図である。
【図23】実施形態５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24】実施形態５に係るエリプソメータにおいて、画像検出器が検出した干渉縞の強度を例示したグラフであり、横軸は、干渉縞の位置を示し、縦軸は強度分布を示す。
【図25】実施形態５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の強度分布をフーリエ変換し、振幅を表す実数部分と位相を表す虚数部分に分け、周波数を照明光の波長に関連付けた結果を例示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0022】
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。
【0023】
（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１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２は、実施形態１に係るエリプソメータにおいて、偏光光学素子、干渉部材及び画像検出器を例示した図である。図３は、実施形態１に係るエリプソメータにおいて、受光光学系を例示した図である。
実施形態１に係るエリプソメータを説明する。図１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２は、実施形態１に係るエリプソメータにおいて、偏光光学素子、干渉部材及び画像検出器を例示した図である。図３は、実施形態１に係るエリプソメータにおいて、受光光学系を例示した図である。
【0024】
図１～図３に示すように、エリプソメータ１は、照明光学系１０、受光光学系２０、解析装置６０を備えている。照明光学系１０は、光源１１、ファイバー１２、照明レンズ１３、偏光子１４を含んでいる。受光光学系２０は、コリメータレンズ２１、非偏光ビームスプリッタ等の分離部材２２、偏光ビームスプリッタ等の分離部材２３、λ／２波長板２４、偏光光学素子３１及び３２、干渉部材４１及び４２、画像検出器５０を含んでいる。エリプソメータ１は、照明光Ｌ１０を試料７０の測定面７１に対して斜入射させ、照明光Ｌ１０が測定面７１で反射した反射光Ｒ１０を受光して、エリプソメトリ係数Ψ及びΔを測定する。
【0025】
エリプソメータ１の構成の一例をおおまかに言えば、以下のとおりである。すなわち、エリプソメータ１は、広波長域の光源１１からの光を完全偏光とした照明光Ｌ１０で試料７０の測定面７１を照明する。エリプソメータ１は、測定面７１からの反射光Ｒ１０を非偏光ビームスプリッタ等の分離部材２２で２つに分割する。分割した一方の反射光Ｒ１１は、測定面７１上でＰ偏光及びＳ偏光であった光を含んでいる。偏光光学素子３１及び干渉部材４１は、測定面７１上でＰ偏光及びＳ偏光だった反射光Ｒ１１を干渉させる。
【0026】
また、分離部材２２で分割したもう一つの反射光Ｒ１２のうち、測定面７１上でＰ偏光であった光を分離部材２３で省き、測定面７１上でＳ偏光であった光のみを含むようにする。そして、Ｓ偏光同士を干渉させる。このように、エリプソメータ１は、２つの干渉縞を画像検出器５０上で形成するように構成されている。エリプソメータ１は、解析装置６０で２つの干渉縞の画像を処理する。以下で、詳細を説明する。
【0027】
照明光学系１０は、直線偏光からなる照明光Ｌ１０で試料７０の測定面７１を照明する。測定面７１に入射する照明光Ｌ１０の光軸Ｃは、測定面７１に対して傾斜している。ここで、「直線偏光からなる照明光Ｌ１０」は、直線偏光だけでなく、著しく測定精度を毀損しない程度の他の光成分を含んでもよいことを意味する。また、「第１偏光からなる」、「第２偏光からなる」、「Ｐ偏光からなる」、「Ｓ偏光からなる」も同様に、著しく測定精度を毀損しない程度の他の光成分を含んでもよいことを意味する。
【0028】
光源１１は、照明光Ｌ１０を生成する。光源１１は、例えば、広域波長の照明光Ｌ１０を生成する。光源１１が生成する照明光Ｌ１０は、例えば、白色光を含む。なお、光源１１が生成する照明光Ｌ１０は、広域波長を含めば、白色光に限らない。光源１１から生成された照明光Ｌ１０は、ファイバー１２に入射する。
【0029】
ファイバー１２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１２の一端に入射した照明光Ｌ１０は、ファイバー１２の他端から出射する。ファイバー１２の他端から出射した照明光Ｌ１０は、照明レンズ１３に入射する。
【0030】
照明レンズ１３は、例えば、凸レンズである。照明レンズ１３は、入射した照明光Ｌ１０の角度分布を変化させる。照明レンズ１３は、直線偏光からなる照明光Ｌ１０で測定面７１を照明する。照明レンズ１３は、例えば、ファイバー１２の他端から出射した照明光Ｌ１０を、点状に集光させて測定面７１を照明する。照明レンズ１３と試料７０との間には偏光子１４が配置されている。よって、照明レンズ１３は、照明光Ｌ１０を偏光子１４に照射させ、偏光子１４を介して、測定面７１に対して点状に集光させる。
【0031】
偏光子１４は、光源１１から生成された照明光Ｌ１０が照明レンズ１３を介して入射される。偏光子１４は、例えば、偏光板である。偏光子１４は、一方向の直線偏光からなる照明光Ｌ１０を透過させる。偏光子１４は、完全偏光とした照明光Ｌ１０を透過させる。例えば、偏光子１４は、偏光方向が紙面に対して４５°傾いた直線偏光の照明光Ｌ１０を試料７０に対して出射する。本実施形態のエリプソメータ１では、試料７０の測定面７１に入射する照明光Ｌ１０の光軸Ｃ、及び、測定面７１で反射した反射光Ｒ１０の光軸Ｃは、試料７０の測定面に対して傾斜している。
【0032】
コリメータレンズ２１は、直線偏光からなる照明光Ｌ１０が試料７０の測定面７１で反射した反射光Ｒ１０を透過させる。コリメータレンズ２１は、反射光Ｒ１０を平行光にして透過させる。コリメータレンズ２１は、透過させた反射光Ｒ１０を分離部材２２に対して入射させる。分離部材２２は、例えば、非偏光ビームスプリッタである。分離部材２２は、非偏光ビームスプリッタ膜を含む。なお、分離部材２２は、非偏光ビームスプリッタに限らず、ハーフミラーでもよい。
【0033】
試料７０の測定面７１を照明する照明光Ｌ１０は、一方向の直線偏光からなっている。そのような一方向の直線偏光からなる照明光Ｌ１０は、点状に集光されながら、試料７０の測定面７１に入射する。よって、照明光Ｌ１０が完全偏光かつ直線偏光であって、光軸Ｃが測定面７１に対して傾斜した場合には、測定面７１に入射する方位によって、照明光Ｌ１０は、Ｐ偏光の部分もあれば、Ｓ偏光の部分もある。照明光Ｌ１０におけるＳ偏光の部分は、Ｓ偏光として反射する。照明光Ｌ１０におけるＰ偏光の部分は、Ｐ偏光として反射する。したがって、試料７０の測定面７１で反射した反射光Ｒ１０は、測定面７１においてＰ偏光及びＳ偏光の光を含む。
【0034】
コリメータレンズ２１は、直線偏光からなる照明光Ｌ１０が試料７０の測定面７１で反射した反射光Ｒ１０であって、測定面７１において第１方向の第１偏光及び第１方向と異なる第２方向の第２偏光とからなる反射光Ｒ１０を透過させる。例えば、第１偏光は、測定面７１においてＳ偏光であり、第２偏光は、測定面７１においてＰ偏光である。よって、コリメータレンズ２１を透過した反射光Ｒ１０は、図３の位置Ｄ１において、測定面７１上でＰ偏光であった光及びＳ偏光であった光を含む。
【0035】
非偏光ビームスプリッタ等の分離部材２２は、反射光Ｒ１０を、反射光Ｒ１１及び反射光Ｒ１２に分離する。反射光Ｒ１１を第１分離反射光とも呼ぶ。反射光Ｒ１２を第２分離反射光とも呼ぶ。例えば、分離部材２２は、入射した反射光Ｒ１０の一部を透過し、一部を反射させる。透過した反射光Ｒ１０を反射光Ｒ１１とし、反射した反射光を反射光Ｒ１２とする。そうすると、分離部材２２は、測定面７１で反射した反射光Ｒ１０の一部を、反射光Ｒ１１として透過させ、一部を反射光Ｒ１２として反射させる。
【0036】
分離部材２２を透過した反射光Ｒ１１は、図３の位置Ｄ４において、測定面７１上でＰ偏光であった光及びＳ偏光であった光を含む。分離部材２２で反射した反射光Ｒ１２も、測定面７１上でＰ偏光であった光及びＳ偏光であった光を含む。
【0037】
一方、分離部材２２で反射した反射光Ｒ１２は、偏光ビームスプリッタ等の分離部材２３に入射する。分離部材２３は、例えば、偏光ビームスプリッタ膜を含む偏光ビームスプリッタである。
【0038】
分離部材２３は、反射光Ｒ１２を、Ｓ偏光からなる反射光Ｒ１３と、Ｐ偏光からなる反射光Ｒ１４と、に分離する。例えば、反射光Ｒ１２が入射された分離部材２３は、反射光Ｒ１３を反射し、反射光Ｒ１４を透過させる。反射光Ｒ１２は、測定面７１上でＳ偏光であった光及びＰ偏光であった光を含む。分離部材２３は、例えば、Ｓ偏光を反射させ、Ｐ偏光を透過させる。分離部材２３で反射した反射光Ｒ１３は、図３の位置Ｄ２において、測定面７１上でＳ偏光であった光を含む。分離部材２３で反射した反射光Ｒ１３は、λ／２波長板２４に入射する。
【0039】
なお、分離部材２３の偏光ビームスプリッタ膜の消光比が不十分な場合には、偏光板２３ｃを配置させる。また、分離部材２３は、偏光ビームスプリッタの代わりに、ミラー及び偏光板２３ｃを含んでもよい。例えば、分離部材２２で反射した反射光Ｒ１２は、ミラーで反射し、偏光板２３ｃに入射する。偏光板２３ｃは、ミラーで反射した反射光Ｒ１２のうち、Ｐ偏光からなる光を遮断し、Ｓ偏光からなる反射光Ｒ１３を透過させる。
【0040】
λ／２波長板２４は、入射した反射光Ｒ１３におけるＳ偏光を、Ｓ偏光の方向及びＰ偏光の方向と異なる方向の偏光に変換する。例えば、λ／２波長板２４は、Ｓ偏光の直線偏光の方向を、反射光Ｒ１３の光軸の周りで４５［ｄｅｇ］回転させる。反射光Ｒ１３は、図３の位置Ｄ３において、反射光Ｒ１２と異なる方向の偏光の光を含む。反射光Ｒ１３は、測定面７１上でＳ偏光であって、反射光Ｒ１２と異なる方向の偏光の光を含む。
【0041】
次に、偏光光学素子３１及び３２を説明する。分離部材２２を透過した反射光Ｒ１１は、偏光光学素子３１に入射する。一方、λ／２波長板２４を透過した反射光Ｒ１３は、偏光光学素子３２に入射する。偏光光学素子３１及び３２は、例えば、ノマルスキープリズムを含む。なお、偏光光学素子３１及び３２は、ノマルスキープリズムに限らず、ウォラストンプリズム、または、ローションプリズムを含んでもよい。
【0042】
偏光光学素子３１は、入射した反射光Ｒ１１を、互いに直交する偏光方向の２つの直線偏光に分離して出射させる。偏光光学素子３１が分離する互いに直交した偏光方向を、Ｘ方向及びＹ方向とする。この場合、Ｘ方向とＹ方向が作る面と反射光Ｒ１１の光軸Ｃは直交する。そうすると、偏光光学素子３１は、Ｘ方向の直線偏光とＹ方向の直線偏光とに分離する。例えば、偏光光学素子３１は、測定面７１においてＰ偏光であった光及びＳ偏光であった光を含む反射光Ｒ１１を、Ｐ偏光とＳ偏光に分離する。
【0043】
偏光光学素子３１は、分離させたＸ方向の直線偏光とＹ方向の直線偏光とを、画像検出器５０上で再び同一点となるように偏向して出射させる。偏光光学素子３１を出射した反射光Ｒ１１は、干渉部材４１を介して画像検出器５０に入射する。
【0044】
偏光光学素子３２も、入射した反射光Ｒ１３を、互いに直交する偏光方向の２つの直線偏光に分離して出射させる。偏光光学素子３２が分離する互いに直交した偏光方向を、Ｘ方向及びＹ方向とする。この場合、Ｘ方向とＹ方向が作る面と反射光Ｒ１３の光軸は直交する。そうすると、偏光光学素子３２は、Ｘ方向の直線偏光とＹ方向の直線偏光とに分離する。例えば、偏光光学素子３２は、測定面７１においてＳ偏光であって、λ／２波長板２４によって４５［ｄｅｇ］傾いた直線偏光からなる反射光Ｒ１３を、Ｘ方向の直線偏光とＹ方向の直線偏光とに分離する。これにより、偏光光学素子３２は、測定面７１上でＳ偏光であった光を、半分ずつの強度に分離する。
【0045】
偏光光学素子３２は、分離させたＸ方向の直線偏光とＹ方向の直線偏光とを、画像検出器５０上で再び同一点となるように偏向して出射させる。偏光光学素子３２を出射した反射光Ｒ１３は、干渉部材４２を介して画像検出器５０に入射する。
【0046】
図４は、実施形態１に係るエリプソメータにおいて、干渉部材を透過する直線偏光を例示した図である。図４に示すように、偏光板等の干渉部材４１は、偏光光学素子３１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、所定の角度だけ傾いた方向の直線偏光の成分を透過させる。所定の角度だけ傾いた方向の軸を透過軸４１ａと呼ぶ。透過軸４１ａは、例えば、４５［ｄｅｇ］方向である。この場合には、干渉部材４１は、偏光光学素子３１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。
【0047】
したがって、干渉部材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、干渉部材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。よって、互いに直交した２つの直線偏光は、干渉部材４１を透過することによって、透過軸４１ａに偏光した偏光成分として出射する。よって、互いに直交した２つの直線偏光は、可干渉となる。
【0048】
このように、干渉部材４１は、各偏光方向と異なる方向における２つの直線偏光の成分を透過させる偏光板を含む。これにより、干渉部材４１は、偏光光学素子３１を透過した各偏光方向と異なる方向における２つの直線偏光の成分を干渉させた干渉縞を形成する。干渉部材４１から出射した当該偏光成分からなる反射光Ｒ１１は、画像検出器５０に入射する。
【0049】
干渉部材４２は、偏光光学素子３２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、所定の角度だけ傾いた透過軸４２ａの成分を透過させる。例えば、干渉部材４２は、偏光光学素子３２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。
【0050】
したがって、干渉部材４２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、干渉部材４２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。よって、互いに直交した２つの直線偏光は、干渉部材４２を透過することによって、透過軸４２ａに偏光した偏光成分として出射する。よって、互いに直交した２つの直線偏光は、可干渉となる。
【0051】
このように、干渉部材４２は、各偏光方向と異なる方向における２つの直線偏光の成分を透過させる偏光板を含む。これにより、干渉部材４２は、偏光光学素子３２を透過した各偏光方向と異なる方向における２つの直線偏光の成分を干渉させた干渉縞を形成する。干渉部材４２から出射した当該偏光成分からなる反射光Ｒ１３は、画像検出器５０に入射する。
【0052】
画像検出器５０は、入射した反射光Ｒ１１及びＲ１３を受光する。画像検出器５０は、コリメータレンズ２１の瞳位置と共役な瞳共役位置２１ｈに配置されている。反射光Ｒ１１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からなっている。よって、反射光Ｒ１１は、画像検出器５０上で干渉する。反射光Ｒ１３も、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からなっている。よって、反射光Ｒ１３は、画像検出器５０上で干渉する。
【0053】
図５は、実施形態１に係るエリプソメータにおいて、画像検出器５０に入射する反射光Ｒ１１に含まれた各直線偏光の波面を例示した図である。図６は、実施形態１に係るエリプソメータにおいて、画像検出器５０上で干渉した反射光Ｒ１１及びＲ１３の干渉縞を例示した図である。図５に示すように、偏光光学素子３１によって分離された２つの直線偏光ＲＸ及びＲＹからなる反射光Ｒ１１は、干渉部材４１を透過し、画像検出器５０上で干渉縞５１を形成する。図６の上段に示すように、画像検出器５０は、干渉部材４１を透過した反射光Ｒ１１の各偏光成分の干渉縞５１を検出する。干渉縞５１は、測定面７１上でＰ偏光であった光及びＳ偏光であった光を含む反射光Ｒ１１により形成される。
【0054】
また、画像検出器５０は、入射した反射光Ｒ１３を受光する。反射光Ｒ１３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Ｒ１３は、画像検出器５０上で干渉する。図６の下段に示すように、画像検出器５０は、干渉部材４２を透過した反射光Ｒ１３の各偏光成分の干渉縞５２を検出する。干渉縞５２は、測定面７１上でＳ偏光であった光からなる反射光Ｒ１３により形成される。
【0055】
このように、エリプソメータ１において、測定面７１上で反射した照明光Ｒ１０は、受光光学系２０におけるコリメータレンズ２１で平行光になったのち、非偏光ビームスプリッタ等の分離部材２２で２つに分割される。位置Ｄ４を通る反射光Ｒ１１は、そのまま、ノマルスキープリズム等の偏光光学素子３１に入射し、入射面内でＰ偏光とＳ偏光に角度分割される。分割された反射光Ｒ１１は、透過軸４１ａが４５［ｄｅｇ］の検光子等の干渉部材４１を透過することで可干渉となる。
【0056】
一方の位置Ｄ２及びＤ３を通る反射光Ｒ１３は、偏光ビームスプリッタ等の分離部材２３によるフィルタリングで、測定面７１においてＳ偏光であった光のみを含む。反射光Ｒ１３は、さらに、λ／２波長板２４で、４５［ｄｅｇ］偏光方向が回転する。これにより、反射光Ｒ１３は、ノマルスキープリズム等の偏光光学素子３２によって、Ｓ偏光のうち半分ずつの強度に角度分割される。分割された反射光Ｒ１３の光は、透過軸４２ａが４５［ｄｅｇ］の検光子等の干渉部材４２を透過することで可干渉となる。このようにして、エリプソメータ１は、２つの干渉縞５１及び５２を画像検出器５０上に形成する。
【0057】
解析装置６０は、例えば、ＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）、サーバ（Ｓｅｒｖｅｒ）等の情報処理装置である。解析装置６０は、画像検出器５０が検出した干渉縞５１及び干渉縞５２から、エリプソメトリ係数Ψ及びΔを算出する。具体的には、解析装置６０は、干渉縞５１及び５２からフーリエ変換により、振幅及び位相をそれぞれ求める。位相は、エリプソメトリのΔに相当する。振幅に関しては、Ｐ偏光とＳ偏光の干渉縞５１から求めた振幅Ψ１を、Ｓ偏光同士の干渉縞５２から求めた振幅Ψ２で割ることにより、エリプソメトリのΨに相当する｜ＥＰ｜／｜ＥＳ｜の情報を得る。これにより、エリプソメトリ係数Ψ、Δと、全光量の３つの情報を得ることができる。以下で、詳細を説明する。
【0058】
図７は、実施形態１に係るエリプソメータにおいて、画像検出器５０が検出した干渉縞５１及び５２の強度を例示したグラフであり、横軸は、干渉縞５１及び５２の位置を示し、縦軸は強度分布を示す。図８は、実施形態１に係るエリプソメータにおいて、画像検出器５０上で干渉した反射光Ｒ１１及びｒ１３の干渉縞５１及び５２の強度分布をフーリエ変換し、振幅を表す実数部分と位相を表す虚数部分に分け、周波数を照明光Ｌ１０の波長に関連付けた結果を例示したグラフである。
【0059】
図７及び図８に示すように、干渉縞５１における反射光Ｒ１１の強度分布Ｉｆｒｉｎｇｅ１を以下の（１）式にフィッティングする。また、干渉縞５２における反射光Ｒ１３の強度分布Ｉｆｒｉｎｇｅ２を以下の（２）式にフィッティングする。
【0060】
【数1】
【数2】
【0061】
ｅｘｐ項、すなわち、（１）式の２｜ＥＰ｜｜ＥＳ｜ｅｘｐ（ｉΔ）、及び、（２）式の２｜ＥＳ｜２ｅｘｐ（ｉΔ）は、ＡＣコンポーネントである。そこで、フィッティングする際に、強度分布Ｉｆｒｉｎｇｅ１をフーリエ変換することにより、振幅（Ψ１＝２｜ＥＰ｜｜ＥＳ｜）と位相（Δ）がそれぞれ求められる。また、強度分布Ｉｆｒｉｎｇｅ２をフーリエ変換することにより、振幅（Ψ２＝２｜ＥＳ｜２）と位相（Δ）がそれぞれ求められる。
【0062】
位相（Δ）は、エリプソメトリのΔに相当する。一方、振幅Ψは、Ｐ偏光及びＳ偏光からなる反射光Ｒ１１の干渉縞５１から求めた振幅Ψ１を、反射光Ｒ１３のＳ偏光同士の干渉縞５２から求めた振幅Ψ２で割ることで求めることができる。すなわち、振幅Ψ１／Ψ２＝ｔａｎ－１Ψから、エリプソメトリのΨに相当する｜ＥＰ｜／｜ＥＳ｜を求めることができる。このように、解析装置６０は、干渉縞５１及び干渉縞５２をフーリエ変換し、フーリエ変換された干渉縞５１及び干渉縞５２から、エリプソメトリ係数Ψ及びΔを算出する。また、解析装置６０は、全光量の情報を得ることができる。
【0063】
次に、本実施形態の効果を説明する。本実施形態のエリプソメータ１は、エリプソメトリ係数Ψ及びΔの測定において、偏光光学素子３１及び３２を利用する。偏光光学素子３１及び３２は、試料７０の測定面７１で反射した反射光Ｒ１１及びＲ１３を、互いに直交する偏光方向の２つの直線偏光ＲＸ及びＲＹに分離し、分離した２つの直線偏光から干渉縞５１及び５２を画像検出器５０上に形成する。その干渉縞５１及び５２のコントラスト及び位相の測定結果から、２つの独立パラメータであるエリプソメトリ係数ΨとΔを直接測定する。これにより、これまでのエリプソメトリ係数Ψ及びΔの測定に必要であった回転する偏光子や補償子を用いた時系列の少なくとも４個の偏光成分の光量測定を不要とする。
【0064】
また、これまでのエリプソメトリ係数Ψ及びΔの測定は、複数の異なる偏光状態の光の光量からストークス（ｓｔｏｋｅｓ）パラメータを求め、求めたストークスパラメータからエリプソメトリ係数Ψ及びΔを求めている。本実施形態では、直接かつ単一画像からエリプソメトリ係数Ψ及びΔを求めることができる。よって、短時間で測定することができるので、ＯＣＤ測定のスループットを向上させることができる。
【0065】
また、これまでのエリプソメータと比較して、可動部がないため、より安定したエリプソメトリ係数Ψ及びΔの測定をすることができる。
【0066】
反射光Ｒ１３を光軸の周りに回転させるλ／２波長板２４を加えることにより、ノマルスキープリズム等の偏光光学素子３１及び３２の分離方向を同一にすることができ、光学部材の設計を容易にすることができる。また、偏光光学素子３１及び３２の分離方向を同一にすることで、偏光光学素子３１及び３２、干渉部材４１及び４２を一体化することができる。
【0067】
さらに、ＯＣＤ測定装置に用いられる多くのエリプソメータにおいては、試料７０の測定面７１に入射させる照明光Ｌ１０の入射角は、ブリュースター（ｂｒｅｗｓｔｅｒ）角で固定であった。しかしながら、本実施形態では、大ＮＡの対物レンズ１６の瞳位置に共役な瞳共役位置に画像検出器５０を配置させることで、任意の入射角、入射方位でのエリプソメトリ係数Ψ及びΔの測定を可能とする。このような構成は、検光子等を回転させるこれまでのエリプソメータの構成では容易には実現することができない。
【0068】
その結果、例えば、ウェハ上の微細構造モデルへのフィッティングにおいて、より多くの条件での計測結果を用いることができ、ＯＣＤ測定装置で問題となることの多い、異なるＤｉｍｅｎｓｉｏｎのカップリングの低減にもつながるため、特に３次元化が進展した現在の半導体構造の計測において精度を向上させることが期待される。さらに、照明光Ｌ１０による試料７０の照明領域を、これまでのφ３０［μｍ］程度からφ１［μｍ］以下まで小さくすることができ、チップ内のＤｉｍｅｎｓｉｏｎの分布の評価もより高い位置分解能で行うことが可能となる。これらの測定結果をリソグラフィーや成膜、エッチング工程に反映させ、半導体製造のプロセスコントロールを適切に行うことができる。これにより、半導体製造における歩留まり及び生産性を向上させることができる。
【0069】
さらに、ロジックにおいて、半導体チップ内に配置されているエリプソメトリ係数Ψ及びΔの測定用のテストパターンを、これまでの数十［μｍ］角であったものを、数［μｍ］角以下まで小さくすることができる。このため、半導体チップ内の回路に使える領域が増え、半導体デバイスのコスト低減にも貢献することができる。
【0070】
（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２では、照明光Ｒ１０を試料７０の測定面７１に対して垂直に入射する。図９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９に示すように、エリプソメータ２は、実施形態１と同様に、照明光学系１０、受光光学系２０、解析装置６０を備えている。図９には、位置Ｄ１～Ｄ４における各反射光の一部の成分として、Ｐ偏光及びＳ偏光を示す。
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２では、照明光Ｒ１０を試料７０の測定面７１に対して垂直に入射する。図９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９に示すように、エリプソメータ２は、実施形態１と同様に、照明光学系１０、受光光学系２０、解析装置６０を備えている。図９には、位置Ｄ１～Ｄ４における各反射光の一部の成分として、Ｐ偏光及びＳ偏光を示す。
【0071】
照明光学系１０は、光源１１、ファイバー１２、照明レンズ１３ａ、偏光子１４、ビームスプリッタ１５、対物レンズ１６を含んでいる。光源１１及びファイバー１２は、実施形態１の光源１１及びファイバー１２と同様である。受光光学系２０は、対物レンズ１６、ビームスプリッタ１５、リレーレンズ（ｒｅｌａｙ ｌｅｎｓ）２１ａ及び２１ｂ、非偏光ビームスプリッタ等の分離部材２２、偏光ビームスプリッタ等の分離部材２３、アジマス偏光子２５、λ／２波長板２４、偏光光学素子３１及び３２、干渉部材４１及び４２、画像検出器５０を含んでいる。対物レンズ１６及びビームスプリッタ１５は、照明光学系１０の部材でもあり、受光光学系２０の部材でもある。
【0072】
エリプソメータ２の構成の一例をおおまかに言えば、以下のとおりである。すなわち、照明光Ｌ１０は、ビームスプリッタ１５により、反射光Ｒ１０と同一光路を含み、対物レンズ１６を通して試料７０の測定面７１を照明する。この方式は、大きなＮＡを持つ対物レンズ１６を用い、対物レンズ１６の瞳位置をリレーレンズ２１ａ及び２１ｂにより、画像検出器５０上に瞳共役位置２１ｈとして配置させることで、同時に複数の入射角かつ複数の入射方位を計測できる。この特徴は、多くの条件で計測する必要がある半導体検査装置、特に、ＯＣＤ計測装置として優位性がある。以下で、詳細を説明する。
【0073】
照明レンズ１３ａは、例えば、凸レンズである。照明レンズ１３ａは、入射した照明光Ｌ１０の角度分布を変化させ、照明光Ｌ１０を偏光子１４に照射させる。例えば、照明レンズ１３ａは、ファイバー１２の他端から出射した照明光Ｌ１０を平行光に変換する。そして、平行光にした照明光Ｌ１０を偏光子１４に入射させる。
【0074】
偏光子１４は、光源１１から生成された照明光Ｌ１０が入射される。偏光子１４は、一方向の直線偏光からなる照明光Ｌ１０を透過させる。例えば、偏光子１４は、偏光方向が紙面に対して４５°傾いた直線偏光の照明光Ｌ１０をビームスプリッタ１５に出射する。
【0075】
ビームスプリッタ１５は、入射した照明光Ｌ１０の一部を反射し、一部を透過させる。ビームスプリッタ１５は、入射した照明光Ｌ１０の一部を対物レンズ１６に向けて反射する。ビームスプリッタ１５で反射した照明光Ｌ１０は、対物レンズ１６に入射する。
【0076】
対物レンズ１６は、直線偏光からなる照明光Ｌ１０で試料７０の測定面７１を照明する。対物レンズ１６は、ビームスプリッタ１５で反射した照明光Ｌ１０を点状に集光させて試料７０の測定面７１を照明する。そして、対物レンズ１６は、照明光Ｌ１０が試料７０の測定面７１で反射した反射光Ｒ１０を透過させる。本実施形態のエリプソメータ２では、測定面７１に入射する照明光Ｌ１０の光軸Ｃ、及び、測定面７１で反射した反射光Ｒ１０の光軸Ｃは、測定面７１に対して直交している。
【0077】
測定面７１を照明する照明光Ｌ１０は、一方向の直線偏光からなっている。そのような一方向の直線偏光からなる照明光Ｌ１０は、集光されながら、試料７０の測定面７１に入射する。よって照明光Ｌ１０が完全偏光かつ直線偏光であって、光軸Ｃが測定面７１に直交する場合には、測定面７１に入射する方位によって、照明光Ｌ１０は、Ｐ偏光の部分もあれば、Ｓ偏光の部分もある。照明光Ｌ１０におけるＳ偏光の部分は、Ｓ偏光として反射する。照明光Ｌ１０におけるＰ偏光の部分は、Ｐ偏光として反射する。
【0078】
対物レンズ１６は、照明光Ｌ１０が測定面７１で反射した反射光Ｒ１０を透過させて、ビームスプリッタ１５に入射させる。ビームスプリッタ１５は、入射した反射光Ｒ１０の一部を透過させる。例えば、ビームスプリッタ１５を透過した反射光Ｒ１０は、リレーレンズ２１ａに入射する。
【0079】
リレーレンズ２１ａは、ビームスプリッタ１５を透過した反射光Ｒ１０を集光させ、像を結んだ後にリレーレンズ２１ｂに入射させる。リレーレンズ２１ｂは、入射した反射光Ｒ１０を平行光に変換して透過させる。コリメータレンズ２１を透過した反射光Ｒ１０は、図９の位置Ｄ１において、測定面７１上でＰ偏光及びＳ偏光であった光を含む。なお、位置Ｄ１は、反射光Ｒ１０の断面の一部分を示す。リレーレンズ２１ｂは、透過させた反射光Ｒ１０を、非偏光ビームスプリッタ等の分離部材２２に入射させる。
【0080】
非偏光ビームスプリッタ等の分離部材２２は、実施形態１と同様に、反射光Ｒ１０を、反射光Ｒ１１及び反射光Ｒ１２に分離する。例えば、分離部材２２は、試料７０の測定面７１で反射した反射光Ｒ１０の一部を、反射光Ｒ１１として透過させ、一部を反射光Ｒ１２として反射させる。
【0081】
分離部材２２を透過した反射光Ｒ１１は、図９の位置Ｄ４において、測定面７１上でＰ偏光及びＳ偏光であった光を含む。なお、位置Ｄ４は、反射光Ｒ１１の断面の一部分を示す。分離部材２２を透過した反射光Ｒ１１は、偏光光学素子３１に入射する。偏光光学素子３１は、例えば、ノマルスキープリズムを含む。
【0082】
本実施形態の垂直入射光学系は、３６０度の入射方位が可能である。しかしながら、入射方位ごとにＰ偏光とＳ偏光の偏光方向が異なるため、効率的な計測のためには、入射方位ごとに角度分割方向を変えることが好ましい。
【0083】
図１０は、実施形態２に係るエリプソメータにおいて、偏光光学素子及び干渉部材を例示した図である。図１０に示すように、偏光光学素子３１及び３２のノマルスキープリズムを４分割して、偏光の角度分割方向が円周方向になるように配置する。検光子等の干渉部材４１及び４２の透過軸４１ａ及び４２ａの方向は、分割される偏光方向の中間となるように配置する。
【0084】
例えば、偏光光学素子３１は、反射光Ｒ１１の光軸Ｃに直交する面内で、光軸Ｃを中心にした３６０［ｄｅｇ］を等分割されている。偏光光学素子３１は、反射光Ｒ１０の光軸Ｃに直交する面内で、例えば、４分割されている。このように、偏光光学素子３１は、光軸Ｃの周り１回転の回転角を等分割した分割角αを有する複数の分割片３１ａ～３１ｄを含んでいる。分割角αの頂点は光軸Ｃである。偏光光学素子３１は、例えば、４つの矩形状の分割片３１ａ～３１ｄに分割されている。各分割片３１ａ～３１ｄは、光軸Ｃを頂点とし、光軸Ｃの周り１回転の回転角を等分割した分割角αを有する。各分割片３１ａ～３１ｄは、各分割角αの二等分線に直交する方向に、２つの直線偏光を分離する。すなわち、偏光光学素子３１は、光軸Ｃを含まない対角線αの方向に、２つの直線偏光を分離する。よって、２つの直線偏光の分離方向は、光軸の周りの円周方向に接した方向である。なお、偏光光学素子３１は、光軸Ｃを中心にした３６０［ｄｅｇ］を等分割されれば、４分割に限らず８分割等されてもよい。また、偏光光学素子３２も、同様に、４つの矩形状の分割片３２ａ～３２ｄ等、光軸Ｃを中心にした３６０［ｄｅｇ］を等分割されてもよい。
【0085】
光軸Ｃを挟んで対向する分割片３１ａ及び３１ｃが分離する方向は平行であり、分割片３１ｂ及び３１ｄが分離する方向は平行である。各分割片３１ａ～３１ｄが分離する方向は、隣り合う分割片３１ａ～３１ｄが分離する方向と直交する。すなわち、分割片３１ａ及び３１ｃが分離する方向は、分割片３１ｂ及び３１ｄが分離する方向と直交する。
【0086】
干渉部材４１の透過軸４１ａ方向は、分割片３１ａ及び３１ｃが分割する方向と、分割片３１ｂ及び３１ｄが分離する方向と、の間の方向が好ましい。
【0087】
画像検出器５０上の瞳共役位置２１ｈの瞳面において、中心部分は、試料７０の測定面７１に対して垂直に照明光Ｌ１０を入射させた場合の反射光Ｒ１０である。一方、瞳面において、周辺部分は、測定面７１に対して傾いて照明光Ｌ１０を入射させた場合の反射光Ｒ１０である。エリプソメータ２による測定において、照明光Ｌ１０の測定面７１に対する入射角が変わると、エリプソメトリ係数Ψ及びΔも変わる。
【0088】
そこで、本実施形態では、偏光光学素子３１及び３２を４分割して、各分割片の分離方向が光軸Ｃの周りの円周方向としている。反射光Ｒ１１の干渉縞５１に上述の（１）式をフィッティングさせる場合には、ある程度の範囲のプロファイルに（１）式及び（２）式をフィッティングする。その場合に、照明光Ｌ１０の入射角を一定にするためには、光軸Ｃの周りの円周方向に沿った干渉縞のプロファイルを用いることが好ましい。
【0089】
図１１は、実施形態２に係るエリプソメータにおいて、画像検出器５０上で干渉した反射光Ｒ１１及びＲ１３の干渉縞５１及び５２を例示した図である。図１１において、上段は、反射光Ｒ１１の干渉縞５１を示し、下段は、反射光Ｒ１３の干渉縞５１を示す。図１１に示すように、偏光光学素子３１と同じ４分割された干渉縞５１が円周方向に形成される。干渉縞５１は、光軸Ｃの周りの円周方向に沿った部分Ａ１－Ａ２を有している。そうすると、照明光Ｌ１０が試料７０の測定面７１に入射する入射角をほぼ一定とした反射光Ｒ１１をフィッティングすることができる。よって、エリプソメトリ係数Ψ及びΔを精度よく測定することができる。
【0090】
一方、非偏光ビームスプリッタ等の分離部材２２で反射した反射光Ｒ１２は、偏光ビームスプリッタ等の分離部材２３に入射する。分離部材２３は、反射光Ｒ１２を、Ｓ偏光からなる反射光Ｒ１３と、Ｐ偏光からなる反射光Ｒ１４と、に分離する。分離部材２３は、例えば、Ｓ偏光を反射させ、Ｐ偏光を透過させる。分離部材２３で反射した反射光Ｒ１３は、図９の位置Ｄ２において、測定面７１上でＳ偏光であった光からなる。なお、位置Ｄ２は、反射光Ｒ１３の断面の一部分を示す。分離部材２３で反射した反射光Ｒ１３は、アジマス偏光子２５に入射する。
【0091】
図１２は、実施形態２に係るエリプソメータにおいて、アジマス偏光子を例示した平面図である。図１２に示すように、アジマス偏光子２５は、偏光光学素子３２の分割に伴って、分割片２５ａ～２５ｄに分割されている。アジマス偏光子２５は、透過する反射光Ｒ１３の光軸Ｃに直交する面内で、光軸Ｃの周り１回転の回転角を等分割した中心角を有する扇型状の複数の分割片を含んでいる。具体的には、アジマス偏光子２５は、中心角が９０［ｄｅｇ］の４つの扇型状の分割片２５ａ～２５ｄに分割されている。
【0092】
各分割片２５ａ～２５ｄは、各分割片３２ａ～３２ｄと対応している。各分割片２５ａ～２５ｄは、各分割片２５ａ～２５ｄの透過軸の方向の偏光を透過させる。各分割片３２ａ～３２ｄは、各分割片２５ａ～２５ｄを透過した反射光Ｒ１３が入射する。
【0093】
λ／２波長板２４は、入射した反射光Ｒ１３を、Ｓ偏光の方向及びＰ偏光の方向と異なる方向の偏光に変換する。例えば、λ／２波長板２４は、Ｓ偏光の直線偏光の方向を、反射光Ｒ１３の光軸の周りで４５［ｄｅｇ］回転させる。反射光Ｒ１３は、図９の位置Ｄ３において、反射光Ｒ１２と異なる方向の偏光の光を含む。なお、位置Ｄ３は、反射光Ｒ１３の断面の一部分を示す。反射光Ｒ１３は、測定面７１上でＳ偏光であって、反射光Ｒ１２と異なる方向の偏光の光を含む。反射光Ｒ１３は、偏光光学素子３２に入射する。
【0094】
偏光光学素子３２において、光軸Ｃを挟んで対向する分割片３２ａ及び３２ｃが分離する方向は平行であり、分割片３２ｂ及び３２ｄが分離する方向は平行である。各分割片３２ａ～３２ｄが分離する方向は、隣り合う分割片３２ａ～３２ｄが分離する方向と直交する。すなわち、分割片３２ａ及び３２ｃが分離する方向は、分割片３２ｂ及び３２ｄが分離する方向と直交する。
【0095】
干渉部材４２の透過軸４２ａ方向は、分割片３２ａ及び３２ｃが分割する方向と、分割片３２ｂ及び３２ｄが分離する方向と、の間の方向が好ましい。
【0096】
本実施形態において、画像検出器５０上に２つの干渉縞５１及び５２が形成される。そして、干渉縞５１及び５２は、放射状の境界で４分割されている。解析装置６０は、干渉縞５１及び５２の信号処理をする際に、まず、図１１におけるＡ１－Ａ２及びＢ１－Ｂ２のように、干渉縞５１及び５２と垂直な線上の強度分布を取得する。そして、そこから、図７と同様の信号処理を行う。この場合、画像検出器５０上は、受光光学系２０の瞳共役位置２１ｈに相当し、画像検出器５０上の位置が、測定面７１に対する入射角と入射方位に相当する。よって上記のＡ１－Ａ２のような干渉縞５１の強度分布を取得する場所を変えることにより、任意の入射角及び入射方位でのエリプソメトリ係数Ψ、Δの取得が可能となる。
【0097】
次に、本実施形態の効果を説明する。本実施形態のエリプソメータ２は、測定面７１に入射する照明光Ｌ１０の光軸、及び、測定面７１で反射した反射光ｒ１０の光軸は、測定面７１に対して直交している。よって、測定面７１において、複数の入射角及び複数の入射方位におけるエリプソメトリ係数Ψ及びΔを同時に取得することができる。よって、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。また、測定するスループットを向上させることができるので、ＯＣＤ計測装置として、半導体装置の検査装置に適用することができる。
【0098】
また、偏光光学素子３１及び３２を、光軸の周りで分割された分割片としている。よって、光軸Ｃの周りの円周方向に沿った干渉縞のプロファイルを取得することができるので、エリプソメトリ係数Ψ及びΔの精度を向上させることができる。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。
【0099】
（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。本実施形態は、分離部材２２及び分離部材２３を変形させた例である。図１３は、実施形態１及び２に係るエリプソメータにおいて、分離部材を例示した断面図である。
次に、実施形態３に係るエリプソメータを説明する。本実施形態は、分離部材２２及び分離部材２３を変形させた例である。図１３は、実施形態１及び２に係るエリプソメータにおいて、分離部材を例示した断面図である。
【0100】
図１３に示すように、前述のエリプソメータ１及び２は、分離部材２２及び分離部材２３を組み合わせたビームスプリッタ２６を有している。ビームスプリッタ２６において、分離部材２２は、非偏光ビームスプリッタ膜２２ａを含む。分離部材２３は、偏光ビームスプリッタ膜２３ａを含む。ビームスプリッタ２６において、非偏光ビームスプリッタ膜２２ａと、偏光ビームスプリッタ膜２３ａとは、平行に配置されている。例えば、ビームスプリッタ２６は、ガラス等の透明部材を含み、透明部材上に非偏光ビームスプリッタ膜２２ａと偏光ビームスプリッタ膜２３ａとを配置させている。
【0101】
反射光Ｒ１０は、非偏光ビームスプリッタ膜２２ａに対して、４５［ｄｅｇ］の入射角で入射する。反射光Ｒ１１は、非偏光ビームスプリッタ膜２２ａを透過したものである。反射光Ｒ１２は、非偏光ビームスプリッタ膜２２ａで反射したものである。反射光Ｒ１２は、偏光ビームスプリッタ膜２３ａに対して、４５［ｄｅｇ］の入射角で入射する。反射光Ｒ１３は、偏光ビームスプリッタ膜２３ａで反射したものである。
【0102】
ビームスプリッタ２６は、反射光Ｒ１０の入射方向と、反射光Ｒ１１及び反射光Ｒ１３の出射方向とが平行である。よって、各種の光学部材の配置に関して、設計が容易であり、設計の自由度を向上させることができる。しかしながら、反射光Ｒ１１と反射光Ｒ１３との間で、ガラス中における光路長が異なる。すなわち、反射光Ｒ１２の距離Ｗ１だけ、反射光Ｒ１３の光路は、反射光Ｒ１１の光路よりも長くなる。この場合には、軸上色収差が問題となる可能性がある。
【0103】
そこで、空気換算長が反射光Ｒ１１と反射光Ｒ１３とで同等になるように、厚さＷ２＝距離Ｗ１／（ｎ－１）を満たすように、光路長補正板２３ｂの厚さＷ２を設定する。ここで、ｎは、ガラスの屈折率である。
【0104】
図１４は、実施形態３に係るエリプソメータにおいて、分離部材を例示した断面図である。図１４に示すように、ビームスプリッタ２７は、分離部材２２及び分離部材２３を含んでいる。分離部材２２は、非偏光ビームスプリッタ膜２２ａを含み、分離部材２３は、偏光ビームスプリッタ膜２３ａを含んでいる。ビームスプリッタ２７において、分離部材２２及び分離部材２３は、三角柱状のガラス等の透明部材に一体化されている。透明部材における３つの側面を、反射光Ｒ１０が入射する入射面Ｆ１、反射光Ｒ１１及び反射光Ｒ１３が出射する出射面Ｆ２、及び、反射光Ｒ１２が反射する反射面Ｆ３とする。その場合には、偏光ビームスプリッタ膜２３ａは、反射面Ｆ３の内側に配置されている。非偏光ビームスプリッタ膜２２ａは、入射面Ｆ１と反射面Ｆ３とのなす角を２等分する面に配置されている。非偏光ビームスプリッタ膜２２ａと偏光ビームスプリッタ膜２３ａとのなす角度は、３０［ｄｅｇ］である。
【0105】
反射光Ｒ１０は、入射面Ｆ１に垂直に入射する。そして、反射光Ｒ１０は、非偏光ビームスプリッタ膜２２ａに対して、３０［ｄｅｇ］の入射角で入射する。ビームスプリッタ２７において、反射光Ｒ１１は、非偏光ビームスプリッタ膜２２ａで反射したものである非偏光ビームスプリッタ膜２２ａで反射した反射光Ｒ１１は、入射面Ｆ１の内側で全反射角を超えるので、全反射となる。入射面Ｆ１の内側で反射した反射光Ｒ１１は、出射面Ｆ２に対して直交する方向に出射する。
【0106】
ビームスプリッタ２７において、反射光Ｒ１２は、非偏光ビームスプリッタ膜２２ａを透過したものである。反射光Ｒ１２は、偏光ビームスプリッタ膜２３ａに対して、６０［ｄｅｇ］の入射角で入射する。偏光ビームスプリッタ膜２３ａで反射した反射光Ｒ１３は、出射面Ｆ２に対して直交する方向に出射する。
【0107】
ビームスプリッタ２７では、反射光Ｒ１１と反射光Ｒ１３との間で、ガラス中における光路長は同じである。しかしながら、入射面Ｆ１の内側において、全反射による位相差と、入射光と出射光との偏角に考慮する必要が生じる可能性がある。
【0108】
図１５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１５に示すように、エリプソメータ３は、エリプソメータ１の分離部材２２及び分離部材２３を、ビームスプリッタ２７に代えたものである。このような構成とすることにより、反射光Ｒ１１と反射光Ｒ１３と間で、分離部材２２及び分離部材２３のガラス中における光路長を同一にすることができ、軸上色収差を抑制することができる。また、画像検出器５０は、反射光Ｒ１１及び反射光Ｒ１３を鉛直方向に受講することができ。光学部材の設計において、自由度を向上させることができる。これ以外の構成及び効果は、実施形態１及び２の記載に含まれている。
【0109】
（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。本実施形態のエリプソメータは、受光光学系２０において、干渉部材４１及び干渉部材４２が偏光ビームスプリッタ４３に一体化されている。以下、図面を参照して説明する。
次に、実施形態４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、受光光学系２０において、干渉部材４１及び干渉部材４２が偏光ビームスプリッタ４３に一体化されている。以下、図面を参照して説明する。
【0110】
【0111】
前述の実施形態１の干渉部材４１及び４２は、例えば、偏光光学素子３１及び３２により、０［ｄｅｇ］及び９０［ｄｅｇ］の偏光方向に分離された２つの直線偏光の４５［ｄｅｇ］成分を透過させて干渉させるものである。この場合には、干渉部材４１は、１３５［ｄｅｇ］成分を吸収または反射している。
【0112】
一方、本実施形態の偏光ビームスプリッタ４３は、４５［ｄｅｇ］成分を反射させ、１３５［ｄｅｇ］成分を透過させるように配置されている。このように、偏光ビームスプリッタ４３は、各偏光方向と異なる方向における２つの直線偏光の成分を反射させるとともに、異なる方向と直交した方向における２つの直線偏光の成分を透過させる。具体的には、偏光光学素子３１が分離した各直線偏光のうち、４５［ｄｅｇ］傾いた方向の直線偏光を反射させ、１３５［ｄｅｇ］傾いた方向の直線偏光を透過させる。干渉部材４２及び偏光光学素子３２についても同様である。
【0113】
エリプソメータ４は、画像検出器５０ａ及び５０ｂを含む。画像検出器５０ａは、偏光ビームスプリッタ４３で反射した（４５［ｄｅｇ］方向の）各偏光成分の干渉縞を検出する。画像検出器５０ｂは、偏光ビームスプリッタ４５を透過した（１３５［ｄｅｇ］方向の）各偏光成分の干渉縞５１及び５２を検出する。
【0114】
図１７は、実施形態４に係るエリプソメータにおいて、２つの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１８は、実施形態４に係るエリプソメータにおいて、画像検出器が検出した干渉縞の強度を例示したグラフであり、横軸は、干渉縞の位置を示し、縦軸は強度分布を示す。図１７及び図１８に示すように、各画像検出器５０ａ及び５０ｂ上には、位相が１８０［ｄｅｇ］反転した干渉縞５１及び５２が形成される。
【0115】
図１９は、実施形態４に係るエリプソメータにおいて、偏光ビームスプリッタ４３の反射及び透過する偏光方向を、偏光光学素子が分離する２つの直線方向に対して、４５［ｄｅｇ］からずらした場合の各成分を例示した図である。
【0116】
図１９に示すように、Ｘ方向の成分とＹ方向の成分との強度が異なる場合、例えば、Ｘ方向の成分の強度が２で、Ｙ方向の成分の強度が１の場合を検討する。偏光ビームスプリッタ４３の反射及び透過する偏光方向を、偏光光学素子３１及び３２が分離する２つの直線方向に対して４５［ｄｅｇ］から４０［ｄｅｇ］にずらした場合には、Ｘ方向の成分は大きくなり、Ｙ方向の成分は小さくなる。よって、Ｘ方向の成分とＹ方向の成分との差は、ますます大きくなり、コントラストは低下する。
【0117】
一方、１３５［ｄｅｇ］から１３０［ｄｅｇ］にずらした場合には、Ｘ方向の成分は小さくなり、Ｙ方向の成分は大きくなる。よって、Ｘ方向の成分とＹ方向の成分との差は小さくなり、コントラストは増加する。実施形態１では、偏光光学素子３１及び３２によって分離された２つの直線偏光のうち、一方の強度が低下するとコントラストが低下する。この場合に、どちらの直線偏光が低下したかまでは測定することができない。しかしながら、本実施形態では、どちらの直線偏光が低下したかも判別することができる。
【0118】
本実施形態のエリプソメータ４によれば、干渉部材４１及び４２として、検光子の代わりに偏光ビームスプリッタ４３を用いることで、追加の干渉縞５１及び５２を画像検出器５０ｂ上に作成し、追加の情報を得ることができる。利点としては、検光子の場合に捨てていた成分を検出に利用することができる。よって、Ｓ／Ｎを向上することができる。しかも、位相を１８０［ｄｅｇ］反転した干渉縞５１及び５２を形成することができる。これにより、画像検出器５０のみで検出された干渉縞５１及び５２では、谷の位置に相当する強度が小さい点を、画像検出器５０ａ及び５０ｂを用いて検出することにより、山の位置に相当する強度の大きい点とすることができる。よって、相補的に利用することが可能となる。
【0119】
なお、図１６では、偏光ビームスプリッタ４３で反射及び透過した反射光Ｒ１１及びＲ１３が紙面に平行な面内の２つの方向に進んでいるが、実際は、４５［ｄｅｇ］傾いた方向に進んでいる。これ以外の構成及び効果は、実施形態１～３の記載に含まれている。
【0120】
（実施形態５）
次に、実施形態５の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、偏光光学素子３１及び３２として、ノマルスキープリズムを用いないエリプソメータである。図２０は、実施形態５に係るエリプソメータを例示した構成図である。図２１は、実施形態５に係るエリプソメータにおいて、干渉部材及び画像検出器を例示した図である。図２２は、実施形態５に係るエリプソメータにおいて、受光光学系を例示した図である。
次に、実施形態５の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、偏光光学素子３１及び３２として、ノマルスキープリズムを用いないエリプソメータである。図２０は、実施形態５に係るエリプソメータを例示した構成図である。図２１は、実施形態５に係るエリプソメータにおいて、干渉部材及び画像検出器を例示した図である。図２２は、実施形態５に係るエリプソメータにおいて、受光光学系を例示した図である。
【0121】
図２０～図２２に示すように、エリプソメータ５において、受光光学系２０は、コリメータレンズ２１、非偏光ビームスプリッタ等の分離部材２２、ミラー３３、ミラー３４、λ／２波長板２４、分離部材３５、分離部材３６、干渉部材４１及び４２、画像検出器５０を有している。
【0122】
コリメータレンズ２１を透過した反射光Ｒ１０は、図２２の位置Ｄ１において、測定面７１上でＰ偏光であった光及びＳ偏光であった光を含む。反射光Ｒ１０は、分離部材２２によって、反射光Ｒ１１と反射光Ｒ１２に分離される。分離部材２２で分離された反射光Ｒ１１は、ミラー３３に入射する。ミラー３３は、反射光Ｒ１１を反射する。ミラー３３で反射した反射光Ｒ１１は、図２２の位置Ｄ４において、測定面７１上でＰ偏光であった光及びＳ偏光であった光を含む。ミラー３３で反射した反射光Ｒ１１は、偏光ビームスプリッタ等の分離部材３５に入射する。分離部材３５において、反射光Ｒ１１のＳ偏光は反射し、反射光Ｒ１１のＰ偏光は透過する。分離部材３５を透過した反射光Ｒ１１のＰ偏光は、偏光ビームスプリッタ等の分離部材３６で反射する。
【0123】
一方、分離部材２２で分離された反射光Ｒ１２は、ミラー３４に入射する。ミラー３４は、反射光Ｒ１２を反射する。ミラー３４で反射した反射光Ｒ１２は、図２２の位置Ｄ２において、測定面７１上でＰ偏光であった光及びＳ偏光であった光を含む。ミラー３４で反射した反射光Ｒ１２は、λ／２波長板２４に入射する。λ／２波長板２４において、反射光Ｒ１２のＰ偏光及びＳ偏光は、光軸の周りに、４５［ｄｅｇ］回転する。このように、λ／２波長板２４は、ミラー３４で反射した反射光Ｒ１２において、Ｐ偏光を、Ｐ偏光の方向及びＳ偏光の方向と異なる方向の直線偏光に変換するとともに、Ｓ偏光を、Ｐ偏光の方向及びＳ偏光の方向と異なる方向の直線偏光に変換する。λ／２波長板２４を透過した反射光Ｒ１２を反射光Ｒ１３と呼ぶ。反射光Ｒ１３は、図２２の位置Ｄ３において、４５［ｄｅｇ］傾いたＰ偏光の方向及びＳ偏光の方向の光からなっている。
【0124】
反射光Ｒ１３は、分離部材３５に入射する。分離部材３５において、反射光Ｒ１３の４５［ｄｅｇ］傾いたＰ偏光及びＳ偏光の一部は透過し、一部は反射する。分離部材３５で反射した反射光Ｒ１３は、分離部材３６に入射する。分離部材３６において、反射光Ｒ１３の４５［ｄｅｇ］傾いたＰ偏光及びＳ偏光の一部は反射する。
【0125】
このように、分離部材３５は、ミラー３３で反射した反射光Ｒ１１において、Ｓ偏光を反射し、Ｐ偏光を透過させるとともに、λ／２波長板２４を透過した反射光Ｒ１２において、光軸Ｃの周りに４５［ｄｅｇ］傾いたＰ偏光及びＳ偏光を透過させる。また、分離部材３６は、分離部材３５を透過した反射光Ｒ１１において、Ｐ偏光を反射させるとともに、分離部材３５で反射した反射光Ｒ１３において、光軸Ｃの周りに４５［ｄｅｇ］傾いたＰ偏光及びＳ偏光を反射させる。
【0126】
本実施形態において、分離部材３５及び３６で合流した反射光Ｒ１１及び反射光Ｒ１３は、干渉部材４１及び４２を介して、画像検出器５０上に干渉縞５１及び５２を形成する。干渉部材４１は、分離部材３５で反射したＳ偏光、分離部材３５を透過した４５［ｄｅｇ］傾いたＰ偏光及びＳ偏光における透過軸４１ａの成分を干渉させた干渉縞５１を形成する干渉部材４２は、分離部材３６で反射したＰ偏光、分離部材３５で反射した４５［ｄｅｇ］傾いたＰ偏光及びＳ偏光における透過軸４２ａの成分を干渉させた干渉縞５２を形成する。
【0127】
合流した反射光Ｒ１１及び反射光Ｒ１３は、画像検出器５０上において、同一位置に角度差をもって到達するような配置とされている。すなわち、分離部材３６及び３６から出射した反射光Ｒ１１及び反射光Ｒ１３が画像検出器５０上において、同一位置に角度差をもって到達するように、ミラー３３及び３４を調整する。
【0128】
このような構成により、反射光Ｒ１１のＰ偏光と、反射光Ｒ１３のＰ偏光及びＳ偏光の半分ずつを切り出したものとを干渉させ、干渉縞５１を形成することができる。また、反射光Ｒ１１のＳ偏光と、反射光Ｒ１３のＰ偏光及びＳ偏光を半分ずつ切り出したものとを干渉させ、干渉縞５２を形成することができる。
【0129】
図２３は、実施形態５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２４は、実施形態５に係るエリプソメータにおいて、画像検出器が検出した干渉縞の強度を例示したグラフであり、横軸は、干渉縞の位置を示し、縦軸は強度分布を示す。図２５は、実施形態５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の強度分布をフーリエ変換し、振幅を表す実数部分と位相を表す虚数部分に分け、周波数を照明光の波長に関連付けた結果を例示したグラフである。
【0130】
図２３～図２５に示すように、干渉縞５１における反射光Ｒ１１の強度分布Ｉｆｒｉｎｇｅ３を以下の（３）式にフィッティングする。また、干渉縞５２における反射光Ｒ１３の強度分布Ｉｆｒｉｎｇｅ４を以下の（４）式にフィッティングする。
【0131】
【数3】
【数4】
【0132】
上記（３）及び（４）において、ＥＰ＋Ｓは、以下の（５）式である。
【数5】
【0133】
ｅｘｐ項、すなわち、（３）式の２｜ＥＳ｜｜ＥＰ＋Ｓ｜ｅｘｐ（ｉΔＳ－ＰＳ）、（４）式の２｜ＥＰ｜｜ＥＰ＋Ｓ｜ｅｘｐ（ｉΔＰ－ＰＳ）は、ＡＣコンポーネントである。そこで、フィッティングする際に、強度分布Ｉｆｒｉｎｇｅ３をフーリエ変換することにより、振幅（Ψ１＝２｜ＥＳ｜｜ＥＰ＋Ｓ｜）と位相（ΔＳ－ＰＳ）がそれぞれ求められる。また、強度分布Ｉｆｒｉｎｇｅ４をフーリエ変換することにより、振幅（Ψ２＝２｜ＥＰ｜｜ＥＰ＋Ｓ｜）と位相（ΔＰ－ＰＳ）がそれぞれ求められる。
【0134】
位相（ΔＳ－ＰＳ）と位相（ΔＰ－ＰＳ）との和を算出することにより、エリプソメトリのΔに相当する位相（Δ）を求めることができる。一方、振幅Ψは、振幅Ψ１を、振幅Ψ２で割ることで求めることができる。すなわち、振幅Ψ１／Ψ２＝ｔａｎ－１Ψから、エリプソメトリのΨに相当する｜ＥＰ｜／｜ＥＳ｜を求めることができる。このように、解析装置６０は、干渉縞５１及び干渉縞５２をフーリエ変換し、フーリエ変換された干渉縞５１及び干渉縞５２から、エリプソメトリ係数Ψ及びΔを算出する。また、解析装置６０は、全光量の情報を得ることができる。
【0135】
次に、本実施形態の効果を説明する。本実施形態では、偏光光学素子３１及び３２として、ノマルスキープリズムを不要とする。よって、光学部材の設計の自由度を向上させることができる。また、解析装置６０は、干渉縞５１及び５２の両方を活用する。これにより、エリプソメトリ係数ψ及びΔと、全光量に加え、偏光度の４つの情報を得ることができる。これ以外の構成及び効果は、実施形態１～４の記載に含まれている。
【0136】
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１～５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１～５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】
【0137】
１、２、３、４、５ エリプソメータ
１０ 照明光学系
１１ 光源
１２ ファイバー
１３、１３ａ 照明レンズ
１４ 偏光子
１５ ビームスプリッタ
１６ 対物レンズ
２０ 受光光学系
２１ コリメータレンズ
２１ａ、２１ｂ リレーレンズ
２１ｈ 瞳共役位置
２２ 分離部材
２２ａ 非偏光ビームスプリッタ膜
２３ 分離部材
２３ａ 偏光ビームスプリッタ膜
２３ｂ 光路長補正板
２３ｃ 偏光板
２４ λ／２波長板
２５ アジマス偏光子
２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ 分割片
２６、２７ ビームスプリッタ
３１、３２ 偏光光学素子
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ、３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ 分割片
３３、３４ ミラー
３５、３６ 分離部材
４１、４２ 干渉部材
４１ａ、４２ａ 透過軸
４３ 偏光ビームスプリッタ
５０、５０ａ、５０ｂ 画像検出器
５１、５２ 干渉縞
６０ 解析装置
７０ 試料
７１ 測定面
Ｃ 光軸
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４ 位置
Ｆ１ 入射面
Ｆ２ 出射面
Ｆ３ 反射面
Ｌ１０ 照明光
Ｒ１０、Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３ 反射光
Ｗ１、Ｗ２ 距離
１０ 照明光学系
１１ 光源
１２ ファイバー
１３、１３ａ 照明レンズ
１４ 偏光子
１５ ビームスプリッタ
１６ 対物レンズ
２０ 受光光学系
２１ コリメータレンズ
２１ａ、２１ｂ リレーレンズ
２１ｈ 瞳共役位置
２２ 分離部材
２２ａ 非偏光ビームスプリッタ膜
２３ 分離部材
２３ａ 偏光ビームスプリッタ膜
２３ｂ 光路長補正板
２３ｃ 偏光板
２４ λ／２波長板
２５ アジマス偏光子
２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ 分割片
２６、２７ ビームスプリッタ
３１、３２ 偏光光学素子
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ、３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ 分割片
３３、３４ ミラー
３５、３６ 分離部材
４１、４２ 干渉部材
４１ａ、４２ａ 透過軸
４３ 偏光ビームスプリッタ
５０、５０ａ、５０ｂ 画像検出器
５１、５２ 干渉縞
６０ 解析装置
７０ 試料
７１ 測定面
Ｃ 光軸
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４ 位置
Ｆ１ 入射面
Ｆ２ 出射面
Ｆ３ 反射面
Ｌ１０ 照明光
Ｒ１０、Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３ 反射光
Ｗ１、Ｗ２ 距離
【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】