JP5666496B2 - 計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、等倍反射型結像光学系に関する。

半導体や液晶パネルの製造工程では、基板の表面に形成された薄膜に、フォトリソグラフィーによってパターンニングを行う。基板に形成された薄膜の厚みや、屈折率、消衰係数などの光学定数の計測には、エリプソ法が用いられる。

一般的なエリプソメータでは、被計測薄膜面に対して４５−７０度の入射角で光線を照射し、薄膜表面及び基板面からの反射光線を４５−７０度の反射角で受光素子に受け取る。例えばレーザなどの直線偏光を披計測薄膜面に入射させると、薄膜表面の反射光と基板面の反射光が、様々な形で干渉して位相の異なる反射光として、光路上に置かれた偏光素子を介して受光素子に至る。入射光と反射光の偏光状態（＝ΨとΔ）の変化を測定することによって、薄膜の厚さや、薄膜の屈折率、消衰係数等の光学定数を計算によって求めることができる。

微細にパターンニングされた半導体や液晶パネルの２次元平面を多点で計測するエリプソメータは提案されていないようである。

１点計測でもエリプソメータ或いは披計測薄膜面をＸＹ２次元に動かせば、２次元平面での多点計測は可能になる。しかし膨大な時間を要し効率が悪く、動的な計測は不可能である。

エリプソメータは４５−７０度の入反射角結像光学系が条件になるが、大きな面積で所定の波面収差及び広い波長帯の被計測薄膜面からの反射光を受光素子（例えば２次元CCD）に結像させることが困難であるという問題があった。

２次元受光素子を用い、一括面積を計測するエリプソメータはイメージング・エリプソメータと呼ばれる。しかし入反射角結像光学系の性能が小さな面積に限られるので、大きな面積を計測するためには、やはりイメージング・エリプソメータ或いは披計測薄膜面をＸＹ２次元に動かす必要がある。

特開２００９−９２３８９号公報

本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであって、大きな面積で所定の波面収差及び広い波長帯の被計測薄膜面からの反射光を受光素子（例えば２次元CCD）に結像させることのできる等倍反射型結像光学系を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための手段は、以下の発明である。
物体面からの反射光の光束を、導入平面ミラーを介して、凹面主鏡、凸面副鏡、前記凹面主鏡の順番で反射させた後、引き出し平面ミラーを介して、受光素子の受光面に結像させることのできる等倍反射型結像光学系であって、
前記物体面及び前記受光面が、それぞれの面に入射する光の光軸に対して傾斜していることを特徴とする等倍反射型結像光学系。

本発明の等倍反射型結像光学系において、前記物体面の垂線が、照明光学系からの入射光の光軸に対して４５〜７０度傾斜しており、前記受光面の垂線が、前記物体面からの反射光の光軸に対して４５〜７０度傾斜していることが好ましい。

本発明の等倍反射型結像光学系において、照明光学系は、ロッドとコンデンサレンズとアパーチャ絞りとコリメータレンズを有することが好ましい。

本発明によれば、大きな面積で所定の波面収差及び広い波長帯の被計測薄膜面からの反射光を受光素子（例えば２次元CCD）に結像させることのできる等倍反射型結像光学系を提供することができる。

等倍反射型結像光学系を備えた分光エリプソメータの全体図である。 結像光学系のYZ平面図である。 結像光学系のXZ平面図である。 基板表面の結像面内の波面収差の計算結果である。 分解能（ＭＴＦ）を、NA=0.04、波長：０．５５０nm(ウエイト＝１．０)、０．２５０nm(ウエイト＝１．０)、０．８００nm(ウエイト＝１．０)で計算した結果である。 照明光学系がオフナー光学系によって構成されている分光エリプソメータの全体図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る等倍反射型結像光学系を備えた分光エリプソメータ１０の全体図である。
図１に示すように、分光エリプソメータ１０は、薄膜（単層膜でも多層膜でもよい。）が形成された基板Ｓに偏光した光（以下、「偏光光」という。）を入射させるための照明光学系２０と、基板Ｓ（または薄膜）からの偏光光の反射光を受光するための受光素子３０と、基板Ｓ（または薄膜）からの反射光を受光素子３０の受光面に結像させるための結像光学系４０と、を備えている。基板Ｓの表面が、本発明の「物体面」に対応している。

本実施形態に係る分光エリプソメータ１０は、結像光学系４０が、等倍反射型結像光学系の一つであるオフナー光学系によって構成されていることを特徴とする。

図２は、結像光学系４０のYZ平面図である。図３は、結像光学系４０のXZ平面図である。
図２、図３に示すように、オフナー光学系によって構成された結像光学系４０は、導入平面ミラー４２、凹面鏡で構成された主鏡４４、凸面鏡で構成された副鏡４６、及び引き出し平面ミラー４８を備えている。基板Ｓ（または薄膜）の表面からの反射光は、導入平面ミラー４２、主鏡４４、副鏡４６、再び主鏡４４、及び引き出し平面ミラー４８の順番で反射された後、受光素子３０の受光面に結像するようになっている。

基板Ｓの表面と受光素子３０の受光面とは、オフナー光学系において、等倍の共役の関係となっている。
副鏡４６は、光学系の瞳となっている。
なお、受光素子３０は、例えば２次元ＣＣＤ等の撮像素子によって構成されている。

図２に示すように、基板Ｓの表面の垂線Ｎ１は、照明光学系２０からの入射光の光軸Ｌ１に対して６０度傾斜している。受光素子３０の受光面の垂線Ｎ２も、基板Ｓからの反射光の光軸Ｌ２に対して６０度傾斜している。

図３に示すように、基板Ｓの表面に偏光光が照射される領域Ｒ１はほぼ長方形であり、２４．６ｍｍｘ１８．５mmの寸法を有している。この領域Ｒ１の短辺が、照明光学系２０からの入射光の光軸Ｌ１に対して９０−６０＝３０度傾斜している。また、この領域Ｒ１の長辺が、照明光学系２０からの入射光の光軸Ｌ１に対して線対称となっている。

図３に示すように、基板Ｓからの反射光が受光素子３０の受光面に照射される領域Ｒ２はほぼ長方形であり、２４．６ｍｍｘ１８．５mmの寸法を有している。この領域Ｒ２の短辺が、基板Ｓからの反射光の光軸Ｌ２に対して９０−６０＝３０度傾斜している。また、この領域Ｒ２の長辺が、基板Ｓからの反射光の光軸Ｌ２に対して線対称となっている。

図１に示すように、照明光学系２０は、ロッドレンズ２２と、コンデンサレンズ２４と、アパーチャ絞り２６と、コリメータレンズ２８とを備えている。

図示しない光源から出射された光は、ロッドレンズ２２の入射端２２ａに入射する。ロッドレンズ２２の入射端２２ａに入射した光は、ロッドレンズ２２の内部で多重反射を繰り返すことで照度が均一化された後、ロッドレンズ２２の出射端２２ｂから出射する。

ロッドレンズ２２の出射端２２ｂから出射した光は、アパーチャ絞り２６及びコリメータレンズ２８を通った後、基板Ｓの表面に入射角６０度で入射する。

本実施形態において、結像光学系４０は、テレセントリック光学系によって構成されている。また、照明光学系２０も、結像光学系４０に合わせて、テレセントリック光学系によって構成されている。照明光学系２０は、NA（開口数）=0.04のテレセントリック光束を基板Ｓに入射させることができるように設計されている。

基板Ｓの表面（物体面）とロッドレンズ２２の出射端２２ｂは、光学的に共役の関係となっている。

図１に示すように、基板Ｓの表面が入射光の光軸に対して傾いているため、共役となるロッドレンズ２２の出射端２２ｂも入射光の光軸に対して傾いている。

基板Ｓの表面の結像面（つまり照明光学系２０の結像面）の大きさは、ロッドレンズ２２の出射端２２ｂの大きさの５．５倍である。つまり、結像面からロッドレンズ２２の出射端２２ｂへの縮小倍率は１／５．５倍である。したがって、基板Ｓの表面への入射光の入射角が６０度の場合、ロッドレンズ２２の出射端２２ｂの傾きが出射光の光軸に対して１６度になる。

ロッドレンズ２２の出射端２２ｂの大きさと出射角（＝NA）は、結像面に対する倍率により決まる。出射端２２ｂの座標X方向（長手方向）の長さは、２４．６mm／５．５＝４．５ｍｍである。出射端２２ｂの座標Y方向（短手方向）の長さは、１８．５mm ×ｃｏｓ６０度／５．５＝１．７ｍｍである。出射端２２ｂに必要なNAは、長手方向、短手方向とも、０．０４×５．５＝０．２２となる。

ここで、ロッドレンズ２２の入射端２２ａに入射する光束が、図示しない分光器のスリットから出射する波長幅の狭い光束である場合を考える。
なお、分光器の光学特性は、ｆ＝３２０ｍｍ、Ｆ／４．１(NA＝0.06)、グレーティング：１２００本／ｍｍであると仮定する。

分光器の１ｍｍ幅のスリットから、波長幅５nmの光束が出射する。
分光器のスリットから出射する光束を、バンドルファイバ（光ファイバの束）で受光する。
バンドルファイバは、入射端の形状が１ｍｍ×２０ｍｍであり、出射端の形状が２．７９ｍｍ×７．１７ｍｍである。
ロッドレンズ２２の入射端の形状は、１．７５ｍｍ×４．５ｍｍである。
バンドルファイバの出射端の断面形状は、ロッドレンズ２２の入射端２２ａの断面形状に相似している。

バンドルファイバの出射端において、NA=0.06である。
レンズ系などを用いて、バンドルファイバの出射端から出射される光束を１／４に光学縮小して、NA=0.24に変換する。
バンドルファイバの出射端から出射される光束を、ロッドレンズ２２の入射端２２ａに入射させる。入射端２２ａにおける入射光の照射面の大きさは、０．７ｍｍ×１．７９ｍｍである。
ロッドレンズ２２に入射した光束は、ロッドレンズ２２の内部で反射を繰り返す。これにより、ロッドレンズ２２の出射端２２ｂから出射される光の照度が均一化される。
ロッドレンズ２２の出射端２２ｂにおいて、NA=0.24である。

（像共役）
ロッドレンズ２２の出射端２２ｂは、基板Ｓの表面（物体面）、及び、受光素子３０の受光面と像共役である。共役関係にある基板Ｓの表面と受光素子３０の受光面の照度は、均一に維持される。

（瞳共役）
アパーチャ絞り２６と副鏡４６は、瞳共役である。
アパーチャ絞り２６に置かれた絞りにより、照明光束は制限され、基板Ｓの表面に照射される光のNA(＝0.04)が決定される。
基板Ｓの表面で反射した光束は、結像光学系４０の副鏡４６で再び制限され、受光素子３０の受光面にNA(＝0.04)となる角度で照射される。

（像共役の意味）
基板Ｓの表面（物体面）での照度ムラが小さければ、被計側面の各点において、エリプソ法による計測に必要な薄膜情報を均一に得ることができる。
同様に、受光素子３０の受光面での照度ムラが小さければ、受光光量幅が均一化され、薄膜情報の演算が容易になる。

（瞳共役の意味）
ロッドレンズ２２の入射端２２ａに入射する光束には、結像に必要なNAを超える光束が含まれる。余分な光束は、結像光学系４０（オフナー光学系）で反射を繰り返し、受光素子３０の受光面に迷光として到達するため、受光素子のS／Nを悪化させる原因となる。瞳絞りは、このような余分な光束をカットする役割を有する。

図４は、基板Ｓの表面の結像面内の波面収差の計算結果である。面内の各点において、波面収差は０．０１Wavesに収まっており、エリプソ法による計測が可能となっている。

図５は、分解能（ＭＴＦ）を、NA=0.04、波長：０．５５０nm(ウエイト＝１．０)、０．２５０nm(ウエイト＝１．０)、０．８００nm(ウエイト＝１．０)で計算した結果である。
高い方の曲線は、座標X方向（長手方向）でのＭＴＦであり、理論値に合致している。
低い方の曲線は、座標Y方向（短手方向）でのＭＴＦであり、NAが小さくなる分だけMTF値が小さくなっているが、理論値に合致している。

従来技術の１点でのエリプソ計測では、計測点のサイズが議論される事は少ない。
本発明のエリプソメータは、薄膜の面内の各点において、薄膜を微細に計測することを目的とする。したがって、計測される各点での分解能も良くなくてはならない。

本発明において、受光素子３０の分解能は、１０μｍ×１０μｍ程度が好ましい。
等倍の共役関係にある被計測面（物体面）の各点の分解能も、１０μｍオーダーであることが望ましい。
NA=０．０４において、座標X方向（長手方向）の１０μｍ分解のMTF値は５８％あるので充分であり、座標Ｙ方向（短手方向）の１０μｍ分解のＭＴＦ値は２５％なので少し不足する。

ここで気を付けなければならないのは、基板Ｓ（物体面）への入射角である。
一般に、傾斜した結像面に置かれる２次元受光素子は、受光感度特性が大きなものを用いなければならない。

一般に使われるCCDは、受光効率を上げるために、各素子の前に、マイクロ・レンズと呼ばれる集光レンズが組み込まれている。
しかし、大きな傾きを持つ光束は、マイクロ・レンズで集光することは難しく、多くの光束は、ＣＣＤの受光面に至らない。
したがって、受光素子３０として使用する２次元ＣＣＤは、マイクロ・レンズが組み込まれていないタイプであることが好ましい。

分解能を上げるために、NAを約２倍の０．０７まで大きくすることができる。
この場合、短手方向の１０μｍ分解のMTFは５０％になり、被計測面内の波面収差は０．２Waves以内になるため、エリプソ計測は可能である。
しかし、NAを大きくしすぎると、薄膜に当たる光束の角度幅が大きくなり、エリプソ計測に用いられる薄膜情報のＳ／Ｎが悪くなるおそれがある。

反射光学系は、波長に依存しないという特長を持つ。
本発明の結像光学系４０も、等倍反射型結像光学系であるため、波長に依存しない特長を持つ。

図４は、波長：０．５５０μｍ、０．２５０μｍ、０．８００μｍにおける波面収差を示している。図４に示すように、波面収差は、波長の逆数に比例して大きくなる。

エリプソ計測では、波長の倍数ごとに明暗が生じるために、最低１サイクルの波長幅を使う事が望ましい。
波長幅を議論するに際して、光源波長の制約、被検査薄膜の透過率と消衰係数、受光素子の分光感度の何れもが、仕様を満たすことを考慮する必要がある。
１サイクルを前提にすると、波長幅は、２５０−５００nm、あるいは、４００−８００nmなどに制限してもよい。

図１に示す照明光学系２０は、一般にケーラー照明系と呼ばれるものであり、共役関係のメリットを結像系に与える。
しかし、照明光学系２０は、屈折系のレンズのみによって構成される必要はなく、例えば、図６に示すように、等倍反射型光学系の一つであるオフナー光学系によって構成されてもよい。

上記実施形態では、光源に分光器を使った例を示したが、他の光源を用いてもよい。例えば、分光器の代わりに、白色光源に複数個の干渉フィルターを組み合わせた光源を用いてもよい。

上記実施形態では、基板Ｓの表面の垂線Ｎ１が、入射光の光軸Ｌ１に対して６０度傾斜している例を示したが、４５度以上７０度以下の範囲であればどのような傾斜角度であってもよい。

上記実施形態では、受光素子３０の受光面の垂線Ｎ２が、基板Ｓからの反射光の光軸Ｌ２に対して６０度傾斜している例を示したが、４５度以上７０度以下の範囲であればどのような傾斜角度であってもよい。

上記実施形態では、本発明の等倍反射型結像光学系を分光エリプソメータ１０に適用する例について説明したが、物体に光を斜めに入射させる方式の欠陥検出装置や反射率測定器に本発明の等倍反射型結像光学系を適用することも可能である。

本発明は、以下のように構成してもよい。
分光エリプソメータであって、
薄膜が形成された基板に偏光光を入射させるための照明光学系と、
前記基板からの反射光を受光するための受光素子と、を備え、
前記基板からの反射光の光束を、導入平面ミラーを介して、凹面主鏡、凸面副鏡、前記凹面主鏡の順番で反射させた後、引き出し平面ミラーを介して、前記受光素子の受光面に結像させることのできる等倍反射型結像光学系を備えることを特徴とする分光エリプソメータ。

１０ 分光エリプソメータ
２０ 照明光学系
２２ ロッドレンズ
２４ コンデンサレンズ
２６ アパーチャ絞り
２８ コリメータレンズ
３０ 受光素子
４０ 結像光学系（等倍反射型結像光学系）
４２ 導入平面ミラー
４４ 主鏡
４６ 副鏡
４８ 引き出し平面ミラー

Claims (4)

1. 物体の物体面に光を入射させるための照明光学系と、前記物体面からの反射光を受光するための受光素子と、前記受光素子の受光面に前記物体面からの反射光を結像させるための結像光学系と、を備える計測装置であって、
   前記結像光学系は、導入平面ミラー、凹面主鏡、凸面副鏡、及び引き出し平面ミラーを含み、前記物体面からの反射光の光束を、前記導入平面ミラーを介して、前記凹面主鏡、前記凸面副鏡、前記凹面主鏡の順番で反射させた後、前記引き出し平面ミラーを介して、前記受光素子の受光面に結像させることのできる等倍反射型結像光学系で構成されており、
   前記物体面及び前記受光面が、それぞれの面に入射する光の光軸に対して傾斜していることを特徴とする、計測装置。
2. 前記物体面の垂線が、前記照明光学系からの入射光の光軸に対して４５〜７０度傾斜しており、
   前記受光面の垂線が、前記物体面からの反射光の光軸に対して４５〜７０度傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
3. 前記照明光学系は、ロッドレンズとコンデンサレンズとアパーチャ絞りとコリメータレンズを有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の計測装置。
4. 分光エリプソメータ、欠陥検出装置、または反射率測定器であることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の計測装置。