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JP7633137B2 - Ellipsometer and semiconductor device inspection device - Google Patents
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Description

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。 The present invention relates to an ellipsometer and an inspection device for semiconductor devices.

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。 Since Aspnes et al. made automatic measurement possible in 1975, ellipsometry has significantly reduced measurement time and improved accuracy, and spectroscopic ellipsometry, which measures using multiple wavelengths, has also been put to practical use. Since then, it has been widely used in semiconductor manufacturing processes, taking advantage of its ability to measure dimensions such as film thickness and optical constants such as refractive index with high precision in non-destructive measurements of thin films and fine structures. Even today, it is used as an OCD (Optical Critical Dimension) measuring device to measure the dimensions of fine structures with line widths of circuit patterns on wafers of 10 nm or less, complementing length-measuring SEMs (Scanning Electron-beam Microscopes) and AFMs (Atomic Force Microscopes).

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。 Over the past decade, semiconductor circuit structures have become more three-dimensional and complex, such as FinFET (Fin Field-Effect Transistor) in logic semiconductors and 3D-NAND in memory. Many OCDs use spectroscopic ellipsometry as their measurement principle, and in order to determine the dimensions of the semiconductor circuit structure being measured and the optical constants of the constituent materials, a model is created, and the dimensions and optical constants of the measurement target are treated as floating parameters, and the model is fitted to the measurement results to obtain a solution. Therefore, as the structure of the target becomes more complex, the number of floating parameters increases. For example, current OCD measurements of FinFETs require the use of around 20-30 floating parameters. In ellipsometry, two values, Ψ and Δ, are generally obtained as the ellipsometry coefficients, which are the measurement results, but both the ellipsometry coefficients Ψ and Δ are wavelength dependent. For this reason, in the case of spectroscopic ellipsometry, the ellipsometry coefficients Ψ and Δ can be written as Ψ(λ) and Δ(λ).

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。 In order to find the solution for the dimension, it is necessary at a minimum to measure and obtain a number of ellipsometry coefficients Ψ and Δ that is greater than the number of floating parameters in order to fit the model. However, when there are a large number of floating parameters, a problem occurs in which the fitting converges to a combination of floating parameters that is different from the actual dimension. This is a problem called coupling, and to avoid this, it is effective to measure and fit ellipsometry coefficients Ψ and Δ that have different dependencies on the floating parameters. Therefore, it is desirable to perform ellipsometry measurements at different angles of incidence and orientations of incidence in addition to wavelengths, and to use ellipsometry coefficients Ψ and Δ that have more different dependencies on the floating parameters for fitting the model.

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。 In terms of measurement sensitivity, the Brewster angle, at which the reflectance of P-polarized light is zero for the illumination light on a semiconductor wafer, provides the highest measurement sensitivity. For this reason, ellipsometry measurements are often performed using the Brewster angle as the angle of incidence. This angle of incidence corresponds to approximately 60° to 75° in semiconductor circuit structures. When performing measurements with such oblique incidence, spectroscopic ellipsometry measurements are often performed using an oblique incidence optical system specialized for a single angle of incidence and orientation. However, to avoid the coupling problem mentioned above, there is a growing demand for optical systems that can accommodate multiple angles of incidence and orientations of incidence.

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。 To meet this demand, if the optical system or semiconductor wafer were moved for each measurement, the measurement time would be extremely long. Therefore, an objective lens with a large NA, such as the Brewster angle mentioned above, is used to simultaneously introduce measurement light from a wide range of incident angles and orientations. Then, the reflected light from the semiconductor wafer is guided onto the exit pupil of the objective lens to perform ellipsometry measurement. This combination of the pupil image measurement optical system and ellipsometry measurement is ideal. However, even in this case, in a configuration that combines a rotating compensator and a rotating analyzer, which are common ellipsometry measurement methods, the measurement time for each wavelength is more than one second due to the limitations of the pupil image transfer speed. Furthermore, if spectroscopic ellipsometry measurement is performed using illumination light with more than 100 wavelengths, the measurement time becomes unrealistic for an OCD measurement device in the semiconductor manufacturing process.

特開2021-085698号公報JP 2021-085698 A 米国特許第5596411号明細書U.S. Pat. No. 5,596,411 米国特許第7616323号明細書U.S. Pat. No. 7,616,323 米国特許第5953137号明細書U.S. Pat. No. 5,953,137 米国特許第6856384号明細書U.S. Pat. No. 6,856,384 特開昭62-197706号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 197706/1986 特開2010-002846号公報JP 2010-002846 A 特開2000-331927号公報JP 2000-331927 A 特開2003-279854号公報JP 2003-279854 A

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。 Ellipsometers used in OCD measurement devices in semiconductor manufacturing processes typically require a measurement time of one to several seconds to measure one point. Due to the time allocated for measurement, usually only a few to several dozen points on the wafer can be measured, and partial changes in film thickness or line width on the wafer may be overlooked, resulting in a decrease in yield. The main reasons for this include the need for a large number of measurement points synchronized with modulation by rotating compensators and phase modulation elements, the need to measure the amount of light split into each wavelength by a dispersive element such as a diffraction grating with a high S/N ratio in the case of spectroscopic measurement, and the need to measure while switching between several types of polarization states in the illumination light in the case of Mueller matrix ellipsometry.

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。 On the other hand, in order to increase the number of measurement points within a wafer and shorten the time required for ellipsometry measurements, it is necessary to increase the speed of moving parts such as rotating compensators. However, stability and heat generation are bottlenecks, making it difficult to improve the throughput of ellipsometry coefficient measurements for OCD measurements, etc.

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。 Figure 1 is a block diagram illustrating an ellipsometer according to a comparative example. As shown in Figure 1, the comparative example ellipsometer 101 described in Patent Document 1 was devised to solve the above-mentioned problems, and uses a Nomarski prism 131 to cause two orthogonal polarized components to interfere on an image detector 142. An analyzer 143 then finds Ψ and Δ from the amplitude and phase of the generated interference fringes. This method is expected to realize high throughput in the semiconductor manufacturing process, and to put into practical use OCD devices that are highly stable due to the lack of moving parts.

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。 The illumination optical system 110 includes a light source 111, a spectroscope 112, a fiber 113, an illumination lens 114, a polarizer 115, a beam splitter 116, and an objective lens 117, and illuminates the sample 50 with illumination light L1. The light collecting optical system 120 includes an objective lens 117, a beam splitter 116, and relay lenses 121 and 122, and collects reflected light R1 reflected by the sample 50. The polarizing optical element 130 includes a Nomarski prism 131, and the light receiving optical system 140 includes an analyzer 141, an image detector 142, and an analysis device 143.

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。 This method can obtain Ψ and Δ from a single image without obtaining the Stokes parameters that are common in ellipsometry measurements. This makes the measurement efficient, and by combining it with a high-speed spectrometer, spectroscopic ellipsometry is also possible. By applying this measurement principle to pupil image measurement using a large NA objective lens 117, it is possible to simultaneously obtain ellipsometry information for multiple angles of incidence and orientations of incidence, achieving ideal performance as a measurement device for semiconductor manufacturing.

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。 Figure 2 is a diagram illustrating interference fringes on an image detector 142 according to a comparative example. In Figure 2, a graph is shown in which the horizontal axis represents the position of the image detector 142 and the vertical axis represents the intensity of light forming the interference fringes, corresponding to the interference fringes. As shown in Figure 2, the ellipsometer 101 of the comparative example forms vertical interference fringes on the image detector 142, for example, by interfering with X-polarized light and Y-polarized light. On the vertical line passing through the center of the image detector 142, the difference in optical path length between X-polarized light and Y-polarized light is zero. If the wavelength width is wide, the contrast of the interference fringes on both sides decreases.

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。 As described above, because partially coherent light is used as the illumination light L1, if the number of interference fringes formed on the pupil is increased, the contrast of the interference fringes will decrease in the left and right regions where the optical path length difference between the two interfering polarization components is large, as shown in Figure 2. The phenomenon in which the contrast of the interference fringes decreases in regions where the optical path length difference is large means that there is an upper limit to the number of usable interference fringes.

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。 Figure 3 is a diagram illustrating interference fringes when the wavelength width is the same for long-, medium-, and short-wavelength illumination light in a comparative example. As shown in Figure 3, when the wavelength width is the same, the number of interference fringes is greater for short wavelengths, so the contrast of the interference fringes is lower for shorter wavelengths. To avoid this problem, it is necessary to reduce the polarization separation angle of the Nomarski prism 131 or narrow the wavelength width when measuring at short wavelengths. However, in the former case, the fringe spacing becomes wider, especially on the long-wavelength side, and the measurement resolution on the pupil decreases. In the latter case, a side effect occurs in which the amount of light at short wavelengths is reduced.

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。 The present invention has been made to solve these problems, and provides an ellipsometer and semiconductor device inspection device that can improve the throughput of measuring the ellipsometry coefficients Ψ and Δ by suppressing the decrease in resolution caused by the widening of the fringe spacing and the decrease in light quantity caused by narrowing the wavelength width of the spectrometer, even when measurements are made using a combination of a light source with a wide wavelength range and a spectrometer.

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。 Linearly polarized light is passed through the objective lens to simultaneously illuminate the measurement sample from multiple angles and orientations of incidence, and the light reflected by the measurement sample is made incident on the objective lens, passes through a relay lens and a polarizing optical element, and is then received by an image detector positioned at the pupil conjugate position of the objective lens.

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。 The polarization analysis section is composed of at least two uniaxial birefringent crystals (e.g., magnesium fluoride) and a linear polarizer. The uniaxial birefringent crystals are combined so that the crystal optical axes are perpendicular to each other and to the optical axis, and the light that is reflected by the sample is separated into two polarized components in the radial direction centered on the optical axis.

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。 These uniaxial birefringent crystals are spherical, with at least one side being convex or concave, and have no refractive power when two are combined. The two polarized light components separated by the crystal through a linear polarizer (analyzer) located just before the image detector interfere with each other on the image detector, forming concentric interference fringes. The contrast and phase information of the resulting interference fringe image are processed to determine the ellipsometry measurement results Ψ and Δ.

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。 The ellipsometer of one embodiment includes a polarizing optical element unit that separates two polarized components with mutually orthogonal polarization directions of the reflected light, which is generated when illumination light containing at least one of linearly polarized light, circularly polarized light, and elliptically polarized light is reflected off the measurement surface of the sample, into a radial direction centered on the optical axis of the optical system of the reflected light; an analyzer unit that transmits components of the two polarized components with directions different from the polarization directions, causing interference to form concentric interference fringes; an image detector that detects the interference fringes; and an analyzer that calculates the ellipsometry coefficients Ψ and Δ from the detected interference fringes.

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。 In one embodiment, the ellipsometer includes a polarizing optical element that separates the reflected light, which is illumination light including linear polarization and is reflected by the measurement surface of the sample, into two linearly polarized components with mutually orthogonal polarization directions, an analyzer that transmits the two linearly polarized components in directions different from the polarization directions, causing them to interfere with each other and form interference fringes, an image detector that detects the interference fringes, and an analyzer that calculates the ellipsometry coefficients Ψ and Δ from the detected interference fringes, and the fringe pitch of the interference fringes has the same value for multiple wavelengths of the illumination light.

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。 Furthermore, in one embodiment, a semiconductor device inspection device includes the above-mentioned ellipsometer.

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。 The present invention provides an ellipsometer and semiconductor device inspection device that can improve the throughput of measuring the ellipsometry coefficients Ψ and Δ.

比較例に係るエリプソメータを例示した構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram illustrating an ellipsometer according to a comparative example. 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。11 is a diagram illustrating interference fringes on an image detector according to a comparative example. 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。11 is a diagram illustrating interference fringes when long-wavelength, medium-wavelength, and short-wavelength illumination light have the same wavelength width according to a comparative example. 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。1 is a configuration diagram illustrating an ellipsometer according to a first embodiment. 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。4 is a diagram illustrating linearly polarized light transmitted through an analyzer unit in the ellipsometer according to the first embodiment. FIG. 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。4 is a diagram illustrating an example of interference fringes of reflected light that has interfered on an image detector in the ellipsometer according to the first embodiment. FIG. 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。5A to 5C are diagrams illustrating a method of analyzing interference fringes of reflected light that has interfered on the image detector according to the first embodiment. 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。5A to 5C are diagrams illustrating a method of analyzing interference fringes of reflected light that has interfered on the image detector according to the first embodiment. 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。5A to 5C are diagrams illustrating a method of analyzing interference fringes of reflected light that has interfered on the image detector according to the first embodiment. 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。5 is a diagram illustrating interference fringes of reflected light that has interfered on an image detector in the ellipsometers according to the first embodiment and the comparative example. FIG. 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。1 is a perspective view illustrating an example of the arrangement of an illumination optical system, a light collecting optical system, and a pupil plane according to a first embodiment. 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。4 is a diagram illustrating an example of the relationship between the position on the pupil plane and the angle and direction of incidence of light on a sample according to the first embodiment. FIG. 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。FIG. 13 is a configuration diagram illustrating an inspection device for a semiconductor device according to a modified example of the first embodiment. 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。FIG. 11 is a configuration diagram illustrating an ellipsometer according to a second embodiment. 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。11 is a diagram illustrating interference fringes of reflected light, radial polarization, and azimuth polarization that have interfered on an image detector in the ellipsometer according to the second embodiment. FIG. 実施形態2に係る偏光光学素子部を例示した図である。11A and 11B are diagrams illustrating a polarizing optical element section according to a second embodiment. 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。FIG. 11 is a configuration diagram illustrating an ellipsometer according to a third embodiment. 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。13 is a diagram illustrating interference fringes of reflected light, radial polarization, and azimuth polarization that have interfered on an image detector in the ellipsometer according to the third embodiment. FIG. 実施形態3に係る偏光光学素子部を例示した図である。13A and 13B are diagrams illustrating a polarizing optical element portion according to a third embodiment. 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。13 is a diagram illustrating a polarizing optical element portion according to a first modified example of the third embodiment. FIG. 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。13 is a diagram illustrating a polarizing optical element portion according to Modification 2 of Embodiment 3. FIG. 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。13 is a diagram illustrating a polarizing optical element portion according to Modification 3 of Embodiment 3. FIG. 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。13 is a diagram illustrating a polarizing optical element portion according to a fourth modified example of the third embodiment. FIG. 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。FIG. 11 is a configuration diagram illustrating an ellipsometer according to a fourth embodiment. 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。13 is a diagram illustrating an example of interference fringes of reflected light, X-polarized light, and Y-polarized light that have interfered on an image detector in the ellipsometer according to the fourth embodiment. FIG. 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。1 is a graph illustrating the wavelength dependence of birefringence in each material of a birefringent crystal, where the horizontal axis indicates wavelength and the vertical axis indicates birefringence. 実施形態4に係る偏光光学素子を例示した図である。11A and 11B are diagrams illustrating a polarizing optical element according to a fourth embodiment.

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。 For clarity of explanation, the following description and drawings have been omitted and simplified as appropriate. In addition, the same elements in each drawing are given the same reference numerals, and duplicate explanations have been omitted as necessary.

(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。
(Embodiment 1)
An ellipsometer according to the embodiment 1 will be described. Fig. 4 is a configuration diagram illustrating the ellipsometer according to the embodiment 1. As shown in Fig. 4, the ellipsometer 1 includes an illumination optical system 10, a focusing optical system 20, a polarizing optical element unit 30, and a light receiving optical system 40. The ellipsometer 1 receives reflected light R1 that is illumination light L1 reflected by a sample 50, and obtains ellipsometry coefficients Ψ and Δ.

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。 The illumination optical system 10 illuminates the sample 50 with illumination light L1 that includes linearly polarized light. The illumination optical system 10 includes a light source 11, a spectrometer 12, a fiber 13, an illumination lens 14, a polarizer unit 15, a beam splitter 16, and an objective lens 17.

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。 The light source 11 generates illumination light L1. The illumination light L1 generated by the light source 11 may include light of a wide band of wavelengths. The illumination light L1 is, for example, white light. Note that the illumination light L1 generated by the light source 11 is not limited to white light, and may be monochromatic light having a specific wavelength or light having a specific wavelength range. The illumination light L1 generated by the light source 11 is incident on the spectroscope 12.

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。 The spectroscope 12 extracts and emits light of a specific wavelength range from the incident illumination light L1. For example, the spectroscope 12 emits light with a central wavelength of 400 nm and a wavelength range of 10 nm. The illumination light L1 emitted from the spectroscope 12 enters the fiber 13.

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。 The fiber 13 is a cable-like light-guiding member having one end and the other end. The illumination light L1 that is incident on one end of the fiber 13 is emitted from the other end of the fiber 13. The illumination light L1 that is emitted from the other end of the fiber 13 is incident on the illumination lens 14.

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。 The illumination lens 14 is, for example, a convex lens. The illumination lens 14 changes the angular distribution of the incident illumination light L1 and irradiates the illumination light L1 onto the polarizer unit 15. For example, the illumination lens 14 converts the illumination light L1 emitted from the other end of the fiber 13 into parallel light. The parallel illumination light L1 is then incident on the polarizer unit 15.

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。 The polarizer unit 15 receives the illumination light L1 generated by the light source 11. The polarizer unit 15 includes, for example, a linear polarizer H1 that generates linearly polarized light. Thus, the polarizer unit 15 transmits the illumination light L1 that includes linearly polarized light in one direction. For example, the polarizer unit 15 outputs the linearly polarized illumination light L1, whose polarization direction is tilted 45° with respect to the paper surface, to the beam splitter 16.

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。 The beam splitter 16 reflects a portion of the incident illumination light L1 and transmits a portion of it. The beam splitter 16 reflects a portion of the incident illumination light L1 toward the objective lens 17. The illumination light L1 reflected by the beam splitter 16 is incident on the objective lens 17.

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。 The objective lens 17 illuminates the sample 50 with illumination light L1 that includes linearly polarized light. The objective lens 17 focuses the illumination light L1 reflected by the beam splitter 16 into a point shape to illuminate the sample 50. The objective lens 17 has an NA. The objective lens 17 illuminates the sample 50 from all angles and all directions within the NA. It is desirable for the NA of the objective lens to be equal to or greater than a value that includes the Brewster's angle with respect to the sample 50 (e.g., 0.95).

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。 The objective lens 17 transmits the illumination light L1 and also transmits the reflected light R1 that is reflected from the measurement surface of the sample 50. In the ellipsometer 1 of this embodiment, the optical axis C of the illumination light L1 that is incident on the sample 50 and the optical axis C of the reflected light R1 that is reflected from the sample 50 are perpendicular to the measurement surface of the sample 50.

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。 Here, for ease of explanation of the ellipsometer 1, an XYZ orthogonal coordinate system is introduced. The Z-axis direction is defined as the optical axis C. The two directions that are perpendicular to the Z-axis direction and perpendicular to each other are defined as the X-axis direction and the Y-axis direction.

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。 The illumination light L1 that illuminates the sample 50 contains linearly polarized light in one direction. Such illumination light L1 containing linearly polarized light in one direction is incident on the measurement surface of the sample 50 while being focused. Therefore, if the illumination light L1 is fully polarized and linearly polarized, and the optical axis C is perpendicular to the measurement surface of the sample 50, the illumination light L1 will have both P-polarized and S-polarized portions depending on the direction of incidence on the measurement surface. The P-polarized portion of the illumination light L1 is reflected as P-polarized light. The S-polarized portion of the illumination light L1 is reflected as S-polarized light.

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。 The focusing optical system 20 focuses the reflected light R1 of the illumination light L1 reflected by the sample 50. The focusing optical system 20 includes an objective lens 17, a beam splitter 16, and relay lenses 21 and 22. The objective lens 17 is a component of the illumination optical system 10 and also a component of the focusing optical system 20. The reflected light R1 reflected by the sample 50 passes through a pupil position 23 of the objective lens 17. The pupil position 23 is re-imaged on the image detector 42 by the relay lenses 21 and 22. In this way, the focusing optical system 20 images the exit pupil of the objective lens 17 on the image detector 42. The objective lens 17 transmits the reflected light R1 of the illumination light L1 reflected by the sample 50, and causes it to enter the beam splitter 16.

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。 The beam splitter 16 transmits a portion of the incident reflected light R1. For example, the reflected light R1 that transmits through the beam splitter 16 is incident on the relay lens 21.

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。 The relay lens 21 focuses the reflected light R1 that has passed through the beam splitter 16, forms an image, and then causes it to enter the relay lens 22. The relay lens 22 transmits the incident reflected light R1 and causes it to enter the polarizing optical element unit 30.

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。 The polarizing optical element unit 30 separates two linearly polarized components having mutually orthogonal polarization directions from the reflected light R1, which is the result of the illumination light L1 containing linear polarization being reflected by the measurement surface of the sample 50, into a radial direction centered on the optical axis C of the focusing optical system 20 of the reflected light R1. The polarizing optical element unit 30 includes, for example, a Wollaston lens. The polarizing optical element unit 30 may include a plurality of Wollaston lenses W10 and Wollaston lenses W20. The Wollaston lens W10 includes two birefringent crystals W11 and W12. The Wollaston lens W20 includes two birefringent crystals W21 and W22.

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。 The birefringent crystal W11 includes a uniaxial birefringent crystal. The birefringent crystal W11 has a plane entrance surface and a concave spherical exit surface. The birefringent crystal W11 has a crystal optical axis in the X-axis direction. The birefringent crystal W12 includes a uniaxial birefringent crystal. The birefringent crystal W12 has a convex spherical entrance surface and a plane exit surface. The birefringent crystal W12 has a crystal optical axis in the Y-axis direction. Thus, the Wollaston lens W10 includes two uniaxial birefringent crystals having spherical shapes that fit together. The crystal optical axes of the uniaxial birefringent crystals of the Wollaston lens W10 are perpendicular to the optical axis C of the focusing optical system 20 and perpendicular to each other.

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。 The birefringent crystal W21 includes a uniaxial birefringent crystal. The birefringent crystal W21 has a planar entrance surface and a concave spherical exit surface. The birefringent crystal W21 has a crystal optical axis in the Y-axis direction. The birefringent crystal W22 includes a uniaxial birefringent crystal. The birefringent crystal W22 has a convex spherical entrance surface and a planar exit surface. The birefringent crystal W22 has a crystal optical axis in the X-axis direction. Thus, the Wollaston lens W20 includes two uniaxial birefringent crystals having spherical shapes that fit together. The crystal optical axes of the uniaxial birefringent crystals of the Wollaston lens W20 are perpendicular to the optical axis C of the focusing optical system 20 and perpendicular to each other.

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。 Each of the birefringent crystals W11, W12, W21, and W22 may contain any of the following materials: quartz, magnesium fluoride, sapphire, calcite, and αBBO. In the polarizing optical element section 30, the Wollaston lens W10 and the Wollaston lens W20 have a refractive power of 0. Therefore, the polarizing optical element section 30 does not need to focus or diffuse the reflected light R1.

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。 In the Wollaston lens W10, the crystal optical axis of the birefringent crystal W11 and the crystal optical axis of the birefringent crystal W12 are arranged so that they are perpendicular to each other and orthogonal to the optical axis C. For example, the crystal optical axis of the birefringent crystal W11 is in the X-axis direction, and the crystal optical axis of the birefringent crystal W12 is in the Y-axis direction. As a result, the two mutually perpendicular polarized lights (X-polarized light and Y-polarized light in FIG. 1) are radially separated from the optical axis C and travel in different directions. For example, the X-polarized light is separated outward, farther from the optical axis C than the Y-polarized light. The Y-polarized light is separated inward, closer to the optical axis C than the X-polarized light.

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。 The polarizing optical element section 30 further includes another pair of Wollaston lenses W20. In the Wollaston lens W20, the crystal optical axis of the birefringent crystal W21 and the crystal optical axis of the birefringent crystal W22 are arranged so as to be perpendicular to each other and perpendicular to the optical axis C. However, in the Wollaston lens W20, the crystal optical axis of each birefringent crystal is opposite to the crystal optical axis of each birefringent crystal of the Wollaston lens W10. For example, the crystal optical axis of the birefringent crystal W21 is in the Y-axis direction, and the crystal optical axis of the birefringent crystal W22 is in the X-axis direction. As a result, the two pairs of Wollaston lenses W10 and W20 are designed in terms of their arrangement and curvature radius so that they separate the respective polarized lights in opposite directions and the two polarized lights are again at the same point on the image detector 42. Therefore, the two polarized components of the reflected light R1 transmitted through the polarizing optical element section 30 and the analyzer section 41 are detected at the same point on the image detector 42.

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。 The light receiving optical system 40 receives the reflected light R1 and calculates the ellipsometry coefficients Ψ and Δ. The light receiving optical system 40 has an analyzer section 41, an image detector 42, and an analyzer 43. The analyzer section 41 includes, for example, a linear polarizer H2 that transmits a linearly polarized component in a predetermined direction.

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。 5 is a diagram illustrating linearly polarized light passing through the analyzer unit 41 in the ellipsometer 1 according to the first embodiment. As shown in FIG. 5, the analyzer unit 41 transmits linearly polarized light components in the X-direction polarization direction and the Y-direction polarization direction separated by the polarizing optical element unit 30 and inclined by 45 degrees. Thus, the analyzer unit 41 transmits the polarized light component inclined by 45 degrees from the X-direction among linearly polarized light having the X-direction polarization direction. The analyzer unit 41 also transmits the polarized light component inclined by 45 degrees from the Y-direction among linearly polarized light having the Y-direction polarization direction. In this way, the analyzer unit 41, such as the linear polarizer H2, is also arranged between the Wollaston lens W20 and the image detector 42. The transmission axis direction of this linear polarizer H2 is arranged in an orientation that is midway (45 degrees) between the optical axes of the two uniaxial birefringent crystals that form the Wollaston lenses W10 and W20. Therefore, the analyzer unit 41 transmits the components of the two mutually orthogonal polarized light segments with directions different from each other, causing them to interfere with each other and form concentric interference fringes. In other words, the two polarized light segments are transmitted through the analyzer unit 41 and are emitted as polarized light components polarized in the same direction (a direction tilted by 45 degrees), causing them to interfere with each other.

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。 The image detector 42 receives the incident reflected light R1. The image detector 42 is disposed at a pupil conjugate position 24 that is conjugate with the pupil position 23 of the objective lens 17. The reflected light R1 contains polarization components in the same direction of two linearly polarized lights that are orthogonal to each other. Therefore, the reflected light R1 interferes on the image detector 42. As a result, concentric interference fringes are formed on the image detector 42. The image detector 42 detects the interference fringes of each polarization component that has passed through the analyzer section 41.

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。 Figure 6 is a diagram illustrating interference fringes of reflected light that has interfered on the image detector 42 in the ellipsometer 1 according to the first embodiment. As shown in Figure 6, the interference fringes on the image detector 42 are concentric. In this embodiment, such concentric interference fringes are called Wollaston lens interference fringes. Wollaston lens interference fringes are formed by the interference of X-polarized light and Y-polarized light. In the Wollaston lens interference fringes, the fringe spacing is large near the center, and the fringe spacing is small at the edge of the pupil corresponding to the light incident at the Brewster angle. The Wollaston lens interference fringes have a circular shape in the peripheral region of the image detector 42, with positions where the optical path length difference between X-polarized light and Y-polarized light is 0.

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。 7 to 9 are diagrams illustrating a method for analyzing the interference fringes of the reflected light R1 that has interfered on the image detector 42 according to the first embodiment. As shown in FIG. 7, the analysis device 43 acquires an image detected on the image detector 42. The analysis device 43 then converts the acquired image including the point-symmetric concentric interference fringes into polar coordinates so that the center of the concentric circle becomes the origin of the coordinate system. Next, the analysis device 43 expresses the image after the coordinate conversion in two-dimensional coordinates with the radius (radius vector) and azimuth (deflection angle) of the polar coordinate system as axes. The analysis device 43 performs a two-dimensional Fourier transform on the plane of the two-dimensional coordinates, and trims the converted frequency space image into DC and AC components.

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。 Next, as shown in FIG. 8, the analysis device 43 performs an inverse Fourier transform on the DC component after shifting the peak position to the coordinate origin. Also, as shown in FIG. 9, the analysis device 43 performs an inverse Fourier transform on the AC component after shifting the peak position to the coordinate origin. The analysis device 43 further obtains an AC component (amplitude) which is an amplitude component and an AC component (phase) which is a phase component from the AC component. The obtained AC component (phase) directly corresponds to Δ of the ellipsometry measurement. Ψ of the ellipsometry measurement is expressed by the following formula (1). Here, DC indicates the DC component, and AC amplitude indicates the AC component (amplitude). In this way, the analysis device 43 calculates the ellipsometry coefficients Ψ and Δ from the detected interference fringes based on the result of the inverse Fourier transform.

Ψ=tan-1[DC/AC振幅±√{(DC/AC振幅)-1}] (1) Ψ=tan -1 [DC/AC amplitude ±√{(DC/AC amplitude) 2 -1}] (1)

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。 Next, the effect of this embodiment will be described. FIG. 10 is a diagram illustrating interference fringes of reflected light R1 that has interfered on the image detector 42 in the ellipsometers 1 and 101 according to the first embodiment and the comparative example. As shown in FIG. 10, the ellipsometers 1 and 101 that use interference fringes use light that is partially coherent in time and space for measurement. Therefore, in places where the optical path length difference between the two interfering polarized lights becomes large, the contrast of the interference fringes is significantly reduced. Therefore, there is an upper limit to the number of interference fringes formed in the pupil that depends on the wavelength width and the field of view.

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。 As shown in FIG. 10, in order to compare the concentric interference fringes formed by the ellipsometer 1 of this embodiment with the interference fringes formed by the ellipsometer 101 of the comparative example, for example, the number of fringes is the same for both, about five. In this case, the interference fringes of the comparative example are equally spaced within the pupil. In contrast, the interference fringes of this embodiment are sparse near the center and dense near the periphery. Also, the width containing the same five interference fringes is the pupil diameter in the comparative example, whereas it is the pupil radius in this embodiment. Therefore, in the ellipsometer 1 of this embodiment, the interference fringes can be arranged twice as densely as in the ellipsometer 101 of the comparative example. In particular, the interference fringes can be formed several to ten times denser near the periphery of the pupil.

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。 Here, we consider the importance of the pupil in ellipsometry measurement. FIG. 11 is a perspective view illustrating the arrangement of the illumination optical system 10, the focusing optical system 20, and the pupil plane according to the first embodiment. It is a diagram illustrating the relationship between the position on the pupil plane and the angle and direction of incidence of light on the sample 50. Light that is perpendicular to the sample 50 reaches the vicinity of the center of the pupil. On the other hand, light that is incident on the sample 50 at a large angle of incidence reaches the vicinity of the periphery of the sample 50. In ellipsometry measurement, the latter oblique incidence light is more important. In particular, ellipsometry measurement using illumination light L1 with an incidence angle of 60° to 75°, near the Brewster angle, is the most sensitive. In addition, illumination light L1 with such an incidence angle has a large incidence angle dependency and incidence direction dependency, so it can be measured with high resolution.

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。 Figure 12 is a diagram illustrating the relationship between the position on the pupil plane and the angle and direction of incidence of light on the sample 50 in the first embodiment. NA = 0.95, which is the upper limit of the NA of a typical objective lens 17, corresponds to an angle of incidence of 72°, which almost includes the Brewster angle. NA = 0.7 corresponds to an angle of incidence of 45°. The ellipsometer 1 of this embodiment can form dense interference fringes near the more important periphery on the pupil. Therefore, it has a very significant advantage, for example, in high-precision measurements in semiconductor manufacturing.

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。 In this way, the ellipsometer 1 of this embodiment has a unique measurement principle in which Ψ and Δ are calculated from concentric interference fringes formed by two different polarized lights. In particular, when performing spectroscopic ellipsometry measurement by combining a broadband light source with a spectrometer, it is possible to improve the resolution on the pupil and increase the amount of light, which is expected to shorten the measurement time. This makes it possible to improve measurement accuracy and throughput.

(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。
(Modification)
Next, a modified example of the first embodiment will be described. This modified example is an example in which the above-mentioned ellipsometer 1 is applied to an inspection device for a semiconductor device. FIG. 13 is a configuration diagram illustrating an inspection device for a semiconductor device according to a modified example of the first embodiment. As shown in FIG. 13, the inspection device 1A includes an ellipsometer 1, a base 80, an isolator 81, an optical surface plate 82, a stage 83, a wafer holder 84, a frame 85, an environmental chamber 86, a temperature controller unit 87, and an automatic substrate transport device 88. The ellipsometer 1 includes a light source 11, a spectroscope 12, an illumination optical system 10, a focusing optical system 20, a polarizing optical element unit 30, and a light receiving optical system 40.

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。 The base 80 is a base. The isolator 81 provided on the base 80 isolates vibrations from the floor surface. The optical surface plate 82 is provided on the isolator 81. The stage 83 and the frame 85 are arranged on the optical surface plate 82. The stage 83 is placed on the sample 50, such as a Si wafer attached to a wafer holder 84. The frame 85 fixes the optical system. The environmental chamber 86 isolates some components of the ellipsometer 1, such as the base 80, the isolator 81, the optical surface plate 82, the stage 83, the wafer holder 84, the frame 85, etc., from the external environment. The temperature controller unit 87 maintains the inside of the environmental chamber 86 at a predetermined temperature. The automatic substrate transport device 88 transports the sample 50.

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。 The analysis device 43 of the ellipsometer 1 captures images from an image detector 42 such as a camera and processes the ellipsometry measurement. The analysis device 43 may include a control unit 91 such as a computer, a grabber board 92 that captures and processes images from the image detector 42, a stage controller 93 that controls a stage 83 on which the sample 50 is mounted, and a light source/spectroscope controller 94 that controls the light source 11 and the spectrometer 12.

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。 The semiconductor device inspection device 1A of this modified example is equipped with the ellipsometer 1 described above. This improves the measurement accuracy in semiconductor device inspection and increases throughput. For example, in CD measurement and overlay evaluation in the semiconductor manufacturing process, measurements were previously only taken at a few points within a single wafer, but it is now possible to perform distribution evaluation within shots, chips, and memory cells on a wafer. This contributes to improved yield and productivity in the manufacture of semiconductor devices, and also leads to reduced costs for semiconductor devices. Other configurations and effects are included in the description of embodiment 1.

(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。
(Embodiment 2)
Next, an ellipsometer according to the second embodiment will be described. The ellipsometer of this embodiment uses illumination light L1 including circularly polarized light. FIG. 14 is a configuration diagram illustrating an ellipsometer according to the second embodiment. As shown in FIG. 14, the ellipsometer 2 of this embodiment has a polarizer unit 18 instead of the polarizer unit 15. The polarizer unit 18 includes a circular polarizer that generates circularly polarized light that rotates left or right around the optical axis of the illumination light L1. The circular polarizer includes a linear polarizer H1 and a λ/4 wave plate H3.

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。 In addition, the ellipsometer 2 of this embodiment has an analyzer section 44 instead of the analyzer section 41. The analyzer section 44 includes a circular polarizer that transmits a circularly polarized light component that rotates either left or right. The circular polarizer includes a linear polarizer H2 and a λ/4 wave plate H4.

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。 Furthermore, the ellipsometer 2 of this embodiment has a polarizing optical element section 31 instead of the polarizing optical element section 30. The polarizing optical element section 31 includes a birefringent crystal F1. The birefringent crystal F1 is arranged in a position in the focusing optical system 20 where the reflected light R1 is focused or diffused. For example, the birefringent crystal F1 is arranged in a position where the reflected light R1 is diffused between the relay lens 21 and the relay lens 22. The birefringent crystal F1 has a parallel plate shape. Therefore, the birefringent crystal F1 has two parallel plate surfaces. The birefringent crystal F1 is a uniaxial birefringent crystal. The crystal optical axis of the birefringent crystal F1 is arranged in a direction perpendicular to the plate surface. The birefringent crystal F1 is arranged so that the plate surface is perpendicular to the optical axis. Therefore, the crystal optical axis of the birefringent crystal F1 is parallel to the optical axis C of the focusing optical system 20. The birefringent crystal F1 includes, for example, αBBO as a material. The birefringent crystal F1 may include any of quartz, magnesium fluoride, sapphire, and calcite.

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。 In the ellipsometer 2 of this embodiment, the illumination light L1 converted to parallel light by the illumination lens 14 passes through the linear polarizer H1 and contains linearly polarized light. The illumination light L1 containing linearly polarized light then passes through the λ/4 wavelength plate H3 to become illumination light L1 containing circularly polarized light. Note that the illumination light L1 may also contain elliptically polarized light.

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。 The illumination light L1 passes through the objective lens 17 via the beam splitter 16. This allows the sample 50 to be illuminated from all angles and all directions within the NA of the objective lens 17. In this case, it is desirable for the NA of the objective lens 17 to be equal to or greater than a value that includes the Brewster angle of the sample 50.

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。 The reflected light R1 reflected by the sample 50 contains radially polarized light and azimuthally polarized light. The reflected light R1 passes through the pupil position 23 of the objective lens 17. The pupil conjugate position 24, which is conjugate with the pupil position 23, is imaged on the image detector 42 by the relay lenses 21 and 22.

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。 Figure 15 is a diagram illustrating the interference fringes, radial polarization, and azimuth polarization of the reflected light R1 that interfere on the image detector 42 in the ellipsometer 2 according to the second embodiment. As shown in Figure 15, consider the action of the radial polarization and azimuth polarization contained in the reflected light R1 when they pass through the birefringent crystal F1. First, the azimuth polarization is always perpendicular to the crystal optical axis of the birefringent crystal F1. Therefore, the azimuth polarization is ordinary light. On the other hand, the polarization direction of the radial polarization is inclined with respect to the optical axis C except for the optical axis C. Therefore, it includes extraordinary light in which the crystal optical axis of the birefringent crystal F1 is parallel to the electric field.

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。 Figure 16 is a diagram illustrating a polarizing optical element unit 31 according to embodiment 2. In Figure 16, the linear polarizer H2 and λ/4 wave plate H4 of the analyzer unit 44 are omitted in order to explain the propagation state of radial polarization and azimuth polarization. As shown in Figure 16, in the polarizing optical element unit 31 of this embodiment, the radial polarization and azimuth polarization transmitted through the birefringent crystal F1 have relatively different propagation directions and phases due to the difference in refractive index. That is, the radial polarization containing extraordinary light spreads out in a direction away from the optical axis C more than the azimuth polarization containing ordinary light. On the other hand, after transmitting through the birefringent crystal F1, the radial polarization and azimuth polarization shift parallel to each other and proceed.

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。 After passing through the relay lens 22, the radial polarization and the azimuth polarization return to the same point on the image detector 42 (on the pupil). It is important to note that the phase difference between the two polarizations is also delayed by different amounts. On the optical axis C, the radial polarization and the azimuth polarization have the same phase, but the phase differs as they approach the periphery of the image detector 42 (on the pupil).

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。 Between the image detector 42 and the relay lens 22, an analyzer section 44 including a λ/4 wave plate H4 and a linear polarizer H2 is disposed. The analyzer section 44 transmits only the common polarization components of the radial polarized light and the azimuth polarized light. As a result, the radial polarized light and the azimuth polarized light transmitted through the analyzer section 44 become interferable and form concentric interference fringes on the image detector 42. Here, the radial polarized light corresponds to the P polarized light on the sample 50 such as a semiconductor wafer, and the azimuth polarized light corresponds to the S polarized light on the sample 50. Therefore, the ellipsometer 2 of this embodiment is configured to enable ellipsometric measurement of the P polarized light and the S polarized light in all directions, and can perform highly sensitive measurement independent of the structure of the measurement target due to its symmetry. Other configurations and effects are included in the description of the first embodiment and the modified examples.

(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。
(Embodiment 3)
Next, an ellipsometer according to embodiment 3 will be described. In the above-mentioned embodiment 2, the position where the optical path length difference between radial polarized light and azimuth polarized light is zero is on the optical axis C of the focusing optical system 20. In contrast, in this embodiment, the position where the optical path length difference between radial polarized light and azimuth polarized light is zero is arranged more peripherally on the pupil. This allows the number of interference fringes to be densely measured.

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。 Figure 17 is a configuration diagram illustrating an ellipsometer according to the third embodiment. As shown in Figure 17, the ellipsometer 3 of this embodiment has a polarizing optical element section 32 instead of the polarizing optical element section 31. The polarizing optical element section 32 includes a birefringent crystal F2 in addition to the birefringent crystal F1. The birefringent crystal F2 is arranged between the relay lens 22 and the analyzer section 44. The birefringent crystal F2 is a plate having an incident surface and an exit surface, and the incident surface has a concave conical shape and the exit surface has a convex conical shape. The birefringent crystal F2 has a double-sided axicon lens shape, so to speak. The birefringent crystal F2 includes a uniaxial birefringent crystal. The crystal optical axis of the birefringent crystal F2 is parallel to the optical axis C of the focusing optical system 20.

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n(以下、nで示す。)<異常光の屈折率n(以下、nで示す。)、及び、n>n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(n>n)であれば、複屈折結晶F2は、正結晶(n<n)である。複屈折結晶F1が正結晶(n<n)であれば、複屈折結晶F2は、負結晶(n>n)である。 The birefringent crystal F2 has a birefringence opposite to that of the birefringent crystal F1. Specifically, the birefringent crystal F1 and the birefringent crystal F2 have mutually opposite birefringence, that is, the refractive index of ordinary light n 0 (hereinafter referred to as n 0 )<the refractive index of extraordinary light n e (hereinafter referred to as n e ), and n 0 >n e . For example, if the birefringent crystal F1 is a negative crystal (n 0 >n e ), the birefringent crystal F2 is a positive crystal (n 0 <n e ). If the birefringent crystal F1 is a positive crystal (n 0 <n e ), the birefringent crystal F2 is a negative crystal (n 0 >n e ).

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。 Figure 18 is a diagram illustrating the interference fringes of the reflected light, radial polarization, and azimuth polarization that have interfered on the image detector 42 in the ellipsometer 3 according to the third embodiment. Figure 19 is a diagram illustrating the polarizing optical element unit 32 according to the third embodiment. As shown in Figures 18 and 19, by adding a birefringent crystal F2 to the birefringent crystal F1, the position of the optical path length difference of 0 between the radial polarization and the azimuth polarization on the image detector 42 can be moved to a position outside the optical axis C. Note that in Figure 19, the linear polarizer H2 and the λ/4 wave plate H4 of the analyzer unit 44 are omitted in order to explain the propagation state of the radial polarization and the azimuth polarization.

(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。
(Modifications 1 to 4)
Next, modified examples 1 to 4 of embodiment 3 will be described. Figures 20 to 23 are diagrams illustrating polarizing optical element units 33 to 36 according to modified examples 1 to 4 of embodiment 3. As shown in Figures 20 to 23, even if the polarizing optical element units 33 to 36 have a configuration different from that of the polarizing optical element unit 32, concentric interference fringes of radial polarized light and azimuth polarized light can be formed on the image detector 42 by the same principle as that of the polarizing optical element unit 32.

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。 20, the polarizing optical element section 33 of the modified example 1 includes a birefringent crystal F1 and a birefringent crystal F3. Specifically, the polarizing optical element section 33 of the modified example 1 has the configuration of the polarizing optical element section 32 of the embodiment 3, in which the birefringent crystal F2 is omitted and the birefringent crystal F3 is disposed between the birefringent crystal F1 and the relay lens 22. Thus, the birefringent crystal F3 is disposed in an area where the reflected light R1 of the focusing optical system 20 is focused or diffused. The birefringent crystal F3 includes a uniaxial birefringent crystal having a parallel plate shape. The birefringent crystal F3 has two parallel plate surfaces. The crystal optical axis of the birefringent crystal F3 is perpendicular to the plate surface. The birefringent crystal F3 is disposed so that the plate surface is perpendicular to the optical axis C of the focusing optical system 20. The crystal optical axis of the birefringent crystal F3 is parallel to the optical axis C.

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、n<n及びn>n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(n>n)であれば、複屈折結晶F3は、正結晶(n<n)である。複屈折結晶F1が正結晶(n<n)であれば、複屈折結晶F3は、負結晶(n>n)である。 The birefringent crystal F3 has a birefringence opposite to that of the birefringent crystal F1. Specifically, the birefringent crystal F1 and the birefringent crystal F3 have mutually opposite birefringences of n 0 <n e and n 0 >n e . For example, if the birefringent crystal F1 is a negative crystal (n 0 >n e ), the birefringent crystal F3 is a positive crystal (n 0 <n e ). If the birefringent crystal F1 is a positive crystal (n 0 <n e ), the birefringent crystal F3 is a negative crystal (n 0 >n e ).

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。 21, the polarizing optical element unit 34 of the modified example 2 includes a birefringent crystal F2 having a double-sided axicon lens shape and a birefringent crystal F4 having a meniscus lens shape. Specifically, the polarizing optical element unit 34 of the modified example 2 includes a birefringent crystal F4 arranged between the relay lens 21 and the relay lens 22 instead of the birefringent crystal F1 in the configuration of the polarizing optical element unit 32 of the embodiment 3. Thus, the birefringent crystal F4 is arranged in the area where the reflected light R1 of the focusing optical system 20 is focused or diffused. The birefringent crystal F4 has an entrance surface and an exit surface. The birefringent crystal F4 has a concave spherical entrance surface and a convex spherical exit surface. The birefringent crystal F4 includes a uniaxial birefringent crystal. The crystal optical axis of the birefringent crystal F4 is arranged to be parallel to the optical axis C of the focusing optical system 20.

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、n<n及びn>n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(n>n)であれば、複屈折結晶F4は、正結晶(n<n)である。複屈折結晶F2が正結晶(n<n)であれば、複屈折結晶F4は、負結晶(n>n)である。 The birefringent crystal F4 has a birefringence opposite to that of the birefringent crystal F2. Specifically, the birefringent crystal F2 and the birefringent crystal F4 have mutually opposite birefringences of n 0 <n e and n 0 >n e . For example, if the birefringent crystal F2 is a negative crystal (n 0 >n e ), the birefringent crystal F4 is a positive crystal (n 0 <n e ). If the birefringent crystal F2 is a positive crystal (n 0 <n e ), the birefringent crystal F4 is a negative crystal (n 0 >n e ).

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。 As shown in FIG. 22, the polarizing optical element section 35 of the modified example 3 includes a birefringent crystal F1, a birefringent crystal F5, and axicon lenses 25 and 26. Specifically, the polarizing optical element section 35 of the modified example 3 has a configuration in which a parallel plate-shaped birefringent crystal F5 is sandwiched between concave and convex axicon lenses 25 and 26 instead of the birefringent crystal F2 having a double-sided axicon lens shape in the configuration of the embodiment 3. The birefringent crystal F5 includes a uniaxial birefringent crystal having a parallel plate shape. The birefringent crystal F5 has two parallel plate surfaces. The crystal optical axis of the birefringent crystal F5 is perpendicular to the plate surfaces. The birefringent crystal F5 is arranged so that the plate surfaces are perpendicular to the optical axis C of the focusing optical system 20. The crystal optical axis of the birefringent crystal F5 is parallel to the optical axis C.

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。 The axicon lens 25 is disposed between the relay lens 22 and the birefringent crystal F5. Therefore, the axicon lens 25 is disposed on the incident surface side of the birefringent crystal F5. The axicon lens 25 includes, for example, glass as a material. The axicon lens 25 has a concave conical incident surface and a flat exit surface.

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。 The axicon lens 26 is disposed between the birefringent crystal F5 and the analyzer section 44. Therefore, the axicon lens 26 is disposed on the exit surface side of the birefringent crystal F5. The axicon lens 26 includes, for example, glass as a material. The axicon lens 26 has a flat entrance surface and a convex conical exit surface.

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、n<n及びn>n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(n>n)であれば、複屈折結晶F5は、正結晶(n<n)である。複屈折結晶F1が正結晶(n<n)であれば、複屈折結晶F5は、負結晶(n>n)である。 The birefringent crystal F5 has a birefringence opposite to that of the birefringent crystal F1. Specifically, the birefringent crystal F1 and the birefringent crystal F5 have mutually opposite birefringences of n 0 <n e and n 0 >n e . For example, if the birefringent crystal F1 is a negative crystal (n 0 >n e ), the birefringent crystal F5 is a positive crystal (n 0 <n e ). If the birefringent crystal F1 is a positive crystal (n 0 <n e ), the birefringent crystal F5 is a negative crystal (n 0 >n e ).

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。 23, the polarizing optical element section 36 of the modified example 4 includes a birefringent crystal F2, a birefringent crystal F6, and a birefringent crystal F7. Specifically, the polarizing optical element section 36 of the modified example 4 includes a birefringent crystal F6 and a birefringent crystal F7 instead of the birefringent crystal F1 in the configuration of the embodiment 3. Therefore, the birefringent crystal F6 and the birefringent crystal F7 are arranged in the area where the reflected light R1 of the focusing optical system 20 is focused or diffused. The birefringent crystal F6 and the birefringent crystal F7 include a uniaxial birefringent crystal having a parallel plate shape. The birefringent crystal F6 and the birefringent crystal F7 each have two parallel plate surfaces. The crystal optical axis of the birefringent crystal F6 and the crystal optical axis of the birefringent crystal F7 are parallel to the plate surfaces. The birefringent crystal F6 and the birefringent crystal F7 are arranged so that the plate surfaces are perpendicular to the optical axis C of the focusing optical system 20. The crystal optical axis of the birefringent crystal F6 and the crystal optical axis of the birefringent crystal F7 are perpendicular to the optical axis C of the focusing optical system 20 and are mutually perpendicular.

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、n<n及びn>n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(n>n)であれば、複屈折結晶F2は、正結晶(n<n)である。複屈折結晶F6及び複屈折結晶F7が正結晶(n<n)であれば、複屈折結晶F2は、負結晶(n>n)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、n<n、及び、n>n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。 The birefringent crystal F6 and the birefringent crystal F7 have birefringence opposite to that of the birefringent crystal F2. Specifically, the birefringent crystal F6 and the birefringent crystal F7 and the birefringent crystal F2 have birefringence opposite to each other, n 0 <n e and n 0 >n e . For example, if the birefringent crystal F6 and the birefringent crystal F7 are negative crystals (n 0 >n e ), the birefringent crystal F2 is a positive crystal (n 0 <n e ). If the birefringent crystal F6 and the birefringent crystal F7 are positive crystals (n 0 <n e ), the birefringent crystal F2 is a negative crystal (n 0 >n e ). Thus, in the third embodiment and the first to fourth modifications, the polarizing optical element units 32 to 36 include birefringent crystals having birefringence opposite to each other, n 0 <n e and n 0 >n e . Other configurations and effects are included in the descriptions of the first and second embodiments and the modified examples.

(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、n<nである正の複屈折性を有する1軸性複屈折結晶と、n>n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。
(Embodiment 4)
Next, an ellipsometer according to the fourth embodiment will be described. FIG. 24 is a configuration diagram illustrating an ellipsometer according to the fourth embodiment. As shown in FIG. 24, in the ellipsometer 4, the polarizer section 15 includes a linear polarizer H1, and the analyzer section 41 includes a linear polarizer H2. The polarizing optical element section 37 includes Nomarski prisms 131 and 132. The polarizing optical element section 37 includes a Nomarski prism 131 including a uniaxial birefringent crystal having positive birefringence where n 0 <n e and a uniaxial birefringent crystal having negative birefringence where n 0 >n e , and a Nomarski prism 132 including a uniaxial birefringent crystal having positive birefringence and a uniaxial birefringent crystal having negative birefringence. Thus, the polarization optical element 37 separates the reflected light R1, which is the illumination light L1 including linear polarization and reflected by the measurement surface of the sample 50, into two linearly polarized components with mutually orthogonal linear polarization directions. The analyzer 41 transmits the two linearly polarized components in directions different from the polarization directions, causing them to interfere with each other and form interference fringes. The image detector 42 detects the interference fringes. The analyzer 43 calculates the ellipsometry coefficients Ψ and Δ from the detected interference fringes.

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。 25 is a diagram illustrating the interference fringes of the reflected light R1 that interferes on the image detector 42, and the X-polarized light and the Y-polarized light in the ellipsometer 4 according to the fourth embodiment. FIG. 25 also shows the interference fringes of the reflected light R1 that interferes on the image detector 142 in the ellipsometer 101 of the comparative example. Unlike the first to third embodiments, the ellipsometer 4 of this embodiment forms the interference fringes of the X-polarized light and the Y-polarized light in a one-dimensional vertical stripe on the pupil. However, by using two or more types of crystals with different birefringence, the separation angle of the two polarized lights is changed for each wavelength. More specifically, the Nomarski prisms 131 and 132 are arranged so that the separation angle of the two polarized lights just before the image detector 42 is larger on the long wavelength side and smaller on the short wavelength side. Therefore, in this embodiment, by including the achromatic Nomarski prism 132, it is possible to suppress the decrease in contrast at both ends in the X-axis direction compared to the comparative example. In this way, the change in the interval between the interference fringes due to the difference in wavelength is reduced. Therefore, even when using a broadband light source for measurements, it is possible to narrow the spacing between interference fringes and widen the wavelength width compared to previous methods.

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、(n-n)/{(n+n)/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(MgF)、サファイア(Al)、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。 Fig. 26 is a graph illustrating the wavelength dependency of birefringence in each material of birefringent crystal, where the horizontal axis indicates wavelength and the vertical axis indicates birefringence. In Fig. 26, the value of (n 0 -n e )/{(n 0 +n e )/2} is normalized to 1 when the wavelength is 400 nm, and the wavelength dependency of the polarization separation angle is shown when a Nomarski prism is made of each material of αBBO, quartz, magnesium fluoride (MgF 2 ), sapphire (Al 2 O 3 ), and calcite (Calcit). As shown in Fig. 26, magnesium fluoride has a relatively small wavelength dependency of the polarization separation angle, and calcite has a large wavelength dependency of the polarization separation angle. The fringe pitch of the interference fringes is the same value for multiple wavelengths of illumination light.

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。 Figure 27 is a diagram illustrating the polarizing optical element section 37 according to embodiment 4. As shown in Figure 27, if the Nomarski prism 132 is made of calcite and the Nomarski prism 131 is made of magnesium fluoride, the polarization separation angle just before the image detector 42 will be large on the long wavelength side and small on the short wavelength side. By designing in this way, it is possible to reduce the wavelength dependency of the spacing between interference fringes. Other configurations and effects are included in the descriptions of embodiments 1 to 3 and the modified examples.

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。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be modified as appropriate without departing from the spirit of the present invention. For example, the configurations of embodiments 1 to 4 and each of the modified examples can be combined with each other. In addition, semiconductor device inspection devices equipped with the ellipsometers of embodiments 1 to 4 and each of the modified examples are also included in the technical concept of the present embodiments.

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
Reference Signs List 1, 2, 3, 4 Ellipsometer 1A Inspection device 10 Illumination optical system 11 Light source 12 Spectroscope 13 Fiber 14 Illumination lens 15, 18 Polarizer section 16 Beam splitter 17 Objective lens 20 Condensing optical system 21, 22 Relay lens 23 Pupil position 24 Pupil conjugate position 25, 26 Axicon lens 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37 Polarizing optical element section 40 Light receiving optical system 41, 44 Analyzer section 42 Image detector 43 Analysis device 50 Sample 80 Base 81 Isolator 82 Optical surface plate 83 Stage 84 Wafer holder 85 Frame 86 Environmental chamber 87 Temperature controller unit 88 Automatic substrate transport device 91 Control section 92 Grabber board 93 Stage controller 94 Light source/spectroscope controller 101 Ellipsometer 110 Illumination optical system 111 Light source 112 Spectrometer 113 Fiber 114 Illumination lens 115 Polarizer 116 Beam splitter 117 Objective lens 120 Light collecting optical system 121, 122 Relay lens 130 Polarizing optical elements 131, 132 Nomarski prism 140 Light receiving optical system 141 Analyzer 142 Image detector 143 Analysis device C Optical axis H1, H2 Linear polarizer H3, H4 λ/4 wave plates F1, F2 Birefringent crystal L1 Illumination light R1 Reflected light W10, W20 Wollaston lens

Claims (20)

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。
a polarizing optical element unit that separates two polarized components having mutually orthogonal polarization directions of reflected light, which is obtained by reflecting illumination light including at least one of linearly polarized light, circularly polarized light, and elliptically polarized light off a measurement surface of a sample, into radial directions centered on an optical axis of an optical system of the reflected light;
an analyzer unit that transmits components of the two polarized components in directions different from the polarization directions of the two polarized components, thereby causing interference and forming concentric interference fringes;
an image detector for detecting the interference fringes;
an analyzer for calculating ellipsometry coefficients Ψ and Δ from the detected interference fringes;
An ellipsometer equipped with
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。
A light source that generates the illumination light;
a polarizer unit to which the illumination light generated by the light source is incident and which transmits the illumination light including at least one of the linearly polarized light, the circularly polarized light, and the elliptically polarized light;
an objective lens that transmits the illumination light and transmits the reflected light that is reflected by the measurement surface of the sample from the illumination light;
a focusing optical system for imaging an exit pupil of the objective lens onto the image detector;
10. The ellipsometer of claim 1 further comprising:
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。
The polarizer unit includes a linear polarizer that generates linearly polarized light,
The analyzer unit includes a linear polarizer that transmits a linearly polarized component in a predetermined direction.
3. The ellipsometer of claim 2.
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。
the polarizer unit includes a circular polarizer that generates circularly polarized light that rotates left or right around an optical axis of the illumination light,
The analyzer unit includes a circular polarizer that transmits a circularly polarized component that rotates either left or right.
3. The ellipsometer of claim 2.
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。
Each of the circular polarizers includes a linear polarizer and a λ/4 wave plate.
5. The ellipsometer of claim 4.
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。
the polarizing optical element portion includes a Wollaston lens,
The Wollaston lens includes two uniaxial birefringent crystals having interdigitated spherical shapes;
The crystal optical axis of each of the uniaxial birefringent crystals is perpendicular to the optical axis of the optical system and perpendicular to each other.
4. The ellipsometer of claim 3.
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。
The polarizing optical element portion further includes another Wollaston lens,
the two polarized components of the reflected light transmitted through the polarizing optical element unit and the analyzer unit are detected at the same point on the image detector;
7. The ellipsometer of claim 6.
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。
the polarization optical element unit includes a first birefringent crystal having a parallel plate shape arranged at a position in the optical system where the reflected light is condensed or diffused,
the first birefringent crystal is a uniaxial birefringent crystal,
The crystal optical axis of the first birefringent crystal is parallel to the optical axis of the optical system.
6. An ellipsometer according to claim 4 or 5.
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。
The polarizing optical element unit is
a first birefringent crystal having a parallel plate shape arranged at a position in the optical system where the reflected light is focused or diffused;
a second birefringent crystal having a concave conical entrance surface and a convex conical exit surface;
Including,
the first birefringent crystal and the second birefringent crystal are uniaxial birefringent crystals,
a crystal optical axis of the first birefringent crystal and a crystal optical axis of the second birefringent crystal are parallel to an optical axis of the optical system;
6. An ellipsometer according to claim 4 or 5.
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。
The polarizing optical element unit is
a first birefringent crystal having a parallel plate shape arranged at a position in the optical system where the reflected light is focused or diffused;
a third birefringent crystal having a parallel plate shape arranged at a position in the optical system where the reflected light is focused or diffused;
Including,
the first birefringent crystal and the third birefringent crystal are uniaxial birefringent crystals,
a crystal optical axis of the first birefringent crystal and a crystal optical axis of the third birefringent crystal are parallel to an optical axis of the optical system;
6. An ellipsometer according to claim 4 or 5.
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。
The polarizing optical element unit is
a fourth birefringent crystal that is disposed in the optical system at a position where the reflected light is condensed or diffused, the fourth birefringent crystal having an incident surface that is a concave spherical shape and an exit surface that is a convex spherical shape;
a second birefringent crystal having a concave conical entrance surface and a convex conical exit surface;
Including,
the second birefringent crystal and the fourth birefringent crystal are uniaxial birefringent crystals,
a crystal optical axis of the second birefringent crystal and a crystal optical axis of the fourth birefringent crystal are parallel to an optical axis of the optical system;
6. An ellipsometer according to claim 4 or 5.
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。
The polarizing optical element unit is
a first birefringent crystal having a parallel plate shape arranged at a position in the optical system where the reflected light is focused or diffused;
a fifth birefringent crystal having the parallel plate shape;
a first glass substrate disposed on the incident surface side of the fifth birefringent crystal, the first glass substrate having an incident surface in a concave conical shape and an exit surface in a planar shape;
a second glass substrate disposed on the exit surface side of the fifth birefringent crystal, the second glass substrate having an entrance surface in a planar shape and an exit surface in a convex cone shape;
Including,
the first birefringent crystal and the fifth birefringent crystal are uniaxial birefringent crystals,
The crystal optical axis of the first birefringent crystal and the crystal optical axis of the fifth birefringent crystal are parallel to the optical axis of the optical system.
6. An ellipsometer according to claim 4 or 5.
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。
The polarizing optical element unit is
a sixth birefringent crystal having a parallel plate shape and arranged at a position in the optical system where the reflected light is focused or diffused;
a seventh birefringent crystal having a parallel plate shape and arranged at a position in the optical system where the reflected light is focused or diffused;
a second birefringent crystal having a concave conical entrance surface and a convex conical exit surface;
Including,
the second birefringent crystal, the sixth birefringent crystal, and the seventh birefringent crystal are uniaxial birefringent crystals;
a crystal optical axis of the second birefringent crystal is parallel to an optical axis of the optical system;
The crystal optical axis of the sixth birefringent crystal and the crystal optical axis of the seventh birefringent crystal are perpendicular to the optical axis of the optical system and perpendicular to each other.
6. An ellipsometer according to claim 4 or 5.
前記偏光光学素子部は、常光の屈折率n<異常光の屈折率n、及び、通常光の屈折率n>異常光の屈折率n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。
The polarization optical element unit includes the birefringent crystal having mutually opposite birefringence, that is, a refractive index n 0 of ordinary light is smaller than a refractive index n e of extraordinary light, and a refractive index n 0 of ordinary light is larger than a refractive index n e of extraordinary light.
The ellipsometer according to any one of claims 9 to 13.
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。
a polarization optical element unit that separates the reflected light, which is illumination light including linear polarization and is reflected by a measurement surface of a sample, into two linearly polarized components having polarization directions perpendicular to each other;
an analyzer unit that transmits the two linearly polarized components in directions different from the polarization directions, causes them to interfere with each other, and forms interference fringes;
an image detector for detecting the interference fringes;
an analyzer for calculating ellipsometry coefficients Ψ and Δ from the detected interference fringes;
Equipped with
the fringe pitch of the interference fringes is the same for a plurality of wavelengths of the illumination light;
Ellipsometer.
前記偏光光学素子部は、
常光の屈折率n<異常光の屈折率n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n>異常光の屈折率n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。
The polarizing optical element unit is
A first Nomarski prism including a uniaxial birefringent crystal having positive birefringence, where the refractive index of ordinary light is n0 < the refractive index of extraordinary light, n2 , and a uniaxial birefringent crystal having negative birefringence, where the refractive index of ordinary light is n0 > the refractive index of extraordinary light, n2,
a second Nomarski prism including the uniaxial birefringent crystal having the positive birefringence and the uniaxial birefringent crystal having the negative birefringence;
Including,
16. The ellipsometer of claim 15.
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。
the first Nomarski prism and the second Nomarski prism are arranged such that a separation angle of the two polarized lights immediately before the image detector is large on the long wavelength side and small on the short wavelength side;
17. The ellipsometer of claim 16.
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。
The birefringent crystal includes any one of quartz, magnesium fluoride, sapphire, calcite, and αBBO;
The ellipsometer according to any one of claims 6 to 14 and 16 to 17.
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。
The analysis device includes:
The image including the concentric interference fringes is transformed into polar coordinates so that the center of the concentric circle becomes the coordinate origin;
A two-dimensional Fourier transform is performed on a two-dimensional coordinate plane having the radius and the deviation angle of the polar coordinates as axes;
In the frequency space image after the two-dimensional Fourier transform, a DC component and an AC component are separated and trimmed;
Ψ and Δ are calculated based on the results of the inverse Fourier transform of the trimmed area.
The ellipsometer according to any one of claims 1 to 14.
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。
An ellipsometer comprising the ellipsometer according to any one of claims 1 to 19.
Inspection equipment for semiconductor devices.
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